揭秘三维影像的魔法：光学全息术的奇幻之旅

学术 2024-11-08 18:06 北京

文章来源：光电期刊

原文作者：厦门大学John

本文介绍了光学全息术的原理及应用领域。

当我们第一次见到全息影像时，仿佛亲身踏入了科幻电影的奇幻世界，三维图像悬浮在空气中，无需任何特殊设备，我们就能从各个角度尽情欣赏。这种仿佛魔法般的成像技术，正是光学全息技术的杰作。

图1 科幻电影中的全息影像 来源：网络

全息（Hologram）这个词，巧妙融合了古希腊的智慧——“Holos”意味着“完整无缺”，而“Gramma”则指代“信息”，合起来便是“包含完整信息”的意象，生动地描绘了全息技术的核心魅力：它能捕捉并再现物体的全方位光学细节。这一概念源于1948年，当时英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·加博尔（Dennis Gabor）为了解决显微镜的分辨率问题，提出了一种新的方法——通过重建光波的完整波前来实现显微成像，并将其命名为“全息术”^[1]。这一技术的核心主要分为两个部分：波前记录与波前重现^[2]。波前记录过程如图2所示，使用激光等相干光源，将其分成两束光：参考光束和物光束。物光束照射到物体，反射或散射后与参考光束在记录介质（如光敏胶片）上相遇，形成干涉图样，记录物光束的振幅和相位信息。

图2 波前记录过程 来源：网络

波前重现主要是利用衍射原理，再现物体的三维图像。具体过程如下：用参考光波照射记录的全息图，其干涉条纹使参考光波发生衍射，再现出原物体的光波前，形成三维图像，如图3所示。

图3 波前重现过程 来源：网络

随着光电传感器技术的飞速发展，科学家们大胆设想：是否可以用光电传感器（如CCD或CMOS）取代传统的底片干板？这一富有创意的想法催生了数字全息技术的诞生。数字全息技术的奇妙之处在于，它能够将干涉条纹转化为数字图像，并通过计算机进行处理和再现，使我们可以以全新的方式探索和呈现三维影像的奇幻世界。具体流程如下：首先，光电传感器就像是一双超级眼睛，捕捉到物光束和参考光束的干涉图样，并将它们转化为数字信号。接下来，计算机软件就像一个聪明的魔法师，处理这些干涉图样，提取出物体的振幅和相位信息。最后，通过计算机生成的重构光波，利用显示设备（如LCD或激光显示器）再现出栩栩如生的三维图像，让你仿佛置身于奇幻的光影世界。

数字全息技术，作为传统光学全息术的现代传承，成功地实现了对实体物体高质量全息图像的再现。然而，这一技术体系内在地受限于其实物依赖性，即需依赖于实体物体的干涉图样记录，从而无法直接应用于展示那些仅存在于构想或虚拟环境中的对象。为了突破这一局限，计算全息技术应运而生，成为全息领域的一股新兴力量。该技术核心在于直接通过计算机模拟光波，实现对任意物体的全息显示，让我们能够看到前所未见的奇幻景象。其原理如下：首先，通过计算机算法模拟物光束和参考光束的干涉过程，生成干涉图样。然后，将这些计算生成的干涉图样以数字形式存储在计算机中。接下来，计算机控制显示设备（如激光显示器或空间光调制器），再现出逼真的三维全息图像。与传统光学全息和数字全息不同，计算全息技术完全基于计算机生成全息图，可以展示现实中不存在的虚拟物体，精确模拟复杂的光学现象，生成高质量的三维图像。它在虚拟现实、增强现实等领域得到了广泛应用，带来更加生动的虚拟三维世界，让我们仿佛置身于魔法的奇幻境地^[3]。表1中展示了三种光学全息技术的特性对比。

表1 三种光学全息技术的对比

光学全息术因其独特的三维成像能力和高分辨率，被广泛应用于多个领域^[4]，主要包括下述领域。

（1）医学成像。

通过全息成像技术，医生可以获得患者内部结构的三维图像，帮助他们在手术前详细了解手术区域的解剖结构，提高手术的精确性和成功率。全息成像技术可以用于医学教学和培训，学生可以通过全息图详细观察人体内部结构，从而更直观地理解复杂的解剖知识。此外，全息技术还可以模拟手术场景，为医学生提供逼真的训练体验。

图4 光学全息术在医学领域内的应用 来源：Real View

（2）艺术展示。

为了提升参观者的艺术体验感，不少场馆积极吸纳虚拟现实与全息投影等各种新兴技术，创新展示方式与知识传播方式，增加沉浸感与互动性。全息艺术利用光学全息术的三维成像特性创造出栩栩如生的艺术作品。全息图可以捕捉和再现艺术品的细微细节和立体感，使观众可以从不同角度欣赏艺术作品。这种多角度的观赏体验大大增强了艺术品的吸引力和互动性。全息技术在展览和博物馆中的应用也非常广泛，沈阳故宫博物院制作的全息影像短剧不仅逼真，而且还与宫殿环境十分契合，高度还原了历史场景，为游客带来深度的参观体验。全息展示可以在不接触文物的情况下展示其细节，保护珍贵文物的同时提供丰富的视觉体验。此外，全息展示还可以再现历史场景或虚拟物体，为观众提供身临其境的观赏体验。

图5 光学全息应用于艺术展示 来源：网络

（3）数据存储。

人类已经迈入大数据时代，海量数据的低成本和长期保存成为当前网络信息产业的重大需求，而高密度、快速率、长寿命的光存储技术在其中扮演着关键角色。全息数据存储技术利用全息图高密度记录信息的能力，大幅提升了数据存储容量。与传统的平面存储介质不同，全息存储不仅能在二维平面上存储数据，还可以利用介质的深度，实现真正的高密度存储。全息存储介质能够在一个三维空间内存储大量数据，提供传统磁盘和光盘无法比拟的优势。它不仅拥有更大的存储容量，还具备更快的读取速度。更为重要的是，由于全息存储数据分布在整个介质的三维空间内，即使介质部分损坏，也能通过全息图的重建原理恢复数据，从而大大提高数据的安全性和可靠性。

图6 光学全息应用于数据存储原理图 来源：网络

（4）安全防伪。

全息图像防伪是光学全息技术在防伪领域中的一大亮点。通过制作和复制具有逼真三维图像的全息图像，可以制造出极具独特性和难以仿制的防伪产品。全息图因其高度透明、立体感强、难以复制的特性，不仅能够提供产品的身份认证，还能够显著增加产品的附加值。举例来说，护照、身份证、信用卡和货币等重要文件和物品常常采用全息图作为防伪标志，能够有效地防止伪造和盗版行为，提升了这些物品的安全性和可信度。全息防伪技术不仅是产品安全保障的一道坚实屏障，更是一种富有未来感的科技魔法，让我们在防伪领域中看到了无限的可能性和创新的奇妙之处^[5]。

图7 光学全息防伪标签 来源：网络

（5）工业设计。

通过光学全息技术，可以制作出产品的三维全息图像，这种全息图像能够立体地展示产品的各个角度和细节，使设计师和评审人员更直观地了解产品的外观和结构，从而进行更有效的沟通和决策。光学全息技术的独特视觉效果还可以激发设计师的创造力，为新产品的设计提供新的思路和灵感。

光学全息术凭借其独特的三维成像能力，已经在艺术展示、安全防伪、医学成像、数据存储和工业设计等领域展现了惊人的应用潜力。随着技术的不断进步，全息技术正不断拓展其应用范围，为各个领域带来更多的创新和便利。未来，我们可以期待全息技术在AR、VR以及高效通信等新兴领域取得更大的突破，彻底改变日常的生活和工作方式，让我们仿佛置身于科幻电影中的未来世界。全息技术的发展前景如同一场奇幻的旅程，令人充满无限遐想和期待。

参考文献

[1] Gabor D. A New Microscopic Principle [J]. Nature, 1948, 161(4098): 777-778.

[2] Huang L L, Chen X Z, Mühlenbernd H, et al. Three-dimensional optical holography using a plasmonic metasurface [J]. Nature Communications, 2013, 4.

[3] 王晓蓉. 计算全息技术应用及其发展趋势综述 [J]. 激光杂志, 2016, 37(06): 20-24.

[4] Gao H, Fan X H, Xiong W, et al. Recent advances in optical dynamic meta-holography [J]. Opto-Electron Adv 4, 210030 (2021).

[5] 李晓倩. 基于激光数字全息技术的产品外包装防伪标识设计 [J]. 激光杂志, 2023, 44 (03): 247-251.

END

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编辑：薛定谔的猫

责编：木心

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