KR20130052110A - 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계 - Google Patents

고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계 Download PDF

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KR20130052110A
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thermal imaging
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김건희
장기수
허명상
이상용
김상혁
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한국기초과학지원연구원
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Abstract

본 발명은 구면렌즈와 비구면렌즈를 조합하고 초점거리를 정밀하게 이동하여 고분해능과 고 개구수(Numerical Aperture) 값을 구현하는 고분해능 적외선 열영상 현미경의 광학계에 관한 것으로서, 초점을 맺는 결상부(10); 및 광경로를 늘려주는 릴레이부(20);를 포함하고, 결상부(10)는 다섯 매의 렌즈로 이루어지고, 릴레이부(20)는 네 매의 렌즈로 이루어지고, 제9렌즈의 앞면인 제9a면을 비구면으로 설계하여 구면 수차, 코마수차, 비점수차와 상의 왜곡인 디스토션(distortion)을 최소화할 수 있도록 구성하고, 광학계는 캠방식을 응용한 방법으로 초점조절 부분을 회전시키면 경통이 전방 또는 후방으로 3mm 정밀하게 이동하여 초점거리가 이동할 수 있도록 구성함으로써 공차 및 기타 요인들에 의해 감소되는 광학계의 성능(예, 콘트라스트, 해상도 등)을 보상하여 더 높은 분해능과 개구수를 구현할 수 있고, 비구면과 구면, 볼록과 오목렌즈, 게르마늄과 실리콘 렌즈를 선택적으로 적용하여 가공이 용이하고 구면수차, 코마수차, 비점수차와 상의 왜곡을 최소화할 수 있다.

Description

고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계{High Resolution Infrared Thermal Imaging Microscope}
본 발명은 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구면렌즈와 비구면렌즈를 조합하고 결상부와 릴레이부를 하나의 시스템으로 간주해서 수차를 보정하고 초점거리를 정밀하게 이동하여 고 분해능과 고 개구수(NA:Numerical Aperture) 값을 구현하며, 구면수차, 코마수차, 비점수차와 상의 왜곡을 최소화하고, 가공이 쉬운 열영상 현미경의 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 열영상 광학계는 검토하고자 하는 피사체에 특정온도를 가해 물체의 열분포 영상의 변화되는 모습을 동영상으로 촬영하거나 그에 따른 온도 분석값을 그래프화, 데이터화시켜 표본을 분석할 수 있는 기능을 사용하고 있다.
이러한 광학계는 렌즈 자체에서 발생되는 수차를 제거하거나 보상하기 위한 기능성 렌즈들이 출현함에 따라 이들 다수를 적절하게 조합하여 구성하는 복합적 렌즈 광학계를 많이 적용하고 있다.
일반적인 실시예로 장치의 소형화 및 고해상도를 구현하는 디지털 카메라 분야에서는 이러한 기능성 렌즈 광학계가 널리 채용되고 있으며, 적외선 투과를 통한 적외선 열을 감지함으로써, 인체나 물체의 열을 감지/검출하는 열감지장치분야에서도 그 기능성 향상을 위하여 복합적 렌즈 광학계의 접목을 시도하고 있고, 이러한 열감지장치로는 감지카메라나 비접촉 열측정기 또는 적외선 검출기 등을 예로 들수 있다.
상기 열감지장치에 종래기술로서 본 출원인이 공지한 열영상 현미경용 광학계가 알려져 있다. 이 종래기술은 도 1에 도시한 바와 같이 광학계를 초점을 맺는 결상부와 광경로를 늘려주는 릴레이부로 구성된다.
상기 결상부는 여섯개의 렌즈로 구성되며, 상기 릴레이부는 두개의 렌즈로 구성되고, 렌즈의 비구면은 모두 볼록면으로 형성되며, 각각의 렌즈는 서로 상이한 치수로 형성된다. 상기 광학계를 구성하는 4매의 렌즈는 실리콘으로 형성되고, 나머지 4매는 게르마늄으로 형성된다.
즉, 상기 종래기술의 열영상 현미경용 광학계를 구성하는 각각의 렌즈는 아래의 표 1과 같이 재료와 형상 및 치수를 가지는 렌즈로 구성된다
렌즈번호 렌즈재료 렌즈면 번호 면형상 반지름 두께
A
 실리콘 Aa 오목 45.147 4.5
Ab 볼록 30.3251
B
 실리콘 Ba 볼록 37.48003 5
Bb 오목 109.209
C
 게르마늄 Ca 비구면 볼록 587.955 3
Cb 오목 57.478
D
 실리콘 Da 볼록 24.716 4
Db 오목 41.822
E
 게르마늄 Ea 비구면 볼록 20.9215 4
Eb 오목 12.387
F
 게르마늄 Fa 오목 27.279 4.5
Fb 비구면 볼록 25.581
G
 게르마늄 Ga 오목 53.948 3
Gb 비구면 볼록 87.316
H
 실리콘 Ha 오목 160.897 4.5
Hb 볼록 30.766
상기와 같이 종래기술의 열영상 현미경용 광학계는 비구면 렌즈가 전체 광학계 렌즈의 1/2을 차지하고 있고, 비구면 렌즈는 구면렌즈에 비하여 가공이 어렵기 때문에 종래기술은 렌즈 가공작업에 비용과 시간이 과다하게 소요되고, 비구면 렌즈 가공작업상 동일한 렌즈의 면을 전체적으로 일정하게 유지하여 제작하기 어려운 문제점이 발생되고 있다.
또한 결상 광학계와 릴레이 광학계로 이루어지는 열영상 현미경용 광학계는 절대온도 965.9K~362.2K 사이의 열원을 관측하기 위해서는 3 ~ 5 ㎛ 파장대 열원을 감지할 수 있어야 하고, NA 값이 0.75 이상이어야 하므로, 이러한 조건을 만족하는 결상 광학계와 릴레이 광학계로 이루어지는 열영상 현미경용 광학계는 상기 각 광학계에 대한 수차보정의 어려움이 있기 때문에 결상 광학계와 릴레이 광학계를 통틀어 수차를 보정한 열영상 현미경용 광학계의 개발이 필요한 실정이다.
또한 종래의 광학계는 탭을 이용하여 광학계가 설치되는 하우징에서 광학계를 ±2mm 이동시킬 수 있고, 탭을 이용하여 이동시킴에 따라 광학계 전체가 기울어지는 현상이 발생되어 열원을 측정하는 성능이 저하되는 문제점이 발생되고 있어, 광학계의 이동범위를 넓히면서 정밀하게 이동시킬 수 있는 광학시스템 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 광학계의 광 경로와 공차분석을 통해 측정 정확도가 향상된 고분해능과 고개구수를 가지는 적외선 열영상 현미경의 광학계를 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 비구면과 구면, 볼록과 오목렌즈, 게르마늄과 실리콘 렌즈를 선택적으로 적용하여 가공이 용이하고 구면수차, 코마수차, 비점수차와 상의왜곡을 최소화할 수 있는 구조를 가지는 광학계를 적외선 열영상 현미경의 광학계를 제공하고, 광학계의 하우징 내에서 광학계를 이동할 때 광학계 광축이 기울어지지 않고 정밀하게 이동시킬 수 있는 광학계를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계는 초점을 맺는 결상부; 및 광경로를 늘려주는 릴레이부;를 포함하고, 상기 결상부는 5매의 렌즈로 이루어지고, 상기 릴레이부는 4매의 렌즈로 형성하도록 한다.
상기 결상부는, 물체 측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제1a면과 상측(像側)에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제1b면을 구비하는 제1렌즈, 물체 측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제2a면과 상측(像側)에 굴절력이 없는 평면인 제2b면을 구비하는 제2렌즈, 물체 측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제3a면과 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제3b면을 구비하는 제3렌즈, 물체 측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제4a면과 굴절력이 없는 평면인 제4b면을 구비하는 제4렌즈, 물체 측에 양의 굴절력을 갖는 비구면 볼록면인 제5a면과 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제5b면을 구비하는 제5렌즈를 포함하도록 한다.
상기 릴레이부는, 물체 측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제6a면과 상측에 양의 굴절력을 갖는 비구면 볼록면인 제6b면을 구비하는 제6렌즈, 물체 측에 음의 굴절력을 갖는 비구면 오목면인 제7a면과 상측에 굴절력이 없는 평면인 제7b면을 구비하는 제7렌즈, 물체 측에 굴절력이 없는 평면인 제8a면과 상측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제8b면을 구비하는 제8렌즈, 물체 측에 양의 굴절력을 가지며 비구면 볼록면인 제9a면과 상측에 굴절력이 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제9b면을 구비하는 제9렌즈를 포함하고, 각각의 렌즈가 번호에 따라 일렬로 나열되도록 한다.
그리고 상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제4렌즈, 상기 제8렌즈 및 상기 제9렌즈는 실리콘(silicon)으로 형성하며, 상기 제3렌즈, 상기 제5렌즈, 상기 제6렌즈, 상기 제7렌즈는 게르마늄(germanium)으로 형성하여 구면 수차, 코마수차, 비점수차와 상의 왜곡인 디스토션(distortion)을 최소화하도록 한다.
상기 각각의 렌즈의 반지름과 중심의 두께는 다음의 표 2에 해당하는 수치로 형성하고, 광학계는 캠방식을 응용한 방법으로 초점조절 부분을 회전시키면 경통이 위아래로 3mm 정밀하게 이동하여 초점거리가 이동할 수 있는 열영상 현미경용 광학계를 구현하도록 한다.
렌즈번호 렌즈재료 렌즈면 번호 면형상 반지름 두께
1 실리콘 1a 오목 95.000 8
1b 볼록 54.080
2 실리콘 2a 볼록 92.730 8
2b 평면 무한대
3 게르마늄 3a 오목 189.470 3
3b 오목 189.170
4 실리콘 4a 볼록 104.84 7.5
4b 평면 무한대
5 게르마늄 5a 비구면 볼록 36.630 7
5b 오목 29.030
6 게르마늄 6a 오목 54.910 7.5
6b 비구면 볼록 39.290
7 게르마늄 7a 비구면 오목 27.180 3
7b 평면 무한대
8 실리콘 8a 평면 160.897 7.5
8b 볼록 65.920
9 실리콘 9a 비구면볼록 56.206 6.5
9b 볼록 650.000
또한 본 발명은 광학계가 설치되는 제1경통 내에서 제2경통의 광학계렌즈를 이동시킬 수 있는 초점조절부를 구비하도록 한다. 상기 초점조절부는 경통의 일측 단부 외측에 구비되며 열영상 현미경에 고정되는 고정원통과, 상기 고정원통의 내측에서 광학계가 설치된 상기 제2경통에 고정되는 고정핀과, 상기 고정원통의 외주면에 형성된 나사에 나사 결합되어 좌우 회전에 의해 상기 나사를 따라 상기 경통의 축방향으로 전진 및 후퇴하여 상기 고정핀을 전진 및 후퇴시켜 위치를 조절하는 고정레버와, 상기 고정원통의 외주면에 형성된 나사에 나사 결합되어 좌우 회전에 의해 상기 나사를 따라 상기 경통의 축방향으로 전진 및 후퇴하여 상기 고정핀이 이동하는 거리를 설정하는 이동거리 설정레버과, 상기 제1경통의 외주면에 고정되고 상기 고정원통의 좌측 단부에 설치되어 상기 이동거리 설정레버의 좌측이동거리를 제한하는 스토퍼로 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 초점조절부에 구비되는 이동거리 설정레버와 고정레버는 고정원통에 나사 결합되어 회전하면서 고정핀의 위치를 이동시키되, 상기 레버들을 원주방향으로 1° 회전시 고정핀이 광학계 하우징의 길이방향으로 3㎛ 이동되어, 전체적으로는 ±3mm 범위 내에서 광학계 하우징의 길이방향으로 이동되어 수 있도록 하여, 광학계의 초점을 정밀하게 보정할 수 있도록 한다.
본 발명은 광학계를 구성하는 렌즈를 9개로 정하고 9번째 렌즈의 앞면을 비구면으로 설계하여 구면수차, 코마수차, 비점수차와 상의 왜곡을 최소화하였고, 또한 광학계는 캠방식을 응용한 방법으로 초점조절 부분을 회전시키면 경통이 위아래로 3mm의 거리를 정밀하게 이동할 수 있도록 함으로써 공차 및 기타 요인들에 의해 감소되는 광학계의 성능을 초점거리의 이동으로 보상하여 고 분해능과 고 개구수(NA) 값을 구현하는 효과가 있다.
그리고 광학계의 광 경로와 공차분석을 통해 광학계 제작의 오차범위를 최소화함으로써 광학적 성능이 향상될 수 있다. 특히 본 발명은 3 ~ 5 ㎛의 파장에서 사용될 수 있어 생체시료의 열분포를 분석할 수 있으며 비파괴 검사나 반도체 공정 등에서 에러의 검출과 같은 분야에 응용할 수 있는 효과가 발생되는 것이다.
또한 본 발명은 비구면과 구면, 볼록과 오목렌즈, 게르마늄과 실리콘 렌즈를 선택적으로 적용하여 렌즈의 가공이 용이하도록 하는 작용효과가 발생된다.
또한 고정원통에 나사 결합되어 형성되는 이동거리 설정레버와 고정레버들을 원주방향으로 1° 회전시 고정핀이 광학계 하우징의 길이방향으로 3㎛ 이동되어, 전체적으로는 ±3mm 범위 내에서 광학계의 보정을 정밀하게 수행할 수 있는 작용효과가 발생된다.
도 1은 열영상 현미경용 광학계의 종래기술을 나타낸 도면이다.
도 2은 본 발명의 고 분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계의 렌즈 배치도이다.
도 3는 본 발명의 고 분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계의 초점조절부를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 초점조절부 단면을 나타낸 도면이다.
도 5, 도 6, 7은 본 발명에 따른 MTF 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 구면수차, 코마수차 비점수차, 색수차, 왜곡수차, 상면만곡 등의 수차를 나타내는 측정결과 그래프이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계는 구면렌즈와 비구면렌즈의 조합으로 구성되고, 렌즈 소재로는 게르마늄과 실리콘으로 형성하도록 하고, 고 개구수(NA: Numeric Aperture)를 구현하기 위하여 전체 렌즈의 수량을 9매로 형성한다. 또한 본 발명의 광학계는 26.5㎜ 이상의 거리에 놓인 시편에 대해서 3㎛ 정도의 분해능을 갖고, NA는 0.75이다. 본 발명에 따른 광학계는 적외선 파장대인 3 ~ 5㎛의 파장에서 사용할 수 있도록 설정되었기 때문에 발생할 수 밖에 없는 색 수차 및 여러 수차의 문제를 해결한다.
그리고 가까이 있는 물체를 5배로 확대하여 관찰하기 때문에 일부 몇개의 렌즈에 대해 부분적으로 비구면 렌즈가 사용되었다.
이러한 본 발명의 열영상 현미경용 광학계는 1번 내지 5번 렌즈를 결상부(10)로 하고 6번 내지 9번 렌즈를 릴레이부(20)로 나누어서 형성하도록 한다.
상기 릴레이부(20)는 콜드스톱(Cold stop)이 센서쪽에 위치하고 있으므로, 상기 결상부(10)의 대구경화를 억제하면서 광량 손실없이 최대한의 분해능을 갖도록 한다.
본 발명은 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계는 도 3에 도시한 바와 같이, 원통형 외관을 형성하고 그 내부에 복수 개의 렌즈를 수용하는 광학계 구조물을 포함한다.
상기 광학계 구조물의 내부에는 도 2에 도시한 바와 같이, 1번째 부터 5번째 렌즈로 이루어지는 결상부(10)와 6번째부터 9번째 렌즈로 이루어진 릴레이부(20)로 구분하고, 각각의 렌즈를 일정간격으로 배열된다.
상기 결상부(10)는 본 발명의 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계의 초점을 맺는 부분으로 물체 측에 가깝게 설치하고, 광경로를 늘려주는 상기 릴레이부(20)는 상측에 가깝게 설치하도록 한다.
또한 상기 결상부(10)는 고분해능을 실현하기 위해서 구면렌즈 4매와 비구면 렌즈 1매로 구성하고, 상기 릴레이부(20)는 비구면 렌즈 3매와 구면렌즈 1매로 형성하되, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1렌즈(1), 제2렌즈(2), 제3렌즈(3), 제4렌즈(4) 및 제5렌즈(5)로 구성되고, 상기 순서에 따라 가장 좌측의 제1렌즈(1)가 물체에 가장 가깝고 나머지 제2렌즈(2) 부터 제5렌즈(5)까지는 제1렌즈(1)의 다음에 배열되어 물체로부터 멀어지는 순서대로 배열된다.
상기 제1렌즈(1)는 물체 측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제1a면(1a)과 상측(像側)에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제1b면(1b)을 구비하고, 상기 제2렌즈(2)는 물체 측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제2a면(2a)과 굴절력이 없는 제2b면(2b)을 구비한다.
상기 제3렌즈(3)는 물체 측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제3a면(3a)과 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제3b면(3b)을 구비하고, 상기 제4렌즈(4)는 물체 측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제4a면(4a)과 굴절력이 없는 평면인 제4b면(4b)을 구비한다.
상기 제5렌즈(5)는 물체 측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면이며 비구면인 제5a면(5a)과 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제5b면(5b)을 구비한다.
상기 릴레이부(20)는 제6렌즈(6), 제7렌즈(7), 제8렌즈(8) 및 제9렌즈(9)로 구성되고, 상기 순서에 따라 가장 좌측의 제6렌즈(6)가 물체에 가장 가깝고 나머지 제7렌즈(7) 부터 제9렌즈(9)까지는 제6렌즈(6)의 다음에 배열되어 물체로부터 멀어지는 순서대로 배열된다.
상기 제6렌즈(6)는 물체 측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제6a면(6a)과 상측에 양의 굴절력을 가지면 비구면으로 된 볼록면인 제6b면(6b)을 구비하고, 상기 제7렌즈(7)는 물체 측에 음의 굴절력을 가지며 비구면으로 된 오목면인 제7a면(7a)과 상측에 굴절력이 없는 평면인 제7b면(7b)을 구비하고, 제8렌즈(8)는 물체 측에 굴절력이 없는 평면인 제8a면(8a)과 상측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제8b면(8b)을 구비하고, 제9렌즈(9)는 물체 측에 양의 굴절력을 가지며 비구면으로 된 볼록면인 제9a면(9a)과 상측에 양의 굴절력를 갖는 볼록면인 제9b면(9b)을 구비한다.
특히 릴레이 광학계(20)의 마지막 렌즈인 9번째 렌즈(9)의 앞면인 제9a면(9a)을 비구면으로 설계하여 구면 수차, 코마수차, 비점수차와 상의 왜곡인 디스토션(distortion)을 최소화하였다.
광학계에는 광학적 성능을 감소시키게 되는 여러 수차들이 있다. 렌즈가 구면이라는 점 때문에 렌즈의 주변부를 통과한 빛이 중심부를 통과한 빛보다 더 짧은 거리에서 초점을 맺는 구면수차 현상을 비롯하여 빛이 렌즈의 광축에 평행하게 들어오지 않아서 발생하는 코마수차, 점을 촬영시 점이 아니게 보이는 비점수차, 화면과 상과의 거리에 따라 렌즈의 배율이 다르게 되어 발생하는 왜곡수차, 평편한 면이 둥그렇게 굽어진 면으로 보이는 상면만곡 등의 수차들이 존재한다.
그리고 시야각이 0˚가 아닐 경우 광학계는 필연적으로 시야각에 따른 수차가 추가적으로 발생할 수 있다. 렌즈의 중심부분을 사용하면 명확한 상을 맺을 수 있지만, 렌즈의 주변 끝까지 사용하여 상을 맺을 때는 상이 선명하지 못하거나 찌그러지기도 한다. 이러한 수차들은 비구면렌즈를 이용하여 보정할 수 있다.
일반적으로 단일렌즈는 빛의 파장이 다른 많은 단색광으로 이루어져 있어서 빛의 파장에 따라 굴절률에 차이가 나기 때문에 필연적으로 발생하는 색수차가 있으므로, 광학기계에 사용되는 렌즈는 단일렌즈를 몇 개 결합하여 각각의 용도에 따라 색수차를 감소시키고 있다. 단일렌즈에는 여러가지 형이 있으며, 대부분의 경우 이러한 여러 개의 단일렌즈를 모아서 조합렌즈로 만드는 것에 의해 수차를 보정할 수 있다.
일반적으로 종래기술에서는 여러 개의 렌즈를 하나의 군으로 묶고 각각의 군을 수차보정하지만, 본 발명에서는 결상부(10)와 릴레이부(20)를 하나의 시스템으로 간주해서 수차를 보정한다.
본 발명의 고 분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계에 구비되는 상기 제5a면(5a), 상기 제6b면(6b), 상기 제7a면(7a) 및 제9a면(9a)은 비구면으로 이루어지고, 나머지 볼록면 또는 오목면은 구면으로 형성하는데, 이는 비구면렌즈가 구면렌즈에 비해서 가공이 어렵기 때문이다. 가공의 편의를 위해서 비구면보다는 구면을 쓰는 것이 바람직하지만, 광학계에서 발생되는 수차를 보정하기 위해서는 비구면 렌즈를 사용할 수 밖에 없고, 이를 해소하기 위하여 최소한의 렌즈를 비구면으로 형성하는 것이다.
상기 제5a면, 제6b면, 제7a면의 비구면 렌즈는 다이아몬드 터닝 머신에서의 가공 편의성을 위하여 게르마늄(Ge)으로 제작하는 것이 바람직하지만, 마지막 제9렌즈(9)의 9a면의 비구면은 실리콘(Si)으로 제작한다. 이는 제9렌즈(9)가 다른 렌즈들에 비해서 외부 충격에 노출될 가능성이 크기 때문에 게르마늄(Ge)에 비해서 충격에 강한 실리콘(Si)으로 형성하는 것이다.
그리고 비구면이 형성되지 않는 제1렌즈(1), 상기 제2렌즈(2), 상기 제4렌즈(4), 상기 제8렌즈(8)는 실리콘으로 형성하도록 한다.
본 발명의 렌즈는 그 두께를 제1렌즈(1)는 8mm, 제2렌즈(2)는 8mm, 제3렌즈(3)는 3mm, 제4렌즈(4)는 7.5mm, 제5렌즈(5)는 7.0mm, 제6렌즈(6)는 7.5mm, 제7렌즈(7)는 3mm, 제 8렌즈(8)는 7.5mm, 제9렌즈(9)는 6.5mm로 형성하도록 한다. 이때 각각의 렌즈의 두께는 각각의 렌즈의 중심부의 두께를 의미한다.
또한 본 발명의 1a면 렌즈의 반지름은 95.000mm, 1b면 렌즈의 반지름은 54.080mm, 2a면 렌즈의 반지름은 92.730mm, 2b면 렌즈의 반지름은 무한대, 3a면 렌즈의 반지름은 189.470mm, 3b면 렌즈의 반지름은 189.170mm, 4a면 렌즈의 반지름은 104.840mm, 4b면 렌즈의 반지름은 무한대, 5a면 렌즈의 반지름은 36.630mm, 5b면 렌즈의 반지름은 29.030mm, 6a면 렌즈의 반지름은 54.910mm, 6b면 렌즈의 반지름은 39.290mm, 7a면 렌즈의 반지름은 27.180mm, 7b면 렌즈의 반지름은 무한대, 8a면 렌즈의 반지름은 160.897mm, 8b면 렌즈의 반지름은 65.920mm, 9a면 렌즈의 반지름은 56.206mm, 9b면 렌즈의 반지름은 650.000mm 이다.
아래 표 3에 기재한 바와 같이, 발명에 따른 광학계는 10cycle/mm의 공간분해능에 대해서는 80%, 16cycle/mm의 공간분해능에 대해서는 65%이상의 높은 MTF(Modulation Transfer Function) 성능을 보여 통상의 기술에 비해서 콘트라스트와 해상력의 광학성능이 향상되는 것을 알 수 있다.
즉, 아래 표 3과 도 5 내지 7에 도시한 바와 같이, 물체와 26.5mm 이상의 거리를 가지면서, 중심파장인 4㎛ 파장을 감지하는 경우의 시뮬레이션 데이터들에 의해서 그려진 그래프로부터 본 발명은 이론적 한계치에 근접하도록 광학성능이 향상된 것을 확인할 수 있는 것이다.
10cycle/mm 16cycle/mm
Field(0, 0) Diffraction Limit MTF 0.821 0.714
Nominal MTF 0.814 0.703
Field(0, 0.7) Diffraction Limit MTF 0.821 0.714
Nominal MTF 0.811 0.695
Field(0, 1) Diffraction Limit MTF 0.821 0.714
Nominal MTF 0.811 0.698
보다 구체적으로 표 3에는 중심파장(4㎛)에서의 공간 분해능과 Field에 따른 MTF의 변화를 나타낸 것이다. 표 3에서 Field (0, 0.7)과 Field(0, 1)은 전체 Field를 (0, 0) ~ (0, 1)로 생각하였을 때의 비율이며, 도 6은 0.86mm Field에서의 MTF 성능이며 내지 도 7은 1.23mm Field에서의 MTF 성능을 나타낸다.
즉, Field(0, 0)에 대한 설계치는 도 5에 도시한 바와 같고, Field(0, 0.7)은 도 6에 도시한 바와 같으며, Field(0, 1)은 도 7에 도시한 바와 같다.
또한 도 5 내지 도 7에서 TS DIFF. LIMIT(Tangential and Sagittal Diffraction Limit)는 이론 한계값을 표시하였는데, 본 발명에 따른 TS0.0000은 도 5에 도시된 바와 같이 콘트라스트와 해상도를 나타내는 청색선이 이론한계값 곡선에 거의 근접하여 있으므로 콘트라스트와 해상도가 이론한계값까지 향상되어 있음을 알 수 있다.
그리고 TS0.8600은 도 6에 도시된 바와 같이 콘트라스트와 해상도를 나타내는 녹색선이 이론한계값 곡선에 거의 근접하여 있고, TS1.2300은 도 7에 도시된 바와 같이 콘트라스트와 해상도를 나타내는 적색선이 이론 한계값에 근접하므로 광학성능이 향상되었음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 열영상 현미경 광학계의 설계에서 가장 큰 문제가 되는 수차는 구면수차와 코마수차 그리고 색수차이다. 이러한 색수차는 파장의 범위가 3 ~ 5㎛이기 때문에 게르마늄과 실리콘 렌즈의 조합을 통해 색수차를 제거할 수 있었다.
또한 본 발명은 9번째 렌즈의 볼록면을 비구면으로 설계하여 구면수차, 코마수차 및 비점수차 그리고 상의 왜곡인 디스토션(distortion)을 최소화하여 도 8에 도시된 바와 같은 광학적 성능이 향상된 열영상 현미경용 광학계를 형성할 수 있게 되는 것이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 도 8에 도시된 숫자 18은 9번렌즈의 뒷면을 의미하며, 이 면에서 구면수차, 코마수차 및 왜곡수차가 대부분 제거됨을 확인할 수 있고, 이와 같이 제9렌즈(9)를 실리콘 재질로 제작된 비구면렌즈로 구성하여 구면수차, 코마수차 및 왜곡수차를 최소화할 수 있게 되는 것이다.
즉, 본 발명은 광학계를 구성하는 렌즈를 9개로 구비하고 9번째 렌즈의 앞면을 비구면으로 설계하여 구면수차, 코마수차, 비점수차와 상의 왜곡을 최소화하였고, 또한 광학계는 캠방식을 응용한 방법으로 초점조절 부분을 회전시키면 경통이 전방 또는 후방으로 ±3mm의 거리를 정밀하게 이동할 수 있도록 함으로써 공차 및 기타 요인들에 의해 감소되는 광학계의 성능을 초점거리의 이동으로 보상하여 고 분해능과 고 개구수(NA) 값을 구현하는 효과가 있다.
상기 본 발명의 캠방식을 응용한 초점조절에 관한 구성은 도 3, 4에 도시한 바와 같이, 초점조절부(40)를 회전시키면 제2경통(31)이 전방 또는 후방으로 ±3mm 정밀하게 이동하여 초점거리를 조절할 수 있도록 하는 것이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광학계는 결상부(10)가 설치되는 제1경통(30) 내에서 릴레이부(20)가 설치된 제2경통(31)을 이동시킬 수 있는 초점조절부(40)를 구비하도록 한다.
상기 초점조절부(40)는 경통의 일측 단부 외측에 구비되며 열영상 현미경에 고정되는 고정원통(42)과, 상기 고정원통(42)의 내측에서 광학계가 설치된 상기 제2경통(31)에 고정되는 고정핀(43)과, 상기 고정원통(42)의 외주면에 형성된 나사에 나사 결합되어 좌우 회전에 의해 상기 나사를 따라 상기 경통(30, 31)의 축방향으로 전진 및 후퇴하여 상기 고정핀(43)을 전진 및 후퇴시켜 위치를 조절하는 고정레버(44)와, 상기 고정원통(42)의 외주면에 형성된 나사에 나사 결합되어 좌우 회전에 의해 상기 나사를 따라 상기 경통(30, 31)의 축방향으로 전진 및 후퇴하여 상기 고정핀(43)이 이동하는 거리를 설정하는 이동거리 설정레버(46)과, 상기 제1경통(31)의 외주면에 고정되고 상기 고정원통(42)의 좌측 단부에 설치되어 상기 이동거리 설정레버(46)의 좌측이동거리를 제한하는 스토퍼(45)로 구성된다.
본 발명에 따른 고정원통(42)의 외주면에 형성되는 나사는 상기 이동거리 설정레버(46)를 1° 회전시키면 상기 이동거리 설정레버(46)가 3㎛ 전진 및 후진하도록 나사의 피치를 형성하도록 한다.
이에 따라 상기 이동거리 설정레버(46)를 한바퀴(360°) 회전시키면 리드가 1mm 전진 또는 후진하고, 3바퀴 회전시키면 ±3mm 정도를 이동 할 수 있게 되는 것이다.
상기 초점조절장치(40)에 의해 초점거리를 조정하는 경우, 예컨대, 이동거리 설정레버(46)를 오른쪽으로 10° 회전시켜 30㎛ 만큼 이동시키면 설정레버(46)에 지지되는 고정핀(43)이 30㎛ 만큼 이동하게 되고, 고정레버(44)를 슬라이딩 전진시켜 위치를 고정하면 제1경통(30)과 제2경통(31) 사이의 거리가 30㎛ 만큼 가까워지게 되고 초점거리는 30㎛ 만큼 짧아지게 된다.
따라서 제1경통(30)에 설치된 결상부(10)의 렌즈와 제2경통(31)에 설치된 릴레이부(20)의 렌즈는 30㎛ 만큼 가까워지게 되고 초점거리는 30㎛ 만큼 짧아지도록 조정된다.
반대로 초점거리를 길게 조정하는 경우는 이동거리 설정레버(46)을 왼쪽으로 회전시켜 고정핀(43)을 뒤로 밀어주게 되면 상기 고정핀(43)이 나사로 고정된 제2경통(31)이 뒤로 후진하여 제1경통(30)에 설치된 결상부(10)의 렌즈와 제2경통(31)에 설치된 릴레이부(20)의 렌즈는 멀어지게 되고 초점거리는 그 거리만큼 멀어지게 조정된다.
상기와 같이 이동거리 설정레버(46)를 한바퀴(360°) 회전에 의해 릴레이부(20)의 렌즈가 설치된 제2경통(31)을 1mm 전진 및 후진할 수 있도록 하여 1° 회전시킬때 3㎛ 초점거리의 정밀한 조정이 가능하다.
이와 같이 제2경통(31)을 전진 및 후진시켜 이동하여 초점거리를 조정함으로써 공차 및 기타 요인들에 의해 감소되는 광학계의 성능(예, 콘트라스트, 해상도 등)을 보상하여 더 높은 분해능과 개구수를 구현할 수 있게 되는 것이다.
상술한 광학계의 광 경로와 공차분석을 통해 본 발명은 광학계 제작의 오차범위를 최소화함으로써 광학적 성능이 향상될 수 있고, 특히 3 ~ 5 ㎛의 파장에서 사용이 가능하여 생체시료의 열분포를 분석할 수 있는 것은 물론, 비파괴 검사나 반도체 공정 등에서 에러를 효과적으로 검출할 수 있는 효과가 발생되며, 또한 본 발명은 비구면과 구면, 볼록렌즈와 오목렌즈, 게르마늄과 실리콘 렌즈를 선택적으로 적용하여 렌즈의 가공이 용이하도록 하는 작용효과가 발생된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
1: 제1렌즈 2: 제2렌즈
3: 제3렌즈 4: 제4렌즈
5: 제5렌즈 6: 제6렌즈
7: 제7렌즈 8: 제8렌즈
9: 제9렌즈 10: 결상부
20: 릴레이부 30: 제1경통
31: 제2경통 40: 초점조절부
42: 고정원통 43: 고정핀
44: 고정레버 45: 스토퍼
46: 이동거리 설정레버

Claims (6)

  1. 초점을 맺는 결상부, 광경로를 늘려주는 릴레이부로 이루어지는 열영상 현미경용 광학계에 있어서,
    상기 결상부는 구면렌즈 4매와 비구면 렌즈 1매로 구성하고,
    상기 릴레이부는 구면렌즈 1매와 비구면 렌즈 3매로 구성하여 구면수차, 코마수차, 비점수차 및 상의 왜곡을 최소화하는 것을 특징으로 하는 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결상부는,
    물체 측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제1a면과 상측(像側)에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제1b면을 구비하는 제1렌즈,
    물체 측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제2a면과 상측(像側)에 굴절력이 없는 평면인 제2b면을 구비하는 제2렌즈,
    물체 측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제3a면과 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제3b면을 구비하는 제3렌즈,
    물체 측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제4a면과 굴절력이 없는 평면인 제4b면을 구비하는 제4렌즈,
    물체 측에 양의 굴절력을 갖는 비구면 볼록면인 제5a면과 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제5b면을 구비하는 제5렌즈를 포함하고,
    상기 릴레이부는,
    물체 측에 음의 굴절력을 갖는 오목면인 제6a면과 상측에 양의 굴절력을 갖는 비구면 볼록면인 제6b면을 구비하는 제6렌즈,
    물체 측에 음의 굴절력을 갖는 비구면 오목면인 제7a면과 상측에 굴절력이 없는 평면인 제7b면을 구비하는 제7렌즈,
    물체 측에 굴절력이 없는 평면인 제8a면과 상측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면인 제8b면을 구비하는 제8렌즈,
    물체 측에 양의 굴절력을 가지며 비구면으로 된 볼록면인 제9a면과 상측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면에 제9b면을 구비하는 제9렌즈를 포함하고, 각각의 렌즈가 번호에 따라 일렬로 나열되는 것을 특징으로 하는 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈, 상기 제4렌즈, 상기 제8렌즈 및 상기 제9렌즈는 실리콘으로 형성하고, 상기 제3렌즈, 상기 제5렌즈, 상기 제6렌즈, 상기 제7렌즈는 게르마늄으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 각각의 렌즈의 반지름과 중심의 두께는 아래의 수치를 만족하는 것을 특징으로 하는 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계는 열영상 현미경에 고정되는 고정원통(42)과, 상기 광학계가 설치되는 제1경통(30) 및 제2경통(31)으로 형성하고,
    상기 고정원통(42)의 외주면에 초점조절부(40)를 형성하며,
    상기 초점 조절부는 상기 고정원통(42)의 내측에서 광학계가 설치된 상기 제2경통(31)에 고정되는 고정핀(43)과,
    상기 고정원통(42)의 외주면에 나사 결합되어 좌우 회전에 의해 상기 고정핀(43)을 전진 또는 후진시켜 위치를 조절하는 고정레버(44) 및 이동거리 설정레버(46)와,
    상기 제1경통(31)의 외주면에 고정되고 상기 고정원통(42)의 좌측 단부에 설치되어 상기 이동거리 설정레버(46)의 좌측이동거리를 제한하는 스토퍼(45)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 초점조절부는 고정레버(44) 및 이동거리 설정레버(46)를 1° 회전시키면 상기 고정핀(43)이 3㎛ 전진 또는 후진되도록 나사를 형성하여, 광학계의 초점이 ±3mm 범위 내에서 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고분해능 적외선 열영상 현미경용 광학계.
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