KR20070013582A

KR20070013582A - 광시야각 디지털 홀로그램 현미경

Info

Publication number: KR20070013582A
Application number: KR1020050067995A
Authority: KR
Inventors: 신상훈; 오남현; 최승길
Original assignee: (주)에이피앤텍
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2007-01-31
Also published as: KR100721131B1

Abstract

본 발명의 광시야각 디지털 홀로그램 현미경은 디지털 홀로그램 현미경에서 대물렌즈외에 또 다른 렌즈계를 삽입한 현미경으로 물체광의 발산각도를 줄여 줌으로써 물체광과 참조광이 겹치는 최대 결합각도보다 작게 만들어 회절 무늬의 기록 및 회절 효율을 최대화 시킬 수 있고 시야각 또한 크게 만들 수 있도록 고안된 것이다.

Description

광시야각 디지털 홀로그램 현미경 {Digital Holographic Microscope with a wide field of view }

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광시야각 디지털 홀로그램 현미경의 구성을 도면이다.

도 2는 종전의 디지털 홀로그램 현미경의 구성을 도시한 것이다.

도 3은 참조광과 물체광이 겹치는 방법과 겹친 간섭무늬를 물체로부터 일정한 거리에 떨어진 CCD 촬상소자로 기록하는 개략도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 물체의 일예이다.

도 5는 렌즈계가 없는 경우의 CCD 촬상소자로 얻어진 홀로그램을 소프트웨어로 일정한 거리에 재생한 재생상을 나타낸다.

도 6는 렌즈계가 있는 경우의 CCD 촬상소자로 얻어진 홀로그램을 소프트웨어로 일정한 거리에 재생한 재생상이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 촬영된 홀로그램으로 물체의 전체 넓이가 클경우에 해당하는 것으로 소프트웨어(101)를 이용하여 수치적인 일정한 거리만큼 떨어져 재생된 상이다.

1 광원

2, 3 중성필터

4,8 대물렌즈

5,6 빔나누기

7 렌즈

9 핀홀

10,20,30,40 미러

21 참조광

22 물체광

51 물체광과 참조광이 겹치는 각도중 최대각

52 물체광과 참조광이 겹치는 각도중 최소각

53 참조광

54 물체광

55, 56 물체광중 가장 바깥쪽 빔

57, 58 참조광중 가장 바깥쪽 빔

59 물체의 발산각

80 물체

90 렌즈계

100 CCD

101 소프트웨어

본 발명은 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템에 관한 것으로 특히, 시야각의 크기 확대와 CCD의 픽셀크기로 인한 회절 무늬 기록 및 회절 효율의 한계를 극복할 수 있는 새로운 형태의 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템에 관한 것이다.

관찰 및 측정 장비인 현미경은 초기 광학 현미경의 출현으로부터 과학의 모든 분야에서 활용되어오고 있다. 광학 현미경의 가장 큰 문제점은 고배율일수록 깊이 방향 의 대상체 정보(즉, 대상체의 3차원 데이터)를 추출하기가 어렵고, 광학적 회절한계로 인하여 사용 광원의 파장 수준으로 분해능이 제한된다. 이러한 문제들을 해결하여 보다 정밀하고 다양한 목적에 적용 가능한 첨단 현미경들이 개발되었고 지금도 그 성능향상을 위한 연구가 진행되고 있다.

상기한 고전적 현미경의 한계를 극복하는 기능 즉, 대상체의 3차원 데이터의 추출과 나노 영역에 이르는 분해능을 갖는 “공초점 현미경(Confocal Microscope), AFM(Atomic Force Microscope), SEM(Scanning Electron Microscope) 및 TEM(Transmission Electron Microscope), 그리고 LEAP(Local Electron Atom Probe)" 등의 장비가 개발되어 의학, 생물학, 생명공학 분야뿐만이 아니라 거의 모든 산업분야에 활용되고 있다.

그러나 이들 장비는 대상체 3차원 데이터의 추출과 표시의 실시간 제공에 어려움이 있고, 높은 장비의 가격으로 인하여 필요에 비하여 널리 보급되고 못하고 있다. 상기한 각각의 현미경 장비는 고유한 장단점을 갖고 있다. 그러나 가장 큰 단점은 상기 현미경 모두 대상체의 3차원 정보를 추출하는데 많은 시간과 계산을 요구한다. 또한, SEM이나 TEM의 경우에는 고에너지의 전자빔을 사용함으로 인하여 미생물과 같이 살아있는 대상체의 경우나 유기물과 같은 경우 측정시 대상체의 손상이 발생한다. 따라서 많은 양의 대상체의 개체별 3차원 데이터 조사와 같은 경우이거나, 미생물과 같이 살아있는 생명체가 일정 공간내에서 활동하는 경우에는 대상 미생물 개체들의 일정 입체 영역내의 분포, 개체수, 각각의 운동 궤적 그리고 개체 각각의 3차원 정보 등과 같은 대상체에 대한 3차원 정보를 실시간으로 획득하는 것 은 현실적으로 불가능하다. 그리고 상기 현미경들은 모두 고가의 장비로 다양한 필요처에서 모두 구입하여 구비하기가 어려운 상태이다. 이러한 고해상도 3차원 데이터 제공 현미경은 과학계, 학계, 연구계, 및 산업계 모두 필수적으로 필요로 하는 측정 장비이다.

나노기술에 대한 시대적 관심이 증대됨에 따라 관찰 및 측정장비인 나노 현미경에 대한 필요성도 급속도로 증가하고 있는 실정이다.

디지털 홀로그램 기술은 기존의 홀로그램 기술(홀로그램 건판을 사용하여 사진 촬영과 같은 방식의 기록과 참조광 제공에 의한 3차원 영상을 재생하는 방법)로부터 출발하여 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 동영상 기록 장치를 이용하여 실시간으로 대상체의 홀로그램 데이터를 획득하고, 수치적 3차원 영상 재생의 방법으로 대상체의 3차원 데이터를 획득하는 방법이다. 이러한 방법은 약 30여년전 개념적 방법론이 제안되어, CCD의 발전과 컴퓨터 연산 속도의 발전으로 수치적 3차원 영상 재생의 방법이 발전하여 현재 실용적 용도에 적용하기 위한 다수의 연구들이 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이와 같이 대상체의 3차원 데이터는 홀로그램 방법으로 기록함으로써 1회 촬영으로 대상체의 3차원 데이터를 획득하고, 수치적 재생으로 대상체의 3차원 데이터를 재구성하여 표시 할 수 있으므로 3차원 데이터 획득, 처리, 표시 면에 있어서 앞서 개발되어온 첨단 현미경들에 비하여 비교할 수 없을 정도의 성능 향상을 기대할 수 있다. 이러한 3차원 데이터 관련 능력으로 보다 다양한 대상체의 데이터 표시 욕구를 충족시킬 수 있어서 다양한 응용이 예상되어진다.

디지털 홀로그래픽 현미경에서 간섭무늬를 기록하는 CCD 촬상소자는 픽셀단위로 구성되어 있으며 그 픽셀 단위의 크기가 현재 최소 5 μm X 5 μm 이다. 따라서 간섭무늬의 주기가 10 μm 이상인 경우에 기록할 수 없는 단점을 가지게 된다. 이러한 간섭무늬의 주기는 참조광과 물체광이 겹치는 각도에 의존하는데 겹치는 각도가 작을수록 주기가 커진다. 따라서 CCD 촬상소자로 간섭무늬를 기록하기 위해서 참조광과 물체광이 겹치는 최대허용 각도가 계산되며 이 이하의 각도로 겹치는 경우만이 의미있는 데이터를 얻을 수 있다. 또한 이 제한된 각도가 현미경의 시야각(field of view) 또한 제한하고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 디지털 홀로그래픽 현미경 장치에서 대물렌즈외에 또다른 렌즈계를 삽입한 광시야각 디지털 홀로그래픽 현미경을 고안하여 물체광의 발산각도를 최대 결합각도보다 작게 만들어 줌으로써 회절 무늬의 기록 및 회절 효율을 최대화 시킬 수 있고 시야각 또한 크게 만들 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 구성중 광시야각 디지털 홀로그램 현미경의 구성에 대한 개략도를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 보듯이 광시야각 디지털 홀로그램 현미경은 마흐젠더형의 간섭계를 응용하여 구성하였으며, 상기 현미경 시스템은 크게 광원(1)부와 참조광 을 만드는 부분, 물체광을 만드는 부분과 물체광의 발산 각도를 줄여 회절효율을 최대화시키는 역할을 하는 렌즈계(90)와 상기 물체광과 참조광을 결합하여 간섭무늬를 기록하는 CCD(100), 상기 기록된 간섭무늬를 수치적으로 분석하는 소프트웨어(101)로 구성되어 진다. 광원(1)은 가간섭성이 좋은 레이저빔을 사용한다. 일 예로 632.8nm 파장을 가진 cw He-Ne 레이저를 사용한다. 참조광을 만들기위해서 광원(1)의 레이저 빔을 빔나누기(5)를 통해 두개의 빔으로 나누어 중성필터(3)을 통과시켜 빔 세기를 조절하고 반사경(30)으로 반사시킨다. 상기 반사된 빔을 대물렌즈(8), 핀홀(9)과 렌즈(7)을 사용하여 일정 크기로 확대하고 TEM₀₀ 모양의 평행광을 만들어 참조광(21)을 만든다. 또한 빔나누기(5)를 통해 나누어진 또다른 빔은 투과형의 물체(80)에 비추어 대물레즈(4)로 상기 물체를 일정한 거리에 상맺히도록 한다. 물체광의 세기는 중성필터(2)를 통해 조절할 수 있다. 대물렌즈(4)의 일예로 배율이 10X, 20X, 50X, 100X 등을 들 수 있다.

도2에 종전에 사용된 디지털 홀로그램 현미경의 구조를 나타내었다. 그림에서 보듯이 본 발명에서 이루고자하는 목표에 사용된 렌즈계(90)을 제외하고 동일한 구조를 가진다.

도 3에 참조광과 물체광이 어떻게 겹치고 겹친 간섭무늬를 물체(90)로부터 일정한 거리에 떨어진 CCD(100) 촬상소자로 기록하는 개략도를 나타내었다. 도 3에서 물체광의 발산각(59)은 대물렌즈(4)의 배율에 따라 다르며 최외각 빔(55,56)을 포함한 안쪽의 모든 발산하는 빔들이 물체광(54)이며 평행한 최외각 빔(57,58) 으로 그사 이 모두 평행하게 진행하는 빔들이 참조광(53)이다.

홀로그램을 기록하기위한 대표적인 것으로 실버할라이드 필름을 들 수 있으며 필름에는 레이저광에 반응하여 그 상태가 변화되는 알갱이가 들어 있으며 이 알갱이의 크기가 필름 해상도이다. 일반적인 홀로그램용 필름은 mm당 5000 라인쌍을 기록할 수 있으며 이는 물체광과 참조광의 결합 각도가 0도에서 180도까지 그 제한이 없다. 하지만 디지털 홀로그램인 경우에 필름대신에 CCD 촬상소자를 사용하므로 촬상소자의 해상도내의 간섭무늬 주기를 가진 홀로그램만이 기록이 가능하다. 최대 결합 각도를 알아보면 아래와 같다.

최대 공간 주파수 는

(1)

여기서 는 기록 레이저 파장, 는 물체광과 참조광의 결합하는 최대 각도이다. 또한 사용한 CCD 픽셀의 크기가 라면 최대 공간 주파수 는

(2)

이다. 예를 들어 사용된 CCD 픽셀의 크기가 7.4 μm X 7.4 μm 이므로 이론적으로 허용된 최대 결합각도 는 2.46 도이다.

도 4에 투과형 물체(80)의 일예를 나타내었으며 포토리소그래피(Photo Lithography)용 포토마스크(Photo mask)이며 투과형으로 만들어져 있다. 물체(80)의 수치를 표 1에 나타내었다.

표 1. 두가지 경우의 물체광과 참조광이 겹치는 각도


물체로부터 떨어진 거리	75cm	125cm	75cm	125cm
폭(W)	27mm	50mm	14mm	22mm
높이(H)	46mm	83mm	24mm	35mm
소폭(SW)	8mm	15mm	4mm	7mm
c1(51)
c2(52)

렌즈계(90)가 없는 종전의 디지털 홀로그래픽 현미경의 경우 물체광의 발산 각도(59)는 2.64도이고 렌즈계(90)가 있는 광시야각 디지털 홀로그래픽 현미경인 경우에 0.92도이며, 겹치는 각도의 최대값이 렌즈계(90)가 없는 경우에 2.84도로 이론적으로 허용된 최대 결합각도 가 2.46 도로 이보다 더 크므로 회절 효율이 떨어짐을 예상할 수 있으며 렌즈계(90)가 있는 경우에 최대 1.82도로 이는 최대 결합각도에 비해 작은 값으로 회절 효율이 클것으로 기대된다.

도 5는 렌즈계(90)가 없는 경우의 CCD(100)로 얻어진 홀로그램을 소프트웨어(101)로 일정한 거리에 재생한 재생상이며, 도 6는 렌즈계(90)가 있는 경우의 CCD(100)로 얻어진 홀로그램을 소프트웨어(101)로 일정한 거리에 재생한 재생상이다. 도 5와 도 6을 수치적으로 분석하여 회절 효율을 계산해 보면 본 고안인 렌즈계(90) 있는 현미경이 약 4배정도로 더 높다는 것을 알 수 있다.

지금까지 대물렌즈(4)의 배율이 50x 이상되는 경우에 물체광이 퍼져 나가는 각도(59)가 물체광과 참조광이 겹치는 최대 허용 각도를 벗어나는 경우가 발생하므로 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 본 발명은 또다른 렌즈열(90)을 이용하여 물체광의 퍼져나가는 각도(59)를 줄일 수 있도록 고안하였다. 다음으로 이러한 제어뿐만아니라 렌즈계(90)가 있는 경우에 대물 렌즈(4)가 가진 최대의 시야각(field of view)을 얻을 수 있다는 것에 대한 일예를 실험하였다.

이를 실험하기 위하여 20 x 미츠도요 렌즈를 사용하여 홀로그램을 만들었고 렌즈계(90)가 있는 경우와 없는 경우로 나누어 실험을 하였다.

표 2. 또다른 렌즈계(90)가 있는 경우와 없는 경우의 겹치는 각도


물체로부터 떨어진 거리	40cm	80cm	40cm	80cm
폭(W)	29mm	67mm	15mm	26mm
높이(H)	29mm	67mm	15mm	26mm
c1
c2

실시예의 파라미터는 표 2에 나타내었으며 물체로부터 떨어진 거리는 물체에서 CCD까지 거리를 나타내며 폭(W)은 물체 전체의 수평거리이며 높이(H)는 물체 전체의 수직거리를 나타낸다. 렌즈계(90)가 없는 경우에 재생상은 거의 분간하기 어려울 정도였다. 하지만 렌즈계(90)가 있는 경우에 재생상은 도 7과 같이 나타났으며, 이 는 촬영된 홀로그램을 소프트웨어(101)를 이용하여 수치적인 90cm 만큼 떨어져 재생된 상이다. 그림에서 보듯이 영차회절광이 4개의 물체들의 중심에서 약간 올라간 위치에 생겼으며 밝고 크기가 작은 두개의 상은 허상이다. 또한 좌측 하단의 재생상중에 보다 오른쪽에 있는 재생상을 확대하여 도 6의 우측에 나타내었으며 5.25 μm 주기를 가진 격자가 잘 재생됐음을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 시야각의 크기 확대와 CCD의 픽셀크기로 인한 회절 무늬 기록 및 회절 효율의 한계를 극복할 수 있는 새로운 형태의 디지털 홀로그래픽 현미경 시스템을 고안 할 수 있는 장점을 가진다.

Claims

레이저와,

상기 레이저에 광학적으로 연결된 제1 빔나누기와

상기 제1 빔나누기에 광학적으로 연결된 투과형의 물체와,

상기 물체를 광학적으로 결상하는 제1 대물렌즈와,

상기 대물렌즈로 결상되는 광의 발산각도를 조절하는 렌즈열과

상기 제1 빔나누기에 광학적으로 연결된 제2 대물렌즈와

상기 제2 대물렌즈에 광학적으로 연결된 핀홀과

상기 핀홀과 광학적으로 연결된 렌즈와

물체광과 참조광을 결합하기 위한 제2 빔나누기와

상기 제2 빔나누기에 광학적으로 연결된 CCD 촬상소자를 포함하는 것을 특징 으로 하는 광시야각 다지털 홀로그램 기록 장치
제 1항에서 상기 제1 빔나누기, 상기 물체, 상기 제1 대물렌즈, 상기 렌즈 열, 상기 제2 대물렌즈, 상기 핀홀, 상기 렌즈, 및 상기 CCD 촬상소자가 마흐젠 더(Mach-Zender) 기하학을 형성하는 것을 특징으로 하는 광시야각 디지털 홀로그램 기록 장치.
제 1항에서 상기 제1 빔나누기는 물체광과 참조광을 나누는 것을 특징으로 하는 광시야각 디지털 홀로그램 기록 장치.
제 1항에서 상기 제2 대물렌즈, 상기 핀홀, 상기 렌즈는 참조광을 평행광으로 만 드는 것을 특징으로 하는 광시야각 디지털 홀로그램 기록 장치
제 1항에서 상기 렌즈열은 상기 CCD 촬상소자의 픽셀 크기(L)가 물체광과 참조광이 만나 만드는 홀로그램의 격자들중 그 주기의 최소값의 절반크기(T)보다 작도록 조절하는 것을 특징으로 하는 광시야각 디지털 홀로그램 기록 장치
레이저 빔을 참조광과 물체광으로 분열시키는 단계와

상기 참조광을 평행광으로 만드는 단계와,

상기 물체광을 대물렌즈를 통해서 통과시키는 단계와

상기 대물렌즈를 통해서 통과시킨 물체광의 발산각도를 조절하는 단계와

상기 참조광과 상기 물체광을 CCD 면에 겹치도록하여 홀로그램을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광시야각 디지털 홀로그램 기록 방법
제6항에서 상기 물체광의 발산각도를 렌즈열을 사용하여 조절 하는 것을 특징으로 하는 광시야각 디지털 홀로그램 기록 방법
제 6항에서 상기 참조광과 상기 물체광이 결합하여 상기 CCD면에 형성된 상기 홀로그램상의 격자 주기중 최소 격자의 절반 크기가 상기 CCD 촬상소자의 픽셀 크기보다 크게 만드는 것을 특징으로 하는 광시야각 디지털 홀로그램 기록 방법
레이저 빔을 참조광과 물체광으로 분열시키는 단계와

상기 참조광을 평행광으로 만드는 단계와,

상기 물체광을 대물레즈를 통해서 통과시키는 단계와

상기 대물렌즈를 통해서 통과시킨 물체광의 발산각도를 조절하는 단계와

상기 참조광과 상기 물체광을 CCD 면에 겹치도록하여 홀로그램을 형성하는 단계와

상기 형성된 홀로그램을 재생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광시야각 디지털 홀로그램 재생 방법
제 9항에 있어서, 상기 홀로그램의 재생은 소프트웨어를 사용하여 수치적인 방식으로 재생하는 것을 특징으로 하는 광시야각 디지털 홀로그램 재생 방법