KR102213500B1 - 액정 푸리에 변환 이미징 분광계 - Google Patents

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Abstract

초분광 이미징 시스템은, 초분광 이미징 파라미터를 수신하고 일련의 지연 시간에 일련의 지연으로 획득되는 일련의 이미지를 생성하는 프로세서, 입사광 빔을 편광시키는 입력 편광자, 편광 빔을 수신하고 파장-의존 편광을 생성하는 액정 가변 리타더, 파장-의존 편광을 수신하고 편광 상태 정보를 광 강도로서 검출 가능한 형태로 변환시키는 출력 편광자, 액정 가변 리타더에 전기적으로 연결되는 전압 소스, 및 지연 컨트롤러를 가지는 초분광 이미징 요소를 포함한다. 지연 컨트롤러는 일련의 지연 시간에 일련의 지연을 수신하고 액정 가변 리타더에 인가되는 일련의 전압 시간에 일련의 전압을 생성한다. 지연 컨트롤러와 동기화되는 초점면 어레이는 지연 함수로 광 강도로서 검출 가능한 형태로 광을 수신하고 광을 일련의 이미지로서 변환한다.

Description

액정 푸리에 변환 이미징 분광계{LIQUID CRYSTAL FOURIER TRANSFORM IMAGING SPECTROMETER}
본 발명은 액정 푸리에 변환 이미징 분광계에 관한 것이다.
초분광 이미징(HSI)은 전자기 스펙트럼의 자외선 (UV), 가시광선, 및 적외선 부분들에 거쳐있는 정보를 수집하고 처리한다. 초분광 이미징 카메라는 장면 내의 각각의 지점에서 스펙트럼 정보로 이루어진 초분광 이미지 데이터 또는 HSI 데이터를 회득한다. HSI는 장면의 이미지에서 정보의 깊이를 증가시키기 위해, 또는 종래의 단색 또는 컬러 카메라로 기록될 수 있는 이미지의 시각적 콘트라스트를 증가시키기 위해 종종 이용된다. 이러한 증대된 콘트라스트는 시각적 잡음에 의해 흐려지는 발견하기 어려운 또는 위장된 객체들을 검출하기 위해 사용될 수 있으며; 그것은 또한 재료 식별을 원조할 수 있다. 그것은 과일 한 개의 성숙과 같은, 피사체의 상태에 관한 상세 정보를 평가하기 위해 사용될 수 있다. HSI의 잘 알려진 응용들은 산업 및 농업 구분, 농업 및 국방에 대한 원격 감시, 위협 식별, 및 심지어 의학만큼 다양한 영역들에 많이 있다.
스마트폰 기술의 출현은 대부분 세계 인구의 상당 부분이 휴대하는 강력한 이동 플랫폼들을 그들의 사람에게 제공했다. 스마트폰들 상에 존재하는 센서들의 수 및 타입들을 증가시키는 것에 대한 경향이 있고, 이러한 폰들의 연산력이 대응적으로 증가하고 있다. 스마트폰들은 이미 다수의 이미지 센서들을 포함하지만, 그들은 기존 HSI 기술들의 금지하는 크기 및 비용 때문에 HSI 카메라들에 대한 후보들로 현재 생각되지 않는다.
실시예는 초분광 이미징 시스템으로, 초분광 이미징 파라미터를 수신하고 이미징 파라미터를 일련의 지연 시간에 일련의 지연으로 획득되는 일련의 이미지로 변환하는 프로세서, 입사 광 빔을 수신하고 편광시키는 적어도 하나의 입력 편광자, 입사광 빔 반대측 입력 편광자에 인접하게 배열되고 입력 편광자로부터의 편광 빔을 수신하고 편광을 변경시켜 파장-의존 편광을 생성하는 액정 가변 리타더 (retarder), 파장-의존 편광을 수신하고 편광 상태 정보를 광 강도로서 검출 가능한 형태로 변환시키는 출력 편광자, 액정 가변 리타더에 전기적으로 연결되는 전압 소스, 및 일련의 지연 시간에 일련의 지연을 수신하고 액정 가변 리타더에 인가되는 일련의 전압 시간에 일련의 전압을 생성하는 지연 컨트롤러를 가지는 초분광 이미징 요소, 및 지연 컨트롤러와 동기화되어 액정 가변 리타더의 지연 함수로 광 강도로서 검출 가능한 형태로 광을 수신하고 광을 일련의 이미지로서 출력 신호로 변환하는 초점면 어레이를 포함하고, 상기 프로세서는 일련의 이미지를 초분광 이미지 데이터로 변환시킨다.
또 다른 실시예는 초분광 이미지 데이터 생성 방법으로, 프로세서에서 일조의 초분광 이미징 파라미터를 수신하는 단계, 프로세서로, 초분광 이미징 파라미터에 상응하도록 일련의 지연 시간에 일련의 지연을 발생시키는 단계, 일련의 지연 시간에 일련의 지연을 지연 컨트롤러에 전송하는 단계, 지연 컨트롤러로, 액정 가변 리타더에 인가되도록 일련의 전압 시간에 일련의 전압을 발생시키는 단계, 일련의 전압 시간에 일련의 전압을 액정 가변 리타더에 인가하는 단계, 초점면 어레이로 액정 가변 리타더를 통과하는 일련의 이미지를 캡처하는 단계, 및 일련의 이미지로부터 초분광 이미지 데이터를 발생시키도록 프로세서를 이용하는 단계를 포함한다.
도 1은 초분광 이미징 카메라를 포함하는 장치의 제1 도면을 도시한다.
도 2는 초분광 이미징 카메라를 포함하는 장치의 제2 도면을 도시한다.
도 3은 초분광 이미징 카메라를 포함하는 장치의 개략도를 도시한다.
도 4는 초분광 이미징 시스템 광 경로의 광선 다이어그램을 도시한다.
도 5는 평행 위상 지연 대 액정 전압의 그래프를 도시한다.
도 6은 검출 강도 대 경로 지연의 그래프를 도시한다.
도 7은 각각의 이미지 픽셀에서의 검출 강도 대 파장의 그래프를 도시한다.
도 8은 다수의 적층된 액정 셀들로 구성되는 액정 가변 리타더(retarder)의 일 실시예를 도시한다.
도 9는 단일 액정 층의 각각의 측면 상에 한 쌍의 전극들을 갖는, 액정 가변 리타더의 일 실시예에 대한 전극 패널의 평면도를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 표준 역평행 정렬 액정 셀과 광 보상 벤드 셀의 일 실시예 사이의 비교를 도시한다.
도 11은 광 보상 벤드 셀의 광선 다이어그램을 도시한다.
도 12는 초분광 이미징 시스템을 동작시키는 방법의 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 13은 초분광 이미징 시스템을 교정 방법의 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 14는 초분광 이미징 시스템을 교정하는 방법의 다른 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 15는 폐쇄-루프 지연 조절 흐름도이다.
도 16은 이미징 시스템 시야 내에서 간격자가 있는 액정 가변 리타더를 가지는 초분광 이미징 시스템 일부의 실시예를 도시한 것이다.
도 17은 간격자가 초점면 어레이의 픽셀들 사이 놓이는 액정 가변 리타더의 실시예를 보인다.
도 18은 만곡 액정 가변 리타더를 가지는 이미징 시스템 일부의 실시예를 보인다.
도 19는 교정 광원에서 결합되는 편광 빔 분리기를 이용하는 초분광 이미징 카메라의 실시예를 보인다.
도 20은 완전 시야에 거쳐 교정 광원으로 동화상을 처리하는 방법의 실시예 흐름도이다.
도 21은 2-성분 전계 다이어그램을 도시한 것이다.
초분광 이미징은 분류, 원격 감시 및 의학 응용들과 같은 많은 유망한 용도로 사용될 수 있다. 이러한 기술의 비용, 크기, 및 유용성은 응용들을 제한했다. 초분광 이미징 카메라를 많은 통상의 시스템들로 포함할 수 있으면, 초분광 이미징(HSI)은 훨씬 더 광범위하게 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 스마트폰들은 HSI 카메라에 대해 즉시 이용가능한 기술 플랫폼들이다. 스마트폰 상에 포함된다면 스마트폰은 새로운 응용들을 개발하는 것이 쉬운 대부분의 개인들에 의해 휴대되는 범용 플랫폼이므로, HSI로 가능한 것의 경계들을 확장할 수 있을 것이다.
현재 최첨단 HSI 카메라는 장면에 걸쳐 슬릿을 스캐닝 하거나 또는 격자를 통해 전달되는 광을 분산시킴으로써 작동될 수 있다. 또한 액정 튜너블 필터들을 초점면 어레이 전면에 배치하여 하나의 순시 파장 대역에서 이미징을 허용함으로써 동작할 수 있다. 본 논의에서 사용되는 용어 초점면 어레이 또는 FPA는 어레이로 배열되는 하나 이상의 감광 요소들이고, 어레이는 하나의 어레이일 수 있다. FPA 예시로는 전하결합소자 (CCD), CMOS 이미지 센서 등을 포함한다. 장면 (scene)에서 방출되는 광은 장면을 생성하도록 처리되는 FPA에 들어가 신호를 발생시킨다. 더 낮은 비용의 초분광 이미징 카메라들은 기존 레드-그린-블루 카메라들과 유사하지만 더 많은 이산 광 대역들을 갖고, 광 대역 통과 필터들을 초점면 어레이 자체 상에 타일링 (tile) 할 수 있어, 더 높은 공간 해상도와의 균형을 유지한다. 액정 튜너블 필터들 및 광 대역 통과 필터들은 하나가 주어진 파장 대역에서 즉시 이미지를 획득하는 것을 허용하지만, 그들은 모든 대역 외 파장들을 포기하는 것을 희생하면서 이것을 수행한다.
전형적으로, 파장들의 범위에 걸쳐 장면을 이미징하기를 원한다. 따라서, 한 번에 하나의 스펙트럼 대역만 으로부터가 아닌, 모든 파장들로부터 광을 즉시 기록하는 것이 바람직하다. 이것은 파장 정보를 검출기에 의해 기록되는 시간 신호로 인코딩하는, 푸리에 변환 초분광 이미징과 같은, 초분광 이미징의 광 다중화 형태들을 사용하여 달성될 수 있다. 현재 실시예들에서 예시되는 것들과 같은, 임의의 광 다중화 기술은 광 처리량, 필게트의 이득(Fellgett's advantage)으로 공지되는 특징에 이익들을 갖는다.
격자들 및 2차원 초점면 어레이를 사용하는 시스템들은, 또한 분산 시스템으로도 알려져 있고, 하나의 공간 축을 따라 소정의 대역에서 동시에 모든 파장들로부터 광을 기록할 수 있다. 다른 공간 축을 따른 공간 정보는 푸시 브룸 방식으로 피사체에 슬릿을 스캐닝 함으로써 형성될 수 있다. 공간 정보는 슬릿의 장 (long) 방향에서 즉시 획득되고 단 방향은 격자 또는 프리즘을 갖는 파장에서 분산되므로 FPA는 파장의 전부를 즉시 기록할 수 있다. 슬릿의 단 방향에서의 공간 정보는 슬릿이 객체에 걸쳐 제시간에 스캐닝 됨에 따라 수집된다. 분산시스템은 때로 비용, 키기 또는 복잡도가 크다. 본원 실시예들은 제어가능 액정 가변 리타더를 FPA 전 광학 경로에 단순히 추가하기 때문에 이러한 불이익들을 발생시키지 않는다. 게다가, 분산시스템에서 슬릿을 사용하면 임의의 주어진 시간에 전체 광 처리량을 슬릿을 통과하는 광으로 제한한다. 슬릿들의 사용들을 전술함으로써, 푸리에 변환 초분광 이미징 시스템 및 기타 다중화 시스템은 자키노 이득(Jacquinot advantage)으로 알려진 처리량 이득을 얻는다.
푸리에 변환 초분광 이미징을 수행하는 종래의 방법은 이미징 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)를 사용하는 것이며, 이는 이미징 경로를 2개의 아암들로 분할하고, FPA에서 재결합된 광을 기록하는 동안에 아암들 중 하나에 대한 길이를 변화시키는 장치이다. 이러한 종류의 HSI는 필게트 및 자키노 이득들 둘 다로부터 얻지만, 그것은 부피가 크고, 고가이고, 진동 및 오정렬에 민감하다. 현재 실시예들은 어떠한 이러한 단점들도 가지지 않는다.
본원 실시예들은 극히 소형이고 저비용이 될 잠재력을 갖는 새로운 종류의 HSI 카메라들을 구현 가능하게 하고, 스마트폰들 상을 포함하는 카메라가 현재 사용되는 어디든지 통합될 수 있다. 실시예들은 파장 해상도, 이미징 속도, 및 공간 해상도와 같은 성능 파라미터들이 소프트웨어에서 선택될 수 있고 하드웨어 구성에 의해 고정되지 않기 때문에 스마트폰과 같은 범용 호스트 플랫폼에서 장점을 갖는다. 실시예들에서 기재되는 HSI 요소들은 호스트 시스템의 기존 카메라 요소들 예컨대 FPA, 옵틱스 및 프로세서와 결합하여 동작될 수 있어 HSI 카메라를 구성할 수 있다. HSI 요소들 및 호스트 시스템의 카메라 요소들은 동일한 카메라 버튼으로 트리거 될 수 있고, HSI 요소들은 호스트 시스템의 카메라 요소들이 정상적이고, 비-초분광 이미지를 취하도록 소프트웨어에서 구성될 수 있다. 실시예들은 시스템 복잡성의 대부분을 전자/소프트웨어 측면에 이동시킴으로써 연산력 증가에 영향을 주며, 따라서 전체 시스템 비용을 낮게 유지한다.
게다가, 스마트폰 또는 무선 또는 유선 통신 능력을 갖는 다른 휴대용 장치의 사용은 장치가 미가공 HSI 데이터를 통신하는 것을 허용한다. 대안으로, 장치는 의료 장비와 같은 더 큰 장치들과의 사용을 위해, 또는 진단 루틴의 부분으로서 분석된 또는 처리된 HSI 데이터를 송신할 것이다.
휴대용 장치 기반 HSI 카메라는 소비자 수준에서 HSI의 현재 응용들을 가능하게 한다. 더 중요한 건, HSI가 이동 플랫폼 상에 널리 전개되게 됨에 따라 그리고 이동 앱 개발자들이 HSI 능력들을 활용하는 것을 습득함에 따라, 그들은 의심할 여지없이 HSI에 대한 새롭고 흥미로운 용도들을 알아낼 것이다.
하기 논의는 다음 정의를 가지는 여러 용어들을 사용한다. “액정 가변 리타더” 는 적어도 하나의 액정 (LC) 셀을 언급하고, 2개의 투명, 전형적으로 유리, 기판 사이 개재되는 액정 재료를 포함한다. 전형적으로 투명 도체 예컨대 산화인듐주석 또는 ITO로 제조되는 유리 기판에 적층되는 투명 전극 층들은 액정 셀 내부에 전계를 발생시키고, 이는 액정 분자 배향 따라서 액정 가변 리타더의 광학 지연 변경에 사용된다. 추가 층들, 예컨대 액정 분자를 배향시키도록 바람직한 정렬 방향으로 러빙되는 전극 층에 적층되는 폴리이미드 정렬 층들은 셀 안쪽에 제공된다. 액정 가변 리타더를 포함하는 단일 LC 셀 대신, 다수가 존재할 수 있다.
“초분광 이미징 요소” 또는 “HSI 요소”는 입력 편광자 또는 편광 장치, 액정 가변 리타더, 출력 편광자 또는 분석기, 지연 컨트롤러 및 전압 소스를 가지는 구성요소들을 의미한다. 입력 편광자 (polarizer)는 LC 가변 리타더 및 광원 사이에 있다. 출력 편광자는 제1 편광자 반대측 LC 가변 리타더 측에 배치된다. 지연 컨트롤러는 LC 가변 리타더에 인가되는 전압을 조절하여 LC 리타더를 통과하는 광의 원하는 지연을 달성한다.
“초분광 이미징 시스템” 또는 “HSI 시스템”은 HSI 요소, 상기 정의된 초점면 어레이 및 프로세서의 조합체를 언급한다. 프로세서는 독립형 장치, 즉 프로세서 및 FPA를 포함하는 모든 시스템 요소를 포함하고 호스트에 독립적으로 기능하는 장치에 배치된다. 대안으로, 프로세서 및/또는 FPA는 모두가 연관 조합되는 호스트 시스템의 요소일 수 있다. “호스트 시스템” 또는 “호스트”는 선택적 장치이고 HSI 파라미터를 HSI 카메라 또는 HSI 시스템에 전송하고 다시 HSI 데이터를 수신한다. “HSI 카메라”는 이미지 기록에 필요한 옵틱스를 가지는 HSI 시스템이다.
HSI 요소 (LC 가변 리타더, 지연 컨트롤러 및 전압 소스)를 가지는 호스트 시스템인 장치의 일 예가 도 1 및 도 2에 도시된다. 도 1에서, 스마트폰 장치(10)가 호스트 장치로서 도시된다. 이러한 특정 장치가 도시되고 논의될 수 있지만, 이러한 타입의 장치에 제한이 의도되거나 암시되지 않아야 한다는 점을 주목해야 한다. HSI 요소를 이용할 수 있는 다른 타입들의 장치들은 잠망경들, 광학 형광 검출 시스템들, 망원경들, 현미경들, 내시경들, 광섬유 다발 이미징 시스템, 라이트필드(lightfield) 이미징 시스템들, 및 스틸 카메라, 라인 카메라 및 비디오 카메라들을 포함한다. 도 1에서, HSI 구성요소는 개구(12)의 경로에 있을 것이고, 이미지화 장면은 광(14)으로 조사될 수 있다.
도 2는 스마트폰(10)의 디스플레이 측면을 도시한다. 디스플레이 측면은 HSI 구성요소의 사용을 트리거할 예시적 응용(18)을 갖는 디스플레이 스크린(19)을 도시한다. 응용이 HSI 구성요소를 트리거하는 것 없이, HSI 구성요소는 비활성되어, HSI 없이 카메라의 정상(컬러 또는 단색) 사용을 허용할 것이다. 사용자를 겨누는 카메라(16)에는 또한 HSI 구성요소가 부여될 수 있다. 전방 방향전환(forward-facing) 휴대폰 HSI 카메라는 사용자들이 의료 이미징 등과 같은 응용들에 대한 HSI 데이터 생성에 특히 유용할 수 있다.
HSI 요소의 특정 실시예에서, LC 가변 리타더의 광축은 명목상으로 편광자들에 대해 45도에 있다. 입력 편광자를 통과하는 입사광의 주어진 파장에 대해, HSI 요소는 광학 지연 (retardance)이 증가함에 따라 광을 투과하는 것과 투과하지 않는 것 사이에서 변동된다. 이러한 변화는 지연이 증가함에 따라 LC 가변 리타더가 광의 편광 상태를 주기적으로 변경하고, 출력 편광자가 그것의 편광 상태에 기초하여 리타더 후에 광을 교대로 차단하거나 통과시키는 기능을 하기 때문에 발생한다. 이하 논의되는 바와 같이, 지연은 광학 경로 지연 또는 광학 위상 지연으로 기술될 수 있고, 광학 위상 지연은 광학 경로 지연을 파장으로 나눈 것에 비례한다.
집합적으로 인터페로그램 (interferogram)으로 칭하는, 광 지연의 함수로서의 강도 변화들은 입사 파장에 의존하는 주기를 가지고 발생한다. 각각의 고유 입사 파장은 상이한 속도에서 지연 함수로서 강도가 변하고, 입사 파장들의 조합으로부터의 강도 변화들은 선형적으로 함께 합산된다. 파장들은 이 경우 광학 경로 지연인 광학 지연 함수로 수신된 광의 푸리에 변환에 의해 분리될 수 있어, 광 스펙트럼을 나타낸다. 액정 가변 리타더가 초점면 어레이의 광학 경로에 놓이므로, FPA는 초분광 이미지 데이터를 산출하기 위해 이미지 내의 각각의 지점에서 강도 변화들 또는 인터페로그램을 독립적으로 샘플링하고 기록할 수 있고 이러한 정보를 사용할 수 있다.
초분광 이미지 데이터에서 각각의 파장(λ) 및 각각의 지점에서의 스펙트럼 해상도는 식 Δλ = 2πλ/Δφ에 의해 주어지며, Δφ는 라디안들로 표현되는, 인터페로그램이 기록되는 광 위상 지연들의 범위이다. 이러한 식으로부터 중심 파장보다 상당히 더 작은 파장 차이들을 해결하기 위해, 인터페로그램들은 광 위상 지연의 범위들(Δφ >> 2π)로 기록되어야 한다는 점이 분명하다. 이러한 요건은 현재 실시예를 전형적으로 2π의 범위를 초과하는 그들의 구성 액정 상태들의 위상 지연들을 스캐닝 할 필요가 없는 액정 튜너블 (tunable) 필터들과 구별한다. 더욱이, 위상 지연의 범위는 파장(λ), 액정 복굴절(Δn), 및 액정 층들의 위치 의존 유효 두께(β)의 함수이며, 이하의 식으로 표현된다: Δφ = 2πΔn(λ,T,V)β(x,y)/λ. 여기서, 복굴절은 파장, 온도(T), 및 시간-의존 액정 전압(V)의 함수이고, 정상 및 이상 편광으로 액정 가변 리타더에 통상 입사하는 2개의 광선들 사이의 복굴절을 표시한다. FPA상에 주어진 픽셀의 위치를 갖는 주 광선의 입사 각도의 변화, 및 광 위상 지연 범위 내의 대응하는 위치 의존성은 위치-의존 유효 두께(β)로 통합된다.
도 3은 HSI 요소를 포함하고 호스트 장치 (10)와 통신할 수 있는 예컨대 16과 같은 초분광 카메라 내부 개략도를 도시한 것이다. 호스트 장치는 초분광 이미지 데이터를 위한 파라미터 예컨대 파장 해상도, 노출 시간, 및 노출 트리거를 생성하고, 상기 초분광 이미지 데이터를 수신할 수 있는 스마트폰, 개인용 컴퓨터, 태블릿, 휴대용 카메라, 또는 기타 시스템일 수 있다. 대안으로, 카메라는 자체 프로세서가 내장되어 호스트와 독립적으로 기능할 수 있다. 광이 개구 (12)를 통해 HSI 카메라에 들어가고 옵틱스 (22)로 진입하고, 이어 광은 FPA (24)로 전달된다. FPA는 수신 광을 신호로 변환하고 프로세서 (28)에 의해 처리된다. HSI 요소가 호스트 장치와 연결되는 실시예들에서, 프로세서 (28) 및 FPA (24)는 호스트 장치의 일부일 수 있다. 본 실시예에서 프로세서는 카메라 (16)용 프로세서이다. 논의 목적으로, 프로세서 (28)는 호스트 시스템 (10)의 프로세서와는 별개로 고려된다. 그러나, 프로세서 (28)는 호스트 프로세서의 파티션, 전용 프로세서, 등일 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 전체 시스템에서 특정 프로세서 구성으로 한정될 의도가 아니며 의미하지도 않는다.
옵틱스(22)는 나중에 더 상세히 논의되는 바와 같은 릴레이 렌즈 또는 다른 릴레이 광학 장치를 포함할 수 있다. 옵틱스는 또한 이미징 렌즈를 포함할 수 있다. 전형적으로, 이미징 렌즈들은 FPA에 대해 고정된다. 그러나, HSI 카메라가 핸드헬드 장치로 구성되거나 존재할 수 있음에 따라, 이미징 렌즈는 이동 가능할 수 있거나 장치는 의도하지 않은 손 떨림(hand movement)을 보상하는 이미지 안정화를 허용하기 위해 다른 광학 기술들을 가질 수 있다. 다른 광학 요소들은 옵틱스 내에 또는 색 보상 장치와 같은 시스템 내의 다른 곳에 포함될 수 있다. 옵틱스는 프로세서(28)의 제어 하에 있을 수 있다.
대안으로, 프로세서는 FPA로부터 출력 신호를 수신하고 출력 신호들 상에서 이미지 안정화를 수행할 수 있다. 출력 신호들은 전형적으로 액정 가변 리타더의 특정 가변 상태에서 요구되는 각각의 프레임과 함께 FPA에 의해 검출되는 이미지 데이터의 프레임들을 표현할 것이다. 프로세서는 FPA로부터 적어도 2개의 출력 신호들을 수신할 수 있으며, 각각은 FPA에서 검출되는 이미지 데이터의 프레임을 표현한다. 이상적으로, 단일 HSI 데이터세트에 대응하는 출력 신호들의 획득 동안에 장면 또는 장면 내의 객체들과 FPA 사이에서 상대 이동이 없다. 그러나, 상대 이동이 없는 이러한 경우는 반드시 실제적인 것은 아니기 때문에, 프로세서는 이미지 또는 이미지 내의 객체들의 영역들의 등록을 결정하고 적용하기 위해 이미지 분석을 수행할 수 있어, 그러한 이동을 보상한다. 이러한 보상은 그 다음에 설명될, 시스템이 불안정한 동안에 캡처되는 이미지들, 이동 객체들의 이미지들, 및 빔 워크 오프 현상(beam walk-off phenomenon)에 의해 야기되는 더욱 상대적인 배경 이동의 이미징 인공물들을 제거하거나 완화시킬 수 있다.
이미징 옵틱스 (22)를 통과한 후, 광은 입력 편광자 (40), 액정 가변 리타더 (42), 선택적 보상 층 (43), 선택적 파장판 (45), 및 출력 편광자 또는 분석기 (44)를 통과한다. 이후 광은 FPA (24)에 충돌한다. 광은 광검출기 (47)로 제2 경로를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 발생된 검출 신호는 지연 추출기 (27)에 의해 추출되고 프로세서 (28) 및 지연 컨트롤러 (50)로 전송된다. 지연 추출기는 광검출기 (47), 또는 FPA (24), 또는 양자 모두에서 발생된 신호로부터 액정 가변 리타더의 지연을 추출한다. 이것은 별개의 전자회로 또는 프로세서로 구성되거나, 또는 카메라 프로세서 (28) 내부에 존재하는 기능일 수 있다. 검출 신호는 일반적으로 FPA (24)에서 직접 프로세서 (28)로 전송되어 초분광 이미지 데이터로 처리된 후 존재한다면 요청 시스템 또는 호스트로 전송한다. 또한, 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 액정 가변 리타더는 온도 센서 예컨대 온도계 (30)를 포함할 수 있다. 이러한 온도계는 서미스터를 전극에 패턴화하여 LC 가변 리타더의 LC 셀 내부에 제작될 수 있다. 이것은 또한 열적으로 접촉하는, 즉 요소가 LC 가변 리타더와 열적으로 연결되거나 또는 하나 이상의 LC 셀의 대략 온도를 감지하는 서미스터 또는 유사한 전자부품일 수 있다. HSI 데이터는 지연 컨트롤러 제어 하에서 액정 가변 리타더에 의해 제공되는 다중 시간 및 다중 지연에서 카메라에 의해 취한 다중 이미지를 처리하여 획득된다.
상기된 바와 같이, HSI 이미저의 선택적 요소는 파장판 (45) 및 43과 같은 지연 또는 위상 보상 층 또는 보상기 (compensator)로 구성될 수 있다. 파장판은 편광 요소들 사이 위상 이동을 가능하게 하여 광의 편광 변경을 가능하게 한다. 지연 또는 위상 보상 층은 정적 경로 지연을 이미지 내의 각각의 지점에 인가하여, 전압 파형을 액정 가변 리타더에 인가함으로써 통상적으로 샘플링 될 수 있는 인터페로그램의 상이한 부분의 샘플링을 가능하게 한다. 그러한 보상 층의 일 실시예는 HSI 구성요소가 비활성일 때 액정 가변 리타더와 조합하여 순 제로 지연을 달성할 것이며, 추가로 임의의, 일부 또는 모든 관심 파장에서 비-제로 지연을 보장하도록 설계될 수 있다. 이것은 HSI 구성요소가 카메라의 정상적인 비-초분광 동작을 방해하는 것을 방지할 것이다.
다른 종류의 보상 층은 FPA에 걸쳐 타일링되는 (tiled) 상이한 경로 지연들의 다수의 영역들로 구성될 것이다. 예시적 보상 층은 2개의 영역들로 구성되며, 하나는 경로 지연 0이고 다른 것은 경로 지연(D)이다. 액정 가변 리타더가 0에서 D으로 경로 지연들을 발생시키면, 경로 지연 0을 갖는 보상 층의 영역에 대응하는 이미지의 영역은 0에서 D로 경로 지연을 갖는 인터페로그램을 생성하는 반면, 다른 영역은 D에서 2D로 경로 지연을 갖는 인터페로그램을 생성할 것이다. 보상 층 영역 당 하나의 이미지로 장면의 복사 이미지를 생성했던 특수 렌즈가 사용되었다면, 이때 0에서 2D로의 경로 지연을 갖는 이러한 장면의 인터페로그램은 직접 기록된 데이터의 조합에 의해 소프트웨어로 상이한 경로 지연 범위에서 획득된 두 개의 복사 이미지를 함께 스위칭 함으로써 형성될 수 있을 것이다. 이것은 그것이 이제 절반의 시간에 측정되면 초분광 이미지 데이터에 0에서 D로의 경로 지연을 갖는 인터페로그램의 2배의 스펙트럼 해상도를 제공할 것이며; 그러나, 이미지는 1차원에서 절반의 공간 해상도를 가질 것이다. 일반적으로, 그러한 지연 보상 층들은 공간 및 스펙트럼 해상도 및 이미징 속도의 균형을 유지하는 편리한 수단들을 제공한다.
연장 시간 주기 동안 특정 지연이 요구되면, 예를들면 전통적인 비-초분광 이미징을 위하여0에서 지연을 유지하는 경우, 가변 리타더의 지연이 원하는 값으로 설정되고 시간 경과에 따라 그 값으로 유지된다. 또 다른 양태에서, 시간 경과에 따른 평균 지연이 원하는 값이 되도록 계속하여 지연을 변경함으로써 시간 경과에 따라 유효 지연이 달성될 수 있을 것이다.
HSI 구성요소는 많은 상이한 구성들을 가질 수 있다. 도 4는 하나의 예를 도시한다. 도 4에 도시된 실시예에서, 광(32 및 34)의 2개의 비편광된 콜리메이트 단색 빔들이 도시되며, 상부 빔은 하부 빔 λ2 보다 더 짧은 파장 λ1을 갖는다. 광 경로는 입사 광을 편광시키는 입력 편광자(40)를 갖는다. 액정 가변 리타더 (42)는 입력 편광자에 대해 45도 정렬 배향을 갖는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 액정 가변 리타더 (42)에 인가되는 각각의 전압은 액정 가변 리타더의 느린 축에 수직인 요소에 대하여 액정 가변 리타더의 느린 축 (slow axis)에 평행한 편광 요소 사이에 측정되는 복굴절 또는 광학 위상 지연 특성을 일으킨다. 도 5의 도면은 전압 함수로서 액정 가변 리타더의 평형 위상 지연, 즉 액정을 해당 전압에서 완전히 이완시킨 후 주어진 전압에서 획득되는 위상 지연을 보인다. 액정 가변 리타더는 시간-의존 전압 파형을 구성 LC 셀에 있는 하나 이상의 전극에 인가하는 컨트롤러를 가진다. 이러한 전압 파형은 광학 위상 지연이 주어진 파장에서 시간 경과에 따라 명목상 일정 속도로 변화하도록 선택된다. 또한, 리타더가 특정 시간에 특정 지연에 있도록 선택될 수 있다. 출력 편광자 또는 분석기 (44)는 액정 가변 리타더에 의해 유도되는 편광 변화를 광 강도 변화로 변환시킨다. 하나 이상의 편광자는 와이어 그리드 편광자로 구성된다.
강도의 최종 시간 의존 변화들은 도 6에 도시된 검출 강도 대 경로 지연 및 도 7에 도시된 검출 강도 대 파장으로, 24와 같은 픽셀화된 검출기 또는 초점면 어레이에 의해 픽업된다. 도 6의 상부 곡선은 도 4에서 더 짧은 파장 광선(32)의 검출 강도 변화들에 대응하는 반면, 도 6의 하부 곡선은 더 긴 파장 광선(34)의 검출 강도 변화들에 대응한다. 유사하게, 도 7의 피크(46)는 더 짧은 파장 광선(32)에 대응하는 반면, 피크(48)는 더 긴 파장 광선(34)에 대응한다.
일부 실시예들은 낮은 액정 구동 전압들 및/또는 빠른 액정 응답 시간들을 유지하는 동안에 2개의 편광 구성요소들 사이에서 높은 광 경로 지연들을 통해 지연을 달성한다. 푸리에 변환 분광법의 기술에 공지된 바와 같이, 높은 광 경로 지연들은 높은 스펙트럼 해상도를 산출하고, 따라서 유리하다. 그러나, 높은 광 경로 지연은 일반적으로 액정의 더 큰 전체 두께를 암시한다. 구동 전압들 및 응답 시간들을 낮게 유지하기 위해, 단일 두께 액정 셀은 도 8에 도시된 바와 같이, 직렬로 다수의 셀들로 나누어질 수 있다.
주어진 전압에서 개별 셀에 대한 액정 응답 시간은 셀 두께의 제곱으로 스케일링되므로, 하나는 단일 셀이고, 하나는 2개의 셀들로 분할되는, 동일한 경로 지연을 갖는 2개의 액정 가변 리타더는 4배만큼 다른 스위칭 시간을 가질 것이다. 반대로, 스위칭 시간이 일정하게 유지되면, 2개의 셀들은 4배만큼 스위칭 전압이 다를 것이다. 도 8의 액정 가변 리타더 실시예는 52와 같은 4 LC 셀 스택으로 구성된다. 셀 스택 (54)은 전압 파형들의 적절한 선택으로 액정 응답 시간들뿐만 아니라 광 경로 지연을 관리하는 지연 컨트롤로 (50)와 같은 중앙 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 본 기술에 공지된 바와 같이, 도 8에 도시된 실시예와 같은 광 구성요소들의 다층 스택들은 각각의 광 인터페이스에서 반사방지 코팅들의 적절한 선택 및 응용으로부터 이익을 얻는다.
다층 액정 가변 리타더의 하나의 층 또는 셀이 임의의 대칭 파괴 특징들을 가지면, 이때 층은 셀의 서브세트 또는 전체 셀일 수 있고, 이러한 특징들은 스택이 전체로서 유리한 대칭 특성들을 유지하도록 층들 사이에서 교대되거나 대향되어야 한다. 그러한 대칭 파괴 특징들은 극성을 갖는 것으로 간주될 수 있으며, 이는 일반적으로 대칭 파괴 특징이 테스트 방향을 따라 또는 그와 반대로 지향되는지의 개념을 언급한다. 전극들이 전압 소스에 연결되는 극성은 하나의 그러한 특징이며, 극성의 개념은 즉시적이다. 액정 정렬 방향은 다른 그러한 특징이며, 극성의 개념은 도 10a와 같이, LC 디렉터들 (directors)과 평행한 평면 내의 셀의 단면 도시에서 보여지는 바와 같이 액정 셀의 최상위 전극의 러빙 방향을 고려함으로써 구체적으로 이루어질 수 있다. 러빙 방향 (rubbing direction)이 우측으로 있으면, 도시된 바와 같이, 셀은 양의 극성을 갖는 반면, 좌측으로 러빙 방향을 갖는 미러 이미지 셀은 음의 극성을 가질 것이라고 말할 수 있다.
종래의 역평행 셀에 대해, 모든 액정 분자들은 동일한 방향으로 배향되는 경향이 있으며, 이는 전극의 러빙 방향에 대응한다. 그러한 구성은 입사 각도가 수직에서 벗어남에 따라 입사 광 각도 상에서 광 경로 지연의 일차 의존을 갖는다. 2개의 역평행 셀들은 그들의 정렬 방향들이 서로 대향하도록 대향 극성들로 적층되면, 이때 입사 광 각도 상에서 광 경로 지연의 일차 의존들은 동일하고 반대이며 따라서 서로 상쇄된다. 따라서, 액정 셀들의 스택들의 대칭 파괴 특징들의 극성들의 배열에 주의 깊게 주목함으로써, 다른 유리한 동작 특성들뿐만 아니라, 이차 이상의 광 경로 지연의 입사 광 각도 의존을 유지하는 것이 가능하다.
응용이 초분광 영화에서와 같이, 연속으로 다수의 초분광 이미지들을 취하는 것을 요구하면, LC 가변 리타더의 응답 시간을 단축하는 것이 더욱 중요하게 된다. 전형적으로, LC 가변 리타더 셀들은 스위칭 온되고 그 다음 수동으로 이완되도록 허용된다. 일 실시예에서, LC 셀은 최대 광 위상 지연을 갖는 구성과 최소 광 위상 지연을 갖는 구성 사이에서 능동적으로 스위칭된다. 이러한 능동 스위칭은 많은 방법들로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, LC 재료를 전통적으로 둘러싸는 전극들의 쌍의 각각의 전극은 한 쌍의 서로 맞물린 전극들로 대체되었다.
도 9는 전통적인 구성에서 하나의 평면 전극을 대체할 패널(60) 상의 한 세트의 서로 맞물린 전극들(62 및 64)을 도시한다. 본 실시예에서, 패널 (60)이란 액정 셀을 형성하도록 액정 재료를 둘러싸는 광학적으로 투명한 기판을 의미하고 전극층이 적층된다. 따라서 이러한 패널은 LC 재료의 다른 측면 상에 복제될 것이다. 일 실시예에서, LC 재료를 둘러싸는 패널들은 하나가 기판에 대해 주로 수직 배향 사이에서 전계를 스위칭하고, 다른 쌍이 전계를 주로 평행 배향으로 스위칭하는 것을 허용하는 한 세트의 전극들을 포함할 것이다. 전극들의 각각의 세트에 정확한 전압을 인가함으로써, LC 분자들은 수직 및 수평 배향들 사이에서, 또는 더 일반적으로 최소 광 위상 지연을 제공하는 배향과 최대 광 위상 지연을 제공하는 배향 사이에서 제어가능하게 회전할 수 있다. 이러한 실시예들은 활성 온 및 활성 오프 실시예들로 언급될 수 있으며, LC 재료는 재료를 '온' 상태로 스위칭하고 그 다음 수동적으로 그것이 이완하는 것을 허용하는 것보다는 오히려 상태들 사이에서 능동적으로 스위칭된다.
응답 시간들의 다른 양태는 LC 재료 자체의 선택이다. LC 재료를 선택할 때, 광 복굴절, 유전체 이방성, 및 회전 점도와 같은 다수 인자들의 균형을 유지해야 한다. 높은 광 복굴절을 갖는 LC 재료는 더 낮은 응답 시간 및/또는 구동 전압에서의 이점으로, 그러한 높은 복굴절 재료들의 전형적으로 증가된 회전 점도만큼 부분적으로 오프셋되는, 더 두꺼운 LC 셀과 동일한 광학 지연을 달성하는 더 얇은 LC 셀들을 야기할 것이다.
높은 유전체 이방성을 갖는 LC 재료는 더 낮은 유전체 이방성 재료와 동일한 응답을 생성하지만 더 낮은 구동 전압으로부터 그것을 생성할 것이다. 더 낮은 회전 점도를 갖는 LC 재료는 더 높은 회전 점도를 갖는 재료보다 더 빠른 응답 시간을 가질 것이다. 나중에 더 상세히 논의될 바와 같이, 굴절률 및 회전 점도의 광 분산 및 온도 의존과 같은 재료-의존 특성들은 시스템 성능으로부터 교정될 수 있지만, LC 재료는 여전히 시스템 성능 사후 교정(post-calibration)을 최적화하기 위해 선택될 수 있다. 다른 실시예에서, LC 재료 및/또는 LC 셀 준비는 이것이 LC 스위칭 시간을 감소시키기 때문에 LC에 더 큰 '프리틸트 (pretilt)' 각도를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
빠른 응답 시간들에 더하여, 높은 시야 각도들은 초분광 이미징 구성요소의 유용성을 증가시킨다. 초분광 이미징 시스템들이 현재 존재하지만, 그들 중 다수는 이용되는 광 필터들의 각도 의존 특성들로 인해 시야 각도를 제한했다. 여기에 사용되는 바와 같이, '시야 각도'는 LC 가변 리타더의 수직으로부터 입사 광 각도의 편차들에 대해 액정 가변 리타더의 주어진 파장 및 주어진 상태에 대한 광 위상 지연의 불변성의 레벨을 언급한다.
전형적으로, 액정 디스플레이들(LCD들)은 광 투과 및 광 차폐 상태들 사이에서 교대할 수 있는 교차된 편광자들 사이의 스위칭가능 반파장판들로 설계된다. 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 '시야 각도'는 전형적인 LCD들에 적용되는 바와 같은 종래의 사용과 다르며, 이는 특정 콘트라스트 비율이 온 및 오프 상태들 사이에서 도달되는 각도를 언급한다. 실시예들에서, LC 가변 리타더는 고차 파장판의 기능을 할 수 있다. 이미지 내의 단일 지점은 비-제로 개구수(NA)를 갖는 광 광선들의 콘으로 형성될 것이기 때문에, 콘의 각각의 광선은 LC 가변 리타더를 통해 상이한 입사 각도로 이동한다. 주어진 파장에서 단일 이미지 픽셀을 형성하는 광선들의 콘 내에서 최대 위상 지연을 갖는 광선과 최소 위장 지연을 갖는 광선 사이에서 광 위상 지연의 차이를 고려한다. 이들 두 광선에 대한 위상 지연에서의 이러한 차이가 π 라디안에 접근함에 따라, 그러한 이미지 픽셀에 기록된 인터페로그램의 콘트라스트는 감소한다.
높은 전체 광 위상 지연은 주어진 파장에서 높은 스펙트럼 해상도를 달성하기 위해 필요하지만; 단일 이미지 픽셀에 대응하는 광선들의 입사 광 각도들에 걸친 광 위상 지연의 평균 변화는 π 라디안보다 상당히 더 작아야 한다. 각도 함수로서 광학 위상 지연 변화는 전체 광학 위상 지연에 비례하여, 각도 함수로써 최소 위상 지연 변화를 가지는 높은 전체 광학 위상 지연의 상기 두 가지 상충 요건들을 조합하기 때문에 높은 스펙트럼 해상도 이미징은 어렵다. 따라서, 높은 스펙트럼 해상도 HSI 데이터를 성공적으로 획득하기 위하여, 이미지 픽셀을 형성하는 광선에 상당하는 각도 범위를 줄이기 위하여 이미징 NA가 감소되거나, 또는 액정 가변 리타더의 시야 각도는 증가되어야 한다. 이미징 NA 감소는 시스템의 광 처리량을 감소시키므로, 높은 광 처리량을 유지하는 동안에 높은 스펙트럼 해상도를 갖는 이미지에 시야 각도를 증가시키는 기술들을 개발하는 것이 중요하다.
확장된 시야 각도를 달성하는 LC 셀의 하나의 특정 실시예는 pi 셀 또는 OCB(optically compensated bend) 셀로 공지된, 평행 러빙 층들을 사용한다. 액정 셀 내부의 2개의 정렬 층들은 도 10b에서 72로 도시된 평행 방향들 대 도 10a에서 70으로 도시된 역평행 방향들로 러빙될 수 있다. 이것은 셀의 상단 절반이 셀의 하단 및 상단 절반들 사이의 중간인 미러 면에 대해 하단 절반의 미러 이미지의 역할을 하게 하여, 이전에 논의된 바와 같은 대향 정렬 방향들을 갖는 역평행 셀들을 적층함에 따라 유사한 대칭 장점들을 초래한다. 도 11에 도시된, 셀을 통해 상이한 각도들로 이동하는 광선들은 정상 및 이상 편광들 사이의 입사 각도에서 1차와 동일한 광 경로 차이를 참조한다. 입사 각도의 이러한 1차 불변성은 광 경로 차이에서의 1차 편차들이 상단 및 하단 절반들에서 대향하는 사인을 갖고 따라서 서로 상쇄하기 때문에 발생한다.
다른 실시예, 이중-네마틱 셀은 도 8을 참조하여 이전에 설명된 바와 같이, 하나의 LC 정렬 방향이 다른 것에 대해 180도로 회전된 상태에서, 도 10a의 70과 같은, 2개의 종래의 역평행 셀들을 적층하는 것을 수반한다. 이것은 서로의 상단 상에 적층되는 분리된 셀들에 수용되는 상단 및 하단 절반들을 제외하고 pi 셀과 유사하게 수행할 것이며, 그것에 의해 감소된 구동 전압 및/또는 더 빠른 응답의 장점들을 제공한다. 다른 실시예들은 다중 이중-네마틱 셀의 스틱, 단일 영역 또는 다수의 영역, 수직 정렬된(VA) LC 셀들 및 평면 정렬 스위칭(IPS) LC 셀들을 포함할 수 있다. 서로 90도로 정렬 방향을 가지는 두 개의 이중-네마틱 셀의 스택은 양의 및 음의 지연 모두를 달성할 수 있고 또한 높은 시약 각도를 가질 수 있는 액정 가변 리타더를 제공할 수 있다.
광선들이 복굴절 매질을 통해 이동할 때, 그들은 파수 벡터 및 포인팅 벡터가 더 이상 평행하지 않은 '빔 워크 오프'로 언급되는 효과를 겪을 수 있다. 대향 대칭을 갖는 2개 층들의 실시예는 제1의 워크 오프가 제2의 워크 오프에 의해 수정될 것이기 때문에, 이것에 대한 해결책을 제공한다. 일반적으로, 워크 오프가 2개의 셀들 또는 대향 대칭 특징들을 갖는 2개의 셀 절반들 사이에서 소거되는 LC 셀들의 대칭 보존 배열들은 이러한 워크 오프를 정정할 수 있었다. IPS LC 셀들은 파수 벡터가 LC 디렉터에 수직이거나 그것과 평행할 때 워크 오프 (walk-off)가 최소이기 때문에 워크 오프 문제를 갖지 않았을 것이다. 워크 오프가 정정되지 않으면, 이미지는 LC 가변 리타더의 지연 함수로 드리프트 할 수 있어, 푸리에 변환이 획득되었으면 이미지 내의 에지들 상에 인공물들을 생성한다. 그러나, 이러한 워크 오프를 이미지 등록 기술들에 의해 알고리즘적으로 정정하는 것이 여전히 가능할 수 있어, 액정의 분산 효과들은 무시한다.
HSI 구성요소의 구조의 다른 실시예들을 증명했으면, 논의는 이제 추가 요소들 및 HSI 요소를 동작시키는 방법들뿐만 아니라, 그것의 교정을 참조한다.
도 12는 도 3의 시스템 다이어그램과 연관하여 관찰하면 더욱 양호하게 이해되는 HSI 시스템 동작 흐름도의 실시예를 도시한 것이다. 80에서, 도 3의 프로세서 (28)는 초분광 이미지 데이터의 요구 특성들을 기술하는 호스트 장치에서 운영되는 어플리케이션에 의해 특정되거나 또는 사용자에 의해 또는 독립형 HSI 카메라에서 운영되는 어플리케이션에 의해 설정되는 HSI 파라미터를 수신한다. HSI 파라미터는, 예를들면, 주어진 시간에 획득될 수 있는 주어진 스펙트럼 해상도를 가지는 소정의 초분광 이미지 데이터를 요구한다. 또는, 선행적으로 알려진 특정 스펙트럼 특성들 간 구별이 가능한 최소 세트의 초분광 이미지 데이터를 요구할 수 있다. 82에서, 프로세서 (28)는 지연 Γ1, Γ2 … ΓN에서 및 시간 t1 < t2 < … <tN에서 획득되어야 하는 이미지 개수 N을 결정한다 . 클럭 (25)은 초분광 이미징 처리 이벤트, 예컨대 이미지 획득 시간, FPA 획득 시간, FPA 트리거 시간, 지연 컨트롤러에 의해 제어되는 지연 변화, 기타 등을 동기화한다. 프로세서 (28)는 특정 시간에 일련의 지연을 지연 컨트롤러로 전송한다. 지연 컨트롤러는 원하는 시간에 원하는 지연을 취하고 일련의 시간에 일련의 전압을 발생시킨다. 전압 시간은 회수 또는 값에 있어서 지연 시간과 다르다. 전압은 액정 가변 리타더가 제1 시간에서 제1 지연에서 제2 시간에 제2 지연 기타 등으로 지연을 전환하도록 유도한다. 대부분의 경우, 상이한 시간 간격이지만 동일한 지연으로 전환되는 것은 상이한 전압 시리즈를 필요로 할 것이다.
상기에서 사용되는 용어 전압이란 기준 전압 예컨대 시스템 접지 에 대한 응답으로 각각의 벡터 요소가 하나의 특정 전극 전위에 해당하는 벡터를 의미한다. 일부 실시예들에서, 이러한 벡터는 각각의 전극에 인가되는 위상, 진폭 및 주파수로 특정되는 AC 전압의 벡터일 수 있다. 상이한 주파수를 이용하여 지연 컨트롤러는 일부 액정의 비-균일 주파수 의존성, 예컨대 주파수-의존 유전체 이방성의 이점을 취할 수 있다. 카메라 프로세서는 또한 일련의 지연 시간에 초점면 어레이 (24)를 촉발시켜 84에서 초점면 어레이 검출기 (24)를 샘플링 하여, 프로세서에 의해 명령되는 지연에서의 일련의 이미지를 생성한다.
지연 추출기 (27)는 FPA (24)의 일련의 이미지, FPA의 일련의 부분 이미지, FPA의 선택 픽셀 값, FPA의 단일 픽셀 값의 정보, 또는 광검출기 (47) 또는 기타 광 센서의 신호로부터 각각의 시점에서 실제 지연을 추출한다. 지연 추출은 Mitsuo Takeda, Hideki Ina, and Seiji Kobayashi, "Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry," J. Opt. Soc. Am. 72, 156-160 (1982) 에 기재된 방법으로 수행되어 기록된 인터페로그램에서 각각의 시점에서 위상 지연을 추출한다. 이어 시스템은 알려진 지연에서 일련의 이미지를 가지고, 프로세서 (28)은 HSI 데이터 생성을 86에서 진행하여 호스트 장치 또는 카메라의 요청 어플리케이션에 전송한다. 대안으로, 지연 컨트롤러가 충분히 높은 정확성을 가지면, 지연 추출기가 필요하지 않다. 이것은 각각의 이미지 획득은 지연 컨트롤러 타이밍과 동기화 되고 시리즈 내에서 각각의 이미지 지연은 카메라 프로세서 (28)에 의해 명령되는 것과 충분히 가깝기 때문이다.
일부 액정 재료들은 어떤 구동 주파수에서 유전체 이방성의 사인의 변화를 경험한다. 이러한 주파수 미만에서 재료를 구동하는 것은 분자들이 구동 전계와 평행으로 또는 그것에 수직으로 정렬하게 하고, 이러한 주파수 초과에서 구동하는 것은 분자들이 더 낮은 주파수에서의 그들의 정렬에 대해 90도로 정렬하게 한다. 이러한 특징은 2개의 배향들 사이의 액정 재료를 구동 주파수의 선택으로 스위칭 함으로써 활성 온 및 활성 오프 실시예에서 사용될 수 있다.
초분광 이미징 시스템의 많은 특성들은 교정을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, FPA에 걸쳐 위치 함수로서의 단색 소스의 산출된 파장은 LC 가변 리타더의 LC 셀들이 불균일 두께를 가질 수 있기 때문에 균일하게 나타나지 않을 수 있고, 또한 각각의 픽셀 위치에서 주 광선의 각도 상에 산출된 파장의 의존이 있다. 교정은 레이저와 같은 단색 소스의 처리된 HSI 데이터세트가 모든 이미지 픽셀들 내의 동일한 파장에서 스펙트럼 피크를 표시하도록 이러한 정보를 고려할 것이다. 예를 들어, 레이저 소스는 532 나노미터의 파장을 가질 수 있다. 광을 레이저 소스로부터 HSI 요소를 통해 FPA로 향해 지향시키고 그 다음 FPA 상의 어떤 지점에서 레이저 광의 HSI 데이터를 얻어 피크 파장을 결정하는 것은 피크가 540 나노미터에서 검출되는 것을 야기할 수 있다. 응용 소프트웨어는 이러한 오프셋을 조정하기 위해 프로그램 될 수 있었다. 위치의 함수로서 이러한 오프셋의 매끄럽게 변하는 특성으로 인해, 교정 프로세스는 이미지 평면에서 소수의 지점들 또는 픽셀-비닝된 (pixel-binned) 영역들에서 수행되고 그 다음 전체 이미지 평면에 걸쳐 보간될 수 있거나, 그것은 모든 픽셀들에서 개별적으로 수행될 수 있었다.
게다가, LC 재료의 굴절/분산률 뿐만 아니라, 그것의 회전 점도 및 다른 재료 파라미터들은 온도의 함수로 변화될 수 있고, 스위칭 프로세스에 내재되어 있는 일부 히스테리시스가 있을 수 있다. 따라서, 지연 컨트롤러는 시간뿐 아니라 이미징 속도 및 동작 온도 등의 함수로 LC 가변 리타더 내에서 LC 셀의 전극들에 정확한 전압을 제공하도록 교정되고 최적화되어야 한다. 이러한 리타더 컨트롤러 교정 또는 상기 스펙트럼 오프셋의 교정은 HSI 요소를 형광 전구 또는 다수의 공지된 스펙트럼 라인들을 갖는 다른 광원에 포인팅함으로써 지원될 수 있다. 이는 특히 광 분산이 존재하고 다수의 스펙트럼 피크들이 분산을 추정하도록 요구될 때 유용하다,
도 1을 다시 참조하면, 이미징되는 피사체를 조명하기 위해 개구부에서 떨어져서 포인팅되는 광원(14)가 도시된다. 도 3을 참조하면, 또한 제2 광원을 볼 수 있고, 본 실시예에서 레이저 다이오드 (20) 형태로 센서 또는 HSI 광학 경로 내부 요소들을 조명한다. 대안으로 레이저 다이오드 (20)는 또한 발광 다이오드, 초발광 다이오드, 필터된 광대역 광원, 또는 공지된 스펙트럼 특성의 임의의 기타 광원일 수 있다. 광원은 또한 단지 장면의 포괄적 조명을 제공한다. 단색 외부 방향전환 소스는 분광원으로, 예컨대 이미징 라만 분광법에 유용할 수 있다. 광원은 야간 투시를 위한 적외선 LED들, 또는 전형적인 백색 LED들보다 더 평평한 스펙트럼 출력을 갖는 정밀한 "백색광" 소스와 같은 특정 스펙트럼 출력을 갖는 상이한 LED들과 같은, 조명을 위해 사용되는 광대역 외부 또는 내부 소스들로 구성될 수 있다.
교정 프로세스에서, 장치의 일부로 포함되는 광원들은 교정 광원으로 사용될 수 있다. 소스들은 그러한 특성들에 기초하여 초분광 시스템의 다양한 성능 특성들의 교정을 허용하는 공지된 스펙트럼 특성들을 가져야 하며, 그 결과 각각의 이미지 픽셀에서의 산출된 스펙트럼은 교정된 소스의 공지된 스펙트럼을 가장 높은 가능한 스펙트럼 해상도로 정확하게 반영한다.
지연 컨트롤러는 이론적으로 LC 가변 리타더의 전류 상태를 알 수 있다. 예를들면, LC 가변 리타더는 동작 개시 또는 임의의 동작 시점에서 주어진 상태로 개시된다. LC 가변 리타더를 개시하는 하나의 가능한 방법은 최소 또는 최대 지연 상태에서 신속하게 평행에 도달되기에 충분히 높은 전압으로 구동하는 것이다. 지연 컨트롤러 입력, 예컨대 특정 시간에서 지연에서, 출력, 전압 대 시간으로 진행하기 위하여, 지연 컨트롤러는 룩업 테이블, 물리적 모델, 휴리스틱 알고리즘, 기타 등을 기준으로 사용한다. 또한 액정 가변 리타더의 개시 지연을 고려할 수 있다.
지연 컨트롤러의 중요한 측면은 시간 시리즈가 지연이 달성되어야 할 때가 다르다고 기술하여도 주어진 지연 시리즈에 대한 전압 시리즈를 생성하는 능력이다. 지연 컨트롤러의 출력은 따라서 단지 지연 시리즈만이 아닌 지연 시리즈 및 시간 시리즈 모두에 대한 기능적 의존성을 가져야 한다. 시간 시리즈는 일반적으로 순차적이지만 지연 시리즈는 그렇지 않다는 것에 주목하여야 한다. 인접 지연 시리즈 멤버들 간 시간 간격이 액정 가변 리타더의 이완 시간보다 더욱 길면, 시스템은 단열적으로 구동된다고 언급되고 전압 시리즈는 입력 시간 시리즈에 상대적으로 독립적이어야 한다. 그러나, 인접 지연 시리즈 멤버들 간 시간 간격이 액정 가변 리타더의 이완 시간보다 더욱 짧으면, 요구되는 전압 시리즈는 시간 시리즈에 강하게 의존되므로 시스템은 동적으로 구동된다고 언급된다. 즉, 지연 컨트롤러는 동적 지연 컨트롤러이다.
도 13은 교정 방법의 일 실시예를 도시한다. 90에서, HSI 시스템은 광원으로 조명된다. 광원은 외부 배경으로부터 우선 반사되는 것보다는 오히려 초분광 구성요소에 직접 전달되는 광선들을 생성하는, 단색 내부 방향전환 소스일 수 있다. 광원은 HSI 시스템으로 샘플링 되고 시스템 성능 특성 교정에 사용된다. 이것은 예를 들어 지연 컨트롤러의 교정, 또는 최적의 LC 구동 파형의 결정을 허용할 수 있다. 이러한 교정은 공장 설정으로 수행될 수 있다.
또한 교정은 도 14에서와 같이 정상 사용 과정에서 갱신되어 예를들면, LC 가변 리타더의 열화를 보상할 수 있다. 100에서 LC 가변 리타더에 광이 수용되고, 102에서 지연 컨트롤러 (50)에 의해 결정되는 일조의 전압이 LC 가변 리타더를 구동하는데 사용된다. 이러한 일조의 전압은 LC 가변 리타더를 구동시키며 한편 초분광 이미지 데이터 (104)는 교정 소스, 예컨대 도 3에서 레이저 다이오드 (20), 또는 인근 형광 램프의 광을 포함한 수용 광 (100)으로 캡처된다. 교정 소스의 스펙트럼 특성이 알려져 있다면, LC 가변 리타더의 시간-의존 광학 지연을 산출하는 것, 즉 교정 지연을 측정하고, 이것을 지연 컨트롤러에 의해 사용된 원하는 지연과 비교하여 전압 파형 동기화하는 것이 가능하다. 106에서 지연 컨트롤러는 원하는 지연 및 실제 지연 간의 차이에 기초하여 갱신되어 시간 함수로서 지연을 더욱 정확하게 제어할 수 있는 전압 파형을 발생시킨다. 예를들면, 측정된 중심 파장은 지연 컨트롤러 지연 및 생성된 시간-의존 구동 전압 파형의 적절한 조정 후에, 또한 더 양호한 스펙트럼 해상도로, 100에서의 수신된 광의 공지된 중심 파장을 더 밀접하게 근접시키기 위해 이루어질 수 있다. 다른 선택은 지연 대 시간 특성이 선형 궤도를 따르게 해야 하는 것이다. 성능 특성들, 교정 정보, 및 교정을 위해 사용되는 광의 특성들 중 어느 것 또는 모두는 비교 및 조정들을 허용하기 위해 예를들면 프로세서 (28)의 메모리에 내장된 룩업 테이블에 저장될 수 있다.
HSI 시스템은 교정 데이터 자체를 생성하기보다는 오히려, 다른 소스들로부터의 교정 데이터를 사용할 수 있다는 점을 주목해야 한다. 상기 자기 교정 프로세스에 의해 생성되는 교정 데이터를 HSI 시스템의 메모리에 저장하지만, 메모리는 또한 시스템에 제공되며, 다른 소스들로부터 이용가능한 등의 교정 데이터를 저장할 수 있다. 시스템이 상기 프로세스를 수행하면 교정 데이터만이 이용가능한 것으로 제한적으로 의도되지 않고 가정되지 않아야 한다.
일부 실시예들에서 픽셀 비닝을 수행하는 것이 유리할 수 있으며, 그것에 의해 FPA 영역 내의 인접 픽셀들에 기록되는 강도 값들은 FPA 상에 직접 또는 소프트웨어에 나중에 함께 합산된다. 픽셀들은 그들이 판독되기 전에 FPA에서 함께 비닝되면, 일반적으로 FPA의 프레임 비율을 증가시키는 것이 가능하다. 이것은 FPA와 FPA로부터 데이터를 기록하는 장치 예컨대 카메라 프로세서 (28) 사이에서 고정 최대 통신 속도를 가정한다. 따라서, 비닝된 픽셀들의 수를 변화시키는 것은 하나가 공간 해상도와 이미징 속도 사이의 균형을 유지하는 것을 허용하고, 또한 이미징 속도와 스펙트럼 해상도 사이에 균형 유지가 있으므로, 픽셀 비닝은 스펙트럼 및 공간 해상도 및 이미징 속도 사이의 균형을 유지하는 또 다른 방법이다. 게다가, 픽셀 비닝은 특히 신호들이 약하고 최소 공간 해상도가 요구될 때, 이미지의 신호 대 잡음비를 증가시키는데 중요할 수 있다. 극한에서, 모든 픽셀들은 함께 비닝 될 수 있고, 실시예는 비-이미징 푸리에 분광계의 기능을 할 것이다.
픽셀 비닝은 액정 가변 리타더의 주어진 파장 및 상태에서 광 위상 지연의 위치 의존 변화와 같은 FPA의 다양한 매끄럽게 변하는 위치 의존 양들의 교정에 특히 유용할 수 있다. 신뢰성 있는 교정 정보를 획득하기 위해 높은 신호 대 잡음비를 달성하는 것이 필요할 수 있는 반면, 많은 공간 해상도는 교정을 요구하는 양들의 매끄럽게 변하는 성질 때문에 요구되지 않을 것이다. HSI 시스템 시야에 걸친 교정 정보는 측정된 결과들로부터 보간될 수 있었다.
지연 컨트롤러는, 상이한 시간 시리즈를 고려하는 것 외에도, 온도는 액정 재료의 동적 특성 예컨대 유전체 이방성, 회전 점도, 및 탄성 계수뿐 아니라 복굴절에 영향을 주므로 선택적으로 상이한 온도를 고려하는 능력을 가질 수 있다. 그러나, 액정 재료의 융점이 동작 온도보다 충분히 높아, 액정 재료는 온도에 민감하지 않을 것이므로 이는 선택적이다. 컨트롤러는 공장에서 충분히 교정될 수 있고 완전히 개방 루프이고, 이러한 교정이 충분히 의존적이라면, 위상 기준, 본 실시예에서, 레이저 다이오드 (20)는, 필요하지 않고, 또한 지연 추출기 (27)도 그러하다. 그러나, 교정이 공장에서 고정된다면, 획득 이미지의 실제 지연을 알기 위하여 위상 기준을 가지는 것이 유용할 것이다.
필요하다면, 지연 컨트롤러는 도 14를 참조하여 상기된 초분광 이미지 데이터의 획득 사이에서 갱신될 수 있다. 이것은 요청된 지연 시리즈와 지연 추출기 (27) 또는 가능하다면 프로세서 (28)에 의해 보고되는 실제 지연 시리즈를 비교하고, 이 둘 사이의 차이에 기초하여 지연 컨트롤러를 갱신하여 이루어진다. 요청된 지연 및 실제 지연 시리즈로부터 에러 신호를 발생시키고 에러 신호를 이용하여 액정 가변 리타더를 실시간으로 폐쇄 루프 방식으로 구동함으로써, 에러 신호를 이용하여 개방 루프 지연 컨트롤러에 의해 산출되는 전압에 대한 정정을 계산하는 것이 가능하다. 도 15는 이러한 프로세스의 예시를 보인다.
110에서, 도 3의 지연 컨트롤러 (50)는 시간, ti에서 주어진 지연 Γi 를 설정한다. 이어 112에서 장면 이미지 Si 를 초점면 어레이로 캡처한다. 이어114에서 지연 추출기는 이전 프레임의 지연 Γ’i 을 추출한다. 이어 116에서 시스템은 의도된 지연 Γj 및 실제 지연 Γ’j 사이 차이를 발견하여 지연 에러를 계산하고 118에서 에러 신호를 별도의 컨트롤러 입력으로 인가한다. 이어 119에서 시스템은 반복하고 필요하다면 프로세스는 순환된다. 따라서 시스템은 지연 컨트롤러에 직접 피드백 하면서 폐쇄 루프 방식으로 동작한다.
다른 수정들 및 실시예들이 가능하다. 이미징 시간을 감소시키기 위해, 예를 들어 시스템은 FPA에 충돌하는 광을 공지된 스펙트럼 대역에 제한하기 위해 HSI 구성요소의 정면에, 베이어 필터와 같은 광 대역 통과 필터를 포함할 수 있어, 에일리어싱 (aliasing) 없이 인터페로그램의 서브샘플링을 허용한다. 각각의 이미지 픽셀에서 기록되는 신호들을 필터링 한 전자 디지털 또는 아날로그 대역 통과 필터는 동일한 효과를 달성할 것이다. 광 필터는 또한 샤프 컷오프들을 갖는 필터의 샤프 컷오프 근방에 발생하는 스펙트럼 특징을 이미징하고 있으면 스펙트럼 해상도를 증가시킬 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, 샤프 컷오프, 또는 통과 대역과 저지 대역 사이의 전이는 필터가 존재하지 않았으면 단색 소스로부터 획득될 스펙트럼 피크의 반치전폭보다 더 샤프한 것이다. 그러한 필터는 스펙트럼 피크가 필터 컷오프 아래 또는 위에서 발생하였는지에 관한 정보를 산출할 것이다.
상이한 타입들의 광 필름들과 같은, 다른 타입들의 광 필터들 또는 광 구성요소들이 또한 특정 실시예들에 이용될 수 있다. 예를 들어, 필름과 같은 지연 보상 장치는 LC 가변 리타더의 "온" 또는 "오프" 상태에서 특정 지연을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 필터 또는 필름은 또한 액정의 분산 효과들을 정정하기 위해 색 보상을 제공할 수 있다. 또는, 표준 반사방지 코팅들은 LC 가변 리타더의 LC 셀들 상에/내에 사용될 수 있다.
LC 전극들은 그라핀, 산화인듐주석 또는 높은 전도도 및 높은 광 투명도를 갖는 다른 재료로 구성될 수 있다. 특히 본 발명의 다층 실시예들을 고려할 때, 전극들로부터 반사되거나 흡수되는 광은 최소화되어야 하고 따라서 전극 층들에서 높은 광학 투명도를 유지하는 것이 유리하다.
위에서 논의된 실시예들 중 다수는 전통적인 카메라와 동일한 시스템에서 HSI 구성요소의 존재를 가정했으며, HSI 구성요소는 전통적인 카메라가 강요 없이 동작하는 것을 허용하기 위해 제로 지연 모드를 갖는다. 그러나, FPA의 최종 초점면 또는 이에 인접에서가 아니라, 그 대신에 FPA 초점면의 켤레 (conjugate)에 HSI 구성요소를 갖고 하나 이상의 세트들의 릴레이 옵틱스에 의해 FPA 초점면에 링크되는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 애드-온 모듈이 예를들면 기존 휴대폰들 또는 카메라들과 사용되는 것을 가능하게 하며, 그것에 의해 애드-온은 액정 가변 리타더의 구동을 개별 이미지 프레임들의 획득으로 동기화시키기 위해 기존 휴대폰/카메라에 의해 제어하거나 제어될 초분광 구성요소일 것이다.
대안으로, 입사광에 투명한 장치를 제조하는 것 외에도, 또한 편광자를 입사광에 완전 투명하게 제조하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 카메라가 정상, 비-초분광 카메라로 동작할 때, 시스템은 편광자로 인한 광을 손실하지 않는다. 하나의 실시예에서, 시스템은 적어도 두 상태 사이에서 전환될 수 있는 전환성 편광자를 이용한다. 하나의 상태는 명목상 단지 하나의 편광을 전달하고, 직교 편광을 흡수, 반사 또는 차단한다. 다른 하나의 상태는 양 편광을 전달한다. H. Ren 및 S.T. Wu, “Anisotropic Liquid Crystal Gels for Switchable Polarizers and Displays”, Appl. Phys. Lett. 81, 1432-1434 (2002)에 제시된 바와 같이 이방성 액정 겔을 이용하여 이러한 편광자를 제조할 수 있다. 이러한 편광자는 또한 낮은 동작 전압, 높은 콘트라스트 비율, 광 대역폭, 광 시야 각도, 및 신속한 응답 시간의 바람직한 특성을 가진다.
액정 가변 리타더에서 하나 이상의 액정 셀에 적용할 수 있는 또 다른 변형은 셀들의 편평도에 관한 것이다. 액정 셀이 균일한 두께인 경우 투명 개구에 걸쳐 있는 액정 가변 리타더, 즉, 광이 도 3의 초점면 어레이 (24) 또는 광 센서 (47)에 도달하기 위하여 통과하는 액정 가변 리타더의 일부에 대한 상태 조절은 더욱 쉬어진다. 주어진 지점에서 응답 시간은 셀 두께뿐 아니라 온도, 구동 전압, 및 기타 셀 특성의 비분리 함수이다. 따라서, 셀에 인가되는 주어진 전압 파형은 두께가 다른 셀의 지점에서 상이한 응답을 줄 것이다. 이러한 응답 차이는 또한 온도 함수로 변할 것이다. 특히 지연이 투명 개구에 걸치는 것 대신 단지 액정 가변 리타더의 투명 개구의 일 지점에서 측정된다면 이로써 지연 컨트롤러 교정을 매우 난해하게 한다.
투명 개구에 간격자를 포함하는 것은 LC 셀을 균일 두께로 제조하는 하나의 방법이다. 그러나, 간격자는 액정 재료를 변위시키고 따라서 이들이 존재하는 위치에서 액정 가변 리타더의 지연 차이를 변경시킬 수 있다. 이에 따라 초분광 이미지 데이터에서 인공물 (artifact)이 출현할 수 있다. 그러나, 이러한 인공물 정도를 줄일 수 있는 옵션이 존재한다.
하나의 실시예에서, 간격자는 높은 종횡비를 가지고, 따라서 이미징 시스템의 광축을 따라 관찰할 때 이들이 생성하는 가려진 (occluded) 스폿의 크기 또는 직경은 간격자 높이에 비하여 작은 크기를 가진다. 이에 따라 낮은 종횡비 간격자에 비하여 이미지에서 최소 교란이 초래된다.
또 다른 실시예에서, 액정 셀, 액정 셀들, 또는 액정 가변 리타더는 HSI 카메라 내부에서 이미징 옵틱스의 초점면에서 벗어날 수 있다. 실제로, HSI 시스템의 입력 편광자 및 출력 편광자 사이에만 있다면 액정 가변 리타더의 액정 셀은 개별적으로 이미징 옵틱스에 대하여 임의의 위치에 놓일 수 있다. 액정 셀들은 서로 인접하거나 또는 이격될 수 있다. 하나 이상의 셀들이 이미징 옵틱스 초점면, 켤레 초점면, 푸리에 면, 이미징 옵틱스 및 피사 장면 사이, 이미징 옵틱스 및 FPA 사이 등에 놓일 수 있다. 셀들이 충분히 균일한 편평도를 가지는 한, 이미지에서 주어진 지점을 구성하는 광선은 액정 셀의 상이한 지점을 이동할 수 있다. 주어진 셀 내부 이들 지점에서 모두 동일한 두께를 가지고, 이들 광선은 모두 동일한 지연을 경험한다. 셀을 초점면에서 이동시키면 투명 개구 내의 셀의 임의의 간격자에 의한 가려진 스폿들이 흐려진다. 도 16은 이러한 예를 보인다. 일부 실시예들에서, 예컨대 컴퓨터 활용 사진 기술 분야의 레버리징 원리 (leveraging principle)에서, FPA (24)는 또한 이미징 옵틱스의 초점면을 벗어나 존재한다. 초점면 어레이가 이미징 옵틱스의 초점면에 존재하지 않는다면, 상기된 바와 같이 간격자에 의한 스폿을 흐리게 하기 위하여, 액정 셀은 FPA의 초점면에 존재하여서는 아니된다.
도 16에서, 액정 가변 리타더의 하나 이상의 액정 셀을 나타낼 수 있는 액정 셀 (120)은, 액정 재료 (124)가 두 개의 패널들 사이에 개재되지만, 또한 122와 같은 간격자를 가진다. 셀 (120)은 초점면 어레이 (24)가 놓인 지점인 이미징 옵틱스의 초점면에서 벗어나 있다. 광은 이미징 옵틱스 (22)를 통과하고 모든 광선은 동일한 두께의 셀 (120)을 거쳐 초점면 어레이 (24)에 도달한다. 간격자 (122)가 광을 가리는 구역은 영역 (126)에 걸쳐 흐려진다. 예를들면, 직경 1 미크론의 간격자가 매 10 미크론인 사각 그리드에 놓이면, 간격자는 액정 셀 투명 개구 면적의 약 1%를 가린다. LC 가변 리타더 셀이 바로 FPA 또는 이미징 옵틱스의 초점면에 있다면, 간격자는 가시적 인공물을 생성할 것이다. 셀이 초점면에서 벗어나면 이들 인공물 영향이 분산되고 초분광 이미지 데이터의 공간 정도에 걸쳐 희박해진다.
간격자 및 초점면 어레이와 관련된 또 다른 옵션은 도 17에 도시된 바와 같이 초점면 어레이의 픽셀들 사이에 간격자를 형성하는 것이다. 도 17에서, 초점면 어레이 (24)의 개별 픽셀 (128)은 122와 같은 액정 셀의 간격자 사이에 놓이고 초점면 어레이 상부에 형성된다. 도 16 및 17은 초분광 이미징 시스템의 일부일 뿐이고 상기와 같이 다른 요소들 예컨대 전극, LC 재료, 파장판, 편광자, 기타 등은 이러한 부분들과 함께 완전한 초분광 이미징 시스템에 포함되어야 한다.
또 다른 실시예는 균일 두께를 가지지만 자체가 편평하지 않은 LC 셀을 이용한다. 광 시야 이미징 시스템에서, 도 18에 도시된 바와 같이 주어진 시점의 중심 광선은 매우 급한 각도로 초분광 카메라로 들어간다. 이미징 옵틱스 (22)로 진입한 광은 경사 각도를 가지고 들어온다. 초점면 어레이 (24) 앞에서 LC 셀 (130)을 만곡시킴으로써, 주어진 시야 지점의 중심 광선은 시야 지점과 무관하게 액정 셀에 수직 입사한다.
상기된 바와 같이, 예컨대 도 3에서 레이저 다이오드 (20)에 의해 제공되는 단색 광원 또는 교정 광원으로 초점면 어레이를 조명하는 것에 이점이 존재한다. 도 19의 시스템은 이미지 광을 가리지 않고 이미지 광이 취할 수 있는 동일한 기하 경로를 통하여 초점면 어레이를 완전 조명하는 것이 가능하다. 시스템의 제1 편광자 대신 144와 같은 편광 빔 분리기를 이용할 수 있다. 본 실시예에서, 레이저 옵틱스 (142)를 통과하는 레이저 다이오드 (20)의 레이저 광은 하나의 포트를 통해 편광 빔 분리기로 진입하는 수직 (V) 편광을 가질 것이고 이미징 옵틱스 (22)를 통과하는 장면 (140)의 이미지 광은 제2 포트를 통해 편광 빔 분리기로 들어가는 수평 (H) 편광을 가질 것이다. 액정 셀 러빙 방향은 두 편광 방향들 사이 명목상 45 도이고, 분석기는 H 또는 V 편광 방향으로 정렬된다. 선택적으로, 두 분석기들 또는 출력 편광자들 (148, 162), 및 두 LC 가변 리타더들 (146, 160)을 통해 두 초점면 어레이들 (150, 164)을 사용하면, 다른 편광을 캡처할 수 있고, 광 처리량을 명목상 100 % 증가시킨다. 이러한 두 초점면 어레이 실시예는 교정 광원 부재에서도 유리할 것이다.
도 19에서 조명 기하 구조로 인하여 지연은 완전 시야에 걸쳐 각각의 지점에서 측정될 수 있다. 이러한 정보로 상기된 바와 같이 실-시간, 폐쇄-루프 제어, 또는 이미지 분석에서 초분광 이미지 데이터 생성이 가능하다. 이러한 배열로 시스템은 이미지 데이터 프레임을 단색 이미지 소스의 광 프레임과 교차 배치할 수 있어 각각의 시간 및 공간 지점에서 지연을 측정할 수 있다. 광원 전력이 높아지면 광원을 샘플링 하기에 사용되는 노출 시간은 감소될 수 있다. 도 20은 이러한 방법의 실시예를 보인다.
도 20에서, 시스템은 170에서 지연 Γi, 시간 ti 에 지연을 설정한다. 172에서 장면 Si 이 캡처되어 하나의 이미지 데이터 프레임을 생성한다. 174에서 레이저가 켜지고, 이어 176에서 레이저 광의 이미지가 레이저 이미지 Li 로서 캡처된다. 이어178에서 레이저가 꺼지고 179에서 다음 설정에서 프로세스가 반복된다. 이러한 방식으로, 시스템은 많은 다른 시간에 다중 시야 지점에서 지연을 캡처하여 시스템 동작을 조정, 또는 데이터 처리 등을 조정한다.
또 다른 변형은 액정 가변 리타더의 제어에 관한 것이다. 액정 재료의 동적 제어는 문제가 있을 수 있으므로, 리타더를 단열적으로 그러나 리타더의 수동적 이완 시간보다 더욱 신속하게 제어된 지연 변화가 가능하도록 구동하는 것이 유리하다. 이는 전압 파형의 적당한 선택을 통해 리타더의 이완 또는 응답 시간을 상당히 감소시킴으로써 구현될 수 있다. 구동 전압이 충분히 높으면 액정 가변 리타더의 응답 시간은 매우 짧게 이루어질 수 있다. 따라서 2-성분 전기장으로 액정 가변 리타더를 구동하는 것이 유용하다.
본원에서 사용되는, 2-성분 장 (field)은, 액정 재료를 셀 층들에 수직하게 정렬시키는 제1 성분, 또는 수직 성분 및 액정을 셀 층들과 평행하게 정렬시키는 제2 성분 또는 평행 성분을 가진다. 이러한 성분들은, 예를들면, 도 21에서와 같이 수직 및 평행 전기장을 발생하도록 전극 구동 전위들을 조합, 및 양의 및 음의 유전체 이방성을 발생시키도록 구동 주파수를 조합하여 얻을 수 있다. 도 21에서 평행 장 (186)은 전극 (182)에 걸리는 양의 전압 및 전극 (184)에 걸치는 음의 전압에서 생성될 수 있다. 수직 장 (188)은 아래 도면에서 전극 (182)에 걸리는 양의 전압 및 전극 (184)에 걸리는 음의 전압에서 생성될 수 있다. 이후 수직 성분은 양의 유전체 이방성을 가지는 주파수 f1 의 수직 전기장 또는 음의 유전체 이방성을 가지는 주파수 f2 의 평행 전기장일 수 있다. 이후 평행 성분은 양의 유전체 이방성을 가지는 주파수 f1 의 평행 장 또는 음의 유전체 이방성을 가지는 주파수 f2 의 수직 장일 수 있다.
평행 (또는 수직) 전기장만이 사용되면, 제1 성분 EA 는 주파수 f1 (f2)에서 전기장 진폭이고, 제2 성분 EB 는 주파수 f2 (f1)에서 전기장 진폭일 것이다. 대안으로, 전기장에 대하여 오직 주파수 f1 (또는 오로지 주파수 f2)을 사용할 수 있다. 이 경우, 성분 EA 는 평행 (또는 수직) 장이고 성분 EB 는 수직 (또는 평행) 장일 것이다. 액정 디렉터 배향 (190)은 arctan(EA/EB)로 주어지는 각도 쎄타 (θ)를 단열적으로 따르고, 이러한 각도로의 이완 시간은 τ = (E2C/ (E2A + E2B)) trelax로 주어지고, 식 중 trelax 는 액정 셀의 수동 (전기장-오프) 이완 시간이고 EC 는 셀의 중간점에서 유한 왜곡을 형성하기 위한 임계장 응답이다. LC 디렉터의 배향 변화는 이완 시간 τ 이 액정 디렉터의 배향 변화 사이 임의의 시간보다 훨씬 신속하도록 보장함으로써 임의로 신속하게 만들 수 있다. 이것은 장 성분 EA 및 EB 을 충분히 크게 함으로써 달성되지만, 정확한 비율로 원하는 액정 디렉터 배향 따라서 원하는 액정 가변 리타더 지연에 이른다. 더욱 일반적으로, 2 성분 장의 하나의 성분은 양의 토크를 인가하여 액정 분자를 액정 가변 리타더의 셀 내부에서 회전시켜 셀의 지연을 증가시키고, 다른 성분은 음의 토크를 인가하여 지연을 감소시킨다. 양 성분들을 동시에 인가하면 성분들 비율로 설정되는 각도에서, 성분들 크기에 의해 결정되는 속도로 액정 분자는 평형에 이른다. 따라서, 2-성분 장은 원칙적으로 액정 분자 디렉터의 임의 제어 및 따라서 액정 가변 리타더 지연의 임의 제어를 가능하게 한다.
더욱 신속한 구동 시간과 관련한 다른 고려 사항들은 액정 재료 자체의 선택에 있다. 강유전성 액정 또는 고분자 네트워크 액정은 더욱 신속한 응답 시간을 가진다. 고분자 네트워크 액정 재료는 액정 재료가 고분자 네트워크에 삽입된 것이다.
상기 방법들 및 장치들은 의료 이미징, 구분, 이 분야에서 발견되는 재료의 분광법 등과 같은, 수개의 응용들 중 하나에 의해 이용될 수 있다. 이들의 각각은 전형적으로 스마트폰 세상에서 '앱'으로 언급되는 그 자체의 소프트웨어 프로그램을 가질 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, HSI 시스템은 현미경들 및 망원경들과 같은 더 전통적인 실험실 장비뿐만 아니라, 휴대폰들, 태블릿들 등과 같은 많은 상이한 타입들의 호스트 장치들로 통합될 수 있다.
이러한 시스템에 의해 구현될 수 있는 하나의 특정 응용은 예를 들어 홈 의료 진단 테스트들의 비색 판독을 위해, HSI 시스템을 의료 진단 장치로 사용하는 사용자의 능력이다. 사용자는 신체 위치들 및/또는 의료 진단 테스트 스트립들의 하나 이상의 HSI 데이터 세트들을 취할 수 있었다. 결과적인 HSI 데이터 세트들은 시스템을 포함한 처리 능력을 사용하여 진단 정보로 전적으로 또는 부분적으로 처리될 수 있거나, 클라우드에서 처리될 수 있다. 포함된 통신 링크들의 경우, 진단 정보는 궁극적으로 의사 또는 실험실에 전송될 수 있다.

Claims (10)

  1. 초분광 이미징 시스템으로,
    초분광 이미징 파라미터들을 수신하고 상기 초분광 이미징 파라미터들에 기초하여 일련의 지연 시간에 일련의 지연을 결정하도록 구성되는 프로세서;
    입사광 빔을 수신하고 편광시키는 적어도 하나의 입력 편광자,
    상기 입사광 빔 반대측 상기 입력 편광자에 인접하게 배열되어 상기 입력 편광자로부터의 편광 빔을 수신하고 편광을 변경시켜 파장-의존 편광을 생성하는 만곡된 액정 가변 리타더(retarder),
    상기 파장-의존 편광을 수신하고 편광 상태 정보를 광 강도로서 검출 가능한 형태로 변환시키도록 배열되는 출력 편광자, 및
    상기 액정 가변 리타더의 지연을 조절하는 일련의 전압을 계산하도록 구성된 지연 컨트롤러를 포함하는, 초분광 이미징 요소; 및
    상기 지연 컨트롤러와 동기화되어 상기 액정 가변 리타더의 지연 함수로 광 강도로서 검출 가능한 형태로 광을 수신하고 상기 광을 일련의 이미지를 나타내는 전기 출력 신호로 변환하도록 구성된 초점면 어레이를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 일련의 이미지를 초분광 이미지 데이터로 변환시키도록 구성된, 초분광 이미징 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액정 가변 리타더가 만곡되어 어느 시야 시점의 중심 광선이라도 상기 액정 가변 리타더에 실질적으로 수직 입사하는, 초분광 이미징 시스템.
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