什么是全息 3D 显示技术？到底有什么特别？

3D技术是人类探寻显示世界的重要媒介之一，如何使屏幕上的图像也有深度和立体感，使人们可以获得三维体验是一项不竭的课题。三维显示技术相比于二维显示增加了一个深度方向的信息，极大地扩展了信息量。

为了让观察者产生三维视觉，三维显示需要提供四种深度感知要素：辐辏，会聚，双目视差与移动视差。这些要素共同构成了所谓的真三维显示。其中辐辏是指当人眼观察具有不同深度的图像时，眼球的晶状体焦距会发生变化，从而适应不同的深度。而会聚是指人眼在观察三维物体某一点时，两只眼睛的视轴会会聚于该点，随着观察不同深度的点，会聚角会发生变化。双目视差是指由于两只眼睛位置不同，观察同一物体时获取的图像存在差异，移动视差则是指当观察者移动时，观察位置的变化导致获取的图像不同。

图 1 三维显示的四种深度感知要素：(a)辐辏，(b)会聚，(c)双目视差，(d)移动视差

从双目视差3D技术到真3D显示，其中全息 3D 显示技术是理论上最完美的 3D 显示技术，它通过记录和再现物光波的相位和幅度信息再现自然立体场景。全息术”一词来源于希腊语单词“holos”，意思是“整体”或“所有”，而全息术的初衷，却是为了消除电子透镜的像差，提高电子显微镜的分辨率，由英国科学家丹尼斯·伽伯于1947年发明。全息术的基本原理包括两步：记录与再现。

图 2 全息术原理示意图：(a)记录，(b)再现

记录过程是利用相干光源照射物体，生成物体波，再利用同一光源生成参考波。物体波和参考波在全息板上相交叠加，产生干涉图样，即全息图。也就是说当物体波和参考波在记录材料上相互干涉时，干涉条纹的强度分布被记录下来，转化为材料的透过率分布。这一过程采用了光学干涉原理，干涉条纹记录了物体波的振幅和相位的全部信息。

再现过程则是通过相同的参考光照射全息图，全息图中的干涉条纹可以视为无数光栅的叠加，当照明光波入射时会发生光栅衍射，从而重建出原始的物体波。这一再现的物体波包含了物体的三维信息，因此能够生成三维图像。通过这样的方式，观察者可以从不同角度观看该图像，展示出物体的深度和立体感。

那么为什么干涉条纹能够包含物体波的全部信息，以及衍射为什么可以重建物体波呢？这先要了解一下相位和相位信息，以及什么是衍射。

光的相位可以理解为光波在一个周期内的位置，相位信息包含了光波的空间结构和形态。当两束光波相遇时，如果它们的相位相同，它们就会互相增强（形成亮条纹）；如果相位相反，它们就会互相抵消（形成暗条纹）。分析这些条纹的的具体位置和形态，则可以得到其中蕴藏的相位信息，而这些相位信息便包含了关于物体表面形状和细节。

衍射则是指光波遇到障碍物或通过狭缝时，绕过障碍物传播并产生的新波前，这种现象叫做衍射，它是光波的波动性特征之一。而全息再现过程中，当原始参考光照射在全息图上时，全息图中的条纹就像无数的微小光栅，这些光栅会对入射光波产生衍射。

这些衍射光束在空间中传播并相互干涉，最终重建出原始的物体波。根据前文对相位的介绍可以知道，干涉条纹记录了物体波的振幅和相位信息，而衍射光束在传播过程中重新组合，恢复了物体波的完整信息。因此，重建出的物体波包含了物体的三维信息，使得观察者在不同角度观察全息图时能够看到物体的不同视角。这种三维再现效果是由于全息图记录了物体波在各个方向上的信息，并在再现过程中通过光波的衍射和干涉重现出来。

丹尼斯·伽伯因其在全息照相法方面的开创性工作，于1971年荣获诺贝尔物理学奖，但由于当时缺乏相干性好的高强度光源，全息术的应用受到限制。在这一阶段，全息技术主要使用水银灯作为记录光源，并采用普通照相底片记录同轴全息图。尽管如此，伽伯的研究为后续的发展奠定了基础。

1960年代，激光的发明极大地推动了全息术的发展。激光作为一种具有高度相干性和高强度的光源，使得全息图的记录和再现变得更加精确和稳定。1962年，Emmett Leith和Juris Upatnieks在密歇根大学提出了离轴全息图技术，将原始像和共轴像分离，解决了同轴全息图中的图像重叠问题。这一技术突破标志着全息术进入了第二个发展阶段。

离轴全息图技术的提出，使得全息图的应用范围得以扩展，并且提高了全息图的图像质量。通过离轴全息图，研究人员能够记录更加复杂和精细的三维图像，这为全息术在科学、医学和工程领域的应用提供了新的可能性。

而计算全息术是通过计算机编码或编程来模拟光学全息的记录过程制作全息图。相比于传统的光学全息和数字全息技术，计算全息具有操作灵活、低噪声、对实验环境要求低和重复性高的优点。并且计算全息能够记录和再现计算机模拟出的虚拟物体，应用场景更加广阔。

一般的计算全息图制作和再现大致可分成以下四步：首先，对实验物体或者波面进行离散化，并用数学表达式进行表示，将连续的物光波转化为可以在计算机上处理的离散数据，这一步就像是把一张照片分割成无数个小像素点，每个点都有自己的数值信息；接着，对离散后的物光波传播过程进行数值描述，并计算得到物光波在全息面上的光场分布，通过数值计算可以准确地模拟物光波的传播和干涉过程；下一步对物光场分布进行编码，得到记录实验物体信息的计算全息图，编码过程将物光波的振幅和相位信息转化为能够被识别和记录的形式，如透过率函数；最后，通过输出系统将计算全息图输出到全息记录介质上，制成可光学再现的全息图。

近年来，随着增强现实（AR）和虚拟现实（VR）领域的应用与研究的兴起，计算全息展示出了更广阔的应用能力。随着硬件和计算技术的不断进步，计算全息技术的成本和技术门槛逐渐降低，其应用场景将不断扩展并深入我们的日常生活。未来，计算全息技术有望与人工智能、5G通信等新兴技术结合，进一步提升其应用能力和用户体验。

参考文献

周鹏程.全息三维显示及其在增强现实中的应用[D].上海交通大学,2019.

王鹏.计算全息三维显示的技术研究[D].昆明理工大学,2013.

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作者：蔡文垂 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核：李明 中国科学院高能物理研究所 研究员