光学基础知识大讲堂

——第7期：G20峰会演出上的全息技术

这两天，杭州G20峰会吸引了全球的关注，而由著名导演张艺谋亲自执导的峰会文艺演出《最忆是杭州》也同样惊艳了世界。晚会节目中《天鹅湖》、《月光》、《我和我的祖国》等均采用了室外水上全息投影技术，尤其是《天鹅湖》，让我们看到了全息印象和真人表演“天人合一”的意境。那么，今天就让我们来解密下这“天人合一”的黑科技吧！首先，欣赏几张文艺演出时的精彩图片：

     
图1 G20峰会文艺演出（图片来源于网络）

图1中彩色屏风和LED桥都是带幕布的，而非全息显示方式，其中舞者从一个变多个是真正的全息显示技术。如果你看到上面的图片只是单纯地觉得漂亮，没有震撼到你，那么我们再来领略下里约奥运会闭幕式上“东京八分钟”的精彩表演。

图2 下一届东京奥运会宣传视频

全息原理

好，接下来进入正题，什么是全息技术？
     全息技术利用的是干涉原理，干涉在前面几期也已经讲过多次，利用两束光（参考光和含有目标物体信息的物光）的干涉效应，可以记录物体的所有信息（光强和相位）。这也是全息区别于普通照相最重要的地方，普通成像只是记录了光强，并没有记录下物体的相位信息，所以成像的时候是二维平面的。而全息技术通过光的干涉，不仅记录了光的振幅，同时也一并记录了相位，通过干涉条纹的形式保存在全息底片上面。这是第一步，还有一步是图像再现：即成像过程。此过程利用的光的衍射原理，在相干光的照射下，通过全息底片可以呈现与原物体1:1大小、完全一样无失真的像。

图3全息再现示意图（图片来源于网络）

注：全息显示不需要透明膜等其他元器件的支持，可直接成像

图4 类全息再现动态图（图片来源于网络）

注：感谢魏广路老师的指正，该图为3D虚拟成像，非全息显示图

全息术历史

全息技术最早由英国科学家Gabor于1948年提出，因此，他也在1971年被授予了诺贝尔物理学奖。初期，全息图成像质量非常差，直到1960年激光的发明，全息技术才蓬勃发展起来。全息技术大致可以分为四个阶段：

• 同轴全息术

从1948年Gabor发明全息技术到20世纪50年代末，全息光源一直采用汞灯，而且参考光和物光是同轴的，这直接导致全息成像时，1~4级衍射光波分不开，再现原始像和共轭像重叠，不仅如此，由于光源的相干性也非常差，导致全息技术发展非常缓慢。

•  离轴全息术

随着1960年激光的产生，大大解决了光源相干性的问题。而且，参考光和物光也采用了离轴模式，使得全息再现时的衍射级次在空间上分离开来，从而可以得到单独的再现图像（不再重叠）。解决了这两大难题之后，全息术也进入了一个非常活跃的阶段，被称为第二代全息技术。

•  白光再现全息术

由于激光器再现的全息图丢失了图像的色彩信息，这自然不是我们想要的，于是人们开始致力于研发第三代全息技术。第三代全息技术采用激光记录，白光再现的方式，在一定程度上大大丰富了全息再现图的色彩。

•  白光记录和白光再现全息术

可以预见，如果还有下一代全息术，相比于第三代激光记录，白光再现的方式，如果能够实现白光记录，白光再现的模式，那全息技术就可以真正地走出实验室，进入更广泛的应用领域。

VR眼镜和3D眼镜

正常情况下，这一节该谈谈全息术的应用了，但是忽然觉得没什么意思，无非最火的就是全息3D显示。所以，我们还是来聊聊近来同样很火的AR（增强现实）/VR（虚拟现实）技术。与全息显示技术一样，它可以生成3D效果（当然原理不同），不仅可以让你进入虚幻的世界，也可以把真实世界和虚拟图形完美地结合在一起。

     
图5 增强现实技术效果图（图片来源于网络）

VR技术是将虚拟信息环境通过计算机技术呈现在用户体验者面前，通过人机互动来改变不同的场景。AR技术是一种将真实世界和虚拟世界“无缝”集成的新技术，通过计算机把一些本不能让人类感知到的信息添加到实体信息中去。
     那这类技术成3D像的原理是什么？VR技术其实是利用了人眼的视觉滞留效应。视觉滞留现象是指当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像0.1~0.5 s左右的图像。另外，由于人眼成像是左眼看到左侧，右眼看到右侧，然后大脑自动对比出两幅图像的差别，产生立体感！

图6 人眼成像原理图

图6是人眼成像的原理图，左眼看到M1，右眼看到的M2，那么人的大脑自动认为这个M点位置在A处；同理左眼看到M2，而右眼看到M1，那么我们会认为这么M点位置在A’处。举个栗子，如果你想在屏幕上看到一架飞机从你眼前飞过，方法就是，让你左眼看到飞机图像在M1点，右眼看到飞机图像在M2点，然后从M1点往M2点移动；右眼同理，让图像从M2点往M1点移动，这样自然就形成了飞机从A点往A’点移动，从而产生3D立体感。VR技术就是直接让你左眼看到虚拟图像1，让你右眼看到虚拟图像2，然后人眼自动合成3D虚拟图像，这就是3D成像的原理。
     讲到这里，我又想到了另外一种眼镜，3D眼镜，也就是我们去电影院看3D电影经常戴的眼镜。其实原理是一样的，只不过它需要处理的是从屏幕上图像发光问题，因为它不是像VR眼镜那样直接把图像信息分别发送到眼镜的左右镜片上。那如何做到？前面提到，人眼具有视觉滞留效应，所以直接将影片做成一会儿只让左眼接收到，一会儿只让右眼接收到，那么自然就让人脑自动识别成立体图像了。那如何又让图像“只”让一只眼睛看到呢？举一个最简单的例子，利用光学的偏振原理（上一期也提到过）就可以，让3D眼镜左右镜片分别做成垂直方向偏振和水平方向偏振的偏振片，相应地让图像发出的光也具有相同的偏振性，那么自然就能让不同的眼睛只看到我们想让他看到的图像，屏蔽掉另外一幅图像，从而形成立体感，这也是为什么摘掉眼镜直接看你会觉得图像模糊的原因！