KR102757036B1 - 피사계 심도 확장 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피사계 심도 확장 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 광학계에 대한 피사계 심도(depth of field)를 확장하기 위한 시스템으로서, 상기 광학계의 제1 및 제2 렌즈의 사이에 배치되는 이진 위상 마스크; 및 상기 위상 천이 마스크에 형성되는 이진 위상 구조를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

피사계 심도 확장 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DEPTH OF FIELD EXPANSION}

본 발명은 피사계 심도 확장 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이진 위상(Binary phase) 구조를 이용하여 광학계의 피사계 심도(depth of field, DOF)를 확장하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

광학계는 의료 분야를 비롯한 다양한 산업 분야에서 촬영 대상의 형상 및 상태에 대한 진단 등을 위해 활용되고 있다. 이때, 해당 광학계는 사용하기에 충분한 해상도 및 정확성을 가진 광 신호를 제공하기 위해 광 신호 품질의 요구 사항을 충족시켜야 한다.

특히, 광학계의 디포커스(defocus)는 광 신호 품질을 손상시킬 수 있는 요소이므로, 이러한 디포커스의 문제를 해결하기 위해 피사계 심도(DOF)를 확장(증가)시키는 기술이 필요하다. 특히, 비간섭 광학계에서 심도 및 분해능 간에는 트레이드 오프(trade-off) 관계가 발생한다. 즉, 심도를 확장(증가)시키는 경우에 분해능이 떨어지는 문제가 발생한다.

따라서, 피사계 심도를 확장하면서도 심도 및 분해능 간의 트레이드 오프 관계를 일정 부분 극복할 수 있는 개선된 솔루션이 필요한 실정이다.

다만, 상술한 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 기 공개된 기술에 해당하는 것은 아니다.

상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 이진 위상(Binary phase) 구조를 이용하여 광학계의 피사계 심도(depth of field, DOF)를 확장하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 광학계에 대한 피사계 심도(depth of field)를 확장하기 위한 시스템으로서, 상기 광학계의 제1 및 제2 렌즈의 사이에 배치되는 이진 위상 마스크; 및 상기 위상 천이 마스크에 형성되는 이진 위상 구조를 제어하는 제어부;를 포함한다.

상기 제어부는 상기 위상 천이 마스크의 이진 위상 구조에 따라 상기 제2 렌즈에서 출력되는 빛을 이용하여 해당 이진 위상 구조에 대한 평가를 수행한 후, 상기 평가의 결과에 따라 이진 위상 구조를 그대로 사용하거나 변경할 수 있다.

상기 위상 천이 마스크는 빛에 대해 서로 다른 위상 천이 작용을 수행하는 제1 및 제2 영역을 포함할 수 있다.

상기 제1 영역은 입사되는 빛을 제1 위상만큼 지연하여 출사하고, 상기 제2 영역은 입사되는 빛을 제2 위상만큼 지연하여 출사할 수 있다.

상기 제1 영역은 입사되는 빛을 0˚ 위상만큼 지연하여 출사하고, 상기 제2 영역은 입사되는 빛을 180˚ 위상만큼 지연하여 출사할 수 있다.

상기 제1 및 제2 영역은 복수 개가 구비되되 교차로 형성될 수 있다.

상기 제2 영역이 중심부에 배치될 수 있다.

상기 이진 위상 마스크는 공간 광 변조기(spatial light modulator) 또는 격자 광 밸브(Grating light valve)로 구현될 수 있다.

상기 제어부는 입자 군집 최적화(Particle swarm optimization)를 이용하여 최적의 이진 위상 구조로 변경할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 광학계에 대한 피사계 심도(depth of field)를 확장하기 위한 방법으로서, 상기 광학계의 제1 및 제2 렌즈의 사이에 이진 위상 마스크를 배치하는 단계; 및 상기 위상 천이 마스크에 형성되는 이진 위상 구조를 제어하면서 최적의 이진 위상 구조를 적용하는 단계;를 포함한다.

상기 적용하는 단계는 상기 위상 천이 마스크의 이진 위상 구조에 따라 상기 제2 렌즈에서 출력되는 빛을 이용하여 해당 이진 위상 구조에 대한 평가를 수행한 후, 상기 평가의 결과에 따라 이진 위상 구조를 그대로 사용하거나 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 적용하는 단계는 입자 군집 최적화(Particle swarm optimization)를 이용하여 상기 최적의 이진 위상 구조를 적용하는 단계를 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 이진 위상(Binary phase) 구조를 이용하여 광학계의 피사계 심도(depth of field, DOF)를 확장할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 입자 군집 최적화(Particle swarm optimization, PSO)를 기반으로 최적의 이진 위상 구조를 생성함에 따라 이진 위상 마스크의 설계를 위해 사용되는 파라미터를 크게 줄이고 성능을 최적화할 수 있는 이점이 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)의 대략적인 블록 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)을 광학계(101)에 적용한 경우에 대한 예를 나타낸다.
도 3은 위상 천이 마스크(110)의 평면에서 이진 위상 구조에 대한 다양한 예를 나타낸다.
도 4는 전자 장치(120)의 대략적인 블록 구성도를 나타낸다.
도 5는 점광원이 광학계에 입사되는 경우에 위상 천이 마스크(110)의 적용 여부에 따른 예들을 나타낸다.
도 6은 다양한 거리의 피사체의 빛이 광학계에 입사되는 경우에 위상 천이 마스크(110)의 적용 여부에 따른 예들을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어방법의 순서도를 나타낸다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어방법에 대한 개념도를 나타낸다.
도 10은 광학계(101)를 통한 영상 취득의 개요를 나타낸다.
도 11은 일반적인 광학 시스템의 광축 방향(u)에 대해 서로 다른 깊이에 위치한 점확산함수와 영상 품질의 변화를 나타낸다.
도 12는 다양한 연속 위상 패턴과 각 패턴의 이진화로 인한 결과를 나타낸다.
도 13은 1차항과 2차항이 결합된 2차식으로 이루어진 연속 위상 패턴의 이진화 결과물을 나타낸다.
도 14는 1차항과 2차항 계수를 조절하며 연속 함수를 생성하고, 생성된 함수를 이진화하여 얻은 다수의 이진 위상 구조와 그 초점 결과물을 나타내며, 도 15는 2차항과 4차항을 이용하여 생성한 다수의 이진 위상 구조를 나타낸다.

본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다", "마련하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 명세서에서, "또는", "적어도 하나" 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나"는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.

본 명세서에서, "예를 들어" 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.

본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)의 대략적인 블록 구성도를 나타내며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)을 광학계(101)에 적용한 경우에 대한 예를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)은 광학계(101)에 대한 피사계 심도(depth of field, DOF)를 확장하기 위한 시스템이다. 이때, 광학계(101)는 다수의 렌즈를 포함하여 입사되는 광원에 대한 다양한 광학 작용(가령, 광원을 모으고 굴절시켜 대상물에 대한 광학적 상(image)을 만드는 작용 등)을 수행한다. 일례로, 광학계(101)는 영상 촬영 장치 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 광학계(101)는 광원의 빛이 입사되는 입력부에 근접 배치되는 제1 렌즈(101)와, 광학 작용에 따라 빛이 최종 출사되는 출력부의 근접 배치되는 제2 렌즈(102)를 포함한다. 일례로, 제1 렌즈(101)의 전단 영역에서 광원의 빛이 입사되고, 제1 렌즈(101)의 후단에 배치된 제2 렌즈(102)의 후단 영역에서 빛이 출사되어 해당 후단 영역에서 출사된 빛의 초점이 형성될 수 있다.

이러한 시스템(100)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 위상 천이 마스크(phase shift mask)(110) 및 전자 장치(120)를 포함한다.

도 3은 위상 천이 마스크(110)의 평면에서 이진 위상 구조에 대한 다양한 예를 나타낸다. 이때, 평면은 광축(z축)에 대해 수직한 축들(x축 및 y축)이 이루는 면을 지칭한다.

위상 천이 마스크(110)는 입사되는 빛을 이진 위상(binary phase) 방식으로 천이(shift)하는 마스크로서, 이진 위상 마스크(binary phase mask, BPM)라고도 지칭될 수 있으며, 광학계(101)의 제1 및 제2 렌즈(102, 103) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 도 2를 참조하면, 위상 천이 마스크(110)는 그 평면 중에 빛이 통과하는 영역에 이진 위상 구조를 포함한다. 이때, 이진 위상 구조는 서로 다른 위상 천이 작용을 수행하는 제1 및 제2 영역(111, 112)를 각각 포함한다. 이에 따라, 제1 및 제2 렌즈(102, 103) 사이를 통과하는 빛은 제1 및 제2 영역(111, 112)에서 서로 다른 위상으로 지연되어 출사된다.

즉, 위상 천이 마스크(110) 평면의 빛 통과 영역에서, 적어도 어느 하나의 제1 영역(111)에서는 입사되는 빛을 제1 위상(가령, 0˚의 위상)만큼 지연하여 출사하고, 적어도 다른 하나의 제2 영역(가령, 나머지 영역)(112)에서는 입사되는 빛을 제2 위상(가령, 180˚의 위상)만큼 지연하여 출사할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 영역(111, 112)는 하나씩 교차로 형성될 수 있다.

일례로, 도 3을 참조하면, 위상 천이 마스크(110)의 평면에서 빛 통과 영역은 원형 영역이고, 해당 빛 통과 영역의 중심부는 원형의 제2 영역(112)이 배치되며, 그 중심부 제2 영역(112)의 주변으로 원형 띠 형상의 제1 영역(111)이 배치될 수 있다 물론, 그 제1 영역(111)의 주변으로 원형 띠 형상의 제2 영역(112)이 추가로 배치될 수 있으며, 해당 원형 띠 형상의 제2 영역(112)의 주변으로 원형 띠 형상의 제1 영역(112)이 추가로 배치될 수 있으며, 제1 및 제2 영역(111, 112)이 교차로 배치될 수 있다. 또한, 위상 천이 마스크(110)의 평면에서 최외각 영역에는 빛이 차단되는 제3 영역(113)이 배치될 수 있다. 물론, 제1 및 제2 영역(111, 112)은 상술한 바와 반대의 패턴(즉, 제1 영역(111)이 중심부에 위치하는 패턴)으로 형성될 수도 있다. 이러한 제1 영역(111) 및 제2 영역(112)에 대한 형상, 개수 및 각 영역 넓이에 대한 디자인은 다양하게 설계될 수 있으며, 특히 후술할 전자 장치(120)의 제어에 따라 설계될 수 있다.

위상 천이 마스크(110)는 제1 영역(111) 및 제2 영역(112)에 대한 형상, 개수 및 각 영역 넓이를 동적으로 조절 가능한 장치인 것이 바람직할 수 있다. 일례로, 위상 천이 마스크(110)는 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM) 또는 격자 광 밸브(Grating light valve, GLV) 등으로 구현될 수 있다. 즉, SLM의 경우, 전기 또는 광학 신호의 입력에 따라 제1 및 제2 영역(111, 112)의 공간을 형성하여 입사되는 빛의 위상을 각 제1 및 제2 영역(111, 112)에서 변경하여 출력한다. 이러한 SLM는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기반의 SLM이거나 LC (Liquid Crystal) 기반의 SLM일 수 있다. 또한, GLV는 동적으로 조정 가능한 회절 격자를 통해 제1 및 제2 영역(111, 112)을 형성하여 입사되는 빛의 위상을 각 제1 및 제2 영역(111, 112)에서 변경하여 출력한다.

물론, SLM 또는 GLV 등과 같이 동적으로 조절 가능한 장치인 경우, 위상 천이 마스크(110)는 그 이진 위상 구조를 구현하는 위상 구조 제어부(미도시)에 연결된다. 이러한 위상 구조 제어부는 위상 천이 마스크(110)의 이진 위상 구조의 구현하기 위한 정보를 저장한 메모리와, 해당 메모리의 저장 정보를 이용하여 해당 이진 위상 구조의 구현을 처리하는 프로세서를 포함할 수 있다.

다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 위상 천이 마스크(110)는 imprinting, thin film deposition, wet/dry etching, 또는 홀로그램 필름 등의 방식에 따라 물리적 단차를 통해 상술한 제1 및 제2 영역이 구현된 것일 수도 있다.

도 4는 전자 장치(120)의 대략적인 블록 구성도를 나타낸다.

전자 장치(120)는 컴퓨팅(computing)이 가능한 전자 장치로서, 적어도 제1 및 제2 기능을 수행할 수 있다. 즉, 제1 기능은 위상 천이 마스크(110)의 이진 위상 구조(즉, 제1 영역(111) 및 제2 영역(112)에 대한 형상, 개수 및 각 영역 넓이의 디자인)에 대한 제어 신호를 생성하는 기능이다. 또한, 제2 기능은 광학계(101)에 위상 천이 마스크(110)의 현재 이진 위상 구조를 적용하여 출력되는 최종 빛을 이용하여 해당 현재 이진 위상 구조에 대한 평가를 수행하는 기능이다. 제1 기능은 초기화 시에 수행되며, 이후 제2 기능의 평가 결과에 따라 위상 천이 마스크(110)의 수정된 이진 위상 구조가 적용되도록 제1 기능이 반복 수행될 수 있다.

예를 들어, 전자 장치는 데스크탑 PC(desktop personal computer), 랩탑 PC(laptop personal computer), 태블릿 PC(tablet personal computer), 넷북 컴퓨터(netbook computer), 워크스테이션(workstation), 스마트폰(smart phone), 스마트패드(smart pad), 또는 휴대폰(mobile phone) 등의 범용의 컴퓨팅 장치이거나, 임베디드 리눅스(Embeded Linux) 등을 기반으로 구현된 전용의 임베디드 시스템일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 4를 참조하면, 전자 장치(120)는 입력부(121), 통신부(122), 디스플레이(123), 메모리(124) 및 제어부(125)를 포함할 수 있다.

입력부(121)는 다양한 사용자의 입력에 대응하여, 입력데이터를 발생시키며, 다양한 입력수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력부(121)는 키보드(key board), 키패드(key pad), 돔 스위치(dome switch), 터치 패널(touch panel), 터치 키(touch key), 터치 패드(touch pad), 마우스(mouse), 메뉴 버튼(menu button) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

통신부(122)는 위상 천이 마크스(110) 또는 위상 구조 제어부 등의 다른 장치와의 통신을 수행하는 구성이다. 가령, 통신부(122)는 제1 기능에 따라 생성된 위상 천이 마스크(110)의 이진 위상 구조의 제어 정보를 위상 천이 마스크(110) 또는 그 위상 구조 제어부로 전송할 수 있다. 또한, 통신부(122)는 제1 및 제2 기능의 수행을 위해 필요한 정보를 다른 단말 또는 서버 등으로부터 수신할 수 있다. 예를 들어, 통신부(122)는 5G(5th generation communication), LTE-A(long term evolution-advanced), LTE(long term evolution), 블루투스, BLE(bluetooth low energy), NFC(near field communication), 와이파이(WiFi) 통신 등의 무선 통신을 수행하거나, 케이블 통신 등의 유선 통신을 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

디스플레이(123)는 다양한 영상 데이터를 화면으로 표시하는 것으로서, 비발광형 패널이나 발광형 패널로 구성될 수 있다. 가령, 디스플레이는 제1 및 제2 기능을 수행에 따른 처리 과정 및 결과 등에 대한 화면을 표시할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이는 액정 디스플레이(LCD; liquid crystal display), 발광 다이오드(LED; light emitting diode) 디스플레이, 유기 발광 다이오드(OLED; organic LED) 디스플레이, 마이크로 전자기계 시스템(MEMS; micro electro mechanical systems) 디스플레이, 또는 전자 종이(electronic paper) 디스플레이 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 디스플레이는 입력부(121)와 결합되어 터치 스크린(touch screen) 등으로 구현될 수도 있다.

메모리(124)는 전자 장치(120)의 동작에 필요한 각종 정보를 저장한다. 즉, 메모리(124)는 제1 및 제2 기능을 수행을 위해 필요한 제어 프로그램 정보 등을 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(124)는 그 유형에 따라 하드디스크 타입(hard disk type), 마그네틱 매체 타입(magnetic media type), CD-ROM(compact disc read only memory), 광 기록 매체 타입(optical Media type), 자기-광 매체 타입(magneto-optical media type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 플래시 저장부 타입(flash memory type), 롬 타입(read only memory type), 또는 램 타입(random access memory type) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 메모리(124)는 그 용도/위치에 따라 캐시(cache), 버퍼, 주기억장치, 또는 보조기억장치이거나 별도로 마련된 저장 시스템일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제어부(125)는 제어 장치(120)의 다양한 제어 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제어부(125)는 제1 및 제2 기능의 수행을 제어할 수 있고, 메모리(124)에 저장된 제어 프로그램 및 후술할 제어 방법에 대한 수행을 제어할 수 있으며, 전자 장치(100)의 나머지 구성, 즉 입력부(121), 통신부(122), 메모리(124), 디스플레이 등의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(125)는 하드웨어인 적어도 하나의 프로세서(processor)를 포함하며, 해당 프로세서에서 수행되는 소프트웨어인 프로세스(process) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제1 기능 수행 시, 제어부(125)는 위상 천이 마스크(110)의 이진 위상 구조에 대한 디자인 설계를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(125)는 초기화 시에 위상 천이 마스크(110)의 이진 위상 구조(초기 이진 위상 구조)를 임의로 또는 기 설정된 바에 따라 도출할 수 있다. 이후, 위상 구조 제어부(120)는 이전 이진 위상 구조에 대해 제2 기능 수행에 따른 평가 결과에 따라 위상 천이 마스크(110)의 수정된 이진 위상 구조를 후술할 입자 군집 최적화(Particle swarm optimization, PSO) 기술을 기반으로 도출할 수 있다.

물론, 필요에 따라, 제어부(125)는 도출된 이진 위상 구조에 대한 제어 신호를 광학계(101)에 배치된 위상 천이 마스크(110) 또는 위상 구조 제어부로 전달할 수도 있다. 이 경우, 위상 천이 마스크(110) 또는 위상 구조 제어부는 수신된 제어 신호에 따라 해당 이진 위상 구조를 반영하여 제1 영역(111) 및 제2 영역(112)을 구현할 수 있다.

한편, 제2 기능 수행 시, 제어부(125)는 측정부(131)가 위상 천이 마스크(110)의 현재 이진 위상 구조에 따라 예측되는 거리 별 초점 형상과 영상 형태를 도출하도록 제어한다. 이후, 제어부(125)는 그 예측 결과를 기반으로 깊이 별 영상 품질(가령, Structural similarity, Peak Signal-to-noise ratio, Mean Squared Error 등)을 도출하여 목표한 심도 구간에서 주어진 영상 품질 조건이 만족되는지에 대한 평가를 제어한다.

이러한 제2 기능 수행에 따른 평가 결과, 해당 영상 품질 조건이 만족되지 않는 경우, 제어부(125)는 PSO 기반으로 제1 기능을 다시 수행하여 위상 천이 마스크(110)의 수정된 이진 위상 구조를 도출할 수 있다.

도 5는 점광원이 광학계에 입사되는 경우에 위상 천이 마스크(110)의 적용 여부에 따른 예들을 나타내고, 도 6은 다양한 거리의 피사체의 빛이 광학계에 입사되는 경우에 위상 천이 마스크(110)의 적용 여부에 따른 예들을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 광학계(101)에 위상 천이 마스크(110)를 적용한 경우에 점광원에 대한 초점 형성 양상의 제어가 가능함을 알 수 있다. 즉, 광학계(101)에 위상 천이 마스크(110)를 적용함에 따라 도 4의 하측 도면과 같이 초점의 성능을 변화시키는 것이 가능하며, 특히 그 초점의 크기를 작게 유지하면서 초점 심도를 길게 늘릴 수도 있다. 즉, 광학계(101)에 위상 천이 마스크(110)를 적용함에 따라 피사계 심도를 확장시킬 수 있다.

또한, 도 6을 참조하면, 광학계(101)에 위상 천이 마스크(110)를 적용하는 경우에 피사계에 대한 심도를 제어가 가능함을 알 수 있다. 즉, 광학계(101)에 위상 천이 마스크(110)를 적용함에 따라 도 5의 하측 도면과 같이 피사체 거리에 따른 해상력을 변화시키는 것이 가능하며, 특히 서로 다른 거리의 피사체 모두를 양호한 해상력으로 촬상 가능하다. 즉, 광학계(101)에 위상 천이 마스크(110)를 적용함에 따라 피사계 심도를 확장시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 제어방법에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어방법의 순서도를 나타내며, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어방법에 대한 개념도를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제어방법(이하, "본 제어 방법"이라 지칭함)은 상술한 시스템(100), 즉 전자 장치(120)의 제어부(125)에 의해 수행된다. 본 제어방법은 위상 천이 마스크(110)에 대해 최적의 확장된 피사계 심도를 가지는 이진 위상 구조의 디자인을 설계하기 위한 방법이다.

본 제어방법은, 상기 광학계의 제1 및 제2 렌즈(102, 103)의 사이에 이진 위상 마스크(101)를 배치하는 제1 단계와, 위상 천이 마스크(101)에 형성되는 이진 위상 구조를 제어하면서 최적의 이진 위상 구조를 적용하는 제2 단계를 포함할 수 있다. 일례로, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 제어방법은 제2 단계에 대한 상세한 과정에 해당하는 S201 내지 S204를 포함할 수 있다.

먼저, S201에서, 제어부(125)는 제1 기능을 수행하여 위상 천이 마스크(110)의 이진 위상 구조의 디자인을 도출하는 단계이다. 이때, 초기화 시, 임의로 또는 기 설정된 바에 따라 초기 이진 위상 구조의 디자인을 도출한다.

일례로, 도 3, 도 8 및 도 9를 참조하면, 위상 천이 마스크(110)는 교차되는 제1 영역(111) 및 제2 영역(112)가 n개(단, n인 2이상의 자연수)인 이진 위상 구조로 설정되는데, 그 중심점에서부터 각 제1 영역(111) 및 제2 영역(112)의 경계까지의 거리()를 원소로 가지는 행렬 로 설정하여 이용할 수 있다. 즉, 제어부(125)는 위상 천이 마스크(110)의 이진 위상 구조를 변수화하여 처리함으로써 그 디자인을 설계할 수 있다.

이후, S202에서, 제어부(125)는 제2 기능을 수행하여 S201에서 도출된 이진 위상 구조의 디자인에 대한 평가를 수행한다. 이때, 제어부(125)는 도출된 위상 천이 마스크(110)의 이진 위상 구조에 따라 제2 렌즈(103)에서 출력되는 빛을 이용하여 해당 이진 위상 구조에 대한 평가를 수행할 수 있다. 즉, 제어부(125)는 측정부(131)가 위상 천이 마스크(110)의 현재 이진 위상 구조에 따라 예상되는 거리 별 초점 형상과 영상 형태를 도출하고, 그 예측 결과를 기반으로 깊이 별 영상 품질을 평가한다.

이후, S203에서, 제어부(125)는 도출된 영상 품질의 결과가 목표 심도 구간에서 주어진 영상 품질 조건을 만족하는지 확인한다. 조건을 만족한다면, 제어부(125)는 현재 이진 위상 구조의 디자인에 대한 제어 신호를 위상 천이 마스크(110) 또는 위상 구조 제어부로 전달한다(S204). 이에 따라, 위상 천이 마스크(110) 또는 위상 구조 제어부는 수신된 제어 신호에 따라 해당 이진 위상 구조의 디자인을 반영하여 제1 영역(111) 및 제2 영역(112)을 구현할 수 있다.

만일, S203에서 조건이 불만족인 경우, S201이 다시 수행된다. 이 경우, 제어부(125)는 입자 군집 최적화(Particle swarm optimization, PSO)를 기반으로 제1 기능을 수행하여 위상 천이 마스크(110)의 수정된 이진 위상 구조(즉, 최적의 이전 위상 구조)의 디자인을 도출한다. 이를 위해 S202 내지 S203이 반복 수행되어, 수정된 이진 위상 구조의 디자인에 대한 평가 및 조건 만족 여부가 수행될 수 있다.

상술한 과정은 이진 위상 구조의 디자인이 조건을 만족할 때까지 반복 수행된다. 일례로, 초기 이진 위상 구조는 으로 설정되고, t회째 반복의 이진 위상 구조는 로 설정될 수 있다. 즉, t회째에서, 에 대한 평가 결과로 해당 조건이 만족되지 않는 경우에 PSO에 따라 의 수정된 이진 위상 구조이 도출되며, 도출된 에 대한 평가가 다시 수행될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어방법에 적용되는 이론 및 원리에 대한 설명이다.

<거리 별 초점 형상과 영상 형태를 예측하는 방법 및 광학 시스템>

도 10은 광학계(101)를 통한 영상 취득의 개요를 나타낸다.

도 10을 참조하면, 일반적으로 광학 장치의 기능은 물체(Object)로부터 발생되거나 산란되는 빛의 일부분을 취득하여 물체의 상(Image)를 만드는 것이다. 다만, 실제의 광학 시스템은 물체에서 나온 모든 광선을 취득할 수 없으므로, 빛의 회절(diffraction) 현상과, 렌즈로 인한 빛의 굴절 및 왜곡으로 인한 수차(aberration)를 겪게 된다. 이러한 광학 시스템의 전달 함수는 점확산함수(point spread function, PSF)로 알려져 있다. 이러한 점확산함수를 이용한 광학 시스템의 영상 방법은 다음의 식(1)과 같이 표현 가능하며, 물체와 점확산함수의 합성곱(convolution)은 상을 나타낸다.

(1)

분해능 또는 해상력(angular resolution, spatial resolution)은 영상 장치의 결상 능력의 지표로 서로 떨어져 있는 두 물체를 서로 구별할 수 있는 능력을 의미하며, 점확산함수의 형상에 의해 표현 가능하다.

도 11은 일반적인 광학 시스템의 광축 방향(u)에 대해 서로 다른 깊이에 위치한 점확산함수와 영상 품질의 변화를 나타낸다.

도 11을 참조하면, 위치(a-a)에서 위치(c-c)로 전파함에 따라 빛의 회절에 따른 점확산함수의 변화가 발생하며, 그에 따른 상의 왜곡은 불가피하다. 초점 심도는 광축 방향으로 초점이 유지되는 구간으로 정의되며, 피사계 심도는 허용 수준의 해상력을 유지 가능한 피사계의 구간으로 정의된다.

<PSO를 적용하는 상세한 내용>

광학계(101)는 BPM을 적용하고자 하는 광학 시스템의 렌즈 정보를 포함하고 있다. 현재 광학 설계 프로그램으로는 Zemax, CodeV, LightTools, ASAP, TracePro 등이 있으며, 기하 광학에 기반한 '광선 추적'을 기반으로 하고 있다. '광선 추적'은 서로 다른 굴절률을 가진 매질에 의한 굴절과 하나의 매질에서 일어나는 전달로 이뤄지며, 매질의 경계의 기하학적 정보와 매질의 광물성을 통해 산술 가능하다. 산출된 광선들은 정해진 회절 및 물리 광학 계산식이 반영되어 광전달함수(MTF(modulation transfer function)), 점확산함수(PSF(point spread function))등으로 해석이 이루어진다.

본 발명에서, 광학계(101)는 실제 영상을 취득하고자 하는 영상 시스템과 동일한 렌즈의 기하학적 정보 및 광물성을 포함하며, 피사체의 깊이에 따른 광전달함수를 산출한다.

- 영상 모사

영상 모사는 광학계(101) 의해 산출된 점확산함수와 테스트 타겟을 합성곱(convolution) 하여 이루어진다. 테스트 타겟을 영상 시스템의 성능을 평가하고 교정하는 데 도움이 되도록 고안된 'USAF 1951', 'Ronchi Ruling', 'Star' 등이 사용될 수 있다.

- 성능 평가

성능 평가는 피사체의 깊이에 따른 영상 품질 평가(image quality assessment)로 수행한다. 표 1을 참조하면, 영상 품질 평가 방법은 왜곡 없는 영상을 참조하는 완전 참조(full-reference) 평가법과 왜곡 없는 영상을 참조하지 않는 무참조(no-reference) 평가법을 사용할 수 있다.

Full reference

MSE(mean square error), PSNR(peak signal to noise ratio), SSIM(structure similarity), etc.

No reference

BRISQUE(Blind/Referenceless Image Spatial Quality Evaluator), NIQE(Natural Image Quality Evaluator), PIQE(Perception based Image Quality Evaluator), etc.

(2)

식 (2)는 본 알고리즘의 비용(y)에 대한 식으로서, 본 발명에서는 이것을 최소로 만드는 이진 위상 구조를 도출할 수 있다. 이때, 는 영상 품질 평가 결과, 는 목표 영상 품질, 는 번째 반복에서의 이진 위상 구조 행렬, 는 목표하는 심도 확장 구간, 는 정칙화(regularization) 계수를 각각 나타낸다.

- PSO 알고리즘

본 발명에서, PSO(particle swarm optimization) 알고리즘은 번째 마다 이진 위상 구조 를 수정하기 위해 제안되었다. PSO 알고리즘은 식(2)에 따라 산출되는 비용(y)을 최소화하는 성분 ()을 탐색하는 최적화 알고리즘이다.

본 발명에서, 이진 위상 구조 에 따른 비용(y)은 미분 가능한 함수가 아니므로, 경사 하강법(gradient descent)과 같은 미분을 이용한 최소 비용 탐색은 불가하다. PSO는 수리적 최적화의 한 방법론으로써, 여러 개의 particle(agent)이 서로 정보를 교환하며 동시에 저장하고 있는 정보를 조합하여 최적해를 찾아간다. 이러한 swarm-based optimization은 각 agent가 서로 정보를 교환하면서 최적화를 수행하기 때문에 하나의 agent가 local optimum에 수렴하더라도 swarm은 global optimum에 수렴할 수도 있다는 장점이 있다.

* (3)

(4)

PSO 알고리즘의 복수개의 agent를 이용해 하나 이상의 변수공간에서 최적화 알고리즘을 진행하며, 식(3)과 식(4)는 각각 t+1회 반복에서 i번째 변수에 대한 j번째 agent의 속도 벡터 및 위치벡터를 나타낸다. 이때, r은 0과 1사이의 난수이며, 는 각각 인식(cognitive), 사회(social) 계수이다. Agent 간의 정보 교환을 위한, agent 최저 비용(agent best solution)은 이며, swarm 최저 비용(global best solution)은 이다. PSO 알고리즘이 이진 위상 구조 설계를 수정하기 위해서 초기 번째 agent는 초기 이진 위상 구조와 식(5)와 같이 표현될 수 있다.

(5)

- PSO 알고리즘 실시예

일례로, i개의 성분에 대한 하나의 이진위상필터는 행렬 로 표현될 수 있다. Agent에 의해 병렬 처리되는 N개의 이진위상필터는 행렬 로 표현될 수 있다. 초기 N개의 이진위상필터는 행렬 로 표현될 수 있다.

t회의 조정(반복)을 거치면서 j번째 agent의 이진위상필터는 와 같은 해를 가질 수 있으며, 이들 중 최저 비용을 가지는 해를 agent 최저 비용(agent best solution), 으로 정의할 수 있다.

swarm 최저 비용(global best solution), 은 회수의 조정(반복)을 거치면서 가장 좋은 결과값을 보여준 역사상 최고의 해를 의미한다. t회의 조정을 거치면서 이진위상필터는 행렬 ; ; … 와 같은 해들을 가질 수 있고, 이들 중 최저의 비용을 가지는 해가 swarm 최저 비용(global best solution), 으로 정의될 수 있다.

<연속 위상 패턴 이진화>

본 발명에서, 위상 천이 마스크(100)의 이진 위상 구조는 이진화된 연속 위상 패턴를 가질 수 있으며, 그 구체적인 패턴화 방법은 다음과 같다.

중심으로부터의 거리 에 대한 함수인 연속 위상 패턴 가 있을 때,이그것의 이진화된 함수 는 식(6)과 같이 표현할 수 있다.

(식6)

도 12는 다양한 연속 위상 패턴과 각 패턴의 이진화로 인한 결과를 나타낸다.

즉, 도 12에서, (a1)은 Defocus 수차로 표현되는 연속 패턴으로서, 로 표현되며, Defocus 파라미터 에 관한 의 이차 함수로 표현된다. 또한, 도 12에서 (a2)는 (a1)이 렌즈 앞쪽에 배치되었을 시에 나타나는 초점 양상으로서, 각 초점 양상 그림은 세로 방향이 빛의 진행 방향, u=0 점이 초점 거리에 해당하는 초점면이다. 이 경우, (a1)은 의 값에 비례하여 초점을 초점면에서 빛의 진행 방향에 따라 그대로 이동시키는 효과가 있다. (b1)은 구면수차 (Spherical aberration, SA)를 표현한 것으로서, 으로 표현된다. 구면수차는 (b2)와 같이 초점을 진행 방향에 따라 길게 퍼트리는 효과가 있으며, 그 정도는 값에 따라 증가한다.

도 12에서, (c1)은 1차 함수의 예시로서, 로 표현되며, 해당 함수는 (c2)와 같이 초점을 초점면에서 이동시키면서, 동시에 길이 자체를 늘리는 효과를 나타낸다. 이동량 및 연장 정도는 값에 비례하여 증가한다. 도 12의 하부는 (식 6)을 통해 도 12 3 상부의 각 함수를 이진화하였을 시의 결과를 나타낸다. 각 이진화된 함수에 대한 초점은 연속 패턴에 의해 생성된 초점과 형태적으로 유사하나, 초점면을 중심으로 대칭된 형태의 추가 형상을 생성한다. 이러한 현상을 이용하여, 연속 함수 생성 시 서로 다른 차수를 가진 에 대한 다항식을 고려할 수 있다.

도 13은 1차항과 2차항이 결합된 2차식으로 이루어진 연속 위상 패턴의 이진화 결과물을 나타낸다.

도 13에서, (a)는 1차식으로만 이루어진 연속 위상 패턴()을 이진화한 결과물이며, 이때 값은 5를 상정하였다. 그 초점 형성 결과물은 도 13(b)에 도시된 바와 같이, 초점면을 기준으로 대칭되어 떨어져 있는 두 개의 연장된 초점을 형성한다. 도 13(c)는 에 대한 2차식으로 표현된 연속 위상 패턴( 의 이진화 결과물이다. 본 함수에 의해 변화된 초점은 도 13(d)와 같이 서로 떨어져 있던 두 초점이 결합되어 기존 초점 대비 연장된 형태를 보여준다.

도 13(e)는 도 13(b) 및 (d)에서 v=0 에서의 Intensity 그래프이다. 서로 떨어져 있던 두 초점이 값이 증가함에 따라 결합하여, 하나의 연장된 초점을 형성하였음을 알 수 있다. 도 13에서는 1차항과 2차항만을 사용하여 초점을 연장시키는 경우만을 상정하였으나, 다양한 차수의 항을 이용함으로서 다양한 형태를 가지는 초점을 형성할 수 있으며, 각 항의 계수값을 조절하여 다수의 디자인을 찾을 수 있다.

도 14는 1차항과 2차항 계수를 조절하며() 연속 함수를 생성하고, 생성된 함수를 이진화하여 얻은 다수의 이진 위상 구조와 그 초점 결과물을 나타내며, 도 15는 2차항과 4차항을 이용하여() 생성한 다수의 이진 위상 구조를 나타낸다.

도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 각 항의 계수값을 조절해가며 초점 생성 양상을 예측하여, 다수의 이진 위상 구조를 찾을 수 있다. 본 실시예에서는 1차항, 2차항, 4차항만을 사용하였으나, 이 외의 차수를 가진 항을 포함하여 이루어진 다항식에 대한 이진화를 수행하였을 시에도 다양한 이진 위상 구조를 찾을 수 있다.

상술한 바와 같이 구성되는 본 발명은 본 발명은 이진 위상(Binary phase) 구조를 이용하여 광학계의 피사계 심도(depth of field, DOF)를 확장할 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 입자 군집 최적화(Particle swarm optimization, PSO)를 기반으로 최적의 이진 위상 구조를 생성함에 따라 이진 위상 마스크의 설계를 위해 사용되는 파라미터를 크게 줄이고 성능을 최적화할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 시스템 110: 위상 천이 마스크
111: 제1 영역 112: 제2 영역
113: 제3 영역 120: 전자 장치
121: 입력부 122: 통신부
123: 디스플레이 124: 메모리
125: 제어부

Claims (12)

1. 광학계에 대한 피사계 심도(depth of field)를 확장하기 위한 시스템으로서,상기 광학계의 제1 및 제2 렌즈의 사이에 배치되는 위상 천이 마스크; 및
   상기 위상 천이 마스크에 형성되는 이진 위상 구조를 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 위상 천이 마스크는 빛에 대해 서로 다른 위상 천이 작용을 수행하는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 위상 천이 마스크의 중심점에서부터 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 경계까지의 거리를 원소로 가지는 행렬을 변수로 이용하는 입자 군집 최적화(Particle swarm optimization)를 이용하여 상기 이진 위상 구조를 변경하는 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 위상 천이 마스크의 이진 위상 구조에 따라 상기 제2 렌즈에서 출력되는 빛을 이용하여 해당 이진 위상 구조에 대한 평가를 수행한 후, 상기 평가의 결과에 따라 이진 위상 구조를 그대로 사용하거나 변경하는 시스템.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 영역은 입사되는 빛을 제1 위상만큼 지연하여 출사하고, 상기 제2 영역은 입사되는 빛을 제2 위상만큼 지연하여 출사하는 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 영역은 입사되는 빛을 0˚ 위상만큼 지연하여 출사하고, 상기 제2 영역은 입사되는 빛을 180˚ 위상만큼 지연하여 출사하는 시스템.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 영역은 복수 개가 구비되되 교차로 형성된 시스템.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제2 영역이 중심부에 배치되는 시스템.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 위상 천이 마스크는 공간 광 변조기(spatial light modulator) 또는 격자 광 밸브(Grating light valve)로 구현된 시스템.
   
9. 삭제
10. 광학계에 대한 피사계 심도(depth of field)를 확장하기 위한 방법으로서,
    상기 광학계의 제1 및 제2 렌즈의 사이에 위상 천이 마스크를 배치하는 단계; 및
    상기 위상 천이 마스크에 형성되는 이진 위상 구조를 제어하면서 최적의 이진 위상 구조를 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 위상 천이 마스크는 빛에 대해 서로 다른 위상 천이 작용을 수행하는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고,
    상기 적용하는 단계는, 상기 위상 천이 마스크의 중심점에서부터 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 경계까지의 거리를 원소로 가지는 행렬을 변수로 이용하는 입자 군집 최적화를 이용하여 상기 이진 위상 구조를 변경하는 방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 적용하는 단계는 상기 위상 천이 마스크의 이진 위상 구조에 따라 상기 제2 렌즈에서 출력되는 빛을 이용하여 해당 이진 위상 구조에 대한 평가를 수행한 후, 상기 평가의 결과에 따라 이진 위상 구조를 그대로 사용하거나 변경하는 단계를 포함하는 방법.
    
12. 삭제