KR20240016712A - 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트 및 이를 적용한 현미경 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트 및 이를 적용한 현미경 시스템에 관한 것으로서, 확대 지원유니트는 투명기판 상면에 볼록하게 돌출된 반구형 마이크로 렌즈가 상호 이격되게 다수 어레이된 마이크로 렌즈 어레이와, 투명기판의 저면에 마이크로렌즈에 대해 선택적으로 광의 투과를 허용할 수 있게 광차단소재로 상호 이격되게 형성된 다수의 마스크를 구비한다.

Description

마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트 및 이를 적용한 현미경 시스템{magnifying asistance unit using microlens array and microscope using the same}

본 발명은 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트 및 이를 적용한 현미경 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 객체에 대한 확대 배율을 증가시킬 수 있으면서도 이미지 선명도를 향상시킬 수 있도록 된 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트 및 이를 적용한 현미경 시스템에 관한 것이다.

물체의 형상을 인식하기 위해서는 먼저 물체에서 산란되는 빛을 이용하여 물체의 상을 만들어야 한다. 일반적으로, 물체에서 산란되는 빛은 특성이 서로 반대인 소멸파(Evanescent wave)와 진행파(Propagating wave) 성분을 갖는다. 소멸파는 파장보다 미세한 공간 변화에 대한 정보를 가지고 있지만, 발생 후 재료 표면의 수십 나노미터 이내의 거리에서 대부분 소멸되므로 상을 만들지 못한다. 일반적으로 상은 진행파에 의해 만들어진다. 이러한 소멸파의 급격한 감쇄로 인해 광학 시스템의 분해능(Resolving power)을 제한하는 회절한계가 발생한다.

이러한 분해능의 한계를 극복하기 위한 방안으로 현미경과 시료 사이에 소멸파를 이용하는 고체 침지렌즈(Solid immersion lens)를 적용하는 방식이 공개 특허 제10-2004-0075862호 등 다양하게 개시되어 있다.

이러한 고체 침지렌즈는 현미경의 대물렌즈와 고체 침지렌즈의 광축을 상호 일치시켜야하는 광학적 정렬이 요구되는 단점이 있다.

한편, 최근에는 현미경과 시료 사이에 마이크로렌즈가 다수 어레이된 광학계를 적용하는 방식이 제안되고 있으나, 마이크로렌즈 상호 간의 이미지 중첩이 발생되고 이러한 이미지 중첩을 보다 효과적으로 해결할 수 있는 방안이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 마이크로렌즈를 적용하면서도 마이크로렌즈 상호 간의 이미지 중첩 발생을 억제하여 선명도를 향상시킬 수 있는 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트 및 이를 적용한 현미경 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트는 투명기판 상면에 볼록하게 돌출된 반구형 마이크로 렌즈가 상호 이격되게 다수 어레이된 마이크로 렌즈 어레이와; 상기 투명기판의 저면에 상기 마이크로렌즈에 대해 선택적으로 광의 투과를 허용할 수 있게 광차단소재로 상호 이격되게 형성된 다수의 마스크;를 구비한다.

또한, 상기 핀홀은 상기 마이크로렌즈의 직경보다 작은 크기로 결정되며, 상기 마스크에 의해 차폐된 영역에 대해 개방된 핀홀들 사이의 간격(G)은 최소 핀홀간격(P)에 대해 P=X(-i/O)로부터 산출된 P값을 기준으로 1P이상 2P이하(1P≤G≤2P)로 결정되어 적용되며,

상기 X는 측정하고자 하는 객체의 크기이고, 상기 O는 상기 마이크로렌즈와 객체와의 거리이며, 상기 i는 상기 마이크로렌즈의 결상거리이다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 현미경 시스템은 현미경과, 상기 현미경 하부에서 상기 현미경을 향하는 상방으로 광을 출사하는 하부광원이 마련된 스테이지가 마련되어 상기 스테이지 상면에 안착된 시료판을 상기 현미경을 통해 확대할 수 있도록 된 현미경 시스템에 있어서, 상기 시료판 상부에 안착되어 상기 시료판에 내장된 객체의 확대배율을 증가시키 위한 확대지원 유니트;를 더 구비한다.

본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트 및 이를 적용한 현미경 시스템에 의하면, 마이크로렌즈 상호 간의 이미지 중첩 발생을 억제하여 선명도를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트가 적용된 현미경 시스템을 나타내 보인 측면도이고,
도 2는 도 1의 확대지원 유니트의 핀홀 간격 결정 방식을 설명하기 위해 확대하여 도시한 도면이고,
도 3은 도 1의 확대 지원 유니트에 마이크로렌즈 어레이를 적용하지 않은 상태에서 현미경에 의해 획득된 이미지를 나타내 보인 사진이고,
도 4는 도 1의 확대 지원 유니트에 마이크로렌즈 어레이를 적용하지 않은 상태에서 현미경에 의해 획득된 이미지의 인텐서티 프로파일을 나타내 보인 그래프이고,
도 5는 도 1의 확대 지원 유니트에 대해 마스크의 적용 전후에 대해 각각 획득된 이미지들을 나타내 보인 사진들이고,
도 6은 도 1의 확대 지원 유니트를 적용한 경우 현미경에 의해 획득된 이미지의 인텐서티 프로파일을 나타내 보인 그래프이고,
도 7은 도 1의 확대 지원 유니트에 대해 마스크를 적용하지 않은 상태의 이미지 콘트라스트 변화 그래프이고,
도 8은 도 1의 확대 지원 유니트에 대해 마스크를 적용한 경우 이미지 콘트라스트 변화 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트 및 이를 적용한 현미경 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트가 적용된 현미경 시스템을 나타내 보인 측면도이고, 도 2는 도 1의 확대지원 유니트의 핀홀 간격 결정 방식을 설명하기 위해 확대하여 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 현미경 시스템(100)은 현미경(110), 하부광원(130)이 마련된 스테이지(140) 및 확대지원 유니트(150)를 구비한다. 참고로 도 2는 마이크로렌즈(153)의 초점거리(f)보다 객체가 가까이 배치되어 정립허상(Virtual image)가 생기는 것을 도시하였고, 객체를 시각적으로 인지할 수 있도록 영문 대문자 A로 함께 표기하였다.

현미경(110)은 하우징(112) 내에 장착된 대물렌즈(110)를 통해 촬상대상 객체에 대해 확대된 이미지를 제공할 수 있는 공지된 구조로 형성되어 있다.

현미경(110)은 대물렌즈(110)를 통해 획득된 이미지를 촬상장비에 의해 촬상하여 제공하는 구조로 구축된 것이 적용될 수 있음은 물론이다.

현미경(110)은 스테이지(140)를 지지하는 메인 바디(미도시)로부터 상방으로 연장된 지지프레임(미도시)에 지지되어 스테이지(140) 상부에 설치된 구조로 형성된 것이 적용될 수 있다.

스테이지(140)는 촬상대상 객체가 내장된 시료판(10)을 안착할 수 있게 형성되어 있고, 상면에 안착된 시료판(10)을 통해 현미경(110)을 향하는 상방으로 광을 출사하는 하부광원(130)이 장착되어 있다.

하부광원(130)은 시료판(10)의 전체에 광을 조사할 수 있는 구조로 형성된 것을 적용하면 된다.

여기서, 시료판(10)은 투명소재로 형성된 하부 시료기판(11)과 투명소재로 형성된 상부 시료기판(12)으로 형성되어 하부 시료료기판(11)과 상부 시료기판 (12) 사이에 측정대상 객체가 내장된 것이 예시되어 있다.

확대 지원 유니트(150)는 시료판(101) 상부에 안착되어 시료판(10)에 내장된 객체의 확대 배율을 증가시킨다.

확대 지원 유니트(150)는 마이크로 렌즈 어레이(151) 및 마스크(155)를 구비한다.

마이크로렌즈 어레이(151)는 투명기판(152) 상면에 볼록하게 돌출된 반구형 마이크로 렌즈(153)가 상호 이격되게 다수 어레이된 구조로 되어 있다.

투명기판(152)은 투명소재로 판형상으로 형성되어 있다.

마이크로렌즈(153)는 투명기판(151) 상면에 반구형상으로 돌출되어 상호 이격되게 다수 어레이되어 있다.

마스크(155)는 투명기판(152)의 저면에 마이크로렌즈(153)에 대해 선택적으로 광의 투과를 허용할 수 있게 광차단소재로 상호 이격되게 형성되어 있다.

마스크(155)는 광차단 도료를 스크린 프린팅 방식으로 투명기판(153) 저부에 형성하는 방식 등 다양한 방식으로 형성할 수 있다.

여기서, 마스크(155)가 점유하지 않는 마이크로렌즈(153) 하부의 광투과영역을 핀홀(157)이라 지칭하고, 적용하는 마이크로렌즈(153)의 결상거리(i)를 포함한 광학적 인자들에 대해 이미지 중첩을 억제하면서 선명도를 높일 수 있는 핀홀(157) 형성 조건을 적용한다.

핀홀(157)의 직경은 마이크로렌즈(153)의 직경보다 작은 크기로 결정된다.

또한, 마스크(155)에 의해 차폐된 영역에 대해 개방된 핀홀(157)들 사이의 간격(G)은 아래의 수학식1로부터 산출된 최소 핀홀간격(P)에 대해 1P이상 2P이하(1P≤G≤2P)로 결정되어 적용된다.

즉, P=X(-i/O)이고, X는 측정하고자 하는 객체의 크기이고, O는 마이크로렌즈(153)와 객체와의 거리이며, i는 마이크로렌즈(153)의 결상거리이며 음의 값을 갖는다.

또한, 도 2에서 참조기호 t는 투명기판의 두께이고, d는 핀홀(157)의 직경이며, S1은 객체의 위치를 나타내고, S2의 허상의 위치를 나타내며 시각적으로 인지할 수 있도록 S1위치에서의 객체형상을 A로 표기하였고, S2위치에서 확대된 객체형상을 크기가 확장된 A로 표기 하였다.

한편, 아래의 수학식2는 렌즈 방정식이다.

여기서, f는 마이크로렌즈(153)의 초점거리이고, 배율(M)은 아래의 수학식 3으로 표현된다.

한편, 시야각(FOV:field of view)은

아래의 수학식4로 표현된다.

위 수학식4로부터 앞서 수학식 1은 아래의 수학식 5로 표현될 수 있다.

이러한 핀홀(157)간의 최소 간격(P)에 대해 마이크로렌즈의 초점거리(f)가 2mm이고, 마이크로렌즈 시야각(FOV)가 40도인 경우의 상호 다른 객체거리에 대한 최소간격을 아래의 표 1에 나타내었다.

객체거리(O, mm)	결상거리(i, mm)	배율(-i/O)	최소 핀홀간격(P, mm)
0.5	-0.66667	1.33333	1.447795
0.75	-1.2	1.6	0.806032
1	-2	2	1.343386
1.25	-3.33333	2.66667	2.238977
1.5	-6	4	4.030159
1.75	-14	8	9.403705

이러한 확대지원 유니트(150)의 마이크로렌즈 어레이(150) 및 마스크(155) 적용효과를 분석하기 위해 USAF 1951타겟(공군 MIL-STD-150D 표준시편)을 이용하여 확대지원 유니트(150)에 마이크로렌즈 어레이(150)를 적용하지 않은 경우 현미경(110)에 의해 획득된 이미지와 획득된 이미지의 인텐서티 프로파일이 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 또한, 확대지원 유니트(150)에 마스크(155)의 적용 전후 현미경(110)에 의해 획득된 이미지들이 도 5에 도시되어 있고, 마스크가 적용된 확대지원유니트에 의해 획득된 이미지의 인텐서티 프로파일이 도 6에 도시되어 있다.

도 3 및 도 4에서는 N7-1(128Ip(line pair)/mm)까지 관측이 가능하지만, 도 5 및 도 6에서는 N7-5(203.2Ip(line pair)/mm)까지 관측이 가능한 것을 확인할 수 있다. 이로부터 마이크로렌즈 어레이(151)를 적용하지 않는 경우에 비해 마스크(155)를 갖는 마이크로렌즈 어레이(151)를 적용하면 약 1.58배의 분해능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

또한, 마스크(155)를 적용하지 않는 경우의 도 7의 픽셀거리와 인텐서티 그래프로부터 이미지 콘트라스트는 아래와 같이 산출된다.

이미지 콘트라스트=(215.667-166.333)/(215.667+166.333)=0.12915

또한, 마스크(155)를 적용한 경우의 도 8의 픽셀거리와 인텐서티 그래프로부터 이미지 콘트라스트는 아래와 같이 산출된다.

이미지 콘트라스트=(95.327-25.377)/(95.327+25.377)=0.57951

이로부터 마스크(155)를 적용하지 않는 경우에 비해 마스크(155)를 적용하면 약 4.48배의 콘트라스트를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 설명된 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트 및 이를 적용한 현미경 시스템에 의하면, 마이크로렌즈 상호 간의 이미지 중첩 발생을 억제하여 선명도를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

110: 현미경
130: 하부광원
140: 스테이지
150: 확대지원 유니트
151: 마이크로 렌즈 어레이
155: 마스크
157: 핀홀

Claims (4)

1. 투명기판 상면에 볼록하게 돌출된 반구형 마이크로 렌즈가 상호 이격되게 다수 어레이된 마이크로 렌즈 어레이와;
   상기 투명기판의 저면에 상기 마이크로렌즈에 대해 선택적으로 광의 투과를 허용할 수 있게 광차단소재로 상호 이격되게 형성된 다수의 마스크;를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트.
2. 제1항에 있어서, 상기 핀홀은 상기 마이크로렌즈의 직경보다 작은 크기로 결정되며, 상기 마스크에 의해 차폐된 영역에 대해 개방된 핀홀들 사이의 간격(G)은 최소 핀홀간격(P)에 대해 P=X(-i/O)로부터 산출된 P값을 기준으로 1P이상 2P이하(1P≤G≤2P)로 결정되어 적용되며,
   상기 X는 측정하고자 하는 객체의 크기이고, 상기 O는 상기 마이크로렌즈와 객체와의 거리이며, 상기 i는 상기 마이크로렌즈의 결상거리인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 적용한 확대 지원 유니트.
3. 현미경과, 상기 현미경 하부에서 상기 현미경을 향하는 상방으로 광을 출사하는 하부광원이 마련된 스테이지가 마련되어 상기 스테이지 상면에 안착된 시료판을 상기 현미경을 통해 확대할 수 있도록 된 현미경 시스템에 있어서,
   상기 시료판 상부에 안착되어 상기 시료판에 내장된 객체의 확대배율을 증가시키 위한 확대지원 유니트;를 더 구비하고,
   상기 확대지원 유니트는
   투명기판 상면에 볼록하게 돌출된 반구형 마이크로 렌즈가 상호 이격되게 다수 어레이된 마이크로 렌즈 어레이와;
   상기 투명기판의 저면에 상기 마이크로렌즈에 대해 선택적으로 광의 투과를 허용할 수 있게 광차단소재로 상호 이격되게 형성된 다수의 마스크;를 구비하는 것을 특징으로 하는 현미경 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 핀홀은 상기 마이크로렌즈의 직경보다 작은 크기로 결정되며, 상기 마스크에 의해 차폐된 영역에 대해 개방된 핀홀들 사이의 간격(G)은 최소 핀홀간격(P)에 대해 P=X(-i/O)로부터 산출된 P값을 기준으로 1P이상 2P이하(1P≤G≤2P)로 결정되어 적용되며,
   상기 X는 측정하고자 하는 객체의 크기이고, 상기 O는 상기 마이크로렌즈와 객체와의 거리이며, 상기 i는 상기 마이크로렌즈의 결상거리인 것을 특징으로 하는 현미경 시스템.