KR100715021B1

KR100715021B1 - 디지털 홀로그램 기록 장치, 기록 방법 및 재생 방법

Info

Publication number: KR100715021B1
Application number: KR1020050068008A
Authority: KR
Inventors: 신상훈; 오남현; 최승길
Original assignee: (주)에이피앤텍
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2007-05-09

Abstract

본 발명의 디지털 홀로그램 현미경은 디지털 홀로그램 현미경에 물체의 회절 세기를 기록할 수 있는 물체광기록용CCD(101)를 추가로 삽입한 형태의 현미경이다. 물체만으로 얻어진 회절세기와 물체광과 참조광으로부터 얻은 홀로그램을 수치적으로 분석하여 영차회절광의 완벽한 제거를 할 수 있는 새로운 분석알고리즘을 가진 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템에 관한 것이다.

Description

디지털 홀로그램 기록 장치, 기록 방법 및 재생 방법{Digital holographic recorder, recording method, and reproducing method thereof}

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 디지털 홀로그램 현미경의 구성을 도면이다.

도 2는 종전의 디지털 홀로그램 현미경의 구성을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 물체의 일예이다.

도 4는 CCD 촬상소자로 얻어진 홀로그램을 소프트웨어로 일정한 거리에 재생한 재생상을 나타낸다.

도 5은 CCD 촬상소자로 얻어진 홀로그램을 DC-Suppression 방식을 이용하여 영차회절광의 제거알고리즘을 가진 소프트웨어로 일정한 거리에 재생한 재생상을 나타낸다.

도 6은 CCD 촬상소자로 얻어진 홀로그램을 high-pass-filtering 방식을 이용하여 영차회절광의 제거알고리즘을 가진 소프트웨어로 일정한 거리에 재생한 재생상을 나타낸다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 두개의 CCD로부터 촬영된 물체의 회절세기와 홀로그램을 이용하여 소프트웨어로 일정한 거리에 재생한 재생상을 나타낸다.

1 광원

2, 3 중성필터

4,8 대물렌즈

5,6,16 빔나누기

7 렌즈

9 핀홀

10,20,30,40 미러

21 참조광

22 물체광

51 물체광과 참조광이 겹치는 각도중 최대각

52 물체광과 참조광이 겹치는 각도중 최소각

53 참조광

54 물체광

55, 56 물체광중 가장 바깥쪽 빔

57, 58 참조광중 가장 바깥쪽 빔

59 물체의 발산각

80 물체

90 렌즈계

100, 101 CCD

102 소프트웨어

본 발명은 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템에 관한 것으로 특히, 영차회절광의 완벽한 제거를 할 수 있는 새로운 형태의 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템에 관한 것이다.

관찰 및 측정 장비인 현미경은 초기 광학 현미경의 출현으로부터 과학의 모든 분야 에서 활용되어오고 있다. 광학 현미경의 가장 큰 문제점은 고배율일수록 깊이 방향의 대상체 정보(즉, 대상체의 3차원 데이터)를 추출하기가 어렵고, 광학적 회절한계로 인하여 사용 광원의 파장 수준으로 분해능이 제한된다. 이러한 문제들을 해결하여 보다 정밀하고 다양한 목적에 적용 가능한 첨단 현미경들이 개발되었고 지금도 그 성능향상을 위한 연구가 진행되고 있다.

상기한 고전적 현미경의 한계를 극복하는 기능 즉, 대상체의 3차원 데이터의 추출과 나노 영역에 이르는 분해능을 갖는 “공초점 현미경(Confocal Microscope), AFM(Atomic Force Microscope), SEM(Scanning Electron Microscope) 및 TEM(Transmission Electron Microscope), 그리고 LEAP(Local Electron Atom Probe)" 등의 장비가 개발되어 의학, 생물학, 생명공학 분야뿐만이 아니라 거의 모든 산업분야에 활용되고 있다.

그러나 이들 장비는 대상체 3차원 데이터의 추출과 표시의 실시간 제공에 어려움이 있고, 높은 장비의 가격으로 인하여 필요에 비하여 널리 보급되고 못하고 있다. 상기한 각각의 현미경 장비는 고유한 장단점을 갖고 있다. 그러나 가장 큰 단점은 상기 현미경 모두 대상체의 3차원 정보를 추출하는데 많은 시간과 계산을 요구한다. 또한, SEM이나 TEM의 경우에는 고에너지의 전자빔을 사용함으로 인하여 미생물과 같이 살아있는 대상체의 경우나 유기물과 같은 경우 측정시 대상체의 손상이 발생한다. 따라서 많은 양의 대상체의 개체별 3차원 데이터 조사와 같은 경우이거나, 미생물과 같이 살아있는 생명체가 일정 공간내에서 활동하는 경우에는 대상 미생물 개체들의 일정 입체 영역내의 분포, 개체수, 각각의 운동 궤적 그리고 개체 각각의 3차원 정보 등과 같은 대상체에 대한 3차원 정보를 실시간으로 획득하는 것은 현실적으로 불가능하다. 그리고 상기 현미경들은 모두 고가의 장비로 다양한 필요처에서 모두 구입하여 구비하기가 어려운 상태이다. 이러한 고해상도 3차원 데이터 제공 현미경은 과학계, 학계, 연구계, 및 산업계 모두 필수적으로 필요로 하는 측정 장비이다.

나노기술에 대한 시대적 관심이 증대됨에 따라 관찰 및 측정장비인 나노 현미경에 대한 필요성도 급속도로 증가하고 있는 실정이다.

디지털 홀로그램 기술은 기존의 홀로그램 기술(홀로그램 건판을 사용하여 사진 촬영과 같은 방식의 기록과 참조광 제공에 의한 3차원 영상을 재생하는 방법)로부터 출발하여 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 동영상 기록 장치를 이용하여 실시간으로 대상체의 홀로그램 데이터를 획득하고, 수치적 3차원 영상 재생의 방법으로 대상체의 3차원 데이터를 획득하는 방법이다. 이러한 방법은 약 30여년전 개념적 방법론이 제안되어, CCD의 발전과 컴퓨터 연산 속도의 발전으로 수치적 3차원 영상 재생의 방법이 발전하여 현재 실용적 용도에 적용하기 위한 다수의 연구들이 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이와 같이 대상체의 3차원 데이터는 홀로그램 방법으로 기록함으로써 1회 촬영으로 대상체의 3차원 데이터를 획득하고, 수치적 재생으로 대상체의 3차원 데이터를 재구성하여 표시 할 수 있으므로 3차원 데이터 획득, 처리, 표시 면에 있어서 앞서 개발되어온 첨단 현미경들에 비하여 비교할 수 없을 정도의 성능 향상을 기대할 수 있다. 이러한 3차원 데이터 관련 능력으로 보다 다양한 대상체의 데이터 표시 욕구를 충족시킬 수 있어서 다양한 응용이 예상되 어진다.

디지털 홀로그램 현미경에서 간섭무늬를 기록하는 CCD 촬상소자는 픽셀단위로 구성되어 있으며 그 픽셀 단위의 크기가 현재 최소 5 μm X 5 μm 이다. 따라서 간섭무늬의 주기가 10 μm 이상인 경우에 기록할 수 없는 단점을 가지게 된다. 따라서 디지털 홀로그램 현미경에서 간섭무늬 기록 방법에는 on-axis 방법, 즉 참조광과 물체광이 겹치는 각도가 영도인 경우와 off-axis 방법인 참조광과 물체광의 겹치는 각도가 영이 아닌 경우에 해당된다. 이러한 간섭무늬의 주기는 참조광과 물체광이 겹치는 각도에 의존하는데 겹치는 각도가 작을수록 주기가 커진다. 따라서 CCD 촬상소자로 간섭무늬를 기록하기 위해서 참조광과 물체광이 겹치는 최대허용 각도가 계산되며 이 이하의 각도로 겹치는 경우만이 의미있는 데이터를 얻을 수 있다. 이러한 off-axis 방법의 단점은 CCD 전체 면적으로 재생되지 않고 단지 1/4만을 이용할 수 있다는 점이다. 따라서 CCD 전체 면적으로 재생가능한 on-axis 방법이 선호되나 on-axis 방법이 갖는 단점으로 영차회절광과 정보를 가진 데이터가 겹치는 점이다. 따라서 이러한 영차회절광을 제거해야 하는데 기존의 영차 회절광 제거 방법으로 DC-Suppression 과 high pass filter 방법이 있다. 하지만 이 방법으로 제거가 완벽하게 제거를 못하는 한계를 지니고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 디지털 홀로그램 현미경 장치에 물체광만을 따로 기록할 수 있는 CCD를 덧붙여 수치적으로 물체광의 고주파 성분을 제거하여 줌으로써 영차회절광을 완벽하게 제거할 수 있도록 고안하는 것이다.

본 발명의 구성중 디지털 홀로그램 현미경의 구성에 대한 개략도를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 디지털 홀로그램 현미경은 마흐젠더형의 간섭계를 응용하여 구성하였으며, 상기 현미경 시스템은 크게 광원(1)부와 참조광을 만드는 부분, 물체광을 만드는 부분, 물체의 회절 패턴을 기록하는 물체광기록용CCD(101)와 상기 물체광과 참조광을 결합하여 간섭무늬를 기록하는 CCD(100), 상기 기록된 간섭무늬를 수치적으로 분석하는 소프트웨어(102)로 구성되어 진다. 광원(1)은 가간섭성이 좋은 레이저빔을 사용한다. 일예로 632.8nm 파장을 가진 cw He-Ne 레이저를 사용한다. 참조광을 만들기위해서 광원(1)의 레이저 빔을 빔나누기(5)를 통해 두개의 빔으로 나누어 중성필터(3)을 통과시켜 빔 세기를 조절하고 반사경(30)으로 반사시킨다. 상기 반사된 빔을 대물렌즈(8), 핀홀(9)과 렌즈(7)을 사용하여 일정 크기로 확대하고 TEM₀₀ 모양의 평행광을 만들어 참조광(21)을 만든다. 또한 빔나누기(5)를 통해 나누어진 또다른 빔은 투과형의 물체(80)에 비추어 대물렌즈(4)로 상기 물체를 일정한 거리에 상맺히도록 한다. 물체광의 세기는 중성필터(2)를 통해 조절할 수 있다. 대물렌즈(4)의 일예로 배율이 10X, 20X, 50X, 100X 등을 들 수 있다.
한편, 물체광과 참조광을 결합하여 간섭무늬를 기록하는 CCD(100)에 기록되는 홀로그램의 세기를 수식적으로 분석해 보면, 홀로그램 건판 상의 임의의 위치(x,y)에서 홀로그램의 세기는
I_H(x,y)=│R│² + │O│² + R^*ㆍO + RㆍO^* ......(1)
이다. 여기서 R 은 참조파, O 는 물체파를 나타내고 , R^*, O^* 는 각각 참조파와 물체파의 공액복소수이다. 식 1의 첫째항은 참조광만의 세기이고, 둘째항은 물체광만의 세기이며 셋째항과 넷째항이 각각 실상과 허상을 나타낸다. 따라서 첫째항과 둘째항은 영차회절광에 해당되며 셋째항과 넷째항이 임의의 각도로 회절하는 첫째 회절오더에 해당되는 항이다.
여기서, 본 발명에서는 물체의 회절 패턴을 기록하는 물체광기록용CCD(101)를 추가로 구비하여, CCD(101)에 의하여 기록되는 물체광, 즉 상기 수식 (1)에서 두번째 항인 물체광의 세기(│O│²)를 감지함으로써 이를 제거할 수 있게 되는 것이다.
반면에, 물체광기록용CCD(101)을 구비하지 않은 종래의 디지털 홀로그램 현미경의 구조가 도2에 도시된다. 도 2의 종래의 디지털 홀로그램 현미경의 구조에 의하면, 물체광을 제거하지 못하는 한계를 가진다. 본 발명에 따른 도 1의 디지털 홀로그램 현미경과 종래기술에 따른 도 2의 디지털 홀로그램 현미경을 비교하여 보면, 추가된 빔나누기(16)와 물체의 회절 패턴을 기록하는 CCD(101)를 제외하고는 동일한 구조를 가짐을 알 수 있다.

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도 3에 투과형 물체(80)의 일예를 나타내었으며 포토리소그래피(Photo Lithography)용 포토마스크(Photo mask)이며 투과형으로 만들어져 있다. 도 3에 도시된 물체(80)는 5μm의 조밀한 주기의 격자를 가진 물체로서, 종래기술에 비하여 본 발명의 개선된 점을 부각시키기 위하여 선택된 물체이다. 조밀한 주기의 격자를 포함할수록 고주파의 물체광, 즉 회절광의 양이 많아지므로 기존의 방식으로 영차 회절광 제거가 곤란하게 된다.
이하에서, 종래기술에 따른 영차회절광 제거방법을 이용한 경우와 본 발명에 따른 영차회절광 제거방법을 이용한 경우를 비교하겠다.

도 4는 물체(80)로부터 얻어진 홀로그램을 CCD(100)로부터 일정한 거리에 재생한 재생상으로서, 영차회절광이 제거되지 않은 경우의 상태를 나타낸 사진이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 물체의 단면 정보와 세기가 센 영차회절광, 즉 참조광과 물체광이 겹쳐버리므로, 겹친 부분에서 물체에 대한 단면 정보를 잃어버리는 것을 알 수 있다. 이 경우, 수식 (1)에서 참조광,물체광,실상,허상이 모두 재생되어 버리기 때문이다.

도 5는 물체(80)로부터 얻어진 홀로그램을 CCD(100)로부터 일정한 거리에 재생한 재생상으로 종래의 DC-suppression 방식을 사용하여 영차회절광을 제거한 경우이다. 그러나, 종래의 DC-suppression 방식은 주파수 영역에서 원점에 극히 인접된 수치만을 제거하는 방식이므로, 저주파의 영차회절광만을 제거할 수 있다. 따라서, 고주파의 영차회절광을 생성하는 물체(80)에 대해서는, 도 5에 도시된 바와 같이 영차회절광의 제거가 거의 되지 않음을 알 수 있다.

도 6은 물체(80)로부터 얻어진 홀로그램을 CCD(100)로부터 일정한 거리에 재생한 재생상으로 high-pass filtering 방식을 사용하여 영차회절광을 제거한 경우이다. 그러나, 종래의 high-pass filtering 방식은 주파수 영역에서 원점 부근의 수치만을 제거하는 방식이므로, 저주파의 영차회절광만을 제거할 수 있다. 따라서, 고주파의 영차회절광을 생성하는 물체(80)에 대해서는, 도 6에 도시된 바와 같이 영차회절광의 제거가 어느 정도까지는 가능하지만 완전한 제거는 되지 않음을 알 수 있다.

도 7은 물체(80)로부터 얻어진 홀로그램을 CCD(100)로부터 일정한 거리에 재생한 재생상으로, 종래의 DC-suppression 방식에 더불어 본 발명에서 제안한 방식을 통해 얻어진 재생 단면이다.
도 1의 물체광제거용CCD(101)에서는 빔나누기(16)를 거친 물체광의 회절패턴을 인식함으로써, 수식 (1)에서 두번째 항인 물체광의 세기(│O│²)를 감지할 수 있다. 이로써, 홀로그램 재생시에는 물체광제거용CCD(101)에 각각의 픽셀 위치에서 인식된 물체광의 회절패턴에 따라 물체광의 세기를 제거할 수 있게 되는 것이다.
고주파의 영차회절광을 생성하는 물체(80)에 대해 기록 및 재생하는 경우에, 참조광(│R│²)은 고주파 데이터를 포함하지 않으므로 종래의 DC-suppression 방식에 의해 저주파의 참조광(│R│²)이 제거되고, 고주파의 물체광(│O│²)은 물체광제거용CCD(101)에 의해 감지되어 제거된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 도7에 도시된 바와 같이 영차회절광중 고주파 부분도 제거됨을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 영차회절광의 완벽한 제거를 할 수 있는 형태의 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템을 고안 할 수 있는 장점을 가진다.

Claims

광원(1)으로부터 발사된 레이저와,

상기 레이저에 광학적으로 연결되어 상기 레이저를 물체광을 생성하기 위한 광과 참조광을 생성하기 위한 광으로 나누는 제1 빔나누기(5)와

상기 제1 빔나누기(5)에 광학적으로 연결된 투과형의 물체와,

상기 물체를 광학적으로 결상하여 물체광(22)을 출력하는 제1 대물렌즈(4)와,

상기 제1 대물렌즈(4)와 광학적으로 연결된 제2 빔나누기(16)와,

상기 제1 빔나누기(5) 및 제3 빔나누기(6)에 광학적으로 연결된 제2 대물렌즈(8)와,

상기 제2 대물렌즈(8)에 광학적으로 연결된 핀홀(9)과

상기 핀홀(9)과 광학적으로 연결되어 참조광(21)을 출력하는 렌즈(7)와

상기 물체광(22)과 상기 참조광(21)을 결합하는 제3 빔나누기(6)와

상기 제2 빔나누기(16)에 광학적으로 연결되어, 상기 물체광(22)의 회절패턴을 인식하는 제1 CCD 촬상소자(101)와,

상기 제3 빔나누기(6)에 광학적으로 연결되어, 상기 물체광(22)과 상기 참조광(21)을 결합하여 간섭무늬를 인식하는 제2 CCD 촬상소자(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록 장치.
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제1항에 있어서,

상기 제2 대물렌즈(8), 상기 핀홀(9) 및 상기 렌즈(7)는 참조광을 평행광으로 만드는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록 장치.
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레이저 빔을 참조광(21)과 물체광(22)으로 분열시키는 단계와;

상기 참조광(21)을 평행광으로 만드는 단계와;

상기 물체광(22)을 대물렌즈(4)를 통해서 통과시키는 단계와;

상기 대물렌즈(4)를 통해서 통과시킨 물체광(22)만의 회절 패턴을 제1 CCD(101) 면에 기록하는 단계와;

상기 참조광(21)과 상기 물체광(22)을 제2 CCD(100) 면에 겹치도록 하여 홀로그램을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록 방법.
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레이저 빔을 참조광(21)과 물체광(22)으로 분열시키는 단계와;

상기 참조광(21)을 평행광으로 만드는 단계와;

상기 물체광(22)을 대물렌즈(4)를 통해서 통과시키는 단계와;

상기 대물렌즈(4)만을 통과시켜 상기 물체광(22)만의 회절 패턴을 제1 CCD(101)면에 기록하는 단계와;

상기 참조광(21)과 상기 물체광(22)을 제2 CCD(100)면에 겹치도록 하여 홀로그램을 형성하는 단계와;

상기 제1 CCD(101)에 기록된 상기 물체광(22)만의 회절패턴을 재생하는 단계와;

상기 제2 CCD(100)에 기록된 디지털 홀로그램의 재생상에서 상기 물체광(22)만의 회절패턴 재생상을 수학적으로 뺄셈하여, 상기 물체광(22)의 영차회절광이 제거된 홀로그램을 재생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 재생 방법.
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