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| 本文作者： 看風(fēng)景的蝸牛君 | 2016-01-22 17:40 |
【編者按】本文作者@看風(fēng)景的蝸牛君，中科院光學(xué)工程博士。
首先要明確一點，全息和3D顯示不存在誰包含誰的問題，他們是有交叉的兩個概念。
之所以媒體和大眾往往將兩者混為一談，是因為全息技術(shù)的確是很有前景的一項3D顯示技術(shù)，而且也是中學(xué)教科書中著重提到過的“未來”科技，才讓大家印象深刻（當(dāng)年我就是因為這個，義無反顧地選擇了光學(xué)工程專業(yè)）。但實際上除了全息之外，還有許多其他技術(shù)都可實現(xiàn)3D成像，與全息技術(shù)相比，各有利弊。甚至不少技術(shù)會先于全息技術(shù)發(fā)展起來，走入大家的生活。
另外，全息技術(shù)除了應(yīng)用在3D成像，還廣泛用在測量、存儲、加密、防偽等各個方面，實際上大家日常生活中經(jīng)常見到的各種鐳射防偽商標(biāo)，就是全息技術(shù)的一大應(yīng)用。
理清楚了這兩者的關(guān)系，還是以成像的應(yīng)用為例，從傳統(tǒng)全息術(shù)開始，先著重介紹一下全息技術(shù)的原理和發(fā)展。
我們看一張照片，一般情況下可以根據(jù)物體之間的遮擋關(guān)系、近大遠(yuǎn)小的經(jīng)驗和畫面中的陰影等信息來判斷物體的遠(yuǎn)近，但沒有觀看真實物體時的立體感。這是由于使用相機(jī)進(jìn)行拍攝時，記錄的只是物體的光強(qiáng)信息，而物體的深度信息是包含在相位當(dāng)中的。
既然如此，是不是可以通過某種方式，將光線的強(qiáng)度信息和相位信息同時記錄下來呢？這就是“全息”思想的來源。所謂“全息”，其實是個科學(xué)上創(chuàng)造的名詞，本意上即指可以同時呈現(xiàn)強(qiáng)度和相位信息的技術(shù)，類似地，英文中會冠以“holo-”開頭，表達(dá)全息相關(guān)的名詞。
比較麻煩的一點就是，我們手中用來記錄光線的物質(zhì)都只是對光強(qiáng)敏感，而不是對相位敏感。因此要一個方法，利用記錄光強(qiáng)的物質(zhì)將相位的分布記錄下來。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，光的干涉恰好可以滿足需求。
“干涉”對于非本專業(yè)人來說，是個比較難以理解的概念，至少在我讀高中的時候，許多同學(xué)都在質(zhì)疑這是否違背能量守恒……為了讓大家簡單地理解這個概念，我來舉一個不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦印?/p>
有一天，小明同學(xué)在練習(xí)素描，于是在紙上快速地來回畫一條3cm長的線，如下圖所示。
小明的手速實在是太快了，若不是時空靜止，我們根本看不清他的筆尖到底在哪里，只能看到紙上有一條黑色的線。
這時小紅走了過來，對小明說，我們玩?zhèn)€游戲吧。于是兩個人以玩筆仙的姿勢，握住了這支筆。
最初小紅完全不用力，小明繼續(xù)以自己的節(jié)奏和力道來回畫著3cm長的線。接下來，小紅可以選擇任何時間開始以同樣的力道和節(jié)奏控制這支筆，會出現(xiàn)什么情況呢？
若是小紅開始發(fā)力的位置和方向恰好合適，那么最后兩個人的力道會合在一起，控制著這支筆畫著一條更長的線，最長可以達(dá)到6cm；
若是湊巧小紅和小明杠上了，兩個人以同樣的力道、相反的方向控制這支筆，那么最終這支筆不再移動，相當(dāng)于線的長度變?yōu)?；
大多數(shù)時候都沒有這么巧，兩個人來回畫線的長度介于0-6cm之間。
總之，若是小明的動作確定下來，那么我們就可以通過最終線的長度來判斷小紅啟動時候的狀態(tài)。
回到問題當(dāng)中，化學(xué)物質(zhì)只能分辨光強(qiáng)的大小，那么給出一束確定的參考光束（例子中的小明），就可以將物體光束的相位（例子中小紅啟動的狀態(tài)）通過光強(qiáng)（相當(dāng)于例子中畫線的長度）的方式記錄下來。
因此，全息圖像記錄的過程，可以用下面這張圖簡單概括。
參考光束和物體光束的干涉結(jié)果被底片干板記錄下來，顯影、定影之后就可以使用了。
復(fù)現(xiàn)的時候，只要保持參考光束不變照射在干板上，衍射后就可以還原出物體的樣子，而且由于具有深度信息，所以具有立體感，比如下圖：
轉(zhuǎn)個角度：
傳統(tǒng)全息術(shù)發(fā)明之后，其震撼的表現(xiàn)力讓大家非常興奮，若是去科技館的話，經(jīng)常會見到這樣的展品。我至今都記得自己第一次見到全息的獅子頭像時內(nèi)心的吶喊，細(xì)節(jié)栩栩如生，實在是太棒了。
從3D顯示的效果來說，傳統(tǒng)全息術(shù)的顯示效果還是非常棒的，但是難以實現(xiàn)動態(tài)顯示，而且干板價格比較昂貴，也不利于復(fù)制和傳播。
傳統(tǒng)全息術(shù)中干板價格貴、不利于傳播等類似的問題，其實在傳統(tǒng)膠片攝影中也同樣存在。當(dāng)年柯達(dá)為了解決這些問題，于是發(fā)明了數(shù)碼相機(jī)，開啟了一個新的時代。后來的故事，大家都知道了……
總之，隨著數(shù)字式感光器件的發(fā)展，科學(xué)家意識到，就如同數(shù)碼相機(jī)取代膠片相機(jī)一樣，為何不用CCD或者CMOS來取代干板呢？
于是數(shù)字全息術(shù)就誕生了。
除了將干板換成CCD或者CMOS之外，數(shù)字全息圖的記錄過程與傳統(tǒng)全息術(shù)沒有區(qū)別。不過由于記錄下來的信息是數(shù)字化的，所以可以用計算機(jī)進(jìn)行處理，即便沒有參考光束，也可以用計算機(jī)計算出復(fù)現(xiàn)的圖像，進(jìn)行研究。
數(shù)字全息術(shù)廣泛用于需要快速處理信息的物體三維信息測量記錄、加密、圖像識別等方面。除此之外，數(shù)字全息也常用于科研中進(jìn)行顯微成像。
普通的光學(xué)顯微鏡無法讀取被觀察物體的三維信息，而數(shù)字全息顯微鏡可以在計算機(jī)中重建物體的3D模型，方便研究。
人類對便捷的追求是無止境的。在使用感光器件替代全息干板之后，科學(xué)家又想到，既然光學(xué)計算理論已經(jīng)足夠成熟，計算機(jī)的計算能力也越來越強(qiáng)大，何必還需要拍攝的過程呢？所以計算全息術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
所謂計算全息，其實就是拋開了干涉圖的記錄過程，直接將光場分布使用計算機(jī)通過數(shù)學(xué)運(yùn)算計算出來。這樣做有一個巨大的好處，那就是可以實現(xiàn)任意物體的全息顯示，即便這個物體在現(xiàn)實中并不存在。因此許多產(chǎn)品的防偽標(biāo)識都可以使用這種方式來實現(xiàn)。
具體到3D顯示，物體復(fù)現(xiàn)有許多方法，這里簡單介紹三種。
（1）空間光調(diào)制器（SLM）
關(guān)于SLM來做全息顯示，之前在另一個問題中我曾經(jīng)講過。圖中亮晶晶那一小塊就是SLM工作區(qū)域，上面分布著微米量級的像素點，每個像素點都可以提供獨立的相位調(diào)制，也有一些SLM可以實現(xiàn)振幅的調(diào)制。
將計算出來的全息圖加載到這上面，然后使用參考光束照射，就可以復(fù)現(xiàn)出立體圖像。下圖是使用SLM實現(xiàn)的。
SLM由于像素點尺寸比光波長大很多，顯示的物體大小很受限制。但是由于SLM每個單元像素都可以實現(xiàn)獨立調(diào)整，所以很適合進(jìn)行動態(tài)顯示。
（2）超表面（metasurface）全息
超表面是近年來的研究熱點，有各種各樣的形貌。例如用于全息顯示的超表面是由一系列的微納結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，這些微納結(jié)構(gòu)有著不同的尺寸或者轉(zhuǎn)角，可以對光場進(jìn)行振幅和相位的調(diào)制。經(jīng)過計算編碼，將微納結(jié)構(gòu)按照需求排布成全息圖，替代全息干板的作用。
上圖來自于2013年發(fā)表在權(quán)威刊物Nature Communications上的一篇文章，通過超表面實現(xiàn)了一個飛機(jī)圖像的3D顯示。
超表面全息一大優(yōu)勢在于單元像素點尺寸小于波長，因此可以實現(xiàn)放大很多倍的圖像顯示。
（3）打印全息圖
zebra imaging等公司將數(shù)字化場景計算出的全息圖通過特殊的打印技術(shù)打印到感光物質(zhì)上，就可以得到近似于傳統(tǒng)全息術(shù)的顯示效果，非常震撼。
相關(guān)的視頻請見：Zebra Imaging?
這項技術(shù)可以幫助工程師實時觀察物體細(xì)節(jié)、城市街道狀況等，但是無法實現(xiàn)動態(tài)顯示，而且價格不菲。
總結(jié)一下，全息術(shù)最核心的是需要有記錄物體相位的全息圖，可以通過衍射過程再現(xiàn)物體。這個全息圖可以通過干涉方法、利用干板記錄，也可以是利用CCD/CMOS記錄，甚至可以是通過計算機(jī)數(shù)學(xué)運(yùn)算得到。若是沒有全息圖的存在，嚴(yán)格意義上來說，就不能夠稱之為全息顯示。
不過正如前文提到的，3D顯示范圍很廣，許多其他的技術(shù)同樣很優(yōu)秀，以后有機(jī)會再為大家一一介紹。
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