KR102630427B1 - 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템 및 방법 - Google Patents

자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템 및 방법이 개시된다. 개시되는 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영 시스템은, 대상체로 광선을 조사하는 발광 장치, 소정의 회전축을 기준으로 상기 발광 장치를 회전시키는 회전 장치, 발광 장치와 대향하여 마련되고, 대상체를 투과한 광선을 검출하여 홀로그램 이미지를 획득하는 자가 간섭 홀로그래픽 카메라를 포함하는 수광 장치, 및 홀로그램 이미지에 기반하여 대상체에 따른 굴절률의 차이를 검출하고, 굴절률의 차이에 따른 정사영 데이터를 획득하여 대상체에 대한 3차원 이미지를 생성하는 영상 처리 장치를 포함한다.

Description

자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템 및 방법{COMPUTED TOMOGRAPHY SYSTEM AND METHOD USING SELF-INTERFERENCE HOLOGRAPHY}
본 발명의 실시예는 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 기술과 관련된다.
일반적으로, 컴퓨터 단층촬영(Computed Tomography: CT)은 X선을 여러 각도에서 물체에 투영하고 이를 컴퓨터로 재구성하여 물체 내부 단면의 모습을 화상 처리하는 기술을 말한다. 즉, 컴퓨터 단층촬영 기법은 매질의 굴절율에 따라 X선의 투과율이 달라지는 점을 이용하여 정사영된 굴절률의 분포를 측정하고, 여러 방향에서 촬영하여 얻은 영상을 토대로 3차원의 횡단면 영상을 복원하는 기법이다. 이러한 컴퓨터 단층촬영은 의료 현장에서 흔하게 사용되는 의료영상 기법의 하나이며, 산업 현장에서도 검사용으로 사용되고 있다.
한편, 기존의 컴퓨터 단층촬영은 X선을 기반으로 하고 있는데, X선은 그 특징으로 인해 일반적인 광학 소자를 사용하지 못하고, X선에 반응하는 소자를 활용하여 광원을 발생시키는 장치와 이를 검출하는 장치를 구성해야 하는 바, 전체 시스템의 부피가 커지고 가격이 비싸다는 단점이 있다.
한국등록특허공보 제10-1118528호(2012.03.06)
본 발명은 가시광선 또는 적외선과 같은 저 에너지 광원을 이용하여 컴퓨터 단층촬영을 수행할 수 있도록 하는 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
개시되는 일 실시예에 따른 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템은, 대상체로 광선을 조사하는 발광 장치; 소정의 회전축을 기준으로 상기 발광 장치를 회전시키는 회전 장치; 상기 발광 장치와 대향하여 마련되고, 상기 대상체를 투과한 광선을 검출하여 홀로그램 이미지를 획득하는 자가 간섭 홀로그래픽 카메라를 포함하는 수광 장치; 및 상기 홀로그램 이미지에 기반하여 상기 대상체에 따른 굴절률의 차이를 검출하고, 상기 굴절률의 차이에 따른 정사영 데이터를 획득하여 상기 대상체에 대한 3차원 이미지를 생성하는 영상 처리 장치를 포함한다.
상기 발광 장치는, 가시광선 또는 적외선을 상기 대상체로 조사하고, 상기 대상체는, 상기 가시광선 또는 상기 적외선이 투과할 수 있는 물체일 수 있다.
상기 발광 장치는, 비간섭성(incoherent) 광원을 포함할 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 광선을 발생시키는 발광부; 및 상기 발광부와 상기 대상체 사이에 배치되고, 상기 광선이 통과하면서 기 설정된 패턴의 구조광을 형성시키는 구조광 패턴을 포함할 수 있다.
상기 자가 간섭 홀로그래픽 카메라는, 상기 대상체를 투과한 구조광을 좌원 편광 및 우원 편광으로 변환하는 기하학적 위상 렌즈; 및 상기 변환된 좌원 편광 및 우원 편광의 상호 간섭에 의해 간섭 무늬를 획득하고, 상기 획득된 간섭 무늬를 통해 홀로그램 이미지를 획득하는 편광 이미지 센서를 포함할 수 있다.
상기 영상 처리 장치는, 상기 홀로그램 이미지의 자동 초점 정렬(Autofocusing)을 통해 상기 구조광의 위상 정보를 분석하여 공기 중에 전파되는 구조광과 상기 대상체를 투과하는 구조광 간의 굴절률 차이를 측정하는 굴절률 측정부; 및 상기 측정된 굴절률 차이에 기반하여 굴절률의 정사영 데이터를 획득하고, 상기 획득한 정사영 데이터에 기반하여 상기 대상체에 대한 3차원 이미지를 생성하는 이미지 생성부를 포함할 수 있다.
상기 굴절률 측정부는, 상기 공기 중에 전파되는 구조광에 대응하는 홀로그램 이미지와 상기 대상체를 투과하는 구조광에 대응하는 홀로그램 이미지 간의 복원 거리 차이를 통해 광 경로 차이를 산출할 수 있다.
개시되는 일 실시예에 따른 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 방법은, 발광 장치에서, 대상체로 광선을 조사하는 단계; 수광 장치에서, 자가 간섭 홀로그래픽 카메라를 통해 상기 대상체를 투과한 광선을 검출하여 홀로그램 이미지를 획득하는 단계; 및 영상 처리 장치에서, 상기 홀로그램 이미지에 기반하여 상기 대상체에 따른 굴절률의 차이를 검출하고, 상기 굴절률의 차이에 따른 정사영 데이터를 획득하여 상기 대상체에 대한 3차원 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 발광 장치는, 가시광선 또는 적외선을 상기 대상체로 조사하고, 상기 대상체는, 상기 가시광선 또는 상기 적외선이 투과할 수 있는 물체일 수 있다.
상기 발광 장치는, 비간섭성(incoherent) 광원을 포함할 수 있다.
상기 대상체로 광선을 조사하는 단계는, 상기 발광 장치에서, 광선을 발생시키는 단계; 및 상기 발광 장치에서, 상기 광선을 구조광 패턴으로 통과시켜 기 설정된 패턴의 구조광을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 홀로그램 이미지를 획득하는 단계는, 기하학적 위상 렌즈에서, 상기 대상체를 투과한 구조광을 좌원 편광 및 우원 편광으로 변환하는 단계; 및 편광 이미지 센서에서, 상기 변환된 좌원 편광 및 우원 편광의 상호 간섭에 의해 간섭 무늬를 획득하고, 상기 획득된 간섭 무늬를 통해 홀로그램 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 3차원 이미지를 생성하는 단계는, 굴절률 측정부에서, 상기 홀로그램 이미지의 자동 초점 정렬(Autofocusing)을 통해 상기 구조광의 위상 정보를 분석하여 공기 중에 전파되는 구조광과 상기 대상체를 투과하는 구조광 간의 굴절률 차이를 측정하는 단계; 및 이미지 생성부에서, 상기 측정된 굴절률 차이에 기반하여 굴절률의 정사영 데이터를 획득하고, 상기 획득한 정사영 데이터에 기반하여 상기 대상체에 대한 3차원 이미지를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 굴절률 차이를 측정하는 단계는, 상기 굴절률 측정부에서, 상기 공기 중에 전파되는 구조광에 대응하는 홀로그램 이미지와 상기 대상체를 투과하는 구조광에 대응하는 홀로그램 이미지 간의 복원 거리 차이를 통해 광 경로 차이를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
개시되는 실시예에 의하면, X선과 같은 고 에너지 광원이 아닌 가시광선 또는 적외선과 같은 저 에너지 광원을 이용하여 컴퓨터 단층촬영을 수행할 수 있으며, 그로 인해 컴퓨터 단층촬영 시스템의 전체적인 부피를 줄이면서 제조 비용을 낮출 수 있게 된다. 또한, 상대 굴절률의 차이에 의한 상의 왜곡까지 측정하여 굴절률의 정사영 데이터를 획득하기 때문에, 기존의 컴퓨터 단층촬영기법 대비 방사성이 적은 광원을 선택할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 간섭 홀로그래픽(Self-Interference Holographic)을 활용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 기 설정된 패턴의 구조광을 대상체로 조사하여 투과시키는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이며,
도 3은 서로 다른 굴절률을 갖는 매질을 통과하는 파동 간 광 경로 차이를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수광 장치의 홀로그래픽 카메라 및 영상 처리 장치의 구성을 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 핀 홀 어레이와 면광원을 결합한 발광 장치의 전방에 공기와 40mm 두께의 아크릴을 배치하고 홀로그램을 촬영한 결과를 나타낸 도면이고,
도 6은 도 5에서 측정된 복원 거리에 따른 초점 매트릭스 프로파일을 나타낸 그래프이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 간섭 홀로그래픽을 활용한 컴퓨터 단층 촬영 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 간섭 홀로그래픽(Self-Interference Holographic)을 활용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 컴퓨터 단층 촬영 시스템(100)은 발광 장치(102), 수광 장치(104), 회전 장치(106), 및 영상 처리 장치(108)를 포함할 수 있다. 여기서, 컴퓨터 단층 촬영 시스템(100)은 자가 간섭 홀로그래픽을 이용하여 대상체(50)에 대해 컴퓨터 단층 촬영을 수행하기 위한 시스템이다.
발광 장치(102)는 광선을 대상체(50)로 조사하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 대상체(50)는 투과형 물체일 수 있다. 이때, 발광 장치(102)는 가시광선 또는 적외선을 대상체(50)로 조사할 수 있다. 즉, 대상체(50)는 가시광선 또는 적외선이 투과할 수 있는 물체일 수 있다. 발광 장치(102)는 가시광선 또는 적외선을 발생시킬 수 있는 발광 수단을 포함할 수 있다. 발광 수단으로는 엘이디(LED)와 같은 비간섭성(incoherent) 광원이 사용될 수 있다.
개시되는 실시예에서는 X선을 이용하여 컴퓨터 단층 촬영을 수행하는 것이 아니라 가시광선(또는 적외선)을 이용하여 자가 간섭 홀로그래픽 기반의 컴퓨터 단층 촬영을 수행하게 된다.
수광 장치(104)는 발광 장치(102)와 대향하여 마련될 수 있다. 수광 장치(104)는 발광 장치(102)에서 조사되고 대상체(50)를 투과한 광선(가시광선 또는 적외선)을 검출할 수 있다. 여기서, 수광 장치(104)는 자가 간섭 홀로그래픽(Self-Interference Holographic) 카메라(104a)를 포함한다.
자가 간섭 홀로그래피는 물체로부터 발광 또는 반사된 입사광을 공간적 또는 편광 상태에 따라 나누는 자기 참조 방식으로 간섭 무늬를 획득하고 이를 통해 홀로그램 이미지를 형성하는 기술이다. 수광 장치(104)는 자가 간섭 홀로그래픽 카메라(104a)를 포함함으로써, 대상체(50)를 투과한 광선을 편광 상태에 따라 나누어 홀로그램 이미지를 생성하기 위한 간섭 무늬를 획득할 수 있다.
발광 장치(102)에서 조사되는 광선은 대상체(50)를 투과하면서 대상체(50)의 굴절률에 의해 굴절률의 차이가 생기게 되는데, 수광 장치(104)의 자가 간섭 홀로그래픽 카메라(104a)를 이용하여 굴절률의 차이를 검출할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
회전 장치(106)는 소정의 회전축을 기준으로 발광 장치(102) 및 수광 장치(104)를 회전시키는 역할을 할 수 있다. 즉, 컴퓨터 단층촬영은 대상체(50)를 여러 방향에서 촬영하여 얻은 영상을 토대로 3차원의 횡단면 영상을 복원하게 되므로, 대상체(50)를 여러 방향에서 촬영하기 위해 회전 장치(106)가 발광 장치(102) 및 수광 장치(104)를 회전시키게 된다. 회전 장치(106)는 기 설정된 회전 속도로 발광 장치(102) 및 수광 장치(104)를 회전시킬 수 있다.
회전 장치(106)는 발광 장치(102) 및 수광 장치(104)가 장착되는 회전 프레임을 포함할 수 있다. 이때, 회전 프레임은 발광 장치(102)가 장착되는 하프 링 형태의 제1 회전 프레임 및 제1 회전 프레임과 분리되고 수광 장치(104)가 장착되는 하프 링 형태의 제2 회전 프레임으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 발광 장치(102) 및 수광 장치(104)가 함께 장착되는 링 형태의 회전 프레임으로 이루어질 수도 있다.
여기서는, 회전 장치(106)가 발광 장치(102) 및 수광 장치(104)를 모두 회전시키는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 발광 장치(102)만 회전시킬 수도 있다. 이때, 수광 장치(104)는 발광 장치(102)의 회전 반경에 대응하여 그 반대편에서 복수 개가 일정 간격으로 설치될 수 있다.
회전 장치(106)에 의해 회전되는 동안 발광 장치(102)는 대상체(50)를 향하여 광선을 주기적으로 조사(예를 들어, 일정 회전 각도마다 조사)하고, 수광 장치(104)는 일정 회전 각도 마다 대상체(50)를 투과한 광선을 검출하여 홀로그램 이미지를 획득할 수 있다.
영상 처리 장치(108)는 수광 장치(104)에 의해 획득된 홀로그램 이미지에 기반하여 대상체(50)에 따른 굴절률의 차이(즉, 위상차)를 검출하고, 굴절률의 차이에 따른 정사영(正射影) 데이터를 획득하며, 정사영 데이터에 기반하여 대상체(50)에 대한 3차원 이미지를 생성할 수 있다.
개시되는 실시예에 의하면, X선과 같은 고 에너지 광원이 아닌 가시광선 또는 적외선과 같은 저 에너지 광원을 이용하여 컴퓨터 단층촬영을 수행할 수 있으며, 그로 인해 컴퓨터 단층촬영 시스템의 전체적인 부피를 줄이면서 제조 비용을 낮출 수 있게 된다. 또한, 상대 굴절률의 차이에 의한 상의 왜곡까지 측정하여 굴절률의 정사영 데이터를 획득하기 때문에, 기존의 컴퓨터 단층촬영기법 대비 방사성이 적은 광원을 선택할 수 있다.
한편, 예시적인 실시예에서, 발광 장치(102)는 기 설정된 패턴의 구조광(Structured Light)을 대상체(50)에 조사할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에서 기 설정된 패턴의 구조광을 대상체로 조사하여 투과시키는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 발광 장치(102)는 광선을 발생시키는 발광부(102a) 및 기 설정된 패턴의 구조광을 형성하기 위한 구조광 패턴(102b)을 포함할 수 있다. 구조광 패턴(102b)은 발광부(102a)와 대상체(50) 사이에 배치될 수 있다. 이하에서, 발광부(102a)가 가시광선을 발생시키는 것을 일 예로 설명하기로 한다.
발광부(102a)에서 발생된 가시광선은 구조광 패턴(102b)을 통과하면서 기 설정된 패턴의 구조광을 형성하게 된다. 예를 들어, 구조광 패턴(102b)은 검은색 바탕의 베이스 부재에 복수 개의 핀홀(102b-1)이 일정 형태로 배열된 것일 수 있다. 도 2에서는 베이스 부재에 핀홀(102b-1)이 3×3 형태로 형성된 것을 도시하였으나, 구조광 패턴(102b)의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
구조광 패턴(102b)을 통과하면서 형성된 기 설정된 패턴의 구조광은 대상체(50)를 투과하면서 대상체(50)가 가지는 굴절률에 의해 공기 중에 전파되는 광과 광 경로 차이(굴절률 차이)가 생기게 된다.
도 3은 서로 다른 굴절률을 갖는 매질을 통과하는 파동 간 광 경로 차이를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 공기 중에 전파되는 파동 ø1과 달리 굴절률 n을 갖는 매질을 통과하는 파동 ø2는 매질의 길이와 굴절률에 따라 광 경로의 차이가 있게 된다.
이러한 광 경로 차이는 위상차를 동반하게 되며, 매질의 굴절률에 따라 발생하는 위상차를 수광 장치(104)의 자가 간섭 홀로그래픽 카메라(104a)(이하, 홀로그래픽 카메라라 지칭할 수 있음)를 이용하여 측정하게 된다. 이때, 발광 장치(102)는 광원면(source plane)이 되고, 수광 장치(104)는 검출기면(detector plane)이 된다.
수광 장치(104)의 홀로그래픽 카메라(104a)는 광원면에서 조사되고 대상체(50)를 투과하여 검출기면에서 검출되는 구조광의 복소 홀로그램(complex hologram)을 획득할 수 있다. 여기서, 광 경로 차이는 대상체(50)의 굴절률에 비례하여 증가하며, 그로 인해 대상체(50)를 통과한 광은 더 먼 거리를 가서 검출기면에 도달하므로 영상 처리 장치(108)에서 홀로그램의 복원 시 초점 거리가 달라지게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수광 장치(104)의 홀로그래픽 카메라(104a) 및 영상 처리 장치(108)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 홀로그래픽 카메라(104a)는 집광 렌즈(111), 선편광판(113), 기하학적 위상 렌즈(115), 및 편광 이미지 센서(117)를 포함할 수 있다.
집광 렌즈(111)는 대상체(50)를 투과하는 구조광을 집광할 수 있다. 집광 렌즈(111)는 볼록 렌즈(convex lens)로 구성될 수 있다. 선편광판(113)은 집광 렌즈(111)에 의해 집광된 구조광을 편광시킬 수 있다.
기하학적 위상 렌즈(geometric phase lens)(115)는 집광된 구조광의 파면을 분리하고 위상을 변조할 수 있다. 대상체(50)를 투과한 구조광은 기하학적 위상 렌즈(115)를 통과하여 좌원 편광 및 우원 편광으로 변환된다. 기하학적 위상 렌즈(115)는 파면의 분리와 변조를 동시에 진행하는 수동액정소자로 구현될 수 있다.
일반적인 렌즈는 굴절률이 다른 매질의 두께를 조절해 입사광의 파면을 변조하여 수렴 또는 발산하게 하는 동적 위상 변조를 하지만, 기하학적 위상 렌즈는 액정의 복굴절 특성에 따른 빛의 편광상태 변화로 위상 변화가 일어나며, 이에 따라 입사광의 파면이 변조된다는 차이점을 가진다. 기하학적 위상 렌즈는 홀로그램 촬영 기법을 이용하여 제작되며, 기록하고자 하는 렌즈면의 쌍영상(twin-image)이 함께 기록되어 음과 양의 초점거리를 모두 가지는 렌즈 특성을 보인다.
편광 이미지 센서(polarized image sensor)(117)는 기하학적 위상 렌즈(115)를 통과한 구조광으로부터 홀로그램 패턴을 측정한다. 즉, 편광 이미지 센서(117)는 기하학적 위상 렌즈(115)에서 변환된 좌원 편광 및 우원 편광의 상호 간섭에 의해 간섭 무늬를 획득하고, 획득된 간섭 무늬를 통해 홀로그램 이미지를 획득할 수 있다.
한편, 홀로그래픽 카메라(104a)는 필요에 따라 기하학적 위상 렌즈(115)의 전방에 광의 위상을 변화시키는 위상 변이 수단 등을 더 포함할 수 있다.
영상 처리 장치(108)는 홀로그래픽 카메라(104a)가 획득한 홀로그램 이미지에 기반하여 대상체(50)에 대한 3차원의 횡단면 영상을 복원할 수 있다. 영상 처리 장치(108)는 굴절률 측정부(121) 및 이미지 생성부(123)를 포함할 수 있다.
굴절률 측정부(121)는 홀로그램 이미지의 자동 초점 정렬(Autofocusing)을 통해 구조광의 위상 정보를 분석하여 대상체(50)에 따른 광 경로 차이를 검출할 수 있다.
굴절률 측정부(121)는 회절 방정식을 사용하여 거리에 따라 홀로그램 이미지를 복원한 후, 가우시안 필터링과 같은 과정을 이용하여 각 홀로그램 이미지에 대한 초점 행렬을 검출할 수 있다.
여기서, 홀로그램 이미지에 대한 자동 초점 정렬 알고리즘의 결과로, 거리에 따른 자동 초점 정렬 행렬의 최대값과 최소값이 정해진다. 이러한 자동 초점 정렬 행렬을 찾기 위한 방법으로, 이미지의 그레이 레벨(gray level)의 전체적인 분포를 통한 방법, 상관관계(correlation)를 이용하는 방법, 차분(differentiation)을 이용하는 방법, 코사인 유사도(cosine similarity)를 활용한 방법 등이 응용될 수 있다.
굴절률 측정부(121)는 초점 행렬 값이 가장 높은 복원 거리를 초점 거리로 선정할 수 있다. 즉, 굴절률 측정부(121)는 초점이 맞는 전파 길이를 찾기 위하여 수치적 복원을 통해 다양한 수치적 복원 길이에 따른 홀로그램의 선명도를 평가하여, 홀로그램의 선명도가 가장 높은 수치적 복원 거리를 초점 거리로 선정할 수 있다.
굴절률 측정부(121)는 각 스펙트럼 방법(ASM; angular spectrum method), 프레넬 전파(Fresnel propagation) 등과 같은 기법을 사용하여, 홀로그램 이미지에 대한 수치적 복원을 통해 홀로그램의 선명도가 가장 높은 복원 길이를 검출할 수 있다.
굴절률 측정부(121)는 공기 및 대상체(50)의 매질에 따른 홀로그램 이미지의 복원 거리 차이를 통해 굴절률에 따른 광 경로 차이를 산출할 수 있으며, 이를 통해 상대 굴절률 차이를 측정할 수 있게 된다.
이미지 생성부(123)는 굴절률 측정부(121)에 의해 측정된 상대 굴절률 차이에 기반하여 각 회전 각도에 따른 굴절률의 정사영(正射影) 데이터를 획득하고, 획득한 정사영 데이터 기반하여 대상체(50)에 대한 3차원 이미지를 생성할 수 있다. 굴절률의 정사영 데이터로부터 3차원 이미지를 생성하는 기술은 컴퓨터 단층촬영 기법에서는 기 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 여기서는 기 설정된 패턴의 구조광을 대상체(50)로 조사하고, 대상체(50)를 투과한 구조광을 검출하여 홀로그램 이미지를 획득하며 굴절률 차이를 측정하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 구조광 패턴(102b) 없이 발광부(102a)에서 발생된 광을 대상체(50)로 조사한 후 대상체(50)를 투과한 광을 검출하여 홀로그램 이미지 획득 및 굴절률 차이를 측정할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 핀 홀 어레이와 면광원을 결합한 발광 장치의 전방에 공기와 40mm 두께의 아크릴을 배치하고 홀로그램을 촬영한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)는 실험 표본을 나타낸 것이고, 도 5의 (b)는 캡쳐된 홀로그램을 나타낸 것이며, 도 5의 (c)는 282mm에서 공기에 초점을 맞춘 복원 이미지를 나타낸 것이고, 도 5의 (d)는 285mm에서 아크릴에 초점을 맞춘 복원 이미지를 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 아크릴의 유무에 따라 복원 이미지의 밝기가 달라지는 것을 볼 수 있다.
도 6은 도 5에서 측정된 복원 거리에 따른 초점 매트릭스 프로파일을 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 매질의 종류(공기 및 아크릴)에 따라 초점 매트릭스의 피크가 변화됨을 알 수 있으며, 이를 통해 매질 간 상대 굴절률의 차이를 추정할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 간섭 홀로그래픽을 활용한 컴퓨터 단층 촬영 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 발광 장치(102)는 광선을 대상체(50)로 조사한다(S 101). 대상체(50)로 조사된 광선은 대상체(50)를 투과하여 수광 장치(104)에 이르게 된다. 그러면, 수광 장치(104)의 홀로그래피 카메라(104a)는 기하학적 위상 렌즈(115)를 통해 광선을 좌원 편광 및 우원 편광으로 변환하고(S 103), 편광 이미지 센서(117)에서 좌원 편광 및 우원 편광의 상호 간섭에 의해 간섭 무늬를 획득하며, 획득한 간섭 무늬를 통해 홀로그램 이미지를 획득한다(S 105).
다음으로, 영상 처리 장치(108)는 홀로그램 이미지의 자동 초점 정렬을 통해 홀로그램의 선명도가 가장 높은 수치적 복원 거리를 초점 거리로 선정한다(S 107). 영상 처리 장치(108)는 공기 및 대상체(50)의 매질에 따른 홀로그램 이미지의 복원 거리 차이를 통해 광 경로 차이를 산출하고, 이를 통해 상대 굴절률 차이를 측정한다(S 109). 영상 처리 장치(108)는 측정된 상대 굴절률 차이에 기반하여 각 회전 각도에 따른 굴절률의 정사영(正射影) 데이터를 획득하고(S 111), 획득한 정사영 데이터 기반하여 대상체(50)에 대한 3차원 이미지를 생성한다(S 113).
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
50 : 대상체
100 : 컴퓨터 단층 촬영 시스템
102 : 발광 장치
102a : 발광부
102b : 구조광 패턴
104 : 수광 장치
104a : 자가 간섭 홀로그래픽 카메라
106 : 회전 장치
108 : 영상 처리 장치
111 : 집광 렌즈
113 : 선편광판
115 : 기하학적 위상 렌즈
117 : 편광 이미지 센서
121 : 굴절률 측정부
123 : 이미지 생성부

Claims (14)

  1. 대상체로 광선을 조사하는 발광 장치;
    소정의 회전축을 기준으로 상기 발광 장치를 회전시키는 회전 장치;
    상기 발광 장치와 대향하여 마련되고, 상기 대상체를 투과한 광선을 검출하여 홀로그램 이미지를 획득하는 자가 간섭 홀로그래픽 카메라를 포함하는 수광 장치; 및
    상기 홀로그램 이미지에 기반하여 상기 대상체에 따른 굴절률의 차이를 검출하고, 상기 굴절률의 차이에 따른 정사영 데이터를 획득하여 상기 대상체에 대한 3차원 이미지를 생성하는 영상 처리 장치를 포함하되,
    상기 발광 장치는,
    상기 광선을 발생시키는 발광부; 및
    상기 발광부와 상기 대상체 사이에 배치되고, 상기 광선이 통과하면서 기 설정된 패턴의 구조광을 형성시키는 구조광 패턴을 포함하고,
    상기 자가 간섭 홀로그래픽 카메라는,
    상기 대상체를 투과한 구조광을 좌원 편광 및 우원 편광으로 변환하는 기하학적 위상 렌즈; 및
    상기 변환된 좌원 편광 및 우원 편광의 상호 간섭에 의해 간섭 무늬를 획득하고, 상기 획득된 간섭 무늬를 통해 홀로그램 이미지를 획득하는 편광 이미지 센서를 포함하고,
    상기 영상 처리 장치는,
    상기 홀로그램 이미지의 자동 초점 정렬(Autofocusing)을 통해 상기 구조광의 위상 정보를 분석하여 공기 중에 전파되는 구조광과 상기 대상체를 투과하는 구조광 간의 굴절률 차이를 측정하는 굴절률 측정부; 및
    상기 측정된 굴절률 차이에 기반하여 굴절률의 정사영 데이터를 획득하고, 획득한 정사영 데이터에 기반하여 상기 대상체에 대한 3차원 이미지를 생성하는 이미지 생성부를 포함하는, 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 장치는, 가시광선 또는 적외선을 상기 대상체로 조사하고,
    상기 대상체는, 상기 가시광선 또는 상기 적외선이 투과할 수 있는 물체인, 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 발광 장치는,
    비간섭성(incoherent) 광원을 포함하는, 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 굴절률 측정부는,
    상기 공기 중에 전파되는 구조광에 대응하는 홀로그램 이미지와 상기 대상체를 투과하는 구조광에 대응하는 홀로그램 이미지 간의 복원 거리 차이를 통해 광 경로 차이를 산출하는, 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템.
  8. 발광 장치에서, 대상체로 광선을 조사하는 단계;
    수광 장치에서, 자가 간섭 홀로그래픽 카메라를 통해 상기 대상체를 투과한 광선을 검출하여 홀로그램 이미지를 획득하는 단계; 및
    영상 처리 장치에서, 상기 홀로그램 이미지에 기반하여 상기 대상체에 따른 굴절률의 차이를 검출하고, 상기 굴절률의 차이에 따른 정사영 데이터를 획득하여 상기 대상체에 대한 3차원 이미지를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 대상체로 광선을 조사하는 단계는,
    상기 발광 장치에서, 광선을 발생시키는 단계; 및
    상기 발광 장치에서, 상기 광선을 구조광 패턴으로 통과시켜 기 설정된 패턴의 구조광을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 홀로그램 이미지를 획득하는 단계는,
    기하학적 위상 렌즈에서, 상기 대상체를 투과한 구조광을 좌원 편광 및 우원 편광으로 변환하는 단계; 및
    편광 이미지 센서에서, 상기 변환된 좌원 편광 및 우원 편광의 상호 간섭에 의해 간섭 무늬를 획득하고, 상기 획득된 간섭 무늬를 통해 홀로그램 이미지를 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 3차원 이미지를 생성하는 단계는,
    굴절률 측정부에서, 상기 홀로그램 이미지의 자동 초점 정렬(Autofocusing)을 통해 상기 구조광의 위상 정보를 분석하여 공기 중에 전파되는 구조광과 상기 대상체를 투과하는 구조광 간의 굴절률 차이를 측정하는 단계; 및
    이미지 생성부에서, 상기 측정된 굴절률 차이에 기반하여 굴절률의 정사영 데이터를 획득하고, 획득한 정사영 데이터에 기반하여 상기 대상체에 대한 3차원 이미지를 생성하는 단계를 포함하는, 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 발광 장치는, 가시광선 또는 적외선을 상기 대상체로 조사하고,
    상기 대상체는, 상기 가시광선 또는 상기 적외선이 투과할 수 있는 물체인, 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 발광 장치는,
    비간섭성(incoherent) 광원을 포함하는, 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 굴절률 차이를 측정하는 단계는,
    상기 굴절률 측정부에서, 상기 공기 중에 전파되는 구조광에 대응하는 홀로그램 이미지와 상기 대상체를 투과하는 구조광에 대응하는 홀로그램 이미지 간의 복원 거리 차이를 통해 광 경로 차이를 산출하는 단계를 포함하는, 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 방법.
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