KR20200093942A - 반사 기하학 구조를 이용한 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

반사 기하학 구조를 이용한 광학 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 광학 장치는 측정하고자 하는 대상물에 마주하도록 배치된 집광 렌즈부재, 상기 집광 렌즈부재를 거쳐 상기 대상물로 입사되는 입사빔을 발생하는 광원 및 상기 입사빔에 의해 상기 대상물에서 발생된 산란광을 수신하는 광검출소자를 포함할 수 있다. 상기 입사빔은 상기 집광 렌즈부재의 광 중심축을 지나지 않고 상기 광 중심축의 바깥쪽에서 입사하여 상기 대상물로 경사 입사할 수 있다. 상기 산란광은 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축 및 그 주위 영역을 통과하여 상기 광검출소자로 전달될 수 있다.

Description

반사 기하학 구조를 이용한 광학 장치{Optical apparatus using reflection geometry}
개시된 실시예들은 반사 기하학 구조를 이용한 광학 장치에 관한 것이다.
기존의 반사형 콜렉션 옵틱스(collection optics)는 대부분 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 사용한다. 입사광이 다이크로익 미러에서 45° 반사되어 샘플로 수직하게 조사되고, 샘플에서 나오는 빛이 다이크로익 미러를 투과하게 된다. 그런데, 다이크로익 미러는 통상 45°로 기울여서 배치하기 때문에, 이를 위한 공간이 필요하고, 광경로가 길어지게 된다. 또한, 샘플에 수직하게 조사된 입사광이 반사되어 나오면, 불필요한 반사광을 제거하기 위한 컷오프 필터(cutoff filter)를 여러 개 사용해야 한다. 따라서, 다이크로익 미러를 사용하는 것과 관련해서, 시스템의 사이즈가 커지고 광경로가 길어지며 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.
소형화 및 경량화에 유리한 반사 기하학 구조(reflection geometry)를 이용한 광학 장치(반사형 광학 장치)를 제공한다. 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 사용하지 않고 비교적 단순한 구성을 갖는 반사형 광학 장치를 제공한다. 광경로를 줄일 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있는 반사형 광학 장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 측정하고자 하는 대상물에 마주하도록 배치된 집광 렌즈부재; 상기 집광 렌즈부재를 거쳐 상기 대상물로 입사되는 입사빔(incident beam)을 발생하는 광원; 및 상기 입사빔에 의해 상기 대상물에서 발생된 산란광(scattered light)을 수신하는 광검출소자;를 포함하고, 상기 입사빔은 상기 집광 렌즈부재의 광 중심축을 지나지 않고 상기 광 중심축의 바깥쪽에서 입사하여 상기 대상물로 경사 입사하고, 상기 산란광은 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축 및 그 주위 영역을 통과하여 상기 광검출소자로 전달되도록 구성된 반사형 광학 장치가 제공된다.
상기 입사빔의 주광선(chief ray)은 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축을 지나지 않고, 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축과 가장자리 사이의 제1 영역을 통해서 입사하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 영역은 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축보다 상기 가장자리에 가까이 배치될 수 있다.
상기 입사빔이 상기 대상물에 의해 직접 반사된 반사광은 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축을 지나지 않고 상기 광 중심축의 바깥쪽으로 나가도록 구성될 수 있다.
상기 집광 렌즈부재와 상기 광검출소자 사이에 배치된 LP(longpass) 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 대상물과 상기 집광 렌즈부재 사이에 배치된 원통형 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 원통형 가이드 부재는 상기 대상물의 일부 영역을 노출하는 개구를 포함할 수 있다.
상기 집광 렌즈부재는 그 중심에 배치된 제1 렌즈; 및 상기 제1 렌즈 주위에 배치된 도넛형 제2 렌즈;를 포함할 수 있고, 상기 제2 렌즈는 상기 입사빔을 상기 대상물로 집광하도록 구성될 수 있다.
상기 집광 렌즈부재는 그 외곽 영역에 배치된 적어도 하나의 볼형(ball-type) 렌즈부를 포함할 수 있고, 상기 볼형 렌즈부는 상기 입사빔을 상기 대상물로 집광하도록 구성될 수 있다.
복수의 상기 입사빔이 상기 집광 렌즈부재를 통해 상기 대상물로 입사하도록 구성될 수 있다.
상기 복수의 입사빔은 실질적으로 동일한 파장을 가질 수 있다.
상기 복수의 입사빔 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장을 가질 수 있다.
상기 광검출소자는 이미지 센서 또는 분광 센서를 포함할 수 있다.
상기 집광 렌즈부재와 상기 광검출소자 사이에 배치된 릴레이 광학계를 더 포함할 수 있고, 상기 릴레이 광학계는 제1 릴레이 렌즈, 제2 릴레이 렌즈 및 이들 사이에 핀홀(pinhole)을 갖는 핀홀 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 집광 렌즈부재를 통과한 상기 산란광을 상기 광검출소자로 전달하는 파이버(fiber) 타입의 커플러(coupler)를 더 포함할 수 있다.
상기 반사형 광학 장치는 다이크로익 미러(dichroic mirror)(DM)를 포함하지 않는 DM-프리(free)한 구성을 가질 수 있다.
상기 입사빔은 레이저를 포함할 수 있다.
상기 산란광은 상기 대상물에 의해 발생된 라만(Raman) 신호, 형광(fluorescence) 신호 및 PL(photoluminescence) 신호 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
소형화 및 경량화에 유리한 반사 기하학 구조를 이용한 광학 장치(반사형 광학 장치)를 구현할 수 있다. 다이크로익 미러를 사용하지 않고 비교적 단순한 구성을 갖는 반사형 광학 장치를 구현할 수 있다. 광경로를 줄일 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있는 반사형 광학 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 반사 기하학 구조(reflection geometry)를 이용한 광학 장치(반사형 광학 장치)를 보여주는 단면도이다.
도 2는 비교예에 따른 반사형 광학 장치를 보여주는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 비교예에 따른 반사형 광학 장치를 가정한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 실시예에 따른 반사형 광학 장치를 가정한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치를 보여주는 사시도(부분 절단 사시도)이다.
도 6은 일 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔을 보여주는 사시도이다.
도 7a는 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔을 보여주는 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 집광 렌즈부재의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 8a는 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔을 보여주는 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 집광 렌즈부재의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔을 보여주는 사시도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔을 보여주는 사시도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치를 보여주는 사시도(부분 절단 사시도)이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치를 보여주는 사시도(부분 절단 사시도)이다.
이하, 실시예들에 따른 반사 기하학 구조를 이용한 광학 장치(반사형 광학 장치)를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 반사 기하학 구조(reflection geometry)를 이용한 광학 장치(이하, 반사형 광학 장치)를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 반사형 광학 장치는 측정하고자 하는 대상물(샘플)(OBJ)에 마주하도록 배치된 집광 렌즈부재(condensing lens member or collection lens member)(100)와 집광 렌즈부재(100)를 거쳐 대상물(OBJ)로 입사되는 입사빔(incident beam)(L10)을 발생하는 광원(200) 및 입사빔(L10)에 의해 대상물(OBJ)에서 발생된 산란광(scattered light)(L50)을 수신하는 광검출소자(400)를 포함할 수 있다.
여기서, 입사빔(L10)은 집광 렌즈부재(100)의 광 중심축(optical center axis)을 지나지 않고 상기 광 중심축의 바깥쪽에서 입사하여 대상물(OBJ)로 경사 입사할 수 있다. 즉, 입사빔(L10)은 집광 렌즈부재(100)의 중앙부를 지나지 않고 집광 렌즈부재(100)의 외곽부를 지나서 대상물(OBJ)로 입사될 수 있다. 다시 말해, 입사빔(L10)의 주광선(chief ray)은 집광 렌즈부재(100)의 상기 광 중심축을 지나지 않고, 집광 렌즈부재(100)의 상기 광 중심축과 가장자리(edge) 사이의 제1 영역을 통해서 대상물(OBJ)로 입사될 수 있다. 이때, 상기 제1 영역은 집광 렌즈부재(100)의 상기 광 중심축보다 상기 가장자리에 가까이 위치할 수 있다. 입사빔(L10)이 대상물(OBJ)에 의해 직접 반사된 반사광(L20)은 집광 렌즈부재(100)의 상기 광 중심축을 지나지 않고 상기 광 중심축의 바깥쪽으로 나갈 수 있다. 반사광(L20)은 입사빔(L10)의 방향성이 유지되면서 대상물(OBJ)에서 부딪혀서 나가는 광일 수 있다. 따라서, 반사광(L20)은 입사빔(L10)과 대칭적인 관계를 이룰 수 있다. 반사광(L20)은 광검출소자(400)로 입사하지 않거나, 광검출소자(400)의 가장자리의 비활성 영역으로 입사할 수 있다. 필요한 경우, 집광 렌즈부재(100)와 광검출소자(400) 사이에 반사광(L20)을 막아주는 빔블록(beam block)(미도시)을 더 구비시킬 수 있다. 입사빔(L10)은 레이저(laser)를 포함할 수 있다. 반사광(L20)도 일종의 레이저 빔일 수 있다. 여기서는, 편의상, 대상물(OBJ)에서 입사빔(L10)이 입사되는 영역과 반사광(L20)이 반사되는 영역이 별개로 도시되어 있지만, 실제는, 입사 영역과 반사 영역은 동일할 수 있다. 본 실시예의 광학 장치는 입사빔(L10)의 반사 및 그로 인한 산란을 이용하기 때문에, 기본적으로, "Reflection geometry"를 이용한 광학 장치라 할 수 있다.
입사빔(L10)에 의해 대상물(OBJ)에서 발생된 산란광(L50)은 집광 렌즈부재(100)의 광 중심축 및 그 주위 영역을 통과하여 광검출소자(400)로 전달될 수 있다. 산란광(L50)은 입사빔(L10)의 방향성이 유지되지 않고 랜덤한(random) 방향, 또는, 새로운 방향으로 산란되어 나아가는 광일 수 있다. 산란광(L50)은 대상물(OBJ)과 관련된 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 산란광(L50)은 대상물(OBJ)에 의해 발생된 라만(Raman) 신호, 형광(fluorescence) 신호 및 PL(photoluminescence) 신호 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
광검출소자(400)는 산란광(L50)을 수신하여 검출하는 역할을 할 수 있다. 광검출소자(400)는 복수의 픽셀 영역(PX1)을 포함할 수 있고, 복수의 픽셀 영역(PX1)은 이차원적으로 배열될 수 있다. 광검출소자(400)는 이미지 센서 또는 분광 센서를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 광검출소자(400)는 일반적인 이미지 센서이거나, 온-칩 분광계(on-chip spectrometer)이거나, 하이퍼스펙트럴(hyperspectral) 이미지 센서 등일 수 있다.
본 실시예에서 산란광(L50)은 광검출소자(400)로 용이하게 효과적으로 전달되고, 반사광(L20)은 광검출소자(400)로 실질적으로 입사되지 않고 효과적으로 제거될 수 있다. 또한, 본 실시예의 반사형 광학 장치는 다이크로익 미러(dichroic mirror)(DM)를 포함하지 않는 DM-프리(free)한 구성을 가질 수 있다. 이와 관련해서, 광경로가 줄어들고 광학 장치의 사이즈가 감소하며, 구성이 단순화되고, 제조 비용이 절감되는 등의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예의 반사형 광학 장치는 집광 렌즈부재(100)와 광검출소자(400) 사이에 배치된 LP(longpass) 필터(300)를 더 포함할 수 있다. LP 필터(300)는 산란광(L50) 중에서 소정 파장(기준 파장) 이상의 파장 영역만 투과하는 역할을 할 수 있다. LP 필터(300)는 산란광(L50) 중에서 검출에 실제로 필요한 부분만 선택적으로 투과하는 역할을 할 수 있다. 또한, 만약 반사광(L20)의 진행 경로 내에 LP 필터(300)가 존재하는 경우, LP 필터(300)가 반사광(L20)을 막아주는 역할을 할 수 있다.
도 2는 비교예에 따른 반사형 광학 장치를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 비교예에 따른 반사형 광학 장치는 광원(10)과 대상물(20) 사이에 배치된 다이크로익 미러(dichroic mirror)(30)를 포함할 수 있다. 다이크로익 미러(30)는 45°로 기울여서 배치될 수 있다. 광원(10)과 다이크로익 미러(30) 사이에 제1 렌즈부(12) 및 여기 필터(excitation filter)(14)가 배치될 수 있고, 대상물(20)과 다이크로익 미러(30) 사이에 제2 렌즈부(22)가 배치될 수 있다. 다이크로익 미러(30)를 사이에 두고 대상물(20)과 마주하는 이미지 센서(40)가 배치될 수 있고, 다이크로익 미러(30)와 이미지 센서(40) 사이에 출사 필터(emission filter)(32) 및 제3 렌즈부(34)가 배치될 수 있다.
광원(10)에서 발생된 광(L1)이 다이크로익 미러(30)에서 반사되어 대상물(20)에 조사된 후, 대상물(20)에서 반사/산란된 광(L2)이 다이크로익 미러(30)를 거쳐 이미지 센서(40)로 입사될 수 있다.
다이크로익 미러(30)는 통상 45°로 기울여서 배치하기 때문에, 이를 위한 공간이 필요하고, 광경로가 길어지게 된다. 또한, 대상물(20)에 수직하게 조사된 입사광이 반사되어 나오면, 불필요한 반사광이 이미지 센서(40)로 입사될 수 있기 때문에, 불필요한 반사광을 제거하기 위한 컷오프 필터(cutoff filter)를 여러 개 사용해야 한다. 예를 들어, 출사 필터(32)를 여러 개 사용할 필요가 있다. 따라서, 다이크로익 미러(30)를 사용하는 것과 관련해서, 시스템의 사이즈가 커지고 광경로가 길어지며 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.
도 3a 내지 도 3c는 비교예에 따른 반사형 광학 장치를 가정한 시뮬레이션 결과를 보여주고, 도 4a 내지 도 4d는 실시예에 따른 반사형 광학 장치를 가정한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 3a 내지 도 3c 및 도 4a 내지 도 4d의 시뮬레이션에는 시뮬레이션 툴(tool)인 ZEMAX를 사용하였고, 센서(광검출소자)는 4E8 센서 면적을 기준으로 하였고, 렌즈는 간단한 계산을 위해 paraxial lens를 가정하였고, 대상물(샘플)은 사람의 피부를 기준으로 하였다. 사람의 피부에서의 Fresnel 산란을 기준으로 하였다.
시뮬레이션에서의 광학 시스템의 배치는 센서(광검출소자)-원통-렌즈-피부 순으로 하였다. 센서의 크기는 1.5 mm × 2 mm 였고, 원통(라만광 가이드용)의 반지름은 1.25 mm 이고, 길이는 5 mm 였다. 렌즈의 반지름은 3 mm 였고, 초점거리는 3 mm 였으며, 초점 위치에 피부 표면이 위치하도록 하였다. 피부(원통 모양)의 반지름은 3 mm, 길이는 4 mm, 굴절률은 1.5 였다. 피부 표면에 반경 0.525 mm의 개구(aperture)가 존재하는 것으로 가정하였다. 산란과 관련된 파라미터 값들인 Heneyey-Greenstein bulk scattering parameters는 g값=0.85, mean path=0.1mm, Transmission=1.0 으로 가정하였다. 광원의 광량은 1mW로 가정하였고, 광분포는 반경 0.2 mm의 평행광으로 가정하였다.
도 3a는 비교예에 따른 반사형 광학 장치를 가정한 시뮬레이션에서 시스템의 shaded model을 보여준다. 센서, 원통, 렌즈, 피부 순으로 배열되고, 입사광이 렌즈의 광축을 통해서 피부로 입사된 후, 피부에서 반사되어 센서로 향하게 된다.
도 3b는 도 3a의 레이아웃(layout)을 단순화하여 보여주는 도면이다. 도 3c는 센서(광검출소자)에서 검출되는 광의 형태 및 강도를 보여주는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 다이크로익 미러를 사용한 것을 가정한 것으로, 입사광이 렌즈의 광축을 따라 입사되는 경우이다. 이 경우, 센서(광검출소자)에 도달하는 광량은 0.0347 W/cm2 였다. 센서(광검출소자)에 도달하는 광량은 입사광이 직접 반사된 직접 반사광의 광량과 입사광에 의해 발생된 산란광의 광량을 합한 것이다.
도 4a는 실시예에 따른 반사형 광학 장치를 가정한 시뮬레이션에서 시스템의 shaded model을 보여준다. 센서, 원통, 렌즈, 피부 순으로 배열되고, 광원은 +2mm, -2mm의 위치에, 직접 반사된 광의 검출기(반사광 검출기)는 광원의 반대 위치인 +2mm, +2mm의 위치에 위치한다. 입사광은 렌즈의 광축을 지나지 않고 광축의 바깥쪽에서 대상물(피부)로 경사 입사한다. 입사광이 직접 반사된 광(반사광)은 반사광 검출기로 향하고, 입사광에 의해 발생된 산란광은 센서로 향하게 된다.
도 4b는 도 4a의 레이아웃(layout)을 단순화하여 보여주는 도면이다. 도 4c는 센서(광검출소자)에서 검출되는 광의 형태 및 강도를 보여주는 도면이다. 도 4d는 센서(광검출소자)의 표면에서 위치에 따른 광의 강도의 변화를 보여주는 그래프이다.
반사광 검출기에서 검출된 반사광의 광량은 0.037 W/cm2 였고, 센서(광검출소자)에 도달하는 광량은 0.000295 W/cm2 였다. 센서(광검출소자)에 도달하는 광량은 입사광에 의해 발생된 산란광의 광량이다.
수직 입사하는 경우(비교예)와 경사 입사하는 경우(실시예)의 센서(광검출소자)에 도달하는 광량은 각각 0.0347 W/cm2 및 0.000295 W/cm2 로 약 100배 정도 차이가 있다. 경사 입사하는 경우(실시예)에는 센서에 불필요한 반사광이 입사되지 않는다. 이와 같이, 센서(광검출소자)에 도달하는 광량이 약 100배 줄어들기 때문에, 컷오프 필터(cutoff filter)의 개수를 줄일 수 있으며, 제작 비용 감소, 광경로 길이 감소, 광시스템의 소형/경량화 등의 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치를 보여주는 사시도(부분 절단 사시도)이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 반사형 광학 장치는 대상물(OBJ)과 집광 렌즈부재(100) 사이에 배치된 원통형 가이드 부재(50)를 더 포함할 수 있다. 원통형 가이드 부재(50)는 대상물(OBJ)의 일부 영역을 노출하는 개구를 포함할 수 있다.
입사광(L10)이 집광 렌즈부재(100)의 외곽부로 입사하는 경우, 입사광(L10)이 대상물(OBJ)의 표면에 정확하게 포커싱(focusing)되는 것이 요구될 수 있다. 이를 위해서, 집광 렌즈부재(100)에서부터 대상물(OBJ)까지의 거리를 고정하고 외부 광을 막아주는 장치로 가이드 부재(50)를 추가할 수 있다. 가이드 부재(50)는 중심에 원형의 구멍(개구)이 뚫려있어 그곳으로 빛이 대상물(OBJ)에 도달하게 되고, 그 영역에서 산란된 빛이 집광 렌즈부재(100)에 의해 집광되므로 신호의 노이즈(noise)가 줄어들고 더 선명한 결과를 얻을 수 있다. 편의상, 도 5에는 산란광(L50)을 수신하는 광검출소자는 도시하지 않았다. 도 5에서 미설명된 참조부호 F1, F2는 각각 제1 프레임 구조체 및 제2 프레임 구조체를 나타낸다.
도 5에서 입사빔(L10)과 반사광(L20)과 LP 필터(300)의 위치 관계는 편의상 대략적으로 도시하였지만, 실제, 이들의 위치 관계는 도 1에서 설명한 바와 동일하거나 유사할 수 있다. 이는 추후에 설명할 도 11 및 도 12에서도 마찬가지이다.
도 6 내지 도 10은 다양한 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔의 다양한 형태를 보여주는 사시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔을 보여주는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 입사빔(L11)은 집광 렌즈부재(100A)의 광 중심축을 지나지 않고 상기 광 중심축의 바깥쪽에서 입사하여 대상물(OBJ)로 경사 입사할 수 있다. 대상물(OBJ)에 의해 직접 반사된 반사광(L21)은 집광 렌즈부재(100A)의 상기 광 중심축을 지나지 않고 상기 광 중심축의 바깥쪽으로 나갈 수 있다. 도 6의 구조는 도 1을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
도 7a는 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔을 보여주는 사시도이다. 도 7b는 도 7a의 집광 렌즈부재의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 집광 렌즈부재(100B)는 그 중심에 배치된 제1 렌즈(110) 및 제1 렌즈(110) 주위에 배치된 도넛형 제2 렌즈(120)를 포함할 수 있다. 제2 렌즈(120)는 일종의 튜브 모양을 갖는다고 볼 수도 있다. 제2 렌즈(120)는 입사빔(L12)을 대상물(OBJ)로 집광하도록 구성될 수 있다. 참조번호 L22는 반사광을 나타낸다. 외곽에 위치하는 도넛형 제2 렌즈(120)를 사용해서 입사빔(L12)을 포커싱하는 경우, 입사빔(L12)의 광스폿의 모양이 더 잘 형성될 수 있다.
도 8a는 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔을 보여주는 사시도이다. 도 8b는 도 8a의 집광 렌즈부재의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 집광 렌즈부재(100C)는 렌즈 본체부(130) 및 렌즈 본체부(130)의 외곽 영역에 배치된 적어도 하나의 볼형(ball-type) 렌즈부(140)를 포함할 수 있다. 볼형 렌즈부(140)는 입사빔(L13)을 대상물(OBJ)로 집광하도록 구성될 수 있다. 또한, 다른 볼형 렌즈부(140)를 통해 반사광(L23)이 출사될 수 있다. 볼형 렌즈부(140)를 이용하면, 입사빔(L13)이 대상물(OBJ)에 닿았을 때 광스폿의 모양이 동그랗게 잘 형성될 수 있고, 대상물(OBJ)에 광 파워가 잘 전달될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 복수의 입사빔이 집광 렌즈부재를 통해 대상물로 입사하도록 만들 수 있다. 그 예들이 도 9 및 도 10에 도시되어 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔을 보여주는 사시도이다.
도 9를 참조하면, 집광 렌즈부재(100D)는 외곽 영역에 배치된 복수의 볼형 렌즈부(150)를 포함할 수 있다. 복수의 입사빔(L14)이 대상물(OBJ)로 경사 입사할 수 있고, 복수의 입사빔(L14)에 대응하는 복수의 반사광(L24)이 출사될 수 있다. 복수의 입사빔(L14)을 사용해서 광 파워를 크게 증가시킬 수 있다. 복수의 입사빔(L14)은 실질적으로 동일한 파장을 가질 수 있다. 여기서, 복수의 입사빔(L14)과 복수의 반사광(L24)의 배열 방식은 예시적인 것이고 달라질 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에 따르면, 입사빔(L14)과 반사광(L24)이 교대로 배열될 수도 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치에 적용될 수 있는 집광 렌즈부재 및 입사빔을 보여주는 사시도이다.
도 10을 참조하면, 집광 렌즈부재(100E)는 외곽 영역에 배치된 복수의 볼형 렌즈부(160)를 포함할 수 있다. 복수의 입사빔(L14a∼L14f)이 대상물(OBJ)로 경사 입사할 수 있고, 복수의 입사빔(L14a∼L14f)에 대응하는 복수의 반사광(L24a∼L24f)이 출사될 수 있다. 복수의 입사빔(L14a∼L14f) 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장(중심 파장)을 가질 수 있다. 적어도 두 개의 파장이 서로 다른 복수의 입사빔(L14a∼L14f)은 다양한 목적으로 적용될 수 있다. 복수의 입사빔(L14a∼L14f)과 복수의 반사광(L24a∼L24f)의 배열 방식은 예시적인 것이고 달라질 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치를 보여주는 사시도(부분 절단 사시도)이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예의 반사형 광학 장치는 집광 렌즈부재(100)와 광검출소자(400A) 사이에 배치된 릴레이 광학계(RL10)를 더 포함할 수 있다. 릴레이 광학계(RL10)는 LP 필터(300)와 광검출소자(400A) 사이에 배치될 수 있다. 릴레이 광학계(RL10)는, 예를 들어, 제1 릴레이 렌즈(LS1), 제2 릴레이 렌즈(LS2) 및 이들 사이에 핀홀(pinhole)을 갖는 핀홀 플레이트(PT1)를 포함할 수 있다. 산란광(L50)은 제1 릴레이 렌즈(LS1)와 핀홀 플레이트(PT1)의 핀홀 및 제2 릴레이 렌즈(LS2)를 거쳐 광검출소자(400A)로 전달될 수 있다. 이러한 릴레이 광학계(RL10)를 사용하면, 광신호의 노이즈(noise)를 줄일 수 있다. 여기서 개시한 릴레이 광학계(RL10)의 구성은 예시적인 것이고, 본원은 이에 한정되지 않는다.
도 12는 다른 실시예에 따른 반사형 광학 장치를 보여주는 사시도(부분 절단 사시도)이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예의 반사형 광학 장치는 집광 렌즈부재(100)를 통과한 산란광(L50)을 광검출소자(미도시)로 전달하는 파이버(fiber) 타입의 커플러(coupler)(350)를 더 포함할 수 있다. 파이버 타입의 커플러(350)는 소정의 출사부를 통해 광검출소자(미도시)에 광학적으로 연결될 수 있다. 또한, 본 실시예의 반사형 광학 장치는 산란광(L50)을 커플러(350)로 집광하기 위한 렌즈부(LS3)를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 반사형 광학 장치는 다이크로익 미러(dichroic mirror)(DM)를 포함하지 않는 DM-프리(free)한 구성을 가질 수 있다. 이와 관련해서, 광경로가 줄어들고 광학 장치의 사이즈가 감소하며, 구성이 단순화되고, 제조 비용이 절감되는 등의 효과를 얻을 수 있다. 입사빔이 대상물에서 직접 반사된 반사광이 광검출소자로 입사되지 않거나 실질적으로 입사되지 않을 수 있으므로, 불필요한 반사광을 용이하게 제거할 수 있다. 이와 관련해서, 시스템의 구성이 단순화되고 광효율이 개선될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 및 도 5 내지 도 12를 참조하여 설명한 반사형 광학 장치의 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 일례로, 집광 렌즈부재의 구성은 단일 렌즈나 복수 렌즈(광축 방향으로 배열된 복수 렌즈) 등 다양하게 변화될 수 있고, 광원이나 다른 광학 부재들의 위치도 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
50 : 가이드 부재 100 : 집광 렌즈부재
200 : 광원 300 : longpass 필터
350 : 커플러 400 : 광검출소자
L10 : 입사빔 L20 : 반사광
L50 : 산란광 OBJ : 대상물
PX1 : 픽셀영역 RL10 : 릴레이 광학계
LS1 : 제1 릴레이 렌즈 LS2 : 제2 릴레이 렌즈
LS3 : 렌즈부 PT1 : 핀홀 플레이트

Claims (18)

  1. 측정하고자 하는 대상물에 마주하도록 배치된 집광 렌즈부재;
    상기 집광 렌즈부재를 거쳐 상기 대상물로 입사되는 입사빔(incident beam)을 발생하는 광원; 및
    상기 입사빔에 의해 상기 대상물에서 발생된 산란광(scattered light)을 수신하는 광검출소자;를 포함하고,
    상기 입사빔은 상기 집광 렌즈부재의 광 중심축을 지나지 않고 상기 광 중심축의 바깥쪽에서 입사하여 상기 대상물로 경사 입사하고, 상기 산란광은 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축 및 그 주위 영역을 통과하여 상기 광검출소자로 전달되도록 구성된, 반사형 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사빔의 주광선(chief ray)은 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축을 지나지 않고, 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축과 가장자리 사이의 제1 영역을 통해서 입사하도록 구성된 반사형 광학 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 영역은 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축보다 상기 가장자리에 가까이 배치된 반사형 광학 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사빔이 상기 대상물에 의해 직접 반사된 반사광은 상기 집광 렌즈부재의 상기 광 중심축을 지나지 않고 상기 광 중심축의 바깥쪽으로 나가도록 구성된 반사형 광학 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈부재와 상기 광검출소자 사이에 배치된 LP(longpass) 필터를 더 포함하는 반사형 광학 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 대상물과 상기 집광 렌즈부재 사이에 배치된 원통형 가이드 부재를 더 포함하는 반사형 광학 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 원통형 가이드 부재는 상기 대상물의 일부 영역을 노출하는 개구를 포함하는 반사형 광학 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈부재는 그 중심에 배치된 제1 렌즈; 및 상기 제1 렌즈 주위에 배치된 도넛형 제2 렌즈;를 포함하고,
    상기 제2 렌즈는 상기 입사빔을 상기 대상물로 집광하도록 구성된 반사형 광학 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈부재는 그 외곽 영역에 배치된 적어도 하나의 볼형(ball-type) 렌즈부를 포함하고,
    상기 볼형 렌즈부는 상기 입사빔을 상기 대상물로 집광하도록 구성된 반사형 광학 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    복수의 상기 입사빔이 상기 집광 렌즈부재를 통해 상기 대상물로 입사하도록 구성된 반사형 광학 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 입사빔은 실질적으로 동일한 파장을 갖는 반사형 광학 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 입사빔 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장을 갖는 반사형 광학 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출소자는 이미지 센서 또는 분광 센서를 포함하는 반사형 광학 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈부재와 상기 광검출소자 사이에 배치된 릴레이 광학계를 더 포함하고,
    상기 릴레이 광학계는 제1 릴레이 렌즈, 제2 릴레이 렌즈 및 이들 사이에 핀홀(pinhole)을 갖는 핀홀 플레이트를 포함하는 반사형 광학 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈부재를 통과한 상기 산란광을 상기 광검출소자로 전달하는 파이버(fiber) 타입의 커플러(coupler)를 더 포함하는 반사형 광학 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사형 광학 장치는 다이크로익 미러(dichroic mirror)(DM)를 포함하지 않는 DM-프리(free)한 구성을 갖는 반사형 광학 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사빔은 레이저를 포함하는 반사형 광학 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 산란광은 상기 대상물에 의해 발생된 라만(Raman) 신호, 형광(fluorescence) 신호 및 PL(photoluminescence) 신호 중 어느 하나를 포함하는 반사형 광학 장치.
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