1964年春天，美国华盛顿的喜来登酒店里，人头攒动，排起长队，人们有秩序的等待进入一个房间。从这间房里出来，大家都在热烈的讨论着什么，露出惊喜又疑惑的表情。来自美国密歇根大学雷达实验室的科学家Emmet Leith（诶米特·利慈）和Juris Upatnieks（朱丽斯·尤帕尼斯）在房间里向一众光学科学家和工程师们展示了他们拍摄的全息照片。
这可谓是前所未有的视觉奇迹：那是一列玩具火车，清晰、立体的展现在眼前。随着视角的移动，火车的透视与角度也随之变化，观看照片如同隔窗观景，如此真实和自然的立体图像，令现场的科学家们都赞叹不已、拍手叫好。Leith和Upatnieks展示的全息摄影“玩具火车”，这是全息摄影第一次与公众见面。
而事实上，从1955年开始，Leith就尝试将全息技术运用在雷达成像上，与此同时，也试图改善并实现Dennis Gabor（加博尔）对于全息摄影的想法，但由于雷达研发是军方的涉密项目，便一直未与外界公开。1951年，为了突破雷达成像分辨率问题，美国数学家Carl·A·Wiely提出了种全新雷达的概念——合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）。
简单来说，要提高雷达成像的分辨率和有效范围，就要用到尺寸较大的天线。而这种天线甚至比装载它的飞机还要大很多，根本飞不上天。若想解决这个问题，可以用一只小尺寸天线安装在飞机上。随着飞行，连续发出信号，最后将回收的所有数据经过数学变换（主要为傅立叶变换）处理合成为一张完整的图像。就可与大天线等效，极大提高成像分辨率与效率。这个解决方案的前提是极大的数学处理算力。
而50年代的电脑还不足以支撑如此复杂的运算。密歇根大学雷达实验室创办人Louis J. Cutrona和Weston E. Vivian决定通过光学的方式来解决数据成像的问题。研发一套在合成孔径雷达中使用的光学成像处理器系统（Optical Processor）。Leith在1952年研究生毕业后来到实验室，主要的工作就是研发这套光学成像系统。
Leith提出了种与Gabor的全息术十分类似的方法用于雷达的数据成像。Gabor后来将这种方法称为“电磁波二维全息”。即将雷达数据以干涉条纹的形式记录在胶片上，再用相应的相干光照射成像，使得雷达数据合成孔径雷达成像成为可能。
在研究初期，Leith并没有参考Gabor的理论，后来接触到了Gabor在1948年发表的系统的全息理论，他大受启发，不仅更好的将其应用在雷达开发中，并且希望将Gabor的全息技术与通信工程理论（communication theory）相结合，进一步推动全息技术的发展。1960年，Leith与新来的同事Upatnieks开始着手研究全息摄影技术，他们先是起解决了十年前困扰Gabor的孪生像问题。
由于早期技术限制，Gabor设计的全息实验把光源和被拍摄物及其他元件全部摆放在一条同轴线上，后被称为同轴全息（in-line holography），而这样的布局导致在重现图像的时候产生“孪生像”（twin-image），也叫共轭像（conjugate image），在物体虚像的旁边，影响观察。
而Leith和Upatnieks则利用衍射光栅作为分光器，将水银灯发出的光一分为二，一束作为物光，另一束为参考光，将拍摄布局精心规划，拍摄物体和光线在不同的轴线上，通过镜面反射将所有的光“引导”在底片上，得到了较为清晰的图像，分光器不仅分开了光，还将孪生像与虚像分开，极大程度的解决了初代全息技术的遗留问题。
问题的解决看似轻松简单，而这也是Leith在多年研究雷达应用全息技术的经验积累，量变产生了质变。而这一个问题的解决也伴随了新的难题产生，利用光栅分光，需要整个实验系统具有极好的稳定性，在拍摄时的一点点振动都会毁掉成果，为此，他们不得不研发制作一套稳定系统来确保成果可控。分光器带来的另一个问题，就是光强的减弱，导致在拍摄时需要更长的曝光时间。
他们将关于提升改善全息技术的成果发表，由于没有使用传统的镜头，他们的摄影方式被称为“无镜头摄影”（lensless photography）。随后，Upatnieks需要参军服役，Leith也有军方其他的科研课题，研究也暂时停了下来，其他问题也许只能留给时间来解决了。
同在1960年，美国科学家T.H.梅曼成功制造出了世界上的第一道激光，这就是往期文章：《尊重一束有深度的光，并捕捉它》中讲到的Gabor当年求的那阵未来的“东风”。在接下来的两年里，激光技术逐渐趋于稳定和工业化，各大实验室都在尝试使用氦氖激光做相应研究。
激光具有高相干性，在传播中可以保持相位一致，发生高质量的干涉，在感光底片上记录清晰的干涉条纹；而且激光的亮度远远高于水银灯，这样也可以非常有效的缩短曝光时间。Emmet Leith和Juris Upatnieks在工作中，来源：Michigan’s ECE1962年冬天，Upatnieks役满归来，与Leith重返全息研究，这次，他们借着激光东风，带着全息全速启航！
但是，激光毕竟是一种新事物，需要一定的磨合，而全息原理看似简单，实现起来其实也很复杂。Leith和Upatnieks经过了几个回合的反复试验、失败、总结、改善、再实验，他们往前迈了一大步，驯服了激光，拍摄了清晰的二维全息图像；再度精进，终于获得了完美的立体全息图像。
1964年美国的新闻画报阐述了摄影的发展与未来，对全息摄影进行了一定的描述(来源：youtube)依然是离轴式的布局，利用分光镜将氦氖（HeNe）激光一分为二，一束照向物体，一束作为参考光与物体反射的光在底片上发生干涉，经过曝光冲洗，底片上呈现了干涉条纹，肉眼无法辨认，用激光从相同的角度照射照片，发生衍射，还原了光场，与物体散射的光场相同，具有立体感的物体影像就此再现眼前。
Leith和Upatnieks的全息摄影术原理手稿笔记，来源：holographic visions：a history of new scienceLeith在接受访问时回忆研究全息摄影的过程：“人们总是问我？第一张全息图是什么？哪一个是最初的那个？其实，也许没有真正意义上的第一个，有没有第一个、哪个是第一个也不重要，那是整个技术进化的过程。
”（Leith recalls, ‘Everything came slowly. People ask “well, what was your first holo- gram, which is the first hologram?” [. . .] there wasn’t a first hologram; it was an evolutionary process’）来源：holographic visions：a history of new science上图为Dennis Gabor在1948年拍摄的全息图，我们可以明显的看到重现图中的孪生像重影，这时的全息还是二维平面且尺寸极小，直径只有1mm，重现像黑白分明，不具备灰度渐变（grayscale）。
来源：holographic visions：a history of new science上图为Leith和Upatnieks在1963年拍摄二维全息照片，左边为干涉条纹，右边为重现像，消除了孪生像问题，且具有明显的灰度变化，观感趋于真实照片。
来源：holographic visions：a history of new science上图为1964年Leith和Upatnieks拍摄的三维物体的全息图像，也是历史上第一张利用激光拍摄和重现的清晰全息照片从当时的新闻报道中，我们可以感受到人们第一次看到这种视觉奇迹时的惊喜。“当你在观看那张被激光照亮的照片时，你会看到一列玩具火车和一个售票员手办就在桌子上。
如果你想看到它们的前后还有什么，你只需要移动自己的视角。与看那种立体画的感受完全不同，不用带眼镜，也不用眯眯眼。由于照片上有物体的全部光学信息，就算我们把底片剪开，我们还是可以从里面看到整个物体。”将全息照片剪开后仍能看到全部的图像 | 来源：youtube这是全息照片的另一个特点，它在底片上记录的不是像，是相位，就像一扇凝固了光与时间的窗，把窗户任何一个部位挡住，还是可以看到对面的景色。
全息自此一飞冲天，社会影响力急剧扩大，在学术界也受到更多的重视和研究。全息之父Gabor在1971年获得诺贝尔奖时的演讲中高度肯定了Leith与Upatnieks对于实现、改进和应用全息技术的卓越贡献。
Leith与Upatnieks的团队也借着全息抬头的势头，一举研发了多项全息应用专利，包括全息干涉仪（holographic interferometry）、全息扫描（holographic contouring）、全息滤波技术（holographic interferometry）、全息存储和多图像合成全息（the multiplexing of several images onto a single plate）。
密歇根大学实验室所在地Ann Arbor也成为了全息“圣地”，培养了各类全息专家，对全息技术的发展有着关键性作用。
Reference:https://ece.engin.umich.edu/stories/emmett-leithSean F. Johnston，Emmett Leith: Early work and influenceSean F. Johnston，Holographic visions: a history of new science转载内容仅代表作者观点不代表中科院物理所立场如需转载请联系原公众号来源：as科学艺术研究中心编辑：老头近期热门文章Top10↓ 点击标题即可查看 ↓1.为啥公交车座椅上有个小洞洞？
放屁用的？2.饿肚子睡觉和睡前吃夜宵，到底哪个更不健康？3.天上会掉馅饼吗？不会！但是会掉青蛙和小鱼干4.为什么有些人老迟到？其实他们是故意的……5.没有身份证，古代人怎么验明正身？6.灯泡为什么放到嘴里却拿不出来？ | No.3347.总在深夜emo？这事真的不能全怪你！8.震惊！熬夜竟然有这么多“好处”，快来看看你占了几个？9.“无限”和“无限+1”谁更大？10.天冷后人的尿量为什么会增加？
| No.332 点此查看以往全部热门文章 阅读原文