作为一个科幻电影爱好者，小编在做实验之余摸鱼休息的时间里，经常会找一些或老或新的科幻电影来看，以此来放松身心，顺便试着从科幻电影中寻找一些有趣的点子。
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不知道各位读者有没有注意过，科幻电影中的许多幻想，比如卡片大小的电脑（手机），用晶体记录信息的书（电子书），乃至于虚拟现实等等概念，在今天都已经走进了千家万户。
但是在各种电影中常常出现的全息投影技术，却迟迟难以得到广泛的商业化。相信每一个人都幻想过自己能够像电影中的角色那样，对着一片空气挥一挥手，就能够「召唤」出一片悬浮的立体影像。
在不同年代的电影里，全息投影都占据了一席之地
那么，我们所说的全息投影技术到底是什么？有什么技术难点呢？
01
「投影」与「全息」的历史
在电影中看到的全息投影只不过是通过CGI技术制作的特效，特效这个词很容易让人联想到工业光魔这家著名公司。
巧合的是，全息投影的历史也正与「光」息息相关。可以说，人类在图像技术上的每一步探索，都是来自于对光的了解和应用。
早在17世纪，惠更斯（Christiaan Huyghens，就是那个光学大师惠更斯）就正式发明了被称为魔灯（magic lantern）的投影仪，可以通过透镜的组合将画片上的图像投射到某个位置。
魔灯的结构以及效果，其实就是某种投影仪
在随后的两个世纪中，这项技术被大量用来「装神弄鬼」——身为科学家的幻术师罗伯森（Étienne-Gaspard Robert）首先在昏暗的废弃教堂中上演恐怖秀，随后这种「恐怖剧院」风靡整个欧洲。此外，一些江湖术士和号称有通灵术的人也以此行骗，获取钱财和声誉。
1797年罗伯森的恐怖秀现场，在当时的效果丝毫不亚于现在的「沉浸式鬼屋」，把观众们都吓坏了。
到了19世纪，英国科学家亨利·迪尔克斯（Henry Dircks）和约翰·亨利·佩珀尔（John Henry Pepper）两人共同发明了后来被称为佩珀尔幻象的技术。这种新奇的技术利用了有角度的玻璃对光的半透半反性质，可以形成看起来出现在空中的图像。由于设置方便且效果很好，流传相当广泛，并最终成为了投影技术的来源之一。
佩珀尔幻象的示意图。演员扮成的鬼魂藏在舞台地面下被遮挡处。舞台上设置了与地板呈45°角的玻璃，当灯光突然打在「鬼魂」身上时，从观众的视角就会看到「鬼魂」的虚像与舞台上的活动发生互动，产生令人惊奇的效果。
相信有的读者已经注意到了，一些演唱会就是利用了类似的原理，将本不存在的人物展现在观众们的面前，比如某位绿色的虚拟歌手。
好看爱看
这些表演往往号称自己使用了全息投影技术，但实际的效果只是较为高级的投影，从侧面看就会发现它与全息照片的不同之处——这些影像没有空间深度！
全息术（holography）在1947年由丹尼斯·盖伯发明，并使他获得了诺贝尔物理学奖。这种技术利用光的相干性来记录物体的全部信息。
通过分光镜将激光（早期则使用电子束）分成两束，一束打在物体上，而另一束被称为参考光的则直接作用在全息胶片上，它们共同在胶片上形成独特的干涉条纹图样——这就是记录物体影像的关键「密码」。
利用相干光干涉效应制造全息图的过程。实验室中的激光是能够满足相干性的理想光源。两个独立的普通光源则不能形成相干光，因此无法形成干涉条纹
要想解开密码，则需将与参考光相同的光线打在胶片上产生衍射，即可重建出物体的立体像。
重建物体的立体像的过程
全息技术可以在一张全息胶片上记录具有物理深度的图像，并且不会因为胶片的破损而损毁，是一种有潜力储存海量视觉信息的技术。
年代久远的全息卡片仍然效果很好
然而它与传统的投影，以及我们今天常见的各种成像技术一样，都无法脱离成像载体这一束缚，距离电影中那种悬浮在空气中的图像之间，还有很远的距离。
02
全息投影的「标准」
投影技术致力于将平面图像显示在幕布或其他介质上，而全息技术则致力于在介质中存储并展示空间信息。结合这两种技术的特点，以及电影中的表现形式，我们可以粗略总结出理想的全息投影应该满足的某种「标准」。
首先，全息投影最好能够同时展示图像包括光强和相位在内的所有信息，是具有体积的影像，但不一定在所有角度都可见。
其次，全息投影最好能够看起来漂浮在空中，或者干脆真的漂浮在空中。更重要的是，全息投影最好可以与观看者产生一定的交互。这两点就要求完美的全息投影技术具有难以被感知到的成像载体，技术难度相当之大。
因为在生活中，我们「看到」某些事物，实际上是看到了这些事物发出或者反射的光线。这也决定了投影技术几乎必须需要一种载体，如果没有介质，光源发出的光线只能直线传播，就不能经过反射进入我们的眼睛里，成像也就无从谈起。
如果希望在没有介质的情况下成像，就需要光线直接进入我们的眼睛里。近些年光学超材料的发展为满足这一要求提供了可能。
03
现有的全息投影技术
全息投影的技术难度是如此之大，以至于直到今天为止，人类也没有在现实中见到过如同科幻大片中的那种全息技术。但好消息是，工程师和科学家们从未放弃过寻找真正的全息投影技术的努力。
在今天，已经有一些技术可以部分实现我们所设想的全息投影的效果了。
1
「迅捷如风」派
视觉暂留现象是由于视网膜对于光信号的反应速度有限所导致的，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失。一般情况下，视觉暂留的时间约为0.1~0.4秒，人们利用这一效果设计了许多有趣且有用的技术。比如小时候常见的翻页动画书等。
童年回忆中也是有科学道理的
除了图像本身，显示器也可以利用视觉暂留效果制作。比如近几年很火的旋转led，就是利用视觉暂留效果，让图像好像漂浮在空中一样。
既然可以利用一条led灯带来模拟二维的屏幕，那我们自然可以用同样的技术来产生带有体积感的图像。例如用一圈led旋转起来产生球形的图像，或者是平面led屏幕往复运动产生立体的图像等。
这种方法的好处在于，由于成像载体的高速运动，它对于观看的人来说几乎不可见，而且显示效果也很好，相当接近于大家心目中的全息投影技术。
然而缺点也是显而易见的：由于屏幕运动的速度非常快，如果有人想要和这样产生的全息影像互动，其后果会相当可怕，你和全息投影只能活一个。
2
「浑然一体」派
也有一些人延续了佩珀尔幻象的思路，通过布置环境隐藏成像载体的边缘，或者直接利用水雾，烟尘等细小颗粒这类半透明介质作为成像载体，让图像看起来出现在空中。
这也是一种相当成熟的技术路线，一些演唱会、各种景点等场合都能看到这种技术的影子。
各种景点里有五花八门的水雾投影表演
但这种技术本质上还是在一个平面上成像，也无法保存全息胶片那样复杂的干涉信息，因此产生的图像并没有体积感，充其量只能算是伪全息。
出不来，根本出不来.jpg
3
「海市蜃楼」派
随着材料科学在当代的飞快进步，拥有负折射率的光学超材料也被应用于光学成像系统中。
相信大家都用过放大镜或者眼镜，这些折射率为正的传统光学透镜会在其后方形成清晰的实像。然而使用负折射率材料制作透镜时，经过这种透镜的光会在透镜之前而不是之后形成清晰的实像，从而实现真正意义上的无介质空中成像。
已经有一些医院和科技馆用上这项技术了，看起来相当科幻
然而目前，这种技术也只能在空中显示出平面图形，并且显而易见的可视角度相当低，可以说只有在一些特殊的场景下，才有应用价值。
4
「先进技术」派
除了上述较为「传统」的成像方法，科学家们也在不断尝试利用新技术来制造全息投影。
我国科学家就使用高能量密度的飞秒激光脉冲实现了电离空气发光，并通过设计光路不断调整聚焦位置，实现了在空气中小范围的悬浮成像。
美国一研究团队则利用激光制造光阱，在光阱中束缚微小的粒子，通过不断移动光阱的位置并照射不同颜色的光，来实现空气中的悬浮成像。
这两种技术的成像效果都非常接近科幻电影中的效果，但是由于技术处于发展初期，图像的尺寸和分辨率都受到限制，只能寄希望于未来这些技术能真正走进消费者手中。
除此以外，还有许多利用VR、AR技术的「全息投影」，但它们并不真正出现在现实世界中，所以这里不做评价。
全息技术的探索相当艰难，但人类不会放弃对视觉奇观的追求。因此小编相信，终有一天，全息投影技术也会像来自科幻电影的诸多技术一样，真正走进现实。
到了那一天，这种颠覆性的显示技术会如何影响人类世界呢？
转载自：中科院物理所
