什么是“全息”？全息技术的定义与原理
在电影《星球大战》中，不知你是否还记得这个片段：莱娅公主的立体影像从机器人身上投射而出，仿佛人就在你面前。这种如梦似幻的影像体验，其实正是基于一种真实存在的科学技术——全息（Holography）。
《星球大战》里的莱娅公主（图片来源：[1]）
虽然在大众视野中，全息常常与科幻联系在一起，但它并非只是幻想。早在上世纪40年代，全息成像的基本原理就已经被提出，并在激光技术的发展推动下逐渐从理论走向现实应用。那么，究竟什么是“全息”呢？今天，我们先来聊一聊“全息”的定义与原理。
什么是全息？
全息并不是简单的3D投影，也不仅是舞台上的虚拟明星。它是一种彻底重建光波信息的方法，可以记录并再现物体的全部三维信息，包括形状、大小、纹理、甚至光的传播方向。这种完整记录和重建的能力，才是“全息”这个词的真正含义。
70年代后期的全息作品（图片来源：[6]）
“全息”一词源于希腊语，其中“holo”意为“整体”、“完全”，“graphy”则代表“记录”。合起来，“holography”就是“全息记录”。传统的摄影记录的是物体反射或发射出来的光的亮度信息，因此只保留了二维平面上的图像。而全息摄影不仅记录光的强度信息，还记录了光波的相位信息，这意味着我们可以重建光在空间中的传播路径，从而呈现出完整的三维图像。
全息术的奠基人
全息术的奠基人是匈牙利裔英国物理学家丹尼斯·加博尔（Dennis Gabor）。1947年，他在研究电子显微成像时，提出了利用干涉和衍射原理记录三维信息的设想，并在1948年首次发表了相关论文。由于当时还没有激光技术，全息术在实践中受限多年。
全息术的奠基人——匈牙利裔英国物理学家丹尼斯·加博尔（Dennis Gabor）（图片来源：[4]）
加博尔早期关于全息术的设想（图片来源：Dennis Gabor Nobel Lecture）
直到1960年激光问世，人们终于拥有了相干性极高的光源，全息技术才得以进入实验和应用阶段。1971年，加博尔因其在全息术上的贡献荣获诺贝尔物理学奖。
全息的两大核心原理：干涉与衍射
全息图的制作与观察过程可以分为两个核心阶段：干涉记录和衍射重建。
01
干涉记录
在干涉记录阶段，需要将激光光束分成两束：一束照射在物体上，反射后携带物体信息（称为物光）；另一束直接照射到记录介质上（称为参考光）。这两束光在光敏胶片上相遇，形成复杂的干涉条纹。条纹的形状和分布，正是物体三维信息的编码形式。
利用相干光干涉效应制造全息图的过程（图片来源：[5]）
02
衍射重建
所谓衍射重建，则是用与原参考光相同的激光照射这张干涉图时，条纹会引导激光发生衍射，从而重建出原物体的三维光波。观者看到的影像并不是图纸上的图案，而是空间中仿佛真实存在的立体图像。
衍射重建的过程（图片来源：[5]）
这两大原理——干涉与衍射，是现代光学的基石。全息图的每一部分都包含了整体图像的信息，这也意味着哪怕切下一小块，也能重现整个图像的模糊轮廓，这正是它不同于普通摄影的神奇之处。
通过全息照片的碎片也可以看到全部信息（图片来源：[2]）
全息＝裸眼3D吗？
如今我们经常看到一些商用展示号称“全息投影”，但实际上很多只是基于投影的光学错觉或者“佩珀尔幻影”（Pepper’s Ghost）原理，它们并不是真正意义上的全息。真正的全息图可以在无屏幕、无眼镜的条件下，以空间中的干涉衍射图案还原三维影像，不依赖特定角度观看也能看到立体景象。
运用“佩珀尔幻影”技术实现邓丽君与周杰伦同台演唱（图片来源：[2]）
裸眼3D则通常是通过多角度视差图像的组合，利用人眼的双视差原理营造立体感。它无法真实记录光波相位，因此本质上仍是二维图像上的立体错觉。而全息是直接对光波进行操控和还原，因此更为真实、自然。
成都太古里裸眼3D（图片来源：网络）
全息作为一种信息密度极高的可视化手段，不仅可能颠覆我们获取图像信息的方式，更有望成为未来人与信息互动的核心桥梁。从拍照、看电影，到远程交流、虚拟现实，全息或将是下一个重大变革的起点。
光学全息技术、数字全息技术与计算全息技术
我们将深入了解全息技术的主要类别——主要包括光学全息技术、数字全息技术与计算全息技术。
全息影像桌（图片来源：[3]）
光学全息技术：全息的“老祖宗”
如果把全息技术比作一门古老的武艺，那么光学全息技术无疑就是它的“正宗嫡传”。
正如上所言，光学全息起源于20世纪40年代，由诺贝尔奖得主丹尼斯·加博尔（Dennis Gabor）提出，真正的发展则在1960年激光问世之后才如虎添翼。它的基本原理是：通过一束激光分成参考光和物光，让物光照射到物体后散射，再与参考光在全息材料（如光敏胶片）上干涉，记录下相干光场的强度和位相信息，形成一张记录全部信息的干涉图，也就是我们常说的“全息图”。
光学全息术的记录与重建过程（图片来源：[5]）
播放或再现时，只需用一束与原参考光相似的光照射全息图，原本三维的光波前就会“重建”，让观察者从不同角度都能看到物体的不同侧面，就像真的物体悬浮在空中一样。
光学全息防伪标签（图片来源：网络）
光学全息的优点是能实现极其逼真的3D重建，不依赖屏幕或眼镜。因此，广泛用于博物馆文物复原、工业检测、安防防伪（如人民币上的激光标签）等领域。光学全息的局限性则在于：其一是，需要非常精密的光学系统和稳定环境，对光源、振动控制要求高；其二是，实时性较差，难以动态更新或处理运动图像。
数字全息技术：全息进入数字时代
数字全息技术是将全息干涉图通过CCD（电荷耦合器件）或CMOS图像传感器记录为数字图像，再通过计算机算法进行存储、处理与重建。这一过程中，图像可以不经过传统光敏材料，而是直接以数据的形式存在，并可以使用计算算法复原出三维图像。
数字全息术的记录与重建过程（图片来源：[5]）
这种方式的核心优势是“可计算、可修改、可存储”。比如我们可以把拍到的数字全息图像通过软件算法进行滤波、增强、聚焦，甚至动态重建出不同深度平面的图像。相比传统光学全息，数字全息更灵活、更易操作，也更适合与人工智能、图像识别等技术融合。
数字全息显微仪对细胞融合过程的成像结果（图片来源：[6]）
数字全息的优点在于：成本较低，设备便携，系统构建灵活；可数字化处理、长期保存和传输；实现动态/实时成像的潜力大。局限性则是依赖高速计算资源，对算法精度和成像模型要求较高。
数字全息的应用方向主要有以下几个方面：
生物显微成像：无需染色即可观察活体细胞的三维结构与运动。
工业无损检测：可用于检测材料微变形、应力集中等精密结构。
教育和科研：可用于虚拟实验、立体投影和远程教学等。
基于数字全息的三维形貌测量（图片来源：[4]）
计算全息技术：重构现实的新力量
与前两种“以记录实物为主”的方法不同，计算全息技术（Computer-Generated Holography, CGH）则是“凭空生成”的全息影像。
它不再依赖实物或物光干涉，而是用计算机根据三维模型或数学公式直接“计算”出一张全息图，这张图经过投影或干涉后就能重建出所需的3D图像。简单说，它是全息版的“建模+渲染”。CGH就像是3D打印技术的“光学兄弟”，用光的方式构建虚拟世界。
计算全息技术的流程（图片来源：[7]）
计算全息的数学核心在于光的传播模拟，特别是衍射计算（如傅里叶变换、角谱方法等）。通过这些计算，系统可以模拟物体如何在空间中发光并传播光波，再生成相应的干涉图。
计算全息的优点在于：无需实物输入，完全由计算生成，更具灵活性和创意空间；便于集成到数字内容生产链中，如游戏、动画、数字孪生；能与GPU、AI等技术深度融合，实时渲染潜力大。局限性则是高分辨率高质量的CGH计算量巨大，对硬件要求高。
计算全息的典型应用有以下几个方面：
全息投影显示：例如展会上用于打造悬空人像、虚拟主持人。
虚拟现实（VR）和增强现实（AR）中的裸眼3D呈现。
医疗可视化：重建器官或手术场景的立体显示。
未来电视或电影成像：实现无需眼镜、360度观看的沉浸体验。
全息光学未来方向展望（图片来源：[1]）
总结来说，光学全息技术记录真实、质感强；数字全息技术灵活高效、适合实时与处理；而计算全息技术则像虚拟魔术师，可凭空创造出任意三维世界。这三类全息技术，为我们的未来打开了前所未有的想象空间。
参考文献
[1]https://mp.weixin.qq.com/s/BJvv_lbKyHp26UUsDOx-yQ
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/DdV01CqEZ7IJnJ1zHEQLxQ
[3]https://en./wiki/Holography
[4]https://en./wiki/Dennis_Gabor
[5]https://mp.weixin.qq.com/s/l8lxMD4mJHMNXrleDLxyzA
[6]https://mp.weixin.qq.com/s/3M7ASO5ZQzO-8q9pD4oXRA
[7]https://mp.weixin.qq.com/s/6emtk7xXr5bt1LYihWzCFw
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[12]https://mp.weixin.qq.com/s/QDNy43SYz8DqSqrPPREtzA
[13]Slinger C, Cameron C, Stanley M. Computer-generated holography as a generic display technology[J]. Computer, 2005, 38(8): 46-53.