KR101990009B1 - 개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

개시된 홀로그래픽 복원 장치는 광원부의 단일 파장 광을 제 1 및 제 2 투과 분할광으로 분할하는 제 1 광 분할기; 상기 제 1 투과 분할광을 반사시키는 복수의 광학 거울; 상기 제 2 투과 분할광을 제 1 및 제 2 반사 분할광으로 분할하는 제 2 광 분할기; 상기 제 2 반사 분할광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈; 상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 제 1 반사 분할광이 전달되는 위치 조정 미러; 상기 측정 대상 물체를 투과하는 상기 제 1 투과 분할광 또는 상기 측정 대상 물체에서 반사되는 제 1 반사 분할광이 상기 물체광 대물 렌즈를 통과하고, 상기 위치 조정 미러에서 반사된 상기 제 2 반사 분할광이 상기 기준광 대물 렌즈를 통과하여 상기 제 2 광 분할기로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및 상기 간섭 무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서를 포함하되, 빛의 투과 또는 반사 물체 홀로그램을 모드에 따라 선택적으로 획득한다. 다양한 실시예가 가능하다.

Description

개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법{An Improved Holographic Reconstruction Apparatus and Method}
본 발명은 개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법에 관한 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 빛을 투과(Transmission)하는 물체를 측정하는 투과형 시스템과, 빛을 반사(Reflection)하는 물체를 측정하는 반사형 시스템을 통합한 하나의 일체형 시스템으로 측정 대상 물체의 광학적 특성과 관계없이 디지털 홀로그램을 측정할 수 있는 개선된 홀로그램 복원 장치 및 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 홀로그래피(Holography)는 전자현미경의 분해능력을 향상시킬 목적으로 안출된 영상방법으로, 종래의 사진이 물체의 밝고 어두운 면의 분포만을 기록한 데 반해서 홀로그래피는 파동으로서 빛이 가지는 모든 정보, 즉 진폭과 상을 동시에 축적하고 재생하는 것으로, 그 원리는 레이저 광원에서 나온 간섭성 빛은 빔스플리터(beam splitter)를 둘로 나누어 그 중 한 광선은 피사체를 비추게 하면, 피사체 표면에서 난반사(亂反射)된 빛이 홀로그래피 감광재료에 도달한다. 이 광선을 물체광(物體光)이라고 한다. 나머지 다른 한 광선은 렌즈로 확산시켜 직접 홀로그래피 감광재료 전면에 비추게 한다. 이 광선을 참조광(參朝光) 또는 기준광(이하 “기준광”이라 함)이라고 한다. 이렇게 하면 홀로그래피 감광재료 상에 물체광과 기준광이 서로 간섭(干涉, interference) 현상을 일으켜 1mm 당 500~1500개 정도의 매우 섬세하고 복잡한 간섭무늬를 만든다. 이 간섭무늬를 기록한 사진을 홀로그램이라고 한다. 이와 같이 만든 홀로그램에 기준광과 같은 광선을 쬐면 간섭무늬가 회절격자의 역할을 해서 기준광이 입사한 방향과 다른 위치에서 빛이 회절되는데, 이 같은 회절광이 모인 것이 마치 처음 물체에서 반사해서 생긴 빛과 같이 된다. 이와 같이 하여 홀로그램에서 처음의 물체광이 재생된다.
그렇기 때문에 재생된 파면(波面) 안에서 들여다 보면 처음 물체가 보이기는 하나 마치 물체가 저 안쪽에 있는 것처럼 보인다. 이어 다시 보는 점을 옮기면 물체가 보이는 위치도 변하므로 마치 입체사진을 보는 것처럼 보인다. 또 원래의 물체의 파면이 재생되기 때문에 아주 약간 변형한 물체에서 나오는 파면과도 간섭시킬 수 있다. 따라서, 이와 같은 홀로그래피의 특징은 다양한 분야에서 응용 및 사용되고 있다.
일 예를 들면, 디지털 홀로그래피 현미경은 디지털 홀로그래피 기술을 활용하여 물체의 형상을 측정하는 현미경으로서, 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 빛(기준광)은 이미지 센서에 직접 비추고, 다른 빛(물체광)은 측정 대상 물체에 비추어 상기 측정 대상 물체로부터 투과 또는 반사되는 빛을 이미지 센서에 비춤에 따라, 이미지 센서에서 상기 기준광과 물체광이 간섭현상을 일으키게 되고, 이러한 빛의 간섭무늬 정보를 디지털 이미지 센서로 기록하고, 상기 기록된 간섭무늬 정보를 가지고 컴퓨터를 활용하여 측정 대상 물체의 형상을 복원하는 기술이다.
한편, 디지털 홀로그래피가 아닌 기존의 광학적 홀로그래피 기술의 경우는, 상기 빛의 간섭무늬 정보를 특수 필름으로 기록하고, 상기 측정 대상 물체의 형상을 복원하기 위하여 상기 기준광을 간섭무늬가 기록된 특수필름에 비추면 본래 측정 대상 물체가 위치하던 자리에 가상의 측정 대상 물체의 형상이 복원되는 방식이다.
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.
기존의 디지털 홀로그래피 현미경으로는 먼저 단일 파장의 레이저 광원을 사용하는 경우가 있다. 그러나 단일 레이저 광원을 사용하는 경우는 물체의 측정 해상도, 즉 최소측정 단위가 사용하는 레이저 광원의 파장으로 제한된다는 문제점이 있다. 또한 기존의 디지털 홀로그래피 현미경 중 2파장 또는 다중 파장의 레이저 광원을 사용하는 경우는, 서로 다른 파장을 가지는 광원들을 사용함으로 비용이 증가하거나, 또는 서로 다른 파장의 광원을 이용하여 홀로그램 영상을 순차적으로 획득하기 때문에 측정하고자 하는 물체의 3차원적인 변화정보를 실시간으로 측정하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 상술한 종래 디지털 홀로그래피 기술에서는 측정 대상 물체의 형상을 복원하기 위해 컴퓨터로 CGH(Computer Generated Hologram)을 생성한 후 이를 공간광변조기(Spatial Light Modulator: SLM) 상에 디스플레이한 후 기준광을 비추면, 기준광의 회절에 의해 물체의 3차원 홀로그램 영상이 얻어진다. 이 경우, 고가(수천만원 이상)의 공간광변조기(SLM)의 사용이 요구되므로, 실용화에 상당한 어려움이 있다.
이러한 종래의 디지털 홀로그래피 기술의 문제점을 해결하기 위한 특허문헌들이 하기와 같이 다수 개시되어 있다.
이들 특허문헌들에 의하면, 측정 대상 물체의 측정 해상도를 높이고, 시간이 흐름에 따라 변화하는 측정 대상 물체에 대한 홀로그램을 실시간으로 측정 및 기록하여 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 실시간으로 복원하는 효과가 달성되지만, 여전히 다음과 같은 문제점이 발생한다.
좀 더 구체적으로, 발명의 명칭이 “디지털 홀로그래피 현미경 및 디지털 홀로그램 영상 생성 방법”인 특허문헌 1은 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 혼합광원부(100), 파장분할부(200), 간섭무늬획득부(300), 대물부(400), 이미지센서부(500), 이미지저장부(600), 제어부(700), 및 물체형상복원부(800)을 포함한다.
혼합광원부(100)는 혼합광원발광부(110)와 광원부렌즈(120)를 포함하며, 혼합광원발광부(110)는 단일하지 아니한 여러 대역에 분포된 파장대역을 가지는 혼합광을 발광하고, 광원부렌즈(120)는 상기 혼합광원발광부(110)에서 생성된 혼합광을 광학적으로 조절하고, 이를 파장분할부(200)에 입사시킨다.
파장분할부(200)는 제1 광분할기(210)와 제1 여광판(220) 및 제2 여광판(230)과 제1 반사체(240)를 포함한다. 제1 광분할기(210)는 혼합광원부(100)로부터 입사된 혼합광을 입력받아 2개의 광으로 분할한다. 이때 제1 광분할기(210)는 입사받은 혼합광을 서로 다른 방향으로 나누어 진행시키는 역할을 수행한다. 제1 여광판(220)은 제1 광분할기(210)에서 분할된 광들 중 하나의 광을 입력받아 미리 정해진 단일파장을 가지는 제1광선을 획득한다. 여기서 제1 여광판(220)에 입력되는 광은 제1 여광판(220)을 통과하면서 필터링되고, 제1 여광판(220)의 특성에 따라 정해진 단일한 파장을 가지는 제1 광선이 획득된다. 제2 여광판(230)은 제1 여광판(220)과 동일한 방식으로, 제1 광분할기(210)에서 분할된 광들 중 나머지 하나의 광을 입력받아, 제1 광선의 파장과 다른 파장을 가지는 제2 광선을 획득한다. 그리고 제2 광선은 간섭무늬획득부(300)로 보내진다. 제1 반사체(240)는 제1 여광판(220)에서 획득된 제1광선을 입사받아 간섭무늬획득부(300)로 반사하는 역할을 한다.
간섭무늬획득부(300)는 제2 광분할기(310)와 제3 광분할기(320)와 제2 반사체(330)와 제3 여광판(340)과 제3 반사체(350)를 포함한다. 제2 광분할기(310)는 파장분할부(200)로부터 입력된 제1 광선을 입력받아 제1 물체광과 제1 기준광으로 분할한다. 이때 제2 광분할기(210)는 입사받은 제1 광선을 서로 다른 방향으로 나누어 진행시키는 역할을 수행한다. 제3 광분할기(320)도 제2 광분할기(310)와 동일한 방식으로 제2 광선을 입력받아 제2 물체광과 제2 기준광으로 분할한다. 제2 반사체(330)는 제1 기준광을 입사받고, 이를 반사한 제1 반사기준광을 제2 광분할기(310)로 보낸다. 제3 여광판(340)은 제2 광분할기(310)에서 분할된 제1 기준광을 입사받아 제2 반사체(330)로 보내고, 반사되는 제1 반사기준광을 입사받아 제2 광분할기(310)로 보낼 수 있다. 또한 제3 여광판(340)은 제2 물체광이 제2 광분할기(310)에 이르러 광분할되어 일부가 제2 반사체(330) 방향으로 진행할 때 제2 반사체(330)에 도달하지 못하도록 진행을 막는다. 이를 위하여 제3 여광판(340)은 광을 투과시킴에 있어서 제1 여광판(220)과 동일한 특성을 가지는 여광판으로 한다. 제3 반사체(350)는 제2 기준광을 입사받고, 이를 반사한 제2 반사기준광을 제3 광분할기(320)로 보내는데, 여기서 제2 반사체(330) 및 제3 반사체(350)는 제어부(700)의 제어에 따라 각도 조절이 가능하도록 구성하여, 탈축(off-axis) 홀로그램을 구현할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 획득된 제1 물체광, 제2 물체광은 다음과 같은 과정을 거쳐 각 제1 반사물체광과 제2 반사물체광으로 변환되어 이미지센서부(500)로 보내진다. 제2 광분할기(310)는 이상과 같이 분할한 제1 물체광을 대물부(400)에 거치되어 있는 측정 대상 물체에 입사시키고, 또한 제3 광분할기(320)로부터 분할되어 보내지는 제2 물체광을 상기 측정 대상 물체에 입사시킨다. 이 경우, 측정 대상 물체에서 입사받은 제1 물체광을 반사한 반사광을 제1 반사물체광이라 한다. 또한 측정 대상 물체에서 입사받은 제2 물체광을 반사한 반사광을 제2 반사물체광이라 한다. 제2 광분할기(310)는 이상과 같이 반사된 제1 반사물체광과 제2 반사물체광을 입력받아 이를 제3 광분할기(320)로 보낸다. 제3 광분할기(320)는 이상과 같이 입력받은 제1 반사물체광과 제2 반사물체광을 다시 이미지센서부(500)로 보낸다.
또한 상술한 바와 같이 획득된 제1 반사기준광, 제2 반사기준광은 다음과 같은 과정을 거쳐 이미지센서부(500)로 보내진다. 구체적으로, 제2 광분할기(310)는 제2 반사체(330)에서 반사되어 온 제1 반사기준광을 입력받아 제3 광분할기(320)로 보낸다. 제3 광분할기(320)는 이상과 같이 제2 광분할기(310)에서 보내진 제1 반사기준광과, 제3 반사체(350)에서 반사되어 온 제2 반사기준광을 입력받아 다시 이미지센서부(500)로 보낸다. 그에 따라, 제3 광분할기(320)에서 제1 반사물체광과 제1 반사기준광과 제2 반사물체광과 제2 반사기준광이 모두 동일하게 이미지센서부(500) 방향으로 보내진 후, 상호 간섭하여 간섭무늬가 생성된다.
한편, 제2 반사체(330)와 제3 반사체(350)는 서로 다른 파장의 광선이 서로 다른 간섭무늬를 형성하게 하는 탈축(off-axis) 시스템을 구성하기 위하여 제어부(700)의 제어에 따라 각도를 다방향으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 제2 반사체(330)와 제3 반사체(350)의 각도가 서로 상이하게 됨에 따라, 제2 반사체(330)로부터 반사되는 제1 반사기준광과 제3 반사체(350)로부터 반사되는 제2 기준광의 방향에 이격이 발생하게 되어, 제1 반사기준광과 제2 반사기준광이 이미지센서부(500)에 도달한 제1 반사물체광과 제2 반사물체광과 합쳐져 간섭무늬를 형성할 때에, 각 파장 별로 상이하게 탈축된 간섭무늬를 형성하게 된다.
대물부(400)는 물체거치대(410)와 대물렌즈(420)를 포함하고, 물체거치대(410)는 측정 대상 물체를 거치대에 고정시켜 측정되도록 하고, 대물렌즈(420)는 측정 대상 물체에 입사되는 제1물체광과 제2물체광을 광학적으로 조절한다.
이미지센서부(500)는 간섭무늬획득부(300)에서 획득된 상기 간섭무늬를 디지털 이미지 센서에 투영시키고, 상기 투영된 간섭무늬를 상기 디지털 이미지 센서를 이용하여 측정하고, 그 측정값을 이산신호로 변환한다. 통상 상기 간섭무늬를 기록한 것을 홀로그램이라고 한다. 이러한 디지털 이미지 센서로는 CCD 등 다양한 이미지센서들이 사용될 수 있다.
이미지저장부(600)는 이미지센서부(500)에서 이산신호로 변환된 간섭무늬 정보를 메모리나 디스크장치 등과 같은 다양한 저장매체에 저장한다.
제어부(700)는 상술한 탈축(off-axis) 시스템을 구현하고 간섭무늬를 획득하기 위하여 제2 반사체(330)와 제3 반사체(350)의 위치와 각도를 조절하는 등 간섭무늬획득부(300)를 제어하고, 측정 대상 물체에 입사되는 제1 물체광과 제2 물체광을 조절하기 위하여 대물렌즈(420)를 조절하는 등 대물부(400)를 제어하고, 상기 간섭무늬가 측정되어 그에 대한 정보가 이산신호로 변환되도록 하기 위하여 이미지센서부(500)를 제어하고, 이산신호로 변환된 간섭무늬 정보를 저장하기 위하여 이미지저장부(600)를 제어한다.
물체형상복원부(800)는 위상정보획득부(810)와 두께정보획득부(820)와 형상복원부(830)을 포함하며, 위상정보획득부(810)은 상기 간섭무늬 정보를 이용하여 상기 제1 광선에 대한 간섭무늬의 위상정보와 상기 제2 광선에 대한 간섭무늬의 위상정보를 각각 획득하고, 두께정보획득부(820)은 상기 위상정보들을 이용하여 측정 대상 물체의 두께정보를 획득하고, 형상복원부(830)은 상기 두께정보를 이용하여 측정 대상 물체의 실시간 3차원 형상을 복원한다. 이때 측정 대상 물체의 두께정보는 상기 물체광과 기준광이 각각 진행한 경로의 차이 정보를 포함한다. 이와 같은 상기 물체광과 기준광의 광 경로차 때문에 상기 물체광과 기준광이 중첩되었을 때 상기 간섭무늬가 형성된다.
이상과 같이 개시된 특허문헌 1에서는 단일하지 않은 여러 대역에 분포된 파장 대역을 가지는 혼합 광원이 사용되므로, 적어도 2개 이상의 단일 파장을 얻기 위해 파장분할부가 파장이 서로 상이한 제1 광선 및 제2 광선을 분할하기 위해 제1 여광판, 제2 여광판, 및 제1 반사체를 사용하여야 한다. 또한, 간섭무늬획득부가 제 2 광선을 분할하기 위한 제3 광분할기, 제2 광선을 반사시키기 위한 제3 반사체, 및 제2 광선이 제2 반사체로 입사되는 것을 차단하기 위한 제3 여광판을 추가로 사용하여야 한다. 따라서, 장치 전체의 구조가 복잡해지고, 광학 소자 사용의 증가로 인해 장치 전체의 광학적 노이즈가 증가하며, 전체 제조 비용이 고가라는 문제점이 여전히 존재한다.
따라서, 단일 파장의 광원을 사용하면서도 상술한 문제점을 해결하기 위한 새로운 방안이 요구됨에 따라, 이에 부응하는 다수의 특허문헌들이 개시되어 있다.
그런데, 개시된 대부분 특허문헌들의 광학 시스템은 디지털 홀로그램을 측정하기 위해 빛을 투과(Transmission)하는 물체를 측정하는 투과형 시스템 또는 빛을 반사(Reflection)하는 반사형 시스템으로 크게 분류할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 특허문헌 2, 3, 5 및 6은 2개의 파장을 이용한 반사형 측정 장치로서 빛을 반사하는 물체만 측정 가능하되, 특허문헌 2은 2개의 서로 다른 파장을 가지는 레이저가 필요하고 광간섭계 시스템이 복잡하고, 특허문헌 3은 2개의 이미지 센서가 필요하고, 가간섭성이 낮은 백색광을 사용하며, 특허문헌 2와 마찬가지로 광간섭계 시스템이 복잡하고, 특허문헌 5는 특허문헌 2와 마찬가지로, 2개의 서로 다른 파장을 가지는 레이저가 필요하고 광간섭계 시스템이 복잡할 뿐 만 아니라, 그 제안 시스템의 구성 상 홀로그램의 생성이 불가하며, 특허문헌 6 역시 특허문헌 2와 마찬가지로 2개의 서로 다른 파장을 가지는 레이저가 필요하고 광간섭계 시스템이 복잡한 문제가 있다.
또한 특허문헌 4는 1개의 파장을 이용한 투과형 측정장치로서 빛을 투과하는 물체만 측정 가능하지만, 2장의 이미지 촬영이 필요하므로 시간 지연에 따른 오차가 발생하는 문제가 있다.
따라서 이를 해소하기 위해서는 빛을 투과하는 물체 또는 빛을 반사하는 물체와 같이, 측정 대상 물체의 광학적 특성에 따라 투과형 시스템 및 반사형 시스템을 사용해야만 측정이 가능하였지만, 측정 대상 물체의 특성에 관계없이 디지털 홀로그램을 측정하기 위해서는 대당 수억원에 이르는 고가의 장비를 각각 구매해야 하므로 추가적인 비용 문제가 발생하는 문제가 있다.
[선행특허문헌]
[특허문헌]
1. 한국등록특허 제10-1634170호(2016.06.22. 등록)
2. 한국등록특허 제10-1152798호(2012.05.29. 등록)
3. 한국등록특허 제10-1139178호(2012.04.16. 등록)
4. 한국등록특허 제10-1203699호(2012.11.15. 등록)
5. 한국등록특허 제10-1441245호(2014.09.05. 등록)
6. 한국등록특허 제10-1716452호(2017.03.08. 등록)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 빛을 투과(Transmission)하는 물체를 측정하는 투과형 시스템과, 빛을 반사(Reflection)하는 물체를 측정하는 반사형 시스템을 통합한 하나의 일체형 시스템에 의해 측정하는 물체의 광학적 특성과 관계없이 디지털 홀로그램을 측정할 수 있도록 개선된 홀로그래픽 복원 장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 측정하는 물체의 광학적 특성과 관계없이 디지털 홀로그램을 측정하고자, 빛을 투과(Transmission)하는 물체를 측정하는 투과 모드와, 빛을 반사(Reflection)하는 물체를 측정하는 반사 모드를 선택할 수 있도록 개선된 홀로그래픽 복원 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치는 단일 파장 광을 방출하는 광원부; 상기 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 제 1 투과 분할광과 제 2 투과 분할광으로 분할하는 제 1 광 분할기; 상기 제 1 광 분할기에 의해 분할된 상기 제 1 투과 분할광을 반사시키는 복수의 광학 거울; 상기 제 1 광 분할기에 의해 분할된 상기 제 2 투과광 분할을 제 1 반사 분할광과 제 2 반사 분할광으로 분할하는 제 2 광 분할기; 상기 복수의 광학 거울에 의해 반사된 후 상기 측정 대상 물체를 투과하는 상기 제 1 투과 분할광 또는 상기 제 2 광 분할기에 의해 분할된 상기 제 1 반사 분할광을 통과시키는 믈체광 대물 렌즈; 상기 제 2 광 분할기에 의해 분할된 상기 제 2 반사 분할광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈; 상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 제 2 반사 분할광이 전달되는 위치 조정 미러; 상기 측정 대상 물체를 투과하는 제 1 투과 분할광 또는 상기 측정 대상 물체의 표면에서 반사된 상기 제 1 반사 분할광, 및 상기 기준광 대물 렌즈를 통과하여 상기 위치 조정 미러에서 반사된 상기 제 2 반사 분할광이 상기 물체광 대물 렌즈와 상기 기준광 대물 렌즈를 각각 통과하여 상기 제 2 광 분할기로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및 상기 기록 매체에서 전달된 상기 간섭 무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서에 의해 빛 투과(Transmission) 물체 홀로그램과, 빛 반사(Reflection) 물체 홀로그램을 투과형 모드와 반사형 모드에 따라 선택적으로 획득한다.
본 발명의 다른 형태에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 방법은 a) 측정 대상 물체의 물체 홀로그램의 2가지 측정 모드를 선택하는 단계(S1); b) 선택한 모드에 따라 물체 홀로그램을 측정하는 단계(S2); c) 측정한 물체 홀로그램의 직류, 허상, 수차 정보를 제거하는 단계(S3); d) 상기 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하는 단계(S4); 및 e) 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 및 정량적인 크기(두께) 정보를 복원하는 단계(S5)를 포함한다.
상기한 과제의 해결 수단을 통하여, 본 발명의 개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
1. 종래 기술의 한 장의 물체 홀로그램 영상을 사용하는 원샷 방식의 디지털 홀로그래피 복원 시 요구되는 복잡한 광학 장치 구조 및 그에 따른 상당한 고가의 비용 문제를 해결할 수 있다.
2. 간단한 구조 및 저가의 비용으로 홀로그래픽 복원이 가능하다.
3. 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치에 모두 적용될 수 있는 범용성을 가진다.
4. 특히 홀로그램 복원 시 기준광의 사용이 불필요하며, 실시간으로 측정 대상 물체의 정량적인 3차원 영상 복원이 가능하다.
5. 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.
6. 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치를 통합한 하나의 일체형 시스템에 의해 투과 모드와 반사 모드를 선택적으로 선택하여 측정 대상 물체의 광학적 특성과 관계없이 디지털 홀로그램을 측정할 수 있으므로, 추가적인 비용 문제를 해소할 수 있다.
본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다.
도 1은 공개된 종래 기술에 따른 따른 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치를 상세히 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치를 나타내는 개략 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 방법을 나타내는 플로우챠트이다.
도 4는 도 3의 개선된 홀로그래픽 복원 방법 중 S3 단계의 구체적인 구현 단계를 상세히 도시한 플로우챠트이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 불필요하다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치를 나타내는 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1)는 빛을 투과(Transmission)하는 물체를 측정하는 투과형 모드와 빛을 반사(Reflection)하는 물체를 측정하는 반사형 모드를 선택적으로 실행하는 일체형(All-in-one type) 디지털 홀로그래픽 현미경(Digital Holographic Microscopy)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1)는 단일 파장 광을 방출하는 광원부(10); 상기 광원부(10)에서 방출된 단일 파장 광을 제 1 투과 분할광(T1)과 제 2 물체 투과광(T2)으로 분할하는 제 1 광 분할기(20); 상기 제 1 광 분할기(20)에 의해 분할된 상기 제 1 투과 분할광(T1)을 반사시키는 복수의 광학 거울(30, 31); 상기 제 1 광 분할기(20)에 의해 분할된 상기 제 2 투과 분할광(T2)을 제 1 반사 분할광(R1)과 제 2 반사 분할광(R2)으로 분할하는 제 2 광 분할기(60); 상기 복수의 광학 거울(30, 31)에 의해 반사된 후 상기 측정 대상 물체(40)를 투과하는 상기 제 1 투과 분할광(T1) 또는 상기 제 2 광 분할기(60)에 의해 분할된 상기 제 1 반사 분할광(R1)을 통과시키는 물체광 대물 렌즈(50); 상기 제 2 광 분할기(60)에 의해 분할된 상기 제 2 반사 분할광(R2)을 통과시키는 기준광 대물 렌즈(51); 상기 기준광 대물 렌즈(51)를 통과한 상기 제 2 반사 분할광(R2)이 전달되는 위치 조정 미러(70); 상기 측정 대상 물체(40)를 투과하는 제 1 투과 분할광(T1) 또는 상기 측정 대상 물체(40)의 표면에서 반사된 상기 제 1 반사 분할광(R1), 및 상기 기준광 대물 렌즈(51)를 통과하여 상기 위치 조정 미러(70)에서 반사된 상기 제 2 반사 분할광(R2)이 상기 물체광 대물 렌즈(50)와 상기 기준광 대물 렌즈(51)를 각각 통과하여 상기 제 2 광 분할기(60)로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체(80); 및 상기 기록 매체(80)에서 전달된 상기 간섭 무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서(90)를 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1)의 프로세서(90)는 예를 들어, 마이크로프로세서, PC(Personal Computer) 등의 산술 연산이 가능한 장치로 구현되고, 또한 기록 매체(80)는 예를 들어 CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) 등의 이미지 센서로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1)는 그 프로세서(90)에 의해 빛 투과(Transmission) 물체 홀로그램과, 빛 반사(Reflection) 물체 홀로그램을 투과형 모드와 반사형 모드에 따라 선택적으로 획득할 수 있다. 즉 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형으로 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1)의 프로세서(90)는 위치 조정 미러(70)의 위치를 가변적으로 조절함으로써, 투과형 모드와 반사형 모드에서의 빛의 광경로 차이를 보정해준다. 이에 따라, 빛 투과 물체 홀로그램 또는 빛 반사 물체 홀로그램은 기록 매체(80)(예를 들어, CCD)를 통해 프로세서(90)로 전달되어 이미지 파일의 형태로 획득될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1)는 빛을 투과하는 물체를 측정하는 투과형 모드에서는 광원부(10)인 레이저에서 나온 빛이 제 1 광 분할기(20)를 통해 제 1 투과 분할광(T1)과 제 2 투과 분할광(T2)으로 나누어진다.
제 1 투과 분할광(T1)은 복수의 광학 거울(30)(31)에 각각 반사되어 측정 대상 물체(40)로 전달된 후 측정 대상 물체(40)를 통과하고, 그 후 물체광 대물 렌즈(50)을 통과하여 제 2 광 분할기(60)로 향한다. 본 발명의 실시예에서는, 복수의 광학 거울(30)(31)이 2개의 광학 거울로 구현되는 것으로 예시되어 있지만, 당업자라면 3개 이상의 광학 거울로 구현될 수 있다는 것을 충분히 이해할 수 있을 것이다. 한편 제 2 투과 분할광(T2)은 제 2 광 분할기(60) 및 기준광 대물 렌즈(51)를 통과하여 위치 조정 광학 미러(70)에서 반사된 후 다시 기준광 대물 렌즈(51)를 통과하여 제 2 광 분할기(60)로 향한다.
제 2 광 분할기(60)에서 만난 제 1 및 제 2 투과 분할광(T1)(T2)은 측정 대상 물체(40)의 빛을 투과하는 부분에 대한 간섭 무늬(빛 투과 물체 홀로그램)를 형성하게 된다. 여기서, 제 1 투과 분할광(T1)은 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광에 대응되고, 제 2 투과 분할광(T2)은 빛 투과 물체 홀로그램의 기준광에 대응된다.
한편, 빛을 반사하는 물체를 측정하는 반사형 모드에서는 광원부(10)인 레이저에서 나온 빛이 제 1 광 분할기(20)를 통해 제 1 투과 분할광(T1)과 제 2 투과 분할광(T2)으로 나누어진다.
제 2 투과광(T2)은 제 2 광 분할기(60)에 의해 제 1 반사 분할광(R1)과 제 2 반사 분할광(R2)으로 나누어진다. 제 1 반사 분할광(R1)은 물체광 대물 렌즈(50)를 통과하여 측정 대상 물체(40)에서 반사되어 다시 물체광 대물 렌즈(50)를 통과하여 제 2 광 분할기(60)로 향한다. 제 2 반사 분할광(R2)은 기준광 대물 렌즈(51)를 통과하여 위치 조정 광학 미러(70)에서 반사되고, 반사된 빛은 다시 기준광 대물 렌즈(51)를 통과하여 제 2 광 분할기(60)로 향한다.
제 2 광 분할기(60)에서 만난 제 1 반사 분할광(R1)과 제 2 반사 분할광(R2)은 측정 대상 물체(40)의 빛을 반사하는 부분에 대한 간섭 무늬(빛 반사 물체 홀로그램)를 형성하게 된다. 여기서, 제 1 반사 분할광(R1)은 빛 반사 물체 홀로그램의 물체광에 대응되고, 제 2 반사 분할광(R2)은 빛 반사 물체 홀로그램의 기준광에 대응된다.
이때 위치 조정 미러(70)의 위치를 예를 들어 PC로 구현되는 프로세서(90)로 조절함으로써, 투과형 모드와 반사형 모드에서 발생하는 빛의 광경로 차이를 보정해준다. 빛 투과 물체 홀로그램과 빛 반사 물체 홀로그램은 각각 기록 매체(80)인 CCD를 통해 프로세서(90)인 PC로 전달되어 이미지 파일의 형태로 획득된다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1)에 의해, 빛 투과 모드를 선택하여 측정하는 경우, 획득되는 빛 투과 물체 홀로그램은 측정 대상 물체(40)의 빛을 투과하는 부분에 대한 간섭 무늬이다. 이렇게 획득된 빛 투과 물체 홀로그램은 복소 공액 홀로그램으로 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
수학식 1 :
Figure 112017082370787-pat00001
여기서, x와 y는 공간 좌표를 나타내며,
Figure 112017082370787-pat00002
는 획득한 빛 투과 물체 홀로그램을 나타내고,
Figure 112017082370787-pat00003
는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광과 기준광을 나타내고,
Figure 112017082370787-pat00004
는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광과 기준광의 복소 공액을 나타낸다.
반면에, 빛 반사 모드를 선택하여 측정하는 경우, 획득되는 빛 반사 물체 홀로그램은 측정 대상 물체(40)의 빛을 반사하는 부분에 대한 간섭 무늬이다. 이렇게 획득된 빛 반사 물체 홀로그램은 복소 공액 홀로그램으로 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
수학식 2 :
Figure 112017082370787-pat00005
여기서, x와 y는 공간 좌표를 나타내며,
Figure 112017082370787-pat00006
는 획득한 빛 반사 물체 홀로그램을 나타내고,
Figure 112017082370787-pat00007
는 빛 반사 물체 홀로그램의 물체광과 기준광을 나타내고,
Figure 112017082370787-pat00008
는 빛 반사 물체 홀로그램의 물체광과 기준광의 복소 공액을 나타낸다.
이하에서는 상기 획득된 2가지 타입의 물체 홀로그램으로부터 물체의 3차원 형상을 복원하는 구체적인 방법을 기술하기로 한다.
구체적으로, 도 2 내지 도 4를 다시 참조하면, 상술한 바와 같이 프로세서(90)에 의해 투과형 모드가 선택되어 획득된 빛 투과 물체 홀로그램(도 3의 S21)에서 직류 및 허상 정보를 제거하기 위해 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 진행한다(도 3의 S3).
투과형 모드의 경우, 2차원 푸리에 변환으로 얻는 빛 투과 물체 홀로그램의 주파수 스펙트럼은 빛 투과 물체 홀로그램의 실상(Real image), 빛 투과 물체 홀로그램의 허상(Imaginary image), 직류(Direct Current: DC) 정보로 분리되어 나타난다(도 4의 S31). 분리된 빛 투과 물체 홀로그램의 허상 및 직류(DC) 정보를 제거하기 위해, 실상 좌표 정보(Real image spot-position)로부터 예를 들어 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘(Automatic real image spot-position extraction algorithm)을 적용하여 위상 정보를 추출한다(도 3의 S3 및 도 4의 S32).
그 후, 주파수 필터링 알고리즘(Frequency filtering algorithm)을 이용하여 빛 투과 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출한다(도 4의 S33).
추출된 기준광 정보의 보상 항(Term)을 계산하기 위해, 추출된 기준광 정보의 파수벡터 상수(Wavenumber vector constant)를 계산한다(도 4의 S34). 계산된 파수벡터 상수를 이용하여 추출된 기준광 정보의 보상 항(Term)을 계산한다(도 4의 S35). 이 경우, 추출된 기준광 정보의 보상 항(Term)은 빛 투과 물체 홀로그램의 켤레(Conjugate)항이다.
그 후, 홀로그램 측정 시 사용했던 물체광 대물 렌즈(51)의 수차(Curvature aberration)를 보상하기 위해 빛 투과 물체 홀로그램에서 수차(curvature) 정보를 추출한다(도 4의 S36). 이를 위해, 예를 들어, 자동 주파수 수차 보상 알고리즘(Automatic frequency curvature compensation algorithm)을 이용하여 수차(curvature) 정보 보상 항(Term)을 생성한다.
추출된 기준광 정보의 보상 항과 수차(curvature) 정보 보상 항을 빛 투과 물체 홀로그램에 곱하여 보상된 빛 투과 물체 홀로그램을 획득한다(도 3의 S5 및 도 4의 S37).
한편, 반사형 모드의 경우에도 2차원 푸리에 변환으로 획득한 빛 반사 물체 홀로그램도 상술한 투과형 모드와 마찬가지의 동일한 방법을 적용하여 보상된 빛 반사 물체 홀로그램을 획득한다. 이러한 방식으로 획득된 보상된 빛 투과 물체 홀로그램 및 보상된 빛 반사 물체 홀로그램은 각각 하기 수학식 3 및 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 3 :
Figure 112017082370787-pat00009
수학식 4 :
Figure 112017082370787-pat00010
여기서,
Figure 112017082370787-pat00011
및
Figure 112017082370787-pat00012
는 각각 보상된 빛 투과 물체 홀로그램, 및 보상된 빛 반사 물체 홀로그램이고,
Figure 112017082370787-pat00013
는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광 및 기준광이며,
Figure 112017082370787-pat00014
는 빛 반사 홀로그램의 물체광 및 기준광이고,
Figure 112017082370787-pat00015
는 빛 투과 물체 홀로그램의 기준광 정보의 보상 항이고,
Figure 112017082370787-pat00016
는 빛 투과 물체 홀로그램의 수차(curvature) 정보 보상 항이며,
Figure 112017082370787-pat00017
는 빛 반사 물체 홀로그램의 기준광 정보의 보상 항이고,
Figure 112017082370787-pat00018
는 빛 반사 물체 홀로그램의 수차(curvature) 정보 보상 항을 의미한다.
상기 수학식 3으로 표시된 보상된 빛 투과 물체 홀로그램은 각 스펙트럼 확산 알고리즘(Angular Spectrum Propagation algorithm)을 이용하여 복원 영상면(Reconstruction image plane)의 정보로 변환된다.
변환 보상된 물체 홀로그램으로부터 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier Transform)을 통해 위상 정보를 추출한다. 이때 획득되는 위상 정보는, 획득한 빛 투과 물체 홀로그램이 가지고 있는 측정 대상 물체(40)의 빛을 투과하는 부분의 위상 정보를 제외한 나머지 정보(즉, 빛의 정보, 물체광 대물 렌즈(50)의 수차 정보)를 제거한 형태로, 측정 대상 물체(40)의 빛을 투과하는 부분의 위상 정보만을 포함하고 있다.
동일한 방법을 보상된 빛 반사 물체 홀로그램에 적용하여 위상 정보를 추출한다. 이때 획득되는 위상 정보는, 획득한 빛 반사 물체 홀로그램이 가지고 있는 측정 대상 물체(40)의 빛을 반사하는 부분의 위상 정보를 제외한 나머지 정보(즉, 빛의 정보, 물체광 대물 렌즈(50)의 수차 정보)를 제거한 형태로, 측정 대상 물체(40)의 빛을 반사하는 부분의 위상 정보만을 포함하고 있다.
상기 측정 대상 물체(40)의 상기 추출된 빛을 투과하는 부분의 위상 정보와 상기 추출된 빛을 반사하는 부분의 위상 정보는 2차원 위상 펼침 알고리즘(2D phase unwrapping algorithm)을 이용하여 왜곡된 위상 정보를 각각 보상하고, 이를 이용하여 상기 측정 대상 물체(40)의 정량적인 두께 정보를 계산한다(도 3의 S5). 이러한 정량적인 두께 정보는 하기 수학식 5와 같이 표시될 수 있다.
수학식 5 :
Figure 112017082370787-pat00019
여기서,
Figure 112017082370787-pat00020
은 측정 대상 물체(40)의 정량적인 두께 정보이고,
Figure 112017082370787-pat00021
는 물체 홀로그램 획득 시 사용한 광원의 파장이며,
Figure 112017082370787-pat00022
는 측정 대상 물체(40)의 빛을 투과하는 부분의 위상 정보이고,
Figure 112017082370787-pat00023
는 측정 대상 물체(40)의 빛을 반사하는 부분의 위상 정보이며,
Figure 112017082370787-pat00024
는 측정 대상 물체(40)와 공기의 굴절률 차이를 의미한다. 계산된 물체의 정량적인 두께 정보를 이용하여 물체의 3차원 형상을 복원한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 방법을 나타내는 플로우챠트이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 방법은 a) 측정 대상 물체(40)의 물체 홀로그램의 2가지 측정 모드를 선택하는 단계(S1); b) 상기 선택된 측정 모드에 따라 상기 물체 홀로그램을 측정하는 단계(S2); c) 상기 측정된 물체 홀로그램의 직류, 허상, 수차 정보를 제거하는 단계(S3); d) 상기 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하는 단계(S4); 및 e) 상기 측정 대상 물체(40)의 3차원 형상 정보 및 정량적인 크기(두께) 정보를 복원하는 단계(S5)를 포함한다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 b) 단계는 빛 투과 모드의 물체 홀로그램을 측정하는 단계(S21) 또는 빛 반사 모드의 물체 홀로그램을 측정하는 단계(S22)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 빛 투과 모드의 측정 단계(S21)에서 획득되는 빛 투과 물체 홀로그램은 상기 측정 대상 물체(40)의 빛을 투과하는 부분에 대한 간섭 무늬에 대응되는 복소 공액 홀로그램으로 하기 수학식 1로 표기될 수 있다.
수학식 1 :
Figure 112017082370787-pat00025
여기서, x와 y는 공간 좌표를 나타내며,
Figure 112017082370787-pat00026
는 획득한 빛 투과 물체 홀로그램을 나타내고,
Figure 112017082370787-pat00027
는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광과 기준광을 나타내며,
Figure 112017082370787-pat00028
는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광과 기준광의 복소 공액을 나타낸다.
반면에, 상기 빛 반사 모드의 측정 단계(S22)에서 획득되는 빛 반사 물체 홀로그램은 측정 대상 물체(40)의 빛을 반사하는 부분에 대한 간섭 무늬에 대응되는 복소 공액 홀로그램으로 하기 수학식 2로 표시될 수 있다.
수학식 2 :
Figure 112017082370787-pat00029
여기서, x와 y는 공간 좌표를 나타내며,
Figure 112017082370787-pat00030
는 획득한 빛 반사 물체 홀로그램을 나타내고,
Figure 112017082370787-pat00031
는 빛 반사 물체 홀로그램의 물체광과 기준광을 나타내며,
Figure 112017082370787-pat00032
는 빛 반사 물체 홀로그램의 물체광과 기준광의 복소 공액을 나타낸다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 측정된 물체 홀로그램이 빛 투과 물체 홀로그램인 경우, 상기 c)단계는 c1) 상기 빛 투과 물체 홀로그램에서 직류 및 허상 정보를 제거하기 위해 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행하여 얻어지는 상기 빛 투과 물체 홀로그램의 주파수 스펙트럼을 상기 빛 투과 물체 홀로그램의 실상(Real image), 허상(Imaginary image), 및 직류(Direct Current) 정보로 분리시키는 단계; c2) 상기 분리된 빛 투과 물체 홀로그램의 허상 및 직류(DC) 정보를 제거하기 위해, 실상 좌표 정보(Real image spot-position)를 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘(Automatic real image spot-position extraction algorithm)을 적용하여 추출하는 단계; c3) 주파수 필터링 알고리즘(Frequency filtering algorithm)을 이용하여 상기 빛 투과 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하는 단계; c4) 상기 추출된 기준광 정보의 파수벡터 상수(Wavenumber vector constant)를 계산하는 단계; c5) 상기 계산된 파수벡터 상수를 이용하여 상기 추출된 기준광 정보의 보상 항(Term)을 계산하는 단계; c6) 상기 물체 홀로그램 측정 시 사용된 물체광 대물 렌즈(50)의 수차(Curvature aberration)를 보상하기 위해 상기 빛 투과 물체 홀로그램에서 수차(curvature) 정보를 추출하는 단계; 및 c7) 상기 보상 항 및 상기 수차 정보가 보상된 빛 투과 물체 홀로그램을 각 스펙트럼 확산 알고리즘(Angular Spectrum Propagation algorithm)을 이용하여 복원 영상면(Reconstruction image plane)의 정보로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, c6)단계는 자동 주파수 수차 보상 알고리즘(Automatic frequency curvature compensation algorithm)을 이용하여 수차(curvature) 정보 보상 항(Term)을 생성하는 단계; 및 상기 추출된 기준광 정보의 보상 항과 상기 수차 정보 보상 항을 상기 빛 투과 물체 홀로그램에 곱하여 상기 보상된 빛 투과 물체 홀로그램을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 반사형 모드의 경우에도 2차원 푸리에 변환으로 획득한 빛 반사 물체 홀로그램도 상술한 투과형 모드와 마찬가지의 동일한 방법을 적용하여 보상된 빛 반사 물체 홀로그램을 획득한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 보상된 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 보상된 빛 반사 물체 홀로그램은 하기 수학식 3 또는 수학식 4로 표시될 수 있다.
수학식 3 :
Figure 112017082370787-pat00033
수학식 4 :
Figure 112017082370787-pat00034
여기서,
Figure 112017082370787-pat00035
는 보상된 빛 투과 물체 홀로그램이고,
Figure 112017082370787-pat00036
는 보상된 빛 반사 물체 홀로그램이고,
Figure 112017082370787-pat00037
는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광 및 기준광이며,
Figure 112017082370787-pat00038
는 빛 반사 홀로그램의 물체광 및 기준광이고,
Figure 112017082370787-pat00039
는 빛 투과 물체 홀로그램의 기준광 정보의 보상 항이며,
Figure 112017082370787-pat00040
는 빛 투과 물체 홀로그램의 수차(curvature) 정보 보상 항이고,
Figure 112017082370787-pat00041
는 빛 반사 물체 홀로그램의 기준광 정보의 보상 항이며,
Figure 112017082370787-pat00042
는 빛 반사 물체 홀로그램의 수차(curvature) 정보 보상 항을 의미한다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 d)단계는 변환 보상된 물체 홀로그램을 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier Transform)을 통해 위상 정보를 추출하는 단계로 구현되고, 여기서 획득되는 위상 정보는 획득한 빛 투과 물체 홀로그램 또는 빛 반사 물체 홀로그램이 가지고 있는 상기 측정 대상 물체(40)의 빛을 투과하거나 반사하는 부분의 위상 정보를 제외한 나머지 정보(즉, 빛의 정보, 물체광 대물 렌즈(50)의 수차 정보)가 제거된 상기 측정 대상 물체(40)의 빛을 투과하거나 반사하는 부분의 위상 정보만을 포함하고 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법에서, 상기 e)단계는 상기 측정 대상 물체(40)의 빛을 투과하는 부분의 추출된 위상 정보 또는 빛을 반사하는 부분의 추출된 위상 정보를 2차원 위상 펼침 알고리즘(2D phase unwrapping algorithm)을 이용하여 왜곡된 위상 정보를 각각 보상하는 단계; 상기 보상된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체(40)의 정량적인 두께 정보를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 물체의 정량적인 두께 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체(40)의 3차원 형상을 복원하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 계산된 두께 정보는 하기 수학식 5로 표시될 수 있다.
수학식 5 :
Figure 112017082370787-pat00043
여기서,
Figure 112017082370787-pat00044
은 측정 대상 물체(40)의 정량적인 두께 정보이고,
Figure 112017082370787-pat00045
는 물체 홀로그램 획득 시 사용한 광원의 파장이며,
Figure 112017082370787-pat00046
는 물체의 빛을 투과하는 부분의 위상 정보이고,
Figure 112017082370787-pat00047
는 물체의 빛을 반사하는 부분의 위상 정보이고,
Figure 112017082370787-pat00048
는 물체와 공기의 굴절률 차이를 의미한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법에서는, 프로세서(90)를 이용하여 물체 홀로그램으로부터 계산된 디지털 기준 홀로그램을 직접 생성하여, 측정 대상 물체(40)의 3차원 정보를 복원할 수 있으므로, 종래 기술의 한 장의 물체 홀로그램 영상을 사용하는 원샷 방식의 디지털 홀로그래피 복원 시 요구되는 복잡한 광학 장치 구조 및 그에 따른 상당한 고가의 비용 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법에 따르면, 복원 장치가 프로세서(90)만을 추가적으로 사용하므로 그 전체 구성이 매우 간단하고 저가의 비용으로 홀로그래픽을 복원하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법에서는, 프로세서(90) 및 위치 조정 미러(70)를 제외한 다른 구성요소가 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치와 실질적으로 동일한 구성을 가지므로, 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치에 모두 용이하게 적용될 수 있는 범용성을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법에서는, 특히 종래 기술과는 달리 홀로그램 복원 시 기준광의 사용이 불필요하며, 실시간으로 측정 대상 물체(40)의 정량적인 3차원 영상 복원이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법에서는, 상술한 바와 같이 기준광을 사용함이 없이 실시간으로 측정 대상 물체(40)의 정량적인 3차원 영상 복원이 가능하므로, TFT 및 반도체와 같은 초 미세 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.
더구나, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법에서는, 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치를 통합한 하나의 일체형 시스템에 의해 투과 모드와 반사 모드를 선택적으로 선택하여 측정하는 물체의 광학적 특성과 관계없이 디지털 홀로그램을 측정할 수 있으므로, 추가적인 비용 문제의 해소가 가능하다.
이상으로 본 발명에 관하여 실시예를 들어 설명하였지만 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서는 얼마든지 수정 및 변형 실시가 가능하다.
10 : 광원부 20 : 제 1 광 분할기
30 : 제 1 광학 거울 31 : 제 2 광학 거울
40 : 측정 대상 물체 50 : 물체광 대물 렌즈
51 : 기준광 대물 렌즈 60 : 제 2 광 분할기
70 : 위치 조정 미러 80 : 기록 매체
90 : 프로세서

Claims (16)

  1. 홀로그래픽 복원 장치에 있어서,
    단일 파장 광을 방출하는 광원부;
    상기 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 제 1 투과 분할광과 제 2 투과 분할광으로 분할하는 제 1 광 분할기;
    상기 제 1 광 분할기에 의해 분할된 상기 제 1 투과 분할광을 반사시키는 복수의 광학 거울;
    상기 제 1 광 분할기에 의해 분할된 상기 제 2 투과 분할광을 제 1 반사 분할광과 제 2 반사 분할광으로 분할하는 제 2 광 분할기;
    상기 복수의 광학 거울에 의해 반사된 후 측정 대상 물체를 투과하는 상기 제 1 투과 분할광 또는 상기 제 2 광 분할기에 의해 분할된 상기 제 1 반사 분할광을 통과시키는 물체광 대물 렌즈;
    상기 제 2 광 분할기에 의해 분할된 상기 제 2 반사 분할광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈;
    상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 제 2 반사 분할광이 전달되는 위치 조정 미러;
    상기 측정 대상 물체를 투과하는 제 1 투과 분할광 또는 상기 측정 대상 물체의 표면에서 반사된 상기 제 1 반사 분할광, 및 상기 기준광 대물 렌즈를 통과하여 상기 위치 조정 미러에서 반사된 상기 제 2 반사 분할광이 상기 물체광 대물 렌즈와 상기 기준광 대물 렌즈를 각각 통과하여 상기 제 2 광 분할기로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및
    상기 기록 매체에서 전달된 상기 간섭 무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서에 의해 빛 투과(Transmission) 물체 홀로그램과, 빛 반사(Reflection) 물체 홀로그램을 투과형 모드와 반사형 모드에 따라 선택적으로 획득하고,
    상기 프로세서는 상기 선택적으로 획득된 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램인 각각의 경우에 대해,
    상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램에서 직류 및 허상 정보를 제거하기 위해 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행하여 얻어지는 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램의 주파수 스펙트럼을 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램의 실상(Real image), 허상(Imaginary image), 및 직류(Direct Current) 정보로 분리시키고,
    상기 분리된 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 분리된 빛 반사 물체 홀로그램의 허상 및 직류(DC) 정보를 제거하기 위해, 실상 좌표 정보(Real image spot-position)를 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘(Automatic real image spot-position extraction algorithm)을 적용하여 추출하고,
    주파수 필터링 알고리즘(Frequency filtering algorithm)을 이용하여 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하고,
    상기 추출된 기준광 정보의 파수벡터 상수(Wavenumber vector constant)를 계산하고,
    상기 계산된 파수벡터 상수를 이용하여 상기 추출된 기준광 정보의 보상 항(Term)을 계산하고,
    물체 홀로그램 측정 시 사용된 상기 물체광 대물 렌즈의 수차(Curvature aberration)를 보상하기 위해 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램에서 수차(curvature) 정보를 추출하고,
    상기 보상 항 및 상기 수차 정보가 보상된 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램을 각 스펙트럼 확산 알고리즘(Angular Spectrum Propagation algorithm)을 이용하여 복원 영상면(Reconstruction image plane)의 정보로 변환하는
    홀로그래픽 복원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 빛 투과 물체 홀로그램은 상기 측정 대상 물체의 빛을 투과하는 부분에 대한 간섭 무늬에대응되는 복소 공액 홀로그램으로 하기 수학식 1
    수학식 1 :
    Figure 112017082370787-pat00049

    로 표시되고, 여기서, x와 y는 공간 좌표를 나타내며,
    Figure 112017082370787-pat00050
    는 획득한 빛 투과 물체 홀로그램을 나타내고,
    Figure 112017082370787-pat00051
    는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광과 기준광을 나타내고,
    Figure 112017082370787-pat00052
    는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광과 기준광의 복소 공액을 나타내는
    홀로그래픽 복원 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 빛 반사 물체 홀로그램은 상기 측정 대상 물체의 빛을 반사하는 부분에 대한 간섭 무늬에 대응되는 복소 공액 홀로그램으로 하기 수학식 2
    수학식 2 :
    Figure 112017082370787-pat00053

    로 표시되고, 여기서, x와 y는 공간 좌표를 나타내며,
    Figure 112017082370787-pat00054
    는 획득한 빛 반사 물체 홀로그램을 나타내고,
    Figure 112017082370787-pat00055
    는 빛 반사 물체 홀로그램의 물체광과 기준광을 나타내고,
    Figure 112017082370787-pat00056
    는 빛 반사 물체 홀로그램의 물체광과 기준광의 복소 공액을 나타내는
    홀로그래픽 복원 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 빛 투과 물체 홀로그램은
    상기 제 1 투과 분할광 및 상기 제 2 투과 분할광에 의해 상기 측정 대상 물체의 빛을 투과하는 부분에 대해 형성된 간섭 무늬인 것을 특징으로 하는
    홀로그래픽 복원 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 빛 반사 물체 홀로그램은
    상기 제 1 반사 분할광 및 상기 제 2 반사 분할광에 의해 상기 측정 대상 물체의 빛을 반사하는 부분에 대해 형성된 간섭 무늬인 것을 특징으로 하는
    홀로그래픽 복원 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 위치 조정 미러의 위치를 조절하여 상기 투과형 모드와 반사형 모드에서의 빛의 광경로 차이를 보정하고,
    상기 빛 투과 물체홀로그램과 상기 빛 반사 물체 홀로그램은 상기 기록 매체로부터 상기 프로세서로 전달되어 이미지 파일의 형태로 획득되는
    홀로그래픽 복원 장치.
  7. 홀로그래픽 복원 방법에 있어서,
    a) 측정 대상 물체의 물체 홀로그램의 2가지 측정 모드를 선택하는 단계(S1);
    b) 상기 선택된 모드에 따라 상기 물체 홀로그램을 측정하는 단계(S2);
    c) 상기 측정된 물체 홀로그램의 직류, 허상, 수차 정보를 제거하는 단계(S3);
    d) 상기 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하는 단계(S4); 및
    e) 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 및 정량적인 두께 정보를 복원하는 단계(S5)를 포함하고,
    상기 c)단계는 상기 측정된 물체 홀로그램이 빛 투과 물체 홀로그램 또는 빛 반사 물체 홀로그램인 각각의 경우에 대해,
    c1) 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램에서 직류 및 허상 정보를 제거하기 위해 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행하여 얻어지는 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램의 주파수 스펙트럼을 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램의 실상(Real image), 허상(Imaginary image), 및 직류(Direct Current) 정보로 분리시키는 단계(S31);
    c2) 상기 분리된 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 분리된 빛 반사 물체 홀로그램의 허상 및 직류(DC) 정보를 제거하기 위해, 실상 좌표 정보(Real image spot-position)를 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘(Automatic real image spot-position extraction algorithm)을 적용하여 추출하는 단계(S32);
    c3) 주파수 필터링 알고리즘(Frequency filtering algorithm)을 이용하여 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하는 단계(S33);
    c4) 상기 추출된 기준광 정보의 파수벡터 상수(Wavenumber vector constant)를 계산하는 단계(S34);
    c5) 상기 계산된 파수벡터 상수를 이용하여 상기 추출된 기준광 정보의 보상 항(Term)을 계산하는 단계(S35);
    c6) 상기 물체 홀로그램 측정 시 사용된 물체광 대물 렌즈의 수차(Curvature aberration)를 보상하기 위해 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램에서 수차(curvature) 정보를 추출하는 단계(S36); 및
    c7) 상기 보상 항 및 상기 수차 정보가 보상된 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램을 각 스펙트럼 확산 알고리즘(Angular Spectrum Propagation algorithm)을 이용하여 복원 영상면(Reconstruction image plane)의 정보로 변환하는 단계(S37)를 포함하는
    홀로그래픽 복원 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 b)단계는 빛 투과 모드의 물체 홀로그램을 측정하는 단계(S21) 또는 빛 반사 모드의 물체 홀로그램을 측정하는 단계(S22)를 포함하는
    홀로그래픽 복원 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계(S21)에서 획득되는 상기 빛 투과 물체 홀로그램은 상기 측정 대상 물체의 빛을 투과하는 부분에 대한 간섭 무늬에 대응되는 복소 공액 홀로그램으로 하기 수학식 1
    수학식 1 :
    Figure 112017082370787-pat00057

    로 표시되고, 여기서, x와 y는 공간 좌표를 나타내며,
    Figure 112017082370787-pat00058
    는 획득한 빛 투과 물체 홀로그램을 나타내고,
    Figure 112017082370787-pat00059
    는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광과 기준광을 나타내고,
    Figure 112017082370787-pat00060
    는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광과 기준광의 복소 공액을 나타내는
    홀로그래픽 복원 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계(S22)에서 획득되는 상기 빛 반사 물체 홀로그램은 상기 측정 대상 물체의 빛을 반사하는 부분에 대한 간섭 무늬에 대응되는 복소 공액 홀로그램으로 하기 수학식 2
    수학식 2 :
    Figure 112017082370787-pat00061

    로 표시되고, 여기서, x와 y는 공간 좌표를 나타내며,
    Figure 112017082370787-pat00062
    는 획득한 빛 반사 물체 홀로그램을 나타내고,
    Figure 112017082370787-pat00063
    는 빛 반사 물체 홀로그램의 물체광과 기준광을 나타내고,
    Figure 112017082370787-pat00064
    는 빛 반사 물체 홀로그램의 물체광과 기준광의 복소 공액을 나타내는
    홀로그래픽 복원 방법.
  11. 삭제
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 c6)단계는 자동 주파수 수차 보상 알고리즘(Automatic frequency curvature compensation algorithm)을 이용하여 수차(curvature) 정보 보상 항(Term)을 생성하는 단계; 및 상기 추출된 기준광 정보의 보상 항과 상기 수차 정보 보상 항을 상기 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 빛 반사 물체 홀로그램에 곱하여 상기 보상된 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 보상된 빛 반사 물체 홀로그램을 획득하는 단계를 포함하는
    홀로그래픽 복원 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 보상된 빛 투과 물체 홀로그램 또는 상기 보상된 빛 반사 물체 홀로그램은 하기 수학식 3 또는 수학식 4
    수학식 3 :
    Figure 112017082370787-pat00065

    수학식 4 :
    Figure 112017082370787-pat00066

    로 표시되고, 여기서,
    Figure 112017082370787-pat00067
    는 보상된 빛 투과 물체 홀로그램이고,
    Figure 112017082370787-pat00068
    는 보상된 빛 반사 물체 홀로그램이고,
    Figure 112017082370787-pat00069
    는 빛 투과 물체 홀로그램의 물체광 및 기준광이고,
    Figure 112017082370787-pat00070
    는 빛 반사 홀로그램의 물체광 및 기준광이고,
    Figure 112017082370787-pat00071
    는 빛 투과 물체 홀로그램의 기준광 정보의 보상 항이고,
    Figure 112017082370787-pat00072
    는 빛 투과 물체 홀로그램의 수차(curvature) 정보 보상 항이고,
    Figure 112017082370787-pat00073
    는 빛 반사 물체 홀로그램의 기준광 정보의 보상 항이고,
    Figure 112017082370787-pat00074
    는 빛 반사 물체 홀로그램의 수차(curvature) 정보 보상 항을 나타내는
    홀로그래픽 복원 방법.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 d)단계는 변환 보상된 물체 홀로그램을 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier Transform)을 통해 위상 정보를 추출하는 단계로 구현되고, 여기서 획득되는 위상 정보는 획득한 빛 투과 물체 홀로그램 또는 빛 반사 물체 홀로그램이 가지고 있는 상기 측정 대상 물체의 빛을 투과하거나 반사하는 부분의 위상 정보를 제외한 나머지 정보가 제거된 상기 측정 대상 물체의 빛을 투과하거나 반사하는 부분의 위상 정보만을 포함하는
    홀로그래픽 복원 방법.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 e)단계는 상기 측정 대상 물체의 빛을 투과하는 부분의 추출된 위상 정보 또는 상기 측정 대상 물체의 빛을 반사하는 부분의 추출된 위상 정보를 2차원 위상 펼침 알고리즘(2D phase unwrapping algorithm)을 이용하여 왜곡된 위상 정보를 각각 보상하는 단계;
    상기 보상된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체의 상기 정량적인 두께 정보를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체의 상기 3차원 형상을 복원하는 단계를 포함하는
    홀로그래픽 복원 방법
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 계산된 측정 대상 물체의 두께 정보는 하기 수학식 5
    수학식 5 :
    Figure 112017082370787-pat00075

    로 표시되고, 여기서.
    Figure 112017082370787-pat00076
    은 상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보이고,
    Figure 112017082370787-pat00077
    는 물체 홀로그램 획득 시 사용한 광원의 파장이고,
    Figure 112017082370787-pat00078
    는 상기 측정 대상 물체의 빛을 투과하는 부분의 위상 정보이고,
    Figure 112017082370787-pat00079
    는 상기 측정 대상 물체의 빛을 반사하는 부분의 위상 정보이고,
    Figure 112017082370787-pat00080
    는 상기 측정 대상 물체와 공기의 굴절률 차이를 나타내는
    홀로그래픽 복원 방법.
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