해결 과제

기존의 프로그램 툴(C , Matlab)을 이용한 시스템 구축은 많은 개발 시간을 필요로 하고 복잡한 GUI 형태로 구성되어 있다. 이러한 애로사항을 개선하고 사용자가 보다 쉽게 측정할 수 있게 개발하고자 한다.

솔루션
마흐젠더 간섭계를 사용한 USAF 1951 테스트 타겟 측정 시, CCD 및 NI PCI-1428,1409를 이용해 얻어진 홀로그램으로부터 수치적으로 영상을 재생할 때 영차 회절광을 포함한 DC항과 허상이 잡음으로 작용하여 신호대 잡음비가 좋은 영상을 구현하기 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 LabVIEW와 NI Vision을 사용하여, 재생 알고리즘 중 Angular Spectrum 방법을 이용하여 디지털 홀로그래피를 구현한다.

개발배경
홀로그램은 레이저 빛이 사물에서 반사될 때 만들어지는 복잡한 간섭 패턴을 기록한다. 튀어나오는 빛이 이러한 패턴의 파를 재현하면 관찰자는 원래의 사물을 3D로 인식하게 된다. 이와 같은 홀로그래피는 특히 생물학에서 그 유용성을 발휘한다. 대부분의 생물학적 시료들은 투명하기 때문에 빛의 세기만을 검출하는 일반적인 현미경으로는 관찰하기 어렵다. 그러나 투명한 시료조차도 통과하는 빛의 위상은 변경시키기 때문에, 홀로그램을 통해 위상정보를 검출함으로써 관찰이 가능한 것이다. 2005년 스위스 로잔대학(University of Lausanne) 연구팀은 이러한 홀로그래피의 원리와 디지털 처리 기술을 이용하여 살아있는 세포의 투명한 3D 영상을 만들 수 있는 디지털 홀로그래피 현미경을 개발했다. 최근 의학 산업과 생명과학 산업은 물론, 3차원 이미지 측정과 물성 측정에 있어서 관련 장비들의 발전과 위상 도출 및 보정 알고리즘의 향상은 눈부시다. 이에 첨단 의료영상기술 및 치료진단기술 등 다양한 분야의 원천기술이 융합되어 나노, 바이오 등과 함께 더욱 발전하면, 의료공학 분야의 핵심적인 차세대 기술로 성장할 수 있을 것이다. 

본론
디지털 홀로그래피 현미경의기본적인 구성은 그림 1과 같다. 마흐젠더 간섭계를 통해 광원으로 사용되는 레이저로부터 나온 빔이 빔스플리터에 의해 두 방향으로 갈라진 후 참조광과 시료를 투과한 물체광의 영상을 확대하기 위해서 현미경 대물렌즈로 사용된다.

그림 2에서 보다시피 간섭 홀로그램 데이터는 홀로그램 건판 대신 CCD를 사용하여 높은 정확도를 구현한다. CCD를 통해 얻어진 홀로그램을 이용하여 수치적으로 영상을 재생할 때 영차 회절광을 포함한 DC 항과 허상이 잡음으로 작용하여 신호대 잡음비가 좋은 영상을 구현하기 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해서 영차 회절광과 허상 제거법을 사용한다. 이렇게 구현한 필드를 전파 수식에 따라 그림 3-1과 같은 프로그램을 이용해 수치 전파시키며 초점이 맞는 거리로 상을 재생한다.

재생 알고리즘은 크게 세 가지로 프레넬 근사를 이용한 방법과 콘볼루션 방법 그리고 프레넬 근사를 사용하지 않는 Angular Spectrum 방법이 있다(그림 4). 이러한 알고리즘을 사용하여 재생 이미지를 얻은 후 물체의 위상정보를 물체의 3차원 정보로 디스플레이 한다(그림 5). 이때 디지털 홀로그래피를 통해 얻어진 위상정보는 참조광과 물체광의 위상차를 나타내며, 위상정보의 범위는 -pi~pi 이다. 실제로 2pi 범위 이상의 값을 가지고 있기 때문에 이를 수치적 해석을 통해서 복원하는 방법인 위상 펼침을 구현한다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점

ㆍ디지털 홀로그램을 이용한 현미경의 간섭계 구성
ㆍ시료에 맞는 재생 알고리즘 작성
ㆍDC항과 허상 잡음 제거
ㆍ외부 환경 변화에 따른 안정화 시스템 구축
ㆍ개발 시간 단축 및 복잡한 GUI 해결

저자: 김도형 박사과정 - 조선대학교

산업: 영상장비, 산업용 비전

NI 제품명: LabVIEW, Vision