KR20120041839A - 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상 획득 방법 및 이를 이용한 3차원 현미경 - Google Patents

렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상 획득 방법 및 이를 이용한 3차원 현미경 Download PDF

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Abstract

3차원 영상을 구현함에 있어서 백색 광원에 가변 파장 필터(색상필터)를 사용하여 초점거리가 각기 다른 여러 가지 파장의 광원에 의한 물체의 영상을 획득하고 이를 3차원 영상으로 재구성 하거나 3차원 측정을 하기 위한 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상획득 방법 및 이를 이용한 3차원 현미경 장치가 개시된다. 본 발명은 특정 파장(
Figure pat00006
)을 갖는 광원을 대상에 조사한 후, 특정 파장의 광원에 의한 대상물체의 영상을 카메라를 이용하여 획득한 다음, 영상이 획득된 파장과 다른 파장을 갖는 광원을 순차적으로 대상물체에 조사한 후 카메라를 이용하여 파장이 다른 영상을 획득하는 과정을 반복하여 대상물체에 대해 다양한 초점거리에 위치한 여러 장의 영상을 재구성하여 3차원 영상을 출력하는 것이다.

Description

렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상 획득 방법 및 이를 이용한 3차원 현미경{method for obtaining 3D images using chromatic aberration of lens and 3D microscope using there of }
본 발명은 3차원 영상 획득 방법 및 이를 이용한 3차원 현미경에 관한 것으로 특히, 3차원 영상을 구현함에 있어서 백색 광원에 가변 파장 필터(색상필터)를 사용하여 초점거리가 각기 다른 여러 가지 파장의 광원에 의한 물체의 영상을 획득하고 이를 3차원 영상으로 재구성 하거나 3차원 측정을 하기 위한 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상획득 방법 및 이를 이용한 3차원 현미경 장치에 관한 것이다.
일반적으로 공초점 현미경 기술은 3차원으로 공초점 위치에 빛의 조사한 후 빛의 투과 또는 반사 신호를 검출하여 광축방향 및 평면방향의 고분해능을 갖는 대면적 3차원 구조 및 표면형상을 고속으로 측정하는 기술이다. 공초점 현미경 기술은 점광원으로 부터 나오는 광을 사용해서 시료의 초점과 검출기의 핀홀(detector pinhole)상의 초점을 일치시켜 공초점면 이외의 부분은 현미경 상에 나타나지 않도록 하는 것이다.
공초점 현미경의 경우 일반 형광 현미경과 비교해 초점면에 대한 해상도가 이론적으로 1.4배 증가한다. 그러나 광원은 검출기의 핀홀을 지나 상을 형성하는 과정에서 대부분의 빛을 소모하기 때문에 광원이 아주 밝아야 되거나, 시료 자체가 상당한 형광을 발해야만 되는 단점이 있다. 이러한 어려움 때문에 광원으로는 레이저를 사용하게 되었고, 시료 전체를 스캐닝 해야 하므로 스캐닝 속도를 향상시키기 위해 빔 스티어링(beam steering method)이 필요하다. 컴퓨터로 제어되는 모터 구동 포커싱 시스템등과 같이 여러 장치를 사용하여 3차원 영상을 구성함으로 매우 시스템이 복잡하다.
또한, 광을 1차원 슬릿으로 만든 후 3차원 영상을 측정하는 슬릿광 주사법 형상 측정기는 한 번의 측정으로 하나의 단면 형상을 모두 구하므로 측정 단면의 수직한 방향으로 한 축만을 스케닝 하면 되므로, 비교적 많은 양의 측정 데이터를 빠르게 얻을 수 있으나, 측정 정확도는 슬릿광 중심 곡선을 찾는 방법에 크게 좌우되어 공초점 방식에 비해 매우 성능이 떨어지는 문제가 있다.
영사식 모아레법을 사용하는 형상 측정기는 위상 천이법을 사용함에 따라 필연적으로 발생하는 모호성문제로 인해 급격한 단차를 가진 물체는 측정하기 어렵고, 위상 펼침 알고리즘이 완벽하지 않을 경우 형상 데이터 복원에 실패할 수 있는 치명적인 문제가 내재하고 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 현미경을 통해 관측하고자 하는 물체에 화이트 조명을 사용할 경우 광원에 대해 특정 파장에 대한 빛만 조사될 수 있도록 밴드 패스 필터(가변 파장 필터)를 사용하면 특정의 한 파장의 광원에 의한 대상의 영상을 카메라를 통해 얻을 수 있는 데, 렌즈의 색수차에 의해 파장의 값에 따라 획득되는 대상에 대한 영상의 초점 거리 또한 변하게 되는 것을 이용하여 관측하고자 하는 대상에 대해 다양한 초점거리에 위치한 여러 장의 영상을 재구성하여 3차원 영상을 재구성하는 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상 획득 방법 및 이를 이용한 3차원 현미경 장치를 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한
본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상 획득 방법은,
특정 파장을 갖는 광원을 대상에 조사한 후, 특정 파장의 광원에 의한 대상물체의 영상을 카메라를 이용하여 획득한 다음, 영상이 획득된 파장과 다른 파장을 갖는 광원을 순차적으로 대상물체에 조사한 후 카메라를 이용하여 파장이 다른 영상을 획득하는 과정을 반복하여 대상물체에 대해 다양한 초점거리에 위치한 여러 장의 영상을 재구성하여 3차원 영상을 출력하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경은
백색광원을 핀홀을 통하여 출력하는 광발생부;
광발생부에서 출력되는 백색광원의 출력측에서 원형 또는 Z 축방향으로 이동하면서 N개의 파장을 갖는 광을 출력하는 가변 파장부;
가변 파장부를 통과하여 특정 파장을 갖는 광원을 대상물체에 조사하여 각기 다른 파장의 광원에 의한 대상물체의 영상을 획득하는 카메라부; 및
카메라부에서 획득한 다양한 초점거리에 위치한 여러 장의 영상을 재구성하여 3차원 영상을 출력 및 저장하는 컴퓨터를 포함한다.
본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경은 관측하고자 하는 대상에 대해 파장이 다른 광원을 달리하여 영상을 획득하거나 백색 광원에서 파장에 대한 가변 밴드패스 필터를 이용하여 여러 파장에의 광원에서 획득된 현미경 영상으로 공초점 현미경 혹은 3차원 현미경의 효과를 얻을 수 있게 함으로서, 광원에 가변 파장 필터만을 사용함으로서 3차원 현미경 장치를 단순하게 구현 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경의 예시도이다.
도 2는 화이트 광원에서 나오는 파장에 따라 렌즈에서 발생되는 색수차 현상을 설명한 도면이다.
도 3a와 도3b는 본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경에서 화이트 광원에 대한 가변 파장 필터를 사용한 가변초점 영상의 획득 원리를 설명한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경에서 3차원 영상의 획득 원리를 설명한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부되는 도 1은 본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경의 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 크게 백색광원을 조사하는 광발생부(100), 광발생부(100)에서 출력되는 백색광원의 출력측에서 원형 또는 Z 축방향으로 이동하면서 N개의 파장을 갖는 광을 출력하는 가변 파장부(200), 가변 파장부(200)를 통과하여 특정 파장을 갖는 광원을 대상물체(600)에 조사하여 각기 다른 파장의 광원에 의한 대상물체(600)의 영상을 획득하는 카메라부(300) 및 카메라부(300)에서 획득한 다양한 초점거리에 위치한 여러 장의 영상을 재구성하여 3차원 영상을 출력 및 저장하는 컴퓨터(400)를 포함한다.
광 발생부(100)는 연속 발진 및 펄스형 백색광으로 파장 코딩을 할 수 있는 광대역 스펙트럼(△λ)를 발생시키는 레이저, 램프 또는 발광다이오드로 구성될 수 있다.
가변 파장부(200)의 출력측에는 광원을 대상 물체(600)에 반사하기 위한 반사경(210)과 반사경(210)에서 반사된 빛의 초점을 대상 물체(600)에 형성하기 위한 대물렌즈(220)가 형성된다. 또한, 카메라부(300)의 출력측에는 대상 물체(600)의 초점을 카메라부(300)로 형성하기 위한 초점렌즈(310)가 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상 획득 방법은 3차원 현미경에서 대물렌즈(220)를 통과하여 대상물체(600)에 조사되는 광원의 파장에 따른 색수차 특성을 이용한다. 파장에 따른 색수차 특성을 이용하기 위하여 광발생부(100)에서 조사되는 백색광원을 핀홀(110)을 이용하여 가변 파장부(200)에 인가한다. 가변파장부(200)는 색상 필터로 이루어져 핀홀(110)을 통하여 출력된 백색광원과 합성되어 다양한 파장의 광을 생성한다.
도 2에서 보는 바와 같이 렌즈 방정식인 식 1에 의하면 반사계수
Figure pat00001
에 따라서 파장에 의존하기 때문에 초점거리도 또한 파장
Figure pat00002
에 따라 변한다.
Figure pat00003
식 1
식 1에서 f는 초점거리, n은 반사계수, R1은 렌즈의 입사광 면의 반경, R2는 출사면의 반경이다.
도 2에서 청색광의 초점 거리 Fb는 적색광의 초점거리 Fr보다 짧은 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상구현 방법은 이러한 원리를 이용하여 광 발생부(100)에서 핀홀(110)을 통하여 출력된 백색광원이 색상필터로 이루어진 이동 혹은 회전 방식의 가변파장부(200)를 통과하여 특정 파장(
Figure pat00004
)을 갖는 광이 반사경(210)에 반사되어 대물렌즈(220)를 통하여 대상 물체(600)에 조사되면, 광원의 파장에 따라 초점거리가 달라진다. 먼저, 특정 파장의 광원 예를 들어 도2의 청색광의 파장을 대상물체(600)에 조사한 다음 대상물체(600)의 영상을 카메라 렌즈(310)를 통하여 카메라(300)에서 촬영한 다음, 적색광의 파장을 갖는 광원을 대상물체에 조사한 후 대상물체(600)의 영상을 카메라 렌즈(310)를 통하여 카메라(300)에서 촬영하고 순차적으로 각기 다른 파장을 갖는 광을 대상물체(600)에 조사한 다음 대상물체(600)의 영상을 카메라 렌즈(310)를 통하여 카메라(300)에서 촬영한다.
이와 같이 동일한 대상물체(600)에 대해 다양한 초점거리를 갖는 영상을 컴퓨터(400)를 통하여 합성 또는 재구성하여 3차원 영상을 출력함으로써 여러 가지 파장의 광원에 의하여 다양한 초점을 갖는 대상 물체(600)의 영상을 획득하고 이를 3차원 재구성 하거나 3차원 측정을 하는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상 획득 방법은 광원과 가변 파장 필터만을 사용함으로 3차원 현미경 장치를 단순하게 구현 할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상 획득 장치에서 광원의 가변 파장필터를 사용한 가변초점 영상의 획득 원리를 보여준다. 여기서는 광 발생부(100)에서 핀홀(110)을 통하여 출력된 백색광원이 색상필터로 이루어진 가변파장부(200)를 통과하여 서로 다른 초점거리를 갖는 특정 파장(
Figure pat00005
)을 갖는 광이 출력된다. 가변파장부(200)는 상하 혹은 원형으로 이동하여 원하는 파장의 광을 출력시킨다.
가변파장부(200)원하는 파장의 필터로 원을 선택하고 영상 획득, 파장의 범위 이동 후 영상 획득을 반복한다. 가변된 파장에 따른 광원을 통해 초점거리가 각기 다른 여러 장의 영상 획득되면, 컴퓨터(400)를 이용하여 획득된 영상들에서 초점이 맞는 부분만을 추출하여 합성하여 3차원 영상을 만든다.
본 발명에 따른 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경에서 현미경 영상의 획득과 3차원 영상의 재구성 방법은 도 3a에서 보는 바와 같이 가변파장부(200)를 구성하는 가변파장 필터를 통과한 광발생부(100)에서 출력된 광원이 파장이 짧은 경우 렌즈로부터 짧은 거리에 초점이 맺힌다. 반대로 도 3b에서 보는 바와 같이 가변파장부(200)를 구성하는 가변파장 필터를 통과한 광발생부(100)에서 출력된 광원이 파장이 짧은 경우 파장이 길 경우 렌즈로 부터 먼 거리에 초점이 맺히게 된다.
도 4에서 보는 바와 같이 가변파장부(200)를 상하 이동 혹은 원형으로 회전시켜 획득된 영상은 광원의 파장에 따라 초점이 다른 위치에 맺히게 된다. 파장에 따라 각각 다른 위치에 초점 맞아진 영상을 재구성 하여 3차원 영상을 재구성한다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims (5)

  1. 가변 파장을 이용하여 특정 파장을 갖는 광원을 대상물체에 조사하고 상기 특정 파장의 광원에 의한 대상의 영상을 카메라를 이용하여 획득한 다음, 상기 영상이 획득된 파장과 다른 파장을 갖는 광원을 순차적으로 대상물체에 조사한 후 상기 카메라를 이용하여 파장이 다른 영상을 순차적으로 획득하는 과정을 반복하여 상기 대상물체에 대해 다양한 초점거리에 위치한 여러 장의 영상을 재구성하여 3차원 영상을 출력하는 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 영상 획득 방법.
  2. 백색광원을 핀홀(110)을 통하여 출력하는 광발생부(100);
    상기 광발생부(100)에서 출력되는 백색광원의 출력측에서 원형 또는 Z 축방향으로 이동하면서 N개의 파장을 갖는 광을 출력하는 가변 파장부(200);
    상기 가변 파장부(200)를 통과하여 특정 파장을 갖는 광원을 대상물체(600)에 조사하여 각기 다른 파장의 광원에 의한 상기 대상물체(600)의 영상을 획득하는 카메라부(300); 및
    상기 카메라부(300)에서 획득한 다양한 초점거리에 위치한 여러 장의 영상을 재구성하여 3차원 영상을 출력 및 저장하는 컴퓨터(400)를 포함하는 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경.(N은 자연수)
  3. 제 2항에 있어서, 상기 가변 파장부(200)의 출력측에는 광원을 상기 대상 물체(600)에 반사하기 위한 반사경(210) 및 상기 반사경(210)에서 반사된 빛의 초점을 상기 대상 물체(600)에 형성하기 위한 대물렌즈(220)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 카메라부(300)의 출력측에는 상기 대상 물체(600)의 초점을 상기 카메라부(300)로 형성하기 위한 초점렌즈(310)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경.
  5. 제 2항 또는 제 4항에 있어서, 상기 카메라부(300)는 CCD 센서로 구성됨을 특징으로 하는 렌즈의 색수차를 이용한 3차원 현미경.
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