KR20040108144A - 슬릿빔을 이용한 현미경의 자동초점조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬릿광선을 이용한 현미경의 자동초점조절장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도 광원인 슬릿광선발생기로부터 슬릿광선을 측정시편에 주사한 후, 광배열검출기로부터 얻은 화면 내에서의 슬릿광선 위치와 초기에 설정된 초점위치에서의 슬릿광선의 위치와의 차를 초점이탈(defocus)된 정도로 되먹임(feedback)하여 현미경 프로브(probe)를 이동시켜 초점위치에 측정시편이 위치되게 한 것에 의해 자동초점조절이 이루어지도록 함으로써 초점조절의 신속성과 장치의 단순화를 기할 수 있도록 한 현미경의 자동초점조절장치에 관한 것으로서, 이는 프로브의 대물렌즈의 초점거리에 위치하면서 광축과 수직인 평면을 슬릿광선이 지나도록 정렬하여 초기 설정하는 제1 단계와; 상기 제1 단계의 슬릿광선이 측정시편 표면에 주사되게 하여 측정시편의 실제 영상과 상기 슬릿광선이 함께 나타나는 영상을 얻어 저장하고, 그 영상과 슬릿광선이 없는 실제 측정시편의 영상의 차를 구하여 원하는 슬릿광선 광강도값을 특정범위 내의 값으로 얻는 제2 단계와; 상기 제2 단계에 의해 얻어진 원천 데이터를 직선맞추기에 적합한 데이터로 바꿔주는 제3 단계와; 상기 제3 단계에 의해 얻어진 데이터를 이용하여 직선맞추기를 하는 제4 단계와; 상기 제4 단계에 의해 얻어지는 직선을 수광소자배열 화면 상에서 제1 단계에 의한 초기 설정시의 슬릿광선 위치로 프로브를 이동시키는 제5 단계와;로 이루어지고, 또한 하부에서 상부측으로 대물렌즈(11), 광분할튜브(12), 줌모터(13A)를 갖는 줌렌즈(13), 결상렌즈(14), 수광소자배열(15)이 동일 광축(19)상에 순차 배열되고, 상기 광분할튜브(12)의 일측으로 광원(16)이 구비되며, 상기 대물렌즈(11)의 초점거리에 위치하면서 광축(19)과 수직인 평면의 중심을 슬릿광선이 지나도록 하는 슬릿광선발생기(17)를 포함하는 프로브(1)와; 상기 프로브(1)를 광축방향으로 구동시키는 구동모터(18) 및 이동거리를 감지하는 구동센서(3)와; 상기 수광소자배열(15)로부터 얻은 디지털 영상신호를 전달받아 처리하는 영상수신기(21)와, 프로브(1)의 구동을 제어하는 구동제어기(22), 줌모터(13A)를 제어하는 줌구동 제어기(23), 슬릿광선발생기의 광강도를 조절하는 슬릿광선 제어기(24), 동축조명 광강도를 조절하는 동축조명 제어기(25)가 구비된 영상/제어부(2)와;로 구성됨으로써 별도의 영상처리과정을 거치지 않고 비교적 짧은 시간 내에 자동초점조절을 수행할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 측정시편의 대비값에 미세한 변화가 있다고 하더라도 본 발명은 슬릿광선의 광강도값만을 추출하여 자동초점조절에 이용하기 때문에 기존의 '능동' 자동초점조절장치에 비해 반복능이 향상될 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명은 기존의 시스템에 비해 현미경의 자동초점조절 속도와 반복능을 향상시키고, 여러 시편에 적용가능하며, 간단한 슬릿광선 광원을 이용함으로써 시스템을 간단하게 할 수 있는 이점이 있는 것이다.

Description

슬릿빔을 이용한 현미경의 자동초점조절장치{Microscope autofocusing system using slit beam}

본 발명은 슬릿광선을 이용한 현미경의 자동초점조절장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도 광원인 슬릿광선발생기로부터 슬릿광선을 측정시편에 주사한 후, 광배열검출기로부터 얻은 화면 내에서의 슬릿광선 위치와 초기에 설정된 초점위치에서의 슬릿광선의 위치와의 차를 초점이탈(defocus)된 정도로 되먹임(feedback)하여 현미경 프로브(probe)를 이동시켜 초점위치에 측정시편이 위치되게 한 것에 의해 자동초점조절이 이루어지도록 함으로써 초점조절의 신속성과 장치의 단순화를 기할 수 있도록 한 현미경의 자동초점조절장치에 관한 것이다.

일반적으로 현미경에 적용되는 자동초점조절장치는 크게 '능동(active)' 자동초점조절 방식과 '수동(passive)' 자동초점조절 방식의 두 가지로 분류할 수 있다.

'능동(active)' 자동초점조절 방식은 적어도 하나의 보조광원 혹은 표시(marker)를 측정시편 표면에 주사하여 초점영역을 형성하는 광점들의 특성을 분석하여 자동초점조절에 이용하는 방식으로서, 일 례로 직사각형 모양의 구멍이 뚫린 스크린이나 격자 등에 보조광원을 조명하여 측정시편의 표면 위에 투영시킨 다음, 반사된 영상의 대비(contrast)값이 최대가 되는 위치로 자동초점조절을 수행하는 영상처리 중심의 방식이다.

또한, 다른 예로써 한쪽에서 특정한 형상(예를들어 점이나 선)의 보조광원을측정시편에 주사하여 반대쪽으로 반사되는 광의 위치를 별도로 설치된 감광소자(예를들어, CCD)로부터 인식하여 그 위치 변화를 자동초점조절에 이용하는 물리적 변위중심의 방식이 있다.

즉, 상기 '능동' 자동초점조절 방식은 기본적으로 반사되는 보조광원을 이용하기 때문에 반사형 현미경에 널리 사용되고 있으나, 표면이 투과형 물체로 덮여진 경우(예를 들어 코팅)에 적용하기 어렵다는 단점을 가지고 있는 것으로서, 이는 표면이 투과형 물질로 덮여진 경우, 반사가 실제 물체 표면에서 이루어지지 않고 덮여진 투과형 물질에서 강하게 이루어지기 때문에 초점위치가 실제 관심있는 물체표면으로 결정되지 않기 때문이며, 표면이 요철로 된 경우에는 반사된 보조광의 대부분이 분산되어 강도가 상당히 약해지므로 적절한 자동초점조절이 어려워지는 문제점도 있는 것이다.

그리고 상기 '능동' 자동초점조절 방식은 대부분 대비(혹은 문양의 선예도(sharpness))를 이용하였기 때문에 보조광원의 특성을 인식하기 위한 별도의 영상인식 장치 및 알고리즘을 필요로 하였고, 이로인해 렌즈나 광분할큐브와 같은 광학장비들이 추가됨으로써 시스템의 복잡성을 초래하는 문제점이 있었다. 또한 현미경 프로브가 움직여야할 방향정보 및 거리정보를 얻기 위해 일단 최대 대비값을 갖는 위치(초점위치)를 지나도록 일정 거리만큼 수직주사(vertical scanning)를 해야되기 때문에 자동초점조절을 수행하기까지 상당한 시간이 소요되는 문제점도 있었던 것이다.

한편, '수동(passive)' 자동초점조절 방식은 광배열검출기로부터 얻은 측정시편의 영상 신호를 분석(일반적으로 영상대비(image contrast)를 사용)하여 초점조정(focusing)에 이용하는 방식으로 투과형 현미경에 널리 사용되고 있다.

그러나 이러한 자동초점조절 방식은 영상대비 정보가 방향정보를 가지고 있지 않기 때문에 최대 대비 위치를 찾기 위해서는 시스템의 동작시간이 길어지고, 초기 경로를 설정해야 하는 문제점이 있는 것으로서, 이러한 문제점은 상평면(image plane)의 앞뒤로 두 개의 영상센서(image sensor)를 배열하여 양쪽 센서에서 들어오는 신호를 비교하여 방향정보를 얻어냄으로써 해결할 수 있지만, 광선을 분할하기 위한 별도의 장치들이 필요하게 되는 등의 시스템 구성 비용이 증가하는 단점이 있다.

또한, 상기 '수동(passive)' 자동초점조절 방식은 상대적으로 짧은 포획영역(capture range)을 가지고 있기 때문에, 포획영역이 한계를 초과하게 되면 광학 부품들의 표면의 상평면을 뜻하는 '기생면(parasitic planes)'이라고 불리는 면에 초점을 맞추게 되어 원하는 자동초점조절이 이루어지지 않게 되는 문제점이 있었던 것이다.

이같이 종래에는 별도의 영상처리과정이 요구되므로 자동초점조절을 수행하는데 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 반복능의 저하와 함께 상기 영상처리에 따른 구성의 복잡성을 초래하게 되고, 또한 시편 적용의 제한성으로 사용의 불편성을 초래하는 문제점이 있다.

이에 본 고안은 상기한 바와같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 별도의 영상처리과정없이 직접 자동초점조절이 이루어질 수 있도록 함으로써 자동초점조절의 신속성을 확보함은 물론 반복능의 향상과 함께 구성의 단순성을 기할 수 있고, 또한 여러 시편에 적용가능함으로써 사용의 호환성 및 간편성을 도모할 수 있도록 하는데 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 프로브의 대물렌즈의 초점거리에 위치하면서 광축과 수직인 평면을 슬릿광선이 지나도록 정렬하여 초기 설정하는 제1 단계와; 상기 제1 단계의 슬릿광선이 측정시편 표면에 주사되게 하여 측정시편의 실제 영상과 상기 슬릿광선이 함께 나타나는 영상을 얻어 저장하고, 그 영상과 슬릿광선이 없는 실제 측정시편의 영상의 차를 구하여 원하는 슬릿광선 광강도값을 특정범위 내의 값으로 얻는 제2 단계와; 상기 제2 단계에 의해 얻어진 원천 데이터를 직선맞추기에 적합한 데이터로 바꿔주는 제3 단계와; 상기 제3 단계에 의해 얻어진 데이터를 이용하여 직선맞추기를 하는 제4 단계와; 상기 제4 단계에 의해 얻어지는 직선을 수광소자배열 화면 상에서 제1 단계에 의한 초기 설정시의 슬릿광선 위치로 프로브를 이동시키는 제5 단계와;로 이루어진 것을 특징으로 한 슬릿빔을 이용한 현미경의 자동초점조절방법이 제공된다.

또한, 상기 제2 단계의 슬릿광선은 일정한 각도만큼 기울여서 주사되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3 단계는 원천 데이터를 소자배열의 각 가로줄에서 최대값을 갖는 슬릿광선 데이터와 비교해서 특별히 작은 노이즈 레벨의 값을 가지는 데이터들을 제거하는 약한 문턱처리 과정과; 슬릿광선을 대표하는 각 행들의 최대값을 가지는 소자들의 광강도값이 다르므로 그 행의 최대값을 모두 동일한 값으로 바꾸어주는 변환 인자를 각 행에서 찾아, 그 행 전체에 곱해 주는 정규화 과정과; 문턱처리 값을 최대값에 가까운 수치로 올려서 실제로 직선에 가까운 데이터만을 확보하는 강한 문턱처리 과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 하부에서 상부측으로 대물렌즈, 광분할튜브, 줌모터를 갖는 줌렌즈, 결상렌즈, 수광소자배열이 동일 광축 상에 순차 배열되고, 상기 광분할튜브의 일측으로 광원이 구비되며, 상기 대물렌즈의 초점거리에 위치하면서 광축과 수직인 평면의 중심을 슬릿광선이 지나도록 하는 슬릿광선발생기를 포함하는 프로브와; 상기 프로브를 광축방향으로 구동시키는 구동모터 및 이동거리를 감지하는 구동센서와; 상기 수광소자배열로부터 얻은 디지털 영상신호를 전달받아 처리하는 영상수신기와, 프로브의 구동을 제어하는 구동제어기, 줌모터를 제어하는 줌구동 제어기, 슬릿광선발생기의 광강도를 조절하는 슬릿광선 제어기, 동축조명 광강도를 조절하는 동축조명 제어기가 구비된 영상/제어부와;로 구성된 것을 특징으로 한 슬릿빔을 이용한 현미경의 자동초점조절장치가 제공된다.

또한, 상기 슬릿광선발생기는 일정한 각도로 경사지게 구비된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 현미경의 자동초점조절장치의 전체적인 구성을 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명에 의한 현미경의 자동초점조절방법을 단계적으로 보인 공정도.

도 3a,도 3b는 본 발명에 의한 슬릿광선의 주사형태를 보인 예시도.

도 4a는 본 발명에 의한 프로브와 슬릿광선발생기와의 가능한 위치 관계를 보인 평면도.

도 4b는 본 발명에 의한 수광소자배열에 나타나는 슬릿광선의 초기 기울기 조절상태를 보인 평면도.

도 5a,도 5b,도 5c는 본 발명의 슬릿광선 찾기 과정을 보인 것으로서,

도 5a는 실제 측정시편의 영상에 슬릿광선이 함께 나타난 상태의 영상을 보인 예시도.

도 5b는 실제 측정시편의 영상만을 보인 예시도.

도 5c는 슬릿광선의 영상을 보인 예시도.

도 6은 본 발명의 직선맞추기 결과 얻어진 직선과 수광소자배열 중앙 소자와의 거리산출 및 슬릿광선이 중앙에 위치하게 됨으로써 자동초점조절이 이루어진 결과를 보인 예시도.

도 7은 본 발명의 광삼각법 방식의 거리계산을 보인 예시도.

*도면의주요부분에대한부호의설명

1:프로브

11:대물렌즈 12:광분할튜브

13:줌렌즈 13A:줌모터

14:결상렌즈 15:수광소자배열

16:광원 17:슬릿광선발생기

17A:슬릿광선 18:구동모터

19:광축

2:영상/제어부

21:영상수신기 22:구동제어기

23:줌구동 제어기 24:슬릿광선 제어기

25:동축조명 제어기

3:구동센서 4:미러

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 의한 현미경의 자동초점조절장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 전체적인 구성을 보인 개략 구성도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명은 실질적인 자동초점조절이 이루어지는 프로브(1)와, 상기 프로브(1)에서 얻은 영상정보를 처리하고, 그 결과로부터 각각의 구성 요소들을 제어하는 영상/제어부(2)로 크게 나뉘어진다.

상기 프로브(1)는 수직의 동일 광축(19) 상으로 하부에서 상부측으로 대물렌즈(11), 광분할튜브(12), 줌모터(13A)를 갖는 줌렌즈(13), 결상렌즈(14), CCD를 포함하고 영상을 획득하는 수광소자배열(photo detector array)(15)이 순차 배열되어 광학계를 이루고, 상기 광분할튜브(12)의 일측에는 광원(16)이 구비되어 동축 조명 시스템을 구성하는 것으로서, 상기 광원(16)은 백색광이나 할로겐 램프 등을 사용하며 광분할튜브(12)에 의해 방향이 바뀐다.

그리고, 상기 프로브(1)는 보조광원으로써 슬릿광선발생기(17)를 포함하는 것으로서, 상기 슬릿광선발생기(17)는 일정한 작업거리(working distance)에서 얇은 선폭의 슬릿광선(17A)을 만들게 되는 것이며, 상기 슬릿광선(17A)은 프로브(1)의 대물렌즈(11)의 초점거리에 위치하면서 광축(19)과 수직인 평면의 중심을 지나게 되고, 공급전압을 변화시킴으로써 슬릿광선의 강도 조절이 가능하여 측정시편의 환경에 따라 가변적인 선폭의 제공이 가능하다.

또한, 상기 프로브(1)를 광축방향으로 구동시키는 구동모터(18)가 구비되어 있는 것이며, 프로브(1)의 외측으로 구동센서(3)가 구비되어 상기 구동센서(3)에 의해 구동모터(18)에 의한 프로브(1)의 이동거리를 감지할 수 있도록 구성되어 있다.

이때 구동센서(3)의 분해능이 구동모터(18)의 분해능을 결정하므로 장치에서필요로 하는 구동모터(18)의 모터 구동 분해능을 얻기 위해서는 구동센서(3)의 선택이 중요하다고 할 수 있고, 상기 줌모터(13A)는 줌렌즈(13)의 상태를 변화시켜줌으로써 줌 배율을 바꿔주게 된다.

이와함께 상기 영상/제어부(2)는 수광소자배열(15)로부터 얻은 디지털 영상신호를 전달받아 처리하는 영상수신기(21)와, 프로브(1)의 구동을 제어하는 구동제어기(22), 줌모터(13A)를 제어하는 줌구동 제어기(23), 슬릿광선발생기(17)의 광강도를 조절하는 슬릿광선 제어기(24)가 구비되고, 또한 측정시편의 영향으로 슬릿광선 대비값이 낮이 식별이 어려운 경우를 대비하여 동축조명 광강도를 조절할 수 있는 동축조명 제어기(25)가 구비된다.

다음은 상기한 바와같이 구성된 본 발명에 의한 자동초점조절방법을 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 자동초점조절 방법을 순차적으로 보인 블록도이다.

(제1 단계)

이는 초기위치 설정시 상기 프로브의 대물렌즈의 초점거리에 위치하면서 광축(19)과 수직인 평면을 상기 슬릿광선(17A)이 지나도록 프로브(1)를 정렬하는 단계로서 반드시 필요하고, 상기 슬릿광선(17A)은 광축(19)과 수직인 평면의 중심을 지나도록 하는 것이 바람직하다.

정렬의 정확도가 자동초점조절의 정확도를 결정하는 중요한 인자가 되기 때문에 되도록 정확히 맞추어야만 한다. 그리고 본 발명에서 자동초점조절을 위해 슬릿광선(17A)을 측정시편(100)에 주사하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있는데,예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 슬릿광선(17A)을 일정한 각도만큼 기울여서 바로 측정시편에 주사하는 방법이 있을 수 있고, 도 3a에 도시된 바와 같이 프로브(1)와 별도로 미러(4)를 이용해서 슬릿광선(17A)의 방향을 바꿔주는 방법이 있을 수 있으며, 도 3b에 도시된 바와 같이 동축에 포함된 광분할튜브(12)를 이용하여 마찬가지로 방향을 바꿔주는 방법이 있을 수 있다.

이상의 방법들에서 가장 효과적인 슬릿광선(17A)의 상태를 얻기 위해서 슬릿광선발생기(17) 자체를 회전시키거나 측정시편(100)까지의 거리를 변화시키는 등의 조절이 가능하도록 한다. 이밖에도 측정시편(100)의 표면에 슬릿광선(17A)을 일정한 각도만큼 기울여서 주사할 수 있다면 어떤 형태든지 적용가능하다.

슬릿광선(17A)을 기울여서 주사하는 것이 중요한 이유는 본 발명의 특성상 슬릿광선(17A)의 광강도의 변화를 이용하지 않고 상대적인 위치변화를 이용하기 때문이며, 프로브(1)의 구동에 따라 슬릿광선(17A)의 위치가 변하기 위해서는 슬릿광선발생기(17)의 광축(19)이 프로브(1)와 평행해서는 안되며 일정한 각도를 가지고 기울어져 있어야 한다.

도 4a는 본 발명에 의한 슬릿광선 주사 형태를 보인 평면도로서, 프로브(1)에 의한 슬릿광선발생기(17)의 상대적인 위치를 보여주고 있으며, 슬릿광선발생기(17)의 광축은 프로브(1)의 광축(19)을 포함하는 평면위에 존재하도록 해야 하고, 도 4b에 도시된 바와 같이 영상획득장치로부터 얻은 화면 상에서 슬릿광선(17A)의 기울기는 슬릿광선발생기(17)의 광축에 대하여 회전시킴으로써 원하는 기울기로 조절이 가능하다.

(제2 단계)

이는 현재 영상획득 화면 상에서 슬릿광선을 찾는 단계로서, 수광소자배열(15)로부터 받아들이는 광강도값은 N*N 소자 각각에 특정 범위 내의 값으로 저장된다. 즉, 도 5a에 도시된 바와 같이 실제 측정시편의 영상(5)과 보조광원, 즉 슬릿광선발생기(17)에 의한 슬릿광선(17A)이 같이 나타나는 영상을 얻어 저장한다. 그런 다음 상기 슬릿광선발생기(17)를 꺼서 슬릿광선(17A) 없이 실제 측정시편만의 영상(5)를 얻어 저장한 후, 얻어진 두 영상 사이의 차를 구하면 원하는 도 5c에 도시된 바와 같이 슬릿광선 광강도값을 특정 범위 내의 값으로 얻을 수 있게 되는 것이다.

이 값들은 소자단위의 불연속적인 점들의 집합이므로 이를 이용하여 슬릿광선(17A)을 대표할 수 있는 최적의 직선을 찾는 것이 목적이므로, 현재 상태에서 얻은 원천 데이터(raw data)를 직선맞추기(fitting)에 적합한 데이터로 바꿔주기 위한 일련의 데이터 처리 과정들이 필요하게 되는데, 이러한 처리과정을 수행하는 것이 제3 단계이다.

(제3 단계)

이는 전술한 바와 같이 제2 단계에 의해 얻어진 원천 데이터를 직선맞추기에 적합한 데이터로 바꿔주는 단계로서, 원천 데이터는 소자배열의 각 가로줄에서 최대값을 갖는 슬릿광선(17A) 데이터와 비교해서 특별히 작은 노이즈 레벨의 값을 가지는 데이터들을 제거하는 약한 문턱처리(soft thresholding)라는 과정을 거치게 된다.

다음으로 슬릿광선을 대표하는 각 행들의 최대값을 가지는 소자들의 광강도값이 다르기 때문에, 그 행의 최대값을 모두 동일한 값으로 바꾸어주는 변환 인자를 각 행에서 찾아, 그 행 전체에 곱해주는 정규화(normalizing)과정이 수행된다. 이 과정은 광강도값이 높은 부분의 슬릿광선 데이터만을 포함할 경우 데이터가 좁은 지역에 분포되어 전체적인 슬릿광선의 형태를 왜곡시킬 수 있으므로, 보다 넓은 시편 영역과 광강도 범위에서 슬릿광선 데이터를 얻기 위해서 필요한 과정이라고 볼 수 있다.

다음으로 강한 문턱처리(hard thresholding)과정이 이어지는데, 이는 문턱처리 값(threshold level)을 최대값에 가까운 수치로 올려서 실제로 직선에 가까운 데이터만을 확보하려는데 목적이 있다. 이때, 경우에 따라서 측정시편의 영향으로 광반점(speckle)현상이 발생하여 슬릿광선 데이터중 일부분에 포화(saturation)된 값들이 집중되어 있을 수가 있다.

이와 같은 상태로 선맞추기 과정을 수행하게 되면, 집중된 데이터의 영향으로 정확한 직선을 얻지 못할 가능성이 매우 크므로 집중된 부분의 데이터의 수를 줄여주는 과정이 필요하다. 즉 각 가로소자 배열마다 포화소자 수를 일정하게 고정시켜서 이 값을 초과하는 소자의 값들은 모두 0으로 변환시킨다. 물론 선폭 중심에서 멀리 떨어져 있는 소자로부터 대칭적으로 필터링시켜야 본래의 직선형태가 변형되지 않게 되는 것으로서, 이상으로 직선 정보를 생성하기 이전의 데이터 처리 과정을 완료하게 되는 것이다.

(제4 단계)

이는 상기 제3 단계에 의해 얻어진 데이터를 이용하여 직선맞추기를 수행하는 단계로서, 본 발명에서 사용한 알고리즘은 최소자승법(least square method)이다. 물론 이상적으로 본래의 슬릿광선 데이터에 가장 근사시킬 수 있는 어떠한 최적화 알고리즘을 사용해도 무방하다.

선택한 알고리즘에 최종적으로 남아있는 데이터 소자에 해당하는 좌표값(pixel단위)을 적용하여 최적의 직선(일차방정식, y=a+bx)을 구한다. 도 6에 도시된 바와 같이 실선으로 선맞추기가 수행된 결과를 확인할 수 있다.

(제5 단계)

이는 상기 제4 단계에 의해 얻어지는 직선을 수광소자배열 화면의 중심에 위치하도록 프로브를 이동시키는 단계로서, 도 7에 도시된 바와 같이 일차 방정식으로부터 수광소자배열 중앙으로부터의 수평 변위, P(pixel단위)를 계산할 수 있고, 이 값은 소자단위에서 실제로 떨어진 거리, W(㎛단위)로 변환되며, 최종적으로 직선 맞추기가 이루어진 직선을 수광소자배열 화면 중심에 위치시키도록 프로브를 구동시켜야 하는 변위 D(㎛단위)로 변환된다.

우선, 수광소자배열 화면 상에서의 변위, P를 실제의 거리단위 변위, W로 변환하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 줌배율을 고려해주어야 하는데, 줌배율은 일정한 범위 안에서 조절할 수 있도록 되어 있다. 각각의 줌배율에서 일정한 길이에 해당하는 소자 개수가 달라지기 때문에, 이러한 변화를 측정하기 위해 격자를 사용하여 격자 한 주기에 포함되는 소자의 개수를 측정한다.

격자 한 주기에 해당하는 길이를 이미 알고 있기 때문에 각 줌배율에서 측정한 소자 개수를 대응시키게 되면 각 줌배율에서 한 개의 소자에 해당하는 실제 길이를 테이블로 작성할 수 있게 된다.

이로부터 얻은 값들이 우리가 표현할 수 있는 함수로 근사가 가능하다면 근사된 함수식을 사용하여 좀더 다양한 줌배율에서도 적용할 수 있다. 또한 격자를 사용하지 않더라도 실제 길이를 정확히 알고 있는 특정 물체를 이용하여 줌배율에 따른 소자갯수의 변화와의 관계(y=f(x), x:줌배율, y:한 소자에 해당하는 실제길이)를 구할 수 있다.

여기서, y값에 직선에서 수광소자배열 중심까지의 변위, P를 곱하면, 현재 줌배율에서 수평방향으로 이동해야하는 거리, W(㎛)를 구할 수 있고, 이 W값을 tanθ(θ는 슬릿광선 방향과 광축사이의 각도)로 나눠주면 우리가 최종적으로 얻고자 하는 프로브의 수직방향 이동거리, D(㎛)를 얻게 된다.

최종적으로 얻어진 모터 구동 변위 D를 모터에 되먹임하면, 도 6에서 보는 바와 같이 슬릿광선의 위치가 수광소자배열 중앙으로 이동하면서 자동초점 조절이 수행되는 것이다.

한편, 앞에서도 언급했듯이, 측정시편에 따라서 슬릿광선의 대비값이 현저히 떨어질 수 있기 때문에 별도로 동축조명의 광강도를 조절할 수 있도록 하여 효율적으로 슬릿광선 데이터를 얻을 수 있도록 구성되어 있고, 반대의 경우로 슬릿광선의 강도가 배경에 비해 너무 커서 선폭확대나 광반점현상이 발생할 경우를 대비하여 슬릿광선의 강도를 조절할 수 있는 제어기도 포함된다.

결과적으로, 본 발명은 다양한 측정시편과 환경에 적용가능한 특성을 갖고 있으며, 같은 측정시편이라고 하더라도 자동초점조절의 성능을 더 높일 수 있도록 조명 시스템에 대한 제어가 가능한 특성을 가지고 있다. 그리고 본 발명은 특성상 현재 수광소자배열 화면 상에 존재하는 슬릿광선을 초기에 검출하는 것이 가장 중요한 문제가 되기 때문에 먼저 가장 넓은 측정시편 영역을 보여줄 수 있는 저배율에서 상기 설명한 자동초점조절 알고리즘을 순차적으로 적용하고, 정확도를 높이기 위해서 단계적으로 배율을 올리면서 반복적으로 같은 과정을 수행하게 되는 것이다.

상술한 바와같이 본 발명은 단일 영상인식 장치로부터 얻어진 결과를 이용하여 슬릿광선의 변위를 프로브가 이동해야 하는 거리 정보로 바로 변환하기 때문에 별도의 영상처리과정을 거치지 않고 비교적 짧은 시간 내에 자동초점조절을 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 측정시편의 대비값에 미세한 변화가 있다고 하더라도 본 발명은 슬릿광선의 광강도값만을 추출하여 자동초점조절에 이용하기 때문에 기존의 '능동' 자동초점조절장치에 비해 반복능이 향상될 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명은 기존의 시스템에 비해 현미경의 자동초점조절 속도와 반복능을 향상시키고, 여러 시편에 적용가능하며, 간단한 슬릿광선 광원을 이용함으로써 시스템을 간단하게 할 수 있는 이점이 있는 것이다.

Claims (5)

1. 프로브의 대물렌즈의 초점거리에 위치하면서 광축과 수직인 평면을 슬릿광선이 지나도록 정렬하여 초기 설정을 하는 제1 단계와;

   상기 제1 단계의 슬릿광선이 측정시편 표면에 주사되게 하여 측정시편의 실제 영상과 상기 슬릿광선이 함께 나타나는 영상을 얻어 저장하고, 그 영상과 슬릿광선이 없는 실제 측정시편의 영상의 차를 구하여 원하는 슬릿광선 광강도값을 특정범위 내의 값으로 얻는 제2 단계와;

   상기 제2 단계에 의해 얻어진 원천 데이터를 직선맞추기에 적합한 데이터로 바꿔주는 제3 단계와;

   상기 제3 단계에 의해 얻어진 데이터를 이용하여 직선맞추기를 하는 제4 단계와;

   상기 제4 단계에 의해 얻어지는 직선을 수광소자배열 화면상에서 제1 단계에 의한 초기 설정시의 슬릿광선 위치로 프로브를 이동시키는 제5 단계와;로 이루어진 것을 특징으로 한 슬릿빔을 이용한 현미경의 자동초점조절방법이 제공된다.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 단계의 슬릿광선은 일정한 각도만큼 기울여서 주사되는 것을 특징으로 한 슬릿빔을 이용한 현미경의 자동초점조절방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제3 단계는 원천 데이터를 소자배열의 각 가로줄에서 최대값을 갖는 슬릿광선 데이터와 비교해서 특별히 작은 노이즈 레벨의 값을 가지는 데이터들을 제거하는 약한 문턱처리 과정과;

   슬릿광선을 대표하는 각 행들의 최대값을 가지는 소자들의 광강도값이 다르므로 그 행의 최대값을 모두 동일한 값으로 바꾸어주는 변환 인자를 각 행에서 찾아, 그 행 전체에 곱해 주는 정규화 과정과;

   문턱처리 값을 최대값에 가까운 수치로 올려서 실제로 직선에 가까운 데이터만을 확보하는 강한 문턱처리 과정으로 이루어진 것을 특징으로 한 슬릿빔을 이용한 현미경의 자동초점조절방법.
4. 하부에서 상부측으로 대물렌즈(11), 광분할튜브(12), 줌모터(13A)를 갖는 줌렌즈(13), 결상렌즈(14), 수광소자배열(15)이 동일 광축(19) 상에 순차 배열되고, 상기 광분할튜브(12)의 일측으로 광원(16)이 구비되며, 상기 대물렌즈(11)의 초점거리에 위치하면서 광축(19)과 수직인 평면의 중심을 슬릿광선이 지나도록 하는 슬릿광선발생기(17)를 포함하는 프로브(1)와;

   상기 프로브(1)를 광축방향으로 구동시키는 구동모터(18) 및 이동거리를 감지하는 구동센서(3)와;

   상기 수광소자배열(15)로부터 얻은 디지털 영상신호를 전달받아 처리하는 영상수신기(21)와, 프로브(1)의 구동을 제어하는 구동제어기(22), 줌모터(13A)를 제어하는 줌구동 제어기(23), 슬릿광선발생기의 광강도를 조절하는 슬릿광선 제어기(24), 동축조명 광강도를 조절하는 동축조명 제어기(25)가 구비된 영상/제어부(2)와;로 구성된 것을 특징으로 한 슬릿빔을 이용한 현미경의 자동초점조절장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 슬릿광선발생기(17)는 일정한 각도로 경사지게 구비된 것을 특징으로 한 슬릿빔을 이용한 현미경의 자동초점조절장치.