KR100964251B1

KR100964251B1 - 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경

Info

Publication number: KR100964251B1
Application number: KR1020080077771A
Authority: KR
Inventors: 전병선; 이승우; 김태중; 송인천
Original assignee: 나노스코프시스템즈 (주)
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-06-16
Also published as: KR20100018984A

Abstract

본 발명의 목적은 깊이 방향으로의 기계적인 이송장치가 없이 측정 대상물의 3차원 형상을 정확하게 얻을 수 있도록 하는, 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경을 제공함에 있다. 본 발명에 의한 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경(100)은, 점광원 형태로 형성되며, 백색광(white light) 또는 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛(polychromatic light)을 방출하는 광원부(1); 상기 광원부(1)의 전방에 구비되며, 상기 광원부(1)로부터 나온 빛을 평행광으로 유도하는 시준 렌즈(3); 상기 시준 렌즈(3)를 통과한 평행광을 분리하는 빔 스플리터(beam splitter, 5A); 다수 개의 거울 및 상기 거울들을 회동시키는 구동부를 포함하여 이루어지며, 상기 빔 스플리터(5A)를 통과한 빛의 진행 방향을 조정함으로써 시편(200)에 빛이 입사되는 부분을 시편(200)이 놓여진 면에 평행한 방향(XY 면)으로 이동시키는 스캐닝 시스템(9); 상기 스캐닝 시스템(9)을 통과하여 나온 빛을 파장에 따라 분리하여 시편(200)으로 입사시키는 대물 렌즈계(12); 상기 시편(200)으로 입사되어 상기 시편(200) 표면에서 반사되어 나온 빛을 받아들이는 수광 렌즈(6); 상기 수광 렌즈(6)의 후방에 구비되며, 구멍이 형성되어 수광 렌즈(6)에 의해 집광된 광선을 상기 구멍으로만 통과시키고 구멍 이외의 부분에서는 광선의 진행을 차단하는 검출부측 핀홀(7); 스펙트로미터(spectrometer)로 구현되어, 상기 검출부측 핀홀(7)을 통과한 광선의 세기 및 파장을 측정하여 가장 빛의 세기가 강한 파장 성분을 검출하는 검출부(8); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

공초점 현미경, 크로마틱 공초점 현미경, 빔 스캐닝

Description

빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경 {Beam Scanning Chromatic Confocal Microscopy}

본 발명은 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는 깊이 방향으로의 기계적인 이송장치가 없이 측정 대상물의 3차원 형상을 정확하게 얻을 수 있도록 하는, 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 공초점 현미경의 구성 및 측정 원리를 도시한 것이다. 도 1(B)에 도시된 바와 같이 일반적인 공초점 현미경(100')은 실질적으로 점광원으로 간주할 수 있는 광원부(1'), 시준 렌즈(3'), 빔 스플리터(beam splitter, 4'), 수광 렌즈(6'), 검출부측 핀홀(7'), 검출부(8'), 횡방향 스캐닝 시스템(9'), Z스테이지(11'), 대물 렌즈(12')를 포함하여 이루어져 시편(200) 표면의 3차원 형상을 측정하도록 되어 있으며, 여기에 광원부측 핀홀(2'), 편광판(5'), 사분파장판(10') 등과 같은 부품들이 더 추가 구비될 수 있다. 광원부(1')가 점광원일 경우 광원부 측 핀홀(2')은 필요하지 않다. 빔스플리터 대신 편광 빔스플리터를 사용할 경우 편광판(5'), 사분파장판(10') 등과 같은 부품들이 더 추가 구비될 수 있다. 이하 도 1(A)를 통하여 일반적인 공초점 현미경(100')의 측정 원리를 설명한 후 도 1(B)를 통해 공초점 현미경(100')의 구성에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 1(A)는 공초점 현미경의 측정 원리를 도시한 것이다. 상기 광원부(1')는 단일 파장의 점광원으로 간주한다. 공초점 현미경의 기본 구조는 광원부(1')에서 조명된 빛이 관측하고자 하는 시편(200) 상에 입사되며, 상기 시편(200)으로부터 반사되어 되돌아오는 빛이 검출부(8')로 입사되어 검출되는 것이다. 이 때, 상기 시편(200)에 입사되는 빛은 대물 렌즈(12')에 의하여 특정한 점으로 초점이 맺어지는데, 상기 초점의 위치는 렌즈의 특성 및 광원의 파장에 의해서 결정된다. 상기 시편(200)의 표면이 초점면 상에 위치할 경우 초점면에서 반사되어 되돌아오는 빛의 이동 경로(즉, 검출부(8')의 결상위치)가 결정된다. 이 경우의 초점들, 즉 상기 광원부(1')와 상기 시편(200) 상의 초점, 상기 검출부(8') 상의 초점은 서로 공액관계(conjugate)에 있다고 말하며, 이것은 광학계의 특성으로 결정되어지는 값들이다.

공초점 현미경은 이러한 구조에서, 상기 검출부(8')의 초점 위치에 도시된 바와 같이 검출부측 핀홀(pinhole, 7')을 위치시킴으로서 이루어진다. 이렇게 구성을 하게 되면, 상기 시편(200)이 상기 대물 렌즈(12')의 초점에 있을 경우 상기 시편(200)에서 되돌아오는 빛은 (이상적으로는) 모두 상기 검출부측 핀홀(7')을 통과하여 상기 검출부(8')에 검출이 되지만, 만일 상기 시편(200)이 초점면에서 멀어지 거나 어긋나게 되면, 상기 시편(200)으로부터 되돌아오는 빛은 초점면이 아닌 곳에서부터 되돌아오기 때문에 상기 검출부(8')의 공액 초점에 맺히지 않게 된다. (즉, 핀홀(7') 위치의 평면상에 맺히는 빔 스폿(beam spot)의 크기가 커지게 된다.) 이때 되돌아 온 빛은, 상기 검출부측 핀홀(7')의 구멍 크기에 해당하는 부분만 통과하여 상기 검출부(8')에 검출되기 때문에, 이렇게 '넓어진 빔 스폿'이 형성되는 경우 상기 검출부(8')에 검출되는 신호는 매우 약해진다.

따라서 이상적으로는 상기 시편(200)이 초점면에 있을 때에만 신호가 검출된다고 할 수 있으며, 이 특성을 이용하여 상기 시편(200) 표면 형상의 높이를 측정할 수 있다. 예를 들어 상기 공초점 현미경(100')을 시편(200)의 표면 위에 장착하고 위아래로 움직일 경우, 특정 위치에서만 상기 검출부(8')에서 검출되는 신호가 강해지므로, 이 때 상대적인 위치를 통해 시편(200)이 얼마만큼의 거리에 위치해 있는지 알 수 있는 것이다.

상기 도 1(A)에 도시된 측정 원리는 어떤 한 점에 대한 높이(즉 형상)를 측정하는 것으로, 실제적으로는 한 점에 대한 형상 정보보다는 일정 영역, 즉 면적에 대한 형상 정보를 구하는 것이 필요하다. 이를 위해, 시편을 XY 방향으로 일정 간격으로 이동시키면서 신호를 얻은 뒤 이를 조합하여 영상을 얻거나, 또는 빛의 입사 방향을 이동시켜서 시편에 조사되는 초점의 위치를 XY 방향으로 바꿔주면서 신호를 취득한 후 이를 조합하여 면적에 대한 높이 정보(즉, 3차원 형상)를 얻는다. 전자의 방식을 스테이지 스캐닝 방식(stage scanning), 후자의 방식을 빔 스캐닝(beam scanning) 방식이라고 하며, 일반적으로 빔 스캐닝 방식이 측정 속도가 빠 르고, 장치의 움직임이 적은 방식이므로 주로 이용된다.

상기 도 1(B)는 이와 같이 가장 일반적인 빔 스캐닝 방식의 공초점 현미경의 구성을 도시하고 있다. 상술한 바와 같이 장치 전체를 Z축 방향으로 움직여도 되지만, 측정의 효율성 등을 고려하였을 때 장치 전체를 움직이는 것은 불리한 영향을 야기할 수 있으므로, 일반적인 공초점 현미경(100')에는 상기 대물 렌즈(12')에 Z축 방향으로 이동시키는 Z스테이지(11')가 구비되는 것이 일반적이다. 상기 Z스테이지(11')를 구동하여 상기 대물 렌즈(12')의 높이를 조절하고, 이에 따라 상기 검출부(8')에서 검출되는 신호가 최대가 되는 위치를 찾아 상기 시편(200) 표면의 미세 형상을 측정할 수 있다. 또한, 상기 빔 스캐닝 시스템(9')은 모터로 움직이는 2축의 거울로 구성되는 갈바노미터(galvanometer) 또는 이와 유사한 효과를 내는 장치를 사용하는 것이 통상적인데, 이를 적절히 구동시켜 빛의 방향을 조절하고 최종적으로는 시편의 XY 평면상에 조사되는 빛의 위치를 조절하여 일정 면적으로부터의 형상 데이터를 얻게 된다. 빔 스캐닝 방식에 사용되는 장치는 갈바노미터 이외에도 폴리곤미러(polygonal mirror), AOD(acoustic optical deflector), DMD(digital micromirror device) 등이 있다.

이와 같이 횡방향 스캐닝(lateral scanning, 빔 스캐닝, 스테이지 스캐닝 등과 같은 XY 방향 스캐닝을 통칭함)을 통해 XY 방향의 위치를 변화시켜 가면서, 축방향 스캐닝(axial scanning, 대물 렌즈를 이동시키거나, 시편을 이동시키거나, 장치 전체를 이동시키는 등의 Z 방향 스캐닝을 통칭함)을 통해 Z 방향의 측정을 수행함으로써, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 시편(200) 표면의 3차원 형상을 얻을 수 있게 된다.

그런데, 이와 같은 종래의 공초점 현미경의 경우 상술한 바와 같이 Z 방향으로의 스캐닝이 반드시 이루어져야 하기 때문에, 측정 시간이 길어지고 측정 결과의 정확도가 저하되는 등의 문제점이 있었다. 보다 상세히 설명하자면, Z 방향 스캐닝을 위하여 대물 렌즈, 시편 또는 장치 자체를 Z 방향으로 이동하는 과정에서 미세한 진동이 발생하여 시편이 초기 측정 위치를 벗어날 가능성이 있으며, Z 방향 이동이 있을 때마다 이러한 오차 발생 확률이 누적됨으로써 전체적인 오차 확률이 커지게 되는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 측정 장치의 움직임을 최소화하면서도 미세 측정 대상물의 3차원 형상을 정확하게 얻을 수 있도록 하는, 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경은, 점광원 형태로 형성되며, 백색광(white light) 또는 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛(polychromatic light)을 방출하는 광원부(1); 상기 광원부(1)의 전방에 구비되며, 상기 광원부(1)로부터 나온 빛을 평행광으로 유도하는 시준 렌즈(3); 상기 시준 렌즈(3)를 통과한 평행광을 분리하는 빔 스플리터(beam splitter, 5A); 다수 개의 거울 및 상기 거울들을 회동시키는 구동부를 포함하여 이루어지며, 상기 빔 스플리터(5A)를 통과한 빛의 진행 방향을 조정함으로써 시편(200)에 빛이 입사되는 부분을 시편(200)이 놓여진 면에 평행한 방향(XY 면)으로 이동시키는 스캐닝 시스템(9); 상기 스캐닝 시스템(9)을 통과하여 나온 빛을 파장에 따라 분리하여 시편(200)으로 입사시키는 대물 렌즈계(12); 상기 시편(200)으로 입사되어 상기 시편(200) 표면에서 반사되어 나온 빛을 받아들이는 수광 렌즈(6); 상기 수광 렌즈(6)의 후방에 구비되며, 구멍이 형성되어 상기 구멍 으로만 수광 렌즈(6)에 의해 집광된 광선을 통과시키고 구멍 이외의 부분에서는 광선의 진행을 차단하는 검출부측 핀홀(7); 스펙트로미터(spectrometer)로 구현되어, 상기 검출부측 핀홀(7)을 통과한 광선의 세기 및 파장을 측정하여 가장 빛의 세기가 강한 파장을 검출하는 검출부(8); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또는, 본 발명에 의한 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경은, 점광원 형태로 형성되며, 백색광(white light) 또는 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛(polychromatic light)을 방출하는 광원부(1); 상기 광원부(1)의 전방에 구비되며, 상기 광원부(1)로부터 나온 빛을 평행광으로 유도하는 시준 렌즈(3); 상기 시준 렌즈(3)를 통과한 평행광을 편광 상태에 따라 분리하는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter, 5B); 상기 시준 렌즈(3) 및 상기 편광 빔 스플리터(5B)의 사이에 구비되는 광원부측 편광판(13); 다수 개의 거울 및 상기 거울들을 회동시키는 구동부를 포함하여 이루어지며, 상기 편광 빔 스플리터(5B)를 통과한 빛의 진행 방향을 조정함으로써 시편(200)에 빛이 입사되는 부분을 시편(200)이 놓여진 면에 평행한 방향(XY 면)으로 이동시키는 스캐닝 시스템(9); 상기 스캐닝 시스템(9)을 통과하여 나온 빛을 파장에 따라 분리하여 시편(200)으로 입사시키는 대물 렌즈계(12); 상기 스캐닝 시스템 및 상기 대물 렌즈계(12)의 사이에 구비되는 사분파장판(14); 상기 시편(200)으로 입사되어 상기 시편(200) 표면에서 반사되어 나온 빛을 파장에 따라 분리하여 받아들이는 수광 렌즈(6); 상기 수광 렌즈(6)의 후방에 구비되며, 구멍이 형성되어 상기 구멍으로만 수광 렌즈(6)에 의해 집광된 광선을 통과시키고 구멍 이외의 부분에서는 광선의 진행을 차단하는 검출부측 핀 홀(7); 스펙트로미터(spectrometer)로 구현되어, 상기 검출부측 핀홀(7)을 통과한 광선의 세기 및 파장을 측정하여 가장 빛의 세기가 강한 파장을 검출하는 검출부(8); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 대물 렌즈계(12)는 색수차가 보정된 대물 렌즈(11) 및 상기 스캐닝 시스템(9) 및 상기 대물 렌즈(11) 사이에 순차적으로 구비되며, 상기 대물 렌즈(11)에 입사되는 광선의 입사각이 파장에 따라서 달라지게 하여 시편(200)에 맺히는 파장에 따른 초점의 거리 차이를 증가 또는 감소시킬 수 있도록 구비되는 적어도 하나 이상의 크로마틱 렌즈(10)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 검출부(8)는 CCD(charge-coupled device), APD(avalanche photo diode), PMT(photo multiplier tube) 를 포함하는 이미지 센서들이 다수 개 배열되어 형성되는 다수 개의 센서 어레이들 및 회절 격자를 포함하여 이루어지는 스펙트로미터로 형성되되, 단위 길이당 배치되는 상기 센서 어레이는 10 내지 100 범위 내의 개수로 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경(100)은 상기 시준 렌즈(3) 및 상기 빔 스플리터(5A) 사이 또는 상기 시준 렌즈(3) 및 상기 편광 빔 스플리터(5B) 사이에 구비되며, 상기 시준 렌즈(3)를 통과한 빛 중, 적외선 영역, 가시광선 영역, 자외선 영역 또는 상기 영역들 중 일부 영역 중 선택되는 어느 하나 이상으로 형성되는 영역 범위 내의 파장을 가지는 광선만 통과시키는 필터(band pass filter, 4); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스캐닝 시스템(9)은 갈바노미터(galvanometer), 폴리곤미 러(polygonal mirror), AOD(acoustic optical deflector), DMD(digital micromirror device) 중에서 선택되는 어느 한 가지인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 측정 장치의 깊이 방향으로의 기계적인 이송장치가 없이미세한 측정 대상물의 3차원 형상을 정확하게 얻을 수 있는 효과가 있다. 보다 상세히 설명하자면, 종래의 공초점 현미경의 경우 XY 방향으로 스캐닝하는 과정에서 Z 방향으로의 움직임이 반드시 필요하기 때문에 구동부에서 발생되는 진동 등의 영향에 의하여 시편이 정위치를 이탈할 가능성이 높아지며, 이에 따라 측정 결과가 부정확하게 나타날 가능성이 높으나, 본 발명의 경우 크로마틱 공초점 방식을 사용하기 때문에 Z 방향으로의 움직임이 필요하지 않고, 따라서 Z 방향 움직임을 구현하기 위한 구동부 역시 필요하지 않아 움직임 시 발생되는 진동을 훨씬 줄일 수 있는 것이다. 뿐만 아니라, 종래에는 XY 면에서의 어떤 한 점에 대하여 Z 방향으로 여러 번 이동시켜 가면서 Z 방향으로의 각 위치마다 측정을 수행해야만 하므로 이동시키는 시간 동안에 발생하는 미세한 환경 영향이 측정데이터에 반영될 수 있으나, 본 발명에 의하면 XY 면에서의 어떤 한 점에 대하여 한 번만 측정을 수행하면 되기 때문에 측정 시간을 훨씬 단축할 수 있는 효과 또한 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 빔 스캐닝 방식의 크 로마틱 공초점 현미경을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3은 빔스캐닝 기능이 없는 일반적인 크로마틱 공초점 현미경의 구성 및 측정 원리를 도시한 것이다. 도 3(B)에 도시된 바와 같이 일반적인 크로마틱 공초점 현미경(100")은 광원부(1"), 광원부측 핀홀(2"), 시준 렌즈(3"), 빔 스플리터(beam splitter, 4"), 수광 렌즈(5"), 검출부측 핀홀(6"), 검출부(7"), 제1크로마틱 렌즈(8"), 제2크로마틱 렌즈(9"), 대물 렌즈(10")를 포함하여 이루어져 시편(200) 표면의 3차원 형상을 측정하도록 되어 있다. 이하 도 3(A)를 통하여 일반적인 크로마틱 공초점 현미경(100")의 측정 원리를 설명한 후 도 3(B)를 통해 크로마틱 공초점 현미경(100")의 구성에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 3(A)는 크로마틱 공초점 현미경의 측정 원리를 도시한 것이다. 크로마틱 공초점 현미경 역시 일반 공초점 현미경(100')과 마찬가지로, 광원부(1")에서 조명된 빛은 관측하고자 하는 시편(200) 상에 입사되며, 상기 시편(200)으로부터 반사되어 되돌아오는 빛이 검출부(7")로 입사되어 검출되는 기본 구조로 되어 있다. 이 때, 일반적인 공초점 현미경(도 1의 100')에서는 광원부(1')로 레이저 광원과 같은 단일 파장의 빛을 사용하지만, 크로마틱 공초점 현미경(100")에서는 광원부(1")로 백색광(white light source)과 같은 여러 파장의 빛이 혼합되어 있는 광원(polychromatic light source)을 사용한다. 이에 따라, 일반적인 공초점 현미경(100')에서는 검출부(8')에서 단지 빛의 세기(intensity)를 측정하는 반면, 크로마틱 공초점 현미경(100")에서는 검출부(7")가 빛의 파장 정보를 검출할 수 있는 스펙트로미터(spectrometer)로서, 검출된 빛의 파장에 따른 빛의 세기를 얻을 수 있어, 예를 들면 빛의 세기가 가장 큰 빛의 파장을 검출할 수 있다.

크로마틱 공초점 현미경에서도 공초점 현미경에서와 비슷한 방식으로 대물 렌즈(10")에 의해 초점이 맺히되, 상기 제1크로마틱 렌즈(8") 및 상기 제2크로마틱 렌즈(9")를 통과하면서 빛이 파장에 따라 분리됨으로써, 상기 제1크로마틱 렌즈(8") - 상기 제2크로마틱 렌즈(9") - 상기 대물 렌즈(10")를 순차적으로 통과한 빛은 최종적으로 파장에 따라 서로 다른 위치에 초점이 맺히게 된다. 파장이 긴 빛은 초점 거리가 길고, 파장이 짧은 빛은 초점 거리가 짧다는 것은 주지의 사실이다. 도 3(A)에 도시된 바와 같이 녹색 광선의 초점면에 측정면이 위치하도록 시편(200)이 위치해 있을 경우, 녹색 광선(λ_G로 표시된 파장을 갖는 광선, 이하 λ_G로 표시)은 검출부측 핀홀(6")을 모두 통과하여 검출부(7")로 입사되므로 녹색 광선(λ_G) 신호의 크기가 매우 크게 나타나겠으나, 적색 광선(λ_R로 표시된 파장을 갖는 광선, 이하 λ_R로 표시) 및 청색 광선(λ_B로 표시된 파장을 갖는 광선, 이하 λ_B로 표시)의 경우 도시된 바와 같이 상기 검출부측 핀홀(6") 위치에 초점이 생기지 못하고, 따라서 상기 검출부(7")로는 대부분의 적색 광선(λ_R) 및 청색 광선(λ_B)이 차단된다. 각 파장에 대한 빛의 세기는 도 3(A)의 검출부(7")에 도시된 그래프와 같이 녹색 광선(λ_G) 파장 위치에서 가장 빛의 세기가 강한 것으로 나타나게 되며, 따라서 사용자는 빛의 세기가 가장 강하게 나타나는 파장을 읽어 해당 파장 광선에 서 초점면과 측정면이 일치하였음을 알 수 있게 된다.

이와 같이 크로마틱 공초점 현미경(100")의 경우 초점면과 측정면이 일치하게 되는 광선의 파장을 알아냄으로써, 이 파장과 상기 대물 렌즈(10")에 의해 결정되는 초점 거리, 즉 상기 대물 렌즈(10")로부터 시편(200)까지의 상대 거리를 쉽게 알아낼 수 있다. 즉, 크로마틱 공초점 현미경(100")에서는 상기 대물 렌즈(10")를 이동시키지 않고도 단지 빛의 세기가 가장 강하게 나타나는 파장을 알아냄으로써 해당 점에서의 시편(200) 높이 정보를 측정할 수 있게 되는 것이다.

상기 도 3(B)는 이와 같은 원리를 이용한 크로마틱 공초점 현미경(100")의 구성을 도시하고 있다. 도 1(B)에 도시된 공초점 현미경(도 1의 100')에서는 Z축 방향 구동을 위한 Z스테이지(도 1의 11')가 구비되어야만 했으나, 크로마틱 공초점 현미경(100")에서는 도 3(B)에 도시된 바와 같이 이와 같은 Z축 방향 구동 장치가 필요하지 않다.

도 4는 공초점 현미경과 크로마틱 공초점 현미경의 측정 방법에 있어서의 차이를 간략하게 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 a, b, c와 같은 세 가지의 높이를 가지는 시편을 측정한다고 할 때, 좌측에 도시된 공초점 현미경의 경우, 어떤 XY 방향의 위치에서, a 지점에 초점이 맺힐 때까지, b 지점에 초점이 맺힐 때까지 또는 c 지점에 초점이 맺힐 때까지 여러 번 렌즈를 Z 방향으로 이동시켜야만 하지만, 우측에 도시된 크로마틱 공초점 현미경의 경우 a 지점에는 청색 광선(λ_B)이, b 지점에는 녹색 광선(λ_G)이, c 지점에는 적색 광선(λ_R)이 초점을 맺기 때문에, 어떤 XY 방향의 위치에서든 렌즈를 Z 방향으로 이동시킬 필요가 없이 단지 해당 XY 방향 위치에서 가장 빛의 세기가 강하게 나타나는 파장을 검출하기만 하면 되는 것이다.

도 5a는 본 발명에 의한 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경의 제1실시예의 구성을 도시한 것이다. 본 발명에 의한 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경(100)은, 광원부(1), 시준 렌즈(3), 빔 스플리터(5A), 수광 렌즈(6), 검출부측 핀홀(7), 검출부(8), 스캐닝 시스템(9), 대물 렌즈계(12)를 포함하여 이루어진다. 이하에서 각 부에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기 광원부(1)는 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛(polychromatic light)을 방출한다. 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛 중 대표적인 것은 백색광(white light)이 있으며, 물론 사용자가 원하는 파장의 빛들만 선택적으로 혼합된 빛을 방출하는 광원을 사용할 수도 있다. 상기 광원부(1)는 점광원으로 간주될 수 있는 형태로 형성되는데, 실제로 이를 구현하기 위해서는 방사상으로 빛이 방출되는 광원 전방에 광원부측 핀홀(2)을 구비시키는 형태가 널리 사용된다. 보다 상세히 설명하자면, 상기 광원부측 핀홀(2)이 광원의 전방에 구비되며, 구멍이 형성되어 상기 구멍으로만 광선을 통과시키고 구멍 이외의 부분에서는 광선의 진행을 차단하여, 방사상으로 뻗어나가는 광원의 빛이 상기 광원부측 핀홀(2)에 의하여 막히고, 상기 광원부측 핀홀(2)에 형성된 구멍을 통과한 빛만이 나올 수 있게 됨으로써 점광원을 구현할 수 있는 것이다. 이와 같이 형성될 경우 상기 광원부(1)는 광 원과 광원부측 핀홀(2)을 포함하여 이루어지게 되는데, 물론 상기 광원부(1)가 점광원이기만 하다면 반드시 이러한 구성으로 되어야 하는 것은 아니며, 즉 상기 광원부(1)를 점광원으로서 구현하기 위하여 다른 방식을 사용하여도 무방하다. (예를 들면, 광원에 광섬유를 연결하여 점광원을 구현하는 방식이 이에 해당한다)

상기 시준 렌즈(3)는 도시된 바와 같이 상기 광원부(1)의 전방에 구비되어 상기 광원부(1)로부터 나온 빛을 평행광으로 유도하며, 상기 빔 스플리터(beam splitter, 5A)는 상기 시준 렌즈(3)를 통과한 평행광을 분리한다. 상기 시준 렌즈(3)의 후방에는 노이즈를 효과적으로 제거하도록 특정 파장 범위의 빛을 통과시키는 필터(4)가 구비될 수도 있으며, 물론 반드시 구비되지는 않아도 무방하다.

상기 스캐닝 시스템(9)은 도시된 바와 같이 다수 개의 거울 및 상기 거울들을 회동시키는 구동부를 포함하여 이루어진다. 상기 스캐닝 시스템(9)은 갈바노미터(galvanometer)로 구현될 수 있는데, 이 경우 도 5a에 도시된 바와 같이 2개의 거울 및 각 거울의 구동부를 포함하여 이루어지게 된다. 상기 스캐닝 시스템(9)은, 상기 빔 스플리터(5A)를 통과한 빛을 시편(200)이 놓여진 면에 평행한 방향(XY 면)으로 이동시키는 역할을 한다. 물론 상기 스캐닝 시스템(9)은 갈바노미터 외에도 폴리곤미러(polygonal mirror), AOD(acoustic optical deflector), DMD(digital micromirror device) 등과 같이, 입사된 빛의 진행 방향을 조정함으로써 시편(200)에 빛이 입사되는 부분을 시편(200)이 놓여진 면에 평행한 방향(XY 면)으로 이동시키는 시스템이라면 어떤 형태로 구현되어도 무방하다.

상기 대물 렌즈계(12)는 상기 스캐닝 시스템(9)을 통과하여 나온 빛을 시 편(200)으로 입사시킨다. 이 때, 상기 대물 렌즈계(12)는 적어도 하나 이상의 크로마틱 렌즈(10) 및 대물 렌즈(11)로 이루어져, 빛을 파장에 따라 분리하여 시편(200) 표면으로 입사시키게 된다. 따라서 파장에 따라 초점면과 측정면이 일치하는 특정 파장의 광선 이외의 광선들은 측정면에서 초점을 맺지 못하게 된다. 이 때, 상기 대물 렌즈(11)는 일반적인 현미경 등에 사용되는 대물 렌즈가 그러하듯 색수차가 보정된 표준 렌즈로 형성되며, 상기 크로마틱 렌즈(10)에 의하여 상기 대물 렌즈(11)에 입사되는 광선의 입사각이 파장에 따라서 달라지게 하여 시편(200)에 맺히는 초점 위치를 파장에 따라 분리되게 한다. 상기 크로마틱 렌즈(10)는 적어도 하나 이상 구비될 수 있으며, 도 5a의 제1실시예에서는 2개가 구비되는 것으로 도시되어 있다. 상기 크로마틱 렌즈(10)가 하나만 구비되어 있어도 빛을 파장에 따라 분리시키는 것이 가능하나, 다수 개를 사용하는 경우는 다음과 같은 이유에 의해서이다. 즉, 상기 크로마틱 렌즈(10) 다수 개가 나란히 배열되면, 각 크로마틱 렌즈(10)를 통과하면서 파장에 따라 분리된 각 광선의 이동 거리가 점점 더 증가하게 할 수 있다. 이에 따라 상기 크로마틱 렌즈(10)들을 통과한 광선들이 상기 대물 렌즈(10)를 통과하게 되면, 파장에 따라 초점이 맺히는 거리가 보다 크게 차이가 나게 된다. 이러한 점을 이용하여 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어 위치에 따른 높이가 매우 크게 변화하는 시편(200)을 측정함에 있어서, 단일 개의 크로마틱 렌즈(10)를 사용하였을 경우 적외선 영역 - 가시광선 영역 - 자외선 영역 전 영역의 파장을 사용하여도 전 영역을 커버할 수 없었다고 할 때, 크로마틱 렌즈(10) 여러 개를 사용하게 되면, 파장에 따른 초점 거리의 변화가 위의 경우보다 크기 때문에, 가시광선 내의 일부 영역만을 사용해서도 충분히 높은 정확도로 전체 범위에 대하여 위치에 따른 높이를 측정할 수 있게 된다.

상기 수광 렌즈(6)는 상기 대물 렌즈계(12)를 통과하여 상기 시편(200)으로 입사된 후 상기 시편(200) 표면에서 반사되어 나온 빛을 받아들여 상기 검출부(8)로 보내어 주는 역할을 한다.

상기 검출부측 핀홀(7)은 상기 수광 렌즈(6)의 후방에 구비되며, 상기 핀홀으로만 광선을 통과시키고 핀홀 이외의 부분에서는 광선의 진행을 차단한다. 상술한 바와 같이 파장에 따라 초점이 맺히는 위치가 달라지는데, 상기 광원부(1)에서 방출되는 빛에는 서로 다른 파장을 가지는 광선들이 혼합되어 있는 바, 상기 검출부측 핀홀(7) 위치에 초점면이 형성되지 않는 광선은 상기 검출부측 핀홀(7)에 의해 차단되어서 상기 검출부(8)로 대부분 입사되지 못하며, 상기 검출부측 핀홀(7) 위치에 초점면이 형성되는 광선만이 상기 검출부(8)로 완전히 입사될 수 있게 된다. (물론 이 광선은 상기 시편(200) 표면에서 측정면과 초점면이 일치하는 광선이다.)

상기 검출부(8)는 스펙트로미터(spectrometer)로 구현되어, 상기 검출부측 핀홀(7)을 통과한 광선의 세기 및 파장을 측정하여 가장 빛의 세기가 강한 파장을 검출한다.

본 발명의 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경(100)은 상술한 바와 같은 구성으로 이루어짐으로써, 상기 스캐닝 시스템(9)이 시편(200)의 XY 방향으로 빛을 이동시키면서 각 XY 위치에서 가장 빛의 세기가 강한 파장을 검출하고, 상기 검출된 파장에 따라 해당 XY 위치에서의 시편(200)의 Z 방향 높이를 산출하며, 이와 같이 각 XY 위치에서 산출된 Z 방향 높이 결과를 종합하여 상기 시편(200) 표면의 3차원 형상을 정확하게 측정해 낼 수 있게 된다.

도 5b는 본 발명에 의한 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경의 제2실시예이다. 상기 도 5b에 도시된 제2실시예는 상기 도 5a에 도시된 제1실시예와 유사하게 구성되나, 제1실시예에서 상기 광원부(1)에서 방출된 빛을 분리하는 빔 스플리터(5A)를 사용하였던 것과는 달리, 제2실시예에서는 상기 광원부(1)에서 방출된 빛을 편광 및 분리하는 편광 빔 스플리터(5B)를 사용한다.

또한, 상기 편광 빔 스플리터(5B)의 성능을 활용할 수 있도록, 광원부측 편광판(13), 사분파장판(quarter-wave plate, 14) 및 검출부측 편광판(15)이 더 구비되게 된다. 상기 편광판들(13, 15)을 통과한 빛은 편광판의 형태에 따른 특정 방향으로만 진동하게 되며, 상기 사분파장판(14)은 빛의 편광 방향을 90도 변화시킨다.

상기 광원부측 편광판(13)은 상기 시준 렌즈(3) 및 상기 편광 빔 스플리터(5B)의 사이에 구비되어, 특정 방향으로 진동하는 성분의 빛만을 상기 시편(200) 방향으로 투과시킨다.

상기 편광 빔 스플리터(5B)는 특정 방향으로 편광된 빛만을 투과(혹은 반사)시키며, 상기 사분파장판(14)은 상기 스캐닝시스템 및 상기 대물 렌즈계(12)의 사이에 구비되어, 빛의 편광 방향을 90도만큼 변화시키게 된다. 상기 시편(200)에 입사되었다가 반사되어 나오는 빛은 원래 광원부(1)에서 방출된 빛과 180의 위상 차 이가 생기는데, 상기 사분파장판(14)에 의한 편광 방향 변화까지 고려하면 총 270도 만큼의 위상 차이가 생기며 결과적으로 상기 시편(200)으로부터 되돌아 오는 빛은 상기 편광 빔 스플리터(5B)에 의해서 반사(혹은 투과)된다. 상기 검출부측 편광판(15)은 상기 수광 렌즈(6) 및 상기 검출부(8) 사이에 구비되어, 상기 검출부(8)로 입사되는 빛의 특정 방향으로 진동하는 성분만을 상기 시편(200) 방향으로 투과시킨다. 즉 상기 편광판들(13, 15)은 특정 방향으로 진동하는 빛만을 필터링하는 기능을 수행하는 것으로, 특히 상기 검출부측 편광판(15)은 노이즈로 들어오는 빛을 필터링하는 역할을 하는 것으로, 상기 검출부측 편광판(15)이 반드시 구비되지는 않아도 무방하다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 본 발명의 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경은, 상기 검출부(8)로서 스펙트로미터(spectrometer)를 사용한다. 한편, 일반적으로 스펙트로미터는 다수 개의 CCD(charge-coupled device)와 같은 이미지 센서들이 배열되어 형성되는 센서 어레이들과 회절 격자 등을 포함하여 이루어진다. 이 때, 센서 어레이가 단위 길이당 배치되는 개수에 따라 측정 결과의 정확도가 달라지는 바, 일반적으로 사용되는 스펙트로미터에서 단위 길이당 배치되는 센서 어레이의 개수는 수백~수천 개 가량 되는 것으로 알려져 있다. 그런데, 이와 같이 센서 어레이의 개수가 많기 때문에 다루어야 할 측정값의 개수가 크게 늘어나고, 이에 따라 계산 시간이 오래 걸리게 되어 빠른 측정이 어렵다. 따라서 본 발명에서와 같이 빛의 위치를 변화시켜 가면서 얻어지는 다수의 화면에 대한 분석이 실제 현장에 서 이루어지는 것은 거의 불가능했다.

본 발명에서는 이와 같이 위치 변화에 따른 다수의 화면에 대한 분석이 빠르게 이루어지도록 하기 위해, 본 발명에 사용되는 스펙트로미터에서는 단위 길이당 배치되는 센서 어레이의 개수가 수십 개 범위가 되도록 한다. 즉 종래의 스펙트로미터와 대비하여 센서 어레이의 밀도를 크게 낮추어 구성하는 것이다. 이와 같이 형성된 스펙트로미터를 사용함으로써 한 화면에 대한 분석 시간이 크게 줄어들게 되며, 이에 따라 다수의 화면에 대한 빠른 분석을 실현할 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

도 1은 일반적인 공초점 현미경의 구성 및 측정 원리.

도 2는 공초점 현미경에 의한 3차원 형상의 측정 예.

도 3은 일반적인 크로마틱 공초점 현미경의 구성 및 측정 원리.

도 4는 공초점 현미경 및 크로마틱 공초점 현미경의 측정 방법 차이.

도 5a는 본 발명에 의한 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경의 제1실시예.

도 5b는 본 발명에 의한 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경의 제2실시예.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100': (종래의) 공초점 현미경

1': 광원부 2': 광원부측 핀홀

3': 시준 렌즈 4': 편광 빔 스플리터(PBS)

5': 편광판 6': 수광 렌즈

7': 검출부측 핀홀 8': 검출부

9': 스캐닝 시스템 10': 사분파장판(QWP)

11': Z-스테이지 12': 대물 렌즈

100": (종래의) 크로마틱 공초점 현미경

1": 광원부 2": 광원부측 핀홀

3": 시준 렌즈 4": 빔 스플리터(BS)

5": 수광 렌즈 6": 검출부측 핀홀

7": 검출부 8": 제1크로마틱 렌즈

9": 제2크로마틱 렌즈 10": 대물 렌즈

100: (본 발명의) 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경

1: 광원부 2: 광원부측 핀홀

3: 시준 렌즈 4: 필터

5A: 빔 스플리터(BS) 5B: 편광 빔 스플리터(PBS)

6: 수광 렌즈 7: 검출부측 핀홀

8: 검출부 9: XY 스캐닝 시스템

10: 크로마틱 렌즈 11: 대물 렌즈

12: (크로마틱) 대물 렌즈계 13: 광원부측 편광판

14: 사분파장판(QWP) 15: 검출부측 편광판

200: 시편

Claims

점광원 형태로 형성되며, 백색광(white light) 또는 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛(polychromatic light)을 방출하는 광원부(1);

상기 광원부(1)의 전방에 구비되며, 상기 광원부(1)로부터 나온 빛을 평행광으로 유도하는 시준 렌즈(3);

상기 시준 렌즈(3)를 통과한 평행광을 분리하는 빔 스플리터(beam splitter, 5A);

다수 개의 거울 및 상기 거울들을 회동시키는 구동부를 포함하여 이루어지며, 상기 빔 스플리터(5A)를 통과한 빛의 진행 방향을 조정함으로써 시편(200)에 빛이 입사되는 부분을 시편(200)이 놓여진 면에 평행한 방향(XY 면)으로 이동시키는 스캐닝 시스템(9);

상기 스캐닝 시스템(9)을 통과하여 나온 빛을 파장에 따라 분리하여 시편(200)으로 입사시키도록, 색수차가 보정된 대물 렌즈(11) 및 상기 스캐닝 시스템(9) 및 상기 대물 렌즈(11) 사이에 순차적으로 구비되며,상기 대물 렌즈(11)에 입사되는 광선의 입사각이 파장에 따라서 달라지게 하며, 시편(200)측 공간에 맺히는 파장에 따른 초점 거리 차이를 증가 또는 감소시킬 수 있도록 구비되는 적어도 하나 이상의 크로마틱 렌즈(10)를 포함하여 이루어지는 대물 렌즈계(12);

상기 시편(200)으로 입사되어 상기 시편(200) 표면에서 반사되어 나온 빛을 받아들이는 수광 렌즈(6);

상기 수광 렌즈(6)의 후방에 구비되며, 구멍이 형성되어 상기 구멍으로만 수광 렌즈(6)에 의해 집광된 광선을 통과시키고 구멍 이외의 부분에서는 광선의 진행을 차단하는 검출부측 핀홀(7);

스펙트로미터(spectrometer)로 구현되어, 상기 검출부측 핀홀(7)을 통과한 광선의 세기 및 파장을 측정하여 가장 빛의 세기가 강한 파장을 검출하는 검출부(8);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경.
점광원 형태로 형성되며, 백색광(white light) 또는 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛(polychromatic light)을 방출하는 광원부(1);

상기 광원부(1)의 전방에 구비되며, 상기 광원부(1)로부터 나온 빛을 평행광으로 유도하는 시준 렌즈(3);

상기 시준 렌즈(3)를 통과한 평행광을 편광 및 분리하는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter, 5B);

상기 시준 렌즈(3) 및 상기 편광 빔 스플리터(5B)의 사이에 구비되는 광원부측 편광판(13);

다수 개의 거울 및 상기 거울들을 회동시키는 구동부를 포함하여 이루어지며, 상기 편광 빔 스플리터(5B)를 통과한 빛의 진행 방향을 조정함으로써 시편(200)에 빛이 입사되는 부분을 시편(200)이 놓여진 면에 평행한 방향(XY 면)으로 이동시키는 스캐닝 시스템(9);

상기 스캐닝 시스템(9)을 통과하여 나온 빛을 파장에 따라 분리하여 시편(200)으로 입사시키도록, 색수차가 보정된 대물 렌즈(11) 및 상기 스캐닝 시스템(9) 및 상기 대물 렌즈(11) 사이에 순차적으로 구비되며,상기 대물 렌즈(11)에 입사되는 광선의 입사각이 파장에 따라서 달라지게 하며, 시편(200)측 공간에 맺히는 파장에 따른 초점 거리 차이를 증가 또는 감소시킬 수 있도록 구비되는 적어도 하나 이상의 크로마틱 렌즈(10)를 포함하여 이루어지는 대물 렌즈계(12);

상기 스캐닝 시스템 및 상기 대물 렌즈계(12)의 사이에 구비되는 사분파장판(14);

상기 시편(200)으로 입사되어 상기 시편(200) 표면에서 반사되어 나온 빛을 받아들이는 수광 렌즈(6);

상기 수광 렌즈(6)의 후방에 구비되며, 구멍이 형성되어 상기 구멍으로만 수광 렌즈(6)에 의해 집광된 광선을 통과시키고 구멍 이외의 부분에서는 광선의 진행을 차단하는 검출부측 핀홀(7);

스펙트로미터(spectrometer)로 구현되어, 상기 검출부측 핀홀(7)을 통과한 광선의 세기 및 파장을 측정하여 가장 빛의 세기가 강한 파장을 검출하는 검출부(8);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경.
삭제
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 검출부(8)는

CCD(charge-coupled device), APD(avalanche photo diode), PMT(photo multiplier tube)를 포함하는 이미지 센서들이 다수 개 배열되어 형성되는 다수 개의 센서 어레이들 및 회절 격자를 포함하여 이루어지는 스펙트로미터로 형성되되,

상기 센서 어레이는 10 내지 100 범위 내의 개수로 구비되는 것을 특징으로 하는 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 스캐닝 시스템(9)은

갈바노미터(galvanometer), 폴리곤미러(polygonal mirror), AOD(acoustic optical deflector), DMD(digital micromirror device) 중에서 선택되는 어느 한 가지인 것을 특징으로 하는 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경.