全息摄影又称全息投影、全息3D，是一种记录被摄物体反射（或透射）光波中全部消息（振幅、相位）的照相技术，而物体反射或者透射的光线可以透过记录胶片完全重建，仿佛物体就在那里一样。透过不同的方位和角度观察照片，可以看到被拍摄的物体的不同的角度，因此记录得到的像可以使人产生立体视觉。
全息摄影（Holography），又称全息投影、全息 3D，是一种记录被摄物体反射（或透射）光波中全部消息（振幅、相位）的照相技术，而物体反射或者透射的光线可以透过记录胶片完全重建，仿佛物体就在那里一样。透过不同的方位和角度观察照片，可以看到被拍摄的物体的不同的角度，因此记录得到的像可以使人产生立体视觉。
全息术历史与概述
1947 年，英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·盖伯发明了全息术，他因此项工作获得了 1971 年的诺贝尔物理学奖。其它的一些科学家在此之前也曾做过一些研究工作，解决了一些技术上的问题。全息术的发明是盖伯在英国 BTH 公司研究增强电子显微镜性能手段时的偶然发现，而这项技术由该公司在 1947 年 12 月申请了专利（专利号 GB685286）。这项技术从发明开始就一直应用于电子显微技术中，在这个领域中被称为电子全息术技术，但是全息术一直到 1960 年激光的发明才获取了实质性的发展。
第一张实际记录了三维物体的光学全息术照片是在 1962 年由苏联科学家尤里·丹尼苏克拍摄的。 与此同时，美国密歇根大学雷达实验室的工作人员艾米特·利思和尤里斯·乌帕特尼克斯也发明了同样的技术。 尼古拉斯·菲利普斯改进了光化学加工技术，以生产高质量的全息术图片。
全息术可以分为如下若干类。透射全息术，如利思和乌帕特尼克斯所发明的技术，这种技术通过向全息术胶片照射激光，然后从另一个方向来观察重建的图像。后来经过改进，彩虹全息术可以使用白色光来照明，以观察重建的图像。彩虹全息术现在广泛的应用于诸如信用卡安全防伪和产品包装等领域。这些种类的彩虹全息术通常在一个塑料胶片形成了表面浮雕图案，然后通过在背面镀上铝膜使光线透过胶片以重建图像。另一种常见的全息术称为反射全息术，或称为丹尼苏克全息术。这种技术可以通过使用白色光源从和观察者相同的方向来照射胶片，通过反射来重建彩色的图像，以重建图像。镜面全息术是一种通过控制镜面在二维表面上的运动来制造三维图像的相关技术。它通过控制反射光线或者折射光线来构造全息图像，而盖伯的全息术是通过衍射光来重建波前的。
促使全息术在短短的一段时间内就蓬勃发展的关键原因是低成本的固体激光器的大规模生产，如 DVD 播放机和其他的一些常用设备中所使用的激光器。这些激光器对全息术的发展也产生了极大的促进作用。这些廉价的体积又很小的固体激光器可以在某些条件下与最初用于全息术的那些大型的昂贵的气体激光器相媲美，因此使得预算较低的研究者、艺术家甚至业余爱好者都可以参与到全息术的研究中来。
全息术理论
尽管全息术经常被称为三维摄影，这是一个不正确的说法。一个更好地类比是在录音的过程中通过将声场编码，使得随后可以将其重现。在全息术中，一个物体或者一组物体散射的光线会照射到记录介质上，此时，第二束被称为参考光的光线也照射在记录介质上，这样，两束光发生了干涉。产生的光场产生了看起来随机的图案，而变化的密度被记录介质记录了下来。可以证明，如果使用与参考光相同的光线，参考光可以在照片上产生衍射，而衍射的光场和物体散射的光场相同。这样，观察全息术的照片就会看到那个物体，尽管物体其实并不在那里。包括摄影胶卷在内的多种记录介质都可以用于全息术。
全息术的发明人丹尼斯·盖伯解决的问题是怎样为所有穿过一个大窗口的光线拍照，而不仅仅是为穿过一个很小的针孔的光线拍照。在透过这个窗口进行观察的时候，由于每只眼睛观察到不同的场景，观察者会产生立体的感觉。而且，如果观察者能够将他的头围绕着窗口外部移动，他可以看到物体的不同的角度（1960 年代早期的的一个全息术实验拍摄了一个物体，物体前面几厘米的位置摆放了一个放大镜，观察者可以通过将头上下摆动，看到物体透过透镜成的像和物体本身）。
丹尼斯·盖伯为了进行全息术，需要使用一个高速的快门，快门的速度非常快，使得它可以将光波穿过窗口时的相位固定住，也就是说，这个快门需要以光速工作。如果光线闪烁的时间和物体运动的周期一致，每次看到的都是物体同样的部位，这样物体看起来就是固定的，频闪灯就是用这个原理来“固定”快速移动的物体如发动机，盖伯采用了类似的办法来实现。在全息术中，和频闪灯类似的功能由参考光来完成。在上边的示意图中，光线的一部分照明光被物体散射，直接照射在胶片上（这里没有使用针孔或者透镜来成像），而另一部分参考光没有照在物体上，而是从原始激光束中分离后直接照射在胶片上。
在全息术重构过程中，为了回放胶片中拍摄的内容，需要重新提供参考光线，将它照射在冲洗出来的胶片上，也就是我们所说的窗口中。这使得在摄影过程中捕捉的穿过窗口的光线相位和他们当初离开物体照在胶片上的时候的相位完全一致的重现。实际上，如示意图所示，现在可以通过窗口观察到其后的物体了。
全息术胶片
漫射光背景下的全息术胶片，区域大小为 8×8 毫米。
当一个人观察的时候，每只眼睛都捕捉到物体散射的光线的一部分，而人眼中的晶状体可以作为透镜将物体在视网膜上成像，而从不同角度上射出的光线都在相平面的不同角位上成像。由于全息术系统可以将射在胶片上的光场完整的重构出来，观察者看到的光场和物体散射出来的光场完全一致，换句话说，观察者无法区分看到的是真实的物体散射的光线，还是仅仅是一个虚像。如果观察者移动，它看到的物体看起来也在移动，用户仍然无法区分他看到的是究竟是原始的光场还是重构出来的光场。如果场景中有若干个物体，用户者还可以观察到视差现象。如果观察者用两只眼睛同时观察，就可以产生立体视觉，也就是在观察全息术照片的时候得到深度的信息，这和他在观察真实的场景的时候感受到立体视觉的原理是完全一致的。然而，全息术并不是三维照片。照片可以从一个观察点将场景的像记录下来，这个观察点是由照相机的透镜位置决定的。而全息术记录下来的并不是像，而是将需要重建的散射光光场编码记录下来。在任何位置使用照相机或者眼睛都可以记录下重建的散射光线。在早期的全息术研究中，通常使用棋盘作为拍摄物体，然后可以通过不同角度对重建的光线拍照来展示棋子相对位置的变化。
由于全息术中每个点都包含了原始场景的光线的信息，从原理上说，整个场景可以通过任意小的一部分全息术胶片上还原出来。为了展示这个概念，可以将全息照片分成若干部分，通过每个部分都可以观察到整个的物体。如果一个人将全息照片看作是观察物体的窗口，每一小片全息照片仅仅是窗口的一部分，但是通过这个窗口仍然可以观察到物体，尽管其他的窗口已经被关闭了。然而，在全息照片的尺寸减小了以后，分辨率会随之降低，因此物体会变得模糊。这是衍射的结果。在普通的光学成像系统中，也可以观察到类似的现象，当透镜或者透镜的光圈直径降低的时候，成像的分辨率会受衍射光斑的影响而降低。
观察和创作全息摄影
在记录全息影像的过程中，物体散射光和参考光必须能够产生稳定的干涉图样。为了达到这个效果，这些光线必须具有相同的频率，在曝光时也保持相同的相对相位，这也就是说，这些光线必须相干。很多激光光束符合这个条件，因此自从全息摄影发明开始就使用激光来进行全息摄影了，尽管最早盖伯提出的全息摄影使用的是准单色光。从原理上说，如果两个不同的光源可以产生相干光，那么就可以使用这两个分离的光源来进行拍摄，但是实际上总是使用单一的激光光源。
另外，用于记录全息摄影的干涉条纹的介质必须拥有足够的分辨率，以使干涉条纹可以分辨出来。下面列出了一些通常使用的记录介质。干涉条纹的距离和物体与参考光之间的角度有关。例如，如果这个角度是 45°，光波的波长为 0.5 微米，那么条纹的间距大约是 0.7 微米，也就是 1400 线/毫米。当然即使无法解析出所有的条纹仍然可以看到全息摄影的拍摄结果，只是图像的分辨率会随着记录介质分辨率的下降而下降。
在拍摄全息照片的时候，机械稳定性也是非常重要的。物体和参考光的震动甚至是空气的运动都会产生相对的相位变化，这会使得记录介质上的条纹发生移动。如果相位变化超过π，就会导致干涉图样平均起来消失了，也就无法得到全息记录的结果。通常的记录时间需要若干秒，而相对的相位差小于π相当于要求位移小于λ/2，这是一个相当严格的稳定性要求了。
一般来说，光线的相干长度决定了全息摄影能够记录的场景深度。通常拥有良好性能的激光的相干长度可达数米，足够用于拍摄很深的全息照片了。某些激光笔也被用来制造较小的全息照片，这些全息照片的深度并不是由激光笔产生的激光的相干长度的限制的，而是受限于激光笔的功率（低于 5 毫瓦）。
场景中待拍摄的物体必须有光学上粗糙的表面，因此可以在很广的角度上散射光线。镜面反射的表面会照射其上每一点的光线反射至一个特定的角度，因此，大多数的光线不会接触到记录的介质。而从物体粗糙表面散射的光线会产生具有随机幅度和相位的客观散斑。
参考光线一般并不是一个平面波前，而常用的是一束分散的波前。这种波前可以通过在激光的光路中插入一个凹透镜来实现。
为了通过透射全息照片准确的重建物体的像，照在其上的参考光必须和拍照时的参考光有相同的波长和曲率，也必须以和拍照相同的角度照在照片上。唯一可以有不同之处的地方只能是参考光的相位。违反任意一条条件都会导致重建过程有损。几乎所有的全息照片都是使用激光拍摄的，但是窄带的灯甚至日光都可以辨别出重构的像。
如果用于重构全息图像的光线的波长变长，那么重构出来的图像会放大。最开始人们希望能够使用 X 射线来拍摄全息图像，然后使用可见光来观察像，然而直到现在仍然没能成功的使用 X 射线来拍摄全息图像。 但是这个效应可以通过使用能够发出不同频率光线的光源来观察到 。
全息干涉度量中，会将重建的全息图像的波前与真正的波前进行干涉，以找出任何物体的位移。如果物体没有移动，就不会产生干涉条纹，而这里需要精确的重建全息图像。
全息摄影记录介质
根据上面的讨论，记录全息影像的介质需要有能力解析出干涉条纹。介质也必须足够敏感，以能够在尽量短的时间内完成拍摄，使得系统尽可能的保持其光学稳定性。光学稳定性是指两束光之间的相对位移需要远小于λ/2。使用大功率脉冲激光器可以在几纳秒的时间内在特定的材料上记录下全息图样。
记录介质需要将干涉图样转换成能够改射在其上的光线的幅度或者相位的光学元素，这被称为幅度全息和相位全息。在幅度全息照片中，照片上不同位置对光线的吸收率不同，这是由于在冲洗出来的照片中，胶片上的感光乳剂根据照射其上的光强度不同剩余的数量也不相同。在相位全息照片中，材料的光学距离（折射率或者厚度）随着光强的变化而发生变化。
大多数用于相位全息照片的感光材料可以达到理论上的衍射效率 ，对于厚全息照片来说，效率达到了 100%（布拉格衍射区域），而对于薄全息照片，效率达到 33.9%（拉曼-奈斯衍射区域，全息照片通常只有几微米厚）。幅度全息照片的效率要比相位全息照片的效率低，因此较少使用。
下面的列表显示了用于全息摄影的主要的感光材料。注意这些材料并不包括用于大规模复制已有全息照片的那些材料。表中分辨率的极限表示曝光后形成的光栅每毫米最多的线条数。曝光需要很长的曝光时间，而短曝光时间（少于 1 毫秒，如使用脉冲激光）需要大曝光量。
