KR102066129B1 - 도트 어레이를 이용하는 3차원 정보 생성 장치 및 방법 - Google Patents

도트 어레이를 이용하는 3차원 정보 생성 장치 및 방법 Download PDF

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유홍기
김창수
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

공초점 현미경의 원리에 기반한 3차원 정보 생성 장치가 개시된다. 개시된 3차원 정보 생성 장치는 광원; 상기 광원의 빛을 시편으로 제공하고, 상기 시편으로부터 반사된 빛을 이미지 센서로 제공하는 빔 스플리터; 상기 광원의 빛을 상기 시편으로 집광하는 대물렌즈; 및 상기 광원과 상기 시편 사이에 형성된 빛의 진행 경로 상에 위치하며, 빛의 일부를 투과시키는 투과 영역 및 빛의 일부를 차단하는 도트 어레이를 포함하는 도트 어레이 제공부를 포함한다.

Description

도트 어레이를 이용하는 3차원 정보 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR 3D INFORMATION USING DOT ARRAY}
본 발명은 3차원 정보 생성 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공초점 현미경의 원리에 기반한 3차원 정보 생성 장치에 관한 것이다.
공초점 현미경(onfocal microscopy)은 시편의 3차원 정보를 획득하기 위해 이용되는 장치로서, 핀홀(pin hole)을 이용한다.
핀홀은 광학계의 공액 초점면(conjugate focal plane)에 위치하며, 시편으로부터 반사된 빛은 핀홀을 통과하여 검출기로 입력된다. 이 때, 광학계의 초점면에 위치한 시편의 표면으로부터 반사된 빛은, 대부분 핀홀을 통과하여 검출기로 입력된다. 하지만 광학계의 초점면에 위치하지 않은 시편의 표면으로부터 반사된 빛은 대부분 핀홀을 통과하지 못하고 차단된다.
따라서 이상적으로는 시편이 초점면에 있을 때에만 검출기에서 신호가 검출된다고 할 수 있으며, 이 특성을 이용하여 시편 표면 형상의 높이를 측정할 수 있다. 예를 들어, 공초점 현미경을 시편의 표면 위에 장착하고 위아래로 움직일 경우, 특정 위치에서만 검출기에서 검출되는 신호가 강해지므로, 이 때 상대적인 위치를 통해 시편이 얼마만큼의 거리에 위치해 있는지 알 수 있는 것이다.
위와 같이 측정된 높이는 시편 표면의 특정 지점에 대한 높이로서, 시편 전체에 대한 높이를 획득하기 위해서는 시편을 x-y 평면상에서 일정 간격으로 이동시키면서 신호를 얻은 뒤 이를 조합하여 영상을 얻거나, 또는 빛의 입사 방향을 이동시켜서 시편에 조사되는 초점의 위치를 x-y 평면상에서 바꿔주면서 신호를 취득한 후 이를 조합하여 시편 전체에 대한 높이 정보(즉, 3차원 정보)를 얻을 수 있다.
다만 전술된 방식의 경우, 시편의 위치나 초점의 위치를 지속적으로 이동시켜야 하기 때문에, 시편 전체에 대한 3차원 정보를 획득하기까지 오랜 시간이 걸린다는 문제가 있다. 이에 최근에는 핀홀 어레이가 형성된 디스크를 회전시키며 3차원 정보를 획득하거나 고정된 핀홀 어레이를 이용하여 시편의 위치나 초점의 위치를 이동시키지 않고 한번에 3차원 정보를 획득하는 방법이 개발되고 있다.
관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-0964251호, 일본 공개특허 제2011-128390호가 있다.
본 발명은 공초점 현미경의 원리에 기반한 3차원 정보 생성 장치를 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 고속을 3차원 정보를 획득할 수 있고, 색상 정보 등의 부가 정보를 함께 제공할 수 있는 3차원 정보 생성 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원; 상기 광원의 빛을 시편으로 제공하고, 상기 시편으로부터 반사된 빛을 이미지 센서로 제공하는 빔 스플리터; 상기 광원의 빛을 상기 시편으로 집광하는 대물렌즈; 및 상기 광원과 상기 시편 사이에 형성된 빛의 진행 경로 상에 위치하며, 빛의 일부를 투과시키는 투과 영역 및 빛의 일부를 차단하는 도트 어레이를 포함하는 도트 어레이 제공부를 포함하는 3차원 정보 생성 장치를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광원의 빛을 시편으로 집광하는 대물 렌즈; 상기 시편으로부터 반사된 빛을 입력받아, 입력된 빛의 세기값을 출력하는 이미지 센서; 상기 광원 및 상기 시편 사이에 형성된 빛의 진행 경로 상에 위치하며, 상기 빛의 일부를 투과시키는 투과 영역 및 상기 빛의 일부를 차단하는 도트 어레이를 포함하는 도트 어레이 제공부; 및 상기 이미지 센서로부터 출력되는 세기값을 이용하여, 상기 도트 어레이의 도트 각각에 대응되는 상기 시편의 표면 영역에 대한 높이 정보를 생성하는 높이 정보 생성부를 포함하는 3차원 정보 생성 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 도트 어레이를 x-y 평면 상에서 이동시킬 필요없이, 시편에 대한 초점면의 위치만을 조절하여 3차원 정보 획득을 위한 스캐닝을 수행하면 되므로, 고속으로 시편에 대한 3차원 정보를 획득할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 도트 어레이 제공부의 투과 영역에 의해 광효율이 향상되어 보다 밝은 3차원 영상을 획득할 수 있을 뿐만 아니라, 시편에 대한 색상 정보 및 세부 형상 정보 등 다양한 부가 정보도 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도트 어레이 제공부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 대물 렌즈의 초점면과 시편 표면 사이의 거리에 따른, 도트에 대한 빛의 세기값을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도트 어레이에 대응되는 시편 표면 영역의 높이 정보 생성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
전술된 바와 같이, 시편이나 초점을 이동시켜 3차원 정보를 획득하는 경우, 3차원 정보를 획득하는데 많은 시간이 소요된다. 또한 핀홀 어레이를 이용하는 경우 핀홀을 제외한 영역에 의해 빛이 차단되어 광 효율이 떨어져 밝은 3차원 영상을 획득하기 어려울 뿐만 아니라, 시편에 대한 색상 정보를 함께 획득하기 어렵다.
이에, 본 발명은 공초점 현미경의 원리를 이용하면서도, 기존 공초점 현미경보다 빠른 속도로 시편에 대한 3차원 정보를 획득할 수 있을 뿐만 아니라, 시편의 색상 정보까지 반영된 3차원 정보를 제공할 수 있는 3차원 정보 생성 장치 및 방법을 제안한다.
이를 위해, 본 발명은 도트 어레이(dot array)를 이용한다. 본 발명에 따른 도트 어레이는 기존 핀홀 어레이와 비교하여 핀홀 대신 빛을 차단하는 도트를 포함한다. 이러한 도트 어레이의 구조는, 기존 핀홀 어레이에서 빛을 통과시키는 핀홀이 빛을 차단하고, 빛을 차단하던 영역이 빛을 통과시키는 구조로서, 기존 핀홀 어레이와 반대되는 구조(inverse pinhole array)라 할 수 있다.
이러한 도트에 대한 빛의 세기값은, 기존 공초점 현미경의 핀홀에 대한 빛의 세기값와 같이, 시편과 초점면 사이의 거리에 따라 달라지기 때문에, 도트 어레이를 이용할 경우에도 공초점 현미경의 원리에 기반하여 시편에 대한 3차원 정보를 획득할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도트 어레이 제공부를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 대물 렌즈의 초점면과 시편 표면 사이의 거리에 따른 도트에 대한 빛의 세기값을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 3차원 정보 생성 장치는 3차원 정보 생성을 위한 광학계로서, 광원(110), 빔 스플리터(120), 대물렌즈(130) 및 도트 어레이 제공부(140)를 포함한다. 실시예에 따라서 집광 렌즈(150, condedsor lens) 및 이미지 센서(160)를 더 포함할 수 있다.
광원(110)은 실시예에 따라서 다양한 파장의 빛을 조사할 수 있다. 광원(110)은 자외선, 가시광선, 적외선 대역 등 다양한 대역의 빛을 조사할 수 있으며, 단일 파장 또는 광대역 파장의 빛을 조사할 수도 있다. 또한 단색 파장의 빛을 조사할 수도 있고, 복수의 색상 대역 파장의 빛을 조사할 수도 있다.
그리고 광원(110)은 하나의 발광 소자로 이루어지거나 또는 복수의 발광 소자 어레이로 이루어질 수도 있다.
집광 렌즈(150)는 광원(110)의 빛을 집광한다. 광원(110)의 빛이 광대역 파장의 빛일 경우, 집광 렌즈(150)는 파장에 따른 색수차를 보정하거나 조명 균일도를 높이는 역할을 하며, 실시예에 따라서 복수개의 집광 렌즈가 이용될 수 있다.
도 1에는 광원(110)의 빛이 진행하는 경로가 화살표로 표시되어 있으며, 이러한 광원(110)의 빛이 진행하는 경로를 설명하면, 광원(110)으로부터 조사된 빛은, 집광 렌즈(160)에 의해 집광되어 도트 어레이 제공부(140)를 거쳐 빔 스플리터(120)에서 반사된다. 그리고 빔 스플리터(120)에서 반사된 빛은 대물 렌즈(130)를 통과하여 시편(170)으로 조사된다. 시편(170)에서 반사된 빛은 다시 대물 렌즈(130) 및 빔 스플리터(120)를 통과하여 이미지 센서(160)로 입력된다.
빔 스플리터(120)는 광원(110)의 빛을 시편(170)으로 제공하고, 시편(170)으로부터 반사된 빛을 통과시켜 이미지 센서(160)로 제공한다. 대물 렌즈(130)는 광원(110)의 빛을 시편(170)으로 집광한다. 대물 렌즈(130)의 초점은 시편 방향뿐만 아니라 시편의 반대 방향에도 형성되며, 이러한 초점은 서로 공액 관계(conjugate)에 있다고 한다. 이하에서, 설명의 편의를 위해 시편 방향에서 형성된 초점이 위치하는 평면인 시편 방향의 초점면과 달리, 시편(170)의 반대 방향에 형성되는 초점면을 공액 초점면으로 칭하기로 한다. 대물 렌즈(130)의 공액 초점면은 빔 스플리터(120)에 의해 도트 어레이 제공부(140) 위치에도 형성되며, 이미지 센서(160) 위치에도 형성된다.
도트 어레이 제공부(140)는 광원(110)과 이미지 센서(160) 사이에 형성된 빛의 진행 경로 상에 위치한다. 보다 구체적으로 광원(110)과 빔 스플리터(120) 사이에 위치하며, 이미지 센서(160)와 함께 대물 렌즈(130)의 공액 초점면에 위치한다. 도트 어레이 제공부(140)와 이미지 센서(160)는 공액 초점면에 위치하기 때문에, 도트 어레이 제공부(140)와 이미지 센서로 입력되는 빛의 빔폭은 동일하며, 도트 어레이 제공부(140)와 이미지 센서(160)는 빔 스플리터(120)로부터 동일한 거리만큼 이격되어 위치한다.
도트 어레이 제공부(140)는 빛의 일부를 투과시키는 투과 영역(142) 및 빛의 일부를 차단하는 도트 어레이를 포함한다. 도트 어레이는 복수의 도트(141)를 포함하며, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 도트(141)가 미리 설정된 패턴으로 배열된 형태이다.
투과 영역(142)은 유리, 필름 등 빛이 투과될 수 있는 재질로 이루어질 수 있으며, 도트(141)는 빛을 흡수하거나 반사율이 높은 재질로 이루어질 수 있다. 도트 어레이 제공부(140)는 미리 설정된 두께를 가지며, 실시예에 따라서 도트(141)는 도트 어레이 제공부(140)의 표면에만 형성되거나 또는 도 1에 도시된 바와 같이, 도트 어레이 제공부(140)를 관통하는 관통홀 형태로 형성될 수 있다.
도 2에는 원형의 도트가 일실시예로서 도시되나, 실시예에 따라서 사각형의 도트가 이용될 수도 있다. 또한 도 1 및 도 2에는 6 by 6 크기의 도트 어레이가 도시되나, 실시예에 따라서 도트의 개수 및 크기는 다양하게 결정될 수 있다.
이미지 센서(160)는 입력되는 빛을 검출하며, CCD, CMOS 등의 이미지 센서가 이미지 센서로 이용될 수 있다. 이미지 센서(160)는 입력되는 빛의 세기값을 검출하며, 가시광 대역의 빛이 이용될 경우, 색상값을 검출할 수 있다.
전술된 바와 같이 광원(110)의 빛은, 도트 어레이 제공부(140)를 거쳐 시편(170)에서 반사된 후 이미지 센서(160)로 입력되는데, 이미지 센서(160)에서 측정된, 도트(141)에 의해 차단된 빛에 대한 세기값은 도 3과 같은 패턴을 나타낸다. 도 3에서 x축은 대물 렌즈(130)의 초점면과 시편(170) 표면 사이의 거리를 나타내며, y축은 빛의 세기(intensity)를 나타낸다. 즉, 도트(141)에 의해 차단된 빛에 대한 세기값은 대물 렌즈(130)의 초점면에 시편(170) 표면이 존재하는 경우, 최소값을 나타내며, 초점면과 시편(170) 표면 사이의 거리가 멀어질수록 증가하는 패턴을 나타낸다.
이러한 빛의 세기값의 패턴은, 기존 공초점 현미경의 핀홀에 대한 빛의 세기값의 패턴을 뒤집어 놓은 형태인 정반대의 패턴이다. 도트에 대한 빛의 세기값은, 시편 표면이 대물 렌즈의 초점면에 위치할 경우의 빛의 세기값을 중심으로, 빛의 세기값이 대칭 형태를 이루고 있다는 점에서, 핀홀에 대한 빛의 세기값과 유사한 패턴을 나타낸다.
따라서, 도트(141)에 의해 차단된 빛에 대한 세기값을 이용하여, 도트 각각에 대응되는 시편의 표면 영역에 대한 높이를 계산할 수 있다. 시편에 대한 3차원 정보 생성 방법은 도 5에서 보다 자세히 설명된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3차원 정보 생성 장치는 액츄에이터를 더 포함할 수 있으며, 액츄에이터는 시편(170)에 대한 대물 렌즈(130)의 초점면의 위치를 조절한다.
실시예에 따라서, 액츄에이터는 대물 렌즈(130)의 광축 방향에 평행한 방향으로 대물 렌즈(130)의 위치를 조절(180)함으로서, 대물 렌즈(130)의 초점면의 위치를 조절할 수 있다. 이 때 대물 렌즈(130)의 공액 초점면의 위치 역시 달라지므로, 액츄에이터는 대물 렌즈(130)의 위치에 따라서 이미지 센서(160) 및 도트 어레이 제공부(140)의 위치를 함께 조절할 수 있다. 여기서, 대물 렌즈(130)의 광축 방향은 시편(170)의 높이 방향에 대응될 수 있다.
또는 액츄에이터는 대물 렌즈(130)의 광축 방향에 평행한 방향으로 시편(170)의 위치를 조절(190)함으로써, 대물 렌즈(130)의 초점면의 위치를 조절할 수 있다.
또는 실시예에 따라서, 액츄에이터를 이용하지 않고, 초점 가변 렌즈(focus tunable lens)를 대물 렌즈로 이용하여, 대물 렌즈의 초점면의 위치를 조절할 수도 잇다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 3차원 정보 생성 장치는, 도 1에 도시된 3차원 정보 생성 장치와 달리, 빔 스플리터(120)를 통과한 빛을 이미지 센서(160)로 집광하는 이미징 렌즈(430, imaging lens)를 더 포함하며, 도트 어레이 제공부(140)가 빔 스플리터(120)와 대물 렌즈(130) 사이에 위치한다.
전술된 실시예 이외에도, 광학 시스템의 작동 거리(working distance)와 배율에 따라서, 렌즈의 위치 및 개수, 도트 어레이 제공부의 위치는 달라질 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 정보 생성 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도트 어레이에 대응되는 시편 표면 영역의 높이 정보 생성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 3차원 정보 생성 장치는 광학계(510) 및 높이 정보 생성부(520)를 포함하며, 실시예에 따라서 영상 처리부(530)를 더 포함할 수 있다.
광학계(510)는 광원의 빛을 시편으로 집광하는 대물 렌즈와, 시편으로부터 반사된 빛을 입력받아, 입력된 빛의 세기값을 출력하는 이미지 센서와, 광원 및 시편 사이에 형성된 빛의 진행 경로 상에 위치하는 도트 어레이 제공부를 포함한다. 이러한 광학계는 일실시예로서, 전술된 도 1 및 도 4에서 설명된 광학계일 수 있다.
높이 정보 생성부(520)는 이미지 센서(160)로부터 출력되는 빛의 세기값을 이용하여, 도트 어레이의 도트 각각에 대응되는 시편의 표면 영역에 대한 높이 정보를 생성한다. 전술된 바와 같이, 도트(141)에 의해 차단된 빛에 대한 세기값 데이터는, 시편(170)의 표면 영역이 대물 렌즈(130)의 초점면에 위치할 경우 최소값을 나타내며, 초점면과 시편(170)의 표면 영역 사이의 거리가 멀어질수록 증가하는 패턴을 나타내는 데이터이기 때문에, 높이 정보 생성부(520)는 차단된 빛에 대한 세기값 중 최소값에 대응되는 초점면의 위치를 이용하여, 시편에 대한 높이 정보를 생성할 수 있다.
도 6을 참조하여 높이 정보 생성 방법을 자세히 설명하기로 한다. 도트 어레이 제공부(140)의 도트는 시편(170)의 표면에 투영되며, 만일 대물 렌즈의 배율을 무시한다면, 도 6에 도시된 바와 같이, 도트 각각에 대응되는 음영이 시편(170) 표면의 제1 내지 제6영역(611 내지 616)에 나타날 수 있다. 즉, 제1 내지 제6영역(611 내지 616)은 도트 각각에 대응되는 영역이다.
그리고 이러한 제1 내지 제6영역(611 내지 616)에 대한 빛의 세기값은 도 3에 도시된 패턴을 나타나게 된다. 도 6에서는 기준면(620)에 대해 제1영역 및 제6영역(611, 616)의 높이가 동일하고, 제2영역 및 제5영역(612, 615)의 높이가 동일하고, 제3영역 및 제4영역(613, 614)의 높이가 동일한 실시예가 도시된다.
본 발명에 따른 3차원 정보 생성 장치는, 시편(170)에 대한 대물 렌즈(130)의 초점면의 위치를 시편에 대한 높이 방향(190)으로 조절하면서, 제1 내지 제6영역(611 내지 616)에 대한 빛의 세기값을 측정하며, 초점면이 제1평면(631)에 위치할 경우 제1 및 제6영역(611, 616)에 대한 빛의 세기값이 최소가 된다. 따라서, 높이 정보 생성부(520)는 제1 및 제6영역(611, 616)에 대한 빛의 세기값이 최소가 될 때, 기준면(620)으로부터 제1평면(611)까지의 거리를, 제1 및 제6영역(611, 616)의 높이로 결정할 수 있다.
또한 초점면이 제2평면(632)에 위치할 경우, 제2 및 제5영역(612, 615)에 대한 빛의 세기값이 최소가 되므로, 높이 정보 생성부(520)는 제2 및 제5영역(612, 615)에 대한 빛의 세기값이 최소가 될 때, 기준면(620)으로부터 제2평면(632)까지의 거리를, 제2 및 제5영역(612, 615)의 높이로 결정할 수 있다.
또한 초점면이 제3평면(633)에 위치할 경우, 제3 및 제4영역(613, 614)에 대한 빛의 세기값이 최소가 되므로, 높이 정보 생성부(520)는 제3 및 제4영역(613, 614)에 대한 빛의 세기값이 최소가 될 때, 기준면(620)으로부터 제3평면(633)까지의 거리를, 제3 및 제4영역(613, 614)의 높이로 결정할 수 있다.
도트 어레이의 도트 각각에 대한 위치는 미리 결정되어 있으며, 이러한 도트의 위치가 x-y 평면에서의 좌표값에 대응된다고 할 때, 이러한 좌표값은 결국, 시편 표면의 x-y 평면에서의 좌표값에 대응된다. 그리고 전술된 바와 같이, 이러한 시편 표면에 대한 높이, 즉 z축 좌표값이 얻어질 수 있으므로, 최종적으로 시편에 대한 3차원 정보가 획득될 수 있다.
도트 어레이가 보다 많은 도트를 포함할 경우, 높이 정보 생성부(520)는 보다 정밀하게 시편의 높이 정보를 측정할 수 있으며, 3차원 정보의 해상도가 높아질 수 있다.
다시 도 5로 돌아와, 영상 처리부(530)는 높이 정보 생성부(520)에서 생성된 높이 정보와 도트 어레이 제공부의 투과 영역(142)을 투과한 빛에 대한 이미지 센서(160)의 출력 신호를 이용하여, 시편(170)에 대한 3차원 영상을 생성한다.
시편(170)에 대한 대물 렌즈(130)의 초점면의 위치가 조절되면서, 이미지 센서(160)는 다양한 초점면의 위치에서 시편에 대한 2차원 영상을 획득하며, 영상 처리부(530)는 이러한 2차원 영상을 이용하여 3차원 영상을 생성할 수 있는데, 투과 영역(142)을 투과한 빛에 대한 이미지 센서(160)의 출력 신호를 이용함으로써, 보다 밝은 3차원 영상을 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 시편에 대한 색상 정보 및 세부 형상 정보 등을 포함하는 3차원 영상을 생성할 수 있다.
기존 공초점 현미경의 핀홀 어레이에서는, 핀홀로만 빛이 통과하기 때문에, 광원의 빛 대부분이 이미지 센서로 입력되지 못하고 따라서 밝은 3차원 이미지를 획득하는데 한계가 있다. 하지만, 본 발명에 따르면, 많은 양의 빛이 도트 어레이 제공부의 투과 영역을 거쳐 이미지 센서로 입력될 수 있기 때문에, 광 효율이 향상되어 보다 밝은 3차원 영상을 획득할 수 있다.
이 때, 가시광 대역의 빛이 이용될 경우, 시편에 대한 컬러 정보를 획득할 수 있을 뿐만 아니라, 시편 표면에 대한 다양한 형상 정보도 획득할 수 있다.
한편, 이미지 센서(160)가 출력하는 빛의 세기값은 실제 사용환경 등에 따라서 노이즈를 포함할 수 있다. 그리고 이러한 노이즈의 의해 실제 초점면과 대응되지 않는 위치에서 도트에 대한 빛의 세기의 최소값이 측정될 수 있으며, 따라서 시편에 대한 3차원 정보의 정확성이 낮아질 수 있다.
이에, 높이 정보 생성부(520)는 노이즈에 대한 영향을 줄여 3차원 정보의 정확성을 높이기 위해, 이미지 센서(160)의 데이터에 대해 전처리를 수행할 수 있다. 일실시예로서, 높이 정보 생성부(520)는 빛의 세기값을 피팅(fitting)하거나 모델링하는 방식의 전처리를 수행할 수 있다.
예를 들어, 높이 정보 생성부(520)는 이미지 센서(160)에 의해 측정된 최소값 및 최소값에 인접한 복수의 세기값들에 대해 커브 피팅(curve fitting)하여 만들어진 곡선에서 보정된 최소값을 결정하고, 보정된 최소값에 대응되는 대물 렌즈의 초점면의 위치를 이용하여, 높이 정보를 생성할 수 있다.
또는 도트에 의해 차단된 빛에 대한 세기값 데이터는 음의 가우시안 분포를 나타내기 때문에, 높이 정보 생성부(520)는 이미지 센서에서 측정된 세기값을 가우시안 분포로 모델링하여 최소값을 결정할 수 있다.
위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 도트 어레이를 x-y 평면 상에서 이동시킬 필요없이, 시편에 대한 초점면의 위치만을 조절하여 3차원 정보 획득을 위한 스캐닝을 수행하면 되므로, 고속으로 시편에 대한 3차원 정보를 획득할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 도트 어레이 제공부의 투과 영역에 의해 광효율이 향상되어 보다 밝은 3차원 영상을 획득할 수 있을 뿐만 아니라, 시편에 대한 색상 정보 및 세부 형상 정보 등 다양한 부가 정보도 획득할 수 있다.
앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 광원;
    상기 광원의 빛을 시편으로 제공하고, 상기 시편으로부터 반사된 빛을 이미지 센서로 제공하는 빔 스플리터;
    상기 광원의 빛을 상기 시편으로 집광하는 대물렌즈; 및
    상기 광원과 상기 시편 사이에 형성된 빛의 진행 경로 상에 위치하며, 빛의 일부를 투과시키는 투과 영역 및 빛의 일부를 차단하는 도트 어레이를 포함하는 도트 어레이 제공부를 포함하며,
    상기 도트 어레이의 도트 각각은, 서로 이격되어 배치되며, 상기 도트 어레이 제공부를 관통하여 형성되는
    3차원 정보 생성 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도트 어레이 제공부는
    상기 광원과 상기 빔 스플리터 사이에 위치하는
    3차원 정보 생성 장치.
  3. 제 1항에서,
    상기 빔 스플리터를 통과한 빛을 상기 이미지 센서로 집광하는 이미징 렌즈를 더 포함하며,
    상기 도트 어레이 제공부는
    상기 빔 스플리터와 상기 대물렌즈 사이에 위치하는,
    3차원 정보 생성 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 도트 어레이에 포함되는 도트의 형상은
    원형 또는 사각형인
    3차원 정보 생성 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 도트 어레이는
    상기 빛을 흡수하거나 또는 반사시키는 재질로 이루어진
    3차원 정보 생성 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 및 상기 도트 어레이 제공부는
    상기 대물 렌즈의 공액 초점면에 위치하는
    3차원 정보 생성 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 대물 렌즈의 광축 방향에 평행한 방향으로 상기 대물 렌즈의 위치를 조절하며, 상기 대물 렌즈의 위치에 따라서 상기 이미지 센서 및 상기 도트 어레이 제공부의 위치를 조절하는 액츄에이터
    를 더 포함하는 3차원 정보 생성 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 대물 렌즈의 광축 방향에 평행한 방향으로 상기 시편의 위치를 조절하는 액츄에이터
    를 더 포함하는 3차원 정보 생성 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 광원의 빛의 파장은
    복수의 색상에 대한 파장을 포함하는
    3차원 정보 생성 장치.
  11. 삭제
  12. 광원의 빛을 시편으로 집광하는 대물 렌즈;
    상기 시편으로부터 반사된 빛을 입력받아, 입력된 빛의 세기값을 출력하는 이미지 센서;
    상기 광원 및 상기 시편 사이에 형성된 빛의 진행 경로 상에 위치하며, 상기 빛의 일부를 투과시키는 투과 영역 및 상기 빛의 일부를 차단하는 도트 어레이를 포함하는 도트 어레이 제공부; 및
    상기 이미지 센서로부터 출력되는 세기값을 이용하여, 상기 도트 어레이의 도트 각각에 대응되는 상기 시편의 표면 영역에 대한 높이 정보를 생성하는 높이 정보 생성부를 포함하며,
    상기 이미지 센서 및 상기 도트 어레이 제공부는, 상기 대물 렌즈의 공액 초점면에 위치하며,
    상기 이미지 센서는, 상기 도트에 의해 차단된 빛에 대한 세기값 데이터를 출력하며,
    상기 세기값 데이터는,
    상기 시편의 표면 영역이 상기 대물 렌즈의 초점면에 위치할 경우 최소값을 나타내며, 상기 초점면과 상기 시편의 표면 영역 사이의 거리가 멀어질수록 증가하는 패턴을 나타내는 데이터인
    3차원 정보 생성 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 높이 정보 생성부는
    상기 최소값에 대응되는 상기 초점면의 위치를 이용하여, 상기 높이 정보를 생성하는
    3차원 정보 생성 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 높이 정보 생성부는
    상기 최소값 및 상기 최소값에 인접한 복수의 세기값을 피팅하여 보정된 최소값을 결정하고, 상기 보정된 최소값에 대응되는 상기 초점면의 위치를 이용하여, 상기 높이 정보를 생성하는
    3차원 정보 생성 장치.
  15. 광원의 빛을 시편으로 집광하는 대물 렌즈;
    상기 시편으로부터 반사된 빛을 입력받아, 입력된 빛의 세기값을 출력하는 이미지 센서;
    상기 광원 및 상기 시편 사이에 형성된 빛의 진행 경로 상에 위치하며, 상기 빛의 일부를 투과시키는 투과 영역 및 상기 빛의 일부를 차단하는 도트 어레이를 포함하는 도트 어레이 제공부;
    상기 이미지 센서로부터 출력되는 세기값을 이용하여, 상기 도트 어레이의 도트 각각에 대응되는 상기 시편의 표면 영역에 대한 높이 정보를 생성하는 높이 정보 생성부; 및
    상기 높이 정보 및 상기 투과 영역을 투과한 빛에 대한 상기 이미지 센서의 출력 신호를 이용하여, 상기 시편에 대한 3차원 영상을 생성하는 영상 처리부
    를 포함하는 3차원 정보 생성 장치.
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