홀로그램

홀로그램(hologram)은 물체에서 산란된 빛의 파면(wavefront) 정보를 기록한 뒤, 이를 다시 조명하여 원래 물체가 존재하는 것처럼 보이는 3차원 영상을 재구성하는 기술적 산물이다. 일상 언어에서는 공중에 떠 있는 영상 전반을 “홀로그램”으로 부르는 경우가 많지만, 광학·디스플레이 공학에서의 홀로그램은 간섭(interference)과 회절(diffraction)에 기반한 홀로그래피(holography)의 결과물을 의미한다.

1. 개요

홀로그램은 일반 사진과 달리 렌즈로 상을 맺는 방식이 아니라, 기준이 되는 빛(참조광)과 물체에서 오는 빛(물체광)이 만드는 간섭무늬를 기록한다. 이 기록 패턴은 겉보기에는 의미 없는 무늬처럼 보일 수 있으나, 같은 조건의 빛으로 조명하면 회절을 통해 원래의 파면이 복원되어 관측자 위치에 따라 시점이 변하는 3차원 영상이 나타난다.

한편, 공연·전시에서 흔히 “홀로그램”으로 불리는 영상 연출은 실제로는 투명 필름·유리·미스트에 영상을 투사하거나 반사시키는 방식인 경우가 많다. 이러한 방식은 관객에게 입체감을 줄 수 있으나, 광학적 의미의 홀로그래피와는 원리가 다르다.

2. 홀로그래피

2.1 원리: 기록(Recording)과 재생(Reconstruction)

홀로그래피는 대체로 두 단계로 설명된다. 첫째, 코히런트(coherent)한 빛을 이용해 물체광과 참조광을 겹치면 간섭무늬가 생성되고, 이를 감광 재료(필름, 포토폴리머 등)에 기록하여 홀로그램을 만든다. 둘째, 기록된 홀로그램을 적절한 빛으로 조명하면 회절에 의해 물체광의 파면이 재구성되어 관측자는 물체가 그 자리에 있는 것처럼 3차원 영상을 본다.

2.2 역사적 배경

홀로그래피의 기본 개념은 1947년 데니스 가보르(Dennis Gabor)가 파면 재구성(wavefront reconstruction) 아이디어로 제안한 것으로 알려져 있다. 이후 레이저의 등장으로 코히런트 광원이 널리 사용 가능해지면서 광학 홀로그래피가 실용적으로 발전하였다.

2.3 대표 유형: 투과형·반사형·체적(볼륨) 홀로그램

• 투과형(Transmission) 홀로그램: 주로 레이저 조명에서 관찰되며, 홀로그램을 통과한 빛으로 영상이 재구성된다.
• 반사형(Reflection) 홀로그램: 백색광 조명에서도 관찰 가능한 형태로 설계될 수 있어 전시·보안 분야에서 활용된다.
• 체적(Volume) 홀로그램: 두꺼운 기록 매질 내부에 간섭구조가 형성되어 파장·각도 선택성이 커지는 경향이 있으며, 광학 부품·필터·보안 등에 응용된다.

3. 컴퓨터 생성 홀로그래피

3.1 개념

컴퓨터 생성 홀로그래피(CGH, Computer-Generated Holography)는 실제 물체를 촬영해 간섭무늬를 기록하는 대신, 목표로 하는 광장(光場) 또는 파면을 수치적으로 모델링하여 홀로그램 패턴을 계산하는 방식이다. 계산된 패턴은 인쇄되거나, 디지털 표시 소자에 실시간으로 로딩되어 “디지털 홀로그래피/홀로그램 디스플레이”의 핵심 기술로 사용된다.

3.2 표시 장치: SLM과 위상 변조

CGH 기반 디스플레이에서는 공간광변조기(SLM, Spatial Light Modulator)가 중심 역할을 한다. 상용 SLM은 위상(phase)만을 주로 변조하는 형태가 많아, 목표 파면을 제한된 자유도에서 근사해야 한다. 그 결과 재구성 영상의 잡음(스펙클), 효율, 해상도는 SLM의 픽셀 피치, 프레임레이트, 위상 변조 범위와 밀접하게 연관된다.

3.3 알고리즘과 구현상의 제약

CGH는 목표 영상 품질과 계산량 사이에서 절충이 필요하다. 대표적으로 반복적 위상 복원 계열 알고리즘(예: Gerchberg–Saxton 계열)과 최적화 기반 접근이 널리 논의되며, 실시간 동영상 홀로그래피에서는 고속 계산(병렬 연산, 전용 하드웨어 활용)과 디스플레이 구동 기술이 중요해진다.

4. Free-space display와 유사 홀로그램(Pseudo Hologram, Fauxlography)

4.1 Free-space display

Free-space display는 관객이 “공중”에서 영상을 보는 듯한 경험을 제공하는 디스플레이 범주를 가리키는 표현으로 사용된다. 이 범주에는 실제 홀로그래피뿐 아니라, 공기 중 산란 매질(미스트·포그)이나 광학 구조(반사·굴절)를 이용해
영상이 허공에 떠 보이게 만드는 다양한 방식이 포함된다.

4.2 페퍼스 고스트(Pepper’s ghost)

페퍼스 고스트는 19세기 극장 연출에서 대중화된 반사 기반 착시로, 투명판(유리·필름)을 비스듬히 두고 보이지 않는 공간의 밝은 이미지를 반사시켜 관객에게 “유령”처럼 떠 있는 영상으로 보이게 한다. 현대에는 콘서트·전시·소형 “스마트폰 홀로그램” 키트 등에서 자주 사용되며, 엄밀한 의미의 홀로그래피가 아니라 반사에 의한 가상상(virtual image) 연출로 분류된다.

4.3 체적형 홀로그램(Volumetric display)

체적형 디스플레이(Volumetric display)는 3차원 공간의 (x, y, z) 위치에 대응하는 발광/산란 지점(복셀, voxel)을 형성하여 실제로 “부피”를 가진 영상 표현을 지향한다. 구현 방식은 크게 회전·왕복 운동으로 2D 영상을 공간에 “쓸어” 3D로 보이게 만드는 swept-volume 계열과, 매질 내부 또는 공기 중에서 직접 발광점(예: 레이저 유도 플라즈마 등)을 만드는 static-volume 계열로 나뉘어 논의된다.

4.4 회전형 홀로그램(POV 기반 팬 디스플레이)

광고·전시에서 흔히 “홀로그램 팬”으로 불리는 장치는 LED가 부착된 회전 날개를 고속으로 돌려 잔상 효과(POV, persistence of vision)로 공중에 영상이 떠 있는 듯 보이게 한다. 이는 실제 3차원 파면을 재구성하는 홀로그래피가 아니라, 시각적 통합 효과를 이용한 2D/준3D 표현에 가깝다.

4.5 실키 파인 미스트(Silky Fine Mist)와 미스트 스크린

미스트(초미세 물방울)나 포그(미세 입자)로 만든 얇은 막은 빛을 산란시켜 “공중 스크린”처럼 작동할 수 있다. FogScreen 계열 연구는 공기와 소량의 습기를 이용해 사람이 통과할 수 있는 얇은 투사면을 구성하고, 여기에 프로젝터로 영상을 투사해 허공에 떠 있는 듯한 효과를 만드는 접근을 제시해 왔다.

또한 파나소닉(Panasonic)은 초미세 미스트 기술을 “Silky Fine Mist”로 소개하며, 응축을 최소화하는 ‘드라이 미스트’ 특성을 바탕으로 연출·전시 환경에서 빛과 결합한 몰입형 효과 및 포그 프로젝션 응용을 제시한 바 있다. 이런 방식은 “걸어 통과하는 홀로그램”이라는 표현으로 대중 매체에서 소개되기도 하나, 원리적으로는 미스트가 빛을 산란시키는 투사형 공중 스크린에 가깝다.

4.6 창작물에서의 홀로그램

영화·게임의 홀로그램은 대개 완전한 공중 영상, 자유로운 시점 변화, 실제 물체와 같은 가림(occlusion), 촛점 단서까지
모두 만족하는 형태로 묘사된다. 현실 기술은 구현 방식에 따라 밝기, 시야각, 가림 표현, 해상도, 촛점 단서(vergence-accommodation), 설치 환경(조명·배경)에서 제약이 뚜렷하며, “홀로그램”이라는 용어는 과학적 엄밀성과 대중적 관용 사이의 간극을 가장 크게 드러내는 사례로 평가된다.

5. 스테레오스코피

5.1 개념

스테레오스코피(stereoscopy)는 좌우 눈에 서로 다른 2차원 영상을 제시하여 뇌가 양안 시차를 이용해 깊이를 지각하도록 만드는 3D 표시 기술이다. 이는 파면 재구성에 기반한 홀로그래피와 달리, 주로 양안 시차에 의존해 입체감을 형성한다.

5.2 오토스테레오스코피(autostereoscopy)

오토스테레오스코피는 3D 안경 없이 입체감을 제공하는 방식으로, 대표적으로 패럴랙스 배리어(parallax barrier)와 렌티큘러 렌즈(lenticular lens)가 사용된다. 다중 시점(multiview)을 제공하면 머리 이동에 따른 제한적 시점 변화(모션 패럴랙스)가 가능하지만, 시야 구역, 크로스토크(crosstalk), 해상도 저하 등의 제약이 설계 문제로 남는다.

출처

• Encyclopaedia Britannica, “Holography”: https://www.britannica.com/technology/holography
• Encyclopaedia Britannica, “Dennis Gabor”: https://www.britannica.com/biography/Dennis-Gabor
• IEEE Engineering and Technology History Wiki, “Invention of Holography, 1947”: https://ethw.org/Milestones%3AInvention_of_Holography%2C_1947
• Nobel Prize, Gabor Nobel Lecture (PDF): https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/gabor-lecture.pdf
• Nature Photonics / Light: Science & Applications, “Review of computer-generated hologram algorithms for holographic display”: https://www.nature.com/articles/s41377-022-00916-3
• Frontiers in Robotics and AI (PMC), “Advances in computer-generated holography for targeted illumination”: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9201973/
• SPIE Digital Library, “Incoherent digital holography with phase-only spatial light modulators”: https://www.spiedigitallibrary.org/journals/JM3/volume-14/issue-04/041307/Incoherent-digital-holography-with-phase-only-spatial-light-modulators/10.1117/1.JMM.14.4.041307.full
• KoreaScience, “디지털 홀로그램(CGH) 생성 기술”: https://www.koreascience.kr/article/JAKO201417741960928.page
• Ontario Science Centre, Pepper’s Ghost와 홀로그래피 차이 설명: https://www.ontariosciencecentre.ca/science-at-home/diy-science-fun/haunted-hologram
• ACM Digital Library, “Laser scanning for the interactive walk-through FogScreen”: https://dl.acm.org/doi/10.1145/1101616.1101661
• SIGGRAPH History (PDF), “The Interactive FogScreen”: https://history.siggraph.org/wp-content/uploads/2021/07/2005-07-Rakkolainen_TheInteractiveFogScreen.pdf
• Panasonic, Silky Fine Mist 기술 및 적용(기사): https://www.panasonic.com/global/business/green-ac/en/articles/enhancing-immersive-experiences-with-panasonic-s-mist-system.html
• Panasonic Newsroom, CES 2024 보도자료(Silky Fine Mist 입자 크기 등): https://news.panasonic.com/global/press/en240109-8
• Panasonic, Fog Projection Applications: https://www.panasonic.com/global/business/green-ac/en/articles/Fog_Projection_Applications_for_Entertainment_and_Marketing.html
• The Verge, Silky Fine Mist 기반 공중 디스플레이 보도: https://www.theverge.com/2024/9/23/24252304/panasonic-silky-fine-mist-water-pump-screen-projector
• Encyclopaedia Britannica, “Stereoscopy”: https://www.britannica.com/technology/stereoscopy
• Wikipedia, “Parallax barrier”(오토스테레오스코피 구성요소 개요): https://en.wikipedia.org/wiki/Parallax_barrier
• ScienceDirect Topics, “Autostereoscopic Display”(다중 시점·시야 구역 개요): https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/autostereoscopic-display