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하이테크놀러지의 꽃 홀로그래피

빛의 조각(彫刻) 홀로그래피

홀로그래피의 원리를 알기 위해서는 빛의 간섭 작용을 이해할 필요가 있다. 간섭이란 둘 이상의 파(波)가 겹쳤을 때, 서로 강하게 만들기도 하고, 약하게 만들기도 하는 현상이다. 빛의 이 간섭성을 이용하여 입체적인 정보를 기록하고, 재생, 창출하는 것이 홀로그래피이다. 홀로그래피는 입체 영상의 기록술(記錄術)을 말하는데, 홀로그램은 그 기술로 촬영된 것을 가리킨다.

홀로그래피의 파원(波源)으로서는 일반적으로 레이저 광이 많이 사용되고 있다. 그것은 레이저가 현재로서는 인류가 만들어 낼 수 있는 유일하게 코히런트(coherent)한 광원(光源)이기 때문이다.

코히런트한 빛이란, 빛의 파장(주파수)과 위상(位相)이 매우 정돈된 파(波)를 말한다. 조용한 수면에 돌을 하나 던졌을 때, 수면에 번져 가는 물결과 같은 것이다. 이에 비하여 우리가 잘 알고 있는 태양이나 형광등, 백열등 등의 빛은 불규칙하고 코히런트하지 않다. 수면에 많은 돌을 어지럽게 던졌을 때의 물결과 같은 것이다.

코히런트한 물결은 음파나 전파로는 쉽게 만들 수 있었지만, 빛의 영역에서는 레이저가 발명되기까지는 실현되지 못했었다.

코히런트한 파(波)의 진로에 물체가 있으면, 파는 물체의 표면에서 반사되어 원래의 빛과 만나서 간섭 무늬를 만든다. 이 간섭 무늬의 패턴은 물체 표면에서의 거리에 의하여 결정된다. 다시 말해서 간섭 무늬에는 물체 표면의 온갖 점의 위치를 나타내는 입체 정보가 포함되어 있는 셈이다.

그래서 적당한 장소에 사진 필름을 놓고 노광(露光)하면 필름면에 간섭 무늬가 기록된다. 현상한 필름에는 물체의 상(像) 같은 것은 아무 것도 보이지 않는다. 여기에 원래의 광원(光源)과 똑같이 코히런트한 빛(참조광(參照光)이라 한다)을 같은 각도에서 댄다. 필름상의 간섭 무늬로 빛이 회절(回折)하여 똑같은 무늬가 재현된다. 이것을 필름을 통해서 보면 물체의 입체상이 두드러져 보인다. 이와 같은 필름을 홀로그램이라 한다.

코히런트한 파라면 음파에서나 전파에서도 같은 현상이 일어난다. 탁한 물 속에 있는 물체의 모양을 측정하는 데에 코히런트한 초음파를 사용하는 연구도 진행되고 있다.

수은등 홀로그래피로부터 레이저 홀로그래피까지

홀로그래피의 원리는 1948년에 D. 가보르가 고안하였다. 가보르는 수은등 빛을 핀 홀(아주 작은 구멍)에 통과시킴으로써 되도록 간섭성이 좋은 광원(光源)을 얻으려고 하였다. 그러나 얻어진 상은 매우 희미한 이중상(二重像)일 뿐이어서 많은 사람들의 관심을 불러일으키지는 못하였다.

코히런트한 광원이 얻어진 것은 1960년대에 들어서서 T. 메이먼이 레이저를 발명한 후의 일이다. 이어서 레이저 광을 연속적으로 발진(發振)하는 헬륨 네온 레이저가 개발되었다. 1962년에는 E. N. 리스와 J. 우파트니크가 참조광(參照光)을 이용하는 이광속법(二光束法)을 고안, 연구는 급속히 진전되었다.

홀로그래피의 발명자 가보르는 1971년에 노벨물리학상을 수상하였다.인체와 기계의 정밀 진단에서 자연과 문화의 입체 보존까지홀로그래피의 응용 범위는 매우 넓다. 의료 분야에서는 X선이나 초음파를 사용해서 찍은 단층 사진(斷層寫眞)을 입체 화상화(畵像化)하려는 연구가 진행되고 있다.

현재 의사들은 여러 장의 환부(患部) 단층 사진을 보면서, 머리 속에서 입체상을 만들어 진단하고 있다. 그렇게 해서는 정확한 진단을 내리기 어렵다.

환부의 입체상을 얻는 방법에는 몇 가지가 있다. 먼저 환부 전체를 커버하는 CT화상(컴퓨터 처리를 한 X선 단층사진)을 한 장씩 원래의 단층 위치에 놓는다. 여기에 레이저 광을 조사하여 한 장의 홀로그램에 겹쳐서 기록한다. 다른 방법으로는 회전형 X선 촬영 장치를 사용한다.

환부를 360도 방향에서 촬영하여 화상에 레이저 광을 대고 한 장의 홀로그램에 수록하면 된다.

공업 분야에서는 홀로그래피를 사용한 정밀 계측이 보급되기 시작하고 있다. 이 계측법의 중심 기술은 홀로그래피 간섭법(干涉法)이라 불리고 있다. 기계는 사용하면 갖가지 진동과 힘에 의하여 근소하게 변형된다.

변형 전후의 기계와 재료 등을 레이저로 조사하여 얻어진 간섭 무늬를 한 장의 홀로그램에 2중 기록한다. 이렇게 해서 만들어진 재생상(再生像)에는 변형의 정도에 대응한 간섭 패턴이 나타난다. 변형의 양을 빛의 파장의 정밀도로 측정할 수 있는 것이다. 참고로 가시광선(可視光線)의 파장은 1만분의 3㎜에서 1만분의 7.5㎜이다.

종래의 간섭 측정법에서는 유리나 잘 닦은 금속면과 같이 빛을 반사하는 면 이외에는 측정할 수 없었다. 그러나 홀로그래피 간섭법에서는 빛을 반사하지 않는 것이라도 측정할 수가 있다. 게다가 작동중인 선반이라든가 엔진 등 기계 그 자체를 정밀 측정할 수 있다는 이점이 있다.

건축, 토목과 자동차의 설계에도 홀로그래피는 이용되기 시작하고 있다. 컴퓨터에 기계와 건물의 여러 요소를 입력하여 여러 가지 각도에서 본 그 대상물의 모습을 계산시킨다. 나온 입체 화상을 CRT(브라운관)에 표시시키면서 검토한다. 이것은 흔히 쓰이고 있는 수법으로 이것을 더욱 입체화시키는 것이다. 기계와 건물의 완전한 축소판을 만들어 입체 영상화하면 보다 세밀하게 검토할 수 있다. CRT 표시에 따르는 비틀림과 2차원 표시의 불충분한 점을 극복할 수 있다.

컴퓨터에 의한 데이터 뱅크의 범위는 더욱더 확대되고 있는데, 이 분야에서도 홀로그래피가 하는 역할은 크다. 예컨대 미술 공예품·건조물·정원·경관 등 역사상 중요한 문화재라든가 자연의 기록,보존이 있다. 문자·사진·도면·모형 등으로써 후세에 전하는 것이 불가능한 것을 간결하게 기록할 수가 있다. 입체 영상의 시대는 바로 눈앞에까지 다가와 있는 것이다.