KR20060033830A - 음향광학편향기와 선주사 카메라를 이용한 공초점 레이저선주사 현미경 - Google Patents

음향광학편향기와 선주사 카메라를 이용한 공초점 레이저선주사 현미경 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음향광학편향기와 선주사 카메라를 이용한 공초점 레이저 선주사 현미경에 관한 것이다.
본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경은, 광원, 빔 확장기, 주사장치, 결상광학계부, 주사광학계부, 시편을 구비하며; 상기 빔 확장기는 광원으로부터 조사된 빔의 공간여과를 한 후, 빔의 단면을 알맞은 모습으로 변형 확장시키고, Z축에 대해서 평행으로 진행하는 빔을 만들며; 상기 주사장치는 상기 빔확장기로부터 Z축에 대해 평행으로 진행하는 빔을 입사하여, XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시키고; 상기 주사광학계부는 상기 주사장치로부터 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 입사하여, 샘플에 선주사하며 샘플에 의하여 산란된 빔을 다시 입력하여 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔을 생성하고; 상기 주사장치는 상기 주사광학계부로 부터의 XZ평면에 평행한 빔이 입사하여, X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성하고; 상기 결상광학계부는 상기 주사장치를 통해 샘플에서 반사된 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입사하여, 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하는 공초점 레이저 선주사 현미경에있어서, 상기 주사장치는 적어도 음향광학편향기를 구비하며, 상기 결상광학계부는 적어도 선주사 카메라를 구비하는 것을 특징으로 한다.
공초점 레이저 주사 현미경, 선형주사 카메라, 음향광학편향기

Description

음향광학편향기와 선주사 카메라를 이용한 공초점 레이저 선주사 현미경{Confocal LASER　Line Scanning Microscope with Acousto-optic Deflector and Line scan camera}
도 1는 본 발명의 일 실시예에 의한 공초점 레이저 선주사 현미경의 광 신호처리부를 설명하기위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 공초점 레이저 선주사 현미경의 영상 데이터 처리부를 설명하기위한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경에서 반사경이 초점 면을 횡단해서 움직이 졌을때의 축방향 응답의 일예이다.
도 4a는 상용 광학 현미경의 2차원 CCD 카메라에 의해 얻어진 에어포스 타겟의 영상이다.
도 4b는 본 발명에 의한 공초점 레이저 선주사 현미경의 2차원 CCD 카메라에 의해 얻어진 에어포스 타겟의 영상이다.
도 5는 상용 광학 현미경의 스테이지가 초점 면을 횡단해서 움직여 질때, 마이크로미터 크기의 구조물의 영상의 일예이다.
도 6은 본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경의 스테이지가 초점 면을 횡단해서 움직여 질때, 마이크로미터 크기의 구조물의 영상의 일예이다.
본 발명은 음향광학편향기와 선주사 카메라를 이용한 공초점 레이저 선주사 현미경에 관한 것이다.
일반적 주사현미경은 레이저 주사 방식과 니코우(Nipkow) 디스크 방식의 두가지 분야로 대별된다.
레이저 주사 방식은 시편을 레이저로 초점을 맺어 점주사 방식으로, 두개의 갈바노미터를 이용하여, 일반적으로 광전자증배기와 같은 광검출기로 반사나 형광된 빛을 검출한다. 레이저 주사 방식은 갈바노미터의 주사 속도로 인해 영상 재생 속도에 제한을 받는다는 단점이 있다.
니코우(Nipkow) 디스크 방식의 입사빔은 비간섭 광원(백색광원)을 사용하고, 기계적 형상체(니코우 디스크)로 공초점 이미지를 얻기 위해 초점에서 벗어난 광원은 다시 기계적으로 제거하고, 2차원 CCD 카메라를 광검출기로 사용한다. 니코우 디스크 방식은 디스크에 장착된 다수의 고가의 마이크로 렌즈를 사용하기때문에 상당한 비용이 든다는 단점이 있다.
따라서 레이저 주사 현미경은 입사빔의 파장에 제한을 받고, 니코우 디스크방식을 이용한 기계식 주사현미경은 다파장의 백색광원을 사용하나 광원의 손실이 커서 신호대 잡음비가 감소된다. 또한 레이저 주사 현미경 및 기계식 주사현미경 둘다는 입사빔과 광검출기 사이의 동기화를 해야하며 이를 위한 별도의 장비가 요 구된다.
일반적으로 레이저 주사 현미경은 레이저를 광원으로 사용하며 관찰시료를 형광염로로 염색하여 레이저 주사방식에 의해 관찰시료 조직의 형광 영상을 얻는 것으로, 공초점 레이저 주사 현미경은 이러한 레이저 주사 현미경에서 분해능을 향상시킨 장비이다.
공초점 레이저 주사 현미경(confocal Laser Scanning Microscope)은 레이저를 광원으로 하여 포인트 소스(point source)에서 나오는 광을 사용해서 시료의 초점과 검출기 핀홀(detector pinhole)의 상의 초점을 일치시켜(confocal), 초점면 이외의 부분은 현미경 상에 나타나지 않게 함으로써 기존의 형광현미경보다 초점면에 대한 해상도가 1.4배 정도 높고, 광축(optical axis)에 핀홀을 설치하여 표본(specimen)을 통과 또는 표본에서 반사되는 광선 중 초점이 정확하게 맞는 광선만을 선택할 수 있도록 함으로써 해상력을 높이고 내부까지 단층으로 스캐닝하여 세포의 내부구조를 시각화할 수 있다. 또한 공초점 레이저 주사 현미경에 있어서, 이차원영상은 컴퓨터소프트웨어를 사용하여 다시 삼차원 또는 입체영상으로 재구축할 수 있기 때문에 종래에 관찰 할 수없었던 XZ 색션(section)의 이미지도 관찰 할 수 있으며 부피가 있는 구조물의 형태를 현미경을 통해 재구축하여 원하는 방향의 영상을 쉽게 얻을 수 있다.
종래의 공초점 주사 현미경는 광원으로부터 조사된 빛은 빔 공간필터 / 빔 확장기를 통과하면서 확장되어 평행 빔으로 만들어진 후 빔 스플리터에 의해 스캐닝(scanning) 장치로 유도된다. 이어서, 빛은 스캐닝 장치 및 원형 대물 렌즈에 의 해 한 번에 하나의 초점씩 샘플 상에 집속된다. 샘플로부터 발산되는 빛은 빔 스플리터를 통과하여 원형 수광 렌즈에 의해 수집되어서 바늘구멍 마스크로 수렴된다. 이 때, 샘플 상의 초점에서 발산한 빛은 마스트에 형성되어있는 바늘구멍을 통과하여 영상 처리계에 제공되지만, 초점에서 벗어난 위치로부터 발산된 빛은 바늘구멍을 통과하지 못한다. 따라서, 샘플상의 의도된 점들에 집속된 빛으로부터의 정보만이 최종 영상 형성에 반영되므로 뛰어난 3차원적 공간 분해능을 갖는다. 특히, 생체와 같이 빛에 대한 산란이 심한 물질로 이루어진 물체의 내부를 영상화하는 데에 매우 유용하게 사용될 수 있다. 그러나, TV 주사선 방식의 점주사 방식의 프레임 영상 획득 속도가 상당히 느린 단점이 있다.
또 다른 종래 기술로서, 빛의 효율성을 도모하고 스캐닝 속도를 향상시키고자, 선 모양의 빛을 이용하는 슬릿 현미경(Slit Microscope)이 제안된 바 있다. 이 장치는 영상프레임을 얻기 위하여, 갈바노미터 거울의 1차원적 회전 운동을 이용하여 선 모양 빔을 거울의 회전축을 중심으로 하는 원주를 따라 스캐닝 시키는 원형 선 스캐닝방식을 사용한다. 이는 초당 약 25 프레임의 속도로 점주사 방식 보다는 빠른 프레임 영상획득 속도를 가지나, 분해능이 TV 주사선 방식의 점주사 방식에 비하여 떨어지는 단점이 있다.
따라서 영상 획득 속도가 빠르며, 분해능이 뛰어난 고속 공초점 레이저 주사 현미경이 요망된다.
본 발명은 공초점 광학 기능, 음향광학 편향기를 사용해, 기존의 기계적 방식을 벗어나, 프레임 레이트가 빠른 선형 주사 카메라를 사용하여 실시간 영상 획 득 속도를 가지는 고속 공초점 레이저 주사 현미경과 그 방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 음향광학편향기와 선주사 카메라를 이용한 고속 공초점 레이저 선주사 현미경을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는 공초점 레이저 주사 현미경에 있어서 실시간 영상 획득 속도를 가지는 영상 형성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 특징점을 나열하면 다음과 같다.
본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경은, 광원, 빔 확장기, 주사장치, 결상광학계부, 주사광학계부, 시편을 구비하며; 상기 빔 확장기는 광원으로부터 조사된 빔의 공간여과를 한 후, 빔의 단면을 알맞은 모습으로 변형 확장시키고, Z축에 대해서 평행으로 진행하는 빔을 만들며; 상기 주사장치는 상기 빔확장기로부터 Z축에 대해 평행으로 진행하는 빔을 입사하여, XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시키고; 상기 주사광학계부는 상기 주사장치로부터 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 입력하여, 샘플에 선주사하며 샘플에 의하여 산란된 빔을 다시 입력하여 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔을 생성하고; 상기 주사장치는 상기 주사광학계부로 부터의 XZ평면에 평행한 빔이 입사하여, X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성하고; 상기 결상광학계부는 상기 주사장 치를 통해 시편에서 반사된 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입력받아, 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하는 공초점 레이저 선주사 현미경에있어서, 상기 주사장치는 적어도 음향광학편향기를 구비하며, 상기 결상광학계부는 적어도 선주사 카메라를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 주사장치는, 편광 빔 분배기, 1/4 파장판을 더 구비하며; 상기 빔확장기로부터의 빔을 상기 편광 빔 분배기와 1/4 파장판을 통해 우원편광된 빔을 생성하며, 이로부터 상기 음향광학 편향기는 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 생성하고; 상기 주사광학계부로부터의 XZ평면에 평행한 빔을 입사된 상기 음향광학 편향기는 좌원편광된 빔을 생성하며, 이로부터 1/4 파장판을 통해 Y축방향과 평행인 선형편광빔을 생성하여, 상기 편광 빔분배기를 통해 상기 결상광학계부로 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 결상 광학계부는, 상기 주사장치의 출력인 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입사하여, YZ 평행 빔을 생성하는 결상원통렌즈; 상기 결상원통렌즈의 초점면에서 선 모양으로 집속된 빛만이 통과하여 추출되도록 배치되어 있으며, 중심의 슬릿은 결상원통렌즈의 광축에 위치하고, 슬릿의 길이 방향은 Y축과 평행한 슬릿형 마스크; 상기 슬릿형 마스크를 통과한 선 모양의 빛으로부터 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하여, 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 변환하는 선형주사 카메라;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경은 X축 방향과 평행인 편광 빔의 레이저를 조사하는 광원; 상기 광원으로부터 조사된 빔의 공간여과를 하고 빔의 단면 을 확장하여 Z축에 대해서 평행으로 진행하는 빔을 출력하는 빔 확장기; 상기 빔확장기로부터 빔을 입력받아 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시키는 주사장치; 상기 주사장치로부터 출력된 빔을 샘플에 선주사하며, 샘플에 의하여 산란된 빔을 상기 주사장치로 보내는 주사광학계부; 상기 주사광학계부로 부터의 샘플에의해 산란된 빔을 상기 주사장치를 통해 입력받아, 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하는 결상 광학계부;를 구비하는 공초점 레이저 선주사 현미경에 있어서, 상기 주사장치는, 상기 빔확장기를 통해 입사된 빔을 수평 방향으로 편광된 빔으로 바꾸는 편광빔 분배기; 상기 편광 빔 분배기으로부터 1/4 파장판을 통과한 우원 편광된 빔을 받아들여, XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시켜 주는 음향광학 편향기;를 적어도 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경은, 샘플에 빔을 선주사하고, 샘플에 의하여 산란된 빔이 다시 입사되어, XZ평면에 평행한 빔을 생성하는 주사광학계부; 상기 주사광학계부로 부터의 출력인 XZ평면에 평행한 빔이 입사하여, X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성하는 주사장치; 상기 주사장치의 출력인 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입사하여, 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하는 결상광학계부;를 적어도 구비하는 공초점 레이저 주사 현미경에 있어서, 상기 결상 광학계부는 상기 주사장치의 출력인 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입사하여, YZ 평행 빔을 생성하는 결상원통렌즈; 상기 결상원통렌즈의 초점면에서 선 모양으로 집속된 빛만이 통과하여 추출되도록 배치되어 있으며, 중심의 슬릿은 결상원통렌즈의 광축에 위치하고, 슬릿의 길이 방향은 Y축과 평행한 슬릿형 마스크; 상기 슬릿형 마스크를 통과한 선 모양의 빛으로부터 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하여, 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 변환하는 선형주사 카메라;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 광원은 헬륨-네온(He-Ne) 레이저로 이루어진다.
상기 주사광학계부는, 전달렌즈, 주사렌즈, 주사원통렌즈, 대물렌즈로 이루어지며; 상기 주사장치로 부터 출력된 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 상기 전달렌즈, 주사렌즈, 주사원통렌즈, 대물렌즈를 거쳐 샘플에 선주사하며; 상기 샘플에 선주사된 빔은 샘플에 의하여 산란되어 일부분이 상기 대물렌즈의 개구 안으로 다시 입사되며; 상기 주사원통렌즈는, 상기 샘플에 의하여 산란되어 일부분이 상기 대물렌즈의 개구 안으로 다시 입사된 빔 중에서, 상기 주사원통렌즈의 초점면에 집속된 빔으로부터 산란되어 온 빔만을 통과시켜 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하며; 상기 주사원통렌즈의 출력인 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔은 상기 주사렌즈 및 전달렌즈를 통해 상기 주사장치로 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 빔 확장기는 빔 공간필터, 제1확장렌즈, 제2확장렌즈를 구비한다.
상기 대물렌즈를 통과한 빔의 샘플에서의 주사 방향은 투사된 빔의 전파 방향에 수직하며, 샘플에 대한 주사는 선 주사를 위해 한 방향으로 만 행해지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경은, 샘플의 여러 부분에서 산란된 빔들 중에서 주사원통렌즈의 초점면에 집속된 빔의 위치로부터 산란되어 온 빔만이 선 모양으로 결상원통렌즈와 슬릿형마스크를 통해 입력하여, 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 바꾸어 출력하는 선형 주사 카메라; 상기 선형주사 카메라의 출력신호를 입력 받아 디지털화하여 선 화소 정보로서 임시로 저장하는 프레임 그레버; 상기 프레임 그레버로부터 입력되는 샘플에 대한 데이터를 조합하여 샘플의 2차원 또는 3차원적 구조를 합성하며 물리량을 분석하는 프로세서; 상기 프로세서로 부터 분석결과에 따라 음향광학 편향기의 제어 신호 및 선형 주사 카메라의 속도제어신호를 생성하는 제어기; 상기 제어기의 출력신호인 상기 음향광학 편향기의 제어 신호 및 선형 주사 카메라의 속도제어신호에 따라 음향광학 편향기의 구동 신호 및 선형 주사 카메라의 속도제어부의 구동신호를 발생하는 함수발생기;를 적어도 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 음향광학 편향기의 구동 신호 및 상기 선형 주사 카메라의 속도제어부의 구동신호의 위상을 같도록 동기화시켜주는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경의 영상형성방법은, 주사원통렌즈, 대물렌즈,음향광학 편향기, 1/4 파장판, 편광 빔 분배기, 결상원통렌즈, 슬릿형 마스크, 선형주사 카메라를 적어도 구비한 공초점 레이저 주사 현미경의 영상형성방법에 있어서, 상기 대물렌즈는 상기 주사원통렌즈에서 입력된 빔을 샘플에 집속하며, 이렇게 샘플에 집속되는 빔은 샘플에 의하여 산란되어 일부분이 상기 대물렌즈의 개구 안으로 다시 입사되는 산란단계; 상기 주사원통렌즈는 상기 산란단계의 상기 대물렌즈의 개구 안으로 다시 입사된 빛 중에서 주사원통렌즈의 초점면에 집속된 빔으로부터 산란되어 온 빛만을 통과시켜 XZ평면에 평행 빔을 생성하는 주사원 통렌즈 통과단계; 상기 주사원통렌즈 통과단계의 출력인 XZ평면에 평행 빔은 음향광학 편향기, 1/4파장판을 거쳐 Y축 방향과 평행인 선형 편광빔으로 변환되는 Y축방향 편광빔 변환단계; 상기 편광 빔 분배기는 상기 Y축방향 편광빔 변환단계의 출력신호인 Y축 방향과 평행인 선형 편광빔을 입사하여, X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성하는 X축방향 편광빔 생성단계; 상기 결상원통렌즈는 상기 X축방향 편광빔 생성단계의 출력신호인 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입력받아, 결상원통렌즈의 초점면에서 선 모양으로 집속하여 YZ 평행 빔을 생성하는 YZ평행빔 생성단계; 상기 선형주사 카메라는 상기 YZ평행빔 생성단계의 출력신호를 슬릿형 마스크 통해 입력하여 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하며 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 바꾸는 영상검출 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경의 영상형성방법은, 광원으로 부터 X축 방향과 평행인 편광 빔의 레이저를 조사하는 빔조사 단계; 상기 빔조사 단계에서 조사된 빔의 공간여과를 하고 빔의 단면을 확장하여 Z축에 대해서 평행으로 진행하는 빔을 출력하는 빔확장 단계; 상기 빔확장 단계로부터 빔을 입력받아 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시키는 주사 단계; 상기 주사단계로부터 출력된 빔을 샘플에 선주사하며, 샘플에 의하여 산란되는 산란단계; 상기 산란단계의 산란된 빔을 입력받아, 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하는 영상 형성단계;를 구비하는 공초점 레이저 주사 현미경의 영상형성방법에 있어서, 상기 주사단계는, 편광빔 분배기에서 상기 빔확장단계를 통해 입력된 빛을 수평 방향으로 편 광된 빔을 생성하는 편광빔 분배단계; 상기 편광 빔 분배단계의 출력신호를 1/4 파장판을 통과하여 우원 편광된 빔을 음향광학 편향기로 입사하여, 상기 음향광학 편향기에서 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시켜 주는 반복 편향빔 발생단계;를 적어도 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 의한 공초점 레이저 선주사 현미경의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 의한 공초점 레이저 선주사 현미경의 광 신호처리부를 설명하기위한 개략도로서 광원(100), 빔 확장기(200), 주사장치(300), 결상광학계부(400), 주사광학계부(500), 시편(600)을 구비한다.
빔 확장기(200)는 광원(100)으로부터 조사된 빔의 공간여과(Spatial filtering)를 한 후, 빔의 단면을 알맞은 모습으로 변형 확장시키고, Z축에 대해서 평행으로 진행하는 빔을 만든다. 주사장치(300)는 빔확장기(200)로부터 Z축에 대해 평행으로 진행하는 빔을 입력받아, XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시킨다. 주사광학계부(500)는 주사장치(300)로부터 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 입력하여 샘플(600)에 선주사하고, 샘플(600)에 의하여 산란된 빔을 다시 입력하여 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔을 생성한다. 주사장치(300)는 주사광학계부(500)로 부터의 XZ평면에 평행한 빔이 입사하여, X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성한다. 결상광학계부(400)는 주사장치(300)를 통해 시편에서 반사된 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입력받아, 샘플(600)의 정보에 대한 영상을 형성한다.
광원(100)은 X축 방향과 평행인 편광 빔의 레이저를 조사한다. 본 발명에서는 광원으로 헬륨-네온(He-Ne) 레이저를 사용한다.
빔 확장기(200)는 광원(100)으로부터 조사된 빔의 공간여과(Spatial filtering)를 한 후, 빔의 단면을 알맞은 모습으로 변형 확장시키고, Z축에 대해서 평행으로 진행하는 빔을 만든다. 이 때, 대물렌즈(540)의 개구(aperture)와 교차하는 빔의 단면적은 사각 형태이다. 빔 확장기(200)는 제1확장렌즈(210), 빔 공간필터(220), 제2확장렌즈(230)를 구비한다.
제1확장렌즈(210)는 광원(100)에서 나온 빔이 한번 초점에 모였다가 확장되게 해주는 역할을 한다. 제1확장렌즈(210)는 볼록렌즈로 이루어진다.
빔 공간필터(220)는 광원(100)으로부터 제1확장렌즈(210)를 통해 조사된 빔을 공간여과를 한다. 빔 공간필터(220)는 핀홀로 이루어지며, 빔이 중심을 기준으로 고르게 퍼져 있는 가우시안 모양으로 만들어 주고, 주변의 잡음이나 사이드로브(side-lobe)를 줄여주는 역할을 한다.
제2확장렌즈(230)는 제1확장렌즈(210)에 의해 확대된 레이저빔을 일정한 크기로 만들어 주는 역할을 한다. 제2확장렌즈(230)는 볼록렌즈로 이루어진다. 즉 제1확장렌즈(210)로 부터 빔 공간필터(220)을 거쳐 제2확장렌즈(230)로 입사된 빔은 제2확장렌즈(230)에 의해 일정한 크기로 만들어진다.
제1확장렌즈(210) 및 제2확장렌즈(230)는 빔의 단면을 알맞은 모습으로 변형 확장시키고 Z축에 대해서 평행으로 진행하는 빔을 만든다. 즉 제1확장렌즈(210) 및 제2확장렌즈(230)는 볼록렌즈로, 광원(100)의 레이저 빔이 대물렌즈의 개구를 채우 도록 확장렌즈(210) 및 제2확장렌즈(230)에 의해 확장되어진다.
주사장치(300)는 빔확장기(200)로부터 Z축에 대해 평행으로 진행하는 빔을 입력받아, XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시켜 주사광학계부(500)로 전달한다. 또한, 주사장치(300)는 주사광학계부(500)로 부터 XZ평면에 평행한 빔이 입사하여, X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성하여 결상광학계부(400)로 전달한다. 주사장치(300)는 편광 빔 분배기(310), 1/4 파장판(320), 음향광학 편향기(330)로 이루어진다.
편광 빔 분배기(310)는 Z축방향과 평행한 편광빔은 투과 시키고, Y축방향과 평행한 편광빔은 반사시킨다. 빔확장기(200)의 제2확장렌즈(230)를 통해 입력된 Z축방향과 평행한 빔은 편광 빔 분배기(310)에서 투과되어 1/4 파장판(320)으로 전달된다. 또한, 1/4 파장판(320)에서 편광 빔 분배기(310)로 입사된 Y축방향과 평행인 선형편광빔은 편광 빔분배기(310)에서 반사하여, 즉 X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성하여 결상광학계부(400)의 결상원통렌즈(410)로 전달된다.
1/4 파장판(320)은 편광 빔 분배기(310)에서 투과된 빔인 Z축방향과 평행한 빔이 입사되어, 우원편광된 빔을 생성하여 음향광학 편향기(330)로 전달한다. 또한 1/4 파장판(320)은 음향광학 편향기(330)로 부터 좌원편광된 빔이 입사되어, Y축방향과 평행인 선형편광빔을 생성하여 편광 빔분배기(310)로 전달한다.
음향광학 편향기(330)는 1/4 파장판(320)에서 우원 편광된 빔이 입사하여, XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 생성하며, 이를 주사광학계부(500)의 전달렌즈(510)으로 전달한다. 또한, 음향광학 편향기(330)는 주사광학계 부(500)의 전달렌즈(510)로부터 XZ평면에 평행한 빔이 입사하여, 좌원편광된 빔을 생성하며, 이를 1/4 파장판(320)으로 전달한다.
특히 음향 광학 편향기(330)는 음파가 PZT로 인해 광학 물질의 투명한 판에서 생기면 이러한 진행파들은 조밀(compression)과 희박(rarefaction)의 두 진형으로 나타나서 투과형 회절 그레이팅으로 행동한다. 단파장의 레이저 빔이 이 브래그 셀(Bragg cell)에 입사시, 빔을 편향하는 장치로 편향되는 빔의 주사각도와 주사속도는 브래그 셀에 입사하는 PZT에 의한 음파의 주파수에 따라 변화된다. 이러한 변화는 음파간 거리의 일정한 변화에 따른다. 음향 광학 편향기(330)는 1차회전효율이 약 80%이며 최대회절각이 2.75도이다.
주사광학계부(500)는 주사장치(300)로부터 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 입력하여 샘플(600)을 선주사하고, 샘플(600)에 의하여 산란된 빔을 다시 입력하여 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔을 생성하여 주사장치(300)로 전달한다. 주사광학계부(500)는 전달렌즈(510), 주사렌즈(520), 주사원통렌즈(530), 대물렌즈(540)로 이루어진다. 본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경의 시야는 60㎛으로, 이는 음향 광학 편향기(330)의 회절각 및 주사광학계부(500)의 전달렌즈(510), 주사렌즈(520), 대물렌즈(540)에 의해 결정된다.
전달렌즈(510)는 빔을 더 이상 퍼지지 못하게 하는 역할을 한다. 전달렌즈(510)는 주사장치(300)의 음향 광학 편향기(330)로 부터의 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 더 이상 퍼지지 못하게 하며 이를 주사렌즈(520)로 전달한다. 또한, 전달렌즈(510)는 주사렌즈(520)로부터의 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔을 더 이상 퍼지지 못하게 하며 이를 주사장치(300)의 음향 광학 편향기(330)로 전달한다.
주사렌즈(520)는 전달렌즈(510)를 통하여 나온 빔을 대물렌즈(530)의 뒤개구멍(back aperture)에 넣어주는 역할을 한다. 주사렌즈(520)는 전달렌즈(510)로부터의 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔을 주사원통렌즈(530)로 전달한다. 또한 주사렌즈(520)는 주사원통렌즈(530)로 부터의 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔을 전달렌즈(510)로 전달한다.
주사원통렌즈(530)는 선형초점을 맺히게 하는 것으로, 여기서는 선주사를 위해 사용된 것이다. 즉 주사원통렌즈(530)는 전달렌즈(510), 주사렌즈(520), 대물렌즈(540)를 통과한 빔이 시료면에 조사될때, 선모양이 될 수 있게 해주는 역할을 한다. 주사원통렌즈(530)에 의해 XY면의 광 경로가 서로달라지게된다. 주사원통렌즈(530)는 원통모양이기때문에 한쪽면으로만 초점이 모이게 되는데 이 현상에 의해서 주사원통렌즈(530)에 의해서 시료면에서 선모양의 초점이 맺히게 된다. 즉, 주사원통렌즈(530)는 주사렌즈(520)로부터의 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔을 입력하여, 대물렌즈(540)를 통해 시료면에 선모양의 초점이 맺히게 한다.
또한, 주사원통렌즈(530)는, 샘플(600)에 의하여 산란되어 일부분이 대물렌즈(540)의 개구 안으로 다시 입사된 빛 중에서, 주사원통렌즈(530)의 초점면에 집속된 빛으로부터 산란되어 온 빛만을 통과시킨다. 이렇게 하여 주사원통렌즈(530) 를 통과한 빛은 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행한다. 이 때, 주사원통렌즈(530)는 Y축 방향으로는 렌즈 작용을 하지 않으므로, XZ평면과 수직인 면에서는 빛의 진행 방향이 대상물에서 산란된 방향을 그대로 유지한다.
대물렌즈(540)는 주사원통렌즈(530)에서 입력된 빔을 샘플(600)에 집속한다. 대물렌즈(540)를 통과하여 샘플에 집속되는 빛은 샘플(600)에 의하여 산란되어 일부분이 대물렌즈(540)의 개구 안으로 다시 입사된다. 대물렌즈(540)는, 대물렌즈(540)로 투사된 빔의 형태가 선으로 되어지기 때문에, 비점수차(非點收差)(astigmatism)에 기인하여 1차 이미지와 2차 이미지를 형성한다. 대물렌즈(540)로 투사된 빔이 이루는 선의 길이는 대물렌즈의 직경과 같다.
샘플(600)에서 주사 방향은 투사된 빔의 전파 방향에 수직한다. 시편의 샘플(600)의 주사는 XY면과 광 경로인 Z축을 따라서 깊이로 평행한 면들이 진행을 하게 된다. 즉, 시편 위를 선형 빔이 주사된다. 샘플에 대한 주사는 선 주사를 위해 한 방향으로 만 행해진다. 2차 이미지면에서 선 초점의 방향은 Y축을 따른다. 2차 이미지가 공초점 이미지로 사용되어진다. 한편 1차 이미지면에서 선 초점의 방향은 X축을 따른다. 대물렌즈(540)는 개구수(NA)가 0.8이며 배율이 50인 대물렌즈를 사용할 수 있다.
결상광학계부(400)는 주사장치(300)를 통해 시편에서 반사된 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입력받아, 샘플(600)의 정보에 대한 영상을 형성하는데, 이때 선형주사 카메라(430)의 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 바꾸어 프레임 그레버로 출력한다. 결상광학계부(400)는 결상원통렌즈(410), 슬릿형 마스크(420), 선형주사 카메라(430)로 이루어진다. 즉, 샘플의 여러 부분에서 산란된 빔들 중에서 주사원통렌즈(530)의 초점면(620)에 집속된 빔의 위치로부터 산란되어 온 빔만이 선 모양으로 결상원통렌즈(410)와 슬릿형마스크 (420)를 지나 선형 주사 카메라(430)로 진행한다.
결상원통렌즈(410)는 선형 초점이 맺히도록 하는 것이다. 결상원통렌즈(410)는 주사장치(300)의 편광 빔 분배기(310)를 통해 시편에서 반사된 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입력받아, 결상원통렌즈(410)에서 원통형 축 방향이 Y축과 평행하고 광축 방향이 Z축과 평행하게 지난 빔은 결상원통렌즈(410)에서 XZ평행빔을 결상원통렌즈(410)의 초점면에서 선 모양으로 집속된 YZ 평행 빔을 생성한다. 이 YZ 평행 빔은 슬릿형 마스크(420)를 통해 선형 주사 카메라(403)의 검광면에 최적의 크기로 선명하게 영상이 맺히도록 한다. 이 때, 선 모양으로 집속되는 빛의 길이 방향은 Y축 방향과 평행하게 된다. 특히 본 발명에서 결상원통렌즈(410)와 주사원통렌즈(530)는 선형 초점이 맺히도록 돕는 렌즈로, 본 발명에서는 한 쌍으로 작용하며 샘플(600)에서 반사된 빛이 실제 이미지와 같이 초점을 이루도록 즉, 영상을 만드는 이미징 렌즈의 역할을 한다.
슬릿형 마스크(420)는 사이드로브와 같은 잡음을 제거하기위한 필터와 같은 역할을 하며, 폭이 매우 좁은 슬릿을 가지고 있다. 결상원통렌즈(410)의 초점면에서 선 모양으로 집속된 빛만이 슬릿을 통과하여 추출되도록 배치한다. 슬릿형 마스크(420)의 중심의 슬릿은 결상원통렌즈(410)의 광축에 위치하고, 슬릿의 길이 방향은 Y축과 평행하다. 슬릿형 마스크(420)의 슬릿을 통하여 선형 주사 카메라(430)로 진행할 수 있는 빛은 결상 원통 렌즈(410)에 Y축과 평행으로 입사한 빔으로 한정된다.
선형주사 카메라(430)는 슬릿형 마스크(420)를 통과한 선 모양의 빛으로부터 샘플(600)의 정보에 대한 영상을 형성한다. 선형 주사 카메라(430)는 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 바꾼다. 이 전기 신호, 즉 선형주사 카메라(430)의 출력신호는 프레임 그레버(450)에서 디지털 화하여 선 화소(line pixel) 정보로서 임시로 저장하며, 또는 저장된 정보를 영상 구성 및 분석부(800)로 보내어 화면에 디스플레이 한다. 선형주사 카메라(430)는 라인 레이트(line rate)가 67.1KHz의 선형 주사 카메라를 사용할 수 있다. 즉 이러한 선형 주사 카메라의 라인 레이트는 67.1KHz/line으로, 영상데이터 획득 속도는 초당 131프레임 이상의 상당히 빠른 속도를 가진다.
도 1의 공초점 레이저 선주사 현미경의 광 신호처리부을 광로를 따라 설명하면 다음과 같다.
광원(100)에서 조사된 X축 방향과 평행인 편광 빔이, 제1확장렌즈를 통해 확대되고, 빔 공간필터(220)에서 공간여과되고, 제2확장렌즈(230)를 통해 일정한 크기의 빔으로 되어, Z축에 대해 평행하게 진행한다.
이 Z축방향과 평행한 빔은 편광 빔 분배기(310)에서 투과되고, 1/4 파장판(320)을 통해 우원편광된 빔을 생성하며, 음향광학 편향기(330)로 전달하며, 음향광학 편향기(330)는 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 생성한다.
음향 광학 편향기(330)로 부터의 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 전달렌즈(510) 및 주사렌즈(520)를 거쳐 주사원통렌즈(530)로 전달한다. 이를 주사원통렌즈(530)는 대물렌즈(540)를 통해 샘플(600)에 집속한다. 대물렌즈(540)를 통과하여 샘플에 집속되는 빔은 샘플(600)에 의하여 산란되어 일부분이 대물렌즈(540)의 개구 안으로 다시 입사된다.
주사원통렌즈(530)는, 샘플(600)에 의하여 산란되어 일부분이 대물렌즈(540)의 개구 안으로 다시 입사된 빔 중에서, 주사원통렌즈(530)의 초점면에 집속된 빔으로부터 산란되어 온 빔만을 통과시키며, 이렇게 하여 주사원통렌즈(530)를 통과한 빔은 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하며, 이는 주사렌즈(520) 및 전달렌즈(510)를 통해 음향 광학 편향기(330)로 전달한다.
전달렌즈(510)로부터의 XZ평면에 평행한 빔으로부터, 음향광학 편향기(330)는 좌원편광된 빔을 생성하고, 1/4 파장판(320)에서 Y축방향과 평행인 선형편광빔을 생성하며, 편광 빔분배기(310)를 통해 X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성하여 결상원통렌즈(410)로 전달한다.
편광 빔 분배기(310)를 통해 X축 방향과 평행인 편광 빔으로부터, 결상원통렌즈(410)는 YZ 평행 빔을 생성하며, 슬릿형 마스크(420)를 통해 선형 주사 카메라(403)의 검광면에 최적의 크기로 선명하게 영상이 맺히도록 한다. 선형 주사 카메라(430)는 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 바꾸며, 프레임 그레버(450)는 이를 디지털 화하여 선 화소(line pixel) 정보로서 임시로 저장하며, 저장된 정보를 영상 구성 및 분석부(800)로 보내어 화면 에 디스플레이 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 공초점 레이저 선주사 현미경의 영상 데이터 처리부를 설명하기위한 블럭도으로, 영상 데이터 획득부(700),영상 구성 및 분석부(800)으로 나눌 수 있다.
영상데이터 획득부(700)는 결상광학계부(400), 프레임그레버(450)으로 이루어진다.
결상광학계부(400)는 결상원통렌즈(410), 슬릿형 마스크(420), 선형주사 카메라(430)로 이루어지며, 샘플의 여러 부분에서 산란된 빔들 중에서 주사원통렌즈(530)의 초점면(620)에 집속된 빔의 위치로부터 산란되어 온 빔만이 선 모양으로 결상원통렌즈(410)와 슬릿형마스크 (420)를 지나 선형 주사 카메라(430)로 진행하게 되며, 선형 주사 카메라(430)는 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 바꾼다.
프레임 그레버(450)는 결상광학계부(400)의 선형주사 카메라(430)의 출력신호인 전기 신호를 입력 받아, 디지털 화하여 선 화소(line pixel) 정보로서 임시로 저장하거나, 또는 저장된 정보를 영상 구성 및 분석부(800)에 제공한다. 프레임 그레버(450)는 화소크기가 512 X 512 화소인 2차원 영상들을 형성한다. 즉, 선형주사 카메라(430)는 샘플에 대한 광학 영상의 원시 데이터(raw data)를 프레임 그레버(410)로 보내며, 프레임 그레버(410)는 이 원시 데이터를 프레임으로 만들어 2차원 광학 영상 획득 기능을 가지게 한다.
선형주사 카메라(430)의 라인 레이트가 67.1KHz/line이면, 영상데이터 획득 속도는 초당 131프레임 이상의 상당히 빠른 속도를 가지며, 영상 데이터 획득부(700)는 초당 약 60 프레임의 상당히 빠른 실시간 영상 획득을 할 수 있다.
영상 구성 및 분석부(800)는 제어기(810), 프로세서(820), 화면기(830), 입/출력기(804)로 구성된다.
프로세서(820)는 프레임 그레버(410)로부터 입력되는 샘플에 대한 원시 데이터를 조합하여 샘플의 2차원 또는 3차원적 구조를 합성하거나 필요한 물리량을 분석한다.
제어기(810)는 샘플의 여러 위치로부터 오는 정보를 얻기 위하여, 프로세서(820)를 통하여 입력되는 정보에 따라, 음향광학 편향기(330)의 제어 신호와 선형주사 카메라(430)의 속도제어신호를 연산처리하여 함수발생기(340)로 출력한다. 특히 음향광학 편향기(330)의 구동신호와 선형주사 카메라(430)의 속도제어부(435)의 구동신호는 위상을 같게 동기화시켜주어야 하는데, 이를위해 제어기(810)는 소정의 연산처리를 하여 음향광학 편향기(330)의 제어 신호와 선형주사 카메라(430)의 속도제어신호를 함수발생기(340)로 출력한다.
화면기(830)는 프로세서(820)로부터의 출력신호를 받아서 화면으로 출력하는 기능을 갖는다.
입/출력기(840)는 외부의 사용자 또는 다른 장치들로부터 동작 명령을 입력받아서 프로세서(820)로 전달하며, 또한 프로세서(800)의 분석 결과 신호를 다른 장치로 전달한다.
함수발생기(340)는 2 채널로 이루어지는데, 그중 한채널은 음향광학 편향기(330)를 구동시키기 위한 채널이고, 다른 한채널은 선형주사 카메라(430)의 속도를 조절하기위한 채널이다.
함수발생기(340)는 음향광학 편향기(330)의 제어 신호를 제어기(810)를 통해 수신하고, 이 제어신호에 따라 음향광학 편향기(330)의 구동 신호를 발생하여 음향광학 편향기(330)로 출력한다. 본 발명에서 음향광학 편향기(330)의 구동신호로는 램프파를 사용하였으며 음향광학 편향기(330)는 상기 램프파의 진폭에 따라서 빔이 스캐닝이 된다.
함수발생기(340)는 선형주사 카메라(430)의 속도제어신호를 제어기(810)를 통해 입력하고, 이 제어신호에 따라 선형주사 카메라(430)의 속도제어부 구동신호가 발생하여, 선형주사 카메라(430)의 속도제어부로 출력된다. 본 발명에서 선형주사 카메라(430)의 속도제어부 구동신호로 TTL신호를 사용한다.
특히 음향광학 편향기(330)의 구동신호와 선형주사 카메라(430)의 속도제어부 구동신호는 위상을 같게 동기화시켜주어야 한다.
다음은 본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경이 상당히 빠른 실시간 영상 획득을 하면서도 그 결과가 종래의 공초점 현미경과 다름없이 통상의 공초점 신호가 획득될 수 있음을 검증한다.
도 3은 본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경에서 반사경이 초점 면을 횡단해서 움직이 졌을때의 축방향 응답(axial response)의 일예이다. 도 3은 반사경(mirror)이 초점 면을 횡단해서 움직이 졌을때, 슬릿을 통과한 빛의 강도를 측정하여 축방향 응답을 구한 것이다. 도 3에서와 같이, 통상의 공초점 신호가 획득되었 다. Z의 포지티브 값이 대물렌즈와 반사경 사이의 거리가 증가되었음을 나타냈다. 반치폭(full-width at half-maximum)(FWHM)이 3.5㎛이다.
도 4a는 상용 광학 현미경의 2차원 CCD 카메라에 의해 얻어진 에어포스 타겟(air-force target)의 영상이고, 도 4b는 본 발명에 의한 공초점 레이저 선주사 현미경의 2차원 CCD 카메라에 의해 얻어진 에어포스 타겟의 영상이다.
도 4a 및 도 4b의 에어포스 타겟은 에드먼드 오틱스(Edmund optics)사의 에어포스 타겟(Edmund optics, 36408)이다. 도 4a 및 도 4b에서 상용 광학 현미경 및 본 발명에 의한 공초점 레이저 선주사 현미경은 동일한 대물렌즈를 사용하였다. 도 4a 및 도 4b의 공초점 이미지 둘다는 디지탈적으로 처리되지 않았다. 본 발명에 의한 공초점 레이저 선주사 현미경의 시야(도 4b)가, 음향광학 편향기(330)의 작은 회절 각에 기인하여, 광학 현미경의 시야(도 4a)보다 작다. 도 4a 및 도 4b의 각 이미지의 시야와 화소크기를 고려하면, 공초점 이미지의 분해능이 광학 줌(optical zoom)과 같이 증가되었다. 도 4b에서 X축의 분해능은 Y축의 분해능보다 더 좋다. Y축의 분해능은, 그 샘플에 초점되어진 방향이 Y축과 평행하기 때문에, 광학현미경의 분해능과 거의 같다.
본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경의 깊이 식별력(depth discrimination)을 확인하기위해서, 공초점 레이저 선주사 현미경의 이미지를 광학 현미경의 이미지와 비교하였다.
도 5는 상용 광학 현미경의 스테이지가 초점 면을 횡단해서 움직여 질때, 마이크로미터 크기의 구조물의 영상의 일예이고, 도 6은 본 발명의 공초점 레이저 선 주사 현미경의 스테이지가 초점 면을 횡단해서 움직여 질때, 마이크로미터 크기의 구조물의 영상의 일예이다.
도 5 및 도 6은 광학 리소그래피(lithography)에 의해 만들어진 마이크로미터(micrometer) 크기의 구조물의 영상이다. 도 5의 (a) 및 (b)에서와 같이, 광학현미경의 스테이지가 초점 면을 횡단해서 움직여 질때, 그 이미지는 희미해졌다.
그러나 도 6의 (a)에서 (d)와 같이, 본 발명의 공초점 레이저 선주사 현미경의 스테이지가 초점 면을 횡단해서 움직여 질때, 서로다른 공초점 이미지들이 도 6의 (a) 내지 (d)와 같이 얻어졌다.
따라서 본 발명의 공초점 선형 주사 현미경은 영상 획득 속도가 빠르며, 분해능이 뛰어남을 알 수 있다.
본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 음향광학편향기와 선주사 카메라를 이용한 고속 공초점 레이저 선주사 현미경을 제공하며, 또한 본 발명의 공초점 레이저 주사 현미경은 실시간 영상 획득 속도를 가지는 영상 형성 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명에서 새로운 고속 공초점 선형 주사 현미경을 제안했다. 본 발명의 새로운 고속 공초점 선형 주사 현미경은 음향광학 편향기(330)와 선형 주사 카메라 (430)가 사용되어짐으로써, 공초점 이미지가 움직이는 부분없이 초당 60프레임 획득되어질 수 있다. 본 발명의 공초점 선형 주사 현미경은 이렇게 영상 획득 속도가 빠를 뿐만아니라, 분해능이 뛰어난다.
본 발명의 고속 공초점 선형 주사 현미경은 임상적 응용과 생물학적 응용에서 매우 빠른 반응이나 현상을 분석하는데 아주 유용할 것이다.

Claims (13)

  1. 광원, 빔 확장기, 주사장치, 결상광학계부, 주사광학계부, 시편을 구비하며;
    상기 빔 확장기는 광원으로부터 조사된 빔의 공간여과(Spatial filtering)를 한 후, 빔의 단면을 알맞은 모습으로 변형 확장시키고, Z축에 대해서 평행으로 진행하는 빔을 만들며;
    상기 주사장치는 상기 빔확장기로부터 Z축에 대해 평행으로 진행하는 빔을 입력받아, XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시키고;
    상기 주사광학계부는 상기 주사장치로부터 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 입력하여, 샘플에 선주사하며 샘플에 의하여 산란된 빔을 다시 입력하여 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔을 생성하고;
    상기 주사장치는 상기 주사광학계부로 부터의 XZ평면에 평행한 빔이 입사하여, X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성하고;
    상기 결상광학계부는 상기 주사장치를 통해 시편에서 반사된 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입력받아, 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하는 공초점 레이저 주사 현미경에있어서,
    상기 주사장치는 적어도 음향광학편향기를 구비하며,
    상기 결상광학계부는 적어도 선주사 카메라를 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주사장치는,
    편광 빔 분배기, 1/4 파장판을 더 구비하며;
    상기 빔확장기로부터의 빔을 상기 편광 빔 분배기와 1/4 파장판을 통해 우원편광된 빔을 생성하며, 이로부터 상기 음향광학 편향기는 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 생성하고;
    상기 주사광학계부로부터의 XZ평면에 평행한 빔을 입사된 상기 음향광학 편향기는 좌원편광된 빔을 생성하며, 이로부터 1/4 파장판을 통해 Y축방향과 평행인 선형편광빔을 생성하여, 상기 편광 빔분배기를 통해 상기 결상광학계부로 전달하는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  3. 제1항에있어서,
    상기 결상 광학계부는
    상기 주사장치의 출력인 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입사하여, YZ 평행 빔을 생성하는 결상원통렌즈;
    상기 결상원통렌즈의 초점면에서 선 모양으로 집속된 빛만이 통과하여 추출되도록 배치되어 있으며, 중심의 슬릿은 결상원통렌즈의 광축에 위치하고, 슬릿의 길이 방향은 Y축과 평행한 슬릿형 마스크;
    상기 슬릿형 마스크를 통과한 선 모양의 빛으로부터 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하여, 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 변환하는 선형주사 카메라;를 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  4. X축 방향과 평행인 편광 빔의 레이저를 조사하는 광원; 상기 광원으로부터 조사된 빔의 공간여과를 하고 빔의 단면을 확장하여 Z축에 대해서 평행으로 진행하는 빔을 출력하는 빔 확장기; 상기 빔확장기로부터 빔을 입력받아 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시키는 주사장치; 상기 주사장치로부터 출력된 빔을 샘플에 선주사하며, 샘플에 의하여 산란된 빔을 상기 주사장치로 보내는 주사광학계부; 상기 주사광학계부로 부터의 샘플에의해 산란된 빔을 상기 주사장치를 통해 입력받아, 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하는 결상 광학계부;를 구비하는 공초점 레이저 선주사 현미경에 있어서,
    상기 주사장치는,
    상기 빔확장기를 통해 입사된 빔을 수평 방향으로 편광된 빔으로 바꾸는 편광빔 분배기;
    상기 편광 빔 분배기으로부터 1/4 파장판을 통과한 우원 편광된 빔을 받아들여, XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시켜 주는 음향광학 편향기;를 적어도 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  5. 샘플에 빔을 선주사하고, 샘플에 의하여 산란된 빔이 다시 입사되어, XZ평면에 평행한 빔을 생성하는 주사광학계부; 상기 주사광학계부로 부터의 출력인 XZ평 면에 평행한 빔이 입사하여, X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성하는 주사장치; 상기 주사장치의 출력인 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입사하여, 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하는 결상광학계부;를 적어도 구비하는 공초점 레이저 선주사 현미경에 있어서,
    상기 결상 광학계부는
    상기 주사장치의 출력인 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입사하여, YZ 평행 빔을 생성하는 결상원통렌즈;
    상기 결상원통렌즈의 초점면에서 선 모양으로 집속된 빛만이 통과하여 추출되도록 배치되어 있으며, 중심의 슬릿은 결상원통렌즈의 광축에 위치하고, 슬릿의 길이 방향은 Y축과 평행한 슬릿형 마스크;
    상기 슬릿형 마스크를 통과한 선 모양의 빛으로부터 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하여, 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 변환하는 선형주사 카메라;를 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광원은 헬륨-네온(He-Ne) 레이저로 이루어진것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  7. 제1항 또는 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 주사광학계부는
    전달렌즈, 주사렌즈, 주사원통렌즈, 대물렌즈로 이루어지며;
    상기 주사장치로 부터 출력된 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 상기 전달렌즈, 주사렌즈, 주사원통렌즈, 대물렌즈를 거쳐 샘플에 선주사하며;
    상기 샘플에 선주사된 빔은 샘플에 의하여 산란되어 일부분이 상기 대물렌즈의 개구 안으로 다시 입사되며;
    상기 주사원통렌즈는, 상기 샘플에 의하여 산란되어 일부분이 상기 대물렌즈의 개구 안으로 다시 입사된 빔 중에서, 상기 주사원통렌즈의 초점면에 집속된 빔으로부터 산란되어 온 빔만을 통과시켜 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하며;
    상기 주사원통렌즈의 출력인 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행하는 빔은 상기 주사렌즈 및 전달렌즈를 통해 상기 주사장치로 전달되는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  8. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 빔 확장기는 빔 공간필터, 제1확장렌즈, 제2확장렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 대물렌즈를 통과한 빔의 샘플에서의 주사 방향은 투사된 빔의 전파 방향에 수직하며, 샘플에 대한 주사는 선 주사를 위해 한 방향으로 만 행해지는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  10. 샘플의 여러 부분에서 산란된 빔들 중에서 주사원통렌즈의 초점면에 집속된 빔의 위치로부터 산란되어 온 빔만이 선 모양으로 결상원통렌즈와 슬릿형마스크를 통해 입력하여, 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 바꾸어 출력하는 선형 주사 카메라;
    상기 선형주사 카메라의 출력신호를 입력 받아 디지털화하여 선 화소 정보로서 임시로 저장하는 프레임 그레버;
    상기 프레임 그레버로부터 입력되는 샘플에 대한 데이터를 조합하여 샘플의 2차원 또는 3차원적 구조를 합성하며 물리량을 분석하는 프로세서;
    상기 프로세서로 부터 분석결과에 따라 음향광학 편향기의 제어 신호 및 선형 주사 카메라의 속도제어신호를 생성하는 제어기;
    상기 제어기의 출력신호인 상기 음향광학 편향기의 제어 신호 및 선형 주사 카메라의 속도제어신호에 따라 음향광학 편향기의 구동 신호 및 선형 주사 카메라의 속도제어부의 구동신호를 발생하는 함수발생기;를 적어도 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 음향광학 편향기의 구동 신호 및 상기 선형 주사 카메라의 속도제어부의 구동신호의 위상을 같도록 동기화시켜주는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경.
  12. 주사원통렌즈, 대물렌즈,음향광학 편향기, 1/4 파장판, 편광 빔 분배기, 결상원통렌즈, 슬릿형 마스크, 선형주사 카메라를 적어도 구비한 공초점 레이저 선주사 현미경의 영상형성방법에 있어서,
    상기 대물렌즈는 상기 주사원통렌즈에서 입력된 빔을 샘플에 집속하며, 이렇게 샘플에 집속되는 빔은 샘플에 의하여 산란되어 일부분이 상기 대물렌즈의 개구 안으로 다시 입사되는 산란단계;
    상기 주사원통렌즈는 상기 산란단계의 상기 대물렌즈의 개구 안으로 다시 입사된 빛 중에서 주사원통렌즈의 초점면에 집속된 빔으로부터 산란되어 온 빛만을 통과시켜 XZ평면에 평행 빔을 생성하는 주사원통렌즈 통과단계;
    상기 주사원통렌즈 통과단계의 출력인 XZ평면에 평행 빔은 음향광학 편향기, 1/4파장판을 거쳐 Y축 방향과 평행인 선형 편광빔으로 변환되는 Y축방향 편광빔 변환단계;
    상기 편광 빔 분배기는 상기 Y축방향 편광빔 변환단계의 출력신호인 Y축 방향과 평행인 선형 편광빔을 입사하여, X축 방향과 평행인 편광 빔을 생성하는 X축방향 편광빔 생성단계;
    상기 결상원통렌즈는 상기 X축방향 편광빔 생성단계의 출력신호인 X축 방향과 평행인 편광 빔을 입력받아, 결상원통렌즈의 초점면에서 선 모양으로 집속하여 YZ 평행 빔을 생성하는 YZ평행빔 생성단계;
    상기 선형주사 카메라는 상기 YZ평행빔 생성단계의 출력신호를 슬릿형 마스크 통해 입력하여 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하며 검광 면에 맺힌 1차원 선형 빔의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 바꾸는 영상검출 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경의 영상형성방법.
  13. 광원으로 부터 X축 방향과 평행인 편광 빔의 레이저를 조사하는 빔조사 단계; 상기 빔조사 단계에서 조사된 빔의 공간여과를 하고 빔의 단면을 확장하여 Z축에 대해서 평행으로 진행하는 빔을 출력하는 빔확장 단계; 상기 빔확장 단계로부터 빔을 입력받아 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시키는 주사 단계; 상기 주사단계로부터 출력된 빔을 샘플에 선주사하며, 샘플에 의하여 산란되는 산란단계; 상기 산란단계의 산란된 빔을 입력받아, 샘플의 정보에 대한 영상을 형성하는 영상 형성단계;를 구비하는 공초점 레이저 선주사 현미경의 영상형성방법에 있어서,
    상기 주사단계는,
    편광빔 분배기에서 상기 빔확장단계를 통해 입력된 빛을 수평 방향으로 편광된 빔을 생성하는 편광빔 분배단계;
    상기 편광 빔 분배단계의 출력신호를 1/4 파장판을 통과하여 우원 편광된 빔 을 음향광학 편향기로 입사하여, 상기 음향광학 편향기에서 XZ면에 평행한 방향으로 일정하게 반복 편향되는 빔을 발생시켜 주는 반복 편향빔 발생단계;를 적어도 구비하는 것을 특징으로 하는 공초점 레이저 선주사 현미경의 영상형성방법.
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