全像術的起源與發展

第二章 文獻探討

本研究欲整合全像科技與印刷科技，以「師大大師」點矩陣全像片為品牌保 護之主題，使其可在各種角度以及漫射光源下被清楚觀察，提升品牌識別程度，

進而達到品牌保護之功效。本章將依序整理與研究相關之現有研究與成果，首先 由全像術的原理談起，包含全像術與點矩陣全像術的起源與發展，以及本研究所 使用的點矩陣全像片之相關應用；接著討論品牌，並由全像片所具備之防偽功能 角度切入，探討品牌保護概念。因此，本章可分成三小節進行論述，分別為第一 節全像術的起源與發展，第二節品牌保護，最後進行文獻探討之重點整理與評 述，作為第三節文獻探討小結。

第一節 全像術的起源與發展

一、全像術歷史與簡介

全像術 （Holography）又稱為「全息術」或「立體照相術」，是一種紀錄與 再生影像的全訊息技術，源起於 1948 年英籍匈牙利物理學家 Dennis Gabor 提出 之 波 前 重 建 術 （ Wavefront Reconstrution ）（ Gabor, 1948 ）， 以 光 線 干 涉

（Interference） 的方式，利用一條較規則的電磁光波紀錄另外一道含有訊息的 電磁光波，有效改善電子顯微鏡取像解析度不足的問題。但是由於當時的光源並 沒有足夠的能量，且無法讓光源達到同調性，因此當時此方法提出時沒有激起太 多讀者的興趣 （Johnston, 2005），且無法進行實際的應用。直到 1960 年代，人 類發明了同調且能量集中的光源，即雷射光，才使得全像術有了實際應用的價 值，並且迅速擴展。而 Dennis Gabor 也因為全像術的發明，於 1971 年獲得諾貝 爾物理獎 （Bove, 2012）。

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全像術與一般的攝影術 （Photography） 之區別，在於攝影術是以幾何光 學為基礎，將二維的光強度 （振幅，Amplitude） 分布資訊記錄在底片上，由 於並未記錄光波的相位 （Phase），因此僅能得到平面之二維圖像；而全像術是 一種立體顯示技術 （Dittmann, Ferri, & Vielhauer, 2001 )，其基本原理是利用光 的干涉原理，將物光與參考光干涉現象的振幅及相位資訊以感光材料記錄下來，

並以原參考光重建與原物一樣具有立體感的三維影像。

隨著全像科技的蓬勃發展，全像攝影已發展出多種技術，大致可分為同軸全 像術 （In-line Holography）、體反射式全像術 （Volume-Reflection Holography）、

離軸全像術 （Off-axis Holography）、彩虹全像術 （Rainbow Holography）和壓 印式全像片 （Hologram Embossing），其中壓印式全像片為現今數位點矩陣全像 片製作所選用的方式。全像術目前應用的範圍除了隱藏影像資訊、大容量資訊儲 存與圖像防偽等領域之外，許多國內外的藝術家也利用全像科技可於平面上表現 立體影像的特性，運用在藝術展演以及生活周遭環境的產品中，如圖 2-1 即為以 全像作為媒材之藝術展演作品 （Ishii, 2006）；而林珮淳的《夏娃克隆系列》作 品 （圖 2-2），也同樣運用能夠展現 3D 動態效果的全像媒材，使作品具有強烈 的當代性與高科技感 （陳明惠, 2011）。此外，全像術亦廣泛應用於產品包裝、

商品廣告與裝飾品等多種領域。

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圖 2-1 全像藝術展演作品《Requiem》

資料來源：Ishii, S. (2006). Artistic representation with holography. Forma, 21, 81-92.

圖 2-2 全像藝術展演作品《夏娃克隆系列》

資料來源：林佩淳（民 100）。2011 夏娃克隆系列 Eve Clone Series。取自：2011 夏娃克隆系列 Eve Clone Series 光碟

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二、點矩陣全像術

點矩陣全像術 （Dot-matrix Hologram） 由 Frank S. Davis 所提出 （U.S. Patent No. 5,262,879, 1993），其影像的產生是透過許多具有光柵的小點顯影於底片或是 光阻上。而點矩陣全像打版機所產生的陣列點是利用兩道雷射光產生干涉條紋並 紀錄，稱之為「光柵點」 （Grating Spot），透過改變相交雷射光的角度和方位，

可以改變干涉圖形之顏色與光柵方向。也就是說每個點實際上是由不同間距及方 向的干涉條紋所組成，與光柵透鏡的原理類似，即在單一光源及特定的觀察角度 下，利用干涉條紋的不同角度及間距，將單色光繞射至不同方向而形成彩虹般的 光影效果。

簡單介紹一般光柵結構繞射的原理。如圖 2-3 所示，p 為光柵間距，m 為整 數，λ 則為入射光之波長。當入射光打至光柵結構時，將會產生兩種情況：第一 種，入射光直接穿透光柵結構，即第零階穿透 （m = 0）；第二種，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 和 w 之合為產生繞射 光之距離，且 v 和 w 分別可與光柵結構上之一點垂直，而繞射光與光柵結構之 夾角則為 。以上說明可由方程式(1)表示：

p (sin + sin ) = m λ (1)

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圖 2-3 一般光柵結構產生之繞射示意圖

資料來源：van Renesse, R. L. (2005). Optical Document Security, 3rd Ed., Artech House, London.

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。如圖 2-4 所示，α 為繞射光的偏折角度，d 為光 柵間距，n 為整數，λ 則為入射光之波長；而根據點矩陣全像片製版機 SparkleⅡ 之設定，α 在此為 30 度。當 d 固定時，繞射光之波長與繞射偏折角度成正比關 係，因此可產生繞射的七彩光影變化，可以方程式(2)來表示；其中，波長最長 之紅色光將會形成最大的繞射角度。

d sin α = n λ (2)

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圖 2-4 全像片光柵結構產生之繞射示意圖 資料來源：研究者繪製。

而點矩陣全像片是由像素 （Pixel） 為單位的光柵點結構所組成，每個光柵 點由不同間距及方向的干涉條紋所構成 （van Renesse, 2004），點矩陣全像片之 微結構如圖 2-5 所示。

圖 2-5 點矩陣全像片的微結構示意圖。(a)「師大大師」全像片(b)局部顯微放大 示意圖(c)微結構示意圖

資料來源：van Renesse, R. L. (2004, May.). Security aspects of commercially

available dot matrix andimage matrix origination systems. Paper presented at the

SPIE International Conference on Optical Holography and its Applications, Kiev, Ukraine.

(a) (b) (c)

放大 放大

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點矩陣全像片主要是藉由調整光柵點結構之光柵間距 （Grating Pitch）、光 柵角度 （Grating Orientation） 及光柵點尺寸 （Spot Size） 來表現影像 （如 圖 2-6），其主要功能依序為：

（一）光柵間距：用以控制全像片的色彩變化。

（二）光柵角度：不同的光柵角度可以使相同方向的入射光繞射至不同的方 向，用以控制全像片觀看的角度。

（三）光柵點尺寸：控制全像片實際輸出後的解析度。

圖 2-6 光柵點結構圖 資料來源：研究者繪製。

因此可知由單一光源及特殊觀察角度觀察全像片時，利用干涉條紋的不同光 柵角度和間距，將光線繞射至不同方向，可顯現如七彩般光影的全像影像 （如 圖 2-7），亦能調整光柵方向，將不同底紋影像投射到左眼與右眼，產生視差而有 立體的景深效果。也由於利用了光阻記錄及以電鑄金屬來複製其表面凹凸的紋路 來產生光柵繞射的效果，點矩陣全像片可以透過壓印的方式進行大量複製與生 產；此外，又因為點矩陣全像片具有明顯的辨識特徵，即光影變化效果，因此經 常被應用於防偽的領域 （Yeh, & Lin, 2012）。

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圖 2-7 以不同角度觀看同一張全像片所呈現之不同光影變化示意圖 資料來源：研究者拍攝。

點矩陣全像片的製作主要由兩個檔案所組成，分別是全像影像彩色索引檔

（Indexed color image）與全像影像灰階檔 （Grayscale image），如圖 2-8 所示。

彩色索引檔控制全像片之色彩顯現，按照華錦光電科技 (AHEAD Optoelectronics) 所設計的點矩陣全像 SparkleⅡ系統的輸入檔案規格，彩色索引檔可使用的顏色 為紅 （Red，[255,0,0]）、綠 （Green，[0,255,0]）、藍 （Blue，[0,0,255]）、青 （Cyan，

[0,255,255]）、洋紅 （Magenta，[255,0,255]）、黃 （Yellow，[255,255,0]）、黑

（Black，[0,0,0]）七種純色；其中若彩色索引影像檔中含有黑色，其代表原色光 的繞射，因此 SparkleⅡ點矩陣製版機不顯色，白色亦然。

圖 2-8 點矩陣全像數位檔案組成示意圖 資料來源：研究者繪製。

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另一方面，灰階檔案則是控制全像片的觀察角度 （光柵角度），灰階值設定 範圍在 0 到 255 之間，光柵角度可從-90 度至 90 度之間作調整 （如圖 2-9），其 與灰階值之關係如方程式(3)所示：

光柵角度 ﹦（灰階值/255）*180 – 90 （單位：度） (3)

圖 2-9 灰階值與光柵角度示意圖 資料來源：研究者繪製。

由於灰階值之設定會影響人眼所觀看的角度，以灰階值 255 （白色） 為例，

代入方程式(3)之後，計算出的光柵角度即為 90 度。因此可知，一張全像影像中 所涵蓋的灰階值越大，則代表實際輸出的全像片之觀看角度也越偏。

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三、點矩陣全像片應用之相關研究

接著，介紹國立臺灣師範大學圖文傳播系次媒體實驗室 （Half Media Lab）

關於點矩陣全像片應用之歷年成果。Wang 與 Yang （2006） 提出以點矩陣全像 片為基礎，並利用其變圖功能發展出即時性的影視播放裝置，可根據變圖的速度 播放音訊或視訊，未來能夠延伸應用至藝術展演、電子化學習及防偽裝置；接著，

Wang、Yang 與 Fang （2007） 將帶有聲音訊息編碼的二維條碼隱藏於點矩陣 全像片中，以機器偵測時可即時帶出音訊，具有更佳的互動性 （如圖 2-10）。

圖 2-10 點矩陣全像片結合二維條碼之應用

資料來源：Wang, H. C., Yang, P. W., & Fang, F. M. (2007, Nov.). Interactive music

synthesis according to the diffractive light from a hologram. Paper presented at the

陳怡惠 （民 96） 結合全像技術與數位典藏內容製作出全像片加值產品「開 啟智慧之門全像鑰圈」 （如圖 2-11），為產品添加動態的視覺美感，提昇產品內 容的深度及附加價值，且具有多重防偽功能，可達到品牌保護之功效。

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圖 2-11 開啟智慧之門全像鑰圈

資料來源：陳怡惠（民 96）。點矩陣全像片應用於數位典藏整合之創新加值研究。

（未出版之碩士論文）。國立臺灣師範大學，台北市。

張瑞洲 （民 97） 將噴墨印刷與點矩陣全像片的動態效果整合，找出點矩 陣全像片結合噴墨印刷所能表現的顏色色域，增強印刷品的視覺效果及擴張色域 表現，並以全像術呈現煙火綻放與建築物之變圖效果，如圖 2-12 所示。

圖 2-12 以全像術呈現之煙火動態效果示意圖

資料來源：張瑞洲（民 97）。點矩陣全像片與噴墨印刷整合之色域表現研究（未 出版之碩士論文）。國立臺灣師範大學，台北市。

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最後，林子淵 （民 101） 參考我國網球選手，同時也是師大校友的盧彥勳，

擷取其晉級溫布頓八強賽的影片之親吻手指伸向天際的經典動作，繪製成連續動 作之 3D 圖像，再製作成無需利用電源與螢幕即可顯其動畫效果的 3D 點矩陣全 像片，最後與球員卡設計整合 （如圖 2-13）。此種兼具科技技術與典藏內容的整

擷取其晉級溫布頓八強賽的影片之親吻手指伸向天際的經典動作，繪製成連續動 作之 3D 圖像，再製作成無需利用電源與螢幕即可顯其動畫效果的 3D 點矩陣全 像片，最後與球員卡設計整合 （如圖 2-13）。此種兼具科技技術與典藏內容的整