从幻想走向现实的全息技术

余重秀

从经典的《星球大战》到《钢铁侠》，立体全息影像在很多科幻电影中以特效的形式呈现给观众。影片中的人物可以跟在空气中形成的三维影像进行交流互动，不仅带来了震撼的视觉效果，也引发了人们对未来技术的憧憬。那么电影当中的这种技术距离我们的现实生活到底有多远呢？

全息摄影的奥秘

全息，顾名思义指自然界的人或物的散射或发射光的全部信息（包括光波的振幅和相位信息）。全息摄影则是一种真正意义上的三维成像技术，普通摄影只能记录光某个方向的强度（或振幅）信息，而全息摄影利用了光的干涉和衍射原理，不仅能够记录光的强度，还能记录光从哪里发出，朝哪个方向发射的信息（即相位信息）。从不同的角度去观看全息照片，看到的图像内容是不一样的，跟观看真实物体的感受一样。因此，全息摄影是发展成为三维立体显示非常有效的方法之一。

普通摄影术基于透镜成像原理，在自然环境下即能拍摄成像。而全息摄影术需要利用特殊的光源（一般采用激光），记录物体发出的散射光。记录的时候将激光束分为两束，一束直接投射到记录介质上，称为参考光束;另一束光束投射到目标物体上，经过物体表面的散射作用形成物光束。让物光束投射在记录介质的同一区域上，它与参考光束在记录介质上产生干涉叠加，形成干涉条纹，再经过处理之后，就得到一张全息照片。

再现物体像的时候，需要用一束激光照射到全息照片上。当这束激光的波长和传播方向与参考光束完全一样时，就还原了物体原来的光场。我们从不同角度观看，可以观看到物体的不同侧面，就跟看到真实的物体一样。

全息摄影的记录材质也与普通摄影不同。传统光学全息采用卤化银、重铬酸盐明胶和光致抗蚀剂等制成感光胶片来记录全息图，全息图需要经过后续的显影、定影、漂洗、烘干等处理，显得烦琐而费时。近些年来，出现了光导热塑料、光致聚合物、光折变晶体等新型光敏材料，不仅能省去繁琐的化学处理，而且存储信息的容量和衍射效率得以提高。

更加便利的数字全息技术

全息照片实质上是一种干涉图样，利用数字技术可以在计算机中模拟出光场的干涉、衍射过程，直接“计算”出这种干涉图样，于是在20世纪60年代末形成了数字全息技术。这种技术既可以免去严苛的光学记录实验环境，又能模拟实际上并不存在的各种物体，故具有明显的简易性与灵活性。数字全息技术把光学与电子学技术有效地结合在一起，发挥其各自的优势，展现出新的发展前景。

第一代全息照片需要使用激光记录和再现出原始的三维物体像。第二代全息照片只需要使用激光记录，而用白光再现立体像，放宽了观看全息照片的条件，如反射全息、像面全息、彩虹全息、模压全息等就是这样。数字全息技术用光敏电子成像器件（如电荷耦合器件CCD）代替感光材料，能够更加方便、快捷地记录全息图。数字全息图是采用光调制器件（如空间光调制器SLM）或在计算机中来模拟全息图的光学再现过程的，再现一张全息图时，从不同角度可以看到物体不同的侧面或者颜色的变化。

“打不碎”的全息照片

全息照片有一个非常有趣的现象，即照片的碎片可再现完整的物体图像，并不会因为照片的破碎而失去像的完整性。普通摄影中，物体跟普通照片是点对点的对应关系，普通照片上一个小区域（或像素）只记录了一个物点发出的一个方向的强度信息。但在全息摄影中，由于全息照片的特殊记录方法，物体跟全息照片是点对体积的对应关系，全息照片上的每个像素都记录了物体上各点发出的光线信息。

全息技术的各种应用

全息技术已在人们的生活、文化教育、生产实践和科学研究中发挥着重要作用。利用全息照片的艺术性和可观赏性，产生了全息艺术品、全息商标、全息邮票、全息博物馆，利用全息图的高科技特点产生了全息防伪，用于商品、钱币、证件等防伪。近年来又在发展全息电视、全息电影等三维立体显示技术。在世界各地都有各种各样的全息产品和应用。

1987年，我国发行了一枚全息邮折，这一年是丁卯年（兔年），在四方连邮折上有三只小兔子的全息立体照片。从不同的角度观看，可以看到小兔子的正面、侧面等不同的影像，确实可以用栩栩如生来形容了。

2010年4月21日，美国财政部和联邦储备局共同发布了发行新版100美元的设计方案，他们采用全息防伪技术，在美钞上设置了安全线。

全息博物馆，顾名思义是用全息照片代替实物在博物馆内展览。目前，美国、英国等国家的一些城市就有全息博物馆，他们把一些稀世珍宝拍成全息照片，以减少文物损坏、被盗等安全隐患。

全息投影技术目前在产品展览、发布会、舞台节目、酒吧娱乐等场合得到了较为广泛的应用，它还能对虚拟的景物成像，成为虚拟成像技术之一。利用这种技术可以产生立体的空中幻像，还可以使幻像与表演者产生互动，形成一种共同表演的错觉，产生令人震撼的演出效果。

全息技术的进一步发展

1948年，英籍匈牙利科学家盖博发明了全息术，之后它的发展已经历了半个多世纪，相继产生了多种全息，如透射全息、反射透射、像面全息、彩虹全息、白光再现全息、真彩色全息、动态全息、计算全息、数字全息等等，它的实现技术也越来越多、越来越成熟。全息立体显示走出了实验室，已经服务于人类社会。

近年来，全息技术在大尺寸、高分辨率、真彩色、实时动态等关键技术上取得了一些突破。麻省理工学院空间成像研究组成功研制了三款全息立体视频显示系统，能够以每秒20帧的速率显示真彩色立体全息视频。德国SeeReal技术公司研发了20英寸的单色立体全息显示装置。英国QinetiQ公司利用超级计算机，通过计算的方式得到计算全息图，实现高分辨率的全息立体显示。

由于全息摄影术的实验条件严格，而数字全息术受计算机速率与显示载体的限制，立体全息视频在走向千家万户的实用方面仍然差强人意，于是“伪全息”等裸眼立体显示技术应运而生。与全息显示在空间中再现物体的实像不同，“伪全息”主要模仿人眼立体视觉原理使观众感知到物体的立体感。立体视觉原理是指人的双眼在观看同一场景时，由于左右眼之间存在一定间距，左右眼视网膜上的成像来自于不同视角，左右视点图像之间存在着细微的差异。大脑皮层通过对两幅图像进行融合，提取出场景中的深度信息，从而感受到立体效果。目前裸眼立体显示已经能达到较高的分辨率，正在逐步走向大众。

智能全息投影仪走进日常生活

2014年底，一款名为Bleen的智能全息投影仪研发成功，科幻电影中天马行空的想象似乎真的变为了现实。Bleen的外形像是一颗蛋，重5.5千克。它能直接在其上方的空中投射出3D影像，这种360°的投影具有光影和空间质量的实感，十分生动逼真，影像最高可达到2.5米。除了投影能力外，Bleen还配备有动态传感器和光传感器等，可以探测环境或动作的变化，并根据这些变化实时地改变投射、变幻的内容。这种全息投影不需要戴上任何3D眼镜，就能观赏，人们甚至还能与投射的人物角色产生互动。在家里配备这样一款全息投影仪，是不是很酷呢？