KR102049373B1 - 스펙트럼 영상처리 방법, 스펙트럼 영상처리 시스템 및 제어 유닛 - Google Patents

스펙트럼 영상처리 방법, 스펙트럼 영상처리 시스템 및 제어 유닛 Download PDF

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Abstract

물체의 스펙트럼 데이터의 재구성에 사용하기 위한 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 시스템은 검출기의 픽셀 매트릭스; 픽셀 매트릭스의 전방에 있는 동조 가능한 분산 유닛; 및 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은, n회의 이미지 포착 세션들 동안 분산 유닛을 동조시켜, 분산 유닛의 n개의 상이한 부분적으로 중첩되는 스펙트럼 투과 프로파일들을 제공하기 위한 제어기; 및 검출기와 데이터 통신 상태에 있고, 상기 n회의 이미지 포착 세션들에서 각각 픽셀 매트릭스에 의해 생성된 n개의 이미지 데이터 부분들을 처리하도록 구성되어 동작 가능한 제어 유닛으로서, n개의 이미지 데이터 부분들의 각각은, 픽셀 매트릭스에 의해 검출되고 분산 유닛의 다른 스펙트럼 투과 프로파일에 대응하는 스펙트럼 이미지를 나타내고, 물체의 재구성된 스펙트럼 데이터를 결정하는, 제어 유닛을 포함한다.

Description

스펙트럼 영상처리 방법, 스펙트럼 영상처리 시스템 및 제어 유닛
본 발명은 영상처리 기술 분야이며, 스펙트럼 영상처리를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
스펙트럼 영상처리는 이미지 평면의 모든 위치에서 물체에 관한 적어도 일부 스펙트럼 정보를 제공하는 것을 목표로 한다. 다중 스펙트럼 영상처리, 하이퍼 스펙트럼 영상처리, 완전한 스펙트럼 영상처리, 영상처리 분광기 또는 화학 영상처리를 포함하여 다양한 스펙트럼 영상처리 기술들이 개발되었다. 스펙트럼 이미지들은 종종 데이터 큐브(data cube)의 한 유형인 이미지 큐브로 표현된다.
다중 스펙트럼(MS) 및 하이퍼 스펙트럼(HS) 큐브들은 여러 방법으로 획득될 수 있다. 일부 시스템들(HS 이미저를 구현하기 위한 위스크부룸(whiskbroom), 푸시부룸(pushbroom) 및 동조가능 필터를 사용하는)은 단순한 재구성을 수반하는 3D HS 큐브의 1D 또는 2D 하위세트의 다중 포착들에 의존한다. 일부 다른 시스템들은 스펙트럼 정보(베이어(Bayer) CFA와 유사)로 분해능을 절충하고 공간-스펙트럼 재구성 알고리즘들을 요구하는 다색 센서들을 포함한다[Y. Monno, M. Tanaka 및 M. Okutomi에 의한 IS&T/SPIE 전자 영상처리의 회보(EI2012)의 Digital Photography VIII, Vol.8299, 페이지 829900-1-7, 2012년 1월; Y. Murakami, M. Yamaguchi 및 N. Ohyama에 의한 "Hybrid-resolution multispectral imaging using color filter array", Opt. Express 20, 7173-7183(2012) 참조)].
최근에는 여러 가지 HS 스냅샷 포착 기술들이 개발되었다. 그들 중 일부는 HS 이미지가 희박한 것으로 추정되는 압축된 센싱에 기반을 두고, 데이터를 압축하기 위해 영상처리 시스템 내에서 추가적인 광학 요소가 사용된다. 이러한 기술들은 다음 출판물들에 기술되어 있다: A. Stern에 의한 "Compressed imaging system with linear sensors, "(Opt. Lett. 32, 3077-3079(2007)); A. Wagadarikar, R. John, R. Willett, 및 D. Brady에 의한 "Single disperser design for coded aperture snapshot spectral imaging, "(Appl. Opt. 47, B44-B51(2008)); C. Li, T. Sun, K. F. Kelly 및 Y. Zhang.에 의한 "A compressive sensing and unmixing scheme for hyperspectral data processing."(IEEE_J_IP 21(3), pp. 1200-1210. 2012); M. A. Golub, M. Nathan, A. Averbuch, E. Lavi, V. A. Zheludev, 및 A. Schclar에 의한 "Spectral multiplexing method for digital snapshot spectral imaging,"(Appl. Opt. 48, 1520-1526(2009)).
그러나 이들 기술들은 영상 처리되는 장면의 사전 지식을 요구하며, 또한 일반적으로 낮은 광 효율을 겪고, 그러한 기술을 구현하는 시스템은 다소 복잡하다.
통합 필드 분광 시스템들에 관해, 이 시스템들의 공통적인 기본 원리는 스펙트럼 정보가 공간 해상도로 절충된다는 점에서 라이트 필드(light field) 카메라들과 유사하다. 따라서, 검출된 광의 스펙트럼 대역들의 수는 분해능 저하 비율과 동일하다. 렌즈릿 배열, 섬유 배열, 이미지 슬라이서 및 마이크로-슬라이서와 같은 통합 필드 하이퍼-스펙트럼 영상처리 기술들은 모두 이러한 거동을 나타낸다. 또 다른 알려진 해결책은, 다수의 다중 스펙트럼 하위-이미지를 센서 상에 형성하기 위하여 격자의 회절 차수에 따라 입사광을 발산시키는 2D 격자의 사용에 관한 것이고; 이것은 재구성 알고리즘들을 수반한다. 이 방법은 빠른 하이퍼 스펙트럼 큐브 포착을 허용하지만, 결과 이미지는 낮은 공간 분해능을 겪고; 또한 필요한 설정은 일반 카메라에 통합될 수 없다.
본 발명은 임의의 장면의 완전한 하이퍼 스펙트럼 큐브를 획득할 수 있게 하는 하이퍼 스펙트럼 영상처리를 위한 새로운 기술을 제공한다. 본 발명은 완전한 공간 해상도 및 스펙트럼 해상도를 갖는 하이퍼 스펙트럼 큐브의 획득을 제공한다. 이 기술은 장면의 예비 정보나 추가 가정들을 요구하지 않는다.
본 발명의 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템은 넓은 스펙트럼 필터/에탈론(etalon), 예를 들어, 검출기의 픽셀 매트릭스의 전방, 즉 입력 광 전파 방향에 대해 픽셀 매트릭스의 상류에 배치된 넓은 투과 피크를 갖는 투명한 개구의 페브리-페로(Fabry-Perot) 에탈론을 포함한다. 이 시스템은 장면의 다수의 프레임들을 획득하기 위해 "다중-노출(multiple-exposure)" 모드로 동작하면서, 에탈론의 다수의 상이한, 부분적으로 중첩되는 투과 곡선들을 사용한다. 보다 구체적으로 시스템은, 에탈론의 다른 투과 함수, 즉 에탈론의 약간 변위된 투과 피크를 각각 갖는 프레임들의 세트를 획득하도록 동작한다. 투과 프로파일들은 더 많은 빛을 포착하기 위해 넓으며, 결과적으로 신호 대 잡음비를 향상시킨다. 따라서, 각 프레임은 파장의 미리-결정된 가중 합으로 획득되고, 각각의 2개의 노출들(프레임들)의 스펙트럼 프로파일들은 상당히 중첩될 수 있다. 획득에 뒤이어, 스펙트럼 재구성 알고리즘들은 이미지의 스펙트럼을 복구하기 위해 적용된다. 일반적으로 스펙트럼 대역들의 수는 노출들의 수와 동일하다.
따라서, 본 발명은, 완전한 공간 및 스펙트럼 해상도들을 갖는 임의의 장면의 완전한 하이퍼 스펙트럼 큐브의 획득을 제공하면서, 각 프레임 내에서 파장의 가중 합을 획득을 허용하는 넓은 스펙트럼의 투과 프로파일들을 갖는 동조 가능한 분산 요소(스펙트럼 필터)를 추가로 구비한 표준 공간 영상처리 시스템의 단순한 구성을 갖는다. 본 발명의 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템은 컬러(Bayer) 및 단색 이미지 센서들 모두에 통합될 수 있다. 투명한 개구의 페브리-페로 에탈론 또한 표준 컬러 영상처리에 사용될 수 있고, 따라서 이중-목적(dual-purpose) 영상처리 시스템(표준 컬러 + 하이퍼 스펙트럼)을 가능케 한다. 각 프레임이 노이즈 함량이 감소된 상태로 획득되므로 시스템은 노이즈 성능을 개선시킨다.
본 발명의 접근법은 일반적이고, UV/VIS/NIR을 포함하는 다중 영상처리 시나리오들에 적합할 수 있고; 센서에 의존하지 않는다. 본 발명의 영상처리 시스템은 산업 카메라들, 감시 카메라들, 의료 디바이스들, 품질 제어 장비, 화학 화합물 및 생물학적 조직들을 검사하기 위한 분광계 시스템들에 통합될 수 있다.
본 발명은 본 출원의 양수인에게 양도되었고, 본 명세서에 참고로 통합된 미국 특허출원 제62/075,972호에 기술된 하이퍼 스펙트럼 영상처리 기술을 이용한다. 본 기술은 입력 라이트 필드의 광학 이미지를 생성하면서 입력 라이트 필드에 각도 코딩을 적용하고, 따라서 하이퍼 스펙트럼 이미지 데이터(하이퍼 스펙트럼 큐브)의 각도 다중화(multiplexing)를 제공하는 것에 기반한다. 이 기술은 N개의 스펙트럼 대역의 재구성을 허용하기 위해 픽셀 어레이의 적어도 N개의 픽셀에 영상처리될 수 있는 크기의 물체에 대해 효과적으로 동작 가능하다.
본 발명의 기술은 단일-픽셀 물체들까지의 매우 작은 물체들의 효과적인 스펙트럼 재구성을 제공한다. 이를 위해, 본 발명은 넓은 스펙트럼 에탈론의 상이한 투과 함수들을 갖는 다중-노출 접근법을 이용한다.
동조 가능한 에탈론은 비교적 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐, 또한 바람직하게는 충분한 자유 스펙트럼 범위(FSR)를 갖는 동조 가능성을 위해 구성된다. 또한, 정확한 컬러 이미지들을 생성할 수 있도록, 에탈론은 바람직하게는 낮은 정밀도(finesse)(즉, 충분히 넓은 스펙트럼 투과 피크)로 구성된다. 이것은 한편으로는 정확한(예를 들어, 충실한) 컬러를 갖는 이미지의 생성을 제공하고, 다른 한편으로 충분한 광이 센서(픽셀 매트릭스)로 전달되도록 허용한다.
전형적으로 에탈론은 한 쌍의 실질적으로 평행하고, 갭(광학 거리)만큼 서로 이격된, 일반적으로 반사성인 표면들(reflexctive surfaces)을 포함한다. 일반적으로, 이러한 에탈론의 투과 함수(T)는 파장(λ), 두 표면의 투과율 및 이들 표면 간의 갭 값의 함수이다. 주어진 반사성 표면들(즉, 이들의 주어진 투과율(들))에 의해 형성된 에탈론에 대해, 에탈론의 투과율은 파장 및 갭의 함수(T(λ, 갭))이다. 따라서, n개 프레임들(n회의 노출들)의 이미지 포착 동안 n개의 상이한 갭 값들의 시퀀스를 제공하기 위해 반사 표면들 사이의 갭을 제어 가능하게 변화시킴으로써, 각각 에탈론의 상이한 n개의 투과 함수들이 입력 라이트 필드(light field)에 적용되고, 이들은 검출기의 픽셀 매트릭스에 의해 n개의 파장들(λ1, ..., λn)의 광 성분들의 검출에 상이하게 영향을 미친다. 이것은 n개 프레임들의 이미지 데이터를 처리함으로써 물체의 스펙트럼의 재구성을 허용한다.
따라서, 본 발명의 하나의 광범위한 양상에 따르면, 물체의 스펙트럼 데이터를 재구성하는데 사용하기 위한 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템이 제공되며, 이러한 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템은:
검출기의 픽셀 매트릭스;
픽셀 매트릭스 앞에 있는 분산 유닛; 및
제어 시스템을 포함하고, 이러한 제어 시스템은, n회의 이미지 포착 세션들 동안 분산 유닛을 동조시켜 n개의 상이한 부분적으로 중첩되는 분산 유닛의 스펙트럼 투과 프로파일들을 제공하기 위한 제어기; 및 검출기와 데이터 통신 상태에 있고, 상기 n회의 이미지 포착 세션들에서 각각 픽셀 매트릭스에 의해 생성된 n개의 이미지 데이터 부분들을 처리하도록 구성되어 동작 가능한 제어 유닛으로서, n개의 이미지 데이터 부분들의 각각은, 상기 픽셀 매트릭스에 의해 검출되고 분산 유닛의 다른 스펙트럼 투과 프로파일에 대응하는 스펙트럼 이미지를 나타내고, 물체의 재구성된 스펙트럼 데이터를 결정하는, 제어 유닛을 포함한다.
분산형 유닛의 투과 프로파일은 파장 및 분산형 유닛의 동조 가능한 파라미터(예를 들어, 갭)의 함수이다. 복수의 이미지 데이터 부분들은 분산 유닛의 복수의 투과 프로파일들 및 결정될 물체의 스펙트럼의 함수이다.
분산형 유닛은 스펙트럼 필터, 예를 들면, 넓은 스펙트럼 범위로 구성된 에탈론을 포함한다. 분산 유닛을 통한 광의 통과는 픽셀 매트릭스에서 이미지 데이터의 파장 다중화를 제공하여, 픽셀에서 검출된 광 강도가 분산 유닛의 투과 함수(분산 프로파일/패턴)로 다중화된 이미지의 스펙트럼 데이터에 대응한다.
상이한 투과 프로파일들을 순차적으로 생성하여 물체의 순차적인 프레임을 획득하기 위해, 분산 유닛을 동조하도록 구성되어 동작 가능한 제어기는 검출기와 관련된 제어 유닛과 통합되거나 별도의 유틸리티일 수 있다.
다른 양상에 따르면, 본 발명은 물체의 스펙트럼 데이터를 재구성하는데 사용하기 위한 영상처리 방법을 제공한다. 이 방법은: 서로 상이하고 부분적으로 중첩되는 n개의 미리 결정된 분산 프로파일들을 영상 처리되는 광에 순차적으로 적용하고, 이에 의해 물체의 n개의 상이한 스펙트럼 이미지들을 나타내는 n개의 이미지 데이터 부분들을 획득하고, 미리 결정된 n개의 분산 프로파일들에 관한 데이터를 이용하여 n개의 이미지 데이터 부분들을 처리하면서, 검출기의 픽셀 매트릭스 상에 물체의 n회의 영상처리 세션들을 수행함으로써, 복수의 n개의 이미지 프레임들을 순차적으로 획득하는 단계; 및 영상 처리되는 물체의 n개의 스펙트럼 대역들을 재구성하는 단계를 포함한다.
광에 분산 프로파일의 적용은 광을 분산 패턴과 상호 작용시킴으로써 달성된다. 이미지 데이터 부분은 대응하는 분산 프로파일 및 결정될 물체의 스펙트럼의 함수이다.
본 발명은 추가 양상에서, 물체의 스펙트럼 데이터를 재구성하기 위한 제어 유닛을 제공한다. 제어 유닛은 입력 이미지 데이터를(영상처리 시스템으로부터 또는 저장 디바이스로부터 직접) 수신하고 처리하도록 구성된다. 수신된 이미지 데이터는 픽셀 매트릭스에 의해 얻어진 n개의 스펙트럼 이미지들에 대응하는 n개의 이미지 데이터 부분들을 나타내는 데이터를 포함하고, 여기서 n개의 스펙트럼 이미지들 각각은 상이한 분산 프로파일에 의해 코딩된 광에 의해 형성된다. 제어 유닛은 각각의 n개의 이미지 데이터 부분들과 관련하여 n개의 분산 프로파일을 나타내는 데이터를 이용하고 물체의 스펙트럼 데이터를 결정하도록 구성되어 동작 가능한 분석기를 포함한다.
본 명세서에 개시된 요지를 더 잘 이해하고, 실제로 어떻게 수행될 수 있는지 예시하기 위해, 첨부된 도면을 참조하여 비-제한적인 예들로서 실시예들이 이제 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템의 블록도.
도 2는 본 발명의 시스템에서의 광 투과 방식을 더 구체적으로 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 시스템에 사용하기에 적합한 페브리-페로 에탈론을 개략적으로 도시하는 도면.
도 4는 파장 및 에탈론의 반사면들 사이의 갭의 함수로서 에탈론의 투과 곡선에 대한 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면.
본 발명의 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템(100)을 블록도로서 도시하는 도 1을 참조한다. 영상처리 시스템(100)은 검출기의 픽셀 매트릭스 유닛(104)에 의해 한정된 영상처리 면(imaging plane) (IP)의 전방(상류)에 위치시키기 위한 광학 유닛(102) 및 제어 시스템(105)을 포함한다. 제어 시스템(105)은 픽셀 매트릭스(104)로부터 이미지 데이터를 수신하고 수신된 데이터를 처리하기 위하여, 픽셀 매트릭스(104)의 판독 회로와 데이터 통신을 수행하도록 구성된 제어 유닛(106)을 포함한다. 제어 유닛(106)은 픽셀 매트릭스 유닛(104)과 일체형 일 수 있다, 예컨대, 픽셀 매트릭스 유닛(104)의 판독 회로의 소프트웨어 모듈일 수 있다.
광학 유닛(102)은 와이드 스펙트럼 필터(108)인 동조 가능한 분산 유닛/요소를 포함한다. 예를 들어, 넓은 투과 피크를 갖는 투명 개구 패브리-페로 에탈론이 사용될 수 있다.
제어 유닛(106)은 특히 inter alia 데이터 입력 및 출력 유틸리티들(도시하지 않음), 메모리 모듈(106A), 픽셀 매트릭스 유닛(104)으로부터의 이미지 데이터를 분석하도록 적응된 분석기 모듈(106B)을 포함한다. 이것은 더 구체적으로 아래에서 추가로 기술될 것이다.
제어 시스템(105)에 또한 제공되는 것은, 에탈론(108)의 동조를 제어하고 동조 가능한 파라미터의 변동에 관한 데이터를 제공하도록 구성된 제어기(107)이다. 제어기는 제어 유닛(106)의 일부일 수 있거나, 별개의 모듈 일 수 있거나, 또는 에탈론(108)의 일부일 수 있다. 에탈론의 동조는 그 스펙트럼 투과 프로파일(투과 함수)을 제어 가능하게 변화시키는 것, 즉, 그것을 통과하는 광의 분산 패턴을 제어 가능하게 변화시키는 것을 목표로 한다. 패브리-페로형 에탈론의 경우, 에탈론(108)의 동조 가능한 파라미터는 그의 반사성 표면들 사이의 갭이다. 제어기(107)는 동조 절차를 작동시키고 동조 가능한 파라미터(예컨대 gap1,...,gapN)의 상이한 값들에 관한 데이터를 제공하거나, 또는 에탈론(T1,...,TN)의 대응하는 투과 함수들에 관한 데이터를 제공한다.
도 2에 예시된 바와 같이, 에탈론(108)은 광학 축(OA)을 따라 그로부터 이격되어 있는 검출기의 영상처리 렌즈 모듈(109)의 전방에 위치되는 것이 바람직하다. 픽셀 매트릭스(104)는 전형적으로 렌즈 모듈(109)의 후방 초점면에 위치한 영상처리 평면(IP)에 위치한다.
도 3은 다양한 스펙트럼 투과 곡선들을 제공하도록 동조 가능한 에탈론(108)의 구성을 더 구체적으로 예시한다. 동조 가능한 에탈론(108)은 바람직하게는 카메라의 광학 경로에 적합하도록 충분히 얇다(thin). 이 예의 동조 가능한 에탈론(108)은 2 개의 반사기들(반사 표면들)(S1 및 S2)에 의해 형성된 투명 개구의 패브리-페로 에탈론으로 구성된다. 반사기들(S1 및 S2)은 표면들 중 적어도 하나를 다른 표면에 대해 이동시킴으로써, 가변/조정 가능한 갭(에탈론 간격)만큼 이격되어, 에탈론의 스펙트럼 투과 프로파일을 변화시킨다. 도면에 도시된 바와 같이, 반사기들(S1 및 S2)의 내부 표면들은 높은 굴절률을 갖는 코팅들(C1 및 C2)을 구비하여, 에탈론의 상대적으로 넓은 스펙트럼 투과 피크를 제공할 수 있고, 거울들(S1 및 S2) 중 적어도 하나의 외측 표면은 반사 방지 코팅을 구비할 수 있고 - 본 예(example)에 거울들(S1 및 S2) 상의 2개의 이러한 반사 방지 코팅들(AR1 및 AR2)이 도시되어 있다.
에탈론(108)의 반사 표면들(S1 및 S2) 중 적어도 하나는 반사 표면들 사이의 갭을 제어를 제공하는 액츄에이터(들) 상에 장착/연결된다. 액츄에이터(들)는 압전 액츄에이터(들) 및/또는 정전 MEMS 액츄에이터와 같은 MEMS 액추에이터를 포함할 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로 에탈론(108)은 반사 표면들(S1 및 S2) 사이의 공간에 배치된 전기-광학 매체(media)를 포함할 수 있다. 이러한 전기 광학 매체는 반사면들 사이의 광학 거리에 걸쳐 제어를 제공하도록 구성되어 동작 가능하다.
다시 도 1을 참조하면, 영상처리 시스템(100)은 다중-노출 모드에서 동작한다, 즉 각각이 (상이한 광 분산 패턴과의 입력 광의 상호 작용의 결과로서) 관심 영역의 상이한 스펙트럼 이미지인 프레임들의 세트/시퀀스를 획득한다. 각각의 노출 또는 영상처리 세션(각 프레임 포착) 동안, 관심 영역으로부터 전파하는 입력 라이트 필드(Lin)는 특정 투과 프로파일(즉, 투과 피크의 스펙트럼 위치)을 갖는 에탈론(108)을 통과하는데, 이러한 특정 투과 프로파일은 다른 노출들/영상처리 세션들의 것과는 상이한 특정 값의 갭에 의해 한정된다. 결과 스펙트럼 이미지(resulting spectral image)는 픽셀 매트릭스에 의해 검출된다. 각각이 약간의 변위된 투과 피크를 가진 프레임들의 세트가 획득된다. 따라서, n개의 갭 값들을 설정함으로써 달성되는 에탈론의 n개의 상이하고 부분적으로 중첩하는 투과 프로파일들(Ti, ... TN)로 수행되는 n회의 노출 도중에 n개의 상이한 스펙트럼 이미지들이 검출된다. 투과 프로파일들은 폭이 넓어 더 많은 광을 포착하고 결과적으로 신호 대 잡음비를 향상시킨다.
도 4는 파장 및 에탈론의 반사 표면들 사이의 갭의 함수로서 에탈론의 투과 곡선들에 대한 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 이 시뮬레이션에서, 400nm~700nm의 스펙트럼 범위 내에서 투과 곡선들을 제공하는 광역 동조가능 스펙트럼 필터(페브리-페로 에탈론)이 고려된다.
전형적으로, 영상처리 시스템에서, 각각의 픽셀은 상이한 각도들로 상기 픽셀에 입사하는 광선들의 전체 강도를 측정한다. 에탈론(108)을 통한 광 경로는, 입력 광의 각각의 파장 성분이 에탈론의 투과 프로파일에 의해 상이하게 영향을 받는다. 따라서, 픽셀 매트릭스(104) 내의 각각의 픽셀은 다수의 가중화되고 수정된 스펙트럼(multiple weighted modified spectra)의 적분 강도를 측정한다. 따라서, 각 프레임은 파장의 미리-결정된 가중 합계로 획득된다. 각 두 개의 노출들(프레임들)의 스펙트럼 프로파일들은 상당히 겹칠 수 있다. 검출된 스펙트럼 대역들의 수는 노출들의 수와 동일하다.
제어 유닛(106)은, n개의 상이한 갭들에 의해 한정된 에탈론의 n개의 상이한 투과 프로파일들로 n개 프레임들의 포착 동안 검출된 스펙트럼 이미지를 나타내는 n개의 이미지 데이터 부분들(I1, ..., IN)의 형태로 픽셀 매트릭스의 출력을 수신한다. 이러한 이미지 데이터 부분들은 메모리(106A)에 저장될 수 있다. 갭 값들의 변동은 제어기(107)에 의해 관리되고, 따라서 에탈론의 대응하는 투과 프로파일들이 인식된다. 갭들 및/또는 대응하는 투과 프로파일들의 값들은 또한 메모리에 저장될 수 있다.
분석기(106B)는 영상 처리되는 물체의 스펙트럼을 검출/재구성하기 위하여 이미지 데이터(I1, ..., IN)를 처리하기 위한 투과 프로파일의 데이터를 이용한다. 이미지 데이터는 다음과 같이 기록될 수 있다:
Figure 112019060090234-pct00001
위 식에서 R은 N개 스펙트럼 대역들을 갖는 물체로부터 스펙트럼 반사율이고, I는 노출당 스펙트럼 강도이고, T는 갭 및 파장의 함수인 필터(에탈론)의 투과율이고, C는 정상화 인자이다.
따라서 물체의 반사율 벡터는 다음과 같이 재구성될 수 있다:
Figure 112019060090234-pct00002
노출 횟수가 필요한 스펙트럼 해상도를 초과하는 경우, 최소 평균 제곱(at least mean squares)과 같은 오류 최소화가 적용될 수 있다. 대안적으로, 스펙트럼 해상도(스펙트럼 대역들)는 노출 횟수까지 증가될 수 있다.
상술한 바와 같이, 에탈론은 바람직하게는 넓은 스펙트럼 범위 내에서 동조 가능하다. 상기 동조는 반사기들(S1 및 S2) 사이의 갭을 변화시킴으로써 달성된다. 이러한 넓은 스펙트럼 범위의 동조 가능한 에탈론은 반사기들 사이의 폭과 갭 사이에 높은 종횡비를 요구할 수 있고, 또한 갭은 반사기들 사이의 매우 근접한 거리(예를 들어, 수십 나노미터)로 변하도록 조정될 수 있어야 한다. 또한, 상술한 바와 같이, 갭 변동은 반사기들 중 적어도 하나를 다른 반사기에 대하여 제어 가능하게 이동시키도록 동작 가능한 액츄에이터(들), 예컨대 MEMs-기반 액추에이터(들)와 반사기들 중 적어도 하나를 결합시킴으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 영상 처리 시스템에 사용되기에 적합한 동조 가능한 MEMS-기반 에탈론의 일 예는 본 출원의 양수인에게 양도되었고, 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허출원 제62/192,658호에 기술되어 있다.
따라서, 본 발명은 물체/장면의 스펙트럼의 재구성을 가능하게 하는 새롭고, 간단하며 효과적인 하이퍼 스펙트럼 영상처리 기술을 제공한다. 본 발명은 영상 처리되는 물체/장면에 대한 임의의 예비 정보 없이 완전한 공간 해상도 및 스펙트럼 해상도를 갖는 하이퍼 스펙트럼 큐브를 획득하는 것을 제공한다.

Claims (14)

  1. 물체(object)의 스펙트럼 데이터를 재구성하는데 사용하기 위한 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템으로서:
    검출기의 픽셀 매트릭스(pixel matrix);
    상기 픽셀 매트릭스 앞에 있는 분산 유닛(dispersive unit); 및
    제어 시스템을 포함하고,
    상기 제어 시스템은, n회의 이미지 포착 세션들(acuisition sessions) 동안 상기 분산 유닛을 동조시켜(tuning), n개의 상이한 부분적으로 중첩되는 상기 분산 유닛의 스펙트럼 투과 프로파일들(transmission profiles)을 제공하기 위한 제어기; 및 상기 검출기와 데이터 통신 상태에 있고, 상기 n회의 이미지 포착 세션들에서 각각 상기 픽셀 매트릭스에 의해 생성된 n개의 이미지 데이터 부분들을 처리하도록 구성되어 동작 가능한 제어 유닛으로서, 상기 n개의 이미지 데이터 부분들의 각각은, 상기 픽셀 매트릭스에 의해 검출되고 상기 분산 유닛의 다른 스펙트럼 투과 프로파일에 대응하는 스펙트럼 이미지를 나타내고, 물체의 재구성된 스펙트럼 데이터를 결정하는, 제어 유닛을 포함하는, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산 유닛은 넓은 스펙트럼 범위로 구성된 에탈론(etalon)을 포함하는, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산 유닛의 투과 프로파일은 파장 및 상기 분산 유닛의 동조 가능한 파라미터의 함수인, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 이미지 데이터 부분들은 상기 분산 유닛의 상기 복수의 투과 프로파일들 및 상기 물체의 스펙트럼의 함수인, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산 유닛을 통한 광의 통과는 상기 픽셀 매트릭스에서 이미지 데이터의 파장 다중화(multiplexing)를 제공하여, 상기 픽셀에서의 검출된 광 강도가 상기 분산 유닛의 투과 함수로 다중화된 이미지의 스펙트럼 데이터에 대응하는, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 분산 유닛은 투명 개구(clear aperture)의 패브리-페로 에탈론(Fabry-Perot etalon)으로 구성되는, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 영상처리 시스템은 이중-목적(dual-purpose) 영상처리 시스템으로 구성되어 동작 가능하고, 표준 컬러 영상처리 모드 및 하이퍼 스펙트럼 영상처리 모드에서 선택적으로 동작하는, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기는 단색 또는 컬러 검출기로서 구성되는, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 물체의 상기 n개의 이미지 데이터 부분들(I1, ..., IN) 및 n개의 스펙트럼 대역들(R(λ1) ..., R(λN)) 사이의 다음의 관계:
    Figure 112019060090234-pct00003
    를 이용하여, 상기 n 개의 이미지 데이터 부분들을 처리하고, 상기 물체의 재구성된 스펙트럼 데이터를 결정하도록 구성되어 동작 가능하고, 위 식에서 T는 상기 분산 유닛의 동조 가능한 파라미터인 갭(gap) 및 파장(λ)의 함수인 분산 유닛의 투과율(transmission)이고, C는 정상화 인자(normalization factor)인, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 시스템.
  10. 물체의 스펙트럼 데이터를 재구성하는데 사용하기 위한 하이퍼 스펙트럼 영상처리 방법으로서:
    서로 상이하고 부분적으로 중첩되는 n개의 미리 결정된 분산 프로파일들을, 영상처리되는 광에, 분산 유닛에 의해, 순차적으로 적용하고, 이에 의해 상기 물체의 n개의 상이한 스펙트럼 이미지들을 나타내는 n개의 이미지 데이터 부분들을 획득하고, 상기 미리 결정된 n개의 분산 프로파일들에 관한 데이터를 이용하여 상기 n개의 이미지 데이터 부분들을 처리하면서, 검출기의 픽셀 매트릭스 상에 상기 물체의 n회의 영상처리 세션들을 수행함으로써, 복수의 n개의 이미지 프레임들을 순차적으로 획득하는 단계; 및 영상 처리되는 상기 물체의 n개의 스펙트럼 대역들을 재구성하는 단계를 포함하는, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 분산 유닛에 의해 상기 광을 분산 패턴과 상호 작용시키는 것을 포함하는, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 이미지 데이터 부분들을 나타내는 데이터는 대응하는 분산 프로파일들 및 상기 물체의 스펙트럼의 함수인, 하이퍼 스펙트럼 영상처리 방법.
  13. 물체의 스펙트럼 데이터를 재구성하기 위한 제어 유닛으로서,
    상기 제어 유닛은, 수신된 픽셀 매트릭스에 의해 얻어진 n개의 스펙트럼 이미지들에 대응하는 n개의 이미지 데이터 부분들을 나타내는 데이터를 포함하는 입력 데이터를 수신하도록 구성되고, 상기 n개의 스펙트럼 이미지들 각각은 상이한 분산 프로파일에 의해 코딩되고, 상기 제어 유닛은, 각각의 n개의 이미지 데이터 부분들과 관련하여 상기 n개의 분산 프로파일을 나타내는 데이터를 이용하고, 상기 물체의 스펙트럼 데이터를 결정하도록 구성되어 동작 가능한 분석기를 포함하는, 제어 유닛.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 물체의 상기 n개의 이미지 데이터 부분들(I1, ..., IN) 및 n개의 스펙트럼 대역들(R(λ1) ..., R(λN)) 사이의 다음의 관계:
    Figure 112019060090234-pct00004
    를 이용하여, 상기 n 개의 이미지 데이터 부분들을 처리하고, 상기 물체의 재구성된 스펙트럼 데이터를 결정하도록 구성되어 동작 가능하고, 위 식에서 T는 상기 n개의 분산 프로파일들을 적용한 분산 유닛의 동조 가능한 파라미터인 갭 및 파장(λ)의 함수인 분산 유닛의 투과율이고, C는 정상화 인자인, 제어 유닛.
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