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像人类世界呢？
参考资料
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_lantern
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/%C3%89tienne-Gaspard_Robert
[3]Magic-Holo.com
[4]【用单片机DIY的一款旋转LED时钟+广告牌-哔哩哔哩】 https://b23.tv/2zGVPJv
[5]【Arduino版的立体灯 超级炫酷-哔哩哔哩】 https://b23.tv/YxADbMU
[6]【东超科技-可交互空中成像-哔哩哔哩】 https://b23.tv/R5k80QO
[7]【空中飘来几个字！飞秒激光“点亮”空气形成3D影像-哔哩哔哩】 https://b23.tv/9sOZgrl
[8]【卡片制作于1994年距今有30年3D-哔哩哔哩】 https://b23.tv/nNoEv7s
[9]范超.基于等效负折射率平板透镜的无介质空中成像交互系统的设计与开发[D].中国科学技术大学,2020.DOI:10.27517/d.cnki.gzkju.2020.001537.
[10]罗心洁,李伟平,贾庆伟,等.可交互式浮空成像技术[J].功能材料与器件学报,2024,30(04):183-189.DOI:10.20027/j.gncq.2024.0027.
[11]Smalley, D., Nygaard, E., Squire, K. et al. A photophoretic-trap volumetric display. Nature 553, 486–490 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25176
编辑：K.Collider
本文转载自《中科院物理所》微信公众号
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