편광, 이미징 산업에 새로운 시각을 더하다
투명한 물체 검사까지 가능한 편광 이미지
편광 이미지는 원격 감지, 현미경부터 3D 이미지 재구성에 이르기까지 다양한 머신비전 응용분야에 사용된다. 편광기의 종류는 크게 이색성(dichroic), 결정질(crystalline), 그리고 와이어 그리드(wire grid)로 나뉜다. 편광기의 종류와 원리에 대해 설명하고 다양한 활용분야에 적합한 편광기 종류를 소개한다.
머신비전 응용분야에서 편광 카메라를 사용하면 일반적인 흑백, 컬러, 멀티스펙트럼 또는 하이퍼스펙트럼 카메라로는 얻을 수 없는 정보를 얻을 수 있다.
이러한 응용분야에서 편광 사용으로 어떻게 이익을 얻는지 이해하기 위해서는 광의 속성 및 광과 물질의 상호작용을 이해해야 한다. 광은 전기장과, 여기에 직각인 자기장으로 구성된 전자기파이다. 전기장의 방향으로 광의 편광 방향이 정의된다. 광의 전기장과 물질의 상호작용을 편광 시각 응용분야에 활용할 수 있다.
매일 접하는 대부분의 광원은 편광 되지 않는다. 예를 들어 태양이나 백열전구에서 발생한 무극성 광의 전기장은 무작위 방향으로 진동한다. 이 광을 편광 시키기 위해, 편광기는 무작위 방향의 성분을 흡수시키고, 한 진동 방향으로 정렬된 광 성분만 통과시킨다. 이러한 편광된 광은 전기장이 한 방향을 가리키기 때문에 선형 편광(linear polarization)이라고 부른다(그림 2a). 편광기가 수직 방향으로 편광되는 경우, 편광기는 다른 모든 편광의 수평 성분을 차단한다.
태양 또는 백열등과 같이 방향성이 강한 광원으로부터 반사되는 광은 눈부심(glare)을 유발할 수 있다. 다행히 이 눈부심은 편광 특성(polarization signature)으로 식별될 수 있다. 무극성 광이 물체 표면에서 반사하면 부분적으로 선형 편광된다. 편광의 양은 반사각도 및 표면 특성에 의존한다. 그런 다음 편광기를 사용해 눈부심을 제거할 수 있다.
편광된 빛은 좌표계에서 2가지 성분으로 나타낼 수 있다. 그림 1a은 X 및 Y 성분으로 분리해 특정 파장의 45° 편광을 나타냈으며, 도표의 벽과 바닥 쪽은 크기를 작게 표시했다. 편광이 수직이었다면, Y 성분은 최초 편광과 크기가 동일하고, X 성분은 0으로, 에너지가 없을 것이다. 45° 편광의 2가지 성분 그리고 90도 위상변위를 고려하면(예를 들어, 특별히 X 및 Y 축으로 방향이 결정된 파장 판), Z 방향을 따라 어느 지점에서 전기장 벡터가 원형으로 바뀌므로 이들 성분의 합은 원형 편광이 될 것이다(그림 1b). 일반적으로, 2개의 수직 광파는 진폭이 동일하지 않고 위상이 0과 ±90° 사이일 수 있으므로, 전기장 벡터는 타원을 따라 회전해 보다 일반화된 타원형 편광을 만든다(그림 1c).
빛의 편광
빛을 편광 시키기 위해 이색성(dichroic), 결정질(crystalline), 그리고 와이어 그리드(wire grid) 편광기를 포함한 여러 가지 방법을 사용할 수 있다. 선형 이색성 편광기는 확장되고 염색된 폴리머 필름을 코팅된 유리 윈도우 2개 사이에 적층해 구성한다(그림 2a). 무극성 광을 이 편광기에 통과시키면 필터의 편광 축 방향으로 선형 편광된 광이 생성된다.
결정질 편광기는 결정질 물질의 복굴절 효과를 활용해 설계됐다(그림 2b). 이 종류의 편광기는 방해석과 같은 특정한 이방성 결정의 복굴절 특성을 이용한다. 이러한 결정의 굴절률은 빛의 전기장과 상호작용 하는 축에서 서로 다른 전자장(electron fields)을 갖는 비대칭 분자 간격으로부터 여러 개의 결정축을 따라 달라진다. 두 결정축의 성분을 가진 입사광은 서로 다른 속도로 움직이는 수직 성분을 가진 두 개의 빔으로 분할된다. 복굴절된 이 두 개의 빔은 분리돼 두 개의 선형 편광 빔을 만들 수 있다.
리소그래피 방법으로 제작된 와이어 그리드 편광기는 좁은 세파장(sub-wavelength) 평행 금속 와이어 어레이를 유리 또는 적당한 기판에 배치시킨 것이 특징이다(그림 2c). 무극성 광이 와이어 그리드 편광기에 입사되면, 와이어에 평행한 전기장 벡터 성분을 가진 입사광이 반사 또는 흡수되고, 와이어에 수직인 나머지 전기장 벡터 성분은 투과된다. 편광 성분은 다른 파장에서 다르게 작용할 수 있다. 가시광 편광기는 전체 UV 또는 IR 파장에서 잘 기능하지 않을 수 있는 반면, 파장판은 대개 특정 파장용으로 설계된다.
원형 이색성 편광기는 4분의 1 파장 리타더(quarter wave retarder)와 선형 이색성 편광기를 결합한 것이다(그림 2d). 이 4분의 1 파장 리타더(π/2)는 원형 편광을 선형 편광으로 변환한 다음 선형 편광기로 차단 또는 통과시키는 데에 사용된다. 반대 방향에서, 무극성 광은 이색성 편향기에 의해 선형으로 편광된다. 그런 다음 이 선형 편광은 리타더의 위상변위에 의해 원형 편광으로 변환된다.
각각의 편광기 종류마다 성능 특성이 다르다. 이들 특성을 검토해 정확한 편광기를 선택할 수 있다(표 1). 이러한 다양한 편광기 종류는 모두 생의학, 머신 비전 및 현미경 응용분야에서 사용될 수 있지만, 선형 이색성 편광기가 가장 저렴하고 가장 일반적으로 사용된다. 눈부심을 줄여야 하는 응용분야에서는 비용이 적게 드는 이색성 편광기를 사용하는 것이 가장 실용적이다. 한편 높은 소광비(ER, Extinction Ratio)의 자외선(UV)에서 적외선(IR)에 이르는 넓은 스펙트럼의 편광이 요구되는 응용 분야에서는 결정질 편광기가 적합하다.
하나의 칩에 모두 탑재
소니의 IMX250MZR 및 IMX250MYR CMOS 센서는 와이어 그리드 편광 원리를 채택하고 있으며, 3.45㎛ 픽셀 4개마다 0°, 90°, 45°, 및 135° 에서 방향 편광 필터 4개를 사용하는 2464×2056 글로벌 셔터 화상촬영기를 사용한다(그림 3). 이 4개의 필터를 통과하는 광은 선형 내삽돼 선형 편광 연관각 및 선형 편광 정도와 함께, 단일 강도 픽셀 값을 제공할 수 있다. 그러면 결과 이미지는 원본인 2464×2056 픽셀 또는 1232×1028 픽셀의 4분의 1이 되거나, 또는 내삽돼 전통적인 베이어 패턴 디스플레이와 비슷한 전해상도를 제공할 수 있다.
유리 방식과는 반대로 칩 방식으로 제작된 편광기 어레이는 잘못된 픽셀에 의해 편광 각이 잘못 탐지되지 않도록 혼선을 줄이기 위해 마이크로렌즈 아래에 배치된다. 화상촬영기가 선형 편광기를 채택하므로, 광의 DoLP를 계산하는 데 사용할 수 있다. 센서가 원형 편광을 측정하려면, 화상 촬영 경로에 4분의 1 파장(π/2) 파장 판을 추가해야 할 것이다. 현재, 상용 가능한 원형 마이크로 편광기는 칩 방식으로 제작되지 않았지만, 연구자들은 이 개념에 달성할 수 있는 방법을 입증했다.
편광성능
이미지 센서에 편광 필터가 있으면 센서의 양자효율(Quantume Efficiency, 이하 QE)이 변화한다. 소니 IMX250MZR CMOS 편광 센서의 경우, 400-950㎚ 스펙트럼에서 QE를 측정하면 소니 IMX250과 비교할 때 QE가 감소한다. 예를 들어 470㎚, 525㎚ 및 640㎚에서, IMX250의 QE는 각각 53%, 66% 및 58%인 반면, 편광을 픽셀 각도에 매칭시킨 IMX250MZR의 경우 이 값은 각각 43%, 48% 및 43%이다(그림 4).
편광기 또는 편광 센서의 핵심 성능은 편광기의 투과 축에 수직으로 편광된 광을 가능한 한 많이 차단하는 능력이다. 편광 소광비는 고품질의 기준 편광기가 편광 센서의 편광 축에 정렬될 때 얻어진 최대 신호와, 기준 편광기가 90°로 교차 또는 회전될 때 얻어진 최소 신호의 비율이다. 소광비는 편광기 종류, 품질 및 파장에 따라 크게 달라질 수 있다. 소니 IMX250MZR의 소광비는 그림 5와 같이 측정됐다.
스토크스 벡터(Stokes vector)로 알려진 일련의 값인 스토크스 매개변수(Stokes parameters)는 전자기 복사의 편광 상태를 의미한다. 이 값은 1852년 조지 스토크스(George Stokes)가 최초로 정의했다. 4차원 스크스 벡터는 총 빛의 세기(I), 기준면에 평행/직각인 전자기파의 편광 성분 간 강도 차이(Q= p_0 - p_90), 기준 평면과 45° 및 135°인 평면의 편광 성분들 간 강도 차이(U= p_45 - p_135), 그리고 왼쪽 및 오른쪽 원형 편광 복사 간 차이 (V)로 이루어진다.
원형 편광은 소니 IMX250MZR CMOS 편광 센서를 단순히 구현하는 것으로 직접 측정할 수 없으므로, I, Q 및 U 성분들만 사용할 수 있다. 이 값으로부터, 아래 공식을 사용해 선형 편광 정도 (DoLP) 및 선형 편광 각 (AoLP)을 계산할 수 있다.
그래픽 사용자 인터페이스에 AoLP, DoLP 또는 AoLP와 DoLP의 조합과 함께 2×2 개별 방향성 필터의 강도 결과를 표시할 수 있다.
방법 모색
편광 분석 수행 방법은 아주 많다. 가장 간단한 방법 중 하나는 표준 카메라 렌즈 앞에 저렴한 선형 편광기를 장착해 사용하는 것이다. 이 편광기를 회전시키면, 서로 다른 이미지를 캡처할 수 있다. NVIDIA는 최근에 이 간단한 방법을 사용해 편광 방향이 다른 여러 장의 이미지로부터 물체의 3D 형상을 복구했다. 캐논 EOS 7D 카메라 렌즈 앞에 호야(Hoya) 선형 편광기를 장착해, 멀티뷰 스테레오 방법을 사용해 최초로 카메라 위치 및 질감을 잘 살린 영역의 초기 3D 형상을 복구했다.
그런 다음 해당되는 편광 이미지로부터의 각 뷰에 대한 위상각 지도를 계산한 후, NVIDIA는 특색이 없는 영역의 깊이를 복구하기 위해 방위각을 추정하는 데 있어 모호성을 해결하고, 깊이 지도를 융합해 물체의 3D 형상을 복구했다(그림 6).
편광 카메라는 캡처되는 개별 이미지 프레임 간 편광기 또는 파장 판의 기계적 회전에 의해 제작될 수 있지만, 보다 정교한 방법도 개발됐다. 보사노바테크놀로지(Bossa Nova Technologies)가 개발한 방법 중 하나는, 강유전 액정(FLC, ferroelectric liquid crystals)에 기반을 둔 편광 필터를 사용해 이미지 각 픽셀의 4차원 스토크스 벡터를 결정하는데 사용되는 4개의 편광 프레임을 획득하는 것이다(그림 7). 따라서 카메라는 선형 편광 정도, 원형 편광 정도, 편광각도 및 타원율 각도를 결정할 수 있다.
한편 다중 화상촬영기 및 프리즘을 사용해 동일한 작업을 수행하는 방법도 있다. 이미지의 편광 정도 및 방향을 추정하기 위해서는 분석기 또는 반파장판 위치가 서로 다른 노출이 적어도 3개가 필요하다.
따라서 플럭스데이터(Fluxdata)는 3-방향 프리즘 빔스플리터를 3개의 편광기에 결합시켜 사용하며, FD-1665P 카메라에 편광기를 각각 다른 방향으로 배치시킨다(그림 8). 편광기는 0°, 45° 및 90° 방향으로 배치돼, 3개의 독립적인 CCD 센서에 의해 캡처 및 처리돼 편광 정보를 산출한다.
응력 감소
대부분 경우는 이미지의 원형 편광 또는 타원율 각도를 계산할 필요가 없다. 유리의 응력 유도 복굴절과 같이, 산업 및 머신비전 응용 분야에서는 AoLP와 DoLP를 계산하는 것으로 충분하다. 이러한 응용 분야에서는 소니 IMX250MZR 편광 센서에 기반을 둔 고체 마이크로 편광기 카메라를 사용하면 회전 편광기 기반 또는 프리즘 기반 구현에 비해 아주 작기는 하지만 프레임 속도로 싱글샷 데이터 수집이 가능하다. 이러한 이유로 소니의 신제품 센서는 루시드(이하 LUCID)의 마이크로컴팩트 Phoenix 카메라에 적합하다.
이렇게 카메라에 응용할 수 있는 분야는 제품 분석, 결함 탐지, 3D 형상 재구성 및 흐림 제거 등 다양하다. 예를 들어 탄소섬유의 특성 중 하나는 섬유 방향에 평행한 무극성 입사광을 편광 시킨다는 점이다. 섬유가 향하는 방향을 결정하기 위해 탄소섬유 다발의 방향과 위치를 포착해야 한다. 링 조명으로 섬유의 표면을 비추면 무극성 적색광은 그림 9와 같이 반사된다. LUCID의 Phoenix 편광 카메라를 사용하면 카메라를 0°, 45°, 90° 및 135° 각도에서 이미지 데이터를 캡처할 수 있다. 그런 다음 프라운호퍼(Fraunhofer IIS)의 Polka 이미징 소프트웨어를 사용해 각 픽셀에 대한 섬유의 방향을 직접적으로 나타내는 선형 편광각을 구하기 위해 필요한 계산을 수행할 수 있다.
그림 10의 하단 그림은 측정된 강도를 나타내는 한편 상단 그림은 위색채 편광 정보를 나타내며 여기에서 색깔은 측정된 섬유 각도를 가리킨다. 또한 이 카메라는 기존의 화상촬영 기법으로 볼 수 없는 플라스틱 및 유리의 내부 응력을 분석하는 데에 사용된다. 또한, 편광을 사용하면 스크래치 또는 다른 표면 결함을 강조해 표시할 수 있다. 투명한 물체, 특히 플라스틱으로 제작된 물체는 빛의 특성을 변화시키므로, 물체를 편광된 광선에 놓고 편광 카메라를 사용해 촬영하면, 내부의 비균일성이 재료의 응력 또는 표면 특성에 따라 편광면을 회전시킨다. 그림 11의 휴대전화 케이스의 단색 이미지에는 표면 결함 또는 내부 응력 특성이 나타나지 않지만, 편광 카메라를 사용해 촬영된 이미지에는 쉽게 시각화 된다.
칩 방식 편광기가 장착된 카메라로부터 편광 이미지를 처리하는 것은 머신비전 응용분야 뿐만 아니라 이미지의 흐림 제거가 필요한 다른 응용분야에서도 사용할 수 있다. 일반적으로 대기에 의해 산란된 자연광이 부분적으로 편광 된다는 사실을 이용해 편광 기법과 광학적 방법을 함께 사용해 흐린 이미지를 향상시킬 수 있다. 방향이 다른 편광기를 통해 얻은 2개의 이미지로 이러한 흐림 제거를 수행할 수 있다(그림 12).
향후 전망
편광 이미지 응용분야는 원격 감지, 현미경부터 3D 이미지 재구성에 이르기까지 다양하다. 전문적인 레이저 기반 응용분야는 상대적으로 값비싼 결정질 편광기를 필요로 하지만, 저비용 사진 촬영이 필요한 경우 저렴한 선형 및 원형 편광 필터로도 충분히 촬영이 가능하다.
산업용 이미징 응용분야의 경우 소니 IMX250MZR와 같이 편광 화상촬영기에 기반을 둔 저렴한 카메라가 도입된 덕분에, 분석 수행에 필요한 고가의 기계적 또는 전기 광학적 시스템이 더 이상 필요하지 않다. 그 덕분에 해당 시스템에서 이중 편광기를 사용할 필요가 없어졌으며 시스템의 비용도 대폭 절감됐다. 앞으로는 CMOS 화상촬영기에 다양한 칩 방식 필터를 적용하는 추세가 지속되면서 이미징 산업에 새롭고 흥미로운 전망이 제시될 것으로 기대된다.
출처 : 공신테크노소닉(www.kyotech.co.kr)
