KR20210032252A - 능동 가변 스펙클 조명 대면적 고해상도 영상 기기 및 이를 이용한 이미징 방법 - Google Patents

능동 가변 스펙클 조명 대면적 고해상도 영상 기기 및 이를 이용한 이미징 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 영상 기기는, 단일 파장을 갖는 간섭성 광을 조사하도록 구성되는 광원과, 광원에서 조사된　광의 파면 및 편광 상태 중 어느 하나를 변화시키도록 구성되는 능동 광 변조기와, 능동 광 변조기에서 변조된 광을 산란시켜 스펙클 패턴을 형성하는 불규칙한 구조 표면을 가지는 디퓨저와, 스펙클 패턴을 포함하고　대상체인 시료를 투과한 광이 입사되어 필터링되는 광학계와, 광학계를 거친 광에 의해 생성되는 이미지를 획득하는 이미지 센서와, 이미지 센서에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지를 푸리에 영역에서 반복적으로 중합하여 고해상도 이미지를 얻는 프로세서를 포함하며, 복수개의 저해상도 이미지의 각각은 능동 광 변조기가 광을 상이하게 변조하여 획득될 수 있다.

Description

능동 가변 스펙클 조명 대면적 고해상도 영상 기기 및 이를 이용한 이미징 방법{ACTIVE VARIABLE SPECKLE ILLUMINATION WIDE-FIELD HIGH-RESOLUTION IMAGING APPATATUS AND IMAGING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 능동 가변 스펙클 조명을 사용하여 대면적 고해상도 영상을 획득하는 기기 및 이를 이용하여 영상을 얻는 방법에 관한 것이다.
종래, 현미경과 같은 영상 기기의 경우, 대물 렌즈의 개구수(Numerial Aperture)에 따라 받아 들일 수 있는 공간 주파수의 범위가 정해지게 되어 개구수가 낮은 렌즈를 사용하는 현미경은 상대적으로 저해상도 이미지를 얻을 수 밖에 없었으며, 고해상도 이미지를 얻기 위하여 개구수가 높은 고가의 렌즈를 사용하더라도 FOV(Field of View) 값이 작아져 대면적의 이미지를 얻을 수는 없는 한계를 가지고 있었다.
대면적이면서 고해상도인 이미지를 획득하기 위하여 비교적 최근에 푸리에 타이코그래피(Fourier Ptychography) 방법 내지 산술적 위상 복원(Phase Retrieval)을 사용하여 산술적인 계산을 통해 이미지를 산출하려는 시도들이 나타나고 있다.
하지만, 시료로 입사되는 광의 입사각을 달리하는 광원 어레이(예를 들어, LED 매트릭스)를 사용하는 각도가 큰 조명 방법(Large-angled illumination)은 적용되는 광원 어레이의 사이즈가 커서 영상 기기를 컴팩트하게 구성할 수 없었으며, 설치 오차 내지 사용에 따른 오차가 발생하여 영상 기기의 성능에 부정적인 영향을 초래할 가능성이 높았다. 관련 기술의 경우, 갈바노미터를 이용한 미러 제어 등과 같이 기계적인 구동부가 존재하여 구동에 따른 오차가 발생하고 측정에 장시간이 소요되는 문제점을 가지고 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 능동 가변 스펙클 조명을 사용하여 축선 조명(On-axis illumination)을 따라 대면적 고해상도 이미지를 얻을 수 있는 영상 기기와 이를 이용한 이미징 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 기기는, 단일 파장을 갖는 간섭성 광을 조사하도록 구성되는 광원과, 광원에서 조사된　광의 파면 및 편광 상태 중 어느 하나를 변화시키도록 구성되는 능동 광 변조기와, 능동 광 변조기에서 변조된 광을 산란시켜 스펙클 패턴을 형성하는 불규칙한 구조 표면을 가지는 디퓨저와, 스펙클 패턴을 포함하고　대상체인 시료를 투과한 광이 입사되어 필터링되는 광학계와, 광학계를 거친 광에 의해 생성되는 이미지를 획득하는 이미지 센서와, 이미지 센서에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지를 푸리에 영역에서 반복적으로 중합하여 고해상도 이미지를 얻는 프로세서를 포함하며, 복수개의 저해상도 이미지의 각각은 능동 광 변조기가 광을 상이하게 변조하여 획득될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 기기의 능동 광 변조기는 광의 편광 상태를 변화시키는 편광 변조기 및 광의 파면을 변화시키는 튜너블 렌즈 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 기기의 편광 변조기는 싱글　 픽셀 액정(Single Pixel Liquid Crystal)으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 기기의 디퓨저는 시료를 수용하는 시료 챔버의 일면에 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 기기의 디퓨저의 불규칙한 구조 표면은 아래의 수학식을 만족하도록 형성될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기에서,
Figure pat00002
로서,
Figure pat00003
는 불규칙한 구조의 피크 사이의 거리인
Figure pat00004
의 중간값이며, NA는 광학계의 개구수,
Figure pat00005
는 광원에서 조사되는 광의 파장을 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 기기의 광학계는 시료를 투과한 광을 수광하도록 구성되는 하나 이상의 대물 렌즈를 포함하며, 대물 렌즈의 개구수에 기초하여 수광된 광을 필터링할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 기기의 광학계는 대물 렌즈를 통과한 광이 이미지 센서에서 촛점이 맞춰지도록 하는 튜브 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 기기는 이미지 센서에서 획득된 저해상도 이미지 또는 상기 프로세서에서 처리된 고해상도 이미지를 전시하는 디스플레이를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 기기의 프로세서는, 공간 영역에서 고해상도 이미지를 얻기 위한 소정의 초기 가정 이미지를 정하고 푸리에 변환하는 초기 가정 이미지 생성 지시와, 초기 가정 이미지를 푸리에 영역에서 디퓨저 및 광학계 중 적어도 어느 하나 이상에 관한 함수로 필터링한 후 역푸리에 변환하여 저해상도 이미지를 산출하는 저해상도 이미지 산출 지시와, 산출된 저해상도 이미지의 세기 정보를 이미지 센서에서 획득된 저해상도 이미지의 세기 정보로 대체하고 푸리에 변환을 하여 푸리에 영역에서 초기 가정 이미지를 중합하는 초기 가정 이미지 중합 지시를 수행하며, 이미지 센서에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지 각각에 대하여 저해상도 이미지 산출 지시와 초기 가정 이미지 중합 지시를 반복적으로 수행하여 고해상도 이미지로 수렴하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 기기의 프로세서에서 처리되는 고해상도 이미지는 세기 정보 이외에 위상 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 방법은, 단일 파장을 갖는 간섭성 광을 조사하도록 구성되는 광원에서 조사된　 광을 능동 광 변조기에서 광의 파면 및 편광 상태 중 어느 하나를 변화시키고, 불규칙한 구조 표면을 가지는 디퓨저에 의해 스펙클 패턴을 형성시켜 스펙클 패턴이 포함되고　대상체인 시료를 투과한 광이 광학계에 입사되고 필터링되어 이미지 센서에서 복수개의 저해상도 이미지를 획득하는 단계와, 이미지 센서에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지를 푸리에 영역에서 반복적으로 중합하여 고해상도 이미지를 얻는 고해상도 이미지 처리 단계를 포함하며, 복수개의 저해상도 이미지의 각각은 능동 광 변조기가 광을 상이하게 변조하여 획득될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 방법에 있어서, 디퓨저는 시료를 수용하는 시료 챔버의 일면에 일체로 형성되며, 디퓨저의 불규칙한 구조 표면은 시료 챔버의 일면의 거칠기를 조절하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 방법에 있어서, 고해상도 이미지 처리 단계는, 공간 영역에서 고해상도 이미지를 얻기 위한 소정의 초기 가정 이미지를 정하고 푸리에 변환하는 초기 가정 이미지 생성 단계와, 초기 가정 이미지를 푸리에 영역에서 디퓨저 및 광학계 중 적어도 어느 하나 이상에 관한 함수로 필터링한 후 역푸리에 변환하여 저해상도 이미지를 산출하는 저해상도 이미지 산출 단계와, 산출된 저해상도 이미지의 세기 정보를 이미지 센서에서 획득된 저해상도 이미지의 세기 정보로 대체하고 푸리에 변환을 하여 푸리에 영역에서 초기 가정 이미지를 중합하는 초기 가정 이미지 중합 단계를 포함하며, 이미지 센서에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지 각각에 대하여 저해상도 이미지 산출 단계와 초기 가정 이미지 중합 단계를 반복적으로 수행하여 고해상도 이미지로 수렴하도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 방법에 있어서, 고해상도 이미지는 세기 정보 이외에 위상 정보를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 능동 가변 스펙클 조명 대면적 고해상도 영상 기기 및 이미징 방법은 높은 공간 주파수 정보를 포함하고 있는 스펙클 패턴을 사용하고, 능동 광 변조기를 사용함으로써 대면적이면서 동시에 고해상도를 가지는 이미지를 획득할 수 있으며, 산출된 고해상도 이미지에는 위상 정보도 포함할 수 있어 이를 이용한 다양한 방식의 이미지를 얻을 수 있다.
또한, 광원 어레이를 사용하지 않고, 단일 광원 및 능동 광 변조기를 사용함으로써 각도가 큰 조명 방법이 아닌 축선 조명 방법으로 영상 기기를 컴팩트하면서 소형으로 구현할 수 있으며, 설치 오차 내지 사용에 따른 오차가 발생할 가능성을 감소시킬 수 있다.
나아가, 영상 기기를 구현함에 있어 기계적인 구동부가 존재하지 않아 구동에 따른 오차가 발생하지 않고, 측정에 드는 시간을 단축할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기의 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기의 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저가 설치되는 시료 챔버의 사시도 및 부분 확대도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기의 이미지 획득부(100)에 대한 개략적인 개념도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기의 이미지 획득부(100)와 이미지 처리부(200)를 나타내는 블록 다이어그램이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기는 광을 조사하는 광원(110)과, 조사된 광을 변조시키는 능동 광 변조기(120)와, 변조된 광을 산란시켜 스펙클 패턴을 형성시키는 디퓨저(130)와, 스펙클 패턴을 포함하는 광이 이미징 대상인 시료(S)를 투과하고 입사되어 필터링되는 광학계(140)와, 광학계를 거쳐 필터링된 광에 의해 생성되는 이미지를 획득하는 이미지 센서(150)를 통해 저해상도의 이미지를 획득할 수 있다.
여기에서, “저해상도”라는 용어의 의미는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기에 의한 이미지 처리를 통하여 결과적으로 해상도가 높아지게 되는 “고해상도” 이미지와의 상대적인 차이를 나타내기 위한 기재이며, 광학계, 즉 대물 렌지의 개구수(Numerical aperture)에 의해 정해지는 공간 주파수(Spatial Frequency)의 세기의 한계 내에서 얻은 이미지를 의미한다.
광원(110)은 스펙클 패턴을 형성하기 위하여 단일 파장을 갖는 고간섭성 광을 조사하도록 구성되어야 하며, 레이저나 레이저 다이오드로 광원(110)을 구성할 수 있다. 레이저 광과 같이 고간섭성을 가지지 않는다면 디퓨저(130)에 의해 스펙클 패턴을 형성할 수 없게 되므로 영상 기기에 적합한 광원(110)을 선택하도록 한다.
광원(110)에서 조사되는　광은 능동 광 변조기(Active Light Modulator; 120)에서 변조될 수 있다. 통상적으로, 푸리에 타이코그래피(Fourier Ptychography) 방법은 LED 매트릭스를 사용하여 시료(S)로의 입사각이 달라지도록 가변 조명(Variable illuminator)을 사용하여 다양한 정보를 가지는 복수개의 저해상도 이미지를 획득하게 되는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기에서는 능동 광 변조기(120)에서 저해상도 이미지마다 상이하게 광을 변조함으로써 이러한 가변 조명과 같은 효과를 얻을 수 있게 된다.
특히, 능동 광 변조기(120)에 의해 변조된 광이 디퓨저(130)에 의해 스펙클 패턴을 형성하여 시료를 투과하고 광학계(140)로 입사하게 되면 복수개의 저해상도 이미지를 효과적으로 획득할 수 있게 되는데, 이는, 종래 광의 입사각을 달리하는 푸리에 타이코그래피 방법에서 사용하는 각도가 큰 조명 방법(Large-angled illumination)이 아닌 축선 조명 방법(On-axis illumination)을 택할 수 있어 영상기기를 보다 간소화하거나 컴팩트하게 구현할 수 있게 되며, 나아가 LED Matrix 등의 기계적인 구동이나 설치 오차에 의한 오류를 감소시킬 수 있게 된다.
능동 광 변조기(120)는 입사되는 광의 편광 상태를 변화시키는 편광 변조기일 수 있으며, 편광 변조기를 사용하는 경우 획득되는 저해상도 이미지마다 편광 변조기의 편광 상태를 상이하게 변화시킬 수 있다. 편광 변조기는 기계적으로 편광판의 회전 각도를 조절하여 구현될 수도 있지만, 싱글 픽셀 액정(Single Pixel Liquid Crystal)을 사용하여 전자적인 신호에 의해 편광 상태를 변화시키는 경우, 기계적인 구동으로 인한 오차를 줄일 수 있게 된다.
농동 광 변조기(120)의 다른 예로는 튜너블 렌즈(Tunable Lens)를 들 수 있으며, 가해지는 전압에 따라 굴절율 분포가 바뀌는 튜너블 렌즈를 사용하여 저해상도 이미지마다 조사되는 광의 파면의 굴곡을 상이하게 변화시킬 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기에서 광원(110)으로부터 조사되는 광은 능동 광 변조기(120)에서 파면 및 편광 상태 중 어느 하나가 변화될 수 있도록 구성된다.
능동 광 변조기(120)에서 변조된 광은 디퓨저(130)를 지나면서 스펙클 패턴(Speckle pattern)이 형성될 수 있다. 스펙클 패턴은 레이저와 같은 고간섭성 광이 불규칙한 구조 내지는 패턴이 형성된 표면에 조사될 때 생기며 높은 공간 주파수 성분을 포함하고 있어 스펙클 패턴 정보를 취득하게 되면 고해상도 이미지를 복원할 수 있게 된다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기의 디퓨저(130)를 불규칙한 구조 표면(Structured Surface)을 가지며, 이 불규칙한 구조가 충분히 형성되어 있지 않다면 약한 산란 패턴(Weakly Scattering pattern)을 형성하여 높은 공간 주파수 성분을 포함할 수 없게 되고, 후술할 프로세서(210)에서의 처리를 통하여 고해상도 이미지를 얻을 수는 없게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저(130)는 아래의 수학식 1을 만족하도록 형성될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00006
여기에서,
Figure pat00007
로서,
Figure pat00008
는 불규칙한 구조의 피크 사이의 거리인
Figure pat00009
의 중간값이며, NA는 광학계의 개구수,
Figure pat00010
는 광원에서 조사되는 광의 파장을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기의 디퓨저(130)는 시료(S)를 수용하는 시료 챔버(160)의 일면에 일체로 형성될 수 있다. 시료 챔버(160)의 상면에 디퓨저(130)를 설치함으로써 능동 광 변조기(120)를 통과한 광이 산란되어 시료(S)로 향하게 할 수 있으며, 이와 달리 시료 챔버(160)의 하면에 디퓨저(130)를 설치하여 능동 광 변조기(120)를 통과한 광이 시료(S)를 통과한 후에 산란되는 것 또한 가능하다. 시료 챔버(160)의 일면에 디퓨저(130)를 일체로 형성하는 경우, 디퓨저(130)의 불규칙한 구조 표면은 시료 챔버(160)의 해당면의 거칠기(Roughness)를 조절하여 형성될 수 있다. 약한 산란 패턴이 발생하지 않도록 거칠기를 거칠게 조절할 때에는 시료 챔버(160)를 사출 가공하는 금형의 표면을 가공하여 거칠기를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 디퓨저(130)를 시료 챔버(160)의 일면에 일체로 형성하도록 구성하였지만, 이에 한정되지 않고 디퓨저(130)를 영상 기기 내에 별도로 설치할 수 있으며, 이 경우에도, 빛의 조사 경로를 따라 시료(S)의 전이나 후에 위치하도록 할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 시료(S)는 세포와 같은 생체 조직에서부터 전혈, 혈장, 혈청, 침, 안구액, 뇌척수액, 땀, 노, 젖, 복수액, 활액, 복막액, 세포 용해물의 액체 시료 또는 조직 모, 손발톱의 피부계 하위기관 고체 시료에 이르기 까지 투명한 시료(S) 뿐만 아니라 다양한 시료(S)의 이미지를 형상화할 수 있다. 시료 챔버(160)도 이러한 시료(S)의 특성에 맞추어 공지의 바이오 칩 등이 사용될 수 있다.
디퓨저(130)에 의해 산란되는 광은　시료(S)를 투과하고 광학계(140)로 입사될 수 있다. 광학계(140)로 입사되는 광은 광학계(140)의 특성에 따라 필터링되어 이미지 센서(150)로 향하게 되며, 광학계(140)는 시료(S)를 투과한 광을 수광하도록 구성되는 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있으며, 이는 제1 렌즈(141) 및 제2 렌즈(142)로 구성될 수 있다. 제1 렌즈(141) 및 제2 렌즈(142)를 대물 렌즈(Objective Lens)로 구성하는 경우, 대물 렌즈의 개구수에 기초하여 수광된 광을 필터링하여 확대된 상을 형성할 수 있다.
종래 현미경에 사용되는 대물 렌즈의 경우, 렌즈의 개구수에 따라 필터링할 수 있는 공간 주파수의 세기가 한정적이므로, 저해상도의 이미지를 획득하는데 그쳤지만, 본 발명의 일 실시예와 같이 푸리에 타이코그래피 방법을 사용하는 능동 가변 스펙클 조명 대면적 고해상도 영상 기기의 경우, 능동 광 변조부(120)로 변조되고 디퓨저(130)를 거치면서 스펙클 패턴이 형성되는 광이 시료(S)를 투과하여 광학계(140)로 입사되므로, 실제 렌즈로 받아들일 수 있는 공간 주파수보다 높은 공간 주파수 정보를 받아들일 수 있으므로, 후술할 프로세서(210)에 의해 처리되어 광학계(140)를 이루는 대물렌즈로는 획득할 수 없는 고해상도 이미지를 산출해낼 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시 형태에서는 광학계(140)가 광의 조사 경로를 따라 상류에 배치되며 확대되는 상을 형상하는 대물 렌즈인 제1 렌즈(141)와, 제1 렌즈(141)를 통과한 광이 이미지 센서에서 촛점이 맞춰지도록 광의 조사 경로를 따라 재1 렌즈(141)의 하류에 배치되는 튜브 렌즈인 제2 렌즈(142)를 더 포함할 수도 있다. 나아가, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 다양한 조합의 렌즈를 이용하여 광학계(140)를 구성할 수 있을 것이다.
광학계(140)의 렌즈들은 광원(110)에서 조사되어 시료(S)를 투과한 광에 기반하여 시료(S)의 확대된 상을 형성하고, 형성된 상을 이미지 센서(150)로 전달할 수 있다.
이미지 센서(150)는 광학계(140)를 통과한 상을 촬상하여 광학계(140)의 시야 범위에 해당되는 시료(S)의 이미지를 획득할 수 있다. 이러한 이미지 센서(150)로는 CCD 또는 CMOS 방식의 이미지 센서가 사용될 수 있을 것이다.
이미지 센서(150)에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지는 프로세서(210)에서 처리되어 산출되는 고해상도 이미지를 얻을 수 있게 되는데, 구체적으로는 푸리에 타이코그래피 방법을 이용함으로써 복수개의 저해상도 이미지를 푸리에 영역에서 반복적으로 중합하여 고해상도 이미지를 얻을 수 있게 된다. 한편, 이 경우, 복수개의 저해상도 이미지의 각각은 능동 광 변조기(120)가 광을 상이하게 변조하여 획득됨으로써 각각의 저해상도 이미지별로 상이한 정보들을 포함할 수 있게 된다.
다시 도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기는 기능적으로 보면, 광원(110)에서 조사된 광이 시료(S)를 투과하고 광학계(140)에 입사하여 필터링되고 이미지 센서(150)에서 이미지를 획득할 수 있도록 하는 이미지 획득부(100)와, 이렇게 획득된 이미지를 처리하거나 화면에 전시하는 이미지 처리부(200)로 이루어질 수 있다. 이 경우, 이미지 획득부(100)는 광원(100), 능동 광 변조기(120), 디퓨저(130), 광학계(140), 및 이미지 센서(150)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 이미지 처리부(200)는 프로세서(210)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상기기의 이미지 처리부(200)는 이미지 센서(150)에서 획득된 저해상도 이미지 또는 프로세서(210)에서 처리된 고해상도 이미지를 전시하는 디스플레이(220)를 더 포함할 수 있다. 또한, 프로세서(210)에서 수행되는 이미지 처리를 위한 각종 지시나 이러한 처리로 산출되어 얻어지는 이미지, 또는 이미지 센서(150)에서 획득되는 이미지 정보들을 저장하고 읽어낼 수 있는 메모리(미도시) 내지는 이미지 획득부(100)와 이미지 처리부(220)를 유선 내지 무선으로 연결하여 통신이 가능하도록 구성되는 통신부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 이미지 센서(150)에서 획득된 저해상도 이미지 정보들은 프로세서(210)로 전달되고 프로세서(210)는 푸리에 타이포그래피 방법을 사용하여 고해상도 이미지를 산출할 수 있게 된다. 나아가, 프로세서(210)는 광원(110)의 조사 세기, 시간, 내지는 간격을 제어할 수 있고, 능동 광 변조기(120)를 제어하여 광원(110)으로부터 조사되는 광을 상이하게 변조할 수 있다. 구체적으로, 편광 변조기의 싱글 픽셀 액정 또는 튜너블 렌즈에 인가되는 전기적 신호를 제어하여 광을 변조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기의 프로세서(210)는 이미지 센서(150)에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지를 푸리에 영역에서 반복적으로 중합하여 고해상도 이미지를 산출하여 얻을 수 있다. 이러한 프로세서(201)의 반복적인 산술적 알고리즘은 위상 복원(Phase Retrieval) 내지는 푸리에 타이코그래피 방법으로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 이미지 획득부(100)에 의해 광을 변조하면서 취득된 대면적의 스펙클 영상인 저해상도 이미지들을 대상으로 산술적인 위상 복원 계산을 통하여 대면적이면서 고해상도 이미지를 취득할 수 있도록 한다. 이를 통하여, 대물 렌즈의 개구수에 따라 얻을 수 있는 화질을 넘어서는 고해상도 이미지를 산출하여 생성할 수 있음은 물론이고, 프로세서에서 처리되어 산출된 고해상도 이미지는 세기(Intensity) 정보 이외에 위상(Phase) 정보를 포함할 수 있다. 별도의 간섭계 시스템을 구성하지 않고도 위상 이미지를 얻을 수 있으며, 명시야 이미지, 암시야 이미지, 차등간섭 위상차(DIC) 이미지를 얻을 수 있다는 점에서 추가적인 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 프로세서(210)가 복수개의 저해상도 이미지를 기초로 고해상도 이미지를 산출해내는 위상 복원 내지 푸리에 타이코그래피 방법을 보다 구체적으로 나누어 살펴보면, 프로세서(210) 다음과 같은 지시들을 수행할 수 있으며, 이러한 지시는 메모리(미도시)에 저장되어 있다 읽어내어져 프로세서(21)에 의해 수행가능하도록 구성될 수 있다.
먼저, (1) 초기 가정 이미지 생성 지시는 공간 영역에서 고해상도 이미지를 얻기 위한 소정의 초기 가정 이미지를 정하고 푸리에 변환하도록 할 수 있다. 이 때에, 초기 가정 이미지는 세기 및 위상 정보와 관련하여 임의의 값을 정하거나 이미지 센서(210)에서 획득된 저해상도 이미지들을 보간하여 정할 수 있다. 이렇게 최초에 가정된 이미지 정보는 이후에 저해상도 이미지들로 반복하여 중합됨으로써 고해상도 이미지로 수렴할 수 있게 된다.
다음으로, (2) 저해상도 이미지 산출 지시는 초기 가정 이미지를 푸리에 영역에서 디퓨저 및 광학계 중 적어도 어느 하나 이상에 관한 함수로 필터링한 후 역푸리에 변환하여 저해상도 이미지를 산출할 수 있다. 즉, 이미지 센서(150)에서 실질적으로 획득되는 이미지 이외에 영상 기기의 정보를 사용하여 프로세서(210)에서 산출되는 이미지를 서로 비교하여 반복적으로 연산함으로써 실제 촬상된 이미지와 연산으로 산출하여 얻어지는 이미지의 차이를 줄이기 위한 사전 과정으로 생각할 수 있다.
마지막으로, (3) 초기 가정 이미지 중합 지시는 산출된 저해상도 이미지의 세기 정보를 이미지 센서에서 획득된 저해상도 이미지의 세기 정보로 대체하고 푸리에 변환을 하여 푸리에 영역에서 초기 가정 이미지를 중합할 수 있다. 이와 같이 푸리에 영역에서 중합을 반복적으로 수행함으로써 결과 이미지가 수렴되어 결국 고해상도 이미지를 산출할 수 있게 된다.
이미지 센서(150)에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지 각각에 대하여 저해상도 이미지 산출 지시와 초기 가정 이미지 중합 지시를 반복적으로 수행하여 고해상도 이미지로 수렴하도록 할 수 있으며, 이미지 센서(150)에서 획득된 이미지가 N개인 경우, N개의 저해상도 이미지를 모두 중합하여 고해상도 이미지로 수렴하게 할 수 있으며, 이미지의 개수 N은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 기기 구성에 따라 달리 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 능동 가변 스펙클 조명 대면적 고해상도 영상 기기를 이용하여 고해상도 영상을 얻을 수 있는 이미징 방법은 이미지 획득 단계와 이미지 처리 단계로 나눌 수 있다.
저해상도 이미지 획득 단계는, (1) 광원(110)에서 광을 조사하는 단계로서, 단일 파장을 갖는 간섭성 광을 조사하는 단계와, (2) 능동 광 변조기(120)에서 광을 변조시키는 단계로서, 광원(110)에서 조사된　 광을 능동 광 변조기(120)에서 광의 파면 및 편광 상태 중 어느 하나를 변화시키는 단계와, (3) 스펙클 패턴 형성 단계로서, 불규칙한 구조 표면을 가지는 디퓨저(130)에 의해 스펙클 패턴을 형성시키는 단계와, (4) 광학계(140) 필터링 단계로서, 스펙클 패턴이 포함된 광이　 대상체인 시료(S)를 투과하고 광학계(140)에 입사되고 필터링되는 단계와, (5) 저해상도 이미지 획득 단계로서, 이미지 센서(150)에서 복수개의 저해상도 이미지를 획득하는 단계를 포함하며, 저해상도 이미지는 N개의 이미지를 얻을 때까지 매 이미지마다 능동 광 변조기(120)로 광을 상이하게 변조시켜 얻을 수 있게 된다.
고해상도 이미지 처리 단계에서는, 이미지 센서에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지를 푸리에 영역에서 반복적으로 중합하여 고해상도 이미지를 얻을 수 있게 되며, 보다 구체적으로는 (1) 초기 가정 이미지 생성 단계로서, 공간 영역에서 고해상도 이미지를 얻기 위한 소정의 초기 가정 이미지를 정하고 푸리에 변환하는 단계와, (2) 저해상도 이미지 산출 단계로서, 초기 가정 이미지를 푸리에 영역에서 디퓨저 및 광학계 중 적어도 어느 하나 이상에 관한 함수로 필터링한 후 역푸리에 변환하여 저해상도 이미지를 산출하는 단계와, (3) 초기 가정 이미지 중합 단계로서, 산출된 저해상도 이미지의 세기 정보를 이미지 센서에서 획득된 저해상도 이미지의 세기 정보로 대체하고 푸리에 변환을 하여 푸리에 영역에서 초기 가정 이미지를 중합하는 단계를 포함하며, 이미지 센서(150)에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지 각각에 대하여 저해상도 이미지 산출 단계와 초기 가정 이미지 중합 단계를 반복적으로 수행하여 고해상도 이미지로 수렴하도록 할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 이미지 획득부 110 광원
120 능동 광 변조기 130 디퓨저
140 광학계 141 제1 렌즈
142 제2 렌즈 150 이미지 센서
160 시료 챔버 S 시료
200 이미지 처리부 210 프로세서
220 디스플레이

Claims (14)

  1. 단일 파장을 갖는 간섭성 광을 조사하도록 구성되는 광원;
    상기 광원에서 조사된　광의 파면 및 편광 상태 중 어느 하나를 변화시키도록 구성되는 능동 광 변조기;
    상기 능동 광 변조기에서 변조된 광을 산란시켜 스펙클 패턴을 형성하는 불규칙한 구조 표면을 가지는 디퓨저;
    상기 스펙클 패턴을 포함하고 대상체인 시료를 투과한 광이 입사되어 필터링되는 광학계;
    상기 광학계를 거친 광에 의해 생성되는 이미지를 획득하는 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지를 푸리에 영역에서 반복적으로 중합하여 고해상도 이미지를 얻는 프로세서를 포함하며,
    상기 복수개의 저해상도 이미지의 각각은 상기 능동 광 변조기가 광을 상이하게 변조하여 획득되는 것을 특징으로 하는 영상 기기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 능동 광 변조기는 광의 편광 상태를 변화시키는 편광 변조기 및 광의 파면을 변화시키는 튜너블 렌즈 중 어느 하나인, 영상 기기.
  3. 청구항 2에 있어서,　
    상기 편광 변조기는 싱글　 픽셀 액정(Single Pixel Liquid Crystal)으로 이루어지는, 영상 기기.
  4. 청구항 1에 있어서,　
    상기 디퓨저는 상기 시료를 수용하는 시료 챔버의 일면에 일체로 형성되는, 영상 기기.
  5. 청구항 1에 있어서,　
    상기 디퓨저의 불규칙한 구조 표면은 아래의 수학식 1을 만족하도록 형성되는, 영상 기기.
    [수학식 1]
    Figure pat00011

    여기에서,
    Figure pat00012
    로서,
    Figure pat00013
    는 불규칙한 구조의 피크 사이의 거리인
    Figure pat00014
    의 중간값이며, NA는 광학계의 개구수,
    Figure pat00015
    는 광원에서 조사되는 광의 파장을 나타낼 수 있다.
  6. 청구항 1에 있어서,　
    상기 광학계는 상기 시료를 투과한 광을 수광하도록 구성되는 하나 이상의 대물 렌즈를 포함하며, 상기 대물 렌즈의 개구수에 기초하여 수광된 광을 필터링하는, 영상 기기.
  7. 청구항 6에 있어서,　
    상기 광학계는 상기 대물 렌즈를 통과한 광이 상기 이미지 센서에서 촛점이 맞춰지도록 하는 튜브 렌즈를 더 포함하는, 영상 기기.
  8. 청구항 1에 있어서,　
    상기 이미지 센서에서 획득된 저해상도 이미지 또는 상기 프로세서에서 처리된 고해상도 이미지를 전시하는 디스플레이를 더 포함하는 영상 기기.
  9. 청구항 1에 있어서,　
    상기 프로세서는,
    공간 영역에서 상기 고해상도 이미지를 얻기 위한 소정의 초기 가정 이미지를 정하고 푸리에 변환하는 초기 가정 이미지 생성 지시와,
    상기 초기 가정 이미지를 푸리에 영역에서 상기 디퓨저 및 광학계 중 적어도 어느 하나 이상에 관한 함수로 필터링한 후 역푸리에 변환하여 저해상도 이미지를 산출하는 저해상도 이미지 산출 지시와,
    산출된 저해상도 이미지의 세기 정보를 상기 이미지 센서에서 획득된 저해상도 이미지의 세기 정보로 대체하고 푸리에 변환을 하여 푸리에 영역에서 상기 초기 가정 이미지를 중합하는 초기 가정 이미지 중합 지시를 수행하며,
    상기 이미지 센서에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지 각각에 대하여 상기 저해상도 이미지 산출 지시와 상기 초기 가정 이미지 중합 지시를 반복적으로 수행하여 고해상도 이미지로 수렴하도록 하는, 영상 기기.
  10. 청구항 9에 있어서,　
    상기 프로세서에서 처리되는 고해상도 이미지는 세기 정보 이외에 위상 정보를 포함하는, 영상 기기.
  11. 단일 파장을 갖는 간섭성 광을 조사하도록 구성되는 광원에서 조사된　 광을 능동 광 변조기에서 상기 광의 파면 및 편광 상태 중 어느 하나를 변화시키고, 불규칙한 구조 표면을 가지는 디퓨저에 의해 스펙클 패턴을 형성시켜 상기 스펙클 패턴이 포함되고　대상체인 시료를 투과한 광이 광학계에 입사되고 필터링되어 이미지 센서에서 복수개의 저해상도 이미지를 획득하는 단계; 및
    상기 이미지 센서에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지를 푸리에 영역에서 반복적으로 중합하여 고해상도 이미지를 얻는 고해상도 이미지 처리 단계를 포함하며,
    상기 복수개의 저해상도 이미지의 각각은 상기 능공 광 변조기가 광을 상이하게 변조하여 획득되는 것을 특징으로 하는 이미징 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,　
    상기 디퓨저는 상기 시료를 수용하는 시료 챔버의 일면에 일체로 형성되며, 상기 디퓨저의 불규칙한 구조 표면은 시료 챔버의 일면의 거칠기를 조절하여 형성되는, 이미징 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,　
    상기 고해상도 이미지 처리 단계는,
    공간 영역에서 상기 고해상도 이미지를 얻기 위한 소정의 초기 가정 이미지를 정하고 푸리에 변환하는 초기 가정 이미지 생성 단계와,
    상기 초기 가정 이미지를 푸리에 영역에서 상기 디퓨저 및 광학계 중 적어도 어느 하나 이상에 관한 함수로 필터링한 후 역푸리에 변환하여 저해상도 이미지를 산출하는 저해상도 이미지 산출 단계와,
    산출된 저해상도 이미지의 세기 정보를 상기 이미지 센서에서 획득된 저해상도 이미지의 세기 정보로 대체하고 푸리에 변환을 하여 푸리에 영역에서 상기 초기 가정 이미지를 중합하는 초기 가정 이미지 중합 단계를 포함하며,
    상기 이미지 센서에서 획득된 복수개의 저해상도 이미지 각각에 대하여 상기 저해상도 이미지 산출 단계와 상기 초기 가정 이미지 중합 단계를 반복적으로 수행하여 고해상도 이미지로 수렴하도록 하는, 이미징 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,　
    상기 고해상도 이미지는 세기 정보 이외에 위상 정보를 포함하는, 이미징 방법.
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