KR102362278B1 - 다중 공진 모드를 가지는 가변 분광 필터를 포함하는 분광 장치, 그리고 이의 분광 정보 획득 방법 - Google Patents

다중 공진 모드를 가지는 가변 분광 필터를 포함하는 분광 장치, 그리고 이의 분광 정보 획득 방법 Download PDF

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters

Abstract

가변 분광 필터를 포함하는 분광 장치를 개시한다. 분광 장치는 투과 대역이 서로 다른 복수의 필터들로 구성된 필터 세트를 제공하고, 상기 필터 세트를 구성하는 각 필터는 다중 공진 모드를 가지는 가변 분광 필터(Tunable filter), 상기 가변 분광 필터를 투과한 분광 정보를 측정하는 광 센서, 그리고 상기 복수의 필터들과 가상의 단색 필터들의 관계를 나타내는 전달 함수를 계산하고, 상기 전달 함수를 이용하여 상기 광 센서에서 측정된 필터별 분광 정보로부터 특정 파장 대역의 분광 정보를 복원하는 컴퓨팅 장치를 포함한다.

Description

다중 공진 모드를 가지는 가변 분광 필터를 포함하는 분광 장치, 그리고 이의 분광 정보 획득 방법{SPECTRAL APPARATUS INCORPORATING TUNABLE SPECTRAL FILTER WITH MULTIPLE RESONANCES, AND METHOD FOR ACQUIRING SPECTRAL INFORMATION THEREOF}
본 발명은 분광 장치에 관한 것이다.
다중 분광 이미징 기술은 인간의 제한적인 시각 인지 능력을 넘어, 증강된 시각 정보를 제공할 수 있는 차세대 다기능 센싱 기술이다. 분광 장치는 분광 필터를 이용하여 파장별 이미지를 획득하고, 파장별 이미지로 구성된 다중 분광 이미지를 출력할 수 있다.
지금까지의 분광 필터는 일반적으로 특정 파장 대역의 광 성분만을 선택적으로 받아들이도록 설계된다. 따라서, 특정 파장 대역 이외의 불필요한 파장 대역을 차단하기 위해 추가적인 대역 차단 필터(예를 들면, IR-cut filter)가 필요하거나, 복잡하고 부피를 차지하는 광학계(예를 들면, 편광기, 초음파발생기 등)가 필요하다. 범용적으로 사용되는 작동 범위(400~1100nm)의 실리콘 기반 광센서(예를 들면, CMOS 이미지 센서)를 위해, 불필요한 파장 대역을 차단하기 위한 추가 장치들이 필요하다면, 분광 장치가 소형화될 수 없는 한계가 있다.
해결하고자 하는 과제는 다중 공진 모드를 가지는 가변 분광 필터를 포함하는 분광 장치를 제공하는 것이다.
해결하고자 하는 과제는 투과 대역이 서로 다른 필터 세트로 구성되는 가변 분광 필터로 분광 혼합 정보를 획득한 후, 분광 혼합 정보로부터 파장별 분광 정보를 선택적으로 복원하는 방법을 제공하는 것이다.
해결하고자 하는 과제는 가변 분광 필터로부터 필터별 분광 혼합 정보를 획득하고, 필터들의 선형 관계로부터 추출한 전달 함수를 이용하여, 특정 파장 대역의 분광 정보를 복원하는 방법을 제공하는 것이다.
한 실시예에 따른 분광 장치로서, 투과 대역이 서로 다른 복수의 필터들로 구성된 필터 세트를 제공하고, 상기 필터 세트를 구성하는 각 필터는 다중 공진 모드를 가지는 가변 분광 필터(Tunable filter), 상기 가변 분광 필터를 투과한 분광 정보를 측정하는 광 센서, 그리고 상기 복수의 필터들과 가상의 단색 필터들의 관계를 나타내는 전달 함수를 계산하고, 상기 전달 함수를 이용하여 상기 광 센서에서 측정된 필터별 분광 정보로부터 특정 파장 대역의 분광 정보를 복원하는 컴퓨팅 장치를 포함한다.
상기 가변 분광 필터는 시간에 따라 투과 대역이 연속적으로 이동하는 상기 필터 세트를 제공할 수 있다.
상기 가변 분광 필터는 패브리 패롯 간섭계(Fabry-perot interferometer), 메타물질 기반 초박형 광학 소자, 그리고 플라즈모닉 기반 초박형 광학 소자 중 적어도 하나를 이용하여 구현된 다중 피크 필터일 수 있다.
상기 가변 분광 필터를 투과한 분광 정보는 다양한 파장의 분광 정보가 섞여 있는 분광 혼합 정보일 수 있다.
상기 컴퓨팅 장치는 상기 복수의 필터들의 파장에 따른 분광 정보의 역행렬을 계산하고, 상기 역행렬을 상기 전달 함수로 결정할 수 있다.
상기 광 센서는 포인트 검출용 광 센서 또는 이미지 센서일 수 있다.
한 실시예에 따른 컴퓨팅 장치의 분광 정보 획득 방법으로서, 가변 분광 필터가 가지는 복수의 필터들과 가상의 단색 필터들의 관계를 나타내는 전달 함수를 계산하는 단계, 상기 복수의 필터들을 투과한 분광 정보를 획득하는 단계, 그리고 상기 전달 함수를 이용하여, 상기 복수의 필터들을 투과한 분광 정보로부터 피사체의 파장 대역별 분광 정보를 복원하는 단계를 포함한다.
상기 가변 분광 필터는 투과 대역이 서로 다른 복수의 필터들로 구성된 필터 세트를 제공하고, 상기 필터 세트를 구성하는 각 필터는 다중 공진 모드를 가지며, 시간에 따라 투과 대역이 연속적으로 이동하는 필터일 수 있다.
상기 복수의 필터들을 투과한 분광 정보를 획득하는 단계는 상기 복수의 필터들을 투과한 분광 정보를 측정한 광 센서로부터 상기 복수의 필터들을 투과한 분광 정보를 획득할 수 있다.
상기 전달 함수를 계산하는 단계는 상기 복수의 필터들의 파장에 따른 분광 정보의 역행렬을 계산하고, 상기 역행렬을 상기 전달 함수로 결정할 수 있다.
상기 피사체의 파장 대역별 분광 정보를 복원하는 단계는 상기 전달 함수와 상기 복수의 필터들을 투과한 분광 정보를 곱하여 특정 파장 대역의 가상의 단색 필터를 투과한 상기 피사체의 분광 정보를 선택적으로 복원할 수 있다.
실시예에 따르면, 가변 분광 필터로 분광 혼합 정보를 획득한 후, 분광 혼합 정보로부터 특정 파장 대역의 분광 정보를 선택적으로 복원할 수 있으므로, 특정 파장 대역 이외의 불필요한 파장 대역을 차단할 필요가 없다. 따라서, 실시예에 따르면, 불필요한 파장 대역을 차단하기 위한 추가적인 대역 차단 필터나 광학계 없이, 가변 분광 필터만으로 분광 장치를 구현할 수 있어서, 초소형 분광 장치 제작이 매우 용이하다. 특히, 기존의 분광기/분광카메라에 포함되는 분광 필터의 까다로운 필요충분 요건(예를 들면, 좁은 반치전폭(full width at half maximum, FWHM), 고 투과율, 광대역 스캐닝 등)을 위해 추가되는 광학계는 복잡하고 부피를 차지하는데, 실시예에 따르면 이러한 광학계를 효과적으로 대체할 수 있으므로, 초소형의 분광 장치를 개발할 수 있다.
실시예에 따르면, 다중 공진 모드(다중 피크)를 생성할 수 있는 다양한 종류의 가변 분광 필터가 사용될 수 있다.
실시예에 따르면, 시간에 따라 투과 대역이 연속적으로 이동하는 가변 분광 필터를 이용하므로, 파장 샘플링 개수에 비해 필터의 개수가 작아서 발생하는 불량조건문제(ill-posed problem)를 해결할 수 있다.
실시예에 따르면, 1차원 분광 정보(점 정보)뿐만 아니라, 2차원 분광 정보(이미지)를 획득할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 2는 한 실시예에 따른 다중 공진 모드를 가지는 가변 분광 필터의 필터 세트 예시이다.
도 3은 한 실시예에 따른 다중 분광 이미징 방법의 개념을 설명하는 도면이다.
도 4는 한 실시예에 따른 분광 혼합 정보의 선형 관계와 전달 함수를 설명하는 도면이다.
도 5는 한 실시예에 따른 분광 정보 획득 방법의 흐름도이다.
도 6은 한 실시예에 따라 계산된 전달 함수의 성능을 검증한 결과이다.
도 7은 한 실시예에 따른 분광 이미지 획득 방법을 설명하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 분광 장치(100)는 이미징 렌즈(110), 가변 분광 필터(Tunable filter)(130), 광 센서(150), 그리고, 이미징 센서(150)에서 획득된 신호로부터 분광 정보를 복원하는 컴퓨팅 장치(170)를 포함한다. 분광 장치(100)는 분광기(Spectrometer) 또는 분광 카메라(Spectral Camera)를 포함할 수 있다.
컴퓨팅 장치(170)는 적어도 하나의 프로세서 및 메모리를 포함하고, 본 발명의 동작을 실행하도록 기술된 명령들(instructions)이 포함된 프로그램을 실행한다. 프로세서는 컴퓨팅 장치(170)의 동작을 제어하는 장치로서, 프로그램에 포함된 명령들을 처리하는 다양한 형태의 프로세서일 수 있다. 컴퓨팅 장치(170)는 분광 장치(100)에 포함되는 것으로 설명하나, 분광 장치(100)와 분리된 별도의 컴퓨팅 장치에 구현될 수 있다. 컴퓨팅 장치(170)를 포함하지 않는 분광 장치(100)는 별도의 컴퓨팅 장치와 유무선 네트워크를 통해 연결될 수 있다. 분광 장치(100)가 원격의 컴퓨팅 장치와 통신하기 위해 구비하는 통신 인터페이스는 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들면, 분광 장치(100)는 블루투스, 와이파이, 또는 5G 이동통신 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다.
이미징 렌즈(110)는 집광 렌즈이다. 이미징 렌즈(110)를 통해 피사체의 분광 정보가 분광 장치(100)로 들어온다.
가변 분광 필터(130)는 투과 대역이 서로 다른 필터들로 구성된 필터 세트를 제공하고, 필터 세트를 구성하는 각 필터는 다중 공진 모드(다중 피크)를 가진다. 가변 분광 필터(130)는 시간에 따라 투과 대역을 연속적으로 이동(가변)하는 가변 필터로서, 투과 대역을 물리적, 기계적, 화학적 요인 중 적어도 하나에 의해 이동할 수 있는 가변 필터이면 된다. 가변 분광 필터(130)는 다중 공진 모드(다중 피크, 다중 투과 대역)를 가지는 다양한 종류의 가변 분광 필터가 사용될 수 있다. 예를 들면, 가변 분광 필터(130)는 패브리 패롯 간섭계(Fabry-perot interferometer), 메타물질 기반 초박형 광학 소자, 플라즈모닉 기반 초박형 광학 소자 등이 이용될 수 있다. 즉, 가변 분광 필터(130)는 주기, 듀티 사이클 등 필터의 구조적 치수 변화뿐만 아니라, 외부의 능동적 변화에 의해 분광 특성이 변하는 필터가 이용될 수 있어서 구조적 특징이 제한될 필요가 없다.
가변 분광 필터(130)는 피사체의 분광 정보를 서로 다른 특성의 필터들로 투과시킨다. 피사체의 분광 정보는 서로 다른 특성의 필터들에 따라 서로 다른 분광 혼합 정보로 표현된다.
광 센서(150)는 실리콘 기반 광 센서일 수 있다. 광 센서(150)는 예를 들면, 포인트 검출용 광 센서(광자 검출기, Photon Detector), CCD/CMOS 이미지 센서 등이 이용될 수 있다. 광 센서(150)는 가변 분광 필터(130)를 투과한 분광 혼합 정보를 측정한다.
컴퓨팅 장치(170)는 가변 분광 필터(130)의 서로 다른 필터들을 투과하여 광 센서(150)에서 획득된 분광 혼합 정보를 수신하고, 분광 혼합 정보로부터 특정 파장 대역별 분광 정보를 선택적으로 복원한다. 이때, 컴퓨팅 장치(170)는 필터들의 선형 관계로부터 추출한 전달 함수를 이용하여, 특정 파장 대역의 분광 정보를 선택적으로 복원한다. 또한, 컴퓨팅 장치(170)는 전체 대역의 분광 정보를 복원할 수 있다.
이와 같이 분광 장치(100)는 가변 분광 필터(130)의 서로 다른 특성의 필터들에 의해 획득된 피사체의 서로 다른 분광 혼합 정보를, 이들의 선형 관계로부터 탈혼합하고, 특정 파장 대역의 분광 정보를 선택적으로 복원할 수 있다. 따라서, 분광 장치(100)는 도 1에서 설명된 구성 이외에, 추가적인 필터나 복잡한 광학계가 필요 없으므로, 초소형으로 제작될 수 있다.
다음에서 다중 분광 이미징 방법에 대해 자세히 설명한다.
도 2는 한 실시예에 따른 다중 공진 모드를 가지는 가변 분광 필터의 필터 세트 예시이다.
도 2를 참고하면, 가변 분광 필터(130)는 서로 다른 특성의 필터들을 이용하여 시간에 따라 투과 대역을 연속적으로 가변한다. 가변 분광 필터(130)는 서로 다른 특성의 필터들로 구성된 필터 세트(F)를 가진다. 필터 세트(F)는 m개의 필터들(F1, F2, ..., Fm)로 구성된다고 가정한다. 이때, 각 필터는 다중 공진 모드를 통해 멀티 피크의 투과 스펙트럼(transmittance)을 제공한다.
가변 분광 필터(130)는 시간에 따라 투과 대역이 연속적으로 가변하는 다양한 형태의 필터로 구현될 수 있다. 예를 들면, 가변 분광 필터(130)는 패브리 패롯 간섭계(Fabry-perot interferometer), 메타물질 기반 초박형 광학 소자, 플라즈모닉 기반 초박형 광학 소자 등이 이용될 수 있다. 플라즈모닉 기반 초박형 광학 소자로 구현된 가변 분광 필터(130)는 플라즈모닉 각감응 분광 필터일 수 있다. 플라즈모닉 각감응 분광 필터는 금속 나노 구조와 유전체로 이루어진 복합 나노 구조가 다중층으로 구성될 수 있다. 플라즈모닉 각감응 분광 필터는 플라즈모닉 공진 및 패브리 패롯 간섭에 의해 광대역에서 다중 공진 모드를 가지고, 입사각 변화에 따라 공진 모드가 분할하거나 이동할 수 있다.
도 3은 한 실시예에 따른 다중 분광 이미징 방법의 개념을 설명하는 도면이고, 도 4는 한 실시예에 따른 분광 혼합 정보의 선형 관계와 전달 함수를 설명하는 도면이다.
도 3을 참고하면, 광 센서(150)는 가변 분광 필터(130)의 서로 다른 필터들을 투과한 분광 신호를 연속적으로 측정하는데, 각 필터를 투과한 분광 신호는 단색 분광 정보가 아니라, 다양한 파장의 분광 정보가 섞여 있는 분광 혼합 정보이다.
피사체의 분광 정보(X)는 가변 분광 필터(130)의 서로 다른 필터들(F1, F2, ..., Fm)을 투과한 서로 다른 분광 혼합 정보(Y1, Y2, ..., Ym)로 표현된다.
컴퓨팅 장치(170)는 측정된 분광 혼합 정보(Y1, Y2, ..., Ym)로부터 특정 파장 대역(
Figure 112020030290774-pat00001
)의 분광 정보(X1, X2, ..., Xn)를 선택적으로 복원할 수 있다. 이를 위해, 컴퓨팅 장치(170)는 서로 다른 파장 대역을 가지는 필터들의 선형 관계로부터 추출한 전달 함수(T)를 이용하여, 특정 파장 대역 또는 전체 대역의 분광 정보를 복원할 수 있다.
종래에는 특정 파장 대역의 단색 필터들(I1, I2, ..., In)을 이용하여 특정 파장 대역(
Figure 112020030290774-pat00002
)의 분광 정보(X1, X2, ..., Xn)를 얻었기 때문에, 특정 파장 대역 이외의 대역을 제거하기 위한 추가적인 장치들이 필요했다. 하지만 본 발명의 분광 장치(100)의 경우, 광 센서(150)가 가변 분광 필터(130)를 투과한 분광 혼합 정보(Y1, Y2, ..., Ym)를 측정하기만 하면 되고, 컴퓨팅 장치(170)가 가변 분광 필터(130)의 필터들과 가상의 단색 필터들의 관계를 기초로, 가변 분광 필터(130)를 투과한 분광 혼합 정보(Y1, Y2, ..., Ym)로부터 가상의 단색 필터들을 투과한 단색 분광 정보(X1, X2, ..., Xn)를 복원할 수 있다.
도 4를 참고하면, 컴퓨팅 장치(170)는 측정한 서로 다른 분광 혼합 정보(Y1, Y2, ..., Ym)로부터 특정 파장 대역(
Figure 112020030290774-pat00003
)의 분광 정보(X1, X2, ..., Xn)를 복원하기 위해, 전달 함수(T)를 추출한다. 전달 함수(T)는 가변 분광 필터(130)의 구분 가능한 복수 개(m개)의 필터들의 선형 관계로부터 추출된다. 전달 함수(T)는 다중 공진 모드의 필터들(F1, F2, ..., Fm)로부터 특정 파장 대역의 단색 필터(I)를 가상으로 구현하기 위한 선형 계수들의 행렬을 의미한다. 가상의 단색 필터(I)는 특정 파장 대역에서 크기가 1이고, 나머지 다른 대역에서는 크기가 0인 이상적인 투과 특성을 가진다고 가정한다. 전달 함수(T), 필터들(F), 그리고 단색 필터(I)의 관계는 I=T·F로 표현된다.
예를 들어, 필터들(F1, F2, ..., Fm)을 이용하여
Figure 112020030290774-pat00004
파장 대역의 단색 필터를 구현한다면, 필터들(F1, F2, ..., Fm) 각각의
Figure 112020030290774-pat00005
에서의 분광 정보들(투과 스펙트럼 정보)의 합을,
Figure 112020030290774-pat00006
단색 필터의 분광 정보값 1로 만드는 계수들(T1, T2,..., Tm)을, 전달 함수(T)로 정의할 수 있다. 전달 함수(T), 필터들(F), 그리고 단색 필터(I)의 관계는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020030290774-pat00007
한편, 도 3과 같이, m개의 필터들을 투과한 분광 혼합 정보로부터, n개의 파장 대역(
Figure 112020030290774-pat00008
)을 선택적으로 복원하는 경우, 전달 함수(T), 필터들(F), 그리고 단색 필터(I)의 관계는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 필터들(F)의 분광 정보는 광 센서(150)에 내재된 감광 계수(Quantum efficiency, QE)가 포함되어 계산될 수 있다.
Figure 112020030290774-pat00009
수학식 2를 참고하면, m은 가변 분광 필터(130)의 필터 세트에 포함된 필터 수이고, n은 구하고자 하는 단색 분광 대역(단일 파장 대역)의 수 또는 파장 샘플링 개수이다. 가변 분광 필터(130)의 필터들의 분광 정보
Figure 112020030290774-pat00010
는 m x n 행렬로 표현되고, 전달 함수
Figure 112020030290774-pat00011
는 n x m 행렬로 표현될 수 있다. 가상의 단색 필터(I)는 특정 파장 대역에서 크기가 1이고, 나머지 다른 대역에서는 크기가 0인 이상적인 투과 특성을 가지므로, 크기가 n 인 n x n 단위 행렬로 표현될 수 있다. 단위 행렬의 크기는 역행렬을 가지는 행렬 조건에 의해 정해진다
F(λ)가 정사각 행렬인 경우(m=n), 전달 함수
Figure 112020030290774-pat00012
는 수학식 2에 의해, 수학식 3과 같이 필터들의 분광 정보
Figure 112020030290774-pat00013
의 역행렬로 계산된다.
Figure 112020030290774-pat00014
Figure 112020030290774-pat00015
가 역행렬을 구할 수 없는 비정사각 행렬인 경우(m>n 또는 m<n), 유사역행렬(Pseudo Inverse) 방법으로 역행렬을 구할 수 있다. 예를 들면, 전달 함수
Figure 112020030290774-pat00016
는 수학식 4와 같이 무어-펜로즈 유사역행렬(Moore-Penrose pseudoinverse matrix) 방법을 통해 계산될 수 있다.
Figure 112020030290774-pat00017
Figure 112020030290774-pat00018
전달 함수의 각 행(row)은 각 분광 대역에 대한 복원식이 되고 독립적으로 작용하므로, 측정 대상의 분광 혼합 정보에서 특정 파장 대역만 선택적으로 복원이 가능하고 연산 속도를 개선할 수 있다. 예를 들면,
Figure 112020030290774-pat00019
파장 대역에 대한 전달 함수는
Figure 112020030290774-pat00020
의 첫 번째 행(
Figure 112020030290774-pat00021
)으로 표현될 수 있고,
Figure 112020030290774-pat00022
파장 대역에 대한 전달 함수는
Figure 112020030290774-pat00023
의 k번째 행(
Figure 112020030290774-pat00024
)으로 표현될 수 있다.
컴퓨팅 장치(170)는 필터들의 파장 대역에 따른 분광 정보(투과 스펙트럼 정보)의 역행렬인 전달 함수를 계산하고, 전달 함수를 이용하여, 측정된 분광 혼합 정보(Y1, Y2,..., Ym)로부터 특정 파장 대역(
Figure 112020030290774-pat00025
)의 분광 정보(X1, X2, ..., Xn)를 복원할 수 있다.
피사체의 분광 정보(X)는 투과 대역이 가변하는 필터들(F)을 투과하고, 광 센서(150)에서 측정된다. 측정된 분광 혼합 정보 Y, 측정하고자 하는 피사체의 파장 대역별 분광 정보
Figure 112020030290774-pat00026
, 필터들을 투과한 파장 대역별 분광 정보
Figure 112020030290774-pat00027
의 관계는 Y=F·X이고, 수학식 5와 같이 표현될 수 있다. 피사체의 분광 정보(X)는 n x k 행렬로 표현될 수 있다. n은 복원하고자 하는 파장 대역(
Figure 112020030290774-pat00028
)의 수이고, k는 검출하고자 하는 지점(포인트)의 수이다. 분광 장치(100)가 포인트 디텍션하는 분광기인 경우, k=1이고, 두 개 이상의 포인트들(영상)을 이미징하는 분광 카메라인 경우 k >1 인 조건을 따른다.
Figure 112020030290774-pat00029
따라서, 측정하고자 하는 피사체의 분광 정보(X)는 수학식 6과 같이 계산된다. 한편, 피사체의 분광 정보(X)는 피사체의 실제 분광 정보(x)에 감광 계수(Quantum efficiency, QE) 및 입사광(S)이 결합된 값일 수 있다.
Figure 112020030290774-pat00030
컴퓨팅 장치(170)는 전달 함수 T와 필터들을 투과한 분광 혼합 정보 Y를 곱연산하여, 피사체의 전체 또는 특정 파장 대역의 분광 정보를 선택적으로 복원할 수 있다. 컴퓨팅 장치(170)는 복원한 피사체의 전체 또는 특정 파장 대역의 분광 정보를 출력할 수 있다.
도 5는 한 실시예에 따른 분광 정보 획득 방법의 흐름도이다.
도 5를 참고하면, 분광 장치(100)는 가변 분광 필터(130)가 가지는 복수의 필터들과 가상의 단색 필터들의 관계를 나타내는 전달 함수(T)를 계산한다(S110). 전달 함수(T)는 가변 분광 필터(130)가 가지는 필터들의 파장에 따른 분광 정보
Figure 112020030290774-pat00031
의 역행렬로 표현될 수 있다. 분광 장치(100)는 가변 분광 필터(130)의 복수의 필터들과 가상의 단색 필터들의 관계 정보를 전달 함수(T)로 계산할 수 있다.
분광 장치(100)는 가변 분광 필터(130)를 투과한 피사체의 분광 정보를 측정한다(S120). 여기서, 측정된 분광 정보는 단색 분광 정보가 아니라, 다양한 파장의 분광 정보가 섞여 있는 분광 혼합 정보이다. 가변 분광 필터(130)를 투과한 피사체의 분광 혼합 정보는 광 센서(150)에서 측정된다.
분광 장치(100)는 전달 함수(T)와 측정한 분광 정보(Y)로부터 피사체의 분광 정보(X)를 복원한다(S130). 분광 장치(100)는 수학식 6의 관계식을 통해 피사체의 분광 정보(X)를 특정 파장 대역별로 복원할 수 있다.
도 6은 한 실시예에 따라 계산된 전달 함수의 성능을 검증한 결과이다.
도 6을 참고하면, (a)는 가변 분광 필터(130)의 회전 구동에 따른 필터 투과 특성(파장에 따른 분광 정보)(F)이고, (b)는 가변 분광 필터(130)의 회전 구동에 따른 필터 투과 특성(F)을 이용하여 계산된 전달 함수(T)이다. 전달 함수(T)는 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
(c)는 필터 투과 특성(F)과 전달 함수(T)로 계산된 가상의 단색 필터(TF =Ipseudo)이다. 전달 함수(T)의 성능을 검증하기 위해, 수학식 1 및 수학식 2와 같이, 가상의 단색 필터(Ipseudo)를 계산한다.
(d)는 컬러 체커 보드의 Ground truth 정보(X) 기반으로, 전달 함수(T)로부터 계산된 가상 단색 필터(Ipseudo)의 성능을 검증한 결과이다. (d)를 참고하면, 알고 있는 분광 정보(X)와, 가상 단색 필터(Ipseudo)로 획득한 분광 정보(X)의 값(IX)을 비교하여, 가상 단색 필터(Ipseudo), 또는 가상 단색 필터(Ipseudo)를 생성한 전달 함수(T)의 성능을 검증할 수 있다. 평균제곱근오차(Root Mean Square error, RMSE)에 따르면, 전달 함수(T)로부터 계산된 가상 단색 필터(Ipseudo)가 컬러 체커 보드의 Ground truth에 거의 근접한 값을 복원하는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 한 실시예에 따른 분광 이미지 획득 방법을 설명하는 도면이다.
도 7을 참고하면, 분광 장치(100)가 전달 함수(T)와 측정한 분광 정보(Y)로부터 피사체의 분광 정보(X)를 복원할 때, 단일 포인트가 아니라 분광 이미지를 복원할 수 있다. 분광 이미지 복원은 각 픽셀값에 대하여 복원 알고리즘을 적용해야 하기 때문에 계산 시간이 오래 걸린다. 또한 분광 이미지에 포함된 잡음(noise)의 종류가 다양하고, 잡음 세기가 단순 분광 정보 계산에 비해 크다(low Signal to Noise Ratio).
따라서, 분광 장치(100)는 수학식 7과 같이, 총 변이 사전정보(Total Variation Prior)를 더 포함하는 최적화 알고리즘을 이용하여, 분광 이미지 복원을 할 수 있다. 총 변이 사전정보 항은 비정상적 복원(high artificial noise)을 방지하여 알고리즘의 복원력을 향상시킬 수 있다. 도 7에서 알 수 있듯이, 총 변이 항의 크기가 작아질수록 정상적인 복원에 가까워진다.
Figure 112020030290774-pat00032
Figure 112020030290774-pat00033
수학식 7에서, X는 피사체의 분광 정보, F는 필터 투과 특성, Y는 이미지 센서에 의해 촬영된 이미지 정보, TV는 총 변이 사전 정보,
Figure 112020030290774-pat00034
는 가중치이다. 수학식 7에서, 피사체의 분광 정보의 초기값 Xinitial은 전달 함수(T)와 촬영된 이미지 정보(Y)로 계산된 값이 이용될 수 있다. 따라서, 전달함수(T)의 정확도가 향상될수록 최적화 알고리즘의 효과와 계산 속도가 빨라질 수 있다.
이와 같이 실시예에 따르면, 가변 분광 필터로 분광 혼합 정보를 획득한 후, 분광 혼합 정보로부터 특정 파장 대역의 분광 정보를 선택적으로 복원할 수 있으므로, 특정 파장 대역 이외의 불필요한 파장 대역을 차단할 필요가 없다. 따라서, 실시예에 따르면, 불필요한 파장 대역을 차단하기 위한 추가적인 대역 차단 필터나 광학계 없이, 가변 분광 필터만으로 분광 장치를 구현할 수 있어서, 초소형 분광 장치 제작이 매우 용이하다. 특히, 기존의 분광기/분광카메라에 포함되는 분광 필터의 까다로운 필요충분 요건(예를 들면, 좁은 반치전폭(full width at half maximum, FWHM), 고 투과율, 광대역 스캐닝 등)을 위해 추가되는 광학계는 복잡하고 부피를 차지하는데, 실시예에 따르면 이러한 광학계를 효과적으로 대체할 수 있으므로, 초소형의 분광 장치를 개발할 수 있다. 실시예에 따르면, 스마트 글라스(Smart Glass)와 스마트 워치(Smart watch) 등 다양한 웨어러블 디바이스(wearable device)에 집적할 수 있도록 분광 장치를 초소형화할 수 있다.
실시예에 따르면, 다중 공진 모드(다중 피크)를 생성할 수 있는 다양한 종류의 가변 분광 필터가 사용될 수 있다.
실시예에 따르면, 시간에 따라 투과 대역이 연속적으로 이동하는 가변 분광 필터를 이용하므로, 파장 샘플링 개수에 비해 필터의 개수가 작아서 발생하는 불량조건문제(ill-posed problem)를 해결할 수 있다.
실시예에 따르면, 1차원 분광 정보(점 정보)뿐만 아니라, 2차원 분광 정보(이미지)를 획득할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (11)

  1. 분광 장치로서,
    투과 대역이 서로 다른 복수의 필터들로 구성된 필터 세트를 제공하고, 상기 필터 세트를 구성하는 각 필터는 다중 공진 모드를 가지는 가변 분광 필터(Tunable filter),
    상기 가변 분광 필터를 투과한 분광 정보를 측정하는 광 센서, 그리고
    상기 복수의 필터들의 파장에 따른 분광 정보의 역행렬을 계산하고, 상기 역행렬을 상기 복수의 필터들과 가상의 단색 필터들의 관계를 나타내는 전달 함수로 결정하고, 상기 전달 함수를 이용하여, 상기 광 센서에서 측정된 필터별 분광 정보로부터 특정 파장 대역의 분광 정보를 복원하는 컴퓨팅 장치
    를 포함하는 분광 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 가변 분광 필터는 시간에 따라 투과 대역이 연속적으로 이동하는 상기 필터 세트를 제공하는, 분광 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 가변 분광 필터는 패브리 패롯 간섭계(Fabry-perot interferometer), 메타물질 기반 초박형 광학 소자, 그리고 플라즈모닉 기반 초박형 광학 소자 중 적어도 하나를 이용하여 구현된 다중 피크 필터인, 분광 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 가변 분광 필터를 투과한 분광 정보는 서로 다른 파장의 분광 정보가 섞여 있는 분광 혼합 정보인, 분광 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 광 센서는
    포인트 검출용 광 센서 또는 이미지 센서인, 분광 장치.
  7. 컴퓨팅 장치의 분광 정보 획득 방법으로서,
    가변 분광 필터가 가지는 복수의 필터들의 파장에 따른 분광 정보의 역행렬을 계산하고, 상기 역행렬을 상기 복수의 필터들과 가상의 단색 필터들의 관계를 나타내는 전달 함수로 결정하는 단계,
    상기 복수의 필터들을 투과한 분광 정보를 획득하는 단계, 그리고
    상기 전달 함수를 이용하여, 상기 복수의 필터들을 투과한 분광 정보로부터 피사체의 파장 대역별 분광 정보를 복원하는 단계를 포함하며,
    상기 가변 분광 필터는
    투과 대역이 서로 다른 복수의 필터들로 구성된 필터 세트를 제공하고, 상기 필터 세트를 구성하는 각 필터는 다중 공진 모드를 가지며, 시간에 따라 투과 대역이 연속적으로 이동하는 필터인, 분광 정보 획득 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에서,
    상기 복수의 필터들을 투과한 분광 정보는 광 센서로부터 획득되는, 분광 정보 획득 방법.
  10. 삭제
  11. 제7항에서,
    상기 피사체의 파장 대역별 분광 정보를 복원하는 단계는
    상기 전달 함수와 상기 복수의 필터들을 투과한 분광 정보를 곱하여 특정 파장 대역의 가상의 단색 필터를 투과한 상기 피사체의 분광 정보를 선택적으로 복원하는, 분광 정보 획득 방법.
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