KR20180035012A - 반사광을 이용한 홀로그램 영상 획득 장치 및 이를 구비하는 물체의 입체 형상 복원 장치 - Google Patents

반사광을 이용한 홀로그램 영상 획득 장치 및 이를 구비하는 물체의 입체 형상 복원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 렌즈 조립체를 이용하여 물체로부터 반사된 광의 파형을 변환시키고, 파형이 변환된 광과 물체로부터 반사되지 않은 광을 결합시켜 물체에 대한 홀로그램 영상을 획득하는 홀로그램 영상 획득 장치 및 이를 구비하는 물체의 입체 형상 복원 장치를 제안한다. 본 발명에 따른 홀로그램 영상 획득 장치는 출력광으로부터 분할된 제1 광이 물체로부터 반사되면, 물체로부터 반사된 제1 광의 파형을 변환시키는 제1 렌즈 조립체; 출력광으로부터 분할된 제2 광을 투과시키며, 파형이 변환된 제1 광을 제2 광의 진행 방향과 동일한 방향으로 반사시키는 광 분할부; 및 제1 광과 제2 광의 결합을 기초로 물체에 대한 홀로그램 영상을 획득하는 홀로그램 영상 획득부를 포함한다.

Description

반사광을 이용한 홀로그램 영상 획득 장치 및 이를 구비하는 물체의 입체 형상 복원 장치 {Device for obtaining hologram image using reflected light and apparatus for restructuring shape of object with the device}
본 발명은 홀로그램 영상을 획득하는 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반사광을 이용하여 홀로그램 영상을 획득하는 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 획득된 홀로그램 영상을 기초로 물체의 입체 형상을 복원하는 장치에 관한 것이다.
종래에는 물체의 3차원 형상을 복원하기 위해 대상 물체에 대한 정보를 가지고 있는 물체 홀로그램과 대상 물체에 대한 정보를 가지지 않는 기준 홀로그램을 순차적으로 획득한 후, 물체 홀로그램과 기준 홀로그램 사이의 위상차를 이용하여 물체의 3차원 형상을 복원하였다.
그러나 이와 같은 방법은 물체 홀로그램과 기준 홀로그램을 획득하는 데에 있어 시간 지연에 따라 발생할 수 있는 에러로 인해 시스템의 성능이 일정하지 못하다는 문제점이 있다. 또한 이로 인해 물체의 3차원 형상이 불완전하게 복원되는 문제점도 있다.
(선행문헌 1) 한국등록특허 제1,441,245호 (발명의 명칭 : 디지털 홀로그래픽 현미경 장치)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 렌즈 조립체를 이용하여 물체로부터 반사된 광의 파형을 변환시키고, 파형이 변환된 광과 물체로부터 반사되지 않은 광을 결합시켜 물체에 대한 홀로그램 영상을 획득하는 홀로그램 영상 획득 장치 및 이를 구비하는 물체의 입체 형상 복원 장치를 제안하는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 출력광으로부터 분할된 제1 광이 물체로부터 반사되면 상기 물체로부터 반사된 상기 제1 광의 파형을 변환시키는 제1 렌즈 조립체; 상기 출력광으로부터 분할된 제2 광을 투과시키며, 파형이 변환된 상기 제1 광을 상기 제2 광의 진행 방향과 동일한 방향으로 반사시키는 광 분할부; 및 상기 제1 광과 상기 제2 광의 결합을 기초로 상기 물체에 대한 홀로그램 영상을 획득하는 홀로그램 영상 획득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치를 제안한다.
바람직하게는, 상기 제1 렌즈 조립체는 구면파 형태의 광을 평면파 형태의 광으로 변환시켜 상기 제1 광의 파형을 변환시킨다.
바람직하게는, 상기 제1 렌즈 조립체는, 상기 구면파 형태의 광을 수렴광으로 변환시키는 제1 렌즈; 및 상기 수렴광을 평행광으로 변환시켜 상기 제1 광을 상기 평면파 형태의 광으로 변환시키는 제2 렌즈를 포함한다.
바람직하게는, 상기 홀로그램 영상 획득 장치는 미리 정해진 기울임 각도를 기초로 상기 제2 광을 상기 광 분할부로 반사시키는 광 반사부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 홀로그램 영상 획득 장치는 상기 제2 광의 파형을 변환시키는 제2 렌즈 조립체; 및 상기 제2 렌즈 조립체와 상기 광 반사부 사이에서 상기 제2 광이 지나가는 경로 상에 위치하는 제3 광 변환부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제3 광 변환부는 상기 광 반사부에서 반사된 상기 제2 광을 구면파 형태의 광으로 변환시키며, 상기 제2 렌즈 조립체는 구면파 형태의 광으로 변환된 상기 제2 광을 평면파 형태의 광으로 변환시켜 상기 제2 광의 파형을 변환시킨다.
바람직하게는, 상기 홀로그램 영상 획득 장치는 상기 출력광으로부터 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부; 노이즈가 제거된 상기 출력광을 평행광으로 변환시키는 제2 광 변환부; 및 평행광으로 변환된 상기 출력광의 크기를 조절하는 광 크기 조절부를 더 포함하며, 상기 광 분할부는 크기가 조절된 상기 출력광을 상기 제1 광과 상기 제2 광으로 분할한다.
바람직하게는, 상기 노이즈 제거부는 회전 가능한 확산판으로 형성된다.
바람직하게는, 상기 노이즈 제거부는 상기 노이즈로 스펙클 노이즈(Speckle noise)를 제거한다.
바람직하게는, 상기 광 크기 조절부는 상기 광 분할부와 상기 제1 렌즈 조립체에 형성된 홀의 크기를 기초로 상기 출력광의 크기를 조절한다.
바람직하게는, 상기 홀로그램 영상 획득 장치는 상기 제1 렌즈 조립체와 상기 물체 사이에서 상기 제1 광이 지나가는 경로 상에 위치하는 제1 광 변환부; 및 상기 제1 렌즈 조립체와 상기 제1 광 변환부 사이의 제1 거리를 조절하는 거리 조절 제어부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 광 변환부는 상기 물체로부터 반사된 상기 제1 광을 구면파 형태의 광으로 변환시킨다.
바람직하게는, 상기 홀로그램 영상 획득 장치는 미리 정해진 기울임 각도를 기초로 상기 제2 광을 상기 광 분할부로 반사시키는 광 반사부; 상기 제2 광의 파형을 변환시키는 제2 렌즈 조립체; 및 상기 제2 렌즈 조립체와 상기 광 반사부 사이에서 상기 제2 광이 지나가는 경로 상에 위치하는 제3 광 변환부를 더 포함하며, 상기 거리 조절 제어부는 상기 제2 렌즈 조립체와 상기 제3 광 변환부 사이의 제2 거리를 더 조절한다.
바람직하게는, 상기 거리 조절 제어부는 상기 제1 거리와 상기 제2 거리를 동일하게 조절한다.
바람직하게는, 상기 거리 조절 제어부는 상기 제1 렌즈 조립체에 포함된 렌즈의 배율, 상기 홀로그램 영상에 포함된 픽셀의 개수, 상기 픽셀의 크기 및 상기 제1 렌즈 조립체의 초점 거리를 기초로 상기 제1 광의 위상 에러를 산출하며, 상기 제1 광의 위상 에러와 상기 출력광의 파장을 기초로 상기 제1 거리를 조절한다.
바람직하게는, 상기 거리 조절 제어부는 상기 제1 광의 위상 에러가 상기 출력광의 파장의 미리 정해진 배수 이하가 되도록 상기 제1 거리를 조절한다.
또한 본 발명은 출력광으로부터 분할된 제1 광이 물체로부터 반사되면 상기 물체로부터 반사된 상기 제1 광의 파형을 변환시키는 제1 렌즈 조립체; 상기 출력광으로부터 분할된 제2 광을 투과시키며, 파형이 변환된 상기 제1 광을 상기 제2 광의 진행 방향과 동일한 방향으로 반사시키는 광 분할부; 상기 제1 광과 상기 제2 광의 결합을 기초로 상기 물체에 대한 홀로그램 영상을 획득하는 홀로그램 영상 획득부; 및 상기 홀로그램 영상을 기초로 상기 물체에 대한 입체 형상을 복원하는 입체 형상 복원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 입체 형상 복원 장치를 제안한다.
본 발명은 상기한 목적 달성을 위한 구성들을 통하여 다음 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 기준 홀로그램 없이 물체 홀로그램만으로 물체의 입체 형상을 복원할 수 있다.
둘째, 물체 홀로그램과 기준 홀로그램을 모두 이용할 때보다 물체의 입체 형상을 더욱 완전하게 복원할 수 있다.
셋째, 종래의 싱글샷 간섭계보다 시스템 구성을 단순화시켜 시스템 전체의 크기를 감축시킬 수 있고, 비용 절감이 가능해진다.
넷째, 종래의 디지털 싱글샷 기법보다 처리 속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템의 내부 구조를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템의 내부 구조를 도시한 개념도이다.
도 3은 유효 간섭 무늬 영역을 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템을 구성하는 튜브 렌즈의 내부 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 대물 렌즈와 튜브 렌즈 사이의 거리를 산출하는 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 물체 홀로그램을 획득하는 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 물체 홀로그램을 획득하는 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 물체의 3차원 형상을 복원하는 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그램 영상 획득 장치의 내부 구성들을 도시한 블록도이다.
도 10은 도 9의 홀로그램 영상 획득 장치에 추가될 수 있는 내부 구성들을 도시한 블록도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물체의 입체 형상 복원 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
간섭계(Interferometer)는 동일한 광원에서 나오는 빛을 두 갈래 이상으로 나누어 진행 경로에 차이가 생기도록 한 후 빛이 다시 만났을 때 일어나는 간섭 현상을 관찰하는 기구이다. 마하젠더 간섭계(Mach-Zender interferometer), 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer) 등은 시스템 구성이 복잡하고 진동에 취약한 단점이 있다. 그래서 종래에는 홀로그램 영상을 생성할 때에 전단 간섭계(Lateral shearing interferometer)를 많이 이용하였다. 그러나 전단 간섭계를 통해 획득한 홀로그램 영상에서는 동일한 물체의 형상이 이중으로 중복되는 현상이 발생하며, 형상이 겹쳐진 부분에서 물체의 위상 정보가 왜곡되는 문제점이 있다.
한편 종래의 싱글샷 간섭계는 시스템 구성이 복잡하며, 많은 공간을 차지하고, 고비용인 문제점이 있다. 또한 종래의 싱글샷 간섭계에 의한 디지털 싱글샷 기법은 복잡한 디지털 처리 과정으로 인해 처리 속도가 저하되는 문제점도 있다.
또한 종래에는 물체 홀로그램(즉, 대상 물체에 대한 정보를 가지고 있는 홀로그램)과 기준 홀로그램(즉, 대상 물체에 대한 정보를 가지지 않는 홀로그램) 사이의 위상차를 이용하여 물체의 3차원 형상을 복원하였다. 그러나 이와 같은 방법은 물체 홀로그램과 기준 홀로그램을 획득하는 데에 있어 시간 지연에 따라 발생할 수 있는 에러로 인해 시스템의 성능이 일정하지 못하다는 문제점이 있으며, 이로 인해 물체의 3차원 형상이 불완전하게 복원되는 문제점도 있다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 물체의 형상이 이중으로 나타나는 문제점을 해결하고 한 장의 물체 홀로그램 이미지만으로 물체의 입체적 형상을 복원하기 위하여 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경(Single-shot reflection-type digital holographic microscopy) 및 그 측정 방법을 제안한다.
디지털 홀로그래픽 현미경이란 홀로그래피 기술을 바탕으로 하여 디지털 촬상 소자를 통해 홀로그램 정보(간섭무늬)를 획득하고, 이를 통해 물체의 3차원 형상 정보를 측정하는 현미경을 말한다.
일반적인 현미경이 통상 일반 광원을 물체에 비추어 물체로부터 반사 또는 투과되는 빛의 세기 분포를 측정함으로써 물체의 형상을 측정하는 장치라면, 디지털 홀로그래픽 현미경은 복수의 빛이 만났을 경우에 일어나는 빛의 간섭 현상을 간섭무늬 형태로 디지털 촬상 소자를 통해 기록하고, 획득된 간섭무늬 정보로부터 위상 정보를 추출하고 이를 이용하여 대상 물체의 3차원 형상 정보를 복원하는 장치이다.
즉 디지털 홀로그래피 기술은 ① 레이저와 같은 단일 파장의 빛을 생성하고, ② 이를 광 분할기를 이용하여 2개의 빛으로 분할하여, ③ 하나의 빛(참조광)은 이미지 센서에 직접 비추고, 다른 빛(물체광)은 측정 대상 물체에 비추어 반사되는 빛을 이미지 센서에 비추면, ④ 이미지 센서에서 참조광과 물체광이 간섭 현상을 일으키게 되는데, ⑤ 이러한 빛의 간섭무늬 정보를 디지털 이미지 센서로 기록하고, ⑥ 기록된 간섭무늬 정보를 가지고 컴퓨터를 활용하여 측정 대상 물체의 형상을 복원하는 기술이다. 그리고 이때 상기한 ⑤에 따라 기록되는 간섭무늬 정보를 통상 홀로그램이라고 지칭한다.
한편 디지털 홀로그래피가 아닌 기존의 광학적 홀로그래피 기술의 경우는 ①부터 ④까지의 절차는 동일하나, ⑤에 있어서 빛의 간섭무늬 정보를 특수 필름으로 기록하고, ⑥에 있어서 측정 대상 물체의 형상을 복원하기 위하여 참조광을 간섭무늬가 기록된 특수 필름에 비추면 본래 측정 대상 물체가 위치하던 자리에 가상의 측정 대상 물체의 형상이 복원되는 방식이다.
디지털 홀로그래픽 현미경은 기존의 광학적 홀로그래피 방식과 비교하였을 때, 빛의 간섭무늬 정보를 디지털 이미지 센서로 측정하고 디지털 방식으로 부호화하여 저장하고, 저장된 간섭무늬 정보를 광학적 방식이 아닌 컴퓨터 장치 등을 이용한 수치 연산 방식으로 가공해서 측정 대상 물체의 형상을 복원한다는 점에서 차이가 있다.
본 발명은 기존의 싱글샷 측정 방법이 가능한 2파장 시스템과 비교하여 시스템 구성의 간소화, 비용 절감 효과 및 한 장의 물체 홀로그램 이미지로 3차원 형상 복원이 가능하다. 이를 위해 본 발명은 다음 순서에 따라 진행된다.
레이저로부터 출력된 빔은 광 분할기에 의해 두 개의 빔들로 분할된다. 분할된 빔들 중 어느 하나의 빔은 반사형 샘플로부터 반사된 뒤 대물 렌즈와 튜브 렌즈를 차례대로 통과하여 광 분할기로 되돌아온다. 분할된 빔들 중 다른 하나의 빔도 광학 거울로부터 반사되어 광 분할기로 되돌아온다. 회귀된 두 빔들은 광 분할기에 의해 CCD 앞에서 하나의 빔으로 결합되고, 약간 기울어진 광학 거울로 인해 생긴 기울임 각도로 간섭 무늬를 형성한다. 이때 형성된 간섭 무늬는 CCD를 통해 획득된다.
본 발명에서 제안하는 시스템은 한 장의 물체 홀로그램만으로도 복원이 가능하다. 즉 튜브 렌즈가 대물 렌즈를 통과한 후의 빛을 구면파에서 평면파 형태로 바꿔 줌으로써, 기준 홀로그램 없이 복원이 가능하게 된다. 자세한 복원 과정은 본 발명에서 제안하는 시스템을 통해 획득한 물체 홀로그램으로부터 위상 정보를 추출한 후, 이를 측정 물체의 3차원 형상 정보로 계산하여 보여준다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템의 내부 구조를 도시한 개념도이다.
도 1은 시스템 구성을 간단히 함과 동시에 한 장의 물체 홀로그램만으로도 물체의 3차원 형상 정보 복원이 가능한 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템(100)의 구성도이다.
광원부(111)는 광(빛)을 생성하여 출력하는 기능을 수행한다. 본 발명에서 광원부(111)는 레이저(Laser)로 형성될 수 있다.
회전 확산판(112)은 광원부(111)에 의해 출력된 광이 입력되면 이 광에서 스펙클 노이즈(Speckle noise)를 제거하는 기능을 수행한다. 스펙클 노이즈는 레이저 광원의 특징들 중 하나이다. 이러한 스펙클 노이즈는 물체의 형상을 측정하는 데에 있어 노이즈로 작용함으로써 물체의 입체 형상을 정확하게 복원하는 데에 상당한 악영향을 줄 수 있다. 그래서 본 발명에서는 회전 확산판(112)을 이용하여 광원부(111)에 의해 출력된 광으로부터 스펙클 노이즈를 제거한다.
콜리메이터(Collimator, 시준기; 113)는 회전 확산판(112)에 의해 스펙클 노이즈가 제거된 광이 입력되면 발산하는 형태의 이 광을 평행한 빔의 형태로 변형시켜 주는 기능을 수행한다.
빔 커터(114)는 콜리메이터(113)에 의해 변형된 평행빔의 크기를 조절하는 기능을 수행한다. 이러한 빔 커터(114)는 튜브 렌즈(116)와 대물 렌즈(117)의 구경(aperture)에 적합하게 빔의 크기를 조절한다.
광 분할기(115)는 빔 커터(114)에 의해 크기가 조절된 빔이 입력되면 이 빔을 분할하는 기능을 수행한다. 광 분할기(115)에 의해 분할된 빔들 중 어느 하나의 빔은 물체(118)에 의해 반사되어 광 분할기(115)로 다시 입력되며, 다른 하나의 빔은 물체(118)에 접촉하지 않고 광학 거울(119)로부터 반사되어 광 분할기(115)로 다시 입력된다. 이하에서는 설명의 편의상 물체(118)에 의해 반사되어 광 분할기(115)로 다시 입력되는 빔을 제1 빔으로 정의하고, 광학 거울(119)로부터 반사되어 광 분할기(115)로 다시 입력되는 빔을 제2 빔으로 정의한다.
제1 빔은 물체(118)에 의해 반사된 뒤 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116)를 차례대로 거쳐 광 분할기(115)로 다시 입력된다. 그리고 제2 빔은 광학 거울(119)에 의해 반사된 뒤 광 분할기(115)로 다시 입력된다. 광 분할기(115)는 제1 빔과 제2 빔이 다시 입력되면 제1 빔과 제2 빔을 CCD(Charge Coupled Device; 121)가 위치한 방향으로 출력시킨다. 즉 광 분할기(115)는 제1 빔을 반사시켜 CCD(121)가 위치한 방향으로 출력시키며, 제2 빔을 투과시켜 CCD(121)가 위치한 방향으로 출력시킨다.
대물 렌즈(117)는 제1 빔이 물체(118)로부터 반사되어 입력되면 이 제1 빔을 구면파 형태의 빔으로 변환시키는 기능을 수행한다.
튜브 렌즈(116)는 대물 렌즈(117)를 통과한 구면파 형태의 빔을 평면파 형태의 빔으로 변환하는 기능을 수행한다. 이러한 튜브 렌즈(117)는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 렌즈(310)와 제2 렌즈(320)가 결합된 형태로 구성될 수 있다. 도 4는 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템을 구성하는 튜브 렌즈의 내부 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.
대물 렌즈(117)를 통과한 빔은 발산하는 빛의 형태로 진행한다. 제1 렌즈(310)는 이러한 빔을 포커싱시키는 기능을 수행한다. 제1 렌즈(310)는 예컨대 집광 렌즈로 구현될 수 있다.
제2 렌즈(320)는 제1 렌즈(310)를 통과한 빔을 평행빔으로 변환시키는 기능을 수행한다. 본 발명에서 이러한 제2 렌즈(320)는 볼록 렌즈로 구현될 수 있다.
다시 도 1을 참조하여 설명한다.
튜브 렌즈(116)는 기하광학적인 측면에서 2차원 이미지의 왜곡을 줄여줄 수 있는 효과가 있다. 이와 더불어 튜브 렌즈(116)는 홀로그램 측면에서 다음 효과를 얻을 수 있다.
대물 렌즈(117)를 통과한 빔은 구면파 형태의 광으로서, 일종의 위상 에러(Phase error 또는 Phase aberration(수차))가 포함된 형태이다. 종래에는 물체가 없는 상태에서 홀로그램 이미지(기준 홀로그램)를 획득하고, 이 기준 홀로그램과 물체 홀로그램 사이의 위상차를 통해 위상 에러를 상쇄하였다. 하지만 이 방법은 물체 홀로그램과 기준 홀로그램을 획득하는 데에 있어서 시간 지연에 따라 발생할 수 있는 에러로 인해 시스템의 성능이 일정하지 못하다는 단점을 내포하고 있다.
반면 본 발명에서는 튜브 렌즈(116)를 이용하여 구면파 형태의 빔을 평면파 형태의 빔으로 변환해 줌으로써 이러한 잠재적인 문제점을 해결함과 동시에 기준 홀로그램 없이(즉 물체 홀로그램만으로) 물체의 3차원 형상을 정확하게 복원하는 것이 가능해진다. 이는 물체 홀로그램에 포함된 위상 에러를 최소화시켜 줌으로써, 기존 시스템에서 요구되어졌던 기준 홀로그램의 획득을 불필요하게 만든다.
광학 거울(119)은 제2 빔을 반사시켜 광 분할기(115)로 입사시키는 기능을 수행한다. 제2 빔은 광학 거울(119)로부터 반사되어 광 분할기(115)를 투과함으로써 CCD(121) 앞에서 제1 광과 결합되어 간섭 무늬를 생성한다.
CCD(121)는 생성된 간섭 무늬를 획득하는 기능을 수행한다.
컴퓨터(122)는 간섭 무늬를 기초로 물체(118)의 3차원 형상을 복원하는 기능을 수행한다. 컴퓨터(122)는 CCD(121)에 의해 획득된 홀로그램 영상(물체 홀로그램)을 기초로 물체(118)의 정량적 크기 정보를 산출하며, 이어서 물체(118)의 3차원 형상을 복원한다.
컨트롤러(123)는 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리를 조절하는 기능을 수행한다. 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리는 싱글샷이 가능한지 여부를 결정하는 요인이다. 컨트롤러(123)는 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리 조절을 통해 제1 빔의 위상 굴곡 정도를 조절함으로써 본 발명의 목적(싱글샷 반사형)을 달성할 수 있다. 컨트롤러(123)는 컴퓨터(122)와 연결되어 컴퓨터(122)의 제어에 따라 상기한 기능을 수행할 수 있다.
본 발명은 튜브 렌즈(116)를 이용하여 물체 홀로그램에 포함된 위상 에러를 최소화시킴으로써, 기존 시스템과 달리 기준 홀로그램이 불필요하다. 튜브 렌즈(116)를 통과한 제1 빔은 광 분할기(115)에 의해 반사되어 광학 거울(119)에 의해 반사된 뒤 광 분할기(115)를 투과한 제2 빔과 CCD(121) 앞에서 겹쳐져 간섭 무늬를 형성한다. 이때 물체 영역과 기준 영역에 의해 생성되는 유효 간섭 무늬 영역을 조절하기 위해, 광학 거울(119)의 각도를 적절하게 조절할 수 있다.
유효 간섭 무늬의 영역은 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 유효 간섭 무늬 영역을 설명하기 위한 참고도이다.
튜브 렌즈(116)를 통과한 제1 빔은 광 분할기(115)에 의해 반사되어 CCD(121)로 진행하며, 광학 거울(119)에 의해 반사된 제2 빔은 광 분할기(115)를 투과한 후 CCD(121)로 진행한다. 도 3을 참조하면, 광 분할기(115)에 의해 반사된 제1 빔은 R1(Reference 1) 영역과 O1(Object 1) 영역을 포함한다. 또한 광 분할기(115)를 투과한 제2 빔은 R2(Reference 2) 영역과 O2(Object 2) 영역을 포함한다. 상기에서 R1 영역과 R2 영역은 물체(118)에 대한 정보를 포함하지 않은 기준 영역을 의미하고, O1 영역과 O2 영역은 물체(118)에 대한 정보(210, 220)를 포함하는 물체 영역을 의미한다.
제1 빔과 제2 빔은 CCD(121) 앞에서 결합되어 간섭 무늬를 형성한다. 그런데 제1 빔의 O1 영역과 제2 빔의 R2 영역에 의해 중첩 영역(230)이 생성되는 경우 본 발명에서 원하는 간섭 무늬가 형성되려면 O1 영역에 포함되어 있던 물체에 대한 정보(210)가 이 중첩 영역(230) 안에 형성되어야 한다. 즉 본 발명에서 유효 간섭 무늬는 중첩 영역(230) 안에 물체(180)에 대한 정보(210)가 들어있는 형태의 간섭 무늬를 말하며, 이를 위한 간섭 무늬 영역을 유효 간섭 무늬 영역으로 정의한다. 또한 본 발명에서는 컨트롤러(123) 이외의 제어 수단을 구비하여 이 제어 수단을 통해 물체에 대한 정보(210)가 중첩 영역(230) 안에 포함될 수 있도록 광학 거울(119)의 각도를 조절할 수 있다. 본 발명에서는 컨트롤러(123)가 광학 거울(119)의 각도를 조절하는 것도 가능하다.
본 실시예에서 광학 거울(119)의 각도는 현미경 시스템(100)의 틸트 앵글(tilt angle)을 의미한다. 틸트 앵글은 물체 빔(object beam, 제1 빔)과 기준 빔(reference beam, 제2 빔) 사이의 각도로 정의할 수 있는데, 이것은 CCD(121)와 관련성을 가진다.
물체 빔과 기준 빔 사이의 각도가 0도일 때 현미경 시스템(100)은 on-axis 시스템이며, 물체 빔과 기준 빔 사이의 각도가 0도가 아닐 때 현미경 시스템(100)은 off-axis 시스템이다. 본 실시예에서 off-axis 시스템을 이용하는 경우 틸트 앵글은 3-α ~ 3+α의 범위 내에서 설정될 수 있다. 틸트 앵글은 컨트롤러(123)(또는 제어 수단)의 회전 수를 기초로 제어할 수 있다.
한편 본 실시예에서 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템은 광 분할기(115)와 광학 거울(119) 사이의 광 경로 상에 튜브 렌즈와 대물 렌즈를 더 구비하는 것도 가능하다. 이하에서는 도 2를 참조하여 이에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템의 내부 구조를 도시한 개념도이다.
도 2에서는 광 분할기(115)와 물체(118) 사이의 광 경로 상에 위치하는 튜브 렌즈 및 대물 렌즈와 광 분할기(115)와 광학 거울(119) 사이의 광 경로 상에 위치하는 튜브 렌즈 및 대물 렌즈를 구별하기 위하여 광 분할기(115)와 물체(118) 사이의 광 경로 상에 위치하는 튜브 렌즈와 대물 렌즈를 각각 제1 튜브 렌즈(116)와 제1 대물 렌즈(117)로 정의하고, 광 분할기(115)와 광학 거울(119) 사이의 광 경로 상에 위치하는 튜브 렌즈와 대물 렌즈를 각각 제2 튜브 렌즈(211)와 제2 대물 렌즈(212)로 정의한다.
제2 대물 렌즈(212)는 제2 빔이 광학 거울(119)로부터 반사되면 이 제2 빔을 구면파 형태의 빔으로 변환시키는 기능을 수행한다.
제2 튜브 렌즈(211)는 제2 대물 렌즈(212)를 통과한 구면파 형태의 빔을 평면파 형태의 빔으로 변환하는 기능을 수행한다. 제2 튜브 렌즈(211)는 제1 튜브 렌즈(116)와 마찬가지로 도 4에 도시된 바와 같이 제1 렌즈(310)와 제2 렌즈(320)가 결합된 형태로 구성될 수 있다.
도 2의 시스템(200)에서는 광 분할기(115)와 광학 거울(119) 사이의 광 경로 상에 제2 튜브 렌즈(211)와 제2 대물 렌즈(212)를 구성함으로써 홀로그래피 시스템 셋업에서의 가장 기본적인 조건 중의 하나인 기준 빔(제2 빔) 경로와 물체 빔(제1 빔) 경로를 동일하게 구성할 수 있다. 이때 기준 빔 측 제2 대물 렌즈(212)와 제2 튜브 렌즈(211) 사이의 거리는 물체 빔 측 제1 대물 렌즈(117) 및 제1 튜브 렌즈(116)와 동일하게 컨트롤러(123)로 조절할 수 있다.
앞서 컨트롤러(123)는 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리 조절을 통해 제1 빔의 위상 굴곡 정도를 조절할 수 있다고 언급하였다. 이하에서는 도 5를 참조하여 이에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 대물 렌즈와 튜브 렌즈 사이의 거리를 산출하는 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
상기에서 말하는 위상 굴곡 정도는 다음 수학식으로 표현할 수 있다.
ROC = fTL 2 / (fTL - d)
상기에서 fTL은 튜브 렌즈(116)의 유효 초점 거리를 의미하며, d는 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리를 의미한다. 또한 ROC는 Radius Of Curvature의 약어로서, 대물 렌즈에 의해 생성되는 구면파의 지름을 의미한다.
ROC는 현미경 시스템(100)의 설계 특히 대물 렌즈의 배율에 큰 영향을 받는다. 마이크로 단위나 나노 단위의 물체에 대한 정보를 획득해야 하는 DHM 기술에서는 높은 배율의 대물 렌즈를 사용하기 때문에 이로 인한 커버쳐(Curvature)가 존재할 수밖에 없다. 이는 물체 정보를 복원할 때 노이즈로 작용하는데, 이러한 노이즈를 줄이거나 없애는 것이 DHM 기술에서는 매우 중요한 해결 과제이다. 결과적으로 본 발명에서는 디지털 처리가 아닌 광학적 시스템 구성으로(즉 대물 렌즈로부터 나오는 구면파를 평면파로 만듦으로써) ROC 값을 무한대로 만들어 커버쳐로 인한 노이즈를 최소화시키는 것을 목적으로 한다.
상기한 과정은 대물 렌즈(117)를 통과한 구면파의 제1 빔을 평면파 형태로 변환시켜 주는 것이다. 이상적인 평면파가 되려면 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리와 튜브 렌즈(116)의 초점 거리가 같을 때, ROC가 무한한 값이 되어야 한다. 이때 위상 에러를 의미하는 E는 0에 수렴하므로 이상적인 평면파 조건에 부합하게 된다.
하지만 ROC가 유한한 값 즉, 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리와 튜브 렌즈(116)의 초점 거리가 같지 않을 때, 위상 에러를 의미하는 E는 값이 존재하는 형태이다. 이때 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리와 튜브 렌즈(116)의 초점 거리가 같지 않더라도 E 값의 크기가 사용되는 광원의 파장의 1/20보다 크지 않으면 싱글샷이 가능해지는 조건이 된다. 이는 기존의 디지털 홀로그래픽 현미경에서 알려진 노이즈 레벨의 일반적인 조건에 부합된다. 이 조건을 수학식으로 유도하면 다음과 같다.
ROC2 = (W/2)2 + (ROC - E)2
상기에서 W는 다음 수학식으로 나타낼 수 있다.
W = NΔP / 2M
상기에서 M은 대물 렌즈(117)의 배율을 의미한다. 이러한 대물 렌즈(117)의 배율은 CCD(121)에 기록되는 정보에 영향을 미친다. 한편 N은 CCD(121)의 픽셀 개수를 의미하며, ΔP는 CCD(121)의 픽셀 크기를 의미한다.
위 수학식에서 W는 사용되는 렌즈의 배율(M), CCD의 픽셀 개수(N) 그리고 크기(△P)로 결정된다. 정리하면, 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리를 통해 ROC 및 E 값을 조절할 수 있으며, 이는 곧 싱글샷 가능 여부를 결정하는 것이다.
한편 상기에서 언급한 바와 같이 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리와 튜브 렌즈(116)의 초점 거리가 같지 않더라도 E 값의 크기가 사용되는 광원의 파장의 1/20보다 크지 않으면 싱글샷이 가능해지는 조건이 된다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
E ≤ λ / 20
상기에서 λ는 광원의 파장을 의미한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 물체 홀로그램을 획득하는 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다. 그리고 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 물체 홀로그램을 획득하는 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
먼저 도 1의 시스템(100)을 이용하여 물체에 대한 정보를 포함하고 있는 물체 홀로그램을 획득하기 전에 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리를 조절하여 빔의 굴곡(위상 에러) 상태를 조절한다(S410). 이때 굴곡 상태가 ∞에 가까울수록 평면파가 되어 왜곡을 최소화시킬 수 있다.
여기서 굴곡 상태는 대물 렌즈(117)의 유효 초점 거리, 튜브 렌즈(116)의 유효 초점 거리, 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리 등에 영향을 받아 정해진다. 도 5의 (a)에서 fMO는 대물 렌즈(117)의 유효 초점 거리를 의미하며, fTL은 튜브 렌즈(116)의 유효 초점 거리를 의미한다.
대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리를 조절하여(S410) 실시간으로 간섭 무늬를 획득한 후(S420) 푸리에 변환(S430)을 통해 실시간으로 주파수 영역에서의 정보 분포도를 확인할 수 있다(S440). 주파수 영역에서의 정보 집적도 및 모양을 통해 빔의 굴곡 상태를 예측할 수 있으며, 좀더 정확하게는 주파수 영역의 정보를 이용하여 위상 맵을 계산하고, 이를 통해 빔의 굴곡 상태를 확인할 수 있다(S450).
도 7의 (a)는 빔 굴곡이 존재할 때의 위상 맵을 나타내며, 도 7의 (b)는 빔의 굴곡 상태가 커져 평면파가 되었을 때의 위상 맵을 나타낸다. 도 7의 (b)에 준한 빔의 굴곡이 없는 위상 맵이 획득되었을 때 측정하고자 하는 물체를 위치시키고 물체 홀로그램을 획득한다(S460).
이상 도 1 내지 도 7을 참조하여 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템의 구조 및 그 작동 방법에 대하여 설명하였다. 이하에서는 싱글샷 반사형 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템을 이용하여 물체의 3차원 형상을 복원하는 방법에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 물체의 3차원 형상을 복원하는 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
먼저 시스템(100)의 컨트롤러(123)가 대물 렌즈(117)와 튜브 렌즈(116) 사이의 거리를 조절하여 빔 굴곡을 최소화시킨다(S510).
이후 시스템(100)이 물체 홀로그램을 획득한다(S520).
이후 시스템(100)이 물체 홀로그램에 대한 위상 정보를 획득한다(S530).
이후 시스템(100)이 물체 홀로그램에 대한 위상 정보를 기초로 물체의 정량적 크기 정보를 획득하며, 이 정량적 크기 정보를 기초로 물체의 3차원 형상을 복원한다(S540).
컴퓨터(122)는 물체의 3차원 형상을 복원할 때 다음 순서에 따라 작동할 수 있다. 이하 설명도 도 7을 참조한다.
먼저 컴퓨터(122)는 CCD(121)로부터 측정 대상 물체가 포함된 물체 홀로그램을 획득한다(S520). 이때 획득된 물체 홀로그램은 복소 공액(complex conjugate) 홀로그램으로써 다음과 같이 나타낼 수 있다.
U(x, y, 0)
상기에서 U(x, y, 0)는 물체 홀로그램의 3차원 공간 좌표를 의미한다.
이후 컴퓨터(122)는 물체 홀로그램을 이용하여 2차원 푸리에 변환 및 필터링을 통해 측정하려는 물체에 대한 정보만 획득하고, 이를 각 스펙트럼 방법 및 2차원 역푸리에 변환을 통해 물체의 위상 정보를 추출한다(S530). 이는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
상기에서 φ(x,y)는 물체 홀로그램의 위상 정보를 의미한다. 그리고 Re[φ(x,y)]와 Im[φ(x,y)]는 각각 물체 홀로그램의 실수부와 허수부를 의미한다.
S530 단계에서 추출된 물체의 위상 정보는 대물 렌즈(117)에 의한 왜곡 정보가 최소화되어 있기 때문에 물체 홀로그램만으로 물체의 3차원 형상을 복원하는 것이 가능해진다.
이후 컴퓨터(122)는 위상 펼침 알고리즘을 적용하여 시스템(100)에 사용된 광원의 파장을 넘어서는 물체의 크기 측정시 발생하는 위상 끊김 현상(Phase discontinuity or phase ambiguity)을 보상한다. 이후 컴퓨터(122)는 보상된 위상 정보를 측정하고자 하는 물체의 정량적인 두께 정보로 변환한다(S540). 변환된 두께 정보는 다음 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
상기에서, △L은 물체의 두께 정보를 의미한다. λ는 레이저의 파장을 의미하며, △n(x, y)는 굴절률 차이를 의미한다.
이후 컴퓨터(122)는 변환된 크기 정보를 이용하여 물체의 3차원 형상을 복원한다(S540).
이상 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일실시 형태에 대하여 설명하였다. 이하에서는 이러한 일실시 형태로부터 추론 가능한 본 발명의 바람직한 형태에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그램 영상 획득 장치의 내부 구성들을 도시한 블록도이다. 그리고 도 10은 도 9의 홀로그램 영상 획득 장치에 추가될 수 있는 내부 구성들을 도시한 블록도이다.
도 9에 따르면, 홀로그램 영상 획득 장치(600)는 제1 렌즈 조립체(610), 광 분할부(620) 및 홀로그램 영상 획득부(630)를 포함한다.
제1 렌즈 조립체(610)는 출력광으로부터 분할된 제1 광이 물체로부터 반사되면 물체로부터 반사된 제1 광의 파형을 변환시키는 기능을 수행한다. 제1 렌즈 조립체(610)는 도 1의 튜브 렌즈(116)에 대응하는 개념이다.
제1 렌즈 조립체(610)는 구면파 형태의 광을 평면파 형태의 광으로 변환시켜 제1 광의 파형을 변환시킬 수 있다.
제1 렌즈 조립체(610)는 제1 렌즈(611)와 제2 렌즈(612)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈(611)는 구면파 형태의 광을 수렴광으로 변환시키는 기능을 수행한다. 제2 렌즈(612)는 수렴광을 평행광으로 변환시켜 제1 광을 평면파 형태의 광으로 변환시키는 기능을 수행한다.
광 분할부(620)는 출력광으로부터 분할된 제2 광을 투과시키며, 파형이 변환된 제1 광을 제2 광의 진행 방향과 동일한 방향으로 반사시키는 기능을 수행한다. 광 분할부(620)는 도 1의 광 분할기(115)에 대응하는 개념이다.
홀로그램 영상 획득부(630)는 제1 광과 제2 광의 결합을 기초로 물체에 대한 홀로그램 영상을 획득하는 기능을 수행한다. 홀로그램 영상 획득부(630)는 도 1의 CCD(121)에 대응하는 개념이다.
홀로그램 영상 획득 장치(600)는 광 반사부(640)를 더 포함할 수 있다.
광 반사부(640)는 미리 정해진 기울임 각도를 기초로 제2 광을 광 분할부(620)로 반사시키는 기능을 수행한다. 광 반사부(640)는 도 1의 광학 거울(119)에 대응하는 개념이다.
홀로그램 영상 획득 장치(600)는 제2 렌즈 조립체(740) 및 제3 광 변환부(730)를 더 포함할 수 있다.
제2 렌즈 조립체(740)는 제2 광의 파형을 변환시키는 기능을 수행한다. 제2 렌즈 조립체(740)는 구면파 형태의 광으로 변환된 제2 광을 평면파 형태의 광으로 변환시켜 제2 광의 파형을 변환시킬 수 있다. 제2 렌즈 조립체(740)는 제1 렌즈 조립체(610)와 동일한 형상으로 구현될 수 있다. 제2 렌즈 조립체(740)는 도 2의 제2 튜브 렌즈(211)에 대응하는 개념이다.
제3 광 변환부(730)는 제2 렌즈 조립체(740)와 광 반사부(640) 사이에서 제2 광이 지나가는 경로 상에 위치하는 것이다. 제3 광 변환부(730)는 광 반사부(640)에서 반사된 제2 광을 구면파 형태의 광으로 변환시킬 수 있다. 제3 광 변환부(730)는 도 2의 제2 대물 렌즈(212)에 대응하는 개념이다.
홀로그램 영상 획득 장치(600)는 노이즈 제거부(650), 제2 광 변환부(660) 및 광 크기 조절부(670)를 더 포함할 수 있다.
노이즈 제거부(650)는 출력광으로부터 노이즈를 제거하는 기능을 수행한다. 노이즈 제거부(650)는 노이즈로 스펙클 노이즈(Speckle noise)를 제거할 수 있다. 노이즈 제거부(650)는 회전 가능한 확산판 즉, 도 1의 회전 확산판(112)에 대응하는 개념이다.
제2 광 변환부(660)는 노이즈가 제거된 출력광을 평행광으로 변환시키는 기능을 수행한다. 제2 광 변환부(660)는 도 1의 시준기(Collimator; 113)에 대응하는 개념이다.
광 크기 조절부(670)는 평행광으로 변환된 출력광의 크기를 조절하는 기능을 수행한다. 광 크기 조절부(670)는 광 분할부(620)와 제1 렌즈 조립체(610)에 형성된 홀의 크기를 기초로 출력광의 크기를 조절할 수 있다. 여기서 홀의 크기는 구경(aperture)에 대응하는 개념이다. 광 크기 조절부(670)는 도 1의 빔 커터(114)에 대응하는 개념이다.
홀로그램 영상 획득 장치(600)가 노이즈 제거부(650), 제2 광 변환부(660) 및 광 크기 조절부(670)를 더 포함하는 경우, 광 분할부(620)는 크기가 조절된 출력광을 제1 광과 제2 광으로 분할한다.
홀로그램 영상 획득 장치(600)는 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이 제1 광 변환부(710) 및 거리 조절 제어부(720)를 더 포함할 수 있다.
제1 광 변환부(710)는 제1 렌즈 조립체(610)와 물체 사이에서 제1 광이 지나가는 경로 상에 위치하는 것이다. 이러한 제1 광 변환부(710)는 물체로부터 반사된 제1 광을 구면파 형태의 광으로 변환시킨다. 제1 광 변환부(710)는 도 1의 대물 렌즈(117)에 대응하는 개념이다.
거리 조절 제어부(720)는 제1 렌즈 조립체(610)와 제1 광 변환부(710) 사이의 제1 거리를 조절하는 기능을 수행한다. 거리 조절 제어부(720)는 도 1의 컨트롤러(123)에 대응하는 개념이다.
홀로그램 영상 획득 장치(600)는 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이 광 반사부(640), 제2 렌즈 조립체(740) 및 제3 광 변환부(620)를 더 포함할 수 있다.
광 반사부(640)는 미리 정해진 기울임 각도를 기초로 제2 광을 광 분할부(620)로 반사시키는 기능을 수행한다.
제2 렌즈 조립체(740)는 제2 광의 파형을 변환시키는 기능을 수행한다.
제3 광 변환부(730)는 제2 렌즈 조립체(740)와 광 반사부(640) 사이에서 제2 광이 지나가는 경로 상에 위치하는 것이다.
홀로그램 영상 획득 장치(600)가 광 반사부(640), 제2 렌즈 조립체(740) 및 제3 광 변환부(620)를 더 포함하는 경우, 거리 조절 제어부(720)는 제2 렌즈 조립체(740)와 제3 광 변환부(730) 사이의 제2 거리를 더 조절할 수 있다. 거리 조절 제어부(720)는 제1 거리와 제2 거리를 동일하게 조절하는 것도 가능하다.
거리 조절 제어부(720)는 제1 렌즈 조립체(610)에 포함된 렌즈의 배율, 홀로그램 영상에 포함된 픽셀의 개수, 픽셀의 크기 및 제1 렌즈 조립체(610)의 초점 거리를 기초로 제1 광의 위상 에러를 산출할 수 있다. 또한 거리 조절 제어부(720)는 제1 광의 위상 에러와 출력광의 파장을 기초로 제1 거리를 조절할 수 있다.
거리 조절 제어부(720)는 제1 광의 위상 에러가 출력광의 파장의 미리 정해진 배수 이하가 되도록 제1 거리를 조절할 수 있다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물체의 입체 형상 복원 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 11에 따르면, 입체 형상 복원 장치(800)는 홀로그램 영상 획득 장치(600) 및 입체 형상 복원부(810)를 포함한다.
홀로그램 영상 획득 장치(600)는 도 9 및 도 10을 참조하여 전술하였는 바, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
입체 형상 복원부(810)는 홀로그램 영상을 기초로 물체에 대한 입체 형상을 복원하는 기능을 수행한다. 입체 형상 복원부(810)는 도 1의 PC(122)에 대응하는 개념이다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 출력광으로부터 분할된 제1 광이 물체로부터 반사되면 상기 물체로부터 반사된 상기 제1 광의 파형을 변환시키는 제1 렌즈 조립체;
    상기 출력광으로부터 분할된 제2 광을 투과시키며, 파형이 변환된 상기 제1 광을 상기 제2 광의 진행 방향과 동일한 방향으로 반사시키는 광 분할부; 및
    상기 제1 광과 상기 제2 광의 결합을 기초로 상기 물체에 대한 홀로그램 영상을 획득하는 홀로그램 영상 획득부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 조립체는 구면파 형태의 광을 평면파 형태의 광으로 변환시켜 상기 제1 광의 파형을 변환시키는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 조립체는,
    상기 구면파 형태의 광을 수렴광으로 변환시키는 제1 렌즈; 및
    상기 수렴광을 평행광으로 변환시켜 상기 제1 광을 상기 평면파 형태의 광으로 변환시키는 제2 렌즈
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    미리 정해진 기울임 각도를 기초로 상기 제2 광을 상기 광 분할부로 반사시키는 광 반사부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 광의 파형을 변환시키는 제2 렌즈 조립체; 및
    상기 제2 렌즈 조립체와 상기 광 반사부 사이에서 상기 제2 광이 지나가는 경로 상에 위치하는 제3 광 변환부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제3 광 변환부는 상기 광 반사부에서 반사된 상기 제2 광을 구면파 형태의 광으로 변환시키며,
    상기 제2 렌즈 조립체는 구면파 형태의 광으로 변환된 상기 제2 광을 평면파 형태의 광으로 변환시켜 상기 제2 광의 파형을 변환시키는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력광으로부터 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부;
    노이즈가 제거된 상기 출력광을 평행광으로 변환시키는 제2 광 변환부; 및
    평행광으로 변환된 상기 출력광의 크기를 조절하는 광 크기 조절부
    를 더 포함하며,
    상기 광 분할부는 크기가 조절된 상기 출력광을 상기 제1 광과 상기 제2 광으로 분할하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 노이즈 제거부는 회전 가능한 확산판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 노이즈 제거부는 상기 노이즈로 스펙클 노이즈(Speckle noise)를 제거하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 크기 조절부는 상기 광 분할부와 상기 제1 렌즈 조립체에 형성된 홀의 크기를 기초로 상기 출력광의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 조립체와 상기 물체 사이에서 상기 제1 광이 지나가는 경로 상에 위치하는 제1 광 변환부; 및
    상기 제1 렌즈 조립체와 상기 제1 광 변환부 사이의 제1 거리를 조절하는 거리 조절 제어부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 광 변환부는 상기 물체로부터 반사된 상기 제1 광을 구면파 형태의 광으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    미리 정해진 기울임 각도를 기초로 상기 제2 광을 상기 광 분할부로 반사시키는 광 반사부;
    상기 제2 광의 파형을 변환시키는 제2 렌즈 조립체; 및
    상기 제2 렌즈 조립체와 상기 광 반사부 사이에서 상기 제2 광이 지나가는 경로 상에 위치하는 제3 광 변환부
    를 더 포함하며,
    상기 거리 조절 제어부는 상기 제2 렌즈 조립체와 상기 제3 광 변환부 사이의 제2 거리를 더 조절하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 거리 조절 제어부는 상기 제1 거리와 상기 제2 거리를 동일하게 조절하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 거리 조절 제어부는 상기 제1 렌즈 조립체에 포함된 렌즈의 배율, 상기 홀로그램 영상에 포함된 픽셀의 개수, 상기 픽셀의 크기 및 상기 제1 렌즈 조립체의 초점 거리를 기초로 상기 제1 광의 위상 에러를 산출하며, 상기 제1 광의 위상 에러와 상기 출력광의 파장을 기초로 상기 제1 거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 거리 조절 제어부는 상기 제1 광의 위상 에러가 상기 출력광의 파장의 미리 정해진 배수 이하가 되도록 상기 제1 거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 영상 획득 장치.
  17. 출력광으로부터 분할된 제1 광이 물체로부터 반사되면 상기 물체로부터 반사된 상기 제1 광의 파형을 변환시키는 제1 렌즈 조립체;
    상기 출력광으로부터 분할된 제2 광을 투과시키며, 파형이 변환된 상기 제1 광을 상기 제2 광의 진행 방향과 동일한 방향으로 반사시키는 광 분할부;
    상기 제1 광과 상기 제2 광의 결합을 기초로 상기 물체에 대한 홀로그램 영상을 획득하는 홀로그램 영상 획득부; 및
    상기 홀로그램 영상을 기초로 상기 물체에 대한 입체 형상을 복원하는 입체 형상 복원부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 입체 형상 복원 장치.
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