1.2　国内外研究现状

由光学原理可知，光场的频率决定像体的色彩，振幅决定成像的亮暗程度，相位则对应成像的深度信息，就是人们所说的立体感。1948年，英国籍匈牙利物理学家丹尼斯·伽伯（D.Gabor）为消除像差、提高电子显微镜的分辨率提出了利用波的干涉和衍射特性记录和重现物波波前的原理，即全息术（Hologrphy），Holography出自希腊语holo（意思是the whole），意为全部记录，即记录振幅与相位的全部信息。在伽伯所提出的全息术中，物光波和参考光波是沿同一路径传播的，被称为同轴（on-axis或in-line）全息。这种全息的光路结构要求物体的尺寸很小并且部分透明，这就限制了所使用的物体的类型，此外，伽伯全息还存在孪生像（twin image）污染问题。尽管伽伯全息有如此严重的缺点，由于它是一种革命性的发明，故于1971年获得了诺贝尔物理学奖。第一个详细研究光全息的是罗杰斯（G.L.Rogers），他采用高压水银灯作为光源进行了一系列实验结果，还提出全息术也适用于无线电波，可用于检测电离层。他的这些研究结果是后来许多激光全息研究的前身。这些结果主要包括：全息图的复制方法、三维图像的生成、孪生像的消除、相息图、合成全息以及计算全息的初始工作。A.Baez, Hussein El-Sum和P.Kirkpatrick做了大量的X-射线全息试验，开辟了X-射线全息的理论与实验研究。1952年，Hussein El-Sum和P.Kirkpatrick通过照明X-射线衍射模产生了可见的细金属丝的图像[12]。由于找不到理想的相干光源，伽伯全息的孪生像干扰问题无法解决。要消除孪生像的污染，记录面必须放在样品的远场区域，这样高压汞灯的强度、相干性以及单色性又无法满足要求，故，20世纪50年代中后期全息术的研究几乎处于停滞状态，没有太大进展。1960年，第一台红宝石激光器诞生了，它为全息术的研究提供了一种单色性好、相干性好、高强度的理想光源，使全息术的研究走出了低谷，焕发出新的活力。1962年，利思（E.N.Leith）和乌帕特克尼斯（J.Vpatnicks）拍摄了第一张实用的高质量的离轴型（off-axis）激光全息图，引起了科学界的轰动。同年，苏联物理学家尤里·丹尼苏克（Yu.N.Denisyuk）制成了一种体全息图，对于反射式体全息图，照明光束从记录介质的一侧入射并穿过介质作为参考光，物光波从记录介质的另一侧入射，在介质内形成的干涉面与介质表面几乎平行，这种全息图具有较强的波长选择性，反射时能避免色串扰，是一种很好的白光再现全息图。对于透射式的体全息而言，参考光和物光均从记录介质的同一侧入射，这样在介质内形成的干涉面与介质表面几乎垂直，此种全息图具有较强的角度选择性，可用白光再现。

20世纪60年代中期，高速发展的计算机科学技术日益成熟，光学研究者们已能使用计算机进行光学模拟、光学计算以及光信息处理。于是光学与计算机相结合的一个新的学科——计算全息（Computational holography）诞生了。1966年，IBM的光学专家罗曼（A.W.Lohmann）等人把通信中的抽样定理应用到空间滤波器的制作中，奠定了计算全息图制作的理论基础，并用计算机和计算机控制的绘图仪制出世界上第一张计算全息图，开创了计算全息的先河，从此全息术步入了计算全息的新时代。此后计算全息便迅速发展起来，产生了许多计算全息图制作方法。傅立叶全息图是计算全息图中一个非常重要的类型，快速傅立叶变换算法的出现大幅缩短了计算时间，使傅立叶变换全息图变得经济实用，1967年，D.P.Paris把快速傅立叶变换算法用于计算全息图的制作，即今天人们所说的傅立叶变换全息图。1969年，L.B.Lesem等人提出了一种衍射效率高、能够同轴再现的相息图（Kinoform），Cathey和Chu等人对该种相息图进行改进提出了纯相位型全息图，时至今日，这种全息图仍有重要的应用价值。Huang、Burch、Lee等人分析了干涉型全息图中偏置项的作用，在用计算机模拟时对其进行修正，提出了几种不同类型的修正离轴参考光计算全息图。1978年，C.K.Hsueh and A.A.Sawchuk提出了双相位编码全息图，即把一个复值函数分解成两个相位量，然后采用迂回相位技术进行编码，后来Arriz´on等人又提出一系列改进的算法。2009年7月，D.J.Brady等人首次将压缩感知理论与共轴全息术相结合，理论和实验结果均表明在再现图像清晰度的情况下，CS压缩采样可以大幅降低采样数目，从而降低了计算复杂度。近年来，人工智能的研究如火如荼，阿尔法狗的出现使得神经网络声名鹊起，2019年3月，深度学习的三位推动者尤舒亚·本吉奥（Yoshua Bengio）、杰弗里·辛顿（Geoffrey Hinton）和雅恩·乐昆（Yann LeCun）因其在神经网络方面的成就荣获2018年图灵奖，（A.M.Turing Award）更是将深度神经网络的研究与应用推向了新的高潮，各研究领域、各行各业争相开展神经网络的理论与算法研究以及与不同学科之间的交叉融合。目前，全息和深度学习结合的研究也获得了丰硕的研究成果。在国内，全息术也已成为广大科技工作者研究的热点领域，清华大学的金国藩院士首先将计算全息的思想引入国内，开启了国内的计算全息研究之路。北京理工大学的于美文教授等人率先在全息术的理论研究方面做了诸多重要的基础性工作。国内曾阳素等人率先采用分数傅立叶光学的思想，从新的角度来审视光的传播、衍射及成像问题并将其应用全息领域。目前，新的全息显示理论、算法及应用不断涌现，清华大学、北京理工大学、北京邮电大学、东南大学、中国科学院、北京工业大学、浙江师范大学等高校均成立了相应的研究团队，并且在视角的扩大、色彩、孪生像的消除、计算复杂度的解决方法等方面做了大量的理论与实验探索，取得了良好效果。在计算复杂度的研究方面，研究人员采取多台大型计算设备并行的工作模式，以加快计算速度。后来人们发现Graphics processing unit（GPU）在并行计算方面更具优势，Hyun Jun Choi等人采用异构的CPU/GPU集群进行并行计算，Gang Li等人采用多块GPU进行并行计算，这些方法从硬件着手在保持计算复杂度不变的情况下通过提高硬件的性能来降低计算时间，从而十分显著地提高了计算速度。然而对于全息显示异常庞大的计算量而言，这些结构复杂、价格昂贵的设备仍显得力不从心。另外，从算法的角度构建快速、鲁棒的全息计算算法也备受关注，Tsang等人提出一种自适应降采样算法，并对由采样引起的纹理失真进行修正，从算法的角度减少了计算数据量，提高了计算速度。目前这方面的研究不胜枚举，但也没能从根本上解决问题。

采用全息胶片等介质的传统全息记录方式无法满足实时动态全息显示的要求，严重制约了全息显示的进一步发展。随着现代科学技术的综合发展，特别是微电子技术、微机电技术的不断进步，使得空间光调制器（spatial light modulator）的像素不断变小，使全息显示有望逐渐摆脱高分辨率感光乳胶的限制，最终实现实时动态的三维全息显示目标。为此，科学界掀起了全息显示系统研究的热潮。1989年，美国麻省理工学院（MIT）媒体实验室采用声光调制器（Acousto-Optic Modulator, AOM）为核心器件，制作出世界上第一个视频全息显示系统。1994年，美国麻省理工学院电子工程与计算机科学系的Mark Lucente博士提出基于衍射的全息条纹的计算方法，并采用18路声光调制器作为核心显示器件搭建了视频全息显示系统。声光调制器（AOM）空间光调制器在布拉格衍射模式下能提供全息显示所需的分辨率，但由于它是一维结构丢失了垂直视差，从而限制了AOM作为全息显示系统的进一步发展。1991年，N.Hashimoto等采用透射式的液晶电视空间光调制器搭建了一套实时全息显示系统，2002年，日本千叶大学电子与工程技术系的Tomoyoshi Shimobaba利用反射型LCD作为空间光调制器，同时应用三种颜色的LED（light-emitting diode）作为参考光源构造出了一部彩色全息显示系统，将计算机生成的全息图通过光电设备与LCD连接，并用LED形成的参考光源照射LCD投影出真3D的彩色图像。美国得州大学西南医学中心的Michael L.Huebschman等人采用美国TI（Texas Instruments）公司生产的数字微镜器件DMD（Digital Micromirror device）搭建了一套动态全息显示系统。法国尼斯大学等研究团队采用空间光调制器并对该器件的调制特性与误差补偿方法做了大量的研究，取得了初步成果。国内浙江大学现代光学仪器国家重点实验室以扭曲相列型液晶（TN-LCD）为核心器件搭建了一套全息显示系统，把计算出来的全息图输入液晶显示器件，即可再现出原物。南开大学现代光学研究所的郭欢庆等人利用空间光调制器DMD数字合成全息系统。上海大学、苏州大学、清华大学、安徽大学等利用液晶空间光调制器作为全息显示的关键器件，同时对位相调制偏差和影像再现等问题做了大量的研究。但目前全息显示的器件远不能满足高质量全息三维显示的要求，全息显示材料及器件的成像机理及方法还有待于进一步深入研究。