KR100839871B1 - Active vision system for variable view imaging - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 가변 시야 능동 광학계의 구성도,1 is a block diagram of a variable view active optical system according to an embodiment of the present invention;
도 2는 하나의 웨지 프리즘의 회전 각도를 정의한 도면,2 is a view defining a rotation angle of one wedge prism,
도 3은 하나의 웨지 프리즘의 경사각과 편의각을 정의한 도면,3 is a view defining an inclination angle and a bias angle of one wedge prism;
도 4는 두 개의 웨지 프레임이 동일축 상에 위치된 상태에서, 2개의 웨지 프리즘의 회전각(θr1, θr2)과 팬각(θp) 및 틸트각(θt) 사이의 관계를 도시한 도면,FIG. 4 shows the relationship between the rotation angles θ r1 , θ r2 and the pan angle θ p and the tilt angle θ t of the two wedge prisms with the two wedge frames positioned on the same axis. drawing,
도 5a는 2개의 웨지 프리즘을 이용하여 시선 방향을 조절하는 과정을 도시하고, 도 5b는 스캐닝 거울을 이용하여 시야의 위치를 조정하는 과정을 도시한 도면,FIG. 5A illustrates a process of adjusting a gaze direction using two wedge prisms, and FIG. 5B illustrates a process of adjusting a position of a field of view using a scanning mirror;
도 6은 이 발명에 따른 변형 거울의 구조도,6 is a structural diagram of a deformation mirror according to the present invention,
도 7은 이 발명에 따른 한 제르니케 계수에 대한 수차 보정방법을 도시한 동작 흐름도,7 is an operation flowchart illustrating a method for correcting aberration for one Zernike coefficient according to the present invention;
도 8은 최종적으로 설계된 이 발명에 따른 가변 시야 능동 광학계의 구성도,8 is a configuration diagram of a variable view active optical system according to the present invention finally designed;
도 9는 2개의 웨지 프리즘의 구성 예를 도시한 도면,9 is a diagram showing a configuration example of two wedge prisms;
도 10은 파면 수차를 보정하기 전의 파면의 최대값-최소값 오차와, 변형 거 울을 이용하여 파면 수차를 보정한 후의 파면의 최대값-최소값 오차를 정리한 표,10 is a table summarizing the maximum value and the minimum value error of the wavefront before correcting the wavefront aberration, and the maximum value and the minimum value error of the wavefront after correcting the wavefront aberration using the strain mirror.
도 11은 변형 거울의 표면 형상의 예를 도시한 도면,11 shows an example of the surface shape of a deformation mirror;
도 12는 이동거리 δZ의 변화시키면서 획득한 수차 보정 전, 후 영상을 도시한 도면,12 is a diagram illustrating an image before and after aberration correction acquired while changing a moving distance δZ;
도 13과 도 14는 도 9에 도시된 2개의 웨지 프리즘의 구성 예에서, 수차를 보정하기 전 획득된 영상과, 수차를 보정한 후 획득된 영상을 도시한 도면,13 and 14 illustrate an image obtained before correcting aberration, an image obtained after correcting aberration, in the configuration example of the two wedge prisms shown in FIG. 9;
도 15는 이 발명에 따른 시스템의 가변 시선 방향 능력을 도시한 도면이다.15 shows the variable line of sight capability of the system according to the invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 > <Brief description of symbols for the main parts of the drawings>
11, 12 : 웨지 프리즘 13 : 스캐닝 거울11, 12: Wedge Prism 13: Scanning Mirror
14 : 변형 거울 15 : 제1렌즈14 deformed
16 : 제2렌즈 17 : 제3렌즈16: second lens 17: third lens
18 : 제4렌즈 19 : 조리개18: fourth lens 19: aperture
OB : 물체 C : 카메라OB: Object C: Camera
이 발명은 가변 시야 능동 광학계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작동 영역 내의 임의의 위치에 있는 미세 물체를 원하는 방향에서 바라볼 수 있도록 하는 가변 시야 능동 광학계에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 가변 시야 능동 광학계를 구현하기 위한 변형 거울의 표면 형상을 제어하는 방법에 관한 것이기도 하다.The present invention relates to a variable field of view active optical system, and more particularly, to a field of view variable optical field of view that enables the micro-objects at any position in the operating area to be viewed in a desired direction. The invention also relates to a method of controlling the surface shape of a deformation mirror for implementing a variable field of view active optical system.
최근 MEMS 기술과 생명공학의 발달로 인해 좀 더 빠른 처리량과 높은 수율이 경쟁력을 좌우하게 되면서 자동화된 미세조립과 미세조작의 필요성이 대두되었다. 이러한 필요성에 부응하기 위해 최근 들어 시각센서를 이용한 미세조립과 미세조작이 시도되고 있다.Recent advances in MEMS technology and biotechnology have led to the need for automated microassembly and micromanipulation, with faster throughput and higher yield dictating competitiveness. In order to meet this need, microassembly and micromanipulation using visual sensors have recently been attempted.
그러나, 시스템에 의해 관측되는 미세물체의 3차원 시각정보가 부족하여 이 미세조립과 미세조작에 어려움이 있으며, 3차원 시각정보가 부족한 원인으로는 가림과 낮은 해상도가 있다. 여기서, 가림이라고 함은 물체의 특징이 되는 중요한 부분이 다른 물체에 의해 가려지는 것을 의미하고, 낮은 해상도는 시각센서가 물체의 위치와 자세를 측정하지 못하는 것을 의미한다.However, there is a lack of three-dimensional visual information of the micro-objects observed by the system, which makes it difficult to finely assemble and manipulate the micro-objects. Here, occlusion means that an important part of an object is covered by another object, and low resolution means that the visual sensor cannot measure the position and posture of the object.
이와 같이 종래의 기술로는 3차원 시각정보가 부족하기 때문에, 시각센서에 의지하여 미세조립 및 미세조작을 할 수 없는 문제점이 있다.As described above, since there is a lack of three-dimensional visual information in the related art, there is a problem in that fine assembly and fine manipulation cannot be performed on the visual sensor.
다만, 거시 세계에서는 시각정보 부족을 해소하기 위한 능동 시각 시스템에 대한 연구가 이미 진행되고 있다. 이 거시 세계에서의 능동 시각 시스템은 주변 환경에 적응하여 위치, 자세, 초점거리, 줌 등의 카메라 변수들을 조정하여, 주어진 일을 수행한다.In the macro world, however, research on an active visual system to solve the lack of visual information is already in progress. Active vision systems in this macro world adapt to their surroundings and adjust camera parameters such as position, posture, focal length, and zoom to accomplish a given task.
그러나, 이러한 능동 시각 시스템을 미시세계에 구현하기는 어려운데, 이는 미시세계의 광학 현미경의 복잡성, 작은 화각, 얕은 초점 심도와 같은 몇 가지 광 학 현미경의 근본적인 문제들로 인해 기인한다.However, it is difficult to implement such an active visual system in the micro world due to some fundamental problems of the optical microscope, such as the complexity of the micro world's optical microscope, small angle of view, and shallow depth of focus.
미시 세계의 광학 현미경에서의 능동 시각 시스템을 개발하고자 하는 시도로서, 다음과 같은 논문들이 제안된 바 있다.In an attempt to develop an active vision system in the optical microscope of the microworld, the following papers have been proposed.
X. Tao, H.S. Cho, 및 Y. Cho가 제안한 논문 "Microassembly of peg and hole using active zooming, SPIE International Symposium on Optomechatronic Technologies(ISOT 2005), Sapporo, Japan, 2005"에서는, 초기 상태에는 넓은 화각을, 나중 상태에는 높은 분해능을 제공하는 능동 주밍 시스템이 개시되어 있다.X. Tao, H.S. In Cho, and Y. Cho's paper "Microassembly of peg and hole using active zooming, SPIE International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT 2005), Sapporo, Japan, 2005", a wide field of view in the initial state and high resolution in the later state An active zooming system for providing is disclosed.
B. Potsaid, Y. Bellouard, 및 J. Wen이 제안한 논문 "Adaptive Scanning Optical Microscope(ASOM): A multidisciplinary optical microscope design for large field of view and high resolution imaging, Opt. Express 13, 6504-6518, 2005"에서는, 능동 스캐닝 광학 현미경(Adaptive Scanning Optical Microscope)이 개시되어 있다. 이 능동 스캐닝 광학 현미경을 이용하면 좁은 영역의 영상을 모아 넓은 화각의 영상을 합성할 수 있을 뿐만 아니라 움직이는 물체도 높은 분해능으로 추적할 수 있다.Paper by B. Potsaid, Y. Bellouard, and J. Wen "Adaptive Scanning Optical Microscope (ASOM): A multidisciplinary optical microscope design for large field of view and high resolution imaging, Opt. Express 13, 6504-6518, 2005" Discloses an Active Scanning Optical Microscope. With this active scanning optical microscope, you can not only capture images in a narrow area and synthesize images with wide angle of view, but also track moving objects with high resolution.
그러나, 이러한 시스템들은 모두 시선의 방향을 바꾸어 가림을 극복하거나 분해능을 향상시키지 못하는 기술의 한계성이 있다.However, all of these systems have limitations in technology that cannot change the direction of the gaze to overcome blindness or improve resolution.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 이 발명의 목적은, 시편의 움직임 없이 가변 시야를 제공하여 가림 현상을 극복하고, 수차를 보정하여 분해능을 향상시키는 가변 시야 능동 광학계를 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention, which is devised to solve the problems of the prior art, is to provide a variable field of view active optical system that provides a variable field of view without moving the specimen, overcomes obstruction, and corrects aberration to improve resolution. .
이 발명의 다른 목적은, 가변 시야 능동 광학계를 구현하기 위한 변형 거울의 표면 형상을 제어하는 방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for controlling the surface shape of a deformation mirror for implementing a variable field of view active optical system.
상기 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 가변 시야 능동 광학계는, 동일축 상에 위치하고 독립적으로 회전하여 원추 내에서 시선 방향을 결정하는 2개의 웨지 프리즘과,The variable field active optical system according to the present invention for achieving the above object comprises two wedge prisms positioned on the same axis and independently rotated to determine the direction of the eye within the cone;
상기 2개의 웨지 프리즘에 의해 변경된 시선 방향을 물체의 표면에 고정시키는 스캐닝 거울을 포함한 것을 특징으로 한다.And a scanning mirror that fixes the eye direction changed by the two wedge prisms to the surface of the object.
또한, 이 발명에 따른 변형 거울 표면 형상 제어방법은, 동일축 상에 위치하고 독립적으로 회전하여 원추 내에서 시선 방향을 결정하는 2개의 웨지 프리즘과, 상기 2개의 웨지 프리즘에 의해 변경된 시선 방향을 물체의 표면에 고정시키는 스캐닝 거울과, 상기 2개의 웨지 프리즘과 상기 스캐닝 거울에 의해 발생하는 수차를 보정하는 변형 거울을 포함한 가변 시야 능동 광학계에서, 상기 변형 거울의 표면 형상을 제어하는 방법에 있어서,In addition, the method of controlling the shape of the deformed mirror surface according to the present invention includes two wedge prisms positioned on the same axis and independently rotating to determine a gaze direction in a cone, and a gaze direction changed by the two wedge prisms to determine the direction of the object. In a variable field active optical system including a scanning mirror fixed to a surface, and a deformation mirror for correcting aberrations generated by the two wedge prisms and the scanning mirror, the method of controlling the surface shape of the deformation mirror,
상기 웨지 프리즘과 스캐닝 거울에 의해 발생하는 파면 수차를 측정하고, 상기 파면 수차에 따른 상기 변형 거울의 표면 형상을 변형하기 위한 제어신호를 계산하고, 상기 계산된 상기 제어신호를 상기 변형 거울에 출력하여, 상기 변형 거울 의 표면 형상을 상기 파면 수차와 동일한 모양이되 그 진폭이 상기 파면 수차의 진폭의 반이 되도록 변형하는 것을 특징으로 한다.Measuring wavefront aberration generated by the wedge prism and the scanning mirror, calculating a control signal for modifying the surface shape of the deformation mirror according to the wavefront aberration, and outputting the calculated control signal to the deformation mirror The shape of the surface of the deformation mirror is the same as that of the wavefront aberration, and the amplitude is modified so that the amplitude is half the amplitude of the wavefront aberration.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이 발명에 따른 가변 시야 능동 광학계 및 이를 위한 변형 거울 표면 형상 제어방법의 일 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of a variable field of view active optical system and a method for controlling the shape of the deformation mirror surface according to the present invention.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 가변 시야 능동 광학계의 구성도이다.1 is a block diagram of a variable view active optical system according to an exemplary embodiment of the present invention.
이 발명의 가변 시야 능동 광학계는 시선 방향과 시야 위치를 가변시켜 미세 물체의 움직임 없이 미세 물체 표면의 다양한 방향에서의 시각을 카메라에게 제공한다.The variable field of view active optical system of the present invention varies the line of sight and the field of view to provide a camera with various views of the surface of the micro-object without movement of the micro-object.
이 가변 시야 능동 광학계는, 동일축 상에 위치하고 독립적으로 회전하여 원추 내에서 시선 방향을 결정하는 2개의 웨지 프리즘(11, 12)과, 2개의 웨지 프리즘(11, 12)에 의해 시선 방향이 변경되더라도 시야를 물체의 표면에 고정시키는 스캐닝 거울(13)을 포함한다. 이 2개의 웨지 프리즘(11, 12)과 스캐닝 거울(13)은 물체(OB)를 서로 다른 시선 방향에서 바라볼 수 있게 해주기 때문에, 이 2개의 웨지 프리즘(11, 12)과 스캐닝 거울(13)의 조합으로 말미암아 미세 물체를 움직이지 않고 가변 시야를 제공할 수 있다.This variable field of view active optical system has two
그러나, 이 2개의 웨지 프리즘(11, 12)과 스캐닝 거울(13)만으로 이루어진 광학계는 수차가 발생하므로, 이 발명에서는 이 수차 보정을 위하여 적응 광학계를 더 포함한다.However, since an aberration occurs in the optical system consisting of these two
이 적응 광학계는 표면 형상이 변형되고 스캐닝 거울(13)을 통해 반사된 시 각을 카메라(C) 쪽으로 반사하는 변형 거울(14)과, 스캐닝 거울(13)과 변형 거울(14) 사이에 위치하는 제1렌즈(15)와, 변형 거울(14)과 카메라(C) 사이에 위치하는 제2렌즈(16)와, 제2렌즈(16)와 카메라(C) 사이에 위치하여 변형 거울(14)의 유효경을 조리개(19)를 이용하여 조절할 수 있도록 하는 제3렌즈(17)와, 제3렌즈(17)를 통과한 영상을 카메라(C)에 결상하는 제4렌즈(18)를 포함한다. 제2렌즈(16)와 제3렌즈(17) 사이에 상평면이 형성된다.This adaptive optical system is provided between the
아래에서는 각 구성요소에 대해 상세하게 설명한다.The following describes each component in detail.
도 2는 하나의 웨지 프리즘의 회전 각도를 정의한 도면이다. 도면에서 θri가 웨지 프리즘의 각도이다. 여기서, i는 프리즘에 대한 인덱스로서, 제1웨지 프리즘은 i를 1로 표시하고, 제2웨지 프리즘은 i를 2로 표시한다.2 is a diagram defining the rotation angle of one wedge prism. Θ ri in the figure is the angle of the wedge prism. Here, i is an index of the prism, the first wedge prism denotes i as 1, and the second wedge prism denotes i as 2.
도 3은 하나의 웨지 프리즘의 경사각과 편의각을 정의한 도면이다. 도면에서 θw가 경사각이고 θd가 편의각이다. 이 경사각과 편의각의 관계는 아래의 수학식 1과 같다.3 is a view defining the inclination angle and the bias angle of one wedge prism. Θ w is the angle of inclination and θ d is the angle of deviation in the figure. The relationship between the inclination angle and the bias angle is shown in
여기서, n은 웨지 프리즘의 굴절률이다.Where n is the refractive index of the wedge prism.
도 4는 두 개의 웨지 프레임이 동일축 상에 위치된 상태에서, 2개의 웨지 프리즘의 회전각(θr1, θr2)과 팬각(θp) 및 틸트각(θt) 사이의 관계를 도시한 도면이다. 2개의 웨지 프레임을 동일축 상에 위치시키고, 각각 독립적으로 회전시키면, 광선은 원추 내의 임의의 방향으로 회전한다. 2개의 웨지 프레임의 회전각(θr1, θr2)과 광선의 팬각(θp) 및 틸트각(θt) 사이의 관계는 아래의 수학식 2와 같다.FIG. 4 shows the relationship between the rotation angles θ r1 , θ r2 and the pan angle θ p and the tilt angle θ t of the two wedge prisms with the two wedge frames positioned on the same axis. Drawing. If two wedge frames are placed on the same axis and each rotates independently, the light beam rotates in any direction within the cone. The relationship between the rotation angles θ r1 and θ r2 of the two wedge frames, the fan angle θ p and the tilt angle θ t of the light beam is expressed by
두꺼운 프리즘에 대한 관계식이 예비 설계를 위해 이용될 수 있으며, 실제 설계시에는 지맥스(ZEMAX)와 같은 렌즈 설계 프로그램을 이용하면 좀 더 정확한 결과를 얻을 수 있다.Relations to thick prisms can be used for preliminary design, and in actual design, more accurate results can be obtained by using a lens design program such as ZEMAX.
도 5a는 2개의 웨지 프리즘을 이용하여 시선 방향을 조정하는 과정을 도시하고, 도 5b는 스캐닝 거울을 이용하여 시야의 위치를 조정하는 과정을 도시한다.FIG. 5A illustrates a process of adjusting the gaze direction using two wedge prisms, and FIG. 5B illustrates a process of adjusting a position of a field of view using a scanning mirror.
도 5a와 같이 2개의 웨지 프리즘을 각각 회전하여 시선 방향을 조절하면, 이 시선 방향과 함께 시야도 함께 변하게 되는데, 이 시야를 한 곳으로 고정하기 위해 스캐닝 거울이 이용된다.As shown in FIG. 5A, when the two wedge prisms are rotated to adjust the line of sight, the field of view is also changed along with the line of sight, and a scanning mirror is used to fix the field of view.
도 6은 이 발명에 따른 변형 거울의 구조도이다. 6 is a structural diagram of a deformation mirror according to the present invention.
수렴하는 광선에 대해 2개의 웨지 프리즘이 사용되는 경우, 수차가 발생하는데, 이 발명에서는 변형 거울을 이용하여 수차를 보정한다. 즉, 변형 거울의 표면 형상을 그 모양은 파면 수차와 동일하고 그 진폭은 파면 수차의 진폭의 반이 되도 록 변형하여, 파면이 변형 거울에서 반사된 후에 수차가 사라지도록 함으로써, 수차를 보정한다.When two wedge prisms are used for converging rays, aberrations occur, in which the aberration mirror is used to correct the aberrations. That is, the aberration is corrected by modifying the surface shape of the deformation mirror so that its shape is equal to the wavefront aberration and its amplitude is half the amplitude of the wavefront aberration so that the aberration disappears after the wavefront is reflected from the deformation mirror.
이때, 변형 거울의 표면 형상은 제르니케 다항식을 이용하여 표현할 수 있고, 거울 구동기의 제어신호에 대한 변형 거울의 표면 형상 변화는 수학식 3과 같은 영향함수를 이용하여 표현할 수 있다.At this time, the surface shape of the deformation mirror can be expressed using the Zernike polynomial, and the change in the surface shape of the deformation mirror with respect to the control signal of the mirror driver can be expressed using an influence function as shown in Equation (3).
여기서, s는 거울 형상에 대한 제르니케 계수의 열벡터(n×1) 이고, x는 거울 구동기에 대한 제어신호의 열벡터(m×1) 이다. A는 n×m 영향함수 행렬로서, A의 요소 aij는 i번째 제르니케 계수 si와 거울 구동기의 j번째 채널에 대한 제어신호 xj 사이의 선형 함수 관계식의 기울기이다. 이 기울기값은 실험을 통해 결정한다.Where s is the column vector (n × 1) of the Zernike coefficients for the mirror shape, and x is the column vector (m × 1) of the control signal for the mirror driver. A is an n × m influence matrix, where element a ij is the slope of the linear function relation between the i th Zernike coefficient s i and the control signal x j for the j th channel of the mirror driver. This slope is determined by experiment.
수학식 3을 변형하면, 원하는 변형 거울의 표면 형상이 주어졌을 때의 거울 구동기의 제어신호를 계산할 수 있으며, 이를 수식으로 표현하면 수학식 4와 같다.By modifying
여기서, A+는 영향함수 행렬의 의사역행렬이며, 이는 특이치 분해 방법을 이용하여 구할 수 있다.Here, A + is a pseudo inverse of the influence function matrix, which can be obtained using the singular value decomposition method.
따라서, 광학계의 파면 수차 정보를 구하면, 이 파면 수차 정보를 이용하여 변형하고자 하는 변형 거울의 표면 형상 정보를 구할 수 있다. 그리고, 이 변형 거울의 표면 형상 정보를 이용하면 거울 구동기의 제어신호를 계산할 수 있게 된다. 이렇게 거울 구동기의 제어신호가 계산되면, 거울 구동기가 변형 거울에 제어신호를 출력하여 변형 거울의 표면 형상을 변형시킨다.Therefore, when the wavefront aberration information of the optical system is obtained, the surface shape information of the deformation mirror to be deformed can be obtained using the wavefront aberration information. Using the surface shape information of the deformed mirror, the control signal of the mirror driver can be calculated. When the control signal of the mirror driver is calculated in this way, the mirror driver outputs the control signal to the deformation mirror to deform the surface shape of the deformation mirror.
즉, 변형 거울을 이용하여 파면 수차를 보정하려면 가장 우선적으로 광학계의 파면 수차를 측정해야 한다.That is, in order to correct the wave front aberration using the deformation mirror, the wave front aberration of the optical system should be measured first.
광학계의 파면 수차를 측정하는 방법으로서, 하트만 혹은 샥-하트만 센서를 이용하는 방법이 주로 사용된다. 그러나, 이 센서들은 안정된 하나의 점광원을 필요로 하는데 반해 미세 물체는 대부분 반사율이 충분하지 못하기 때문에 충분한 광원을 제공할 수 없으며, 따라서 이 센서들을 이용하여 미세 물체의 파면을 정확하게 측정하는 것은 매우 곤란하다.As a method of measuring the wave front aberration of the optical system, a method using a Hartmann or a Schon-Heartmann sensor is mainly used. However, these sensors require a stable point light source, whereas most of the micro-objects cannot provide sufficient light source because they do not have enough reflectance, so using these sensors to accurately measure the wavefront of the micro-objects is very It is difficult.
이 발명에서는 영상으로부터 얻은 초점척도를 이용하여 파면 수차를 측정하는 방법을 제안한다. 포커스(Focus) 초점척도를 구하기 위해 주파수 선택적 가중 중간값 필터(frequency selective weighted median(FSWM) filter) 알고리즘을 사용한다.The present invention proposes a method for measuring wavefront aberration using a focus scale obtained from an image. Focus A frequency selective weighted median (FSWM) filter algorithm is used to find the focus scale.
제르니케 다항식의 직교성에 의해 변형 거울의 표면 형상은 개개의 거울 구동기를 제어하는 대신에 제르니케 모드를 이용하여 제어한다.By the orthogonality of the Zernike polynomial, the surface shape of the deformation mirror is controlled using the Zernike mode instead of controlling the individual mirror drivers.
도 7은 이 발명에 따른 한 제르니케 계수에 대한 수차 보정방법을 도시한 동작 흐름도이다.7 is an operation flowchart showing a method for correcting aberration for one Zernike coefficient according to the present invention.
먼저, i 번째 제르니케 계수에 대한 m번째 반복의 스텝 사이즈 를 초기화하고(S71), 아래의 수학식 5를 이용하여 를 계산한다(S72).First, the step size of the m iteration for the i th Zernike coefficient To initialize (S71), using
여기서, A+는 영향함수 행렬의 의사역행렬이다.Where A + is the pseudo inverse of the influence matrix.
다음, 수학식 6과 같이 정의되는 제어신호 와 를 거울 구동기에 가하고(S73), 그에 따른 영상으로부터 초점척도 와 를 계산한다(S74).Next, a control signal defined as in
다음, 수학식 7과 같이 제어신호를 갱신한다(S75).Next, the control signal is updated as shown in Equation (7).
μ는 상수이고, 는 제어신호 가 변형 거울에 가해졌을 때의 초점척도를 의미한다.μ is a constant, Is the control signal The scale of focus when is applied to the deformation mirror.
다음, 또는 이면(S76) 스텝 사이즈 를 수학식 8과 같이 줄인다(S77).next, or Back side (S76) step size Reduce as shown in Equation (8) (S77).
여기서, ω는 감소계수이다.Where ω is the reduction factor.
다음, Im과 Im -1 간의 차이가 문턱값(Ic)보다 크면(S78) 단계 S72로 되돌아가서 위의 과정을 반복하여 수행하고, Im과 Im -1 간의 차이가 문턱값(Ic)보다 크지 않으면(S78) 종료한다.Next, if the difference between I m and I m -1 is greater than the threshold value I c (S78), the process returns to step S72 and repeats the above process, and the difference between I m and I m -1 is the threshold value ( If it is not larger than I c ) (S78), the process ends.
모든 제르니케 계수에 대해 도 7의 과정을 수행하여, 모든 제르니케 계수에 대한 수차를 보정한다.The process of FIG. 7 is performed for all Zernike coefficients to correct aberrations for all Zernike coefficients.
이 발명의 시스템 설계과정을 설명한다. 먼저, 설계하고자 하는 능동 시각 시스템을 결상계와 조향계로 나누고, 설계 사양에 맞추어 시스템의 레이아웃과 요소를 결정한다. 이 발명에서는 스캐닝 렌즈를 별도로 설계하지 않고, 포스트 오브젝티브 스캐닝 시스템(post objective scanning system)을 이용한다. 포스트 오프젝티브 스캐닝은 상면 만곡을 야기시키는 문제가 있으나, 이 포스트 오브젝티브 스캐닝에 의해 발생하는 상면 만곡은 변형 거울에 의해 보정될 수 있다. 다음, 지맥 스(ZEMAX) 최적화 도구를 이용하여 각 광학요소의 위치를 결정한다. 이 과정을 통해 파장 λ=0.660μm에서 수차를 3.5λ 이내로 줄일 수 있다.The system design process of the present invention will be described. First, the active visual system to be designed is divided into an imaging system and a steering system, and the layout and elements of the system are determined according to the design specification. In the present invention, a post objective scanning system is used without designing a scanning lens separately. Post-objective scanning has a problem of causing top surface curvature, but the top surface curvature caused by this post objective scanning can be corrected by a deformation mirror. Next, determine the position of each optical element using the ZEMAX optimization tool. This reduces the aberration to within 3.5λ at wavelength λ = 0.660μm.
도 8은 최종적으로 설계된 이 발명에 따른 가변 시야 능동 광학계의 구성도이다. 이 발명의 렌즈는 무색수차 규격 렌즈를 사용하고, 웨지 프리즘을 이용하여 얻을 수 있는 편의각이 10도가 되도록 한다. 이때 2개의 웨지 프리즘으로부터 얻을 수 있는 최대 편의각은 20도이다. 이 편의각을 증가시키면 더 넓은 범위의 시야 각도를 얻을 수 있다. 모사 실험에서는 변형 거울의 표면 타입은 제르니케 표준 위상(standard phase)으로 선택한다. 최적 형상을 구하기 위해 수차 계수와 같은 거울 형상을 초기값으로 두고, 최적화를 수행한다. 이러한 방법으로 최적화 과정에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.8 is a schematic diagram of a variable view active optical system according to the present invention finally designed. The lens of the present invention uses achromatic aberration standard lens, and the bias angle obtained by using the wedge prism is 10 degrees. In this case, the maximum deviation angle obtained from the two wedge prisms is 20 degrees. Increasing this bias allows a wider range of field of view. In simulation experiments, the surface type of the deformation mirror is chosen as the Zernike standard phase. In order to find the optimum shape, the mirror shape such as the aberration coefficient is set as an initial value and optimization is performed. In this way, the time required for the optimization process can be reduced.
도 9는 2개의 웨지 프리즘의 구성 예를 도시한 도면으로서, 제1웨지 프리즘과 제2웨지 프리즘의 회전각(θr1, θr2)이 일치하는 경우와, 180도 차이가 나는 경우가 있으며, 2개의 웨지 프리즘의 회전각 차이에 따라 물체의 관찰 지점 및 방향이 달라지고 또한, 그때의 스캐닝 거울의 회전각(θs)에 따라서도 물체의 관찰 지점 및 방향이 달라진다.FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of two wedge prisms, in which the rotation angles θ r1 and θ r2 of the first wedge prism and the second wedge prism coincide with each other, and may be 180 degrees different. The observation point and direction of the object vary according to the difference in the rotation angles of the two wedge prisms, and the observation point and direction of the object also vary according to the rotation angle θ s of the scanning mirror at that time.
도 10은 파면 수차를 보정하기 전의 파면의 최대값-최소값 오차와, 변형 거울을 이용하여 파면 수차를 보정한 후의 파면의 최대값-최소값 오차를 정리한 표이다. 도 10을 참조하면 변형 거울의 수차 보정 능력을 확인할 수 있다.FIG. 10 is a table summarizing the maximum value and the minimum value error of the wavefront before correcting the wavefront aberration, and the maximum value and the minimum value error of the wavefront after the wavefront aberration is corrected using the strain mirror. Referring to FIG. 10, the aberration correction capability of the deformation mirror may be confirmed.
도 11은 변형 거울의 표면 형상의 예를 도시한 도면으로서, 2개의 웨지 프리 즘의 회전각과 스캐닝 거울의 회전각에 따라 변형 거울이 다양한 형상으로 변형됨을 알 수 있다.11 is a view showing an example of the surface shape of the deformation mirror, it can be seen that the deformation mirror is deformed into various shapes according to the rotation angle of the two wedge prism and the rotation angle of the scanning mirror.
이 시스템의 변형 거울은 움직이는 물체의 초점을 동적으로 맞추는 능력을 갖는다. 변형 거울의 동적 초점 맞춤 능력을 테스트하기 위해 물체를 초점 평면으로부터 δZ 만큼씩 이동시키면서 수차 보정 알고리즘을 적용한다.The deformable mirrors of this system have the ability to dynamically focus moving objects. To test the dynamic focusing ability of the deformation mirror, an aberration correction algorithm is applied while moving the object by δZ from the focal plane.
도 12는 이동거리 δZ의 변화시키면서 획득한 수차 보정 전, 후 영상을 도시한 도면이다. 이동거리 δZ가 증가할수록 수차 보정에 소요되는 시간이 증가하고, 최종 초점척도의 값이 감소한다. 이동거리 δZ가 8mm 이상인 경우에는 변형 거울의 수차 보정 범위를 벗어나므로 수차가 보정되지 않는다.FIG. 12 is a diagram illustrating an image before and after aberration correction acquired while changing the moving distance δZ. As the moving distance δZ increases, the time required for aberration correction increases, and the value of the final focus scale decreases. If the moving distance δZ is 8 mm or more, the aberration is not corrected because it is out of the aberration correction range of the deformation mirror.
웨지 프리즘을 이용하여 광학계를 구성한 경우, 코마 수차와 비점 수차와 같은 또 다른 수차들이 발생한다. 이러한 수차들 또한 변형 거울에 의해 보정된다. 변형 거울에 의한 보정 능력을 확인하기 위해 도 13과 도 14는 각각 도 9에 도시된 6개의 구성 예에서, 수차를 보정하기 전 획득된 영상과, 수차를 보정한 후 획득된 영상을 도시한다. 도 13과 도 14를 참조하면, 변형 거울을 사용하면 영상의 화질이 좋아짐을 확인할 수 있다.When the optical system is constructed using the wedge prism, other aberrations such as coma and astigmatism occur. These aberrations are also corrected by the deformation mirror. 13 and 14 show images obtained before correcting aberration and images obtained after correcting aberration, respectively, in the six configuration examples shown in FIG. 9 to confirm the correction capability by the deformation mirror. 13 and 14, it can be seen that the image quality is improved by using the deformation mirror.
도 15는 이 발명에 따른 시스템의 가변 시선 방향 능력을 도시한 도면으로서, (a)는 칩의 정면만을 관측하지만, (b)와 (c)는 웨지 프리즘과 스캐닝 거울을 변형하여 칩의 윗면과 아랫면도 함께 관측할 수 있음을 확인할 수 있다.Figure 15 shows the variable line of sight capability of the system according to the present invention, where (a) only observes the front of the chip, while (b) and (c) modify the wedge prism and scanning mirror to It can be seen that the bottom side can also be observed.
이상에서 이 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 이 발명의 가장 양호한 일 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.Although the technical spirit of the present invention has been described above with the accompanying drawings, it is intended to exemplarily describe the best embodiment of the present invention, but not to limit the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art may make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
이상과 같이 이 발명에 따르면 상황에 따라 시각 방향, 시야 위치, 초점 평면의 위치 등을 변경하여 다양한 시각정보를 제공할 수 있다. 이 발명은 움직이는 3차원 미세물체를 관측하고, 생물학적인 관찰이나 표면 검사, 회로기판검사, 공초점 현미경 등에 활용될 수 있다.As described above, according to the present invention, various visual information may be provided by changing the visual direction, the visual field position, the position of the focal plane, etc. according to the situation. This invention can be used to observe moving three-dimensional micro-objects, biological observation, surface inspection, circuit board inspection, confocal microscope and the like.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101038206B1 (en) * | 2009-02-09 | 2011-05-31 | 한국과학기술원 | Variable view imaging system with combination of telecentric scanner and double wedge prisms |
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