KR102252427B1 - Polarizing structured illumination microscopy for 3D surface profiling - Google Patents

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주기남
박효미
권의혁
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조선대학교산학협력단
박효미
권의혁
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Abstract

The present invention relates to a polarization pattern irradiation microscope and, more specifically, to a polarization pattern irradiation microscope forming a phase-shifted interference pattern using divided and polarized light and capable of quickly measuring a three-dimensional shape of a specimen without physical movement of a pattern or a specimen by varying a focus of an objective lens using variable focus lenses. The polarization pattern irradiation microscope includes a polarizer and a polarizing prism.

Description

3D 형상 측정을 위한 편광 패턴 조사 현미경{Polarizing structured illumination microscopy for 3D surface profiling}Polarizing structured illumination microscopy for 3D surface profiling

본 발명은 편광 패턴 조사 현미경에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 분할된 편광된 광들을 이용하여 위상 천이된 간섭 패턴을 형성하고, 초점 가변 렌즈들을 이용하여 대물렌즈의 초점을 가변함으로써 패턴이나 시편의 물리적 움직임 없이도 시편의 3D 형상을 빠르게 측정할 수 있는 편광 패턴 조사 현미경에 관한 것이다.The present invention relates to a polarization pattern irradiation microscope, and more specifically, a phase-shifted interference pattern is formed using divided polarized lights, and the focus of an objective lens is changed using a variable focus lens. It relates to a polarization pattern irradiation microscope that can quickly measure the 3D shape of a specimen without movement.

현재 산업계에서 널리 활용되고 있는 광학식 3D 형상 측정기로 백색광 주사 간섭계와 공초점 주사 현미경이 있다.There are white light scanning interferometers and confocal scanning microscopes as optical 3D shape measuring devices widely used in the industry today.

이 백색광 주사 간섭계와 공초점 주사 현미경은 시편을 광축 방향으로 물리적인 움직임을 통해 형상을 측정하는데 이러한 물리적 구동은 측정 속도 향상에 어려움을 주고 있고, 구동 오차가 결과에 영향을 줄 뿐만 아니라 구동시 발생하는 진동에 의해 측정 오차도 발생하게 된다.This white light scanning interferometer and confocal scanning microscope measure the shape of the specimen through physical movement of the specimen in the direction of the optical axis, and this physical operation makes it difficult to improve the measurement speed, and the driving error not only affects the result, but also occurs during operation. Measurement errors also occur due to the vibration.

도 1은 종래의 공초점 주사 현미경을 보여주는 도면이다.1 is a view showing a conventional confocal scanning microscope.

도 1을 참조하면, 종래의 공초점 주사 현미경은 광원(Source)에서 출력되는 광이 핀홀(PH:Pin Hole)을 통해 광 분할기(BS:Beam Splitter)로 조사되고, 광 분할기에 반사된 광은 대물렌즈(OL:Objective Lens)를 통해 시편(S:Specimen)으로 조사되며, 시편에서 반사된 광은 다시 광 분할기를 투과하여 핀홀을 통해 카메라(CCD)에 결상된다.Referring to FIG. 1, in a conventional confocal scanning microscope, light output from a light source is irradiated with a beam splitter (BS) through a pin hole (PH), and light reflected by the optical splitter is It is irradiated to a specimen (S:Specimen) through an objective lens (OL), and the light reflected from the specimen passes through the optical splitter again and is imaged on the camera (CCD) through a pinhole.

이 공초점 주사 현미경은 시편을 광축 방향으로 움직여가며 카메라 전방에 위치하는 핀홀을 통해 초점과 일치하는 광만을 검출(초점에 위치한 반사광만이 핀홀을 통과하여 검출)하는 원리로 시편의 높이를 검출하는데, 기본적으로 시편의 측정영역이 한 점으로 제한되기 때문에 Nipkow disk, Micro-lens array, Galvano scanner 등과 같이 특별히 제작된 고가의 장치가 필요하다.This confocal scanning microscope detects the height of the specimen by moving the specimen in the direction of the optical axis and detecting only the light that matches the focus through the pinhole located in front of the camera (only reflected light located in the focus is detected through the pinhole). However, since the measurement area of the specimen is basically limited to one point, a specially manufactured expensive device such as a Nipkow disk, Micro-lens array, and Galvano scanner is required.

이렇게 공초점 주사 현미경은 시편을 물리적으로 이동시켜야 하므로 측정 속도가 느리고 구동 오차 및 측정 오차가 발생되는 문제점이 있다.In this way, the confocal scanning microscope has a problem in that the measurement speed is slow and a driving error and a measurement error occur because the specimen must be physically moved.

이러한 문제점을 해결하기 위해 패턴 조사 현미경이 개발되었다.In order to solve this problem, a pattern investigation microscope has been developed.

도 2는 종래의 패턴 조사 현미경을 보여주는 도면이다.2 is a view showing a conventional pattern irradiation microscope.

도 2를 참조하면, 종래의 패턴 조사 현미경은 핀홀을 이용하지 않고 광원의 앞단에 렌즈들(L)과 임의의 공간 패턴(Pattern)을 위치시키고 시편은 광축 방향으로 패턴은 횡축 방향으로 동시에 구동시켜, 도 3에 도시한 바와 같이 광축 방향(Axial scaning) 각각에서 위상이 천이된 패턴들을 카메라에서 검출한다.Referring to FIG. 2, in the conventional pattern irradiation microscope, lenses L and an arbitrary spatial pattern are positioned at the front end of the light source without using a pinhole, and the specimen is driven in the optical axis direction and the pattern is simultaneously driven in the horizontal axis direction. , As shown in FIG. 3, the camera detects patterns whose phase is shifted in each of the optical axis directions (Axial scanning).

또한, 도 4에서 도시한 바와 같이 검출된 패턴들의 픽셀별 가시도 정점(Modulation amplitude, 광 강도의 최대값)를 구하면 3차원 높이 정보를 획득할 수 있다.In addition, as illustrated in FIG. 4, 3D height information may be obtained by obtaining a pixel-by-pixel visibility peak (Modulation amplitude, a maximum value of light intensity) of the detected patterns.

이 종래의 패턴 조사 현미경은 간단한 공간 패턴 장치를 통해 3D 형상 측정이 가능하므로 공초점 현미경에 비해 비용절감이 가능하나 여전히 시편은 광축 방향으로, 패턴은 횡축 방향으로 물리적 구동이 필요하므로 측정 시간의 한계, 구동 오차 및 진동으로 인한 측정 결과 오차가 발생하는 문제가 있다.This conventional pattern irradiation microscope can measure 3D shape through a simple spatial pattern device, so it is possible to reduce cost compared to confocal microscope, but it is still necessary to physically drive the specimen in the optical axis direction and the pattern in the horizontal axis direction, so the measurement time is limited. , There is a problem that an error occurs in the measurement result due to driving error and vibration.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 시편이나 패턴을 광축 및 횡축 방향으로 이동시키지 않고 편광을 이용한 위상 천이된 간섭 패턴과 초점 가변 렌즈를 통해 시편의 3D 형상 측정을 위한 편광 패턴 조사 현미경을 제공하는 것이다.The present invention was conceived to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to measure the 3D shape of a specimen through a phase-shifted interference pattern using polarized light and a variable focus lens without moving the specimen or pattern in the optical and horizontal directions. It is to provide a polarization pattern irradiation microscope for.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광원; 상기 광원에서 출력되는 광을 선형 편광 시키는 편광기; 상기 선형 편광된 광을 수평 편광된 광과 수직 편광된 광으로 나누어 출력하는 편광 프리즘; 상기 수평 편광된 광과 상기 수직 편광된 광을 합쳐 출력하며 초점 거리를 가변할 수 있는 제1 초점 가변 렌즈; 상기 제1 초점 가변 렌즈에서 출력되는 편광된 광들을 반사시켜 시편에 조사하고 시편에서 반사되어 다시 입력되는 편광된 광들은 투과시키는 광 분할기; 상기 광 분할기를 투과한 편광된 광들의 초점 거리를 가변하며 출력하는 제2 초점 가변 렌즈; 상기 제2 초점 가변 렌즈에서 출력된 편광된 광들을 위상 지연을 이용하여 원형 편광된 광들로 출력하는 위상 지연판; 및 상기 원형 편광된 광들을 수광하되 0도, 45도, 90도 및 135도로 천이된 패턴 영상을 검출하는 편광 카메라;를 포함하고, 상기 편광 카메라에서 검출된 각 픽셀별 패턴의 가시도 값을 계산하여 상기 시편의 3D 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 편광 패턴 조사 현미경을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a light source; A polarizer that linearly polarizes the light output from the light source; A polarization prism for dividing the linearly polarized light into horizontally polarized light and vertically polarized light to output; A first variable focus lens capable of varying a focal length by outputting the horizontally polarized light and the vertically polarized light; A light splitter that reflects the polarized light output from the first variable focus lens and irradiates it to a specimen, and transmits the polarized light reflected from the specimen and input again; A second variable focus lens for varying and outputting a focal length of the polarized light transmitted through the optical splitter; A phase retardation plate for outputting the polarized lights output from the second variable focus lens as circularly polarized lights using a phase retardation; And a polarization camera that receives the circularly polarized light but detects a pattern image shifted to 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees; including, calculating a visibility value of a pattern for each pixel detected by the polarization camera. Thus, it provides a polarization pattern irradiation microscope, characterized in that measuring the 3D shape of the specimen.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 편광기는 상기 광원에서 출력되는 광을 45도 선형 편광시켜 출력한다.In a preferred embodiment, the polarizer outputs light by linearly polarizing the light output from the light source by 45 degrees.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.The present invention has the following excellent effects.

본 발명의 편광 패턴 조사 현미경에 의하면 위상 천이된 간섭 패턴과 초점 가변 렌즈를 이용하여 시편이나 패턴을 물리적으로 이동시키지 않고도 시편의 3D 형상을 측정할 수 있으므로 고속 측정이 가능하고 물리적 구동에 따른 구동 오차나 진동에 의한 결과 오차없이 정밀한 3D 형상을 측정할 수 있는 장점이 있다.According to the polarization pattern irradiation microscope of the present invention, since the 3D shape of the specimen can be measured without physically moving the specimen or the pattern using the phase-shifted interference pattern and the variable focus lens, high-speed measurement is possible and driving error due to physical driving B. It has the advantage of being able to measure a precise 3D shape without errors as a result of vibration.

도 1은 종래의 공초점 주사 현미경을 보여주는 도면,
도 2는 종래의 패턴 조사 현미경을 보여주는 도면,
도 3은 종래의 패턴 조사 현미경에서 획득되는 패턴영상을 보여주는 도면,
도 4는 종래의 패턴 조사 현미경에서 획득된 패턴 영상의 광 강도를 설명하기 위한 그래프,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 패턴 조사 현미경을 보여주는 도면이다.1 is a view showing a conventional confocal scanning microscope,
2 is a view showing a conventional pattern irradiation microscope,
3 is a view showing a pattern image obtained in a conventional pattern irradiation microscope,
4 is a graph for explaining the light intensity of a pattern image acquired by a conventional pattern irradiation microscope;
5 is a view showing a polarization pattern irradiation microscope according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 광학 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으므로 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.As for the terms used in the present invention, general optical terms that are currently widely used are selected, but in certain cases, some terms are arbitrarily selected by the applicant, so in this case, the meaning described or used in the detailed description of the invention is not the name of a simple term. The meaning should be grasped in consideration.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the preferred embodiments shown in the accompanying drawings will be described in detail the technical configuration of the present invention.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. The same reference numerals denote the same elements throughout the specification.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 패턴 조사 현미경을 보여주는 도면이다.5 is a view showing a polarization pattern irradiation microscope according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 패턴 조사 현미경(100)은 시편(specimen)의 3D 형상을 측정하기 위한 것이다.5, a polarization pattern irradiation microscope 100 according to an embodiment of the present invention is for measuring a 3D shape of a specimen.

또한, 시편의 3D 형상은 시편의 각 점 높이를 검출함으로써 측정된다.In addition, the 3D shape of the specimen is measured by detecting the height of each point on the specimen.

상기 패턴 조사 현미경(100)은 광원(110), 편광기(120), 편광 프리즘(130), 제1 초점 가변 렌즈(140), 광 분할기(150), 제2 초점 가변 렌즈(160), 위상 지연판(170) 및 편광 카메라(180)를 포함하여 이루어진다.The pattern irradiation microscope 100 includes a light source 110, a polarizer 120, a polarizing prism 130, a first variable focus lens 140, a light splitter 150, a second variable focus lens 160, and a phase delay. It comprises a plate 170 and a polarizing camera 180.

상기 광원(110)은 광을 출력하는 광 소스(Optical source)이다.The light source 110 is an optical source that outputs light.

상기 편광기(120)는 상기 광원(110)의 전방에 이격되어 위치하며, 상기 광원(110)에서 출력되는 광을 소정의 각도를 갖는 선형된 광으로 변환하여 출력한다.The polarizer 120 is located in front of the light source 110 and is spaced apart from the light source 110, and converts the light output from the light source 110 into linear light having a predetermined angle and outputs it.

예를 들면, 상기 편광기(120)는 상기 광원(110)에서 출력되는 광을 45도 선형 편광시켜 출력할 수 있다.For example, the polarizer 120 may linearly polarize the light output from the light source 110 by 45 degrees to output it.

상기 편광 프리즘(13)은 상기 편광기(120)의 전방에 이격되어 위치하며, 상기 편광기(120)에서 출력되는 선형 편광된 광을 수평 편광(E1) 및 수직 편광(E2) 성분의 광들로 나누어 출력한다.The polarization prism 13 is located in front of the polarizer 120, and the linearly polarized light output from the polarizer 120 is converted into horizontally polarized light (E 1 ) and vertically polarized light (E 2 ). Divide the output.

또한, 상기 편광 프리즘(13)은 월라스톤 프리즘(WP:Wollaston prism)을 이용할 수 있다.In addition, the polarization prism 13 may use a Wollaston prism (WP).

상기 제1 초점 가변 렌즈(140)는 상기 편광 프리즘(13)의 전방에 이격되어 위치하며, 상기 편광 프리즘(13)에서 출력되는 수평 편광(E1) 및 수직 편광(E2)된 광들을 다시 합쳐 출력한다.The first variable focus lens 140 is located in front of the polarization prism 13 and is spaced apart from the polarization prism 13, and the horizontally polarized light (E 1 ) and vertically polarized light (E 2 ) output from the polarization prism 13 are re- Combined and output.

또한, 상기 제1 초점 가변 렌즈(140)는 초점 거리를 가변할 수 있는 렌즈(FTL:Focus tunable lens)로써 유체와 막, 코일로 구성되며 코일에 전류를 흘려줄 경우 렌즈의 중심 두께가 변화되어 전기적으로 초점 거리를 가변할 수 있는 렌즈이다.In addition, the first variable focus lens 140 is a focus tunable lens (FTL) with a variable focal length, and is composed of a fluid, a film, and a coil. When current is passed through the coil, the center thickness of the lens is changed. It is a lens that can electrically change the focal length.

상기 광 분할기(150, BS:Beam Splitter)는 상기 제1 초점 가변 렌즈(140)의 전방에 이격되어 위치하며, 상기 제1 초점 가변 렌즈(140)에서 출력되는 편광된 광들의 이동경로를 90도로 반사시켜 시편(Specimen)에 조사하고 상기 시편에서 반사되어 돌아오는 편광된 광들을 투과시켜 출력한다.The optical splitter 150 (BS: Beam Splitter) is spaced apart from the front of the first variable focus lens 140, and a movement path of polarized lights output from the first variable focus lens 140 is 90 degrees. It reflects and irradiates the specimen, and transmits and outputs the polarized light reflected from the specimen.

상기 제2 초점 가변 렌즈(160)는 상기 광 분할기(150)의 광 출력측 전방에 이격되어 위치하며, 상기 광 분할기(150)에서 출력되는 편광된 광들의 초점 거리를 가변하며 출력한다.The second variable focus lens 160 is spaced apart from the front of the light output side of the light splitter 150 and outputs while varying the focal length of polarized lights output from the light splitter 150.

또한, 상기 제2 초점 가변 렌즈(160)의 구조는 상기 제1 초점 가변 렌즈(140)의 구조와 실질적으로 동일하다.In addition, the structure of the second variable focus lens 160 is substantially the same as the structure of the first variable focus lens 140.

한편, 상기 제1 초점 가변 렌즈(140)와 상기 제2 초점 가변 렌즈(160)를 포함하는 광학계 파트 'B'는 상기 시편을 물리적으로 광축 방향에 대해 이동시키지 않고 전기적으로 초점을 가변시킴으로써 기계적 구동없이 시편의 가시도를 획득할 수 있게 하여 측정 속도를 향상시킬 수 있고, 기계적 구동에 따른 구동 오차나 진동에 의한 결과 오차없이 시편의 정밀한 3D 형상을 측정할 수 있게 한다.Meanwhile, the optical system part'B' including the first variable focus lens 140 and the second variable focus lens 160 is mechanically driven by changing the focus electrically without physically moving the specimen in the optical axis direction. It is possible to obtain the visibility of the specimen without the need to increase the measurement speed, and it is possible to measure the precise 3D shape of the specimen without a driving error due to mechanical drive or a result error due to vibration.

즉, 도 5에 도시한 파트 'B'는 종래의 공초점 주사 현미경이나 패턴 조사 현미경의 Nipkow disk, Micro-lens array, Galvano scanner를 기능적으로 대체할 수 있는 부분이다.That is, part'B' shown in FIG. 5 is a part that can functionally replace the Nipkow disk, Micro-lens array, and Galvano scanner of the conventional confocal scanning microscope or pattern irradiation microscope.

상기 위상 지연판(170)은 1/4 위상 지연판(QWP:Quarter-Wave Plate)이며, 바람직한 예로 위상 지연판의 광축을 45도로 설정하여, 상기 제2 초점 가변 렌즈(160)를 통과한 선형 편광된 광들을 위상 지연을 통해 서로 다른 방향의 원형 편광된 광들로 변환하여 출력한다.The phase retardation plate 170 is a quarter-wave plate (QWP), and a preferred example is a linear phase passing through the second variable focus lens 160 by setting the optical axis of the phase retardation plate to 45 degrees. The polarized light is converted into circularly polarized lights in different directions through a phase delay and output.

상기 편광 카메라(180)는 상기 위상 지연판(170)을 통과한 원형 편광된 광들을 수광하며, 0도, 45도, 90도 및 135도로 천이된 패턴 영상을 검출한다.The polarization camera 180 receives circularly polarized light passing through the phase retardation plate 170, and detects a pattern image shifted by 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees.

또한, 상기 편광 카메라(180)는 내부에 각 픽셀에 0도, 45도, 90도 및 135도의 투과축을 갖는 미세한 편광기 배열이 위치하며, 네 개의 픽셀이 하나의 단위 셀(2×2 unit cell)을 이룬다.In addition, the polarization camera 180 has a fine array of polarizers having transmission axes of 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees to each pixel therein, and four pixels are one unit cell (2×2 unit cell). To achieve.

즉, 상기 단위 셀의 0도, 45도, 90도, 135도의 투과축을 갖는 편광기가 설치된 픽셀에서의 광 강도는 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있으며, 상기 단위 셀의 가시도 값은 아래의 수학식 2로 계산이 가능하다.That is, the light intensity of a pixel in which a polarizer having a transmission axis of 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees of the unit cell is installed can be expressed as Equation 1 below, and the visibility value of the unit cell is It can be calculated with Equation 2.

따라서, 본 발명의 패턴 조사 현미경(100)은 간단한 방정식의 풀이만으로 상기 단위 셀의 가시도 값의 계산이 가능하므로 종래의 패턴 조사 현미경이 푸리에 변환을 통해 가시도를 계산하는 방법과 연산 시간이 매우 짧아 실시간으로 시편의 3D 형상을 측정할 수 있는 장점이 있다.Therefore, since the pattern irradiation microscope 100 of the present invention can calculate the visibility value of the unit cell only by solving a simple equation, the method of calculating the visibility through Fourier transform and the computation time of the conventional pattern irradiation microscope are very Since it is short, it has the advantage of being able to measure the 3D shape of the specimen in real time.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019133969218-pat00001
Figure 112019133969218-pat00001

여기서, I는 각 위상으로 편광된 광의 광 강도, E1은 수평 편광된 광의 광 강도, E2는 수직 편광된 광의 광 강도, A는 배경광 강도, γ는 가시도 값(Visiblilty of the pattern)을 의미한다.Here, I is the light intensity of light polarized in each phase, E 1 is the light intensity of horizontally polarized light, E 2 is the light intensity of vertically polarized light, A is the background light intensity, γ is the visibility value (Visiblilty of the pattern) Means.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019133969218-pat00002
Figure 112019133969218-pat00002

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 패턴 조사 현미경(100)에 의하면, 도 5의 파트 A를 통해 종래의 위상 천이를 위해 패턴을 횡축 방향으로 구동하는 것을 대체할 수 있어 공초점 현미경에서 사용되는 Nipkow disk, Micro-lens array, Galvano scanner없이 한번에 면적을 측정할 수 있다.Therefore, according to the polarization pattern irradiation microscope 100 according to an embodiment of the present invention, it is possible to replace the driving of the pattern in the horizontal axis direction for the conventional phase shift through Part A of FIG. 5, so that it is used in a confocal microscope. You can measure the area at once without Nipkow disk, Micro-lens array, or Galvano scanner.

그리고, 파트 B를 통해 시편을 구동하는 구동기를 대체할 수 있으므로 고속으로 시편의 3D 형상을 측정할 수 있고, 물리적 구동이 없으므로 구동 오차나 진동에 의한 결과 오차가 발생하지 않는 장점이 있다.In addition, since the actuator that drives the specimen through Part B can be replaced, the 3D shape of the specimen can be measured at high speed, and since there is no physical drive, there is an advantage that there is no error as a result of driving errors or vibrations.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.As described above, the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments, but is not limited to the above-described embodiments, and within the scope of the spirit of the present invention, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Various changes and modifications will be possible.

100:편광 패턴 조사 현미경 110:광원
120:편광기 130:편광 프리즘
140:제1 초점 가변 렌즈 150:광 분할기
160:제2 초점 가변 렌즈 170:위상 지연판
180:편광 카메라100: polarization pattern irradiation microscope 110: light source
120: polarizer 130: polarization prism
140: first variable focus lens 150: optical splitter
160: second variable focus lens 170: phase delay plate
180: polarization camera

Claims (3)

삭제delete 삭제delete 광원;
상기 광원에서 출력되는 광을 선형 편광 시키는 편광기;
상기 선형 편광된 광을 수평 편광된 광과 수직 편광된 광으로 나누어 출력하는 편광 프리즘;
상기 수평 편광된 광과 상기 수직 편광된 광을 합쳐 출력하며 초점 거리를 가변할 수 있는 제1 초점 가변 렌즈;
상기 제1 초점 가변 렌즈에서 출력되는 편광된 광들을 반사시켜 시편에 조사하고 시편에서 반사되어 다시 입력되는 편광된 광들은 투과시키는 광 분할기;
상기 광 분할기를 투과한 편광된 광들의 초점 거리를 가변하며 출력하는 제2 초점 가변 렌즈;
상기 제2 초점 가변 렌즈에서 출력된 편광된 광들을 위상 지연을 이용하여 원형 편광된 광들로 출력하는 위상 지연판; 및
상기 원형 편광된 광들을 수광하되 0도, 45도, 90도 및 135도로 천이된 패턴 영상을 검출하는 편광 카메라;를 포함하고,
상기 편광 카메라에서 검출된 각 픽셀별 패턴의 가시도 값을 계산하여 상기 시편의 3D 형상을 측정하고,
상기 편광기는 상기 광원에서 출력되는 광을 45도 선형 편광 시키며,
상기 편광 카메라는 0도, 45도, 90도 및 135도의 투과축을 갖는 미세 편광기 배열이 위치한 네 개의 픽셀이 하나의 단위 셀을 이루고,
상기 각 픽셀별 패턴의 광 강도는 아래의 수학식 1을 통해 계산되고, 상기 단위 셀의 가시도 값은 아래의 수학식 2를 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 편광 패턴 조사 현미경.
[수학식 1]
Figure 112021038549567-pat00003

여기서, I는 각 위상으로 편광된 광의 광 강도, E1은 수평 편광된 광의 광 강도, E2는 수직 편광된 광의 광 강도, A는 배경광 강도, γ는 가시도 값(Visiblilty of the pattern)을 의미한다.
[수학식 2]
Figure 112021038549567-pat00004
Light source;
A polarizer that linearly polarizes the light output from the light source;
A polarization prism for dividing the linearly polarized light into horizontally polarized light and vertically polarized light to output;
A first variable focus lens capable of varying a focal length by outputting the horizontally polarized light and the vertically polarized light;
A light splitter that reflects the polarized light output from the first variable focus lens and irradiates it to a specimen, and transmits the polarized light reflected from the specimen and input again;
A second variable focus lens for varying and outputting a focal length of the polarized light transmitted through the optical splitter;
A phase retardation plate for outputting the polarized lights output from the second variable focus lens as circularly polarized lights using a phase retardation; And
Including; a polarization camera that receives the circularly polarized light but detects a pattern image shifted by 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees and 135 degrees,
The 3D shape of the specimen is measured by calculating the visibility value of the pattern for each pixel detected by the polarization camera,
The polarizer linearly polarizes the light output from the light source at 45 degrees,
In the polarization camera, four pixels in which an array of fine polarizers having transmission axes of 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees are located form one unit cell,
The light intensity of the pattern for each pixel is calculated through Equation 1 below, and the visibility value of the unit cell is calculated through Equation 2 below.
[Equation 1]
Figure 112021038549567-pat00003

Here, I is the light intensity of light polarized in each phase, E 1 is the light intensity of horizontally polarized light, E 2 is the light intensity of vertically polarized light, A is the background light intensity, γ is the visibility value (Visiblilty of the pattern) Means.
[Equation 2]
Figure 112021038549567-pat00004
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