哈佛大学利用光切片堆叠开发出全息成像新方法

全息幻影成像技术的原理是利用多媒体技术、虚拟成像技术等记录并再现物体的真实三维图像。将物体的全息影像投射到透明介质上，产生3D立体观影感，提升立体视觉效果。预计未来人类将可以完全抛弃电视、电脑、手机这些带有屏幕的显示产品，取而代之的是以全息影像技术来实现远程信息交互。

全息影像技术可通过光投影构建全息图，以此来描绘真实物体和场景的光三维结构。虽然目前的技术还不能产生科幻电影中那样逼真的全息图，但是哈佛大学约翰·a·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）已经朝着这个目标迈出了一大步。

由SEAS应用物理学教授Federico Capasso和电气工程高级研究员Vinton Hayes领导的科学家和工程师小组，在Nature Photonics上报道了一种用光线分层构建包含严格控制光阵列的二维薄片来创建全息图的新方法。这些薄片可以紧密地层叠在一起，进而描绘出三维物体。

传统的全息摄影方法将光排列在远离观察者眼睛的平面上，就像一系列连续的多米诺骨牌，这是有问题的，因为最远的层很难看到。这可能会扰乱观看者的深度感知，最终使三维对象看起来缺少细节。为了解决这个问题，Federico Capasso团队联合来自圣保罗大学和巴西坎皮纳斯州立大学的合作者设计了一种全息方法，以垂直于光学显示器的方式传播光切片，以便观众可以看清整个长度范围内的切片。

贝塞尔光束堆叠

“通过这种做法，我们缓解了传统上影响全息摄影的深度感知问题，”论文第一作者、Federico Capasso团队研究助理Ahmed Dorrah指出，“我们还可以实现均匀间隔的光切片，同时保持光切片之间的低串扰和所描绘物体图像的高分辨率。”

Ahmed Dorrah表示，这种方法有一天可以用来描绘任何三维全息图，可以从任何角度连续深度观看，就好像它是物理上实际存在的一样。这项研究的核心是一种特殊的光束，称为贝塞尔光束。与常用的激光束不同，贝塞尔光束会发生衍射并随着远离光源而减弱，在遇到障碍物后，贝塞尔光束会保持其强度，甚至可以通过缠绕障碍物来“治愈”自己。

贝塞尔光束呈环状向外传播。巴西坎皮纳斯州立大学电气工程教授、此项工作的高级合作者Michel Zamboni-Rached评价道：“将多束贝塞尔光束叠加结合起来，可以通过干涉对任何给定点的光强进行精确控制。”“你可以选择性地照亮这些光幕的所需部分，而不会失去对清晰描绘图像和物体至关重要的景深。”通过将这些光束叠加在一起形成光片，就有可能产生一个由精确结构光构成的“3D打印”投影。Federico Capasso团队对利用这种新方法改善生物学研究特别感兴趣。

“我认为我们可以对光的强度进行选择性控制，这可以与显微镜方法相结合，以更好地控制光进入生物样品的位置，”Ahmed Dorrah说道，“这很重要，因为原本显微镜中使用的激光束会通过一种称为光毒性的过程破坏活细胞，限制了组织样本可以承受的成像量。”

Ahmed Dorrah还热衷于将这种方法用于光遗传学研究。在这种研究中，大脑回路被基因工程化，以便组织活动可以响应光而被触发或关闭，从而使科学家能够研究某些细胞如何影响行为。Ahmed Dorrah介绍道，“利用光片全息术，可以以非常高的精确度和特异性激活光遗传回路中的目标细胞或细胞网络”。

新的全息摄影方法是由Federico Capasso团队偶然发现的，Ahmed Dorrah和他来自巴西的合作者一直在开发利用贝塞尔光束将粒子捕获在焦点的技术，这样就可以更好地研究空间和时间中特定点的原子。从那时起，研究小组开始考虑是否可以将这些光束堆叠成片状来构建全息图。

当研究团队对这项技术进行测试并看到效果后，他们感到很惊讶。“通常而言，我们创造了一个新理论，然后用实验来测试它，结果往往是有缺陷的，然后我们需要重新思考探索方法，”圣保罗大学电气工程教授Leonardo Ambrosio感慨道，“但这一次，实验结果远远超出了最乐观的预期，我们对能构建全息图的图像和物体的复杂性感到惊讶。”

编辑 | 徐睿