3D技術是人類探尋顯示世界的重要媒介之一，如何使屏幕上的圖像也有深度和立體感，使人們可以獲得三維體驗是一項不竭的課題。三維顯示技術相比于二維顯示增加了一個深度方向的信息，極大地擴展了信息量。

為了讓觀察者產生三維視覺，三維顯示需要提供四種深度感知要素：輻輳，會聚，雙目視差與移動視差。這些要素共同構成了所謂的真三維顯示。其中輻輳是指當人眼觀察具有不同深度的圖像時，眼球的晶狀體焦距會發生變化，從而適應不同的深度。而會聚是指人眼在觀察三維物體某一點時，兩只眼睛的視軸會會聚于該點，隨著觀察不同深度的點，會聚角會發生變化。雙目視差是指由于兩只眼睛位置不同，觀察同一物體時獲取的圖像存在差異，移動視差則是指當觀察者移動時，觀察位置的變化導致獲取的圖像不同。

圖 1 三維顯示的四種深度感知要素：(a)輻輳，(b)會聚，(c)雙目視差，(d)移動視差

從雙目視差3D技術到真3D顯示，其中全息 3D 顯示技術是理論上最完美的 3D 顯示技術，它通過記錄和再現物光波的相位和幅度信息再現自然立體場景。全息術”一詞來源于希臘語單詞“holos”，意思是“整體”或“所有”，而全息術的初衷，卻是為了消除電子透鏡的像差，提高電子顯微鏡的分辨率，由英國科學家丹尼斯·伽伯于1947年發明。全息術的基本原理包括兩步：記錄與再現。

圖 2 全息術原理示意圖：(a)記錄，(b)再現

記錄過程是利用相干光源照射物體，生成物體波，再利用同一光源生成參考波。物體波和參考波在全息板上相交疊加，產生干涉圖樣，即全息圖。也就是說當物體波和參考波在記錄材料上相互干涉時，干涉條紋的強度分布被記錄下來，轉化為材料的透過率分布。這一過程采用了光學干涉原理，干涉條紋記錄了物體波的振幅和相位的全部信息。

再現過程則是通過相同的參考光照射全息圖，全息圖中的干涉條紋可以視為無數光柵的疊加，當照明光波入射時會發生光柵衍射，從而重建出原始的物體波。這一再現的物體波包含了物體的三維信息，因此能夠生成三維圖像。通過這樣的方式，觀察者可以從不同角度觀看該圖像，展示出物體的深度和立體感。

那么為什么干涉條紋能夠包含物體波的全部信息，以及衍射為什么可以重建物體波呢？這先要了解一下相位和相位信息，以及什么是衍射。

光的相位可以理解為光波在一個周期內的位置，相位信息包含了光波的空間結構和形態。當兩束光波相遇時，如果它們的相位相同，它們就會互相增強（形成亮條紋）；如果相位相反，它們就會互相抵消（形成暗條紋）。分析這些條紋的的具體位置和形態，則可以得到其中蘊藏的相位信息，而這些相位信息便包含了關于物體表面形狀和細節。

衍射則是指光波遇到障礙物或通過狹縫時，繞過障礙物傳播并產生的新波前，這種現象叫做衍射，它是光波的波動性特征之一。而全息再現過程中，當原始參考光照射在全息圖上時，全息圖中的條紋就像無數的微小光柵，這些光柵會對入射光波產生衍射。

這些衍射光束在空間中傳播并相互干涉，最終重建出原始的物體波。根據前文對相位的介紹可以知道，干涉條紋記錄了物體波的振幅和相位信息，而衍射光束在傳播過程中重新組合，恢復了物體波的完整信息。因此，重建出的物體波包含了物體的三維信息，使得觀察者在不同角度觀察全息圖時能夠看到物體的不同視角。這種三維再現效果是由于全息圖記錄了物體波在各個方向上的信息，并在再現過程中通過光波的衍射和干涉重現出來。

丹尼斯·伽伯因其在全息照相法方面的開創性工作，于1971年榮獲諾貝爾物理學獎，但由于當時缺乏相干性好的高強度光源，全息術的應用受到限制。在這一階段，全息技術主要使用水銀燈作為記錄光源，并采用普通照相底片記錄同軸全息圖。盡管如此，伽伯的研究為后續的發展奠定了基礎。

1960年代，激光的發明極大地推動了全息術的發展。激光作為一種具有高度相干性和高強度的光源，使得全息圖的記錄和再現變得更加精確和穩定。1962年，Emmett Leith和Juris Upatnieks在密歇根大學提出了離軸全息圖技術，將原始像和共軸像分離，解決了同軸全息圖中的圖像重疊問題。這一技術突破標志著全息術進入了第二個發展階段。

離軸全息圖技術的提出，使得全息圖的應用范圍得以擴展，并且提高了全息圖的圖像質量。通過離軸全息圖，研究人員能夠記錄更加復雜和精細的三維圖像，這為全息術在科學、醫學和工程領域的應用提供了新的可能性。

而計算全息術是通過計算機編碼或編程來模擬光學全息的記錄過程制作全息圖。相比于傳統的光學全息和數字全息技術，計算全息具有操作靈活、低噪聲、對實驗環境要求低和重復性高的優點。并且計算全息能夠記錄和再現計算機模擬出的虛擬物體，應用場景更加廣闊。

一般的計算全息圖制作和再現大致可分成以下四步：首先，對實驗物體或者波面進行離散化，并用數學表達式進行表示，將連續的物光波轉化為可以在計算機上處理的離散數據，這一步就像是把一張照片分割成無數個小像素點，每個點都有自己的數值信息；接著，對離散后的物光波傳播過程進行數值描述，并計算得到物光波在全息面上的光場分布，通過數值計算可以準確地模擬物光波的傳播和干涉過程；下一步對物光場分布進行編碼，得到記錄實驗物體信息的計算全息圖，編碼過程將物光波的振幅和相位信息轉化為能夠被識別和記錄的形式，如透過率函數；最后，通過輸出系統將計算全息圖輸出到全息記錄介質上，制成可光學再現的全息圖。

近年來，隨著增強現實（AR）和虛擬現實（VR）領域的應用與研究的興起，計算全息展示出了更廣闊的應用能力。隨著硬件和計算技術的不斷進步，計算全息技術的成本和技術門檻逐漸降低，其應用場景將不斷擴展并深入我們的日常生活。未來，計算全息技術有望與人工智能、5G通信等新興技術結合，進一步提升其應用能力和用戶體驗。

參考文獻

周鵬程.全息三維顯示及其在增強現實中的應用[D].上海交通大學,2019.

王鵬.計算全息三維顯示的技術研究[D].昆明理工大學,2013.

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作者：蔡文垂 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審核：李明 中國科學院高能物理研究所 研究員

來源: 星空計劃

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