KR20170012168A - Method and Apparatus for Measuring 3D Refractive Index Tomograms Using a High-Speed Wavefront Shaper - Google Patents

Method and Apparatus for Measuring 3D Refractive Index Tomograms Using a High-Speed Wavefront Shaper Download PDF

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Abstract

Disclosed are a high-speed high-precision three-dimensional refractive index measurement method, and an apparatus using a wavefront shaper. The high-speed high-precision three-dimensional refractive index measurement method using the wavefront shaper comprises: a step of changing at least one of an irradiation angle of an incident light and a wavefront pattern using the wavefront shaper, allowing the incident light to be entered to a sample; a step of measuring a two-dimensional optical field passed through the sample in accordance with at least one of the incident light using an interferometer; and acquiring a three-dimensional refractive index image through a measured information of the two-dimensional optical field.

Description

파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치{Method and Apparatus for Measuring 3D Refractive Index Tomograms Using a High-Speed Wavefront Shaper}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a high-speed three-dimensional refractive index measurement method and apparatus using a wavefront controller,

아래의 실시예들은 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 파면 제어기(Wavefront Shaper)를 활용하여 광 단층 촬영법을 위한 입사광을 제어하는 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
The following embodiments relate to a high-speed and high-precision three-dimensional refractive index measurement method and apparatus using a wavefront controller. More particularly, the present invention relates to a high-speed and high-precision three-dimensional refractive index measurement method and apparatus for controlling incident light for a photodetector using a wavefront shaper.

3차원 굴절률 측정 기술(3D Refractive Index Tomography, RIT)은 E. Wolf에 의해 제안되고 V. Lauer 등에 의해 구현된 광학 기술로, 세포와 같은 미세 시편(샘플) 또는 반도체 공정 제작물 등의 3차원 굴절률 분포 측정을 통해 시편(샘플)의 형상과 광학 성질 측정에 사용될 수 있다[비특허문헌1 내지 3]. 3D Refractive Index Tomography (RIT) is an optical technique proposed by E. Wolf and implemented by V. Lauer et al., Which uses a three-dimensional refractive index profile such as a cell-like microsample (sample) Can be used to measure the shape and optical properties of a specimen (sample) through measurement [Non-Patent Documents 1 to 3].

3차원 굴절률 측정 기술(RIT)은 X-ray Computed Tomography(CT)을 광학으로 구현한 기술로써, 일반적으로 샘플에 입사시키는 평면파의 입사 각도를 바꾸어 측정한 여러 장의 2차원 홀로그래픽 영상(빛의 흡수 영상과 빛의 위상 지연 영상을 포함)을 촬영하고, 촬영된 다수의 2차원 영상들로부터 3차원 산란 포텐셜(Scattering Potential)을 계산하여 구하는 방법이다. The 3D refractive index measurement technology (RIT) is a technology that optically implements X-ray computed tomography (CT). It is a technique to measure the refractive index of a 2D holographic image (Including image and phase delay images of light), and calculating a three-dimensional scattering potential from a plurality of photographed two-dimensional images.

종래의 방식은 평면파의 각도를 바꿔주기 위해 샘플을 직접 돌리거나, 갈바노미터(galvanometer) 거울을 이용하거나[비특허문헌 2], 액정을 사용한 공간 주파수 변조기(liquid crystal-based spatial light modulator, LC-SLM)를 이용하였다. In the conventional method, a sample is directly turned to change the angle of a plane wave, a galvanometer mirror is used, or a liquid crystal-based spatial light modulator (LC) -SLM) was used.

하지만 이 방법들은 측정 속도와 정밀도에 큰 문제를 가지고 있다. 예를 들어 샘플을 직접 돌리는 방식에서는 샘플의 회전축을 고정하기 어렵고 진동으로 인한 문제가 발생하며, 세포와 같은 생체 세포를 직접 회전시키면 샘플의 변형이 생길 수 있다. However, these methods have great problems in the measurement speed and precision. For example, in the case of directly rotating the sample, it is difficult to fix the rotation axis of the sample, and a problem due to vibration occurs. If the biological cell such as a cell is directly rotated, the sample may be deformed.

갈바노미터 거울을 이용하는 경우 미세 진동 등으로 인해 입사각의 안정적인 제어하기 어려웠으며, 갈바노미터 거울의 회전축과 반사면이 일치하지 않는 문제로 인해 정확한 광학 정렬이 불가능하다. 또한 LC-SLM는 액정의 반응 속도 제약으로 인해 근본적으로 고속 촬영이 불가능하며, 대당 가격이 매우 고가로 개별 상품 제작 단가가 매우 높다.
When using a galvanometer mirror, it is difficult to control the angle of incidence steadily due to micro-vibrations, etc., and precise optical alignment is not possible due to the inconsistency between the rotation axis of the galvanometer mirror and the reflection surface. In addition, the LC-SLM can not be fundamentally taken at high speed due to the limitation of the reaction speed of the liquid crystal, and the price of the LC-SLM is very expensive and the manufacturing cost of the individual product is very high.

E. Wolf, "Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data," Optics Communications 1, 153-156 (1969). E. Wolf, "Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data," Optics Communications 1, 153-156 (1969). V. Lauer, "New approach to optical diffraction tomography yielding a vector equation of diffraction tomography and a novel tomographic microscope," Journal of Microscopy 205, 165-176 (2002). V. Lauer, " New approach to optical diffraction tomography yielding a vector equation of diffraction tomography and a novel tomographic microscope, "Journal of Microscopy 205, 165-176 (2002). K. Kim, H.-O. Yoon, M. Diez-Silva, M. Dao, R. Dasari, and Y.-K. Park, "High-resolution three-dimensional imaging of red blood cells parasitized by Plasmodium falciparum and in situ hemozoin crystals using optical diffraction tomography," J. Biomed. Opt. 19, 011005-011012 (2014). K. Kim, H.-O. Yoon, M. Diez-Silva, M. Dao, R. Dasari, and Y.-K. Park, "High-resolution three-dimensional imaging of red blood cells parasitized by Plasmodium falciparum and in situ hemozoin crystals using optical diffraction tomography," J. Biomed. Opt. 19, 011005-011012 (2014). W.-H. Lee, "Binary computer-generated holograms," Applied Optics 18, 3661-3669 (1979). W.-H. Lee, "Binary computer-generated holograms," Applied Optics 18, 3661-3669 (1979). F. Charriere, A. Marian, F. Montfort, J. Kuehn, T. Colomb, E. Cuche, P. Marquet, and C. Depeursinge, "Cell refractive index tomography by digital holographic microscopy," Optics letters 31, 178-180 (2006). F. Charriere, A. Marian, F. Montfort, J. Kuehn, T. Colomb, E. Cuche, P. Marquet, and C. Depeursinge, "Cellular refractive index tomography by digital holographic microscopy," Optics Letters 31, 178- 180 (2006). K. Lee, K. Kim, J. Jung, J. Heo, S. Cho, S. Lee, G. Chang, Y. Jo, H. Park, and Y. Park, "Quantitative phase imaging techniques for the study of cell pathophysiology: from principles to applications," Sensors 13, 4170-4191 (2013). K. Lee, K. Kim, J. Jung, J. Heo, S. Cho, S. Lee, G. Chang, Y. Jo, H. Park and Y. Park, "Quantitative phase imaging techniques for the study cell pathophysiology: from principles to applications, "Sensors 13, 4170-4191 (2013).

실시예들은 파면 제어기(Wavefront Shaper)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 파면 제어기를 활용하여 광 단층 촬영법을 위한 입사광을 제어하여 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치에 관한 기술을 제공한다. Embodiments describe a method and an apparatus for measuring ultrahigh speed and high precision three-dimensional refractive index using a wavefront shaper. More specifically, by using a wavefront controller, an incident light for a photo- And a device.

실시예들은 초고속 광 단층 촬영을 위해 서로 다른 각도 혹은 다른 패턴을 가지도록 입사광을 제어하고, 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능한 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
Embodiments provide an ultrahigh-speed, high-precision, three-dimensional refractive index control system using a wavefront controller capable of accurately measuring three-dimensional refractive index at high speed by controlling incident light so as to have different angles or different patterns for ultrafast optical tomography, And to provide a measurement method and apparatus.

일 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법은 파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시키는 단계; 상기 샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광에 따라 측정하는 단계; 및 측정된 상기 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계를 포함한다. The high-speed, high-precision three-dimensional refractive index measurement method using a wavefront controller according to an exemplary embodiment of the present invention includes the steps of changing at least one of an angle of incidence and a wavefront pattern of incident light using a wavefront shaper; Measuring a two-dimensional optical field passing through the sample according to at least one incident light using an interferometer; And acquiring a three-dimensional refractive index image through the measured information of the two-dimensional optical field.

여기서, 상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는, 상기 파면 제어기로 가변형 거울(Deformable Mirror, DM)을 사용하고, 상기 가변형 거울(DM)의 기울어지는 각도를 제어하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및 제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계를 포함할 수 있다. Here, the step of controlling the incident light to enter the sample may include using a deformable mirror (DM) as the wavefront controller, controlling the inclination angle of the variable mirror (DM) ; And enlarging the controlled plane wave propagation angle to a plurality of lenses and causing the laser light to enter the sample.

상기 평면파 진행 각도를 제어하는 단계는, 상기 가변형 거울에서 나타나는 기울기의 2배의 기울기로 상기 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. The step of controlling the plane wave propagation angle may control the plane wave propagation angle with a slope of twice the slope of the variable mirror.

상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하고, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 공간 필터(spatial filter)를 배치하는 단계; 상기 공간 필터(spatial filter)를 통과한 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및 제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계를 포함할 수 있다. The step of controlling the incident light to enter the sample may include using a digital micromirror device (DMD) having an arrangement including a plurality of micromirrors as the wavefront controller, the DMD (Digital Micromirror Device) Disposing a spatial filter between a first lens and a second lens that transmits the two-dimensional optical field reflected from the second lens; Controlling the phase angle of the plane wave of the incident light having a linear slope by adjusting the phase of the first-order diffracted light passing through the spatial filter; And enlarging the controlled plane wave propagation angle to a plurality of lenses and causing the laser light to enter the sample.

상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 사용하고, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈 중 적어도 하나 이상의 렌즈의 중심이 광학 축으로부터 소정간격 벗어나도록 정렬하는 단계; 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 공간 필터(spatial filter)를 배치하고 회절 한계까지 축소하여 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)의 픽셀들을 그룹핑하여 형성되는 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들어, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 형성하는 단계; 상기 수퍼픽셀 배열의 상기 위상을 조절하여 선형적인 위상의 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및 제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계를 포함할 수 있다. Wherein the step of controlling the incident light to enter the sample comprises using a digital micromirror device (DMD) having an arrangement including a plurality of micromirrors as the wavefront controller, Aligning the centers of at least one or more of the first lens and the second lens for transmitting the two-dimensional optical field to be spaced apart from the optical axis by a predetermined distance; A spatial filter is disposed between the first lens and the second lens and is reduced to a diffraction limit to distinguish pixels constituting a super pixel formed by grouping pixels of the digital micromirror device (DMD) Forming a superpixel array adjustable in phase from 0 to 2 [pi]; Controlling the phase of the superpixel array to control a plane wave advance angle of the incident light having a slope of a linear phase; And enlarging the controlled plane wave propagation angle to a plurality of lenses and causing the laser light to enter the sample.

상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 사용하고, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시켜 개별 광원으로 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 제어 가능한 레이저 배열을 형성하는 단계; 상기 레이저 배열을 이용하여 빛을 반사시키는 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 변경하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 단계; 및 제어된 상기 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계를 포함할 수 있다. The step of controlling the incident light to enter the sample may include using a digital micromirror device (DMD) having an arrangement including a plurality of micromirrors as the wavefront controller, and the digital micromirror device (DMD) Forming a laser array on a Fourier plane to control the position of the plurality of micromirrors with an individual light source; Changing a position of the plurality of micromirrors reflecting the light using the laser array to control a plane wave propagation angle of the incident light; And enlarging the controlled plane wave propagation angle to a plurality of lenses and causing the laser light to enter the sample.

상기 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계는, 3차원 광 회절 단층촬영 알고리즘(3D optical diffraction tomography algorithm)에 입력하여 상기 3차원 산란 포텐셜 또는 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. The obtaining of the 3D refractive index image may be performed in a 3D optical diffraction tomography algorithm to obtain the 3D scattering potential or the 3D refractive index image.

다른 실시예에 따른 파면 제어기(wavefront shaper)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법은 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 사용하여 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시키는 단계; 상기 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광 패턴에 대한 상기 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 측정하는 단계; 및 측정된 상기 2차원 광학장의 정보로부터 상기 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 상기 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계를 포함한다. A high-speed, high-precision three-dimensional refractive index measurement method using a wavefront shaper according to another embodiment includes: inputting at least one incident light pattern onto a plane of a sample using a digital micromirror device (DMD); Measuring the two-dimensional optical field of at least one of the incident light patterns by using an interferometer by changing the incident light pattern; And numerically analyzing the response of the sample to plane waves of different angles included in the incident light pattern from the measured information of the two-dimensional optical field to obtain a three-dimensional refractive index image.

또 다른 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시키는 변조부; 상기 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 상기 입사광에 따라 측정하는 간섭계; 및 측정된 상기 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득하는 영상부를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring an ultra-high-speed and high-precision three-dimensional refractive index using a wavefront controller, comprising: a modulator for modifying at least one of an incident angle and a wavefront pattern of incident light using a wavefront controller; An interferometer for measuring a two-dimensional optical field passing through the sample according to at least one of the incident light; And an image portion acquiring a three-dimensional refractive index image through the measured information of the two-dimensional optical field.

상기 변조부는, 기울어지는 각도를 제어하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 상기 파면 제어기인 가변형 거울(Deformable Mirror, DM); 및 상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. The modulator includes a deformable mirror (DM), which is a wavefront controller that controls an angle of inclination of a plane wave and controls a traveling angle of a plane wave of the incident light. And a plurality of lenses that enlarge the plane wave propagation angle and enter the sample.

상기 변조부는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD); 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈; 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 배치되고, 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하는 공간 필터(spatial filter); 및 상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. The modulator may include a digital micromirror device (DMD) having an arrangement including a plurality of micromirrors as the wavefront controller; A first lens and a second lens that transmit the two-dimensional optical field reflected by the digital micromirror device (DMD); A spatial filter disposed between the first lens and the second lens, the spatial filter controlling a phase angle of a plane wave of the incident light having a linear slope by adjusting the phase of the first-order diffracted light; And a plurality of lenses that enlarge the plane wave propagation angle and enter the sample.

상기 변조부는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(DMD); 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하고, 적어도 하나 이상의 렌즈의 중심이 광학 축으로부터 소정간격 벗어나도록 정렬되는 제1 렌즈와 제2 렌즈; 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 배치되는 공간 필터(spatial filter); 및 상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈를 포함하고, 상기 변조부는 회절 한계까지 축소하여 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)의 픽셀들을 그룹핑하여 형성되는 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들어, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 형성하고, 상기 수퍼픽셀 배열의 상기 위상을 조절하여 선형적인 위상의 기울기를 가진 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. Wherein the modulator comprises: a digital micromirror device (DMD) having an arrangement including a plurality of micromirrors as the wavefront controller; A first lens and a second lens that transmit the two-dimensional optical field reflected by the digital micromirror device (DMD) and are arranged such that the center of at least one lens is apart from the optical axis by a predetermined distance; A spatial filter disposed between the first lens and the second lens; And a plurality of lenses that enlarge the plane wave propagation angle and enter the sample, wherein the modulator reduces the diffraction limit to form pixels constituting a superpixel formed by grouping pixels of the digital micromirror device (DMD) So as to form a superpixel array whose phase is adjustable from 0 to 2π and adjust the phase of the superpixel array to control the plane wave advancing angle of the incident light having a linear phase slope.

상기 변조부는, 상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(DMD); 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈; 및 상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈를 포함하고, 상기 변조부는 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시켜 개별 광원으로 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 제어 가능한 레이저 배열을 형성하고, 상기 레이저 배열을 이용하여 빛을 반사시키는 상기 다수의 마이크로미러의 위치를 변경하여 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. Wherein the modulator comprises: a digital micromirror device (DMD) having an arrangement including a plurality of micromirrors as the wavefront controller; A first lens for transmitting the two-dimensional optical field reflected by the digital micromirror device (DMD); And a plurality of lenses for enlarging the plane wave propagation angle to enter the sample, wherein the modulator positions the digital micromirror device (DMD) on a Fourier plane of the optical alignment, And the position of the plurality of micromirrors for reflecting the light is changed by using the laser array to control the angle of advance of the plane wave of the incident light.

상기 영상부는, 3차원 광 회절 단층촬영 알고리즘(3D optical diffraction tomography algorithm)에 입력하여 상기 3차원 산란 포텐셜 또는 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. The image may be input to a 3D optical diffraction tomography algorithm to obtain the 3D scattering potential or the 3D refractive index image.

또 다른 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치는 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시키는 디지털 마이크로미러 소자(DMD); 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 제1 렌즈와 제2 렌즈; 상기 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광 패턴에 대한 상기 2차원 광학장을 측정하는 간섭계; 및 측정된 상기 2차원 광학장의 정보로부터 상기 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 상기 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득하는 영상부를 포함한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus using a wavefront controller, comprising: a digital micromirror device (DMD) for making at least one incident light pattern incident on a plane of a sample; A first lens and a second lens that enlarge a plane wave propagation angle of the incident light and make the incident light enter the sample; An interferometer for changing the incident light pattern to measure the two-dimensional optical field for at least one of the incident light patterns; And an image unit for obtaining a three-dimensional refractive index image by numerically analyzing the response of the sample to plane waves of different angles included in the incident light pattern from the measured information of the two-dimensional optical field.

실시예들에 따르면 초고속 광 단층 촬영을 위해 서로 다른 각도 혹은 다른 패턴을 가지도록 입사광을 제어하고, 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능한 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치를 제공할 수 있다. According to the embodiments, the incident light is controlled so as to have different angles or different patterns for the ultra-high speed optical tomography, and the ultrahigh speed and high precision precision using the wavefront controller capable of accurately and accurately measuring the three- Dimensional refractive index measurement method and apparatus.

실시예들에 따르면 가변형 거울(DM) 혹은 디지털 마이크로미러 소자(DMD)와 같은 파면 제어기를 이용한 초고속 입사광 제어를 통해 기존의 갈바노미터(galvanometer) 거울이나 기계적인 시편 혹은 광원의 움직임보다 훨씬 더 안정적이고 빠르게 작동하며, 3차원 굴절률 측정이 고속 정밀하게 가능하다.
According to embodiments, ultrafast incident light control using a wavefront controller, such as a variable mirror (DM) or digital micromirror device (DMD), is much more stable than the movement of a conventional galvanometer mirror or mechanical specimen or light source And it operates quickly, and it is possible to precisely measure the three-dimensional refractive index at high speed.

도 1은 일 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 가변형 거울을 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a schematic view for explaining an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a wavefront controller according to an embodiment.
FIG. 2 is a view for explaining an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a variable mirror according to an embodiment.
FIG. 3 is a view for explaining an ultra-high speed and high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a digital micromirror device according to another embodiment.
4 is a view for explaining an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a digital micromirror device according to another embodiment.
FIG. 5 is a view for explaining an ultra-high-speed, high-precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a digital micromirror device according to another embodiment.
FIG. 6 is a view for explaining an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a digital micromirror device according to another embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. The shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.

본 발명은 파면 제어기(wavefront shaper)를 활용하여 광 단층 촬영법을 위한 입사광의 제어 기술에 관한 것으로, 광 단층 촬영법을 위해서 서로 다른 각도 혹은 다른 패턴을 가지도록 입사광을 제어하고 안정적이고 빠르게 입사광을 제어하는 기술에 관한 것이다. 초고속으로 파면을 제어할 수 있는 소자는 가변형 거울(Deformable Mirror, DM)과 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 포함할 수 있다.The present invention relates to a technique for controlling incident light for optical tomography using a wavefront shaper, in which incident light is controlled to have different angles or different patterns for optical tomography, and stable and quick control of incident light Technology. A device capable of controlling the wavefront at an extremely high speed may include a deformable mirror (DM) and a digital micromirror device (DMD).

이러한 소자들을 이용하여 입사광을 제어하는 기술은 광학적 정렬에 따라 몇 가지 방법들을 사용할 수 있다. 아래에서는 가변형 거울(DM)과 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용하여 입사광을 제어하는 기술을 구체적으로 설명하기로 한다. Techniques for controlling incident light using these devices can use several methods depending on the optical alignment. Hereinafter, a technology for controlling incident light using a variable mirror (DM) and a digital micromirror device (DMD) will be described in detail.

도 1은 일 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 1 is a schematic view for explaining an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a wavefront controller according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(100)는 변조부(110), 간섭계(120), 및 영상부(130)를 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 1, an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus 100 using a wavefront controller according to an embodiment may include a modulator 110, an interferometer 120, and an image unit 130 .

변조부(110)는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플(시편)에 입사시킬 수 있다. 파면 제어기는 빛의 위상을 제어할 수 있는 기기 또는 위상이 제어될 수 있는 고정된 형태의 필름이 사용될 수 있다. 예를 들면, 파면 제어기는 초고속으로 파면을 제어할 수 있는 가변형 거울(DM)과 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 포함할 수 있다.The modulation unit 110 can change at least one of the angle of incidence of the incident light and the wavefront pattern using the wavefront controller, and enter the sample (specimen). The wavefront controller may be a device capable of controlling the phase of light or a fixed type of film whose phase can be controlled. For example, the wavefront controller may include a variable mirror (DM) and a digital micromirror device (DMD) that can control the wavefront at very high speeds.

간섭계(120)는 적어도 하나 이상의 입사광에서 간섭 신호를 추출하는 것으로, 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다. The interferometer 120 extracts an interference signal from at least one incident light, and the two-dimensional optical field passing through the sample can be measured according to at least one incident light.

영상부(130)는 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능한 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.The imaging unit 130 can provide a high-speed and high-precision three-dimensional refractive index measurement method and apparatus using a wavefront controller capable of measuring a three-dimensional refractive index at high speed and precision by acquiring a three-dimensional refractive index image through information of the measured two- have.

아래에서는 실시예들을 통해 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 기술을 더 구체적으로 설명하기로 한다.
Hereinafter, a high-speed, high-precision three-dimensional refractive index measurement technique utilizing a wavefront controller will be described in more detail.

도 2는 일 실시예에 따른 가변형 거울을 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다. FIG. 2 is a view for explaining an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a variable mirror according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 가변형 거울(DM)을 이용해서 가변형 거울이 기울어지는 각도를 직접 제어하여 평면파의 진행각도를 제어할 수 있다. Referring to FIG. 2, the angle of inclination of the variable mirror can be directly controlled using the variable mirror DM to control the traveling angle of the plane wave.

가변형 거울(DM)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(200)는 변조부, 간섭계, 및 영상부를 포함하여 이루어질 수 있다. The high-speed, high-precision three-dimensional refractive index measuring apparatus 200 using the variable mirror DM may include a modulating unit, an interferometer, and an image unit.

변조부는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. The modulating unit may change at least one of the angle of incidence of the incident light and the wavefront pattern by using a wavefront controller, and may enter the sample.

더 구체적으로, 변조부는 가변형 거울(DM, 210) 및 복수의 렌즈(221, 222)를 포함할 수 있다. More specifically, the modulating section may include a variable mirror (DM) 210 and a plurality of lenses 221, 222.

가변형 거울(Deformable Mirror, DM)(210)은 파면 제어기 중 하나로, 기울어지는 각도를 제어하여 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. A deformable mirror (DM) 210 is one of the wavefront controllers, and it can control the angle of inclination of the plane wave of the incident light by controlling the tilt angle.

복수의 렌즈(221, 222)는 평면파 진행 각도를 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. The plurality of lenses 221 and 222 can enlarge the plane wave propagation angle and enter the sample.

즉, 가변형 거울(210)을 이용해서 가변형 거울(210)이 기울어지는 각도를 직접 제어하여 평면파의 진행각도를 제어할 수 있다. 이 때, 가변형 거울(210)에서 반사되는 빛이 입사되므로 가변형 거울(210)에서 표현하는 기울기의 2배의 기울기로 평면파의 진행각도를 제어할 수 있다. 이렇게 제어된 평면파의 각도를 복수의 렌즈(221, 222)로 확대하여 샘플에 입사시키고 이에 대응하는 2차원 광학장을 측정할 수 있다. 여기서, 복수의 렌즈(221, 222)는 일례로 튜브 렌즈(221)와 집광 렌즈(222)를 사용할 수 있다.That is, the angle of inclination of the variable mirror 210 can be directly controlled using the variable mirror 210 to control the traveling angle of the plane wave. At this time, since the light reflected from the variable mirror 210 is incident, it is possible to control the traveling angle of the plane wave with a slope of twice the slope represented by the variable mirror 210. The angles of the plane waves thus controlled can be enlarged by the plurality of lenses 221 and 222, incident on the sample, and the corresponding two-dimensional optical field can be measured. Here, as the plurality of lenses 221 and 222, for example, a tube lens 221 and a condenser lens 222 may be used.

간섭계는 적어도 하나 이상의 입사광에서 간섭 신호를 추출하는 것으로, 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다. An interferometer extracts an interference signal from at least one incident light, and the two-dimensional optical field passing through the sample can be measured according to at least one incident light.

영상부는 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. 이와 같이, 가변형 거울(210)을 이용해서 가변형 거울(210)이 기울어지는 각도를 직접 제어하여 평면파의 진행각도를 제어할 수 있다. The image portion can acquire a three-dimensional refractive index image through the information of the measured two-dimensional optical field. In this manner, the angle of inclination of the variable mirror 210 can be directly controlled by using the variable mirror 210 to control the traveling angle of the plane wave.

빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 광원에서 나온 빛이 파면 제어기에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다.To explain the operation sequence according to the path of the light, the light emitted from the light source such as a laser can be controlled in the phase controller in the wavefront controller. At this time, the light source may include a light source in the visible light band.

파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 파면 제어기로 가변형 거울(210)을 사용할 수 있다. 가변형 거울(210)의 기울어지는 각도를 제어함으로써 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하고, 제어된 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈(221, 222)로 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 가변형 거울(210)에서 반사되는 빛이 입사되므로 가변형 거울(210)에서 나타나는 기울기의 2배의 기울기로 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. It is possible to change at least one of the irradiation angle of the incident light and the wavefront pattern by using a wavefront shaper so as to be incident on the sample. Here, the variable mirror 210 can be used as the wavefront controller. The angle of inclination of the variable mirror 210 is controlled to control the angle of advance of the plane wave of the incident light and the angle of the plane wave propagation of the controlled plane can be enlarged by the plurality of lenses 221 and 222 to enter the sample. Since the light reflected from the variable mirror 210 is incident, the angle of the plane wave can be controlled by a slope of twice the slope of the variable mirror 210.

다음으로, 샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 각각 촬영함으로써, 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 얻을 수 있다. Next, the two-dimensional optical field having passed through the sample is photographed according to at least one incident light by using an interferometer, whereby a three-dimensional refractive index image can be obtained through the information of the measured two-dimensional optical field.

따라서 초고속 광 단층 촬영을 위해 가변형 거울(210)의 기울어지는 각도를 제어하여 서로 다른 각도를 가지도록 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하며 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능하다.
Therefore, by controlling the tilting angle of the variable mirror 210 for ultra-high speed optical tomography, the angle of propagation of the plane wave of the incident light is controlled so as to have different angles, and the incident light is controlled stably and quickly. Do.

도 3을 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다. 3 is a view for explaining an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a digital micromirror device according to another embodiment.

도 3을 참조하면, 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 주기 제어가능 반사형 진폭 회절 격자(period controllable reflective amplitude grating)로 활용할 수 있다. Referring to FIG. 3, a digital micromirror device (DMD) can be utilized as a periodically controllable reflective amplitude grating.

디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치는 변조부, 간섭계, 및 영상부를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 디지털 마이크로미러 소자(DMD)는 주기 제어가능 반사형 진폭 회절 격자로 이용될 수 있다. An ultrahigh-speed, high-precision three-dimensional refractive index measuring apparatus using a digital micromirror device (DMD) can include a modulating unit, an interferometer, and an image unit. Here, the digital micromirror device (DMD) can be used as a periodically controllable reflection type amplitude diffraction grating.

변조부는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. The modulation unit can change the irradiation angle of the incident light by using a wavefront controller and enter the sample.

그리고 변조부는 디지털 마이크로미러 소자(DMD), 제1 렌즈와 제2 렌즈(331, 332), 공간 필터(spatial filter, 320), 및 복수의 렌즈(341, 342)를 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 렌즈(341, 342)는 일례로 튜브 렌즈와 집광 렌즈를 사용할 수 있다.The modulation unit may include a digital micromirror device (DMD), a first lens and a second lens 331 and 332, a spatial filter 320, and a plurality of lenses 341 and 342. Here, as the plurality of lenses 341 and 342, for example, a tube lens and a condenser lens can be used.

디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)는 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비할 수 있다. A digital micromirror device (DMD) may include an array including a plurality of micromirrors as a wavefront controller.

제1 렌즈와 제2 렌즈(331, 332)는 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 2차원 광학장을 전달할 수 있다. The first lens and the second lens 331 and 332 can transmit the two-dimensional optical field reflected by the digital micromirror device DMD.

공간 필터(spatial filter, 320)는 제1 렌즈와 제2 렌즈(331, 332) 사이에 배치되고, 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. A spatial filter 320 is disposed between the first lens and the second lens 331 and 332 and is phase-adjusted to the first-order diffracted light to control the plane wave propagation angle of the incident light having a linear slope .

복수의 렌즈(341, 342)는 평면파 진행 각도를 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. The plurality of lenses 341 and 342 can enlarge the plane wave propagation angle and enter the sample.

그리고, 간섭계는 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다. Then, the interferometer can measure the two-dimensional optical field passing through the sample according to at least one incident light.

영상부는 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. The image portion can acquire a three-dimensional refractive index image through the information of the measured two-dimensional optical field.

구체적으로는 Lee hologram [비특허문헌 4]을 이용하여 공간 필터(spatial filter, 320)된 1차 회절광에 원하는 위상정보를 선택할 수 있고 선형적인 기울기를 가진 평면파의 위상으로 나타냄으로써, 원하는 각도로 진행하는 평면파를 표현할 수 있다. 원하는 각도로 진행하는 평면파를 표현하기 위해 공간적으로는 선형적으로 증가하는 위상이 표현되어야 한다. 디지털 마이크로미러 소자(DMD)는 반사 직후 빛의 세기만 제어 가능하나, 표현하고자 하는 위상을 포함하는 Lee hologram은 빛의 세기로 표현이 가능하기 때문에 DMD를 이용하여 평면파에 해당하는 위상의 표현이 가능하다. 구체적으로, 광축을 z축으로 정하고 표현하고자 하는 파장 λ를 갖는 레이저 평면파의 x축 y축 방향의 각도를 각각

Figure pat00001
로 한다면, 이에 해당하는 파면 위상정보
Figure pat00002
는 다음의 수학식 1과 같이 표현 가능하다.Specifically, the desired phase information can be selected in the first-order diffracted light by the spatial filter 320 using Lee hologram (Non-Patent Document 4), and expressed by the phase of a plane wave having a linear slope, It is possible to express an ongoing plane wave. In order to express a plane wave traveling at a desired angle, a linearly increasing phase must be expressed spatially. Digital micromirror device (DMD) can control intensity of light just after reflection, but Lee hologram including phase to express can express by light intensity, so it can express phase corresponding to plane wave using DMD Do. Specifically, the angle of the x axis y axis direction of the laser plane wave having a wavelength λ to express decide the optical axis, and z axes, respectively
Figure pat00001
, The corresponding wavefront phase information
Figure pat00002
Can be expressed by the following Equation (1).

Figure pat00003
Figure pat00003

이런 파면의 빛을 DMD로 형성하기 위해, DMD에 다음의 수학식 2와 같은 Lee hologram pattern을 입력할 수 있다.In order to form such a wavefront light into a DMD, a Lee hologram pattern as shown in the following Equation 2 can be input to the DMD.

Figure pat00004
Figure pat00004

이 경우 두 번째 식에서 두 번째 항에 해당하는 반사광만 샘플에 조사하고 나머지 빛을 차폐하면, 샘플에 조사되는 빛은

Figure pat00005
를 DMD 상에서 직접 제어가 가능하여, 원하는 방향의 평면파를 형성 가능하다. 이 때, Lee hologram을 사용하면서 발생하는 원치 않는 회절광은 공간 필터 등을 이용하여 제거할 수 있다. In this case, if only the reflected light corresponding to the second term in the second equation is irradiated onto the sample and the remaining light is shielded,
Figure pat00005
Can be directly controlled on the DMD, and a plane wave in a desired direction can be formed. At this time, unwanted diffraction light generated by using Lee hologram can be removed by using a spatial filter or the like.

여기서 각 픽셀의 위상을 0~2π까지 제어 가능하므로, 디지털 마이크로미러 소자(DMD)로 제어 가능한 위상의 기울기는 픽셀의 크기에 의해 제한된다. 일반적으로 수 마이크로미터 길이의 마이크로미러로 소자가 제작되었을 때, 제어 가능한 최대 각도는 1~2도 정도이다. 2 개의 렌즈를 추가하여 이 각도를 확대하고 샘플에 입사시킨 후, 2차원 광학장 정보를 입사광의 각도 별로 촬영하면 3차원 산란 포텐셜(Scattering Potential)을 얻을 수 있다. Since the phase of each pixel can be controlled from 0 to 2, the slope of the phase controllable by the digital micromirror device (DMD) is limited by the size of the pixel. Generally, when the device is fabricated with a micromirror of several micrometers in length, the maximum controllable angle is about 1 to 2 degrees. The two-dimensional optical field information is photographed by the angle of the incident light after enlarging the angle by adding two lenses and entering the sample, thereby obtaining a three-dimensional scattering potential.

빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 광원에서 나온 빛이 파면 제어기에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다.To explain the operation sequence according to the path of the light, the light emitted from the light source such as a laser can be controlled in the phase controller in the wavefront controller. At this time, the light source may include a light source in the visible light band.

파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용할 수 있다. 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈(331, 332) 사이에 공간 필터(spatial filter, 320)를 배치할 수 있고, 공간 필터(spatial filter, 320)를 통과한 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. 이후, 제어된 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈(341, 342)로 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. It is possible to change at least one of the irradiation angle of the incident light and the wavefront pattern by using a wavefront shaper so as to be incident on the sample. Here, a digital micromirror device (DMD) having an arrangement including a plurality of micromirrors can be used as the wavefront controller. A spatial filter 320 may be disposed between the first lens and the second lens 331 and 332 that transmit the two-dimensional optical field reflected from the DMD, and a spatial filter And 320, the phase angle of the first-order diffracted light can be controlled to control the angle of advance of the plane wave of incident light having a linear slope. Thereafter, the controlled plane wave advancing angle can be enlarged by the plurality of lenses 341 and 342 and incident on the sample.

샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다. The two-dimensional optical field passing through the sample can be measured according to at least one incident light using an interferometer.

측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. Dimensional refractive index image can be obtained through the information of the measured two-dimensional optical field.

이와 같이 초고속 광 단층 촬영을 위해 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 주기 제어가능 반사형 진폭 회절 격자로 활용하여, 서로 다른 각도를 가지도록 입사광을 제어하며 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능하다.
By using the digital micromirror device (DMD) as a periodically controllable reflection-type amplitude diffraction grating for ultra-high speed optical tomography, incident light is controlled so as to have different angles, and stable and quick control of incident light is achieved. Dimensional refractive index can be measured.

도 4는 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a digital micromirror device according to another embodiment.

도 4를 참조하면, 수퍼픽셀 방법을 이용한 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 410) 활용할 수 있다. Referring to FIG. 4, a digital micromirror device (DMD) 410 using a super pixel method can be utilized.

디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(400)는 변조부, 간섭계, 및 영상부를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 410)는 수퍼픽셀 방법을 이용할 수 있다. The ultra-high-speed and high-precision three-dimensional refractive index measuring apparatus 400 utilizing the digital micromirror device (DMD) may include a modulating unit, an interferometer, and an image unit. Here, the digital micromirror device (DMD) 410 may use a superpixel method.

변조부는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 변조부는 디지털 마이크로미러 소자(410)를 사용하여 조사 각도를 변조하여 샘플에 입사시킬 수 있다. The modulating unit may change at least one of the angle of incidence of the incident light and the wavefront pattern by using a wavefront controller, and may enter the sample. Here, the modulating unit can use the digital micromirror device 410 to modulate the irradiation angle and enter the sample.

변조부는 디지털 마이크로미러 소자(410), 제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432), 공간 필터(spatial filter, 420), 및 복수의 렌즈(441, 442)를 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 렌즈(441, 442)는 일례로 튜브 렌즈와 집광 렌즈를 사용할 수 있다.The modulation unit may include a digital micromirror device 410, first and second lenses 431 and 432, a spatial filter 420, and a plurality of lenses 441 and 442. Here, the plurality of lenses 441 and 442 can be, for example, a tube lens and a condenser lens.

디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)는 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비할 수 있다. A digital micromirror device (DMD) may include an array including a plurality of micromirrors as a wavefront controller.

제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432)는 디지털 마이크로미러 소자(410)에서 반사된 2차원 광학장을 전달할 수 있다. 그리고 제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432)는 적어도 하나 이상의 렌즈의 중심이 광학 축으로부터 소정간격 벗어나도록 정렬될 수 있다. The first lens and the second lens 431 and 432 can transmit the two-dimensional optical field reflected by the digital micromirror element 410. And the first lens and the second lens 431 and 432 can be aligned so that the center of the at least one lens is spaced apart from the optical axis by a predetermined distance.

공간 필터(spatial filter, 420)는 제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432) 사이에 배치되고, 1차 회절광에 위상이 조절되어 선형적인 기울기를 가진 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. A spatial filter 420 is disposed between the first lens and the second lens 431 and 432 so that the phase of the first-order diffracted light is adjusted to control the angle of advance of the plane wave of incident light having a linear slope .

복수의 렌즈(441, 442)는 평면파 진행 각도를 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. The plurality of lenses 441 and 442 can enlarge the plane wave propagation angle and enter the sample.

이러한 변조부는 회절 한계까지 축소하여 디지털 마이크로미러 소자(410)의 다수의 픽셀들을 그룹핑하여 형성되는 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들어, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 형성하고, 수퍼픽셀 배열의 위상을 조절하여 선형적인 위상의 기울기를 가진 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. This modulator reduces the number of pixels constituting the super-pixel formed by grouping a plurality of pixels of the digital micromirror device 410 by reducing to the diffraction limit, thereby forming a super-pixel array whose phase can be adjusted from 0 to 2 [ And the phase angle of the superpixel array can be adjusted to control the plane wave propagation angle of incident light having a linear phase slope.

더 구체적으로, A. Mosk 에 의해 디지털 마이크로미러 소자(410)의 픽셀들을 묶어서, 수퍼픽셀을 이용한 빛의 위상변조 방법이 알려졌다[비특허문헌 5]. 구체적인 방법은, 디지털 마이크로미러 소자(410)에서 반사된 광학장을 전달하는 렌즈들을 광학 축에서 약간 벗어나게 정렬하여 마이크로미러의 위치에 따라 빛의 위상이 다르게 표현되도록 하는 방법이다. 따라서 렌즈 사이에 공간 필터(spatial filter, 420)를 놓고 회절 한계까지 축소하여 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들면, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 만들게 된다. 이 방법을 이용해 선형적인 위상의 기울기를 표현해주면 원하는 각도로 진행하는 평면파를 표현할 수 있게 된다. 이 방법 또한 마찬가지로, 표현할 수 있는 위상의 기울기가 수퍼픽셀의 크기에 의해 제한되므로, 렌즈 2개를 추가하여 표현되는 각도를 확대 후 샘플에 입사시켜 3차원 광 단층 촬영에 활용할 수 있다.More specifically, a method of phase modulation of light using super pixels by bundling the pixels of the digital micromirror element 410 by A. Mosk has been known [Non-Patent Document 5]. A specific method is to align the lenses that transmit the optical field reflected by the digital micromirror device 410 slightly off the optical axis so that the phase of light is represented differently according to the position of the micromirror. Therefore, by placing a spatial filter 420 between the lenses and reducing them to the diffraction limit to make it impossible to distinguish the pixels constituting the superpixel, a superpixel array whose phase is adjustable from 0 to 2π is created. By using this method to express the slope of the linear phase, it becomes possible to express a plane wave that proceeds at a desired angle. Likewise, since the slope of the phase that can be represented is limited by the size of the super pixel, the angle represented by adding two lenses can be applied to the enlarged sample to be used for three-dimensional optical tomography.

간섭계는 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다. The interferometer can measure the two-dimensional optical field passing through the sample according to at least one incident light.

영상부는 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. The image portion can acquire a three-dimensional refractive index image through the information of the measured two-dimensional optical field.

빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 광원에서 나온 빛이 파면 제어기에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다.To explain the operation sequence according to the path of the light, the light emitted from the light source such as a laser can be controlled in the phase controller in the wavefront controller. At this time, the light source may include a light source in the visible light band.

파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(410)를 사용하고, 디지털 마이크로미러 소자(410)에서 반사된 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432) 중 적어도 하나 이상의 렌즈의 중심이 광학 축으로부터 소정간격 벗어나도록 정렬시킬 수 있다. 다음으로, 제1 렌즈와 제2 렌즈(431, 432)의 사이에 공간 필터(spatial filter, 420)를 배치하고 회절 한계까지 축소하여 디지털 마이크로미러 소자(410)의 픽셀들을 그룹핑하여 형성되는 수퍼픽셀을 구성하는 픽셀들을 구별할 수 없도록 만들어, 위상이 0~2π까지 조절 가능한 수퍼픽셀 배열을 형성할 수 있다. 이를 위해서는 제1 렌즈와 제2 렌즈를 이용하여 4-f 영상 시스템을 구축하고, 영상의 축소 배율을 제1 렌즈와 제2 렌즈의 초점거리를 적절히 선택하여, 디지털 마이크로미러 소자로 형성되는 수퍼픽셀이 축소되어 빛의 회절 한계, 일반적으로 파장의 절반 크기가 되도록 설정하여 구성 가능하다. 이어, 수퍼픽셀 배열의 위상을 조절하여 선형적인 위상의 기울기를 가진 입사광의 평면파 진행 각도를 제어하고, 제어된 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈(441, 442)로 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. It is possible to change at least one of the irradiation angle of the incident light and the wavefront pattern by using a wavefront shaper so as to be incident on the sample. Here, a digital micromirror device 410 having an arrangement including a plurality of micromirrors is used as the wavefront controller, and a first lens that transmits a two-dimensional optical field reflected by the digital micromirror device 410, The centers of at least one of the lenses 431 and 432 may be aligned so as to deviate from the optical axis by a predetermined distance. Next, a spatial filter 420 is disposed between the first and second lenses 431 and 432, and the spatial filter 420 is reduced to a diffraction limit, thereby forming a super-pixel, which is formed by grouping the pixels of the digital micromirror element 410. [ So that it is possible to form a superpixel array whose phase is adjustable from 0 to 2 [pi]. For this purpose, a 4- f imaging system is constructed by using the first lens and the second lens, and the reduction magnification of the image is appropriately selected from the focal lengths of the first lens and the second lens, Can be reduced and set to a diffraction limit of light, generally half the wavelength. Then, the phase angle of the superpixel array is controlled to control the plane wave propagation angle of the incident light having a linear phase slope, and the controlled plane wave propagation angle can be enlarged by the plurality of lenses 441 and 442 to be incident on the sample.

샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있고, 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. The two-dimensional optical field passing through the sample can be measured according to at least one incident light using an interferometer, and a three-dimensional refractive index image can be obtained through the information of the measured two-dimensional optical field.

이와 같이 초고속 광 단층 촬영을 위해 수퍼픽셀 방법을 이용한 디지털 마이크로미러 소자(410)를 활용하여, 서로 다른 각도를 가지도록 입사광을 제어하며 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정 가능하다.
By using the digital micromirror device 410 using the super-pixel method for ultra-high speed optical tomography, incident light is controlled so as to have different angles, and stable and quick incident light is controlled. It is possible.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다. FIG. 5 is a view for explaining an ultra-high-speed, high-precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a digital micromirror device according to another embodiment.

도 5를 참조하면, 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 510)를 개별 광원 제어가능 레이저 배열로 활용(individual source controllable laser array)할 수 있다. Referring to FIG. 5, a digital micromirror device (DMD) 510 may be used as an individual source controllable laser array.

디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(500)는 변조부, 간섭계, 및 영상부를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 510)는 개별 광원 제어가능 레이저 배열로 활용(individual source controllable laser array)할 수 있다. The ultra-high-speed, high-precision three-dimensional refractive index measuring apparatus 500 utilizing the digital micromirror device (DMD) may include a modulating unit, an interferometer, and an image unit. Here, the DMD 510 may be an individual source controllable laser array.

변조부는 파면 제어기를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 변조부는 디지털 마이크로미러 소자(510)를 사용하여 조사 각도를 변조하여 샘플에 입사시킬 수 있다. The modulating unit may change at least one of the angle of incidence of the incident light and the wavefront pattern by using a wavefront controller, and may enter the sample. Here, the modulation unit can use the digital micromirror device 510 to modulate the irradiation angle and enter the sample.

변조부는 디지털 마이크로미러 소자(510), 제1 렌즈(520), 및 복수의 렌즈(531, 532)를 포함할 수 있다.The modulating unit may include a digital micromirror device 510, a first lens 520, and a plurality of lenses 531 and 532.

디지털 마이크로미러 소자(DMD)는 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비할 수 있다. The digital micromirror device (DMD) may have an arrangement including a plurality of micromirrors as a wavefront controller.

제1 렌즈(520)는 디지털 마이크로미러 소자(510)에서 반사된 2차원 광학장을 전달할 수 있다. The first lens 520 can transmit the two-dimensional optical field reflected by the digital micromirror element 510. [

복수의 렌즈(531, 532)는 평면파 진행 각도를 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. 여기서, 복수의 렌즈(531, 532)는 일례로 튜브 렌즈와 집광 렌즈를 사용할 수 있다.The plurality of lenses 531 and 532 can enlarge the plane wave propagation angle and enter the sample. Here, as the plurality of lenses 531 and 532, for example, a tube lens and a condenser lens can be used.

이러한 변조부는 디지털 마이크로미러 소자(510)를 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시켜 개별 광원으로 다수의 마이크로미러의 위치를 제어 가능한 레이저 배열을 형성하고, 레이저 배열을 이용하여 빛을 반사시키는 다수의 마이크로미러의 위치를 변경하여 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. 이를 위해서 평편파가 푸리에 평면 상에 위치한 디지털 마이크로미러 소자에 조사되고, 특정 디지털 마이크로미러 소자만 작동시켜 그 소자에 해당하는 빛만 반사를 시킴으로써, 샘플에 입사하는 빛은 특정한 공간주파수만 가지는 빛, 즉 특정 각도로만 입사하는 평면파가 생성될 수 있다.Such a modulator can position the digital micromirror device 510 on a Fourier plane of the optical alignment to form a laser array capable of controlling the position of a plurality of micromirrors with an individual light source, It is possible to change the position of a plurality of micromirrors to control the angle of advance of the plane wave of the incident light. To this end, a flat polarized wave is irradiated onto a digital micromirror element located on a Fourier plane, and only a specific digital micromirror element is operated to reflect only light corresponding to the element, whereby light incident on the sample is a light having only a specific spatial frequency A plane wave incident only at a specific angle can be generated.

간섭계는 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있다. The interferometer can measure the two-dimensional optical field passing through the sample according to at least one incident light.

영상부는 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. The image portion can acquire a three-dimensional refractive index image through the information of the measured two-dimensional optical field.

다시 말하면, 디지털 마이크로미러 소자(510)를 시스템의 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시키고, 빛을 반사시키는 마이크로미러의 위치를 바꿔줌으로써 샘플에 입사되는 빛의 각도를 제어할 수 있다. 이 때, 집광 렌즈(condenser lens)의 조리 개수(numerical aperture)의 크기에 디지털 마이크로미러 소자(510)의 크기가 대응되도록 렌즈들의 배율을 적절히 조정할 수 있다. In other words, the angle of the light incident on the sample can be controlled by positioning the digital micromirror element 510 on the Fourier plane of the optical alignment of the system and changing the position of the micromirror that reflects the light . At this time, the magnification of the lenses can be appropriately adjusted so that the size of the numerical aperture of the condenser lens corresponds to the size of the digital micromirror device 510.

빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 광원에서 나온 빛이 파면 제어기에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다.To explain the operation sequence according to the path of the light, the light emitted from the light source such as a laser can be controlled in the phase controller in the wavefront controller. At this time, the light source may include a light source in the visible light band.

파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시킬 수 있다.It is possible to change at least one of the irradiation angle of the incident light and the wavefront pattern by using a wavefront shaper so as to be incident on the sample.

여기서, 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(510)를 사용하고, 디지털 마이크로미러 소자(510)를 광학 정렬의 푸리에 평면(Fourier plane) 상에 위치시켜 개별 광원으로 다수의 마이크로미러의 위치를 제어 가능한 레이저 배열을 형성할 수 있다. 다음으로, 레이저 배열을 이용하여 빛을 반사시키는 다수의 마이크로미러의 위치를 변경하여 입사광의 평면파 진행 각도를 제어할 수 있다. 제어된 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈(531, 532)로 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. Here, a digital micromirror device 510 having an arrangement including a plurality of micromirrors is used as the wavefront controller, a digital micromirror device 510 is placed on a Fourier plane of the optical alignment, A laser array capable of controlling the positions of a plurality of micromirrors can be formed. Next, by using a laser array, it is possible to change the positions of a plurality of micromirrors that reflect light, thereby controlling the angle of plane wave propagation of the incident light. The controlled plane wave advancing angle can be enlarged by the plurality of lenses 531 and 532 and incident on the sample.

샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 입사광에 따라 측정할 수 있고, 측정된 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. The two-dimensional optical field passing through the sample can be measured according to at least one incident light using an interferometer, and a three-dimensional refractive index image can be obtained through the information of the measured two-dimensional optical field.

따라서 초고속 광 단층 촬영을 위해 디지털 마이크로미러 소자(510)를 개별 광원 제어가능 레이저 배열로 활용하여, 서로 다른 각도를 가지도록 입사광을 제어하며 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정할 수 있다.
Therefore, by using the digital micromirror device 510 as an individual light source controllable laser array for ultra-high speed optical tomography, incident light is controlled so as to have different angles, and stable and quick control of incident light is achieved. Can be measured.

도 6은 또 다른 실시예에 따른 디지털 마이크로미러 소자를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다. FIG. 6 is a view for explaining an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus utilizing a digital micromirror device according to another embodiment.

도 6을 참조하면, 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 610)를 입사광 패턴 제어기(illumination pattern controller)로 활용할 수 있다. Referring to FIG. 6, the digital micromirror device (DMD) 610 may be used as an illumination pattern controller.

디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(600)는 디지털 마이크로미러 소자(DMD, 610), 복수의 렌즈(621, 622), 간섭계, 및 영상부를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 디지털 마이크로미러 소자(610)는 입사광 패턴 제어기(illumination pattern controller)로 활용할 수 있다.The high-speed, high-precision three-dimensional refractive index measuring apparatus 600 using the digital micromirror device DMD may include a digital micromirror device (DMD) 610, a plurality of lenses 621 and 622, an interferometer, . Here, the digital micromirror device 610 can be utilized as an illumination pattern controller.

디지털 마이크로미러 소자(610)는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(600)는 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시킬 수 있다. In the digital micromirror device 610, an ultrahigh speed high precision three-dimensional refractive index measuring apparatus 600 utilizing a wavefront controller can make at least one incident light pattern incident on the plane of the sample.

복수의 렌즈(621, 622)는 입사광의 평면파 진행 각도를 확대하여 샘플에 입사시킬 수 있다. The plurality of lenses 621 and 622 can enlarge the plane wave propagation angle of the incident light and enter the sample.

간섭계는 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 입사광 패턴에 대한 2차원 광학장을 측정할 수 있다. The interferometer can measure the two-dimensional optical field for at least one incident light pattern by changing the incident light pattern.

영상부는 측정된 2차원 광학장의 정보로부터 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. The image part can numerically analyze the response of the sample to plane waves of different angles included in the incident light pattern from the measured information of the two-dimensional optical field to obtain a three-dimensional refractive index image.

다시 말하면, 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치(600)는 디지털 마이크로미러 소자(610)의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 이미징하고, 입사광 패턴을 변경하며 2차원 광학장을 촬영하여 측정된 광학장 정보로부터 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 샘플의 반응을 구할 수 있다. 즉, 입사광 패턴을 변경함에 따라 패턴에 평면파의 위상이 포함되어 있어 평면파의 위상을 변경할 수 있다. 이는, 구조화된 입사광(structured illumination)을 포함하여 알고 있는 패턴의 정보를 넣어주고 패턴에 포함된 각 평면파의 위상을 변경함에 따라 바뀌는 패턴에 대한 샘플의 반응을 수치적으로 분석함으로써 가능하다. In other words, the ultra-high-speed, high-precision three-dimensional refractive index measuring apparatus 600 utilizing the digital micromirror device DMD implements the incident light pattern of the digital micromirror device 610 on the plane of the sample, changes the incident light pattern, And the response of the sample to plane waves of different angles included in the pattern can be obtained from the measured optical field information. That is, as the incident light pattern is changed, the phase of the plane wave is included in the pattern, so that the phase of the plane wave can be changed. This is possible by inserting information of a known pattern including structured illumination and numerically analyzing the response of the sample to the changed pattern by changing the phase of each plane wave included in the pattern.

이를 통해 측정한 다수의 2차원 광학장을 바탕으로 광학 회절 3차원 영상기법(optical diffraction tomography) 알고리즘을 이용하여, 3차원 굴절률 분포도를 추출할 수 있다. Based on the two-dimensional optical fields measured through this, the optical diffraction tomography algorithm can be used to extract the three-dimensional refractive index distribution diagram.

빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 광원에서 나온 빛이 파면 제어기에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다.To explain the operation sequence according to the path of the light, the light emitted from the light source such as a laser can be controlled in the phase controller in the wavefront controller. At this time, the light source may include a light source in the visible light band.

디지털 마이크로미러 소자(610)를 사용하여 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시킬 수 있다. 다음으로, 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 입사광 패턴에 대한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 측정할 수 있다. 그리고 측정된 2차원 광학장의 정보로부터 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. At least one incident light pattern may be incident on the plane of the sample using the digital micromirror device 610. [ Next, the two-dimensional optical field for at least one incident light pattern can be measured by using an interferometer by changing the incident light pattern. From the measured information of the two-dimensional optical field, the reaction of the sample with respect to the plane waves of different angles included in the incident light pattern can be numerically analyzed to obtain the three-dimensional refractive index image.

이와 같이, 초고속 광 단층 촬영을 위해 디지털 마이크로미러 소자(610)를 입사광 패턴 제어기(illumination pattern controller)로 이용하여, 서로 다른 패턴을 가지도록 입사광을 제어하며 안정적이고 빠르게 입사광을 제어함으로써, 고속 정밀하게 3차원 굴절률을 측정할 수 있다.
As described above, the digital micromirror device 610 is used as an illumination pattern controller for ultra-high speed optical tomography to control incident light so as to have different patterns and to steadily and quickly control incident light, The three-dimensional refractive index can be measured.

도 1 내지 도 6에서 설명한 바와 같이, 가변형 거울(DM)이나 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 활용하여 입사광을 제어한 후 이를 샘플에 입사시킬 수 있다. 샘플을 통과한 2차원 광학장을 다양한 입사광에 따라 측정한 후, 이를 3차원 광 회절 단층촬영 알고리즘(3D optical diffraction tomography algorithm)에 입력하면 3차원 산란 포텐셜(Scattering Potential) 또는 3차원 굴절률 영상을 획득할 수 있다. As described with reference to FIGS. 1 to 6, the variable mirror DM or the digital micromirror device DMD can be used to control the incident light and then enter the sample. The two-dimensional optical field passing through the sample is measured according to various incident light and then input to the 3D optical diffraction tomography algorithm to obtain a three-dimensional scattering potential or a three-dimensional refractive index image can do.

2차원 광학장 측정 방법에는 일반적인 간섭계를 이용할 수 있다. 예를 들어, 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 위상 이동 간섭계(phase shifting interferometry), 정량위상이미지 촬영 기구(Quantitative phase imaging unit) 등을 포함한 시간적(temporal), 공간적(spatial) 세기 변조(intensity modulation)를 이용하거나 세기 전달 공식(transport of intensity equation)을 이용한 2차원 광학장 측정 방법을 이용할 수 있다[비특허문헌 6]. A general interferometer can be used for the measurement of the two-dimensional optical field. Temporal and spatial intensity modulation including, for example, Mach-Zehnder interferometry, phase shifting interferometry, and a quantitative phase imaging unit, intensity optical modulation method or a two-dimensional optical field measurement method using a transport of intensity equation can be used [Non-Patent Document 6].

이상에서 실시예들은 기존의 3차원 굴절률 측정 기술 촬영법에서 기계적으로 움직이는 요소 없이 초고속 초정밀 촬영을 위한 것으로, 초고속 광 단층 촬영을 위한 입사광의 제어 속도를 높이고 장치의 움직임을 제거함으로써, 잡음을 최소화하고, 시스템의 안정성을 증대시킬 수 있다.Embodiments of the present invention are directed to an ultra-high speed ultra-precise imaging without mechanically moving elements in a conventional three-dimensional refractive index measurement technique. In order to minimize the noise by increasing the control speed of incident light for ultra-high speed optical tomography, The stability of the system can be increased.

실시예들에 따르면 가변형 거울(DM) 또는 디지털 마이크로미러 소자(DMD)와 같은 파면 제어기(wavefront shaper)를 이용한 초고속 입사광 제어 방법은 기존의 갈바노미터(galvanometer) 거울이나 기계적인 시편 혹은 광원의 움직임보다 훨씬 더 안정적이고 빠르게 작동하는 기술로, 3차원 굴절률 측정이 고속 정밀하게 가능하다. According to embodiments, an ultrahigh incident light control method using a wavefront shaper such as a variable mirror (DM) or a digital micromirror device (DMD) can be applied to a galvanometer mirror, a mechanical specimen, It is much more stable and faster to operate than that, so it is possible to measure 3D refractive index precisely and precisely.

이를 이용하면 다양한 생물학적 시편(세포, 조직, 박테리아 등)의 3차원 형상 측정, 다이나믹 분석이 가능하다. 또한 휴대폰 카메라 등에 사용되는 작은 크기의 광학 렌즈, 부품 등의 정밀한 형상과 굴절률 측정이 가능하다. Using this, 3D shape measurement and dynamic analysis of various biological specimens (cells, tissues, bacteria, etc.) are possible. It is also possible to measure the shape and refractive index of small-sized optical lenses and components used in mobile phone cameras and the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (11)

파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시키는 단계;
상기 샘플을 통과한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광에 따라 측정하는 단계; 및
측정된 상기 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계
를 포함하고,
상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는,
상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하며, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 주기 제어가능 반사형 진폭 회절 격자(period controllable reflective amplitude grating)로 이용하여 서로 다른 각도를 가지도록 상기 입사광을 제어하여 상기 샘플에 입사시키는 것
을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.Changing at least one of an angle of incidence and a wavefront pattern of incident light using a wavefront shaper;
Measuring a two-dimensional optical field passing through the sample according to at least one incident light using an interferometer; And
Acquiring a three-dimensional refractive index image through the measured information of the two-dimensional optical field
Lt; / RTI >
Wherein the step of controlling the incident light to enter the sample comprises:
Wherein the wavefront controller uses a digital micromirror device (DMD) having an arrangement including a plurality of micromirrors, the digital micromirror device (DMD) being a periodically controllable periodic reflective diffraction grating reflective amplitude grating) to control the incident light to have different angles to be incident on the sample
Speed high precision three-dimensional refractive index measurement method using a wavefront controller. 제1항에 있어서,
상기 입사광을 제어하여 샘플에 입사시키는 단계는,
제1 렌즈와 제2 렌즈를 이용하여 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 단계; 및
상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈를 통과한 상기 입사광의 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계
를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of controlling the incident light to enter the sample comprises:
Transmitting the two-dimensional optical field reflected by the digital micromirror device (DMD) using a first lens and a second lens; And
Enlarging a plane wave propagating angle of the incident light having passed through the first lens and the second lens with a plurality of lenses,
Speed high-precision three-dimensional refractive index measurement method using a wavefront controller. 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하여 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시키는 단계;
상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)의 상기 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광 패턴에 대한 2차원 광학장을 간섭계를 이용하여 측정하는 단계; 및
측정된 상기 2차원 광학장의 정보로부터 상기 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 상기 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계
를 포함하고,
상기 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시키는 단계는,
상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 입사광 패턴 제어기(illumination pattern controller)로 이용하여 서로 다른 패턴을 가지도록 상기 입사광을 제어하여 상기 샘플에 입사시키는 것
을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.The method comprising the steps of: inputting at least one incident light pattern onto a plane of a sample using a digital micromirror device (DMD);
Measuring the two-dimensional optical field of at least one of the incident light patterns by using an interferometer by changing the incident light pattern of the digital micromirror device (DMD); And
Numerically analyzing the response of the sample to plane waves of different angles included in the incident light pattern from the measured information of the two-dimensional optical field to obtain a three-dimensional refractive index image
Lt; / RTI >
Wherein the step of making the at least one incident light pattern incident on the plane of the sample comprises:
The DMD is used as an illumination pattern controller to control the incident light to have different patterns to be incident on the sample
Speed high precision three-dimensional refractive index measurement method using a wavefront controller. 제3항에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시키는 단계는,
상기 입사광의 평면파 진행 각도를 복수의 렌즈로 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 단계
를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.The method of claim 3,
Wherein the step of making the at least one incident light pattern incident on the plane of the sample comprises:
Enlarging a plane wave propagating angle of the incident light to a plurality of lenses and entering the sample
Speed high-precision three-dimensional refractive index measurement method using a wavefront controller. 제3항에 있어서,
상기 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계는,
구조화된 입사광(structured illumination)을 포함하여 기설정된 상기 입사광 패턴을 변경하며 상기 2차원 광학장을 측정함에 따라 측정된 상기 2차원 광학장의 정보로부터 상기 입사광 패턴에 포함된 위상 정보인 서로 다른 각도의 평면파에 대한 상기 샘플의 반응을 수치적으로 분석하는 단계; 및
측정된 다수의 상기 2차원 광학장 정보를 바탕으로 상기 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계
를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.The method of claim 3,
Wherein the acquiring the three-dimensional refractive index image comprises:
Wherein the phase information includes phase information included in the incident light pattern from the information of the two-dimensional optical field measured by measuring the two-dimensional optical field by modifying the predetermined incident light pattern including structured illumination, Numerically analyzing the reaction of the sample with respect to the sample; And
Acquiring the three-dimensional refractive index image based on the plurality of measured two-dimensional optical field information
Speed high-precision three-dimensional refractive index measurement method using a wavefront controller. 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 3차원 굴절률 영상을 획득하는 단계는,
3차원 광 회절 단층촬영 알고리즘(3D optical diffraction tomography algorithm)에 입력하여 3차원 산란 포텐셜 또는 상기 3차원 굴절률 영상을 획득하는 것
을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법.The method according to claim 1 or 3,
Wherein the acquiring the three-dimensional refractive index image comprises:
Obtaining a three-dimensional scattering potential or the three-dimensional refractive index image by inputting the three-dimensional optical diffraction tomography algorithm;
Speed high precision three-dimensional refractive index measurement method using a wavefront controller. 파면 제어기(wavefront shaper)를 사용하여 입사광의 조사 각도 및 파면 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 샘플에 입사시키는 변조부;
상기 샘플을 통과한 2차원 광학장을 적어도 하나 이상의 상기 입사광에 따라 측정하는 간섭계; 및
측정된 상기 2차원 광학장의 정보를 통해 3차원 굴절률 영상을 획득하는 영상부
를 포함하고,
상기 변조부는,
상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하며, 상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 주기 제어가능 반사형 진폭 회절 격자(period controllable reflective amplitude grating)로 이용하여 서로 다른 각도를 가지도록 상기 입사광을 제어하여 상기 샘플에 입사시키는 것
을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.A modulator for modifying at least one of an irradiation angle of the incident light and a wavefront pattern by using a wavefront shaper to enter the sample;
An interferometer for measuring a two-dimensional optical field passing through the sample according to at least one of the incident light; And
Dimensional refractive index image through the information of the measured two-dimensional optical field,
Lt; / RTI >
Wherein the modulator comprises:
Wherein the wavefront controller uses a digital micromirror device (DMD) having an arrangement including a plurality of micromirrors, the digital micromirror device (DMD) being a periodically controllable periodic reflective diffraction grating reflective amplitude grating) to control the incident light to have different angles to be incident on the sample
Speed high-precision three-dimensional refractive index measuring device utilizing a wavefront controller. 제7항에 있어서,
상기 변조부는,
상기 파면 제어기로 다수의 마이크로미러를 포함하는 배열을 구비하는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD);
상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)에서 반사된 상기 2차원 광학장을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈; 및
상기 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈
를 포함하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.8. The method of claim 7,
Wherein the modulator comprises:
A digital micromirror device (DMD) having an arrangement including a plurality of micromirrors as the wavefront controller;
A first lens and a second lens that transmit the two-dimensional optical field reflected by the digital micromirror device (DMD); And
A plurality of lenses for enlarging the plane wave propagation angle and entering the sample,
Speed high-precision three-dimensional refractive index measuring device utilizing a wavefront controller including a light source. 적어도 하나 이상의 입사광 패턴을 샘플의 평면에 입사시키는 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device, DMD);
상기 입사광의 평면파 진행 각도를 확대하여 상기 샘플에 입사시키는 복수의 렌즈;
상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)의 상기 입사광 패턴을 변경하여 적어도 하나 이상의 상기 입사광 패턴에 대한 2차원 광학장을 측정하는 간섭계; 및
측정된 상기 2차원 광학장의 정보로부터 상기 입사광 패턴에 포함된 서로 다른 각도의 평면파에 대한 상기 샘플의 반응을 수치적으로 분석하여, 3차원 굴절률 영상을 획득하는 영상부
를 포함하고,
상기 디지털 마이크로미러 소자(DMD)를 입사광 패턴 제어기(illumination pattern controller)로 이용하여 서로 다른 패턴을 가지도록 상기 입사광을 제어하여 상기 샘플에 입사시키는 것
을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.A digital micromirror device (DMD) for making at least one incident light pattern incident on the plane of the sample;
A plurality of lenses for enlarging a plane wave propagation angle of the incident light and entering the sample;
An interferometer for changing the incident light pattern of the digital micromirror device (DMD) to measure a two-dimensional optical field of at least one of the incident light patterns; And
Dimensional refractive index image obtained by numerically analyzing the response of the sample to plane waves of different angles included in the incident light pattern from the measured information of the two-dimensional optical field,
Lt; / RTI >
The DMD is used as an illumination pattern controller to control the incident light to have different patterns to be incident on the sample
Speed high-precision three-dimensional refractive index measuring device utilizing a wavefront controller. 제9항에 있어서,
상기 영상부는,
구조화된 입사광(structured illumination)을 포함하여 기설정된 상기 입사광 패턴을 변경하며 상기 2차원 광학장을 측정함에 따라 측정된 상기 2차원 광학장의 정보로부터 상기 입사광 패턴에 포함된 위상 정보인 서로 다른 각도의 평면파에 대한 상기 샘플의 반응을 수치적으로 분석하고, 측정된 다수의 상기 2차원 광학장 정보를 바탕으로 상기 3차원 굴절률 영상을 획득하는 것
을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치. 10. The method of claim 9,
The video unit includes:
Wherein the phase information includes phase information included in the incident light pattern from the information of the two-dimensional optical field measured by measuring the two-dimensional optical field by modifying the predetermined incident light pattern including structured illumination, Numerically analyzing the response of the sample to the three-dimensional optical field information, and acquiring the three-dimensional refractive index image based on the plurality of measured two-dimensional optical field information
Speed high-precision three-dimensional refractive index measuring device utilizing a wavefront controller. 제7항 또는 제9항에 있어서,
상기 영상부는,
3차원 광 회절 단층촬영 알고리즘(3D optical diffraction tomography algorithm)에 입력하여 3차원 산란 포텐셜 또는 상기 3차원 굴절률 영상을 획득하는 것
을 특징으로 하는 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 장치.10. The method according to claim 7 or 9,
The video unit includes:
Obtaining a three-dimensional scattering potential or the three-dimensional refractive index image by inputting the three-dimensional optical diffraction tomography algorithm;
Speed high-precision three-dimensional refractive index measuring device utilizing a wavefront controller.
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