KR101203699B1 - 디지털 홀로그램 현미경 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 방법 - Google Patents

디지털 홀로그램 현미경 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 홀로그램 현미경 시스템에 관한 것으로, 광을 발생시키는 광원부와, 상기 광원부로부터 발생된 광을 참조광과 물체광으로 분할하는 광 분할부와, 상기 광 분할부로부터 분할된 참조광을 반사하는 제1 반사경과, 상기 제1 반사경으로부터 반사된 참조광을 차단 및 통과시키는 셔터와, 상기 광 분할부로부터 분할된 물체광의 광로 상에 위치한 투과형의 측정 대상물과, 상기 측정 대상물을 투과한 물체광을 반사하는 제2 반사경과, 상기 셔터의 개방에 의해 통과된 참조광과 상기 제2 반사경을 통해 반사된 물체광의 상호 간섭에 의해 간섭광을 형성하여 출력하는 광 합성부와, 상기 광 합성부로부터 출력되는 간섭광의 광 경로 상에 배치되며, 상기 셔터의 차단에 의해 상기 제2 반사경을 통해 반사된 물체광을 저장함과 아울러 상기 셔터의 개방에 의해 상기 광 합성부로부터 출력된 간섭광을 이용하여 디지털 홀로그램 데이터를 저장하는 CCD와, 상기 CCD로부터 저장된 디지털 홀로그램 데이터를 프레넬 변환(Fresnel transform)에 의해 상기 측정 대상물의 3차원 영상 정보를 획득하며, 상기 획득된 측정 대상물의 3차원 영상 정보에 상기 셔터의 차단에 의해 획득된 상기 측정 대상물의 2차원 실제 영상 텍스쳐(texture)를 매핑하여 개선된 3차원 영상을 생성하는 제어장치를 포함함으로써, 기존의 단색의 3차원 모델에 비해 훨씬 사실적인 3차원 모델의 표현이 가능해지는 효과가 있다.

Description

디지털 홀로그램 현미경 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 방법{DIGITAL HOLOGRAPHIC MICROSCOPE SYSTEM AND METHOD FOR ACQUIRING THREE-DIMENSIONAL IMAGE INFORMATION USING THE SAME}
본 발명은 측정 대상물을 촬영하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실제 현미경 2차원 영상 데이터를 얻을 수 있도록 광축을 일치시키고, 디지털 홀로그램을 통해 얻어진 3차원 영상 데이터 위에 실제 얻어진 현미경 2차원 영상 텍스쳐(texture)를 매핑함으로써, 기존의 단색의 3차원 영상에 비해 훨씬 사실적인 3차원 영상을 획득할 수 있도록 한 디지털 홀로그램 현미경 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 디지털 홀로그래피(Digital Holography) 기술은 약 30년 전부터 개발되어 온 기술이고 예컨대, 비파괴 검사, 암호화 기술, 3차원 인식(3D Vision) 그리고 홀로그램 현미경 분야에 그 응용을 위하여 실용화 기술에 근접하는 연구가 진행되어 오고 있다.
이러한 디지털 홀로그래피 기술은 전하 결합 소자(Charged Coupled Device, d;하 'CCD'라 함)를 홀로그램 입력 장치로 사용하여 실시간으로 측정 대상물의 홀로그램 데이터를 입력받을 수 있다. 이러한 장점은 고전 홀로그래피에서는 할 수 없었던 실시간 기록이 가능하다는 큰 장점이 있다.
이와 같이 입력받은 디지털 홀로그램 데이터를 수치적 회절 계산 방법을 통하여 3차원 데이터를 추출한다. 즉, 홀로그램의 수치적 재생 방법은 Goodman과 Laurence에 의해서 30년 전에 제안된 것이며, 이러한 수치적 재생은 Kronrod 등에 의하여 실현되었다.
상기의 디지털 홀로그래피 기술은 홀로그래피 플레이트(Holography Plate)를 사용하는 고전적인 홀로그래피와 비교하면 디지털 홀로그래피(Digital Holography)는 화학적 홀로그램 생성 과정을 생략할 수 있어 간편하며, 컴퓨터의 연산 속도의 발전으로 디지털 홀로그래피는 3차원 영상을 필요로 하는 다수의 응용분야에서 관심을 가지게 되었다.
한편, 상기 디지털 홀로그래피 기술을 이용한 일반적인 디지털 홀로그램 현미경의 경우, 측정 대상물의 3차원 데이터를 얻기 위한 목적으로 사용되어진다.
그러나, 일반적인 디지털 홀로그램 현미경을 이용하여 측정 대상물의 3차원 데이터를 획득할 때 측정 대상물의 표면에 수직의 단차(또는 수직계단)가 존재할 경우, 이의 단차를 현재의 위상 펼침(Phase Unwrapping) 알고리즘 방법으로는 계산해 낼 수 없는 문제점이 있다.
즉, 이웃하는 픽셀(Pixel)의 위상차가 레이저 파장 크기의 1/2 이상일 경우인 수직 단차가 존재하는 부분에서 나타나는 급격한 높낮이의 차이를 계산할 수 없기 때문이다. 이는 현재의 집적회로(IC)들이나 램(RAM) 등의 게이트들은 대부분 인위적인 제작물이기에 대부분 수직인 구조물로 이루어져 있고, 그렇기 때문에 현재의 홀로그램 기술로는 이러한 대상물체의 높낮이를 위상 펼침(Phase Unwrapping) 알고리즘 방법으로 계산해 낼 수 없다.
한편, 일반적으로 현미경 2차원 영상이나 디지털 홀로그램 영상은 그 자체가 현미경을 통해 확대된 영상이므로 관심영역(Region Of Interest, ROI)이 매우 좁다. 즉, 매우 좁은 영역만을 관찰할 수 있다. 그러나, 측정 대상물이 넓은 영역을 차지하여 현미경의 관심영역(ROI)을 벗어나는 경우, 한번에 모든 측정 대상물의 영역을 측정하지 못한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 실제 현미경 2차원 영상 데이터를 얻을 수 있도록 광축을 일치시키고, 디지털 홀로그램을 통해 얻어진 3차원 영상 데이터 위에 실제 얻어진 현미경 2차원 영상 텍스쳐(texture)를 매핑함으로써, 기존의 단색의 3차원 영상에 비해 훨씬 사실적인 3차원 영상을 획득할 수 있도록 한 디지털 홀로그램 현미경 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 수직의 단차가 존재하는 측정 대상물을 좌/우로 회전시키고, 실제 얻어진 현미경 2차원 영상 텍스쳐(texture)를 이용하여 좌/우 회전에 대해 얻어진 영상 정보를 조합함으로써, 측정 대상물의 완전한 3차원 높이 정보를 획득할 수 있도록 한 디지털 홀로그램 현미경 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 면적이 넓은 측정 대상물에 대해 일정 영역을 나누어 측정하고 이렇게 얻어진 영역별 3차원 영상 데이터를 서로 결합하여 넓은 영역을 가진 측정 대상물의 전체 영역에 대한 3차원 영상 데이터를 용이하게 얻을 수 있도록 한 디지털 홀로그램 현미경 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 광을 발생시키는 광원부; 상기 광원부로부터 발생된 광을 참조광과 물체광으로 분할하는 광 분할부; 상기 광 분할부로부터 분할된 참조광을 반사하는 제1 반사경; 상기 제1 반사경으로부터 반사된 참조광을 차단 및 통과시키는 셔터; 상기 광 분할부로부터 분할된 물체광의 광로 상에 위치한 투과형의 측정 대상물; 상기 측정 대상물을 투과한 물체광을 반사하는 제2 반사경; 상기 셔터의 개방에 의해 통과된 참조광과 상기 제2 반사경을 통해 반사된 물체광의 상호 간섭에 의해 간섭광을 형성하여 출력하는 광 합성부; 상기 광 합성부로부터 출력되는 간섭광의 광 경로 상에 배치되며, 상기 셔터의 차단에 의해 상기 제2 반사경을 통해 반사된 물체광을 저장함과 아울러 상기 셔터의 개방에 의해 상기 광 합성부로부터 출력된 간섭광을 이용하여 디지털 홀로그램 데이터를 저장하는 CCD(Charged Coupled Device); 및 상기 CCD로부터 저장된 디지털 홀로그램 데이터를 프레넬 변환(Fresnel transform)에 의해 상기 측정 대상물의 3차원 영상 정보를 획득하며, 상기 획득된 측정 대상물의 3차원 영상 정보에 상기 셔터의 차단에 의해 획득된 상기 측정 대상물의 2차원 실제 영상 텍스쳐(texture)를 매핑하여 개선된 3차원 영상을 생성하는 제어장치를 포함하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 제1 반사경과 상기 셔터 사이에 배치되며, 상기 제1 반사경으로부터 반사된 참조광을 광학적으로 결상하여 평행광으로 출력하는 제1 대물렌즈; 및 상기 측정 대상물과 상기 제2 반사경 사이에 배치되며, 상기 측정 대상물을 투과한 물체광을 광학적으로 결상하여 평행광으로 출력하는 제2 대물렌즈를 더 포함함이 바람직하다.
바람직하게, 상기 제1 반사경을 통해 반사된 참조광은 상기 광 분할부로부터 분할된 물체광과 광축이 일치될 수 있다.
바람직하게, 상기 셔터는, 상기 제어장치로부터 출력된 특정 제어신호에 따라 상기 제1 반사경으로부터 반사된 참조광이 번갈아 가며 차단 및 통과되도록 차단 및 개방될 수 있다.
바람직하게, 상기 제어장치로부터 출력된 특정 제어신호에 따라 상기 측정 대상물을 좌/우 회전시키는 회전 구동수단이 더 구비되며, 상기 측정 대상물에 수직 단차가 존재할 경우, 상기 제어장치는 특정 제어신호를 상기 회전 구동수단에 출력하여 상기 측정 대상물을 좌/우 회전시키고, 상기 측정 대상물의 좌/우 회전에 따른 좌/우 3차원 포인트 클라우드(Point Cloud)를 각각 연산한 후, 상기 연산된 각 좌/우 3차원 포인트 클라우드의 공통 포인트를 통해 회전각도를 연산하여 상기 측정 대상물에 대한 3차원 높이 정보를 획득할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어장치로부터 출력된 특정 제어신호에 따라 상기 측정 대상물을 적어도 어느 한 방향으로 일정거리 이동시키는 이동 구동수단이 더 구비되며, 상기 측정 대상물의 면적이 넓을 경우, 상기 제어장치는 특정 제어신호를 상기 이동 구동수단에 출력하여 상기 측정 대상물을 적어도 어느 한 방향으로 일정거리 이동시키고, 각 이동에 따른 개선된 3차원 영상을 생성 및 조합하여 상기 측정 대상물의 전체 영역에 대한 개선된 3차원 영상을 획득할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어장치는, 상기 각 이동에 따른 개선된 3차원 영상의 일부분이 겹쳐지도록 상기 이동 구동수단을 제어하여 상기 측정 대상물을 일정거리 이동시킬 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 광원부, 광 분할부, 제1 및 제2 반사경, 셔터, 투과형의 측정 대상물, 광 합성부, CCD(Charged Coupled Device) 및 제어장치를 포함하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템을 이용하여 3차원 영상을 획득하는 방법에 있어서, (a) 상기 광원부에 의해 광을 발생한 후, 상기 발생된 광을 상기 광 분할부에 의해 참조광과 물체광으로 각각 분할하는 단계; (b) 상기 단계(a)에서 분할된 참조광을 상기 제1 반사경에 의해 반사한 후, 상기 반사된 참조광을 상기 셔터에 의해 차단 및 통과하는 단계; (c) 상기 단계(a)에서 분할된 물체광을 투과형의 측정 대상물에 투과시킨 후, 상기 측정 대상물을 투과한 물체광을 상기 제2 반사경에 의해 반사하는 단계; (d) 상기 광 합성부을 통하여 상기 셔터의 개방에 의해 통과된 참조광과 상기 제2 반사경에 의해 반사된 물체광의 상호 간섭에 의해 간섭광을 형성 및 출력하는 단계; (e) 상기 CCD를 통하여 상기 셔터의 차단에 의해 상기 제2 반사경으로부터 반사된 물체광을 저장함과 아울러 상기 셔터의 개방에 의해 상기 광 합성부로부터 출력된 간섭광을 이용하여 디지털 홀로그램 데이터를 저장하는 단계; 및 (f) 상기 제어장치를 통하여 상기 CCD로부터 저장된 디지털 홀로그램 데이터를 프레넬 변환(Fresnel transform)에 의해 상기 측정 대상물의 3차원 영상 정보를 획득한 후, 상기 획득된 측정 대상물의 3차원 영상 정보에 상기 셔터의 차단에 의해 획득된 상기 측정 대상물의 2차원 실제 영상 텍스쳐(texture)를 매핑(Mapping)하여 개선된 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함하는 3차원 영상 획득 방법을 제공하는 것이다.
바람직하게, 상기 단계(b)에서 상기 제1 반사경에 의해 반사된 참조광은 상기 단계(a)에서 상기 광 분할부에 의해 분할된 물체광과 광축을 일치시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 측정 대상물에 수직 단차가 존재할 경우, 상기 제어장치를 통하여 별도로 구비된 회전 구동수단에 의해 상기 측정 대상물을 좌/우 회전시키는 단계; 및 상기 측정 대상물의 좌/우 회전에 따른 좌/우 3차원 포인트 클라우드(Point Cloud)를 각각 연산한 후, 상기 연산된 각 좌/우 3차원 포인트 클라우드의 공통 포인트를 통해 회전각도를 연산하여 상기 측정 대상물에 대한 3차원 높이 정보를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 측정 대상물의 면적이 넓을 경우, 상기 제어장치를 통하여 별도로 구비된 이동 구동수단에 의해 상기 측정 대상물을 적어도 어느 한 방향으로 일정거리 이동시키는 단계; 및 각 이동에 따른 개선된 3차원 영상을 생성 및 조합하여 상기 측정 대상물의 전체 영역에 대한 개선된 3차원 영상을 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 이동 구동수단에 의해 상기 측정 대상물을 이동시킬 경우, 각 이동에 따른 개선된 3차원 영상의 일부분이 겹쳐지도록 상기 측정 대상물을 일정거리 이동시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 디지털 홀로그램 현미경 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 방법에 따르면, 실제 현미경 2차원 영상 데이터를 얻을 수 있도록 광축을 일치시키고, 디지털 홀로그램을 통해 얻어진 3차원 영상 데이터 위에 실제 얻어진 현미경 2차원 영상 텍스쳐(texture)를 매핑함으로써, 기존의 단색의 3차원 영상에 비해 훨씬 사실적인 3차원 영상을 획득할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 수직의 단차가 존재하는 측정 대상물을 좌/우로 회전시키고, 실제 얻어진 현미경 2차원 영상 텍스쳐(texture)를 이용하여 좌/우 회전에 대해 얻어진 영상 정보를 조합함으로써, 측정 대상물의 완전한 3차원 높이 정보를 획득할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 면적이 넓은 측정 대상물에 대해 일정 영역을 나누어 측정하고 이렇게 얻어진 영역별 3차원 영상 데이터를 서로 결합하여 넓은 영역을 가진 측정 대상물의 전체 영역에 대한 3차원 영상 데이터를 용이하게 얻을 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템에서 홀로그램 데이터를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템을 이용하여 홀로그램 영상을 획득하는 실제 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 실제 촬영된 홀로그램 영상을 나타낸 도면이며, 도 3c는 3차원 높이 정보로 계산한 결과를 나타낸 도면이며, 도 3d는 위상 펼침(Phase Unwrapping) 결과와 그레이 레벨(grey level)로 높낮이를 표시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템을 이용하여 수직 단차가 존재하는 측정 대상물에 대한 3차원 영상 정보를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템에서 홀로그램 데이터를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템은 Off-axis 투과형 디지털 홀로그램 현미경 시스템으로서, 크게 광원부(100), 광 분할부(200), 제1 반사경(300), 셔터(Shutter)(400), 투과형의 측정 대상물(500), 제2 반사경(600), 광 합성부(700), CCD(Charged Coupled Device)(800) 및 제어장치(900) 등을 포함하여 이루어진다.
여기서, 광원부(100)는 홀로그래픽(Holographic)에 요구되는 광 신호, 예컨대, 레이저 광을 발생시키는 기능을 수행하는 것으로서, 통상적으로 가간섭성 광원을 이용하여 광을 생성시키는 레이저(Laser)(110)와, 레이저(110)에 의해 생성된 레이저 광의 크기를 확장시키는 광확장기(미도시) 및 확장된 레이저 광을 광학적으로 결상하여 평행광으로 출력하는 렌즈부(120) 등으로 구성될 수 있다.
한편, 레이저(110)는 단파장의 레이저 광을 방출하는 것으로서, 예컨대, He-Ne 레이저가 사용됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 단파장의 레이저 광을 방출할 수 있으면 다른 형태의 레이저가 적용 가능하다.
광 분할부(200)는 광원부(100)에 상응하는 위치에 설치되어, 광원부(100)로부터 발생된 광을 참조광과 물체광으로 분할하는 기능을 수행하는 것으로서, 이렇게 분할된 참조광 및 물체광이 서로 다른 전송 경로를 거치도록 한다.
즉, 광 분할부(200)에 의해 수직으로 분할된 참조광은 제1 반사경(300)에 입사된 후, 다시 수직으로 반사되어 셔터(400)를 거쳐 광 합성부(700)에 전송된다. 또한, 광 분할부(200)에 의해 분할된 물체광은 투과형의 측정 대상물(500)을 통과하여 제2 반사경(600)에 입사된 후, 다시 수직으로 반사되어 광 합성부(700)에 전송된다.
이러한 광 분할부(200)는 빔 스플리터(Beam Splitter, BS) 형태로 구현됨이 바람직하다.
제1 반사경(300)은 광 분할부(200)로부터 분할된 참조광의 광로 상에 위치하고 있으며, 참조광의 방향을 변경시키는 기능을 수행하는 것으로서, 광 분할부(200)로부터 분할된 참조광을 반사하여 셔터(400)로 입사되도록 한다. 한편, 제1 반사경(300)을 통해 반사된 참조광은 광 분할부(200)로부터 분할된 물체광과 광축이 일치됨이 바람직하다.
셔터(400)는 제1 반사경(300)으로부터 반사된 참조광을 차단 및 통과시키는 기능을 수행하는 것으로서, 제어장치(900)로부터 출력된 특정 제어신호에 따라 제1 반사경(300)으로부터 반사된 참조광이 번갈아 가며 차단 및 통과되도록 차단 및 개방됨이 바람직하다.
투과형의 측정 대상물(500)은 광 분할부(200)로부터 분할된 물체광의 광로 상에 위치하고 있으며, 물체광이 투과될 수 있도록 투명한 물체 등으로 이루어짐이 바람직하며, 물체광이 측정 대상물(500)을 투과하여 측정하는 방법이 적용되는 구성을 갖는다.
한편, 광 분할부(200)로부터 출광되는 물체광은 투과형의 측정 대상물(500)을 측정하고 제2 반사경(600)에 의해 반사된 후 광 합성부(700)로 입사된다.
제2 반사경(600)은 광 분할부(200)로부터 분할된 물체광의 광로 상에 위치하고 있으며, 물체광의 방향을 변경시키는 기능을 수행하는 것으로서, 투과형의 측정 대상물(500)을 투과한 물체광을 반사하여 광 분할부(200)로 입사되도록 한다.
광 합성부(700)는 셔터(400)의 개방에 의해 통과된 참조광과 제2 반사경(600)을 통해 반사된 물체광의 상호 간섭에 의해 합성되어 간섭광을 형성하여 출력하는 기능을 수행한다.
즉, 광 합성부(700)에서는 참조광과 물체광 중 상호 편광 방향이 동일한 광 사이에 간섭이 발생한다. 이렇게 상호 간섭에 의해 형성된 간섭은 CCD(800)가 배치된 일측 방향으로 출광된다.
이러한 광 합성부(700)는 빔 스플리터(Beam Splitter, BS) 형태로 구현됨이 바람직하다.
CCD(800)는 광 합성부(700)로부터 출력되는 간섭광의 광 경로 상에 배치되어 있으며, 셔터(400)의 차단에 의해 제2 반사경(600)을 통하여 반사된 물체광을 저장함과 아울러 셔터(400)의 개방에 의해 광 합성부(700)로부터 출력된 간섭광을 이용하여 디지털 홀로그램 데이터를 저장하는 기능을 수행한다.
즉, CCD(800)는 디지털 홀로그래피에 사용되는 기록매체로서, 투과형의 측정 대상물(500)로부터의 물체광과 참조광을 간섭시켜 발생하는 간섭 무늬를 간섭 무늬의 강도(Amplitude)에 반응하여 기록한다.
제어장치(900)는 통상의 컴퓨터(Computer) 등으로 구성되는 바, CCD(800)로부터 저장된 디지털 홀로그램 데이터를 프레넬 변환(Fresnel transform)에 의해 투과형의 측정 대상물(500)에 대한 3차원 영상 정보를 획득하는 기능을 수행한다.
특히, 제어장치(900)는 상기 획득된 측정 대상물(500)의 3차원 영상 정보에 셔터(400)의 차단에 의해 획득된 측정 대상물(500)의 2차원 실제 영상 텍스쳐(texture)를 매핑(Mapping)하여 개선된 3차원 영상을 생성하는 기능을 수행한다.
추가적으로, 제1 반사경(300)과 셔터(400) 사이에 배치되어 있으며, 제1 반사경(300)으로부터 반사된 참조광을 광학적으로 결상하여 평행광으로 출력하는 제1 대물렌즈(350)가 더 구비될 수 있다.
또한, 투과형의 측정 대상물(500)과 제2 반사경(600) 사이에 배치되어 있으며, 투과형의 측정 대상물(500)을 투과한 물체광을 광학적으로 결상하여 평행광으로 출력하는 제2 대물렌즈(550)가 더 구비될 수도 있다.
더욱이, 제어장치(900)로부터 출력된 특정 제어신호에 따라 측정 대상물(500)을 좌/우 회전시키는 회전 구동수단(미도시)이 더 구비될 수 있으며, 측정 대상물(500)에 수직 단차가 존재할 경우, 제어장치(900)는 특정 제어신호를 상기 회전 구동수단에 출력하여 측정 대상물(500)을 좌/우 회전시키고, 측정 대상물(500)의 좌/우 회전에 따른 좌/우 3차원 포인트 클라우드(Point Cloud)를 각각 연산한 후, 상기 연산된 각 좌/우 3차원 포인트 클라우드의 공통 포인트를 통해 회전각도를 연산하여 측정 대상물(500)에 대한 3차원 높이 정보를 획득할 수 있다.
또한, 제어장치(900)로부터 출력된 특정 제어신호에 따라 측정 대상물(500)을 적어도 어느 한 방향으로 일정거리 이동시키는 이동 구동수단(미도시)이 더 구비될 수도 있으며, 측정 대상물(500)의 면적이 넓을 경우, 제어장치(900)는 특정 제어신호를 상기 이동 구동수단에 출력하여 측정 대상물(500)을 적어도 어느 한 방향으로 일정거리 이동시키고, 각 이동에 따른 개선된 3차원 영상을 생성 및 조합하여 측정 대상물(500)의 전체 영역에 대한 개선된 3차원 영상을 획득할 수 있다.
한편, 제어장치(900)는 각 이동에 따른 개선된 3차원 영상의 일부분이 겹쳐지도록 상기 이동 구동수단을 제어하여 측정 대상물(500)을 일정거리 이동시킴이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그래피 현미경 시스템에서 홀로그램 데이터는 도 2에 도시된 바와 같이, CCD(Charged Coupled Device)로 입력되는 물체광(O)과 참조광(R)의 간섭에 의하여 주어진다.
그리고, MO는 확대렌즈, R은 참조광, O는 물체광, b는 물체와 렌즈간의 거리, c는 렌즈와 CCD 간의 거리, d는 CCD와 영상 재생 면까지 거리를 나타낸다.
도 2는 Off-axis 투과형 디지털 홀로그램 현미경 시스템을 고려한 것으로서, Off-axis 방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 현미경 시스템에서는 CCD에서 얻어진 한 장의 홀로그램 IH(x,y)을 이용해서 프레넬 변환(Fresnel transform)을 통해 측정 대상물에 대한 이미지를 재생하면, DC 항 및 콘주게이트 이미지(Conjugate image) 항이 측정 대상물에 대한 이미지 부분과 공간적으로 분리되기 때문에, 한 장의 홀로그램으로부터 3차원 정보를 얻을 수 있다.
즉, CCD에 형성되는 2차원 홀로그램의 빛 세기는 하기의 수학식 1과 같다.
Figure 112011024301017-pat00001
여기서, R*, O* 은 참조광과 물체광의 공액복소수이이며, 참조광과 물체광의 각도는 θ이다. 상기의 수학식 1에서 첫 번째 항은 영차 회절광이고, 두 번째 항은 물체광 간섭 항이며, 세 번째 항과 네 번째 항은 물체광과 참조광의 간섭 결과이다.
일반적으로 첫 번째 항과 두 번째 항을 DC 항이라 한다. 디지털 홀로그래피에서 홀로그램을 저장하는 장치로 CCD를 사용한다. CCD의 사양은 픽셀 수
Figure 112011024301017-pat00002
, 픽셀크기(
Figure 112011024301017-pat00003
)와 센서 크기(
Figure 112011024301017-pat00004
)로 주어진다. CCD의 픽셀에 저장되는 간섭세기 정보는 하기의 수학식 2와 같다.
Figure 112011024301017-pat00005
상기의 수학식 2와 같이 참조광과 물체광에 의한 홀로그램 데이터는 수치적 영상 재생에 이용된다. 수치적 재생 파동은 참조광과 홀로그램 데이터(Ih)를 이용하여 하기의 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112011024301017-pat00006
여기서, 첫 번째 항과 두 번째 항은 DC 항이고, 세 번째 항과 네 번째 항은 각각 허상과 실상이다. Off-axis 홀로그램은 In-line 홀로그램과는 달리 상기의 수학식 3의 각 항에 해당되는 영상이 다른 위치에 생성된다. 프레넬(Fresnel) 공식을 이용하여 영상이 맺히는 지점에서의 파동분포는 하기의 수학식 4와 같다.
Figure 112011024301017-pat00007
여기서, λ는 사용된 빛의 파장이고, d는 CCD에서 영상이 재생되는 곳까지의 거리, A는 상수이다. 상기의 수학식 4는
Figure 112011024301017-pat00008
을 공간 주파수 공간
Figure 112011024301017-pat00009
으로 푸리에(Fourier) 전환한 것이다.
일반적으로, 상기의 수학식 4를 계산하기 위하여 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘을 이용한다. 상기의 수학식 4는 복소수이기 때문에 재생 영상은 하기의 수학식 5와 같이 얻어진다.
Figure 112011024301017-pat00010
그리고, 위상 영상은 하기의 수학식 6과 같이 주어진다.
Figure 112011024301017-pat00011
상기의 수학식 5와 수학식 6을 이용하여 2차원 영상과 3차원 영상을 구현할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템을 이용하여 홀로그램 영상을 획득하는 실제 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 실제 촬영된 홀로그램 영상을 나타낸 도면이며, 도 3c는 3차원 높이 정보로 계산한 결과를 나타낸 도면이며, 도 3d는 위상 펼침(Phase unwrapping) 결과와 그레이 레벨(grey level)로 높낮이를 표시하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템을 이용하여 홀로그램 영상은, CCD를 통해 디지털 홀로그램 데이터 획득, 위상 재생, 위상 펼침(Phase unwrapping) 및 3차원 데이터 획득의 순서로 얻을 수 있다.
각각의 단계는 도 3a 내지 도 3d에 도시되어 있으며, 펼쳐진 위상 이미지(Unwrapped phase image)가 최종 결과물이며, 이 결과물은 X축, Y축 상의 각 위치의 높이가 기록된 영상이다. 이 높이를 색깔로 구분하여 3차원 높이로 표현해보면 도 3a에 도시된 우측하단의 컬러그림처럼 되며, 그레이 영상으로 표시하면 도 3a에 도시된 우측상단의 펼펴진 위상 이미지(Unwrapped phase image)가 된다.
이때, 각 픽셀의 정보는 색깔이나 모양정보가 아니라 높이 정보이기 때문에 실제 현미경으로 관찰한 영상과는 상이하게 된다. 따라서, 실제 현미경으로 관찰된 영상을 도 3a에 도시된 우측하단의 3차원 모델링 정보 위에 텍스쳐(texture)를 매핑(Mapping)함으로써, 실제 3차원 모델링에 2차원 텍스쳐가 입혀진 측정 대상물의 정보를 얻을 수 있게 된다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 전통적인 홀로그램을 얻을 수 있는 장치에 셔터(400)를 추가하여 홀로그램 영상과 실제 현미경 영상을 얻을 수 있으며, 중간의 셔터(400)를 열고 닫음에 의해 홀로그램 영상과 실제 영상을 번갈아 가며 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템을 이용하여 수직 단차가 존재하는 측정 대상물에 대한 3차원 영상 정보를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 측정 대상물에 레이저가 조사되는 각도를 표현한 것이며, 현재의 기술로 좌측처럼 측정 대상물과 레이저가 이루는 각도가 부드럽게 변화될 경우, 3차원 정보를 추출할 수 있다. 하지만, 우측의 경우처럼 급격한 단차를 이루게 될 경우, 즉, 이웃하는 픽셀의 위상차가 레이저파장 크기의 1/2 이상일 경우인 수직 단차가 존재하는 부분이 존재하는 경우에는 이 높이 정보를 추출할 수 없다.
이를 해결하기 위해 본 발명에서는 수직 단차가 존재하는 측정 대상물을 별도의 회전 구동수단에 의해 좌우로 조금씩 회전시키고 얻어진 정보를 조합하는 방법을 사용한다(도 4의 (b) 내지 (d) 참조).
즉, 제어장치(900, 도 1 참조)는 특정 제어신호를 상기 회전 구동수단에 출력하여 측정 대상물을 좌/우 회전시키고, 상기 측정 대상물의 좌/우 회전에 따른 좌/우 3차원 포인트 클라우드(Point Cloud)를 각각 계산한 후, 상기 계산된 각 좌/우 3차원 포인트 클라우드의 공통 포인트를 사용하여 회전각도를 계산하여 상기 측정 대상물에 대한 3차원 높이 정보를 획득할 수 있다.
이때, 공통 포인트를 찾아내는 과정에 있어, 전술한 측정 대상물의 3차원 정보에 2차원 실제 영상 텍스쳐를 입히는 과정을 응용한다.
즉, 일반적으로 3차원 포인트 클라우드에서 도 4의 (b)에 도시된 ①의 포인트 클라우드에서의 특정 포인트와 ②의 포인트 클라우드에서의 특정 포인트가 같은 포인트라는 것을 알아낼 방법은 없다.
그러나, 측정 대상물의 3차원 정보에 2차원 실제 영상 텍스쳐를 입히는 과정을 응용하여 3차원 데이터에 2차원 실제 영상 텍스쳐를 입히게 되면 2차원 영상 텍스쳐에서 텍스쳐의 특징(feature)을 추출해 낼 수 있게 되고, 추출한 영상 텍스쳐의 특징(feature)의 위치를 이용하여 일치하는 점들을 추출해 낼 수 있다.
이러한 속성을 이용해 3차원 모델에 매핑된 2차원 텍스쳐 상에서 6개 이상의 특징(feature)을 추출하면 각 포인트 클라우드의 회전축 x, y, z, 요(yaw), 피치(pitch), 롤(roll)을 알아 낼 수 있고, 이를 이용해 전체 클라우드 포인트의 회전 및 이동을 알 수 있게 된다.
이와 같이 회전 및 이동량을 알아내게 되면 두 개의 포인트 클라우드를 같은 위치로 회전시킬 수 있고, 두 개의 포인트 클라우드에서 빠진 부분을 보충하여 완전한 3차원 오브젝트(Object)의 포인트 클라우드를 구할 수 있게 된다.
한편, 측정 영역이 넓은 측정 대상물 전체에 대한 3차원 정보를 획득하는 방법을 설명하면, 본 발명에 사용된 모든 영상 및 정보는 홀로그램 현미경을 통해 얻어진 영상이다.
즉, 영상의 관심영역(Region of Interest, ROI)이 매우 작다. 하지만, 전술한 개선된 3차원 영상 정보를 획득하는 방법을 통해 측정 영역이 넓은 측정 대상물의 일부분의 영상 정보를 얻을 수 있으며, 측정 대상물을 겹쳐지는 영역이 있도록 이동하며 전술한 개선된 3차원 영상 정보를 획득하는 방법을 반복하며 정보를 얻고, 이를 조합하면 퍼즐을 맞추는 것과 동일하게 전체 영역에 대한 3차원 영상 정보를 획득할 수 있게 된다.
전술한 본 발명에 따른 디지털 홀로그램 현미경 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100 : 광원부, 200 : 광 분할부,
300 : 제1 반사경, 350 : 제1 대물렌즈,
400 : 셔터, 500 : 투과형의 측정 대상물,
550 : 제2 대물렌즈, 600 : 제2 반사경,
700 : 광 합성부, 800 : CCD,
900 : 제어장치

Claims (12)

  1. 광을 발생시키는 광원부;
    상기 광원부로부터 발생된 광을 참조광과 물체광으로 분할하는 광 분할부;
    상기 광 분할부로부터 분할된 참조광을 반사하는 제1 반사경;
    상기 제1 반사경으로부터 반사된 참조광을 차단 및 통과시키는 셔터;
    상기 광 분할부로부터 분할된 물체광의 광로 상에 위치한 투과형의 측정 대상물;
    상기 측정 대상물을 투과한 물체광을 반사하는 제2 반사경;
    상기 셔터의 개방에 의해 통과된 참조광과 상기 제2 반사경을 통해 반사된 물체광의 상호 간섭에 의해 간섭광을 형성하여 출력하는 광 합성부;
    상기 광 합성부로부터 출력되는 간섭광의 광 경로 상에 배치되며, 상기 셔터의 차단에 의해 상기 제2 반사경을 통해 반사된 물체광을 저장함과 아울러 상기 셔터의 개방에 의해 상기 광 합성부로부터 출력된 간섭광을 이용하여 디지털 홀로그램 데이터를 저장하는 CCD(Charged Coupled Device); 및
    상기 CCD로부터 저장된 디지털 홀로그램 데이터를 프레넬 변환(Fresnel transform)에 의해 상기 측정 대상물의 3차원 영상 정보를 획득하며, 상기 획득된 측정 대상물의 3차원 영상 정보에 상기 셔터의 차단에 의해 획득된 상기 측정 대상물의 2차원 실제 영상 텍스쳐(texture)를 매핑하여 개선된 3차원 영상을 생성하는 제어장치를 포함하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 반사경과 상기 셔터 사이에 배치되며, 상기 제1 반사경으로부터 반사된 참조광을 광학적으로 결상하여 평행광으로 출력하는 제1 대물렌즈; 및
    상기 측정 대상물과 상기 제2 반사경 사이에 배치되며, 상기 측정 대상물을 투과한 물체광을 광학적으로 결상하여 평행광으로 출력하는 제2 대물렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 반사경을 통해 반사된 참조광은 상기 광 분할부로부터 분할된 물체광과 광축이 일치되는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 셔터는, 상기 제어장치로부터 출력된 특정 제어신호에 따라 상기 제1 반사경으로부터 반사된 참조광이 번갈아 가며 차단 및 통과되도록 차단 및 개방되는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어장치로부터 출력된 특정 제어신호에 따라 상기 측정 대상물을 좌/우 회전시키는 회전 구동수단이 더 구비되며,
    상기 측정 대상물에 수직 단차가 존재할 경우, 상기 제어장치는 특정 제어신호를 상기 회전 구동수단에 출력하여 상기 측정 대상물을 좌/우 회전시키고, 상기 측정 대상물의 좌/우 회전에 따른 좌/우 3차원 포인트 클라우드(Point Cloud)를 각각 연산한 후, 상기 연산된 각 좌/우 3차원 포인트 클라우드의 공통 포인트를 통해 회전각도를 연산하여 상기 측정 대상물에 대한 3차원 높이 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어장치로부터 출력된 특정 제어신호에 따라 상기 측정 대상물을 적어도 어느 한 방향으로 일정거리 이동시키는 이동 구동수단이 더 구비되며,
    상기 측정 대상물의 면적이 넓을 경우, 상기 제어장치는 특정 제어신호를 상기 이동 구동수단에 출력하여 상기 측정 대상물을 적어도 어느 한 방향으로 일정거리 이동시키고, 각 이동에 따른 개선된 3차원 영상을 생성 및 조합하여 상기 측정 대상물의 전체 영역에 대한 개선된 3차원 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 각 이동에 따른 개선된 3차원 영상의 일부분이 겹쳐지도록 상기 이동 구동수단을 제어하여 상기 측정 대상물을 일정거리 이동시키는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템.
  8. 광원부, 광 분할부, 제1 및 제2 반사경, 셔터, 투과형의 측정 대상물, 광 합성부, CCD(Charged Coupled Device) 및 제어장치를 포함하는 디지털 홀로그램 현미경 시스템을 이용하여 3차원 영상을 획득하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 광원부에 의해 광을 발생한 후, 상기 발생된 광을 상기 광 분할부에 의해 참조광과 물체광으로 각각 분할하는 단계;
    (b) 상기 단계(a)에서 분할된 참조광을 상기 제1 반사경에 의해 반사한 후, 상기 반사된 참조광을 상기 셔터에 의해 차단 및 통과하는 단계;
    (c) 상기 단계(a)에서 분할된 물체광을 투과형의 측정 대상물에 투과시킨 후, 상기 측정 대상물을 투과한 물체광을 상기 제2 반사경에 의해 반사하는 단계;
    (d) 상기 광 합성부을 통하여 상기 셔터의 개방에 의해 통과된 참조광과 상기 제2 반사경에 의해 반사된 물체광의 상호 간섭에 의해 간섭광을 형성 및 출력하는 단계;
    (e) 상기 CCD를 통하여 상기 셔터의 차단에 의해 상기 제2 반사경으로부터 반사된 물체광을 저장함과 아울러 상기 셔터의 개방에 의해 상기 광 합성부로부터 출력된 간섭광을 이용하여 디지털 홀로그램 데이터를 저장하는 단계; 및
    (f) 상기 제어장치를 통하여 상기 CCD로부터 저장된 디지털 홀로그램 데이터를 프레넬 변환(Fresnel transform)에 의해 상기 측정 대상물의 3차원 영상 정보를 획득한 후, 상기 획득된 측정 대상물의 3차원 영상 정보에 상기 셔터의 차단에 의해 획득된 상기 측정 대상물의 2차원 실제 영상 텍스쳐(texture)를 매핑(Mapping)하여 개선된 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함하는 3차원 영상 획득 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 단계(b)에서 상기 제1 반사경에 의해 반사된 참조광은 상기 단계(a)에서 상기 광 분할부에 의해 분할된 물체광과 광축을 일치시키는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 측정 대상물에 수직 단차가 존재할 경우,
    상기 제어장치를 통하여 별도로 구비된 회전 구동수단에 의해 상기 측정 대상물을 좌/우 회전시키는 단계; 및
    상기 측정 대상물의 좌/우 회전에 따른 좌/우 3차원 포인트 클라우드(Point Cloud)를 각각 연산한 후, 상기 연산된 각 좌/우 3차원 포인트 클라우드의 공통 포인트를 통해 회전각도를 연산하여 상기 측정 대상물에 대한 3차원 높이 정보를 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 측정 대상물의 면적이 넓을 경우,
    상기 제어장치를 통하여 별도로 구비된 이동 구동수단에 의해 상기 측정 대상물을 적어도 어느 한 방향으로 일정거리 이동시키는 단계; 및
    각 이동에 따른 개선된 3차원 영상을 생성 및 조합하여 상기 측정 대상물의 전체 영역에 대한 개선된 3차원 영상을 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 이동 구동수단에 의해 상기 측정 대상물을 이동시킬 경우, 각 이동에 따른 개선된 3차원 영상의 일부분이 겹쳐지도록 상기 측정 대상물을 일정거리 이동시키는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득 방법.
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