第二章 文獻探討
第一節 全像術的原理與發展
第二章 文獻探討
本研究主要應用點矩陣全像片為載體，透過其變圖功能將擴增實境辨識圖案 隱藏於其中，茲將文獻探討分類為下列三節：第一節，全像術的原理與發展，第 二節，擴增實境之相關研究，最後，將資料整理歸納成為本研究的理論根據，作 為第三節文獻探討小結。
第一節 全像術的原理與發展
一、全像術之起源
全像術 （Holography） 起源於 1948 年，當時由英籍匈牙利物理學家 Gabor 在《Nature》雜誌上發表的短篇文章《A new microscopic principle》中，率先提 出了全像的概念。他發明的電子顯微鏡，採取了干涉 （Interference） 的方式，
利用一道較規則的基本電磁光記錄另外一條含有物體成像的次要電磁光，改善了 電子顯微鏡取像解析度不足的問題 （Gabor, 1948），如圖 2-1 所示。Gabor 所提 出的技術，即為波前重建術 （Wavefront Reconstruction），在光源強度不足且無 法達到同調性的當時，普遍被認為是不成熟且不實用的，因此這篇文章發表後並 沒有激起太多讀者的共鳴 （Johnston, 2005）。
圖 2-1 利用干涉現象記錄物體影像示意圖 資料來源：Gabor (1948)
6
直到 1960 年代，雷射光的發明提供人類一種能量集中且同調性的光源，才 使得全像技術有突破性的發展。1962 年，Denisyuk 提出了拍攝反射式全像片的 技術，他利用折射率的改變來記錄干涉條紋資訊，因此對重建光入射角度與波長 皆有較高之選擇，可利用白光來重建全像影像。此法與穿透式全像片最大的差 別，在於穿透式全像片的物光及參考光是在同一側，因此當影像重建的時候，觀 察者必須在參考光穿透全像片的另一側觀察重建的虛像，但反射式全像片由於物 光及參考光是由不同的兩側照射至感光底片，在影像重建時，觀察者必須與原物 光在同一側觀察 （Maripov & Shamshiev, 1999）。
密西根大學的 Leith 和 Upatnieks （1964） 也開始針對波前重建術的應用 發表了一系列的文章，進而發明了穿透式的離軸全像片 （Off-axis Hologram），
改善了傳統同軸全像片 （On-axis Hologram） 易受到直流光重疊以及共軛虛像 之影響，造成影像重建效果較差的問題。其方法為在參考光的路徑之中，設置可 改變光線路徑的鏡面，使參考光束具有更強的集中力，解決了光線四散的問題
（圖 2-2），此方法也提供了更高品質的影像紀錄方式。
圖 2-2 離軸全像片原理示意圖 資料來源：Leith & Upatnieks (1964)
7
隨著全像科技的快速進步，越來越多研究者投入此領域，為全像術開創了更 多的可能性，而 Gabor 也在 1971 年以全像術為基礎獲頒諾貝爾物理獎。在 1970 至 1980 年間，全像術不僅應用於大量的科幻電影中，更成為了日常生活中不可 缺少的一部份，如信用卡即使用壓印式全像片作為卡片外圍的包覆層、博物館採 用全像術建構物件的比例也持續上升。圖 2-3 為現今的全像片印製技術，其畫面 可呈現絕佳的景深效果，全像術儼然已成為視覺傳達 的重要呈現方法之一
（Bove, 2012）。
圖 2-3 全像片的景深效果
資料來源：http://www.zebraimaging.com/markets/AEC/
現今，全像術更跨足了藝術的領域。Turner （2012） 指出藝術作品「夏娃 克隆系列」運用全像的技術，使作品的呈現能有高度的連續性，更能讓觀者與作 品間產生最直接的互動，夏娃克隆的作品如圖 2-4 所示。Ishii （2006） 也以全 像主題為媒材，設計了一系列空間裝置及環境藝術的作品，如圖 2-5，這項全像
8
裝置可根據陽光的入射角度及天氣情況呈現出不同的七彩變化。另外，全像術甚 至被應用在指紋的建構上，因此對於社會安全也有所貢獻 （Luo, Wang, Wang, Cui & Zhang, 2011）。
圖 2-4 夏娃克隆系列
資料來源：林珮淳作品 (2010)
9
圖 2-5 全像裝置藝術─太陽神的贈與 資料來源：Ishii (2006)
全像術根據光線路徑與拍攝方式，現今可大致分類為同軸式全像術、離軸式 全像術、穿透式全像術 （Transmission Holography）、反射式全像術 （Reflection Holography）、彩虹全像術 （Rainbow Holography） 及壓印式全像片 （Hologram Embossing）、電腦全像片 （Computer Generated Holograms, CGHs）（Lohmann &
Paris, 1967）、數位全像術 （Digital Holography） 及點矩陣全像片。
二、點矩陣全像片
點矩陣全像片的概念由 Davis 所提出，其影像的產生是透過許多具有干涉條 紋的光柵小點顯影於底片或是光阻片上 （Davis, 1993）。而這些光柵點是利用兩 個雷射光干涉記錄而產生，稱之為「光柵像素點」，透過改變相交雷射光的角度 和方位可以改變干涉圖形的顏色與干涉光發出的方向，也就是說每個光柵點實際 上是由不同間距及方向的干涉條紋所組成。與傳統的全像術相比，全像術無法呈 現真正的色彩效果，而點矩陣全像片卻能有效的控制色彩的表現，設計出在特定 角度看到固定顏色的影像 （陳怡惠，2008）。
10
圖 2-6 為一般光柵結構繞射的原理。其中，p 為光柵間距、m 為整數、λ 則 為繞射光之波長。當入射光輸入至光柵結構時，可能會產生兩種情況：第一，入 射光直接穿透光柵結構，即形成第零階穿透 （m = 0）；第二，入射光與光柵結
構形成一夾角 ，造成第一階繞射 （m = +1），其中 v 為光線輸入至光柵結構的 垂直角度、w 為光線受到光柵結構影響產生繞射的垂直角度，而繞射光與光柵結 構之夾角則為 。以上說明可由方程式（2-1）表示：
p （sin + sin ） = m λ （2-1）
圖 2-6 一般光柵結構產生繞射現象之示意圖 資料來源：van Renesse (2005)
而根據上述所介紹之一般光柵結構繞射原理，接著說明本研究所使用之點矩 陣全像片的光柵結構繞射原理。圖 2-7 為入射光經過光柵結構產生繞射效果的示
11
意圖，此原理可由繞射現象的方程式 （2-2） 來解釋。
d sin α = n λ （2-2）
在此方程式中，d 為光柵間距、α 為入射光輸入至全像片的角度，本文設定 為 30 度、n 為整數、λ 為入射光的波長。點矩陣全像製版機會以入射角度 30 度 進行雷射光的干涉，並根據彩色索引檔的色彩資訊，輸出為具有不同光柵間距的 光柵像素點，當觀測者從垂直的角度觀察全像片時，即可看到光柵間距與反射光 波長相符的顏色。與一般光柵結構的不同之處，在於光線可穿透一般的光柵，點 矩陣全像片的結構則無法穿透，而是將光線全部繞射回來並形成不同的波長，因 此，全像片能產生虹彩般的特性。換言之，將單一光源從固定的角度輸入全像結 構中，光源即會接觸到一組具有光柵間距及光柵角度的干涉條紋，而使光源繞射 至某方向；同理，若將輸入的光源轉換為不同的角度，則光源會接觸到另一組不 同光柵間距及光柵角度的干涉條紋，而使光源繞射至另一個方向，最後就能產生 七彩變幻的現象 （圖 2-8） （楊博文，2005）。
圖 2-7 光線經由點矩陣全像片產生的繞射現象示意圖 資料來源：傅如尉繪製
12
圖 2-8 不同入射光角度下，全像片的光影變化效果示意圖 資料來源：傅如尉拍攝
點矩陣全像片是由光柵點所構成，而每一個光柵點皆具備干涉條紋，形成不 同間距及不同角度的光柵結構。要得到一個具備光影變化的全像片，就必須控制 光柵點大小 （Spot Size）、光柵間距 （Grating Pitch）、及光柵角度 （Grating Orientation），如圖 2-9。
圖 2-9 光柵點結構示意圖 資料來源：研究者繪製
根據圖 2-9，此三項特色主要的功能如下：
（一）光柵點大小：用來控制全像片實際輸出的解析度。
（二）光柵點間距：可將光線繞射至不同的方向，用以控制全像
13
片色彩的變化。
（三）光柵點角度：用來控制全像片的觀察角度。
由此可見，全像片的結構非常特殊，與一般的平面印刷品並不相同，圖 2-10 為實際輸出的全像片結構圖。圖 2-10 （a） 為實際輸出的全像片；圖 2-9 （b）
為全像片局部顯微放大後可看到的結構；圖 2-10 （c） 為再次放大的微結構圖，
可清楚的看到干涉條紋於每一個光柵點上 （van Renesse, 2004）。也由於利用了 電鍍金屬或光阻片，使其表面具備凹凸的紋路來產生光柵繞射的效果，因此點矩 陣全像片能透過壓印的方式複製，可進行大規模的生產。
圖 2-10 點矩陣全像片之微結構示意圖
（a） 點矩陣全像片 （b） 局部顯微放大 （c） 光柵像素點 (van Renesse, 2004) 資料來源：研究者拍攝
點矩陣全像片的使用逐漸普及之後，也激起了學者們對此新科技的研究興 趣，並嘗試開發最新的應用。Wang 和 Yang （2006） 即利用入射光與點矩陣 全像片的變圖關係，開發出以點矩陣全像片為即時性互動裝置的合成音訊播放系 統。參與者能夠以肢體動作影響全像影像的呈現，當全像影像產生變化，系統即 會依照變圖的速度播放此合成音訊。透過此系統的操作，不僅能體驗到擊拍練習 的樂趣，也同時能賦予使用者視覺上的娛樂性。
14
（Wang, Yang & Fang, 2007）。
圖 2-11 運用點矩陣全像片之變圖功能呈現圖文與二維條碼 資料來源：Wang, Yang & Fang (2007)
全像片的光柵結構甚至被開發為另類的濾波器，可有效的控制、吸收光線，
強化了光電轉換的效率，讓以太陽能電池板為核心的光伏電池 （Photovoltaic Cell）發展出更多的可能性 （Zhang, Russo, Gordon, Vorndran, & Kostuk, 2013）。
點矩陣全像片不僅可用來表現一般的平面媒材，也可呈現 3D 立體畫面與動 態 影 像 ， 故 其 具 有 豐 富 的 視 覺 效 果 ， 如 變 圖 、 景 深 、 流 動 、 縮 放 等 效 果
（Andrulevičius, Tamulevičius, & Tamulevičius, 2007）。此外，點矩陣全像片的高 防偽特性，讓非法的複印面臨絕對的難度，這也是點矩陣全像片具備的一項重大 優勢。由此可見，點矩陣全像片不僅是科技的產品，更是藝術領域的絕佳媒材。
本研究藉著點矩陣全像片的變圖效果，將擴增實境辨識圖案也隱藏於其中，進而 使其成為能啟動擴增實境效果的載體，符合了科技與藝術結合之跨領域思維。
15