2013年2月20日

科學玩具-光學-立體照片(全像攝影)


猶記得大學時,系上準備招聘一位助教,如同一般的教師甄試一樣也要通過層層關卡,即使到了最後一關只剩下一位候選人-江海邦老師,仍是要試教給教授和學生聽,我們班很榮幸地被選為聽眾,因為是光電課程,所以這位未來的助教就準備了一些在當時並不常見的生活科學小用品來當做講解時的輔助品。

由於我坐在第一排,所以江老師就直接拿給我,透過我的手將與課程相關的教具一一傳給後面的聽眾。這是我第一次看到立體照片,那是一頭從美國飛來的老鷹(舶來品),轉動照片時可以發現照片中的老鷹形態會跟著變化,一直盯著栩栩如生而又層次分明的羽毛,心想:「這一定很貴吧?」老師試教完畢後有機會提問時,果不其然~證明了我估價的能力。
從品美搜刮出來的立體照片鑰匙圈,這兩顆眼球是我的最愛
倒不是因為理化老師變態(我只承認有一點),而是因為眼球會盯著觀察者看

現在這種全像攝影的應用產品不只是在電影或是書本上看得到,其實我們每天都會接觸到,只是過於平常而被我們忽略罷了。像是身分證上、信用卡上或是防偽標籤上都有這種雷射記錄標籤,或者是像照片中會發出彩虹般光線的立體照片就是利用全像攝影的技術。應用的範圍越來越廣,並可以常在商品標籤上看見。
雷射標籤可以用來辨識真偽,讓只有一般技術的仿冒者無法仿造出相同的圖案
若想要撕下標籤,會對其造成棋盤格般的紋路傷害

製作雷射標籤的技術就是全像攝影(holography),我也記得當時物理系同學在光電課程報告時,就有介紹這個主題。字串中的holo在希臘文中是立體的意思,而graphy則是記錄的意思,所以兩個字合起來就是把影像的「立體化記錄」,也就是記錄並再生影像訊息的紀錄。
左邊的骷髏頭會轉頭,右邊的小男孩相片中的景深完全呈現出來
這一類的雷射立體照片用途很多,漸漸地能在身邊的物品中發現

使用雷射在底片上記錄立體影像,我們就能透過它看到與平面照片不一樣的物體面向。3D立體的技術是利用光波振幅的變化(也就是明暗)與跟位置有關的相位同時顯現出來。一般的照片只有振幅變化而已,沒有相位上的差異,所以看起來是平面而非立體。不過全像攝影下的產品是利用兩道不同的光線相遇時的干涉狀態來記錄影像,這就是為什麼影像會是立體的。

雷射光經由光源分配器而分配成兩道光線,其中之一稱為「影像光線」,在鏡面反射後照在物體表面上,物體反射而形成「物體波」;另外一道光稱為「標準光線」,同樣會經過鏡面反射而形成「標準波」。

兩道光線相遇的話會產生「干涉」,物體波會隨著反射部位的不同而產生不同的振幅和相位,因此才會產生相位不同的明暗線條。當物體波與標準波結合時所產生的干涉紋路被雷射標籤板記錄下來後,我們就可以透過立體照片來看到實際物體振幅與相位當時的繞射記錄。

給小孩子看的童書「恐龍王國歷險記」,封面上及內頁中就有一堆恐龍立體圖像
不同的區塊會有不同波長的色光反射而出,且影像清晰度會隨遠近而不同

我喜歡這三張,因為它不只立體,而且能因不同的觀察角度而連續變化
原本的骨頭化石上漸漸披覆上血肉與硬皮,符合故事中的古生物復活的橋段

當全像照片中的影像離全像片越遠,則繞射光散開的範圍會越大,也就是說,若重建的影像位置剛好在全像片上,那麼散開的距離為零,影像是最清晰的。所以這篇文章中所介紹的影像全像片(image hologram)只適用於短景深的拍攝,離全像片平面的距離越遠,像就會越模糊。

不同場合下的不同色光對於重建影像會造成不同的影響,使得影像的位置稍有改變。另外,重建光光源的角度偏差也會形成影像的角度偏差。若光源越大,則發光角度就不是單一的,而是呈現出一個範圍,那麼重建的影像也會因為這些不同角度的光線而造成影像重疊,也就是模糊,因此光源還是強而小會比較好。

對了,後來有機會跟桌球很厲害的江老師PK時,邊打邊聊天才得知當初試教時為什麼會把教具先傳給我,當時在台上汗流浹背的他以為我是物理系教授,因為看起來有點年紀……

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