科幻电影中的全息空间影像在现实中快实现了吗？

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。

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？

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“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。

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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。

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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。

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“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。

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“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

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“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。

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“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