KR101817110B1

KR101817110B1 - 비축 간섭계

Info

Publication number: KR101817110B1
Application number: KR1020127011794A
Authority: KR
Inventors: 프랭크 뒤부아; 캐서린 유라쇼스키
Original assignee: 유니베르시테 리브레 드 브룩크젤즈
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2018-02-21
Also published as: CA2772735C; BR112012007766A2; WO2011042442A1; CN102576209A; IN2012DN01700A; JP2013507647A; CN102576209B; KR20120093270A; BR112012007766B1; JP5914340B2; US20120200901A1; CA2772735A1; US9207638B2

Abstract

본 발명은, 기록면(recording plane)(10); 상기 기록면과 광학적으로 쌍을 이루는(optically conjugated) 평면에 위치되는 회절격자(grating)(G)를 포함하고, 상기 회절격자(G)는 제 1 및 제 2 광행로(optical path)를 규정하며, 상기 광행로는 서로 다른 회절 순서(diffraction order)에 대응하는, 비축(off-axis) 디지털 홀로그램 현미경(holographic microscopy)을 위한 간섭계(interferometer)(15)에 관한 것이다.

Description

비축 간섭계{Off-axis interferometer}

본 발명은 비축 간섭계(off-axis interferometer) 및 장치 내에서 그 용도(use) 뿐만 아니라, 비축 디지털 홀로그래피 현미경(holographic microscopy)에 관한 것이다.

종래의 간섭계에 있어서, 입사광(incident light)은 일반적으로 오브젝트 빔(object beam)과 기준 빔(reference beam)으로 나누어지고, 그 후 오브젝트 빔과 기준 빔이 간섭되어, 간섭 프린지(interference fringe)를 생성하는 기록면(recording plane) 상에 재결합된다(recombined). 그러한 장치의 목적은 광의 복잡한 진폭(complex amplitude)을 측정하는 것이다(즉, 위상(phase) 및 진폭 정보).

일반적으로, 그러한 측정에 사용되는 광은, 레이저에 의해 생성된 광과 같이, 높은 일관성(coherency)을 가진다. 이는, 일관성 잡음(coherent noise)(스페클 필드(speckle field)) 및 일관성이 높은 광원에 대하여 높은 비용과 같은, 몇 가지 단점을 가진다.

많은 경우에, 미국특허 US 7,002,691호에 개시된 바와 같은 저주파 공간적 헤테로다인 프린지(low frequency spatially heterodyne fringe)를 얻기 위하여 오브젝트 빔과 기준 빔 사이에 작은 각이 적용된다(introduced). 이러한 종류의 구성은, 간섭계 축과 간섭하는 빔 중 하나 사이의 비제로각(non-zero angle)으로 인해 일반적으로 비축 구성이라 불린다.

그러한 비축 구성에 있어서, 높은 간섭 입사광(coherent incident light)은 간섭(interference)을 관측하는 것을 강제한다(compulsory). 기준 빔과 오브젝트 빔 사이의 경로 길이가 차이가 입사 빔의 간섭 길이(coherence length) 보다 크면, 간섭이 관측될 수 없고, 위상 정보는 잃게 된다.

이는, 일시적 부분 간섭광(temporarilly partially coherent light)에 대하여, 작은 각도가 적용된 기록면의 다른 위치에서 경로 길이의 차이는 일관성(coherency)을 무너뜨리기(disrupt) 충분할 수 있고, 따라서 간섭은, 일관성이 유지되는 기록면의 일부에서만 관측된다.

위상과 진폭(또는 복합(complex) 진폭) 정보의 기록은, 일반적으로, 홀로그래피, 더 상세하게는, 디지털 홀로그래피 현미경(digital holographic microscope, DHM)에 기반한다. DHM에 있어서, 홀로그램은 CCD 카메라로 기록되고 관측된 샘플의 3D 모델의 재구축은 컴퓨터에 의해 수행된다. 홀로그램은 간섭계의 사용에 의해 얻어진다. 이러한 처리는, 재포커싱(refocusing), 슬라이스 바이 슬라이스(slice-by-slice), 두꺼운 샘플의 깊이 이미지에 대하여 효과적인 도구를 제공한다. DHM은 생물학적 샘플의 관측과 같은 수많은 적용으로 양적 위상 콘트라스트 이미징(quantitive phase contrast imaging)을 얻도록 한다. 깊이 재구축 능력(depth reconstruction capability)은 3D 속도계(velocimetry)의 구현에 있어서 DHM을 강력한 도구로 만들어 주었다. 디지털 홀로그래피가 복합 진폭을 제공하므로, 자동 재포커싱, 수차 보상(aberration compensation), 3D 패턴 재인식(recognition), 분할(segmentation) 및 경계 처리(border processing)와 같은 강력한 처리방법이 개발되었다.

디지털 홀로그래피의 요점(principal)은, 분리된 오브젝트 빔과 기준 빔으로, 기록된 오브젝트 빔과 기준 빔 사이의 간섭 패턴(interference pattern)으로부터 오브젝트 빔의 복합 진폭 정보를 추출하는 데 있다. 복합 진폭은 컴퓨팅 디지털 재포커싱을 위하여 및 양적 위상 콘트라스트 이미징의 위하여 처리될 수 있다. 여기에는 온라인 구성(on-line configuration)과 비축 구성(off-axis configuration)의 2가지의 구성 형태가 있다.

복합 진폭은 일반적으로 Mach-Zehnder 또는 Michelson 간섭계와 같은 간섭계를 이용하여 얻어진다.

온라인 구성에 있어서, "Phase-shifting digital holography", I. YAMAGUCHI et al., Opt. Lett. 22, 1268-1270 (1997)에 개시된 바와 같이, 카메라 센서에 입사하는 기준 및 오브젝트 빔 사이의 각도는 가능한 한 작다. 복합 진폭의 계산은 복수의 간섭 이미지(interferometric image)가 오브젝트 및 기준 빔 사이에 입사된 작은 광행로 변화(small optical path changes)로 기록되는 위상 스텝법(phase stepping method)을 요구한다. 광행로 정보는 복수의 간섭 이미지를 공식에 적용하여 계산된다.

온라인 구성의 주된 단점은, 카메라 프레임 레이트(camera frame rate)로 인해 취득속도(aqusition speed)를 제한하는 복수의 간섭 이미지를 순차적으로 기록하는(aequentially recording) 것에 대한 요구이다. 실제로, 오브젝트는 복수 프레임 기록의 시간이 걸리는 취득(acquisition)이 완료될 동안 정적으로 유지되어야(reamin static) 한다.

비축 구성에 있어서는, 미국특허 US 6,525,821호 및 "Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry", TAKEDA et al., J. Opt. Soc. Am. 72, 156-160 (1982)에 개시된 바와 같이, 오직 하나의 기록된 간섭 이미지로부터 복합 짐폭 계산을 가능하게 하는 오브젝트와 기준 빔 사이의 비제로 평균각(non-zero mean angle)이 존재한다. 온라인 구성에 대하여, 이는 빠르게 변화하는 현상의 분석을 위해 결정적인 이점이다. 그러나, 그러한 구성에서 Mach-Zehnder 또는 Michelson 간섭계의 이용은 높은 임시 간섭(high temporal coherence)의 광원을 요구한다. 그렇지 않으면, 오브젝트와 기준 빔 사이의 시야(field of view)를 넘는(over)가변 광학 지연(variable optical delay)로 인해 프린지 변조(fringe modulation)는 일정하지 않다(not constant).

"Improved three-dimensional imageing with digital holography microscope using partial spatial coherent source", DUBOIS et al., Appl. Opt. 38, 7085-7094 (1999)에 개시된 바와 같이, 부분 간섭 조명의 사용은 간섭 인공 잡음(coherent artefact noise)을 감소함으로써 홀로그래피 기록의 품질을 개선한다. 투과(transmission)에 있어서, 가장 유효한 잡음 감소는 공간 부분 간섭 조명(spatial partial coherent illumination)을 이용함으로써 얻어진다. 이러한 형식의 조명은, 레이저 빔의 간섭 특성을 감소함으로써 얻어지거나, 또는, 광학 필터링 시스템(opticla filtering system)에 의해 발광다이오드와 같은 비간섭 광원의 공간 간섭을 증가함으로써 얻어진다.

레이저의 공간 간섭을 감소하기 위해 사용되는 일반적인 구성으로, 레이저 빔은 이동 그라운드 글래스(moving ground glass)에 근접하여 포커스된다. 그라운드 글래스의 주어진 위치에 대하여, 샘플을 통하여 투과된 광은 스페클 필드(speckle field)이다. 그라운드 글래스가 이동하고, 노출 시간(exposure time)이 평균적인 효과(averaging effect)를 얻기에 충분한 것으로 가정하면, 이러한 형태의 광원은 공간 간섭 거리가 평균 스페클 필드와 등가인 공간 부분 간섭 광원과 등가인 것으로 나타낼 수 있다. 광원을 마련하기 위한 이러한 방법은 비축 방법을 가능하게 하는 임시 간섭의 높은 등급을 유지한다. 그러나, 짧은 노출시간이 요구되면 조명 변동(illumination fluctuations)이 발생한다. 실제로는, 짧은 노출시간을 요구하는 동적 오브젝트(dynamical object)를 기록할 수 있도록 충분히 빠른 이동 그라운드 글래스를 얻기는 어렵다.

비간섭 광원 또는 비레이저 광원의 공간 간섭을 증가하는 구성으로, 임시 비간섭 특성은 유지된다. 그러한 경우, 비축 구성을 구현하는 것은 불가능하며, 하나의 단일 프레임에서 전체(full) 복합 진폭 정보를 기록하는 것 또한 불가능하다.

샘플의 위치를 고려하여, 유럽 특허 EP 1631788호에 개시된 바와 같이, 간섭계의 정면에(front) 샘플이 위치되는, 차분 구성(differential configuration) 및 유럽 특허 EP 1399730호에 개시된 바와 같은, 한섭계의 암(arm) 중 하나에 샘플이 위치되는, 클래식 구성(classical configuration)의 2개의 주된 구성형태가 정의될 수 있다.

"resolution-enhanced approaches in digital holography" (Optical Measurement Systems for Industrial inspection VI, Proc. of SPIE, Vol. 7389, 738905-1) Paturzo et Al.에는, 해상도(resolution)를 증가하기 위해 회절격자(grating)가 사용되는 장치가 개시되어 있다. 개시된 구성에서, 복수의 회절 광행로(diffracted optical path)가 광학계의 개구수(numerical aperture)를 증가하기 위해 사용된다. 그러한 서로 다른 회절 광행로는 비축 기록면에 히트(hit)하지만, 공간 및 임시 간섭은 유지되지 않는다. 이는, 이하의 본 발명의 상세한 설명에서 후술하는 바와 같이, 오브젝트면(object plane)의 디락 델타(Dirac delta) 형태의 광강도 펄스(light intencity pulse)가 모든 광행로에 대하여 기록면 전체에 동시에 도달하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 비간섭 광원의 경우, 기록면의 일부에서 위상 정보가 손실된다(lost).

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래기술의 간섭계의 단점을 극복할 수 있는 간섭계를 제공하고자 하는 것이다.

더 상세하게는, 본 발명의 목적은, 부분 간섭 광원(partially coherent light source)과 함께 작용할(work) 수 있는 비축 간섭계를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 부분 임시(partial temporal) 및/또는 공간 간섭 광원(sptial coherent source)과 함께 비축 구성의 사용을 가능하게 하는, 디지털 홀로그래픽 현미경(digital holographic microscope, DHM) 구성을 제공하고자 하는 것이다. 이는, 결과적으로 매우 낮은 잡음 레벨에서 빠른 컬러 디지털 홀로그래피 기록을 구현 가능하게 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 비축 구성을 가지는 비간섭 광원(incoherent source)으로부터 생성된 부분 간섭 광원의 사용을 가능하게 하는 디지털 홀로그래피 현미경을 제공하고자 하는 것이다. 여기서, 레이저(간섭 잡음(coherent noise))를 가지는 구성으로부터 야기되는 변동(fluctuations)의 단점이 없이 고속 모드로 현미경을 동작하도록 하는 점이 중요한 개선점이다. 더욱이, 이러한 구현은 LED와 같은 저가(low cost) 광원의 사용을 가능하게 하고, 간섭 잡음이 없는 풀컬러 디지털 홀로그래피 현미경을 제공하기 위해 적-녹-청(red-green-blue) 홀로그램을 동시에 기록 가능하게 한다.

본 발명의 제 1 형태는 비축 디지털 홀로그래픽 현미경을 위한 간섭계에 관한 것으로, 상기 간섭계는,

- 상기 간섭계의 광축(optical axis)과 수직인(perpendicular) 기록면(recording plane);

- 상기 기록면에 입사하는 제 1 광행로(optical path) 및 제 2 광행로를 규정하고(defining), 상기 제 1 및 제 2 광행로는 비평행(non-parallel)인 광학수단(optical means)을 포함하고,

상기 광학수단은, 상기 제 1 및 제 2 광행로를 따라 전파하는(propagating) 일시적 부분 간섭 광빔(temporally partially coherent light beam)이 상기 기록면 상의 위치에 독립적인(independent) 프린지 콘트라스트(fringe contrast)를 생성(produce) 및 간섭(interfere) 가능한 것을 특징으로 한다.

비축에 의해, 적어도 하나의 간섭하는 광빔은 간섭계 축에 대하여 비제로각(non-zero angle)을 가지는 것을 의미하며, 또는, 마찬가지로(equivantly), 간섭하는 광빔들이 비평행인 것을 의미한다.

특정한 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 간섭계는, 이하의 특징들 중 적어도 하나 또는 적절한 조합을 더 포함한다.

- 상기 광학수단은, 회절 광빔(diffracted light beams)을 생성하기 위해 상기 기록면과 광학적으로 쌍을 이루는(conjugated) 회절격자(grating)을 포함하고,

- 상기 회절격자는 Ronchi 격자(Ronchi grating), 블레이즈 회절격자(blazed diffraction grating) 및 두꺼운 위상 홀로그래피 격자(thick phase holographic grating)로 구성되는 그룹으로부터 선택되며,

- 상기 광학수단은, 제 1 렌즈를 더 포함하고, 상기 회절격자는 상기 제 1 렌즈의 후초점면(back focal plane)에 위치되며,

- 상기 광학수단은, 제 2 렌즈를 더 포함하고, 상기 회절격자는 상기 제 2 렌즈의 전초점면(front focal plane)에 위치되며,

- 상기 간섭계는, 상기 제 2 렌즈와 광학적으로 결합되는(optically coupled) 제 3 렌즈를 더 포함하고, 상기 기록면은 상기 제 3 렌즈의 후초점면에 위치되며,

- 상기 간섭계는, 차분 간섭 프린지 패턴(differential interfering fringe pattern)을 생성하기 위해 상기 기록면 상의 상기 제 1 및 제 2 광행로 중 적어도 하나에 전파하는 광빔에 의해 생성된 패턴의 천이(shift)를 유도하기(inducing) 위하여 상기 제 1 및 제 2 광행로 중 적어도 하나에 위치되는 웨지(wedge)를 더 포함하고,

- 상기 간섭계는, 초과 회절 광빔(excess diffracted light beams)을 멈추기 위한 광학 스톱(optical stop)을 더 포함한다.

광학계(optical system)에서 광학적으로 쌍을 이루는(conjugate) 두 평면에 의해, 평면 중 하나는 다른 것의 광학 이미지임을 의미한다.

선택적으로, 본 발명의 비축 홀로그래피 현미경을 위한 간섭계는,

- 기록면(recording plane);

- 상기 기록면과 광학적으로 쌍을 이루는(optically conjugated) 평면에 위치되고, 제 1 및 제 2 광행로(optical path)를 규정하며, 상기 광행로는 서로 다른 회절 오더(diffraction order)에 대응하는 회절격자(grating)를 포함한다.

주기(periodicity) d를 가지는 회절격자는 입사 빔을 다음의 식을 만족하는 복수의 빔으로 분리하며,

d(sin θ_m + sin θ_i) = mλ

여기서, θ_m은 회절 광빔과 격자 법선(grating normal) 사이의 각도이고, θ_i는 입사 광빔과 회절 법선 사이의 각도이며, λ는 광파장(light wavelength) 이고, m은 "회절 계수(diffraction order)"라 불리는 정수이다.

직접 투과(direct transmission)(또는, 반사 회절(reflection grating)의 경우 정반사(specular reflection))에 대응하는 광은 제로 오더(zero order)라 불리며, m = 0으로 나타내진다. 다른 광은 비제로 정수 m에 의해 나타내지는 각도에서 발생한다. 여기서, m은 양수 또는 음수일 수 있고, 결과적으로 제로 오더 빔의 양측에 회절 오더(diffracted order)를 야기함에 유념해야 한다.

바람직하게는, 상기 간섭계는 제 1 렌즈를 더 포함하고, 상기 회절격자는 상기 제 1 렌즈의 후초점면에 위치된다.

바람직하게는, 상기 간섭계는 제 2 렌즈를 더 포함하고, 상기 회절격자는 상기 제 2 렌즈의 전초점면에 위치된다.

바람직하게는, 상기 간섭계는 상기 제 2 렌즈와 광학적으로 결합되는 제 3 렌즈를 더 포함하고, 상기 기록면은 상기 제 3 렌즈의 후초점면에 위치된다.

바람직하게는, 상기 간섭계는, 차분 간섭 프린지 패턴(differential interfering fringe pattern)을 생성하기 위해 상기 기록면 상의 상기 제 1 및 제 2 광행로 중 적어도 하나에 전파하는(propagating) 광빔에 의해 생성된 패턴의 천이를 유도하기(inducing) 위하여 상기 제 1 및 제 2 광행로 중 적어도 하나에 위치되는 웨지(wedge)를 더 포함한다.

본 발명의 제 2 형태는,

- 상기에 기재된 간섭계;

- 현미경 대물렌즈(microscope objective);

- 상기 현미경 대물렌즈의 전초점면에 위치되어 연구될(to be studied) 표본(specimen)을 수용(hold) 가능하며, 상기 기록면과 광학적으로 쌍을 이루는 오브젝트 셀(object cell);

제 1 부분 간섭 광빔(partially coherent light beam)을 생성 가능한 부분 간섭 광원(partially coherent light source)을 포함하는 디지털 홀로그래피 현미경에 관한 것이다.

특정 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 디지털 홀로그래픽 현미경은 이하의 특징들 중 적어도 하나 또는 적절한 조합을 더 포함한다.

- 오브젝트 셀은 제 1 광빔에 의해 조명되고, 상기 현미경 대물렌즈는 상기 간섭계의 정면에 위치되며,

- 상기 디지털 홀로그래픽 현미경은,

ο 제 1 빔 스플리터(beam splitter) 및 제 2 빔 스플리터를 포함하고, 상기 제 1 빔 스플리터는 상기 제 1 광빔을 제 2 광빔과 제 3 광빔으로 분리 가능한, Mach-Zehnder 간섭계;

ο 상기 회절격자 상에 상기 제 3 광빔을 포커싱(focusing) 하기 위해 상기 제 3 광빔의 광행로에 위치되는 제 1 렌즈;

ο 상기 제 1 렌즈와 동일한 광축(optical axis)을 가지고 적어도 하나의 비제로 오더 회절 광빔(non-zero order diffracted light beam)을 생성하기 위해 상기 회절격자의 초점 거리(focal distance)에 위치되며, 상기 제 2 광빔과 상기 회절 광빔을 재결합된 빔(recombined beam)으로 재결합하기 위해 상기 제 2 빔 스플리터가 배치되는, 제 2 렌즈;

ο 상기 제 3 광빔의 제로 오더(zero order) 회절광을 멈추기 위한 광학 스톱;

ο 상기 제 2 광빔과 상기 회절 광빔 사이의 상호작용(interaction)에 의해 생성된 간섭신호(interferometic signals)를 기록 가능하고, 상기 간섭계의 상기 기록면 상에 위치되는 기록수단(recording means);

ο 상기 기록수단 상에 상기 제결합된 빔을 포커싱하는 포커싱(L7) 수단(focusing means)을 더 포함하고,

- 상기 샘플 홀더 및 현미경 대물렌즈는, 상기 제 1 빔 스플리터의 정면에 위치되고, 차분 홀로그래피 구성(differential holographic configuration)을 규정하며(defining),

- 상기 샘플 홀더 및 현미경 대물렌즈는 상기 제 2 광빔의 광행로에 위치되고,

- 제 2 현미경 대물렌즈는 상기 제 3 광빔의 광행로에 위치되며,

- 상기 디지털 홀로그래피 현미경은, 상기 제 2 광빔과 상기 제 3 광빔의 광행로를 일치화(equalizing) 하기 위한 보상수단(compensating means)을 더 포함하고,

- 상기 보상수단은 상기 샘플 홀더를 보상하기 위한 수단 및/또는 상기 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈를 보상하기 위한 2개의 렌즈를 포함하며,

- 상기 디지털 홀로그래피 현미경은, 반사체(reflect object)를 조명하기(illuminating) 위해 제 2 광경로 상에 위치되는 제 3 빔 스플리터 및 Mach-Zehnder 형상(geometry)을 규정하는, 반사거울(reflecting mirror)을 조명하기 위해 제 3 광경로 상에 위치되는 제 4 빔 스플리터를 더 포함하고,

- 상기 부분 간섭 광원은 LED, 가스 방전등(gas discharge lamp) 및 펄스 레이저(pulse laser)를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 조명수단(illumination means)을 포함하며,

- 상기 부분 간섭 광원은 열 광원(thermal light source)을 포함하고, 바람직하게는, 그 스펙트럼 폭(spectral width)을 감소하기 위해 필터링되고,

- 상기 부분 간섭 광원은 제 1 조명렌즈(illumination lens), 스크린의 핀홀(pinhole) 및 부분 간섭 광빔을 생성하기 위한 제 2 조명렌즈를 더 포함하며,

- 상기 기록수단은 색 감지(colour sensitive) 기록수단이며, 상기 광원은, 색 홀로그래피 인터페로그램(colour holographic interferogram)을 기록하기 위해, 적어도 3개의 별도의 파장(separate wavelength)을 동시에 생성하고, 상기 별도의 파장은, 색 재구성(colour reconstruction)을 위해 CMY(Cyan Magenta Yellow) 또는 RGB(Red Green Blue)에 대응하고,

- 상기 광원은, 적어도 3개의 서로 다른 파장의 LED를 포함하며,

- 상기 디지털 홀로그래피 현미경은, 상기 샘플 홀더와 광학적으로 결합되는(optically coupled) 형광 여기 광원(fluorescence excitation source)을 더 포함하고,

- 상기 디지털 홀로그래피 현미경은, 상기 여기 광원으로부터 상기 기록면에 도달하기 위해 발생하는 광의 투과를 방지하기 위한 배리어 필터(barrier filter)를 더 포함한다.

"본질적으로 등가"(essentially equivalent)인 것에 의해, 제 2 및 제 3 광빔의 광행로는 광원의 간섭 길이(coherent length)보다 작은 위상 천이(phase shift)를 야기함을 의미한다. 이는, 광행로 길이를 동일화(equalizing) 함으로써, 또한, 회절 격자, 광학 스톱을 제외하고, 각 경로 상의 광원으로부터 동일한 거리에 동일한 광학 활성소자(optically active element)를 적용함으로써, 달성될 수 있고, 결과적으로, 오브젝트가 관측될 수 있다.

본 발명의 제 3 형태는,

- 일시적 부분 간섭인 입사 광빔(incident light beam)(9)을 제공하는(providing) 단계;

- 적어도 2개의 회절 광빔을 생성하기 위해 상기 입사 광빔을 회절격자 상에 포커싱(focusing) 하는 단계;

- 상기 입사 광빔에 평행인 평행 회절광빔을 얻기 위해 상기 회절 광빔을 무한대(infinite)로 포커싱 하는 단계;

- 상기 평행 회절 광빔을 상기 기록면 상에 포커싱 하고, 상기 기록면 내의 위치에 독립적인 프린지 콘트라스트를 생성하는(producing) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 비평행 일시적(non-parallel temporally) 부분 간섭 광빔 사이의 프린지 콘트라스트(fringe contrast)를 생성하는 방법에 관한 것이다.

제 3 회절 광빔은 제로 오더 또는 비제로 오더 회절 광빔일 수 있고, 비제로 오더 광빔은 비축 광빔을 생성한다.

본 발명의 제 4 형태는,

- 제 1 부분 간섭 광빔을 생성하는 부분 간섭 광원을 제공하는 단계;

- 상기 제 1 부분 간섭 광빔을 제 2 광빔과 제 3 광빔으로 분할하는(splitting) 단계;

- 상기 제 3 광빔을 비제로 오더 회절 광빔과 제로 오더 회절 광빔으로 분할하기 위해 상기 제 3 광빔을 회절격자 상에 포커싱 하는 단계;

- 평행 및 공간적으로 분리된(parallel and spatially separated) 비제로 오더 회절 광빔과 제로 오더 회절 광빔을 얻기 위하여 상기 비제로 오더 광빔과 상기 제로 오더 광빔을 무한대로 포커싱하는 단계;

- 상기 제로 오더 회절 광빔을 멈추는(stopping) 단계;

- 상기 비제로 회절 광빔과 상기 제 2 광빔을 재결합 빔(recombined beam)으로 결합하는(combining) 단계;

- 비축 인터페로그램(interferogram)을 얻기 위해 상기 재결합 빔을 기록수단 상에 포커싱 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그램을 기록하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 종래기술의 간섭계의 단점을 극복할 수 있는 간섭계를 제공할 수 있다.

더 상세하게는, 본 발명에 따르면, 부분 간섭 광원(partially coherent light source)과 함께 작용할(work) 수 있는 비축 간섭계를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 부분 임시(partial temporal) 및/또는 공간 간섭 광원(sptial coherent source)과 함께 비축 구성의 사용을 가능하게 하는, 디지털 홀로그래픽 현미경(digital holographic microscope, DHM) 구성을 제공할 수 있다. 이는, 결과적으로 매우 낮은 잡음 레벨에서 빠른 컬러 디지털 홀로그래피 기록을 구현 가능하게 한다.

아울러, 본 발명에 따르면, 비축 구성을 가지는 비간섭 광원(incoherent source)으로부터 생성된 부분 간섭 광원의 사용을 가능하게 하는 디지털 홀로그래피 현미경을 제공할 수 있다. 여기서, 레이저(간섭 잡음(coherent noise))를 가지는 구성으로부터 야기되는 변동(fluctuations)의 단점이 없이 고속 모드로 현미경을 동작하도록 하는 점이 중요한 개선점이다. 더욱이, 이러한 구현은 LED와 같은 저가(low cost) 광원의 사용을 가능하게 하고, 간섭 잡음이 없는 풀컬러 디지털 홀로그래피 현미경을 제공하기 위해 적-녹-청(red-green-blue) 홀로그램을 동시에 기록 가능하게 한다.

도 1은 평면에서 2개의 교차하는 간섭 빔(secant interfering beam) 사이의 일관성(limitation of coherency)의 한계를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 간섭계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 간섭계를 포함하여 차분 모드(differential mode)에서 동작하는 투과(transmission) 디지털 홀로그래피 현미경을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 간섭계를 포함하는 투과 디지털 홀로그래피 현미경을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 간섭계를 포함하는 반사(reflexion) 디지털 홀로그래피 현미경을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 간섭계를 포함하여 차분 모드에서 동작하는 투과 디지털 홀로그래피 현미경을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 간섭계를 포함하여 형광 기능(fluorescence capabilities)을 가지는 투과 디지털 홀로그래피 현미경을 나타내는 도면이다.

간섭계에 있어서, 부분 간섭광(partially coherent light)이 사용되면, 간섭 프린지(coherent fringe)를 관측하기 위해 기록면에 입사광의 간섭을 유지하는 것이 요점이다. 많은 경우에 있어서, 간섭 프린지는 제 1(입사) 광빔을 제 2 및 제 3 광빔으로 분리하고(splitting), 제 3 및 제 2 광빔을 그들 사이에 적용되는 작은 각도로 재결합(recombining) 함으로써 얻어진다.

이 경우, 부분 간섭 입사광(분석될 광)의 작은 간섭 길이(small coherence length)는, 두 빔의 간섭면(coherence plane)은 비평행(non-parallel)이고, 그들은 오직 두 평면 사이의 교차점(intersection)의 작은 영역(small area)에서만 간섭 가능하며, 간섭면 사이의 거리가 간섭 길이보다 크면 어떠한 간섭도 관측되지 않는다는 강한 제한(strong limitation)을 야기한다.

이는 평면에 수직인 광빔이, 상기 평면으로부터 비축 α를 가지는 비평행 광빔인, 다른 광빔과 간섭하는 것을 나타내는 도 1에 나타나 있다. 나타낸 바와 같이, 비평행광은, 간섭이 관측되는 제한된 영역(limited area)(13)을 규정하는 간섭 길이보다 작은 거리의, 간섭면(coherency plane)(14)의 부근(vicinity)에서만 간섭(간섭 가능) 하다.

본 발명은, 간섭 광빔의 간섭면이 기록면 부근의 광빔의 전파 방향에 수직이 아닌 간섭계를 개시하고 있다. 이는, 수직 광빔과 간섭하고 기록면 상의 위치에 독립적인 프린지 콘스탄트를 생성하는 비수직 광빔이 가능한 결과를 야기한다. 이는, LED, 가스 방전등(gas discharge lamp) 등에 의해 생성된 광과 같은, 제한된 간섭 길이를 가지는 광의 경우에도, 비축 간섭 프린지(공간적 헤테로다인 프린지(spatially heterodyne fringe))의 기록이 가능하게 한다.

제 1(입사) 광빔으로서 부분 임시 간섭 광빔(partial temporal coherent light beam)을 사용하면, 종래기술의 간섭계의 제 2 및 제 3 광빔은 간섭 길이에 의해 정의되는 대응하는 구역(corresponding zones)에서만 간섭이 가능하다. 이는, 광행로 길이와 제 2 및 제 3 광빔 사이의 광행로 상의 광학소자(opticla devices)에 기인한 위상 천이의 차이가 광원의 간섭 길이보다 작게 유지되어야 함을 의미한다.

임시 간섭(temporal coherence)은, 시간 간격(time interval) τ에 의해 분할된 임의의 시간쌍(pair of time)에서의 파형(wave)의 값 사이의 평균 상관(averagr correlation)의 측정이다. 이는 파형이 서로 다른 시간에 자신과 간섭 가능한지 아닌지를 특징으로 한다. 위상 또는 진폭이 유의미한 양(significant amount)만큼 변화하는(즉, 상관이 유의미한 양만큼 감소하는) 시간 간격은 간섭 시간(coherence time) τ_c로 정의된다. τ = 0에서 간섭의 정도(degree)는 완전하고(perfect), 반면, 시간 간격 τ_c에서 유의미하게 떨어진다(drops). 간섭 길이 L_c는 시간 τ_c 동안 파형이 지나가는(travel) 거리로 정의된다. 간섭 길이는 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, λ는 광 파장(light wavelength), Δλ는 광원의 스펙트럼 폭(spectral width), n은 전파 굴절률(propagating refractive index)이다. 일반적인 LED 광원에 대하여, 이는 수 내지 수십 개의 파장을 나타낸다. 예를 들면, 650nm의 파장과 15nm의 스펙트럼 밴드 폭(bandwidth)(상용 LED의 전형적인 값)을 가지는 LED에 대하여, 간섭 길이는 약 20λ이다. 이는, 비축 기준 빔이, 기록면의 어느 위치에서도, 간섭시간 이상의 위상 천이를 가질 수 없음을 의미한다. 이는 또한, 기준 빔과 오브젝트 빔 사이의 각도 차이에 의해 야기되는 프린지의 수가 대략, 강력한 제한인, 20을 넘지 못함을 의미한다.

제한된 간섭 시간은 또한, 초단펄스 레이저(ultra-short pulse laser)의 펄스 지속시간(pulse duration)으로부터 발생할 수도 있다. 일반적으로, 그러한 펄스 레이저는 수 펨토초의 지속시간을 가지고, 따라서 펄스 길이는 수 파장으로 제한된다. 그 경우, 간섭 시간은 펄스 지속시간과 동일하다. 다시, 이는 기준 빔과 오브젝트 빔 사이의 각도 차이에 의해 야기되는 프린지의 수가 펄스 길이를 나타내는 파장의 수보다 클 수 없음을 의미한다.

바람직하게는, 두 경우에 모두 이러한 제한을 회피하기 위해, 본 발명은 기록면에서 간섭하는 빔의 임시 간섭을 무너뜨리지(disrupting) 않고 비축 기준 빔을 생성하기 위하여 회절 격자(diffraction grating)의 특별한 특성의 이점을 취한다.

본 발명의 간섭계(15)에 있어서, 회절격자(G)는 입사 광빔(9)의 광축 상에 위치되는 렌즈(L5)의 후초점면에 위치된다. 회절격자(G)는 입사광빔(9)을 회절 빔(5)(기준)과 비회절 광빔(7)(최종적으로 오브젝트 빔이 되는)으로 분리한다. 그 후, 제 2 렌즈(L6)가 회절격자(G)의 초점거리에 위치되고, 회절 빔과 비회절 빔 모두를 광축에 평행인 빔으로 재구성(reshape) 한다. L5, L6 및 회절격자(G)는, L6 뒤에, 공간적으로 분리된 2개의 광빔인, 회절 빔과 비회절 광빔을 얻기 위해 선택된다. 비회절 광빔은 오브젝트 빔이 될 수도 있고, 또는, 광학 스톱에 의해 제거될 수도 있다. 후자의 경우, 후술하는 바와 같이 하여, 다른 오브젝트 빔이 더 큰 광학 구조에 의해 생성될 수 있다. 회절 빔은 그 후 오브젝트 빔과 재결합되고 기록면 상의 오브젝트 렌즈(L7)의 수단에 의해 포커싱되며, 기록면은 L7의 후초점면에 위치된다.

회절 빔은 L7의 광축에 평행하나, 이 광축 상에 중심이 위치되지는 않으며(not centred), L7은 상기한 회절 빔에 대하여 비축 각도를 제공한다.

선택적으로, 간섭 광빔은, 서로 다른 회절 오더를 가지는 임의의 회절 광빔쌍일 수 있다. 예를 들면, +1 오더 회절 광빔이 기준 광빔으로서 선택될 수 있고, -1 오더 대칭(symmetrical) 회절 광빔이 오브젝트 빔으로서 선택될 수 있다.

바람직하게는, 기록면 상에 간섭을 위해 선택되는 2개의 회절 광빔 이외의 모두를 멈추기 위해 광학 스톱이 사용된다.

그러한 구성에 있어서, 회절격자는 임의의 비제로 오더 회절 광빔의 임시 간섭을 방해하지(disturb) 않는다. 임시 간섭은 광행로 이동(optical path travel)에 관련된다. 따라서, 주어진 시간에 L5 및 L4의 후초점면을 조명하는 광학 임시 펄스(optical temporal pulse)가 전체 후초점면 L7을 동시에 조명하는 것을 나타내는 것과 등가이다.

투과율(transparency)이 g(x, y) = (1 + sin Kx)/2로 정의된 회절격자(G)가 진폭 A의 단색 평면파(monochromatic plane wave)로 조명되는 것을 고려한다. 렌즈쌍(L6-L7)이 어포컬 시스템(afocal system)(L6-L7이 4f형 시스템을 형성하는)인 것으로 가정하면, 기록면의 진폭은 이하와 같이 주어진다.

[수학식 1]

여기서, B는 특별한 역할이 없는 상수이고,

, v는 광학 주파수(optical frequency), c는 진공중에서 광의 속도, f6, f7은 L6 및 L7의 초점 길이이다. 기록면 상의 오직 하나의 회절 빔의 기여(contribution)를 계산하면, [수학식 1]은 다음과 같게 된다.

[수학식 2]

여기서, K = 2π/∧, ∧는 회절격자의 공간 주기(spatial period), B'는 특별한 역할이 없는 상수이다.

델타 디락형 임시 펄스(delta Dirac shaped temporal pulse)에 의한 조명은 [수학식 2]의 푸리에 변환에 의해 얻어진다.

[수학식 3]

여기서, t는 시간이고, [수학식 3]은 L6의 전초점면의 공간적으로 균일한(spatially uniform) 광 펄스가 위치(x, y)에 따라 시간 간격 없이 L7의 후초점면의 모든 부분에 동시에 도달한다는 사실을 나타낸다. 지수부는 광축에 대하여 비스듬한 각도(slant angle)로 빔이 센서면에 입사하는 사실을 나타낸다. 본 발명의 간섭계의 광행로가 동일화되면(equalized), 따라서 오브젝트와 기준 빔 사이의 센서면 전체에 간섭 패턴을 기록하는 것이 가능해진다. 기준 빔의 비스듬한 각도는 비축 구성을 제공한다.

상기에 나타낸 회절격자의 특성이 비회절 광빔에 독립적이므로, 기록면(10)과 쌍을 이루는 평면에 위치되는 회절격자를 포함하는 상기 개시된 구성은, 어더한 비축 구성에도 사용될 수 있다. 이러한 구성은, 예를 들면, 2개의 렌즈(L5, L6) 및 포커싱 렌즈(L7) 사이에 회절격자를 가지는 4f 타입 시스템의 사용에 의해 얻어질 수 있다.

이러한 단계에서, 기록면에 평행인 간섭면을 가지는 회절 빔은, 동일한 광행로를 가지고 기록면에 평행인 간섭면을 가지는 임의의 광빔과 간섭할 수 있다. 더 상세하게는, 이는 비회절 광빔 및 다른 오더의 회절 광빔 또는 광행로가 입사광의 간섭 길이보다 더 크게 차이 나지 않는, 더 큰 Mach-Zehnder 또는 Michelson 간섭계의 다른 암(arm)을 통하여 통과하는 광빔과 간섭할 수 있다.

본 발명의 비축 디지털 홀로그래픽 현미경(DHM)에 있어서, 디지털 홀로그램은 부분 간섭 광원을 이용하여 기록된다. 그러한 부분 간섭 광원을 얻기 위해, LED와 같은 비간섭 광원이 사용될 수 있다. 입사광의 위상 정보를 결정 가능하도록 하기 위해 요구되는 간섭 프린지의 관측에 필수적인 부분 간섭을 얻기 위하여, 공간 필터(spatial filter)가 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 간섭계(15)를 사용하는 현미경의 제 1 예가 도 3에 나타나 있다. 이 도면에 있어서, LED와 같은 부분 간섭 광원(So)이 렌즈(L1)의 후초점면에 위치된다. 생성된 광빔은 그 후 그 공간 간섭을 증가하기 위하여 스크린의 핀홀(pinhole)(P)을 통해 공간적으로 필터링 된다. 핀홀(P)은, 샘플(Sa)을 조명하기 위해, 렌즈(L2)의 후초점면에 위치된다. 샘플(Sa)은 현미경 대물렌즈(ML1)의 후초점면에 위치되고 그 후 상기한 바와 같이 간섭계(15)를 따른다(follows). 이 도면에서 홀로그램은 CCD 카메라의 수단에 의해 기록된다.

후자의 경우, 바람직하게는, 여기에 참조로서 삽입된 유럽특허 EP 1631788호에 개시된 바와 같은 차분 인터페로그램(differential interferogram)을 얻기 위하여, 회절 및 비회절 광빔에 의해 생성되는 이미지의 약간의 천이(slight shift)를 유도하기 위해, 제 2 또는 제 3 광빔 중 하나의 광행로에 웨지(W)가 삽입된다. 이 경우, 바람직하게는, 회절 빔의 웨지에 의해 야기되는 위상 천이를 보상하기 위해 비회절 광빔의 광행로에 보상수단(compensation means)(11)이 삽입된다.

선택적으로, 간섭계(15)는, 도 4 내지 도 7에 도시된 DHM에 나타낸 바와 같이, Mach-Zehnder 간섭계와 같은, 더 큰 광학 구조에 적용될 수 있다. 그러한 경우, 비회절 광빔(15)은 광학 스톱(8)에 의해 멈춰지고 오브젝트 빔은, 예를 들면, Mach-Zehnder 간섭계의 다른 암과 같은, 다른 광행로에 의해 제공된다.

일반적인 홀로그래픽 현미경의 경우와 같이, 제 1 빔 스플리터(Bs1)의 수단에 의해 제 1 광빔(1)이 제 2 및 제 3 광빔으로 분리되고, 제 2 빔 스플리터(Bs2)에 의해 재결합 빔으로 재결합되며, 상기 제 2 및 제 3 광빔은 재결합 빔에 간섭하고, 간섭 패턴을 얻기 위하여, CCD 센서와 같은 기록매체 상에 간섭 패턴을 형성한다. 그러한 경우, 본 발명의 간섭계(15)는, 비회절 빔(6')이 광학 스토\ㅂ(8)에 의해 멈춰지는 비축 구성을 얻기 위하여, Mach-Zehnder 간섭계의 기준 암에 삽입된다.

바람직하게는, 렌즈(L5 및 L6)의 존재는, 상기 렌즈(L5 및 L6)에 의해 야기되는 위상 변조(phase modification)을 보상하기 위하여 오브젝트 빔 경로 상의 렌즈(L3 및 L4)에 의해 보상된다.

바람직하게는, 렌즈(L7)가 Mach-Zehnder 간섭계의 빔 스플리터(Bs2) 후에 위치되고, 오브젝트 및 기준 빔을 재결합하기 위해 사용된다. 이는 오브젝트 및 기준 빔 사이에서 상기 렌즈(L7)를 공유(sharing) 가능하게 한다.

선택적으로, 렌즈(L7)는 기준 빔의 광행로와 오브젝트 빔의 광행로에 각각 위치되는 2개의 렌즈로 대체될 수 있으며, 두 렌즈는 모두 기록 수단에 포커싱되나, 재결합 수단 전에 위치되지는 않는다.

형광 여기 광원(fluorescence excitation source)을 포함하는 구성이 또한 도 7에 나타낸 바와 같이 구현될 수 있다.

위상 천이가 사용될 필요가 없다면, 개시된 DHM은 고속 동적 이벤트(fast dynamical events)를 기록하기 위해, 관측될 샘플의 3D 형상(representation)의 타임 시퀀스(time sequences)를 기록하도록 복수의 연속적인 프레임(successive frames)을 기록하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 구현은, LED와 같은 저가(low cost) 광원의 사용을 가능하게 하고, 컬러 센서를 통하여, 간섭 잡음(coherent noise) 없이 풀컬러 디지털 홀로그래피 현미경을 제공하도록 3개의 LED 조명을 이용함으로써 적-녹-청(red-green-blue) 홀로그램의 동시 기록을 가능하게 한다. 지금까지, 컬러 디지털 홀로그래피 현미경의 구현은 복잡한 기록 처리의 사용이 요구되었다. 본 발명에서는, 3가지 색이 동시에 기록될 수 있다.

컬러 CCD 및 3색 센서 설계(triple sensor design) 와 같은 단일 컬러 센서(single colour sensors)를 포함하는, 몇 가지 형태의 컬러 센서가 상업적으로 이용가능하다. 3색 센서 설계에 있어서, 프리즘 블록(prism block)(즉, 2개의 다이크로익 프리즘(dichroic prism)을 포함하는 3색 구조(trichroic assembly))은 얻어진 인터페로그램을 적, 녹, 청의 3개의 주색(primary colours)으로 필터링 할 수 있고, 각 색을 별도의 CCD(charge-coupled device) 또는 프리즘의 각 면에 탑재된 액티브 픽셀 센서(Active pixel sensor)(CMOS 이미지 센서)로 지향할(directing) 수 있다.

구현 가능한 몇 가지 형태의 투과 회절격자가 있다. 가장 간단한 회절격자 형태는 Ronchi 격자(Ronchi grating)로, 폭 l의 평행 불투과선(parallel opaque lines)이 인쇄된 투명한 광학 평면으로 구성된다. 연속되는 불투과선 사이에는 일정한 투명 간격(constant clear spacing) L이 존재한다. Ronchi 격자는 종종 불투과인 것과 동일한 투명 개구폭(clear aperture width)을 가진다. Ronchi 격자와 주어진 파장에 대한 회절각을 특징하는 유의미한 양은 격자 주기(grating period) P = L + 1이다. Ronchi 격자의 회절 분석은 푸리에 급수(fourier series)에 따른 투과율 함수(transmittance function)의 제 1 분해(decomposition)에 의해 수행된다. 주어진 진폭에 대하여, 각 푸리에 성분(fourier component)은 회절각 θ_m에 의해 특징되는 회절 오더를 상승시키고, 여기서, m은 정수이며 θ는 제 1 회절각이다.

각 회절 오더의 회절 진폭은 대응하는 푸리에 성분에 비례한다(proportional). 본 발명의 간섭계(15)에 있어서, 격자 주기는 광학 스톰(8)이 위치되는 평면에서 회절 빔의 공간적 분리를 보장하기 위하여 선택된다.

일반적으로, 이는 검출기(detector) 상에 입사하는 기준 빔에 대하여 유지되는 제 1 회절 오더(m = +1 또는 -1)의 하나이다. Ronchi 격자의 제한은 복수의 회절 오더 사이의 광 강도의 퍼짐(spred)이고 따라서 간섭 측정을 위해 이용 가능한 광이 감소한다.

홀로그래피 처리 동안 유지되는 회절 오더의 회절 효율을 최적화하기 위해, 블레이즈 회절 격자(blazed diffraction grating)가 구현될 수 있다. 블레이즈 회절 격자는 또한, 광학 평면상의 표면 중 하나에 주기적 구조를 가진다. 이 경우는, m = 1 또는 m = -1 회절 오더에서 회절 효율을 최적화하는 표면의 톱니형 부조(tooth shaped relief) 이다.

회절 효율을 최적화하기 위해, 두꺼운 위상 홀로그래피 격자(thick phase holographic gratings)가 또한 구현될 수 있다. 이러한 형태의 격자는, 예를 들면, 중크롬산 젤라틴(dichromated gelatin)과 같은 감광 물질(photosensitive materal)에 두 평면파 사이의 간섭 패턴을 기록함으로써 얻어질 수 있다. 그 후, 상기한 평판(plate)이 처리되고 Bragg 회절 모드에 따른 회절 오더로 대부부분의 광을 회절 가능하다. 기록 평면 파형 사이의 각도는 격자 주기를 결정한다.

그 후, 컴퓨터에 의해 아날로그 출력이 디지털화되고 샘플의 3차원 컬러 표시를 얻도록 처리될 수 있다.

부분 임시 및 공간 광원은 광원(So), 집속 렌즈(collomating lens)(L1), 핀홀(P), 렌즈(L2)에 의해 구성될 수 있다. 임시 간섭은 광원(So)의 스펙트럼 폭으로부터 얻어진다. 일반적으로, 이는 피크(peak)(예를 들면, λ = 650nm, Δλ = 15nm인 파장)가 있는 스펙트럼을 가지는 LED, 또는, 컬러 홀로그래피 기록을 얻기 위해 피크의 집합을 제공하는 LED의 집합일 수 있다. 빔은 렌즈(L1)에 의해 집속되고 공간 간섭을 증가하도록 핀홀에 의해 필터링 된다. 이는 렌즈(L2)로부터 발생하는 발생 공간 간섭 의존도(emerging spatial coherence dependency)가 균일하며, (x₁, y₁) 및 (x₂, y₂)가 광축 z에 수직인 공간 좌표인 간섭 함수 γ(x₁-x₂, y₁-y₂)에 의해 모델링 될 수 있음을 나타낸다.

부분 간섭 광원의 이러한 구현은 제한적이지 않으며, 이동 그라운드 글래스(moving ground glass)에 의한 비상관 레이저 빔(de-correlated laser beam)과 같은, 다른 방법으로도 실현될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명

Mach - Zehnder 구성( Mach - Zehnder configuration )

부분 간섭 및 임시 간섭 광원으로 비축 기록을 가능하게 하는 Mach-Zehnder 구성에 근거한 디지털 홀로그래픽 현미경의 구조(scheme)가 도 4에 도시되어 있다.

도 4의 경우에 있어서, 광원은, 광원(So), 집속렌즈(L1), 핀홀(P) 및 렌즈(L2)에 의해 구성된다.

거울(M1)에 의해 반사된 후, 빔은, BS1에 의해 투과중에 샘플을 조명하는 오브젝트 빔과 기준 빔으로 나누어지고, 현미경 렌즈(ML2)를 향하여 재지향(redirecting) 된다. ML1의 전초점면의 이미지는 렌즈(Ml1, L3, L4, L7)의 집합에 의해 수행된다. 이미지를 형성하기 위해, L3의 후초점면은 L4의 전초점면에 대응하고 센서는 L7의 후초점면에 위치된다.

이러한 구성에 있어서, 본 발명의 간섭계(15)는 렌즈(L5, L6, L7) 및 회절격자(G)에 의해 나타내진다.

샘플을 제외하고, 기준 및 오브젝트 빔, 회절격자(G) 및 광학 스톱(8)이 거의 일치하는(identical) 방식으로, 렌즈(Ml1, L3, L4)는 기준 암(reference arm)에 그들의 카운터파트(counterparts)인 렌즈(Ml2, L5, L6)를 각각 가진다. 이는 그들이 간섭하는 센서 상에 두 빔의 적절한 정렬을 보장한다. 이는 조명의 부분 공간 간섭 성질(nature)이 요구된다.

광행로 보상기(optical path compensator) 및/또는 감쇄기(attenuator)일 수 있는 광학 소자(optical component)(C)가 위치되는 Ml2 렌즈의 전초점면은, L5의 후초점면에 이미지되며(imaged), 이는 또한 L6의 전초점면이며, 회절격자(G)가 위치되는 면이다. 회절격자의 역할은, L7의 입사 오브젝트 및 기준 빔이 공간적으로 분리되고 평행하게 전파하는 방식으로 회절에 의해 광을 재지향하는 것이다. 상기에 이미 나타낸 바와 같이, L5, G, L6, L7을 가지는 이러한 구성은 부분 임시 간섭의 경우에 센서면의 임시 간섭을 유지하고, 비축 간섭을 생성하는 것을 가능하게 한다.

렌즈 L7는, 오브젝트와 기준 빔을 격자 회절(grating diffraction)로부터 야기되는 그들 사이의 평균 각도로 센서 상에 중첩한다(superpose). 이러한 구성에 있어서, 거울(M2)은 BS2에 평행하고 M3는 BS1에 평행하다. 빔 스플리터와 미러의 이러한 상호표정(relative orientation)은, 센서 상의 빔의 위치를 변경하지 않고, 거울(M2)과 빔 스플리터(BS2)가 견고하게 부착되는(rigidly attached) 회전 어셈블리(RA)를 회전함에 의해 광행로를 조정(adjusting) 가능하게 한다. 따라서 상기한 구성은 광학 기준 및 오브젝트 경로 빔을 동일하게 한다(equalize).

이러한 구성은 도 5에 나타낸 바와 같은 반사 샘플(reflective samples)에 적용될 수 있다. 이 경우, 샘플 홀더(Sa)는 제거되고, 거울(M2)은 대물렌즈(ML1)를 통하여 반사 샘플(Rs)을 조명하는 제 3 빔 스플리터(Bs3)로 대체된다. 샘플에 의해 반사되고 대물렌즈에 의해 포커싱된 광은 그 후 상기한 구성과 같이 제 3 빔 스플리터에 의해 제 2 빔 스플리터 쪽으로 향한다. 기준 빔의 광행로에 동일한 변경이 적용되고, 샘플은 기준 거울(reference mirror)(16)로 대체된다.

차분 구성( Differential configuration )

Mach-Zehnder 구성은, 심하게 변동하는 오브젝트 두께(very fluctuating object thickness), 프린지 밀도(fringe density)가 너무 높아서 센서에 의해 기록될 수 없는 경우와 같이, 오브젝트에 의해 야기되는 광행로 변화(variations)가 제한적인 경우에 적합하다.

또한, 감소된 임시 부분 조명으로, Mach-Zehnder 구성에 있어서, 오브젝트가 변경될 때 광행로의 양호한 튜닝(fine tuning)이 어려워질 수 있다. 이러한 이유로, 차분 디지털 홀로그래피 현미경이 제안되었다. 후자의 경우, 위상 측정에 대하여 증가된 동적 범위(dynamic range)의 이점 및 샘플 두께에 관계없이 간섭계의 영구 조정(permanent adjustment)을 제공하는 차분 광학 위상(differential optical phase)이 측정된다.

바람직하게는, 공간적 및 임시적 부분 간섭 광원을 가지는 비축 구성이 차분 모드에서 사용될 수 있다. 광학적 구조는 도 6에 의해 나타내진다.

부분 임시 및 공간 간섭 광원은, 광원(So), 집속렌즈(L1), 핀홀(P) 및 렌즈(L2)로 구성된다. 빔은 렌즈(L1)에 의해 집속되고 공간 간섭을 증가하기 위하여 핀홀(P)에 의해 필터링 된다.

거울(M1)에 의해 반사된 후, 광빔은 샘플을 조명하고 대물렌즈(Ml1)에 의해 투과된다. Ml1으로부터 온 광빔은 그 후 BS1에 의해 제 2 및 제 3 광빔에 대응하는 2개의 빔으로 나누어진다. 샘플의 내측에 위치된 Ml1의 전초점면의 이미지는 렌즈군(Ml1, L3, L4, L7)에 의해 처리된다. 그러한 목적을 위해 L3의 후초점면이 L4의 전초점면과 일치하고(coincident) 센서가 L7의 후초점면에 위치된다. 같은 방식으로, L4의 전초점면에 대응하는 L3의 후초점면으로, Ml1의 전초점면의 이미지는 렌즈군(Ml1, L5, L6, L7)에 의해 처리된다. L4와 L7 사이의 거리는 L6과 L7 사이의 거리와 같다.

따라서 Ml1의 전초점면에 대응하는 샘플 면 중 하나와 동일한 평면이 CCD 센서 상에 이미지 된다. 거울(M2) 또는 거울(M3)을 약간 회전함으로써 제 2 및 제 3 광빔에 의해 형성된 이미지 사이에 천이가 야기된다. 이는 매우 소수의, 또는 CCD 센서 상의 픽셀보다도 적은, 픽셀들(merely a few pixels)의 천이이다. 각각 제 1 광학 채널(optical channel)(1)의 렌즈(L3, L4)의 카운터파트인 렌즈(L5, L6)는, 샘플을 제외하고, 제 2 및 제 3 광빔, 회절격자(G) 및 광학 스톱(8)의 광행로가 동일한 방식으로, 제 3 광빔의 광행로에 위치된다. 이는 간섭시 센서 상의 2개의 채널의 작은 천이로 적절한 정렬을 가능하게 한다.

Ml1 렌즈의 전초점면은 L5의 후초점면에 이미지 되고, 이는 또한 L6의 전초점면이며, 회절격자(G)가 위치하는 면이다. 회절격자의 역할은 L7 상의 2개의 채널의 입사광이 공간적으로 분리되는 방식으로 회절에 의해 광을 재지향하는 것이다. 렌즈(L7)는 격자 회절로부터 야기되는 그들 사이의 평균 각도로 2개의 빔을 센서 상에 중첩한다. 상기한 구성에서, 거울(M2)은 BS2에, BS3는 BS1에 거의 평행이다. 이러한 빔 스플리터와 거울의 상호표정(relative orientation)은, 센서 상의 빔의 위치를 변경하지 않고, 거울(M2)과 빔 스플리터(BS2)가 견고하게 부착되는 회전 어셈블리(RA)를 회전함에 의해 광행로를 조정 가능하게 한다. 따라서 상기한 구성은 광학 기준 및 오브젝트 경로 빔을 동일하게 한다.

센서 상의 오브젝트 및 기준 빔의 평균 각도는 비축 구성을 제공한다. 상기에 설명한 바와 같이, 부분 임시 간섭 광원의 경우에도, CCD 센서 전체에 걸쳐 콘트라스트된 프린지 패턴을 동질적으로(homogeneously) 공급하기 위하여, 적절한 정렬이 존재한다. 여기서, 격자로부터 야기되는 광 손실(light loss)을 보상하기 위해 제 2 광빔의 광행로에 감쇄기가 위치될 수 있다. 감쇄기에 의해 2개의 채널 사이에 야기되는 광행로 차이를 보상하도록 투명 광학판(transparent optical plate)이 제 3 광빔의 광행로에 삽입될 수 있다.

도 7에 나타낸 바와 같이 관여하는 샘플이 형광성(fluorescent)일 때 형광 광원(17)이 사용될 수 있다. 그 빔은 샘플을 조명하기 위해 형광빔 스플리터에 의해 렌즈(Ml1)를 통하여 반사된다. 후방 전파 형광신호(back propagating fluorescent signal)는 Ml1에 의해 전달되고, BS1에 입사되기 전에 형광 여기부(fluorescent excitation part)를 제거하기 위하여 SF에 의해 공간적으로 필터링된다. 렌즈(Ml1)가 구경(aperture)에 의해 제한되므로, 비간섭(incoherent) 형광신호는 Ml1으로부터 나타날 때 부분 공간 간섭(partial spatial coherence)이 되고, 결과적으로 2개의 빔은 천이(shift)가 공간 간섭 길이보다 작은 한 간섭이 가능하다.

본 발명은, 또한, 참조로서 여기에 그 전체가 포함되는, 우선권 EP 출원 제09172561.4호에 상세히 개시되어 있다.

1. 제 1 광빔
2. 제 2 광빔
3. 제 3 광빔
4. 기록수단
5. 회절 광빔(비제로 오더 회절)
6. 비제로 오더 회절 평행 광빔
6'. 제로 오더 회절 평행 광빔
7. 비회절 광빔(또는 제로 오더 회절)
8. 광학 스톱
9. 입사 광빔
10. 기록면
11. 웨지를 보상하기 위한 보상수단
12. 2*간섭길이
13. 간섭 영역
14. 간섭면
15. 본 발명의 간섭계
16. 기준 거울
17. 형광 여기 광원
Bs1, Bs2, Bs3, Bs4 : 빔 스플리터
EF : 여기 필터
G : 회절격자
L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7 : 렌즈
Ml1, Ml2 : 현미경 대물렌즈
M1, M2, M3 : 거울
P : 스크린의 핀홀
Sa : 전송 샘플 또는 샘플 홀더
SF : 스펙트럼 필터
So : 조명 광원
RA : 회전 어셈블리
Rs :반사 샘플 또는 샘플 홀더
W : 웨지

Claims

간섭계(15);
제 1 광빔(1)을 생성하도록 배치된 공간적 및 일시적 부분 간섭 광원(spatially and temporally partially coherent light source);
현미경 대물렌즈(microscope objective)(ML1);
상기 현미경 대물렌즈의 전초점면에 위치되어 연구될(to be studied) 표본(specimen)을 수용(hold) 가능하며, 기록면(10)과 광학적으로 쌍을 이루는 샘플 홀더(sample holder)(Sa);를 포함하고,
상기 간섭계(15)는,
상기 기록면(recording plane)(10);
상기 기록면(10)과 광학적으로 쌍을 이루는(optically conjugated) 평면에 위치되고, 서로 다른 회절 오더(diffraction order)에 대응되는 제 1 및 제 2 광행로(optical path)를 규정하는 회절격자(grating)(G);
제 1 렌즈(L5);
제 2 렌즈(L6); 및
상기 제 2 렌즈(L6)와 광학적으로 결합되는(optically coupled) 제 3 렌즈(L7)를 포함하고,
상기 회절격자(G)는 상기 제 1 렌즈의 후초점면(back focal plane)에 위치되며, 상기 제 2 렌즈의 전초점면(front focal plane)에 위치되며,
상기 기록면(10)은 상기 제 3 렌즈(L7)의 후초첨면에 위치되는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
제 1항에 있어서,
상기 샘플 홀더(Sa)는 제 1 광빔에 의해 조명되고(illuminated),
상기 현미경 대물렌즈(ML1)는 상기 간섭계의 정면에(in front of) 위치되며,
차분 홀로그램(differential hologram)을 생성하기 위해 상기 간섭계의 상기 제 2 광행로에 웨지(wedge)(W)가 위치되는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
간섭계(15);
제 1 광빔(1)을 생성하도록 배치된 공간적 및 일시적 부분 간섭 광원(spatially and temporally partially coherent light source);
현미경 대물렌즈(microscope objective)(ML1);
상기 현미경 대물렌즈의 전초점면에 위치되어 연구될(to be studied) 표본(specimen)을 수용(hold) 가능한 샘플 홀더(sample holder)(Sa);
제 1 빔 스플리터(beam splitter)(Bs1) 및 제 2 빔 스플리터(Bs2)를 포함하고, 상기 제 1 빔 스플리터는 상기 제 1 광빔을 제 2 광빔과 제 3 광빔으로 분리 가능한, Mach-Zehnder 간섭계;
광학 스톱;
기록수단(recording means); 을 포함하고,
상기 간섭계(15)는,
기록면(recording plane)(10);
상기 기록면(10)과 광학적으로 쌍을 이루는(optically conjugated) 평면에 위치되는 회절격자(grating)(G);
상기 회절격자(G) 상에 상기 제 3 광빔을 포커싱(focusing) 하기 위해 상기 제 3 광빔의 광행로에 위치되는 제 1 렌즈(L5);
상기 제 1 렌즈와 동일한 광축(optical axis)을 가지고 적어도 하나의 비제로 오더 회절 광빔(non-zero order diffracted light beam)을 생성하기 위해 상기 회절격자(G)의 초점 거리(focal distance)에 위치되며, 상기 제 2 광빔과 상기 회절 광빔을 재결합된 빔(recombined beam)으로 재결합하기 위해 상기 제 2 빔 스플리터(Bs2)가 배치되는, 제 2 렌즈(L6);
상기 기록수단 상에 상기 재결합된 빔을 포커싱하는 포커싱 수단(focusing means)(L7)을 포함하고,
상기 샘플 홀더는 상기 기록면(10)과 광학적으로 쌍을 이루고,
상기 광학 스톱은 상기 제 3 광빔의 제로 오더(zero order) 회절광을 멈추고,
상기 기록수단은 상기 제 2 광빔과 상기 회절 광빔 사이의 상호작용(interaction)에 의해 생성된 간섭신호(interferometic signals)가 기록되고, 상기 간섭계(15)의 상기 기록면(10) 상에 위치되고,
상기 제 2 및 상기 제 3 광빔의 광학 경로(optical pathway)가 본질적으로 등가(essentially equivalent)이고, 상기 샘플 홀더(Sa) 및 상기 현미경 대물렌즈는, 상기 제 1 빔 스플리터(Bs1)의 정면에 위치되고, 차분 홀로그래피 구성(differential holographic configuration)을 규정하는(defining) 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
간섭계(15);
제 1 광빔(1)을 생성하도록 배치된 공간적 및 일시적 부분 간섭 광원(spatially and temporally partially coherent light source);
현미경 대물렌즈(microscope objective)(ML1);
상기 현미경 대물렌즈의 전초점면에 위치되어 연구될(to be studied) 표본(specimen)을 수용(hold) 가능한 샘플 홀더(sample holder)(Sa);
제 1 빔 스플리터(beam splitter)(Bs1) 및 제 2 빔 스플리터(Bs2)를 포함하고, 상기 제 1 빔 스플리터는 상기 제 1 광빔을 제 2 광빔과 제 3 광빔으로 분리 가능한, Mach-Zehnder 간섭계;
광학 스톱;
기록수단(recording means); 을 포함하고,
상기 간섭계(15)는,
기록면(recording plane)(10);
상기 기록면(10)과 광학적으로 쌍을 이루는(optically conjugated) 평면에 위치되는 회절격자(grating)(G);
상기 회절격자(G) 상에 상기 제 3 광빔을 포커싱(focusing) 하기 위해 상기 제 3 광빔의 광행로에 위치되는 제 1 렌즈(L5);
상기 제 1 렌즈와 동일한 광축(optical axis)을 가지고 적어도 하나의 비제로 오더 회절 광빔(non-zero order diffracted light beam)을 생성하기 위해 상기 회절격자(G)의 초점 거리(focal distance)에 위치되며, 상기 제 2 광빔과 상기 회절 광빔을 재결합된 빔(recombined beam)으로 재결합하기 위해 상기 제 2 빔 스플리터(Bs2)가 배치되는, 제 2 렌즈(L6);
상기 기록수단 상에 상기 재결합된 빔을 포커싱하는 포커싱 수단(focusing means)(L7)을 포함하고,
상기 샘플 홀더는 상기 기록면(10)과 광학적으로 쌍을 이루고,
상기 광학 스톱은 상기 제 3 광빔의 제로 오더(zero order) 회절광을 멈추고,
상기 기록수단은 상기 제 2 광빔과 상기 회절 광빔 사이의 상호작용(interaction)에 의해 생성된 간섭신호(interferometic signals)가 기록되고, 상기 간섭계(15)의 상기 기록면(10) 상에 위치되고,
상기 제 2 및 상기 제 3 광빔의 광학 경로(optical pathway)가 본질적으로 등가(essentially equivalent)이고, 상기 샘플 홀더 및 상기 현미경 대물렌즈(ML1)는 상기 제 2 광빔(2)의 광행로에 위치되는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
제 4항에 있어서,
현미경 제 2 대물렌즈(Ml2)는 상기 제 3 광빔(3)의 광행로에 위치되는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
제 3항에 있어서,
반사체(reflect object)(Ra)를 조명하기(illuminating) 위해 제 2 광경로 상에 위치되는 제 3 빔 스플리터 및 Mach-Zehnder 형상(geometry)을 규정하고, 반사거울(reflecting mirror)(16)을 조명하기 위해 제 3 광경로 상에 위치되는 제 4 빔 스플리터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
제 1항에 있어서,
상기 부분 간섭 광원은, LED, 가스 방전등(gas discharge lamp), 열 광원(thermal sources) 및 펄스 레이저(pulse laser)를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 조명수단(illumination means)(So)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
제 3항에 있어서,
상기 기록수단은 색 감지(colour sensitive) 기록수단이며,
상기 공간적 및 일시적 부분 간섭 광원은, 색 홀로그래피 인터페로그램(colour holographic interferogram)을 기록하기 위해, 적어도 3개의 별도의 파장(separate wavelength)을 동시에 생성하는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
제 8항에 있어서,
상기 공간적 및 일시적 부분 간섭 광원은 적어도 3개의 다른 파장의 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
제 9항에 있어서,
상기 별도의 파장은, 색 재구성(colour reconstruction)을 위해 CMY(Cyan Magenta Yellow) 또는 RGB(Red Green Blue)에 대응하는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
제 1항에 있어서,
상기 샘플 홀더와 광학적으로 결합되는(optically coupled) 형광 여기 광원(fluorescence excitation source)(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비축 디지털 홀로그래피 현미경.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제