KR102358353B1 - 위상광학 이미지 획득 장치 및 방법 - Google Patents

위상광학 이미지 획득 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

위상광학 이미지 획득 장치는 물체에 의해 반사되어 입사되는 빛을 특정 각도의 편광 성분으로 필터링하는 선형 편광자, 상기 선형 편광자를 통과하여 입사되는 빛 중 일부를 구면파로 변환하는 구면 렌즈, 및 상기 구면 렌즈를 통과하여 입사되는 빛 중 일부를 픽셀 단위의 서로 다른 위상을 가지는 평면파로 변환하는 위상 천이기를 포함할 수 있다.

Description

위상광학 이미지 획득 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR HOLOGRAM IMAGE ACQUISITION}
본 발명의 실시 예는 위상광학 이미지 획득 장치 및 방법에 관한 것이다.
위상광학(Holography) 이미징 기술은 물체의 위상정보를 하나의 이미지로 취득함으로써 물체의 3차원 정보를 기록하는 기술이다. 위상광학 이미징 기술은 보통 생성과 재생으로 구분되며, 생성(이미징)은 빛의 간섭특성을 이용하고, 재생(디스플레이)은 빛의 회절특성을 이용한다. 일반적으로 물체나 피사체에서 반사된 빛의 세기를 통해 이미지 정보를 획득하는 사진술(Photography)과 달리, 위상광학 이미징 기술에서는 물체나 피사체에서 반사된 빛의 세기와 위상정보를 동시에 획득하기 때문에 물체의 완전한 3차원 정보를 기록할 수 있다.
최근 위상광학 이미징 기술에서 디지털적으로 생성, 재생, 복원 등을 활용할 수 있는 전자광학장치, 예를 들어 CCD(Charge-Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 카메라를 적용한 디지털 위상광학기술이 개발되고 있다. 이러한 디지털 위상광학 기술은 초정밀 측정기, 초 정밀 비파괴 검사기, 3차원 내시경, 현미경, 자동차용 허브(HUB), 보안장치 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.
통상적으로 디지털 위상광학 이미지(또는 홀로그램 이미지)의 생성을 위해서는 가간섭성이 좋은 가간섭성(Coherent) 광원이 사용된다. 레이저(laser)는 대표적인 가간섭성 광원으로, 레이저를 광원으로 사용할 경우 간섭성이 매우 좋아 손쉽게 물체의 3차원 정보를 획득할 수 있으나, 진동에 취약하고 고가이며 대형 물체나 풍경 등의 이미지를 취득하는데 한계가 있다.
이에 따라, LED(Light Emitting Diode) 조명이나 자연광 등 비간섭성(Incoherent) 광원을 위상광학 이미지 취득에 사용하기 위한 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 위상광학 이미지 취득을 위해 비간섭성 광원을 사용하는 경우 가장 큰 문제점은 비간섭성 광원을 통한 위상광학 이미지 획득 시, 강한 DC 잡음과 쌍 잡음(Twin Image)(또는 역상)으로 인해 물체의 간섭 무늬를 획득하기 어렵다는 점이다.
위상광학 이미지로부터 역상 및 DC 잡음을 제거하기 위한 방법으로는, 물체 광과 기준 광에 각도를 주어 위상광학 이미지를 획득하는 오프-액시스(Off-Axis) 방법과, 서로 다른 위상을 가지는 복수의 위상광학 이미지를 획득하여 수치적으로 DC 잡음을 제거하는 위상천이 방법(Phase Shifting Method)이 있다.
위상천이 방식을 이용한 위상광학 이미지 획득 방식은, 기준 광에 대해 위상천이 소자를 사용하여 서로 다른 위상의 가지는 복수의 위상광학 이미지(예를 들어, 4장의 위상광학 이미지)를 획득한 후 이를 수치적으로 복원함으로써 물체의 위상정보를 가지는 위상광학 이미지를 획득하는 방식이다.
그러나, 이러한 위상천이 방식은 복수의 위상광학 이미지를 순차적으로 추출하는 방식이기 때문에 위상광학 이미지 획득에 소요 되는 시간이 길고, 위상천이를 위해 고가의 능동(Active) 소자를 필요로 하며, 위상값 제어가 어려운 단점이 있다.
본 발명의 실시 예를 통해 해결하려는 과제는 위상광학 이미지 생성 시 실시간으로 위상광학 이미지 생성이 가능한 위상광학 이미지 획득 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치는, 물체에 의해 반사되어 입사되는 빛을 특정 각도의 편광 성분으로 필터링하는 선형 편광자, 상기 선형 편광자를 통과하여 입사되는 빛 중 일부를 구면파로 변환하는 구면 렌즈, 및 상기 구면 렌즈를 통과하여 입사되는 빛 중 일부를 픽셀 단위의 서로 다른 위상을 가지는 평면파로 변환하는 위상 천이기를 포함할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치는, 상기 위상 천이기를 통과하여 간섭되는 상기 구면파 및 상기 평면파의 간섭 광을 촬상하여, 상기 물체의 위상광학 이미지를 획득하는 카메라를 더 포함할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치는, 상기 물체와 상기 선형 편광자 사이에 배치되며, 상기 물체에 의해 반사되어 입사되는 빛을 평면파로 변환하는 초점 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치는, 상기 물체에 빛을 조사하는 광원을 더 포함할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에서, 상기 광원은 가간섭성 광원일 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에서, 상기 광원은 비간섭성 광원일 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에서, 상기 선형 편광자는 45도 선형 편광자일 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에서, 상기 선형 편광자를 통과한 빛은 TM 모드(Transverse Magnetic mode)(X축) 편광 성분과 TM 모드(Y축) 편광 성분을 포함하며, 상기 구면 렌즈는 입사되는 빛 중 상기 TM 모드(X축) 성분을 가지는 빛을 구면파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에서, 상기 위상 천이기는 입사되는 빛 중 TM 모드(Y축) 편광 성분을 가지는 빛을 위상 천이할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에서, 상기 위상 천이기는, 수동 소자로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치는, 물체에 의해 반사되어 입사되는 빛을 제1 경로 및 제2 경로로 분배하여 진행시키는 빔 스플리터, 상기 빔 스플리터에 의해 상기 제1 경로로 진행된 빛 중 적외선 영역의 빛만 통과시키는 적외선 필터, 상기 적외선 필터를 통과한 빛을 특정 각도의 편광 성분으로 필터링하는 선형 편광자, 상기 선형 편광자를 통과하여 입사되는 빛 중 일부를 구면파로 변환하는 구면 렌즈, 상기 구면 렌즈를 통과하여 입사되는 빛 중 일부를 픽셀 단위의 서로 다른 위상을 가지는 평면파로 변환하는 위상 천이기, 상기 위상 천이기를 통과하여 간섭되는 상기 구면파 및 상기 평면파의 간섭 광을 촬상하여, 상기 물체의 흑백 위상광학 이미지를 획득하는 제1 카메라, 및 상기 빔 스플리터에 의해 상기 제2 경로로 진행된 빛을 촬상하여 컬러 이미지를 획득하는 제2 카메라를 포함할 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치는, 상기 제1 및 제2 카메라를 통해 촬상된 상기 흑백 위상광학 이미지 및 상기 컬러 이미지를 합성하여 컬러 위상광학 이미지를 획득하는 영상 합성기를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치는, 상기 물체와 상기 빔 스플리터 사이에 배치되며, 상기 물체에 의해 반사되어 입사되는 빛을 평면파로 변환하는 초점 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치는, 상기 물체에 빛을 조사하는 광원을 더 포함할 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에서, 상기 선형 편광자는 45도 선형 편광자일 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에서, 상기 선형 편광자를 통과한 빛은 TM 모드 (X축) 편광 성분과 TM 모드(Y축) 편광 성분을 포함하며, 상기 구면 렌즈는 입사되는 빛 중 상기 TM 모드(X축) 성분을 가지는 빛을 구면파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에서, 상기 위상 천이기는 입사되는 빛 중 TM 모드(Y축) 편광 성분을 가지는 빛을 위상 천이할 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에서, 상기 위상 천이기는, 수동 소자로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 잡음 제거를 위한 위상 천이에 소요되는 시간을 효과적으로 줄임으로써 실시간으로 위상광학 이미지를 생성할 수 있다.
또한, 저가의 위상천이 소자를 사용함으로써 위상광학 이미지 획득 장치의 단가를 낮추는 효과가 있다.
도 1은 제1 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 공간 좌표계 내의 픽셀 좌표를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 제2 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치(10)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 컬러 필터에 사용되는 베이어 패턴의 일 예를 도시한 것이다.
도 5는 종래 기술에 따른 위상광학 이미지 획득 장치를 예를 들어 도시한 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 필요한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 위상광학 이미지(Hologram image) 획득 장치 및 그 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 제1 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 또한, 도 2는 공간 좌표계 내의 픽셀 좌표를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치(10)는, 광원(11), 카메라(12) 및 광학계(13)를 포함할 수 있다.
광원(11)은 가간섭성(coherent) 광원 또는 비간섭성(incoherent) 광원이 사용될 수 있다. 가간섭성 광원으로는 레이저 등이 사용되며, 비간섭성 광원으로는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED), 자연광(natural light) 등이 사용될 수 있다.
카메라(12)는 전자 광학 카메라로서, 이미지 센서(121)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(121)는, CCD(Charge-Coupled Device) 센서 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 센서를 포함할 수 있다.
카메라(12)는 광학계(13)를 통과하여 이미지 센서(121)를 통해 입력되는 빛을 촬상하여, 위상광학 이미지를 획득할 수 있다.
광학계(13)는 초점 렌즈(131), 선형 편광자(Linear Polarizer)(132), 구면 렌즈(Spherical Lens)(133), 및 위상 천이기(Phase Shifter)(134)를 포함할 수 있다.
초점 렌즈(131)는 물체(5)로부터 입사되는 빛을 평면파로 변환할 수 있다. 즉, 광원(11)에서 조사된 빛 또는 자연광은 물체(5)에 의해 반사되어 산란되며, 산란된 빛 중 일부는 초점 렌즈(131)를 통해 평면파로 변환된다.
초점 렌즈(131)는 물체(5)와의 거리를 조정하기 위해 사용될 수도 있다. 초점 렌즈(131)는 물체(5)와의 거리에 따라 생략될 수도 있다. 예를 들어, 현미경과 같이 물체(5)와 광학계(13) 간의 거리가 매우 가까운 프레넬(Fresnel) 영역에 포함되는 경우, 초점 렌즈(131)는 생략될 수 있다.
선형 편광자(132)는 편광 필터로서, 초점 렌즈(131)를 통과하여 입사되는 빛을 특정 각도의 편광 성분으로 필터링할 수 있다. 예를 들어, 선형 편광자(132)는 입사되는 빛 중 45도의 편광 성분만 통과하도록 필터링할 수 있다.
45도 편광 성분은 TM 모드(Transverse Magnetic mode, TM mode)(X축) 편광 성분과 TM 모드(Y축) 편광 성분을 합성한 것으로, 이 중 TM 모드(X축) 편광 성분을 가지는 빛은 구면 렌즈(133)에 의해 구면파로 변환되고, TM 모드(Y축) 편광 성분은 위상 천이기(134)에 의해 이미지 센서(121)의 픽셀 단위로 서로 다른 위상(또는 편광)을 가지는 평면파로 변환될 수 있다.
구면 렌즈(133)는 선형 편광자(132)를 통과하여 입사하는 빛 중 일부(TM 모드(X축) 편광 성분을 가지는 빛)를 구면파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
위상 천이기(134)는 구면 렌즈(133)를 통과하여 입사한 빛 중 일부(TM 모드(Y축) 편광 성분을 가지는 빛)를 픽셀 단위의 서로 다른 위상(편광)을 가지는 평면파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
위상 천이기(134)는 TE 모드(Transverse Electric mode, TE mode) 조립식(Pixelized) 위상 천이기가 사용될 수 있다.
위상 천이기(134)는 반도체 공정을 통해 제작될 수 있으며, 위상 천이기(134)를 통과한 빛이 픽셀 단위로 서로 다른 위상 값을 가지도록 편광 특성이 이용될 수 있다.
위상 천이기(134)는 투과형 공간 광변조기(Spatial Light Modulator, SLM)를 이용하여 구현될 수도 있다. 공간 광변조기는 각 픽셀이 가지는 편광 특성을 이용하여 위상을 조절할 수 있다. 따라서, 투과형 공간 광변조기를 사용하면 물체(5)와의 거리에 따라서 이미지 해상도를 조정할 수 있는 장점이 있다.
전술한 바와 같이, 물체(5)에 의해 반사된 빛은 광학계(13)를 거치면서 서로 다른 위상을 가지는 평면파와 구면파로 변환되고, 광학계(13)에 의해 변환된 평면파와 구면파는 서로 간섭을 일으켜 물체(5)의 위상 정보(3차원 정보)를 가지는 간섭 광을 만들어 낼 수 있다.
이하, 물체(5)에 의해 반사된 빛이 광학계(13)를 통과하면서 평면파와 구면파로 변환되는 과정에 대해 상세히 설명하기로 한다.
물체(5)로부터 입사되는 빛(U(x,y))은 초점 렌즈(131) 및 선형 편광자(132)를 통과하면서 아래의 수학식 1과 같이 변환된다.
[수학식 1]
Figure 112017040613411-pat00001
위 수학식 1에서, (x, y)는 물체(5)의 좌표를 나타내고, UTM(x, y; z)는 TM 성분을 나타내고, UTE(x, y; z)는 TE 성분을 나타낸다. 초점 렌즈(131) 및 선형 편광자(132)를 통과한 TM 성분(UTM(x, y; z)) 및 TE 성분(UTE(x, y; z))의 빛은 평면파 형태로 구면 렌즈(133)로 입사된다.
이 중 TM 성분(UTM(x, y; z))의 빛은 구면 렌즈(133)를 통과하면서 아래의 수학식 2와 같이 평면파에서 구면파로 변환된다.
[수학식 2]
Figure 112017040613411-pat00002
또한, 초점 렌즈(131) 및 선형 편광자(132)를 통과한 빛 중 TE 성분(UTE(x, y; z))의 빛은, 위상 천이기(134)를 통과하면서 아래 수학식 3과 같이 픽셀 단위로 위상 천이가 이루어진다.
[수학식 3]
Figure 112017040613411-pat00003
위 수학식 3에서, m 과 n은 (x,y) 공간 좌표계 내의 픽셀 좌표로서, 도 2와 같이 나타낼 수 있다.
구면 렌즈(133)에 의해 구면파로 변환된 TM 성분(UTM(x, y; z))의 빛과, 위상 천이기(134)에 의해 픽셀 별로 위상 천이된 TE 성분(UTE(x, y; z))의 평면파 빛은 광학계(13)의 후단에서 서로 간섭되어, 카메라(12)의 이미지 센서(121)로 입력된다.
여기서, 간섭된 빛의 크기는 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017040613411-pat00004
여기서, Uo는 물체(5)로부터 입사되는 빛을 나타낸다.
위상 천이기(134)를 통과한 빛이 각 픽셀에 대해 0, π/2, π, 3π/2의 위상 값을 가진다고 할 때, 물체(5)의 위상 정보는 위 수학식 4를 기초로 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112017040613411-pat00005
이에 따라, 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치(10)는 한번의 이미지 획득을 통해 물체(5)의 3차원 위상정보를 획득할 수 있으므로, 실시간 위상광학 이미지 생성이 가능하다. 또한, DC 잡음 및 역상 이미지의 제거를 위해 사용되는 위상 천이기가 능동 소자가 아닌 수동 소자로 구현됨으로써, 위상광학 이미지 획득 장치(10)의 구성이 간단해져 단가를 낮추고 저전력 구동이 가능한 장점이 있다.
한편, 제1 실시 예에서는 카메라(12)를 포함하는 위상광학 이미지 획득 장치를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시 예에서는 위상광학 이미지 획득 장치가 광학계(13)만을 포함하도록 구현될 수도 있다. 이 경우, 초점 렌즈, 선형 편광기, 구면 렌즈 및 위상 천이기를 포함하도록 구현된 위상광학 이미지 획득 장치는, 스마트폰 등의 카메라에 부착되어 사용될 수 있다.
도 3은 제2 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치(10)를 개략적으로 도시한 것이다. 또한, 도 4는 컬러 필터에 사용되는 베이어 패턴의 일 예를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 제2 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치(20)는 광원(21), 흑백 카메라(22), 광학계(23) 및 컬러 카메라(24)를 포함할 수 있다.
광원(21)은 가간섭성 광원 또는 비간섭성 광원이 사용될 수 있다.
광학계(23)는 초점 렌즈(231), 선형 편광자(232), 구면 렌즈(233) 및 위상 천이기(234)를 포함할 수 있다. 초점 렌즈(231)는 물체(5)로부터 입사되는 빛을 평면파로 변환할 수 있다.
초점 렌즈(231)는 물체(5)와의 거리를 조정하기 위해 사용될 수도 있다. 초점 렌즈(231)는 물체(5)와의 거리에 따라 생략될 수도 있다. 예를 들어, 현미경과 같이 물체(5)와 광학계(23) 간의 거리가 매우 가까운 프레넬 영역에 포함되는 경우, 초점 렌즈(231)는 생략될 수 있다.
선형 편광자(232)는 편광 필터로서, 초점 렌즈(231)를 통과하여 입사되는 빛을 특정 각도의 편광 성분으로 필터링할 수 있다. 예를 들어, 선형 편광자(232)는 입사되는 빛 중 45도의 편광 성분만 통과하도록 필터링할 수 있다.
구면 렌즈(233)는 선형 편광자(232)를 통과하여 입사하는 빛 중 일부(TM 모드(X축) 편광 성분을 가지는 빛)를 구면파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
위상 천이기(234)는 구면 렌즈(233)를 통과하여 입사한 빛 중 일부(TM 모드(Y축) 편광 성분을 가지는 빛)를 픽셀 단위의 서로 다른 위상(편광)을 가지는 평면파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
위상 천이기(234)는 TE 모드 조립식 위상 천이기가 사용될 수 있다. 위상 천이기(234)는 반도체 공정을 통해 제작될 수 있으며, 투과형 공간 광변조기를 이용하여 구현될 수도 있다.
통상적으로 전자광학 카메라에서 컬러를 표현하기 위해서는, 흑백 이미지 센서 상에 베이어 패턴의 컬러 필터를 배치하는 방법이 사용된다. 베이어 패턴은 도 4에 도시된 바와 같이 1개의 레드 픽셀, 1개의 블루 픽셀 및 2개의 그린 픽셀을 단위 픽셀로 하는 2x2 픽셀 어레이로 구성된다. 그러나, 컬러 위상광학 이미지 획득을 위해 도 1의 위상광학 이미지 획득 장치(10)에 베이어 패턴을 적용할 경우, 해상도가 현저히 떨어지는 문제가 있다.
따라서, 제2 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치(20)는 흑백 카메라(22)를 통해 적외선 영역에서의 물체(5)의 3차원 위상정보를 나타내는 이미지를 획득하고, 컬러 카메라(24)를 통해 컬러 이미지를 획득한 후, 두 이미지를 수치적으로 합성함으로써 컬러 위상광학 이미지를 획득할 수 있다.
이를 위해, 제2 실시 예에 따른 위상광학 이미지 획득 장치(20)에서 광학계(23)는 초점 렌즈(231)와 선형 편광자(232) 사이에 위치하는 빔 스플리터(Beam splitter)(235) 및 적외선 필터(236)를 더 포함할 수 있다.
빔 스플리터(235)는 초점 렌즈(231)를 통과한 빛을 분배하는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 빔 스플리터(235)는 입사하는 빛의 일부는 반사하여 컬러 카메라(24)의 이미지 센서(241)로 진행시키고, 일부는 투과시켜 선형 편광자(232)로 진행시킬 수 있다.
적외선 필터(236)는 빔 스플리터(235)와 선형 편광자(232) 사이에 위치하며, 빔 스플리터(235)에 의해 분배되어 입사되는 빛 중 적외선 영역의 빛만 선형 편광자(232)로 통과시킬 수 있다. 이에 따라, 적외선 필터(236)의 후단에 위치하는 선형 편광자(232), 구면 렌즈(233), 위상 천이기(234) 및 흑백 카메라(22)로는 적외선 영역의 빛만 진행될 수 있다.
흑백 카메라(22)는 광학계(23)를 통과한 적외선 영역의 빛이 흑백 이미지 센서(221)를 통해 입력되면, 이를 촬상하여 물체(5)의 3차원 위상정보를 포함하는 흑백의 위상광학 이미지를 획득할 수 있다.
흑백 카메라(22)는 전자 광학 카메라로서, 흑백 이미지 센서(221)를 포함할 수 있다. 흑백 이미지 센서(221)는, CCD 센서 또는 CMOS 센서를 포함할 수 있다.
컬러 카메라(24)는 빔 스플리터(235)에 의해 분배되어 입사되는 빛을 촬상하여 컬러 이미지를 획득할 수 있다.
흑백 카메라(22)에 의해 촬상된 흑백의 위상광학 이미지와, 컬러 카메라(24)에 의해 촬상된 컬러 이미지는 영상 합성 장치(미도시)에 의해 컬러 위상광학 이미지로 합성될 수 있다.
도 5는 종래 기술에 따른 위상광학 이미지 획득 장치를 예를 들어 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 종래 기술에 따른 위상광학 이미지 획득 장치(100)는 광원(101), 위상 천이기(Phase Shifter)(102), 제어기(103), 광결합기(Beam combiner)(104) 및 카메라(105)를 포함할 수 있다.
광원(101)에서 출력되는 빛은 물체(5)에 의해 반사되는 물체 광과 기준 광으로 나누어 지며, 이는 광 결합기(104)에서 간섭된다. 또한, 광 결합기(104)에 의해 간섭된 빛은 카메라(105)에 의해 위상광학 이미지로 획득된다.
한편, 종래 기술에 따른 위상광학 이미지 획득 장치(100)는 기준 광의 경로에 능동 소자로 이루어지는 위상 천이기(102)를 배치하며, 위상 천이기(102)는 제어기(103)로부터 입력되는 전기 신호에 따라서 복수의 단계로 위상 천이가 이루어진다.
제어기(103)는 위상광학 이미지 획득을 위해 위상 천이기(102)에서의 위상 천이 단계가 순차적으로 변경되도록 위상 천이기(102)로 인가되는 전기 신호를 제어한다. 이에 따라, 광 결합기(104)로 입사되는 기준 광의 위상 값이 순차적으로 변경되고, 카메라(105)는 위상 값이 서로 다른 복수의 위상 이미지를 순차적으로 획득한다. 카메라(105)에 의해 획득된 위상 값이 서로 다른 복수의 위상 이미지는 하나의 위상광학 이미지로 수치적으로 결합되며, 이 과정에서 DC 성분이 제거된다.
아래의 수학식 6은 4개의 위상 값이 서로 다른 위상 이미지를 이용한 위상 정보 획득 방법을 수치적으로 표현한 것이다.
[수학식 6]
Figure 112017040613411-pat00006
위 수학식 6을 참조하면, 위상 정보(φ(x, y))를 획득하기 위해서는 위상 천이기(102)를 순차적으로 조정하여 4장의 위상 이미지(I(x, y, 0), I(x, y, π/2), I(x, y, π), I(x, y, 3π/2))를 획득해야 한다. 또한, 위상 천이기(102)의 위상 천이 값을 0, π/2, π, 3π/2로 순차적으로 변경시키기 위해 상당한 시간이 소요된다.
따라서, 최종적으로 위상광학 이미지를 획득하기까지 많은 시간이 소요되고, 이로 인해 위상광학 이미지를 실시간으로 획득하는 것이 거의 불가능하다.
또한, 전기적으로 위상 천이 값이 변경되는 위상 천이기(102)는, 전기 신호를 발생시키기 위한 전원(미도시)과 제어기(103)를 필요로 하며, 수동 소자에 비해 상대적으로 고가인 능동 소자로 이루어진다.
이에 반해, 전술한 실시 예들에 따른 위상광학 이미지 획득 장치(10, 20)는 위상 천이를 위해 제어기 및 전원이 필요 없는 수동 소자를 사용함으로써, 종래 기술에 따른 위상광학 이미지 획득 장치에 비해 구성이 간단하고 단가가 낮은 장점이 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위해 기록매체에 기록된 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

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  11. 물체에 의해 반사되어 입사되는 빛을 제1 경로 및 제2 경로로 분배하여 진행시키는 빔 스플리터,
    상기 빔 스플리터에 의해 상기 제1 경로로 진행된 빛 중 적외선 영역의 빛만 통과시키는 적외선 필터,
    상기 적외선 필터를 통과한 빛을 특정 각도의 편광 성분으로 필터링하는 선형 편광자,
    상기 선형 편광자를 통과하여 입사되는 빛 중 일부를 구면파로 변환하는 구면 렌즈,
    상기 구면 렌즈를 통과하여 입사되는 빛 중 일부를 픽셀 단위의 서로 다른 위상을 가지는 평면파로 변환하는 위상 천이기,
    상기 위상 천이기를 통과하여 간섭되는 상기 구면파 및 상기 평면파의 간섭 광을 촬상하여, 상기 물체의 흑백 위상광학 이미지를 획득하는 제1 카메라, 및
    상기 빔 스플리터에 의해 상기 제2 경로로 진행된 빛을 촬상하여 컬러 이미지를 획득하는 제2 카메라를 포함하는 위상광학 이미지 획득 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 카메라를 통해 촬상된 상기 흑백 위상광학 이미지 및 상기 컬러 이미지를 합성하여 컬러 위상광학 이미지를 획득하는 영상 합성기를 더 포함하는 위상광학 이미지 획득 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 물체와 상기 빔 스플리터 사이에 배치되며, 상기 물체에 의해 반사되어 입사되는 빛을 평면파로 변환하는 초점 렌즈를 더 포함하는 위상광학 이미지 획득 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 물체에 빛을 조사하는 광원을 더 포함하는 위상광학 이미지 획득 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 선형 편광자는 45도 선형 편광자인 위상광학 이미지 획득 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 선형 편광자를 통과한 빛은 TM 모드(X축) 편광 성분과 TM 모드(Y축) 편광 성분을 포함하며,
    상기 구면 렌즈는 입사되는 빛 중 상기 TM 모드(X축) 성분을 가지는 빛을 구면파로 변환하여 투과시키는 위상광학 이미지 획득 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 위상 천이기는 입사되는 빛 중 TM 모드(Y축) 편광 성분을 가지는 빛을 위상 천이하는 위상광학 이미지 획득 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 위상 천이기는, 수동 소자로 이루어지는 위상광학 이미지 획득 장치.
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