KR102656562B1 - Hyperspectral sensor, hyperspectral imaging system including the sensor, and hyperspectral imaging method using the system - Google Patents

Hyperspectral sensor, hyperspectral imaging system including the sensor, and hyperspectral imaging method using the system Download PDF

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Abstract

본 발명은 윈도우, 상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 복수의 렌즈들을 포함하는 제1 집속부, 상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 윈도우의 상기 후면과 나란한 전면을 갖는 제1 이미지 센서, 상기 제1 집속부 및 상기 제1 이미지 센서와 이격되며, 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 갖는 제1 미러, 상기 제1 미러와 이격되는 제1 광 소자, 상기 제1 광 소자와 이격되며, 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖는 제2 광 소자, 상기 제2 광 소자와 이격되며, 복수의 렌즈들을 포함하는 제2 집속부, 및 상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되는 제2 이미지 센서를 포함하는 초분광 센서, 이를 포함하는 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용한 초분광 이미징 방법을 제공한다.The present invention relates to a window, a first focusing unit provided on the rear of the window and including a plurality of lenses, and a first image sensor provided on the rear of the first focusing unit and having a front side parallel to the rear of the window. , a first mirror spaced apart from the first focusing unit and the first image sensor and having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window, a first optical element spaced apart from the first mirror, the first optical element, and A second optical element spaced apart and having an internal periodic refractive index distribution, a second focusing unit spaced apart from the second optical element and including a plurality of lenses, and a second image provided on the rear surface of the second focusing unit. A hyperspectral sensor including a sensor, a hyperspectral imaging system including the same, and a hyperspectral imaging method using the same are provided.

Description

초분광 센서, 이를 포함하는 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용한 초분광 이미징 방법{Hyperspectral sensor, hyperspectral imaging system including the sensor, and hyperspectral imaging method using the system}Hyperspectral sensor, hyperspectral imaging system including the same, and hyperspectral imaging method using the same {Hyperspectral sensor, hyperspectral imaging system including the sensor, and hyperspectral imaging method using the system}

본 발명은 초분광 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일반 카메라 광학계 및 초분광 광학계를 포함하는 초분광 센서, 이를 포함하는 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용하여 분석 대상의 스펙트럼을 파악하는 초분광 이미징 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hyperspectral sensor, and more specifically, a hyperspectral sensor including a general camera optical system and a hyperspectral optical system, a hyperspectral imaging system including the same, and a hyperspectral imaging method for determining the spectrum of an analysis target using the same. It's about.

위험물, 농업 작물의 생육 상태 및 호소의 녹조 번성 등을 넓은 영역에서 탐지하기 위해서 공간적인 분포 외에 해당 물체의 분광학적 특성을 파악할 수 있는 초분광 센서가 사용되고 있다. 이러한 초분광 센서는 유인 항공기 및 소형 무인 비행체에 탑재되고 있다. 소형 무인 이동체에 탑재되는 경우에 활용 범위가 매우 넓어지는 장점이 있어 이를 실현하기 위한 연구가 진행 중이다.Hyperspectral sensors that can determine the spectral characteristics of the object in addition to its spatial distribution are being used to detect hazardous substances, the growth status of agricultural crops, and green algae blooms in lakes in a wide area. These hyperspectral sensors are mounted on manned aircraft and small unmanned aerial vehicles. It has the advantage of greatly expanding its range of use when mounted on a small unmanned vehicle, so research is underway to realize this.

특히, 초분광 센서가 초점 거리를 갖는 구성들을 많이 포함할 경우, 센서 전체의 크기가 커질 수 있고, 초점 거리를 갖는 구성들 각각에서 발생하는 수차를 보정하기 위해 구조가 복잡해지며 제작이 어려워진다는 문제가 있다. 이에 따라, 초분광 센서의 크기와 무게를 줄이려는 많은 노력이 이루어지고 있다.In particular, when a hyperspectral sensor includes many components with focal lengths, the overall size of the sensor can become large, and the structure becomes complex and manufacturing becomes difficult to compensate for aberrations occurring in each component with focal lengths. There is. Accordingly, many efforts are being made to reduce the size and weight of hyperspectral sensors.

본 발명은 소형화, 간소화된 초분광 센서, 이를 포함하는 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용한 초분광 이미징 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a miniaturized and simplified hyperspectral sensor, a hyperspectral imaging system including the same, and a hyperspectral imaging method using the same.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명의 실시예에 따른 초분광 센서는 윈도우, 상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 복수의 렌즈들을 포함하는 제1 집속부, 상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 윈도우의 상기 후면과 나란한 전면을 갖는 제1 이미지 센서, 상기 제1 집속부 및 상기 제1 이미지 센서와 이격되며, 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 갖는 제1 미러, 상기 제1 미러와 이격되는 제1 광 소자, 상기 제1 광 소자와 이격되며, 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖는 제2 광소자, 상기 제2 광 소자와 이격되며, 복수의 렌즈들을 포함하는 제2 집속부, 및 상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되는 제2 이미지 센서를 포함할 수 있다.A hyperspectral sensor according to an embodiment of the present invention is provided on a window, a rear surface of the window, a first focusing unit including a plurality of lenses, and a rear surface of the first focusing unit, the rear surface of the window and A first image sensor having a parallel front surface, a first mirror spaced apart from the first focusing unit and the first image sensor and a front surface inclined with respect to the rear surface of the window, and a first light spaced apart from the first mirror. element, a second optical element spaced apart from the first optical element and having an internal periodic refractive index distribution, a second focusing unit spaced apart from the second optical element and including a plurality of lenses, and the second focusing unit. It may include a second image sensor provided on the rear side.

상기 제1 광 소자는 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖고, 상기 제1 광 소자의 두께는 상기 제2 광 소자의 두께보다 작을 수 있다.The first optical device may have an internal periodic refractive index distribution, and the thickness of the first optical device may be smaller than the thickness of the second optical device.

상기 제1 광 소자는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.The first optical element may be one or a combination of two or more selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one prism.

상기 제1 미러는 구동부와 연결되고, 상기 제1 미러는 상기 구동부에 의해 회전하도록 구성될 수 있다.The first mirror may be connected to a driving unit, and the first mirror may be configured to rotate by the driving unit.

상기 제2 광 소자에 의해 회절된 광은 상기 윈도우의 상기 후면과 나란하게 진행하도록 구성될 수 있다.Light diffracted by the second optical element may be configured to travel parallel to the rear surface of the window.

상기 제1 미러의 전면은 곡률을 갖는 곡면일 수 있다.The front surface of the first mirror may be a curved surface.

상기 제1 미러와 상기 제1 광 소자 사이의 제3 광 소자를 더 포함하되, 상기 제3 광 소자는 클로즈업 렌즈(close-up lens) 또는 색지움 렌즈(achromatic lens)일 수 있다.It further includes a third optical element between the first mirror and the first optical element, wherein the third optical element may be a close-up lens or an achromatic lens.

상기 제2 광 소자 및 상기 제2 집속부와 이격되며, 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 갖는 제2 미러를 더 포함하고, 상기 제2 이미지 센서는 상기 윈도우의 상기 후면과 나란한 전면을 가질 수 있다.It further includes a second mirror that is spaced apart from the second optical element and the second focusing unit and has a front surface inclined with respect to the rear surface of the window, and the second image sensor has a front surface parallel to the rear surface of the window. You can have it.

상기 제2 이미지 센서는 상기 윈도우의 상기 후면과 직교하는 방향으로 연장될 수 있다.The second image sensor may extend in a direction perpendicular to the rear surface of the window.

상기 제1 미러의 전면에 인접하는 제1 셰이드, 및 상기 제2 광 소자의 후면에 인접하는 제2 셰이드를 더 포함하되, 상기 제1 셰이드 및 상기 제2 셰이드 각각은 상기 제2 광 소자에서 회절되지 않는 0차 회절광 성분을 제거하도록 구성될 수 있다.It further includes a first shade adjacent to a front surface of the first mirror, and a second shade adjacent to a rear surface of the second optical element, wherein each of the first shade and the second shade diffracts in the second optical element. It may be configured to remove 0th order diffracted light components that are not present.

본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 시스템은 윈도우, 제1 입사광이 입사되도록 구성되는 제1 광학계, 및 상기 제1 광학계와 이격되며 제2 입사광이 입사되도록 구성되는 제2 광학계를 포함하는 초분광 센서, 상기 초분광 센서의 움직임을 감지 및 제어하도록 구성되는 OIS(optical image stabilization) 모듈, 및 상기 초분광 센서의 상기 제1 광학계 및 상기 제2 광학계, 및 상기 OIS 모듈과 연결되는 프로세서를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 광학계는 상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 입사광을 집속하도록 구성되는 제1 집속부, 및 상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 집속부를 통과한 상기 제1 입사광을 검출하도록 구성되는 제1 이미지 센서를 포함할 수 있고, 상기 제2 광학계는 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 가지며, 상기 제2 입사광을 반사시키도록 구성되는 제1 미러, 상기 제1 미러와 이격되며, 상기 제2 입사광을 회절시키도록 구성되는 제1 및 제2 광 소자들, 상기 제2 광 소자와 이격되며, 상기 제2 광 소자에 의해 회절된 회절광을 집속하도록 구성되는 제2 집속부, 및 상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제2 집속부를 통과한 상기 회절광을 검출하도록 구성되는 제2 이미지 센서를 포함할 수 있다.A hyperspectral imaging system according to an embodiment of the present invention includes a window, a first optical system configured to allow first incident light to enter, and a second optical system spaced apart from the first optical system and configured to allow second incident light to enter. It may include a sensor, an optical image stabilization (OIS) module configured to detect and control the movement of the hyperspectral sensor, and a processor connected to the first optical system and the second optical system of the hyperspectral sensor, and the OIS module. You can. At this time, the first optical system is provided on the back of the window, a first focusing part configured to focus the first incident light, and provided on the back of the first focusing part, and the light passing through the first focusing part It may include a first image sensor configured to detect first incident light, and the second optical system has a front surface inclined with respect to the rear surface of the window, and a first mirror configured to reflect the second incident light, First and second optical elements spaced apart from the first mirror and configured to diffract the second incident light, spaced apart from the second optical element and configured to focus the diffracted light diffracted by the second optical element. It may include a second focusing unit, and a second image sensor provided on the back of the second focusing unit and configured to detect the diffracted light that has passed through the second focusing unit.

상기 제1 광 소자는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합이고, 상기 제2 광 소자는 볼륨 브래그 격자일 수 있다.The first optical element is one or a combination of two or more selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one prism, and the second optical element may be a volume Bragg grating. .

상기 제1 및 제2 광 소자들 각각은 볼륨 브래그 격자이고, 상기 제1 광 소자의 격자 주기는 상기 제2 광 소자의 격자 주기와 다를 수 있다.Each of the first and second optical devices is a volume Bragg grating, and the grating period of the first optical device may be different from that of the second optical device.

상기 OIS 모듈은 상기 초분광 센서와 연결되는 위치 센서들 및 OIS 구동부들, 및 상기 위치 센서들 및 상기 OIS 구동부들과 각각 연결되는 OIS 제어부를 포함하되, 상기 OIS 제어부는 상기 위치 센서들의 위치 정보를 받아 상기 OIS 구동부들에 전달하도록 구성될 수 있다.The OIS module includes position sensors and OIS drivers connected to the hyperspectral sensor, and an OIS control unit connected to the position sensors and the OIS drivers, respectively, wherein the OIS control unit receives location information of the position sensors. It can be configured to receive and transmit it to the OIS driving units.

상기 제2 광학계의 상기 제1 미러와 연결되는 스캔 미러 제어 모듈, 상기 제1 광학계의 상기 제1 집속부 및 상기 제2 광학계의 상기 제2 집속부와 연결되는 집속부 제어 모듈, 및 상기 프로세서와 연결되는 광원 제어 모듈을 더 포함하되, 상기 광원 제어 모듈은 상기 프로세서와 연결되는 LED 드라이버, 및 상기 LED 드라이버와 연결되며 스펙트럼을 미리 알고 있는 LED 광원을 포함할 수 있다.A scan mirror control module connected to the first mirror of the second optical system, a focusing unit control module connected to the first focusing unit of the first optical system and the second focusing unit of the second optical system, and the processor It may further include a light source control module connected to the processor, wherein the light source control module may include an LED driver connected to the processor, and an LED light source connected to the LED driver whose spectrum is known in advance.

본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 방법은 측정 영역을 설정하는 것, 상기 제1 광학계에 의해 기준 이미지를 촬영하는 것, 상기 제2 광학계에 의해 초분광 이미지들을 촬영하는 것, 상기 초분광 이미지들을 합성하는 것, 상기 초분광 이미지들을 합성한 합성 이미지와 상기 기준 이미지를 비교하는 것, 및 측정 결과를 출력하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 제1 광학계는 상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 입사광을 집속하도록 구성되는 제1 집속부, 및 상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 집속부를 통과한 상기 제1 입사광을 검출하도록 구성되는 제1 이미지 센서를 포함하고, 제2 광학계는 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 가지며, 상기 제2 입사광을 반사시키도록 구성되는 제1 미러, 상기 제1 미러와 이격되며, 상기 제2 입사광이 파장 별로 브래그 조건을 만족시키는 각도로 진행하도록 변환하는 파장 별 각도 변환부, 상기 파장 별 각도 변환부와 이격되며, 상기 파장 별 각도 변환부에 의해 회절된 회절광을 집속하도록 구성되는 제2 집속부, 및 상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제2 집속부를 통과한 상기 회절광을 검출하도록 구성되는 제2 이미지 센서를 포함할 수 있다.A hyperspectral imaging method according to an embodiment of the present invention includes setting a measurement area, photographing a reference image by the first optical system, photographing hyperspectral images by the second optical system, and the hyperspectral image. It may include synthesizing the hyperspectral images, comparing the composite image obtained by synthesizing the hyperspectral images with the reference image, and outputting the measurement results. At this time, the first optical system is provided on the back of the window, a first focusing part configured to focus the first incident light, and provided on the back of the first focusing part, and the first focusing part is provided on the back of the first focusing part, and the first focusing part is configured to focus the first incident light. 1 comprising a first image sensor configured to detect incident light, a second optical system having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window, a first mirror configured to reflect the second incident light, the first mirror An angle converter for each wavelength that converts the second incident light to proceed at an angle that satisfies the Bragg condition for each wavelength, and an angle converter for each wavelength, which is spaced apart from the angle converter for each wavelength and diffracted light diffracted by the angle converter for each wavelength. It may include a second focusing unit configured to focus, and a second image sensor provided on the rear surface of the second focusing unit and configured to detect the diffracted light that has passed through the second focusing unit.

상기 제2 광학계에 의해 상기 초분광 이미지들을 촬영하는 것은 복수 회의 촬영 동작들을 포함하고, 상기 촬영 동작들 각각은 상기 제1 미러를 회전시키는 것, 상기 제2 이미지 센서에 의해 초분광 이미지를 촬영하는 것, 및 상기 초분광 이미지의 왜곡을 보정하는 것을 포함할 수 있다.Photographing the hyperspectral images by the second optical system includes a plurality of photographing operations, each of which includes rotating the first mirror and photographing the hyperspectral images by the second image sensor. It may include correcting distortion of the hyperspectral image.

상기 제2 이미지 센서에 의해 상기 초분광 이미지를 촬영하는 것은 광원이 켜진 상태에서 한 번, 그리고 광원이 꺼진 상태에서 한 번 수행될 수 있다.Capturing the hyperspectral image by the second image sensor may be performed once when the light source is turned on and once when the light source is turned off.

상기 측정 영역을 설정하는 것 이전에, 측정 모드를 입력하는 것을 더 포함하되, 상기 측정 모드는 포인트 스펙트럼 측정 모드, 형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드, 공간 저 해상도(low resolution) 측정 모드, 및 공간 고 해상도(high resolution) 측정 모드 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.Before setting the measurement area, it further includes entering a measurement mode, wherein the measurement modes include a point spectrum measurement mode, a spectrum measurement mode after shape recognition, a spatial low resolution measurement mode, and a spatial high resolution measurement mode. It may be any one selected from (high resolution) measurement modes.

상기 파장 별 각도 변환부는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.The angle converter for each wavelength may be any one or a combination of two or more selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one prism.

본 발명의 실시예에 따른 초분광 센서는 볼륨 브래그 격자를 통해 입사광을 필터링할 수 있어서, 센서가 소형화, 간소화되고, 제작 및 정렬이 용이할 수 있다.The hyperspectral sensor according to an embodiment of the present invention can filter incident light through a volume Bragg grating, so the sensor can be miniaturized, simplified, and easy to manufacture and align.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용한 초분광 이미징 방법은 스캔 영역을 최소화할 수 있어 노출 시간이 길어지면 전 영역을 스캔하는 데 오랜 시간이 걸린다는 문제점을 해결할 수 있다.In addition, the hyperspectral imaging system according to an embodiment of the present invention and the hyperspectral imaging method using the same can minimize the scan area, solving the problem that it takes a long time to scan the entire area when the exposure time is long.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 방법은 제1 이미지 센서에 의해 촬영된 기준 이미지를 제2 이미지 센서에 의해 촬영된 초분광 이미지와 비교하는 것에 따라 신뢰도가 개선될 수 있다.Additionally, the reliability of the hyperspectral imaging method according to an embodiment of the present invention can be improved by comparing the reference image captured by the first image sensor with the hyperspectral image captured by the second image sensor.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 도 1에 따른 초분광 센서의 제1 광 소자 및 제2 광 소자를 설명하기 위한 확대도이다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서로 입사하는 광의 경로를 나타내는 개념도들로, 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각각 제1 단면에서의 광 경로를 나타내고, 도 3d는 제2 단면에서의 광 경로를 나타낸다.
도 4, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 7, 도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서에 측정된 이미지를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과들이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서를 포함하는 초분광 이미징 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 이미징 시스템을 이용한 초분광 이미징 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 이미징 시스템을 이용한 초분광 이미징 방법을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다.
1 is a conceptual diagram for explaining the structure of a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view for explaining the first optical element and the second optical element of the hyperspectral sensor according to FIG. 1.
FIGS. 3A, 3B, 3C, and 3D are conceptual diagrams showing the path of light incident on a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention. FIGS. 3A, 3B, and 3C are respectively the light in the first cross section. Figure 3D shows the optical path in the second cross section.
Figures 4, 5, and 6 are conceptual diagrams for explaining the structure of a hyperspectral sensor according to other embodiments of the present invention.
FIGS. 7, 8A, 8B, 8C, and 8D are simulation results for explaining images measured by a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention.
Figure 9 is a conceptual diagram for explaining a hyperspectral imaging system including a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention.
Figure 10 is a flowchart illustrating a hyperspectral imaging method using a hyperspectral imaging system according to embodiments of the present invention.
Figure 11 is a timing diagram for explaining a hyperspectral imaging method using a hyperspectral imaging system according to embodiments of the present invention.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.In order to fully understand the configuration and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.The present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms and various modifications and changes can be made. However, the description of this embodiment is provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to fully inform those skilled in the art of the present invention of the scope of the invention. In the attached drawings, the components are shown enlarged in size for convenience of explanation, and the proportions of each component may be exaggerated or reduced.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.The terms used in this specification are for describing embodiments and are not intended to limit the invention. Additionally, unless otherwise defined, the terms used in this specification may be interpreted as meanings commonly known to those skilled in the art.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.As used herein, singular forms also include plural forms, unless specifically stated otherwise in the context. As used in the specification, 'comprises' and/or 'comprising' refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements. or does not rule out addition.

본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 '상(上)에' 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.When a layer is referred to herein as being 'on' another layer, it may be formed directly on top of the other layer, or there may be a third layer interposed between them.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Although terms such as first and second are used in this specification to describe various regions, layers, etc., these regions and layers should not be limited by these terms. These terms are merely used to distinguish one area or layer from another area or layer. Accordingly, a part referred to as a first part in one embodiment may be referred to as a second part in another embodiment. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof. Parts indicated with the same reference numerals throughout the specification represent the same elements.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서, 이를 포함하는 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용한 초분광 이미징 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention, a hyperspectral imaging system including the same, and a hyperspectral imaging method using the same will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 개념도이다. 도 2는 도 1에 따른 초분광 센서의 제1 광 소자 및 제2 광 소자를 설명하기 위한 확대도이다.1 is a conceptual diagram for explaining the structure of a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view for explaining the first optical element and the second optical element of the hyperspectral sensor according to FIG. 1.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초분광 센서는 윈도우(W), 제1 광학계(P1) 및 제2 광학계(P2)를 포함할 수 있다. 제1 광학계(P1) 및 제2 광학계(P2)는 서로 이격될 수 있다. 제1 광학계(P1)는 제1 집속부(F1) 및 제1 이미지 센서(S1)를 포함할 수 있다. 제2 광학계(P2)는 제1 미러(M1), 제1 광 소자(OC1), 제2 광 소자(OC2), 제2 집속부(F2) 및 제2 이미지 센서(S2)를 포함할 수 있다. 제1 입사광(IL1)은 제1 광학계(P1)를 향해 입사될 수 있고, 제2 입사광(IL2)은 제2 광학계(P2)를 향해 입사될 수 있다. 제1 광학계(P1)는 일반적인 카메라의 광학계와 같을 수 있고, 제2 광학계(P2)는 초분광 광학계(hyperspectral optics)일 수 있다. 이하에서, 제1 및 제2 광학계들(P1, P2)의 구성들 각각에 대하여 상세히 설명한다.Referring to FIG. 1, the hyperspectral sensor according to the present invention may include a window (W), a first optical system (P1), and a second optical system (P2). The first optical system (P1) and the second optical system (P2) may be spaced apart from each other. The first optical system P1 may include a first focusing unit F1 and a first image sensor S1. The second optical system (P2) may include a first mirror (M1), a first optical element (OC1), a second optical element (OC2), a second focusing unit (F2), and a second image sensor (S2). . The first incident light IL1 may be incident towards the first optical system P1, and the second incident light IL2 may be incident towards the second optical system P2. The first optical system (P1) may be the same as the optical system of a general camera, and the second optical system (P2) may be a hyperspectral optics. Below, each of the configurations of the first and second optical systems P1 and P2 will be described in detail.

윈도우(W)는 제1 방향(D1)과 직교하며, 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3)으로 연장되는 평면 형상을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 방향들(D1, D2, D3)은 서로 직교하는 방향들일 수 있다. 제1 및 제2 입사광들(IL1, IL2)은 윈도우(W)를 향해 제1 방향(D1)과 나란하게 입사될 수 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 제1 및 제2 입사광들(IL1, IL2)은 윈도우(W)의 전면(Wf)과 교차하는 서로 다른 방향들로부터 입사될 수 있다. 다시 말하면, 윈도우(W)의 전면(Wf)은 분석 대상을 바라볼 수 있고, 분석 대상으로부터 방출되는 제1 및 제2 입사광들(IL1, IL2)을 받아들일 수 있다. 윈도우(W)는 후면(Wb) 상의 제1 및 제2 광학계들(P1, P2)을 외부의 충격 및/또는 오염으로부터 보호할 수 있다.The window W may have a planar shape that is perpendicular to the first direction D1 and extends in the second direction D2 and the third direction D3. The first to third directions D1, D2, and D3 may be orthogonal to each other. The first and second incident lights IL1 and IL2 may be incident parallel to the first direction D1 toward the window W, but this is only an example and the present invention is not limited thereto. 2 Incident lights IL1 and IL2 may be incident from different directions intersecting the front surface Wf of the window W. In other words, the front surface (Wf) of the window (W) can view the analysis object and can receive the first and second incident lights (IL1, IL2) emitted from the analysis object. The window W may protect the first and second optical systems P1 and P2 on the rear surface Wb from external shock and/or contamination.

본 명세서에서, 전면은 각 구성을 향해 입사되는 광을 바라보는 면으로 정의되고, 후면은 각 구성을 통과한 광을 방출하는 면으로 정의된다. 예를 들어, 전면은 제1 방향(D1)의 반대 방향을 향하는 면일 수 있고, 후면은 제1 방향(D1)을 향하는 면일 수 있다.In this specification, the front is defined as the side that faces the light incident toward each component, and the back is defined as the side that emits the light that has passed through each component. For example, the front side may be a side facing the opposite direction of the first direction D1, and the back side may be a side facing the first direction D1.

윈도우(W)의 후면(Wb) 상에 제1 집속부(F1)가 제공될 수 있다. 제1 집속부(F1)는 윈도우(W)와 제1 이미지 센서(S1) 사이에 제공될 수 있다. 제1 집속부(F1)는 윈도우(W)를 통과한 제1 입사광(IL1)을 집속하도록 구성될 수 있다. 제1 집속부(F1)는 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다. 제1 집속부(F1)의 복수의 렌즈들 각각의 중심축은 제1 이미지 센서(S1)의 중심축과 일치할 수 있다. 제1 집속부(F1)의 복수의 렌즈들 각각의 중심축은, 예를 들어, 제1 방향(D1)과 나란할 수 있다. 제1 집속부(F1)의 복수의 렌즈들은 도시된 형상 및 도시된 측면의 곡률에 한정되지 않고 다양한 형상 및 곡률을 가질 수 있다.A first focusing part F1 may be provided on the rear surface Wb of the window W. The first focusing part F1 may be provided between the window W and the first image sensor S1. The first focusing unit F1 may be configured to focus the first incident light IL1 that has passed through the window W. The first focusing unit F1 may include a plurality of lenses. The central axis of each of the plurality of lenses of the first focusing unit F1 may coincide with the central axis of the first image sensor S1. For example, the central axis of each of the plurality of lenses of the first focusing unit F1 may be parallel to the first direction D1. The plurality of lenses of the first focusing unit F1 are not limited to the illustrated shape and the illustrated side curvature and may have various shapes and curvatures.

제1 집속부(F1)의 후면 상에 제1 이미지 센서(S1)가 제공될 수 있다. 제1 이미지 센서(S1)는 윈도우(W)의 후면(Wb)과 나란한 전면(S1f)을 가질 수 있다. 제1 이미지 센서(S1)는 윈도우(W) 및 제1 집속부(F1)를 통과한 제1 입사광(IL1)을 검출하도록 구성될 수 있다. 제1 이미지 센서(S1)는 그의 전면(S1f)이 제1 입사광(IL1)의 초점 면과 일치하도록 배치될 수 있다.A first image sensor (S1) may be provided on the back of the first focusing unit (F1). The first image sensor S1 may have a front surface S1f parallel to the rear Wb of the window W. The first image sensor S1 may be configured to detect the first incident light IL1 that has passed through the window W and the first focusing unit F1. The first image sensor S1 may be arranged so that its front surface S1f coincides with the focal plane of the first incident light IL1.

제1 집속부(F1) 및 제1 이미지 센서(S1)로부터 제3 방향(D3)으로 이격된 위치에 제1 미러(M1)가 제공될 수 있다. 제1 미러(M1)는 윈도우(W)의 후면(Wb)으로부터 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 제1 미러(M1)는 윈도우(W)의 후면(Wb)에 대하여(즉, 제3 방향(D3)에 대하여) 기울어진 전면(M1f)을 가질 수 있다. 제1 미러(M1)의 전면(M1f)과 윈도우(W)의 후면(Wb)이 이루는 각도는 0도보다 크고 90도보다 작을 수 있다. 제1 미러(M1)의 중심축은 구동부와 연결될 수 있다. 제1 미러(M1)는 상기 구동부에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다. 제1 미러(M1)는 제1 입사광(IL1)으로부터 제3 방향(D3)으로 시프트된(shifted) 경로로 진행하는 제2 입사광(IL2)을 반사시키도록 구성될 수 있다.The first mirror M1 may be provided at a position spaced apart from the first focusing unit F1 and the first image sensor S1 in the third direction D3. The first mirror M1 may be spaced apart from the rear side Wb of the window W in the first direction D1. The first mirror M1 may have a front surface M1f that is inclined with respect to the rear surface Wb of the window W (that is, with respect to the third direction D3). The angle formed between the front surface (M1f) of the first mirror (M1) and the rear surface (Wb) of the window (W) may be greater than 0 degrees and less than 90 degrees. The central axis of the first mirror M1 may be connected to the driving unit. The first mirror M1 may be configured to rotate clockwise or counterclockwise by the driving unit. The first mirror M1 may be configured to reflect the second incident light IL2 traveling along a shifted path in the third direction D3 from the first incident light IL1.

제1 미러(M1)로부터 제3 방향(D3)으로 이격된 위치에 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2)이 제공될 수 있다. 제1 광 소자(OC1)는 제3 방향(D3)으로 제1 미러(M1)와 제2 광 소자(OC2) 사이에 제공될 수 있고, 제2 광 소자(OC2)는 제3 방향(D3)으로 제1 광 소자(OC1)와 제2 집속부(F2) 사이에 제공될 수 있다. 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2)은 윈도우(W)의 후면(Wb)으로부터 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2)은 서로 제1 방향(D1)으로 중첩될 수도 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않는다. The first and second optical elements OC1 and OC2 may be provided at positions spaced apart from the first mirror M1 in the third direction D3. The first optical device OC1 may be provided between the first mirror M1 and the second optical device OC2 in the third direction D3, and the second optical device OC2 may be provided in the third direction D3. It may be provided between the first optical element OC1 and the second focusing part F2. The first and second optical elements OC1 and OC2 may be spaced apart from the rear surface Wb of the window W in the first direction D1. The first and second optical devices OC1 and OC2 may overlap each other in the first direction D1, but this is only an example and the present invention is not limited thereto.

제1 광 소자(OC1)는 제2 입사광(IL2)이 파장 별로 브래그 조건(Bragg condition)을 만족시키는 각도로 진행하도록 변환할 수 있다. 다시 말하면, 제1 광 소자(OC1)는 파장에 따라 제2 입사광(IL2)의 진행 각도를 변화시키는 정도가 다를 수 있다. 본 명세서에서, 제1 광 소자(OC1)는 파장 별 각도 변환부로 지칭될 수도 있다.The first optical device OC1 may convert the second incident light IL2 to travel at an angle that satisfies the Bragg condition for each wavelength. In other words, the degree to which the first optical device OC1 changes the propagation angle of the second incident light IL2 may vary depending on the wavelength. In this specification, the first optical element OC1 may be referred to as an angle converter for each wavelength.

제1 광 소자(OC1)는, 일 예로, 표면의 주기적인 돌출부들을 포함하는 표면 회절 격자(surface diffraction grating)일 수 있다. 제1 광 소자(OC1)는, 다른 일 예로, 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖는 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating)일 수 있다. 볼륨 브래그 격자란 벌크 브래그 격자(bulk Bragg grating) 또는 볼륨 홀로그래픽 격자(volume holographic grating)로 지칭될 수 있다. 제1 광 소자(OC1)는, 또 다른 일 예로, 프리즘일 수 있다.For example, the first optical device OC1 may be a surface diffraction grating including periodic protrusions on the surface. As another example, the first optical element OC1 may be a volume Bragg grating with an internal periodic refractive index distribution. Volume Bragg grating may be referred to as bulk Bragg grating or volume holographic grating. As another example, the first optical device OC1 may be a prism.

제1 광 소자(OC1)는, 예를 들어, 표면 회절 격자, 볼륨 브래그 격자 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 표면 회절 격자, 볼륨 브래그 격자 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 둘 이상의 조합일 수 있다. 제1 광 소자(OC1)가 회절 격자 및 적어도 하나 이상의 프리즘을 포함하는 경우, 적어도 하나의 프리즘은 회절 격자와 후술하는 제2 광 소자(OC2) 사이에 제공될 수 있다.The first optical element OC1 may be, for example, one selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one prism, or a combination of two or more selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one prism. . When the first optical element OC1 includes a diffraction grating and at least one prism, at least one prism may be provided between the diffraction grating and the second optical element OC2, which will be described later.

제2 광 소자(OC2)는, 일 예로, 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖는 볼륨 브래그 격자일 수 있다. 제2 광 소자(OC2)는 제1 광 소자(OC1)와 이격될 수 있다.For example, the second optical device OC2 may be a volume Bragg grating with an internal periodic refractive index distribution. The second optical device OC2 may be spaced apart from the first optical device OC1.

제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2) 각각이 볼륨 브래그 격자인 경우, 제2 광 소자(OC2)의 두께는 제1 광 소자(OC1)의 두께와 다를 수 있다. 예를 들어, 제2 광 소자(OC2)의 두께는 제1 광 소자(OC1)의 두께보다 클 수 있다. 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2) 각각은 지지 부분 및 격자 부분(즉, 굴절률이 주기적으로 변하는 내부 부분)을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2) 각각의 두께는 지지 부분의 두께를 제외한 격자 부분만의 두께를 의미한다. 볼륨 브래그 격자에서, 굴절률 차이(즉, 고굴절률부와 저굴절률부의 굴절률 차이)가 작아으면서 격자의 두께가 커질수록 각도 선택성(angular selectivity)이 커질 수 있다.When each of the first and second optical elements OC1 and OC2 is a volume Bragg grating, the thickness of the second optical element OC2 may be different from the thickness of the first optical element OC1. For example, the thickness of the second optical device OC2 may be greater than the thickness of the first optical device OC1. Each of the first and second optical elements OC1 and OC2 may include a support portion and a grating portion (i.e., an internal portion whose refractive index changes periodically), and the first and second optical elements OC1 and OC2 Each thickness refers to the thickness of the grid portion only, excluding the thickness of the support portion. In a volume Bragg grating, as the refractive index difference (i.e., the refractive index difference between the high refractive index portion and the low refractive index portion) decreases and the thickness of the grating increases, angular selectivity may increase.

제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2) 각각이 볼륨 브래그 격자인 경우, 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)는 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)와 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)는 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)보다 클 수 있다. 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)와 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)는 하기 [수학식 1]을 만족할 수 있고, 이에 따라 제2 입사광(IL2)의 기준 파장(λ)에 대한 파장 별 조준 각도 오차(wavelength dependent aiming angle error)가 최소화될 수 있다. 파장 별 조준 각도 오차란, 기준 파장을 가지며 기준 각도에서 입사되는 광이 브래그 조건을 만족하고 파장 별로 기준 각도에서 벗어난 각도에서 입사되는 광이 브래그 조건을 만족할 때 상기 기준 각도에서 벗어난 각도를 의미한다. When each of the first and second optical elements OC1 and OC2 is a volume Bragg grating, the grating period (Λ 1 ) of the first optical element (OC1) is the grating period (Λ 2 ) of the second optical element (OC2) It may be different from For example, the lattice period Λ 1 of the first optical device OC1 may be greater than the lattice period Λ 2 of the second optical device OC2. The grating period (Λ 1 ) of the first optical element (OC1) and the grating period (Λ 2 ) of the second optical element (OC2) may satisfy the following [Equation 1], and accordingly, the The wavelength dependent aiming angle error with respect to the reference wavelength (λ) can be minimized. The aiming angle error by wavelength means the angle that deviates from the reference angle when light that has a reference wavelength and is incident at a reference angle satisfies the Bragg condition, and light that is incident at an angle that deviates from the reference angle for each wavelength satisfies the Bragg condition.

[수학식 1][Equation 1]

예를 들어, 상기 [수학식 1]을 만족하기 위하여 기준 파장(λ)이 약 620 nm이고, 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)가 약 0.833 μm(즉, 격자 밀도가 약 1200 lines/mm)인 경우, 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)는 약 1.578 μm(즉, 격자 밀도가 약 633.8 lines/mm)이다. 파장이 약 400 nm인 경우 파장 별 조준 각도 오차는 약 0.11도이고, 파장이 약 800 nm인 경우 파장 별 조준 각도 오차는 약 0.08도이다.For example, in order to satisfy the above [Equation 1], the reference wavelength (λ) is about 620 nm, and the lattice period (Λ 2 ) of the second optical element (OC2) is about 0.833 μm (i.e., the lattice density is about 0.833 μm). In the case of 1200 lines/mm), the grating period (Λ 1 ) of the first optical element (OC1) is about 1.578 μm (that is, the grating density is about 633.8 lines/mm). When the wavelength is about 400 nm, the aiming angle error per wavelength is about 0.11 degrees, and when the wavelength is about 800 nm, the aiming angle error per wavelength is about 0.08 degrees.

예를 들어, 약 620 nm의 파장을 가지며 기준 각도에서 입사되는 제1 광 및 약 550 nm의 파장을 가지며 기준 각도에서 벗어난 각도에서 입사되는 제2 광이 제1 광 소자(OC1) 및 제2 광 소자(OC2)에서 회절되면, 상기 제1 및 제2 광들은 서로 다른 파장을 가짐에도 제2 이미지 센서(S2)의 전면(S2f) 상의 동일한 위치에서 검출될 수도 있다. 제2 광 소자(OC2)가 큰 각도 선택성을 갖는 경우, 상기 제1 광은 브래그 조건을 만족하여 제2 광 소자(OC2)에서 회절되나, 상기 제2 광은 브래그 조건을 만족하지 못하여 제2 광 소자(OC2)에서 회절되지 않고 직진하며 제2 이미지 센서(S2)의 전면(S2f) 상에서 검출되지 않고, 이에 따라 제2 광학계(P2)는 초분광 광학계(hyperspectral optics)로 동작할 수 있다.For example, a first light having a wavelength of about 620 nm and incident at a reference angle and a second light having a wavelength of about 550 nm and incident at an angle deviating from the reference angle are connected to the first optical element OC1 and the second light. When diffracted by the element OC2, the first and second lights may be detected at the same location on the front surface S2f of the second image sensor S2 even though they have different wavelengths. When the second optical device OC2 has high angular selectivity, the first light satisfies the Bragg condition and is diffracted in the second optical device OC2, but the second light does not satisfy the Bragg condition and is diffracted in the second optical device OC2. It passes straight through the element OC2 without being diffracted and is not detected on the front surface S2f of the second image sensor S2. Accordingly, the second optical system P2 can operate as a hyperspectral optics.

제1 광 소자(OC1)가 표면 회절 격자이고 제2 광 소자(OC2)가 볼륨 브래그 격자인 경우, 제2 광 소자(OC2)는 제1 광 소자(OC1)와 나란하게 제공될 수 있다. 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2)이 서로 나란하게 제공되는 경우, 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)는 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)의 2배일 수 있다.When the first optical element OC1 is a surface diffraction grating and the second optical element OC2 is a volume Bragg grating, the second optical element OC2 may be provided in parallel with the first optical element OC1. When the first and second optical elements OC1 and OC2 are provided in parallel with each other, the lattice period Λ 2 of the second optical element OC2 is the lattice period Λ 1 of the first optical element OC1. It may be twice that of

도 2를 참조하면, 제1 광 소자(OC1)는 제2 입사광(IL2)을 제1 회절광(DL1)으로 회절시키도록 구성될 수 있고, 제2 광 소자(OC2)는 제1 회절광(DL1)을 제2 회절광(DL2)으로 회절시키도록 구성될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2) 각각은 격자 주기를 갖는 회절 격자일 수 있고, 특히 제2 광 소자(OC2)는 볼륨 브래그 격자일 수 있다.Referring to FIG. 2, the first optical element OC1 may be configured to diffract the second incident light IL2 into the first diffracted light DL1, and the second optical element OC2 may be configured to diffract the second incident light IL2 into the first diffracted light DL1. It may be configured to diffract DL1) into the second diffracted light DL2. At this time, each of the first and second optical elements OC1 and OC2 may be a diffraction grating having a grating period, and in particular, the second optical element OC2 may be a volume Bragg grating.

구체적으로, 제1 광 소자(OC1)는 하기 [수학식 2]로 표현되는 격자 방정식(grating equation)에 따라 제2 입사광(IL2)을 제1 회절광(DL1)으로 회절시킬 수 있다.Specifically, the first optical element OC1 may diffract the second incident light IL2 into the first diffracted light DL1 according to the grating equation expressed as [Equation 2] below.

[수학식 2][Equation 2]

이때, m은 회절 차수(diffraction order)이고, λ는 제2 입사광(IL2)의 파장이고, Λ1은 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기이고, α는 제2 입사광(IL2)과 제1 광 소자(OC1)의 표면의 수선(垂線, perpendicular line)(OC1p)이 이루는 각도이며, β는 제1 회절광(DL1)과 제1 광 소자(OC1)의 표면의 수선(OC1p)이 이루는 각도이다. α와 β가 같을 때, 브래그 조건(Bragg condition)이 만족되며 제1 광 소자(OC1)의 회절 효율(diffraction efficiency)이 최대가 된다.At this time, m is the diffraction order, λ is the wavelength of the second incident light IL2, Λ 1 is the grating period of the first optical element OC1, and α is the It is the angle formed by the perpendicular line (OC1p) of the surface of the optical element (OC1), and β is the angle formed by the first diffracted light (DL1) and the perpendicular line (OC1p) of the surface of the first optical element (OC1). am. When α and β are equal, the Bragg condition is satisfied and the diffraction efficiency of the first optical element OC1 is maximized.

또한, 제2 광 소자(OC2)는, 브래그 조건(Bragg condition)을 만족하며, 하기 [수학식 3]으로 표현되는 격자 방정식에 따라 제1 회절광(DL1)을 제2 회절광(DL2)으로 회절시킬 수 있다.In addition, the second optical element OC2 satisfies the Bragg condition and converts the first diffracted light DL1 into the second diffracted light DL2 according to the lattice equation expressed in Equation 3 below. It can be diffracted.

[수학식 3][Equation 3]

이때, Λ2는 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기이고, θ는 제1 회절광(DL1)과 제2 광 소자(OC2)의 표면의 수선(OC2p)이 이루는 각도이다.At this time, Λ 2 is the grating period of the second optical element OC2, and θ is the angle formed between the first diffracted light DL1 and the perpendicular line OC2p of the surface of the second optical element OC2.

제2 광 소자(OC2)는 제2 회절광(DL2)이 제3 방향(D3)과 나란하게 진행하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 광 소자(OC2)의 표면의 수선(OC2p)이 제3 방향(D3)과 이루는 각도는 제1 회절광(DL1)과 제2 광 소자(OC2)의 표면의 수선(OC2p)이 이루는 각도(θ)와 실질적으로 동일할 수 있다.The second optical device OC2 may be configured so that the second diffracted light DL2 travels parallel to the third direction D3. More specifically, the angle formed by the perpendicular line OC2p of the surface of the second optical element OC2 with the third direction D3 is the perpendicular line OC2p between the first diffracted light DL1 and the surface of the second optical element OC2. ) may be substantially the same as the angle (θ) formed by

제2 광 소자(OC2)는 제1 광 소자(OC1)의 표면에 대하여 기울어진 표면을 가질 수 있다. 제2 광 소자(OC2)의 표면이 제1 광 소자(OC1)의 표면에 대하여 기울어진 각도(φ)는 θ-β이다. 일 예로, 기준 파장(λ)이 약 620 nm이고, 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)가 약 0.833 μm(즉, 격자 밀도가 약 1200 lines/mm)이며, 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)가 약 1.578 μm(즉, 격자 밀도가 약 633.8 lines/mm)인 경우, θ는 약 21.839도이고, β는 약 11.331도이며, φ는 약 10.508도이다.The second optical device OC2 may have a surface inclined with respect to the surface of the first optical device OC1. The angle ϕ at which the surface of the second optical device OC2 is inclined with respect to the surface of the first optical device OC1 is θ-β. For example, the reference wavelength (λ) is about 620 nm, the grating period (Λ 2 ) of the second optical device (OC2) is about 0.833 μm (i.e., the grating density is about 1200 lines/mm), and the first optical device (OC2) When the lattice period (Λ 1 ) of (OC1) is about 1.578 μm (i.e., the lattice density is about 633.8 lines/mm), θ is about 21.839 degrees, β is about 11.331 degrees, and ϕ is about 10.508 degrees.

다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초분광 센서는 제3 방향(D3)으로 제1 미러(M1)와 제1 광 소자(OC1) 사이에 제공되는 제3 광 소자(OC3)를 더 포함할 수 있다. 제3 광 소자(OC3)는 제1 미러(M1)로부터 반사되어 제1 광 소자(OC1)로 향하는 제2 입사광(IL2)을 시준하도록 구성될 수 있다. 제3 광 소자(OC3)는 클로즈업 렌즈(close-up lens) 또는 파장에 따른 수차를 줄이는 색지움 렌즈(achromatic lens)일 수 있다.Referring again to FIG. 1, the hyperspectral sensor according to the present invention further includes a third optical element (OC3) provided between the first mirror (M1) and the first optical element (OC1) in the third direction (D3). can do. The third optical device OC3 may be configured to collimate the second incident light IL2 reflected from the first mirror M1 and heading toward the first optical device OC1. The third optical element OC3 may be a close-up lens or an achromatic lens that reduces aberration depending on the wavelength.

제3 광 소자(OC3)가 색지움 렌즈인 경우, 제3 광 소자(OC3)는 서로 접합되며 서로 다른 광 특성 및/또는 서로 다른 구조를 갖는 제1 색지움 렌즈 및 제2 색지움 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 색지움 렌즈들 각각은 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 제1 색지움 렌즈의 Nd/Vd 값(즉, (d-line 굴절률)/(아베 수(abbe number)))은 제2 색지움 렌즈의 Nd/Vd 값과 다를 수 있다. 일 예로, 제1 색지움 렌즈의 Nd/Vd 값은 약 1.805/25.36 이고, 제2 색지움 렌즈의 Nd/Vd 값은 약 1.651/55.89 이다. 제1 색지움 렌즈의 전면, 제1 색지움 렌즈의 후면(즉, 제2 색지움 렌즈의 전면), 및 제2 색지움 렌즈의 후면은 서로 다른 곡률 반경(radius of curvature)을 가질 수 있다. 일 예로, 제1 색지움 렌즈의 전면의 곡률 반경은 무한대이고(즉, 제1 색지움 렌즈의 전면은 평면이고), 제1 색지움 렌즈의 후면의 곡률 반경은 약 -285.815 mm이며, 제2 색지움 렌즈의 후면의 곡률 반경은 약 167.715 mm이다. 제1 색지움 렌즈의 두께는 제2 색지움 렌즈의 두께와 실질적으로 동일할 수 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 제1 및 제2 색지움 렌즈들 각각의 두께는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm일 수 있다.When the third optical element OC3 is an achromatic lens, the third optical element OC3 may include a first achromatic lens and a second achromatic lens that are bonded to each other and have different optical characteristics and/or different structures. . Each of the first and second achromatic lenses may include glass or plastic. The N d /V d value (i.e., (d-line refractive index)/(Abbe number)) of the first achromatic lens may be different from the N d /V d value of the second achromatic lens. For example, the N d /V d value of the first achromatic lens is about 1.805/25.36, and the N d /V d value of the second achromatic lens is about 1.651/55.89. The front of the first achromatic lens, the back of the first achromatic lens (i.e., the front of the second achromatic lens), and the rear of the second achromatic lens may have different radii of curvature. As an example, the radius of curvature of the front side of the first achromatic lens is infinite (i.e., the front side of the first achromatic lens is flat), the radius of curvature of the back side of the first achromatic lens is about -285.815 mm, and the radius of curvature of the back side of the first achromatic lens is about -285.815 mm, and the radius of curvature of the back side of the first achromatic lens is about -285.815 mm, and the radius of curvature of the back side of the first achromatic lens is about -285.815 mm. The radius of curvature of the rear surface is approximately 167.715 mm. The thickness of the first achromatic lens may be substantially the same as the thickness of the second achromatic lens, but this is only an example and the present invention is not limited thereto. For example, the thickness of each of the first and second achromatic lenses may be about 0.1 mm to about 1 mm.

제2 광 소자(OC2)로부터 제3 방향(D3)으로 이격된 위치에 제2 집속부(F2)가 제공될 수 있다. 제2 집속부(F2)는 윈도우(W)의 후면(Wb)으로부터 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 제2 집속부(F2)의 전면과 윈도우(W)의 후면(Wb) 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리는, 예를 들어, 제1 집속부(F1)의 전면과 윈도우(W)의 후면(Wb) 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리보다 클 수 있다. 제2 집속부(F2)는 제2 광 소자(OC2)에 의해 회절된 제2 회절광(DL2)을 집속하도록 구성될 수 있다. 제2 집속부(F2)는 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다. 제2 집속부(F2)의 복수의 렌즈들 각각의 중심축은 제2 이미지 센서(S2)의 중심축과 일치할 수 있다. 제2 집속부(F2)의 복수의 렌즈들 각각의 중심축은, 예를 들어, 제1 방향(D1)과 나란할 수 있다. 제2 집속부(F2)의 복수의 렌즈들은 도시된 형상 및 도시된 측면의 곡률에 한정되지 않고 다양한 형상 및 곡률을 가질 수 있다.The second focusing part F2 may be provided at a position spaced apart from the second optical element OC2 in the third direction D3. The second focusing part F2 may be spaced apart from the rear surface Wb of the window W in the first direction D1. For example, the distance in the first direction D1 between the front surface of the second focusing part F2 and the back surface Wb of the window W is, for example, the distance between the front surface of the first focusing part F1 and the window Wb. It may be greater than the distance between the rear surfaces Wb in the first direction D1. The second focusing part F2 may be configured to focus the second diffracted light DL2 diffracted by the second optical element OC2. The second focusing unit F2 may include a plurality of lenses. The central axis of each of the plurality of lenses of the second focusing unit F2 may coincide with the central axis of the second image sensor S2. For example, the central axis of each of the plurality of lenses of the second focusing unit F2 may be parallel to the first direction D1. The plurality of lenses of the second focusing unit F2 are not limited to the illustrated shape and the illustrated side curvature and may have various shapes and curvatures.

제2 집속부(F2)의 후면 상에 제2 이미지 센서(S2)가 제공될 수 있다. 제2 이미지 센서(S2)는 윈도우(W)의 후면(Wb)과 나란한 전면(S2f)을 가질 수 있다. 제2 이미지 센서(S2)는 제2 집속부(F2)를 통과한 제2 회절광(DL2)을 검출하도록 구성될 수 있다. 제2 이미지 센서(S2)는 그의 전면(S2f)이 제2 회절광(DL2)의 초점 면과 일치하도록 배치될 수 있다.A second image sensor S2 may be provided on the rear of the second focusing unit F2. The second image sensor S2 may have a front surface S2f parallel to the rear surface Wb of the window W. The second image sensor S2 may be configured to detect the second diffracted light DL2 that has passed through the second focusing unit F2. The second image sensor S2 may be arranged so that its front surface S2f coincides with the focal plane of the second diffracted light DL2.

본 발명에 따른 초분광 센서는 제3 방향(D3)으로 제2 광 소자(OC2)와 이격되며, 제1 방향(D1)으로 제2 집속부(F2)와 이격되는 제2 미러(M2)를 더 포함할 수 있다. 제2 미러(M2)는 윈도우(W)의 후면(Wb)에 대하여(즉, 제3 방향(D3)에 대하여) 기울어진 전면(M2f)을 가질 수 있다. 제2 미러(M2)의 전면(M2f)과 윈도우(W)의 후면(Wb)이 이루는 각도는, 예를 들어, 약 45도일 수 있고, 상기 각도는 고정될 수 있다. 제2 미러(M2)는 제2 회절광(DL2)을 반사시켜 제2 집속부(F2)로 진행시키도록 구성될 수 있다.The hyperspectral sensor according to the present invention includes a second mirror (M2) spaced apart from the second optical element (OC2) in the third direction (D3) and spaced apart from the second focusing unit (F2) in the first direction (D1). More may be included. The second mirror M2 may have a front surface M2f that is inclined with respect to the rear surface Wb of the window W (that is, with respect to the third direction D3). The angle formed between the front surface (M2f) of the second mirror (M2) and the rear surface (Wb) of the window (W) may be, for example, about 45 degrees, and the angle may be fixed. The second mirror M2 may be configured to reflect the second diffracted light DL2 and advance it to the second focusing unit F2.

본 발명에 따른 초분광 센서는 제2 집속부(F2)의 복수의 렌즈들 중 어느 하나와 중첩되는 구경 조리개(aperture stop)(AS)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 구경 조리개(AS)는 제2 집속부(F2)의 복수의 렌즈들 중 제2 광 소자(OC2)에 가장 인접하는 것과 중첩될 수 있다.The hyperspectral sensor according to the present invention may further include an aperture stop (AS) overlapping with one of the plurality of lenses of the second focusing unit (F2). For example, the aperture stop AS may overlap with the one closest to the second optical element OC2 among the plurality of lenses of the second focusing unit F2.

제2 광학계(P2)의 제3 방향(D3)으로의 길이(L3)는 하기 [수학식 4]로 표현될 수 있다. 제2 광학계(P2)의 제3 방향(D3)으로의 길이(L3)는, 예를 들어, 약 10 mm 내지 약 15 mm일 수 있다.The length L 3 of the second optical system P2 in the third direction D3 can be expressed as [Equation 4] below. The length L 3 of the second optical system P2 in the third direction D3 may be, for example, about 10 mm to about 15 mm.

[수학식 4][Equation 4]

L3=La+Lb+Lc L 3 =L a +L b +L c

이때, La는 제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심과 제1 광 소자(OC1)의 중심 사이의 제3 방향(D3)으로의 거리이고, Lb는 제1 광 소자(OC1)의 중심과 제2 광 소자(OC2)의 중심 사이의 제3 방향(D3)으로의 거리이며, Lc는 제2 광 소자(OC2)의 중심과 제2 미러(M2)의 전면(M2f)의 중심 사이의 제3 방향(D3)으로의 거리이다.At this time, L a is the distance in the third direction D3 between the center of the front surface M1f of the first mirror M1 and the center of the first optical element OC1, and L b is the distance between the center of the front surface M1f of the first mirror M1 and the center of the first optical element OC1. ) is the distance in the third direction (D3) between the center of the second optical element (OC2) and the center of the second optical element (OC2), and L c is the center of the second optical element (OC2) and the front surface (M2f) of the second mirror (M2) It is the distance in the third direction (D3) between the centers of .

제2 광학계(P2)의 제1 방향(D1)으로의 길이(L1)는 하기 [수학식 5]로 표현될 수 있다. 제2 광학계(P2)의 제1 방향(D1)으로의 길이(L1)는, 예를 들어, 약 5 mm 내지 약 15 mm일 수 있다.The length L 1 of the second optical system P2 in the first direction D1 can be expressed as [Equation 5] below. The length L 1 of the second optical system P2 in the first direction D1 may be, for example, about 5 mm to about 15 mm.

[수학식 5][Equation 5]

L1=L0-Lg+Lm+Lf L 1 =L 0 -L g +L m +L f

이때, L0는 윈도우(W)의 후면(Wb)과 제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리이고, Lg는 제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심과 제2 미러(M2)의 전면(M2f)의 중심 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리이고, Lm은 제2 미러(M2)의 전면(M2f)의 중심과 제2 집속부(F2)의 전면 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리이며, Lf는 제2 집속부(F2)의 전면과 제2 이미지 센서(S2)의 후면 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리이다.At this time, L 0 is the distance in the first direction (D1) between the rear (Wb) of the window (W) and the center of the front (M1f) of the first mirror (M1), and L g is the distance between the center of the front (M1f) of the first mirror (M1) is the distance in the first direction D1 between the center of the front surface M1f of the second mirror M2 and the center of the front surface M2f of the second mirror M2, and L m is the center of the front surface M2f of the second mirror M2. is the distance in the first direction (D1) between the front of the second focusing unit (F2), and L f is the first direction between the front of the second focusing unit (F2) and the back of the second image sensor (S2) It is the distance to (D1).

제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심과 제2 미러(M2)의 전면(M2f)의 중심 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리(Lg)는 하기 [수학식 6]으로 표현될 수 있다. 제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심과 제2 미러(M2)의 전면(M2f)의 중심 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리(Lg)는, 예를 들어, 약 2 mm 내지 약 6 mm일 수 있다.The distance L g in the first direction D1 between the center of the front surface M1f of the first mirror M1 and the center of the front surface M2f of the second mirror M2 is given by Equation 6 below: can be expressed. The distance L g in the first direction D1 between the center of the front surface M1f of the first mirror M1 and the center of the front surface M2f of the second mirror M2 is, for example, about 2. mm to about 6 mm.

[수학식 6][Equation 6]

Lg=Ltan2φ+Ltan2θL g =L tan2ϕ+L tan2θ

이때, 2φ는 제1 미러(M1)에서 반사된 제2 입사광(IL2)의 경로가 제3 방향(D3)에 대하여 기울어진 각도이고, 2θ는 제1 회절광(DL1)의 경로가 제3 방향(D3)에 대하여 기울어진 각도이다.At this time, 2ϕ is the angle at which the path of the second incident light IL2 reflected from the first mirror M1 is inclined with respect to the third direction D3, and 2θ is the angle at which the path of the first diffracted light DL1 is inclined in the third direction. It is an angle inclined with respect to (D3).

한편, 제2 광학계(P2)의 제2 방향(D2)으로의 길이는 제1 미러(M1)의 제2 방향(D2)으로의 길이와 같을 수 있다. 제2 광학계(P2)의 제2 방향(D2)으로의 길이는 제2 방향(D2)으로의 시야각에 의해 결정될 수 있다. 제2 광학계(P2)의 제2 방향(D2)으로의 길이는, 예를 들어, 약 5 mm 내지 약 15 mm일 수 있다.Meanwhile, the length of the second optical system P2 in the second direction D2 may be equal to the length of the first mirror M1 in the second direction D2. The length of the second optical system P2 in the second direction D2 may be determined by the viewing angle in the second direction D2. The length of the second optical system P2 in the second direction D2 may be, for example, about 5 mm to about 15 mm.

도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서로 입사하는 광의 경로를 나타내는 개념도들로, 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각각 제1 단면에서의 광 경로를 나타내고, 도 3d는 제2 단면에서의 광 경로를 나타낸다.FIGS. 3A, 3B, 3C, and 3D are conceptual diagrams showing the path of light incident on a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention. FIGS. 3A, 3B, and 3C are respectively the light in the first cross section. Figure 3D shows the optical path in the second cross section.

도 3a, 도 3b 및 도 3c는 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로의 위치가 동일하되 제3 방향(D3)으로의 위치가 서로 다른 소스들로부터 방출되는 제1 입사광(IL1) 및 제2 입사광(IL2)의 경로들을 나타낸다. 제1 광학계(P1)에서, 서로 다른 방향으로부터 입사되는 제1 입사광(IL1)은 파장에 관계 없이 입사되는 방향에 따라 제1 이미지 센서(S1)의 서로 다른 위치에 상을 형성할 수 있다. 반면, 제2 광학계(P2)에서, 어느 한 방향으로부터 입사되는 제2 입사광(IL2)은 서로 다른 파장을 갖는 제1 내지 제3 광들(IL21, IL22, IL23)을 포함할 수 있고, 제1 내지 제3 광들(IL21, IL22, IL23)은 파장에 따라 제2 이미지 센서(S2)의 서로 다른 위치에 상을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 광(IL21)은 제2 광(IL22)보다 짧은 파장을 가질 수 있고, 제2 광(IL22)은 제3 광(IL23)보다 짧은 파장을 가질 수 있다.3A, 3B, and 3C show first incident light IL1 emitted from sources that have the same position in the first direction D1 and the second direction D2, but have different positions in the third direction D3. ) and the paths of the second incident light IL2. In the first optical system P1, first incident light IL1 incident from different directions may form images at different positions of the first image sensor S1 depending on the incident direction regardless of wavelength. On the other hand, in the second optical system P2, the second incident light IL2 incident from one direction may include first to third lights IL21, IL22, and IL23 having different wavelengths, and the first to third lights IL21, IL22, and IL23 may have different wavelengths. The third lights IL21, IL22, and IL23 may form images at different positions of the second image sensor S2 depending on the wavelength. For example, the first light IL21 may have a shorter wavelength than the second light IL22, and the second light IL22 may have a shorter wavelength than the third light IL23.

도 3a, 도 3b 및 도 3c에서 제1 미러(M1)가 기울어진 각도는 서로 다를 수 있다. 제1 미러(M1)는 반시계 방향(또는 시계 방향)으로 회전하는 것에 의해 제3 방향(D3)으로 연장되는 소스의 전체 영역을 스캔할 수 있다.The tilt angle of the first mirror M1 in FIGS. 3A, 3B, and 3C may be different. The first mirror M1 may scan the entire area of the source extending in the third direction D3 by rotating counterclockwise (or clockwise).

도 3d는 제1 방향(D1) 및 제3 방향(D3)으로의 위치가 동일하되 제2 방향(D2)으로의 위치가 서로 다른 소스들로부터 방출되는 제1 입사광(IL1) 및 제2 입사광(IL2)의 경로들을 나타낸다. 제1 광학계(P1)에서, 서로 다른 방향으로부터 입사되는 제1 입사광(IL1)은 파장에 관계 없이 입사되는 방향에 따라 제1 이미지 센서(S1)의 서로 다른 위치에 상을 형성할 수 있다. 제2 광학계(P2)에서, 서로 다른 방향으로부터 입사되는 제2 입사광(IL2)은 파장에 관계 없이 입사되는 방향에 따라 제2 이미지 센서(S2)의 서로 다른 위치에 상을 형성할 수 있다.3D shows first incident light IL1 and second incident light (IL1) emitted from sources that have the same positions in the first direction D1 and the third direction D3, but have different positions in the second direction D2. IL2) paths are shown. In the first optical system P1, first incident light IL1 incident from different directions may form images at different positions of the first image sensor S1 depending on the incident direction regardless of wavelength. In the second optical system P2, the second incident light IL2 incident from different directions may form images at different positions of the second image sensor S2 depending on the incident direction regardless of the wavelength.

도 4, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 개념도들이다. 이하에서, 설명의 편의를 위하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고 차이점에 대하여 상세히 설명한다.Figures 4, 5, and 6 are conceptual diagrams for explaining the structure of a hyperspectral sensor according to other embodiments of the present invention. Hereinafter, for convenience of explanation, description of matters substantially the same as those described with reference to FIGS. 1 and 2 will be omitted and differences will be described in detail.

도 4를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 제3 광 소자(OC3)가 생략될 수 있다. 즉, 제1 미러(M1)의 전면(M1f)에서 반사된 제2 입사광(IL2)은 별도의 시준 광학계를 통과하지 않은 채로 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2)로 진행할 수 있다. 제1 미러(M1)의 전면(M1f)은 곡률을 갖는 곡면일 수 있고, 제1 미러(M1)의 후면은 평면일 수 있다. 제1 미러(M1)의 초점거리는, 예를 들어, 약 200 mm 내지 400 mm일 수 있다.Referring to FIG. 4 , the third optical device OC3 described with reference to FIG. 1 may be omitted. That is, the second incident light IL2 reflected from the front surface M1f of the first mirror M1 may proceed to the first and second optical elements OC1 and OC2 without passing through a separate collimating optical system. The front surface M1f of the first mirror M1 may be a curved surface, and the rear surface of the first mirror M1 may be flat. The focal length of the first mirror M1 may be, for example, about 200 mm to 400 mm.

실시예들에 따르면, 제1 미러(M1)는 전면(M1f)에 주기를 갖는 격자가 새겨진 반사형 격자일 수도 있다. 실시예들에 따르면, 제1 미러(M1)의 전면(M1f)은 평면이고, 제1 미러(M1)의 후면은 곡률을 갖는 곡면일 수도 있다. 제1 미러(M1)는 구동부에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 구성될 수 있고, 제2 입사광(IL2)이 반사되는 면은 전면(M1f)에서 후면으로(또는 후면에서 전면(M1f)으로) 바뀔 수도 있다.According to embodiments, the first mirror M1 may be a reflective grid with a periodic grid engraved on the front surface M1f. According to embodiments, the front surface M1f of the first mirror M1 may be flat, and the rear surface of the first mirror M1 may be a curved surface with a curvature. The first mirror (M1) may be configured to rotate clockwise or counterclockwise by the driving unit, and the surface on which the second incident light (IL2) is reflected is from the front (M1f) to the back (or from the back to the front (M1f)). ) may change.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 초분광 센서는 제1 셰이드(Sh1) 및 제2 셰이드(Sh2) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the hyperspectral sensor according to the present invention may include either a first shade (Sh1) or a second shade (Sh2).

제1 셰이드(Sh1)는 제1 미러(M1)의 전면(M1f) 상에 제공될 수 있다. 제1 셰이드(Sh1)는, 예를 들어, 제1 미러(M1)와 함께 회전하도록 구성될 수 있다. 제2 셰이드(Sh2)는 제2 광 소자(OC2) 및 제2 미러(M2) 사이에 제공될 수 있다. 제2 셰이드(Sh2)는 제2 광 소자(OC2)의 후면 상에 또는 제2 미러(M2)의 전면 상에 제공될 수 있다. 제1 셰이드(Sh1) 및 제2 셰이드(Sh2) 각각은 제2 입사광(IL2)의 일부를 차단하여 제2 광 소자(OC2)에서 회절되지 않는 0차 회절광 성분을 제거할 수 있다. 예를 들어, 제1 셰이드(Sh1) 및 제2 셰이드(Sh2) 각각은 제2 입사광(IL2)의 일부를 흡수하거나 산란시킬 수 있다. 이에 따라, 제2 이미지 센서(S2)에서 검출되는 이미지가 보다 선명해질 수 있다.The first shade Sh1 may be provided on the front surface M1f of the first mirror M1. For example, the first shade Sh1 may be configured to rotate together with the first mirror M1. The second shade (Sh2) may be provided between the second optical element (OC2) and the second mirror (M2). The second shade Sh2 may be provided on the back side of the second optical element OC2 or on the front side of the second mirror M2. Each of the first shade Sh1 and the second shade Sh2 may block a portion of the second incident light IL2 and remove the 0th order diffracted light component that is not diffracted in the second optical element OC2. For example, each of the first shade Sh1 and the second shade Sh2 may absorb or scatter a portion of the second incident light IL2. Accordingly, the image detected by the second image sensor S2 may become clearer.

도 6을 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 제2 미러(M2)가 생략될 수 있다. 이때, 제2 집속부(F2) 및 제2 이미지 센서(S2)는 제3 방향(D3)에 따라 배열될 수 있다. 즉, 제2 광 소자(OC2)에 의해 회절된 제2 회절광(DL2)은 제3 방향(D3)과 나란하게 진행하여 제2 집속부(F2)를 통과할 수 있고 제2 이미지 센서(S2)에 도달할 수 있다. 제2 이미지 센서(S2)의 전면(S2f)은 윈도우(W)의 후면(Wb)과 직교하는 방향(즉, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2))으로 연장될 수 있다.Referring to FIG. 6, the second mirror M2 described with reference to FIG. 1 may be omitted. At this time, the second focusing part F2 and the second image sensor S2 may be arranged along the third direction D3. That is, the second diffracted light DL2 diffracted by the second optical element OC2 may proceed parallel to the third direction D3 and pass through the second focusing unit F2 and the second image sensor S2. ) can be reached. The front surface S2f of the second image sensor S2 may extend in a direction perpendicular to the rear surface Wb of the window W (that is, in the first direction D1 and the second direction D2).

이때, 제2 광학계(P2)의 제1 방향(D1)으로의 길이(L1)는 윈도우(W)의 후면(Wb)과 제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리(L0)와 같을 수 있다. 다시 말하면, 제2 광학계(P2)의 제1 방향(D1)으로의 길이(L1)는 도 1을 참조하여 설명한 것보다 작아질 수 있다.At this time, the length L 1 of the second optical system P2 in the first direction D1 is the first distance between the rear surface Wb of the window W and the center of the front surface M1f of the first mirror M1. It may be equal to the distance (L 0 ) in the direction (D1). In other words, the length L 1 of the second optical system P2 in the first direction D1 may be smaller than that described with reference to FIG. 1 .

도 7, 도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서에 측정된 이미지를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과들이다. 도 7은 제1 이미지 센서(S1, 도 1 참조)에 의해 촬영된 예시적인 이미지이고, 도 8a 내지 도 8d는 제2 이미지 센서(S2, 도 1 참조)에 의해 촬영된 예시적인 이미지들이다.FIGS. 7, 8A, 8B, 8C, and 8D are simulation results for explaining images measured by a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention. FIG. 7 is an example image taken by the first image sensor (S1, see FIG. 1), and FIGS. 8A to 8D are example images taken by the second image sensor (S2, see FIG. 1).

도 7은 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3)과 나란하고 제1 방향(D1)과 직교하는 평면 상에 위치한 복수의 타원 형상들의 이미지를 나타낸다. 상기 복수의 타원 형상들은 서로 이격될 수 있다. 상기 복수의 타원 형상들은 서로 다른 파장 스펙트럼을 가질 수 있다.FIG. 7 shows an image of a plurality of elliptical shapes located on a plane parallel to the second direction D2 and the third direction D3 and perpendicular to the first direction D1. The plurality of oval shapes may be spaced apart from each other. The plurality of elliptical shapes may have different wavelength spectra.

도 8a 내지 도 8d는 도 7의 제1 스캔 영역(10), 제2 스캔 영역(20), 제3 스캔 영역(30) 및 제4 스캔 영역(40)에 대응되는 스펙트럼 이미지들이다. 제1 내지 제4 스캔 영역들(10, 20, 30, 40) 각각의 스펙트럼 이미지를 촬영하기 위하여 도 1의 제1 미러(M1)가 회전할 수 있다. 다시 말하면, 제1 내지 제4 스캔 영역들(10, 20, 30, 40) 각각의 스펙트럼 이미지를 촬영할 때, 도 1의 제1 미러(M1)가 기울어진 각도는 서로 다를 수 있다.FIGS. 8A to 8D are spectral images corresponding to the first scan area 10, the second scan area 20, the third scan area 30, and the fourth scan area 40 of FIG. 7. The first mirror M1 of FIG. 1 may be rotated to capture spectral images of each of the first to fourth scan areas 10, 20, 30, and 40. In other words, when taking spectral images of each of the first to fourth scan areas 10, 20, 30, and 40, the tilt angle of the first mirror M1 of FIG. 1 may be different.

도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서를 포함하는 초분광 이미징 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.Figure 9 is a conceptual diagram for explaining a hyperspectral imaging system including a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 초분광 이미징 시스템은 도 1을 참조하여 설명한 초분광 센서(100), OIS 모듈(200), 스캔 미러 제어 모듈(300), 집속부 제어 모듈(400), 프로세서(500) 및 광원 제어 모듈(600)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9, the hyperspectral imaging system according to the present invention includes the hyperspectral sensor 100, OIS module 200, scan mirror control module 300, focusing unit control module 400, and the hyperspectral sensor 100 described with reference to FIG. 1. It may include a processor 500 and a light source control module 600.

OIS 모듈(200)은 제1 및 제2 위치 센서들(position sensors)(210, 220), 제1 및 제2 OIS 구동부들(optical image stabilization(OIS) actuator)(230, 240), OIS 자이로스코프(OIS gyroscope)(250) 및 OIS 제어부(OIS controller)(260)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 위치 센서들(210, 220)은 초분광 센서(100)의 제2 방향(D2, 도 1 참조) 및 제3 방향(D3, 도 1 참조)으로의 움직임을 감지할 수 있다. 제1 및 제2 OIS 구동부들(230, 240)은 초분광 센서(100)의 움직임을 억제할 수 있다. OIS 제어부(260)는 제1 및 제2 위치 센서들(210, 220)의 위치 정보를 받아 제1 및 제2 OIS 구동부들(230, 240)에 전달할 수 있다. OIS 자이로스코프(250)는 OIS 제어부(260)에 연결될 수 있다. OIS 제어부(260)는 OIS 자이로스코프(250)의 회전 정보를 받아 제1 및 제2 OIS 구동부들(230, 240)에 전달할 수 있다. OIS 모듈(200)은 진동 등의 이유로 초분광 센서(100)가 움직이는 것을 방지 및/또는 최소화할 수 있다.The OIS module 200 includes first and second position sensors (210, 220), first and second OIS actuators (optical image stabilization (OIS) actuators) (230, 240), and an OIS gyroscope. It may include an OIS gyroscope (250) and an OIS controller (OIS controller) (260). The first and second position sensors 210 and 220 may detect movement of the hyperspectral sensor 100 in the second direction (D2, see FIG. 1) and the third direction (D3, see FIG. 1). . The first and second OIS drivers 230 and 240 may suppress the movement of the hyperspectral sensor 100. The OIS control unit 260 may receive location information of the first and second position sensors 210 and 220 and transmit it to the first and second OIS drivers 230 and 240. The OIS gyroscope 250 may be connected to the OIS control unit 260. The OIS control unit 260 may receive rotation information of the OIS gyroscope 250 and transmit it to the first and second OIS drivers 230 and 240. The OIS module 200 can prevent and/or minimize movement of the hyperspectral sensor 100 due to vibration or the like.

스캔 미러 제어 모듈(300)은 스캔 미러 구동부(310) 및 스캔 미러 제어부(320)를 포함할 수 있다. 스캔 미러 구동부(310)는 초분광 센서(100)의 제1 미러(M1)에 연결될 수 있고, 제1 미러(M1)를 회전시킬 수 있다. 스캔 미러 제어부(320)는 스캔 미러 구동부(310)를 통해 제1 미러(M1)의 회전 운동을 제어할 수 있다.The scan mirror control module 300 may include a scan mirror driver 310 and a scan mirror control unit 320. The scan mirror driver 310 may be connected to the first mirror (M1) of the hyperspectral sensor 100 and may rotate the first mirror (M1). The scan mirror control unit 320 may control the rotational movement of the first mirror M1 through the scan mirror driver 310.

집속부 제어 모듈(400)은 초분광 센서(100)의 제1 및 제2 집속부들(F1, F2)과 연결될 수 있다. 집속부 제어 모듈(400)은 제1 및 제2 집속부들(F1, F2) 각각의 초점 거리 등을 제어할 수 있다.The focusing unit control module 400 may be connected to the first and second focusing units F1 and F2 of the hyperspectral sensor 100. The focusing unit control module 400 may control the focal length, etc. of each of the first and second focusing units F1 and F2.

프로세서(500)는 초분광 센서(100)의 제1 및 제2 이미지 센서들(S1, S2), OIS 모듈(200), 스캔 미러 제어 모듈(300) 및 집속부 제어 모듈(400)과 연결될 수 있고, 이들의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(500)는, 예를 들어, 범용 프로세서 또는 어플리케이션 프로세서(application processor; AP)일 수 있다.The processor 500 may be connected to the first and second image sensors S1 and S2 of the hyperspectral sensor 100, the OIS module 200, the scan mirror control module 300, and the focusing unit control module 400. and their overall operations can be controlled. The processor 500 may be, for example, a general-purpose processor or an application processor (AP).

광원 제어 모듈(600)은 프로세서(500)에 연결될 수 있다. 광원 제어 모듈(600)은 LED 드라이버(610) 및 LED 광원(620)을 포함할 수 있다. 스펙트럼을 미리 알고 있는 LED 광원(620)을 사용할 경우, 광원 제어 모듈(600)은 측정된 초분광 이미지로부터 분석 대상의 파장 별 반사율을 계산할 수 있다. 실시예들에 따르면, 광원 제어 모듈(600)은 그 부피가 큰 경우 초분광 이미징 시스템 외부에 독립적인 모듈로 제공될 수도 있다.The light source control module 600 may be connected to the processor 500. The light source control module 600 may include an LED driver 610 and an LED light source 620. When using an LED light source 620 whose spectrum is known in advance, the light source control module 600 can calculate the reflectance for each wavelength of the analysis target from the measured hyperspectral image. According to embodiments, if the light source control module 600 is large, it may be provided as an independent module outside the hyperspectral imaging system.

도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 이미징 시스템을 이용한 초분광 이미징 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 이미징 시스템을 이용한 초분광 이미징 방법을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다.Figure 10 is a flowchart illustrating a hyperspectral imaging method using a hyperspectral imaging system according to embodiments of the present invention. Figure 11 is a timing diagram for explaining a hyperspectral imaging method using a hyperspectral imaging system according to embodiments of the present invention.

도 9, 도 10 및 도 11을 참조하면, 초분광 이미징 방법은 측정 모드를 입력하는 것(S100), 측정 영역을 설정하는 것(S200), 기준 이미지를 촬영하는 것(S300), 스캔 미러를 회전시키는 것(S400), 초분광 이미지를 촬영하는 것(S500), 초분광 이미지의 왜곡을 보정하는 것(S600), 이미지를 합성하는 것(S700), 기준 이미지와 합성 이미지를 비교하는 것(S800), 및 측정 결과를 출력하는 것(900)을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 9, 10, and 11, the hyperspectral imaging method includes entering a measurement mode (S100), setting a measurement area (S200), taking a reference image (S300), and using a scan mirror. Rotating (S400), taking a hyperspectral image (S500), correcting the distortion of the hyperspectral image (S600), compositing the images (S700), comparing the reference image and the composite image ( S800), and outputting the measurement results (900).

측정 모드를 입력하는 것(S100)은 초분광 센서(100)를 준비하는 것 및 사용자가 원하는 측정 모드를 통해 초분광 센서(100)를 구동하는 소프트웨어의 실행 방향을 정하는 것을 포함할 수 있다. 측정 모드는, 예를 들어, 포인트 스펙트럼 측정 모드, 형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드, 공간 저 해상도(low resolution) 측정 모드, 및 공간 고 해상도(high resolution) 측정 모드 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.Entering the measurement mode (S100) may include preparing the hyperspectral sensor 100 and determining the execution direction of software that drives the hyperspectral sensor 100 through a measurement mode desired by the user. The measurement mode may be, for example, any one selected from a point spectrum measurement mode, a spectrum measurement mode after shape recognition, a spatial low resolution measurement mode, and a spatial high resolution measurement mode.

포인트 스펙트럼 측정 모드는 제1 이미지 센서(S1)의 이미지 중 어느 한 지점의 스펙트럼만을 측정하는 방법이다. 포인트 스펙트럼 측정 모드는 다른 모드들보다 측정 속도가 매우 빠르고 데이터 양이 적다.The point spectrum measurement mode is a method of measuring only the spectrum of one point among the images of the first image sensor S1. Point spectrum measurement mode has a much faster measurement speed and smaller data amount than other modes.

형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드는 이미지 프로세싱에 의해 제1 이미지 센서(S1)의 이미지의 경계를 분석한 후 경계 영역 내부의 스펙트럼을 측정하는 방법이다. 형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드는 알곡, 알약 등과 같이 상대적으로 경계가 분명한 물체의 스펙트럼 분석에 유용하다.The spectrum measurement mode after shape recognition is a method of analyzing the boundary of the image of the first image sensor S1 through image processing and then measuring the spectrum inside the boundary area. The spectrum measurement mode after shape recognition is useful for spectrum analysis of objects with relatively clear boundaries, such as grains and pills.

공간 저 해상도 측정 모드는 일 방향(도 1의 제2 방향(D2))을 따라 배열되는 제2 이미지 센서(S2)의 픽셀들을 묶는 픽셀 비닝(pixel binning) 방법을 이용하는 방법이다. 공간 저 해상도 측정 모드는 다른 모드들보다 신호 대 잡음 비(signal to noise ratio)가 크고 전송 시간이 짧으며, 이에 따라 모션 블러(motion blur) 효과의 영향이 적고 측정 시간이 짧다. 한편, 공간 고 해상도 측정 모드는 공간 저 해상도 측정 모드보다 픽셀 비닝 방법을 적게 이용하는 방법으로, 다른 측정 모드들보다 공간 해상도가 높다.The spatial low-resolution measurement mode is a method that uses a pixel binning method to group pixels of the second image sensor S2 arranged along one direction (second direction D2 in FIG. 1). The spatial low-resolution measurement mode has a larger signal-to-noise ratio and shorter transmission time than other modes, and thus is less affected by motion blur effects and has a shorter measurement time. Meanwhile, the spatial high-resolution measurement mode uses less pixel binning than the spatial low-resolution measurement mode, and has higher spatial resolution than other measurement modes.

측정 모드를 입력하는 것(S100)은 분석 대상과의 거리에 따라 초분광 센서(100)의 집속부 제어 모듈(400)을 통해 제1 집속부(F1)의 초점 거리를 조정하는 것을 더 포함할 수 있다. 분석 대상이 상대적으로 가까운 경우 제1 집속부(F1)의 초점 거리는 제3 광 소자(OC3)의 초점 거리와 일치하도록 조정될 수 있고, 분석 대상이 상대적으로 먼 경우 제1 집속부(F1)의 초점 거리는 무한대에 가까워지도록 조정될 수 있다. 또한, 측정 모드를 입력하는 것(S100)은 제3 광 소자(OC3)의 배치 여부, 광원의 종류, 픽셀 비닝 방법 사용 여부 등을 결정하는 것을 더 포함할 수 있다. 측정 영역을 설정하는 것(S200)은 소정의 시작 신호(start signal) 이후에 수행될 수 있다. 측정 영역을 설정하는 것(S200)은 다음과 같이 진행된다. 먼저, LED 광원(620)이 켜진 상태(On)에서 제1 이미지 센서(S1)가 반복적으로 이미지를 촬영하여 디스플레이에 표시한다. 디스플레이에 나타난 이미지를 기준으로 초점이 맞도록(즉, 분석 대상이 제3 광 소자(OC3)의 초점 거리에 위치하도록) 초분광 센서(100)가 이동된다. 이후, 디스플레이에 나타난 이미지로부터 측정 영역이 선택된다. 포인트 스펙트럼 측정 모드에서, 측정 영역을 선택하는 것은 디스플레이에 나타난 이미지의 한 지점을 선택하는 것이다. 그 외의 측정 모드들에서, 측정 영역을 선택하는 것은 디스플레이에 나타난 이미지의 일부 영역을 포함하는 사각형의 크기 및 위치를 결정하는 것일 수 있다. Entering the measurement mode (S100) may further include adjusting the focal length of the first focusing unit (F1) through the focusing unit control module 400 of the hyperspectral sensor 100 according to the distance to the analysis object. You can. If the analysis target is relatively close, the focal length of the first focusing unit (F1) may be adjusted to match the focal length of the third optical element (OC3), and if the analysis target is relatively far, the focal length of the first focusing unit (F1) may be adjusted. The distance can be adjusted to approach infinity. Additionally, entering the measurement mode (S100) may further include determining whether to place the third optical element OC3, the type of light source, and whether to use a pixel binning method. Setting the measurement area (S200) may be performed after a predetermined start signal. Setting the measurement area (S200) proceeds as follows. First, when the LED light source 620 is turned on (On), the first image sensor S1 repeatedly captures images and displays them on the display. The hyperspectral sensor 100 is moved so that the image displayed on the display is in focus (that is, the analysis target is located at the focal distance of the third optical element OC3). Afterwards, the measurement area is selected from the image shown on the display. In point spectrum measurement mode, selecting a measurement area means selecting a point on the image shown on the display. In other measurement modes, selecting a measurement area may involve determining the size and location of a rectangle containing some area of the image shown on the display.

설정된 측정 영역에 따라 제1 미러(M1)의 회전 각도 간격, 스캔 횟수 등이 계산될 수 있고, 계산된 결과는 메모리에 저장될 수 있다. 예를 들어, 포인트 스펙트럼 측정 모드에서는 선택된 한 지점의 회전 각도가 계산 및 저장될 수 있고, 형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드에서는 복수의 인식된 경계 영역들의 내부 지점들 각각의 회전 각도가 계산 및 저장될 수 있다.The rotation angle interval and number of scans of the first mirror M1 can be calculated according to the set measurement area, and the calculated results can be stored in memory. For example, in the point spectrum measurement mode, the rotation angle of one selected point can be calculated and stored, and in the spectrum measurement mode after shape recognition, the rotation angle of each of the internal points of the plurality of recognized boundary areas can be calculated and stored. there is.

초분광 이미지를 촬영하는 것(S500) 이전에 측정 영역을 설정하는 것(S200)에 따라, 스캔 영역을 최소화할 수 있고, 노출 시간이 길어지면 전 영역을 스캔하는 데 오랜 시간이 걸린다는 문제점을 해결할 수 있다.By setting the measurement area (S200) before taking a hyperspectral image (S500), the scan area can be minimized, and if the exposure time is long, it takes a long time to scan the entire area. It can be solved.

기준 이미지를 촬영하는 것(S300)은 LED 광원(620)이 켜진 상태(On)에서 한 번, 그리고 LED 광원(620)이 꺼진 상태(Off)에서 한 번, 제1 이미지 센서(S1)에 의해 수행될 수 있다. LED 광원(620)이 켜진 상태(On)에서 촬영된 이미지에서 LED 광원(620)이 꺼진 상태(Off)에서 촬영된 이미지를 빼는 것에 의해, 주변 조명(ambient light)의 영향이 제거될 수 있다.Taking a reference image (S300) is done once when the LED light source 620 is turned on (On) and once when the LED light source 620 is turned off (Off) by the first image sensor S1. It can be done. By subtracting the image captured with the LED light source 620 off from the image captured with the LED light source 620 turned on, the influence of ambient light can be removed.

스캔 미러를 회전시키는 것(S400), 초분광 이미지를 촬영하는 것(S500) 및 초분광 이미지의 왜곡을 보정하는 것(S600)을 포함하는 촬영 동작(C)은 제1 미러(M1)를 일정 간격의 각도로 회전시키면서 n회 반복될 수 있다. 촬영 동작의 반복 횟수(n)는 측정 영역을 설정하는 것(S200)에 의해 계산되어 메모리에 저장된 정보를 이용하여 결정될 수 있다.The imaging operation (C), which includes rotating the scan mirror (S400), taking a hyperspectral image (S500), and correcting the distortion of the hyperspectral image (S600), keeps the first mirror (M1) constant. It can be repeated n times while rotating at the interval angle. The number of repetitions (n) of the photographing operation may be calculated by setting the measurement area (S200) and determined using information stored in the memory.

촬영 동작(C)은 제1 촬영 동작(C1), 제2 촬영 동작(C2), 제3 촬영 동작(C3) 내지 제n 촬영 동작(Cn)을 포함할 수 있다. 제1 촬영 동작(C1), 제2 촬영 동작(C2), 제3 촬영 동작(C3) 내지 제n 촬영 동작(Cn) 각각은 제1 미러(M1)를 회전시킨 이후에, LED 광원(620)이 켜진 상태(On)에서 한 번, 그리고 LED 광원(620)이 꺼진 상태(Off)에서 한 번, 제2 이미지 센서(S2)에 의해 수행될 수 있다.The photographing operation C may include a first photographing operation C1, a second photographing operation C2, a third photographing operation C3 to an n-th photographing operation Cn. Each of the first photographing operation (C1), the second photographing operation (C2), the third photographing operation (C3) to the n-th photographing operation (Cn) rotates the first mirror (M1), and then the LED light source 620 This may be performed by the second image sensor S2 once when the LED light source 620 is turned on (On) and once when the LED light source 620 is turned off (Off).

기준 이미지와 합성 이미지를 비교하는 것(S800)은 합성 이미지와 기준 이미지의 정규화된 상호 연관성(normalized cross-corelation; NCC) 값이 소정의 문턱 값(threshold value)을 넘는지 판단하는 것일 수 있다. 합성 이미지와 기준 이미지의 정규화된 상호 연관성 값이 상기 문턱 값을 넘지 않는 경우(즉, fail) 측정 영역을 설정하는 것(S200)으로 다시 돌아갈 수 있다. 기준 이미지와 합성 이미지를 비교하는 것(S800)에 따라, 본 발명에 따른 초분광 이미징 방법의 신뢰도가 개선될 수 있다.Comparing the reference image and the composite image (S800) may be to determine whether the normalized cross-correlation (NCC) value of the composite image and the reference image exceeds a predetermined threshold value. If the normalized correlation value of the composite image and the reference image does not exceed the threshold value (i.e., fails), the process may return to setting the measurement area (S200). By comparing the reference image and the synthesized image (S800), the reliability of the hyperspectral imaging method according to the present invention can be improved.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the attached drawings, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. You will understand that it exists. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive.

W: 윈도우
F1, F2: 집속부
S1, S2: 이미지 센서
M1, M2: 미러
OC1, OC2, OC3: 광 소자
AS: 구경 조리개
IL1, IL2: 입사광
DL1, DL2: 회절광
100: 초분광 센서
200: OIS 모듈
300: 스캔 미러 제어 모듈
400: 집속부 제어 모듈
500: 프로세서
600: 광원 제어 모듈
W: Windows
F1, F2: Focusing part
S1, S2: Image sensor
M1, M2: Mirror
OC1, OC2, OC3: Optical elements
AS: Aperture aperture
IL1, IL2: Incident light
DL1, DL2: diffracted light
100: Hyperspectral sensor
200: OIS module
300: Scan mirror control module
400: Focusing unit control module
500: Processor
600: Light source control module

Claims (20)

윈도우;
상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 복수의 렌즈들을 포함하는 제1 집속부;
상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 윈도우의 상기 후면과 나란한 전면을 갖는 제1 이미지 센서;
상기 제1 집속부 및 상기 제1 이미지 센서와 이격되며, 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 갖는 제1 미러;
상기 제1 미러와 이격되는 제1 광 소자;
상기 제1 광 소자와 이격되며, 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖는 제2 광 소자;
상기 제2 광 소자와 이격되며, 복수의 렌즈들을 포함하는 제2 집속부; 및
상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되는 제2 이미지 센서를 포함하는 초분광 센서.
window;
a first focusing unit provided on the back of the window and including a plurality of lenses;
a first image sensor provided on a rear surface of the first focusing unit and having a front surface parallel to the rear surface of the window;
a first mirror spaced apart from the first focusing unit and the first image sensor and having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window;
a first optical element spaced apart from the first mirror;
a second optical element spaced apart from the first optical element and having an internal periodic refractive index distribution;
a second focusing unit spaced apart from the second optical element and including a plurality of lenses; and
A hyperspectral sensor including a second image sensor provided on the back of the second focusing unit.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 광 소자는 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖고,
상기 제1 광 소자의 두께는 상기 제2 광 소자의 두께보다 작은 초분광 센서.
According to claim 1,
The first optical element has an internal periodic refractive index distribution,
A hyperspectral sensor in which the thickness of the first optical element is smaller than the thickness of the second optical element.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 광 소자는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합인 초분광 센서.
According to claim 1,
The first optical element is a hyperspectral sensor selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one prism or a combination of two or more.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 미러는 구동부와 연결되고,
상기 제1 미러는 상기 구동부에 의해 회전하도록 구성되는 초분광 센서.
According to claim 1,
The first mirror is connected to a driving unit,
The first mirror is a hyperspectral sensor configured to rotate by the driving unit.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 광 소자에 의해 회절된 광은 상기 윈도우의 상기 후면과 나란하게 진행하도록 구성되는 초분광 센서.
According to claim 1,
A hyperspectral sensor configured to allow light diffracted by the second optical element to travel parallel to the rear surface of the window.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 미러의 전면은 곡률을 갖는 곡면인 초분광 센서.
According to claim 1,
A hyperspectral sensor where the front surface of the first mirror is a curved surface with curvature.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 미러와 상기 제1 광 소자 사이의 제3 광 소자를 더 포함하되,
상기 제3 광 소자는 클로즈업 렌즈(close-up lens) 또는 색지움 렌즈(achromatic lens)인 초분광 센서.
According to claim 1,
Further comprising a third optical element between the first mirror and the first optical element,
A hyperspectral sensor wherein the third optical element is a close-up lens or an achromatic lens.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 광 소자 및 상기 제2 집속부와 이격되며, 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 갖는 제2 미러를 더 포함하고,
상기 제2 이미지 센서는 상기 윈도우의 상기 후면과 나란한 전면을 갖는 초분광 센서.
According to claim 1,
Further comprising a second mirror spaced apart from the second optical element and the second focusing unit and having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window,
The second image sensor is a hyperspectral sensor having a front side parallel to the back side of the window.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 이미지 센서는 상기 윈도우의 상기 후면과 직교하는 방향으로 연장되는 초분광 센서.
According to claim 1,
The second image sensor is a hyperspectral sensor extending in a direction perpendicular to the rear surface of the window.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 미러의 전면에 인접하는 제1 셰이드, 및 상기 제2 광 소자의 후면에 인접하는 제2 셰이드를 더 포함하되,
상기 제1 셰이드 및 상기 제2 셰이드 각각은 상기 제2 광 소자에서 회절되지 않는 0차 회절광 성분을 제거하도록 구성되는 초분광 센서.
According to claim 1,
It further includes a first shade adjacent to a front surface of the first mirror, and a second shade adjacent to a rear surface of the second optical element,
Each of the first shade and the second shade is configured to remove a zero-order diffracted light component that is not diffracted in the second optical element.
윈도우, 제1 입사광이 입사되도록 구성되는 제1 광학계, 및 상기 제1 광학계와 이격되며 제2 입사광이 입사되도록 구성되는 제2 광학계를 포함하는 초분광 센서;
상기 초분광 센서의 움직임을 감지 및 제어하도록 구성되는 OIS(optical image stabilization) 모듈; 및
상기 초분광 센서의 상기 제1 광학계 및 상기 제2 광학계, 및 상기 OIS 모듈과 연결되는 프로세서를 포함하되,
상기 제1 광학계는:
상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 입사광을 집속하도록 구성되는 제1 집속부; 및
상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 집속부를 통과한 상기 제1 입사광을 검출하도록 구성되는 제1 이미지 센서를 포함하고,
상기 제2 광학계는:
상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 가지며, 상기 제2 입사광을 반사시키도록 구성되는 제1 미러;
상기 제1 미러와 이격되며, 상기 제2 입사광을 회절시키도록 구성되는 제1 및 제2 광 소자들;
상기 제2 광 소자와 이격되며, 상기 제2 광 소자에 의해 회절된 회절광을 집속하도록 구성되는 제2 집속부; 및
상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제2 집속부를 통과한 상기 회절광을 검출하도록 구성되는 제2 이미지 센서를 포함하는 초분광 이미징 시스템.
A hyperspectral sensor including a window, a first optical system configured to allow first incident light to enter, and a second optical system spaced apart from the first optical system and configured to allow second incident light to enter;
an optical image stabilization (OIS) module configured to detect and control movement of the hyperspectral sensor; and
A processor connected to the first optical system and the second optical system of the hyperspectral sensor and the OIS module,
The first optical system is:
a first focusing portion provided on a rear surface of the window and configured to focus the first incident light; and
A first image sensor provided on a rear surface of the first focusing unit and configured to detect the first incident light that has passed through the first focusing unit,
The second optical system is:
a first mirror having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window and configured to reflect the second incident light;
first and second optical elements spaced apart from the first mirror and configured to diffract the second incident light;
a second focusing unit spaced apart from the second optical element and configured to focus diffracted light diffracted by the second optical element; and
A hyperspectral imaging system comprising a second image sensor provided on a rear surface of the second focusing unit and configured to detect the diffracted light that has passed through the second focusing unit.
제 11 항에 있어서,
상기 제1 광 소자는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합이고,
상기 제2 광 소자는 볼륨 브래그 격자인 초분광 이미징 시스템.
According to claim 11,
The first optical element is one or a combination of two or more selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one prism,
A hyperspectral imaging system wherein the second optical element is a volume Bragg grating.
제 11 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 광 소자들 각각은 볼륨 브래그 격자이고,
상기 제1 광 소자의 격자 주기는 상기 제2 광 소자의 격자 주기와 다른 초분광 이미징 시스템.
According to claim 11,
Each of the first and second optical elements is a volume Bragg grating,
A hyperspectral imaging system wherein the grating period of the first optical device is different from the grating period of the second optical device.
제 11 항에 있어서,
상기 OIS 모듈은 상기 초분광 센서와 연결되는 위치 센서들 및 OIS 구동부들, 및 상기 위치 센서들 및 상기 OIS 구동부들과 각각 연결되는 OIS 제어부를 포함하되,
상기 OIS 제어부는 상기 위치 센서들의 위치 정보를 받아 상기 OIS 구동부들에 전달하도록 구성되는 초분광 이미징 시스템.
According to claim 11,
The OIS module includes position sensors and OIS drivers connected to the hyperspectral sensor, and an OIS control unit connected to the position sensors and the OIS drivers, respectively,
The OIS control unit is configured to receive location information of the position sensors and transmit it to the OIS driving units.
제 11 항에 있어서,
상기 제2 광학계의 상기 제1 미러와 연결되는 스캔 미러 제어 모듈;
상기 제1 광학계의 상기 제1 집속부 및 상기 제2 광학계의 상기 제2 집속부와 연결되는 집속부 제어 모듈; 및
상기 프로세서와 연결되는 광원 제어 모듈을 더 포함하되,
상기 광원 제어 모듈은 상기 프로세서와 연결되는 LED 드라이버, 및 상기 LED 드라이버와 연결되며 스펙트럼을 미리 알고 있는 LED 광원을 포함하는 초분광 이미징 시스템.
According to claim 11,
a scan mirror control module connected to the first mirror of the second optical system;
a focusing unit control module connected to the first focusing unit of the first optical system and the second focusing unit of the second optical system; and
Further comprising a light source control module connected to the processor,
The light source control module is a hyperspectral imaging system including an LED driver connected to the processor, and an LED light source connected to the LED driver and having a known spectrum in advance.
제1 및 제2 입사광들이 입사되도록 구성되는 윈도우, 상기 윈도우를 통과한 상기 제1 입사광이 입사되도록 구성되는 제1 광학계, 및 상기 제1 광학계와 이격되며 상기 윈도우를 통과한 상기 제2 입사광이 입사되도록 구성되는 제2 광학계를 포함하는 초분광 센서에 있어서,
측정 영역을 설정하는 것;
상기 제1 광학계에 의해 기준 이미지를 촬영하는 것;
상기 제2 광학계에 의해 초분광 이미지들을 촬영하는 것;
상기 초분광 이미지들을 합성하는 것;
상기 초분광 이미지들을 합성한 합성 이미지와 상기 기준 이미지를 비교하는 것; 및
측정 결과를 출력하는 것을 포함하되,
상기 제1 광학계는:
상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 입사광을 집속하도록 구성되는 제1 집속부; 및
상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 집속부를 통과한 상기 제1 입사광을 검출하도록 구성되는 제1 이미지 센서를 포함하고,
상기 제2 광학계는:
상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 가지며, 상기 제2 입사광을 반사시키도록 구성되는 제1 미러;
상기 제1 미러와 이격되며, 상기 제2 입사광이 파장 별로 브래그 조건을 만족시키는 각도로 진행하도록 변환하는 파장 별 각도 변환부;
상기 파장 별 각도 변환부와 이격되며, 상기 파장 별 각도 변환부에 의해 회절된 회절광을 집속하도록 구성되는 제2 집속부; 및
상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제2 집속부를 통과한 상기 회절광을 검출하도록 구성되는 제2 이미지 센서를 포함하는 초분광 이미징 방법
A window configured to allow first and second incident light to enter, a first optical system configured to allow the first incident light passing through the window to enter, and a window spaced apart from the first optical system to allow the second incident light to enter through the window. In the hyperspectral sensor including a second optical system configured to:
Setting up the measurement area;
capturing a reference image by the first optical system;
taking hyperspectral images by the second optical system;
synthesizing the hyperspectral images;
Comparing a composite image combining the hyperspectral images with the reference image; and
Including outputting measurement results,
The first optical system is:
a first focusing portion provided on a rear surface of the window and configured to focus the first incident light; and
A first image sensor provided on a rear surface of the first focusing unit and configured to detect the first incident light that has passed through the first focusing unit,
The second optical system is:
a first mirror having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window and configured to reflect the second incident light;
an angle conversion unit for each wavelength, which is spaced apart from the first mirror and converts the second incident light to proceed at an angle that satisfies the Bragg condition for each wavelength;
a second focusing unit spaced apart from the wavelength-specific angle converting unit and configured to focus the diffracted light diffracted by the wavelength-specific angle converting unit; and
A hyperspectral imaging method comprising a second image sensor provided on a rear surface of the second focusing unit and configured to detect the diffracted light that has passed through the second focusing unit.
제 16 항에 있어서,
상기 제2 광학계에 의해 상기 초분광 이미지들을 촬영하는 것은 복수 회의 촬영 동작들을 포함하고,
상기 촬영 동작들 각각은:
상기 제1 미러를 회전시키는 것;
상기 제2 이미지 센서에 의해 초분광 이미지를 촬영하는 것; 및
상기 초분광 이미지의 왜곡을 보정하는 것을 포함하는 초분광 이미징 방법.
According to claim 16,
Capturing the hyperspectral images by the second optical system includes a plurality of capturing operations,
Each of the above shooting operations:
rotating the first mirror;
capturing a hyperspectral image by the second image sensor; and
A hyperspectral imaging method comprising correcting distortion of the hyperspectral image.
제 17 항에 있어서,
상기 제2 이미지 센서에 의해 상기 초분광 이미지를 촬영하는 것은 광원이 켜진 상태에서 한 번, 그리고 광원이 꺼진 상태에서 한 번 수행되는 초분광 이미징 방법.
According to claim 17,
A hyperspectral imaging method in which the capturing of the hyperspectral image by the second image sensor is performed once when the light source is turned on and once when the light source is turned off.
제 16 항에 있어서,
상기 측정 영역을 설정하는 것 이전에, 측정 모드를 입력하는 것을 더 포함하되,
상기 측정 모드는 포인트 스펙트럼 측정 모드, 형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드, 공간 저 해상도(low resolution) 측정 모드, 및 공간 고 해상도(high resolution) 측정 모드 중에서 선택된 어느 하나인 초분광 이미징 방법.
According to claim 16,
Before setting the measurement area, it further includes entering a measurement mode,
The measurement mode is a hyperspectral imaging method selected from a point spectrum measurement mode, a spectrum measurement mode after shape recognition, a spatial low resolution measurement mode, and a spatial high resolution measurement mode.
제 16 항에 있어서,
상기 파장 별 각도 변환부는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합인 초분광 이미징 방법.
According to claim 16,
The wavelength-specific angle converter is a hyperspectral imaging method in which one or a combination of two or more is selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one or more prisms.
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