科幻電影中的全息空間影像在現實中快實現了嗎？
作爲一個科幻電影愛好者，小編在做實驗之餘摸魚休息的時間裡，經常會找一些或老或新的科幻電影來看，以此來放鬆身心，順便試着從科幻電影中尋找一些有趣的點子。
哎，我有一個點子.jpg
不知道各位讀者有沒有注意過，科幻電影中的許多幻想，比如卡片大小的電腦（手機），用晶體記錄信息的書（電子書），乃至於虛擬現實等等概念，在今天都已經已經走進了千家萬戶。
但是在各種電影中常常出現的全息投影技術，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，對着一片空氣揮一揮手，就能夠“召喚”出一片懸浮的立體影像。
在不同年代的電影裡，全息投影都佔據了一席之地
那麼，我們所說的全息投影技術到底是什麼？有什麼技術難點呢？
01
“投影”與“全息”的歷史
在電影中看到的全息投影只不過是通過CGI技術製作的特效，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，全息投影的歷史也正與“光”息息相關。可以說，人類在圖像技術上的每一步探索，都是來自於對光的瞭解和應用。
早在17世紀，惠更斯（Christiaan Huyghens，就是那個光學大師惠更斯）就正式發明了被稱爲魔燈（magic lantern）的投影儀，可以通過透鏡的組合將畫片上的圖像投射到某個位置。
魔燈的結構以及效果，其實就是某種投影儀
在隨後的兩個世紀中，這項技術被大量用來“裝神弄鬼”——身爲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“沉浸式鬼屋”，把觀衆們都嚇壞了。
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爲佩珀爾幻象的技術。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圖像。由於設置方便且效果很好，流傳相當廣泛，並最終成爲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臺地面下被遮擋處。舞臺上設置了與地板呈45°角的玻璃，當燈光突然打在“鬼魂”身上時，從觀衆的視角就會看到“鬼魂”的虛像與舞臺上的活動發生互動，產生令人驚奇的效果。
相信有的讀者已經注意到了，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衆們的面前，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息投影技術，但實際的效果只是較爲高級的投影，從側面看就會發現它與全息照片的不同之處——這些影像沒有空間深度！
全息術（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干性來記錄物體的全部信息。
通過分光鏡將激光（早期則使用電子束）分成兩束，一束打在物體上，而另一束被稱爲參考光的則直接作用在全息膠片上，它們共同在膠片上形成獨特的干涉條紋圖樣——這就是記錄物體影像的關鍵“密碼”。
利用相干光干涉效應制造全息圖的過程。實驗室中的激光是能夠滿足相干性的理想光源。兩個獨立的普通光源則不能形成相干光，因此無法形成干涉條紋
要想解開密碼，則需將與參考光相同的光線打在膠片上產生衍射，即可重建出物體的立體像
重建物體的立體像的過程
全息技術可以在一張全息膠片上記錄具有物理深度的圖像，並且不會因爲膠片的破損而損毀，是一種有潛力儲存海量視覺信息的技術。
年代久遠的全息卡片仍然效果很好
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圖像之間，還有很遠的距離。
02
全息投影的“標準”
投影技術致力於將平面圖像顯示在幕布或其他介質上，而全息技術則致力於在介質中存儲並展示空間信息。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息投影應該滿足的某種“標準”。
首先，全息投影最好能夠同時展示圖像包括光強和相位在內的所有信息，是具有體積的影像，但不一定在所有角度都可見。
其次，全息投影最好能夠看起來漂浮在空中，或者乾脆真的漂浮在空中。更重要的是，全息投影最好可以與觀看者產生一定的交互。這兩點就要求完美的全息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。
因爲在生活中，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裡，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裡。近些年光學超材料的發展爲滿足這一要求提供了可能。
03
現有的全息投影技術
全息投影的技術難度是如此之大，以至於直到今天爲止，人類也沒有在現實中見到過如同科幻大片中的那種全息技術。但好消息是，工程師和科學家們從未放棄過尋找真正的全息投影技術的努力。
在今天，已經有一些技術可以部分實現我們所設想的全息投影的效果了。
1
“迅捷如風”派
視覺暫留現象是由於視網膜對於光信號的反應速度有限所導致的，光信號傳入大腦神經，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，視覺暫留的時間約爲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
除了圖像本身，顯示器也可以利用視覺暫留效果製作。比如近幾年很火的旋轉led，就是利用視覺暫留效果，讓圖像好像漂浮在空中一樣。
既然可以利用一條led燈帶來模擬二維的屏幕，那我們自然可以用同樣的技術來產生帶有體積感的圖像。例如用一圈led旋轉起來產生球形的圖像，或者是平面led屏幕往復運動產生立體的圖像等。
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息投影技術。
然而缺點也是顯而易見的：由於屏幕運動的速度非常快，如果有人想要和這樣產生的全息影像互動，其後果會相當可怕，你和全息投影只能活一個。
2
“渾然一體”派
也有一些人延續了佩珀爾幻象的思路，通過佈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爲成像載體，讓圖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。
各種景點裡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，也無法保存全息膠片那樣複雜的干涉信息，因此產生的圖像並沒有體積感，充其量只能算是僞全息。
出不來，根本出不來,jpg
3
“海市蜃樓”派
隨着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應用於光學成像系統中。
相信大家都用過放大鏡或者眼鏡，這些折射率爲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製作透鏡時，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，從而實現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，纔有應用價值。
4
“先進技術”派
除了上述較爲“傳統”的成像方法，科學家們也在不斷嘗試利用新技術來製造全息投影。
我國科學家就使用高能量密度的飛秒激光脈衝實現了電離空氣發光，並通過設計光路不斷調整聚焦位置，實現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製造光阱，在光阱中束縛微小的粒子，通過不斷移動光阱的位置並照射不同顏色的光，來實現空氣中的懸浮成像。
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，圖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“全息投影”，但它們並不真正出現在現實世界中，所以這裡不做評價。
全息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，全息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像人類世界呢？
參考資料
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_lantern
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/%C3%89tienne-Gaspard_Robert
[3]Magic-Holo.com
[4]【用單片機DIY的一款旋轉LED時鐘+廣告牌-嗶哩嗶哩】 https://b23.tv/2zGVPJv
[5]【Arduino版的立體燈 超級炫酷-嗶哩嗶哩】 https://b23.tv/YxADbMU
[6]【東超科技-可交互空中成像-嗶哩嗶哩】 https://b23.tv/R5k80QO
[7]【空中飄來幾個字！飛秒激光“點亮”空氣形成3D影像-嗶哩嗶哩】 https://b23.tv/9sOZgrl
[8]【卡片製作於1994年距今有30年3D-嗶哩嗶哩】 https://b23.tv/nNoEv7s
[9]範超.基於等效負折射率平板透鏡的無介質空中成像交互系統的設計與開發[D].中國科學技術大學,2020.DOI:10.27517/d.cnki.gzkju.2020.001537.
[10]羅心潔,李偉平,賈慶偉,等.可交互式浮空成像技術[J].功能材料與器件學報,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
編輯：K.Collider
本文轉載自《中科院物理所》微信公衆號
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