1. 레이저 스캐닝 현미경의 기본 원리

소개

여러가지 기능을 더욱 작아진 크기에 담아내고 있는 최신 전자기기를 가능하게 하는 요소 중 하나는 바로 이들을 구성하는 전자 구성부품의 소형화입니다. 이와 더불어 새로운 미세 기능 소재가 개발되어 자동차, 항공기, 금속, 화학 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있습니다. 그 결과 이러한 구성부품과 소재의 미세 3차원 계측에 필요한 정확성과 해상력이 더욱 높아졌습니다. 다양한 장치들이 이러한 요건을 충족하지만, 그 중 컨포칼 현미경은 샘플에 접촉하지 않고 공기 중에서 샘플의 3차원 표면 프로필을 계측할 수 있기 때문에 많은 이들의 관심을 받고 있습니다. 고해상도 검출을 목표로 반사식 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경(이후 레이저 스캐닝 현미경)을 중심으로 하는 Olympus 산업용 레이저 스캐닝 현미경의 기본 원리, 기능, 애플리케이션을 소개합니다.

1-1. 컨포칼 광학 시스템

레이저 스캐닝 현미경의 원리 중 가장 기본이 되는 원리는 컨포칼 광학 시스템입니다. 그림 1은 일반 광학 현미경과 컨포칼 광학 시스템의 결상 광학 시스템입니다. 컨포칼 광학 시스템은 대물 렌즈의 초점 위치가 형성되는 위치(결상 위치)에 원형 개구부를 가진 핀홀이 위치하여 초점 위치의 광선만을 검출합니다. 일반 광학 현미경의 경우 특정 영역에 균일한 조명을 비추는 것이 중요한 반면, 컨포칼 광학 시스템의 경우 점 광원에서 조사되는 광선은 대물 렌즈에 의해 방사되어 광선이 샘플의 1개 점에 집광되도록 합니다. 일반적으로 직선 형태로 이동하는 특정 레이저 광선 파장이 점 광원으로 사용되어 대량의 광선이 1개 점에 집광되도록 합니다. 이를 통해 환경에 의해 불필요하게 분산되는 광선의 양을 줄이고 일반 광학 현미경 대비 대비를 향상하여 샘플을 균일하게 비추게 됩니다. 광선은 샘플 표면에 반사된 후 동일한 광 경로를 따라 이동하여 빔 분리기에 의해 분리된 후 핀홀에서 다시 합칩니다. 이 광학 시스템은 초점 위치 이외의 영역에서 반사된 광선의 대부분이 핀홀에 의해 막히기 때문에 오직 초점 위치에서 정보를 획득하게 됩니다. 즉, 기존 광학 시스템은 초점 심도가 높아 초점이 설정되지 않은 데이터를 얻기 때문에 초점 심도가 낮은 이 시스템은 컨포칼 광학 시스템이 높이 센서와 같이 작동할 수 있음을 의미합니다. 이에 더해 일반 광학 현미경의 경우 초점 위치 외 초점이 설정되지 않은 영역 이미지는 다층구조를 가지는 반면, 컨포칼 광학 시스템의 경우 핀홀이 초점 위치 외의 영역에서 반사된 광선을 막기 때문에 뛰어난 대비와 완벽한 초점을 갖는 선명한 이미지를 생성합니다. 비록 컨포칼 광학 시스템의 핀홀 직경은 빔의 회절에 의해 발생하는 분산보다 작아야 한다는 주장이 있으나, 이 직경은 핀홀 직경이 작아질수록 광량도 감소하기 때문에 검출기의 민감도를 균형 있게 조정하여 설정해야 합니다.

그림 1: 광학 현미경의 결상 광학 시스템 및 컨포칼 광학 시스템

1-2. 2차원 스캐닝

앞서 기술한 바와 같이 컨포칼 광학 시스템은 오직 광학 축 방향의 정보만을 획득합니다. 그렇기 때문에 데이터를 이미지로 변환하기 위해 광학 축과 직각을 이루는 2차원 스캐너 시스템이 필요합니다. 2차원 스캐너는 래스터 스캐닝을 사용하여 이미지를 생성하기 때문에 스캐닝 시스템의 정확성이 이미징 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 정확한 2차원 스캐닝은 레이저 스캐닝 현미경이 사용하는 핵심 기술 중 하나입니다. 스캐닝 시스템은 일반적으로 샘플 스캔 방식과 레이저 스캔 방식으로 구분됩니다. 샘플 스캔 방식은 샘플이 위치한 XY 스테이지의 스캔을 통해 실행됩니다. 이 방식은 광학 스캐닝 함수 없이 큰 면적의 이미지를 생성할 수 있으며, 이로 인해 컨포칼 광학 시스템은 심플한 구조를 가지게 됩니다. 이에 더해 XY 스테이지를 정확하게 구동하는 것이 상대적으로 용이합니다. 그러나 데이터 캡처에는 높은 해상력에서 많은 시간이 소요되며 관찰 샘플을 포함해 XY 스테이지를 높은 정밀성으로 구동해야 합니다. 레이저 스캔 방식은 2개의 스캐닝 기구를 통해 샘플의 X와 Y 방향으로 레이저 빔을 조사하여 스캔을 실행합니다. 샘플 스캔 방식은 샘플 표면의 대형 파장을 캡처하는데 적합하며, 레이저 스캔 방식은 미세 형체를 캡처하는데 적합합니다. 대부분의 산업용 레이저 스캐닝 현미경은 이미지 획득 시간에 우선순위를 설정하기 때문에 일반적으로 레이저 스캔 방식을 사용합니다. 음향광학 감지기(AOD), 폴리곤 미러, 광진 갈바노 미러는 고속 스캐닝을 필요로 하는 X 방향의 레이저 스캐닝 기구로 사용됩니다. 다음은 스캐닝 기구를 간략하게 소개하는 내용입니다.

1-2-1. 음향광학 감지기(AOD)

음향과학 감지기(AOD)는 광선의 회절을 활용하는 요소입니다. 초음파 주파수를 변조하여 소재에 적용할 경우, 소재의 반사율 변화는 회절 그리드의 역할을 수행하여 적절한 광선 반사 각도를 제공합니다. AOD의 스캔 속도는 매우 빠르지만, 스캐닝 범위는 매우 제한적입니다. 이에 더해 디스캐닝(샘플로부터 반사된 광선의 재입사)은 효율성을 크게 저하시키기 때문에 디스캐닝을 야기하는 구성은 반드시 지양해야 합니다. 이를 위해 라인 센서 추가 또는 기타 기술이 필요합니다. 그리고 렌즈 효과로 인해 난시가 발생할 수 있으므로 AOD를 사용할 때 각별한 주의가 요구됩니다.

1-2-2. 폴리곤 미러

폴리곤 미러는 매우 심플한 구성을 가지고 있으며, 레이저 스캐닝이 요구되는 다양한 분야에 사용되고 있습니다. 미러를 폴리토프의 각 면에 설치한 후 폴리토프를 모터 또는 기타 장치를 사용하여 고속으로 회전시키는 것으로 레이저가 스캔됩니다. 스캔 속도와 레이저 각도는 미러면의 수(회전 속도가 일정한 경우)를 기준으로 정의됩니다. 이 때 회전 정확성이 스캔 정확성을 결정하는 요소이기 때문에 정밀한 조정이 요구됩니다.

1-2-3. 광진 갈바노 미러

광진 갈바노 미러는 상대적으로 큰 진동 각도를 지원하는 컴팩트한 레이저 스캐닝 기구입니다. 속도는 기계적 광진 주파수에 따라 결정되기 때문에 이 기구는 다른 스캐닝 기구 대비 속도가 제한됩니다. 하지만 최신 광진 갈바노 미러는 1초마다 100만 화소의 이미지를 여러개 획득할 수 있습니다. MEMS(마이크로 전자 기계 시스템) 기술로 제작되는 미러도 개발되어 소형화가 가능해졌습니다. MEMS 스캐너는 이동식 플레이트, 토션 바, 그리고 모노크리스털 실리콘 기반을 에칭하여 만들어진 서포트 프레임으로 구성됩니다. 이동식 플레이트는 자기 회로로 구동하는 코일을 가지고 있습니다. 2차원 스캐닝은 고속 스캐닝 기구의 특성과 상대적으로 느린 Y방향 저속 스캐닝을 조합하여 실행할 수 있습니다. Y방향 스캐닝 기구의 경우 편의성을 위해 비광진 갈바노 미러를 사용하는 사례가 있습니다.

1-3. 컨포칼 효과 및 확장 초점 이미지

그림 2: I-Z 곡선

그림 2는 상기 기술된 컨포칼 광학 시스템의 효과입니다. 그림의 수직 축은 광선이 핀홀을 지난 이후의 검출기 출력입니다. 해당 출력은 이 효과를 검증하기 위해 컨포칼 광학 시스템을 통한 2차원 스캐닝을 실행하지 않고 샘플과 대물 렌즈를 Z방향에서 서로 반대로 이동하는 것으로 얻은 것입니다. 수평 축은 Z 방향으로의 이동 거리입니다. 이러한 파형은 일반적으로 I-Z 곡선이라고 부릅니다. 핀홀을 제거하여 얻은 비-컨포칼 출력과 같은 조건에서 얻은 컨포칼 출력의 비교를 통해 컨포칼 광학 시스템이 급격한 파형을 가진다는 것을 알 수 있습니다. 이 특성을 활용하면 레이저 광선을 2차원으로 스캔, 샘플과 대물 렌즈 이동, 각 이미지 픽셀의 가장 밝은 광도값을 저장하는 것으로 모든 높이 위치에 초점이 설정된 단계 샘플 이미지(확장 포커스 이미지)를 얻을 수 있습니다. 그림 3은 실제로 캡처된 샘플 이미지의 모습입니다. 그림 상단면의 레이저 광선을 2차원으로 스캔하여 초점을 설정하면 컨포칼 광학 시스템의 특성으로 인해 선명하지 않은 이미지가 제거됩니다. 그로 인해 사각형 부분이 캡처되었습니다. Z방향으로 레이저 광선이 이동하고 두번째 면에 초점이 설정되면, 가장 작은 L형 부분이 생성됩니다. 이 단계를 순차적으로 반복한 후 각 면의 이미지를 캡처 및 중첩시키면 높은 해상력에서 초점이 설정된 높은 초점 심도의 이미지(확장 포커스 이미지)가 생성됩니다.

그림 3: 확장 포커스 이미지

1-4. 3차원 이미지

컨포칼 광학 시스템에서 최대 강도를 가진 Z 위치, 즉 가장 밝은 Z 위치는 해당 위치의 샘플 표면 높이 정보를 표시합니다. 이러한 특성을 활용하여 최대 강도를 가진 Z 위치를 기록하는 것으로 샘플의 높이 정보를 캡처할 수 있습니다. 그림 4는 실제로 캡처된 높이 정보의 모습입니다. 확장 포커스 이미지를 캡처할 때와 마찬가지로 샘플과 대물 렌즈를 서로 반대 방향으로 이동시킨 후, 높이를 Z1에서 Z2로 이동시키면서 최대 강도를 얻을 수 있는 각 픽셀의 가장 밝은 Z 위치에 대한 정보를 저장합니다. 이를 통해 이미지 획득 영역 내 샘플의 표면 프로필을 얻는 것이 가능합니다. 이 정보를 바탕으로 다양한 분석을 실행할 수 있습니다. 즉, 각 픽셀의 최대 강도 값을 확장 이미지 메모리에 캡처하고 높이를 높이 이미지 메모리에 캡처하는 것으로 강도와 높이 정보를 동시에 획득할 수 있다는 뜻입니다. 이것이 다른 현미경과 차별되는 컨포칼현미경의 가장 큰 특징입니다.

그림 4: 이미지의 높이 정보 캡처

• 1. 레이저 스캐닝 현미경의 기본 원리
• 2. 레이저 스캐닝 현미경의 해상력
• 3. 레이저 스캐닝 현미경의 계측 정확성
• 4. 레이저 스캐닝 현미경 소프트웨어
• 5. Olympus 산업용 레이저 스캐닝 현미경의 기본 기능
• 6. 애플리케이션 예시

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