1915年，15歲的匈牙利少年丹尼斯·加博爾（Dennis Gabor）第一次讀到加布里埃爾·李普曼（Gabriel Lippmann）利用干涉現(xiàn)象進(jìn)行彩色攝影的方法后，嘖嘖稱奇，大受啟發(fā)。30多年后的1948年，他發(fā)表了一個(gè)理論、又造了一個(gè)新詞，“全息”就此誕生。

所謂全息，就是一種用光波干涉的方式記錄并重現(xiàn)被拍攝物體反射的光波中所有光學(xué)信息的攝影技術(shù)。由于記錄了相位，影像具有立體觀感。

全息（Holography/Hologram）其實(shí)是由兩個(gè)詞組成，來源于希臘語。holos意為全部的；graphe是字母或線條，可以理解為信息。“全息”也就是全部的信息。

英文的Holography指的是全息技術(shù)，而Hologram則是指全息技術(shù)的產(chǎn)物，也就是全息的影像。

1948年，48歲的加博爾第一次提出全息的概念，并詮釋了實(shí)現(xiàn)全息技術(shù)的方式。1971年，為了表彰加博爾為全息技術(shù)做出的具有奠基意義的重大貢獻(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院將當(dāng)年的諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給他。“全息之父”實(shí)至名歸。

加博爾肖像照，來源：wikipedia

1892年，法國科幻作家儒勒·凡爾納（Jules Verne）的小說《喀爾巴阡古堡》中首次用科幻的方式虛構(gòu)出全息影像的雛形。

主人公弗朗茲總是在一座破舊古堡中聽到早已逝去的愛人的歌聲，甚至還看到了她的映象魅影。最終，他卻悲哀地發(fā)現(xiàn)，他看到的身影只是古堡里的科學(xué)狂人用電合成的幻象，他的愛人早已與世長辭。

《喀爾巴阡古堡》插圖，來源：wikipedia

加博爾年輕時(shí)常常閱讀凡爾納的作品，但他研發(fā)全息的初衷并不是制造出小說里那樣的幻象，也不是讓照片變得更立體，而是旨在升級改造當(dāng)時(shí)的電子顯微鏡。

由于“球面像差”（spherical aberration）問題：透鏡邊緣部位和中間部位的折射偏轉(zhuǎn)能力不同，導(dǎo)致各條電子射線不會匯聚到同一個(gè)點(diǎn)上，在成像面上形成模糊的彌散圓斑，實(shí)際成像與理論確定的理想成像不相符，出現(xiàn)模糊、變形，限制了成像分辨率。

理想成像與實(shí)際成效，來源：baidu

加博爾認(rèn)為，想要提高分辨率更清晰地觀察到單個(gè)原子的微觀結(jié)構(gòu)，就要最大限度消除“像差”。

消除像差最直接的辦法就是減小光闌（aperture），減小光闌尺寸就是減小孔徑角，但孔徑角也不能太小，否則光闌的衍射效應(yīng)就變成了限制因素。這是“按下葫蘆浮起瓢”的矛盾。

其實(shí)直到今天，球面像差的問題也沒被完美解決。可見這可并非易事，為此，加博爾也嘗試了很多不同的方法，卻都沒有得到滿意的成果。

1947年春天，在網(wǎng)球場等待場地的加博爾盯著飛來飛去的網(wǎng)球，聽著球與地面、球拍碰撞的清脆聲音與節(jié)奏，突然靈光乍現(xiàn)：“可不可以先拍攝一張“壞”的電子顯微鏡圖像照片，但是這張照片里含有所有的光學(xué)信息，再用某些光學(xué)手段去糾錯(cuò)，進(jìn)而“借尸還魂”，使它顯現(xiàn)出拍攝時(shí)的圖像？”這樣應(yīng)該就可以繞過鏡頭“像差”問題，得到更清晰的圖像。（原文來自于加博爾的諾貝爾典禮演講：“Why not take a bad electron picture, but one which contains the whole information, and correct it by optical means?”，“借尸還魂”是本文作者對這個(gè)過程的一個(gè)理解和形容。）

加博爾早期關(guān)于全息術(shù)的設(shè)想，來源：Dennis Gabor Nobel Lecture

經(jīng)過一些數(shù)學(xué)計(jì)算，加博爾確信這是可以實(shí)現(xiàn)的，而且不僅適用于微觀的原子，也可以用來拍攝并展現(xiàn)宏觀物體。

用一束光照射物體，稱之為物光；再用另一束光，稱之為參考光，與照射物體的散射光發(fā)生干涉，也就是參考光與物光的散射光發(fā)生干涉，這樣就會產(chǎn)生干涉條紋。

經(jīng)過曝光，干涉條紋被記錄在感光底片上；將底片沖洗后，干涉條紋會變得更加明顯，用參考光從同一角度去照射底片，與這些明暗相間的條紋發(fā)生衍射，便“召喚”回了拍攝時(shí)的振幅、相位等光學(xué)信息，重建了光場，就形成了物體的虛像，人眼也就可以識別到當(dāng)時(shí)拍攝的物體了。

全息攝影拍攝示意圖，來源：wikipedia

全息攝影再現(xiàn)示意圖，來源：wikipedia

這些干涉條紋對于人眼來說，只不過是一堆毫無意義的波紋，而對于光來說，它們卻像“說明書”一樣，指揮了光該往哪走，該做什么。

沖洗后底片上的干涉條紋，來源：holographic visions: a history of new science

這里，我們就可以理解加博爾在網(wǎng)球場的那道靈光了，拍一張壞照片，再給它糾正還原。筆者前文戲說的“借尸還魂”也意在形容這個(gè)“干涉記錄、衍射重現(xiàn)”的過程，而按照十幾年前的小品流行語來說就是，把“光”給忽悠瘸了，再給它把病治好了。

我們來解構(gòu)一下光，我們?nèi)搜勰芸吹轿矬w，都是由于物體反射或散射的光進(jìn)入眼睛，傳輸?shù)酱竽X，各種光學(xué)信息被解碼變成了圖像。

光具有波粒二象性，若把光看作波，振幅（amplitude）、波長（wavelength）、相位（phase）等都是波（wave）的表征參數(shù)。

振幅是在波動(dòng)或振動(dòng)中距離振蕩中心的最大位移；波長是波在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)傳播的距離，與振動(dòng)頻率相關(guān)；相位聽起來不是很熟悉，其實(shí)也很好理解，Office里經(jīng)常有這樣的中英語混雜“Hey，Jack，你的project進(jìn)行到哪個(gè)phase了？”，相位就是光在某一時(shí)間點(diǎn)振動(dòng)進(jìn)行到的位置。

波的振幅與波長，來源：save my exams

波的相位，來源：新浪

這些參數(shù)反映在人類視覺認(rèn)知中，光波的振幅影響到光的亮度，波長決定了色彩，而相位最直接的體現(xiàn)即為深度，也就是所謂的立體觀感。

我們知道干涉是多個(gè)波相遇后發(fā)生的疊加消減現(xiàn)象，而衍射一般指光波繞開障礙物、改變方向繼續(xù)傳播。

光波的衍射，來源：Vectorstock

可以這樣理解，全息底片上由于干涉形成的條紋實(shí)際上就是給被拍攝物體開了一個(gè)模，再用相同的參考光從同一角度照射，發(fā)生衍射而形成的虛像，就是物體的光學(xué)翻模。

普通的攝影技術(shù)只有一道照射物體的散射光作為入射光與底片發(fā)生反應(yīng)（極度簡化為一道光，實(shí)際上有很多，也可以理解為一個(gè)批次），通過感光材料對光強(qiáng)的反應(yīng)，記錄光的“振幅”，而無法捕捉到“相位”信息。

而全息攝影則加入?yún)⒖脊?/strong>以“干涉”方式記錄，將“相位”信息記錄在干涉條紋中?！皡⒖肌惫?，顧名思義，就是要設(shè)置一個(gè)參考，一個(gè)參照物，這樣才有相應(yīng)的對比。

普通的攝影方式在前景物體后面放另一個(gè)物體作為背景表現(xiàn)出前后關(guān)系，而全息攝影，以另一束光作為參考背景，用以還原拍攝時(shí)的光場。

底片上的干涉條紋中包含了物體的全部光學(xué)信息，“全息”之名也就順理成章了。

加博爾與文章“光也可以復(fù)制、粘貼”中講到的李普曼，兩人仿佛有穿越時(shí)空的默契，他們的研究都為“成像”（Imaging）領(lǐng)域做出了極大貢獻(xiàn)，他們?nèi)〉猛黄频姆绞揭矝]有循規(guī)蹈矩，而是創(chuàng)新性的將同一種物理基本原理發(fā)揮到極致，當(dāng)然，他們也都獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。

同樣是利用“光的干涉”作為基礎(chǔ)，同樣是“記錄、重現(xiàn)”兩步走。李普曼是“干涉記錄、反射重現(xiàn)”，捕捉了帶有色彩信息的光的波長，實(shí)現(xiàn)了照片由黑白向彩色的進(jìn)化；加博爾則在李普曼的啟發(fā)下，“干涉記錄、衍射重現(xiàn)”，記錄了包含深度信息的光的相位，實(shí)現(xiàn)了照片由平面到立體的進(jìn)化。

有趣的是，李普曼在獲得諾貝爾獎(jiǎng)后也曾發(fā)表文章，提出一種能使照片呈現(xiàn)立體觀感的技術(shù)手段，卻沒有機(jī)會實(shí)現(xiàn)，加博爾也算是用另一種方式實(shí)現(xiàn)了老一代科學(xué)家的夢想。

全息技術(shù)在后來逐漸成熟，在顯微成像、安全防偽、數(shù)據(jù)存儲、立體顯示等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，在1970年代，更是在藝術(shù)圈引起了一股全息熱潮，藝術(shù)家們相繼使用全息技術(shù)作為一種媒介來進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作。