背景
想要看到栩栩如生的三維立體影像，無論是在3D影院，還是在自己家中使用VR設備，我們都離不開一些輔助設備，例如眼鏡或者頭盔。
或許你未曾想到，有這樣一種技術，不用佩戴眼鏡或者其他輔助設備，就能讓觀眾從不同角度用裸眼觀看三維立體影像。
（圖片來源：澳大利亞國立大學）
它就是「全息技術」。簡單說，全息技術是利用光線的幹涉與衍射原理，記錄以及再現物體真實三維圖像的技術。
由此可見，全息技術大致可分為兩步：第一步是利用幹涉原理記錄物體圖像信息的過程，即「拍攝過程」；第二步是利用衍射原理再現物體光波信息的過程，即「成像過程」。
拍攝過程：全息攝影採用雷射作為光源，並將光源發出的光通過分光器分為兩束，一束作為參考光束直接照射在感光片上，另一束經過被攝物體形成漫射式的物體光束照射在感光片上。參考光束與物體光束疊加產生幹涉，把物體光波上各點的相位和振幅轉換成在空間上變化的強度，利用幹涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息記錄下來。記錄著幹涉條紋的感光片經過顯影、定影等處理程序後，便成為一幅全息圖像，或稱全息照片。
拍攝過程（圖片來源：維基百科）
成像過程：全息照片如同一個複雜的光柵，在相干雷射照射下，一幅線性記錄的正弦型全息圖像的衍射光波能給出兩個像：原始像和共軛像。再現的圖像具有非常強烈的立體感，給人以真實的視覺感受，如同身臨其境。
成像過程（圖片來源：維基百科）
從全息技術拍攝與成像的過程中，我們不難想像，實現全息技術需要許多「龐大而笨重」的光學元件。
製造全息圖像的光學工作檯（圖片來源：維基百科）
如今，小型化是電子產品與器件的重要發展趨勢之一。全息技術如果想要走向大規模商用，集成到可攜式的消費電子產品中去，那麼就需要讓那些龐大笨重的光學元件變得足夠輕薄、小巧。
（圖片來源：皇家墨爾本理工大學）
創新
近日，美國杜克大學的研究人員們開發出一種多色彩全息技術方案，它無需任何龐大笨重的光學元件，就可以製造出增強現實眼鏡、智慧型手機、平視顯示器的彩色3D顯示器。
在美國光學會的高影響力研究期刊《Optica》上，杜克大學的研究人員們描述了他們如何將多色彩圖像編碼到二維波導結構（一個引導光線的超薄結構）內的300微米×300微米的全息圖像中。當光柵耦合器被紅光、綠光、藍光照射時，計算機製作的全息圖像呈現出複雜的多色彩。
技術
新的製造方法將全息圖像編碼到一種材料中，這種材料兼容光子集成技術。這意味著，利用製造計算機晶片的方法，全息器件很容易實現量產。生成全息圖像的元件以及創造三維圖像所需的光源，都可以被納入基於晶片的微型設備中。
這種新型的多色彩全息技術是基於計算機生成的全息圖像。傳統的全息技術需要物理實體和雷射光束來創造形成全息圖像所必需的幹涉圖樣。不同於傳統的全息技術，計算機全息技術是通過數字的方法生成幹涉圖樣。
計算機生成的全息圖像是具有高分辨的三維圖像，但是經驗表明，用多於一種色彩的方式創造這些圖像非常困難。杜克大學的團隊製造了一個光柵（由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學器件）以及光敏材料「光刻膠」製作的波導中的一幅二進位全息圖像，戰勝了這一挑戰。他們開發的這種方法，將紅色、綠色、藍色的幹涉圖樣集成到單個二進位全息圖中。
論文第一作者 Zhiqin Huang 表示：「製造多色彩顯示器的困難部分之一就是，將色彩結合起來，然後再精準地分離開來，生成一幅全彩色圖像。我們的方法，在單獨的表面上，無需任何分光器或者稜鏡，一步就可以完成所有這些工作。因此，它特別適合集成到可攜式設備中。」
（圖片來源：Zhiqin Huang, 杜克大學）
另外一項重要進展，就是在一個波導結構中創造出全息器件。研究團隊的領頭人 David R. Smith 表示：「其他研究人員嘗試創造計算機生成的多色彩全息圖像時，沒有使用波導。因此，將這種結構集成到設備中變得極具挑戰性。我們提供了一種更簡單、更靈活的集成方案，其尺寸小到足以適用於增強現實設備及其他顯示器。」
研究人員採用他們的新型全息技術方案，為一個蘋果、一朵花、一隻鳥的靜態多色彩全息圖像編碼幹涉圖樣。生成的全息圖像與理論預測完全匹配。儘管他們製造出非常小的全息圖像來演示，但是研究人員們稱，這項技術很容易按比例擴大，用於創造更大型的顯示器。他們也相信，他們的方法將與現有的技術（例如製造液晶顯示器的那些技術）融合到一起，創造出動態的圖像。
（圖片來源：Zhiqin Huang, 杜克大學）
價值
研究團隊成員之一的 Daniel L. Marks 表示：「這種全息圖像可以浮現在增強現實眼鏡的鏡片上，將一幅圖像直接投影到瞳孔之內，無需任何龐大笨重的鏡頭、分光器或者稜鏡。它也可以將來自智慧型手機的三維圖像投影到牆壁或者鄰近的表面上。」
未來
研究人員們目前正在致力於減少編碼全息圖像的結構所帶來的光線損失，從而優化這項技術。他們也指出，為了使得這項變得實用，將這種結構納入具有雷射器的單個集成器件之中，很有必要。
關鍵字
光學、全息技術、顯示器
參考資料
【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2019/multicolor_holography_technology_could_enable_extr/?utm_source=osaHome&utm_medium=slider&utm_term=sliderlink&utm_content=Optica%203D%20Compact
【2】Zhiqin Huang, Daniel L. Marks, David R. Smith.Out-of-plane computer-generated multicolor waveguide holography. Optica, 2019; 6 (2): 119 DOI: 10.1364/OPTICA.6.000119