Голограма — це запис повного світлового поля, розсіяного об'єктом, — і амплітуди, і фази, — закодований у вигляді інтерференційної картини на світлочутливому середовищі. На відміну від звичайної фотографії, яка фіксує лише інтенсивність, голографія (винайдена Деннісом Габором у 1948 році) використовує когерентне лазерне світло для запису інформації про фазу, що дозволяє відтворювати справжні тривимірні зображення.
Щоб записати голограму, лазерний промінь розділяють на опорний промінь і промінь об'єкта. Промінь об'єкта освітлює предмет; розсіяне світло інтерферує з опорним променем на записувальному середовищі, створюючи мікроскопічні смуги, які кодують глибину. Під час відтворення освітлення голограми опорним променем дифрагує світло так, щоб відновити початковий хвильовий фронт, створюючи реалістичне тривимірне зображення з паралаксом.
Голографія давно вийшла за межі художніх виставок. Цифрова голографія використовує ПЗЗ-камери та комп'ютерні алгоритми замість плівки, що відкриває застосування в мікроскопії, неруйнівному контролі деталей, зберіганні даних (голографічні оптичні диски) та дисплеях доповненої реальності на основі хвилеводів. Комп'ютерно згенеровані голограми (КГГ) створюють довільні тривимірні сцени, розраховані чисельно.
Голограма записує повний хвильовий фронт — напрямок і фазу світла від кожної видимої точки об'єкта. Під час відтворення ваші очі отримують різні промені залежно від кута огляду, так само як і від реального об'єкта, що створює справжній паралакс і сприйняття глибини, а не двовимірну оптичну ілюзію.
Відбивні голограми (як на кредитних картках) можна розглядати у білому світлі. Голограми на просвіт зазвичай потребують лазерного або монохроматичного світла для чіткого відтворення. Райдужна голограма у білому світлі використовує циліндричну геометрію, щоб працювати за звичайного освітлення.
Стереоскопія показує кожному оку трохи різні плоскі зображення, створюючи ілюзію глибини. Голографія відтворює справжній тривимірний хвильовий фронт, тож глядач може рухати головою і бачити навколо об'єктів, між ним і зображенням немає екрана, а акомодація (фокусування) ока природно змінюється залежно від глибини.
Цифрова голографія дозволяє отримувати тривимірні мікроскопічні зображення без лінз, надає кількісні карти фази прозорих об'єктів (наприклад, живих клітин), уможливлює вимірювання вібрацій і деформацій механічних деталей (голографічна інтерферометрія) і розробляється для безлінзової ендоскопії та дисплеїв доповненої реальності.
Голографічне зберігання даних кодує інформацію у вигляді тривимірних інтерференційних картин по всьому об'єму кристала чи полімерного диска, потенційно вміщуючи терабайти на диск. Кілька картин можуть накладатися одна на одну завдяки різним кутам опорного променя, але комерціалізацію стримують вартість і проблеми стабільності матеріалів.