KR102074279B1 - 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 방법 및 시스템 - Google Patents

구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 방법 및 시스템에 있어서, 컴퓨터(34), 광원(12), 가변 스케일 푸리에 변환 광경로, 위상 분할기(9), 더블 텔레센트릭 투영광학계(19), 개구수가 큰 대물렌즈(30), 샘플 플랫폼(32)과 에어리어 스캔 카메라를 포함하되, 푸리에 변환 광경로는 제1 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹(8)과 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹(10)을 포함하고, 위상 분할기(9)는 양자 사이에 위치하고, 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹（10)와의 거리는 연속적으로 조절 가능하고, 푸리에 변환 광경로의 광축을 감싸면서 회전하는 운동 자유도를 갖는다. 상기 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 방법 및 시스템은 연속 가변 공간 주파수의 간섭무늬를 원활하게 실현할 수 있고, 공초점 현미경 광학계의 구조광 필드 조명에 사용되며, 공간 초고해상도 이미징을 실현하고, 나노초 스트로브 분폭조명 모드에서, 초고해상도 현미경 이미징을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 나노 검출 안정성 및 검출 속도를 향상시키고, 샘플의 동적 검출 분석을 진행하여, 순간적 나노 구조의 검출을 실현할 수 있다.

Description

구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 방법 및 시스템{SUPER-RESOLUTION MICROSCOPY IMAGING METHOD AND SYSTEM FOR CONTINUOUSLY ADJUSTABLE STRUCTURED LIGHT ILLUMINATION}
본 발명은 초고해상도 현미경 이미징 방법 및 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 공초점 레이저 현미경 이미징, 생체 형광 검출, 마이크로/나노 형상 검출 및 마이크로/나노 구조 입력 표기에 응용되는 실시간/동적 3차원 형상과 나노스케일 이미징 방법 및 시스템에 관한 것이다.
초고해상도 현미경 이미징(Super resolution microscopy, SIM)은, 회절 광학 한계를 넘어서는 검출 방법을 실현하는 것이다. 일반적으로, 회절 광학 한계의 제한을 받아, 광학 시스템 이미징 해상도보다 작은 구조는 분별될 수 없다. 현미경 광학 이미징 시스템의 해상도는 R=k1λ/NA이며, 상기 식에서 k1는 비율 계수이고, λ는 파장이고, NA는 개구수이고, 파장을 줄이고, 대물렌즈의 개구수 NA를 크게 하는 등 방법으로 높일 수 있는 광학 시스템 이미징 해상도는 매우 제한적이고, 해당 광학 해상도는 λ/2를 초과하지 않는다. 그러나 나노기술이 응용됨에 따라, 마이크로/나노 구조를 갖는 샘플에 대한 고속 검출은 분석 과정에서 없어서는 안되는 기술수단이고, 기능성 신규 재료, 나노 집적 소자, MEMS/NEMS 의 연구에서, 마이크로/나노 계면의 발현과 검출은 반드시 무손실 방식이어야 하고, 생물공학연구에서는 더 미세한 구조에 대해 특성 검출 및 분석을 하기 위한 더 높은 해상도(나노급)의 현미경 이미징 기기가 필요하고, 크기가 큰 나노 소자 샘플 제조 시, 고속 검출은 매우 중요하다. 따라서, 나노 크기를 검출 분석하는 문제는 실질적으로 초고해상도 현미경 이미징을 어떻게 실현할 것인가이다.
현재, 전자 현미경(SEM), 원자력 현미경(AFM), 형광 공초점 스캐닝 현미경 이미징(CSIM) 등의 나노 크기의 검출 기기는 큰 샘플의 고속 검출 분석 요구를 완전히 만족시킬 수 없어, 샘플의 동적 변화에 대한 검출을 실현할 수 없다. 1. 전자 현미경(SEM): l0nm의 해상도에 도달할 수 있고, 도전층을 추가해야만 구조 검출을 진행할 수 있어 무손실 검출의 샘플에 적합하지 않고, 활성 생체 샘플의 분석에 이용될 수 없다. 동시에, SEM 직렬 작업방법은, 검출효과가 낮고, 크기가 큰 샘플의 전반적인 검출에 이용되기 매우 어렵다. 2. 원자력 스캐닝 프로브(AFM probe): 최근 검출 방법이 빠르게 발전되고 있고, 마이크로 프로브 스캐닝을 응용하여, 나노 구조 분포를 얻으나, AFM의 검출은 효율이 매우 낮고 검출 시간이 길고, 피검출 샘플의 구조에 대해 많은 제한이 있다. 고속 검출 및 샘플의 동적 분석을 실현할 수 없다. 3. 공초점 스캐닝 현미경(CSIM): 레이저 초점을 모아 표면에서 스캔하여 공초점 검출하는 것을 통해 샘플의 3차원 형상을 얻는다. 이미징 해상도는 시스템 회절 광학 한계 λ/2에 의해 결정된다. 예를 들면 405nm 청색 레이저의 경우, 공초점 스캐닝 현미경의 한계 해상도는 200nm이므로, 더 작은 크기의 검출 요구를 만족시킬 수 없다. 동시에, 스캐닝 방법을 사용하면, 타이밍 지연 문제로 인해, 샘플의 동적 변화의 검출 분석에도 이용될 수 없다.
따라서, SEM, AOF, CSIM은 모두 시리얼 읽기-쓰기(스캔) 방식의 검출 기기이고, 이들의 공통된 문제점은, 피검출 구조가 작을수록 검출 효율이 더 낮아서, 나노구조와 동적 변화 샘플의 고속 검출 분석에 이용될 수 없는 것이다.
2000년에, 미국 캘리포니아 대학의 M.G.L.Gustafsson 교수가 연구 개발한 구조광 조명 현미경 기술(Structure Illumination Microscopy, SIM )은 초고해상도의 광학 현미경 이미징을 위해 새로운 길을 열어놓았다. 해당 기술은 가로방향 변조광으로 샘플을 조명하여, 변조 조명을 이용하여 높은 공간 주파수 신호를 저주파수 이미지에 인코딩시켰다. 조명의 광필드 분포와 최종 저주파수 중첩 무늬를 알게 되면, 기존에 관찰할 수 없었던 미세한 이미지를 후속 계산 방법을 통해 얻을 수 있게 되었다. 미국 특허 US6376818에서는 구조광 현미경 이미징을 광학 단층 이미징 데이터를 얻는 이미징 기술로서 설명했고, 면주사 탐지 방식에 의해 샘플을 고속 이미징하는 잠재력을 갖도록 하며, 상기 검출 방법은 3가지 이상의 상이한 공간의 위상 조명에서의 이미지를 얻어야 한다.
현재 상이한 위상의 구조광 조명을 제공하는 방법에는 두 가지가 있고, 하나는 디지털 마이크로 미러 어레이(DMD)를 공간 광 변조기(예를 들면 중국특허, 출원번호 200810071628.5, 201110448980.8, 201210402820.4)로 사용하고, 탐지기가 노광을 진행하는 동안, 디지털 마이크로미러 구동판은 일련의 펄스폭 변조 신호를 생성하여 각각의 마이크로미러 스위치 상태의 듀티비를 제어하여, 256급의 상이한 밝기의 패턴을 생성하고, 간편하고 입출력이 간단한 등 특징이 있다. 그러나, DMD (예컨대 1024X768, 10.68um)는 픽셀화된 공간 광 변조기이고, 구조광의 변화는 디지털화된 것으로, 다음과 같은 결함이 있다: 1. 디지털 마이크로 반사경DMD의 변조는 단위 마이크로미러의 회전이 광선에 대한 반사에 의해 실현되므로, 구조광의 무늬 공간 주파수는 마이크로미러 유닛의 배수(디지털화)에 따라 변화하므로 연속적으로 변화하는 구조광 필드를 생성할 수 없다. 예를 들면, (0, pi/2, pi)위상 변화가 발생할 경우, 500lp/mm의 공간 주파수 DMD는 수평 조절하는 것이 바람직하다. 0 또는 90도가 아닌 구조광 필드(60도, 45도 등)의 경우, DMD는 이미지의 회전에 비교적 큰 디지털 오차를 발생시켜, 구조광 조명의 위상 조절 정확도를 현저히 저하 시킨다. 검출샘플의 종류의 제한을 크게 받으며, 가로 해상도 및 검출 정확도의 개선이 필요하다. 2. 연속 광원 조명은 검출에 사용되고, 환경의 영향을 크게 받는다. 예컨대, 환경 진동 요소로 인해 샘플(시스템)의 진동속도가 2um/s~5um/s, CCD 검출시간이 40ms로 된다고 가정하면, 검출 기간 동안 샘플의 불안정한 범위가 80nm~200nm에 도달하고, 최종 검출결과에 랜덤 퍼지량이 겹쳐진다. 형광재료가 특정 들뜸 에너지를 필요로 하는 것을 고려할 때, CCD는 적분 수신 시간이 필요하고, 검출된 시간은 약 수십초가 걸린다. 따라서, 어떠한 시스템이든 불안정한 경우, 검출 데이터의 불정확성을 야기한다. 이는 검출 시스템이 엄격한 진동차단 조치를 갖도록 요구한다. 3. 유사하게, 큰 NA대물 안경 광학계를 사용하여 구조광 필드를 향상시킬 수 있는 공간주파수를 얻을 수 있다. 그러나, 초점심도(kl λ /NA2)도 이와 함께 신속하게 감소되며, 예컨대 NA1.49, 450nm 파장은 초점심도가 200nm에 불과하다. 이는 광학 집광 시스템의 안정성에 대해 매우 엄격한 요구를 제시한다. 어떠한 외부의 미소한 변화라도 집광 위치의 변화를 초래하여 검출 안정성이 떨어지게 된다. 반드시 시스템은 엄격한 자체적응 자체 집광 조치가 있어야 한다. 동시에, DMD크기와 대물렌즈의 수차의 제한으로 인해, 1회의 검출된 시야는 20um 이하이다. 4. DMD의 개폐 및 집광 방법을 통해, 샘플에 대해 폭을 나누어 샘플링하여, 3차원 구조의 합성을 진행하고, 시스템의 안정성이 부족한 상황에서, 그 3차원 구조의 검출 정확도는 높지 않다.
다른 하나는 그릴을 광원의 변조기로서 사용하고, 단일 공간 주파수를 갖는 무늬 그릴을 샘플에 투사하고, 현미경은 무늬 그릴에 대해 위치한 초점 면에 투영시켜 매우 좋은 이미징을 진행할 수 있고, 뾰족한 무늬가 표기된 샘플의 단층 이미지를 얻고, 가로 이동 또는 회전 그릴 방법으로(미국 특허 US8081378B2, US8160379B2, US6819415B2) 상대적 공간 위치를 변경하고, 구조광 조명의 위상이동을 실현한다. 이러한 방법은 그릴의 위치 이동에 대해 엄격한 제어를 해야 하고 카메라와 동기 작업해야 하고 이미징 속도가 느리고 정지상태의 샘플 관찰 시에만 사용된다. 따라서, 중국특허 출원번호 201210553557.9는 3개의 중심파장이 근접하나 스펙트럼이 서로 중첩되지 않는 협대역의 광 또는 레이저를 이용하여 조명 광을 구성하고, 세 방향의 빛은 각자 독립된 투영 경로를 통해 그릴을 샘플 상에 투영시켜 조명 구조광을 얻은 다음, 스펙트럼 모듈을 이용하여 상이한 파장의 샘플 반사광을 이미징 모듈의 상이한 감광성 영역에 투사함과 동시에 이미징을 진행하고, 상기 시스템은 3가지 위상 이동 조명 구조광만을 형성할 수 있고, 시스템 구조가 복잡하다. 중국특허 출원번호 201210580743.1의 구조광 조명을 실현하는 원판에 있어서, 원판을 9개의 부채꼴 영역으로 균등하게 나누고, 각각의 부채꼴 영역에는 하나의 그릴이 설치되어 있고, 9개의 그릴은 순차적으로 각각 3개의 그릴을 포함하는 제1 그릴 그룹, 제2 그릴 그룹 및 제3 그릴 그룹으로 나뉘고, 제1 그릴 그룹 중 각각의 그릴의 경사각은 -120도이고, 제2 그릴 그룹 중 각각의 그릴 경사각은 0도이고, 제3 그릴 그룹 중 각각의 그릴 경사각은 +120도이고, 각 그룹의 그릴은 3개의 평행된 그릴로 나뉘고, 동일 그룹 내의 그릴이 이미징 시, 각각의 그릴의 무늬는 가로 방향으로 3분의 1 주기 오프셋 되고, 원판을 회전시키기만 하면 상이한 그릴을 얻어 구조광 조명 모드의 요구를 만족시킬 수 있고, 상기 시스템은 3그룹의 3가지 위상이동의 조명 구조광을 얻을 수 있고, 위상 이동량 및 그릴 공간 주파 변화량이 제한적이고 분리된다.
구조광 조명은 샘플 표면 구조광 필드의 위상 분포를 검출하여, 위상분포를 “위상펼침(Phase Unwrapping)”하여, 광학 회절 한계보다 작은 구조의 검출, 즉 초고해상도 이미징을 실현한다. 여기서, 샘플 표면으로부터 반사되어 돌아오는 구조광 필드는 샘플 구조로 인한 위상변화를 갖게 되고, 구조광 필드는 “반송 주파수”작용을 일으키고, 이론적으로 “반송 주파수”가 높을수록, 위상변화 능력이 더 크고, 구조 무늬의 위상이동이 작을수록, 구축된 이미지 정확도가 더 높다.
따라서, 현재 구조광 조명 현미경 이미징에 존재하는 문제에 대해, 연속적으로 공간 주파수가 변화하는 높은 공간 주파수의 구조광 필드를 얻는 것이, 가로방향 해상도의 측정, 동적 목표의 고속 현미경 이미징을 향상시키는 중요한 경로 중 하나가 되었다.
본 발명의 목적은 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 방법 및 시스템을 제공함으로써, 공간 초고해상도 이미징을 얻고, 나노 검출 안정성 및 검출 속도를 향상시킴과 동시에 샘플의 동적 검출 분석을 실현하는 것이다.
상기 발명의 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 기술방안을 사용했다: 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템에 있어서, 컴퓨터, 광원, 가변 스케일 푸리에 변환 광경로, 위상 분할기, 더블 텔레센트릭(Double telecentric) 투영 광학계, 개구수가 큰 대물렌즈, 샘플 플랫폼 및 에어리어 스캔 카메라를 포함하고, 상기 푸리에 변환 광경로는 제1 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹과 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹을 포함하고, 상기 위상 분할기는 제1 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹과 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹 사이에 배치되고, 상기 위상 분할기와 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹 사이의 거리를 연속적으로 조절 가능하고, 상기 위상 분할기는 푸리에 변환 광경로의 광축을 감싸면서 회전하는 운동 자유도를 갖는다.
상술한 기술방안에서, 상기 광원은 연속적인 레이저 광원 또는 펄스 레이저 광원일 수 있고, 상기 펄스 광원은 나노초 펄스 레이저 광원, 피코초 펄스 레이저 광원, 펨토초 레이저 펄스 광원 등을 포함하며 이에 한정되지 않다. 펄스 레이저 기기는 스트로브 광원을 제공할 수 있고, 변조 주파수는 1 kHz, 펄스 폭: 5ns~20ns일 수 있다.
상기 광원은 레이저 다이오드 광원일 수 있다.
고출력 레이저 광원에서, 시스템은 나노구조를 입력할 수 있고, 나노초 레이저 광원에서, 나노초 타이밍 스트로브 분폭(分幅) 조명은, 초고해상도 현미경 이미징을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 나노 검출의 안정성 및 검출속도를 향상시킬 수 있고, 샘플의 동적 상태 검출분석을 진행하여, 순간 나노구조의 검출을 실현할 수 있고, 본 시스템은 샘플의 형광 현미경 검출을 진행할 수 있고, 상이한 파장의 다이오드 광원 조명을 사용하는 경우, 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹의 후초점면에서 생기는 간섭 무늬 공간주파수가 상이하다.
상기 에어리어 스캔 카메라는 전하결합소자 CCD 카메라, 상보성 금속 산화물 반도체 CMOS 카메라 또는 기타 카메라일 수 있다.
컴퓨터는 광원, 위상 분할기, 더블 텔레센트릭 투영광학계 및 샘플 플랫폼의 운동을 제어한다.
상술한 기술방안에서, 상기 위상 분할기는 1차원 격자 구조이다. 또는, 상기 위상 분할기는 이원적 광학구조이다.
상술한 기술방안에서, 위상 분할기는 재2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹의 후초점면에서 나노 간섭 무늬를 형성한다.
상술한 기술방안에서, 위상 분할기를 장착하여, 상기 위상 분할기의 ±1차 회절 광 점은 푸리에 변환 광축의 양측에 분리되어 있고, 0차 광은, 위상 분할기가 초평면에 위치한 경우, 두 개의 회절 광 점은 하나로 합쳐진다.
광축을 따라 위상 분할기의 위치를 연속적으로 변경하는 것을 통해, 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹 후초점면에 연속적으로 변경 가능한 공간 주파수의 간섭무늬를 생성할 수 있다.
광축을 감싸며 위상 분할기를 회전시키는 것을 통해, 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹 후초점면에 상이한 방향의 간섭무늬를 생성할 수 있다.
동시에 위상 분할기를 수평이동, 회전시키는 것을 통해, 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹 후초점면에 상이한 공간 주파수, 상이한 방향의 간섭무늬를 생성할 수 있다.
추가적인 기술방안은, 상기 시스템은 공간 광 변조기를 포함하고, 상기 공간 광 변조기는 광원과 푸리에 변환 광경로 사이에 위치한다.
상술한 기술방안에서, 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹의 후초점면상의 나노 간섭무늬, 플랫폼 상의 샘플 및 CCD는 공초점이다.
상술한 기술방안에서, 필요에 따라, 시야 조리개, 가변 조리개를 광경로에 설치할 수 있다. 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 방법은, 상기 시스템을 통해 실현되고, 레이저 빔은 빔 확장 후, 제1 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹에 조사되면, 위상 분할기에 의해 ±1차 회절 광 점을 생성하고, 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹을 지나, 후초점면에 간섭 광 필드를 형성하고, 더블 텔레센트릭 투영광학계 및 개구수가 큰 대물렌즈의 빔 결합을 통해, 샘플 플랫폼 상에 나노 미세 광 필드를 형성하고, 대물렌즈에 대해 Z방향 조절을 진행하여, 나노 정밀 집속을 실현하고, 샘플에 대해 나노크기를 갖는 구조광 조명을 형성하고, 샘플구조 검출을 실현한다. 이와 동시에, 적색 비점수차 광경로와 반사된 녹색 형광은 각각 자동 집광 광학(세로방향) 검출 및 조준 조명(가로방향)과 검출을 진행하고, CCD와 샘플은 공액 공초점 위치에 처하고, 반사된 구조광 필드의 위상분포를 직접 검출할 수 있고, 편광 빔 스플리터 및 2색 빔 스플리터는 각 파장이 상호 간섭하지 않도록 보장한다.
추가적인 기술방안은, 상기 레이저 빔은 빔 확장 후, 공간 광 변조기(디지털 마이크로 미러, DMD)를 지난 다음, 제1 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹에 조사된다.
상술한 기술방안에서, 위상 광 소자는 위상격자를 사용할 수 있다. 위상격자는 0차 광을 제거하는 격자이고, ±1차 회절 광 점은 제1 푸리에 변환 렌즈(그룹) 초점면상에 있고, 광축 양측에 분리되어 있고, 두 광점의 거리와 위상격자로부터 초점 면까지 거리는 정비례하고, 위상격자의 초평면까지의 거리가 클수록, 광점 분리 거리는 더 크고, 위상격자가 초평면에 위치한 경우, 두 회절 광 점은 하나로 합쳐진다. 따라서, 위상 격자의 이동을 통해, 광점 거리는 연속 변화를 실현했다. 이렇게, 제2푸리에 변환 렌즈(그룹)의 후초점면상에 형성된 간섭무늬(광 필드) 공간 주파수는 연속적으로 변한다.
상술한 기술방안에서, 간섭무늬를 포함한 광 필드는, 후속되는 축소 투영 광학계를 지나면서 공간 주파수가 추가로 향상된다. 투영 광학계의 축소 배수를 M로 설정하고, f가 푸리에 변환 렌즈 초점거리, F가 위상격자 grating 공간 주파수이면, 샘플 상의 구조광 필드의 간섭무늬의 공간 주파수는 Fn=M/PN=2(f-dz)FM/f이고, 위상격자 grating의 수평이동으로 인한 샘플 상의 구조광 필드의 위상 변화율은 AFn=|2△zFM/f|이다. 여기서, △z는 위상격자 grating에서 초평면까지의 거리의 변화 량이다.
상술한 기술방안에서, 시스템 중에 설치된 tube lens 초점거리 f=200mm, 대물렌즈(NA0.95)의 초점거리 1mm, F=120 lp/mm, dz=0이면 샘플상의 구조광 필드의 간섭무늬 공간 주파수는 5000 lp/mm(200nm주기)에 달한다. 격자 위상이동 정확도를 Dz=5mm로 설정하면, 본 시스템은 0.05pi 위상변화를 지원할 수 있고, 200nm X 0.05 = 10nm 위상 구조변화와 상응한 위상 분해능의 검출을 실현할 수 있어, 회절 한계를 초과하는 해상도(~10nm)의 현미경 이미징을 얻는다.
상술한 기술방안에서, 구조광 조명은 1차원적 간섭무늬(격자구조)를 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 이진 위상소자로서 위상격자를 대체할 수도 있고, 생성된 2차원 구조광 필드는 구조광 조명에 이용되어 2차원 공간 주파수 조절 가능한 구조광 필드를 얻는다.
상술한 기술방안을 응용하므로, 본 발명과 종래 기술을 비교할 때 다음과 같은 장점이 있다:
1. 나노 구조광 조명은, 더 높은 해상도를 얻을 수 있다.
위상 광 소자를 기반으로 한 구조광 조명은, 간섭무늬가 200nm*0.05=10nm 의 위상구조 변화 능력을 구비하며, 이미 알려진 기타 방법에 비해 적어도 하나의 레벨을 높일 수 있고, 숫자 오차가 없을 뿐만 아니라 구조광 필드 중 무늬 공간 주파수 및 방향을 연속적으로 변경할 수 있어, 더 정밀한 위상구조 변화를 얻을 수 있고, 초고해상도 3차원 현미경 이미징을 실현하고, 더 높은 정확도, 더 복잡한 형태의 고속 검출에 적용된다.
2. 나노 초 레이저 스트로브 조명은, 더 높은 검출 안정성을 보장한다.
연속 가변 공간 주파수 간섭무늬 구조 조명을 토대로, 본 방안은 펄스 레이저 광원을 사용하고, 나노초 타이밍 조명으로, 각 프레임당 조명 시간은 5나노초~20나노초이다. 샘플진폭이 5mm/s에 달하는 것으로 가정하면, 20나노초 조명 내에, 검출결과가 진동 영향을 받는 퍼지량은 0.4nm이하이다. 따라서, 나노초 타이밍 조명 방법은, 환경 진동의 영향을 극복했고, 연속적인 광원 조절로 인한 검출 불안정성을 해소했고, 더 정밀한 위상 변화 정보의 검출 정확도를 보장했다.
나노초 펄스 폭 20nm으로, 위치 트리거 방법을 사용하여, 위치 결정 정확도 ±1펄스를 확보할 수 있고, 이론적으로 레이저 간섭 위치결정 하에서, ±1nm 중복 위치결정 정확도를 가지며, RMS정확도는 서브 나노미터 수준에 도달할 수 있다.
3. 주파수 분할 조명은 더 높은 정밀도의 3차원 데이터 검출을 얻을 수 있다.
중복 주파수의 스트로브 조명은, 예를 들면 각 폭당 조명 시간이 20ns이고, 광 필드 크기가 80um이면, 검출 기간 내에, 수백 프레임 이상의 검출 이미지를 진행할 수 있다. 이와 같이, 공간 주파수 변화를 통해 검출 및 3차원 샘플의 검출을 검사할 뿐만 아니라, 샘플의 동적진화의 검출을 진행할 수 있고, 구조가 더 정밀한 3차원 형태를 얻는다.
4. 더 강한 환경 적응성은, 더 높은 검출효과를 실현할 수 있다.
비교로서, NA0.95현미경 대물렌즈는 초점 심도가 일반적으로 200nm~300nm이고, 검출은 환경 진동의 영향을 크게 받고, 안정성을 보장하기 매우 어렵다. 연속적인 공간 주파수 조명을 이용한 간섭 광경로는, 위상격자의 크기를 20mmx200mm까지로 할 수 있으므로, 구조광 필드의 크기(시야)는 80um이상일 수 있고, 이와 같이 구조 조명의 무늬 탱크 심도(피사계 심도)는 10um에 달하고, 연속적인 샘플의 샘플링과 합성을 통해, 대시야 3차원형태 검출을 실현할 수 있다.
5. 저전력 조명에서, 본 방법은 샘플의 형광 현미경 검출을 진행할 수 있다. 고효율 조명에서, 시스템은 나노구조를 입력할 수 있다.
도 1은 연속 가변 공간 주파수 구조광 조명의 광경로 시스템이다.
도 2는 구조광 조명을 연속으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징시스템이다.
도 3은 위상소자가 제1 푸리에 변환 렌즈와 가까이 있을 때의 푸리에 변환 시스템이다.
도 4는 위상소자가 제1 푸리에 변환 렌즈로부터 멀리 떨어져 있을 때의 푸리에 변환 시스템이다.
도 5는 위상소자가 광축을 감싸며 회전할 때의 푸리에 변환 시스템이다.
도 6은 공간 변조된 구조광 조명을 연속으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템이다.
도 7은 연속 주파수 분할 구조광 조명으로 동적 검출을 진행하는 단계이다.
도 8은 공간 변조된 대폭면의 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템이다.
도 9는 상이한 파장에서의 주파수 변환 광경로 시스템이다.
도 10은 위상소자가 2차원 직교 격자일 때의 푸리에 변환 시스템이다.
도면 및 실시예를 참조하여 본 발명을 추가로 설명한다.
실시예 1: 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 광경로 시스템
본 실시예에서 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 광경로 시스템의 두 광선의 전파 개략도는 도 1에 도시한 바와 같고, 여기서 메인 광선이 위상격자를 지나 grating된 후 생성된 1차 회절 광과 광축의 협각은 α이고, 이후 렌즈 시준을 거치면, 광축의 협각은 β이고, 여기서 위상격자 grating주기는 Ρ이고, 0차 광을 제거한 후, ±1차 회절 광이 출력 평면의 광 필드 내에서, 상호 간섭한 후 얻어진 무늬（격자) 주기는 PN이다. 4f 광학계의 초점거리는 f이고, 위상격자 grating과 전면 렌즈의 거리는 dz이고, 주광선과 초평면의 협각은 0이고, O점에서 출발한 평행광과 광축의 거리는 h이고, O점에서 출발한 평행광이 후면 렌즈를 지난 후의 광선은 주광선이 후면 렌즈를 지난 후의 광선과 평행된다. 가변 스케일 푸리에 변환 시스템에서, 위상격자 grating의 렌즈 후면의 집속 빔 상에서의 연속적인 수평이동은, ±1차 회절 광 초점 간격을 연속적으로 변경시키고, 출력 광 필드 내 간섭 무늬는 구조광 공간 주파수의 연속적인 변경을 실현했고, 이 경우, 아래와 같은 관계가 존재하게 된다:
Figure 112016061139865-pct00001
, 따라서,
Figure 112016061139865-pct00002
,
Figure 112016061139865-pct00003
이고,
마지막에 ±1차 광으로 간섭하므로,
Figure 112016061139865-pct00004
이다.
만약 근축으로 근사계산하면
Figure 112016061139865-pct00005
이다.
간섭무늬를 포함한 광 필드는, 후속되는 축소 투영 광학계를 지나면서 공간 주파수가 추가적으로 향상된다. 투영 광학계의 축소 배수를 M로 설정하고, f가 푸리에 변환 렌즈 초점거리이고, F가 위상 격자 grating 공간 주파수이면, 샘플상의 구조광 필드의 간섭무늬의 공간 주파수는 Fn=M/PN=2(f-dz)FM/f이고, dz를 변경하여 얻은 간섭무늬의 공간 주파수는 [0, 2FM]lp/mm이다. 위상격자 grating의 수평이동으로 인한 샘플 상의 구조광 필드의 위상 변화율은 △Fn=|2△zFM/f|이다.
여기서, △z 는 위상격자 grating에서 초평면까지의 거리의 변화량이다.
본 실시예에서, 위상격자 F=120 lp/mm이고, 시스템에서의 tube lens 초점거리는 f=200mm이고, 대물렌즈(NA0.95)의 초점거리는 1mm이고, 샘플 상의 구조광 필드의 간섭무늬 공간 주파수는 [0, 5000] lp/mm이고, 여기서 최대 값 5000 lp/mm(200nm 주기)는 dz=0인 경우에 얻은 것이다. 도 2에서의 격자 위상이동 정확도는 Dz=5mm이고, 본 방법은 0.05pi위상변화를 지원할 수 있다. 따라서, 200nm*0.05 = 10nm위상구조변화와 상응한 위상 분해능의 검출을 실현할 수 있다. 이론적으로, 회절 한계를 초과하는 해상도(~10nm)의 현미경 이미징을 얻을 수 있다. 본 실시예에서 상기 구조 조명은 1차원의 간섭무늬(격자구조)를 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 이진 위상소자로서 위상격자를 대신할 수 있고, 생성된 2차원구조광 필드는, 구조광 조명에 이용되어, 2차원공간 주파수 조절 가능한 구조광 필드를 얻는다.
본 실시예에서 상기 푸리에 변환 시스템은 임의 형태 또는 조합의 푸리에 변환 광학계를 포함한다.
실시예 2: 대폭면의 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템은 나노초 펄스 레이저(12), 공간 필터(13), 제1 푸리에 변환 렌즈(8), 회절격자(9), 제2 푸리에 변환 렌즈（10）, 시야 조리개(16), 실시간 검출 광경로(17), 하프미러(18), tube lens(19), 축소 대물렌즈(30), 자동 집속 광경로(31), 2차원 정밀 수평이동 플랫폼(32), 운동 제어기(33), 제어 컴퓨터(34), 검출샘플(35)을 포함한다.
실시예에서 나노초 펄스 레이저(12)에서 내보낸 레이저는 공간 필터(13)를 지나 빔 확장 및 시준 후 평행 광을 형성하여 제1 푸리에 변환 렌즈(8), 회절격자(9), 제2 푸리에 변환 렌즈(10)로 구성된 격자공간 주파수 및 각도 연속 조절 광경로에 진입하고, 제2 푸리에 변환 렌즈(10) 후면 영역에는 공간 주파수 및 방향을 지정하는 격자무늬 정보가 형성되고, 제2 푸리에 변환 렌즈 후초점이면 상에는 간섭무늬의 이미징 영역을 제한하는 시야 조리개(16)가 설치되고, 시야 조리개를 통과한 격자무늬는 하프 미러(18), tube lens(19) 및 축소 대물렌즈(30)를 지나 검출샘플(35) 표면 상에 고주파 구조를 갖는 세분화된 무늬를 형성한다. 자동 집광 광경로(31)는 초점 대물렌즈와 검출샘플(35) 표면의 거리를 모니터링하고 실시간으로 조절하여, 고주파 격자무늬가 감광 재료 표면에 정확하게 이미징되도록 보장하고, 나노 정밀 초점을 실현하여 샘플에 대해 나노 크기를 갖는 구조광 조명을 형성하여, 샘플구조 검출에 이용한다. 실시간 검출 광경로(17)는 샘플(35) 표면 무늬의 위상변화에 대해 실시간으로 이미징하고, 여기서 CCD와 샘플은 공액 공초점 위치에 놓이고, 반사된 구조광 필드의 위상분포를 직접 검출할 수 있고, 편광 빔 및 2색 빔 렌즈는 각 파장이 서로 간섭하지 않도록 보장한다. 이러한 위상변화에 대한 위상펼침을 통해, 샘플 표면 형태에 대한 가로방향 검출을 실현했고, 자동 집광 광경로를 결합하여 샘플 표면 형태에 대한 세로방향 검출을 실현했고, 샘플(35)의 3차원 형태 검출을 실현했다. 운동 제어기(33)는 제어 컴퓨터(34)가 설정한 절차에 따라 회절격자(9)의 이동 또는 회전 또는 동시 이동 및 회전을 제어하고, 격자무늬의 공간 주파수 또는 방향 또는 공간 주파수 및 방향의 연속적인 변화를 실현했고, 1종 이상의 반사구조광 필드의 위상분포를 얻었고, 샘플(35)의 초고해상도 3차원 형태 검출을 실현했다.
검출샘플(35)의 폭면이 검출 시스템의 조명 광 필드 크기보다 큰 경우, 운동 제어기(33)는 제어 컴퓨터(34)에 설정된 프로그램 제어에 의해 나노초 펄스 레이저(12)의 펄스 타이밍, 회절격자(9)의 이동과 회전 및 2차원 정밀 수평이동 플랫폼(32)의2차원 이동을 조율하고, 샘플 표면의 상이한 영역의 3차원 형태 검출을 통해, 대형샘플의 3차원 형태 검출을 실현한다.
실시예 3: 분폭 구조광 필드 조명 검출방법
본 실시예에서는 도 2에 도시된 시스템을 사용했고, 상이한 공간 주파수의 분폭 구조광 필드 조명 검출방법을 사용할 수 있다. 도 3, 도 4에 도시된 바와 같이, 동일한 푸리에 변환 광학계에서, 위상소자(9)는 컴퓨터의 제어에 의해, 광학계의 광축을 따라 수평이동하여, 위상소자가 푸리에 변환 렌즈(8)의 위치와 상이하도록 하고, 생성된 구조광 조명의 공간 주파수도 상이하도록 한다. 본 실시예에서, 위상격자 F=120 lp/m, 시스템에서의 tube lens 초점거리 f=200mm, 대물렌즈(NA0.95) 초점거리 1mm이고, 위상격자(9)와 렌즈(8)의 거리 dz가 20mm인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 생성된 구조광 조명의 공간 주파수는 4500 lp/mm이고, 위상격자(9)와 렌즈(8)의 거리 dz가 80mm인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 생성된 구조광 조명의 공간 주파수는 3000 lp/mm이다. 이와 같이, 시스템이 샘플 표면에 투사한 구조광의 공간 주파수는 상이하다.
본 실시예에서는 도 2에 도시된 시스템을 사용했고, 상이한 방향의 분폭 조명 검출방법을 더 사용할 수 있다. 동일한 푸리에 변환 광학계에서, 위상소자(9)는 컴퓨터의 제어에 의해, 광축을 감싸며 회전하고, P1 방향에서 θ각 회전 후 P2로 향하고, 도 5에 도시된 바와 같이, 위상소자(9)가 P1 위치에 있을 경우, 조명격자는 xy평면 내에서, 그 격자무늬는 P1 방향과 수직되고, 위상소자가 P2 위치에 있는 경우, 조명격자는 xy평면 내에서, 그 격자무늬는 P2 방향과 수직되고, 두 가지 격자무늬 사이의 각도는 θ이다. 즉 위상소자가 광축을 감싸고 회전 시, 푸리에 변환 렌즈 후초점면에 형성된 격자방향이 상이하므로, 위상소자를 회전시켜 상이한 방향의 구조광 조명을 실현할 수 있다.
본 실시예에서, 위상소자(9)는 x1y1평면 내에 있고, 위상소자가 P1위치(즉 y1방향)에 있는 경우, 후초점면에 형성된 격자는 xy평면 내에 있고, 격자무늬는 P1방향(즉 y1과 평행되는 y방향)과 수직되고, 위상소자가 P2위치(즉 y1방향과 20도의 협각을 이룸)인 경우, 후초점면에 형성된 격자는 xy평면 내에 있고, 격자무늬는 P2 방향과 수직된다(즉 y방향과 60도의 협각을 이룸).
본 실시예에서 도 2에 도시된 시스템을 사용하면, 특정 공간 주파수 및 특정 방향의 분폭 조명 검출방법을 사용할 수도 있다. 동일한 푸리에 변환 광학계에서, 위상소자(9)는 컴퓨터의 제어에 의해 광축을 따라 수평이동 하거나 광축을 감싸며 회전하고, 푸리에 변환 렌즈 후초점면에 격자가 상이한 공간 주파수 및 방향을 형성하여, 위상소자를 수평이동, 회전 시켜 상이한 방향의 구조광 조명을 실현한다.
본 실시예에서, 도 3, 도 4와 도 5에 도시된 원리에 따라, 위상격자 F=120 lp/mm인 경우, 시스템에서의 tube lens 초점거리 f=200mm, 대물렌즈(NA0.95)의 초점거리 1 mm이고, 구조광 조명을 생성해야 할 공간 주파수가 2500 lp/mm 인 경우, Fn =2(f-dz)FM/f 공식에 따라, dz=f(1-Fn/(2FM))을 얻고, 위상격자(9)와 렌즈(8)의 거리dz는 100mm이고, 구조광 조명을 생성해야 할 공간 주파수가 1500 lp/mm 인 경우, 공식 dz=f(1-Fn/(2FM))에 따라, 위상격자(9)와 렌즈(8)의 거리(dz)는 140mm이고, 구조광 조명을 생성해야 할 공간 주파수가 500 lp/mm인 경우, dz=f(1-Fn/(2FM))공식에 따라, 위상격자(9)와 렌즈(8)의 거리dz는 180mm이다. 구조광 조명의 무늬방향과 P1방향 순시침 방향이 60도 협각을 이루게 하고자 하는 경우, 위상격자(9)를 순시침 방향으로 광축을 감싸는 방향을 따라 60도 회전시키고, 구조광 조명의 무늬방향과 P1방향 순시침 방향이 90도 협각을 이루게 하고자 하는 경우, 위상격자(9)를 순시침 방향으로 광축을 감싸는 방향을 따라 90도 회전시키고, 구조광 조명의 무늬방향과 P1방향 역시침 방향이 30도 협각을 이루게 하고자 하는 경우, 위상 격자(9)를 역시침 방향으로 광축을 감싸는 방향을 따라 30도 회전시킨다.
본 실시예에 도시된 바와 같이, 본 시스템은 상이한 공간 주파수의 구조광 분폭조명 방법을 사용할 수 있고, 동일한 공간 주파수, 상이한 방향의 구조광 분폭조명 방법을 사용할 수 있고, 특정 변조 공간 주파수 및 방향의 구조광 분폭조명 방법을 사용할 수 있다.
실시예 4: DMD와 연속 가변 공간 주파수의 상호 변조를 이용한 구조광 조명
본 실시예에서는 DMD와 연속 가변 공간 주파수의 상호 변조를 이용한 구조광 조명 시스템을 사용했고, 도 6에 도시된 바와 같이, 나노초 펄스 레이저(12), 공간 필터(13), 반사경(14), DMD공간 광 변조기(15), 제1 푸리에 변환 렌즈(8), 회절격자(9), 제2 푸리에 변환 렌즈(10), 시야 조리개(16), 실시간 검출 광경로(17), 하프미러(18), tube lens(19), 축소 대물렌즈(30), 자동 집광 광경로(31), 2차원 정밀 수평이동 플랫폼(32), 운동 제어기(33), 제어 컴퓨터(34), 검출샘플(35)을 포함한다.
본 실시예에서 나노초 펄스 레이저(12)에서 내보낸 레이저는 공간 필터(13)를 지나 빔 확장 및 시준 후 평행 광을 형성하여 DMD공간 광 변조기(15)에 입사되고, DMD공간 광 변조기는 가변 조리개로서 평행 광의 광스폿 크기 및 형태를 제어하고, DMD공간 광 변조기를 거쳐 반사된 광선은 제1 푸리에 변환 렌즈(8), 회절격자(9), 제2 푸리에 변환 렌즈(10)로 구성된 격자 공간 주파수 및 각도 연속 변조 광경로에 진입하고, 제2 푸리에 변환 렌즈(10)의 후초점면 상에 지정 공간 주파수 및 방향의 격자무늬를 형성하고, 후초점면상에 시야 조리개(16)가 설치되어 있고, 시야 조리개를 통과한 격자무늬는 하프미러(18), tube lens(19) 및 축소 대물렌즈(30)를 지나 샘플(35) 상에 고주파수 격자무늬를 형성한다. 이러한 위상 변화에 대한 위상펼침을 통해, 샘플 표면 형태에 대한 가로방향 검출을 실현하고, 자동 집광 광경로를 결합하여 샘플표면 형태에 대한 세로방향 검출을 실현하고, 샘플(35)의 3차원 형태 검출을 실현한다. 운동 제어기(33)는 제어 컴퓨터(34)가 설정한 프로그램에 의해 회절격자(9)의 이동 또는 회전 또는 동시 이동 및 회전을 제어하고, 격자 무늬의 공간 주파수 또는 방향 또는 공간 주파수 및 방향의 연속 변화를 실현하여, 1종 이상의 반사구조광 필드의 위상분포를 얻고, 샘플(35)의 초고해상도 3차원 형태검출을 실현한다.
실시예 5: 동적 샘플검출하는 타이밍을 위한 연속 주파수 분할 구조광 조명의 사용
본 실시예에서, 도 2에 도시된 검출 시스템이든 도 6에 도시된 검출 시스템든, 연속 주파수 분할 구조광 조명으로 동적 검출을 진행하는 단계는 도 7에 도시된 바와 같고, 첫째, 샘플을 플랫폼에서 프리 스캔하고, 위치 센서로 세로방향 위치를 표시하여, 표준 데이터베이스를 구축하고, 둘째, 검출 대상 물품을 검출 플랫폼에 위치시키고, 셋째, 검출 샘플을 프리 스캔하고, 표준 데이터 베이스와의 빠른 비교를 통해 수집지점의 세로방향 자동 집속 위치를 얻고, 넷째, 모터로 플랫폼을 구동시켜 x, y방향으로 수평이동 시키고, 위치센서는 z방향으로 자동 집속하고, 다섯째, 조명을 분폭하여, 멀티 프레임의 상이한 공간 주파수 또는 방향 구조광 조명에서의 검출 이미지를 얻고, 여섯째, 스캔 완료 여부를 확인한 후, 완료되지 않은 경우, 다음 위치로 이동시켜 계속하여 검출하고, 완료된 경우 상응한 계산법 처리를 진행하여, 검출 물품의 3차원 형태를 구축한다. 본 실시예에서, 개구수가 NA0.95인 현미경 대물렌즈는, 초점 심도가 일반적으로 200nm~300nm이고, 검출은 환경진동의 영향을 크게 받고, 안정성을 보장하기 매우 어렵다. 연속 공간 주파수 조명을 이용한 간섭 광경로는, 위상격자의 크기를 20mmx200mm까지 할 수 있으므로, 구조광 필드의 크기(시야)는 80um이상 도달할 수 있고, 구조 조명의 무늬 탱크 심도(피사계 심도)는 10um에 달한다. 본 실시예에서 분폭조명인 중복 주파수의 스트로브 조명은, 예를 들면 폭당 조명 시간이 20ns이고, 광 필드 크기 80um인 경우, 검출 기간 내에, 수백 프레임 이상의 검출 이미지를 진행할 수 있다. 이와 같이, 공간 주파수 변화를 통해 검출 및3차원 샘플의 검출을 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 샘플의 동적 진화의 검출을 진행할 수 있어, 구조가 더 정밀한 3차원 형태를 얻고, 그 밖에, 연속 샘플의 샘플링과 합성을 통해, 큰 시야 3차원 형태 검출을 실현한다.
실시예 6: 대폭면의 분폭 구조광 필드 조명 검출 방식
본 실시예에서, 실시예 5의 동적 샘플의 검출을 위한 연속 주파수 분할 구조광 조명의 사용을 기반으로, 높은 정밀도의 대폭면의 분폭 구조광 필드 조명 검출 방식을 실현할 경우, 그 검출 시스템도 도 8에 도시한 바와 같을 수 있다. 여기서, 자동 광경로(31)는 두 가지 상이한 파장의 조명 광원(311 및 312)를 사용했고, 여기서 조명 광원(311)은 유닛(18, 30 및 313)과 자동 집속 검출 광경로를 구성하고, 운동 플랫폼 방향과 평행되는 자동 초점 조정 기능을 실현하고, 조명 광원(312)은 유닛(18, 30 및 313)과 자동 위치결정 광경로를 구성하고, 운동 플랫폼 방향과 평행되는 검출 광 필드의 심리스 연결을 실현한다. 분폭 구조광 필드 조명 방식을 결합하여, 높은 정밀도의 대폭면 동적 검출을 실현한다. 본 실시예에서의 자동 광경로(31)는 도 2 또는 도 6에 도시된 검출 시스템에 사용될 수 있다.
실시예 7: 푸리에 급수로 전개된 구조광 필드 조명을 사용한 3차원 구조 검출
본 실시예에서, 표면 형태 샘플이 전개한 모든 푸리에 급수에서, 저주파 부분은 표면 형태의 낮은 경사도 부분의 특징, 즉 형태 윤곽 또는 형상을 반영하고, 고주파 부분은 표면 형태의 높은 경사도 특징, 즉 세부사항 또는 돌연변이를 반영하고, 주파수가 높을수록 반영된 세부사항 정도가 더 높다. 따라서, 주파수 연속 변환의 구조광 조명은, 물체의 고해상도 3차원 구조검출을 실현할 수 있다.
본 실시예에서 상술한 검출 시스템 원리에 따라, 샘플상의 구조광 필드의 간섭무늬의 공간 주파수는 Fn=M/PN=2(f-dz)FM/f이고, dz을 변경하여 얻은 간섭무늬의 공간 주파수는 [0,2FM] lp/mm이고, 위상소자(9)의 수평이동으로 인한 샘플상의 구조광 필드의 위상 변화율은 △Fn=|2△zFM/f|이고, △z=△Fnf/(2FM)이고, Δz은 위상소자(9)에서 초평면까지의 거리의 변화량이고, 부호 ±는 위상소자(9)가 광축을 따라 수평 이동한 방향이다.
본 실시예에서, 위상격자 F=120 lp/mm, 시스템에서의 tube lens 초점거리 f=200mm, 대물렌즈(NA0.95)의 초점거리 1mm인 경우, 구조광 조명을 생성하는 공간 주파수는 [0,5000] lp/mm이고, 운동 제어 시스템이 위상소자(9)의 변위량을 0.5um로 변경한 경우, 일어나는 무늬공간 주파수는 0.0125 lp/mm로 변하고, 1 lp/mm의 단계로 시스템이 생성하는 구조광 조명의 공간 주파수를 변경해야 하는 경우, 위상소자(9)의 변위량은 0.04mm이다.
따라서, 본 시스템은 푸리에 급수에 따라 전개한 구조광 필드 조명의 3차원 구조 검출을 실현할 수 있다.
실시예 8: 상이한 파장의 사용
본 실시예에서, 도 2, 도 6 및 도 8에 도시된 시스템에서, 연속 레이저 광원, 펄스 레이저 광원 및 레이저 다이오드 광원 등 다양한 종류의 광원을 사용할 수 있고, 다양한 파장 또는 상이한 파장의 광원을 사용할 수 도 있다.
본 실시예에서 3가지 파장（λ1>λ2>λ3）을 각각 광원으로 사용하고, 렌즈가 상이한 파장 입사광에 대한 굴절 능력이 상이하므로, 동일한 광경로 시스템에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 상이한 파장의 입사광은 제1 푸리에 변환 렌즈를 통과한 후, 위상소자 상에 조사된 위치 및 입사 각도가 상이하고(θ1<θ2<θ3), 격자공식에 따르면, ±1차 회절각은 arcsin((d*sinθ-λ)/d) (d=1/F, 격자주기)이고, 따라서 θ 1 ' <θ 2 ' <θ 3 ' 이고, 광축과 겹치는 입사광의 상응한 ±1차 회절광은 입사파장이 감소함에 따라 감소되어(θ 1 '' >θ 2 '' > θ 3 '' ), 동일한 광경로 시스템에서, 상이한 입사광 ±1차 회절광이 초평면에서의 거리가 상이하고, 파장이 짧을수록, 초평면에서의 거리가 더 작고, 최종적으로 제2 푸리에 변환 렌즈 후초점면에 형성된 간섭무늬 공간 주파수도 더 작다.
본 실시예에서는 상이한 파장을 사용할 수도 있고, 위상소자의 평행이동 및 회전을 결합하여, 검출의 필요에 따라, 상이한 공간 주파수 변화범위의 구조광 조명 검출을 실현한다.
실시예 9: 2차원 위상변조 소자를 사용한, 2차원구조광 조명의 형성
본 실시예에서, 격자 공간 주파수와 방향의 연속 가변 2차원 구조광 조명방법은, 초점거리가 f1인 제1 푸리에 변환 렌즈(8)와 초점거리가 f2인 제2 푸리에 변환 렌즈(10)로 렌즈 구성된 4F광학계 및 회절격자(9)를 포함한다. 상기 회절격자(9)는 제1 푸리에 변환 렌즈와 제1 푸리에 변환 렌즈의 초점거리 사이에 위치하고, 상기 회절격자는 다양한 형태의 2차원 격자 구조이다. 회절격자는 광축(11)을 따라 이동할 수 있고, 광축(11)을 감싸며 회전할 수도 있다. 회절격자(9)를 이동시키는 것을 통해 회절격자와 제1 푸리에 변환 렌즈 사이의 거리 dz를 변경할 수 있고, 상기 격자 공간 주파수 Λ파라미터의 연속 변조를 실현한다. 회절격자(9)를 회전시켜, 상기 격자의 방향각θ 파라미터의 연속 변조를 실현한다. 도 1에 도시된 바와 같다.
본 실시예에서, 상기 회절격자(9)는 다양한 형식의 2차원 격자 구조일 수 있고, 위상 격자(9)가 직사각형 직교 2차원 격자인 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 푸리에 변환 렌즈의 후초점면에 직교 2차원 격자를 형성한다.
본 실시예에서, 상기 회절격자(9)는 직교 격자이고, x1y1평면 내에 위치하고, x1방향 F1=200 lp/mm, y1 방향 F2=250 lp/mm이고, tube lens 초점거리 f=200mm, dz=100mm인 경우, xy평면 내에 2차원 격자 구조광 조명을 실현하고, 축소 배수 M=25인 경우, 구조광 조명을 생성하는 2차원 격자가 대응방향에서의 공간 주파수는 각각 Fn1=5000 lp/mm, Fn2=6250 lp/mm이고, 회절격자(9)가 광축을 따라 수평이동할 경우, 두 개 방향에서의 공간 주파수 변화 범위는 [0, 10000] lp/mm 및 [0, 12500] lp/mm이고, 회절 격자(9)는 광축을 감싸며 회전할 수 있고, 구조광 조명의 격자 방향을 변경한다.
본 발명의 연속 가변 공간 주파수 펄스 스트로브 구조광 조명과 기존 방법의 기능 대비표:
구조광 조명 DMD변조+연속 광원 연속 위상변조+펄스 광원+주파수 분할
공간 주파수（반송 주파수） 500 lp/mm 5000 lp/mm
위상변조 0，0.5pi，1pi（단차식）
구조광 필드의 회전은 디지털 오차가 있다.		 0 - pi，0.05pi(연속변경)
구조광 필드의 회전은 디지털 오차가 없다.
3차원 검출 시야 20um 80um
샘플 특성 정적 샘플 정적, 동적 샘플 진화
가로방향 해상도(도달 또는 예측) ~90nm 10nm~50nm
조명(검출)시간 ~20ms~50ms 20ns
리프레쉬 주파수 10 fps 1kHz fps
환경요구 <0.1mm/s 환경 제한은 거의 받지 않음
결론적으로, 연속 공간 주파수 변조 간섭무늬(격자) 형성 방법에서, 위상 변화가 더 정교하고, 더 높고, 나노초 타이밍 조명은 위상 샘플과 마찬가지로, 동적 진화 과정 및 3차원 구조를 검출할 수 있다.

Claims (8)

  1. 컴퓨터, 광원, 가변 스케일 푸리에 변환 광경로, 위상 분할기, 더블 텔레센트릭 투영광학계, 개구수가 큰 대물렌즈, 샘플 플랫폼과 에어리어 스캔 카메라를 포함하고,
    상기 푸리에 변환 광경로는 제1 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹과 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹을 포함하고,
    상기 위상 분할기는 상기 제1 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹과 상기 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹 사이에 위치하고,
    상기 위상 분할기와 상기 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹 사이의 거리는 연속적으로 조절 가능하고,
    상기 위상 분할기는 상기 푸리에 변환 광경로의 광축을 감싸면서 회전하는 운동 자유도를 갖는,
    구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상 분할기는 1차원 격자 구조인, 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상 분할기는 이원적 광학구조인, 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 위상 분할기는 상기 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹의 후초점면 상에 나노 간섭 무늬를 형성하는, 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 푸리에 변환 광경로 사이에 위치한 공간 광 변조기를 포함하는, 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹 후초점면 상의 나노 간섭 무늬, 플랫폼 상의 샘플 및 CCD는 공초점인, 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 시스템.
  7. 제1항에 따른 상기 시스템을 통해 실현되고,
    레이저 빔이 빔 확장 후, 상기 제1 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹 상에 조사되면, 상기 위상 분할기에 의해 ±1차 회절 광점을 생성하고,
    상기 제2 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹을 지나, 후초점면에 간섭 광 필드를 형성하고,
    텔레센트릭 투영 광학계 및 개구수가 큰 대물렌즈의 빔 결합을 통해, 샘플 플랫폼 상에 나노 미세 광 필드를 형성하고,
    상기 대물렌즈를 Z방향으로 조절하여, 나노 정밀 집속을 실현하고, 샘플에 대해 나노 크기를 갖는 구조광 조명을 형성하여, 샘플 구조 검출을 실현하는, 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 빔 확장 후, 공간 광 변조기를 거친 다음, 상기 제1 푸리에 변환 렌즈 또는 렌즈 그룹에 조사되는, 구조광 조명을 연속적으로 조절 가능한 초고해상도 현미경 이미징 방법.
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