홀로그래피의 기본원리

홀로그래피란?

 

파면의 정보를 기록한다.

1947년 영국의 과학자 데니스 게이버(Dennis Gaber)는 전자현미경에서 전자의 물질파 파면(wave front)에 대한 정보를 필름면에 기록하여 이를 전자보다 만 배 이상의 파장을 가지고 있는 가시광선으로 재생하여 전자현미경의 배율을 획기적으로 높일 수 있을 것이라는 원리를 제안하였다. 그 당시에는 레이저가 나오기 이전이었으므로 가시광원으로서 저압 수은등의 5461Å의 초록색 빛을 이용하였다. 그의 이론은 실현이 되었으나 재생파를 입사파로부터 완전히 분리하기에 불편한 점이 많아서 크게 주목받지는 못하였다. 그러나 게이버의 발상은 물체의 영상을 명암으로만 기록하는 통상적인 사진술과 전혀 다르게 물체에서 방출되는 빛의 파면에 대한 정보를 필름에 기록하는 혁신적인 것이다. 이렇게 기록된 필름을 게이버는 홀로그램(hologram)이라 불렀다. 홀로그램에서 다시 그 파면을 재생하면 완벽하게 그 물체로부터 퍼져나가는 것과 같은 빛을 만들어 낼 수 있어 물체가 실지 그대로의 상태로 있는 것처럼 관측케 한다. 이러한 기술을 홀로그래피라 한다.

1961년 He-Ne 레이저가 나온 후 미국의 레이스(E.Leith)에 의하여 이 특별하게 간성성이 좋은 빛을 이용한 오늘날의 홀로그래피가 재발견되었다. 그후 계속해서 새로운 형태의 홀로그래피가 속속 발표되었고 또한 이를 응용한 신기술들이 개발되어 1960년대의 과학계를 흥분시켰다.

 

 

 

 

 

입체의 모습을 볼 수 있다.

홀로그래피 기술로 파면의 정보를 기록한 사진인 홀로그램을 촬영한 조건으로 배치하고 물체를 없애면 홀로그램 너머로 상이 나타난다. 이 상은 마치 창문밖으로 경치를 볼 때 시야를 바꾸면 창문 밖에 펼처진 물체의 상대적 위치가 변하듯이 입체로 보이게 되어 가려졌던 부분이 보이기도 하고 보이던 부분이 가려지기도 한다.

 

 

 

 

회절격자

 

회절격자는 일종의 홀로그램이다.

회절격자는 평면유리나 오목한 금속판에 다수의 평행선을 등간격으로 새긴 것으로 이것에다 빛을 비추면 투과 또는 반사된 빛이 파장 별로 나뉘어서 그 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이 회절격자(평면유리로 만들어진)에 평행으로 입사한 빛들은 금이 그어진 곳에서는 흡수가 되거나 산란하여 버리고 금이 그어지지 않은 좁은 틈으로 들어오는 빛은 통과한다. 그러나 통과한 빛은 그대로 직진하지 않고 호이겐스 원리에 의하여 회절되어 원기둥 형태로 퍼져 나간다. 이때 이웃하는 틈으로 통과한 빛과의 광로 차이가 파장의 정수배가 되는 조건이라면 서로 보강간섭이 일어나서 빛이 강해지나, 광로차이가 파장의 정수배가 아닐 때에는 소멸하여 버린다. 따라서 보강간섭이 일어나는 조건이 성립하는 어떤 특정한 방향으로만 빛이 밝게 비추어지고, 그 조건은 그 빛의 파장에 따라 달라지기 때문에, 여러 파장의 빛이 섞여 있을 때에는 프리즘에서처럼 파장 별로 분리된다.

 

 

 

 

위 그림에서 d간격으로 평행선의 틈을 가지고 있는 회절격자의 왼쪽에서 평면파가 들어와서 회절격자를 통과한 후 몇 갈래로 나뉘진 평면파로 진행하는 것을 보여주고 있다. 회절격자의 틈을 통과한 빛들은 서로 간섭하여 이웃한 빛과의 광로차가 파장의 정수배가 되는 조건에서 보강간섭하는 세 가닥의 평면파가 서로 다른 각도로 진행하고 있다. 오른편으로 그대로 진행하는 파는 그 정수 n=0 인 경우이고, 아래 방향으로 기울어진 파는 n=1, 위쪽으로의 파는 n=-1 인 경우이다.한편 홀로그램 오른편에서 홀로그램을 보면 실제로 비추어지지 않은 다른 평면파를 관측할 수 있고 따라서 아주 멀리 광원이 있는 것같은 허상의 존재를 느낄 수 있을 것이다.

 

 

 

 

 

보통의 회절격자가 틈으로 되어 있어 그 틈으로는 전부 통과시키고, 막힌 부분에서는 전부 흡수하는 것과 달리 사진 필름의 투과율이 연속적으로 변하고 있으면서 같은 주기를 하고 있는 때에도 회절격자처럼 작용한다.

 

 

기초원리

 

기준파와 물체에서 반사된 파의 간섭무늬를 기록한다.

홀로그램은 물체에서 반사, 회전된 빛(물체파)을 그 빛과 간섭성이 있는 다른 파(기준파)와 간섭시켜 간섭무늬를 필름에 기록한 것이다. 간섭무늬가 기록된 필름을 원래의 기준파에 놓으면 필름을 통과한 빛은 빛의 회절 원리에 의하여 물체에서 나온 것과 같은 파가 나오게 된다.

이를 쉽게 이해하기 위하여 기준파(reference wave)와 물체파(object wave)가 다 같이 평면파인 경우를 생각해 보자. 아래 그림에서 이러한 두 파에 의해 필름 위에 간섭무늬가 생기는 양상을 볼 수 있다. 실제로 필름은 보강간섭이 되어 빛이 강한 데서는 노출이 많아서 검게 변하고 소멸간섭이 되는 데에서는 필름이 투명한 채로 있게 된다. 이렇게 만들어진 필름은 등간격의 격자형 무늬를 가진 회절격자가 된다. 이 필름에 원래의 기준파를 비추면 회절격자에 의한 회절효과로 원래의 물체파와 같은 파를 비롯한 몇 개의 파가 평면파로 나가게 된다. 회절격자에서 격자간격을 a라 할 때 보강간섭을 하는 조건은 인데 n=0인 경우가 회절격자를 그대로 통과해 나가는 기준파가 되고 n=1인 경우에는 물체파와 같은 파이다. 한편 n=-1인 경우에는 공액파(conjugate wave)라 한다.

 

 

 

위 그림에서 "시작"을 누르면 두 개의 평면파가 움직이는 모습을 볼 수 있다. 넓게, 오른쪽으로 움직이는 평면파를 기준파로, 비스듬하게 아래로 움직이는 파는 물체파로 생각 할 수 있다. 오른편에 필름을 설치해 놓아 필름이 점점 감광되는 것을 알 수 있다. 적당하게 노출이 되었을 때 정지시키도록하자.

이렇게 만들어진 필름은 바로 회절격자 그 자체라고 할 수 있고, 이 필름을 현상하여 여기에 기준파를 비추면 필름을 통과하여 진행하는 파는 앞에서의 회절격자에서 처럼 몇 개의 방향으로 꺽여서 진행 할 것이고 이 중 하나는 노출시의 물체파도 있게 된다.

 

 

 

필름에 기준파와 물체파를 비춘다.

 

 

 

필름면에 기준파(reference wave)와 물체파(object wave)의 간섭무늬가 기록된다. 위 그림에서 두 파가 만드는 무늬가 등간격의 격자형태가 되는 것을 보이고 있다. 보강간섭을 하는 곳에서는 필름이 검게 되어 현상후에는 빛을 통과시키지 못하게 된다. 아래 그림에서 현상된 필름에 기준파만 비추어지면 격자에 의한 회절무늬가 여러 개 생긴다.

 

 

필름에 원래의 기준파를 비추면 물체파가 살아난다.

 

 

 

격자를 통과한 빛이 나아가는 방향은 위 그림처럼 여러방향인데 그 중 붉은 파면(n=1)으로 표현한 물체파가 있다.

 

기초원리 2

 

물체가 점광원일때에도 그 점광원의 물체파를 재생한다.

점광원에서 나온 구면파와 평면파인 구면파가 간섭을 일으키는 양상을 볼 수 있다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 구면파의 각 부분은 평면파로 생각하여 각각 다른 각도로 필름에 입사하는 것으로 생각할 수 있어 간섭무늬의 간격이 연속적으로 변한다. 이렇게 만들어진 필름에 평면파를 비추면 필름의 각 부분에 따라 회절각이 달라져서 n=1인 회절파는 마치 점광원에서 출발한 것같이 방사상으로 발산하는 구면파로 되어 나간다. 그리고 n=-1인 파는 한 점에 모여들어 점광원의 실상을 맺게 된다. 이때 필름면 뒤쪽 위에서 오로지 구면파로 발산하는 파를 관측하면 점광원에서 빛이 발하는 것으로 느낄 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

임의의 물체도 완벽하게 재생한다.

점광원이 여러 개라도 각각에 대한 간섭효과가 복합적으로 중첩되어 나타나 마치 점광원이 여러 개 있는 듯이 빛을 회절 시킬 것이다. 복잡한 물체의 경우에 레이저 빛을 조명하면 물체의 각 요소는 빛을 반사하여 마치 점광원인 것처럼 행동한다. 이와 기준파를 간섭시켜 필름에 간섭무늬를 기록하여 이 필름에 기준파를 비추면 필름 너머로 마치 물체가 존재하는 것처럼 느낄 수 있다. 또한 시선을 옮김에 따라 눈에 관측되는 모습이 달라져서 입체상을 느낄 수 있게 된다. 이러한 홀로그램은 얇은 필름에 간섭무늬가 기록되어 필름을 복사할 수 있을 것이다. 필름에 노출도에 따른 농담으로 상을 기록할 수도 있지만 노출도에 따라 필름의 두께를 다르게 하여 필름에 빛이 통과할 때 각 지점들이 서로 다는 위상을 갖도록 하여 상을 재생할 수도 있다.

 

 

 

투과형 홀로그래피의 촬영장치

 

 

 

 

 

 

He-Ne레이저에서 나온 빛이 공간필터(spatial filter)를 통과한 후 매끈한 구면파로 퍼져나간다. 50:50 스프리터(beamsplitter)에서 두 파로 나누어진 구면파 중 하나는 물체에 조명되어 물체파를 만들고, 나는 그대로 필름에 조명되어 기준파를 만든다.

 

 

 

 

반사형 홀로그래피

 

이 홀로그램은 보는쪽에서 조명한다.

기준파와 반대되는 위치에서 물체파를 비추어 주면 서로 마주보고 다가오는 두 파는 파가 합성되어 두 파가 겹쳐지는 영역에서 정상파가 형성될 것이다. 기준파에 대하여 물체파가 완전히 반대방향으로 놓여 있으면 그 파면과 같은 방향의 파면을 가지고 있고 공간적으로 파가 존재하지 않는 마디가 생길 것이다. 이때 마디(node) 와 배(antinode)의 위치는 변하지 않는다. 이러한 상황은 벽면이 비스듬하여 반사파의 방향이 약간 기울어지면 마디나 배가 이루는 평면(마디면, 배면)이 기울어질 따름으로 같이 나타날 것이다.

 

 

 

아래 그림에 나타낸 것처럼 기준파는 필름면에 수직으로 비추어 지고 물체파는 필름의 뒷면에서 기준파에 대하여 만큼 기울어져서 비추어지는 것을 생각해보자. 두 파가 겹쳐지는 부분에 만들어지는 정상파의 마디가 이루는 평면(마디면)도 약간 기울어진 평면이 되는데 그 기울어진 각도는 물체파 파면이 기울어진 각 의 반일 것이다. 배의 위치에서는 필름이 노광되어 서로 나란한 평면들로 구성된 무늬가 기록될 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

투과형 홀로그래피의 촬영장치

 

 

 

 

 

 

He-Ne레이저에서 나온 빛이 공간필터(spatial filter)를 통과한 후 매끈한 구면파로 퍼져나간다. 50:50 빔스프리터(beamsplitter)에서 두 파로 나누어진 구면파 중 하나는 물체에 조명되어 물체파를 만들어 필름의 앞에 조명되고, 하나는 그대로 필름의 뒷면에 조명되어 기준파를 만든다.