全息的英文是holo-graphy，前綴holo來源于希臘語(yǔ)“holos”，意思是“整體的”、“完整的”，國(guó)內(nèi)譯為“全息”,即“完全的信息”的意思。
由于全息能夠記錄物體的全部信息，且能夠?qū)崿F(xiàn)真正的裸眼3D顯示，因此，現(xiàn)在很多產(chǎn)品的宣傳用語(yǔ)都借用“全息”兩字，例如“全息手機(jī)”、“全息眼鏡”等，其實(shí)“全息手機(jī)”、“全息眼鏡”并非采用了全息技術(shù)，它們聲稱的“全息”更多地是想表達(dá)能夠顯示完整的三維立體圖像。例如“全息手機(jī)”是采用利用視線追蹤的雙目視差3D顯示技術(shù)；“全息眼鏡”是采用了虛擬現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。
之所以媒體和大眾往往將3D顯示技術(shù)與全息混為一談，是因?yàn)槿⒓夹g(shù)的確是很有前景的3D顯示技術(shù)，而且也是科普資料中著重提到過的“未來”科技，讓大家印象深刻。實(shí)質(zhì)上，3D顯示只是全息技術(shù)的一部分應(yīng)用。全息3D顯示是一種真正的裸眼3D顯示技術(shù)，不需要借助任何外部設(shè)備（例如眼鏡）就可以觀看到3D圖像，是一種真正的3D顯示技術(shù)。
一、全息到底是什么
下面我們追根溯源，從全息技術(shù)的發(fā)明說起，來看看什么是全息。
全息技術(shù)是英國(guó)科學(xué)家Dennis Gabor于1948年發(fā)明的，其利用光的干涉原理，同時(shí)記錄物光波的振幅和位相，由于光波的位相反映了物體的深度信息，因此重建記錄的物光波時(shí)，物體的深度信息也被重建，從而能夠呈現(xiàn)三維物體的像。全息成像包括兩步，一是記錄過程，二是再現(xiàn)過程。其原理圖如下圖所示。
在全息技術(shù)的記錄過程中，攜帶物體信息的物光波和參考光波在記錄面干涉，記錄面記錄的是干涉條紋，該干涉條紋就是我們通常叫的全息圖，這張全息圖中包含了三維物體的振幅和相位信息。在全息技術(shù)的再現(xiàn)（重建）過程，采用再現(xiàn)光波（一般采用與參考光波相同的光波）照射全息圖，人眼在某個(gè)視角就能夠看到與真實(shí)物體相同的再現(xiàn)三維物體。
全息技術(shù)具有高冗余度記錄物體信息、空間波前再現(xiàn)以及重建物體深度信息的特點(diǎn)。基于全息技術(shù)的這些特點(diǎn)，全息技術(shù)逐漸發(fā)展為全息顯示、全息存儲(chǔ)、全息測(cè)量等不同的技術(shù)分支。能夠再現(xiàn)立體的三維圖像是全息顯示的重要特征。
二、全息3D顯示技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
由于全息技術(shù)能夠再現(xiàn)裸眼3D圖像，被廣泛應(yīng)用于防偽安全、展覽展示、存儲(chǔ)、醫(yī)療、動(dòng)態(tài)顯示等領(lǐng)域。
1、防偽安全
由于全息圖是一些密度極高的光柵，仿制比較困難，即使同一個(gè)人兩次也無法制造完全相同的全息圖。全息圖的這種特性決定了其能夠起到防偽作用。到目前為止，全息防偽技術(shù)到已經(jīng)發(fā)展到第四代，從最初的僅能激光再現(xiàn)的全息防偽圖到全息技術(shù)與其他加密技術(shù)的結(jié)合的新型加密圖像全息防偽技術(shù)，全息防偽技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于貨幣、產(chǎn)品包裝、機(jī)要證券等領(lǐng)域。
作為世界上防偽技術(shù)最先進(jìn)的歐元，其中也采用了全息標(biāo)識(shí)作為防偽特征之一。5、10、20歐元正面右邊貼有全息薄膜條，變換角度觀察可以看到明亮的歐元符號(hào)和面額數(shù)字；50、100、200、500歐元正面的右下角貼有全息薄膜塊，變換角度觀察可以看到明亮的主景圖案和面額數(shù)字。
2、展覽展示
全息圖由于能夠顯示3D圖像，被廣泛應(yīng)用于展品展示、軍事地圖等領(lǐng)域。美國(guó)Zebra Imaging公司為Ford汽車制作了全息展示圖亮相底特律車展，艷驚世界。下圖是從不同角度觀看Ford汽車全息圖的效果。
美國(guó)Zebra Imaging公司開發(fā)出了靜態(tài)全息地圖，從2006年以來，Zebra Imaging已為美軍提供了13000張全息地圖。全息顯示技術(shù)能夠提供更加精密、包含更多細(xì)節(jié)、實(shí)時(shí)的地圖信息，其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的情報(bào)數(shù)據(jù)分析、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示、戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃與決策等領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鄳?yīng)用。
3、醫(yī)療
利用全息技術(shù)與醫(yī)療診斷手術(shù)相結(jié)合能夠使“平淡無奇”的醫(yī)學(xué)成像也要“凹凸有致”了。大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)需要醫(yī)生通過CT掃描儀，核磁共振成像儀，超聲儀或其它裝置收集2D圖像數(shù)據(jù)才能創(chuàng)建3D可視圖。過程繁瑣、耗時(shí)，精確度差強(qiáng)人意，不能如實(shí)反映病患的器官或組織狀態(tài)，從而影響醫(yī)生的診斷。全息技術(shù)是實(shí)現(xiàn)真實(shí)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)，好像有個(gè)真實(shí)的物體在那里一樣。運(yùn)用全息技術(shù)，病患身體部位或器官的完整3D圖像能夠?qū)崟r(shí)創(chuàng)建，醫(yī)生可以對(duì)其移動(dòng)、放大、操控。
4、全息電視
早在2007年，美國(guó)的麻省理工大學(xué)和德國(guó)的SEEREAL公司分別發(fā)布了全息視頻顯示器樣機(jī)，分別是美國(guó)麻省理工大學(xué)的全息視頻顯示器MarkIII和德國(guó)SeeReal的使用三維全息攝影技術(shù)的立體顯示器。這種全息顯示器由于具有裸眼3D的特點(diǎn)而備受矚目，被看作未來電視的發(fā)展方向。
三、從專利數(shù)據(jù)看全息3D顯示技術(shù)的發(fā)展
全息技術(shù)在防偽、展覽展示、醫(yī)療、電視上的應(yīng)用都是屬于全息顯示技術(shù)的具體應(yīng)用。雖然全息技術(shù)發(fā)明于20世紀(jì)40年代，但是直到20世紀(jì)60年代激光光源的出現(xiàn)，全息技術(shù)才得以真正發(fā)展。激光是一種單色的強(qiáng)光，是制作全息圖的理想光源。下圖是從1960－2015年全息顯示技術(shù)的全球申請(qǐng)量變化圖（數(shù)據(jù)截止到2015年底，由于2014、2015年部分專利未公開造成后兩年數(shù)據(jù)下滑嚴(yán)重）。
從圖中可以明顯看出，全息顯示技術(shù)總體上呈震蕩上升的趨勢(shì)，這與全息技術(shù)在探索中不斷成熟的技術(shù)特點(diǎn)相關(guān)。在全息技術(shù)發(fā)展史上有兩個(gè)里程碑的事件：一是1969年，S.A.Benton發(fā)明了彩虹全息術(shù)；二是1994年Schnars和Jüptner利用CCD直接記錄并用計(jì)算機(jī)數(shù)值再現(xiàn)菲涅爾全息圖。彩虹全息術(shù)最大的特點(diǎn)是能夠白光再現(xiàn)，不管是在自然光或者白熾燈下都能夠再現(xiàn)全息圖。彩虹全息術(shù)的這種特點(diǎn)突破了全息術(shù)再現(xiàn)光源的局限性，使得全息圖的再現(xiàn)條件更加自由，從而擴(kuò)展了全息技術(shù)的應(yīng)用空間，特別是在安全、顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)再現(xiàn)全息術(shù)實(shí)現(xiàn)了全息術(shù)與數(shù)字技術(shù)的完美結(jié)合，也使人們看到了數(shù)字時(shí)代全息術(shù)應(yīng)用的廣闊前景。
目前，德國(guó)的SEEREAL作為全球最領(lǐng)先的全息顯示技術(shù)企業(yè)有一整套全息顯示的理念，下圖是視瑞爾的總體設(shè)計(jì)思路：
傳統(tǒng)意義上的全息再現(xiàn)如圖（a）所示，可以形成較大的觀察區(qū)域，而SEEREAL發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)大的觀察區(qū)域中，除了進(jìn)入瞳孔的兩個(gè)視窗之外的區(qū)域，其余區(qū)域均不能被觀測(cè)到，屬于被浪費(fèi)的信息。基于此，SEEREAL提出，僅計(jì)算對(duì)兩眼視窗區(qū)域有貢獻(xiàn)的全息圖信息，并藉由眼球追蹤技術(shù)追蹤眼球位置，從而使觀看者享受真正的全息立體圖像，如圖（b）。這樣做一方面減少了運(yùn)算的數(shù)據(jù)量，另一方面對(duì)空間光調(diào)制器像素的衍射角要求減少，使得全息圖像的大小不僅僅依賴于像素間距，從而使像素面積得以適當(dāng)擴(kuò)大。SEEREAL的這種設(shè)計(jì)思路很巧妙地克服了目前空間調(diào)制器分辨率和數(shù)據(jù)處理能力對(duì)全息顯示發(fā)展的制約。
SEEREAL基于自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路，對(duì)整套全息顯示設(shè)備進(jìn)行了全方面的專利保護(hù)。上圖僅示例性地說明了SEEREAL對(duì)全息顯示設(shè)備各部件進(jìn)行的專利布局。
除了SEEREAL的研發(fā)思路，目前很多國(guó)際著名研究機(jī)構(gòu)例如美國(guó)的麻省理工學(xué)院，英國(guó)的劍橋大學(xué)等都致力于對(duì)作為全息顯示器的空間光調(diào)制器本身進(jìn)行改進(jìn)，希望從根本上解決制約全息顯示技術(shù)發(fā)展的最根本的技術(shù)障礙。
我們期待這些技術(shù)能夠盡快走出實(shí)驗(yàn)室，為我們帶來最為舒適、愉悅的3D觀感。
