作為一個科幻電影愛好者，小編在做實驗之余摸魚休息的時間裏，經常會找一些或老或新的科幻電影來看，以此來放松身心，順便試著從科幻電影中尋找一些有趣的點子。
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不知道各位讀者有沒有註意過，科幻電影中的許多幻想，比如卡片大小的電腦（手機），用晶體記錄資訊的書（電子書），乃至於虛擬現實等等概念，在今天都已經走進了千家萬戶。
但是在各種電影中常常出現的全像投影技術，卻遲遲難以得到廣泛的商業化。相信每一個人都幻想過自己能夠像電影中的角色那樣，對著一片空氣揮一揮手，就能夠「召喚」出一片懸浮的立體影像。
在不同年代的電影裏，全像投影都占據了一席之地
那麽，我們所說的全像投影技術到底是什麽？有什麽技術難點呢？
01
「投影」與「全像」的歷史
在電影中看到的全像投影只不過是透過CGI技術制作的特效，特效這個詞很容易讓人聯想到工業光魔這家著名公司。
巧合的是，全像投影的歷史也正與「光」息息相關。可以說，人類在影像技術上的每一步探索，都是來自於對光的了解和套用。
早在17世紀，惠更斯（Christiaan Huyghens，就是那個光學大師惠更斯）就正式發明了被稱為魔燈（magic lantern）的投影機，可以透過透鏡的組合將畫片上的影像投射到某個位置。
魔燈的結構以及效果，其實就是某種投影機
在隨後的兩個世紀中，這項技術被大量用來「裝神弄鬼」——身為科學家的幻術師羅伯森（Étienne-Gaspard Robert）首先在昏暗的廢棄教堂中上演恐怖秀，隨後這種「恐怖劇院」風靡整個歐洲。此外，一些江湖術士和號稱有通靈術的人也以此行騙，獲取錢財和聲譽。
1797年羅伯森的恐怖秀現場，在當時的效果絲毫不亞於現在的「沈浸式鬼屋」，把觀眾們都嚇壞了。
到了19世紀，英國科學家亨利·迪爾克斯（Henry Dircks）和約翰·亨利·佩珀爾（John Henry Pepper）兩人共同發明了後來被稱為佩珀爾幻象的技術。這種新奇的技術利用了有角度的玻璃對光的半透半反性質，可以形成看起來出現在空中的影像。由於設定方便且效果很好，流傳相當廣泛，並最終成為了投影技術的來源之一。
佩珀爾幻象的示意圖。演員扮成的鬼魂藏在舞台地面下被遮擋處。舞台上設定了與地板呈45°角的玻璃，當燈光突然打在「鬼魂」身上時，從觀眾的視角就會看到「鬼魂」的虛像與舞台上的活動發生互動，產生令人驚奇的效果。
相信有的讀者已經註意到了，一些演唱會就是利用了類似的原理，將本不存在的人物展現在觀眾們的面前，比如某位綠色的虛擬歌手。
好看愛看
這些表演往往號稱自己使用了全像投影技術，但實際的效果只是較為高級的投影，從側面看就會發現它與全像照片的不同之處——這些影像沒有空間深度！
全像術（holography）在1947年由丹尼斯·蓋伯發明，並使他獲得了諾貝爾物理學獎。這種技術利用光的相幹性來記錄物體的全部資訊。
透過分光鏡將激光（早期則使用電子束）分成兩束，一束打在物體上，而另一束被稱為參考光的則直接作用在全像菲林上，它們共同在菲林上形成獨特的幹涉條紋圖樣——這就是記錄物體影像的關鍵「密碼」。
利用相幹光幹涉效應制造全像圖的過程。實驗室中的激光是能夠滿足相幹性的理想光源。兩個獨立的普通光源則不能形成相幹光，因此無法形成幹涉條紋
要想解開密碼，則需將與參考光相同的光線打在菲林上產生繞射，即可重建出物體的立體像。
重建物體的立體像的過程
全像技術可以在一張全像菲林上記錄具有物理深度的影像，並且不會因為菲林的破損而損毀，是一種有潛力儲存海量視覺資訊的技術。
年代久遠的全像卡片仍然效果很好
然而它與傳統的投影，以及我們今天常見的各種成像技術一樣，都無法脫離成像載體這一束縛，距離電影中那種懸浮在空氣中的影像之間，還有很遠的距離。
02
全像投影的「標準」
投影技術致力於將平面影像顯示在幕布或其他介質上，而全像技術則致力於在介質中儲存並展示空間資訊。結合這兩種技術的特點，以及電影中的表現形式，我們可以粗略總結出理想的全像投影應該滿足的某種「標準」。
首先，全像投影最好能夠同時展示影像包括光強和相位在內的所有資訊，是具有體積的影像，但不一定在所有角度都可見。
其次，全像投影最好能夠看起來漂浮在空中，或者幹脆真的漂浮在空中。更重要的是，全像投影最好可以與觀看者產生一定的互動。這兩點就要求完美的全像投影技術具有難以被感知到的成像載體，技術難度相當之大。
因為在生活中，我們「看到」某些事物，實際上是看到了這些事物發出或者反射的光線。這也決定了投影技術幾乎必須需要一種載體，如果沒有介質，光源發出的光線只能直線傳播，就不能經過反射進入我們的眼睛裏，成像也就無從談起。
如果希望在沒有介質的情況下成像，就需要光線直接進入我們的眼睛裏。近些年光學超材料的發展為滿足這一要求提供了可能。
03
現有的全像投影技術
全像投影的技術難度是如此之大，以至於直到今天為止，人類也沒有在現實中見到過如同科幻大片中的那種全像技術。但好訊息是，工程師和科學家們從未放棄過尋找真正的全像投影技術的努力。
在今天，已經有一些技術可以部份實作我們所設想的全像投影的效果了。
1
「迅捷如風」派
視覺暫留現象是由於視網膜對於光訊號的反應速度有限所導致的，光訊號傳入大腦神經，需經過一段短暫的時間，光的作用結束後，視覺形象並不立即消失。一般情況下，視覺暫留的時間約為0.1~0.4秒，人們利用這一效果設計了許多有趣且有用的技術。比如小時候常見的翻頁動畫書等。
童年回憶中也是有科學道理的
除了影像本身，顯視器也可以利用視覺暫留效果制作。比如近幾年很火的旋轉led，就是利用視覺暫留效果，讓影像好像漂浮在空中一樣。
既然可以利用一條led燈帶來模擬二維的螢幕，那我們自然可以用同樣的技術來產生帶有體積感的影像。例如用一圈led旋轉起來產生球形的影像，或者是平面led螢幕往復運動產生立體的影像等。
這種方法的好處在於，由於成像載體的高速運動，它對於觀看的人來說幾乎不可見，而且顯示效果也很好，相當接近於大家心目中的全像投影技術。
然而缺點也是顯而易見的：由於螢幕運動的速度非常快，如果有人想要和這樣產生的全像影像互動，其後果會相當可怕，你和全像投影只能活一個。
2
「渾然一體」派
也有一些人延續了佩珀爾幻象的思路，透過布置環境隱藏成像載體的邊緣，或者直接利用水霧，煙塵等細小顆粒這類半透明介質作為成像載體，讓影像看起來出現在空中。
這也是一種相當成熟的技術路線，一些演唱會、各種景點等場合都能看到這種技術的影子。
各種景點裏有五花八門的水霧投影表演
但這種技術本質上還是在一個平面上成像，也無法保存全像菲林那樣復雜的幹涉資訊，因此產生的影像並沒有體積感，充其量只能算是偽全像。
出不來，根本出不來.jpg
3
「海市蜃樓」派
隨著材料科學在當代的飛快進步，擁有負折射率的光學超材料也被套用於光學成像系統中。
相信大家都用過放大鏡或者眼鏡，這些折射率為正的傳統光學透鏡會在其後方形成清晰的實像。然而使用負折射率材料制作透鏡時，經過這種透鏡的光會在透鏡之前而不是之後形成清晰的實像，從而實作真正意義上的無介質空中成像。
已經有一些醫院和科技館用上這項技術了，看起來相當科幻
然而目前，這種技術也只能在空中顯示出平面圖形，並且顯而易見的可視角度相當低，可以說只有在一些特殊的場景下，才有套用價值。
4
「先進技術」派
除了上述較為「傳統」的成像方法，科學家們也在不斷嘗試利用新技術來制造全像投影。
中國科學家就使用高能量密度的飛秒激光脈沖實作了電離空氣發光，並透過設計光路不斷調整聚焦位置，實作了在空氣中小範圍的懸浮成像。
美國一研究團隊則利用激光制造光阱，在光阱中束縛微小的粒子，透過不斷移動光阱的位置並照射不同顏色的光，來實作空氣中的懸浮成像。
這兩種技術的成像效果都非常接近科幻電影中的效果，但是由於技術處於發展初期，影像的尺寸和分辨率都受到限制，只能寄希望於未來這些技術能真正走進消費者手中。
除此以外，還有許多利用VR、AR技術的「全像投影」，但它們並不真正出現在現實世界中，所以這裏不做評價。
全像技術的探索相當艱難，但人類不會放棄對視覺奇觀的追求。因此小編相信，終有一天，全像投影技術也會像來自科幻電影的諸多技術一樣，真正走進現實。
到了那一天，這種顛覆性的顯示技術會如何影響人類世界呢？
轉載自：中科院物理所
