KR102903828B1 - 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법, 검사 장치, 및 이를 포함하는 검사 시스템 - Google Patents
레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법, 검사 장치, 및 이를 포함하는 검사 시스템Info
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Abstract
본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법은, 매 회 이동하는 산란 유닛을 통과하며 불규칙하게 산란되는 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사하는 단계, 상기 검사 대상에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광을 수집하여, 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지(speckle image)를 생성하는 단계 및 생성된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여, 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법, 검사 장치, 및 이를 포함하는 검사 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 매회 이동하는 산란 유닛을 통과하며 불규칙하게 산란되는 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사하여 획득된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여 검사 대상의 변화 패턴을 검사할 수 있는 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법, 검사 장치, 및 이를 포함하는 검사 시스템에 관한 것이다.
간섭성을 가진 레이저 광을 산란체에 조사하였을 때 발생하는 광의 간섭현상에 의해 생기는 불규칙한 무늬를 레이저 스페클이라고 한다.
레이저 스페클을 이용하면 검사 대상의 변화를 비접촉 방식으로 라벨 없이(label free) 측정할 수 있는 장점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 매회 이동하는 산란 유닛을 통과하며 불규칙하게 산란되는 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사하여 획득된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여 검사 대상의 변화 패턴을 검사할 수 있는 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법, 검사 장치, 및 이를 포함하는 검사 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법은 매 회 이동하는 산란 유닛을 통과하며 불규칙하게 산란되는 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사하는 단계, 상기 검사 대상에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광을 수집하여, 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지(speckle image)를 생성하는 단계 및 생성된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여, 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 산란 유닛은, 광학 디퓨져(optical diffuser)로 구현될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 광학 디퓨져는, 그라운드 글라스(ground glass)로 형성될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사하는 단계는, 시간에 따라 회전하는 상기 산란 유닛을 통하여, 동일한 파장의 상기 레이저 광을 시차를 두고 상기 검사 대상에 복수 회 조사할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 산란 유닛은, 상기 레이저 광이 조사되는 주기에 상응하여 회전될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 산란 유닛은, 상기 레이저 광이 조사되는 주기에 상응하여, 매 회 동일한 각도만큼 회전될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 산란 유닛은, 상기 레이저 광이 조사되는 주기에 상응하여, 매 회 랜덤하게 선택된 각도만큼 회전될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 산란 유닛은, 다중모드 광 섬유(multi-mode optical fiber)로 구현될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 레이저 광은, 광원으로부터 출력되어 적어도 하나의 미러(mirror)에 의해 광 경로가 변경되어 상기 산란 유닛을 통과할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지를 생성하는 단계는, 상기 검사 대상에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광을 선형 편광기(linear polarizer)를 투과시킨 이후, 상기 선형 편광기를 투과한 레이저 광을 수집할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 단계는, 시차를 두고 획득한 상기 스페클 이미지들 각각을 기 설정된 개수의 스페클 이미지 조각들로 분할하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계는, 상기 스페클 이미지들 중에서 시차를 두고 획득된 제1스페클 이미지와 제2스페클 이미지 간의 공간적-시간적 상관관계며, 상기 제1스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각과 상기 제2스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각에 대하여 하기 수식에 따라 계산되는 상관 값에 기초하여 산출될 수 있다.
여기서, C(i, τ)는 τ의 지연시간을 가지는 스페클 이미지들 각각에서 i번째 스페클 이미지 조각 간의 상관 값이고, I(i, t)는 t시점에 획득된 스페클 이미지의 i번째 스페클 이미지 조각이다.
실시 예에 따라, 상기 상관 값은, 피어슨 상관 계수(Pearson's correlation coefficient)일 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계는, 상기 제1스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각과 상기 제2스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각에 대하여 순차적으로 계산되는 상관 값들을 기초로 생성된 상관 맵에 따라 판단될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 단계는, 생성된 상기 상관 맵에 대하여 주성분 분석(Principle Component Analysis)을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 단계는, 상기 주성분 분석 결과에 대하여 K-평균 클러스터링 분석을 수행하여 상기 검사 대상의 영역을 군집화하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 검사 대상은, 항생제 감수성 검사의 대상이 되는 항생제를 세균 또는 진균에 부분적으로 가한 것이며, 상기 검사 대상의 영역을 군집화하는 단계는, 상기 항생제를 가한 이후에, 상기 세균 또는 상기 진균이 잔존하는 영역과, 상기 세균 또는 상기 진균이 잔존하지 않는 영역으로 구분되어 군집화될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 검사 장치는 매 회 이동하는 산란 유닛을 통과하며 불규칙하게 산란되는 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사하여 검사 대상에 반사된 레이저 광을 수집하고, 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지(speckle image)를 생성하는 스페클 이미지 생성기 및 생성된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여, 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 변화 패턴 검사기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 검사 시스템은 시차를 두고 동일한 파장의 레이저 광을 복수 회 출력하는 광원, 매 회 이동하면서 상기 광원으로부터 출력된 레이저 광을 불규칙하게 산란시켜 검사 대상으로 전달하는 산란 유닛, 상기 검사 대상에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광을 수집하고, 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지(speckle image)를 생성하고, 생성된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 검사 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법과 장치는 매회 이동하는 산란 유닛을 통과하며 불규칙하게 산란되는 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사하여 획득된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여 검사 대상의 변화 패턴을 검사함으로써, 레이저 스페클 이미지를 이용하여 검사 대상을 측정할 때에 발생하는 비균일성(inhomogeneity) 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 검사 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 검사 장치의 일 실시 예에 따른 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법의 플로우차트이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법에 따라 획득한 레이저 스페클 이미지의 예시이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법에서 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여 상관 맵을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 과정에 따라 생성된 상관 맵의 예시를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 상관 맵에서의 상관 값들의 평균과 표준편차를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법을 적용하기 위한 샘플들의 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 9는 검사 장치의 카메라 설정을 변경하면서 획득한 상관 맵의 예시를 나타낸 도면이다.
도 10은 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 300ms인 경우의 상관 맵과, 상관 값들을 나타낸 도면이다.
도 11은 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 1500ms인 경우의 상관 맵과, 상관 값들을 나타낸 도면이다.
도 12는 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 30ms, 300ms, 900ms인 경우 각각의 상관 맵을 나타낸 도면이다.
도 13은 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 30ms, 60ms, 150ms, 300ms, 450ms, 900ms, 1500ms, 3000ms인 경우의 4개의 영역별 상관값들을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법에 따라 k-평균 클러스터링 분석을 수행한 결과를 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 검사 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 검사 장치의 일 실시 예에 따른 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법의 플로우차트이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법에 따라 획득한 레이저 스페클 이미지의 예시이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법에서 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여 상관 맵을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 과정에 따라 생성된 상관 맵의 예시를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 상관 맵에서의 상관 값들의 평균과 표준편차를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법을 적용하기 위한 샘플들의 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 9는 검사 장치의 카메라 설정을 변경하면서 획득한 상관 맵의 예시를 나타낸 도면이다.
도 10은 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 300ms인 경우의 상관 맵과, 상관 값들을 나타낸 도면이다.
도 11은 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 1500ms인 경우의 상관 맵과, 상관 값들을 나타낸 도면이다.
도 12는 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 30ms, 300ms, 900ms인 경우 각각의 상관 맵을 나타낸 도면이다.
도 13은 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 30ms, 60ms, 150ms, 300ms, 450ms, 900ms, 1500ms, 3000ms인 경우의 4개의 영역별 상관값들을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법에 따라 k-평균 클러스터링 분석을 수행한 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~자", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 프로세서(Processor), 마이크로 프로세서(Micro Processer), 마이크로 컨트롤러(Micro Controller), CPU(Central Processing Unit), GPU(Graphics Processing Unit), APU(Accelerate Processor Unit), DSP(Drive Signal Processor), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 등과 같은 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있으며, 적어도 하나의 기능이나 동작의 처리에 필요한 데이터를 저장하는 메모리(memory)와 결합되는 형태로 구현될 수도 있다.
그리고 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 검사 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 검사 시스템(10)은 레이저 스페클 이미지(laser speckle image)를 이용하여 검사 대상(TG)을 검사하기 위하여, 광원(200)과 검사 장치(400)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 검사 대상(TG)은 세균 또는 진균에 항생제 감수성 검사의 대상이 되는 항생제를 부분적으로 가한 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광원(200)은 시차를 두고 동일한 파장의 레이저 광(LSB1)을 복수 회 출력할 수 있다.
실시 예에 따라, 광원(200)은 헬륨 네온(HeNe) 레이저일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시 예에 따라, 레이저 광(LSB1)은 평면 파(plane wave) 형태로 출력될 수 있다.
검사 장치(400)는 검사 대상(TG)에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광(LSB3)을 수집하고, 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지(speckle image)를 생성하며, 생성된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여 검사 대상(TG)의 변화 패턴을 판단할 수 있다.
실시 예에 따라, 검사 장치(400)는 검사 대상(TG)에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광(LSB3)을 수집하기 위한 렌즈와 카메라를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 검사 장치(400)는 검사 대상(TG)의 검사 정확도 향상을 위해 구비된 카메라의 설정, 예컨대 조리개(iris), 셔터 스피드(shutter speed), 게인(gain), 초점, 및 줌(zoom) 중에서 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다.
검사 장치(400)의 세부적인 구조 및 동작에 대해서는 도 2를 참조하여 후술하도록 한다.
검사 시스템(10)은 광원(200)으로부터 출력된 레이저 광(LSB1)을 검사 대상(TG)으로 전달하는 제1광학계(OS1)와, 검사 대상(TG)에 반사된 레이저 광(LSB3)을 검사 장치(400)로 전달하는 제2광학계(OS2)를 더 포함할 수 있다.
제1광학계(OS1)는 제1미러(mirror, 311), 제2미러(312), 및 산란 유닛(320)을 포함할 수 있다.
제1미러(311)와 제2미러(312)는 광원(200)으로부터 출력된 레이저 광(LSB1)의 광 경로를 변경하여, 광 경로가 변경된 레이저 광을 산란 유닛(320)으로 전달할 수 있다.
실시 예에 따라, 제1광학계(OS1)에 포함된 미러의 개수와 배치는 변경될 수 있으며, 제1광학계(OS1)에 포함된 적어도 하나의 미러(311, 312)는 검사 시스템(10)의 소형화를 위해 효율적인 광 경로를 형성할 수 있다.
산란 유닛(320)은 복수 회 출력되는 레이저 광(LSB1)의 출력 회차마다 매회 이동하면서 광원(200)으로부터 출력된 레이저 광(LSB1)을 매회 불규칙하게 산란시키고, 불규칙하게 산란된 레이저 광(LSB2)을 검사 대상(TG)으로 전달할 수 있다.
실시 예에 따라, 검사 시스템(10)은 산란 유닛(320)을 매회 이동시키기 위한 장치 구성(예컨대, 구동 장치 등)을 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 산란 유닛(320)는 광학 디퓨져(optical diffuser)로 구현될 수 있다.
실시 예에 따라, 산란 유닛(320)은 그라운드 글라스(ground glass)로 형성될 수 있다.
실시 예에 따라, 산란 유닛(320)은 시간에 따라 회전할 수 있다. 이 때, 산란 유닛(320)은 광원(200)에서 레이저 광(LSB1)이 출력 또는 조사되는 주기에 상응하여 회전할 수 있다. 즉, 산란 유닛(320)은 레이저 광(LSB1)이 통과되는 회차마다 회전된 상태로 레이저 광(LSB1)을 불규칙하게 산란시킬 수 있다.
실시 예에 따라, 산란 유닛(320)이 매 회 회전하는 각도는 동일하게 유지될 수 있다. 이 경우, 산란 유닛(320)이 매 회 회전하는 각도는 기 설정된 값일 수 있다.
실시 예에 따라, 산란 유닛(320)은 매 회 랜덤하게(randomly) 선택된 각도만큼 회전할 수 있다. 이 경우, 산란 유닛(320)이 매 회 회전하는 각도는 랜덤 알고리즘에 따라 기 설정된 범위 내에서 랜덤하게 설정된 값일 수 있다.
산란 유닛(320)을 통과한 레이저 광(LSB2)은 불규칙하게 산란된 상태로 시차를 두고 검사 대상(TG)에 조사될 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 산란 유닛(320)은 광 섬유로 구현될 수 있다. 이 경우, 광 섬유로 구현된 산란 유닛(320)은 레이저 광(LSB2)이 조사되는 주기에 맞추어 광 섬유의 축을 중심으로 매 회 회전되거나, 매 회 광 섬유의 휨 상태를 변형함으로써 광 섬유를 통과하는 레이저 광을 불규칙하게 산란시킬 수 있다.
제2광학계(OS2)는 편광기(polarizer, 330)를 포함할 수 있다. 실시 예에 따라, 편광기(330)는 선형 편광기일 수 있다.
편광기(330)는 검사 대상(TG)에 반사된 레이저 광(LSB3)에서 편광 성분을 통과시켜 검사 장치(400) 측으로 전달할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 검사 장치의 일 실시 예에 따른 블록도이다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 검사 장치(400)는 이미지 획득 유닛(410), 메모리(420), 통신 인터페이스(430), 및 프로세서(440)를 포함할 수 있다.
이미지 획득 유닛(410)은 검사 대상(TG)에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광(LSB3)을 수집할 수 있다. 실시 예에 따라, 이미지 획득 유닛(410)은 검사 대상(TG)에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광(LSB3)을 편광기(330)를 통과시킨 이후에 수집할 수 있다.
이미지 획득 유닛(410)은 렌즈를 구비한 카메라로 구현될 수 있다.
실시 예에 따라, 카메라는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semicondouctor) 이미지 센서를 구비한 카메라일 수 있다.
메모리(420)는 검사 장치(400)의 동작 전반에 필요한 데이터 또는 프로그램을 저장할 수 있다.
실시 예에 따라, 메모리(420)는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드를 포함하는 프로그램을 저장할 수 있으며, 메모리(420)는 프로세서(440)와 결합되어 상기 프로그램을 실행시킬 수 있다.
메모리(420)는 프로세서(440)의 처리 동작 중에 생성된 데이터 또는 프로세서(440)가 처리를 완료한 데이터를 저장할 수 있다.
메모리(420)는 그 용어에도 불구하고 데이터를 저장할 수 있는 다양한 수단, 예컨대 데이터베이스 등으로 구현될 수 있다.
통신 인터페이스(430)는 검사 장치(400)와 타 장치(예컨대, 광원(200))와의 통신을 인터페이싱할 수 있다.
프로세서(440)는 스페클 이미지 생성기(442), 상관관계 분석기(444), 및 변화 패턴 검사기(446)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 스페클 이미지 생성기(442), 상관관계 분석기(444), 및 변화 패턴 검사기(446)는 프로그램 코드와 상기 프로그램 코드를 수행할 수 있는 하드웨어 리소스(resource)의 논리적 단위 또는 집합으로 구분될 수 있으며, 각각이 반드시 물리적으로 연결된 코드를 의미하거나 한 종류의 하드웨어를 의미하는 것은 아니다.
또한, 스페클 이미지 생성기(442), 상관관계 분석기(444), 및 변화 패턴 검사기(446)는 기능 및 논리적으로 분리될 수 있음을 나타내기 위하여 구분된 것이며, 반드시 구성들 각각이 별도의 물리적 장치로 구분되거나 별도의 코드로 작성됨을 의미하는 것도 아니다.
스페클 이미지 생성기(442)는 이미지 획득 유닛(410)에 의해 수집된 검사 대상(TG)에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지(speckle image)를 생성할 수 있다.
상관관계 분석기(444)는 스페클 이미지 생성기(442)를 통하여 시차를 두고 획득한 스페클 이미지들 중에서 제1스페클 이미지와 제2스페클 이미지 간의 공간적-시간적 상관관계를 분석할 수 있다.
본 명세서에서 제1스페클 이미지와 제2스페클 이미지 간의 공간적-시간적 상관관계는, 제1스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각과 대응되는 위치의 제2스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각 간의 상관 관계를 수치화한 것을 의미할 수 있다.
상관관계 분석기(444)는 스페클 이미지 생성기(442)를 통하여 시차를 두고 획득한 스페클 이미지들 각각을 기 설정된 개수의 스페클 이미지 조각들로 분할할 수 있다. 상관관계 분석기(444)는 제1스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각과 제2스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각에 대하여 하기의 (수식 1)에 따라 계산되는 상관 값에 기초하여 제1스페클 이미지와 제2스페클 이미지 간의 공간적-시간적 상관관계를 분석할 수 있다.
(수식 1)
여기서, C(i, τ)는 τ의 지연시간을 가지는 스페클 이미지들 각각에서 i번째 스페클 이미지 조각 간의 상관 값, I(i, t)는 t시점에 획득된 스페클 이미지의 i번째 스페클 이미지 조각일 수 있다.
실시 예에 따라, 상관관계 분석기(444)에 의해 계산되는 상관 값은 피어슨 상관 계수(Pearson's correlation coefficient)일 수 있다.
실시 예에 따라, 상관관계 분석기(444)는 제1스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각과 제2스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각에 대하여 순차적으로 계산되는 상관 값들을 기초로 상관 맵을 생성하고, 생성된 상관 맵에 따라 제1스페클 이미지와 제2스페클 이미지 간의 공간적-시간적 상관관계를 분석할 수 있다. 이 때, 제1스페클 이미지와 제2스페클 이미지는 시차를 두고 서로 다른 시점에 획득된 스페클 이미지일 수 있다.
실시 예에 따라, 상관 맵은 스페클 이미지들 간의 해당 지점별 상관 값들을 매트릭스로 구성한 것 또는 구성된 매트릭스를 시각화한 것을 나타낼 수 있다.
상관 맵은 경우에 따라 상관 계수 맵(correlation coefficient map) 또는 상관관계 히트맵(correlation heatmap) 등으로 다르게 호칭될 수 있다.
변화 패턴 검사기(446)는 상관관계 분석기(444)에 의해 생성된 상관 맵에 대하여 주성분 분석(principle component analysis(PCA))를 수행할 수 있다.
변화 패턴 검사기(446)는 주성분 분석 결과에 대하여 K-평균 클러스터링(K-means clustering algorithm) 분석을 수행하여 검사 대상 영역을 군집화할 수 있다.
실시 예에 따라, 검사 대상(TG)이 세균 또는 진균에 항생제 감수성 검사의 대상이 되는 항생제를 부분적으로 가한 것인 경우, 변화 패턴 검사기(446)는 검사 대상(TG)의 영역을 세균 또는 진균이 잔존하는 영역과 세균 또는 진균이 잔존하지 않는 영역으로 군집화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법의 플로우차트이다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법에 따라 획득한 레이저 스페클 이미지의 예시이다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법에서 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여 상관 맵을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 6은 도 5의 과정에 따라 생성된 상관 맵의 예시를 나타낸 도면이다. 도 7은 도 6에 도시된 상관 맵에서의 상관 값들의 평균과 표준편차를 나타낸 그래프이다. 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법을 적용하기 위한 샘플들의 다이어그램을 나타낸 도면이다. 도 9는 검사 장치의 카메라 설정을 변경하면서 획득한 상관 맵의 예시를 나타낸 도면이다. 도 10은 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 300ms인 경우의 상관 맵과, 상관 값들을 나타낸 도면이다. 도 11은 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 1500ms인 경우의 상관 맵과, 상관 값들을 나타낸 도면이다. 도 12는 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 30ms, 300ms, 900ms인 경우 각각의 상관 맵을 나타낸 도면이다. 도 13은 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 30ms, 60ms, 150ms, 300ms, 450ms, 900ms, 1500ms, 3000ms인 경우의 4개의 영역별 상관값들을 나타낸 그래프이다. 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법에 따라 k-평균 클러스터링 분석을 수행한 결과를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 검사 시스템(10)은 매 회 이동하는 산란 유닛(320)을 통과하며 불규칙하게 산란되는 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사할 수 있다(S10).
실시 예에 따라, 광원(200)으로부터 출력된 레이저 광(LSB1)은 적어도 하나의 미러(311, 312)에 의해 경로가 변경된 뒤에 산란 유닛(320)을 통과하며 불규칙하게 산란될 수 있으며, 산란된 레이저 광(LSB2)은 검사 대상(TG)에 조사될 수 있다. 광원(200)은 레이저 광(LSB1)을 일정 주기로 시차를 두고 복수 회 출력할 수 있으며, 산란 유닛(320)은 레이저 광(LSB1)의 레이저 광(LSB1)의 출력 주기에 상응하여 회전할 수 있다. 산란 유닛(320)은 레이저 광(LSB1)의 출력 주기에 상응하여 회전함으로써, 산란 유닛(320)을 통과하는 레이저 광(LSB1)을 불규칙하게 산란시킬 수 있으며, 불규칙하게 산란된 레이저 광(LSB2)이 검사 대상(TG)으로 조사될 수 있다. 이 때, 불규칙하게 산란된 레이저 광(LSB2)은 랜덤 스페클 패턴(random speckle pattern)을 형성할 수 있다.
검사 시스템(10)은 S10 단계에서 검사 대상(TG)에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광(LSB3)을 수집할 수 있다(S20).
실시 예에 따라, 검사 시스템(10)은 검사 대상(TG)에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광(LSB3)을 편광기(330)를 통과시킨 이후에 수집할 수 있다.
검사 시스템(10)은 S20 단계에서 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지를 생성할 수 있다(S30).
도 4를 함께 참조하면, 산란 유닛(320)이 각각 0도, 60도, 120도 회전된 상태에서 조사된 레이저 광을 이용하여 측정된 3가지 대표적인 스페클 이미지(Illumincation1, Illumination2, Illumination 3)가 도시되고 있다.
도 4에서는 스페클 이미지(Illumincation1, Illumination2, Illumination 3) 각각은 수집된 스페클 이미지 각각에 빨간색, 녹색, 파란색 색상을 할당하여 회색조 이미지에서 의사 색상 이미지(pseudo-color image)로 변환된 것일 수 있다.
3가지 의사 색상 이미지를 결합한 RGB 이미지(Merged image)에서는 빨간색, 녹색, 파란색 점이 명확히 표시되는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 서로 다른 회전 각도에서 불규칙하게 산란되어 생성된 스페클 이미지가 동일하지 않음을 확인할 수 있다.
도 3으로 돌아와서, 검사 시스템(10)은 S30 단계에서 생성된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계를 분석할 수 있다(S40).
실시 예에 따라, 검사 시스템(10)은 시차를 두고 획득한 스페클 이미지들 각각을 기 설정된 개수의 스페클 이미지 조각들로 분할할 수 있다. 검사 시스템(10)은 시차를 두고 서로 다른 시점에 획득된 제1스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각과 제2스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각에 대하여 상관 값을 계산할 수 있다. 검사 시스템(10)은 계산된 상관 값을 순차적으로 수집하여 상관 맵을 생성할 수 있다.
도 5(a)를 함께 참조하면, 검사 장치(400)는 시차를 두고 서로 다른 시점(t1, t2, t3, ?? tn)에 복수의 스페클 이미지들을 획득할 수 있다.
도 5(b)를 함께 참조하면, 검사 장치(400)는 획득한 스페클 이미지들 각각을 복수의 스페클 이미지 조각들(segmented images)로 분할할 수 있다.
도 5(c)를 함께 참조하면, 검사 장치(400)는 서로 다른 시차(τ=1, 2, ??, m)를 가지고 획득된 스페클 이미지들 간에 상관 값을 계산할 수 있다. 이 때, 검사 시스템(10)은 시차를 두고 서로 다른 시점에 획득된 제1스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각과 제2스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각에 대하여 상관 값을 계산할 수 있다.
도 5(d)를 함께 참조하면, 검사 시스템(10)은 계산된 상관 값을 토대로 시차 별로 상관 맵을 생성할 수 있으며, 생성된 상관 맵에 기초하여 상관 관계를 분석할 수 있다.
도 6을 함께 참조하면, 3개의 스페클 패턴으로 조사된 레이저 광(illumination1, illumination2, illumination3)을 300ms의 시간 지연을 두고 조사하며, 4x4의 스페클 이미지 조각들로 분할하여 생성한 상관 맵이 예시된다. 이 때 상관 맵은 최대 상관 투영(maximum correlation projection) 방법을 이용하여 생성될 수 있다.
도 7을 함께 참조하면, 도 7에 도시된 막대 그래프는 도 6의 최대 상관 투영을 통해 획득한 상관 맵에서 상관 계수의 평균과 표준편차를 나타낸다.
도 3으로 돌아와서, 검사 시스템(10)은 S40 단계에서 분석된 스페클 이미지들 간의 공간적-사간적 상관관계의 분석 결과에 기초하여, 검사 대상(TG)의 변화 패턴을 검사할 수 있다(S50).
도 8을 함께 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법을 적용하기 위한 샘플들의 다이어그램이 도시되어 있다. 좌측부터 순서대로 2% 인트라리피드(intralipid) 용액, 물, 0,2% 인트라리피드 용액으로 구성된 샘플이 도시되어 있다.
도 9를 함께 참조하면, 검사 장비(400)의 카메라의 f-number 설정 값이 각각 5.6과 11인 경우에 300ms의 시차를 두고 획득한 스페클 이미지(raw speckle image)와 상기 스페클 이미지에 대한 상관 맵(correlation coefficient map)의 예시를 나타내고 있다.
도 10을 함께 참조하면, 좌측에는 단일의 레이저 광으로부터 획득한 스페클 이미지에 대한 상관 맵(single illumination)과, 300ms의 시차를 두고 획득한 스페클 이미지들에 대해 최대 투영을 적용한 상관 맵(maximum projection)이 도시된다. 우측 그래프의 빨간색 선과 검은색 선 각각은 좌측의 상관 맵의 x축에 대한 상관 값을 나타내며, 파란색 점선은 인트라리피드 샘플의 경계를 나타낼 수 있다.
도 11을 함께 참조하면, 좌측에는 단일의 레이저 광으로부터 획득한 스페클 이미지에 대한 상관 맵(single illumination)과, 1500ms의 시차를 두고 획득한 스페클 이미지들에 대해 최대 투영을 적용한 상관 맵(maximum projection)이 도시된다. 우측 그래프의 빨간색 선과 검은색 선 각각은 좌측의 상관 맵의 x축에 대한 상관 값을 나타내며, 파란색 점선은 인트라리피드 샘플의 경계를 나타낼 수 있다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, f-number가 5.6으로 설정되었을 때, f-number가 11로 설정되었을 때에 비하여 상대적으로 더 큰 일관성과 균일성을 나타냄을 확인할 수 있다. 검사 장치(400)는 검사 결과의 일관성, 균일성을 분석하여 카메라 설정(예컨대, f-number 등)을 자동적으로 재조정할 수 있다.
도 12 내지 도 14는 상관 맵을 이용하여 항생제 감수성 검사에 있어서의 항생제 억제 구역을 정량화하는 예시를 나타낸다.
도 12를 함께 참조하면, 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 30ms, 300ms, 900ms인 경우 각각의 대표적인 상관 맵을 나타낸다. 사진을 통해 세균 또는 진균이 존재하는 영역은 세균 또는 진균이 존재하지 않는 영역보다 더 어둡게 타나나는 것을 확인할 수 있지만 정량 분석이 어렵다는 한계가 있다. 반면 상관 맵에서는 세균 또는 진균이 존재하는 영역과 세균 또는 진균이 존재하지 않는 영역이 뚜렷하게 구분되는 것을 확인할 수 있고 수치적으로 정량화 할 수 있다. 도 13을 함께 참조하면, 스페클 이미지들을 획득한 시간 지연이 30ms, 60ms, 150ms, 300ms, 450ms, 900ms, 1500ms, 3000ms인 경우에 분할된 4개의 영역별 스페클 이미지 조각들 각각에 대한 상관 값을 나타낸 그래프가 도시된다.
도 14를 함께 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 검사 방법에 따라, 8개의 시차(30ms, 60ms, 150ms, 300ms, 450ms, 900ms, 1500ms, 3000ms)에서 획득한 상관 맵의 상관 값들에 대하여 주성분 분석을 통하여 2개의 주성분을 추출하고, 첫번째 주성분과 두번째 주성분에 대하여 k-평균 클러스터링 분석을 수행한 결과를 나타낸다.
도 14에서 파란색 영역은 세균 또는 진균이 잔존하지 않는 영역, 붉은색 영역은 세균 또는 진균이 존재하는 영역, 검은색 원은 항생제를 가한 종이 디스크의 위치를 나타낸다.
도 14에서 확인할 수 있듯이 k-평균 클러스터링 분석 결과를 통해 세균 또는 진균이 잔존하지 않는 영역과 세균 또는 진균이 존재하는 영역을 명확히 구분할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
10 : 검사 시스템
200 : 광원
311, 312 : 미러
320 : 산란 유닛
330 : 편광기
400 : 검사 장치
200 : 광원
311, 312 : 미러
320 : 산란 유닛
330 : 편광기
400 : 검사 장치
Claims (19)
- 매 회 이동하는 산란 유닛을 통과하며 불규칙하게 산란되는 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사하는 단계;
상기 검사 대상에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광을 수집하여, 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지(speckle image)를 생성하는 단계; 및
생성된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여, 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 단계를 포함하는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 산란 유닛은,
광학 디퓨져(optical diffuser)로 구현되는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 광학 디퓨져는,
그라운드 글라스(ground glass)로 형성되는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사하는 단계는,
시간에 따라 회전하는 상기 산란 유닛을 통하여, 동일한 파장의 상기 레이저 광을 시차를 두고 상기 검사 대상에 복수 회 조사하는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 산란 유닛은,
상기 레이저 광이 조사되는 주기에 상응하여 회전되는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 산란 유닛은,
상기 레이저 광이 조사되는 주기에 상응하여, 매 회 동일한 각도만큼 회전되는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 산란 유닛은,
상기 레이저 광이 조사되는 주기에 상응하여, 매 회 랜덤하게 선택된 각도만큼 회전되는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 산란 유닛은,
다중모드 광 섬유(multi-mode optical fiber)로 구현되는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 레이저 광은,
광원으로부터 출력되어 적어도 하나의 미러(mirror)에 의해 광 경로가 변경되어 상기 산란 유닛을 통과하는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지를 생성하는 단계는,
상기 검사 대상에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광을 선형 편광기(linear polarizer)를 투과시킨 이후, 상기 선형 편광기를 투과한 레이저 광을 수집하는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 단계는,
시차를 두고 획득한 상기 스페클 이미지들 각각을 기 설정된 개수의 스페클 이미지 조각들로 분할하는 단계를 포함하는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계는,
상기 스페클 이미지들 중에서 시차를 두고 획득된 제1스페클 이미지와 제2스페클 이미지 간의 공간적-시간적 상관관계며,
상기 제1스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각과 상기 제2스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각에 대하여 하기 수식에 따라 계산되는 상관 값에 기초하여 산출되는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
여기서, C(i, τ)는 τ의 지연시간을 가지는 스페클 이미지들 각각에서 i번째 스페클 이미지 조각 간의 상관 값, I(i, t)는 t시점에 획득된 스페클 이미지의 i번째 스페클 이미지 조각임.
- 제12항에 있어서,
상기 상관 값은,
피어슨 상관 계수(Pearson's correlation coefficient)인, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계는,
상기 제1스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각과 상기 제2스페클 이미지의 분할된 스페클 이미지 조각들 각각에 대하여 순차적으로 계산되는 상관 값들을 기초로 생성된 상관 맵에 따라 판단되는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 단계는,
생성된 상기 상관 맵에 대하여 주성분 분석(Principle Component Analysis)을 수행하는 단계를 포함하는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 단계는,
상기 주성분 분석 결과에 대하여 K-평균 클러스터링 분석을 수행하여 상기 검사 대상의 영역을 군집화하는 단계를 포함하는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 제16항에 있어서,
상기 검사 대상은,
항생제 감수성 검사의 대상이 되는 항생제를 세균 또는 진균에 부분적으로 가한 것이며,
상기 검사 대상의 영역을 군집화하는 단계는,
상기 항생제를 가한 이후에, 상기 세균 또는 상기 진균이 잔존하는 영역과, 상기 세균 또는 상기 진균이 잔존하지 않는 영역으로 구분되어 군집화되는, 레이저 스페클 이미지를 이용한 검사 방법.
- 매 회 이동하는 산란 유닛을 통과하며 불규칙하게 산란되는 레이저 광을 시차를 두고 검사 대상에 복수 회 조사하여 검사 대상에 반사된 레이저 광을 수집하고, 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지(speckle image)를 생성하는 스페클 이미지 생성기; 및
생성된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여, 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 변화 패턴 검사기를 포함하는, 검사 장치.
- 시차를 두고 동일한 파장의 레이저 광을 복수 회 출력하는 광원;
매 회 이동하면서 상기 광원으로부터 출력된 레이저 광을 불규칙하게 산란시켜 검사 대상으로 전달하는 산란 유닛; 및
상기 검사 대상에 복수 회 조사되어 반사된 레이저 광을 수집하고, 수집된 레이저 광 각각에 대하여 스페클 이미지(speckle image)를 생성하고, 생성된 스페클 이미지들 간의 공간적-시간적 상관관계에 기초하여 검사 대상의 변화 패턴을 검사하는 검사 장치를 포함하는, 검사 시스템.
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2024
- 2024-03-20 KR KR1020240038151A patent/KR102903828B1/ko active Active
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