本文介紹了光學(xué)全息術(shù)的原理及應(yīng)用領(lǐng)域。

當(dāng)我們第一次見(jiàn)到全息影像時(shí)，仿佛親身踏入了科幻電影的奇幻世界，三維圖像懸浮在空氣中，無(wú)需任何特殊設(shè)備，我們就能從各個(gè)角度盡情欣賞。這種仿佛魔法般的成像技術(shù)，正是光學(xué)全息技術(shù)的杰作。

全息（Hologram）這個(gè)詞，巧妙融合了古希臘的智慧——“Holos”意味著“完整無(wú)缺”，而“Gramma”則指代“信息”，合起來(lái)便是“包含完整信息”的意象，生動(dòng)地描繪了全息技術(shù)的核心魅力：它能捕捉并再現(xiàn)物體的全方位光學(xué)細(xì)節(jié)。這一概念源于1948年，當(dāng)時(shí)英國(guó)匈牙利裔物理學(xué)家丹尼斯·加博爾（Dennis Gabor）為了解決顯微鏡的分辨率問(wèn)題，提出了一種新的方法——通過(guò)重建光波的完整波前來(lái)實(shí)現(xiàn)顯微成像，并將其命名為“全息術(shù)”［1］。這一技術(shù)的核心主要分為兩個(gè)部分：波前記錄與波前重現(xiàn)［2］。波前記錄過(guò)程如圖2所示，使用激光等相干光源，將其分成兩束光：參考光束和物光束。物光束照射到物體，反射或散射后與參考光束在記錄介質(zhì)（如光敏膠片）上相遇，形成干涉圖樣，記錄物光束的振幅和相位信息。

圖2 波前記錄過(guò)程來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

波前重現(xiàn)主要是利用衍射原理，再現(xiàn)物體的三維圖像。具體過(guò)程如下：用參考光波照射記錄的全息圖，其干涉條紋使參考光波發(fā)生衍射，再現(xiàn)出原物體的光波前，形成三維圖像，如圖3所示。

圖3 波前重現(xiàn)過(guò)程來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
隨著光電傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，科學(xué)家們大膽設(shè)想：是否可以用光電傳感器（如CCD或CMOS）取代傳統(tǒng)的底片干板？這一富有創(chuàng)意的想法催生了數(shù)字全息技術(shù)的誕生。數(shù)字全息技術(shù)的奇妙之處在于，它能夠?qū)⒏缮鏃l紋轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和再現(xiàn)，使我們可以以全新的方式探索和呈現(xiàn)三維影像的奇幻世界。具體流程如下：首先，光電傳感器就像是一雙超級(jí)眼睛，捕捉到物光束和參考光束的干涉圖樣，并將它們轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。接下來(lái)，計(jì)算機(jī)軟件就像一個(gè)聰明的魔法師，處理這些干涉圖樣，提取出物體的振幅和相位信息。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)生成的重構(gòu)光波，利用顯示設(shè)備（如LCD或激光顯示器）再現(xiàn)出栩栩如生的三維圖像，讓你仿佛置身于奇幻的光影世界。 數(shù)字全息技術(shù)，作為傳統(tǒng)光學(xué)全息術(shù)的現(xiàn)代傳承，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)體物體高質(zhì)量全息圖像的再現(xiàn)。然而，這一技術(shù)體系內(nèi)在地受限于其實(shí)物依賴性，即需依賴于實(shí)體物體的干涉圖樣記錄，從而無(wú)法直接應(yīng)用于展示那些僅存在于構(gòu)想或虛擬環(huán)境中的對(duì)象。為了突破這一局限，計(jì)算全息技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為全息領(lǐng)域的一股新興力量。該技術(shù)核心在于直接通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬光波，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意物體的全息顯示，讓我們能夠看到前所未見(jiàn)的奇幻景象。其原理如下：首先，通過(guò)計(jì)算機(jī)算法模擬物光束和參考光束的干涉過(guò)程，生成干涉圖樣。然后，將這些計(jì)算生成的干涉圖樣以數(shù)字形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。接下來(lái)，計(jì)算機(jī)控制顯示設(shè)備（如激光顯示器或空間光調(diào)制器），再現(xiàn)出逼真的三維全息圖像。與傳統(tǒng)光學(xué)全息和數(shù)字全息不同，計(jì)算全息技術(shù)完全基于計(jì)算機(jī)生成全息圖，可以展示現(xiàn)實(shí)中不存在的虛擬物體，精確模擬復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象，生成高質(zhì)量的三維圖像。它在虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，帶來(lái)更加生動(dòng)的虛擬三維世界，讓我們仿佛置身于魔法的奇幻境地［3］。表1中展示了三種光學(xué)全息技術(shù)的特性對(duì)比。 表1 三種光學(xué)全息技術(shù)的對(duì)比

光學(xué)全息術(shù)因其獨(dú)特的三維成像能力和高分辨率，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域［4］，主要包括下述領(lǐng)域。

（1）醫(yī)學(xué)成像。

通過(guò)全息成像技術(shù)，醫(yī)生可以獲得患者內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維圖像，幫助他們?cè)谑中g(shù)前詳細(xì)了解手術(shù)區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)，提高手術(shù)的精確性和成功率。全息成像技術(shù)可以用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和培訓(xùn)，學(xué)生可以通過(guò)全息圖詳細(xì)觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而更直觀地理解復(fù)雜的解剖知識(shí)。此外，全息技術(shù)還可以模擬手術(shù)場(chǎng)景，為醫(yī)學(xué)生提供逼真的訓(xùn)練體驗(yàn)。

（2）藝術(shù)展示。

為了提升參觀者的藝術(shù)體驗(yàn)感，不少場(chǎng)館積極吸納虛擬現(xiàn)實(shí)與全息投影等各種新興技術(shù)，創(chuàng)新展示方式與知識(shí)傳播方式，增加沉浸感與互動(dòng)性。全息藝術(shù)利用光學(xué)全息術(shù)的三維成像特性創(chuàng)造出栩栩如生的藝術(shù)作品。全息圖可以捕捉和再現(xiàn)藝術(shù)品的細(xì)微細(xì)節(jié)和立體感，使觀眾可以從不同角度欣賞藝術(shù)作品。這種多角度的觀賞體驗(yàn)大大增強(qiáng)了藝術(shù)品的吸引力和互動(dòng)性。全息技術(shù)在展覽和博物館中的應(yīng)用也非常廣泛，沈陽(yáng)故宮博物院制作的全息影像短劇不僅逼真，而且還與宮殿環(huán)境十分契合，高度還原了歷史場(chǎng)景，為游客帶來(lái)深度的參觀體驗(yàn)。全息展示可以在不接觸文物的情況下展示其細(xì)節(jié)，保護(hù)珍貴文物的同時(shí)提供豐富的視覺(jué)體驗(yàn)。此外，全息展示還可以再現(xiàn)歷史場(chǎng)景或虛擬物體，為觀眾提供身臨其境的觀賞體驗(yàn)。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

人類已經(jīng)邁入大數(shù)據(jù)時(shí)代，海量數(shù)據(jù)的低成本和長(zhǎng)期保存成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息產(chǎn)業(yè)的重大需求，而高密度、快速率、長(zhǎng)壽命的光存儲(chǔ)技術(shù)在其中扮演著關(guān)鍵角色。全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)利用全息圖高密度記錄信息的能力，大幅提升了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。與傳統(tǒng)的平面存儲(chǔ)介質(zhì)不同，全息存儲(chǔ)不僅能在二維平面上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還可以利用介質(zhì)的深度，實(shí)現(xiàn)真正的高密度存儲(chǔ)。全息存儲(chǔ)介質(zhì)能夠在一個(gè)三維空間內(nèi)存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，提供傳統(tǒng)磁盤和光盤無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。它不僅擁有更大的存儲(chǔ)容量，還具備更快的讀取速度。更為重要的是，由于全息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分布在整個(gè)介質(zhì)的三維空間內(nèi)，即使介質(zhì)部分損壞，也能通過(guò)全息圖的重建原理恢復(fù)數(shù)據(jù)，從而大大提高數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

圖6 光學(xué)全息應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理圖來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

（4）安全防偽。

全息圖像防偽是光學(xué)全息技術(shù)在防偽領(lǐng)域中的一大亮點(diǎn)。通過(guò)制作和復(fù)制具有逼真三維圖像的全息圖像，可以制造出極具獨(dú)特性和難以仿制的防偽產(chǎn)品。全息圖因其高度透明、立體感強(qiáng)、難以復(fù)制的特性，不僅能夠提供產(chǎn)品的身份認(rèn)證，還能夠顯著增加產(chǎn)品的附加值。舉例來(lái)說(shuō)，護(hù)照、身份證、信用卡和貨幣等重要文件和物品常常采用全息圖作為防偽標(biāo)志，能夠有效地防止偽造和盜版行為，提升了這些物品的安全性和可信度。全息防偽技術(shù)不僅是產(chǎn)品安全保障的一道堅(jiān)實(shí)屏障，更是一種富有未來(lái)感的科技魔法，讓我們?cè)诜纻晤I(lǐng)域中看到了無(wú)限的可能性和創(chuàng)新的奇妙之處［5］。

（5）工業(yè)設(shè)計(jì)。

通過(guò)光學(xué)全息技術(shù)，可以制作出產(chǎn)品的三維全息圖像，這種全息圖像能夠立體地展示產(chǎn)品的各個(gè)角度和細(xì)節(jié)，使設(shè)計(jì)師和評(píng)審人員更直觀地了解產(chǎn)品的外觀和結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)行更有效的溝通和決策。光學(xué)全息技術(shù)的獨(dú)特視覺(jué)效果還可以激發(fā)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力，為新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供新的思路和靈感。

光學(xué)全息術(shù)憑借其獨(dú)特的三維成像能力，已經(jīng)在藝術(shù)展示、安全防偽、醫(yī)學(xué)成像、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域展現(xiàn)了驚人的應(yīng)用潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，全息技術(shù)正不斷拓展其應(yīng)用范圍，為各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)更多的創(chuàng)新和便利。未來(lái)，我們可以期待全息技術(shù)在AR、VR以及高效通信等新興領(lǐng)域取得更大的突破，徹底改變?nèi)粘５纳詈凸ぷ鞣绞剑屛覀兎路鹬蒙碛诳苹秒娪爸械奈磥?lái)世界。全息技術(shù)的發(fā)展前景如同一場(chǎng)奇幻的旅程，令人充滿無(wú)限遐想和期待。

參考文獻(xiàn)
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［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］ 王曉蓉。 計(jì)算全息技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)綜述 ［J］。 激光雜志， 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］ 李曉倩。 基于激光數(shù)字全息技術(shù)的產(chǎn)品外包裝防偽標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì) ［J］。 激光雜志， 2023， 44 （03）： 247-251.