가. 탐구배경
홀로그램은 3차원 영상으로 된 입체 사진으로, 홀로그래피의 원리를 이용하여 만들어진다. 즉, 입체상을 재현하는 간섭 줄무늬를 기록한 매체이다. 홀로(holo)란 그리스 어로 전체를, 그램(gram)은 그리스 어로 ‘메시지’ 또는 ‘정보’란 뜻으로, ‘완전한 사진’이란 의미의 홀로그램은 어떤 대상 물체의 3차원 입체상을 재생하여 여러 각도에서 물체의 모습을 볼 수 있다.
이것은 1948년에 헝가리 태생의 영국 물리학자인 데니스 가보르(Dennis Gabor,1900~1979) 가 발표한 논 문으로 그 원리가 소개되었다. 당시에는 레이저가 발명되기 전으로 간섭성이 있는 빛을 만들어내지 못해 홀로그램 구현에 많은 어려움을 겪었다. 이후 1960년대 간섭성(coherent)의 특성을 갖는 He-Ne 레이저 개발로 본격적인 홀로그램 응용 기술이 발전되기 시작하여 왔다.
홀로그램은 양질의 입체영상을 필요로 하는 의료 문화예술 광고 및 전기공학 등의 많은 분야에 응용하기 위한 기술 개발이 활발하며 회절 효율 과학 기술의 한계와 큰 데이터량 등의 기술적 어려움을 해결하기 위해 기업, 대학, 그리고 연구소에서 많은 연구가 진행 중인 분야이다. 또한 최근에는 공간과 광원 그리고 물체에 대한 제약이 없는 컴퓨터 홀로그램 분야가 특히 많이 발전하고 있다. 이러한 아직 진행중인 과학기술의 한 분야인 홀로그램 영상 구현 방법에 대해 알아보기 위하여 조사를 하였다.
나. 문헌조사
홀로그래피가 처음 제안되었을 때는 전자선으로 간섭패턴을 기록하고 가시광선으로 회절 현상을 이용하여 파면을 재생하는 것이었다. 기록과 재생에 적합한 레이저와 같은 광원이 발명되기 전이어서 뚜렷한 홀로그램 상을 얻기에는 어려움이 많았다. 때문에 당시에는 홀로그래피 기술이 큰 관심을 끌지 못하였다.
이후 1960년대에 레이저가 발명이 되면서 홀로그래피 기술이 관심을 갖기 시작하였다. 러시아 과학자인 Y. N. Denisyuk의 홀로그램은 백색광 재생반사형 홀로그램을 제작하는 기술을 발표하였다. 투과형과 달리 물체광과 참조광을 서로 반대 방향에서 입사시켜서 제작하는 방식으로 간섭무늬는 필름면의 방향과 평행한 형태로 기록된다. 때문에 반사형 홀로그램은 파장 선택성이 뛰어나 칼라로 재현할 수 있다는 획기적인 특징을 지니고 있다. 1968년에는 S. A. Benton 교수에 의해서 백색광 재생 레인보우 홀로그램이 제시 되었다.
다. 탐구방법
홀로그램 영상을 구현하기 위한 실험 등이 있는 논문과 정의가 표시되어 있는 백과를 이용하여 탐구, 조사한다
가. 탐구내용
Ⅰ-홀로그램의 원리
홀로그램(hologram)이란 빛의 간섭현상을 이용하여 물체를 가지고 있는 입체 정보를 기록 투과, 또는 반사, 재현하는 입체영상 기술인 홀로그래피의 원리를 이용하여 만들어진 매체를 말한다. 즉 홀로그램은 3차원 물체의 정보를 2차원으로 기록하고 빛을 투과 또는 반사를 통해 다시 3차원으로 재현한다. 이 과정에서 3차원 정보를 평면에 기록하는 원리는 다음과 같다.
사람이 물체를 보는 경우 물체에 빛이 조사되어 굴절, 반사, 흡수, 투과 등의 물체의 표면과 빛의 상호작용이 일어난 결과를 보면, 이때 상호작용의 결과로 일부는 산란 되고 산란된 빛은 세기, 위상 및 파장 등의 정보를 가지고 있다. 사람은 이로부터 물체의 명암, 질감, 색, 그리고 입체감 등의 정보를 감지하게 된다.
물체의 명암은 산란된 빛의 세기에 관해 바뀌게 되고, 물체의 색은 빛의 파장에 관해 바뀌며, 질감과 입체감은 광 경로 차(Optical Path Difference)에 의한 위상을 차이로 인해 다르게 느껴진다. 일반적인 사진은 물체에 부딪혀 나온 빛을 렌즈를 통해 집광 시켜 필름에 기록 하는데, 이는 파장 및 세기만 고려된 결과이다.
결과적으로 명암과 색의 표현은 2차원 평면상에 나타나지만 위상에 의한 입체감에 대한 정보는 무시 되게 되지만, 반면 홀로그램은 광원으로부터 나오는 빛이 물체에 조사되어 난반사된 물체광(object beam)과 광원에서 나오는 참조광(reference beam)이 결합되어 기록된다.
결합된 정보는 위상의 차이에 따라 밝고 어두운 부분으로 구성되는 간섭무늬가 생기는데, 이 간섭무늬가 물체에 진폭과 위상이 함께 기록된 결과이다. 간섭무늬 형태로 물체의 영상이 기록 되는 것이 홀로그램의 원리이다. 이와 같은 결과로 위상에 대한 정보를 기록하는 입체감을 표현할 수 있다.
즉 홀로그램은 레이저에서 나온 광선을 2개로 나눠 하나의 빛은 직접 스크린을 비추게 하고, 다른 하나의 빛은 우리가 보려고 하는 물체에 비추면 이때 직접 스크린을 비추는 빛을 기준광(reference beamㆍ참조광)이라 하고, 물체를 비추는 빛을 물체광(object beam)이라고 하는데, 물체광은 물체의 각 표면에서 반사돼 나오는 빛이므로 물체 표면에 따라 위상차(물체 표면에서부터 스크린까지의 거리)가 각각 다르게 나타난다. 이때 변형되지 않은 기준광이 물체광과 간섭을 일으키며 이때의 간섭무늬가 스크린에 저장된다. 이러한 간섭무늬가 저장된 필름을 홀로그램이라고 한다. 다시 말해, 현상한 필름에는 물체의 상이 보이지 않는데 여기에 참조광 이나 일반 백색광을 같은 각도로 통과시키면 필름상의 간섭 무늬로 빛이 회절하여 똑같은 무늬가 재현된다. 이것을 필름을 통해서 보면 물체의 입체상이 보이는 것인데 이와 같은 필름을 홀로그램이라 한다.
저장된 영상을 다시 재현하려면 기록할 때 사용된 광선을 다시 스크린 건판에 쏘아야 한다. 재생 시 사용하는 광선은 기록 시와 같은 진동수를 가진 파동만이 3차원으로 재현되고, 파장과 위상이 다른 파들은 아무런 효과가 없이 저장된 홀로그램을 통과해 버리기 때문에 기록 시 사용된 기준광과 반드시 정확히 일치해야 한다. 홀로그램은 여러 조각으로 나눌 경우에도 각각의 조각에서도 전체 상을 재현할 수 있다. 하지만 조각이 작아질수록 상은 점점 희미해진다.
Ⅱ-홀로그램의 종류
홀로그램의 종류는 크게 대상을 입체영상으로 찍어내는 사진술인 아날로그 홀로그램, 대상에 반사된 빛을 디지털로 재현하는 디지털 홀로그램, 초다시점 입체영상 및 반투과형 스크린 투영 영상 등의 유사 홀로그램으로 나뉜다.
아날로그 홀로그램은 광학 장비를 이용하여 아날로그 홀로그램 필름에 간섭 패턴을 기록하고 홀로그램을 생성하는 방식이다. 일반적으로 빛의 파장은 매우 짧으므로 아날로그 방법으로 홀로그램을 구현하면 약간의 오차만 있어도 광 경로가 틀어지게 되고 이로인해 홀로그램은 제대로 구현되지 못한다.
두 번째로, 디지털 홀로그램은 간섭 패턴을 광학장비 및 CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 이용해서 기록하는 홀로그램이다. 컴퓨터를 이용해서 실존하지 않는 물체의 진폭 및 위상정보를 입력하여 홀로그램을 재생하는 방법인 컴퓨터 홀로그램이 대표적인 디지털 홀로그램이다.
유사 홀로그램은 실제의 홀로그램이 아닌 눈속임에 가깝기 때문에 기술적으로는 홀로그램으로 보지 않으나, 엔터테인먼트 등의 응용분야에서는 홀로그램의 범주에 포함시키고 있다. 즉 유사 홀로그램은 본래의 정의와는 다른, 산업 분야에서의 분류이다.
가. 탐구결과
빛을 저장한다는 의미에서 홀로그래피는 사진과 같다. 그러나 사진은 물체의 밝고 어두운 모습인 진폭만 기록하지만 홀로그래피는 빛의 세기와 함께 위상 정보까지 저장한다. 예를 들어, 일반 사진은 태양이나 조명에 의해 피사체로부터 반사되는 빛이 렌즈를 통해 맺어지는 상을 기록하는 반면, 홀로그래피는 물체파와 기준파를 이용해 두 개 이상의 빛이 만나 발생되는 간섭 무늬의 정보를 기록하여 3차원 입체 영상을 재생하는 것이다. 하지만 이렇게 빛을 저장하기 위해서는 빛의 파동 위상이 모두 일치하는 광원이 필요한데 레이저가 개발됨으로써 이 문제가 해결된 것이다. 따라서 사진은 2차원으로밖에 기록할 수 없지만 홀로그래피는 3차원으로 대상을 재현해 낼 수 있다는 점을 알 수 있다.
현재 공연에 사용되고 있는 홀로그램 기술은 고해상도 프로젝터로 영상을 쏘아 2차원의 대형 투명막에 투사하는 플로팅 방식으로, 360도 전 방향으로 구현되는 홀로그램이라고 볼 수 없다. 영화에 속에서 보이는 홀로그램 영상을 만들어 내는 것은 대략 5년 후 의 미래에나 만들어 질수 있을 거라고 예상하고 있다.
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