KR102437975B1 - 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치 - Google Patents

스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 스캐닝 홀로그램 현미경 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 선편광 빔을 입사받아 제1 및 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈, 상기 생성된 제1 및 제2 구면파의 성분 중 소정 편광 방향의 빔 성분만 통과시키는 편광기 및 상기 편광기를 통과한 두 구면파 간의 간섭에 의해 형성된 스캔빔을 스캔부로 전달하는 릴레이 렌즈를 포함한 스캔빔 생성부와, 물체에 대한 상기 스캔빔의 스캐닝 위치를 수평 및 수직 방향으로 제어하도록, 입사된 상기 스캔빔을 수평 방향으로 제어하여 투사부로 전달하는 스캔 거울과, 상기 투사부의 후단에서 상기 물체를 수직 방향으로 이동시키는 트랜슬레이션 스테이지를 포함하는 스캔부와, 복수의 렌즈계와 대물렌즈를 포함하며, 상기 스캔부로부터 전달받은 스캔빔을 상기 물체가 위치한 대물면으로 투사하는 투사부, 및 상기 물체로부터 반사 또는 형광된 후 다시 상기 대물렌즈를 통과한 빔을 검출하는 집광부를 포함하며, 상기 대물면에 투사되는 스캔빔은, 상기 스캔 거울에 맺히는 상기 제1 및 제2 구면파의 각 초점 위치 및 뿔각 조건에 따라 상이한 패턴을 가지는 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 고속으로 고해상도의 스캐닝 홀로그램 현미경을 구현할 수 있다.

Description

스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치{In-line flying-over beam pattern scanning hologram microscopy using scan mirror and translation stage}
본 발명은 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고속으로 고해상도의 스캐닝 홀로그램 현미경을 구현할 수 있는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치에 관한 것이다.
종래에 따른 광 스캐닝 홀로그램 현미경은 간섭계를 이용하여 프레넬 윤대판(Fresnel zone plate)의 공간 분포를 갖는 빔 패턴을 형성하며, 형성한 빔 패턴을 대물렌즈를 통해 대물면에서 고해상도의 프레넬 윤대 패턴(Fresnel zone pattern)으로 형성하여 물체에 투사하고, 물체가 놓여있는 대물판을 기계적인 방법으로 움직이는 방식으로 물체를 스캔한다. 그리고, 물체로부터 다시 반사 또는 형광된 빔을 집광 렌즈의 푸리에 면에서 집광하는 방식으로 물체의 홀로그램을 획득한다.
하지만, 이와 같은 종래의 방식은 대물판을 기계적인 방법으로 움직임에 따라 홀로그램 획득 속도가 느릴 뿐 아니라 생체와 같은 유체의 홀로그램을 획득하기 어려웠다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-2056063호(2019.12.16 공고)에 개시되어 있다.
본 발명은 고속으로 고해상도의 스캐닝 홀로그램 현미경을 구현할 수 있는 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 선편광 빔을 입사받아 제1 및 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈, 상기 생성된 제1 및 제2 구면파의 성분 중 소정 편광 방향의 빔 성분만 통과시키는 편광기 및 상기 편광기를 통과한 두 구면파 간의 간섭에 의해 형성된 스캔빔을 스캔부로 전달하는 릴레이 렌즈를 포함한 스캔빔 생성부와, 물체에 대한 상기 스캔빔의 스캐닝 위치를 수평 및 수직 방향으로 제어하도록, 입사된 상기 스캔빔을 수평 방향으로 제어하여 투사부로 전달하는 스캔 거울과, 상기 투사부의 후단에서 상기 물체를 수직 방향으로 이동시키는 트랜슬레이션 스테이지를 포함하는 스캔부와, 복수의 렌즈계와 대물렌즈를 포함하며, 상기 스캔부로부터 전달받은 스캔빔을 상기 물체가 위치한 대물면으로 투사하는 투사부, 및 상기 물체로부터 반사 또는 형광된 후 다시 상기 대물렌즈를 통과한 빔을 검출하는 집광부를 포함하며, 상기 대물면에 투사되는 스캔빔은, 상기 스캔 거울에 맺히는 상기 제1 및 제2 구면파의 각 초점 위치 및 뿔각 조건에 따라 상이한 패턴을 가지는 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 제공한다.
또한, 상기 대물면에 투사되는 스캔빔은, 상기 스캔 거울에 맺히는 상기 제1 및 제2 구면파의 각 초점 위치 및 뿔각의 조건에 따라, 상기 대물면에서 수렴하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조(제1 패턴), 상기 대물면에서 발산하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조(제2 패턴), 상기 대물면에서 발산하는 두 구면파 간 간섭 구조(제3 패턴), 그리고 상기 대물면에서 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파 간 간섭 구조(제4 패턴) 중 어느 하나의 패턴으로 결정될 수 있다.
또한, 상기 투사부는, 상기 스캔부와 상기 대물면 사이에 순차로 배치된 제1 렌즈계, 제2 렌즈계 및 상기 대물렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈계의 입력 동공은 상기 스캔 거울에 위치할 수 있다.
또한, 상기 조건이 제1 조건이면, 상기 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 평면파 및 수렴하는 구면파가 되어, 상기 대물면에 투사된 스캔빔은 상기 대물면에서 수렴하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조를 가지고, 상기 제1 조건은, 제1 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공의 위치와 동일하고 제2 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공 위치와 같거나 보다 전단에 위치하며, 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은 θ2≤θ1을 만족하는 조건일 수 있다.
또한, 상기 조건이 제2 조건이면, 상기 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 평면파 및 발산하는 구면파가 되어, 상기 대물면에 투사된 스캔빔은 상기 대물면에서 발산하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조를 가지며, 상기 제2 조건은, 제1 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공의 위치와 동일하고 제2 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공 위치와 같거나 보다 뒷단에 위치하며, 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은 θ2≤θ1≤2θ2을 만족하는 조건일 수 있다.
또한, 상기 조건이 제3 조건이면, 상기 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 모두 발산하는 구면파가 되어, 상기 대물면에 투사된 스캔빔은 상기 대물면에서 발산하는 두 구면파 간 간섭 구조를 가지며, 상기 제3 조건은, 제1 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공보다 뒷단에 위치하고 제2 구면파의 초점 위치는 제1 구면파의 초점 위치보다 뒷단에 위치하며, 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은 θ2≤θ1을 만족하는 조건일 수 있다.
또한, 상기 조건이 제4 조건이면, 상기 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 수렴하는 구면파 및 발산하는 구면파가 되어, 상기 대물면에 투사되는 스캔빔은 상기 대물면에서 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파 간 간섭 구조를 가지며, 상기 제4 조건은, 제1 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공보다 전단에 위치하고 제2 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공보다 뒷단에 위치하며, 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은 θ2<θ1인 동시에 아래 수학식을 만족하는 조건일 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00001
또한, 상기 제1 조건에 대응하여, 상기 제1 렌즈계는 전달받은 스캔빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하며, 상기 제1 및 제2 렌즈계는 아래 수학식의 조건을 만족할 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00002
여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각,
Figure 112020111935219-pat00003
은 제1 렌즈계의 수용각, f1는 제1 렌즈계의 유효 초점거리(effective focal length),
Figure 112020111935219-pat00004
은 제1 렌즈계의 앞 초점면의 수렴각, rsph1 및 rsph2는 제1 렌즈계의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름을 나타낸다.
또한, 상기 제2 조건에 대응하여, 상기 제1 렌즈계는 전달받은 스캔빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하며, 상기 제1 및 제2 렌즈계는 아래 수학식의 조건을 만족할 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00005
여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각,
Figure 112020111935219-pat00006
은 제1 렌즈계의 수용각, f1는 제1 렌즈계의 유효 초점거리(effective focal length),
Figure 112020111935219-pat00007
은 제1 렌즈계의 앞 초점면의 수렴각, rsph1 및 rsph2는 제1 렌즈계의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름을 나타낸다.
또한, 상기 제3 조건에 대응하여, 상기 제1 렌즈계는 전달받은 스캔빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하며, 상기 제1 및 제2 렌즈계는 아래 수학식의 조건을 만족할 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00008
여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각,
Figure 112020111935219-pat00009
은 제1 렌즈계의 수용각, f1는 제1 렌즈계의 유효 초점거리(effective focal length),
Figure 112020111935219-pat00010
은 제1 렌즈계의 앞 초점면의 수렴각, rsph1 및 rsph2는 제1 렌즈계의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름을 나타낸다.
또한, 상기 제4 조건에 대응하여, 상기 제1 렌즈계는 전달받은 스캔빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하며, 상기 제1 및 제2 렌즈계는 아래 수학식의 조건을 만족할 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00011
여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각,
Figure 112020111935219-pat00012
은 제1 렌즈계의 수용각, f1는 제1 렌즈계의 유효 초점거리(effective focal length),
Figure 112020111935219-pat00013
은 제1 렌즈계의 앞 초점면의 수렴각, rsph1 및 rsph2는 제1 렌즈계의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름을 나타낸다.
또한, 상기 제1 조건에 대응하여, 제1 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 평면파의 반지름과, 상기 제2 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 수렴하는 구면파의 반지름은 모두 아래 수학식과 같이 상기 대물렌즈의 시야(field of view)의 반지름보다 작거나 같을 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00014
,
Figure 112020111935219-pat00015
여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, Fobj는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, f1 및 f2는 제1 및 제2 렌즈계의 유효 초점거리를 나타낸다.
또한, 상기 제2 조건에 대응하여, 제1 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 평면파의 반지름과, 상기 제2 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 발산하는 구면파의 반지름은 모두 아래 수학식과 같이 상기 대물렌즈의 시야(field of view)의 반지름보다 작거나 같을 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00016
,
Figure 112020111935219-pat00017
여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, Fobj는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, f1 및 f2는 제1 및 제2 렌즈계의 유효 초점거리를 나타낸다.
또한, 상기 제3 조건에 대응하여, 상기 제1 구면파에 대응된 상기 대물면에서의 발산하는 구면파의 반지름과, 상기 제2 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 발산하는 구면파의 반지름은 모두 아래 수학식과 같이 상기 대물렌즈의 시야의 반지름보다 작거나 같을 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00018
,
Figure 112020111935219-pat00019
여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, Fobj는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, f1 및 f2는 제1 및 제2 렌즈계의 유효 초점거리를 나타낸다.
또한, 상기 제4 조건에 대응하여, 상기 제1 구면파에 대응된 상기 대물면에서의 수렴하는 구면파의 반지름과, 상기 제2 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 발산하는 구면파의 반지름은 모두 아래 수학식과 같이 상기 대물렌즈의 시야의 반지름보다 작거나 같은 조건을 만족할 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00020
,
Figure 112020111935219-pat00021
여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, Fobj는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, f1 및 f2는 제1 및 제2 렌즈계의 유효 초점거리를 나타낸다.
또한, 상기 제1 및 제2 렌즈계의 광학적 불변성(optical invariance)은 아래 수학식과 같이 상기 대물렌즈의 광학적 불변성보다 크거나 같을 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00022
여기서, I1, I2, Iobj는 각각 제1 렌즈계, 제2 렌즈계 및 대물렌즈의 광 불변성을 나타낸다.
또한, 상기 집광부는, 상기 제2 렌즈계와 상기 대물렌즈 사이에 배치되어, 상기 제2 렌즈계를 통과한 빔을 상기 대물렌즈로 전달하고, 상기 물체로부터 반사되어 다시 상기 대물렌즈를 통과한 빔을 외부로 반사시키는 광 분할기와, 상기 광 분할기에서 반사시킨 빔을 입사받는 제3 렌즈계, 및 상기 제3 렌즈계를 통과한 빔을 검출하는 광 검출기를 포함하며, 상기 광 검출기의 검출면의 크기는 아래의 수학식을 만족할 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00023
여기서, Fpd는 상기 광 검출기의 검출면의 크기, θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, f1 내지 f3은 제1 내지 제3 렌즈계의 유효 초점거리, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, Fo는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름을 나타낸다.
또한, 상기 집광부는, 상기 제1 렌즈계와 상기 제2 렌즈계 사이에 배치되어, 상기 제1 렌즈계를 통과한 빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하고, 상기 물체로부터 반사되어 상기 대물렌즈를 통해 상기 제2 렌즈계를 통과한 빔을 외부로 반사시키는 광 분할기와, 상기 광 분할기에서 반사시킨 빔을 입사받는 제3 렌즈계와, 상기 제3 렌즈계를 통과한 빔을 입사받는 제4 렌즈계, 및 상기 제4 렌즈계를 통과한 빔을 검출하는 광 검출기를 포함하며, 상기 광 검출기의 검출면의 크기는 아래의 수학식을 만족할 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00024
여기서, Fpd는 상기 광 검출기의 검출면의 크기, θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, f1 내지 f4는 제1 내지 제4 렌즈계의 유효 초점거리, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, Fo는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름을 나타낸다.
또한, 상기 집광부는, 상기 제2 렌즈계와 상기 대물렌즈 사이에 배치되어, 상기 제2 렌즈계를 통과한 빔을 상기 대물렌즈로 전달하고, 상기 물체로부터 반사되어 다시 상기 대물렌즈를 통과한 빔을 외부로 반사시키는 광 분할기와, 상기 광 분할기에서 반사시킨 빔을 입사받는 제3 렌즈계와, 상기 제3 렌즈계를 통과한 빔을 입사받는 제4 렌즈계, 및 상기 제4 렌즈계를 통과한 빔을 검출하는 광 검출기를 포함하며, 상기 광 검출기의 검출면에는 상기 대물렌즈의 대물면에 있는 상의 공간 주파수 변환된 빛의 분포가 생성되고, 상기 광 검출기의 검출면의 크기는 아래의 수학식을 만족할 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00025
여기서, Fpd는 상기 광 검출기의 검출면의 크기, f4는 상기 제4 렌즈계의 유효 초점거리, NAeff는 상기 대물면에 전달된 빔의 유효 개수구(Numerical Aperture)이며 대물면에 전달된 제1 구면파의 개구수(NA1)와 제2 구면파의 개구수(NA1)의 차이(
Figure 112020111935219-pat00026
)로 정의된다.
또한, 상기 집광부는, 상기 제1 렌즈계와 상기 제2 렌즈계 사이에 배치되어, 상기 제1 렌즈계를 통과한 빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하고, 상기 물체로부터 반사되어 상기 대물렌즈를 통해 상기 제2 렌즈계를 통과한 빔을 외부로 반사시키는 광 분할기와, 상기 광 분할기에서 반사시킨 빔을 입사받는 제3 렌즈계, 및 상기 제3 렌즈계를 통과한 빔을 검출하는 광 검출기를 포함하며, 상기 광 검출기의 검출면에는 상기 대물렌즈의 대물면에 있는 상의 공간 주파수 변환된 빛의 분포가 생성되고, 상기 광 검출기의 검출면의 크기는 아래의 수학식을 만족할 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00027
여기서, Fpd는 상기 광 검출기의 검출면의 크기, f3는 상기 제3 렌즈계의 유효 초점거리, NAeff는 상기 대물면에 전달된 빔의 유효 개수구(Numerical Aperture)이며 대물면에 전달된 제1 구면파의 개구수(NA1)와 제2 구면파의 개구수(NA1)의 차이(
Figure 112020111935219-pat00028
)로 정의된다.
본 발명에 따르면, 대물렌즈를 통해 대물면에서 고해상도의 프레넬 윤대 패턴을 스캐닝 빔 패턴으로 형성하고 해당 패턴이 물체 위를 날아다니는 스캔(flying-over scan)을 수행하면서 물체로부터 반사된 빔을 대물렌즈를 통해 광 검출기의 검출면으로 이미징함으로써, 고속으로 고해상도의 스캐닝 홀로그램 현미경을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 CASE 1에 따른 간섭 구조를 대물면에 형성하기 위한 스캔빔 생성부의 제1 및 제2 구면파 생성 조건을 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 렌즈계를 일반 광학계 및 어플라난틱 광학계로 각각 모델링한 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 CASE 2에 따른 간섭 구조를 대물면에 형성하기 위한 스캔빔 생성부의 제1 및 제2 구면파 생성 조건을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 CASE 3에 따른 간섭 구조를 대물면에 형성하기 위한 스캔빔 생성부의 제1 및 제2 구면파 생성 조건을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 CASE 4에 따른 간섭 구조를 대물면에 형성하기 위한 스캔빔 생성부의 제1 및 제2 구면파 생성 조건을 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 12는 도 1에 도시된 집광부의 변형예를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 1에서 편광 감응형 렌즈를 통하여 생성한 제1 및 제2 구면파를 릴레이 렌즈를 통하여 외부로 전달하는 모습을 나타낸 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치에 관한 것으로, 스캔빔 생성부에서 생성된 빔을 스캔 대상이 되는 물체에 투사하고 물체로부터 반사 또는 형광된 빛을 집광하여 광 검출기로 전달하는 광학계 구조를 제안한다.
이러한 본 발명은 대물렌즈를 통해 대물면에서 고해상도의 프레넬 윤대 패턴(Fresnel zone pattern)을 스캐닝 빔 패턴으로 형성하여, 해당 패턴이 물체 위를 날아다니는 스캔(flying-over scan)을 수행하며, 스캐닝 빔 패턴이 조사된 물체로부터 다시 반사 또는 형광된 빔을 대물렌즈를 통해 광 검출기의 검출면으로 이미징함으로써, 스캔 대상체인 물체의 상을 형성하게 하고, 광 검출기의 검출면에서 상의 빛의 세기를 공간적으로 집적한다.
이러한 본 발명은 크게 제1 내지 제4 실시예(CASE 1~4)를 포함하는데, 각각의 실시예는 대물면(물체가 위치한 면)에 들어가는 빔의 형태에 따라 구분된다.
제1 및 제2 실시예(CASE 1, CASE 2)는 대물면에 구면파와 평면파가 간섭되어 들어가는 형태이다. 다만, 제1 실시예는 수렴하는 구면파와 평면파로 형성된 스캔 빔이 대물면에 인가되고, 제2 실시예는 발산하는 구면파와 평면파로 형성된 스캔빔이 대물면에 인가된다.
그리고, 제3 및 제4 실시예(CASE 3, CASE 4)는 대물면에 구면파와 구면파가 간섭되어 들어가는 형태이다. 다만, 제3 실시예는 발산하는 두 구면파에 의해 형성된 스캔 빔이 대물면에 인가되고, 제4 실시예는 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파로 형성된 스캔빔이 대물면에 인가된다. 이러한 네 가지 실시예는 스캔빔 생성부에서의 제1 및 제2 구면파의 생성 조건에 따라 달리 결정될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 도면을 통하여 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 나타낸 도면이다.
도 1과 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치(100)는 크게 스캔빔 생성부(110), 스캔부(120), 투사부(130) 및 집광부(140)를 포함한다. 이러한 기본 구조는 나머지 제2 내지 제4 실시예에서도 적용된다.
먼저, 스캔빔 생성부(110)는 편광 감응형 렌즈(115)를 통해 선편광 빔을 입사받아 제1 및 제2 구면파를 생성하여 소정 편광 방향의 빔 성분만 통과시키는 편광기(116)에 통과시킨 후 통과된 제1 및 제2 구면파 간 서로 간섭되어 형성된 스캔빔을 릴레이 렌즈(117)를 이용하여 스캔부(120)로 전달한다.
편광 감응형 렌즈(115)는 단일의 광 경로를 가지는 인라인(In-Line) 구조에서 서로 초점 위치가 다른 두 개의 구면파를 동시에 형성하는데, 구체적으로 양의 초점거리를 갖는 좌현 원편광의 구면파 및 음의 초점거리를 갖는 우현 원편광의 구면파를 동시 생성한다.
따라서, 스캔빔 생성부(110)는 편광 감응형 렌즈(115)를 이용하여 단일의 광 경로에서 스캐닝 패턴을 형성한다. 이러한 인라인 구조는 광원을 두 경로로 분할 후 재결합하여 간섭 패턴을 형성하는 기존의 마크젠더 간섭계 구조와는 구분된다. 편광 감응형 렌즈(115)에 대해서는 추후 상세히 설명할 것이다.
도 1을 참조하면, 스캔빔 생성부(110)는 크게 편광 감응형 렌즈(115), 편광기(116), 그리고 릴레이 렌즈(117)(이미징 렌즈)를 포함하여 구성되며, 편광 감응형 렌즈(115)의 앞 부분에는 추가로 광원, 입력측 편광기(111), 선편광 방향 변환기(112), 신호 생성부(113), 콜리메이터(114)를 포함할 수 있다.
먼저, 광원은 전자기파를 발생시키는 부분이다. 광원은 전자기파의 발생이 가능한 레이저 발생기, 가간섭성(Coherence)이 낮은 LED(light emitting diode), 결맞음 길이(coherence length)가 짧은 헬로겐 램프 등의 다양한 수단이 사용될 수 있다. 이하에서는 광원을 레이저 발생기로 구현한 것을 대표 예시로 한다.
입력측 편광기(111)(linear polarizer)는 입력된 광원을 선편광 빔(linearly polarized light)으로 변환하여 선편광 방향 변환기(112)로 제공한다. 도 1에서 광원 및 입력측 편광기(111)는 생략될 수 있으며 이 경우 외부에서 만들어진 선편광 빔이 선편광 방향 변환기(112)에 바로 입력될 수 있다. 또한, 도 1에서 광원이 생략되는 경우에는 외부에서 제공된 광원이 입력측 편광기(111)로 바로 입력될 수 있다.
선편광 방향 변환기(112)는 입력측 편광기(111)로부터 입사된 선편광 빔을 위상 지연시켜 편광 방향을 변경하여 편광 감응형 렌즈(115)로 출력 제공한다.
선편광 방향 변환기(112)는 신호 생성부(113)로부터 인가받은 위상 변조 신호를 기초로 선편광 빔의 위상 지연을 시간에 따라 가변시킬 수 있다. 위상 변조 신호는 시간 t에 따라 위상 지연 값을 가변시키는 신호로서, 신호 생성부(113)의 함수 발생기에서 생성되며 Ω(t)의 함수로 표현된다.
본 발명의 실시예에서, 선편광 방향 변환기(112)는 가변 파장판(112a)(variable wave plate) 및 1/4 파장판(112b)(quarter wave plate)을 포함하여 구성될 수 있다. 이들 각각의 파장판(wave plate)은 빛의 편광 상태를 바꿔주는 광학 소자로서 위상 지연자(retarder)로 불리운다.
가변 파장판(112a)은 입사된 선편광 빔을 신호 생성부(113)의 위상 변조 신호에 따라 위상 지연(phase retardation)시켜 편광을 시간에 따라 가변시킨다. 그리고 1/4 파장판(112b)은 가변 파장판(112a)을 통과한 빔의 편광을 변경한다. 이러한 1/4 파장판(112b)은 입사된 빔에 λ/4의 위상 지연을 인가하여 편광 방향이 회전된 선편광 빔을 콜리메이터(114)에 전달한다.
이와 같이, 가변 파장판(112a)은 입력측 편광기(111)로부터 받은 선편광 빔의 편광을 함수발생기의 신호에 따라 변경하여 1/4 파장판(112b)으로 전달하고 1/4 파장판(112b)은 편광 방향이 회전된 선편광 빔을 출력한다. 여기서, 함수발생기는 1/4 파장판(112b)에서 출력되는 빔의 방향이 x0 축에 대해 시간에 따라 Ω(t)로 가변하도록 가변 파장판(112a)의 위상 지연을 만들어 낼 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 가변 파장판(112a)은 전기 신호에 따라 빔의 위상 지연을 유도하는 전자-광 효과(electric-optic effect)를 이용한 포켈 셀(Pockels cell), 전기 신호에 따라 액정 디렉터의 방향을 변경하여 빔의 위상 지연을 가변시키는 액정 가변 파장판(Liquid Crystal Variable Waveplate) 등으로 구현될 수 있다. 물론, 가변 파장판(112a)은 전기 신호에 따라 빔의 편광을 변경시킬 수 있는 다양한 수단이 사용될 수 있다.
따라서, 도 1에서 선편광 방향 변환기(112)는 가변 파장판(112a)과 1/4 파장판(112b)을 포함하여 구성되지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 전 파장 액정 가변 파장판(full wave liquid crystal waveplate)을 가변 파장판(112a)으로 사용하면, 1/4 파장판(112b) 없이 선편광 방향 변환기(112)을 구성할 수 있다. 또한, 광원의 대역폭이 넓은 경우 넓은 파장 영역에서 광의 편광 방향을 파장 의존성 없이 회전시키기 위해서는 도 1에 도시된 가변 파장판(112a)과 1/4 파장판(112b)을 제거하고 입력측 편광기(111)를 모터 등을 이용하여 기계적으로 회전시키는 방법을 이용하여 편광 방향을 회전할 수 있다.
이를 위해, 선편광 방향 변환기(112)는 입력측 편광기(111) 및 모터(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우 입력측 편광기(111)는 편광이 랜덤한 광원을 입력받아 선편광 빔을 생성한다. 이때, 모터는 신호 생성부(113)의 위상 변조 신호에 따라 입력측 편광기(111)의 각도를 회전시켜서 입력측 편광기(111)를 통과하는 선편광 빔의 편광 방향을 가변시켜 콜리메이터(114)로 전달하면 된다. 이러한 경우 앞서와 동일한 효과를 낼 수 있다.
도 1에서는 설명의 편의상 입력측 편광기(111)에서 선편광 빔을 형성하고, 가변 파장판(112a)은 입사된 선편광 빔에 위상 지연을 인가하여 편광을 변경하여 전달하고, 1/4 파장판(112b)은 편광 방향이 회전된 선편광 빔을 만들었지만, 1/2 파장판, 1/4 파장판, 편광기 및 가변 파장판을 이용한 다양한 조합을 통해 선편광 빔의 방향을 변경시킬 수도 있다. 즉, 선편광 방향 변환기(112)는 선편광 빔에 위상 지연을 인가하여 선편광 빔의 편광 방향을 변경할 수 있는 다양한 수단으로 구현 가능하다.
콜리메이터(114)(collimator)는 선편광 방향 변환기(112)에서 출력된 빔을 확장시켜 편광 감응형 렌즈(115)로 전달하며, 빔을 확장할 수 있는 다양한 수단으로 구현될 수 있다.
편광 감응형 렌즈(115)(polarization sensitive lens)는 선편광 방향 변환기(112)를 통과 후 확장된 선편광 빔을 입사받아, 양의 초점거리(+fgp)를 갖는 좌현 원편광의 구면파 및 음의 초점거리(-fgp)를 갖는 우현 원편광의 구면파를 동시에 생성한다.
여기서, 편광 감응형 렌즈(115)는 기하 위상 렌즈(geometric phase lens)로 구성될 수 있다. 기하 위상 렌즈(115)는 액정(liquid crystal)에 기반한 판카랏남 상(Pancharatnam-phase) 효과를 갖는 얇은 평판형 구조이며, 입력된 빛의 편광에 따라 입력 빔의 파면을 양과 음의 초점거리를 갖는 파면으로 변경하는 렌즈 역할을 한다.
기하 위상 렌즈는 공지된 것과 같이 마하젠더 간섭계 기반의 아날로그 홀로그램 레코딩 장치를 이용하여 제작될 수 있으며, 예를 들어 ImagineOptix사에서 제공하는 기성품을 사용할 수 있다.
기하 위상 렌즈(140)는 입력된 빛의 에너지 세기를 거의 절반씩 나누어 '양의 초점거리(+fgp)를 갖는 좌현 원편광의 구면파'(이하, 설명의 편의상 제1 구면파)와, '음의 초점거리(-fgp)를 갖는 우현 원편광의 구면파'(이하, 설명의 편의상 제2 구면파)와 파면을 동시에 생성한다.
이와 같이, 편광 감응형 렌즈를 이용하여 단일의 광 경로에서 스캐닝 패턴을 형성함에 따라, 광원을 두 경로로 분리 후 재결합하여 간섭 패턴을 형성하는 종래 기법보다 더욱 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있고 외부 환경에 강인하고 안정적이다.
편광 감응형 렌즈(115)에서 인라인(In-Line)으로 도출된 제1 및 제2 구면파는 편광기(116)(linear polarizer)로 전달된다.
편광기(116)(linear polarizer)는 기하 위상 렌즈(115)로부터 전달된 제1 및 제2 구면파의 성분 중에서 소정 편광 방향의 빔 성분만을 통과시킨다. 즉, 편광기(116)는 미리 설정된 편광기(116)의 편광 방향에 해당하는 편광 부분만을 통과시켜 릴레이 렌즈(117)로 전달한다.
릴레이 렌즈(117)는 편광기(116)와 스캔부(120) 사이에 배치되어 편광기(116)를 통과한 두 구면파를 스캔부(120)로 전달한다. 이때 편광기(116)를 통과한 두 구면파는 서로 간섭되어 간섭빔(스캔빔)을 형성하고 릴레이 렌즈(116)는 두 구면파 간 간섭에 따른 스캔빔을 스캔부(160)로 전달한다.
상술한 바와 같이, 스캔빔 생성부(110)는 선편광 빔을 편광 감응형 렌즈(115)를 통해 단일 광 경로에서 제1 및 제2 구면파로 변환 후 편광기(116)를 통과시켜 스캔빔을 형성하고 스캔빔을 릴레이 렌즈(117)를 통해 스캔부(120)로 전달한다.
다음은 도 1에 도시된 스캔부의 구성을 더욱 상세히 설명한다.
스캔빔 생성부(110)에서 생성한 제1 및 제2 구면파 사이에 발생한 간섭 패턴(스캔빔)은 스캔부(120)에 입사된다. 스캔부(120)에 입사된 빔은 스캔 거울(121)(x-스캔 거울)을 거쳐 투사부(130)의 제1 렌즈계(131)로 전달된다.
스캔부(120)는 물체에 대한 스캔빔의 스캐닝 위치를 수평 및 수직 방향으로 제어하도록, 스캔빔 생성부(111) 후단에 설치되어 물체를 x 방향으로 스캔하기 위한 스캔 거울(121)과 투사부(130) 후단에 설치되어 물체를 y 방향으로 스캔하기 위한 트랜슬레이션 스테이지(translation stage)(122)를 포함한다.
스캔 거울(121)은 스캔빔 생성부(110)로부터 입사되는 스캔빔을 수평 방향으로 제어하여 투사부(130)로 전달한다. 트랜슬레이션 스테이지(122)는 투사부(130) 후단에서 스캔 빔을 입사받는 물체를 직접 수직 방향으로 이동시켜, 스캔 빔을 통한 물체의 y 방향 스캔도 가능하게 한다.
이러한 트랜슬레이션 스테이지(122)는 물체가 놓여지는 대물판을 y축 방향으로 이동 가능하게 구현한 것으로 이동하는 대물판에 해당한다. 이와 같은 트랜슬레이션 스테이지(122)는 스캔 거울(121)과 물리적으로 떨어져 있지만 물체에 대한 빔의 스캐닝 위치를 제어하는 수단에 해당하므로 스캔 거울(121)과 함께 스캔부(120)의 구성요소로 포함된다.
이와 같이, 스캔부(120)는 스캔 거울(121)과 트랜슬레이션 스테이지(122)를 이용하여 물체를 기준으로 스캔빔을 수평 방향(x 방향)과 수직 방향(y 방향)으로 제어한다.
본 발명의 실시예에서 스캔부(120)는 거울 스캐너와 트랜슬러이션 스테이지를 사용한다. 거울 스캐너는 물체를 y축을 중심으로 x 방향(좌우 방향)으로 스캔하는 x-스캔 거울(121)과 물체가 놓인 대물판을 x축을 중심으로 y 방향(상하 방향)으로 이동시키는 트랜슬레이션 스테이지를 갖는다. 본 발명의 경우 스캔부가 거울 스캐너와 트랜슬러이션 스테이지로 한정되는 것은 아니며 이와 유사한 수단 또는 공지된 다른 스캔수단이 사용될 수도 있다.
스캔부(120)는 전자 처리부(미도시) 내의 스캔 제어부(미도시)로부터 스캐닝 제어신호를 받아 동작된다. 스캔 제어부(미도시)는 스캔부(120)의 스캐닝 위치를 제어하기 위한 스캐닝 제어신호를 발생시킨다. 여기서, 스캐닝 제어신호는 스캔 거울(121) 및 트랜슬레이션 스테이지(122)를 수평 방향 및 수직 방향으로 각각 제어하기 위한 수평 스캔 신호 및 수직 스캔 신호를 포함할 수 있다.
이때, 수평 스캔 신호는 수평 방향(x축 방향)에 대하여 스캔 위치를 기 설정된 거리 단위씩 순차로 이동시키기 위한 신호로서, 임의 거리 단위의 스캔 이동을 위한 주기 T를 가지고 있다. 트랜슬레이션 스테이지(122)를 수직 방향으로 움직이는 신호인 수직 스캔 신호는 임의의 y 위치에 대한 x축 방향의 수평 스캔 동작이 완료되면 다음의 y 위치에 대한 수평 스캔 동작이 가능하게 하는 트랜슬레이션 스테이지 제어 신호로서, 그 주기는 수평 스캔 신호보다 크다.
이러한 제어 신호에 대응하여, 스캔 거울의 회전에 따라 제1 구면파와 제2 구면파의 광축이 회전되고, 광축이 회전된 스캔빔 패턴은 투사부(130)의 제1 렌즈계(131)로 전달된다.
여기서, 회전되지 않은 기준 광축과 회전된 광축의 사이 반각을 스캔각(θS)이라 한다. 예를 들면 스캔 거울(121)의 면이 z축 방향을 바라보는 상태에서 스캔 거울(121)이 회전한 각도를 의미할 수 있다.
이와 같이, 스캔부(120)는 스캔 거울을 이용하여 제1 및 제2 구면파 간의 간섭 빔(스캔 빔)을 투사부(130)로 전달하여 제1 렌즈계(131)로 입력시킨다.
투사부(130)는 스캔부(120)와 대물면 사이에 순차로 배치된 제1 렌즈계(132), 제2 렌즈계(132) 및 대물렌즈(133)를 포함하며, 스캔부(120)로부터 전달받은 스캔빔을 물체가 위치한 대물면으로 투사한다.
이러한 투사부(130)는 대물렌즈(133)를 통해 대물면에서 고해상도의 프레넬 윤대 패턴(Fresnel zone pattern)을 스캐닝 빔 패턴으로 형성하여 패턴이 물체 위를 날아다니는 스캔(flying-over scan)을 수행한다.
집광부(140)는 스캔빔이 조사된 물체로부터 반사 또는 형광된 후 다시 대물렌즈(133)를 통과한 빔을 검출한다. 이때, 집광부(140)는 제3 렌즈계(142) 및 광 검출기(143)(포토 디텍터; photo detector)를 포함한다. 집광부(140)는 물체로부터 반사된 빔을 대물렌즈(133)를 통해 광 검출기(143)의 검출면으로 이미징하여 물체의 상을 형성하게 하고 검출면에 이미징된 상의 빛의 세기를 공간적으로 집적하여 집광한다. 여기서, 검출면은 이미징된 상의 초점면 뿐아니라 이미징된 상의 탈 초점된 면에 위치해도 됨은 물론이다.
집광부(140)는 광 검출기(143)의 검출면에서 상의 빛의 세기를 빛의 총합에 비례하는 전기신호를 생성하는 방식으로 집광하여 검출할 수 있다. 집광부(140)의 구조는 다양한 실시예를 가질 수 있는데, 도 1과 같이, 제2 렌즈계(132)와 대물렌즈(133) 사이에 배치되는 광분할기(141), 그리고 그 뒷단에 각각 배치되는 제3 렌즈계(142) 및 광 검출기(143)를 포함하여 구성될 수 있다.
물체로부터 반사 또는 형광된 빔은 대물렌즈(133)를 통해 광분할기(141)로 들어가고 이 빔은 광분할기(141)를 통해 반사되어 상단의 제3 렌즈계(142) 및 광 검출기(143)로 전달된다.
집광부(140)의 더욱 다양한 구조에 대해서는 다시 후술하기로 한다. 또한 집광부의 다양한 구조는 제1 내지 제4 실시예에 모두 적용 가능하다.
이하에서는 도 1, 도 4, 도 6, 도 8을 통하여 본 발명의 제1 내지 제4 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에서 대물면에 투사되는 스캔빔의 패턴은 스캔 거울(121)에 맺히는 제1 및 제2 구면파의 각 초점 위치와 뿔각 조건에 따라서 서로 달라지며, 이에 따라 본 발명은 제1 내지 제4 실시예로 구분된다.
이러한 제1 내지 제4 실시예 별로 스캔 거울(121)에 맺히는 제1 및 제2 구면파의 생성 조건이 각기 상이하며(도 2, 도 5, 도 7, 도 9), 이에 따라 실제 대물면에 들어가는 빔의 형태도 달라진다(도 1, 도 4, 도 6, 도 8).
도 1의 제1 실시예의 경우, 수렴하는 구면파와 평면파가 대물면에 들어가고, 도 4의 제2 실시예는 발산하는 구면파와 평면파가 대물면에 들어가고, 도 6의 제3 실시예는 발산하는 두 구면파가 대물면에 들어가고, 도 8의 제4 실시예는 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파가 대물면에 들어간다.
따라서, 본 발명의 실시예에서 대물면에 투사되는 스캔빔은 스캔 거울(121)에 맺히는 제1 및 제2 구면파의 각 초점 위치와 뿔각 조건에 따라, 네 가지 간섭 구조 중에서 어느 한 가지로 결정되는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 대물면에 투사되는 첫 번째 간섭 구조는 대물면에 대해 수렴하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조(제1 패턴; 도 1의 CASE 1)이고, 두 번째 간섭 구조는 발산하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조(제2 패턴; 도 4의 CASE 2)이다. 또한, 세 번째 간섭 구조는 발산하는 두 구면파 간 간섭 구조(제3 패턴; 도 6의 CASE 3)이고, 네 번째 간섭 구조는 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파 간 간섭 구조(제4 패턴; 도 8의 CASE 4 참조)이다.
다음은 CASE 1 내지 CASE 4를 각각 구현하기 위한 스캔빔 생성부(110)의 구면파 생성 조건을 보다 구체적으로 설명한다.
[CASE 1] 수렴하는 구면파와 평면파 간의 간섭 패턴
도 2는 도 1의 CASE 1에 따른 간섭 구조를 대물면에 형성하기 위한 스캔빔 생성부의 제1 및 제2 구면파 생성 조건을 나타낸 도면이다.
제1 실시예(CASE 1)에서 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 평면파 및 수렴하는 구면파가 되어, 대물면에 투사된 스캔빔은 대물면에서 수렴하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조를 가진다.
이와 같이, CASE 1의 경우, 대물면에 대해 수렴하는 구면파와 평면파가 간섭된 빔의 패턴을 물체 스캐닝을 위한 스캔빔 패턴으로 사용하는 구조로서, 대물렌즈의 분해능과 같거나 낮으나 대물면에서 물체가 위치할 수 있는 깊이 영역이 커지는 것을 특징으로 한다.
이를 위해, 스캔빔 생성부(110)는 도 2에 도시된 초점거리 및 뿔각 조건으로 제1 구면파 및 제2 구면파를 생성한다.
도 2를 참조하면, CASE 1에서 제1 구면파의 초점 위치는 제1 렌즈계(131)의 입력 동공의 위치와 동일하고, 제2 구면파의 초점 위치는 제1 렌즈계(131)의 입력 동공의 위치와 같거나 보다 전단에 위치한다. 또한, 이와 동시에 제1 구면파의 뿔각(θ1)은 아래와 같이 제2 구면파의 뿔각(θ2)보다 크거나 같은 조건을 가진다.
Figure 112020111935219-pat00029
여기서 물론 제1 및 제2 구면파 각각의 초점 위치 및 뿔각은 스캔빔 생성부(110)에 포함된 편광 감응형 렌즈(115)와 릴레이 렌즈(117)의 각 초점 거리 등의 렌즈 사양에 따라 결정될 수 있다
투사부(130)는 스캔부(120)로부터 전달받은 광축이 회전된 제1 구면파와 제2 구면파를 대물렌즈(133)로 전달하고, 대물렌즈(133)는 전달받은 제1 구면파와 제2 구면파를 대물렌즈(133)의 대물면으로 전달한다.
이때, 제1 렌즈계(131)의 입력 동공(entrance pupil)은 스캔 거울(121)의 스캔면에 위치한다.
두 구면파에 의한 스캔빔은 스캔 거울(121)을 통해 제1 렌즈계(131)로 전달된다. 제1 렌즈계(131)는 전달받은 스캔빔을 제2 렌즈계(132)로 전달한다. 여기서, 제2 렌즈계(132)의 입력동공은 제1 렌즈계(131)의 출력동공(exit pupil)과 동일한 위치가 되도록 위치하는 것이 바람직하다. 제2 렌즈계(132)는 스캔빔을 대물렌즈(133)로 전달한다. 대물렌즈(133)는 전달받은 스캔빔을 대물면으로 투사한다. 이때, 대물렌즈(133)의 입력동공의 위치는 제2 렌즈계(132)의 출력동공 위치와 같은 곳에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.
물체가 위치한 대물면에는 상술한 구조를 가지는 제1 및 제2 렌즈계(131,132)에 의하여 평면파로 변환된 제1 빔과, 수렴하는 구면파로 변환된 제2 빔이 서로 중첩된다. 이때, 스캔부(120)의 스캐닝에 따라 평면파인 제1 빔과 구면파인 제2 빔의 중첩으로 형성된 간섭 패턴인 프레넬 윤대판 패턴은 물체 위를 날아다니며 물체를 스캔한다.
여기서, 분해능 저하를 막기 위해 대물면에서 평면파의 크기(extent)가 수렴하는 구면파의 크기보다 큰 것이 바람직하며, 이를 위해서는 제1 렌즈계(131)의 입력동공(entrance pupil)에서 제1 구면파의 뿔각 θ1은 제2 구면파의 뿔각 θ2보다 크거나 같도록 한다(
Figure 112020111935219-pat00030
).
또한, 도 2에 나타낸 제1 및 제2 구면파의 초점 위치 및 뿔각 조건(제1 조건)에 더하여, 그에 대한 종속 조건으로 제1 및 제2 렌즈계(131,132)는 아래 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하다.
Figure 112020111935219-pat00031
여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 스캔부(120)의 스캔 거울(121)에서의 스캔각,
Figure 112020111935219-pat00032
은 제1 렌즈계의 수용각, f1는 제1 렌즈계(131)의 유효 초점거리(effective focal length),
Figure 112020111935219-pat00033
은 제1 렌즈계(131)의 앞 초점면의 수렴각, rsph1 및 rsph2는 제1 렌즈계(131)의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름을 나타낸다.
여기서, 제1 렌즈계(131)의 입력동공의 크기와 수용각에 따라 대물면에 투사되는 평면파와 구면파의 크기는 제한될 수 있는데 이로 인한 홀로그램의 분해능 저하 및 시야 저하를 막기 위해서, 스캔부(120)의 스캔 거울(121)에서의 스캔각(θS), 각 구면파의 수렴반각(θ1, θ2), 제1 렌즈계(131)의 입력 동공면에서의 각 구면파의 반지름(rsph1, rsph2)은 상기의 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하다.
여기서, 렌즈계를 구성한 각 파라미터에 대한 정의는 이하의 도 3을 참조하면 된다. 본 발명의 실시예에 포함된 각각의 광학계는 도 3a 또는 도 3b의 형태로 모델링될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 렌즈계를 일반 광학계 및 어플라난틱(aplanatic) 광학계로 각각 모델링한 것을 나타낸 도면이다.
우선, 도 3a의 경우 렌즈계를 일반 광학계의 카디날 점(cardinal point)과 카디날 면(cardinal plane)으로 모델링한 것이고, 도 3b는 어플라난틱 광학계의 카디날 점과 카디날 면으로 모델링한 것이다.
제1 렌즈계(131)와 제2 렌즈계(132)를 도 3a 또는 도 3b의 카디날 점과 면으로 모델링 하면, 제1 렌즈계(131)에 대한 입력동공의 반지름은 r1, 유효 초점거리는 f1, 수용각은
Figure 112020111935219-pat00034
이고, 제1 렌즈계(131)의 앞 초점면에서 시야의 반지름은 F1, 수렴각은
Figure 112020111935219-pat00035
로 정의된다.
마찬가지로, 제2 렌즈계(132)에 대한 입력동공의 반지름은 r2, 유효 초점거리는 f2, 수용각은
Figure 112020111935219-pat00036
이고, 제2 렌즈계(132)의 앞 초점면에서 시야의 반지름은 F2, 수렴각은
Figure 112020111935219-pat00037
로 정의된다.
제1 렌즈계(131)는 스캔부(120)로부터 전달받은 제1 구면파와 제2 구면파를 제2 렌즈계(132)로 전달하는데, 이때, 제1 구면파와 제2 구면파를 위상 왜곡 없이 전달하기 위해서 제2 렌즈계(132)의 입력동공은 제1 렌즈계(131)의 출력동공과 같은 위치인 것이 바람직하다.
제2 렌즈계(132)는 제1 렌즈계(131)로부터 전달받은 제1 구면파와 제2 구면파를 광분할기(141)를 통하여 대물렌즈(133)에 전달한다. 이때, 제1 구면파와 제2 구면파를 위상 왜곡 없이 전달하고, 제1 구면파가 대물렌즈의 대물면에 평행광으로 입사되도록 하기 위하여, 대물렌즈(133)의 입력동공은 제2 렌즈계(132)의 출력동공과 같은 위치인 것이 바람직하다.
여기서, 대물렌즈(133)의 입력동공의 반지름은 r0, 유효 초점거리는 f0, 수용각은
Figure 112020111935219-pat00038
이고, 대물렌즈(133)의 앞 초점면에서 시야의 반지름은 F0, 수렴각은
Figure 112020111935219-pat00039
로 정의될 수 있다.
제1 렌즈계(131), 제2 렌즈계(132) 및 대물렌즈(133)를 통과한 제1 구면파는 대물렌즈(133)의 대물면에서 평면파가 되는데, 이때 스캔에 따른 분해능 저하를 막기 위해, 평면파의 반지름은 대물렌즈(133)의 시야의 반지름과 같거나 작은 것이 바람직하며 이는 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00040
여기서, θ1은 제1 구면파의 수렴반각, θS는 스캔각, Fobj는 대물렌즈(133)의 앞 초점면에서 시야의 반지름, f0는 대물렌즈(133)의 유효 초점거리, f1 및 f2는 제1 및 제2 렌즈계의 유효 초점거리를 나타낸다.
또한, 제1 렌즈계(131), 제2 렌즈계(132) 및 대물렌즈(133)를 통과한 제2 구면파는 대물렌즈(133)의 대물면에서 수렴하는 구면파가 되는데, 이때 스캔에 따른 분해능 저하를 막기 위해, 대물면에서 수렴하는 구면파의 반지름은 대물렌즈(133)의 시야의 반지름과 같거나 작은 것이 바람직하며, 이는 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00041
여기서, θ2는 제2 구면파의 수렴반각을 나타내며, 나머지 파라미터는 앞서 수학식 3과 동일하다.
이와 같이, CASE 1을 구현하기 위해서는 수학식 2의 조건과 함께 수학식 3과 4의 조건을 만족해야 한다.
즉, 제1 구면파와 대응된 대물면에서의 '평면파'의 반지름과 제2 구면파와 대응된 대물면에서의 '수렴하는 구면파'의 반지름은 모두 대물렌즈(133)의 시야의 반지름(Fobj)보다 작거나 같아야 한다.
여기서, 제1 및 제2 렌즈계(131,132)는 대물렌즈(133)의 분해능과 시야각에 최대한 부합하는 스캔 빔을 전달할 수 있도록, 제1 및 제2 렌즈계(131,132)의 광학적 불변성(optical invariance)은 대물렌즈(133)의 광학적 불변성보다 크거나 같은 아래 수학식 5의 조건을 추가로 만족하는 것이 바람직하다.
Figure 112020111935219-pat00042
여기서, I1, I2, Iobj는 각각 제1 렌즈계(131), 제2 렌즈계(132) 및 대물렌즈(133)의 광 불변성을 나타낸다.
이때, 각 렌즈(131,132,133)가 1차 주면근사에 따른 렌즈계 모델인 경우,
Figure 112020111935219-pat00043
이고 근축근사 모델인 경우
Figure 112020111935219-pat00044
이고, 어플라난틱(aplanatic) 렌즈계인 경우,
Figure 112020111935219-pat00045
이다. 여기서, 렌즈계가 자유공간에 존재하는 것으로 하였으나, 굴절률이 n인 매질 내에 존재하는 경우 상기 광학적 불변성은 n배가 되는 것은 물론이다.
[CASE 2] 발산하는 구면파와 평면파 간의 간섭 패턴
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 CASE 2에 따른 간섭 구조를 대물면에 형성하기 위한 스캔빔 생성부의 제1 및 제2 구면파 생성 조건을 나타낸 도면이다.
도 4와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치(200)는 크게 스캔빔 생성부(210), 스캔부(120), 투사부(130) 및 집광부(140)를 포함한다. 도 1과 동일한 부호를 가지는 구성 요소에 대한 중복된 설명은 생략한다.
앞서 설명한 바와 같이 제2 실시예의 경우 역시, 장치의 기본 구조는 제1 실시예와 동일하지만 생성되는 스캔빔 패턴은 상이하다. 즉, 스캔빔 생성부(210)의 편광 감응형 렌즈(215) 및 릴레이 렌즈(217)를 통해 도출된 제1 및 제2 구면파의 조건이 상이하며 그 원리는 다음과 같다.
제2 실시예(CASE 2)에서 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 평면파 및 발산하는 구면파가 되어, 대물면에 투사된 스캔빔은 대물면에서 발산하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조를 가진다.
이와 같이, CASE 2의 경우 대물면에 대해 발산하는 구면파와 평면파가 간섭된 빔의 패턴을 물체 스캐닝을 위한 스캔빔 패턴으로 사용하는 구조로서, 대물렌즈의 분해능과 같거나 높은 분해능을 갖는 것을 특징으로 한다.
이를 위해, 스캔빔 생성부(210)는 도 5와 같은 초점거리 및 뿔각 조건으로 제1 구면파 및 제2 구면파를 생성한다.
도 5의 경우 제1 구면파의 초점 위치는 제1 렌즈계(131)의 입력 동공의 위치와 동일하게 위치시키고, 제2 구면파의 초점 위치는 제1 구면파의 초점위치보다 길게 하여 제1 렌즈계(131)의 입력 동공과 같거나 보다 뒷단에 위치시키며, 이와 동시에 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은 θ2≤θ1을 만족하도록 한다.
두 구면파에 의한 스캔빔은 스캔부(120)를 통해 제1 렌즈계(131)로 전달된다. 제1 렌즈계(131)는 전달받은 스캔빔을 제2 렌즈계(132)로 전달한다. 제2 렌즈계(132)의 입력동공은 제1 렌즈계(131)의 출력동공과 동일한 위치가 되도록 위치한다. 제2 렌즈계(132)는 스캔빔을 대물렌즈(133)로 전달한다. 대물렌즈(133)는 전달받은 스캔빔을 대물면으로 투사한다. 이때, 대물렌즈(133)의 입력동공의 위치는 제2 렌즈계(132)의 출력동공 위치와 같은 곳에 위치하도록 한다.
물체가 위치한 대물면에는 상술한 구조를 가지는 제1 및 제2 렌즈계(131,132)에 의하여, 평면파로 변환된 제1 빔과, 발산하는 구면파로 변환된 제2 빔이 중첩되게 된다. 이때, 스캔 거울의 스캐닝에 따라 평면파인 제1 빔과 구면파인 제2 빔의 중첩으로 형성된 간섭 패턴인 프레넬 윤대판 패턴은 대상체 위를 날아다니며 물체를 스캔한다.
여기서, 분해능 저하를 막기 위해 대물면에서 제1 빔인 평면파의 크기가 발산하는 구면파의 크기 보다 큰 것이 바람직하고, 이를 위해서는 앞서 수학식 1과 같이 제1 구면파의 뿔각(θ1)은 제2 구면파의 뿔각(θ2) 보다 크거나 같은 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
이러한 제2 실시예(케이스 2)의 나머지 조건(수학식 2 내지 수학식 5)은 앞서 제1 실시예(CASE 1)와 동일하게 적용된다.
다만, 이러한 제2 실시예에서, 제1 렌즈계(131), 제2 렌즈계(132) 및 대물렌즈(133)를 통과한 제1 구면파는 대물렌즈(133)의 대물면에서 평면파가 되고, 제1 렌즈계(131), 제2 렌즈계(132) 및 대물렌즈(133)를 통과한 제2 구면파는 대물렌즈(133)의 대물면에서 발산하는 구면파가 된다.
따라서, 이러한 제2 실시예의 경우, 수학식 3, 4의 의미는 제1 구면파와 대응된 대물면에서의 '평면파'의 반지름과 제2 구면파와 대응된 대물면에서의 '발산하는 구면파'의 반지름은 모두 대물렌즈(133)의 시야의 반지름(Fobj)보다 작거나 같아야 함을 의미한다.
[CASE 3] 발산하는 구면파와 발산하는 구면파 간의 간섭 패턴
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6의 CASE 3에 따른 간섭 구조를 대물면에 형성하기 위한 스캔빔 생성부의 제1 및 제2 구면파 생성 조건을 나타낸 도면이다.
도 6과 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치(300)는 크게 스캔빔 생성부(310), 스캔부(120), 투사부(130) 및 집광부(140)를 포함한다. 도 1과 동일한 부호를 가지는 구성 요소에 대한 중복된 설명은 생략한다.
앞서 설명한 바와 같이 제3 실시예의 경우 역시, 장치의 기본 구조는 제1 실시예와 동일하지만 생성되는 스캔빔 패턴은 상이하다. 즉, 스캔빔 생성부(310)의 편광 감응형 렌즈(315) 및 릴레이 렌즈(317)를 통해 도출된 제1 및 제2 구면파의 조건이 상이하며 그 원리는 다음과 같다.
제3 실시예(CASE 3)에서 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 모두 발산하는 구면파가 되어, 대물면에 투사된 스캔빔은 대물면에서 발산하는 두 구면파 간 간섭 구조를 가진다.
이와 같이, CASE 3의 경우 대물면에 대해 발산하는 구면파와 구면파가 간섭된 빔의 패턴을 물체 스캐닝을 위한 스캔빔 패턴으로 사용하는 구조로서, 심도영역이 증대되는 것이 특징이다.
이를 위해, 스캔빔 생성부(310)는 도 7에 도시된 초점거리 및 뿔각 조건으로 제1 구면파 및 제2 구면파를 생성한다.
도 7의 경우 제1 구면파의 초점 위치는 제1 렌즈계(131)의 입력 동공보다 뒷단에 위치하고, 제2 구면파의 초점 위치는 제1 구면파의 초점위치보다 길게 하여 제1 구면파의 초점위치보다 더 뒷단에 위치한다. 또한, 이와 동시에 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은
Figure 112020111935219-pat00046
을 만족하는 조건을 갖는다.
두 구면파에 의한 스캔빔은 스캔부(120)를 통해 제1 렌즈계(131)로 전달된다. 제1 렌즈계(131)는 전달받은 스캔빔을 제2 렌즈계(132)로 전달한다. 제2 렌즈계(132)의 입력동공은 제1 렌즈계(131)의 출력동공과 동일한 위치가 되도록 위치한다. 제2 렌즈계(132)는 스캔빔을 대물렌즈(133)로 전달한다. 대물렌즈(133)는 전달받은 스캔빔을 대물면으로 투사한다. 이때, 대물렌즈(133)의 입력동공의 위치는 제2 렌즈계(132)의 출력동공 위치와 같은 곳에 위치하도록 한다.
물체가 위치한 대물면에는 상술한 구조를 가지는 제1 및 제2 렌즈계(131,132)에 의하여 발산하는 구면파로 변환된 제1 빔과, 발산하는 구면파로 변환된 제2 빔이 중첩되게 된다. 이때, 스캔 거울의 스캐닝에 따라 구면파인 제1 빔과 구면파인 제2 빔의 중첩으로 형성된 간섭 패턴인 프레넬 윤대판 패턴은 대상체 위를 날아다니며 물체를 스캔한다.
여기서, 분해능 저하를 막기 위해 대물면에서 제1 빔인 구면파의 크기가 제2 빔인 구면파의 크기 보다 큰 것이 바람직하고, 이를 위해서는 앞서 수학식 1과 같이 제1 구면파의 뿔각(θ1)은 제2 구면파의 뿔각(θ2) 보다 크거나 같은 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
이러한 제3 실시예(케이스 3)의 나머지 조건(수학식 2 내지 수학식 5)은 앞서 제1 실시예(CASE 1)와 동일하다. 또한 여기서, 제1 구면파와 제2 구면파를 위상 왜곡 없이 전달하고, 제1 구면파가 대물렌즈의 대물면에 구면파로 입사되도록 하기 위해, 대물렌즈(133)의 입력동공은 제2 렌즈계(132)의 출력동공과 같은 위치인 것이 바람직하다.
다만, 이러한 제3 실시예의 경우, 제1 렌즈계(131), 제2 렌즈계(132) 및 대물렌즈(133)를 통과한 제1 구면파는 대물렌즈(133)의 대물면에서 '발산하는 구면파'가 된다. 또한, 제1 렌즈계(131), 제2 렌즈계(132) 및 대물렌즈(133)를 통과한 제2 구면파 역시 대물렌즈(133)의 대물면에서 '발산하는 구면파'가 된다.
따라서, 제3 실시예의 경우 수학식 3, 4의 의미는 제1 구면파와 대응된 대물면에서의 '발산하는 구면파'의 반지름과 제2 구면파와 대응된 대물면에서의 '발산하는 구면파'의 반지름은 모두 대물렌즈(133)의 시야의 반지름(Fobj)보다 작거나 같아야 함을 의미한다.
[CASE 4] 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파 간의 간섭 패턴
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치를 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8의 CASE 4에 따른 간섭 구조를 대물면에 형성하기 위한 스캔빔 생성부의 제1 및 제2 구면파 생성 조건을 나타낸 도면이다.
도 8과 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치(300)는 크게 스캔빔 생성부(410), 스캔부(120), 투사부(130) 및 집광부(140)를 포함한다. 도 1과 동일한 부호를 가지는 구성 요소에 대한 중복된 설명은 생략한다.
앞서 설명한 바와 같이 제4 실시예의 경우 역시, 장치의 기본 구조는 제1 실시예와 동일하지만 생성되는 스캔빔 패턴은 상이하다. 즉, 스캔빔 생성부(410)의 편광 감응형 렌즈(415) 및 릴레이 렌즈(417)를 통해 도출된 제1 및 제2 구면파의 조건이 상이하며 그 원리는 다음과 같다.
제4 실시예(CASE 4)에서 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파가 되어, 대물면에 투사된 스캔빔은 대물면에서 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파 간 간섭 구조를 가진다.
이와 같이, CASE 4의 경우 대물면에서 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파가 간섭된 빔의 패턴을 물체 스캐닝을 위한 스캔빔 패턴으로 사용하는 구조로서, 분해능을 대물렌즈의 분해능보다 증대시키는 것이 특징이다.
이를 위해, 스캔빔 생성부(410)는 도 9에 도시된 초점거리 및 뿔각 조건으로 제1 구면파 및 제2 구면파를 생성한다.
도 9의 경우 제1 구면파의 초점 위치는 제1 렌즈계(131)의 입력 동공보다 전단에 위치시키고, 제2 구면파의 초점 위치는 제1 렌즈계(131)의 입력 동공보다 뒷단에 위치시킨다. 또한, 이와 동시에 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은
Figure 112020111935219-pat00047
을 만족하도록 한다.
두 구면파에 의한 스캔빔은 스캔부(120)를 통해 제1 렌즈계(131)로 전달된다. 제1 렌즈계(131)는 전달받은 스캔빔을 제2 렌즈계(132)로 전달한다. 제2 렌즈계(132)의 입력동공은 제1 렌즈계(131)의 출력동공과 동일한 위치가 되도록 위치한다. 제2 렌즈계(132)는 스캔빔을 대물렌즈(133)로 전달한다. 대물렌즈(133)는 전달받은 스캔빔을 대물면으로 투사한다. 이때, 대물렌즈(133)의 입력동공의 위치는 제2 렌즈계(132)의 출력동공 위치와 같은 곳에 위치하도록 한다.
물체가 위치한 대물면에는 상기 구조의 제1 및 제2 렌즈계(131,132)에 의하여 '수렴하는 구면파'로 변환된 제1 빔과, '발산하는 구면파'로 변환된 제2 빔이 중첩되게 된다. 이때, 스캔 거울의 스캐닝에 따라 구면파인 제1 빔과 구면파인 제2 빔의 중첩으로 형성된 간섭 패턴인 프레넬 윤대판 패턴은 대상체 위를 날아다니며 물체를 스캔한다.
이때, 분해능 저하를 막기 위해 대물면에서 제1 빔인 구면파의 크기가 제2 빔인 구면파의 크기보다 큰 것이 바람직하다. 이를 위해서는 아래의 수학식 6과 같이, 제1 구면파의 뿔각(θ1)과 제2 구면파의 뿔각(θ2)의 차이의 절대값이 제1 구면파의 뿔각(θ1)과 제2 구면파의 뿔각(θ2)의 합의 절대값의 1/2보다 작은 것이 바람직하다.
Figure 112020111935219-pat00048
또한, 도 8에 나타낸 두 구면파의 초점 위치 및 뿔각 조건(제4 조건)에 더하여, 그에 대한 종속 조건으로, 제1 및 제2 렌즈계(131,132)는 아래 수학식 7를 만족해야 한다.
Figure 112020111935219-pat00049
여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 스캔 거울(121)에서의 스캔각,
Figure 112020111935219-pat00050
은 제1 렌즈계(131)의 수용각, f1는 제1 렌즈계(131)의 유효 초점거리,
Figure 112020111935219-pat00051
은 제1 렌즈계(131)의 앞 초점면의 수렴각, rsph1 및 rsph2는 제1 렌즈계(131)의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름을 나타낸다.
제1 렌즈계(131)의 입력동공의 크기와 수용각에 따른 대물면에 투사되는 두 구면파의 크기 제한에 따른 분해능 저하 및 시야저하를 막기 위해, 제1 렌즈계(131)의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름(rsph1, rsph2)은 수학식 7을 만족하는 것이 바람직하다.
제1 렌즈계(131)는 스캔부(120)로부터 전달받은 제1 구면파와 제2 구면파를 제2 렌즈계(132)로 전달하는데, 이때, 제1 구면파와 제2 구면파를 위상 왜곡 없이 전달하기 위해서 제2 렌즈계(132)의 입력동공은 제1 렌즈계(131)의 출력동공과 같은 위치인 것이 바람직하다.
제2 렌즈계(132)는 제1 렌즈계(131)로부터 전달받은 제1 구면파와 제2 구면파를 광분할기(141)를 통하여 대물렌즈(133)에 전달한다. 이때, 제1 구면파와 제2 구면파를 위상 왜곡 없이 전달하고, 제1 구면파가 대물렌즈의 대물면에 구면파로 입사되도록 하기 위하여, 대물렌즈(133)의 입력동공은 제2 렌즈계(132)의 출력동공과 같은 위치인 것이 바람직하다.
또한, 이러한 제4 실시예에서, 제1 렌즈계(131), 제2 렌즈계(132) 및 대물렌즈(133)를 통과한 제1 구면파는, 대물렌즈(133)의 대물면에서 수렴하는 구면파가 된다. 이때 스캔에 따른 분해능 저하를 막기 위해 구면파의 반지름은 대물렌즈(133)의 시야의 반지름과 같거나 작은 것이 바람직하며 이는 아래의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00052
여기서, θ1은 제1 구면파의 수렴반각, θS는 스캔각, Fobj는 대물렌즈(133)의 앞 초점면에서 시야의 반지름, f0는 대물렌즈(133)의 유효 초점거리, f1 및 f2는 제1 및 제2 렌즈계의 유효 초점거리를 나타낸다.
또한, 제1 렌즈계(131), 제2 렌즈계(132) 및 대물렌즈(133)를 통과한 제2 구면파는 대물렌즈(133)의 대물면에서 '발산하는 구면파'가 되는데, 이때 스캔에 따른 분해능 저하를 막기 위해, 대물면에서 발산하는 구면파의 반지름은 대물렌즈(133)의 시야의 반지름보다 작거나 같은 것이 바람직하며, 이는 아래의 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020111935219-pat00053
여기서, θ2는 제2 구면파의 수렴반각을 나타내며 나머지 요소는 앞서 수학식 3과 동일하다.
따라서, 제4 실시예의 경우 제1 구면파와 대응된 대물면에서의 '수렴하는 구면파'의 반지름과 제2 구면파와 대응된 대물면에서의 '발산하는 구면파'의 반지름은 모두 대물렌즈(133)의 시야의 반지름(Fobj)보다 작거나 같아야 한다.
제4 실시예의 경우 역시, 수학식 5와 같이, 제1 및 제2 렌즈계(131,132)의 광학적 불변성(optical invariance)은 대물렌즈(133)의 광학적 불변성보다 크거나 같은 조건을 가진다.
한편, 도 1, 도 4, 도 6, 도 8의 모든 실시예에서, 제1 렌즈계와 제2 렌즈계는 일반적인 렌즈, Plano-convex 렌즈, doublet, 복합 achromatic doublet으로 구현될 수 있을 뿐만 아니라, 스캔에 따른 광축 왜곡을 최소화하기 위해 텔레센트릭 렌즈계인 것이 바람직하다.
이에 따라, 제1 렌즈계와 제2 렌즈계는 미국등록특허 제4,482,217호의 Plossl 형 대안렌즈로 구성될 수 있고, 텔레센트릭 렌즈로 구성될 수 있다. 뿐만 아니라 제1 렌즈계는 복합스캔렌즈(compound scan lens), 제2 렌즈계는 복합튜브렌즈(compound tube lens)로 구성될 수 있다.
다음은 제1 내지 제4 실시예에 공통적으로 적용 가능한 집광부의 구조를 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 도 1의 제1 실시예의 발명에 도시된 집광부의 구성은 제2 내지 제4 실시예도 공통 적용 가능하므로, 이하에서는 도 1을 대표 예시로 하여 설명한다.
[집광부] 공간면 집광법
도 1을 참조하면, 스캔빔 생성부(120)에서 생성된 스캔빔 패턴은 대물렌즈(133)를 통해 고해상도의 프레넬 윤대 패턴으로 변경되어, 스캔 거울의 회전에 따라 지정되는 스캔 위치에서 물체를 조사하게 된다. 조사된 빔 패턴은 물체에서 반사되어 대물렌즈(133)로 전달된다. 대물렌즈(133)는 반사된 빔을 광분할기(141)를 통해 제3 렌즈계(142)로 전달한다.
이와 같이, 도 1의 집광부(140)는 광분할기(141), 제3 렌즈계(142), 광 검출기(143)를 포함하며, 공간면 집광을 수행한다.
광분할기(141)는 제2 렌즈계(132)와 대물렌즈(133) 사이에 배치되어, 제2 렌즈계(132)를 통과한 빔은 대물렌즈(133)로 전달하고, 물체로부터 반사되어 다시 대물렌즈(133)를 통과한 빔은 제3 렌즈계(142)로 반사시킨다. 광 검출기(143)는 제3 렌즈계(142)를 통과한 빔을 검출하며, 포토 디텍터로 구현될 수 있다.
제3 렌즈계(142)는 광 분할기(141)에서 반사시킨 빔을 입사받아 광 검출기(143)로 전달한다. 여기서, 제3 렌즈계(142)의 입력동공의 반지름은 r3, 유효 초점거리는 f3, 수용각은
Figure 112020111935219-pat00054
이고, 제3 렌즈계(142)의 앞 초점면에서 시야의 반지름은 F3, 수렴각은
Figure 112020111935219-pat00055
로 정의될 수 있다.
대물렌즈(133)와 제3 렌즈계(142)는 스캔 거울의 회전에 따라 지정되는 스캔 위치에서 프레넬 윤대판이 조사된 대상체의 상을 광 검출기(143)의 검출면 방향으로 생성되게 한다. 이때, 대물렌즈(133)가 무한 보정된(infinite corrected) 대물렌즈인 경우 제3 렌즈계(142)의 입력동공의 위치는 대물렌즈(133)의 입력공동의 위치와 같은 것이 바람직하다. 제3 렌즈계(142)의 출력동공 위치에는 스캔빔 패턴에 의해 조사된 물체의 상이 형성된다.
여기서, 상이 형상되는 위치에 광 검출기(143)의 검출면이 위치하는 것이 바람직하며, 광 검출기(143)의 검출면의 크기는 스캐닝에 따라서, 스캔빔이 조사하는 전 영역에서 반사된 빔의 검출면에서의 상의 크기와 같거나 큰 것이 바람직하며, 조사 영역은 대물렌즈(133)의 시야를 넘을 수 없다.
따라서, 도 1에 도시된 집광부(140)의 구조에서, 광 검출기(143)의 검출면의 크기(Fpd)는 아래의 수학식 10을 만족하는 것이 바람직하다.
Figure 112020111935219-pat00056
여기서, θS는 스캔부(120)의 스캔 거울(121)에서의 스캔각, f1 내지 f3는 제1 내지 제3 렌즈계(131,132,142)의 각 유효 초점거리, f0는 대물렌즈(133)의 유효 초점거리, Fo는 대물렌즈(133)의 앞 초점면에서 시야의 반지름을 나타낸다.
광검출기(143)는 검출면에서 상의 빛의 세기의 총합에 비례하는 전기신호를 생성하여 전자처리부(미도시)로 전달한다. 전자처리부(미도시)는 광 검출기(143)에서 검출된 전기신호를 처리하여 물체의 홀로그램을 생성한다.
각 구조에 따른 전자처리부(미도시)는 상이할 수 있으며, 이는 본 출원인에 의한 기 출원 특허인 출원번호 제10-2012-0002121호와 등록번호 제10-2056063호를 참조할 수 있다.
예를 들어, 전자처리부(미도시)는 헤테로다인 검출기, AD 컨버터, 신호 처리부, 저장부, 그리고 스캔 제어부를 포함할 수 있다. 헤테로다인 검출기는 광 검출기로부터 전달받은 전기신호와 함수발생기에서 생성된 주파수 Ω를 갖는 헤테로다인 변조신호를 이용하여 동위상 출력 신호 및 사분위상 출력 신호를 생성할 수 있다.
AD 컨버터는 동 위상 신호와 사분위상 신호를 각 채널을 통해 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 변환된 디지털 전류신호는 스캔수단의 스캐닝 위치와 함께 신호처리부로 제공된다. 신호처리부는 변환된 디지털 신호로부터 대상물(물체)의 복소수 홀로그램을 생성하고, 저장부는 생성된 복소수 홀로그램을 저장한다. 그리고 스캔 제어부는 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 스캔수단의 스캔 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하여 스캔부(120)으로 전달한다.
도 1에서, 검출면의 위치는 제3 렌즈계(142)의 출력동공 위치로 물체의 상면인 것이 바람직하나, 검출면의 위치는 반드시 이에 한정되는 것이 아니라 상면 앞뒤에 위치할 수 있음은 물론이다. 이 경우에도, 검출면의 크기는 수학식 10을 만족하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 실시예는 도 1과 같이 Best mode로 제1 렌즈계(131)와 제2 렌즈계(132)를 이용해 스캔 빔을 전달하는 것으로 설명하였으나, 도 1에서 제1 렌즈계(131)와 제2 렌즈계(132) 없이 스캔부(120), 광분할기(141), 대물렌즈(133), 제3 렌즈계(142)로 구성할 수 있음은 물론이다. 이러한 구조의 경우 검출면의 크기는 수학식 11을 만족하는 것이 바람직하다.
Figure 112020111935219-pat00057
본 발명의 실시예는 도 1과 같이 Best mode로 대물렌즈(133)와 제3 렌즈계(142)를 이용하여 물체의 상을 검출면에 생성하는 것으로 하였으나, 제3 렌즈계(142) 없이 대물렌즈(133)만으로 검출면에 물체의 상을 형성할 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명의 실시예는 Best mode로 광분할기(141)를 제2 렌즈계(132)와 대물렌즈(133) 사이에 위치시켰다. 하지만 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이하의 도 10 내지 도 12와 같은 변형된 구조(총 3가지)를 추가적으로 제안할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 도 1에 도시된 집광부의 제1 내지 제3 변형예를 각각 나타낸 도면이다. 물론, 이러한 도 10 내지 도 12에 도시된 집광부의 변형 구조 역시, 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 모두 적용 가능한 구조에 해당한다.
먼저, 도 10의 제1 변형예의 경우, 집광부(150)는 광분할기(151), 제3 렌즈계(152), 제4 렌즈계(153), 광 검출기(154)를 포함한다. 이때, 도 1과 달리, 광분할기(151)를 제1 렌즈계(131)와 제2 렌즈계(132) 사이에 위치시키고, 제3 렌즈계(152)와 제4 렌즈계(153)를 이용하여 광 검출기(154)의 검출면에 상을 형성한다.
즉, 광분할기(151)는 제1 렌즈계(131)와 제2 렌즈계(132) 사이에 배치되어, 제1 렌즈계(131)를 통과한 빔을 제2 렌즈계(132)로 전달하고, 물체로부터 반사되어 대물렌즈(133)를 통해 제2 렌즈계(132)를 통과하여 수신된 빔을 제3 렌즈계(152)로 다시 반사시킨다.
제3 렌즈계(152)는 광 분할기에서 반사시킨 빔을 입사받아 제4 렌즈계(153)로 전달한다. 제4 렌즈계(153)는 제3 렌즈계(152)를 통과한 빔을 입사받아 광 검출기(154)로 전달한다. 그러면 광 검출기(154)는 제4 렌즈계(153)를 통과한 빔을 검출한다.
여기서 물론, 제3 및 제4 렌즈계(152,153)의 입력동공의 반지름은 r3, r4, 유효 초점거리는 f3, f4, 수용각은
Figure 112020111935219-pat00058
이고, 각각의 앞 초점면에서 시야의 반지름은 F3, F4, 수렴각은
Figure 112020111935219-pat00059
로 정의될 수 있다.
이러한 도 10과 같은 집광부(150)의 구조에서, 광 검출기(154)의 검출면의 크기(Fpd)는 아래의 수학식 12을 만족하는 것이 바람직하다.
Figure 112020111935219-pat00060
여기서, Fpd는 광 검출기(154)의 검출면의 크기, θS는 스캔부(120)의 스캔 거울(121)에서의 스캔각, f1 내지 f4는 제1 내지 제4 렌즈계(132,132,152,153)의 유효 초점거리, f0는 대물렌즈(133)의 유효 초점거리, Fo는 대물렌즈(133)의 앞 초점면에서 시야의 반지름을 나타낸다.
상술한 도 1 및 도 10에 개시된 집광부(140,150)의 경우 공간면 집광 기법을 이용한 방식을 나타낸다. 이와 달리, 이하의 도 11 및 도 12에 개시된 집광부(160,170)는 공간 주파수면 집광법을 이용하는 방식에 해당한다.
[집광부] 공간주파수면 집광법
먼저, 도 11의 제2 변형예의 경우, 집광부(160)는 광분할기(161), 제3 렌즈계(162), 제4 렌즈계(163), 광 검출기(164)를 포함하며, 도 1과는 달리, 제3 렌즈계와 광 검출기 사이에 제4 렌즈계가 추가된 것을 알 수 있다.
스캔빔 생성부(120)에서 생성된 스캔빔 패턴은 대물렌즈(133)를 통해 고해상도의 프레넬 윤대 패턴으로 변경되어 스캔 거울의 회전에 따라 지정되는 스캔 위치에서 물체를 조사하게 된다. 조사된 빔 패턴은 물체에서 반사되어 대물렌즈(133)로 전달된다.
즉, 광분할기(161)는 제2 렌즈계(131)를 통과한 빔을 대물렌즈(133)로 전달하고, 물체로부터 반사되어 다시 대물렌즈(133)를 통과한 빔을 반사시켜 제3 렌즈계(162)로 전달한다. 제3 렌즈계(162)는 이를 전달받아 제4 렌즈계(163)로 전달하고, 제4 렌즈계(163)는 전달받은 빔을 광 검출기(164)의 검출면에 전달한다.
이때, 대물렌즈(133)의 출력동공과 제3 렌즈계(162)의 입력동공을 같은 면에 위치시키고, 제3 렌즈계(162)의 출력동공을 제4 렌즈계(163)의 입력동공과 같은 위치에 위치시키고 광검출기(164)의 검출면을 제4 렌즈계(163)의 출력동공에 위치시키는 것이 바람직하다. 즉, 대물렌즈(133), 제3 렌즈계(162), 제4 렌즈계(163)를 공초점 시스템(afocal system)으로 위치하는 것이 바람직하다.
이와 같은 광 검출 구조를 가지는 광검출기(164)의 광검출면에는 대물렌즈(133)의 대물면에 있는 상의 공간 주파수 변환된 빛의 분포가 생성된다.
이때, 광 검출기의 검출면의 크기(Fpd)는 아래 수학식 13과 같이 대물면에 전달된 스캔빔의 유효 개구수(Numerical Aperture)와 제4 렌즈계(163)의 초점거리 간의 곱의 0.1배 보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
Figure 112020111935219-pat00061
여기서, f4는 제4 렌즈계(163)의 유효 초점거리이고, NAeff는 대물면에 전달된 빔의 유효 개수구로서, 대물면에 전달된 제1 구면파의 개구수(NA1)와 제2 구면파의 개구수(NA1) 간의 차이(
Figure 112020111935219-pat00062
)로 정의된다.
이때,
Figure 112020111935219-pat00063
이고
Figure 112020111935219-pat00064
인데, Ω1,Ω2는 각각 대물면에서 바라본 빔의 발산각(divergence angle)으로 양의 발산을 갖는 발산하는 구면파의 경우 양수인 발산각이고, 음의 발산을 갖는 수렴하는 구면파의 경우는 음수인 발산각이고, 평면파의 경우는 0이다.
도 1의 제1 실시예(CASE 1)의 경우 제1 구면파는 대물면에서 평면파가 됨으로
Figure 112020111935219-pat00065
이고, 제2 구면파는 대물면에서 수렴하는 구면파이으로
Figure 112020111935219-pat00066
이다.
도 4의 제2 실시예(CASE 2)에서는 제1 구면파는 대물면에서 평면파가 되므로
Figure 112020111935219-pat00067
이고, 제2 구면파는 대물면에서 발산하는 구면파이므로
Figure 112020111935219-pat00068
이다.
도 6의 제3 실시예(CASE 3)에서는 제1 구면파는 대물면에서 발산하는 구면파가 되므로
Figure 112020111935219-pat00069
이고, 제2 구면파는 대물면에서 발산하는 구면파임으로
Figure 112020111935219-pat00070
이다.
도 8의 제4 실시예(CASE 4)에서는 제1 구면파는 대물면에서 수렴하는 구면파가 되므로
Figure 112020111935219-pat00071
이고, 제2 구면파는 대물면에서 발산하는 구면파이므로
Figure 112020111935219-pat00072
이다.
다음, 도 12의 제4 변형예의 경우, 집광부(170)는 광분할기(171), 제3 렌즈계(172), 광 검출기(173)를 포함한다. 이때, 도 1과 달리, 광분할기(171)가 제1 렌즈계(131)와 제2 렌즈계(132) 사이에 위치한다.
스캔빔 생성부(120)에서 생성된 스캔빔 패턴은 대물렌즈(133)를 통해 고해상도의 프레넬 윤대 패턴으로 변경되어 스캔 거울의 회전에 따라 지정되는 스캔 위치에서 물체를 조사하게 된다. 조사된 빔 패턴은 물체에서 반사되어 대물렌즈(133)로 전달된다.
대물렌즈(133)는 반사된 빔을 제2 렌즈계(132)를 통해 광분할기(171)로 전달한다. 광분할기(171)는 전달받은 빔을 다시 반사시켜 제3 렌즈계(172)로 전달하고 제3 렌즈계(172)는 이를 전달받아 광 검출기(173)의 검출면에 전달한다.
이때, 대물렌즈(133)의 출력동공과 제2 렌즈계(132)의 입력동공을 같은 면에 위치시키고, 제2 렌즈계(132)의 출력동공을 제3 렌즈계(172)의 입력동공과 같은 위치에 위치시키고 광검출기(164)의 검출면을 제3 렌즈계(172)의 출력동공에 위치시키는 것이 바람직하다. 즉, 대물렌즈(133), 제2 렌즈계(132), 제3 렌즈계(172)를 공초점 시스템(afocal system)으로 위치하는 것이 바람직하다.
이와 같은 광 검출 구조를 가지는 광검출기(173)의 광검출면에는 대물렌즈(133)의 대물면에 있는 상의 공간 주파수 변환된 빛의 분포가 생성된다.
이때, 광 검출기의 검출면의 크기(Fpd)는 아래 수학식 14와 같이 대물면에 전달된 스캔빔의 유효 개구수(NAeff)와 제3 렌즈계(172)의 초점거리(f3) 간의 곱의 0.1배 보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
Figure 112020111935219-pat00073
이와 같은 구조에서, 도 1의 제1 실시예(CASE 1)의 경우 제1 구면파는 대물면에서 평면파가 됨으로
Figure 112020111935219-pat00074
이고, 제2 구면파는 대물면에서 수렴하는 구면파이으로
Figure 112020111935219-pat00075
이다.
도 4의 제2 실시예(CASE 2)에서는 제1 구면파는 대물면에서 평면파가 되므로
Figure 112020111935219-pat00076
이고, 제2 구면파는 대물면에서 발산하는 구면파이므로
Figure 112020111935219-pat00077
이다.
도 6의 제3 실시예(CASE 3)에서는 제1 구면파는 대물면에서 발산하는 구면파가 되므로
Figure 112020111935219-pat00078
이고, 제2 구면파는 대물면에서 발산하는 구면파임으로
Figure 112020111935219-pat00079
이다.
도 8의 제4 실시예(CASE 4)에서는 제1 구면파는 대물면에서 수렴하는 구면파가 되므로
Figure 112020111935219-pat00080
이고, 제2 구면파는 대물면에서 발산하는 구면파이므로
Figure 112020111935219-pat00081
이다.
도 13은 도 1에서 편광 감응형 렌즈를 통하여 생성한 제1 및 제2 구면파를 릴레이 렌즈를 통하여 외부로 전달하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 13은 릴레이 렌즈(이미징 렌즈)(117)를 볼록 렌즈로 구현한 경우의 예를 나타낸다. 이러한 도 2를 참조하면, 볼록 렌즈를 릴레이 렌즈(117)로 사용할 경우, 렌즈(117)로부터 d1 위치 및 d2 위치에 제1 구면파 및 제2 구면파의 초점 위치를 각각 형성할 수 있다.
도 13에서 fR과 fL은 도 1에 나타낸 -fgp와 fgp과 동일하고,
Figure 112020111935219-pat00082
은 기하 위상 렌즈(115)에서 생성한 좌현 원편광을 갖는 제1 구면파의 초점 위치와 릴레이 렌즈(117) 간 거리,
Figure 112020111935219-pat00083
은 우현 원편광을 갖는 제2 구면파의 초점 위치와 릴레이 렌즈(117) 간 거리, d1과 d2은 릴레이 렌즈(117)에 의해 전달된 제1 구면파와 제2 구면파의 각 초점 위치를 나타낸다. 이들 간 관계는
Figure 112020111935219-pat00084
,
Figure 112020111935219-pat00085
로 정리될 수 있다.
이러한 릴레이 렌즈(117)를 통해 전달되는 제1 구면파와 제2 구면파의 초점 위치 등에 따라 본 발명의 각 실시예가 구분될 수 있다.
한편, 도 1의 구조를 예를 들면, 물체가 형광체인 경우, 이색성 거울(dichronic mirror)을 광분할기(141) 대신에 사용할 수 있다. 이색성 거울은, 스캔부(120)과 형광체 사이에 배치되어, 스캔부(120)에 의해 입사된 간섭 빔을 투과시켜 형광체로 전달하고, 형광체로부터 입사된 형광된 빔을 반사시켜 광 검출기(164)로 전달할 수 있다. 이색성 거울은 광 전달 수단으로, 형광체를 스캐닝하는 과정에서 형광체로부터 발산된 형광된 빔을 광 검출기로 전달한다. 이색성 거울은 스캔부과 형광체 사이에 설정 각도로 기울임 있게 배치된다. 이색성 거울은 파장에 따라 선별적으로 빛을 반사하도록 설계되는 거울로서, 본 실시예의 경우 간섭 빔은 투과시키고 형광 빔은 반사시키도록 설계될 수 있다. 즉, 이색성 거울은 스캔부에 의해 입사된 간섭 빔을 투과시켜 형광체로 전달하며, 형광체로부터 입사된 형광된 빔을 반사시켜 광 검출기로 전달한다. 이와 같이 이색성 거울은 간섭빔의 파장은 투과시키고 형광체에 의해서 형광된 빔의 파장은 반사시키도록 구현된다. 여기서 물론, 간섭빔과 형광빔 각각의 파장 범위는 미리 알고 있는 값에 해당한다.
이에 따르면, 형광체를 스캐닝하기 위한 간섭 빔(간섭 패턴)은 이색성 거울을 투과하여 형광체로 전달된다. 또한, 스캐닝 중에 형광체에서 발산되는 형광 빔은 이색성 거울로 도달하는 즉시 반사되어 제3 렌즈계를 통해 광 검출기로 전달된다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 대물렌즈를 통해 대물면에서 고해상도의 프레넬 윤대 패턴을 스캐닝 빔 패턴으로 형성하고 해당 패턴이 물체 위를 날아다니는 스캔(flying-over scan)을 수행하면서 물체로부터 반사된 빔을 대물렌즈를 통해 광 검출기의 검출면으로 이미징함으로써, 고속으로 고해상도의 스캐닝 홀로그램 현미경을 구현할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100,200,300,400: 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치
110: 스캔빔 생성부 111: 입력측 편광기
112: 선편광 방향 변환기 112a: 가변 파장판
112b: 1/4 파장판 113: 신호 생성부
114: 콜리메이터 115: 편광 감응형 렌즈
116: 편광기 117: 릴레이 렌즈
120: 스캔부 121: 스캔 거울
122: 트랜슬레이션 스테이지 130: 투사부
131: 제1 렌즈계 132: 제2 렌즈계
133: 대물렌즈 140: 집광부
141: 광분할기 142: 제3 렌즈계
143: 광검출기

Claims (20)

  1. 선편광 빔을 입사받아 제1 및 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈, 상기 생성된 제1 및 제2 구면파의 성분 중 소정 편광 방향의 빔 성분만 통과시키는 편광기 및 상기 편광기를 통과한 두 구면파 간의 간섭에 의해 형성된 스캔빔을 스캔부로 전달하는 릴레이 렌즈를 포함한 스캔빔 생성부;
    물체에 대한 상기 스캔빔의 스캐닝 위치를 수평 및 수직 방향으로 제어하도록, 입사된 상기 스캔빔을 수평 방향으로 제어하여 투사부로 전달하는 스캔 거울과, 상기 투사부의 후단에서 상기 물체를 수직 방향으로 이동시키는 트랜슬레이션 스테이지를 포함하는 스캔부;
    복수의 렌즈계와 대물렌즈를 포함하며, 상기 스캔부로부터 전달받은 스캔빔을 상기 물체가 위치한 대물면으로 투사하는 투사부; 및
    상기 물체로부터 반사 또는 형광된 후 다시 상기 대물렌즈를 통과한 빔을 검출하는 집광부를 포함하며,
    상기 대물면에 투사되는 스캔빔은,
    상기 스캔 거울에 맺히는 상기 제1 및 제2 구면파의 각 초점 위치 및 뿔각 조건에 따라, 상기 대물면에서 수렴하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조(제1 패턴), 상기 대물면에서 발산하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조(제2 패턴), 상기 대물면에서 발산하는 두 구면파 간 간섭 구조(제3 패턴), 그리고 상기 대물면에서 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파 간 간섭 구조(제4 패턴) 중 어느 하나의 패턴으로 결정되는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치.
  2. 삭제
  3. 선편광 빔을 입사받아 제1 및 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈, 상기 생성된 제1 및 제2 구면파의 성분 중 소정 편광 방향의 빔 성분만 통과시키는 편광기 및 상기 편광기를 통과한 두 구면파 간의 간섭에 의해 형성된 스캔빔을 스캔부로 전달하는 릴레이 렌즈를 포함한 스캔빔 생성부;
    물체에 대한 상기 스캔빔의 스캐닝 위치를 수평 및 수직 방향으로 제어하도록, 입사된 상기 스캔빔을 수평 방향으로 제어하여 투사부로 전달하는 스캔 거울과, 상기 투사부의 후단에서 상기 물체를 수직 방향으로 이동시키는 트랜슬레이션 스테이지를 포함하는 스캔부;
    복수의 렌즈계와 대물렌즈를 포함하며, 상기 스캔부로부터 전달받은 스캔빔을 상기 물체가 위치한 대물면으로 투사하는 투사부; 및
    상기 물체로부터 반사 또는 형광된 후 다시 상기 대물렌즈를 통과한 빔을 검출하는 집광부를 포함하며,
    상기 대물면에 투사되는 스캔빔은,
    상기 스캔 거울에 맺히는 상기 제1 및 제2 구면파의 각 초점 위치 및 뿔각 조건에 따라 상이한 패턴을 가지며,
    상기 투사부는,
    상기 스캔부와 상기 대물면 사이에 순차로 배치된 제1 렌즈계, 제2 렌즈계 및 상기 대물렌즈를 포함하며,
    상기 제1 렌즈계의 입력 동공은 상기 스캔 거울에 위치하는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 조건이 제1 조건이면, 상기 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 평면파 및 수렴하는 구면파가 되어, 상기 대물면에 투사된 스캔빔은 상기 대물면에서 수렴하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조를 가지고,
    상기 제1 조건은,
    제1 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공의 위치와 동일하고 제2 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공 위치와 같거나 보다 전단에 위치하며, 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은 θ2≤θ1을 만족하는 조건인 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 조건이 제2 조건이면, 상기 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 평면파 및 발산하는 구면파가 되어, 상기 대물면에 투사된 스캔빔은 상기 대물면에서 발산하는 구면파와 평면파 간 간섭 구조를 가지며,
    상기 제2 조건은,
    제1 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공의 위치와 동일하고 제2 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공 위치와 같거나 보다 뒷단에 위치하며, 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은 θ2≤θ1≤2θ2을 만족하는 조건인 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 조건이 제3 조건이면, 상기 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 모두 발산하는 구면파가 되어, 상기 대물면에 투사된 스캔빔은 상기 대물면에서 발산하는 두 구면파 간 간섭 구조를 가지며,
    상기 제3 조건은,
    제1 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공보다 뒷단에 위치하고 제2 구면파의 초점 위치는 제1 구면파의 초점 위치보다 뒷단에 위치하며, 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은 θ2≤θ1을 만족하는 조건인 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 조건이 제4 조건이면, 상기 제1 및 제2 구면파는 각각 대물면에 대해 수렴하는 구면파 및 발산하는 구면파가 되어, 상기 대물면에 투사되는 스캔빔은 상기 대물면에서 수렴하는 구면파와 발산하는 구면파 간 간섭 구조를 가지며,
    상기 제4 조건은,
    제1 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공보다 전단에 위치하고 제2 구면파의 초점 위치는 상기 제1 렌즈계의 입력 동공보다 뒷단에 위치하며, 제1 및 제2 구면파의 뿔각(θ1,θ2)은 θ2<θ1인 동시에 아래 수학식을 만족하는 조건인 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치.
    Figure 112020111935219-pat00086
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 렌즈계는 전달받은 스캔빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하며, 상기 제1 및 제2 렌즈계는 아래 수학식의 조건을 만족하는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00087

    여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각,
    Figure 112020111935219-pat00088
    은 제1 렌즈계의 수용각, f1는 제1 렌즈계의 유효 초점거리(effective focal length),
    Figure 112020111935219-pat00089
    은 제1 렌즈계의 앞 초점면의 수렴각, rsph1 및 rsph2는 제1 렌즈계의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름을 나타낸다.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 렌즈계는 전달받은 스캔빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하며, 상기 제1 및 제2 렌즈계는 아래 수학식의 조건을 만족하는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00090

    여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각,
    Figure 112020111935219-pat00091
    은 제1 렌즈계의 수용각, f1는 제1 렌즈계의 유효 초점거리(effective focal length),
    Figure 112020111935219-pat00092
    은 제1 렌즈계의 앞 초점면의 수렴각, rsph1 및 rsph2는 제1 렌즈계의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름을 나타낸다.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 렌즈계는 전달받은 스캔빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하며, 상기 제1 및 제2 렌즈계는 아래 수학식의 조건을 만족하는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00093

    여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각,
    Figure 112020111935219-pat00094
    은 제1 렌즈계의 수용각, f1는 제1 렌즈계의 유효 초점거리(effective focal length),
    Figure 112020111935219-pat00095
    은 제1 렌즈계의 앞 초점면의 수렴각, rsph1 및 rsph2는 제1 렌즈계의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름을 나타낸다.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 렌즈계는 전달받은 스캔빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하며, 상기 제1 및 제2 렌즈계는 아래 수학식의 조건을 만족하는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00096

    여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각,
    Figure 112020111935219-pat00097
    은 제1 렌즈계의 수용각, f1는 제1 렌즈계의 유효 초점거리(effective focal length),
    Figure 112020111935219-pat00098
    은 제1 렌즈계의 앞 초점면의 수렴각, rsph1 및 rsph2는 제1 렌즈계의 입력 동공면에서의 제1 및 제2 구면파의 반지름을 나타낸다.
  12. 청구항 8에 있어서,
    제1 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 평면파의 반지름과, 상기 제2 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 수렴하는 구면파의 반지름은 모두 아래 수학식과 같이 상기 대물렌즈의 시야(field of view)의 반지름보다 작거나 같은 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00099
    ,
    Figure 112020111935219-pat00100

    여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, Fobj는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, f1 및 f2는 제1 및 제2 렌즈계의 유효 초점거리를 나타낸다.
  13. 청구항 9에 있어서,
    제1 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 평면파의 반지름과, 상기 제2 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 발산하는 구면파의 반지름은 모두 아래 수학식과 같이 상기 대물렌즈의 시야(field of view)의 반지름보다 작거나 같은 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00101
    ,
    Figure 112020111935219-pat00102

    여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, Fobj는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, f1 및 f2는 제1 및 제2 렌즈계의 유효 초점거리를 나타낸다.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 구면파에 대응된 상기 대물면에서의 발산하는 구면파의 반지름과, 상기 제2 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 발산하는 구면파의 반지름은 모두 아래 수학식과 같이 상기 대물렌즈의 시야의 반지름보다 작거나 같은 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00103
    ,
    Figure 112020111935219-pat00104

    여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, Fobj는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, f1 및 f2는 제1 및 제2 렌즈계의 유효 초점거리를 나타낸다.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 구면파에 대응된 상기 대물면에서의 수렴하는 구면파의 반지름과, 상기 제2 구면파와 대응된 상기 대물면에서의 발산하는 구면파의 반지름은 모두 아래 수학식과 같이 상기 대물렌즈의 시야의 반지름보다 작거나 같은 조건을 만족하는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00105
    ,
    Figure 112020111935219-pat00106

    여기서, θ1 및 θ2는 제1 및 제2 구면파의 뿔각(수렴반각), θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, Fobj는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, f1 및 f2는 제1 및 제2 렌즈계의 유효 초점거리를 나타낸다.
  16. 청구항 12 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 렌즈계의 광학적 불변성(optical invariance)은 아래 수학식과 같이 상기 대물렌즈의 광학적 불변성보다 크거나 같은 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00107

    여기서, I1, I2, Iobj는 각각 제1 렌즈계, 제2 렌즈계 및 대물렌즈의 광 불변성을 나타낸다.
  17. 청구항 3에 있어서,
    상기 집광부는,
    상기 제2 렌즈계와 상기 대물렌즈 사이에 배치되어, 상기 제2 렌즈계를 통과한 빔을 상기 대물렌즈로 전달하고, 상기 물체로부터 반사되어 다시 상기 대물렌즈를 통과한 빔을 외부로 반사시키는 광 분할기;
    상기 광 분할기에서 반사시킨 빔을 입사받는 제3 렌즈계; 및
    상기 제3 렌즈계를 통과한 빔을 검출하는 광 검출기를 포함하며,
    상기 광 검출기의 검출면의 크기는 아래의 수학식을 만족하는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00108

    여기서, Fpd는 상기 광 검출기의 검출면의 크기, θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, f1 내지 f3은 제1 내지 제3 렌즈계의 유효 초점거리, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, Fo는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름을 나타낸다.
  18. 청구항 3에 있어서,
    상기 집광부는,
    상기 제1 렌즈계와 상기 제2 렌즈계 사이에 배치되어, 상기 제1 렌즈계를 통과한 빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하고, 상기 물체로부터 반사되어 상기 대물렌즈를 통해 상기 제2 렌즈계를 통과한 빔을 외부로 반사시키는 광 분할기;
    상기 광 분할기에서 반사시킨 빔을 입사받는 제3 렌즈계;
    상기 제3 렌즈계를 통과한 빔을 입사받는 제4 렌즈계; 및
    상기 제4 렌즈계를 통과한 빔을 검출하는 광 검출기를 포함하며,
    상기 광 검출기의 검출면의 크기는 아래의 수학식을 만족하는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00109

    여기서, Fpd는 상기 광 검출기의 검출면의 크기, θS는 상기 스캔부의 스캔 거울에서의 스캔각, f1 내지 f4는 제1 내지 제4 렌즈계의 유효 초점거리, f0는 상기 대물렌즈의 유효 초점거리, Fo는 상기 대물렌즈의 앞 초점면에서 시야의 반지름을 나타낸다.
  19. 청구항 3에 있어서,
    상기 집광부는,
    상기 제2 렌즈계와 상기 대물렌즈 사이에 배치되어, 상기 제2 렌즈계를 통과한 빔을 상기 대물렌즈로 전달하고, 상기 물체로부터 반사되어 다시 상기 대물렌즈를 통과한 빔을 외부로 반사시키는 광 분할기;
    상기 광 분할기에서 반사시킨 빔을 입사받는 제3 렌즈계;
    상기 제3 렌즈계를 통과한 빔을 입사받는 제4 렌즈계; 및
    상기 제4 렌즈계를 통과한 빔을 검출하는 광 검출기를 포함하며,
    상기 광 검출기의 검출면에는 상기 대물렌즈의 대물면에 있는 상의 공간 주파수 변환된 빛의 분포가 생성되고, 상기 광 검출기의 검출면의 크기는 아래의 수학식을 만족하는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00110

    여기서, Fpd는 상기 광 검출기의 검출면의 크기, f4는 상기 제4 렌즈계의 유효 초점거리, NAeff는 상기 대물면에 전달된 빔의 유효 개수구(Numerical Aperture)이며 대물면에 전달된 제1 구면파의 개구수(NA1)와 제2 구면파의 개구수(NA1)의 차이(
    Figure 112020111935219-pat00111
    )로 정의된다.
  20. 청구항 3에 있어서,
    상기 집광부는,
    상기 제1 렌즈계와 상기 제2 렌즈계 사이에 배치되어, 상기 제1 렌즈계를 통과한 빔을 상기 제2 렌즈계로 전달하고, 상기 물체로부터 반사되어 상기 대물렌즈를 통해 상기 제2 렌즈계를 통과한 빔을 외부로 반사시키는 광 분할기;
    상기 광 분할기에서 반사시킨 빔을 입사받는 제3 렌즈계; 및
    상기 제3 렌즈계를 통과한 빔을 검출하는 광 검출기를 포함하며,
    상기 광 검출기의 검출면에는 상기 대물렌즈의 대물면에 있는 상의 공간 주파수 변환된 빛의 분포가 생성되고, 상기 광 검출기의 검출면의 크기는 아래의 수학식을 만족하는 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치:
    Figure 112020111935219-pat00112

    여기서, Fpd는 상기 광 검출기의 검출면의 크기, f3는 상기 제3 렌즈계의 유효 초점거리, NAeff는 상기 대물면에 전달된 빔의 유효 개수구(Numerical Aperture)이며 대물면에 전달된 제1 구면파의 개구수(NA1)와 제2 구면파의 개구수(NA1)의 차이(
    Figure 112020111935219-pat00113
    )로 정의된다.
KR1020200137296A 2019-10-23 2020-10-22 스캔 거울과 트랜슬레이션 스테이지를 사용한 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치 KR102437975B1 (ko)

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