발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 생물학적 조직을 통과하는 빛은 굴절률 차이와 내부 구조에 의한 산란으로 파면 왜곡(Wavefront distortion)을 겪으며, 이는 광학 초점의 흐려짐과 분해능 감소의 원인이 됩니다.

• 기존의 시분해 홀로그램 이미징 방식은 시분해 반사행렬 측정에 10분 이상이 소요되어 생체 실시간 관찰이 불가능했습니다.

• 이전의 위상 이미징 기술들은 수차와 산란을 극복한 고해상도 이미징이 가능함에도, 현미경 적용 시 구성이 매우 복잡하고 시스템 안정성이 낮아 비전문가가 활용하기 어려워 상용화가 미약했습니다.

• 특히, 정밀한 이미징을 위해 여러 개의 4-f 렌즈 구성이 필요하며, 수시로 광축 보정(align)이 필요해 유지보수가 매우 까다로웠습니다.

기술의 필요성

• 고해상도 및 빠른 이미징 속도를 보장하면서도 광학 시스템의 구성 요소를 단순화하여 안정성과 사용 편의성을 높일 필요가 있습니다.

• 눈의 각막처럼 정확하게 교정되지 않은 렌즈가 있더라도 수차 및 산란 보정을 통해 고해상도 이미징이 가능한 기술이 요구됩니다. 이는 의료 진단 분야, 특히 안과 분야에서의 활용 가능성을 높입니다.

• 복잡한 4-f 렌즈 시스템과 잦은 광축 보정 없이도 안정적으로 운영 가능한, 상용화에 유리한 구조의 이미징 장치가 필요합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 빛의 간섭 현상을 이용하는 디지털 홀로그래픽 기법이 적용된 탈축 위상 이미징 장치에 관한 것입니다.

• 광원부에서 조사된 평면파는 각도 조절 미러를 거쳐 편광 광 분할기에서 샘플빔과 기준빔으로 분할됩니다. 이 과정에서 각 빔의 편광 상태(S 편광, P 편광)가 제어됩니다.

• 샘플빔과 기준빔은 각각 샘플단 파장판과 기준단 파장판을 지나며 원형 편광된 후, 타겟 샘플과 회절 격자에서 반사됩니다. 반사된 빔들은 다시 파장판을 통과하며 원래와 다른 편광 상태로 변환됩니다.

• 이렇게 편광이 제어된 두 빔은 다시 편광 광 분할기에서 경로가 합쳐지지만, 서로 다른 편광 상태(P 편광 및 S 편광)로 인해 간섭이 발생하지 않고 진행합니다. 이후 45도 편광판을 통과하면서 비로소 상호 간섭하여 탈축된 간섭빔을 형성하고, 이를 카메라 모듈이 촬영합니다.

• 이 구조는 샘플빔과 기준빔이 분할되었던 편광 광 분할기로 다시 돌아와 합쳐지므로, 기존 방식의 긴 광 경로와 그로 인한 경로 차이 문제를 근본적으로 해결합니다.

구체적인 구현 방법

1. 광원부에서 평면파를 조사합니다.

2. 각도 조절 미러가 평면파의 각도를 조절합니다.

3. 편광 광 분할기가 S 편광은 반사(샘플빔)하고 P 편광은 투과(기준빔)시켜 빔을 분할합니다.

4. 샘플빔은 샘플단 파장판을 거쳐 타겟 샘플에서 반사된 후, 다시 파장판을 통과하여 P 편광으로 변환됩니다.

5. 기준빔은 기준단 파장판과 회절 격자를 거치며 S 편광으로 변환됩니다.

6. 편광 광 분할기에서 재결합된 두 빔은 0도 편광판을 지나며 기준빔의 불필요한 회절 성분이 제거됩니다.

7. 45도 편광판을 통과하며 두 빔이 간섭하여 간섭빔을 형성합니다.

8. 카메라 모듈이 최종 간섭빔을 촬영하고, 이미징 제어부가 이를 분석하여 고해상도 영상을 생성합니다.

기술의 장점

• 구조 단순화 및 안정성 향상: 기준빔과 샘플빔이 분할된 지점에서 다시 결합하는 공통 경로(common-path) 구조를 채택하여, 기존의 복잡한 광 경로와 별도의 4-f 렌즈 시스템이 불필요합니다. 이로 인해 시스템 구성이 매우 간소화되고 안정성이 크게 향상됩니다.

• 고속 이미징 가능: 처리 속도가 느린 공간 광 변조기 대신, 수십 배 빠른 2축 갈바노미터 스캐닝 미러를 각도 조절 미러로 사용하여 실시간에 가까운 고속 이미징이 가능합니다.

• 수차 보정을 통한 고해상도 구현: CLASS(Closed-loop accumulation of single scattering) 알고리즘을 적용하여 산란과 수차를 동시에 보정합니다. 이 덕분에 눈의 각막처럼 부정확한 렌즈를 통해 내부를 관찰하더라도 고해상도 영상을 얻을 수 있습니다.

• 유지보수 용이성 및 상용화 유리: 시스템 구조가 단순하고 정밀한 광축 보정의 필요성이 줄어들어, 전문가가 아니더라도 장비를 유지하고 활용하기 용이합니다. 이는 기술의 상용화 가능성을 크게 높이는 장점입니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에서 제안하는 탈축 위상 이미징 장치의 성능을 검증하고, 특히 CLASS(Closed-loop accumulation of single scattering) 방법을 적용하여 산란 매질 내에서 발생하는 수차를 효과적으로 보정하고 고해상도 영상을 획득할 수 있는지 확인하는 것을 주된 목적으로 합니다. 이를 통해 시스템의 단순성과 안정성이 실제 이미징 성능 저하로 이어지지 않음을 입증하고자 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 각도 조절 미러를 순차적으로 제어하여 여러 각도의 평면파를 타겟 샘플에 조사합니다.

2. 각각의 평면파 각도에 대응하는 간섭빔을 카메라 모듈로 획득합니다.

3. 획득된 다수의 간섭빔을 이용하여 시분해 반사 행렬을 생성합니다. 이 과정에서 회전하는 기준빔 프레임 내의 복소장 맵을 고정된 참조파 기준으로 변환합니다.

4. 생성된 시분해 반사 행렬에 CLASS 알고리즘을 적용하여 산란과 수차를 동시에 보정하고, 타겟 오브젝트의 최종 고해상도 영상을 복원합니다.

실험 결과

본 기술과 관련된 디지털 홀로그래피 및 위상 이미징 분야의 다양한 연구를 통해 기술의 잠재력과 성능을 확인할 수 있습니다. 관련 주요 실험 및 연구 결과는 아래 표와 같습니다.

디지털 홀로그래피 기술 관련 주요 연구 및 실험 결과

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 의료 및 진단 이미징: 특히 안과 분야에서 활용 가치가 높습니다. 별도의 고사양 렌즈 없이 환자의 각막과 수정체를 렌즈로 활용하여, 망막이나 눈 내부 구조를 고해상도로 이미징하고 안압 상승과 같은 질환을 진단하는 데 적용할 수 있습니다.

• 생명 과학 연구: 살아있는 세포나 얇은 조직 샘플을 실시간으로 관찰하고 3차원 구조를 분석하는 데 사용될 수 있습니다. 약물 반응 모니터링, 세포 활동 관찰 등 다양한 기초 연구에 기여할 수 있습니다.

• 비파괴 검사: 반도체 웨이퍼, 미세 광학 부품 등 정밀 부품의 표면 결함이나 내부 구조를 파괴 없이 검사하는 산업용 검사 장비로 개발될 수 있습니다.

기대효과

• 기술적 기대효과: 광학계의 획기적인 단순화를 통해 시스템의 제작 단가를 낮추고 안정성을 높여, 고성능 위상 이미징 기술의 대중화 및 상용화를 앞당길 수 있습니다.

• 산업/경제적 기대효과: 기존에 복잡성과 비용 문제로 접근이 어려웠던 의료 진단, 정밀 측정, 생명 과학 연구 시장에 새로운 솔루션을 제공함으로써, 관련 산업의 기술 경쟁력을 강화하고 새로운 시장을 창출할 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

디지털 홀로그래피 기술은 의료, 상업, 보안 등 다양한 분야에서 수요가 증가하며 높은 성장세를 보이고 있습니다. 글로벌 디지털 홀로그래피 시장은 2024년 43.8억 달러에서 연평균 18.81% 성장하여 2034년에는 약 245.7억 달러에 이를 것으로 전망됩니다.(출처: copyright.or.kr). 특히 홀로그래픽 현미경 부문이 시장의 상당 부분을 차지하고 있으며, 의료용 광학 이미징 시장 역시 2032년까지 45억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되어 본 기술의 시장 잠재력은 매우 높다고 할 수 있습니다.(출처: gminsights.com).

주요 플레이어 및 경쟁 환경

디지털 홀로그래피 현미경 및 의료 이미징 시장에는 이미 상용화된 제품을 출시한 여러 글로벌 기업들이 경쟁하고 있습니다. 주요 플레이어들은 고유의 기술력을 바탕으로 특정 응용 분야에서 강점을 보이고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 의료 부문의 수요 증대: 안과, 정형외과, 치과 등에서 진단 및 치료 계획을 위한 비침습적 고해상도 이미징 기술에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다.

2. 기술 발전 및 융합: 증강현실(AR), 인공지능(AI), 딥러닝 기술과의 융합이 활발히 이루어지고 있습니다. 2D 이미지를 3D 홀로그램으로 변환하거나, AI를 통해 이미지 처리 및 분석 정확도를 높이는 연구가 시장 성장을 견인하고 있습니다.

3. 적용 분야의 확장: 기존의 의료, 연구 분야를 넘어 위조 방지, 차량용 HUD, 가상현실 게임, 군사 분야 등 새로운 시장으로 적용 범위가 확대되면서 새로운 기회 요인이 창출되고 있습니다.(출처: giikorea.co.kr).