WO2019112073A1 - 개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법 - Google Patents

개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법 Download PDF

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김병목
성맑음
박성진
이상진
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Definitions

  • the present invention relates to an improved improved holographic reconstruction apparatus and method.
  • the present invention relates to a method and apparatus for acquiring only one object hologram image, and obtaining three-dimensional shape information of an object using only the object hologram image obtained without using the reference hologram image and the digital reference light generated from the obtained object hologram,
  • TFT and It is applied to devices for detection, confirmation, or display of various fields including detection of defects in ultra-fine structures such as semiconductors, medical instruments requiring accurate three-dimensional image display, and refractive error detection of transparent objects such as other lenses And an improved holographic reconstruction apparatus and method.
  • a digital holography microscope is a microscope that measures the shape of an object using digital holography technology.
  • a general microscope is a device that measures the shape of an object by measuring the intensity of light reflected or transmitted from an object by irradiating an ordinary light source to the object
  • the digital holography microscope can detect the interference and diffraction phenomenon of light, And digitally records the information, and restores the shape information of the object from the information.
  • the digital holography technique generates light of a single wavelength such as a laser, divides the light into two lights using a light splitter, directs one light directly to the image sensor (referred to as a reference light)
  • a reference light When the light reflected from the object to be measured is projected on the image sensor (referred to as object light) in the light of the object, the reference light and the object light interfere with each other in the image sensor.
  • the shape of the object to be measured is restored using the computer with the recorded interference fringe information.
  • the recorded interference fringe information is generally referred to as a hologram.
  • the interference fringe information of the light is recorded as a special film, and in order to restore the shape of the measurement object, the reference light is reflected on a special film on which interference fringes are recorded The shape of the virtual object to be measured is restored in the place where the object is originally located.
  • the digital holography microscope measures the interference fringe information of the light by a digital image sensor and stores the information in a digital manner when compared with the conventional optical holography method.
  • the digital interference fringe information is stored in a numerical calculation method using a computer device So that the shape of the object to be measured is restored.
  • a laser light source of a single wavelength may be used first.
  • the measurement resolution of the object that is, the minimum measurement unit is limited to the wavelength of the laser light source used.
  • the cost is increased by using light sources having different wavelengths, or sequentially obtaining hologram images using light sources of different wavelengths
  • a CGH Computer Generated Hologram
  • SLM spatial light modulator
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a two-wavelength digital holography microscope apparatus according to the prior art disclosed in detail.
  • a conventional two-wavelength digital holography microscope apparatus includes a mixed light source unit 100, a wavelength division unit 200, an interference fringe acquisition unit 300, an object unit 400, an image sensor unit 500 An image storage unit 600, a control unit 700, and an object shape restoration unit 800.
  • the mixed light source unit 100 includes a mixed light source unit 110 and a light source unit lens 120.
  • the mixed light source unit 110 emits mixed light having a wavelength band distributed in a plurality of non-uniform bands.
  • the light source lens 120 optically adjusts the mixed light generated by the mixed light source unit 110 and enters the wavelength division unit 200.
  • the wavelength dividing unit 200 includes a first light splitter 210, a first light guide plate 220, a second light guide plate 230, and a first reflector 240.
  • the first light splitter 210 receives the mixed light from the mixed light source unit 100 and divides the mixed light into two lights. At this time, the first optical splitter 210 divides the incident mixed light into different directions.
  • the first light guide plate 220 receives one of the light beams divided by the first light splitter 210 and acquires a first light beam having a predetermined single wavelength.
  • the light input to the first light guide plate 220 is filtered while passing through the first light guide plate 220, and a first light ray having a single wavelength determined according to the characteristics of the first light guide plate 220 is obtained.
  • the second light guide plate 230 receives the other one of the light beams split by the first light splitter 210 in the same manner as the first light guide plate 220 and receives light of the second light guide plate 230 having a wavelength different from that of the first light beam. Obtain a ray of light.
  • the second light beam is sent to the interference fringe obtaining unit 300.
  • the first reflector 240 receives the first light beam obtained from the first light guide plate 220 and reflects the first light beam to the interference fringe obtaining unit 300.
  • the interference fringe obtaining unit 300 includes a second light splitter 310, a third light splitter 320, a second reflector 330, a third reflector 340, and a third reflector 350.
  • the second light splitter 310 receives the first light beam input from the wavelength division unit 200 and divides the first light beam into the first object light and the first reference light. At this time, the second light splitter 210 divides the incident first rays into different directions and proceeds.
  • the third light splitter 320 receives the second light ray in the same manner as the second light splitter 310 and divides the second light ray into the second object light and the second reference light.
  • the second reflector 330 receives the first reference beam and transmits the first reference beam reflected by the second beam splitter 310 to the second beam splitter 310.
  • the third light guide plate 340 receives the first reference light divided by the second light splitter 310 and transmits the first reference light to the second reflector 330 and transmits the first reflected reference light to the second light splitter.
  • the third light guide plate 340 prevents the second object light from reaching the second reflector 330 when the second object light is incident on the second light splitter 310 and partly proceeds toward the second reflector 330 .
  • the third light guide plate 340 is a light guide plate having the same characteristics as the first light guide plate 220 in transmitting light.
  • the third reflector 350 receives the second reference light and transmits the second reflected reference light to the third optical splitter 320.
  • the second reflector 330 and the third reflector 350 are connected to the controller 700
  • the angle of the hologram can be adjusted according to the control of the optical system.
  • an off-axis hologram can be realized.
  • the first object light and the second object light obtained as described above are converted into the first reflected object light and the second reflected object light through the following process and sent to the image sensor unit 500.
  • the second light splitter 310 separates the first object light divided as described above into an object to be measured which is placed on the object 400, And causes the light to enter the object to be measured.
  • the reflected light that reflects the first object light incident from the measurement object is referred to as a first reflected object light.
  • the reflected light that reflects the second object light incident on the object to be measured is referred to as a second reflected object light.
  • the second light splitter 310 receives the first reflected object light and the second reflected object light reflected as described above and sends it to the third optical splitter 320.
  • the third light splitter 320 transmits the first reflected object light and the second reflected object light received as described above to the image sensor unit 500 again.
  • the first and second reflection reference beams obtained as described above are sent to the image sensor unit 500 through the following process.
  • the second optical splitter 310 receives the first reflected reference light reflected by the second reflector 330 and transmits the first reflected reference light to the third optical splitter 320.
  • the third light splitter 320 receives the first reflection reference light sent from the second light splitter 310 and the second reflection reference light reflected from the third reflector 350 as described above, Lt; / RTI > Accordingly, after the first reflected object light, the first reflected reference light, the second reflected object light, and the second reflected reference light are both transmitted in the direction of the image sensor unit 500 in the third optical splitter 320, An interference fringe is generated.
  • the second reflector 330 and the third reflector 350 may have different angles according to the control of the controller 700 to form an off-axis system in which light beams of different wavelengths form different interference fringes. Can be adjusted in various directions. That is, as the angles of the second reflector 330 and the third reflector 350 are different from each other, the first and second reflectors 330 and 350 reflect the first and second reflectors 330 and 350, When the first reflection reference light and the second reflection reference light are combined with the first reflection object light and the second reflection object light arriving at the image sensor unit 500 to form an interference fringe, So that the interference fringes are differently formed.
  • the object unit 400 includes an object mount 410 and an objective lens 420.
  • the object mount 410 allows measurement of an object to be measured by fixing it on a mount, and the objective lens 420 optically adjusts the first object light and the second object light incident on the object to be measured.
  • the image sensor unit 500 projects the interference fringes obtained from the interference fringe obtaining unit 300 to a digital image sensor, measures the projected interference fringes using the digital image sensor, .
  • the recording of the interference fringe is referred to as a hologram.
  • various image sensors such as a CCD can be used.
  • the image storage unit 600 stores the interference fringe information converted from the image sensor unit 500 into a discrete signal in various storage media such as a memory and a disk device.
  • the controller 700 controls the position and angle of the second reflector 330 and the third reflector 350 in order to implement the above-described off-axis system and obtain interference fringes.
  • the interference fringe obtaining unit 300 Controls the objective part 400 to adjust the objective lens 420 to adjust the first object light and the second object light incident on the measurement object, and the interference fringe is measured, Controls the image sensor unit 500 to convert the information into a discrete signal, and controls the image storage unit 600 to store the interference fringe information converted into the discrete signal.
  • the object shape restoring unit 800 includes a phase information obtaining unit 810, a thickness information obtaining unit 820, and a shape restoring unit 830.
  • the phase information obtaining unit 810 obtains the phase information of the interference fringe for the first light beam and the phase information of the interference fringe for the second light beam using the interference fringe information
  • the shape restoring unit 830 restores the real-time three-dimensional shape of the measurement object using the thickness information, and obtains the thickness information of the measurement object using the phase information.
  • the thickness information of the object to be measured includes difference information between the paths of the object light and the reference light.
  • the interference fringe is formed when the object light and the reference light overlap each other due to the optical path difference between the object light and the reference light.
  • the interference fringe obtaining unit 300 includes a third light splitter 320 for splitting the second light source, a third reflector 350 for reflecting the second light source, and a second reflector 330, It is necessary to additionally use a third light guide plate 340 for shielding incidence of light. Therefore, there is still a problem that the structure of the whole device is complicated, and the total manufacturing cost is high.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-2016-0029606
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 10-2010-0095302
  • Patent Document 3 Korean Patent Publication No. 10-2012-0014355
  • Patent Document 4 Korean Patent No. 10-1139178
  • Patent Document 5 Korean Patent No. 10-1441245
  • Patent Document 6 U.S. Patent No. 7,649,160
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the conventional art, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for acquiring only a single object hologram image and using only the object hologram image obtained without using the reference hologram image and the digital reference light generated from the obtained object hologram
  • By restoring the three-dimensional shape information and the quantitative thickness information of the object it is possible to solve the complicated optical device structure required for restoring the one-shot type digital holography using the one-object holographic image of the prior art,
  • an object of the present invention is to provide an improved holographic reconstruction apparatus and method that can be applied to various fields of detection, confirmation, or display apparatuses.
  • a holographic reconstruction apparatus includes: a light source unit that emits one wavelength light; A collimator for collimating the single wavelength light emitted from the light source; A light splitter for dividing the single-wavelength light having passed through the collimator into object light and reference light; An object optical objective lens for passing the object light split by the optical splitter; A reference light objective lens for passing the reference light split by the beam splitter; An optical mirror for reflecting the reference light having passed through the reference light objective lens; The object light passing through the object optical-objective lens, the object light reflected by the surface of the measurement object, and the reference light reflected by the optical mirror pass through the object-optical objective lens and the reference-light objective lens, A recording medium for recording a pattern; And a processor for receiving and storing the image file generated by converting the interference pattern on the recording medium, wherein the processor extracts the reference light information of the object hologram from the object hologram obtained from the image file to generate a digital reference light And reconstructs the three-dimensional
  • a holographic reconstruction apparatus includes: a light source unit that emits a single wavelength light; A collimator for collimating the single wavelength light emitted from the light source; A light splitter for dividing the single-wavelength light having passed through the collimator into object light and reference light; An object-optical objective lens for passing the object-transmitted light including the information of the object to be measured after the object light divided by the optical splitter reflects the object; A second optical mirror for reflecting the remaining light source except for the object reflected light that has passed through the object optical objective lens; A reference light objective lens for passing the reference light split by the beam splitter; A first optical mirror for reflecting the reference light having passed through the reference light objective lens; A second light splitter through which the reference light reflected by the first optical mirror and the object reflected light reflected by the second optical mirror are respectively transmitted; A recording medium for recording an interference fringe formed by the reference light and the object reflection light transmitted to the second optical splitter; And a processor for receiving and storing the image file generated by
  • a holographic reconstruction method comprises the steps of: a) acquiring an object hologram of an object to be measured; b) extracting the reference light information from the obtained object hologram; c) calculating a wavenumber vector constant of the extracted reference light information, and calculating a compensation term of the reference light information using the calculated wavenumber vector constant to generate a digital reference light; d) extracting aberration information from the object hologram and generating a digital curvature compensated for the aberration; e) calculating the compensated object hologram by multiplying the obtained hologram by the compensation term of the reference light information; f) extracting the phase information of the compensated object hologram; And g) calculating quantitative thickness information of the measurement object using the extracted phase information of the compensated object hologram and restoring the three-dimensional shape information of the measurement object and the quantitative thickness information .
  • Detection, confirmation, or display of various fields including detection of defects in ultra-fine structures such as TFTs and semiconductors, detection of refractive errors of transparent objects such as medical devices requiring display of precise three-dimensional images, and other lenses It is possible to apply to the device.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a two-wavelength digital holography microscope apparatus in accordance with the disclosed prior art.
  • FIG. 2A is a schematic block diagram of a holographic reconstruction apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a schematic block diagram of a holographic reconstruction apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • 2C is a view showing an object hologram of a thin film transistor (TFT) according to an embodiment of the present invention.
  • 2D is a view showing a digital reference light which is a compensation term obtained by calculating a wavenumber vector constant from reference light information of an object hologram extracted using an automatic real image coordinate information extraction algorithm in an object hologram of the thin film transistor (TFT) shown in FIG. 2C .
  • TFT thin film transistor
  • FIG. 2E is a view showing a reconstructed image of a three-dimensional shape of an object to be measured in a state where aberration correction of an object optical objective lens is not performed.
  • FIG. 2F is a view showing a reconstructed image of a three-dimensional shape of an object to be measured in a state where aberration correction of an object optical objective lens is performed.
  • FIG. 2G is a view showing a three-dimensional shape restored image of the thin film transistor (TFT) shown in FIG. 2C having quantitative thickness information calculated using the extracted phase information of the object hologram compensated according to the present invention.
  • TFT thin film transistor
  • FIG. 3 is a flowchart of a holographic reconstruction method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a schematic block diagram of a holographic reconstruction apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • a holographic reconstruction apparatus 1a includes a light source unit 10 that emits single-wavelength light; A collimator (20) for collimating the single wavelength light emitted from the light source part (10); A light splitter 30 for splitting the single-wavelength light having passed through the collimator 20 into object light O and reference light R; An object optical objective lens (40) for passing the object light (O) divided by the light splitter (30); A reference light objective lens 60 for passing the reference light R divided by the light splitter 30; An optical mirror 70 for reflecting the reference light R having passed through the reference light objective lens 60; The object light O reflected by the surface of the measurement object 50 passing through the object optical objective lens 40 and the reference light R reflected by the optical mirror 70 are reflected by the object light- 40 and a reference light objective lens 60 to the optical splitter 30 to record an interference fringe formed thereon; And a processor (90) for receiving and storing an image file generated by converting the interference fringe on the recording medium (80
  • FIG. 2B is a schematic block diagram of a holographic reconstruction apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • the holographic reconstruction apparatus 1b includes a light source unit 10 that emits single-wavelength light; A collimator (20) for collimating the single wavelength light emitted from the light source part (10); A light splitter 30 for splitting the single-wavelength light having passed through the collimator 20 into object light O and reference light R; The object light O that has been split by the light splitter 30 passes through the measurement object 50 and then passes through the object transmitted light T containing the information of the measurement object 50.
  • a processor (90) for receiving and storing an image file generated by converting the interference fringe on the recording medium (80), wherein the processor (90) is adapted to receive the object hologram from the object hologram obtained from the image file Extracts the reference light information to generate a digital reference light, calculates a compensated object hologram using the object hologram and the digital reference light, extracts phase information of the compensate
  • the holographic reconstruction apparatuses 1a and 1b according to the first and second embodiments of the present invention will be collectively referred to as a holographic reconstruction apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the processor 90 of the holographic reconstruction apparatus 1 is implemented as an apparatus capable of performing arithmetic operations such as a microprocessor and a PC (Personal Computer)
  • a microprocessor and a PC (Personal Computer)
  • an image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device) or a CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor).
  • the information of the object hologram obtained by the processor 90 of the holographic reconstruction apparatus 1 according to the embodiment of the present invention described above can be obtained by correcting the wavelength and phase information of the object and the aberration of the object- And may additionally include noise (e.g., speckle noise due to photon use of the laser, etc.).
  • noise e.g., speckle noise due to photon use of the laser, etc.
  • the object hologram obtained by the processor 90 of the holographic reconstruction apparatus 1 according to the embodiment of the present invention may be expressed as Equation 1 with a complex conjugate hologram.
  • Equation 1
  • 2
  • x and y represent the spatial coordinates
  • U o (x, y, 0) represents the acquired object hologram
  • O (x, y) and R (x, y) is the optical (O)
  • each object And O * (x, y) and R * (x, y) represent the complex conjugate of the object light O and the reference light R, respectively.
  • the processor 90 of the holographic reconstruction apparatus 1 acquires an object hologram from the image file of the interference fringe recorded on the recording medium 80 (see FIG. 2C) Transistor (TFT)).
  • the obtained object hologram is composed of the object light O having the phase information of the object and the interference pattern of the reference light R without phase information of the object.
  • a 2D Fourier transform is performed on the obtained object hologram to extract the information of the reference light R having no phase information of the object in the acquired object hologram.
  • the frequency spectrum of the object hologram obtained by the two-dimensional Fourier transform is obtained by dividing the spectral information including the real image spot-position, the spectral information including the imaginary image spot-position, ), Respectively. Only the separated real image coordinate information is extracted using the automatic real image spot-position extraction algorithm in the frequency spectrum. And extracts the reference light information of the obtained object hologram using the extracted real image coordinate information.
  • the extracted reference light information of the processor 90 may have a phase discontinuity at every 2 [pi] due to the oscillation of the light.
  • a Wavenumber algorithm The wavenumber vector constant of the reference light information is calculated. And calculates a compensation term (Term) of the extracted reference light information using the calculated wavenumber vector constant.
  • the compensation term of the extracted reference light information calculated from the wavenumber vector constant is a conjugate of the obtained reference light information of the object hologram.
  • the calculated compensation term of the extracted reference light information is referred to as a digital reference light (refer to FIG. 2D).
  • R c (x, y) is the digital reference light
  • R (x, y) is the reference light information of the acquired object hologram
  • conj is a function to obtain the pair wherein (Conjugate) of a complex number.
  • the processor 90 then extracts the aberration information in the object hologram to compensate for the curvature aberration of the object optical objective 40 used to acquire the object hologram. Thereafter, the processor 90 generates the curvature aberration information compensation term using an automatic frequency curvature compensation algorithm.
  • the curvature aberration information compensation term is referred to as a digital curvature.
  • the processor 90 calculates the compensated object hologram by multiplying the obtained object hologram by the compensation term of the extracted standard light information. This is expressed by Equation 3.
  • U C (x, y , 0) is a compensation object hologram
  • O (x, y) and R * (x, y) is the object light and reference light of the object hologram obtained, respectively
  • R C (x, y) is a digital reference light
  • R CA (x, y) is a digital curvature.
  • the processor 90 converts the compensated object hologram into information of a reconstruction image plane using an Angular Spectrum Propagation algorithm.
  • the restored image plane means a virtual image display plane by a distance corresponding to the distance between the measurement object 50 and the recording medium 80 by the processor 90, and is calculated by the processor 90 And can be simulated.
  • the processor 90 extracts the phase information of the compensated object hologram through an inverse 2D Fourier transform. It should be noted that in the extracted phase information, the information of the light and the aberration information of the objective lens are removed in the obtained hologram, and thus the phase information of the extracted compensated hologram includes only the phase information of the object.
  • the processor 90 calculates the quantitative thickness information of the measurement object 50 using the extracted phase information of the compensated object hologram.
  • the processor 90 may additionally include fine noise, such as speckle noise, etc., associated with the photon usage of the laser, for example, the extracted phase information of the compensated object hologram, Such fine noise can be removed in advance before the quantitative thickness information of the object 50 is calculated.
  • the processor 90 uses the 2D phase unwrapping algorithm to extract distorted phase information due to the fine noise and the wrapped phase phenomenon from the extracted phase information of the object hologram You can compensate.
  • the quantitative thickness information of the measurement object 50 can be calculated more precisely based on the phase information of the compensated object hologram .
  • Quantitative thickness information of the measurement object 50 calculated in the above-described manner is expressed by the following Equation 4.?
  • (X, y) is the phase information of the compensated object hologram
  • (X, y) is the wavelength of the light source unit 10 used to acquire the object hologram.
  • (X, y) means a refractive index difference between the background and (or air) the object 50 to be measured.
  • the processor 90 restores the three-dimensional shape of the measurement object 50 on the reconstructed image plane using the quantitative thickness information of the measurement object 50 calculated according to Equation (4) above.
  • the reconstructed image plane reconstructed by the processor 90 may be displayed on, for example, a separate monitor (not shown).
  • FIGS. 2E and 2F show the three-dimensional reconstructed image of the measurement object 50 in a state in which the aberration correction of the object optical objective 40 is not performed and the aberration correction of the object optical objective 40
  • the reconstructed image of the three-dimensional shape of the measurement object 50 of the measurement object 50 is shown.
  • FIG. 2G shows a three-dimensional shape restored image of the thin film transistor (TFT) shown in FIG. 2C having quantitative thickness information calculated using the extracted phase information of the object hologram compensated according to the present invention. It can be seen from the reconstructed image shown in FIGS. 2F and 2G that the three-dimensional shape of the semiconductor substrate circuit shown in FIG. 2C is clearly restored.
  • TFT thin film transistor
  • FIG. 3 is a flowchart of a holographic reconstruction method according to an embodiment of the present invention.
  • a method 300 of holographic reconstruction includes the steps of: a) obtaining an object hologram of an object 50 to be measured (S1); b) extracting reference light information from the acquired object hologram (S2); c) calculating a wavenumber vector constant of the extracted reference light information, and calculating a compensation term of the reference light information using the calculated wavenumber vector constant to generate a digital reference light (S3); d) extracting the aberration information from the object hologram and generating a digital curvature compensated for the aberration (S4); e) calculating the compensated object hologram by multiplying the obtained hologram by the compensation term of the reference light information (S5); f) extracting phase information of the compensated object hologram (S6); And g) calculating quantitative thickness information of the measurement object (50) using the extracted phase information of the compensated object hologram (50) to determine three-dimensional shape information of
  • (A1) is performed by a1) subjecting the single wavelength light emitted from the light source unit 10 to the object light O and the object light O2 by the light splitter 30, and the holographic reconstruction method 300 according to an embodiment of the present invention, Into a reference light (R); a2) The divided object light O is reflected on the surface of the object 50 through the object optical objective 40 and the split reference light R is passed through the reference light objective 60 And then reflected by the optical mirror 70; a3) recording the interference fringe formed by transmitting the reflected object light O and the reflected reference light R to the optical splitter 30 in the recording medium 80, and converting the interference fringe Transmitting an image file to the processor 90; And a4) acquiring the object hologram from the image file by the processor (90).
  • the step a) may include: a1) performing a single light beam emitted from the light source part 10 by an optical splitter 30, (O) and a reference light (R); a2) passing object light (O) obtained through transmission of the object light (O) through the object to be measured (50) through an object light objective lens (40) Passing the divided reference light (R) by the optical mirror (72) through the reference light objective (60) and reflecting it by the optical mirror (70); a3) transmitting an interference fringe formed by transmitting the reflected object transmitted light (T) and the reflected reference light (R) to a second light splitter (32), recording the interference fringe on the recording medium (80) To the processor (90); And a4) acquiring the object hologram from the image file by the processor (90).
  • the step b) includes: b1) performing a 2D Fourier transform on the obtained object hologram; b2) spectral information obtained by the two-dimensional Fourier transform and including real image spot-position of the object hologram, spectral information including imaginary image spot-position, and direct current information Extracting only real-world coordinate information using an automatic real-image spot-position extraction algorithm in a frequency spectrum including spectral information including direct current (DC); And b3) extracting the obtained reference light information of the object hologram using the extracted real image coordinate information.
  • the calculated compensation term is the digital reference light as a conjugate of the obtained object hologram
  • the phase information of the compensated object hologram of step f) is extracted through an inverse 2D Fourier transform,
  • the extracted phase information includes only the phase information of the measurement object 50 by removing the information of the light and the aberration information of the objective lens in the obtained object hologram.
  • the step (f) may further include the step of removing the fine noise using a 2D phase unwrapping algorithm when the phase information of the compensated object hologram includes fine noise. .
  • the improved holographic reconstruction apparatus 1 and method 300 according to the present invention, only the object hologram obtained using the processor 90 and the digital reference light generated from the obtained object hologram are used Dimensional information of the object 50 to be measured can be reconstructed, thereby solving the complicated optical device structure required for restoration of the one-shot type digital holography using the object holographic image of the prior art, and accordingly, a considerably high cost problem .
  • the holographic reconstruction apparatus 1 additionally uses only the processor 90, so that the entire configuration is very simple, Can be restored.
  • the improved holographic reconstruction apparatus 1 and method 300 since the other components except for the processor 90 have substantially the same configuration as the reflection type and transmission type hologram reconstruction apparatus of the related art , And has general versatility that can be easily applied to both the reflection type and transmission type hologram restoration apparatus of the related art.
  • the use of the reference hologram is unnecessary in restoring the hologram, and the quantitative 3D image restoration is possible.
  • the improved holographic reconstruction apparatus 1 and method 300 it is possible to quantitatively reconstruct a three-dimensional image of a specific object 50 in real time without using a reference hologram Detection, confirmation, or display of various fields including detection of defects in ultra-fine structures such as TFTs and semiconductors, medical instruments requiring display of precise three-dimensional images, and refractive index error detection of transparent objects such as other lenses Applicable to devices.

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Abstract

본 발명은 개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 홀로그래픽 복원 방법은 a) 측정 대상 물체의 물체 홀로그램을 획득하는 단계; b) 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 기준광 정보를 추출하는 단계; c) 상기 추출된 기준광 정보의 파수 벡터 상수를 계산하고, 계산된 상기 파수 벡터 상수를 이용하여 상기 기준광 정보의 보상 항을 계산하여 디지털 기준광을 생성하는 단계; d) 상기 물체 홀로그램에서 수차 정보를 추출한 후, 상기 수차를 보상한 디지털 곡률을 생성하는 단계; e) 상기 기준광 정보의 상기 보상 항을 상기 획득된 물체 홀로그램에 곱하여 보상된 물체 홀로그램을 계산하는 단계; f) 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하는 단계; 및 g) 상기 보상된 물체 홀로그램의 상기 추출된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보를 계산하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 및 상기 정량적인 두께 정보를 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법
본 발명은 개선된 개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법에 관한 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 한 장의 물체 홀로그램 영상만을 획득하고, 기준 홀로그램 영상을 사용하지 않고 획득된 물체 홀로그램 영상 및 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 생성된 디지털 기준광 만을 이용하여 물체의 3차원 형상 정보 및 정량적인 두께 정보를 복원함으로써, 종래 기술의 한 장의 물체 홀로그램 영상을 사용하는 원샷 방식의 디지털 홀로그래피 복원 시 요구되는 복잡한 광학 장치 구조 및 그에 따른 상당한 고가의 비용 문제를 해결할 수 있으며, 간단한 구조 및 저가의 비용으로 홀로그래픽 복원이 가능하고, 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치에 모두 적용될 수 있는 범용성을 가지며, 특히 홀로그램 복원 시 기준광의 사용이 불필요하고, 실시간으로 측정 대상 물체의 정량적인 3차원 영상 복원이 가능하여, TFT 및 반도체와 같은 초미세 구조의 결함 검출용 장치, 정밀한 3차원 영상의 표시가 요구되는 의료 기기, 및 기타 렌즈와 같은 투명한 물체의 굴절률 에러 검출 등을 포함한 다양한 분야의 검출, 확인 또는 표시용 장치에 적용이 가능한 개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법에 관한 것이다.
디지털 홀로그래피 현미경이란 디지털 홀로그래피 기술을 활용하여 물체의 형상을 측정하는 현미경을 말한다.
일반적인 현미경이 통상 일반 광원을 물체에 비추어 물체로부터 반사 또는 투과되는 빛의 세기를 측정함으로 물체의 형상을 측정하는 장치라면, 디지털 홀로그래피 현미경은 빛이 물체에 비추어졌을 경우 일어나는 빛의 간섭과 회절현상을 측정하고 이를 디지털 방식으로 기록하여, 이들 정보로부터 물체의 형상정보를 복원하는 장치이다.
즉, 디지털 홀로그래피 기술은 레이저와 같은 단일 파장의 빛을 생성하고, 이를 광분할기를 이용하여 2개의 빛으로 분할하여, 하나의 빛은 이미지 센서에 직접 비추고(기준광이라 한다), 다른 빛은 측정 대상 물체에 비추어 상기 측정 대상 물체로부터 반사되는 빛을 이미지 센서에 비추면(물체광이라 한다), 이미지 센서에서 상기 기준광과 물체광이 간섭현상을 일으키게 되는데, 이러한 빛의 간섭무늬 정보를 디지털 이미지 센서로 기록하고, 상기 기록된 간섭무늬 정보를 가지고 컴퓨터를 활용하여 측정 대상 물체의 형상을 복원하는 기술이다. 그리고 이때 상기 기록되는 간섭무늬 정보를 통상 홀로그램이라고 지칭한다.
한편, 디지털 홀로그래피가 아닌 기존의 광학적 홀로그래피 기술의 경우는, 상기 빛의 간섭무늬 정보를 특수 필름으로 기록하고, 상기 측정 대상 물체의 형상을 복원하기 위하여 상기 기준광을 간섭무늬가 기록된 특수필름에 비추면 본래 측정 대상 물체가 위치하던 자리에 가상의 측정 대상 물체의 형상이 복원되는 방식이다.
디지털 홀로그래피 현미경은 기존의 광학적 홀로그래피 방식과 비교하였을 때, 빛의 간섭무늬 정보를 디지털 이미지 센서로 측정하고 디지털 방식으로 저장하고, 상기 저장된 간섭무늬 정보를 광학적 방식이 아닌 컴퓨터 장치 등을 이용한 수치연산 방식을 통하여 가공해서 측정 대상 물체의 형상을 복원한다는 점에서 차이가 있다.
기존의 디지털 홀로그래피 현미경으로는 먼저 단일 파장의 레이저 광원을 사용하는 경우가 있다. 그러나 단일 레이저 광원을 사용하는 경우는 물체의 측정 해상도, 즉 최소측정 단위가 사용하는 레이저 광원의 파장으로 제한된다는 문제점이 있다. 또한 기존의 디지털 홀로그래피 현미경 중 2파장 또는 다중 파장의 레이저 광원을 사용하는 경우는, 서로 다른 파장을 가지는 광원들을 사용함으로 비용이 증가하거나, 또는 서로 다른 파장의 광원을 이용하여 홀로그램 영상을 순차적으로 획득하기 때문에 측정하고자 하는 물체의 3차원적인 변화정보를 실시간으로 측정하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 상술한 종래 디지털 홀로그래피 기술에서는 측정 대상 물체의 형상을 복원하기 위해 컴퓨터로 CGH(Computer Generated Hologram)을 생성한 후 이를 공간광변조기(Spatial Light Modulator: SLM) 상에 디스플레이한 후 기준광을 비추면, 기준광의 회절에 의해 물체의 3차원 홀로그램 영상이 얻어진다. 이 경우, 고가(수천만원 이상)의 공간광변조기(SLM)의 사용이 요구되므로, 실용화에 상당한 어려움이 있다.
상술한 종래 디지털 홀로그래피 기술의 문제점을 해결하기 위한 방안의 하나로, 예를 들어, 2014년 9월 5일자로 김은수 등에 의해디지털 홀로그래피 현미경 및 디지털 홀로그램 영상 생성 방법이라는 발명의 명칭으로 대한민국 특허출원번호 제10-2014-0119395호 출원되어, 2016년 3월 15일자로 공개된 대한민국 공개특허 제10-2016-0029606호(이하 "공개된 종래 기술"이라 함)에 구체적으로 예시되어 있다.
도 1은 공개된 종래 기술에 따른 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치를 상세히 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 공개된 종래 기술의 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치는 혼합광원부(100), 파장분할부(200), 간섭무늬획득부(300), 대물부(400), 이미지센서부(500), 이미지저장부(600), 제어부(700), 물체형상복원부(800)을 포함한다.
혼합광원부(100)는 혼합광원발광부(110)와 광원부렌즈(120)를 포함한다. 이러한 혼합광원발광부(110)는 단일하지 아니한 여러 대역에 분포된 파장대역을 가지는 혼합광을 발광한다. 광원부렌즈(120)는 상기 혼합광원발광부(110)에서 생성된 혼합광을 광학적으로 조절하고, 이를 파장분할부(200)에 입사시킨다.
파장분할부(200)는 제1광분할기(210)와 제1여광판(220) 및 제2여광판(230)와 제1반사체(240)를 포함한다. 제1광분할기(210)는 혼합광원부(100)로부터 입사된 혼합광을 입력받아 2개의 광으로 분할한다. 이때 제1광분할기(210)는 입사받은 혼합광을 서로 다른 방향으로 나누어 진행시키는 역할을 수행한다. 제1여광판(220)은 제1광분할기(210)에서 분할된 광들 중 하나의 광을 입력받아 미리 정해진 단일파장을 가지는 제1광선을 획득한다. 여기서 제1여광판(220)에 입력되는 광은 제1여광판(220)을 통과하면서 필터링되고, 제1여광판(220)의 특성에 따라 정해진 단일한 파장을 가지는 제1광선이 획득된다. 제2여광판(230)은 제1여광판(220)과 동일한 방식으로, 제1광분할기(210)에서 분할된 광들 중 나머지 하나의 광을 입력받아, 제1광선의 파장과 다른 파장을 가지는 제2광선을 획득한다. 그리고 제2광선은 간섭무늬획득부(300)로 보내진다. 제1반사체(240)는 제1여광판(220)에서 획득된 제1광선을 입사받아 간섭무늬획득부(300)로 반사하는 역할을 한다.
간섭무늬획득부(300)는 제2광분할기(310)와 제3광분할기(320)와 제2반사체(330)와 제3여광판(340)과 제3반사체(350)를 포함한다. 제2광분할기(310)는 파장분할부(200)로부터 입력된 제1광선을 입력받아 제1물체광과 제1기준광으로 분할한다. 이때 제2광분할기(210)는 입사받은 제1광선을 서로 다른 방향으로 나누어 진행시키는 역할을 수행한다. 제3광분할기(320)도 제2광분할기(310)와 동일한 방식으로 제2광선을 입력받아 제2물체광과 제2기준광으로 분할한다. 제2반사체(330)는 제1기준광을 입사받고, 이를 반사한 제1반사기준광을 제2광분할기(310)로 보낸다. 제3여광판(340)은 제2광분할기(310)에서 분할된 제1기준광을 입사받아 제2반사체(330)로 보내고, 반사되는 제1반사기준광을 입사받아 제2광분할기로 보낼 수 있다. 또한 제3여광판(340)은 제2물체광이 제2광분할기(310)에 이르러 광분할되어 일부가 제2반사체(330) 방향으로 진행할 때 제2반사체(330)에 도달하지 못하도록 진행을 막는다. 이를 위하여 제3여광판(340)은 광을 투과시킴에 있어서 제1여광판(220)과 동일한 특성을 가지는 여광판으로 한다. 제3반사체(350)는 제2기준광을 입사받고, 이를 반사한 제2반사기준광을 제3광분할기(320)로 보내는데, 여기서 제2반사체(330) 및 제3반사체(350)는 제어부(700)의 제어에 따라 각도 조절이 가능하도록 구성하여, 탈축(off-axis) 홀로그램을 구현할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 획득된 제1물체광, 제2물체광은 다음과 같은 과정을 거쳐 각 제1반사물체광과 제2반사물체광으로 변환되어 이미지센서부(500)로 보내진다. 제2광분할기(310)는 이상과 같이 분할한 제1물체광을 대물부(400)에 거치되어 있는 측정 대상 물체에 입사시키고, 또한 제3광분할기(320)로부터 분할되어 보내지는 제2물체광을 상기 측정 대상 물체에 입사시킨다. 이 경우, 측정 대상 물체에서 입사받은 제1물체광을 반사한 반사광을 제1반사물체광이라 한다. 또한 측정 대상 물체에서 입사받은 제2물체광을 반사한 반사광을 제2반사물체광이라 한다. 제2광분할기(310)는 이상과 같이 반사된 제1반사물체광과 제2반사물체광을 입력받아 이를 제3광분할기(320)로 보낸다. 제3광분할기(320)는 이상과 같이 입력받은 제1반사물체광과 제2반사물체광을 다시 이미지센서부(500)로 보낸다.
또한, 상술한 바와 같이 획득된 제1반사기준광, 제2반사기준광은 다음과 같은 과정을 거쳐 이미지센서부(500)로 보내진다. 구체적으로, 제2광분할기(310)는 제2반사체(330)에서 반사되어 온 제1반사기준광을 입력받아 제3광분할기(320)로 보낸다. 제3광분할기(320)는 이상과 같이 제2광분할기(310)에서 보내진 제1반사기준광과, 제3반사체(350)에서 반사되어 온 제2반사기준광을 입력받아 다시 이미지센서부(500)로 보낸다. 그에 따라, 제3광분할기(320)에서 제1반사물체광과 제1반사기준광과 제2반사물체광과 제2반사기준광이 모두 동일하게 이미지센서부(500) 방향으로 보내진 후, 상호 간섭하여 간섭무늬가 생성된다.
한편, 제2반사체(330)와 제3반사체(350)는 서로 다른 파장의 광선이 서로 다른 간섭무늬를 형성하게 하는 탈축(off-axis) 시스템을 구성하기 위하여 제어부(700)의 제어에 따라 각도를 다방향으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 제2반사체(330)와 제3반사체(350)의 각도가 서로 상이하게 됨에 따라, 제2반사체(330)로부터 반사되는 제1반사기준광과 제3반사체(350)로부터 반사되는 제2기준광의 방향에 이격이 발생하게 되어, 제1반사기준광과 제2반사기준광이 이미지센서부(500)에 도달한 제1반사물체광과 제2반사물체광과 합쳐져 간섭무늬를 형성할 때에, 각 파장 별로 상이하게 탈축된 간섭무늬를 형성하게 된다.
대물부(400)는 물체거치대(410)와 대물렌즈(420)를 포함한다. 물체거치대(410)는 측정 대상 물체를 거치대에 고정시켜 측정되도록 하고, 대물렌즈(420)는 측정 대상 물체에 입사되는 제1물체광과 제2물체광을 광학적으로 조절한다.
이미지센서부(500)는 간섭무늬획득부(300)에서 획득된 상기 간섭무늬를 디지털 이미지 센서에 투영시키고, 상기 투영된 간섭무늬를 상기 디지털 이미지 센서를 이용하여 측정하고, 그 측정값을 이산신호로 변환한다. 통상 상기 간섭무늬를 기록한 것을 홀로그램이라고 한다. 이러한 디지털 이미지 센서로는 CCD 등 다양한 이미지센서들이 사용될 수 있다.
이미지저장부(600)는 이미지센서부(500)에서 이산신호로 변환된 간섭무늬 정보를 메모리나 디스크장치 등과 같은 다양한 저장매체에 저장한다.
제어부(700)는 상술한 탈축(off-axis) 시스템을 구현하고 간섭무늬를 획득하기 위하여 제2반사체(330)와 제3반사체(350)의 위치와 각도를 조절하는 등 간섭무늬획득부(300)를 제어하고, 측정 대상 물체에 입사되는 제1물체광과 제2물체광을 조절하기 위하여 대물렌즈(420)를 조절하는 등 대물부(400)를 제어하고, 상기 간섭무늬가 측정되어 그에 대한 정보가 이산신호로 변환되도록 하기 위하여 이미지센서부(500)를 제어하고, 이산신호로 변환된 간섭무늬 정보를 저장하기 위하여 이미지저장부(600)를 제어한다.
물체형상복원부(800)는 위상정보획득부(810)와 두께정보획득부(820)와 형상복원부(830)을 포함한다. 위상정보획득부(810)은 상기 간섭무늬 정보를 이용하여 상기 제1광선에 대한 간섭무늬의 위상정보와 상기 제2광선에 대한 간섭무늬의 위상정보를 각각 획득하고, 두께정보획득부(820)은 상기 위상정보들을 이용하여 측정 대상 물체의 두께정보를 획득하고, 형상복원부(830)은 상기 두께정보를 이용하여 측정 대상 물체의 실시간 3차원 형상을 복원한다. 이때 측정 대상 물체의 두께정보는 상기 물체광과 기준광이 각각 진행한 경로의 차이 정보를 포함한다. 이와 같은 상기 물체광과 기준광의 광 경로차 때문에 상기 물체광과 기준광이 중첩되었을 때 상기 간섭무늬가 형성된다.
상술한 공개된 종래 기술에서는 측정 대상 물체의 측정 해상도를 높이고, 시간이 흐름에 따라 변화하는 측정 대상 물체에 대한 홀로그램을 실시간으로 측정 및 기록하여 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 실시간으로 복원하는 효과가 달성되지만, 여전히 다음과 같은 문제점이 발생한다.
좀 더 구체적으로, 공개된 종래 기술에서는 단일하지 않은 여러 대역에 분포된 파장 대역을 가지는 혼합 광원이 사용되므로, 적어도 2개 이상의 단일 파장을 얻기 위해 파장분할부(200)가 파장이 서로 상이한 제1광선 및 제제2광원을 분할하기 위해 제1여광판(220), 제2여광판(230), 및 제1반사체(240)를 사용하여야 한다. 또한, 간섭무늬획득부(300)가 제2광원을 분할하기 위한 제3광분할기(320), 제2광원을 반사시키기 위한 제3반사체(350), 및 제2광원이 제2반사체(330)로 입사되는 것을 차단하기 위한 제3여광판(340)을 추가로 사용하여야 한다. 따라서, 장치 전체의 구조가 복잡해지고, 전체 제조 비용이 고가라는 문제점이 여전히 존재한다.
따라서, 단일 파장의 광원을 사용하면서도 상술한 문제점을 해결하기 위한 새로운 방안이 요구된다.
(선행기술문헌)
(특허문헌)
(특허문헌 1) 1. 대한민국 공개특허 제10-2016-0029606호
(특허문헌 2) 2. 대한민국 공개특허 제10-2010-0095302호
(특허문헌 3) 3. 대한민국 공개특허 제10-2012-0014355호
(특허문헌 4) 4. 대한민국 특허 제10-1139178호
(특허문헌 5) 5. 대한민국 특허 제10-1441245호
(특허문헌 6) 6. 미국 특허 제7,649,160호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 한 장의 물체 홀로그램 영상만을 획득하고, 기준 홀로그램 영상을 사용하지 않고 획득된 물체 홀로그램 영상 및 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 생성된 디지털 기준광 만을 이용하여 물체의 3차원 형상 정보 및 정량적인 두께 정보를 복원함으로써, 종래 기술의 한 장의 물체 홀로그램 영상을 사용하는 원샷 방식의 디지털 홀로그래피 복원 시 요구되는 복잡한 광학 장치 구조 및 그에 따른 상당한 고가의 비용 문제를 해결할 수 있으며, 간단한 구조 및 저가의 비용으로 홀로그래픽 복원이 가능하고, 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치에 모두 적용될 수 있는 범용성을 가지며, 특히 홀로그램 복원 시 기준 홀로그램의 사용이 불필요하고, 실시간으로 측정 대상 물체의 정량적인 3차원 영상 복원이 가능하여, TFT 및 반도체와 같은 초미세 구조의 결함 검출용 장치, 정밀한 3차원 영상의 표시가 요구되는 의료 기기, 및 기타 렌즈와 같은 투명한 물체의 굴절률 에러 검출 등을 포함한 다양한 분야의 검출, 확인 또는 표시용 장치에 적용이 가능한 개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 홀로그래픽 복원 장치는 일 파장 광을 방출하는 광원부; 상기 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기; 상기 시준기를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광 및 기준광으로 분할하는 광 분할기; 상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 물체광을 통과시키는 물체광 대물 렌즈; 상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 기준광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈; 상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 기준광을 반사시키는 광학 거울; 상기 물체광 대물 렌즈를 통과하여 측정 대상 물체의 표면에서 반사된 물체광 및 상기 광학 거울에 의해 반사된 기준광이 각각 상기 물체광 대물 렌즈 및 기준광 대물 렌즈를 통과하여 상기 광 분할기로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및 상기 기록 매체에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 상기 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하여 디지털 기준광을 생성하고, 상기 물체 홀로그램과 상기 디지털 기준광을 이용하여 보상된 물체 홀로그램을 계산하고 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 정보를 복원하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 특징에 따른 홀로그래픽 복원 장치는 단일 파장 광을 방출하는 광원부; 상기 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기; 상기 시준기를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광 및 기준광으로 분할하는 광 분할기; 상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 물체광이 측정 대상 물체를 반사한 후 상기 측정 대상 물체의 정보를 포함한 물체 투과광을 통과시키는 물체광 대물 렌즈; 상기 물체광 대물 렌즈를 통과한 상기 물체 반사광을 제외한 나머지의 광원을 반사시키는 제 2 광학 거울; 상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 기준광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈; 상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 기준광을 반사시키는 제 1 광학 거울; 상기 제 1 광학 거울에 의해 반사된 상기 기준광 및 상기 제 2 광학 거울에 의해 반사된 상기 물체 반사광이 각각 전달되는 제 2 광 분할기; 상기 제 2 광 분할기로 전달된 상기 기준광 및 상기 물체 반사광에 의해 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및 상기 기록 매체에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 상기 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하여 디지털 기준광을 생성하고, 상기 물체 홀로그램과 상기 디지털 기준광을 이용하여 보상된 물체 홀로그램을 계산하고 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 정보를 복원하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3 특징에 따른 홀로그래픽 복원 방법은 a) 측정 대상 물체의 물체 홀로그램을 획득하는 단계; b) 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 기준광 정보를 추출하는 단계; c) 상기 추출된 기준광 정보의 파수 벡터 상수를 계산하고, 계산된 상기 파수 벡터 상수를 이용하여 상기 기준광 정보의 보상 항을 계산하여 디지털 기준광을 생성하는 단계; d) 상기 물체 홀로그램에서 수차 정보를 추출한 후, 상기 수차를 보상한 디지털 곡률을 생성하는 단계; e) 상기 기준광 정보의 상기 보상 항을 상기 획득된 물체 홀로그램에 곱하여 보상된 물체 홀로그램을 계산하는 단계; f) 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하는 단계; 및 g) 상기 보상된 물체 홀로그램의 상기 추출된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보를 계산하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 및 상기 정량적인 두께 정보를 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치 및 방법을 사용하면 다음과 같은 장점이 달성된다.
1. 종래 기술의 한 장의 물체 홀로그램 영상을 사용하는 원샷 방식의 디지털 홀로그래피 복원 시 요구되는 복잡한 광학 장치 구조 및 그에 따른 상당한 고가의 비용 문제를 해결할 수 있다.
2. 간단한 구조 및 저가의 비용으로 홀로그래픽 복원이 가능하다.
3. 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치에 모두 적용될 수 있는 범용성을 가진다.
4. 특히 홀로그램 복원 시 기준 홀로그램 영상이 불필요하며, 실시간으로 측정 대상 물체의 정량적인 3차원 영상 복원이 가능하다.
5. TFT 및 반도체와 같은 초미세 구조의 결함 검출용 장치, 정밀한 3차원 영상의 표시가 요구되는 의료 기기, 및 기타 렌즈와 같은 투명한 물체의 굴절률 에러 검출 등을 포함한 다양한 분야의 검출, 확인 또는 표시용 장치에 적용이 가능하다.
본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다.
도 1은 공개된 종래 기술에 따른 따른 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치를 상세히 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터(TFT)의 물체 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 2d는 도 2c에 도시된 박막 트랜지스터(TFT)의 물체 홀로그램에서 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘을 이용하여 추출된 물체 홀로그램의 기준광 정보로부터 파수 벡터 상수를 계산하여 얻어진 보상 항인 디지털 기준광을 도시한 도면이다.
도 2e는 물체광 대물 렌즈의 수차 보정이 이루어지지 않은 상태의 측정 대상 물체의 3차원 형상의 복원 영상을 도시한 도면이다.
도 2f는 물체광 대물 렌즈의 수차 보정이 이루어진 상태의 측정 대상 물체의 3차원 형상의 복원 영상을 도시한 도면이다.
도 2g는 본 발명에 따라 보상된 물체 홀로그램의 추출된 위상 정보를 이용하여 계산된 정량적인 두께 정보를 갖는 도 2c에 도시된 박막 트랜지스터(TFT)의 3차원 형상 복원 영상을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법의 플로우차트이다.
이하에서 본 발명의 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 기술한다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1a)는 단일 파장 광을 방출하는 광원부(10); 상기 광원부(10)에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기(20); 상기 시준기(20)를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광(O) 및 기준광(R)으로 분할하는 광 분할기(30); 상기 광 분할기(30)에 의해 분할된 상기 물체광(O)을 통과시키는 물체광 대물 렌즈(40); 상기 광 분할기(30)에 의해 분할된 상기 기준광(R)을 통과시키는 기준광 대물 렌즈(60); 상기 기준광 대물 렌즈(60)를 통과한 상기 기준광(R)을 반사시키는 광학 거울(70); 상기 물체광 대물 렌즈(40)를 통과하여 측정 대상 물체(50)의 표면에서 반사된 물체광(O) 및 상기 광학 거울(70)에 의해 반사된 기준광(R)이 각각 상기 물체광 대물 렌즈(40) 및 기준광 대물 렌즈(60)를 통과하여 상기 광 분할기(30)로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체(80); 및 상기 기록 매체(80)에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서(90)를 포함하되, 상기 프로세서(90)는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 상기 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하여 디지털 기준광을 생성하고, 상기 물체 홀로그램과 상기 디지털 기준광을 이용하여 보상된 물체 홀로그램을 계산하고 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하여 상기 측정 대상 물체(50)의 3차원 정보를 복원하는 것을 특징으로 한다.
도 2b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1b)는 단일 파장 광을 방출하는 광원부(10); 상기 광원부(10)에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기(20); 상기 시준기(20)를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광(O) 및 기준광(R)으로 분할하는 광 분할기(30); 상기 광 분할기(30)에 의해 분할된 상기 물체광(O)이 측정 대상 물체(50)를 투과한 후 상기 측정 대상 물체(50)의 정보를 포함한 물체 투과광(T)을 통과시키는 물체광 대물 렌즈(40); 상기 물체광 대물 렌즈(40)를 통과한 상기 물체 투과광(T)을 반사시키는 제 2 광학 거울(72); 상기 광 분할기(30)에 의해 분할된 상기 기준광(R)을 통과시키는 기준광 대물 렌즈(60); 상기 기준광 대물 렌즈(60)를 통과한 상기 기준광(R)을 반사시키는 제 1 광학 거울(70); 상기 제 1 광학 거울(70)에 의해 반사된 상기 기준광(R) 및 상기 제 2 광학 거울(72)에 의해 반사된 상기 물체 투과광(T)이 각각 전달되는 제 2 광 분할기(32); 상기 제 2 광 분할기(32)로 전달된 상기 기준광(R) 및 상기 물체광 투과광(T)에 의해 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체(80); 및 상기 기록 매체(80)에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서(90)를 포함하되, 상기 프로세서(90)는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 상기 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하여 디지털 기준광을 생성하고, 상기 물체 홀로그램과 상기 디지털 기준광을 이용하여 보상된 물체 홀로그램을 계산하고 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하여 상기 측정 대상 물체(50)의 3차원 정보를 복원하는 것을 특징으로 한다.
상술한 도 2a 및 도 2b에 각각 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1a) 및 본 발명의 제 2 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1b)는 물체광(O)이 측정 대상 물체(50)에서 반사(도 2a의 실시예)되거나 또는 물체광(O)이 측정 대상 물체(50)를 투과(도 2b의 실시예)한다는 점, 및 그에 따른 일부 구성요소(예를 들어, 도 2b의 실시예의 제 2 광학 거울(72) 및 제 2 광 분할기(32))의 추가 사용 및 그에 따른 일부 구성요소의 배치를 제외하고는 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 특히 간섭 무늬가 기록 매체(80) 상에 기록되고, 기록된 상기 간섭 무늬가 프로세서(90)에 의해 이미지 파일 형태로 획득된 물체 홀로그램으로부터 디지털 기준광을 생성한다는 점에서 동일한 특징을 갖는다는 점에 유의하여야 한다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1a,1b)를 통칭하여 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1)로 지칭하기로 한다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1)의 프로세서(90)는 예를 들어, 마이크로프로세서, PC(Personal Computer) 등의 산술 연산이 가능한 장치로 구현되고, 또한 기록 매체(80)는 예를 들어 CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) 등의 이미지 센서로 구현될 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1)의 프로세서(90)에 의해 획득되는 물체 홀로그램의 정보는 물체의 파장 및 위상 정보, 및 물체광 대물 렌즈(40)의 수차를 포함하고, 노이즈(예를 들어, 레이저의 광자(photon) 사용에 따른 스펙클 노이즈(speckle noise) 등)를 추가적으로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1)의 프로세서(90)에 의해 획득된 물체 홀로그램은 복소 공액 홀로그램으로, 식 1과 같이 표현될 수 있다.
식 1: |Uo(x,y,0)|2= |O(x,y)|2+|R(x,y)|2+ O*(x,y)R(x,y)+O(x,y)R*(x,y)
상기 식 1에서 x와 y는 공간 좌표를 나타내고, Uo(x,y,0)는 획득된 물체 홀로그램을 나타내며, O(x,y) 및 R(x,y)는 각각 물체광(O)과 기준광(R)을 나타내고, O*(x,y) 및 R*(x,y)는 각각 물체광(O)과 기준광(R)의 복소 공액을 나타낸다.
이하에서는 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 디지털 기준광 및 보상된 물체 홀로그램을 생성하는 구체적인 방법을 기술하기로 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(1)의 프로세서(90)는 상기 기록 매체(80)에 기록된 상기 간섭 무늬의 이미지 파일로부터 물체 홀로그램을 획득한다(도 2c 에 도시된 박막 트랜지스터(TFT) 참조). 상기 획득된 물체 홀로그램은 물체의 위상 정보를 가지고 있는 물체광(O)과 물체의 위상 정보가 없는 기준광(R)의 간섭무늬로 이루어져 있다.
그 후, 획득된 물체 홀로그램에서 물체의 위상 정보가 없는 기준광(R)의 정보를 추출하기 위해 획득된 물체 홀로그램에 대해 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행한다. 2차원 푸리에 변환으로 얻어진 물체 홀로그램의 주파수 스펙트럼은 실상 좌표(Real image spot-position)를 포함하는 스펙트럼 정보, 허상 좌표(Imaginary image spot-position)를 포함하는 스펙트럼 정보, 및 직류 정보(Direct Current: DC)를 포함하는 스펙트럼 정보로 각각 분리된다. 상기 주파수 스펙트럼에서 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘(Automatic real image spot-position extraction algorithm)을 이용하여 상기 분리된 실상 좌표 정보만을 추출한다. 추출된 실상 좌표 정보를 이용하여 상기 획득된 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출한다.
그 후, 프로세서(90)의 추출된 기준광 정보는 광의 파동성으로 인하여 2π마다 위상 끊김 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 위상 끊김 현상을 보상하기 위해 공지의 파수 벡터 알고리즘(Wavenumber algorithm)을 이용하여 추출된 기준광 정보의 파수 벡터 상수를 계산한다. 계산된 파수 벡터 상수를 이용하여 추출된 기준광 정보의 보상 항(Term)을 계산한다. 파수 벡터 상수로부터 계산된 추출된 기준광 정보의 보상 항은 상기 획득된 물체 홀로그램의 기준광 정보의 켤레항(Conjugate)이다. 이렇게 추출된 기준광 정보의 계산된 보상 항은 디지털 기준광(도 2d 참조)이라 지칭되며, 이를 수식으로 나타내면 하기 식 2와 같다.
식 2: Rc(x,y)= conj[R(x,y)]
상기 식 2에서,Rc(x,y)는 디지털 기준광이고, R(x,y)는 획득된 물체 홀로그램의 기준광 정보이며, conj는 복소수의 켤레 항(Conjugate)을 구하는 함수이다.
그 후, 프로세서(90)은 물체 홀로그램을 획득할 때 사용했던 물체광 대물 렌즈(40)의 곡률 수차(Curvature aberration)를 보상하기 위해 물체 홀로그램에서 수차 정보를 추출한다. 그 후, 프로세서(90)는 자동 주파수 곡률 수차 보상 알고리즘(Automatic frequency curvature compensation algorithm)을 이용하여 곡률 수차 정보 보상 항을 생성한다. 여기서, 곡률 수차 정보 보상 항을 디지털 곡률로 지칭하기로 한다.
그 후, 프로세서(90)는 추출된 기준광 정보의 보상 항을 상기 획득된 물체 홀로그램에 곱하여 보상된 물체 홀로그램을 계산한다. 이를 식으로 나타내면 식 3과 같다.
식 3: UC(x,y,0)=O(x,y)R*(x,y)RC(x,y)RCA(x,y)
상기 식 3에서, UC(x,y,0)는 보상된 물체 홀로그램이고, O(x,y) 및 R*(x,y)는 각각 획득된 물체 홀로그램의 물체광 및 기준광이며, RC(x,y)는 디지털 기준광이고, RCA(x,y)는 디지털 곡률을 나타낸다.
그 후, 프로세서(90)는 보상된 물체 홀로그램을 각 스펙트럼 확산 알고리즘(Angular Spectrum Propagation algorithm)을 이용하여 복원 영상면(Reconstruction image plane)의 정보로 변환한다. 여기서, 복원 영상면이란 프로세서(90)에 의해 측정 대상 물체(50)와 기록 매체(80) 사이의 거리에 대응하는 거리만큼의 가상적인 영상 표시 평면을 의미하는 것으로, 프로세서(90)에 의해 계산 및 시뮬레이션될 수 있다. 프로세서(90)는 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier transform)을 통해 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출한다. 이러한 방식으로 추출된 위상 정보에서는 획득된 물체 홀로그램에서 광의 정보 및 대물 렌즈의 수차 정보가 제거되므로, 추출된 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보는 물체의 위상 정보만을 포함하고 있다는 점에 유의하여야 한다.
그 후, 프로세서(90)는 보상된 물체 홀로그램의 추출된 위상 정보를 이용하여 측정 대상 물체(50)의 정량적인 두께 정보를 계산한다. 이 경우, 프로세서(90)는 보상된 물체 홀로그램의 추출된 위상 정보가 예를 들어, 레이저의 광자(photon) 사용에 따른 스펙클 노이즈(speckle noise) 등과 같은 미세 노이즈를 추가적으로 포함할 수 있으므로, 측정 대상 물체(50)의 정량적인 두께 정보를 계산하기 전에 이러한 미세 노이즈를 미리 제거할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(90)는 2차원 위상 펼침 알고리즘(2D phase unwrapping algorithm)을 이용하여 보상된 물체 홀로그램의 추출된 위상 정보로부터 미세 노이즈 및 위상 접힘(Wrapped phase) 현상에 기인한 왜곡된 위상 정보를 보상할 수 있다. 이러한 미세 노이즈 및 위상 접힘(Wrapped phase) 현상에 기인한 왜곡된 위상 정보가 제거된 경우 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보에 기초하여 측정 대상 물체(50)의 정량적인 두께 정보를 더욱 정밀하게 계산할 수 있다. 상술한 방식으로 계산된 측정 대상 물체(50)의 정량적인 두께 정보는 하기 식 4와 같이 표시된다.
식 4: △L = λ△φ(x,y)/2π△n(x,y)
상기 식 4에서, △L은 측정 대상 물체(50)의 정량적인 두께 정보, λ는 물체 홀로그램 획득 시 사용한 광원부(10)의 파장, φ(x,y)는 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보, △n(x,y)는 배경과 (또는 공기와) 측정 대상 물체(50) 간의 굴절률 차이를 의미한다. 프로세서(90)는 상기 식 4에 따라 계산된 측정 대상 물체(50)의 정량적인 두께 정보를 이용하여 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상을 상술한 복원 영상면 상에 복원한다. 프로세서(90)에 의해 복원된 복원 영상면은 예를 들어, 별도의 모니터(미도시)에 표시될 수 있다.
도 2e 및 도 2f에는 각각 물체광 대물 렌즈(40)의 수차 보정이 이루어지지 않은 상태의 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상의 복원 영상 및 물체광 대물 렌즈(40)의 수차 보정이 이루어진 상태의 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상의 복원 영상이 도시되어 있다. 또한, 도 2g에는 본 발명에 따라 보상된 물체 홀로그램의 추출된 위상 정보를 이용하여 계산된 정량적인 두께 정보를 갖는 도 2c에 도시된 박막 트랜지스터(TFT)의 3차원 형상 복원 영상이 도시되어 있다. 도 2f 및 도 2g에 도시된 복원 영상으로부터, 도 2c 에 도시된 반도체 기판 회로의 3차원 형상이 선명하게 복원되었음을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법의 플로우차트이다.
도 3을 도 2a 내지 도 2g와 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법(300)은 a) 측정 대상 물체(50)의 물체 홀로그램을 획득하는 단계(S1); b) 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 기준광 정보를 추출하는 단계(S2); c) 상기 추출된 기준광 정보의 파수 벡터 상수를 계산하고, 계산된 상기 파수 벡터 상수를 이용하여 상기 기준광 정보의 보상 항을 계산하여 디지털 기준광을 생성하는 단계(S3); d) 상기 물체 홀로그램에서 수차 정보를 추출한 후, 상기 수차를 보상한 디지털 곡률을 생성하는 단계(S4); e) 상기 기준광 정보의 상기 보상 항을 상기 획득된 물체 홀로그램에 곱하여 보상된 물체 홀로그램을 계산하는 단계(S5); f) 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하는 단계(S6); 및 g) 상기 보상된 물체 홀로그램의 상기 추출된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체(50)의 정량적인 두께 정보를 계산하여 상기 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상 정보 및 상기 정량적인 두께 정보를 복원하는 단계(S7)을 포함한다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법(300)에서, 상기 a) 단계는 a1) 광원부(10)에서 방출된 단일 파장 광을 광 분할기(30)에 의해 물체광(O) 및 기준광(R)으로 분할하는 단계; a2) 분할된 상기 물체광(O)을 물체광 대물 렌즈(40)를 통해 상기 측정 대상 물체(50)의 표면에서 반사시키고 또한 분할된 상기 기준광(R)을 기준광 대물 렌즈(60)를 통해 통과시킨 후 광학 거울(70)에 의해 반사시키는 단계; a3) 상기 반사된 물체광(O) 및 상기 반사된 기준광(R)을 상기 광 분할기(30)로 전달하여 형성되는 간섭 무늬를 기록 매체(80)에 기록하고, 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 프로세서(90)로 전송하는 단계; 및 a4) 상기 프로세서(90)에 의해 상기 이미지 파일로부터 상기 물체 홀로그램을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 대안적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법(300)에서, 상기 a) 단계는 a1) 광원부(10)에서 방출된 단일 파장 광을 광 분할기(30)에 의해 물체광(O) 및 기준광(R)으로 분할하는 단계; a2) 분할된 상기 물체광(O)을 상기 측정 대상 물체(50)를 통해 투과시켜 얻어진 물체 투과광(T)을 물체광 대물 렌즈(40)를 통해 통과시킨 후 상기 물체 투과광(T)을 제 2 광학 거울(72)에 의해 반사시키고 또한 분할된 상기 기준광(R)을 기준광 대물 렌즈(60)를 통해 통과시킨 후 광학 거울(70)에 의해 반사시키는 단계; a3) 상기 반사된 물체 투과광(T) 및 상기 반사된 기준광(R)을 제 2 광 분할기(32)로 전달하여 형성되는 간섭 무늬를 기록 매체(80)에 기록하고, 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 프로세서(90)로 전송하는 단계; 및 a4) 상기 프로세서(90)에 의해 상기 이미지 파일로부터 상기 물체 홀로그램을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법(300)에서, 상기 b) 단계는 b1) 상기 획득된 물체 홀로그램에 대해 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행하는 단계; b2) 상기 2차원 푸리에 변환으로 얻어지며, 상기 물체 홀로그램의 실상 좌표(Real image spot-position)를 포함하는 스펙트럼 정보, 허상 좌표 정보(Imaginary image spot-position)를 포함하는 스펙트럼 정보, 및 직류 정보(Direct Current: DC)를 포함하는 스펙트럼 정보를 포함하는 주파수 스펙트럼에서 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘(Automatic real image spot-position extraction algorithm)을 이용하여 상기 실상 좌표 정보만을 추출하는 단계; 및 b3) 상기 추출된 실상 좌표 정보를 이용하여 상기 획득된 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법(300)에서, 상기 c) 단계에서 상기 계산된 보상 항은 상기 획득된 물체 홀로그램의 켤레항(Conjugate)으로 상기 디지털 기준광이고, 식으로 Rc(x,y)= conj[R(x,y)]로 표시되며, 여기서 Rc(x,y)는 상기 디지털 기준광이고, R(x,y)는 상기 획득된 물체 홀로그램의 상기 기준광 정보이며, conj는 복소수의 켤레 항(Conjugate)을 구하는 함수이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법(300)에서, 상기 e) 단계에서 계산된 상기 보상된 물체 홀로그램은 식 UC(x,y,0)=O(x,y)R*(x,y)RC(x,y)RCA(x,y)로 표시되고, 여기서 UC(x,y,0)는 상기 보상된 물체 홀로그램이고, O(x,y) 및 R*(x,y)는 각각 상기 획득된 물체 홀로그램의 상기 물체광(O) 및 상기 기준광(R)이며, RC(x,y)는 상기 디지털 기준광이고, RCA(x,y)는 상기 디지털 곡률이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법(300)에서, 상기 f) 단계의 상기 보상된 물체 홀로그램의 상기 위상 정보는 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier transform)을 통해 추출되며, 상기 추출된 위상 정보는 상기 획득된 물체 홀로그램에서 광의 정보 및 대물 렌즈의 수차 정보가 제거되어, 상기 측정 대상 물체(50)의 위상 정보만을 포함한다. 여기서, 상기 f) 단계는 상기 보상된 물체 홀로그램의 상기 위상 정보가 미세 노이즈를 포함하는 경우, 2차원 위상 펼침 알고리즘(2D phase unwrapping algorithm)을 이용하여 상기 미세 노이즈를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 방법(300)에서, 상기 g) 단계에서 계산된 상기 정량적인 두께 정보는 식 △L = λ△φ(x,y)/2π△n(x,y)로 표시되고, 여기서 △L 은 상기 측정 대상 물체(50)의 정량적인 두께 정보, λ는 상기 물체 홀로그램 획득 시 사용한 광원부의 파장, φ(x,y)는 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보,△n(x,y)는 굴절률 차이이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법(300)에서는, 프로세서(90)를 이용하여 획득된 물체 홀로그램 및 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 생성된 디지털 기준광 만을 이용하여 측정 대상 물체(50)의 3차원 정보를 복원할 수 있으므로, 종래 기술의 한 장의 물체 홀로그램 영상을 사용하는 원샷 방식의 디지털 홀로그래피 복원 시 요구되는 복잡한 광학 장치 구조 및 그에 따른 상당한 고가의 비용 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법(300)에서는, 홀로그래픽 복원 장치(1)는 프로세서(90)만을 추가적으로 사용하므로 그 전체 구성이 매우 간단하고 저가의 비용으로 홀로그램을 복원하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법(300)에서는, 프로세서(90)를 제외한 다른 구성요소가 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치와 실질적으로 동일한 구성을 가지므로, 종래 기술의 반사형 및 투과형 홀로그램 복원 장치에 모두 용이하게 적용될 수 있는 범용성을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법(300)에서는, 특히 종래 기술과는 달리 홀로그램 복원 시 기준 홀로그램의 사용이 불필요하며, 실시간으로 특정 대상 물체(50)의 정량적인 3차원 영상 복원이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 개선된 홀로그래픽 복원 장치(1) 및 방법(300)에서는, 상술한 바와 같이 기준 홀로그램을 사용함이 없이 실시간으로 특정 대상 물체(50)의 정량적인 3차원 영상 복원이 가능하므로, TFT 및 반도체와 같은 초미세 구조의 결함 검출용 장치, 정밀한 3차원 영상의 표시가 요구되는 의료 기기, 및 기타 렌즈와 같은 투명한 물체의 굴절률 에러 검출 등을 포함한 다양한 분야의 검출, 확인 또는 표시용 장치에 적용이 가능하다.
다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.

Claims (19)

  1. 홀로그래픽 복원 장치에 있어서,
    단일 파장 광을 방출하는 광원부;
    상기 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기;
    상기 시준기를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광 및 기준광으로 분할하는 광 분할기;
    상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 물체광을 통과시키는 물체광 대물 렌즈;
    상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 기준광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈;
    상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 기준광을 반사시키는 광학 거울;
    상기 물체광 대물 렌즈를 통과하여 측정 대상 물체의 표면에서 반사된 물체광 및 상기 광학 거울에 의해 반사된 기준광이 각각 상기 물체광 대물 렌즈 및 기준광 대물 렌즈를 통과하여 상기 광 분할기로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및
    상기 기록 매체에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 상기 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하여 디지털 기준광을 생성하고, 상기 물체 홀로그램과 상기 디지털 기준광을 이용하여 보상된 물체 홀로그램을 계산하고 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 정보를 복원하는 홀로그래픽 복원 장치.
  2. 홀로그래픽 복원 장치에 있어서,
    단일 파장 광을 방출하는 광원부;
    상기 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기;
    상기 시준기를 통과한 상기 단일 파장 광을 물체광 및 기준광으로 분할하는 광 분할기;
    상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 물체광이 측정 대상 물체를 투과한 후 상기 측정 대상 물체의 정보를 포함한 물체 투과광을 통과시키는 물체광 대물 렌즈;
    상기 물체광 대물 렌즈를 통과한 상기 물체 투과광을 반사시키는 제 2 광학 거울;
    상기 광 분할기에 의해 분할된 상기 기준광을 통과시키는 기준광 대물 렌즈;
    상기 기준광 대물 렌즈를 통과한 상기 기준광을 반사시키는 제 1 광학 거울;
    상기 제 1 광학 거울에 의해 반사된 상기 기준광 및 상기 제 2 광학 거울에 의해 반사된 상기 물체 투과광이 각각 전달되는 제 2 광 분할기;
    상기 제 2 광 분할기로 전달된 상기 기준광 및 상기 물체 투과광에 의해 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 기록 매체; 및
    상기 기록 매체에서 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 수신하여 저장하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는 상기 이미지 파일로부터 획득된 물체 홀로그램으로부터 상기 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하여 디지털 기준광을 생성하고, 상기 물체 홀로그램과 상기 디지털 기준광을 이용하여 보상된 물체 홀로그램을 계산하고 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 정보를 복원하는 홀로그래픽 복원 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 프로세서는 i) 상기 획득된 물체 홀로그램에 대해 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행하고, 상기 2차원 푸리에 변환으로 얻어지며, 상기 물체 홀로그램의 실상 좌표(Real image spot-position)를 포함하는 스펙트럼 정보, 허상 좌표 정보(Imaginary image spot-position)를 포함하는 스펙트럼 정보, 및 직류 정보(Direct Current: DC)를 포함하는 스펙트럼 정보를 포함하는 주파수 스펙트럼에서 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘(Automatic real image spot-position extraction algorithm)을 이용하여 상기 실상 좌표 정보만을 추출하며, iii) 상기 추출된 실상 좌표 정보를 이용하여 상기 획득된 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하여 상기 기준광 정보를 추출하는 홀로그래픽 복원 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 프로세서는 i) 상기 추출된 기준광 정보의 파수 벡터 상수를 계산하고, ii) 상기 계산된 파수 벡터 상수를 이용하여 상기 추출된 기준광 정보의 보상 항을 계산하여 상기 디지털 기준광을 생성하는 홀로그래픽 복원 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 디지털 기준광은 식 Rc(x,y)= conj[R(x,y)]로 표시되고, 여기서 Rc(x,y)는 상기 디지털 기준광이고, R(x,y)는 상기 획득된 물체 홀로그램의 기준광 정보이며, conj는 복소수의 켤레 항(Conjugate)을 구하는 함수인 홀로그래픽 복원 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 물체광 대물 렌즈의 곡률 수차를 보상하기 위해 상기 물체 홀로그램에서 수차 정보를 추출한 후, 자동 주파수 곡률 수차보상 알고리즘(Automatic frequency curvature compensation algorithm)을 이용하여 곡률 수차 정보 보상 항인 디지털 곡률을 생성하는 홀로그래픽 복원 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 보상된 물체 홀로그램은 상기 추출된 기준광 정보의 상기 계산된 보상 항을 상기 획득된 물체 홀로그램에 곱하여 계산되는 홀로그래픽 복원 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 보상된 물체 홀로그램은 식 UC(x,y,0)=O(x,y)R*(x,y)RC(x,y)RCA(x,y)으로 표시되고, 여기서 UC(x,y,0)는 상기 보상된 물체 홀로그램이고, O(x,y) 및 R*(x,y)는 각각 상기 획득된 물체 홀로그램의 상기 물체광(O) 및 상기 기준광(R)이며, RC(x,y)는 상기 디지털 기준광이고, RCA(x,y)는 상기 디지털 곡률인 홀로그래픽 복원 장치.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 보상된 물체 홀로그램을 각 스펙트럼 확산 알고리즘(Angular Spectrum Propagation algorithm)을 이용하여 복원 영상면(Reconstruction image plane)의 정보로 변환하고, 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier transform)을 통해 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하며, 상기 추출된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보를 계산하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 및 상기 정량적인 두께 정보를 복원하는 홀로그래픽 복원 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 정량적인 두께 정보는 식 △L = λ△φ(x,y)/2π△n(x,y)로 표시되고, 여기서 △L 은 상기 정량적인 두께 정보, λ는 상기 광원부의 파장, △φ(x,y)는 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보, △n(x,y)는 공기와 상기 측정 대상 물체 간의 굴절률의 차이인 홀로그래픽 복원 장치.
  11. 홀로그래픽 복원 방법에 있어서,
    a) 측정 대상 물체의 물체 홀로그램을 획득하는 단계;
    b) 상기 획득된 물체 홀로그램으로부터 기준광 정보를 추출하는 단계;
    c) 상기 추출된 기준광 정보의 파수 벡터 상수를 계산하고, 계산된 상기 파수 벡터 상수를 이용하여 상기 기준광 정보의 보상 항을 계산하여 디지털 기준광을 생성하는 단계;
    d) 상기 물체 홀로그램에서 수차 정보를 추출한 후, 상기 수차를 보상한 디지털 곡률을 생성하는 단계;
    e) 상기 기준광 정보의 상기 보상 항을 상기 획득된 물체 홀로그램에 곱하여 보상된 물체 홀로그램을 계산하는 단계;
    f) 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보를 추출하는 단계; 및
    g) 상기 보상된 물체 홀로그램의 상기 추출된 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상 물체의 정량적인 두께 정보를 계산하여 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 및 상기 정량적인 두께 정보를 복원하는 단계를 포함하는 홀로그래픽 복원 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 a) 단계는
    a1) 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 광 분할기에 의해 물체광 및 기준광으로 분할하는 단계;
    a2) 분할된 상기 물체광을 물체광 대물 렌즈를 통해 상기 측정 대상 물체의 표면에서 반사시키고 또한 분할된 상기 기준광을 기준광 대물 렌즈를 통해 통과시킨 후 광학 거울(70)에 의해 반사시키는 단계;
    a3) 상기 반사된 물체광 및 상기 반사된 기준광을 상기 광 분할기로 전달하여 형성되는 간섭 무늬를 기록 매체에 기록하고, 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 프로세서로 전송하는 단계; 및
    a4) 상기 프로세서에 의해 상기 이미지 파일로부터 상기 물체 홀로그램을 획득하는 단계를 포함하는 홀로그래픽 복원 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 a) 단계는
    a1) 광원부에서 방출된 단일 파장 광을 광 분할기에 의해 물체광 및 기준광으로 분할하는 단계;
    a2) 분할된 상기 물체광을 상기 측정 대상 물체를 통해 투과시켜 얻어진 물체 투과광을 물체광 대물 렌즈를 통해 통과시킨 후 상기 물체 투과광을 제 2 광학 거울에 의해 반사시키고 또한 분할된 상기 기준광을 기준광 대물 렌즈를 통해 통과시킨 후 광학 거울에 의해 반사시키는 단계;
    a3) 상기 반사된 물체 투과광 및 상기 반사된 기준광을 제 2 광 분할기로 전달하여 형성되는 간섭 무늬를 기록 매체에 기록하고, 상기 간섭무늬를 변환하여 생성된 이미지 파일을 프로세서로 전송하는 단계; 및
    a4) 상기 프로세서에 의해 상기 이미지 파일로부터 상기 물체 홀로그램을 획득하는 단계를 포함하는 홀로그래픽 복원 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 b) 단계는
    b1) 상기 획득된 물체 홀로그램에 대해 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행하는 단계;
    b2) 상기 2차원 푸리에 변환으로 얻어지며, 상기 물체 홀로그램의 실상 좌표(Real image spot-position)를 포함하는 스펙트럼 정보, 허상 좌표 정보(Imaginary image spot-position)를 포함하는 스펙트럼 정보, 및 직류 정보(Direct Current: DC)를 포함하는 스펙트럼 정보를 포함하는 주파수 스펙트럼에서 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘(Automatic real image spot-position extraction algorithm)을 이용하여 상기 실상 좌표 정보만을 추출하는 단계; 및
    b3) 상기 추출된 실상 좌표 정보를 이용하여 상기 획득된 물체 홀로그램의 기준광 정보를 추출하는 단계를 포함하는 홀로그래픽 복원 방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 상기 계산된 보상 항은 상기 획득된 물체 홀로그램의 켤레항(Conjugate)으로 상기 디지털 기준광이고, 식으로 Rc(x,y)= conj[R(x,y)]로 표시되며, 여기서 Rc(x,y)는 상기 디지털 기준광이고, R(x,y)는 상기 획득된 물체 홀로그램의 상기 기준광 정보이며, conj는 복소수의 켤레 항(Conjugate)을 구하는 함수인 홀로그래픽 복원 방법.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 e) 단계에서 계산된 상기 보상된 물체 홀로그램은 식 UC(x,y,0)=O(x,y)R*(x,y)RC(x,y)RCA(x,y)로 표시되고, 여기서 UC(x,y,0)는 상기 보상된 물체 홀로그램이고, O(x,y) 및 R*(x,y)는 각각 상기 획득된 물체 홀로그램의 상기 물체광(O) 및 상기 기준광(R)이며, RC(x,y)는 상기 디지털 기준광이고, RCA(x,y)는 상기 디지털 곡률인 홀로그래픽 복원 방법.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 f) 단계의 상기 보상된 물체 홀로그램의 상기 위상 정보는 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier transform)을 통해 추출되며, 상기 추출된 위상 정보는 상기 획득된 물체 홀로그램에서 광의 정보 및 대물 렌즈의 수차 정보가 제거되어, 상기 측정 대상 물체의 위상 정보만을 포함하는 홀로그래픽 복원 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 f) 단계는 상기 보상된 물체 홀로그램의 상기 위상 정보가 미세 노이즈 및 위상 접힘(Wrapped phase) 현상을 포함하는 경우, 2차원 위상 펼침 알고리즘(2D phase unwrapping algorithm)을 이용하여 상기 미세 노이즈 및 위상 접힘(Wrapped phase) 현상을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 홀로그래픽 복원 방법.
  19. 제 11항에 있어서,
    상기 g) 단계에서 계산된 상기 정량적인 두께 정보는 식 △L = λ△φ(x,y)/2π△n(x,y)로 표시되고, 여기서 △L은 상기 정량적인 두께 정보, λ는 상기 물체 홀로그램 획득 시 사용한 광원부의 파장, △φ(x,y)는 상기 보상된 물체 홀로그램의 위상 정보, △n(x,y)는 공기와 상기 측정 대상 물체 간의 굴절률 차이인 홀로그래픽 복원 방법.
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