KR20220144801A - 물체의 측정 및 광학 이미징을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

물체 이미징, 측정, 및 샘플을 특성화하기 위한 시스템들 및 방법들이 제공된다. 광학 스페클 기반 이미징 시스템은 샘플을 조명하기 위한 적어도 하나의 가간섭성 광원을 포함하는 조명 유닛; 샘플로부터 입력 광을 수집하기 위한 수집 유닛, 수집 유닛은 이미징 광학 기기 및 파면 이미징 센서로 구성되고; 및 조명 유닛 및 수집 유닛에 결합되어, 입력 광을 분석하고 스페클 파면 이미지를 생성하기 위한 제어 유닛을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 가간섭성 광원은 샘플에 또는 샘플 상에 1차 스페클들을 생성하고, 이미징 광학 기기는 샘플에 또는 샘플 상에 조명 유닛에 의해 유도된 2차 스페클 패턴을 캡처한다.

Description

물체의 측정 및 광학 이미징을 위한 시스템 및 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2020년 1월 14일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/960,716호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참고로 통합된다.

발명의 분야

본 발명은 전반적으로 광학 이미징(optical imaging) 및 측정에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물체 및 샘플의 광학 이미징, 측정 및 특성화(characterization), 및 사람 또는 동물의 광학 바이오메트릭 측정(optical biometric measurement)에 관한 것이다.

광학 스페클 기반(speckle-based) 측정은 물체와 샘플의 비접촉 측정을 위한 방법이다. 움직임, 배향, 진동, 그리고 변형과 같은 속성들이 측정될 수 있다. 다양한 물체들이 다수의 목적들을 위해 측정될 수 있다. 예를 들어, 테스트 또는 작업 조건에 스트레스 하에 모니터링 및 특성화를 위해 물체의 기계적 컴포넌트가 측정될 수 있다.

바이오메트릭 측정(biometric measurements)은 다른 예이다. 심박수, 혈압, 호흡 및 기타 파라미터는 신체의 관련 부분에 대한 일련의 측정을 수행함으로써 측정될 수 있다. 또한, 음향 신호에 의해 음원, 예를 들어, 스피커, 사람의 목 부분의 진동 또는 인접한 물체의 진동을 측정함으로써 음향 신호가 복원될 수 있다.

당업계에서는 다양한 분야에서 샘플 커버리지(sample coverage)를 향상시킬 필요가 있다. 당업계에서는 다양한 물체의 이미징 및 측정의 민감성 및 강건성을 향상시킬 필요가 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 물체 이미징, 측정, 및 샘플을 특성화하기 위한 시스템들 및 방법들이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 샘플을 조명하기 위한 적어도 하나의 가간섭성(coherent) 광원을 포함하는 조명 유닛; 상기 샘플로부터 입력 광을 수집하기 위한 수집 유닛 - 상기 수집 유닛은 이미징 광학 기기(imaging optics) 및 파면 이미징 센서(wavefront imaging sensor)로 구성됨 -; 및 상기 조명 유닛 및 상기 수집 유닛에 결합되어, 상기 입력 광을 분석하고 스페클 파면 이미지를 생성하는 제어 유닛을 포함하는 광학 스페클 기반 이미징 시스템이 제공되며, 상기 적어도 하나의 가간섭성 광원은 상기 샘플에 또는 상기 샘플 상에 1차 스페클들을 생성하고, 상기 이미징 광학 기기는 상기 샘플에 또는 상기 샘플 상에 상기 조명 유닛에 의해 유도된 2차 스페클 패턴을 캡처한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 샘플을 조명하기 위한 적어도 하나의 가간섭성 광원을 포함하는 조명 유닛; 상기 샘플로부터 입력 광을 수집하기 위한 수집 유닛 - 상기 수집 유닛은 이미징 광학 기기 및 파면 이미징 센서로 구성됨 -; 및 상기 조명 유닛 및 상기 수집 유닛에 결합되어 상기 입력 광을 분석하고 스페클 파면 이미지를 생성하기 위한 제어 유닛을 포함하는 광학 스페클 기반 이미징 시스템이 제공되며, 상기 조명 유닛의 출사 동공의 크기는 상기 이미징 광학 기기의 입사 동공의 크기보다 작고, 상기 적어도 하나의 가간섭성 광원은 상기 샘플 또는 상기 샘플상에 1차 스페클들을 생성하고, 상기 이미징 광학 기기는 상기 샘플 또는 상기 샘플 상에 상기 조명 유닛에 의해 유도된 2차 스페클 패턴을 캡처한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어 유닛은, 상기 출사 동공의 크기 및 상기 입사 동공의 크기, 및 이들 사이의 관계 중 적어도 하나에 영향을 미치는 것을 더 포함한다.

적어도 하나의 가간섭성 광원은 (1) 샘플의 광학 확산 길이 및 (2) 샘플의 표면 거칠기 중 적어도 하나보다 큰 시간적 가간섭성 길이를 가질 수 있다.

가간섭성 광원은 공간적 가간섭성 길이를 가질 수 있고, 상기 수집 유닛은 포인트-확산-함수의 공간적 가간섭성 길이를 가질 수 있고, 샘플 상으로 투사된 가간섭성 광원의 공간적 가간섭성 길이는 상기 이미징 광학 기기를 통해 상기 샘플 상으로 투사된 수집 유닛의 포인트-확산-함수의 공간적 가간섭성 길이의 차수이거나 그 보다 크다.

조명 유닛의 광학 속성 및 수집 유닛의 광학 속성은, 샘플 상에 이미징될 모든 지점에 대해, 샘플 상의 임의의 지점으로부터 볼 때 수집 유닛의 광학 개구에 의해 경계가 정해지는 각도를 샘플 상의 동일한 지점으로부터 볼 때 조명 유닛의 광학 개구에 의해 경계가 정해지는 각도보다 크게 형성하도록 선택될 수 있다.

조명 유닛은 조명 각도의 경계를 정하는 조명 개구를 가질 수 있고, 수집 유닛은 수집 각도의 경계를 정하는 수집 개구를 가질 수 있고, 제어 유닛은 조명 조건에 영향을 미치도록 조명 유닛에 추가로 결합되고, 추가로 이미징될 샘플 상의 모든 지점에 대해, 샘플 상의 임의의 지점으로부터 볼 때 조명 각도보다 큰 수집 각도를 형성하기 위해 수집 조건에 영향을 미친다.

수집 유닛은 스페클 강도, 스페클 파면, 및 스페클 가간섭성 중 적어도 하나를 나타내는 데이터를 더 측정할 수 있다.

상기 조명 유닛은 비가간섭성 광원을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은 비가간섭성 조명에 응답하여 라이트 필드 이미지(light field image)를 추가로 생성할 수 있다.

상기 제어 유닛은 가간섭성 광과 비가간섭성 광을 선택적으로 제공하도록 상기 조명 유닛를 동작시킬 수 있다.

조명 유닛은 비가간섭성 광원을 더 포함할 수 있고, 제어 유닛은 비가간섭성 조명의 공간 가간섭성 길이가 수집 유닛의 이미징 광학 기기의 공간 가간섭성 길이보다 짧도록 조명 유닛의 개구를 동작시킬 수 있다.

파면 이미징 센서는 플렌옵틱 카메라; 라이트 필드 카메라; 샤크-하르트만(Shack-Hartmann) 파면 센서; 및 복수의 유사한 단위 셀을 갖는 인코더, 및 파면 이미징 센서를 통한 입력 광의 전체적인 전파 방향에 대해 상기 단위 셀의 다운스트림의 임의 거리에 위치된 센서 셀의 어레이를 포함하는 가간섭성 카메라 파면 센서로 구성된 그룹 중 하나일 수 있으며, 상기 센서 셀의 어레이는 복수의 서브 어레이 단위 셀을 정의하고, 각각의 서브 어레이는 상기 인코더의 상기 복수의 단위 셀의 단위 셀에 대응하고, 각각의 서브 어레이는 미리 결정된 수 M의 센서 엘리먼트를 포함하고, 상기 인코더는 인코더의 각각의 단위 셀이 대응하는 서브 어레이 단위 셀 및 미리 결정된 근접 영역 내의 하나 이상의 이웃하는 서브 어레이 단위 셀 상으로 입사하는 입력 광의 일부를 지향시키도록 상기 입력 광에 미리 결정된 변조를 적용하며, 미리 결정된 수 M은 상기 미리 결정된 근접 영역 내의 미리 결정된 수의 서브 어레이 단위 셀에 따라 결정된다.

조명 유닛은 가간섭성 광(coherent light), 부분 가간섭성 광(partially coherent light), 및 비가간섭성 광(incoherent light)으로 구성된 그룹의 적어도 하나의 광을 제공할 수 있다. 조명 유닛은 또한 가변 광학 속성들의 세트로서 광을 제공할 수 있고, 광학 속성들 및 조건들은 선택된 파장 범위들, 선택된 시간적 가간섭성 범위들, 선택된 조명 방향들로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; 상기 제어 유닛은 강도 맵, 파면 맵 및 가간섭성 맵으로 이루어진 그룹 중 하나 이상을 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가간섭성 광(coherent light)으로 샘플을 조명하는 단계; 이미징 광학 기기(imaging optics) 및 파면 이미징 센서(wavefront imaging sensor)로 구성된 수집 유닛에 의해, 상기 샘플로부터 오는 입력 광을 캡처하는 단계; 및 상기 수집 유닛에 결합된 제어 유닛에 의해, 상기 입력 광을 분석하고 스페클 파면 이미지를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 가간섭성 광원은 상기 샘플에 또는 상기 샘플 상에 1차 스페클들을 생성하고, 상기 이미징 광학 기기는 상기 샘플에 또는 상기 샘플 상에 상기 조명 유닛에 의해 유도된 2차 스페클 패턴을 캡처하는 이미징 방법이 제공된다. 상기 조명 유닛의 출사 동공의 크기는 상기 이미징 광학 기기의 입사 동공의 크기보다 작을 수 있다. 제어 유닛은 출사 동공의 크기 및 입사 동공의 크기와 이들 사이의 관계 중 적어도 하나에 영향을 미칠 수 있다.

방법은 샘플로부터 오는 적어도 하나의 추가적인 입력 광을 캡처하고 분석하여 적어도 하나의 추가적인 스페클 파면 이미지를 생성하는 단계, 및 스페클 파면 이미지 및 적어도 하나의 추가적인 스페클 파면 이미지에 기초하여 샘플 변형을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

샘플 변형을 계산하는 동작은 하나 이상의 스페클 파면 이미지 쌍 사이의 로컬 틸트(local tilt)의 변화를 결정함으로써 수행될 수 있다.

방법은 시공간 변형 맵들의 시간 시퀀스를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은, 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 상기 샘플 내의 특정 관심 영역을 선택하는 단계; 상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 상기 샘플과 샘플 주변환경 사이를 구별하는 단계; 상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 상기 샘플의 전체 움직임과 로컬 변형 또는 진동 사이를 구별하는 단계; 상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 공간적 세그먼트화(segmentation)를 수행하는 단계; 상기 시공간 변형 맵들의 시간 시퀀스를 분석하고 시간적 세그먼트화를 수행하는 단계; 상기 시공간 변형 맵들의 시간 시퀀스를 분석하고 음향 신호를 추출하는 단계; 상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 바이오메트릭 파라미터를 측정하는 단계; 상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 기계적 진동 모드를 매핑하는 단계로 이루어진 그룹 중 적어도 하나의 단계를 포함할 수 있다.

방법은 공간적으로 비가간섭성 광 및 주변 광 중 적어도 하나로 얼굴 또는 그의 일부를 조명하는 단계; 비가간섭성 파면 이미지를 캡처하는 단계; 2차원(2D) 강도 이미지 및 깊이 맵을 계산하는 단계; 고유 3차원(3D) 얼굴 인식 데이터를 추출하는 단계; 및 얼굴 인식 데이터를 저장된 고유 3차원(3D) 얼굴 인식 데이터와 비교하는 단계; 및 인식 수락 또는 거부 결정을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 시공간 변형 맵들의 시간 시퀀스를 분석하고 시공간 바이오메트릭 인식 파라미터들을 추출하는 단계; 고유 바이오마커들을 추출하는 단계; 상기 고유 바이오마커들을 저장된 고유 바이오마커들과 비교하는 단계; 및 인식 수락 또는 거부 결정을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

방법은 파장들의 시퀀스에 대해 조명, 캡처, 분석 및 생성하는 동작들을 반복하는 단계; 다중 스펙트럼 위상 언래핑(multi-spectral phase unwrapping)을 수행하는 단계; 및 표면 프로파일을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

방법은, 다양한 각도들에 대해, 파장들의 시퀀스에 대해 조명, 캡처, 분석, 및 생성 동작들을 반복하고 다중 스펙트럼 위상 언랩핑을 수행하는 단계; 및 3차원 회절 단층 촬영 굴절률 분포를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들과 관련하여 본 발명의 더 나은 이해를 위해, 첨부 도면들을 참조하며, 유사한 번호들은 전체에 걸쳐 대응하는 엔티티들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2a 내지 2b는 도 1에 도시된 시스템의 세부사항들을 개략적으로 예시하는 블록도들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 예시하는 다른 흐름도이다.
도 5a 내지 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 시스템들을 개략적으로 예시하는 블록도들이다.
도 6a 내지 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 시스템들을 개략적으로 예시하는 블록도들이다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 8a 내지 8b는 본 발명의 실시예에 따른 법선 입사에서의 가간섭성 조명을 개략적으로 도시한다.
도 9a 내지 9b는 본 발명의 실시예에 따른 다중 스펙트럼 위상 언래핑(multi-spectral phase unwrapping) 기술을 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 11a 내지 11c는 본 발명의 양태에 따른 다중 스펙트럼 회절 단층 촬영 방법을 개략적으로 도시한다.
도 12는 본 발명의 양태에 따른 여러 조명 각도로부터의 다중 스펙트럼 스페클 파면 이미징(multi-spectral speckle wavefront imaging)을 개략적으로 도시한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 파면 이미징 센서 및 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 파면 이미징 센서의 일 양태를 예시한다.

물체 및 샘플의 광학적 측정 및 특성화는 투과율, 반사율, 형상, 깊이, 3D 구조 및 텍스처(texture)와 같은 파라미터를 결정하고 평가하는 데 사용된다. 샘플의 움직임, 배향, 변형 및 진동의 변화를 검출하기 위해 시간에 따른 파라미터의 변화가 측정될 수 있다. 일부 애플리케이션들에서, 이러한 데이터는 검사 및 모니터링 목적들을 위해 샘플을 특성화하는 데 사용될 수 있다. 다른 애플리케이션들에서, 이들 데이터는 바이오메트릭 샘플링, 모니터링 또는 인증뿐만 아니라, 스피치와 같은 샘플로부터 음향 신호들을 획득하는 데 사용될 수 있다.

샘플들의 특성화를 위한 몇몇 광학적 측정들 및 기법들은 스페클 기반(speckle-based)이다.

샘플 움직임, 배향, 진동, 및 변형의 스페클 기반 측정을 위한 최신 광학 방법들은 가간섭성 광원(coherent light source)으로 샘플을 조명하고 산란된 광을 수집하는 것에 기초한다. 스페클 기반 측정은, 예를 들어, (1) 광검출기에 충돌하는 광의 전체 시변 강도 분포를 측정함으로써; (2) 스페클 강도 패턴의 직접 이미징(direct imaging)에 의해; 또는 (3) 물체로부터 변위된 포커스 평면(focus plane) 상의 스페클 패턴의 이미징에 의해 행해질 수 있다.

전형적으로, 스페클 기반 측정들은 단일의 실질적으로 가간섭성 스팟(coherent spot) 또는 다수의 별개의 가간섭성 스팟들을 갖는 샘플의 조명을 포함한다. 단일 스팟(single-spot) 및 다중 스팟(multi-spot) 조명에서, 샘플의 표면은 완전히 커버되지 않는다. 따라서, 샘플 변형 또는 진동의 완전한 맵이 측정될 수 없다. 물체의 움직임, 변형 및 진동은 전형적으로 샘플의 특정 영역에서만 측정된다.

단일 스팟 및 다중 스팟 조명 측정들은 각각의 그러한 별개의 조명 스팟 내의 불균일한 변형 또는 진동을 구별하지 않을 수 있다. 대신에, 그것들은 각각의 별개의 조명 스팟 내의 변형 또는 진동을 전체적으로 처리한다. 따라서, 단일 스팟 및 다중 스팟 조명 측정들은 각각의 별개의 조명 스팟 내의 변형 또는 진동의 공간 평균을 나타내는 데이터만을 제공할 수 있다. 달리 말하면, 각각의 별개의 조명 스팟 내의 진동 또는 변형 맵의 공간 분해능이 없다. 이는 샘플로부터 변위된 포커스 평면 상에 스페클 패턴을 이미징하는 경우에 특히 그러하다 - 스페클 패턴이 강한 디포커스(defocus)에서 이미징되어 스페클 패턴의 파 필드(Far-field)(푸리에 평면) 맵을 생성하기 때문에 진동 또는 변형에 대한 공간 분해능은 상실된다.

샘플의 더 넓은 커버리지를 갖는 다른 측정 방법은, 동일한 영역을 조명하는 여러 개의 빔 또는 추가적인 기준 빔과 함께 간섭계 셋업(interferometric setup)을 사용하는 것에 기초한다. 이러한 방법들은 일반적으로 전자 스페클 패턴 간섭법(electronic speckle pattern interferometry)으로 알려져 있다. 간섭 셋업 및 다중 빔 및 광학 경로는 그 컴포넌트의 진동 및 샘플의 외부 진동에 매우 민감하여, 따라서 덜 강건하고 외부 환경 요인에 종속되는 측정 시스템을 초래할 수 있다.

다른 측정 방법은 샘플에 부착되는 특정 타겟 및 반사기를 사용할 수 있다. 그러한 방법들에서, 데이터는 타겟들 또는 반사기들이 부착되는 샘플의 영역들로부터만 단지 수집될 수 있다. 많은 실용적인 사용 사례에서, 샘플에 타겟이나 반사기를 부착하는 요건이 금지된다. 예를 들어, 사람 또는 동물에 타겟 및 반사기를 부착하는 것은 불편함을 야기할 수 있고; 다른 경우에, 샘플은 교란되지 않을 수 있고, 더 많을 수 있다. 또한, 매우 민감한 측정의 경우, 샘플의 움직임이 타겟에 완전히 전달되지 않을 수 있어 최적의 결과보다 못한 결과를 산출할 수 있다.

또한, 스페클 기반 측정들은 불투명 샘플들에 대한 샘플의 미시적 표면 프로파일에 대한 제한된 데이터를 제공하고, 반투명 샘플들의 내부에 대한 정보를 거의 제공하지 않는다. 이것은 처음에 랜덤 스페클 형성을 야기하는 샘플 매체의 큰 정도의 거칠기/확산성에 기인한다.

또한, 상기 언급된 방법들은 통상적으로 비-이미징 측정들을 수행하고, 3D(3d, 3-차원) 광학 측정들을 수행하지도 않고, 표준 2D(2d, 2-차원) 이미지들을 제공하는 것에 쉽게 적응되지 않는 특수화된 광학 구성들을 이용한다. 전체 반사율/투과율 및 샘플 형상과 같은 샘플에 관한 다른 정보를 획득하기 위해, 종래의 2D 이미징을 수행하기 위해 일반적으로 별도의 이미징 셋업이 요구된다. 또한, 3D 측정을 위해, 몇 가지 예를 들자면, 스테레오 이미징(stereo imaging), 구조화된 광(structured light), 레이저 삼각측량(laser triangulation), 비행 시간 측정(time of flight measurement), 액티브 스테레오(active stereo), 및 라이트 필드 이미징(light-field imaging)과 같은 다양한 기술들을 이용하여, 특수한 장비가 요구된다.

"정량적 위상 이미징(quantitative phase imaging)"으로 알려진 종래 기술의 시스템은 전형적으로 간섭 측정 셋업(interferometric setup)을 사용하여 미세한(microscopic) 샘플의 정량적 위상 이미지를 획득한다. 샘플이 비교적 작은 위상 변동을 유도하는 조건 하에서, 결과적인 위상 맵은 샘플의 미세한 구조와 관련된 규칙적인 피처(feature)를 갖는다. 정량적 위상 이미징 시스템들은, 큰 위상 변동들을 갖는 거친, 확산성, 또는 육안으로 보이는(macroscopic) 샘플들을 이미징하기 위해 사용될 때, 랜덤 스페클 위상 맵을 제공할 수 있다. 이와 같이, 단일 스페클 위상 맵은 아마도 로컬 평균 스페클 강도에 의해 주어진 개략적인 전체 강도 분포를 제외하고, 샘플에 관한 정보를 거의 제공하지 않는다.

또한, 정량적 위상 이미징은 전형적으로 조명 각도가 샘플 및 이미징 광학 기기의 배향(orientation)과 매칭될 것을 요구한다. 이러한 매칭은 소위 "제로-오더(zero-order)" 투과 또는 경면 반사, 즉 "명시야(brightfield)" 셋업을 캡처하기 위해 필요하다. 한편, 본 발명은 육안으로 보이는 샘플 또는 큰 표면 거칠기 또는 확산성을 갖는 샘플 상의 스페클 레짐(speckle regime)에서 사용될 수 있으며, 여기서 스페클은 넓은 범위의 각도에 걸쳐 분산되기 때문에 조명 각도는 그다지 중요하지 않다.

본 발명의 실시예들은 물체들 및 샘플들의 광학적, 스페클 기반 측정들 및 특성화를 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다.

본 발명의 실시예들은 전체 샘플 커버리지를 갖는 스페클 기반 움직임, 배향, 진동, 및 변형 측정을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 다수의 간섭 빔들을 갖는 복잡한 셋업들에 대한 필요성을 제거하면서 샘플의 상이한 부분들을 구별하기 위해 높은 공간 분해능으로 움직임, 배향, 진동, 및 변형 데이터를 매핑하는 능력을 가능하게 한다. 본 발명의 실시예들은, 샘플에 대한 더 많은 정보, 예컨대, 그 형상, 반사율/투명도 뿐만 아니라, 상세한 표면 프로파일로메트리(surface profilometry), 텍스처 또는 내부/외부 3D 구조를 획득하기 위해 동일한 기본 시스템으로 다양한 유형들의 측정들을 수행할 수 있다.

시스템들은 하나 이상의 광원들(조명 소스들이라고도 지칭됨)을 갖고 가변 조명 조건들에서 가간섭성 및/또는 비가간섭성 광으로 샘플을 조명하도록 동작가능한 조명 유닛; 샘플로부터 리턴되고 및/또는 샘플을 통과하는 광을 수집하기 위한 이미징 광학 기기 및 이미징 센서/들을 갖는 수집 유닛; 및 스페클 강도, 스페클 파면, 및 스페클 가간섭성 중 적어도 하나를 나타내는 데이터를 수신하고 스페클 파면 이미지를 생성하기 위해 수집 유닛에 결합된 제어 유닛을 포함할 수 있고; 제어 유닛은 조명 조건들 또는 다른 광학 속성들에 영향을 미치기 위해 조명 유닛에 추가로 결합된다.

제어 유닛은 시스템 및 다양한 컴포넌트들의 광학 속성에 추가로 영향을 미칠 수 있다. 제어 유닛은 조명 조건, 수집 조건, 또는 둘 모두에 영향을 미칠 수 있다. 제어 유닛은 조명 유닛의 광학 속성과 수집 유닛의 광학 속성에 영향을 미칠 수 있다. 제어 유닛은 조명 유닛의 광학 속성과 수집 유닛의 광학 속성 사이에 사전에 정의된 관계를 유지할 수 있다. 가변 조명 조건들은 가간섭성 - 가간섭성 조명, 비가간섭성 조명, 부분 가간섭성 조명; 공간 가간섭성의 정도; 시간 가간섭성의 정도; 파장 범위; 조명 방향들; 및 조명 각도들로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수도 있다.

시스템은 광을 샘플에 투사하고, 샘플로부터 이미징 광학 기기(imaging optics)를 통해 리턴된 광을 수집하기 위해 이미징 광학 기기에 대해 업스트림에 위치된 빔 분할 장치(beam-splitting arrangement)를 더 포함할 수 있다.

제어 유닛은 샘플의 하나 이상의 특성을 나타내는 데이터를 결정하기 위해 단일 또는 다중 조명 조건(또는 다른 광학 속성) 하에서 수집 유닛으로부터 수신된 데이터 스냅샷 또는 시퀀스를 추가로 처리하고, 샘플의 하나 이상의 특성(또는 샘플의 표면)은 샘플 반사율, 샘플 투과율, 샘플 형상, 샘플 깊이, 샘플의 3차원 구조, 샘플 표면의 변형, 샘플 표면의 움직임, 샘플 진동, 샘플 배향 및 샘플 텍스처로 이루어진 그룹으로부터 유래한다.

이미징 센서는 파면 센서(wavefront sensor) 또는 라이트 필드 센서(light field sensor)일 수 있다. 이미징 센서는 본 명세서에 참고로 통합된 WIPO 특허 출원 WO/2018/185740에 설명된 플렌옵틱 카메라(plenoptic camera)(라이트 필드 카메라), Shack-Hartmann 파면 센서, 또는 가간섭성 카메라 파면 센서 중 하나일 수 있다.

파면 이미징 센서는 복수의 유사한 단위 셀을 갖는 인코더 및 파면 이미징 센서(108)를 통한 입력 광의 전체적인 전파 방향에 대해 단위 셀의 다운스트림 거리에 위치된 센서 셀의 어레이를 포함할 수 있다. 센서 셀들의 어레이는 복수의 서브 어레이 단위 셀들을 정의하며, 각각의 서브 어레이는 인코더의 복수의 단위 셀들 중의 단위 셀에 대응하고, 각각의 서브 어레이는 미리 결정된 개수 M의 센서 엘리먼트들을 포함한다. 인코더는 입력 광에 미리 결정된 변조를 적용하도록 구성되어 인코더의 각각의 단위 셀이 그에 대응하는 서브 어레이 단위 셀 및 미리 결정된 근접 영역(proximity region, PR) 내의 하나 이상의 이웃하는 서브 어레이 단위 셀 상으로 입사하는 입력 광의 일부를 지향시킨다. 미리 결정된 개수(M)는 미리 결정된 근접 영역 내의 서브 어레이 단위 셀의 미리 결정된 개수에 따라 결정된다.

조명 소스는 "일차 스페클(primary speckle)"이라고도 불리는, 샘플 상에 또는 샘플 내에 스페클을 유도하는 가간섭성 광원(coherent light source)일 수 있다. 이것은 샘플의 광학 확산 길이 또는 표면 거칠기보다 더 큰 시간적 가간섭성 길이를 갖는 광원에 의해 획득될 수 있다.

수집 유닛의 이미징 광학 기기는 샘플 상에 또는 샘플 내에 유도된 스페클 패턴을 분해하기에 충분한 공간 분해능을 가짐으로써 "2차 스페클(secondary speckle)" 이미지를 획득하도록 구성된다. 시스템은 조명 유닛의 출사 동공(exit pupil)이 수집 유닛의 입사 동공(entrance pupil)보다 작도록 추가로 배열될 수도 있다. 이러한 배열은 이미징 시스템이 이미지 평면 상에서 "2차 스페클들"을 획득하기에 충분한 공간 분해능을 가질 것을 보장한다.

스페클 패턴을 분해하기에 충분한 공간 분해능은, 가간섭성 광원이, 샘플 상으로 투사될 때, 이미징 광학 기기를 통해 샘플 상으로 투사될 때의 수집 유닛의 포인트-확산-함수(point-spread-function)의 공간 가간섭성 길이보다 큰 공간 가간섭성 길이를 가질 때 획득될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른, 가간섭성 광원의 공간 가간섭성 길이는 이미징 광학 기기를 통해 샘플 상으로 투사되는 수집 유닛의 포인트-확산-함수의 공간 가간섭성 길이보다 1.1, 1.2, 1.5, 또는 그 이상의 인자 만큼 더 크다.

시스템은 또한, 이미징될 샘플 상의 모든 지점(point)(또한 수집 유닛의 시야(field of view)에서 모든 지점으로서 지칭됨)에 대해, 샘플 상의 임의의 지점으로부터 볼 때 수집 유닛의 광학 개구에 의해 경계가 정해지는(subtended) 수집 각도가 샘플 상의 동일한 지점으로부터 볼 때 조명 유닛의 광학 개구에 의해 경계가 정해지는 조명 각도보다 더 크도록 배열될 수 있다.

조명 유닛은 가간섭성 조명 소스 및 비가간섭성 조명 소스를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 가간섭성 소스는 스페클 파면 이미징(speckle wavefront imaging)을 수행하기 위해 사용되고, 주변 광 또는 비가간섭성 소스는 샘플 광도(luminosity) 및 3D 형상을 추론하기 위해 라이트-필드 이미징(light-field imaging)을 수행하기 위해 사용된다. 조명 소스는 가간섭성 광 및 비가간섭성 광을 제공하도록 선택적으로 동작가능할 수 있다. 비가간섭성 광은 조명의 결과적인 공간 가간섭성 길이가 수집 유닛의 이미징 광학 기기들의 공간 가간섭성 길이와 같거나 짧도록 큰 개구를 통해 제공될 수 있다. 제어 유닛은 가간섭성 광과 비가간섭성 광 사이에서 스위칭할 수 있다.

본 발명의 양태들에 따르면, 샘플의 광학 이미징 및 측정에 사용하기 위한 시스템이 설명된다. 시스템은 : 다양한 방향들로부터의 샘플의 조명 및/또는 하나 이상의 선택된 파장 범위들 및/또는 시간적 가간섭성 범위들에서 가간섭성, 부분적 가간섭성 또는 비가간섭성 조명을 제공하고, 조명을 샘플 또는 샘플의 일부 상으로 지향시키도록 구성된 조명 유닛; 샘플로부터 리턴하고 및/또는 샘플을 통과하는 광을 수집하고 샘플과 상호작용하는 광의 강도, 파면 및 가간섭성을 나타내는 데이터를 제공하는 파면 이미징 또는 라이트-필드 이미징 센서를 사용하여 샘플을 이미징하도록 구성된 수집 유닛; 단일 스냅샷들 또는 강도, 파면 및 가간섭성 맵들의 시퀀스를 분석하기 위한 제어 유닛을 포함하고, 제어 유닛은 또한 상이한 정도의 공간적 및 시간적 가간섭성 뿐만 아니라 파장 범위들 및 조명 방향들을 제공하도록 조명 유닛에 영향을 미치고; 및 제어 유닛은 샘플의 반사율 및/또는 투과율, 형상, 깊이, 3D 구조, 변형, 움직임, 진동, 배향 및/또는 텍스처를 나타내는 데이터를 결정하기 위해 단일 또는 다중 조명 조건들(또는 다른 광학 속성들) 하에서 수집 유닛으로부터의 데이터 스냅샷들 또는 시퀀스들을 처리한다.

본 발명의 양태들에 따르면, 파면 이미징 센서(wavefront imaging sensor)에 기초한 다목적 광학 이미징 및 측정 시스템은 스페클 기반 이미징 및 측정을 수행하기 위해 가간섭성 광원과 함께 사용된다. 또한, 주변 또는 비가간섭성 투광 조명(flood illumination)을 사용함으로써, 동일한 파면 이미징 센서가 2D 이미징뿐만 아니라 3D 측정을 수행하는 데 사용될 수 있다. 파장 또는 조명 방향(또는 둘 모두)에서 광원을 제어함으로써, 시스템은 높은 동적 범위 광학 프로파일로메트리(high dynamic-range optical profilometry), 정량적 위상 이미징, 또는 회절 단층 촬영을 수행하는 데 사용될 수 있다.

이러한 다목적 광학 시스템은 개선된 샘플 커버리지, 시스템 감도, 및 강건성을 제공할 수 있다. 게다가, 그것은 단순하고, 강건하고, 단일 시선(line-of-sight) 파면 이미징 광학 모듈 및 간단한 조명 요건을 사용한다. 조명 파라미터의 단순한 변화는 동일한 기본 구성을 유지하고 동일한 파면 이미징 광학 기기를 사용하면서 큰 유연성 및 애플리케이션 범위를 제공한다.

도 1은 본 발명의 양태에 따른 시스템(10)을 개략적으로 도시한다. 시스템(10)은 가간섭성 광원(미도시) 및 출사 동공(102.1)을 갖는 조명 유닛(102); 샘플로부터 리턴되고 및/또는 샘플을 통과되는 광을 수집하기 위한 수집 유닛(104); 및 스페클 파면 이미지를 생성하기 위해 수집 유닛(104)에 결합되고 조명 유닛에 추가로 결합되어 조명 조건들 또는 다른 광학 속성들에 영향을 미치는 제어 유닛(110)을 포함한다. 수집 유닛(104)은 입사 동공(106.1)과 파면 이미징 센서(108)를 갖는 이미징 광학 기기(106)로 구성될 수 있다.

샘플(100)은 샘플의 미세한 광학 산란 속성으로 인해 샘플(100)에 스페클 형성을 유도하는 가간섭성 광(IL)으로 조명된다. 결과적인 스페클 필드(스페클 패턴, 또는 "1차" 또는 "객관적(objective)" 스페클들로도 지칭됨)(CL)는 수집 유닛(104)을 통해 이미징된다. 이미징 광학 기기(106)는 스페클 필드(PL)의 이미지를 파면 이미징 센서(108) 상으로 투사한다. 따라서 스페클 파면(SW)이 형성된다.

"1차" 스페클은 다음과 같은 조건에서 획득될 수 있다. 조명 유닛(102)은 샘플(100)의 광학 확산 길이 또는 표면 거칠기보다 큰 시간적 가간섭성 길이를 갖는 가간섭성 광원을 포함할 수 있다.

수집 유닛(104)의 이미징 광학 기기(106)는 "2차" 스페클 이미지가 이미지 평면 상에 형성되도록 구성된다. 이를 위해서는 샘플 상에 또는 샘플 내에서 발생하는 "2차" 또는 "주관적(subjective)" 스페클 패턴을 분해하기에 충분한 광학 분해능을 갖는 이미징 시스템이 필요하다. 이 조건을 획득하기 위한 방법이 여러 가지가 있다.

조명 유닛(102)의 광학 속성과 수집 유닛(104)의 광학 속성 사이의 관계는 '2차' 스페클 패턴이 충분한 분해능으로 분해될 수 있도록 선택된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 조명 유닛의 출사 동공(102.1)은 수집 유닛의 입사 동공(106.1)보다 작다. 이 맥락에서 "더 작음(smaller)"은 출사 동공(102.1)의 크기가 입사 동공(106.1)의 크기보다 더 작다는 것을 의미할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 출사 동공(102.1)의 크기와 입사 동공(106.1)의 크기는 동일한 차수(order)로, 예를 들어, 1.1, 1.2, 1.5의 인자 및 더 높은 인자 만큼 상이하다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 출사 동공(102.1)의 크기와 입사 동공(106.1)의 크기 및 이들 사이의 관계가 미리 설정된다. 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 출사 동공(102.1)의 크기와 입사 동공(106.1)의 크기 및 이들 사이의 관계는 동적으로 그리고 적응적으로 설정된다. 제어 유닛(110)은 조명 유닛(102) 및 수집 유닛(104)에 결합되어 조명 유닛(102) 및 수집 유닛(104)의 광학 속성에 영향을 미칠 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 제어 유닛(110)은 출사 동공(102.1)의 크기, 입사 동공(106.1)의 크기, 또는 둘 모두에 영향을 미칠 수 있고, 따라서 이들 사이의 관계를 제어할 수 있다.

조명 유닛(102)의 광학 속성들과 수집 유닛(104)의 광학 속성들 사이의 관계들은 다음과 같이 설명될 수 있다: 조명 유닛(102)의 가간섭성 광원은, 샘플(100) 상으로 투사될 때, 이미징 광학 기기(106)를 통해 샘플 상으로 투사될 때 수집 유닛(104)의 포인트-확산-함수의 공간적 가간섭성 길이보다 큰 공간적 가간섭성 길이를 가질 수 있다.

조명 유닛(102)와 수집 유닛(104)의 광학 속성들 간의 관계를 표현하는 다른 방식이 도 5b에 도시되어 있다. 샘플(100) 상의 임의의 지점으로부터 본 수집 유닛(104)의 광학 개구에 의해 경계가 정해지는 각도(A_c)는 샘플 상에 이미징될 모든 지점에 대해 샘플(100) 상의 동일한 지점으로부터 본 조명 유닛(102)의 광학 개구에 의해 경계가 정해지는 각도(A_I)보다 커야 한다.

파면 이미징 센서(108)는 광학 회절 제한 분해능까지 파면 이미징을 수행할 수 있는 플렌옵틱 카메라 또는 샤크-하르트만(Shack-Hartmann) 파면 센서, 또는 다른 유형의 가간섭성 카메라일 수 있다. 이러한 가간섭성 카메라들은 본 명세서에서 파면 이미징 센서들로 지칭된다.

제어 유닛(110)는 스페클 파면 SW 데이터를 분석하여 스페클 파면 이미지를 생성한다. 스페클 파면 SW 데이터는 스페클 강도, 파면 및 가간섭성을 나타낼 수 있다. 이 데이터는 샘플(100)의 다양한 속성들을 측정하고 특성화하는데 이용된다.

제어 유닛(110)은 전형적으로 처리 유틸리티(111) 및 저장 유틸리티(113), 뿐만 아니라 구체적으로 도시되지 않은 입력 및 출력 통신 및 가능한 사용자 인터페이스를 인에이블하게 하는 통신 유틸리티를 포함한다.

제어 시스템(110)은 수집 유닛(104), 파면 이미징 센서(108), 조명 유닛(102) 또는 별개의 유닛과 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 유닛(110)은 이미징 시스템(10)의 다른 엘리먼트들로부터 원격일 수 있거나, 데이터의 원격 또는 클라우드 처리에 기초할 수 있다. 이러한 구성에서, 이미징 시스템(10)은 처리를 위해 데이터를 제어 유닛(110)에 송신하도록 구성된 통신 모듈을 포함할 수 있다.

도 1의 시스템(100)의 동작은 도 2a를 참조하여 더 논의될 것이다. 도 1과 동일한 컴포넌트를 지칭하기 위해 동일한 도면 번호가 사용된다. 시스템(10)은 약간 교란된, 예를 들어, 작은 회전 또는 변형을 거친 샘플(101)을 측정할 것이다. 샘플(101)의 회전 또는 변형은 도 2a에서 점선으로 표시된다. 샘플의 교란은 기계적 또는 열적 스트레스, 외부 충격, 진동, 샘플을 통과하는 음파, 맥박, 호흡, 음성, 근육 운동 등의 생물학적 기능 등에 의해 발생할 수 있다.

도 2b는 교란된 샘플의 특정 패치를 확대하며, 시스템(10)의 몇몇 엘리먼트들 - 이미징 광학 기기(106) 및 파면 이미징 센서(108)가 도시된다. 샘플(101)의 교란은 교란되지 않은 샘플(101)을 나타내는 실선 및 교란된 샘플(101)을 나타내는 파선을 참조하여 도시된 패치(patch)의 로컬 강성 시프트 및 틸트에 해당한다.

간단한 설명을 위해 가능한 회전 θ_z는 무시하고, 작은 패치의 경우, θ_z 회전은 (x,y)의 강성 시프트로 처리될 수 있기 때문이다.

샘플에서 발생하는 스페클 패턴("1차" 또는 "객관적" 스페클이라고도 함)의 관점에서, 교란은 스페클 파면의 강성 시프트(x,y,z) 및 틸트(θ_x,θ_y)로 나타난다.

스페클 파면 SW는 수집 유닛의 이미징 광학 기기를 통해 파면 이미징 센서에 이미징된다. 스페클 파면 SW_o는 교란되지 않은 샘플의 조명으로 인한 스페클 파면을 나타내고, 스페클 파면 SW_d는 교란된 샘플의 조명으로 인한 스페클 파면을 나타낸다. 이미징된 스페클 파면 SW_o 및 SW_d의 대응하는 변경은 강성 시프트(x', y',z') 및 로컬 틸트(

,

)이며, 여기서 이러한 수량은 광학계의 이미징 배율에 의해 원래 패치 수량과 관련된다.

이미징 시스템의 광학 분해능 제한으로 인해 대부분의 실제적인 육안으로 보이는 시나리오에서 이미징된 스페클 파면은 훨씬 더 낮은 분해능(때로는 "2차" 또는 "주관적" 스페클이라고도 함)를 갖는다. 실제로, 이러한 분해능 감소는 이미지화된 스페클 파면의 강성 시프트(x', y',z')에 관한 모든 정보를 삭제하는 반면, 로컬 틸트에 대한 정보는 전형적으로 잘 보존된다(

,

).

본 발명의 일 양태에 따르면, 교란된 스페클의 파면 이미지가 캡처된다. 또한 임의의 파면을 갖는 것으로 보인다. 그러나, 교란되지 않은 샘플의 원래 스페클 파면 이미지와 비교될 때, 스페클 파면이 로컬 틸트(

,

)에 따라 다르다는 것을 알 수 있다. 따라서 원본 스페클 파면 이미지를 교란된 스페클 파면 이미지와 비교하여, 전체 샘플에 대한 로컬 틸트를 추론하고 매핑하여 샘플 변형의 정확한 표시를 제공할 수 있다.

본 발명자들은 로컬 틸트 맵이 샘플의 다른 위치에서 로컬 틸트(

,

))의 다른 값을 구별할 수 있게 하는 공간 분해능을 갖는다는 것을 발견했다. 본 발명의 실시예에 따르면, 연속적인 로컬 틸트 맵이 제공된다. 연속 로컬 틸트 맵은 공간적으로 종속되며 샘플의 전체 범위를 제공할 수 있다. 이 새로운 능력은 샘플에 충돌하는 개별적이고 공간적으로 분리된 조명 스팟 각각에 대해 균일한 틸트 값이 얻어지는 종래 기술의 스페클 기반 측정을 개선한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 예를 들어, 샘플의 변형 전후에 일련의 스페클 파면 이미지들이 캡처된다. 이는 흐름도(30)로서 도 3에 예시된다. 흐름(30)은 가간섭성 조명으로 샘플을 조명하는 동작(300)으로 시작한다. 동작(302)에서, 제1 스페클 파면 이미지가 캡처된다. 동작(306)에서, 제1 스페클 파면 이미지는 추가 처리를 위해 저장된다. 동작(304)에서, 제2 스페클 파면 이미지가 제1 스페클 파면 이미지와는 상이한 시간에 캡처된다. 샘플은 동작(302)에서의 제1 스페클 파면 이미지의 캡처와 동작(304)에서의 제2 스페클 파면 이미지의 캡처 사이에 샘플 변형을 겪을 수 있다. 동작(308)에서, 제2 스페클 파면 이미지가 추가 처리를 위해 저장된다. 제1 스페클 파면 이미지 및 제2 스페클 파면 이미지는 변형에 의해 유도된 로컬 파면 틸트 만큼 상이할 수 있다. 동작(310)에서, 예를 들어, 제1 스페클 파면 이미지 및 제2 스페클 파면 이미지를 비교하고 전체 샘플에 걸쳐 계산된 로컬 파면 틸트의 맵을 생성함으로써 샘플의 변형(deformation)이 계산된다.

도 4는 일련의 몇몇 스페클 파면(speckle wavefront)들의 흐름(40)을 도시한다. 동작(400)에서, 샘플은 가간섭성 조명을 사용하여 조명된다. 동작 루프(402)에서, 시계열의 스페클 파면 이미지들이 캡처되고(동작(404, 406)) 저장된다(동작(408, 410)). 동작(412)에서, 로컬 틸트의 변화가 스페클 파면 이미지들의 쌍들 사이에서 결정된다. 예를 들어, 로컬 틸트의 변화는 스페클 파면 이미지들의 인접한 쌍들 사이에서 결정된다. 로컬 틸트의 변화를 기반으로, 샘플 변형의 시간 의존적 공간 매핑이 도출될 수 있다. 동작(414)에서, 시공간적 변형 맵 시퀀스가 계산된다. 이것은 공간 변형 맵의 시간 시퀀스이다. 각각의 시간 단계는 스페클 파면 이미지(404)의 캡처와 다음 캡처된 스페클 파면 이미지(406) 사이에서 측정된 공간적 변형 맵에 대응한다. 시공간적 변형 맵 시퀀스는 샘플 내의 특정 관심 영역을 골라내거나 샘플과 그 주변을 구별하거나, 샘플의 전체 이동 대 로컬 변형 및 진동을 구별하거나, 다른 공간적 또는 시간적 세그먼트화를 수행하기 위해 추가로 분석될 수 있다. 예를 들어, 애플리케이션에 따라, 동작(416)에서, 음성과 같은 음향 신호를 추출하기 위해; 동작(418)에서, 맥박 및 호흡과 같은 바이오메트릭 파라미터를 측정하기 위해, 그리고 근육 움직임을 추적하기 위해; 그리고 동작(420)에서, 기계적 진동 모드들을 매핑하기 위해, 관심 영역들의 시간 의존 변형(time-dependent deformation)이 분석될 수 있다. 시스템은 또한 비가간섭성 또는 주변 광을 사용하여 표준 2D 및/또는 3D 이미징을 수행하는 데 사용될 수 있다. 제어 유닛(110)을 사용하여 조명 유닛(102)에 영향을 미치고, 파면 이미징 센서(108)에 의해 붙잡힌(grab) 각각의 프레임에 대한 가간섭성 조명과 비가간섭성 조명 사이에서 동기식으로 교번함으로써, 상기 시간적 스페클 이미지 시퀀스(404 및 406)는 비가간섭성 2D/3D 이미징 시퀀스와 인터레이싱(interlace)되어 샘플의 반사율 및/또는 투과율, 형상, 깊이, 3D 구조를 나타내는 추가 데이터를 제공할 수 있다. 이들 데이터 스트림들은 본질적으로 융합되는데, 그 이유는 이들이 동일한 조준점(vantage point), 동일한 영상 이미지 광학기기, 및 동일한 파면 이미징 센서를 이용하는 동일한 수집 유닛을 이용하여 획득되기 때문이다. 보다 상세한 설명은 아래에서 찾을 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 종래의 2D 카메라들 뿐만 아니라 다른 유형들의 3D 센서들과 같은 외부 데이터 소스들과 시공간적 변형 맵을 융합하는 것이 또한 가능하다. 이들 경우에, 데이터 융합 동작은 외부 데이터 소스의 상이한 조준점, 상이한 이미징 광학 기기, 및 상이한 이미징 센서를 고려해야 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 의해 생성되는 정보는 다양한 구현예에 유용하다. 예를 들어, 동작들(414, 416, 418 또는 420)에서 생성되는 공간 정보는 외부 환경으로 인한 샘플의 진동과 샘플의 고유 진동 간을 구별하기 위해 사용될 수 있다. 이에 의해, 시끄러운 환경에서 음성을 픽업하고, 이동하는 차량 내의 사람의 바이오메트릭 파라미터를 모니터링하며, 진동하는 환경에서 특정 기계 부품을 모니터링할 수 있다.

도 1의 시스템(100)의 동작 및 그 구성은 도 5a를 참조하여 더 논의될 것이다. 도 1과 동일한 엘리먼트를 지칭하기 위해 동일한 도면 번호가 사용된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 조명 유닛(102)의 광학 속성은 측정될 샘플의 광학 속성과 관련하여 설정되거나 선택된다. 조명 유닛(102)의 광학 속성들은 적절한 가간섭성 조명 소스를 사전 선택함으로써 설정되거나 제어 유닛(110)의 제어 하에 선택적으로 설정될 수 있다.

시스템(10)은 샘플의 스페클 파면 변형을 측정하도록 설계된다. 두 가지 조건이 충족되어야 한다 : 1) 샘플 또는 샘플 내에 "1차" 스페클이 생성. 2) 수집 유닛(104)의 이미징 광학 기기(106)는 "2차" 스페클(SW)이 파면 이미징 센서(108)의 이미지 평면에 형성되도록 충분한 광학 이미징 분해능("공간 분해능(spatial resolution)"라고도 함)를 가져야 한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 시간적 가간섭성 길이(temporal coherence length), 공간적 가간섭성 길이(spatial coherence length), 조명 개구, 조명 유닛의 출사 동공의 크기, 수집 개구, 수집 유닛의 입사 동공의 크기, 파장, 조명 방향, 및 샘플에 대한 수집과 같은 광학 속성들이 미리 선택된다. 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 조명 유닛(102) 및 수집 유닛(104)의 광학 속성들 중 일부 또는 전부는 제어 유닛(110)에 의해 조정 가능하고 제어 가능하다.

제1 조건은 시스템(10)이 특정 광 확산 길이 또는 특정 샘플 표면 거칠기를 특징으로 하는 샘플(100)을 측정할 때 획득될 수 있다(도 5a에는 미도시). 조명 유닛(102)의 가간섭성 조명 소스는 샘플(100)의 광 확산 길이 또는 표면 거칠기(L_S)의 차수(order) 또는 그보다 큰 종방향 가간섭성 길이(longitudinal coherence length)(L_L)(시간적 가간섭성 길이라고도 함)를 갖도록 설정된다.

가간섭성 파동은 시간 가간섭성 길이 L_L로 표시된 전파 거리에 대해 지정된 수준의 가간섭성을 유지한다. L_L의 값은 전형적으로 λ²/Δλ로 주어되며, 여기서 λ는 조명 소스의 중심 파장을 나타내고, Δλ는 조명 소스의 스펙트럼 폭이다. 예를 들어, 매우 좁은 스펙트럼을 가진 단일 모드 레이저는 미터에서 킬로미터 차수의 가간섭성 길이를 가질 수 있다. 스펙트럼 폭이 더 넓은 다중 모드 레이저는 센티미터에서 데시미터 차수의 가간섭성 길이를 갖는 반면, 단순 다이오드 레이저는 전형적으로 밀리미터 이하의 차수의 가간섭성 길이를 갖습니다. 충분히 좁은 스펙트럼(~10nm)을 가진 발광 다이오드(LED)조차도 수십 마이크론 차수의 상당한 가간섭성 길이를 가질 수 있다.

샘플의 광 확산 길이는 샘플을 빠져나가 수집 시스템에 캡처되기 전에 샘플을 통과해 전파되는 광의 평균 경로 차이(mean path difference)에 해당한다. 다수의 랜덤 산란체(scatterer)로 구성된 샘플을 통해 전파되는 광은 각각 다른 임의의 광학 경로 길이를 가진 다중 전파 경로를 거친다. 서로 다른 전파 경로 길이의 표준 편차는 샘플 L_S의 광 확산 길이를 나타낸다. 확산 길이가 L_S인 샘플이 가간섭성 길이가 L_L>L_S인 가간섭성 광으로 조명되면, 1차 스페클 패턴이 생성된다.

표면 거칠기가 있는 샘플의 경우, 전형적인 길이 L_S는 표면 거칠기 통계, 일반적으로 표면 거칠기 표준 편차에 해당한다. 다시 말하지만, 샘플이 가간섭성 길이가 L_L>L_S인 가간섭성 광으로 조명될 때 1차 스페클이 획득된다.

마지막으로 1차 스페클이 L_L>L_S>λ로 형성되는 대부분의 상황에 주목한다. 그러나 "0차(zero-order)" 명시야 정반사(specular reflection)(또는 반투명 샘플의 경우 직접 투과)가 수집 유닛에 의해 캡처되지 않도록 광학계가 구성된 경우 요구 조건 L_S>λ이 완화될 수 있다. 미세한 경우에 이러한 구성은 일반적으로 "암시야(darkfield)" 조명 조건이라고 한다.

특정된 가간섭성 길이 요건을 준수하도록 가간섭성 조명 소스를 선택함으로써, 고 콘트라스트 스페클 이미지가 획득될 수 있다. 시간적 가간섭성 길이가 샘플의 광학 확산 길이 또는 표면 거칠기 차수일 것이라는 요건은 가간섭성 조명이 표면에 충돌하거나 통과하는 동안의 강한 스페클 응답(speckle response)을 보장한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 조명 유닛(102)의 광학 속성들은 수집 유닛(104)의 광학 속성들과 관련하여 추가로 설정된다. 조명 유닛(102)의 광학 속성들은 적절한 가간섭성 조명 소스를 사전-선택함으로써 설정되거나 제어 유닛(110)의 제어 하에 선택적으로 설정될 수 있다. 수집 유닛(104)의 광학 속성은 제어 유닛(110)에 의해 제어될 수 있다. 이러한 설정은 1차 스페클이 샘플에 생성될 때 시스템의 이미지 평면 상에서 2차 스페클이 획득되도록 요구된다.

조명 유닛(102)은 샘플 위에 투사된 조명 소스의 공간 가간섭성 길이 L_I(도 5a에서 I-SCL로 표시되는 횡방향 가간섭성 길이(transverse coherence length)로도 알려짐)에 의해 특징지어 진다. 공간 가간섭성 길이는 공간의 다른 지점에 조명된 파동 사이의 관계를 설명하고, 어느 정도 상호 가간섭성이 있는 샘플의 한 쌍의 지점 사이의 측방 거리(lateral distance)를 측정한 것이다.

수집 유닛(104)은 값 L_C(도 5a의 C-SCL)로 표시되는, 이미징 광학 기기를 통해 샘플에 투사된 수집 유닛의 이미징 광학 기기의 포인트-확산-함수의 공간 가간섭성 길이에 의해 특징지어 진다.

스페클 파면 이미징을 획득하기 위해, 즉 시스템의 이미지 평면에 2차 스페클을 생성하기 위해, 샘플에 투사된 조명 유닛(102)의 조명 소스의 공간적 가간섭성 길이 L_I는 이미징 광학 기기(106)를 통해 샘플(100)에 투사되는 수집 유닛(104)의 이미징 광학 기기(106)의 포인트-확산-함수의 공간적 가간섭성 길이 L_C보다 클 수 있다. 수학적으로 이 관계는 L_I>L_C로 주어진다. 이것은 도 5a에 개략적으로 도시된다.

조명 유닛(102)과 수집 유닛(104)의 광학 속성 사이의 관계는 또한 샘플(100) 상의 임의의 지점에서 보았을 때 수집 유닛(104)의 광학 개구에 의해 경계가 정해지는 각도(A_c)가 샘플에서 이미징될 모든 지점에 대해 샘플(100)의 동일한 지점에서 보았을 때 조명 유닛(102)의 광학 개구에 의해 경계가 정해지는 각도(A_I)보다 더 크다는 조건으로 표현될 수 있다. 이것은 도 5b에 설명되어 있다. A_I<A_C 표현은 이전 관계 L_I>L_C와 동일한 푸리에 광학이다.

조명 유닛(102)과 수집 유닛(104)의 광학 속성 사이의 관계는 또한 조명 유닛의 출사 동공(도 1에 도시된 엘리먼트(102.1))이 수집 유닛의 입사 동공(도 1에 도시된 엘리먼트 106.1)보다 작아야 한다는 요건으로 표현될 수 있다. 이것은 A_I<A_C 표현과 기하학적으로 동일하며, 관계 L_I>L_C와 동일한 푸리에 광학이다.

도 6a 및 6b는 2차원(2D) 및 3차원(3D) 이미징을 위한 비가간섭성 파면 이미징이 가능한 시스템(60, 62)의 개략도이다. 도 1의 시스템(60, 62) 및 시스템(10)의 동일한 엘리먼트는 동일한 도면 번호로 참조된다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 시스템(60)의 조명 유닛(120)은 가간섭성 조명기(122) 및 비가간섭성 조명기(124)를 포함한다. 비가간섭성 조명기(124)는 주변 광원으로서 또는 비가간섭성 투광 조명기(flood illuminator)로서 실현될 수 있다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 시스템(62)의 조명 유닛(130)은 가간섭성 및 비가간섭성 조명 둘 모두를 제공할 수 있다. 가간섭성 조명(도 6b에 실선으로 도시됨)은 작은 개구(aperture)를 통해 투사되는 반면, 비가간섭성 조명(도 6b에 점선으로 도시됨)은 큰 개구를 사용한다. 큰 개구의 사용으로 인해, 조명의 결과적인 공간적 가간섭성 길이는 수집 유닛의 이미징 광학 기기의 공간적 가간섭성 길이와 같거나 짧다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 수집 유닛의 이미징 광학 기기들의 공간적 가간섭성 길이는 조명의 공간적 가간섭성 길이보다 인자 1.0 배 이상 클 수 있다.

비가간섭성 파면 이미지(때때로 "라이트 필드 이미지(light field image)"로 알려짐)는 비가간섭성 조명(incoherent illumination) 하에서 캡처되고, 그런 다음 알려진 기술들에 따라, 2D 강도 이미지 및 깊이 데이터를 추출하기 위해 분석된다.

따라서, 본 발명의 실시예들은 다양한 사용 사례들에 사용될 수 있는 다용도의 비용 효율적인 이미징 시스템들 및 방법들을 가능하게 한다. 예를 들어, 보안성이 높은 바이오메트릭 인증을 효율적으로 수행할 수 있다. 비가간섭성 조명 모드(도 6a-6b를 참조하여 설명된)는 인증 목적을 위해 사람의 얼굴의 2D 및 3D 이미징을 수행하는 데 사용될 수 있다. 가간섭성 스페클 기반 이미징 시퀀스(도 1 내지 5b를 참조하여 설명된 바와 같음)는 안면 맥박 패턴, 호흡, 근육 움직임, 및 음성과 같은 사람의 바이오메트릭 마커를 픽업함으로써 인증을 수행하는 데 사용될 수 있다. 두 인증 방식들은 조명 방식들 사이에서 스위칭함으로써 동일한 시스템을 사용하여 조합될 수 있다.

도 7a는 예를 들어, 얼굴 바이오메트릭 인증을 위해 2D/3D 이미징을 수행하기 위한 흐름(70)을 설명한다. 동작(700)에서, 사람의 얼굴은 주변 조명 또는 비가간섭성 투광 조명에 의해 조명된다. 동작(702)에서, 사람의 얼굴의 비가간섭성 파면 이미지 스냅샷이 캡처된다. 동작(704)에서, 파면 이미지가 분석되고, 2D 강도 이미지 및 대응하는 3D 깊이 맵이 계산된다. 동작(706)에서, 2D 강도 이미지 및 대응하는 3D 깊이 맵이 추가로 분석되어, 예를 들어 인공 신경망을 사용함으로써 고유 3D 얼굴 인식 데이터를 추출한다. 동작(708)에서, 예를 들어 시스템에 등록하는 동안 캡처된 저장된 3D 얼굴 인식 데이터가 검색된다(또는 외부 소스로부터 수신된다). 동작 (710)에서, 추출된 고유 3D 얼굴 인식 데이터를 저장된 3D 얼굴 인식 데이터와 비교한다. 사람을 수락할지(동작 714에서) 또는 사람을 거부할지(동작 712에서) 결정이 내려진다.

도 7b는 예를 들어, 바이오메트릭 인증을 수행하기 위한 스페클 파면 이미징을 위한 흐름(72)을 설명한다. 동작(720)에서, 피험자는 가간섭성 조명을 이용하여 조명된다. 동작(722)에서, 시계열의 스페클 파면 이미지들이 캡처되고, 로컬화된 시공간적 변형 맵 시퀀스가 계산된다. 동작(724)에서, 변형 맵들은 얼굴 맥박 패턴, 호흡, 스피치, 협동 근육 움직임 및 연축(twitching) 등과 같은 특정 바이오메트릭 파라미터들(바이오마커들)을 획득하기 위해 분석된다. 바이오메트릭 파라미터 데이터는, 예를 들어 인공 신경망을 사용하여 고유 바이오마커 인식 데이터를 추출하기 위해 동작(726)에서 추가로 분석될 수 있다. 동작(728)에서, 예를 들어 시스템에 등록하는 동안 획득된 저장된 바이오마커 데이터가 검색된다(또는 외부 소스로부터 수신된다). 동작 (730)에서, 추출된 고유한 바이오마커들을 저장된 바이오마커들과 비교하여, 사람을 수락(제734단계)할지 또는 사람을 거부(제732단계)할지의 결정이 이루어진다.

도 7c는 도 7a 및 7b에 설명된 가간섭성 및 비가간섭성 파면 이미징 흐름들(70 및 72) 둘 모두를 사용하는 조합된 인증 흐름(74)을 설명한다. 흐름들(70 및 72)은 조명 조건들 사이에서 스위칭함으로써 순차적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 7a에 설명된 비가간섭성 파면 이미징 인증 시퀀스는 먼저 주변 또는 비가간섭성 조명 하에서 수행되고, 그런 다음 도 7b에 설명된 스페클 기반 파면 이미징 인증이 가간섭성 조명을 사용하여 수행되거나, 그 반대이다. 동작 (740)에서, 양쪽 방법들로부터의 조합된 인증 데이터가 분석되고, 사람을 수락하거나(동작 744에서) 사람을 거부(동작 742에서)하는 결정을 수행하기 위해 사용된다.

설명의 용이함을 위해, 도 7c는 다중 파라미터 인증의 동작(740)까지, 전체적으로 별개의 흐름들로서 흐름들(70 및 72)의 성능을 도시한다. 흐름들(70 및 72)의 다양한 동작들은 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다는 것이 명백하다.

예를 들어, 도 6a의 시스템(60) 또는 도 6b의 시스템(62)을 사용하여, (흐름(70)의) 동작(700) 및 (흐름(72)의) 동작(720)이 순차적으로 수행될 수 있다. 시스템(60)의 경우, 가간섭성 조명기(122) 및 비가간섭성 조명기(124)의 동작은 순차적으로 스위칭될 것이다. 시스템(62)의 경우, 조명 유닛(130)은 그 가간섭성 조명 모드와 비가간섭성 조명 모드 사이에서 변경하도록 제어될 수 있다. 결과적으로, (흐름(70)의) 동작(702) 및 (흐름(72)의) 동작(722)은 동일한 시스템 엘리먼트(예를 들어, 도 1의 수집 유닛(104) 및 제어 유닛(110))에 의해 순차적으로 수행될 수 있다. 동일한 방식으로, (흐름(70)의) 동작들(704, 706, 708) 및 (흐름(72)의) 동작(724, 726, 728)은 제어 유닛에 의해 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다. (흐름(70)의) 동작들(710) 및 (흐름(72)의) 동작(730)은 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있고, 흐름(74)의 동작(740)에 대한 입력으로서 거부 결정 또는 수락 결정을 제공할 수 있다. 대안으로, (흐름(70)의) 동작(710) 및 (흐름(72)의) 동작(730)의 수행이 통합되어 흐름(74)의 동작(740)을 구성할 수 있다. 다양한 실시예의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 이러한 흐름에 대해 다른 수정 및 변경이 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 이미징 시스템들의 다용성은 또한 가간섭성(coherent)와 비가간섭성(incoherent) 이미징 사이를 교번함으로써 사람들 또는 무생물 물체들의 조합된 모니터링을 수행하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 사람의 바이오메트릭 모니터링은, 예를 들어, 활력 징후(vital life sign), 맥박, 호흡, 시선 추적, 얼굴 표정 인식을 위해 수행될 수 있다. 또 다른 용도는 기계의 진동의 조합된 모니터링 뿐만 아니라 전체 2D 및 3D 이미지 모니터링을 수행하는 것일 것이다.

조합된 가간섭성 및 비가간섭성 모니터링에서, 제어 유닛에 의해 영향을 받는 가간섭성 조명과 주변 광 또는 비가간섭성 조명 사이에서 교번하는 조명 조건 하에서 파면 이미지들의 시퀀스가 캡처된다. 그런 다음 이미지들은 2개의 시퀀스들, 즉 비가간섭성 이미지들 중 하나 및 가간섭성 이미지들 중 다른 하나로 분리될 수 있다. 가간섭성 이미지들의 세트는 전술된 바와 같이 시공간 왜곡 맵들을 계산하고 특정 진동 패턴들 또는 바이오메트릭 파라미터들을 추출하는 데 사용된다. 2D 및 3D 이미지들의 세트는 전체 형상, 형태, 반사율의 변화들, 및 관심있는 다른 이미징 파라미터들을 모니터링하는 데 사용될 수 있다.

일반적으로, 파면 이미지들의 시퀀스가 가간섭성 및 비가간섭성 조명 사이에서 1:1 비율로 분할될 필요는 없다. 애플리케이션에 따라, 각각의 비가간섭성 파면 이미지에 대해 여러 가간섭성 파면 이미지들을 획득하는 것이 유리할 수 있으며 그 반대도 가능하다.

전술한 바와 같이, 가간섭성 조명 조건 하에서, 단일 스페클 파면 이미지(single speckle wavefront image)는 그 랜덤 위상 파면으로 인해 샘플에 관한 정보를 거의 제공하지 않는다. 랜덤성은 조명과 샘플 사이의 상호작용에 의해 유도되며, 샘플의 광학 확산 길이 또는 표면 거칠기는 샘플을 조명하는 데 사용되는 광의 시간적 가간섭성 길이보다 작다. 랜덤 위상 파면은 Rytov 근사화에 사용되는 것과 같은 표준 위상 언래핑 기술(standard phase unwrapping technique)에 적합하지 않다. 그러나, 여러 파장에서 스페클 파면 이미지를 획득함으로써, 불투명한 샘플 또는 반투명한 샘플에 대한 내부 구조에 대해 다중 스펙트럼 위상 언래핑(multi-spectral phase unwrapping)을 수행하고 샘플의 표면 프로파일을 복원할 수 있다.

일반성의 손실 없이, 우리는 보통의 가간섭성 조명으로 큰 표면 프로파일 단계를 처리한다. "큰(large)" 단계 프로파일의 의미는 곧 명확해질 것이다. 또한, q본 명세서에 설명된 원리들은 랜덤 거칠기(random roughness) 뿐만 아니라 반투명 샘플을 통한 투과 및/또는 반사에 대해 유효하다. 랜덤 거칠기를 갖는 표면에서 반사되는 경우, 랜덤 표면 프로파일은 표면에 충돌하는 광에 대한 랜덤 광학 경로 길이들을 유도한다. 반투명 샘플을 통한 투과나 반사의 경우, 샘플의 내부 구조로 인한 랜덤 산란은 샘플과 상호 작용하는 광에 대해서도 랜덤 광학 경로 길이를 유도한다. 더욱이, 표면 거칠기를 갖는 반투명 샘플은 두 효과로 인해 랜덤 광학 경로 길이를 유도할 것이다. 모든 경우에, 이하에서 제시될 큰 표면 프로파일 단계에서의 반사의 예는 샘플 상의 2개의 지점 사이의 광학 경로 길이 차이가 어떻게 측정되는지를 설명하기 위한 양호한 프록시를 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 도 8a는 높이 h의 계단 프로파일(810)에 법선 입사에서 충돌하는 파장 λ를 갖는 가간섭성 조명(800)을 도시하고 있다. 광(820)은 도 8b에 도시된 바와 같이 계단(810)의 양쪽으로부터 반사된다. 입사광은 도 8a에서와 같이 균일한 파면을 갖지만 반사광의 파면은 도 8b에서 파선 D로 표시된 위상 전위(phase dislocation)를 갖는다. 계단 프로파일의 왼쪽 절반과 오른쪽 절반 사이의 위상차는 계단 프로파일(810)의 양쪽에서 반사될 때 광이 왕복하는 동안 축적된 ΔL = 2h의 광학 경로 차이의 결과이다. 이는 반사된 파면의 양쪽 사이의 위상차 2πΔL/λ 라디안(radian)으로 이어진다. 그러나 이미징 파면 센서(예를 들어, 도 1의 엘리먼트(108))는 이 위상차의 소수 부분(fractional part)을 최대 2π까지만 측정할 수 있고, 즉, 파장의 정수인 위상차에는 둔감하다. 따라서 측정된 위상차는 ΔL<λ를 따르는 단지 "작은" 계단 높이에 대한 계단 높이의 정확한 추정치이다. 더 큰 계단 높이의 경우, 위상 편이의 정수 부분은 계단 높이를 추정하는 데 모호성(ambiguity)을 초래한다.

높이 모호성은 여러 파장에서 위상차를 측정하여 해결될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 가까운 파장 λ,λ'=λ+Δλ에 대해, Δλ" λ가 φ'=φ-2πΔLΔλ/λ² 로서 1차로 기록된다는 가정하에서 φ=2πΔL/λ 및 φ'=2πΔL/(λ+Δλ)의 위상차를 측정할 것이다. 두 파장의 위상차 변동은 대략 Δφ= -2πΔLΔλ/λ² 이다. 다시 이 위상차는 최대 파장의 정수부분까지 측정되고 즉, 2π 위상 모호성이 존재한다. 그러나 실제 차이가 모호하지 않은 유효 범위는 이제 훨씬 더 큰 ΔL<λ

λ/Δλ이고, 이는 작은 계단 높이보다 큰 λ/Δλ의 계수이다. 양 λ²/Δλ는 위상 모호성이 해결되는 가상 파장을 정의하기 때문에 "합성 파장(synthetic wavelength)"이라고도 한다.

위의 원리는 도 10a 내지 10b에 설명된 다중 스펙트럼 위상 언래핑 기술로 쉽게 확장된다.

도 10a는 파장 λ₁,λ₂,…,λ_n에서 측정된 2D 위상 맵(위상 이미지) φ₁(x,y),φ₂(x,y),…,φ_n(x,y)의 시리즈(900)가 개략적으로 도시된다. 이 경우 추가 파장은 더 넓은 범위의 광학 경로 길이 차이에 대해 높이 모호성을 보다 강력하게 해결하는 데 도움이 된다. 2D 위상 맵 세트의 각 지점(x,y)에 대해(도 10a의 각 맵 φ에 "X" 레이블로 표시됨), 광학 경로 길이 ΔL을 다음과 같이 계산한다. 특정 파장에서 위상을 선택하는 것으로 시작한다. 그런 다음 각 쌍의 인접한 파장에 대해, 고려 중인 지점에서 위상차 Δφ를 계산한다. 그런 다음 파수(wavenumber) k=2π/λ의 함수로 위상차를 누적할 수 있다. 이는 방정식 1의 적분에 대한 이산 근사를 수행하는 것과 유사하다.

방정식 1

파수의 함수로서 결과적인 누적 위상 차이는 도 9b에 예시된 선형 플롯(910)을 생성한다. 플롯(920)의 기울기는 관계 φ= 2π/λ

ΔL을 통해 광학 경로 차이 ΔL와 직접적으로 관련된다. 위상 맵 세트(900)의 각 지점에 대해 반복하면 광학 경로 길이 맵 ΔL(x,y)가 생성된다.

상기 다중 스펙트럼 위상 언래핑 기술은 본 발명의 실시예에 따른 시스템에 의해 획득된 스페클 파면 이미지에 직접 적용 가능하다. 단일 파장에서 획득된 스페클 파면의 랜덤 성질은 가간섭성 광과 샘플 자체의 상호 작용에 의해 유도된 큰 광학 경로 차이 ΔL의 랜덤 분포의 결과이다. 위에서 설명한 것처럼 광학 경로 차이는 반사 불투명 샘플의 경우 표면 거칠기, 반투명 타겟의 광 확산 또는 이 둘의 조합으로 인한 결과일 수 있다. 전형적인 광학 경로 차이는 파장 ΔL>λ보다 훨씬 크므로 단일 파장의 경우 위상 모호성이 있으며 이는 단독으로 취하면 광학 경로 차이를 확인하는 데 사용할 수 없다. 샘플의 구조는 광학 경로 차이와 직접적인 관련이 있으며, 후자는 모호하기 때문에 단일 파장 위상 이미지에서 샘플의 구조를 재구성하는 것은 사실상 불가능하다.

그러나, 파장 λ₁,λ₂,…,λ_n 의 세트에서 일련의 스페클 파면 이미지를 획득함으로써, 위에서 설명한 바와 같이 다중 스펙트럼 위상 언래핑을 수행할 수 있으며, 따라서 ΔL의 공간 분포의 동작 및 실제 추정을 획득할 수 있다. 반사성 샘플의 경우, ΔL은 관계 ΔL = 2h에 따라 표면 프로파일의 두 배이다. 투과성 샘플의 경우, 광학 경로 차이는 ΔL = t

Δn에 의한 굴절률 분포의 변동과 직접 관련되고, 여기서 t는 샘플 두께이고 Δn은 일부 참조 공칭 값으로부터의 굴절률의 편차이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 흐름(12)을 나타내는 흐름도이다. 이 실시예에서, 조명 소스는 여러 파장들에서 가간섭성 조명을 제공할 것이 요구된다. 이는, 예를 들어, 필터 휠(filter wheel)을 갖는 또는 튜닝가능한 필터들을 갖는 광대역 소스, 예를 들어, 튜닝가능한 음향 필터를 갖는 초연속 레이저를 사용함으로써 실현될 수 있다. 다른 예에 의해, 튜닝가능한 레이저 광원이 사용될 수 있다. 또 다른 예에 의해, 조명 모듈은 각각이 여러 파장들에서 여러 광원들을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 광원은 차례로 개별적으로 채용된다.

흐름(12)은 제1 파장에서 가간섭성 조명으로 샘플을 조명하는 동작(1002)으로 시작한다. 개개의 스페클 파면 이미지는 동작 (1004)에서 캡처되어 동작 (1006)에서 저장된다. 동작 (1008)에서, 샘플은 제2 파장으로 가간섭적으로 조명되고, 다시, 스페클 파면 이미지가 캡처되고(동작 1010) 저장된다(동작 1012). 이것은 나머지 모든 파장에 대해 반복된다(3개의 점 다음에 동작 (1014, 1016 및 1018)으로 도 10에 도시됨). 동작 (1020)에서 일련의 스페클 파면 이미지의 각 공간 지점에 대해, 위상 모호성이 방금 설명한 다중 스펙트럼 위상 언래핑 절차에 따라 결정된다. 이것은 광학 경로 차이 ΔL의 공간 분포를 생성한다. 샘플 유형 및 애플리케이션에 따라, 광학 경로 차이 ΔL의 공간 매핑을 사용하여 표면 프로파일, 굴저률 분포, 또는 양쪽의 조합을 추정할 수 있다(동작 1022에서). 예를 들어, 넓은 범위의 표면 프로파일이 계산될 수 있고(동작 1022에서), 가상 광 가간섭성 단층 촬영(OCT) 3D 깊이 프로파일이 획득될 수 있고(동작 1024에서 계산됨), 넓은 범위의 정량적 위상 이미지가 생성될 수 있다(동작 1026에서 계산됨).

일반성의 손실 없이, 스페클 파면 이미지들의 처리 및 위상 언랩핑(phase unwrapping)은 전술한 스펙트럼 이미지 취득 시퀀스와 함께 진행될 수 있음에 유의한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 다중 스펙트럼 회절 단층 촬영이 수행될 수 있다. 이는 상이한 조명 각도들의 세트에 대해 다중 스펙트럼 스페클 파면 이미징을 수행하는 것과 유사하다.

도 11a는 가간섭성 조명(1100)에 의해 위에서 조명된 L자형 반투명 물체 S를 도시한다. 계단형 굴절률 프로파일 Δn(1130)은 도 10을 참조하여 설명된 다중 스펙트럼 스페클 파면 이미징을 수행함으로써 획득된다. 그러나, 이 프로파일 Δn(1130)은 물체 S의 3D 굴절률 분포를 추론하기에 충분하지 않다. 도 11b 및 11c는 굴절률 프로파일 Δn (1130)과 유사한 굴절률 프로파일 Δn (1140 및 1150)을 생성하는 물체 (S₁ 및 S₂)를 도시한다. 다중 스펙트럼 스페클 파면 이미징은 방정식 2에 표시된 대로 전체 샘플 두께에 대한 총 누적 굴절률의 추정치를 제공하기 때문에 굴절률 프로파일은 유사하다.

방정식 2 ΔL = t

Δn

굴절률 프로파일의 모호성은 도 12와 같이 여러 조명 각도에서 다중 스펙트럼 스페클 파면 이미징을 수행하여 해결할 수 있다. 각 조명 각도 θ_i (1200, 1210, 1220)(i=1, 2, 3)은 각각 서로 다른 굴절률 프로파필 Δn_i (1230, 1240, 1250)을 생성한다. 그런 다음 역 라돈 변환과 같은 알려진 단층 촬영 기술을 사용하여 물체의 정확한 3D 굴절률 프로파일이 추정될 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(13)을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 동일한 도면 부호는 도 1, 2a-2b, 5a-5b, 6a-6b에서와 동일한 엘리먼트를 지정하기 위해 사용된다. 시스템(13)은 다중 스펙트럼 회절 단층 촬영을 수행하는 데 사용될 수 있는 다수의 다중 스펙트럼 조명 유닛(103, 105, 107)을 포함한다. 다른 구현예에 따르면(도 13에 미도시), 이동 가능한 조명 유닛은 상이한 각도들로부터 샘플(100)을 조명하기 위해 사용된다. 다른 구현예가 도 14에 개략적으로 예시되어 있다: 조명 유닛(102)은 점선으로 표시된 가변 조명 각도로 샘플(100)을 조명하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예(도 13 및 14에 미도시)에 따르면, 단일 조명 유닛이 수집 유닛(104)과 함께 이동된다. 다른 실시 예에 따르면, 샘플은 이동되어 조명 유닛, 수집 유닛, 또는 둘 모두에 대한 상대적 이동을 생성한다. 본 발명은 다중 각도 스펙트럼 이미징의 생성을 위한 방식에 의해 제한되지 않는다.

도 15는 다중 스펙트럼 회절 단층 촬영을 수행하기 위한 흐름 (51)을 나타내는 흐름도이다. 다중 스펙트럼 스페클 파면 이미징은 제1 조명 각도로 수행되고(동작 1500), 대응하는 공간 광학 경로 길이 매핑이 계산되고 저장된다(동작 1510). 동일한 동작들이 모든 다른 조명 각도들에 대해 반복된다. 이것은 도 15에서 동작(1520, 1530)과 3 개의 점 다음에 동작(1540 및 1550)으로 표현된다. 그 결과, 공간 광학 경로 길이 매핑들의 세트가 획득된다. 동작(1560)에서, 공간 광학 경로 길이 매핑들의 세트는 역 라돈 변환과 같은 단층 촬영 기술들을 사용하여 샘플의 3D 구조를 추정하는데 사용된다. 이 기술은 샘플을 통한 투과 뿐만 아니라 반사에도 적용 가능하다는 점에 유의한다.

본 발명의 다양한 실시예들의 모든 상기 논의들에서, 조명 유닛은 수집 유닛의 광학 기기로부터 분리된 것으로 취급되었다. 그러나, 일부 경우에, 이미징 광학 기기를 통해 샘플 상으로 광을 투사하는 조명 유닛을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이것은, 예를 들어, 도 16에 개략적으로 예시된 바와 같이 실현될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 우리는 도 1의 실시예와 비교하여 도 16의 실시예를 논의할 것이다: 도 16의 시스템(80)은 빔 스플리터 장치(112)를 가짐으로써 도 1의 시스템(10)과 상이하다. 빔 스플리터 장치(112)는 조명 경로에서 조명 유닛(102)과 이미징 광학 기기(106) 사이에 위치된다. 조명(IL)(점선)은 조명 유닛(102)으로부터 나와서, 빔 스플리터 장치(112) 및 이미징 광학 기기(106)를 통과하고, 샘플(100) 상에 충돌한다. 수집 경로에서, 빔 스플리터 장치(112)는 이미징 광학 기기(106)와 파면 이미징 센서(108) 사이에 위치된다. 샘플(100)로부터 반사되거나 이를 통해 투과된 광(CL)은 이미징 광학 기기(106) 및 빔 스플리터 장치(112)를 통과한 후, 파면 이미징 센서(108)에 도달한다. 일반성의 손실 없이, 본 발명의 다른 실시예에서, 빔 스플리터 장치(112)는 이미징 광학 기기(106)(도시 생략)의 전방에 배치될 수 있다. 마지막으로, 빔 스플리터의 임의의 배열에서, 1차 및 2차 스페클들의 형성을 위한 조건들이 종방향 및 공간적 가간섭성에 관한 관계들에서 이전에 설명된 바와 같이 유지되는 것을 보장하도록 주의해야 한다. 조명 및 수집 경로들의 공간적 가간섭성 사이의 후자의 이전에 설명된 관계(도 1, 도 5a 및 도 5b에 도시됨)는 또한 임의의 유형의 빔 스플리터 장치에 유지되어야 한다.

빔 스플리터 장치들은, 예를 들어, 도 2a-2b, 5a-5b, 6a-6b, 13, 및 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않으면서, 적절한 수정들 및 변경들로 본 발명의 다른 실시예들과 통합될 수 있다.

파면 이미징 센서는 스펙트럼적으로 민감할 수 있다. 스펙트럼 감도는 여러 방식으로, 예를 들어, (1) RGB(적색 녹색 청색) 베이어 필터(Bayer filter) 또는 다른 유형의 패턴과 같은 센서 픽셀 상의 컬러 필터 어레이(color-filter-array)를 사용함으로써; (2) 스펙트럼 필터를 사용함으로써; 또는 (3) 각각의 스펙트럼 채널에 대해 별개의 센서 픽셀 어레이를 갖는 이색성 프리즘(dichroic prism)을 사용함으로써 달성될 수 있다. 본 발명은 스펙트럼 감도를 달성하기 위한 방식에 의해 제한되지 않는다.

파면 이미징 센서의 스펙트럼 감도는 비가간섭성 조명 조건들 하에서 사용될 때 컬러 또는 하이퍼 스펙트럼 2D 이미지들을 획득하는 데 사용될 수 있다. 그러한 스펙트럼적으로 민감한 파면 이미징 센서는 조명기의 파장이 센서의 스펙트럼 감도 범위들 중 하나에 속한다는 것을 보장하는 한, 가간섭성 조명 하에서 스페클 파면을 캡처하기 위해 여전히 사용될 수 있다는 것에 유의한다.

또한, 센서의 전술한 스펙트럼 감도는 여러 파장 범위에 대한 다중 스펙트럼 스페클 파면 이미지의 동시 캡처를 수행하는 데 사용될 수 있다. 이러한 동시 캡처는 이전에 설명된 바와 같이 상이한 조명 파장들을 갖는 다중 스펙트럼 스페클 파면 이미지들의 순차적 캡처를 대체할 수 있다. 이러한 유형의 동시 다중 스펙트럼 이미지 캡처는 이미지 획득 시간을 단축시킬 수 있으며, 이는 다중 스펙트럼 파면 이미지 캡처 시퀀스 동안 시스템 처리량을 증가시키거나 샘플 이동에 대한 감도를 감소시키는 관점에서 유리할 수 있다.

일반성의 손실 없이, 스펙트럼상 민감한 파면 이미징 센서를 사용하는 다중 스펙트럼 스페클 파면 이미지들의 동시 캡처는 또한 스펙트럼 파면 이미지들의 순차적 캡처와 함께 사용될 수 있다. 선택적인 파장 범위들을 갖는 조명 소스가 사용될 수 있다. 예를 들어, 샘플은 여러 파장들로 동시에 조명될 수 있고 - 각각의 파장은 파면 이미지 센서에 의해 스펙트럼상에서 분리된다. 샘플은 각각이 또한 파면 이미지 센서에서 스펙트럼상에서 분리되도록 여러 상이한 파장으로 조명될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 파면 이미징 센서(108)는 PCT 특허 출원 공개 제WO2018/185740호에 설명된 광학 검출 시스템으로서 구성되며, 이는 본 명세서에 참고로 통합된다.

도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 시스템의 일부를 개략적으로 도시하며, 여기서 파면 이미징 센서(17)는, 일반적인 방사선 전파 방향에 대하여 인코더(1700)의 다운스트림에 미리 결정된 거리(L)에 위치된 검출기 어레이(1710) 및 인코더(1700)를 포함한다. 설명의 용이함을 위해, 파면 이미징 센서(17)가 수집 유닛(104)의 다른 부분들과 함께 도시되며 - 이미징 광학 기기(106)가 도시되고; 샘플(100) 및 인코더(1700) 상의 그 이미지(Img)가 도시된다. 파면 이미징 센서(17)는 제어 유닛(110)에 추가로 결합된다.

인코더(1700)는 (1) 검출기 어레이(1710)와 별개의 유닛으로서; (2) 검출기 어레이(1710)와 모놀리식으로 집적된 것으로서; 또는 (3) 예를 들어, 센서 어레이들에서 픽셀 필-팩터(fill-factor)들을 개선하기 위해 전형적으로 사용되는 마이크로 렌즈 어레이들을 제조하는데 사용되는 것들과 유사한 금속화 프로세스 단계들, 및/또는 프로세스 단계들을 사용하여, 센서 어레이를 제조하는데 사용되는 프로세스 스택의 부분으로서 실현될 수 있다.

파면 이미징 센서(17)는 복수의 단위 셀(도 17에 미도시)을 정의하는 주기적 패턴을 갖는 인코더(1700), 시스템을 통한 입력 광의 전체적인 전파 방향에 대해 단위 셀의 다운스트림의 임의 거리에 위치된 센서 셀(도 17에 미도시)의 어레이(1710)를 포함할 수 있다. 파면 이미징 센서(17)는 센서 셀들의 어레이(1710)에 의해 수집된 입력 데이터를 수신하고 인코더(1700)에 의해 수집된 입력 광의 상호 가간섭성을 나타내는 데이터를 결정하기 위해 인코더(1700)의 변조 함수에 관한 데이터에 따라 입력 데이터를 처리하도록 제어 유닛(110)에 결합된다.

센서 셀의 어레이(1710)는 복수의 서브 어레이 단위 셀(도 17에 미도시)을 정의할 수 있으며, 각각의 서브 어레이 단위 셀은 인코더(1700)의 복수의 단위 셀의 단위 셀에 대응하고, 및 미리 결정된 수 M의 센서 엘리먼트(도 17에 미도시)를 포함하는 각각의 서브 어레이 단위 셀을 포함한다.

인코더(1700)는 검출 평면을 정의할 수 있고, 광학 이미징 시스템에 의해 수집된 입력 광에 미리 결정된 변조를 적용하도록 구성되며, 미리 결정된 변조는 인코더(1700)의 각각의 단위 셀이 그에 대응하는 어레이(1710)의 서브 어레이 단위 셀 상으로 그리고 미리 결정된 근접 영역 내의 하나 이상의 이웃하는 서브 어레이 단위 셀 상으로 입사하는 수집된 입력 광의 일부를 지향시키는 것을 제공한다.

미리 결정된 수 M은 미리 결정된 근접 영역 내 어레이(1710)의 미리 결정된 수의 서브 어레이 단위 셀에 따라 결정될 수 있다.

어레이(1710)의 서브 어레이 단위 셀의 미리 결정된 수 M은 해당 (M≥2n_R+1) 조건을 만족하도록 선택될 수 있으며, 여기서 n_R은 미리 결정된 근접 영역 내의 이웃하는 서브 어레이 단위 셀의 미리 결정된 수이다.

어레이(1710)의 서브 어레이 단위 셀들의 미리 결정된 수(M)의 센서 엘리먼트들은 수집된 입력 필드의 상호 가간섭성 정보의 재구성에 사용하기 위해 선택된 미리 결정된 수의 가간섭성 매트릭스 기저 함수(basis function)들에 따라 선택될 수 있다.

인코더(1700)의 단위 셀들의 배열은, 인코더(1700)의 각각의 단위 셀이 파면 이미징 센서(17)에 의해 생성된 이미지 데이터의 픽셀과 관련되도록, 수집된 광의 이산화된 단위 측정을 정의할 수 있다.

인코더(1700)의 단위 셀들의 물리적 치수는 인코더에 입사하는 수집된 광의 회절 제한 스팟에 대응할 수 있다. 예를 들어, 인코더(1700)의 단위 셀들의 물리적 치수는 회절 제한 스팟의 0.1 ~ 0.25 범위일 수 있다.

인코더(1700)는 하나 이상의 선택된 파장 범위의 광을 수집하고 인코딩하도록 구성될 수 있다.

인코더(1700)는 미리 정해진 파장 범위 내의 입력 광에 미리 정해진 변조를 적용하도록 구성될 수 있다.

센서 셀들의 어레이(1710)는 둘 이상의 파장 범위들의 광 강도를 개별적으로 검출하도록 구성된 센서 셀들을 포함할 수 있다.

도 18은 도 17의 파면 이미징 센서(17)의 양태를 도시한다. 도 18은 인코더(1700) 및 검출기 어레이(1710)를 도시한다. 도 18은 또한 피치(p)를 갖는 인코더(1700)의 단일 단위 셀(1822)을 통해 투과되고 검출기 어레이(1710)를 향해 거리(L)를 전파하는 입력 광(SI)을 도시한다.

검출기 어레이(1710)에 의해 (강도 검출에서) 검출될 수 있는 기본 응답 함수(fundamental response function)(FR)가 형성된다. 설명의 편의를 위해, 기본 응답 함수(FR)의 2차원 구성이 도시된다. 기본 응답 함수(FR)는 인코더(1700)의 다운스트림으로 전파되고, 인코더(1700)의 단위 셀에 충돌하는 임펄스 광 필드(예를 들어, 이미징 시스템(106)의 회절 제한 스팟 여기, 또는 가우시안, 직사각형, 또는 델타 함수와 유사한 형태)로부터 발생하는 광 필드의 복소 데이터(진폭 및 위상)에 관한 것이다.

일반적으로, 단일 단위 셀(1822)과 연관된 인코더(1700)의 영역을 통한 광 통과, 및 이의 기본 응답은 파면 이미징 센서(18)에 의해 수집된 강도 분포 데이터를 처리하는데 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 인코더의 단일 단위 셀(1822) 상으로 지향된 입력 광 필드(SI)는 미리 결정된 광 변조를 겪고, 서브 채널들(1830)을 통해 검출기 어레이(1710)를 향해 전파된다.

일반적으로, 단일 단위 셀(1822)에 의해 제공되는 변조는 연속적이어서, 실질적으로 연속적인 기본 응답 함수(FR)를 제공한다. 그러나, 완벽을 위해 5개의 서브 채널들(D-2 내지 D+2)을 표시하는 화살표들이 예시된다. 전술된 바와 같이, 이들 서브 채널들은 이산 회절 차수(discrete diffraction order)들로서 취급될 수 있으며, 이는 통상적으로 인코더(1700)의 주기성으로부터 기인한다. 전술한 바와 같이, 특정 인코더 단위 셀(unit-cell)(1822)은 서브 채널들(1830)을 통해 근접 영역(PR) 내의 다수의 검출기 서브 어레이들로 광을 투과시킨다. 이 관계는 단일 단위 셀(1822)과 연관된 단일 서브 어레이(1842)가 또한 유사한 근접 영역에서 정의된 이웃 인코더 단위 셀들로부터 적절한 서브 채널들(1830)을 통해 그에 충돌하는 광을 투과시킨다는 이중 진술과 동등하다.

위에서 나타낸 바와 같이, 인코더(1700)의 상이한 단위 셀들과 연관된 서브 어레이들(1842) 또는 검출기 어레이(1840) 내의 센서 셀들(M)의 수는 인코더의 패터닝 및 특정 근접 영역(PR) 내에서 단위 셀(1822)로부터 서브 어레이들(1842)로 광 성분들을 투과시키는 서브 채널들의 수에 따라 선택될 수 있다.

추가적으로, 센서 셀들의 수(M)는 선택된 기저 재구성들에 따라 선택될 수 있어서, 감소된 수의 센서 셀들과 함께 수집된 광의 위상 또는 가간섭성 매핑의 효과적인 재구성을 가능하게 한다.

일반적으로, 기본 응답 함수 (FR)은 근접 영역 PR 외부에서 무시할 수 있는 값으로 떨어진다. 예를 들어, 인코더(1700)의 패턴은 예를 들어, 가장 가까운 이웃의 상호작용, 다음으로 가장 가까운 이웃 등을 정의하는, 하나, 둘 또는 그 이상의 이웃 단위 셀과 연관된 광 성분과 수집된 광의 상호작용을 제공하도록 구성될 수 있다. 추가로, 이웃의 상호작용 수준은 파면 이미징 센서(17)의 다른 가로축 (x 및 y)에 대해 상이할 수 있다.

일반적으로, 각 단위 셀(1822)과 연관된 센서 셀의 수 M은 M≥ 2n_R + 1 이상으로 선택되며, 여기서 n_R은 근접 영역(PR)에서 이웃하는 단위 셀의 총 수이다. n_R은 주어진 단위 셀에 대한 모든 인접 단위 셀 상호 작용의 수이지만, 각 상호 작용은 한 번만 계산된다. 그러나, 위에서 지적한 바와 같이, 일부 구성에서, 센서 셀의 수 M은 수집 필드의 재구성에 사용되는 기본 함수의 수에 따라 감소될 수 있다. 예를 들어, 광학 인코더(1700)가 단위 셀과 그 오른쪽에 있는 가장 가까운 이웃 및 그 위의 가장 가까운 이웃 사이의 상호작용을 생성하도록 구성되면, n_R = 2이다. 이 특정 단위 셀은 또한 단위 셀과 그것의 왼쪽과 아래와 상호작용을 가질 것이다. 다만, 이러한 상호작용은 상호작용을 두 번 계산하지 않도록 좌우 각각의 이웃하는 단위셀에 속하는 것으로 계산한다. 근접 영역이 x 및 y 축을 따라 상호 작용으로 분리 가능한 경우, M≥ (2n_xR + 1) (2n_yR + 1), 여기서 n_xR은 x축을 따라 이웃하는 단위 셀 상호 작용의 수이고 n_yR은 y축을 따라 이웃하는 단위 셀 상호 작용의 수이다. 이전과 마찬가지로 상호 작용의 수 n_xR 및 n_yR은 상호 작용이 두 번 계산되지 않도록 단면 방식(single-sided fashion)으로 카운트된다.

본 명세서에 설명된 바와 같은 본 발명의 실시예들은 수집된 광의 강도, 위상, 및 가간섭성을 나타내는 데이터를 결정하기 위한 광학, 스페클 기반 이미징 시스템들 및 대응하는 방법들을 제공한다.

따라서, 본 발명의 실시 예들은 예시적으로 인용되는 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아님을 이해할 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 전술한 다양한 피처들의 조합 및 서브 조합 뿐만 아니라 전술한 설명을 읽을 때 당업자에게 발생할 수 있고 종래 기술에 개시되지 않는 그 변형 및 수정 모두를 포함한다.

당업자는 다양한 수정들 및 변경들이 첨부된 청구항들에 의해 그리고 그에 의해 정의된 범위를 벗어나지 않고 앞서 설명된 바와 같은 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

Claims (24)

1. 광학 스페클 기반 이미징 시스템(optical speckle-based imaging system)에 있어서,
   샘플을 조명하기 위한 적어도 하나의 가간섭성 광원(coherent light source)을 포함하는 조명 유닛;
   상기 샘플로부터 입력 광을 수집하기 위한 수집 유닛, - 상기 수집 유닛은 이미징 광학 기기(imaging optics) 및 파면 이미징 센서(wavefront imaging sensor)로 구성됨-; 및
   상기 입력 광을 분석하고 스페클 파면 이미지(speckle wavefront image)를 생성하기 위해 상기 조명 유닛 및 상기 수집 유닛에 결합된 제어 유닛을 포함하고,
   상기 적어도 하나의 가간섭성 광원은 상기 샘플에 또는 상기 샘플 상에 1차 스페클(primary speckle)을 생성하기 위한 것이고, 상기 이미징 광학 기기는 상기 샘플에 또는 상기 샘플 상에 상기 조명 유닛에 의해 유도된 2차 스페클 패턴을 캡처하기 위한 것인, 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 조명 유닛의 출사 동공(exit pupil)은 상기 이미징 광학 기기의 입사 동공(entrance pupil)보다 작은, 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 제어 유닛은, 상기 출사 동공의 크기, 상기 입사 동공의 크기 및 이들 사이의 관계 중 적어도 하나에 영향을 미치는 것인, 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가간섭성 광원은 (1) 상기 샘플의 광학 확산 길이 및 (2) 상기 샘플의 표면 거칠기 중 적어도 하나보다 큰 시간적 가간섭성 길이를 갖는, 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 가간섭성 광원은 공간 가간섭성 길이(spatial coherence length)를 갖고; 상기 수집 유닛은 포인트-확산-함수(point-spread-function)의 공간 가간섭성 길이를 갖고; 상기 샘플 상으로 투사된 상기 가간섭성 광원의 공간 가간섭성 길이는 상기 이미징 광학 기기를 통해 상기 샘플 상으로 투사된 상기 수집 유닛의 포인트-확산-함수의 공간 가간섭성 길이보다 큰, 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 조명 유닛의 광학 속성 및 상기 수집 유닛의 광학 속성은, 상기 샘플 상에 이미징될 모든 지점에 대해, 상기 샘플 상의 임의의 지점으로부터 볼 때 상기 수집 유닛의 광학 개구에 의해 경계가 정해지는(subtend) 각도(angle)가 상기 샘플 상의 동일한 지점으로부터 볼 때 상기 조명 유닛의 광학 개구에 의해 경계가 정해지는 각도보다 더 크도록 선택되는, 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 조명 유닛은 조명 각도의 경계를 정하는 조명 개구를 갖고, 상기 수집 유닛은 수집 각도의 경계를 정하는 수집 개구를 갖고, 상기 제어 유닛은 조명 광학 속성에 영향을 미치기 위해 상기 조명 유닛에 추가로 결합되고, 또한 이미징될 샘플 상의 모든 지점에 대해, 상기 샘플 상의 임의의 지점으로부터 볼 때 상기 수집 각도가 상기 샘플 상의 동일한 지점으로부터 볼 때 상기 조명 각도보다 더 크게 형성되도록 상기 수집 광학 속성에 영향을 미치는, 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 수집 유닛은 스페클 강도, 스페클 파면, 및 스페클 가간섭성(speckle coherence) 중 적어도 하나를 나타내는 데이터를 측정하는 시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 조명 유닛은 비가간섭성 광원을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은 비가간섭성 조명에 응답하여 라이트 필드 이미지(light field image)를 생성하는, 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 제어 유닛은 가간섭성 광(coherent light) 및 비가간섭성 광(incoherent light)을 선택적으로 제공하도록 상기 조명 유닛을 동작시키는, 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 조명 유닛은 비가간섭성 광원(incoherent light source)을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 비가간섭성 광의 공간 가간섭성 길이(spatial coherence length)가 상기 수집 유닛의 상기 이미징 광학 기기의 공간 가간섭성 길이보다 짧도록 상기 조명 유닛의 개구(aperture)를 동작시키는, 시스템.
12. 제1항에 있어서, 상기 파면 이미징 센서는,
    플렌옵틱 카메라(plenoptic camera);
    라이트 필드 카메라(light field camera);
    샤크-하르트만(Shack-Hartmann); 및
    복수의 유사한 단위 셀(unit cell)을 갖는 인코더(encoder)와 상기 파면 이미징 센서를 통한 입력 광의 전체적인 전파 방향에 대해 상기 단위 셀의 다운스트림의 임의 거리에 위치된 센서 셀들의 어레이를 포함하는 가간섭성 카메라 파면 센서(coherence camera wavefront sensor)으로 구성된 그룹 중 하나이고, 상기 센서 셀들의 어레이는 복수의 서브 어레이 단위 셀(sub-array unit cell)을 정의하고, 각각의 서브 어레이는 상기 인코더의 상기 복수의 단위 셀들 중의 하나의 단위 셀에 대응하고, 각각의 서브 어레이는 미리 결정된 수의 M개의 센서 엘리먼트를 포함하고, 상기 인코더는 상기 인코더의 각각의 단위 셀이 대응하는 서브 어레이 단위 셀 및 미리 결정된 근접 영역 내의 하나 이상의 이웃하는 서브 어레이 단위 셀 상으로 입사하는 상기 입력 광의 일부를 지향시키도록 상기 입력 광에 미리 결정된 변조를 적용하고, 상기 미리 결정된 수의 M은 상기 미리 결정된 근접 영역 내의 미리 결정된 수의 서브 어레이들 단위 셀들에 따라 결정되는, 시스템.
13. 제1항에 있어서,
    상기 조명 유닛은 가간섭성 광(coherent light), 부분 가간섭성 광(partially coherent light), 및 비가간섭성 광(incoherent light)으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나의 광을 제공하는 것이고,
    상기 조명 유닛은 또한 가변 광학 속성들의 세트로서 광을 제공하기 위한 것이며, 상기 광학 속성들은 : 선택된 파장 범위들, 선택된 시간적 가간섭성 범위들, 선택된 조명 방향들로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; 및
    상기 제어 유닛은 : 강도 맵(intensity map), 파면 맵(wavefront map), 및 가간섭성 맵(coherence map)으로 구성된 그룹 중 하나 이상을 생성하도록 된, 시스템.
14. 이미징 방법에 있어서,
    가간섭성 광으로 샘플을 조명하는 단계;
    이미징 광학 기기(imaging optics) 및 파면 이미징 센서로 구성된 수집 유닛에 의해 상기 샘플로부터 오는 입력 광을 캡처하는 단계;
    상기 수집 유닛에 결합된 제어 유닛에 의해, 상기 입력 광을 분석하고 스페클 파면 이미지를 생성하는 단계를 포함하고,
    적어도 하나의 가간섭성 광원은 상기 샘플에 또는 상기 샘플 상에 1차 스페클들을 생성하기 위한 것이고, 상기 이미징 광학 기기는 상기 샘플에 또는 상기 샘플 상에 상기 조명 유닛에 의해 유도된 2차 스페클 패턴을 캡처하기 위한 것인, 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 조명 유닛의 출사 동공(exit pupil)의 크기는 상기 이미징 광학 기기의 입사 동공(entrance pupil)의 크기보다 작은, 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 제어 유닛은 상기 출사 동공의 크기 및 상기 입사 동공의 크기, 및 이들 사이의 관계 중 적어도 하나에 영향을 미치는, 방법.
17. 제15 항에 있어서, 상기 샘플로부터 오는 적어도 하나의 추가적인 입력 광을 캡처하고 분석하여 적어도 하나의 추가적인 스페클 파면 이미지를 생성하는 단계, 및 상기 스페클 파면 이미지 및 상기 적어도 하나의 추가적인 스페클 파면 이미지에 기초하여 샘플 변형(sample deformation)을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 샘플 변형을 계산하는 단계는 하나 이상의 쌍의 스페클 파면 이미지들 사이의 로컬 틸트(local tilt)의 변화를 결정함으로써 수행되는, 방법.
19. 제18항에 있어서, 시공간 변형 맵들의 시간 시퀀스를 계산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
20. 제19항에 있어서,
    시공간 변형 맵(spatio-temporal deformation map)의 시간 시퀀스를 분석하고 상기 샘플 내의 특정 관심 영역을 선택하는 단계;
    상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 상기 샘플과 샘플 주변환경 사이를 구별하는 단계;
    상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 상기 샘플의 전체 움직임과 로컬 변형 또는 진동 사이를 구별하는 단계;
    상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 공간적 세그먼트화(segmentation)를 수행하는 단계;
    상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 시간적 세그먼트화를 수행하는 단계;
    상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 음향 신호를 추출하는 단계;
    상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 바이오메트릭 파라미터를 측정하는 단계;
    상기 시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 기계적 진동 모드를 매핑하는 단계로 이루어진 그룹의 적어도 하나의 단계를 추가로 포함하는, 방법.
21. 제14항에 있어서,
    공간적으로 비가간섭성 광(incoherent light) 및 주변 광(ambient light) 중 적어도 하나로 얼굴 또는 그 일부를 조명하는 단계;
    비가간섭성 파면 이미지를 캡처하는 단계;
    2차원(2D) 강도 이미지 및 깊이 맵을 계산하는 단계;
    고유 3차원(3D) 얼굴 인식 데이터를 추출하는 단계;
    상기 얼굴 인식 데이터를 저장된 고유 3차원(3D) 샘플 인식 데이터와 비교하는 단계; 및
    인식 수락 또는 거부 결정을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
22. 제19항에 있어서,
    시공간 변형 맵의 시간 시퀀스를 분석하고 시공간 바이오메트릭 파라미터들을 추출하는 단계;
    고유 바이오마커를 추출하는 단계;
    상기 고유 바이오마커를 저장된 고유 바이오마커와 비교하는 단계; 및
    인식 수락 또는 거부 결정을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
23. 제14항에 있어서,
    일련의 파장에 대해 조명, 캡처, 분석 및 생성 동작을 반복하는 단계;
    다중 스펙트럼 위상 언래핑(multi-spectral phase unwrapping)을 수행하는 단계; 및
    표면 프로파일 추정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
24. 제14항에 있어서,
    다양한 각도들에 대해, 파장들의 시퀀스에 대해 조명, 캡처, 분석, 및 생성 동작들을 반복하고, 다중 스펙트럼 위상 언래핑을 수행하는 단계; 및
    3차원 회절 단층 촬영 굴절률 분포를 계산하는 단계를 더 포함하는, 방법.

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