KR102281319B1 - 연속 파장 레이저 파장 변조를 이용한 현미경 시스템 - Google Patents

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Abstract

연속 파장 레이저 파장 변조를 이용한 현미경 시스템을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 파장대역 내에서 하나의 파장을 갖는 레이저를 조사하는 광원부와 상기 광원부로부터 조사된 레이저를 인가받아 서로 다른 위상값을 갖는 패턴을 생성하고, 생성된 패턴을 파장에 따라 이격시켜 샘플로 조사하는 광학계와 상기 광학계를 거쳐 샘플로부터 반사된 광을 수광하는 수광부와 상기 광원부, 광학계 및 수광부의 동작을 제어하며, 상기 수광부가 수광한 광의 간섭 패턴을 분석하여 샘플의 성질을 분석하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 현미경 시스템을 제공한다.

Description

연속 파장 레이저 파장 변조를 이용한 현미경 시스템{Microscope System by Using Continuous Wavelength Tunable Laser}
본 실시예는 레이저의 파장변조를 이용하여 샘플을 분석함에 있어 속도와 선명도를 향상시킨 현미경 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
나노패턴 구조광 현미경 시스템은 고속으로 동작하는 정전구동형 마이크로거울 어레이(DMD: Digital Micro-mirror Device, 이하에서 'DMD'라 칭함) 또는 공간 광변조기(SLM: Spatial Light Modulator, 이하에서 'SLM'이라 칭함)를 이용하여 샘플의 세부 구조정보를 획득하는 장치이다. 나노패턴 구조광 현미경 시스템은 짧은 가시광 파장의 구조 조명을 샘플의 미세 구조 위로 조사하여, 샘플의 무아레(Moire) 패턴을 획득한다. 이러한 패턴은 샘플의 세부 구조정보를 포함하고 있기 때문에, 나노패턴 구조광 현미경 시스템은 구조 조명의 위상과 방향을 바꿔가며 여러 장의 패턴에 대한 이미지를 촬영하고, 이를 복원처리하여 나노(nm)급 초고해상도 이미지를 획득할 수 있다.
조사되는 구조 조명(패턴)의 간격이 매우 좁아지고, 구조 조명(패턴)의 위상이 정밀하고 빠르게 변화될 경우, 나노패턴 구조광 현미경 시스템이 획득하고 분석할 수 있는 이미지의 해상도는 향상될 수 있다.
전술한 동작은 나노패턴 구조광 현미경 시스템에 포함된 DMD나 SLM에 의하여 동작되는데, DMD나 SLM은 여러 개의 픽셀을 하나의 세트로 포함하며, 이들을 최소단위로 하여 구조 조명(패턴)을 변화시킨다. 그러나 현실적으로 DMD나 SLM의 최소단위인 픽셀이 일정 크기 이하로 작아지는 것은 어려움이 존재하여, 나노패턴 구조광 현미경 시스템이 획득하는 이미지의 분해능과 선명도를 개선하는 것은 한계에 다다른 상황이다. 일 예로, 현재까지 개발된 DMD나 SLM의 단위 픽셀 조절과 초정밀 광학계를 이용하여 100 나노미터급의 해상도를 가지고 샘플의 검사가 가능한 상황이다.
본 발명의 일 실시예는, 출력되는 레이저를 파장에 따라 이격(공간 분할)시킴으로써, 이미지의 획득 속도 및 획득하는 이미지의 분해능을 최고로 유지하면서 선명도를 향상시킨 현미경 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 출력되는 레이저를 파장을 제어하여 구조광 현미경의 패턴이 연속적으로 바뀌도록 제어하여, 이미지의 분해능을 최고로 유지하면서 선명도를 향상시킨 현미경 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 파장대역 내에서 하나의 파장을 갖는 레이저를 조사하는 광원부와 상기 광원부로부터 조사된 레이저를 인가받아 서로 다른 위상값을 갖는 패턴을 생성하고, 생성된 패턴을 파장에 따라 이격시켜 샘플로 조사하는 광학계와 상기 광학계를 거쳐 샘플로부터 반사된 광을 수광하는 수광부와 상기 광원부, 광학계 및 수광부의 동작을 제어하며, 상기 수광부가 수광한 광의 간섭 패턴을 분석하여 샘플의 성질을 분석하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 현미경 시스템을 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광원부는 기 설정된 파장대역 내에서 연속적으로 파장을 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광학계는 생성된 패턴을 파장에 따라 이격시키기 위해 회절 격자(Diffraction Grating)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광학계는 생성된 패턴을 파장에 따라 이격시키기 위해 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제어부는 상기 광원부만을 제어하여 생성되는 패턴의 위상을 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제어부는 상기 광원부 및 광학계를 제어하여 생성되는 패턴의 위상을 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따르면, 출력되는 레이저를 파장에 따라 이격(공간 분할)시킴으로써, 이미지의 획득 속도 및 획득하는 이미지의 분해능을 최고로 유지하면서 선명도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 출력되는 레이저를 파장을 제어하여 구조광 현미경의 패턴이 연속적으로 바뀌도록 제어함으로써, 획득하는 이미지의 분해능을 최고로 유지하면서 선명도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 현미경 시스템 내 패턴 생성부의 제어와 제어에 따른 패턴의 위상을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 생성부의 제어와 제어에 따른 패턴의 위상을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 패턴 생성부의 제어와 제어에 따른 패턴의 위상을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 패턴 생성부의 제어와 제어에 따른 패턴의 위상을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학계의 구성을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 시스템(100)은 광원부(210), 제어부(220), 광학계(230) 및 수광부(240)를 포함한다.
광원부(210)는 샘플로 조사되어 간섭(무아레) 패턴을 형성할 레이저를 광학계(230)로 조사한다. 이때, 광원부(210)는 기 설정된 파장대역 내에서 조사하는 레이저의 파장을 변화시킬 수 있는 광원(미도시)과 함께 전기적으로 제어 가능한 파장 선택필터(미도시)를 포함한다. 이에 따라, 광원부(210)는 파장 가변 레이저 광원을 이용해 기 설정된 파장대역 내에서 연속적 파장 변화를 일으킴으로써, 종래의 현미경 시스템과 달리 연속적인 위상차 정보를 얻을 수 있다. 연속된 파장변화가 분산 매질을 통과하면 각 파장에 따른 굴절률 변화에 따라 위상차가 생기게 되는데, 이를 이용하여 파장변화를 위상차로 변화시키는 것이다. 이전의 디지털 구조광 현미경의 경우, 위상 정보 획득 시 DMD 혹은 SLM상의 패턴 자체의 이동을 이용하여 위상정보를 얻었다. 위상정보를 위해 필요한 위상차의 수는 최소 4개가 필요한데, 이 경우 위상차의 변화가 너무 커서 영상 처리를 끝마친 구조광 영상의 선명도를 일정 수준 이상 올리지 못하는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해소하고자, 광원부(210)는 조사하는 레이저의 연속적 파장 변화를 발생시킨다. 광원부(210)는 제어부(220)의 제어에 따라 파장 선택 필터(미도시)를 이용하여 출력되는 레이저의 파장을 변화시키며 레이저 빔을 광학계(230)로 조사한다.
제어부(220)는 광원부(210), 광학계(230) 및 수광부(240)의 동작을 제어하며, 수광부(240)가 수광한 광의 간섭 패턴을 분석하여 샘플의 성질을 분석한다.
제어부(220)는 광원부(210)를 제어하여, 광원부(210)에서 조사되는 레이저의 연속적 파장변화를 유도한다. 전술한 대로, 광원부(210)는 파장 가변 레이저 광원을 포함하기 때문에, 연속적으로 레이저의 파장을 가변하여 조사할 수 있다.
제어부(220)는 광학계(230)를 제어하여, 샘플로 조사될 레이저의 광 패턴의 위상을 선택할 수 있다. 광학계(230)는 패턴 생성부(미도시, 도 3에서 후술)를 포함하여, 패턴 생성부의 동작에 따라 광원부(210)에서 조사되어 샘플로 조사할 레이저의 광 패턴의 위상을 조절할 수 있다. 제어부(220)는 광학계(230), 특히, 광학계(230)에 포함된 패턴 생성부(미도시)를 제어하여, 광원부(210)에서 조사되어 샘플로 조사할 레이저의 광 패턴의 위상을 조절할 수 있다. 제어부(220)는 광원부(210)에 포함된 광원의 개수에 따라, 광원부(210)만을 제어하여 샘플로 조사될 레이저의 광 패턴의 위상을 조절할 수도 있고, 광원부(210)와 광학계(230)를 함께 제어하여 샘플로 조사할 레이저의 광 패턴의 위상을 조절할 수 있다.
제어부(220)는 수광부(240)가 수광한 광의 간섭 패턴을 분석하여 샘플의 성질을 분석한다. 전술한 대로, 샘플에서 반사된 광이 형성하는 간섭 패턴은 샘플의 구조적 성질을 포함한다. 샘플의 구조적 성질에는 샘플 내 배치된 각 구성들의 구조 또는 샘플 내 배치된 각 구성들의 높낮이 등이 포함된다. 이러한 샘플의 구조적 성질은 3차원적인 특성을 갖기 때문에, 단순히 샘플의 2차원적인 이미지를 촬영하여 분석하기에는 부정확한 측면이 존재한다. 이러한 문제를 해소하고자, 제어부(220)는 수광부(240)가 수광한 광의 간섭패턴을 분석하여, 샘플의 성질을 분석한다.
광학계(230)는 광원부(210)로부터 조사된 레이저를 인가받아 서로 다른 위상값을 갖는 패턴들을 각각 생성하고, 생성된 패턴을 파장에 따라 각각 이격시켜 샘플로 조사하여 간섭패턴을 생성한다.
광학계(230)는 광원부(210)로부터 조사된 레이저를 인가받아 서로 다른 위상값을 갖는 패턴들을 각각 생성한다. 광학계(230) 내 패턴 생성부는 제어부(220)의 제어에 따라 하나의 세트를 구성하는 각 픽셀들을 조정하여, 특정 위상을 갖는 (레이저의) 패턴을 생성한다.
광학계(230)는 파장에 따라 광을 굴절시키는 정도를 달리하는 광분산 소자를 포함하여, 파장에 따라 조사된 레이저를 이격시킨다. 광분산 소자에는 입사되는 광의 파장에 따라 서로 다른 각도로 회절시키는 회절 격자(Diffraction Grating) 또는 파장에 따라 서로 다른 각도로 분산사키는 프리즘 등이 포함된다. 광학계(230)는 이와 같은 광분산 소자를 포함함으로써, 광원부에서 조사되는 레이저의 파장이 달라지는 경우, 패턴의 위상을 변화시키지 않더라도 광분산 소자를 이용하여 레이저(패턴)를 이격시킬 수 있다. 이에 따라, 마치, 광분산 소자를 거친 레이저(패턴)는 위상값이 조정된 것과 같은 효과를 가질 수 있다. 광학계(230)는 짝수 개의 광분산 소자를 포함한다. 광분산 소자는 파장에 따라 입사되는 레이저를 다른 각도로 굴절시키는 효과를 갖기 때문에, 레이저는 광분산 소자의 입사시와 동일한 경로가 아닌 분산되는 경로를 갖게 된다. 레이저가 분산될 경우, 광학계(230) 내에서 샘플의 수직방향으로 샘플에 조사되기가 곤란해지는 문제가 발생한다. 따라서 광분산 소자는 광학계(230) 내에 짝수 개가 배치되며, 첫 번째 광분산 소자는 레이저를 파장에 따라 분산시키는 방향으로, 나머지 광분산 소자는 분산된 레이저 방향을 원래의 진행 방향으로 복귀시키는 방향으로 배치된다. 이처럼 배치됨에 따라, 광분산 소자는 파장에 따라 레이저를 이격시키는 한편, 레이저가 입사시와 동일한 경로로 진행하도록 한다. 상세한 설명은 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
광학계(230)는 전술한 과정을 거친 레이저를 샘플로 조사하여, 샘플로부터 반사되는 레이저와의 간섭을 유도한다. 광학계(230)는 간섭을 유도하여, 수광부(240)가 간섭 패턴을 획득하여 이를 센싱할 수 있도록 한다.
수광부(240)는 샘플로부터 반사되는 레이저를 수광하여, 광학계(230)에 의해 발생한 샘플의 간섭 패턴을 센싱한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 구성을 도시한 도면이다.
광원부(210)에서는 제어부(220)의 제어에 따라, 연속적으로 파장이 가변하는 레이저가 조사된다.
조사된 레이저는 제1 렌즈(310)을 거치며 더 이상 분산되지 않고 평행광으로 진행한다.
제1 렌즈(310)를 거친 레이저는 하나 이상의 광학기기(312, 314)를 거쳐 기 설정된 각도로 패턴 생성부(320)에 입사된다. 광학기기(312, 314)는 패턴 생성부(320)에 입사된 레이저가 패턴 생성부(320)에서 일정한 각도로 반사될 수 있도록, 패턴 생성부로 레이저의 입사각을 조정한다. 광학기기는 광을 반사시키는 미러 외에도 광의 진행방향을 변이시킬 수 있는 모든 광학구성들로 구현될 수 있으며, 도 3에는 2개가 배치되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
패턴 생성부(320)는 패턴 생성부(320)로 입사되는 레이저에 위상이 상이한 광 패턴들을 생성한다. 패턴 생성부는 DMD 또는 SLM과 같은 구성으로 구현될 수 있으며, 복수 개의 픽셀을 한 세트로 하여 복수의 세트를 포함한다. 패턴 생성부(320)는 각 세트의 각 픽셀의 동작을 각각 전기물리적으로 제어하여, 입사되는 레이저 중 일 부분만을 반사시키거나 변조함으로써, 광 패턴들을 생성한다. 동작하는 픽셀이 달라짐에 따라, 생성되는 광 패턴의 위상은 달라진다. 패턴 생성부(320)는 의 각 픽셀은 'on'과 'off'로 동작할 수 있으며, 그에 따라 0과 1로 이루어진 패턴을 생성할 수 있다.
패턴 생성부(320)는 입사되는 레이저를 이용하여 광 패턴을 생성하며, 생성한 광 패턴을 기 설정된 각도로 반사시킨다. 레이저가 샘플로 입사되어 간섭 패턴을 형성하기 위해서는, 반드시 레이저가 샘플에 수직방향으로 입사되어야만 한다. 레이저가 샘플에 수직방향으로 입사되어야 하기 때문에, 각 광학요소(330 내지 370)를 거칠 레이저의 방향이 엄격히 결정된다. 이에 따라, 패턴 생성부(320)도 마찬가지로, 입사된 레이저로부터 생성한 광 패턴을 기 설정된 각도로 반사시킨다.
광분산 소자(330, 335)는 패턴 생성부에서 생성된 광 패턴을 파장에 따라 이격시킨다. 도 3에는 광분산 소자의 일 예로, 회절 격자가 도시되어 있다. 광분산 소자(330, 335)는 색수차로 인하여 파장에 따라 경로차를 생성함으로써, 광 패턴을 파장에 따라 이격시킨다. 전술한 대로, 회절격자(330, 335)는 복수 개가 배치된다. 회절격자는 회절격자로 입사되는 광(또는 레이저)의 파장에 따라 다른 각도로 회절시키는데, 하나의 회절격자만이 배치될 경우, 광은 분산되거나 진행하는 방향이 달라지게 된다. 그러나 전술한 대로, 레이저의 방향은 엄격히 결정되어 있기 때문에, 방향이 변하여서는 안된다. 이에 따라, 회절 격자는 복수 개가 배치되어, 입사되는 레이저의 파장에 따라 이격시키되 진행방향은 그대로 유지할 수 있도록 한다. 광분산 소자가 배치됨으로써, 생성된 광패턴의 위상이 가변되는 효과를 가질 수 있다. 이는 도 4 내지 7에 도시되어 있다.
도 4는 종래의 현미경 시스템 내 패턴 생성부의 제어와 제어에 따른 패턴의 위상을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 생성부의 제어와 제어에 따른 패턴의 위상을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 패턴 생성부의 제어와 제어에 따른 패턴의 위상을 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 패턴 생성부의 제어와 제어에 따른 패턴의 위상을 도시한 도면이다.
도 4 내지 7에는 일예로, 하나의 세트 내에 4개의 픽셀을 포함하는 패턴 생성부가 도시되어 있다. 하나의 세트 내에 보다 많은 픽셀이 구비될 수도 있으나, 물리적으로 구현이 곤란한 측면도 존재하고 이러할 경우 해상도가 나빠지는 문제가 있어 통상적으로 하나의 세트 내에 4개 정도의 픽셀을 포함한다.
도 4를 참조하면, 어둡게 도시된 픽셀이 동작(On)될 경우, 특정 위상(0, π/2, π 및 3π/2 중 어느 하나)을 갖는 패턴이 생성된다. 즉, 패턴의 위상은 하나의 세트 내 포함된 픽셀의 개수만큼 변화할 수 있어, 패턴 생성부가 포함하는 픽셀의 개수가 해상도에 직접적인 영향을 미친다. 그러나 전술한 대로, 픽셀의 세분화는 물리적으로 곤란한 측면이 존재하여 실질적으로 구현이 곤란한 문제가 존재하며, 종래의 현미경 시스템은 패턴 생성부의 동작을 기계적으로 변조시켜야만 패턴의 위상을 변조할 수 있는 문제점을 가지고 있었다. 이처럼 기계적으로 변조해야 할 경우, 패턴의 변화속도가 떨어지고, 정밀한 변조가 곤란하며, 현미경 시스템의 내구성도 보다 빨리 소모되는 문제가 존재하였다.
도 5를 참조하면, 패턴 생성부(320) 내 픽셀의 동작은 변화없이 고정되어 있음에도, 광원부(210)에서 조사되는 레이저의 파장이 연속적으로 변화함에 따라 패턴의 위상이 연속적으로 변한다. 이처럼 패턴의 위상이 연속적으로 변화함에 따라, 종래의 현미경 시스템과 같이 패턴 생성부(320) 내 동일한 개수의 픽셀이 한 세트 내 포함된다 하더라도, 연속적인 변조가 가능해짐에 따라 최종적으로 생성되는 간섭패턴의 선명도가 현저히 우수해질 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 시스템 내 광학계(230)는 패턴 생성부(320)뿐만 아니라 광분산 소자(330, 335)를 포함하고 있기 때문에, 패턴 생성부(320)에서 동일한 픽셀이 동작하고 있는 상황이라 하더라도, 광원부(210)에서 조사되는 레이저의 파장이 변화하는 파장 범위를 적절히 조절하게 픽셀의 변조 없이도 레이저 패턴의 중심 위치가 변하여 다음 픽셀의 중심 위치에 도달할 수 있게 된다. 예를 들어, 레이저 패턴의 중심 위치가 변하여 다음 픽셀의 중심 위치에 도달 하는데 필요한 레이저의 파장 가변 범위를 'n'개의 동일한 간격으로 나누어서 파장변화를 일으킨다면, 한 번의 파장변화마다 패턴의 위상이 π/2n 만큼 달라지게 된다. 도 6은 광원부(210)에서 조사되는 레이저의 파장의 종류가 n가지인 경우를 예시하였다. 패턴 생성부(320)의 1번째 열의 픽셀이 켜지고 레이저의 파장이 λ1 에서 λn까지 변화하면 패턴의 위상이 π/2n 만큼 커지면서 0에서 π/2까지 변화하고, 패턴 생성부(320)의 2번째 열의 픽셀이 켜지고 레이저의 파장이 λ1 에서 λn까지 변화하면 패턴의 위상이 π/2n 만큼 커지면서 π/2에서 π까지 변화한다. 패턴 생성부(320)의 3번째 열의 픽셀이 켜지고 레이저의 파장이 λ1 에서 λn까지 변화하면 패턴의 위상이 π/2n 만큼 커지면서 π에서 3π/2까지 변화하고, 패턴 생성부(320)의 4번째 열의 픽셀이 켜지고 레이저의 파장이 λ1 에서 λn까지 변화하면 패턴의 위상이 π/2n 만큼 커지면서 3π/2에서 2π까지 변화한다.
도 7을 참조하면, 이렇게 DMD 픽셀이 4개의 열만을 가지고도 2π까지의 위상변화를 4n번으로 n배 높은 밀도로 간섭패턴을 측정할 수 있다. 이러한 특징에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 시스템 내 광학계(230)는 종래의 그것에 비해 상대적으로 기계적 변조를 반으로 줄였음에도 동일하게 패턴의 위상을 변조할 수 있어, 패턴의 변화속도를 향상시킬 수 있고, 정밀한 변조도 가능하며, 현미경 시스템의 내구성도 증가시킬 수 있는 장점을 갖는다.
전술한 특징에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 시스템(100)은 광학계(320)에 광분산 소자를 포함함에 따라, 패턴 생성부의 변화없이도 종래의 현미경 시스템과 비교하여 2배 이상 향상된 해상도를 가질 수 있으며, 기계적 변조를 최소화할 수 있어 변조 속도와 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.
다시 도 3을 참조하면, 제2 및 제3 렌즈(340, 345)는 광분산 소자(330, 335)를 거친 레이저의 폭을 조정한다. 전술한 대로, 광 간섭패턴의 생성을 위해 모든 레이저가 샘플(300)에 수직하게 조사되어야 한다. 다만, 광원부(210)로부터 조사되어 패턴 생성부(320)를 거친 레이저의 폭은 샘플(300)에 수직하게 온전히 조사될 수 있도록 대물렌즈(370)로 인가되어야 하는 레이저의 폭보다 넓을 수 있다. 제2 및 제3 렌즈(340, 345)는 배율을 조정하여 레이저의 조사 방향에는 변화없이 레이저의 폭을 샘플(300)에 수직하게 온전히 조사될 수 있도록 하는 폭으로 조정한다.
제2 렌즈 및 제3 렌즈(340, 345)를 거친 레이저는 빔 스플리터(360)로 입사되어 샘플(300)의 방향으로 반사되고, 대물렌즈(370)를 거쳐 샘플(300)로 수직하게 입사된다. 대물렌즈(370)는 현미경 시스템의 해상도를 결정하는데 중요한 역할을 한다. 패턴의 크기가 대물렌즈(370)의 크기보다 작게 만들어짐에 따라, 패턴이 실질적으로는 0과 1로 이루어진 줄무늬패턴이지만, 수광부(240)에서는 사인파의 형태로 센싱될 수 있게 한다.
샘플(300)로 입사된 레이저는 다시 반사되어 빔 스플리터(360)를 통과한다. 이 과정을 거치며, 샘플(300)로 입사되는 레이저와 샘플(300)로부터 반사되는 레이저 간에 간섭이 발생하고, 샘플(300)로부터 반사되는 레이저는 미러, 필터 및 렌즈 등의 광학 구성(380, 382, 384)을 거치며 수광부(240)로 입사한다.
수광부(240)는 샘플로부터 반사되는 레이저를 수광하여, 광학계(230)에 의해 발생한 샘플의 간섭 패턴을 센싱한다. 이미지의 개수는 레이저 파장변화의 개수 n개와 수직-수평 패턴에서 마찬가지로 총 2n개의 위상값을 가진다. 수광부(240)는 위상값을 이용하여 수직 패턴에서의 시편의 위상과 수평 패턴에서의 시편의 위상을 얻을 수 있다.
제어부(320)는 수광부(240)가 획득한 정보를 토대로, 이 위상값을 푸리에 변환하면 푸리에 평면 상 (0,0) 위치에 존재하는 dc값 외에 패턴의 주파수만큼 dc에서 떨어져서 나타나는 대칭적인 값 2개를 각각 확인할 수 있다. 수평 패턴의 경우 0도와 180도에서 나타나고, 수직 패턴의 경우 90도와 270도에서 나타난다. 제어부(320)는 이 값을 합하여 푸리에 역변환을 시키면 기존의 dc값만을 가지고 있을 때보다 대략 2배정도 높은 해상도를 가진 이미지를 얻을 수 있다.
또한, 전술한 대로, 연속적 위상차 정보를 이용하면 선명도가 높아지는데, 선명도를 높이게 되는 경우, 이미지의 선명도뿐만 아니라, 푸리에 평면상에서의 선명도 또한 높아진다. 이는 특히 시편에서 나오는 광학적 정보가 부족하여 푸리에 평면상에서의 패턴을 잘 구분하지 못하는 경우 유용하다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학계의 구성을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학계(230)는 도 3에 도시된, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계(230)의 광분산 소자(340, 345)와 상이한 광분산 소자(820, 825)를 포함한다.
광학계(230) 내 포함된 광분산 소자(820, 825)는 프리즘으로 구현될 수 있다. 프리즘(820, 825)도 회절격자(340, 345)와 마찬가지로, 복수 개가 쌍을 이루어 배치된다. 이에 따라, 프리즘(820, 825)은 파장에 따라 레이저를 이격시킬 수 있으면서도, 조사되는 방향은 일정하게 유지할 수 있다. 파장에 따라 이격되는 정도는 프리즘(820)이 어떠한 각도로 배치되는지에 따라, 프리즘(820, 825) 간에 얼마만큼 떨어져 배치되는지에 따라 결정된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부의 구성을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부(210)는 광 증폭기(910), 투과파장 선택소자(920), 출력미러(930) 및 제2 미러(935)를 포함한다.
광 증폭기(910)는 광을 생성하여 조사하며, 광 증폭기(910)를 통과하는 광을 증폭시킨다.
투과파장 선택소자(920)는 광 증폭기(910)에서 조사되어 광원부(210)에서 발진되는 레이저의 파장을 연속적으로 변화시킨다.
출력미러(930) 및 제2 미러(935)는 광 증폭기(910)에서 생성된 광을 반사시켜, 광 증폭기(910)와 투과파장 선택소자(920)를 거치며 적절한 파장으로 선택되며 증폭되도록 한다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 현미경 시스템
210: 광원부
220: 제어부
230: 광학계
240: 수광부
300: 샘플
310, 340, 345, 350, 370, 384, 810: 렌즈
312, 314, 380, 814, 816: 미러
320: 패턴 생성부
330, 335, 820, 825: 광분산 소자
360, 812, 818: 빔 스플리터
382: 필터
705: 광원
710: 스위치
720: 파장 결합기
910: 광 증폭기
920: 투과파장 선택소자
930: 출력미러
935: 제2 미러

Claims (6)

  1. 기 설정된 파장대역 내에서 하나의 파장을 갖는 레이저를 조사하는 광원부;
    상기 광원부로부터 조사된 레이저를 인가받아 서로 다른 위상값을 갖는 패턴을 생성하고, 생성된 패턴을 파장에 따라 이격시켜 샘플로 조사하는 광학계;
    상기 광학계를 거쳐 샘플로부터 반사된 광을 수광하는 수광부;
    상기 광원부, 광학계 및 수광부의 동작을 제어하며, 상기 수광부가 수광한 광의 간섭 패턴을 분석하여 샘플의 성질을 분석하는 제어부를 포함하며,
    상기 광학계는 파장에 따라 서로 다른 각도로 회절시키거나 분산시키는 광 분산소자를 짝수개 포함하며, 일 광 분산소자는 레이저를 파장에 따라 분산시키는 방향으로 배치되고 다른 일 광 분산소자는 분산된 레이저 방향을 원래의 방향으로 복귀시키는 방향으로 배치됨에 따라, 파장에 따라 입사하는 레이저를 이격시키는 한편, 레이저가 입사시와 동일한 경로로 진행하도록 하는 것을 특징으로 하는 현미경 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    기 설정된 파장대역 내에서 연속적으로 파장을 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 현미경 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학계는,
    생성된 패턴을 파장에 따라 이격시키기 위해 회절 격자(Diffraction Grating)를 포함하는 것을 특징으로 하는 현미경 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광학계는,
    생성된 패턴을 파장에 따라 이격시키기 위해 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 현미경 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 광원부만을 제어하여 생성되는 패턴의 위상을 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 현미경 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 광원부 및 광학계를 제어하여 생성되는 패턴의 위상을 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 현미경 시스템.
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