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光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

本文作者:看风景的蜗牛君 2016-01-22 17:40
导语:那些让你惊艳的全息技术,是如何发展过来的?

【编者按】本文作者@看风景的蜗牛君,中科院光学工程博士。

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

首先要明确一点,全息和3D显示不存在谁包含谁的问题,他们是有交叉的两个概念。

之所以媒体和大众往往将两者混为一谈,是因为全息技术的确是很有前景的一项3D显示技术,而且也是中学教科书中着重提到过的“未来”科技,才让大家印象深刻(当年我就是因为这个,义无反顾地选择了光学工程专业)。但实际上除了全息之外,还有许多其他技术都可实现3D成像,与全息技术相比,各有利弊。甚至不少技术会先于全息技术发展起来,走入大家的生活。

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

另外,全息技术除了应用在3D成像,还广泛用在测量、存储、加密、防伪等各个方面,实际上大家日常生活中经常见到的各种镭射防伪商标,就是全息技术的一大应用。

理清楚了这两者的关系,还是以成像的应用为例,从传统全息术开始,先着重介绍一下全息技术的原理和发展。

1、传统(光学)全息术

我们看一张照片,一般情况下可以根据物体之间的遮挡关系、近大远小的经验和画面中的阴影等信息来判断物体的远近,但没有观看真实物体时的立体感。这是由于使用相机进行拍摄时,记录的只是物体的光强信息,而物体的深度信息是包含在相位当中的。

既然如此,是不是可以通过某种方式,将光线的强度信息和相位信息同时记录下来呢?这就是“全息”思想的来源。所谓“全息”,其实是个科学上创造的名词,本意上即指可以同时呈现强度和相位信息的技术,类似地,英文中会冠以“holo-”开头,表达全息相关的名词。

比较麻烦的一点就是,我们手中用来记录光线的物质都只是对光强敏感,而不是对相位敏感。因此要一个方法,利用记录光强的物质将相位的分布记录下来。科学家们发现,光的干涉恰好可以满足需求。

“干涉”对于非本专业人来说,是个比较难以理解的概念,至少在我读高中的时候,许多同学都在质疑这是否违背能量守恒……为了让大家简单地理解这个概念,我来举一个不太严谨的例子。

有一天,小明同学在练习素描,于是在纸上快速地来回画一条3cm长的线,如下图所示。

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

小明的手速实在是太快了,若不是时空静止,我们根本看不清他的笔尖到底在哪里,只能看到纸上有一条黑色的线。

这时小红走了过来,对小明说,我们玩个游戏吧。于是两个人以玩笔仙的姿势,握住了这支笔。

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

最初小红完全不用力,小明继续以自己的节奏和力道来回画着3cm长的线。接下来,小红可以选择任何时间开始以同样的力道和节奏控制这支笔,会出现什么情况呢?

若是小红开始发力的位置和方向恰好合适,那么最后两个人的力道会合在一起,控制着这支笔画着一条更长的线,最长可以达到6cm;

若是凑巧小红和小明杠上了,两个人以同样的力道、相反的方向控制这支笔,那么最终这支笔不再移动,相当于线的长度变为0;

大多数时候都没有这么巧,两个人来回画线的长度介于0-6cm之间。

总之,若是小明的动作确定下来,那么我们就可以通过最终线的长度来判断小红启动时候的状态。

回到问题当中,化学物质只能分辨光强的大小,那么给出一束确定的参考光束(例子中的小明),就可以将物体光束的相位(例子中小红启动的状态)通过光强(相当于例子中画线的长度)的方式记录下来。

因此,全息图像记录的过程,可以用下面这张图简单概括。

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

参考光束和物体光束的干涉结果被底片干板记录下来,显影、定影之后就可以使用了。

复现的时候,只要保持参考光束不变照射在干板上,衍射后就可以还原出物体的样子,而且由于具有深度信息,所以具有立体感,比如下图:

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

转个角度:

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

传统全息术发明之后,其震撼的表现力让大家非常兴奋,若是去科技馆的话,经常会见到这样的展品。我至今都记得自己第一次见到全息的狮子头像时内心的呐喊,细节栩栩如生,实在是太棒了。

从3D显示的效果来说,传统全息术的显示效果还是非常棒的,但是难以实现动态显示,而且干板价格比较昂贵,也不利于复制和传播。

2、数字全息术

传统全息术中干板价格贵、不利于传播等类似的问题,其实在传统胶片摄影中也同样存在。当年柯达为了解决这些问题,于是发明了数码相机,开启了一个新的时代。后来的故事,大家都知道了……

总之,随着数字式感光器件的发展,科学家意识到,就如同数码相机取代胶片相机一样,为何不用CCD或者CMOS来取代干板呢?

于是数字全息术就诞生了。

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

除了将干板换成CCD或者CMOS之外,数字全息图的记录过程与传统全息术没有区别。不过由于记录下来的信息是数字化的,所以可以用计算机进行处理,即便没有参考光束,也可以用计算机计算出复现的图像,进行研究。

数字全息术广泛用于需要快速处理信息的物体三维信息测量记录、加密、图像识别等方面。除此之外,数字全息也常用于科研中进行显微成像。

普通的光学显微镜无法读取被观察物体的三维信息,而数字全息显微镜可以在计算机中重建物体的3D模型,方便研究。

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

3、计算全息术

人类对便捷的追求是无止境的。在使用感光器件替代全息干板之后,科学家又想到,既然光学计算理论已经足够成熟,计算机的计算能力也越来越强大,何必还需要拍摄的过程呢?所以计算全息术应运而生。

所谓计算全息,其实就是抛开了干涉图的记录过程,直接将光场分布使用计算机通过数学运算计算出来。这样做有一个巨大的好处,那就是可以实现任意物体的全息显示,即便这个物体在现实中并不存在。因此许多产品的防伪标识都可以使用这种方式来实现。

具体到3D显示,物体复现有许多方法,这里简单介绍三种。

(1)空间光调制器(SLM)

关于SLM来做全息显示,之前在另一个问题中我曾经讲过。图中亮晶晶那一小块就是SLM工作区域,上面分布着微米量级的像素点,每个像素点都可以提供独立的相位调制,也有一些SLM可以实现振幅的调制。

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

将计算出来的全息图加载到这上面,然后使用参考光束照射,就可以复现出立体图像。下图是使用SLM实现的。

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

SLM由于像素点尺寸比光波长大很多,显示的物体大小很受限制。但是由于SLM每个单元像素都可以实现独立调整,所以很适合进行动态显示。

(2)超表面(metasurface)全息

超表面是近年来的研究热点,有各种各样的形貌。例如用于全息显示的超表面是由一系列的微纳结构实现的,这些微纳结构有着不同的尺寸或者转角,可以对光场进行振幅和相位的调制。经过计算编码,将微纳结构按照需求排布成全息图,替代全息干板的作用。

光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

上图来自于2013年发表在权威刊物Nature Communications上的一篇文章,通过超表面实现了一个飞机图像的3D显示。

超表面全息一大优势在于单元像素点尺寸小于波长,因此可以实现放大很多倍的图像显示。

(3)打印全息图

zebra imaging等公司将数字化场景计算出的全息图通过特殊的打印技术打印到感光物质上,就可以得到近似于传统全息术的显示效果,非常震撼。

 光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

相关的视频请见:Zebra Imaging™

这项技术可以帮助工程师实时观察物体细节、城市街道状况等,但是无法实现动态显示,而且价格不菲。

总结一下,全息术最核心的是需要有记录物体相位的全息图,可以通过衍射过程再现物体。这个全息图可以通过干涉方法、利用干板记录,也可以是利用CCD/CMOS记录,甚至可以是通过计算机数学运算得到。若是没有全息图的存在,严格意义上来说,就不能够称之为全息显示。

不过正如前文提到的,3D显示范围很广,许多其他的技术同样很优秀,以后有机会再为大家一一介绍。

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