KR100558020B1

KR100558020B1 - 디지털 방식의 홀로그래피, 홀로그래피 간섭법, 및 홀로비젼

Info

Publication number: KR100558020B1
Application number: KR1019997011732A
Authority: KR
Inventors: 토마스클라렌스이.; 베일러래리알.; 한슨그레고리알.; 라스무쎈데이비드에이.; 보엘클에드가; 카스트라케인제임스; 심쿨레트미첼; 클로우로렌스
Original assignee: 록히드 마틴 에너지 리서치 코포레이션
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2006-03-07
Also published as: CN1260052A; KR20010013717A; ATE236417T1; AU7831098A; DE69812937T2; IL133419A0; PT988580E; US6078392A; DK0988580T3; WO1998057234A1; JP2002508854A; IL133419A; HK1029636A1; CN1161670C; DE69812937D1; EP0988580A1; EP0988580B1; ES2193532T3

Abstract

디지털 방식의 홀로그래피에 대한 시스템과 방법들이 기술된다. 장치는 레이저와; 레이저에 광학적으로 연결된 빔 스플리터와; 빔 스플리터에 광학적으로 연결된 레퍼런스 빔 반사경과, 빔 스플리터에 광학적으로 연결된 오브젝트와, 레퍼런스 빔 반사경 및 오브젝트에 광학적으로 연결된 포커싱 렌즈와; 그리고 포커싱 렌즈에 광학적으로 연결된 디지털 기록기를 포함하는 것이 특징이다. 레퍼런스 빔은 레퍼런스 빔 반사경에 비법선 각으로 입사하고, 그리고 레퍼런스 빔과 오브젝트 빔은 영상을 형성하기 위해서 포커싱 렌즈에 의해 디지털 기록기의 초점 평면에 포커싱 된다. 이 시스템과 방법들은 컴퓨터 보조 홀로그래피 측정이 이루어질 수 있다는 이점을 제공한다.

Description

디지털 방식의 홀로그래피, 홀로그래피 간섭법, 및 홀로비젼{DIRECT-TO-DIGITAL HOLOGRAPHY, HOLOGRAPHIC INTERFEROMETRY, AND HOLOVISION}

본 발명은 일반적으로 홀로그래피(holography) 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 디지털 방식의 홀로그램(hologram) 획득 및 재생 시스템(즉, 어떤 필름이나 건판도 사용하지 않음)에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 홀로그램 획득은 전하 결합 소자(CCD) 카메라에 기반을 둔다. 따라서, 본 발명은 홀로그래픽 시스템에 관한 것이다.

통상적인 홀로그래피 방법은 홀로그램⁽¹⁾을 기록하기 위해 필름 또는 홀로그래픽 건판(홀로그래피를 위해 최적화된 사진 유제(emulsion)가 도포된 유리 건판)을 사용하였다. 아날로그 방법에서, 재생은 레이저(또는 몇몇 경우에는 백색광) 및 최초 기록된 홀로그램 또는 그것의 복사본을 사용하여야만 가능하다. 이러한 아날로그 방법들은 느리고, 번거롭고, 그리고 비싸다.⁽⁴⁾ 또한 전송하여 또 다른 위치에서 재생할 수 있는 전자 신호들로 바꿀 수 있는 방법이 없다. 이는 항상 하드카피(hard copy)를 전송해야 함을 요한다. 더욱 나쁜 것은, 필름을 처리하는데 소요되는 시간 지연이 홀로그래피 사용을 방해하고 그리고 여러가지 상황에서 홀로그래피 변형을 방해한다. 전통적인 홀로그래피 시스템 비용 자체는 허용될 수 있지만, 필름 처리의 필연성에 의해 야기되는 시간 지연 및 낮은 처리량(throughput)은 절대 허용될 수 없는 지연과 관련된 대가를 치르게 한다(예컨대, 타이어 제조업자는 소정 타이어가 흠집을 가졌는지를 아는데 45분, 심지어 단지 2분도 기다릴 수 없다).

도 1을 참조하면, 통상적인 측파대(sideband) 홀로그래피 시스템 기록법의 기하학적 배치가 도시된다.^(2-3) 레이저(110)로 부터의 광은 빔 신장기(beam expander)(120)에 의해 확대된다. 렌즈(130)를 통과한 후에, 광은 빔 스플리터(beamspliter)(140)에 의해 2개의 성분으로 분할된다. 이 빔 스플리터(140)는 예컨대 90%의 반사율을 가질 수 있다. 오브젝트 빔(object beam)(150)을 구성하는 반사 빔은 전방으로 진행하여 반사경(160)에 의해 반사된다. 오브젝트 빔(150)은 그 다음, 오브젝트(object)(170)로 진행한다. 그 다음, 오브젝트 빔(150)은 홀로그래피 건판(190) 위에 입사된다.

한편, 렌즈(130)로부터 빔 스플리터(140)를 통해 투과되는 광의 일부분은 전방으로 진행하여 반사경(200)에 의해 반사되는 레퍼런스 빔(reference beam)(180)을 구성한다. 그 다음, 반사된 레퍼런스 빔은 홀로그래피 건판(190) 위에 입사된다.

보다 최근에, 비록 아날로그 방법이기는 하지만, 홀로그래피 간섭계가 개발되었다.⁽⁵⁾ 여기에는 초점 홀로그래피의 개발이 포함된다.^(6-7)

본 출원서에는 괄호 내의 아라비아 숫자들로 구성된 첨자들로 여러개의 공개 문헌들이 언급되어 있다. 이들 및 다른 공개 문헌들이 특허 청구범위 바로 앞의 명세서 말미에 기재되어 있다. 이들 공개 문헌들은 모두 본 발명의 배경기술을 표시하고 기술 상태를 예시하기 위한 목적에서 본 출원에 인용하는 것이다.

발명의 요약

따라서, 1) CCD 카메라 또는 디지털 컴퓨터 인터페이스를 갖는 적절한 다른 비디오 카메라에 홀로그램을 직접 기록하고, 2) 상기 홀로그램을 디지털 저장 매체(예컨대, RAM, 하드 드라이브, 테이프, 기록할 수 있는 CD 등)에 저장하기 위한 특별한 방법이 요구된다. 이 방법을 실행하기 위한 장치들의 중요한 특징은 레퍼런스 빔과 오브젝트 빔 사이의 매우 작은 각도를 사용하여 홀로그램을 결상면에 집속시켜 영상을 단순화하는 것을 포함한다. 부가적으로, 본 발명은 1) 홀로그램의 위상이나 진폭을 2차원 디스플레이로 표시하는 방법과 2) 광학적으로 액티브한 크리스탈(optically active crystal)과 레이저를 사용하여 홀로그램을 완벽하게 재생하는 방법을 포함한다. 대조적으로, 종래 기술은 광 홀로그램을 전자적으로(디지털로) 기록하는 방법에 대한 설명을 포함하지 않으며, 광 홀로그램을 재생 또는 방송(broadcast)하는 것은 더욱 그러하다.
본 발명의 일 양상에 따라서, 본 발명은 푸리에 분석에 대한 공간 헤테로다인 줄무늬들을 포함하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램을 기록하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 레이저(210)와; 상기 레이저에 광학적으로 연결된 빔 스플리터(240; 310)와; 오브젝트 빔 및 레퍼런스 빔을 형성하는 상기 빔 스플리터에 광학적으로 연결되어 레퍼런스 빔 반사경(290)과; 상기 빔 스플리터에 광학적으로 연결된 오브젝트(260)와; 상기 레퍼런스 빔 반사경과 상기 오브젝트 둘다에 광학적으로 연결된 포커싱 렌즈(270; 330)와; 상기 포커싱 렌즈에 광학적으로 연결된 디지털 기록기; 그리고 푸리에 변환을 수행하고, 디지털 필터를 적용하고, 그리고 푸리에 역변환을 수행하는 수단을 포함하는, 푸리에 분석을 위한 공간 헤테로다인 줄무늬들을 포함하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램을 기록하는 장치로서,
상기 레퍼런스 빔 반사경에 비법선 각으로 레퍼런스 빔(280)이 입사되고, 그리고 상기 레퍼런스 빔 및 상기 오브젝트 빔(250)이 상기 포커싱 렌즈에 의해 상기 디지털 기록기의 초점면에 집속되어 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램- 상기 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램은 상기 디지털 기록기에 의해 기록되는 푸리에 분석을 위한 공간 헤테로다인 줄무늬들을 포함한다- 을 형성하며; 그리고 상기 푸리어 역변환을 수행하는 수단은 푸리에 공간에서 공간 헤테로다인 줄무늬들을 포함하는 상기 기록된 저주파 헤테로다인 홀로그램의 축들을 변환함으로써, 상기 레퍼런스 빔과 상기 오브젝트 빔 사이의 각에 의해 정의되는 헤데로다인 반송파 주파수 정상에 위치시킴과 아울러, 상기 푸리에 역변환을 수행하기에 앞서 본래 원점(original origin) 주위의 신호들을 차단하는 것이 특징이다.

본 발명의 이들 및 다른 양상들은, 아래 설명 및 첨부 도면을 참조하여 고찰하면 보다 잘 인식되고 평가될 것이다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명의 양호한 실시예와 그것의 많은 구체적인 설명을 나타내고 있지만, 한정적인 것이 아니라 예시를 위한 것으로 이해되어야 한다. 많은 변화 및 수정들이 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않고도 그것의 영역 내에서 실행될 것이고 그리고 본 발명은 모든 그러한 수정들을 포함한다.

본 발명을 구성하는 이점 및 특성들 그리고 본 발명에 제공된 모델 시스템들의 구성요소들 및 동작에 대한 명확한 개념은, 이 명세서의 일부분을 이루고 있는 첨부한 도면들에 설명된 실시예들을 참조하여 보다 명백해질 것이다. 이 실시예들은 예시적인 것으로써 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 여러 도면에서 동일 참조 번호들은 동일 구성요소들을 나타낸다. 도면들에 설명된 특성들에 대해 그 스케일로만 도시하지는 않았다.

도 1은 "종래 기술"로서 통상적인 (Leith & Upatnieks)측파대 홀로그래피 시스템의 구성도를 도시한다.

도 2는 본 발명의 실시예를 나타내는 단순한 디지털 방식의 홀로그래피 시스템의 구성도를 도시한다.

도 3a는 본 발명의 실시예를 나타내는 "미켈슨(Michelson)" 기하학의 디지털 방식의 홀로그래피 장치의 사시도를 도시한다.

도 3b는 도 3a에 도시된 디지털 방식의 홀로그래피 장치의 또 다른 사시도를 도시한다.

도 4는 본 발명의 실시예를 나타내는 반사경 내의 스크래치에 대하여 디지털로 포착된 홀로그램을 도시한다.

도 5는 도 4에 대한 2차원 푸리에(Fourier) 변환 플롯(plot)을 도시한다.

도 6은 도 4 홀로그램으로부터 홀로그램 위상 데이터의 재생을 도시한다.

도 7은 본 발명의 실시예를 나타내는 홀로그래피 재생 시스템의 구성도를 도시한다.

도 8은 본 발명의 실시예를 나타내는 것으로서, 비결정질 탄소 필름상의 금 입자의 홀로그램에 대한 선택된 영역을 도시한다.

도 9는 본 발명의 실시예를 나타내는 것으로서, 도 8(중심 영역: 자기상관(autocorrelation), 왼쪽 및 오른쪽 영역: 측파대) 홀로그램의 푸리에 변환 계수의 선택된 영역을 도시한다.

도 10a는 Scherzer 초점에서의 콘트라스트(contrast) 전달 함수를 도시한다.

도 10b는 본 발명의 실시예를 나타내는 Gabor 초점에서의 특별한 홀로그래피 전달 함수를 도시한다.

도 11은 본 발명의 실시예를 나타내는 것으로서, 표본화율 s=4.66(이산 푸리에 변환에서 디스플레이 점들의 수는 32이다)로 32개의 점들에서 표본화된 코사인 패턴의 이산 푸리에 변환 계수를 도시한다.

도 12는 본 발명의 실시예를 나타내는 것으로서, 식(6)(코사인 패턴은 도 11의 데이터와 (실제 공간에서)동일한 영역으로 제한되고 그리고 이 도면의 상세한 것들 중 어떤 것도 도 11에서 발견될 수 없다)을 따르는 코사인 패턴의 분석적인 푸리에 변환 계수를 도시한다.

도 13은 본 발명의 실시예를 나타내는 것으로서, 코사인 패턴(디스플레이 점들의 최초 집합은 도 11에서 처럼 32였고, 매개변수 π는 17으로 선택하고, 확장된 푸리에 변화에서 디스플레이 점들의 수는 512이고 그리고 분석적인 푸리에 변환에서 보여지는 것들과 동일한 상세한 것들을 보여준다)의 확장된 푸리에 변환 계수를 도시한다.

도 14는 본 발명의 실시예를 나타내는 것으로서, 전형적인 이산 푸리에 변화의 디스플레이를 허락하지만 소량의 픽셀(pixel)에 의해 이동된(도 11과 동일한 코사인 패턴이 사용되고, △k(그리고 2차원인 △1)에 대해 실제 값들을 선택함으로서, 피크(peak)가 디스플레이 점 위에 직접적으로 위치하도록 푸리에 공간에서 적어도 하나의 피크를 표시하는 것이 가능하고, 이 경우에 사이드로브(sidelobe)는 사라진다(오른쪽 피크를 참조)) 확장된 푸리에 알고리즘의 결과를 도시한다.

도 15는 본 발명의 실시예를 나타내는 것으로서, 실제로 중앙에 집중되지 않는 측파대로부터 진폭을 재구성함으로서 영상을 인위적인 구조로 야기한다(최악의 경우는 측파대의 중심이 푸리에 공간의 디스플레이 점들 사이에 정확히 위치할 때이다).

본 발명 및 그 여러가지 특성들과 이점들은 첨부도면들에 예시되고 아래 설명에서 상세히 기술되는, 한정적이지 않은 실시예들을 참조하여 보다 충분히 설명될 것이다. 공지된 구성요소 및 프로세싱 기술들에 대해서는 너무 세부적으로 설명할 경우 본 발명을 쓸데없이 불명확하게 할 수 있어 그 구체적인 설명을 생략한다.

1. 시스템 개요

디지털 홀로그래피가 지금까지 개발되지 않은 이유는, 디지털 비디오 카메라 또는 디지털 매체에 채택될 수 있는 카메라의 해상도가, 지금까지는 전통적인 홀로그램들의 고유 성질인 매우 높은 공간 주파수를 기록할 만큼 충분히 좋지 않기 때문이었다. 본 발명은 이러한 어려움을 극복하는 여러가지 기술들을 결합하여, 푸리에 변환 홀로그램 분석용 기록 카메라의 고유 홀로그래피 해상도까지의 그것들의 모든 공간 주파수들과 홀로그램을 기록할 수 있도록 한다.

광 홀로그램을 디지털로 기록하는 방법을 실현하는 것이 필요하였다(현재 그것은 홀로그램이다). 또한, 간섭계 및 전자 홀로그래피에 사용된 푸리에 변환 기술이 홀로그램을 분석하는데 사용될 수 있음을 인식하는 것 또한 필요하였다. 평면파를 디지털 홀로그램에 수학적으로 부가하여 그 결과 생기는 인텐서티(intensity) 함수를 광감성 크리스탈에 기록함으로서, 최초 측파대 홀로그램을 생성하는데 사용된 각도와는 다른(보다 큰) 회절각(α)으로 홀로그램을 실제로 재생하는 것이 가능하게 된다고 하는 것을 인식하는 것 또한 필요하였다.

2. 양호한 실시예들의 상세한 설명

도 2를 참조하면, 단순한 디지털 방식의 홀로그래피 시스템이 홀로그램들을 디지털 방식으로 기록 및 재생하도록 결합된 하드웨어 개념을 설명하기 위해 도시된다. 레이저(210)로부터의 광은 빔 신장기/공간 필터(220)에 의해 확대된다. 그 다음, 확대/필터링된 광은 렌즈(230)를 통해 진행한다. 그 다음, 이 광은 빔 스플리터(240)로 진행한다. 빔 스플리터(240)는 예컨대 50%의 반사율을 가질 수 있다. 빔 스플리터에 의해 반사된 광은 오브젝트(260)로 진행하는 오브젝트 빔(250)을 구성한다. 오브젝트(260)로부터 반사된 광의 일부는 빔 스플리터(240)를 통해 통과한 다음 포커싱(focusing) 렌즈(270)로 진행한다. 그 다음, 이 광은 전하 결합 소자(CCD) 카메라(미도시)로 진행한다.

한편, 렌즈(230)로부터 빔 스플리터(240)를 통해 통과한 광의 부분은 레퍼런스 빔(280)을 구성한다. 레퍼런스 빔(280)은 반사경(290)으로부터 작은 각도로 반사된다. 반사경(290)으로부터 반사된 레퍼런스 빔은 그 다음 빔 스플리터(240)로 진행한다. 빔 스플리터(240)에 의해 반사된 반사 레퍼런스 빔의 부분은 이어서 포커싱 렌즈(270)로 진행한다. 포커싱 렌즈(270)로부터의 레퍼런스 빔은 그 다음 CCD 카메라로 진행한다. 포커싱 렌즈(270)로부터의 오브젝트 빔과 포커싱 렌즈(270)로부터의 레퍼런스 빔은 함께 동시에 존재하는 복수의 레퍼런스 및 오브젝트 파(300)를 구성한다.

도 2를 도 1과 비교하면, 기껏해야 아래에서 언급될 차이는 필름 또는 사진 건판을 사용하는 대신에 CCD 카메라가 홀로그램을 기록하게 하는 것임을 알 수 있다. 1) 본 발명은 고해상도 CCD(예컨대, 140만개의 픽셀들)를 사용한다(벌써 6천만개가 넘는 픽셀들을 갖는 CCD가 사용되고 있다). 2) 본 발명은 "Michelson" 기하학(빔 스플리터, 레퍼런스 빔 반사경, 및 CCD의 기하학적인 관계는 Michelson 간섭계 기하학과 유사하다)을 사용한다. 이 기하학이 레퍼런스 빔과 오브젝트 빔이 매우 작은 각도로 결합되게 하여준다(레퍼런스 빔 반사경은 홀로그램의 푸리에 분석을 위해 공간적으로 헤테로다인(heterodyne)한 또는 측파대 줄무늬(fringe)들을 만드는 작은 각도를 생성하도록 기울어진다). 3) 본 발명은 오브젝트를 CCD의 초점면상에 집속하기 위해 포커싱 렌즈를 사용한다. 이 렌즈는 또한 서로 다른 초점 길이를 갖는 렌즈를 사용하여 대응하는 공간 기하학을 조정함으로써(예컨대, 영상 거리에 대한 오브젝트 거리의 비율) 원하는 대로 확대 또는 축소한다. 전술된 3가지 요소들이 문헌에 공지된 푸리에 변환 소프트웨어 분석 방법과 결합될 시, 홀로그램을 디지털 방식으로 직접 기록 및 재생하게 하여준다.^(10-12)

이 시스템은 홀로그래피 영상을 실시간으로 기록 및 재생하거나, 또는 후에 재생할 수 있도록 그것들을 저장하기에 적합하다. 홀로그램이 디지털방식으로 저장되기 때문에, 일련의 홀로그램들은 홀로그래피 영화를 생성하도록 만들어 질 수 있고, 또는 홀로그램들은 홀로그래피 텔레비젼(홀로비젼(HoloVision)을 제공하기 위해서 원격 지점에서 재생을 위해 전자적으로 방송될 수 있다. 홀로그램은 진폭과 위상을 저장하고, 이 위상은 파장과 광경로 길이에 직접적으로 비례하기 때문에, 이 디지털 방식의 홀로그래피는 또한 정밀 부품, 조립체 등의 형태와 치수를 검증하기 위한 극히 정밀한 측정 툴로서 역할을 할 수 있다. 유사하게, 홀로그램을 디지털방식으로 직접적으로 저장하는 능력은, 디지털 홀로그래피 간섭계를 위한 방법을 제공한다. 동일 오브젝트의 홀로그램들은, 소정의 물리적인 변화(압력, 온도, 정밀기계가공 등)을 한 후에, 이 변화(파장에 직접적으로 비례하는 위상 변화)에 대한 물리적인 측정치를 계산하도록 서로로부터 감산(위상에 대한 직접적인 감산)될 수 있다. 유사하게, 오브젝트들 각각의 홀로그램을 감산함으로서 제1 오브젝트 즉 마스터 오브젝트로부터 제2 오브젝트의 이탈을 측정하기 위해서, 한 오브젝트가 유사한 오브젝트와 비교될 수 있다. x-y 평면에 있는 2개의 픽셀들 위의 z 평면에서 2π보다 큰 위상 변화를 명확히 측정하기 위해서, 홀로그램들은 하나의 파장 이상으로 기록되어야 한다(2개 주파수 간섭계에 대한 토론이 문헌에 공지되었기에 여기서는 반복되지 않을 것이다).

본 발명은 고해상도 비디오 카메라의 사용과, 홀로그래픽 오브젝트 빔 및 레퍼런스 빔의 매우 작은 각도에서의 믹싱(줄무늬 당 적어도 2개의 픽셀과, 분해되는 공간 특성마다 적어도 2개의 줄무늬가 되도록 하는 각도에서의 믹싱)과, 기록(카메라)면에서 물체의 결상과, 그리고 홀로 그래픽 영상(매 픽셀에 대해 위상과 진폭 모두가 기록된 영상)의 기록을 가능하게 하는 공간적으로 낮은 주파수 헤테로 다인(측파대) 홀로그램의 푸리에 변환 분석을 결합한다. 부가적으로, 개구 조리개는, 영상화 시스템에 의해 분석될 수 있는 것보다 높은 주파수들의 엘리어싱(aliasing)을 방지하기 위해서, 오브젝트를 집속하는데 관련된 하나 이상의 렌즈들의 배면 초점면에 사용될 수 있다(엘리어싱은 문헌에 자세히 설명되며, 존재하는 공간 주파수들을 제한하기 위해서 개구 조리개를 렌즈의 배면 초점면에 배치함으로서, 보다 잘 설명되고 이해될 것이다). 오브젝트의 모든 공간 주파수들이 영상 시스템에 의해 분해될 수 있는 경우에는 어떤 개구 조리개도 필요하지 않다. 일단 기록되면, 홀로그래피 영상들을 2차원 디스플레이상에 진폭 플롯들 또는 3차원 위상으로 재생하거나, 또는 최초 영상을 재생하기 위해서 위상 변화 크리스탈 및 백색광 또는 레이저 광을 사용하여 최초의 완벽하게 기록된 파를 재생하는 것이 가능하다. 최초 영상은 레이저로 위상 변화 매체에 이 영상을 기록하여 재생되고, 백색광 또는 또 다른 레이저가 이 영상을 재생하는데 사용될 수 있다. 영상을 3색광 레이저로 기록하고 재생된 영상을 결합함으로서, 천연색 홀로그램을 만들어낼 수 있다. 일련의 영상을 연속적으로 기록 및 재생함으로서, 홀로그래피 영화를 형성할 수 있다. 이들 영상들이 디지털방식으로 기록되기 때문에, 그들은 무선 주파수(RF) 파(예컨대, 마이크로웨이브) 또는 적절한 디지털 인코딩 기술을 사용하여 섬유나 케이블로 이루어진 디지털 네트워크를 통해 방송될 수 있으며, 그리고 원격지에서 재생될 수 있다. 이것이 홀로그래피 텔레비전 및 영화 즉 "홀로비전"을 실제로 가능케 한다.

CCD 초점면상에 오브젝트를 포커싱하는 렌즈 사용과 관련하여, 점의 회절 패턴은 패턴의 중심으로부터 거리가 증가함에 따라 점점 더 좁아지는 줄무늬들을 갖는 구면 함수에 의해 설명될 수 있다. 이들 줄무늬들이 서로 점점 더 가까워짐에 따라, 비디오 카메라에 의해 분해될 수 없게된다. 더욱 안 좋은 것은, 복잡한 오브젝트로부터의 이들 점 회절 패턴들의 상호작용은 불가능할 정도의 조밀하고 복잡한 패턴을 생성하므로, 상기 패턴은 비디오 카메라에 의해 전혀 분해될 수 없다. 오브젝트를 기록 평면에 포커싱함으로서 이들 회절 패턴들을 제거하므로, 최근의 고해상도 비디오 카메라는 적당한 충실도를 갖는 홀로그램을 기록할 수 있다.

기록 매체가 100 lines/mm 를 분해할 수 있는 경우, 홀로그래피 해상도는 대략 16 lines/mm 즉 단위 확대 비율 1에서 50마이크론 정도일 것이다. 이 한계는 확대 렌즈를 사용하여 증가될 수 있다. 100 lines/mm 의 카메라 해상도에 대해, 확대 비율 10이 사용되는 경우 홀로그램 해상도는 대략 160 lines/mm 정도가 될 것이다. 유사하게, 공간 해상도는 기록 카메라상의 최초 영상의 소정의 축소에 의하여 감소될 것이다.

본 발명은 몇몇 대체 접근법들로도 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 각 픽셀마다 홀로그램 위상과 진폭의 헤테로다인 포착보다는 위상 편이를 사용할 수 있다. 위상 편이 간섭계는 문헌에 잘 기록되어 있다. 또 다른 예로서, 본 발명은 인텐서티 패턴을 광감성 크리스탈에 기록하는 많은 다른 방법들을 사용할 수 있다. 이들은 (공간 광 변조기를 사용하는 것이 아니라) 예리하게 포커싱된 주사 레이저 빔을 사용하는 단계, 레이저 빔을 바이어스하지 않고 공간 광 변조기(SLM)로 기록을 행하는 단계, 및 기록 구조에 대한 많은 가능한 기하학적인 변형들을 포함한다. 다른 예로서, 본 발명은 홀로그램을 재생할 회절 격자를 생성하기 위해서 위상 변화 이외의 다른 광학 효과들을 채용하는 광감성 크리스탈을 사용할 수 있다. 또 다른 예로서, 본 발명은 실제로 매우 미세한 픽셀로 이루어진 공간 광 변조기를 사용하여 인텐서티 패턴을 생성할 수 있으며, 이에 따라 인텐서티 패턴을 홀로그램 재생용의 광감성 크리스탈에 기록할 어떠한 필요도 미연에 방지할 수 있다.

예

본 발명의 특정 실시예는 여러가지 중요한 특성들을 상세히 설명하는 아래의 비제한적인 예에 의해 기술될 것이다. 본 예는 단지 본 발명을 실시하는 방법에 대한 이해를 돕고 당업자들이 본 발명을 실시하게끔 하는데 목적이 있다. 따라서, 본 예는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안될 것이다.

도 3a는 디지털 방식의 홀로그래피의 전형적인 "미켈슨(Michelson)" 기하학 배치의 사시도를 보여준다. 레이저 광이 빔 스플리터(310)로 제공된다. 빔 스플리터(310)로부터의 오브젝트 빔은 반도체 웨이퍼 설치대(320)로 진행하고, 그 다음 포커싱 렌즈(330)로 진행한다. 반면, 빔 스플리터(310)로부터의 레퍼런스빔은 압전(piezoelectric) 레퍼런스 빔 반사경 설치대(340) 위에 장착된 레퍼런스 빔 반사경으로 진행한다.

도 3b는 전형적인 기록용 "미켈슨(Michelson)" 기하학 배치의 또 다른 사시도를 보여준다. 이 도면에서, 장치의 다른 하부 부품들에 관해 디지털 방식의 CCD 카메라(350)의 위치가 보다 쉽게 인식될 수 있다. 이 도면에서, 오브젝트 목표 설치대(360)의 위치 역시 보다 쉽게 인식될 수 있다. 도 4는 반사경의 스크래치(이 경우에 있어서의 오브젝트)에 대한 헤테로다인(측파대) 홀로그램이다. 이 홀로그램은 도 3a-3b에서 설명되고 전술된 디지털방식 홀로그래피 시스템으로 만들어진다. 홀로그램에서 관측될 수 있는 줄무늬들은 레퍼런스 및 오브젝트 빔들 사이의 간섭에 기인한다. 레퍼런스 빔 반사경은 이들 줄무늬들을 생성하도록 조금 기울어져 있다. 이들 줄무늬들이 존재함으로서 홀로그램의 푸리에 변환 분석에 의해 홀로그램의 픽셀들에 대한 위상과 진폭을 계산할 수 있게 된다. 푸리에 변환 분석은 아래에서 보다 상세히 토론될 것이다.

도 5는 도 4의 2차원 푸리에 변환의 도식적인 플롯이다. x축은 x 차원을 따라 존재하는 공간 주파수 축이고 그리고 y축은 y 차원을 따라 존재하는 공간 주파수 축이다. 실제 데이터 자체는 주파수 공간(f_x,f_y)에서 특정 공간 주파수의 세기에 대응하는 수들로 이루어진 행렬이다. 백색 점들의 수와 밝기는 도 4에 존재하는 공간 주파수들의 주파수 공간에서의 세기와 위치를 보여준다. 도 5로 부터, 레퍼런스 빔 줄무늬들이, 실제 및 가상 홀로그램 영상들이 축을 벗어나게하고 주파수 공간에서 그들이 분리되게 하는 헤테로다인 국부 발진기로서 작용한다는 것을 알 수 있다. 섀넌(Shannon)의 정리(또는 나이키스트(Nyquist) 한계)로부터 적어도 줄무늬당 2개의 픽셀들이 줄무늬를 분해하는데 요구됨을 알 수 있고, 전자 홀로그래피로부터 분해 가능한 특징마다 적어도 3개의 줄무늬들이 홀로그램에서 오브젝트를 분해하는데 요구됨을 알 수 있다(보통은 반송파 공간 주파수와 오브젝트 주파수의 해상도를 허용하기 위해서 특징당 3개 내지 4개의 줄무늬가 필요하지만, 그러나 Voelkl등에 의한 확장된 푸리에 변환에 대한 연구는 특징당 2개의 줄무늬들을 사용할 수 있도록 한다). 따라서, 이들 2개의 제한사항들이 홀로그램에서 특징(공간 주파수)을 분해하기 위해 오브젝트에 요구되는 오브젝트의 확대비율 및 레퍼런스 빔과 오브젝트 빔 사이의 경사각을 결정한다.

도 5에 도시된 데이터는 푸리에 공간의 축을 헤테로다인 반송파 주파수(오브젝트 빔과 레퍼런스 빔 사이의 작은 각도의 경사에 의해 발생된 공간 주파수)의 정상에 위치하도록 변환하고(편이시키고), 그 다음 최초 원점 주위의 신호들을 차단(cut off)하는 디지털 필터(예컨대, 하닝(Hanning) 또는 버터워스 필터(Butterworth filter))를 제공하며 (이들은 실제로 자기 자신과 상호작용하는 레퍼런스 빔 및 자기 자신과 상호작용하는 오브젝트 빔으로부터 생성되는 신호들이고, 홀로그램의 관점에서 보면 단지 잡음이다), 그 다음 역 푸리에 변환을 실행함으로써 분석된다. 이러한 모든 분석은 디지털 컴퓨터상에서 실행될 수 있고 그리고 실시간으로 수행될 수 있다. 실시간 분석은 초당 30프레임의 프레임 비율을 성취하기 위해서 30 내지 100개 정도의 고성능 병렬 처리기들(예컨대, Pentium Pro 또는 DEC Alpha)을 요구한다. 이러한 크기의 컴퓨터 시스템들은 일반적으로 현재 커다란 데이터베이스 서버 및 주식시장 계산 엔진들로서 사용된다. 그들은 또한 단기 저해상도 날씨 예보와 영화산업용 영상 처리 및 생성에 적합하다. 그러한 시스템들은 6 내지 10 년 내에 데스크탑 시스템이 될 수 있을 것으로 기대된다.

도 6은 도 5의 데이터(홀로그램)에 대한 전술한 분석을 실시하여 생성된 위상 데이터의 재생을 보여준다. 데이터를 실제 홀로그램으로서 재생하는 일은 광학 크리스탈에서 회절 격자의 생성과, 정확한 각도에서 레이저 광(또는 적절하게 처리된 백색광)으로 회절 격자를 조명하는 것을 필요로 한다. 실제로 광학적으로 민감한 크리스탈에 기록될 데이터는 함수 f(x,y,z₀)를 홀로그램 데이터의 각각의 픽셀 h(x,y,z₀)에 더함으로써 홀로그램 데이터로부터 계산되고, 여기서 두 함수들은 복소수이며,

f(x,y)= e^ikcos(α)r

r은 x²+y²+z² ₀의 제곱근이다.

상기 부가된 지수 함수는 물리적으로 홀로그램의 최초 오브젝트 파와 각도(α)로 교차하는 평면파를 더하는 것을 의미한다. 이 합으로 만들어진 함수는 절대치 인텐서티 함수를 형성하도록 자신의 복소 공액으로 곱하여 지며, 이는 광감성 크리스탈에 레이저로 기록된다(오브젝트에 레퍼런스 빔의 인텐서티 교차항(intensity cross-term)만을 기록하고, 자기 상관항을 버리는 것이 또한 가능하다). 따라서 광감성 크리스탈에 생성된 회절 격자는 레이저 광이 각도(α)로 조명되어 최초 홀로그램을 재생할 수 있다. 레이저 광으로 기록될 시 일시적인 위상 변화나 굴절 지수 변화가 일어나는 크리스탈이 사용되는 경우, 그 다음 순간적으로 획득되거나 저장된 홀로그램들로부터 새로운 영상을 연속적으로 기록하고 또 다른 레이저(또는 적당하게 처리된 백색광)로부터의 레이저 광을 가지고 각각의 영상을 각도(α)로 조명함으로써, 3차원 영화 또는 3차원 텔레비젼 영상이 생성될 수 있다. 이것은 광감성 크리스탈에 홀로그래피 영상을 기록한 다음 영상을 재생하기 위한 단지 가능한 한 가지 방법이지 가능한 유일한 방법은 아니다.

도 7은 본 발명을 사용하여 영화 또는 텔레비전을 생성하는 방법을 나타낸다. 홀로그램은 크리스탈에서 2개의 레이저 빔을 교차시킴으로써 위상 변화 또는 다른 광학적으로 액티브한 크리스탈에 기록된다. 레이저 빔(1)은 SLM(spatial light modulator:공간 광 변조기)을 통과하여 홀로그램 인텐서티 패턴이 상기 최초의 홀로그램으로부터 수학적으로 생성된 인텐서티 함수로 변조되게 된다. 포커싱 렌즈는 위상 변화 크리스탈의 이러한 패턴을 레이저 빔(1)과 레이저 빔(3)의 교차점에 포커스하며, 이들 2개 레이저들의 결합된 인텐서티는 이 패턴을 크리스탈에 기록하기에 적합하다. 이 패턴이 기록된 후에, 각도(α)로 크리스탈에 입사하는 레이저 빔(2)은 최초 홀로그램을 재생한다.

광파 홀로그래피로의 도입

여기에 기술된 홀로그램 처리 단계들을 보다 쉽게 이해할 수 있도록, 우선 축을 벗어난 홀로그래피 성질을 간략하게 검토해 보기로 한다. 간섭성이 높은 전자 소스, 예컨대 전계 방출 전자총을 사용하는 전자 소스를 갖추고 있는 전자현미경에서, 견본에 입사하는 전자빔은, 이상적으로는 평면파다. 실제로는, 조명이 넓은 영역으로 퍼지는 경우, 적당한 근사법으로 성취될 수 있다. 이러한 이상적인 경우에, 현미경 내의 오브젝트는 입사하는 평면파

를

오브젝트 파

로 수정하며, 이는 다음과 같이 정의된다.

(1)

과

은 실수 함수이고 그리고 오브젝트 진폭과 오브젝트 위상을 각각 나타낸다. 벡터

은 견본 평면, 즉 (x,y) 평면의 벡터다. 간략화를 위해, 배율과 영상 회전을 무시하면, 영상 평면과 오브젝트 평면의 벡터들이 일치한다.

축을 벗어난 홀로그램을 기록할 때, 오브젝트는 이상적으로 복프리즘 (biprism)의 한쪽 면에만 위치된다. 그 다음, 복프리즘은 영상파(또는 실험 설정에 따라서는 오브젝트 파)를 레퍼런스 파, 즉 복프리즘의 반대쪽 면의 파장과 중첩시킨다(Liche, 1986; Joy 외, 1993; Mollenstedt & Duker, 1956; Tonomura, 1993). 이상적으로는, 레퍼런스파는 견본의 어떤 부분을 통해서도 지나가지 않는 평면파다. 그러나, 이것이 배타적인 조건은 아니며, 레퍼런스파가 견본을 통과하는 경우, 또는 자계나 전계에 의해 변형되는 경우 만족스러운 결과들이 여전히 성취될 수 있다. 복프리즘 하의 영상 평면에서, 영상 인텐서티

를 발견할 수 있다.

(Volkel & Lichte, 1990)

(2)

여기서 부가적인 항

은 비탄성적으로 산란된 광자를 고려한다.

항은 홀로그래피 줄무늬들의 공간 주파수를 나타낸다.

와

은 영상의 진폭 및 위상을 나타내고, 상기 진폭과 위상은 대물렌즈(및 다른 방해 소스원들)의 수차때문에 오브젝트의 진폭 및 위상과 다르다. μ항은 어떤 오브젝트도 사용되지 않았을 때, 즉 A=1, I^intel및 Φ가 0 일 때 간섭 줄무늬들의 콘트라스트를 나타낸다.

도 8에서, 비결정질 탄소 포일(foil)상의 금 입자들의 홀로그램으로부터 선택된 작은 영역이 간섭 줄무늬들을 나타내기 위해 디스플레이된다. 줄무늬들은 왼쪽 상측으로부터 영상의 오른쪽 바닥 구석으로 진행한다. (복소)영상 파에 대한 정보를 추출하기 위해서, 그리고 그로부터 진폭과 위상을 추출하기 위해서, 영상 인텐서티

를 푸리에 변환(FT)하면, 다음과 같은 것을 구할 수 있다.

(3)

여기서 *는 컨벌루션(convolution)을 나타낸다.

도 8의 홀로그램의 푸리에 변환이 도 9에 디스플레이된다. 중심 영역은 '자기 상관(autocorrelation)'으로서 공지된 것이고, 이것은 종래 영상의 푸리에 변환에 대응한다. 이 영상에서 흥미있는 특징들은 자기상관 둘레에 귀와 같이 보이는 '측파대'이다. 자세히 보면, 예컨대 측파대 중심에 관해 중심대칭이 아니며, 즉 반대 빔들은 동일한 인텐서티를 갖지 않음을 알 수 있고, 이것은 수학적으로 당연한 결과이다.

식(3)의 마지막 2줄은 도 9의 2개의 측파대에 대응한다. 푸리에 변환으로부터 측파대들 중 하나를 격리시킴으로서, 복소 영상파의 푸리에 변환을 보유하게된다. 색수차를 무시하면, 복소 영상파의 푸리에 변환은 아래 방법에서와 같이 복소 오브젝트파의 푸리에 변환과 일치한다.

(4)

여기서

항은 아이소플래너틱(isoplanatic)파 수차를 나타낸다. 여기서,

는 푸리에 공간(또는 역수 공간), 즉 대물렌즈의 후면 초점 평면에서의 2차원 벡터다.

가 공지된 경우, 이 정보가 점 해상도(Tonomura 외, 1979; Fu 외, 1991)의 향상을 초래하는

의 영향을 상쇄시키는데 사용될 수 있음을 이 식으로부터 명백하게 알 수 있다. 고해상도 크리스탈 구조 영상들에 대한 해석이 보다 직관적이 되기 때문에, 이것은 바람직하다.

현미경의 점 해상도에 대한 가능한 개선 외에, 광파 홀로그래피에 대한 또 다른 중요한 특징은 영상 위상에 대한 직접적인 접근 가능성이다. 사인(sin) 함수(Reimer,1989)로서 도 10a에 도시된 통상적인 콘트라스트 전달 함수와는 대조적으로, 오브젝트 위상을 영상 위상화 하여주는 전달 함수는 코사인 함수로 기술된다. 이 전달 함수가 도 10B에 표시된다. 코사인 형 전달 함수의 이점은 넒은 영역의 콘트라스트(사이즈〉1nm의 세부)가 감소되지 않는다는 것과, 그리고 점 해상도가 조금 떨어진다는 것은 별문제로 하고, 전체 정보량이 Gabor 초점(Weirstall, 1989; Lichte, 1991)의 영상 인텐서티에서 보다 영상 위상에서 더 많다는 것이다. 이것이 영상 위상의 직접적인 디스플레이가 몇몇 경우들에 있어서 영상 인텐서티에 비해 양호하게 되는 이유들 중 하나다.

확장된 푸리에 변환

컴퓨터로 홀로그램을 평가하기 위해, 통상적으로 이산 푸리에 광학이 사용된다. 영상에 대한 이산 푸리에 변환이 최초 영상과 동일한 정보를 포함할 지라도, 통상적으로 이산 푸리에 변환은 이 작업을 실행하는데 이상적인 수단은 아니다.

이것을 설명하기 위해서, 저속 주사 CCD 카메라로부터 용이하게 구해지는 N X N 사이즈의 픽셀들로 이루어진 이산 영상을 고려해본다. CCD 카메라의 1 픽셀 크기가 치수 d X d 를 갖고, 인접하는 픽셀들간의 거리도 d라고 가정하자. 영상 함수 I(x,y)는 각 픽셀에서 기록되고, 다음과 같은 값을 갖는다.

(5)

여기서, m,n=1,...,N 이다. I_m,n은 픽셀 면적에 대한 적분 때문에, 픽셀 ((m-1/2)d,(n,-1/2)d)의 중심에서의 함수 I(x,y) 값들과 조금 다르다. 이러한 효과가 다른 것들과 함께 CCD 카메라의 MTF에 기여한다. 이것을 토론하기 위해서, MTF가 보정되었으며 그리고 그에 따라 I((m-1/2)d,(n,-1/2)d)=I_n,m 이라고 가정할 것이다. 또한 잠시동안 I(x,y)가 다음과 같은 형태를 갖는다고 가정한다.

I(x,y) = cos[2π(xu+yv)] (6)

이식은 0≤x,y≤Nd 범위에만 해당하고, 그 밖의 범위에서는 0이다. 디지털화된 영상 I_m,n은 다음과 같다.

I_m,n = cos{2π[(m-1/2)ud + (n-1/2)vd]} (7)

이식은 0≤m,n≤N 범위에만 해당하고, 그 밖의 범위에서는 0이다. 우리는 식(7)에서 공간 주파수에 대한 표본화율 s로서 정의된 줄무늬들에 수직인 방향으로 2π까지 적용되도록 필요한 픽셀들의 수를 정의한다.

:

(8)

이러한 픽셀들의 수는 정수일 필요는 없다. 표본화 이론은, 영상 함수 I(x,y)가 표본화되어 영상의 어떠한 공간 주파수도 나이키스트 한계[12] 아래로 표본화되지 않는다면, 그때 영상 함수는 CCD 카메라 영역 내에 유일하게 정의된다는 것을 설명한다. 즉, 영상 함수 I(x,y)에 대한 모든 공간 주파수들이 s≥2로 표본화되는 경우, 그 때 CCD 카메라 영역 내의 정보 I_m,n ^onI(x,y)가 완전하다. 따라서, I(x,y)가 예컨대 124 X 124 또는 13789 X 13789개의 표본화 점들(즉, 디스플레이 점들)로 디스플레이되는 경우, 실수공간과 푸리에 공간 모두에서, 단지 표시의 문제에 지나지 않을 것이다. 불연속적인 푸리에 변환 FT^d{...}는 다음과 같이 정의된다.

(9)

여기서, N/2≤k,l≤N/2-1 이다. 도 11은 1차원이고 N=32인 식(7) FT^d{I_m}의 푸리에 변환 계수를 보여준다. 확장된 푸리에 알고리즘은 원래 FT^d{I_m} 계수와 식(6) FT^a{I(x)}의 분석 푸리에 변환 계수사이의 표시에 있어서의 놀라운 차이점으로부터 유도되었다. 분석 푸리에 변환 FT_a는 다음과 같이 정의된다.

(10)

FT^a{I(x)}의 계수는 도 12에 표시된다. 도 11과 도 12를 비교하면, 도 12에서 보이는 세부적인 변화들이 도 11에서는 발견되지 않음을 알 수 있다. 또한, FT^a는 푸리에 공간에서 무한대로 확장되는 반면, FT^d는 1/(2d)에서 공지된 나이키스트 한계를 넘어서는 확장될 수 없다.

(이산의) 확장된 푸리에 변환 EFT는 다음과 같이 정의된다.

(11)

여기서, -1≤△k,△l≤1; π/2≤k,l≤Nπ/2-1 이다. 역 확장 푸리에 변환은 다음과 같이 정의된다.

(12)

새로운 변수들 △k, △ 및 π는 디스플레이 점의 수 뿐만 아니라 푸리에 공간의 표시에 있어서의 변화를 허용한다. △k, △l=0 및 π=1, EFT=FT^d 이다.

π의 효과

π의 효과는 도 13으로부터 알 수 있다. π=16, 및 △k, △l=0을 사용하면, 도 11의 N=32 점들 대신에 푸리에 공간에 디스플레이되어 N△=512 개의 점들이 존재한다. 분석 푸리에 변환(도 12)에서 보이는 세부적인 것들이 불연속적인 EFT에서도 분명히 나타난다. 그러나, EFT(π≥1) 및 FT^d는 동일한 정보를 포함한다. 분석 푸리에 변환 계수와 확장된 푸리에 변환 계수를 디스플레이할 시 2가지 차이점들이 아직도 존재한다. 첫번째는, 나이키스트 한계가 확장된 푸리에 변환에 여전히 적용되어 어떤 공간 주파수들도 나이키스트 한계를 넘어서는 나타나지 않는다는 것이다. 두번째는, 제한된 영상 영역이 푸리에 공간에서 보다 높은 주파수들을 야기하며, 상기 높은 주파수들이 나이키스트 한계에 다시 반영되고 그리고 FT^a에서 보이는 매우 미세한 디테일(detail)들이 사라지는 것과 같은 차이점을 야기한다.

△k의 효과

EFT{I_m}에서 △k의 효과가 △k=0.133 및 π=1 인 특별한 경우에 대해서 도 14에 디스플레이된다. 도 11과 비교하면, 2개의 피크들 중 오른쪽에 있는 것은 푸리에 공간의 픽셀(또는 디스플레이 점)과 정확하게 일치한다. 이것이 도 11에 보여진 사이드로브들을 사라지게 한다.

푸리에 공간에서 디스플레이 점들에 대한 이러한 이동은 축을 벗어난 광파 홀로그래피에 매우 중요하고, 특히 영상 진폭을 재구성할 시에 중요하다(대부분의 경우에, 재구성된 위상에서 디스플레이 점에서 떨어져 있는 측파대의 중심에 의해 야기된 웨지(wedge)는 쉽게 보상될 수 있다). 디스플레이 점에서 떨어져있는 측파대 중심의 효과는 재구성된 진폭에 잡음을 야기한다는 것이다.

푸리에 공간에서 재구성된 디스플레이 점의 중심에서 실제로 떨어져 있는 측파대의 중심 효과를 증명할 수 있다. 이것을 증명하기 위해서, 측파대가 푸리에 공간의 디스플레이 점(k,l)상에 정확히 위치하도록 컴퓨터(512 X 512 의 영상 크기)로 빈 홀로그램을 발생시킨다. 이 경우에, 재구성된 진폭은 평탄하고 그리고 실제로 0%의 평균 표준 이탈을 보여준다. 이 생성 시 약간의 변화를 하여, 즉 표본화율 s를 감소시킴으로서, 측파대의 중심이 디스플레이 점들 (k,l)과 (k+1, l+1) 사이에 위치하게 한다. 평균 표준 이탈이 다시 계산되어, 측파대의 중심이 디스플레이 점(k+1,l+1)에 위치하게 될 때까지 계속해서 표본화율을 감소시킨다. 이 시뮬레이션 결과가 도 15에 표시된다. 최악의 경우에, 측파대의 중심이 (k+1/2,l+1/2)에서 발견될 시, 재구성된 진폭의 평균 표준 이탈은 10%에 달한다.

전술된 관측에 근거하여, 아래 재구성 절차가 다음과 같이 유리할 수 있다.

(1) (가능한 경우)오브젝트 기여를 보여주지 않는 영역의 홀로그램을 선택한다.

(2) 이 영역(또는 모든 홀로그램)에 하닝 윈도우(Hanning window)를 적용한다.

(3) FT^d 를 실행하고 그리고 측파대의 정확한 위치 정보를 끌어낸다. 이것이 확장된 푸리에 알고리즘에 대해 △k 및 △l을 정의한다.

(4) △k 및 △l에 대한 정보를 사용하여 EFT를 적용한다. π=1을 사용한다.

(5) 완벽하게 중심에 위치하는 측파대를 격리시킨다.

(6) 역 FT^d 를 실행한다.

(7) 진폭 및 위상을 끌어낸다.

예. 하닝 윈도우를 적용하고 그리고 FT^d 를 실행한다. 측파대의 위치는 Proc. 10th Pfefferkorn Conf. Scanning Microsc. Suppl. 6(1992) 347 에서 W.J. de Ruigter 와 그밖의 사람들이 사용한 값 △k=0.62 및 △l=0.31을 사용하면 (134.62, 172.31)이다. 이들 데이터를 π=1과 함께 사용하여 홀로그램의 EFT를 실행한다. 측파대는 디스플레이 점상에 중심이 위치하고 그리고 결점들은 재구성된 진폭에서 줄어든다.

본 발명의 실제 응용

과학기술 분야 내에서 가치를 갖게되는 본 발명의 실제 적용대상은 컴퓨터 보조 측정을 위한 홀로그래피 간섭이다. 더욱이, 본 발명은 연회 또는 훈련을 목적으로, 또는 그런 종류의 다른 것들을 위해 사용되는 홀로그래피 텔레비젼 또는 영화("홀로비젼")와 연계될 시 유용하다. 광파 홀로그래피 현미경 및 전자 홀로그래피 현미경에 대한 3차원 나노영상화(nanovisualization) 및 측정이 중요한 과학 응용분야에서 기대된다. 실제로 본 발명에 대한 많은 용도들이 존재하는데, 이들 모두가 여기서 열거될 필요는 없다.

발명의 이점

본 발명의 실시예를 나타내는 디지털 방식의 홀로그램 시스템은 비용면에서 효율적이고 그리고 적어도 아래 이유들에 대한 이점이 있다. 고해상도 CCD 그리고 간섭 패턴의 밀도를 CCD가 기록할 수 있는 밀도로 줄이는 광학 기술의 결합이, 간섭계를 위해 개발된 그리고 전자 홀로그래피를 위해 Dr. Voelkl에 의해 개발된 푸리에 변환 기술과 결합되어, 전자 기록 및 홀로그램을 재생하게 해준다.

여기에 기술된 본 발명의 발표된 실시예들 모두는 과도한 실험을 하지 않고도 실현되어 실행될 수 있다. 본 발명을 실행하는 발명자들이 생각하는 최상의 모 드가 전술됐음에도 불구하고, 본 발명의 실행은 그것으로 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 대해 여러가지 부가물, 수정 및 특성들의 재배열은 명백하게 본 발명의 기본 개념의 정신과 범위로부터 벗어나지 않고도 실현될 수 있다. 따라서, 당업자들은 본 발명이 여기에 특정하게 기술된 것으로서 보다는 다른 방법으로도 실행될 수 도 있음을 이해할 것이다.

예를 들면, 개별적인 구성요소들은 발표된 형태들로 형성되거나, 또는 발표된 구조로 조립될 필요가 없고, 실제로 소정 형태와 구조로 조립될 수 있다. 더욱이, 개별적인 부품들은 발표된 재료들로 조립될 필요가 없고, 실제로 적당한 재료들로 제조될 수 있다. 더 나아가서, 여기에 기술된 기록 장비가 물리적으로 개별적인 모듈일지라도, 기록 장비가 관련 장비에 통합될 것은 명백하다. 게다가, 각각의 발표된 실시예들의 발표된 소자들 및 특성들 모두는 그러한 소자들 또는 특성들이 상호 배타적인 실시예를 제외하고는 발표된 모든 다른 실시예의 발표된 소자들 및 특성들과 결합되거나 또는 대체될 수 있다.

부가된 청구의 범위는 모든 그러한 부가물, 수정 및 재배열을 포함한다. 본 발명의 편리한 실시예들은 부가된 종속항들에 의해 차별화된다.

참고문헌

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Claims

레이저(210)와;

상기 레이저에 광학적으로 연결된 빔 스플리터(240; 310)와;

오브젝트 빔 및 레퍼런스 빔을 형성하는 상기 빔 스플리터에 광학적으로 연결되어 레퍼런스 빔 반사경(290)과;

상기 빔 스플리터에 광학적으로 연결된 오브젝트(260)와;

상기 레퍼런스 빔 반사경과 상기 오브젝트 둘다에 광학적으로 연결된 포커싱 렌즈(270; 330)와;

상기 포커싱 렌즈에 광학적으로 연결된 디지털 기록기; 그리고

푸리에 변환을 수행하고, 디지털 필터를 적용하고, 그리고 푸리에 역변환을 수행하는 수단을 포함하는, 푸리에 분석을 위한 공간 헤테로다인 줄무늬들을 포함하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램을 기록하는 장치로서,

상기 레퍼런스 빔 반사경에 비법선 각으로 레퍼런스 빔(280)이 입사되고, 그리고 상기 레퍼런스 빔 및 상기 오브젝트 빔(250)이 상기 포커싱 렌즈에 의해 상기 디지털 기록기의 초점면에 집속되어 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램- 상기 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램은 상기 디지털 기록기에 의해 기록되는 푸리에 분석을 위한 공간 헤테로다인 줄무늬들을 포함한다- 을 형성하며; 그리고

상기 푸리어 역변환을 수행하는 수단은 푸리에 공간에서 공간 헤테로다인 줄무늬들을 포함하는 상기 기록된 저주파 헤테로다인 홀로그램의 축들을 변환함으로써, 상기 레퍼런스 빔과 상기 오브젝트 빔 사이의 각에 의해 정의되는 헤데로다인 반송파 주파수 정상에 위치시킴과 아울러, 상기 푸리에 역변환을 수행하기에 앞서 본래 원점(original origin) 주위의 신호들을 차단하는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 장치.
제 1항에 있어서,

상기 빔 스프리터, 상기 레퍼런스 반사경 및 상기 디지털 기록기는 미켈슨 기하학(Michelson geometry)을 정의하는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 장치.
제 1 또는 2항에 있어서,

상기 디지털 기록기에 연결된 디지털 저장 매체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 장치.
제 1항에 있어서,

상기 디지털 기록기는 CCD 카메라를 구비하는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 장치.
제 1항에 있어서,

상기 레이저와 상기 빔 스플리터의 사이에 광학적으로 연결되는 빔 신장기/공간 필터(230)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 장치.
제 1항에 있어서,

상기 디지털 기록기가 상기 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램의 특징들(features)을 해상할 수 있도록, 상기 레퍼런스 빔과 상기 오브젝트 빔 사이의 각과, 그리고 상기 포커싱 렌즈가 제공하는 배율이 선택되는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 장치.
제 6항에 있어서,

상기 디지털 기록기가 특징(feature)을 해상할 수 있도록, 적어도 두개의 줄무늬들-이들 각각은 줄무늬 당 적어도 두개의 픽셀을 갖는다-이 제공되는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 장치.
푸리에 분석을 위한 공간 헤테로다인 줄무늬들을 포함하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램을 기록하는 방법으로서,

레이저 빔을 레퍼런스 빔(280)과 오브젝트 빔(250)으로 분할하는 단계와;

상기 레퍼런스 빔(280)을 레퍼런스 빔 반사경(290)으로부터 비법선 각으로 반사시키는 단계와;

상기 오브젝트 빔을 오브젝트(260)로부터 반사시키는 단계와;

푸리에 분석을 위한 공간 헤테로다인 줄무늬들을 포함하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램을 형성하기 위하여, 상기 레퍼런스 빔과 상기 오브젝트 빔을 디지털 기록기의 초점면에 집속하는 단계와;

상기 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램을 디지털 방식으로 기록하는 단계와;

상기 레퍼런스 빔과 상기 오브젝트 빔 사이의 각에 의해 정의되는 헤데로다인 반송파 주파수 정상에 위치시키기 위하여, 푸리에 공간에서 공간 헤테로다인 줄무늬들을 포함하는 상기 기록된 저주파 헤테로다인 홀로그램의 축들을 푸리에 변환하는 단계와;

원점(origin) 주위의 신호들을 차단하는 단계와; 그리고

푸리에 역변환을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 방법.
제8항에 있어서,

상기 푸리에 변환은 확장 푸리에 변환인 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 방법.
제 8또는 9항에 있어서,

상기 디지털 방식으로 기록하는 단계는 CCD 카메라(350)로 상기 빔들을 검출하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 방법.
제 8항에 있어서,

상기 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램을 디지털 데이터로 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 방법.
제 8항에 있어서,

상기 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램을 재생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 방법.
제 8항에 있어서,

상기 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램을 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 저주파 헤테로다인 홀로그램 기록 방법.
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