KR20190137104A - 파두 센서 및 이를 사용하는 방법 - Google Patents
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Abstract
입력 필드의 광학적 상호 코히어런스 함수에 대한 데이터를 검출하기 위한 광학 검출 시스템에 제공된다. 시스템은 복수의 유사한 유닛 셀들을 갖는 인코더, 및 시스템을 통한 입력 광의 전파의 일반적인 방향에 대하여 상기 유닛 셀들의 하류측에서 소정의 거리에 위치되는 센서 셀들의 어레이를 포함한다. 센서 셀들의 어레이는 복수의 서브-어레이 유닛 셀들을 정의하며, 각각의 서브-어레이는 상기 인코더의 상기 복수의 유닛 셀들의 유닛 셀에 대응하고, 각각의 서브-어레이는 미리 결정된 수 M개의 센서 엘리먼트들을 포함한다. 인코더는, 인코더의 각각의 유닛 셀이 그 위에 입사하는 수집되는 입력 광의 일 부분을 그것의 대응하는 서브-어레이 유닛 셀 및 미리 결정된 근접 영역 내의 하나 이상의 이웃하는 서브-어레이 유닛 셀들 상으로 보내도록 광학 검출 시스템에 의해 수집되는 입력 광에 미리 결정된 변조를 적용하도록 구성된다. 미리 결정된 수 M은 상기 미리 결정된 근접 영역 내의 서브-어레이 유닛 셀들의 미리 결정된 수에 따라 결정된다.
Description
본 발명은 입력 필드 속성들을 나타내는 데이터를 제공하는 이미징 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 본 기술은 특히 입력 필드의 상호 코히어런스 함수(mutual coherence function)의 재구성들을 가능하게 하는 이미징에서의 사용에 대한 것이다.
광학적 이미징은 다양한 측정, 조사 및 이미징 시스템들에서 큰 역할을 수행한다. 현재 이용이 가능한 광학적 측정 및 이미징 기술들은 입력 광학 필드의 강도에 대한 고 해상도 데이터를 제공할 수 있다. 그러나, 광학 필드에 의해 운반되는 정보의 큰 부분은, 단지 필드의 강도만을 측정하는 전형적이고 통상적인 이미징 기술들에서 손실된다.
광학 필드에 의해 운반되는 적어도 어떤 추가적인 정보의 추출을 가능하게 하는 다양한 기술들이 알려져 있다. 기준 빔 또는 자체-간섭(self-interference)의 사용은 광의 특정 레벨의 위상 또는 코히어런스 측정들을 가능하게 할 수 있지만, 환경적인 디코히어런스(decoherence) 효과들에 민감할 수 있다. 광 필드(light field) 및 플렌옵틱(plenoptic) 이미징 기술들과 같은 추가적인 기술들은 특정 공간 해상도를 가지고 광 필드에 대한 데이터를 제공하는 것을 목적으로 하지만, 전형적으로 서브-회절(sub-diffraction) 한계들로 제한된다.
예를 들어, 다음과 같은 특정 공간 해상도의 위상 정보를 제공하는 추가적인 기술들이 알려져 있다:
U.S. 5,606,417호는, 광 빔(light beam)의 파면이 분석되는 평면과 광학적으로 콘쥬케이트(conjugate)되는, 기준 평면을 정의하는 입구 렌즈를 갖는 광 빔의 파면을 분석하기 위한 디바이스를 설명한다. 2-차원(bi-dimensional) 메시형 격자가 빔에 수직하여 이러한 기준 평면 내에 위치된다. 회절의 상이한 차수들에 기인하는 상이한 서브-빔들은, 마스크가 그 근처에서 서브-빔들로부터 적어도 3개의 별개의 차수들의 회절과 관련된 것들을 선택하는 중간 초점 평면에서 제 1 렌즈에 의해 함께 포커싱된다. 제 2 렌즈는, 격자의 평면과 콘쥬게이트되는, 닐-센서티비티(nil-sensitivity) 평면으로 선택된 서브-빔들을 가져간다. 닐-센서티비티 평면으로부터 선택된 거리에 위치된 작업 평면에서 간섭 이미지가 관찰된다. 디바이스는 3변 시프트 유형의 개선된 무색 광 간섭계로서 특징지어질 수 있다.
U.S. 6,577,403호는 광 빔의 파두를 분석하는 기술을 설명한다. 프로세스 시에, 직사각형 메싱을 갖는 회절 격자가 분석되고 분석 평면과 광학적으로 콘쥬케이트될 광 빔에 수직인 평면 내에 위치된다. 그것의 변형들이 분석되는 파두의 기울기들과 관련되는 이미지를 형성하기 위하여 격자로부터의 상이한 출현(emergent) 빔들이 간섭한다. 격자는, 직사각형 메싱에 따라 배치된 복수의 출현 빔들로 분석될 빔으로부터 광을 전송하는 서브-동공들(sub-pupil)의 직사각형 메싱을 정의하는 2-차원 강도 격자에 의해 구현되는 강도 함수를, 2개의 출현 빔들이 위상에서 대향되도록 2개의 인접한 출현 빔들 사이에 위상 시프트를 도입하는 2-차원 위상 격자에 의해 구현되는 위상 함수와 곱한다.
U.S. 7,826,066호는 광 빔의 파두를 분석하기 위한 방법 및 시스템을 설명하며, 여기에서 회절 격자는 분석되고 분석 평면에 광학적으로 콘쥬게이트될 광 빔에 수직하는 평면 내에 배열된다. 격자의 상이한 출현 빔들은 분석될 파두의 구배(gradient)들에 링크된 변형들을 갖는 이미지를 생성하기 위하여 간섭한다. 방법은, 격자가, 6각형 메싱으로 배열된 복수의 출현 빔들로 분석될 빔의 광을 전송하는 표면(S)의 6각형 메싱을 갖는 2-차원 격자에 의해 구현되는 강도 함수와 2개의 인접한 2차 빔들 사이에 2π/3(모듈로(modulo) 2π)에 가까운 위상 시프트를 도입하는 표면(3S)의 6각형 메싱을 갖는 2-차원 격자에 의해 구현되는 위상 함수의 곱셈을 수행하는 것을 특징으로 한다.
US 2016/109700호는, 변조 표면 상에 입사하는 광학적 이미지의 위상을 공간적으로 변조하도록 구성된 공간적 광 변조기 및, 복수의 2-차원으로 배열된 렌즈들을 갖는 렌즈 어레이 및 렌즈 어레이에 의해 형성된 수렴 스팟들을 포함하며 공간적 광 변조기로부터의 변조 이후에 광학적 이미지를 수신하고 광 강도 분포로부터 획득된 광학적 이미지의 파두 형상에 기초하여 공간적 광 변조기 내에 디스플레이되는 위상 패턴을 제어함으로써 파두 분포를 보장하도록 구성된 광 강도 분포를 검출하기 위한 광학적 검출 엘리먼트를 포함하는 파두 센서를 포함하는 적응적 광학 시스템을 설명하며, 여기에서 변조 평면과 파두 센서 사이의 각도 변위의 양이 계산된다.
일반적으로 강도 분포에 더하여, 광학 필드의 코히어런스 분포들 및 위상 중 적어도 하나에 대한 고 레벨 정보를 가능하게 하는 입력 광학 필드를 검출하기 위한 센서 시스템 및 대응하는 기술에 대한 필요성이 관련 기술 분야에서 존재한다.
일반적으로, 이상에서 표시된 바와 같이, 광학 센서 기술은 입력 광학 필드의 강도 분포에 대한 고 정확도 및 고-해상도 데이터를 제공할 수 있다. 그러나, 광학 필드의 위상 분포에서 감춰질 수 있는 추가적인 데이터는 전형적으로 검출의 프로세서에서 손실된다.
수집되는 광학 필드들에 의해 운반되는 추가적인 위상 및/또는 코히어런스 정보의 검출은, 렌즈들에 의해 도입되는 다양한 수차들과 같은 수집 시스템의 효과들을 보상하기 위하여 사용될 수 있다. 위상 및/또는 코히어런스 정보는 또한 광학 시스템의 초점의 깊이를 보상하기 위하여 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 이미지 데이터 피스들(이미지들)을 결합하여 큰 합성 개구들을 형성하는 것을 가능하게 할 수 있다. 추가적으로, 수집되는 광학 필드의 위상 및/또는 코히어런스에 대한 데이터는, 예를 들어, 비-광학적 전자기 방사를 사용하는 무-렌즈(lens-less) 이미징 기술들에서 사용될 수 있다. 추가로, 위상 및 코히어런스 데이터는 양적 광학 위상 단층 촬영, 광학 프로필로메트리(profilometry), 3-차원 깊이 검출 및 측정을 수행하기 위하여 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 이미징되는 물체와 연관된 3-차원 굴절률 분포를 복원하기 위한 광학 회절 단층 촬영을 수행하기 위하여 사용될 수 있다. 수집되는 전자기 방사의 위상 및/또는 코히어런스 매핑의 검출이 또한 수집되는 방사의 강도 정보의 검출을 포함할 수 있다는 것을 주목해야 한다.
이와 관련하여, 본원에서 이하에서 설명되는 바와 같은 본 기술은 하나 이상의 미리 결정된 파장 범위의 수집되는 전자기 방사의 위상 및 코히어런스 분포에 대한 데이터를 결정하기 위한 검출 시스템 및 대응하는 방법들과 관련된다는 것을 주목해야 한다. 일반적으로, 전자기(예를 들어, 광학) 필드의 위상, 코히어런스 및 강도 분포와 같은 필드 정보는 (일반적으로 상호 코히어런스로 지칭되는) 광학적 상호 코히어런스 함수의 부분이다. 본 발명의 기술은 일반적으로, 적어도 상호 코히어런스의 근사의 검출에 대하여 적절하며, 이는 검출 및 재구성을 위한 선택된 해상도에 따라 특정 레벨의 위상 및/또는 코히어런스 데이터를 제공한다. 용어 광학 필드는 본원에서 단순성을 위해 사용되며, 통상적인 광학적 파장 스펙트럼 내에 있거나 또는 있지 않을 수 있는 전자기 방사와 관련되는 것으로서 광범위하게 이해되어야만 한다. 보다 더 구체적으로, 통상적인 광학적 스펙트럼은 전형적으로 근적외선 및 특정 범위의 자외선 파장과 함께 가시 광과 관련되는 반면, 본 발명의 기술은 또한, 비제한적으로, 장파 적외선, 적외선 방사, 가시 광, 자외선 방사뿐만 아니라 x-선 및 감마 방사들 및 일반적으로 전자기 방사의 임의의 주파수 범위를 포함하는 추가적인 파장 범위들과 연관된 위상 및 코히어런스 데이터의 검출을 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 용어들 광학 필드, 광학 방사, 광뿐만 아니라 전자기 방사 또는 전자기 필드는 본원에서 상호교환적으로 사용되며 일반적으로 전자기 필드들과 관련된다.
본 발명은, 입력 필드의 위상 및/또는 코히어런스 분포들에 대한 데이터를 포함할 수 있으며 또한 입력 필드의 강도 데이터를 제공하기 위하여 사용될 수 있는 입력 필드의 상호 코히어런스에 대한 데이터를 제공하기 위하여 입력 광학 필드를 검출하도록 구성된 광학 검출 시스템을 제공한다. 광학 검출 시스템은 복수의 유닛 셀들을 정의하는 주기적인 패턴을 갖는 광학 인코더 유닛 또는 인코더, 및 수집되는 입력 광의 전반적인 전파의 방향에 대하여 인코더의 하류측에 미리 결정된 거리에 위치되는 센서 셀들의 어레이를 포함한다. 인코더는 수집되는 광에 미리 결정된 변조를 도입하고 그에 따라 변조된 광을 센서 어레이를 향해 보내도록 구성된다. 일반적으로, 인코더 및 센서 어레이는, 인코더의 각각의 유닛 셀들에 대하여, 하나 이상의 센서 셀들을 포함하는 센서 셀들의 연관된 서브-어레이가 존재하도록 그들 사이에 정렬된다. 그러나, 인코더의 유닛 셀들 및 센서 서브-어레이의 이러한 대응은 전형적으로 타이트하지 않다. 보다 더 구체적으로, 인코더는 이를 통과하는 광 컴포넌트들을 하나 이상의 회절 차수(order)들(본원에서 또한 서브-채널들로도 지칭됨) 내로 보내도록 구성되며, 그에 따라서 인코더의 유닛 셀들과 센서 서브 어레이들 사이에 크로스-토크(cross-talk)를 도입한다. 따라서, 인코더의 유닛 셀을 통과하는 일부 광 컴포넌트들은, 이웃, 다음 이웃들, 또는 추가적인 이웃들인 다른 유닛 셀들과 연관된 센서 셀들로 보내진다. 이는 인코더의 상이한 유닛 셀들과 연관된 광 컴포넌트들 사이에 특정 레벨의 간섭을 제공하며, 이는 이하에서 더 상세하게 설명될 바와 같이 입력 수집 광의 코히어런스 및 위상 관계에 대한 공간적 데이터를 제공한다.
인코더는, 각각의 층이 이를 통과하는 광에 대하여 하나 이상의 선택된 패터닝을 적용하도록 구성된 다층 또는 캐스케이드(cascade) 구조 인코더를 제공하는 하나 이상의 층들로 형성될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 추가로, 상이한 층들은 이를 통해 전송되는 광을 효과적으로 변조/조작하는 다양한 유형들의 패턴을 적용할 수 있다. 이하에서 더 상세하게 추가로 설명되는 바와 같이, 이러한 패터닝/변조/조작은 하나 이상의 회절 엘리먼트들, 핀홀(pinhole)들, 위상 변화 마스크(phase varying mask), 진폭 변화 마스크, 굴절 구조체(예를 들어, 렌즈릿(lenslet)들, 마이크로-프리즘들) 및/또는 이러한 변조 엘리먼트들의 조합을 사용하여 적용될 수 있다.
일반적으로, 인코더는 광학 검출 시스템의 검출 평면뿐만 아니라 검출의 기하학적 해상도를 정의한다. 보다 더 구체적으로, 인코더의 각각의 유닛 셀은 검출기 시스템에 의해 생성되는 이미지 데이터의 데이터 포인트(데이터 엘리먼트 또는 픽셀)와 관련된다. 본 발명에 따르면, 이러한 픽셀과 연관된 데이터는 적어도 대응하는 유닛 셀들에 도착하는 광 컴포넌트들의 강도 및 (전형적으로 상대적인) 위상을 포함한다. 따라서, 인코더의 유닛 셀들의 크기는 바람직하게는 검출의 희망되는 기하학적 해상도에 따라 결정될 수 있다. 바람직하게는, 인코더의 유닛 셀들은 수집되는 입력 광학 필드의 충분한 샘플링 레이트(적어도 나이퀴스트(Nyquist))를 가능하게 하도록 구성되며, 그 결과 픽셀 크기는 그것의 각각의 축을 따른 인코더 입력 평면 상에 입사하는 수집되는 광의 회절 제한 스팟(diffraction limited spot)에 대응하며, 즉, 약 λ/(4NA)에 대응한다.
광학 검출 시스템은 또한 일반적으로 제어 유닛을 포함할 수 있거나, 또는 이에 연결가능할 수 있다. 제어 유닛은 센서 셀들의 어레이로부터 수집되는 광에 대한 데이터를 수신하고, 강도 및 위상 분포에 대한 데이터뿐만 아니라 수집되는 광의 상호 코히어런스 분포에 대한 데이터를 결정하기 위하여 인코더의 유효한 응답에 대한 미리 저장된 데이터에 따라 수신된 데이터를 프로세싱하도록 구성된다.
제어 유닛은 프로세싱 유틸리티(예를 들어, 하나 이상의 프로세서들) 및 저장 유틸리티를 포함할 수 있으며, 검출기 어레이로부터 수집되는 강도 맵을 나타내는 입력 데이터를 수신하고 수집되는 광의 위상 및 코히어런스 중 적어도 하나에 대한 데이터를 제공하기 위하여 상기 입력 데이터를 프로세싱하도록 구성될 수 있다. 일반적으로, 저장 유틸리티는 인코더를 통과하는 광 컴포넌트의 응답에 대한 데이터, 예를 들어, 하나 이상의 인코더 유닛 셀들의 응답 함수에 대한 데이터를 가지고 프리-로딩될 수 있다. 프로세싱 유틸리티는, 강도 맵에 대한 입력 데이터를 프로세싱하고 수집되는 광의 상호 코히어런스 매트릭스에 대한 데이터를 결정하기 위하여 이러한 프리-로딩된 데이터를 사용할 수 있다.
따라서, 프로세싱은, 하나 이상의 미리 결정된 입력 광 필드 함수들의 인코더들의 변조에 대한 데이터에 따라서, 센서 셀들의 어레이에 의해 제공되는 강도 맵과 연관된 입력 데이터를 프로세싱함으로써 입력 광학 필드의 상호 코히어런스 매트릭스를 결정하는 것을 사용할 수 있다. 인코더에 의한 변조의 적절하게 선택된 표현 및/또는 적절하게 선택된 입력 광 필드 함수들을 사용하는 것은 임의의 주어진 입력 광 필드의 상호 코히어런스와 강도 맵 데이터 사이의 실질적인 선형 변환을 제공한다. 이러한 선형 변환은, 액세스가능 저장 유틸리티에 미리 제공되고 저장될 수 있는 및/또는 결정될 수 있는 강도- 및 코히어런스-기저 함수(basis function)들을 사용하여 본원에서 설명되는 바와 같은 기저 벡터들/함수들의 세트에 의해 제공될 수 있다. 일반적으로, 미리 저장된 데이터는 인코더의 유닛 셀을 통과하는 광의 기초 응답 함수(fundamental response function)에 대한 데이터를 포함한다. 기초 응답 함수는 인코더로부터 검출기 어레이를 향해 전파하는 광의 진폭 및 위상 분포에 대한 데이터를 포함한다. 기초 응답 함수에 대한 데이터는, 검출 시스템에 의해 수집될 가능한 상호 코히어런스 매트릭스들의 공간에 걸치는 기저 벡터들의 세트로서 역할하는 "코히어런스 기저 함수들"의 세트에 대한 데이터를 결정하기 위하여 미리 프로세싱될 수 있다. 코히어런스 기저 함수들은 미리 결정된 강도 패턴들의 세트인 "강도 기저 함수들"의 세트에 의해 보완(complement)되며, 여기에서 각각의 이러한 강도 패턴은, 그것이 광학 인코더를 통해 전파되고 검출기 어레이 상에 충돌할 때 각각의 대응하는 코히어런스 기저 함수의 광학 필드의 강도에 의해 주어진다. 일부 구현예들에 있어서, 코히어런스 기저 함수들 및 대응하는 강도 기저 함수들은 미리 계산되거나 또는 미리 측정되고 저장 유틸리티에 저장될 수 있지만, 기초 응답 함수에 대한 추가적인 데이터를 요구하지는 않는다.
일반적으로, 프로세싱 유틸리티는 수집된 강도 맵을 야기하는 강도 기저 함수들의 가중 선형 합과 연관된 계수들의 세트를 결정하도록 구성되고 동작할 수 있다. 그에 따라 결정된 계수들의 세트는 코히어런스 기저 함수들의 선택된 세트에 따라서 수집되는 광의 추정된 상호 코히어런스 매트릭스를 정의한다.
따라서, 광범위한 일 측면에 따르면, 본 발명은, 복수의 유사한 유닛 셀들을 갖는 인코더, 및 시스템을 통한 입력 광의 전파의 일반적인 방향에 대하여 상기 유닛 셀들의 하류측에 소정의 거리에 위치되는 센서 셀들의 어레이를 포함하는 광학 검출 시스템을 제공하며, 여기에서:
상기 센서 셀들의 어레이는 복수의 서브-어레이 유닛 셀들을 정의하며, 각각의 서브-어레이는 인코더의 상기 복수의 유닛 셀들의 유닛 셀에 대응하고, 각각의 서브-어레이는 미리 결정된 수 M개의 센서 엘리먼트들을 포함하며;
상기 인코더는, 상기 인코더의 각각의 유닛 셀이 그 위에 입사하는 수집되는 입력 광의 일 부분을 그것의 대응하는 서브-어레이 유닛 셀 및 미리 결정된 근접 영역 내의 하나 이상의 이웃하는 서브-어레이 유닛 셀들 상으로 보내도록 광학 검출 시스템에 의해 수집되는 입력 광에 미리 결정된 변조를 적용하도록 구성되며; 및
상기 미리 결정된 수 M은 미리 결정된 근접 영역 내의 서브-어레이 유닛 셀들의 미리 결정된 수에 따라 결정된다.
일부 실시예들에 따르면, 서브-어레이 유닛 셀들의 센서 엘리먼트들의 미리 결정된 수 M은 (M ≥ 2nR + 1)이라는 조건을 충족시키도록 선택될 수 있으며, 여기에서 nR은 미리 결정된 근접 영역 내의 이웃하는 서브-어레이 유닛 셀들의 상기 미리 결정된 수이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 서브-어레이 유닛 셀들의 센서 엘리먼트들의 미리 결정된 수 M은 수집되는 입력 필드의 상호 코히어런스 정보의 재구성에 사용하기 위하여 선택된 코히어런스 매트릭스 기저 함수들의 미리 결정된 수에 따라 선택된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예들에 따르면, 인코더의 상기 유닛 셀들의 배열은 수집되는 광의 이산화된(discretized) 유닛 측정을 정의할 수 있으며, 인코더의 상기 유닛 셀의 물리적 치수는 검출 시스템에 의해 수집되는 광의 회절 제한 스팟에 대하여 미리 결정된 요건들에 의해 정의된다. 유닛 셀의 물리적 치수는 회절 제한 스팟에 대한 요건보다 더 작을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 유닛 셀의 물리적 치수는 회절 제한 스팟의 약 0.1-0.25일 수 있다. 일반적으로, 회절 제한 스팟 크기가 수집되는 방사의 파장뿐만 아니라 검출 시스템과 함께 사용될 수 있는 광학 배열의 개구수(numerical aperture)와 같은 파라미터들에 따라 결정될 수 있다는 것을 주목해야 한다.
일부 실시예들에 따르면, 인코더는 하나 이상의 선택된 파장 범위의 광을 수집하고 인코딩하도록 구성될 수 있다. 인코더는 선택된 파장 범위와 실질적으로 유사한 그것의 변조 함수들과 같은 미리 결정된 파장 범위 내의 입력 광에 미리 결정된 변조를 적용하도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 인코더는 하나 이상의 파장 범위들의 세트 내의 입력 광에 하나 이상의 미리 결정된 변조들을 적용하도록 구성될 수 있으며, 상기 인코더는 상기 세트 내의 각각의 파장 범위에 대한 변조 함수를 정의한다.
센서 셀들의 어레이는 2개 이상의 파장 범위들의 광 강도를 개별적으로 검출하도록 구성된 센서 셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 셀들의 어레이는, 예를 들어, 파장 선택적 필터를 사용하는 특정 파장들에 전용되는 센서 엘리먼트들 및/또는 하이퍼스펙트럴(hyperspectral) 방사 검출을 제공하도록 구성된 센서 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
검출 시스템은 제어 유닛을 더 포함할 수 있으며, 제어 유닛은 전반적으로, 센서 셀들의 어레이에 의해 수집되는 입력 데이터를 수신하고, 인코더에 의해 수집되는 입력 광의 상호 코히어런스를 나타내는 데이터를 결정하기 위하여 상기 인코더의 변조 함수에 대한 데이터에 따라 상기 입력 데이터를 프로세싱하도록 구성되고 동작할 수 있다.
제어 유닛은, 상기 인코더의 변조 함수에 대한 미리 제공된 데이터에 따라, 센서 셀들의 어레이에 의해 수집되는 데이터와 연관된 강도 패턴들을 제공하는 계수들의 세트를 결정하도록, 그리고 상기 계수들의 세트를 갖는 미리 결정된 코히어런스 기저 함수들의 대수 합(algebraic sum)인 인코더에 의해 수집되는 입력 광의 상호 코히어런스를 결정하기 위하여 상기 계수들의 세트를 사용하도록 구성되고 동작할 수 있다.
제어 유닛은 프로세싱 유틸리티, 저장 유틸리티, 및 센서 셀들의 어레이로부터 수집되는 강도 맵에 대한 데이터를 수신하기 위한 입력 포트를 포함할 수 있으며; 상기 저장 유틸리티는 인코더의 하나 이상의 유닛 셀들을 통과하는 광 컴포넌트들의 변조 함수를 나타내는 데이터로 프리-로딩되고; 상기 프로세싱 유틸리티는 수집되는 강도 맵에 대한 상기 데이터를 수신하고 수집되는 광의 코히어런스 매트릭스에 대한 데이터를 결정하기 위하여 인코더의 하나 이상의 유닛 셀을 통과하는 광 컴포넌트들의 변조 함수에 대한 상기 데이터에 따라 상기 데이터를 프로세싱하도록 구성되고 동작할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 인코더의 변조 함수에 대한 저장된 데이터는 상기 인코더에 의해 상이하게 변조된 선택된 파장 범위들의 대응하는 세트와 연관된 파장 변조 함수들의 세트를 포함할 수 있다.
일반적으로, 인코더는 위상 또는 진폭 주기적 패턴 중 적어도 하나를 갖는 마스크 유닛을 포함할 수 있다. 인코더는 캐리(carry) 위상 및 진폭 패턴을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 인코더는, 상기 선택된 주기성을 갖는 마이크로 렌즈 어레이; 마이크로-프리즘 어레이 격자 또는 위상 마스크 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
인코더는 2개 이상의 층들을 포함할 수 있거나 또는 이에 의해 형성될 수 있으며, 각각의 층은 이를 통과하는 광 컴포넌트에 영향을 주도록 구성된 주기적 패턴을 포함한다. 2개 이상의 층들은 시스템을 통한 입력 광의 전파의 전반적을 방향을 따라서 이들 사이에서 미리 결정된 거리만큼 분리될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 인코더는 광 지향 엘리먼트(light directing element)들의 캐스케이드형 배열을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 인코더는 상기 센서 셀들의 어레이를 향한 상기 인코더 사이에서의 광 전파를 가능하게 하도록 구성된 광학 릴레이 유닛을 더 포함할 수 있다. 이러한 광학 릴레이 유닛은 수집되는 광 컴포넌트들에 미리 결정된 배율(magnification)을 적용하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 검출기 시스템은 그들 사이에 선택된 패턴들을 갖는 복수의 미리 결정된 수의 인코더들을 포함할 수 있으며, 여기에서 상기 센서 셀들의 어레이는 상기 복수의 인코더들을 통해 전송되는 광학 방사를 개별적으로 수집하도록 구성되고; 여기에서 상기 복수의 인코더들은 입력 광학 필드의 복수의 복제(replication)들을 수집하도록 배열된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 인코더들 사이의 차이는 센서 셀들의 대응하는 어레이를 향한 광의 전파 거리와 연관될 수 있다. 상기 복수의 인코더들의 피치(pitch) 주기성은, 상이한 인코더들의 패턴들이 상기 미리 결정된 주기성의 분율(fraction)들에서 수집되는 광학 필드에 대하여 그들 사이에서 시프트되어 그 결과 상기 복수의 인코더들의 누적적인 패턴이 유닛 셀들의 배열을 정의하는 상기 미리 결정된 주기성과 매칭되도록, 복수의 유닛 셀들의 배열을 정의하는 미리 결정된 주기성의 정수 배수로 선택될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 인코더는 그것의 센서 어레이에 대한 전파 거리 및/또는 패턴을 시간적으로 변화시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 인코더는 복수의 유닛-셀들의 배열을 정의하는 미리 결정된 피치 주기성의 정수 배수인 피치 주기성을 갖는 주기적 패턴을 운반할 수 있으며, 상기 인코더는 상기 피치 주기성의 분율들로 그것의 패턴을 시프팅함으로써 그것의 패턴을 시간적으로 변화시키도록 구성되고, 여기에서 상기 분율들은 유닛 셀들의 상기 미리 결정된 피치 주기성과 매칭된다.
일부 실시예들에 있어서, 인코더의 유닛 셀들은 복수의 유사한 클러스터(cluster)들로 배열될 수 있으며, 각각의 클러스터는, 파장 선택적 필터링의 변동, 편광 배향(polarization orientation)에서의 변동, 인코더 배향 및 인코더 변조에서의 변동 중 적어도 하나와 대응하는 것과 연관된 셀들을 포함한다.
다른 광범위한 일 측면에 따르면, 본 발명은 광학 검출에서 사용하기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은 하기의 단계들을 포함한다:
수집 평면에서 인코더를 통한 입력 광학 방사를 수집하고, 각기 유닛 셀 상에 충돌하는 광학 방사의 적어도 일 부분을 하류측의 미리 결정된 근접 영역까지 확장하는 미리 결정된 변조 함수를 갖는 복수의 유사한 유닛 셀들로 구성된 주기적 변조를 수집된 입력 광학 방사에 적용하는 단계;
상기 수집 평면으로부터 선택된 거리에 센서 셀들의 어레이를 제공하되, 상기 센서 셀들의 어레이는, 각기 인코더의 유닛 셀에 대응하며 미리 결정된 수 M개의 센서 셀들을 포함하는 복수의 서브-어레이 유닛 셀들을 제공하면서 상기 근접 영역에 따라 결정된 상기 미리 결정된 수의 이웃하는 유닛 셀들 중 하나 이상과 연관된 광 컴포넌트들의 수집을 위하여 구성된 셀 기하구조 및 배열을 가지고 구성되며, 수집된 광학 방사에 응답하여 상기 센서 셀들의 어레이의 출력과 연관된 강도 맵을 생성하는 단계;
수집되는 광의 상호 코히어런스 함수를 결정하기 위하여 상기 미리 결정된 변조 함수에 대한 데이터에 따라 상기 강도 맵을 프로세싱하는 단계.
일부 실시예들에 따르면, 이상에서 설명된 프로세싱하는 단계는, 코히어런스 기저 함수들의 대응하는 세트와 연관된 강도 기저 함수들의 세트의 형태로 상기 변조 함수를 나타내는 미리-저장된 데이터를 획득하는 단계, 및 상기 강도 맵과 상기 강도 기저 함수들의 세트의 가중된 합을 연결하는 계수들의 세트를 결정하는 단계, 및 상기 코히어런스 기저 함수들의 세트 및 상기 계수들의 세트에 따라 상기 상호 코히어런스 매트릭스를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본원에 개시되는 내용의 더 양호한 이해를 위하여 그리고 그 내용이 실제 수행될 수 있는 방법을 예시하기 위하여, 이제 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 비제한적이고 오직 예시적인 방식으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 검출 시스템을 사용하는 이미징 구성을 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 기술에 따른 인코딩된 유닛 셀의 기초 응답 함수를 예증한다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 입력 광학 필드의 상호 코히어런스를 결정하기 위한 프로세스를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 입력 광학 필드의 상호 코히어런스를 결정하기 위한 데이터 프로세싱 기술을 예시한다.
도 5는 상호 코히어런스 매트릭스를 예증한다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 입력 광학 필드를 프로세싱하는데 사용하기 위한 코히어런스 기저 벡터들의 세트를 예시한다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 입력 광학 필드를 프로세싱하는데 사용하기 위한 코히어런스 기저 벡터들의 다른 세트를 예시한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 입력 광학 필드들을 광학적으로 인코딩하고 프로세싱하는 단일 구성(도 8a), 병렬 다중-구성(도 8b), 순차 다중-구성(도 8c)을 예증한다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 강도 맵을 프로세싱하기에 적절한 제어 시스템을 블록도의 방식으로 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 1 이웃 유닛 셀 수집 기법을 제공하는 격자를 사용하는 인코딩을 예시한다.
도 11a 및 도 11b는 2 이웃 유닛 셀 수집 기법을 제공하는 격자를 사용하는 인코딩을 예시한다.
도 12a 내지 도 12c는 nR 이웃 유닛 셀 수집 기법을 제공하는 일반적인 격자를 사용하는 인코딩을 예시한다.
도 13a 내지 도 13c는 위상 및/또는 진폭 변화 인코딩들을 예시한다.
도 14a 및 도 14b는 각기 그레이 레벨(gray level) 진폭 및 위상 인코딩들을 예시한다.
도 15a 내지 도 15d는 마이크로-프리즘 인코딩 구성들을 예시한다.
도 16a 및 도 16b는 각기 볼록 렌즈릿 및 오목 렌즈릿을 사용하는 렌즈릿 인코딩 구성을 예시한다.
도 17은 렌즈릿들의 2개 이상의 층들의 인코딩 구성들을 포함하는 인코더를 예시한다.
도 18은 2-차원 광 수집으로의 간단한 확장을 예시한다.
도 19a 및 도 19b는 2-차원의 상이한 유닛 셀 인코딩들을 예시한다.
도 20은 캐스케이드 유형 인코더를 예시한다.
도 21은 광대역 광학 방사와 함께 사용하도록 구성된 인코더를 예시한다.
도 22a 내지 도 22d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 시프팅 인코딩을 이용하는 인코더 구성을 예시한다.
도 23a 내지 도 23d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다색, 다중 유닛-셀 배향들 및/또는 편광 감지 코히어런스를 가능하게 하는 셀 클러스터링을 예증한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 검출 시스템을 사용하는 이미징 구성을 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 기술에 따른 인코딩된 유닛 셀의 기초 응답 함수를 예증한다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 입력 광학 필드의 상호 코히어런스를 결정하기 위한 프로세스를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 입력 광학 필드의 상호 코히어런스를 결정하기 위한 데이터 프로세싱 기술을 예시한다.
도 5는 상호 코히어런스 매트릭스를 예증한다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 입력 광학 필드를 프로세싱하는데 사용하기 위한 코히어런스 기저 벡터들의 세트를 예시한다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 입력 광학 필드를 프로세싱하는데 사용하기 위한 코히어런스 기저 벡터들의 다른 세트를 예시한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 입력 광학 필드들을 광학적으로 인코딩하고 프로세싱하는 단일 구성(도 8a), 병렬 다중-구성(도 8b), 순차 다중-구성(도 8c)을 예증한다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 강도 맵을 프로세싱하기에 적절한 제어 시스템을 블록도의 방식으로 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 1 이웃 유닛 셀 수집 기법을 제공하는 격자를 사용하는 인코딩을 예시한다.
도 11a 및 도 11b는 2 이웃 유닛 셀 수집 기법을 제공하는 격자를 사용하는 인코딩을 예시한다.
도 12a 내지 도 12c는 nR 이웃 유닛 셀 수집 기법을 제공하는 일반적인 격자를 사용하는 인코딩을 예시한다.
도 13a 내지 도 13c는 위상 및/또는 진폭 변화 인코딩들을 예시한다.
도 14a 및 도 14b는 각기 그레이 레벨(gray level) 진폭 및 위상 인코딩들을 예시한다.
도 15a 내지 도 15d는 마이크로-프리즘 인코딩 구성들을 예시한다.
도 16a 및 도 16b는 각기 볼록 렌즈릿 및 오목 렌즈릿을 사용하는 렌즈릿 인코딩 구성을 예시한다.
도 17은 렌즈릿들의 2개 이상의 층들의 인코딩 구성들을 포함하는 인코더를 예시한다.
도 18은 2-차원 광 수집으로의 간단한 확장을 예시한다.
도 19a 및 도 19b는 2-차원의 상이한 유닛 셀 인코딩들을 예시한다.
도 20은 캐스케이드 유형 인코더를 예시한다.
도 21은 광대역 광학 방사와 함께 사용하도록 구성된 인코더를 예시한다.
도 22a 내지 도 22d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 시프팅 인코딩을 이용하는 인코더 구성을 예시한다.
도 23a 내지 도 23d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다색, 다중 유닛-셀 배향들 및/또는 편광 감지 코히어런스를 가능하게 하는 셀 클러스터링을 예증한다.
이상에서 표시된 바와 같이, 본 발명은 희망되는 공간 해상도로 광 필드 속성들을 나타내는 데이터를 제공할 수 있는 시스템 및 기술을 제공한다. 광 필드 위상, 코히어런스 및 강도 데이터의 검출을 위한 광학 검출 시스템으로서 구성된 시스템(100)을 개략적으로 예시하는 도 1에 대한 참조가 이루어진다. 광학 검출 시스템(100)은 인코더(120), 및 방사 전파의 전반전인 방향에 대하여 인코더(120)의 하류측에서 미리 결정된 거리 L에 위치된 검출기 어레이(140)를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 인코더(120)는 검출기 어레이(140)와는 별개의 유닛일 수 있으며, 반면 다른 실시예들에 있어서, 인코더(120)는 검출기 어레이(140)와 단조적으로 통합될 수 있고, 심지어, 예를 들어, 센서 어레이 내에서 픽셀 필-팩터(fill-factor)들을 개선하기 위하여 전형적으로 사용되는 마이크로-렌즈 어레이들을 제조하는데 사용되는 것들과 유사한 프로세스 단계들 및/또는 금속화(metallization) 프로세스 단계들을 사용하여 센서 어레이를 제조하기 위하여 사용된 프로세스 스택(stack)의 부분일 수도 있다는 것을 주의해야 한다.
보다 더 구체적으로, 도 1은, 이미지(Img)가 시스템(100)의 인코더(120)에 의해 정의된 이미징 평면 상에 형성되도록 검출 시스템(100) 상으로의 이미징 렌즈 배열(110)을 사용하는 물체(Obj)의 이미징을 예시한다. 검출기 시스템(100)은 또한 이미징 렌즈 배열과 연관되지 않으면서 사용하기 위하여 구성된 독립형 검출 시스템으로서 구성될 수 있으며, 그에 따라서 이미징 렌즈 배열(110)의 임의의 사용이 없는 무-렌즈 이미징을 위하여 사용될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 그러나, 이미징 렌즈 배열(110)은, 검출 시스템의 기하학적 해상도가 바람직하게는 이미징 렌즈 배열(110)의 광학적 해상도에 매칭되며 또한 당업계에서 공지된 바와 같은 회절 제한 스팟 크기와 관련된다는 점에 있어서 검출 시스템(100)과 연관될 수 있다.
추가적으로, 검출 시스템(100)은 반드시 물체의 이미지 평면에 존재하는 것은 아닌 광학 시스템 내의 다양한 포인트들에 삽입될 수 있으며, 예를 들어, 이는, 전자기장의 위상 및/또는 코히어런스의 매핑들을 제공할 수 있으며 또한 필드의 강도 매핑에 대한 데이터를 포함할 수 있는 "베르트랑(Bertand)" 동공 이미지를 획득하기 위하여 콘쥬게이트 평면에서 삽입될 수 있다. 이러한 중간 평면 이미징이 이미지 평면, 푸리에 평면 또는 임의의 다른 중간 평면인 임의의 선택된 평면에서 사용될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 검출 시스템(100)은 또한 위상 및/또는 코히어런스 분포를 포함하는 상호 코히어런스 데이터, 그리고 또한 전형적으로 광 빔의 강도 데이터, 예를 들어, 레이저 빔 품질 모니터링, 광학 컴포넌트들의 수차들의 측정, ("가이드 스타(guide star)"를 갖거나 또는 갖지 않는) 난류(turbulent) 광학 매체 내의 수차들의 측정을 결정하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 애플리케이션들에 있어서, 검출 시스템(100)에 의해 수집된, 위상 및/또는 코히어런스 및 아마도 또한 강도에 대한 데이터를 포함하는 수집된 상호 코히어런스 데이터는 수차들 및/또는 난류의 영향을 최소화하기 위하여 적응적 광학, 및/또는 디지털 이미지 프로세싱을 사용하여 빔-교정을 수행하기 위하여 추가로 사용될 수 있다.
전형적으로, 검출 시스템(100)은 또한, 검출기 어레이(140)에 의해 검출되는 방사와 연관된 입력 데이터를 수신하고, 검출 시스템(100)에 의해 수집되는 방사의 위상 및/또는 코히어런스, 및 아마도 강도를 포함하는 입력 상호 코히어런스에 대한 데이터를 결정하기 위하여, 인코더의 광학 인코딩(패터닝, 광 변조)에 대한 데이터에 따라 수신된 입력 데이터를 프로세싱하도록 구성된 제어 시스템(500)을 포함할 수 있거나 또는 이에 연결가능할 수 있다. 검출기 시스템(100)에 의해 수집되는 입력 방사에 대한 이러한 데이터는 수집되는 광학 필드의 위상 및/또는 코히어런스 데이터를 사용하여 이미징되는 물체(Obj)의 분석을 위하여 사용될 수 있다. 본 발명의 검출기 시스템(100)에 의해 결정되는 데이터는 수집된 광학 필드의 재구성에서 사용될 수 있으며, 예를 들어, 비제한적으로 다음 중 하나 이상을 포함하는 다양한 애플리케이션들에서 사용될 수 있다: 광학 프로필로메트리, 3-차원 깊이 센싱, 검출 및 측정; 양적 위상 이미징 및 단층 촬영; 물체들의 3-차원 매핑 및 그것의 굴절률에 대한 광학 회절 단층 촬영; 수차들의 교정, 예를 들어, (사용될 때) 이미징 렌즈 배열(110)의 제한들, 흐린 매체(생물학적 조직, 대기 난류 등)을 통한 이미징과 연관된 수차의 교정; 이미징 시스템의 공간 해상도를 증가시키기 위한 개구 합성; 무-렌즈 이미징; 상이한 이미징 평면들에 대한 디지털 리포커싱(refocusing).
본 발명의 기술 및 그것의 검출 시스템(100)은 일반적으로 이미징의 목적들을 위해 사용되는 조명의 특성들에 대하여 제한되지 않는다는 것을 주의해야 한다. 보다 더 구체적으로, 본원에서 설명되는 검출기 시스템(100)은 수집되는 입력 광학 필드의 위상 및/또는 코히어런스 및 아마도 또한 강도에 대한 데이터를 포함하는 상호 코히어런스 데이터의 검출을 가능하게 하며, 여기에서 광학 필드를 제공하는 조명 소스는 임의의 선택된 소스, 예를 들어, 구조화된 조명에 의해 형성되는 광 또는 주변 광과 코히어런트하거나, 인코히어런트하거나 또는 부분적으로 코히어런트하거나, 또는 연관될 수 있다. 전형적으로, 본 기술은 추가로, 예를 들어, 형광, 다-광자 프로세스 등과 같은 비-선형적 광학 효과들에 의해 형성되는 입력 광학 필드와 연관된 위상/코히어런스 및 아마도 또한 강도를 결정하기 위하여 사용될 수 있다.
이상에서 표시된 바와 같이, 인코더(120)의 입력 평면은 검출 시스템(100)의 검출 평면으로서 역할하는 메인 평면을 정의한다. 추가로, 인코더(120)는 이를 통과하는 광에 미리 결정된 변조를 적용하고 그에 따라 변조된 광을 센서 셀들의 어레이(140)를 향해 보내도록 구성된 주기적 패턴을 포함한다. 일반적으로, 인코더(120) 및 그것의 주기적 패턴은 그것의 2개의 장축들을 따라 특정한 선택된 주기성으로 배열된 복수의 유닛 셀들을 가지고 구성된다. 보다 더 구체적으로, 주기적 패턴은, 직사각형 또는 정사각형 유닛 셀을 정의하는 직각일 수 있거나(hx 및 hy 벡터들일 수 있거나) 또는 다른 격자 주기성을 정의하는 그들 사이의 특정 각도를 가질 수 있는 적어도 2개의 기저 벡터들(h1 및 h2)을 갖는 유닛 셀들에 의해 정의될 수 있다. 단순성을 위하여, 다음의 내용은 직사각형 격자 구조체(즉, hx 및 hy 기저 벡터들을 사용함)에 대하여 설명된다. 그러나, 본 발명의 기술은 이하에서 추가로 상세하게 설명되는 바와 같은 임의의 다른 격자 구조체들을 사용하여 구현될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.
인코더(120)의 유닛 셀들의 각각은 이를 통과하는 광학 방사에 특정한 미리 결정된 코딩을 적용하도록 구성된다. 이러한 코딩은, 이하에서 추가로 예증될 바와 같이, 진폭 및/또는 위상 변조뿐만 아니라 광의 굴절 및/또는 회절과 연관될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 유닛 셀의 코딩은 하나 이상의 개구들, 위상 변조, 강도 변조, 1-차원 또는 2-차원 격자, 및 일부 실시예들에 있어서, 하나 이상의 마이크로-렌즈 어레이들과 연관될 수 있다. 일반적으로, 본 기술은, 단일 유닛 셀을 통과하여 검출기 어레이(140)를 향해 전파되는 광학 필드의 전파와 연관된, 기초 응답 데이터, 및/또는 대응하는 코히어런스 및 강도 기저 함수들의 형태로 인코더(120)의 유닛 셀들의 각각에 의해 운반되는 코딩에 대한 데이터를 사용한다.
이를 위하여, 인코더를 통과하며 그럼으로써 변조되는 광은 유닛 셀의 변조 함수에 따르는 것으로 및/또는 복수의 유닛 셀들을 포함하는 주기적 패턴으로서 인코더를 고려하는 것으로서 간주될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 따라서, 인코더에 의해 수행되는 광학 변조는, 이것이 마치 그 자체에 의한 각각의 유닛 셀의 변조에 의해 설명되는 바와 같이, 복수의 유닛 셀들의 주기적 패턴에서 기인하는 각각의 회절 차수의 위상 및 진폭을 사용하여 마찬가지로 잘 설명된다. 인코더를 통과하는 광의 변조의 설명들 둘 모두가 이해를 간단하게 하기 위하여 본원에서 상호교환적으로 사용된다.
추가적으로, 인코더 패턴의 주기성은, 전형적으로 수집되는 데이터의 표현 및 디지털 검출과 연관된, 입력 광학 필드의 검출의 이산화(discretization)를 효과적으로 정의한다. 따라서, 주기적 패턴의 유닛 셀들은 CCD 어레이의 검출기 엘리먼트들과 유사한 방식으로 검출의 픽셀 컴포넌트들을 정의한다. 이를 위하여, 인코더(120)의 유닛 셀들의 물리적 크기 및 수는 검출의 기하학적 해상도를 정의한다. 바람직하게는, 각각의 유닛 셀의 물리적 크기는, 예를 들어, 하나의 축을 따라 λ/(4NA)에 의해 정의되는, 광 수집의 회절 제한 스팟의 크기와 연관될 수 있으며, 여기에서 λ는 전자기(광학) 방사의 파장이고, NA는 검출 시스템(100) 상으로 투사되는 바와 같은 (사용될 때의) 연관된 이미징 렌즈 배열(110)의 개구수이다. 이와 관련하여, 이미징 렌즈 배열은 본 발명에 따른 검출 시스템(100)의 고유 부분일 수 있거나 또는 아닐 수 있다는 것을 주의해야 한다. 그러나, 검출 시스템(100)의 최적화 설계는, 바람직하게는, 검출 정확도 및 해상도를 최적화하기 위하여 연관될 수 있는 광학 이미징 배열의 특정 파라미터들을 고려할 수 있다.
이와 관련하여, 검출기 어레이(140)의 검출기 엘리먼트들의 및/또는 인코더(120) 상의 복수의 유닛 셀들은 입력 필드의 다양하고 상이한 특성들을 포함하는 검출을 제공하기 위하여 클러스터들로 배열될 수 있다. 예를 들어, 클러스터들은 다음 중 하나 이상을 포함하는 이미징을 제공하도록 구성될 수 있다: 다중-파장 및/또는 편광 감지 위상/코히어런스 이미징뿐만 아니라, 다수의 배향들에서의 상호 코히어런스 함수의 엘리먼트들을 측정하는 것. 일반적으로, 유닛 셀들 내에서의 1d 인코더의 사용은 각각의 유닛 셀에 대하여 사용되는 센서 셀들의 감소된 수를 가능하게 함으로써 시스템의 구성을 단순화한다. 따라서, 상이한 축들을 따른 1-차원 인코더들을 갖는 유닛 셀들의 적절한 클러스터링은 단순화된 검출 시스템 구성을 갖는 코히어런스 매트릭스의 다양한 배향 컴포넌트들의 검출을 가능하게 할 수 있다. 이를 위하여, 유닛 셀들은 클러스터들로 배열될 수 있으며, 각각의 클러스터는 대응하는 파장 및/또는 편광 필터들과 연관된 유닛 셀들을 포함한다. 일반적으로, 유닛 셀 클러스터들은 회절 제한 스팟 및/또는 나이퀴스트 샘플링 레이트에 대한 이미징 해상도와 연관되도록 구성된다. 예를 들어, 유닛 셀 클러스터들은, 예를 들어, RGB 파장 인코딩을 제공하는 바이에르 필터(Bayer filter)의 형태로 배열될 수 있거나, 또는 파장 필터들을 갖거나 또는 갖지 않는 가변 배향들을 갖는 편광 필터를 포함할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 검출기 어레이(140)의 센서 셀들은, 예를 들어, 바이에르 필터를 사용하는 다색 검출기 어레이를 형성하는 클러스터들로 배열될 수 있다. 유닛 셀들 및/또는 센서 셀들의 이러한 배열은 증가된 동적 범위 및 유연성을 가능하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 다색 및 편광 감지 위상 검출과 같은 추가적인 기능들을 가능하게 할 수 있다. 일반적으로, 클러스터링된 유닛 셀들의 어레이는 본 기술에 따른 3개의 RGB 정규 이미징 셀들 및 코히어런스 감지 셀과 연관될 수 있다. 이러한 구성들에 있어서, 이웃하는 클러스터들은 위상 및/또는 코히어런스 정보의 검출을 가능하게 하는 공유된 서브-채널들에 의해 커플링될 수 있다.
검출기 어레이(140)는, 각기 인코더(120) 패턴의 대응하는 유닛 셀과 연관된 센서 셀들의 복수의 서브-어레이들을 제공하는 기하구조 및 배열을 갖는 센서 셀들의 어레이를 포함한다. 일반적으로, 센서 셀들의 각각의 서브-어레이는 미리 결정된 수 M개의 센서 셀들을 포함하며, 그 각각은 그 위에 충돌하는 미리 결정된 파장 범위의 전자기 방사(예를 들어, 광)의 강도 측정의 검출을 위하여 구성된다. 검출기 어레이(140)는 입력 방사를 수집하고 그에 따라서 대응하는 강도 분포 데이터를 생성하도록 구성된다. 그에 따라 생성된 강도 분포 데이터는 일반적으로 검출기 어레이로부터 제어 유닛(500)으로 전송되며, 여기에서 이는, 이하에서 추가로 더 상세하게 설명될 바와 같이, 강도, 위상 및 코히어런스 이미지 분포에 대한 데이터를 결정하기 위하여 프로세싱될 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 인코더(120)의 패턴은 이를 통과하는 광을 센서 셀들의 어레이(140)을 향해 보내도록 구성된다. 따라서, 각각의 유닛 셀의 인코딩에 의해 제공되는 광학 변조 및 그것의 주기성은 미리 결정된 서브-채널들 내의 상이한 유닛 셀들을 통해 전송되는 광을 검출기 어레이(140)를 향해 보내도록 구성된다. 이러한 서브-채널들은, 이하에서 추가적으로 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 광 컴포넌트들의 확장(broadening), 편향 또는 분할 또는 다른 유형들의 응답 함수들을 초래하는 회절 차수들, 굴절 효과들과 연관될 수 있다. 또한, 인코더(120) 패턴의 주기성은 전형적으로 광 간섭에 기인하는 서브-채널들의 특정 이산화를 초래하였다. 이는 대응하는 서브-어레이와 연관된 센서 셀들 상으로 보내질 인코더(120)의 유닛 셀을 통과하는 광 컴포넌트들을 제공하며, 반면 일부 광 컴포넌트들은 특정 유닛 셀과 연관된 선택된 서브 어레이를 둘러싸는 검출기 어레이(140)의 서브-어레이들의 반경을 정의하는 특정 "근접 영역" 내의 하나 이상의 이웃하는 유닛 셀들의 서브-어레이들과 연관된 센서 셀들로 보내진다. 따라서, 센서 셀들의 각각의 서브-어레이는, 서브-어레이에 대응하는 유닛 셀을 통해 전파되는 광 컴포넌트들 및 인코더(120)의 하나 이상의 이웃하는 유닛 셀들을 통해 전파되는 일부 광 컴포넌트들을 포함하는 인코더(120)로부터 도착하는 광을 수집하도록 구성된다. 전형적으로, 검출기 어레이(140)는 강도 분포를 수집하는 프로세싱을 단순화하기 위하여, 인코더를 통과하는 광과 연관된 회절 차수들이 센서 셀들의 서브-어레이들의 크기와 연관된 (이동 방향들을 따른) 변위(displacement)들을 갖도록, 인코더로부터 미리 결정된 거리(L)에 위치된다. 일반적으로, 미리 결정된 거리는 인코더의 상기 주기적 패턴의 탤벗 거리(Talbot distance) 및 배열과 관련하여 선택된다. 그러나, 거리(L)는 전형적으로 인코더(120)로부터 검출기 어레이(140)로 전파되는 광 컴포넌트들에 의해 경험되는 광학 경로에 따라 결정된다는 것을 주의해야 한다. 일반적으로, 특정 광학 릴레이 유닛이 인코더(120)와 검출기 어레이(140) 사이의 광 컴포넌트들의 더 긴 전파뿐만 아니라 확대(magnification)를 가능하게 하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 릴레이 유닛은 망원(telescopic) 유닛, 또는 임의의 다른 릴레이 광학 배열로서 구성될 수 있다. 추가로, 인코더(120)의 검출기 어레이(140) 사이의 거리(L)의 변동에 대한 전형적인 제조/어셈블리 허용 오차가 용인될 수 있지만, 그러나, 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이 바람직하게는 강도 기저 함수들의 구조체들을 결정할 때 정확한 거리(L)가 사용되어야만 할 것이다.
이상에서 설명된 바와 같이, 인코더(120) 및 그것의 주기적 패턴은 기하학적 광학부에 의해 결정되는 바와 같은 레이(ray) 전파 또는 회절 차수에 대응하는 하나 이상의 서브-채널들 상으로 광을 보내도록 구성된다. 보다 더 구체적으로, 인코더의 단일 유닛 셀을 통과할 때, 광 컴포넌트들은 사용되는 패턴 유형에 따른 회절 및/또는 굴절 효과들을 겪을 수 있다. 추가로, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 이하에서 추가로 설명될 바와 같이 기초 응답을 제공하는, 단일 유닛 셀을 통과하는 광 컴포넌트들과 연관된 회절 효과들은 전형적으로 이웃하는 유닛 셀들을 통과하는 광 컴포넌트들과 간섭하며 이는 어느 정도의 이산적인 서브-채널들(또한 회절 차수들로도 지칭됨)을 야기한다. 이러한 효과들은 인코더의 주기성으로부터 기인할 수 있으며, 따라서 일반적으로 인코더가 단일 유닛 셀들(예를 들어, 마이크로-렌즈들) 상에서 비-회절 패턴을 사용할 때 제공된다.
이와 관련하여, (강도 검출 시에) 검출기 어레이(140)에 의해 검출될 수 있는 기초 응답 함수(FR)을 형성하는 검출기 어레이(140)를 향해 거리(L)로 전파되고 피치(p)를 갖는 인코더(120)의 단일 유닛 셀(122)을 통해 전송되는 입력 광(SI)을 예시하는 도 2a 및 도 2b에 대한 참조가 이루어진다. 일반적으로, 도 2a는 단순화된 1-차원 예시를 예시하며, 도 2b는 더 사실적인 2-차원 구성을 예시한다. 이와 관련하여, 기초 응답 함수(FR)는, 인코더의 하류측으로 전파되며, 인코더(120)의 유닛 셀 상에 충돌하는 임펄스 광 필드(예를 들어, 이미징 시스템(110)의 회절 제한 스팟 자극(excitation)의 형태의, 또는 가우시안, 직사각, 또는 델타 함수-형)로부터 기인하는 광 필드의 복소 데이터(진폭 및 위상)와 관련된다. 일반적으로, 단일 유닛 셀(122)과 연관된 인코더(120)의 영역을 통과하는 광, 및 그것의 기초 응답은 검출 시스템(100)에 의해 수집되는 강도 분포 데이터를 프로세싱하기 위하여 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 인코더의 단일 유닛 셀(122) 상으로 보내지는 입력 광 필드(SI)는 미리 결정된 광 변조를 겪으며, 검출기 어레이(140)를 향해 서브-채널들(130)을 통해 전파된다. 일반적으로, 단일 유닛 셀(122)에 의해 제공되는 변조는 연속적이며, 이는 실질적으로 연속적인 기초 응답 함수(FR)를 제공한다. 그러나, 5개의 서브-채널들(D-2 내지 D+2)을 마킹하는 화살표들이 완전성을 위하여 예시된다. 이상에서 설명된 바와 같이, 이러한 서브-채널들은, 전형적으로 인코더(120)의 주기성에 기인하는 이산 회절 차수들로서 처리될 수 있다. 이상에서 언급된 바와 같이, 특정 인코더 유닛-셀(122)은 근접 영역(PR) 내의 다수의 검출기 서브-어레이들로 서브-채널들(130)을 통해 광을 전송한다. 이러한 관계는, 단일 유닛 셀(122)과 연관된 단일 서브-어레이(142)가 유사한 근접 영역에서 또한 정의된 이웃하는 인코더 유닛-셀들로부터 적절한 서브-채널들(130)을 통해 그것 상에 충돌하는 광을 수신한다는 이중 진술(dual statement)과 동일하다.
이상에서 표시된 바와 같이, 인코더(120)의 상이한 유닛 셀들과 연관된 서브-어레이들(142) 또는 검출기 어레이(140) 내의 센서 셀들의 수 M은, 인코더의 패터닝 및 유닛 셀(122)로부터 특정 근접 영역(PR) 내의 서브-어레이들(142)로 광 컴포넌트들을 전송하는 서브-채널들의 수에 따라 선택될 수 있다. 추가적으로, 센서 셀들의 수 M은 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이 선택된 기저 재구성들에 따라 선택될 수 있으며, 이는 감소된 수의 센서 셀들을 가지고 수집되는 광의 위상 또는 코히어런스 매핑의 효율적인 재구성들을 가능하게 한다. 일반적으로, 기초 응답 함수(FR)는 근접 영역(PR) 외부에서 무시할만한 값들로 떨어진다. 예를 들어, 인코더의 패턴은, 예를 들어, 최근접 이웃들의 상호작용, 다음 최근접 이웃들 등을 정의하는 하나, 2개 또는 그 이상의 이웃하는 유닛 셀들과 연관된 광 컴포넌트들과 수집되는 광의 상호작용을 제공하도록 구성될 수 있다. 추가로, 이웃들의 상호작용의 레벨은 검출기 시스템(100)의 상이한 횡단 축들(x 및 y)에 대하여 상이할 수 있다. 일반적으로, 각각의 유닛 셀(122)과 연관된 센서 셀의 수 M은 (M ≥ 2nR + 1) 이상이 되도록 선택되며, 여기에서 nR은 근접 영역(PR) 내의 이웃하는 유닛 셀들의 총 수, 즉, 주어진 유닛 셀에 대한 모든 이웃하는 유닛 셀 상호작용들의 수이지만, 각각의 상호작용은 한 번만 카운트된다. 그러나, 이상에서 표시된 바와 같이 그리고 이하에서 추가로 더 상세하게 설명될 바와 같이, 일부 구성들에 있어서, 센서 셀들의 수 M은 수집되는 필드의 재구성을 위해 사용되는 기저 함수들의 수에 따라 감소될 수 있다. 예를 들어, 광학 인코더가 유닛 셀과 그것의 우측의 그것의 최근접 이웃 및 그것 위의 그것의 최근접 이웃 사이의 상호작용들을 생성하도록 구성된 경우, nR = 2이다. 이러한 특정 유닛-셀은 또한 그것의 좌측의 및 그것 아래의 유닛 셀들과의 상호작용들을 가질 것이다. 그러나, 이러한 상호작용들은, 상호작용들을 2번 카운트하기 않기 위하여, 좌측 및 아래의 개별적인 이웃하는 유닛 셀들에 속하는 것으로서 카운트된다. 근접 영역이 x 축 및 y 축을 따른 상호작용들로 분리될 수 있는 경우, 
이며, 여기에서 
는 x 축을 따른 이웃하는 유닛 셀 상호작용들의 수이고, 
은 y 축을 따른 이웃하는 유닛 셀 상호작용들의 수이다. 이전과 같이, 상호작용들 
및 
의 수는 단일-측면 방식으로 카운트되며, 따라서 상호작용이 2번 카운트되지 않는다.
다시 도 1을 참조하면, 검출 시스템(100)은 전형적으로, 검출기 어레이(140)로부터 수집되는 방사의 강도 분포에 대한 데이터를 수신하고, 수집되는 광의 강도, 위상 및 코히어런스 분포에 대한 데이터를 결정하기 위하여 인코더(120)의 패터닝 및 배열에 대한 데이터에 따라 수신된 데이터를 프로세싱하도록 구성된 제어 시스템(500)을 포함하거나 또는 이와 연관되도록 구성된다. 제어 시스템은 전형적으로 프로세싱 유틸리티(550) 및 저장 유틸리티(600)뿐만 아니라, 구체적으로 도시되지는 않았지만 입력 및 출력 통신 및 가능한 사용자 인터페이스를 가능하게 하는 통신 유틸리티를 포함한다.
제어 시스템(500)은 검출 시스템(100)과 일체일 수 있거나 또는 이와 분리될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 제어 시스템(500)은 검출 시스템(100)으로부터 원격에 존재할 수 있거나 또는 데이터의 원격 또는 클라우드 프로세싱에 기반할 수 있다. 이러한 구성들에 있어서, 검출 시스템(100)은 프로세싱을 위하여 검출기 어레이(140)에 의해 수집되는 강도 분포 데이터 및 인코더(120)의 패턴에 대한 데이터를 제어 시스템(500)으로 송신하도록 구성된 통신 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 위상 및 코히어런스 데이터의 검출을 위한 기술의 순서도를 예증하는 도 3에 대한 참조가 이루어진다. 도시된 바와 같이, 본 기술은, 수집되는 방사에 미리 결정된 주기적 패턴을 적용하는 인코더를 통해 적외선, 가시광, x-레이 방사, 감마 방사와 같은 입력 광학 필드 또는 임의의 다른 전자기 방사를 전송하는 단계(3010), 및 인코더의 하류측에 미리 결정된 거리(L)에 위치된 검출기 어레이에 의해 패턴화된 광 강도 분포를 수집하는 단계(3020)를 포함한다. 수집된 광의 프로세싱을 위하여, 본 기술은 주기적 패턴의 적어도 하나의 유닛 셀의 응답에 대한 데이터를 사용한다(3030). 주기적 패턴의 유닛 셀들의 응답에 대한 이러한 데이터는, 이하에서 추가로 더 상세하게 설명되는 바와 같이, "코히어런스 기저 함수들" 및 강도 맵들과 연관된 그들의 대응하는 "강도 기저 함수"의 세트 또는 단일 유닛 셀을 통과하는 광 컴포넌트들의 진폭 및 위상 분포를 나타내는 통상적인 파 전파 이론들 및 시뮬레이션들에 따라 결정되는 시뮬레이션된 또는 계산된 기초 응답 함수에 기초할 수 있다. 일반적으로, 이러한 응답 데이터(3030)는 프로세싱 시에 사용하기 위하여 미리 저장될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, (예를 들어, 도 7에 예증되는 바와 같은) 코히어런스 기저 함수들에 대응하는 특정한 미리 결정된 광 입력 분포들에 응답하여 전송되는 광의 수집은 강도 기저 함수들의 세트를 결정하기 위하여 사용될 수 있다. 본 기술은, 수집되는 광의 위상 및 코히어런스 데이터를 결정하기 위하여 수집되는 데이터의 프로세싱(3040)을 위해, 광학 인코더의 주기적 패턴을 통한 광 전송의 응답에 대한 데이터(3030)를 사용한다. 출력 데이터(3050)는, 정의된 근접 영역 내의 이웃하는 유닛 셀 상호작용들과 연관된 비-대각(off-diagonal) 엘리먼트들을 포함하는 입력 광학 필드를 나타내는 코히어런스 매트릭스에 대한 데이터를 제공한다.
검출기 어레이에 의해 수집되는 강도 분포 데이터의 프로세싱 기술은 도 4에서 보다 더 상세하게 예시된다. 도시된 바와 같이, 프로세싱하는 단계는 일반적으로, 검출기 어레이에 의해 수집되는 강도 분포에 대한 데이터를 수신하는 단계(4010), 광학 인코더의 주기적 패턴/변조의 기초 응답 함수에 대한 데이터를 제공하는 단계(4020), 및 입력 데이터를 프로세싱하는 단계를 포함한다. 주기적 패턴의 응답에 대한 데이터는 단일 유닛 셀의 기초 응답 함수에 대한 데이터를 포함할 수 있다. 프로세싱하는 단계는, 코히어런스 매트릭스 구조체와 연관되며 디바이스(100)에 의해 수집될 때 입력 광학 필드의 일반적인 상호 코히어런스 매트릭스에 걸쳐 기저 벡터들의 세트를 제공하는, 코히어런스 기저 함수들의 세트를 결정하기 위하여 기초 응답 함수를 사전- 프로세싱하는 단계(4030)를 포함할 수 있다. 이러한 코히어런스 기저 함수들은 강도 기저 함수들의 세트와 연관되며, 여기에서 그 각각은 인코더(120)를 통해 전파되고 검출기 어레이(140) 상에 충돌하는 각각의 상기 코히어런스 기저 함수에 의해 생성되는 강도 패턴에 대응한다. 다른 실시예들에 있어서, 코히어런스 기저 함수들 및 그들의 연관된 강도 기저 함수들은 사전-계산되거나 및/또는 측정될 수 있으며, 그들의 데이터는 4020 대신에 미리-제공된 데이터로서 직접적으로 사용될 수 있다. 코히어런스 기저 함수들은 상호 코히어런스 매트릭스의 형태로 코히어런스 기저 함수들의 매트릭스 표현을 예증하는 도 6a 내지 도 6e 및 도 7a 내지 도 7e를 참조하여 이하에서 추가로 더 상세하게 설명된다.
입력 수집된 강도 분포 데이터를 프로세싱하는 단계(4040)는, 강도 기저 함수들의 가중 합의 형태로 검출기 어레이(140)로부터의 입력 강도 데이터를 설명하는 계수들의 세트를 결정하는 단계와 연관될 수 있다. 따라서, 계수들의 세트 및 코히어런스 기저 함수들은 입력 광학 필드의 상호 코히어런스와 연관된 출력 데이터를 생성(4050)하기 위하여 사용된다.
이와 관련하여, 광학 필드의 상호 코히어런스 ρ는 다음과 같이 필드의 시간 평균화 공간 상관관계를 정의한다:
여기에서 
은 필드의 횡방향 공간 좌표들과 관련된다. 일반적으로, 검출기 어레이 및 디지털화된 데이터의 사용은 다음과 같은 형태의 상호 코히어런스 매트릭스를 제공하는 상호 코히어런스의 특정 이산화를 요구한다:
여기에서 
는 포인트 
에서의 필드의 복수 진폭과 관련되며, 
은 포인트 
에서의 필드의 복소 콘쥬케이트와 관련된다. 상호 코히어런스 매트릭스의 물리적으로 가능한 실현들은 에르미트 행렬(Hermitian)이고 비-네거티브라는 것을 주의해야 한다. 통상적인 검출 기술들, 또는 전형적인 검출 디바이스 또는 시스템은, 통상적인 강도 측정들에 대응하는 대각 엘리먼트들을 나타내는 데이터, 즉, 
을 제공하지만, 일반적으로 광학 필드 사이의 위상 및 코히어런스 관계들에 부분적으로 대응하는 비-대각 엘리먼트들을 결정할 수는 없다. 이와 관련하여, 본 발명의 일부 실시예들에 따라 결정되는 상호 코히어런스 매트릭스를 예시하는 도 5에 대한 참조가 이루어진다. 그것의 값들이 본 기술에 따라 결정되는 매트릭스 엘리먼트들은 패턴으로 마킹된다. 일반적으로, 대각 엘리먼트들에 더하여, 본 기술은 각각의 유닛 셀과 각각의 근접 영역 내의 그것의 대응하는 이웃들 사이의 가능한 상호작용들에 대응하는 매트릭스의 특정한 수의 비-대각 엘리먼트들을 결정하는 것을 가능하게 한다. 일반적으로, 광학 인코더의 주기성은, 비-대각 매트릭스 엘리먼트들이 밴드(band) 대각 구조를 갖는 매트릭스 표현을 형성하는 것을 제공한다. 단순성을 위하여, 도 5에 예시된 예시적인 코히어런스 매트릭스 구조체는 하나의 횡방향 치수를 갖는 광학 인코더에 대응하는 밴드 대각 구조를 갖는다. 매트릭스 내의 각각의 로우(row)는 하나의 유닛-셀에 대응한다. 이러한 예에 있어서, 우리는, 각각의 유닛 셀이 그것의 우측의 3개의 이웃들 및 그것의 좌측의 3개의 이웃들과 상호작용한다는 것을 확인한다. 따라서, 매트릭스 밴드 구조는 3개의 서브-대각(sub-diagonal)들 및 3개의 슈퍼-대각(super-diagonal)들을 갖는다. 이러한 경우에 nR = 3이며, 이는 센서 엘리먼트들의 서브-어레이들(142)에 의해 수집되는 인코더(120)의 근접 영역에 속하는 이웃하는 유닛 셀들 상호작용들의 수에 대응한다. 이상에서와 같이, 각각의 상호작용은 일반적으로 1번만 카운트되며, 즉, 오로지 로우 당 엘리먼트들의 단일-측면 수만이 카운트된다(서브-대각 또는 슈퍼-대각 엘리먼트들 중 하나이지만 둘 모두는 아님). 추가로, 2-차원 이미징에 있어서, 상호 코히어런스 매트릭스는 보통 밴드-대각 구조를 갖는 복수의 매트릭스 블록들을 포함하는 것으로서 표현될 수 있다. 따라서, 인코더 유닛 셀들과 대응하는 상호 코히어런스 매트릭스의 상이한 로우들은 아마도 그와 연관된/상호작용하는 2nR개의 복소-값의 비-대각 엘리먼트들을 갖는다. 그러나, 상호 코히어런스 매트릭스의 에르미티시티(Hermiticity)에 기인하여, 이러한 비-대각 엘리먼트들은 단지 2nR개의 실수-값의 자유도를 갖는다. 따라서, 대각 엘리먼트와 함께, 각각의 로우는 그것과 연관된 2nR + 1개의 실수 자유도를 가지며, 즉, 각각의 유닛-셀은 입력 광학 필드의 2nR + 1개의 실수 정도(real degree)들과 연관된다. 이러한 유닛 셀 당 2nR + 1개의 자유도들은 일반적으로 M ≥ 2nR + 1 형태의 검출기 유닛 셀 서브-어레이(142) 당의 검출기 유닛들의 요구되는 최소 수에 대응한다.
일반적으로, 제어 시스템(500)은, 입력 광학 필드의 상호 코히어런스 매트릭스를 결정하기 위하여 검출기 어레이(140)에 의해 수집되는 데이터를 분석하기 위해 기초 응답 함수(FR)(복수 진폭 및 위상 데이터를 포함함)을 나타내는 미리 저장된 데이터를 사용할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 이상에서 설명된 바와 같이, 제어 유닛은, 일반적인 입력 광학 필드의 코히어런스 매트릭스에 걸친 기저 벡터들을 제공하는 함수 구조들과 연관된 코히어런스 기저 함수들의 세트를 결정(도 4에서 4030)하기 위하여 기초 응답 함수의 사전-프로세싱을 사용할 수 있다. 이러한 입력 필드들의 미리 결정된 세트는 도 5의 상호 코히어런스 매트릭스의 기저 구조를 나타낸다. 따라서, 코히어런스 기저 함수들은, 상기 코히어런스 기저 함수들에 대응하는 인코더(120)의 단일 또는 미리 결정된 세트의 유닛 셀들을 통해 입력 필드와 연관되는 검출기 어레이(140)에서의 강도 데이터를 나타내는 강도 기저 함수들과 연관된다. 이러한 입력 필드 기저 함수들의 각각은 검출기 어레이(140)에서의 특정 강도 맵을 나타내는 강도 기저 함수와 1-대-1 대응관계이다.
도 6 및 도 7은 본 기술에 따른 일반적인 수집된 입력 필드를 프로세싱하는데 사용하기에 적절한 코히어런스 기저 함수들의 2개의 가능한 세트들을 예시한다. 도 6은 코히어런스 기저 함수들(벡터들) B0, B1-Bk 및 Bk+1-Bk2의 세트를 예시하며, 여기에서 k = nR이고, 이는 매트릭스 로우 당 단일-측면 비-대각 엘리먼트들의 수와 관련된다. 도 7은, 일반적으로 유사한 프로세싱 및 결과들을 제공하면서, 코히어런스 기저 함수들의 상이한 선택인, 코히어런스 기저 r 함수들 B’0, B’1-B’k 및 B’k+1-B’2k의 대안적인 세트를 예시한다. 이러한 코히어런스 기저 함수들은 디바이스(100)로 입력 광학 필드를 나타내는 상호 코히어런스 매트릭스를 표현하기 위하여 사용될 수 있다.
전형적으로, 인코더 유닛의 주기성에 기인하여, 그것의 유닛 셀들 및 대응하는 코히어런스 기저 함수들 및 그들의 연관된 강도 기저 함수들은 일반적으로 병진이동-불변(translation-invariant)이다. 따라서, 코히어런스 기저 함수들의 세트 
는, 도 6 및 도 7에서 예증되는 바와 같이, 단일 유닛 셀에 기초하여 선택될 수 있으며, 추가적인 변화들 없이 다른 유닛 셀들에 대하여 시프트되거나/병진이동될 수 있다. 따라서, 강도 기저 함수들의 연관된 세트 
가 또한 단일 유닛 셀 상에서 정의될 수 있으며, 그런 다음 다른 유닛 셀들로 기저를 확장하기 위하여 시프트되거나/병진이동된다. 전형적으로, 코히어런스 기저 함수들의 수는 미리 결정된 근접 영역과 연관된 모든 가능한 코히어런스 매트릭스들의 표현에 대한 완전한 기저를 제공하기 위하여 유닛-셀 당 2nR + 1개의 기저 엘리먼트들 이상일 수 있다. 도 6에 예시된 코히어런스 기저 함수들의 세트는 로우 당 상부-삼각형 내의 매트릭스 엘리먼트들을 포함한다. 하부-삼각형 내의 매트릭스 엘리먼트들은 상호 코히어런스 매트릭스 ρ의 에르미티시티의 요건을 통해 암시된다. 위상 데이터의 검출을 가능하게 하기 위하여, 코히어런스 기저 함수들은 π/2의 위상 시프트 또는 유닛 셀에서의 필드의 유사한 위상에 대응하는 실수 및 허수 비-대각 엘리먼트들과 연관된 엘리먼트들을 포함한다. 도 6 상에서 예증되는 이러한 특정 기저 선택에 있어서, 개별적으로 취해진 코히어런스 기저 엘리먼트들은 반드시 물리적으로 실현가능한 광학 필드 구성에 대응해야만 하는 것은 아니며, 그들의 대응하는 강도 기저 함수들이 반드시 실수-값이고 포지티브여야만 하는 것은 아니다.
대안적으로, 도 7에 예시된 코히어런스 기저 함수들의 세트는 물리적으로 실현가능한 입력 필드들에 연관될 수 있으며, 매칭되는 강도 기저 함수들은 실현가능 강도 측정치들에 대응하는 실수-값 및 포지티브이다. 코히어런스 기저 엘리먼트들 B’0, B’1-B’k 및 B’k+1-B’2k는 개별적인 유닛 셀들에서의 코히어런트 광학 필드를 설명하며, 이는 픽셀-쌍들 사이에 0 및 π/2 위상 차이들의 공간적 상관관계들을 갖는 (특정 정도까지의) 하나의 추가적인 이웃 및 선택된 유닛 셀을 통한 광학 입력을 설명한다. 그러나, 물리적 실현가능성이 기저의 선택에 대한 필수 조건은 아니며, 유일한 필수 조건은 코히어런스 기저가 실제로 미리 결정된 근접 영역과 연관된 모든 가능한 상호 코히어런스 매트릭스들을 정의하는 공간에 걸치는 것임을 주의해야 한다. 유일한 요건은, 실수 계수들을 갖는 그들의 선형적인 중첩이, 광학 인코더(120)가 지정된 근접 영역(PR) 내의 이웃하는 유닛-셀들 사이에 부여하는 단일-측면 상호작용들의 수에 대응하는 적어도 서브(슈퍼)-대각들의 지정된 수 nR에 이르는 코히어런스 매트릭스의 완전한 설명을 제공하기에 충분한 코히어런스 기저 엘리먼트들이 존재해야 한다는 것이다. 따라서, 이웃 상호작용들의 수 nR은 코히어런스 매트릭스의 "비-대각 반경"에 대응한다. 일반적으로, 예를 들어, 수차들의 가변 정도 및 유형들, 다양한 다항식들 또는 푸리에-기반 분해 등을 갖는 광학 포인트-스프레드(point-spread) 함수들 대응하는 코히어런스 매트릭스들을 포함하는 다른 코히어런스 기저 선택들이 가능하다. 코히어런스 기저 세트의 선택은 분석된 입력 광 필드, 인코더의 실제 패턴, 및 연관된 강도 기저 함수들에 대한 데이터에 대한 특정 최적화와 연관될 수 있다.
도 6 및 도 7에 예시된 코히어런스 기저 함수들은 미리 정의된 근접 영역과 연관된 가능한 코히어런스 매트릭스들에 걸친 벡터 엘리먼트들을 설명한다. 일반적으로, 본 기술은 코히어런스 기저 함수들 
과 연관된 센싱된 광학 필드에 대한 데이터를 사용한다. 보다 더 구체적으로, 각각의 코히어런스 기저 함수 
에 대하여, 미리 저장된 데이터는 일반적으로, 전형적으로 강도 맵들의 세트의 형태의 강도 기저 함수들 
을 포함할 수 있다. 도 7에 예시된 코히어런스 기저 함수들의 세트의 경우에 있어서, 이는 코히어런스 기저 함수들에 의해 설명되는 바와 같은 입력 광, 즉, 단일 유닛 셀을 통해, 그리고 코히어런스 기저 함수들에 의해 설명되는 바와 같은 대응하는 위상 관계를 가지고 단일 유닛 셀 및 하나의 추가적인 이웃을 통해 전송되는 입력 광에 응답하여 검출기 어레이(140)에 의해 측정되는 강도 맵들로서 설명될 수 있다.
강도 맵들은 전형적으로, 입력 광학 필드의 임의적인 코히어런스 매트릭스 
에 대하여, 측정된 데이터가 하기의 식에 의해 주어지는 강도 패턴을 생성한다는 것을 제공한다
따라서, 본 발명의 기술은, 주어진 측정된 강도 맵(In)에 대한 계수들 ak를 결정하고 그에 따라서 
인 코히어런스 매트릭스에 대한 추정을 재구성하는 것을 가능하게 하는 역 관계(역 매트릭스)를 결정하는 것을 사용한다.
일부 애플리케이션의 목적들을 위하여, 어쩌면 단일 (비-자명(non-trivial)) 기저 함수를 사용하는 것과 같은, 코히어런스 기저 함수들의 서브세트만을 사용하여 추정된 코히어런스 매트릭스를 재구성하기 위한 충분한 위상 정보가 결정될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 그러나, 이는 프로세싱을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 각각의 유닛 셀과 대응하는 감소된 수의 센서 셀들을 가지고 소정의 레벨의 위상 검출을 가능하게 할 수 있다.
일반적으로, 코히어런스 기저의 서브-세트의 사용은 강도 기저 함수들의 대응하는 수와 연관된다. 강도 기저 함수들은 강도 프로파일에 의해 구별되기 때문에, 이는 그에 따라서 서브-픽셀들의 대응하는 수 M과 연관된다(예를 들어, 강도 함수들을 매핑하고 그것의 재구성을 가능하게 하기 위하여). 2개의 코히어런스 기저 함수들의 서브 세트가 사용되는 경우, 단지 2개의 강도 기저 함수들만이 수집되는 광학 필드 내에서 식별되도록 요구된다. 따라서, 강도 함수들 사이의 차이는 각각의 유닛 셀과 연관된 감소된 수의 센서 셀들을 가지고 식별될 수 있다. 이러한 예에 있어서, 단지 2개의 서브-픽셀들만이 요구될 수 있다(완전한 기저 세트에 대한 재구성과 연관된 일반적인 M = 2nR + 1개의 센서들 이하).
이러한 서브 세트는 임의의 선택된 서브 세트일 수 있으며, 순수 강도 코히어런스 기저 함수 B’0를 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있다는 것을 주의해야 한다. 보다 더 구체적으로, 적절한 서브 세트는 바람직하게는 적어도 하나의 복소 코히어런스 기저 함수, 예를 들어, 도 7의 B’2k를 포함할 수 있다. 일부 구성들에 있어서, 단일 복소 기저 함수는, 본원에서 설명된 바와 같은 유닛 셀들과 연관된 제한된 수의 센서 셀들을 이용한 검출을 가능하게 하면서 위상 정보의 재구성을 위해 충분할 수 있다.
코히어런스 기저 함수들의 제한된 서브 세트를 사용하는 코히어런스 재구성은 일반적으로 코히어런스 기저 함수들의 완전한 세트를 사용하는 것과 유사하다. 이는, 이웃하는 유닛 셀들의 센서 셀들에서 도착하며 재구성된 코히어런스 맵/이미지의 픽셀들 사이의 크로스 토크를 가능하게 하는 각각의 유닛 셀들의 서브-채널들과 연관된다.
다시 도 4를 참조하면, 검출기 어레이(140)로부터 수신된 측정된 강도 맵(In)에 대응하는 입력 데이터의 프로세싱(4040)은, 일반적으로 강도 기저 함수들의 선택된 세트 
에 대하여 이상의 식 3을 충족시키는 계수들의 세트(ak)를 결정하는 것에 기초한다. 추가로, 광학 필드의 상호 코히어런스를 나타내는 데이터를 생성하는 단계(4050)는 코히어런스 기저 함수들 
을 사용함으로써 코히어런스 매트릭스에 대한 추정을 재구성하기 위하여 그렇게 결정된 계수들의 세트를 사용하여 이루어질 수 있다.
따라서, 도 8a 내지 도 8c는 블록도의 방식으로 본 기술들의 일부 개념들을 예시한다. 도 8a는 이상에서 설명된 바와 같은 단일 인코딩 기술을 예시하며, 도 8b는 병렬 인코딩 기술을 예시하고, 도 8c는 시간 변화 코딩 기술을 예시하며, 이들 전부는 입력 수집되는 광 필드(CF)의 강도, 위상 및 코히어런스 데이터를 결정하기 위하여 이상에서 설명된 기술을 사용한다. 일반적으로, 상이한 기술들은, 예를 들어, 광 분할 엘리먼트들 또는 가변 인코더를 사용하는, 도 8a 내지 도 8c에 예시된 바와 같은 대응하는 검출 시스템에 의해 사용될 수 있다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 수집되는 광학 필드(CF)는 광에 대하여 특정한 미리 결정된 패터닝을 제공하는 인코더(120)를 통해 전송된다. 이상에서 설명된 바와 같이, 패터닝은, 각각이 이를 통과하는 광에 미리 결정된 기초 응답 함수를 적용하는 복수의 유닛 셀들에 기초한다. 그러면, 그렇게 패턴화된 광이 검출기 어레이(140)에 의해 수집되며, 검출된 강도 맵이 제어 시스템(500)에 의한 프로세싱을 위하여 전송된다. 프로세싱은, 그렇게 결정된 계수들을 갖는 강도 기저 함수들의 가중 합이 수집된 강도 맵(In)을 야기하도록, 계수들의 세트를 결정하기 위하여 이상에서 설명된 바와 같은 강도 기저 함수들의 세트의 형태의 데이터를 사용한다.
도 8b는 광학 필드 검출 시스템의 병렬, 다중-구성 기술을 예시한다. 병렬 구성은 입력 광학 필드(CF)의 분할을 사용하며, 이러한 분할은 복수의 광학 스플리터(splitter)들(BS1-BSn-1)에 의해 예증되는 바와 같이 제공될 수 있고, 이러한 예에 있어서, 제 n 광 컴포넌트를 대응하는 인코더(120n)으로 보내는 폴딩 미러(folding mirror)(FM)를 포함한다. 입력 필드(CF)의 상이한 복제들이 대응하는 복수의 인코더들(120a-120n)을 통해 전송되며, 대응하는 검출기 어레이들(140a-140n)을 향해 더 전송된다. 그렇게 수집된 복수의 강도 맵들에 대한 데이터 피스들은 수집된 광 필드(CF)의 상호 코히어런스 매트릭스에 대한 데이터를 프로세싱하고 결정하기 위해 제어 시스템(500)으로 전송된다.
도 8b에 예증된 바와 같은 이러한 병렬 구성을 사용하면, 상이한 인코더들(120a-120n)이 일반적으로 상이한 패턴들을 가지고 구성된다. 보다 더 구체적으로, 모든 인코더들(120a-120n)은, 각기 그 위에서 선택된 패턴을 운반하는 복수의 유닛 셀들과 연관된 주기적 패턴들을 가지고 구성된다. 그러나, 일반적으로, 상이한 인코더들의 주기성은, 주기들이 (그 크기가 희망되는 기하학적 측방 해상도를 제공하도록 결정되는) 이론적 유닛 셀의 정수 배수가 되도록 시프트될 수 있으며, 그 결과 상이한 인코더들(120a-120n)은, 이하에서 도 22a 내지 도 22d에서 추가로 예증되는 바와 같이, (인코더 주기의 분율일 수 있는) 유닛-셀들의 정수 수(integer number)만큼 시프트된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 각각의 유닛 셀과 연관된 패턴은 상이할 수 있으며, 상이한 기초 응답 함수(FR)에 대응할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 각각의 이러한 인코더의 전파 거리 L이 상이할 수 있으며, 다시 한번 상이한 기초 응답 함수(FR)에 대응할 수 있다.
인코더들(120a-120n)에 의해 수집되는 광에 적용되는 상이한 패터닝에 따라, 제어 유닛은 이상에서 설명된 바와 같은 대응하는 기저 응답 함수들에 대한 미리 저장된 데이터를 사용할 수 있다. 검출기 어레이들(140a-140n)에 의해 검출된 디지털 강도 맵들은, 수집된 광학 필드(CF)의 추정된 코히어런스 매트릭스를 결정하기 위하여 관련 코딩에 대응하는 기저 응답 함수들에 대하여 별개로 또는 결합되어 프로세싱된다. 일반적으로, 이러한 구성이 각기 인코더들(120a-120n) 중 하나를 통해 전송되는 광 컴포넌트의 수집을 위해 전용되는 복수의 영역들을 갖는 단일 검출기 어레이를 사용할 수 있으며 그에 따라 상이하게 패턴화된 광 컴포넌트들의 분리를 유지할 수 있다는 것을 주목해야 한다.
추가적인 구성이 도 8c에 예시되며, 이는 순차 다중-구성 아키텍처에 기초한다. 이러한 실시예들에 있어서, 인코더(120)는, 예를 들어, 패턴화된 마스크를 기계적으로 또는 전자적으로 대체함으로써, 또는 전파 거리 L을 변화시킴으로써 그것의 패턴을 변화시키도록 구성될 수 있으며, 검출기 어레이는 패턴들의 각각과 연관된 수집된 강도 맵들을 제공하는 데이터피스들을 수집하도록 동작할 수 있다. 인코더(120)의 각각의 구성에 대하여, 디지털 강도 이미지가 검출기 어레이(140)에 의해 기록된다. 모든 구성들로부터의 이미지 데이터 피스들은 버퍼 또는 저장 유틸리티(450)에 저장될 수 있으며, 코히어런스 매트릭스 추정 
를 결정하기 위하여 이상에서 설명된 바와 같이 프로세싱될 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 사용을 위해 구성된 제어 시스템(500)을 개략적으로 예시하는 도 9에 대한 참조가 이루어진다. 제어 시스템(500)은 일반적으로, 적어도 하나의 프로세싱 유틸리티(550), 입력, 출력 및 사용자 인터페이스 통신을 제공하는 통신 모듈(520)을 포함하는 컴퓨터화된 시스템일 수 있으며, 하나 이상의 저장 유틸리티들(600)을 포함하거나 또는 이와 연관될 수 있다. 프로세싱 유틸리티(500)는 경우에 따라 로컬 프로세서를 사용할 수 있거나 또는 하나 이상의 원격 프로세서들을 사용하는 분산형 프로세싱을 위하여 구성될 수 있다. 일반적으로, 프로세싱 유틸리티는, 본 발명에 따른 관련 프로세싱 액션들을 기술하는 소프트웨어 및/또는 하드웨어 모듈들일 수 있는 하나 이상의 프로세싱 모듈들을 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 프로세싱 유틸리티(550)는, 인코더(들)의 패턴에 대한 데이터를 수신하고, 예를 들어, 인코더의 유닛 셀을 통한 필드 전파의 시뮬레이션에 의해 인코더의 기초 응답 함수를 나타내는 데이터를 결정하도록 구성된 기초 응답 함수 모듈(552)을 포함할 수 있다. 기저 함수 세트 모듈(554)은, 미리 저장된 데이터로서 저장 유틸리티로부터 수신되거나 또는 기초 응답 함수 모듈(552)로부터 수신되는 기초 응답 함수들에 대한 데이터를 사용하고, 적어도 2nR + 1개의 코히어런스 기저 함수들 및 그들의 대응하는 강도 기저 함수들의 세트를 결정하도록 구성된다. 기초 응답 함수에 대한 데이터 및/또는 코히어런스 기저 함수들 및 그들의 대응하는 강도 기저 함수들의 세트가 미리 제공되고 저장 유틸리티(600)에 미리 저장될 수 있다는 것을 주의해야 한다.
일반적으로, 수집된 입력 필드의 강도 맵을 프로세싱하기 위하여, 프로세싱 유틸리티(550)는 계수 결정 모듈(556) 및 코히어런스 매트릭스 모듈(558)을 포함한다. 계수 결정 모듈(556)은, 검출기 어레이(도 1에서 140)에 의해 검출되는 하나 이상의 강도 맵들 및 저장 유틸리티(600)(또는 기저 함수 세트 모듈(554))로부터 수신된 강도 기저 함수들의 세트를 수신하도록, 그리고 용인가능한 것으로서 정의된 특정한 미리 결정된 오류 마진에 이르기까지 강도 맵을 야기하는 강도 기저 함수들의 가중 선형 합을 가능하게 하는 계수들의 세트를 결정하기 위하여 강도 기저 함수들의 세트 및 강도 맵을 프로세싱하도록 구성되고 동작할 수 있다. 코히어런스 매트릭스 모듈(558)은, 기저 함수 세트 모듈(554) 또는 저장 유틸리티(600)로부터 계수들의 결정된 세트 및 코히어런스 기저 함수들의 대응하는 세트를 수신하고, 수집된 입력 광학 필드의 결과적인 추정된 코히어런스 매트릭스 ρ를 결정하도록 구성된다. 그렇게 결정된 코히어런스 매트릭스는 전형적으로 출력으로서 운영자에게 전송될 수 있거나 또는 추가적인 프로세싱을 위해 전송되거나 및/또는 추가적인 프로세싱을 위해 저장될 수 있다.
본 발명에 따른 검출기 시스템(100)의 다양한 구성들이 다음의 도면들에서 설명된다. 단순성을 위하여, 이러한 구성들은 1-차원으로 예증되며, 사실적인 2-차원 케이스로의 일반화는 일반적으로 간단하다.
도 10a 및 도 10b는, 검출기 엘리먼트들의 각각의 서브-어레이에 대하여 하나의 이웃 유닛 셀들의 포함물을 갖는 검출기 어레이(140)로 광을 보내도록 구성된 격자-형 인코더(120)를 예시한다. 도 10a는 일측(unilateral) 비-대칭적 격자 설계를 예시하며, 도 10b는 대칭적 격자 설계를 예시한다. 인코더(120)와 검출기 어레이(140) 사이의 거리(L)는 탤벗 거리 
에 따라 선택되며, 이는 수집되는 광학 필드의 전형적인 파장 λ 및 주기적 인코더의 피치 p와 관련된다. 이러한 예에 있어서, 거리(L)는 도 10a의 예에서는 
을 제공하는 1/2 탤벗 거리와 관련되며, 도 10b의 예에서는 1/4 탤벗 거리 
과 관련된다. 도 10a의 제 1 예에 있어서, 격자는 (전형적으로 유사한 회절 효과들을 갖는) 제 0 및 + 1 회절 차수들로 회절시키도록 설계되면, 반면 도 10b의 제 2 예에 있어서, 격자는 (비회절 차수 0을 포함하는) 모든 다른 차수들에 대해 무시할 수 있는 회절을 갖는 +1 및 -1 회절 차수들로 회절시키도록 설계된다. (이러한 격자들은 상업적으로 이용가능하거나, 또는 이들은 회절 격자들 분야의 당업자들에 의해 설계되고 제조될 수 있다.) 추가적으로, 각각의 서브--어레이 내의 검출기 엘리먼트들의 수 M은 각각의 서브-어레이로 광을 투사하는 이웃 유닛 셀들의 수에 따라 결정된다. 이상에서 설명된 바와 같이, 서브-어레이 내의 검출기 엘리먼트들의 수 M은 
이상이다. nR = 1을 갖는 1-차원 예에 있어서, M은 3(M = 3) 또는 그 이상일 수 있다. 일반적으로, 인코더(120) 내의 (피치 p의) 각각의 유닛-셀에 대하여, 바람직하게는, 전형적으로 각기 최대 p/M에 이르는 크기를 갖는, 검출기 어레이(140) 내의 횡 방향 당 M개 이상의 대응하는 검출기 엘리먼트들이 존재한다는 것을 주의해야 한다.
추가적인 격자 유형 구성들이 도 11a 및 도 11b에 예증된다. 이러한 예들에 있어서, 격자들은 제 0 차수 및 제 2 차수(도 11a)로 그리고 -1, 0 및 +1 회절 차수들(도 11b)로 광을 보내도록 설계된다. 따라서, 유닛 셀들의 피치 및 인코더(120)와 검출기 어레이(140) 사이의 거리의 적절한 선택이 검출기 어레이(140)의 각각의 서브-어레이와 연관된 2개의 이웃하는 유닛 셀들을 포함하는 광학 필드 수집을 제공한다. 도 10a 및 도 10b와 유사하게, 도 11a는 일측 비-대칭적 격자 구성을 도시하며, 도 11b는 대칭적 구성을 도시한다. 이러한 구성들에 있어서, 이웃하는 유닛 셀들의 수는 2이며, 그에 따라서 검출기 어레이(140)의 각각의 서브-어레이 내의 검출기 엘리먼트들의 수가 더 높으며, 도면들에서 예증되는 바와 같이 이러한 예들에서 M = 6이고, 더 높을 수도 있다. 또한, 거리 L은, 회절 차수들이 검출기 어레이의 대응하는 서브-어레이들에 맞춰지는 것을 가능하게 하기 위하여 더 크다.
각각의 서브-어레이로 광을 보내는 nR개의 이웃하는 유닛들을 가지거나 또는 각각의 서브 어레이가 nR개의 이웃하는 유닛 셀들로부터 광을 수신하는 일반적인 구성들이 도 12a 내지 도 12c에 예시된다. 도 12a는 일측 구성들을 예시하며, 도 12b는 대칭적 구성을 예시하고, 도 12c는 (일반적으로 홀수 값의 nR에 대하여 적절한) 비-대칭적 또는 준-대칭적 구성을 예시한다. 이러한 구성들에 있어서, 인코더의 격자 패턴은, 선택된 배열(일측, 대칭적 또는 준-대칭적)을 가지고, 제 0 차수에 더하여, nR 회절 차수들을 향해 광을 보내도록 구성된다. 이상에서 표시된 바와 같이, 검출기 어레이는 바람직하게는 셀 서브-어레이 당 적어도 M = 2(nR + 1)개의 검출기 엘리먼트들을 가지고 구성된다. 본 발명의 기술이 일반적으로 검출기 어레이의 각각의 서브-어레이와 연관된 인코더의 이웃하는 유닛 셀들의 수 또는 배열에 한정되지 않기 때문에, 추가적인 구성들이 사용될 수 있다는 것을 주의해야 한다.
추가로, 본 발명의 기술은 다양한 패터닝 유형들과 함께 사용될 수 있으며, 도 13a 내지 도 13c는 복수의 개구들(도 13a), 2진(binary) 위상 패턴(도 13b) 및 위상 및 진폭 마스크/패턴(도 13c)으로 형성된 패턴을 사용하는 본 발명의 검출기 시스템의 구성들을 예증한다. 일반적으로, 인코더가 그것의 유닛-셀들에 대하여 주기적이기 때문에, 이는 회절 격자들로서 고려될 수 있으며, 이상에서 설명된 바와 같은 설계들 및 기준에 대하여 회절-차수들을 분석할 수 있다. 대안적으로, 단일 유닛-셀에 의해 생성되며 거리 L에 걸쳐 전파되는 광학 필드는 광학 전파의 공지된 모델들을 사용하여 결정될 수 있으며, 따라서 유닛 셀의 기초 응답 함수들에 대한 데이터를 제공할 수 있다. 일반적으로, 격자의 회절-차수 진폭들이 적절한 간격들로 샘플링되는 유닛-셀 원거리-필드(far-field)의 값들에 의해 주어지기 때문에, 결과가 유사할 수 있다.
가장 간단한 유형의 마스크는 도 13a에 예시된 개구 마스크이다. 이러한 예에 있어서, 개구는 
의 전파 거리에 대한 것을 제공하는 
의 직경을 가지며, 기초 응답 함수는 중심 로브(lobe)의 각각의 측면 상의 첫 번째 0들 사이에서 4p의 확산(spread)을 갖는 대략적으로 사인-형상이다. 중심 로브의 이러한 스팬(span)은 각각의 서브-어레이로 광을 보내는 3개의 이웃하는 유닛 셀들의 참여를 제공하며, 즉, 이는 폭 내의 4개의 유닛-셀들의 근접 영역을 정의하고, 그에 따라서 이러한 각도 확산에서 정확한 샘플링 레이트를 달성하기 위하여 각각의 서브-어레이 내의 검출기 엘리먼트들의 수는 바람직하게는 M = 8이거나 또는 더 높다. 일반적으로, 이러한 설계는 상대적으로 강건하며, 전파 거리 L 및 개구 직경 a는, 충분한 샘플링 M이 유지되는 한 성능을 유지하면서 변화될 수 있다.
간단한 2진-위상 마스크가 도 13b에 예시된다. 이러한 예에 있어서, 마스크 세그먼트들 사이의 상대적인 위상은 π이며, 이는 이웃하는 유닛 셀들의 수에 대하여 (더 높은 주파수들에 대응하는) 상대적으로 큰 각도 확산을 갖는 기초 응답 함수를 야기한다. 따라서, 이러한 2진 위상 마스크 구성은 바람직하게는 검출기 어레이(140)의 각각의 서브-어레이로 광을 보내는 이웃하는 유닛 셀들의 수에 대하여 더 높은 샘플링 레이트를 필요로 한다. 이러한 예에 있어서, 3개의 이웃하는 유닛 셀들의 참여는 M = 12를 사용하여 적절하게 샘플링될 수 있다. 추가로, 거리 L은 전형적으로 상대적으로 짧을 수 있으며, 
로서 선택될 수 있다.
진폭 및 위상 마스크의 결합이 도 13c에 예시된다. 도 13c의 예는 인입 에너지의 대부분을 제 1 차수들 -1,0,+1로 균일하게 회절시키도록 최적화되며, 이를 달성하기 위하여, 마스크는 주기 p의 56%를 커버하는 마스크의 투명 부분을 가지고 구성되고, 나머지 부분은 3 배만큼 광학 필드를 감소시키도록(즉, 오로지 입사 에너지 플럭스의 1/9만이 전송되도록) 튜닝된 감쇠기 및 π 위상 시프트를 갖는다. 전파 거리 
를 사용하면, 기초 응답은 2개의 이웃하는 서브-어레이들을 포함하며 그에 따라서 충분한 샘플링이 M = 6 또는 그 이상을 사용하여 달성될 수 있다.
그레이 레벨 진폭 및 위상 마스크들이 각기 도 14a 및 도 14b에 예증된다. 일반적으로, 기초 응답 함수 f(x)는 인코더(120)의 진폭 및/또는 위상 변동 함수에 따라 결정된다. 예를 들어, 
의 프로파일을 갖는 진폭 변조는 1:4:1의 에너지 분포 비율을 갖는 -1,0,+1에 대응하는 3개의 회절 차수들로 광 전파를 제공할 수 있다. 이러한 설계는 M = 6을 가지고 잘 샘플링되고 근접 영역 스팬 X를 커버할 수 있으며, 이는 거리 
에서 하나의 축을 따라 nR = 2를 제공한다. 일반적으로, 검출기 엘리먼트들의 각각의 서브-어레이 내의 샘플링 레이트 M은 
를 제공하는 기초 응답 함수의 각도 확산 NA = X/2L에 따라 선택된다. 그레이-레벨 진폭 및/또는 위상 패턴들이 일반적으로 임의의 희망되는 기초 응답 함수를 제공하도록 구성될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 전형적으로, 패턴들은, 메인-로브 내의 분포가 근접 영역의 요구되는 스팬 X와 매칭되면서 사이드-로브들에 도달하는 에너지가 애플리케이션-결정된 무시할 수 있는 레벨로 최소화되도록 선택될 수 있다. 특정 예로서, 형식 
의 가우시안 프로파일이 선택되어 3 ≤ a ≤ 7를 갖는 nR = 2를 제공할 수 있다.
추가적으로, 
의 프로파일을 갖는 위상 패턴이 사용될 수 있으며, 이는 대략 3:8:3의 에너지 분포를 가지며 및 더 높은 차수들에서 무시할 수 있는 잔류 에너지를 갖는 3개의 회절 차수들 -1,0,+1로 광 컴포넌트들을 보낸다. 이러한 패턴은 nR = 2를 갖는 
및 M = 6을 사용하여 선택될 수 있다.
진폭 및 위상 패터닝의 결합이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 
의 진폭 프로파일을 갖는 패턴은 2진 π-위상 마스크와 결합된 진폭 변동을 사용하여 달성될 수 있다. 이러한 구성은 동일한 에너지 분포를 갖는 3개의 회절 차수들 -1,0,+1을 제공한다. 다른 구성은 
의 변조 프로파일을 사용할 수 있으며, 그 결과 nR = 1을 갖는 
및 M = 6의 설계 파라미터들을 갖는 -1 및 +1 회절 차수들만이 존재한다.
추가적인 예시적 구성들은 담만(Dammann)-형 격자와 같은 2진 위상-마스크를 포함하며, 여기에서 0과 π 위상-시프트 영역들 사이의 인터페이스 포인트들이 희망되는 회절 패턴을 획득하도록 선택된다. 패턴 구성은 수치적 최적화에 의해 또는 상업적으로 이용할 수 잇는 마스크들을 사용함으로써 결정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 패턴은 홀로그래픽(holographic) 격자들로서 구성될 수 있다.
인코더의 마이크로-프리즘 유형 패턴들을 예시하는 도 15a 내지 도 15d에 대한 참조가 이루어진다. 이러한 패턴 설계들은 희망되는 기초 응답 함수를 획득하기 위하여 선택된 마이크로-프리즘들의 주기적 어레이들을 사용한다. 일반적으로, 이러한 마이크로-프리즈들은 진폭 감쇠 엘리먼트들과 결합될 수 있다. 도 15a는 하나의 축을 따라 nR = 1을 갖는 기본 마이크로-프리즘 설계를 예시하며; 도 15b는 하나의 축을 따라 nR = 1을 갖는 대칭적 설계를 예시하고; 도 15c는 하나의 축을 따라 nR = 3을 갖는 기본 마이크로-프리즘 설계를 예시하며; 및 도 15d는 일반적인 대칭적 설계를 예시한다. 일반적으로, 마이크로-프리즘들을 동일한 길이/치수일 수 있거나, 또는 상이한 길이들일 수 있다는 것, 및 위상 및/또는 진폭 패터닝이 또한 마이크로-프리즘들의 상단 상에 사용될 수 있다는 것을 주의해야 한다.
이상에서 언급된 바와 같이, 인코더는 또한 렌즈릿 어레이 또는 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있으며, 이는 각기 볼록 렌즈릿 및 오목 렌즈릿 어레이들을 사용하는 패턴들을 예시하는 도 16a 및 도 16b에서 예증된다. 일반적으로, 렌즈릿들은 바람직하게는 하나의 유닛 셀 각각을 점유하도록 구성되며, f(또는 -f)의 일반적인 초점 거리를 가지고 예증된다. (동일한 수의 참여하는 이웃하는 유닛 셀들에 대응하는 근접 영역을 갖는) 일반적인 비-대각 반경 nR에 대하여, 확장 비율은 약 1:(nR + 1)이 되도록 선택될 수 있으며, 이는 스팬 p(nR + 1)을 갖는 검출기-평면 근접 영역의 사용을 가능하게 한다. 초점 f 길이는 전파 길이 
의 (nR + 1)-1로서 선택될 수 있다. 대응하는 개구수 
은 유닛 셀 당 적어도 M = 2(nR + 1)개의 검출기 픽셀들을 요구하며, 그 결과 초점 거리 및 NA는 또한 
및 
와 같이 표현될 수 있다.
일반적으로, 렌즈들의 초점으로부터, 광은, 검출기 픽셀들에 도달하기 이전에 
의 추가적인 거리에 걸쳐 전파하게 된다. 비율 L/f는 입력 렌즈릿 평면과 검출기 평면 사이의 기하학적 광학부 확대율(magnification factor)을 결정한다. 렌즈릿들의 각각은 pL/f의 직경을 갖는 광의 패치(patch)를 생성한다. f < L에 대하여, 이는 중첩하는 패치들을 야기한다. 광의 각각의 이러한 패치는 기초 응답 함수의 기하학적 광학부 설명이며, 그것의 범위들은 각각의 유닛 셀의 근접 영역에 대응한다. 본 발명의 맥락들에서 렌즈릿 어레이의 설계 및 대응하는 기초 응답 함수들은 간단한 기하학적 광학부 설계를 사용할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 다른 한편으로, 렌즈릿 어레이는 각각의 유닛 셀 내에 포물선형 위상 변동을 갖는 그레이-스케일 위상 패턴의 예로서 고려될 수 있으며, 이와 같이, 회절 격자로서 취급될 수 있다.
일반적으로, 본 기술은 다층 인코더 구성들을 사용할 수 있다. 이상에서 설명된 바와 같이, 이러한 다층 구성은 인코더(120)의 2개 이상의 상이한 패턴들에 기초할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 인코더는, 수집되는 광의 일반적인 전파 방향을 따라 그들 간에 분리된 2개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 하나의 이러한 다층 구성이 도 17에서 예증되며, 이러한 도면은 제 1 인코더 층(120a), 제 2 인코더 층(120b) 및 검출기 어레이(140)를 포함하는 검출 시스템을 예시한다. 이러한 예에 있어서, 인코더의 층들은 렌즈릿 어레이 층들로서 구성되며, 제 2 층(120b)의 렌즈릿들이 제 1 층(120a)의 렌즈릿들의 초점들을 검출기 어레이 상으로 이미징하도록 배열된다. 이러한 구성에 있어서, 검출기 엘리먼트들의 서브-어레이 상으로 광 컴포넌트들을 보내는 이웃하는 유닛 셀들의 수는 전형적으로 렌즈릿들의 개구수 및 초점 길이의 선택에 의해 결정된다. 보다 더 구체적으로, 층(120a)의 렌즈릿들의 개구수가 더 클 수록, 검출기 엘리먼트들의 동일한 서브-어레이로 광을 보내는 이웃하는 유닛 셀들의 수가 더 크다. 추가적으로, 다층 구성들은 렌즈릿 어레이 또는 다른 이러한 다층 조합들과 결합된 개구 기반 층을 사용할 수 있다.
이상에서 표시된 바와 같이, 이상에서 설명된 예들은 단순성을 위하여 1-차원으로 예시된다. 도 18은 그들 사이에 각도를 가지고 2개의 패턴들을 정렬시킴으로써 2-차원 인코더를 제공하기 위한 2개의 1-차원 패턴들의 사용을 예시한다. 추가적으로, 도 19a 및 도 19b는 각기 직사각형 및 6각형 주기적 패턴을 사용하는 일부 유닛 셀 설계들을 예증한다.
일반적으로, 이러한 도면들에서 유닛 셀 설계들 a-c는 정사각형/6각형 그리드 내에 내장된 라운드 렌즈릿들과 연관되며, 렌즈릿들은 그들의 지형상의 윤곽을 설명하는 동심 원들로서 묘사된다. 설계 a에 있어서, 렌즈릿들을 둘러싸는 데드-스페이스(dead-space)가 마스킹되며, 설계 b는 이러한 공간을 개방된 채로 놔두고, 설계 c에 있어서 렌즈릿들은 전체 유닛-셀을 채우기 위하여 확장된다. 이러한 렌즈릿 설계들 모두가 홀로그래픽 렌즈들, 프레넬 렌즈들, 비구면 엘리먼트들 등과 같은 원형 대칭성을 갖는 다른 엘리먼트들로 확장될 수 있다.
설계 d 및 설계 e는 유닛 셀 내에 내장된 마이크로-프리즘 구성들을 예시한다. 설계 d에 있어서 마이크로-프리즘들은 플러스(+) 구성으로 배열되며, 반면 설계 e에 있어서 이들은 엑스(X) 구성으로서 배열된다. 6각형의 주기적 패턴에 있어서, 마이크로-프리즘은 유닛 셀의 각도들 및 측면들에 대하여 유시한 패턴으로 변화한다.
마지막으로, 설계 f 내지 설계 k는 2진 마스크들에 대하여 예시한다. 설계 f 및 설계 i는 포지티브 및 네거티브 버전들로 원형 대칭성을 갖는 마스크를 사용한다. 설계 g, 설계 h, 설계 j, 및 설계 k는, 정사각형 대칭성 또는 6각형 대칭성을 보유하는 포지티브 및 네거티브 버전들이다. 설계 g 및 설계 j에 있어서, 마스크는 유닛 셀에 평행하게 배향되며, 반면 h 및 k에 있어서 마스크는 45 도(또는 6각형 구성에 대하여 30 도)만큼 회전된다.
다시 도 17에 예시된 다층 구성을 참조하면, 일부 추가적인 인코더 구성들은 복수의 광 지향, 분할, 플리핑(flipping) 엘리먼트들 및 다른 광 지향 엘리먼트들을 포함하는 캐스케이드-형 인코더를 사용할 수 있다. 이러한 캐스케이드-형 구성은, 모두가 검출기 어레이(140)에 의해 수집되고 검출될 수집되는 광/방사를 보내는 제 1 분할 층(120a), 플리핑 층(120b), 제 2 분할 층(120c) 및 혼합 층(120d)을 포함하는 캐스케이드-형 인코더를 예시하는 도 20에서 예증된다.
본원에서 예증되는 바와 같은 캐스케이드-형 인코더는, 각각의 유닛 셀 상에 충돌하는 광 컴포넌트들에 대한 트리-형 전파 경로를 형성하는 선택된 레벨의 분할을 포함하는 경로에서 수집되는 광 컴포넌트를 보내도록 구성된 광학 층들의 캐스케이드에 기초한다. 인접한 유닛-셀들의 트리들은 바람직하게는, 캐스케이드-트리의 출력 평면이 유닛-셀 상에 충돌하는 광 컴포넌트들의 복제들 또는 다수의 샘플들을 포함하도록 구성된다. 복제들은, 비-대각 반경 nR 내의 유닛-셀들(이웃하는 유닛 셀들)의 임의의 쌍에 대하여, 최근접 이웃들인 적어도 2개의 샘플들이 존재하도록 배열될 수 있다.
일반적으로, 캐스케이드 트리 광학 엘리먼트들은 기하학적 광학부에 기초할 수 있으며, 특히 렌즈릿 어레이들에 기초할 수 있다. 일반적으로, 스플리터 층들(120a 및 120c)은 스플리터 엘리먼트들의 입력 상에 충돌하는 광 컴포넌트들을 분할하고 이들을 이웃하는 분할 엘리먼트들을 따른 경로들로 보내도록 구성된다. 분할 엘리먼트들이 규칙적인 주기성(120a)을 가지고 구성될 때, 이는 하나의 유닛 셀로부터 이웃하는 유닛 셀들로 광을 보내는 것에 대응하였다. 다른 층들(120c)은 더블 주기성(또는 그 이상)을 가지고 구성될 수 있으며, 따라서, 분할 엘리먼트들은 그에 따라서 광 컴포넌트들을 보낸다. 플리핑 층들(120b)은 광 컴포넌트들을 (층(120b)의 피치에 따라) 단일의 이웃하는 영역으로 보내도록 구성되며, 혼합 층들(120d)은 광 컴포넌트들을 효과적으로 릴레이한다.
이상에서 표시된 바와 같이, 캐스케이드 인코더의 상이한 층들은 렌즈릿 어레이들로부터 구성될 수 있으며, 여기에서 각각의 층은 단일 렌즈릿 층 또는 2개 이상의 렌즈릿 층들일 수 있다. 전형적으로, 각각의 캐스케이드 층은, 각각의 릴레이 유닛 내에서 광학 필드의 횡방향 배향이 플리핑되도록, 그것의 입력 평면(상단)으로부터 그것의 출력 평면(하단)으로 광학 필드를 릴레이하도록 구성된다. 추가로, 충분한 샘플링 레이트에 대하여, 센서 셀들의 수는, 검출기 어레이(140)의 동일한 서브-어레이로 광 컴포넌트들을 보내는 이웃하는 유닛 셀들의 수와 결합된 캐스케이드 구성에서의 층들의 피치 크기에 의해 결정될 수 있다는 것을 주의해야 한다.
다색/광-대역 조명과 함께 사용하기 위한 인코더 구성을 예시하는 도 21에 대한 참조가 이루어진다. 이러한 다색 검출은, 공통 기초 응답 및/또는 강도 기저 함수들의 세트가 넓은 범위를 커버하는 파장들에 대하여 유사한 것이 바람직한 애플리케이션들에 대하여 사용될 수 있다. 이러한 구성은, 광을 색 변동들을 포함하는 몇몇 회절 차수들(일 예로서 차수들 -1, 0 및 +1이 예시됨)로 분할하도록 구성된 초기 격자 엘리먼트 G1, 2 렌즈, 렌즈들 L1 및 L2를 포함하는 4f 릴레이 배열, 및 각각의 회절 차수에 대하여 상이한 측방 시프트들 Δx를 도입하면서 검출기 어레이 상으로 선택된 파장 범위 내의 모든 파장들의 광 컴포넌트들을 보내기 위하여 상이한 파장들의 광학 경로를 변화시키도록 구성되고 개구 평면에 위치되는 프리즘 유닛들 P1 및 P2를 포함하는 인코더(120)에 기초한다. 이러한 측방 시프트들은, 각각의 회절 차수(서브-채널)가 인코더의 유닛 셀들의 희망되는 크기와 관련하여 적절하게 변위되어 이상에서 설명된 설계 원리들에 따라 희망되는 근접 영역 및 기초 응답을 제공하도록 설계된다. 따라서, 파장들의 광 컴포넌트들 λ1 및 λ2는 검출기 평면에서 다시 병합되는 것으로 예시된다.
일반적으로, 이러한 구성에 있어서, 검출기 어레이(140)는 릴레이 배열의 후방 초점 평면 상에 위치되며, 희망되는 측방 시프트들 Δx는 시스템의 동공 평면 근처의 프리즘 유닛들 P1 및 P2에 의해 획득된다. 이러한 구성은, 입력 필드의 특정 회절-차수(서브-채널)에 속하는 상이한 파장들이 동일한 포인트에서 지정된 측방 시프트를 갖는 각각의 회절-차수(서브-채널)와 만나는 것을 제공한다. 회절의 제 0 차수는 임의의 색 분산을 갖지 않으며 따라서 교정될 필요가 없다는 것을 주목해야 한다. 일부 구성들에 있어서, 보상기(compensator) C1이 제 0 회절 차수(서브-채널)의 광학 경로 내에 제공되어, 이러한 예에 있어서, 광학 경로 길이를 그들의 개별적인 프리즘들 P1 및 P2에 의해 변조되는 다른 회절 차수들의 그것과 매칭되도록 조정할 수 있다. 렌즈들 L1 및 L2가 사실상 색 분산이 없는 것으로 가정되며, 그렇지 않은 경우, 임의의 이러한 효과들이 프리즘 P1 및 P2(및 아마도 보상기 C1) 재료 및 설계의 선택에 의해 보상될 수 있다는 것을 또한 주목해야 한다.
추가적으로, 이러한 구성은 또한 개구 평면 근처에 위치되며 상이한 파장들 및/또는 회절 차수들(서브-채널들)의 광 컴포넌트들의 상대적인 위상 및/또는 진폭의 추가적인 제어를 제공하도록 구성된 푸리에 변조기(구체적으로 도시되지는 않음)를 사용할 수 있다. 푸리에 변조기는 또한 격자 엘리먼트로부터 바람직하지 않은 회절 차수들을 차단하기 위하여 사용될 수 있다.
추가로, 검출기 어레이는 스펙트럼 감지 검출기, 예를 들어, RGB 바이에르 검출기 어레이 또는 다른 (하이퍼-)스펙트럼 감지 픽셀 배열들로서 구성될 수 있다. 스펙트럼 감지 검출기의 사용은 광-대역 설계들과 관련되며, 이와 같이, 이는, 각각의 파장 범위가 대응하는 기초 응답 및/또는 강도 기저 함수들을 갖게 하여 그럼으로써 아마도 디바이스에 의해 용인가능한 총 허용가능 파장 범위를 확장한다. 추가적으로, 스펙트럼 감지 검출기는 또한, 이상에서 설명된 바와 같은 인코더 구성들을 사용하는 검출기 시스템 구성들의 스펙트럼 범위를 확장하기 위하여 적용이 가능할 수 있다.
(기하학적 해상도와 연관된) 희망되는 유닛 셀보다 더 큰 피치 크기를 갖는 렌즈릿 어레이를 사용하는 인코더 구성을 예시하는 도 22a 내지 도 22d에 대한 추가적인 참조가 이루어진다. 이러한 구성은 전형적으로 시간 변화 코딩 기술을 사용하는 도 8c에 예증된 검출기 시스템 구성에 따라 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 렌즈릿 어레이(120)는 희망되는 유닛 셀보다 더 큰 주기를 갖는 렌즈릿들을 포함한다. 따라서, 패턴은 희망되는 유닛 셀의 피치 크기만큼 캡처 인스턴스(capture instance)들 사이에서 시프트된다. 도시된 바와 같이, 도 22a에서 어레이는 (0,0)에 정렬되고, 제 1 캡처 이후에 어레이(120)는 도 22b에서 정렬 (0,1)로 이동되며, 어레이는 추가로 도 22c에서 정렬 (1,0)로 그리고 도 22d에서 정렬 (1,1)로 이동된다. 추가적인 시프트들이 사용되어 렌즈릿 어레이의 9개 또는 그 이상의 시프트된 카피(copy)들을 사용하는 3 x 3 구성을 제공할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 이러한 4개의 인스턴스들 이후에 수집된 전체 강도 맵들이 이상에서 설명된 기술에 따른 프로세싱을 위하여 사용된다. 또한, 인스턴스들의 순서는 임의적으로 결정될 수 있으며, 본 기술에 따른 프로세싱에 대하여 역할을 수행하지 않는다는 것을 주목해야 한다. 다른 실시예들에 있어서, (도 22a 내지 도 22d에 예시된 것들과 유사한) 이러한 다중 구성들은 도 8b에서 예증된 바와 같은 병렬 아키텍처에서 사용될 수 있다.
파장, 편광 필터링, 및/또는 상이한 변조 및/또는 배향을 갖는 유닛-셀들에 대한 유닛 셀 클러스터링을 예증하는 도 23a 내지 도 23d에 대한 참조가 이루어진다(후자는 1D 인코더 패터닝 및 감소된 수의 센서 셀들을 갖는 대응하는 1D 근접 영역과 관련된다). 도 23a는 2개의 녹색 전송 셀들, 적색 전송 셀 및 청색 전송 셀을 포함하는 바이에르 유형 클러스터를 예증하며; 도 23b는 3개의 RGB 통상적인 강도 검출 셀들 및 본원에서 설명된 바와 같은 CC 위상 및/또는 코히어런스 검출 셀의 배열을 예증하며; 도 23c는 변화하는 배향들의 편광 필터들을 갖는 셀들 및/또는 1D 배향된 인코더 셀들을 예증하고; 및 도 23d는 파장 및 편광 셀들 및/또는 1D 배향된 인코더 셀들의 결합된 배열을 예증한다.
일반적으로, 이상에서 언급된 바와 같이, 셀들을 클러스터링하는 것은 증가된 범위의 정보를 갖는 이미징, 예를 들어, 다색 이미징을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 각각의 클러스터는 일반적으로 유닛 셀로서 간주된다. 그러나, 클러스터의 각각의 셀은 그 자체로 유닛 셀이며, 이웃하는 클러스터들의 대응하는 셀들과 서브-채널들을 공유한다. 추가로, 클러스터의 셀들은 그들 사이에서 스펙트럼 범위들, 편광 배향들에 있어서 변화할 수 있으며, 상이한 기저 세트들, 크기들, 인코더 유형들, 인코더 배향들 등과 연관될 수 있다. 셀 클러스터링의 선택은 위상/코히어런스 이미징의 동적 범위를 증가시키는 수집되는 데이터의 층들 또는 깊이를 향상시키기 위하여 및/또는 추가적인 이미징 층들을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 인코더 유형 및/또는 기저 세트들의 선택의 변화는 몇몇 파라미터들에 기초하는 위상 및/또는 코히어런스 데이터의 재구성이 검출의 정확도 및 민감도를 최적화하는 것을 가능하게 한다.
따라서, 본 기술은 수집되는 광의 강도, 위상 및 코히어런스를 나타내는 데이터를 결정하기 위한 검출기 시스템 및 대응하는 방법을 제공한다. 본 발명의 기술은, 추가적인 방향으로부터의 샘플들의 조사 또는 조명의 제어를 요구하지 않으면서 주어진 위치로부터 도착하는 광의 위상 및 코히어런스를 검출하기에 적절하다. 당업자들은, 첨부된 청구항들 내의 그리고 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 그것의 범위로부터 벗어나지 않고, 다양한 수정들 및 변화들이 이상에서 설명된 바와 같은 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다.
Claims (31)
- 복수의 유사한 유닛 셀들을 갖는 인코더, 및 시스템을 통한 입력 광의 전파의 일반적인 방향에 대하여 상기 유닛 셀들의 하류측에서 소정의 거리에 위치되는 센서 셀들의 어레이를 포함하는 광학 검출 시스템으로서,
상기 센서 셀들의 어레이는 복수의 서브-어레이 유닛 셀들을 정의하며, 각각의 서브-어레이는 상기 인코더의 상기 복수의 유닛 셀들의 유닛 셀에 대응하고, 각각의 서브-어레이는 미리 결정된 수 M개의 센서 엘리먼트들을 포함하며;
상기 인코더는, 상기 인코더의 각각의 유닛 셀이 그 위에 입사하는 수집되는 입력 광의 일 부분을 그것의 대응하는 서브-어레이 유닛 셀 및 미리 결정된 근접 영역 내의 하나 이상의 이웃하는 서브-어레이 유닛 셀들 상으로 보내도록 상기 광학 검출 시스템에 의해 수집되는 입력 광에 미리 결정된 변조를 적용하도록 구성되며; 및
상기 미리 결정된 수 M은 상기 미리 결정된 근접 영역 내의 서브-어레이 유닛 셀들의 미리 결정된 수에 따라 결정되는, 검출 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 서브-어레이 유닛 셀들의 센서 엘리먼트들의 상기 미리 결정된 수 M은 (M ≥ 2nR + 1)이라는 조건을 충족시키도록 선택되며, nR은 상기 미리 결정된 근접 영역 내의 이웃하는 서브-어레이 유닛 셀들의 상기 미리 결정된 수인, 검출 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 서브-어레이 유닛 셀들의 센서 엘리먼트들의 상기 미리 결정된 수 M은 수집되는 입력 필드의 상호 코히어런스(mutual coherence) 정보의 재구성에 사용하기 위하여 선택된 코히어런스 매트릭스 기저 함수(basis function)들의 미리 결정된 수에 따라 선택되는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더의 상기 유닛 셀들의 배열은 수집되는 광의 이산화된(discretized) 유닛 측정을 정의할 수 있으며, 상기 인코더의 상기 유닛 셀의 물리적 치수는 검출 시스템에 의해 수집되는 광의 회절 제한 스팟(diffraction limited spot)에 대하여 미리 결정된 요건들에 의해 정의되는, 검출 시스템.
- 청구항 4에 있어서,
상기 유닛 셀의 물리적 치수는 상기 회절 제한 스팟에 대한 요건보다 더 작은, 검출 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 유닛 셀의 물리적 치수는 상기 회절 제한 스팟의 약 0.1-0.25인, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더는 하나 이상의 선택된 파장 범위의 광을 수집하고 인코딩하도록 구성되는, 검출 시스템.
- 청구항 7에 있어서,
상기 인코더는 미리 결정된 파장 범위 내의 입력 광에 선택된 파장 범위와 실질적으로 유사한 그것의 변조 함수들과 같은 미리 결정된 변조를 적용하도록 구성되는, 검출 시스템.
- 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 인코더는 하나 이상의 파장 범위들의 세트 내의 입력 광에 하나 이상의 미리 결정된 변조들을 적용하도록 구성되며, 상기 인코더는 상기 세트 내의 각각의 파장 범위에 대한 변조 함수를 정의하는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서 셀들의 어레이는 2개 이상의 파장 범위들의 광 강도를 개별적으로 검출하도록 구성된 센서 셀들을 포함하는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출 시스템은, 상기 센서 셀들의 어레이에 의해 수집되는 입력 데이터를 수신하고, 상기 인코더에 의해 수집되는 입력 광의 상호 코히어런스를 나타내는 데이터를 결정하기 위하여 상기 인코더의 변조 함수에 대한 데이터에 따라 상기 입력 데이터를 프로세싱하도록 구성되고 동작할 수 있는 제어 유닛을 더 포함하는, 검출 시스템.
- 청구항 11에 있어서,
상기 제어 유닛은, 상기 인코더의 변조 함수에 대한 미리 제공된 데이터에 따라, 상기 센서 셀들의 어레이에 의해 수집되는 데이터와 연관된 강도 패턴들을 제공하는 계수들의 세트를 결정하도록, 그리고 상기 계수들의 세트를 갖는 미리 결정된 코히어런스 기저 함수들의 대수 합(algebraic sum)인 상기 인코더에 의해 수집되는 입력 광의 상호 코히어런스를 결정하기 위하여 상기 계수들의 세트를 사용하도록 구성되고 동작할 수 있는, 검출 시스템.
- 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
상기 제어 유닛은 프로세싱 유틸리티, 저장 유틸리티, 및 상기 센서 셀들의 어레이로부터 수집되는 강도 맵에 대한 데이터를 수신하기 위한 입력 포트를 포함하며; 상기 저장 유틸리티는 인코더의 하나 이상의 유닛 셀들을 통과하는 광 컴포넌트들의 변조 함수를 나타내는 데이터로 프리-로딩(pre-load)되고; 상기 프로세싱 유틸리티는 수집되는 강도 맵에 대한 상기 데이터를 수신하고, 수집되는 광의 코히어런스 매트릭스에 대한 데이터를 결정하기 위하여 상기 인코더의 하나 이상의 유닛 셀을 통과하는 광 컴포넌트들의 변조 함수에 대한 상기 데이터에 따라 상기 데이터를 프로세싱하도록 구성되고 동작할 수 있는, 검출 시스템.
- 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더의 변조 함수에 대한 상기 데이터는 상기 인코더에 의해 상이하게 변조된 선택된 파장 범위들의 대응하는 세트와 연관된 파장 변조 함수들의 세트를 포함하는, 검출 시스템.
- 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더는 위상 또는 진폭 주기적 패턴 중 적어도 하나를 갖는 마스크 유닛을 포함하는, 검출 시스템.
- 청구항 15에 있어서,
상기 인코더는 위상 및 진폭 패턴을 운반(carry)하는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더는, 상기 선택된 주기성을 갖는 마이크로 렌즈 어레이, 마이크로-프리즘 어레이 격자 또는 위상 마스크 중 적어도 하나를 포함하는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더는 2개 이상의 층들을 포함하며, 각각의 층은 이를 통과하는 광 컴포넌트에 영향을 주도록 구성된 주기적 패턴을 포함하는, 검출 시스템.
- 청구항 18에 있어서,
상기 2개 이상의 층들은 상기 시스템을 통한 입력 광의 전파의 전반적을 방향을 따라서 이들 사이에서 미리 결정된 거리로 분리되는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더는 광 지향 엘리먼트들의 캐스케이드형(cascaded) 배열을 포함하는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더는 상기 센서 셀들의 어레이를 향한 상기 인코더 사이에서의 광 전파를 가능하게 하도록 구성된 광학 릴레이 유닛을 더 포함하는, 검출 시스템.
- 청구항 21에 있어서,
상기 광학 릴레이 유닛은 수집되는 광 컴포넌트들에 미리 결정된 배율(magnification)을 적용하도록 구성되는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출 시스템은 그들 사이에 선택된 패턴들을 갖는 복수의 미리 결정된 수의 인코더들을 포함하며, 상기 센서 셀들의 어레이는 상기 복수의 인코더들을 통해 전송되는 광학 방사를 개별적으로 수집하도록 구성되고; 상기 복수의 인코더들은 입력 광학 필드의 복수의 복제(replication)들을 수집하도록 배열되는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 23에 있어서,
상기 검출 시스템은 대응하는 센서 셀들의 어레이들에 대한 선택된 상이한 전파 거리들을 갖는 복수의 미리 결정된 수의 인코더들을 포함하며, 상기 대응하는 센서 셀들의 어레이는 상기 복수의 인코더들을 통해 전송되는 광학 방사를 개별적으로 수집하도록 구성되고; 상기 복수의 인코더들은 입력 광학 필드의 복수의 복제들을 수집하도록 배열되는, 검출 시스템.
- 청구항 23 또는 청구항 24에 있어서,
상기 복수의 인코더들의 피치(pitch) 주기성들은 상기 복수의 유닛 셀들의 배열을 정의하는 미리 결정된 주기성의 정수 배수이며, 상기 복수의 인코더들은 상이한 인코더들의 패턴들이 상기 미리 결정된 주기성의 분율(fraction)들에서 수집되는 광학 필드에 대하여 그들 사이에서 시프트되어 상기 복수의 인코더들의 누적적인 패턴이 유닛 셀들의 상기 배열을 정의하는 상기 미리 결정된 주기성과 매칭되게 하도록 구성되는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 25 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더는 그것의 패턴을 시간적으로 변화시키도록 구성되는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더는 인코더로부터 상기 센서 셀들의 어레이까지의 전파 거리를 시간적으로 변화시키도록 구성되는, 검출 시스템.
- 청구항 26 또는 청구항 27에 있어서,
상기 인코더는 상기 복수의 유닛-셀들의 배열을 정의하는 미리 결정된 피치 주기성의 정수 배수인 피치 주기성을 갖는 주기적 패턴을 운반할 수 있으며, 상기 인코더는 상기 피치 주기성의 분율들로 그것의 패턴을 시프팅함으로써 그것의 패턴을 시간적으로 변화시키도록 구성되고, 상기 분율들은 상기 유닛 셀들의 상기 미리 결정된 피치 주기성과 매칭되는, 검출 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 28 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인코더의 상기 유닛 셀들은 복수의 유사한 클러스터(cluster)들로 배열되며, 각각의 클러스터는, 파장 선택적 필터링의 변동, 편광 배향(polarization orientation)에서의 변동, 인코더 배향에서의 변동 및 인코더 변조에서의 변동 중 적어도 하나와 대응하는 것과 연관된 셀들을 포함하는, 검출 시스템.
- 광학 검출에서 사용하기 위한 방법으로서,
수집 평면에서 인코더를 통한 입력 광학 방사를 수집하고, 각기 유닛 셀 상에 충돌하는 광학 방사의 적어도 일 부분을 하류측의 미리 결정된 근접 영역까지 확장하는 미리 결정된 변조 함수를 갖는 복수의 유사한 유닛 셀들로 구성된 주기적 변조를 상기 수집된 입력 광학 방사에 적용하는 단계;
상기 수집 평면으로부터 선택된 거리에 센서 셀들의 어레이를 제공하는 단계로서, 상기 센서 셀들의 어레이는, 각기 인코더의 유닛 셀에 대응하며 미리 결정된 수 M개의 센서 셀들을 포함하는 복수의 서브-어레이 유닛 셀들을 제공하면서 상기 근접 영역에 따라 결정된 상기 미리 결정된 수의 이웃하는 유닛 셀들 중 하나 이상과 연관된 광 컴포넌트들의 수집을 위하여 구성된 셀 기하구조 및 배열을 가지고 구성되며, 수집된 광학 방사에 응답하여 상기 센서 셀들의 어레이의 출력과 연관된 강도 맵을 생성하는, 단계;
수집 광의 상호 코히어런스 함수를 결정하기 위하여 상기 미리 결정된 변조 함수에 대한 데이터에 따라 상기 강도 맵을 프로세싱하는 단계를 포함하는, 방법.
- 청구항 30에 있어서,
상기 프로세싱하는 단계는, 코히어런스 기저 함수들의 대응하는 세트와 연관된 강도 기저 함수들의 세트의 형태로 상기 변조 함수를 나타내는 미리-저장된 데이터를 획득하는 단계, 및 상기 강도 맵과 상기 강도 기저 함수들의 세트의 가중된 합을 연결하는 계수들의 세트를 결정하는 단계, 및 상기 코히어런스 기저 함수들의 세트 및 상기 계수들의 세트에 따라 상기 상호 코히어런스 매트릭스를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
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