KR102283276B1 - 실시간 상 변경이 가능한 초음파 홀로그래피 장치 및 이의 동작 방법 - Google Patents

실시간 상 변경이 가능한 초음파 홀로그래피 장치 및 이의 동작 방법 Download PDF

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KR102283276B1
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이현주
국건
오채린
조예현
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한국과학기술원
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Abstract

실시간 상 변경이 가능한 초음파 홀로그래피 장치 및 이의 동작 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 초음파 홀로그래피 장치는, 컨트롤러와, 상기 컨트롤러의 제어에 따라 초음파를 발생시키는 복수의 초음파 발생 장치를 포함하는 위상 어레이와, 상기 위상 어레이에서 발생하는 초음파를 투과시킴으로써 초음파 상(image)를 획득하는 홀로그램 렌즈를 포함한다.

Description

실시간 상 변경이 가능한 초음파 홀로그래피 장치 및 이의 동작 방법{ULTRASONIC HOLOGRAPHY DEVICE CAPABLE FOR REAL-TIME IMAGE MODULATION AND ITS OPERATION METHOD}
아래 실시예들은 실시간 상 변경이 가능한 초음파 홀로그래피 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
대상물의 타겟에 대한 비접촉식 에너지 전달을 위해 초음파 홀로그래피 기술은 의료 공학(예를 들어, 초음파 기반 열 치료 또는 수술) 및 다양한 산업 분야에 이용될 수 있다. 대개 공간적으로 제한되거나 가변적일 수 있는 타겟의 효율적인 조사를 위해 공간 구조를 갖는 초음파 장이 필요하다.
초음파 홀로그래피 기술은 일반적으로 고정된 초점 또는 선형 초점을 가지는 이동식 초음파 송신기 또는 제어가능한 초점을 가지는 있는 위상 배열 초음파 송신기를 이용할 수 있다. 움직일 수 있는 초음파 송신기는 대상물에 대해 반복적으로 조정해야 한다는 측면에서 단점이 있다. 위상 배열 초음파 송신기는 포함하는 각 픽셀에 대해 전자적인 제어가 필요하다. 따라서, 픽셀 수가 증가함에 따라 복잡성 (특히 비용, 크기, 소프트웨어 요건)을 크게 증가시킬 수 있다.
실시예들은 초음파 홀로그래피를 수행하기 위한 기술에 관한 것으로, 고해상도의 상(image)를 구현하면서도 실시간으로 상을 변화시킬 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
다만, 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되는 것은 아니며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 홀로그래피 장치는, 컨트롤러와, 상기 컨트롤러의 제어에 따라 초음파를 발생시키는 복수의 초음파 발생 장치를 포함하는 위상 어레이와, 상기 위상 어레이에서 발생하는 초음파를 투과시킴으로써 초음파 상(image)를 획득하는 홀로그램 렌즈를 포함한다.
상기 컨트롤러는, 상기 복수의 초음파 발생 장치 각각이 발생시키는 초음파의 위상을 제어하고, 상기 복수의 초음파 발생 장치는 동일한 평면상에 배열되어 있을 수 있다.
상기 위상 어레이는, 위상 평면에서 제1 위상 패턴을 가지는 초음파를 발생시키고, 상기 홀로그램 렌즈는, 투과하는 초음파가 상기 위상 평면에서 제2 위상 패턴을 가지도록 위상을 변화시키고, 상기 초음파 상은, 상기 위상 평면에서 상기 제1 위상 패턴 및 상기 제2 위상 패턴이 합성된 제3 위상 패턴을 가지는 초음파에 의해 획득될 수 있다.
상기 제1 위상 패턴은, 초음파의 위상이 양자화된 위상 패턴일 수 있다.
상기 제1 위상 패턴은, 초음파의 위상이 제1 위상 또는 제2 위상으로 양자화된 위상 패턴이고, 상기 제1 위상 및 상기 제2 위상의 차이는 π일 수 있다.
상기 위상 어레이는, 상기 제1 위상 패턴을 조절하여 상기 초음파 상을 변형시킬 수 있다.
상기 제3 위상 패턴은, 이차원 직교 좌표 평면에서 기함수(odd function) 및 우함수(even function)의 합으로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴일 수 있다.
상기 제1 위상 패턴은, 이차원 직교 좌표 평면에서 상기 기함수(odd function)로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴이고, 상기 제2 위상 패턴은, 이차원 직교 좌표 평면에서 상기 우함수(even function)로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴일 수 있다.
상기 홀로그램 렌즈는, 서로 다른 복수의 매질로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 상 생성 방법은, 위상 어레이를 이용하여 초음파를 발생시키는 단계와, 상기 초음파를 홀로그램 렌즈에 투과시켜 초음파 상(image)를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 발생시키는 단계는, 위상 평면에서 제1 위상 패턴을 가지는 초음파를 발생시키고, 상기 획득하는 단계는, 상기 위상 평면에서 제2 위상 패턴을 가지도록 투과하는 초음파의 위상을 변화시키는 홀로그램 렌즈에 상기 위상 어레이에서 발생한 초음파를 투과시켜 상기 초음파 상을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 초음파 상은, 위상 평면에서 제3 위상 패턴을 가지는 초음파에 의해 획득되고, 상기 제3 위상 패턴은, 상기 제1 위상 패턴 및 상기 제2 위상 패턴이 합성되어 생성될 수 있다.
상기 제1 위상 패턴은, 초음파의 위상이 양자화된 위상 패턴일 수 있다.
상기 제1 위상 패턴은, 초음파의 위상이 제1 위상 또는 제2 위상으로 양자화된 위상 패턴이고, 상기 제1 위상 및 상기 제2 위상의 차는 π일 수 있다.
상기 발생시키는 단계는, 상기 제1 위상 패턴을 조절하여 상기 초음파 상을 변형시키는 단계일 수 있다.
상기 제3 위상 패턴은, 이차원 직교 좌표 평면에서 기함수(odd function) 및 우함수(even function)의 합으로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴일 수 있다.
상기 제1 위상 패턴은, 이차원 직교 좌표 평면에서 상기 기함수(odd function)로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴이고, 상기 제2 위상 패턴은, 이차원 직교 좌표 평면에서 상기 우함수(even function)로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴일 수 있다.
상기 홀로그램 렌즈는, 서로 다른 복수의 매질로 구성될 수 있다.
상기 위상 어레이는, 동일한 평면상에 배열된 초음파를 발생시키는 복수의 초음파 발생 장치와, 각각의 초음파 발생 장치가 발생시키는 초음파의 위상을 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
도 1은 초음파 홀로그래피 기술에 대한 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 초음파 홀로그래피 장치를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3c는 도 2에 도시된 홀로그램 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 위상 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 초음파 홀로그래피 장치의 동작을 간략히 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 2에 도시된 초음파 홀로그래피 장치의 동작의 개념 설명하기 위한 도면이다.
도 7는 도 2에 도시된 초음파 홀로그래피 장치의 동작을 요약한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
도 1은 초음파 홀로그래피 기술에 대한 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 초음파 홀로그래피 장치를 개념적으로 나타내는 도면이다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 초음파를 발생시켜 초음파 상(image)을 생성할 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 위상 평면(130)에서 초음파의 위상을 특정한 패턴으로 구현하여 초음파 상(150)을 생성할 수 있다. 즉, 초음파 홀로그래피 장치(100)는 원하는 초음파 상(150)을 생성하기 위해 위상 평면(130)에서 특정한 위상 패턴을 가지는 초음파를 전파할 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 상(150)을 실시간으로 변경할 수 있다. 예를 들어, 초음파 홀로그래피 장치(100)는 실시간으로 발생시키는 초음파의 위상을 조절하여 상(150)을 변경할 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 컨트롤러(200), 위상 어레이(230), 및 홀로그램 렌즈(250)를 포함할 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 홀로그램 렌즈(250)를 이용하여 고해상도의 상(150)을 얻을 수 있으면서, 위상 어레이(230)를 제어하여 실시간으로 상(150)을 변경할 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 초음파가 속도가 다른 복수의 매질을 통과할 때 위상이 변화하는 성질을 이용하여 초음파의 위상을 조절할 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 렌즈(250)는 복수의 매질의 두께를 조절하여 투과되는 초음파가 위상 평면(130)에서 특정한 위상 패턴을 가지도록 할 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 고해상도의 상(150)을 획득할 수 있으나, 하나의 홀로그램 렌즈(250)는 하나의 상(150)만을 획득할 수 있다.
위상 어레이(230)는 복수의 초음파 발생 장치(410)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 위상 어레이(230)는 복수의 초음파 발생 장치(410)가 동일 평면상에 나란히 배열되어 구현될 수 있다.
컨트롤러(200)는 위상 어레이(230)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(200)는 각각의 초음파 발생 장치(410)에서 발생하는 초음파의 위상을 제어할 수 있다.
위상 어레이(230)는 컨트롤러(200)의 제어에 따라 위상 평면(130)에서 특정한 위상 패턴을 가지는 초음파를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 위상 어레이(230)는 위상 평면(130)에서 양자화된 위상 패턴을 가지는 초음파를 발생시킬 수 있다.
위상 어레이(230)는 실시간으로 상(150)을 변경할 수 있지만, 미세하게 초음파의 위상을 조절하기 어려우며, 위상 어레이(230)를 구성하는 소자가 크고 무거울 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 위상 어레이(230) 및 홀로그램 렌즈(250)를 이용하여 초음파 상(150)을 획득할 수 있다. 예를 들어, 초음파 홀로그래피 장치(100)는 위상 어레이(230)에서 발생하는 초음파를 홀로그램 렌즈(250)에 투과시켜 위상 평면(130)에서 특정 위상 패턴을 가지도록 만들 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 위상 평면(130)에서 특정 위상 패턴을 가지는 초음파를 전파시켜 초음파 상(150)을 생성할 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 위상 어레이(230)를 제어하여 실시간으로 초음파 상(150)을 변경할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 홀로그램 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
홀로그램 렌즈(250)는 통과한 초음파가 특정 위상을 갖도록 만들 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 렌즈(250)는 통과한 초음파가 위상 평면(130)에서 특정 위상 패턴을 가지도록 초음파의 위상을 조절할 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 제1 매질(251) 및 제2 매질(253)을 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 도 3b에는 두 가지 매질(251 및 253)만을 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 홀로그램 렌즈(250)는 복수의 매질을 포함할 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 초음파가 속도가 다른 매질(251 및 253)을 지날 때, 같은 거리를 이동한 후 위상이 달라지는 성질을 이용하여 초음파의 위상을 조절할 수 있다. 초음파의 위상은 각각의 매질(251 및 253)에서 통과한 거리와 정비례할 수 있다.
제1 매질(251)은 제2 매질(253)과 서로 다른 음향 임피던스(acoustic impedance)를 가지는 물질일 수 있다. 예를 들어 제1 매질(251) 및 제2 매질(253)은 각각 글리세린(glycerin) 및 실리콘(silicone)일 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 특정 위치에서 각각의 매질(251 및 253)의 두께를 조절하여 투과한 초음파가 원하는 위상을 갖도록 할 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 3D 프린터를 이용하여 작고 가볍게 제작할 수 있으며, 고해상도의 초음파 상(150)을 얻을 수 있으나, 하나의 홀로그램 렌즈(250)마다 하나의 상(150)만을 구현할 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 초음파 발생 소자(330) 및 회선(350)과 결합되어 초음파 상(150)을 획득할 수 있다. 홀로그램 렌즈(250)는 단일 위상의 초음파를 통과시키기 때문에, 단일 회선(350)으로 제어할 수 있다.
초음파 발생 소자(300)는 회선(350)을 통해 전송되는 제어 신호에 기초하여 홀로그램 렌즈(250)를 통과하는 초음파를 발생시킬 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 복잡한 위상을 구현할 수 있다. 초음파 홀로그래피 장치(100)의 조리개의 면적이 A이고, 초음파의 파장이 λ일 때, 초음파 상(150)을 획득하기 위하여 필요한 위상 픽셀의 수(N)는 수학식 1과 같을 수 있다.
Figure 112020029051890-pat00001
위상 픽셀의 수가 증가할수록 위상 어레이(230)로 구현하기 어려울 수 있는데, 많은 수의 위상 픽셀이 요구되는 경우에도 고해상도의 상(150)을 얻기 위한 홀로그램 렌즈(250)는 어렵지 않게 제작할 수 있다.
도 3c는 고해상도의 상(150)을 획득하기 위해 요구되는 위상 패턴(373) 및 이를 구현하기 위한 홀로그램 렌즈(250)를 보여준다.
도 4는 도 2에 도시된 위상 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
위상 어레이(230)는 복수의 초음파 발생 장치(410)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 위상 어레이(230)는 동일한 평면상에 배열되어 있는 복수의 초음파 발생 장치(410)를 포함할 수 있다.
복수의 초음파 발생 장치(400)는 각각 수백 마이크로미터 수준의 크기로 구현될 수 있다.
복수의 초음파 발생 장치(410)는 컨트롤러(200)의 제어에 따라 초음파를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 초음파 발생 장치(410)는 컨트롤러(200)의 제어에 따라 각각에 대응하는 회선(430)을 통해 전송되는 전자 신호에 기초하여 특정 위상의 초음파를 발생시킬 수 있다.
위상 어레이(230)는 컨트롤러(200)의 제어에 따라 전기 신호를 조절하여 특정 위상 패턴을 가지는 초음파를 발생시킬 수 있으므로, 정확하게 원하는 위상을 구현할 수 있다.
위상 어레이(230)는 실시간으로 발생시키는 초음파의 위상을 조절할 수 있으므로, 획득되는 상(150)을 실시간으로 변경할 수 있다.
위상 어레이(230)는 복수의 초음파 발생 장치(410)를 개별적으로 컨트롤하기 위해서 많은 회선(430) 및 장비가 요구되기 때문에, 큰 단위로 제어될 수 있다. 위상 어레이(230)가 큰 단위로 제어되는 경우, 미세하게 위상을 조절하지 못할 수 있다.
위상 어레이는(230) 많은 회선(430) 및 장비가 포함되므로, 소자가 크고 무거워질 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 초음파 홀로그래피 장치의 동작을 간략히 설명하기 위한 도면이고, 도 6a 내지 도 6e는 도 2에 도시된 초음파 홀로그래피 장치의 동작의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
설명의 편의를 위해 도 5와 같이 초음파 홀로그래피 장치(100)가 조리개(aperture) 중심축에서 한 쪽으로 치우친 상(150)을 위상 평면(130)의 일정 거리 뒤에 획득하는 경우를 가정한다.
초음파 홀로그래피 장치(100)가 전파하는 초음파의 위상 평면(130)상 위상을 2차원 위치 좌표 (x,y)에 대해 P(x,y)로 표현할 수 있다. 즉, 초음파 홀로그래피 장치(100)가 전파하는 초음파는 위상 평면(130) 상의 위치 (x,y)에서 위상이 P(x,y)일 수 있다. 이때, P(x,y)는 위상 평면(130)에서 초음파가 가지는 위상 패턴(600)을 나타내는 함수일 수 있다.
위상 패턴(600)은 제1 위상 패턴(610) 및 제2 위상 패턴(630)의 합으로 표현될 수 있다. 이때, 제1 위상 패턴(610)을 나타내는 제1 함수(Po)는 기함수(odd function)일 수 있고, 제2 위상 패턴(630)을 나타내는 제2 함수(Pe)는 우함수(even function)일 수 있다.
제1 함수(Po)는 수학식 2와 같이 위상 패턴(600)을 나타내는 함수 P(x,y)로 표현될 수 있고, 제2 함수(Pe)는 수학식 3와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020029051890-pat00002
Figure 112020029051890-pat00003
수학식 4를 통해 위상 패턴(600)은 제1 위상 패턴(610) 및 제2 위상 패턴(630)의 합으로 표현될 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 112020029051890-pat00004
중심축에서 한 쪽으로 치우친 상(150)과 중심축을 기준으로 대칭인 상을 얻기 위한 위상 패턴은 P(-x,y) 함수로 표현할 수 있다. P(-x,y)는 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112020029051890-pat00005
도 6b를 참조하면, 제1 위상 패턴(610)을 가지는 초음파는 중심축을 기준으로 대칭인 두 개의 상(150-1)을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 6c는 제2 위상 패턴(630)을 양자화한 제3 위상 패턴(650)을 나타낸다. 제3 위상 패턴(630)은 연속적인 위상을 나타내는 제2 위상 패턴(630)을 위상 값이 π만큼 차이나는 두 값으로 양자화된 위상 패턴일 수 있다.
도 6d를 참조하면, 제1 위상 패턴(610)과 제3 위상 패턴(650)을 합한 위상 패턴에 기초하여 획득한 상(150-2)은 본래의 위상 패턴(600)에 기초하여 획득한 상(150)과 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다.
즉, 제1 위상 패턴(610)과 제2 위상 패턴(630)의 합인 위상 패턴(600)에 기초하여 획득한 초음파 상(150)과 제1 위상 패턴과 제2 위상 패턴(630)을 양자화한 제3 위상 패턴(650)을 합한 위상 패턴에 기초하여 획득한 상(150-2)은 실질적으로 큰 차이가 없을 수 있다.
도 6e의 제4 위상 패턴(650-1)은 제3 위상 패턴(650)을 반전시킨 위상 패턴을 나타낸다. 제1 위상 패턴(610)과 제4 위상 패턴(650-1)을 합한 위상 패턴에 기초하여 획득한 상(150-3)은 제1 위상 패턴과 제3 위상 패턴(650)을 합한 위상 패턴에 기초하여 획득한 상(150-2)과 중심축을 기준으로 대칭임을 확인할 수 있다.
도 7는 도 2에 도시된 초음파 홀로그래피 장치의 동작을 요약한 도면이다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 초음파가 위상 평면(130)에서 가지는 위상을 두 가지 위상 패턴의 합을 통해 생성하여, 초음파 상(150)을 획득할 수 있다. 예를 들어, 초음파 홀로그래피 장치(100)는 위상 어레이(230)가 위상 평면(130)에서 제3 위상 패턴(650)을 가지는 초음파를 발생시키고, 홀로그램 렌즈(250)가 위상 평면에서 위상 패턴(600)을 가지도록 위상을 변화시켜, 초음파 상(150)을 획득할 수 있다.
위상 어레이(230)는 위상 평면(130)에서 양자화된 제3 위상 패턴(650)을 가지는 초음파를 생성할 수 있다. 예를 들어, 복수의 초음파 생성 장치(410)는 각각 위상이 제1 위상 또는 제2 위상인 초음파를 발생시킬 수 있고, 이때, 제1 위상 및 제2 위상의 차이는 π일 수 있다
위상 어레이(230)는 위상 평면에(130)에서 위상 패턴(650)을 반전시킨 제4 위상 패턴(650)을 가지는 초음파를 생성할 수도 있고, 위상 평면(130)에서 일정한 위상(예를 들어, 0인 위상)을 가지는 초음파를 생성할 수도 있다.
즉, 위상 어레이(230)는 컨트롤러(200)의 제어에 따라서, 서로 다른 위상 패턴을 가지는 초음파를 발생서켜 획득되는 초음파 상(150)을 실시간으로 변경할 수 있다.
위상 어레이(230)는 양자화된 위상 패턴(650)을 구현하기 때문에, 작은 복잡도로 구현 가능할 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 투과되는 초음파가 위상 평면(130)에서 제1 위상 패턴(610)을 가지도록 초음파의 위상을 변화시킬 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 위상 어레이(230)에서 발생한 초음파를 투과시켜 초음파 상(150)을 획득할 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 렌즈(250)는 제3 위상 패턴(650)을 가지는 초음파를 투과시켜 제3 위상 패턴(650) 및 제1 위상 패턴(610)의 합인 위상 패턴을 가지도록 초음파의 위상을 변화시켜, 초음파 상(150)을 획득할 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 초음파의 위상을 우함수(Po)와 기함수(Pe)로 나눠 우함수 부분의 상(150-1)이 초점을 대칭적인 상으로 구현하고, 기함수 부분이 대칭의 상 중 한 쪽의 상을 남기도록 구현하여 초음파 상(150)을 획득할 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 상(150)의 형태를 결정하는 우함수(Po) 부분을 구현하고, 위상 어레이(230)는 기함수(Pe) 부분을 실시간으로 변화시켜 상(150)이 맺히는 위치를 변화시킬 수 있다.
홀로그램 렌즈(250)는 높은 해상도의 위상 픽셀을 구현하기에 좋지만 실시간으로 상을 변경하는 것은 어려울 수 있다.
위상 어레이(230)는 수백 마이크로미터 크기의 복수의 초음파 발생장치(410)를 배열시키고, 컨트롤러(200)를 통해 각각의 위치의 초음파 발생장치(410)가 원하는 위상의 초음파를 발생시키도록 제어할 수 있다.
따라서, 초음파 홀로그래피 장치(100)는 위상 어레이(230)를 제어하여 전기 신호를 조절할 수 있기 때문에, 실시간으로 상(150)을 변경할 수 있다. 다만, 각각의 초음파 발생장치(410)가 연속된 위상을 모두 발생시킬 수 있도록 구현하기 위해서는 인터페이스 및 회선 문제가 발생할 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 홀로그램 렌즈(250)를 통해 획득하고자 하는 상(150)의 우함수 부분을 획득할 수 있고, 위상 어레이(230)는 기함수 부분의 양자화된 위상만 구현하기면 되기 때문에, 간단하게 제작될 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 위상 함수를 둘로 나누어 하나를 홀로그램 렌즈(250)로 구현하고, 다른 하나를 양자화하여 위상 어레이(230)로 구현할 수 있다.
따라서, 초음파 홀로그래피 장치(100)는 홀로그램 렌즈(250)의 장점인 가벼움과 고해상도의 위상 픽셀 및 위상 어레이(230)의 장점인 전기적인 제어를 통한 실시간 상 변화를 동시에 구현할 수 있다.
초음파 홀로그래피 장치(100)는 초음파 뇌자극 등의 분야에서 실시간으로 상을 바꿀 수 있으면서 가벼운 시스템으로 구현될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 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 실시예를 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. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (19)

  1. 컨트롤러;
    상기 컨트롤러의 제어에 따라 초음파를 발생시키는 복수의 초음파 발생 장치를 포함하는 위상 어레이; 및
    상기 위상 어레이에서 발생하는 초음파를 투과시킴으로써 초음파 상(image)를 획득하는 홀로그램 렌즈
    를 포함하고,
    상기 위상 어레이는,
    위상이 양자화된 위상 패턴을 가지는 초음파를 발생시키고,
    상기 홀로그램 렌즈는,
    상기 위상 어레이에서 발생한 초음파가 차례로 투과하는 복수의 매질을 포함하고,
    상기 복수의 매질은,
    상기 위상 어레이에서 발생한 초음파의 진행 방향에 수직한 평면을 기준으로 위치에 따라 두께 차이를 가지는,
    초음파 홀로그래피 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 복수의 초음파 발생 장치 각각이 발생시키는 초음파의 위상을 제어하고,
    상기 복수의 초음파 발생 장치는 동일한 평면상에 배열되어 있는,
    초음파 홀로그래피 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상 어레이는,
    위상 평면에서 제1 위상 패턴을 가지는 초음파를 발생시키고,
    상기 홀로그램 렌즈는,
    투과하는 초음파가 상기 위상 평면에서 제2 위상 패턴을 가지도록 위상을 변화시키고,
    상기 초음파 상은,
    상기 위상 평면에서 상기 제1 위상 패턴 및 상기 제2 위상 패턴이 합성된 제3 위상 패턴을 가지는 초음파에 의해 획득되는,
    초음파 홀로그래피 장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 위상 패턴은,
    초음파의 위상이 제1 위상 또는 제2 위상으로 양자화된 위상 패턴이고,
    상기 제1 위상 및 상기 제2 위상의 차이는 π인
    초음파 홀로그래피 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 위상 어레이는,
    상기 제1 위상 패턴을 조절하여 상기 초음파 상을 변형시키시는
    초음파 홀로그래피 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제3 위상 패턴은,
    이차원 직교 좌표 평면에서 기함수(odd function) 및 우함수(even function)의 합으로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴인
    초음파 홀로그래피 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 위상 패턴은,
    이차원 직교 좌표 평면에서 상기 기함수(odd function)로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴이고,
    상기 제2 위상 패턴은,
    이차원 직교 좌표 평면에서 상기 우함수(even function)로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴인
    초음파 홀로그래피 장치.
  9. 삭제
  10. 위상 어레이를 이용하여 초음파를 발생시키는 단계; 및
    상기 초음파를 홀로그램 렌즈에 투과시켜 초음파 상(image)를 획득하는 단계
    를 포함하고,
    상기 위상 어레이는,
    위상이 양자화된 위상 패턴을 가지는 초음파를 발생시키고,
    상기 홀로그램 렌즈는,
    상기 위상 어레이에서 발생한 초음파가 차례로 투과하는 복수의 매질을 포함하고,
    상기 복수의 매질은,
    상기 위상 어레이에서 발생한 초음파의 진행 방향에 수직한 평면을 기준으로 위치에 따라 두께 차이를 가지는, 초음파 상 생성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 발생시키는 단계는,
    위상 평면에서 제1 위상 패턴을 가지는 초음파를 발생시키고,
    상기 획득하는 단계는,
    상기 위상 평면에서 제2 위상 패턴을 가지도록 투과하는 초음파의 위상을 변화시키는 홀로그램 렌즈에 상기 위상 어레이에서 발생한 초음파를 투과시켜 상기 초음파 상을 획득하는 단계
    를 포함하는 초음파 상 생성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 초음파 상은,
    위상 평면에서 제3 위상 패턴을 가지는 초음파에 의해 획득되고,
    상기 제3 위상 패턴은,
    상기 제1 위상 패턴 및 상기 제2 위상 패턴이 합성되어 생성되는
    초음파 상 생성 방법.
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 위상 패턴은,
    초음파의 위상이 제1 위상 또는 제2 위상으로 양자화된 위상 패턴이고,
    상기 제1 위상 및 상기 제2 위상의 차는 π인
    초음파 상 생성 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 발생시키는 단계는,
    상기 제1 위상 패턴을 조절하여 상기 초음파 상을 변형시키는 단계
    를 포함하는 초음파 상 생성 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제3 위상 패턴은,
    이차원 직교 좌표 평면에서 기함수(odd function) 및 우함수(even function)의 합으로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴인
    초음파 상 생성 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 위상 패턴은,
    이차원 직교 좌표 평면에서 상기 기함수(odd function)로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴이고,
    상기 제2 위상 패턴은,
    이차원 직교 좌표 평면에서 상기 우함수(even function)로 표현되는 위상 함수로부터 획득되는 위상 패턴인
    초음파 상 생성 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 홀로그램 렌즈는,
    서로 다른 복수의 매질로 구성된
    초음파 상 생성 방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 위상 어레이는,
    동일한 평면상에 배열된 초음파를 발생시키는 복수의 초음파 발생 장치; 및
    각각의 초음파 발생 장치가 발생시키는 초음파의 위상을 제어하는 컨트롤러
    를 포함하는 초음파 상 생성 방법.
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