An optical imaging system has several tradeoffs between performance factors such as image resolution and the depth-of-field, and magnification and the size of the field of view. Therefore the optical system designers have had to compromise between those conflicting performance factors. In this thesis an active optical system is proposed to overcome those limitations. By using innovative optical elements recently popularized such and liquid-crystal spatial light modulator (LC-SLM) with proper image processing methods, those limitations can be overcome. In particular, a depth-of-field extension method using an LC-SLM and a deformable mirror at the pupil plane is proposed to reduce the trade-off between the image resolution and the depth-of-field. The basic idea is to divide the entrance pupil into several concentric annular rings and combining them to restore clear image digitally. Depth-of-field extension by focal plane oscillation, which was already proposed, is combined with the annular division system to enhance the depth extending performance. The images obtained by the depth extension method are found to be vulnerable to image noise and the image quality becomes degraded as the depth-of-field is more extended. To cope with this problem, depth-of-field adaptation scheme is also developed to provide the image with best quality given an arbitrary object distribution. This is to avoid obtaining blurry images due to too small depth-of-field, or noisy images due to too large depth-of-field. For this, the trade-off relationship between the depth-of-field extension range and the image quality was experimentally analyzed and a quality measure based on wavelet transform was proposed to quantify the image qualities. Also, an adaptation scheme to estimate the objects’ depth distribution and the optimal parameter for the best quality image efficiently was proposed. For an application, a microscopic zoom control system was designed using the depth-of-field adaptation concept. In normal microscopes where the depth-of-field is not adaptive, the objects usually become blurred after zoomed in. This prevented automation of the zoom control system. However, by applying the proposed depth adaptation method and well-known machine vision techniques, automatic zoom control system for microscopes could be realized. This illustrates the feasibility of the depth-of-field extension and adaptation method proposed in this thesis in microscopic computer vision system where well known vision technique are not easily applicable due to the limited depth-of-field.
Those ideas are verified by simulation and experimental studies. For the future works, it is desirable to develop a system that can simultaneously acquired images from each annular opening. This will make the system be able to be operated in real time system and will make the proposed method more practical.
광학적 결상계는 그것의 성능을 나타내는 성능인자들 사이에 여러 가지의 트레이드오프가 존재하는데, 대표적으로 영상의 해상도와 초점 심도, 배율과 화각의 크기를 들 수 있다. 따라서 광학계를 설계하는데 있어서 그러한 상충되는 성능인자들간의 적절한 타협이 요구된다. 본 논문에서는 광학계 설계에 있어서 이러한 한계점들을 극복하기 위한 능동 결상계가 제안된다. 최근들어 많이 이용되고 있는 액정공간광변조기와 변형거울 등 능동 광학소자들과 적절한 신호처리 방법을 이용하여 이러한 한계점들을 극복하고자 한다.
구체적으로, 광학계의 동공면에 공간광변조기와 변형거울을 설치함으로써 광학계의 초점 심도를 향상시키는 방법이 제안되며, 이를 통해 영상의 해상도와 초점심도 사이의 트레이드오프를 완화하고자 한다. 이 방법은 광학계의 입사동을 여러 개의 동심 환형 개구로 나누어 영상을 획득한 후 그것들을 평균하여 컴퓨터 상에서 신호처리 함으로써 해상도가 높은 영상을 얻는 것이다. 초점심도확장 성능을 향상시키기 위해 기존에 알려진 초점평면 진동을 통한 심도 확장 방법을 여기서 제안된 개구 분할 방식에 접목하여 적용한다.
제안된 방법에 의해 획득된 초첨 심도 확장된 영상은 일반 영상에 비해 노이즈에 취약한 것으로 나타나 심도확장을 많이 할수록 영상의 퀄리티가 저하되는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 초점심도 적응방법이 제안되었는데, 이는 주어진 관찰 대상물체의 3차원 분포에 따라 가장 적합한 범위로 초점심도를 확장하게 하는 방법이며, 이를 통해 초점심도가 너무 작아 초점이 흐려진 영상을 얻거나, 초점심도를 너무 많이 확장하여 노이즈에 오염된 영상을 얻는 것을 피하고자 한다. 이를 위해 일련의 실험을 통해 심도 확장량과 영상 퀄리티 사이의 관계를 정성적으로 확인했으며, 영상의 퀄리티를 정량화하기 위해 웨이블렛에 기반한 영상 퀄리티 척도가 제안되었다. 또한, 물체의 3차원 분포를 추측하고 그로부터 가장 적합한 범위의 초점심도를 제공하는 광학계의 파라미터를 얻는 방법, 즉 초점심도적응 방법이 고안되었다.
이 방법의 응용으로서, 현미경 광학계에서의 줌 제어 시스템이 설계되었다. 초점심도 확장 혹은 적응이 없이는 보통 물체가 줌인된 후 초점 심도에서 벗어나는 일이 다반사였다. 따라서 자동적으로 광학배율을 제어하는 시스템을 구현하는 것이 어려웠는데, 제안된 초점심도 확장방법을 이에 적용하고 기존의 잘 알려진 머신 비전 기술들을 적용함으로써 광학계의 배율이 자동 제어되는 시스템을 구현할 수 있었다. 이 예제를 통해 미소세계의 관찰 및 조작업무를 로봇과 비전시스템을 통해 자동화하는데 있어서 기존에 제한된 초점심도로 인해 문제가 되었던 부분들을 제안된 방법을 통해 해결함으로써 현미경시스템에도 잘 발달된 머신비전 기술들을 더 유용하게 사용할 수 있다는 가능성을 보게 되었다.
추후에는 초점심도 확장을 위해 나뉘어진 개구로부터 동시에 영상을 얻을 수 있는 방법을 개발하고자 한다. 그렇게 되면 제안된 방법이 실시간으로 운용이 가능해지기 때문에 활용범위가 크게 증가할 것으로 예상된다.
