KR101241438B1 - 구동 마이크로 미러를 이용한 포커싱 광학계를 구비하는 광학 현미경 - Google Patents

Abstract

광학 현미경이 개시된다. 개시된 광학 현미경은 광원; 상기 광원으로부터 입사된 광을 측정 대상인 시료를 향해 반사시키는 것으로, 구동 제어되는 마이크로 미러; 상기 마이크로 미러의 움직임을 제어하는 구동 제어부; 상기 시료로부터 여기된 광을 수집하는 수집 광학계; 상기 수집 광학계로부터의 광을 검출, 분석하는 분석부;를 포함하며, 상기 시료에 광이 입사되는 광경로와 시료로부터의 여기광이 상기 수집 광학계에 입사되는 광경로가 어긋나게 배치된 것을 특징으로 한다.

Description

구동 마이크로 미러를 이용한 포커싱 광학계를 구비하는 광학 현미경{Optical microscopy employing controllable driving micromirror}

본 개시는 광학 현미경에 관한 것으로, 특히, 미세 구동 제어가 가능한 마이크로미러를 이용하여 시료 관측에 필요한 광을 시료의 국소 영역에 포커싱 하는 광학 현미경에 관한 것이다.

시료의 관측에 있어서, 시료의 보고 싶은 위치에 관측에 필요한 광을 조사하고 이로부터 시료의 변화를 관찰하는 기술이 일반적으로 알려져 있다. 예를 들어, 시료의 국소영역에 자외선광을 포커싱하고, 이에 의해 여기된 형광을 렌즈 또는 파이버등으로 수집하여 시료의 상태를 분석하는 기술이 널리 사용된다.

이와 같은 측정에 있어서, 크게 두 가지 방법이 사용된다.

먼저, 자외선 광이 시료에 조사되는 광경로와 시료로부터 나오는 여기광이 수집되는 광경로가 일치하는 배치, 즉, 자외선 광의 조사방향과 시료로부터의 여기광이 렌즈등을 향하는 방향이 180도가 되는 배치를 사용하는 방법이 있다. 이러한 방법은 일반적인 현미경 구조에서 많이 사용되는 셋업이며, 관측 대상인 시료의 위치에 정확히 자외선광을 조사하고 그 위치에서 나오는 형광을 바로 수광하기 때문에 시료의 위치와 형광을 대응시키기 쉬우며 장치구성이 용이한 점이 있다. 그러나, 시료에서 산란 또는 반사되는 조사광의 일부가 시료로부터의 여기광에 섞여 함께 수집될 수 있어, 일반적으로 형광 수율이 낮아진다.

다른 방법으로, 조사광의 방향과 시료로부터의 여기광을 수집하는 방향을 90도 혹은 임의의 각도로 어긋나게 하는 배치가 사용될 수 있다. 이 경우, 조사광이 여기광에 섞여 수집되지 않으므로, 형광 수율이 보다 높아진다. 그러나, 나노소자와 같이 매우 작은 구조체의 형광성질을 연구하거나 반도체 소자의 국소영역의 형광특징 등을 알고 싶을 때 고배율의 렌즈를 이용한 포커싱이 필요한데, 렌즈 크기에 따라 포커싱 영역의 크기를 줄이는데 한계가 있다.

본 개시는 미세 구동 제어가 가능한 마이크로 미러를 이용하여 시료 관측에 필요한 광을 측면 조사 방식으로 시료의 국소 영역에 포커싱 하는 광학 현미경을 제공하고자 한다.

광원; 상기 집광 렌즈로부터 입사된 광을 측정 대상인 시료를 향해 반사시키는 것으로, 구동 제어되는 마이크로 미러; 상기 마이크로 미러의 움직임을 제어하는 구동 제어부; 상기 시료로부터 여기된 광을 수집하는 수집 광학계; 상기 수집 광학계로부터의 광을 검출, 분석하는 분석부;를 포함하며, 상기 시료에 광이 입사되는 광경로와 시료로부터의 여기광이 상기 수집 광학계에 입사되는 광경로가 어긋나게 배치된 것을 특징으로 하는 광학 현미경이 제공된다.

상기 마이크로 미러의 반사면은 평판형으로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 상기 광학 현미경은 상기 광원에서 조사된 광이 상기 마이크로 미러의 반사면을 거쳐 시료에 포커싱되도록 집속하는 집광렌즈를 더 포함할 수 있다.

상기 마이크로 미러의 반사면은 포물면으로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 상기 광학 현미경은 상기 포물면에 평행광이 입사되도록 상기 광원에서의 광을 평행광으로 콜리메이팅하는 콜리메이팅 렌즈를 더 포함할 수 있다.

상기 광원은 상기 시료에 대해 상기 수집 광학계의 맞은 편에 배치될 수 있으며, 상기 마이크로 미러는 상기 시료에 대해 상기 수집 광학계와 같은 편에 배치될 수 있다.

상기 시료가 탑재되는 영역 및 상기 집광렌즈로부터의 광이 상기 마이크로 미러를 향하도록 투과시키는 투과영역을 구비하며, 상기 마이크로 미러의 일단이 고정되는 재물대가 상기 광학 현미경에 더 구비될 수 있다.

상기 투과영역은 투광성 재질로 이루어지거나, 또는 상기 재물대를 관통하여 형성된 홀(hole)로 이루어질 수 있다.

상기 구동 제어부는 상기 반사면이 평행 이동 또는 회전 이동되도록 상기 마이크로 미러를 제어할 수 있으며, 또한, 상기 집광 렌즈가 광축을 따라 움직이도록 제어할 수 있다.

상기 수집 광학계는 적어도 하나의 대물렌즈를 구비할 수 있으며, 또는 상기 시료의 근접장 영역에서 동작하는 나노 탐침을 구비할 수 있다.

상술한 광학 현미경에 의하면, 시료에 광이 입사되는 광경로와 시료로부터의 여기광을 수광하는 광경로가 어긋나게 배치되어 있어 형광 수율이 높다.

또한, 시료의 국소영역에 광을 빗각으로 포커싱함에 있어 시료 아래에서 광을 조사하고, 시료 위에서 반사되는 방식을 사용하므로, 고배율의 렌즈를 사용하기에 편리한 광학적 배치가 된다.

따라서, 포커싱 영역의 크기를 최소화할 수 있으며 보다 정확한 포커싱 위치 제어가 가능하여 나노 크기의 소자의 측정이 가능하다.

도 1은 실시예에 따른 광학 현미경의 개략적인 구성을 보인다.
도 2 및 도 3은 마이크로 미러의 평행이동, 회전이동, 집광렌즈의 평행이동에 따라 포커싱 위치가 가변됨을 설명하는 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 광학 현미경의 개략적인 구성을 보인다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광학 현미경의 개략적인 구성을 보인다.
도 6은 도 5의 마이크로 미러의 구동에 따라 포커싱 위치가 가변됨을 설명하는 도면이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광학 현미경의 개략적인 구성을 보인다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광학 현미경의 개략적인 구성을 보인다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300, 400, 500...광학 현미경
110...광원 120...집광렌즈
130, 514...마이크로미러 140...구동 제어부
150...수집광학계 152...대물렌즈
154...나노 탐침 170...분석부
172...광검출기 174...연산부
180...표시부 510...재물대
512...액츄에이터 516...힌지부

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 광학 현미경의 개략적인 구성을 보이며, 도 2 및 도 3은 마이크로 미러의 평행이동, 회전이동, 집광렌즈의 평행이동에 의해 시료에서의 포커싱 위치가 조절되는 것을 설명하는 도면이다.

도면을 참조하면, 실시예에 따른 광학 현미경(100)은 측정 대상인 시료(S)에 광을 조사하는 광학계와 시료로부터 여기된 광을 수집, 분석하는 광학계를 포함하며, 이 때, 시료(S)에 광이 조사되는 광경로(P1)와 시료(S)로부터 여기된 광이 수집되는 광경로(P2)가 빗각을 이룬다. 시료(S)에 광이 조사될 때, 포커싱 미세 조절은 마이크로 미러(130)에 의해 행해진다.

보다 구체적으로 살펴보면, 광학 현미경(100)은 광원(100), 광원(100)으로부터 조사된 광을 모으는 집광 렌즈(120), 집광 렌즈(120)로부터 입사된 광을 측정 대상인 시료(S)를 향해 반사시키는 것으로, 구동 제어되는 마이크로 미러(130), 마이크로 미러(130)의 움직임을 제어하는 구동 제어부(140), 시료(S)로부터 여기된 광을 수집하는 수집 광학계(150), 수집 광학계(150)로부터의 광을 검출, 분석하는 분석부(170)를 포함한다.

광원(110)으로는 예를 들어, 자외선 광을 생성 조사하는 레이저 광원이 채용될 수 있으며, He-Ne 레이저, Ar 레이저, 또는 He-Cd laser 등이 채용될 수 있다. 또한, 할로겐 램프 등과 같은 램프 광원이 채용될 수도 있다.

집광 렌즈(120)는 광원(110)에서 조사된 광을 집속시켜 시료(S)에 포커싱하기 위해 마련된다. 집광 렌즈(120)로는, 작은 포커싱 영역을 만들 수 있는 대물렌즈를 사용할 수 있다. 광원(110)에서의 광은 집광 렌즈(120)를 지나면서 집속되며 마이크로 미러(130)를 향하고, 마이크로 미러(130)에서 경로 변환된 후 시료(S)의 소정 위치에 초점을 형성하게 된다.

광원(110)과 집광 렌즈(120) 사이에는 필요에 따라 추가의 렌즈 요소들이 더 마련될 수도 있다.

마이크로 미러(130)는 반사면(130a)을 구비하며, 입사된 광을 시료(S)를 향해 반사시킨다. 반사면(130a)을 굴절력이 없는 플랫면으로 도시되어 있으나. 이는 예시적인 것이고, 변형이 가능하며, 이는 다른 실시예에서 설명하기로 한다. 마이크로 미러(130)는 구동 제어부(140)에 의해 미세 구동되며, 이에 따라 시료(S)에서의 포커싱 위치가 조절된다. 마이크로 미러(130)로는 전기적 제어에 따라 반사면(130a)의 역학적 변위가 일어날 수 있는 다양한 구성이 채용될 수 있으며, 예를 들어, 일반적으로 알려진 멤스(micro electromechanical system ; MEMS) 미러, DMD(digital micromirro device) 소자등이 채용될 수 있다. 마이크로 미러(130)는 하나로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 복수개의 마이크로 미러가 2차원적으로 어레이된 구성일 수도 있다. 반사면(130a)의 방향에 따라 시료(S)에서의 포커싱 위치가 조절되는데, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 미러(130)가 평행 이동 제어됨에 따라 시료에서의 포커싱 위치가 조절될 수 있다. 또한, 구동 제어부(140)는 필요에 따라 집광 렌즈(120)가 광축을 따라 움직이도록 제어할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로 미러(130)의 회전 이동과 집광 렌즈(120)의 평행 이동에 의해 시료(S)에서의 포커싱 위치가 조절될 수 있다. 또한, 마이크로 미러(130)의 평행이동 및/또는 회전이동과 집광 렌즈(120)의 평행이동의 조합으로 시료(S)에서의 포커싱 위치가 조절되는 것도 가능하다. 시료(S) 상의 소정 위치에 초점이 형성되도록, 마이크로 미러(130)의 평행 이동, 회전 이동, 집광 렌즈(120)의 평행 이동의 정도가 적절히 조절, 조합될 수 있다.

수집 광학계(150)는 적어도 하나의 대물렌즈(152)를 구비할 수 있으며, 필요에 따라, 추가적인 렌즈 요소, 미러 요소들이 더 구비될 수 있다.

분석부(170)는 수집 광학계(150)에 수집된 광을 검출하는 광검출기(172), 광검출기(172)에서 검출된 광을 분석하여 필요한 연산을 수행하는 연산부(174)를 포함할 수 있다. 또한, 분석된 결과가 디스플레이 되는 표시부(180)가 더 구비될 수 있다.

실시예에서 광원(110) 및 집광 렌즈(120)는 시료(S)에 대해 수집 광학계(150)의 맞은 편에 배치되며, 마이크로 미러(130)는 광원(110)과 집광렌즈(120)가 형성하는 광경로상에, 시료(S)에 대해 수집 광학계(150)와 같은 편에 배치되어 있다.

이러한 배치는 시료(S)로의 조사광과 시료(S)로부터의 여기광의 경로를 다르게 하여 수집광학계(150)로 수집되는 형광 수율을 높이면서도, 시료(S)상에서의 포커싱 영역을 작게 할 수 있는 구성으로서 제안된다. 시료(S)의 측면 쪽으로부터 빗각으로 시료(S)에 광을 조사하는 경우, 시료(S)에서 여기된 광이 조사광과 섞이지 않아 이를 분리, 검출하기 위한 필터등의 구성이 불필요하여 형광 수율이 높아진다. 다만, 이 경우, 시료(S)의 국소 영역에 광을 포커싱하고자 할 때, 고배율의 렌즈가 필요해지는데, 시료(S)와 렌즈 간의 간격에 의해 시료(S)의 측부 쪽에 배치할 수 있는 렌즈의 크기에 한계가 생긴다. 즉, 국소 영역을 높은 에너지로 여기시키기 위해서는 초점거리가 짧고 배율이 큰 렌즈가 필요한데 이를 필요한 위치에 자유롭게 배치하기 어렵다. 실시예에서는 광원(110)과 집광 렌즈(120)를 시료(S)의 아래쪽, 즉, 시료(S)에 대해 수집광학계(150)의 맞은 편에 배치하고 있어 배율, 초점거리, 크기 등의 알맞은 사양에 따른 집광 렌즈(120)를 선택, 배치하기 용이하다. 또한, 미세 구동되는 마이크로 미러(130)를 채용하여, 집광 렌즈(120)로부터 집속된 광의 경로를 변환시켜 시료(S)를 향하게 하고, 포커싱 위치를 미세 조절한다. 이와 같은 배치에 따라, 국소 영역을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.

도 4는 다른 실시예에 따른 광학 현미경의 개략적인 구성을 보인다. 본 실시예는 수집 광학계(150)로 NSOM(near field scanning optical microscopy) 헤드를 도입한 점에 도 1의 실시예와 차이가 있다. NSOM 헤드는 시료(S)의 근접장 영역에서 동작하는 나노 탐침(154)을 구비한다. 나노 탐침(154)의 개구는 대략 수십 내지 수백 nm로서, 일반적인 대물 렌즈를 구비한 도 1의 광학 현미경(100)에 비해, 보다 높은 해상도로 국소 영역의 형광을 수집, 관찰할 수 있다.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 광학 현미경(300)의 개략적인 구성을 보이며, 도 6은 도 5의 광학 현미경(300)에서 마이크로 미러(330)의 구동에 따라 포커싱 위치가 조절됨을 설명하는 도면이다.

본 실시예는 마이크로 미러(330)의 반사면(330a)이 굴절력이 있는 면으로 형성된 점에 전술한 실시예들과 차이가 있다. 예를 들어, 반사면(330a)은 오목한 포물면 형상으로 형성될 수 있다. 이 경우, 광원(110)에서의 광이 반사면(330a)에 포물면 축에 평행한 방향으로 입사되는 경우, 별도의 집광렌즈가 구비되지 않더라도 포물면의 성질에 의해 소정 위치에 포커싱될 수 있다. 필요에 따라, 광원(110)과 마이크로 미러(330) 사이에는 마이크로 미러(330)에 평행광이 입사되도록, 광원(110)에서의 광을 평행광으로 콜리메이팅하는 콜리메이팅 렌즈가 더 구비될 수 있다.

포커싱 위치의 제어는 반사면(330a)의 포물면 형상에 따라 조절된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 마이크로 미러(330)의 평행이동과 회전이동을 적절히 조합하여 포커싱 위치를 제어하는 것이 가능하다. 여기서, 마이크로 미러(330)의 포물면은 하나의 면으로 이루어진 것으로 도시되어 있으나 이는 예시적인 것이다. 마이크로 미러(330)의 포물면은 플랫한 반사면을 가지는 복수의 미러 조각의 조합으로 구성될 수도 있는데, 이 경우, 각각의 미러 조각의 배치 각도를 조절함으로써, 초점 위치가 변경된 위치로 조절되는 포물면 형상을 구현할 수도 있다.

도 7은 또 다른 실시예에 따른 광학 현미경(400)의 개략적인 구성을 보인다. 본 실시예는 수집 광학계(150)로서 시료의 근접장 영역에서 동작하는 나노 탐침(154)을 구비하는 NSOM 헤드를 사용하는 점에 도 6의 실시예와 차이가 있다.

도 8은 또 다른 실시예에 따른 광학 현미경(500)의 개략적인 구성을 보인다. 실시예는 보다 구체적인 예로서, 시료(S)가 탑재되는 재물대(510)가 마이크로 미러(514)의 움직임을 지지하며, 또한, 마이크로 미러(514)에 동력을 전달하는 액츄에이터(512)가 재물대(510)에 함께 탑재된 구성이다.

재물대(510)는 시료(S)가 탑재되는 영역 및 투과영역(TA)을 구비한다. 투과영역(TA)은 광원(110)에서 조사되어 집광 렌즈(120)를 지나며 집속되는 광이 재물대(510)를 투과하여 마이크로 미러(130)를 향하도록 마련되는 것이다. 이를 위하여, 투과영역(TA)은 투광성 재질로 이루어질 수 있으며, 또는, 재물대(510)를 관통하여 형성된 홀(hole)로 이루어질 수도 있다. 또는, 재물대(510)가 전체적으로 투광성 재질로 형성되는 것도 가능하다.

투과영역(TA)의 위치는 시료(S)상의 포커싱 위치로부터 적정 범위내의 거리를 유지하여야 하는데, 예를 들어, 시료(S)의 크기가 커서 투과영역(TA)을 통과하는 위치와 시료(S) 상의 조사하려는 위치의 거리가 멀어지면, 포커싱 거리에 제한이 있기 때문에 마이크로 미러(514)를 이용해 시료(S) 상의 원하는 위치에 포커싱하기가　어려워질 수 있다. 따라서, 시료(S)의 크기가 커서 투과영역(TA)을 가리는 경우, 시료(S)가 투과영역을 가리지 않도록, 시료(S)를 관통하는 홀을 형성할 수 있을 것이다.

재물대(510)의 일 영역에는 마이크로 미러(514)와 액츄에이터(512)가 마련된다. 마이크로 미러(514)의 일단은 힌지부(516)를 구비하며, 힌지부(516)가 재물대(510)에 고정된다. 액츄에이터(512)는 마이크로미러(514)가 힌지부(516)를 축으로 하여 회동되도록 동력을 제공한다. 마이크로 미러(514)의 회동각이 조절되도록 액츄에이터(512)를 제어하는 제어부(미도시)가 재물대(510) 위에 장착될 수도 있고, 또는 별개 위치에 마련되는 것도 가능하다. 제어부는 마이크로 미러(514)의 제어 뿐 아니라, 필요에 따라, 집광렌즈(120)의 평행이동을 함께 제어할 수 있다.

도면에서, 수집광학계(150)는 나노탐침(154)을 구비하는 NSOM 헤드로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이고, NSOM 헤드 대신 대물렌즈를 구비하는 구성으로 변형되는 것도 가능하다.

도시된 구성은 재물대(510)에 측정 대상인 시료(S)외에, 마이크로 미러와 이를 구동하는 구동부가 함께 장착된 예로 제시된 것이다. 따라서, 도시된 형태에 제한되지 않으며, 이러한 목적에 알맞게 다양한 변형이 가능하다.

상술한 광학 현미경은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 광원;
   상기 광원으로부터의 광이 투과되는 투과 영역을 구비하며, 측정 대상인 시료가 탑재되는 재물대;
   상기 재물대 상에 회전 가능하게 장착되어, 상기 광원에서 조사되고 상기 투과영역을 투과한 광을 상기 시료를 향해 반사시키는 마이크로 미러;
   상기 광원에서 조사된 광이 상기 마이크로 미러의 반사면을 거쳐 시료에 포커싱되도록, 상기 광원과 상기 투과영역 사이에 배치된 집광렌즈;
   상기 마이크로 미러의 움직임을 제어하는 구동 제어부;
   상기 시료로부터 여기된 광을 수집하는 수집 광학계;
   상기 수집 광학계로부터의 광을 검출, 분석하는 분석부;를 포함하며,
   시료에 대해 상기 수집광학계의 맞은 편에 상기 집광렌즈가 배치되어, 시료에 광이 입사되는 광경로와 시료로부터의 여기광이 상기 수집 광학계에 입사되는 광경로가 서로 겹치지 않고 분리되는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
7. 제6항에 있어서,
   상기 투과영역은 투광성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
8. 제6항에 있어서,
   상기 투과영역은 상기 재물대를 관통하여 형성된 홀(hole)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제6항에 있어서,
    상기 수집 광학계는 적어도 하나의 대물렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
13. 제6항에 있어서,
    상기 수집 광학계는 상기 시료의 근접장 영역에서 동작하는 나노 탐침을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.

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