KR100721512B1 - 분산 광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경 - Google Patents

Abstract

주사 장치에 따른 진동 문제, 신호 처리 문제, 측정기 단가 향상 문제 등을 해결하기 위한 것으로서, 주사 장치를 포함하지 않으면서 물체의 2차원 단면 영상을 실시간으로 획득할 수 있도록 한 분산 광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경에 관한 것으로, 일실시예에 따르면, 빛을 공급하는 광대역 광원과; 상기 광원에서 나온 빛을 집광하여 슬릿 개구 상에 조명하는 조명 광학계와; 상기 조명 광학계로부터 조명된 빛 중 슬릿 영역만을 통과시키는 슬릿 개구와; 상기 슬릿 개구를 통과한 빛을 평행광으로 만들어 주는 튜브 렌즈와; 상기 튜브 렌즈에서 나온 평행광을 파장에 따라 다른 각도로 진행하도록 만들어 주는 제1분산 광학계와; 상기 제1분산 광학계에서 나온 빛을 시편 상에 조명하는 대물 렌즈와; 상기 시편에서 반사되어 상기 슬릿 개구를 통과한 빛을 평행광으로 만들어 주는 제1결상 렌즈와; 상기 제1결상 렌즈를 통과한 평행광을 파장에 따라 다른 각도로 진행하도록 만들어 주는 제2분산 광학계와; 상기 제2분산 광학계에서 나온 빛을 결상하는 제2결상 렌즈와; 상기 제2결상 렌즈로부터 결상된 빛을 전기적인 신호로 바꾸어 주는 2차원 광전 검출기로 구성되어 달성된다.

광학, 광원, 파장필터, 조명광학계, 광분할기, 대물렌즈, 튜브렌즈, 슬릿개구, 결 상렌즈, 2차원 광전검출기, 회절격자, 프리즘, 조명렌즈, 원통렌즈

Description

분산 광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경 {Real-time confocal microscopy using dispersion optics}

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래의 회전 디스크를 이용한 공초점 주사 현미경의 개략도.

도 2는 다중 핀홀 개구가 형성되어 있는 회전 디스크의 개략도.

도 3은 슬릿 핀홀 개구가 형성되어 있는 회전 디스크의 개략도.

도 4는 다중 개구를 이용한 공초점 주사 현미경에서 시편의 광축 방향 이동에 따른 튜브 렌즈에서 집광된 반사광의 영향을 보여주는 도면.

도 5는 다중 개구를 이용한 공초점 주사 현미경과 단일 개구를 이용한 공초점 주사 현미경에 대하여 개구의 크기 증가에 따른 광축 방향 분해능의 변화 정도를 보여주는 그래프.

도 6은 빔 편향기를 이용하는 종래의 공초점 주사 현미경의 개략도.

도 7은 한 축으로 파장 코딩된 종래의 공초점 주사 현미경의 개략도.

도 8은 본 발명의 제 1 실시 형태를 도시한 도면.

도 9는 시편이 조명되는 형태를 보여주는 개략도.

도 10a,10b,10c는 실제로 시편을 관찰하는 경우 시편이 조명되는 모습과 2차원 광전 검출기에서 관찰되는 모습을 보여주는 개략도.

도 11은 프리즘에서 빛이 분산되는 것을 보여주는 개략도.

도 12는 회절 격자에서 빛이 분산되는 것을 보여주는 개략도.

도 13은 VPH grating에서 빛이 분산되는 것을 보여주는 개략도.

도 14는 본 발명의 제 2 실시 형태를 도시한 도면.

도 15는 본 발명의 제 3 실시 형태를 도시한 도면.

도 16은 본 발명의 제 4 실시 형태를 도시한 도면.

도 17은 본 발명의 제 5 실시 형태를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 프리즘

120 ; 반사회절격자

140 : 평광판

141 ; 편광 광분할기

142 : 파장판

150 : 원통렌즈

160 : 조명렌즈

170 : 제2슬릿개구

801 : 광대역 광원

801 : 파장필터

803 : 조명 광학계

804 : 광분할기

805 : 슬릿 개구

806 : 튜브렌즈

807 : 제1분산광학계

808 : 대물렌즈

809 : 시편

810 : 제1결상렌즈

811 : 제2분산광학계

812 : 제2결상렌즈

813 : 2차원 광전검출기

본 발명은 공초점 현미경을 주사 장치 없이 구성하여, 주사 장치의 존재에 따라 발생하는 진동 문제, 신호 처리 문제, 광손실 문제, 생산 단가 문제를 해결하면서 실시간으로 영상을 획득하기 위한 분산 광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경에 관한 것이다.

본 발명에 따른 분산 광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경은 반도체 웨이퍼의 결함 검사, LCD의 결함 검사등의 빠른 속도를 요구하는 검사에 응용될 수 있다.

종래, 공초점 주사 현미경은 생의학 분야의 대상물을 관측하는데 많이 사용되고 있다. 광축 방향의 깊이 분별력이 뛰어나 시편 내부의 형상을 관찰할 수 있으며, 대상물의 3차원 형상을 얻을 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 공초점 주사 현미경은 기존의 광학 현미경에 비하여 수평 방향으로 높은 분해능을 가지기 때문에 최근에는 반도체 웨이퍼, 영상 출력 장치, 미세 패턴 등의 측정 및 검사에 많이 응용되고 있다.

도 1은 종래의 닙코 디스크(Nipkow disk)를 이용한 공초점 주사 현미경의 개략도이다. 도시한 바와 같이 종래의 기술은 광원(1), 시준렌즈(2), 광분할기(3), 닙코 디스크(4), 모터(5), 튜브렌즈(6), 대물렌즈(7), 시편(8), 제1렌즈(9), 제2렌즈(10), 2차원광전검출기(11)로 구성되어 있다.

광원(1)으로부터 나온 빛은 시준 렌즈(2)를 거치면서 평행광이 된다. 평행광은 광분할기(3)에서 반사되어 닙코 디스크(4)의 윗면을 조명하게 된다.

이때 팁코 디스크(4)의 한 형태는 도 2와 같다. 도 2는 바늘 구멍 형태의 작은 개구(4a)가 디스크 상에 다수 분포하는 디스크의 형태를 보여주는 것으로, 평행빔이 디스크를 조명하는 경우 조명되는 영역 내에 있는 다수의 개구를 통과한 빛 만이 튜브 렌즈(6)쪽으로 진행할 수 있다. 조명 영역내에 있는 개구 각각을 통과한 빛은 회절 현상에 의해 다양한 각도를 가지고 전파되게 되어, 개구의 위치에 점광 원을 놓은 것과 같은 효과를 가져 온다.

튜브 렌즈(6)와 대물 렌즈(7)는 개구를 시편(8) 상에 결상하는데 이에 따라 시편의 관찰 영역 중 다수의 점 영역만이 조명되는 효과를 얻을 수 있다. 시편의 관찰 영역을 모두 조명하기 위해서는 개구의 위치를 변화시켜야 하는데 이를 위해서 닙코 디스크(4)를 모터(5)에 장착하여 그의 회전축 운동을 통해 디스크 상의 개구(4a)들이 이동하게 만들어 준다.

시편(8) 상의 조명된 부분에서 반사된 빛은 대물렌즈(7) 및 튜브렌즈(6)를 통과하여 닙코 디스크(4)상에 결상된다. 이때 시편(8)이 대물 렌즈(7)의 초점 평면상에 있는 경우 반사광이 닙코 디스크(4) 상의 개구를 통과하게 되는 반면, 시편(8)이 대물 렌즈(7)의 초점 평면에서 벗어나 광축 방향으로 이동한 경우 반사광이 개구를 통과하기 못 하게 된다. 이를 통해서 공초점 효과를 얻을 수 있으며, 광축 방향으로 높은 분해능을 얻을 수 있다.

개구를 통과한 반사광은 제1렌즈(9)와 제2렌즈(10)에 의해 2차원 광전검출기(11) 상에 결상된다. 모터(5)의 구동회전에 따라 광전검출기(11)상에 결상되는 점의 위치 또한 변하게 되어 2차원 광전검출기 전 영역에 광신호가 전달되게 되어 시편의 2차원 정보를 얻을 수 있게 된다.

도 3은 닙코 디스크의 다른 형태를 보여준다. 도 3에 보여지는 디스크의 경우 표면에 곡선 형태의 개구(4b)를 가지고 있다. 이와 같은 개구를 이용하는 경우 조명광이 통과하는 영역이 선의 형태를 가지게 되고 이에 따라 시편 상에 대물 렌즈에 의해서 조명되는 영역 또한 선의 형태를 띄게 된다. 모터(5)의 구동 회전함에 따라서 시편을 조명하는 선이 이동하게 되고, 또한 2차원 광전검출기(11) 상에서 결상되는 선 또한 이동하게 되어 시편의 2차원 형상을 획득할 수 있다.

회전 디스크를 이용한 공초점 주사 현미경은 빔편향기를 이용하여 직렬 방식으로 영상을 획득하는 빔 편향 공초점 주사 현미경에 비해 높은 영상 획득 속도를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 측정 속도의 한계는 2차원 광전검출기의 영상 획득 속도에 의해 결정되며, 1초에 30장 정도의 영상을 획득하는 것이 일반적이고 최근에 와서는 2차원 광전검출기의 영상 획득 속도 향상에 따라 1초에 1000장의 영상을 획득할 수 있는 공초점 주사 현미경도 실현된 바가 있다.

그러나 병렬 신호 처리를 위하여 시편 상의 한 점이 아닌 다수의 점 또는 넓은 영역을 조명하기 때문에 광축 방향의 분해능이 떨어진다는 단점이 있다.

도 4는 이러한 효과를 도시해서 보여주고 있다. 시편(8)이 대물 렌즈(7)의 초점 평면에 위치하는 경우 시편에서 반사된 빛이 튜브렌즈(6)에 의해 개구 상에 정확하게 집광되기 때문에 도 4의 (a)에서와 같이 다량의 빛이 개구를 통과하게 된다. 이런 경우 집광된 반사광이 이웃한 개구에는 어떤 영향도 주지 않는다.

그러나 시편이 대물 렌즈(7)의 초점 평면에서 벗어나 있는 경우 도 4의(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 튜브렌즈(6)에 의해 집광된 빛이 조명광이 나왔던 개구에 정확하게 집광되지 못하고 광축 방향으로 이동된 위치에 집광되게 된다. 이런 경우 반사광이 조명광이 나왔던 개구 뿐만이 아니라 이웃한 개구도 통과하게 되어 공초점 원리에 따른 광축 방향의 분해능 향상 효과가 떨어지게 된다.

도 5는 단일 개구를 이용한 공초점 주사 현미경과 다중 개구를 이용한 공초 점 주사 현미경에 대하여 개구의 크기를 증가함에 따른 광축 방향 분해능의 변화 형태를 보여준다. 측정할 수 있을만한 범위의 광량을 얻기 위해서는 개구의 크기를 증가시키는 것이 필요한데, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 다중 개구를 이용한 공초점 주사 현미경의 경우는 개구의 크기가 증가함에 따라서 광축 방향의 분해능의 값이 증가하여 성능이 저하된다는 것을 알 수 있다.

이와 같이 기존의 회전 디스크를 이용한 공초점 주사 현미경에서는 이웃한 개구에서 조명된 빛이 시편에서 반사되어 들어오는 것이 일종의 잡음으로 작용하게 되어 광축 방향으로 성능이 떨어지게 된다.

기존 발명의 또다른 문제로는 진동 문제와 샘플링 문제가 있다. 닙코 디스크(Nipkow disk)를 회전시키기 위하여 회전 운동을 하는 모터등이 필요한데 이는 전체 광학계에 진동에 의한 문제를 유발시킬 수 있다. 또, 영상 획득 속도가 높은 2차원 광전검출기를 사용하는 경우 닙코 디스크의 회전수가 충분하지 못하여 영상의 왜곡이 일어날 수 있다.

도 6은 종래의 공초점 주사 현미경의 개략도이다. 도시한 바와 같이, 종래의 공초점 주사 현미경(10)은 광원(12), 빔 공간 필터/확장 장치(14), 광분할기(16), 주사 장치(18), 대물 렌즈(20), 집광 렌즈(22), 바늘 구멍 개구(24) 및 광전 검출기(26)를 포함한다.

광원(12)에서 나온 빛은 빔 공간 필터/확장 장치(14)를 통과하여 평행광이 되고, 상기의 평행광은 광분할기(16)에서 반사되어 주사 장치(18)에 입사한다. 주사 장치에 의해 진행 방향이 바뀐 상기 평행광은 대물 렌즈(20)에 의해 시편(8)상 에 집광 된다. 상기 시편에서 반사 또는 형광되어 나온 빛은 상기 대물 렌즈(20), 상기 주사 장치(18)를 거쳐 상기 광분할기(16)를 통과하여 집광 렌즈(22)에 의해 바늘 구멍 개구(24)상에 집광된다. 이때, 시편(8)에서 반사 또는 형광되어 나온 빛 중에서 대물 렌즈(20)의 초평면(focal plane)에서 반사 또는 형광된 빛은 바늘 구멍 개구(24) 상에 초점을 맺게 되어 바늘 구멍 개구를 통과하여 광전 검출기(26)에 의해 측정된다. 초평면 외의 영역에서 반사 또는 형광되어 나온 빛은 바늘 구멍 개구의 앞 또는 뒤에 초점을 맺게 되어 빛의 많은 부분이 바늘 구멍 개구를 통과하지 못하고, 따라서 광전 검출기에서 측정되는 빛의 강도가 떨어지게 된다.

이와 같은 원리를 이용하여 대물 렌즈(20)의 초평면에서 나온 정보만을 얻을 수 있어 대상물 내부의 조직을 관찰할 수 있다. 또한, 초평면 상에 있더라도 초점에서 떨어진 점에서 나온 빛을 바늘 구멍 개구가 걸러내어 수평 방향으로의 분해능도 향상된다.

그러나, 바늘 구멍 개구(24)를 사용하는 공초점 주사 현미경(10)은 주사 장치(18)의 주사 속도의 한계 때문에 하나의 2차원 영상을 얻기 위해 많은 시간이 걸린다는 문제점이 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 주사 장치에 음향 광학 굴절기(Acousto-optic deflector)를 사용하여 높은 측정 속도를 얻는 경우도 있으나 이 경우 신호 처리에 많은 계산 하중이 걸리게 되며, 반드시 컴퓨터가 필요하다는 단점을 가진다.

도 7은 회절 격자 (Diffraction grating)를 이용하여 시편의 2차원 평면중 한쪽 방향을 색깔에 따라 코딩한 공초점 현미경(Spectrally-encoded confocal microscopy)의 개략도이다. 도시한 바와 같이 종래의 기술은 광섬유(71), 렌즈(72), 회절격자(73), 시편(74)으로 구성되어 있다.

광섬유(71)의 끝단에서 나온 빛은 렌즈(72)에 의해 모아지게 된다. 이때 광섬유(71)에서 나오는 빛은 다양한 파장을 가지는 광대역(broad-band) 광원을 이용하게 된다. 회절 격자(73)는 빛의 파장에 따라서 1차빔이 진행하는 각도가 달라지기 때문에 도시된 바와 같이 파장1, 파장2, 파장 3의 빛이 시편 상에 각기 다른 점에 맺히게 된다. 이때 시편에서 반사된 빛은 다시 회절 격자(73)와 렌즈(72)를 통과하여 광섬유(71)의 끝단에 집광되고 집광된 빛은 광섬유의 다른쪽 끝단으로 전달된다. 이렇게 시편 평면에서 한 방향으로 파장이 다른 빛과 시편 상의 좌표를 매칭시킬 수 있어 매칭된 방향으로는 스캔을 하지 않아도 된다는 장점을 가진다.

그러나 시편의 2차원 영상을 모두 획득하기 위해서는 광섬유의 끝단을 매칭된 방향과 수직인 방향(도 7에서 지면에 수직인 방향)으로 이송시키거나 광섬유(71)와 회절 격자(73) 사이에 빔 편향기를 장치하여 매칭되지 않은 방향으로 빛을 편향시켜야 한다.

이와 같이 이송부가 장착되게 되는 경우 이송부의 운동에 따른 시스템의 진동이 발생하게 되고, 이러한 진동은 측정의 신뢰성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하게 된다. 또한 매칭된 방향으로 한 줄의 정보를 얻고 이에 수직인 방향으로 빔을 움직여가면서 직렬(serial)로 신호를 받아들여 처리하기 때문에 신호 처리에 시간이 걸려 영상 획득 속도를 떨어뜨리는 요인이 된다. 또, 사용되는 빔 편향기 또는 광섬유 이송 장치는 고가로서 측정 기기의 단가를 높이는 요인이 되기도 한다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상기 주사 장치에 따른 진동 문제, 신호 처리 문제, 측정기 단가 향상 문제 등을 해결하기 위한 것으로서, 주사 장치를 포함하지 않으면서 물체의 2차원 단면 영상을 실시간으로 획득할 수 있도록 한 분산 광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

분산광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경에 있어서,

빛을 공급하는 광대역 광원과;

상기 광원에서 나온 빛을 집광하여 슬릿 개구 상에 조명하는 조명 광학계와;

상기 조명 광학계로부터 조명된 빛 중 슬릿 영역만을 통과시키는 슬릿 개구와;

상기 슬릿 개구를 통과한 빛을 평행광으로 만들어 주는 튜브 렌즈와;

상기 튜브 렌즈에서 나온 평행광을 파장에 따라 다른 각도로 진행하도록 만들어 주는 제1분산 광학계와;

상기 제1분산 광학계에서 나온 빛을 시편 상에 조명하는 대물 렌즈와;

상기 시편에서 반사되어 상기 슬릿 개구를 통과한 빛을 평행광으로 만들어 주는 제1결상 렌즈와;

상기 제1결상 렌즈를 통과한 평행광을 파장에 따라 다른 각도로 진행하도록 만들어 주는 제2분산 광학계와;

상기 제2분산 광학계에서 나온 빛을 결상하는 제2결상 렌즈와;

상기 제2결상 렌즈로부터 결상된 빛을 전기적인 신호로 바꾸어 주는 2차원 광전 검출기로 구성되어 달성된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 제1 및 제2분산 광학계는 프리즘으로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 제1 및 제2분산 광학계는 회절격자로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면,

상기 광대역 광원과 상기 조명 광학계와의 사이에 배치된 편광판과;

상기 제1분산 광학계와 상기 대물 렌즈와의 사이에 배치된 파장판과;

상기 제1결상 렌즈와 상기 제2분산 광학계와의 사이에 배치된 편광판을 구비하고;

상기 조명광학계로부터 조명된 빛을 상기 슬릿개구와 결상렌즈로 각기 분할시키는 편광 광분할기가 포함된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 조명광학계는 원통렌즈로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면,

상기 조명 광학계는 빛을 집광시키는 원통렌즈로 이루어지고,

상기 원통렌즈에 의해 집광된 슬릿 패턴을 평행광으로 만들어 주는 조명 렌즈와;

조명 렌즈에서 나온 평행광을 슬릿 개구 상에 집광시켜주는 결상 렌즈가 더 포함된다.

또한, 본 발명에 따르면,

상기 원통렌즈와 상기 조명렌즈와의 사이에 배치되어 원통렌즈에 의해 집광된 빛을 걸러주는 제2슬릿 개구가 더 포함될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 8은 발명의 실시예에 따른 공초점 현미경의 개략도이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명은 광대역 광원(801), 파장 필터(802), 조명 광학계(803), 광분할기(804), 슬릿개구(805), 튜브렌즈(806), 제1분산광학계(807)(dispersion optics), 대물렌즈(808), 제1결상렌즈(810), 제2결상렌즈(812), 제2분산 광학계(811), 2차원 광전 검출기(813)를 포함하고 있다.

광대역 광원(801)에서 나오는 빛은 파장 필터(802)를 통과하면서 파장의 범위가 좁아진다. 파장의 범위가 지나치게 큰 경우 다양한 파장의 빛에 대하여 색수차가 발생하게 된다. 광대역 광원(801)의 파장 범위가 작은 경우는 광효율 향상을 위하여 파장 필터를 사용하지 않을 수도 있다.

파장 필터(802)를 통과한 빛은 조명 광학계(803)에 의하여 슬릿 개구(805) 상에 모아진다. 슬릿 개구(805)를 통과한 빛은 회절에 의하여 마치 슬릿 상의 각 점이 점 광원인 것처럼 진행하게 된다. 슬릿 개구(805)에서 초점 거리만큼 떨어져 있는 튜브 렌즈(806)는 슬릿을 통과한 빛을 도 8의 지면에 수직인 방향으로 다양한 각도로 진행하는 평행광으로 만들어 준다.

이 평행광 다발은 제1분산 광학계(807)에 입사하게 된다. 제1분산 광학계(807)는 빛의 파장에 따라서 서로 다른 각도로 진행하게 만들어 주는 광학계이다. 제1분산 광학계(807)에 입사하는 빛이 다양한 파장을 가지므로 파장이 서로 다른 빛들은 갈라져서 다른 각도로 진행하게 된다. 이렇게 갈라진 빛은 대물렌즈(808)에 의하여 시편 상에 집광되는데 이때 시편이 조명되는 패턴은 도 9와 같다. 특정 파장의 빛이 슬릿 모양으로 시편 상에 조명되고, 각기 다른 파장의 빛들이 슬릿의 길이 방향에 수직인 방향으로 서로 다른 영역을 슬릿 모양으로 조명하게 된다. 이와 같이 본 발명은 시편의 2차원 영역을 한 번에 조명하는 것을 특징으로 한다.

시편에서 반사된 빛은 대물렌즈(808)와 제1분산 광학계(807)를 통과하면서 하나로 합쳐지게 되고 튜브렌즈(806)에 의해 슬릿 개구(805) 상에 집광된다. 이때 대물렌즈(808)의 초점 평면에 시편이 놓여져 있는 경우에만 반사되어온 빛이 슬릿 개구(805)를 통과하고 초점 평면의 위나 아래에 시편이 놓여져 있는 경우에는 반사된 빛이 슬릿 개구(805)에 의해 많은 부분 제거되게 된다. 슬릿을 통과한 빛은 다시 제1결상 렌즈(810)에 의해 평행광의 다발이 되고 이는 제2분산광학계(811)에 입사하여 파장에 따라 지면에 수평인 방향으로 갈라지게 된다. 갈라진 빛은 제2결상 렌즈(812)에 의하여 2차원 광전검출기(813) 상에 초점을 맺게 된다. 만약 거울이 시편으로 사용되고 시편이 대물 렌즈의 초점 평면에 위치하고 있다면 2차원광전검출기(813) 상에서 관찰되는 상은 도 9 의 조명 패턴과 유사한 형태를 가지게 된다.

도 10a 내지 도 10c는 실제로 시편을 관찰하는 경우 볼 수 있는 조명 영역과 2차원 광전검출기 상에서 관찰되는 상을 보여준다. 도 10a와 같이 높이 단차를 가지는 시편(809)에서 윗면이 대물렌즈(808)의 초점 평면에 위치하는 경우 아랫면에서 반사되어온 신호는 슬릿 개구에 의하여 제거되어 그 광량이 매우 약하게 된다. 이때 시편 상에 조명되는 빛의 패턴은 도 10b와 같다. 따라서 도 10c와 같은 영상을 2차원 광전검출기(813)에서 관찰할 수 있게 된다.

이와 같이 아무런 주사 장치 없이 시편의 영상을 얻을 수 있어 그 구성이 간단하며 신호 처리에 드는 비용과 시간을 줄일 수 있다. 또한 기존의 일반 광학 현미경과 동일하게 사용할 수 있으면서도, 기존의 광학 현미경보다는 분해능이 높은 영상을 얻을 수 있다는 강점을 가진다.

빛을 파장에 따라 각기 다른 각도로 진행시킬 수 있는 분상 광학계(807)는 다양한 방법으로 구현될 수 있다.

도 11은 분산광학계(807)가 프리즘(110)으로 이루어진 경우를 보여준다. 도 11에 도시된 바와 같이 하나의 빛이 입사하는 경우에 빛이 다양한 각도로 갈라져서 출사하게 된다. 이는 프리즘(110)을 구성하는 물질의 굴절률이 파장에 따라 각기 다른 값을 가지기 때문에 굴절각의 차이가 생기기 때문이다.

도 12는 회절 격자(grating)(120)를 사용하여 분산 광학계를 구성한 예이다. 도 12에 도시한 바와 같이 하나의 빛이 입사하는 경우 빛이 파장에 따라 다양한 각도로 갈라져서 출사하게 된다. 격자에 의해서 회절이 일어나는 경우 1차광의 진행각은 파장의 크기에 비례하므로 파장이 다른 빛은 각기 다른 방향으로 진행하게 된다.

도 13은 볼륨 상 홀로그래픽(VPH: Volume Phase Holographic) 회절격자(grating)(130)를 이용하여 분산 광학계를 구성한 예이다. 볼륨 상 홀로그래픽 회절격자는 볼륨 홀로그램(volume hologram)을 이용하여 회절 격자를 제작한 것으로 1차광의 효율을 극대화한 것이다. 프리즘의 경우 파장에 따라 각도가 갈라지는 정도가 크지 않아 시편의 넓은 영역을 조명하기 위해서는 파장이 매우 넓은 광원을 필요로 하게 된다. 그러나 파장의 영역이 지나치게 넓은 경우 색수차가 발생하게 된다. 기존의 회절 격자의 경우 회절 격자간의 간격을 줄여서 1차광이 갈라지는 정도를 크게 만들 수 있으나 1차광에 대한 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 볼륨 상 홀로그래픽 회절격자(VPH grating)를 파장의 변화에 따른 각도 변화를 크게 하면서 1차광의 효율을 증대시켰다는 장점이 있다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 것이다. 도 14에서 도 8과 동일 또는 동등 부분은 동일부호를 사용한다. 도 14에서 파장 필터(802)와 조명 광학계(803) 사이에 편광판(140)을 사용하고, 광분할기 대신에 편광 광분할기(141)를 사용하였으며, 제1분산 광학계(807)와 대물 렌즈(808) 사이에 파장판(142)을 사용하고, 제1결상렌즈(810)와 제2분산 광학계(811) 사이에 편광판(143)을 사용한 것을 특징으로 한다.

본 실시예는 슬릿 개구(805)에 입사하는 빛을 편광시켜서 슬릿 개구를 통과하지 못하고 반사된 빛이 2차원 광전 검출기(813)에서 검출되는 것을 방지한다. 슬릿 개구(805)에서 반사된 빛은 입사한 빛과 동일한 편광 상태를 가지므로 편광 광분할기(141)를 통과하지 못하고 반사된다. 따라서 슬릿 개구(805)면에서 반사된 빛은 2차원 광전검출기(813)에서 검출되지 않는다.

따라서 슬릿 개구(805)를 통과하고 튜브 렌즈(806), 분산 광학계(807), 대물렌즈(808)를 거쳐 시편(809)에 조명되고 반사된 빛은 파장판을 두 번 통과하게 되어 다시 슬릿 개구를 통과한 후 편광 광분할기(141)에서 반사되지 않고 통과되어 2차원 광전 검출기(813)에서 검출된다. 본 실시예는 슬릿 개구 평면상의 반사면, 각종 광학 부품에 의해 반사된 잡광의 영향을 줄일 수 있어 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있다.

도 15는 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 것으로 조명 광학계가 원통 렌즈 (Cylindrical lens)(150)로 구성된 것을 특징으로 한다. 원통 렌즈(150)를 이용하여 광원에서 나온 빛을 모아주는 경우 집광 효과가 한 방향으로만 발생하여 모인 부분에서의 빛이 슬릿의 모양을 가지게 된다. 이런 빛을 슬릿 개구(805)에 조명하는 경우 슬릿 개구를 통과하지 못하고 반사되는 빛의 양을 줄일 수 있어 광효율을 증대시킬 수 있으며 반사광에 의한 영상의 질 저하를 막을 수 있다는 장점이 있다.

도 16은 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 것으로 조명 광학계가 원통 렌즈(150), 조명 렌즈(160), 제1결상렌즈(810)로 구성된 것을 특징으로 한다.

따라서 원통 렌즈(150)에 의해 슬릿의 형태로 집광된 빛을 다시 슬릿 개구 (805)상에 조명 렌즈(160)와 제1결상 렌즈(810)를 이용하여 결상하는 방식을 사용한다. 이때 조명 렌즈(160)를 통과한 빛은 각기 진행하는 방향이 다른 평행광의 다발이 되고 이것이 제1결상 렌즈(810)에 의해 슬릿 개구(805)상에 결상된다. 이와 같은 광학계를 이용하는 경우, 광분할기(804)를 통과하는 빛이 평행광이 되어 수렴광이나 발산광일때 발생 가능한 수차를 제거할 수 있다는 장점을 가진다.

도 17은 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 것으로 조명 광학계가 원통 렌즈(150), 제2슬릿 개구(170), 조명 렌즈(160), 제1결상 렌즈(810)로 구성된 것을 특징으로 한다.

따라서 원통 렌즈(150)에 의해 슬릿의 형태로 집광된 빛 중 제2슬릿 개구(170)를 통과한 빛 만이 조명 렌즈(160)와 제1결상 렌즈(810)를 통하여 슬릿 개구(805) 상에 조명되게 된다. 제2슬릿 개구(170)를 통과한 빛 만을 슬릿 개구 상에 조명하기 때문에 슬릿 개구 상에서 반사된 빛이 없어 잡광에 의한 영상의 질 저하를 막을 수 있다는 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 분산 광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경에 따르면, 주사 장치가 전혀 없이 공초점 현미경을 구성함으로써 (1)주사 장치가 존재함에 따른 진동 문제를 없애고, (2)고가의 빔 편향 장치, 신호 처리 장치를 사용하지 않음으로써 측정기 제작 단가를 줄일 수 있으며, (3)신호 처리에 따른 시간 지연이 전혀 없이 고속으로 영상을 얻을 수 있다는 장점을 가진다. 또한 (4)주사 장치가 전혀 없어 소형화가 용이하다는 장점을 가진다.

따라서 본 발명은 고속으로 고분해능 측정을 요구하는 반도체 생산 라인에서의 검 사 공정, LCD 생산 라인에서의 검사 공정등에 응용될 수 있으며 응용될 경우 (1)생산 단가 및 생산 시간을 단축시키며 (2)전수 검사를 통해 고부가가치 제품의 품질을 향상시킬 수있다. 또한 (4)소형화를 통화여 접근이 어려운 부분의 관찰에도 널리 응용될 수 있다.

Claims (7)

1. 분산광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경에 있어서,

   빛을 공급하는 광대역 광원(801)과;

   상기 광원(801)에서 나온 빛을 집광하여 슬릿 개구 상에 조명하는 조명 광학계(803)와;

   상기 조명 광학계(803)로부터 조명된 빛 중 슬릿 영역만을 통과시키는 슬릿 개구(805)와;

   상기 슬릿 개구(805)를 통과한 빛을 평행광으로 만들어 주는 튜브 렌즈(806)와;

   상기 튜브 렌즈(806)에서 나온 평행광을 파장에 따라 다른 각도로 진행하도록 만들어 주는 제1분산 광학계(807)과;

   상기 제1분산 광학계(807)에서 나온 빛을 시편 상에 조명하는 대물 렌즈(808)와;

   상기 시편에서 반사되어 상기 슬릿 개구(805)를 통과한 빛을 평행광으로 만들어 주는 제1결상 렌즈(810)와;

   상기 제1결상 렌즈(810)를 통과한 평행광을 파장에 따라 다른 각도로 진행하도록 만들어 주는 제2분산 광학계(811)와;

   상기 제2분산 광학계(811)에서 나온 빛을 결상하는 제2결상 렌즈(812)와;

   상기 제2결상 렌즈(812)로부터 결상된 빛을 전기적인 신호로 바꾸어 주는 2차원 광전 검출기(813)로 구성된 것을 특징으로 하는 분산광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2분산 광학계(807,811)는 프리즘(110)으로 구성된 것을 특징으로 하는 분산광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2분산 광학계(807,811)는 회절격자(120)로 구성된 것을 특징으로 하는 분산광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 광대역 광원(801)과 상기 조명 광학계(803)와의 사이에 배치된 편광판(140)과;

   상기 제1분산 광학계(807)와 상기 대물 렌즈(808)와의 사이에 배치된 파장판(142)과;

   상기 제1결상 렌즈(810)와 상기 제2분산 광학계(811)와의 사이에 배치된 편광판(143)을 구비하고;

   상기 조명광학계(803)로부터 조명된 빛을 상기 슬릿개구(805)와 결상렌즈(810)로 각기 분할시키는 편광 광분할기(141)가 포함된 것을 특징으로 하는 분산광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 조명광학계(803)는 원통렌즈(150)로 이루어진 것을 특징으로 하는 분산광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 조명 광학계(803)는 빛을 집광시키는 원통렌즈(150)로 이루어지고,

   상기 원통렌즈(150)에 의해 집광된 슬릿 패턴을 평행광으로 만들어 주는 조명 렌즈(160)와;

   조명 렌즈(160)에서 나온 평행광을 슬릿 개구(805) 상에 집광시켜주는 결상 렌즈(810)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 분산광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 원통렌즈(150)와 상기 조명렌즈(160)와의 사이에 배치되어 원통렌즈(150)에 의해 집광된 빛을 걸러주는 제2슬릿 개구(170)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 분산광학계를 이용한 실시간 공초점 현미경.

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