KR100716612B1

KR100716612B1 - 디지털 홀로그램 기록장치, 기록방법 및 재생방법

Info

Publication number: KR100716612B1
Application number: KR1020050068025A
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 홀로그램 기록 방식이 in-line 홀로그램 방식으로 상기 방식은 CCD의 전체면적을 모두 사용할 수 있는 장점을 가진 반면에 실상과 허상이 겹치는 단점을 가진다. 따라서 본 발명의 디지털 홀로그램 현미경을 통해 실상 또는 허상 중에 하나를 제거하기 위하여 CCD의 위치를 이중상중에 하나를 제거할 수 있는 위치에 둠으로써 완벽한 물체의 정보를 얻을 수 있도록 하는 것이다.

Description

디지털 홀로그램 기록장치, 기록방법 및 재생방법{Digital holographic recorder, recording method, and reproducing method there of}

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 물체를 상맺히는 광학적 구성 및 in-line 홀로그램을 만드는 구성에 대하여 도시하였다.

도 3은 CCD로 촬영한 홀로그램을 수치적으로 재생하는 경우에 실상과 허상의 관계를 도시하였다.

1 광원

2, 3 중성필터

4,8 대물렌즈

5,6 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 CCD

101 소프트웨어

200 대물렌즈로 물체의 상맺힌 평면

201,202 홀로그램을 수치적으로 재생할 때 홀로그램상의 한점에서 회절되는 광선중 하나

300 CCD로부터 상맺힌 평면까지 거리

301 물체에서 CCD까지 거리

400 재생 광선중에 허상이 맺히는 재생 평면상의 한점

500 재생 광선중에 실상이 맺히는 재생평면상의 한점

600 홀로그램상의 임의의 한점

본 발명은 디지털 홀로그램 현미경 시스템에 관한 것으로 특히, 이중상중 허상의 완벽한 제거를 할 수 있는 새로운 형태의 디지털 홀로그램 현미경 시스템에 관한 것이다.

디지털 홀로그램 기술은 기존의 홀로그램 기술(홀로그램 건판을 사용하여 사진 촬 영과 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 예상되어진다.

디지털 홀로그램 현미경은 크게 대물렌즈를 사용하는 경우와 사용하지 않는 경우로 나눌 수 있으며 대물렌즈를 사용하는 경우는 또다시 투과형과 반사형 디지털 홀로그램 현미경으로 나눌 수 있으며 근본적으로 두가지 방식모두 Mach-Zender 형의 간섭계를 응용한 디지털 홀로그램 현미경이다.

홀로그램 필름 대신에 CCD를 이용함으로써 CCD에 입력된 정보는 홀로그래픽용 필름에 감광된 현상과 일치하며 이론 또한 홀로그램의 일반 원리와 동일하다.

일반적으로 홀로그램의 기록을 위해서 레이저 광을 두개로 나누어 하나는 참조광 다른 하나는 물체광으로 이용하여 두개의 광의 간섭무늬를 홀로그램 건판에 기록하게 된다. 이렇게 기록된 건판을 현상하면 홀로그램이 만들어 지게 되는데 이를 레이저광을 이용하여 재생함으로써 물체와 동일한 형태의 3차원 상인 실상과 허상을 얻을 수 있다.

이를 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 셋째항 과 넷째항이 각각 실상과 허상을 나타낸다. 따라서 첫째항과 둘째항은 영차회절광에 해당되며 셋째항과 넷째항이 임의의 각도로 회절하는 첫째 회절오더에 해당되는 항이다.

한편 홀로그램 필름 대신에 CCD 소자를 사용하는 경우에 CCD 소자가 가진 픽셀 사이즈의 한계에 의하여 참조광과 물체광의 겹치는 각도가 제한되게 되는데 이로 인하여 홀로그램 데이터를 얻기 위해서는 수도 이내로 제한된 off-axis 홀로그램과 in-line 홀로그램 (Gabor 홀로그램)만이 가능하다. 이중에 in-line 홀로그램이 가진 장점이 CCD전체를 사용하여 상을 얻을 수 있다.

하지만 in-line 홀로그램의 재생시에 영차회절광 실상 허상이 구별되지 않고 섞여서 재생되게 된다. 따라서 영차회절광 과 실상 및 허상중에 하나를 제거해야만이 실재 기록된 물체의 정보를 얻을 수 있다. DC-suppression, 고주파 필터 및 홀로그램과 동시에 물체광만을 기록하여 영차회절광을 제거하는 방식으로 영차회절광의 제거가 가능하지만 실상과 허상이 겹치는 이중상 문제는 제거하기가 어렵다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 in-line 방식의 디지털 홀로그램 현미경 장치를 실상 또는 허상 중에 하나를 제거하기 위하여 CCD의 위치를 이중상중에 하나를 제거할 수 있는 위치에 둠으로써 완벽한 물체의 정보를 얻을 수 있도록 하는 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 부분과 상기 물체광과 참조광을 결합하여 간섭무늬를 기록하는 CCD(100), 상기 기록된 간섭무늬를 수치적으로 분석하는 소프트웨어(101)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 사 용하여 일정 크기로 확대하고 TEM₀₀ 모양의 평행광을 만들어 참조광(21)을 만든다. 또한 빔나누기(5)를 통해 나누어진 또다른 빔은 투과형의 물체(80)에 비추어 대물레즈(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.

도 2에 물체(80)를 대물렌즈(4)로 물체(80)로부터 S`(301)+S(300) 만큼 떨어진 거리에 재생평면(200)상에 상맺힌 경우에 참조광과 물체광의 경로를 나타낸다. 그림에서 보듯이 참조광과 물체광이 빔나누기(6)를 통해 결합하여 간섭무늬를 만들고 그 간섭무늬를 S`(301) 위치에 CCD(100)를 놓고 촬영한다. 참조광은 평행광이며 물체가 마이크로 오더 크기의 10배정도 크기를 갖는 경우에 물체광의 발산빔들을 도 2에서처럼 표현할 수 있다.

도 3은 CCD로 촬영한 홀로그램을 수치적으로 재생하는 경우에 실상과 허상의 관계를 도시한 것이다. 그림에서 보듯이 CCD(100)로부터 S(300)만큼 떨어진 위치에서 단면을 재생할 경우에 CCD(100)상의 한점(600)근방의 간섭무늬의 회절로 인해 하나의 광선(202)이 재생평면(200)상의 한점(500)에 실상이 맺히며 다른 하나의 광선(201)은 재생평면(200)상의 한점(400)에 맺히게 된다. 여기서 CCD(100)상의 다른 점들로 인해 생기는 실상은 재생평면(200)상에 상 맺히게 되나 허상에 해당되는 광선들은 한점(400)에 모이게 된다. 따라서 한점(400)을 제외한 모든 점들이 실상에 해당되므로 이중상중에 하나를 제거한 형태가 된다. 그림에서 이렇게 허상을 한점(400)에 모이도록 하기 위한 조건으로 S=S'를 만족해야 한다.

본 발명에 의하면, 이중상중 하나를 완벽하게 제거할 수 있는 in-line 디지털 홀로그램 현미경을 고안 할 수 있는 장점을 가진다.

Claims

레이저와,

상기 레이저에 광학적으로 연결된 제1 빔나누기와

상기 제1 빔나누기에 광학적으로 연결된 투과형의 물체와,

상기 물체를 광학적으로 결상하는 제1 대물렌즈와,

상기 제1 빔나누기에 광학적으로 연결된 제2 대물렌즈와,

상기 제2 대물렌즈에 광학적으로 연결된 핀홀과

상기 핀홀과 광학적으로 연결된 렌즈와

물체광과 참조광을 결합하기 위한 제2 빔나누기와

상기 제2 빔나누기에 광학적으로 연결된 CCD 촬상소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록 장치
제 1항에서 상기 제1 빔나누기, 상기 물체, 상기 제1 대물렌즈, 상기 제2 대물 렌 즈, 상기 핀홀, 상기 렌즈, 상기 제2 빔나누기와 CCD 촬상소자가 마흐젠더(Mach-Zender) 기하학을 형성하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록 장치.
제 1항에서 상기 제1 빔나누기는 물체광과 참조광을 나누는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록 장치.
제 1항에서 상기 제2 대물렌즈, 상기 핀홀, 상기 렌즈는 참조광을 평행광으로 만드는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록 장치
제 1항에서,

상기 제1 대물렌즈는, 상기 제1 대물렌즈에 의해 상기 물체의 상이 결상되는 위치에 상기 홀로그램의 재생상중 허상이 한점에 모이게 하는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록 장치
레이저 빔을 참조광과 물체광으로 분열시키는 단계와

상기 참조광을 평행광으로 만드는 단계와,

상기 물체광을 대물렌즈를 통해서 통과시키는 단계와

상기 참조광과 상기 물체광을 CCD 면에 겹치도록하여 홀로그램을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록 방법
제 6항에서,

상기 대물렌즈는, 상기 대물렌즈에 의해 결상되는 위치에 상기 홀로그램의 재생상중 허상이 한점에 모이게 하는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록 방법
레이저 빔을 참조광과 물체광으로 분열시키는 단계와

상기 참조광을 평행광으로 만드는 단계와,

상기 물체광을 대물렌즈를 통해서 통과시키는 단계와

상기 참조광과 상기 물체광을 CCD 면에 겹치도록하여 홀로그램을 형성하는 단계와

홀로그램을 재생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 재생 방법
삭제
제 8항에서 상기 홀로그램의 재생 단계에서 실상 및 허상이 표시되는 재생평면은 홀로그램 평면으로부터 상기 홀로그램의 재생상중 허상의 크기가 최소로 되는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 재생 방법