二、 反射式全像原理
2.5 全像記錄材料─鹵化銀底片
本篇論文使用鹵化銀底片做為全像之記錄材料，鹵化銀底片是在還沒 產生數位相機前，一般照相底片最常使用的感光膠質；對於全像片記錄來 說，鹵化銀底片也是常用來當作記錄的材料。鹵化銀底片有很高的敏感度，
而且可以藉由沉積的染料來決定膠質感光的波長，所以此膠質常在實驗室 被用來做成全像照片或藝術產品。在全像片膠質中的鹵化銀晶體非常小，
平均的晶體直徑大約在 10~100nm 之間[ 10 ]，因此全像底片的解析度比一 般底片還要高出許多，一般底片的解析度大約為 100 lines/mm，而全像底片 可以達到 5000 lines/mm 以上的解析度。在本節中，將會解釋底片記錄與沖 洗的基本原理，從底片的曝光時間至底片沖洗的顯影、漂白等機制將會有 仔細的討論。
2.5.1 曝光時間
底片的曝光(Exposure)H 定義為入射光強度 E 與曝光時間 t 的乘積，
H = Et。 ( 36 )
入射光強度通常用輻照度(irradiance)來作單位，常用的單位為每平方公 分所受的光通量(watt/cm2)，一般全像片感光膠質的敏感度(sensitivity)的單 位為μJ/cm2，所以知道底片的敏感度與入射底片的總光強，就可以推算出 這張全像片需要曝光的時間 t
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t = sensitivity
irrasiance。 ( 37 )
2.5.2 沖洗底片
鹵化銀晶體是一個 n 型的光導體(n-type photoconductor)，當全像底片曝 光時，光子被晶體吸收，晶體得到足夠能量後，使晶體內的電子從價帶跳 到導帶，釋放出來的電洞產生自由的鹵素原子，化學式寫成
Ag+X−�鹵化銀晶體� + hυ → Ag+X0 + e− 。 ( 38 )
跳到導帶的自由電子會被晶體中的銀離子抓住而形成銀原子
Ag++ e− ⟷ Ag0 ( 39 ) 不過這種銀原子Ag0生命週期只有 1 秒鐘，其會再與銀離子和電子形成 雙銀原子，此種雙原子的型態可以在室溫下穩定。
Ag + Ag++ e− → Ag2 ( 40 ) 此種曝光使鹵化銀分解的過程稱為光解作用，而三、四個以上的銀原 子團會形成潛像(latent image)，潛像形成的區域在顯影時會產生催化的作用，
加速鹵化銀還原成黑色的金屬銀粒子，如圖 16 (A)所示。
本實驗使用 Slavich 公司所出產的 PFG-03M 底片來做實驗，此底片搭 配 JD-4 沖洗藥劑組來沖洗。以下將說明這些沖洗藥劑對底片產生的反應。
底片曝光後，需要經過顯影劑顯影，顯影劑是一種還原劑，讓底片上 的鹵化銀還原成金屬銀粒子，
氧化反應：Devred → Devox + e− ( 41 ) 還原反應：Ag+ + e− → Ag ( 42 )
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潛像產生的區域對氧化還原反應有催化的作用，它會加速銀離子還原 成金屬銀粒子，使得銀粒子沉澱的分布就會與我們實驗中曝光的強度分布 相同。
JD-4 的沖洗藥劑中顯影劑分成 A 與 B 兩種成分[ 11 ]，如表 1、表 2 所示
表 1 JD-4 A 劑成分
配方 劑量
Metol or Elon (p-Methylaminophenol sulfate) 4 克 Ascorbic Acid (powder) 25 克
調配方法 加蒸餾水至
1000 毫升 表 2 JD-4 B 劑成分
配方 劑量
Sodium Carbonate, Anhydrous(Na2CO3) 70 克 Sodium Hydroxide(NaOH) 15 克
調配方法 加蒸餾水至
1000 毫升
藥劑 A 中的 Metol 與 Ascorbic Acid 皆是還原劑，Metol 可以還原灰階 區域的曝光，但缺點是其對比度不明顯；Ascorbic Acid 則是對比度大但缺 乏灰階的細節。所以常將兩種藥劑混合作為顯影劑中的還原劑。
還原劑中的還原能力與溶液中的 PH 值有很大的關係，一般都要保持在 PH 值為 11 左右，因此藥劑 B 扮演提供鹼性環境的活化劑角色，藉此維持 還原劑的活性。
銀離子經過化學顯影後，原先顆粒狀的鹵化銀結晶會變成細條狀的銀 粒子，如圖 16 所示。底片中銀粒子密度分布會與曝光時的光強度相互對應，
在影像亮處則曝光量高，金屬銀粒子的密度較高，底片的透光度就比較低；
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反之，在影像暗處則曝光量低，銀粒子之密度較低，底片透光度較低。由 底片的透光度來顯示曝光時之光強度分布，稱此種底片稱為振幅型的底 片。
圖 16 底片化學反應過程示意圖
因為振幅型的底片只有部分的光會被繞射出來，所以繞射效率比較低，
將此振幅型底片漂白以後，可以得到相位型的全像片。相位型的底片是將 曝光時之光強度的變化轉換成底片中折射率的變化，其繞射效率理想上可 高達 100%，所以為了提高繞射效率，顯影完的振幅型全像片會再經過漂白 的步驟，讓其轉換成相位型的全像片。
JD-4 沖洗藥劑中之漂白劑配方，如表 3 所示 表 3 JD-4 漂白藥劑成分
漂白藥劑 劑量
Copper Sulfate, Pentahydrate(CuSO4‧5H2O) 35 克 Potassium Bromide(KBr) 100 克 Sodium Bisulfate, Monohydrate(NaHSO4‧H2O) 5 克
調配方法 加蒸餾水至
1000 毫升
漂白中的 Copper Sulfate, Pentahydrate 與 Potassium Bromide 是當作氧化 劑，將銀粒子還原成溴化銀，漂白會使感光膠質稍微變軟，讓溴化銀會產
Intensity
光強分布 (A)曝光 (B)顯影 (C)漂白
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生擴散的現象，如圖 16，這可以使全像片有高繞射效率與低散射雜訊之特 性[ 10 ]，在顯影時還原反應要在鹼性溶液中才會反應；反之，在漂白時的 氧化反應，也需要在酸性溶液中才會作用。漂白藥劑中的 Sodium Bisulfate 就是提供一個酸性環境，讓底片中的銀粒子與氧化劑作用。
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