KR20140026545A - 하이퍼-스펙트럴 촬영 및 분석용 ｍｅｍｓ 및 ｍｅｍ 광학간섭계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이퍼-스펙트럴 촬영과 분석을 위한 MEMS와 MEM 광학분석계에 관한 것이다. 본 발명은 미니어처나 마이크로(1센티 미만) 크기의 모든 종류의 생물학적, 물리적, 화학적 물체나 물질이나 구조에 대한 온라인(실시간)이나 오프라인 하이퍼-스펙트럴 촬영과 분석에 적용되는 것으로, 이런 물체는 기본적으로 모든 종류와 갯수의 종이나 성분들을 포함하고 유기, 무기 물질도 포함한다. 본 발명은 식품과 그 재료, 농산물(원재료와 가공품), 환경 물질(예; 오염된 공기, 물, 땅) 또는 약품과 그 재료에 포함된 물체(물질)을 하이퍼-스펙트럴 촬영/분석하는데 특히 유용하다. 본 발명은 이런 하이퍼-스펙트럴 촬영에 관련되거나 필요한 모든 분야의 기술에 적용할 수 있다.

Description

하이퍼-스펙트럴 촬영 및 분석용 ＭＥＭＳ 및 ＭＥＭ 광학간섭계{MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS) AND (MEM) OPTICAL INTERFEROMETER FOR HYPER-SPECTRAL IMAGING AND ANALYSIS}

본 발명은 하이퍼-스펙트럴 촬영과 분석을 위한 MEMS(Microelectromechanical System)와 MEM(Microelectromechanical) 광학분석계에 관한 것이다.

본 발명은 미니어처나 마이크로(1센티 미만) 크기의 모든 종류의 생물학적, 물리적, 화학적 물체나 물질이나 구조에 대한 온라인(실시간)이나 오프라인 하이퍼-스펙트럴 촬영과 분석에 적용되는 것으로, 이런 물체는 기본적으로 모든 종류와 갯수의 종이나 성분들을 포함하고 유기, 무기 물질도 포함한다. 본 발명은 식품과 그 재료, 농산물(원재료와 가공품), 환경 물질(예; 오염된 공기, 물, 땅) 또는 약품과 그 재료에 포함된 물체(물질)을 하이퍼-스펙트럴 촬영/분석하는데 특히 유용하다. 본 발명은 이런 하이퍼-스펙트럴 촬영에 관련되거나 필요한 모든 분야의 기술에 적용할 수 있다.

하이퍼-스펙트럴 촬영, 분석

하이퍼-스펙트럴 촬영과 분석은 독특하면서, 특별하고 복잡한 촬영분석법으로, 분석과 촬영에 관한 모든 과학이나 기술을 포괄한다. 하이퍼-스펙트럴 촬영분석은 생물학적, 물리적 또는 화학적 샘플들을 분석하고 분류하기 위한 모든 종류의 분석과 촬영 이론이나 원리나 실습들의 조합을 기초로 한다.

하이퍼-스펙트럴 촬영, 일반적으로 하이퍼-스펙트럴 영상들을 생성, 수집하고 하이퍼-스펙트럴 영상 데이터와 정보를 처리하고 분석하는 것은 광범위한 여러 분야의 과학과 기술 분야에 현재 널리 알려져 있다. 본 발명에 관한 기술은 참고문헌 1~8에 소개되어 있다.

일반적인 스펙트럴 촬영분석법과는 대조적으로, 하이퍼-스펙트럴 촬영분석은 미니어처나 마이크로(1센티 미만) 크기의 모든 종류의 생물학적, 물리적, 화학적 물체나 물질이나 구조에 대한 온라인(실시간)이나 오프라인 하이퍼-스펙트럴 촬영과 분석에 적용되는 것으로, 이런 물체는 기본적으로 모든 종류와 갯수의 종이나 성분들을 포함하고 유기, 무기 물질도 포함한다. 본 발명은 식품과 그 재료, 농산물(원재료와 가공품), 환경 물질(예; 오염된 공기, 물, 땅) 또는 약품과 그 재료에 포함된 물체(물질)을 하이퍼-스펙트럴 촬영/분석하는데 특히 유용하다. 본 발명은 이런 하이퍼-스펙트럴 촬영에 관련되거나 필요한 모든 분야의 기술에 적용할 수 있다. 하이퍼-스펙트럴 촬영시, 여러 분야의 물체의 영상을 하이퍼-스펙트럴 스캔하고 촬영하는데, 이때 이 물체는 전자기선에 노출된다.

하이퍼-스펙트럴 스캔과 촬영은 수백만 정도의 많은 수의 스펙트럴 영상드을 한번에 하나씩 생성하고 수집하되, 아주 빠르고 순서대로 하며, 이때 물체는 다수의 수 파장(또는 주파수나 에너지)으로 전자기선을 방출하며, 이런 파장들은 물체에서 방출된 전체 하이퍼-스펙트럼 중의 여러개의 (비교적 좁은) 부분이나 대역과 관련된다. 하이퍼-스펙트럴 촬영-분석 시스템은 극히 빠르게 작동하면서 아주 높은 해상도의 스펙트럴 데이터와 정보를 제공하면서도 정밀도와 재현성이 아주 높은데, 이는 일반 표준 스펙트럴 촬영법으로는 얻을 수 없는 것이다.

일반적으로, 태양이나 인조 조명원이나 에너지원에서 공급되는 빛 형태의 전자기선은 하이퍼-스펙트럴 촬영을 하는 동안 물체에 입사되고, 이 전자기선은 물체의 종류에 영향을 받는다. 또, 유기화학물을 포함한 물체는 어느정도의 형광이나 인광 특징과 거동을 보이는데, 자외선, 가시광, 적외선과 같은 빛을 비췄을 때 그렇다. 확산, 반사, 회절, 산란, 전파 형태로 물체에 영향을 주는 전자기선은 이 물체의 성질과 관련되어, 스펙트럴(지만이나 사인) 패턴(무늬)로 물체의 특성을 제시하므로, 물체를 분석하고 분류하는데 적용할 수 있다.

따라서, 물체에서 생긴 하이퍼-스펙트럴 영상들은 물체의 방출광과 연계되고, 이 방출광은 촬영된 물체의 특징을 스펙트럴 "지문"이나 "사인" 패턴 형태로 나타낸다. 이런 하이퍼-스펙트럴 영상 데이터와 정보는 APR(automation pattern recognition)이나 OCR(optical character recognition) 형태의 하이퍼-스펙트럴 촬영 데이터와 정보 처리분석법으로 처리분석된다.

발명의 요약

본 발명은 하이퍼-스펙트럴 촬영과 분석을 위한 MEMS에 있어서: 물체에서 방출된 전자기선을 받아 조준된 물체방출 빔을 형성하는 매트릭스형 조준 마이크로렌즈; 상기 조준 마이크로렌즈에 대해 동작하도록 위치하고, 상기 조준된 물체방출 빔을 받고 분할하여, 광경로차를 갖는 분할된 빔을 형성하고 간섭영상을 생성하는 MEM 광학간섭계; 상기 간섭영상의 초점을 맞추는 매트릭스형 초점 마이크로렌즈; 상기 MEM 광학간섭계에 대해 동작하도록 위치하고, 상기 간섭영상을 감지 및 기록하여 다수의 기록된 간섭영상들을 형성하는 마이크로 디텍터; 및 마이크로-CPPU;를 포함하는 MEMS를 제공한다.

본 발명에 있어서, MEM 광학간섭계가 마이크로 빔스플리터, 마이크로 고정거울, 마이크로 가동거울, 마이크로 압전모터, 마이크로 거리변화 피드백센서, 상기 압전모터와 피드백센서에 연결된 마이크로 압전모터 컨트롤러, 및 상기 빔스플리터, 고정거울, 가동거울, 압전모터, 피드백센서를 설치하는 마이크로 광학간섭계 마운트를 포함할 수 있다.

또, 조준 마이크로렌즈가 MEM 광학간섭계의 일부분으로 구성되고 위치할 수 있다.

또, 광학간섭계 마운트가 조준 마이크로렌즈의 마운트 역할을 한다.

또, 광학간섭계 마운트가 마이크로에칭 표면을 갖는 재료로 만들어질 수 있다. 이 경우, 이 재료가 마이크로에칭 반금속, 마이크로에칭 비금속 또는 마이크로에칭 금속일 수 있다. 마이크로에칭 반금속이 실리콘 또는 실리콘과 같은 재료이다.

또, 마이크로에칭 표면의 일부분에 빔스플리터, 고정거울, 가동거울, 압전모터 및 피드백센서의 적어도 일부분이 설치될 수 있다. 마이크로에칭 표면의 다른 부분에 조준 마이크로렌즈가 설치될 수 있다.

또, 마이크로에칭 표면의 일부분이 제1 금속 마이크로층으로 덮이고, 제1 금속 마이크로층의 표면의 일부분은 제2 금속 마이크로층으로 덮이며, 제2 금속 마이크로층의 일부분에 상기 압전모터와 가동거울이 설치될 수 있다. 제1 금속 마이크로층이 금으로 되거나, 제2 금속 마이크로층이 PZT로 될 수 있다.

본 발명은 또한, 하이퍼-스펙트럴 촬영 및 분석을 위한 MEM 광학간섭계에 있어서: 물체에서 방출된 전자기선 빔을 받아들여 2개의 빔으로 분할하는 마이크로 빔스플리터; 빔스플리터에 대해 동작하도록 위치하는 마이크로 고정거울; 빔스플리터와 고정거울에 대해 동작하도록 위치하는 마이크로 가동거울; 가동거울에 연결되어, 상기 분할된 빔의 축선을 따라 가동거울을 움직이는 마이크로 압전모터; 가동거울에 연결되고, 상기 축선을 따른 가동거울의 거리 변화를 감지 및 측정하는 마이크로 거리변화 피드백센서; 압전모터와 피드백센서에 연결되고, 압전모터의 작동을 제어하는 마이크로 압전모터 컨트롤러; 및 빔스플리터, 고정거울, 가동거울, 압전모터 및 피드백센서를 설치하는 마이크로 광학간섭계 마운트;를 포함하고, 고정거울과 가동거울은 빔스플리터에서 분할된 2개의 빔을 광경로차를 갖도록 반사하는 MEM 광학간섭계도 제공한다.

본 발명의 광학간섭계는 물체에서 방출된 전자기선을 받아 조준된 물체방출 빔을 형성하는 매트릭스형 조준 마이크로렌즈를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 광학간섭계 마운트에 조준 마이크로렌즈를 설치할 수 있다.

또, 빔스플리터가 사각형 또는 입체형 빔스플리터일 수 있다.

또, 광학간섭계 마운트가 마이크로에칭 표면을 갖는 재료로 만들어질 수 있다. 이 재료가 마이크로에칭 반금속, 마이크로에칭 비금속 또는 마이크로에칭 금속일 수 있다. 반금속이 실리콘 또는 실리콘과 같은 재료일 수 있다.

또, 마이크로에칭 표면의 일부분에 상기 빔스플리터, 고정거울, 가동거울, 압전모터 및 피드백센서의 적어도 일부분이 설치될 수 있다. 마이크로에칭 표면의 다른 부분에 조준 마이크로렌즈가 설치될 수 있다.

또, 마이크로에칭 표면의 일부분이 제1 금속 마이크로층으로 덮이고, 제1 금속 마이크로층의 표면의 일부분은 제2 금속 마이크로층으로 덮이며, 제2 금속 마이크로층의 일부분에 상기 압전모터와 가동거울이 설치될 수도 있다. 제1 금속 마이크로층이 금으로 되거나, PZT로 될 수 있다.

도 1은 MEMS(10)와 그 요소의 일례를 보여주는 개략도;
도 2는 표준 기술로 제작된 기존의 선형 압전 액튜에이터 모터의 일례를 보여주는 사진;.
도 3은 본 발명의 MEM 광학간섭계(18)에 사용된 압전모터(46)와 가동거울(44)의 제작과정을 보여주는 도면;
도 4는 카메라에 들어있는 MEMS(10)의 일례를 보여주는 사진.

본 발명은 MEMS와 MEM 부품에 관한 것이고, 구체적으로는 하이퍼-스펙트럴 촬영과 분석을 위한 MEMS와 MEM 광학간섭계에 관한 것이다.

도 1은 MEMS(10)와 그 요소의 일례를 보여주는 개략도로서, MEMS 광학간섭계(10)와 주요 요소들을 볼 수 있다.

하이퍼-스펙트럴 촬영과 분석을 위한 MEMS(10)와 그 요소들을 이하 하이퍼-스펙트럴 촬영분석 시스템이라고도 하며, 샘플(14) 중의 물체(12)의 하이퍼-스펙트럴 영상들을 실시간 고속 고해상 생성, 수집, 분석하기 위한 것이다. 물체(12)는 자체적으로 방출스펙트럼 형태의 전자기선을 방출하거나, 또는 외부의 전자기선을 받아 여기되어 방출스펙트럼 형태의 전자기선을 방출한다.

MEMS(10)은 (a) 매트릭스 구조의 조준 마이크로렌즈(16), (b) MEM 광학간섭계(18), (c) 매트릭스형 초점 마이크로렌즈(20), (d) 마이크로 디텍터(22) 및 (e)마이크로-CPPU(24; central programming and control/data/information signal processing unit)를 포함한다.

MEMS(10)는 또한 (f) 디스플레이(26), (g) 조명기(28), (h) 하나 이상의 전자기선 필터(F1) 및 (i) 대물렌즈(30)를 더 포함한다. MEMS(10)의 요소들과 마이크로-CPPU(24) 사이의 전기전자 통신은 파단선으로 표시된 데이터링크에 의한다.

MEMS(10)의 주요 요소인 MEM 광학간섭계(18) 역시 하이퍼-스펙트럴 촬영분석에 사용되는 장치이다. 따라서, 본 발명의 다른 특징인 MEM 광학간섭계(18)는 아래 요소들을 포함한다: (a) 마이크로 빔스플리터, (b) 마이크로 고정거울, (c) 마이크로 가동거울, (d) 마이크로 압전 모터, (e) 마이크로 거리변화 피드백센서, (f) 마이크로 압전모터 컨트롤러, 및 (g) 마이크로 광학간섭계 마운트.

도 1에 도시된 바와 같이, MEM 광학간섭계(18)는 (a) 마이크로 빔스플리터(40), (b) 마이크로 고정거울(42), (c) 마이크로 가동거울(44), (d) 마이크로 압전 모터(46), (e) 마이크로 거리변화 피드백센서(48), (f) 마이크로 압전모터 컨트롤러(50), 및 (g) 마이크로 광학간섭계 마운트(52)를 포함한다

조준 마이크로렌즈(16)는 MEM 광학간섭계(18)의 일부분으로 위치하고 기능한다. 마이크로 광학간섭계 마운트(52)는 조준 마이크로렌즈(16)의 마운트로도 적당하다.

물체(12)는 방출 스펙트럼 특징을 갖는 빔(60) 형태의 전자기선을 방출하는데, 자체 발열에 의해 전자기선을 방출하거나, 조명기(28)와 같은 외부 소스로부터 가시광, 자외선, 적외선과 같은 전자기선(62)을 받아 전자기선 형태의 빔(60)을 방출하기도 한다.

물체 조명기(28)는 예컨대 (ⅰ) 광원(64), (ⅱ) 광원(64)에서 나온 빛을 물체(12)를 향해 조준하는 조준렌즈와 같은 조준요소(66), (ⅲ) 마이크로-CPPU(24)와 통신하는 컨트롤러(70), 및 적당한 컨트롤/데이터 링크를 포함한다. 광원(64)은 완전한 스펙트럼을 갖는 빛(68)을 낸다. 물체나 조명기(28)에서 나온 전자기선(62)은 적어도 하나의 확산렌즈(도시 안됨)를 통과하면서 확산된다.

물체(12)를 비추기 위해 조명기(28)에서 나오는 빛 형태의 전자기선(62)은 다색광, 단색광 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. 백색광은 단색광이다. 단색광은 적색광, 청색광, 녹색광과 같은 단색 가시광과, 자외선이나 적외선과 같이 눈에 보이지 않는 가시광으로 이루어진 군에서 선택된다. 다색광은 앞에서 예를 든 단색광을 2가지 이상 조합한 것이다. 물체나 조명기는 마이크로-CPPU(24)와 통신하는 국부조명 컨트롤러(70)의 제어를 받는다.

빔(60)은 대물렌즈(30)를 통과하고 조준 마이크로렌즈(16)를 통과하면서 조준빔(72)으로 된다. 경우에 따라서는, 조준 마이크로렌즈(16)의 앞이나 뒤에 전자기선 필터(F1)를 배치할 수도 있다.

MEM 광학간섭계(18)는 조준된 물체 방사빔(72)을 받고, 간섭 패턴이나 영상을 생성하며, 전기기계 스캐닝 OPD(optical path difference) 생성기, 전기기계 퓨리에변환 스펙트로미터 및 전기기계 마이컬슨 간섭계로 이루어진 군에서 선택되는데, 이들 모두 마이크로 가동거울(44)과 같은 거울을 구비하고 있다.

마이크로 고정거울(42)과 가동거울(44)은 직각을 이루고, 2 거울이 이루는 직각삼각형의 꼭지점에 위치한 마이크로 빔스플리터(40)에 대해 각각의 거울이 45도 각도를 향하도록 배치된다. 고정거울(42)과 가동거울(44)의 반사면들은 매끈하고 평탄하다.

마이크로 빔스플리터(40)와 고정거울(42)은 MEM 광학간섭계(18)가 동작하는 동안 서로 닿지 않도록 그 사이에 간격을 두고 떨어지게 마운트(52)에 설치된다.

마이크로 빔스플리터(40)와 가동거울(44)도 MEM 광학간섭계(18)가 동작하는 동안 서로 닿지 않도록 그 사이에 간격을 두고 떨어지게 마운트(52)에 설치된다.

마이크로 빔스플리터(40)에 입사된 방사빔(72)은 2개의 빔(72a~b)으로 나뉘는데, 빔(72a)은 빔스플리터(40)를 통과해 가동거울(44)로 향하고, 빔(72b)은 빔스플리터(40)에서 반사되어 고정거울(42)로 향한다. 빔(72a)은 빔스플리터(40)를 통과하면서 방출빔(72c)의 제2 부분을 형성한다. 방출빔(72c)의 제1 부분과 제2 부분은 모두 MEM 광학간섭계(18)를 나가 매트릭스형 초점 마이크로렌즈(20)를 통과해 마이크로디텍터(22)의 중심부로 향하고, 이곳에서 감지된다.

가동거울(44)의 입사반사면은 빔(72,72a)이 이동하는 광경로에 평행한 축선(80)에 수직이다. 축선(80)을 따른 가동거울(44)의 반사면의 각각의 위치마다, 2개의 위상차 빔으로 간섭패턴이나 간섭영상이 생기는데, 즉 방출빔(72c)의 제1 부분과 제2 부분이 서로 간섭한다.

생성된 각각의 간섭패턴(영상)은 매트릭스형 초점 마이크로렌즈(20)에서 집광되어 디텍터(22)에서 기록/감지된다. 다수의 기록된 간섭영상들이 마이크로-CPPU(24)과 같은 영상처리장치에서 처리되어 간섭무늬를 형성한다. 다수의 간섭무늬들은 마이크로-CPPU(24)에서 3차원 하이퍼-스펙트럴 (입체) 영상으로 형성된다. 3차원 하이퍼-스펙트럴 영상들은 다양한 여러가지 분석과 처리과정(예; 패턴인식과 분류분석 등)을 거쳐 의미있는 정보와 데이터로 추출/분류되고, 이런 정보와 데이터는 특별히 이용된다.

MEM 광학간섭계(18)의 작동에 의해, 분리된 빔(72)의 OPD의 크기를 압전에 의해 결정하고 변화시켜, 각각의 OPD 크기에 대해 적어더 하나의 간섭영상을 생성한다.

분리된 빔(72)의 OPD 크기는 MEM 광학간섭계(18)를 나가 디텍터(22)로 들어가는 빔(72c)의 제1 부분과 제2 부분의 광경로 길이차로 결정 및 정의된다. 분리된 빔(72)의 OPD 크기는 축선(80)을 따른 가동거울(44)의 반사면의 각각의 위치에 의해 압전으로 결정되고 변화된다. 즉, 축선(80)을 따른 가동거울(44)의 반사면의 위치를 압전으로 변화시켜 빔(72)의 OPD의 크기를 바꿀 수 있는데, 이런 압전 변화는 축선(80)을 따른 가동거울(44)의 움직임을 압전에 의해 제어하여 이루어진다.

분리된 빔(72)의 OPD의 크기와 그 변화는 모두 물체(12)에서 방출된 전자기선 빔(60)의 종류의 함수이다. 고해상 하이퍼-스펙트럴 영상을 얻기위한 OPD의 최대 크기는 10파장 정도이다. 이것은 하이퍼-스펙트럴 촬영에 광학간섭계를 이용하는 종래의 기술에 비해 대조적인데, 종래에는 고해상 하이퍼-스펙트럴 영상을 얻기위한 최대 OPD 크기가 40 파장 정도이다. 본 발명과 같이 OPD의 최대 크기가 작은 것이 종래의 기술보다 유리한데, 이는 OPD 크기가 작아지면 MEM 광학간섭계(18)에서 가동거울(44)의 위치 정밀도와 스캔속도가 증가하기 때문이다.

압전모터(46)는 링크를 통해 컨트롤러(50)와 가동거울(44)에 연결되고, 축선(80)을 따라 가동거울(44)을 고도로 정밀하게 움직이는 기능을 한다. 축선(80)을 따라 분리 빔(72)의 OPD의 크기를 변화시키는 정도는 0 내지 10 파장 정도이다.

거리변화 피드백센서(48)는 가동거울(44)과 컨트롤러(50)에 연결되고, 축선(80)을 따른 가동거울(44)의 거리/위치 변화를 정밀하게 감지측정한다. 일반적으로, 피드백센서(48)는 축선(80)을 따라 가동거울(44)의 거리나 위치의 변화를 감지 및 측정하기 위한 센서이면 어떤 것도 가능하다. 경우에 따라서는 커패시터 센서를 사용할 수도 있다. 커패시터 센서는 가동거울과 같은 소형 물체의 거리나 위치의 변화를 나노미터 해상도로 정확하게 감지측정할 수 있다. 그 결과, 압전모터(46)와 패드백센서(48)를 커패시터 센서와 같이 사용하면 압전모터(46)가 가동거울(44)을 획득된 간섭무늬의 영상처리에 필요한 나노미터 해상도로 아주 정밀하게 움직일 수 있다.

커패시터 센서 형태의 피드백센서(48)는 2개의 판으로 된 커패시터로서, 첫번째 판은 가동거울(44)에 연결되고 두번째 판은 마운트(52)에 연결된다. 압전모터(46)의 작동으로 가동거울(44)의 거리나 위치가 변하면, 패드백센서(48)의 2 판의 간격으로 인한 전위차 변화로 용량변화가 생긴다. 피드백센서(48)의 2 판 사이의 간격은 컨트롤러(50)에 의해 측정된다.

컨트롤러(50)는 압전모터(46)와 피드백센서(48)와 마이크로-CPPU(24)에 연결되고, 피드백센서의 2개 판 간격에 맞게 압전모터(46)를 정밀하게 제어하며, 마이크로-CPPU(24)에서 보낸 명령어에 의해 컨트롤러(50)가 가동거울(44)의 위치나 거리 변화를 정밀하게 제어한다.

컨트롤러(50)는 가동거울(44)의 위치나 거리 변화를 위한 폐쇄루프 컨트롤러로 기능할 수도 있다. 피드백센서(48)의 2개 판 사이의 전위차 측정과 빔(72)의 OPD 사이의 관계가 가동거울(44)의 거리나 위치 변화를 일으키는데 이용된다. 예컨대 마이크로-CPPU(24)의 데이터/정보 룩업테이블에 저장되는 이 관계의 보정 값들을 측정 및 생성하는데 보정과정이 이용된다.

어떤 경우에는 컨트롤러(50)가 AC 전압이나 전류를 인가해 피드백센서(48)의 2 판 사이의 간격을 측정하여 전위차를 측정한다. 예를 들어, 컨트롤러(50)가 진폭안정기로 안정된 고도로 안정된 사인파 신호발생기에서 생긴 AC 전압을 인가해 피드백센서(48)의 2 판 사이의 간격을 측정하고, 피드백센서에서 나오는 전위차와 주파수를 측정하는데, 이들은 피드백센서의 2 판 사이의 간격의 함수이다.

어떤 경우에는 MEMS(10)가 분리된 빔(72)의 OPD 크기 변화를 보정하는 보정과정을 수행하여, OPD 크기를 보정할 수도 있다.

따라서, 피드백센서(48)에서 측정된 2 판 사이의 전위차의 함수로 OPD 크기변화를 측정하고, 측정된 값은 PLUT(piezo-look-up-table)에 저장된다. PLUT에 저장되는 보정값들을 다른 보정과정으로 생성할 수도 있다.

PLUT에 저장된 보정값들은 레이저빔을 이용해 마이크로렌즈(16)에 의해 생성되고, 디텍터(22) 표면에 형성된 회절패턴을 분석하여 OPD 크기가 결정된다. 이런 보정과정을 통해 다수의 간섭 영상들을 구할 수 있는데, 이때 전술한 바와 같이, 빔(72)의 OPD 크기에 대한 각각의 변화를 위해서 MEM 광학간섭계(18)를 이용하는데, 이는 측정 잡음을 줄이고 측정 정밀도와 간섭영상 해상도를 높이기 위해서이다. 어떤 경우에는 OPD 크기의 변화당 20개 내지 500개의 간섭영상들을 구할 수도 있다.

따라서, 물체(12)를 실시간 고속으로 고해상 하이퍼-스펙트럴 촬영하기 위해, 전술한 바와 같이 마이크로-CPPU(24)에 의해 압전으로 결정되어 변화되는 빔(72)의 OPD 크기 각각에 대해 다수의 간섭 영상들이 생성되는데, PLUT에 저장된 OPD 크기의 보정값들에 대한 데이터와 정보를 포함한 명령어가 마이크로-CPPU(24)d에 의해 컨트롤러(50)로 보내져, 압전모터(46)를 정밀하게 제어 및 작동함으로써, MEM 광학간섭계(18)의 축선을 따라 가동거울(44)의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있다.

MEMS(10)의 작동시, 다수의 기록된 간섭영상들을 형성하기 위해 분리된 빔의 OPD의 크기에 관련된 해당 간섭영상 각각을 초점을 맞추고 기록(감지)한다.

다수의 기록된 간섭영상들을 형성하기 위해, OPD의 크기와 관련된 각각의 해당 간섭영상의 초점은 마이크로렌즈(20)에 의해 디텍터(22)에 맞춰진다.

디텍터(22)는 마이크로-CPPU(24)에 연결되고, 매트릭스형 마이크로렌즈(20)에 의해 초점이 맞은 간섭영상들이 아주 정확하게 기록된다.

경우에 따라서는, 마이크로 디텍터(22)가 1차원 화소어레이이거나 2차원 화소매트릭스 디텍터일 수 있다. 예컨대, 가시광이나 근적외선의 경우, 디텍터(22)는 2차원 CCD(charge coupled device) 매트릭스 포토디텍터이고, 이 경우 가시광에서 근적외선 까지의 광범위한 영역에 걸쳐 고해상(작은 화소크기) 고민감도 고효율을 특징으로 한다. 디텍터(22)의 민감도 때문에 물체(12)에서 방출된 전자기선 빔(60)의 일부분도 감지할 수 있다. 디텍터(22)는 빔(72c)에서 나온 대량의 스펙트럴 데이터와 정보를 캡처하자마자 마이크로-CPPU(24)에 보내므로, 실시간 고속 고해상 촬영이 가능하다. 경우에 따라서는, 이 과정중에 기록된 간섭영상들을 처리, 분석 및 디스플레이하기 위해 마이크로-CPPU(24)를 통해 적당한 데이터베이스에 간섭영상들을 저장할 수도 있다.

어떤 경우에는, MEM 광학간섭계(18)를 나가 디텍터(22)로 입사하는 빔(72)의 제1 및 제2 부분들의 스펙트럴 범위내에서 전자기선의 초점을 맞추기 위해 마이크로렌즈(20) 앞에 전자기선 필터를 배치할 수도 있다. 예컨대, 이를 위해 400 나노미터 컷오프 필터에 전자기선이 통과해 렌즈(20)를 통해 디텍터(22)로 입사하도록 한다.

다수의 합성 하이퍼-스펙트럴 (입체) 영상들을 분석할 수도 있는데, 이를 위해서는 마이크로-CPPU(24)를 이용해 하나 이상의 영상분석 알고리즘을 사용한다.

또, 패턴인식/분류형 영상분석 알고리즘으로 다수의 합성 하이퍼-스펙트럴 (입체) 영상들을 분석할 수도 있는데, 이런 알고리즘은 본 발명의 적용례에 맞게 선택한다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 미니어처나 마이크로(센티미터나 밀리미터 이하) 크기로 물체를 하이퍼-스펙트럴 촬영/분석하는데 필요하거나 관련된 모든 기술분야에 적용할 수 있다. 예컨대, 빔(60) 형태의 전자기선을 방출하는 물체(12)의 실시간 고속 고해상 하이퍼-스펙트럴 촬영이 필요한 경우, 이 물체에 관해 유용한 데이터와 정보를 구할 목적으로 하이퍼-스펙트럴 (입체) 영상들을 분석해야할 경우가 있다.

본 발명에서는 다수의 간섭영상이나 간섭무늬나 하이퍼-스펙트럴 (입체) 영상들을 예컨대 디스플레이(26)에 표시할 수도 있다. 이런 디스플레이(26)는 마이크로-CPPU(24)에 연결되고, 표시된 영상이나 분석결과를 단독으로나 합성하여 아주 정밀하고 높은 재현성으로 디스플레이한다.

광학간섭계 마운트(52)는 마이크로에칭 표면을 갖는 재료, 예컨대, 마이크로에칭 반금속성 재료, 마이크로에칭 비금속재료 및 마이크로에칭 금속재료 중에서 선택된다. 반금속 재료는 실리콘이나 이와 비슷한 재료가 있다.

마이크로 에칭 재료의 마이크로에칭 표면의 마이크로에칭 부분에 마이크로 빔스플리터(40), 고정거울(42), 가동거울(44), 압전모터(46), 피드백센서(48)의 일부나 전체를 설치한다.

조준 마이크로렌즈(16)는 MEM 광학간섭계(18)의 일부로서, 이 광학간섭계의 마이크로에칭 표면의 에칭 부위에 설치된다.

마이크로에칭 표면의 일부분을 금속성 제1 마이크로층으로 덮고, 제1 마이크로층의 표면의 일부분을 금속성 제2 마이크로층으로 덮으며, 제2 마이크로층 일부분에 압전모터(46)와 가동거울(44)을 설치할 수 있다. 제1 마이크로층으로 금속층을, 제2 마이크로층으로 PZT)lead zirconate titanate) 층(예; PZT 웨이퍼)을 사용할 수 있다.

도 2는 표준 기술로 제작된 기존의 선형 압전 액튜에이터 모터의 일례를 보여주는 사진이다.

도 3은 본 발명의 MEM 광학간섭계(18)에 사용된 압전모터(46)와 가동거울(44)의 제작과정을 보여주는 도면으로서, 아래와 같은 단계로 이루어진다:

(1) 실리콘웨이퍼와 같은 마이크로에칭 재료 제공;

(2) PZT 웨이퍼와 같은 PZT형 재료 제공;

(3) 금과 같은 금속의 마이크로층으로 PZT 재료의 표면 일부분을 코팅하되, 반대쪽 표면은 코팅하지 않고 놔둠;

(4) PZT 재료에 코팅된 마이크로층 표면을 마이크로 설치 재료의 표면 일부분의 마이크로 에칭부나 비에칭부에 부착 또는 접착;

(5) 미리 설계된 압전모터(46)의 형상과 형태에 맞게 PZT 재료의 미코팅 표면의 일부분을 패턴화;

(6) PZT 재료의 미코팅 표면의 패턴화된 부분에 압전모터 설치(배치, 연결);

(7) 미리 설계된 마이크로 가동거울(44)을 압전모터 위에 설치(배치, 연결).

어떤 경우에는 재료의 표면의 에칭부나 비에칭부에 매트릭스형 조준 마이크로렌즈(16)를 설치(배치, 연결)할 수도 있다.

또, 마이크로 마운트 재료 위에 패드백센서(48)를 설치할 수도 있다.

또, 압전모터와 피드백센서를 컨트롤러(50)에 연결할 수도 있다.

도 4는 카메라에 들어있는 MEMS(10)의 일례를 보여주는 사진이다.

본 발명은 여러가지 특수한 기술적 특징을 가지며, 10mm 이하나 1mm 이하 크기의 물체를 하이퍼-스펙트럴 촬영분석하는 현재 기술의 단점들을 극복하는 특징을 갖는다.

참고문헌

1. WIPO PCT Pat. Appl. Int'l. Pub. No. WO 2008/099407, published Aug. 21, 2008, of PCT Pat. Appl. No. IL2008/000205, filed Feb. 14, 2008, of same applicant/assignee as the present invention, entitled: "Hyper-spectral Imaging And Analysis Of A Sample Of Matter, And Preparing A Solution Or Suspension Therefrom".

2. WIPO PCT Pat. Appl. Int'l. Pub. No. WO 2007/0990540, published Sept. 07, 2007, of PCT Pat. Appl. No. IL2007/000268, filed Mar. 01, 2007, of same applicant/assignee as the present invention, entitled: "Processing And Analyzing Hyper-spectral Image Data And Information Via Dynamic Database Updating".

3. U.S. Pat. No. 7,411,682, to Moshe, of same applicant/assignee as the present invention, entitled: "Real Time High Speed High Resolution Hyper- spectral Imaging".

4. U.S. Pat. No. 6,697,510, to Moshe, of same applicant/assignee as the present invention, entitled: "Method For Generating Intra-particle Crystallographic Parameter Maps And Histograms Of A Chemically Pure Crystalline Particulate Substance".

5. U.S. Pat. No. 6,694,048, to Moshe, of same applicant/assignee as the present invention, entitled: "Method For Generating Intra-particle Morphological Concentration/Density Maps And Histograms Of A Chemically Pure Particulate Substance".

6. U.S. Pat. No. 6,438,261, to Moshe, et al., of same applicant/assignee as the present invention, entitled: "Method Of In-situ Focus-Fusion Multi-layer Spectral Imaging And Analysis".

7. U.S. Pat. No. 6,091,843, to Horesh, et al., of same applicant/assignee as the present invention, entitled: "Method Of Calibration And Real-time Analysis Of Particulates".

8. U.S. Pat. No. 5,880,830, to Schechter, of same applicant/assignee as the present invention, entitled: "Spectral Imaging Method For On-line Analysis Of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons In Aerosols".

Claims (24)

1. 하이퍼-스펙트럴 촬영과 분석을 위한 MEMS에 있어서:
   물체에서 방출된 전자기선을 받아 조준된 물체방출 빔을 형성하는 매트릭스형 조준 마이크로렌즈;
   상기 조준 마이크로렌즈에 대해 동작하도록 위치하고, 상기 조준된 물체방출 빔을 받고 분할하여, 광경로차를 갖는 분할된 빔을 형성하고 간섭영상을 생성하는 MEM 광학간섭계;
   상기 간섭영상의 초점을 맞추는 매트릭스형 초점 마이크로렌즈;
   상기 MEM 광학간섭계에 대해 동작하도록 위치하고, 상기 간섭영상을 감지 및 기록하여 다수의 기록된 간섭영상들을 형성하는 마이크로 디텍터; 및
   마이크로-CPPU;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS.
2. 제1항에 있어서, 상기 MEM 광학간섭계가 마이크로 빔스플리터, 마이크로 고정거울, 마이크로 가동거울, 마이크로 압전모터, 마이크로 거리변화 피드백센서, 상기 압전모터와 피드백센서에 연결된 마이크로 압전모터 컨트롤러, 및 상기 빔스플리터, 고정거울, 가동거울, 압전모터, 피드백센서를 설치하는 마이크로 광학간섭계 마운트를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS.
3. 제1항에 있어서, 상기 조준 마이크로렌즈가 MEM 광학간섭계의 일부분으로 구성되고 위치하는 것을 특징으로 하는 MEMS.
4. 제3항에 있어서, 상기 광학간섭계 마운트가 조준 마이크로렌즈의 마운트 역할을 하는 것을 특징으로 하는 MEMS.
5. 제1항에 있어서, 상기 광학간섭계 마운트가 마이크로에칭 표면을 갖는 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 MEMS.
6. 제5항에 있어서, 상기 재료가 마이크로에칭 반금속, 마이크로에칭 비금속 또는 마이크로에칭 금속인 것을 특징으로 하는 MEMS.
7. 제6항에 있어서, 상기 마이크로에칭 반금속이 실리콘 또는 실리콘과 같은 재료인 것을 특징으로 하는 MEMS.
8. 제5항에 있어서, 상기 마이크로에칭 표면의 일부분에 상기 빔스플리터, 고정거울, 가동거울, 압전모터 및 피드백센서의 적어도 일부분이 설치되는 것을 특징으로 하는 MEMS.
9. 제8항에 있어서, 상기 마이크로에칭 표면의 다른 부분에 조준 마이크로렌즈가 설치되는 것을 특징으로 하는 MEMS.
10. 제5항에 있어서, 상기 마이크로에칭 표면의 일부분이 제1 금속 마이크로층으로 덮이고, 제1 금속 마이크로층의 표면의 일부분은 제2 금속 마이크로층으로 덮이며, 제2 금속 마이크로층의 일부분에 상기 압전모터와 가동거울이 설치되는 것을 특징으로 하는 MEMS.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1 금속 마이크로층이 금으로 된 것을 특징으로 하는 MEMS.
12. 제10항에 있어서, 상기 제2 금속 마이크로층이 PZT로 된 것을 특징으로 하는 MEMS.
13. 하이퍼-스펙트럴 촬영 및 분석을 위한 MEM 광학간섭계에 있어서:
    물체에서 방출된 전자기선 빔을 받아들여 2개의 빔으로 분할하는 마이크로 빔스플리터;
    상기 빔스플리터에 대해 동작하도록 위치하는 마이크로 고정거울;
    상기 빔스플리터와 고정거울에 대해 동작하도록 위치하는 마이크로 가동거울;
    상기 가동거울에 연결되어, 상기 분할된 빔의 축선을 따라 가동거울을 움직이는 마이크로 압전모터;
    상기 가동거울에 연결되고, 상기 축선을 따른 가동거울의 거리 변화를 감지 및 측정하는 마이크로 거리변화 피드백센서;
    상기 압전모터와 피드백센서에 연결되고, 압전모터의 작동을 제어하는 마이크로 압전모터 컨트롤러; 및
    상기 빔스플리터, 고정거울, 가동거울, 압전모터 및 피드백센서를 설치하는 마이크로 광학간섭계 마운트;를 포함하고,
    상기 고정거울과 가동거울은 빔스플리터에서 분할된 2개의 빔을 광경로차를 갖도록 반사하는 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
14. 제13항에 있어서, 상기 물체에서 방출된 전자기선을 받아 조준된 물체방출 빔을 형성하는 매트릭스형 조준 마이크로렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
15. 제14항에 있어서, 상기 광학간섭계 마운트에 조준 마이크로렌즈를 설치하는 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
16. 제13항에 있어서, 상기 빔스플리터가 사각형 또는 입체형 빔스플리터인 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
17. 제13항에 있어서, 상기 광학간섭계 마운트가 마이크로에칭 표면을 갖는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
18. 제17항에 있어서, 상기 재료가 마이크로에칭 반금속, 마이크로에칭 비금속 또는 마이크로에칭 금속인 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
19. 제18항에 있어서, 상기 반금속이 실리콘 또는 실리콘과 같은 재료인 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
20. 제17항에 있어서, 상기 마이크로에칭 표면의 일부분에 상기 빔스플리터, 고정거울, 가동거울, 압전모터 및 피드백센서의 적어도 일부분이 설치되는 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
21. 제20항에 있어서, 상기 마이크로에칭 표면의 다른 부분에 조준 마이크로렌즈가 설치되는 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
22. 제17항에 있어서, 상기 마이크로에칭 표면의 일부분이 제1 금속 마이크로층으로 덮이고, 제1 금속 마이크로층의 표면의 일부분은 제2 금속 마이크로층으로 덮이며, 제2 금속 마이크로층의 일부분에 상기 압전모터와 가동거울이 설치되는 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
23. 제22항에 있어서, 상기 제1 금속 마이크로층이 금으로 된 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
24. 제22항에 있어서, 상기 제2 금속 마이크로층이 PZT로 된 것을 특징으로 하는 MEM 광학간섭계.
    

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