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광학 홀로그램 제작

1. 광학 홀로그램 기록 특징과 재료

광학 홀로그램은 레이저, 홀로그램 필름, 광학기기, 진동을 최소화 할 수 있는 광학테이블 그리고 홀로그램 필름을 레이저 빛 외 다른 빛에 노출 되지 않도록 암실 환경이 필수적이다. 광학 홀로그램 제작은 카메라 기능과 환경 그리고 사진술도 비슷하다. 광학 홀로그램과 사진술은 빛으로 피사체를 기록하는 공통점이 있다. 카메라 중에서 사람이 들어 갈 수 있는 대형 카메라 옵스큐라(Camera obscura)는 그림1 (a)보면 외부 빛을 차단한 어두운 방의 한쪽 벽 가운데 작게 뚫린 핀홀 구멍을 통해 바깥에서 들어오는 상의 빛이 구멍의 맞은편 투명한 창이나 벽면에 거꾸로 상을 맺히는 카메라이다. 광학 홀로그램은 그림1 (b)에서 외부 빛을 차단한 실험실에서 레이저 빛과 광학기기를 이용해서 홀로그램을 제작하고 3차원 형상으로 된 홀로그램 상을 관찰 할 수 있다. 카메라와 홀로그램의 차이점은 사용하는 광원과 간섭원리, 입체감과 깊이감을 관찰 할 수 있는 3차원 상을 제작할 수 있다는 점에서 다르다.




그림 1. (a) 카메라 옵스큐라 (b) 홀로그램 실험실

광학 홀로그램에서 사용하는 홀로그램 필름 특징은 레이저 빛을 노광(exposure)할 때 빛 에너지가 화학에너지로 변해서 필름 감광유제 안에 있는 은염(Silver-Halide)입자가 화학반응을 통해서 발생한다. 이 과정에서 빛의 광 간섭에 의해 홀로그램 간섭 패턴을 기록 하고 재생을 할 수 있게 되어 있다. 일반 사진은 피사체의 밝기와 형상 그리고 색상과 톤을 기록하지만 홀로그램은 일반 사진처럼 피사체를 찍는 것과 달리 기록할 피사체의 형상에 따라 위상과 진폭을 가시광선 대역 (micrometer) 단위로 홀로그램 간섭 패턴을 기록한다. 물체파와 기준파의 간섭 의해서 상쇄와 보강으로 밝고 어두운 띠로 된 간섭패턴을 기록한 홀로그램에 재생 광을 비추면 빛이 홀로그램 패턴을 통과 하면서 굴절 하듯이 꺾어지는 회절 현상으로 홀로그램 상을 재생해서 관찰 할 수 있다.
광학 홀로그램 제작에 빠뜨릴 수 없는 가장 중요한 기기이며 완전한 3차원 형상을 기록할 수 있는 광원인 레이저(Laser)는 ‘유도 방출에 의한 빛의 증폭’(Light amplification by stimulated emission of radiation)이라는 뜻을 가진 합성어이다. 전구와 백열등과 같은 일반 백색 광원에 비해 코히런트(Coherent)한 특성, 즉 가 간섭 특성을 가지고 있는 빔을 발생 하므로 홀로그램 제작을 가능하게 한다. 레이저 광은 단색, 즉 하나의 파장으로 단일 간섭성이 가능하고 빔이 넓게 퍼지지 않는 지향성이 우수하다. 그림 2 은 홀로그램 제작 위한 도면을 도시했다. 레이저에서 출력한 빔 하나가 빔 분리기(Beam splitter)를 통해 물체빔(Object beam)과 기준빔(Reference beam)로 두 개의 빔으로 나누어진다. 분리된 레이저 빔은 광학 미러(Optical mirror)와 렌즈 포함한 광학계를 거쳐 오브제에 조명해서 산란된 오브제파(Object wave)와 홀로그램 필름에 직접 입사 하는 기준파(Reference wave)둘이 서로 만나 간섭이 되는데 물체의 형상에 따라 변화된 물체파의 위상은 기준파와의 간섭에 의해 물체의 형상에 대응하는 특정 형태의 간섭무늬로 홀로그램 필름에 기록하게 된다.




그림 2. 홀로그램 제작

광학 홀로그램 제작에 사용하는 레이저는 크게 두 가지로 나누는데 연속파 레이저(Continuous Wave Laser :CW Laser)와 펄스 레이저(Pulse laser)이다. 연속파 레이저는 시간적으로 일정한 출력으로 연속적인 빔을 발진을 할 수 있는 레이저 이고 펄스 레이저는 짧은 펄스 폭을 이용하여 짧은 시간 동안에 펄스 빔을 발진하는 레이저이다. 레이저 안에 들어 가는 매질은 파장 별로 혹은 출력방식에 따라서 다양하다. 홀로그램에 많이 사용하는 연속파 레이저는 가스레이저, 반도체-고체레이저가 있고 펄스 레이저는 고체로 된 루비 레이저(Ruby Laser, 694nm) 혹은 네오디뮴 야그(Nd:YAG, 532nm)이 들어간 반도체-고체 레이저로 사용한다. 연속파 레이저는 안정적인 출력으로 홀로그램 제작에 많이 사용하고 있다. 가스 레이저는 대표적인 레이저 4종류 있는데 Red계열인 헬륨 네온(He-Ne, 633nm), 크립톤(Kr+, 647nm, 676nm) Green과 Blue계열인 아르곤(Ar+, 488nm, 515nm), 헬륨 키듐(He-Cd, 442nm)가 있다. 가스 레이저는 간섭거리가 10m까지 되어 있어 간섭성이 뛰어난 편이나 수명이 반도체-고체레이저 보다 짧다. 반도체-고체 레이저는 DPSS(Diode-Pumped Solid-State laser)으로 네오디뮴 야그(Nd:YAG, 532nm)레이저를 많이 쓴다. 10W이상 고출력 가능한 레이저 이며 간섭거리는 ~50m이다. 이러한 장점으로 대형 홀로그램 제작에 유리하다.
연속파(CW) 레이저로 광학 홀로그램 제작시 장기간 노출에 따른 미세한 진동 영향을 쉽게 받는다. 진동에 의해서 기준파나 물체파의 파면 간격을 변화 시키게 되므로 피사체의 형태에 의한 위상변화 외에도 진동에 의한 불규칙한 위상변화도 동시에 기록되어 홀로그램의 해상도가 나빠지고 심하면 홀로그램을 볼 수가 없다. 진동에 의한 홀로그램 해상도 저하와 훼손을 방지 하기 위해 미세한 진동을 줄이는 기능을 갖춘 방진 광학 테이블을 사용하기도 하기도 한다. 또 주변에 진동, 소음, 바람이 없는 조용한 환경을 유지 해야 하고, 촬영할 대상도 움직이지 않아야 한다. 그런 환경 조건을 갖추면 사무용 레이저 포인터 정도인 1mW 파워로 홀로그램 제작 가능하다. 그렇지만 홀로그램 제작 하기 위한 셋업(set-up)상황과 사용하는 광학기기 상태, 대물렌즈를 통해 레이저 빔이 확산된 면적과 거리에 따라서 처음 에 발진한 레이저 빔이 광학계를 거치면서 광량이 처음 발진한 광량 보다 더 떨어진다. 즉, 광학계를 거친 레이저 빔이 물체와 홀로그램 필름에 직접 조명되는 노광량이 매우 적어 노출시간이 더 길어진다. 만약에 레이저 파워가 100mW 이상이면 1mW 비해 100배 이상 강한 노광량을 주기 때문에 그만큼 노출시간을 단축 할 수 있다.
진동 영향 받지 않고, 움직이는 오브제로 홀로그램 제작 가능한 펄스(Pluse) 레이저는  1mW ~ 1W이상 출력하는 연속파 레이저들과 달리 짧고 펄스 모양의 1J(참고: 1W의 전력을 1초간에 소비하는 일의 양)이상 강한 레이저 빔의 출력 하기 때문에 노출시간이 짧은 편이다. 이런 촬영 방법을 카메라로 예를 들면 어두운 실내나 밤에 강한 플래시를 터지면서 찍어야 피사체가 어둡지 않고 뚜렷한 형상을 찍을 수 있는 방법과 같은 것이다. 이와 같이 펄스레이저는 높은 파워 출력에 강한 펄스 레이저 빔을 플래시 같이 터트리면서 짧은 노출시간에 강한 노광량으로 홀로그램 찍는 방법이다. 아주 짧은 순간에 터트리면서 찍기 때문에 홀로그램 이미지 상을 훼손 할 수 있는 진동에 전혀 영향을 받지 않고, 방진 테이블 필요 하지 않다. 펄스 레이저는 연속파 레이저로 제작하기 어려운 인물 촬영이나 움직이는 오브제를 순간 촬영하는 경우에 많이 쓴다.
홀로그램을 기록하기 위해서는 기본적으로 피사체로부터 물체파와 감광판에 직접 입사하는 기준파가 필요하고, 이 기준파와 물체파의 감광판에 대한 상대적인 입사방향에 따라 투과형(Tramsmission Type)과 반사형(Reflection Type) 기록 방식으로 분류 된다.

 2. 홀로그램 감광판의 구조와 특징

 홀로그램 기록하는 감광판의 구조는 그림 3 에 주어져 있다. 유리기판이나 TAC필름 감광판에 다층코팅 되어 있다. 기판 위에 레이저 빛을 감광하는 감광 유제층이 있고 젤라틴에 감광물질이 들어 있다. 그 위에 감광 유제층을 보호하는 긁힘 방지 코팅이 있다. 홀로그램 제작할 때 부주의로 긁힘 방지 코딩에 지문과 긁힘이 남길 수 있어 홀로그램 질을 떨어뜨리기 때문에 감광판을 조심해서 다루어야 한다. 기판 밑에는 할레이션 방지(Anti-Halation)층을 만들어 감광 유제층과 기판을 통과한 빛이 다시 유제층으로 반사되어 복합 간섭을 일으킴에 의한 간섭 무늬가 생기지 않도록 한다.



그림 3. 감광판의 구조

홀로그램 필름은 필름(flim)타입인 TAC flim하고 판(Plate)타입인 유리판 두 종류로 나누어있다. 유연하고 자유롭게 다루는 TAC기판과 딱딱하고 필름크기 규격화 되어 있어 쉽게 다룰 수 있는 유리 기판이 있다. 기판 위에 입자(Grain) 크기가 100nm 이하 은염을 젤라틴에 섞은 감광유제로 수 서 수십 두께로 코팅 되어있다. 매질 속의 AgH 입자 크기가 100nm이하로 아주 작아서 입자 크기가 수 이상인 은염을 섞은 일반 사진용 필름에 비해서 매우 작다. 매우 작아서 빛을 받아들이는 양이 적으나 간섭무늬를 잘 기록할 수 있다. 홀로그램 매질 입자가 매우 작아서 빛에 대한 민감도가 떨어지기 때문에 홀로그램 제작시 긴 노출시간이 필요 하다. 감광판에 물체파와 기준파의 간섭에 의해 기록되는 간섭무늬는 빛을 회절로 홀로그램을 재생할 수 있도록 마이크로 미터()로 아주 작은 격자무늬 모양이다. 그림 4 에서 완성된 홀로그램 상의 형상에 현미경을 통해 확대해서 보면 밝고 어두운 격자 무늬로 된 홀로그램 간섭 패턴을 볼 수 있다.




그림 4. 반사식 홀로그램과 확대된 간섭패턴

홀로그램 패턴은 투과형 홀로그램 제작 방법과 반사형 홀로그램 제작 방법에 따라서 패턴 모양이 다르다. (그림 2.7)

그림 5. 투과형과 반사형 간섭무늬 패턴 비교


그림 5 에 투과형과 반사형 홀로그램에 형성되는 간섭무늬의 형태를 비교 도시를 했다. 그림 5(a) 투과형 홀로그램은 비스듬한 기울기로 꼼꼼한 격자 모양으로 패턴 형성되어있고, 그림 5(b) 반사형 홀로그램은 간섭무늬가 감광판과 거의 평행하게 층으로 겹쳐져 있다. 투과형 홀로그램은 재생빔을 입사 하면 격자를 만나 회절현상으로 빛이 굴절 하듯이 꺾고 투과해서 나오면 상을 재생할 수 있다. 반사형 홀로그램은 재생빔을 입사 하면 평행한 간섭층에 반사하는 동시에 회절 하면서 홀로그램 상을 재생 할 수 있다.
홀로그램 재생 질에서 회절효율이 가장 중요한데 감광판의 회절효율이 높을수록 입사된 재생빔을 최대한 많이 굴절하면서 홀로그램 재생상을 밝고 강하게 재생할 수 있다. 재생상의 밝기를 높이기 위한 최적 회절 효율 방법이 5가지 있는데 첫 번째 홀로그램 필름의 노출시간의 적절성, 두 번째 현상과정에 사용하는 화학물질의 적절성, 세 번째 현상하는 각 과정에서 현상시간 여부, 네 번째 물의 온도, 다섯 번째 홀로그램 필름의 유통기한과 상태이다.

2-1. 홀로그램 현상

홀로그램 현상은 사진을 현상하는 방법과 비슷한데 감광 유제층에 코딩된 매질인 은염을 현상처리 하는 과정과 비슷하다. 현상은 감광층에 기록된 간섭패턴을 감광층에 고착되도록 하는 과정이다. 기본적으로 현상 순서는 현상(Development), 정착(Fix), 표백(Bleaching), 건조(Dry) 4가지로 거친다. 현상 하면서 감광판의 은염 매질 변화를 발생하는데 그림 6 과 같다. (a)는 기본적인 현상 방법이고 현상à정착à표백 거친다. 노광된 홀로그램 필름에 현상을 해서 노광된 부분에 Ag로 반응하고 노광되지 않는 부분은 AgH로 남는다. 그 다음에 정착하면서 노광되지 않는 AgH을 제거 하고 Ag이 남는다. 그 후 제할로겐화 표백 용액(Rehalogenating bleach bath)로 사용 하면서 Ag을 굴절률을 갖는 투명한 AgH으로 전환 시키면서 완성된 홀로그램 간섭패턴이 만들어 진다. (b)는 정착을 생략하면서 현상을 하는 것인데 정착 과정 없이 현상한 다음에 재할로겐화 표백 용액을 사용하여 노출된 Ag을 높은 굴절률을 갖는 투명한 AgH로 전환 시키고 AgH은 용액이 되어 노출되지 않는 인접한 지역으로 매질이 전달 흡수 되어 홀로그램 간섭 패턴이 생성된다.

그림 6. 현상에 의한 화학 반응

이 특징은 (a)처럼 노출 되지 않는 AgH을 정착과정을 통해 제거 하지 않고 AgH가 노출 되지 않는 인접 지역으로 확산 된다는 것이다. 만약 간섭 무늬 간격이 넓으면 노출된 부분과 노출 되지 않는 부분 사이의 거리가 멀어서 AgH을 잘 확산 되지 않기 때문에 회절 효율이 급속히 떨어짐을 주의 해야 한다. AgH을 다른 인접한 지역으로 확산이 용이하기 위해서는 간섭 무늬 간격이 0.5~1.0 정도가 좋다.기본적으로 현상하는 과정을 순서대로
정리 하면 아래와 같다. 
  • 현상(Development) 2~3분

현상 그릇에 현상액을 넣고 감광된 홀로그램 필름을 현상액에 2~3분 정도 담긴다. 현상액에 담길 때 감광유제층은 항상 위로 하고 기판은 바닥쪽으로 향하게 하면서 담긴다. 그리고 현상액이 감광판과 균일하게 접촉 되도록 해야 한다. 현상그릇을 가볍게 흔들면서 교반하여 감광판 반응이 균일하게 일어나도록 해야 한다.

  • 수세 (Wash) 2분

현상액 제거 하기 위해 흐르는 여과된 물에 씻거나 현상그릇에 물을 담아 교반 하면서 씻어낸다.

  • 정착 (Fix) 2분

현상 그릇에 정착액을 담고 교반 하면서 균일하게 담아둔다.

  • 수세 (Wash)

정착액 제거 하기 위해 흐르는 여과된 물에 씻거나 현상그릇에 물을 담아 교반 하면서 씻어낸다.

  • 표백 (bleach) 2~3분

현상 그릇에 표백액을 담고 교반 하면서 균일하게 담아둔다.

  • 수세 (Wash)

표백액 제거 하기 위해 흐르는 여과된 물에 씻거나 현상그릇에 물을 담아 교반 하면서 씻어낸다.

  • 건조 (Dry)

알코올 넣거나 롤러 또는 와이퍼로 필름에 남은 물기 빼고 드라이로 말린다. 그리고 물기를 빼는 과정에서 얼룩 번짐을 조심해야 한다.

 

3. 광학 홀로그램 제작 종류와 기초

광학 홀로그램은 그림 7 과 같이 다양하게 세분화 되어 있다. 세분화된 홀로그램은 제작 방법과 디스플레이 방법에서 결정 된다고 할 수 있다. 광학홀로그램에서 H1와 H2을 두 종류로 나누는데 이것은 일반 사진 예로 들면 네거티브필름은 카메라를 통해 찍고 현상하고 나서 인화지에 인화해야 사진을 볼 수 있다. 또 인화를 통해서 여러 장으로 Copy하듯이 여러 장 사진을 만들 수가 있다. 이와 같이 홀로그램도 비슷하다. 네거티브 필름 역할과 비슷한 H1(Master)이 있고 인화지 역할과 비슷한 H2(Copy)가 있다. 다시 말해서 홀로그램 H1으로 H2 여러 장 만들 수가 있다. H1은 홀로그램 제작하는 방법에 따라서 일반 조명인 백색광 아래에서 홀로그램 상을 볼 수 있는 것이 있고 볼 수 없는 것이 있다. 백색광으로 볼 수 없는 H1은 레이저 광으로 볼 수 있다. H1에서 투과형 레인보우 홀로그램과 반사형 홀로그램은 H1로 제작해도 백색광으로 볼 수 있다. 그에 비해서 H2는 투과형, 반사형도 모두 백색광으로 재생해서 볼 수 있다.



그림 7. 광학 홀로그램 제작 종류

투과형 홀로그램은 일반 사진 예로 들면 슬라이드 필름과 같다. 슬라이드 필름은 보이는 상의 뒤쪽에서 조명이나 빛을 조명해줘야 슬라이드 상을 관찰 할 수 있다. 이와 같이 투과형 홀로그램은 재생광인 조명이 홀로그램의 뒤쪽에 조명해줘야 홀로그램 상을 관찰 할 수 있는 투과형 홀로그램이다. 투과형 홀로그램 상과 배경은 투명한 상이기 때문에 투과형 홀로그램을 볼 때 반대편 쪽에 있는 배경하고, 공간을 겹쳐 있음을 관찰 할 수 있고 허공에 떠 있는 홀로그램으로 인식하게 된다. 투과형 홀로그램은 레이저 조명으로 재생할 수 있는 레이저 재생 홀로그램, 일반 조명으로 재생할 수 있는 백색광 재생 홀로그램, 레인보우 홀로그램이 있다. 투과형 홀로그램을 재생하기 위해 조명 입사 방향과 각도는 투과형 홀로그램 제작할 때 사용했던 기준광의 입사 방향과 각도를 일치 해야 관찰 할 수 있음을 유의 해야 한다. (그림 8 참고)



그림 8. 투과형 홀로그램 재생



그림 9. 반사형 홀로그램 재생

반사형 홀로그램은 투과형 홀로그램 재생 위해 조명을 뒤쪽에 놓는 것과 달리 홀로그램 앞에서 조명을 비추면서 재생할 수 있다.(그림 9. 참고) 재생 조명으로 반사식 홀로그램을 관찰하기 위해 반사식 홀로그램 제작 했을 때 필름에 입사한 방향과 각도가 같아야 한다. 반사형 홀로그램은 평면 격자인 투과형 홀로그램과 달리 체적 격자인 간섭필터의 특징을 갖고 있다. 이는 특정 파장의 빛만 선택적으로 반사시키기 때문에 반사형 홀로그램 제작 후에 태양광이나 일반조명 아래에서도 바로 상의 관측이 가능하다. 데니슈크 타입 홀로그램을 제작 할 때 필름하고 오브제를 서로 마주보면서 배치 하고 촬영을 한다. 필름하고 오브제와 마주보면서 가까이 배치하는 특징으로 투과형 홀로그램 보다 시야각이 굉장히 넓고 깊이감을 준다. 반사형 홀로그램에는 데니슈크 타입 단색(Monochrome) 반사식 홀로그램, 데니슈크 타입 풀 칼라(Full color) 반사식 홀로그램, 데니슈크 타입와 다른 반사식 홀로그램이 있다.

   

그림 10. 허상(a) 과 실상(b)

허상(Virtual Image)과 실상(Real Image)은 광학 홀로그램에서 제작하는 과정과 디스플레이 하는 방법에서 허상과 실상을 구분 하는 것이 중요하다. 물체에 반사되어 나온 빛이 거울 면이나 렌즈 등에 반사 또는 굴절 한 후 빛이 실제로 모여서 생기는 상을 실상 이라고 하고, 이 위치에 스크린이나 종이를 놓으면 물체의 형상을 볼 수 있다.(그림 10 (b)참고) 허상은 평면거울에 물체에 반사되어 나온 빛이 상점을 통과하지 않고 반사 광선 또는 굴절 광선의 연장선이 모여서 맺는 상을 허상 이라고 하며, 허상의 위치에 스크린이나 종이를 놓아도 형상을 맺히지 않는다. 이는 허상의 위치를 실제 빛이 지나가는 것이 아니기 때문이다.(그림 10 (a)참고) 더 쉽게 설명하면 사람이 평면 거울을 볼 때 평면 거울 속에 있는 사람이 허상이다. 만약에 거울 속에 있는 허상의 사람이 실제 공간으로 상이 튀어 나오면 실상으로 볼 수 있다. 광학 홀로그램에서 허상과 실상이 어떻게 관찰하는지 그림 10 에 볼 수 있다.
허상과 실상은 홀로그램 필름을 180도 거꾸로 회전하거나 관찰자가 보는 방향에 따라 달라진다. 그림 10 (a)에서 관찰자가 이동 하지 않고 가만히 홀로그램 필름을 관찰 하고 있다는 가정하에 허상은 항상 필름 뒤쪽에 있는 상을 관찰 할 수 있다. 그림10 (b)에서 실상은 필름을 180도 거꾸로 회전했을 때 허상 쪽에 있던 상이 동시에 뒤집혀 관찰자 앞에 오게 된다. 이때 실상은 반영경상으로 주어진다. 허상은 홀로그램 제작할 때 필름에서 물체의 거리, 크기, 위치상에 놓아 있는 물체를 쳐다 보는 것과 같이 인식되는 상이고, 실상은 물체에서 반사된 빔이 본래의 경로로 되돌아감에 의해 형성되는 상이므로, 물체의 표면을 내부에서 보는 것 같은 상, 즉 반영경상이 된다. 또 홀로그램 촬영 했을 때 물체의 위치와 거리가 실상에서 똑같이 재생 된다. 재생된 실상에 스크린이나 종이를 갖다 대면 홀로그램 형상을 관찰 할 수 있다.

4. 광학기기

광학 홀로그램 제작에 보조로 수행하는 광학기기는 기본적으로 반사, 굴절, 수렴, 확산 4가지 광학 요소가 있다. 레이저 빔 방향을 틀어 버리면서 반사 시키는 광학 미러(Optical Mirror)와 레이저 빔을 2개의 빔으로 분리 하는 빔 분리기(Beam Splitter)와 분리된 빔 두 개의 빛의 세기를 각각 조절할 수 있는 원형 ND필터(Circular Variable Neutral Density filter)가 있다, 렌즈를 통해 확산된 빔을 핀홀(Pin-Hole)을 거쳐 깨끗하게 확산된 빔으로 선명한 홀로그램 상을 제작하게 해주는 공간필터(Spatial filter)가 있다. 그리고 나머지는 그들을 받쳐주고 고정하는 포스트(Post)와 홀더(Holder)가 있다.
광학 미러(Optical Mirror)는 뒤에 코팅되어있는 일반 거울과 달리 표면 위에 직접 반사 할 수 있게 박막 코팅이 되어 있다. 보편적으로 알루미늄 박막 코딩 된 것이 많이 쓴다. 반사율은 85%이상이다. 반사율이 최대로 높을수록 광학계를 거쳐간 레이저 빔 강도가 현격하게 줄이지 않고 매우 효율적이다. 광학 미러 표면에 얇게 박막 코팅이 되어 있고 최적 반사효율을 유지 하기 위해 코팅 면에 지문이나 이물질을 남기지 않도록 조심해야 한다.
빔 분리기(Beam Splitter)는 Cube형과 panel형이 있다. 홀로그램 제작을 위해 빔을 물체빔, 기준 빔 두 개로 분리 할 수 있는 빔 분리기 이다. 레이저 빔을 100% 입사 할 경우 50%는 통과하고 50%는 반사되어 빔 분리가 가능하다. 그리고 편광을 이용해서 빔을 분리하는 편광 빔 분리기(Polarization Beam Splitter)도 있다. 일반적인 빔 분리기는 50:50 로 나누기 때문에 물체 빔과 기준 빔의 세기를 조절 할 수 없다.  




그림 11. (a)광학 미러와 홀더 (b)빔 분리기

홀로그램 제작 위한 간섭 비율을 적절하게 조절 할려면 편광자나 ND 필터를 보조로 사용하기도 한다. 또 빔이 분리한 세기의 비율을 쉽게 조절할 수 있는 원형으로 된 ND 필터가 있다. 그림 12(a) 원형 ND 필터는 알루미늄 코딩 정도에 따라 얇은 것부터 두껍게 코팅이 되어있다. 빔이 100% 입사 할 때 알루미늄 코팅 정도에 따라서 두꺼운 부분은 최대한 반사하고 나머지는 투과되기도 한다. 반대로 얇은 부분은 빔이 최대한 투과 되기도 하고 나머지는 적게 반사 되기도 한다. 이렇게 알루미늄 코팅 정도에 따라서 빔 한 개로 부분 반사와 부분 투과로 나누면서 빔 세기를 조절을 할 수 있다. 이런 기능으로 홀로그램을 제작하면서 물체 빔과 기준 빔의 세기 비율 조절이 가능하다. 하지만 ND 필터는 반사, 투과로 이용 하기 보다는 강한 빔 광도를 줄이는 광 감쇠기로 많이 쓰기 때문에 빔을 두 개로 분리 하면서 광 감소 영향을 받게 된다. 그러므로 광 감소를 하지 않으면서 효율적으로 빔 분리 할 수 있는 편광 빔 분리기를 사용 하는 것이 좋다.
공간 필터(Spatial Filter)는 레이저 빔을 확산하는 대물렌즈(Objective Lens)와 렌즈 초점거리 이동과 핀홀이 광축 맞출 수 있도록 정밀한 이동 축이 포함되어 있다. (그림 12(b)) 공간 필터는 홀로그램 질을 향상 시킬 수 있는 점에서 가장 중요한 기기다. 레이저 빔이 공간을 투과 하면서 지나가게 되면, 대기중의 먼지 등에 의해 산란하게 되고 미러, 렌즈 등의 광학부품을 사용할 때 표면의 상처 또는 미세 먼지 등에 의해 빛이 산란되어 지저분해진다. 이러한 빔을 대물렌즈 통해 초점거리 한점에 집광하여 핀홀을 통과 시킴으로써 불완전한 레이저 빔 주파수를 원래 출력한 빔의 같은 주파수로 동일하게 갖추게 된다. 이러한 작용을 공간 필터링(Spatial Filtering)이라 하며, 이러한 용도로 쓰이는 광학기기를 공간 필터 라고 부른다. 공간필터 안에 있는 렌즈를 통해 확산된 빔은 구면파 이기 때문에 구면파로 홀로그램을 기록하고 재생시 상의 왜곡에 영향을 미칠 수 있다. 구면파 대신 평면파로 제작하면 상의 왜곡을 줄일 수 있다. 구면파를 평면파로 바꾸려면 공간필터 앞에 큰 렌즈를 놓고 초점거리에 맞춰서 구면파를 평면파로 바꾸는 방법이 있고, 구형 반사경과 같은 Collimating Mirror를 이용해서 구면파를 평면파로 바꾸는 방법이 있다. 구형 반사경은 렌즈와 마찬가지로 초점 거리가 있기 때문에 공간필터 앞에 Collimating Mirror의 초점거리에 맞춰 배치하면 구면파를 평면파로 바꾸면서 반사 한다.



그림 12. (a)원형 ND 필터 (b)공간필터

 5. 투과형 홀로그램 (H1 Master hologram)

투과형 홀로그램 제작 위한 광학계는 그림13 에 도시되어 있다. 3차원 홀로그램 만들기 위해 물체를 기록하는 기본적인 셋업 방법이다. 레이저에서 나온 빔이 빔 분리기(B.S)를 통과 하면서 부분 반사와 부분 통과를 하면서 물체를 향해 직진 하는 물체빔(Object Beam)과 홀로그램 필름를 향해 직진하는 기준빔(Reference Beam)으로 나눈다. 나누어진 빔은 광학 미러로 빔의 방향을 바꾸면서 각각 물체와 필름에 입사 할 수 있도록 배치 한다. 배치 후 공간필터로 빔을 확산 시키면서 물체 영역보다 크게 조명하고 기준 빔도 홀로그램 필름영역 보다 크게 조명을 한다. 공간필터를 통해 확산된 빔은 구면파형 이기 때문에 Collimating Mirror의 초점거리에 맞춰 배치하여 공간필터에서 오는 구면파를 평면파로 바꿔 반사를 해서 필름에 입사한다. 이때 물체파와 중첩되어 간섭패턴 형성을 하면서 홀로그램 필름에 기록한다. 홀로그램 필름 감광판은 기판하고 유제면 층이 있는데 유제면 층이 물체를 마주보고 배치를 해야 한다. 물체는 홀로그램 필름에 조명한 기준파를 피해서 필름하고 마주보면서 거리를 둔다. 최소한 기준파를 피해서 필름에 가까이 마주 보는 것이 좋고, 나중에 그림 2.15에서 H2을 제작할 때도 기준 빔이 H1필름을 조명하지 않도록 적절한 거리를 두는 것이 좋다. 만약 H1에서 필름과 물체 사이에 멀어지면 그만큼 홀로그램 상에서 피사체가 맨 뒤로 가 있기 때문에 홀로그램 상이 작게 보이고 입체감이 떨어진다. 필름에 입사되는 기준파 각도는 오브제파와 기준파의 간섭에 의한 회절효율 최대화 하기 위해 39~49도 사이가 좋다. 홀로그램을 최적으로 기록하기 위해 물체파와 기준파 광량 비율이 1:5~1:6로 적당하다. 투과형 홀로그램에 기록한 홀로그램 필름은 투과형 Master(H1)로 레이저 광으로 조명해서 홀로그램 상을 관찰 할 수 있다.  



그림 13. 투과형 홀로그램 제작 도면(H1)

 6. 백색광 재생 홀로그램

백색광 재생 홀로그램은 그림 14 에서 투과형 홀로그램 H1(Master)을 제작한 홀로그램 필름을 백색광 재생 홀로그램 H2(Copy)로 카피 하면서 일반광원 백색광으로 홀로그램 재생할 수 있도록 제작 할 수 있다. 그림 2.15 백색광 재생 홀로그램 제작 위해 H1에서 H2로 Copy 제작 할 수 있게 도시 되어 있다. 그림 13 에서 H1을 제작하기 위해 홀로그램 필름에 조명한 기준빔을 그림 14 에서 물체파 역할으로 바꾸고 입사 방향과 각도는  H1을 제작할 때와 같아야 한다. 입사 방향과 각도가 틀리면 H1 제작한 필름을 재생 하기 어렵기 때문이다. H1 홀로그램 필름을 180회전해서 거꾸로 뒤집히면서 실상으로 해줘야 한다.(그림 10 참고) 실상의 위치와 거리는 H1에 제작할 때 물체의 위치와 거리가 같기 때문에 H2 홀로그램 필름은 H1의 실상 거리에 맞춰서 배치하고 H1 Master 필름과 H2 Copy 필름이 서로 마주 보면서 배치 해야 한다. 실상에 위치한 물체는 위상차에 의한 물체의 볼륨감이 있기 때문에 H2 필름을 H1에서 튀어나온 실상에 위치한 물체 볼륨감 안쪽이나 선명한 실루엣 보이는 부분에 배치 해야 한다. 물체 볼륨감내를 벗어나서 H2필름을 배치하면 기록이 안되기 때문에 상을 볼 수 없음을 유의해야 한다. 실상으로 된 물체 볼륨감내에 어느 위치에 놓는지에 따라서 상의 퀄리티가 달라지기 때문에 가장 선명한 부분을 찾아내서 배치 해야 한다. 이것을 쉽게 카메라로 예를 들면 렌즈를 물체의 어느 초점에 맞추느냐에 따라서 초점부분이 선명하게 보이고 나머지는 흐리게 보이는 것과 같다. H2필름을 적절하게 배치 후 H2필름에 기준 빔을 조명해서 홀로그램 제작 한다. H2 Copy하기 위한 적절한 광량 비율은 물체파와 기준파 비율이 1:2~1:3으로 적당하다.

 

그림 14. 백색광 재생 홀로그램 제작 도면(H2)

 H2 재생에 사용되는 광원은 넓게 분산되는 백열등 보다 높은 휘도로 한곳에 모아서 조명하는 할로겐 등이나 LED조명으로 선명하고 뚜렷한 홀로그램 상을 재생 할 수 있다. 일반 조명은 구면파이기 때문에 홀로그램 상이 약간 휘어지는 왜곡을 볼 수 있으나 눈에 잘 띄지 않아 큰 문제가 되지 않는다. 가능하면 평면 파로 조명을 해주는 것이 좋다. 백색광 홀로그램 재생하기 위해 일반 조명 방향과 각도는 H2 제작할 때 레이저 빔으로 필름에 조명 했던 방향과 각도가 같아야 한다.

 

7. 레인보우 홀로그램

레인보우 홀로그램은 재생시 상이 무지개 색으로 보이기 때문에 레인보우 홀로그램이라 부른다. 레인보우는 슬릿(slit)과 실린더 렌즈 통해서 나온 선(Line)으로 된 레이저 빔을 이용해서 무지개 상을 만들 수 있는 특징이다. 그림 14 에 도시된 백색광 레이저 제작 도면에서 물체빔 경로에 배치한 공간필터 대신 실린더 렌즈(Cylinder lens)로 바꿔서 그림 15 같이 배치한다. 물체 빔을 선(Line)으로 바꿔서 슬릿을 부착한 Master 필름 향해 조명한다. 레이저 빔이 실린더 렌즈를 통해 수렴되어 확산된 빔은 굴곡이 심한 구선 모양이므로 Master(H1) 홀로그램 필름에 조명 할 경우 실상이 확대해서 나올 수 있다. 그 선을 Collimating mirror를 통해 반사해서 다시 평면 선으로 바꿔서 상의 확대를 방지 할 수 있다. Master(H1)필름에 슬릿을 선으로 된 레이저 빔입사 위치에 맞게 중앙에 수평시차로 부착한다. 슬릿 폭은 넓거나 작으면 안 된다. 슬릿 폭이 빔보다 넓으면 무지개 볼 수 있는 색상 분산 효과가 줄어든다. 또 슬릿 폭이 좁으면 상 흐림 현상이 생기는



그림 15. 레인보우 홀로그램 제작 도면(H2)

문제가 있다. 가능하면 빔 사이즈 정도 폭이거나 6mm이내 정도가 좋다. 슬릿 폭은 슬릿에 의해 위아래 입체상을 관찰 할 수 있는 수직시차가 상실되고 좌우 입체상을 볼 수 있는 수평시차 만든다. 백색광으로 레인보우 홀로그램을 재생하면 물체상과 함께 슬릿상도 재생된다. 따라서 백색광에 포함된 여러 파장의 광에 의해 슬릿상을 통해 분광되면서 무지개 상이 위에서 아래까지 색상 변화를 관찰 할 수 있다. 재생상을 볼 수 있는 영역을 시역이라 하며, 수평시차에 대해서는 Master 필름의 수평길이를 길게 함으로써 시역을 넓힐 수 있다. 수직 시차에 대해서는 참조광 또는 슬릿을 다중화 할 경우 레인보우의 색상들이 다중으로 겹치기 때문에 색상을 다중으로 관찰 할 수 있다. 만약에 참조광 또는 슬릿 3개 다중으로 제작 할 경우 가산혼합 원리와 같은 레인보우 내의 R,G,B 색상 중첩으로 칼라 레인보우 홀로그램 제작 할 수 있다.

 8. 반사형 홀로그램

반사형 홀로그램 제작 위한 광학계는 그림 16 에 도시되어 있다. 반사형 홀로그램 제작 특징은 그림 2.15에 H2에 조명한 기준파 방향이 그림 16 와 같이 H2 필름 뒤쪽에 조명할 수 있게 배치 한다 H1에서 오는 물체파와 H2 뒤에 오는 기준파의 간섭으로 반사형 홀로그램 제작 조건을 충족한다. 다음에 소개될 데니슈크 타입 반사형 홀로그램과 비해서 배치 방법과 제작방법이 까따롭다. 그림 13 에서 Master H1 제작 할 때 H1필름과 물체 사이 폭이 넓어서 물체의 시야각이 한정 되기 때문에 H2 반사형 홀로그램도 시야각이 한정된다. 데니슈크 타입 반사형 홀로그램은 H1부터 바로 반사형으로 제작 할 수 있지만 그림 16 는 투과형 Master H1 필름을 만든 것을 반사형 홀로그램으로 H2 Copy 제작하는 일반적인 반사형 홀로그램이다.

그림 16. 반사형 홀로그램 제작 도면 (H2)

 

9. 데니슈크 타입 반사형 홀로그램 (H1)



그림 17. 데니슈크 타입 반사형 홀로그램 제작 (단색)

 반사형 홀로그램 제작 위한 광학계는 그림 17 에 도시되어 있다. 빔 하나로 한정된 깊이를 갖는 물체의 반사 홀로그램을 제작할 수 있는데 홀로그램 필름 건판을 통과한 기준파가 물체를 조명하고 반사되어 확산된 물체파가 기준파와 간섭해서 홀로그램 필름에 기록한다. 이 데니슈크 타입 반사형 홀로그램 제작방법은 다른 홀로그램 광학계보다 더 심플하고 제작하기 용이하다. 또 홀로그램 필름 유제면 하고 물체랑 마주보고 접촉한 상태로 촬영 하기 때문에 투과형 홀로그램 보다 시야각이 굉장히 넓고 깊이감도 깊다. H1으로 찍고 바로 백색광으로 관찰 할 수 있다.

 

참고: 이내용은 '홀로그래피 기술과 응용'(2011년, 대표저자 이승현)공동 집필한 책에서 Ray Park이 쓴 것을 일부 발췌하여 올린 것입니다. 전체에 대한 내용은 '홀로그래피 기술과 응용'에서 볼 수 있습니다.

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