KR20170010590A - 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치가 제시된다. 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법은 파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시키는 단계; 상기 샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광에 따라 측정하는 단계; 및 측정된 상기 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치{Method and Apparatus for Measuring 3D Refractive Index Tomograms Using a High-Speed Wavefront Shaper}
아래의 실시예들은 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 파면 제어기(Wavefront Shaper)를 활용하여 광 단층 촬영법을 위한 입사광을 제어하는 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
3차원 굴절률 측정 기술(3D Refractive Index Tomography, RIT)은 E. Wolf에 의해 제안되고 V. Lauer 등에 의해 구현된 광학 기술로, 세포와 같은 미세 시편(샘플) 또는 반도체 공정 제작물 등의 3차원 굴절률 분포 측정을 통해 시편(샘플)의 형상과 광학 성질 측정에 사용될 수 있다[비특허문헌1 내지 3].
3차원 굴절률 측정 기술(RIT)은 X-ray Computed Tomography(CT)을 광학으로 구현한 기술로써, 일반적으로 샘플에 입사시키는 평면파의 입사 각도를 바꾸어 측정한 여러 장의 2차원 홀로그래픽 영상(빛의 흡수 영상과 빛의 위상 지연 영상을 포함)을 촬영하고, 촬영된 다수의 2차원 영상들로부터 3차원 산란 포텐셜(Scattering Potential)을 계산하여 구하는 방법이다.
종래의 방식은 평면파의 각도를 바꿔주기 위해 샘플을 직접 돌리거나, 갈바노미터(galvanometer) 거울을 이용하거나[비특허문헌 2], 액정을 사용한 공간 주파수 변조기(liquid crystal-based spatial light modulator, LC-SLM)를 이용하였다.
하지만 이 방법들은 측정 속도와 정밀도에 큰 문제를 가지고 있다. 예를 들어 샘플을 직접 돌리는 방식에서는 샘플의 회전축을 고정하기 어렵고 진동으로 인한 문제가 발생하며, 세포와 같은 생체 세포를 직접 회전시키면 샘플의 변형이 생길 수 있다.
갈바노미터 거울을 이용하는 경우 미세 진동 등으로 인해 입사각의 안정적인 제어하기 어려웠으며, 갈바노미터 거울의 회전축과 반사면이 일치하지 않는 문제로 인해 정확한 광학 정렬이 불가능하다. 또한 LC-SLM는 액정의 반응 속도 제약으로 인해 근본적으로 고속 촬영이 불가능하며, 대당 가격이 매우 고가로 개별 상품 제작 단가가 매우 높다.
E. Wolf, "Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data," Optics Communications 1, 153-156 (1969). V. Lauer, "New approach to optical diffraction tomography yielding a vector equation of diffraction tomography and a novel tomographic microscope," Journal of Microscopy 205, 165-176 (2002). K. Kim, H.-O. Yoon, M. Diez-Silva, M. Dao, R. Dasari, and Y.-K. Park, "High-resolution three-dimensional imaging of red blood cells parasitized by Plasmodium falciparum and in situ hemozoin crystals using optical diffraction tomography," J. Biomed. Opt. 19, 011005-011012 (2014). W.-H. Lee, "Binary computer-generated holograms," Applied Optics 18, 3661-3669 (1979). F. Charriere, A. Marian, F. Montfort, J. Kuehn, T. Colomb, E. Cuche, P. Marquet, and C. Depeursinge, "Cell refractive index tomography by digital holographic microscopy," Optics letters 31, 178-180 (2006). K. Lee, K. Kim, J. Jung, J. Heo, S. Cho, S. Lee, G. Chang, Y. Jo, H. Park, and Y. Park, "Quantitative phase imaging techniques for the study of cell pathophysiology: from principles to applications," Sensors 13, 4170-4191 (2013).
실시예들은 파면 제어기(Wavefront Shaper)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 파면 제어기를 활용하여 광 단층 촬영법을 위한 입사광을 제어하여 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치에 관한 기술을 제공한다.
실시예들은 초고속 광 단층 촬영을 위해 서로 다른 각도 혹은 다른 패턴을 가지도록 입사광을 제어하고, 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능한 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법은 파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시키는 단계; 상기 샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광에 따라 측정하는 단계; 및 측정된 상기 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는, 상기 파면 제어기로 가변형 거울(Deformable Mirror, DM)을 사용하고, 상기 가변형 거울(DM)의 기울어지는 각도를 제어하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및 제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 평면파 진행 각도를 제어하는 단계는, 상기 가변형 거울에서 나타나는 기울기의 2배의 기울기로 상기 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다.
상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하고, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 공간 필터(spatial filter)를 배치하는 단계; 상기 공간 필터(spatial filter)를 통과한 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및 제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 사용하고, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈 중 적어도 하나 이상의 렌즈의 중심이 광학 축으로부터 소정간격 벗어나도록 정렬하는 단계; 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 공간 필터(spatial filter)를 배치하고 회절 한계까지 축소하여 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)의 픽셀들을 그룹핑하여 형성되는 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들어, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 형성하는 단계; 상기 수퍼픽셀 배열의 상기 위상을 조절하여 선형적인 위상의 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및 제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 사용하고, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시켜 개별 광원으로 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 제어 가능한 레이저 배열을 형성하는 단계; 상기 레이저 배열을 이용하여 빛을 반사시키는 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 변경하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및 제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계는, 3차원 광 회절 단층촬영 알고리즘(3D optical diffraction tomography algorithm)에 입력하여 상기 3차원 산란 포텐셜 또는 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
다른 실시예에 따른 파면 제어기(wavefront shaper)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법은 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 사용하여 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시키는 단계; 상기 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광 패턴에 대한 상기 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 측정하는 단계; 및 측정된 상기 2차원 광학장의 정보로부터 상기 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 상기 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시키는 변조부; 상기 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 상기 입사광에 따라 측정하는 간섭계; 및 측정된 상기 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득하는 영상부를 포함한다.
상기 변조부는, 기울어지는 각도를 제어하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 상기 파면 제어기인 가변형 거울(Deformable Mirror, DM); 및 상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 변조부는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD); 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈; 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 배치되고, 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 공간 필터(spatial filter); 및 상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 변조부는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(DMD); 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하고, 적어도 하나 이상의 렌즈의 중심이 광학 축으로부터 소정간격 벗어나도록 정렬되는 제1 렌즈와 제2 렌즈; 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 배치되는 공간 필터(spatial filter); 및 상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈를 포함하고, 상기 변조부는 회절 한계까지 축소하여 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)의 픽셀들을 그룹핑하여 형성되는 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들어, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 형성하고, 상기 수퍼픽셀 배열의 상기 위상을 조절하여 선형적인 위상의 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다.
상기 변조부는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(DMD); 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈; 및 상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈를 포함하고, 상기 변조부는 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시켜 개별 광원으로 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 제어 가능한 레이저 배열을 형성하고, 상기 레이저 배열을 이용하여 빛을 반사시키는 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 변경하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다.
상기 영상부는, 3차원 광 회절 단층촬영 알고리즘(3D optical diffraction tomography algorithm)에 입력하여 상기 3차원 산란 포텐셜 또는 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치는 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시키는 디지털 마이크로미러 소자(DMD); 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 제1 렌즈와 제2 렌즈; 상기 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광 패턴에 대한 상기 2차원 광학장을 측정하는 간섭계; 및 측정된 상기 2차원 광학장의 정보로부터 상기 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 상기 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득하는 영상부를 포함한다.
실시예들에 따르면 초고속 광 단층 촬영을 위해 서로 다른 각도 혹은 다른 패턴을 가지도록 입사광을 제어하고, 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능한 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 가변형 거울(DM) 혹은 디지털 마이크로미러 소자(DMD)와 같은 파면 제어기를 이용한 초고속 입사광 제어를 통해 기존의 갈바노미터(galvanometer) 거울이나 기계적인 시편 혹은 광원의 움직임보다 훨씬 더 안정적이고 빠르게 작동하며, 3차원 굴절률 측정이 고속 정밀하게 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 가변형 거울을 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 파면 제어기(wavefront shaper)를 활용하여 광 단층 촬영법을 위한 입사광의 제어 기술에 관한 것으로, 광 단층 촬영법을 위해서 서로 다른 각도 혹은 다른 패턴을 가지도록 입사광을 제어하고 안정적이고 빠르게 입사광을 제어하는 기술에 관한 것이다. 초고속으로 파면을 제어할 수 있는 소자는 가변형 거울(Deformable Mirror, DM)과 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 포함할 수 있다.
이러한 소자들을 이용하여 입사광을 제어하는 기술은 광학적 정렬에 따라 몇 가지 방법들을 사용할 수 있다. 아래에서는 가변형 거울(DM)과 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용하여 입사광을 제어하는 기술을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(100)는 변조부(110), 간섭계(120), 및 영상부(130)를 포함하여 이루어질 수 있다.
변조부(110)는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플(시편)에 입사시킬 수 있다. 파면 제어기는 빛의 위상을 제어할 수 있는 기기 또는 위상이 제어될 수 있는 고정된 형태의 필름이 사용될 수 있다. 예를 들면, 파면 제어기는 초고속으로 파면을 제어할 수 있는 가변형 거울(DM)과 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 포함할 수 있다.
간섭계(120)는 적어도 하나 이상의 입사광에서 간섭 신호를 추출하는 것으로, 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다.
영상부(130)는 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능한 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
아래에서는 실시예들을 통해 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 기술을 더 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 가변형 거울을 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 가변형 거울(DM)을 이용해서 가변형 거울이 기울어지는 각도를 직접 제어하여 평면파의 진행각도를 제어할 수 있다.
가변형 거울(DM)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(200)는 변조부, 간섭계, 및 영상부를 포함하여 이루어질 수 있다.
변조부는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
더 구체적으로, 변조부는 가변형 거울(DM, 210) 및 복수의 렌즈(221, 222)를 포함할 수 있다.
가변형 거울(Deformable Mirror, DM)(210)은 파면 제어기 중 하나로, 기울어지는 각도를 제어하여 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다.
복수의 렌즈(221, 222)는 평면파 진행 각도를 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
즉, 가변형 거울(210)을 이용해서 가변형 거울(210)이 기울어지는 각도를 직접 제어하여 평면파의 진행각도를 제어할 수 있다. 이 때, 가변형 거울(210)에서 반사되는 빛이 입사되므로 가변형 거울(210)에서 표현하는 기울기의 2배의 기울기로 평면파의 진행각도를 제어할 수 있다. 이렇게 제어된 평면파의 각도를 복수의 렌즈(221, 222)로 확대하여 샘플에 입사시키고 이에 대응하는 2차원 광학장을 측정할 수 있다. 여기서, 복수의 렌즈(221, 222)는 일례로 튜브 렌즈(221)와 집광 렌즈(222)를 사용할 수 있다.
간섭계는 적어도 하나 이상의 입사광에서 간섭 신호를 추출하는 것으로, 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다.
영상부는 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. 이와 같이, 가변형 거울(210)을 이용해서 가변형 거울(210)이 기울어지는 각도를 직접 제어하여 평면파의 진행각도를 제어할 수 있다.
빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 광원에서 나온 빛이 파면 제어기에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다.
파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 파면 제어기로 가변형 거울(210)을 사용할 수 있다. 가변형 거울(210)의 기울어지는 각도를 제어함으로써 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하고, 제어된 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈(221, 222)로 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 가변형 거울(210)에서 반사되는 빛이 입사되므로 가변형 거울(210)에서 나타나는 기울기의 2배의 기울기로 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다.
다음으로, 샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 각각 촬영함으로써, 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 얻을 수 있다.
따라서 초고속 광 단층 촬영을 위해 가변형 거울(210)의 기울어지는 각도를 제어하여 서로 다른 각도를 가지도록 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하며 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능하다.
도 3을 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 주기 제어가능 반사형 진폭 회절 격자(period controllable reflective amplitude grating)로 활용할 수 있다.
디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치는 변조부, 간섭계, 및 영상부를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 디지털 마이크로미러 소자(DMD)는 주기 제어가능 반사형 진폭 회절 격자로 이용될 수 있다.
변조부는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
그리고 변조부는 디지털 마이크로미러 소자(DMD), 제1 렌즈와 제2 렌즈(341, 342), 공간 필터(spatial filter, 320), 및 복수의 렌즈(341, 342)를 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 렌즈(341, 342)는 일례로 튜브 렌즈와 집광 렌즈를 사용할 수 있다.
디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)는 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비할 수 있다.
제1 렌즈와 제2 렌즈(341, 342)는 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 2차원 광학장을 전달할 수 있다.
공간 필터(spatial filter, 320)는 제1 렌즈와 제2 렌즈(341, 342) 사이에 배치되고, 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다.
복수의 렌즈(341, 342)는 평면파 진행 각도를 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
그리고, 간섭계는 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다.
영상부는 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
구체적으로는 Lee hologram [비특허문헌 4]을 이용하여 공간 필터(spatial filter, 320)된 1차 회절광에 원하는 위상정보를 선택할 수 있고 선형적인 기울기를 가진 평면파의 위상으로 나타냄으로써, 원하는 각도로 진행하는 평면파를 표현할 수 있다. 원하는 각도로 진행하는 평면파를 표현하기 위해 공간적으로는 선형적으로 증가하는 위상이 표현되어야 한다. 디지털 마이크로미러 소자(DMD)는 반사 직후 빛의 세기만 제어 가능하나, 표현하고자 하는 위상을 포함하는 Lee hologram은 빛의 세기로 표현이 가능하기 때문에 DMD를 이용하여 평면파에 해당하는 위상의 표현이 가능하다. 구체적으로, 광축을 z축으로 정하고 표현하고자 하는 파장 λ를 갖는 레이저 평면파의 x축 y축 방향의 각도를 각각
Figure pat00001
로 한다면, 이에 해당하는 파면 위상정보
Figure pat00002
는 다음의 수학식 1과 같이 표현 가능하다.
Figure pat00003
이런 파면의 빛을 DMD로 형성하기 위해, DMD에 다음의 수학식 2와 같은 Lee hologram pattern을 입력할 수 있다.
Figure pat00004
이 경우 두 번째 식에서 두 번째 항에 해당하는 반사광만 샘플에 조사하고 나머지 빛을 차폐하면, 샘플에 조사되는 빛은
Figure pat00005
를 DMD 상에서 직접 제어가 가능하여, 원하는 방향의 평면파를 형성 가능하다. 이 때, Lee hologram을 사용하면서 발생하는 원치 않는 회절광은 공간 필터 등을 이용하여 제거할 수 있다.
여기서 각 픽셀의 위상을 0~2π까지 제어 가능하므로, 디지털 마이크로미러 소자(DMD)로 제어 가능한 위상의 기울기는 픽셀의 크기에 의해 제한된다. 일반적으로 수 마이크로미터 길이의 마이크로미러로 소자가 제작되었을 때, 제어 가능한 최대 각도는 1~2도 정도이다. 2 개의 렌즈를 추가하여 이 각도를 확대하고 샘플에 입사시킨 후, 2차원 광학장 정보를 입사광의 각도 별로 촬영하면 3차원 산란 포텐셜(Scattering Potential)을 얻을 수 있다.
빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 광원에서 나온 빛이 파면 제어기에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다.
파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용할 수 있다. 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈(341, 342) 사이에 공간 필터(spatial filter, 320)를 배치할 수 있고, 공간 필터(spatial filter, 320)를 통과한 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. 이후, 제어된 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈(341, 342)로 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다.
측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
이와 같이 초고속 광 단층 촬영을 위해 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 주기 제어가능 반사형 진폭 회절 격자로 활용하여, 서로 다른 각도를 가지도록 입사광을 제어하며 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능하다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 수퍼픽셀 방법을 이용한 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 410) 활용할 수 있다.
디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(400)는 변조부, 간섭계, 및 영상부를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 410)는 수퍼픽셀 방법을 이용할 수 있다.
변조부는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 변조부는 디지털 마이크로미러 소자(410)를 사용하여 조사 각도를 변조하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
변조부는 디지털 마이크로미러 소자(410), 제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432), 공간 필터(spatial filter, 420), 및 복수의 렌즈(441, 442)를 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 렌즈(441, 442)는 일례로 튜브 렌즈와 집광 렌즈를 사용할 수 있다.
디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)는 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비할 수 있다.
제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432)는 디지털 마이크로미러 소자(410)에서 반사된 2차원 광학장을 전달할 수 있다. 그리고 제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432)는 적어도 하나 이상의 렌즈의 중심이 광학 축으로부터 소정간격 벗어나도록 정렬될 수 있다.
공간 필터(spatial filter, 420)는 제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432) 사이에 배치되고, 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다.
복수의 렌즈(441, 442)는 평면파 진행 각도를 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
이러한 변조부는 회절 한계까지 축소하여 디지털 마이크로미러 소자(410)의 다수의 픽셀들을 그룹핑하여 형성되는 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들어, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 형성하고, 수퍼픽셀 배열의 위상을 조절하여 선형적인 위상의 기울기를 가진 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다.
더 구체적으로, A. Mosk 에 의해 디지털 마이크로미러 소자(410)의 픽셀들을 묶어서, 수퍼픽셀을 이용한 빛의 위상변조 방법이 알려졌다[비특허문헌 5]. 구체적인 방법은, 디지털 마이크로미러 소자(410)에서 반사된 광학장을 전달하는 렌즈들을 광학 축에서 약간 벗어나게 정렬하여 마이크로미러의 위치에 따라 빛의 위상이 다르게 표현되도록 하는 방법이다. 따라서 렌즈 사이에 공간 필터(spatial filter, 420)를 놓고 회절 한계까지 축소하여 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들면, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 만들게 된다. 이 방법을 이용해 선형적인 위상의 기울기를 표현해주면 원하는 각도로 진행하는 평면파를 표현할 수 있게 된다. 이 방법 또한 마찬가지로, 표현할 수 있는 위상의 기울기가 수퍼픽셀의 크기에 의해 제한되므로, 렌즈 2개를 추가하여 표현되는 각도를 확대 후 샘플에 입사시켜 3차원 광 단층 촬영에 활용할 수 있다.
간섭계는 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다.
영상부는 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 광원에서 나온 빛이 파면 제어기에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다.
파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(410)를 사용하고, 디지털 마이크로미러 소자(410)에서 반사된 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432) 중 적어도 하나 이상의 렌즈의 중심이 광학 축으로부터 소정간격 벗어나도록 정렬시킬 수 있다. 다음으로, 제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432)의 사이에 공간 필터(spatial filter, 420)를 배치하고 회절 한계까지 축소하여 디지털 마이크로미러 소자(410)의 픽셀들을 그룹핑하여 형성되는 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들어, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 형성할 수 있다. 이를 위해서는 제1 렌즈와 제2 렌즈를 이용하여 4-f 영상 시스템을 구축하고, 영상의 축소 배율을 제1 렌즈와 제2 렌즈의 초점거리를 적절히 선택하여, 디지털 마이크로미러 소자로 형성되는 수퍼픽셀이 축소되어 빛의 회절 한계, 일반적으로 파장의 절반 크기가 되도록 설정하여 구성 가능하다. 이어, 수퍼픽셀 배열의 위상을 조절하여 선형적인 위상의 기울기를 가진 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하고, 제어된 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈(441, 442)로 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있고, 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
이와 같이 초고속 광 단층 촬영을 위해 수퍼픽셀 방법을 이용한 디지털 마이크로미러 소자(410)를 활용하여, 서로 다른 각도를 가지도록 입사광을 제어하며 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능하다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 510)를 개별 광원 제어가능 레이저 배열로 활용(individual source controllable laser array)할 수 있다.
디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(500)는 변조부, 간섭계, 및 영상부를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 510)는 개별 광원 제어가능 레이저 배열로 활용(individual source controllable laser array)할 수 있다.
변조부는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 변조부는 디지털 마이크로미러 소자(510)를 사용하여 조사 각도를 변조하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
변조부는 디지털 마이크로미러 소자(510), 제1 렌즈(520), 및 복수의 렌즈(531, 532)를 포함할 수 있다.
디지털 마이크로미러 소자(DMD)는 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비할 수 있다.
제1 렌즈(520)는 디지털 마이크로미러 소자(510)에서 반사된 2차원 광학장을 전달할 수 있다.
복수의 렌즈(531, 532)는 평면파 진행 각도를 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 복수의 렌즈(531, 532)는 일례로 튜브 렌즈와 집광 렌즈를 사용할 수 있다.
이러한 변조부는 디지털 마이크로미러 소자(510)를 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시켜 개별 광원으로 다수의 마이크로미러의 위치를 제어 가능한 레이저 배열을 형성하고, 레이저 배열을 이용하여 빛을 반사시키는 다수의 마이크로미러의 위치를 변경하여 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. 이를 위해서 평편파가 푸리에 평면 상에 위치한 디지털 마이크로미러 소자에 조사되고, 특정 디지털 마이크로미러 소자만 작동시켜 그 소자에 해당하는 빛만 반사를 시킴으로써, 샘플에 입사하는 빛은 특정한 공간주파수만 가지는 빛, 즉 특정 각도로만 입사하는 평면파가 생성될 수 있다.
간섭계는 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다.
영상부는 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
다시 말하면, 디지털 마이크로미러 소자(510)를 시스템의 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시키고, 빛을 반사시키는 마이크로미러의 위치를 바꿔줌으로써 샘플에 입사되는 빛의 각도를 제어할 수 있다. 이 때, 집광 렌즈(condenser lens)의 조리 개수(numerical aperture)의 크기에 디지털 마이크로미러 소자(510)의 크기가 대응되도록 렌즈들의 배율을 적절히 조정할 수 있다.
빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 광원에서 나온 빛이 파면 제어기에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다.
파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
여기서, 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(510)를 사용하고, 디지털 마이크로미러 소자(510)를 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시켜 개별 광원으로 다수의 마이크로미러의 위치를 제어 가능한 레이저 배열을 형성할 수 있다. 다음으로, 레이저 배열을 이용하여 빛을 반사시키는 다수의 마이크로미러의 위치를 변경하여 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. 제어된 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈(531, 532)로 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있고, 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
따라서 초고속 광 단층 촬영을 위해 디지털 마이크로미러 소자(510)를 개별 광원 제어가능 레이저 배열로 활용하여, 서로 다른 각도를 가지도록 입사광을 제어하며 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정할 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 610)를 입사광 패턴 제어기(illumination pattern controller)로 활용할 수 있다.
디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(600)는 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 610), 제1 렌즈 및 제2 렌즈(621, 622), 간섭계, 및 영상부를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 디지털 마이크로미러 소자(610)는 입사광 패턴 제어기(illumination pattern controller)로 활용할 수 있다.
디지털 마이크로미러 소자(610)는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(600)는 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시킬 수 있다.
제1 렌즈 및 제2 렌즈(621, 622)는 입사광의 평면파 진행 각도를 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다.
간섭계는 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 입사광 패턴에 대한 2차원 광학장을 측정할 수 있다.
영상부는 측정된 2차원 광학장의 정보로부터 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
다시 말하면, 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(600)는 디지털 마이크로미러 소자(610)의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 이미징하고, 입사광 패턴을 변경하며 2차원 광학장을 촬영하여 측정된 광학장 정보로부터 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 샘플의 반응을 구할 수 있다. 즉, 입사광 패턴을 변경함에 따라 패턴에 평면파의 위상이 포함되어 있어 평면파의 위상을 변경할 수 있다. 이는, 구조화된 입사광(structured illumination)을 포함하여 알고 있는 패턴의 정보를 넣어주고 패턴에 포함된 각 평면파의 위상을 변경함에 따라 바뀌는 패턴에 대한 샘플의 반응을 수치적으로 분석함으로써 가능하다.
이를 통해 측정한 다수의 2차원 광학장을 바탕으로 광학 회절 3차원 영상기법(optical diffraction tomography) 알고리즘을 이용하여, 3차원 굴절률 분포도를 추출할 수 있다.
빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 광원에서 나온 빛이 파면 제어기에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다.
디지털 마이크로미러 소자(610)를 사용하여 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시킬 수 있다. 다음으로, 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 입사광 패턴에 대한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 측정할 수 있다. 그리고 측정된 2차원 광학장의 정보로부터 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
이와 같이, 초고속 광 단층 촬영을 위해 디지털 마이크로미러 소자(610)를 입사광 패턴 제어기(illumination pattern controller)로 이용하여, 서로 다른 패턴을 가지도록 입사광을 제어하며 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정할 수 있다.
도 1 내지 도 6에서 설명한 바와 같이, 가변형 거울(DM)이나 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용하여 입사광을 제어한 후 이를 샘플에 입사시킬 수 있다. 샘플을 통과한 2차원 광학장을 다양한 입사광에 따라 측정한 후, 이를 3차원 광 회절 단층촬영 알고리즘(3D optical diffraction tomography algorithm)에 입력하면 3차원 산란 포텐셜(Scattering Potential) 또는 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다.
2차원 광학장 측정 방법에는 일반적인 간섭계를 이용할 수 있다. 예를 들어, 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 위상 이동 간섭계(phase shifting interferometry), 정량위상이미지 촬영 기구(Quantitative phase imaging unit) 등을 포함한 시간적(temporal), 공간적(spatial) 세기 변조(intensity modulation)를 이용하거나 세기 전달 공식(transport of intensity equation)을 이용한 2차원 광학장 측정 방법을 이용할 수 있다[비특허문헌 6].
이상에서 실시예들은 기존의 3차원 굴절률 측정 기술 촬영법에서 기계적으로 움직이는 요소 없이 초고속 초정밀 촬영을 위한 것으로, 초고속 광 단층 촬영을 위한 입사광의 제어 속도를 높이고 장치의 움직임을 제거함으로써, 잡음을 최소화하고, 시스템의 안정성을 증대시킬 수 있다.
실시예들에 따르면 가변형 거울(DM) 또는 디지털 마이크로미러 소자(DMD)와 같은 파면 제어기(wavefront shaper)를 이용한 초고속 입사광 제어 방법은 기존의 갈바노미터(galvanometer) 거울이나 기계적인 시편 혹은 광원의 움직임보다 훨씬 더 안정적이고 빠르게 작동하는 기술로, 3차원 굴절률 측정이 고속 정밀하게 가능하다.
이를 이용하면 다양한 생물학적 시편(세포, 조직, 박테리아 등)의 3차원 형상 측정, 다이나믹 분석이 가능하다. 또한 휴대폰 카메라 등에 사용되는 작은 크기의 광학 렌즈, 부품 등의 정밀한 형상과 굴절률 측정이 가능하다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시키는 단계;
    상기 샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광에 따라 측정하는 단계; 및
    측정된 상기 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계
    를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는,
    상기 파면 제어기로 가변형 거울(Deformable Mirror, DM)을 사용하고, 상기 가변형 거울(DM)의 기울어지는 각도를 제어하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및
    제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계
    를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 평면파 진행 각도를 제어하는 단계는,
    상기 가변형 거울에서 나타나는 기울기의 2배의 기울기로 상기 평면파 진행 각도를 제어하는 것
    을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는,
    상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하고, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 공간 필터(spatial filter)를 배치하는 단계;
    상기 공간 필터(spatial filter)를 통과한 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및
    제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계
    를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는,
    상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하고, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈 중 적어도 하나 이상의 렌즈의 중심이 광학 축으로부터 소정간격 벗어나도록 정렬하는 단계;
    상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 공간 필터(spatial filter)를 배치하고 회절 한계까지 축소하여 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)의 픽셀들을 그룹핑하여 형성되는 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들어, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 형성하는 단계;
    상기 수퍼픽셀 배열의 상기 위상을 조절하여 선형적인 위상의 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및
    제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계
    를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는,
    상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하고, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시켜 개별 광원으로 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 제어 가능한 레이저 배열을 형성하는 단계;
    상기 레이저 배열을 이용하여 빛을 반사시키는 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 변경하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및
    제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계
    를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계는,
    3차원 광 회절 단층촬영 알고리즘(3D optical diffraction tomography algorithm)에 입력하여 상기 3차원 산란 포텐셜 또는 3차원 굴절률 영상을 획득하는 것
    을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.
  8. 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하여 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시키는 단계;
    상기 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광 패턴에 대한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 측정하는 단계; 및
    측정된 상기 2차원 광학장의 정보로부터 상기 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 상기 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계
    를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.
  9. 파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시키는 변조부;
    상기 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 상기 입사광에 따라 측정하는 간섭계; 및
    측정된 상기 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득하는 영상부
    를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 변조부는,
    기울어지는 각도를 제어하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 상기 파면 제어기인 가변형 거울(Deformable Mirror, DM); 및
    상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈
    를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 변조부는,
    상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD);
    상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈;
    상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 배치되고, 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 공간 필터(spatial filter); 및
    상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈
    를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 변조부는,
    상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD);
    상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하고, 적어도 하나 이상의 렌즈의 중심이 광학 축으로부터 소정간격 벗어나도록 정렬되는 제1 렌즈와 제2 렌즈;
    상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 배치되는 공간 필터(spatial filter); 및
    평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈
    를 포함하고,
    상기 변조부는 회절 한계까지 축소하여 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)의 픽셀들을 그룹핑하여 형성되는 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들어, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 형성하고, 상기 수퍼픽셀 배열의 상기 위상을 조절하여 선형적인 위상의 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 것
    을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 변조부는,
    상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD);
    상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈; 및
    평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈
    를 포함하고,
    상기 변조부는 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시켜 개별 광원으로 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 제어 가능한 레이저 배열을 형성하고, 상기 레이저 배열을 이용하여 빛을 반사시키는 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 변경하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 것
    을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 영상부는,
    3차원 광 회절 단층촬영 알고리즘(3D optical diffraction tomography algorithm)에 입력하여 상기 3차원 산란 포텐셜 또는 3차원 굴절률 영상을 획득하는 것
    을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.
  15. 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시키는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD);
    상기 입사광의 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 제1 렌즈와 제2 렌즈;
    상기 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광 패턴에 대한 2차원 광학장을 측정하는 간섭계; 및
    측정된 상기 2차원 광학장의 정보로부터 상기 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 상기 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득하는 영상부
    를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.
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