KR20220131825A - Hyperspectral sensor, hyperspectral imaging system including the sensor, and hyperspectral imaging method using the system - Google Patents

Hyperspectral sensor, hyperspectral imaging system including the sensor, and hyperspectral imaging method using the system Download PDF

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KR20220131825A
KR20220131825A KR1020220014120A KR20220014120A KR20220131825A KR 20220131825 A KR20220131825 A KR 20220131825A KR 1020220014120 A KR1020220014120 A KR 1020220014120A KR 20220014120 A KR20220014120 A KR 20220014120A KR 20220131825 A KR20220131825 A KR 20220131825A
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Abstract

The present invention provides a miniaturized and simplified hyperspectral sensor, a hyperspectral imaging system including the same, and a hyperspectral imaging method using the same. The hyperspectral sensor includes: a window; a first focusing unit provided on the rear surface of the window and including a plurality of lenses; a first image sensor provided on the rear surface of the first focusing unit and having a front surface parallel to the rear surface of the window; a first mirror spaced apart from the first focusing unit and the first image sensor and having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window; a first optical element spaced apart from the first mirror; a second optical element spaced apart from the first optical element and having a periodic refractive index distribution therein; a second focusing unit spaced apart from the second optical element and including a plurality of lenses; and a second image sensor provided on the rear surface of the second focusing unit.

Description

초분광 센서, 이를 포함하는 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용한 초분광 이미징 방법{Hyperspectral sensor, hyperspectral imaging system including the sensor, and hyperspectral imaging method using the system}Hyperspectral sensor, hyperspectral imaging system including same, and hyperspectral imaging method using same

본 발명은 초분광 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일반 카메라 광학계 및 초분광 광학계를 포함하는 초분광 센서, 이를 포함하는 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용하여 분석 대상의 스펙트럼을 파악하는 초분광 이미징 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hyperspectral sensor, and more particularly, a hyperspectral sensor including a general camera optical system and a hyperspectral optical system, a hyperspectral imaging system including the same, and a hyperspectral imaging method for grasping a spectrum of an analysis target using the same is about

위험물, 농업 작물의 생육 상태 및 호소의 녹조 번성 등을 넓은 영역에서 탐지하기 위해서 공간적인 분포 외에 해당 물체의 분광학적 특성을 파악할 수 있는 초분광 센서가 사용되고 있다. 이러한 초분광 센서는 유인 항공기 및 소형 무인 비행체에 탑재되고 있다. 소형 무인 이동체에 탑재되는 경우에 활용 범위가 매우 넓어지는 장점이 있어 이를 실현하기 위한 연구가 진행 중이다.In order to detect dangerous substances, the growth status of agricultural crops, and algal blooms in lakes in a wide area, a hyperspectral sensor that can grasp the spectroscopic characteristics of the object in addition to the spatial distribution is used. Such hyperspectral sensors are being mounted on manned aircraft and small unmanned aerial vehicles. When it is mounted on a small unmanned vehicle, it has the advantage that the range of application is very wide, and research to realize this is in progress.

특히, 초분광 센서가 초점 거리를 갖는 구성들을 많이 포함할 경우, 센서 전체의 크기가 커질 수 있고, 초점 거리를 갖는 구성들 각각에서 발생하는 수차를 보정하기 위해 구조가 복잡해지며 제작이 어려워진다는 문제가 있다. 이에 따라, 초분광 센서의 크기와 무게를 줄이려는 많은 노력이 이루어지고 있다.In particular, when the hyperspectral sensor includes many components having a focal length, the overall size of the sensor may be increased, and the structure becomes complicated and manufacturing becomes difficult to correct aberrations occurring in each of the components having a focal length. there is Accordingly, many efforts are being made to reduce the size and weight of the hyperspectral sensor.

본 발명은 소형화, 간소화된 초분광 센서, 이를 포함하는 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용한 초분광 이미징 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a miniaturized and simplified hyperspectral sensor, a hyperspectral imaging system including the same, and a hyperspectral imaging method using the same.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description.

본 발명의 실시예에 따른 초분광 센서는 윈도우, 상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 복수의 렌즈들을 포함하는 제1 집속부, 상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 윈도우의 상기 후면과 나란한 전면을 갖는 제1 이미지 센서, 상기 제1 집속부 및 상기 제1 이미지 센서와 이격되며, 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 갖는 제1 미러, 상기 제1 미러와 이격되는 제1 광 소자, 상기 제1 광 소자와 이격되며, 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖는 제2 광소자, 상기 제2 광 소자와 이격되며, 복수의 렌즈들을 포함하는 제2 집속부, 및 상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되는 제2 이미지 센서를 포함할 수 있다.The hyperspectral sensor according to an embodiment of the present invention is provided on a window, a rear surface of the window, a first focusing part including a plurality of lenses, and provided on a rear surface of the first focusing part, the rear surface of the window and A first image sensor having a parallel front surface, the first focusing unit, and a first mirror spaced apart from the first image sensor and having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window, and a first light spaced apart from the first mirror device, a second optical device spaced apart from the first optical device and having a periodic refractive index distribution therein, a second focusing part spaced apart from the second optical device and including a plurality of lenses, and the second focusing part It may include a second image sensor provided on the rear surface.

상기 제1 광 소자는 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖고, 상기 제1 광 소자의 두께는 상기 제2 광 소자의 두께보다 작을 수 있다.The first optical device may have a periodic refractive index distribution therein, and a thickness of the first optical device may be smaller than a thickness of the second optical device.

상기 제1 광 소자는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.The first optical element may be any one selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one prism, or a combination of two or more.

상기 제1 미러는 구동부와 연결되고, 상기 제1 미러는 상기 구동부에 의해 회전하도록 구성될 수 있다.The first mirror may be connected to a driving unit, and the first mirror may be configured to rotate by the driving unit.

상기 제2 광 소자에 의해 회절된 광은 상기 윈도우의 상기 후면과 나란하게 진행하도록 구성될 수 있다.The light diffracted by the second optical element may be configured to travel in parallel with the rear surface of the window.

상기 제1 미러의 전면은 곡률을 갖는 곡면일 수 있다.The front surface of the first mirror may be a curved surface having a curvature.

상기 제1 미러와 상기 제1 광 소자 사이의 제3 광 소자를 더 포함하되, 상기 제3 광 소자는 클로즈업 렌즈(close-up lens) 또는 색지움 렌즈(achromatic lens)일 수 있다.It further includes a third optical element between the first mirror and the first optical element, wherein the third optical element may be a close-up lens or an achromatic lens.

상기 제2 광 소자 및 상기 제2 집속부와 이격되며, 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 갖는 제2 미러를 더 포함하고, 상기 제2 이미지 센서는 상기 윈도우의 상기 후면과 나란한 전면을 가질 수 있다.and a second mirror spaced apart from the second optical element and the second focusing part and having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window, wherein the second image sensor has a front surface parallel to the rear surface of the window. can have

상기 제2 이미지 센서는 상기 윈도우의 상기 후면과 직교하는 방향으로 연장될 수 있다.The second image sensor may extend in a direction perpendicular to the rear surface of the window.

상기 제1 미러의 전면에 인접하는 제1 셰이드, 및 상기 제2 광 소자의 후면에 인접하는 제2 셰이드를 더 포함하되, 상기 제1 셰이드 및 상기 제2 셰이드 각각은 상기 제2 광 소자에서 회절되지 않는 0차 회절광 성분을 제거하도록 구성될 수 있다.A first shade adjacent to the front surface of the first mirror, and a second shade adjacent to the rear surface of the second optical element, wherein each of the first shade and the second shade is diffracted in the second optical element It can be configured to remove the 0th-order diffracted light component that does not occur.

본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 시스템은 윈도우, 제1 입사광이 입사되도록 구성되는 제1 광학계, 및 상기 제1 광학계와 이격되며 제2 입사광이 입사되도록 구성되는 제2 광학계를 포함하는 초분광 센서, 상기 초분광 센서의 움직임을 감지 및 제어하도록 구성되는 OIS(optical image stabilization) 모듈, 및 상기 초분광 센서의 상기 제1 광학계 및 상기 제2 광학계, 및 상기 OIS 모듈과 연결되는 프로세서를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 광학계는 상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 입사광을 집속하도록 구성되는 제1 집속부, 및 상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 집속부를 통과한 상기 제1 입사광을 검출하도록 구성되는 제1 이미지 센서를 포함할 수 있고, 상기 제2 광학계는 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 가지며, 상기 제2 입사광을 반사시키도록 구성되는 제1 미러, 상기 제1 미러와 이격되며, 상기 제2 입사광을 회절시키도록 구성되는 제1 및 제2 광 소자들, 상기 제2 광 소자와 이격되며, 상기 제2 광 소자에 의해 회절된 회절광을 집속하도록 구성되는 제2 집속부, 및 상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제2 집속부를 통과한 상기 회절광을 검출하도록 구성되는 제2 이미지 센서를 포함할 수 있다.A hyperspectral imaging system according to an embodiment of the present invention includes a window, a first optical system configured to receive a first incident light, and a second optical system spaced apart from the first optical system and configured to receive a second incident light. A sensor, an optical image stabilization (OIS) module configured to detect and control the movement of the hyperspectral sensor, and the first and second optical systems of the hyperspectral sensor, and a processor connected to the OIS module. can In this case, the first optical system is provided on a rear surface of the window, a first focusing part configured to focus the first incident light, and a rear surface of the first focusing part, the first optical system passing through the first focusing part a first image sensor configured to detect a first incident light, wherein the second optical system has a front surface inclined with respect to the rear surface of the window, a first mirror configured to reflect the second incident light; first and second optical elements spaced apart from the first mirror and configured to diffract the second incident light; spaced apart from the second optical element to focus the diffracted light diffracted by the second optical element It may include a second focusing part configured to be configured, and a second image sensor provided on a rear surface of the second focusing part and configured to detect the diffracted light passing through the second focusing part.

상기 제1 광 소자는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합이고, 상기 제2 광 소자는 볼륨 브래그 격자일 수 있다.The first optical element may be any one or a combination of two or more selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one or more prisms, and the second optical element may be a volume Bragg grating. .

상기 제1 및 제2 광 소자들 각각은 볼륨 브래그 격자이고, 상기 제1 광 소자의 격자 주기는 상기 제2 광 소자의 격자 주기와 다를 수 있다.Each of the first and second optical elements may be a volume Bragg grating, and a grating period of the first photo element may be different from a grating period of the second photo element.

상기 OIS 모듈은 상기 초분광 센서와 연결되는 위치 센서들 및 OIS 구동부들, 및 상기 위치 센서들 및 상기 OIS 구동부들과 각각 연결되는 OIS 제어부를 포함하되, 상기 OIS 제어부는 상기 위치 센서들의 위치 정보를 받아 상기 OIS 구동부들에 전달하도록 구성될 수 있다.The OIS module includes position sensors and OIS driving units connected to the hyperspectral sensor, and an OIS control unit connected to the position sensors and the OIS driving units, respectively, wherein the OIS control unit receives the position information of the position sensors It may be configured to receive and transmit to the OIS drivers.

상기 제2 광학계의 상기 제1 미러와 연결되는 스캔 미러 제어 모듈, 상기 제1 광학계의 상기 제1 집속부 및 상기 제2 광학계의 상기 제2 집속부와 연결되는 집속부 제어 모듈, 및 상기 프로세서와 연결되는 광원 제어 모듈을 더 포함하되, 상기 광원 제어 모듈은 상기 프로세서와 연결되는 LED 드라이버, 및 상기 LED 드라이버와 연결되며 스펙트럼을 미리 알고 있는 LED 광원을 포함할 수 있다.a scan mirror control module connected to the first mirror of the second optical system, a focusing unit control module connected to the first focusing unit of the first optical system and the second focusing unit of the second optical system, and the processor; Further comprising a light source control module connected, the light source control module may include an LED driver connected to the processor, and an LED light source connected to the LED driver and knowing a spectrum in advance.

본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 방법은 측정 영역을 설정하는 것, 상기 제1 광학계에 의해 기준 이미지를 촬영하는 것, 상기 제2 광학계에 의해 초분광 이미지들을 촬영하는 것, 상기 초분광 이미지들을 합성하는 것, 상기 초분광 이미지들을 합성한 합성 이미지와 상기 기준 이미지를 비교하는 것, 및 측정 결과를 출력하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 제1 광학계는 상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 입사광을 집속하도록 구성되는 제1 집속부, 및 상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 집속부를 통과한 상기 제1 입사광을 검출하도록 구성되는 제1 이미지 센서를 포함하고, 제2 광학계는 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 가지며, 상기 제2 입사광을 반사시키도록 구성되는 제1 미러, 상기 제1 미러와 이격되며, 상기 제2 입사광이 파장 별로 브래그 조건을 만족시키는 각도로 진행하도록 변환하는 파장 별 각도 변환부, 상기 파장 별 각도 변환부와 이격되며, 상기 파장 별 각도 변환부에 의해 회절된 회절광을 집속하도록 구성되는 제2 집속부, 및 상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제2 집속부를 통과한 상기 회절광을 검출하도록 구성되는 제2 이미지 센서를 포함할 수 있다.The hyperspectral imaging method according to an embodiment of the present invention includes setting a measurement area, photographing a reference image by the first optical system, photographing hyperspectral images by the second optical system, and the hyperspectral image It may include synthesizing the values, comparing the synthesized image obtained by synthesizing the hyperspectral images with the reference image, and outputting a measurement result. In this case, the first optical system is provided on the rear surface of the window, a first focusing part configured to focus the first incident light, and the first optical system provided on the rear surface of the first focusing part, and passing through the first focusing part a first image sensor configured to detect a first incident light, a second optical system having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window, a first mirror configured to reflect the second incident light, the first mirror is spaced apart from, an angle conversion unit for each wavelength that converts the second incident light to proceed at an angle that satisfies the Bragg condition for each wavelength; a second focusing portion configured to focus the light; and a second image sensor provided on a rear surface of the second focusing portion and configured to detect the diffracted light passing through the second focusing portion.

상기 제2 광학계에 의해 상기 초분광 이미지들을 촬영하는 것은 복수 회의 촬영 동작들을 포함하고, 상기 촬영 동작들 각각은 상기 제1 미러를 회전시키는 것, 상기 제2 이미지 센서에 의해 초분광 이미지를 촬영하는 것, 및 상기 초분광 이미지의 왜곡을 보정하는 것을 포함할 수 있다.Taking the hyperspectral images by the second optical system includes a plurality of photographing operations, and each of the photographing operations includes rotating the first mirror, photographing a hyperspectral image by the second image sensor and correcting distortion of the hyperspectral image.

상기 제2 이미지 센서에 의해 상기 초분광 이미지를 촬영하는 것은 광원이 켜진 상태에서 한 번, 그리고 광원이 꺼진 상태에서 한 번 수행될 수 있다.Taking the hyperspectral image by the second image sensor may be performed once with the light source turned on and once with the light source turned off.

상기 측정 영역을 설정하는 것 이전에, 측정 모드를 입력하는 것을 더 포함하되, 상기 측정 모드는 포인트 스펙트럼 측정 모드, 형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드, 공간 저 해상도(low resolution) 측정 모드, 및 공간 고 해상도(high resolution) 측정 모드 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.Before setting the measurement area, further comprising: inputting a measurement mode, wherein the measurement mode is a point spectrum measurement mode, a spectrum measurement mode after shape recognition, a spatial low resolution measurement mode, and a spatial high resolution (high resolution) may be any one selected from the measurement mode.

상기 파장 별 각도 변환부는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.The angle converter for each wavelength may be any one selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one prism or a combination of two or more.

본 발명의 실시예에 따른 초분광 센서는 볼륨 브래그 격자를 통해 입사광을 필터링할 수 있어서, 센서가 소형화, 간소화되고, 제작 및 정렬이 용이할 수 있다.The hyperspectral sensor according to an embodiment of the present invention can filter incident light through a volume Bragg grating, so that the sensor can be miniaturized, simplified, and easily manufactured and aligned.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용한 초분광 이미징 방법은 스캔 영역을 최소화할 수 있어 노출 시간이 길어지면 전 영역을 스캔하는 데 오랜 시간이 걸린다는 문제점을 해결할 수 있다.In addition, the hyperspectral imaging system and the hyperspectral imaging method using the same according to an embodiment of the present invention can minimize the scan area, so that when the exposure time is long, it takes a long time to scan the entire area.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 방법은 제1 이미지 센서에 의해 촬영된 기준 이미지를 제2 이미지 센서에 의해 촬영된 초분광 이미지와 비교하는 것에 따라 신뢰도가 개선될 수 있다.In addition, in the hyperspectral imaging method according to an embodiment of the present invention, reliability may be improved by comparing the reference image captured by the first image sensor with the hyperspectral image captured by the second image sensor.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 도 1에 따른 초분광 센서의 제1 광 소자 및 제2 광 소자를 설명하기 위한 확대도이다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서로 입사하는 광의 경로를 나타내는 개념도들로, 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각각 제1 단면에서의 광 경로를 나타내고, 도 3d는 제2 단면에서의 광 경로를 나타낸다.
도 4, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 7, 도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서에 측정된 이미지를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과들이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서를 포함하는 초분광 이미징 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 이미징 시스템을 이용한 초분광 이미징 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 이미징 시스템을 이용한 초분광 이미징 방법을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다.
1 is a conceptual diagram for explaining the structure of a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view for explaining a first optical device and a second optical device of the hyperspectral sensor according to FIG. 1 .
3A, 3B, 3C, and 3D are conceptual views illustrating a path of light incident to a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention. path, and FIG. 3D shows the light path in the second section.
4, 5, and 6 are conceptual views for explaining the structure of a hyperspectral sensor according to other embodiments of the present invention.
7, 8A, 8B, 8C, and 8D are simulation results for explaining an image measured by a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention.
9 is a conceptual diagram illustrating a hyperspectral imaging system including a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention.
10 is a flowchart illustrating a hyperspectral imaging method using a hyperspectral imaging system according to embodiments of the present invention.
11 is a timing diagram for explaining a hyperspectral imaging method using a hyperspectral imaging system according to embodiments of the present invention.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.In order to fully understand the configuration and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.The present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms and various modifications and changes may be made. However, it is provided so that the disclosure of the present invention is complete through the description of the present embodiment, and to fully inform those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, the scope of the invention. In the accompanying drawings, the components are enlarged in size than the actual size for convenience of description, and the ratio of each component may be exaggerated or reduced.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiment and is not intended to limit the present invention. Also, unless otherwise defined, terms used herein may be interpreted as meanings commonly known to those of ordinary skill in the art.

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.In this specification, the singular also includes the plural, unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, 'comprises' and/or 'comprising' refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements mentioned. or addition is not excluded.

본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 '상(上)에' 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.When a layer is referred to herein as being 'on' another layer, it may be formed directly on top of the other layer, or a third layer may be interposed therebetween.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Although terms such as first and second are used herein to describe various regions, layers, and the like, these regions and layers should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one region or layer from another. Accordingly, a part referred to as the first part in one embodiment may be referred to as the second part in another embodiment. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof. Parts indicated with like reference numerals throughout the specification indicate like elements.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서, 이를 포함하는 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용한 초분광 이미징 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a hyperspectral sensor, a hyperspectral imaging system including the same, and a hyperspectral imaging method using the same according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 개념도이다. 도 2는 도 1에 따른 초분광 센서의 제1 광 소자 및 제2 광 소자를 설명하기 위한 확대도이다.1 is a conceptual diagram for explaining the structure of a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view for explaining a first optical device and a second optical device of the hyperspectral sensor according to FIG. 1 .

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초분광 센서는 윈도우(W), 제1 광학계(P1) 및 제2 광학계(P2)를 포함할 수 있다. 제1 광학계(P1) 및 제2 광학계(P2)는 서로 이격될 수 있다. 제1 광학계(P1)는 제1 집속부(F1) 및 제1 이미지 센서(S1)를 포함할 수 있다. 제2 광학계(P2)는 제1 미러(M1), 제1 광 소자(OC1), 제2 광 소자(OC2), 제2 집속부(F2) 및 제2 이미지 센서(S2)를 포함할 수 있다. 제1 입사광(IL1)은 제1 광학계(P1)를 향해 입사될 수 있고, 제2 입사광(IL2)은 제2 광학계(P2)를 향해 입사될 수 있다. 제1 광학계(P1)는 일반적인 카메라의 광학계와 같을 수 있고, 제2 광학계(P2)는 초분광 광학계(hyperspectral optics)일 수 있다. 이하에서, 제1 및 제2 광학계들(P1, P2)의 구성들 각각에 대하여 상세히 설명한다.Referring to FIG. 1 , the hyperspectral sensor according to the present invention may include a window W, a first optical system P1 and a second optical system P2 . The first optical system P1 and the second optical system P2 may be spaced apart from each other. The first optical system P1 may include a first focusing part F1 and a first image sensor S1 . The second optical system P2 may include a first mirror M1 , a first optical device OC1 , a second optical device OC2 , a second focusing part F2 , and a second image sensor S2 . . The first incident light IL1 may be incident toward the first optical system P1 , and the second incident light IL2 may be incident toward the second optical system P2 . The first optical system P1 may be the same as that of a general camera, and the second optical system P2 may be hyperspectral optics. Hereinafter, each of the configurations of the first and second optical systems P1 and P2 will be described in detail.

윈도우(W)는 제1 방향(D1)과 직교하며, 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3)으로 연장되는 평면 형상을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 방향들(D1, D2, D3)은 서로 직교하는 방향들일 수 있다. 제1 및 제2 입사광들(IL1, IL2)은 윈도우(W)를 향해 제1 방향(D1)과 나란하게 입사될 수 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 제1 및 제2 입사광들(IL1, IL2)은 윈도우(W)의 전면(Wf)과 교차하는 서로 다른 방향들로부터 입사될 수 있다. 다시 말하면, 윈도우(W)의 전면(Wf)은 분석 대상을 바라볼 수 있고, 분석 대상으로부터 방출되는 제1 및 제2 입사광들(IL1, IL2)을 받아들일 수 있다. 윈도우(W)는 후면(Wb) 상의 제1 및 제2 광학계들(P1, P2)을 외부의 충격 및/또는 오염으로부터 보호할 수 있다.The window W may have a planar shape that is perpendicular to the first direction D1 and extends in the second direction D2 and the third direction D3 . The first to third directions D1 , D2 , and D3 may be directions orthogonal to each other. The first and second incident lights IL1 and IL2 may be incident parallel to the first direction D1 toward the window W, but this is merely exemplary and the present invention is not limited thereto. The two incident lights IL1 and IL2 may be incident from different directions crossing the front surface Wf of the window W. In other words, the front surface Wf of the window W may face the analysis target and receive the first and second incident lights IL1 and IL2 emitted from the analysis target. The window W may protect the first and second optical systems P1 and P2 on the rear surface Wb from external impact and/or contamination.

본 명세서에서, 전면은 각 구성을 향해 입사되는 광을 바라보는 면으로 정의되고, 후면은 각 구성을 통과한 광을 방출하는 면으로 정의된다. 예를 들어, 전면은 제1 방향(D1)의 반대 방향을 향하는 면일 수 있고, 후면은 제1 방향(D1)을 향하는 면일 수 있다.In this specification, the front surface is defined as a surface facing the light incident toward each component, and the rear surface is defined as a surface that emits light passing through each component. For example, the front surface may be a surface facing the direction opposite to the first direction D1 , and the rear surface may be a surface facing the first direction D1 .

윈도우(W)의 후면(Wb) 상에 제1 집속부(F1)가 제공될 수 있다. 제1 집속부(F1)는 윈도우(W)와 제1 이미지 센서(S1) 사이에 제공될 수 있다. 제1 집속부(F1)는 윈도우(W)를 통과한 제1 입사광(IL1)을 집속하도록 구성될 수 있다. 제1 집속부(F1)는 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다. 제1 집속부(F1)의 복수의 렌즈들 각각의 중심축은 제1 이미지 센서(S1)의 중심축과 일치할 수 있다. 제1 집속부(F1)의 복수의 렌즈들 각각의 중심축은, 예를 들어, 제1 방향(D1)과 나란할 수 있다. 제1 집속부(F1)의 복수의 렌즈들은 도시된 형상 및 도시된 측면의 곡률에 한정되지 않고 다양한 형상 및 곡률을 가질 수 있다.A first focusing portion F1 may be provided on the rear surface Wb of the window W. The first focusing portion F1 may be provided between the window W and the first image sensor S1 . The first focusing part F1 may be configured to focus the first incident light IL1 passing through the window W. The first focusing part F1 may include a plurality of lenses. A central axis of each of the plurality of lenses of the first focusing part F1 may coincide with a central axis of the first image sensor S1 . A central axis of each of the plurality of lenses of the first focusing part F1 may be parallel to the first direction D1, for example. The plurality of lenses of the first focusing portion F1 are not limited to the illustrated shape and the illustrated curvature of the side surface, but may have various shapes and curvatures.

제1 집속부(F1)의 후면 상에 제1 이미지 센서(S1)가 제공될 수 있다. 제1 이미지 센서(S1)는 윈도우(W)의 후면(Wb)과 나란한 전면(S1f)을 가질 수 있다. 제1 이미지 센서(S1)는 윈도우(W) 및 제1 집속부(F1)를 통과한 제1 입사광(IL1)을 검출하도록 구성될 수 있다. 제1 이미지 센서(S1)는 그의 전면(S1f)이 제1 입사광(IL1)의 초점 면과 일치하도록 배치될 수 있다.A first image sensor S1 may be provided on the rear surface of the first focusing part F1 . The first image sensor S1 may have a front surface S1f parallel to the rear surface Wb of the window W. The first image sensor S1 may be configured to detect the first incident light IL1 passing through the window W and the first focusing portion F1 . The first image sensor S1 may be disposed such that its front surface S1f coincides with a focal plane of the first incident light IL1.

제1 집속부(F1) 및 제1 이미지 센서(S1)로부터 제3 방향(D3)으로 이격된 위치에 제1 미러(M1)가 제공될 수 있다. 제1 미러(M1)는 윈도우(W)의 후면(Wb)으로부터 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 제1 미러(M1)는 윈도우(W)의 후면(Wb)에 대하여(즉, 제3 방향(D3)에 대하여) 기울어진 전면(M1f)을 가질 수 있다. 제1 미러(M1)의 전면(M1f)과 윈도우(W)의 후면(Wb)이 이루는 각도는 0도보다 크고 90도보다 작을 수 있다. 제1 미러(M1)의 중심축은 구동부와 연결될 수 있다. 제1 미러(M1)는 상기 구동부에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다. 제1 미러(M1)는 제1 입사광(IL1)으로부터 제3 방향(D3)으로 시프트된(shifted) 경로로 진행하는 제2 입사광(IL2)을 반사시키도록 구성될 수 있다.The first mirror M1 may be provided at a position spaced apart from the first focusing part F1 and the first image sensor S1 in the third direction D3 . The first mirror M1 may be spaced apart from the rear surface Wb of the window W in the first direction D1 . The first mirror M1 may have a front surface M1f inclined with respect to the rear surface Wb of the window W (ie, with respect to the third direction D3). An angle between the front surface M1f of the first mirror M1 and the rear surface Wb of the window W may be greater than 0 degrees and less than 90 degrees. A central axis of the first mirror M1 may be connected to the driving unit. The first mirror M1 may be configured to rotate clockwise or counterclockwise by the driving unit. The first mirror M1 may be configured to reflect the second incident light IL2 traveling from the first incident light IL1 to a path shifted in the third direction D3 .

제1 미러(M1)로부터 제3 방향(D3)으로 이격된 위치에 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2)이 제공될 수 있다. 제1 광 소자(OC1)는 제3 방향(D3)으로 제1 미러(M1)와 제2 광 소자(OC2) 사이에 제공될 수 있고, 제2 광 소자(OC2)는 제3 방향(D3)으로 제1 광 소자(OC1)와 제2 집속부(F2) 사이에 제공될 수 있다. 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2)은 윈도우(W)의 후면(Wb)으로부터 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2)은 서로 제1 방향(D1)으로 중첩될 수도 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않는다. The first and second optical devices OC1 and OC2 may be provided at positions spaced apart from the first mirror M1 in the third direction D3 . The first optical device OC1 may be provided between the first mirror M1 and the second optical device OC2 in the third direction D3 , and the second optical device OC2 is disposed in the third direction D3 . may be provided between the first optical device OC1 and the second focusing part F2 . The first and second optical devices OC1 and OC2 may be spaced apart from the rear surface Wb of the window W in the first direction D1 . The first and second optical devices OC1 and OC2 may overlap each other in the first direction D1 , but this is merely exemplary and the present invention is not limited thereto.

제1 광 소자(OC1)는 제2 입사광(IL2)이 파장 별로 브래그 조건(Bragg condition)을 만족시키는 각도로 진행하도록 변환할 수 있다. 다시 말하면, 제1 광 소자(OC1)는 파장에 따라 제2 입사광(IL2)의 진행 각도를 변화시키는 정도가 다를 수 있다. 본 명세서에서, 제1 광 소자(OC1)는 파장 별 각도 변환부로 지칭될 수도 있다.The first optical device OC1 may convert the second incident light IL2 to travel at an angle satisfying the Bragg condition for each wavelength. In other words, the degree of changing the propagation angle of the second incident light IL2 according to the wavelength of the first optical device OC1 may be different. In this specification, the first optical device OC1 may be referred to as an angle converter for each wavelength.

제1 광 소자(OC1)는, 일 예로, 표면의 주기적인 돌출부들을 포함하는 표면 회절 격자(surface diffraction grating)일 수 있다. 제1 광 소자(OC1)는, 다른 일 예로, 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖는 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating)일 수 있다. 볼륨 브래그 격자란 벌크 브래그 격자(bulk Bragg grating) 또는 볼륨 홀로그래픽 격자(volume holographic grating)로 지칭될 수 있다. 제1 광 소자(OC1)는, 또 다른 일 예로, 프리즘일 수 있다.The first optical device OC1 may be, for example, a surface diffraction grating including periodic protrusions on the surface. As another example, the first optical device OC1 may be a volume Bragg grating having a periodic refractive index distribution therein. The volume Bragg grating may be referred to as a bulk Bragg grating or a volume holographic grating. As another example, the first optical device OC1 may be a prism.

제1 광 소자(OC1)는, 예를 들어, 표면 회절 격자, 볼륨 브래그 격자 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 표면 회절 격자, 볼륨 브래그 격자 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 둘 이상의 조합일 수 있다. 제1 광 소자(OC1)가 회절 격자 및 적어도 하나 이상의 프리즘을 포함하는 경우, 적어도 하나의 프리즘은 회절 격자와 후술하는 제2 광 소자(OC2) 사이에 제공될 수 있다.The first optical element OC1 may be, for example, any one selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one or more prisms, or a combination of two or more selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one or more prisms. . When the first optical device OC1 includes a diffraction grating and at least one prism, the at least one prism may be provided between the diffraction grating and a second optical device OC2 to be described later.

제2 광 소자(OC2)는, 일 예로, 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖는 볼륨 브래그 격자일 수 있다. 제2 광 소자(OC2)는 제1 광 소자(OC1)와 이격될 수 있다.The second optical device OC2 may be, for example, a volume Bragg grating having a periodic refractive index distribution therein. The second optical device OC2 may be spaced apart from the first optical device OC1 .

제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2) 각각이 볼륨 브래그 격자인 경우, 제2 광 소자(OC2)의 두께는 제1 광 소자(OC1)의 두께와 다를 수 있다. 예를 들어, 제2 광 소자(OC2)의 두께는 제1 광 소자(OC1)의 두께보다 클 수 있다. 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2) 각각은 지지 부분 및 격자 부분(즉, 굴절률이 주기적으로 변하는 내부 부분)을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2) 각각의 두께는 지지 부분의 두께를 제외한 격자 부분만의 두께를 의미한다. 볼륨 브래그 격자에서, 굴절률 차이(즉, 고굴절률부와 저굴절률부의 굴절률 차이)가 작아으면서 격자의 두께가 커질수록 각도 선택성(angular selectivity)이 커질 수 있다.When each of the first and second optical devices OC1 and OC2 is a volume Bragg grating, the thickness of the second optical device OC2 may be different from that of the first optical device OC1 . For example, the thickness of the second optical device OC2 may be greater than the thickness of the first optical device OC1 . Each of the first and second optical elements OC1 and OC2 may include a support portion and a grating portion (ie, an inner portion whose refractive index is periodically changed), and the first and second optical elements OC1 and OC2 Each thickness means the thickness of only the grating portion excluding the thickness of the supporting portion. In the volume Bragg grating, the angular selectivity may increase as the thickness of the grating increases while the refractive index difference (ie, the refractive index difference between the high refractive index portion and the low refractive index portion) is small.

제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2) 각각이 볼륨 브래그 격자인 경우, 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)는 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)와 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)는 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)보다 클 수 있다. 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)와 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)는 하기 [수학식 1]을 만족할 수 있고, 이에 따라 제2 입사광(IL2)의 기준 파장(λ)에 대한 파장 별 조준 각도 오차(wavelength dependent aiming angle error)가 최소화될 수 있다. 파장 별 조준 각도 오차란, 기준 파장을 가지며 기준 각도에서 입사되는 광이 브래그 조건을 만족하고 파장 별로 기준 각도에서 벗어난 각도에서 입사되는 광이 브래그 조건을 만족할 때 상기 기준 각도에서 벗어난 각도를 의미한다. When each of the first and second optical elements OC1 and OC2 is a volume Bragg grating, the grating period Λ 1 of the first photo element OC1 is the grating period Λ 2 of the second photo element OC2 . may be different from For example, the lattice period Λ 1 of the first optical device OC1 may be greater than the lattice period Λ 2 of the second optical device OC2 . The lattice period Λ 1 of the first optical device OC1 and the lattice period Λ 2 of the second optical device OC2 may satisfy the following [Equation 1], and accordingly, A wavelength dependent aiming angle error for each wavelength with respect to the reference wavelength λ may be minimized. The aiming angle error for each wavelength means an angle deviating from the reference angle when light having a reference wavelength and incident from the reference angle satisfies the Bragg condition and light incident at an angle deviating from the reference angle for each wavelength satisfies the Bragg condition.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

예를 들어, 상기 [수학식 1]을 만족하기 위하여 기준 파장(λ)이 약 620 nm이고, 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)가 약 0.833 μm(즉, 격자 밀도가 약 1200 lines/mm)인 경우, 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)는 약 1.578 μm(즉, 격자 밀도가 약 633.8 lines/mm)이다. 파장이 약 400 nm인 경우 파장 별 조준 각도 오차는 약 0.11도이고, 파장이 약 800 nm인 경우 파장 별 조준 각도 오차는 약 0.08도이다.For example, in order to satisfy [Equation 1], the reference wavelength λ is about 620 nm, and the grating period Λ 2 of the second optical device OC2 is about 0.833 μm (that is, the grating density is about 1200 lines/mm), the grating period Λ 1 of the first optical element OC1 is about 1.578 μm (ie, the grating density is about 633.8 lines/mm). When the wavelength is about 400 nm, the aiming angle error for each wavelength is about 0.11 degrees, and when the wavelength is about 800 nm, the aiming angle error for each wavelength is about 0.08 degrees.

예를 들어, 약 620 nm의 파장을 가지며 기준 각도에서 입사되는 제1 광 및 약 550 nm의 파장을 가지며 기준 각도에서 벗어난 각도에서 입사되는 제2 광이 제1 광 소자(OC1) 및 제2 광 소자(OC2)에서 회절되면, 상기 제1 및 제2 광들은 서로 다른 파장을 가짐에도 제2 이미지 센서(S2)의 전면(S2f) 상의 동일한 위치에서 검출될 수도 있다. 제2 광 소자(OC2)가 큰 각도 선택성을 갖는 경우, 상기 제1 광은 브래그 조건을 만족하여 제2 광 소자(OC2)에서 회절되나, 상기 제2 광은 브래그 조건을 만족하지 못하여 제2 광 소자(OC2)에서 회절되지 않고 직진하며 제2 이미지 센서(S2)의 전면(S2f) 상에서 검출되지 않고, 이에 따라 제2 광학계(P2)는 초분광 광학계(hyperspectral optics)로 동작할 수 있다.For example, the first light having a wavelength of about 620 nm and incident at the reference angle and the second light having a wavelength of about 550 nm and incident at an angle deviating from the reference angle are the first optical element OC1 and the second light. When diffracted by the device OC2 , the first and second lights may be detected at the same position on the front surface S2f of the second image sensor S2 even though they have different wavelengths. When the second optical device OC2 has high angular selectivity, the first light is diffracted by the second optical device OC2 by satisfying the Bragg condition, but the second light does not satisfy the Bragg condition and thus the second light It is not diffracted from the element OC2 and travels straight and is not detected on the front surface S2f of the second image sensor S2 , and accordingly, the second optical system P2 may operate as hyperspectral optics.

제1 광 소자(OC1)가 표면 회절 격자이고 제2 광 소자(OC2)가 볼륨 브래그 격자인 경우, 제2 광 소자(OC2)는 제1 광 소자(OC1)와 나란하게 제공될 수 있다. 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2)이 서로 나란하게 제공되는 경우, 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)는 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)의 2배일 수 있다.When the first optical device OC1 is a surface diffraction grating and the second optical device OC2 is a volume Bragg grating, the second optical device OC2 may be provided in parallel with the first optical device OC1 . When the first and second optical devices OC1 and OC2 are provided in parallel with each other, the lattice period Λ 2 of the second optical device OC2 is the lattice period Λ 1 of the first optical device OC1 . can be twice the

도 2를 참조하면, 제1 광 소자(OC1)는 제2 입사광(IL2)을 제1 회절광(DL1)으로 회절시키도록 구성될 수 있고, 제2 광 소자(OC2)는 제1 회절광(DL1)을 제2 회절광(DL2)으로 회절시키도록 구성될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2) 각각은 격자 주기를 갖는 회절 격자일 수 있고, 특히 제2 광 소자(OC2)는 볼륨 브래그 격자일 수 있다.Referring to FIG. 2 , the first optical device OC1 may be configured to diffract the second incident light IL2 into the first diffracted light DL1 , and the second optical device OC2 may include the first diffracted light It may be configured to diffract the DL1 to the second diffracted light DL2 . In this case, each of the first and second optical devices OC1 and OC2 may be a diffraction grating having a grating period, and in particular, the second optical device OC2 may be a volume Bragg grating.

구체적으로, 제1 광 소자(OC1)는 하기 [수학식 2]로 표현되는 격자 방정식(grating equation)에 따라 제2 입사광(IL2)을 제1 회절광(DL1)으로 회절시킬 수 있다.Specifically, the first optical device OC1 may diffract the second incident light IL2 into the first diffracted light DL1 according to a grating equation expressed by Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

이때, m은 회절 차수(diffraction order)이고, λ는 제2 입사광(IL2)의 파장이고, Λ1은 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기이고, α는 제2 입사광(IL2)과 제1 광 소자(OC1)의 표면의 수선(垂線, perpendicular line)(OC1p)이 이루는 각도이며, β는 제1 회절광(DL1)과 제1 광 소자(OC1)의 표면의 수선(OC1p)이 이루는 각도이다. α와 β가 같을 때, 브래그 조건(Bragg condition)이 만족되며 제1 광 소자(OC1)의 회절 효율(diffraction efficiency)이 최대가 된다.In this case, m is the diffraction order, λ is the wavelength of the second incident light IL2, Λ 1 is the grating period of the first optical device OC1, and α is the second incident light IL2 and the first An angle formed by a perpendicular line OC1p of the surface of the optical element OC1 , and β is an angle formed between the first diffracted light DL1 and a perpendicular OC1p of the surface of the first optical element OC1 . to be. When α and β are equal, the Bragg condition is satisfied and the diffraction efficiency of the first optical device OC1 is maximized.

또한, 제2 광 소자(OC2)는, 브래그 조건(Bragg condition)을 만족하며, 하기 [수학식 3]으로 표현되는 격자 방정식에 따라 제1 회절광(DL1)을 제2 회절광(DL2)으로 회절시킬 수 있다.In addition, the second optical device OC2 satisfies the Bragg condition, and converts the first diffracted light DL1 into the second diffracted light DL2 according to the grating equation expressed by Equation 3 below. can be diffracted.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

이때, Λ2는 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기이고, θ는 제1 회절광(DL1)과 제2 광 소자(OC2)의 표면의 수선(OC2p)이 이루는 각도이다.In this case, Λ 2 is the grating period of the second optical device OC2 , and θ is the angle formed by the first diffracted light DL1 and the perpendicular OC2p of the surface of the second optical device OC2 .

제2 광 소자(OC2)는 제2 회절광(DL2)이 제3 방향(D3)과 나란하게 진행하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 광 소자(OC2)의 표면의 수선(OC2p)이 제3 방향(D3)과 이루는 각도는 제1 회절광(DL1)과 제2 광 소자(OC2)의 표면의 수선(OC2p)이 이루는 각도(θ)와 실질적으로 동일할 수 있다.The second optical device OC2 may be configured such that the second diffracted light DL2 travels in parallel with the third direction D3 . More specifically, the angle formed by the normal OC2p of the surface of the second optical device OC2 with the third direction D3 is the first diffracted light DL1 and the normal OC2p of the surface of the second optical device OC2. ) may be substantially the same as the angle θ formed.

제2 광 소자(OC2)는 제1 광 소자(OC1)의 표면에 대하여 기울어진 표면을 가질 수 있다. 제2 광 소자(OC2)의 표면이 제1 광 소자(OC1)의 표면에 대하여 기울어진 각도(φ)는 θ-β이다. 일 예로, 기준 파장(λ)이 약 620 nm이고, 제2 광 소자(OC2)의 격자 주기(Λ2)가 약 0.833 μm(즉, 격자 밀도가 약 1200 lines/mm)이며, 제1 광 소자(OC1)의 격자 주기(Λ1)가 약 1.578 μm(즉, 격자 밀도가 약 633.8 lines/mm)인 경우, θ는 약 21.839도이고, β는 약 11.331도이며, φ는 약 10.508도이다.The second optical device OC2 may have a surface inclined with respect to the surface of the first optical device OC1 . An angle φ at which the surface of the second optical device OC2 is inclined with respect to the surface of the first optical device OC1 is θ−β. For example, the reference wavelength λ is about 620 nm, the grating period Λ 2 of the second optical device OC2 is about 0.833 μm (ie, the grating density is about 1200 lines/mm), and the first optical device When the grating period (Λ 1 ) of (OC1) is about 1.578 μm (i.e., the grating density is about 633.8 lines/mm), θ is about 21.839 degrees, β is about 11.331 degrees, and φ is about 10.508 degrees.

다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초분광 센서는 제3 방향(D3)으로 제1 미러(M1)와 제1 광 소자(OC1) 사이에 제공되는 제3 광 소자(OC3)를 더 포함할 수 있다. 제3 광 소자(OC3)는 제1 미러(M1)로부터 반사되어 제1 광 소자(OC1)로 향하는 제2 입사광(IL2)을 시준하도록 구성될 수 있다. 제3 광 소자(OC3)는 클로즈업 렌즈(close-up lens) 또는 파장에 따른 수차를 줄이는 색지움 렌즈(achromatic lens)일 수 있다.Referring back to FIG. 1 , the hyperspectral sensor according to the present invention further includes a third optical device OC3 provided between the first mirror M1 and the first optical device OC1 in a third direction D3 . can do. The third optical device OC3 may be configured to collimate the second incident light IL2 reflected from the first mirror M1 and directed toward the first optical device OC1 . The third optical element OC3 may be a close-up lens or an achromatic lens that reduces aberration according to wavelength.

제3 광 소자(OC3)가 색지움 렌즈인 경우, 제3 광 소자(OC3)는 서로 접합되며 서로 다른 광 특성 및/또는 서로 다른 구조를 갖는 제1 색지움 렌즈 및 제2 색지움 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 색지움 렌즈들 각각은 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 제1 색지움 렌즈의 Nd/Vd 값(즉, (d-line 굴절률)/(아베 수(abbe number)))은 제2 색지움 렌즈의 Nd/Vd 값과 다를 수 있다. 일 예로, 제1 색지움 렌즈의 Nd/Vd 값은 약 1.805/25.36 이고, 제2 색지움 렌즈의 Nd/Vd 값은 약 1.651/55.89 이다. 제1 색지움 렌즈의 전면, 제1 색지움 렌즈의 후면(즉, 제2 색지움 렌즈의 전면), 및 제2 색지움 렌즈의 후면은 서로 다른 곡률 반경(radius of curvature)을 가질 수 있다. 일 예로, 제1 색지움 렌즈의 전면의 곡률 반경은 무한대이고(즉, 제1 색지움 렌즈의 전면은 평면이고), 제1 색지움 렌즈의 후면의 곡률 반경은 약 -285.815 mm이며, 제2 색지움 렌즈의 후면의 곡률 반경은 약 167.715 mm이다. 제1 색지움 렌즈의 두께는 제2 색지움 렌즈의 두께와 실질적으로 동일할 수 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 제1 및 제2 색지움 렌즈들 각각의 두께는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm일 수 있다.When the third optical device OC3 is an achromatic lens, the third optical device OC3 may include a first achromatic lens and a second achromatic lens bonded to each other and having different optical characteristics and/or different structures. . Each of the first and second achromatic lenses may include glass or plastic. The N d /V d value (ie, (d-line refractive index)/(abbe number)) of the first achromatic lens may be different from the N d /V d value of the second achromatic lens. For example, the N d /V d value of the first achromatic lens is about 1.805/25.36, and the N d /V d value of the second achromatic lens is about 1.651/55.89. The front surface of the first achromatic lens, the rear surface of the first achromatic lens (ie, the front surface of the second achromatic lens), and the rear surface of the second achromatic lens may have different radii of curvature. For example, the radius of curvature of the front surface of the first achromatic lens is infinity (that is, the front surface of the first achromatic lens is flat), the radius of curvature of the rear surface of the first achromatic lens is about -285.815 mm, and that of the second achromatic lens The radius of curvature at the back is about 167.715 mm. The thickness of the first achromatic lens may be substantially the same as that of the second achromatic lens, but this is merely exemplary and the present invention is not limited thereto. For example, each of the first and second achromatic lenses may have a thickness of about 0.1 mm to about 1 mm.

제2 광 소자(OC2)로부터 제3 방향(D3)으로 이격된 위치에 제2 집속부(F2)가 제공될 수 있다. 제2 집속부(F2)는 윈도우(W)의 후면(Wb)으로부터 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 제2 집속부(F2)의 전면과 윈도우(W)의 후면(Wb) 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리는, 예를 들어, 제1 집속부(F1)의 전면과 윈도우(W)의 후면(Wb) 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리보다 클 수 있다. 제2 집속부(F2)는 제2 광 소자(OC2)에 의해 회절된 제2 회절광(DL2)을 집속하도록 구성될 수 있다. 제2 집속부(F2)는 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다. 제2 집속부(F2)의 복수의 렌즈들 각각의 중심축은 제2 이미지 센서(S2)의 중심축과 일치할 수 있다. 제2 집속부(F2)의 복수의 렌즈들 각각의 중심축은, 예를 들어, 제1 방향(D1)과 나란할 수 있다. 제2 집속부(F2)의 복수의 렌즈들은 도시된 형상 및 도시된 측면의 곡률에 한정되지 않고 다양한 형상 및 곡률을 가질 수 있다.The second focusing portion F2 may be provided at a position spaced apart from the second optical device OC2 in the third direction D3 . The second focusing portion F2 may be spaced apart from the rear surface Wb of the window W in the first direction D1 . The distance in the first direction D1 between the front surface of the second focusing portion F2 and the rear surface Wb of the window W is, for example, the distance between the front surface of the first focusing portion F1 and the window W It may be greater than the distance in the first direction D1 between the rear surfaces Wb. The second focusing part F2 may be configured to focus the second diffracted light DL2 diffracted by the second optical element OC2 . The second focusing part F2 may include a plurality of lenses. A central axis of each of the plurality of lenses of the second focusing part F2 may coincide with a central axis of the second image sensor S2 . A central axis of each of the plurality of lenses of the second focusing part F2 may be parallel to the first direction D1, for example. The plurality of lenses of the second focusing portion F2 may have various shapes and curvatures without being limited to the illustrated shape and curvature of the illustrated side surface.

제2 집속부(F2)의 후면 상에 제2 이미지 센서(S2)가 제공될 수 있다. 제2 이미지 센서(S2)는 윈도우(W)의 후면(Wb)과 나란한 전면(S2f)을 가질 수 있다. 제2 이미지 센서(S2)는 제2 집속부(F2)를 통과한 제2 회절광(DL2)을 검출하도록 구성될 수 있다. 제2 이미지 센서(S2)는 그의 전면(S2f)이 제2 회절광(DL2)의 초점 면과 일치하도록 배치될 수 있다.A second image sensor S2 may be provided on the rear surface of the second focusing part F2 . The second image sensor S2 may have a front surface S2f parallel to the rear surface Wb of the window W. The second image sensor S2 may be configured to detect the second diffracted light DL2 passing through the second focusing part F2 . The second image sensor S2 may be disposed such that its front surface S2f coincides with a focal plane of the second diffracted light DL2 .

본 발명에 따른 초분광 센서는 제3 방향(D3)으로 제2 광 소자(OC2)와 이격되며, 제1 방향(D1)으로 제2 집속부(F2)와 이격되는 제2 미러(M2)를 더 포함할 수 있다. 제2 미러(M2)는 윈도우(W)의 후면(Wb)에 대하여(즉, 제3 방향(D3)에 대하여) 기울어진 전면(M2f)을 가질 수 있다. 제2 미러(M2)의 전면(M2f)과 윈도우(W)의 후면(Wb)이 이루는 각도는, 예를 들어, 약 45도일 수 있고, 상기 각도는 고정될 수 있다. 제2 미러(M2)는 제2 회절광(DL2)을 반사시켜 제2 집속부(F2)로 진행시키도록 구성될 수 있다.The hyperspectral sensor according to the present invention includes a second mirror M2 spaced apart from the second optical element OC2 in a third direction D3 and spaced apart from the second focusing part F2 in a first direction D1. may include more. The second mirror M2 may have a front surface M2f inclined with respect to the rear surface Wb of the window W (ie, with respect to the third direction D3). An angle between the front surface M2f of the second mirror M2 and the rear surface Wb of the window W may be, for example, about 45 degrees, and the angle may be fixed. The second mirror M2 may be configured to reflect the second diffracted light DL2 to travel to the second focusing portion F2 .

본 발명에 따른 초분광 센서는 제2 집속부(F2)의 복수의 렌즈들 중 어느 하나와 중첩되는 구경 조리개(aperture stop)(AS)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 구경 조리개(AS)는 제2 집속부(F2)의 복수의 렌즈들 중 제2 광 소자(OC2)에 가장 인접하는 것과 중첩될 수 있다.The hyperspectral sensor according to the present invention may further include an aperture stop AS overlapping any one of the plurality of lenses of the second focusing unit F2. For example, the aperture stop AS may overlap the one closest to the second optical element OC2 among the plurality of lenses of the second focusing part F2 .

제2 광학계(P2)의 제3 방향(D3)으로의 길이(L3)는 하기 [수학식 4]로 표현될 수 있다. 제2 광학계(P2)의 제3 방향(D3)으로의 길이(L3)는, 예를 들어, 약 10 mm 내지 약 15 mm일 수 있다.The length L 3 of the second optical system P2 in the third direction D3 may be expressed by the following [Equation 4]. The length L 3 of the second optical system P2 in the third direction D3 may be, for example, about 10 mm to about 15 mm.

[수학식 4][Equation 4]

L3=La+Lb+Lc L 3 =L a +L b +L c

이때, La는 제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심과 제1 광 소자(OC1)의 중심 사이의 제3 방향(D3)으로의 거리이고, Lb는 제1 광 소자(OC1)의 중심과 제2 광 소자(OC2)의 중심 사이의 제3 방향(D3)으로의 거리이며, Lc는 제2 광 소자(OC2)의 중심과 제2 미러(M2)의 전면(M2f)의 중심 사이의 제3 방향(D3)으로의 거리이다.In this case, L a is the distance in the third direction D3 between the center of the front surface M1f of the first mirror M1 and the center of the first optical device OC1 , and L b is the first optical device OC1 . ) is the distance in the third direction D3 between the center of the second optical device OC2 and the center of the second optical device OC2, and L c is the center of the second optical device OC2 and the front surface M2f of the second mirror M2. is the distance in the third direction D3 between the centers of .

제2 광학계(P2)의 제1 방향(D1)으로의 길이(L1)는 하기 [수학식 5]로 표현될 수 있다. 제2 광학계(P2)의 제1 방향(D1)으로의 길이(L1)는, 예를 들어, 약 5 mm 내지 약 15 mm일 수 있다.The length L 1 of the second optical system P2 in the first direction D1 may be expressed by the following [Equation 5]. The length L 1 of the second optical system P2 in the first direction D1 may be, for example, about 5 mm to about 15 mm.

[수학식 5][Equation 5]

L1=L0-Lg+Lm+Lf L 1 =L 0 -L g +L m +L f

이때, L0는 윈도우(W)의 후면(Wb)과 제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리이고, Lg는 제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심과 제2 미러(M2)의 전면(M2f)의 중심 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리이고, Lm은 제2 미러(M2)의 전면(M2f)의 중심과 제2 집속부(F2)의 전면 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리이며, Lf는 제2 집속부(F2)의 전면과 제2 이미지 센서(S2)의 후면 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리이다.In this case, L 0 is a distance in the first direction D1 between the center of the rear surface Wb of the window W and the front surface M1f of the first mirror M1, and L g is the first mirror M1. is the distance in the first direction D1 between the center of the front surface M1f of the second mirror M2 and the center of the front surface M2f of the second mirror M2, and L m is the center of the front surface M2f of the second mirror M2 is a distance in the first direction D1 between the front surface of the second focusing part F2 and L f is the first direction between the front surface of the second focusing part F2 and the rear surface of the second image sensor S2 It is the distance to (D1).

제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심과 제2 미러(M2)의 전면(M2f)의 중심 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리(Lg)는 하기 [수학식 6]으로 표현될 수 있다. 제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심과 제2 미러(M2)의 전면(M2f)의 중심 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리(Lg)는, 예를 들어, 약 2 mm 내지 약 6 mm일 수 있다.The distance L g in the first direction D1 between the center of the front surface M1f of the first mirror M1 and the center of the front surface M2f of the second mirror M2 is obtained by the following [Equation 6] can be expressed The distance L g in the first direction D1 between the center of the front surface M1f of the first mirror M1 and the center of the front surface M2f of the second mirror M2 is, for example, about 2 mm to about 6 mm.

[수학식 6][Equation 6]

Lg=Ltan2φ+Ltan2θL g =L a · tan2φ+L b · tan2θ

이때, 2φ는 제1 미러(M1)에서 반사된 제2 입사광(IL2)의 경로가 제3 방향(D3)에 대하여 기울어진 각도이고, 2θ는 제1 회절광(DL1)의 경로가 제3 방향(D3)에 대하여 기울어진 각도이다.In this case, 2φ is the angle at which the path of the second incident light IL2 reflected from the first mirror M1 is inclined with respect to the third direction D3, and 2θ is the path of the first diffracted light DL1 in the third direction. It is the inclination angle with respect to (D3).

한편, 제2 광학계(P2)의 제2 방향(D2)으로의 길이는 제1 미러(M1)의 제2 방향(D2)으로의 길이와 같을 수 있다. 제2 광학계(P2)의 제2 방향(D2)으로의 길이는 제2 방향(D2)으로의 시야각에 의해 결정될 수 있다. 제2 광학계(P2)의 제2 방향(D2)으로의 길이는, 예를 들어, 약 5 mm 내지 약 15 mm일 수 있다.Meanwhile, the length of the second optical system P2 in the second direction D2 may be the same as the length of the first mirror M1 in the second direction D2 . A length of the second optical system P2 in the second direction D2 may be determined by a viewing angle in the second direction D2 . A length of the second optical system P2 in the second direction D2 may be, for example, about 5 mm to about 15 mm.

도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서로 입사하는 광의 경로를 나타내는 개념도들로, 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각각 제1 단면에서의 광 경로를 나타내고, 도 3d는 제2 단면에서의 광 경로를 나타낸다.3A, 3B, 3C, and 3D are conceptual views illustrating a path of light incident to a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention. path, and FIG. 3D shows the light path in the second section.

도 3a, 도 3b 및 도 3c는 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로의 위치가 동일하되 제3 방향(D3)으로의 위치가 서로 다른 소스들로부터 방출되는 제1 입사광(IL1) 및 제2 입사광(IL2)의 경로들을 나타낸다. 제1 광학계(P1)에서, 서로 다른 방향으로부터 입사되는 제1 입사광(IL1)은 파장에 관계 없이 입사되는 방향에 따라 제1 이미지 센서(S1)의 서로 다른 위치에 상을 형성할 수 있다. 반면, 제2 광학계(P2)에서, 어느 한 방향으로부터 입사되는 제2 입사광(IL2)은 서로 다른 파장을 갖는 제1 내지 제3 광들(IL21, IL22, IL23)을 포함할 수 있고, 제1 내지 제3 광들(IL21, IL22, IL23)은 파장에 따라 제2 이미지 센서(S2)의 서로 다른 위치에 상을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 광(IL21)은 제2 광(IL22)보다 짧은 파장을 가질 수 있고, 제2 광(IL22)은 제3 광(IL23)보다 짧은 파장을 가질 수 있다.3A, 3B and 3C show the first incident light IL1 emitted from sources having the same position in the first direction D1 and the second direction D2 but different positions in the third direction D3. ) and paths of the second incident light IL2 are shown. In the first optical system P1 , the first incident light IL1 incident from different directions may form an image at different positions of the first image sensor S1 according to the incident direction regardless of wavelength. On the other hand, in the second optical system P2 , the second incident light IL2 incident from any one direction may include first to third lights IL21 , IL22 , and IL23 having different wavelengths, and The third lights IL21 , IL22 , and IL23 may form images at different positions of the second image sensor S2 according to wavelengths. For example, the first light IL21 may have a shorter wavelength than the second light IL22 , and the second light IL22 may have a shorter wavelength than the third light IL23 .

도 3a, 도 3b 및 도 3c에서 제1 미러(M1)가 기울어진 각도는 서로 다를 수 있다. 제1 미러(M1)는 반시계 방향(또는 시계 방향)으로 회전하는 것에 의해 제3 방향(D3)으로 연장되는 소스의 전체 영역을 스캔할 수 있다.The angle at which the first mirror M1 is inclined in FIGS. 3A, 3B and 3C may be different from each other. The first mirror M1 may scan the entire area of the source extending in the third direction D3 by rotating it counterclockwise (or clockwise).

도 3d는 제1 방향(D1) 및 제3 방향(D3)으로의 위치가 동일하되 제2 방향(D2)으로의 위치가 서로 다른 소스들로부터 방출되는 제1 입사광(IL1) 및 제2 입사광(IL2)의 경로들을 나타낸다. 제1 광학계(P1)에서, 서로 다른 방향으로부터 입사되는 제1 입사광(IL1)은 파장에 관계 없이 입사되는 방향에 따라 제1 이미지 센서(S1)의 서로 다른 위치에 상을 형성할 수 있다. 제2 광학계(P2)에서, 서로 다른 방향으로부터 입사되는 제2 입사광(IL2)은 파장에 관계 없이 입사되는 방향에 따라 제2 이미지 센서(S2)의 서로 다른 위치에 상을 형성할 수 있다.3D shows the first incident light IL1 and the second incident light emitted from sources having the same position in the first direction D1 and the third direction D3 but having different positions in the second direction D2. IL2) pathways. In the first optical system P1 , the first incident light IL1 incident from different directions may form an image at different positions of the first image sensor S1 according to the incident direction regardless of wavelength. In the second optical system P2 , the second incident light IL2 incident from different directions may form an image at different positions of the second image sensor S2 according to the incident direction regardless of wavelength.

도 4, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 개념도들이다. 이하에서, 설명의 편의를 위하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고 차이점에 대하여 상세히 설명한다.4, 5, and 6 are conceptual views for explaining the structure of a hyperspectral sensor according to other embodiments of the present invention. Hereinafter, for convenience of description, descriptions of the items substantially the same as those described with reference to FIGS. 1 and 2 will be omitted and differences will be described in detail.

도 4를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 제3 광 소자(OC3)가 생략될 수 있다. 즉, 제1 미러(M1)의 전면(M1f)에서 반사된 제2 입사광(IL2)은 별도의 시준 광학계를 통과하지 않은 채로 제1 및 제2 광 소자들(OC1, OC2)로 진행할 수 있다. 제1 미러(M1)의 전면(M1f)은 곡률을 갖는 곡면일 수 있고, 제1 미러(M1)의 후면은 평면일 수 있다. 제1 미러(M1)의 초점거리는, 예를 들어, 약 200 mm 내지 400 mm일 수 있다.Referring to FIG. 4 , the third optical device OC3 described with reference to FIG. 1 may be omitted. That is, the second incident light IL2 reflected from the front surface M1f of the first mirror M1 may travel to the first and second optical elements OC1 and OC2 without passing through a separate collimating optical system. A front surface M1f of the first mirror M1 may be a curved surface having a curvature, and a rear surface of the first mirror M1 may be a flat surface. The focal length of the first mirror M1 may be, for example, about 200 mm to 400 mm.

실시예들에 따르면, 제1 미러(M1)는 전면(M1f)에 주기를 갖는 격자가 새겨진 반사형 격자일 수도 있다. 실시예들에 따르면, 제1 미러(M1)의 전면(M1f)은 평면이고, 제1 미러(M1)의 후면은 곡률을 갖는 곡면일 수도 있다. 제1 미러(M1)는 구동부에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 구성될 수 있고, 제2 입사광(IL2)이 반사되는 면은 전면(M1f)에서 후면으로(또는 후면에서 전면(M1f)으로) 바뀔 수도 있다.According to embodiments, the first mirror M1 may be a reflective grating in which a grating having a period is engraved on the front surface M1f. According to embodiments, the front surface M1f of the first mirror M1 may be a flat surface, and the rear surface of the first mirror M1 may be a curved surface having a curvature. The first mirror M1 may be configured to rotate clockwise or counterclockwise by the driving unit, and the surface on which the second incident light IL2 is reflected is from the front surface M1f to the rear surface (or from the rear surface to the front surface M1f). ) may be changed.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 초분광 센서는 제1 셰이드(Sh1) 및 제2 셰이드(Sh2) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the hyperspectral sensor according to the present invention may include any one of a first shade Sh1 and a second shade Sh2.

제1 셰이드(Sh1)는 제1 미러(M1)의 전면(M1f) 상에 제공될 수 있다. 제1 셰이드(Sh1)는, 예를 들어, 제1 미러(M1)와 함께 회전하도록 구성될 수 있다. 제2 셰이드(Sh2)는 제2 광 소자(OC2) 및 제2 미러(M2) 사이에 제공될 수 있다. 제2 셰이드(Sh2)는 제2 광 소자(OC2)의 후면 상에 또는 제2 미러(M2)의 전면 상에 제공될 수 있다. 제1 셰이드(Sh1) 및 제2 셰이드(Sh2) 각각은 제2 입사광(IL2)의 일부를 차단하여 제2 광 소자(OC2)에서 회절되지 않는 0차 회절광 성분을 제거할 수 있다. 예를 들어, 제1 셰이드(Sh1) 및 제2 셰이드(Sh2) 각각은 제2 입사광(IL2)의 일부를 흡수하거나 산란시킬 수 있다. 이에 따라, 제2 이미지 센서(S2)에서 검출되는 이미지가 보다 선명해질 수 있다.The first shade Sh1 may be provided on the front surface M1f of the first mirror M1 . The first shade Sh1 may be configured to rotate together with the first mirror M1, for example. The second shade Sh2 may be provided between the second optical element OC2 and the second mirror M2 . The second shade Sh2 may be provided on the rear surface of the second optical device OC2 or on the front surface of the second mirror M2 . Each of the first and second shades Sh1 and Sh2 may block a portion of the second incident light IL2 to remove a 0th-order diffracted light component that is not diffracted from the second optical device OC2 . For example, each of the first shade Sh1 and the second shade Sh2 may absorb or scatter a portion of the second incident light IL2 . Accordingly, the image detected by the second image sensor S2 may become clearer.

도 6을 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 제2 미러(M2)가 생략될 수 있다. 이때, 제2 집속부(F2) 및 제2 이미지 센서(S2)는 제3 방향(D3)에 따라 배열될 수 있다. 즉, 제2 광 소자(OC2)에 의해 회절된 제2 회절광(DL2)은 제3 방향(D3)과 나란하게 진행하여 제2 집속부(F2)를 통과할 수 있고 제2 이미지 센서(S2)에 도달할 수 있다. 제2 이미지 센서(S2)의 전면(S2f)은 윈도우(W)의 후면(Wb)과 직교하는 방향(즉, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2))으로 연장될 수 있다.Referring to FIG. 6 , the second mirror M2 described with reference to FIG. 1 may be omitted. In this case, the second focusing part F2 and the second image sensor S2 may be arranged along the third direction D3 . That is, the second diffracted light DL2 diffracted by the second optical element OC2 may travel in parallel with the third direction D3 and pass through the second focusing part F2 and the second image sensor S2 ) can be reached. The front surface S2f of the second image sensor S2 may extend in a direction perpendicular to the rear surface Wb of the window W (ie, the first direction D1 and the second direction D2).

이때, 제2 광학계(P2)의 제1 방향(D1)으로의 길이(L1)는 윈도우(W)의 후면(Wb)과 제1 미러(M1)의 전면(M1f)의 중심 사이의 제1 방향(D1)으로의 거리(L0)와 같을 수 있다. 다시 말하면, 제2 광학계(P2)의 제1 방향(D1)으로의 길이(L1)는 도 1을 참조하여 설명한 것보다 작아질 수 있다.At this time, the length L 1 of the second optical system P2 in the first direction D1 is the first between the center of the rear surface Wb of the window W and the front surface M1f of the first mirror M1. It may be equal to the distance L 0 in the direction D1. In other words, the length L 1 of the second optical system P2 in the first direction D1 may be smaller than that described with reference to FIG. 1 .

도 7, 도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서에 측정된 이미지를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과들이다. 도 7은 제1 이미지 센서(S1, 도 1 참조)에 의해 촬영된 예시적인 이미지이고, 도 8a 내지 도 8d는 제2 이미지 센서(S2, 도 1 참조)에 의해 촬영된 예시적인 이미지들이다.7, 8A, 8B, 8C, and 8D are simulation results for explaining an image measured by a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention. 7 is an exemplary image captured by the first image sensor S1 (see FIG. 1 ), and FIGS. 8A to 8D are exemplary images captured by the second image sensor S2 (see FIG. 1 ).

도 7은 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3)과 나란하고 제1 방향(D1)과 직교하는 평면 상에 위치한 복수의 타원 형상들의 이미지를 나타낸다. 상기 복수의 타원 형상들은 서로 이격될 수 있다. 상기 복수의 타원 형상들은 서로 다른 파장 스펙트럼을 가질 수 있다.7 illustrates images of a plurality of elliptical shapes positioned on a plane parallel to the second direction D2 and the third direction D3 and perpendicular to the first direction D1. The plurality of elliptical shapes may be spaced apart from each other. The plurality of elliptical shapes may have different wavelength spectra.

도 8a 내지 도 8d는 도 7의 제1 스캔 영역(10), 제2 스캔 영역(20), 제3 스캔 영역(30) 및 제4 스캔 영역(40)에 대응되는 스펙트럼 이미지들이다. 제1 내지 제4 스캔 영역들(10, 20, 30, 40) 각각의 스펙트럼 이미지를 촬영하기 위하여 도 1의 제1 미러(M1)가 회전할 수 있다. 다시 말하면, 제1 내지 제4 스캔 영역들(10, 20, 30, 40) 각각의 스펙트럼 이미지를 촬영할 때, 도 1의 제1 미러(M1)가 기울어진 각도는 서로 다를 수 있다.8A to 8D are spectral images corresponding to the first scan area 10 , the second scan area 20 , the third scan area 30 , and the fourth scan area 40 of FIG. 7 . The first mirror M1 of FIG. 1 may be rotated to capture a spectrum image of each of the first to fourth scan areas 10 , 20 , 30 , and 40 . In other words, when a spectrum image of each of the first to fourth scan regions 10 , 20 , 30 , and 40 is taken, the angle at which the first mirror M1 of FIG. 1 is inclined may be different from each other.

도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서를 포함하는 초분광 이미징 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.9 is a conceptual diagram illustrating a hyperspectral imaging system including a hyperspectral sensor according to embodiments of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 초분광 이미징 시스템은 도 1을 참조하여 설명한 초분광 센서(100), OIS 모듈(200), 스캔 미러 제어 모듈(300), 집속부 제어 모듈(400), 프로세서(500) 및 광원 제어 모듈(600)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the hyperspectral imaging system according to the present invention includes the hyperspectral sensor 100 , the OIS module 200 , the scan mirror control module 300 , the focusing unit control module 400 described with reference to FIG. 1 , It may include a processor 500 and a light source control module 600 .

OIS 모듈(200)은 제1 및 제2 위치 센서들(position sensors)(210, 220), 제1 및 제2 OIS 구동부들(optical image stabilization(OIS) actuator)(230, 240), OIS 자이로스코프(OIS gyroscope)(250) 및 OIS 제어부(OIS controller)(260)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 위치 센서들(210, 220)은 초분광 센서(100)의 제2 방향(D2, 도 1 참조) 및 제3 방향(D3, 도 1 참조)으로의 움직임을 감지할 수 있다. 제1 및 제2 OIS 구동부들(230, 240)은 초분광 센서(100)의 움직임을 억제할 수 있다. OIS 제어부(260)는 제1 및 제2 위치 센서들(210, 220)의 위치 정보를 받아 제1 및 제2 OIS 구동부들(230, 240)에 전달할 수 있다. OIS 자이로스코프(250)는 OIS 제어부(260)에 연결될 수 있다. OIS 제어부(260)는 OIS 자이로스코프(250)의 회전 정보를 받아 제1 및 제2 OIS 구동부들(230, 240)에 전달할 수 있다. OIS 모듈(200)은 진동 등의 이유로 초분광 센서(100)가 움직이는 것을 방지 및/또는 최소화할 수 있다.The OIS module 200 includes first and second position sensors 210 and 220 , first and second OIS actuators 230 and 240 , and an OIS gyroscope. It may include an (OIS gyroscope) 250 and an OIS controller (OIS controller) 260 . The first and second position sensors 210 and 220 may detect movement of the hyperspectral sensor 100 in the second direction (D2, see FIG. 1) and the third direction (D3, see FIG. 1). . The first and second OIS drivers 230 and 240 may suppress the movement of the hyperspectral sensor 100 . The OIS controller 260 may receive the location information of the first and second location sensors 210 and 220 and transmit it to the first and second OIS drivers 230 and 240 . The OIS gyroscope 250 may be connected to the OIS control unit 260 . The OIS controller 260 may receive rotation information of the OIS gyroscope 250 and transmit it to the first and second OIS drivers 230 and 240 . The OIS module 200 may prevent and/or minimize the movement of the hyperspectral sensor 100 due to vibration or the like.

스캔 미러 제어 모듈(300)은 스캔 미러 구동부(310) 및 스캔 미러 제어부(320)를 포함할 수 있다. 스캔 미러 구동부(310)는 초분광 센서(100)의 제1 미러(M1)에 연결될 수 있고, 제1 미러(M1)를 회전시킬 수 있다. 스캔 미러 제어부(320)는 스캔 미러 구동부(310)를 통해 제1 미러(M1)의 회전 운동을 제어할 수 있다.The scan mirror control module 300 may include a scan mirror driver 310 and a scan mirror controller 320 . The scan mirror driver 310 may be connected to the first mirror M1 of the hyperspectral sensor 100 , and may rotate the first mirror M1 . The scan mirror controller 320 may control the rotational movement of the first mirror M1 through the scan mirror driver 310 .

집속부 제어 모듈(400)은 초분광 센서(100)의 제1 및 제2 집속부들(F1, F2)과 연결될 수 있다. 집속부 제어 모듈(400)은 제1 및 제2 집속부들(F1, F2) 각각의 초점 거리 등을 제어할 수 있다.The focusing unit control module 400 may be connected to the first and second focusing units F1 and F2 of the hyperspectral sensor 100 . The focusing part control module 400 may control a focal length of each of the first and second focusing parts F1 and F2 .

프로세서(500)는 초분광 센서(100)의 제1 및 제2 이미지 센서들(S1, S2), OIS 모듈(200), 스캔 미러 제어 모듈(300) 및 집속부 제어 모듈(400)과 연결될 수 있고, 이들의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(500)는, 예를 들어, 범용 프로세서 또는 어플리케이션 프로세서(application processor; AP)일 수 있다.The processor 500 may be connected to the first and second image sensors S1 and S2 of the hyperspectral sensor 100 , the OIS module 200 , the scan mirror control module 300 , and the focusing unit control module 400 . and can control their overall operation. The processor 500 may be, for example, a general-purpose processor or an application processor (AP).

광원 제어 모듈(600)은 프로세서(500)에 연결될 수 있다. 광원 제어 모듈(600)은 LED 드라이버(610) 및 LED 광원(620)을 포함할 수 있다. 스펙트럼을 미리 알고 있는 LED 광원(620)을 사용할 경우, 광원 제어 모듈(600)은 측정된 초분광 이미지로부터 분석 대상의 파장 별 반사율을 계산할 수 있다. 실시예들에 따르면, 광원 제어 모듈(600)은 그 부피가 큰 경우 초분광 이미징 시스템 외부에 독립적인 모듈로 제공될 수도 있다.The light source control module 600 may be connected to the processor 500 . The light source control module 600 may include an LED driver 610 and an LED light source 620 . When using the LED light source 620 whose spectrum is known in advance, the light source control module 600 may calculate reflectance for each wavelength of the analysis target from the measured hyperspectral image. According to embodiments, the light source control module 600 may be provided as an independent module outside the hyperspectral imaging system when the volume is large.

도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 이미징 시스템을 이용한 초분광 이미징 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 이미징 시스템을 이용한 초분광 이미징 방법을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다.10 is a flowchart illustrating a hyperspectral imaging method using a hyperspectral imaging system according to embodiments of the present invention. 11 is a timing diagram for explaining a hyperspectral imaging method using a hyperspectral imaging system according to embodiments of the present invention.

도 9, 도 10 및 도 11을 참조하면, 초분광 이미징 방법은 측정 모드를 입력하는 것(S100), 측정 영역을 설정하는 것(S200), 기준 이미지를 촬영하는 것(S300), 스캔 미러를 회전시키는 것(S400), 초분광 이미지를 촬영하는 것(S500), 초분광 이미지의 왜곡을 보정하는 것(S600), 이미지를 합성하는 것(S700), 기준 이미지와 합성 이미지를 비교하는 것(S800), 및 측정 결과를 출력하는 것(900)을 포함할 수 있다.9, 10 and 11 , the hyperspectral imaging method includes entering a measurement mode (S100), setting a measurement area (S200), photographing a reference image (S300), and using a scan mirror Rotating (S400), taking a hyperspectral image (S500), correcting the distortion of the hyperspectral image (S600), synthesizing the image (S700), comparing the reference image and the composite image ( S800), and outputting the measurement result (900).

측정 모드를 입력하는 것(S100)은 초분광 센서(100)를 준비하는 것 및 사용자가 원하는 측정 모드를 통해 초분광 센서(100)를 구동하는 소프트웨어의 실행 방향을 정하는 것을 포함할 수 있다. 측정 모드는, 예를 들어, 포인트 스펙트럼 측정 모드, 형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드, 공간 저 해상도(low resolution) 측정 모드, 및 공간 고 해상도(high resolution) 측정 모드 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.Entering the measurement mode ( S100 ) may include preparing the hyperspectral sensor 100 and determining the execution direction of software for driving the hyperspectral sensor 100 through the measurement mode desired by the user. The measurement mode may be, for example, any one selected from a point spectrum measurement mode, a spectrum measurement mode after shape recognition, a spatial low resolution measurement mode, and a spatial high resolution measurement mode.

포인트 스펙트럼 측정 모드는 제1 이미지 센서(S1)의 이미지 중 어느 한 지점의 스펙트럼만을 측정하는 방법이다. 포인트 스펙트럼 측정 모드는 다른 모드들보다 측정 속도가 매우 빠르고 데이터 양이 적다.The point spectrum measurement mode is a method of measuring only the spectrum of any one point in the image of the first image sensor S1. The point spectrum measurement mode has a much faster measurement speed and less data than other modes.

형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드는 이미지 프로세싱에 의해 제1 이미지 센서(S1)의 이미지의 경계를 분석한 후 경계 영역 내부의 스펙트럼을 측정하는 방법이다. 형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드는 알곡, 알약 등과 같이 상대적으로 경계가 분명한 물체의 스펙트럼 분석에 유용하다.The spectrum measurement mode after shape recognition is a method of measuring the spectrum inside the boundary region after analyzing the boundary of the image of the first image sensor S1 by image processing. After shape recognition, the spectrum measurement mode is useful for spectral analysis of objects with relatively clear boundaries, such as grains and pills.

공간 저 해상도 측정 모드는 일 방향(도 1의 제2 방향(D2))을 따라 배열되는 제2 이미지 센서(S2)의 픽셀들을 묶는 픽셀 비닝(pixel binning) 방법을 이용하는 방법이다. 공간 저 해상도 측정 모드는 다른 모드들보다 신호 대 잡음 비(signal to noise ratio)가 크고 전송 시간이 짧으며, 이에 따라 모션 블러(motion blur) 효과의 영향이 적고 측정 시간이 짧다. 한편, 공간 고 해상도 측정 모드는 공간 저 해상도 측정 모드보다 픽셀 비닝 방법을 적게 이용하는 방법으로, 다른 측정 모드들보다 공간 해상도가 높다.The spatial low-resolution measurement mode is a method using a pixel binning method of bundling pixels of the second image sensor S2 arranged along one direction (the second direction D2 in FIG. 1 ). The spatial low-resolution measurement mode has a larger signal-to-noise ratio and shorter transmission time than other modes, and accordingly, the effect of motion blur effect is small and the measurement time is short. On the other hand, the spatial high-resolution measurement mode uses less pixel binning than the spatial low-resolution measurement mode, and has higher spatial resolution than other measurement modes.

측정 모드를 입력하는 것(S100)은 분석 대상과의 거리에 따라 초분광 센서(100)의 집속부 제어 모듈(400)을 통해 제1 집속부(F1)의 초점 거리를 조정하는 것을 더 포함할 수 있다. 분석 대상이 상대적으로 가까운 경우 제1 집속부(F1)의 초점 거리는 제3 광 소자(OC3)의 초점 거리와 일치하도록 조정될 수 있고, 분석 대상이 상대적으로 먼 경우 제1 집속부(F1)의 초점 거리는 무한대에 가까워지도록 조정될 수 있다. 또한, 측정 모드를 입력하는 것(S100)은 제3 광 소자(OC3)의 배치 여부, 광원의 종류, 픽셀 비닝 방법 사용 여부 등을 결정하는 것을 더 포함할 수 있다. 측정 영역을 설정하는 것(S200)은 소정의 시작 신호(start signal) 이후에 수행될 수 있다. 측정 영역을 설정하는 것(S200)은 다음과 같이 진행된다. 먼저, LED 광원(620)이 켜진 상태(On)에서 제1 이미지 센서(S1)가 반복적으로 이미지를 촬영하여 디스플레이에 표시한다. 디스플레이에 나타난 이미지를 기준으로 초점이 맞도록(즉, 분석 대상이 제3 광 소자(OC3)의 초점 거리에 위치하도록) 초분광 센서(100)가 이동된다. 이후, 디스플레이에 나타난 이미지로부터 측정 영역이 선택된다. 포인트 스펙트럼 측정 모드에서, 측정 영역을 선택하는 것은 디스플레이에 나타난 이미지의 한 지점을 선택하는 것이다. 그 외의 측정 모드들에서, 측정 영역을 선택하는 것은 디스플레이에 나타난 이미지의 일부 영역을 포함하는 사각형의 크기 및 위치를 결정하는 것일 수 있다. Entering the measurement mode (S100) may further include adjusting the focal length of the first focusing unit F1 through the focusing unit control module 400 of the hyperspectral sensor 100 according to the distance from the analysis target. can When the analysis target is relatively close, the focal length of the first focusing part F1 may be adjusted to match the focal length of the third optical device OC3 , and when the analysis target is relatively far away, the focal length of the first focusing part F1 . The distance can be adjusted to approach infinity. In addition, inputting the measurement mode ( S100 ) may further include determining whether to dispose the third optical device OC3 , a type of light source, whether to use a pixel binning method, and the like. Setting the measurement area ( S200 ) may be performed after a predetermined start signal. Setting the measurement area (S200) proceeds as follows. First, in a state in which the LED light source 620 is turned on (On), the first image sensor S1 repeatedly captures an image and displays it on the display. The hyperspectral sensor 100 is moved so as to be in focus based on the image displayed on the display (ie, the analysis target is located at the focal length of the third optical element OC3). Then, a measurement area is selected from the image shown on the display. In point spectrum measurement mode, selecting a measurement area is selecting a point in the image shown on the display. In other measurement modes, selecting the measurement area may be determining the size and position of a rectangle including a partial area of the image shown on the display.

설정된 측정 영역에 따라 제1 미러(M1)의 회전 각도 간격, 스캔 횟수 등이 계산될 수 있고, 계산된 결과는 메모리에 저장될 수 있다. 예를 들어, 포인트 스펙트럼 측정 모드에서는 선택된 한 지점의 회전 각도가 계산 및 저장될 수 있고, 형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드에서는 복수의 인식된 경계 영역들의 내부 지점들 각각의 회전 각도가 계산 및 저장될 수 있다.The rotation angle interval of the first mirror M1, the number of scans, etc. may be calculated according to the set measurement area, and the calculated result may be stored in a memory. For example, in the point spectrum measurement mode, the rotation angle of a selected point may be calculated and stored, and in the spectrum measurement mode after shape recognition, the rotation angle of each of the internal points of a plurality of recognized boundary regions may be calculated and stored. have.

초분광 이미지를 촬영하는 것(S500) 이전에 측정 영역을 설정하는 것(S200)에 따라, 스캔 영역을 최소화할 수 있고, 노출 시간이 길어지면 전 영역을 스캔하는 데 오랜 시간이 걸린다는 문제점을 해결할 수 있다.According to setting the measurement area (S200) before taking the hyperspectral image (S500), the scan area can be minimized, and when the exposure time is long, the problem that it takes a long time to scan the entire area can be solved

기준 이미지를 촬영하는 것(S300)은 LED 광원(620)이 켜진 상태(On)에서 한 번, 그리고 LED 광원(620)이 꺼진 상태(Off)에서 한 번, 제1 이미지 센서(S1)에 의해 수행될 수 있다. LED 광원(620)이 켜진 상태(On)에서 촬영된 이미지에서 LED 광원(620)이 꺼진 상태(Off)에서 촬영된 이미지를 빼는 것에 의해, 주변 조명(ambient light)의 영향이 제거될 수 있다.Taking the reference image (S300) is performed once in the state in which the LED light source 620 is turned on (On), and once in the state in which the LED light source 620 is turned off (Off), by the first image sensor (S1). can be performed. By subtracting the image photographed in the state that the LED light source 620 is turned off (Off) from the image photographed in the state in which the LED light source 620 is turned on (On), the influence of ambient light may be removed.

스캔 미러를 회전시키는 것(S400), 초분광 이미지를 촬영하는 것(S500) 및 초분광 이미지의 왜곡을 보정하는 것(S600)을 포함하는 촬영 동작(C)은 제1 미러(M1)를 일정 간격의 각도로 회전시키면서 n회 반복될 수 있다. 촬영 동작의 반복 횟수(n)는 측정 영역을 설정하는 것(S200)에 의해 계산되어 메모리에 저장된 정보를 이용하여 결정될 수 있다.The photographing operation (C) including rotating the scan mirror (S400), photographing the hyperspectral image (S500), and correcting the distortion of the hyperspectral image (S600) is performed by setting the first mirror M1 to a constant It can be repeated n times while rotating by the angle of the interval. The number of repetitions (n) of the photographing operation may be determined using information stored in the memory calculated by setting the measurement area ( S200 ).

촬영 동작(C)은 제1 촬영 동작(C1), 제2 촬영 동작(C2), 제3 촬영 동작(C3) 내지 제n 촬영 동작(Cn)을 포함할 수 있다. 제1 촬영 동작(C1), 제2 촬영 동작(C2), 제3 촬영 동작(C3) 내지 제n 촬영 동작(Cn) 각각은 제1 미러(M1)를 회전시킨 이후에, LED 광원(620)이 켜진 상태(On)에서 한 번, 그리고 LED 광원(620)이 꺼진 상태(Off)에서 한 번, 제2 이미지 센서(S2)에 의해 수행될 수 있다.The photographing operation C may include a first photographing operation C1 , a second photographing operation C2 , and a third photographing operation C3 to an n-th photographing operation Cn. Each of the first photographing operation C1 , the second photographing operation C2 , and the third photographing operation C3 to the nth photographing operation Cn rotates the first mirror M1 and then the LED light source 620 . This may be performed by the second image sensor S2 once in the on state (On) and once in the off state (Off) of the LED light source 620 .

기준 이미지와 합성 이미지를 비교하는 것(S800)은 합성 이미지와 기준 이미지의 정규화된 상호 연관성(normalized cross-corelation; NCC) 값이 소정의 문턱 값(threshold value)을 넘는지 판단하는 것일 수 있다. 합성 이미지와 기준 이미지의 정규화된 상호 연관성 값이 상기 문턱 값을 넘지 않는 경우(즉, fail) 측정 영역을 설정하는 것(S200)으로 다시 돌아갈 수 있다. 기준 이미지와 합성 이미지를 비교하는 것(S800)에 따라, 본 발명에 따른 초분광 이미징 방법의 신뢰도가 개선될 수 있다.Comparing the reference image and the synthetic image ( S800 ) may be determining whether a normalized cross-correlation (NCC) value of the synthetic image and the reference image exceeds a predetermined threshold value. If the normalized correlation value of the composite image and the reference image does not exceed the threshold value (ie, fail), the process may return to setting the measurement area ( S200 ). By comparing the reference image and the composite image ( S800 ), the reliability of the hyperspectral imaging method according to the present invention may be improved.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.In the above, embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can practice the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

W: 윈도우
F1, F2: 집속부
S1, S2: 이미지 센서
M1, M2: 미러
OC1, OC2, OC3: 광 소자
AS: 구경 조리개
IL1, IL2: 입사광
DL1, DL2: 회절광
100: 초분광 센서
200: OIS 모듈
300: 스캔 미러 제어 모듈
400: 집속부 제어 모듈
500: 프로세서
600: 광원 제어 모듈
W: Windows
F1, F2: focusing part
S1, S2: image sensor
M1, M2: Mirror
OC1, OC2, OC3: Optical device
AS: Aperture Aperture
IL1, IL2: incident light
DL1, DL2: diffracted light
100: hyperspectral sensor
200: OIS module
300: scan mirror control module
400: focusing unit control module
500: processor
600: light source control module

Claims (20)

윈도우;
상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 복수의 렌즈들을 포함하는 제1 집속부;
상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 윈도우의 상기 후면과 나란한 전면을 갖는 제1 이미지 센서;
상기 제1 집속부 및 상기 제1 이미지 센서와 이격되며, 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 갖는 제1 미러;
상기 제1 미러와 이격되는 제1 광 소자;
상기 제1 광 소자와 이격되며, 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖는 제2 광 소자;
상기 제2 광 소자와 이격되며, 복수의 렌즈들을 포함하는 제2 집속부; 및
상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되는 제2 이미지 센서를 포함하는 초분광 센서.
window;
a first focusing part provided on the rear surface of the window and including a plurality of lenses;
a first image sensor provided on a rear surface of the first focusing part and having a front surface parallel to the rear surface of the window;
a first mirror spaced apart from the first focusing part and the first image sensor and having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window;
a first optical element spaced apart from the first mirror;
a second optical device spaced apart from the first optical device and having a periodic refractive index distribution therein;
a second focusing unit spaced apart from the second optical element and including a plurality of lenses; and
Hyperspectral sensor including a second image sensor provided on the rear surface of the second focusing part.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 광 소자는 내부의 주기적인 굴절률 분포를 갖고,
상기 제1 광 소자의 두께는 상기 제2 광 소자의 두께보다 작은 초분광 센서.
The method of claim 1,
The first optical element has a periodic refractive index distribution therein,
A thickness of the first optical device is smaller than a thickness of the second optical device.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 광 소자는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합인 초분광 센서.
The method of claim 1,
The first optical element is any one or a combination of two or more selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one or more prisms.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 미러는 구동부와 연결되고,
상기 제1 미러는 상기 구동부에 의해 회전하도록 구성되는 초분광 센서.
The method of claim 1,
The first mirror is connected to the driving unit,
The first mirror is a hyperspectral sensor configured to be rotated by the driving unit.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 광 소자에 의해 회절된 광은 상기 윈도우의 상기 후면과 나란하게 진행하도록 구성되는 초분광 센서.
The method of claim 1,
The light diffracted by the second optical element is configured to travel in parallel with the rear surface of the window.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 미러의 전면은 곡률을 갖는 곡면인 초분광 센서.
The method of claim 1,
The front surface of the first mirror is a hyperspectral sensor having a curvature.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 미러와 상기 제1 광 소자 사이의 제3 광 소자를 더 포함하되,
상기 제3 광 소자는 클로즈업 렌즈(close-up lens) 또는 색지움 렌즈(achromatic lens)인 초분광 센서.
The method of claim 1,
a third optical device between the first mirror and the first optical device;
and the third optical element is a close-up lens or an achromatic lens.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 광 소자 및 상기 제2 집속부와 이격되며, 상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 갖는 제2 미러를 더 포함하고,
상기 제2 이미지 센서는 상기 윈도우의 상기 후면과 나란한 전면을 갖는 초분광 센서.
The method of claim 1,
and a second mirror spaced apart from the second optical element and the second focusing part and having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window;
The second image sensor is a hyperspectral sensor having a front surface parallel to the rear surface of the window.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 이미지 센서는 상기 윈도우의 상기 후면과 직교하는 방향으로 연장되는 초분광 센서.
The method of claim 1,
The second image sensor is a hyperspectral sensor extending in a direction perpendicular to the rear surface of the window.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 미러의 전면에 인접하는 제1 셰이드, 및 상기 제2 광 소자의 후면에 인접하는 제2 셰이드를 더 포함하되,
상기 제1 셰이드 및 상기 제2 셰이드 각각은 상기 제2 광 소자에서 회절되지 않는 0차 회절광 성분을 제거하도록 구성되는 초분광 센서.
The method of claim 1,
a first shade adjacent to the front surface of the first mirror, and a second shade adjacent to the rear surface of the second optical element;
and each of the first shade and the second shade is configured to remove a 0th-order diffracted light component that is not diffracted in the second optical element.
윈도우, 제1 입사광이 입사되도록 구성되는 제1 광학계, 및 상기 제1 광학계와 이격되며 제2 입사광이 입사되도록 구성되는 제2 광학계를 포함하는 초분광 센서;
상기 초분광 센서의 움직임을 감지 및 제어하도록 구성되는 OIS(optical image stabilization) 모듈; 및
상기 초분광 센서의 상기 제1 광학계 및 상기 제2 광학계, 및 상기 OIS 모듈과 연결되는 프로세서를 포함하되,
상기 제1 광학계는:
상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 입사광을 집속하도록 구성되는 제1 집속부; 및
상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 집속부를 통과한 상기 제1 입사광을 검출하도록 구성되는 제1 이미지 센서를 포함하고,
상기 제2 광학계는:
상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 가지며, 상기 제2 입사광을 반사시키도록 구성되는 제1 미러;
상기 제1 미러와 이격되며, 상기 제2 입사광을 회절시키도록 구성되는 제1 및 제2 광 소자들;
상기 제2 광 소자와 이격되며, 상기 제2 광 소자에 의해 회절된 회절광을 집속하도록 구성되는 제2 집속부; 및
상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제2 집속부를 통과한 상기 회절광을 검출하도록 구성되는 제2 이미지 센서를 포함하는 초분광 이미징 시스템.
a hyperspectral sensor including a window, a first optical system configured to receive a first incident light, and a second optical system spaced apart from the first optical system and configured to receive a second incident light;
an optical image stabilization (OIS) module configured to detect and control the movement of the hyperspectral sensor; and
Including a processor connected to the first optical system and the second optical system of the hyperspectral sensor, and the OIS module,
The first optical system includes:
a first focusing part provided on a rear surface of the window and configured to focus the first incident light; and
a first image sensor provided on a rear surface of the first focusing part and configured to detect the first incident light passing through the first focusing part;
The second optical system includes:
a first mirror having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window and configured to reflect the second incident light;
first and second optical elements spaced apart from the first mirror and configured to diffract the second incident light;
a second focusing unit spaced apart from the second optical device and configured to focus the diffracted light diffracted by the second optical device; and
and a second image sensor provided on a rear surface of the second focusing part and configured to detect the diffracted light passing through the second focusing part.
제 11 항에 있어서,
상기 제1 광 소자는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합이고,
상기 제2 광 소자는 볼륨 브래그 격자인 초분광 이미징 시스템.
12. The method of claim 11,
The first optical element is any one or a combination of two or more selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one or more prisms,
wherein the second optical element is a volume Bragg grating.
제 11 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 광 소자들 각각은 볼륨 브래그 격자이고,
상기 제1 광 소자의 격자 주기는 상기 제2 광 소자의 격자 주기와 다른 초분광 이미징 시스템.
12. The method of claim 11,
each of the first and second optical elements is a volume Bragg grating;
The grating period of the first optical element is different from the grating period of the second optical element.
제 11 항에 있어서,
상기 OIS 모듈은 상기 초분광 센서와 연결되는 위치 센서들 및 OIS 구동부들, 및 상기 위치 센서들 및 상기 OIS 구동부들과 각각 연결되는 OIS 제어부를 포함하되,
상기 OIS 제어부는 상기 위치 센서들의 위치 정보를 받아 상기 OIS 구동부들에 전달하도록 구성되는 초분광 이미징 시스템.
12. The method of claim 11,
The OIS module includes position sensors and OIS driving units connected to the hyperspectral sensor, and an OIS control unit connected to the position sensors and the OIS driving units, respectively,
The OIS control unit is a hyperspectral imaging system configured to receive the position information of the position sensors and transmit it to the OIS drivers.
제 11 항에 있어서,
상기 제2 광학계의 상기 제1 미러와 연결되는 스캔 미러 제어 모듈;
상기 제1 광학계의 상기 제1 집속부 및 상기 제2 광학계의 상기 제2 집속부와 연결되는 집속부 제어 모듈; 및
상기 프로세서와 연결되는 광원 제어 모듈을 더 포함하되,
상기 광원 제어 모듈은 상기 프로세서와 연결되는 LED 드라이버, 및 상기 LED 드라이버와 연결되며 스펙트럼을 미리 알고 있는 LED 광원을 포함하는 초분광 이미징 시스템.
12. The method of claim 11,
a scan mirror control module connected to the first mirror of the second optical system;
a focusing part control module connected to the first focusing part of the first optical system and the second focusing part of the second optical system; and
Further comprising a light source control module connected to the processor,
The light source control module is a hyperspectral imaging system including an LED driver connected to the processor, and an LED light source connected to the LED driver and knowing a spectrum in advance.
제1 및 제2 입사광들이 입사되도록 구성되는 윈도우, 상기 윈도우를 통과한 상기 제1 입사광이 입사되도록 구성되는 제1 광학계, 및 상기 제1 광학계와 이격되며 상기 윈도우를 통과한 상기 제2 입사광이 입사되도록 구성되는 제2 광학계를 포함하는 초분광 센서에 있어서,
측정 영역을 설정하는 것;
상기 제1 광학계에 의해 기준 이미지를 촬영하는 것;
상기 제2 광학계에 의해 초분광 이미지들을 촬영하는 것;
상기 초분광 이미지들을 합성하는 것;
상기 초분광 이미지들을 합성한 합성 이미지와 상기 기준 이미지를 비교하는 것; 및
측정 결과를 출력하는 것을 포함하되,
상기 제1 광학계는:
상기 윈도우의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 입사광을 집속하도록 구성되는 제1 집속부; 및
상기 제1 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제1 집속부를 통과한 상기 제1 입사광을 검출하도록 구성되는 제1 이미지 센서를 포함하고,
상기 제2 광학계는:
상기 윈도우의 상기 후면에 대하여 기울어진 전면을 가지며, 상기 제2 입사광을 반사시키도록 구성되는 제1 미러;
상기 제1 미러와 이격되며, 상기 제2 입사광이 파장 별로 브래그 조건을 만족시키는 각도로 진행하도록 변환하는 파장 별 각도 변환부;
상기 파장 별 각도 변환부와 이격되며, 상기 파장 별 각도 변환부에 의해 회절된 회절광을 집속하도록 구성되는 제2 집속부; 및
상기 제2 집속부의 후면 상에 제공되며, 상기 제2 집속부를 통과한 상기 회절광을 검출하도록 구성되는 제2 이미지 센서를 포함하는 초분광 이미징 방법
A window configured to receive the first and second incident lights, a first optical system configured to receive the first incident light passing through the window, and a spaced apart from the first optical system to receive the second incident light passing through the window In the hyperspectral sensor comprising a second optical system configured to be,
setting the measurement area;
photographing a reference image by the first optical system;
taking hyperspectral images by the second optical system;
compositing the hyperspectral images;
comparing the reference image with a composite image obtained by synthesizing the hyperspectral images; and
outputting a measurement result,
The first optical system includes:
a first focusing part provided on a rear surface of the window and configured to focus the first incident light; and
a first image sensor provided on a rear surface of the first focusing part and configured to detect the first incident light passing through the first focusing part;
The second optical system includes:
a first mirror having a front surface inclined with respect to the rear surface of the window and configured to reflect the second incident light;
an angle converter for each wavelength that is spaced apart from the first mirror and converts the second incident light to travel at an angle satisfying the Bragg condition for each wavelength;
a second focusing unit spaced apart from the angle converting unit for each wavelength and configured to focus the diffracted light by the angle converting unit for each wavelength; and
Hyperspectral imaging method including a second image sensor provided on a rear surface of the second focusing part and configured to detect the diffracted light passing through the second focusing part
제 16 항에 있어서,
상기 제2 광학계에 의해 상기 초분광 이미지들을 촬영하는 것은 복수 회의 촬영 동작들을 포함하고,
상기 촬영 동작들 각각은:
상기 제1 미러를 회전시키는 것;
상기 제2 이미지 센서에 의해 초분광 이미지를 촬영하는 것; 및
상기 초분광 이미지의 왜곡을 보정하는 것을 포함하는 초분광 이미징 방법.
17. The method of claim 16,
Taking the hyperspectral images by the second optical system includes a plurality of shooting operations,
Each of the photographing operations is:
rotating the first mirror;
taking a hyperspectral image by the second image sensor; and
Hyperspectral imaging method comprising correcting distortion of the hyperspectral image.
제 17 항에 있어서,
상기 제2 이미지 센서에 의해 상기 초분광 이미지를 촬영하는 것은 광원이 켜진 상태에서 한 번, 그리고 광원이 꺼진 상태에서 한 번 수행되는 초분광 이미징 방법.
18. The method of claim 17,
Taking the hyperspectral image by the second image sensor is a hyperspectral imaging method that is performed once with a light source on and once with a light source off.
제 16 항에 있어서,
상기 측정 영역을 설정하는 것 이전에, 측정 모드를 입력하는 것을 더 포함하되,
상기 측정 모드는 포인트 스펙트럼 측정 모드, 형상 인식 후 스펙트럼 측정 모드, 공간 저 해상도(low resolution) 측정 모드, 및 공간 고 해상도(high resolution) 측정 모드 중에서 선택된 어느 하나인 초분광 이미징 방법.
17. The method of claim 16,
Prior to setting the measurement area, further comprising inputting a measurement mode,
The measurement mode is one selected from a point spectrum measurement mode, a spectrum measurement mode after shape recognition, a spatial low resolution measurement mode, and a spatial high resolution measurement mode.
제 16 항에 있어서,
상기 파장 별 각도 변환부는 표면 회절 격자(surface diffraction grating), 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating) 및 적어도 하나 이상의 프리즘 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합인 초분광 이미징 방법.
17. The method of claim 16,
The angle conversion unit for each wavelength is any one or a combination of two or more selected from a surface diffraction grating, a volume Bragg grating, and at least one prism.
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