光影交错间,全息技术是如何一步步发展成今天这样的?

作者: 看风景的蜗牛君

来源: 雷锋网

发布日期: 2017-01-17 11:16:16

本文详细介绍了全息技术的原理及其发展历程,包括传统全息术、数字全息术和计算全息术,并解释了全息和3D显示的关系。

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。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。

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。

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。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。

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。

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。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。

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。

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