2017年2月22日

全像光學

作者/孫慶成(現任職於中央大學光電講座教授兼光電中心主任,1988年獲交通大學電子物理系學士與1993年中央大學光電研究所博士。)

何謂全像片
光波在不同角度傳輸時累計相同的相位(phase)或光程(optical path length)所形成的等相位曲面,即稱為波前(wavefront,如圖一)。波前帶有一道光波的資訊,若是某一波前是來自物體的反射光,波前能在不同角度於眼睛成像,即能從不同角度看到該物體,這就是三維物體的光波特性。因此我們可以了解,帶有相位訊號的波前是實際物體的重要光學訊號。

圖一:等光程的光波形成等相位面,即為波前。

可惜的是,我們的眼睛或是照相機只能感測到不帶有相位訊號的光強度訊號,所以一個相機所拍攝的影像都只有某個特定角度的二維訊號。如果我們能藉由一個方法,將一個物體的波前訊號重建出來,就像電視機可以將彩色的影像重建出來般,當我們再看到該波前時,即可能會以為看到原來的物體;若該重建的波前夠寬廣,我們就有機會可以看到其不同角度的影像(如圖二所示),這種以波前重建來展示原物體三維訊號的方法,稱之為「全像術(holography)」,或稱為全像光學,而這種展現波前訊號的光學元件就稱為全像片(hologram)。

圖二:全像片因可重建波前,可呈現不同角度的資訊。(作者提供)

全像術起源
全像光學是在1948年由匈牙利裔的英國科學家蓋博(Dennis Gabor)所發表,於研究顯微鏡時所發現,並因此發現於1971年獲得諾貝爾物理學獎,可謂實至名歸。怎麼說呢?因為全像片的形成一般是要以解析度超高的底片來記錄光波的干涉條紋(一般間隔在1微米以內),而該干涉條紋是由物光(即自物體表面所反射的波前訊號)與一個容易取得的參考光干涉而成的;同時,若要重建原物體波前時,則需要以原參考光來照射,藉由底片的極細紋路的繞射(diffraction)來產生波前的重建,如圖三所示。在進行全像拍攝時,這物光與參考光的光程差一旦超過光波的同調長度(coherent length),干涉條紋將因為有極快晃動而無法被底片紀錄,因此,同調光源是全像術的一個必要條件。我們知道,雷射(Laser)的發明所帶來的第一個重要貢獻,就是科學上終於取得足夠好的同調光源,但是雷射卻是在1960年才被發明,因此在1948年以前,並無好的光源提供全像片所需的同調長度。
圖三:(a)全像底片紀錄物光與參考光的干涉條紋。(b)重建之繞射光波即為波前的再現。

蓋博所發明的全像片屬於同軸(in-line)全像片,物光與參考光在同一直線上,物光的波前是參考光穿過極薄的透明介質所散射而來,因此光程差極小,也因此,在彼時缺乏好的同調光源時,能夠拍攝全像片而發明了全像術,相當不容易。但是蓋博的同軸全像有個缺點,在重建時,原來用來照射全像片的參考光,與重建時產生的原物體波前(虛像)與伴隨產生的原物體波前的共軛波(conjugate wave,實像)皆在同一個光軸上,非常難以觀察。所以,在雷射未發明前,連蓋博也漸漸放棄對全像術的研究。

離軸式全像術
這個現象直到1962年由美國密西根大學的利思(Emmett Leith)與特尼克斯(Juris Upatnieks)提出的離軸式(off axis)全像術才終於有所進展。這種方法的特色是物光與參考光的方向不在同一個軸上,而是夾一個角度。當角度越大時,直接的穿透光與被重建出來的光波就有機會完全分開來,也就是被重建的波前不再與入射光夾雜在一起。這樣的光學架構就需要同調長度更長的光源,那當然非雷射光不可。因此,1962年所發表的離軸全像術幾乎是一個科學上必然的發展,全像光學也因此能夠邁開大步,廣受科學家與工程師的矚目。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第567期】


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