Digitale Holografie unterscheidet sich von der klassischen „analogen“ Holografie dadurch, dass das bei Beleuchtung eines Hologramms entstehende Wellenfeld nicht optisch rekonstruiert wird. Stattdessen wird das am Hologramm gebeugte Feld rechnerisch am Computer rekonstruiert. Das Hologramm kann dabei entweder auf holografischem Filmmaterial vorliegen und dann digitalisiert werden[1], oder es wird von vornherein mit einem elektronischen Sensor (z. B. CCD) aufgenommen.[2] Man ersetzt beispielsweise bei der Aufnahme eines Transmissionshologramms (bei dem die Objektwelle und die Referenzwelle (Bezugswelle) von derselben Seite auf die Fotoplatte treffen) die Fotoplatte durch eine CCD- oder CMOS-Kamera, die in gleicher Weise die Interferenzerscheinungen und die Intensitätsverteilung aufnehmen kann. Das so aufgenommene Hologramm kann ohne Umwege sofort zur digitalen Weiterverarbeitung verwendet werden. Außerdem ist es inzwischen möglich, Bildfehler, die durch verwendete Linsen entstehen (beispielsweise konzentrische Kreise bei oberflächlicher Betrachtung eines Hologramms) mit Hilfe von Rechenoperationen zu kompensieren. Die größten Nachteile kommen erst bei großen Objekten zum Vorschein: Filme haben noch immer ein deutlich besseres Auflösungsvermögen als CCD- oder CMOS-Kameras. Zum Vergleich: Für die Holografie verwendete Filmmaterialien lösen bis zu 5000 Linienpaare pro Millimeter auf. Dies entspricht einer „Pixelgröße“ von 0,1 Mikrometern. Dagegen haben CCD- oder CMOS-Kameras „nur“ eine Pixelgröße von einigen Mikrometern (Stand: Feb. 2013). Deshalb ist bei der Verwendung von CCD- oder CMOS-Sensoren der maximale Winkel zwischen Objekt- und Referenzwelle auf einige Grad beschränkt. Filme können dagegen große Objekte ohne Beschränkung des Winkels aufnehmen. Außerdem müssen durch Verwendung von hochauflösenden CCD-Kameras, die beispielsweise Hologramme von Wolken (Wolkenphysik) erstellen sollen, sehr große Datenmengen verarbeitet werden.
In der Digitalen Holografie kann die Phase der Objektwellenfront direkt aus dem numerisch rekonstruierten Wellenfeld berechnet werden.[3] Dadurch entfällt die in der Interferometrie sonst notwendige Berechnung der Phase aus mehreren, phasengeschobenen Interferogrammen (Phasenschiebeverfahren). Diese direkte Phasenberechnung wird vor allem in der holografischen Interferometrie und in der Mikroskopie genutzt.[4] In der holografischen Interferometrie können Objektzustände (z. B. unterschiedliche Lastzustände) so sehr einfach miteinander verglichen werden. In der Mikroskopie werden Phasenobjekte direkt sichtbar. Die digitale holografische Mikroskopie ersetzt daher zunehmend die klassische Phasenkontrastmikroskopie. Ein weiterer Vorteil der Digitalen Holografie liegt in der Möglichkeit, aus einer einzigen Aufnahme (Hologramm) numerisch unterschiedliche Fokusebenen zu berechnen (numerisches Fokussieren).
