KR102660179B1 - 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법 - Google Patents

광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법 Download PDF

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Abstract

동일 대상을 이용한 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법이 개시된다. 상기 캘리브레이션 방법은, 형상 측정광을 캘리브레이션 타겟(T)으로 조사하고, 형상 측정 카메라(14)를 이용하여 상기 형상 측정광이 캘리브레이션 타겟(T)의 표면에서 반사되어 형성된 반사광을 검출하여 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 얻고, 캘리브레이션 타겟(T)의 실제 형상에 따라, 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 캘리브레이션하는 단계; OCT 측정부(22)를 이용하여, 단층 측정광으로 상기 캘리브레이션 타겟(T)을 스캔하여, 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 및 내부의 3차원 이미지를 얻고, 상기 3차원 이미지로부터 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 추출하고, 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 실제 표면 형상에 따라, OCT 측정부(22)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 캘리브레이션하는 단계; 및 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 이미지와 OCT 측정부(22)에서 얻은 표면 캘리브레이션 이미지를 매칭시켜 동일한 공간 좌표에 표시되도록 하는 단계를 포함한다.

Description

광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법 {Calibration method of optical coherence tomography device and camera}
본 발명은 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 동일 대상을 이용한 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.
소정의 샘플, 예를 들면, 구강 내부의 치아 및 조직 형상을 측정하기 위하여, 카메라 기술을 이용한 광학식 스캐너가 사용되고 있다. 도 1은 통상적인 카메라 스캐너의 샘플 형상 촬영 원리를 보여주는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 통상적인 카메라 스캐너는 치아 등의 샘플(S)로 측정광을 조사하는 프로젝터(12); 및 상기 샘플(S)에서 반사된 광을 검출하여 샘플(S)의 표면 형상을 얻는 카메라(14)를 포함한다. 상기 프로젝터(12)에서 조사된 측정광(예를 들면, 가시광)이 샘플(S)로 조사되고, 샘플(S)에서 반사된 광을 카메라(14)로 검출하여, 샘플(S) 표면의 2차원 형상 정보를 획득한다.
상술한 카메라 스캐너를 사용하는 경우, 샘플(S)의 내부 상태를 파악할 수 없으므로, 광간섭 단층 촬영(Optical Coherence Tomography: OCT) 장치를 이용하여 샘플(S)의 내부 단층 이미지를 얻는 방법이 알려져 있다 (대한민국 특허출원 10-2021-0171392호 참조). 도 2는 통상적인 광간섭 단층 촬영(OCT) 스캐너를 이용하여 샘플(S)의 내부 단층 이미지를 얻는 방법을 보여주는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 통상적인 광간섭 단층 촬영(OCT) 스캐너는, 샘플(S)로 측정광(예를 들면, 근적외선광)을 투과시키고, 샘플(S)의 표면 및 내부의 각 단층에서 반사되는 반사광(산란광)을 검출하여, 샘플(S)의 표면 및 내부 단면 영상을 얻는 OCT 측정부(22); 및 상기 OCT 측정부(22)에서 방출된 측정광을 샘플(S)의 원하는 위치로 조사하고, 샘플(S)에서 반사된 반사광을 상기 OCT 측정부(22)로 전달하는 OCT 스캔 프로브(24, OCT scan probe)를 포함한다. 상기 OCT 측정부(22)는 측정광의 가간섭 성질을 이용하여 샘플(S) 내부의 단층 정보를 얻는 통상의 장치이다. 상기 OCT 스캔 프로브(24)는 측정광 및 반사광을 집속하는 콜리메이터(24a, Collimator); 상기 집속된 측정광을 샘플(S)의 원하는 측정 위치로 반사하고, 샘플(S)에서 반사된 반사광을 콜리메이터(24a)로 전달하는 반사 미러(24b); 및 상기 반사 미러(24b)에서 반사된 측정광을 샘플(S)의 원하는 촬영 위치로 집속하는 대물 렌즈(24c)를 포함할 수 있다.
상기 OCT 측정부(22)에서 얻은 3차원 이미지의 공간 좌표와 구조광 기반의 상기 카메라(14) 장치로 얻은 3차원 이미지의 공간 좌표는 일반적으로 일치하지 않고, 서로 다른 공간 좌표를 가진다. 따라서, 동일한 샘플(S)에 대하여, 보다 신뢰성이 있는 외부 표면 및 내부 이미지를 얻기 위해서는, 상기 OCT 측정부(22)에서 얻은 3차원 이미지와 구조광 기반의 카메라(14) 장치로 얻은 3차원 이미지가 서로 일치하도록 이미지를 조절할 필요가 있다.
[선행기술문헌]
대한민국 특허출원 10-2021-0171392호
본 발명의 목적은, 광간섭 단층 촬영(OCT) 장치로 얻은 3차원 영상의 공간 좌표와 카메라 장치로 얻은 3차원 영상의 공간 좌표가 일치하도록, 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라를 캘리브레이션하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 동일한 샘플(S)에 대하여, 보다 신뢰성이 있는 외부 표면 및 내부 이미지를 얻을 수 있는, 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 형상 측정광을 조사하는 형상 측정광 프로젝터(12); 상기 형상 측정광이 타겟(T)의 표면에서 반사되어 형성된 반사광을 검출하여 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 얻는 형상 측정 카메라(14); 및 타겟(T)으로 단층 측정광을 투과시키고, 타겟(T)의 표면 및 내부 단층에서 반사되는 반사광을 검출하여, 타겟(T)의 표면 및 내부 단면 영상을 얻는 OCT(Optical Coherence Tomography) 측정부(22)를 포함하는 복합 장치의 캘리브레이션 방법으로서,
형상 측정광을 캘리브레이션 타겟(T)으로 조사하고, 형상 측정 카메라(14)를 이용하여 상기 형상 측정광이 캘리브레이션 타겟(T)의 표면에서 반사되어 형성된 반사광을 검출하여 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 얻고, 캘리브레이션 타겟(T)의 실제 형상에 따라, 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 캘리브레이션하는 단계; 상기 OCT 측정부(22)를 이용하여, 단층 측정광으로 상기 캘리브레이션 타겟(T)을 스캔하여, 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 및 내부의 3차원 이미지를 얻고, 상기 3차원 이미지로부터 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 추출하고, 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 실제 표면 형상에 따라, OCT 측정부(22)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 캘리브레이션하는 단계; 및 상기 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 이미지와 OCT 측정부(22)에서 얻은 표면 캘리브레이션 이미지를 매칭시켜 동일한 공간 좌표에 표시되도록 하는 단계를 포함하는, 캘리브레이션 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법에 의하면, 광간섭 단층 촬영(OCT) 장치로 얻은 3차원 영상의 공간 좌표와 카메라 장치로 얻은 3차원 영상의 공간 좌표가 일치하도록, 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 복합 장치를 캘리브레이션할 수 있다.
도 1은 통상적인 카메라 스캐너의 샘플 형상 촬영 원리를 보여주는 도면.
도 2는 통상적인 광간섭 단층 촬영(OCT) 스캐너를 이용하여 샘플(S)의 내부 단층 이미지를 얻는 방법을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법이 적용될 수 있는 복합 장치의 구성을 보여주는 도면.
도 4 내지 7은 본 발명에 따른 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부된 도면에서, 종래와 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 요소에는 동일한 도면 부호를 부여하였다.
도 3은 본 발명에 따른 광간섭 단층 촬영(OCT) 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법이 적용될 수 있는 복합 장치의 구성을 보여주는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 캘리브레이션 방법이 적용될 수 있는 복합 장치는 형상 측정광 프로젝터(12), 형상 측정 카메라(14), 및 OCT(Optical Coherence Tomography) 측정부(22)를 포함하고, 필요에 따라 OCT 스캔 프로브(24) 및 빔 스플리터(30, beam splitter)를 더욱 포함할 수 있다. 상기 형상 측정광 프로젝터(12)는 타겟(T, target)의 형상 이미지를 얻기 위한 형상 측정광을 조사한다. 상기 형상 측정광으로는 타겟(T)의 형상 이미지를 얻을 수 있는 측정광을 제한없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 가시광, 예를 들면 파장이 400 내지 700 nm인 가시광을 사용할 수 있다. 상기 형상 측정 카메라(14)는 상기 형상 측정광이 타겟(T)의 표면에서 반사되어 형성된 반사광을 검출하여 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 얻는 장치로서, 통상의 이미지 센서를 포함한다. 동작에 있어서, 상기 형상 측정광 프로젝터(12)에서 형상 측정광이 출력되고, 출력된 형상 측정광은 빔 스플리터(30)을 통과한 후, 타겟(T)을 조사하며, 타겟(T)에서 반사된 반사광을 형상 측정 카메라(14)로 검출하여, 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 얻는다. 이때, 형상 측정 카메라(14)로 획득한 타겟(T)의 2차원 이미지는 삼각 측량법 등을 이용하여 3차원의 이미지로 변환될 수 있다.
상기 OCT 측정부(22)는 타겟(T)으로 단층 측정광(예를 들면, 근적외선광)을 투과시키고, 타겟(T), 구체적으로는 타겟(T)의 표면 및 내부 단층에서 반사되는 반사광(산란광)을 검출하여, 타겟(T)의 표면 및 내부 단면 영상을 얻는 장치로서, 단층 측정광의 가간섭 성질을 이용하여 물체 내부의 단층 정보를 얻는 통상의 장치이다. 예를 들면, 상기 단층 측정광은 짧은 가간섭 거리를 가지는 광대역 광(broadband low-coherence light)이고, 바람직하게는 근적외선광, 구체적으로는, 파장 750 내지 1500 nm의 근적외선광일 수 있다. 상기 OCT 스캔 프로브(24, OCT scan probe)는 상기 OCT 측정부(22)에서 방출된 단층 측정광을 타겟(T)의 원하는 위치로 조사하고, 타겟(T)에서 반사된 반사광을 상기 OCT 측정부(22)로 전달하는 장치이다. 상기 OCT 스캔 프로브(24)는 단층 측정광 및 그의 반사광을 집속하는 콜리메이터(24a, Collimator); 상기 집속된 단층 측정광을 타겟(T)의 원하는 촬영 위치로 반사하고, 타겟(T)에서 반사된 반사광을 콜리메이터(24a)로 전달하는 반사 미러(24b); 및 상기 반사 미러(24b)에서 반사된 측정광을 타겟(T)의 원하는 촬영 위치로 집속하는 대물 렌즈(24c)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 반사 미러(24b)로는 단층 측정광의 반사 각도를 조절하여 타겟(T)의 촬영 위치를 순차적으로 스캔할 수 있도록 하는 MEMS 미러(micro electro mechanical system mirror)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 반사 미러(24b)는 2개의 축(예를 들면, 직교 관계에 있는 x축 및 y축)을 기준으로 회전하여, 타겟(T)이 위치하는 평면을 순차적으로 스캔하고, 단층 측정광이 상기 평면에 수직 방향(z축 방향, x축 및 y축에 직교함)으로 타겟(T) 내부로 조사되어, 타겟(T)의 3차원 단층 영상을 얻을 수 있다.
상기 빔 스플리터(30)는 상기 형상 측정광 프로젝터(12)에서 조사되는 형상 측정광과 상기 OCT 스캔 프로브(24)에서 조사되는 단층 측정광의 광 경로를 분리하는 장치로서, 상기 형상 측정광 프로젝터(12) 및 형상 측정 카메라(14)에 의해 형성되는 형상 획득 광학계와 상기 OCT 측정부(22) 및 OCT 스캔 프로브(24)에 의해 형성되는 단층 획득 광학계를 분리한다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 빔 스플리터(30)는 상기 형상 측정광 프로젝터(12)에서 조사되는 형상 측정광은 투과시키고, 상기 OCT 스캔 프로브(24)에서 조사되는 단층 측정광은 반사시켜, 형상 측정광과 단층 측정광을 타겟(T)으로 조사하고, 각각의 반사광을 형상 측정 카메라(14)와 OCT 측정부(22)로 분리하여 전달하는 색선별 미러(dichroic mirror, 20)일 수 있다. 따라서, 상기 빔 스플리터(30)는 형상 측정광과 단층 측정광을 중첩시켜 타겟(T)으로 조사함으로써, 타겟(T)의 외부 표면 형상 이미지 및 내부 단층 이미지를 모두 얻을 수 있도록 한다.
도 4 내지 7은 본 발명에 따른 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션 방법을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따라 광간섭 단층 촬영 장치 및 카메라의 캘리브레이션을 수행하기 위해서는, 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 형상 측정광 프로젝터(12)를 이용하여 형상 측정광을 캘리브레이션 타겟(T)으로 조사하고, 형상 측정 카메라(14)를 이용하여 상기 형상 측정광이 캘리브레이션 타겟(T)의 표면에서 반사되어 형성된 반사광을 검출하여 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 얻고, 캘리브레이션 타겟(T)의 실제 형상에 따라, 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 캘리브레이션한다. 상기 캘리브레이션 타겟(T)은 표면에 소정 형상의 패턴이 형성되어 있는 표준 타겟으로서, 바람직하게는 표면에 소정 형상의 패턴(예를 들면, 도트(dot) 형상 또는 바둑판 무늬 형상)이 균일하게 형성되어 있는 비투과성 평면 타겟일 수 있다. 도 5는 이와 같이 상기 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지의 예를 보여주는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 캘리브레이션 타겟(T)의 위치 또는 방향에 따라 다양한 형태의 표면 형상 이미지가 얻어진다. 상기 형상 측정 카메라(14)는 렌즈 등의 다양한 광학 소자와 이미지 소자로 이루어지므로, 광학 소자와 이미지 소자의 특성에 따라, 상기 형상 측정 카메라(14)로 얻은 이미지에 소정의 왜곡이 발생한다. 한편, 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지, 구체적으로 캘리브레이션 타겟(T)의 표면에 형성된 패턴의 위치는 미리 알려져 있으므로, 이를 이용하여, 형상 측정 카메라(14)에서 얻어진 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지의 왜곡을 보정, 즉, 캘리브레이션할 수 있다. 이와 같은 카메라(14)의 캘리브레이션은 이미지의 위치에 따른 왜곡 계수를 얻는 과정으로서, 통상의 방법에 따라 수행될 수 있다(참고 논문: A Flexible New Technique for Camera Calibration, https://www.microsoft.com/en-us/research/wp-content/ uploads/ 2016/02/tr98-71.pdf)
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, OCT 측정부(22) 및 OCT 스캔 프로브(24)를 이용하여, 단층 측정광으로 상기 캘리브레이션 타겟(T)을 스캔하여, 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 및 내부의 3차원 이미지를 얻고, 상기 3차원 이미지로부터 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 추출하고(Surface detection), 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 실제 표면 형상에 따라, OCT 측정부(22)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 캘리브레이션한다. 상기 OCT 측정부(22)에서의 표면 이미지 캘리브레이션은 상술한 카메라(14)의 이미지 캘리브레이션과 동일한 방식으로 수행될 수 있다. 도 7는 이와 같이 상기 OCT 측정부(22)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 3차원 이미지(도 7의 A) 및 이로부터 추출된 2차원의 표면 형상 이미지(도 7의 B)의 예를 보여주는 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 상기 캘리브레이션 타겟(T)이 소정 패턴의 도트(dot) 형상이 표면에 균일하게 형성되어 있는 비투과성 평면 타겟인 경우, 도 7의 A에 도시된 바와 같이, 표면 이미지는 선명하지만, 내부 이미지는 상대적으로 불투명한 3차원 이미지가 얻어지며, 이로부터 2차원의 표면 형상 이미지를 추출하면, 도 7의 B에 도시된 바와 같이, 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지에 해당하는 2차원 이미지를 얻을 수 있고, 이를 이용하여 상기 OCT 측정부(22)의 이미지 캘리브레이션을 수행할 수 있다.
이와 같이 형상 측정 카메라(14) 및 OCT 측정부(22)의 캘리브레이션을 완료한 다음, 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 이미지와 OCT 측정부(22)에서 얻은 표면 캘리브레이션 이미지를 매칭시켜 동일한 공간 좌표에 표시되도록 한다. 즉, 상기 형상 측정 카메라(14) 및 OCT 측정부(22)는 동일한 캘리브레이션 타겟(T)의 동일 지점에 대한 위치 정보를 각각 가지고 있으므로, 이들이 하나의 이미지에서 동일한 위치에 표시되도록 형상 측정 카메라(14) 및 OCT 측정부(22)에서 얻은 이미지들을 변형하여, 예를 들면, 회전시키거나 확대 또는 축소하여, 상기 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 이미지와 OCT 측정부(22)에서 얻은 이미지가 하나의 이미지에서 동일한 위치에 표시되도록 한다.
본 발명에 따르면, 동일한 캘리브레이션 타겟(T)에 대하여, 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 표면 형상 이미지를 캘리브레이션하고, OCT 측정부(22)에서의 얻은 3차원 이미지에서 표면 이미지를 추출하여 캘리브레이션한 후, 이들 이미지를 매칭시켜, 즉, 두 이미지의 공간 좌표를 일치시켜 통합된 이미지를 얻을 수 있다.
이상 첨부된 도면과 예시적인 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 도면에 도시된 내용 및 상술한 실시예들로 한정되지 않는다. 하기 청구항에서 이해를 돕기 위하여 도면 부호를 표기하였으나, 하기 청구항의 범위는 도면 부호 및 도면에 도시된 내용에 한정되지 않고, 예시적인 실시예의 변형들, 등가의 구성들 및 기능들을 모두 포괄하도록 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 형상 측정광을 조사하는 형상 측정광 프로젝터(12); 상기 형상 측정광이 타겟(T)의 표면에서 반사되어 형성된 반사광을 검출하여 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 얻는 형상 측정 카메라(14); 및 타겟(T)으로 단층 측정광을 투과시키고, 타겟(T)의 표면 및 내부 단층에서 반사되는 반사광을 검출하여, 타겟(T)의 표면 및 내부 단면 영상을 얻는 OCT(Optical Coherence Tomography) 측정부(22)를 포함하는 복합 장치의 캘리브레이션 방법으로서,
    형상 측정광을 캘리브레이션 타겟(T)으로 조사하고, 형상 측정 카메라(14)를 이용하여 상기 형상 측정광이 캘리브레이션 타겟(T)의 표면에서 반사되어 형성된 반사광을 검출하여 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 얻고, 캘리브레이션 타겟(T)의 실제 형상에 따라, 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 캘리브레이션하는 단계;
    상기 OCT 측정부(22)를 이용하여, 단층 측정광으로 상기 캘리브레이션 타겟(T)을 스캔하여, 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 및 내부의 3차원 이미지를 얻고, 상기 3차원 이미지로부터 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 추출하고, 상기 캘리브레이션 타겟(T)의 실제 표면 형상에 따라, OCT 측정부(22)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지를 캘리브레이션하는 단계; 및
    상기 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 이미지와 OCT 측정부(22)에서 얻은 표면 캘리브레이션 이미지를 매칭시켜 동일한 공간 좌표에 표시되도록 하는 단계를 포함하며,
    상기 캘리브레이션 타겟(T)은 표면에 소정 형상의 패턴이 균일하게 형성되어 있는 비투과성 평면 타겟이고,
    상기 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 이미지와 OCT 측정부(22)에서 얻은 표면 캘리브레이션 이미지의 매칭은, 상기 이미지들을 변형하여, 상기 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 이미지와 OCT 측정부(22)에서 얻은 이미지가 하나의 이미지에서 동일한 위치에 표시되도록 하는 것이며,
    상기 형상 측정광은 가시광이고, 상기 단층 측정광은 근적외선광인 것인, 캘리브레이션 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 형상 측정 카메라(14)에서 얻은 캘리브레이션 타겟(T)의 표면 형상 이미지의 캘리브레이션은 상기 형상 측정 카메라(14)로 얻은 이미지에 발생하는 왜곡을 보정하는 것인, 캘리브레이션 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
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