什么是全息 3D 顯示技術(shù)？到底有什么特別？

3D技術(shù)是人類(lèi)探尋顯示世界的重要媒介之一，如何使屏幕上的圖像也有深度和立體感，使人們可以獲得三維體驗(yàn)是一項(xiàng)不竭的課題。三維顯示技術(shù)相比于二維顯示增加了一個(gè)深度方向的信息，極大地?cái)U(kuò)展了信息量。

為了讓觀察者產(chǎn)生三維視覺(jué)，三維顯示需要提供四種深度感知要素：輻輳，會(huì)聚，雙目視差與移動(dòng)視差。這些要素共同構(gòu)成了所謂的真三維顯示。其中輻輳是指當(dāng)人眼觀察具有不同深度的圖像時(shí)，眼球的晶狀體焦距會(huì)發(fā)生變化，從而適應(yīng)不同的深度。而會(huì)聚是指人眼在觀察三維物體某一點(diǎn)時(shí)，兩只眼睛的視軸會(huì)會(huì)聚于該點(diǎn)，隨著觀察不同深度的點(diǎn)，會(huì)聚角會(huì)發(fā)生變化。雙目視差是指由于兩只眼睛位置不同，觀察同一物體時(shí)獲取的圖像存在差異，移動(dòng)視差則是指當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)，觀察位置的變化導(dǎo)致獲取的圖像不同。

圖 1 三維顯示的四種深度感知要素：(a)輻輳，(b)會(huì)聚，(c)雙目視差，(d)移動(dòng)視差

從雙目視差3D技術(shù)到真3D顯示，其中全息 3D 顯示技術(shù)是理論上最完美的 3D 顯示技術(shù)，它通過(guò)記錄和再現(xiàn)物光波的相位和幅度信息再現(xiàn)自然立體場(chǎng)景。全息術(shù)”一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)單詞“holos”，意思是“整體”或“所有”，而全息術(shù)的初衷，卻是為了消除電子透鏡的像差，提高電子顯微鏡的分辨率，由英國(guó)科學(xué)家丹尼斯·伽伯于1947年發(fā)明。全息術(shù)的基本原理包括兩步：記錄與再現(xiàn)。

圖 2 全息術(shù)原理示意圖：(a)記錄，(b)再現(xiàn)

記錄過(guò)程是利用相干光源照射物體，生成物體波，再利用同一光源生成參考波。物體波和參考波在全息板上相交疊加，產(chǎn)生干涉圖樣，即全息圖。也就是說(shuō)當(dāng)物體波和參考波在記錄材料上相互干涉時(shí)，干涉條紋的強(qiáng)度分布被記錄下來(lái)，轉(zhuǎn)化為材料的透過(guò)率分布。這一過(guò)程采用了光學(xué)干涉原理，干涉條紋記錄了物體波的振幅和相位的全部信息。

再現(xiàn)過(guò)程則是通過(guò)相同的參考光照射全息圖，全息圖中的干涉條紋可以視為無(wú)數(shù)光柵的疊加，當(dāng)照明光波入射時(shí)會(huì)發(fā)生光柵衍射，從而重建出原始的物體波。這一再現(xiàn)的物體波包含了物體的三維信息，因此能夠生成三維圖像。通過(guò)這樣的方式，觀察者可以從不同角度觀看該圖像，展示出物體的深度和立體感。

那么為什么干涉條紋能夠包含物體波的全部信息，以及衍射為什么可以重建物體波呢？這先要了解一下相位和相位信息，以及什么是衍射。

光的相位可以理解為光波在一個(gè)周期內(nèi)的位置，相位信息包含了光波的空間結(jié)構(gòu)和形態(tài)。當(dāng)兩束光波相遇時(shí)，如果它們的相位相同，它們就會(huì)互相增強(qiáng)（形成亮條紋）；如果相位相反，它們就會(huì)互相抵消（形成暗條紋）。分析這些條紋的的具體位置和形態(tài)，則可以得到其中蘊(yùn)藏的相位信息，而這些相位信息便包含了關(guān)于物體表面形狀和細(xì)節(jié)。

衍射則是指光波遇到障礙物或通過(guò)狹縫時(shí)，繞過(guò)障礙物傳播并產(chǎn)生的新波前，這種現(xiàn)象叫做衍射，它是光波的波動(dòng)性特征之一。而全息再現(xiàn)過(guò)程中，當(dāng)原始參考光照射在全息圖上時(shí)，全息圖中的條紋就像無(wú)數(shù)的微小光柵，這些光柵會(huì)對(duì)入射光波產(chǎn)生衍射。

這些衍射光束在空間中傳播并相互干涉，最終重建出原始的物體波。根據(jù)前文對(duì)相位的介紹可以知道，干涉條紋記錄了物體波的振幅和相位信息，而衍射光束在傳播過(guò)程中重新組合，恢復(fù)了物體波的完整信息。因此，重建出的物體波包含了物體的三維信息，使得觀察者在不同角度觀察全息圖時(shí)能夠看到物體的不同視角。這種三維再現(xiàn)效果是由于全息圖記錄了物體波在各個(gè)方向上的信息，并在再現(xiàn)過(guò)程中通過(guò)光波的衍射和干涉重現(xiàn)出來(lái)。

丹尼斯·伽伯因其在全息照相法方面的開(kāi)創(chuàng)性工作，于1971年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但由于當(dāng)時(shí)缺乏相干性好的高強(qiáng)度光源，全息術(shù)的應(yīng)用受到限制。在這一階段，全息技術(shù)主要使用水銀燈作為記錄光源，并采用普通照相底片記錄同軸全息圖。盡管如此，伽伯的研究為后續(xù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1960年代，激光的發(fā)明極大地推動(dòng)了全息術(shù)的發(fā)展。激光作為一種具有高度相干性和高強(qiáng)度的光源，使得全息圖的記錄和再現(xiàn)變得更加精確和穩(wěn)定。1962年，Emmett Leith和Juris Upatnieks在密歇根大學(xué)提出了離軸全息圖技術(shù)，將原始像和共軸像分離，解決了同軸全息圖中的圖像重疊問(wèn)題。這一技術(shù)突破標(biāo)志著全息術(shù)進(jìn)入了第二個(gè)發(fā)展階段。

離軸全息圖技術(shù)的提出，使得全息圖的應(yīng)用范圍得以擴(kuò)展，并且提高了全息圖的圖像質(zhì)量。通過(guò)離軸全息圖，研究人員能夠記錄更加復(fù)雜和精細(xì)的三維圖像，這為全息術(shù)在科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。

而計(jì)算全息術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)編碼或編程來(lái)模擬光學(xué)全息的記錄過(guò)程制作全息圖。相比于傳統(tǒng)的光學(xué)全息和數(shù)字全息技術(shù)，計(jì)算全息具有操作靈活、低噪聲、對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求低和重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn)。并且計(jì)算全息能夠記錄和再現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬出的虛擬物體，應(yīng)用場(chǎng)景更加廣闊。

一般的計(jì)算全息圖制作和再現(xiàn)大致可分成以下四步：首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)物體或者波面進(jìn)行離散化，并用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行表示，將連續(xù)的物光波轉(zhuǎn)化為可以在計(jì)算機(jī)上處理的離散數(shù)據(jù)，這一步就像是把一張照片分割成無(wú)數(shù)個(gè)小像素點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都有自己的數(shù)值信息；接著，對(duì)離散后的物光波傳播過(guò)程進(jìn)行數(shù)值描述，并計(jì)算得到物光波在全息面上的光場(chǎng)分布，通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以準(zhǔn)確地模擬物光波的傳播和干涉過(guò)程；下一步對(duì)物光場(chǎng)分布進(jìn)行編碼，得到記錄實(shí)驗(yàn)物體信息的計(jì)算全息圖，編碼過(guò)程將物光波的振幅和相位信息轉(zhuǎn)化為能夠被識(shí)別和記錄的形式，如透過(guò)率函數(shù)；最后，通過(guò)輸出系統(tǒng)將計(jì)算全息圖輸出到全息記錄介質(zhì)上，制成可光學(xué)再現(xiàn)的全息圖。

近年來(lái)，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）領(lǐng)域的應(yīng)用與研究的興起，計(jì)算全息展示出了更廣闊的應(yīng)用能力。隨著硬件和計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算全息技術(shù)的成本和技術(shù)門(mén)檻逐漸降低，其應(yīng)用場(chǎng)景將不斷擴(kuò)展并深入我們的日常生活。未來(lái)，計(jì)算全息技術(shù)有望與人工智能、5G通信等新興技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步提升其應(yīng)用能力和用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

周鵬程.全息三維顯示及其在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用[D].上海交通大學(xué),2019.

王鵬.計(jì)算全息三維顯示的技術(shù)研究[D].昆明理工大學(xué),2013.

文章由科普中國(guó)-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源。

作者：蔡文垂 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 研究生

審核：李明 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 研究員