KR101916827B1

KR101916827B1 - 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치

Info

Publication number: KR101916827B1
Application number: KR1020160161500A
Authority: KR
Inventors: 김대근; 강세원
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-11-08
Also published as: KR20180061859A

Abstract

본 발명은 3차원 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플에 패턴이 다른 광을 조사하고, 샘플에서 방출되는 반사광을 조합하여 3차원 영상을 획득하는 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치에 관한 것으로서, 광원과, 패턴형성부와, 광학계와, 필터부와, 검출부와, 영상생성부를 포함한다. 광원은 복수의 파장광을 출력한다. 패턴형성부는 복수의 파장광 중 제1파장광은 제1패턴을 갖도록 하고 제2파장광은 제1패턴과 다른 제2패턴을 갖도록 한다. 광학계는 복수의 파장광을 집광하여 3차원 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플에 동시에 조사하는 대물렌즈를 구비한다. 필터부는 샘플로부터 방출되는 복수의 반사광 중 상기 제1파장광과 대응되는 제1파장 반사광은 제1경로로 분리시키고, 제2파장광과 대응되는 제2파장 반사광은 제1경로와 다른 제2경로로 분리시킨다. 검출부는 제1경로 상에 배치되어 제1파장 반사광을 검출하여 제1파장 신호를 발생시키는 제1영상센서와, 제2경로 상에 배치되어 제2파장 반사광을 검출하여 제2파장 신호를 발생시키는 제2영상센서를 구비한다. 영상생성부는 검출부로부터 출력된 제1파장 신호와 제2파장 신호를 조합하여 샘플에 대한 3차원 영상을 생성한다.

Description

고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치{A three-dimensional image acquisition device having high resolution}

본 발명은 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플에 패턴이 다른 광을 조사하고, 샘플에서 방출되는 반사광을 조합하여 3차원 영상을 획득하는 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치에 관한 것이다.

현미경으로 대표되는 3차원 영상 획득장치는 일반적으로 회절 광학 한계의 제한을 받아, 현미경이 가지는 영상 해상도보다 작은 구조는 분별할 수 없었다. 현미경의 해상도는 광의 파장이 짧을수록, 대물렌즈의 개구수가 클수록 높아지기는 하나, 회절 광학 한계에 제한을 받기 때문에 무한정 높일 수는 없었다.

최근 나노 기술이 발달함에 따라, 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플에 대한 고속 검출은 샘플의 분석 과정에서 없어서는 안되는 기술수단이고, 생물공학 또는 의학 연구에서는 더 미세한 구조에 대해 특성 검출 및 분석을 하기 위한 더 높은 해상도(나노급)의 3차원 영상 획득장치가 요구되고 있다.

이러한 초고해상도 영상을 실현하기 위해 다양한 방식의 현미경들이 개발되어 왔다. CCD/CMOS 등의 영상센서가 갖는 분해능을 높여 판별 가능한 영상 픽셀의 수를 극대화하는 방식, 비구면 렌즈 등 렌즈에서 발생하는 색수차를 최소화하는 방식, 영상센서로부터 획득한 영상을 디지털 프로세싱을 통해 보정하여 해상도를 높이는 방식 등을 적용한 현미경들이 현재 사용되고 있다.

최근에는 다수의 영상을 획득하고 이를 디지털 프로세싱을 통해 후처리하는 복합 방식의 3차원 영상 획득장치들이 제안되고 있다. 대표적으로, 노출을 달리한 영상을 다수 획득하여 디지털 후처리를 통해 광학 심도를 향상시키는 HDR(High Dynamic Range)기법, 샘플에 입사되는 광에 미리 설정된 패턴을 주어 패턴 영상과 비패턴 영상을 서로 비교 처리하여 해상도를 향상시키는 SIM(Structured Illumination Modulation)기법 등이 있다.

HDR기법과 SIM기법의 공통점은 어떠한 특성을 부여한 다수의 영상을 획득하여 디지털 프로세싱을 통하여 해상도가 향상된 단일의 영상을 획득한다는 것이다. 그러나 HDR기법은 다수의 영상을 획득하기 위해 상대적으로 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있고, SIM기법은 3차원 고해상도 영상을 얻을 수 있다는 측면에서 유리하나 다수의 영상을 순차적으로 획득함으로써, 영상속도 측면에서는 느리다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1479734호(2015.01.06. 등록공고, 발명의 명칭 : 구조광 패턴 기반의 3차원 형상 측정 시스템)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 샘플에 대한 3차원 영상을 고속·고해상도로 획득할 수 있는 3차원 영상 획득장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치는, 복수의 파장광을 출력하는 광원; 상기 복수의 파장광 중 제1파장광은 제1패턴을 갖도록 하고 제2파장광은 상기 제1패턴과 다른 제2패턴을 갖도록 하는 패턴형성부; 상기 복수의 파장광을 집광하여 3차원 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플에 동시에 조사하는 대물렌즈를 구비하는 광학계; 상기 샘플로부터 방출되는 복수의 반사광 중 상기 제1파장광과 대응되는 제1파장 반사광은 제1경로로 분리시키고, 상기 제2파장광과 대응되는 제2파장 반사광은 상기 제1경로와 다른 제2경로로 분리시키는 필터부; 상기 제1경로 상에 배치되어 상기 제1파장 반사광을 검출하여 제1파장 신호를 발생시키는 제1영상센서와, 상기 제2경로 상에 배치되어 상기 제2파장 반사광을 검출하여 제2파장 신호를 발생시키는 제2영상센서를 구비하는 검출부; 및 상기 검출부로부터 출력된 제1파장 신호와 제2파장 신호를 조합하여 상기 샘플에 대한 3차원 영상을 생성하는 영상생성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치에 있어서, 상기 패턴형성부는, 상기 패턴형성부는, 상기 제1파장광과 상기 제2파장광이 서로 다른 파장 또는 위상을 갖도록 함으로써, 상기 제1파장광과 상기 제2파장광이 서로 중첩되더라도 간섭 및 회절이 발생하지 않을 수 있다.

본 발명에 따른 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치에 있어서, 상기 제1파장 반사광과 상기 제2파장 반사광은, 상기 샘플로부터 방출되어 하나의 광 경로를 따라 진행되고, 상기 필터부는, 상기 하나의 광 경로에 순차적으로 배치되어 상기 제1파장 반사광을 상기 제1영상센서로 분리시키는 제1필터와, 상기 제2파장 반사광을 상기 제2영상센서로 분리시키는 제2필터를 구비할 수 있다.

본 발명의 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치에 따르면, 복수의 파장광을 샘플에 조사하여 조합할 영상들을 동시에 획득함으로써, 영상 획득 시간을 단축할 수 있다.

또한, 본 발명의 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치에 따르면, 서로 다른 패턴을 갖는 파장광을 조합·비교 처리함으로써, 영상의 형상을 그대로 유지하면서 영상 획득 시간을 보다 단축시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명과 관련하여 공지된 기술에 대한 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 공지된 기술에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치는 3차원 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플(S)에 패턴이 다른 파장광(PL)을 조사하고, 샘플(S)에서 방출되는 반사광(PO)을 조합하여 3차원 영상을 획득하는 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치에 관한 것으로서, 광원(100)과, 패턴형성부(200)와, 광학계(300)와, 필터부(400)와, 검출부(500)와, 영상생성부(600)를 포함한다.

상기 광원(100)은 3차원 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플(S)에 조사시키기 위한 복수의 파장광(PL)을 출력한다. 샘플(S)에 파장광(PL)을 조사하면, 3차원 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플(S)에 반사되어 하나의 파장반사광(PO)을 생성하게 된다.

상기 패턴형성부(200)는 복수의 파장광(PL) 중 제1파장광(PL1)은 제1패턴을 갖도록 하고 제2파장광(PL2)은 제1패턴과 다른 제2패턴을 갖도록 한다.

패턴형성부(200)는 제1파장광(PL1)과 제2파장광(PL2)이 서로 다른 파장 또는 위상을 갖도록 함으로써, 제1파장광(PL1)과 제2파장광(PL2)이 서로 중첩되더라도 간섭 및 회절이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

패턴형성부(200)에는 광원(100)에서 출사되어 다양한 대역을 갖는 파장광(PL)을 원하는 특정 파장 대역에 존재하는 파장광(PL)만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 대역 필터(band pass filter)와 같은 수단이 적용될 수 있다. 본 실시예에서는 복수의 파장광(PL) 중 제1파장광(PL1)을 제1패턴으로 변조하는 제1대역 필터(210)와, 제2파장광(PL2)을 제2패턴으로 변조하는 제2대역 필터(220)가 구비된다.

상기 광학계(300)는 복수의 파장광(PL)을 집광하여 3차원 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플(S)에 동시에 조사하는 대물렌즈(310)를 구비한다. 이외에 복수의 파장광(PL)과 반사광(PO)을 선택적으로 통과시키는 광분배기(320)와, 광원(100)에서 출력된 파장광(PL)을 전달하는 반사거울(330) 등이 더 구비될 수 있다.

상기 필터부(400)는 샘플(S)로부터 방출되어 광분배기(320)에서 분리된 복수의 반사광(PO) 중 제1파장광(PL1)과 대응되는 제1파장 반사광(PO1)은 제1경로로 분리시키고, 제2파장광(PL2)과 대응되는 제2파장 반사광(PO2)은 제1경로와 다른 제2경로로 분리시킨다.

여기서 제1파장 반사광(PO1)와 제2파장 반사광(PO2)은 샘플(S)로부터 방출되어 하나의 광 경로를 따라 진행되고, 필터부(400)는 하나의 광 경로에 순차적으로 배치되어 제1파장 반사광(PO1)을 제1영상센서(510)로 분리시키는 제1필터(410)와, 제2파장 반사광(PO2)을 제2영상센서(520)로 분리시키는 제2필터(420)를 구비한다.

상기 검출부(500)는 제1경로 상에 배치되어 제1파장 반사광(PO1)을 검출하여 제1파장 신호(PS1)를 발생시키는 제1영상센서(510)와, 제2경로 상에 배치되어 제2파장 반사광(PO2)을 검출하여 제2파장 신호(PS2)를 발생시키는 제2영상센서(520)를 구비한다.

영상센서는 CCD(charged coupled device), PD(photo detector), APD(avalanche photo diode), PMT(photo multiplier tube) 등이 다수개 배열되어 구성될 수 있다.

상기 영상생성부(600)는 검출부(500)로부터 출력된 제1파장 신호(PS1)와 제2파장 신호(PS2)를 조합하여 샘플(S)에 대한 3차원 영상을 생성한다. 영상생성부(600)는 제1파장 신호(PS1)와 제2파장 신호(PS2)를 미리 입력된 연산 알고리즘을 통해 하나의 픽셀 정보를 산출하고, 산출된 픽셀 정보들을 모두 조합하며, 이를 통해 샘플(S)의 3차원 영상을 얻게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치는 복수의 파장광(PL)을 샘플(S)에 조사하여 조합할 영상들을 동시에 획득함으로써, 영상 획득 시간을 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 서로 다른 패턴을 갖는 파장광(PL)을 조합·비교 처리함으로써, 영상의 형상을 그대로 유지하면서 영상 획득 시간을 보다 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100 : 광원
200 : 패턴형성부
300 : 광학계
400 : 필터부
500 : 검출부
600 : 영상생성부

Claims

복수의 파장광을 출력하는 광원;
상기 복수의 파장광 중 제1파장광은 제1패턴을 갖도록 하고 제2파장광은 상기 제1패턴과 다른 제2패턴을 갖도록 하는 패턴형성부;
하나의 광 경로를 공유하면서 진행되는 상기 제1의 파장광과 상기 제2파장광을 집광하여 3차원 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플에 동시에 조사하는 대물렌즈를 구비하는 광학계;
상기 샘플로부터 방출되는 복수의 반사광 중 상기 제1파장광과 대응되는 제1파장 반사광은 제1경로로 분리시키고, 상기 제2파장광과 대응되는 제2파장 반사광은 상기 제1경로와 다른 제2경로로 분리시키는 필터부;
상기 제1경로 상에 배치되어 상기 제1파장 반사광을 검출하여 제1파장 신호를 발생시키는 제1영상센서와, 상기 제2경로 상에 배치되어 상기 제2파장 반사광을 검출하여 제2파장 신호를 발생시키는 제2영상센서를 구비하는 검출부; 및
상기 검출부로부터 출력된 제1파장 신호와 제2파장 신호를 조합하여 상기 샘플에 대한 3차원 영상을 생성하는 영상생성부;를 포함하고,
상기 패턴형성부는,
상기 복수의 파장광 중 상기 제1파장광을 상기 제1패턴으로 변조하는 제1대역 필터; 및
상기 제2파장광을 상기 제2패턴으로 변조하는 제2대역 필터;를 포함하며,
상기 제1파장 반사광과 상기 제2파장 반사광은, 상기 샘플로부터 방출되어 하나의 광 경로를 공유하면서 진행되고,
상기 필터부는,
상기 하나의 광 경로에 순차적으로 배치되어 상기 제1파장 반사광을 상기 제1영상센서로 분리시키는 제1필터; 및
상기 제2파장 반사광을 상기 제2영상센서로 분리시키는 제2필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치.
제1항에 있어서,
상기 패턴형성부는, 상기 제1파장광과 상기 제2파장광이 서로 다른 파장 또는 위상을 갖도록 함으로써, 상기 제1파장광과 상기 제2파장광이 서로 중첩되더라도 간섭 및 회절이 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 고해상도를 갖는 3차원 영상 획득장치.
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