KR101621040B1 - 단일광을 이용한 물체 형상 복원 장치 및 방법 - Google Patents

단일광을 이용한 물체 형상 복원 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투과형 단일 광 경로 탈축 형태를 가지는 물체 형상 복원 장치 및 방법을 제안한다. 본 발명에 따른 물체 형상 복원 장치는 대상물체에 대한 정보를 포함하는 단일광을 반사광과 투과광으로 분할하는 광 분할부; 반사광과 결합하도록 투과광을 반사시키는 광 반사부; 반사광과 투과광의 결합에 의한 간섭 무늬를 획득하는 간섭 무늬 획득부; 및 간섭 무늬를 이용하여 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하는 물체 형상 복원부를 포함한다.

Description

단일광을 이용한 물체 형상 복원 장치 및 방법 {Apparatus and method for restructuring shape of object using single beam}
본 발명은 대상물체에 대한 형상을 복원하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
간섭계(Interferometer)는 동일한 광원에서 나오는 빛을 두 갈래 이상으로 나누어 진행 경로에 차이가 생기도록 한 후 빛이 다시 만났을 때 일어나는 간섭 현상을 관찰하는 기구이다.
그런데 마하젠더 간섭계(Mach-Zender interferometer), 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer) 등은 시스템 구성이 복잡하고 진동에 취약한 단점이 있어, 종래에는 홀로그램 영상을 생성할 때에 전단 간섭계(Lateral shearing interferometer)가 많이 이용되고 있다.
그러나 전단 간섭계를 통해 획득한 홀로그램 영상에서는 동일한 물체의 형상이 이중으로 중복되는 현상이 발생하며, 형상이 겹쳐진 부분에서 물체의 위상 정보가 왜곡되는 문제점도 있다.
한국공개특허 제2013-0098590호는 디지털 홀로그램을 생성하는 장치에 대하여 제안하고 있다. 그러나 이 장치는 홀로그램 생성을 위한 연산 처리 효율을 고려한 것이기 때문에 상기한 문제점을 해결할 수가 없다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 투과형 단일 광 경로 탈축(Transmissive single-arm off-axis) 형태를 가지는 물체 형상 복원 장치 및 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 정보를 포함하는 단일광을 반사광과 투과광으로 분할하는 광 분할부; 상기 투과광을 반사시켜 상기 투과광이 상기 반사광과 결합할 수 있도록 하는 광 반사부; 상기 반사광과 상기 투과광의 결합에 의한 간섭 무늬를 획득하는 간섭 무늬 획득부; 및 획득된 상기 간섭 무늬를 이용하여 상기 대상물체에 대한 위상 정보 획득 및 3차원 형상을 복원하는 물체 형상 복원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치를 제안한다.
바람직하게는, 상기 광 분할부와 상기 광 반사부는 상기 단일광의 진행 방향에 대하여 미리 정해진 각도만큼 기울어진다.
바람직하게는, 상기 광 분할부는 상기 광 반사부와 기울기 값이 다르다.
바람직하게는, 상기 광 반사부는 상기 각도를 제어 가능하다.
바람직하게는, 상기 반사광은 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 제1 영역과 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 제2 영역으로 구분되고, 상기 투과광은 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 제3 영역과 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 제4 영역으로 구분되며, 상기 간섭 무늬는 상기 제1 영역과 상기 제4 영역이 중첩된 영역에서 나타나는 무늬이다.
바람직하게는, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 동일한 크기로 구분되며, 상기 제3 영역과 상기 제4 영역은 동일한 크기로 구분된다.
바람직하게는, 상기 물체 형상 복원부는, 상기 간섭 무늬로부터 얻은 물체 홀로그램 영상에 대한 제1 위상 정보 및 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 기준 홀로그램 영상에 대한 제2 위상 정보를 획득하는 위상 정보 획득부; 상기 제1 위상 정보와 상기 제2 위상 정보 간 위상차를 산출하는 위상차 산출부; 상기 위상차를 기초로 상기 대상물체의 입체 형상 정보를 산출하는 대상물체 입체 형상 산출부; 및 상기 대상물체의 입체 형상 정보를 기초로 상기 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하는 입체 형상 복원부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 물체 형상 복원부는 상기 간섭 무늬로부터 상기 대상물체에 대한 입체 형상 정보를 포함하는 물체 홀로그램 영상과 상기 대상물체에 대한 입체 형상 정보를 포함하지 않는 기준 홀로그램 영상을 각각 획득한다.
바람직하게는, 상기 위상 정보 획득부는 상기 물체 홀로그램 영상을 공간 주파수 도메인에서 표현하는 푸리에 변환과 공간 주파수 도메인에서 표현된 물체 홀로그램 영상 신호로부터 상기 대상물체의 입체 형상 정보를 포함하는 최소한의 신호를 추출하기 위해 필터링 기법을 이용하며, 역 푸리에 변환과 각 스펙트럼 기법(ASP 기법)을 이용하여 상기 대상물체에 대한 정보로부터 상기 제1 위상 정보를 획득한다.
바람직하게는, 상기 위상차 산출부는 상기 대상물체에 대한 형상 정보를 포함하고 있는 상기 제1 위상 정보와 상기 대상물체에 대한 형상 정보를 포함하지 않는 상기 제2 위상 정보로부터 위상차 정보를 획득한다.
바람직하게는, 상기 대상물체 입체 형상 산출부는 상기 위상 정보 획득부에 의해 추출된 상기 위상차를 기초로 상기 대상물체의 두께 정보를 포함하는 입체 형상 정보를 산출한다.
바람직하게는, 상기 대상물체 입체 형상 산출부는 상기 위상차와 더불어 상기 출력광의 파장, 및 상기 대상물체와 매질(ex. 공기) 간 굴절률 차이를 이용하여 상기 대상물체의 두께 정보를 포함하는 입체 형상 정보를 산출한다.
바람직하게는, 상기 물체 형상 복원 장치는 상기 단일광이 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 영역과 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 영역으로 구분 가능하도록 상기 대상물체의 위치를 조절하는 대상물체 위치 조절부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 대상물체는 광을 발생시키는 광 발생부와 상기 대상물체 위치 조절부 사이에 위치한다.
바람직하게는, 상기 대상물체는 상기 광 발생부보다 상기 대상물체 위치 조절부에 더 가깝게 위치한다.
바람직하게는, 상기 물체 형상 복원 장치는 상기 광 반사부로 입사된 상기 투과광의 입사각, 및 상기 광 분할부와 상기 광 반사부 사이의 거리를 기초로 상기 광 분할부로부터 상기 반사광과 상기 투과광이 결합되는 지점까지의 거리를 산출하여 상기 간섭 무늬 획득부의 위치를 결정하는 지점 위치 결정부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 물체 형상 복원 장치는 디지털 홀로그래픽 현미경으로 구현된다.
또한 본 발명은 정보를 포함하는 단일광을 반사광과 투과광으로 분할하는 단계; 상기 반사광과 결합하도록 상기 투과광을 반사시키는 단계; 상기 반사광과 상기 투과광의 결합에 의한 간섭 무늬를 획득하는 단계; 및 상기 간섭 무늬를 이용하여 상기 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 방법을 제안한다.
본 발명은 투과형 단일 광 경로 탈축(Transmissive single-arm off-axis) 형태를 가지는 장치를 이용하여 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원함으로써 다음 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 종래 디지털 홀로그래픽 현미경 장치보다 강건하면서 간단한 시스템 구성이 가능하다.
둘째, 대상물체의 위치와 간섭 영역을 조절함으로써 동일한 대상물체의 형상이 이중으로 나타나는 현상을 제거할 수 있으며, 물체의 위상 정보를 보상함으로써 위상 왜곡을 방지할 수 있다.
셋째, 대상물체의 입체 형상 정보를 획득하는 것이 가능해지며, 이에 따라 대상물체의 3차원 형상을 정확하게 복원할 수 있다.
넷째, 투과형 물체의 입체 형상 정보를 기반으로 대상물체를 구성하는 매질의 굴절률 차이 분포 또한 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 홀로그래픽 현미경의 개념도이다.
도 2는 디지털 홀로그래픽 현미경을 구성하는 CCD 앞에서 발생되는 두 광 사이의 간섭 무늬의 일실시 예시도이다.
도 3은 디지털 홀로그래픽 현미경에서 광 분할기와 CCD 사이의 거리를 계산하는 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물체 형상 복원 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 물체 형상 복원 장치를 구성하는 물체 형상 복원부의 내부 구성을 구체적으로 도시한 블록도이다.
도 6은 물체 형상 복원 장치에 추가될 수 있는 구성을 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대상물체의 홀로그램 영상 획득 및 3차원 형상 복원 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
디지털 홀로그래픽 현미경이란 홀로그래피 기술을 바탕으로 하여 디지털 촬상 소자를 통해 홀로그램 정보(간섭무늬)를 획득하고, 이를 통해 물체의 3차원 형상 정보를 측정하는 현미경을 말한다. 일반적인 현미경이 통상 일반 광원을 물체에 비추어 물체로부터 반사 또는 투과되는 빛의 세기 분포를 측정함으로써 물체의 형상을 측정하는 장치라면, 디지털 홀로그래픽 현미경은 복수의 빛이 만났을 경우에 일어나는 빛의 간섭 현상을 간섭무늬 형태로 디지털 촬상 소자를 통해 기록하고, 획득된 간섭무늬 정보로부터 위상 정보를 추출하고 이를 이용하여 대상물체의 3차원 형상 정보를 복원하는 장치이다.
즉 디지털 홀로그래피 기술은 ① 레이저와 같은 단일 파장의 빛을 생성하고, ② 이를 광 분할기를 이용하여 2개의 빛으로 분할하여, ③ 하나의 빛은 이미지 센서에 직접 비추고(참조광이라 한다), 다른 빛은 측정 대상 물체에 비추어 반사되는 빛을 이미지 센서에 비추면(물체광이라 한다), ④ 이미지 센서에서 참조광과 물체광이 간섭 현상을 일으키게 되는데, ⑤ 이러한 빛의 간섭 무늬 정보를 디지털 이미지 센서로 기록하고, ⑥ 기록된 간섭 무늬 정보를 가지고 컴퓨터를 활용하여 측정 대상 물체의 형상을 복원하는 기술이다. 그리고 이때 상기한 ⑤에 따라 기록되는 간섭 무늬 정보를 통상 홀로그램이라고 지칭한다.
한편 디지털 홀로그래피가 아닌 기존의 광학적 홀로그래피 기술의 경우는, ①부터 ④까지의 절차는 동일하나, ⑤에 있어서 빛의 간섭 무늬 정보를 특수 필름으로 기록하고, ⑥에 있어서 측정 대상 물체의 형상을 복원하기 위하여 참조광을 간섭 무늬가 기록된 특수 필름에 비추면 본래 측정 대상 물체가 위치하던 자리에 가상의 측정 대상 물체의 형상이 복원되는 방식이다.
디지털 홀로그래피 현미경은 기존의 광학적 홀로그래피 방식과 비교하였을 때, 빛의 간섭 무늬 정보를 디지털 이미지 센서로 측정하고 디지털 방식으로 부호화하여 저장하고, 저장된 간섭 무늬 정보를 광학적 방식이 아닌 컴퓨터 장치 등을 이용한 수치 연산 방식으로 가공해서 측정 대상 물체의 형상을 복원한다는 점에서 차이가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 홀로그래픽 현미경의 개념도이다. 본 발명에서는 물체의 형상이 이중으로 나타나는 문제점을 해결하기 위해 투과형 단일 광 경로 탈축(Transmissive single-arm off-axis) 형태의 디지털 홀로그래픽 현미경(100)을 제안한다.
레이저(110)는 광(ex. 여기광)을 발생시키는 기능을 수행한다.
대물렌즈(objective lens; 120)는 레이저(110)로부터 출력된 광이 물체(170)를 투과한 뒤 입력되면 이 입력광을 광 분할기(130)와 광학 거울(140) 방향으로 입사시키는 기능을 수행한다.
레이저(110)에서 나온 광은 물체(170)를 투과한 뒤 대물렌즈(120)를 통과한다. 이때 대물렌즈(120)는 측정하고자 하는 물체(170)의 위치가 대물렌즈(120)를 통과한 광의 가운데가 아닌 가장자리에 위치하게 함으로써 물체가 있는 영역과 물체가 없는 영역으로 나눌 수 있게 물체(170)의 위치를 조절하는 기능을 수행한다.
광 분할기(130)는 대물렌즈(120)를 통과한 광을 나누는 기능을 수행한다. 광 분할기(130)에 의해 분할된 광들 중 제1 광은 광 분할기(130)로부터 반사되어 CCD(Charge Coupled Device; 150)로 입사되며, 제2 광은 광 분할기(130)를 투과하여 광학 거울(140)로 입사된다.
광학 거울(140)은 제2 광을 반사시켜 CCD(150)로 입사되도록 하는 기능을 수행한다. 제2 광은 광학 거울(140)로부터 반사됨으로써 CCD(150) 앞에서 제1 광과 결합되어 간섭 무늬(180)를 생성한다.
CCD(150)는 생성된 간섭 무늬(180)를 획득하는 기능을 수행한다.
컴퓨터(160)는 간섭 무늬(180)를 기초로 물체(170)의 3차원 형상을 복원하는 기능을 수행한다. 컴퓨터(160)는 이와 더불어 물체(170)의 정량적 형상 정보를 복원하는 기능도 수행한다.
컴퓨터(160)는 대상 물체의 정보를 가지는 물체 홀로그램을 먼저 획득한 후, 대상 물체의 정보를 포함하지 않는 기준 홀로그램을 획득한다. 이후 컴퓨터(160)는 각각의 홀로그램에 대한 위상 정보를 획득한 후, 위상 정보의 차이를 구한다. 이후 컴퓨터(160)는 위상 정보의 차이를 이용하여 측정하고자 하는 투명한 물체(170)의 정량적 크기 정보를 산출하고, 이어서 물체(170)의 3차원 형상을 복원한다.
다음으로 도 1에 도시된 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용하여 물체의 3차원 형상을 복원하는 방법에 대하여 설명한다. 이하 설명은 도 1을 참조한다. 도 1은 물체의 형상이 이중으로 나타나는 현상이 발생하지 않는 투과형 단일 광 경로 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경의 구성도이다.
광원부인 레이저(110)에서 나온 광이 측정하고자 하는 물체(170) 및 대물렌즈(120)를 통과한다. 여기서 측정하고자 하는 물체(170)의 위치는 대물렌즈(120)를 통과한 광의 가운데 영역이 아닌 가장자리에 위치하게 함으로써, 대물렌즈(120)를 통과한 광의 가운데를 기준으로 물체가 있는 영역과 물체가 없는 영역으로 나눌 수 있도록 물체(170)의 위치를 조절해준다.
이렇게 물체의 정보를 가진 광이 광 분할기(130)을 통해 두 개의 광으로 분할된다. 이때 광 분할기(130)에서 반사된 광원은 물체에 대한 정보를 가지고 있는 물체 영역 O1과 물체에 대한 정보를 가지고 있지 않는 기준 영역 R1을 포함한다. 광 분할기(130)를 투과한 뒤 광학 거울(140)에서 반사된 광원은 물체에 대한 정보를 가지고 있는 물체 영역 O2와 물체에 대한 정보를 가지고 있지 않는 기준 영역 R2를 포함한다.
광 분할기(130)에서 반사된 물체 영역 O1과 광학 거울(140)에 반사된 기준영역 R2는 CCD(150) 앞에서 겹쳐져서 간섭 무늬(180)를 형성한다. 이러한 간섭 무늬(180)는 도 2에 도시된 바와 같다.
한편 물체 영역과 기준 영역에 의해 생성되는 간섭 무늬(180)의 영역을 조절하기 위해, 컨트롤러(170)를 이용하여 광 분할기(130) 후면에 위치한 광학 거울(140)의 각도를 조절할 수 있다. 본 실시예에서는 광학 거울(140)에 입사된 광원의 각도 변화를 통해 간섭 무늬 획득을 위한 CCD(150)의 위치와 광학 거울(140)의 각도를 자동으로 조절함으로써 최적의 홀로그램 측정 시스템을 구축하는 것이 가능해진다.
간섭 무늬(180)를 획득하기 위한 CCD(150)의 위치 x는 도 3에 도시된 바와 같이 광학 거울(140)로 입사된 입사각 θ1, 및 광 분할기(130)와 광학 거울(140) 사이의 거리 d에 따라 다음 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112014085259097-pat00001
이렇게 획득한 홀로그램은 컴퓨터(160)로 전송된다.
컴퓨터(160)는 물체 홀로그램 획득, 물체가 없는 기준 홀로그램 획득, 각각의 홀로그램에 대한 위상 정보를 기초로 한 위상차 획득, 정량적 3차원 크기 정보 획득, 및 투명한 물체의 3차원 형상 복원의 순서로 물체(170)의 디지털 홀로그램 영상을 복원할 수 있다.
먼저 컴퓨터(160)는 측정하고자 하는 물체가 있는 물체 홀로그램과 물체가 없는 기준 홀로그램을 CCD(150)를 통해 획득한다. 획득된 각각의 홀로그램은 복소공액(complex conjugate) 홀로그램으로써 다음과 같이 나타낼 수 있다.
U1(x, y, 0), U2(x, y, 0)
상기에서 U1(x, y, 0)는 물체 홀로그램의 3차원 공간 좌표를 의미하며, U2(x, y, 0)는 기준 홀로그램의 3차원 공간 좌표를 의미한다.
이후 컴퓨터(160)는 물체 홀로그램을 이용하여 2차원 푸리에 변환 및 필터링을 통해 측정하고자 하는 물체의 정보만 획득하고, 이를 각 스펙트럼 방법 및 2차원 역 푸리에 변환을 통해 물체의 위상 정보를 추출한다. 이는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014085259097-pat00002
상기에서 φ1(x,y)는 물체 홀로그램의 위상 정보를 의미한다. 그리고 Re[φ1(x,y)]와 Im[φ1(x,y)]는 각각 물체 홀로그램의 실수부와 허수부를 의미한다.
이후 컴퓨터(160)는 상기와 동일한 방법을 이용하여 기준 홀로그램의 위상 정보를 추출한다. 이는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014085259097-pat00003
상기에서 φ2(x,y)는 기준 홀로그램의 위상 정보를 의미한다. 그리고 Re[φ2(x,y)]와 Im[φ2(x,y)]는 각각 기준 홀로그램의 실수부와 허수부를 의미한다.
이후 컴퓨터(160)는 추출된 각각의 위상 정보를 이용하여 위상 정보 차이를 획득한다. 이는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014085259097-pat00004
△φ(x,y)는 위치에 따른 물체 홀로그램과 기준 홀로그램의 위상 정보 차이를 의미한다.
이후 컴퓨터(160)는 위상 정보 차이에, 위상 펼침 알고리즘을 적용하여 왜곡된 위상 정보를 보상하고, 보상된 위상 정보를 측정하고자 하는 물체의 정량적인 두께 정보로 변환한다. 변환된 두께 정보는 수학식 5를 통해 계산할 수 있다.
Figure 112014085259097-pat00005
상기에서, △L은 물체의 두께 정보를 의미한다. λ는 레이저의 파장을 의미하며, △n(x, y)는 위치에 따른 굴절률 차이를 의미한다.
이후 컴퓨터(160)는 변환된 크기 정보를 이용하여 물체의 3차원 형상을 복원하고 동시에 물체의 정량적인 크기 정보를 획득한다.
이상 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시 형태(디지털 홀로그래픽 현미경)에 대하여 설명하였다. 이하에서는 디지털 홀로그래픽 장치를 공통적으로 적용 가능한 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물체 형상 복원 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4에 따르면, 물체 형상 복원 장치(400)는 광 분할부(410), 광 반사부(420), 간섭 무늬 획득부(430), 물체 형상 복원부(440), 전원부(450) 및 주제어부(460)를 포함한다.
물체 형상 복원 장치(400)는 디지털 홀로그래픽 현미경으로 구현될 수 있다. 그러나 물체 형상 복원 장치(400)가 이에 한정되는 것은 아니며, 디지털 홀로그램 영상을 생성할 수 있는 장치라면 어느 것이든 적용 가능하다.
전원부(450)는 물체 형상 복원 장치(400)를 구성하는 각 구성에 전원을 공급하는 기능을 수행한다. 주제어부(460)는 물체 형상 복원 장치(400)를 구성하는 각 구성의 전체 작동을 제어하는 기능을 수행한다.
광 분할부(410)는 대상물체에 대한 정보를 포함하는 단일광을 반사광과 투과광으로 분할하는 기능을 수행한다. 광 분할부(410)는 도 1의 광 분할기(130)와 동일한 개념이다.
상기에서 단일광은 광 발생부(미도시)로부터 출력된 광을 의미한다. 광 발생부는 도 1의 레이저(110)와 동일한 개념이다. 반사광은 광 분할부(410)로부터 반사된 광을 의미하며, 투과광은 광 분할부(410)를 투과한 광을 의미한다.
광 반사부(420)는 반사광과 결합하도록 투과광을 반사시키는 기능을 수행한다. 광 반사부(420)는 도 1의 광학 거울(140)과 동일한 개념이다.
광 분할부(410)와 광 반사부(420)는 단일광의 진행 방향에 대하여 미리 정해진 각도만큼 기울어진다. 물체 형상 복원 장치(400)의 부피를 감소시키기 위해서는 광 분할부(410)/광 반사부(420)와 간섭 무늬 획득부(430) 사이의 거리를 작게 하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 이 점을 참작하여 광 반사부(420)를 기울어진 각도 제어 가능하게 구성할 수 있다.
한편 출력광의 진행 방향에 대하여 기울어진 정도는 광 분할부(410)와 광 반사부(420)가 다를 수 있다.
간섭 무늬 획득부(430)는 반사광과 투과광의 결합에 의한 간섭 무늬를 획득하는 기능을 수행한다. 이러한 간섭 무늬 획득부(430)는 반사광과 투과광이 결합되는 제1 지점에 위치하거나, 광 분할부(410) 또는 광 반사부(420)로부터 제1 지점보다 거리가 먼 제2 지점에 위치할 수 있다. 간섭 무늬 획득부(430)는 도 1의 CCD와 동일한 개념이다.
상기에서 반사광은 대상 물체에 대한 정보를 포함하는 제1 영역(도 2의 O1)과 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 제2 영역(도 2의 R1)으로 구분된다. 이때 제1 영역과 제2 영역은 동일한 크기로 구분될 수 있다.
마찬가지로 투과광은 대상물체에 대한 정보를 포함하는 제3 영역(도 2의 O2)과 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 제4 영역(도 2의 R2)으로 구분된다. 제3 영역과 제4 영역도 동일한 크기로 구분될 수 있다.
간섭 무늬 획득부(430)에 의해 획득되는 간섭 무늬는 이러한 반사광과 투과광의 결합에 따라 제2 영역과 제3 영역이 중첩된 영역에서 나타나는 것이다.
물체 형상 복원부(440)는 간섭 무늬 획득부(430)에 의해 획득된 간섭 무늬를 이용하여 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하는 기능을 수행한다. 물체 형상 복원부(440)는 도 1의 컴퓨터와 동일한 개념이다.
물체 형상 복원부(440)는 도 5에 도시된 바와 같이 위상 정보 획득부(441), 위상차 산출부(442), 대상물체 입체 형상 산출부(443) 및 입체 형상 복원부(444)를 포함할 수 있다.
물체 형상 복원부(440)는 간섭 무늬를 기초로 대상물체에 대한 입체 형상 정보를 포함하는 물체 홀로그램 영상을 획득한다. 또한 물체 형상 복원부(440)는 간섭 무늬 획득부(430)를 기초로 대상물체에 대한 입체 형상 정보를 포함하지 않는 기준 홀로그램 영상도 획득한다. 본 실시예에서 물체 형상 복원부(440)는 물체 홀로그램 영상과 기준 홀로그램 영상을 각각 1개씩 획득하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편 물체 형상 복원부(440)는 물체 홀로그램 영상을 먼저 획득한 뒤 기준 홀로그램 영상을 나중 획득할 수 있다.
위상 정보 획득부(441)는 물체 홀로그램 영상에 대한 제1 위상 정보와 기준 홀로그램 영상에 대한 제2 위상 정보를 획득하는 기능을 수행한다. 위상 정보 획득부(441)는 먼저 푸리에 변환과 필터링 기법을 이용하여 물체 홀로그램 영상으로부터 대상물체에 대한 정보를 추출하며, 이후 역 푸리에 변환과 각 스펙트럼 기법(ASP 기법)을 이용하여 대상물체에 대한 정보로부터 제1 위상 정보를 획득한다. 상기에서 푸리에 변환은 물체 홀로그램 영상을 공간 주파수 도메인에서 표현하는 것이며, 필터링 기법은 공간 주파수 도메인에서 표현된 물체 홀로그램 영상 신호로부터 대상물체의 입체 형상 정보를 포함하는 최소한의 신호를 추출하기 위한 것이다.
위상차 산출부(442)는 제1 위상 정보와 제2 위상 정보 간 위상차를 산출하는 기능을 수행한다.
대상물체 입체 형상 산출부(443)는 제1 위상 정보와 제2 위상 정보 간 위상차를 기초로 대상물체의 입체 형상 정보를 산출하는 기능을 수행한다.
대상물체 입체 형상 산출부(443)는 위상차를 기초로 대상물체의 두께 정보를 포함하는 입체 형상 정보를 산출할 수 있다. 이때 대상물체 입체 형상 산출부(443)는 위상차와 더불어 출력광의 파장, 및 대상물체와 이 대상물체를 둘러싸고 있는 매질(ex. 공기) 사이의 굴절률 차이를 이용하여 대상물체의 두께 정보를 포함하는 입체 형상 정보를 산출할 수 있다.
입체 형상 복원부(444)는 대상물체의 입체 형상 정보를 기초로 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하는 기능을 수행한다.
물체 형상 복원 장치(400)는 도 6에 도시된 바와 같이 대상물체 위치 조절부(470)와 지점 위치 결정부(480)를 더 포함할 수 있다.
대상물체 위치 조절부(470)는 단일광이 대상물체에 대한 정보를 포함하는 영역과 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 영역으로 구분 가능하도록 대상물체의 위치를 조절하는 기능을 수행한다. 대상물체 위치 조절부(470)는 도 1의 대물렌즈(120)와 동일한 개념이다.
본 실시예에서 대상물체는 투과형 오브젝트로서, 광을 발생시키는 광 발생부와 대상물체 위치 조절부(470) 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 대상물체 위치 조절부(470)가 상기한 목적을 위해 대상물체의 위치를 수월하게 조절할 수 있도록, 대상물체는 광 발생부보다 대상물체 위치 조절부(470)에 더 가깝게 위치하는 것이 바람직하다.
지점 위치 결정부(480)는 광 반사부(420)로 입사된 투과광의 입사각, 및 광 분할부(410)와 광 반사부(420) 사이의 거리를 기초로 광 분할부(410)로부터 반사광과 투과광이 결합되는 지점까지의 거리를 산출하여 간섭 무늬 획득부(430)의 위치를 결정하는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 이러한 기능은 도 1의 컴퓨터에 의해 수행될 수 있다.
다음으로 물체 형상 복원 장치(400)의 작동 방법에 대하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대상물체의 홀로그램 영상 획득 및 3차원 형상 복원 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 이하 설명은 도 4 내지 도 7을 참조한다.
먼저 광 분할부(410)가 대상물체에 대한 정보를 포함하는 단일광을 반사광과 투과광으로 분할한다(S710).
이후 광 반사부(420)가 투과광을 반사시켜 반사광과 결합되도록 한다(S720).
이후 간섭 무늬 획득부(430)가 반사광과 투과광의 결합에 의한 간섭 무늬를 획득한다(S730).
이후 물체 형상 복원부(440)가 간섭 무늬 획득부(430)에 의해 획득된 간섭 무늬를 이용하여 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원한다(S740).
S740 단계는 다음과 같이 세분화될 수 있다.
먼저 위상 정보 획득부(441)가 대상물체에 대한 정보를 포함하는 물체 홀로그램 영상(간섭 무늬로부터 얻은 영상)에 대한 제1 위상 정보를 획득하며, 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 기준 홀로그램 영상에 대한 제2 위상 정보를 획득한다.
이후 위상차 산출부(442)가 제1 위상 정보와 제2 위상 정보 간 위상차를 산출한다.
이후 대상물체 입체 형상 산출부(443)가 위상차를 기초로 대상물체의 입체 형상 정보를 산출한다.
이후 입체 형상 복원부(444)가 대상물체의 입체 형상 정보를 기초로 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원한다.
한편 S710 단계 이전에, 대상물체 위치 조절부(470)가 단일광이 대상물체에 대한 정보를 포함하는 영역과 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 영역으로 구분 가능하도록 대상물체의 위치를 조절할 수 있다.
또한 S710 단계 이전에, 지점 위치 결정부(480)가 광 반사부(420)로 입사된 투과광의 입사각, 및 출력광을 분할하는 광 분할부(410)와 광 반사부(420) 사이의 거리를 기초로 광 분할부(410)로부터 반사광과 투과광이 결합되는 지점까지의 거리를 산출하여 간섭 무늬 획득부(430)의 위치를 결정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (22)

  1. 대상물체에 대한 정보를 포함하는 단일광을 반사광과 투과광으로 분할하는 광 분할부;
    상기 반사광과 결합하도록 상기 투과광을 반사시키는 광 반사부;
    상기 반사광과 상기 투과광의 결합에 의한 간섭 무늬를 획득하는 간섭 무늬 획득부;
    상기 간섭 무늬를 이용하여 상기 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하되, 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 영상의 제1 위상 정보와 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 영상의 제2 위상 정보 사이의 위상차를 출력광의 파장과 곱하여 제1 값을 구하고, 상기 대상물체와 매질 사이의 굴절률 차이를 2π와 곱하여 제2 값을 구하며, 상기 제1 값을 상기 제2 값을 나누어 얻은 값을 상기 대상물체의 두께 정보로 산출하고, 상기 대상물체의 두께 정보를 기초로 상기 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하는 물체 형상 복원부; 및
    상기 광 반사부로 입사된 상기 투과광의 입사각, 상기 광 분할부와 상기 광 반사부 사이의 거리, 및 상기 광 반사부에 의해 제어되는 상기 광 반사부의 기울어진 각도를 기초로 상기 광 분할부로부터 상기 반사광과 상기 투과광이 결합되는 지점까지의 거리를 산출하여 상기 간섭 무늬 획득부의 위치를 결정하되, 상기 입사각의 2배수의 사인값과 상기 거리를 곱하여 제3 값을 구하고, 상기 입사각의 코사인값과 상기 입사각의 2배수의 코사인값을 곱하여 제4 값을 구하며, 상기 제3 값을 상기 제4 값으로 나누어서 얻은 값을 기초로 상기 간섭 무늬 획득부의 위치를 결정하는 지점 위치 결정부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 분할부는 상기 단일광의 진행 방향에 대하여 미리 정해진 각도만큼 기울어진 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광 분할부는 상기 광 반사부와 기울기 값이 다른 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사광은 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 제1 영역과 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 제2 영역으로 구분되고,
    상기 투과광은 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 제3 영역과 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 제4 영역으로 구분되며,
    상기 간섭 무늬는 상기 제1 영역과 상기 제4 영역이 중첩된 간섭 무늬인 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 동일한 크기로 구분되며, 상기 제3 영역과 상기 제4 영역은 동일한 크기로 구분되는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체 형상 복원부는,
    물체 홀로그램 영상에 대한 상기 제1 위상 정보 및 기준 홀로그램 영상에 대한 상기 제2 위상 정보를 획득하는 위상 정보 획득부;
    상기 제1 위상 정보와 상기 제2 위상 정보 간 상기 위상차를 산출하는 위상차 산출부;
    상기 위상차와 더불어 상기 출력광의 파장, 및 상기 굴절률 차이를 이용하여 상기 대상물체의 두께 정보를 포함하는 상기 대상물체의 입체 형상 정보를 산출하는 대상물체 입체 형상 산출부; 및
    상기 대상물체의 입체 형상 정보를 기초로 상기 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하는 입체 형상 복원부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체 형상 복원부는 상기 간섭 무늬로부터 상기 대상물체에 대한 입체 형상 정보를 포함하는 물체 홀로그램 영상과 상기 대상물체에 대한 입체 형상 정보를 포함하지 않는 기준 홀로그램 영상을 각각 획득하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 위상 정보 획득부는 푸리에 변환과 필터링 기법을 이용하여 상기 물체 홀로그램 영상으로부터 상기 대상물체에 대한 정보를 추출하고, 역 푸리에 변환과 각 스펙트럼 기법을 이용하여 상기 대상물체에 대한 정보로부터 상기 제1 위상 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일광이 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 영역과 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 영역으로 구분 가능하도록 상기 대상물체의 위치를 조절하는 대상물체 위치 조절부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 대상물체는 광을 발생시키는 광 발생부와 상기 대상물체 위치 조절부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 대상물체는 상기 광 발생부보다 상기 대상물체 위치 조절부에 더 가깝게 위치하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체 형상 복원 장치는 디지털 홀로그래픽 현미경인 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 장치.
  17. 대상물체에 대한 정보를 포함하는 단일광을 반사광과 투과광으로 분할하는 단계;
    상기 투과광을 반사시켜 상기 반사광과 결합시키는 단계;
    상기 투과광을 반사시키는 광 반사부로 입사된 상기 투과광의 입사각, 상기 단일광을 분할하는 광 분할부와 상기 광 반사부 사이의 거리, 및 상기 광 반사부에 의해 제어되는 상기 광 반사부의 기울어진 각도를 기초로 상기 광 분할부로부터 상기 반사광과 상기 투과광이 결합되는 지점까지의 거리를 산출하여 간섭 무늬를 획득하는 간섭 무늬 획득부의 위치를 결정하되, 상기 입사각의 2배수의 사인값과 상기 거리를 곱하여 제3 값을 구하고, 상기 입사각의 코사인값과 상기 입사각의 2배수의 코사인값을 곱하여 제4 값을 구하며, 상기 제3 값을 상기 제4 값으로 나누어서 얻은 값을 기초로 상기 간섭 무늬 획득부의 위치를 결정하는 단계;
    상기 반사광과 상기 투과광의 결합에 의한 간섭 무늬를 획득하는 단계; 및
    상기 간섭 무늬를 이용하여 상기 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하되, 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 영상의 제1 위상 정보와 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 영상의 제2 위상 정보 사이의 위상차를 출력광의 파장과 곱하여 제1 값을 구하고, 상기 대상물체와 매질 사이의 굴절률 차이를 2π와 곱하여 제2 값을 구하며, 상기 제1 값을 상기 제2 값을 나누어 얻은 값을 상기 대상물체의 두께 정보로 산출하고, 상기 대상물체의 두께 정보를 기초로 상기 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 반사광은 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 제1 영역과 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 제2 영역으로 구분되고,
    상기 투과광은 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 제3 영역과 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 제4 영역으로 구분되며,
    상기 간섭 무늬는 상기 제1 영역과 상기 제4 영역이 중첩된 간섭 무늬인 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 복원하는 단계는,
    물체 홀로그램 영상에 대한 상기 제1 위상 정보 및 기준 홀로그램 영상에 대한 상기 제2 위상 정보를 획득하는 단계;
    상기 제1 위상 정보와 상기 제2 위상 정보 간 상기 위상차를 산출하는 단계;
    상기 위상차와 더불어 상기 출력광의 파장, 및 상기 굴절률 차이를 이용하여 상기 대상물체의 두께 정보를 포함하는 상기 대상물체의 입체 형상 정보를 산출하는 단계; 및
    상기 대상물체의 입체 형상 정보를 기초로 상기 대상물체에 대한 3차원 형상을 복원하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 단일광이 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하는 영역과 상기 대상물체에 대한 정보를 포함하지 않는 영역으로 구분 가능하도록 상기 대상물체의 위치를 조절하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 대상물체는 광을 발생시키는 광 발생부와 상기 대상물체의 위치를 조절하는 대상물체 위치 조절부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 물체 형상 복원 방법.
  22. 삭제
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