KR20220136431A - 고 충실도 표면 특성화 측정들을 위한 편광측정 카메라 - Google Patents
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Abstract
고 충실도 표면 특성화 측정들을 획득하도록 동작가능한 편광측정 카메라를 제공하기 위한 시스템들 및 방법들. 편광측정 카메라는 2개 이상의 편광 필터링 상태들 사이에서 선택적으로 스위칭하도록 동작가능한 멀티-트위스트 지연기 구성요소를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 편광 필터링 상태에서, 멀티-트위스트 지연기 구성요소는 특정 편광 상태 또는 배향(예를 들어, 수평 선형 편광, 수직 선형 편광, 45 선형 편광, 원형 편광)을 갖는 광만을 통과시키고 다른 편광 상태들을 갖는 광은 반사하거나 또는 흡수한다. 멀티-트위스트 지연기는 또한 광을 포커싱하는 하나 이상의 회절 패턴들을 포함할 수 있다. 편광측정 카메라는, 멀티-트위스트 지연지가 적어도 2개의 편광 필터링 상태들 사이에서 스위칭됨에 따라 센서 어레이를 사용하여 이미지들을 캡처할 수 있으며, 그럼으로써 신에 대한 스토크스 파라미터들을 실시간으로 결정하기 위해 사용되거나 또는 디스플레이될 수 있는 편광 특정 이미지들의 시퀀스를 캡처할 수 있다.
Description
본 개시는 전반적으로 이미징에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 고 충실도(fidelity) 표면 특성화 측정들을 생성하는 편광계들을 제공하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
광의 측정은 과학, 산업, 보안, 및 다른 분야들과 같은 다양한 분야들에서 유용할 수 있다. 강도 및 파장에 더하여, 광의 편광이 다양한 물체들 또는 신(scene)들을 특성화(characterize)하기 위해 측정될 수 있다. 일반적으로, 편광측정(polarimetry)은 횡파(transverse wave)들, 특히, 전파 또는 광파와 같은 전자기파들의 편광의 측정 및 해석이다. 전형적으로, 편광측정은, 해당 물체를 특성화하기 위해 어떤 재료를 통해 이동했거나 또는 이에 의해 반사되었거나, 굴절되었거나 또는 회절된 전자기파들에 대해 이루어진다. 편광계 카메라들(또는 "편광계들")은 원격 센싱, 에어로졸 입자들의 특성화, 행성 탐지, 품질 제어, 생물학적 활동 측정들 또는 검출, 및 다수의 다른 애플리케이션들에서 사용될 수 있다.
산란된 또는 반사된 광의 편광에 기초하여 물체 또는 신의 특성들을 측정하기 위해, 편광계는 물체로부터 발산되는 광의 선형 편광 및/또는 원형 편광을 측정하도록 동작해야 할 수 있다. 기존 설계들은 공간에서 편광 상태들을 분리하기 위해 빔 스플리터들, 편광 요소들, 또는 움직이는 부분들의 복잡한 배열을 사용하며, 요구되는 편광 정보를 캡처하기 위해 별개의 이미징 구성요소들(예를 들어, 렌즈들, 지연기들, 센서 어레이들)을 필요로 할 수 있다. 일 예로서, 일부 편광계들은 이것의 편광에 기초하여 공간에서 광을 분리하기 위해 윌라스턴 프리즘(Wollaston prism)을 사용하며, 그 결과 별개의 편광 성분들이 개별적으로 분석될 수 있다. 그러나, 이러한 유형들의 편광계들은 상대적으로 크기가 클 수 있고, 또한, 공간 정합(registration) 오류들을 초래할 수 있으며 복잡성, 비용, 신뢰성 및 공간 요건들을 추가로 증가시킬 수 있는 다수의 광학적 경로들 및 연관된 구성요소들을 필요로 할 수 있다.
편광측정 카메라는, 적어도 2개의 편광 필터링 상태들 사이에서 선택적으로 스위칭되도록 동작하는 멀티-트위스트 지연기 구성요소로서, 각각의 편광 필터링 상태에서, 멀티-트위스트 지연기 구성요소는 적어도 2개의 대응하는 편광 상태들 중 상이한 하나의 편광 상태를 갖는 광을 통과시키는, 멀티-트위스트 지연기 구성요소; 멀티-트위스트 지연기 구성요소를 통과하는 광으로부터 2차원 이미지들을 캡처하도록 동작하는 센서 어레이; 멀티-트위스트 지연기 구성요소 및 센서 어레이에 동작가능하게 결합되는 제어기를 포함하며, 제어기는, 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 편광 상태 변화 레이트로 적어도 2개의 편광 필터링 상태들을 통해 순차적으로 사이클링하게 하고; 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 사이클링 동안 각각의 편광 필터링 상태에 있을 때, 센서 어레이가 적어도 하나의 이미지를 캡처하게 하며; 그리고 캡처된 이미지들을 적어도 하나의 비일시적인 프로세서-판독가능 저장 매체에 저장하도록 구성되는 것으로서 요약될 수 있다.
적어도 2개의 편광 필터링 상태들은 4개의 편광 필터링 상태들을 포함할 수 있다. 편광 상태 변화 레이트는 초당 30번의 편광 필터링 상태 변화들보다 크거나 또는 동일할 수 있다. 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 사이클링 동안 각각의 편광 필터링 상태에 있을 때, 제어기는 센서 어레이가 정확히 하나의 이미지를 캡처하게 할 수 있다. 적어도 2개의 편광 필터링 상태들은 3개의 고유한 선형 편광 상태들 및 하나의 원형 편광 상태를 포함할 수 있다. 적어도 2개의 편광 필터링 상태들은 수평 선형 편광 상태, 수직 선형 편광 상태, 및 45 도 선형 편광 상태를 포함할 수 있다. 센서 어레이는 전하-결합 디바이스(charge-coupled device; CCD) 또는 상보적 금속-산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor; CMOS) 능동 픽셀 센서 중 하나를 포함할 수 있다.
편광측정 카메라는, 멀티-트위스트 지연기 구성요소와 센서 어레이 사이에 위치되며 센서 어레이 상으로 광을 포커싱하도록 동작하는 광학부를 더 포함할 수 있다.
편광측정 카메라는, 멀티-트위스트 지연기 구성요소와 센서 어레이 사이에 위치되며 적어도 하나의 특성에 대해 멀티-트위스트 지연기 구성요소로부터의 광을 필터링하도록 동작하는 광학부를 더 포함할 수 있다. 제어기는 하나 이상의 스토크스(Stokes) 파라미터들을 생성하기 위해 캡처된 이미지들을 프로세싱하도록 동작할 수 있다. 제어기는, 센서 어레이의 적어도 서브세트의 각각에 대해 하나 이상의 스토크스 파라미터들을 생성하기 위해 캡처된 이미지들을 프로세싱하도록 동작할 수 있다. 제어기는, 이미지들의 캡처 동안 하나 이상의 스토크스 파라미터들을 실시간으로 생성하기 위해 캡처된 이미지들을 프로세싱하도록 동작할 수 있다. 제어기는 적어도 하나의 편광-특정 비디오가 디스플레이 상에 디스플레이되게 하도록 동작할 수 있으며, 적어도 하나의 비디오는 멀티-트위스트 지연기 구성요소의 편광 필터링 상태들 중 하나에 대해 캡처된 이미지들의 시퀀스를 포함한다.
편광측정 카메라를 동작시키는 방법으로서, 편광측정 카메라는, 적어도 2개의 편광 필터링 상태들 사이에서 선택적으로 스위칭되도록 동작하는 멀티-트위스트 지연기 구성요소로서, 각각의 편광 필터링 상태에서, 멀티-트위스트 지연기 구성요소는 적어도 2개의 대응하는 편광 상태들 중 상이한 하나의 편광 상태를 갖는 광을 통과시키는, 멀티-트위스트 지연기 구성요소를 포함하고, 편광측정 카메라는 멀티-트위스트 지연기 구성요소를 통과하는 광으로부터 2차원 이미지들을 캡처하도록 동작하는 센서 어레이를 더 포함하며, 방법은, 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 편광 상태 변화 레이트로 적어도 2개의 편광 필터링 상태들을 통해 순차적으로 사이클링하게 하는 단계; 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 사이클링 동안 각각의 편광 필터링 상태에 있을 때, 센서 어레이가 적어도 하나의 이미지를 캡처하게 하는 단계; 및 캡처된 이미지들을 적어도 하나의 비일시적인 프로세서-판독가능 저장 매체에 저장하는 단계를 포함하는 것으로서 요약될 수 있다.
적어도 2개의 편광 필터링 상태들은 4개의 편광 필터링 상태들을 포함할 수 있다. 편광 상태 변화 레이트는 초당 30번의 편광 필터링 상태 변화들보다 크거나 또는 동일할 수 있다. 센서 어레이가 적어도 하나의 이미지를 캡처하게 하는 단계는, 센서 어레이가 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 사이클링 동안 각각의 편광 필터링 상태에 있을 때 정확히 하나의 이미지를 캡처하게 하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 하나 이상의 스토크스 파라미터들을 생성하기 위해 캡처된 이미지들을 프로세싱하는 단계를 더 포함할 수 있다. 스토크스 파라미터들을 생성하기 위해 캡처된 이미지들을 프로세싱하는 단계는, 센서 어레이의 적어도 서브세트의 각각에 대해 하나 이상의 스토크스 파라미터들을 생성하기 위해 캡처된 이미지들을 프로세싱하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은, 이미지들의 캡처 동안 하나 이상의 스토크스 파라미터들을 실시간으로 생성하기 위해 캡처된 이미지들을 프로세싱하는 단계를 더 포함할 수 있다.
방법은, 적어도 하나의 비디오가 디스플레이 상에 디스플레이되게 하는 단계로서, 적어도 하나의 비디오는 상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소의 편광 필터링 상태들 중 하나에 대해 캡처된 이미지들의 시퀀스를 포함하는, 단계를 더 포함할 수 있다.
도면들에서, 동일한 참조 번호들은 유사한 요소들 또는 행동들을 식별한다. 도면들 내에서 요소들의 크기들 및 상대적인 위치들은 반드시 축적이 맞춰져야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 요소들의 형상들 및 각도들이 반드시 축적이 맞춰져야 할 필요는 없으며, 이러한 요소들 중 일부는 도면 가독성을 개선하기 위하여 임의적으로 확장되고 위치될 수 있다. 추가로, 도시되는 요소들의 특정 형상들은 반드시 특정 요소들의 정확한 형상에 관한 임의의 정보를 전달하도록 의도되는 것은 아니며, 단지 도면들 내에서의 인식의 용이성을 위하여 선택될 수 있다.
도 1은 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른 예시적인 편광측정 카메라의 개략적인 블록도이다.
도 2는 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 이것의 예시적인 동작을 보여주는 도 1의 편광측정 카메라의 구성요소들의 사시도이다.
도 3은 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 스토크스 파라미터들을 결정하기 위해 사용될 수 있는 시간-멀티플렉싱된 편광 특정 이미지 데이터를 획득하기 위해 멀티-트위스트 지연기가 편광 필터링 상태들을 통해 사이클링하는 동안 이미지들을 순차적으로 캡처하기 위한 예시적인 시퀀스를 보여주는 도면이다.
도 1은 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른 예시적인 편광측정 카메라의 개략적인 블록도이다.
도 2는 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 이것의 예시적인 동작을 보여주는 도 1의 편광측정 카메라의 구성요소들의 사시도이다.
도 3은 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 스토크스 파라미터들을 결정하기 위해 사용될 수 있는 시간-멀티플렉싱된 편광 특정 이미지 데이터를 획득하기 위해 멀티-트위스트 지연기가 편광 필터링 상태들을 통해 사이클링하는 동안 이미지들을 순차적으로 캡처하기 위한 예시적인 시퀀스를 보여주는 도면이다.
다음의 설명에 있어, 어떤 특정 세부사항들이 개시된 다양한 구현예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여 기술되었다. 그러나, 당업자는 구현예들이 이러한 특정 세부사항들 중 하나 이상이 없는 상태로 또는 다른 방법들, 구성 요소들, 재료들 등과 함께 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예들에서, 컴퓨터 시스템들, 서버 컴퓨터들, 및/또는 통신 네트워크들과 연관된 잘 알려진 구조들은 구현예들의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위하여 상세하게 도시되지 않거나 또는 설명되지 않는다.
문맥이 달리 요구하지 않는 한, 다음의 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐, 단어 "구성되는"은 "포함하는"과 동의어이며, 포괄적이고 개방적이다(즉, 추가적인, 언급되지 않은 요소들 또는 방법 행동들을 배제하지 않는다).
본 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 구현예" 또는 "일 구현예"에 대한 이러한 설명의 언급은 구현예와 함께 설명된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 구현예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치들에서의 문구들 "하나의 구현예에서" 또는 "일 구현예에서"의 출현이 반드시 모두 동일한 구현예를 지칭하는 것이 아니다. 추가적으로, 특정 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 구현예들에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
본 명세서에서 그리고 첨부된 청구항들에서 사용될 때, 단수 형태들 "일", 및 "상기"는 문맥이 명백하게 달리 기재하지 않는 한 복수의 지시대상들을 포함한다. 용어 "또는"은 일반적으로, 문맥이 명백히 달리 기술하지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 의미로 이용된다.
본원에서 제공되는 본 개시의 표제 및 요약은 오로지 편의를 위한 것이며, 구현예들의 의미 또는 범위를 해석하지 않는다.
본 개시의 하나 이상의 구현예들은, 고 충실도 표면 특성화 측정들을 획득하도록 동작가능한 편광측정 카메라를 제공하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 편광측정 카메라는 2개 이상의 편광 필터링 상태들 사이에서 선택적으로 스위칭하도록 동작가능한 멀티-트위스트 지연기 구성요소를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 편광 필터링 상태에 있을 때, 멀티-트위스트 지연기 구성요소는 특정 편광 상태 또는 배향(예를 들어, 수평 선형 편광, 수직 선형 편광, 45 선형 편광, 원형 편광)을 갖는 광만을 통과시키고 다른 편광 상태들을 갖는 광은 반사하거나 또는 흡수한다. 편광측정 카메라는, 멀티-트위스트 지연기가 적어도 2개의 편광 필터링 상태들 사이에서 스위칭됨에 따라 센서 어레이를 사용하여 이미지들을 캡처할 수 있으며, 그럼으로써 신에 대한 스토크스 파라미터들을 실시간으로 결정하기 위해 사용되거나 또는 디스플레이될 수 있는 편광-특정 이미지들 또는 비디오의 시퀀스들을 캡처할 수 있다. 유익하게는, 편광측정 카메라는 수신된 광의 공간 분리를 필요로 하지 않을 수 있으며 임의의 움직이는 부분들을 갖지 않을 수 있고, 이는 카메라에 대한 요구되는 치수들, 복잡성, 및 비용을 감소시키며 또한 신뢰성을 개선한다. 개선된 신뢰성 및 성능은, 편광측정 카메라가 가혹한 조건들(예를 들어, 온도, 진동)을 겪는 다양한 애플리케이션들, 및/또는 구성요소들의 유지보수 및 교체가 특히 번거로운 애플리케이션들에서 특히 유익할 수 있다.
도 1 내지 도 3은, 스토크스 파라미터들 또는 다른 측정들을 사용하여 이미지 또는 비디오 프레임들로부터 신(102) 내의 포인트들의 편광 프로파일을 결정하기 위해 사용될 수 있는 본 개시의 편광측정 카메라(100)의 예시적인 실시예를 예시한다. 유익하게는, 본원에서 설명되는 시스템들 및 방법들은, 단일 광학적 경로를 제공하고 박막 광학적 구성요소들을 사용함으로써 적어도 일부 실시예들에서 더 작은 폼 팩터를 요구하면서, 또한 스토크스 파라미터들을 통상적인 방법들보다 더 빠르게, 신뢰할 수 있게, 그리고 정확하게 생성할 수 있다. 편광측정 카메라(100)는 일반적으로 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104), 광학부(105), 센서 어레이(106), 및 멀티-트위스트 지연기 구성요소 및 센서 어레이에 동작가능하게 결합되는 제어기(108)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 멀티-트위스트 지연기들을 포함할 수 있는 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는 적어도 2개의 편광 필터링 상태들 사이에서 선택적으로 스위칭되도록 동작가능할 수 있다. 각각의 편광 필터링 상태에서, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는 적어도 2개의 대응하는 편광 상태들 중 상이한 하나의 편광 상태를 갖는 광을 통과시키며, 다른 편광 상태들 또는 배향들의 광을 흡수하거나 또는 반사한다.
센서 어레이(106)는, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)를 통과하고 광학부(105)에 의해 포커싱되는 광으로부터 2차원 이미지들을 캡처하도록 동작할 수 있다. 일반적으로, 제어기(108)는, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)가 편광 상태 변화 레이트(rate)(예를 들어, 초당 10번 초과, 초당 30번 초과, 초당 50번 초과)로 적어도 2개의 편광 필터링 상태들을 통해 순차적으로 사이클링하게 하도록 구성될 수 있다. 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 사이클링 동안 각각의 편광 필터링 상태에 있을 때, 제어기(108)는, 센서 어레이(106)가 적어도 하나의 이미지(예를 들어, 1개의 이미지, 2개의 이미지들, 다수의 이미지들)를 캡처하게 할 수 있다. 제어기(108)는, 캡처된 이미지들을 이미지 데이터(112)로서 데이터 저장부(110)와 같은 적어도 하나의 비일시적인 프로세서-판독가능 저장 매체에 저장할 수 있다. 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 편광측정 카메라(100)는, 신(102)에 대한 스토크스 파라미터들 중 일부 또는 전부를 결정하기 위해 이미지 데이터(112)를 프로세싱하도록 동작하는 스토크스 결정기 모듈(114)을 포함할 수 있다.
멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는 복굴절 재료들로 형성될 수 있다. 복굴절은, 광의 편광 및 전파 방향에 의존하는 굴절률을 갖는 재료의 속성이다. 멀티-트위스트 지연기는 이것을 통해 이동하는 광의 편광 상태 또는 위상을 변경한다. 멀티-트위스트 지연기는 느린 축(또는 비정상 축(extraordinary axis)) 및 빠른 축(보통 축(ordinary axis))을 가질 수 있다. 편광된 광이 멀티-트위스트 지연기를 통해 이동함에 따라, 빠른 축을 따른 광은 느린 축을 따른 것보다 더 빠르게 이동한다. 일반적으로, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는, 단일 박막에서 정밀하고 맞춤화된 레벨들의 광대역, 협대역 또는 다중 대역 지연을 제공하도록 구성될 수 있는 파장판-형(waveplate-like) 지연 필름이다. 보다 구체적으로, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는 단일 정렬 층을 가지며 단일 기판 상에 2개 이상의 트위스트된 액정(liquid crystal; LC) 층들을 포함한다. 후속 LC 층들은 이전 층들에 의해 직접적으로 정렬되며, 이는 단순한 제조를 허용하고, 자동 층 정합을 달성하며, 연속적으로 변화하는 광학 축을 갖는 모놀리식(monolithic) 필름을 야기한다. 본원의 다른 곳에서 논의되는 바와 같이, 멀티-트위스트 지연기(104)는 복수의 편광 필터링 상태들로 스위칭가능하며, 적어도 일부 구현예들에서, 광을 센서 어레이 상으로 포커싱하는 정적 또는 스위칭가능 회절 패턴들을 또한 포함할 수 있다. 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는 단일 멀티-트위스트 지연기를 포함할 수 있거나, 또는 (예를 들어, 적층된 배열로) 서로 근접하여 배열된 복수의 멀티-트위스트 지연기들을 포함할 수 있다. 특정 애플리케이션에 의존하여, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는 파장들의 하나 이상의 특정 범위들(예를 들어, 가시광, 특정 컬러, 적외선)에 대해 작용하도록 구성될 수 있다.
적어도 일부 구현예들에서, 편광측정 카메라(100)는, 이미지 데이터(112), 스토크스 결정기 모듈(114), 및/또는 다른 프로그램들 및 데이터(116)를 저장하는 데이터 저장부(110)를 포함할 수 있다. 편광측정 카메라(100)는 또한 다양한 I/O 구성요소들118)을 포함할 수 있으며, 이들은 하나 이상의 사용자 인터페이스들(예를 들어, 버튼들, 터치 패드들, 스피커들), 디스플레이들, 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 인터페이스들, 등을 포함할 수 있다. 일 예로서, I/O 구성요소들(118)은, 편광측정 카메라(100)가 유선 또는 무선 통신 링크(122)를 통해 외부 디바이스(120)와 통신하는 것을 가능하게 하는 통신 인터페이스를 포함할 수 있다. 비-제한적인 예들로서, 외부 디바이스(120)는 호스트 컴퓨터, 서버, 모바일 디바이스(예를 들어, 스마트폰, 착용형 컴퓨터), 등을 포함할 수 있다. 편광측정 카메라(100)의 다양한 구성요소들은 단일 하우징 내에 하우징될 수 있거나, 하나 이상의 별개의 하우징들(예를 들어, 호스트 컴퓨터) 내에 하우징될 수 있거나, 또는 이들의 임의의 조합들일 수 있다.
이상에서 언급된 바와 같이, 편광측정 카메라(100)는, 스토크스 파라미터들(예를 들어, 파라미터들 S0, S1, S2, 및 S3)을 사용하여 비디오 또는 이미지 프레임들(124)(도 2)로부터 신(102) 내의 포인트들의 편광 프로파일들의 결정을 위해 사용될 수 있다. 편광측정 카메라(100)는 개별적인 스토크스 파라미터들을 실시간으로(또는 거의 실시간으로) 결정하기 위해 충분한 수의 고유 신 이미지들(124)을 생성하도록 동작할 수 있다. 이러한 파라미터들은 신(102) 내의 하나 이상의 물체들을 특성화하기 위해 사용될 수 있다.
적어도 일부 구현예들에서, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는 복수의(예를 들어, 2개의, 3개의, 4개의) 편광 필터링 상태들 사이에서 선택적으로 스위칭되거나 또는 이를 통해 사이클링하도록 제어될 수 있다. 스토크스 파라미터들을 결정하기 위해 필요한 고유 이미지들을 획득하기 위해 필요한 시간은 적어도 부분적으로, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)의 스위칭 레이트 및 센서 어레이(106)의 프레임 레이트에 의해 결정될 수 있다. 일 예로서, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)가 4개의 편광 필터링 상태들(예를 들어, 3개의 선형 편광 상태들 또는 배향들 및 하나의 원형 편광 상태) 사이에서 스위칭되는 구현예에서, 4개의 고유 이미지들을 캡처하기 위해 필요한 시간은, 멀티-트위스트 지연기가 각각의 편광 필터링 상태에 있는 동안 센서 어레이(106)가 적어도 하나의 이미지를 캡처하면서 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)가 4개의 상태들 사이에서 스위칭하기 위해 필요한 시간일 수 있다.
도 2에 예시된 예(200)에서, 신(102)은 수평 축(X), X축에 수직인 수직 축(Y), 및 X 및 Y 축들에 수직인 Z 축을 가질 수 있다. 편광측정 카메라(100)의 조작자는, 하나 이상의 물체들, 풍경, 또는 임의의 다른 신일 수 있는 신(102)에 대한 편광 정보를 획득하는 것을 희망한다.
이상에서 논의된 바와 같이, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는 복수의 편광 필터링 상태들로 스위칭가능할 수 있다. 일 예로서, 멀티-트위스트 지연기는, 각기 수평으로 선형적으로 편광된 광, 수직으로 선형적으로 편광된 광, 45 도(또는 다른 각도) 선형적으로 편광된 광, 및 원형으로 편광된 광을 통과시키는 4개의 편광 상태들로 구성가능할 수 있다.
도 3의 예시적인 프레임 시퀀스(300)에 의해 도시된 바와 같이, 동작 시에, 제어기(108)는, 센서 어레이(106)가 이미지들 또는 프레임들을 캡처하도록 또한 제어하면서 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)가 상이한 편광 필터링 상태들(P1, P2, P3, 및 P4)을 통해 반복적으로 사이클링하게 할 수 있다. 예시된 프레임 시퀀스(300)에서, 4개의 프레임들의 세트(예를 들어, 프레임들 1-4를 포함하는 세트(302), 프레임들 5-8을 포함하는 세트(304)는, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)가 4개의 편광 필터링 상태들(P1, P2, P3, P4)의 상이한 편광 필터링 상태에 있었을 때 각각 캡처된 4개의 이미지들에 대응한다. 따라서, 편광측정 카메라(100)는 4개의 독립적인 편광-특정 이미지 시퀀스들 또는 비디오들을 생성할 수 있으며, 여기서 각각의 비디오는 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)에 의해 제공된 상이한 편광 필터를 사용하여 신(102)을 캡처한다.
광학부(105)는, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)로부터 수신된 광을 센서 어레이(106) 상으로 포커싱하는 하나 이상의 렌즈들을 포함할 수 있다. 광학부(105)는, 컬러 필터 또는 다른 유형의 광학부와 같은 광의 적어도 하나의 특성을 필터링하거나 또는 수정하는 하나 이상의 다른 광학부를 더 포함할 수 있다. 광학부(105)는 복수의 광학적 요소들을 포함할 수 있으며, 광학적 경로 내에서 예시적인 예시들에 도시된 것과는 상이한 위치들에 위치될 수 있다. 적어도 일부 구현예들에서, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는, 센서 어레이(106) 상에 광을 포커싱하도록 동작할 수 있는 하나 이상의 정적 또는 동적 회절 패턴들을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 구현예들에서, 광학부(105)는 수정될 수 있거나 또는 심지어 생략될 수 있다.
비-제한적인 예들로서, 센서 어레이(106)는, 전하 결합 디바이스(charge coupled device; CCD) 또는 상보적 금속-산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor; CMOS) 센서 어레이와 같은 2차원 센서 어레이를 포함할 수 있다. 보다 일반적으로, 센서 어레이(106)는, 특정 애플리케이션에 대해 적절한 기능을 제공하는 임의의 적절한 광 수용기(receptor)들을 사용하여 구현될 수 있다.
신(102)은, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)에 의해 수신될 수 있는 광선들(126)을 제시(예를 들어, 반사)한다. 명료성을 위해 도시되지는 않았지만, 편광측정 카메라(100)는 신(102)과 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104) 사이에 위치된 하나 이상의 광학적 요소들을 포함할 수 있다. 광선들(126)은 전반적으로 도 2에 도시된 Z 축의 방향으로 방출된다. 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)는, 멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)의 현재 편광 필터링 상태에 의존하여 편광 상태 또는 배향(예를 들어, P1, P2, P3, 또는 P4)으로 편광되는 광선(128)을 광학부(105)에 제공할 수 있다. 광학부(105)는 개별적인 편광된 광선(130)을 신 이미지(124)로서 센서 어레이(106)에 제공할 수 있다.
멀티-트위스트 지연기 구성요소(104)의 편광 필터링 상태들은 센서 어레이(106)에 대해 임의의 배향을 가질 수 있다. 비-제한적인 예로서, 적어도 일부 구현예들에서, 멀티-트위스트 지연기 구성요소는, 투과(transmission) 축이 수평으로 배향된 선형 편광기를 제공하는 제1 편광 필터링 상태, 투과 축이 수직으로 배향된 선형 편광기를 제공하는 제2 편광 필터링 상태, 투과 축이 수평에 대해 45 도의 각도로 배향된 선형 편광기를 제공하는 제3 편광 필터링 상태, 및 빠른 축이 수직으로 배향된 원형 편광기를 제공하는 제4 편광 필터링 상태를 구현하도록 구성될 수 있다.
이미지 또는 비디오 프레임들(124)은 데이터 저장부(110)에 이미지 데이터(112)(도 1)로서 저장될 수 있으며, 본원에서 논의되는 바와 같이, 스토크스 결정기 모듈(114) 또는 다른 프로그램을 사용하여 프로세싱될 수 있다. 예를 들어, 스토크스 결정기 모듈은, 알려진 방정식들을 사용하여 신(102) 내의 각각의 포인트에 대한 스토크스 파라미터들을 획득하기 위해 4개의 편광-특정 이미지들의 하나 이상의 세트들에 대한 픽셀 값들을 사용할 수 있다. 스토크스 파라미터들은 디스플레이를 통해 사용자에게 제공되거나 또는 임의의 다른 방식으로 사용자에게 통신될 수 있다. 적어도 일부 구현예들에서, 편광측정 카메라(100)는 디스플레이를 통해 사용자에게 신(102)의 편광-특정 비디오 또는 이미지들을 디스플레이 할 수 있다.
예시된 컴퓨팅 시스템 및 디바이스들이 단지 예시적이며 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 편광측정 카메라(100) 및/또는 외부 디바이스(120)는, 인터넷과 같은 하나 이상의 네트워크들을 통해서 또는 웹을 통하는 것을 포함하여, 예시되지 않은 다른 디바이스들에 연결될 수 있다. 더 일반적으로, 이러한 컴퓨팅 시스템 또는 디바이스는, 비제한적으로, 데스크탑 컴퓨터들, 랩탑 컴퓨터들, 슬레이트(slate) 컴퓨터들, 태블릿 컴퓨터들, 머리-착용 디스플레이(head-mounted display; HMD) 시스템들, 또는 다른 컴퓨터들, 스마트 폰 컴퓨팅 디바이스들 및 다른 휴대폰들, 인터넷 기기들, PDA들 및 다른 전자 오거나이저(organizer)들, 데이터베이스 서버들, 네트워크 저장 디바이스 및 다른 네트워크 디바이스들, 무선 전화들, 호출기들, (예를 들어, 셋-탑 박스들 및/또는 개인용/디지털 비디오 레코더들 및/또는 게임 콘솔들 및/또는 미디어 서버들을 사용하는) 텔레비전-기반 시스템들, 및 적절한 상호-통신 성능들을 포함하는 다양한 다른 소비자 제품들을 포함하여, 예컨대 적절한 소프트웨어를 가지고 프로그래밍되거나 또는 달리 구성될 때 설명된 유형들의 기능을 수행하고 상호작용할 수 있는 하드웨어의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시된 편광측정 카메라(100)는, 적어도 일부 실시예들에 있어서, 예컨대 이러한 시스템들 또는 디바이스들의 프로세서들을 구성하기 위하여, 특정 컴퓨팅 시스템들 또는 디바이스들에 의해 로딩되거나 및/또는 실행될 때 이러한 시스템들 또는 디바이스들을 프로그래밍하거나 또는 달리 구성하기 위하여 사용될 수 있는 실행가능 소프트웨어 명령어들 및/또는 데이터 구조들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 다른 실시예들에 있어서, 소프트웨어 시스템들 중 일부 또는 전부는 다른 디바이스 상의 메모리에서 실행될 수 있으며, 컴퓨터-간 통신을 통해 예시된 컴퓨팅 시스템/디바이스와 통신할 수 있다. 이에 더하여, 다양한 아이템들이 다양한 시간들에(예를 들어, 사용되는 동안에) 메모리 내에 또는 저장부 상에 저장되는 것으로서 예시되지만, 이러한 아이템들 또는 이들의 부분들은 메모리 관리 및/또는 데이터 무결성의 목적들을 위하여 메모리와 저장부 사이에서 및/또는 (예를 들어, 상이한 로케이션들에 있는) 저장 디바이스들 사이에서 전송될 수 있다.
따라서, 적어도 일부 실시예들에 있어서, 예시된 시스템들은, 프로세서(들) 및/또는 다른 프로세서 수단에 의해 실행될 때 해당 시스템에 대해 설명된 동작들을 자동으로 수행하게 프로세서(들)를 프로그래밍하는 소프트웨어 명령어들을 포함하는 소프트웨어-기반 시스템들이다. 추가로, 일부 실시예들에 있어서, 시스템들 중 일부 또는 전부는 예컨대, 비제한적으로, 하나 이상의 응용-특정 집적 회로(application-specific integrated circuit; ASIC)들, 표준 집적 회로들, (예를 들어, 적절한 명령어들을 수행함으로써, 그리고 마이크로제어기들 및/또는 내장형 제어기들을 포함하는) 제어기들, 필드-프로그램가능 게이트 어레이(field-programmable gate array; FPGA)들, 복합 프로그램가능 로직 디바이스(complex programmable logic device; CPLD)들, 등을 포함하여, 적어도 부분적으로 펌웨어 및/또는 하드웨어 수단으로 구현되거나 또는 제공될 수 있다. 시스템들 또는 데이터 구조들의 일부 또는 전부가 또한, 적절한 드라이브에 의해 또는 적절한 연결에 의해 판독될 하드 디스크 또는 플래시 드라이브 또는 다른 비-휘발성 저장 디바이스, 휘발성 또는 비-휘발성 메모리(예를 들어, RAM), 네트워크 저장 디바이스, 또는 휴대용 매체 물품(예를 들어, DVD 디스크, CD 디스크, 광 디스크, 플래시 메모리 디바이스, 등)과 같은, 비-일시적인 컴퓨터-판독가능 저장 매체 상에 (예를 들어, 소프트웨어 명령어들 콘텐츠 또는 구조화된 데이터 콘텐츠로서) 저장될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 시스템들, 모듈들 및 데이터 구조들은 또한, 무선-기반 및 유선/케이블-기반 매체들을 포함하는 다양한 컴퓨터-판독가능 송신 매체들 상의 생성된 데이터 신호들로서(예를 들어, 반송파 또는 다른 아날로그 또는 디지털 전파형 신호의 부분으로서) 송신될 수 있으며, (예를 들어, 단일 또는 멀티플렉싱된 아날로그 신호의 부분으로서, 또는 다수의 이산 디지털 패킷들 또는 프레임들로서) 다양한 형태들을 취할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램 제품들이 또한 다른 실시예들에서 다른 형태들을 취할 수 있다. 따라서, 본 개시는 다른 컴퓨터 시스템 구성들을 가지고 실시될 수 있다.
당업자들은, 본원에서 기술되는 방법들 및 알고리즘들 중 다수가 추가적인 행동들을 이용할 수 있거나, 일부 행동들을 생략할 수 있거나, 및/또는 명시된 것과는 상이한 순서로 실행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
이상에서 설명된 다양한 구현예들이 추가적인 구현예들을 제공하기 위하여 결합될 수 있다. 이상의 상세한 설명을 고려하여 구현예들에 대하여 이러한 그리고 다른 변화들이 이루어질 수 있다. 일반적으로, 다음의 청구항들에 있어, 사용되는 용어들은 청구항들을 명세서 및 청구항들에 개시된 특정 구현예들로 한정하도록 해석되지 않아야만 하며, 오히려 이러한 청구항들에 대한 등가물들의 완전한 범위와 함께 가능한 모든 구현예들을 포함하는 것으로 해석되어야만 한다. 따라서, 청구항들은 본 개시에 의해 한정되지 않는다.
Claims (21)
- 편광측정 카메라로서,
적어도 2개의 편광 필터링 상태들 사이에서 선택적으로 스위칭되도록 동작하는 멀티-트위스트 지연기 구성요소로서, 각각의 편광 필터링 상태에서, 상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소는 적어도 2개의 대응하는 편광 상태들 중 상이한 하나의 편광 상태를 갖는 광을 통과시키는, 상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소;
상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소를 통과하는 광으로부터 2차원 이미지들을 캡처하도록 동작하는 센서 어레이;
상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소 및 상기 센서 어레이에 동작가능하게 결합되는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는,
상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 편광 상태 변화 레이트로 상기 적어도 2개의 편광 필터링 상태들을 통해 순차적으로 사이클링하게 하고;
상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 상기 사이클링 동안 각각의 편광 필터링 상태에 있을 때, 상기 센서 어레이가 적어도 하나의 이미지를 캡처하게 하며; 그리고
캡처된 이미지들을 적어도 하나의 비일시적인 프로세서-판독가능 저장 매체에 저장하도록 구성되는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 2개의 편광 필터링 상태들은 4개의 편광 필터링 상태들을 포함하는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 편광 상태 변화 레이트는 초당 30번의 편광 필터링 상태 변화들보다 크거나 또는 동일한, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 상기 사이클링 동안 각각의 편광 필터링 상태에 있을 때, 상기 제어기는 상기 센서 어레이가 정확히 하나의 이미지를 캡처하게 하는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 2개의 편광 필터링 상태들은 3개의 고유한 선형 편광 상태들 및 하나의 원형 편광 상태를 포함하는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 2개의 편광 필터링 상태들은 수평 선형 편광 상태, 수직 선형 편광 상태, 및 45 도 선형 편광 상태를 포함하는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 센서 어레이는 전하-결합 디바이스(charge-coupled device; CCD) 또는 상보적 금속-산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor; CMOS) 능동 픽셀 센서 중 하나를 포함하는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 편광측정 카메라는,
상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소와 상기 센서 어레이 사이에 위치되며, 상기 센서 어레이 상으로 광을 포커싱하도록 동작하는 광학부를 더 포함하는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 편광측정 카메라는,
상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소와 상기 센서 어레이 사이에 위치되며, 적어도 하나의 특성에 대해 상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소로부터의 광을 필터링하도록 동작하는 광학부를 더 포함하는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제어기는 하나 이상의 스토크스(Stokes) 파라미터들을 생성하기 위해 상기 캡처된 이미지들을 프로세싱하도록 동작하는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제어기는, 상기 센서 어레이의 적어도 서브세트의 각각에 대해 하나 이상의 스토크스 파라미터들을 생성하기 위해 상기 캡처된 이미지들을 프로세싱하도록 동작하는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제어기는, 상기 이미지들의 캡처 동안 하나 이상의 스토크스 파라미터들을 실시간으로 생성하기 위해 상기 캡처된 이미지들을 프로세싱하도록 동작하는, 편광측정 카메라.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제어기는 적어도 하나의 편광-특정 비디오가 디스플레이 상에 디스플레이되게 하도록 동작하며, 상기 적어도 하나의 비디오는 상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소의 상기 편광 필터링 상태들 중 하나에 대해 캡처된 이미지들의 시퀀스를 포함하는, 편광측정 카메라.
- 편광측정 카메라를 동작시키는 방법으로서, 상기 편광측정 카메라는, 적어도 2개의 편광 필터링 상태들 사이에서 선택적으로 스위칭되도록 동작하는 멀티-트위스트 지연기 구성요소로서, 각각의 편광 필터링 상태에서, 상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소는 적어도 2개의 대응하는 편광 상태들 중 상이한 하나의 편광 상태를 갖는 광을 통과시키는, 상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소를 포함하고, 상기 편광측정 카메라는 상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소를 통과하는 광으로부터 2차원 이미지들을 캡처하도록 동작하는 센서 어레이를 더 포함하며, 상기 방법은,
상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 편광 상태 변화 레이트로 상기 적어도 2개의 편광 필터링 상태들을 통해 순차적으로 사이클링하게 하는 단계;
상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 상기 사이클링 동안 각각의 편광 필터링 상태에 있을 때, 상기 센서 어레이가 적어도 하나의 이미지를 캡처하게 하는 단계; 및
캡처된 이미지들을 적어도 하나의 비일시적인 프로세서-판독가능 저장 매체에 저장하는 단계를 포함하는, 방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 적어도 2개의 편광 필터링 상태들은 4개의 편광 필터링 상태들을 포함하는, 방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 편광 상태 변화 레이트는 초당 30번의 편광 필터링 상태 변화들보다 크거나 또는 동일한, 방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 센서 어레이가 적어도 하나의 이미지를 캡처하게 하는 단계는, 상기 센서 어레이가 상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소가 상기 사이클링 동안 각각의 편광 필터링 상태에 있을 때 정확히 하나의 이미지를 캡처하게 하는 단계를 포함하는, 방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 방법은 하나 이상의 스토크스 파라미터들을 생성하기 위해 상기 캡처된 이미지들을 프로세싱하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 청구항 18에 있어서,
스토크스 파라미터들을 생성하기 위해 상기 캡처된 이미지들을 프로세싱하는 단계는, 상기 센서 어레이의 적어도 서브세트의 각각에 대해 하나 이상의 스토크스 파라미터들을 생성하기 위해 상기 캡처된 이미지들을 프로세싱하는 단계를 포함하는, 방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 방법은, 상기 이미지들의 캡처 동안 하나 이상의 스토크스 파라미터들을 실시간으로 생성하기 위해 상기 캡처된 이미지들을 프로세싱하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 방법은, 적어도 하나의 비디오가 디스플레이 상에 디스플레이되게 하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 비디오는 상기 멀티-트위스트 지연기 구성요소의 상기 편광 필터링 상태들 중 하나에 대해 캡처된 이미지들의 시퀀스를 포함하는, 단계를 더 포함하는, 방법.
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