KR20100033047A - 공초점 현미경 - Google Patents

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KR20100033047A
KR20100033047A KR1020080092014A KR20080092014A KR20100033047A KR 20100033047 A KR20100033047 A KR 20100033047A KR 1020080092014 A KR1020080092014 A KR 1020080092014A KR 20080092014 A KR20080092014 A KR 20080092014A KR 20100033047 A KR20100033047 A KR 20100033047A
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Abstract

본 발명은 공초점 현미경을 제공하기 위한 것으로, 핀홀 구멍(16)이 형성된 핀홀(17)과; 상기 핀홀(17)의 핀홀 구멍(16)에 z-축으로 진행하는 광을 집속하는 렌즈(14)와; 상기 핀홀(17)의 위치를 주파수로 변조시키는 피에조 세라믹(18)과; 상기 렌즈(14)에 의해 상기 핀홀(17)을 통과한 광원 빔을 평행 시준하는 렌즈(19)와; 상기 평행 시준하는 렌즈(19)에서 광을 검출하는 고속 광 검출기(20)와; 상기 고속 광 검출기(20)의 신호를 전달받아 상기 핀홀(17)을 투과하는 광의 세기의 1차 미분 함수 검출을 위하여 위상 민감 검출을 수행하는 록인 증폭기(22);를 포함하여 구성함으로서, 광을 이용하여 생체(투과형) 및 나노구조체(반사형) 3차원 형상을 검출할 수 있게 되는 것이다.
공초점, 현미경, 형상측정기, 생체투과, 나노구조

Description

공초점 현미경{Confocal microscopy}
본 발명은 공초점 현미경에 관한 것으로, 특히 광을 이용하여 생체(투과형) 및 나노구조체(반사형) 3차원 형상을 검출하는 능동형 공초점 현미경(ACM, active confocal microscope) 및 능동형 형상측정기(ACSP, active confocal surface profiler)를 새로 제안한 것으로, 축방향 분해능 1 nm 이하 및 횡방향 500 nm 이하의 초분해능을 갖는 새로운 능동형 공초점 현미경 및 형상 측정기를 구현하기에 적당하도록 한 공초점 현미경에 관한 것이다.
여기서 본 발명에서 언급하는 넓은 의미의 공초점 현미경은 좁은 의미의 공초점 현미경 및 형상측정기를 포함하는 개념으로 사용한다. 일반적으로 좁은 의미의 공초점 현미경은 레이저에서 조사된 일정 파장의 빛이 시료에 닿고 그에 의해서 여기되어 방사되는 빛이 공초점 구멍을 통과하여 검출기에 닿는 원리를 이용한 것으로, 주로 투과된 것을 볼 수 있도록 한 것이다. 또한 공조첨 형상측정기는 나노구조체에 대한 분석과 같이 표면형상을 측정하는 것으로서, 주로 반사된 것을 검출할 수 있도록 한 것이다. 따라서 본 발명에서는 공초점 현미경의 개념을 좁은 의미의 공초점 현미경과 형상측정기의 개념을 포함한 의미로서 사용한다.
종래의 광을 이용한 공초점 현미경의 축방향 분해능은 사용하는 빛의 파장
Figure 112008065948194-PAT00001
와 대물렌즈의 N.A.(numerical aperture)에 의해서 제한을 받아 원자수준의 nm 이하의 분해능을 얻기가 원리적으로 어렵다.
또한 종래의 광을 이용한 공초점 현미경의 횡방향 분해능은 사용하는 빛의 파장
Figure 112008065948194-PAT00002
와 집광되는 빔의 허리가 대물렌즈의 N.A.(numerical aperture)로 집속되는 가우시안 빔의 전파법칙에 따라 제한을 받아
Figure 112008065948194-PAT00003
이하의 분해능을 얻기가 원리적으로 어렵다.
또한 하나의 광원을 이용한 공초점 현미경은 변위와 속도를 동시에 측정할 수 있는 복합 형상기 구성이 어렵다.
또한 종래의 공초점 현미경은 2차원 표면을 스캔하여 3차원 영상을 얻으므로 분해능은 좋은 반면 영상획득 속도가 느려 대면적 영상획득이 어려운 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 광을 이용하여 생체(투과형) 및 나노구조체(반사형) 3차원 형상을 검출할 수 있는 공초점 현미경을 제공하는데 있다.
또한 본 발명은 능동형 공초점 현미경과 헤테로다인 간섭계를 하나의 광원을 사용하여 구현하는 새로운 복합 능동형 공초점 현미경(HACM, Hybrid active confocal microscope)를 제안하여 축방향 분해능 1 nm 이하, 횡방향 500 nm 이하의 초분해능, 및 샘플의 축방향 변위 및 속도를 동시에 측정할 수 있는 새로운 능동형 공초점 현미경 및 복합 능동형 형상 측정기를 구현하고자 한다.
또한 본 발명은 초연속 스펙트럼을 갖는 광원을 사용하고 투과형 회절격자에서 스펙트럼 분산된 선형 집속빔을 형성해서 1차원 선형 표면현상을 동시에 고속으로 측정할 수 있는 능동형 공초점 스펙트럼 코딩법을 제안하여 광대역 3차원 표면형상을 고속으로 측정할 수 있는 새로운 능동형 공초점 스펙트럼 코딩 표면형상 측정기(SEACSP, Spectrally encoded active confocal surface profiler)를 구현하고자 한다.
또한 본 발명은 나노과학, 반도체, 나노물리, 나노화학, 나노재료, 나노광학, 표면과학, 의료영상, 생물학, 생명물리, 의학물리, 의광학 분야 등에서 공초점 위치에서 빛의 투과 또는 반사 신호를 검출하여 광축방향 및 평면방향의 초분해능을 갖는 3차원 구조 및 표면형상 측정 과학기술에 적용되도록 한다.
또한 본 발명은 광원, 샘플의 투과 및 반사 특성에 따라 샘플 투과형, 샘플 반사형, 2광자 검출형, 3광자를 검출형 ACM, ACSP, HACM, HACSP, SEACSP을 구현하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공초점 현미경의 구조도이다.
이에 도시된 바와 같이, 핀홀 구멍(16)이 형성된 핀홀(17)과; 상기 핀홀(17)의 핀홀 구멍(16)에 z-축으로 진행하는 광을 집속하는 렌즈(14)와; 상기 핀홀(17)의 위치를 주파수로 변조시키는 피에조 세라믹(18)과; 상기 렌즈(14)에 의해 상기 핀홀(17)을 통과한 광원 빔을 평행 시준하는 렌즈(19)와; 상기 평행 시준하는 렌즈(19)에서 광을 검출하는 고속 광 검출기(20)와; 상기 고속 광 검출기(20)의 신호를 전달받아 상기 핀홀(17)을 투과하는 광의 세기의 1차 미분 함수 검출을 위하여 위상 민감 검출을 수행하는 록인 증폭기(22);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 상기 검출기(20)와 상기 록인 검출기(22) 사이에 연결되어 고속 저노이즈의 전류-전압 변환을 수행하는 고속 저노이즈 전류-전압 변환 전치 증폭기(21)와; 주파수와 기준전압을 가진 사인파를 발생시키는 사인파 발생기(24)와; 상기 사인파 발생기(24)에서 발생된 신호의 위상을 조절하여 상기 록인 증폭기(22)로 전달하는 위상 조절기(23)와; 상기 사인파 발생기(24)와 연결되고 교류 통과용 전기용량을 갖는 컨덴서(25)와; 상기 컨덴서(25)를 통과한 신호를 고전압 증폭시켜 상기 피에조 세라믹(18)으로 전달하는 고전압 증폭기(26);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 레이저 또는 백색광 광원(1)과 연결되는 시준 렌즈(2)와; 상기 시준 렌즈(2)와 연결되어 환형 광원 빔을 만드는 아펙스 렌즈(3)와; 상기 아펙스 렌즈(3)와 연결되어 빔분할을 수행하는 빔분할기(4)와; 상기 빔분할기(4)와 연결된 사분의일 파장판(5)과; 상기 사분의일 파장판(5)을 통과하여 선형 또는 원형으로 편광되어 샘플에서 입사된 광원빔과 샘플에서 반사된 광원빔을 샘플로 조사하기 위해 광원빔이 직선 또는 회전되도록 하여 대물렌즈(9)로 전달되도록 광원빔의 방향을 조정하는 빔 방향 조정 거울(7);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 상기 록인 증폭기(22)의 결과를 전달받고, 부궤환을 위한 서보 증폭기(27)와; 상기 서보 증폭기(27)의 출력을 고전압 증폭시키는 고전압 증폭기(28)와; 상기 고전압 증폭기(28)에서 고전압 증폭된 신호를 전달받고 대물렌즈(9)의 이동을 조절하는 피에조 세라믹(8);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 상기 록인 증폭기(22)의 결과를 전달받아 저역통과 적분을 수행하는 저역통과 적분기(29)와; 상기 저역통과 적분기(29)의 출력을 입력받아 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고 컴퓨터와의 인터페이스를 수행하는 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(30)와; 상기 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(30)의 신호를 전달받아 x-y 스캔 신호에 따른 3차원 영상 신호처리를 수행하는 3차원 영상 신호처리용 프로그램 및 컴퓨터(31);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 공초점 현미경의 구조도로서, 헤테로다인 간섭계가 장착된 복합형 공초점 현미경의 구조도이다.
이에 도시된 바와 같이, 광 주파수
Figure 112008065948194-PAT00004
를 갖고 편광이 수직인 주파수 안정화 2모드 헬륨-네온 레이저 광원(32)의 광을 전달받아 환형 광원 빔을 만드는 원형 빔 어퍼춰(37)와; 핀홀 구멍(55)이 형성된 핀홀(56)과; 상기 원형 어퍼춰(37)를 통과한 광을 전달받고, 상기 핀홀(56)의 핀홀 구멍(55)에 z-축으로 진행하는 광을 집속하는 렌즈(53)와; 상기 핀홀(56)의 위치를 주파수로 변조시키는 피에조 세라믹(57)과; 상기 렌즈(53)에 의해 상기 핀홀(56)을 통과한 광원 빔을 평행 시준하는 렌즈(58)와; 상기 평행 시준하는 렌즈(58)에서 광을 검출하는 고속 광 검출기(59)와; 상기 고속 광 검출기(59)의 신호를 전달받아 상기 핀홀(56)을 투과하는 광의 세기의 1차 미분 함수 검출을 위하여 위상 민감 검출을 수행하는 록인 증폭기(61);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 상기 검출기(59)와 상기 록인 검출기(61) 사이에 연결되어 고속 저노이즈의 전류-전압 변환을 수행하는 고속 저노이즈 전류-전압 변환 전치 증폭기(60)와; 주파수와 기준전압을 가진 사인파를 발생시키는 사인파 발생기(63)와; 상기 사인파 발생기(63)에서 발생된 신호의 위상을 조절하여 상기 록인 증폭기(61)로 전달하는 위상 조절기(62)와; 상기 사인파 발생기(63)와 연결되고 교류 통과용 전기용량을 갖는 컨덴서(64)와; 상기 컨덴서(64)를 통과한 신호를 고전압 증폭시켜 상기 피에조 세라믹(57)으로 전달하는 고전압 증폭기(65);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 광 주파수
Figure 112008065948194-PAT00005
를 갖고 편광이 수직인 주파수 안정화 2모드 헬륨-네온 레이저 광원(32)과 연결되는 시준 렌즈(33)와; 상기 시준 렌 즈(33)와 연결되고 집광 렌즈(35)와 연결되어 빔 분할을 수행하여 상기 원형 빔 어퍼춰(37)로 전달하는 빔 분할기(34)와; 상기 원형 빔 어퍼춰(37)와 연결되어 편광 빔분할을 수행하는 편광 빔분할기(38)와; 상기 편광 빔분할기(38)와 연결된 사분의일 파장판(39)과; 상기 편광 빔분할기(38)와 연결된 전반사 거울(40)과; 상기 빔 분할기(34)에서 상기 집광 렌즈(35)로 전달된 빔에서 기준 맥놀이 주파수를 측정하는 기준 맥놀이 주파수 측정 고속 광검출기(36)와; 상기 편광 빔분할기(38)와 연결되어 빔을 분할하는 빔 분할기(51)와 상기 빔 분할기(51)의 광을 집속렌즈(50)에 의해 집속시켜 도플러 편이가 특정값으로 된 맥놀이 주파수를 측정하는 맥놀이 주파수 측정 고속 광검출기(49)와; 상기 기준 맥놀이 주파수 측정 고속 광검출기(36)에서 측정된 기준 맥놀이 주파수를 전달받고 상기 맥놀이 주파수 측정 고속 광검출기(35)에서 측정값을 전달받아 헤테로다인 변위 및 속도를 측정하는 모듈(48)과; 상기 편광 빔분할기(38)의 광을 전달받고, 선형 또는 원형으로 편광되어 샘플에서 입사된 광원빔과 샘플에서 반사된 광원빔을 샘플로 조사하기 위해 광원빔이 직선 또는 회전되도록 하여 대물렌즈(44)로 전달되도록 광원빔의 방향을 조정하는 빔 방향 조정 거울(42);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 상기 록인 증폭기(61)의 결과를 전달받고, 부궤환을 위한 서보 증폭기(67)와; 상기 서보 증폭기(67)의 출력을 고전압 증폭시키는 고전압 증폭기(66)와; 상기 고전압 증폭기(66)에서 고전압 증폭된 신호를 전달받고 대물렌즈(44)의 이동을 조절하는 피에조 세라믹(43);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 상기 록인 증폭기(61)의 결과를 전달받아 저역통과 적분을 수행하는 저역통과 적분기(68)와; 상기 저역통과 적분기(68)의 출력을 입력받아 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고 컴퓨터와의 인터페이스를 수행하는 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(69)와; 상기 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(69)의 신호를 전달받아 x-y 스캔 신호에 따른 3차원 영상 신호처리를 수행하는 3차원 영상 신호처리용 프로그램 및 컴퓨터(70);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 공초점 현미경의 구조도로서, 넓은 영역 스캔용의 공초점 현미경의 구조도이다.
이에 도시된 바와 같이, 초연속 스펙트럼을 갖는 반도체 레이저(71)를 광원으로 사용하는 투과형 회절격자(77)와; 상기 투과형 회절격자(77)에서 회절된 광이 대물렌즈(87)를 통과한 빔을 전달받는 선형 핀홀(89)과; 상기 선형 핀홀(89)의 위치를 주파수로 변조시키는 피에조 세라믹(90)과; 상기 선형 핀홀(89)을 통과한 광원 빔을 집속하는 집속렌즈(91)와; 상기 집속렌즈(91)에 의해 집속된 광원이 스펙트럼에 따라 선형 집속되도록 하는 선스캔 영상 카메라(93)와; 상기 선스캔 영상 카메라(93)의 신호를 전달받아 상기 선형 핀홀(89)의 광의 세기의 1차 미분 함수 검출을 위하여 위상 민감 검출을 수행하는 록인 증폭기(94);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 상기 선스캔 영상 카메라(93)와 신호를 전달받고 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이 스(102)와; 주파수와 기준전압을 가진 사인파를 발생시키는 사인파 발생기(96)와; 상기 사인파 발생기(96)에서 발생된 신호의 위상을 조절하여 상기 록인 증폭기(94)로 전달하는 위상 조절기(95)와; 상기 사인파 발생기(96)와 연결되고 교류 통과용 전기용량을 갖는 컨덴서(97)와; 상기 컨덴서(97)를 통과한 신호를 고전압 증폭시켜 상기 피에조 세라믹(90)으로 전달하는 고전압 증폭기(98);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 레이저광원 또는 온도조절기 또는 전류조절기(71)와 연결되는 광섬유 및 광섬유 홀더(72)와; 상기 광섬유 및 광섬유 홀더(72)와 연결되는 시준 렌즈(73)와; 상기 시준 렌즈(73)와 연결되어 광대역 편광 빔분할을 수행하는 광대역 편광 빔분할기(74)와; 상기 광대역 편광 빔분할기(74)와 연결된 광대역 사분의일 파장판(75)과; 상기 광대역 사분의일 파장판(75)과 연결된 투과형 회절격자(77)와; 상기 투과형 회절격자(77)와 연결된 대물렌즈(78)와; 상기 대물렌즈(78)를 통과한 레이저 빔(79)을 선형으로 집속하여 전압조절에 의해 x-y 평면에서 나노미터분해를 수행하는 x-y 나노 및 선형스테이지(80)와; 상기 광대역 편광 빔분할기(74)와 연결된 스펙트럼 휠터(83)와; 상기 스펙트럼 휠터(83)를 조절하는 스펙트럼 휠터 조절기(84)와; 상기 스펙트럼 휠터(83)의 빔을 상기 투과형 회절격자(86)로 전달하는 반사거울(85);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 상기 선스캔 영상 카메라(93)의 신호를 전달받아 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고 컴퓨터 인터페이스를 수행하는 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(69)와; 상기 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터 페이스(69)와 연결되어 부궤환을 위한 비례 적분을 수행하는 비례 적분 서보 컨트롤러(100)와; 상기 비례 적분 서보 컨트롤러(100)의 신호를 증폭시키는 고전압 증폭기(99)와; 상기 고전압 증폭기(99)의 신호를 전달받고, 상기 대물렌즈(87)를 제어하는 전압조절 피에조 세라믹(88);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 공초점 현미경은 광을 이용하여 생체(투과형) 및 나노구조체(반사형) 3차원 형상을 검출할 수 있는 효과가 있게 된다.
또한 본 발명에서는 축방향의 분해능 문제점을 해결하기 위해 핀홀의 위치를 전압으로 길이를 변조할 수 있는 피에조 세라믹에 마운트해서 z-축으로 진행하는 광을 집속하는 렌즈에 의해 핀홀을 투과하는 과의 세기를 변조하고 록인 증폭기를 이용하여 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00006
를 실험적으로 검출하고 대물렌즈의 초점이 항상 핀홀의 위치에 집속되어 최대 출력을 얻을 수 있도록 능동제어 하여 축방향 분해능 문제를 해결했고, 이때 분해능은 핀홀을 투과하는 광의 세기 I(z)의 전치폭의 ~1/500을 얻을 수 있다.
또한 광을 이용한 공초점 현미경의 분해능은 사용하는 빛의 파장
Figure 112008065948194-PAT00007
와 집광되는 빔의 허리가 대물렌즈의 N.A.(numerical aperture)로 집속되는 가우시인 빔의 전파법칙에 따라 제한을 받아
Figure 112008065948194-PAT00008
이하의 분해능을 얻기가 원리적으로 어려운데, 본 발명에서는 환 형태의 광원을 만들 수 있는 도 1의 아펙스 렌즈 3과 도 2의 환 형빔 어퍼줘 37을 발명하여 횡방향 분해능 문제를 해결하였다.
또한 본 발명에서는 주파수가 안정화된 2모드 레이저를 광원으로 사용하고 도 2에서 시현된 환형빔 중심으로 헤테로다인 간섭계를 구성하여 샘플의 높이, 속도와 3차원 높이 및 형상을 동시에 측정할 수 있는 복합 능동형 공초점 현미경를 가능하게 하였다.
또한 공초점 현미경은 2차원 표면을 스캔하여 3차원 영상을 얻으므로 분해능은 좋은 반면 영상획득 속도가 느려 대면적 영상획득이 어려운데, 본 발명에서는 도 3에서 시현된 것처럼 초연속 스펙트럼을 갖는 반도체 레이저를 광원으로 사용하고, 투과형 회절격자를 이용해서 스펙트럼별로 다른 1차원 공간에 초점을 갖는 1차원 스펙트럼 인코딩 표면높이 정보를 x-축 방향으로 기록하고 선형 핀홀과 선형 공초점 현미경을 고안하여 1차원 영상을 선스캔 카메라를 이용하여 고속으로 얻을 수 있고, 이때 높이 정보는 각 픽셀별로 도 1에서 시현된 능동형 공초점 현미경로 획득할 수 있다. 이어서 y-축 방향으로 샘플을 이송시켜서 대면적 고속 3차원 영상 획득을 가능하게 하였다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 공초점 현미경의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리 고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 광을 이용하여 생체(투과형) 및 나노구조체(반사형) 3차원 형상을 검출하고자 한 것이다.
그래서 공초점 원리에 의해 핀홀에 z-축으로 진행하는 광을 집속하는 렌즈에 의해 핀홀을 투과하는 광의 세기(intensity) I(z)와 I(z)의 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00009
는 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 주어진다.
Figure 112008065948194-PAT00010
Figure 112008065948194-PAT00011
수학식 1 및 수학식 2에서
Figure 112008065948194-PAT00012
는 핀홀에 입사되는 빛의 세기이고
Figure 112008065948194-PAT00013
이며, z는 핀홀의 중심에서 z-축 방향으로 집속렌즈의 초점에서 벗어난 변위이며,
Figure 112008065948194-PAT00014
는 집속렌즈의 N.A.(numerical aperture) 이며,
Figure 112008065948194-PAT00015
는 집속렌즈 구경
Figure 112008065948194-PAT00016
와 초점거리
Figure 112008065948194-PAT00017
에 의해서 결정되는 꼭지점 각,
Figure 112008065948194-PAT00018
는 사용하는 광원의 파장이다. 도 4는 수학식 1 및 수학식 2를
Figure 112008065948194-PAT00019
의 함수로 나타낸 그림이다. 본 발 명에서는 수학식 2에서 주어진 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00020
의 1차 미분 함수가
Figure 112008065948194-PAT00021
점 즉, 핀홀이 집속 렌즈의 초점거리
Figure 112008065948194-PAT00022
에 위치할 때,
Figure 112008065948194-PAT00023
의 기울기가 1차 선형 기함수인 성질을 이용하여 2차원 물체의 높이를 능동적으로 집속렌즈의 초점과 일치시키는 능동형 공초점 현미경을 완성한다.
또한 본 발명에서는 핀홀의 위치를 전압으로 길이를 변조할 수 있는 피에조 세라믹에 마운트해서 z-축으로 진행하는 광을 집속하는 렌즈에 의해 핀홀을 투과하는 광의 세기를 변조하고 록인 증폭기를 이용하여 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00024
를 실험적으로 검출하고, 대물렌즈의 초점이 항상 핀홀의 위치에 집속되어 최대 출력을 얻을 수 있도록 능동제어 하여 축방향 분해능 문제를 해결하였다. 이때 분해능은 핀홀을 투과하는 광의 세기
Figure 112008065948194-PAT00025
의 전치폭의 ~1/500을 얻는다.
또한 광을 이용한 공초점 현미경의 횡방향 분해능은 사용하는 빛의 파장
Figure 112008065948194-PAT00026
와 집광되는 빔의 허리가 대물렌즈의 N.A.(numerical aperture)로 집속되는 가우시인 빔의 전파법칙에 따라 제한을 받아
Figure 112008065948194-PAT00027
이하의 분해능을 얻기가 원리적으로 어렵다. 본 발명에서는 환 형태의 광원을 만들 수 있는 도 1의 아펙스 렌즈 3과 도 2의 환형빔 어퍼줘 37을 제안하여 횡방향 분해능 문제를 해결한다.
또한 하나의 광원을 이용한 공초점 현미경에서 변위와 속도를 동시에 측정할 수 있는 복합 형상기 구성이 어렵다. 본 발명에서는 주파수가 안정화된 2모드 레이저를 광원으로 사용하고 도 2에서 시현된 환형빔 중심으로 헤테로다인 간섭계를 구 성하여 복합 능동형 공초점 현미경을 가능하게 한다.
또한 공초점 현미경은 2차원 표면을 스캔하여 3차원 영상을 얻으므로 분해능은 좋은 반면 영상획득 속도가 느려 대면적 영상획득이 어렵다. 본 발명에서는 도 3에서 시현된 것처럼 초연속 스펙트럼을 갖는 반도체 레이저를 광원으로 사용하고, 투과형 회절격자를 이용해서 스펙트럼별로 다른 1차원 공간에 초점을 갖는 1차원 스펙트럼 인코딩 표면높이 정보를 x-축 방향으로 기록하고 선형 핀홀과 선형 공초점 현미경을 고안하여 1차원 영상을 선스캔 카메라를 이용하여 고속으로 얻는다. 이때 높이 정보는 각 픽셀별로 도 1에서 시현된 능동형 공초점 현미경으로 획득한다. 이어서 y-축 방향으로 샘플을 이송시켜서 대면적 고속 3차원 영상 획득을 가능하게 한다.
이하, 첨부도면에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공초점 현미경의 구조도이다.
여기서 참조번호 1은 레이저 또는 백색광 광원이며, 2는 광원을 시준시키는 시준 렌즈이며, 3은 환형 광원 빔을 만드는 아펙스(Apex) 렌즈이며, 4는 비편광 빔분할기 또는 편광 빔분할기이고, 5는 원평편광을 만들고 반사된 빔의 파장을 90도 편??된 빔으로 만드는 사분의 일 파장판이다.
6은 선형 또는 원형 편광되어 샘플로 입사 및 샘플에서 반사되는 광원빔이며, 7은 광원 빔을 샘플로 조사하기 위한 직선 또는 회전 빔 방향 조정 거울이다.
8은 전압조절에 의해 상하방향 운동이 가능한 피에조 세라믹이며 능동형 공초점 현미경 및 형상 측정기에서 공초점 조건을 항상 유지하게 한다.
9는 피에조 세라믹에 고정된 대물렌즈(x20, x40, x60, x100 등의 배율교환 가능)이며, 10은 대물렌즈에 의해 샘플로 집광 및 샘플에서 반사되어 되돌아가는 광원 빔을 나타낸다.
11은 전압조절에 의해 2차원 x-y 평면에서 나노미터분해능을 갖는 x-y 나노스테이지이며, 12는 반사 또는 투과형 액체 및 고체 샘플이며, 13은 샘플에서 되반사되어 빔분할기 4에서 반사된 광원 빔을 나타낸다.
14는 광원 빔을 집속하기 위한 렌즈이며, 15는 핀홀로 빔을 집속되는 집속렌즈 14에 의해 핀홀 16으로 집속되는 광원 빔이며, 16은 지름 0.001 mm - 0.1 mm 사이의 핀홀 구멍이며, 17은 중심에 구멍 16을 가지고 두께 0.2 - 1.0 mm이며 직경이 D인 실리콘 단결정 핀홀이다.
18은 핀홀 17을 광원 빔축(z) 방향으로 고속 진동시키기 위한 전압조절 피에조 세라믹이며, 19는 핀홀을 통과한 광원 빔을 평행 시준하는 렌즈이며, 20은 광원의 파장에서 높은 감도를 갖는 고속 광 검출기이다.
21은 고속 저노이즈 전류-전압 변환 전치 증폭기이며, 22는 위상 민감 검출을 위한 록인 증폭기이며, 23은 위상 조절기이고, 24는 주파수
Figure 112008065948194-PAT00028
이며 기준전압 v를 가진 사인파 발생기이다.
25는 교류 통과용 전기용량 C를 갖는 컨덴서이며, 26은 고전압 증폭기이며, 27은 부궤환을 위한 서보 증폭기이며, 28은 고전압 증폭기이며, 29는 저역통과 적분기이며, 30은 아날로그신호를 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스이다.
31은 3차원 영상 신호처리용 프로그램 및 컴퓨터를 나타낸다.
그래서 능동형 공초점 현미경은 샘플 12에서 반사된 광원 빔이 빔 분할기 4에서 반사되어 집속 렌즈 14에 의해 초점 17로 집속되고 고속 광검출기 20에서 검출된다. 이때 능동형 공초점 검출기를 구성하기 위해 핀홀 17은 전압으로 고동되는 피에조 세라믹 18에 의해 주파수
Figure 112008065948194-PAT00029
로 변조된다. 이 변조 신호는 사인파 발생기 24에서 발생되며 위상조절기 23을 걸쳐 록인 증폭기 22의 주파수 기준신호로 사용된다. 검출기 20에서 검출된 신호는 증폭기 21을 걸쳐 록인 증폭기 22로 입력된다. 위상 민감 검출 원리에 의해 수학식 2에 주어진 투과신호의 1차 미분 신호
Figure 112008065948194-PAT00030
는 비례 및 적분 서보 컨트롤러 27과 고전압 증폭기를 걸쳐 대물렌즈를 움직이는 전압으로 조절되는 피에조 세라믹 8에 가해져서 능동형 현미경이 구성된다. 저역투과필터 29를 통과한 에러 신호는 컴퓨터와 인터페이스를 위해 아날로그신호를 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스 30으로 입력되며 x-y 스캔 신호에 따른 3차원 영상은 3차원 영상 신호처리용 프로그램 및 컴퓨터에서 완성된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 공초점 현미경의 구조도로서, 헤테로다인 간섭계가 장착된 복합형 공초점 현미경의 구조도이다.
여기서 참조번호 32는 광 주파수
Figure 112008065948194-PAT00031
를 갖고 편광이 수직인 주파수 안정화 2모드 헬륨-네온 레이저 광원이고, 33은 시준 렌즈, 34는 빔 분할기, 35는 집광 렌즈, 36은 기준 맥놀이 주파수
Figure 112008065948194-PAT00032
측정 고속 광검출기이며, 37은 환형 광원 빔을 만드는 원형 빔 어퍼춰(aperture)이다.
38은 편광 빔분할기, 39 사분의일 파장판, 40 전반사 거울, 41은 선형 또는 원형 편광되어 샘플로 입사 및 샘플에서 반사되는 광원빔, 42 광원 빔을 샘플로 조사하기 위한 직선 또는 회전 빔 방향 조정 거울, 43은 전압조절에 의해 상하방향 운동이 가능한 피에조 세라믹이고, 44는 피에조 세라믹에 고정된 대물렌즈 (x20, x40, x60, x100 등의 배율교환 가능)이고, 45는 대물렌즈에 의해 샘플로 집광 및 샘플에서 반사되어 되돌아가는 광원 빔이다.
46은 전압조절에 의해 2차원 x-y 평면에서 나노미터분해능을 갖는 x-y 나노스테이지이고, 47은 반사 또는 투과형 액체 및 고체 샘플이고, 48. 헤테로다인 변위, 속도 측정 모듈이며, 49는 도플러 편이가
Figure 112008065948194-PAT00033
로된 맥놀이 주파수
Figure 112008065948194-PAT00034
측정 고속 광검출기로 헤테로 다인 변위 및 속도 측정기가 구성된다.
50은 집속렌즈이고, 51은 빔 분할기이며, 52는 샘플에서 되반사되어 빔분할기 38에서 반사된 광원 빔이고, 53은 광원 빔을 핀홀에 집속하기 위한 렌즈이며, 54은 집속렌즈 14에 의해 핀홀 16으로 집속되는 광원 빔이다.
55는 지름 0.001 mm ~ 0.1 mm 사이의 핀홀 구멍이며, 56은 중심에 구멍 16을 가지고 두께 0.2 ~ 1.0 mm이며 직경이
Figure 112008065948194-PAT00035
인 실리콘 단결정 핀홀이며, 57 핀홀 17을 광원 빔축(z) 방향으로 고속 진동시키기 위한 전압조절 피에조 세라믹이고, 58은 핀홀을 통과한 광원 빔을 평행 시준하는 렌즈이고, 59은 광원의 파장에서 높은 감도를 갖는 고속 광 검출기이며, 60은 고속 저노이즈 전류-전압 변환 전치 증폭기이다.
61은 위상 민감 검출을 위한 록인 증폭기이며, 62는 위상 조절기이고, 63은 주파수
Figure 112008065948194-PAT00036
이며 기준전압 v를 가진 사인파 발생기이며, 64는 교류 통과용 전기용량 C를 갖는 컨덴서이며, 65, 66은 고전압 증폭기이며, 67. 부궤환을 위한 비례 적분 서보 컨트롤러이다.
68은 저역통과 적분기이며, 69는 아날로그신호를 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스이고, 70은 3차원 영상 신호처리용 프로그램 및 컴퓨터로써 복합 공초점 현미경이 구성된다.
도 2에 시현된 복합 공초점 현미경의 헤테로다인 변위 및 속도 측정기는 다음과 같이 구성된다. 광 주파수
Figure 112008065948194-PAT00037
를 갖고 편광이 수직인 주파수 안정화 2모드 헬륨-네온 레이저 광원 32에서 나온 레이저빔은 36에서 기준 맥놀이 주파수
Figure 112008065948194-PAT00038
이 측정되고 37의 환형 광원 빔을 만드는 원형 빔 어퍼춰(aperture)에서 중심으로 통과한다. 편광 빔분할기 38, 사분의일 파장판 39를 통해 샘플빔이 되돌아 오고, 전반사 거울 40에서 기준 빔이 되돌아와, 선형 또는 원형 편광되어 샘플로 입사 및 샘플에서 반사되는 광원빔 41이 된다. 헤테로다인 변위, 속도 측정 모듈이며 48에서 도플러 편이가
Figure 112008065948194-PAT00039
로된 맥놀이 주파수
Figure 112008065948194-PAT00040
측정 고속 광검출기 49로 측정되며 36에서 측정된 기준 주파수를 이용하여 헤테로다인 변위 및 속도 측정기 48이 구성된다.
도 2에 시현된 복합 공초점 현미경의 공초점 현미경은 도 1에서 시현된 구조와 동일한 구조로 구성된다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 공초점 현미경의 구조도로서, 넓은 영역 스캔용의 공초점 현미경의 구조도이다.
여기서 참조번호 71은 중심파장 600 nm이고 200 nm 스펙트럼을 갖는 초연속 다이오드 레이저 광원 및 연속발진, 온도조절, 및 펄스 간격 조절이 가능한 온도 및 전류조절기를 가진 광원이다.
72는 광섬유 및 광섬유 홀더이고, 73은 시준 렌즈이며, 74는 광대역 편광 빔분할기이고, 75는 광대역 사분의일 파장판이며, 76은 시준된 초연속 스펙트럼 레이저 빔이다.
77은 고효율 투과형 회절격자이고, 78은 대물렌즈 (x20, x40, x60, x100 등의 배율교환 가능)이며, 79는 스펙트럼 분산에 의해 선형으로 집속되는 레이저 빔이고, 80은 전압조절에 의해 x-y 평면에서 나노미터분해능을 갖는 x-y 나노 및 선형스테이지이고, 81은 샘플에 선형으로 집속된 레이저 빔이다.
82는 샘플 및 광원을 이동 방향을 결정하는 x-y-z 오른손 직각 좌표계이다. 83. 광축에 삽입 및 제거가 가능한 선폭을 갖는 스펙트럼 휠터이고, 84는 스펙트럼 휠터 조절기이며, 85는 반사거울, 86은 고효율 투과형 회절격자이다.
87은 대물렌즈(x20, x40, x60, 100 등의 배율교환 가능)이며, 88은 전압조절 피에조 세라믹이고, 89는 두께 0.2 ~ 1.0 mm이며 직경이 D인 실리콘 단결정 x-축 선형 핀홀이며, 90은 전압조절 피에조 세라믹이며, 91은 집속렌즈이고, 92는 선스캔 카메라에 스펙트럼에 따라 선형 집속된 레이저 빔이고, 93은 고속 30 kHz 선스캔 영상 카메라이다.
94는 위상민감 록인 증폭기이고, 95는 위상 조절기이며, 96은 주파수
Figure 112008065948194-PAT00041
이며 기준전압 v를 가진 사인파 발생기이고, 97은 교류 통과용 전기용량 C를 갖는 컨덴서이며, 98, 99는 고전압 증폭기이고, 100은 부궤환을 위한 비례 적분 서보 컨트롤러이다.
101은 저역통과 적분기이며, 102는 아날로그신호를 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스이며, 103은 3차원 영상 신호처리용 프로그램 및 컴퓨터이다.
넓은 영역 고속 스캔용 능동형 스펙트럼 엔코딩 공초점 현미경은 다음과 같이 구성된다. 중심피장 600 nm 스펙트럼폭 300 nm를 갖는 초연속 스펙트럼을 갖는 광원 71에서 화이버 72를 통과한 광원은 스펙트럼에 따라 다른 광로로 향하게 만드는 90 % 이상의 1차 회절효율을 갖는 투과형 회절격자 77을 투과해 대물렌즈 78에 의해 선모양의 집속빔 81을 샘플에 만든다. 샘플에서 반사된 선형 빔은 다시 회절격자에서 원형빔으로 바뀌며 편광 빔 분할기 74에서 선형 핀홀 89로 향한다. 주파수
Figure 112008065948194-PAT00042
로 변조된 선형 핀홀을 투과한 선형 빔은 라인스캔 카메라 93에 의해 고속으로 검출되며 록인 증폭기 94에 의해 고속으로 높이 정보에 대한 에러신호를 발생하고 능동으로 세라믹 피에조 88에 의해 스펙트럼에 따른 높이를 능동적으로 제어하여 선높이를 아날로그신호를 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스이 102에서 기록한다. x-y 스캐너 80을 x-y-축 방향으로 스캔하면서 선형 높이를 고속으로 기록하면서 넓은 면적을 스캔하여 넓은 영역 고속 스캔용 능동형 스펙트럼 엔코딩 공초점 현미경이 구성된다.
도 4는 본 발명에 의한 공초점 현미경에서 변위의 함수로 핀홀을 투과한 광의 강도 함수 그래프와 투과한 광의 1차 미분 함수의 그래프이다.
여기서 참조번호 104는 수학식 1에 주어진 공초점 현미경에서 변위
Figure 112008065948194-PAT00043
의 함수로 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00044
의 그래프이고, 105는 수학식 1에 주어진 공초점 현미경에서 변위
Figure 112008065948194-PAT00045
의 함수로 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00046
의 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00047
의 그래프이다.
106은 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00048
의 최대점이고, 107은 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00049
의 좌측 변곡점이며, 108은 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00050
의 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00051
의 최대점이다.
109는 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00052
의 우측 변곡점이고, 110은 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00053
의 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00054
의 최소점이며, 111은 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00055
의 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00056
의 0근처 선형기울기이다.
이러한 본 발명은 다음과 같은 특징을 갖는다.
가. 공초점 원리에 의해 핀홀에 z-축으로 진행하는 광을 집속하는 렌즈에 의해 핀홀을 투과하는 광의 세기(intensity)
Figure 112008065948194-PAT00057
의 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00058
를 핀홀의 위치를 주파수
Figure 112008065948194-PAT00059
로 변조하고 록인 증폭기를 이용하여 검출하는 능동형 공초점 현미 경의 방법 및 장치.
나. 공초점 핀홀의 위치를 전압으로 길이를 변조할 수 있는 피에조 세라믹에 마운트해서 z-축으로 진행하는 광을 집속하는 렌즈에 의해 핀홀을 투과하는 과의 세기를 변조하고 록인 증폭기를 이용하여 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00060
를 실험적으로 검출하고 대물렌즈의 초점이 항상 핀홀의 위치에 집속되어 최대 출력을 얻을 수 있도록 능동제어 하여 축방향 분해능 문제를 해결한 능동형 공초점 현미경의 방법 및 장치.
다. 광을 이용한 공초점 현미경 및 표면형상 측정기의 횡방향 분해능을 향상시키기 위해 환 형태의 광원을 만들 수 있는 도 1의 아펙스 렌즈 3과 도 2의 환형빔 어퍼줘 37을 고안하여 횡방향 분해능 문제를 해결한 능동형 공초점 현미경의 방법 및 장치.
라. 광을 이용한 공초점 현미경 및 표면형상 측정기의 횡방향 분해능을 향상시키기 위해 환 형태의 광원을 만들 수 있는 도 1의 아펙스 렌즈 3과 도 2의 환형빔 어퍼줘 37을 고안하여 횡방향 분해능 문제를 해결한 공초점 현미경의 방법 및 장치.
마. 주파수가 안정화된 2모드 레이저를 광원 하나만을 사용하여 도 2에서 시현된 환형빔 중심으로 헤테로다인 간섭계를 독립적으로 구성하여 도 1에서 시현된 복합 능동형 공초점 현미경의 원리 및 장치.
바. 주파수가 안정화된 2모드 레이저를 광원 하나만을 사용하여 도 2에서 시 현된 환형빔 중심으로 헤테로다인 간섭계를 독립적으로 구성하여 도 1에서 시현된 복합 공초점 현미경의 원리 및 장치.
사. 도 3에서 시현된 초연속 스펙트럼을 갖는 반도체 레이저를 광원으로 사용하고, 투과형 회절격자를 이용해서 스펙트럼 별로 다른 1차원 공간에 초점을 갖는 1차원 스펙트럼 인코딩 표면높이 정보를 x-축 방향으로 기록하고 선형 핀홀과 선형 공초점 현미경을 고안하여 1차원 영상을 선스캔 카메라를 이용하여 고속으로 얻으며 높이 정보는 각 픽셀 별로 도 1에서 시현된 능동형 공초점 현미경 및 표면 형상 측정기로 획득하고, y-축 방향으로 샘플을 이송시켜서 대면적 고속 3차원 영상 획득을 가능하게 하는 능동형 공초점 현미경의 원리 및 장치.
아. 도 3에서 시현된 초연속 스펙트럼을 갖는 반도체 레이저를 광원으로 사용하고, 투과형 회절격자를 이용해서 스펙트럼 별로 다른 1차원 공간에 초점을 갖는 1차원 스펙트럼 인코딩 표면높이 정보를 x-축 방향으로 기록하고 선형 핀홀과 선형 공초점 현미경을 고안하여 1차원 영상을 선스캔 카메라를 이용하여 고속으로 얻으며 높이 정보는 각 픽셀 별로 공초점 현미경 및 표면 형상 측정기로 획득하고, y-축 방향으로 샘플을 이송시켜서 대면적 고속 3차원 영상 획득을 가능하게 하는 공초점 현미경의 원리 및 장치.
이처럼 본 발명은 광을 이용하여 생체(투과형) 및 나노구조체(반사형) 3차원 형상을 검출하게 되는 것이다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않 는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공초점 현미경의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 공초점 현미경의 구조도로서, 헤테로다인 간섭계가 장착된 복합형 공초점 현미경의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 공초점 현미경의 구조도로서, 넓은 영역 스캔용의 공초점 현미경의 구조도이다.
도 4는 본 발명에 의한 공초점 현미경에서 변위의 함수로 핀홀을 투과한 광의 강도 함수 그래프와 투과한 광의 1차 미분 함수의 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
가. 도 1의 설명
1. 레이저 또는 백색광 광원
2. 시준 렌즈
3. 환형 광원 빔을 만드는 아펙스(Apex) 렌즈
4. 비편광 빔분할기 또는 편광 빔분할기
5. 사분의일 파장판
6. 선형 또는 원형 편광되어 샘플로 입사 및 샘플에서 반사되는 광원빔
7. 광원 빔을 샘플로 조사하기 위한 직선 또는 회전 빔 방향 조정 거울
8. 전압조절에 의해 상하방향 운동이 가능한 피에조 세라믹
9. 피에조 세라믹에 고정된 대물렌즈(x20, x40, x60, x100 배율교환 가능)
10. 대물렌즈에 의해 샘플로 집광 및 샘플에서 반사되어 되돌아가는 광원 빔
11. 전압조절에 의해 2차원 x-y 평면에서 나노미터분해능을 갖는 x-y 나노스테이지
12. 반사 또는 투과형 액체 및 고체 샘플
13. 샘플에서 되반사되어 빔분할기 4에서 반사된 광원 빔
14. 광원 빔을 집속하기 위한 렌즈
15. 집속렌즈 14에 의해 핀홀 16으로 집속되는 광원 빔
16. 지름 0.001 mm ~ 0.1 mm 사이의 핀홀 구멍
17. 중심에 구멍 16을 가지고 두께 0.2 ~ 1.0 mm이며 직경이 D인 실리콘 단결정 핀홀
18. 핀홀 17을 광원 빔축(z) 방향으로 고속 진동시키기 위한 전압조절 피에조 세라믹
19. 핀홀을 통과한 광원 빔을 평행 시준하는 렌즈
20. 광원의 파장에서 높은 감도를 갖는 고속 광 검출기
21. 고속 저노이즈 전류-전압 변환 전치 증폭기
22. 위상 민감 검출을 위한 록인 증폭기
23. 위상 조절기
24. 주파수 f이며 기준전압 V를 가진 사인파 발생기
25. 교류 통과용 전기용량 C를 갖는 컨덴서
26. 고전압 증폭기
27. 부궤환을 위한 서보 증폭기
28. 고전압 증폭기
29. 저역통과 적분기
30. 아날로그신호를 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스
31. 3차원 영상 신호처리용 프로그램 및 컴퓨터
나. 도 2의 설명
32. 광 주파수
Figure 112008065948194-PAT00063
를 갖고 편광이 수직인 주파수 안정화 2모드 헬륨-네온 레이저 광원
33. 시준 렌즈
34. 빔 분할기
35. 집광 렌즈
36. 기준 맥놀이 주파수
Figure 112008065948194-PAT00064
측정 고속 광검출기
37. 환형 광원 빔을 만드는 원형 빔 어퍼춰(aperture)
38. 편광 빔분할기
39. 사분의일 파장판
40. 전반사 거울
41. 선형 또는 원형 편광되어 샘플로 입사 및 샘플에서 반사되는 광원빔
42. 광원 빔을 샘플로 조사하기 위한 직선 또는 회전 빔 방향 조정 거울
43. 전압조절에 의해 상하방향 운동이 가능한 피에조 세라믹
44. 피에조 세라믹에 고정된 대물렌즈 (x20, x40, x60, x100 배율교환 가능)
45. 대물렌즈에 의해 샘플로 집광 및 샘플에서 반사되어 되돌아가는 광원 빔
46. 전압조절에 의해 2차원 x-y 평면에서 나노미터분해능을 갖는 x-y 나노스테이지
47. 반사 또는 투과형 액체 및 고체 샘플
48. 헤테로다인 변위, 속도 측정 모듈
49. 도플러 편이가
Figure 112008065948194-PAT00065
로된 맥놀이 주파수
Figure 112008065948194-PAT00066
측정 고속 광검출기
50. 집속렌즈
51. 빔 분할기
52. 샘플에서 되반사되어 빔분할기 38에서 반사된 광원 빔
53. 광원 빔을 핀홀에 집속하기 위한 렌즈
54. 집속렌즈 14에 의해 핀홀 16으로 집속되는 광원 빔
55. 지름 0.001 mm ~ 0.1 mm 사이의 핀홀 구멍
56. 중심에 구멍 16을 가지고 두께 0.2 ~ 1.0 mm이며 직경이 D인 실리콘 단결정 핀홀
57. 핀홀 17을 광원 빔축(z) 방향으로 고속 진동시키기 위한 전압조절 피에조 세라믹
58. 핀홀을 통과한 광원 빔을 평행 시준하는 렌즈
59. 광원의 파장에서 높은 감도를 갖는 고속 광 검출기
60. 고속 저노이즈 전류-전압 변환 전치 증폭기
61. 위상 민감 검출을 위한 록인 증폭기
62. 위상 조절기
63. 주파수 f이며 기준전압 V를 가진 사인파 발생기
64. 교류 통과용 전기용량 C를 갖는 컨덴서
65. 고전압 증폭기
66. 고전압 증폭기
67. 부궤환을 위한 비례 적분 서보 컨트롤러
68. 저역통과 적분기
69. 아날로그신호를 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스
70. 3차원 영상 신호처리용 프로그램 및 컴퓨터
다. 도 3의 설명
71. 중심파장 600 nm이고 200 nm 스펙트럼을 갖는 초연속 다이오드 레이저 광원 및 연속발진, 온도조절, 및 펄스 간격 조절이 가능한 온도조절기 또는 전류조절기
72. 광섬유 및 광섬유 홀더
73. 시준 렌즈
74. 광대역 편광 빔분할기
75. 광대역 사분의일 파장판
76. 시준된 초연속 스펙트럼 레이저 빔
77. 고효율 투과형 회절격자
78. 대물렌즈 (x20, x40, x60, x100 배율교환 가능)
79. 스펙트럼 분산에 의해 선형으로 집속되는 레이저 빔
80. 전압조절에 의해 x-y 평면에서 나노미터분해능을 갖는 x-y 나노 및 선형스테이지
81. 샘플에 선형으로 집속된 레이저 빔
82. x-y-z 오른손 직각 좌표계
83. 광축에 삽입 및 제거가 가능한 ~nm 선폭을 갖는 스펙트럼 휠터
84. 스펙트럼 휠터 조절기
85. 반사거울
86. 고효율 투과형 회절격자
87. 대물렌즈 (x20, x40, x60, x100 배율교환 가능)
88. 전압조절 피에조 세라믹
89. 두께 0.2 ~ 1.0 mm이며 직경이 D인 실리콘 단결정 x-축 선형 핀홀
90. 전압조절 피에조 세라믹
91. 집속렌즈
92. 선스캔 카메라에 스펙트럼에 따라 선형 집속된 레이저 빔
93. 고속 30 kHz 선스캔 영상 카메라
94. 위상민감 록인 증폭기
95. 위상 조절기
96. 주파수 f이며 기준전압 V를 가진 사인파 발생기
97. 교류 통과용 전기용량 C를 갖는 컨덴서
98. 고전압 증폭기
99. 고전압 증폭기
100. 부궤환을 위한 비례 적분 서보 컨트롤러
101. 저역통과 적분기
102. 아날로그신호를 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스
103. 3차원 영상 신호처리용 프로그램 및 컴퓨터
라. 도 4의 설명
104. 수학식 1에 주어진 공초점 현미경에서 변위 u의 함수로 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00067
그래프
105. 수학식 1에 주어진 공초점 현미경에서 변위 u의 함수로 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00068
의 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00069
그래프
106. 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00070
의 최대점
107. 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00071
의 좌측 변곡점
108. 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00072
의 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00073
의 최대점
109. 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00074
의 우측 변곡점
110. 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00075
의 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00076
의 최소점
111. 핀홀을 투과한 광의 강도 함수
Figure 112008065948194-PAT00077
의 1차 미분 함수
Figure 112008065948194-PAT00078
의 0근처 선형기울기

Claims (14)

  1. 핀홀 구멍(16)이 형성된 핀홀(17)과;
    상기 핀홀(17)의 핀홀 구멍(16)에 z-축으로 진행하는 광을 집속하는 렌즈(14)와;
    상기 핀홀(17)의 위치를 주파수로 변조시키는 피에조 세라믹(18)과;
    상기 렌즈(14)에 의해 상기 핀홀(17)을 통과한 광원 빔을 평행 시준하는 렌즈(19)와;
    상기 평행 시준하는 렌즈(19)에서 광을 검출하는 고속 광 검출기(20)와;
    상기 고속 광 검출기(20)의 신호를 전달받아 상기 핀홀(17)을 투과하는 광의 세기의 1차 미분 함수 검출의 위하여 위상 민감 검출을 수행하는 록인 증폭기(22);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    상기 검출기(20)와 상기 록인 검출기(22) 사이에 연결되어 고속 저노이즈의 전류-전압 변환을 수행하는 고속 저노이즈 전류-전압 변환 전치 증폭기(21)와;
    주파수와 기준전압을 가진 사인파를 발생시키는 사인파 발생기(24)와;
    상기 사인파 발생기(24)에서 발생된 신호의 위상을 조절하여 상기 록인 증폭 기(22)로 전달하는 위상 조절기(23)와;
    상기 사인파 발생기(24)와 연결되고 교류 통과용 전기용량을 갖는 컨덴서(25)와;
    상기 컨덴서(25)를 통과한 신호를 고전압 증폭시켜 상기 피에조 세라믹(18)으로 전달하는 고전압 증폭기(26);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    레이저 또는 백색광 광원(1)과 연결되는 시준 렌즈(2)와;
    상기 시준 렌즈(2)와 연결되어 환형 광원 빔을 만드는 아펙스 렌즈(3)와;
    상기 아펙스 렌즈(3)와 연결되어 빔분할을 수행하는 빔분할기(4)와;
    상기 빔분할기(4)와 연결된 사분의일 파장판(5)과;
    상기 사분의일 파장판(5)을 통과하여 선형 또는 원형으로 편광되어 샘플에서 입사된 광원빔과 샘플에서 반사된 광원빔을 샘플로 조사하기 위해 광원빔이 직선 또는 회전되도록 하여 대물렌즈(9)로 전달되도록 광원빔의 방향을 조정하는 빔 방향 조정 거울(7);
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    상기 록인 증폭기(22)의 결과를 전달받고, 부궤환을 위한 서보 증폭기(27)와;
    상기 서보 증폭기(27)의 출력을 고전압 증폭시키는 고전압 증폭기(28)와;
    상기 고전압 증폭기(28)에서 고전압 증폭된 신호를 전달받고 대물렌즈(9)의 이동을 조절하는 피에조 세라믹(8);
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    상기 록인 증폭기(22)의 결과를 전달받아 저역통과 적분을 수행하는 저역통과 적분기(29)와;
    상기 저역통과 적분기(29)의 출력을 입력받아 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고 컴퓨터와의 인터페이스를 수행하는 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(30)와;
    상기 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(30)의 신호를 전달받아 x-y 스캔 신호에 따른 3차원 영상 신호처리를 수행하는 3차원 영상 신호처리용 프로그 램 및 컴퓨터(31);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  6. 광 주파수
    Figure 112008065948194-PAT00061
    를 갖고 편광이 수직인 주파수 안정화 2모드 헬륨-네온 레이저 광원(32)의 광을 전달받아 환형 광원 빔을 만드는 원형 빔 어퍼춰(37)와;
    핀홀 구멍(55)이 형성된 핀홀(56)과;
    상기 원형 어퍼춰(37)를 통과한 광을 전달받고, 상기 핀홀(56)의 핀홀 구멍(55)에 z-축으로 진행하는 광을 집속하는 렌즈(53)와;
    상기 핀홀(56)의 위치를 주파수로 변조시키는 피에조 세라믹(57)과;
    상기 렌즈(53)에 의해 상기 핀홀(56)을 통과한 광원 빔을 평행 시준하는 렌즈(58)와;
    상기 평행 시준하는 렌즈(58)에서 광을 검출하는 고속 광 검출기(59)와;
    상기 고속 광 검출기(59)의 신호를 전달받아 상기 핀홀(56)을 투과하는 광의 세기의 1차 미분 함수 검출을 위하여 위상 민감 검출을 수행하는 록인 증폭기(61);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    상기 검출기(59)와 상기 록인 검출기(61) 사이에 연결되어 고속 저노이즈의 전류-전압 변환을 수행하는 고속 저노이즈 전류-전압 변환 전치 증폭기(60)와;
    주파수와 기준전압을 가진 사인파를 발생시키는 사인파 발생기(63)와;
    상기 사인파 발생기(63)에서 발생된 신호의 위상을 조절하여 상기 록인 증폭기(61)로 전달하는 위상 조절기(62)와;
    상기 사인파 발생기(63)와 연결되고 교류 통과용 전기용량을 갖는 컨덴서(64)와;
    상기 컨덴서(64)를 통과한 신호를 고전압 증폭시켜 상기 피에조 세라믹(57)으로 전달하는 고전압 증폭기(65);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    광 주파수
    Figure 112008065948194-PAT00062
    를 갖고 편광이 수직인 주파수 안정화 2모드 헬륨-네온 레이저 광원(32)과 연결되는 시준 렌즈(33)와;
    상기 시준 렌즈(33)와 연결되고 집광 렌즈(35)와 연결되어 빔 분할을 수행하여 상기 원형 빔 어퍼춰(37)로 전달하는 빔 분할기(34)와;
    상기 원형 빔 어퍼춰(37)와 연결되어 편광 빔분할을 수행하는 편광 빔분할기(38)와;
    상기 편광 빔분할기(38)와 연결된 사분의일 파장판(39)과;
    상기 편광 빔분할기(38)와 연결된 전반사 거울(40)과;
    상기 빔 분할기(34)에서 상기 집광 렌즈(35)로 전달된 빔에서 기준 맥놀이 주파수를 측정하는 기준 맥놀이 주파수 측정 고속 광검출기(36)와;
    상기 편광 빔분할기(38)와 연결되어 빔을 분할하는 빔 분할기(51)와 상기 빔 분할기(51)의 광을 집속렌즈(50)에 의해 집속시켜 도플러 편이가 특정값으로 된 맥놀이 주파수를 측정하는 맥놀이 주파수 측정 고속 광검출기(49)와;
    상기 기준 맥놀이 주파수 측정 고속 광검출기(36)에서 측정된 기준 맥놀이 주파수를 전달받고 상기 맥놀이 주파수 측정 고속 광검출기(35)에서 측정값을 전달받아 헤테로다인 변위 및 속도를 측정하는 모듈(48)과;
    상기 편광 빔분할기(38)의 광을 전달받고, 선형 또는 원형으로 편광되어 샘플에서 입사된 광원빔과 샘플에서 반사된 광원빔을 샘플로 조사하기 위해 광원빔이 직선 또는 회전되도록 하여 대물렌즈(44)로 전달되도록 광원빔의 방향을 조정하는 빔 방향 조정 거울(42);
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    상기 록인 증폭기(61)의 결과를 전달받고, 부궤환을 위한 서보 증폭기(67) 와;
    상기 서보 증폭기(67)의 출력을 고전압 증폭시키는 고전압 증폭기(66)와;
    상기 고전압 증폭기(66)에서 고전압 증폭된 신호를 전달받고 대물렌즈(44)의 이동을 조절하는 피에조 세라믹(43);
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  10. 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    상기 록인 증폭기(61)의 결과를 전달받아 저역통과 적분을 수행하는 저역통과 적분기(68)와;
    상기 저역통과 적분기(68)의 출력을 입력받아 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고 컴퓨터와의 인터페이스를 수행하는 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(69)와;
    상기 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(69)의 신호를 전달받아 x-y 스캔 신호에 따른 3차원 영상 신호처리를 수행하는 3차원 영상 신호처리용 프로그램 및 컴퓨터(70);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  11. 초연속 스펙트럼을 갖는 반도체 레이저(71)를 광원으로 사용하는 투과형 회절격자(77)와;
    상기 투과형 회절격자(77)에서 회절된 광이 대물렌즈(87)를 통과한 빔을 전달받는 선형 핀홀(89)과;
    상기 선형 핀홀(89)의 위치를 주파수로 변조시키는 피에조 세라믹(90)과;
    상기 선형 핀홀(89)을 통과한 광원 빔을 집속하는 집속렌즈(91)와;
    상기 집속렌즈(91)에 의해 집속된 광원이 스펙트럼에 따라 선형 집속되도록 하는 선스캔 영상 카메라(93)와;
    상기 선스캔 영상 카메라(93)의 신호를 전달받아 상기 선형 핀홀(89)의 광의 세기의 1차 미분 함수 검출을 위하여 위상 민감 검출을 수행하는 록인 증폭기(94);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    상기 선스캔 영상 카메라(93)와 신호를 전달받고 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(102)와;
    주파수와 기준전압을 가진 사인파를 발생시키는 사인파 발생기(96)와;
    상기 사인파 발생기(96)에서 발생된 신호의 위상을 조절하여 상기 록인 증폭기(94)로 전달하는 위상 조절기(95)와;
    상기 사인파 발생기(96)와 연결되고 교류 통과용 전기용량을 갖는 컨덴서(97)와;
    상기 컨덴서(97)를 통과한 신호를 고전압 증폭시켜 상기 피에조 세라믹(90)으로 전달하는 고전압 증폭기(98);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    레이저광원 또는 온도조절기 또는 전류조절기(71)와 연결되는 광섬유 및 광섬유 홀더(72)와;
    상기 광섬유 및 광섬유 홀더(72)와 연결되는 시준 렌즈(73)와;
    상기 시준 렌즈(73)와 연결되어 광대역 편광 빔분할을 수행하는 광대역 편광 빔분할기(74)와;
    상기 광대역 편광 빔분할기(74)와 연결된 광대역 사분의일 파장판(75)과;
    상기 광대역 사분의일 파장판(75)과 연결된 투과형 회절격자(77)와;
    상기 투과형 회절격자(77)와 연결된 대물렌즈(78)와;
    상기 대물렌즈(78)를 통과한 레이저 빔(79)을 선형으로 집속하여 전압조절에 의해 x-y 평면에서 나노미터분해를 수행하는 x-y 나노 및 선형스테이지(80)와;
    상기 광대역 편광 빔분할기(74)와 연결된 스펙트럼 휠터(83)와;
    상기 스펙트럼 휠터(83)를 조절하는 스펙트럼 휠터 조절기(84)와;
    상기 스펙트럼 휠터(83)의 빔을 상기 투과형 회절격자(86)로 전달하는 반사거울(85);
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
  14. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    상기 선스캔 영상 카메라(93)의 신호를 전달받아 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고 컴퓨터 인터페이스를 수행하는 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(69)와;
    상기 디지털 신호 변환기 및 컴퓨터 인터페이스(69)와 연결되어 부궤환을 위한 비례 적분을 수행하는 비례 적분 서보 컨트롤러(100)와;
    상기 비례 적분 서보 컨트롤러(100)의 신호를 증폭시키는 고전압 증폭기(99)와;
    상기 고전압 증폭기(99)의 신호를 전달받고, 상기 대물렌즈(87)를 제어하는 전압조절 피에조 세라믹(88);
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공초점 현미경.
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