KR20220093035A - 공간 가간섭성 조절 방법 및 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공간 가간섭성 조절 방법과, 이를 적용한 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경에 관한 것이다.
본 발명은, 부분 가간섭 광원을 만드는 광원부와, 상기 광원부에서 생성된 광을 이용하여 샘플을 측정하는 측정부를 포함하는 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경에 있어서, 광원부는, 레이저광원으로부터의 광이 셔터(shutter)를 거쳐 입사되어 선형 편광되는, 선형 편광기; 선형 편광기에서 출사된 광이 입사되어 1/2파장의 광로차를 가지게 되는, 2분의 1파장판; 2분의 1파장판을 통과한 광이 입사되어 세기값이 조절되는, 제1 가변 ND(Neutral Density) 필터; 제1 가변 ND 필터를 통과한 후 미러부에서 반사된 광을 확대하는, 확장 렌즈(expanding lens); 확장 렌즈에서 확장된 광을, 평행한 광으로 만드는, 제1 집광렌즈(collimating lens); 제1 집광렌즈로부터의 평행광이 제1 포커스 렌즈를 통해 입사되고, 회전되어 산란되는 전기식 회전 디퓨저; 전기식 회전 디퓨저 표면에서 산란된 광이 집광되어, 제2 포커스 렌즈로 평행하게 입사되게 하는, 제2 집광렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
측정부는, 제2 포커스 렌즈에서 출사된 광을 전달하는 광섬유의 끝단에서 펴저나간 광이, 제3 집광렌즈에서 집광되고 미러에서 반사되고 제3 포커스 렌즈를 거쳐 입사되어, 참조광과 물체광으로 나누어지되, 제1 비편광 빔나누기를 통과한 광은 참조광이고, 제1 비편광 빔나누기에서 반사된 광은 물체광인, 제1 비편광 빔나누기; 제1 비편광 빔나누기로부터의 참조광이, 제1 대물렌즈를 통해 입사되고, 반사되는 참조광은 제1 대물렌즈를 통해 제1 비편광 빔나누기로 전달되는, 제2 가변 ND 필터; 제1 비편광 빔나누기로부터의 물체광을 측정샘플에 조명하고, 측정샘플에서 반사 및 산란된 물체광을 제1 비편광 빔나누기로 전달하는, 제2 대물렌즈; 제1 비편광 빔나누기에서 투과된 물체광을, 튜브렌즈로 반사시키며, 제1 비편광 빔나누기에서 반사된 참조광을 튜브렌즈로 반사시키는, 제2 비편광 빔나누기; 제2 비편광 빔나누기로부터 반사된 물체광 및 참조광이 튜브렌즈에 결상되어, 홀로그램을 형성하는, 촬상소자;를 포함하여 이루어진다.

Description

공간 가간섭성 조절 방법 및 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경 {Spatial coherence control method and reflective spatial coherence variable off-axis digital holographic microscope}

본 발명은 공간 가간섭성 조절 방법과, 이를 적용한 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경에 관한 것이다.

일반적으로 현미경은 NA(Numerical Aperture, 개구수) 값이 높은 렌즈 및 고배율을 사용하기 때문에 심도(depth of field or depth of focus)가 작다. 현미경 렌즈를 사용하여 심도보다 더 큰 두께 혹은 높이를 갖고 있는 시료의 포커스된 이미지는 높이 별로 데이터가 필요하므로 렌즈를 위아래로 스캐닝하여 얻는다.

디지털 홀로그래피(digital holography) 는 스캐닝하는 단점을 극복하여 높이를 변화시키지 않고 하나의 홀로그램 영상을 얻고 이를 수치적으로 재생하여 각 높이별 이미지를 얻어낼 수 있다.

디지털 홀로그래피에서 홀로그램 기록은 CCD 카메라에 직접적으로 한다. 디지털 홀로그래피에서 홀로그램의 수치적 재생은 프레넬(Fresnel) 회절 진행 (diffraction propagation) 식을 이용한다.

디지털 홀로그래피에서 사용되는 광원은 일반적으로 레이저이다. 레이저 광은 가간섭성이 좋은 광원으로 샘플의 거칠은 표면, 광경로상의 작은 이물도 재생상의 화질에 영향을 미친다. 또한 가간섭 잡음(coherent noise)도 화질을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다.

레이저의 가간섭성(coherence)이 원인이 되는 잡음을 줄이기 위해서는 부분 가간섭(partial coherent) 광원으로 대체를 하면 된다.

부분 가간섭 광원으로는 LED(발광다이오드)를 필터링하여 사용하는 광원을 들 수 있다. 이와같은 광원은 광원의 가간섭성에 의한 잡음을 줄여 고화질의 영상을 얻을 수 있으나 필터링 과정에서 광원의 세기가 낮아져 선택적 시료에서만이 사용될 수 있고 더욱이 간섭무늬의 콘트라스(contrast, 명암)를 높이기 위해서 물체광과 참조광의 광경로차가 거의 0에 가까워야 하므로 구성이 어렵다. 이는 LED자체가 가지고 있는 공간 및 시간 가간섭성이 낮기 때문이다.

따라서 부분 가간섭 광원을 만드는 또다른 방법으로 레이저 광과 회전 디퓨저(rotating diffuser)를 이용하여 만들 수 있다.

레이저 광은 시간 및 공간적 가간섭성이 우수한 광원으로 레이저 광과 회전 디퓨저를 이용한 부분 가간섭 광원은 시간적으로는 레이저 광이 가지고 있는 가간섭성을 유지하면서 공간 가간섭성만을 줄인다.

레이저를 광원으로 사용하는 디지털 홀로그래픽 현미경 (digital holographic microscope)을 이용하여 다양한 샘플의 3차원 정보를 마이크로 오더에서 측정하기 위해서는 샘플의 표면 상태에 따라 레이저 광원의 공간 가간섭성 정도를 바꾸어줄 필요가 있다.

따라서, 본 발명은 공간 가간섭성 정도를 바꾸는 방법 및 이를 적용한 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축(off-axis) 디지털 홀로그래픽 현미경을 제안한다.

선행기술로, 국내 특허출원 제10-2012-0114778호는, 단색필터를 이용하여 백색광 또는 단색광을 선택적으로 주사할 수 있게 함과 동시에 측정광의 광행로의 높이를 조절할 수 있게 하여 탈축홀로그램 방식과 백색광을 이용한 높이 측정 방식을 이용하여 3차원 영상을 얻을 수 있게 하는 가간섭 특성을 이용한 3차원 측정장치에 관한 것이다. 이 발명은 부분 가간섭(partial coherent) 광원을 구비하고 있지 않아, 상대적으로 고화질의 영상을 얻을 수 없으며, 이는 나아가서 측정의 정밀도 및 정확도를 상대적으로 낮게 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 측정 대상체의 표면 상태에 따라 광원의 공간 가간섭성을 조절할 수 있어 콘트라스트가 높은 홀로그램이 제공 가능한, 공간 가간섭성 조절 방법과, 이를 적용한 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 디지털 홀로그래피에서 중요한 변수인 측정 대상체의 측정 위치를 결정함으로써 콘트라스트가 높은 홀로그램을 제공가능한, 공간 가간섭성 조절 방법과, 이를 적용한 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 샘플에서 반사 또는 회절되는 물체광의 세기에 따라 참조광의 세기가 조절됨으로써 콘트라스트가 높은 홀로그램을 제공가능한, 공간 가간섭성 조절 방법과, 이를 적용한 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 제조공정 진동환경에서도 단 한장의 홀로그램으로 샘플의 표면 상태에 상관없이 샘플의 3차원 정보를 제공하는 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 부분 가간섭 광원을 만드는 광원부와, 상기 광원부에서 생성된 광을 이용하여 샘플을 측정하는 측정부를 포함하는 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경에 있어서, 광원부는, 레이저광원으로부터의 광이 셔터(shutter)를 거쳐 입사되어 선형 편광되는, 선형 편광기; 선형 편광기에서 출사된 광이 입사되어 1/2파장의 광로차를 가지게 되는, 2분의 1파장판; 2분의 1파장판을 통과한 광이 입사되어 세기값이 조절되는, 제1 가변 ND(Neutral Density) 필터; 제1 가변 ND 필터를 통과한 후 미러부에서 반사된 광을 확대하는, 확장 렌즈(expanding lens); 확장 렌즈에서 확장된 광을, 평행한 광으로 만드는, 제1 집광렌즈(collimating lens); 제1 집광렌즈로부터의 평행광이 제1 포커스 렌즈를 통해 입사되고, 회전되어 산란되는 전기식 회전 디퓨저; 전기식 회전 디퓨저 표면에서 산란된 광이 집광되어, 제2 포커스 렌즈로 평행하게 입사되게 하는, 제2 집광렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

측정부는, 제2 포커스 렌즈에서 출사된 광을 전달하는 광섬유의 끝단에서 펴저나간 광이, 제3 집광렌즈에서 집광되고 미러에서 반사되고 제3 포커스 렌즈를 거쳐 입사되어, 참조광과 물체광으로 나누어지되, 제1 비편광 빔나누기를 통과한 광은 참조광이고, 제1 비편광 빔나누기에서 반사된 광은 물체광인, 제1 비편광 빔나누기; 제1 비편광 빔나누기로부터의 참조광이, 제1 대물렌즈를 통해 입사되고, 반사되는 참조광은 제1 대물렌즈를 통해 제1 비편광 빔나누기로 전달되는, 제2 가변 ND 필터; 제1 비편광 빔나누기로부터의 물체광을 측정샘플에 조명하고, 측정샘플에서 반사 및 산란된 물체광을 제1 비편광 빔나누기로 전달하는, 제2 대물렌즈; 제1 비편광 빔나누기에서 투과된 물체광을, 튜브렌즈로 반사시키며, 제1 비편광 빔나누기에서 반사된 참조광을 튜브렌즈로 반사시키는, 제2 비편광 빔나누기; 제2 비편광 빔나누기로부터 반사된 물체광 및 참조광이 튜브렌즈에 결상되어, 홀로그램을 형성하는, 촬상소자;를 포함한다.

선형 편광기와 2분의 1파장판은 참조광과 물체광의 세기값을 바꾸어주도록 이루어지며, 미러부는 2개의 미러로 이루어진다.

제1 포커스 렌즈는 일축 스테이지가 붙어있어서 광축방향으로 앞뒤 이동할 수 있다.

셔터는, 단차가 큰 샘플을 측정하기 위해서, 다른 파장을 가진 두 개의 레이저를 번갈아가며 측정하기 위한 수단이다.

제2 포커스 렌즈에 xy 스테이지가 장착되어 있다.

제3 집광렌즈에서 집광되어 미러에서 반사된 광은, 제3 포커스 렌즈로 제1 대물렌즈의 백 포칼 포인트(back focal point)에 초점되어진다.

제2 가변 ND 필터가 회전되어 참조광의 반사율을 결정하도록 이루어지되, 각 면의 반사율이 다른 광학 부품으로 회전시키면서 레이저의 반사광인 참조광의 세기를 조절한다.

제1 대물렌즈과 제2 대물렌즈은 동일한 대물렌즈이다.

측정부는, LED(발광다이오드) 광원으로부터 미러로 반사되어 제2 비편광 빔나누기와 제1 비편광 빔나누기를 순차적으로 통과한 LED 광은, 제2 대물렌즈로 입사된후 측정샘플에 조명되고, 측정샘플에서 반사 및 산란된 광은 제1 비편광 빔나누기에서 반사된 후, 제2 비편광 빔나누기에서 반사되어, 튜브렌즈로 촬상소자에 결상되어 측정샘플의 2차원 이미지를 얻도록 이루어져 있다.

광원부는 레이저광원을 측정 샘플의 표면 거칠기에 따라 가간섭성을 조절할 수 있도록 이루어진다.

제3 집광렌즈와 제3 포커스 렌즈는 색수차렌즈(Achromatic Lens)를 사용한다.

본 발명의 공간 가간섭성 조절 방법 및 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경에 따르면, 측정 대상체의 표면 상태에 따라 광원의 공간 가간섭성을 조절할 수 있어 콘트라스트가 높은 홀로그램을 제공할 수 있으며, 디지털 홀로그래피에서 중요한 변수인 측정 대상체의 측정 위치를 결정함으로써 콘트라스트가 높은 홀로그램을 제공할 수 있다. 또한, 샘플에서 반사 또는 회절되는 물체광의 세기에 따라 참조광의 세기가 조절됨으로써 콘트라스트가 높은 홀로그램을 제공한다. 또한 제조공정 진동환경에서도 단 한장의 홀로그램으로 샘플의 표면 상태에 상관없이 샘플의 3차원 정보를 제공하는 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경을 제공한다.

도 1은 본 발명의 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 도 1의 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경을 실험적으로 구현한 사진이다.
도 3은. 본 발명에서 전기식 회전 디퓨저를 사용한 반사형 공간가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경의 촬상소자의 노출시간을 달리하였을 때의 홀로그램을 나타낸다.
도 4는 전기식 회전 디퓨저(LSR) 표면에 레이저 광이 초점되어 지도록 z축 스테이지를 움직인 이미지를 나타낸다.
도 5는 전기식 회전 디퓨저(LSR)에 전기를 오프(off)하고 포커스 렌즈의 위치를 바꾸어서 촬영된 스펙클 영상을 나타낸다.
도 6은 도 1은 본 발명의 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용하여 초점거리에서 얻은 홀로그램의 결과를 나타낸다.
도 7은 종래의 투과형 인라인(in-line) 디지털 홀로그래픽 현미경과, 본 발명의 반사형 공간 가간섭성 가변 반사형 탈축 디지털 홀로그램 현미경을 비교하는, USAF target을 사용한 실험에서, 포커스 렌즈를 초점거리에서 6mm 이동시켜서 얻은 홀로그램의 세기값을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 반사형 공간가간섭성 가변 탈축 홀로그래픽 현미경의 광원부(10)의 다른 일예를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 반사형 공간가간섭성 가변 탈축 홀로그래픽 현미경의 측정부의 다른 일예를 나타낸다.

이하 본 발명의 공간 가간섭성 조절 방법 및 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경의 구성을 나타내는 블럭도이고, 도 2는 도 1의 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경을 실험적으로 구현한 실험 시스템의 사진이다.

반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경(10)은, 광원(100), 가변 ND 필터(variable ND(Neutral Density, 감광) filter)(110), 선형 편광기(linear polarizer)(120), 2분의 1파장판(half wave plate)(130), 제1 미러(mirror, 거울)(150), 빔 익스펜더(beam expander, 빔 확장기)(160), XY 트랜슬레이터(XY translator, 방향 번역기)(170), 제1 포커스 렌즈(focus lens, 초점 렌즈)(180), 회전 디퓨저(Rotating diffuser)(200), 집광렌즈(collimating lens, 평행화 렌즈)(210), 제2 포커스 렌즈(220), 비편광 빔나누기(250), 제1 대물렌즈(260), 제2 대물렌즈(270), 제2 미러(mirror, 거울)(280), 촬상소자(Charge Coupled Device, CCD, 전하결합소자)(300)를 포함하여 이루어진다.

반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경(10)에서, 광원부(70)는, 광원(100), 가변 ND 필터(110), 선형 편광기(120), 2분의 1파장판(130), 제1 미러(150), 빔 익스펜더(160), XY 트랜슬레이터(XY translator)(170), 제1 포커스 렌즈(180), 회전 디퓨저(200), 집광렌즈(210), 제2 포커스 렌즈(220)를 포함하며, 측정부(77)은 비편광 빔나누기(250), 제1 대물렌즈(260), 제2 대물렌즈(270), 제2 미러(280), 촬상소자(300)를 포함한다.

광원(100)은 레이저로, 파장은 632.8nm이다. 따라서, 광원(100)은 레이저 광원이라 할 수 있다.

광원(100)에서 출사한 광(즉, 레이저 광)은 가변 ND 필터(110)로 세기값을 조절한 뒤 선형 편광기(120)로 전송되며, 선형 편광기(120)에서 선형 편광된 광은, 2분의 1파장판(130)으로 입사되어, 1/2파장의 광로차를 가지게 되며, 이 광은 제1미러(150)로 반사된다.

경우에 따라서는, 광원(100)의 레이저 광은 셔터(shutter)(미도시)를 지나 선형 편광기(120)를 통과하고 2분의 1파장판(130)를 통과한 후에 가변 ND 필터(110)로 세기값을 조절한 뒤 제1미러(150)로 반사되어 지도록 이루어질 수 있다.

여기서, 여기서 선형 편광기(120)와 2분의 1파장판(130)를 사용한 이유는 참조광과 물체광의 세기값을 바꾸어줌으로써 최적의 콘트라스(contrast)를 갖는 홀로그램을 얻기 위함이다.

제1 미러(150)에서 반사된 레이저 광은 빔 익스펜더(160)를 통과하여 지름 약 1인치의 콜리메이트(collimate, 시준, 조준)된 가우시안(gaussian) 빔이 되고, 이 광을 4x 대물 렌즈로 이루어진 제1 포커스 렌즈(180)에 입사시켜 회전 디퓨저 표면에 포커스를 한다. 제1 포커스 렌즈(180), 즉, 포커스용 대물렌즈는, 일축 스테이지를 포함하는 XY 트랜슬레이터(170)에 장착되어 있으며, 상기 일축 스테이지에 의해 광축방향으로 앞뒤 이동이 가능하다. 일반적으로, 회전 디퓨저는 물리적으로 디퓨저를 회전시키는 방법으로 구동되는 회전 디퓨저와, 전기적으로 회전시키는 방법으로 구동되는 회전 디퓨저가 있으며, 이 2 종류의 회전 디퓨저를 다 사용할 수 있다.

회전 디퓨저(200)를 통과하여 산란된 광은 집광렌즈(210)로 집광되어 평행광으로 진행된다. 이 평행광은 제2 포커스 렌즈(220)로 제1 대물렌즈(250), 즉, 20x 대물렌즈( MITUTOYO APO 20x)의 백 포칼 포인트(back focal point, 후방 초점)에 초점된다. 집광렌즈(210)는 회전 디퓨저(200)(예로, LSR)의 표면에서 초점거리만큼 떨어져 있다.

제2 포커스 렌즈(220)로 초점화된 광은 비편광 빔나누기(250)에서 두 개로 나누어져 하나는 참조광으로, 다른 하나는 물체광으로 사용된다. 즉, 비편광 빔나누기(250)를 통과한 광은 참조광으로, 비편광 빔나누기(250)에서 반사된 광은 물체광으로 사용되어, 제1 대물렌즈(260)와 제2 대물렌즈(270)로 진행하게 된다. 제1 대물렌즈(260)와 제2 대물렌즈(270)는 동일한 20x 대물렌즈를 사용하며, 참조광은 평행에 가까운 빔으로 제2 미러(280)에 입사된다. 제2 미러(280)는, 레퍼런스(reference) 미러로, 기준(reference, 참조) 면이 되며, 제2 미러에서 반사된 빔이 참조광으로 역할을 하게 된다. 비편광 빔나누기(250)에서 반사된 빔은 참조광을 만드는 과정과 동일하게 평행에 가까운 빔으로 샘플(Target)(310)에 입사된다.

샘플(310)에 입사된 물체광은 샘플 표면에서 반사 및 산란되어 제2 대물렌즈(270)로 되돌아가 비편광 빔나누기(250)를 통과하여 촬상소자(CCD)(300)에 결상 된다. 한편 레퍼런스(reference) 미러인 제2 미러(280)에서 반사된 참조광은 제1 대물렌즈(260)로 되돌아가 비편광 빔나누기(250)에서 반사되어 촬상소자로 향하게 된다. 촬상소자(300)에서 참조광과 물체광이 만나 홀로그램이 만들어진다. 즉, 촬상소자(300)에서 홀로그램이 촬영된다.

샘플(310)은 광축방향으로 앞뒤로 이동이 가능하도록 z축 스테이지(미도시)에 놓여지도록 이루어진다. 여기서 도 2에서 샘플(310)은, 실험용으로, USAF 타겟(USAF Target)을 사용했다.

경우에 따라서, XY 트랜슬레이터(XY translator, 방향 번역기)(170)는 제1 포커스 렌즈(180)에 장착되어 있지 않고, 제2 포커스 렌즈(220)에 장착될 수 있다.

참조광을 만들기 위한 제1 대물렌즈(260)는 광축에 수직평면에서 xy로 움직일 수 있는 XY 트랜슬레이터(XY translator)가 있어 광축을 바꿀 수 있다. 즉, 제1 대물렌즈(260)에 의해 광축을 바꿈으로 인해, 촬상소자(300)에서 탈축 홀로그램이 만들어진다. XY 트랜슬레이터(XY translator)의 이동 정도에 따라 탈축 홀로그램의 간섭무늬 간격과 기울어지는 각도를 바꿀 수 있다.

다시말해, 물체광은 20x 대물렌즈인 제2 대물렌즈(270)로 입사되어 샘플(310)에 조명된다. 샘플(310), 즉, 물체에서 반사 및 산란된 물체광은 다시 제2 대물렌즈(270)로 입사되고 빔나누기(250)에서 투과된다. 투과된 물체광은 촬상소자(300)의 튜브렌즈로 결상되어 참조광과 만나서 홀로그램이 형성된다. 한편, 레퍼런스(reference) 미러인 제2 미러(280)에서 반사된 참조광은 20x 대물렌즈인 제1 대물렌즈(260)로 되돌아간 후 비편광 빔나누기(250)에서 반사되어 촬상소자(300)의 튜브렌즈로 결상되어 물체광과 만나 홀로그램이 형성된다.

이하, 도 1의 본 발명의 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경의 구성을 상세히 설명한다.

상술한 두 종류의 회전 디퓨저에 있어서, 물리적 회전 디퓨저는 진동과 소음을 줄이기 어려우며, 따라서 전기적 회전 디퓨저가 진동에 민감한 홀로그램을 만들어 촬영하는데 우수하다고 할 수 있다. 다만 전기적 회전 디퓨저의 경우에 300Hz로 작동되므로 홀로그램을 촬영하는 촬상소자의 노출 시간이 줄어들수록 디퓨저 스펙클에 의해 영상이 알록달록해지는 현상을 볼 수 있다.

단 한 장의 홀로그램을 촬영하고 이를 수치적으로 재생하여 측정대상체의 3차원 정보를 얻는 반사형 공간가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경이 갖는 장점은 진동이 있는 환경에서 진동을 최소화할 수 있는 카메라의 노출시간을 줄임으로써 한 장의 홀로그램으로 측정 대상체의 3차원 정보를 획득할 수 있는데 있다.

한편, 반사형 공간가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경과 동일하게 마이크로 오더로 측정이 가능한 다른 방식인, 백색광 간섭계와 공초점 현미경을 이용하는 방식에서, 백색광 간섭계와 공초점 현미경이 z축 방향으로의 스캔이 필요한데, 이는 진동이 있는 환경에서는 측정 불가하다고 할 수 있다.

진동과 소음이 최소화된 전기식 회전 디퓨저(LSR : laser speckle reducer)를 사용하기 위해서는 진동환경이 100HZ이하의 저진동 상황하에 있어야 한다. 일반적으로, 정밀 제조 장비에는 액티브 아이솔레이터를 사용하므로 액티브 아이솔레이터가 100HZ이상의 고주파 진동을 제거할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 회전디퓨저로 전기식 회전디퓨저(LSR)를 사용하는 것이 바람직하다.

도 3은. 본 발명에서 전기식 회전 디퓨저를 사용한 반사형 공간가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경의 촬상소자의 노출시간을 달리하였을 때의 홀로그램을 나타낸다.

도 3에서는 촬상소자의 노출시간이, 0.3msec인 경우의 홀로그램(a)와 0.6msec인 경우의 홀로그램(b)의 소정부분(빨강색 사각형 부분)의 콘트라스를 비교하였으며, 도 3의 (a)의 노출시간 0.3msec인 경우에 스펙클의 영향으로 간섭무늬가 만들어지지 않는 영역이 생기는 것을 알 수 있다. 도 3의 (b)의 노출시간이 6msec인 경우에 연속적인 간섭무늬를 볼 수 있으며 측정대상체의 3차원 정보를 얻기에 충분하다. 또한, 6msec는 100Hz 이하의 진동을 극복하기에 충분히 짧은 노출 시간이다.

본 발명에서 레이저 광이 빔 익스펜더(160)를 통과하여 지름 1인치인 평행광으로 4x 대물렌즈인, 제1 포커스 렌즈(180)에 입사된 후에, 회전 디퓨저(200), 즉, 전기식 회전 디퓨저(LSR) 표면에 집광된다. 이때 제1 포커스 렌즈(180)에 붙어있는 z축 스테이지를 앞뒤로 움직여 전기식 회전 디퓨저(LSR) 표면에 입사되는 광의 크기를 변화시킬 수 있다.

도 4는 전기식 회전 디퓨저(LSR) 표면에 레이저 광이 초점되어 지도록 z축 스테이지를 움직인 이미지를 나타내며, 도 5는 전기식 회전 디퓨저(LSR)에 전기를 오프(off)하고 포커스 렌즈의 위치를 바꾸어서 촬영된 스펙클 영상을 나타낸다.

도 4에서 도 2의 빔 익스펜더(160), 제1 포커스 렌즈(180), 회전 디퓨저(200), 집광렌즈(210)의 부분이 확대되어 있다.

도 5는 전기식 회전 디퓨저(LSR)에 전기를 오프(off)하고 빔 익스펜더(160)를 통과한 빔을 전기식 회전 디퓨저(LSR) 표면에 포커스하는 제1 포커스 렌즈(180)와, 전기식 회전 디퓨저(LSR) 표면 사이의 거리를, 초점거리에서 얻은 스펙클 영상, 초점거리에서 3mm 레이저광원 쪽으로 이동시켜 얻은 스펙클 영상, 초점거리에서 6mm 이동시켜서 얻은 스펙클 영상을 나타낸다. 도 1에서 물체광으로 나누어진 빔을 막고 참조광으로 가는 빔을 사용하여, 도 5의 영상이 촬영되었다. 즉, 도 5에서는 스펙클 사이즈가 분명하게 차이나는 위치인 초점거리, 초점거리에서 3mm 광원쪽으로 떨어진 위치 그리고 초점거리에서 6mm 광원쪽으로 떨어진 위치에 공간 가간섭성을 알기 위해 실험을 행하였다. 도 5의 영상 촬영시에는 물론 전기식 회전 디퓨저(LSR)는 온(on) 상태이다.

20x 대물렌즈인 제1 대물렌즈(260)의 초점거리에 제2 미러의 표면이 위치한다. 6mm 디포커스(defocus) 위치에서 전기식 회전 디퓨저(LSR)의 표면에 입사된 레이저 빔의 크기는 약 2.5mm 정도이다.

도 5에서와 같이, 입사된 레이저 빔의 크기가 커짐에 따라 스펙클의 평균 크기가 작아지는 것을 알 수 있다. 일반적으로 스펙클 평균 크기 σ는 입사된 레이저 빔의 면적 (D)에 반비례한다.

공간 가간섭성의 일 예를 도 10에 나타내며, ν =1일 때 공간 가간섭성이 최대값이다.

도 6은 도 1은 본 발명의 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용하여 초점거리에서 얻은 홀로그램의 결과를 나타낸다.

도 6은 샘플로서 USAF 타겟을 사용하여, 초점거리에서 얻은 홀로그램과 그 홀로그램의 일부를 확대하여 간섭무늬와 수직되는 직선(노란직선)에서 영상 세기를 나타낸다. 즉, 도 6의 (a)는 LSR 표면에 초점된 광원, 도 6의 (b) 촬영된 홀로그램(즉, 샘플의 홀로그램), 도 6의 (c)는 홀로그램중에 빨간색 사각영역을 확데한 영상이고, 도 6의 (d)는 도 6의 (b)의 노란색 직선에 따른 홀로그램 세기값이다.

도 6에서 공간 가간섭성 가시거리(Visibility) 값(ν)은 다음 식에 의해 구하여진다.

여기서 Imax와 Imin은 홀로그램 세기값의 최대, 최소를 나타낸다.

포커스 렌즈의 위치가 3mm, 6mm의 디포커스일 때의 공간 가간섭성 가시거리(Visibility) 값을 측정하여 0.428, 0.333 값을 얻었다. 이때 USAF 타겟의 위치는 20x 대물렌즈(즉, 제1 대물렌즈(260))의 초점거리에 위치한다.

다음은 샘플의 위치값 결정에 대해 설명한다.

일반적으로 홀로그램 사이즈가 클수록 해상도가 커진다.

샘플은 엣지(edge, 모서리)와 면으로 이루어져 있으며, 샘플에 대한 측정정밀도는 엣지(edge)에 정밀도에 달려 있다. 따라서 이론적으로 edge에 대한 홀로그램 사이즈가 클수록 해상도가 좋아지므로 포커스 홀로그램이 아니라 디포커스 홀로그램을 만드는 것이 엣지(edge)에 대한 정밀도를 높일 수 있다.

종래의 투과형 인라인(in-line) 디지털 홀로그래픽 현미경과, 본 발명의 반사형 공간 가간섭성 가변 반사형 탈축 디지털 홀로그램 현미경을, 샘플로서 USAF target을 사용하여, 초점거리에서 얻은 홀로그램, 초점거리에서 3mm 레이저광원 쪽으로 이동시켜 얻은 홀로그램, 초점거리에서 6mm 이동시켜서 얻은 홀로그램을 얻는 실험을 행하였다.

우선, 상기 실험에서, 종래의 투과형 인라인(in-line) 디지털 홀로그래픽 현미경에 대해 설명하면 다음과 같다.

이 실험에 적용된 투과형 인라인(in-line) 디지털 홀로그래픽 현미경은 도 11과 같으며, edge에 대한 정밀도가 홀로그램 사이즈와 관계하는지 알기 위해 반사 실험보다는 우선 투과형으로 실험하였다. 도 11의 투과형 디지털 홀로그래픽 현미경에서 사용된 대물렌즈는 MITUTOYO 50X 이며, 사용 광원은 파장이 632.8nm인 레이저이다.

도 12는 투과형 디지털 홀로그래픽 마이크로스코포에서 참조광을 막고 물체광만으로 촬영된 샘플영상과, 샘플의 사이즈를 나타낸다. 도 12의 (a)는 투과형 디지털 홀로그래픽 마이크로스코포에서 참조광을 막고 물체광만으로 촬영된 Nikon reference target 이미지이로, 이로부터 홀로그램을 촬영하는 촬상소자의 픽셀 크기는 0.11um이다. 도 12의 (b) 인증된 reference target의 사이즈이다.

도 13은 edge에 대한 해상도를 알기위해 사용된 샘플 이미지를 나타낸다.

샘플은 반도체 공정에서 사용하는 마스크로 퀄츠위에 크롬을 도핑하고 이를 제거하여 패턴을 만들었으며, 설명의 편의상 이 샘플을 로켓샘플로 칭한다. 도 13의 이미지는 투과형 디지털 홀로그래픽 현미경의 참조광을 막고 물체광만으로 촬상소자에 초점시켜 촬영하였다.

도 14는 샘플에서 가장 얇은 영역의 홀로그램만을 확대하여 보여 예이다. 즉, 도 14는 도 13의 빨간색영역을 확대하여 샘플의 위치에 따른 홀로그램의 크기를 나타낸다.

도 14은 샘플의 위치가 각각 포커스 위치(도 14의 (a)), 포커스 위치에서 대물렌즈쪽으로 20um(도 14의 (b)), 그리고 포커스 위치에서 대물렌즈쪽으로 40um (도 14의 (c)) 이동하여 촬영된 홀로그램중에 edge를 보기 위한 영역을 확대하여 나타내었다. 도 14에서와 같이 디포스가 커짐에따라 edge의 간섭무늬를 포함하는 영역이 커지는 것을 알 수 있다. 간섭무늬 영역이 샘플의 위치에서 각각 7픽셀에서 45픽셀 113픽셀로 커졌다.

이 실험에 사용된 투과형 디지털 홀로그래픽 현미경은 in-line 마흐젠더 타입으로 본 발명을 통해 홀로그램 재생 노이즈인 0차회절광과 허상을 제거하였다.

도 15는 샘플의 위치에 따른 홀로그램 재생상을 나타낸다. 도 15는 포커스 위치에서 재생된 상인데 0차 회절광이 완벽하게 제거되지 않아 노이즈로 작용하는 것을 알 수 있다.

그리고 샘플의 위치가 대물렌즈와 가까워 질수록 확대되는 것을 알 수 있으며, 샘플의 위치가 포커스 위치에서 100um 대물렌즈와 가까워 질 때 재생상은 포커스 위치에서 재생상의 1.52배 확대됨을 알 수 있다. 샘플의 위치가 포커스 위치를 벗어나 디포커스 됨에 따라 재생상의 콘트라스트는 큰 변화가 없음을 알 수 있으나 샘플의 가느다란 영역을 표현하는 픽셀의 수가 계속해서 늘어나는 것을 알 수 있다. 따라서 최대한 디포커스 하는 것이 edge의 해상도를 높이는데 필요하다.

투과형 in-line 디지털 홀로그램 현미경에서는 가간섭성이 가장 좋은 레이저광원을 이용하여 실험하였고 그 결과 edge의 해상도를 높이기 위해서는 샘플의 위치가 대물렌즈의 포커스 위치보다 대물렌즈쪽으로 디포커스하는 것이 좋다는 것을 알 수 있으며 디포커스 정도는 50x 대물렌즈를 사용하는 경우에 20um이상이면 된다는 것을 알 수 있다.

다음으로, 상기 실험에서, 본 발명의 반사형 공간 가간섭성 가변 반사형 탈축 디지털 홀로그램 현미경에 대해 설명하면 다음과 같다.

이제 광원으로 레이저광원이 아니라 SLR 과 포커스 렌즈(광축으로 앞뒤 이동이 가능한)로 구성된 공간가간섭성이 조절되는 광원으로 홀로그램을 촬영하고 이를 통해 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그램 현미경에서 샘플의 위치에 따른 edge 해상도를 찾는다. 사용된 샘플은 USAF target이다.

스펙클의 사이즈가 눈으로 확연히 구분되는 3지점에서, 다시말해 SLR 표면에 레이저광을 집광하는 포커스 렌즈의 위치가 0인지점(포커스 지점), 3mm 포커스 지점에서 레이저 쪽으로 멀어진 지점(3mm 떨어진 지점), 그리고 6mm 포커스 지점에서 레이저 쪽으로 멀어진 지점(6mm 떨어진 지점),에서 샘플의 위치를 대물렌즈(Mitutoyo 20x)로 포커스한 지점, 포커스 지점에서 50um 대물렌즈쪽으로 이동한 지점, 포커스 지점에서 100um 대물렌즈쪽으로 이동한 지점, 그리고 포커스 지점에서 150um 대물렌즈쪽으로 이동한 지점에서 홀로그램을 얻고 이를 분석한다.

도 16은 포커스 지점에서 샘플의 위치변화에 따른 도 6에서 노란색 직선에 따른 홀로그램 세기값을 나타내고, 도 17은, 3mm 떨어진 지점에서 샘플의 위치변화에 따른 도 6에서 노란색 직선에 따른 홀로그램 세기값을 나타내고, 도 7은, 6mm 떨어진 지점에서 샘플의 위치변화에 따른 도 6에서 노란색 직선에 따른 홀로그램 세기값을 나타낸다.

도 16, 도 17, 도 7에 각각의 지점에서 얻은 홀로그램의 노란색 직선에 세기값을 나타내었다. 도 7에 빨간색 박스에 나타난 값은 스펙클의 영향으로 간섭무늬가 무너진 것을 나타낸다. 도 16, 도 17, 도 7에 나타난 세기값을 수치적으로 visibility 값으로 나타낼 수 있으며 후술되는 표 1에 정리하여 나타내었다.

즉, 도 7은 종래의 투과형 인라인(in-line) 디지털 홀로그래픽 현미경(도 7의 우측)과, 본 발명의 반사형 공간 가간섭성 가변 반사형 탈축 디지털 홀로그램 현미경(도 7의 좌측)을 비교하는, USAF target을 사용한 실험에서, 초점거리에서 6mm 이동시켜서 얻은 홀로그램의 세기값을 나타낸다.

도 7의 빨간색 사각형 안에 나타난 값은 스펙클의 영향으로 간섭무늬가 무너진 것을 나타내며, 종래의 투과형 인라인(in-line) 디지털 홀로그래픽 현미경의 결과가 상대적으로 더 무너진 것을 나타낸다.

이 실험에서 본 발명의 반사형 공간 가간섭성 가변 반사형 탈축 디지털 홀로그램 현미경으로 얻어진 결과로서, 홀로그램의 세기값을 수치적으로 가시거리(visibility) 값을 표로 나타내면 표 1과 같다.

도 18은 샘플의 포커스 지점에서 SLR에 레이저광을 집광하는 포커스 렌즈의 위치에 따른 홀로그램 재생상을 나타낸다. 즉, 도 18은 샘플의 위치를 포커스 지점으로 고정하고 SLR에 레이저광을 집광하는 포커스 렌즈의 위치를 바꾸어 촬영한 홀로그램 재생상이다. 도 18에서 USAF 패턴중 가장 작은 패턴을 확대하여 그림 아래에 나타내었다. 확대된 패턴이 모든 위치에서 선명하게 재생된 것을 알 수 있다. 다만 백그라운드가 포커스위치에서 6mm 떨어진 지점으로 이동할수록 스펙클에 의한 영향이 커지는 것을 알 수 있다.

도 19는 샘플의 50um 디포커스 지점에서 SLR에 레이저광을 집광하는 포커스 렌즈의 위치에 따른 홀로그램 재생상을 나타낸다. 즉, 도 19는 샘플의 위치를 50um 디포커스 지점으로 고정하고 SLR에 레이저광을 집광하는 포커스 렌즈의 위치를 바꾸어 촬영한 홀로그램 재생상이다. 도 19에서 USAF 패턴중 가장 작은 패턴을 확대하여 도 19 아래에 나타내었다. 확대된 재생상 패턴이 포커스 위치에서 6mm 떨어진 지점으로 이동할수록 흐려지는 것을 알 수 있다. 이는 50um 디포커스 지점에서는 작은패턴의 회절되는 정도가 크기 때문으로 공간가간섭성 정도가 영향을 끼친 것을 알 수 있다. 다시말해서 포커스 지점의 공간 가간섭성이 가장 좋기 때문에 작은 패턴에서 회절되는 정도를 어느정도 커버하는 것을 알 수 있다. 도 18에서와 마찬가지로 백그라운드가 포커스위치에서 6mm 떨어진 지점으로 이동할수록 스펙클에 의한 영향이 커지는 것을 알 수 있다.

이 실험을 통해, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그램 현미경에서 샘플의 위치는 대물렌즈의 포커스 지점이 가장 좋다는 결론을 얻었다.

도 8은 본 발명의 반사형 공간가간섭성 가변 탈축 홀로그래픽 현미경의 광원부(10)의 다른 일예를 나타낸다.

도 8에서, 1은 광원(100)인 레이저이고, 2는 셔터(shutter)이고, 3은 2분의 1파장판이고, 4는 가변 ND 필터(110)이며, 5 및 6은 미러이고, 7은 확장 렌즈(expanding lens)이고, 8은 집광렌즈(collimating lens)이고, 9는 제1 포커스 렌즈이고, 10은 전기식 회전 디퓨저(LSR)이고, 11은 집광렌즈이고, 12는 제2 포커스 렌즈이고, 13은 제2 포커스 렌즈에 장착된 X-Y-쎄타 조절 스테이지(X-Y-theta control stage)이고, 14는 광섬유이고, 15는 선형 편광기이다.

도 8의 경우는, 도 1의 광원과 선형 편광기(linear polarizer)(120)의 사이에 위치하던 가변 ND 필터(110)가, 2분의 1파장판(130)과 제1 미러(150)의 사이에 위치되며, 또한, 도 1의 빔 익스펜더(160)와 제1 포커스 렌즈(180)의 사이에 집광렌즈가 추가되었으며, 또한, 도 1은 XY 트랜슬레이터(170)가 제1 포커스 렌즈(180)에 장착되어 있으나, 도 8은 제2 포커스 렌즈(220)에 장착되어 있다.

광원(도 8의 1)의 레이저 광은 셔터(shutter)(도 8의 2)를 지나 선형 편광기(도 8의 15)를 통과하고 2분의 1파장판(도 8의 3)을 통과한 후에 가변 ND 필터(도 8의 4)로 세기값을 조절한 뒤 미러(도 8의 5, 6)로 반사킨다. 여기서 선형 편광기(도 8의 15)와 2분의 1파장판(도 8의 3)을 사용한 이유는 참조광과 물체광의 세기값을 바꾸어줌으로써 최적의 콘트라스를 갖는 홀로그램을 얻기 위함이다. 첫번째 미러(도 8의 5)에서 반사된 레이저광은 두번째 미러(도 8의 6)에서 반사된다. 여기서, 첫번째 미러(도 8의 5)와 두번째 미러(도 8의 6)를 미러부라 할 수 있다.

미러 두장(도 8의 5, 6)을 사용하여 레이저광의 광축 정렬을 용이하게 하고 공간적으로 압축하는 의미도 있다. 두번째 미러(도 8의 6)로 반사된 광을 확대하기 위해 확장 렌즈(expanding lens)(도 8의 7)를 통과시켜 확대한 뒤 집광렌즈(collimating lens)(도 8의 8)로 평행에 가까운 광을 만든다. 이 평행광을 전기식 회전 디퓨저(LSR)(도 8의 10) 표면에 포커스하기 위해 포커스 렌즈(도 8의 9)로 포커스 한다. 포커스용 포커스 렌즈(도 8의 9)에는 일축 스테이지가 붙어있어서 광축방향으로 앞뒤 이동이 가능하다. 상기 포커스 렌즈 위치에 띠라 회전 디퓨저(LSR)(도 8의 10) 표면에 조사되는 빔사이즈가 달라진다. 빔사이즈를 바꾸어 광원의 공간 가간섭성 정도를 바꾼다.

전기식 회전 디퓨저(LSR)(도 8의 10) 표면에서 산란된 광은 집광렌즈(도 8의 11)로 집광된 후 포커스 렌즈(도 8의 12)로 평행으로 입사된다. 포커스 렌즈(도 8의 12)에서 초점화된 광은 파이버(도 8의 14) 끝단에 모아진다. 파이버 끝단에 모아진 광은 파이버(도 8의 14) 를 통해 측정부(77)로 이송된다.

도 8 및 후술되는 도 9는 공간가간섭성 가변 탈축 홀로그래픽 현미경을 나타내며, 여기서, 반사형 공간가간섭성 가변 탈축 홀로그래픽 현미경은 측정부와 광원부 모듈로 나누어져 있어 생산라인에서 3차원 결함 측정장비로 사용될 수 있도록 설치가 유연하게 이루어져 있다.

광원부는 레이저광원을 측정 샘플의 표면 거칠기에 따라 가간섭성을 조절할 수 있도록 설계되었으며, 가간섭성이 조절된 광이 광원부에서 만들어져 파이버를 통해 측정부로 보내진다. 측정부의 하우징은 원재료를 파내어 만듦으로써 홀로그램을 상맺히는 대물렌즈의 광축이 시간의 흐름에 따른 재료 변형이 없어 변하지 않도록 하였다.

단차가 큰 샘플을 측정하기 위해서는 최소 다른 파장을 가진 두 개의 레이저를 사용하여야 하며, 파장 2개를 동시에 보는 것이 아니므로, 전기셔터(electrical shutter)를 레이저에 설치하여 각 파장을 번갈아가며 측정하게 한다.

전기셔터는 소정 전압(예로 5V) 인가 시, 셔터가 열리고 전압 차단 시 셔터가 닫히며, 경우에 따라서는 자동 측정을 위해 PC(컴퓨터)에서 I/O로 제어할 수 있다.

홀로그램 이미지의 명암을 향상시키기 위하여 레이저 뒷단에 2분의 1파장판(half-wave plate)을 설치하며 2분의 1파장판은 레이저에서 나온 빛의 편광방향을 바꾸어주는 것이다. 2분의 1파장판(half-wave plate)은, 각 half-wave plate의 파장에 해당되는 anti-reflection 코팅이 되어 있어 투과율이 높아 광 손실을 줄일 수 있이며, Half-wave plate의 사양 중 중요한 요인은 위상차(retardation)이다.

레이저 광을 광섬유에 집광하기 위하여 대물렌즈(Objective Lens)를 사용하며, 광섬유의 코어 지름이 4um로 정렬이 용이하도록 대물렌즈에 매뉴얼(수동) xy 스테이지를 설치한다.

레이저 광을 회전 디퓨저(LSR) 표면에 포커스하는데 사용하는 대물렌즈는 5배 대물렌즈를 사용할 수 있으며, 이 대물렌즈는 NA 0.15, focal length 40mm로 Entrance pupil diameter는 12mm이며, Spot diameter는 4.33um이다.

레이저에서 나온 광을 광섬유로 집광 시, 손실은 NA와 spot 크기에 따라 결정됨. 현 광학계에서는 레이저의 beam diameter가 0.8mm이므로 NA에 의한 손실은 없음. Spot 크기에 의한 손실은 광섬유의 코어 지름이 4um이고 spot 지름은 4.33um이므로 약 14.7%의 광량 손실은 불가피하다. 광량 손실을 줄이기 위해서는 높은 NA를 갖는 대물렌즈를 사용하면 해결 가능하다. 하지만 NA가 높을수록 대물렌즈의 가격이 높아짐.(일반적으로 NA가 높을수록 배율이 커짐). 광 손실량은 카메라의 노출 시간(exposure time) 증가로 보완할 수 있으므로 5배 대물렌즈를 선택한다..

도 9는 본 발명의 반사형 공간가간섭성 가변 탈축 홀로그래픽 현미경의 측정부의 다른 일예를 나타낸다.

도 9에서 1은 촬상소자(300)이고, 2는 촬상소자(300)의 튜브렌즈이고, 3은 LED 광원이고, 4는 PM파이버이고, 5는 집광렌즈(collimating lens)이고, 6은 미러이고, 7은 포커스 렌즈이고, 8 및 9는 비편광 빔나누기이고, 10은 XY 트랜슬레이터이고, 11 및 12는 대물렌즈이고, 13은 가변 ND 필터이다.

광원부(70)에서 만들어진 부분가간섭 광원이 PM파이버로 이송되어 측정부(77)로 들어온다. 측정부의 파이버 끝에서 펴저나간 빛은 집광렌즈(도 9의 5)로 집광되어 미러(도 9의 6)로 반사된다. 반사된 광은 포커스 렌즈(도 9의 7)로 포커스 하여 비편광 빔나누기(도 9의 9)와 만난다. 포커스 렌즈(도 9의 7)로 대물렌즈(도 9의 11)( 일예 MITUTOYO APO 20x)의 백 포칼 포인트(back focal point, 후방 초점)에 초점된다.

포커스 렌즈(도 9의 7)로 초점화된 광은 비편광 빔나누기(도 9의 8, 9)에서 두 개로 나누어져 하나는 참조광이고, 다른하나는 물체광으로 사용된다. 비편광 빔나누기(도 9의 9)를 통과한 광은 참조광으로, 반사된 광은 물체광으로 사용된다. 대물렌즈(도 9의 11)과 동일한 대물렌즈인, 대물렌즈(도 9의 11)을 사용하여 참조광은 평행에 가까운 빔으로 가변 ND 필터(도 9의 13)에 입사된다.

측정 샘플의 표면 상태에 따라 물체광의 세기가 변하므로 콘트라스가 좋은 홀로그램을 얻기 위해 가변 ND 필터(도 9의 13)를 회전시켜 참조광의 반사율을 결정한다.

물체광은 대물렌즈(도 9의 12)로 입사되어 물체에 조명된다. 물체에서 반사 및 산란된 물체광은 다시 대물렌즈(도 9의 12)로 되돌아가 빔나누기(도 9의 9)에서 투과된다. 투과된 물체광은 또다른 비편광 빔나누기(도 9의 8)에서 반사되어 튜브렌즈(도 9의 2)로 결상되어 참조광과 만나 촬상소자에서 홀로그램이 형성된다.

한편, 가변 ND 필터(도 9의 13)에서 반사된 참조광은 대물렌즈로 되돌아간 후 비편광 빔나누기(도 9의 9)에서 반사되어 또다른 비평광빔나누기(도 9의 8)에서 반사되고 튜브렌즈(도 9의 2)로 결상되어 촬상소자에서 물체광과 만나 홀로그램이 형성된다.

여기서, LED 광원(도 9의 3)을 측정 샘플에 조명하여 샘플의 2차원 영상을 얻는다.

즉, LED광원(도 9의 3)은 미러로 반사되어 비편광 빔나누기(도 9의 8)를 통과하고 또다른 비편광 빔나누기(도 9의 9)를 통과한다. 통과된 LED 광은 물체광의 대물렌즈(도 9의 12)로 입사된후 측정샘플에 조명된다. 측정샘플에서 반사 및 산란된 광은 입사되는 순서의 역순으로 빔나누기(도 9의 9)를 만나고 다시 두 번째 빔나누기(도 9의 8)에서 반사되어 튜브렌즈(도 9의 2)로 촬상소자에 결상되어 샘플의 2차원 이미지를 제공한다.

variable ND 필터(variable ND filter)는 각 면의 반사율이 다른 광학 부품으로 필터를 회전시키면서 레이저의 반사광 세기를 조절할 수 있으며, 이는 각기 다른 반사율을 가진 샘플에서 물체광과 참조광이 만나 콘트라스트가 좋은 홀로그램을 만들기 위한 것이다.

집광 렌즈(collimating lens)와 포커스 렌즈(focus lens)는 광섬유에서 나온 확산광을 평행광으로 만들기 위하여 색수차렌즈(Achromatic Lens)를 사용하며, 이렇게 함으로써, 모든 파장에 대하여 평행광이 되도록 한다.

일반 볼록렌즈(convex lens)를 사용할 경우, 파장이 각기 달라 색수차가 발생하여 하나의 파장에 대하여 평행광을 맞출 경우, 다른 파장은 확산광 또는 수렴광이 되어 DHM 측정이 어렵다. 따라서, 각기 색수차 렌즈를 사용하여 모든 파장에 대하여 평행광이 되도록 한다.

확산광을 평행광으로 만들 경우, 광량의 세기는 공간적으로 가우시안 함수의 형태를 가져, 빛의 중앙이 가장 밝으며 가장자리로 갈수록 어두워진다. 따라서, 광량의 균일도 향상을 위하여 초점거리가 긴 색수차렌즈를 선정, 렌즈 뒷 단에 조리개(Variable Aperture)를 설치하여 빛이 밝은 중심 부분만 사용하도록 힐 수 있다.

본 명세서는 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자이면 충분히 인식하고 유추할 수 있는 내용은 그 상세한 기재를 생략하였으며, 본 명세서에 기재된 구체적인 예시들 이외에 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 구성을 변경하지 않는 범위 내에서 보다 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 구체적으로 설명하고 예시한 것과 다른 방식으로도 실시될 수 있으며, 이는 본 발명의 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자이면 이해할 수 있는 사항이다.

10: 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경
70: 광원부 77: 측정부
100: 광원 110: 가변 ND 필터
120: 선형 편광기 130: 2분의 1파장판
150: 제1 미러 160: 빔 익스펜더
170: XY 트랜슬레이터 180: 제1 포커스 렌즈
200: 회전 디퓨저 210: 집광렌즈
220:제2 포커스 렌즈 250: 비편광 빔나누기
260: 제1 대물렌즈 270: 제2 대물렌즈
280: 제2 미러 300: 전하결합소자
310: 샘플

Claims (13)

1. 부분 가간섭 광원을 만드는 광원부와, 상기 광원부에서 생성된 광을 이용하여 샘플을 측정하는 측정부를 포함하는 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경에 있어서,
   광원부는,
   레이저광원으로부터의 광이 셔터(shutter)를 거쳐 입사되어 선형 편광되는, 선형 편광기;
   선형 편광기에서 출사된 광이 입사되어 1/2파장의 광로차를 가지게 되는, 2분의 1파장판;
   2분의 1파장판을 통과한 광이 입사되어 세기값이 조절되는, 제1 가변 ND(Neutral Density) 필터;
   제1 가변 ND 필터를 통과한 후 미러부에서 반사된 광을 확대하는, 확장 렌즈(expanding lens);
   확장 렌즈에서 확장된 광을, 평행한 광으로 만드는, 제1 집광렌즈(collimating lens);
   제1 집광렌즈로부터의 평행광이 제1 포커스 렌즈를 통해 입사되고, 회전되어 산란되는 전기식 회전 디퓨저;
   전기식 회전 디퓨저 표면에서 산란된 광이 집광되어, 제2 포커스 렌즈로 평행하게 입사되게 하는, 제2 집광렌즈;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
2. 제1항에 있어서, 측정부는,
   제2 포커스 렌즈에서 출사된 광을 전달하는 광섬유의 끝단에서 펴저나간 광이, 제3 집광렌즈에서 집광되고 미러에서 반사되고 제3 포커스 렌즈를 거쳐 입사되어, 참조광과 물체광으로 나누어지되, 제1 비편광 빔나누기를 통과한 광은 참조광이고, 제1 비편광 빔나누기에서 반사된 광은 물체광인, 제1 비편광 빔나누기;
   제1 비편광 빔나누기로부터의 참조광이, 제1 대물렌즈를 통해 입사되고, 반사되는 참조광은 제1 대물렌즈를 통해 제1 비편광 빔나누기로 전달되는, 제2 가변 ND 필터;
   제1 비편광 빔나누기로부터의 물체광을 측정샘플에 조명하고, 측정샘플에서 반사 및 산란된 물체광을 제1 비편광 빔나누기로 전달하는, 제2 대물렌즈;
   제1 비편광 빔나누기에서 투과된 물체광을, 튜브렌즈로 반사시키며, 제1 비편광 빔나누기에서 반사된 참조광을 튜브렌즈로 반사시키는, 제2 비편광 빔나누기;
   제2 비편광 빔나누기로부터 반사된 물체광 및 참조광이 튜브렌즈에 결상되어, 홀로그램을 형성하는, 촬상소자;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
3. 제1항에 있어서,
   선형 편광기와 2분의 1파장판은 참조광과 물체광의 세기값을 바꾸어주도록 이루어진 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
4. 제1항에 있어서,
   미러부는 2개의 미러로 이루어진 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
5. 제1항에 있어서,
   제1 포커스 렌즈는 일축 스테이지가 붙어있어서 광축방향으로 앞뒤 이동할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
6. 제1항에 있어서,
   셔터는, 단차가 큰 샘플을 측정하기 위해서, 다른 파장을 가진 두 개의 레이저를 번갈아가며 측정하기 위한 수단인 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
7. 제1항에 있어서,
   제2 포커스 렌즈에 xy 스테이지가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
8. 제2항에 있어서,
   제3 집광렌즈에서 집광되어 미러에서 반사된 광은, 제3 포커스 렌즈로 제1 대물렌즈의 백 포칼 포인트(back focal point)에 초점되어지는 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
9. 제2항에 있어서,
   제2 가변 ND 필터가 회전되어 참조광의 반사율을 결정하도록 이루어지되, 각 면의 반사율이 다른 광학 부품으로 회전시키면서 레이저의 반사광인 참조광의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
10. 제2항에 있어서,
    제1 대물렌즈과 제2 대물렌즈은 동일한 대물렌즈인 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
11. 제2항에 있어서,
    측정부는, LED(발광다이오드) 광원을 더 구비하며,
    LED 광원으로부터 미러로 반사되어 제2 비편광 빔나누기와 제1 비편광 빔나누기를 순차적으로 통과한 LED 광은, 제2 대물렌즈로 입사된후 측정샘플에 조명되고, 측정샘플에서 반사 및 산란된 광은 제1 비편광 빔나누기에서 반사된 후, 제2 비편광 빔나누기에서 반사되어, 튜브렌즈로 촬상소자에 결상되어 측정샘플의 2차원 이미지를 얻는 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
12. 제1항에 있어서,
    광원부는 레이저광원을 측정 샘플의 표면 거칠기에 따라 가간섭성을 조절할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.
13. 제2항에 있어서,
    제3 집광렌즈와 제3 포커스 렌즈는 색수차렌즈(Achromatic Lens)를 사용하는 것을 특징으로 하는, 반사형 공간 가간섭성 가변 탈축 디지털 홀로그래픽 현미경.

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