KR20000068681A - 적응제어렌즈를 사용한 현미경 - Google Patents

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마틴글루흐
로베르트그루브
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마틴볼케르
랄프볼레스켄스키
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프란츠 페르디난드 폰 팔켄하우쎈 외1
카알 싸이스 예나 게엠바하
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Abstract

본 발명은 관찰비임내에 적응제어렌즈를 지니고, 투과식 웨이브 프론트 모듈레이터가 대물렌즈와 튜브렌즈 사이에 유용하게 위치되어 있거나 또는 반사식 웨이브 프론트 모듈레이터가 광선분배기에 설치되어 있는 현미경에 관한 것이다.
본 발명은 또한 조명비임에 적응제어렌즈가 설치된 현미경에 관한 것이다.
본 발명은 더욱 광학비임내 레이저로부터 아래쪽에 설치되고 최소한 하나 이상의 적응제어렌즈를 지니며, 바람직하게는 첫번째 적응제어렌즈는 거칠게 초점을 조절하고 두번째 적응제어렌즈는 미세하게 초점을 조절하는 레이저 스캐닝 현미경에 관한 것이다. 여기서 적응제어렌즈는 반사식 웨이브 프론트 모듈레이터로 구성되고 레이저 광원으로는 단펄스 레이저를 사용한다. 그리고 여기에 프리치르프 유닛을 조합할 수 있다.

Description

적응제어렌즈를 사용한 현미경{Microscope with adaptive optics system}
다음과 같은 기존의 발명이 알려져 있다.
- US 4,408,874; W. Zinky, L. Rosenberg; 1981/1983: "리토 그래프에서의 영상 장치용 반자기적 확대 조정을 위한 기계식 또는 공압식 변형 가능한 렌즈 엘리먼트".
- EPO 0098969 B1; J. Arnaud; 1983/1987: "반자기적 교정용 변형 가능한 광학식 엘리먼트", 거울 멤브레인의 두께가 면에 대하여 변하고, 외부 힘에 의하여 휠 때 멤브레인이 미리 계산된 형태로 변하게 된다.
- EPO 0307354 B1; H. Choffat; 1988/1992: "현미경 대물렌즈와 같은 부품의 축 정밀 조절용 바이 몰퍼(bi-morpher) 압전층(피에조 층)으로 부터의 링 배열".
- US 5,142,132; B. MacDonald, R. Hunter, A. Smith; 1990/1992: "웨이퍼 제조용 적응 제어식 광학 장치(스테퍼)", 적응제어 엘리먼트는 초점을 제어하고 수차를 교정한다. 교정용 결함 신호는 웨이퍼로 부터 후퇴 반사된 광선과 원래 광선의 간섭을 통하여 얻어진다. 그러나 이 발명에는 수차 교정을 위한 정확한 방법이 제시되어 있지 않다.
- DP ED 3404063 C2; A. Suzuki, M. Kohno; 1984/1993: "영상 결함, 특히 측면 초점 집광의 교정용 영상 장치의 비임에 있는 굽어진 투과 멤브레인".
- US 5,504,575; R. Stafford; 1993/1996: "공간 광선 모듈레이터 및 분산 엘리먼트를 기본으로 한 스펙트로미터", 디텍터에 있는 분산 엘리먼트를 통하는 통로 뒤의 광선을 차단하기 위하여 화이버 및 광학식 스위치를 설치한다.
- EPO 167877; Bille, Heidelberg Instruments; 1985 등록: "적응제어거울을 설치한 검안경(ophtalmoscope)".
본 발명에 대한 상세한 설명을 위해서 다음과 같은 개념 정리가 필요하다.
- "웨이브 프론트 모듈레이터(wave front modulator)"는 본 발명에서 광선파의 상 및 진폭에 영향을 미치는 것을 목적으로 하는 장치를 의미한다. 이것은 반사 광학 엘리먼트(정전기학적 조정 또는 압전 어레이를 통하여 조정되는 변형 가능한 거울 또는 바이 몰퍼(bi-morpher) 거울) 또는 투과 광학 엘리먼트(LCD 또는 유사 유닛)를 기본으로 하고 있다. 이것은 연속 또는 단편으로 제작할 수 있다. 특히, 각각의 문제점을 조정하기 위하여 세그먼트를 다룰 수 있다.
- "현미경에서의 수차": 현미경 대물렌즈에서 초점이 맞지 않은 작동 모드에서 발생하는 수차는 원칙적으로 교정 가능한 부분과 교정 불가능한 부분으로 분류할 수 있다. 수차는 발생 원인에 따라서 대물렌즈, 현미경의 영상 광학 및 시편 자체에 의하여 발생하는 수차로 구분할 수 있다.
- "웨이브 프론트 모듈레이터의 조정": 웨이브 프론트 모듈레이터는 적합한 소프트웨어를 사용하는 컴퓨터로 조정한다. 필요한 조정 크기는 미리 계산되어 있거나(오프 라인(off-line)) 측정한 크기로부터 계산한다(온 라인(on-line), 예, 웨이브 프론트 센서 또는 중간 그림에서 포인트 컨트라스트의 측정을 통하여).
본 발명은 현미경의 관찰 비임 및 가속 비임에 적응제어렌즈(adaptive optics)를 설치하여 확장 가능하도록 한 현미경에 대한 것이다. 여기에서 적응제어렌즈는 사용하는 것은 웨이브 프론트 모듈레이션(wave front modulation)을 위하여 광학적으로 작용 가능한 구성 부품들이다. 적응제어렌즈는 광선의 위상(phase) 및 진폭(amplitude)을 변화시키는 것을 목적으로 하고, 대물실에서의 초점의 변위와 형성 작용을 하며, 의외로 발생하는 수차를 교정하는 작용도 한다. 본 발명의 응용 분야로는 초점 공유(confocal) 현미경, 레이저 현미경, 재래식 광학 현미경 및 분석 현미경 등이다.
본 발명을 다음과 같은 실시예와 도면을 사용하여서 더욱 자세하게 설명하였다.
도 1 및 도 1a. 광학 현미경의 영상 비임.
도 2. 대물렌즈와 튜브 렌즈 사이에 웨이브 프론트 모듈레이터를 설치한 수차 비틀림 웨이브 프론트의 교정.
도 3. 시편실의 균일한 컨트라스트를 조절하기 위하여 컬렉터와 집광렌즈 사이에 설치한 웨이브 프론트 모듈레이터.
도 4. 도 4a에서 도 4c까지에 나타낸 증가한 국부 주파수, 도 4d에 나타낸 세그먼트가 있는 여러 가지 액튜에이터 구조.
도 5. 조절 엘리먼트로서 정전기학식(도 5a), 압전 조절식(도 5b) 및 바이 몰퍼 멤브레인(도 5c)이 설치된 웨이브 프론트 모듈레이터의 다양한 형태.
도 6. 정전기학적 멤브레인 거울이 설치된 웨이브 프론트 모듈레이터.
도 7. 단펄스 레이저가 설치된 레이저 주사 현미경의 원리.
도 8. 프리 치르핑(Prechirping) 유닛의 원리적 구조.
[도면의 상세한 설명]
도 5에는 현재 얻을 수 있는 웨이브 프론트 모듈레이터의 다양한 형태를 도시하였다. 움직이는 멤브레인으로 사용 가능하거나 반사식 모듈레이터를 도시한 도 5d와 같이 이것은 LCD를 기본으로 한 투과 모듈레이터이다. 이와는 달리 조절 엘리먼트의 종류에 따라서 정전기학식(도 5a), 압전(피에조) 제어식(도 5b) 및 바이 몰퍼 멤브레인(도 5c)을 조절 엘리먼트로 사용하는 것으로 구별할 수 있다. 본 발명은 일반적으로 웨이브 프론트 모듈레이터와 관계가 있으며, 정전기학적 멤브레인 거울은 자체의 수많은 장점 때문에 우수하다.
도 6a와 도 6b에서 멤브레인(A)과 조절 전극(E)을 사용하여 명확하게 나타낸 이러한 마이크로 제조 모노리틱 멤브레인 거울은 편향면(< λ/20)의 높은 평면성 및 우수한 광학적 품질, 적은 크기(2-20mm), 낮은 전압(< 100V)을 가진 무히스테리시스성 조절, 멤브레인의 높은 기계적 한계 주파수(수 MHz), 큰 행정 거리(100㎛) 및 작은 곡률 반경(1m 이하까지), 한계에서 높은 공간 밀도를 가지는 가변 액튜에이터 구조를 나타낸다. 최소 액튜에이터 크기는 이 크기가 전극과 멤브레인 간격이 되어야 한다는 조건으로만 제한된다.
정전기학적 멤브레인 거울의 큰 장점은 포물선 형태의 조정을 위해서는 액튜에이터의 전극에 일정한 포텐셜이 가해져야 한다는 사실에 있다. 거울의 포물선 형태는 멤브레인의 물리적 거동(일정한 표면력)으로 부터 전극을 일정하게 조절할 때 얻어진다. 적은 힘으로 제어 크기, 나타난 전압, 조절 크기(거울 행정)에서의 큰 힘을 얻게 된다.
도 7은 단펄스 레이저, 특히 멀티-포토 여기용 레이저 주사 현미경을 더욱 자세하게 설명한 것이다.
비선형적 과정에서 검출 신호는 조절 강도의 힘에 따라서 달라진다. 이 높은 강도는 단펄스 레이저를 사용하여 얻어지고 마지막으로 현미경 대물렌즈를 사용하여 회절 제한된 초점을 형성하게 된다. 그러므로 초점을 가능한 한 적게 하고(이상적) 펄스 길이를 시편에서 가능한 한 짧게 되도록 배치한다. 이렇게 하여서 시편에 높은 강도가 생기도록 할 수 있다. 비선형적 과정은 예를 들면 멀티-포토 흡수(multi-photo-absorption), 표면 2차 조화 발생(SSHG) 및 2차 조화 발생(SHG), 시간 분해성 현미경, OBIC, LIVA 등이다.
본 발명에서는 투-포토 현미경(Two-Photo Microscope)에 대하여 자세히 다루었다. 여기에 대한 기존의 기술은 다음과 같다.
기존의 특허 WO 91/07651에는 투-포토 레이저 주사 현미경(Two-Photos-Laser-Scanning-Microscope)이 잘 알려져 있으며, 이것은 적색선 또는 적외선 범위에 있는 여기 파장에서 서버 피코 세컨드 범위의 레이저 펄스로 여기되는 것이다. 기존의 특허 EP 666473A1, WO 95/30166, DE 441 4940A1에는 피코 세컨드 범위에서의 여기와 펄스화 되거나 연속 레이저 광선을 사용한 여기에 대하여 다루었다. 투-포토 여기를 사용한 시편의 광학적 여기 방법은 DE C2 4331570에 알려져 있다.
기존의 특허 DE 29609850에서는 광섬유를 거친 현미경 비임에서 단펄스 레이저 광선의 다발에 대하여 취급하였다. 여기에서는 레이저와 광섬유 사이에는 최소한 2개의 광학 부품, 즉 프리즘 또는 거울로 구성된 광학적 배치를 이용하여 레이저 펄스의 다양한 파장의 시간에 따른 차이를 광학 부품 사이의 간격을 변화시켜서 조절할 수 있다.
재래식 원-포토 형광 현미경에 비하여 투-포토 형광 현미경은 원칙적으로 다음과 같은 가능성을 지니고 있다.
- 비선형적 여기 확률 I2hv= A·Iexc 2은 3차원(3D) 판별, 즉 초점 공유 셔터를 사용하지 않는 깊은 판별, 셀의 브리싱(bleaching) 및 파괴는 초점에서만 발생, 향상된 신호 비율과 여기 비율, 넌-디스캔드(non-descanned) 검출과 같은 신 검출 방법을 사용할 수 있는 장점을 실현한다.
- 펨토 세컨드 레이저를 사용한 NIR 여기는 생물학적 시편을 검사하는데 다음과 같은 장점이 있다. 흡수가 적기 때문에 생물학적 시편(700-1400nm)용 광학적 윈도우의 범위에서 작업하고, 살아 있는 시편의 검사에도 적합하다. 평균 여기 성능이 낮으므로 셀에 부하가 적다. 산란이 적어서 침투 깊이가 높다.
- UV광을 사용하지 않는 소위 UV 안료의 여기는 UV 렌즈가 불필요함을 의미한다.
- 투-포토 여기에는 안료의 밴드폭이 넓은 여기 스펙트럼이 생기므로, 여러 가지 안료의 여기는 단 하나의 여기 파장으로 가능하다.
글라스 또는 시편과 같은 분산 매체를 통한 초단 펄스의 통로에는 특히 다음과 같은 효과가 생긴다.
그룹 벨로시티 디스퍼션(Group Velocity Dispersion(GVD)): 펨토 세컨드 레이저 임펄스는 수 나노미터의 스펙트라폭을 가진다. 적색 변위 파장 부분은 청색 변위 파장 부분보다도 양성 분산 매체(예, 글라스)를 통하여 신속하게 전파한다. 이렇게 하여서 펄스가 시간적으로 확장되고 피크 성능과 형광 신호는 낮아지게 된다.
프리 치르프 유닛(Prechirp unit)(Prism pair, Lattice pair 또는 두 가지의 조합)은 음성 분산 매체를 나타낸다. 즉, 청색 변위 파장 부분이 적색 변위 파장보다도 신속하게 침투한다. 프리 치르프 유닛을 사용하여 GVD를 보상할 수 있다.
침투 시간차(Propagation Time Difference(PTD)): 광선 단면이 다른 글라스 경로는 서로 다르다(도 4 참고). 이로 인하여 초점의 공간적 확대가 생기고, 분해능과 피크 성능 및 형광 신호가 감소하게 된다.
이 효과의 보상은 예를 들어 적응제어거울과 같은 웨이브 프론트 모듈레이터를 사용하여서 실시할 수 있다. 이러한 종류의 모듈레이터를 사용하여 여기 비임에 있는 광파의 상과 진폭에 영향을 줄 수 있다. 모듈레이터로서는 반사 광학 부품(변형성 거울) 또는 투과 광학 부품(예, LCD)도 고려할 수 있다.
산란 및 회절/반사에 의한 웨이브 프론트 왜곡: 이 방해는 사용한 렌즈 자체 또는 시편에 의해서 발생할 수 있다. 웨이브 프론트 왜곡을 통해서 이상적 초점의 차이가 생기게 된다. 이 효과도 웨이브 프론트 모듈레이터(도면에는 도시하지 않음)를 사용하여 보상할 수 있다.
전술한 효과는 원칙적으로 시편에서 침투 깊이에 따라서 달라진다. 시편의 초점, 짧은 펄스 길이를 비롯하여 가능한 한 이상적인 작은 초점을 얻을 수 있기 위하여, 본 발명에 따른 배치를 사용하여 GVD, PTD 및 웨이브 프론트 왜곡 효과는 시편의 침투 깊이의 함수로 보상한다.
장치의 가능한 구조를 도 7에 도시하였다. 단펄스 레이저(KPL)의 광선은 프리 치르핑 유닛(PCU)에 도달하고, 여기에서 광선 분배기(ST1)와 광선 분배기(ST2, ST3)를 거쳐서 2개의 적응제어 광학 부품(AP1, AP2)에 도달하게 된다. 첫 번째 엘리먼트(AD1)(거친)는 웨이브 프론트의 거친 조절에 사용한다. 이렇게 하여서 초점을 z-방향으로 변위시킬 수 있다. 두 번째 엘리먼트(AD1)(미세)를 사용하여 웨이브 프론트 왜곡과 PTD 효과를 보상하게 된다. 레이저광은 광선 분배기(DBS), x/y 스캔 유닛, 렌즈(SL, TL), 거울(SP) 및 시편 위의 대물렌즈(OL)를 거쳐서 도달하게 된다. 시편에 도달한 광은 다시 광선 분배기(DBS), 렌즈(L), 핀홀(PH) 및 검출기에 있는 필터(EF)를 거쳐서 되돌아오게 되며, 여기에서 포토멀티플라이어(PMT)는 PCU, AD1 및 AD2와 같은 컨트롤 유닛과 한쪽으로 연결되어 있다.
이렇게 하여서 적응제어 엘리먼트(AD1, AD2) 및 프리 치르핑 유닛을 PMT에서 최대 신호에 놓일 때까지 조절할 수 있게 된다. 특이한 장점으로는 관찰을 아래쪽에서부터 실시하는 역 현미경의 비임으로서, 조작용 시편이 충분하게 쉽게 머무르게 한다는 장점이 있다.
도 6은 적응제어거울의 원리적 구조를 도시한 것이다. 이것은 고편향 멤브레인(예, 실리콘 나이트레이트) 및 전극 구조로 구성되어 있다. 각각의 전극을 조절하여서 그 상부에 놓인 멤브레인을 변형시켜서 레이저광의 상 프론트에 영향을 미치게 된다. 시스템과 시편을 통한 펄스의 통로에서 생기는 위상 프론트의 변형을 보상할 수 있게 된다.
프리치르프 유닛(Prechirp unit)은 한 개 또는 다수의 프리즘 또는 격자, 혹은 이들 둘의 조합으로 구성될 수 있다. 여기에 있어서 도 8은 가능한 배치를 도시한 것으로서, 도 8a에는 4개의 프리즘, 도 8b에는 4개의 격자를 비롯하여 도 8c에는 프리즘과 격자를 도시하였다. 프리즘 콤프레서의 기능을 도 8a에 더욱 자세히 설명하였다. 펨토 세컨드 레이저 펄스의 스펙트라 폭은 수 나노미터이다. 레이저광이 첫 번째 프리즘을 통하여 통과할 때는 광선은 스펙트럼적으로 자체 성분으로 분해된다. 그리고 두 번째 프리즘에서 스펙트럼 성분은 여러 글라스 경로로 진행하게 된다. 이로 인하여 적색 변위 파장 부분은 청색 변위 부분에 비하여 시간적으로 지연되게 된다. 프리 치르프 유닛은 네거티브 분산 매체를 비롯하여 GVD 보상용으로 작용 가능하다.
상기에 설명한 장치를 사용하여서 비선형적 과정의 여기 장점을 완전하게 사용할 수 있으며, 저전력 펨토 세컨드 레이저는 시편에 침투 깊이가 깊은 때에도 사용 가능하다. 평균 여기 성능이 낮은 것을 사용할 때도 높은 피크 성능을 기술적으로 실현할 수 있으므로, 생물학적 표본 및 시편의 부하가 적고, 축 및 측면 방향에서 높은 신호 비율/여기 비율 및 높은 분해능을 얻을 수 있다.
상기에서 설명한 모든 배치용으로는 광선 분배기(도시하지 않음)를 현미경 비임과 연결하고 있는 웨이브 프론트 센서를 사용하여서 웨이브 프론트 조절을 기록, 컨트롤 및 조절할 수 있게 된다.
일반 광학현미경과 레이저 사용 현미경에서는 고정밀 대물렌즈의 초점은 광학적 층을 따라서 변위되고 또한 측면으로도 변위되어야 한다. 이것은 일반 현미경에서는 시편 테이블 및 대물렌즈를 기계적으로 변위시켜서 일어나게 한다. 여기에서는 레이저 광선을 사용하여 조명을 실시하는 경우에 대물 공간에서 변화시키는 것이 필요하다. 이를 위하여 대물 공간에서 3차원적 초점을 맞출 필요가 있다.
본 발명의 목적은 대물 렌즈와 물체간의 간격을 변화시키지 않으면서 대물 공간에서 초점의 축변위를 가능하게 하는 것에 있다.
본 발명을 사용하여서 비임의 웨이브 프론트에서 이러한 변위가 발생하는 것을 예측할 수 있다. 이 때 시편에서 초점의 축변위는 웨이브 프론트의 구형 변화, 즉 웨이브 프론트 기울기의 측면 변위에 해당한다. 본 발명에 있어서 비임에서의 수차도 웨이브 프론트를 변화시켜서 보정한다. 이 조정은 비임의 푸펄(pupil)면에서 실시한다.
일반 광학현미경의 관찰 비임에 있는 시편실(specimen chamber) 내 초점의 축변위가 대물렌즈와 시편 사이의 간격 변화없이 도달되도록 하기 위해서는 대물렌즈의 푸펄에 있는 웨이브 프론트 또는 푸펄면에 대한 등가면이 구형으로 변형되어야 한다. 이러한 변형은 웨이브 프론트 모듈레이터, 즉 웨이브 프론트 위상 모듈레이터에 의해서 이루어진다.
도 1과 도 1a는 접안 렌즈(도시하지 않음)를 사용하여 관찰 가능한 중간 영상을 만들기 위한 관찰 시편, 대물렌즈 및 튜브 렌즈를 도시한 것이다. 본 발명에서는 튜브 렌즈와 대물렌즈 사이에 웨이브 프론트 모듈레이터가 설치되어 있다. 대물렌즈를 향하여 굽은 웨이브 프론트는 웨이브 프론트 모듈레이터를 사용하여 교정하고, 이를 통하여 대물렌즈의 수차를 보정한다.
푸펄에 있는 웨이브 프론트의 굽은 직경에서 -3.0m와 1.5m 사이의 초점은 1.5m 이상 변위될 수 있다는 것을 계산 결과가 나타내고 있다. 이것은 사용한 대물렌즈에 따라서 다르며, 상세하게는 Epiplan-Neofluar 20x/0.5의 값과 관계가 있다. 수십 마이크로미터의 범위에서 변위하는 것은 대부분의 경우에 충분하다. 수학적 계산이 나타낸 것과 같이 대물렌즈의 배율이 증가하는 가능 초점 변위의 간격은 적어진다. 대물렌즈는 입구 푸펄에서의 구형 변형 웨이브 프론트용으로 계산하고 배치한 것이 아니므로, 초점이 맞지 않을 때 대물렌즈에 의한 수차는 방지할 수 없다.
대물렌즈의 기계적 영향이 없는 이러한 초점 변위는 많은 장점을 지니고 있다. 시편에 대한 대물 프론트 렌즈의 고정 작업 간격을 통한 시편의 심한 기계적 영향은 현미경 대물렌즈를 통하여 제거된다. 이를 위하여 정지하여 물에 담겨진 시편에서 가능한 것은 관찰 면의 여러 가지 깊이 위치를 절단하여 촬영하는 것이다. 이러한 기술은 기존의 방법에서 생기는 시편 준비물에 미치는 기계적 압력에 의한 시편과 그 주변의 기계적 변형이 생기지 않도록 한다.
현미경에서 작업 간격을 고정함으로서 생의학 분야의 시편을 분석 조사할 때도 장점이 있다. 마이크로 표준 플레이트를 사용할 때는 마이크로 표준 플레이트에 의해서 생기는 수차 교정을 보정할 수 있게 된다. 마이크로 표준 플레이트는 광학적으로 비임 안에 넣을 수 있고, 현미경 대물렌즈는 부분적으로(예, 프론트 렌즈) 마이크로 표준 플레이트에 보충할 수 있다.
도 1b는 웨이브 프론트를 튜브 렌즈의 방향으로 교정하는 가변형 거울을 설치한 광학 현미경의 형태를 예로 나타낸 것이다. 제1 및 제2 모듈레이터 배치는 대물렌즈와 튜브 렌즈 사이에 광선 분리기를 거치도록 그림에 나타낸 것이다. 배치한 모듈레이터 전방에는 푸펄 맞춤을 위하여 각각 렌즈가 설치되어 있다. 이러한 종류의 배치에 대해서는 도 7과 관련하여 더욱 자세하게 설명하였다.
웨이브 프론트 모듈레이터를 사용하여 웨이브 프론트를 적당하게 변형시켜서 시편 및 시편 주위에 대한 수차 교정도 가능하게 된다. 이것은 도 2에 나타내었다. 여기에서는 수차에 의해서 비틀린 웨이브 프론트는 대물 렌즈와 튜브 렌즈 사이에 배치된 웨이브 프론트 모듈레이터를 통하여 교정한다. 여기에서는 웨이브 프론트 교정에 구형 부분이 불충분하기 때문에, 구형 부분을 받아들여야 한다. 회전 대칭적 수차(높은 차원의 구면 수차의 모든 형태)를 위해서 링 형태의 액튜에이터로 충분하다. 각도에 따른 수차를 위해서는 세그먼트화한 액튜에이터를 사용하여야 한다.
(도 4). 이것은 동일한 웨이브 프론트 모듈레이터에 설치할 수 있으며, 또는 두 개의 서로 독립된 모듈레이터를 여러 푸펄면에 넣을 수 있다. 첫 번째 경우에 액튜에이터의 수는 요구 분해능을 사용하여 자승적으로 눈금을 정하고, 마지막의 경우에는 조정 전자장치에 비용이 적게 드는 것을 의미하는 선형적으로 눈금을 정한다.
기존의 통용되는 상 모듈레이터는 그것의 진폭과 그것의 최대 발생 위상구배에 제한이 되어 있다. 이것은 그에 반하여 대물렌즈의 작업점으로 부터 멀리 떨어져서 교정 가능성을 제한한다. 고려 가능한 방법은 일반 글라스 렌즈와 적응제어렌즈를 조합하는 것이다. 일반 글라스 렌즈는 큰 위상구배와 큰 웨이브 프론트 진폭을 발생시키는 역할을 하고, 적응제어렌즈는 미세 조정이 가능하도록 한다.
큰 초점 간격에 변위가 생길 때, 푸펄에서 필요한 볼록 웨이브 프론트를 통하여 낮은 광선 이용 및 낮은 이용 가능 조리개를 생기게 하는 비네팅(vignetting)을 조건으로 한다. 이 제한은 구조적 조건에 따라 달라지며 대물렌즈를 광학적으로 고려할 때는 원리면에서 미래를 고려할 수 있게 된다.
비임에 수차가 생겨서 초점이 변위되면, 영상이 비틀리는 현상이 생길 수 있다. 이 수차를 교정하기 위해서는, 상기에서 설명한 비구형 부분과 같은 웨이브 프론트가 중첩되지 않도록 할 수 있다. 수학적 계산을 한 후에 웨이브 프론트에서의 배열 r4및 r6(높은 배열의 구면 수차)의 낮은 회전 대칭 부분을 사용하여 영상을 아주 향상시킬 수 있다(체이싱(chasing) 비율: 98% 이상).
본 방법의 또 다른 장점은 반사를 기본으로한 웨이브 프론트 모듈레이터의 색수차 없는 거동이다. 멤브레인 거울의 적합한 층에서는 깊은 UV에서 먼 IR 까지의 전체 스펙트럼 범위를 위상 모듈레이트할 수 있다. 색수차는 (흡수 효과까지) 생기지 않는다. 이로부터 영상 생성에서 색 교정을 위한 새로운 방법이 생기게 된다. 여기에서 조명은 서로 다른 파장에 대하여 연속적으로 설정되고, 웨이브 프론트 모듈레이터의 개별 파장의 각각은 적당한 광학적 교정으로 설정된다. 재래식 글라스 렌즈를 사용할 때는 얻을 수 없는 높은 색 교정의 백색 광선 사진이 겹쳐지게 하여서 최적으로 색을 교정한 영상을 얻게 된다. 원리적으로 이렇게 함으로서 웨이브 프론트 모듈레이터를 사용한 대물렌즈는 광학 스펙트럼에서 임의의 다수 파장에 대하여 최적으로 교정할 수 있게 된다.
초점 변위 및 구면 수차 교정을 하기 위해서는 요구 웨이브 프론트는 단지 회전 대칭 특성을 가진다. 이러한 웨이브 프론트를 현미경 대물렌즈의 푸펄에 생기도록 하기 위해서는 가장자리에서 웨이브 프론트의 큰 구배가 생기므로, 적응제어렌즈는 증가한 국부 주파수를 가지는 액튜에이터를 배치하도록 하여야 한다(도 4).
도 4는 비점수차(astigmatism) 및 코마(coma)의 교정용으로 도 4a에서 도 4c까지에 나타낸 증가한 국부 주파수를 비롯하여 도 4d에 나타낸 세그먼트가 있는 여러 가지 액튜에이터 구조를 도시한 것이다.
카메라를 사용한 영상 촬영에서는 특히 높은 공간적 분해능에서 픽셀 미스메칭(pixel-mismatching)의 효과가 나타난다. 이 때 현미경 영상은 카메라에 대하여 변위되어서, 비디오 신호의 각 영상은 공간적으로 변위된다. 이러한 문제는 모사 신호의 웨이브 프론트에 있는 가변 기울기 부분을 통하여 제거할 수 있다. 적당하게 조절하여서 영상 신호의 떨림은 제어할 수 있고, 이렇게 하여서 정적인 영상을 얻을 수 있게 된다.
카메라를 사용한 영상 촬영의 다른 문제점은 영상 필드의 만곡이다. 영상 비임에 웨이브 프론트 모듈레이터를 사용하여서 작동하는 동안에 색 교정과 같은 다른 파라미터를 보상하여 영상 필드의 만곡을 향상시킬 수 있게 된다.
재래식 광학 현미경에 적응제어렌즈를 설치함으로서 조명 비임에 렌즈의 유연한 설치, 현미경의 광학적 특성 향상 및 신 조명기술이 실현될 수 있도록 한다. 유사한 방법으로 관찰 비임에서와 같이 웨이브 프론트 위상 모듈레이터는 시편 면에 조명 집광기(또는 레이저)의 영상을 최적으로 할 수 있다. 아주 똑 같이 임계 조명에서 시편실의 균일한 컨트라스트를 조절할 수 있다. 도 3은 조명 집광기를 설치한 콜렉터(collector)와 집광렌즈(condenser) 사이의 웨이브 프론트 모듈레이터를 나타낸 것이다.
웨이브 프론트 진폭 모듈레이터를 사용하여서 시편 면에 있는 조명 강도는 공간적으로 관련된 강도와 균일성을 최적화시킬 수 있다. 원리적으로 푸펄 간섭을 만들 수 있다. 웨이브 프론트의 기울기 부분을 목표로 하는 정도로 변화시켜서 시편실의 경사진 조명을 만들 수 있다.
초점 공유 현미경 및 레이저 주사 현미경에서는 조명용 레이저 광선을 사용하여서 재래식 광학 현미경에서 보다도 더 쉽게 사용할 수 있게 된다.
그래서 조명에 레이저를 사용할 때는 조명 화이버에 둘러 쌀 때 웨이브 프론트 모듈레이터를 사용할 수 있는 장점이 있다. 여기에서 가변 적응 렌즈가 실현될 수 있고, 최적으로 화이버를 둘러싸기 위하여 레이저 및 사용 화이버의 광선 특성에 따른 집광폭과 영상 비율을 조정할 수 있다. 동일한 원리에 따른 배치는 현미경 렌즈에 조명 화이버를 둘러 쌀 때도 사용할 수 있다. 하나 또는 다수 레이저와 여러 가지 화이버 사이를 전환하기 위하여 모듈레이터의 신속성을 통하여 시간 해결적 측정과 복합 방법을 실현할 수 있다.
초점 공유 영상에서는 규정된 핀홀을 통하여 투과를 역학적으로 조절할 수 있다. 초점의 직경으로서의 위치는 넓은 한계치에서 변할 수 있다. 조명 레이저는 각 요구 조건에 따라서 최적으로 조절 할 수 있다. 또한 초점의 광선 분포 형태도 핀홀에 조절할 수 있다. 실제 실현한 핀홀에서 항상 나타나는 마름모꼴 또는 직사각형 조리개와 같이 회전 대칭적 뿐만 아니라 다른 윤곽은 조절할 수 있고, 최대 투과 또는 최소 회절 손실로 최적화시킬 수 있다. 이러한 최적화는 한편으로는 미리 계산된 파라미터를 통하여 정적으로 조절할 수 있거나 작동하는 동안에 결정되고 최적화된 파라미터를 조절할 수 있게 된다.
재래식 광학 현미경에서와 같이 사용한 조명 레이저에 따른 색 교정도 조정할 수 있다. 신속, 동기적으로 조정된 웨이브 프론트 모듈레이터를 레이저 울타리에 사용함으로서 조명 렌즈 및 촬영 렌즈는 여러 가지 파장과 각 최적 색을 교정할 때 연속 영상을 촬영할 수 있게 된다.

Claims (12)

  1. 조명 비임 및 관찰 비임에 적응제어렌즈가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 현미경.
  2. 제1항에 있어서,
    관찰 비임에서 대물렌즈와 튜브 렌즈 사이에 투과식 웨이브 프론트 모듈레이터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 현미경.
  3. 제2항에 있어서,
    관찰 비임에서 대물렌즈와 튜브 렌즈 사이에 최소한 하나의 반사식 웨이브 프론트 모듈레이터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 현미경.
  4. 제3항에 있어서,
    반사식 웨이브 프론트 모듈레이터의 다발(buncher) 및 반사식 웨이브 프론트 모듈레이터가 광선 분배기에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 현미경.
  5. 제1항에 있어서,
    조명 비임에서 광원과 집광렌즈 사이에 웨이브 프론트 모듈레이터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 현미경.
  6. 제5항에 있어서,
    투과식 웨이브 프론트 모듈레이터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 현미경.
  7. 레이저 광원에 최소한 한 개의 적응제어렌즈가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 주사 현미경.
  8. 제7항에 있어서,
    웨이브 프론트를 첫 번째 적응제어렌즈로 거칠게 조정하고 두 번째 적응제어렌즈로 미세하게 조정하는 것을 특징으로 하는 레이저 주사 현미경.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    적응제어렌즈로 반사식 웨이브 프론트 모듈레이터를 설치한 것을 특징으로 하는 레이저 주사 현미경.
  10. 제7항 내지 제9항에 있어서,
    레이저 광원으로서 단펄스 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 주사 현미경.
  11. 제7항 또는 제10항에 있어서,
    그룹 벨로시티 디스펄션(Group Velocity Dispersion(GVD))의 보상용으로 레이저 광원에 프리 치르핑(Prechirping)을 설치한 것을 특징으로 하는 레이저 주사 현미경.
  12. 제10항에 있어서,
    레이저 광원에 프리 치르핑(Prechirping) 유닛 및 최소한 하나의 적응제어렌즈를 설치한 단펄스 레이저를 사용하는 멀티-포토 여기를 위한 것을 특징으로 하는 레이저 주사 현미경.
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