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这项50年前获诺奖的技术,今天却一直承受着人们的误解

2021-10-04 09:30:57 作者:深度报道 浏览次数:69 字号: T T T

这项50年前获诺奖的技术,今天却一直承受着人们的误解

1971年的诺贝尔物理学奖颁给了英国物理学家丹尼斯·伽柏,以表彰他发明的全息摄影技术。一般的摄影技术只能记录光的强弱,也就是振幅大小,而全息摄影还能额外记录光的相位。通过改进,全息图甚至可以让人眼产生立体视觉。但可能也正是因此,直到今天,全息还一直在被人误解……

撰文|王昱

审校|白德凡

网上冲浪时,你可能看到过制作“全息投影”的教程——首先,你需要一张偏硬的透明塑料片。剪出四个梯形,再把它粘贴成一个棱台,放在手机屏幕上,使得每个侧面和屏幕的夹角为45°。然后在手机上找到一个合适的视频,播放视频,你就会看到图像仿佛悬浮在空中。

这项50年前获诺奖的技术,今天却一直承受着人们的误解

小编表示做做小手工还是挺开心的:)

当当~全息投影就做好了……吗?

全息≠立体

其实,这根本就不是全息,甚至连立体投影都不是。透明塑料片只是像平面镜一样反射光线,为水平的图像成了一个竖直的虚像。同时,塑料片又是透明的,显得这个竖直的虚像好像正在空中悬浮。但只要仔细观察,就能发现这种伪全息只是一个平面投影,并不能让人产生立体感。同样,商场里偶尔能见到的风扇式显示器也不是全息。

但就算真的做到了立体投影,那也不一定是全息。比如今年五月在《科学报告》发表的一篇论文中,研究人员介绍了光学陷阱显示器。该技术可以用激光束捕捉并移动单个粒子,用被激光照亮的粒子在空中的移动路径,可以绘制出立体图像。但这仍然不是全息。

视频来源:Brigham Young University

全息摄影与普通摄影最本质的区别是,普通摄影只能记录光的振幅,而全息摄影还能额外记录相位信息。全息摄影拍摄出的相片叫做全息图,全息图上面其实布满了疏密分布的条纹,根本看不出来它记录了什么内容。但如果用特定光线去照射全息图,用双眼观察,就仿佛能透过全息图看到后面有立体的物体存在。而立体投影的效果,不过是全息的副产物。

全息摄影≈编码光线

英国物理学家丹尼斯·伽柏在20世纪40年代末期实现了全息摄影技术,在当时他将这种技术用来提升电子显微镜的性能。1948年,他在《自然》杂志上发表一篇介绍全息摄影技术的论文。他将电子显微镜中的电子束汇聚到一点,并将需要成像的物体放到汇聚点之后,被物体遮挡的电子束会被扰乱,而没有被遮挡的电子束则保持原样继续传播。当两种电子束打到成像胶片上的特定位置时,如果在该处两束电子束彼此的波峰重合,胶片就会记录下亮条纹;如果该处两束电子束的波峰和波谷重合,胶片就会记录下暗条纹。这样就能得到记录下明暗相间条纹的全息图。

这项50年前获诺奖的技术,今天却一直承受着人们的误解

全息图和我们熟知的照片完全不同。在拍摄照片时,相当于用一束电子束作为参考,与目标电子束干涉,从而将其以亮暗条纹的形式“编码”储存到胶片上。如果直接去观察这样的胶片,除了意义不明的条纹,什么都看不出来。如果用参考电子束再去照射全息图,就能通过衍射“解码”这些条纹,原先被储存的电子束就能被重现出来,电子显微镜就能透过胶片“看”到原先物体的像。

这项50年前获诺奖的技术,今天却一直承受着人们的误解

电子显微镜是靠电子的波动性工作的,这一原理自然也能应用到光学上。但全息摄影涉及波的干涉,对光的相干性具有较强的要求。电子束的相干性可以通过电场控制,但直到20世纪60年代激光器快速发展,人类才能方便地获得相干性较强的光,光学全息才逐渐进入人们的视野。

1962年,苏联和美国的科学家都在激光器的帮助下,拍摄了光学全息图。拍摄光学全息图时,需要将一束激光用分束器分成两束,一束是参考光,直接照射胶片,另一束是物体光,照射待拍摄物体,光线经物体的反射再抵达胶片,这样物体光就能被参考光编码,记录到全息图中。当用参考光去照射拍好全息图时,全息图就能重现之前从各个方向上照到它上面的物体光。在人眼看来,这些光就好像是从全息图后面的物体里发出的,这样就实现了立体投影的效果。

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全息图还有一个神奇的特性。全息图的记录过程涉及到参考光和物体光的干涉,它的数学形式类似于傅立叶变换,相当于将原先物体的图像分散到了整个全息图上。而用参考光去重建全息图时,就类似于一次傅立叶逆变换。也就是说,全息图上每一点都包含了几乎整个全息图的信息。当全息图被打碎时,只会损失部分频率的信息,通过参考光的照射,我们仍能观测到完整的图像,只是分辨率低了一些。

今日全息

尽管全息摄影技术在1971年被授予了诺贝尔物理学奖,但今天对全息的误解仍然普遍存在。这可能是因为全息技术还不够普及,而全息图苛刻的拍摄条件有可能是其不够普及的原因。拍摄光的干涉条纹,需要极高的精度。在全息图拍摄过程中,如果系统中的振动幅度超过拍摄用光波长的四分之一,干涉条纹就会移动形成“乱码”。这样得到的全息图完全不可用,无法在参考光的照射下重现被记录的物体。对于可见光而言,波长的四分之一不过一百多纳米,想达到如此精度,需要极高的成本。

正是因为制作条件极为苛刻,全息图的仿制成本也颇为高昂。巴西、英国、日本等国某些面额的纸币上,就有用全息技术制作的防伪标记。除此之外,全息技术还在艺术、传感器、数据存储等方面有所应用,但都算不上广泛。

这项50年前获诺奖的技术,今天却一直承受着人们的误解

不过全息的确有一个意想不到的应用,玩过吃鸡类游戏的读者想必不会陌生。全息瞄准器就利用了全息的原理,在全息瞄准器中,激光照射到提前制作的全息图上,全息图就会显示出准星的图像。只有持枪者所在的位置才能从瞄准器中看到准星图像,并且准星图像位于枪口的延长线上。在近距离射击时,只要将准星和目标重叠,就能完成瞄准。

这项50年前获诺奖的技术,今天却一直承受着人们的误解

50年前就已经被授予诺奖的技术,今天却遭受了太多误解。又到一年诺奖季,这次我们不想让这些推动人类进步的科学成就再被误解。10月4、5、6日,随着今年诺奖陆续公布,我们将会第一时间带来详细的解读,将您带到人类知识的前沿,敬请期待!

参考链接:

https://

https://en.wikipedia.org/wiki/Holography

https://

本文转自环球科学

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