乱花渐欲迷人眼，到底什么是全息？

文章来源：as科学艺术研究中心

作者：as center

文 奇多流口水、猴王八爪烧
本期我们从“全息”的定义出发，多角度分析市面上的现有技术，看看哪些是花拳绣腿，哪些是真才实学。（以下均为作者观点，欢迎专业人士指正）
首先，全息（hologram）是一个合成词，源自希腊语：holos（全部）+gramma（信息），顾名思义，它是记录并重现物体全部光学信息的一种技术。那么，光学信息包括什么呢？我们都知道，光可以被看做是一种波，那么波的振幅、波长、相位等信息都是“全息”的收集对象。
全息影像与普通影像在视觉观感上最大的区别就是所谓的“立体感”，而营造“立体感”的关键因素则是光所携带的相位信息。我们人眼能看到物体是由于其本身发光或反光，这些光线就像是连入眼睛的数据线，将物体的各种光学信息传送到我们眼中，从而认知物体。
与人眼工作方式类似，普通影像记录方式接收物体反光的振幅（影响明暗、轮廓）和波长（决定色彩）信息，并用一定的手段进行还原，无法包含相位（反映深度）信息，而全息的记录方式则以两束激光照射物体产生的干涉条纹将相位信息录入胶片，再次向胶片照射激光，则可“重放”所有光学信息，形成具有立体观感的图像。
最基本的全息摄影工作流程：一道激光由分光器分成两束，一束照射在被拍摄物体上，进而反射在胶片上，这时，它已经不只是一束光，而是物体上千千万万的点的漫反射光，我们称之为“物光”；另一束则直接照射胶片，我们称之为“参考光”，“物光”与“参考光”相互叠加、削减，即发生干涉现象，在胶片上进行一定时长的曝光，形成干涉条纹并记录在胶片上。
干涉条纹之间的间隔和反差其实就是物体每一点的光学信息的“编码”，这些条纹很小，只有用显微镜才能观察到，而胶片看起来就是透明的；用相同的“参考光”照射胶片，“参考光”与胶片上的干涉条纹发生衍射，相当于“物光”的所有点与“参考光”在胶片中再次相遇，还原了当时拍照的状态，物体上所有点的“物光”再次被“召唤”出来，“重组”物体，从而“解码”了立体图像。
利用相干光干涉效应制造全息图的过程。由分光镜将光分成两束：打在物体上光线和参考光。共同作用，形成能被胶片记录的干涉图样。实验室中的激光是能够满足相干性的理想光源。两个独立的普通光源则不能形成相干光，因此无法形成干涉条纹。来源：Wikipedia
重建物体的立体像的过程。来源：Wikipedia
举一个生活中不存在但可以想象的类比，将一只杯子急速冷冻，无数水分子在其表面凝结成霜，假设这些水分子从此可以在任何状态下固定不动，我们将温度升高，固态的水分子变为气态，杯子解冻并移开，此刻，再将温度急速降回一开始冷冻的状态，水分子再次凝结成霜，并重现了物体的形状。这里的一个个水分子相当于干涉形成的“物光”光点，空气为胶片，可控的温度则相当于“参考光”，随着温度的还原，杯子的“像”也被还原。
全息影像还有一点神奇之处，即使将全息照片剪碎，每张碎片也包含了物体全部光学信息，透过这些碎片，就像透过望远镜看世界，随着观察角度的改变，可以看到不同的部位。普通照片则无法做到这一点，这是由于全息的特殊记录方式，使其每一处都包含了被记录物体所有的光学信息。
通过全息照片的碎片也可以看到全部信息。来源：youtube
那么，我们生活中铺天盖地的“全息裸眼3d体验”是真正意义上的全息吗？《星球大战》中机器人投射出的三维影像、《钢铁侠》炫酷的悬空操作界面是未来全息的样子吗？
作者以为：实际上，静态全息影像的记录和还原技术已经相对成熟，而严格意义上的动态全息影像，需要脱离显示介质，直接在空气中形成360度无死角观看的像,还并未问世。全息概念和理论最初由英国匈牙利裔科学家丹尼斯·盖伯（Gábor Dénes）在20世纪40年代提出，在60年代被实现，应该特指利用激光，以干涉条纹的方式记录并还原立体影像的技术方法。
如今市场上将全息技术与三维影像技术划等号，实则不严谨，全息实际上也可以看做是实现三维影像、立体观感的一种方式，与其他技术相对平行。目前，只有全息技术可以记录还原相位信息，“物理”属性很突出，而要区分市面常见的真伪全息，最简单粗暴的判定方式是：立体观感是否受到观察角度与距离的影响，若有影响，则非真全息。
科幻电影中的全息影像。来源：youtube
全息艺术作品。来源：youtube

接下来，我们介绍几种在市面上经常与“全息”概念混淆，但可以实现立体观感的技术方式。
我们将以下几种技术归为“伪全息”，市面上经常自称“全息”。注意，“伪”并不是贬义词，这些技术大都有较好的视觉效果且受限较少、应用场景广泛、商业化程度高，只是与“全息”的原始概念有较大偏差，作者认为它们也许可以跳出全息的定义框，自立门户。
镜面反射视错觉3D illusion maker。来源：youtube

这款像飞碟一样的产品，内部都是镜子，当把玩具青蛙放到底部时，在开孔处特定角度观看，会感觉青蛙趴在小孔上面，仿佛触手可及，伸了手却“竹篮打水一场空”，令人火大。这个“恶作具”有很真实的三维立体效果，其实是利用了凹面镜反射成像原理。
实体青蛙的光线经过两个盘子内凹面镜的各种镜面反射，在小孔处形成了一个反向的虚像，观测者从反射光焦点的角度观看到虚像，就看见了“悬浮”的青蛙。
魔术师、布景师对于这种利用镜面反射实现的视错觉效果如数家珍，创造了很多经典、有趣的玩法。
镜面反射装置艺术。来源：wiki

利用视觉错觉，还可以实现更神奇的三维立体效果。想象一下，一块无边屏幕放在面前，全黑背景中悬浮着一只大烟斗，没人会觉得烟斗是漂浮在实际空间中的，因为还有这块屏幕在眼前，那么，如果屏幕就像一块玻璃，只显示一只悬浮的烟斗，透过背景就像通过洁净无暇的玻璃看景色，我们就会产生一种这个烟斗就是悬浮在我们所处空间的错觉，立体感极强。这就是市面上大多数称为“全息”技术的基本盘，其实是我们的眼睛被“骗”了。
这种“伪全息”技术的实现方式则多种多样，利用视错觉、投影、数码技术等方法将影像在有一定透明度的介质上呈现，由于成像介质如若隐形，“影像”仿佛“活”在真实空间中。
3d风扇屏led风扇屏。来源：youtube

3D风扇屏利用视觉暂留现象，扇叶上装有数控Led灯珠阵列，高速旋转时，显示的画面形成连续的动态效果，在较暗的环境下人眼无法捕捉到高速旋转的扇叶，充当成像介质的扇叶被“隐去”，只能看到前景的影像，给人一种影像在真实空间中漂浮的立体感错觉。当然，这种成像方式从侧面和背面无法观察。
佩珀尔幻象佩珀尔幻象（Peppersghost）技术应用广泛，相对成熟，历史悠久，起初为舞台魔术表演而设计，现在多用于游乐场、鬼屋、舞台演出等领域。周杰伦与邓丽君的隔空对唱，麦当娜与虚拟乐队的跨次元同台，Burberry秀场惊艳的“影分身”都是利用了这项技术实现。
邓丽君与周杰伦同台演唱。来源：wiki

将“半透半反”薄膜在舞台上与地板呈45°倾斜放置，黑色背景的影像（例如演员表演影像、特殊视觉效果等）在平行于地面的上空播放，透过薄膜，影像与地面呈垂直角度显现，通过控制室内灯光，台下观众从正面无法看到作为成像介质的这层膜和黑色背景，误以为“影像”中的演员也在舞台地板上表演。
薄膜在舞台上与地板呈45°倾斜放置。来源：youtube
Peppers ghost需要在特定角度观看，一般为舞台前方，越往两侧、越远，三维效果越差。
网络上有丰富的“360度全息”DIY教程，在手机屏幕上倒立放置金字塔形透明塑料板，对应每个透明塑料板面，播放黑色背景的视频，透过金字塔，从正面观看，即可看到立体的影像。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍这就是一个家庭mini版的佩珀尔幻象。
以下的技术我们认为可以归为“类全息”,与“伪全息”相比，其技术门槛更高，与全息的概念更接近，以“数字”或“物理”的方式记录及还原物体光学信息并形成三维立体影像，但并没有脱离显像介质，有些需要需要佩戴设备，有些受观看角度限制，有些暂时无法呈现复杂影像。

光场全息我们的左右眼接收到的光学信息，反映出的图像都略有不同，大脑根据左右眼对同一物体的信息差异判断距离，进而产生立体空间感。这就是视差（parallax）的概念，利用视差，模拟人眼习惯，即可实现一些立体的效果。
任天堂的3Ds游戏机就是利用了视差原理，在屏幕上同时显现两个影像，使玩家感受到“裸眼3d”效果。
任天堂3ds裸眼3d效果。来源：youtube
“Looking Glass”这款产品同样利用了视差原理，类似于我们小时候在格尺上经常看到的光栅动画，换个角度就会看到不同的图像，“Looking Glass”的开发者编写了一种算法，将2d图像实时转换成50个不同水平观测角度的图像，再通过一块特制的多层合成厚玻璃进行分光、过滤，相当于每一层显示不同的角度，最终呈现可以裸眼观察的三维图像，这种技术目前被称为“光场全息”。

Looking Glass产品图。来源：youtube
XR技术还记得2021春晚周杰伦表演的《莫吉托》吗？直播中，周杰伦在充满古巴风情和孟菲斯艺术的三维动画空间中起舞漫步，其实这些画面在现场并不存在，而是运用了延展现实XR（Extended reality）技术将这些虚拟元素与表演者和真实空间同步合成，严丝合缝的呈现在屏幕中。随着增强现实、混合现实等技术的发展、应用，我们的真实世界与虚拟世界交相辉映，“庄周梦蝶”也许会成为全人类共同的话题。
春晚周杰伦表演的《莫吉托》。来源：CCTV.COM
XR通过数字计算技术，结合现实情景与虚拟环境，并实现一定的人机互动；其中包含增强现实(AR)、混合现实(MR)、虚拟现实（VR），所有的立体影像、效果都需要佩戴设备或通过屏幕来呈现，虽然数字扫描、建模、影像、交互等技术发展将使各类XR的显像效果越来越接近于真实，其“虚拟”的数字本质则与“全息”的物理本质有一定差别，从最初的概念来看，不应属于传统的真全息。
交互式空气投影Interactive Aerial Projection。来源：youtube
交互式空气投影（InteractiveAerial Projection）与“海市蜃楼”现象异曲同工，最初由麻省理工大学的研究生Chad Dyne 研究发明。无需佩戴附加装置，用户既可以观察到三维的影像，又可以在其中进行手势交互。
这套投影系统由投影机和“空气屏幕”组成。通过排放大量人工雾，结合空气动力制造相对平整的雾墙，将画面投射在上面，由于空气与雾墙的分子振动不均衡，形成具有立体感的3D图像，加上手势交互，看起来就像钢铁侠全息操作界面的“平替”。（也许还有手部保湿、室内加湿、香薰的附加功能）
声悬浮成像多模态声阱显示器（Multimodal acoustictrap display，MATD）和上述投影设备原理不同，这种显示技术另辟蹊径，利用声悬浮技术（Acoustic levitation）使一颗直径2mm的悬浮颗粒在超声波的作用下在悬空高速运动。


MATD。来源：youtube
装置上下两排微型扬声器组成细长阵列发出高强度声波，声波连续振动使空气分子不断交替的压缩和松弛，导致装置中气压不断起伏，通过电脑精准控制两组声波的强度来实时改变压强差产生的力，进而用这个力来控制小球的精准移动，声波就像一只无形无色的手，托着小球运动。根据视觉暂留原理，小球在三维空间的高速运动使人眼产生视觉图像的滞后，从而连续形成肉眼可见的3D图像。
大家一定看过无人机群表演，在空中组成各种富有立体感的形状，如果可以实现对于多个小球的精准位置及色彩控制，那么每一个小球就像一架无人机一样，成为一个像素点，在立体空间勾勒出更丰厚、更真实的立体动态“实体”影像。
等离子成像FairyLights也是一种非投影3D成像技术。除了立体的视感，甚至还会有触感。将空气中的分子电离，变成灼热的浆状物质——电离子体，通过不断在空气中进行点到点的激光爆破形成一个短暂存在的3D影像，类似自然界的闪电，但是可控且不伤人。作者倒认为，这个“制造闪电、形成图形”的技术不如叫“宙斯”。
Fairy Lights。来源youtube
以上两种技术虽然有所突破，概念充满想象力，但是成本高昂，目前限制较多，且成像效果单一，还在实验室开发阶段，短期商用的可能性不大，可能是未来的发展方向。

介绍了这么多技术，无论是真全息、伪全息还是类全息，无论是花拳绣腿，还是真功实学，都是“科学知识+创造力”的成果，皆为人类“视觉盛宴”中不可或缺的珍馐。“全息”的概念变得越发宽泛，也逐渐与其他技术相互融合。在某些应用场景中，有些被归为“伪全息”的技术甚至可以带来更好的视觉效果，科学需要“严谨”，生活则需要“放松”。也许，雅俗共赏、和而不同、择善而从才是蓬勃共荣的发展之道，可能这其中某些技术的结合就产生了真·全息。

‍
Reference:https://en.wikipedia.org/wiki/Holographyhttps://en.wikipedia.org/wiki/Curved_mirrorhttps://www.youtube.com/watch?v=tzWP-NL3Lckhttps://www.youtube.com/watch?v=gRvNsolz_VEt=53shttps://www.youtube.com/watch?v=AoWi10YVmfEhttps://www.physicscentral.com/explore/action/femtosecond-hologram.cfmhttps://www.youtube.com/watch?v=TNcTssBV1fIhttps://www.youtube.com/watch?v=X2IYoyv_x0Qhttps://www.youtube.com/watch?v=tzn_QHTC-NIhttps://www.twowaymirrors.com/peppers-ghost-illusion/

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院半导体所立场

---

编辑：了之

新闻来源：中科院半导体所，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。