홀로그램의 이해
I.서론
홀로그래피에 관한 이론적배경
홀로그래피와 포토그래피는 우리가 눈으로 보는 경치와 사진필름에 기록하는 두가지방법이있다. 그러나 이 목적을 달성하게 하는 기본 원리에는 커다란 차이가 있고 또 얻는 상에도 큰 차이가 있다 HOLO(완전한) GRAM(메세지)이 뜻하는 호로그램은 눈으로 보는 경치에 관한 전체 정보를 잡는 것이다. 이때 입체성도 포함되어있다. 그러나 보통사진에 있어서는 우리가 보는 경치의 입체성은 한 평면으로 압축된다.
1839년 프랑스의 과학자 루이 자끄 망데 다게르가 처음으로 사진술 발명하였을때 많은 사람들은 다게르가 최종적으로 유일한 사진촬영방법을 발견했다고 생각했다고 생각하였다. 사실 다게르는 화가들이 그림을 그릴때 더욱 생생하게 경치를 그릴 수 있게 도움을 주는 暗箱子 카메라(camera obscura)에서 간유리판 위에 형성된 상을 기록하는 데 성공한 것이다.
당시의 암상자카메라란 한쪽에 렌즈가 있고 반대쪽에 옆으로 기울게 놓은 거울이 있었다. 여기서 상은 상자위에 수평으로 놓인 간 유리판에 형성 되었으며 화가는 이 상을 조사하고 또 투명한 종이에 경치의 본을 떳다. 다게르의 방법은 그가 발견한 새로운 감광재료 위에 평면으로 압축된 상을 기록하는 것이었다. 그렇다면 많은 사람들은 사진 기술에 있어서 그 이상 더 바랄것이 있을까.라고 의아스럽게 생각할 수 있겠다.
1947년 영국의 과학자 데니스 게이버가 새롭고도 묘한 홀로그래피를 생각해 낼때 까지는 경치의 3차원을 사진에 기록한다는 것은 불가능하였다. 홀러그래피는 두파도의 간섭으로 형성되는 무늬를 사진에 기록하는 비교적 단순한 과정에서 시작되어 두파동중 하나는 기준파라고 부른다. 또 홀로그래피가 나오기전에 이미 라디오 공학에서 기준파를 이용하는 여러가지 방법이 이용되었다. 따라서 홀로그래피의 기본파들은 이미 과거에 마련되어 있었고 이들을 결합해서 빛나는 발견으로 이끌어갈 날만을 기다리고 있었다고 해고 과언이 아니었다. 간섭성을 지닌 빛은 1960년에 새로운 광원으로 레이저가 나온 후에야 실지로 이용될 수 있게 되었다.
홀로그램은 물체에서 나오는 광파와 기준파의 간섭결과로서 이룩되는 간섭무늬를 기록한 것으로 이 사진 기록이 현상된 다음에 다시 레이저광으로 조명하게 되면 원래의 경치가 소위 재생상으로서 나타나게된다. 이 재생상은 대단히 생생하고 입체감을 주기 때문에 보는 사람으로 하여금 손을 대보고 싶은 충동마저 일으키게된다.
재생상을 보는 사람은 여러각도로 경치를 볼 수 있고 머리를 올리거나 좌우로 이동 시킴으로써 물체를 입체적으로 볼 수 있다.
II.본론
1. 홀로그램의 성질
3차원적인 실감이 홀로그램의 가장 놀랄 만한 성질이며 또 우리의 대단한 관심거리가 되고있는 것은 홀로그램이 대단히 높은 3차원의 실감을 창조할 수 있는 능력을 가지고 있다는 것이다. 이 특성은 실제로 홀로그램에 필요한 조명을 하지않고서는 실증하기 어렵다. 홀로그램을 적절히 조명하면서 여러가지 다른 각도에서 얻어진 상을 잘 관찰해 보면 입체효과를 이해할 수 있게 된다.
1949년에 게이버는 사진건판에는 2차원 물체이건 3차원 물체이건 간에 그 물체를 재생하는데 필요한 모든 정보가 내포되어있다라고 말했다. 그 후로 레이다 기술에 많은 공헌을 한 리드도 1963년12월 최초로 레이저를 홀러그래피에 이용할 때 물체로서 2차원의 투시도를 가진 사진건판을 썼다. 리드는 최초로 레이저 홀로그램을 만드는데 성공하 였으나 그가 사용한 물체는 2차원 물체이고 그 상도 2차원이었다. 호로그램에서 얻는 3차원의 입체감은 이해하기 곤란할 때가 있다. 그림에서 한경치의 홀로그램이 나타나 있는데 이 경치 속에는 크기가 작으면서도 빛을 잘 반사하는 한 개의 점이 있고 그 앞에는 그 앞에는 불투명한 스크린이 가로막고 서 있다. 실제로 한 사람이 관측할 때 이 사람의 눈이 X-X선 이하에 가 있다면 점광원은 이사람에게 보이지 않을 것이라는 것은 쉽게 알 수 있다. 상이 재생될 때 비관적인 견지에서 하는 말이긴 하나 스크린은 그 위치에 없는 것이니 귀신이야기 같은데 어떻게 재생된 점광원에서 나오는 빛이 제지된다는 말을 할 수 있을까. 여기서 다시 윤대판을 상기하면 답을 얻게 된다. 홀로그램을 제작할 때 사진건판에 기록된 것은 점광원의 윤대판의 일부분만 이 사선을 친부분에 기록되었던 것이다. 나머지 윤대판 부분 즉 X-X선 이하에 해당하는 부분은 스크린으로 가려져 있기 때문에 기록되지 못하였다. 따라서 점광원에 대해서는 홀로그램 은 X-X 선으로 끝이되어 결국 피라미드 OABCD 안의 방향으로만 레이저광선을 회절시킨다. 점광 원은 오직 귀신이 가릴 수 있을 것이다.
1) 시차와 렌즈작용
홀로그램 상을 관찰할 때 관찰자는 일반적으로 머리의 위치를 좌우 또는 상하로 이동시키면서 가장 적절하게 이입 체상을 볼 수 있는 위치를 잡도록 하는데 이와같이 방향에 따라서 상을 보는 효과가 다른 것을 시차효과라고 부른다. 홀로그램상에서 먼 곳에 있는 물체는 관측자를 따라 오는 것과 같고 가까운 곳에 있는 물체는 그 자리에 머물 러 있는 것과 같다. 이 시차효과는 기차를 타고 가는 사람들 에게 현저하게 일어난다. 가까운 길에 있는 전주가 빠른 속도로 지나가되 먼 곳에 있는 산은 여행자를 따라 오는 것과 같이 느껴진다. 홀로그램의 시차 효과가 입체감을 또 하나의 중요한 원인이 되고있다. 홀로그램상을 보는 사람은 틀림없이 자기머리를 이동시켜가면서 이 시차효과를 느끼기 때문에 재치있는 홀로그램제작자는 가끔 컷 글래스로 된 물체를 경치안에 포함시킨다. 이것은 실제감을 더욱 세게 한다. 이것은 홀로그램상의 사진인데 왼쪽 앞의 컷글래스의 이쑤시개용기의 뚜껑이 보이고 왼쪽뒤는 많은 조각이 된 은제그릇이 있다. 이 세계의 물체는 보는 사람의 보는 위치에 따라서 빛을 큰 차이가 나게 반사시키는데 홀로 그램상에서도 꼭같은 현상을 관찰할 수 있다.
은조각품 카트 글래스로 만든 이쑤시개용기와 엄지손가락 자국 무늬를 가진 유리컵의 홀로그램사진 관측자가 머리를 움직이면 이 물체들의 표면에서 반사하는 빛의 변화도 볼수 있다.
2) 입체홀로그램
렌즈를 이용한 특별히 흥미있는 홀로그램이 벤딕스연구소에서 제작되어 1966년 공개된 적이 있다. 이때 사용한 물체 즉 경치를 옆에서 본 것이 사진에 나타나있다.
산과 들이 있는 모형경치를 입체로서 관측할 수 있게 두개의 입체용 렌즈가 있는데 여기서 두눈을 아래로 내려다 본다. 흘로그램은 이렌즈에 가깝게 사진건판을 놓고 만들어진다. 재생된 경치를 보고자 할 때 관측자는 그의 눈을 두 개의 렌즈가 있던 자리에 놓고 보면 원래의 경치를 마치 입체용 렌즈를 통하여 보는 것과 같이 확대된 산과 들 이 있는 경치를 보게 된다.
특수한 홀로그램을 만드는데 쓰인 사진 작은 다리위에 있는 두개의 작은 렌즈로서 밑에 있는 구릉모형을 입체적으로 내려다본다.
3)결상 홀로그램
또 하나의 흥미있는 홀로그램으로서 렌즈를 이용하는 것이 1966년 국립항공우주국에 근무하는 과학자 로웰 로즌에 의하여 제작되었는데 이 홀로그램 제작과정을 오늘날 결 상 홀로그래피라 부른다. 아래그림에 설명된다. 렌즈는 앞에 있는 여러 물체들의 상을 형성하며 홀로그램은 아래위가 뒤집힌 이들의 실상에서 만들어진다. 이때 사진건판은 광축방향에 있는 실상들의 중간에 위치를 잡게 된다. 한 물체의 상은 사진건판 뒤에 자리잡을 수 있는 렌즈이고 또 렌즈에서 먼 곳에 있는 물체는 홀로그램상 뒤에 있는 것으로 보고 또 하나의 물체는 홀로그램상 앞에 있는 것으로 보게 된다.
위의 왼쪽에 있는 물체는 렌즈에 의하여 결상되어 실상이 홀로그램으로 기록된다.
2.홀로그램과 재래식사진
홀로그램사진이 보통사진과 다른점이 두 가지 있다. 경치를 재래식 사진으로 찍을 때 음화 가 먼저 얻어지며 다음에 흑백이 반대로 되는 양화를 만들음으로써 원래의 경치가 나타난다. 홀로그래피에서는 음화,양화에 관계없이 꼭같은 3차원 물체상을 얻는다. 이 성격은 홀로그램과 윤대판 사의 동일한 성격에 그 원인이 있다. 여기서 흑백부를 교체한다는 말은 바로 음화에서 양화를 또는 그 반대로 한다는 것과 같은 말이다. 보통 사진에서는 큰 변화를 보게 되나 홀로그래피에서는 아무런 변화도 일어나지 않는다. 제2의 차이점은 사진건판에 나타나는 모양이 다르다는 것이다. 홀로그램을 들어서 밝은 빛을 비추어보면 아무런 경치도 인식할 수 없다. 그러나 사진건판에서는 경치가 그대로 나타나있다. 홀로그램은 회색의 무늬가 깔려있는데 불 과하며 거기에 기록 되어있는 경치란 전혀 볼 수 없고 오직 적절한 레이저광의 조명이 있어야만 그 경치가 재생된다.
3. 홀로그램의 종류
1) IMAGE-PLANE HOLOGRAM
실상의 위치가 감광재료의 바로 위 또는 다소 앞뒤에 있더라도 마찬가지로 기록할 수 있다. 재생상의 범위가 결상렌즈의 구경에 의해 제한되므로 눈과 렌즈의 재생상을 잇는 범위의 빛만 볼 수 있다.
2) SLITTRANSFER (RAINBOW)HOLOGRAM
홀로그램으로부터 파면을 재생할 때에는 빛의 회절현상을 이용하므로 입사광 파장에 따라 회절각은 반드시 변한다. (변화하는 회절각의 관찰)렌즈의 수평방향으로 가늘고 긴 슬릿을 렌즈에 겹쳐서 기록면 재생된 슬릿의 상들은 파장에 따라 상하로 늘어서고 여기에 흰종이를 놓으면 무지개처럼 스팩트럼으로 분해되어 보인다. 또 슬릿은 수평으로 퍼져 있으므로 두눈으로 관찰 할 수가 있어 입체감을 더해 준다.
3) STREOGRAM (MULTIPLEX HOLOGRAM)
각도를 변화시켜 촬영한 수 장의 사진을 만들고 이것을 홀로그램으로 기록한 후 모자이크 형태의 홀로그램을 만들어 좌우두눈이 각기 다른 홀로그램을 통해서 재생상을 보도록 하면 입체상을 관찰할 수 있다.
4) MITLTIPLEX HOLOGRAM
피사체를 회전대에 올려놓고 수평으로 일정한 속도로 회전시키면서 35M영사기로 FILM을 만든다.(360,2500장 정도 촬영 )
5) PULSE-LASER,PORTRAITURE
레이저의 특징을 활용하여 제작하는 방법으로 Q-SWITCHING(순간적으로 에너지가 집중된 짧은 광펄스)을 이용하여 순간의 심도가 깊은 영상을 얻을 수 있다.
이것을 렌즈로 결상면 재현이 곤란한 현상의 관측에 용이하다.
6) GOLOR HOLOGRAM
한 장의 홀로그램에 적, 녹, 청 삼원색의 영상을 다중기록 하여 삼원색 레이저광으로 재생하면 칼라 입체상을 볼 수 있다. 홀로그램의 칼라입체상에서는 삼원색의 세개 기준광들의 위치를 기록할 때나 재생할 때 모두 같게 해야 한다.
적색(HeNe LASER) 녹색(Ar LASER) 청색(HeCd LASER)를 사용한다.
7) EMBOSSED HOLOGRAM
가장 많이 알려진 홀로그램이다. 대량생산을 목적으로 개발되었다. 신용카드, 책표지 등 다양한 상품에 응용되었다. PHOTORESIST 감광물질에 HECD LASER로 감광시켜, 마스타를 만든 후, 도금과정을 거쳐 대량생산으로 제작한다.
COMPUTER HOLOGRAM
ADVANCED DIGITAL HOLOGRAPHY-A.D.H
DIRECT DIGITAL HOLOGRAPHY IMAGE-D.D.H.I
홀로그램의 각각의 회절격자들을 픽셀로 전환시켜 컴퓨터로 직접 이미지를 만들게 된다. 각 독립적인 회절격자의 생성을 다양하게 변화 시킴으로써 각각의 픽셀에 다른 색 을 부여하는 것이다. 이 회절격자는 너무 작아서 현미경으로 관찰해야한다. COMPUUTER HOLOGRAM은 특수한 장비가 있어야만 실행이 가능하며, 색상이 부정확하다. HEAD-UP-DlS PLAY( H.U.D ) 비행기 조정사나 자동차 운전자(LCD)가 주행중 속도, 앞 차량의 위치, 모터의 기능, 거기에 다른 장치와 연결시켜 특별한 위험을 알려주는 장치 여기에는 (D.C.G)FILM이 필요하며, 그에 대한 연구는 계속되고 있다.
4. 기록매질(recording materials)
1) sirver halide
장점 : sirver halide emulsion 은 대부분 다른 recording materials 보다 노출을 위한 빛이 덜 필요하다. 그래서 주된 인기는 속도이고 빠른 emulsion은 안정성의 문제를 감소시킨다. 이것은 사람들에게 덜 비싼 레이저를 살 수 있게 해주고 좋은 홀로그램을 만들 수 있게 해준다.
단점:silver halide emulsion은 알갱이로 되어서 다른 recording materials 보다 빛을 분산시킨다.
2) dichromated gelatin
장점 : dichromated gelatin는 제작자들에게 대단히 선호를 받는다. 그것은 매우 선명하고, 알갱이없는 이미지를 제공하고 빛을 잘 반사하기 때문이다. 굴절률이 크기때문에 가장 밝은 홀로그램에 속한다. 모든 빛에 영상을 볼 수 있고, 금속의 표현을 매우 잘 나타내다.
단점: dichromat화학물은 오랜 수명을 가지지 못하고 노출시간은 화학성질 때문에 sirver hadide처럼 빠르지 못하다.
3) photopolymer
장점 : photopolymer는 dichromated gelatin이 가지고 있는 같은 특징을 가지고 있다. 매우 선명하고 알갱이 없는 깨끗함을 가지고 빛을 잘 반사한다.
단점 : 확실히 오래 지속되지 않는다. dupont사는 새로운 재질을 개발하는데 1년이 걸렸다고 하였다. 복잡한 홀로그램이 만드는데 관련된다.
4) Photoresist
장점 : photoresist는 은행카드,잡지표지,음식용기와 많은 다른 제품에 광범위하게 사용된다. 수백만개 가지 대량 생산된다. 가장 저렴한 가격으로 홀로그램을 제작할 수 있다.
III. 응용범위 및 결론
홀로그래피는 한 마디로 말해서 물체에서 나오는 파동과 기준으로 잡은 파동사이에서 간섭을 일으켜 물체에 관한 모든 정보를 사진건판에 기록시킨 다음 여기서 다시 물체의 3차원을 얻는 방법이라 하겠다. 간섭무늬가 정확하게 일어나야 하기때문에 사용하는 광파동은 이른바 높은 간섭성을 지니고 있어야 한다.
근래 레이저와 그 이용기술은 장족의 발전을 이룩하였고. 달 표면에 설치한 코너 큐블를 이용하여 지구상 아메리카 대륙의 표류를 측정하고 세포의 유전자를 선택적으로 파 괴함으로써 좋지않은 유전요소를 제거하는 연구에 이용되는가가 하면 ,날아오는 유도탄을 파괴하는 군사적 이용에도 많은 노력이 기울여지고 있다. 한편 산업계에서의 이용 은 말할 수없이 광범위하고 다양하며, 각각의 이용방법이 특색을 지니고 있어서 일일이 열거할 수 없을 정도이다. 홀로그램의 응용범위는 개발할수록 무궁무진하며 옥외매체, 3차원영화, 3차원 텔레비젼, 미래의 도시 계획 플랜EVENT… 프로모션에서 측면에서의 응용은 충분히 새로운 매체로서의 자리매김을 할 수 있을 거라고 생각한다.
1. W.E 칵 지음, 이상수 옮김. 레이저와 홀로그래피 현대과학 신서 1996
2. MaxBornand EmiIWolf. The Principle of Optics, Pxrgamon Press 1996
3. GeorgeE,Stroke, An Introduction to Coherent Optics and Hol ography,2nd.,enlarged and revised Academic Press 1969.