全息技术在光存储中的应用(转)

simem · 发表于 2004-7-30 18:22:00

Application of Holography

Abstract

현재 마이크로 광학 국가지정연구실에서 홀로그램 관련 분야로 연구하는 내용은 크게 2가지로 나눌 수 있는데, 하나는 HDDS(Holographic digital data storage)로 홀로그램을 이용한 차세대 대용량 정보저장장치이고, 다른 또 하나는 NED(Near Eye Display)로써 이것은 현재의 HMD(Head Mounted Display)의 단점을 보완하고 더 나은 휴대성을 가질 수 있는 개인 디스플레이이다.

1. Introduction of Holography

홀로그램(hologram)이란 물체로부터 산란된 정보가 담긴 신호파(signal wave)와 가간섭 기준파(reference wave)로부터 생기는 간섭무늬이다.

홀로그램은 물체에서 산란되어 나오는 빛의 진폭의 제곱인 값만을 기록하는 일반적인 사진기술과는 달리 기록하는 매질의 명암이나 굴절률의 변화로 빛의 진폭뿐만 아니라 위상까지도 기록을 하게 된다. 기록한 간섭무늬에 기준파와 같은 재생파(reconstruction wave)를 입사시키게 되면 기록할 때의 정보를 가진 물체파가 재생되게 되며, 이것은 기록할 때 사용한 정보를 가진 파와 완전히 같은 파이다. 이러한 방법으로 물체에서 빛이 산란되어 나오는 파면 그대로를 재생할 수가 있기 때문에 실제 같은 3차원 이미지를 재생할 수가 있다.

일반적인 홀로그램의 기록과 재생 원리는 다음과 같다. 신호파 Us 와 기준파 Ur 이 간섭하여 매질에 기록되면, 홀로그램의 진폭과 위상에 대한 투과율(complex amplitude transmittance) t 는

와 같이 나타낼 수 있다. 여기서 Ir 과 Is 는 각각 기준파와 신호파의 세기이며, 이렇게 생성된 홀로그램에 기록할 때 사용한 것과 같은 기준파 Ur 을 입사시키면 결과적으로 다음과 같은 식으로 나타나게 된다.

위의 식에서 우변의 첫째, 둘째 항은 상수 값을 나타내며, 셋째 항이 재생 시 사용한 기준파 Ir 의 세기만큼 증폭된 신호파의 정보를 갖고 있는 원래의 파(original wave)가 재생되는 것을 나타낸다. 넷째 항은 원래의 파가 Ur2 만큼 변조된 신호파의 복소공액 이미지(conjugate image)이다.

아래의 그림은 지금까지 설명한 홀로그램의 기록과 재생 방법을 나타낸 것이다.

기록매질의 두께에 의해 신호파와 기준파의 간섭무늬의 3차원적인 구조가 기록매질의 부피 전체에 기록되는 홀로그램을 부피 홀로그램(volume hologram, thick hologram)이라 한다. 일반적으로 부피 홀로그램은 다음과 같은 매개변수 Q 로 구분을 하며, Q 값이 2π 보다 큰 경우에 홀로그램은 “두껍다”라고 하며 2π 보다 작은 경우에는 “얇다”라고 한다.

여기서 λ0 는 재생할 때 사용하는 빛의 진공 중에서의 파장, n 은 매질의 굴절률, Λ 는 홀로그램의 격자간격, d 는 기록매질의 두께이다. 부피 홀로그램의 경우에 신호파와 기준파에 의한 간섭무늬의 기록은 홀로그램의 두께로 인하여 3차원 구조를 고려한 다음의 식으로 나타난다.

부피 홀로그램의 경우에는 격자의 재생을 위한 기준파의 입사각이

의 조건을 만족하는, 즉 회절된 파의 경로차가 보강간섭인 경우에만 신호파를 재생하게 되는데 이것을 Bragg condition이라 하며, 이 경우 입사각 α 를 Bragg angle이라 한다.

2. NED(Near Eye Display)

개인용 디스플레이는 PDA(personal digital assistants)등의 발달에 따라 휴대하기 간편하고, 가볍지만 큰 화면을 볼 수 있는 방향으로의 연구와 개발이 진행되어 왔으나, 현재까지의 휴대 가능한 개인용 디스플레이는 머리나 이마에 장착하는 HMD(head mounted display)의 형태로 일반 굴절 렌즈 및 프리즘을 사용하기 때문에 부피가 크고 무거우며, 광학계들로 앞이 막혀있기 때문에 화면 이외의 바깥 배경을 볼 수 없다는 단점이 있다. 이에 반해 부품들을 HOE(holographic optical element)들로 구성을 하면 전체 광학계가 얇고 가벼워질 수 있을 뿐만 아니라, 재생되는 화면을 투과 형으로 만들 수가 있어 바깥 배경도 보면서 원하는 화면을 볼 수가 있다. 이러한 새로운 개념의 디스플레이를 NED(near eye display)라 부르며, WGH(waveguide hologram)로 제작을 하여 안경과 같은 형태나 안경에 간단하게 장착할 수 있는 형태로의 연구가 진행 되어 왔다.

본 실험실에서는 홀로그램 다중화 방법을 이용하여 두 가지 색(red, green)을 재생할 수 있는 HOE 렌즈와 회절격자를 설계/제작하고, 이것들을 얇은 기판에 부착한 WGH형태의 NED 시스템을 구현하였다.

NED의 구성을 자세히 살펴보면, 우선 플라스틱과 같은 가벼운 매질을 기판(substrate)으로 사용하여 기판 내부에서 물체의 이미지가 거울을 사용하지 않고 렌즈로 입사 되도록 하였는데, 이것은 빛의 전반사를 이용한 것이다. 또한 기판의 한쪽 면에는 HOE 렌즈 부착하여 기존의 렌즈에 비해 두께와 무게를 현저히 감소시킬 수 있다.

아래의 그림은 이와 같이 하나의 기판에 집적되게 구현한 디스플레이의 구조를 나타내고 있다.

물체에서 나온 이미지 정보는 기판 내부에서 전반사를 통하여 전파되고 이렇게 전달된 빛은 기판의 다른 방향에 붙어있는 홀로그램 렌즈를 통하여 확대된 허상을 눈으로 투영시켜 준다. 실제 이러한 형태로 시스템을 구성하게 되면 전체적인 광학계의 크기가 줄어들게 되어 일반적인 안경에 간단히 부착할 수 있을 정도의 크기로 시스템을 구현할 수 있어 기존의 방법보다 무게와 부피 면에서 큰 장점을 갖게 된다.

아래 그림은 이와 같이 제작한 NED 시스템에 LCD 대신 0.38 inch의 포토마스크 필름을 사용하여 재생되는 이미지를 관측한 것이다.

3. HDDS(Holographic Digital Data Storage)

정보, 전산 산업의 발달이 급속하게 이루어짐에 따라 필연적으로 정보의 저장 및 입출력에 관계된 정보저장장치는 용량의 대량화, 입출력 속도의 고속화가 요구된다. 홀로그램을 이용한 정보저장장치는 데이터 기록/재생의 원리상 체적 홀로그램(volume hologram) 원리를 이용하여 한 점에 대량의 면 정보를 저장할 수 있는 페이지 지향적인 메모리(page-oriented memory)로써 입출력 방식으로 병렬 데이터 처리 방식을 사용하므로 근본적으로 입출력 속도를 초고속화 할 수 있다. 또한, 기계적인 구동 부를 배제한 시스템이 가능하므로 데이터 접근 시간도 매우 빠르게 할 수 있으며, 데이터 저장밀도 측면에서도 초고밀도화가 가능하여 차세대의 대용량 정보저장장치로써 많은 연구가 진행되어 왔다.

위의 Roadmap은 IBM에서 발표한 것으로써, 향후 Data storage의 발전 방향을 보여주는데, 앞으로 2010년 이후부터는 Holography를 이용한 정보저장장치를 사용하게 될 것으로 예상되고 있다. 홀로그램을 사용하는 정보저장장치인 HDDS는 in2당 약 100Gbit의 용량을 가질 수 있으므로, 현재의 DVD와 같은 12cm 크기의 디스크에 Tbyte급 이상의 저장능력을 갖게 할 수 있다. 이러한 저장능력을 가질 수 있는 이유는 Holography를 사용하여 3차원의 매우 작은 부피 안에 2차원의 Data array를 기록/재생할 수 있기 때문이며, 또한 홀로그램의 특성을 이용한 다중화(Multiplexing) 방법을 사용하여 한 자리에 여러 장의 데이터를 기록할 수 있기 때문이다.

아래의 그림은 이러한 HDDS의 기본적인 구조이며, 그 아래의 사진은 현재 실험 중인 시스템을 보여준다.

optgyd · 发表于 2004-7-31 17:42:00

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simem · 发表于 2004-7-31 20:04:00

看看英文的部分就能看明白，主要是最后两幅图。

chenjieen · 发表于 2010-12-30 00:06:22

optgyd optgyd 当前离线积分 3530 IP卡狗仔卡头像被屏蔽	2楼发表于 2004-7-31 17:42:00 \| 只看该作者提示: 作者被禁止或删除内容自动屏蔽
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