全息图如何在胶片上储存三维场景

全息图可以让平面胶片后方显现三维场景。移动头部会改变视角，反射和扭曲等细节会让并不存在的物体看起来真实存在。

谜题在于二维表面如何存储足够的信息，从多个视角重现一个场景。讲解先从记录光波开始，再讨论衍射和重建。

针孔相机通过微小开口让光到达胶片，记录的是受限制的视图。全息术则试图记录足够的光场信息，以重建波前。

场景产生复杂的电磁场，其振幅和相位随空间变化。普通感光胶片对光强作出反应，光强大致与振幅平方成正比，因此相位不会被直接记录。

为了让胶片记录相位信息，可以把物体发出的光与参考波叠加。两波同相时互相增强，反相时互相抵消，形成的曝光取决于相对相位。

记录使用相干光，通常把激光分成物光和参考光两路。由于干涉图案极其精细，曝光期间哪怕很小的移动也可能破坏图案。

用参考光照射显影后的胶片，为什么能重现原场景？视频先把物体简化成一个亮点，推导这个亮点产生的图案。

点光源发出向外扩展的波。到达胶片时，物光的相位随距光源的距离变化，参考波则为整个表面提供比较基准。

两束波交替增强和抵消，使胶片记录下同心明暗条纹。条纹的中心和间距编码了亮点相对于胶片的位置。

由于可见光波长很短，圆环之间的距离非常小。在局部，一小块圆环图案近似平行条纹，也就是衍射光栅。

为了理解光栅，可以想象一列等间距窄缝被光波照亮。每条缝发出的光向外传播，在观察点相互叠加。

合成亮度并不只是各条狭缝单独亮度的相加。光波按相位叠加，在某些方向增强，在另一些方向抵消。

在与正前方夹角为 θ 的方向上，相邻狭缝的光程差为 d sin θ，其中 d 是狭缝间距。当光程差为波长的整数倍时，会出现相长干涉。

中央光束称为零级，两侧紧邻的是一级；几何条件允许时还会出现更高级次。改变间距或波长会改变这些角度。

对于一个点的全息图，条纹的每个局部区域都像光栅。其间距让一束重建光沿着仿佛来自胶片后方原始亮点的方向传播。

观察者移动时，来自不同区域的光进入眼睛。这些方向始终与原位置的亮点一致，于是形成可信的深度幻觉。

重建还会产生其他成分，包括共轭像。让参考光倾斜入射，有助于把所需图像与不需要的光分开。

共轭像可以在胶片另一侧形成实像。演示中把一张纸放在相应位置，让记录场景的聚焦光显现出来。

真实物体包含许多点。各点的贡献在胶片上叠加，形成复杂的干涉图案；它虽然可能看起来像噪声，仍然包含场景信息。

精细的空间细节并非装饰：它保存了不同视角所需的方向信息。这有助于解释为什么全息胶片必须能够分辨接近光波波长尺度的特征。

点光源解释是有用的起点，但复杂场景可能包括透明物体和多种光学相互作用。更一般的波动描述能更自然地处理这些情况。

此前讨论的是透射全息图。反射全息图及其他后续技术扩展了可用的照明条件和应用范围。

一个应用是把物体与先前状态的记录进行比较。极小的变化就可能改变干涉图案，因此全息术既可用于显示，也可用于测量。

形式化解释用复数表示参考波 R 和物波 O。复数的模表示振幅，角度表示相位，从而用简洁代数描述波的干涉。

胶片曝光取决于 R + O 的模的平方。展开后得到各自强度项以及携带相对相位信息的交叉项。

参考波照亮显影后的图案时，与胶片透射率相乘会产生几个分量：一个与原始物波成正比，另一个对应共轭波。

代数说明为什么会出现原始物波的副本，衍射图像则帮助直观理解局部图案如何改变光的方向。两种解释从不同角度描述同一个重建过程。

视频简介修正了结尾推导中的一点：要把 |R|² 当作简单缩放因子，需要参考波振幅在所考虑位置附近近似恒定。

结果是一张二维记录，它能够在多个视角重现三维波前。表观深度来自重建光波，而不是为每只眼睛分别存储一张普通图片。