KR101913947B1 - 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 현미경 시스템 - Google Patents

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KR101913947B1 KR1020170074264A KR20170074264A KR101913947B1 KR 101913947 B1 KR101913947 B1 KR 101913947B1 KR 1020170074264 A KR1020170074264 A KR 1020170074264A KR 20170074264 A KR20170074264 A KR 20170074264A KR 101913947 B1 KR101913947 B1 KR 101913947B1
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정재헌
류지흔
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한국과학기술원
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Abstract

일 실시예에 따른 광학 현미경 시스템에 사용되는 스캐닝 장치는, 각형의 베이스 형상으로 형성된 고정부, 단이 상기 고정부의 일면에 구비되고, 대칭적인 형상으로 형성되어 2자유도의 회전 운동이 가능한 힌지부 및 상기 힌지부의 타단에 구비되어 상기 힌지부의 움직임에 따라 이동함으로써 2자유도의 회전 운동이 가능하고 일면에 반사체가 부착될 수 있는 이동부를 포함한다.

Description

스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 현미경 시스템 {SCANNING DEVICE AND OPTICAL MICORSCOPY SYSTEM INCLUDING THE SAME}
아래의 실시예들은 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 현미경 시스템에 관한 것이다.
광학 현미경 중 비선형 광학 현미경은 이광자 흡수 현상 (Two-photon absorption effect), 다광자 흡수 현상 (Multi-photon absorption effect), 이차조화 발생 현상 (Second-harmonic generation effect) 등의 비선형 광학 현상들을 효과적으로 일으키기 위해 주로 근적외선 파장 영역의 일부를 포함하는 광원을 사용한다. 이와 같이 광대역의 극초단 광원을 사용하므로, 사용하는 모든 파장 대역에 대한 최적화 및 수차 성능 보상을 하기 위하여 많은 수의 렌즈가 필요하다.
또한, 비선형 광학 현미경은 특정 시간에 측정하고자 하는 시편의 오직 한 지점만 영상획득이 가능하므로 측정하는 지점을 이차원 영역으로 확장할 필요가 있다. 이는 이차원 영역을 스캐닝함으로써 해결할 수 있다. 이를 위해 종래에는 하나의 축에 대하여 스캐닝이 가능한 1차원 스캐닝 장치 2개를 직렬로 사용하여 두 개의 축에 대한 스캐닝을 구현하였다. 따라서, 두 개의 1차원 스캐닝 장치를 직렬로 배치시켜야 하는바 사용하므로, 한 개의 1차원 스캐닝 장치를 사용할 때 필요한 렌즈 개수를 n개라고 하면, 직렬로 두 개의 1차원 스캐닝 장치를 연결한 광학 현미경 시스템의 경우 총 2n개의 렌즈가 필요하게 된다.
뿐만 아니라, 광학 현미경 시스템에 사용되는 각각의 렌즈들은 광학적으로 최적 설계된 거리만큼 떨어져 있어야 하므로, 사용되는 렌즈의 개수가 많아질수록 광학 현미경 시스템은 크기가 길어지거나 비대해 질 수 밖에 없다.
한국공개특허 제2009-0071499호 (공개일 2009년 07월 01일)에는 광학 현미경에 관하여 개시되어 있다.
일 실시예에 따른 목적은 2차원의 회전 운동이 가능한 스캐닝 장치를 이용하여 광학 현미경 시스템을 구축하는데 있어서 필요한 렌즈의 개수를 줄임으로써 소형화 가능한 광학 현미경 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 2차원의 회전 운동이 가능한 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 현미경 시스템을 제공함으로써, 광학 현미경 시스템의 소형화를 도모하고, 펄스(pulse)의 늘어짐 현상을 방지하며, 그룹 속도 분산(group velocity dispersion, GVD)가 발생하는 것을 억제하고자 하는 것이다.
일 실시예에 따른 광학 현미경 시스템에 사용되는 스캐닝 장치는, 각형의 베이스 형상으로 형성된 고정부, 일단이 상기 고정부의 일면에 구비되고, 대칭적인 형상으로 형성되어 2자유도의 회전 운동이 가능한 힌지부 및 상기 힌지부의 타단에 구비되어 상기 힌지부의 움직임에 따라 이동함으로써 2자유도의 회전 운동이 가능하고 일면에 반사체가 부착될 수 있는 이동부를 포함한다.
상기 힌지부는 각각의 측면들이 굴곡진 형상으로 형성되고, 상기 각각의 측면들은 서로 대칭을 이룰 수 있다.
상기 힌지부는 상기 고정부에서 상기 이동부를 향하는 방향으로 너비가 감소하다가 다시 증가하는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 고정부는 사각형 형상으로 형성되고, 상기 힌지부는 4개의 측면을 구비하며, 각각의 측면은 상기 힌지부의 중심축을 기준으로 만곡된 형상으로 형성될 수 있다.
상기 이동부는 원형의 형상으로 형성될 수 있다.
상기 스캐닝 장치는, 상기 이동부의 주위에 구비되어 상기 이동부를 구동시키는 복수 개의 구동부를 더 포함하고, 상기 이동부의 회전축들은 상기 이동부의 평면 상에서 서로 수직하게 교차할 수 있다.
일 실시예에 따른 광학 현미경 시스템은, 빛을 방출하는 레이저 광원, 상기 레이저 광원의 일 측에 형성되어 상기 빛을 반사 시키는 스캐닝 장치, 상기 스캐닝 장치에서 반사된 빛을 시편에 주사하는 대물렌즈 및 상기 시편에서 반사된 빛을 검출하는 광 검출기를 포함한다. 이 때, 상기 스캐닝 장치는 2차원의 회전 운동이 가능하다.
상기 스캐닝 장치는, 다각형의 베이스 형상으로 형성된 고정부, 일단이 상기 고정부의 일면에 구비되고 대칭적인 형상으로 형성되어 2자유도의 회전 운동이 가능한 힌지부, 상기 힌지부의 타단에 구비되어 상기 힌지부의 움직임에 따라 이동함으로써 2자유도의 회전 운동이 가능한 이동부, 상기 이동부의 일면에 구비되어 상기 레이저 광원에서 방출된 빛을 반사 시키는 반사체 및 상기 이동부의 주위에 구비되어 상기 이동부를 구동시키는 복수 개의 구동부를 포함한다.
상기 힌지부는 상기 고정부에서 상기 이동부를 향하는 방향으로 너비가 감소하다가 다시 증가하도록 각각의 측면들이 굴곡진 형상으로 형성되고, 상기 각각의 측면들은 서로 대칭을 이루며, 상기 이동부의 회전축들은 상기 이동부의 평면 상에서 서로 수직하게 교차할 수 있다.
상기 고정부는 사각형 형상으로 형성되고, 상기 힌지부는 4개의 측면을 구비하며, 각각의 측면은 상기 힌지부의 중심축을 기준으로 만곡된 형상으로 형성될 수 있다.
상기 광학 현미경 시스템은, 상기 레이저 광원과 상기 스캐닝 장치 사이에 위치하여, 상기 레이저 광원에서 방출된 되는 빛을 투과시키고 상기 시편에서 반사되어 돌아오는 빛을 상기 광 검출기로 향하도록 편향시킬 수 있는 빔 스플리터 및 상기 빔 스플리터와 상기 광 검출기 사이에 위치하여 상기 빔 스플리터를 통과한 빛을 상기 광 검출기에 집광시키는 이미징 렌즈를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 스캐닝 장치는 2차원의 회전 운동이 가능함으로써, 광학 현미경 시스템을 구축하는데 있어서 필요한 렌즈의 개수를 줄여 광학 현미경 시스템의 소형화를 구현할 수 있다.
일 실시예에 따른 광학 현미경 시스템은 2차원의 회전 운동이 가능한 스캐닝 장를 포함함으로써, 광학 현미경 시스템의 소형화를 도모하고, 펄스(pulse)의 늘어짐 현상을 방지하며, 그룹 속도 분산(group velocity dispersion, GVD)가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
도1은 일 실시예에 따른 광학 현미경 시스템을 나타낸다.
도2는 일 실시예에 따른 스캐닝 장치의 사시도이다.
도3은 일 실시예에 따른 스캐닝 장치의 평면도이다.
도4는 일 실시예에 따른 반사체를 포함하는 스캐닝 장치의 측면도이다.
도5는 일 실시예에 따른 구동부 포함하는 스캐닝 장치의 사시도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시예에 따른 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 현미경 시스템의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 현미경 시스템의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 일 실시예에 따른 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 현미경 시스템의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도1은 일 실시예에 따른 광학 현미경 시스템을 나타낸다. 도2는 일 실시예에 따른 스캐닝 장치의 사시도이며, 도3은 일 실시예에 따른 스캐닝 장치의 평면도이다. 도4는 일 실시예에 따른 반사체를 포함하는 스캐닝 장치의 측면도이며, 도5는 일 실시예에 따른 구동부 포함하는 스캐닝 장치의 사시도이다.
도1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 현미경 시스템(10)은, 빛을 방출하는 레이저 광원(100), 레이저 광원(100)의 일 측에 형성되어 빛을 반사 시키는 스캐닝 장치(200), 스캐닝 장치(200)에서 반사된 빛을 시편(W)에 주사하는 대물렌즈(300) 및 시편(W)에서 반사된 빛을 검출하는 광 검출기(400)를 포함한다. 이 때, 스캐닝 장치(200)는 2차원의 회전 운동이 가능하다.
또한, 광학 현미경 시스템(10)은, 레이저 광원(100)과 스캐닝 장치(200) 사이에 위치하여 레이저 광원(100)에서 방출된 되는 빛을 투과시키고 시편(W)에서 반사되어 돌아오는 빛을 광 검출기(400)로 향하도록 편향시킬 수 있는 빔 스플리터(beam splitter; 500)를 더 포함할 수 있다.
뿐만 아니라, 광학 현미경 시스템(10)은, 빔 스플리터(500)와 광 검출기(400) 사이에 위치하여 빔 스플리터(500)를 통과한 빛을 광 검출기(400)에 집광시키는 이미징 렌즈(600)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 2차원의 회전 운동이 가능한 스캐닝 장치(200)에 대하여 구체적으로 설명한다.
도2 및 도3을 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 현미경 시스템에 사용되는 스캐닝 장치(200)는, 각형의 베이스 형상으로 형성된 고정부(210), 일단이 고정부(210)의 일면에 구비되고 대칭적인 형상으로 형성되어 2자유도의 회전 운동이 가능한 힌지부(220) 및 힌지부(220)의 타단에 구비되어 힌지부(220)의
움직임에 따라 이동함으로써 2자유도의 회전 운동이 가능하며 일면에 반사체가 부착될 수 있는 이동부(230)를 포함한다.
상기 힌지부(220)는 각각의 측면들이 굴곡진 형상으로 형성되고, 각각의 측면들은 서로 대칭을 이룰 수 있다. 또한, 힌지부(220)는 고정부(210)에서 이동부(230)를 향하는 방향으로 너비가 감소하다가 다시 증가하는 형상으로 형성될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 힌지부(220)는 전체적으로 일정한 너비의 기둥 형성으로 형성되나 특정 일 부분에서 너비가 감소하다 증가하는 형상으로 형성될 수 있다.
일 실시예로서, 고정부(210)는 사각형 형상으로 형성되고, 힌지부(220)는 4개의 측면(221, 222, 223, 224)을 구비하며, 각각의 측면은 힌지부(220)의 중심축을 기준으로 만곡된 형상으로 형성될 수 있다. 뿐만 아니라, 고정부(210)는 원형 또는 삼각형 형상으로 형성되고, 힌지부(220)는 상기 고정부(210)에 대응하는 형상으로 그 측면이 힌지부(220)의 중심축을 기준으로 만곡된 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 도출될 수 있는 구성이 사용될 수 있음은 자명하다.
즉, 일 실시예에 따른 스캐닝 장치(220)는 2차원의 회전 운동이 동시에 이루어질 수 있어야 하므로, 쉽게 자유도를 설계할 수 있는 유연한 힌지 구조(flexure hinge structure)를 지닌다.
예를 들어, 힌지부(220)의 유연한 힌지 구조는, 금속 물체를 특정한 형상으로 가공함으로써, 특정한 자유도로 특정한 강성을 가질 수 있도록 설계가 가능하다. 따라서, 구조 강성을 설정함에 따라 고정부(210)와 이동부(230) 사이에서 최대 6자유도의 자유도 (3자유도의 회전 운동과 3자유도의 병진 운동)가 허용될 수 있다. 각각의 운동에 대한 허용여부는 각 운동 방향의 자유도의 강성을 조절함으로써 설정할 수 있다.
다만, 바람직하게 스캐닝 장치(200)가 2차원의 스캐닝을 위한 구조가 되도록, 힌지부(220)는 2자유도의 회전 운동이 가능하도록 설계될 수 있다. 따라서, 힌지부(220)에 2자유도의 회전 운동을 허용하되 나머지 1자유도의 회전 운동 및 3자유도의 병진 운동은 허용되지 않을 수 있다.
따라서, 힌지부(220)가 2자유도의 회전 운동이 가능하도록 힌지부(220)의 각각의 측면은 힌지부(220)의 중심축을 기준으로 만곡된 형상으로 형성될 수 있다.
그리하여, 힌지부(220)가 2자유도의 회전 운동을 함으로써, 상기 힌지부(220)의 타단에 구비된 이동부(230)는 2자유도의 회전 운동을 하게 된다. 이로써, 스캐닝 장치(200)는 2차원의 회전 운동이 가능하다.
이 때, 힌지부(220)의 길이 방향 축에 대한 회전 강성을 높이기 위하여, 이동부(230)는 원형의 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 힌지부(220)의 길이 방향 축에 대한 관성 모멘트를 낮추기 위함이다. 이와 같은 설계를 통하여, 2자유도의 회전 운동만 허용되고 나머지 자유도의 운동은 억제되는 유연한 힌지부를 구현할 수 있다.
도4를 참조하면, 스캐닝 장치(200)는 이동부(230)의 일면에 구비되어 레이저 광원(100)에서 방출된 빛을 반사 시키는 반사체(240)를 포함할 수 있다. 상기 반사체(240)는 이동부(230)에 부착되어 이동부(230)와 함께 2자유도의 회전 운동이 가능하다.
이 때, 반사체(240)로서는 미러(mirror) 등이 사용될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 도출될 수 있는 구성이 사용될 수 있음은 자명하다.
도5를 참조하면, 스캐닝 장치(200)는, 이동부(230)의 주위에 구비되어 이동부(230)를 구동시키는 복수 개의 구동부(250)를 더 포함하고, 이동부(230)의 회전축들은 상기 이동부(230)의 평면 상에서 서로 수직하게 교차할 수 있다.
바람직하게는, 스캐닝 장치(200)가 두 개의 구동부(250)를 포함할 수 있으며, 상기 각각의 구동부는 이동부(230)의 평면 상에서 서로 수직하게 교차하는 각각의 회전축들 상에 배치될 수 있다.
즉, 각각의 구동기를 이동부(230)의 평면 상에서 서로 수직하게 교차하는 각각의 회전축들 상에 배치시킴으로써, 이동부(230) 및 반사체(240)의 회전 방향의 힘을 설계한다. 이는 종래의 스캐닝 장치에 비하여 소형화가 유리한 강점을 지니게 한다.
이 때, 구동부(250)로서는 압전 소자(PZT) 또는 보이스 코일 모터(voice coil motor) 등이 사용될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 도출될 수 있는 구성이 사용될 수 있음은 자명하다.
이와 같이 2차원의 회전 운동이 가능한 스캐닝 장치는 대칭적 구조로 이루어지기 때문에 성능에 대한 대칭적 설계 또한 가능하다. 즉, 어느 한 회전 축에 대한 오버스펙(overspec)을 제거할 수 있다.
또한, 상기 스캐닝 장치를 포함하는 광학 현미경 시스템은, 광학 현미경 시스템을 구축하는데 있어서 필요한 렌즈의 개수를 줄여 광학 현미경 시스템의 소형화를 구현할 수 있고, 펄스(pulse)의 늘어짐 현상을 방지하며, 그룹 속도 분산(group velocity dispersion, GVD)가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
이상과 같이 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 실시예가 설명되었으나 이는 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 광학 현미경 시스템
100 : 레이저 광원
200 : 스캐닝 장치
210 : 고정부
220 : 힌지부
230 : 이동부
240 : 반사체
250 : 구동부
300 : 대물 렌즈
400 : 광 검출기
500 : 빔 스플리터.
600 : 이미징 렌즈
W : 시편

Claims (10)

  1. 광학 현미경 시스템에 사용되는 스캐닝 장치에 있어서,
    다각형의 베이스 형상으로 형성된 고정부;
    일단이 상기 고정부의 일면에 구비되고, 대칭적인 형상으로 형성되어 2자유도의 회전 운동이 가능한 힌지부; 및
    상기 힌지부의 타단에 구비되어 상기 힌지부의 움직임에 따라 이동함으로써 2자유도의 회전 운동이 가능하고, 일면에 반사체가 부착될 수 있는 이동부;
    를 포함하고,
    상기 힌지부는 각각의 측면들이 굴곡진 형상으로 형성되고, 상기 각각의 측면들은 서로 대칭을 이루는, 스캐닝 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 힌지부는 상기 고정부에서 상기 이동부를 향하는 방향으로 너비가 감소하다가 다시 증가하는 형상으로 형성되는, 스캐닝 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고정부는 사각형 형상으로 형성되고,
    상기 힌지부는 4개의 측면을 구비하고, 각각의 측면은 상기 힌지부의 중심축을 기준으로 만곡된 형상으로 형성된, 스캐닝 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이동부는 원형의 형상으로 형성되는, 스캐닝 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이동부의 주위에 구비되어 상기 이동부를 구동시키는 복수 개의 구동부;
    를 더 포함하고,
    상기 이동부의 회전축들은 상기 이동부의 평면 상에서 서로 수직하게 교차하는, 스캐닝 장치.
  7. 빛을 방출하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원의 일 측에 형성되어 상기 빛을 반사 시키는 스캐닝 장치;
    상기 스캐닝 장치에서 반사된 빛을 시편에 주사하는 대물렌즈; 및
    상기 시편에서 반사된 빛을 검출하는 광 검출기;
    를 포함하고,
    상기 스캐닝 장치는,
    다각형의 베이스 형상으로 형성된 고정부;
    일단이 상기 고정부의 일면에 구비되고, 대칭적인 형상으로 형성되어 2자유도의 회전 운동이 가능한 힌지부;
    상기 힌지부의 타단에 구비되어 상기 힌지부의 움직임에 따라 이동함으로써 2자유도의 회전 운동이 가능한 이동부;
    상기 이동부의 일면에 구비되어 상기 레이저 광원에서 방출된 빛을 반사 시키는 반사체; 및
    상기 이동부의 주위에 구비되어 상기 이동부를 구동시키는 복수 개의 구동부;
    를 포함하고 2차원의 회전 운동이 가능하며,
    상기 힌지부는 각각의 측면들이 굴곡진 형상으로 형성되고, 상기 각각의 측면들은 서로 대칭을 이루는, 광학 현미경 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 힌지부는 상기 고정부에서 상기 이동부를 향하는 방향으로 너비가 감소하다가 다시 증가하도록 각각의 측면들이 굴곡진 형상으로 형성되고, 상기 이동부의 회전축들은 상기 이동부의 평면 상에서 서로 수직하게 교차하는, 광학 현미경 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고정부는 사각형 형상으로 형성되고,
    상기 힌지부는 4개의 측면을 구비하며, 각각의 측면은 상기 힌지부의 중심축을 기준으로 만곡된 형상으로 형성된, 광학 현미경 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 레이저 광원과 상기 스캐닝 장치 사이에 위치하여, 상기 레이저 광원에서 방출된 되는 빛을 투과시키고, 상기 시편에서 반사되어 돌아오는 빛을 상기 광 검출기로 향하도록 편향시킬 수 있는 빔 스플리터; 및
    상기 빔 스플리터와 상기 광 검출기 사이에 위치하여, 상기 빔 스플리터를 통과한 빛을 상기 광 검출기에 집광시키는 이미징 렌즈;
    를 더 포함하는, 광학 현미경 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012181060A (ja) 2011-02-28 2012-09-20 Kagawa Univ 分光特性測定装置及びその校正方法

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JP2012181060A (ja) 2011-02-28 2012-09-20 Kagawa Univ 分光特性測定装置及びその校正方法

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