你真的知道全息术什么意思吗？可千万别用错了
撰稿 | 凝光
自2009年3D电影《阿凡达》上映以来，3D显现的概念被越来越多的人所熟知，各种科幻电影中呈现的那些似乎漂浮在空中的形象，常被不露锋芒称为“全息显现”。
十多年过去了，全息显现的概念在国内被广泛的传达，尤其是在2015年春晚舞台上， 4个李宇春同台呈现的场景更是令观众形象深入。
因为全息显现充溢科技感，许多商家在宣扬通明显现和3D显现的相关技能的时分都会加上一个“全息”的概念来招引眼球。可是，你真的了解“全息”吗？那些看似炫酷的“全息显现”作用是怎么完成的呢？
图1：全息艺术作用图
其实，全息的概念从被提出至今现已有70多年的开展前史，跟着全息从学术界逐步“出圈”，不可避免的发生了一些概念上的混杂和误解。许多人并没有意识到，全息技能早就使用在不露锋芒的日常日子中，它们就藏在你的身份证、人民币、以及各种防伪标签中。
此外，现在全息技能开展至今，类型越来越多，乃至许多从事全息相关职业的人，也会“犯模糊”，呈现一些表述上的过错。因而，为了向群众科普全息的正确概念，一起纠正全息相关职业人员的过错表述，寻觅一个遍及、正确且全面的全息术界说是有意义的。
根据此，来自美国加州MetroLaser公司的联合创始人以及研讨总监James D. Trolinger以“The language of holography”为题在 Light: Advanced Manufacturing 上宣布了总述文章。
这篇文章调查了“全息术（holography）”这个专业名词的来历和开展进程，从简略被一般群众了解的视点解说了全息术的界说，一起指出了全息显现开展进程中在概念上的混杂和表述过错。
全息的概念最早不能自制追溯到1947年，英国物理学家Dennis Gabor为了进步电子显微镜的分辨率提出了全息术，其时宣布的论文标题是“Microscopy by Reconstructed Wave-fronts”，即波前重建的显微术。Gabor给它命名为“全息术”，意思是包含光波的悉数信息。可是，因为其时激光器还没有面世，Gabor的全息术研讨被逼放置。直到1956年，Emmett Leith、Juris Upatnieks和Yuri Denisyuk在不了解Gabor前期研讨工作的状况下，创造了新式的全息术，处理了遭到的约束问题。之后，伴跟着激光器的面世，全息技能取得了爆发式的开展，并成功的使用于显现、成像、存储、丈量、光束控制等多个范畴，成为现代光学范畴的一个重要分支。
Yuri Denisyuk曾将全息术简略描绘为物体的“光学等价物”，可是这种等价物的界说相同难以被一般人所了解。直到Adolph Lohman对光学全息术作出如下描绘：“物体外表宣布的光向前传达，在某处被全息面拦了下来，光被‘冻住’在全息面中。当不露锋芒需求重建物体的像时，只需求恰当的照亮全息面，‘冻住’在全息面上的光波就会被康复，持续向前传达，构成图画，就像光从来没有被‘冻住’相同。”
现在，全息术的类型越来越多，现已不只仅限于传统的光学全息术，还包含声学全息术、数字全息术等等。这篇文章的作者依据全息术的使用型以及重要性，侧重介绍了光学全息术和数字全息术两种类型。
可是，这些全息范畴的先驱者提出的都是光学全息术，而且都是根据必定的光学常识水平，例如光的干与（名词解说>）和衍射（名词解说>），妄图运用这些原理向一般人解说全息简直是不或许的。因而，针对不同的人群，作者也将全息术界说的描绘分为简易版和专业版两个版别。
光学全息术的界说
简易版：参阅Adolph Lohman的描绘，不露锋芒不能自制将光学全息术作为一个不能自制记载光波的“窗口”，物体的光波信息被冻住在窗口上，当不露锋芒对这个“窗口”进行恰当的照明，它上面记载的光波信息就会被冻结，“窗口”似乎被翻开，不露锋芒不能自制经过这个“窗口”观察到后边空间中物体的3D形象，假如这个光学全息术工艺满足精巧，人眼是难以区分出原物体和它的3D形象的。
专业版：光学全息术是运用感光资料记载物体光波和参阅光波的干与图样，在必定的条件下，运用光的衍射现象，不能自制经过参阅光波照耀干与图样重建出原物体光波。
图2：光学全息术的记载与重建进程
数字全息术的界说
简易版：光学全息术这个“窗口”，制作起来十分杂乱，工艺比较繁琐，而且一旦制作成功，不露锋芒经过这个“窗口”所能看到的3D物体形象就被固定了，无法改变，因而，光学全息术就像一个停止的3D国际的窗。而数字全息术得益于核算机的开展，使得“窗口”的制作不再杂乱，而且“窗口”外的3D国际也不能自制发生改变，全部变得生动起来。
专业版：在数字全息术中，被记载信息以数字格局贮存在核算机中。记载进程运用波阵面与数码相机或传感器上的参阅波进行干与，然后将波阵面的信息贮存在相机或核算机中。记载进程的基本要求是，相机的像素有必要满足小。如下图所示，被记载物体被相干光照亮，并与数字传感器上的参阅光波混合，由此生成的干与图样被核算机记载下来。在重建进程，有两种挑选。最常见的是，运用衍射和传达方程对记载的全息面进行核算剖析，不能自制将波阵面传达到虚拟空间的任何平面；然后，该平面的强度信息不能自制呈现在显现器上。经过这种方法，不能自制对重建的图画进行电子扫描并逐面显现。
其实，数字全息术或许近期是开展最快的全息术类型，每年有100多篇新作用宣布。这或许是因为数字全息不需求贵重的激光器、光学设备，所需求的只是一台相对廉价的核算机。该技能使得全息核算的速度和本钱比任何人幻想的都要低。在科学和医学范畴，数字全息术正在彻底改变显微镜。
图3：数字全息术的记载与重建进程
全息术的一般且全面的界说
现在全息术的类型许多，为了找到一个正确的且可用的最佳界说，James D. Trolinger广泛寻求了许多同行的定见。在这些定见中，简直每个人都有自己不同的界说，尽管许多都有失偏颇或不行全面，具有很大的局限性，但大多数的定见都被作者采用并汇总在这篇文章中。从这些形形色色的界说中不能自制看出，现在想要在范畴内对全息术的最佳界说达到一个遍及的一致是一个巨大的应战。近期James D. Trolinger还参加了一个全息范畴内专家的研讨会，仍旧难以得出全息术一致的界说。
即便如此，James D. Trolinger以为，假如存在一个正确的且可用的全息术的最佳界说，那么这个界说应该包含以下几种特征：
全息术包含记载和重建两个进程，其间记载进程不能自制捕获并保存某种波（包含光波、声波、雷达波、微波和x射线波）所需的一切信息（例如振幅和相位），重建进程不能自制精确仿制偏重构原始波的传达。当一个物体的图画是运用全息术重建出来时，它看起来是具有3D作用的。此外，假如这个物体自身具有必定的深度，那么不露锋芒不能自制观察到它的图画的旁边面，且图画存在视差。全息术并不只仅适用于存储和显现3D图画。全息术自身并不是图画，图画也不是全息图。时变波的实时全息术不能自制对改变的波或许共轭波进行接连的记载和重建。并非一切的全息术都是记载在相片或许感光资料上。全息术的记载资料并不受限，许多不同的资料都不能自制使记载的信息贮存满足长的时刻。只需不能自制经过这种资料记载偏重建出原始波，都不能自制作为全息术的记载资料。在数字全息术中，全息记载进程不能自制在核算机中创立、存储、处理和剖析，而不需求运用激光和光学渠道。在数字全息术中，波阵面不能自制在核算机中重建、聚集、滤波、投影以及数值干与，就似乎波阵面在物理空间中传达相同。全息术中记载的信息不能自制存储在一个外表，或许是有体积的记载资料，乃至是核算机中。全息面不能自制存在于空气/气体中（在物理学中也称为四波混合）。全息光学元件（Holographic optical elements, HOE）不能自制代替并完成许多类型的光学元件功用，例如透镜、反射镜和分束镜等。全息术不能自制不运用激光、相干光乃至是任何类型的波来完成。（例如浮雕、蚀刻、核算全息和数字全息）相位共轭镜（Phase conjugate mirror）（名词解说>）也是一种全息术。全息术并不是必定要显现3D图画，运用其它光学技能相同不能自制显现3D图画和作用。全息术使用规模很广，在以下所列出的场景中都不能自制使用：3D显现、信息安全范畴（信用卡、钱银、护照、邮票、门票、文档等）、广告宣扬、肖像画、艺术、干与学、丈量、信息处理（存储、归档和检索）、光学元件、可视化雷达、声呐、超声波、激光雷达、磁共振成像、核算机辅佐断层扫描和3D扫描、压印母版、像差纠正。综上，James D. Trolinger给出了一个不能自制包含整个全息术范畴的一般界说，如下：
全息术首要分为记载和重建两个进程，运用干与衍射原理来记载并存储任何复波信息，包含光波、声波、x射线以及无线电波等，并不能自制精确仿制偏重建原始波的传达进程。
这个界说适用于以下类型的全息术：
白光全息术（White Light Reflection holograms (Denisyuk holograms)）同轴全息术（In-line holograms (Gabor holograms)）离轴全息术（Off-axis holograms (Leith-Upatnieks holograms)）波前组成（Synthetic wavefronts）浮雕全息术（Embossed holograms）全息投影（Cast holograms）图画的全息术（Holograms of photographs）全息光学元件（Holographic optical elements）全息光栅（Holographic gratings）像平面全息术（Image plane holograms）相位共轭镜（Phase conjugate mirrors）实时全息（Real time holograms）数字全息（Digital holograms）核算全息（Computer generated holograms）非全息术的3D显现技能
全息的概念之所以不能自制“出圈”，被群众所知，很大一部分原因是因为全息术在3D显现技能上的使用。当你对身边的朋友说到全息时，他们想到的不是严厉的光学界说，而是曾在某些场景中看到的悬浮在空气中的3D形象。当大部分人都承受了这个设守时，“全息”这个词就被滥用了，只需是有震慑的3D视觉体会的技能都或许被冠以“全息”之名。可是事实是，能完成3D显现的技能有许多种，有些技能乃至早先于全息一个世纪就被创造出来。
下面是一些非全息的3D显现技能的比如，它们常常被误以为是全息术：
立体拍摄和投影（Stereo photography and projection imagery）佩珀尔幻象（Pepper’s ghost images）蝇眼图画（Fly’s eye images）柱透镜图画（Lenticular photographs）光场成像（Light field imaging）虚拟现实（VR)集成立体图画（Integral photographs）以上这些技能在3D显现范畴都很有用，有些作用看起来乃至比全息术还要好，但这些技能或多或少都存在一些约束。而全息术之所以被称为抱负的3D显现技能之一，是因为全息术不能自制重建出3D物体一切的波前信息，然后完美契合人眼视觉特性。
全息的过错表述
可是，全息开展至今，即便是一些从事全息相关职业的人，有时也会对全息中的一些概念发生混杂，然后发生一些过错的表述，而这些过错的表述有些乃至会被全息的专家承受，这就导致了人们了解上的紊乱。下面罗列一些常见的过错表述：
“他是一个全息图”（He is a hologram）：一个人或一个人的形象不或许是全息图，3D形象的作用也大概率不是运用全息的技能完成出来的。“那个图画是全息图”（That image is a hologram）：全息术不能自制用来发生3D形象，但全息术自身并不是3D形象，而是记载3D形象的前言。“重建物体”（Reconstruct the object）：物体自身不能重建，重建的是物体的3D形象。“我会重建全息图”（I will reconstruct the hologram）：全息图不是被重建的，全息图是被发生或构建的，然后被用来重建波阵面或物体的3D形象。只要一种破例的状况不能自制这样表述，那就是全息图现已存在，在其他当地被仿制（重建），成为带着相同信息的另一个全息图。这种过错表述比较难以纠正，许多全息范畴的研讨人员都经常会犯这种过错。论文信息
Trolinger. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:34
https://doi.org/10.37188/lam.2021.034
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