KR0164281B1 - 현미경의 자동 초점조절 장치 - Google Patents

현미경의 자동 초점조절 장치 Download PDF

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KR0164281B1
KR0164281B1 KR1019950043557A KR19950043557A KR0164281B1 KR 0164281 B1 KR0164281 B1 KR 0164281B1 KR 1019950043557 A KR1019950043557 A KR 1019950043557A KR 19950043557 A KR19950043557 A KR 19950043557A KR 0164281 B1 KR0164281 B1 KR 0164281B1
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Abstract

본 발명은 현미경의 자동 초점조절 장치 및 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 광원, 대물렌즈, 광원에서 나온 광을 분할하여 대물렌즈의 광축에 경사지게 입사시키기 위한 광분할기, 물체 위에 형성된 광점이 대물렌즈에 의하여 상점으로 맺히게 되는 수광소자, 수광소자에 나타나는 상점의 위치 변화에 따라 발생하는 전기신호를 처리하기 위한 신호처리 수단을 포함하는 현미경의 자동 초점조절 장치 및 이를 이용한 자동 초점조절 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 현미경의 자동 초점조절 장치 및 방법은 기존에 사용되는 현미경 장비에 손쉽게 적용이 가능하고, 실시간(real-time)으로 초점조절이 가능하며, 초점조절 성능을 종래의 현미경 장비가 가지고 있는 초점 심도(depth of focus)와 관계 없이 향상시킬 수 있으며, 또한 물체의 반사율이나 자동 초점조절 장치의 출력 변화와 기울기 및 표면 조도에 의한 영향을 최소화시킬 수 있다.

Description

현미경의 자동 초점조절 장치
제1도는 현미경의 자동 초점조절 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
제2(a)도는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 자동 초점조절 장치의 일부분의 구성 및 물체의 변위(z)에 따르는 상점의 위치 변화와 크기 변화를 나타낸 개략도이고, 제2(b)는 본 발명의 자동 초점조절 장치의 기본 원리의 설명을 위한 좌표계의 설정 방법을 나타낸 개략도이다.
제3(a)도는 각각 상점의 면적 중심과 입사되는 광량의 에너지 중심이 일치하는 경우를 보여주는 상황도이고,
제3(b)도 및 제3(c)도는 각각 초점 위치로부터 물체의 변위(z)에 따른 차신호(D)와 입사 광량의 비 및 초점 오차 신호(F)의 계산예를 나타낸 그림이다.
제4(a)도, 제4(b)도 및 제4(c)도는 각각 수광소자에서 나오는 전기신호를 신호처리 수단에서 처리하여 얻은 차신호와 정확히 추정된 합신호(S^) 및 이를 이용하여 단위화한 초점 오차 신호(F)의 예를 나타낸 그림이다.
제5(a)도는 각각 물체의 기울기와 표면 조도에 따라 상점의 면적 중심과 입사 광량의 에너지 중심이 불일치하는 경우를 보여주는 상황도이고,
제5(b)도는 이로 인해 차신호가 우측(또는 좌측)으로 이동한 결과를 보여주는 그림이다.
제6(a)도는 본 발명에 따른 자동 초점조절 장치의 다른 실시형태의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고,
제6(b)도 및 제6(c)도는 각각 2분할 소자에서 만들어지는 차신호 D1및 D2와, 최종적인 차신호 D를 나타낸 그림이다.
제7도는 제6도에 도시한 본 발명에 따른 자동 초점조절 장치에 설치된 2개의 2분할 소자에서 만들어지는 신호 A1, A2, B1 및 B2를 초점 오차 신호 (F)로 만들어 주는 전기 회로도이다.
제8(a)도는 종래의 고배율 현미경에서 자동 초점조절을 위해 사용된 방법을 나타내는 개략도이고,
제8(b)도는 종래의 자동 초점조절 장치에 사용된 닙코(Nipkoh) 디스크를 도시한 것이며,
제8(c)도는 종래의 자동 초점조절 장치에 의한 출력 신호를 나타낸 그림이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 레이저다이오드 2 : 대물렌즈
3,3' : 물체 4,4',4,4' : 전류-전압 변환기
5,5' : 가산기 6,6' : 가변 가산기
7,7' : 감산기 8,8' : 가변 감산기
9,9' : 제산기(devider) A1, B1: 상부신호
A2, B2: 하부 신호 D, D1, D2: 차신호
S, S1, S2: 합신호 S^, S1^, S2^:추정 합신호
D^, S1^, S2^: 추정 차신호 F, F1, F2: 초점오차 신호
PD : 수광소자 또는 포토다이오드 BS : 광분할기
본 발명은 현미경의 자동 초점조절 장치 및 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 광원, 대물렌즈, 광원에서 나온 광을 분할하여, 대물렌즈의 광축에 경사지게 입사시키기 위한 광분할기, 물체 위에 형성된 광점이 대물렌즈에 의하여 상점으로 맺히게 되는 수광소자, 수광소자에 나타나는 상점의 위치 변화에 따라 발생하는 전기신호를 처리하기 위한 신호처리 수단을 포함하는 현미경의 자동 초점조절 장치 및 이를 이용한 자동 초점조절 방법에 관한 것이다.
최근 초소형의 제품을 생산하고 있는 반도체 산업 분야와 마이크로 머신 산업 분야에서 많이 이용되고 있는 현미경 장비에 자동 초점조절 장치가 널리 사용되고 있다. 여기서, 자동 초점조절 장치가 널리 사용되고 있다. 여기서, 자동 초점조절 장치란 사람의 눈 또는 CCD 카메라의 영상면에 항상 선명한 영상을 제공하기 위하여 물체 또는 광학계를 원하는 위치로 자동적으로 움직이는데 필요한 신호를 만들어주는 장치를 말한다.
한편, 종래 가정용 비디오 카메라 등의 자동 초점 조절 장치에 사용되는 피사체까지의 거리를 검출하는 장치에 대해서는, 일본국 특허공고 소화 제45-32747호, 동 제46-28500호, 일본국 공개실용신안 소화 제58-15917호 등에 기재되어 있다. 이들 문헌에 기재되어 있는 자동 초점조절 장치는 모두 수광 소자가 이동하던가 또는 반사경이 회전함으로써, 수광소자에서의 수광 상태가 일정하게 유지되어, 수광소자의 이동 거리 또는 반사경의 회전각이 검출되고, 이 이동량, 회전각에 의해서 초점 조절용 렌즈가 초점 조절 위치로 이동하게 된다. 따라서, 초점조절용 렌즈의 이동 위치가 결정되는 정밀도는 수광소자의 이동량, 반사경의 회전각의 크기에 좌우된다. 그 결과, 반사경이 회전하는 방법에서는 반사경의 회전각이 작기 때문에, 초점조절의 정밀도가 낮다는 결점이 있었다. 또한, 수광소자가 이동하는 방법에서는 초점조절 정밀도를 향상시키기 위해서 수광소자의 이동 거리를 크게 할 필요가 있어, 장치가 대형화하는 경향이 있다. 또, 수광소자가 움직일 수 있고 동시에 초기 위치를 조정할 수 있는 기구가 필요하기 때문에, 구조가 복잡하게 되는 결점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 특허공고 제91-5373호에는 수광소자를 초기 위치 설정 기구에 부착시키고, 수광소자와 수광 렌즈 사이에는 수광 렌즈의 광축과 투사 렌즈의 광축을 포함하는 평면에 직교하는 축에 대해서 회전 가능하고 발광 소자에서 투사된 광선이 투과하는 평면판이 마련된 초점조절 장치가 기재되어 있다.
그러나, 상기 자동 초점 조절 장치들은 모두 가정용 비디오 카메라 등에 사용되는 것으로서, 초소형의 제품을 생산하고 있는 반도체 산업 분야와 마이크로머신 산업 분야에서 많이 이용되고 있는 현미경 장비에 사용할 수 있는 자동 초점조절 장치에 관해서는 개시하고 있지 않다.
한편, 종래 반도체 산업이나 마이크로머신 산업 분야에서 많이 이용되고 있는 현미경의 자동 초점 조절을 위해 많이 사용되고 있는 방법은 제8(a)도에 나타낸 공초점 장치(confocal module device)을 이용한 방법이다. 이 장치는 제8(b)도와 같은 모양의 닙코(Nipkoh) 디스크 위에 있는 핀홀(pinhole)과 물체상의 한 점을 물체와 영상의 관계로 만들어 주고, 아울러 디스크의 핀홀은 물체로부터 산란되어 들어온 회절광을 차단하여 준다. 전체적인 광경로(beam path)를 보면, 먼저 조명 광원이 핀홀을 통과하면서 점광원이 되고, 이것이 대물렌즈를 통하여 물체상의 한 점을 조명하면, 물체에 부딪힌 빛은 반사와 회절을 일으킨다. 여기서, 회절광은 물체의 상을 흐리게 만드는 효과가 있으므로, 대물렌즈에 의하여 집광된 회절광과 반사광 중에서 회절광은 핀홀에 의하여 차단되고, 반사광만으로 영상을 구성하기 때문에, 공초점 장치에 의한 영상은 그 이전의 다른 현미경 장비에 의한 영상보다 선명하게 된다. 여기서, 제8(c)도는 물체의 위치에 따라서 영상면에서 얻어지는 강도(intensity)를 나타낸 것으로서, 강도의 최대점에 해당되는 위치가 물체의 초점 위치에 해당된다. 따라서, 자동 초점조절을 위해서는 물체를 임의의 구간에 걸쳐서 이동시키면서 강도를 구한후에 최종적으로 강도의 최대점을 알아내어, 초점 위치를 찾아내는 방법이다. 이와 같은 방법은 신호에 방향성이 없기 때문에, 초점 위치를 찾기 위해서는 먼저 물체를 일정한 범위에 걸쳐서 이동시켜야 한다. 따라서, 자동초점 조절을 하는데 시간이 소요되고, 2차원의 영상을 얻기 위하여 다수의 핀홀이 만들어져 있는 디스크를 회전시키기 위한 구동 장치가 필요하며, 핀홀에서 많은 양의 빛이 소실되어 버리기 때문에, 조명 광원의 출력이 일반 현미경에서 사용하는 조명 광원보다 크고, 이에 따라 열이 발생하는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명자들은 광원과 대물렌즈 사이에 광분할기를 설치하여 광원에서 나오는 빛을 대물렌즈의 광축에 경사지게 입사시킴으로써, 물체 위에 광점을 형성시키고, 형성된 광점을 다시 대물렌즈에 의해 수광 소자 위에 상점으로 맺히게 하여, 물체의 변위에 따라 수광소자에 나타나는 상점의 위치 변화를 만들고, 이 상점의 위치 변화에 따라 수광소자에서 발생하는 전기신호로부터 물체의 초점 위치를 찾아내면, 실시간(real-time)으로 초점조절이 가능하고, 물체의 반사율과 기울기 및 표면 조도에 의한 영향을 최소화 시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 주된 목적은 실시간(real-time)으로 초점조절이 가능하고, 물체의 반사율과 기울기 및 표면 조도에 의한 영향을 최소화시킬 수 있는 현미경의 자동 초점조절 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 자동 초점조절 장치를 이용한 자동 초점조절 방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 현미경의 자동 초점조절 장치는,
광원;
대물렌즈;
광원과 대물렌즈 사이에 위치하며 광원에서 나온 광을 분할하여 대물렌즈의 광축에 경사지게 입사시키기 위한 광분할기;
물체 위에 형성된 광점이 대물렌즈에 의하여 상점으로 맺히게 되는 수광소자; 및,
수광소자에 나타나는 상점의 위치 변화에 따라 발생하는 전기신호를 처리하기 위한 신호처리 수단
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 자동 초점조절 장치에는 물체의 기울기 및 표면 조도에 의하여 상점의 면적 중심과 입사 광량의 에너지 중심이 일치하지 않는 경우, 그에 따른 영향을 최소화하기 위하여 사용된 광학계의 영상면의 위치를 전후로 하여 2개의 수광소자를 설치할 수 있다.
또한, 본 발명의 자동 초점조절 장치에는 렌즈를 추가함으로써, 자동 초점 광학계의 배율에 비례하여 초점 오차 신호의 민감도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 자동 초점 조절 장치에 있어서 수광소자에서 나오는 전기신호를 처리하는 신호처리 수단은 수광소자로부터 나오는 전기 신호의 합신호를 구하기 위한 합신호 계산 회로와 전기신호의 차신호를 구하기 위한 차신호 계산 회로로 구성되며, 상기 합신호 계산 회로는 합신호의 편차량을 추정하여 보정해 준 추정 합신호를 구하기 위하여 가변 저항기를 구비한 가변 가산기를 포함할 수도 있다.
본 발명의 자동 초점 조절 장치에 있어서, 상기 광원으로서는 레이저 다이오드가 사용되고, 수광소자 또는 포토다이오드로서는 바람직하게는 2분할 소자가 사용된다.
또한, 상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 현미경의 자동 초점조절 방법은,
광원에서 나오는 빛을 대물렌즈의 광축에 경사지게 입사시켜서 물체 위에 광점을 형성시키고, 형성된 광점을 다시 대물렌즈에 의해 수광 소자 위에 상점으로 맺히게 함으로써, 물체의 변위에 따라 수광소자에 나타나는 상점의 위치 변화를 만들고, 이 상점의 위치 변화에 따라 수광소자에서 발생하는 전기신호로부터 물체의 초점 위치를 결정하여 물체를 초점 위치로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 자동 초점조절 방법에 따르면, 수광소자에 나타나는 상점의 위치 변화에 따라 발생하는 전기 신호를 단위화(normalization)하여 얻어진 초점 오차 신호를 사용하여 물체의 반사율에 따른 효과를 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명의 자동 초점조절 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 설명 및 첨부 도면에서 동일 부호는 동일 부분을 나타낸다.
제1도는 현미경의 자동 초점조절 장치의 구성을 나타내는 개략도로서, 점선 부분은 기존에 사용되는 현미경의 일반적인 구성을 나타내고, 실선 부분은 본 발명에 따른 자동 초점조절 장치계의 구성을 나타낸 것이다. 광원으로 사용된 레이저다이오드(1)에서 나온 광은 광분할기(BS)에 의해 분할되어 대물렌즈(2)의 광축에 경사지게 입사되어 물체(3) 위에 광점을 형성하고, 형성된 광점은 다시 대물렌즈(2)에 의해 수광소자 또는 포토다이오드(PD) 위에 상점으로 맺히게 된다. 이 상점의 위치는 물체의 변위에 따라 변화하며, 이 상점의 위치 변화에 따라 수광소자에서 발생하는 전기신호를 신호처리 수단에서 처리하여 물체의 초점 위치를 결정한 다음 물체를 초점위치로 이동시키게 된다. 제1도에서 보시는 바와 같이, 본 발명에 따른 자동 초점조절 장치는 기존에 사용되는 현미경 장비에 손쉽게 적용이 가능하다.
본 발명의 자동초점조절 장치 및 방법의 기본 원리를 제2(a)도를 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 현미경의 자동 초점 조절 장치에서는 광원, 예를 들면 레이저 다이오드(1)에서 발생한 레이저빔이 광분할기(beam spilitter)(BS)와 대물렌즈(2)를 거쳐서 물체(3,3') 위에 경사지게 조사되어 물체 위에 광점(beam spot)을 형성시키고, 형성된 광점은 대물렌즈(2)에 의하여 수광소자 또는 포토다이오드(PD), 바람직하기로는 2분할 소자 위에 상점(image spot)을 형성한다. 따라서, 물체가 초점 위치에서 벗어나게 되면, 2분할 소자 위의 상점은 크기 변화와 위치 변화를 가지게 된다. 즉, 물체가 초점 위치의 전방에 있으면, 제2(a)도의 ①에서와 같이 수광소자의 하부에 상점이 맺히게 되고, 반대로 물체가 초점 위치의 후방에 있으면, 제2(a)도의 ②에서와 같이 수광소자의 상부에 상점이 맺히게 된다. 이와 같이 2분할 소자 위에 맺히는 상점의 위치 변화에 따라 2분할 소자의 상부와 하부에서 발생하는 전기적인 신호를 각각 A1와 A2라고 하면, A1과 A2는 각각의 활성 면적(active area)에 입사된 광량(power)의 크기에 비례하는 전기신호이다. 따라서, 물체가 초점 위치에 있을 때에는 A1과 A2가 같은 값을 가지게 되고, 차신호(D:difference signal)는 영(null)의 값을 가진다. 결국, 차신호가 0이 되는 위치를 찾아 내어 그 위치로 물체를 이동시키면, 그 위치가 바로 초점 위치가 된다.
이와 같은 사실을 제2(b)도와 같은 좌표계를 설정하여 수식으로 유도해 보면 다음과 같다. 먼저, 대물렌즈로부터 광축상의 레이저 다이오드의 위치까지의 거리를 L2, 초점 위치까지의 거리를 L1으로 나타내면, 기하학적인 관계와 사용된 광학계의 배율(M)의 정의로부터 다음의 관계식이 성립한다:
상기 식에서,
D는 대물렌즈의 유효 직경이고; 및,
θ는 레이저빔의 중심이 대물렌즈로 입사되는 각도를 나타낸다.
한편, 물체가 광축을 따라 이동할 때, 물체 위에 생기는 광점의 중심 위치(C1)는 물체의 변위(z)에 따라서 다음과 같이 구해진다:
이 광점이 다시 현미경의 대물렌즈에 의하여 2분할 소자 위에 상점을 형성할 때, 상점의 주임 위치(C2)는 다음과 같이 구해진다:
상기 식에서,
fb는 대물렌즈로부터 2분할 소자까지의 거리이고; 및, k는 시스템의 자동 초점 장치에 사용된 상수들로부터 계산되는 상수이다.
상기 상수 k는 출력신호의 민감도(sensitivity)를 좌우하는 값이므로, 본 발명에 따른 자동 초점조절 장치는 그 장치내에 추가로 렌즈를 설치함으로서 자동 초점 광학계의 배율에 비례하여 초점오차 신호의 민감도를 증가시킬 수 있다.
출력 신호의 크기를 결정짓는 요인으로 물체의 이동에 따르는 상점의 광량과 크기의 변화는 가우스 광학(Gaussian beam optic)으로부터 다음과 같이 계산된다:
상기 식에서,
zo는 가우스빔의 경계 조건에 따라 결정되는 상수이고; Po와 wo는 각각 물체가 초점 위치에 놓여 있을 때 반지름이 ρ인 2분할 소자에 입사되는 전체 광량과 상점의 반경을 의미한다.
그러나, 실제로 상기 zO과 wO의 값은 최소 자승법을 사용하여 추정한다. 이와 같이 추정된 zO과 wO의 값을 가지고, 2분할 소자의 상하에서 발생하는 전기신호 A1과 A2의 차신호 (D)와 합신호(S)는 계산해 보면 제3(b)도와 같고, 여기서 광량비(P/PO)는 시뮬레이션에서 얻어지는 값으로, 실제 측정시에는 합신호에 해당하며, 합신호(S)와 차신호(D)는 아래와 같이 표시된다:
상기 식에서,
G는 비례 상수를 의미하고; 및, η는 광축과 상점이 이루는 각을 의미한다.
상기 식에서 알수 있는 바와 같이, 차신호 (D)는 물체의 변위(z)뿐만 아니라, 입사 광량의 변화에 의해서도 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 실제의 경우 입사 광량(P)은 물체의 변위(z)외에도 레이저빔의 출력변화와 물체의 반사율에 따라 민감하게 변화한다. 제4(a)도 및 제4(b)도는 각각 2분할 소자의 상하에서 발생하는 전기신호의 차신호(D)와 정확히 추정된 합신호(S^)를 나타낸 것으로서, 자동 초점조절 장치의 출력변화 또는 물체의 반사율에 따라 차신호(D)와 합신호(S^)가 변화됨을 보여주고 있으며, 제4(c)도는 상기 차신호(D)를 추정 합신호(S^)로 나누어 줌으로써 구해지는 단위화된 초점 오차 신호(F)의 예를 나타낸 것이다. 따라서, 본 발명에서는 다음의 식(9)와 같이 차신호(D)를 합신호(S)로 나누어 준 초점 오차 신호(F)를 이용함으로써 물체의 반사율에 따른 입사 광량의 변화에 의한 오차를 최소화시켰다. 제3(c)도는 초점 오차 신호(F)를 나타낸다.
제7도는 이러한 단위화 과정에 사용될 수 있는 전기 회로의 일례의 구성을 나타낸 것이다. 2분할 소자의 상부에서 나온 전기신호(전류신호)는 합신호 계산 회로에서 먼저 전류-전압 변환기(4,4)에 의해 전압 신호로 변환되고, 가산기(5,5')에 의해 합신호(S1,S2)가 구해진다. 2분할 소자의 하부에서 나온 전기신호(전류신호)는 차신호 계산 회로로 들어가 전류-전압 변환기(4',4')에 의해 전압신호로 변환되고, 감산기(7,7')에 의해 차신호(D1,D2)가 구해진다. 이와 같이 구해진 차신호(D1,D2)를 제산기(9,9')에 의해 합신호(S1,S2)로 나누어 주면(즉, 단위화하면), 초점오차 신호(F1,F2)가 얻어진다.
그러나, 실제의 경우 2분할 소자의 크기가 제한되고, 여러 가지 요인에 의해서 정확한 합신호를 구하기가 어렵다. 따라서, 좀 더 정확한 차신호(D)의 단위화를 수행하기 위해서는, 전기 회로적으로 합신호의 편차량(offset)을 추정하여 보상해 준 합신호(S^)을 사용하는 것이 바람직하다. 추정 합신호(S1^,S2^)는 제7도에 도시된 바와 같은 가변 저항기를 구비한 가변 가산기(6,6')를 사용함으로써 구할 수 있다. 추정 차신호(D1^,D2^)도 마찬가지로 가변 감산기(8,8')를 이용하여 구한다. 제4(a)도와 제4(b)도는 상기한 바와 같이, 자동 초점조절 장치의 출력 변화로 인한 입사광량의 변화에 따라 2분할 소자에서 나오는 전기신호가 변화하며, 이 신호변화를 신호처리 수단에 의해 처리하여 얻어진 차신호(D)와 추정 합신호(S)를 나타내고, 제4(c)도는 단위화된 초점오차 신호(F)의 결과를 나타낸다. 즉, 차신호의 단위화에 추정 합신호(S^)를 사용함으로써 본 발명의 자동 초점조절 장치의 출력 변화에 따른 입사 광량의 변화에도 불구하고 선형 구간에 있어서 초점오차 신호(F)의 기울기는 변화하지 않고 있음을 볼 수 있다.
이와 같은 신호처리는 제3(a)도와 같이, 상점의 면적 중심과 입사 광량의 에너지 중심이 일치하는 경우에 한하여 성립한다. 그러나, 제5(a)도와 같이 물체의 표면 조도와 기울기에 의하여 상점의 면적 중심과 입사 광량의 에너지 중심이 일치하지 않으면, 물체가 초점 위치에 놓여 있음에도 불구하고 초점 오차 신호는 영(null)이 되지 않아, 초점 오차가 발생한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 제6(a)도와 같이 물체의 영상 거리(L2)를 중심으로 전후에 2개의 수광소자 또는 포토다이오드, 바람직하게는 2분할 소자를 설치하였다.
제6(a)도, 제6(b)도 및 제6(c)도는 각각 본 발명에 따른 자동 초점조절 장치의 다른 실시형태의 구성을 개략적으로 도시한 것으로서, 상점의 면적 중심과 입사 광량의 에너지 중심이 불일치함으로써 생기는 초점오차를 해결하기 위한 2분할 소자의 배치와 각각의 2분할 소자에서 만들어지는 차신호 D1과 D2및 최종적인 차신호 D를 나타낸 그림이다. 제 6도 (b)와 같이 물체의 영상 거리(L2)를 중심으로 전후에 2개의 포토다이오드 [A]와 [B]를 설치할 경우, 물체의 표면 조도 또는 기울기에 의하여 포토다이오드 [A]에서 나오는 차신호 D1이 우측(또는 좌측)으로 움직이게 되면, 포토다이오드 [B]에서 나오는 차신호 D2는 D1과는 반대 방향으로 움직이게 된다.따라서, D1과 D2로부터 얻어지는 최종적인 차신호 D는 초점 오차를 가지지 않게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 현미경의 자동 초점조절 장치 및 방법은 기존에 사용되는 현미경 장비에 손쉽게 적용이 가능하고, 실시간(real-time)으로 초점조절이 가능하며, 초점조절 성능을 종래의 현미경 장비가 가지고 있는 초점 심도(depth of focus)와 관계 없이 향상 시킬 수 있으며, 또한 물체의 반사율이나 자동 초점조절 장치의 출력 변화와 기울기 및 표면 조도에 의한 영향을 최소화시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 광원; 대물렌즈; 상기 광원과 대물렌즈 사이에 위치하며 광원에서 나온 광을 분할하여 대물렌즈의 광축에 경사지게 입사시키기 위한 광분할기; 물체 위에 형성된 광점이 대물렌즈에 의하여 상점으로 맺히게 되는 수광소자; 및, 수광소자에 나타나는 상점의 위치 변화에 따라 발생하는 전기신호를 처리하기 위한 신호처리 수단을 포함하는 현미경의 자동 초점조절 장치.
  2. 제1항에 있어서, 사용된 광학계의 영상면의 위치를 전후로 하여 2개의 수광소자를 설치하는 것을 특징으로 하는 자동 초점조절 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원이 레이저 다이오드이고, 수광소자가 2분할 소자인 것을 특징으로 하는 자동 초점조절 장치.
  4. 제1항에 있어서, 자동 초점조절 장치 내에 추가로 렌즈를 설치하여 자동 초점 광학계의 배율에 비례하여 초점오차 신호의 민감도를 증가시킨 것을 특징으로 하는 자동 초점조절 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 신호처리 수단이 수광소자로부터 나오는 전기신호의 합신호를 구하기 위한 합신호 계산 회로; 및 상기 수광소자로부터 나오는 전기신호의 차신호를 구하기 위한 차신호 계산 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동 초점조절 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 합신호 계산 회로가 합신호의 편차량을 추정하여 보정해 준 추정 합신호를 구하기 위한 가변 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 초점조절 장치.
  7. 광원에서 나오는 빛을 대물 렌즈의 광축에 경사지게 입사시켜서 물체 위에 광점을 형성시키고, 형성된 광점을 다시 수광소자 위에 상점으로 맺히게 함으로써, 물체의 변위에 따라 수광소자에서 나타나는 상점의 위치변화에 따라 발생하는 전기신호로부터 물체의 초점 위치를 결정하여 물체를 초점 위치로 이동시키는 것을 포함하는 현미경의 자동 초점조절 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 물체의 초점 위치의 결정이 수광소자에 나타나는 상점의 위치변화에 따른 전기신호를 단위화(normalization)하여 얻어진 초점 오차 신호를 이용함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 자동 초점조절 방법.
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