KR20170079441A - 진동 환경에서 큰 단차를 갖는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법 - Google Patents

진동 환경에서 큰 단차를 갖는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진동이 있는 환경에서, 단차가 큰 시료(즉, 광원의 파장값의 절반 이상 되는 단차를 갖는 시료)의 3차원 정보를 얻기 위해, 3개의 파장을 사용하는 디지털 홀로그램 현미경에서 홀로그램의 기록을 동시에 한 장의 홀로그램에 기록함으로써, 진동 및 단차에도 불구하고, 완벽한 시료의 3차원 정보를 얻을 수 있는 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법에 관한 것이다.
본 발명은, 디지털 홀로그램 현미경으로부터 홀로그램을 수신하여 연산처리하는 연산처리부를 포함하는 디지털 홀로그램 기록재생장치를 이용하여, 샘플의 높낮이를 측정하는 디지털 홀로그램 기록재생방법에 있어서, 연산처리부는 디지털 홀로그램 현미경으로부터 홀로그램을 수신하여 홀로그램의 영상값을 후리에 변환하는, FFT연산단계; 연산처리부는, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램에서 제1파장 내지 제3파장의 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역을 제외한 영역을 0로 하여, 제1파장의 광원에 의한 홀로그램인 제1파장 홀로그램, 제2파장의 광원에 의한 홀로그램인 제2파장 홀로그램, 제3파장의 광원에 의한 홀로그램인 제3파장 홀로그램의 영상을 재생하고, 각 위상을 검출하여, 제1파장 홀로그램 내지 제3파장 홀로그램의 위상영상을 획득하는, 각 파장 홀로그램의 위상영상 획득단계; 각 파장 홀로그램의 위상영상 획득단계에서 제1파장 홀로그램의 위상영상 내지 제3파장 홀로그램의 위상영상을 이용하여 제1비트 파장 위상영상 및 제2비트 파장 위상영상을 구하는, 제1비트파장 및 제2비트파장의 위상영상 획득단계; 제1비트파장 및 제2비트파장의 위상영상 획득단계에서 구하여진 제1비트 파장 위상영상 및 제2비트 파장 위상영상을 이용하여 제3비트파장 위상영상을 구하는, 제3비트파장 위상영상 획득단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

진동 환경에서 큰 단차를 갖는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법{Device and method for recording and reconstructing digital hologram of high step sample with vibrant environment}
본 발명은 진동 환경에서 큰 단차를 갖는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법에 관한 것으로, 보다 상세히는, 진동이 있는 환경에서, 단차가 큰 시료(즉, 광원의 파장값의 절반 이상 되는 단차를 갖는 시료)의 3차원 정보를 얻기 위해, 3개의 파장을 사용하는 디지털 홀로그램 현미경에서 홀로그램의 기록을 동시에 한 장의 홀로그램에 기록함으로써, 진동 및 단차에도 불구하고, 완벽한 시료의 3차원 정보를 얻을 수 있는 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법에 관한 것이다.
샘플의 위상을 찾아내어 높낮이를 찾아내는 간섭계에서 광원은 주로 레이저를 사용한다. 간섭계에서 레이저 파장 하나를 사용하는 경우에 샘플의 단차가 λ/2(허용단차) 이상인 경우에는 찾아낼 수 없다.
이러한 단차를 극복하는 방법은 단차(h)보다 파장(λ)이 더 큰 값을 갖는, 즉 λ/2>h 인 레이저 광원을 사용한다. CO2 레이저를 사용하는 경우에 파장이 10.6m 로 5.3m 이하의 단차를 측정할 수 있지만 눈에 보이지 않는 적외선이며, 모든 광학소자들이 적외선에 맞는 소재를 사용해야하므로 고가의 광학소자를 사용해야 한다. 또한 촬상소자는 일반 시계(visible) 영역의 촬상소자에 비해 저 해상도이며, 고가이다. 이러한 제약조건들 때문에 다른 방법으로 긴파장을 만들어 낸다.
두 개의 파장(λ1, λ2)을 사용하는 경우에 비트 파장(∧)을 만들어 낼 수 있는데, 비트파장(∧)은
Figure pat00001
이다.
예를 들어 λ1= 633nm, λ2= 532nm 이면 ∧= 3334nm 이다. 각각의 파장을 사용하는 경우에 허용단차는 316.5nm, 266nm 인데, 두 파장을 사용하는 경우에 새로운 비트파장인 3334nm가 만들어져 허용단차는 1667nm에 해당된다.
간섭계 중에 하나인 디지털 홀로그래피 현미경(Digital Holographic Microscope, DHM)은 단 한 장의 홀로그램 영상으로부터 샘플의 높낮이를 측정할 수 있는 3차원 현미경이다. 사용광원으로 레이저를 사용한다. DHM의 촬상소자에 촬영된 홀로그램 영상으로부터 샘플의 위상영상을 수치적으로 찾아내어 위상영상으로부터 샘플의 높낮이를 구할 수 있다. DHM 역시 샘플이 단차를 갖고 있는 경우에 DHM에 사용된 레이저광원의 파장값의 절반 이상 되는 단차는 측정할 수 없다.
디지털 홀로그램 기술은 기존의 홀로그램 기술(홀로그램 건판을 사용하여 사진 촬영과 같은 방식의 기록과 참조광 제공에 의한 3차원 영상을 재생하는 방법)로부터 출발하여 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 동영상 기록 장치를 이용하여 실시간으로 대상체의 홀로그램 데이터를 획득하고, 수치적 3차원 영상 재생의 방법으로 대상체(시료)의 3차원 데이터를 획득하는 방법이다. 이러한 방법은 약 30 여년 전에 개념적 방법론이 제안되어, CCD의 발전과 컴퓨터 연산 속도의 발전으로 수치적 3차원 영상 재생의 방법이 발전하여 현재 실용적 용도에 적용하기 위한 다수의 연구들이 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이와 같이 대상체의 3차원 데이터는 홀로그램 방법으로 기록함으로써 1회 촬영으로 대상체의 3차원 데이터를 획득하고, 수치적 재생으로 대상체의 3차원 데이터를 재구성하여 표시할 수 있으므로 3차원 데이터 획득, 처리, 표시 면에 있어서 앞서 개발되어온 첨단 현미경들에 비하여 비교할 수 없을 정도의 성능 향상을 기대할 수 있다. 이러한 3차원 데이터 관련 능력으로 보다 다양한 대상체의 데이터 표시 욕구를 충족시킬 수 있어서 다양한 응용이 가능하다.
디지털 홀로그램 현미경은 크게 대물렌즈를 사용하는 경우와 사용하지 않는 경우로 나눌 수 있으며 대물렌즈를 사용하는 경우는 또다시 투과형과 반사형 디지털 홀로그램 현미경으로 나눌 수 있다. 홀로그램 필름 대신에 CCD를 이용함으로써 CCD에 입력된 정보는 홀로그래픽용 필름에 감광된 현상과 일치하며 이론 또한 홀로그램의 일반 원리와 동일하다.
일반적으로 홀로그램의 기록을 위해서 레이저 광을 두 개로 나누어, 하나는 참조광으로 이용하고, 다른 하나는 물체광으로 이용하여, 두 개의 광의 간섭무늬를 홀로그램 건판에 기록하게 된다. 이렇게 기록된 건판을 현상하면 홀로그램이 만들어지게 되는데 이를 레이저광을 이용하여 재생함으로써 시료와 동일한 형태의 3차원 상인 실상과 허상을 얻을 수 있다.
이를 수식적으로 분석해 보면, 홀로그램 건판 상의 임의의 위치(x,y)에서, 홀로그램의 세기 IH(x,y)는, 수학식 1과 같다.
Figure pat00002
여기서 R은 참조파, O는 물체파를 나타내고 R*, O* 는 각각 참조파와 물체파의 공액복소수이다. │R│2는 참조광만의 세기이고, │O│2는 물체광만의 세기이며 R*O는 허상을 나타내며, RO*는 실상을 나타낸다.
도 1은 종래의 두 개의 파장을 사용하는 반사형 디지털 홀로그램 현미경의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 린씨텍(lynceetec) 사에서 판매하고 있는 2개의 파장, 즉, 제1 레이저 광원(11), 제2 레이저 광원(12)을 사용하는 반사형 DHM 계략도이다. 마흐젠더 간섭계를 이용했으며, 각각의 레이저광원을 빔스플리터(beam splitter)(20)를 이용하여 두 개로 나누어 하나는 물체광(O)으로 다른 하나는 참조광(R)으로 사용하였다. 물체광(O)으로 사용하는 각각의 레이저광(11, 12)은 광축이 일치하도록 하여 대물렌즈(30)로 입사시켰으며, 참조광(R)들은 빔스플리터(30) 및 다수의 거울을 이용하여 각각 광축에 다소 어긋나는 각도로 입사하도록 하고 물체광(O)과 결합하여 간섭무늬인 홀로그램을 만든다.
도 1과 같은 광학계 배치에서 간섭무늬는 격자모양의 일정한 주기를 가진 줄무늬가 형성된다. 제1 레이저 광원(11)에 의한 간섭무늬 모양은 45도로 기울어진 격자모양이며, 제2레이저 광원(12)에 의한 간섭무늬 모양은 135도 기울어진 격자모양을 갖는다. 이렇게 두 개의 간섭무늬가 동시에 CCD에 촬상되어 홀로그램이 기록된다.
도 2는 도1의 디지털 홀로그램 현미경을 사용하여 측정한 홀로그램과, 제1파장 및 제2파장 각각의 홀로그램을 재생한 위상영상의 일예이다.
도 2의 (a)는 도 1의 디지털 홀로그램 현미경을 사용하여 측정한 홀로그램을 나타내며, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 홀로그램을 푸리에 변환한 것을 나타내며, 도 2의 (c)는 제1파장(제1 레이저 광원(11))의 홀로그램을 재생한 위상영상을 나타내며, 도 2의 (d)는 제 2파장(제2레이저 광원(12))의 홀로그램을 재생한 위상영상을 나타낸다.
도 2의 (a)는 도 1의 lynceetec 사의 반사형 DHM으로 촬영된 홀로그램이다. 상기 홀로그램을 푸리에 변환(Fourier Transform)한 결과인 도 2의 (b)에서, 1상한과 3상한에 있는 밝은 부분들은 제1 레이저 광원(11)이 만든 간섭무늬에 의한 것이며, 도 2의 (b)에서, 2상한과 4상한에 있는 밝은 부분들은 제 2 레이저 광원(12)이 만든 간섭무늬에 의한 것이다. 상기 홀로그램 재생시 도 2의 (b)의 1상한의 동그라미 안에 있는 값만을 취하고 나머지 값을 0으로 취하여, 홀로그램을 재생하여, 얻은 위상영상이 도 2의 (c)이며, 상기 홀로그램 재생시 도 2의 (b)의 2상한의 동그라미 안에 있는 값만을 취하고 나머지 값을 0으로 취하여 홀로그램을 재생하여 얻은 위상영상이 도 2의 (d)이다. 즉, 위상영상인 도 2의 (c)는 제 1레이저 광원에 의한 위상영상이며, 도 2의 (d)는 제 2레이저 광원에 의한 위상영상이다.
도 3은 도 2를 이용하여 비트파장의 위상영상을 구하여 샘플의 높낮이 값을 나타낸 결과의 예이다.
도 3의 (a)는 도 2의 (c) 및 도 2의 (d)를 이용한 비트파장의 위상영상으로, 도 2의 (c)에서 도 2의 (d)을 제(빼기)하여 얻은 비트 파장에 의한 위상영상이다. 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 비트 파장의 위상영상을 위상 펼침(phase unwrapping)하여 얻은 결과인, 샘플의 높낮이 값을 그레이 레벨로 나타낸 그림이다. 도 3의 (c)는 도 3의 (b)를 3차원 디스플레이로 나타낸 그림이다.
DHM을 이용한 3차원 측정은 LCD/OLED 제조공정, 반도체 제조공정에서 불량검출 검사기로 사용할 수 있다. LCD/OLED 제조공정, 반도체 제조공정의 환경은 일반적으로 저주파수의 진동이 존재한다. 진동이 있는 상황에서 레이저 파장 하나를 사용하는 DHM을 이용한 3차원 측정은 단지 한 장의 홀로그램만이 필요하므로 측정이 가능하다. 하지만 진동이 있는 환경에서, 허용 단차의 높이를 높이기 위해 다수의 레이저 파장을 광원으로 사용하는 DHM의 경우에, 각 파장에 대한 홀로그램을 동시에 얻어야 한다. lynceetec 사의 반사형 DHM은 단차 및 진동을 극복하는 방법으로 파장을 두 개 사용하였다.
LCD/OLED 제조공정, 반도체 제조공정에서 샘플의 대부분은 단차를 가지고 있으며, 이들 단차는 0m ~ 40m 정도이다. 높이 10m 이상의 큰 단차를 측정하기 위해서는 두 개의 파장(λ1, λ2)으로 만드는 비트파장(∧)이 커져야 하는 데, 파장을 두 개 사용하는 경우에 각각의 파장으로 얻은 위상영상에서 노이즈 역시 ∧/λ1 배 만큼 증폭되게 된다. 따라서 비트파장(∧)을 더 길게 만드는 것 역시 제한된다.
선행기술로, 국내 등록특허 제10-1261694호는 가간섭 특성을 이용한 3차원 측정장치 및 그 측정방법으로, 단색필터를 이용하여 백색광 또는 단색광을 선택적으로 주사할 수 있게 함과 동시에 측정광의 광행로의 높이를 조절할 수 있게 하여 탈축홀로그램 방식과 백색광을 이용한 높이 측정 방식을 이용하여 3차원 영상을 얻을 수 있게 한다. 그러나, 국내 등록특허 제10-1261694호는 광원의 파장값의 절반 이상 되는 큰 단차를 갖는 샘플의 높이 측정은 어렵다.
이를 극복하기 위해서, 본 발명은 단차가 큰 시료(즉, 광원의 파장값의 절반 이상 되는 단차를 갖는 시료)의 3차원 정보를 얻기 위해, 3개의 파장을 사용하는 디지털 홀로그램 현미경에서 홀로그램의 기록을 동시에 한 장의 홀로그램에 기록함으로써 진동 및 단차에 의한 불명확한 시료의 3차원 정보를 해결하여 완벽한 시료의 3차원 정보를 얻을 수 있는 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법을 제안한다.
3개의 파장을 사용하여 보다 긴 파장을 만들어 낼 수 있는 데, 3개의 파장(λ1,λ2,λ3)을 사용하는 경우에, 3개의 비트파장(∧1, ∧2, ∧3)는 다음과 같다.
Figure pat00003
레이저광원으로 3개의 파장인 λ1,λ2,λ3파장을 사용하여 3개의 홀로그램을 얻고, 그 3개의 홀로그램에서 얻어진 위상값을 각각 Φ1, Φ2, Φ3 라 하면, 비트파장 ∧1, ∧2의 위상값은 각각 (Φ1-Φ2), (Φ2-Φ3) 이다. 이렇게 얻어진 상기 비트 파장의 위상값을 노이즈 필터를 사용하여 필터링하고 노이즈가 감소된 위상값을 각각 X1, X2라 하면, 비트파장 ∧3의 위상값은 X1-X2 이다. 이렇게 얻어진 상기 비트파장의 위상값을 위상 펼침(phase unwrapping)함으로써 단차가 큰 샘플의 높낮이 값을 얻을 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 진동이 있는 환경에서, 단차가 큰 시료의 3차원 정보를 얻기 위해, 3개의 파장을 사용하는 디지털 홀로그램 현미경에서 홀로그램의 기록을 동시에 한 장의 홀로그램에 기록함으로써 진동 및 단차에 의한 불명확한 시료의 3차원 정보를 해결하여 완벽한 시료의 3차원 정보를 얻을 수 있는 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 3개의 파장을 사용하는 디지털 홀로그램 현미경에서 광학적인 구성을 보다 유연하게 하기 위해 광원부와 측정부로 나누어 모듈화함으로써 보다 콤팩트한 디지털 홀로그램 기록재생장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 3개의 파장인 λ1,λ2,λ3파장을 사용하여 3개의 홀로그램을 얻고, 그 3개의 홀로그램에서 얻어진 위상값 Φ1, Φ2, Φ3 라 하면, 비트파장 ∧1, ∧2의 위상값은 각각 (Φ1-Φ2), (Φ2-Φ3) 이며, 이 비트 파장의 위상값을 노이즈 필터를 사용하여 필터링하고 노이즈가 감소된 위상값을 각각 X1, X2라 할때, 비트파장 ∧3의 위상값은 X1-X2 이며, 이렇게 얻어진 비트파장의 위상값을 위상 펼침(phase unwrapping) 함으로써 단차가 큰 샘플의 높낮이 값을 구하는, 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치는, 파장이 서로 다른 3개의 광원으로부터의 광들을 각각 참조광과 물체광으로 나누어 출사하는 광원부; 광원부로부터 수신된 물체광이 샘플에 전달되어 샘플로부터 산란 및 반사되는 물체광과, 광원부로부터 수신된 참조광을 결합하여 간섭무늬를 포함하는 홀로그램을 생성하여 촬상소자로 촬상하는 측정부; 측정부로부터 홀로그램을 수신하고, 홀로그램의 위상값을 검출하고, 검출된 홀로그램의 위상값을 이용하여 홀로그램 비트파장 위상영상을 획득하는 연산처리부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
광원부는, 제1파장의 광원, 제2파장의 광원, 제3파장의 광원을 구비하며, 제1파장의 광원으로부터의 광을 제1빔스플리터를 통해 제1참조광과 물체광으로 나누고, 제1참조광은 제1집광렌즈를 통해 제1광섬유로 입사되며, 제2파장의 광원으로부터의 광을 제1빔스플리터를 통해 제2참조광과 물체광으로 나누고, 제2참조광은 제2집광렌즈를 통해 제2광섬유로 입사되며, 제3파장의 광원으로부터의 광을 제3빔스플리터를 통해 제3참조광과 물체광으로 나누고, 제3참조광은 제3집광렌즈를 통해 제3광섬유로 입사되며, 제1빔스플리터를 통한 물체광, 제2빔스플리터를 통한 물체광, 제3빔스플리터를 통한 물체광은 물체광 집광렌즈를 통해 제4광섬유로 입사된다.
측정부는 제1광섬유 내지 제3광섬유로 부터 입사된 제1참조광 내지 제3참조광이, 광축으로부터 어긋나도록 만들어주는 광축조절장치를 통과하여, 빔컴바이너로 전송되도록 이루어진다.
측정부는, 제4광섬유로 부터 입사된 물체광이, 콜리메이팅(collimating) 렌즈, 포커스 렌즈를 통해 측정부 빔스플리터로 입사되며, 해 측정부 빔스플리터로 입사된 상기 물체광이 측정부 빔스플리터에서 반사되어 대물렌즈를 통해 샘플에 조사되며, 샘플에 조사된 물체광이 샘플에서 반사 및 산란되어, 대물렌즈에 결상되며, 대물렌즈에 결상된 물체광이 빔스플리터를 거쳐 빔컴바이너로 전송되도록 이루어진다.
제1파장은 630nm 이고, 제2파장은 670nm 이고, 제3파장은 710nm 일 수 있으며, 광축조절장치는 제1광섬유 내지 제3광섬유의 일단이 연결되는 광출사 포트에 구비되며, 촬상소자는 CCD(Charge Coupled Device)일 수 있다.
연산처리부는, 측정부로부터 수신된 홀로그램을 후리에 변환을 행하고, 후리에 변환을 행한 홀로그램에서 제1파장 내지 제3파장의 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역을 제외한 영역을 0로 하여, 제1파장의 광원에 의한 홀로그램인 제1파장 홀로그램, 제2파장의 광원에 의한 홀로그램인 제2파장 홀로그램, 제3파장의 광원에 의한 홀로그램인 제3파장 홀로그램의 영상을 재생한다.
연산처리부는 재생된 제1파장 홀로그램 내지 제3파장 홀로그램의 영상 각각에서 각 화소별 위상값을 구하여, 제1파장 홀로그램 내지 제3파장 홀로그램의 위상영상을 구한다.
연산처리부는, 제1파장 홀로그램 내지 제3파장 홀로그램의 영상 각각에서 각 화소별 위상값을 이용하여 제1비트파장 위상영상 및 제2비트파장 위상영상을 구하고, 제1비트파장 위상영상 및 제2비트파장 위상영상을 이용하여 제3비트파장 위상영상을 구한다.
제1파장 홀로그램 정보를 가진 영역은 홀로그램 영상의 2상한 영역이며, 제2파장 홀로그램 정보를 가진 영역은 홀로그램 영상의 1상한 영역이며, 제3파장 홀로그램 정보를 가진 영역은 홀로그램 영상의 x축 양방향이다.
제1파장 홀로그램 정보를 가진 영역은, 홀로그램 영상의 푸리에변환 좌표에서, x축과 120도를 이루는 각도에 위치되는 영역이며, 제2파장 홀로그램 정보를 가진 영역은 홀로그램 영상의 푸리에변환 좌표에서, x축과 60도를 이루는 각도에 위치되는 영역이며, 제3파장 홀로그램 정보를 가진 영역은 홀로그램 영상의 푸리에변환 좌표에서, x축과 0도를 이루는 각도에 위치되는 영역이다.
또한, 본 발명은, 디지털 홀로그램 현미경으로부터 홀로그램을 수신하여 연산처리하는 연산처리부를 포함하는 디지털 홀로그램 기록재생장치를 이용하여, 샘플의 높낮이를 측정하는 디지털 홀로그램 기록재생방법에 있어서, 연산처리부는 디지털 홀로그램 현미경으로부터 홀로그램을 수신하여 홀로그램의 영상값을 후리에 변환하는, FFT연산단계; 연산처리부는, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램에서 제1파장 내지 제3파장의 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역을 제외한 영역을 0로 하여, 제1파장의 광원에 의한 홀로그램인 제1파장 홀로그램, 제2파장의 광원에 의한 홀로그램인 제2파장 홀로그램, 제3파장의 광원에 의한 홀로그램인 제3파장 홀로그램의 영상을 재생하고, 각 위상을 검출하여, 제1파장 홀로그램 내지 제3파장 홀로그램의 위상영상을 획득하는, 각 파장 홀로그램의 위상영상 획득단계; 각 파장 홀로그램의 위상영상 획득단계에서 제1파장 홀로그램의 위상영상 내지 제3파장 홀로그램의 위상영상을 이용하여 제1비트 파장 위상영상 및 제2비트 파장 위상영상을 구하는, 제1비트파장 및 제2비트파장의 위상영상 획득단계; 제1비트파장 및 제2비트파장의 위상영상 획득단계에서 구하여진 제1비트 파장 위상영상 및 제2비트 파장 위상영상을 이용하여 제3비트파장 위상영상을 구하는, 제3비트파장 위상영상 획득단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
제1비트파장 및 제2비트파장의 위상영상 획득단계는, 연산처리부는, 제1파장 홀로그램 영상의 각 화소의 위상값에서, 제2파장 홀로그램 영상의 해당 화소의 위상값을 뺌에 의해, 해당 화소의 제1비트파장의 위상값을 구하여, 제1비트파장 위상영상을 획득하고, 획득된 제1비트파장 위상영상을 노이즈 필터링을 행하는, 제1비트파장 위상영역 획득단계; 연산처리부는, 제2파장 홀로그램 영상의 각 화소의 위상값에서, 제3파장 홀로그램 영상의 해당 화소의 위상값을 뺌에 의해, 해당 화소의 제2비트파장의 위상값을 구하여, 제2비트파장 위상영상을 획득하고, 획득된 제2비트파장 위상영상을 노이즈 필터링을 행하는, 제2비트파장 위상영역 획득단계;를 포함하여 이루어진다.
제3비트파장 위상영상 획득단계에서, 연산처리부는, 제1비트파장 위상영역 획득단계에서 획득된 제1비트파장 위상영상의 각 화소의 위상값에서, 제2비트파장 위상영역 획득단계에서 획득된 제2비트파장 위상영상의 해당 화소의 위상값을 뺀 값을, 해당화소의 제3비트파장 위상값으로 검출하여, 제3비트파장 위상영상을 획득한다.
각 파장 홀로그램의 위상영상 획득단계에서, 제1파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상의 2상한 영역이며, 제2파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상의 1상한 영역이며, 제3파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상의 x축 양방향 영역이다.
각 파장 홀로그램의 위상영상 획득단계에서, 제1파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상에서, 후리에변환 좌표를 기준으로, x축과 120도를 이루는 각도를 이루는 영역이며, 제2파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상에서, 후리에변환 좌표를 기준으로, x축과 60도를 이루는 각도를 이루는 영역이며, 제3파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상에서, 후리에변환 좌표를 기준으로, x축과 0도를 이루는 각도를 이루는 영역이다.
본 발명에 의하면, 단차가 큰 시료 및 진동이 있는 환경에서 3개의 파장의 레이저 광원을 사용하는 디지털 홀로그램 현미경 등과 같은 디지털 홀로그램 기록재생장치에 의해 3개의 파장에 의한 홀로그램을 동시에 기록함으로써 단차 및 진동의 문제를 해결하여 완벽한 시료의 3차원 정보를 얻을 수 있게 된다. 또한 3개의 파장을 사용하는 디지털 홀로그램 현미경에서 광학적인 구성을 보다 유연하게 하기 위해 광원부와 측정부로 나누어 모듈화함으로써 보다 콤팩트한 디지털 홀로그램 기록재생장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 3개의 파장인 λ1,λ2,λ3파장을 사용하여 3개의 홀로그램을 얻고, 그 3개의 홀로그램에서 얻어진 위상값 Φ1, Φ2, Φ3 라 하면, 비트파장 ∧1, ∧2의 위상값은 각각 (Φ1-Φ2), (Φ2-Φ3) 이며, 이 비트 파장의 위상값을 노이즈 필터를 사용하여 필터링하고 노이즈가 감소된 위상값을 각각 X1, X2라 할때, 비트파장 ∧3의 위상값은 X1-X2 이며, 이렇게 얻어진 비트파장의 위상값을 위상 펼침(phase unwrapping) 함으로써 단차가 큰 샘플의 높낮이 값을 구하는, 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 두 개의 파장을 사용하는 반사형 디지털 홀로그램 현미경의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도1의 디지털 홀로그램 현미경을 사용하여 측정한 홀로그램과, 제1파장 및 제2파장 각각의 홀로그램을 재생한 위상영상의 일예이다.
도 3는 도 2를 이용하여 비트파장의 위상영상을 구하여 샘플의 높낮이 값을 나타낸 결과의 예이다.
도 4는 본 발명의 3개의 파장을 사용하는 디지털 홀로그램 기록재생장치의 구성을 개략적으로 설명하는 설명도이다.
도 5는 도 4의 디지털 홀로그램 기록재생장치의 광원부를 개략적으로 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 도 4의 디지털 홀로그램 기록재생장치의 측정부를 개략적으로 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 도 4의 디지털 홀로그램 기록재생장치의 연산처리부에서 홀로그램을 푸리에 변환한 결과 및 각 파장에 의해 만들어지는 홀로그램의 간섭무늬를 설명하는 모식도이다.
도 8은 도 4의 디지털 홀로그램 기록재생장치의 연산처리부에서 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 9는 도 8의 비트 파장 위상영상 획득단계를 설명하는 흐름도이다.
이하에서는, 본 발명의 진동 환경에서 큰 단차를 갖는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 3개의 파장을 사용하는 디지털 홀로그램 기록재생장치의 구성을 개략적으로 설명하는 설명도로, 디지털 홀로그램 기록재생장치(1)는 광원부(60), 측정부(70), 연산처리부(900), 광섬유(5, 6, 7, 8)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 광섬유(5, 6, 7, 8)는 제1광섬유(5), 제2광섬유(6), 제3광섬유(7), 제4광섬유(8)를 말한다.
본 발명에 따른 디지털 홀로그램 기록재생장치(1)는 반사형 디지털 홀로그램 현미경을 포함하여 이루어지며, 도 4에서는 디지털 홀로그램 기록재생장치(1)를 모듈형태로나타낸다. 여기서, 반사형 디지털 홀로그램 현미경은 광원부(60), 측정부(70), 광섬유(5, 6, 7, 8)를 포함하여 이루어질 수 있다.
광원부(60)는 3개의 광원을 포함하며, 또한 3개의 광원에서 발생되는 광을 참조광과 물체광을 만들기 위한 수단을 포함한다. 3개의 광원에서 발생된 참조광은 3개의 광섬유(5,6,7)을 통해 측정부(411)로 전송되고, 3개의 광원에서 발생된 물체광을 광섬유(8)을 통해 측정부(411)로 전송된다. 광원부(60)는 광입사 포트(400, 401, 402, 500)를 구비하며, 광입사 포트(400, 401, 402, 500) 는 광원부(60)로 부터 광섬유(5, 6, 7, 8)로 광이 입사되는 포트로, 각 광섬유의 일단이 위치된다.
측정부(70)는 물체광과 참조광을 결합하여 간섭무늬를 만들기 위한 수단이다. 측정부(70)는 광원부(60)로부터 수신된 물체광을 대물렌즈(200)를 통해 샘플(300)에 전달하고 샘플(300)로부터 반사되는 물체광과, 광원부(60)로부터 수신된 참조광을 결합한 영상을 촬상소자(800)로 촬상하여 연산처리부(900)로 전송한다. 상기 영상은 물체광과 참조광이 결합하여 만들어진 간섭무늬를 포함한다. 측정부(70)는 광출사 포트(410, 411, 412, 510)을 구비하며, 광출사 포트(410, 411, 412, 510)는 광섬유(5, 6, 7, 8)로 부터 측정부(70)로 광이 출사되는 포트로, 각 광섬유의 타단이 위치된다. 특히, 광출사 포트(410, 411, 412)에는 광축조절장치가 구비된다.
연산처리부(900)는 측정부(70)로부터 수신된 간섭무늬를 포함하는 영상으로부터 간섭무늬를 수치적으로 분석하여, 샘플의 높낮이를 측정한다.
즉, 디지털 홀로그램 기록재생장치(1)은, 크게 참조광과 물체광을 만드는 광원부(60), 상기 만들어진 참조광과 물체광을 전송하기 위한 광섬유(5, 6, 7, 8), 상기 광섬유로 전송된 물체광과 참조광을 결합하여 간섭무늬를 만들기 위한 측정부(70), 상기 기록된 간섭무늬를 수치적으로 분석하는 소프트웨어를 포함하는 연산처리부(900) 등으로 구성되어 진다.
도 5는 도 4의 디지털 홀로그램 기록재생장치의 광원부(60)를 개략적으로 설명하기 위한 모식도이다.
광원부(60)는 3개의 광원(600, 601,602), 3개의 빔스플리터(700, 701, 702), 3개의 집광렌즈(750, 751,752), 물체광 집광렌즈(753)를 포함하여 이루어진다.
광원부(60)는 3개의 광원, 즉 제1광원(600), 제2광원(601), 제3광원(602)를 포함하며, 이들 광원은 가간섭성이 좋은 레이저빔을 사용한다. 단차를 극복하고, 비트파장의 위상영상의 노이즈를 줄일 수 있는, 비트파장은 두 개의 파장간의 차가 약 30nm 정도로, 일예로, 제1광원(600)을 630nm 파장을 가진 레이저를 사용하고, 제2광원(601)으로 670nm 파장을 가진 레이저를 사용하고, 제3광원(602)으로 710nm 파장을 가진 레이저를 사용할 수 있다. 이 경우 만들어지는 제1비트파장 및 제2비트파장은 10.55㎛, 11.89㎛ 이며,또한 상기 제1비트파장 및 제2비트파장으로부터 생성된 제3비트파장은 93.6㎛이다.
광원부(60)는 3개의 빔스플리터(beam splitter), 즉, 제1빔스플리터(700), 제2빔스플리터(701), 제3빔스플리터(702)와, 3개의 집광렌즈, 즉 제1집광렌즈(750), 제2집광렌즈(751), 제3집광렌즈(752)를 포함한다.
제1빔스플리터(700)는 제1광원(600)으로부터의 광을 2개로, 즉, 참조광과 물체광으로 나누고, 물체광은 물체광 집광렌즈(753) 및 광섬유(8)를 통해 측정부(70)로 전달되고, 참조광은 제1집광렌즈(750) 및 광섬유(7)를 통해 측정부(70)로 전달된다.
제2빔스플리터(701)는 제2광원(601)으로부터의 광을 2개로, 즉, 참조광과 물체광으로 나누고, 물체광은 물체광 집광렌즈(753) 및 광섬유(8)를 통해 측정부(70)로 전달되고, 참조광은 제2집광렌즈(751) 및 광섬유(6)를 통해 측정부(70)로 전달된다.
제3빔스플리터(702)는 제3광원(602)으로부터의 광을 2개로, 즉, 참조광과 물체광으로 나누고, 물체광은 물체광 집광렌즈(753) 및 광섬유(8)를 통해 측정부(70)로 전달되고, 참조광은 제3집광렌즈(752) 및 광섬유(5)를 통해 측정부(70)로 전달된다.
부연설명하면, 참조광 및 물체광을 만들기 위해서 3개의 광원(600, 601,602)의 레이저 빔 각각을 각 빔스플리터(700, 701, 702)를 통해 두 개의 빔, 즉, 참조광 및 물체광으로 나눈다. 3개의 빔스플리터(700, 701, 702)는, 일례로, 하프-미러(half-mirror)를 이용하여 만들 수 있다. 3개의 빔스플리터(700, 701, 702) 각각에 의해 나누어진 두 개의 빔 중에서 하나의 빔이 참조광이다. 각 참조광을 각 광섬유(5,6,7)로 집광하기위해 각 집광렌즈(750, 751,752)를 사용하여 광입사 포트(400, 401, 402)의 각 광섬유의 일단에 각 파장의 참조광을 집광한다.
또한, 각 빔스플리터(700, 701, 702)를 통해 나누어진 두 개의 빔 중 다른 하나, 즉 물체광들은 같은 축으로 결합되며, 광섬유(8)에 집광하기 위해 물체광 집광렌즈(753)로 광입사 포트(500)의 광섬유의 일단에 물체광을 집광한다.
도 6은 도 4의 디지털 홀로그램 기록재생장치의 측정부(70)를 개략적으로 설명하기 위한 모식도이다.
광섬유(5, 6, 7)로 전송된 3개의 파장의 참조광을 광출사 포트(410, 411, 412)의 광축조절장치를 이용하여 광축에 어긋나도록 만들어 주게 되며, 광축조절장치로 부터 출사된 광은 빔컴바이너(beam combiner)(50)로 전송된다.
광섬유(8)로 전송된 물체광을, 광출사 포트(510)의 광섬유의 일단이 초점거리인 콜리메이팅(collimating) 렌즈(550)로 평행광을 만들고, 포커스 렌즈(560)로 포커싱해서, 빔스플리터(즉, 측정부 빔스플리터)(51)에 반사되어 대물렌즈(200)의 백 포컬 포인트(back focal point)에 포커스 한다. 이렇게 포커스된 물체광은 대물렌즈(200)를 통해 샘플에 평행한 빔으로 조사된다.
샘플에 조사된 평행한 빔이 샘플에서 반사 및 산란되어 대물렌즈(500)로 결상되어, 빔스플리터(51)를 거쳐 빔컴바이너(50)로 전송된다.
빔컴바이너(50)에서 광축조절장치를 이용하여 광축에 어긋나도록 만들어진 참조광과, 샘플에서 반사 및 산란되어, 대물렌즈(500)와 빔스플리터(51)를 거쳐 들어온 물체광이 결합되어, 촬상소자(800)에 투영되어 홀로그램을 생성한다. 여기서 촬상소자(800)는 CCD 일 수 있다.
즉, 샘플에 조사된 평행한 빔이 샘플에서 반사 및 산란되어 대물렌즈(500)로 결상되어, 빔스플리터(51)와 빔컴바이너(50)를 거쳐 촬상소자(800)인 CCD에 투영되며, 이때 빔컴바이너(50)에서 광섬유(5, 6, 7)로 전송된 참조광과 결합하여 촬상소자(800)인 CCD에 홀로그램이 투영된다.
촬상소자(800)에 투영된 홀로그램은, 촬상소자(800)로부터 연산처리부(900)로 전송된다.
도 7은 도 4의 디지털 홀로그램 기록재생장치의 연산처리부(900)에서 홀로그램을 푸리에 변환한 결과 및 각 파장에 의해 만들어지는 홀로그램의 간섭무늬를 설명하는 모식도이다.
도 7의 (a)는 촬상소자(800)에 투영된 홀로그램을 촬영하고 촬영된 홀로그램을 푸리에변환한 결과이고, 도 7의 (b)는 제1광원(600), 즉, 제 1파장의 레이저 광원에 의해 만들어진 홀로그램의 간섭무늬 모양을 나타내며, 도 7의 (c)는 제2광원(601), 즉, 제 2파장의 레이저 광원에 의해 만들어진 홀로그램의 간섭무늬모양을 나타내며, 도 7의 (d)는 제3광원(602), 즉, 제 3파장의 레이저 광원에 의해 만들어진 홀로그램의 간섭무늬 모양을 나타낸다.
도 7의 (b)와 같은 모양의 간섭무늬를 푸리에변환 하면 도 7의 (a)의 2상한의 보라색 원(82)(x축과 120도 각도)와 4상한의 보라색 원(85))안에, 제1광원(600), 즉, 제 1파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램 정보가 있다. 다시말해 제 1파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램 정보는 2상한에 있다.
도 7의 (c)와 같은 모양의 간섭무늬를 푸리에변환 하면 도 7의 (a)의 1상한의 빨강색 원(81)(x축과 60도 각도)과 3상한의 빨강색 원(84)안에, 제2광원(601), 즉, 제 2파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램 정보가 있다. 다시말해 제 2파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램 정보는 1상한에 있다.
도 7의 (d)와 같은 모양의 간섭무늬를 푸리에변환하면 도 7(a)의 x축 양의 방향의 초록색 원(80)(x축과 0도 각도)와 x축 음의 방향의 초록색 원(83) 안에, 제3광원(602), 즉, 제 3파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램 정보가 있다. 다시말해 제 3파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램 정보는 x축 양의 방향에 있다.
따라서 연산처리부(900)는 제 1파장(λ1)의 홀로그램(즉, 제 1파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램) 재생시, 도 7의 (a)의 2상한의 보라색 원(82)안에 있는 값만을 취하고 나머지 값을 0으로 놓고 홀로그램을 재생하여 제 1파장(Φ1)의 위상영상을 얻는다. 제 2파장(λ2)의 홀로그램(즉, 제 2파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램) 재생시 도 7의 (a)의 1상한의 빨강색 원(81) 안에 있는 값만을 취하고 나머지 값을 0으로 놓고 홀로그램을 재생하여 제 2파장(Φ2)의 위상영상을 얻는다. 제 3파장(λ3)의 홀로그램(즉, 제 3파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램) 재생시 도 7의 (a)의 x축 양의 방향의 초록색 원(80) 안에 있는 값만을 취하고 나머지 값을 0으로 놓고 홀로그램을 재생하여 제 3파장의 위상영상(Φ3)을 얻는다.
다시말해, 홀로그램을 푸리에변환 시에, 3개의 파장에 의한 홀로그램 영역이 푸리에변환 좌표에서, 제 1파장에 의한 영역은 x축과 120도를 이루는 각도에서, 제 2파장에 의한 영역은 x축과 60도를 이루는 각도에서, 제 3파장에의한 영역은 x축과 0도를 이루는 각도에서 나타나도록 홀로그램을 만든다.
제1파장 내지 제3파장(λ1, λ2, λ3)을 사용하는 경우에, 제1비트파장 내지 제3비트파장(∧1,∧2,∧3)은 다음에 의해 구하여진다.
Figure pat00004
제1파장(λ1) 레이저 광원, 제2파장(λ2) 레이저 광원, 제3파장(λ3) 레이저 광원을 사용하여 3개의 홀로그램을 얻고, 그 3개의 홀로그램에서 얻어진 위상값은 각각 Φ1, Φ2, Φ3 이다. 여기서 제1비트파장(∧1)의 위상값은 (Φ1-Φ2)이고, 제2비트파장(∧2)의 위상값은 (Φ2-Φ3)이다.
이렇게 얻어진 제1비트파장(∧1)의 위상값 및 제2비트파장(∧2)의 위상값을 노이즈 필터를 사용하여 필터링하고 노이즈가 감소된 위상값을 각각 X1, X2라 하면, 제3비트파장(∧3)의 위상값은 X1-X2 이다.
이렇게 얻어진 위상값(즉, 제3비트파장(∧3)의 위상값)을 위상 펼침(phase unwrapping)을 함으로써 샘플의 높낮이 값을 얻을 수 있다.
이러한 과정은 연산처리부(900)에 저장된 소프트웨어(101)를 통하여 이루어지며, 연산처리부(900)는 컴퓨터 장치일 수 있다.
도 8은 도 4의 디지털 홀로그램 기록재생장치의 연산처리부(900)에서 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이고, 도 9는 도 8의 비트 파장 위상영상 획득단계를 설명하는 흐름도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 구현과정에서 수치해석 과정을 나타내는 블록도이다.
3파장 디지털 홀로그램 수신단계로, 연산처리부(900)은 3파장 디지털 홀로그램 현미경(즉, 촬상소자(800))로부터 홀로그램 영상(즉, 3파장 디지털 홀로그램)을 수신하고(S10), 메모리부(미도시)에 저장한다(S20).
비트 파장 위상영상 획득단계로, 연산처리부(900)는 저장된 홀로그램 영상을 읽어들여, 후리에 변환하고, 후리에 변환된 영상으로부터, 각 파장의 광원에 의한 홀로그램정보 영역을 제외한 영역을 0로 하여, 각파장의 광원에 의한 홀로그램 영상을 재생한다. 즉, 제 1파장의 레이저 광원에 의해 만들어진 홀로그램(이하 '제1파장의 홀로그램'이라 함), 제 2파장의 레이저 광원에 의해 만들어진 홀로그램(이하 '제2파장의 홀로그램'이라 함), 제 3파장의 레이저 광원에 의해 만들어진 홀로그램(이하 '제3파장의 홀로그램'이라 함)을 재생한다. 제1파장 내지 제3파장의 홀로그램의 위상값을 이용하여 제1비트파장 및 제2비트파장의 위상영상을 구하고, 제1비트파장 및 제2비트파장의 위상영상을 이용하여 제3비트파장의 위상영상을 획득한다(S30).
3차원 정보 출력단계로 연산처리부(900)는 지 제3비트파장의 위상영상을 출력하거나, 또는 제1비트파장 내지 제3비트파장의 위상영상을 출력한다.
도 9의 비트 파장 위상영상 획득단계를 설명하기에 앞서, 홀로그램 재생 방법(홀로그램 재생 알고리즘)에 적용되는 수치적 해석 방법을 간략히 설명한다.
디지털 홀로그래피와 디지털 홀로그래피 현미경의 차이는 물체광이 렌즈(MO)에 의한 확대 유무만 다르다. 일반적으로 디지털 홀로그래피에서 홀로그램을 저장하는 장치로 CCD를 사용한다. 상기 CCD의 사양은 픽셀 수 Nx × Ny, 픽셀크기(△x × △y)와 센서크기(LX × Ly)로 주어진다. 상기 CCD의 (k, l) 픽셀에 저장되는 간섭세기 정보는 수학식 2와 같다.
Figure pat00005
수학식 2와 같이, 참조광과 물체광에 의한 홀로그램 데이터는 수치적 영상 재생에 이용된다. 수치적 재생 파동은 참조광과 홀로그램데이터(Ih)를 이용하여 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure pat00006
여기서 첫 번째 항과 두 번째 항은 0차 회절이고, 세 번째 항은 허상, 네 번째 항은 실상이다. 프레넬 방정식(Fresnel's equation)을 이용하여 영상이 맺히는 지점에서의 파동분포는 수학식 4와 같다.
Figure pat00007
여기서 λ는 사용된 빛의 파장이고, d는 CCD에서 영상이 재생되는 곳까지의 거리이고, A는 상수이고, 여기서ξ,η은 주파수 공간의 좌표이고, x, y는 시간공간의 좌표이다.
수학식 4는
Figure pat00008
을 주파수 공간
Figure pat00009
으로 푸리에 변환(Fourier Transform) 한 것이다. 일반적으로 수학식 4를 계산하기 위하여 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘을 이용한다. 수학식 4는 복소수이기 때문에 재생 영상은 수학식 5와 같이 얻어진다.
Figure pat00010
그리고 위상 영상은 수학식 6과 같이 주어진다. 여기서 m, n은 재생영상의 좌표이다.
Figure pat00011
수학식 5와 수학식 6을 이용하여 2차원 영상과 3차원 영상을 구현할 수 있다.
수학식 2에서부터 수학식 6에 이르는 방법을 통해 3개의 파장의 홀로그램 각각을 재생하게 되는데 재생시 파라메타를 입력해야 한다. 주요 입력 파라메타는 CCD 사양, 빛의 파장, d(CCD에서 영상이 재생되는 곳까지의 거리)이다. 3개의 파장의 홀로그램 재생시, 상기 입력 파라메타에서 빛의 파장은 각각의 3개의 파장값을 입력하고, 나머지 파라메타, 즉 CCD 사양 등은 정해져 있는 값으로 이는 동일한 값을 입력한다. 상기 입력 파라메타를 재생 알고리즘의 입력값으로 넣어 재생하여 파장별 위상영상을 획득하게 된다. 여기서, 제1 파장 위상영상은 제 1파장에 의한 홀로그램의 위상영상이며, 제2 파장 위상영상은 제 2파장에 의한 홀로그램의 위상영상이며, 제3 파장 위상영상은 제 3파장에 의한 홀로그램의 위상영상이다. 제 1파장 위상영상과 제2파장 위상영상으로부터 제 1비트 파장 위상영상을 수치적으로 구하고, 제 2파장 위상영상과 제3파장 위상영상으로부터 제 2비트 파장 위상영상을 수치적으로 구한다. 제 3비트 파장 위상영상은 제1비트 파장 위상영상과 제2비트 파장 위상영상을 노이즈 제거후에 수치적으로 얻을 수 있다.
도 9를 참조하여, 비트 파장 위상영상 획득단계를 설명한다.
FFT연산단계로, 측정부로부터 수신되어 메모리에 저장된 홀로그램을 메모리부로부터 읽어들여 각각 FFT(Fast Fourier Transform)한다(S50, S70).
제1파장 홀로그램 영역값 정리단계로, 제 1파장의 레이저 광원에 의해 만들어진 홀로그램(즉, 제1파장의 홀로그램)의 재생을 위해, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램에서 2상한을 제외한 영역은 0로 한다. 즉, 제 1파장의 홀로그램 영역값(2상한) 외에 값은 0으로 한다(S110). 이는 도 7의 (a) 및 도 7의 (b)를 참조하여, 제 1파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램 정보는 2상한에 있기 때문이다
제1파장 홀로그램의 재생 파라메타 입력단계로, 키입력부(미도시)를 통해 입력된 재생 파라메타, 즉, CCD 사양, 빛의 파장, d(CCD에서 영상이 재생되는 곳까지의 거리)를 연산처리부(900)는 수신한다(S120). 여기서, 제1파장을 630nm로 할 수 있다.
제1파장 홀로그램의 영상 재생단계로, 제1파장 홀로그램 영역값 정리단계에서 정리된 제1파장 홀로그램을, 연산처리부(900)는 공지된(시판되는) 영상재생 알고리듬을 사용하여 입력된 재생 파라메타에 따라 영상으로 재생한다(S130).
제1파장 홀로그램의 위상영상획득단계로, 제1파장 홀로그램의 영상 재생단계에서 재생된 제1파장 홀로그램 영상의 각 화소에서 위상값을 구하여, 제1파장 홀로그램의 위상영상을 획득한다(S140).
제2파장 홀로그램 영역값 정리단계로, 제 2파장의 레이저 광원에 의해 만들어진 홀로그램(즉, 제2파장의 홀로그램)의 재생을 위해, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램에서 1상한을 제외한 영역은 0로 한다. 즉, 제 2파장의 홀로그램 영역값(1상한) 외에 값은 0으로 한다(S210). 이는 도 7의 (a) 및 도 7의 (c)를 참조하여, 제 2파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램 정보는 1상한에 있기 때문이다.
제2파장 홀로그램의 재생 파라메타 입력단계로, 키입력부(미도시)를 통해 입력된 재생 파라메타, 즉, CCD 사양, 빛의 파장, d(CCD에서 영상이 재생되는 곳까지의 거리)를 연산처리부(900)는 수신한다(S220). 여기서, 제2파장을 670nm로 할 수 있다.
제2파장 홀로그램의 영상 재생단계로, 제2파장 홀로그램 영역값 정리단계에서 정리된 제2파장 홀로그램을, 연산처리부(900)는 공지된(시판되는) 영상재생 알고리듬을 사용하여 입력된 재생 파라메타에 따라 영상으로 재생한다(S230).
제2파장 홀로그램의 위상영상획득단계로, 제2파장 홀로그램의 영상 재생단계에서 재생된 제2파장 홀로그램 영상의 각 화소에서 위상값을 구하여, 제2파장 홀로그램의 위상영상을 획득한다(S240).
제3파장 홀로그램 영역값 정리단계로, 제 3파장의 레이저 광원에 의해 만들어진 홀로그램(즉, 제3파장의 홀로그램)의 재생을 위해, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램에서 x축 양방향을 제외한 영역은 0로 한다. 즉, 제 3파장의 홀로그램 영역값(x축 양방향) 외에 값은 0으로 한다(S310). 이는 도 7의 (a) 및 도 7의 (d)를 참조하여, 제 3파장의 레이저 광원으로 만든 홀로그램 정보는 x축 양방향에 있기 때문이다.
제3파장 홀로그램의 재생 파라메타 입력단계로, 키입력부(미도시)를 통해 입력된 재생 파라메타, 즉, CCD 사양, 빛의 파장, d(CCD에서 영상이 재생되는 곳까지의 거리)를 연산처리부(900)는 수신한다(S320). 여기서, 제3파장을 710nm로 할 수 있다.
제3파장 홀로그램의 영상 재생단계로, 제3파장 홀로그램 영역값 정리단계에서 정리된 제3파장 홀로그램을, 연산처리부(900)는 공지된(시판되는) 영상재생 알고리듬을 사용하여 입력된 재생 파라메타에 따라 영상으로 재생한다(S330).
제3파장 홀로그램의 위상영상획득단계로, 연산처리부(900)는 제3파장 홀로그램의 영상 재생단계에서 재생된 제3파장 홀로그램 영상의 각 화소에서 위상값을 구하여, 제3파장 홀로그램의 위상영상을 획득한다(S340).
제1비트파장 위상영역 획득단계로, 연산처리부(900)는, 제1파장 홀로그램의 위상영상획득단계(S140)에서 획득된 제1파장 홀로그램 영상의 각 화소의 위상값에서, 제2파장 홀로그램의 위상영상획득단계(S340)에서 획득된 제2파장 홀로그램 영상의 해당 화소의 위상값을 뺌에 의해, 해당 화소의 제1비트파장의 위상값을 구하여, 제1비트파장 위상영상을 획득하고(S350), 제1비트파장 위상영상을 노이즈 필터링을 행한다(S360).
제2비트파장 위상영역 획득단계로, 연산처리부(900)는, 제2파장 홀로그램의 위상영상획득단계(S240)에서 획득된 제2파장 홀로그램 영상의 각 화소의 위상값에서, 제3파장 홀로그램의 위상영상획득단계(S340)에서 획득된 제3파장 홀로그램 영상의 해당 화소의 위상값을 뺌에 의해, 해당 화소의 제2비트파장의 위상값을 구하여, 제2비트파장 위상영상을 획득하고(S370), 제2비트파장 위상영상을 노이즈 필터링을 행한다(S380).
제3비트파장 위상영역 획득단계로, 제1비트파장 위상영역 획득단계에서 획득된 제1비트파장 위상영상의 각 화소의 위상값에서, 제2비트파장 위상영역 획득단계에서 획득된 제2비트파장 위상영상의 해당 화소의 위상값을 뺀 값을, 해당화소의 제3비트파장 위상값으로 검출하여, 제3비트파장 위상영상을 획득한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
5,6,7,8: 광섬유 11: 제1 레이저 광원
12: 제2레이저 광원 20,30: 빔스플리터
50: 빔콤바인너 51: 빔스플리터
60: 광원부 70: 측정부
80,81,82,83,84,85: 간섭무늬의 푸리에변환
200: 대물렌즈
400,401,402,500: 광입사 포트 410,411,412,510: 광출사 포트
550: 콜리메이팅 렌즈| 560: 포커스 렌즈
600: 제1광원 601: 제2광원
602: 제3광원 700, 701, 702: 빔스플리터
750, 751, 752, 753: 집광렌즈 800: 촬상소자(CCD)
900: 연산처리부

Claims (17)

  1. 파장이 서로 다른 3개의 광원으로부터의 광들을 각각 참조광과 물체광으로 나누어 출사하는 광원부;
    광원부로부터 수신된 물체광이 샘플에 전달되어 샘플로부터 산란 및 반사되는 물체광과, 광원부로부터 수신된 참조광을 결합하여 간섭무늬를 포함하는 홀로그램을 생성하여 촬상소자로 촬상하는 측정부;
    측정부로부터 홀로그램을 수신하고, 홀로그램의 위상값을 검출하고, 검출된 홀로그램의 위상값을 이용하여 홀로그램 비트파장 위상영상을 획득하는 연산처리부;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  2. 제1항에 있어서, 광원부는,
    제1파장의 광원, 제2파장의 광원, 제3파장의 광원을 구비하며,
    제1파장의 광원으로부터의 광을 제1빔스플리터를 통해 제1참조광과 물체광으로 나누고, 제1참조광은 제1집광렌즈를 통해 제1광섬유로 입사되며,
    제2파장의 광원으로부터의 광을 제1빔스플리터를 통해 제2참조광과 물체광으로 나누고, 제2참조광은 제2집광렌즈를 통해 제2광섬유로 입사되며,
    제3파장의 광원으로부터의 광을 제3빔스플리터를 통해 제3참조광과 물체광으로 나누고, 제3참조광은 제3집광렌즈를 통해 제3광섬유로 입사되며,
    제1빔스플리터를 통한 물체광, 제2빔스플리터를 통한 물체광, 제3빔스플리터를 통한 물체광은 물체광 집광렌즈를 통해 제4광섬유로 입사되는 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  3. 제2항에 있어서, 측정부는
    제1광섬유 내지 제3광섬유로 부터 입사된 제1참조광 내지 제3참조광이, 광축으로부터 어긋나도록 만들어주는 광축조절장치를 통과하여, 빔컴바이너로 전송되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  4. 제3항에 있어서, 측정부는
    제4광섬유로 부터 입사된 물체광이, 콜리메이팅(collimating) 렌즈, 포커스 렌즈를 통해 측정부 빔스플리터로 입사되며, 해 측정부 빔스플리터로 입사된 상기 물체광이 측정부 빔스플리터에서 반사되어 대물렌즈를 통해 샘플에 조사되며,
    샘플에 조사된 물체광이 샘플에서 반사 및 산란되어, 대물렌즈에 결상되며, 대물렌즈에 결상된 물체광이 빔스플리터를 거쳐 빔컴바이너로 전송되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  5. 제4항에 있어서,
    제1파장은 630nm 이고, 제2파장은 670nm 이고, 제3파장은 710nm 인 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  6. 제4항에 있어서,
    광축조절장치는 제1광섬유 내지 제3광섬유의 일단이 연결되는 광출사 포트에 구비되는 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  7. 제1항에 있어서,
    촬상소자는 CCD(Charge Coupled Device)인 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  8. 제4항에 있어서, 연산처리부는
    측정부로부터 수신된 홀로그램을 후리에 변환을 행하고, 후리에 변환을 행한 홀로그램에서 제1파장 내지 제3파장의 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역을 제외한 영역을 0로 하여, 제1파장의 광원에 의한 홀로그램인 제1파장 홀로그램, 제2파장의 광원에 의한 홀로그램인 제2파장 홀로그램, 제3파장의 광원에 의한 홀로그램인 제3파장 홀로그램의 영상을 재생하는 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  9. 제8항에 있어서, 연산처리부는
    재생된 제1파장 홀로그램 내지 제3파장 홀로그램의 영상 각각에서 각 화소별 위상값을 구하여, 제1파장 홀로그램 내지 제3파장 홀로그램의 위상영상을 구하는 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  10. 제9항에 있어서, 연산처리부는
    제1파장 홀로그램 내지 제3파장 홀로그램의 영상 각각에서 각 화소별 위상값을 이용하여 제1비트파장 위상영상 및 제2비트파장 위상영상을 구하고,
    제1비트파장 위상영상 및 제2비트파장 위상영상을 이용하여 제3비트파장 위상영상을 구하는 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  11. 제8항에 있어서,
    제1파장 홀로그램 정보를 가진 영역은 홀로그램 영상의 2상한 영역이며,
    제2파장 홀로그램 정보를 가진 영역은 홀로그램 영상의 1상한 영역이며,
    제3파장 홀로그램 정보를 가진 영역은 홀로그램 영상의 x축 양방향인 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  12. 제8항에 있어서,
    제1파장 홀로그램 정보를 가진 영역은, 홀로그램 영상의 푸리에변환 좌표에서, x축과 120도를 이루는 각도에 위치되는 영역이며,
    제2파장 홀로그램 정보를 가진 영역은 홀로그램 영상의 푸리에변환 좌표에서, x축과 60도를 이루는 각도에 위치되는 영역이며,
    제3파장 홀로그램 정보를 가진 영역은 홀로그램 영상의 푸리에변환 좌표에서, x축과 0도를 이루는 각도에 위치되는 영역인 것을 특징으로 하는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치.
  13. 디지털 홀로그램 현미경으로부터 홀로그램을 수신하여 연산처리하는 연산처리부를 포함하는 디지털 홀로그램 기록재생장치를 이용하여, 샘플의 높낮이를 측정하는 디지털 홀로그램 기록재생방법에 있어서,
    연산처리부는 디지털 홀로그램 현미경으로부터 홀로그램을 수신하여 홀로그램의 영상값을 후리에 변환하는, FFT연산단계;
    연산처리부는, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램에서 제1파장 내지 제3파장의 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역을 제외한 영역을 0로 하여, 제1파장의 광원에 의한 홀로그램인 제1파장 홀로그램, 제2파장의 광원에 의한 홀로그램인 제2파장 홀로그램, 제3파장의 광원에 의한 홀로그램인 제3파장 홀로그램의 영상을 재생하고, 각 위상을 검출하여, 제1파장 홀로그램 내지 제3파장 홀로그램의 위상영상을 획득하는, 각 파장 홀로그램의 위상영상 획득단계;
    각 파장 홀로그램의 위상영상 획득단계에서 제1파장 홀로그램의 위상영상 내지 제3파장 홀로그램의 위상영상을 이용하여 제1비트 파장 위상영상 및 제2비트 파장 위상영상을 구하는, 제1비트파장 및 제2비트파장의 위상영상 획득단계;
    제1비트파장 및 제2비트파장의 위상영상 획득단계에서 구하여진 제1비트 파장 위상영상 및 제2비트 파장 위상영상을 이용하여 제3비트파장 위상영상을 구하는, 제3비트파장 위상영상 획득단계;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록재생방법.
  14. 제13항에 있어서, 제1비트파장 및 제2비트파장의 위상영상 획득단계는,
    연산처리부는, 제1파장 홀로그램 영상의 각 화소의 위상값에서, 제2파장 홀로그램 영상의 해당 화소의 위상값을 뺌에 의해, 해당 화소의 제1비트파장의 위상값을 구하여, 제1비트파장 위상영상을 획득하고, 획득된 제1비트파장 위상영상을 노이즈 필터링을 행하는, 제1비트파장 위상영역 획득단계;
    연산처리부는, 제2파장 홀로그램 영상의 각 화소의 위상값에서, 제3파장 홀로그램 영상의 해당 화소의 위상값을 뺌에 의해, 해당 화소의 제2비트파장의 위상값을 구하여, 제2비트파장 위상영상을 획득하고, 획득된 제2비트파장 위상영상을 노이즈 필터링을 행하는, 제2비트파장 위상영역 획득단계;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록재생방법.
  15. 제14항에 있어서, 제3비트파장 위상영상 획득단계는,
    연산처리부는, 제1비트파장 위상영역 획득단계에서 획득된 제1비트파장 위상영상의 각 화소의 위상값에서, 제2비트파장 위상영역 획득단계에서 획득된 제2비트파장 위상영상의 해당 화소의 위상값을 뺀 값을, 해당화소의 제3비트파장 위상값으로 검출하여, 제3비트파장 위상영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록재생방법.
  16. 제13항에 있어서, 각 파장 홀로그램의 위상영상 획득단계에서,
    제1파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상의 2상한 영역이며,
    제2파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상의 1상한 영역이며,
    제3파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상의 x축 양방향 영역인 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록재생방법.
  17. 제13항에 있어서, 각 파장 홀로그램의 위상영상 획득단계에서,
    제1파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상에서, 후리에변환 좌표를 기준으로, x축과 120도를 이루는 각도를 이루는 영역이며,
    제2파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상에서, 후리에변환 좌표를 기준으로, x축과 60도를 이루는 각도를 이루는 영역이며,
    제3파장 광원에 의한 홀로그램 정보를 가진 영역은, FFT연산단계에서 후리에 변환된 홀로그램 영상에서, 후리에변환 좌표를 기준으로, x축과 0도를 이루는 각도를 이루는 영역인 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 기록재생방법.



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