全像術

Posted on 2016/11/27 in 光, 光的干涉和繞射, 物理 with 尚無留言 9,886 views

全像術 (Holography)
國立臺灣大學化學系葉德緯

全像術是利用光學的波動性質來紀錄物體訊息的照相技術，其英文名稱 Holography 由字根 holo- 和字尾 -graphy 組成，holo- 代表的意思就是全部、完整，全像術的特性正如其英文名稱所描述，被記錄於全像片 (Hologram) 上的，並非傳統相片的二維影像訊息，而是整個行經物體的光束的光學訊息。只要透過重現全像片拍攝時的入射光線環境，就可以藉由光學原理重建出一個立體的物體，彷彿物體真的在那裡一般。

全像術的發展最初是由匈牙利裔英國物理學家加柏 (Dennis Gabor, 1900~1979) 為了改善電子顯微鏡的解析度而發明的。根據德布羅意 (Louis de Broglie) 物質波的原理（可參考科學Online上《德布羅意波長》一文），微觀下的輕質量粒子也可以展現其波動性，而加柏最初的電子全像術 (Electron holography) 想法就是利用將電子束分為兩束的物質波進行干涉來紀錄影像的。既然這用到的是電子的波動特性，那麼具有波動性的光應該也適用。所以，這項發明更由於雷射技術的普及而被廣泛地運用於各領域，因此加柏於 1971 年被授予諾貝爾物理學獎。

如第一段所說，全像術所記錄的並非物體影像本身，而是透過記錄行經物體的光束的光學訊息，間接地儲存了物體的訊息。主要利用的光學原理是波的干涉 (Interference)，光波是電場與磁場的震盪，不同的時間時，波通過的空間上某點會有不同的電場或磁場強度，而此時這一點會具有特定的相位 (Phase)。當兩道不同相位的波相遇時，兩波此時的相位會進行疊加，這就是所謂的干涉。若兩道波相遇時的相位完全相同，我們稱之為「同相 (In-phase)」，同相的兩道波會進行建設性干涉，產生比原本還強的電場與磁場。反之，若兩道波相遇時的相位剛好相反，則稱之為「反相 (Anti-phase)」，反相的兩道波會進行破壞性干涉，磁場跟電場的震盪就會抵消。（更多關於相位以及干涉的原理，可以參見科學Online上的《干涉》一文）

圖一、全像片製作示意圖。（圖源：https://zh.wikipedia.org/wiki/全息摄影#/media/File:Holography-record.png）

全像片的製作示意圖如圖一，將一束光分為兩道後，一道光經過物體，一道光沒有經過物體，將再次聚集時產生的相位差記錄起來。若兩道光沒有經過物體，則兩道光一定同相，但若是有其中一道光經過物體，該光束就會受到物體的影響而和原先的光線有了不同的相位。因為對於兩道光的同調性要求很高，雷射 (Laser) 正符合單一波長且高度同調的需求，因此大多使用雷射來製作全像片。

由於光的波長極短，以可見光為例，只有約 300 奈米至 700 奈米不等，細微的晃動都會影響到光線的相位差而對全像片的製作造成干擾，因此必須有特定的防震設備。此外，記錄干涉條紋的全像片材料也必須能夠對於光的相位變化足夠敏感，並且具有光學上的穩定性。

全像片的一個特性，就是全像片上的每一個點都包含了完整的物體光學訊息，而不是像傳統攝影每個點記錄影像的一部分。也就是說，當一張大張的全像片碎裂成小片的時候，物體影像並不會跟著支離破碎，每一個小片仍然可以重建原本的物體影像，只是解析度會比較差。

全像術的應用極為廣泛，除了可以利用全像原理發展儲存相位的數據儲存方式，因為全像片的製作需要專業的儀器以及材料，因此也可用於防偽。其可以展現立體影像的特性，也使得藝術家有了新的發展空間。全像術也可以用於工業測量上，其精密度最細可以接近光的波長，因此可以對一個物體的形狀進行測量與分析。

參考文獻