KR101899026B1 - 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치 및 방법 - Google Patents
단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법은 a) 측정 대상 물체의 물체 홀로그램을 획득하는 단계; b) 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 상기 측정 대상 물체의 위상 정보를 갖는 물체광 정보와 상기 측정 대상 물체의 위상 정보가 없는 기준광 정보를 분리하여 추출하여 제 1 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계; c) 상기 추출된 기준광 정보를 90만큼 위상을 천이시켜 제 2 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계; d) 상기 추출된 기준광 정보를 180만큼 위상을 천이시켜 제 3 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계; e) 상기 추출된 기준광 정보를 270만큼 위상을 천이시켜 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계; f) 상기 생성된 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램과 위상 천이 기법(phase shifting method)을 사용하여 직류(DC) 정보 및 직류 잡음, 허상 정보를 제거하여 상기 측정 대상 물체의 상기 위상 정보를 추출하는 단계; 및 g) 상기 추출된 상기 위상 정보에 왜곡된 위상 정보를 보상하고, 상기 보상된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보를 계산하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 및 정량적인 두께 정보를 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치 및 방법에 관한 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 한 장의 물체 홀로그램 영상만을 획득하고, 획득된 물체 홀로그램으로부터 파동 광학 기반의 간섭 방정식을 이용하여 4개의 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하며, 생성된 4개의 위상 천이된 홀로그램과 위상 천이 기법을 이용하여 직류 잡음 및 허상 정보를 제거한 복소 공액 홀로그램을 생성하고, 생성된 복소 공액 홀로그램을 이용하여 물체의 위상 정보를 추출한 후, 물체의 3차원 형상 정보 및 정량적인 두께 정보를 복원함으로써, 종래 기술의 복원에 필요한 2개의 홀로그램(물체 홀로그램 및 기준 홀로그램)의 획득 시에 발생하거나 또는 위상 천이 정도가 상이한 4개의 물리적인 홀로그램의 획득 시에 발생하는 시간 지연 오차 발생이 제거되고, 소프트웨어로 구현되는 위상 천이 기법을 이용하여 직류 잡음(배경 잡음 포함)의 완벽한 제거가 가능하며, 종래 기술의 필터링 기법의 미사용에 따른 정보 손실이 최소화되고, 종래 기술에서 필수적으로 요구되는 광학 소자(1/4 파장판 및/또는 1/2 파장판)의 사용이 불필요하며, 그에 따라 장치 전체의 구조가 간단하고 저비용으로 구현이 가능하고, 특히 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치에 모두 적용될 수 있는 범용성을 가지며, TFT 및 반도체와 같은 초미세 구조의 결함 검출용 장치, 정밀한 3차원 영상의 표시가 요구되는 의료 기기, 및 기타 렌즈와 같은 투명한 물체의 굴절률 에러 검출 등을 포함한 다양한 분야의 검출, 확인 또는 표시용 장치에 적용이 가능한 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 현미경이 통상 일반 광원을 물체에 비추어 물체로부터 반사 또는 투과되는 빛의 세기를 측정함으로 물체의 형상을 측정하는 장치라면, 디지털 홀로그래피 현미경은 빛이 물체에 비추어졌을 경우 일어나는 빛의 간섭과 회절현상을 측정하고 이를 디지털 방식으로 기록하여, 이들 정보로부터 물체의 형상정보를 복원하는 장치이다.
즉, 디지털 홀로그래피 기술은 레이저와 같은 단일 파장의 빛을 생성하고, 이를 광분할기를 이용하여 2개의 빛으로 분할하여, 하나의 빛은 이미지 센서에 직접 비추고(기준광이라 한다), 다른 빛은 측정 대상 물체에 비추어 상기 측정 대상 물체로부터 반사되는 빛을 이미지 센서에 비추면(물체광이라 한다), 이미지 센서에서 상기 기준광과 물체광이 간섭현상을 일으키게 되는데, 이러한 빛의 간섭무늬 정보를 디지털 이미지 센서로 기록하고, 상기 기록된 간섭무늬 정보를 가지고 컴퓨터를 활용하여 측정 대상 물체의 형상을 복원하는 기술이다. 그리고 이때 상기 기록되는 간섭무늬 정보를 통상 홀로그램이라고 지칭한다.
상술한 디지털 홀로그래피 현미경은 기존의 광학적 홀로그래피 방식과 비교하였을 때, 빛의 간섭무늬 정보를 디지털 이미지 센서로 측정하고 디지털 방식으로 저장하고, 상기 저장된 간섭무늬 정보를 광학적 방식이 아닌 컴퓨터 장치 등을 이용한 수치연산 방식을 통하여 가공해서 측정 대상 물체의 형상을 복원한다는 점에서 차이가 있다.
상술한 종래 디지털 홀로그래피 기술들로는 예를 들어, 2008년 6월 10일자로 등록된 대한민국 특허 제10-0838586호(발명의 명칭: 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치 및 3D 측정 방법) (이하 "종래 기술 1"이라 함), 2008년 10월 31일자로 등록된 대한민국 특허 제10-0867302호(발명의 명칭: 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치)(이하 "종래 기술 2"라 함), 2009년 6월 30일자로 등록된 대한민국 특허 제10-0906508호(발명의 명칭: 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치)(이하 "종래 기술 3"이라 함), 2010년 12월 15일자로 등록된 대한민국 특허 제10-1003241호(발명의 명칭: On-Axis 방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 3 측정 장치)(이하 "종래 기술 4"라 함), 및 2008년 11월 21일자로 등록된 대한민국 특허 제10-0870967호(발명의 명칭: 허상이 제거되는 디지털 홀로그램 기록 재생 장치 및 기록 재생 방법)(이하 "종래 기술 5"라 함) 등이 공개되어 있다.
예를 들어, 도 1은 종래 기술 1에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술 1의 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치는 광원(10), 제1 촬상부(23), 제2 촬상부(24), 광 분할부(13), 제1 파장판(18) 및 제2 파장판(20)을 포함한다.
광원(10)으로부터 방출된 광은 고정부재(11)의 핀홀(미도시) 및 고정부재(11)와 광 분할부(13) 사이에 배치된 볼록렌즈(12)를 통과하여 평행광이 되고, 이러한 평행광은 광 분할부(13)로 입사된다. 광 분할부(13)(예를 들어, 편광 빔 스플리터(Polarizer Beam Splitter : PBS))는 광원(10)으로부터 방출된 광을 상호편광 방향이 수직인 기준광(Reference beam)과 측정광(Object beam)으로 분할하여, 각각 기준면(3)과 측정 대상물(1)로 향하게 한다.
광 분할부(13)와 기준면(3) 사이에는 제3 파장판(15)이 배치되고, 광 분할부(13)와 측정 대상물(1) 사이에는 제4 파장판(14)이 배치되며, 이러한 제3 파장판(15) 및 제4 파장판(14)은 1/4 파장판으로 구현될 수 있다. 제3 파장판(15)으로는 광 분할부(13)로부터 기준면(3)으로 향하는 기준광이 통과하고, 제3 파장판(15)을 통과한 기준광은 기준면(3)으로 향한다. 기준면(3)으로부터 반사된 기준광은 다시 제3 파장판(15)을 통과하는데, 이 경우 광 분할부(13)로부터 제3 파장판(15)으로 입사되는 기준광과 기준면(3)으로부터 반사되어 제3 파장판(15)을 통과한 기준광 간의 편광 방향은 90° 차이를 갖게 된다.
또한, 제4 파장판(14)으로는 광 분할부(13)로부터 측정 대상물(1)로 향하는 측정광이 통과하고, 제4 파장판(14)을 통과한 측정광은 측정 대상물(1)을 향한다. 측정 대상물(1)로부터 반사된 측정광은 다시 제4 파장판(14)을 통과하는데, 이 경우 기준광에서와 동일하게, 광 분할부(13)로부터 제4 파장판(14)으로 입사되는 측정광과 측정 대상물(1)로부터 반사되어 제4 파장판(14)을 통과한 측정광 간의 편광 방향은 90° 차이를 갖게 된다.
상술한 바와 같이, 광 분할부(13)와 기준면(3) 및 측정 대상물(1) 사이에 각각 제3 파장판(15) 및 제4 파장판(14)을 위치시킴으로써, 편광 빔 스플리터 형태의 광 분할부(13)을 통과하는 광의 에너지 손실을 최소화하게 된다.
한편, 기준면(3) 및 측정 대상물(1)로부터 각각 반사되어 제3 파장판(15) 및 제4 파장판(14)을 통과한 기준광 및 측정광은 다시 광 분할부(13)를 통과하며 제1 파장판(18)을 향하게 된다. 제1 파장판(18)은 광 분할부(13)로부터의 기준광 및 측정광은 제1 파장판(18)을 통과하면서 상호 간섭이 발생하게 된다.
또한, 프리즘부(19)로는 간섭광이 통과하는데, 간섭광은 프리즘부(19)를 통과하면서, 제1 촬상부(23)로 향하는 제1 간섭광과 제2 촬상부(24)로 향하는 제2 간섭광으로 분할되고, 제1 간섭광과 제2 간섭광은 180°의 위상차를 갖는다. 제1 촬상부(23)로 향하는 제1 간섭광은 제1 촬상부(23)에 의해 촬상되어 하나의 위상, 예를 들어 0°의 위상을 갖는 이미지 정보로 취득된다. 반면에, 제2 촬상부(24)로 향하는 제2 간섭광은 제2 파장판(20)을 통과하면서 90°의 위상 지연이 발생하여 제2 촬상부(24)로 입사된다. 그 결과, 제2 촬상부(24)에 의해 촬상되는 제2 간섭광과, 제1 촬상부(23)에 의해 촬상되는 제1 간섭광 간의 위상차는 제2 파장판(20)에 의해 90°가 됨으로서, 3D 이미지의 획득을 위한 2개의 이미지 정보가 동시에 제1 촬상부(23) 및 제2 촬상부(24)에 의해 취득 가능하게 된다. 여기서, 제1 파장판(18) 및 제2 파장판(20)은 각각 1/4 파장판으로 구현될 수 있다.
제1 촬상부(23) 및 제2 촬상부(24)는 CCD 카메라로 구현될 수 있고, 제1 촬상부(23) 및 제2 촬상부(24)에 의해 취득된 제1 간섭광 및 제2 간섭광은 도시되지 않은 컴퓨터와 같은 제어부에 의해 측정 대상물(1)에 대한 3D 이미지를 획득하는데 사용되며, 기존의 디지털 홀로그래피 방식에서 사용되는 프레넬 변환(Fresnel transform)이 적용되어 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 이미지가 획득될 수 있다.
상술한 종래 기술 1에서는, 한 번의 촬영으로 90°의 위상차를 갖는 이미지 정보가 제1 촬상부(23) 및 제2 촬상부(24)에 동시에 촬상됨으로써, 복수 개의 홀로그램이 필요한 기존의 정축 방식에 의한 측정 속도 문제가 해결되고, 탈축 방식이 갖는 고속측정 능력을 가질 수 있으며, 또한 기존의 탈축 방식이 기준광과 측정광을 일정한 각을 갖도록 함으로써 발생하는 CCD 카메라의 전 영역을 사용하지 못하는 단점, 즉 횡분해능의 저하를 방지할 수 있게 된다.
종래 기술의 홀로그래피 방식(광학적 홀로그래피 방식 및 디지털 홀로그래피 방식 포함)의 홀로그램 생성 및 복원에서는 다음과 같은 문제가 발생한다.
먼저, 종래 광학적 홀로그래피 방식에서는 홀로그램 복원에 요구되는 2장의 홀로그램(물체 홀로그램 및 기준 홀로그램)의 획득 시에 시간 지연 오차가 발생한다.
또한, 종래 홀로그래피 방식 중 탈축 홀로그래피 방식에서는 홀로그램 복원 시 제거되지 않은 직류 잡음(배경 잡음 포함)으로 인하여 물체의 정량적인 3차원 정보 획득이 어렵거나 오차가 발생한다.
또한, 종래 홀로그래피 방식 중 정축 홀로그래피 방식에서는 획득된 홀로그램에서 직류 정보 및 허상 정보가 분리되지 않아 이들 직류 정보 및 허상 정보의 완벽한 제거가 불가능하고, 2) 2개의 이미지 센서(종래 기술 1 내지 3의 경우) 또는 3개의 이미지 센서(종래 기술 4의 경우)의 사용이 요구되고, 위상 천이 기법을 사용하기 위해 1개, 2개 또는 4개의 물리적인 광학 장치의 사용이 요구된다(구체적으로, 종래 기술 1의 경우 4개의 1/4 파장판의 사용이 요구되고, 종래 기술 2의 경우 1개의 1/4 파장판의 사용이 요구되며, 종래 기술 3은 2개의 1/4 파장판의 사용이 요구되고, 종래 기술 4는 1개의 1/4 파장판 및 1개의 1/2 파장판(즉, 2개의 파장판)의 사용이 요구됨). 따라서, 종래 기술에서는 홀로그램 생성 및 복원 장치의 전체 구조가 복잡해지고, 전체 제조 비용이 고가라는 문제점이 여전히 존재한다.
또한, 종래 기술 5의 경우, 4분할법을 이용하여 허상 정보가 제거되는 3차원 홀로그램 영상의 복원이 가능하지만, 직류 정보를 제거하는 과정에서 직류 정보에 포함되어 있는 물체 정보가 손실이 되고, 기술적인 한계로 인하여 직류 정보를 완벽하게 제거하지 못하기 때문에 측정 물체의 정확한 3차원 정보 획득이 불가능하다는 문제점을 갖는다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 새로운 방안이 요구된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 한 장의 물체 홀로그램 영상만을 획득하고, 획득된 물체 홀로그램으로부터 파동 광학 기반의 간섭 방정식을 이용하여 4개의 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하며, 생성된 4개의 위상 천이된 홀로그램과 위상 천이 기법을 이용하여 직류 잡음 및 허상 정보를 제거한 복소 공액 홀로그램을 생성하고, 생성된 복소 공액 홀로그램을 이용하여 물체의 위상 정보를 추출한 후, 물체의 3차원 형상 정보 및 정량적인 두께 정보를 복원함으로써, 종래 기술의 복원에 필요한 2개의 홀로그램(물체 홀로그램 및 기준 홀로그램)의 획득 시에 발생하거나 또는 위상 천이 정도가 상이한 4개의 물리적인 홀로그램의 획득 시에 발생하는 시간 지연 오차 발생이 제거되고, 소프트웨어로 구현되는 위상 천이 기법을 이용하여 직류 잡음(배경 잡음 포함)의 완벽한 제거가 가능하며, 종래 기술의 필터링 기법의 미사용에 따른 정보 손실이 최소화되고, 종래 기술에서 필수적으로 요구되는 광학 소자(1/4 파장판 및/또는 1/2 파장판)의 사용이 불필요하며, 그에 따라 장치 전체의 구조가 간단하고 저비용으로 구현이 가능하고, 특히 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치에 모두 적용될 수 있는 범용성을 가지며, TFT 및 반도체와 같은 초미세 구조의 결함 검출용 장치, 정밀한 3차원 영상의 표시가 요구되는 의료 기기, 및 기타 렌즈와 같은 투명한 물체의 굴절률 에러 검출 등을 포함한 다양한 분야의 검출, 확인 또는 표시용 장치에 적용이 가능한 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치는 단일 파장 광을 방출하는 광원부; 상기 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기; 상기 시준기를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광 및 기준광으로 분할하는 광 분할기; 상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 물체광을 통과시키는 물체광 대물 렌즈; 상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 기준광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈; 상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 기준광을 반사시키는 광학 거울; 상기 물체광 대물 렌즈를 통과하여 측정 대상 물체의 표면에서 반사된 물체광 및 상기 광학 거울에 의해 반사된 기준광이 각각 상기 물체광 대물 렌즈 및 기준광 대물 렌즈를 통과하여 상기 광 분할기로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및 상기 기록 매체에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 파동 광학 기반의 간섭 방정식을 이용하여 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하며, 생성된 제 1 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램과 소프트웨어로 구현되는 위상 천이 기법을 이용하여 직류 잡음 및 허상 정보를 제거한 복소 공액 홀로그램을 생성하고, 생성된 복소 공액 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상 물체의 위상 정보를 추출한 후, 상기 측정 대상 물체의 3차원 정보를 복원하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 특징에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치는 단일 파장 광을 방출하는 광원부; 상기 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기; 상기 시준기를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광 및 기준광으로 분할하는 광 분할기; 상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 물체광이 측정 대상 물체를 투과한 후 상기 측정 대상 물체의 정보를 포함한 물체 투과광을 통과시키는 물체광 대물 렌즈; 상기 물체광 대물 렌즈를 통과한 상기 물체 투과광을 반사시키는 제 2 광학 거울; 상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 기준광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈; 상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 기준광을 반사시키는 제 1 광학 거울; 상기 제 1 광학 거울에 의해 반사된 상기 기준광 및 상기 제 2 광학 거울에 의해 반사된 상기 물체 투과광이 각각 전달되는 제 2 광 분할기; 상기 제 2 광 분할기로 전달된 상기 기준광 및 상기 물체 반사광에 의해 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및 상기 기록 매체에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 파동 광학 기반의 간섭 방정식을 이용하여 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하며, 생성된 제 1 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램과 소프트웨어로 구현되는 위상 천이 기법을 이용하여 직류 잡음 및 허상 정보를 제거한 복소 공액 홀로그램을 생성하고, 생성된 복소 공액 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상 물체의 위상 정보를 추출한 후, 상기 측정 대상 물체의 3차원 정보를 복원하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3 특징에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법은 a) 측정 대상 물체의 물체 홀로그램을 획득하는 단계; b) 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 상기 측정 대상 물체의 위상 정보를 갖는 물체광 정보와 상기 측정 대상 물체의 위상 정보가 없는 기준광 정보를 분리하여 추출하고, 상기 추출된 기준광 정보를 0°만큼 위상을 천이시켜 제 1 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계; c) 상기 추출된 기준광 정보를 90°만큼 위상을 천이시켜 제 2 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계; d) 상기 추출된 기준광 정보를 180°만큼 위상을 천이시켜 제 3 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계; e) 상기 추출된 기준광 정보를 270°만큼 위상을 천이시켜 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계; f) 상기 생성된 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램과 위상 천이 기법(phase shifting method)을 사용하여 직류(DC) 정보 및 직류 잡음, 허상 정보를 제거하여 상기 측정 대상 물체의 상기 위상 정보를 추출하는 단계; 및 g) 상기 추출된 상기 위상 정보에 왜곡된 위상 정보를 보상하고, 상기 보상된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보를 계산하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 및 정량적인 두께 정보를 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치 및 방법을 사용하면 다음과 같은 장점이 달성된다.
1. 종래 기술의 복원에 필요한 2개의 홀로그램(물체 홀로그램 및 기준 홀로그램)의 획득 시에 발생하거나 또는 위상 천이 정도가 상이한 4개의 물리적인 홀로그램의 획득 시에 발생하는 시간 지연 오차 발생이 제거된다.
2. 소프트웨어로 구현되는 위상 천이 기법을 이용하여 직류 잡음(배경 잡음 포함)의 완벽한 제거가 가능하다.
3. 종래 기술의 필터링 기법의 미사용에 따른 정보 손실이 최소화된다.
4. 종래 기술에서 필수적으로 요구되는 광학 소자(1/4 파장판 및/또는 1/2 파장판)의 사용이 불필요하며, 그에 따라 장치 전체의 구조가 간단하고 저비용으로 구현이 가능하다.
5. 특히, 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치에 모두 적용될 수 있는 범용성을 갖는다.
6. TFT 및 반도체와 같은 초미세 구조의 결함 검출용 장치, 정밀한 3차원 영상의 표시가 요구되는 의료 기기, 및 기타 렌즈와 같은 투명한 물체의 굴절률 에러 검출 등을 포함한 다양한 분야의 검출, 확인 또는 표시용 장치에 적용이 가능하다.
본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다.
도 1은 종래 기술 1에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법을 설명하기 위한 개략적인 플로우차트이다.
도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 탈축 홀로그래픽 방식에서 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 물체 홀로그램, 및 물체 홀로그램에서 생성된 제 1 위상 천이된 홀로그램 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 정축 홀로그래픽 방식에서 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 물체 홀로그램, 및 물체 홀로그램에서 생성된 제 1 위상 천이된 홀로그램 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 탈축 홀로그래픽 방식에서 도 2d에 도시된 4개의 위상 천이된 홀로그램을 소프트웨어 방식의 위상 천이 기법을 사용하여 복원한 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 3차원 물체 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 정축 홀로그래픽 방식에서 도 2e에 도시된 4개의 위상 천이된 홀로그램을 소프트웨어 방식의 위상 천이 기법을 사용하여 복원한 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 3차원 물체 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 2h는 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단에 대해 종래 기술의 탈축 광학적 홀로그래픽 방식을 사용하여 복원한 3차원 물체 홀로그램 및 본 발명의 실시예에 따른 탈축 홀로그래픽 방식을 사용하여 복원한 3차원 물체 홀로그램(도 2f 참조)을 비교하기 위해 도시한 도면이다.
도 2i는 종래 기술과 본 발명에 따른 홀로그램의 탈축 복원 및 정축 복원에 따른 특성을 비교표로 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법을 설명하기 위한 개략적인 플로우차트이다.
도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 탈축 홀로그래픽 방식에서 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 물체 홀로그램, 및 물체 홀로그램에서 생성된 제 1 위상 천이된 홀로그램 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 정축 홀로그래픽 방식에서 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 물체 홀로그램, 및 물체 홀로그램에서 생성된 제 1 위상 천이된 홀로그램 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 탈축 홀로그래픽 방식에서 도 2d에 도시된 4개의 위상 천이된 홀로그램을 소프트웨어 방식의 위상 천이 기법을 사용하여 복원한 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 3차원 물체 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 정축 홀로그래픽 방식에서 도 2e에 도시된 4개의 위상 천이된 홀로그램을 소프트웨어 방식의 위상 천이 기법을 사용하여 복원한 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 3차원 물체 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 2h는 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단에 대해 종래 기술의 탈축 광학적 홀로그래픽 방식을 사용하여 복원한 3차원 물체 홀로그램 및 본 발명의 실시예에 따른 탈축 홀로그래픽 방식을 사용하여 복원한 3차원 물체 홀로그램(도 2f 참조)을 비교하기 위해 도시한 도면이다.
도 2i는 종래 기술과 본 발명에 따른 홀로그램의 탈축 복원 및 정축 복원에 따른 특성을 비교표로 도시한 도면이다.
이하에서 본 발명의 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 기술한다.
도 2a는 발명의 제 1 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치(200a)는 단일 파장 광을 방출하는 광원부(210); 상기 광원부(210)에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기(220); 상기 시준기(220)을 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광(O) 및 기준광(R)으로 분할하는 광 분할기(230); 상기 광 분할기(230)에 의해 분할된 상기 물체광(O)을 통과시키는 물체광 대물 렌즈(240); 상기 광 분할기(230)에 의해 분할된 상기 기준광(R)을 통과시키는 기준광 대물 렌즈(260); 상기 기준광 대물 렌즈(260)을 통과한 상기 기준광(R)을 반사시키는 광학 거울(270); 상기 물체광 대물 렌즈(240)을 통과하여 측정 대상 물체(250)의 표면에서 반사된 물체광(O) 및 상기 광학 거울(270)에 의해 반사된 기준광(R)이 각각 상기 물체광 대물 렌즈(240) 및 기준광 대물 렌즈(260)를 통과하여 상기 광 분할기(230)로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체(280); 및 상기 기록 매체(280)에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서(290)를 포함하되, 상기 프로세서(290)는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 파동 광학 기반의 간섭 방정식을 이용하여 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하며, 생성된 제 1 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램과 소프트웨어로 구현되는 위상 천이 기법을 이용하여 직류 정보 및 직류 잡음, 허상 정보를 제거한 복소 공액 홀로그램을 생성하고, 생성된 복소 공액 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상 물체(250)의 위상 정보를 추출한 후, 상기 측정 대상 물체(250)의 3차원 정보를 복원하는 것을 특징으로 한다.
도 2b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치(200b)는 단일 파장 광을 방출하는 광원부(210); 상기 광원부(210)에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기(220); 상기 시준기(220)를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광(O) 및 기준광(R)으로 분할하는 광 분할기(230); 상기 광 분할기(230)에 의해 분할된 상기 물체광(O)이 측정 대상 물체(250)를 투과한 후 상기 측정 대상 물체(250)의 정보를 포함한 물체 투과광(T)을 통과시키는 물체광 대물 렌즈(240); 상기 물체광 대물 렌즈(240)를 통과한 상기 물체 투과광(T)을 반사시키는 제 2 광학 거울(272); 상기 광 분할기(230)에 의해 분할된 상기 기준광(R)을 통과시키는 기준광 대물 렌즈(260); 상기 기준광 대물 렌즈(260)를 통과한 상기 기준광(R)을 반사시키는 제 1 광학 거울(270); 상기 제 1 광학 거울(270)에 의해 반사된 상기 기준광(R) 및 상기 제 2 광학 거울(272)에 의해 반사된 상기 물체 투과광(T)이 각각 전달되는 제 2 광 분할기(232); 상기 제 2 광 분할기(232)로 전달된 상기 기준광(R) 및 상기 물체 투과광(T)에 의해 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체(280); 및 상기 기록 매체(280)에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서(290)를 포함하되, 상기 프로세서(290)는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 파동 광학 기반의 간섭 방정식을 이용하여 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하며, 생성된 제 1 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램과 소프트웨어로 구현되는 위상 천이 기법을 이용하여 직류 정보 및 직류 잡음, 허상 정보를 제거한 복소 공액 홀로그램을 생성하고, 생성된 복소 공액 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상 물체(250)의 위상 정보를 추출한 후, 상기 측정 대상 물체(250)의 3차원 정보를 복원하는 것을 특징으로 한다.
상술한 도 2a 및 도 2b에 각각 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치(200a) 및 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치(200b)는 물체광(O)이 측정 대상 물체(250)에서 반사(도 2a의 실시예)되거나 또는 물체광(O)이 측정 대상 물체(250)를 투과(도 2b의 실시예)한다는 점, 및 그에 따른 일부 구성요소(예를 들어, 도 2b의 실시예의 제 2 광학 거울(272) 및 제 2 광 분할기(232))의 추가 사용 및 그에 따른 일부 구성요소의 배치를 제외하고는 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 특히 간섭 무늬가 기록 매체(280) 상에 기록되고, 기록된 상기 간섭 무늬가 프로세서(290)에 의해 이미지 파일 형태로 획득된 물체 홀로그램으로부터 디지털 기준 홀로그램을 계산한다는 점에서 동일한 특징을 갖는다는 점에 유의하여야 한다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치(200a,200b)를 통칭하여 본 발명의 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치(200)로 지칭하기로 한다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치(200)의 프로세서(290)는 예를 들어, 마이크로프로세서, PC(Personal Computer) 등의 산술 연산이 가능한 장치로 구현되고, 또한 기록 매체(280)는 예를 들어 CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) 등의 이미지 센서로 구현될 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치(200)의 프로세서(290)에 의해 획득되는 물체 홀로그램의 정보는 파장, 간섭각, 위상, 및 물체광 대물 렌즈(240)의 수차를 포함하고, 노이즈를 추가적으로 포함할 수 있다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법을 설명하기 위한 개략적인 플로우차트이고, 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 탈축 홀로그래픽 방식에서 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 물체 홀로그램, 및 물체 홀로그램에서 생성된 제 1 위상 천이된 홀로그램 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램을 도시한 도면이며, 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 정축 홀로그래픽 방식에서 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 물체 홀로그램, 및 물체 홀로그램에서 생성된 제 1 위상 천이된 홀로그램 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램을 도시한 도면이고, 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 탈축 홀로그래픽 방식에서 도 2d에 도시된 4개의 위상 천이된 홀로그램을 소프트웨어 방식의 위상 천이 기법을 사용하여 복원한 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 3차원 물체 홀로그램을 도시한 도면이며, 도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 정축 홀로그래픽 방식에서 도 2e에 도시된 4개의 위상 천이된 홀로그램을 소프트웨어 방식의 위상 천이 기법을 사용하여 복원한 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단의 3차원 물체 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 2c 내지 도 2g를 도 2a 및 도 2b와 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치(200)의 프로세서(290)는 프로세서(290)에 의해 생성 및 저장된 이미지 파일로부터 물체 홀로그램(310a,310b)을 획득한다(S1 단계). 이하의 기술(description)에서, a는 탈축 홀로그램과 관련된 참조부호이고, b는 정축 홀로그램과 관련된 참조부호를 나타내기 위해 사용된다는 점에 유의하여야 한다.
좀 더 구체적으로, 획득된 물체 홀로그램(310a,310b)은 2개의 광(즉, 물체광(O) 및 기준광(R))이 만나 이루는 각도가 0°인 경우(즉, 동일축 상에 있는 경우) 정축(On-Axis) 홀로그램(310b)이고, 2개의 광이 만나 이루는 각도가 0가 아닌 경우(즉, 동일축 상에 있지 않는 경우) 탈축(Off-Axis) 홀로그램(310a)이다. 상기 획득된 물체 홀로그램(310a,310b)은 복소 공액 홀로그램으로서, 하기 식1과 같이 표시될 수 있다.
식 1: |U o (x,y,0)|2= |O(x,y)|2+|R(x,y)|2+ O *(x,y)R(x,y)+O(x,y)R * (x,y)
상기 식1에서, x와 y는 공간 좌표를 나타내고, U o (x,y,0)는 획득된 물체 홀로그램을 나타내며, O(x,y) 및 R(x,y)는 각각 물체광(O)과 기준광(R)을 나타내고, O *(x,y)및 R * (x,y)는 각각 물체광(O)과 기준광(R)의 복소 공액을 나타낸다.
그 후, 프로세서(290)는 상기 획득된 물체 홀로그램(310a,310b)으로부터 제 1 위상 천이된 물체 홀로그램(312a,312b)을 생성한다(S2 단계).
좀 더 구체적으로, 획득된 물체 홀로그램(310a,310b)은 측정 대상 물체(250)의 위상 정보를 갖는 물체광(O)과 측정 대상 물체(50)의 위상 정보가 없는 기준광(R)의 간섭무늬로 이루어져 있으며, 프로세서(290)는 상기 획득된 물체 홀로그램(310a,310b)의 주파수 영역에서 위상 지연 방법(phase delay method)을 사용하여 측정 대상 물체(250)의 위상 정보를 갖는 물체광 정보와 측정 대상 물체(250)의 위상 정보가 없는 기준광 정보를 분리하여 추출한다. 그 후, 추출된 기준광 정보를 0°만큼 위상을 천이(phase shifting)시킨 후, 파동 광학(Wave Optics) 기반의 공지의 간섭 방정식(
)을 이용하여 0°만큼 위상 천이된 기준광 정보와 상기 추출된 물체광 정보를 결합시킴으로써 제 1 위상 천이된 물체 홀로그램(312a,312b)을 생성한다. 생성된 제 1 위상 천이된 물체 홀로그램(312a,312b)은 하기 식 2와 같이 표시될 수 있다.
식 2: U 1ps (r)=|O(r)+R(r+0)|
상기 식 2에서, r은 공간 좌표 벡터이고, U 1ps (r)는 제 1 위상 천이된 물체 홀로그램, O(r)은 물체광 정보, R(r+0)는 0°만큼 위상이 천이된 기준광 정보를 나타낸다.
그 후, 프로세서(290)는 상기 S2 단계에서 추출된 기준광 정보를 90°만큼 위상을 천이(phase shifting)시킨 후, 상술한 파동 광학(Wave Optics) 기반의 공지의 간섭 방정식을 이용하여 90°만큼 위상 천이된 기준광 정보와 상기 추출된 물체광 정보를 결합시킴으로써 제 2 위상 천이된 물체 홀로그램(314a,314b)을 생성한다(S3 단계). 생성된 제 2 위상 천이된 물체 홀로그램(314a,314b)은 하기 식 3과 같이 표시될 수 있다.
식 3: U 2ps (r)=|O(r)+R(r+π/2)|
상기 식 3에서, r은 공간 좌표 벡터이고, U 2ps (r)는 제 2 위상 천이된 물체 홀로그램, O(r)은 물체광 정보, R(r+π/2)는 90°만큼 위상이 천이된 기준광 정보를 나타낸다.
그 후, 프로세서(290)는 상기 S2 단계에서 추출된 기준광 정보를 180°만큼 위상을 천이(phase shifting)시킨 후, 상술한 파동 광학(Wave Optics) 기반의 공지의 간섭 방정식을 이용하여 180°만큼 위상 천이된 기준광 정보와 상기 추출된 물체광 정보를 결합시킴으로써 제 3 위상 천이된 물체 홀로그램(316a,316b)을 생성한다(S4 단계). 생성된 제 3 위상 천이된 물체 홀로그램(316a,316b)은 하기 식 4와 같이 표시될 수 있다.
식 4: U 3ps (r)=|O(r)+R(r+π)|
상기 식 4에서, r은 공간 좌표 벡터이고, U 3ps (r)는 제 3 위상 천이된 물체 홀로그램, O(r)은 물체광 정보, R(r+π)는 180°만큼 위상이 천이된 기준광 정보를 나타낸다.
그 후, 프로세서(290)는 상기 S2 단계에서 추출된 기준광 정보를 270°만큼 위상을 천이(phase shifting)시킨 후, 상술한 파동 광학(Wave Optics) 기반의 공지의 간섭 방정식을 이용하여 270°만큼 위상 천이된 기준광 정보와 상기 추출된 물체광 정보를 결합시킴으로써 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램(318a,318b)을 생성한다(S5 단계). 생성된 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램(318a,318b)은 하기 식 5와 같이 표시될 수 있다.
식 5: U 4ps (r)=|O(r)+R(r+3π/2)|
상기 식 5에서, r은 공간 좌표 벡터이고,U 4ps (r)는 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램, O(r)은 물체광 정보, R(r+3π/2)는 270°만큼 위상이 천이된 기준광 정보를 나타낸다.
상술한 본 발명의 실시예에서는, 프로세서(290)이 상기 S3, S4, 및 S5 단계를 순차적으로 수행되는 것으로 기술하고 있지만, 이들 S3, S4, 및 S5 단계는 각각 상기 S2 단계에서 추출된 기준광 정보를 90°, 180°, 및 270°만큼 위상을 천이(phase shifting)시켜 제 2 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램(314a,314b;316a,316b;318a,318b)을 생성하는 것으로, 병렬 처리 방식에 의해 동시에 수행될 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
그 후, 프로세서(290)는 상기 S2 내지 S5 단계에서 각각 생성된 4개의 위상 천이된 물체 홀로그램(즉, 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램(312a,312b;314a,314b;316a,316b;318a,318b))과 프로세서(290) 내에 내장된 소프트웨어로 구현되는 공지의 위상 천이 기법(phase shifting method)을 사용하여 배경 잡음을 포함한 직류(DC) 정보 및 직류 잡음, 허상 정보를 제거한다(S6 단계). 이 과정을 식으로 나타내면 식 6과 같이 표시될 수 있다.
식 6: 
상기 식 6에서, x와 y는 공간 좌표를 나타내고, I DC (x,y)는 직류 정보 및 직류 잡음, Φ(x,y)는 측정 대상 물체(250)의 위상 정보,I 1 (x,y)은 제 1 위상 천이된 홀로그램(312a,312b)의 세기(Intensity) 정보, I 2 (x,y)는 제 2 위상 천이된 홀로그램(314a,314b)의 세기 정보, I 3 (x,y)는 제 3 위상 천이된 홀로그램(316a,316b)의 세기 정보, 및 I 4 (x,y)는 제 4 위상 천이된 홀로그램(318a,318b)의 세기 정보를 나타낸다.
그 후, 직류(DC) 정보 및 직류 잡음, 허상 정보가 제거된 복소 공액 홀로그램을 이용하여 측정 대상 물체(250)의 위상 정보를 추출한다. 추출된 측정 대상 물체(250)의 위상 정보는 하기 식 7과 같이 표시될 수 있다.
식 7: Φ(x,y) = tan-1[I 4 (x,y)-I 2 (x,y)]/[I 1 (x,y)-I 3 (x,y)]
상기 식 7에서, x와 y는 공간 좌표를 나타내고, Φ(x,y)는 측정 대상 물체(250)의 위상 정보, I 1 (x,y)은 제 1 위상 천이된 홀로그램(312a,312b)의 세기(Intensity) 정보, I 2 (x,y)는 제 2 위상 천이된 홀로그램(314a,314b)의 세기 정보, I 3 (x,y)는 제 3 위상 천이된 홀로그램(316a,316b)의 세기 정보, 및 I 4 (x,y)는 제 4 위상 천이된 홀로그램(318a,318b)의 세기 정보를 나타낸다.
그 후, 프로세서(290)는 상기 추출된 측정 대상 물체(250)의 위상 정보에 2차원 위상 펼침 알고리즘(2D phase unwrapping algorithm)을 이용하여 왜곡된 위상 정보를 보상하고, 또한 보상된 위상 정보를 이용하여 측정 대상 물체(250)의 정량적인 두께 정보를 계산한다. 프로세서(290)에 의해 계산된 측정 대상 물체(250)의 정량적인 두께 정보는 하기 식 8과 같이 표시될 수 있다.
식 8: △L = λ△φ(x,y)/2π△n(x,y)
상기 식 8에서, △L은 측정 대상 물체(250)의 정량적인 두께 정보, λ는 물체 홀로그램 획득 시 사용한 광원부(210)의 파장, φ(x,y)는 상기 측정 대상 물체(250)의 위상 정보, △n(x,y)는 배경과 측정 대상 물체(250) 간의 굴절률 차이를 나타낸다.
그 후, 프로세서(290)는 상기 [수학식8]에 따라 계산된 측정 대상 물체(250)의 정량적인 두께 정보를 이용하여 측정 대상 물체(250)의 3차원 형상을 복원한다(S7: 도 2f 및 도 2g의 참조부호 320a 및 320b 참조). 프로세서(290)에 의해 복원된 3차원 형상은, 예를 들어, PC의 디스플레이와 같은 별도로 제공되는 모니터(미도시)에 표시될 수 있다.
도 2h는 3개 레벨의 상이한 두께를 갖는 계단에 대해 종래 기술의 탈축 광학적 홀로그래픽 방식을 사용하여 복원한 3차원 물체 홀로그램 및 본 발명의 실시예에 따른 탈축 홀로그래픽 방식을 사용하여 복원한 3차원 물체 홀로그램(도 2f 참조)을 비교하기 위해 도시한 도면이다.
도 2h를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 복원된 3차원 물체 홀로그램(320a)이 종래 기술에 비해 훨씬 더 선명하고 명확하게 복원되었음을 확인할 수있다.
도 2i는 종래 기술과 본 발명에 따른 홀로그램의 탈축 복원 및 정축 복원에 따른 특성을 비교표로 도시한 도면이다.
도 2i를 참조하면, 본 발명에 따른 홀로그램의 탈축 복원의 경우 종래 기술에 비해 정보 손실도, 잡음 제거도, 시간 지연 에러 발생, 요구되는 홀로그램 수 항목에서 현저히 향상되거나 개선되었음을 알 수 있고, 또한 본 발명에 따른 홀로그램의 정축 복원의 경우 종래 기술에 비해 정보 손실도, 장치 제조 비용, 시간 지연 에러 발생, 요구되는 홀로그램 수 항목에서 현저히 향상 및 개선되었음을 알 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법을 기술한다.
다시, 도 2a 내지 도 2i를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법은 a) 측정 대상 물체(250)의 물체 홀로그램(310a,310b)을 획득하는 단계(S1); b) 상기 획득된 물체 홀로그램(310a,310b)으로부터 상기 측정 대상 물체(250)의 위상 정보를 갖는 물체광 정보와 상기 측정 대상 물체(250)의 위상 정보가 없는 기준광 정보를 분리하여 추출하고, 상기 추출된 기준광 정보를 0°만큼 위상을 천이시켜 제 1 위상 천이된 물체 홀로그램(312a,312b)을 생성하는 단계(S2); c) 상기 추출된 기준광 정보를 90°만큼 위상을 천이시켜 제 2 위상 천이된 물체 홀로그램(314a,314b)을 생성하는 단계(S3); d) 상기 추출된 기준광 정보를 180°만큼 위상을 천이시켜 제 3 위상 천이된 물체 홀로그램(316a,316b)을 생성하는 단계(S4); e) 상기 추출된 기준광 정보를 270°만큼 위상을 천이시켜 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램(318a,318b)을 생성하는 단계(S5); f) 상기 생성된 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램(312a,312b;314a,314b;316a,316b;318a,318b)과 위상 천이 기법(phase shifting method)을 사용하여 직류(DC) 정보 및 직류 잡음, 허상 정보를 제거하여 상기 측정 대상 물체(250)의 상기 위상 정보를 추출하는 단계(S6); 및 g) 상기 추출된 상기 위상 정보에 왜곡된 위상 정보를 보상하고, 상기 보상된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체(250)의 정량적인 두께 정보를 계산하여 상기 측정 대상 물체(250)의 3차원 형상 정보 및 정량적인 두께 정보를 복원하는 단계(S7)를 포함한다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 c) 단계 내지 상기 e) 단계는 동시에 수행될 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 c) 단계에서 상기 물체광 정보와 상기 기준광 정보는 상기 획득된 물체 홀로그램(310a,310b)의 주파수 영역에서 위상 지연 방법(phase delay method)을 사용하여 분리 및 추출된다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램(312a,312b,314a,314b;316a,316b;318a,318b)은 각각 파동 광학(Wave Optics) 기반의 간섭 방정식(
)을 이용하여 상기 0°, 90°, 180°, 및 270°만큼 각각 위상 천이된 상기 기준광 정보와 상기 추출된 물체광 정보를 결합시킴으로써 생성된다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 측정 대상 물체(250)의 상기 위상 정보는 상기 식 7에서와 같이 Φ(x,y) = tan-1[I 4 (x,y)-I 2 (x,y)]/[I 1 (x,y)-I 3 (x,y)]로 표시되고, 여기서 x와 y는 공간 좌표를 나타내고, Φ(x,y)는 측정 대상 물체(250)의 위상 정보, I 1 (x,y)은 제 1 위상 천이된 홀로그램(312a,312b)의 세기(Intensity) 정보, I 2 (x,y)는 제 2 위상 천이된 홀로그램(314a,314b)의 세기 정보, I 3 (x,y)는 제 3 위상 천이된 홀로그램(316a,316b)의 세기 정보, 및 I 4 (x,y)는 제 4 위상 천이된 홀로그램(318a,318b)의 세기 정보를 나타낸다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 왜곡된 위상 정보는 상기 추출된 측정 대상 물체(250)의 상기 위상 정보에 2차원 위상 펼침 알고리즘(2D phase unwrapping algorithm)을 이용하여 보상된다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 측정 대상 물체(250)의 상기 정량적인 두께 정보는 상기 식 8에서와 같이 △L = λ△φ(x,y)/2π△n(x,y)로 표시되고, 여기서 △L은 측정 대상 물체(250)의 정량적인 두께 정보, λ는 물체 홀로그램 획득 시 사용한 광원부(210)의 파장, φ(x,y)는 상기 측정 대상 물체(250)의 위상 정보, △n(x,y)는 배경과 측정 대상 물체(250) 간의 굴절률 차이를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치(200) 및 방법에서는, 1) 종래 기술의 복원에 필요한 2개의 홀로그램(물체 홀로그램 및 기준 홀로그램)의 획득 시에 발생하거나 또는 위상 천이 정도가 상이한 4개의 물리적인 홀로그램의 획득 시에 발생하는 시간 지연 오차 발생이 제거되고, 2) 소프트웨어로 구현되는 위상 천이 기법을 이용하여 직류 잡음(배경 잡음 포함)의 완벽한 제거가 가능하며, 3) 종래 기술의 필터링 기법의 미사용에 따른 정보 손실이 최소화되고, 4) 종래 기술에서 필수적으로 요구되는 광학 소자(1/4 파장판 및/또는 1/2 파장판)의 사용이 불필요하며, 그에 따라 장치 전체의 구조가 간단하고 저비용으로 구현이 가능하며, 5) 특히, 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치에 모두 적용될 수 있는 범용성을 갖고, 6) TFT 및 반도체와 같은 초미세 구조의 결함 검출용 장치, 정밀한 3차원 영상의 표시가 요구되는 의료 기기, 및 기타 렌즈와 같은 투명한 물체의 굴절률 에러 검출 등을 포함한 다양한 분야의 검출, 확인 또는 표시용 장치에 적용이 가능하다는 장점이 달성된다.
다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.
1: 측정 대상물 3: 기준면 10: 광원 11: 고정부재
12: 볼록렌즈 13: 광 분할부 14,15,18,20: 파장판
19: 프리즘부 23: 제1 촬상부 24: 제2 촬상부 210: 광원부
200,200a,200b: 홀로그래픽 복원 장치 220: 시준기 230,232: 광 분할기
240: 물체광 대물 렌즈 250: 측정 대상 물체 260: 기준광 대물 렌즈
270,272: 광학 거울 280: 기록 매체 290: 프로세서
310a,310b: 물체 홀로그램 320a,320b: 복원된 3차원 형상
314a,314b;316a,316b;318a,318b:위상 천이된 물체 홀로그램
12: 볼록렌즈 13: 광 분할부 14,15,18,20: 파장판
19: 프리즘부 23: 제1 촬상부 24: 제2 촬상부 210: 광원부
200,200a,200b: 홀로그래픽 복원 장치 220: 시준기 230,232: 광 분할기
240: 물체광 대물 렌즈 250: 측정 대상 물체 260: 기준광 대물 렌즈
270,272: 광학 거울 280: 기록 매체 290: 프로세서
310a,310b: 물체 홀로그램 320a,320b: 복원된 3차원 형상
314a,314b;316a,316b;318a,318b:위상 천이된 물체 홀로그램
Claims (14)
- 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치에 있어서,
단일 파장 광을 방출하는 광원부;
상기 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기;
상기 시준기를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광 및 기준광으로 분할하는 광 분할기;
상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 물체광을 통과시키는 물체광 대물 렌즈;
상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 기준광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈;
상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 기준광을 반사시키는 광학 거울;
상기 물체광 대물 렌즈를 통과하여 측정 대상 물체의 표면에서 반사된 물체광 및 상기 광학 거울에 의해 반사된 기준광이 각각 상기 물체광 대물 렌즈 및 기준광 대물 렌즈를 통과하여 상기 광 분할기로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및
상기 기록 매체에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서
를 포함하되,
상기 프로세서는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 파동 광학 기반의 간섭 방정식을 이용하여 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하며, 생성된 제 1 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램과 소프트웨어로 구현되는 위상 천이 기법을 이용하여 직류 잡음 및 허상 정보를 제거한 복소 공액 홀로그램을 생성하고, 생성된 복소 공액 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상 물체의 위상 정보를 추출한 후, 상기 측정 대상 물체의 3차원 정보를 복원하는
디지털 홀로그래픽 복원 장치. - 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 장치에 있어서,
단일 파장 광을 방출하는 광원부;
상기 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기;
상기 시준기를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광 및 기준광으로 분할하는 광 분할기;
상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 물체광이 측정 대상 물체를 투과한 후 상기 측정 대상 물체의 정보를 포함한 물체 투과광을 통과시키는 물체광 대물 렌즈;
상기 물체광 대물 렌즈를 통과한 상기 물체 투과광을 반사시키는 제 2 광학 거울;
상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 기준광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈;
상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 기준광을 반사시키는 제 1 광학 거울;
상기 제 1 광학 거울에 의해 반사된 상기 기준광 및 상기 제 2 광학 거울에 의해 반사된 상기 물체 투과광이 각각 전달되는 제 2 광 분할기;
상기 제 2 광 분할기로 전달된 상기 기준광 및 상기 물체 투과광에 의해 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및
상기 기록 매체에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서
를 포함하되,
상기 프로세서는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 파동 광학 기반의 간섭 방정식을 이용하여 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하며, 생성된 제 1 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램과 소프트웨어로 구현되는 위상 천이 기법을 이용하여 직류 잡음 및 허상 정보를 제거한 복소 공액 홀로그램을 생성하고, 생성된 복소 공액 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상 물체의 위상 정보를 추출한 후, 상기 측정 대상 물체의 3차원 정보를 복원하는
디지털 홀로그래픽 복원 장치. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 획득된 물체 홀로그램의 주파수 영역에서 위상 지연 방법(phase delay method)을 사용하여 상기 물체광 정보와 상기 기준광 정보를 분리 및 추출하는 디지털 홀로그래픽 복원 장치. - 제 3항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 기준광 정보를 각각 0°, 90°, 180°, 및 270°만큼 위상을 천이시킨 후, 파동 광학(Wave Optics) 기반의 간섭 방정식을 이용하여 0°, 90°, 180°, 및 270°만큼 위상 천이된 기준광 정보와 상기 추출된 물체광 정보를 결합시켜 상기 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 디지털 홀로그래픽 복원 장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 제 2 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 동시에 생성하는 디지털 홀로그래픽 복원 장치. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 측정 대상 물체의 상기 위상 정보는 식 Φ(x,y) = tan-1[I 4 (x,y)-I 2 (x,y)]/[I 1 (x,y)-I 3 (x,y)]로 표시되고, 여기서 x와 y는 공간 좌표를 나타내고, Φ(x,y)는 상기 측정 대상 물체의 위상 정보, I 1 (x,y), I 2 (x,y), I 3 (x,y), 및 I 4 (x,y)는 각각 상기 제 1 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램의 세기(Intensity) 정보를 나타내는 디지털 홀로그래픽 복원 장치. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보는 식 △L = λ△φ(x,y)/2π△n(x,y)로 표시되고, 여기서 △L은 상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보, λ는 상기 광원부의 파장, φ(x,y)는 상기 측정 대상 물체의 위상 정보, △n(x,y)는 배경과 상기 측정 대상 물체 간의 굴절률의 차이인 디지털 홀로그래픽 복원 장치. - 단일 생성 위상 천이 기법을 이용한 디지털 홀로그래픽 복원 방법에 있어서,
a) 측정 대상 물체의 물체 홀로그램을 획득하는 단계;
b) 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 상기 측정 대상 물체의 위상 정보를 갖는 물체광 정보와 상기 측정 대상 물체의 위상 정보가 없는 기준광 정보를 분리하여 추출하고 상기 추출된 기준광 정보를 0°만큼 위상을 천이시켜 제 1 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계;
c) 상기 추출된 기준광 정보를 90°만큼 위상을 천이시켜 제 2 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계;
d) 상기 추출된 기준광 정보를 180°만큼 위상을 천이시켜 제 3 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계;
e) 상기 추출된 기준광 정보를 270°만큼 위상을 천이시켜 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램을 생성하는 단계;
f) 상기 생성된 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램과 위상 천이 기법(phase shifting method)을 사용하여 직류(DC) 정보 및 직류 잡음, 허상 정보를 제거하여 상기 측정 대상 물체의 상기 위상 정보를 추출하는 단계; 및
g) 상기 추출된 상기 위상 정보에 왜곡된 위상 정보를 보상하고, 상기 보상된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보를 계산하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 및 정량적인 두께 정보를 복원하는 단계
를 포함하는 디지털 홀로그래픽 복원 방법. - 제 8항에 있어서,
상기 c) 단계 내지 상기 e) 단계가 동시에 수행되는 디지털 홀로그래픽 복원 방법. - 제 8항에 있어서,
상기 c) 단계에서 상기 물체광 정보와 상기 기준광 정보는 상기 획득된 물체 홀로그램의 주파수 영역에서 위상 지연 방법(phase delay method)을 사용하여 분리 및 추출되는 디지털 홀로그래픽 복원 방법. - 제 8항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 4 위상 천이된 물체 홀로그램은 각각 파동 광학(Wave Optics) 기반의 간섭 방정식을 이용하여 상기 0°, 90°, 180°, 및 270°만큼 각각 위상 천이된 상기 기준광 정보와 상기 추출된 물체광 정보를 결합시킴으로써 생성되는 디지털 홀로그래픽 복원 방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 측정 대상 물체의 상기 위상 정보는 식 Φ(x,y) = tan-1[I 4 (x,y)-I 2 (x,y)]/[I 1 (x,y)-I 3 (x,y)]로 표시되고, 여기서 x와 y는 공간 좌표를 나타내고, Φ(x,y)는 상기 측정 대상 물체의 위상 정보, I 1 (x,y), I 2 (x,y), I 3 (x,y), 및 I 4 (x,y)는 각각 상기 제 1 내지 제 4 위상 천이된 홀로그램의 세기(Intensity) 정보를 나타내는 디지털 홀로그래픽 복원 방법. - 제 8항에 있어서,
상기 g) 단계에서, 상기 왜곡된 위상 정보는 상기 추출된 측정 대상 물체의 상기 위상 정보에 2차원 위상 펼침 알고리즘(2D phase unwrapping algorithm)을 이용하여 보상되는 디지털 홀로그래픽 복원 방법. - 제 8항에 있어서,
상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보는 식 △L = λ△φ(x,y)/2π△n(x,y)로 표시되고, 여기서 △L은 상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보, λ는 상기 물체 홀로그램 획득 시 사용한 광원부의 파장, φ(x,y)는 상기 측정 대상 물체의 위상 정보, △n(x,y)는 배경과 상기 측정 대상 물체 간의 굴절률의 차이인 디지털 홀로그래픽 복원 방법.
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