一说到“全息”，大家会联想到什么？
全息家用投影？全息后壳？全息颜色？全息舞台？全息瞄准镜？5G全息？
你所看到的“全息”就是真正的“全息”吗？
写这篇文章的目的就是，带大家全面了解“全息”的前世今生和真真假假。
（字数3000+，配图16，公式5，建议阅读时长20-30分钟，每一节开头都有速读版，转载请私聊。）
一、“全息”的诞生
速读版：
匈牙利裔英国物理学家丹尼斯·伽博（Dennis Gabor）；
1947年，专利授权（英国 GB685286）；
1948年，Nature发表 （Vol. 16）[1];
1949年，Proc. R. Soc. Lond. A发表，并起名“Hologram(全息图)”（Vol. 197）[2]；
1971，诺贝尔物理学奖。 “全息”翻译自英语“Holography/Hologram”，其中“Holos”是希腊语“全部”的意思。Holography/Hologram（全息术/全息图）是匈牙利裔英国物理学家Dennis Gabor在1948年发明的，这篇开山之作发表在Nature上[1]。 (顺便说一句: 他家里有矿, 父亲是一家矿业公司的董事长。)
Dennis Gabor
值得说的一台小细节：虽然这个idea是1948年公开发表的, 但“Hologram”这个名字却是次年发表在Proc. R. Soc. Lond. A上的文章中起的，文章名为“Microscopy by reconstructed wave-fronts”[2]。
上图为该文中有关起名字的一段话，翻译过来就是：由于本文需要经常使用发散的相干照明下的衍射图，因此为它引入一台特殊的名称，以将其与衍射图样本身区分开，它被认为是一台复函数。 “全息图(Hologram)”这个名称并非没有道理，因为照片包含重建物体所需的全部信息，可以是二维或三维。
二、“全息”的原理
2.1 为啥叫“全息”
速读版：
振幅（强度）信息就是哪里亮哪里暗;
波前（相位）信息就是哪里高哪里低;
既有振幅（强度）信息又有波前（相位）信息所以叫“全息”。 2.1.1 振幅（强度）信息就是哪里亮哪里暗：
通常我们所说的照相（拍照，摄影）是指，根据几何光学成像原理，将空间物体成像在一台平面上，然后记录下该平面上光波的振幅（强度）。如下简易示意图，用相机拍蜡烛火焰，得到的就是物光波的振幅信息（哪里亮，哪里暗）。
普通成像简单示意图
2.1.2 波前（相位）信息就是哪里高哪里低：
其实除了振幅，物光波还有波前，波前中就包含了物体的相位信息（哪里高哪里低）。
关于波前（相位）的理解可以参考： 如果把蜡烛火焰的相位信息画出来会是指什么样呢？
蜡烛火焰相位图：包裹（左），解包裹（右）
上图摘自一篇文章[3]，右边的那个就是蜡烛的相位信息，颜色越亮表示越高，颜色越暗表示越低。（至于左图那么多“褶皱”是指什么？ 可以参考 [3]，如果大家有兴趣，改天可以单独介绍一下“褶皱”。）
2.1.3 既有振幅（强度）信息又有波前（相位）信息就叫“全息”：
如果能够记录物光波的振幅和相位，并在一定条件下再现，就可以看到包含物体强度和相位的三维像。所以， 叫“全息”，即“全部的信息”，即“强度和相位”。
2.2 如何实现“全息”
速读版：
相位信息无法直接保存在照片中;
引入参考光波与物光波产生干涉，把相位信息保存在条纹中;
用参考光波照射全息图，就可以再现（衍射）出物光波。 2.2.1 相位信息无法直接保存在照片中：
保存强度信息很简单，随便找个相机拍张照片就行了。那相位信息呢？ 为啥相位信息不能直接记录在照片中呢？
物光波的复振幅表达形式是这样的（光学书籍中都会有这个知识点）:
光强的表达式是这样的：
算到最后，相位项如何不见了（意味着物光波的强度里没有相位这一项了）？ 因为：
2.2.2 引入参考光波与物光波产生干涉，把相位信息保存在条纹中：
既然物光波的相位不能直接保存，那就找一台已知强度和相位信息的参考光波（平面光波）和它放到一起，是不是就可以了呢？
这时，我们得到的照片（全息图）是指什么样子？
经过多次放大后，可以看到黑白相间的条纹，相位信息就被保存在了条纹的形状中。强度信息本身就已经包含在全息图中了，体现为条纹本身的亮暗分布（并非条纹形状）。
为啥全息图中有相位信息呢？ 找一束平面光波作为参考：
把物光波和参考光波叠加到一起，复合光波的强度表达式是这样的：
其中 \phi_{O}是物光波的相位，\phi_{R}是参考光波的相位。
①. 等式左边是我们复合光波强度图（就是所谓的全息图），②. 等式右边第一项是物光波强度图（可以获取），③. 第二项是参考光波强度图（可以获取，一般是常数），④. 参考光波的相位\phi_{R}是已知的（平面光波的相位是常数），这时，物光波的相位\phi_{O}就可以求出来了。 更具体的理解可参考：
2.2.3 用参考光波照射全息图，便可再现（衍射）出物光波：
这时你凑上去看，就能看到蜡烛的三维信息了。
要知道，再现出来的的光波场和蜡烛本身的光波场是一模一样的，所以你看到的和真实的蜡烛火焰是一样的（只是摸不到罢了）。
关于全息图重建的数字方法可以参考： 三、“全息”的主要应用
速读版：
相位和形貌的测量；
全息存储；
全息干涉计量；
全息显示。 3.1 相位和形貌的测量（显微）
很大很大的一台领域，这个主要针对看起来透明的东西（比如细胞，生物组织，流场等），和那些需要知道表面形貌的东西（芯片，MEMS等）。 大家可能不太感兴趣，我这里只展示两张看起来比较直观的图：
洋葱表皮（透射），左：普通（明场）显微镜照片，右：全息技术得到的相位分布
硅片表面（反射），左：普通（明场）显微镜照片，右：全息技术得到的表面形貌分布
3.2 全息存储
使用全息图存储文字或图片信息：不同偏振态，不同波长，不同角度的信息可以同时保存在一张全息图中，所以特点就是大容量，高密度。 但是对振动和环境光的干扰太敏感，目前还没有大规模应用。
3.3 全息干涉计量
简单讲就是，样品变化前，测一次相位A，样品变化后，再测一次相位B，两次得到的相位相减就可以得到样品的变化情况，实现无损检测（变形，损伤等等）。
3.4 全息显示
这个大家最熟悉了吧，上一节讲的这张图就是最最简单的全息显示。
这种最多看到180度（实际上远远不止180度），要想360度还原物体，最笨的方案就是拍多个角度，然后按各自角度重现物光波，如下图：
当然，这种成现的是虚像。 也可以成实像，并将它投射在平面或者立体的介质上，人眼可以直接看到一台真实的像，如果介质是气体你的手还可以穿过这个“真实”的像。
还有一点，加上不同波长的光波再现，就能看到彩色的再现像。
四、“全息”的识别
速读版：
佩珀尔幻象（非全息）；
旋转LED显示技术（非全息）；
3D渲染（非全息）；
“全息”手机后壳？“全息”颜色（非全息）？
识别方法：如果显示过程中，使用了全息图（条纹状的干涉图）就可以基本断定是“全息”。 “全息显示”≠“3D显示”，不是所有的3D显示都可以挂上“全息”的名号。说一说那些被误以为是“全息”的3D显示技术
如下图，物体“A”和物体“B”，一台在玻璃的侧边，一台在玻璃的后边，你在玻璃的正前方会同时看到“A”和“B”。
佩珀尔幻象的原理
如果还不是很明白，再看看这张照片，小轿车如何跑到房子里面去了：
网络图片，侵删。
还有，手机上放一台梯形玻璃：
网络图片，侵删。
很多打着“全息”旗号的大型舞台表演（具体的就不点名了）用到的都是佩珀尔幻象，和全息没有任何关系。
2. 旋转LED显示技术[4](看着像裹了一圈LED的风扇，转起来后会有3D视觉效果)：
这种技术利用了视觉暂留[5]原理，通过LED的高速旋转来实现平面成像，但由于LED灯条在旋转时并非密不透风，观察者依然可以看到灯条后的物体，从而让观察者感觉画面悬浮在空中，实现类似3D的效果。有人叫他“3D全息风扇屏”，但这个也和“全息”没有任何关系。
3. 3D渲染（后期人为加的3D效果，是一种视频处理手段，现实中看不到）：
忍不住说一句，这个大概率是渲染的，
网络图片，侵删。
4. “全息”手机后壳？“全息”颜色？
只是在表面刻了光波长大小的光栅（高低起伏的坑），光栅的色散作用，看起来五颜六色。
PS：参考文献的PDF版，可能有些小伙伴不好下载，可以找我要（仅供学习交流）。
参考
- ^abhttps://doi.org/10.1038/161777a0
- ^abhttps://doi.org/10.1098/rspa.1949.0075
- ^abhttps://doi.org/10.1364/OE.27.015100
- ^【专利】卢卫强，一种3D旋转全彩显示器[P] :中国, 209029029U， 2019-06-25
- ^百度百科： https://baike.baidu.com/item/%E8%A7%86%E8%A7%89%E6%9A%82%E7%95%99/5125149?fr=aladdin
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