KR20120006631A - 적외선렌즈 현미경 - Google Patents
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Abstract
별도의 조명을 설치할 필요없이, 적외선 파장을 이용하여 시료의 이미지를 관찰할 수 있는 산업용 및 안과용 적외선렌즈 현미경이 개시된다. 상기 적외선렌즈 현미경은, 경통 말단에 위치하며, 관찰 대상 물체에 근접하여 물체의 확대 이미지를 얻는 적외선 대물렌즈군; 및 경통의 내부에 위치하며, 상기 대물렌즈군을 통해 입사되는 빛을 모아 결상시키는 적외선 튜브렌즈군을 포함하며, 상기 적외선 대물렌즈군 및 적외선 튜브렌즈군은 0.7 내지 300 ㎛ 파장의 적외선을 통과시킨다.
Description
본 발명은 적외선렌즈 현미경에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 별도의 조명을 설치할 필요없이, 적외선 파장을 이용하여 시료의 이미지를 관찰할 수 있는 산업용 및 안과용 적외선렌즈 현미경에 관한 것이다.
현미경은, 사람의 눈으로 관찰하기 어려운 미세한 물체, 미생물 등을 확대하여 관찰하기 위한 장치로서, 튜브(Tube) 모양의 경통 말단에 위치하며, 관찰 대상 물체(시료 또는 샘플)에 근접하여 물체의 확대 이미지를 얻는 대물렌즈와 경통의 내부에 위치하며, 대물렌즈를 통해 입사되는 빛(이미지)을 모아 이미지 센서에 결상시키는 튜브렌즈를 포함한다. 도 1 및 2는 각각 통상적인 현미경에 사용되는 대물렌즈와 튜브렌즈의 구조를 보여주는 도면이다. 도면에 있어서, 칼라 라인은 빛의 경로를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 통상의 대물렌즈는 가시광 영역에서 고배율(예를 들면, 50배)의 확대 이미지를 얻기 위하여 다수의, 예를 들면 10 내지 11매의 렌즈들이 중첩된 대물렌즈군(10)의 구조를 가진다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 통상의 튜브렌즈는 4매의 렌즈로 이루어지되, 2매의 렌즈가 각각 접합되어 있는 전방 렌즈군(22) 및 후방 렌즈군(24)으로 이루어진다. 도 1 및 2에 도시된 대물렌즈 및 튜브렌즈를 포함하는 현미경(광학계)은 가시광 영역에서 사용되는 것으로서, 시료의 이미지를 확대할 경우, 이미지가 어두워지므로, 시료를 관찰하기 위한 조명을 별도로 구비하여야 한다.
본 발명의 목적은, 렌즈의 개수를 감소시킬 수 있으며, 별도의 조명없이도 시료를 관찰할 수 있는 적외선렌즈 현미경을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 경통 말단에 위치하며, 관찰 대상 물체에 근접하여 물체의 확대 이미지를 얻는 적외선 대물렌즈군; 및 경통의 내부에 위치하며, 상기 대물렌즈군을 통해 입사되는 빛을 모아 결상시키는 적외선 튜브렌즈군을 포함하며, 상기 적외선 대물렌즈군 및 적외선 튜브렌즈군은 0.7 내지 300 ㎛ 파장의 적외선을 통과시키는 렌즈인 것인, 적외선렌즈 현미경을 제공한다.
본 발명에 따른 적외선렌즈 현미경은, 별도의 조명을 사용하지 않고도, 조명을 사용하여 시료의 이미지를 얻는 종래의 현미경과 유사한 품질의 이미지를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 적외선렌즈 현미경은, 시료에 약간의 온도차가 있으면, 어두운 곳에서도 시료의 이미지를 얻을 수 있으므로, 조명이 없는 곳에서도 자유롭게 이용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 적외선렌즈 현미경은, 렌즈의 개수를 감소시킬 수 있으므로, 렌즈의 코팅, 조립정렬 등이 용이한 장점이 있다.
도 1 및 2는 각각 통상적인 현미경에 사용되는 대물렌즈와 튜브렌즈의 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선렌즈 현미경의 광학계 구조를 보여주는 도면.
도 4 및 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선렌즈 현미경에 사용되는 대물렌즈와 튜브렌즈의 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선렌즈 현미경의 광학계 구조를 보여주는 도면.
도 4 및 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선렌즈 현미경에 사용되는 대물렌즈와 튜브렌즈의 구조를 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선렌즈 현미경의 광학계 구조를 보여주는 도면이고, 도 4 및 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선렌즈 현미경에 사용되는 대물렌즈와 튜브렌즈의 구조를 보여주는 도면이다. 본 발명에 따른 적외선렌즈 현미경은, 시료로부터 발산되는 적외선 파장을 이용하여 시료의 이미지를 관찰하는 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 경통(미도시) 말단에 위치하며, 관찰 대상 물체(시료)에 근접하여 물체의 확대 이미지를 얻는 적외선 대물렌즈군(30); 및 경통의 내부에 위치하며, 상기 대물렌즈군(30)을 통해 입사되는 빛(이미지)을 모아 결상시키는 적외선 튜브렌즈군(40)을 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적외선렌즈 현미경에 사용되는 적외선 대물렌즈군(30)은 5매 이하, 바람직하게는 3매의 적외선 렌즈들(예를 들면, 실리콘 렌즈, 게르마늄 렌즈, 실리콘 렌즈)이 중첩된 구조를 가진다. 상기 적외선 렌즈(또는 렌즈군)는 0.7 내지 300 ㎛ 파장의 적외선, 바람직하게는 1 내지 25 ㎛ 파장의 적외선, 더욱 바람직하게는 3 내지 8 ㎛, 특히 바람직하게는 2 내지 5 ㎛ 파장의 중적외선(MWIR, Mid-wavelength infrared) 만을 통과시키는 렌즈일 수 있으며, 예를 들면, 고굴절률을 나타내는 물질인 게르마늄(Germanium, Ge), 실리콘(Silicon, Si), 아연 셀라나이드(Zinc Selenide, ZnSe), 수정(quartz), 이들의 혼합물 등으로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명의 현미경에 있어서는, 적외선 파장만을 투과하며, 굴절율이 큰 렌즈들로 대물렌즈군(30)을 형성하여, 사용되는 렌즈의 개수를 감소시키면서도, 종래의 대물렌즈군(10)과 동일한 성능(총 굴절률)을 얻을 수 있다. 본 발명에 사용되는 적외선 대물렌즈군(30)은, 현미경의 용도에 따라 달라질 수 있으나, 가시광 영역을 이용하는 광학계와 비슷한 성능을 나타내도록, 예를 들면, 수치구경 값(NA, Numerical Aperture)이 0.8이고, 배율이 약 20 내지 100배, 예를 들면 50배가 되도록 설계될 수 있다. 상기 적외선 대물렌즈군(30)이 저배율인 경우, 초점거리가 짧고, 물체와 대물렌즈군(30) 사이의 거리(작동거리)가 길어지며, 고배율인 경우, 초점거리가 길고, 물체와 대물렌즈군(30) 사이의 거리(작동거리)가 짧아진다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 현미경에 사용되는 튜브렌즈군(40)는 3매 이하, 바람직하게는 2매의 적외선 튜브렌즈(42, 44)로 이루어진다. 상기 적외선 튜브렌즈(42, 44)는, 각각 도 2에 도시된 전방 렌즈군(22) 및 후방 렌즈군(24)에 대응되는 것으로서, 전방 적외선 튜브렌즈(42)는 전방 렌즈군(22)과 동일한 파워를 가지며, 후방 적외선 튜브렌즈(44)는 후방 렌즈군(24)과 동일한 파워를 가진다. 본 발명에 있어서는, 굴절율이 높은 적외선 튜브렌즈(72, 74)를 사용하므로, 2매의 접합렌즈 대신, 1매의 렌즈로 동일한 파워를 만들어, 동일한 성능을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 튜브렌즈군(40)에 있어서는, 적은 매수(통상 2매)의 렌즈를 사용하더라도, 다수(통상 3 ~ 4매)의 렌즈를 중첩하는 종래의 가시광 광학계와 유사한 성능을 얻을 수 있다. 본 발명의 현미경에 사용되는 적외선 튜브렌즈군(40)의 초점거리는, 현미경의 용도에 따라 달라질 수 있으나, 보통 100 내지 300 mm, 예를 들면 200 mm 이다.
본 발명에 사용되는 적외선 렌즈는, 물체의 온도에 따른 적외선 영역의 고유한 복사에너지 차이를 검출하는 것으로서, 적외선 영역 파장의 빛은 투과시키지만, 가시광 영역 파장의 빛은 투과시키지 못한다. 반면, 가시광 렌즈는 가시광 영역 파장의 빛은 투과시키지만, 적외선 영역 파장의 빛은 투과시키지 못한다. 상기 적외선 렌즈는, 가시광 렌즈와 비교하여, 굴절률이 크고, 온도에 따른 굴절률의 변화도 큰 물질로 이루어진다. 통상적으로, 가시광 렌즈의 굴절률은 약 1.4 ~ 1.7 정도이지만, 적외선 렌즈의 굴절률은 약 3.4 ~ 4.1 정도로서, 가시광 렌즈 2 내지 3매의 렌즈 파워를 얻을 수 있다. 또한, 적외선 렌즈에 있어서는, 공기와의 굴절률 차이가 크고, 표면반사가 크기 때문에, 광투과율을 높이기 위하여, 무반사 코팅이 필요하다.
본 발명에 사용되는 적외선 렌즈를 구성할 수 있는 광학 초자들의 특성을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.
1. 게르마늄(Germanium, Ge): 게르마늄은 2 ~ 10 ㎛ 파장의 적외선(IR)을 통과시키는 렌즈와 윈도우(window)로서 가장 널리 사용되며, 투과율은 온도에 매우 민감하다. 게르마늄 적외선 렌즈의 파장(㎛, Wavelength)에 따른 굴절률(Index)을 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1로부터, 게르마늄 적외선 렌즈는 근적외선과 원적외선 영역에서도 유용하며, 파장 영역에 따른 굴절률의 변화가 적음을 알 수 있다. 게르마늄 적외선 렌즈는, 가시광 영역에서 사용되는 광학초자와는 달리, 투과율이 낮아 무반사 코팅이 필요하다.
| 파장 | 2.06 | 1.15 | 2.44 | 2.58 | 3.00 | 3.42 | 4.36 | 6.24 | 8.66 | 9.72 | 11.04 | 13.02 |
| Index | 4.10 | 4.09 | 4.07 | 4.06 | 4.05 | 4.03 | 4.02 | 4.01 | 4.00 | 4.00 | 4.00 | 4.00 |
2. 실리콘(Silicon, Si): 실리콘은 1.5 ~ 8 ㎛ 파장의 적외선(IR)을 통과시키는 반사재(reflector)와 윈도우로서 주로 사용된다. 9 ㎛ 파장에서는, 적외선의 강한 흡수가 발생하여, 투과율이 저하되지만, 거울(mirror)로서 사용되기도 한다. 실리콘 적외선 렌즈의 파장(㎛, Wavelength)에 따른 굴절률(Index)을 하기 표 2에 나타내었다. 하기 표 2로부터, 실리콘 적외선 렌즈는 근적외선과 중적외선 영역에서 만족할만한 투과율을 보이며, 원적외선 영역에서는 투과율이 좋지 않으나, 굴절률의 변화가 작으므로, 거울(mirror) 등으로 사용될 수 있음을 알 수 있다.
| 파장 | 1.40 | 1.50 | 1.66 | 1.82 | 2.05 | 2.50 | 3.50~5.00 | 6.00~25.00 |
| index | 3.49 | 3.48 | 3.47 | 3.46 | 3.45 | 3.44 | 3.43 | 3.42 |
3. 아연 셀라나이드(Zinc Selenide, ZnSe): 아연 셀라나이드는 적외선 영역에서 광학 윈도우(optical window), 렌즈(lens), 거울(mirror), 프리즘(prism) 등으로 사용된다. 적외선의 투과범위는 0.55 ~ 22 ㎛로서, 사용범위가 넓다.
4. 수정(quartz): 수정은 일반적으로 프리즘(prism)으로 사용되며, 자외선(ultra-violet) 영역에서, 렌즈(lens), 윈도우(window) 등으로 사용되기도 한다. 수정의 적외선 투과 영역은 0.18 ~ 2.5 ㎛이며, 굴절률은 투과 영역에 따라 1.65 ~ 1.55로 다양하다. 다른 적외선 광학초자에 비해, 투과율이 우수하고, 근적외선, 중적외선 영역은 물론, 자외선 영역까지 사용될 수 있으므로, 의료용이나 산업용으로 유용하다.
일반적으로, 현미경의 배율은 대물렌즈 배율 x 튜브렌즈의 초점거리 (200 mm : 1배)로 표현된다. 그리고, 예를 들어, 대물렌즈의 배율이 5배이고, 튜브렌즈의 초점거리가 200 mm이면, 현미경의 초점거리는 튜브렌즈의 초점거리 200 mm를 대물렌즈의 배율 5로 나누어 40 mm가 된다. 동일한 조건에서, 대물렌즈의 배율이 10배이면, 현미경의 초점거리는 20 mm 이다. 즉, 현미경 전체 광학계의 초점거리는 대물렌즈의 초점거리와 동일하다고 볼 수 있다.
본 발명에 따른 적외선렌즈 현미경에 있어서는, 굴절률이 큰 물질로 이루어진 적외선렌즈를 이용하여 적외선 광학계를 구성하므로, 사용되는 렌즈의 매수를 감소시킬 수 있고, 렌즈의 정렬이 용이한 장점이 있다. 또한, 동일한 굴절능을 얻기 위하여, 렌즈 표면의 곡률반경이 커도 무방하므로, 렌즈의 제작이 용이하며, 굴절률이 커짐에 따라 렌즈 표면에서의 반사가 커지므로, 반사방지 코팅이 용이한 추가적인 장점이 있다. 본 발명에 따른 적외선렌즈 현미경은, 적외선 파장을 이용하는 광학계를 포함하므로, 시료의 적외선 이미지를 관찰할 수 있으며, 상술한 광학계를 제외한 나머지, 구성은 통상의 현미경과 동일하게 구성될 수 있다.
Claims (4)
- 경통 말단에 위치하며, 관찰 대상 물체에 근접하여 물체의 확대 이미지를 얻는 적외선 대물렌즈군; 및
경통의 내부에 위치하며, 상기 대물렌즈군을 통해 입사되는 빛을 모아 결상시키는 적외선 튜브렌즈군을 포함하며,
상기 적외선 대물렌즈군 및 적외선 튜브렌즈군은 0.7 내지 300 ㎛ 파장의 적외선을 통과시키는 렌즈인 것인, 적외선렌즈 현미경. - 제1항에 있어서, 상기 적외선 대물렌즈군 및 적외선 튜브렌즈군은 3 내지 8 ㎛ 파장의 적외선을 통과시키며, 상기 적외선 대물렌즈군 및 적외선 튜브렌즈군의 굴절률은 3.4 ~ 4.1 인 것인, 적외선렌즈 현미경.
- 제1항에 있어서, 상기 적외선 대물렌즈군 및 적외선 튜브렌즈군은 게르마늄, 실리콘, 아연 셀라나이드, 수정 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질로 이루어진 것인, 적외선렌즈 현미경.
- 제1항에 있어서, 상기 적외선 대물렌즈군의 배율은 20 내지 100배이고, 상기 적외선 튜브렌즈군의 초점거리는 100 내지 300 mm인 것인, 적외선렌즈 현미경.
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Cited By (2)
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| KR102573768B1 (ko) | 2023-02-01 | 2023-09-01 | (주)토핀스 | 단파장 적외선 하이퍼 스펙트럴 이미징 현미경 시스템 |
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| KR102573768B1 (ko) | 2023-02-01 | 2023-09-01 | (주)토핀스 | 단파장 적외선 하이퍼 스펙트럴 이미징 현미경 시스템 |
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| E601 | Decision to refuse application |