KR20180109562A - 푸리에 홀로그램 획득 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
푸리에 홀로그램 획득 장치는 가간섭성 광원을 물체광과 기준광으로 분리하고, 피사체의 가상 초점 평면의 거리를 설정하며, 상기 가상 초점 평면의 점광원으로부터 공간 광 변조기의 중심 좌표 평면까지 전파되는 구면 광파 필드 데이터를 생성한 후, 상기 공간 광 변조기에 의해 상기 구면 광파 필드와 상기 기준광으로부터 공간 상에 구면 광파 필드를 생성하고, 상기 물체광이 피사체에 의해 반사되어 생성되는 물체 광파 필드와 상기 구면 광파 필드를 영상 센서면에서 간섭 패턴이 형성되도록 합성하며, 상기 영상 센서면에 형성된 간섭 패턴을 획득한 후 푸리에 변환하여 상기 피사체의 초점 평면에 형성된 물체 광파 필드를 계산한다.
Description
본 발명은 푸리에 홀로그램 획득 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 푸리에 홀로그램(fourier hologram) 획득 장치는 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계(Interferometry)를 광테이블(optical table) 위에 위치시키고, 가간섭성 광원(coherent light source)으로부터 발생된 광을 물체광과 기준광으로 분리하여 피사체와 미러에 각각 조사시킨 후, 미러 및 볼록 렌즈를 통과한 기준광과 피사체로부터 반사된 물체광에 의해 생성되는 간섭 패턴을 촬영함으로써, 푸리에 홀로그램을 획득한다.
이러한 종래의 푸리에 홀로그램 획득 방법은 간섭계와 피사체가 광테이블에 함께 설치되어야 하므로, 광테이블과 같은 제한된 환경에서만 푸리에 홀로그램이 획득 가능하다는 문제점이 있다. 또한 블록 렌즈의 초점 길이(focal length)가 고정되어 있고, 하나의 초점 평면(focal plane)을 가지고 있으므로 사용자가 원하는 초점 평면에서 푸리에 홀로그램을 획득할 수 없을 뿐만 아니라 자동 초점(auto focusing) 기능이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 사용자가 자유롭게 피사체에 대한 푸리에 홀로그램을 획득할 수 있도록 하는 푸리에 홀로그램 획득 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하려는 과제는 초점 평면을 자유롭게 설정할 수 있으며 자동 초점 기능을 제공할 수 있는 푸리에 홀로그램 획득 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 푸리에 홀로그램을 획득하는 장치가 제공된다. 푸리에 홀로그램 획득 장치는 광원 생성부, 광원 분리부, 위상 생성부, 광파 필드 합성부, 영상 획득부, 그리고 제어부를 포함한다. 상기 광원 생성부는 가간섭성 광원을 생성한다. 상기 광원 분리부는 상기 가간섭성 광원을 물체광과 기준광으로 분리한다. 상기 위상 생성부는 피사체의 가상 초점 평면의 점광원으로부터 상기 피사체의 초점 평면과 영상 센서면 사이의 광 경로 상의 가상 좌표 평면까지 전파되는 구면 광파 필드 데이터를 생성하고, 상기 기준광과 상기 구면 광파 필드 데이터를 이용하여 공간 상에 구면 광파 필드를 생성하는 공간 광 변조기를 포함한다. 상기 광파 필드 합성부는 상기 물체광이 상기 피사체에 의해 반사되어 생성되는 물체 광파 필드와 상기 구면 광파 필드를 합성한다. 상기 영상 획득부는 상기 합성된 구면 광파 필드와 물체 광파 필드에 의해 상기 영상 센서면에 형성되는 간섭 패턴을 획득한다. 그리고 상기 제어부는 상기 간섭 패턴의 영상을 푸리에 변환하여 상기 피사체의 초점 평면에 형성된 물체 광파 필드를 계산하고, 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상을 이용하여 자동 초점 조절을 수행한다.
상기 제어부는 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값을 이용하여 상기 자동 초점 조절을 위해 상기 가상 초점 평면의 위치를 변경시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상과 이전에 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상간의 대비값의 비교 결과를 토대로 상기 가상 초점 평면의 위치를 변경시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 초점 평면으로부터 상기 센서면까지의 거리를 설정된 증분값만큼 변경시키고, 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값이 최대가 될 때까지 상기 증분값을 갱신할 수 있으며, 상기 가상 초점 평면의 위치부터 상기 가상적으로 위치시킨 공간 광 변조기의 중심 좌표 평면까지의 거리는 상기 초점 평면으로부터 상기 영상 센서면까지의 거리를 토대로 계산될 수 있다.
상기 제어부는 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값과 이전에 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값의 차이를 설정된 증분 비율로 나눈 값으로 상기 증분값을 갱신할 수 있다.
상기 위상 생성부는 상기 구면 광파 필드 데이터를 생성하여 상기 공간 광 변조기로 출력하는 구면 광파 필드 데이터 생성기, 그리고 상기 광원 분리부에 의해 분리된 상기 기준광을 상기 공간 광 변조기에 입사시키는 빔 분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 위상 생성부는 상기 구면 광파 필드로부터 잡음을 제거하는 필터링 광학계를 더 포함할 수 있다.
상기 광파 필드 합성부는 상기 구면 광파 필드와 상기 물체 광파 필드를 상기 영상 센서면에 형성시키는 제1 빔 분리기, 그리고 상기 물체광을 상기 피사체로 투과시키고 상기 피사체로부터 반사되는 상기 물체 광파 필드를 상기 제1 빔 분리기로 출력하는 제2 빔 분리기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시 예에 따른 푸리에 홀로그램 획득 장치는 광원 생성부, 광원 분리부, 위상 생성부, 광파 필드 합성부, 영상 획득부, 그리고 제어부를 포함한다. 상기 광원 생성부는 가간섭성 광원을 생성한다. 상기 광원 분리부는 상기 가간섭성 광원을 물체광과 기준광으로 분리한다. 상기 위상 생성부는 피사체의 가상 초점 평면의 점광원으로부터 상기 피사체의 초점 평면과 영상 센서면 사이의 광 경로 상의 가상 좌표 평면까지 전파되는 구면 광파 필드 데이터를 생성하고, 상기 구면 광파 필드 데이터와 상기 기준광을 이용하여 공간 상에 구면 광파 필드를 생성하는 공간 광 변조기를 포함한다. 상기 광파 필드 합성부는 상기 구면 광파 필드와 상기 물체광이 피사체에 의해 반사되어 생성되는 물체 광파 필드의 경로를 제어하여 상기 영상 센서면에 간섭 패턴을 형성시킨다. 상기 영상 획득부는 상기 간섭 패턴을 획득한다. 그리고 상기 제어부는 상기 간섭 패턴의 영상을 푸리에 변환하여 상기 피사체의 초점 평면에 형성된 물체 광파 필드를 계산하고, 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상을 획득하며, 사용자로부터의 입력 값에 따라 상기 가상 초점 평면의 위치를 제어한다.
상기 위상 생성부는 상기 구면 광파 필드 데이터를 생성하여 상기 공간 광 변조기로 출력하는 구면 광파 필드 데이터 생성기, 그리고 상기 기준광을 상기 공간 광 변조기에 입사시키는 빔 분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 위상 생성부는 상기 구면 광파 필드로부터 잡음을 제거하는 필터링 광학계를 더 포함할 수 있다.
상기 광파 필드 합성부는 상기 구면 광파 필드와 상기 물체 광파 필드를 상기 영상 센서면에 형성시키는 제1 빔 분리기, 그리고 상기 물체광을 상기 피사체로 투과시키고 상기 피사체로부터 반사되는 상기 물체 광파 필드를 상기 제1 빔 분리기로 출력하는 제2 빔 분리기를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 실시 예에 따르면, 푸리에 홀로그램 획득 장치에서 푸리에 홀로그램을 획득하는 방법이 제공된다. 푸리에 홀로그램 획득 방법은 가간섭성 광원을 물체광과 기준광으로 분리하는 단계, 피사체의 가상 초점 평면의 거리를 설정하는 단계, 상기 피사체의 가상 초점 평면의 점광원으로부터 상기 피사체의 초점 평면과 영상 센서면 사이의 광 경로 상에 위치한 가상 좌표 평면까지 전파되는 구면 광파 필드 데이터를 생성하는 단계, 공간 광 변조기를 통해 상기 구면 광파 필드와 상기 기준광으로부터 공간 상에 구면 광파 필드를 생성하는 단계, 상기 물체광이 피사체에 의해 반사되어 생성되는 물체 광파 필드와 상기 구면 광파 필드를 상기 영상 센서면에서 간섭 패턴이 형성되도록 합성하는 단계, 상기 간섭 패턴을 획득하는 단계, 그리고 상기 간섭 패턴의 영상을 푸리에 변환하여 상기 피사체의 초점 평면에 형성된 물체 광파 필드를 계산하는 단계를 포함한다.
상기 푸리에 홀로그램 획득 방법은 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상을 이용하여 자동 초점 조절을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 조절을 수행하는 단계는 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값을 이용하여 상기 자동 초점 조절을 위해 상기 가상 초점 평면의 위치를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 변경하는 단계는 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상과 이전에 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상간의 대비값 비교를 토대로 상기 초점 평면으로부터 상기 영상 센서면까지의 거리를 설정된 증분값만큼 변경시키는 단계, 그리고 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값이 최대가 될 때까지 상기 증분값을 갱신하는 단계를 포함하며, 상기 설정하는 단계는 상기 초점 평면으로부터 상기 영상 센서면까지의 거리를 토대로 상기 가상 초점 평면의 거리를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 변경하는 단계는 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상과 이전에 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상간의 대비값 비교를 통해 상기 초점 평면으로부터 상기 영상 센서면까지의 거리를 설정된 증분값만큼 변경시키는 단계, 그리고 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값과 이전에 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값간의 차이를 설정된 증분 비율로 나눈 값으로 상기 증분값을 갱신하는 단계를 포함하며, 상기 설정하는 단계는 상기 초점 평면으로부터 상기 영상 센서면까지의 거리를 토대로 상기 가상 초점 평면의 거리를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 푸리에 홀로그램 획득 방법은 상기 구면 광파 필드로부터 잡음을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 설정하는 단계는 사용자로부터의 입력 값에 따라 상기 가상 초점 평면의 거리를 변경시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 합성하는 단계는 제1 빔 분리기를 통해 상기 물체광을 상기 피사체로 투과시키고 상기 피사체로부터 반사되는 상기 물체 광파 필드를 제2 빔 분리기로 출력하는 단계, 그리고 상기 제2 빔 분리기를 통해 상기 구면 광파 필드와 상기 물체 광파 필드를 상기 영상 센서면에 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 푸리에 홀로그램 획득 장치를 피사체와 독립적이고 이동 가능하도록 구성할 수 있으므로, 다양한 각도에서 피사체에 대한 푸리에 홀로그램을 용이하게 획득할 수 있다.
도 1은 기존 컬러 푸리에 홀로그램 획득 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 컬러 푸리에 홀로그램 획득 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 푸리에 홀로그램 획득 장치에서 물체 광파 필드의 절대값 영상을 획득하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 2에 도시된 푸리에 홀로그램 획득 장치에서 초점 평면의 거리를 조절하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초점 평면의 거리에 따른 구면 광파 필드의 실수값 영상과 물체 광파 필드의 절대값 영상을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 물체 광파 필드의 절대값 영상에서 계산된 대비값을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 컬러 푸리에 홀로그램 획득 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 푸리에 홀로그램 획득 장치에서 물체 광파 필드의 절대값 영상을 획득하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 2에 도시된 푸리에 홀로그램 획득 장치에서 초점 평면의 거리를 조절하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초점 평면의 거리에 따른 구면 광파 필드의 실수값 영상과 물체 광파 필드의 절대값 영상을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 물체 광파 필드의 절대값 영상에서 계산된 대비값을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 푸리에 홀로그램 획득 장치 및 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 기존 컬러 푸리에 홀로그램 획득 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 컬러 푸리에 홀로그램 획득 장치(100)는 광원 생성부(110), 광원 분리부(120), 광파 필드 합성부(130), 위상 생성부(140), 영상 획득부(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
광원 생성부(110)는 광원 제어기(112) 및 가간섭성 광원(114)을 포함한다. 가간섭성 광원(114)은 가간섭성 광을 발생시키며, 가간섭성 광원(114)으로는 예를 들면, 적색(red), 녹색(green) 및 청색(blue)의 레이저 광원이 사용될 수 있다. 이하에서는 가간섭성 광원(114)이 적색, 녹색 및 청색의 레이저 광원(114)인 것으로 설명한다.
광원 제어기(112)는 컬러 푸리에 홀로그램을 획득할 수 있도록 적색, 녹색 및 청색의 레이저 광원(114)을 제어한다. 광원 제어기(112)는 컬러 푸리에 홀로그램을 획득할 수 있도록 적색, 녹색 및 청색의 레이저 광원(114)의 출력 밝기 및 온/오프를 제어할 수 있다.
광원 분리부(120)는 적색, 녹색 및 청색의 레이저 광원(114)으로부터 발생된 광을 간섭 패턴 생성에 필요한 기준광(reference beam)과 물체광(object beam)으로 분리한다. 광원 분리부(120)는 반파장판(half-wave plate, WP)(122) 및 편광 빔 분리기(polarization beam splitter, PBS)(124)를 포함할 수 있다. WP(122)는 회전에 의해 편광 방향을 변경한다. PBS(124)는 WP(122)를 통과한 광을 편광 방향에 따라 투과시키거나 반사시킴으로써, 일부의 광을 피사체로 보내고 일부의 광을 거울(MR1)로 보낸다. 이때 PBS(124)를 통해 피사체로 가는 광은 물체광이 되고, PBS(124)를 통해 거울(MR1)로 가는 광은 기준광이 된다.
광원 분리부(120)에 의해 분리된 기준광은 거울(MR1)에 의해 반사되고, 거울(MR1)에 의해 반사된 기준광은 적어도 하나의 거울(MR2, MR3)을 거쳐 위상 생성부(140)로 입력된다.
위상 생성부(140)는 기준빔을 입력 받아 블록 렌즈(convex lens, CL)(142)를 통하여 CL(142)의 초점 거리 f인 초점 평면에 점광원(point source)을 생성하여 구면 광파 필드를 생성한다.
광파 필드 합성부(130)는 빔 분리기(beam splitter, BS)(132)로 구성될 수 있다. BS(132)는 위상 생성부(140)에 의해 생성된 구면 광파 필드와 물체빔이 피사체에 반사되어 형성된 물체 반사 광파 필드(object reflective wave field)를 영상 획득부(150)의 센서면에 간섭 패턴이 형성될 수 있도록 합성한다.
영상 획득부(150)는 CCD(Charge Coupled Device)/CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)와 같은 영상 센서로 구성될 수 있으며, 영상 센서의 센서면에 생성된 간섭 패턴을 획득한다.
제어부(160)는 영상 획득부(150)에 의해 획득된 간섭 패턴을 푸리에 변환(Fourier Transform)하여 컬러 푸리에 홀로그램을 획득하고, 획득된 푸리에 홀로그램을 저장한다. 제어부(160)는 적색, 녹색 및 청색의 각 레이저 광원(114)의 온/오프를 제어함으로써 컬러 푸리에 홀로그램을 획득하게 한다.
이와 같이, 기존의 푸리에 홀로그램 획득 장치(100)는 일반적으로 피사체와 광테이블(optical table)에 함께 설치되어 일정한 수평 높이의 기준광과 물체광을 통하여 피사체를 촬영하므로, 기준광과 물체광의 상하 조향이 용이하지 않아 피사체의 수직 시차의 푸리에 홀로그램을 획득하기가 어렵다. 또한 위상 생성부(140)의 CL(142)의 초점 거리 f가 고정되어 있어서 고정된 초점 평면 위에 있는 점광원으로부터 푸리에 홀로그램을 획득할 수 밖에 없어서 자동 초점 기능을 구현하기가 어렵다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 사용자가 자유롭게 피사체에 대한 푸리에 홀로그램을 획득할 수 있도록 하고, 초점 평면을 자유롭게 설정할 수 있으며 자동 초점 기능을 제공할 수 있는 컬러 푸리에 홀로그램 획득 장치를 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 컬러 푸리에 홀로그램 획득 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 컬러 푸리에 홀로그램 획득 장치(200)는 광원 생성부(210), 광원 분리부(220), 광파 필드 합성부(230), 위상 생성부(240), 영상 획득부(250), 대비(contrast) 검출부(260) 및 제어부(270)를 포함한다.
광원 생성부(210), 광원 분리부(220) 및 영상 획득부(250)는 도 1에 도시된 광원 생성부(110), 광원 분리부(120) 및 영상 획득부(150)와 동일한 기능을 수행하므로, 광원 생성부(210), 광원 분리부(220) 및 영상 획득부(250)에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 광파 필드 합성부(230) 및 위상 생성부(240)를 도 1과 다르게 구성함으로써, 컬러 푸리에 홀로그램 획득 장치(200)를 피사체와 독립적으로 분리할 수 있으며, 이에 따라서 다양한 각도에서 피사체를 촬영할 수 있게 된다.
구체적으로 살펴보면, 위상 생성부(240)는 구면 광파 필드 데이터 생성기(242), 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)(244), 빔 분리기 1(beam splitter 1, BS1)(246) 및 필터링(filtering) 광학계(248)를 포함할 수 있다.
BS1(246)은 광원 분리부(220)에 의해 분리된 기준광을 SLM(244)으로 반사시키고, SLM(244)으로부터 변조된 구면 광파 필드를 필터링 광학계(248)로 투과시킨다.
구면 광파 필드 데이터 생성기(242)는 사용자가 가상적으로 위치시킨 피사체의 가상의 초점 평면의 점광원으로부터 SLM(244)의 평면(u,v)까지 전파된 구면 광파 필드 데이터 SP(u,v)를 수학식 1에 따라 생성하고, 생성된 구면 광파 필드 데이터 SP(u,v)를 SLM(244)으로 출력한다.
수학식 1에서, (u,v)는 SLM(244)의 직각 좌표 평면을 나타내며, λ는 광원의 파장을 나타낸다. 그리고 s는 SLM(244)이 영상 획득부(250)의 영상 센서면 (X,Y)과 피사체의 초점 평면 (x,y) 사이의 광 경로 상에 존재한다고 가정할 때, SLM(244)의 평면(u,v)으로부터 피사체의 가상의 초점 평면까지의 거리를 나타낸다. 이때 거리 s는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 2에서, b는 피사체의 가상의 초점 평면으로부터 광파 필드 합성부(230)의 BS3(234)까지의 거리를 나타내고, d는 SLM(244)으로부터 BS3(234)까지의 거리를 나타낸다.
즉, SLM(244)이 영상 획득부(250)의 영상 센서면 (X,Y)과 피사체의 초점 평면 (x,y) 사이의 광 경로 상에 존재한다고 가정할 때, 거리 s는 거리 b에서 거리 d를 뺀 값과 같다.
따라서 사용자가 거리 s를 임의로 설정하면, 피사체의 초점 평면의 거리가 자유롭게 조절될 수 있으며, 거리 d가 고정되어 있다면 거리 b를 조절하여 거리 s를 조절할 수 있다. 이때 피사체의 가상의 초점 평면의 위치를 변경함으로써, 거리 b를 조절할 수 있다.
위상 생성부(240)의 SLM(244)은 구면 광파 필드 데이터 생성기(242)에 의해 생성된 구면 광파 필드 데이터 SP(u,v)를 광원 분리부(220)에 의해 분리된 기준광을 의하여 공간 광 변조시켜 공간 상에 가상의 초점 평면의 점광원으로부터 전파된 구면 광파 필드를 생성한다. 이는 도 1에서 CL(142)을 사용하여 점광원을 생성하는 위상 생성부(140)의 기능을 대체할 수가 있다.
위상 생성부(240)의 SLM(244)으로부터 출력되는 구면 광파 필드는 0차 또는 2차(second order) 이상의 회절 광파 필드를 포함하는데, 이런 잡음(noise)을 제거하기 위하여 4f 광학 시스템 및 필터 구경(aperture)으로 구성된 필터링 광학계(248)가 사용될 수 있다.
필터링 광학계(248)는 SLM(244)으로부터 출력된 구면 광파 필드로부터 잡음을 제거한 후 광파 필드 합성부(230)의 BS3(234)로 출력한다.
광파 필드 합성부(230)는 BS2(232) 및 BS3(234)를 포함한다. BS2(232)는 광원 분리부(220)에 의해 분리된 물체광을 피사체로 투과시키고, 피사체에 반사된 물체 광파 필드를 BS3(234)로 반사시킨다. BS3(234)는 물체 광파 필드를 영상 획득부(250)의 센서면으로 투과시키고, 위상 생성부(240)의 SLM(244)으로부터 변조된 구면 광파 필드를 영상 획득부(250)의 영상 센서면 (X,Y)로 반사시킨다. 물체 광파 필드와 구면 광파 필드는 영상 획득부(250)의 영상 센서면 (X,Y)에서 간섭 패턴을 형성한다.
영상 획득부(250)는 물체 광파 필드와 구면 광파 필드에 의해 형성된 간섭 패턴을 획득하고, 획득된 간섭 패턴을 제어부(270)로 전달한다.
제어부(270)는 영상 획득부(250)의 영상 센서면 (X,Y)로부터 얻은 간섭 패턴 영상 I(X,Y)를 수학식 3과 같이 푸리에 변환하여 피사체의 초점 평면 (x,y)에 맺힌 물체 광파 필드 U(x,y)를 계산하고, 계산된 물체 광파 필드 U(x,y)의 절대값 영상을 대비 검출부(260)로 전달한다.
대비 검출부(260)는 계산된 물체 광파 필드 U(x,y)의 절대값 영상의 대비 값을 계산한다. 대비 검출부(260)는 계산한 물체 광파 필드 U(x,y)의 절대값 영상과 이전에 계산된 물체 광파 필드 U(x,y)의 절대값 영상간의 대비 값을 비교하여 이전에 설정된 거리 z를 감소 또는 증가시킨다. 거리 z는 수학식 3과 같이 설정되며, 피사체의 초점 평면 (x,y)으로부터 영상 센서면 (X,Y)까지의 거리를 나타낸다.
여기서, b는 피사체의 가상의 초점 평면으로부터 광파 필드 합성부(230)의 BS3(234)의 중심까지의 거리를 나타내고, c는 BS3(234)의 중심으로부터 영상 센서면 (X,Y)까지의 거리를 나타낸다.
제어부(270)는 변경된 거리 z에서 위상 생성부(240)가 구면 광파 필드를 새롭게 생성하도록 위상 생성부(240)를 제어한다. 제어부(270)는 변경된 거리 z에서 생성된 구면 광파 필드에 의하여 맺힌 새로운 간섭 패턴 영상을 영상 획득부(250)를 통하여 다시 획득한다. 이러한 과정을 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비 값이 최대가 될 때까지 반복할 수 있다.
수학식 2와 수학식 4를 토대로, 거리 s와 피사체의 초점 평면 (x,y)으로부터 영상 센서면 (X,Y)까지의 거리 z간의 관계는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
푸리에 홀로그램 획득 장치(200)의 각 구성 모듈의 위치가 고정되어 있다면, 거리 c와 거리 d는 고정되므로, 거리 z를 설정하면 수학식 5에 의하여 수학식 1에 입력될 거리 s가 계산된다.
대비 검출부(260)는 피사체의 위치에 있는 초점 평면 (x,y)의 거리를 자동으로 찾기 위하여 제어부(270)로부터 전달받은 물체 광파 필드의 절대값 영상으로부터 대비값을 계산한다. 대비 검출부(260)에서 대비 값을 계산하는 방법은 기존에 나온 다양한 영상 처리 기법에 대한 적용이 가능하다. 예를 들면, 라플라시안(Laplacian), LoG(Laplacian of Gaussian), DoG(Differential of Gaussian) 등의 2차 미분 연산자(second-order differential operator)를 사용하여 해당 영상의 에지(edge)를 구하고, 에지에 해당되는 픽셀의 개수의 합을 이용하여 해당 영상의 대비 값을 계산하는 것이 하나의 예가 될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에서는 대비 검출부(260)의 구성 모듈이 별도로 존재하는 것으로 설명하였지만, 제어부(270)에서 대비 검출부(260)의 기능을 수행할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 자동 초점 조절 기능이 없다고 하면, 대비 검출부(260)의 구성 모듈이 생략될 수 있다. 제어부(270)는 사용자로부터 거리 s의 값을 입력 받을 수 있고, 거리 s의 값을 위상 생성부(240)로 전달한다. 위상 생성부(240)는 제어부(270)로부터 전달받은 거리 s에 따라서 구면 광파 필드를 제어함으로써, 초점 평면의 거리가 조절될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 푸리에 홀로그램 획득 장치에서 물체 광파 필드의 절대값 영상을 획득하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참고하면, 푸리에 홀로그램 획득 장치(200)는 광원 생성부(210)에 의해 생성된 광원을 광원 분리부(220)를 통해 기준광과 물체광으로 분리한다(S310).
푸리에 홀로그램 획득 장치(200)는 분리된 물체광을 피사체에 조사(illumination)하고(S320), 위상 생성부(240)를 통해 초기 설정된 초점 평면의 거리 z0에 의해 계산되는 거리 s에서 수학식 1에 의하여 구면 광파 필드 데이터를 생성하여 SLM(244)으로 출력하고(S330), 분리된 기준광을 SLM(244)에 입사시켜 공간 상에 구면 광파 필드를 생성한다(S340, S350).
푸리에 홀로그램 획득 장치(200)는 SLM(244)에 의해 생성된 구면 광파 필드와 피사체에 의해 반사된 물체 광파 필드를 광파 필드 합성부(230)를 통해 합성하여 영상 획득부(250)의 영상 센서면에 간섭 패턴이 형성되도록 한다(S360).
푸리에 홀로그램 획득 장치(200)는 영상 센서면에 형성된 간섭 패턴을 획득한다(S370).
푸리에 홀로그램 획득 장치(200)는 획득된 간섭 패턴의 영상으로부터 수학식 3을 이용하여 초점 평면의 거리 z0에 위치한 초점 평면에 맺힌 물체 광파 필드를 계산한다(S380).
도 4는 도 2에 도시된 푸리에 홀로그램 획득 장치에서 초점 평면의 거리를 조절하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참고하면, 제어부(270)는 도 3에서 설명한 단계(S310~S380)를 통하여 초점 평면의 거리 zn에 위치한 초점 평면에 맺힌 물체 광파 필드를 계산한다(S402). 최초 동작 시 n=0일 수 있다.
제어부(270)는 자동 초점 기능이 설정되어 있으면(S404), 초점 평면의 거리 zn에 위치한 초점 평면에 맺힌 물체 광파 필드의 절대값 영상을 대비 검출부(260)에 전달하여 해당 절대값 영상으로부터 대비 값 Tn을 계산할 수 있도록 한다.
제어부(270)는 대비 값 Tn을 대비 검출부(260)로부터 수신한다(S406).
다음, 제어부(270)는 초점 평면의 거리 zn+1(=zn+Δz)를 변경하고(S408), 변경된 초점 평면의 거리 zn+1로부터 수학식 5로부터 거리 s를 계산하고(S410), 계산된 거리 s를 위상 생성부(240)로 전달한다. 이때 n=0일 때 Δz는 사용자에 의해 사전에 설정된 값일 수 있다.
그러면, 제어부(270)는 도 3에서 설명한 바와 같이 단계(S330~S380)을 통해 변경된 초점 평면의 거리 zn+1(=zn+Δz)에 위치한 초점 평면에 맺힌 물체 광파 필드를 계산할 수 있다(S412).
제어부(270)는 변경된 초점 평면의 거리 zn+1(=zn+Δz)에 위치한 초점 평면에 맺힌 물체 광파 필드의 절대값 영상을 대비 검출부(260)에 전달하여 해당 절대값 영상으로부터 대비 값 Tn+1을 계산할 수 있도록 한다.
제어부(270)는 대비 검출부(260)로부터 대비 값 Tn+1을 수신한다(S414).
제어부(270)는 수학식 6에 도시된 조건의 만족 여부에 따라 자동 초점 기능의 중단 여부를 결정한다.
여기서, Δz는 거리 증분 값을 나타내고, THS는 종료 임계값을 나타내며, R은 증분 비율을 나타낸다. Δz, THS 및 R은 초기에 사용자에 의해 임의로 설정될 수 있다.
제어부(270)는 수학식 6의 조건을 만족하면(S416), 자동 초점 기능을 중단하고(S418), 수학식 6의 조건을 만족하지 않으면(S416), 수학식 7에 나타낸 바와 같이 Δz 값을 갱신한다(S420).
제어부(270)는 갱신된 Δz 값을 토대로 초점 평면의 거리 zn+1(=zn+Δz)를 변경하고(S408), 단계(S410~S420)를 반복한다.
이와 같이 함으로써, 푸리에 홀로그램 획득 장치(200)는 자동 초점 기능을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초점 평면의 거리에 따른 구면 광파 필드의 실수값 영상과 물체 광파 필드의 절대값 영상을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 물체 광파 필드의 절대값 영상에서 계산된 대비값을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6에서 사용된 피사체는 2차원 영상이고, 2차원 영상이 초점 평면 거리 z가 0.6m인 위치에 놓여 있다고 가정하였다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 거리 z가 0.6m일 때 물체 광파 필드의 절대값의 영상이 가장 선명하고, 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값이 가장 큰 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 푸리에 홀로그램 획득 장치(200)는 가장 선명한 물체 광파 필드의 절대값 영상을 획득할 수 있도록 초점 평면 거리 z 값을 조절할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
Claims (20)
- 푸리에 홀로그램을 획득하는 장치로서,
가간섭성 광원을 생성하는 광원 생성부,
상기 가간섭성 광원을 물체광과 기준광으로 분리하는 광원 분리부,
피사체의 가상 초점 평면의 점광원으로부터 상기 피사체의 초점 평면과 영상 센서면 사이의 광 경로 상의 가상 좌표 평면까지 전파되는 구면 광파 필드 데이터를 생성하고, 상기 기준광과 상기 구면 광파 필드 데이터를 이용하여 공간 상에 구면 광파 필드를 생성하는 공간 광 변조기를 포함하는 위상 생성부,
상기 물체광이 상기 피사체에 의해 반사되어 생성되는 물체 광파 필드와 상기 구면 광파 필드를 합성하는 광파 필드 합성부,
상기 합성된 구면 광파 필드와 물체 광파 필드에 의해 상기 영상 센서면에 형성되는 간섭 패턴을 획득하는 영상 획득부, 그리고
상기 간섭 패턴의 영상을 푸리에 변환하여 상기 피사체의 초점 평면에 형성된 물체 광파 필드를 계산하고, 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상을 이용하여 자동 초점 조절을 수행하는 제어부
를 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 제1항에서,
상기 제어부는 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값을 이용하여 상기 자동 초점 조절을 위해 상기 가상 초점 평면의 위치를 변경시키는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 제2항에서,
상기 제어부는 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상과 이전에 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상간의 대비값의 비교 결과를 토대로 상기 가상 초점 평면의 위치를 변경시키는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 제2항에서,
상기 제어부는 상기 초점 평면으로부터 상기 센서면까지의 거리를 설정된 증분값만큼 변경시키고, 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값이 최대가 될 때까지 상기 증분값을 갱신하며,
상기 가상 초점 평면의 위치부터 상기 가상적으로 위치시킨 공간 광 변조기의 중심 좌표 평면까지의 거리는 상기 초점 평면으로부터 상기 영상 센서면까지의 거리를 토대로 계산되는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 제4항에서,
상기 제어부는 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값과 이전에 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값의 차이를 설정된 증분 비율로 나눈 값으로 상기 증분값을 갱신하는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 제1항에서,
상기 위상 생성부는
상기 구면 광파 필드 데이터를 생성하여 상기 공간 광 변조기로 출력하는 구면 광파 필드 데이터 생성기, 그리고
상기 광원 분리부에 의해 분리된 상기 기준광을 상기 공간 광 변조기에 입사시키는 빔 분리기를 더 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 제6항에서,
상기 위상 생성부는 상기 구면 광파 필드로부터 잡음을 제거하는 필터링 광학계를 더 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 제1항에서,
상기 광파 필드 합성부는
상기 구면 광파 필드와 상기 물체 광파 필드를 상기 영상 센서면에 형성시키는 제1 빔 분리기, 그리고
상기 물체광을 상기 피사체로 투과시키고 상기 피사체로부터 반사되는 상기 물체 광파 필드를 상기 제1 빔 분리기로 출력하는 제2 빔 분리기를 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 푸리에 홀로그램을 획득하는 장치로서,
가간섭성 광원을 생성하는 광원 생성부,
상기 가간섭성 광원을 물체광과 기준광으로 분리하는 광원 분리부,
피사체의 가상 초점 평면의 점광원으로부터 상기 피사체의 초점 평면과 영상 센서면 사이의 광 경로 상의 가상 좌표 평면까지 전파되는 구면 광파 필드 데이터를 생성하고, 상기 구면 광파 필드 데이터와 상기 기준광을 이용하여 공간 상에 구면 광파 필드를 생성하는 공간 광 변조기를 포함하는 위상 생성부,
상기 구면 광파 필드와 상기 물체광이 피사체에 의해 반사되어 생성되는 물체 광파 필드의 경로를 제어하여 상기 영상 센서면에 간섭 패턴을 형성시키는 광파 필드 합성부,
상기 간섭 패턴을 획득하는 영상 획득부, 그리고
상기 간섭 패턴의 영상을 푸리에 변환하여 상기 피사체의 초점 평면에 형성된 물체 광파 필드를 계산하고, 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상을 획득하며, 사용자로부터의 입력 값에 따라 상기 가상 초점 평면의 위치를 제어하는 제어부
를 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 제9항에서,
상기 위상 생성부는
상기 구면 광파 필드 데이터를 생성하여 상기 공간 광 변조기로 출력하는 구면 광파 필드 데이터 생성기, 그리고
상기 기준광을 상기 공간 광 변조기에 입사시키는 빔 분리기를 더 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 제10항에서,
상기 위상 생성부는 상기 구면 광파 필드로부터 잡음을 제거하는 필터링 광학계를 더 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 제9항에서,
상기 광파 필드 합성부는
상기 구면 광파 필드와 상기 물체 광파 필드를 상기 영상 센서면에 형성시키는 제1 빔 분리기, 그리고
상기 물체광을 상기 피사체로 투과시키고 상기 피사체로부터 반사되는 상기 물체 광파 필드를 상기 제1 빔 분리기로 출력하는 제2 빔 분리기를 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 장치. - 푸리에 홀로그램 획득 장치에서 푸리에 홀로그램을 획득하는 방법으로서,
가간섭성 광원을 물체광과 기준광으로 분리하는 단계,
피사체의 가상 초점 평면의 거리를 설정하는 단계,
상기 피사체의 가상 초점 평면의 점광원으로부터 상기 피사체의 초점 평면과 영상 센서면 사이의 광 경로 상에 위치한 가상 좌표 평면까지 전파되는 구면 광파 필드 데이터를 생성하는 단계,
공간 광 변조기를 통해 상기 구면 광파 필드와 상기 기준광으로부터 공간 상에 구면 광파 필드를 생성하는 단계,
상기 물체광이 피사체에 의해 반사되어 생성되는 물체 광파 필드와 상기 구면 광파 필드를 상기 영상 센서면에서 간섭 패턴이 형성되도록 합성하는 단계,
상기 간섭 패턴을 획득하는 단계, 그리고
상기 간섭 패턴의 영상을 푸리에 변환하여 상기 피사체의 초점 평면에 형성된 물체 광파 필드를 계산하는 단계
를 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 방법. - 제13항에서,
상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상을 이용하여 자동 초점 조절을 수행하는 단계
를 더 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 방법. - 제13항에서,
상기 자동 초점 조절을 수행하는 단계는 상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값을 이용하여 상기 자동 초점 조절을 위해 상기 가상 초점 평면의 위치를 변경하는 단계를 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 방법. - 제15항에서,
상기 변경하는 단계는
상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상과 이전에 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상간의 대비값 비교를 토대로 상기 초점 평면으로부터 상기 영상 센서면까지의 거리를 설정된 증분값만큼 변경시키는 단계, 그리고
상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값이 최대가 될 때까지 상기 증분값을 갱신하는 단계를 포함하며,
상기 설정하는 단계는 상기 초점 평면으로부터 상기 영상 센서면까지의 거리를 토대로 상기 가상 초점 평면의 거리를 변경하는 단계를 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 방법. - 제15항에서,
상기 변경하는 단계는
상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상과 이전에 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상간의 대비값 비교를 통해 상기 초점 평면으로부터 상기 영상 센서면까지의 거리를 설정된 증분값만큼 변경시키는 단계, 그리고
상기 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값과 이전에 계산된 물체 광파 필드의 절대값 영상의 대비값간의 차이를 설정된 증분 비율로 나눈 값으로 상기 증분값을 갱신하는 단계를 포함하며,
상기 설정하는 단계는 상기 초점 평면으로부터 상기 영상 센서면까지의 거리를 토대로 상기 가상 초점 평면의 거리를 변경하는 단계를 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 방법. - 제13항에서,
상기 구면 광파 필드로부터 잡음을 제거하는 단계
를 더 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 방법. - 제13항에서,
상기 설정하는 단계는 사용자로부터의 입력 값에 따라 상기 가상 초점 평면의 거리를 변경시키는 단계를 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 방법. - 제13항에서,
상기 합성하는 단계는
제1 빔 분리기를 통해 상기 물체광을 상기 피사체로 투과시키고 상기 피사체로부터 반사되는 상기 물체 광파 필드를 제2 빔 분리기로 출력하는 단계, 그리고
상기 제2 빔 분리기를 통해 상기 구면 광파 필드와 상기 물체 광파 필드를 상기 영상 센서면에 형성시키는 단계를 포함하는 푸리에 홀로그램 획득 방법.
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