KR20230078528A - 디지털 홀로그래픽 계측 장치 - Google Patents

디지털 홀로그래픽 계측 장치 Download PDF

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KR20230078528A
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임용준
오관정
추현곤
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 개시에 따른, 디지털 홀로그래픽 계측 장치는, 디지털 홀로그래피 신호를 출력하는 제1 공간 광변조기; 및 상기 디지털 홀로그래피 신호에 대한 스펙트럼 신호가 입력되고, 상기 스펙트럼 신호를 회절하여 출력 신호를 생성하는 제2 공간 광변조기를 포함할 수 있다

Description

디지털 홀로그래픽 계측 장치 {Apparatus for measuring digital holographic}
본 개시는 복수의 공간 광변조기를 이용한 디지털 홀로그래픽 계측 장치에 관한 것이다.
디지털 홀로그래피는 가간섭성 광원인 레이저를 이용하여 빛의 밝기 정보와 위상정보를 동시에 기록할 수 있는 기술이다. 이러한 특징을 바탕으로, 디지털 홀로그래피는, 3차원 영상을 재생하는 홀로그래픽 디스플레이 및 홀로그래픽 프린팅 장치, 대용량 저장매체인 홀로그램 저장장치, 3차원 이미징을 위한 홀로그래픽 현미경 및 홀로그래피 계측 방법 등 다양하게 활용되고 있다.
본 개시는 복수의 공간 광변조기를 이용한 디지털 홀로그래픽 계측 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시에 따른, 디지털 홀로그래픽 계측 장치는, 디지털 홀로그래피 신호를 출력하는 제1 공간 광변조기; 및 상기 디지털 홀로그래피 신호에 대한 스펙트럼 신호가 입력되고, 상기 스펙트럼 신호를 회절하여 출력 신호를 생성하는 제2 공간 광변조기를 포함할 수 있다.
본 개시에 대하여 위에서 간략하게 요약된 특징들은 후술하는 본 개시의 상세한 설명의 예시적인 양상일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 개시에 의하면, 복수의 공간 광변조기를 이용함으로써, 해상도 및 측정 영역을 확장시킨 디지털 홀로그래픽 계측 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 한 개의 광학 렌즈로 구성된 모델의 개구수를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른, 3차원 직교 좌표축에 대한 공간 광변조기들의 배치 구조를 예시한 도면이다.
도 3은 도 2의 배치도에 제3 렌즈가 추가 배치된 예를 나타낸다.
도 4는 도 2에 대응하는 간섭계의 구조를 상세히 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 구조체에, 레이저 광원이 추가로 배치된 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 디지털 홀로그래피 계측 장치의 구성을 나타낸다.
본 개시는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 개시를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 후술하는 예시적 실시예들에 대한 상세한 설명은, 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 실시예를 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 다양한 실시예들은 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 개시의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 실시예의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 예시적 실시예들의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
본 개시에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 개시의 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있으나, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결 되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 개시의 실시예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능들을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 하드웨어나 하나의 소프트웨어 구성단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 포함한 것으로 각 구성부 중 적어도 두개의 구성부가 합쳐져 하나의 구성부로 이루어지거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있고 이러한 각 구성부의 통합된 실시예 및 분리된 실시예도 본 개시의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 개시의 권리범위에 포함된다.
본 개시에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 개시에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 본 개시에서 특정 구성을 "포함"한다고 기술하는 내용은 해당 구성 이외의 구성을 배제하는 것이 아니며, 추가적인 구성이 본 개시의 실시 또는 본 개시의 기술적 사상의 범위에 포함될 수 있음을 의미한다.
본 개시의 일부의 구성 요소는 본 개시에서 본질적인 기능을 수행하는 필수적인 구성 요소는 아니고 단지 성능을 향상시키기 위한 선택적 구성 요소일 수 있다. 본 개시는 단지 성능 향상을 위해 사용되는 구성 요소를 제외한 본 개시의 본질을 구현하는데 필수적인 구성부만을 포함하여 구현될 수 있고, 단지 성능 향상을 위해 사용되는 선택적 구성 요소를 제외한 필수 구성 요소만을 포함한 구조도 본 개시의 권리범위에 포함된다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시의 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 명세서의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하고, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
미세한 구조 또는 3차원 구조 등 정밀한 구조 측정을 위해서는, 높은 개구수(NA, Numerical Aperture)를 갖는 광학 구조 기기를 이용하여야 한다. 하지만, 일반적으로 해상도를 높이는 경우, 필연적으로 측정영역이 줄어드는 문제가 발생되고, 반대로 측정영역이 늘어나면 해상도가 떨어지는 문제가 발생한다.
또한, 광계측 기술에 있어서, 광학계의 개구수에 의해서 물리적으로 해상도를 높이는 것은 한계가 있다. 일반적으로, 위 한계는 회절 한계 (DIFFRACTION LIMIT) 로 설명 가능하고, 회절 한계는, 다음의 수학식 1과 같이 기술될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서와 같이, 광학적 분해능 한계는, 상수 k와 적용 광원의 파장의 길이 λ(wavelength, 단위는 m)에 비례하고, 적용 광학계의 개구수(Numerical aperture)에 반비례한다. 여기서, 상수 k는, 통상 Rayleigh criterion에 의해서 약 0.61의 값을 가질 수 있다.
통상적인 광 계측기에서의 광학계는, 한 개의 광학 렌즈를 적용하는 모델로 설명이 가능하다.
도 1은 한 개의 광학 렌즈로 구성된 모델의 개구수를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에서, D는 렌즈의 직경 크기(즉, diameter)를, f는 초점 거리를, θ는 각도를 나타낸다.
개구수는 다음의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식 2에서, n은 렌즈를 둘러싸고 있는 물질의 굴절률을 나타낸다.
광학적 분해능 한계는, 공간주파수(spatial frequency) 관점에서도 설명이 가능하다. 구체적으로, 적용 광원(일반적으로, 측정 대상인 피사체를 비추는 조명용 광원)의 파수(wavenumber)를 k라고 할 때, 파수는 다음의 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00003
빛의 3차원 직교 공간상에서의 진행방향을 z 축 방향이라고 할 때, 파수벡터(wavevector)는 다음의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다
Figure pat00004
위 결과에 따라, 조명 광원의 진행 방향에 대한 횡단면(transversal plane)의 수평방향 해상도와종축(longitudinal 또는 axial) 방향의 해상도는 다음의 수학식 5과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00005
수학식 5에 정의된 바와 같이, 광원의 파장 길이 λ와 개구수 NA에 의해, 측정 가능한 해상도, 즉, 광학적 분해능이 결정될 수 있다.
위 내용에 비추어 보면, 현미경 또는 대물렌즈(microscope objective lens) 등은, 확대 배율이 클수록, 높은 값의 해상도를 갖게 되고, 이에 따라, 높은 분해능을 제공한다. 그러나, 확대배율이 클수록, 볼 수 있는 영역의 크기, 즉, 측정 면적 또는 측정 영역이 줄어드는 문제점이 발생하게 된다.
즉, 반도체 또는 디스플레이 등의 산업 영역에서, 높은 해상도의 광학계를 적용하게 되면, 더 미세한 구조를 볼 수 있는 반면, 측정 영역이 줄어들게 되어 전체적인 구조의 측정시간에 많은 시간이 소요되게 된다. 반면, 넓은 영역을 측정하기위해서 낮은 배율의 광학계를 적용하게되면, 낮은 해상도로 인해 측정 정확도가 떨어지게 된다.
위와 같은 문제점을 해소하기 위해, 본 개시에서는, 복수의 공간 광변조기들로 구성된 광 계측기, 구체적으로, 간섭계를 제안한다. 구체적으로, 복수 공간 광변조기들을 이용하여 간섭계를 구성함으로써, 해상도를 향상시키는 한편, 측정 면적도 증가시킬 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른, 3차원 직교 좌표축에 대한 공간 광변조기들의 배치 구조를 예시한 도면이다.
도 2에 도시된 예에서와 같이, 간섭계는, 제1 공간 광변조기(100) 및 제2 공간 광변조기(200) 사이에는 제1 렌즈(50)이 배치되고, 제2 공간 광변조기(200)의 출력 신호는 제2 렌즈(150)로 전달되는 구조를 갖는다.
제1 공간 광변조기(100)가 위치하는 제1 공간 광변조기 평면(x0,y0)에는, 피사체(즉, 측정 대상 물체) 평면을 원하는 형태의 패턴을 형성할 수 있는 영상 신호가 출력된다. 일 예로, 제1 공간 광변조기 평면에는, 특정한 형태를 만들 수 있는 진폭 영상 또는 빛의 위상변조를 할 수 있는 컴퓨터 생성 홀로그램 등과 같은 영상 신호가 출력될 수 있다.
제2 공간 광변조기(200)가 위치하는 제2 공간 광변조기 평면(x1, y1)에는, 제1 공간 광변조기(100)의 출력 신호가 제1 렌즈(50)를 통과하면서 생성된 스펙트럼 신호가 위치한다. 일 예로, 제2 공간 광변조기 평면에는 제1 공간 광변조기(100) 출력 신호의 푸리에(FOURIER) 변환된 신호가 출력될 수 있다.
즉, 제1 공간 광변조기(100)에 출력되는 신호를 F(x0,y0)이라 할 경우, 상기 F(x0,y0)의 푸리에 변환 신호 F.T.{ F(x0,y0)}가 제2 공간 광변조기(200)가 위치하는 곳에 나타나게 된다.
제2 공간 광변조기(200)는 2차원의 주기적인 구조를 갖는다. 이에 따라, 제2 공간 광변조기(200)는, 물리적으로, 푸리에 변환 신호 F.T.{F(x0,y0)}에 해당하는 영상 스펙트럼 신호의 회절 신호를 생성하는 기능을 담당하게 된다.
즉, 제1 공간 광변조기(100)에 출력되는 광 출력 신호는 제1 렌즈(50)에 의해 푸리에 변환되고, 그 결과, 스펙트럼 형태의 신호가, 제2 공간 광변조기(200)의 입력 신호가 된다. 나아가, 제2 공간 광변조기(200)는, 입력 신호에 기초하여, 회절 신호를 생성한다. 최종적으로, 제2 렌즈(150)에 의해서 회절된 신호가 피사체 평면으로 전달되며, 전달된 회절 신호는 피사체의 투과 특성 및/또는 반사 특성에 따라, 피사체를 투과하거나 피사체로부터 반사된다.
결과적으로, 제2 공간 광변조기(200)는 2차원구조의 회절 격자로서의 기능을 수행하는 것으로 요약될 수 있다.
즉, 제2 공간 광변조기(200)는, 0차항, 1차 회절, 및/또는 2차 회절 등과 같은 회절 현상을 일으켜, 제1 렌즈에 의해 생성된 제1 공간 광변조기의 푸리에 스펙트럼 신호 F.T{F(x0,y0)}를 물리적으로 회절하게 된다.
제2 공간 광변조기(200)는, 진폭 변조 형태의 공간 광변조기일 수 있다. 진폭 변조 형태의 공간 광변조기에 주로 적용되는 디지털 마이크로 미러 소자(DMD, Digital Micro-mirror Device)에 의해 회절되어 생성되는 출력 신호는 다음의 수학식 6과 같이 수학적으로 표현될 수 있다.
Figure pat00006
상기 수학식 6에서, I(x1, y1)은 푸리에 변환된 신호 F.T{F(x0, y0)}를 나타낸다. 나아가, p는, 제2 공간 광변조기(예컨대, DMD가 적용된 공간 광 변조기, 200)의 픽셀 간격을 나타내고, M 및 N은 각각 수평방향의 픽셀수 및 수직방향의 픽셀수를 나타낸다. m 및 n은 각각 수평방향의 회절 차수 및 수직방향의 회절차수 n를 나타내고, θinc 및 θref는 각각 공간 광변조기로 입사하는 빛의 입사각 및 공간 광변조기에서 반사되는 빛의 반사각을 나타낼 수 있다.
ψ는 DMD의 on off 상태에 따른 기울어짐 각을 나타낸다.
수학식 6의 출력 신호 I(x2, y2)는, 피사체를 조명하는 광원이 되며, 상기 광원에서 출력되는 광은 피사체의 특성에 따라 피사체를 통과 또는 반사하게 된다.
결과적으로, 도 2에 개시된 간섭계는, 제1 공간 광변조기(100)의 출력 신호의 스펙트럼을 형성하기 위한 구조, 상기 스펙트럼이 형성되는 곳에 제2 공간 광변조기(200)를 배치하여 입력 광원을 변조하는 구조, 및 2차원 구조의 회절 광학 소자(diffractive optical element)의 역할을 할 수 있는 제2 공간 광변조기(200)를 적용하는 구조를 포함할 수 있다.
피사체를 비추는 조명 방법은 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH, Computer-generated holography)을 이용하여 다양하게 조절될 수 있다. 일 예로, 푸리에 홀로그램(Fourier hologram), 프레넬 홀로그램(Fresnel Hologram) 또는 시야창 기반 홀로그램(Viewing window based Hologram)이 입력 신호 F(x0,y0)를 구성 할 수 있다. 또한, CGH 생성 방법에 따라, 도 2에 도시된 배치 구조에 제3 렌즈를 추가 배치할 수도 있다.
도 3은 도 2의 배치도에 제3 렌즈가 추가 배치된 예를 나타낸다.
제1 공간 광변조기에 입력되는 컴퓨터 생성 홀로그램의 특성에 따라, 도 3에 도시된 예에서와 같이, 제3 렌즈(250)가 추가 배치된 구조가 이용될 수 있다.
도 4는 도 2에 대응하는 간섭계의 구조를 상세히 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 구조체에, 레이저 광원이 추가로 배치된 도면이다.
도 5에 도시된 예에서, 광섬유(20)는 레이저(10)로부터 출력되는 광원을 빔확대기(30)에 전달하고, 빔확대기(30)는 전달된 광원이 제1 공간 광변조기(100) 전체를 비출 수 있는 크기로 확대할 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 4 및 도 5의 간섭계를 이용한 디지털 홀로그래피 계측 장치의 구성을 나타낸다.
도 6은 피사체가 빛을 투과하는 특성을 갖는 경우에 대한 것이고, 도 7은 피사체가 빛을 반사하는 특성을 갖는 경우에 대한 것이다.
디지털 홀로그래피 계측을 위해, 광섬유 분배기(40)를 통해 레이저 광원을 둘로 나눌 수 있다. 두개의 광원은 각각 제1 광섬유(20) 및 제2 광섬유(22)와 연결되고, 제1 광섬유(20) 및 제2 광섬유(22)는 각각 제1 빔 확대기(30) 및 제2 빔 확대기(32)로 광원을 전달할 수 있다.
제2 빔 확대기(32)를 통과한 광원은 디지털 홀로그래피에서의 참조(reference)광 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로, 제2 빔확대기(32)를 통과한 참조광과 피사체를 통과한 신호(signal)광은, 광결합기(60)를 통하여 간섭무늬를 형성하게 된다. 간섭무늬는, 간섭무늬 측정용 촬상소자(예컨대, CMOS 또는 CCD 이미지센서를 적용한 카메라, 70)에 의해서 촬영되고, 이를 바탕으로 투과형 피사체에 대한 간섭무늬가 측정될 수 있다.
제3 렌즈가 추가된 경우는 도 8 및 도 9와 같이, 디지털 홀로그래피 계측 장치가 구성될 수 있다.
도 8은 피사체가 빛을 투과하는 특성을 갖는 경우에 대한 것이고, 도 9는 피사체가 빛을 반사하는 특성을 갖는 경우에 대한 것이다.
상술한 실시예는 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 개시는 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다.
10 : 레이저
20 : 광섬유
30 : 빔확대기
40 : 광섬유 분배기
50 : 제1 렌즈
60 : 광 결합기
70 : 간섭무늬측정용 촬상소자
100 : 제1 공간 광변조기
150 : 제2 렌즈
200 : 제2 공간 광변조기
250 : 제3 렌즈

Claims (1)

  1. 디지털 홀로그래피 신호를 출력하는 제1 공간 광변조기; 및
    상기 디지털 홀로그래피 신호에 대한 스펙트럼 신호가 입력되고,
    상기 스펙트럼 신호를 회절하여 출력 신호를 생성하는 제2 공간 광변조기를 포함하는 디지털 홀로그래픽 계측 장치.
KR1020220153921A 2021-11-26 2022-11-16 디지털 홀로그래픽 계측 장치 KR20230078528A (ko)

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