홀로그래피의 응용

주변에 홀로그램을 찾아 볼 수 있다.

홀로그래피는 우리 주위에 흔치 않은 것 같지만 실상 그 원리를 응용한 기기나 물건들이 더러 있다. 신용카드나 인증서, 고액화폐 등에는 홀로그램을 붙여서 복사나 위조가 어렵도록 하고 있다. 신용카드에 붙어 있는 홀로그램은 반사형으로 자연광을 사용한다. 자연광의 홀로그램은 물론 단색광을 이용하는 경우 더욱 선명한 상을 볼 수 있다.


자연광(백색광)에서 투과형 홀로그래피는 투과해서 나타나는 상보다 다른 파장으로 인한 회절이 강하게 보이기 때문에 보기에 어려움이 있다. 그러나 반사형이라면 이러한 문제를 쉽게 해결할 수 있다. 이는 반사되는 빛은 선택적으로 파장을 결정할 수 있기 때문이다.

예로 반투명의 홀로그래피의 아래쪽에 푸른색 판이나 붉은색 판을 두면 반사되는 빛도 그에 따라 푸른색과 붉은색으로 되기 때문이다.

물론 다른 파장을 가진 빛의 회절로 인해서 상이 흐려지거나 위치에 따라서 다양한 변화를 하지만 입체상을 육안으로 확인할 수 있다. 신용카드용 홀로그패피는 대량으로 생산해야 하기 때문에 주로 프레스를 이용해서 홀로그래피 패턴을 찍어내듯이 복사하게 된다

렌티쿨러판을 이용한 스티커

홀로그램의 원리와는 다른 것이지만 양쪽 눈으로 보이는 상을 다르게 하여 입체상을 느끼게 하는 것이 여럿 있다. 그 중에 렌티쿨러판이 있는데 이는 과자나 아이들 장난감에 부착되어 있는 스티커로 표면에 볼록한 면이 나란하게 배열되어 있어 빛의 굴절에 의해 각각의 눈에 다른 그림이 보이도록 한 것이다. 이 두 가지 다른 그림으로서 오른쪽과 왼쪽의 눈이 관측하는 물체의 그림으로 했다면 우리는 입체로 인식하게 된다. 한편 전혀 다른 그림들을 부착해 놓으면 보는 방향에 따라 그림이 계속 바뀌는 신기한 느낌을 갖도록 하기도 한다.


렌티큘러판. 그림에서 이 판이 부착되어 있는 바닥에(그림에서 판의 왼편 노란색 부분) 원기둥과 나란한 방향으로 구역을 나누어서 두 개나 세 개의 그림을 교대로 배치한다.

홀로그래피 광학소자

홀로그래피는 조명광원의 위치에 따라서 재생상의 위치와 크기가 변하기 때문에, 점 광원을 기록한 홀로그램을 물체의 반사광으로 조명하면, 렌즈나 프리즘과 같은 광학소자로서의 기능에 새로운 기능이 가해진 소자로 이용이 가능하다.

예로 항공기에 사용되는 홀로그래피 소자를 알아보자.

이것은 파일럿의 눈 앞에 놓고서 계기판에 있는 브라운관 위의 표시를 원방의 경치에 겹쳐서 표시하는 것을 목적으로 하는 것이다. 고속으로 비행하고 있는 파일럿은 계기판을 향하지 않아도 필요한 데이터를 알 수 있는 것이 특징이다. 이것을 홀로그램으로 만들면 보통의 반투명경의 경우보다 브라운관의 형광체로부터 나오는 파장폭이 좁은 빛을 효율적으로 반사하고, 외계로부터 들어오는 다른 파장을 적게 흡수한다.

투과율은 보통의 반투명경이 50~70%인데 대해 홀로그램은 85%에 달한다. 또 화각이 커져도 다층막 반사경처럼 분광 특성이 변화하지 않으므로, 수평 방향의 시야는 2배인 35도에 달하고 있다.

홀로그램 메모리

평면의 정보가 한 점에 기록되어 한 점만으로도 평면의 정보를 읽어낼 수 있다.

홀로그램은 그 특성상 비록 일부분이라도 물체에서 발생된 파면의 모든 정보를 가지고 있다고 생각할 수 있다. 즉 물체를 기록한 홀로그램의 작은 조각만 가지고 있다해도 그 속을 들여다 보면 물체의 전모를 볼 수 있는 것이다. 물론 홀로그램이 작아지면 시선을 이동할 여지는 덜 해져서 마치 좁은 창 틈이나 구멍으로 밖을 살펴보는 것처럼 여러 측면에서의 영상을 볼 수는 없다 하더라도 적어도 물체의 이차원적인 정보는 완벽하게 가지고 있는 것이다. 다시 말하면 홀로그램의 한 점이라도 그 점에서 볼 수 있는 물체의 표면 정보를 완전하게 기록하고 있다고 할 수 있다.

물체가 3차원적으로 복잡하게 배열된 경우에는 홀로그램이 넓을수록 더 완전한 3차원의 정보를 가지고 있다고 할 수 있지만 물체가 문서나 도면처럼 평면적인 것이라면 홀로그램의 어느 지점에 기록된 정보도 동일하다고 할 수 있다. 이렇게 기록된 홀로그램의 일부분에 먼지가 묻거나 훼손되어 있다해도 상을 재생하는데는 거의 영향이 없다. 이러한 성질은 정보를 보관해야하는 기억소자, 즉 메모리로서는 바람직한 성질이 된다.

아래 그림은 푸리에변환 홀로그래피를 이용한 데이터 저장의 원리를 보여주고 있다. 그림에서 비트패턴(bit pattern)은 가로 세로 각 10개, 모두 100개의 격자 위에 투명한 부분과 불투명한 부분이 있다. 이는 기록하고자 하는 데이터의 비트를 표시하고 있고 이의 회절상이 필름의 한 부분에 기록된다. 비트패턴을 바꾸어 주고 필름을 상하, 좌우로 스캔하여 다른 부분에 회절무늬를 기록하면 여러 장의 정보를 한 장의 필름에 기록할 수 있어 대용량의 정보의 저장이 가능해 진다. 실제로 비트패턴의 가로 세로 격자의 수가 100, 100이라 하면 비트패턴 한 장에 10,000비트의 정보를 가지고 있는 것이 되고, 한편 필름도 마찬가지로 분할하여 기록한다면 10,000개의 비트패턴을 기록할 수 있어 결국 필름 한 장에 10⁸비트의 정보를 기록하게 된다.

한편 이렇게 기록된 필름에서부터 다시 데이터를 읽어 낼 때에는 아래 그림처럼 필름의 한 부위에 평면파를 비춘다. 필름의 회절무늬의 역푸리에상인 원래의 비트패턴이 CCD 어레이에 비추어져서 원래의 데이터를 읽어 내게 된다.

다중 홀로그램의 방법을 이용한 데이터 기록장치

"홀로그래피의 기본원리"의 "반사형 홀로그래피"에서 보인 것처럼 두꺼운 필름에 홀로그램을 기록하면 정보가 큰 부피에 분산되어 기록되므로 신호가 미약하거나 겹쳐도 뚜렷한 상을 얻을 수 있다. 이러한 홀로그램을 일반적으로 "두꺼운 홀로그램(립만 홀로그램)"이라 한다. 이러한 두꺼운 필름에는 기준파를 달리하여 여러 물체를 겹쳐서 촬영할 수 있다. 이 홀로그램에 원래 기록시 사용했던 하나의 기준파를 비추면 그 상황에서 촬영한 물체의 모습을 재생할 수 있게 된다. 즉 한 필름에 수 천개까지의 물체를 다중촬영할 수 있고, 또한 각각의 물체를 따로따로 재생할 수 있는 것이다.

아래 그림은 다중 홀로그램의 원리를 이용한 데이터 저장장치의 원리를 보여주고 있다. 여기서 서로 다른 기준파를 만드는 한가지 방법으로는 각각의 다른 물체를 기록할 때 기준파의 각도를 변화시키는 방법(angle multiplexing)을 쓰고 있다. 이 방법을 이용하면 공간광변조기에 기록되어 나타난 비트패턴의 수천 페이지의 홀로그램을 하나의 입방체에 기록하여 재생할 수 있게 된다. 수천개의 정보는 동일한 장소에 기록되어 있으므로 매우 빠르게 기록 및 재생이 가능하게 되는 것이다. 　

오른편 그림에서 빔분리기가 물체파와 기준파를 만들어 낸다. 물체파는 기록하고자 하는 정보를 담고 있는 비트패턴에 비추어진다. 이 비트패턴은 격자모양의 투명한 부분과 불투명한 부분으로 되어 있고, 이는 공간광변조기에 의해 외부에서 공급된 입력신호에 의해 만들어 진다.

왼편 그림은 위의 방법으로 기록한 필름으로부터 데이터를 판독해 내는 방법을 보여주고 있다. 물체파는 제거되어 있고 필름에 기준파만 비추면 마치 필름 너머에 비트패턴이 있는 것 같은 상황을 만들어 내게된다. 이 영상을 CCD 어레이에 비추어 이의 각 화소에서 한 장에 포함되어 있는 정보를 읽어내게 된다. 한편 회전거울이 고속으로 회전하고 있어 각각의 각도에서 기록된 비트패턴이 따로따로 읽혀지게 되므로 엄청난 양의 정보를 읽을 수 있게 된다.

홀로그래피 간섭

다중노출의 기법을 이용하여 미소변위나 진동을 측정한다.

홀로그래피는 기본적으로 입체의 영상을 기록하는 이상적인 방법이지만 앞에서 설명한 다중노출의 기법을 이용하면 물체의 미소변위를 파장 정도의 정밀도로 측정해 낼 수 있다. 하나의 홀로그램에 변위가 일어나기 전과 일어난 후를 같은 기준파로 기록해 두고 이 홀로그램을 그 기준파로 조명하면 두 개의 허상이 공간에 겹쳐져 있는 것처럼 관측된다. 이 각각의 상에서 나온 빛은 우리 눈으로 괸측하면 서로 간섭이 일어나서 물체의 표면에 얼룩 무늬가 나타나는 것이다.

다음의 그림을 보자. 물체의 표면에 열이나 힘이 가해져서 미소 변위가 일어난 경우 변위가 일어나기 전과 일어난 후에 대해 두 번 노출을 하게 되면 두 물체의 모습이 홀로그램에 기록될 것이다. 기준파를 비추면서 관측점에서 홀로그램 너머로 상을 관측하면 허공에 두 물체가 겹쳐서 나타날 것이다. 이때 두 상에서 나온 빛은 물론 조명하고 있는 레이저와 같은 파장의 빛이어서 서로 간섭성을 가지고 있다. 예를 들어 그림의 A, B 두 지점에서 나온 빛은 관측점에서 포개어져 나타나기 때문에 두 점의 위치 차이에 따라서 보강간섭을 하거나 상쇄간섭을 하여 등고성 형태의 간섭무늬를 관측할 수 있게 된다.

진동의 측정

한편 빠르게 진동하고 있는 물체의 경우 이를 홀로그램으로 평범하게 촬영하면 필름위에 생기는 간섭무늬가 그 진동 때문에 빠르게 변화되어 홀로그램이 제대로 기록되지 않는다. 그러나 규칙적으로 진동하고 있는 물체의 경우에는 여러 다른 기법을 이용하여 홀로그램을 기록하여 진동의 모드나 진폭을 측정할 수 있는 방법이 있다.

즉 진동수에 동기시켜 일정한 시간간격으로 물체에 조명하는 스트로보스코프의 원리를 이용하는 방법을 생각할 수 있다. 조명하는 레이저로서 동기된 펄스를 만들어 내는 펄스레이저를 사용하거나 광변조기를 사용할 수 있다. 즉 진동의 최고, 최저의 두 정점에 물체가 이르렀을 때 레이저가 조명되어 두 위치에서의 상이 극히 짧은 순간 기록된다. 이러한 노출이 무수히 겹쳐서 홀로그램상에는 충분한 노출에 이르게 되어 이를 재생하면 각 정점에서의 상이 겹쳐 나타나고, 앞에서 설명했던 원리로 진폭에 따라 밝고 어두운 간섭무늬가 관측되는 것이다.

원판의 진동을 앞에서 설명한 홀로그래피 간섭을 이용하여 촬영한 사진이다. X자의 밝은 부분은 진동시 변위가 일어나지 않아 보강간섭을 하여 밝게 보이고 있고, 나이테 부분은 진동을 크게 하여 밝고 어두운 무늬가 촘촘하게 나타나 있다. ("현대물리실험"의 "고무막의 진동"에서 설명한 원형막의 진동의 (2,1) 모우드 진동이다)

홀로그램 스캐너

바 코드(bar code)에 기록된 숫자를 빠른 속도로 읽어 주는 스캐너는 대형 슈퍼마켓에서 상품을 인식하는데 널리 쓰이고 있다. 이 스캐너 윗 면은 유리로 되어 있어 여기에 물체를 대충 놓아두면 아래의 레이저 빛이 회전 다면경에 의해 빠르게 스캔(주사)되어 바코드의 부호를 알아내게 된다. 여기의 회전 다면경은 우수한 주사기지만, 높은 정밀도를 요하기 때문에 가격이 비싸진다. 그래서 싼 주사기로서 복제가 용이한 홀로그램을 이용하고 있다.

이 원리는 한점에 수렴하는 파면을 홀로그램에 기록하고 홀로그램을 움직이면 재생된 상의 위치를 움직일 수 있다는 것에 기초하고 있다.

렌즈에 의해서 광원에서 나오는 빛을 상으로 보낼 때 렌즈로 광축에 수직되게 움직이면 상도 수직으로 이동한다. 홀로그램도 마찬가지로 상대위치를 움직이면 상의 위치를 이동시킬 수 있다. 원판의 주변에 홀로그램을 나열해서 회전축을 중심으로 해서 움직이면 상의 위치가 이동되며 회전다면경과 같은 역할을 해낼 수 있다.