全息摄影重建过程
尽管全息摄影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。在全息摄影中，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，如果观察全息摄影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摄影。
全息摄影的发明人丹尼斯·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（二十世纪六十年代早期的的一个全息摄影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，观察这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·盖伯为了进行全息摄影，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。在全息摄影中，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。
在全息摄影重构过程中，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。
丹尼斯·盖伯的发明的原理并不像频闪灯那样简单。为了进一步的理解全息摄影的理论，我们需要理解光波的干涉和衍射。对于那些不熟悉这些概念的人，在阅读本节以下部分之前可以通过阅读那些专门介绍的文章来学习这些概念。
干涉与衍射在一个或者多个波前叠加的时候会出现干涉现象。而在一个波前接触到一个物体的时候就会产生衍射。全息摄影重建的过程在下面完全是用干涉和折射进行了解释。这个解释有所简化，但是足以理解全息摄影过程的工作原理了。
平面波前的情况衍射光栅是一种具有周期性结构的器件。一个刻有均匀的刻线的金属板就是一个简单的光栅。光线穿过它的时候会产生弯曲，弯曲的角度θ由光线的波长λ和刻线的间距d决定， 关系为sinθ = λ/d。
非常简单的全息摄影可以通过将从同一光源射出的两束平面波叠加来示意。参考光垂直照射在摄影胶片上，而另一束光以一定的角度θ照射在胶片上。两束光之间的相对相位差在胶片上不停地变化，变化的关系为2π y sinθ/λ，其中y是沿着胶片的距离。这两束光的干涉会产生干涉图样。由于光线的相位差每经过d = λ/sinθ的距离变化2π，干涉条纹的间距也是d。这样参考光和物体发出的光之间的相对相位就由干涉条纹的最亮处和最暗处记录下来了。
在摄影胶片冲洗出来以后，干涉条纹可以用作衍射光栅。这样，当参考光线照射在胶片上的时候，部分光线会以相同的角度θ发生衍射。这样，物体发出的光线就被重建出来了。使用两个波的干涉创建出的衍射光栅可以重建出物体发射的光线，这样它可以看作是上面定义的全息摄影。
点光源的情况
全息摄影重建过程。更复杂的全息摄影可以使用点光源作为物体，同时使用一束平面波来作为参考光来照射在摄影胶片上。这时，产生的干涉图样是曲线，曲线的形状为一圈一圈的圆环，离中心越远，圆环的间距越小，这个形状也被称为波带板。
照相底片冲洗以后会显示出复杂的干涉图样，这个图样可以被认为是有不同间隔的衍射图案的叠加。当冲洗后的胶片单单被参考光照明的时候，胶片上的图案可以看作是一个光栅，这个光栅会根据光栅刻线的间距将光线衍射至不同的角度。可以证明，这个效果的净效应是重建了物体（点光源）发出的光线。由于从胶片发出的光线与点光源所发射出来的光线一模一样，观察者可以看到光线是从胶片后面的一个点发射出来的，尽管这个物体其实并不存在。
这张全息照相的照片可以产生凹透镜的效果，因为它使平面波前转变为发散的波前。它也可以增加照射在其上的任何波前的分散性，就和普通地透镜一样。它的焦距就是点光源与胶片的间距。
复杂物体的情况为了记录复杂物体的全息影像，首先要将一束激光用分光器分成两束：一束光用于照亮物体，物体会将它散射，反射光会照在记录介质上；另一束光直接照射在记录介质上面。
根据衍射理论，物体上面的每一个点都可以看作是一个点光源。每个点光源所发射出来的光都会和参考光发生干涉，产生干涉图样。结果产生的干涉图样是所有的点光源和参考光源产生的干涉图样的叠加。
当移除了物体并冲洗胶片以后以后，将参考光重新照射记录了全息影像的胶片，每一个点光源衍射光栅都可以衍射部分的参考光线，重建他们对应的点光源的波前。这些单独的波前叠加起来以后就可以重建整个物体散射的光线的波前。由于观察者感知到的波前和物体散射出的光线的波前完全一致，因此观察者仍然可以看到在那里的物体。这个图像可以看作是虚像，因为那里并没有实际物体发出光线。而且可以看到照亮物体的光源的方向和原始的照明光线方向是一致的。
数学模型光波可以使用一个复数变量U来表示其光波中的电场和磁场。光波的幅度和相位可以使用复数的模和幅角来表示。在全息摄影的系统中，每一点处的物体发出的光和参考光可以用变量UO和UR来表示，这样联合起来的光波可以表示为UO + UR。这个光波的能量和电场幅度的平方成正比：
。
如果一张摄影胶片暴露在这两束光中，然后冲洗出来，它的透射函数将于照射在其上的光线能量成正比，可以表示为：
，
其中是常数。冲印出来的胶片在使用参考光照射的时候，透过胶片的光波可以用UH表示：
。
可以看出UH中包含四项，第一项正比于 UO，可以用来重建物体发射出来的光。第二项代表了参考光，其幅度变成了 UR2。第三项同样代表了参考光，其幅度为UO2，这个修改可以引起参考光线在其中心方向周围发生衍射。第四项被称为共轭物体光线。它的凹凸性和物体正好相反，而且在全息胶片的前方形成了一个实像。由于全息摄影在拍摄时都要让物体和参考光垂直的照射在胶片上，这意味着全息摄影被参考光照射后产生的四束光会叠加在一起。由利思和乌帕特尼克斯发明的离轴全息摄影可以解决这个问题。物体光和参考光以一个角度照射在全息记录介质上，因此虚像、实像和参考光波前以不同的角度射出，使得可以清晰的观察到重建的像的光线
