全像術的起源與發展

一、全像術的起源

全像術（Holography）為匈牙利裔英籍物理學家蓋伯（Dennis Gabor）於 1948 年 所發明(Leith, Upatnieks, & Haines, 1965)。當時為了解決電子顯微物鏡解析度之 問題，他未使用傳統的透鏡成像原理，而運用干涉之方式，讓規則的電磁光波來 記錄另一道含有訊息的電磁光波，稱為波前重建術（wave front reconstruction）

（Collier et al., 1971）。其主要的原理為以電子束（e-beam）射出於物體，讓物 光（object wave）與另一道參考光互相干涉，形成的干涉條紋記錄在感光底片上

（如圖 2-10），不僅記錄了光的強度，同時也將相位以及振幅資訊記錄於感光材 料上。

圖 2-10 Gabor 所發明的全像裝置圖

較早期的全像術，是利用水銀燈記錄同軸（in-line）干涉條紋的方式，來製 作出全像片。但受到直流光重疊以及共軛虛像之影響，並未有好的同調性光源，

使得影像重建效果較差。直到 1960 年雷射光發明之後，全像術有了更寬廣的應 用面向（Rhody & Ross, 1999）。1962 年工程學者 Upatnieks 和 Leith 所發明離軸 式（off-axis Holography）（Leith, 1964）拍攝方法取代了傳統同軸式，如圖 2-11

所示，解決了影像重疊的問題。這兩位科學家製作了第一張具 3D 物體的「穿透 式全像片」。於同年，另一學者 Denisyuk 提出了反射式全像片之拍攝方法，如圖 2-12 所示，使得全像拍攝方式又躍進一步。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，使得全像術發展漸趨完善。從此許多科學家遂投入全像技術的開發，因此發 展了許多不同的拍攝方式。

圖 2-11 Upatnieks 和 Leith 發明之離軸式全像裝置簡圖

圖 2-12 Denisyuk 發明之反射式全像裝置簡圖

現 今 全 像 片 依 照 光 路 和 拍 攝 路 徑 大 致 分 為 同 軸 式 全 像 片 （ In-line Hologram）、離軸式全像片(Off-axis Hologram)、彩虹全像片（Rainbow Hologram）

及壓印式全像片（Hologram Embossing）、電腦全像片（Computer Generated Hologram,CGH ）、 數 位 式 全 像 片 （ Digital Hologram ） 又 稱 為 點 矩 陣 全 像 片

（Dot-Hologram）（van Renesse, 1998）。常用來記錄全像的母版材料（感光材料）

主要有三種，分別為鹵化銀（silver-halide）、光阻（photo resist）、光學高分子

（photopolymer）、重鉻酸明膠（dichromated gelatin）（Rhody & Ross, 1999）。

根據新刺激雷射全像市場發展之產業報導，全像科技產品因不同的展示需 求，選擇不同的全像呈現技術（鄒永祥，2001）。依據其成像原理，產品可分為 彩虹全像片、反射式全像片、多視角全像片、真彩全像片、積成式全像片、點矩 陣全像片等，表 2-2 列出不同全像商品的應用領域：

表 2-2 各類全像片通用範圍

二、點矩陣全像片

1980 年 期 間 由 Frank S. Davis 所 提 出 的 點 矩 陣 全 像 片 （ Dot-matrix Hologram）。圖 2-13 為入射光波長 λ，經由全像片光柵結構產生之繞射示意圖。

其α 為繞射光的偏折角度，d 為光柵間距。方程式（2-2）為繞射方程式，當光柵 間距 d 固定時，繞射之光波長與繞射偏折角度成正比關係，因此可對有效角度產 生控制，產生如七彩般的繞射。

圖 2-13 光柵結構繞射示意圖

d＊sin（α)=n＊λ （2-2）

d：光柵間距 α：繞射光線的偏折角度，n：整數，λ：入射光的波長

而點矩陣全像片由像素（Pixel）為單位的矩陣點（Matrix Spot）結構所組成，

而每個矩陣點由不同間距及方向的干涉條紋所構成，點矩陣全像片之微結構如圖 圖 2-14 所示（van Renesse, 2004）。由此可知由單一光源及特殊觀察角度，利用 干涉條紋的不同光柵角度和間距，將單色光繞射至不同方向，如七彩般光影的全

像影像（圖 2-15）。也由於利用了電鍍金屬或光阻其表面凹凸的紋路來產生光柵 繞射的效果，因此點矩陣全像片可透過壓印的方式複製，可進行大量生產。

圖 2-14 點矩陣全像片的微結構示意圖

(a) 圖文傳播全像片(b)局部顯微放大(c)微結構（van Renesse, 2004）

圖 2-15 不同角度觀看全像片呈現不同光影變化

點矩陣全像片的設計方式非常特殊，和一般平面設計並不相同。點矩陣全像 片主要是藉著控制光柵間距（Grating pitch）、光柵角度（Grating orientation）及 光柵點尺寸（Spot size）此三項來完成製作，如圖 2-16 所示。點矩陣全像片主要 功能依序為：

1.光柵間距（Grating pitch）：用以控制色彩的變化。

2.光柵角度（Grating orientation）：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。

3.光柵點尺寸（Spot size）：控制實際輸出的解析度。

圖 2-16 光柵點結構圖

點矩陣全像片在製作的過程中，主要由彩色索引檔與灰階檔所組成。彩色索 引色檔為用來控制全像片色彩顯現之圖檔。根據 AHEAD Sparkle 系統來定義顏 色，在彩色索引檔使用的顏色主要為紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）、青（Cyan）、 洋紅（Magenta）、黃（Yellow）、黑（Black）七種顏色來顯示色彩，其中黑色代 表不顯色，若彩色索引檔中含有白色，則 Sparkle 點矩陣製版機亦不顯色。另一 灰階檔案用來控制全像片的觀察角度（光柵角度），全像片的灰階值設定範圍於 0

～255 之間。以全像片為中心，光柵角度從-90 度至 90 度之間，因此灰階值之設 定便影響人眼所觀看的角度，一張全像影像中所涵蓋的灰階值範圍越大，則表示 實際輸出的全像片可觀看的角度範圍也越大。

綜上所述，點矩陣全像片的設計原理主要藉由控制光柵點尺寸（spot size）、

光柵間距（grating pitch）和光柵角度（grating angle）來完成。本研究主要使用 由華錦光電科技（AHEAD Optoelectronics）所設計的點矩陣全像製版機（如圖 2-17）。華錦光電擁有多項世界級點矩陣全像光學專利，設計出點矩陣全像打版 輸出設備 Sparkle Ι 及 Sparkle II。而 Sparkle Ι 機台製作全像解析度範圍在 150-1300dpi 之間，Sparkle II 機台的全像解析度範圍在 400-4000dpi 之間，並可 依數位檔案之內容，輸出不同光柵尺寸、角度及間距的全像片母版於光阻片上。

圖 2-17 點矩陣全像片成像示意圖