KR101159696B1 - 다중 핀홀과 스팟 패턴 타겟을 이용한 굴절계 - Google Patents

Abstract

다중 핀홀과 스팟 패턴 타겟을 이용한 굴절계가 개시된다. 보다 상세하게는, 본 발명은 물질의 굴절률을 측정하기 위해 복수 개의 스팟을 구비한 타겟과, 타겟과 연결되어 상기 타겟을 상하 이동되도록 구비되는 이송장치와, 타겟의 하부에 구비되며 테스트 샘플이 포지셔닝되는 시료대와, 광원에서 방사되어 타겟 및 시료대를 통과한 광을 입사받는 대물 렌즈 및 굴절계의 이미지 평면상에 초점 이탈된 상이 형성되도록 대물 렌즈에 입사된 광의 광경로를 분기시키는 조리개를 포함하는 굴절계에 대한 것이다.

Description

다중 핀홀과 스팟 패턴 타겟을 이용한 굴절계{Refractometer using Multiple Pinholes and Spot Patterned Target}

본 발명은 다중 핀홀과 스팟 패턴 타겟을 이용하여 물질의 굴절률을 측정하는 굴절계에 관한 것이다. 보다 상세히는 본 발명은, 광원의 광경로를 분리하기 위한 조리개를 이용하여 이미지 평면에 초점 이탈된 상을 형성하되, 테스트 샘플이 포지셔닝 되는 시료대 상부에 스팟 패턴이 형성된 타겟을 상하 구동하여 초점 이탈 이미지의 크기와 타겟의 상하 이동거리를 이용하여 테스트 샘플의 굴절률을 측정하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로, 굴절률(refractive index)은 광학적 방식에 측정되는 물질의 고유 물성이다. 특히, 굴절률은 biochemistry, biomedicine에서의 유체의 성질을 추론하기 위해 주로 사용되는데 굴절률이 용매에 함유된 용질의 함량에 의해 크게 영향 받기 때문이다.

종래 이러한 물질의 굴절률을 측정하기 위한 굴절계가 다양하게 연구되어 왔다. 그러나, 이러한 굴절계는 측정대상 물질의 다양한 상에 대한 측정에 있어서 그 적용범위가 제한되었다.

예를 들면, 굴절률의 측정대상 물질(이하 테스프 샘플이라 함)이 유체, 젤, 유연한(flexible) 재질인지 여부에 의해 적용 가능한 굴절계를 달리 선택하여야 하는 문제점이 있었다.

또한, 굴절계의 구조적 복잡도로 인해 테스트 샘플의 굴절률이 사용자의 숙련도에 따라 변동되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 굴절계는 테스트 샘플에 대한 굴절률을 정확히 평가하기 위해서는 필수적으로 보정절차를 수반하여야 하는 문제점이 있었다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 관점으로부터 본 발명은, 복수 개의 스팟을 구비한 타겟을 이용하고 상기 타겟을 테스트 샘플이 포지셔닝되는 시료대를 기준으로 하여 상하 구동하여 타겟과 시료대와의 거리 및 초점 이탈 영상의 크기와의 상관관계로부터 테스트 샘플의 굴절률을 측정할 수 있는 굴절계를 제공함을 제1 기술적 과제로 한다.

또한 본 발명은, 제1 기술적 과제와 관련하여 초점 이탈 영상을 형성하기 위해 광원의 광의 진행 경로를 분기하여 초점 이탈된 상을 형성할 수 있도록 복수의 핀홀을 갖는 조리개를 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.

그러나, 본 발명의 기술적 과제는 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 물질의 굴절률을 측정하기 위한 굴절계는, 복수 개의 스팟을 구비한 타겟과, 상기 타겟과 연결되어 상기 타겟을 상하 이동되도록 구비되는 이송장치와, 상기 타겟의 하부에 구비되며 테스트 샘플이 포지셔닝되는 시료대와, 광원에서 방사되어 상기 타겟 및 시료대를 통과한 광을 입사받는 대물 렌즈 및 상기 굴절계의 이미지 평면상에 초점 이탈된 상이 형성되도록 상기 대물 렌즈에 입사된 광의 광경로를 분기시키는 조리개를 포함한다.

여기서, 상기 이송장치는 상기 타겟과 상기 시료대와의 거리가 가변되도록 상기 타겟을 상하 이동시키는 피에조(piezo) 구동장치인 것이 좋다.

그리고, 상기 타겟은 불투명 재질로 형성되고 상기 복수 개의 스팟은 투명 재질로 형성되며, 상기 시료대는 유리로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스팟은 등간격의 격자 형상을 이루도록 배열되는 것이 좋다.

또한, 상기 불투명 재질은 크롬 스퍼터링에 의해 형성되는 것도 좋다.

바람직하게는, 상기 시료대는 상기 광원에서 방사된 광이 투과될 수 있는 재질로 형성될 수 있을 것이다.

또한 바람직하게는, 상기 조리개는 복수개의 핀홀을 구비하여 상기 핀홀의 개수만큼 상기 광의 광경로를 분기시킨다.

또한, 상기 조리개는 3개의 핀홀을 구비하되 상기 핀홀 간의 간격은 등간격으로 형성되는 것도 바람직하다.

한편, 상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 물질의 굴절률을 측정하기 위한 굴절계는, 광원과, 복수 개의 스팟을 구비한 타겟과, 상기 타겟과 연결되어 상기 타겟을 상하 이동되도록 구비되는 이송장치와, 상기 타겟의 하부에 구비되며 테스트 샘플이 포지셔닝되는 시료대와, 상기 광원에서 방사되어 상기 타겟 및 시료대를 통과한 광을 입사받는 대물 렌즈와, 상기 굴절계의 이미지 평면상에 초점 이탈된 상이 형성되도록 상기 대물 렌즈에 입사된 광의 광경로를 분기시키는 조리개 및 상기 이미지 평면상에 형성된 초점 이탈된 상을 촬상하기 위해 구비되는 카메라를 포함한다. 여기의 카메라는 이미지 센서로 하는 것도 가능하다.

여기서, 상기 굴절계는 상기 광원에서 방사되는 광의 파장을 필터링하기 위해 상기 조리개와 상기 카메라 사이 또는 상기 타겟과 상기 광원 사이에 광학필터를 구비하는 것이 좋다.

그리고, 상기 이송장치는 상기 타겟과 상기 시료대와의 거리가 가변되도록 상기 타겟을 상하 이동시키는 피에조(piezo) 구동장치인 것도 좋다.

또한, 상기 타겟은 불투명 재질로 형성되고 상기 복수 개의 스팟은 투명 재질로 형성되며, 상기 스팟은 서로 등간격의 격자 형상을 이루도록 배열되는 것이 바람직하다.

또한 바람직하게는, 상기 불투명 재질은 크롬 스퍼터링에 의해 형성될 수 있을 것이다.

또한, 상기 조리개는 복수개의 핀홀을 구비하여 상기 핀홀의 개수만큼 상기 광의 광경로를 분기시키는 것도 바람직하다.

그리고, 상기 조리개는 3개의 핀홀을 구비하되 상기 핀홀 간의 간격은 등간격으로 형성되는 것이 더욱 바람직할 것이다.

본 명세서의 기재 내용으로부터 파악되는 본 발명에 의하면, 테스트 샘플의 상(phase)에 영향받지 않고 테스트 샘플의 굴절률을 측정할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 물질의 굴절률에 따른 초점 이탈 영상의 분리도의 타겟과 시료대와의 거리에 따른 변화율을 이용하여 테스트 샘플의 굴절률을 측정하므로 측정 시 별도의 기준점 또는 보정작업이 필요하지 않아 측정을 용이하게 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절계를 이용하여 물질의 굴절률을 측정하는 과정을 설명하기 위해 도시한 도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절계를 이용하여 촬상한 초점 이탈 영상에 대한 설명을 위해 도시한 도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절계를 설명하기 위해 도시한 도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절계에 사용되는 타겟에 대한 설명을 위해 도시한 도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절계를 이용하여 물질의 굴절률을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 여기의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소에 바로 연결될 수도 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있음을 의미한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절계를 이용하여 물질의 굴절률을측정하는 과정을 설명하기 위해 도시한 도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 굴절계는 타겟(12), 시료대(14), 대물 렌즈(20) 및 조리개(30)를 포함한다.

타겟(12)은 광원(LS, Light Source)로부터 발광되는 광이 투과되는 것으로 복수 개의 스팟(S, spot)이 형성되어 있다. 타겟(12) 및 스팟(S)에 대한 보다 상세한 설명은 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.

시료대(14)는 광원(LS)의 진행방향으로 기준으로 상술한 타겟(12)의 하부에 위치하며, 시료대(14)에는 측정대상 물질 즉 테스트 샘플이 포지셔닝된다. 시료대(14)는 타겟(12)과 테스트 샘플을 투과한 광이 투과될 수 있도록 투명재질로 형성된다. 바람직하게는 시료대(14)의 재질은 유리(glass)로 형성될 수 있으나, 여기에 국한되지 않고 광투과성 재질이면 특별한 제한은 없다.

대물 렌즈(14)는 시료대(14)를 투과한 광을 입사받는 장치로 공지의 대물 렌즈와 차이가 없기 때문에 여기서는 설명을 생략한다.

조리개(30)는 대물 렌즈(14)를 통과한 광의 광경로를 분기하기 위해 마련된다. 즉, 조리개(30)는 굴절계의 이미지 평면(40)에 스팟 영상(71)을 형성시키기 위해 광의 경로를 분기시킨다. 이를 위해 본 발명에서 사용되는 조리개(30)에는 복수 개의 핀홀(pin-hole)이 구비된다. 본 발명에서 핀홀의 개수는 바람직하게는 3개로 형성되나 핀홀의 개수를 다양하게 하는 것도 가능함은 물론이다.

조리개(30)에 형성된 3개의 핀홀에 의해 광경로는 3분기되어 이미지 평면(40)상에 3개의 초점 이탈된 영상(이하, 스팟 영상(71)이라함)이 맺힌다.

이하에서는 상술한 본 발명에 따른 굴절계를 이용하여 물질의 굴절률을 측정하는 원리에 대한 설명을 개시한다.

상술했듯이, 3개의 핀홀을 갖는 조리개(30)를 이용하여 광학적으로 세 개의 광경로로 분기된 광은 초점영역 이후의 이미지 평면(40)상에 각각 서로 다른 위치에 도달하게 된다. 이렇게 도달된 위치 차이의 정도는 스팟 영상(71)들을 연결하는 가상의 동심원의 지름(D 또는 D_O)으로 정의된다. D₀는 시료대에 테스트 샘플이 존재하지 않을 때의 초점 이탈 영상에서의 스팟 영상들을 연결하는 가상의 동심원의 지름이며, D는 시료대에 테스트 샘플이 존재하는 경우의 초점 이탈 영상에서의 스팟 영상들을 연결하는 가상의 동심원의 지름으로 정의되며 본 발명에서는 ΔD를 스팟 영상의 분리도라고 지칭될 수도 있음에 유의하여야 한다. 여기서, ΔD는 D와 D₀와의 차이이다.

즉, 스팟 영상(71)들에 의해 형성된 ΔD는 타겟(12)과 시료대(14)사이에 놓인 테스트 샘플(13)의 굴절률(굴절지수, RI, Refrative Index)에 의해 변하게 된다. 또한 그 타겟(12)과 시료대(14)와의 거리 변화(Δz)에 따라서도 변한다. (시료대의 위치를 z₀라하고 타겟의 위치를 z라 할 때 Δz는 z와 z₀의 차이) 따라서, ΔD와 Δz를 확인하는 것에 의해 테스트 샘플의 굴절률을 측정할 수 있는 것이다.

여기서, 테스트 샘플의 굴절률에 따라 초점 이탈 영상(defocused image)의 변화에 대한 상세한 설명을 위해 도 2를 참조한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절계를 이용하여 촬상한 초점 이탈 영상에 대한 설명을 위해 도시한 도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, Δz가 일정한 조건하에서, 굴절률 n₁인 테스트 샘플과 굴절률 n₂ 인 테스트 샘플에 의한 초점 이탈 영상을 비교해보면, n₁< n₂인 경우 D₁ > D₂이므로 (ΔD/Δz)₁ > (ΔD/Δz)₂ 로 나타남을 알 수 있다.

이하에서는 굴절계의 구동과정 및 타겟의 상세한 구조에 대한 설명을 개시한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절계를 설명하기 위해 도시한 도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절계에 사용되는 타겟에 대한 설명을 위해 도시한 도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 굴절계는 타겟(12), 시료대(14), 대물 렌즈(20), 조리개(30), 광학 필터(50), 카메라(60) 및 이송장치(19)를 포함한다.

시료대(14), 대물 렌즈(20) 및 조리개(30)에 대한 설명은 상술한 바 있으므로 여기서는 설명을 생략한다.

타겟(12)은 시료대(14)의 상부에 위치하는 것으로 복수 개의 스팟(S, spot)이 형성된다. 이에 대한 상세한 설명을 위해 도 4를 참조한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 타겟(12)에는 복수 개의 스팟(S)들이 형성된다. 스팟들간의 간격은 동일하게 형성되며 스팟들의 배치는 격자 형상을 이룬다. 일 실시예에서는 각 스팟(S)들의 간격은 바람직하게는 50μm로 형성되며, 스팟(S)의 지름은 3μm로 형성된다. 그러나 스팟(S)들간의 간격과 스팟의 지름이 상기 일 실시예와 같이 제한되는 것은 아님에 유의해야 한다. 이러한 스팟들에 의해 광원(LS)에서 발광된 광이 시료대(14)에 포지셔닝된 테스트 샘플과 시료대(14)를 투과하여 최종적으로 이미지 평면(40)에 스팟 영상을 형성하게 된다.

다시 도 3을 참조하여 광학 필터(50) 및 이송장치(19)에 대한 설명을 개시한다.

광학 필터(50)는 광원(LS)에서 방사되는 광의 파장을 필터링하기 위해 사용되는 것으로 광파장에 따라 굴절률이 다르기 때문에 광파장에 영향 받지 않고 굴절률을 측정할 수 있도록 하기 위해 조리개(30)와 이미지 평면(40) 사이에 삽입된다. 다만, 광학 필터(50)의 위치는 상술한 위치로 제한되지 않으며, 광원(LS)와 타겟(12)사이 등 위치를 다양하게 변화하여 사용되는 것도 무방하다.

카메라(60)는 이미지 평면(40)에 맺힌 상을 촬상하는 장치로 일반적으로 사용되는 CCD 카메라가 사용될 수 있으며, CCD 카메라는 공지의 것이므로 이에 대한 별도의 상세한 설명은 생략한다.

이송장치(19)는 타겟(12)과 연결되어 타겟(12)을 상하 이동시킬 수 있도록 구비되는 장치이다. 여기서, 이송장치(19)는 정밀 제어가 가능한 피에조 구동 메카니즘(piezo drive machamism)을 사용하는 피에조 구동장치로 하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 따른 굴절계를 이용하여 테스트 샘플의 굴절률을 측정한 예시를 설명하도록 한다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절계를 이용하여 물질의 굴절률을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 스팟 영상의 분리도 ΔD는 Δz와 물질의 굴절률에 따라 변화한다. 즉, 스팟 영상의 분리도 ΔD는 타겟과 시료대와의 거리차이(Δz)가 커질수록 큰 분리도를 갖고, 동일한 Δz에서는 시료대에 포지셔닝되는 물질의 굴절률이 작은 것이 큰 굴절률을 갖는 것에 비해 더 큰 분리도를 갖는다.

또한 도 6에 도시된 바와 같이, 물질의 굴절률에 대한 (ΔD/Δz)는 물질의 굴절률이 작은 경우에 더 큰 값을 갖는다. 즉, 도 5 및 도 6을 통해 확인할 수 있듯이 물질의 굴절률에 따라 (ΔD/Δz)가 달라지기 때문에 물질의 굴절률은 이러한 변화율을 이용하여 측정할 수 있다.

여기서 도 6과 (ΔD/Δz)를 이용하여 물질의 굴절률을 측정한 실험예에 대하여 하기의 [표 1]을 참조하여 설명을 개시한다.

[표 1]

[표 1]에 나타난 바와 같이, 굴절률(RIU, Refractive Index Unit) 1.350을 갖는 RI liquid 1은 측정결과 그 굴절률이 1.3499로 측정되었으며, 표준편차는 0.0040이었다. RI liquid 2, RI liquid 3, DI water(deionized water)는 각각 굴절률이 1.4498, 1.5490, 1.3291로 측정되었다.

이와 같이 물질의 굴절률을 측정하기 위해서는 도 6에 도시된 그래프에서 피팅을 통해 구할 수도 있으며, 또는 한 두 가지의 표준 굴절률을 갖는 물질과의 비교를 통해 구할 수도 있다. 이를 위해 광학적 관계식이 유도되는데, 이를 하기의 [수학식 1]에 나타내었다.

[ 수학식 1]

여기서, n은 측정대상 테스트 샘플의 굴절률, n_ref는 표준 굴절률을 갖는 레퍼런스 물질의 굴절률, C는 상수이다.

따라서, 시료대와 타겟과의 거리(Δz) 및 초점 이탈 영상의 분리도(ΔD)를 측정하면 테스트 샘플의 굴절률을 측정할 수 있다. 한편 보다 정확한 측정으로 위해서는 대물렌즈의 배율 및 타겟의 스팟의 크기, 스팟들간의 간격을 조절하는 것도 가능함은 물론이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라, [k127] 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 사상적 범주에 속한다.

12: 타겟 14: 시료대
19: 이송장치 20: 대물 렌즈
30: 조리개 40: 이미지 평면
50: 광학 필터 60: 카메라

Claims (15)

1. 물질의 굴절률을 측정하기 위한 굴절계에 있어서,
   복수 개의 스팟을 구비한 타겟;
   상기 타겟과 연결되어 상기 타겟을 상하 이동되도록 구비되는 이송장치;
   상기 타겟의 하부에 구비되며 테스트 샘플이 포지셔닝되는 시료대;
   광원에서 방사되어 상기 타겟 및 시료대를 통과한 광을 입사받는 대물 렌즈; 및
   상기 굴절계의 이미지 평면상에 초점 이탈된 상이 형성되도록 상기 대물 렌즈에 입사된 광의 광경로를 분기시키는 조리개를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절계.
2. 제1항에 있어서, 상기 이송장치는
   상기 타겟과 상기 시료대와의 거리가 가변되도록 상기 타겟을 상하 이동시키는 피에조(piezo) 구동장치인 것을 특징으로 하는 굴절계.
3. 제1항에 있어서, 상기 타겟은
   불투명 재질로 형성되고 상기 복수 개의 스팟은 투명 재질로 형성되며, 상기 시료대는 유리로 형성되는 것임을 특징으로 하는 굴절계.
4. 제3항에 있어서, 상기 스팟은
   등간격의 격자 형상을 이루도록 배열되는 것임을 특징으로 하는 굴절계.
5. 제3항에 있어서,
   상기 불투명 재질은 크롬 스퍼터링에 의해 형성되는 것임을 특징으로 하는 굴절계.
6. 제1항에 있어서, 상기 시료대는
   상기 광원에서 방사된 광이 투과될 수 있는 재질로 형성되는 것임을 특징으로 하는 굴절계.
7. 제1항에 있어서, 상기 조리개는
   복수개의 핀홀을 구비하여 상기 핀홀의 개수만큼 상기 광의 광경로를 분기시키는 것임을 특징으로 하는 굴절계.
8. 제7항에 있어서, 상기 조리개는
   3개의 핀홀을 구비하되 상기 핀홀 간의 간격은 등간격으로 형성되는 것임을 특징으로 하는 굴절계.
9. 물질의 굴절률을 측정하기 위한 굴절계에 있어서,
   광원;
   복수 개의 스팟을 구비한 타겟;
   상기 타겟과 연결되어 상기 타겟을 상하 이동되도록 구비되는 이송장치;
   상기 타겟의 하부에 구비되며 테스트 샘플이 포지셔닝되는 시료대;
   상기 광원에서 방사되어 상기 타겟 및 시료대를 통과한 광을 입사받는 대물 렌즈;
   상기 굴절계의 이미지 평면상에 초점 이탈된 상이 형성되도록 상기 대물 렌즈에 입사된 광의 광경로를 분기시키는 조리개; 및
   상기 이미지 평면상에 형성된 초점 이탈된 상을 촬상하기 위해 구비되는 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절계.
10. 제9항에 있어서,
    상기 굴절계는 상기 광원에서 방사되는 광의 파장을 필터링하기 위해 상기 조리개와 상기 카메라 사이 또는 상기 타겟과 상기 광원 사이에 광학필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 굴절계.
11. 제9항에 있어서, 상기 이송장치는
    상기 타겟과 상기 시료대와의 거리가 가변되도록 상기 타겟을 상하 이동시키는 피에조(piezo) 구동장치인 것을 특징으로 하는 굴절계.
12. 제9항에 있어서, 상기 타겟은
    불투명 재질로 형성되고 상기 복수 개의 스팟은 투명 재질로 형성되며, 상기 스팟은 서로 등간격의 격자 형상을 이루도록 배열되는 것임을 특징으로 하는 굴절계.
13. 제12항에 있어서,
    상기 불투명 재질은 크롬 스퍼터링에 의해 형성되는 것임을 특징으로 하는 굴절계.
14. 제9항에 있어서, 상기 조리개는
    복수개의 핀홀을 구비하여 상기 핀홀의 개수만큼 상기 광의 광경로를 분기시키는 것임을 특징으로 하는 굴절계.
15. 제14항에 있어서, 상기 조리개는
    3개의 핀홀을 구비하되 상기 핀홀 간의 간격은 등간격으로 형성되는 것임을 특징으로 하는 굴절계.

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