H o l o g r a p h y

O U T L I N E Holography의 원리 Holography의 응용 Holography의 예

Holography의 원리 Holo(전체) + Graphy(기록하다) 의 합성어 1947 Dennis Gaber가 원리 제안 • 전자현미경에서 전자의 물질파 파면에 대한 정보를 필름면에 기록, 전자보다 파장이 만 배 이상인 가시광선으로 재생, 획기적으로 배율을 높일수 있다는 원리 (LASER가 나오기 전이라 5461Å의 초록색 빛 사용) • 이렇게 기록된 필름을 Hologram이라 함

회절격자 • 회절격자도 일종의 홀로그램 • 평면유리나 오목한 금속판에 다수의 평행선을 등간격으로 새긴 것.

• 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

기본원리 • 홀로그램은 물체에서 반사, 회전된 빛(물체파)을 그 빛과 간섭성이 있는 다른 파(기준파)와 간섭시켜 간섭무늬를 필름에 기록한것이다. • 필름면에 기준파(reference wave)와 물체파(object wave)의 간섭무늬가 기록

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

• 물체가 점광원일 경우

• 임의의 물체도 완벽히 재생 - 점광원이 여러 개라도 각각에 대한 간섭효과가 복합적으로 중첩되어 나타나 마치 점광원이 여러 개 있는 듯이 빛을 회절 시킬 것이다. 복잡 한 물체의 경우에 레이저 빛을 조명하면 물체의 각 요소는 빛을 반사하 여 마치 점광원인 것처럼 행동한다. 이와 기준파를 간섭시켜 필름에 간 섭무늬를 기록하여 이 필름에 기준파를 비추면 필름 너머로 마치 물체 가 존재하는 것처럼 느낄 수 있다. 또한 시선을 옮김에 따라 눈에 관측 되는 모습이 달라져서 입체상을 느낄 수 있게 된다. 이러한 홀로그램은 얇은 필름에 간섭무늬가 기록되어 필름을 복사할 수 있을 것이다.

Off-Set 홀로그래피 • 레이져 발견 이후 미국의 미시건 대학에서 Leith와 Upatnieks가 He-Ne 레이저를 사용해서 off-set holography를 성공 • 그림과 같이 레이저 빛이 오목렌즈(DL)를 통해 확산되어 사진 건판 에 직접 도달하는 기준파와 물체(OS)에 반사되어 건판에 도달하는 물체파가 간섭하여 간섭무늬가 사진 건판(PH)에 기록되는 것 • 이렇게 기록된 홀로그램은 물체(OS)를 제거한 후 같은 장치(기준파 와 동일한 파장의 빛을 동일한 방향으로 비춰줌)를 통해 입체 영상 을 얻을 수 있다

▪ 투과형 홀로그래피 • 기준파(reference wave)와 물체파(object wave)가 다같이 평면파인 경우, 이러한 두 파에 의해 필름 위에 간섭무늬가 생기는 양상을 보였다. 실제로 필름은 보강간섭이 되어 빛이 강한 데서는 노출이 많아서 검게 변하고 소멸간섭이 되는 데에서는 필름이 투명한 채로 있게 된다.

필름면에 기준파(reference wave)와 물체파(object wave)의 간섭무늬가 기록 보강간섭을 하는 곳에서는 필름이 검게 되어 현상 후에는 빛을 통과시키지 못하게 된다. (b) 파장과 기울어진 각도로 격자의 간격을 계산할 수 있다. (c) 현상된 필름에 기준파만 비추어지면 격자에 의한 회절무늬가 여러 개 생긴다. 격자를 통과한 빛이 나아가는 방향은 n=-2, -1, 0, 1, 2, ...등인데 이중 n=1의 파가 원래의 물체파와 같은 것이다. (d) n=1의 파가 나가는 각을 작도로서 보였다. 이는 (b)와 같은 삼각형으로 회절각이 결정됨을 보여주고 있다.

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

기준파와 반대되는 위치에서 물체파를 비추어 주면 서로 마주보고 다가오는 두 파는 파가 반사형 홀로그래피 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.

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

Holography의 응용 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.

홀로그래피 광학소자 • 홀로그래피는 조명광원의 위치에 따라서 재생상의 위치와 크기가 변하기 때문에, 점 광원을 • 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. 항공기에 사용되는 홀로그래피 소자

홀로그램 메모리 • 홀로그램은 그 특성상 비록 일부분이라도 물체에서 발생된 파면의 모든 정보를 가지고 있다고 • 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. 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. 푸리에변환 홀로그래피를 이용한 데이터 저장

홀로그래피 간섭 • 홀로그래피는 기본적으로 입체의 영상을 기록하는 이상적인 방법이지만 다중노출의 기법을 • 홀로그래피는 기본적으로 입체의 영상을 기록하는 이상적인 방법이지만 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.

• 진동의 측정 - 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 - 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.

Holography의 예 This 10x8 inch two-step full color reflection holographic stereogram of an Acura NSX was made using a single laser wavelength (647 nm), and a single high-resolution photographic plate. Color was produced using the "In-Situ" color control technique developed by Spatial Imaging alum Julie Parker. Data courtesy of Alias Research and Honda R&D Company. Here is a large-scale one-step holographic stereogram. The film measures 1 x 1 meters, and the image volume occupies approximately 1 meter of depth. This hologram was produced in conjuction with research done for General Motors Corporation in 1991. It is composed of 1000 separate exposures, and displays a 45 degree viewing angle.

Jackson Makes It To Manhattan 8" x 10" Animated Reflection Hologram on Glass, Mounted in Wooden Box Frame with Black & White Photograph

To Sleep Perchance To Dream 6 - 30 x 40 cm. Multi-Color Reflection Holograms on Film, Mounted on a Large Wire Mattress Limited Edition of Four

Reference • http://quanta.kyunghee.ac.kr/physics/98seminar/craft/9201994.htm • http://www.holo.com/gaz/ • http://spi.www.media.mit.edu/groups/spi/index.html • http://physica.gsnu.ac.kr/physedu/laserholo/lhmain.html