CubicPower 晶智能中心 教學機器人 電機資訊學院教材  全像術簡介-1

編著: 夏肇毅

初版: 2026/8/9

1.1 干涉原理

 全像術的核心基礎建立於光波干涉現象，而干涉原理也是理解全像記錄與三維影像重建的重要起點。當兩束具有相干性的光波在空間中重疊時，其電磁場會產生相互作用，使光強度分布形成明暗交替的干涉條紋。全像術利用此特性，不僅記錄物體表面的光強資訊，更記錄光波的相位資訊，因此能保存完整的三維物體資訊。傳統攝影主要記錄光強分布，缺少深度方向資訊，而全像技術透過參考光與物光的干涉，使物體反射光所包含的空間資訊被轉換為可儲存的干涉圖樣。干涉現象的物理基礎來自光波疊加原理，若兩束光波分別表示為 $E_1=A_1\cos(\omega t+\phi_1)$ 與 $E_2=A_2\cos(\omega t+\phi_2)$，則合成光強度可表示為 $I=\vert E_1+E_2\vert^2$。其中包含交叉項，該項決定干涉條紋的形成。當兩束光相位差固定時，會產生穩定干涉圖樣；若相位差隨時間快速變化，則干涉條紋會消失。因此，全像術需要使用具有高度相干性的雷射光源，以確保記錄期間光波保持穩定。全像干涉依照光路配置不同，可分為同軸全像、離軸全像、反射式全像與透射式全像等形式。離軸全像利用參考光與物光之間的小角度差，使零級光、共軛像與重建像在空間中分離，提高影像品質。干涉條紋實際上是一種包含空間頻率資訊的光學編碼形式，其間距與光波波長及兩束光夾角相關，可表示為$d=\frac{\lambda}{2\sin(\theta/2)}$，其中$d$為條紋間距，$\lambda$為光波長，$\theta$為兩光束夾角。當波長越短或角度越大時，條紋間距越小，所能記錄的空間解析度越高。全像干涉原理除了應用於影像顯示，也廣泛應用於精密量測、材料分析、生醫影像與光學元件製造。透過分析干涉條紋變化，可以量測微小位移、表面變形以及折射率變化。例如工程結構受到外力產生微小變形時，其反射光相位會改變，透過干涉分析即可取得奈米級變化資訊。因此，干涉原理不只是全像術的基礎，也是現代光學量測技術的重要支柱。

 1.2 繞射原理

 全像術中的繞射原理負責將記錄完成的全像圖重新轉換為可觀察的三維影像。全像片本身並不是直接保存物體影像，而是一種具有複雜光學資訊的衍射光柵。當適當波長與角度的重建光照射全像記錄介質時，干涉條紋會對光產生調制，使光線依照特定方向繞射，形成原始物體的波前。這個過程就是全像重建的基本機制。光的繞射現象源自惠更斯原理，即波前上的每一點都可以視為新的次級波源，所有次級波相互疊加後形成新的傳播波前。全像片上的微細干涉結構相當於大量微小光柵，會控制光波傳播方向。繞射角度與光柵週期存在關係，可利用光柵方程描述：$m\lambda=d(\sin\theta_i+\sin\theta_d)$，其中$m$為繞射階數，$\lambda$為波長，$d$為光柵週期，$\theta_i$為入射角，$\theta_d$為繞射角。透過控制光柵結構，可以使重建光形成特定方向的影像。全像術中的繞射效率受到多種因素影響，包括記錄材料厚度、折射率調變程度、光波長以及入射角度。厚型全像記錄材料通常具有較強選擇性，只允許特定角度與波長的光完成高效率重建，因此能提升影像品質與安全性。薄型全像材料則具有較寬廣的角度響應範圍，適合快速顯示與標籤應用。繞射原理也是全像顯示技術的重要基礎，例如 AR 眼鏡中的全像光學元件，就是利用微型繞射結構將影像光導入使用者眼睛。透過設計奈米尺度光柵，可以控制光線方向與色彩分布，使裝置具有輕薄、高效率特性。此外，繞射技術也應用於光束整形、光通訊元件以及雷射加工。現代數位全像技術則結合電腦計算方法，利用空間光調制器模擬繞射結構，使虛擬全像影像能即時產生。繞射原理不僅解釋全像影像如何形成，也提供設計新世代光學系統的方法。隨著奈米製程與計算光學進步，全像繞射技術將持續推動三維顯示、智慧感測與高精度光學設備發展。

1.3 全像記錄 

全像記錄技術是將物體光波資訊保存於特殊介質中的過程，其主要目的在於同時記錄光波的振幅與相位資訊，使後續能夠完整重建物體三維影像。與一般攝影只記錄光強不同，全像記錄需要建立穩定的干涉環境，使物光與參考光產生固定干涉條紋。記錄流程通常包含光源準備、光路配置、曝光控制以及影像保存四個主要階段。首先利用雷射產生高度相干光，再透過分光系統分成物光與參考光。物光照射目標物後攜帶物體表面資訊，反射光進入記錄介質；參考光則直接照射記錄材料。兩者在介質表面形成干涉圖樣，該圖樣包含物體完整波前資訊。全像記錄材料需要具有光敏感特性，能將光強分布轉換成物理結構變化。常見材料包括銀鹽乳劑、光聚合物、光折變晶體以及光阻材料。記錄品質受到曝光時間、光強穩定度以及環境振動影響。若光路中存在微小震動，會造成干涉條紋偏移，使重建影像產生模糊或失真。因此，高品質全像實驗通常需要隔震平台與穩定溫度環境。全像記錄解析度主要取決於記錄介質能夠保存的空間頻率。空間頻率越高，需要材料具有越細微的解析能力。記錄容量可利用資訊密度概念描述，其與記錄面積及條紋解析度相關。厚型全像記錄介質還可以利用角度多工與波長多工方式增加儲存容量，使同一位置能保存多組影像資訊。全像記錄技術除了應用於三維顯示，也曾被應用於高密度資料儲存、防偽標籤、光學測試與生物分析。近年數位全像記錄逐漸興起，利用 CMOS 或 CCD 感測器取代傳統感光材料，再透過電腦演算法完成數位保存與重建。這種方式提高了資料處理彈性，使全像技術能與人工智慧、影像分析及雲端運算結合。未來全像記錄將朝向高速化、小型化與智慧化發展，成為下一代三維資訊保存的重要技術。

 1.4 成像概念

 全像成像概念是建立在光波前重建基礎上，其目的在於讓觀察者感受到接近真實物體的三維視覺效果。一般影像系統主要透過鏡頭將物體投影到平面感測器，因此缺少深度資訊；全像系統則保存光場資訊，使不同觀察角度能看到不同視角內容，產生立體感。全像成像過程包含記錄與重建兩個階段。在記錄階段，物體反射光與參考光形成干涉圖樣，保存物體光波資訊。在重建階段，以相同或適當條件的光源照射全像記錄介質，使原始光波重新產生，形成虛像或實像。全像影像的立體效果來自雙眼視差與觀察角度變化，當觀看位置改變時，所接收到的光線方向也會改變，因此能感受到物體深度。成像品質受到解析度、光源品質、記錄材料以及重建演算法影響。解析度越高，能表現越細緻的物體結構；光源穩定性越高，影像雜訊越低。數位全像技術進一步利用數值方法模擬光波傳播，例如菲涅耳繞射模型可表示為$U(x,y)=U_0(x,y)*h(x,y)$，其中$h(x,y)$代表傳播函數。透過計算方法，可以在不同距離重新聚焦影像，使全像影像具備更多後處理能力。全像成像已廣泛應用於醫學三維影像、工業檢測、虛擬實境以及教育展示。例如醫學領域可利用全像方式呈現人體器官結構，使醫師能從不同角度觀察病灶位置；工業領域則利用全像干涉分析產品表面微小缺陷。未來全像成像將與人工智慧結合，利用深度學習改善影像復原、降低雜訊並提升即時運算能力。隨著高速計算硬體與光學元件進步，全像成像將逐漸從實驗室技術轉變為普及化三維資訊呈現平台，成為智慧視覺系統的重要基礎。