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암실에서 광원 B로부터 물체 O로 간섭성 레이저 광선이 조명되면 물체의 형태에 따라 반사·분산·회절해 사진건판 P에 도달한다.

동시에 레이저 광선의 일부는 입사광, 즉 참조빛 A가 되어 거울 M에서 반사된 뒤 역시 건판 P에 도달한다. 이 두 광선은 서로 간섭하여, 두 파의 상대적 크기가 합쳐져 간섭줄무늬라고 하는 복잡한 줄과 나선의 형태를 사진건판 위에 만든다. 간섭줄무늬는 밝고 어두운 부분으로 번갈아 구성되어 있다. 밝은 부분은 건판에 부딪친 두 광선이 일치할 때(정점은 정점과, 골은 골과 만나는 때) 나타난다. 이때 두 광선은 같은 위상이고 서로를 강화시킨다.

골과 정점, 정점과 골이 만나 위상이 다른 경우는 서로를 상쇄시켜 어두운 부분이 된다. 이 현상된 건판은 홀로그램이라고 한다. 건판의 상은 찍힌 물체와는 닮지 않았지만, 물체에서 반사된 광선의 모든 위상과 진폭에 대한 정보를 지니고 있다. 레이저 광선의 2부분(직접광선과 반사광선)은 넓은 각도로 건판 위에서 겹치지만 홀로그램에서는 미세하고 조밀한 간섭무늬로 나타난다. 이러한 간섭무늬의 정보 형태는 사진화되는 물체의 광학적인 모든 정보를 지니고 있다.

위의 그림 중 아랫그림 2에서 볼 수 있듯이 이 과정을 거꾸로 하면 본래 물체의 영상이 재구성될 수 있다(광상). 간섭성 레이저 광선이 홀로그램 음화 H를 조명하면 레이저의 대부분은 중앙의 광선 A로 필름을 통과해 쓰이지 않지만 홀로그램 음화에 미세하고 조밀하게 나타난 간섭무늬는 회절격자로서의 역할을 하여 나머지 광선을 휘거나 회절시켜 홀로그램을 생성한 간섭성 광파의 원상태를 정확히 회복시킨다.

회절된 빛은 레이저의 참조빛으로부터 넓은 각으로 투과된다. 홀로그램의 광원 쪽 C에서 볼 수 있는 허상이 형성되면 그 반대편 B에는 사진화될 수 있는 실상이 나타난다. 이 2개의 재구성된 영상은 입체적 성질을 가지게 된다. 왜냐하면 보통의 사진 제판법이 지닌 진폭의 정보뿐만 아니라, 위상의 정보 또한 지니고 있기 때문이다.

이 위상 정보는 물체의 다양한 외형의 깊이·높이에 대해 정확한 정보를 갖고 있으므로 영상의 3차원적 특성을 제공한다. B지점에서 재구성된 상은 선택된 심도에서 정확한 초점으로, 보통의 사진 수단을 통해 찍을 수 있다.

홀로그램과 재구성된 상과의 외형상 차이점은 사진에서 보이는 것처럼 뚜렷하다. 이 경우 물체는 모피장신구가 있는 왕관 모형이었는데 위쪽의 확대된 부분의 홀로그램은 복잡한 줄무늬 모양이고 아래쪽은 이 홀로그램으로 얻은 상당히 뚜렷한 재구성 영상이다. 홀로그램으로 얻어진 사진화될 수 있는 실상은 요철이 뒤바뀐 상인 반영경이다.

이 반전된 상은 2중 반전으로 제거될 수 있는데, 마치 글씨의 거울상을 다시 거울로 보면 똑바로 되는 것과 마찬가지이다. 홀로그램의 실상은 유용한 특성을 지닌다. 카메라나 현미경은 다양한 심도의 선택지점에 위치하고 초점이 맞추어질 수 있다. 원래의 물체 또한 공간의 그 위치로 옮겨질 수 있다. 홀로그램은 다른 심도의 상(물체의 다른 횡단면)을 제공할 뿐만 아니라 보는 사람의 상이 관찰되는 주된 축을 벗어날 때 다른 방향에서 보여지는 상 또한 제공해준다.

직접적인 상은 이런 조건들하에서 나타날 수 있다. 홀로그래피에서는 연속적인 많은 다중 영상을 1개의 상으로 건판에 기록할 수도 있어서 홀로그래피를 컬러로 실현시킬 수 있다(컬러 사진). 3개의 홀로그램을 각기 다른 색깔의 3개 레이저를 이용해 동일한 건판에 겹쳐놓을 수 있다. 3개의 레이저를 통한 재구성은 홀로그램 건판 자체가 흑백일지라도 원래의 색상으로 상을 나타낸다.