KR102251143B1 - 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템 - Google Patents

투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102251143B1
KR102251143B1 KR1020200019582A KR20200019582A KR102251143B1 KR 102251143 B1 KR102251143 B1 KR 102251143B1 KR 1020200019582 A KR1020200019582 A KR 1020200019582A KR 20200019582 A KR20200019582 A KR 20200019582A KR 102251143 B1 KR102251143 B1 KR 102251143B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
circularly polarized
polarized light
beam splitter
geometric phase
scanning
Prior art date
Application number
KR1020200019582A
Other languages
English (en)
Inventor
김태근
Original Assignee
세종대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 세종대학교 산학협력단 filed Critical 세종대학교 산학협력단
Priority to KR1020200019582A priority Critical patent/KR102251143B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102251143B1 publication Critical patent/KR102251143B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2286—Particular reconstruction light ; Beam properties
    • G03H2001/2292—Using scanning means
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2222/00—Light sources or light beam properties
    • G03H2222/31—Polarised light

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

본 발명은 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터와, 상기 간섭 빔을 이용하여 투과형 대상물인 투과체를 스캔하는 스캔수단과, 상기 투과체를 투과한 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터와, 상기 제1 및 제2 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기, 및 상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 및 제2 광검출기를 포함하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 광 신호를 변조하기 위한 복잡한 변조 장치의 사용 없이 편광에 따른 기하학적 구조를 사용하여 쌍영상 잡음과 배경 잡음 없이 투과체에 대한 복소수 홀로그램을 획득할 수 있으며, 부가적인 광 변조 장치를 전혀 요구하지 않으므로 구조의 복잡도를 낮출 수 있고 소형 및 경량화가 가능함은 물론, 에너지 소비에 민감한 모바일 기기에도 적용 가능하다.

Description

투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템{Geometric phase scanning holography system for transmissive object}
본 발명은 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 신호를 변조하기 위한 복잡한 변조 장치 없이도 쌍영상 잡음과 배경 잡음 없이 투과형 대상물인 투과체에 대한 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템에 관한 것이다.
종래에 따른 광 스캐닝 기반의 물체의 홀로그램 획득 장치는 가간섭 광(coherent light; 간섭 가능한 광)을 제1 빔과 제2 빔으로 공간적으로 분리 후, 각각의 개별적인 광 경로를 따라 진행하는 제1 빔과 제2 빔을 개별 광 경로 상에서 시간과 공간적으로 광 변조하고 이들을 다시 재결합하는 간섭계 구조를 이용하여 스캐닝 빔 패턴을 형성하였다.
이러한 기존의 광 스캐닝 방식의 경우 쌍영상 잡음과 배경 잡음 없이 실제 물체의 홀로그램을 획득하기 위해서는 함수 발생기에 의해 생성된 전기 신호에 따라 광의 위상을 변조하는 음향 광 변조기 또는 전자 광 변조기 같은 부가적이고 복잡한 변조 장치가 요구되었다.
하지만, 음향 광 변조기의 경우 부피가 크고 MHz 대역의 고주파 신호 생성 장치를 필요로 하며 높은 에너지의 음파 생성이 요구되므로 전력 손실이 큰 단점이 있다. 그리고, 전자 광 변조기의 경우 부피가 클 뿐만 아니라 고전압 생성을 위한 전압 증폭기를 필요로 하며 장치의 복잡도가 높은 단점이 있다.
이와 같은 문제점들은 기존의 광 스캐닝 홀로그램의 실용화에 있어 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2013-0081127호(2013.07.16 공개)에 있다.
본 발명은, 광 신호를 변조하기 위한 복잡한 변조 장치 없이도 쌍영상 잡음과 배경 잡음이 제거된 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있고 투과형 대상물에 대한 홀로그램을 촬영할 수 있는 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터와, 상기 간섭 빔을 이용하여 투과형 대상물인 투과체를 스캔하는 스캔수단과, 상기 투과체를 투과한 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터와, 상기 제1 및 제2 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기, 및 상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 및 제2 광검출기를 포함하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공한다.
그리고, 본 발명은, 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터와, 상기 간섭 빔을 이용하여 투과형 대상물인 투과체를 스캔하는 스캔수단과, 상기 투과체를 투과한 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터와, 상기 제1 출력 빔을 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리하는 제3 빔스플리터와, 상기 제2 출력 빔을 제2a 및 제2b 출력 빔으로 분리하는 제4 빔스플리터와, 상기 제1a 및 제1b 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기와, 상기 제2a 및 제2b 출력 빔을 각각 편광시키는 제3 및 제4 편광기, 및 상기 제1 내지 제4 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 내지 제4 광검출기를 포함하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공한다.
그리고, 본 발명은, 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터와, 상기 간섭 빔을 이용하여 투과형 대상물인 투과체를 스캔하는 스캔수단과, 상기 투과체를 투과한 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터와, 상기 제1 출력 빔을 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리하는 제3 빔스플리터와, 상기 제1a 및 제1b 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기와, 상기 제2 출력 빔을 편광시키는 제3 편광기, 및 상기 제1 내지 제3 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 내지 제3 광검출기를 포함하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공한다.
또한, 상기 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 입사되는 선편광 빔을 서로 직교하는 p-편광의 제1 빔 및 s-편광의 제2 빔으로 분리하는 편광 빔스플리터와, 상기 제1 빔을 좌현 원편광 빔으로 변환하는 제1 1/4 파장판과, 상기 제2 빔을 우현 원편광 빔으로 변환하는 제2 1/4 파장판과, 상기 좌현 원편광 빔을 확장하여 좌현 원편광의 평면파를 상기 제1 빔스플리터로 제공하는 제1 콜리메이터와, 상기 우현 원편광 빔을 확장하여 우현 원편광의 평면파를 제공하는 제2 콜리메이터, 및 상기 우현 원편광의 평면파를 구면파로 변환하여 상기 제1 빔스플리터로 제공하는 제1 렌즈를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 p-편광의 제1 빔 및 s-편광의 제2 빔은 각각 상기 편광 빔스플리터로부터 투과 및 반사된 빔이며, 상기 선편광 빔은, 상기 편광 빔스플리터의 p-편광 축에 대해 45도 회전된 편광 방향으로 입사될 수 있다.
또한, 상기 간섭 빔은, 기하 위상 프레넬 윤대판(Geometric Phase Fresnel Zone Plate) 형태로서 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure 112020017041278-pat00001
여기서, λ는 사용된 빔의 파장, (x0 2+y0 2)는 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x0,y0)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, θ는 상기 편광 빔스플리터의 p-편광 축에 대해 시계 방향으로 선편광된 각도를 나타낸다.
또한, 상기 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 상기 제1 빔스플리터와 상기 스캔수단 사이에 위치하며, 상기 좌현 원편광의 평면파를 구면파로 변환하는 제2 렌즈를 더 포함하며, 상기 간섭 빔은, 서로 다른 초점 위치를 갖는 상기 좌현 원편광의 구면파와 상기 우현 원편광의 구면파 간의 중첩에 의해 형성되는 비선형 프레넬 윤대판 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 입사되는 좌현 원편광 빔을 반사 및 투과시켜 두 개의 빔으로 분리하는 제5 빔스플리터와, 상기 반사된 좌현 원편광 빔을 우현 원편광 빔으로 변경하는 1/2 파장판과, 상기 투과된 좌현 원편광 빔을 확장시켜 좌현 원편광의 평면파를 출력하는 제1 콜리메이터와, 상기 우현 원편광 빔을 확장시켜 우현 원편광의 평면파를 제공하는 제2 콜리메이터, 및 상기 우현 원편광의 평면파를 구면파로 변환하여 상기 제1 빔스플리터로 제공하는 제1 렌즈를 더 포함할 수 있다.
또한, 각각의 빔스플리터는, 입사된 빔의 일부를 투과시키고 일부를 반사시켜 2개로 분리하며, 상기 제2 편광기는, 상기 제1 편광기의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도 회전된 편광 방향을 가질 수 있다.
또한, 각각의 빔스플리터는, 입사된 빔의 일부를 투과시키고 일부를 반사시켜 2개로 분리하며, 상기 제2 내지 제4 편광기는, 상기 제1 편광기의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도, 90도, 135도 회전된 편광 방향을 가질 수 있다.
또한, 상기 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 상기 제1 및 제2 광검출기에서 검출된 제1 및 제2 전류 신호를 처리하여 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 전자처리부를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 광검출기는, 상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 상기 제1 및 제2 출력 빔의 세기에 대응하여 상기 제1 및 제2 전류 신호를 각각 생성할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 광검출기에서 생성한 상기 제1 및 제2 전류 신호(
Figure 112020017041278-pat00002
,
Figure 112020017041278-pat00003
)는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure 112020017041278-pat00004
Figure 112020017041278-pat00005
여기서, O(x0,y0;z)는 상기 대상물의 투과율에 대한 3차원 분포로서 상기 대상물의 3차원 영상이며,
Figure 112020017041278-pat00006
는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 상기 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, dc는 직류 바이어스 성분을 나타낸다.
또한, 상기 전자처리부는, 상기 제1 및 제2 전류 신호로부터 각각 직류 바이어스 성분인 dc 성분을 제거하여 AD 컨버터에 입력시키는 제1 및 제2 dc 제거 필터와, 상기 dc 성분이 필터링된 제1 및 제2 전류 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터와, 상기 변환된 디지털 신호로부터 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 신호처리부와, 상기 복소수 홀로그램을 저장하는 저장부, 및 상기 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 상기 스캔수단의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하는 스캔 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 상기 제1 내지 제4 광검출기에서 검출된 제1 내지 제4 전류 신호를 처리하여 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 전자처리부를 더 포함하며, 상기 제1 내지 제4 광검출기는, 상기 제1 내지 제4 편광기를 통과한 각각의 출력 빔의 세기에 대응하여 상기 제1 내지 제4 전류 신호를 각각 생성할 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제4 광검출기에서 생성한 제n 전류 신호(
Figure 112020017041278-pat00007
)는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure 112020017041278-pat00008
여기서, n={1,2,3,4}, pn은 상기 n으로 지정된 광검출기에서 생성된 홀로그램 신호의 천위된 위상, O(x0,y0;z)는 상기 대상물의 투과율에 대한 3차원 분포로서 상기 대상물의 3차원 영상이며,
Figure 112020017041278-pat00009
는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 상기 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리이다.
또한, 상기 전자처리부는, 상기 제1 내지 제4 전류 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터와, 상기 변환된 디지털 신호로부터 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 신호처리부와, 상기 복소수 홀로그램을 저장하는 저장부, 및 상기 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 상기 스캔수단의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하는 스캔 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광 신호를 변조하기 위한 복잡한 변조 장치의 사용 없이 편광에 따른 기하학적 구조를 사용하여 쌍영상 잡음과 배경 잡음 없이 투과체에 대한 복소수 홀로그램을 획득할 수 있으며, 부가적인 광 변조 장치를 전혀 요구하지 않으므로 구조의 복잡도를 낮출 수 있고 소형 및 경량화가 가능함은 물론, 에너지 소비에 민감한 모바일 기기에도 적용 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 변형 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 대상물에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템에 관한 것으로, 투과형 대상물(transmissive object)(이하, 투과체)에 대한 홀로그램을 획득하기 위한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템를 제안한다.
도 1은 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 것과 같이, 제1 실시예에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템(100)는 편광 빔스플리터(110), 제1 및 제2 1/4 파장판(115,120), 제1 및 제2 콜리메이터(125,130), 제1 렌즈(135), 제1 빔스플리터(140), 스캔수단(145), 집광기(150), 제2 빔스플리터(155), 제1 및 제2 편광기(160a,160b), 제1 및 제2 광검출기(170a,170b), 전자처리부(180)를 포함한다.
우선, 광원으로부터 출력된 선편광(linearly polarized) 빔은 제1 거울(M1)에 전달되고, 제1 거울(M1)은 전달받은 선편광 빔을 편광 빔스플리터(110)(polarizing beam splitter)에 입시사킨다.
편광 빔스플리터(110)는 입사되는 선편광 빔을 서로 직교하는 p-편광의 제1 빔 및 s-편광의 제2 빔으로 분리한다.
편광 빔스플리터(110)에 전달되는 빔의 도파 방향에 대해 수직한 평면에 대하여 상호 직교하는 편광 부분을 나누어, 편광 빔스플리터(110)가 투과시키는 편광을 p-편광이라 하고, 반사시키는 편광을 s-편광이라 한다.
p-편광의 축 방향은 편광 빔스플리터(110)와 제1 1/4 파장판(115) 사이의 경로 상에 양방향 화살표로 도시하였고, s-편광의 축 방향은 편광 빔스플리터(110)와 제2 1/4 파장판(120) 사이의 경로 상에 p-편광의 축 방향에 직교한 방향의 양방향 화살표로 도시하였다.
여기서, 선편광 빔의 편광 방향을 p-편광 축에 대해 45도 회전된 방향으로 위치시켜, 편광 빔스플리터(110)에 p-편광의 방향에 대해 45로 회전된 방향을 갖는 선편광 빔이 전달된다. 따라서 선편광 빔은 편광 빔스플리터(110)의 p-편광 축에 대해 45도 회전된 편광 방향으로 입사된다.
편광 빔스플리터(110)는 전달받은 선편광 빔 중 p-편광 부분을 통과시켜 제1 1/4 파장판(115)으로 전달하고, s-편광 부분을 반사시켜 제2 1/4 파장판(120)으로 전달한다. 제1 및 제2 1/4 파장판(115,120)(quarter wave plate)은 입사되는 빔의 편광을 변경한다.
제1 1/4 파장판(115)은 p-편광의 제1 빔을 좌현 원편광 빔(left-handed circular polarized beam)으로 변환하여 제2 거울(M2)로 전달하고, 제2 1/4 파장판(120)은 s-편광의 제2 빔을 우현 원편광 빔(right-handed circular polarized beam)으로 변환하여 제3 거울(M3)로 전달한다.
제2 거울(M2)은 전달받은 좌현 원편광 빔을 빔 확장기인 제1 콜리메이터(125)로 전달하고, 제3 거울(M3)은 전달받은 우현 원편광 빔을 제2 콜리메이터(130)로 전달한다.
제1 콜리메이터(125)는 좌현 원편광 빔을 콜리메이션하여 평면파를 형성시켜 제1 빔스플리터(140)로 전달한다. 즉, 제1 콜리메이터(125)는 좌현 원편광 빔을 확장하여 좌현 원편광의 평면파를 제1 빔스플리터(140)로 제공한다.
제2 콜리메이터(130)는 우현 원편광 빔을 콜리메이션하여 평면파를 형성시켜 제1 렌즈(135)로 전달한다. 즉, 제2 콜리메이터(130)는 우현 원편광 빔을 확장하여 우현 원편광의 평면파를 제1 렌즈(135)로 제공한다. 여기서, 제1 렌즈(135)는 우현 원편광의 평면파를 다시 구면파로 변환하여 제1 빔스플리터(140)로 제공한다.
좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파는 제1 빔스플리터(140)의 일면과 타면을 통해 각각 들어와 서로 중첩된다. 즉, 제1 빔스플리터(140)는 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 상호 중첩시켜 간섭 빔을 형성하며, 형성한 간섭 빔을 스캔수단(145)으로 전달한다.
이때, 간섭 빔은 기하 위상 프레넬 윤대판(Geometric Phase Fresnel Zone Plate) 형태로서 아래의 수학식 1로 정의될 수 있다.
Figure 112020017041278-pat00010
여기서, λ는 사용된 빔의 파장, (x0 2+y0 2)는 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x0,y0)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 대상물(10)까지의 거리, θ는 제1 편광 빔스플리터의 p-편광 축에 대해 시계 방향으로 선편광된 각도를 나타낸다.
즉, 도 1의 제1 빔스플리터(140)를 통해 중첩된 우현 원평광된 구면파와 좌현 원편광된 평면파 중에서 편광 빔스플리터(110)의 p-편광 축에 대해서 시계방향으로 θ의 각을 갖는 축 방향으로 선편광된 부분의 간섭 패턴은 위상이 2θ 만큼 천위된 프레넬 윤대판(Fresnel zone plate)이 된다. 이때, 편광축의 기하적인 회전각에 의해 간섭패턴의 위상이 천위되므로, 이러한 형태를 기하 위상 프레넬 윤대판(Geometrical Phase Fresnel Zone Plate)이라 한다.
스캔수단(145)은 제1 빔스플리터(140)로부터 전달받은 간섭 빔을 이용하여 투과형 대상물인 투과체(10)를 스캔한다. 스캔수단(145)은 이러한 간섭 빔을 응답지령빔으로 하여 촬영 대상물인 투과체(10)를 스캔한다.
여기서, 투과체(10)는 세포, 미생물, 피막, 투명성 물체나 조형물 등 투과성을 가지는 다양한 물체에 해당할 수 있다. 이하에서는 촬영 대상물인 투과체(10)를 대상물로 명명한다.
대상물(10)을 스캔하기 위한 응답지령빔의 세기 패턴은 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112020017041278-pat00011
여기서, dc는 구면파 세기 패턴과 평면파 세기 패턴의 합으로, 이상적인 경우에는 공간에 따른 변화가 없고 실제의 경우에도 공간에 따른 변화가 아주 작은 직류 바이어스(direct current bias) 성분이다.
본 실시예에서 스캔수단(145)은 거울 스캐너를 사용한다. 거울 스캐너는 대상물(10)을 X 방향으로 스캔하는 수평 스캔 거울과, Y 방향으로 스캔하는 수직 스캔 거울을 갖는 X-Y 스캐너로 구성된다. 물론, 본 발명의 경우 스캔수단(145)이 거울 스캐너로 한정되는 것은 아니며 이와 유사한 수단 또는 공지된 다른 스캔수단이 사용될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 거울 형태의 스캔수단(145)에 우현 원편광된 구면파와 좌현 원편광된 평면파가 중첩된 빔이 전달되고, 스캔수단(145)은 기하 위상 프레넬 윤대판을 대상물(10)을 가로질러 이동시킴에 따라, 대상물(10)을 스캐닝할 수 있도록 한다.
스캔수단(145)은 전자처리부(180)에 마련된 스캔 제어부(185)로부터 스캐닝 제어신호를 받아 동작되며, 스캔 제어부(185)는 스캔수단(145)의 스캐닝 위치를 제어하기 위한 스캐닝 제어신호를 발생시킨다. 여기서, 스캐닝 제어신호는 수평 스캔 거울 및 수직 스캔 거울을 수평 방향 및 수직 방향으로 각각 제어하기 위한 수평 스캔 신호 및 수직 스캔 신호를 포함할 수 있다.
물론, 이렇게 거울 스캐너를 이용하는 대신 대상물을 대물판 위에 위치시키고, 대물판을 수평 이동하여 대상물을 스캔할 수 있음은 물론이다. 본 발명은 이외에도 전자광 편향기(electrooptic deflector)를 이용하는 등 다양한 방법을 이용하여 대상물을 스캔할 수 있다.
스캔수단(145)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치에서 대상물(10)을 투과한 빔은 집광기(150)에 의해서 공간적(spatially)으로 집적(integrated)된다. 이와 같이 촬영 대상물(10)이 광 투과성을 가지는 투과체에 해당하므로 투과체를 투과하는 광 경로(투과체 후방)에서 투과체를 투과한 빔이 집광기(150)로 입사되고 집적된다.
여기서, 집광기(150)는 렌즈를 통해 구현될 수 있으며, 이외에도 오목 반사경을 포함한 영상(imaging) 또는 비 영상(non-imaging) 집광기 등의 공지된 다양한 집광수단으로 구현될 수 있다.
대상물(10)을 투과 후 집광기(150)에 집광된 빔은 제2 빔스플리터(155)로 전달된다. 제2 빔스플리터(155)는 집광기(150)에 의해 집광된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리한다. 제2 빔스플리터(155)는 집광기(150)에 의해 집광된 빛 중 일부를 통과시켜 제1 편광기(160a)로 전달하고, 일부를 반사시켜 제2 편광기(160b)로 전달한다. 즉, 통과된 제1 출력 빔은 제1 편광기(160a)로, 반사된 출력 제2 빔은 제2 편광기(160b)로 전달된다.
제1 및 제2 편광기(160a,160b)는 전달받은 제1 및 제2 출력 빔을 각각 편광시킨다. 여기서, 제2 편광기(160b)는 제1 편광기(160a)의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도 회전된 편광 방향으로 위치시킨다.
제1 편광기(160a)는 제2 빔스플리터(155)로부터 전달받은 제1 출력 빔 중 제1 편광기(160a)의 편광 방향으로 편광된 빔을 투과시켜 제1 광검출기(170a)로 전달한다. 마찬가지로, 제2 편광기(160b)는 전달받은 제2 출력 빔 중 제2 편광기(160b)의 편광 방향으로 편광된 빔을 투과시켜 제2 광검출기(170b)로 전달한다.
제1 및 제2 광검출기(170a,170b)는 제1 및 제2 편광기(160a,160b)에 대응하여 설치되며, 제1 및 제2 편광기(160a,160b)를 통과한 각각의 출력 빔을 검출한다.
제1 및 제2 광검출기(170a,170b)는 광 다이오드로 구현될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않으며, 광증배관(photo-multiplier tube) 등 다양한 광 검출수단이 적용될 수 있다. 또한, 집광기 없이도 광 검출수단의 검출 면으로 전달되어 들어오는 빛을 직접 검출할 수도 있다.
제1 및 제2 광검출기(170a,170b)는 집광기(150)를 통해 공간적으로 집적된 빔 중 제1 편광기(160a)의 방향으로 편광된 편광 부분과 제2 편광기(160b) 방향으로 편광된 편광 부분을 검출하여 전류 신호로 변환하는데, 편광 부분의 세기에 따라 전류를 생성한다.
즉, 제1 및 제2 광검출기(170a,170b)는 제1 및 제2 편광기(160a,160b)를 통과한 제1 및 제2 출력 빔의 세기에 대응하여 제1 및 제2 전류 신호를 생성한다.
스캔수단(145)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치에 대해 제1 광검출기(170a)에서 생성된 제1 전류신호는 제1 편광기 방향의 기하 위상 프레넬 윤대판과 대상물의 3차원 영상분포가 인코드된 패턴에 해당하고, 제2 광검출기(170b)에서 생성된 제2 전류신호는 제2 편광기 방향의 기하 위상 프레넬 윤대판과 대상물의 3차원 영상분포가 인코드된 패턴에 해당한다.
제2 편광기(160b)의 편광 방향은 제1 편광기(160a)의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도 회전되어 있다. 따라서, 제1 및 제2 광검출기에서 각각 생성한 제1 및 제2 전류 신호(
Figure 112020017041278-pat00012
,
Figure 112020017041278-pat00013
)는 제1 편광기(160a)의 편광 방향을 기준으로 아래의 수학식 3과 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112020017041278-pat00014
Figure 112020017041278-pat00015
여기서, O(x0,y0;z)는 대상물(10)의 투과율(transmittance)에 대한 3차원 분포로서 대상물(10)의 3차원 영상이며,
Figure 112020017041278-pat00016
는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 구면파의 초점위치로부터 대상물(10)까지의 거리(대상물의 깊이 위치), dc는 직류 바이어스 성분이다.
이러한 수학식 3과 수학식 4에 의한 제1 및 제2 전류 신호는 전자처리부(180) 내의 제1 및 제2 dc 제거 필터(181a,181b)로 각각 전달된다.
전자처리부(180)는 제1 및 제2 광검출기에서 검출된 제1 및 제2 전류 신호를 처리하여 대상물(10)의 복소수 홀로그램을 생성하며, 제1 및 제2 dc 제거 필터(181a,181b), AD 컨버터(182), 신호처리부(183), 저장부(184) 및 스캔 제어부(185)를 포함한다.
제1 및 제2 dc 제거 필터(181a,181b)는 제1 및 제2 전류 신호로부터 각각 직류 바이어스 성분 즉, dc 성분을 제거하여 AD 컨버터(182)에 입력시킨다.
제1 및 제2 dc 제거 필터(181a,181b)는 수학식 3, 4에서 dc와 대상물의 투과율 분포가 콘볼루션된 부분을 제거하여 아래의 수학식 5, 6과 같은 신호를 출력으로 생성하여 AD 컨버터(182)로 전달한다.
Figure 112020017041278-pat00017
Figure 112020017041278-pat00018
AD 컨버터(182)는 각각의 필터를 통해 dc 성분이 필터링된 제1 및 제2 전류 신호를 디지털 신호로 변환한다. 이러한 AD 컨버터(182)는 두 개의 입력 채널을 가지며 수학식 5의 동위상 신호와 수학식 6의 π/2 위상 신호를 각 채널을 통해 입력받아 디지털 신호로 변환한다.
신호처리부(183)는 변환된 디지털 신호로부터 투과형 대상물 즉, 투과체에 대한 복소수 홀로그램을 생성하고, 저장부(184)는 생성된 복소수 홀로그램을 저장한다.
이때 복소수 홀로그램은 아래의 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112020017041278-pat00019
여기서,
Figure 112020017041278-pat00020
는
Figure 112020017041278-pat00021
로부터 dc 성분을 제거한 상태의 값,
Figure 112020017041278-pat00022
는
Figure 112020017041278-pat00023
로부터 dc 성분을 제거한 상태의 값을 나타낸다.
스캔 제어부(185)는 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 스캔수단(145)의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하여 스캔수단(145)으로 전달한다. 물론, 이를 위해, 신호처리부(183)는 수학식 5와 6을 수학식 7과 같이 복소수 더하기 방법으로 더하여 각각의 스캔 위치에 대한 2차원 배열을 형성하고 저장부(184)는 이를 저장한다.
여기서, 제1 및 제2 dc 제거 필터(181a,181b)를 생략하는 대신, AD 컨버터(182)가 제1 및 제2 광검출기(170a,170b)의 출력을 받아서 이를 디지털 신호로 변환 후 디지털 신호처리 방식을 통해 디지털 dc 제거 필터링을 수행할 수도 있다. 이 경우, AD 컨버터(182)는 제1 및 제2 전류 신호를 디지털 신호로 변환한 다음 변환된 디지털 신호에 디지털 필터링을 적용하여 dc 성분을 제거한다.
이때, AD 컨버터(182)는 가산기, 승산기, 시프트 레지스터(shift resister)를 사용하여 디지털 신호를 직접 처리하여 dc 성분을 제거할 수도 있고, 고속 푸리에 변환을 통해 디지털 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하여 dc 성분을 제거할 수도 있다.
그 밖에도, 신호 처리부(183)가 AD 컨버터(184)를 통해 변환된 디지털 신호를 받아 저장부(184)로 저장하고 저장부(184)에 저장된 신호를 다시 읽어 푸리에 변환하여 공간 주파수 영역으로 전달하고 공간 주파수 영역에서 dc 성분을 제거할 수도 있다. 또한, 공간 푸리에 변환뿐 아니라, 웨이브렛 변환을 비롯한 다양한 디지털 연산 방법을 이용하여 dc 성분을 제거할 수도 있다. 여기서 물론, dc 성분이 제거된 신호는 상술한 수학식 5, 6과 같다.
이외에도, 신호처리부(183)는 수학식 5, 6에 대하여 각각의 스캔 위치에 따른 2차원 배열을 형성하여 저장부(184)로 전달한 다음, 스캔이 종료되면 저장부(184)로부터 읽어들여 수학식 5, 6에 대응하는 2차원 배열을 수학식 7의 복소수 더하기 방법으로 더한 후 다시 저장부(184)에 저장할 수 있다.
여기서 수학식 7은 종래의 광 스캐닝 홀로그램을 이용하여 획득한 복소수 홀로그램과 동일한데, 이는 곧 복잡한 광 변조기를 사용하지 않고도 기존과 동일한 형태의 홀로그램을 생성할 수 있음을 의미한다.
본 발명의 제1 실시예에서는 선편광 빔을 편광 빔스플리터(110)를 통해 p-편광과 s-편광으로 분리한 다음 제1 1/4파장판(115)과 제2 1/4 파장판(120)을 이용하여 우현 원편광 빔과 좌현 원편광 빔을 생성하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않으며, 공지된 다양한 간섭수단을 이용하여 우현 원편광과 좌현 원편광을 생성할 수 있다.
도 2는 도 1의 변형 예를 나타낸 도면이다. 이러한 도 2는 좌현 원편광 빔과 우현 원편광 빔을 생성하는 다른 실시예를 나타낸다.,
도 2의 경우 도 1의 편광 빔스플리터(110), 제1 1/4파장판(115) 및 제2 1/4파장판(120)을 제거하는 대신, 편광 빔스플리터(110)의 위치에는 편광에 무관한 제5 빔스플리터(111)를 위치시키고, 제2 1/4 파장판(120)의 위치에는 1/2 파장판(121)(half wave plate)을 위치시키며, 광원에서는 선편광 빔이 아닌 좌현 원편광 빔을 생성하여 제5 빔스플리터(111)로 전달한다.
제5 빔스플리터(111)는 광원으로부터 입사되는 좌현 원편광 빔의 일부를 투과시켜 제2 거울(M2)에 전달하고 일부를 반사시켜 1/2 파장판(121)에 전달한다. 1/2 파장판(121)은 전달받은 좌현 원편광 빔을 우현 원편광 빔으로 변환하여 제3 거울(M3)로 전달한다. 즉, 이와 같은 방식을 통해서도 우현 원편광 빔과 좌현 원편광 빔을 생성할 수 있다. 이후의 동작은 앞서 도 1의 원리와 동일하다.
도 3은 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3에 나타낸 것과 같이, 제2 실시예에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템(200)은 편광 빔스플리터(110), 제1 및 제2 1/4 파장판(115,120), 제1 및 제2 콜리메이터(125,130), 제1 렌즈(135), 제1 빔스플리터(140), 스캔수단(145), 집광기(150), 제2 빔스플리터(155), 제1 및 제2 편광기(160a,160b), 제1 및 제2 광검출기(170a,170b), 전자처리부(180), 제2 렌즈(390)를 포함한다.
이러한 도 3의 제2 실시예는 도 1에 의한 제1 실시예의 구조에서 제1 빔스플리터(140)와 대상물(10) 사이에 제2 렌즈(390)를 추가로 삽입한 것이다. 따라서 도 3에서 도 1의 제1 실시예의 경우와 동일한 부호를 갖는 구성요소는 동일한 동작을 수행함을 의미하므로, 동일한 부호의 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다.
도 3의 경우 제2 렌즈(390)는 제1 빔스플리터(140)와 스캔수단(145) 사이에 위치하며, 제1 콜리메이터(125)에서 생성된 좌현 원편광의 평면파를 제1 구면파로 변환한다. 이때, 제1 빔스플리터(140)에서 형성되는 간섭 빔은 서로 다른 초점 위치를 갖는 좌현 원편광의 구면파와 우현 원편광의 구면파 간의 중첩에 의해 형성되는 비선형 프레넬 윤대판 형태를 가지게 된다.
구체적으로, 제2 렌즈(390)는 제1 콜리메이터(125)에서 생성된 좌현 원편광의 평면파를 제1 구면파로 변환하여 대상물로 전달하며, 제2 콜리메이터(130)와 제1 렌즈(135)에 의해 형성된 우현 원편광의 제2 구면파의 초점 위치를 대상물 쪽으로 전달한다.
이때, 제2 렌즈(390)를 통과하여 형성된 제1 구면파의 제1 초점의 위치와, 제1 렌즈(135)를 통과하여 초점 위치가 변경된 제2 구면파의 제2 초점의 위치가 대상물과 제2 렌즈(390) 사이에 위치할 경우, 대상물을 스캔하는 스캔 빔은 서로 다른 초점 위치를 갖는 발산하는 두 구면파의 중첩에 의해 비선형 프레넬 윤대판이 된다.
또한, 비선형 윤대판을 이용하여 대상물을 스캔하고 대상물(10)을 투과한 빔을 제1 실시예의 경우와 같이 집광하여 처리하면 대상물의 비선형 홀로그램을 획득하여 저장부에 저장할 수 있다. 저장부에 저장된 비선형 홀로그램은 수학식 8과 같이 표현된다.
Figure 112020017041278-pat00024
여기서, d는 제1 구면파의 초점과 제2 구면파의 초점 사이의 거리이다. 비선형 홀로그램의 경우 본 출원인에 의한 한국공개특허 제2013-0081127호(2013.07.16 공개)에 따라 d를 조정하여 축소 및 확대에 따른 왜곡을 보정할 수 있다. d는 렌즈의 이미징 법칙에 따라 제2 렌즈(390)의 위치와 초점거리를 변경하여 조정할 수 있다.
또한, 대상물을 제1 구면파의 초점위치와 제2 구면파의 초점위치 사이에 위치시키는 경우, 발산하는 구면파와 수렴하는 구면파의 역 방향 곡률의 간섭에 의해 형성된 패턴으로 인코드된 물체의 홀로그램을 획득하고 수치적으로 복원하여 분해능을 향상시킬 수 있다. 이는 수학식 9와 같이 주어진다.
Figure 112020017041278-pat00025
다음은 본 발명의 제3 실시예를 설명한다. 제3 실시예는 추가적인 광검출기를 부가하여 제1 및 제2 dc 제거 필터(181a,181b) 사용 없이도 dc 성분을 제거함은 물론 노이즈에 강건한 홀로그램을 획득하는 방식이다.
도 4는 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4에 나타낸 것과 같이, 제3 실시예에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템(300)은 편광 빔스플리터(110), 제1 및 제2 1/4 파장판(115,120), 제1 및 제2 콜리메이터(125,130), 제1 렌즈(135), 제1 빔스플리터(140), 스캔수단(145), 집광기(150), 제2 내지 제4 빔스플리터(455a,455b,455c), 제1 내지 제4 편광기(460a,460b,460c,460d), 제1 내지 제4 광검출기(470a,470b,470c,470d), 전자처리부(480)를 포함한다.
이러한 도 4의 제3 실시예는 도 1의 제1 실시예의 구조에서 집광 부분의 구성이 변경된 것이다. 따라서 도 4에서 도 1의 제1 실시예와 동일한 부호를 갖는 구성요소는 동일한 동작을 수행함을 의미하므로, 동일한 부호의 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다.
이하에서는 집광기(150) 이후의 구성 부분을 중점적으로 설명한다.
제2 빔스플리터(455a)는 집광기(150)에서 집광된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리한다. 제2 빔스플리터(455a)에서 투과된 제1 출력 빔은 제3 빔스플리터(455b)로, 반사된 제2 출력 빔은 제4 빔스플리터(455c)에 전달된다.
제3 빔스플리터(455b)는 제1 출력 빔을 다시 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리한다. 제3 빔스플리터(455b)에서 투과된 제1a 출력 빔은 제1 편광기(460a)로 전달되고, 반사된 제1b 출력 빔은 제2 편광기(460b)로 전달된다.
제4 빔스플리터(455c)는 제2 출력 빔을 다시 제2a 및 제2b 출력 빔으로 분리한다. 제4 빔스플리터(455c)에서 투과된 제2a 출력 빔은 제3 편광기(460c)로 전달되고, 반사된 제2b 출력 빔은 제4 편광기(460d)로 전달된다.
이때, 제2, 제3 및 제4 편광기(460b,460c,460d)는 각각 제1 편광기(460a)의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도, 90도, 135도 회전된 편광 방향을 가진다.
제1 내지 제4 광검출기(470a,470b,470c,470d)는 제1 내지 제4 편광기(460a,460b,460c,460d)에 각각 대응하여 설치되어, 제1 내지 제4 편광기(460a,460b,460c,460d)를 통과한 각각의 출력 빔을 검출한다.
여기서, 제1 내지 제4 광검출기(470a,470b,470c,470d)는 앞서 제1 실시예와 같이, 제1 내지 제4 편광기(460a,460b,460c,460d)를 통과한 각각의 출력 빔의 세기에 대응하여 제1 내지 제4 전류 신호를 각각 생성한다.
검출된 제1 내지 제4 전류 신호는 제n 전류 신호(
Figure 112020017041278-pat00026
)로 명명하며, 아래의 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112020017041278-pat00027
여기서, n={1,2,3,4}로, 제1,2,3,4 광검출기에 각각 대응하는 인덱스이다.
또한, pn은 n으로 지정된 n번째 광검출기에서 각각 생성된 홀로그램 신호의 천위된 위상, O(x0,y0;z)는 대상물(10)의 투과율에 대한 3차원 분포로서 대상물의 3차원 영상이며,
Figure 112020017041278-pat00028
는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 스캔수단(145)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 구면파의 초점위치로부터 대상물(10)까지의 거리이다.
이러한 수학식 10에 의한 제1 내지 제4 전류 신호는 각각 전자처리부(480) 내의 AD 컨버터(482)로 전달된다.
전자처리부(480)는 제1 내지 제4 광검출기에서 검출된 제1 내지 제4 전류신호를 처리하여 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하며, AD 컨버터(482), 신호처리부(483), 저장부(484) 및 스캔 제어부(485)를 포함한다.
AD 컨버터(482)는 제1 내지 제4 전류 신호를 디지털 신호로 변환한다. AD 컨버터(482)는 4개의 입력 채널을 가지며 수학식 10의 0 위상, π/2 위상, π 위상, 3π/2 위상를 각 채널을 통해 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 변환된 디지털 전류신호는 스캔수단(145)의 스캐닝 위치와 함께 신호처리부(483)로 제공된다.
신호처리부(483)는 변환된 디지털 신호로부터 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하고, 저장부(484)는 생성된 복소수 홀로그램을 저장한다.
이때 복소수 홀로그램은 아래의 수학식 11과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112020017041278-pat00029
스캔 제어부(485)는 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 스캔수단(145)의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하여 스캔수단(145)으로 전달한다. 물론, 이를 위해, 신호처리부(483)는 수학식 10에 의한 각각의 위상에 따른 신호를 수학식 11과 같이 복소수 더하기 방법으로 더하여 각각의 스캔 위치에 대한 2차원 배열을 형성하고 저장부(484)는 이를 저장한다.
이외에도, 신호처리부(483)는 수학식 10의 각 위상에 따른 신호에 대하여 각각의 스캔 위치에 따른 2차원 배열을 형성하여 저장부(484)로 전달한 다음, 스캔이 종료되면 저장부(484)로부터 읽어들여 수학식 10의 각각의 위상에 따른 신호에 대응하는 2차원 배열을 수학식 11의 복소수 더하기 방법으로 더한 후 다시 저장부(484)에 저장할 수 있다.
다음은 본 발명의 제4 실시예에 관하여 설명한다. 본 발명의 제4 실시예는 제3 실시예의 도면인 도 4에서 점선 박스 내의 제4 빔 스플리터(455c), 제4 편광기(460d), 제4 광검출기(470d)를 제거한 경우이다.
이때, 제2 및 제3 빔스플리터(455a,455b)의 동작은 제3 실시예와 동일하다. 제3 실시예와 다른 점은 제2 빔스플리터(455a)에서 반사된 제2 출력 빔이 제3 편광기(460c)에 전달되어 편광되며, 제3 편광기(460c)를 통해 편광된 빔은 제3 광검출기(470c)에서 검출된다.
이러한 제4 실시예의 경우 제1,제2,제3 광검출기(470a,470b,470c)에서 출력된 3개의 전류 신호를 3개 채널을 갖는 AD 컨버터를 이용하여 디지털 신호로 변환하여 신호 처리부에 전달하고, 신호 처리부는 이를 수학식 12의 방법으로 처리하여 복소수 홀로그램을 얻을 수 있다.
Figure 112020017041278-pat00030
이상과 같은 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템에 따르면, 광 신호를 변조하기 위한 복잡한 변조 장치의 사용 없이 편광에 따른 기하학적 구조를 이용하여 쌍영상 잡음과 배경 잡음이 없는 실제 물체의 복소수 홀로그램을 획득할 수 있어 구조의 복잡도를 낮출 수 있고 소형 및 경량화가 가능함은 물론, 에너지 소비에 민감한 모바일 기기에도 적용 가능한 이점을 제공한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100,200,300: 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템
110: 편광 빔스플리터 111: 제5 빔스플리터
115: 제1 1/4 파장판 120: 제2 1/4 파장판
121: 1/2 파장판 125: 제1 콜리메이터
130: 제2 콜리메이터 135: 제1 렌즈
140: 제1 빔스플리터 145: 스캔수단
150: 집광기 155,455a: 제2 빔스플리터
160a: 제1 편광기 160b: 제2 편광기
170a: 제1 광검출기 170b: 제2 광검출기
180,480: 전자처리부 181a: 제1 dc 제거 필터
181b: 제2 dc 제거 필터 182,482: AD 컨버터
183,483: 신호처리부 184,484: 저장부
185,485: 스캔 제어부 390: 제2 렌즈
455b: 제3 빔스플리터 455c: 제4 빔스플리터
460a, 460b, 460c, 460d: 제1, 제2, 제3, 제4 편광기
470a, 470b, 470c, 470d: 제1, 제2, 제3, 제4 광검출기

Claims (16)

  1. 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터;
    상기 간섭 빔을 이용하여 투과형 대상물인 투과체를 스캔하는 스캔수단;
    상기 투과체를 투과한 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터;
    상기 제1 및 제2 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기;
    상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 상기 제1 및 제2 출력 빔의 세기에 대응하여 제1 및 제2 전류 신호를 각각 생성하는 제1 및 제2 광검출기; 및
    상기 제1 및 제2 전류 신호를 처리하여 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 전자처리부를 포함하며,
    상기 전자처리부는,
    상기 제1 및 제2 전류 신호로부터 각각 직류 바이어스 성분인 dc 성분을 제거하여 AD 컨버터에 입력시키는 제1 및 제2 dc 제거 필터;
    상기 dc 성분이 필터링된 제1 및 제2 전류 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터;
    상기 변환된 디지털 신호로부터 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 신호처리부;
    상기 복소수 홀로그램을 저장하는 저장부; 및
    상기 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 상기 스캔수단의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하는 스캔 제어부를 포함하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
  2. 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터;
    상기 간섭 빔을 이용하여 투과형 대상물인 투과체를 스캔하는 스캔수단;
    상기 투과체를 투과한 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터;
    상기 제1 출력 빔을 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리하는 제3 빔스플리터;
    상기 제2 출력 빔을 제2a 및 제2b 출력 빔으로 분리하는 제4 빔스플리터;
    상기 제1a 및 제1b 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기;
    상기 제2a 및 제2b 출력 빔을 각각 편광시키는 제3 및 제4 편광기; 및
    상기 제1 내지 제4 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 내지 제4 광검출기를 포함하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
  3. 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터;
    상기 간섭 빔을 이용하여 투과형 대상물인 투과체를 스캔하는 스캔수단;
    상기 투과체를 투과한 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터;
    상기 제1 출력 빔을 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리하는 제3 빔스플리터;
    상기 제1a 및 제1b 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기;
    상기 제2 출력 빔을 편광시키는 제3 편광기; 및
    상기 제1 내지 제3 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 내지 제3 광검출기를 포함하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    입사되는 선편광 빔을 서로 직교하는 p-편광의 제1 빔 및 s-편광의 제2 빔으로 분리하는 편광 빔스플리터;
    상기 제1 빔을 좌현 원편광 빔으로 변환하는 제1 1/4 파장판;
    상기 제2 빔을 우현 원편광 빔으로 변환하는 제2 1/4 파장판;
    상기 좌현 원편광 빔을 확장하여 좌현 원편광의 평면파를 상기 제1 빔스플리터로 제공하는 제1 콜리메이터;
    상기 우현 원편광 빔을 확장하여 우현 원편광의 평면파를 제공하는 제2 콜리메이터; 및
    상기 우현 원편광의 평면파를 구면파로 변환하여 상기 제1 빔스플리터로 제공하는 제1 렌즈를 더 포함하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 p-편광의 제1 빔 및 s-편광의 제2 빔은 각각 상기 편광 빔스플리터로부터 투과 및 반사된 빔이며,
    상기 선편광 빔은,
    상기 편광 빔스플리터의 p-편광 축에 대해 45도 회전된 편광 방향으로 입사되는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 간섭 빔은,
    기하 위상 프레넬 윤대판(Geometric Phase Fresnel Zone Plate) 형태로서 아래의 수학식으로 정의되는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템:
    Figure 112020017041278-pat00031

    여기서, λ는 사용된 빔의 파장, (x0 2+y0 2)는 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x0,y0)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, θ는 상기 편광 빔스플리터의 p-편광 축에 대해 시계 방향으로 선편광된 각도를 나타낸다.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 빔스플리터와 상기 스캔수단 사이에 위치하며, 상기 좌현 원편광의 평면파를 구면파로 변환하는 제2 렌즈를 더 포함하며,
    상기 간섭 빔은,
    서로 다른 초점 위치를 갖는 상기 좌현 원편광의 구면파와 상기 우현 원편광의 구면파 간의 중첩에 의해 형성되는 비선형 프레넬 윤대판 형태를 가지는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    입사되는 좌현 원편광 빔을 반사 및 투과시켜 두 개의 빔으로 분리하는 제5 빔스플리터;
    상기 반사된 좌현 원편광 빔을 우현 원편광 빔으로 변경하는 1/2 파장판;
    상기 투과된 좌현 원편광 빔을 확장시켜 좌현 원편광의 평면파를 출력하는 제1 콜리메이터;
    상기 우현 원편광 빔을 확장시켜 우현 원편광의 평면파를 제공하는 제2 콜리메이터; 및
    상기 우현 원편광의 평면파를 구면파로 변환하여 상기 제1 빔스플리터로 제공하는 제1 렌즈를 더 포함하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    각각의 빔스플리터는,
    입사된 빔의 일부를 투과시키고 일부를 반사시켜 2개로 분리하며,
    상기 제2 편광기는,
    상기 제1 편광기의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도 회전된 편광 방향을 가지는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
  10. 청구항 2에 있어서,
    각각의 빔스플리터는,
    입사된 빔의 일부를 투과시키고 일부를 반사시켜 2개로 분리하며,
    상기 제2 내지 제4 편광기는,
    상기 제1 편광기의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도, 90도, 135도 회전된 편광 방향을 가지는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광검출기에서 생성한 상기 제1 및 제2 전류 신호(
    Figure 112021013867934-pat00032
    ,
    Figure 112021013867934-pat00033
    )는 아래의 수학식으로 정의되는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템:
    Figure 112021013867934-pat00034

    Figure 112021013867934-pat00035

    여기서, O(x0,y0;z)는 상기 대상물의 투과율에 대한 3차원 분포로서 상기 대상물의 3차원 영상이며,
    Figure 112021013867934-pat00036
    는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 상기 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, dc는 직류 바이어스 성분을 나타낸다.
  13. 삭제
  14. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 광검출기에서 검출된 제1 내지 제4 전류 신호를 처리하여 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 전자처리부를 더 포함하며,
    상기 제1 내지 제4 광검출기는,
    상기 제1 내지 제4 편광기를 통과한 각각의 출력 빔의 세기에 대응하여 상기 제1 내지 제4 전류 신호를 각각 생성하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 광검출기에서 생성한 제n 전류 신호(
    Figure 112020017041278-pat00037
    )는 아래의 수학식으로 정의되는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템:
    Figure 112020017041278-pat00038

    여기서, n={1,2,3,4}, pn은 상기 n으로 지정된 광검출기에서 생성된 홀로그램 신호의 천위된 위상, O(x0,y0;z)는 상기 대상물의 투과율에 대한 3차원 분포로서 상기 대상물의 3차원 영상이며,
    Figure 112020017041278-pat00039
    는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 상기 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리이다.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 전자처리부는,
    상기 제1 내지 제4 전류 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터;
    상기 변환된 디지털 신호로부터 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 신호처리부;
    상기 복소수 홀로그램을 저장하는 저장부; 및
    상기 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 상기 스캔수단의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하는 스캔 제어부를 포함하는 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
KR1020200019582A 2020-02-18 2020-02-18 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템 KR102251143B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200019582A KR102251143B1 (ko) 2020-02-18 2020-02-18 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200019582A KR102251143B1 (ko) 2020-02-18 2020-02-18 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102251143B1 true KR102251143B1 (ko) 2021-05-11

Family

ID=75914651

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200019582A KR102251143B1 (ko) 2020-02-18 2020-02-18 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102251143B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102551612B1 (ko) * 2022-09-28 2023-07-06 세종대학교 산학협력단 투과체에 대한 편광분할 더블 스캐닝 홀로그래피 시스템
KR102625392B1 (ko) * 2023-04-17 2024-01-17 세종대학교 산학협력단 투과체에 대한 각도 기울임을 사용한 편광분할 더블 스캐닝 홀로그래피 시스템

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101441245B1 (ko) * 2013-05-29 2014-09-17 제주대학교 산학협력단 디지털 홀로그래픽 현미경 장치
KR102056063B1 (ko) * 2018-09-03 2019-12-16 세종대학교 산학협력단 인라인 스캐닝 홀로그램 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101441245B1 (ko) * 2013-05-29 2014-09-17 제주대학교 산학협력단 디지털 홀로그래픽 현미경 장치
KR102056063B1 (ko) * 2018-09-03 2019-12-16 세종대학교 산학협력단 인라인 스캐닝 홀로그램 장치

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102551612B1 (ko) * 2022-09-28 2023-07-06 세종대학교 산학협력단 투과체에 대한 편광분할 더블 스캐닝 홀로그래피 시스템
WO2024071668A1 (ko) * 2022-09-28 2024-04-04 주식회사 큐빅셀 투과체에 대한 편광분할 더블 스캐닝 홀로그래피 시스템
KR102625392B1 (ko) * 2023-04-17 2024-01-17 세종대학교 산학협력단 투과체에 대한 각도 기울임을 사용한 편광분할 더블 스캐닝 홀로그래피 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101304695B1 (ko) 홀로그램 레코딩 장치
KR102122350B1 (ko) 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템
KR102251143B1 (ko) 투과체에 대한 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템
US12050435B2 (en) Optical scanning holography system
CN103955126B (zh) 基于相移干涉的数字全息图采集处理方法
CN102393569A (zh) 偏振光学扫描器
KR102056063B1 (ko) 인라인 스캐닝 홀로그램 장치
CN109814360A (zh) 一种基于环形随机相位板的光学扫描全息实现多图像并行加密的方法
KR102185432B1 (ko) 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템
KR101639671B1 (ko) 컬러 홀로그래픽 3d 디스플레이 장치
CN107356194B (zh) 基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置与方法
US8208186B2 (en) Polarization-based holographic optical reproducing apparatus including dc modulating element
Liu et al. Single recording without heterodyning in optical scanning holography
WO2021003380A1 (en) Calibration-free phase shifting procedure for self-interference holography
Awatsuji et al. 20000-frames-per-second phase-shifting digital holography
KR102358353B1 (ko) 위상광학 이미지 획득 장치 및 방법
KR102215493B1 (ko) 인라인 디지털 홀로그래피 시스템
KR102423055B1 (ko) 투과체에 대한 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템
JP6136520B2 (ja) 光情報記録装置
KR101594374B1 (ko) 홀로그래픽 데이터 스토리지 시스템
KR102205893B1 (ko) 형광체 및 투과체에 대한 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템
CN110161716B (zh) 一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置
CN108459485A (zh) 基于偏振平面透镜的菲涅尔非相干相关数字全息产生装置
CA2656136A1 (en) Method and system for parallel optical decoding of digital phase image to intensity image
KR101523173B1 (ko) 탈 축 홀로그램 레코딩 장치

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant