KR102064593B1

KR102064593B1 - 표면 진단기

Info

Publication number: KR102064593B1
Application number: KR1020170125054A
Authority: KR
Inventors: 주철민; 이원찬; 김수철
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2020-02-11
Also published as: KR20190036158A

Abstract

명시야, 광차등 위상차 영상을 통해 표면 상태를 분석할 수 있도록 하는 표면 진단기(10)에 관한 것으로, 단파장의 빛으로 샘플을 조사하는 광원부(110)와 상기 샘플에서 반사되거나 상기 샘플을 투과하는 빛을 수용하고, 상기 샘플의 이미지를 검출하는 이미지 센서(150) 및 상기 광원부(110) 및 상기 이미지 센서(150) 사이에 배치되고, 상기 광원부(110)에서 배출된 빛을 위치에 따라 서로 다른 경로를 통하여 상기 이미지 센서(150)에 도착하도록 안내하는 광 분리부(130)를 포함한다.

Description

표면 진단기{TOPOLOGY FOR SURFACE}

본 발명은 스마트 폰을 기반으로 하는 표면 진단기에 관한 것으로, 렌즈와 광원부 및 이미지 센서로 구성된 일반적인 영상장치의 푸리에 평면에 광 분리부를 설치하여 명시야, 광차등 위상차 영상을 통해 표면 상태를 분석할 수 있도록 하는 표면 진단기에 관한 것이다.

표면 촬영을 통해 외부에 노출되는 물체의 표면을 육안으로 파악할 수 있도록 도와주는 표면 측정장치는 피부와 두피의 건강 상태 또는 건물의 표면이나 내력벽의 크랙을 미리 감지하는 등 물체의 표면 구조를 측정하는데 사용되고 있다.

표면 측정장치는 물체의 표면을 촬영하는 카메라 모듈과 촬영한 표면의 영상 데이터를 분석하는 컴퓨터와 분석된 결과를 영상으로 출력하는 디스플레이 장치로 이루어져 있다.

다양한 물체의 표면을 측정하는 표면 측정장치로 피부를 측정하게 되면, 피부 표면의 건강 상태와 질환을 파악하는데 도움을 주며, 피부의 단위 면적당 피부 조직 상태, 두피의 상태 또는 모발 밀도 등을 파악할 수 있다. 그리고 수술이나 치료된 피부의 경과 상태를 확인하는데 이용되기도 한다. 건물의 경우, 시간이 흐름에 따라 콘크리트 구조물이 손상되고 노후화 되기 때문에 건물이나 교량 등의 표면 균열에 대해 조사 하는데 사용되고 있다. 이를 통해 콘크리트 구조물의 기능을 유지시켜 수명을 연장하게 하는 등 정밀 안전 진단을 위해 매우 중요하다.

피부와 건물뿐만 아니라 미세한 크기의 부품이나 장치의 파손 유무와 도색 작업이 제대로 되었는지 확인하기 위해 표면 측정장치를 활용하고 있다.

예를 들어, 한국 등록특허공보 제10-1647103호(등록일자: 2016.08.03)은 피부 구조 측정 방법에 관한 것으로, 복수개의 광원을 통해 복수개의 이미지를 취득하고, 피부 구조를 진찰하게 된다.

하지만 기존의 표면 진단기는 복수개의 광원이 순차적으로 빛을 조사하고, 조사한 빛으로부터 영상을 취득하기 때문에 영상을 취득하는데 많은 시간이 소요되었다.

한국 등록특허공보 제10-1647103호(등록일자: 2016.08.03)

본 발명은 신속하게 표면을 진단하기 위한 영상을 취득하고자 한다.

본 발명은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 광학계를 가지고 단순한 구조의 진단기를 제작하고자 한다.

본 발명은 경제적이면서, 영상을 취득하기 효과적인 진단기를 제작하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 렌즈와 광원부 및 이미지 센서로 구성된 일반적인 영상장치의 푸리에 평면에 광 분리부를 설치하여 명시야, 광차등 위상차 영상을 통해 표면 상태를 분석할 수 있도록 하는 표면 진단기에 관한 것으로, 샘플의 표면을 측정하는 표면 진단기에 있어서, 단파장의 빛으로 샘플을 조사하는 광원부와 상기 샘플에서 반사되거나 상기 샘플을 투과하는 빛을 수용하고, 상기 샘플의 이미지를 검출하는 이미지 센서 및 상기 광원부 및 상기 이미지 센서 사이에 배치되고, 상기 광원부에서 배출된 빛을 위치에 따라 서로 다른 경로를 통하여 상기 이미지 센서에 도착하도록 안내하는 광 분리부를 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광원부에서 배출되고, 상기 샘플에서 반사되거나 상기 샘플을 투과하는 빛을 수집하는 대물렌즈를 더 포함하고, 상기 광분리부는 상기 대물렌즈 및 상기 이미지 센서 사이에 배치된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 대물렌즈에 의하여 수집된 빛은 푸리에 평면에 도달하고, 상기 광분리부는 상기 푸리에 평면에 배치되며, 상기 광분리부는 빛이 상기 푸리에 평면을 통과할 때 상기 푸리에 평면에서의 위치에 따라 빛을 서로 다른 경로를 통하여 상기 이미지 센서로 안내한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광분리부는 서로 다른 복수개의 렌즈로 이루어진 렌즈 어레이이고, 상기 렌즈 어레이을 구성하는 각 렌즈별로 빛을 분리하여 서로 다른 경로로 상기 이미지 센서에 도달하도록 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 렌즈 어레이는 방사상으로 배치되는 복수개의 렌즈를 포함하고, 상기 복수개의 렌즈는 90도 각도로 배치된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광분리부는 각뿔 형상의 프리즘인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 프리즘은 사각뿔로 형성되고, 상기 프리즘의 각 측면으로 빛이 유입되며, 상기 프리즘의 각 측면에 유입된 빛은 서로 다른 경로를 통하여 상기 이미지 센서에 도달된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광분리부는 서로 다른 복수의 LCD 패턴을 포함하는 LCD 모듈이고, 상기 LCD 모듈을 구성하는 각각의 LCD 패턴별로 빛을 분리하여 서로 다른 경로로 상기 이미지 센서에 도달하도록 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 LCD 모듈은 적어도 3개 이상의 서로 다른 형상의 패턴을 갖는 LCD 패턴이 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 대물렌즈를 통과한 빛은 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하는 릴레이 렌즈를 통하여 상기 광분리부에 안내된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광분리부를 통과한 빛은 튜브 렌즈를 통하여 상기 이미지 센서로 안내된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광분리부를 통하여 서로 다른 경로를 통하여 상기 이미지 센서로 안내된 복수의 빛은 서로 다른 위상 정보를 포함하고, 상기 이미지 센서는 상기 서로 다른 위상 정보를 갖는 복수의 빛에 의하여 검출된 이미지들을 모두 합쳐서 명시야 이미지를 획득한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광분리부가 상기 광원부에서 배출되어 상기 샘플에서 반사되거나 상기 샘플을 투과하는 빛을 4개 영역으로 구분하여 4방향으로 빛을 안내하는 경우에는 2방향의 광차등 위상차 이미지를 구현하고, 상기 광분리부가 상기 대물렌즈에서 배출된 빛을 3개 영역으로 구분하여 3방향으로 빛을 안내하는 경우에는 3방향의 광차등 위상차 이미지를 구현한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광 분리부는 도넛 형상의 원형 띠로 형성되어, 상기 광원부의 일 측에 결합되고, 수평방향의 편광과 수직방향의 편광을 분리하는 편광필터와 상기 편광필터에서 분리된 수평방향의 편광과 수직방향의 편광이 유입되며, 상기 푸리에 평면 상에 위치하는 복굴절부를 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 복굴절부는 방해석, 수정, 전기석, 운모, 애라거나이트 가운데 적어도 하나를 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광원부는 레이저 또는 LED 광원을 사용한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 이미지 센서에서 검출된 샘플의 이미지를 이용하여 샘플의 표면 상태를 디스플레이하는 디스플레이부가 더 포함된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 디스플레이부는 스마트폰인 것으로 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 샘플의 표면을 측정하는 표면 진단기에 있어서, 단파장의 빛으로 샘플을 조사하는 광원부와 샘플에서 반사되는 빛을 수집하는 대물렌즈와 상기 대물렌즈에서 수집된 빛을 수용하고, 상기 샘플의 이미지를 검출하는 이미지 센서 및 상기 대물렌즈 및 상기 이미지 센서 사이에 배치되고, 상기 대물렌즈에서 배출된 빛을 일부영역에서 차단하거나, 각 영역의 빛의 진행 방향을 서로 다르게 하여 상기 이미지 센서에 도착하도록 안내하는 광 분리부를 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광분리부는 서로 다른 형상을 갖는 복수의 LCD 패턴이 방사상으로 배치되는 LCD 모듈인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광원 분리부는 도넛 형상의 원형 띠로 형성되어, 수평방향의 편광과 수직방향의 편광을 분리하는 편광필터가 상기 광원부 상단에 위치하며, 상기 편광필터에서 분리된 수평방향의 편광과 수직방향의 편광이 유입되는 복굴절부가 상기 대물렌즈에 의해 형성되는 푸리에 평면 상에 위치한다.

본 발명에 따른 표면 진단기는 한 번의 촬영을 통해 복수개의 이미지를 획득 하는 효과가 있다.

본 발명에 따른 표면 진단기는 기존의 표면 진단기보다 신속하게 이미지를 획득할 수 있다.

본 발명에 따른 표면 진단기는 이미지를 획득하기 위한 구성이 단순하며, 휴대하기 용이하다.

도 1은 본 발명에 따른 표면 진단기에 대한 전체도,
도 2는 본 발명에 따른 표면 진단기를 사용하는 모습,
도 3은 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조의 배치도,
도 4는 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조의 배치도에 대한 실시예,
도 5는 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조의 배치도에 대한 또 다른 실시예,
도 6은 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조에 편광필터를 사용한 실시예,
도 7은 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조를 릴레이 광학계로 적용한 배치도,
도 8은 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조를 릴레이 광학계로 적용한 배치도에 대한 실시예,
도 9는 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조를 릴레이 광학계로 적용한 배치도에 대한 또 다른 실시예.
도 10은 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조를 편광필터가 구비된 릴레이 광학계로 적용한 배치도에 대한 실시예.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 표면 진단기에 대한 전체도와 사용하는 모습을 보여주고 있다.

피부의 표면(S)을 진단하여 피부의 건강 상태 또는 질환을 파악할 수 있도록 해주는 표면 진단기(10)는 프로브(100)와 프로브(100)에 구비된 케이블(300)을 디스플레이부(200)에 연결하여 사용할 수 있도록 한다. 프로브(100)는 표면(S)을 촬영하는 다수의 렌즈와 이를 인식하는 이미지 센서(150)가 구비되어 있으며, 촬영한 표면의 데이터를 디스플레이부(200)로 전송 시키고, 디스플레이부(200)는 전달받은 데이터를 이미지화 하여 육안으로 확인할 수 있도록 한다.

피부의 표면(S)을 진단하기 위해서는 우선, 프로브(100)를 진단하고자 하는 피부에 위치시킨 다음, 피부에 밀착시켜 피부의 표면(S)을 촬영하게 된다. 프로브(100)가 표면(S)을 충분히 촬영하게 되면, 프로브(100)는 촬영한 영상의 데이터를 케이블(300)을 통해 디스플레이부(200)로 전달하게 된다. 데이터를 전달받은 디스플레이부(200)는 전달받은 표면(S)의 데이터를 이미지화하여 확인할 수 있도록 해준다.

프로브(100)는 피부에 빛을 조사하는 광원부(110)와 표면(S)에서 반사된 빛을 모아주는 렌즈 및 반사된 빛으로부터 전달받은 데이터를 처리하는 이미지 센서(150)로 이루어져 있다.

디스플레이부(200)는 프로브(100)로부터 전달받은 데이터를 이미지화하는 장치로 모니터 또는 휴대가 용이한 핸드폰을 이용할 수도 있을 것이며, 이미지화 할 수 있는 장치라면 어느 것이라도 좋을 것이다.

표면 진단기(10)는 피부 표면(S)뿐만 아니라 다양한 물체의 표면(S)을 촬영하고 이를 이미지화하여 확인할 수 있다. 또한 프로브(100)에 구비된 케이블(300)을 통해 핸드폰과 같은 디스플레이가 구비된 디스플레이부(200)와 간편하게 연결하여 사용할 수 있기 때문에 장소에 구애 받지 않고 사용할 수 있으며, 휴대성이 용이하다.

도 3은 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조의 배치도이다.

표면(S) 촬영을 위한 표면 진단기 중 프로브(100)의 내부 구조를 보여주는 것으로, 광원부(110), 대물렌즈(120)와 광 분리부(130) 및 이미지 센서(150)가 동일 선상에 설치되어 있다.

광원부(110)가 단파장의 빛(L1)으로 피부 표면(S)을 조사하면, 표면(S)에서 반사되는 빛(L2)을 대물렌즈(120)가 집광하여 이미지 센서(150)로 전달하게 된다.

이때 집광된 빛이 이미지 센서(150)에 바로 투과되기 전에 대물렌즈(120)와 이미지 센서(150) 사이에 위치하는 광 분리부(130)를 통과하게 된다. 광 분리부(130)는 렌즈 어레이(132)를 사용하였으며, 렌즈 어레이(132)는 광원부(110)에서 배출된 빛을 위치에 따라 서로 다른 경로를 통하도록 빛을 분리하는 역할을 한다. 렌즈 어레이(132)는 서로 다른 복수개의 렌즈로 이루어져 있으며, 각각의 렌즈는 방사상으로 90도 각도를 유지한 체 배치되어 있다.

렌즈 어레이(132)가 배치되는 정확한 위치는 대물렌즈(120)에 의해 수집된 빛인 푸리에 평면(F)에 위치하게 된다. 따라서 렌즈 어레이(132)를 통과하는 빛은 각 렌즈가 빛을 분리하여 서로 다른 경로로 빛을 이미지 센서(150)에 도달하도록 한다. 즉, 푸리에 평면(F)을 통과하는 빛은 푸리에 평면(F)의 위치에 따라 서로 다른 경로를 통해 이미지 센서(150)로 안내 받게 된다.

이미지 센서(150)는 렌즈 어레이(132)를 통과한 빛인 명시야 이미지와 광차등 위상차 이미지를 표면 진단 알고리즘을 이용하여 분석하게 되며, 이를 통해 피부 표면(S)의 거칠기, 상태 및 질환을 파악할 수 있게 된다.

명시야 이미지는 렌즈 어레이(132)의 각 렌즈가 분리한 빛이 통과하여 이미지 센서(150)에서 생성한 이미지를 모두 더한 것으로, 렌즈 어레이(132)의 각 렌즈를 통과한 빛에는 서로 다른 위상 정보를 가지고 있다. 명시야 이미지는 다음의 식을 이용하여 그 값을 얻을 수 있다.

광차등 위상차 이미지는 렌즈 어레이(132)의 각 렌즈가 빛을 분리하는 개수에 따라 서로 다른 방법으로 광차등 위상차 이미지를 얻을 수 있다. 예를 들어, 렌즈 어레이(132)가 4개의 렌즈로 구성되어 있다면, 4개로 나뉘어진 빛에 대한 2방향의 광차등 위상차 이미지를 구현하게 되며, 다음의 식을 이용하여 광차등 위상차 이미지 값을 얻을 수 있다.

3개의 렌즈로 이루어진 렌즈 어레이(132)는 3개의 빛에 대한 3방향의 광차등 위상차 이미지를 획득할 수 있게 되며, 다음의 식을 이용하여 그 값을 구할 수 있다.

이때, l, m, n, k 는 푸리에 평면에서 각 영역을 의미하며,

의 관계를 만족시켜야 할 것이다.

렌즈 어레이(132)와 같은 광 분리부(130)가 구비된 표면 진단기(10)는 한 번 조사한 빛으로 푸리에 평면(F)에 빛을 모은 다음, 서로 다른 경로로 분리하여 복수개의 이미지를 획득하게 된다. 따라서 기존의 표면 진단기(10) 보다 신속하게 피부 표면 이미지를 획득할 수 있게 된다.

도 4와 도 5는 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조의 배치도에 대한 다양한 실시예이다.

각각의 표면 진단기(10)는 상기에서 설명한 표면 진단기(10)의 내부 구조가 거의 동일하게 배치되어 있다. 다만, 대물렌즈(120)에 의해 형성되는 푸리에 평면(F)에 위치하는 광 분리부(130)로, 도 4는 각뿔 형상의 프리즘(134)을 사용하였으며, 도 5는 복수개의 LCD 패턴을 포함하는 LCD 모듈(136)을 이용한다.

각뿔 형상의 프리즘(134)은 기본적으로 사각뿔을 사용하고 있으며, 상황에 따라 다각뿔을 이용할 수도 있을 것이다. 대물렌즈(120)에서 빛이 투과되어 형성된 푸리에 평면(F)에 각뿔의 꼭지점이 향하도록 위치시켜, 프리즘(134)의 각 측면으로 빛이 유입되도록 한다. 프리즘(134)의 각 측면으로 유입된 빛은 각 면을 통해 서로 다른 경로를 통하여 이미지 센서(150)로 빛을 분리하여 도달하게 한다.

LCD 모듈(136)은 적어도 3개 이상의 LCD 패턴을 포함하는 하나의 LCD 모듈(136)일 수 있다. LCD 모듈(136)은 적어도 3개 이상의 서로 다른 형상을 갖는 LCD 패턴이 방사상으로 배치되어 3등분원으로 형성될 수 있다. 따라서 광원부(110)에서 배출된 빛이 LCD 모듈(136)을 통과하게 되면, 각각의 LCD 패턴에 유입된 빛은 서로 다른 경로로 진행하게 되고, 이에 따라 적어도 3개 이상의 방향으로 진행하는 빛으로 분리되며, 각기 다른 LCD 패턴을 통과된 빛은 서로 다른 경로를 통하여 이미지 센서(150)에 도달하게 된다. 이때, LCD 모듈(136)이 빛을 배출하기 위하여 전압 등이 인가되어 구동되어야 하는 것은 물론이다.

한편, 프리즘(134)과 LCD 모듈(136)을 구비한 프로브(100a)에는 프리즘(134)과 LCD 모듈(136)을 통과한 빛을 집광하여 이미지 센서(150)로 안내하는 튜브렌즈(140)가 더 포함되어 있다.

프리즘(134)이나 LCD 모듈(136)과 같은 광 분리부(130)로 빛의 경로가 나누어진 빛은 서로 다른 경로로 튜브렌즈(140)를 통과하여 이미지 센서(150)로 도달하게 되며 이 빛은 서로 다른 위상 정보를 포함하고 있다. 이미지 센서(150)는 서로 다른 위상 정보를 갖는 복수의 빛에 의하여 검출된 이미지를 모두 합쳐서 명시야 이미지를 획득하게 된다.

또한 광 분리부(130)를 통과한 빛이 4개의 영역으로 구분하여 4방향으로 빛을 안내하는 경우, 2방향의 광차등 위상차 이미지를 구현하며, 3개의 영역으로 빛을 안내하는 경우에는 3방향의 광차등 위상차 이미지를 구현하게 된다. 이때 광 분리부(130)를 통과하는 빛은 서로 다른 방향을 갖는 경로를 통하여 이미지 센서(150)로 안내되며, 각각 서로 다른 위상 정보를 갖게 된다.

명시야 이미지 값과 광차등 위상차 이미지 값은 도 3에서 언급한 바와 동일한 방법과 식을 통해 그 값을 얻을 수 있다.

이미지 센서(150)가 각 이미지에 대한 정보를 전달받게 되면, 표면 진단 알고리즘을 통해 영상화 하여 육안으로 확인할 수 있도록 한다. 다만, 알고리즘을 처리하는 컴퓨터의 성능이 부족할 경우에는 먼저 이미지에 대한 정보를 취득한 다음 데이터를 처리하여 영상을 취득할 수 있다. 이미지 센서(150)의 영상 취득 속도는 CCD 또는 CMOS의 속도에 따라 결정된다.

광 분리부(130)가 구비된 표면 진단기(10)는 기존의 명시야 이미지와 광차등 위상차 이미지를 구현하기 위한 고가의 광학계를 사용하지 않는다. 주요 부품으로 LED, 렌즈 어레이, 프리즘, LCD와 같이 상대적으로 저렴한 부품을 사용하고 있기 때문에 경제적인 표면 진단기(10)를 생산할 수 있게 될 것이다.

또한 한 번이 또는 세 번의 광 조사를 통해 광위상차 영상을 얻을 수 있으며, 30fps 수준의 광위상차 영상을 얻을 수 있어, 기존의 표면 진단기 보다 더 빠르게 피부 표면을 진단할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조에 편광필터를 사용한 실시예에 관한 것이다.

도 4와 도 5에서 언급한 표면 진단기(10)의 내부 구조와 거의 동일하게 구성되어 있지만, 광 분리부(130)인 편광필터(138)가 광원부(110) 상단에 위치하고 있다. 또한 편광필터(138)를 통과한 빛이 푸리에 평면(F) 상에 위치하는 복굴절부(142)를 거쳐 이미지 센서(150)에 도달하게 된다.

표면(S)에 반사되는 빛이 편광필터(138)를 통과하게 된다. 편광필터(138)는 다양한 방향에서 출렁이면서 진동하는 빛을 특정한 방향으로 진동하는 빛만 통과시키게 한다. 즉, 두개의 영역으로 구분된 편광필터(138)는 각각의 영역에서 입사광의 x축과 y축을 구분하여 특정 방향으로 진동하는 빛인 수직편광과 수평편광을 통과시키게 된다. 일례로, 편광필터(138)는 도넛형상의 원형 띠로 형성될 수 있으며, 편광필터(138)의 좌측 반원은 수평방향(x축 방향)으로 진동하는 편광을 통과시킬 수 있고, 우측 반원은 수직방향(y축 방향)으로 진동하는 편광을 통과시킬 수 있다.

이와 같이 수평방향으로 진동하는 편광과 수직방향으로 진동하는 편광은 대물렌즈(120)를 지나 복굴절부(142)로 유입된다. 이때, 복굴절부(142)는 대물렌즈(120)에 의해 형성되는 푸리에 평면(F) 상에 위치하게 된다.

복굴절부(142)는 직교하는 선평광에 대해서 각기 다른 굴절률을 갖는 물질로서, 복굴절부(142)에 유입된 수평방향으로 진동하는 편광과 수직방향으로 진동하는 편광은 서로 위상 속도 및 굴절 방향이 달라지게 된다.

이와 같은 방법으로 한번의 노광으로 두 개의 영상을 얻을 수 있으며, 이 두 개의 영상으로 한 방향으로의 광차등 위상차 영상을 얻을 수 있게 된다. 이에 따라 수직인 방향의 광차등 위상차 영상은 샘플 또는 편광필터(138)와 복굴절 매질(142)를 90도 회전하여 전술한 방법과 같이 두 개의 영상을 얻어 생성이 가능하다.

다시 말해, 복굴절부(142)는 이미지 센서(150)로 빛을 각각 분리하여 입사시켜 주게 되기 때문에 한번의 촬영을 통해 빛의 파장별로 표면에 대한 복수개의 이미지를 획득할 수 있게 된다. 복굴절부(142)는 방해석을 주로 사용하며, 이 밖에도 수정, 전기석, 운모 애라거나이트 등을 사용할 수 있을 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조를 릴레이 광학계로 적용한 배치도를 보여주고 있다.

프로브(100b)의 내부 구조를 보면, 빛을 조사하는 광원부(110), 빛을 모아주는 대물렌즈(120), 튜브렌즈(140), 릴레이 렌즈(160) 및 광 분리부(130)인 릴레이 렌즈(160)와 이미지 센서(150)가 순차적으로 배열되어 있다.

도 3에서 언급한 프로브(100a)와 내부 구조가 거의 동일하게 이루어져 있으나, 광 분리부(130)의 설치 위치에서 차이가 있다. 광 분리부(130)가 대물렌즈(120)에 의해 형성되는 푸리에 평면(F)상에 위치하고 있지 않고, 이미지 센서(150) 앞에 위치하고 있으며, 대물렌즈(120)와 광 분리부(130) 사이에 튜브렌즈(140)와 릴레이 렌즈(160)가 위치하고 있다.

즉, 릴레이 렌즈(160)를 더 구비하여 푸리에 평면(F)의 영상을 릴레이 렌즈(160) 쪽으로 분리하는 것과 같은 효과를 갖게 된다.

광원부(110)에서 조사한 빛이 피부와 같은 표면에 반사되어 대물렌즈(120)로 투과되고, 투과된 빛이 튜브렌즈(140)를 통해 릴레이 렌즈(160)로 안내된다. 릴레이 렌즈(160)로 안내 받은 빛은 광 분리부(130)인 렌즈 어레이(132)를 통과하게 되면서 분리된 빛이 위치에 따라 각기 다른 졍로를 통해 이미지 센서(150)에 도달하게 된다.

릴레이 렌즈(160)는 줌이 가능한 렌즈로, 촬영시 피부 표면을 확대하여 볼 수 있어, 보다 자세하게 피부를 진단하고, 피부 상태를 확인할 수 있을 것이다. 릴레이 렌즈(160)의 종류에 따라 10배, 20배 등과 같은 배율로 확대할 수 있으며, 릴레이 렌즈(160)를 교환 가능하게 제작하여 다양한 배율로 확대하면서 관찰하기 용이하도록 제작할 수도 있을 것이다.

릴레이 렌즈(160)는 대물렌즈(120)가 생성한 푸리에 평면(F)을 릴레이 렌즈(160)가 분리하게 되며, 릴레이 렌즈(160)가 생성한 푸리에 평면(F)에 렌즈 어레이(132)가 위치하게 된다.

렌즈 어레이(132)는 앞서 언급한 바와 같은 형상을 하고 있는 것으로, 서로 다른 복수개의 렌즈로 이루어져 있으며, 각각의 렌즈는 방사상으로 90도 각도를 유지한 체 배치되어 있다.

이미지 센서(150)는 렌즈 어레이(132)를 통과한 원본이나 확대된 배율에 대한 빛을 수용하고, 이를 이미지로 검출하게 된다. 이미지 센서(150)는 상기에서 언급한 바와 동일하게 명시야 이미지와 광차등 위상차 이미지를 통해 표면의 거칠기, 상태 등을 영상화 하여 진단할 수 있도록 도와주게 된다.

도 8과 도 9는 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조를 릴레이 광학계로 적용한 배치도에 대한 실시예에 관한 것이다.

앞서 설명한 것과 같이 릴레이 광학계로 이루어진 프로브(100b)로, 광 분리부(130)가 렌즈 어레이(132) 대신 프리즘(134)과 LCD 모듈(136)을 이용하였으며, 프리즘(134)과 LCD 모듈(136) 이후에는 빛을 모아 이미지 센서(150)로 안내하는 한 쌍의 릴레이 렌즈(162) (164)가 더 마련되어 있다.

프로브(100b)의 내부 구조를 보면, 빛을 조사하는 광원부(110)가 전면에 위치하고 있으며, 반사된 빛을 통해 푸리에 평면(F)을 생성하는 대물렌즈(120)와 빛을 수집하는 튜브렌즈(140)가 순서대로 위치하고 있다. 그리고 튜브렌즈(140)에서 수집된 빛을 확대 가능하게 하는 제1릴레이 렌즈(162)와 빛을 위치에 따라 서로 다른 경로를 통하도록 분리하는 광 분리부(130)와 광 분리부(130)에서 분리된 빛을 이미지 센서(150)로 안내하는 제2릴레이 렌즈(164)로 이루어져 있다. 여기서 사용되는 광 분리부(130)는 각뿔 형상의 프리즘(134)과 LCD 패턴을 3등분원으로 구성하여 패턴에 따라 서로 다른 경로 또는 방향으로 분리된 빛을 통과시키는 LCD 모듈(136)을 사용한다.

한 쌍으로 이루어진 릴레이 렌즈(162)(164)는 대물렌즈(120)에 의해 형성된 푸리에 평면(F)을 제1릴레이 렌즈(162)와 제2릴레이 렌즈(164) 사이로 영상을 분리하여 분리 형성된 푸리에 평면(F)에 광 분리부(130)가 위치할 수 있도록 한다. 또한 한 쌍의 릴레이 렌즈(162)(164) 중 적어도 하나의 릴레이 렌즈가 빛이 입사하는 방향을 따라 전, 후진할 수 있어서, 대물렌즈(120)와 튜브렌즈(140)를 통과한 빛을 확대 또는 축소 가능하게 하는 줌 기능이 더 포함되어 있다.

프리즘(134)은 다각뿔의 형상을 하고 있으며, 주로 사각뿔을 사용한다. 사각뿔의 꼭지점에 입사된 빛은 프리즘(134)의 각 측면으로 빛이 유입되어, 각 면을 통해 서로 다른 경로를 통하여 빛을 분리하게 된다.

LCD 모듈(136)은 적어도 3개 이상의 서로 다른 형상의 패턴을 갖는 LCD 패턴이 방사상으로 배치될 수 있고, 광원부(110)에서 배출된 빛이 LCD 모듈(136)을 통과하게 되면, 각각의 LCD 패턴에 유입된 빛은 서로 다른 경로로 진행하게 되고, 이에 따라 적어도 3개 이상의 방향으로 진행하는 빛으로 분리될 수 있다.

따라서 제1릴레이 렌즈(162)를 통과한 빛은 복수개의 LCD 패턴을 통과하여, 3개 이상의 방향으로 진행하는 빛으로 분리되고, 이와 같이 분리된 상태로 제2릴레이 렌즈(164)에 집광되어 이미지 센서(150)에 도달하게 된다.

제2릴레이 렌즈(164)는 프리즘(134)과 LCD 모듈(136)을 통과한 빛을 집광한 다음 이미지 센서(150)로 전달하게 된다. 앞서 설명한 렌즈 어레이(132)와 달리 프리즘(134)과 LCD 모듈(136)은 빛을 분리할 뿐 집광하는 기능이 없기 때문에 프리즘(134)과 LCD 모듈(136) 이후에 제2릴레이 렌즈(164)를 더 설치하여 분리된 빛을 집광하여 이미지 센서(150)로 안내하게 된다.

이미지 센서(150)가 전달 받은 빛을 처리하여 디스플레이부(200)로 데이터를 전송하고, 전송된 데이터를 통해 디스플레이부(200)는 영상으로 보여주게 된다.

이미지 센서(150)는 앞서 언급한 바와 동일한 CCD 또는 CMOS를 사용하며, 센서의 성능에 따라 먼저 이미지에 대한 정보를 취득한 다음 데이터를 처리하여 영상을 취득할 수 있다.

릴레이 광학계가 구비된 프로브(100b)는 한 번의 촬영으로 명시야 이미지와 광차등 위상차 이미지를 동시에 관찰할 수 있으며, 이를 통해 피부의 상태와 거칠기 등을 파악할 수 있다. 또한 줌 기능이 더 구비되어 있기 때문에 보다 상세히 피부 상태를 관찰할 수 있을 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 표면 진단기의 내부 구조를 편광필터가 구비된 릴레이 광학계로 적용한 배치도에 대한 실시예를 보여주고 있다.

도 8과 도 9에서 언급한 표면 진단기의 내부 구조와 거의 유사하게 구성되어 있으나, 광 분리부(130)인 편광필터(138)가 광원부(110) 상단에 위치하고 있다. 또한 편광필터(138)를 통과한 빛이 복굴절부(142)를 거쳐 튜브렌즈(140) 및 한 쌍으로 이루어진 릴레이 렌즈(160)(162)를 통과하여 이미지 센서(150)에 도달하게 된다.

광원부(110)에 의해 표면(S)에 반사되는 빛이 편광필터(138)를 통과하게 된다. 편광필터(138)는 다양한 방향에서 출렁이면서 진동하는 빛을 특정한 방향으로 진동하는 빛만 통과시키게 한다.

편광필터(138)는 평광필터(138)로 입사되는 광의 x축과 y축을 구분하는 두개의 영역으로 구분되어 있으며, 각 영역을 수직편광과 수평편광이 통과하게 된다. 편광필터(138)는 도 6에서 언급한 편광필터(138)와 동일한 필터로, 특정 방향으로 진동하는 빛만 통과시키는 역할을 하게 되며, 상황에 따라 복수개의 영역으로 구분되어 x, y축 이외에 다른 방향으로 진동하는 빛을 통과시킬 수도 있을 것이다. 일례로, 편광필터(138)는 도넛형상의 원형 띠로 형성되어 있으며, 편광필터(138)의 좌측 반원은 수평방향(x축 방향)으로 진동하는 편광을 통과시킬 수 있으며, 우측 반원은 수직방향(y축 방향)으로 진동하는 편광을 통과시킬 수 있다.

이와 같이 수평방향으로 진동하는 편광과 수직방향으로 진동하는 편광은 대물렌즈(120)를 지나 복굴절부(142)로 유입되며, 이때 복굴절부(142)는 대물렌즈(120)에 의해 형성되는 푸리에 평면(F) 상에 위치하게 된다.

복굴절부(142)는 직교하는 선평광에 대해서 각기 다른 굴절률을 갖는 물질로서, 복굴절부(142)에 유입된 수평방향으로 진동하는 편광과 수직방향으로 진동하는 편광은 서로 위상 속도 및 굴절 방향이 달라지게 된다. 즉, 이미지 센서(150)로 빛을 각각 분리하여 입사시켜 주기 때문에 한번의 촬영을 통해 빛의 파장별로 표면에 대한 복수개의 이미지를 획득할 수 있게 된다.

이와 같은 방법으로 한번의 노광으로 두 개의 영상을 얻을 수 있으며, 이 두 개의 영상으로 한 방향으로의 광차등 위상차 영상을 얻을 수 있게 된다. 이에 따라 수직인 방향의 광차등 위상차 영상은 편광필터(138)와 복굴절 매질(142)를 90도 회전하여 전술한 방법과 같이 두개의 영상을 얻어 생성이 가능하다.

복굴절부(142)는 방해석을 주로 사용하며, 이 밖에도 수정, 전기석, 운모 애라거나이트 등을 사용할 수 있을 것이다.

한편, 복굴절부(142)를 통과한 빛은 튜브렌즈(140)를 거쳐 제1릴레이 렌즈(162)로 입사하게 되며, 제1릴레이 렌즈(162)에 입사된 빛은 제2릴레이 렌즈(164)를 거쳐 이미지 센서(150)로 유입된다. 이미지 센서(150)가 전달 받은 빛을 처리하여 디스플레이부(200)로 데이터를 전송하고, 전송된 데이터를 통해 디스플레이부(200)는 영상으로 보여주게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10 : 표면 진단기 100 : 프로브
110 : 광원부 120 : 대물렌즈
130 : 광 분리부 132 : 렌즈 어레이
134 : 프리즘 136 : LCD 모듈
138 : 편광필터 140 : 튜브렌즈
142 : 복굴절 매질 150 : 이미지 센서
160 : 릴레이 렌즈 162 : 제1릴레이 렌즈
164 : 제2릴레이 렌즈 200 : 디스플레이부
300 : 케이블

Claims

샘플의 표면을 측정하는 표면 진단기에 있어서,
단파장의 빛으로 샘플을 조사하는 광원부;
상기 샘플에서 반사되거나 상기 샘플을 투과하는 빛을 수용하고, 상기 샘플의 이미지를 검출하는 이미지 센서; 및
상기 광원부 및 상기 이미지 센서 사이에 배치되고, 상기 광원부에서 배출된 빛을 위치에 따라 서로 다른 경로를 통하여 상기 이미지 센서에 도착하도록 안내하는 광 분리부;
를 포함하되,
상기 광원부에서 배출되고, 상기 샘플에서 반사되거나 상기 샘플을 투과하는 빛을 수집하는 대물렌즈를 더 포함하고, 상기 광분리부는 상기 대물렌즈 및 상기 이미지 센서 사이에 배치되며,
상기 대물렌즈에 의하여 수집된 빛은 푸리에 평면에 도달하고, 상기 광분리부는 상기 푸리에 평면에 배치되며, 상기 광분리부는 빛이 상기 푸리에 평면을 통과할 때 상기 푸리에 평면에서의 위치에 따라 빛을 서로 다른 경로를 통하여 상기 이미지 센서로 안내하는 표면 진단기.
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제1항에 있어서,
상기 광분리부는 서로 다른 복수개의 렌즈로 이루어진 렌즈 어레이이고, 상기 렌즈 어레이을 구성하는 각 렌즈별로 빛을 분리하여 서로 다른 경로로 상기 이미지 센서에 도달하도록 하는 표면 진단기.
제4항에 있어서,
상기 렌즈 어레이는 방사상으로 배치되는 복수개의 렌즈를 포함하고, 상기 복수개의 렌즈는 90도 각도로 배치되는 표면 진단기.
제1항에 있어서,
상기 광분리부는 각뿔 형상의 프리즘인 것을 특징으로 하는 표면 진단기.
제6항에 있어서,
상기 프리즘은 사각뿔로 형성되고, 상기 프리즘의 각 측면으로 빛이 유입되며, 상기 프리즘의 각 측면에 유입된 빛은 서로 다른 경로를 통하여 상기 이미지 센서에 도달되는 표면 진단기.
제1항에 있어서,
상기 광분리부는 상기 광분리부는 서로 다른 복수의 LCD 패턴을 포함하는 LCD 모듈이고, 상기 LCD 모듈을 구성하는 각각의 LCD 패턴별로 빛을 분리하여 서로 다른 경로로 상기 이미지 센서에 도달하도록 하는 표면 진단기.
제8항에 있어서,
상기 LCD 모듈은 적어도 3개 이상의 서로 다른 형상의 패턴을 갖는 LCD 패턴이 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 표면 진단기.
제1항에 있어서,
상기 대물렌즈를 통과한 빛은 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하는 릴레이 렌즈를 통하여 상기 광분리부에 안내되는 표면 진단기.
제1항에 있어서,
상기 광분리부를 통과한 빛은 튜브 렌즈를 통하여 상기 이미지 센서로 안내되는 표면 진단기.
제1항에 있어서,
상기 광분리부를 통하여 서로 다른 경로를 통하여 상기 이미지 센서로 안내된 복수의 빛은 서로 다른 위상 정보를 포함하고,
상기 이미지 센서는 상기 서로 다른 위상 정보를 갖는 복수의 빛에 의하여 검출된 이미지들을 모두 합쳐서 명시야 이미지를 획득하는 표면 진단기.
제1항에 있어서,
상기 광분리부는 상기 광원부에서 배출되어 상기 샘플에서 반사되거나 상기 샘플을 투과하는 빛을 서로 다른 적어도 3개 이상의 방향을 갖는 경로를 통하여 상기 이미지 센서로 안내하고,
상기 광분리부를 통하여 서로 다른 경로를 통하여 상기 이미지 센서로 안내된 복수의 빛은 서로 다른 위상 정보를 포함하며, 상기 서로 다른 위상 정보를 갖는 빛들의 위상차를 이용하여 적어도 2방향 이상의 광차등 위상차 이미지를 구현하는 표면 진단기.
제13항에 있어서,
상기 광분리부가 상기 광원부에서 배출되어 상기 샘플에서 반사되거나 상기 샘플을 투과하는 빛을 4개 영역으로 구분하여 4방향으로 빛을 안내하는 경우에는 2방향의 광차등 위상차 이미지를 구현하고,
상기 광분리부가 상기 대물렌즈에서 배출된 빛을 3개 영역으로 구분하여 3방향으로 빛을 안내하는 경우에는 3방향의 광차등 위상차 이미지를 구현하는 표면 진단기.
제1항에 있어서,
상기 광 분리부는 도넛 형상의 원형 띠로 형성되어, 상기 광원부의 일 측에 결합되고, 수평방향의 편광과 수직방향의 편광을 분리하는 편광필터;
상기 편광필터에서 분리된 수평방향의 편광과 수직방향의 편광이 유입되며, 상기 푸리에 평면 상에 위치하는 복굴절부;
를 포함하는 표면 진단기.
제15항에 있어서,
상기 복굴절부는 방해석, 수정, 전기석, 운모, 애라거나이트 가운데 적어도 하나를 포함하는 표면 진단기.
제1항에 있어서,
상기 광원부는 레이저 또는 LED 광원인 표면 진단기.
제1항에 있어서,
상기 이미지 센서에서 검출된 샘플의 이미지를 이용하여 샘플의 표면 상태를 디스플레이하는 디스플레이부가 더 포함되는 표면 진단기.
제18항에 있어서,
상기 디스플레이부는 스마트폰인 것으로 특징으로 하는 표면 진단기.
샘플의 표면을 측정하는 표면 진단기에 있어서,
단파장의 빛으로 샘플을 조사하는 광원부;
샘플에서 반사되는 빛을 수집하는 대물렌즈;
상기 대물렌즈에서 수집된 빛을 수용하고, 상기 샘플의 이미지를 검출하는 이미지 센서; 및
상기 대물렌즈 및 상기 이미지 센서 사이에 배치되고, 상기 대물렌즈에서 배출된 빛을 일부영역에서 차단하거나, 각 영역의 빛의 진행 방향을 서로 다르게 하여 상기 이미지 센서에 도착하도록 안내하는 광 분리부;
를 포함하되,
상기 광 분리부는 도넛 형상의 원형 띠로 형성되어, 수평방향의 편광과 수직방향의 편광을 분리하는 편광필터가 상기 광원부의 일 측에 결합되고, 상기 편광필터에서 분리된 수평방향의 편광과 수직방향의 편광이 유입되는 복굴절부가 상기 대물렌즈에 의해 형성되는 푸리에 평면 상에 위치하는 표면 진단기.
제20항에 있어서,
상기 광분리부는 서로 다른 복수개의 렌즈로 이루어진 렌즈 어레이이고, 상기 렌즈 어레이를 구성하는 각 렌즈별로 빛을 분리하여 서로 다른 경로로 상기 이미지 센서에 도달하도록 하는 표면 진단기.
제20항에 있어서,
상기 광분리부는 각뿔 형상의 프리즘인 것을 특징으로 하는 표면 진단기.
제20항에 있어서,
상기 광분리부는 서로 다른 형상을 갖는 복수의 LCD 패턴이 방사상으로 배치되는 LCD 모듈인 것을 특징으로 하는 표면 진단기.
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