KR100743591B1

KR100743591B1 - 사이드 로브가 제거된 공초점 자가 간섭 현미경

Info

Publication number: KR100743591B1
Application number: KR1020050088745A
Authority: KR
Inventors: 권대갑; 강동균
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2007-07-27
Also published as: DE102006025505B4; JP2007086735A; DE102006025505A1; JP4312777B2; US20070070496A1; KR20070034260A; US7324273B2

Abstract

본 발명은, 기존의 공초점 현미경에, 시편으로부터의 반사 또는 형광 광선을 편광시키기 위한 제 1 편광판; 상기 제 1 편광판을 통과한 광선을 편광 방향에 따라 두 개의 광선으로 분리하기 위한 제 1 복굴절 파장판; 상기 제 1 복굴절 파장판에서 분리된 두 개의 광선을 편광시키기 위한 제 2 편광판; 상기 제 2 편광판을 통과한 두 개의 광선을 편광 방향에 따라 네 개의 광선으로 분리하기 위한 제 2 복굴절 파장판; 및 상기 제 2 복굴절 파장판에서 분리된 네 개의 광선을 편광시키기 위한 제 3 편광판;을 포함하는 자가 간섭 광학계; 및 상기 자가 간섭 광학계를 통과한 광선의 통과 영역을 제한하기 위한 조리개;를 더 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축은 동일 평면에 존재하며, 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축은 전체 광학계의 광축으로부터 소정의 각도 기울어지고; 그리고 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 서로 다른 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경을 제공한다.

공초점현미경, 복굴절판, 편광판, 간섭, 사이드로브, 분해능

Description

사이드 로브가 제거된 공초점 자가 간섭 현미경{Confocal Self-Interference Microscopy Which Excluding Side Lobes}

도 1은 기존의 공초점 자가 간섭 현미경의 구성도

도 2는 기존의 공초점 자가 간섭 현미경의 자가 간섭 광학계에서 광경로를 도시하는 개념도

도 3은 기존의 공초점 자가 간섭 현미경에서 점 확산 함수를 설명하기 위한 개념도

도 4는 일반 공초점 현미경, 1축 자가 간섭을 이용한 기존의 공초점 자가 간섭 현미경, 및 2축 자가 간섭을 이용한 기존의 공초점 자가 간섭 현미경에서 점 확산 함수(PSF)의 분포도

도 5는 도 4의 공초점 자가 간섭 현미경에 비하여 자가 간섭 주파수가 높은 경우 1축 자가 간섭을 이용한 기존의 공초점 자가 간섭 현미경 및 2축 자가 간섭을 이용한 기존의 공초점 자가 간섭 현미경에서 점 확산 함수의 분포도

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 구성도

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 자가 간섭 광학계에서 광경로를 도시하는 개념도

도 8은 기존의 공초점 자가 간섭 현미경 및 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수의 단면도

도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 구성도

도 10은 기존의 공초점 자가 간섭 현미경 및 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확장 함수의 분포도

도 11은 주기가 200 nm, 선폭이 100 nm인 물체의 형상, 이 물체를 기존의 공초점 자가 간섭 현미경으로 관측한 영상, 및 이 물체를 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경으로 관측한 영상을 도시하는 평면도

도 12는 반도체 회로의 형상, 이 회로를 기존의 공초점 자가 간섭 현미경으로 관측한 영상, 및 이 회로를 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경으로 관측한 영상을 도시하는 평면도

도 13은 본 발명의 제 3 실시예의 구성도

도 14는 본 발명의 제 4 실시예의 구성도

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

100, 200, 300, 400, 500 : 공초점 자가 간섭 현미경

110, 210, 510 : 자가 간섭 광학계

111, 112, 113, 211, 212, 213, 214, 215, 511, 512 : 편광판

116, 117, 216, 217, 218, 219, 516 : 복굴절 파장판

20 : 조명 장치 25 : 빔 확장부

30 : 광선 분리기 35 : 빔 편향 장치

40 : 집광 장치 45 : 시편

50 : 망원경 광학계 55 : 중계 광학부

60 : 조리개 65 : 결상 렌즈

70 : 바늘 구멍 개구 75 : 광선 검출기

본 발명은 사이드 로브가 제거된 공초점 자가 간섭 현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 공초점 자가 간섭 현미경에서 발생하는 점 확산 함수에서의 사이드 로브를 제거하여 측정되는 영상의 왜곡을 감소시키는 공초점 자가 간섭 현미경에 관한 것이다.

공초점 현미경(confocal microscopy)은 시료로부터 대물 렌즈를 거쳐 광선 검출기에 이르는 광선의 경로 상에 바늘 구멍(pin hole)을 설치하여 시료의 특정 단면을 통과하는 광선을 검출하여, 시료의 평면 영상뿐만 아니라 깊이에 대한 정보를 얻을 수 있어 3차원 영상을 얻을 수 있는 현미경이다. 공초점 현미경은 생의학 분야의 연구뿐만 아니라 반도체 부품, 미세 가공물, 재료 등의 구조를 연구하는데 널리 사용되고 있다.

공초점 현미경은 미세 구조를 연구하는데 사용되는 전자 현미경(Electron Microscopy)이나 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy)에 비하여 많은 장점을 가진다. 전자 현미경은 진공 상태를 유지하여야 하는 점, 시편의 전처리 과정이 필요하여 전수 검사에는 적합하지 못한 점 등의 단점을 가진다. 원자간력 현미경은 시료의 표면에 손상을 줄 수 있는 점, 측정 시간이 길기 때문에 또한 전수 검사에는 적합하지 못한 점 등의 단점을 가진다. 이에 비하여, 공초점 현미경은 비접촉으로 상온 대기 중에서 측정이 가능하며 실시간 측정이 가능하기 때문에 이러한 전자 현미경 및 원자간력 현미경을 대체할 수 있을 것으로 기대되었다.

그러나, 공초점 현미경은 근본적으로 빛을 이용하기 때문에 광학적 회절 현상에 의하여 분해능의 한계가 결정되는 단점이 있다. 기존의 광학 현미경은 분해능의 한계가 수백 nm 수준이었던 것을 공초점 주사 현미경을 이용하여 140 nm의 수준(예를 들면, 키엔스(Keyence)사의 VK-9500)까지 낮추는데 성공하였으나, 아직까지는 100 nm 이하의 분해능을 획득하지는 못하고 있다. 이러한 이유로 반도체, 평판 디스플레이(Flat Panel Display, FPD) 등의 검사에 있어 전자 현미경 및 원자간력 현미경이 사용되고 있다.

이러한 공초점 현미경의 한계를 극복하기 위하여, 공초점 자가 간섭 현미경이 제안된 바가 있다. 공초점 자가 간섭 현미경은 반사 광선에 대하여 시료의 평면 좌표에 대하여 간섭 패턴을 발생시켜 현미경의 횡방향 분해능을 향상시킬 수 있다. 도 1은 기존의 공초점 자가 간섭 현미경의 구성을 도시한다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 기존의 공초점 자가 간섭 현미경(500)은 일반 공초점 현미경이 가지는 광원(20), 빔 확장부(25), 광선 분리기(30), 집광 장치(볼록렌즈 또는 오목거울)(40), 시편(45), 망원경 광학계(50), 결상 렌즈(65), 바늘 구멍 개구(70) 및 광선 검출기(75)에 추가하여, 편광판(511 및 512) 및 복굴절 파장판(516)을 포함하는 자가 간섭계(510)를 더 포함한다. 광원(20)에서 방출된 광선은 빔 확장부(25)에서 평행광 이 되어 광선 분리기(30)에서 반사된다. 광선 분리기(30)에서 반사된 광선은 집광 장치(40)를 통과하여 시편(45) 상의 물체 표면에 초점이 맞춰지며 조명을 한다. 물체 표면에서 반사 또는 형광된 광선은 집광 장치(40)에서 평행광이 되어 광선 분리기(30)를 투과한 뒤 망원경 광학계(70), 자가 간섭 광학계(510), 결상 렌즈(65) 및 바늘 구멍 개구(70)를 통과하여 광선 검출기(80)에 의하여 측정된다.

도 2는 기존의 공초점 자가 간섭 현미경(500)의 자가 간섭 광학계(510)에서 광선의 경로를 설명하기 위한 개념도이다. 자가 간섭 광학계(510)는 서로 수직인 편광각을 가지는 두 개의 편광판(511 및 512) 및 두 개의 편광판(511 및 512) 사이에 위치하는 하나의 복굴절 파장판(516)을 가진다. 편광판(511)은 복굴절 파장판(516)으로 입사하는 광선이 정상광선과 이상광선이 1:1이 되도록 정상광선의 편광 방향(도 2에서 수평 방향(↔)) 또는 이상광선의 편광 방향(도 2에서 수직 방향(⊙))으로부터 45° 기울어진 평광각을 가진다. 편광판(511)을 통과하여 수평 편광 광선(↔)과 수직 편광 광선(⊙)이 1:1로 구성된 광선은 복굴절 파장판(516)에서 정상광선인 수평 편광 광선(도 2에서 점선) 및 이상광선인 수직 편광 광선(도 2에서 실선)으로 분리되며 양 광선은 서로 다른 경로를 진행하여 위상차가 생기게 된다. 이러한 위상차는 자가 간섭 광학계(510)로 입사하는 광선의 입사각에 따라 달라진다. 입사각에 따라 달라지는 위상차에 의하여 정상광선과 이상광선 사이에서 간섭이 생기게 되며, 이러한 간섭 효과를 이용하는 상기 광학계를 자가 간섭 광학계라 한다.

자가 간섭 광학계를 사용한 공초점 현미경의 점 확산 함수(Point Spread Function, PSF)는 일반 공초점 현미경의 점 확산 함수에 자가 간섭 광학계에 의한 간섭 효과를 곱한 함수이다. 도 3은 시편(60) 상에서 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수(실선)을 도시한다. 도 3에서 일반 공초점 현미경의 점 확산 함수(점선)에 간섭 효과가 곱하여 공초점 자가 간섭 현미경의 주빔(main beam)의 크기가 작아지고, 따라서 분해능이 향상되는 것을 볼 수 있다. 도 4는 일반 공초점 현미경의 점 확산 함수(도 4a), 도 1에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수(도 4b), 및 도 1의 자가 간섭 광학계(510)에 대하여 수직으로 자가 간섭계를 더 설치한 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수(도 4c)를 도시한다. 도 3 및 4에서 볼 수 있듯이 공초점 자가 간섭 현미경을 사용하여 분해능이 향상되는 것을 알 수 있다.

그러나, 기존의 공초점 자가 간섭 현미경은 다음과 같은 두 가지 문제점을 가진다.

1. 사이드 로브(side lobe)에 의한 영상의 왜곡 현상. 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수는 공초점 현미경의 점 확산 함수와 자가 간섭 패턴의 곱으로 나타난다. 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수의 주빔의 폭을 줄이기 위해서는 자가 간섭 패턴의 공간 주파수를 증가시켜야 하는데(또는 주기를 감소시켜야 하는데), 이러한 경우 사이드 로브의 크기가 증가하게 된다. 이러한 현상은 도 5a(한 방향에 자가 간섭 현상이 있는 경우) 및 5b(두 방향에 자가 간섭 현상이 있는 경우)로부터 알 수 있다. 도 5a는 도 4b의 경우의 공초점 자가 간섭 현미경보다 분해능을 향상시킨 경우이고, 도 5b는 도 4c의 경우의 공초점 자가 간섭 현미경보다 분해능을 향상시킨 경우이다. 도 4와 도 5를 비교하면, 분해능을 향상시킬수록 사이 드 로브가 커지는 것을 알 수 있다. 공초점 자가 간섭 현미경이 얻는 영상은 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수와 대상 물체의 정보가 컨벌류션(convolution)되어 얻을 수 있는데, 이러한 공초점 자가 간섭 현미경의 사이드 로브는 영상의 왜곡을 유발한다.

2. 복굴절 파장판을 통과한 주 광선 사이의 출사 위치 차이에 따른 간섭 무늬 생성. 복굴절 파장판을 통과하여 분리된 두 광선의 출사 위치는 도 2에서 볼 수 있듯이 서로 다르게 되고, 위치 차이는 광선의 입사각에 따라 변하게 된다. 이러한 차이에 의하여 두 광선의 입사 위치 차이에 따라 광선 측정기 상에 간섭 무늬가 생성되게 된다.

본 발명은 전술한 기존의 공초점 자가 간섭 현미경의 한계를 극복하여 수십 nm 크기를 가지는 물체를 왜곡 없이 관찰할 수 있는 주빔의 크기를 줄이면서 사이드 로브가 제거된 공초점 자가 간섭 현미경을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 광원을 포함하는 조명 장치; 관측 대상을 고정하기 위한 시편; 상기 관측 대상의 영상을 측정하기 위한 영상 검출 장치; 상기 조명 장치로부터의 조명 광선을 상기 시편으로 유도하고, 상기 시편으로부터의 반사 또는 형광 광선을 상기 영상 검출 장치로 유도하는 광선 분리기; 상기 조명 장치와 상기 광선 분리기 사이에 위치하고, 볼록렌즈 또는 오목거울을 포함하며, 상기 조명 장치로부터의 조명 광선을 평면파로 변환시키기 위한 빔 확장 장치; 상기 시편과 상기 광선 분리기 사이에 위치하고, 볼록렌즈 또는 오목거울을 포함하며, 상기 광선 분리기를 통과한 상기 조명 장치로부터의 상기 조명 광선을 집광하여 상기 시편에 조사하고, 상기 시편으로부터의 상기 반사 또는 형광 광선을 평면파로 변환시키기 위한 집광 장치; 상기 광선 분리기와 상기 영상 검출 장치 사이에 위치하고, 상기 집광 장치 및 상기 광선 분리기를 통과한 상기 시편으로부터의 상기 반사 또는 형광 광선을 편광시키기 위한 제 1 편광판; 상기 제 1 편광판을 통과한 광선을 편광 방향에 따라 두 개의 광선으로 분리하기 위한 제 1 복굴절 파장판; 상기 제 1 복굴절 파장판에서 분리된 두 개의 광선을 편광시키기 위한 제 2 편광판; 상기 제 2 편광판을 통과한 두 개의 광선을 편광 방향에 따라 네 개의 광선으로 분리하기 위한 제 2 복굴절 파장판; 상기 제 2 복굴절 파장판에서 분리된 네 개의 광선을 편광시키기 위한 제 3 편광판;을 포함하는 자가 간섭 광학계; 상기 자가 간섭 광학계와 상기 영상 검출 장치 사이에 위치하고, 상기 자가 간섭 광학계를 통과한 광선의 통과 영역을 제한하기 위한 조리개; 상기 조리개와 상기 영상 검출 장치 사이에 위치하고, 볼록렌즈 또는 오목거울을 포함하며, 상기 조리개를 통과한 광선을 집광시키기 위한 결상 렌즈; 및 상기 결상 렌즈와 상기 영상 검출 장치 사이에서 상기 결상 렌즈의 초점면에 위치한 바늘 구멍 개구;를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축은 동일 평면에 존재하며, 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축은 전체 광학계의 광축으로부터 소정의 각도 기울어지고; 그리고 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 서로 다른 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 자가 간섭 광학계는, 제 3 편광판을 통과한 네 개의 광선을 편광 방향에 따라 여덟 개의 광선으로 분리하기 위한 제 3 복굴절 파장판; 제 3 복굴절 파장판에서 분리된 여덟 개의 광선을 편광시키기 위한 제 4 편광판; 제 4 편광판을 통과한 여덟 개의 광선을 편광 방향에 따라 16 개의 광선으로 분리하기 위한 제 4 복굴절 파장판; 및 제 4 복굴절 파장판에서 분리된 16 개의 광선을 편광시키기 위한 제 5 편광판;을 더 포함하고, 상기 제 3 및 제 4 복굴절 파장판의 광축은 동일 평면에 존재하고, 상기 제 3 및 제 4 복굴절 파장판의 광축이 존재하는 평면은 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축이 존재하는 평면과 수직이며, 상기 제 3 및 제 4 복굴절 파장판의 광축은 전체 광학계의 광축으로부터 소정의 각도 기울어지고; 그리고 제 3 및 제 4 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 서로 다른 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경을 더 제공한다.

제 1, 제 3 및 제 5 편광판의 편광 방향은 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축 방향으로부터 45° 기울어지고, 제 2 및 제 4 편광판의 편광 방향은 제 1, 제 3 및 제 5 편광판의 편광 방향으로부터 수직인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 복굴절 파장판 및 제 3 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 동일하고, 제 2 복굴절 파장판 및 제 4 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 동일하며, 전자의 자가 간섭 주기는 후자의 자가 간섭 주기의 1/2 배 또는 2 배인 것이 바람직하다.

전술한 본 발명에 의한 공초점 자가 간섭 현미경은 광선 분리기와 제 1 편광판 사이에, 두 개의 볼록렌즈 또는 오목거울을 포함하고 반사 또는 형광 광선의 경로를 신장시키는 망원경 광학계를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 공초점 자가 간섭 현미경은 광선 분리기와 집광 장치 사이에, 갈바노 미터를 포함하고 조명 광선의 진행 각도를 변경할 수 있는 광선 편향 장치를 더 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 의한 공초점 자가 간섭 현미경은 제 3 편광판 또는 제 5 편광판과 조리개 사이에, 두 개의 볼록렌즈 또는 오목거울을 포함하고 제 3 편광판 또는 제 5 편광판을 통과한 광선을 조리개에 재결상시키기 위한 중계 광학계를 더 포함할 수 있다.

이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

[제 1 실시예]

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(100)의 구성을 도시한다.

도 6에서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(100)은 조명 장치(20), 빔 확장부(25), 광선 분리기(30), 집광장치(40), 시편(45), 망원경 광학계(50), 조리개(60), 결상 렌즈(65), 바늘 구멍 개구(70), 광선 검출기(75) 및 편광판(111, 112 및 113)과 복굴절 파장판(116 및 117)을 포함하는 자가 간섭 광학계(110)으로 구성된다.

조명 장치(20)은 시편(45)에 위치하는 관찰하고자 하는 물체를 조명하기 위한 광원을 포함한다. 광원은 다양한 파장에서 빛을 방출하는 통상의 조명이나 특정한 파장에서 빛을 방출하는 레이저 등이 사용될 수 있다.

빔 확장부(25)는 조명 장치(20)의 점 광원에서 방출되는 원형파를 평면파로 변환시키는 역할을 하며, 볼록렌즈 또는 오목거울이 사용될 수 있다.

빔 확장부(25)에서 평면파로 변환된 조명 광선은 광선 분리기(30)로 진행한다. 광선 분리기(30)는 입사한 광선의 일부는 투과하고, 다른 일부는 반사시키는 역할을 하며, 큐브형 광선 분리기, 반도금 광선 분리기 또는 색 선별 광선 분리기 등이 사용될 수 있다. 광선 분리기(30)로 입사한 조명 광선의 일부는 투과하고 다른 일부는 반사하여, 입사한 조명 광선은 두 개의 광선으로 분리되고, 이 중 하나의 광선이 시편(45) 상의 관측 대상을 조명하기 위하여 진행한다. 또한, 빔 확장부는 후술할 시편(45)으로부터의 반사 또는 형광 광선을 검출 장치(75)로 진행하게 하기 위하여 사용된다.

광선 분리기(30)를 통과한 조명 광선은 집광 장치(40)로 진행한다. 집광 장치(40)는 집광 장치(40)로 입사한 평행파가 시편(45)에 초점이 맺히도록 하며, 블록렌즈 또는 오목거울이 사용될 수 있다. 또한, 집광 장치는 후술할 시편(45)으로부터의 반사 또는 형광 광선을 평면파로 변환시키기 위하여 사용된다.

조명 광선은 집광 장치(40)에 의하여 시편(45)에 초점이 맺히며, 시편(45) 상의 관측 대상을 조명한다. 관측 대상은 조명을 받으면 조명 광선을 반사하거나 또는 조명 광선보다 낮은 주파수의 광선을 방출(형광)한다.

시편(45)으로부터의 반사 또는 형광 광선은 집광 장치(40)에서 평면파로 변환되고, 광선 분리기(30)에서 두 개의 광선으로 분리된다. 이 중 하나의 광선은 다시 조명 장치(20)로 진행하고 다른 하나의 광선은 광선 검출기(75)를 향해 진행한다.

광선 검출기(75)를 향해 진행하는 반사/형광 광선은 망원경 광학계(50)를 통과할 수 있다. 망원경 광학계(50)는 두 개의 볼록렌즈 또는 오목거울로 구성된다. 망원경 광학계(50)는 진행하는 광선의 경로를 신장시키고 진행하는 광선의 단면을 확대 또는 축소하기 위하여 사용된다. 이러한 망원경 광학계(50)는 설계상의 목적에 따라 선택적으로 추가될 수 있다.

망원경 광학계(50)를 통과한 광선은 자가 간섭 광학계(110)로 진행한다. 자가 간섭 광학계(110)는 제 1, 제 2 및 제 3 편광판(111, 112 및 113)과 제 1 및 제 2 복굴절 파장판(116 및 117)으로 구성된다.

자가 간섭 광학계(110)의 상세는 도 7에 도시된다. 도 7에서 광선의 진행 방향은 z축으로 표현되고, 광선의 진행 방향에 수직인 면은 x-y 평면으로 표현된다. 제 1 실시예에서 복굴절 파장판(116 및 117)의 광축은 동일 평면 위에 있으며, 이 평면은 도 7에서 x-z 평면으로 표현된다. 그러나, 복굴절 파장판(116 및 117)은 서로 y축을 따라 회전한 정도가 다르거나 두께가 달라서 입사각의 변화에 따른 간섭 무늬의 주기가 다르도록 한다. 또는 복굴절 상수가 서로 다른 복굴절 파장판(116 및 117)을 사용하는 것도 가능하다. 편광판(111, 112 및 113)은 x-y 평면 상에 위치하며, 편광 방향은 x축으로부터 소정의 각도 기울어진다. 바람직하게는 복굴절 파장판(116 및 117)로 수평 편광 광선(도 7에서 ↔)과 수직 편광 광선(도 7에서 ⊙)이 1:1로 입사하도록 편광 방향은 x축으로부터 45° 기울어지는 것이 바람직하다. 제 1 및 제 3 편광판(111 및 113)은 x축으로부터 +45° 기울어지고, 제 2 편광판(112)은 x축으로부터 -45° 기울어진 경우를 예로 하여 제 1 실시예를 설명한다.

x-z 평면상에 있으면서 입사각이 ‘θ’(z축으로부터 기울어진 각도가 θ)인 광선에 대하여 살펴보도록 한다. 광선은 제 1 편광판(111)을 통과하여 편광 각이 x축으로부터 +45° 기울어진(수평 편광과 수직 편광이 1:1인) 편광 광선으로 진행한다. 이 광선은 제 1 복굴절 파장판(116)을 통과하며 수평 편광 광선과 수직 편광 광선이 서로 다른 경로를 진행하여 두 광선 사이에 위상차가 생기게 된다. 위상차는 입사각(θ)에 비례하며, 비례 상수를 복굴절 파장판 상수(c₁)이라 한다. 정상 광선인 수평 편광 광선(빔1)의 전기장을 ‘E₁’이라고 하고 이상 광선인 수직 편광 광선(빔2)의 전기장을 ‘E₂’라고 할 때 수학식 1이 성립한다.

상기 두 개의 광선(빔1 및 빔2)은 제 2 편광판(112)을 통과하여 x축으로부터 -45° 기울어져 수직 편광과 수평 편광이 동일한 상태가 된다. 두 개의 광선(빔1 및 빔2)은 복굴절 파장판 상수가 ‘c₂’인 제 2 복굴절 파장판(117)로 진행하고, 광선(빔1)은 두 개의 광선(빔1a 및 빔1b)으로, 광선(빔2)는 두 개의 광선(빔2a 및 빔2b)으로 각각 분리된다. 이 때, 각 광선의 전기장은 수학식 2를 만족한다.

이들 광선(빔1a, 빔1b, 빔2a 및 빔2b)은 제 3 편광판(113)을 통과하고, 최종적으로 얻어지는 총 전기장은 수학식 3과 같다.

수학식 3에서 E₀(θ)는 일반 공초점 현미경에서 전기장의 분포를 의미한다. 예를 들면, 채워진 원형의 광선이 진행하는 경우 E₀(θ)는 1차 베셀 함수(J₁(αθ), α는 상수)에 비례하는 형태를 가진다.

항은 제 1 복굴절 파장판(116)에 의한 간섭의 효과를 나타낸다. 즉,

항은 복굴절 파장판을 한 개 이용한 종래 기술에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 전기장 분포를 나타낸다.

항은 제 2 복굴절 파장판(117)에 의한 간섭의 효과를 나타낸 다. 결국, 수학식 4의 전기장은 일반 공초점 현미경의 전기장에 제 1 복굴절 파장판(116) 및 제 2 복굴절 파장판(117)에 의한 간섭이 곱해진 값이다.

수학식 4에서는 x-z 평면에서 입사각에 대한 효과만 기술되어 있다. 자가 간섭 광학계(110)의 y-z 평면에서 입사각(θ')에 대하여는 자가 간섭 광학계(110)의 복굴절 파장판(116 및 117)은 영향을 미치지 않는다. 그러므로, 입사 광선의 x축 방향으로 입사각이 θ이고 y축 방향으로 입사각이 θ'일 때, 자가 간섭 광학계(110)를 통과한 광선의 전기장은 수학식 4와 같다.

수학식 4의 전기장(E_tot)으로부터 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수는 수학식 5와 같다.

이렇게 생긴 두 개의 자가 간섭 효과는 점 확산 함수에서 발생하는 사이드 로브를 제거하는데 사용될 수 있다. 도 8은 이와 같은 사이드 로브가 제거 효과를 도시하는 그래프이다. 도 8에서 가로축은 입사각(θ)을 시편(60) 상의 길이로 변환한 것이며, 세로축은 광도를 나타낸다. 도 8a는 하나의 간섭만을 가지는 기존의 공초점 자가 간섭 현미경에서 간섭 주기가 100 nm인 경우(도 5a 참조)이다. 도 8a에 서, 주빔(중심은 0 nm)의 선폭(분해능)은 수십 nm의 크기를 가지지만, 주빔의 양 옆(±100 nm)에 사이드 로브가 크게 발달된 것을 볼 수 있다. 이러한 큰 사이드 로브에 의해 실제로 사용되는 기존의 공초점 자가 간섭 현미경은 분해능을 100 nm 이하로 제한할 수 없다. 도 8b는 본 발명의 공초점 자가 간섭 현미경에서 간섭 주기가 각각 100 nm 및 200 nm인 경우이다. 200 nm 주기의 제 2 간섭에 의하여, 주빔의 중심부(0 nm)에서는 보강 간섭이 일어나 광도가 줄어들지 아니하며, 사이드 로브의 중심부(±100 nm)에서는 상쇄 간섭이 일어나 광도가 줄어드는 것을 볼 수 있다. 도 8b에서 알 수 있듯이, 제 1 복굴절 파장판에서 생긴 사이드 로브를 제거하기 위하여는, 제 2 복굴절 파장판의 복굴절 상수가 제 1 복굴절 파장판의 복굴절 상수의 1/2배가 되어 제 2 복굴절 파장판의 간섭 주기는 제 1 복굴절 파장판의 간섭 주기의 2배인 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 공초점 자가 간섭 현미경은 사이드 로브에 의한 영상의 왜곡을 줄이면서 수십 nm의 분해능으로 관측하는 것이 가능하다.

자가 간섭 광학계(110)를 통과한 광선은 조리개(60)를 통과한다. 자가 간섭 광학계(110)를 통과하면서, 특히 입사각(θ)이 큰 경우에, 광선은 x축 방향으로 분리되어 이러한 경로의 차이에 의하여 간섭 무늬를 생성할 수 있다. 이러한 경우에, 조리개(60)는 외각의 입사각이 큰 광선의 통과를 제한하는 역할을 한다. 조리개(60)의 개구면이 좁을수록 간섭 무늬가 줄어들어 향상된 영상을 관측할 수 있지만 광선 검출기(75)로 진행하는 광량이 줄어드는 단점이 있으므로 조리개(60)의 개구면을 적절하게 조절한다.

조리개(60)를 통과한 광선은 결상 렌즈(65)로 진행하며, 볼록렌즈 또는 오목거울로 구성된 결상 렌즈(65)는 입사한 평행파를 바늘 구멍 개구(70)에 초점을 맞춘다. 바늘 구멍 개구(70)는 좁은 개구면에 초점이 맞추어진 광선만을 통과시킨다. 시편(45) 상의 물체의 z축 방향의 깊이에 따라 초점의 위치가 변하므로, 바늘 구멍 개구(70)를 통과한 광선은 시편(45) 상의 물체의 같은 깊이를 가진 곳에서 반사/형광된 광선이고, 바늘 구멍 개구(70)를 z축을 따라 이동시키면 시편 상의 물체의 3차원 영상을 얻을 수 있다.

최종적으로 광선 검출기(75)는 상기 시편(45) 상의 물체의 반사/형광 영상을 검출한다. 광선 검출기(75)는 광전 검출기, CCD 등이 사용될 수 있다.

[제 2 실시예]

도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(200)의 구성을 도시한다.

도 9에서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(200)은 조명 장치(20), 빔 확장부(25), 광선 분리기(30), 집광장치(40), 시편(45), 망원경 광학계(50), 조리개(60), 결상 렌즈(65), 바늘 구멍 개구(70), 광선 검출기(75) 및 편광판(211, 212, 213, 214 및 215)과 복굴절 파장판(216, 217, 218 및 219)을 포함하는 자가 간섭 광학계(210)으로 구성된다. 본 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(200)은 도 6에서 도시되는 제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(100)과 자가 간섭 광학계(210)를 제외하고는 동일하다. 제 1 실시예와 중복되는 구성에 대한 설명은 생략하고, 이하에서 자가 간섭 광학계(210)에 대하여 상세하게 설명한다.

자가 간섭 광학계(210)의 제 1 및 제 2 복굴절 파장판(216 및 217)과 제 1, 제 2 및 제 3 편광판(211, 212 및 213)은 제 1 실시예에서 기술한 자가 간섭 광학계(110)의 제 1 및 제 2 복굴절 파장판(116 및 117)과 제 1, 제 2 및 제 3 편광판(111, 112 및 113)과 동일하다. 즉, 바람직하게는, 제 1 및 제 2 복굴절 파장판(116 및 117)의 광축은 x축 방향이며, 제 1 및 제 3 편광판(111 및 113)의 편광 방향은 x축으로부터 +45° 기울어져 있고, 제 2 편광판(112)의 편광 방향은 x축으로부터 -45° 기울어져 있다. 그러므로, 자가 간섭 광학계에 z축으로부터 x축 방향으로 입사각(θ), y축 방향으로 입사각(θ')으로 입사하는 광선은 제 3 편광판(113)에서 y축 방향으로는 영향을 받지 않고 x축 방향으로는 4 개의 광선(도 7 참조)으로 분리되어 나가며, 각 광선의 전기장은 수학식 2에서 표현된 바와 같다.

자기 간섭 광학계(210)의 제 3 및 제 4 복굴절 파장판(218 및 219)의 광축은 제 1 및 제 2 복굴절 파장판(216 및 217)의 광축으로부터 수직 방향, 즉 y축 방향이다. 제 4 편광판(214)의 편광 방향은 제 2 편광판(212)의 편광 방향과 동일하게 x축으로부터 -45° 기울어져 있고, 제 5 편광판(215)의 편광 방향은 제 1 및 제 3 편광판(211 및 213)의 편광 방향과 동일하게 x축으로부터 +45° 기울어져 있다.

제 3 편광판(213)을 통과한 각 광선은 x축 및 y축 방향으로의 입사각(θ, θ')을 가지고 제 3 복굴절 파장판(218)으로 진행한다. 제 3 복굴절 파장판(218)의 광축은 y축 방향이기 때문에, 제 3 복굴절 파장판(218)으로 진행한 각 광선은 y축 방향으로 2 개의 경로로 분리되고 x축 방향으로는 영향을 받지 않는다. 상기 분리 된 2 개의 광선은 제 4 편광판(214)을 통과하여 같은 편광 방향을 가진 후 제 4 복굴절 파장판(219)으로 진행한다. 제 4 복굴절 파장판(219)의 광축 또한 y축 방향이기 때문에, 제 4 복굴절 파장판(219)으로 진행한 각각의 광선은 y축 방향으로 2 개의 경로로 분리되고 x축 방향으로는 영향을 받지 않는다. 상기 분리된 광선들은 제 5 편광판(215)을 통과하여 모두 같은 편광 방향을 가지게 된다. 전술한 바와 같이 제 3 편광판(213)을 통과한 각 광선은 y축 방향으로 4 개의 광선으로 분리되고, 결국 자가 간섭 광학계(210)에 입사각(θ, θ')으로 진입한 광선은 x축 방향으로 4 개, y축 방향으로 4 개, 모두 16 개의 광선으로 분리된다.

제 3 복굴절 파장판(118)의 복굴절 상수를 ‘c₃’, 제 4 복굴절 파장판(119)의 복굴절 상수를 ‘c₄’라고 할 때, 자가 간섭 광학계(210)를 통과한 광선의 총 전기장은 수학식 6과 같이 표현된다.

수학식 6으로부터, 제 1 실시예의 자가 간섭 광학계(110)에 의하면 x축 방향으로만 자가 간섭을 하여 x축으로만 사이드 로브가 제거되고 분해능이 향상된 것에 비하여, 제 2 실시예의 자가 간섭계(210)에 의하면 x축 방향 및 y축 방향 모두에 대하여 자가 간섭을 하여 x축 및 y축 모두에 대하여 사이드 로브가 제거되고 분해 능이 향상되는 것을 알 수 있다. x축 및 y축에 대하여 동일한 분해능을 가지는 것이 바람직하므로, 제 1 복굴절 편광판(216)의 복굴절 상수(c₁)와 제 3 복굴절 편광판(218)의 복굴절 상수(c₃)는 동일하고, 제 2 복굴절 편광판(217)의 복굴절 상수(c₂)와 제 4 복굴절 편광판(219)의 복굴절 상수(c₄)는 동일한 것이 바람직하다. 또한 제 1 실시예에서 전술하였듯이, 제 2 및 제 4 복굴절 파장판(217 및 219)의 복굴절 상수(c₂ 및 c₄)는 제 1 및 제 3 복굴절 파장판(216 및 218)의 복굴절 상수(c₁ 및 c₃)의 1/2배가 되어, 제 2 및 제 4 복굴절 파장판(217 및 219)에 의한 간섭 주기는 제 1 및 제 3 복굴절 파장판(216 및 218)에 의한 간섭 주기의 2배가 되는 것이 바람직하다.

이러한 자가 간섭 효과는 점 확산 함수에서 발생하는 사이드 로브를 제거하는데 사용될 수 있다. 도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수의 분포를 도시한다. 도 10a는 기존의 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수의 분포를 도시한다(도 5b 참조). 도 10a에서 복굴절 간섭 주기는 x축 방향과 y축 방향에서 모두 100 nm이고, 주빔(x = 0, y = 0)으로부터 x축 방향, y축 방향 및 대각선 방향에 사이드 로브가 발달된 것을 볼 수 있다. 도 10b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수의 분포를 도시한다. 도 10b에서 복굴절 간섭 주기는 x축 방향과 y축 방향 모두에서 100 nm 및 200 nm이다. 도 10b의 점 확산 함수를 도 10a의 점 확산 함수와 비교하여 보면, 사이드 로브가 현저하게 감소한 것을 볼 수 있다.

제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경은 x축 방향으로만 분해능 향상 및 사이드 로브 제거 효과가 있고 y축 방향으로는 일반 공초점 현미경의 분해능과 같은 1축 공초점 자가 간섭 현미경이다. 이에 비하여, 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경은 x축 및 y축의 2축 방향 모두에 대하여 분해능 향상 및 사이드 로브 제거 효과가 있다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경에 의하여 관측되는 영상이 향상되는 것을 도시한다.

도 11a는 주기가 200 nm, 선폭이 100 nm인 물체의 형상을 도시한다. 현재 사용되고 있는 공초점 자가 간섭 현미경은 사이드 로브의 영향으로 100 nm 이하의 분해능을 가지고 있지 못하며, 따라서 도 11a에 도시되는 물체의 형상이 구별되지 않을 것이다. 도 11b는 사이드 로브의 영향에도 불구하고 100 nm 이하의 분해능을 가지게 한 종래 기술 방식의 공초점 자가 간섭 현미경으로 도 11a의 물체를 관측한 결과이다. 이 때 영상은 도 11a의 물체의 형상에 종래 기술 방식의 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수가 컨벌류션된 영상으로 획득될 것이다. 상기 공초점 자가 간섭 현미경은 도 11a의 구조를 구별할 수 있는 분해능을 가졌지만, 종래 기술 방식의 공초점 자가 간섭 현미경이 가진 점 확산 함수의 사이드 로브의 문제점에 의하여 도 11a의 물체의 형상이 구별되지 않는다. 도 11c는 100 nm 이하의 분해능을 가진 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경으로 도 11a의 물체를 관측한 결과이다. 이 때 영상은 도 11a의 물체의 형상에 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수가 컨벌류션된 영상으로 획득될 것이다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수는 사이드 로브가 크게 제거되었으므로, 도 11c로부터 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경은 물체의 본래 형상을 왜곡 없이 자세히 관측할 수 있음을 볼 수 있다.

도 12a는 반도체 회로 표면의 본래 형상을 도시한다. 도 12a에서 반도체 회로 표면의 도선의 선폭은 약 수십 nm이다. 도 12b는 종래 기술 방식의 공초점 자가 간섭 현미경으로 반도체 회로 표면을 관측한 결과이고, 도 12c는 본 발명에 따른 공초점 자가 간섭 현미경으로 반도체 회로 표면을 관측한 결과이다. 종래 기술 방식의 공초점 자가 간섭 현미경으로는 사이드 로브에 의한 왜곡 때문에 반도체 회로 표면의 뚜렷한 영상을 얻을 수 없지만, 본 발명에 따른 공초점 자가 간섭 현미경으로는 영상의 왜곡 없이 본래 형상에 가까운 영상을 얻을 수 있음을 도 12로부터 알 수 있다.

[제 3 실시예]

도 13은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(300)의 구성을 도시한다.

도 13에서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(300)은 조명 장치(20), 빔 확장부(25), 광선 분리기(30), 집광장치(40), 시편(45), 망원경 광학계(50), 중계 광학계(55), 조리개(60), 결상 렌즈(65), 바늘 구멍 개구(70), 광선 검출기(75) 및 편광판(111, 112 및 113)과 복굴절 파장판(116 및 117)을 포함 하는 자가 간섭 광학계(110)으로 구성된다. 본 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(300)은 제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(100)에서 자가 간섭 광학계(110)과 조리개(60) 사이에 중계 광학계(55)가 더 포함된 구조이다. 제 1 실시예와 중복되는 구성에 대한 설명은 생략하고, 이하에서 중계 광학계(55)에 대하여 설명한다.

중계 광학계(55)는 두 개의 볼록거울 또는 오목렌즈로 구성된다. 자가 간섭 광학계(110)를 통과한 광선(평면파)은 전단의 볼록거울 또는 오목렌즈에 의하여 광선이 집중되고, 초점 이후에 설치된 후단의 볼록거울 또는 오목렌즈에 의하여 다시 평면파로 변환되어 조리개(60)로 진행한다.

제 1 실시예에서 자가 간섭 광학계(110)을 통과한 광선 중 x축을 따라 출사 위치가 많이 다른 광선을 제한하기 위하여 조리개(60)를 사용하였다. 그러나 입사각의 변화에 따라 출사 위치가 많이 변하게 되어 조리개(60)를 사용하는 경우 광량의 손실이 많아지게 된다. 또한 각도에 따라 조리개(60)를 통과하는 광선의 영역이 달라져 분해능의 분석이 어려우며, 따라서 공초점 자가 간섭 현미경의 설계에 어려움이 있을 수 있다.

전술한 단점을 극복하기 위하여, 제 3 실시예에서는 중계 광학계(55)를 제공한다. 두 개의 볼록렌즈 또는 오목거울을 사용하여 자가 간섭 광학계(110)를 통과한 광선이 조리개(60)의 중심을 통과하도록 한다. 중계 광학계(50)에 의하여, 조리개(60)에 의한 광량 손실이 감소하고, 입사각에 상관 없이 같은 영역을 조리개(60)로 통과시키게 하여 분해능의 분석이 쉽게 된다.

본 실시예에서 제 1 실시예의 구성에 중계 광학계(55)를 추가한 구성을 설명하였지만, 제 2 실시예의 구성에 중계 광학계(55)를 추가하는 구성 또한 당연하게 도출될 것이다.

[제 4 실시예]

도 14는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(400)의 구성을 도시한다.

도 14에서, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(300)은 조명 장치(20), 빔 확장부(25), 광선 분리기(30), 빔 편향 장치(35), 집광장치(40), 시편(45), 망원경 광학계(50), 조리개(60), 결상 렌즈(65), 바늘 구멍 개구(70), 광선 검출기(75) 및 편광판(111, 112 및 113)과 복굴절 파장판(116 및 117)을 포함하는 자가 간섭 광학계(110)으로 구성된다. 본 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(400)은 제 1 실시예에 따른 공초점 자가 간섭 현미경(100)에서 광선 분리기(30)와 집광 장치(40) 사이에 빔 편향 장치(35)가 더 포함된 구조이다. 제 1 실시예와 중복되는 구성에 대한 설명은 생략하고, 이하에서 빔 편향 장치(35)에 대하여 설명한다.

빔 편향 장치(35)는 적어도 하나의 갈바노 미터(galvanometer) 거울을 포함한다. 갈바노 미터의 축상에 거울을 장치하여, 갈바노 미터로의 입력 전류 또는 전압을 조절하여 거울의 경사를 조절하고, 이에 따라 광선의 경로를 변화시킨다. 갈바노 미터 거울을 이용하는 경우, 변화된 조명 광선의 경로에 의하여 조명 광선이 시편(45) 상의 물체에 초점이 맺히는 위치를 물체의 이동이 없이 조정할 수 있다. 갈바노 미터 거울은 물체의 x축 또는 y축 방향으로만 초점이 맺히는 위치를 조정하도록 하나가 장치되거나, 물체의 전체 표면에서 초점이 맺히는 위치를 조정하도록 두 개가 장치될 수 있다.

본 실시예에서 제 1 실시예의 구성에 빔 편향 장치(35)를 추가한 구성을 설명하였지만, 제 2 실시예 및 제 3 실시예의 구성에 빔 편향 장치(35)를 추가하는 구성 또한 당연하게 도출될 것이다.

본 발명은 기존의 공초점 자가 간섭 현미경의 점 확산 함수의 사이드 로브를 효과적으로 제거하여 사이드 로브에 의한 영상의 왜곡 없이 수십 nm의 분해능을 가지는 공초점 자가 간섭 현미경을 제공한다. 그러므로, 기존의 공초점 자가 간섭 현미경의 100 nm 이상의 분해능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

그러므로, 본 발명에 의한 공초점 자가 간섭 현미경은, 수십 nm의 구조를 가지는 물체를 관측할 수 있고 비접촉으로 상온 대기 중에서 측정이 가능하며 실시간 측정이 가능하기 때문에, 100 nm 이하에서 기존에 사용되던 전자 현미경 및 원자간력 현미경을 대체할 수 있을 것이다. 그리하여, 100 nm 이하의 구조를 가지는 물체에 대하여 보다 간이하게 신속한 관측이 가능하며, 관측 대상에 대한 전수 검사가 가능할 것이다.

본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 당업자에게 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims

광원을 포함하는 조명 장치;

관측 대상을 고정하기 위한 시편;

상기 관측 대상의 영상을 측정하기 위한 영상 검출 장치;

상기 조명 장치로부터의 조명 광선을 상기 시편으로 유도하고, 상기 시편으로부터의 반사 또는 형광 광선을 상기 영상 검출 장치로 유도하는 광선 분리기;

상기 조명 장치와 상기 광선 분리기 사이에 위치하고, 볼록렌즈 또는 오목거울을 포함하며, 상기 조명 장치로부터의 상기 조명 광선을 평면파로 변환시키기 위한 빔 확장 장치;

상기 시편과 상기 광선 분리기 사이에 위치하고, 볼록렌즈 또는 오목거울을 포함하며, 상기 광선 분리기를 통과한 상기 조명 장치로부터의 상기 조명 광선을 집광하여 상기 시편에 조사하고, 상기 시편으로부터의 상기 반사 또는 형광 광선을 평면파로 변환시키기 위한 집광 장치;

상기 광선 분리기와 상기 영상 검출 장치 사이에 위치하고, 상기 집광 장치 및 상기 광선 분리기를 통과한 상기 시편으로부터의 상기 반사 또는 형광 광선을 편광시키기 위한 제 1 편광판; 상기 제 1 편광판을 통과한 광선을 편광 방향에 따라 두 개의 광선으로 분리하기 위한 제 1 복굴절 파장판; 상기 제 1 복굴절 파장판에서 분리된 두 개의 광선을 편광시키기 위한 제 2 편광판; 상기 제 2 편광판을 통과한 두 개의 광선을 편광 방향에 따라 네 개의 광선으로 분리하기 위한 제 2 복굴절 파장판; 상기 제 2 복굴절 파장판에서 분리된 네 개의 광선을 편광시키기 위한 제 3 편광판;을 포함하는 자가 간섭 광학계;

상기 자가 간섭 광학계와 상기 영상 검출 장치 사이에 위치하고, 상기 자가 간섭 광학계를 통과한 광선의 통과 영역을 제한하기 위한 조리개;

상기 조리개와 상기 영상 검출 장치 사이에 위치하고, 볼록렌즈 또는 오목거울을 포함하며, 상기 조리개를 통과한 광선을 집광시키기 위한 결상 렌즈; 및

상기 결상 렌즈와 상기 영상 검출 장치 사이에서 상기 결상 렌즈의 초점면에 위치한 바늘 구멍 개구;를 포함하고,

상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축은 동일 평면에 존재하며, 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축은 전체 광학계의 광축으로부터 소정의 각도 기울어지고; 그리고

상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 서로 다른 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 3 편광판의 편광 방향은 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축으로부터 45° 기울어지고, 상기 제 2 편광판의 편광 방향은 상기 제 1 및 제 3 편광판의 편광 방향으로부터 수직인 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 상기 제 2 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기의 1/2 배 또는 2 배인 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경.
제 1 항에 있어서,

상기 자가 간섭 광학계는, 상기 제 3 편광판을 통과한 네 개의 광선을 편광 방향에 따라 여덟 개의 광선으로 분리하기 위한 제 3 복굴절 파장판; 상기 제 3 복굴절 파장판에서 분리된 여덟 개의 광선을 편광시키기 위한 제 4 편광판; 상기 제 4 편광판을 통과한 여덟 개의 광선을 편광 방향에 따라 16 개의 광선으로 분리하기 위한 제 4 복굴절 파장판; 및 상기 제 4 복굴절 파장판에서 분리된 16 개의 광선을 편광시키기 위한 제 5 편광판;을 더 포함하고,

상기 제 3 및 제 4 복굴절 파장판의 광축은 동일 평면에 존재하고, 상기 제 3 및 제 4 복굴절 파장판의 광축이 존재하는 평면은 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축이 존재하는 평면과 수직이며, 상기 제 3 및 제 4 복굴절 파장판의 광축은 전체 광학계의 광축으로부터 소정의 각도 기울어지고; 그리고

상기 제 3 및 제 4 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 서로 다른 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경.
제 4 항에 있어서, 상기 제 1, 제 3 및 제 5 편광판의 편광 방향은 상기 제 1 및 제 2 복굴절 파장판의 광축으로부터 45° 기울어지고, 상기 제 2 및 제 4 편광판의 편광 방향은 상기 제 1, 제 3 및 제 5 편광판의 편광 방향으로부터 수직인 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경.
제 4 항에 있어서, 상기 제 1 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기 및 상기 제 3 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 동일하고, 상기 제 2 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기 및 상기 제 4 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 동일한 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경.
제 6 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 3 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기는 상기 제 2 및 제 4 복굴절 파장판의 자가 간섭 주기의 1/2 배 또는 2 배인 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광선 분리기와 상기 자가 간섭 광학계 사이에 위치하고, 두 개의 볼록렌즈 또는 오목거울을 포함하며, 상기 반사 또는 형광 광선을 유도하기 위한 망원경 광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광선 분리기와 상기 집광 장치 사이에 위치하고, 갈바노 미터를 포함하며, 상기 조명 광선의 진행 각도를 변경하기 위한 광선 편향 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간 섭 현미경.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자가 간섭 광학계와 상기 조리개 사이에 위치하고, 두 개의 볼록렌즈 또는 오목거울을 포함하며, 상기 자가 간섭 광학계를 통과한 광선을 상기 조리개에 재결상시키기 위한 중계 광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공초점 자가 간섭 현미경.