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【編者按】本文作者@看風景的蝸牛君，中科院光學工程博士。
首先要明確一點，全息和3D顯示不存在誰包含誰的問題，他們是有交叉的兩個概念。
之所以媒體和大眾往往將兩者混為一談，是因為全息技術的確是很有前景的一項3D顯示技術，而且也是中學教科書中著重提到過的“未來”科技，才讓大家印象深刻（當年我就是因為這個，義無反顧地選擇了光學工程專業）。但實際上除了全息之外，還有許多其他技術都可實現3D成像，與全息技術相比，各有利弊。甚至不少技術會先于全息技術發展起來，走入大家的生活。
另外，全息技術除了應用在3D成像，還廣泛用在測量、存儲、加密、防偽等各個方面，實際上大家日常生活中經常見到的各種鐳射防偽商標，就是全息技術的一大應用。
理清楚了這兩者的關系，還是以成像的應用為例，從傳統全息術開始，先著重介紹一下全息技術的原理和發展。
我們看一張照片，一般情況下可以根據物體之間的遮擋關系、近大遠小的經驗和畫面中的陰影等信息來判斷物體的遠近，但沒有觀看真實物體時的立體感。這是由于使用相機進行拍攝時，記錄的只是物體的光強信息，而物體的深度信息是包含在相位當中的。
既然如此，是不是可以通過某種方式，將光線的強度信息和相位信息同時記錄下來呢？這就是“全息”思想的來源。所謂“全息”，其實是個科學上創造的名詞，本意上即指可以同時呈現強度和相位信息的技術，類似地，英文中會冠以“holo-”開頭，表達全息相關的名詞。
比較麻煩的一點就是，我們手中用來記錄光線的物質都只是對光強敏感，而不是對相位敏感。因此要一個方法，利用記錄光強的物質將相位的分布記錄下來。科學家們發現，光的干涉恰好可以滿足需求。
“干涉”對于非本專業人來說，是個比較難以理解的概念，至少在我讀高中的時候，許多同學都在質疑這是否違背能量守恒……為了讓大家簡單地理解這個概念，我來舉一個不太嚴謹的例子。
有一天，小明同學在練習素描，于是在紙上快速地來回畫一條3cm長的線，如下圖所示。
小明的手速實在是太快了，若不是時空靜止，我們根本看不清他的筆尖到底在哪里，只能看到紙上有一條黑色的線。
這時小紅走了過來，對小明說，我們玩個游戲吧。于是兩個人以玩筆仙的姿勢，握住了這支筆。
最初小紅完全不用力，小明繼續以自己的節奏和力道來回畫著3cm長的線。接下來，小紅可以選擇任何時間開始以同樣的力道和節奏控制這支筆，會出現什么情況呢？
若是小紅開始發力的位置和方向恰好合適，那么最后兩個人的力道會合在一起，控制著這支筆畫著一條更長的線，最長可以達到6cm；
若是湊巧小紅和小明杠上了，兩個人以同樣的力道、相反的方向控制這支筆，那么最終這支筆不再移動，相當于線的長度變為0；
大多數時候都沒有這么巧，兩個人來回畫線的長度介于0-6cm之間。
總之，若是小明的動作確定下來，那么我們就可以通過最終線的長度來判斷小紅啟動時候的狀態。
回到問題當中，化學物質只能分辨光強的大小，那么給出一束確定的參考光束（例子中的小明），就可以將物體光束的相位（例子中小紅啟動的狀態）通過光強（相當于例子中畫線的長度）的方式記錄下來。
因此，全息圖像記錄的過程，可以用下面這張圖簡單概括。
參考光束和物體光束的干涉結果被底片干板記錄下來，顯影、定影之后就可以使用了。
復現的時候，只要保持參考光束不變照射在干板上，衍射后就可以還原出物體的樣子，而且由于具有深度信息，所以具有立體感，比如下圖：
轉個角度：
傳統全息術發明之后，其震撼的表現力讓大家非常興奮，若是去科技館的話，經常會見到這樣的展品。我至今都記得自己第一次見到全息的獅子頭像時內心的吶喊，細節栩栩如生，實在是太棒了。
從3D顯示的效果來說，傳統全息術的顯示效果還是非常棒的，但是難以實現動態顯示，而且干板價格比較昂貴，也不利于復制和傳播。
傳統全息術中干板價格貴、不利于傳播等類似的問題，其實在傳統膠片攝影中也同樣存在。當年柯達為了解決這些問題，于是發明了數碼相機，開啟了一個新的時代。后來的故事，大家都知道了……
總之，隨著數字式感光器件的發展，科學家意識到，就如同數碼相機取代膠片相機一樣，為何不用CCD或者CMOS來取代干板呢？
于是數字全息術就誕生了。
除了將干板換成CCD或者CMOS之外，數字全息圖的記錄過程與傳統全息術沒有區別。不過由于記錄下來的信息是數字化的，所以可以用計算機進行處理，即便沒有參考光束，也可以用計算機計算出復現的圖像，進行研究。
數字全息術廣泛用于需要快速處理信息的物體三維信息測量記錄、加密、圖像識別等方面。除此之外，數字全息也常用于科研中進行顯微成像。
普通的光學顯微鏡無法讀取被觀察物體的三維信息，而數字全息顯微鏡可以在計算機中重建物體的3D模型，方便研究。
人類對便捷的追求是無止境的。在使用感光器件替代全息干板之后，科學家又想到，既然光學計算理論已經足夠成熟，計算機的計算能力也越來越強大，何必還需要拍攝的過程呢？所以計算全息術應運而生。
所謂計算全息，其實就是拋開了干涉圖的記錄過程，直接將光場分布使用計算機通過數學運算計算出來。這樣做有一個巨大的好處，那就是可以實現任意物體的全息顯示，即便這個物體在現實中并不存在。因此許多產品的防偽標識都可以使用這種方式來實現。
具體到3D顯示，物體復現有許多方法，這里簡單介紹三種。
（1）空間光調制器（SLM）
關于SLM來做全息顯示，之前在另一個問題中我曾經講過。圖中亮晶晶那一小塊就是SLM工作區域，上面分布著微米量級的像素點，每個像素點都可以提供獨立的相位調制，也有一些SLM可以實現振幅的調制。
將計算出來的全息圖加載到這上面，然后使用參考光束照射，就可以復現出立體圖像。下圖是使用SLM實現的。
SLM由于像素點尺寸比光波長大很多，顯示的物體大小很受限制。但是由于SLM每個單元像素都可以實現獨立調整，所以很適合進行動態顯示。
（2）超表面（metasurface）全息
超表面是近年來的研究熱點，有各種各樣的形貌。例如用于全息顯示的超表面是由一系列的微納結構實現的，這些微納結構有著不同的尺寸或者轉角，可以對光場進行振幅和相位的調制。經過計算編碼，將微納結構按照需求排布成全息圖，替代全息干板的作用。
上圖來自于2013年發表在權威刊物Nature Communications上的一篇文章，通過超表面實現了一個飛機圖像的3D顯示。
超表面全息一大優勢在于單元像素點尺寸小于波長，因此可以實現放大很多倍的圖像顯示。
（3）打印全息圖
zebra imaging等公司將數字化場景計算出的全息圖通過特殊的打印技術打印到感光物質上，就可以得到近似于傳統全息術的顯示效果，非常震撼。
相關的視頻請見：Zebra Imaging?
這項技術可以幫助工程師實時觀察物體細節、城市街道狀況等，但是無法實現動態顯示，而且價格不菲。
總結一下，全息術最核心的是需要有記錄物體相位的全息圖，可以通過衍射過程再現物體。這個全息圖可以通過干涉方法、利用干板記錄，也可以是利用CCD/CMOS記錄，甚至可以是通過計算機數學運算得到。若是沒有全息圖的存在，嚴格意義上來說，就不能夠稱之為全息顯示。
不過正如前文提到的，3D顯示范圍很廣，許多其他的技術同樣很優秀，以后有機會再為大家一一介紹。
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