WO2018147631A1 - 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치 - Google Patents

색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치 Download PDF

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WO2018147631A1
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chromatic aberration
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신인희
송우섭
엄주범
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한국광기술원
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for implementing a confocal image using a chromatic aberration lens, and more particularly, to a confocal image using a chromatic aberration lens for quickly acquiring a plurality of tomography images without moving a light source unit or an object up and down.
  • An implementation device for implementing a confocal image using a chromatic aberration lens, and more particularly, to a confocal image using a chromatic aberration lens for quickly acquiring a plurality of tomography images without moving a light source unit or an object up and down.
  • a confocal image implementation technique places a pinhole behind an objective lens so that only light from one point of a sample passes through the pinhole, so that only one point is seen at a time, so that adjacent points are spaced at a time interval. If the measurement is performed using a photodetector and visualized, the 2D or 3D image can be obtained.
  • FIG. 1 is a view illustrating a conventional general confocal principle.
  • only a part of the beam passing through the lens l after reflecting the object surface p1 is off the focal plane p2 and reflected on the object surface is pin hole h. It passes through and is detected by the photodetector D.
  • all of the beams passing through the lens l pass through the pin hole h after the object surface p1 is reflected from the object surface in accordance with the focal plane p2. Is detected by the photodetector D.
  • the beam detected by the photo detector through the pin hole may be implemented as an image. That is, in the image realization method using the confocal principle, a high resolution image may be obtained by selectively acquiring light focused on a specific portion of an object using a pinhole.
  • the entire object In the image realization method using the confocal principle, the entire object must be scanned while moving the focus position of the light source up and down in order to acquire the tomographic image in the depth direction.
  • moving the focus position of the light source up and down has a problem that takes a long time to implement a tomography image.
  • An object of the present invention for solving the problems of the prior art as described above is to provide a confocal image realization apparatus using a chromatic aberration lens to implement a tomography image at a high speed by scanning the entire object at high speed without moving the light source To provide.
  • the present invention to achieve the above object is a light source for emitting light; A splitter for transmitting or reflecting light emitted from the light source unit; A pin hole disposed between one side of the splitter and the object; A chromatic aberration lens disposed between the pinhole and the object, the chromatic aberration being generated such that the light guided from one side of the splitter to the pinhole is focused at different positions of the object; And detection means disposed on the other side of the splitter and collecting image information of different focal points corresponding to the wavelengths of light guided from the object to the other side of the splitter.
  • the light source unit provides a confocal image implementing apparatus using a chromatic aberration lens, characterized in that configured to emit light having a plurality of wavelengths.
  • the chromatic aberration lens provides a confocal image implementing device using a chromatic aberration lens, characterized in that it comprises a spherical lens or a GRIN lens.
  • the detection means may include: a spectroscope configured to decompose and arrange light guided by the splitter for each wavelength; And a light receiving unit collecting light decomposed by the spectroscope as image information.
  • the spectroscope provides a confocal image implementing device using a chromatic aberration lens, characterized in that it comprises a prism, grating or dichroic filter.
  • the light receiving unit may include a complementary oxide semiconductor (CMOS) or a charge coupled device (CCD), and the CMOS or the CCD collects pixel information corresponding to a wavelength of light as image information.
  • CMOS complementary oxide semiconductor
  • CCD charge coupled device
  • the apparatus may further include a first lens provided between one side of the splitter and the image implementing unit or a second lens provided between the other side of the splitter and the detection unit. It provides an implementation device.
  • the image implementing unit provides a confocal image implementing apparatus using a chromatic aberration lens, characterized in that located on the same line as the traveling direction of the light emitted from the light source.
  • the apparatus for generating a confocal image using a chromatic aberration lens further comprises a control unit for generating a three-dimensional image by combining the image information of the different focus collected by the detection means.
  • the apparatus may further include a storage configured to store depth information according to the wavelength of light, wherein the controller may further include different information corresponding to different wavelengths of light collected by the detection means using depth information according to the wavelength of the light stored in the storage.
  • a confocal image realization apparatus using a chromatic aberration lens characterized in that for generating a three-dimensional image of the focus image information.
  • the apparatus may further include a correction unit linearly correcting the depth information according to the wavelength of the light stored in the storage unit, wherein the controller generates a 3D image using the depth information according to the wavelength of the light corrected by the correction unit.
  • a correction unit linearly correcting the depth information according to the wavelength of the light stored in the storage unit, wherein the controller generates a 3D image using the depth information according to the wavelength of the light corrected by the correction unit.
  • the present invention is configured to generate a 3D image using a plurality of tomographic images by a chromatic aberration lens without moving the light source unit or the object up and down, thereby significantly reducing the time for implementing a plurality of tomographic images. have.
  • the chromatic aberration lens is relatively inexpensive, and does not require a separate configuration for moving the light source unit or the object, which can greatly reduce the manufacturing cost, and can be manufactured in a simple configuration, thereby producing a compact.
  • FIG. 1 is a view illustrating a conventional general confocal principle.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which focus is focused on wavelengths at different positions by a general chromatic aberration lens.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an apparatus for implementing a confocal image using a chromatic aberration lens according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a state in which light passing through a chromatic aberration lens using a chromatic aberration lens according to a preferred embodiment of the present invention is focused at different positions due to a difference in diffraction rate according to wavelength. It is a figure shown.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a detection means and a control means of an apparatus for implementing a confocal image using a chromatic aberration lens according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a state in which a correcting unit linearly corrects depth information according to wavelengths of light using a chromatic aberration lens according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view illustrating a process of generating, by a controller of a confocal image implementing apparatus using a chromatic aberration lens, a tomographic image of different focal points corresponding to a wavelength of light, as a 3D image, according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • control unit 620 storage unit
  • correction unit 700 image output unit
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which focus is focused on wavelengths at different positions by a general chromatic aberration lens.
  • chromatic aberration is represented by a difference in diffraction rate according to wavelength when light passes through the lens l2. All wavelengths do not exactly fit the focal plane due to the difference in refractive index of light. Focuses P1, P2, and P3 are formed at different positions.
  • the spectrum of visible light (Spectrun) has a variety of wavelengths of light from red to purple, and the refractive index of the light is configured differently according to the wavelength of the various light.
  • the present invention is configured to acquire a confocal image for each depth of an object using such chromatic aberration.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an apparatus for implementing a confocal image using a chromatic aberration lens according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram showing a confocal image using a chromatic aberration lens according to a preferred embodiment of the present invention.
  • an apparatus 10 for implementing a confocal image using a chromatic aberration lens may include a light source unit 100, a splitter 200, a first lens 300, and an image implementation unit ( 400, a reflector 210, a second lens 310, a detector 500, a controller 600 (shown in FIG. 5), and an image output unit 700 (shown in FIG. 5).
  • the light source unit 100 emits light in which light rays having a plurality of wavelengths are mixed, and may be configured to emit light in which a plurality of wavelengths are mixed, for example, white light. In addition, the light source unit 100 may selectively emit light of a wavelength desired by a user.
  • the splitter 200 transmits or reflects light emitted from the light source unit 100 and may be configured as a general beam splitter.
  • the splitter 200 is positioned in a traveling direction of light emitted from the light source unit 100 to transmit the light emitted from the light source unit 100 in one direction of the splitter 200.
  • the splitter 200 reflects the light reflected from the object S to be described later in the other direction of the splitter 200.
  • one side direction of the splitter 200 or one side side of the splitter 200 refers to the same direction as the traveling direction of the light emitted from the light source unit 100, and the other side direction of the splitter 200.
  • the other side of the splitter 200 refers to a direction perpendicular to the traveling direction of the light emitted from the light source unit 100.
  • the first lens 300 is disposed between one side of the splitter 200 and the image implementing unit 400 so as to condense the light transmitted to the splitter 200 to the image implementing unit 400, for example, convex. Lens or the like.
  • the image implementing unit 400 includes a pin hole 410 and a chromatic aberration lens 420.
  • the pinhole 410 uses the principle of confocal, and the light passing through the first lens 300 is irradiated to the chromatic aberration lens 420 while the noise is removed while passing through the pinhole 410, thereby providing a high resolution. You can get a video.
  • the chromatic aberration lens 420 is a lens in which chromatic aberration is generated, so that axial chromatic aberration is intentionally generated in order to measure the height direction tomography of the object S. That is, as described above, since the refractive index is different according to the wavelength of light, the chromatic aberration is generated by using the difference in refractive index according to the wavelength of the plurality of light emitted from the light source unit 100.
  • the chromatic aberration lens 420 may be composed of, for example, a spherical lens or a GRIN lens.
  • a spherical lens is a lens having a constant radius of curvature, and only a ray close to the optical axis forms an image at one point, and a ray passing through the edge of the lens is not formed at one point, resulting in aberration.
  • GRIN lens Gradient-Index (GRIN) Rod Lens
  • GRIN lens is a planar position and the distance from the cross section to the focus is periodically changed with respect to the length of the lens. Since the chromatic aberration lens 420 is relatively inexpensive, there is an effect that can significantly reduce the manufacturing cost. In addition, since the focus position of the light source unit 100 does not have to be moved up and down, there is an effect that the measurement speed is improved.
  • the light passing through the chromatic aberration lens 420 is focused at different positions of the object S due to the difference in diffraction rate according to the plurality of wavelengths.
  • the portion h1 having a high height of the object S blue light having a relatively short wavelength w1 is reflected from the object S, and in the portion h2 having a low height of the object S, the height h1 is long.
  • the red light having the wavelength w2 is reflected from the object S, and in the portion h3 of the middle height of the object S, the medium wavelength w3, that is, the green light whose wavelength is longer than the blue light and shorter than the red light, is the object. Reflected at (S).
  • the light reflected from the object S is reflected by the splitter 200 via the chromatic aberration lens 420, the pin hole 410, and the first lens 300, so that the path of the light is reduced. It is incident to the reflector 210 positioned on the other side of the splitter 200 in the changed state.
  • the reflector 210 is located at the other side of the splitter 200 and reflects light guided to the other side of the splitter 200 to the detection means 500.
  • a second lens 310 may be provided between the reflector 210 and the detection means 500.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a detection means and a control means of a confocal image realization apparatus using a chromatic aberration lens according to a preferred embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a chromatic aberration lens according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a state in which a correcting unit linearly corrects depth information according to wavelengths of light by using a confocal image implementing apparatus
  • FIG. 7 is a confocal using a chromatic aberration lens according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. Is a diagram schematically illustrating a process of generating, by a controller of an image forming apparatus, a tomographic image of different focal points corresponding to a wavelength of light as a 3D image.
  • the detection unit 500 includes a spectroscope 510 and a light receiver 520.
  • the spectroscope 510 is configured to decompose and arrange the light passing through the second lens 310 for each wavelength.
  • the spectroscope 510 may decompose and arrange the light passing through the second lens 310 for each wavelength using, for example, a prism, a grating, or a dichroic filter. have.
  • the light receiver 520 receives light emitted from the spectroscope 510 and collects the light decomposed by the spectroscope 510 as image information.
  • the light receiver 520 may include, for example, a complementary oxide semiconductor (CMOS) or a charge coupled device (CCD).
  • CMOS complementary oxide semiconductor
  • CCD charge coupled device
  • the CMOS or CCD collects pixel information corresponding to the wavelength of light as image information.
  • the light receiver 520 provides the collected image information to the controller 610 to be described later.
  • the control unit 600 includes a storage unit 620, a control unit 610 and a correction unit 630.
  • the storage unit 620 stores depth information according to the wavelength of light as a spectral waveform in advance. In other words, the relationship between the wavelength of the light and the displacement of the object S is obtained in advance through simulation.
  • the storage unit 620 and the correction unit 630 to be described later may be configured to be included in the control unit 610.
  • the controller 610 analyzes image information of different wavelengths received from the light receiver 520 to generate an image.
  • the controller 610 uses depth information according to the wavelength of light stored in the storage 620.
  • the detection means 500 generates image information of different focal points corresponding to different wavelengths of light collected by the detection means 500 in a 3D image.
  • the depth information according to the wavelength of the light stored in the storage unit 620 may be distorted into a round shape w1.
  • the depth information may be rounded using the correction unit 630 having a linear algorithm.
  • the linearization operation may be performed to correct the depth information according to the wavelength of the light distorted by w1) to a line w2.
  • the controller 610 may generate a more accurate 3D image using depth information according to the wavelength of light linearly corrected by the corrector 630.
  • the 3D image generated by the controller 610 is output to the image output unit 700.
  • the control unit 610 transmits depth information according to the wavelength of light to a plurality of tomographic images S1, S2, and S3 of the object S, which are focused at different positions according to the wavelength of the light source. It collects them in order and generates a three-dimensional image.
  • the image output unit 700 is configured of a monitor or the like, and outputs the 3D image of the object S generated by the controller 610 to the outside.
  • the present invention is configured to generate a 3D image using a plurality of tomographic images by a chromatic aberration lens without moving the light source unit or the object up and down, so that time for implementing a plurality of tomographic images There is a significant shortening effect.
  • the chromatic aberration lens is relatively inexpensive, and does not require a separate configuration for moving the light source unit or the object, which can greatly reduce the manufacturing cost, and can be manufactured in a simple configuration, thereby producing a compact.

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Abstract

본 발명은 광원 또는 대상물을 이동시키지 않고 대상물 전체를 빠른 속도로 스캐닝하도록 하여 단층 영상을 빠른 속도로 구현할 수 있도록 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치에 관한 것이다. 본 발명은 광원부 또는 대상물을 상하로 이동시키는 과정 없이, 색수차 렌즈에 의한 복수 개의 단층 영상을 이용하여 3차원 영상을 생성하도록 구성되므로, 복수 개의 단층 영상을 구현하기 위한 시간을 현저하게 단축시키는 효과가 있다.

Description

색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치
본 발명은 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광원부 또는 대상물을 상하로 이동시키는 과정 없이, 복수 개의 단층 영상을 신속하게 획득할 수 있도록 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치에 관한 것이다.
일반적으로 공초점 영상 구현 기술은 대물렌즈 뒤편에 핀 홀을 두어 시료의 한 점에서 출발한 빛만이 핀 홀을 통과하도록 한 것으로, 한 번에 한 점만을 보기 때문에 시간 간격을 두어 이웃한 점들을 연속적으로 측정하고 이를 광 검출기로 검출하여 시각화하면 2차원 혹은 3차원 영상을 얻을 수 있다.
도 1은 종래 일반적인 공초점 원리를 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 도 1의 (a)와 (c)를 참조하면, 물체 표면(p1)이 초점평면(p2)과 어긋나 있어서 물체 표면에 반사된 후 렌즈(l)를 통과한 빔의 일부만이 핀 홀(h)을 통과하여 광 검출기(D)에 검출된다. 반면, 도 1의 (b)를 참조하면, 물체 표면(p1)이 초점평면(p2)과 일치하여 물체 표면에서 반사된 후 렌즈(l)를 통과한 빔의 전부가 핀 홀(h)을 통과하여 광 검출기(D)에 검출된다.
이에 따라 광원을 상하로 이동시키면 핀 홀을 통과하여 광 검출기로 검출되는 빔을 영상으로 구현할 수 있다. 즉, 공초점 원리를 이용한 영상 구현 방식은 물체의 특정 부위에서 초점이 맺혀진 빛을 핀 홀을 사용하여 선택적으로 획득함으로써 고 해상도의 영상을 얻을 수 있다.
이러한 공초점 원리를 이용한 영상 구현 방식은 깊이 방향의 단층 영상을 획득하기 위해서는 광원의 초점위치를 상하로 움직여 주면서 대상물 전체를 스캐닝해야 한다. 그러나 광원의 초점위치를 상하로 이동시키는 것은 단층 영상 구현에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광원을 이동시키지 않고 대상물 전체를 빠른 속도로 스캐닝하도록 하여 단층 영상을 빠른 속도로 구현할 수 있도록 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광을 방출하는 광원부; 상기 광원부에서 방출하는 광을 투과 또는 반사시키는 스플리터; 상기 스플리터의 일측과 상기 대상물 사이에 배치되는 핀 홀; 상기 핀 홀과 대상물 사이에 배치되되 상기 스플리터의 일측에서 상기 핀 홀로 안내되는 광이 상기 대상물의 각기 다른 위치에 초점이 맺히도록 색수차가 발생되는 색수차 렌즈; 및 상기 스플리터의 타측에 배치되며 상기 대상물에서 상기 스플리터의 타측으로 안내되는 광의 파장에 대응하는 각기 다른 초점의 이미지 정보를 수집하는 검출수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
또한, 상기 광원부는 복수 개의 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
또한, 상기 색수차 렌즈는 구면렌즈 또는 GRIN 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
또한, 상기 검출수단은: 상기 스플리터에서 안내되는 광을 파장 별로 분해하여 배열하는 분광부; 및 상기 분광부에 의해 분해된 광을 이미지 정보로 수집하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
또한, 상기 분광부는 프리즘, 그레이팅 또는 다이크로익 필터(Dichroic filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
또한, 상기 수광부는, CMOS (Complementary Oxide Semiconductor) 또는 CCD (Charge Coupled Device)를 포함하고, 상기 CMOS 또는 상기 CCD는 광의 파장에 대응하는 픽셀 정보를 이미지 정보로 수집하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
또한, 상기 스필리터의 일측과 상기 영상구현부 사이에 구비되는 제 1 렌즈 또는 상기 스플리터의 타측과 상기 검출수단 사이에 구비되는 제 2 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
또한, 상기 영상구현부는 상기 광원부가 방출하는 광의 진행방향과 동일 선상에 위치되는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
또한, 상기 검출수단이 수집한 각기 다른 초점의 이미지 정보를 조합하여 3차원 영상을 생성하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
또한, 광의 파장에 따른 깊이 정보가 저장되는 저장부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 저장부에 저장된 광의 파장에 따른 깊이 정보를 이용하여 상기 검출수단이 수집한 각기 다른 광의 파장에 대응하는 각기 다른 초점의 이미지 정보를 3차원 영상으로 생성하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
또한, 상기 저장부에 저장된 광의 파장에 따른 깊이 정보를 선형으로 보정하는 보정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 보정부가 보정한 광의 파장에 따른 깊이 정보를 이용하여 3차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 제공한다.
본 발명은 광원부 또는 대상물을 상하로 이동시키는 과정 없이, 색수차 렌즈에 의한 복수 개의 단층 영상을 이용하여 3차원 영상을 생성하도록 구성되므로, 복수 개의 단층 영상을 구현하기 위한 시간을 현저하게 단축시키는 효과가 있다.
또한, 색수차 렌즈는 비교적 저렴하고, 광원부 또는 대상물을 이동시키기 위한 별도의 구성 또한 필요하지 않아, 제조 비용을 대폭 절감할 수 있으며, 간단한 구성으로 제조가 가능하여 소형으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 일반적인 공초점 원리를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 색수차 렌즈에 의하여 각기 다른 위치에 파장별로 초점이 맺히는 상태를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치의 색수차 렌즈를 통과한 광이 파장에 따른 회절률의 차이로 인하여 서로 다른 위치에 초점이 맺히는 상태를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치의 검출수단 및 제어수단을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치의 보정부가 광의 파장에 따른 깊이 정보를 선형으로 보정하는 상태를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치의 제어부가 광의 파장에 대응하는 각기 다른 초점의 단층 영상을 3차원 영상으로 생성하는 과정을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
10: 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치
100: 광원부 200: 스플리터
210: 반사부 300: 제 1 렌즈
310: 제 2 렌즈 400: 영상구현부
410: 핀 홀 420: 색수차 렌즈
500: 검출수단 510: 분광부
520: 수광부 600: 제어수단
610: 제어부 620: 저장부
630: 보정부 700: 영상출력부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 일반적인 색수차 렌즈에 의하여 각기 다른 위치에 파장별로 초점이 맺히는 상태를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 색수차는 빛이 렌즈(l2)를 통과할 때 파장에 따른 회절률의 차이에 의해서 나타나는 것으로, 빛의 굴절률의 차이로 인해 모든 파장이 초점면에 정확하게 맞지 않아, 파장 별로 각기 다른 위치에 초점(P1, P2, P3)이 맺히게 된다. 예를 들어 가시광선의 스펙트럼(Spectrun)은 빨간색에서 보라색에 이르는 다양한 빛의 파장을 갖고 있으며, 이러한 다양한 빛의 파장에 따라 빛의 굴절률 또한 다르게 구성된다. 이처럼 렌즈(l2)를 통과한 빛이 각기 다른 위치에 파장 별로 초점이 다르게 맺히게 되면, 대상물의 깊이별 정보를 반사광의 파장 별로 갖게 된다. 본 발명은 이러한 색수차를 이용하여 대상물의 깊이별 공초점 영상을 획득하도록 구성된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치의 색수차 렌즈를 통과한 광이 파장에 따른 회절률의 차이로 인하여 서로 다른 위치에 초점이 맺히는 상태를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치(10)는 광원부(100), 스플리터(200), 제 1 렌즈(300), 영상구현부(400), 반사부(210), 제 2 렌즈(310), 검출수단(500), 제어수단(600: 도 5 도시) 및 영상출력부(700: 도 5 도시)를 포함한다.
광원부(100)는 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 광을 방출하는 것으로, 예를 들면, 백색광과 같이 복수 개의 파장이 혼합된 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 또한, 광원부(100)는 사용자가 원하는 파장의 빛들을 선택적으로 혼합하여 방출할 수도 있을 것이다.
스플리터(200)는 광원부(100)에서 방출하는 광을 투과 또는 반사시키는 것으로, 일반적인 빔 스플리터(Beam Splitter)로 구성될 수 있다. 이러한 스플리터(200)는 광원부(100)가 방출하는 광의 진행 방향에 위치되어, 광원부(100)가 방출하는 광을 스플리터(200)의 일측 방향으로 투과시킨다. 또한, 스플리터(200)는 후술하는 대상물(S)에서 반사되는 광을 스플리터(200)의 타측 방향으로 반사시킨다. 이하에서, 별도의 설명이 없는 한, 스플리터(200)의 일측 방향 또는 스플리터(200)의 일측이라 함은 광원부(100)가 방출하는 광의 진행 방향과 동일한 방향을 일컫고, 스플리터(200)의 타측 방향 또는 스플리터(200)의 타측이라 함은 광원부(100)가 방출하는 광의 진행 방향과 수직 방향을 일컫는다.
제 1 렌즈(300)는 스플리터(200)의 일측과 영상구현부(400) 사이에 위치되어 스플리터(200)로 전달되는 광을 영상구현부(400)에 집광하도록 구성되는 것으로, 예를 들면 볼록렌즈 등으로 구성될 수 있다.
영상구현부(400)는 핀 홀(410) 및 색수차 렌즈(420)를 포함한다. 핀 홀(410)은 공초점의 원리를 이용한 것으로, 제 1 렌즈(300)를 통과한 광이 핀 홀(410)을 통과하면서 노이즈가 제거된 상태로 색수차 렌즈(420)로 조사되어, 고 해상도의 영상을 얻을 수 있다.
색수차 렌즈(420)는 색수차(Chromatic Aberration)가 발생되는 렌즈로, 대상물(S)의 높이 방향 단층을 측정하기 위하여 의도적으로 축상 색수차가 발생되도록 한다. 즉, 상술한 바와 같이, 광의 파장에 따라 굴절률이 다르므로, 광원부(100)가 방출하는 복수의 광의 파장에 따른 굴절률의 차이를 이용하여 색수차가 발생되도록 한다. 이러한 색수차 렌즈(420)는 예를 들면 구면렌즈 또는 GRIN 렌즈 등으로 구성될 수 있다. 구면렌즈는 곡률 반경이 일정한 렌즈로, 광축에 아주 가까운 광선만이 1점에 결상하고 렌즈의 가장자리부를 통과하는 광선은 1점에 결상되지 않아 수차를 갖게 된다. GRIN 렌즈(Gradient-Index(GRIN) Rod Lens)는 평면위치 및 단면에서 초점까지의 거리가 렌즈의 길이에 대해 주기적으로 변화된다. 이러한 색수차 렌즈(420)는 비교적 저렴하므로, 제조 비용을 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 광원부(100)의 초점위치를 상하로 움직이지 않아도 되므로, 측정 속도가 향상되는 효과가 있다.
여기서, 잠시, 도 4를 참조하면, 색수차 렌즈(420)를 통과한 광은 복수의 파장에 따른 회절률의 차이로 인하여 대상물(S)의 서로 다른 위치에 초점이 맺히게 된다. 예를 들면, 대상물(S)의 높이가 높은 부분(h1)은 상대적으로 짧은 파장(w1)인 청색 빛이 대상물(S)에서 반사되고, 대상물(S)의 높이가 낮은 부분(h2)에서는 긴 파장(w2)인 적색 빛이 대상물(S)에서 반사되며, 대상물(S)의 중간 높이의 부분(h3)에서는 중간 파장(w3) 즉, 파장이 청색 빛 보다는 길고 적색 빛 보다는 짧은 녹색 빛이 대상물(S)에서 반사된다.
이어서, 다시, 도 3을 참조하면, 대상물(S)에서 반사된 광은 다시 색수차 렌즈(420), 핀 홀(410) 및 제 1 렌즈(300)를 거처 스플리터(200)에서 반사되어 광의 경로가 바뀐 상태로 스플리터(200)의 타측에 위치되는 반사부(210)로 입사된다. 반사부(210)는 스플리터(200)의 타측에 위치되어, 스플리터(200)의 타측으로 안내되는 광을 검출수단(500)으로 반사한다. 이때, 반사부(210)와 검출수단(500) 사이에는 제 2 렌즈(310)가 구비될 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치의 검출수단 및 제어수단을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치의 보정부가 광의 파장에 따른 깊이 정보를 선형으로 보정하는 상태를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치의 제어부가 광의 파장에 대응하는 각기 다른 초점의 단층 영상을 3차원 영상으로 생성하는 과정을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
먼저, 도 5 및 도 6을 참조하면, 검출수단(500)은 분광부(510)와 수광부(520)를 포함한다. 분광부(510)는 제 2 렌즈(310)를 통과한 광을 파장 별로 분해하여 배열하도록 구성된다. 이러한 분광부(510)는 예를 들면 프리즘(Prism), 그레이팅(Grating) 또는 다이크로익 필터(Dichroic filter) 등을 이용하여 제 2 렌즈(310)를 통과한 광을 파장마다 분해하여 배열할 수 있다.
수광부(520)는 분광부(510)로부터 출사되는 광을 수광하는 것으로, 분광부(510)에 의해 분해된 광을 이미지 정보로 수집한다. 이러한 수광부(520)는 예를 들면, CMOS (Complementary Oxide Semiconductor) 또는 CCD (Charge Coupled Device)를 포함할 수 있다. 상기 CMOS 또는 상기 CCD는 광의 파장에 대응하는 픽셀 정보를 이미지 정보로 수집한다. 그리고 수광부(520)는 수집한 이미지 정보를 후술하는 제어부(610)로 제공한다.
제어수단(600)은 저장부(620), 제어부(610) 및 보정부(630)를 포함한다. 저장부(620)는 광의 파장에 따른 깊이 정보가 스펙트럼 파형으로 미리 저장되어 있다. 즉, 광의 파장과 대상물(S)의 변위의 관계를 시물레이션을 통해 미리 얻어 두는 것이다. 그리고 저장부(620) 및 후술하는 보정부(630)는 제어부(610)에 포함되도록 구성될 수도 있다.
제어부(610)는 수광부(520)로부터 전달받은 각기 다른 파장의 이미지 정보를 분석하여 영상으로 생성하며, 이때, 제어부(610)는 상기 저장부(620)에 저장된 광의 파장에 따른 깊이 정보를 이용하여 상기 검출수단(500)이 수집한 각기 다른 광의 파장에 대응하는 각기 다른 초점의 이미지 정보를 3차원 영상으로 생성한다.
한편, 저장부(620)에 저장된 광의 파장에 따른 깊이 정보는 라운드형(w1)으로 왜곡되기도 하는데, 이 경우, 도 6에 제시된 바와 같이 선형 알고리즘을 갖는 보정부(630)를 이용하여 라운드형(w1)으로 왜곡된 광의 파장에 따른 깊이 정보를 선형(w2)으로 보정하는 선형화 작업을 할 수 있다. 그리고 제어부(610)는 보정부(630)가 선형으로 보정한 광의 파장에 따른 깊이 정보를 이용하여 보다 정확한 3차원 영상을 생성하도록 할 수 있다.
그리고 제어부(610)가 생성한 3차원 영상은 영상출력부(700)로 출력된다. 이때, 제어부(610)는 도 7에서 보는 바와 같이, 광원의 파장에 따라 초점이 다른 위치에 맺히게 된 대상물(S)의 복수의 단층 영상(S1, S2, S3)을 광의 파장에 따른 깊이 정보를 이용하여 순서대로 취합하여, 3차원 영상으로 생성한다.
영상출력부(700)는 모니터 등으로 구성되는 것으로, 제어부(610)가 생성한 대상물(S)의 3차원 영상을 외부로 출력한다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명은 광원부 또는 대상물을 상하로 이동시키는 과정 없이, 색수차 렌즈에 의한 복수 개의 단층 영상을 이용하여 3차원 영상을 생성하도록 구성되므로, 복수 개의 단층 영상을 구현하기 위한 시간을 현저하게 단축시키는 효과가 있다.
또한, 색수차 렌즈는 비교적 저렴하고, 광원부 또는 대상물을 이동시키기 위한 별도의 구성 또한 필요하지 않아, 제조 비용을 대폭 절감할 수 있으며, 간단한 구성으로 제조가 가능하여 소형으로 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 광을 방출하는 광원부;
    상기 광원부에서 방출하는 광을 투과 또는 반사시키는 스플리터;
    상기 스플리터의 일측과 상기 대상물 사이에 배치되는 핀 홀;
    상기 핀 홀과 대상물 사이에 배치되되 상기 스플리터의 일측에서 상기 핀 홀로 안내되는 광이 상기 대상물의 각기 다른 위치에 초점이 맺히도록 색수차가 발생되는 색수차 렌즈; 및
    상기 스플리터의 타측에 배치되며 상기 대상물에서 상기 스플리터의 타측으로 안내되는 광의 파장에 대응하는 각기 다른 초점의 이미지 정보를 수집하는 검출수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부는 복수 개의 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 색수차 렌즈는 구면렌즈 또는 GRIN 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출수단은:
    상기 스플리터에서 안내되는 광을 파장 별로 분해하여 배열하는 분광부; 및
    상기 분광부에 의해 분해된 광을 이미지 정보로 수집하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 분광부는 프리즘, 그레이팅 또는 다이크로익 필터(Dichroic filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 수광부는, CMOS (Complementary Oxide Semiconductor) 또는 CCD (Charge-Coupled Device)를 포함하고,
    상기 CMOS 또는 상기 CCD는 광의 파장에 대응하는 픽셀 정보를 이미지 정보로 수집하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    영상구현부는 상기 핀 홀 및 상기 색수차 렌즈를 포함하고,
    상기 스필리터의 일측과 상기 영상구현부 사이에 구비되는 제 1 렌즈 또는 상기 스플리터의 타측과 상기 검출수단 사이에 구비되는 제 2 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    영상구현부는 상기 핀 홀 및 상기 색수차 렌즈를 포함하고,
    상기 영상구현부는 상기 광원부가 방출하는 광의 진행방향과 동일 선상에 위치되는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출수단이 수집한 각기 다른 초점의 이미지 정보를 조합하여 3차원 영상을 생성하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    광의 파장에 따른 깊이 정보가 저장되는 저장부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 저장부에 저장된 광의 파장에 따른 깊이 정보를 이용하여 상기 검출수단이 수집한 각기 다른 광의 파장에 대응하는 각기 다른 초점의 이미지 정보를 3차원 영상으로 생성하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 저장부에 저장된 광의 파장에 따른 깊이 정보를 선형으로 보정하는 보정부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 보정부가 보정한 광의 파장에 따른 깊이 정보를 이용하여 3차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치.
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