The longitudinal depth scanning of confocal microscopy generally has been depending on the mechanical movement of the objective lens or the sample. A chromatic depth scan was proposed to avoid the mechanical translation in confocal microscopy.
The chromatic depth scan was effectively realized by focusing the incident broadband light source to different axial positions through an intentionally generated longitudinal chromatic aberration. Since the different spectral components of the light source are focused onto the planes at different depth levels, the polychromatic illumination and the spectrum analysis of the light reflected from the sample can possibly work as an alternative method for mechanical depth scanning. The chromatic depth scanning confocal microscopy is the promising technique for high speed three-dimensional measurement as it does not require the mechanical translation in axial direction.
To obtain three-dimensional surface profile, transverse scanning should be accompanied with the longitudinal depth scanning. The implementation of transverse scanning can be categorized as stage scanning, moving pinhole scanning, and moving beam scanning as in confocal microscopy. Stage scanning is a form of using a stationary beam and a moving object. It is conceptually simple and technically accurate as diffraction limited optics can be easily implemented for the on-axis focus. The drawback of stage scanning is that its imaging speed is very slow and it is difficult to implement when the samples are large and heavy. Moving pinhole scanning is conducted by changing the position of the source and detection conjugate points in an image plane. A rotating Nipkow disk using the parallel pinhole array to scan the transverse plane is a good example of moving pinhole scanning. It can greatly improve the imaging speed; however, it has the disadvantages of low light efficiency and high backscatter noise. Moving beam scanning is done by changing the incident angle of the beam at a pupil plane with devices such as galvanometer mirrors, rotating polygonal mirrors, acousto-optic deflectors, etc. It is fast enough up to or more than video-rate with high beam quality and high light efficiency although the drawback of this type of scanning method is that the instruments are relatively complex.
Since the chromatic depth scanning mechanism was introduced and adapted to confocal microscopy, less research has been reported on the chromatic depth scan combined with the lateral scanning, and the incorporation of the chromatic depth scanning and the moving beam scanning for three-dimensional surface measurement has not been reported yet. By applying the beam scanning method to the chromatic confocal microscope, it can be operated with high light efficiency and considerably high speed as well.
In this thesis, chromatic confocal microscopy with transverse point beam scanning is constructed for three-dimensional surface measurement without longitudinal mechanical translation. The beam scanning chromatic confocal microscope is constructed by using the galvanometric transverse scanning mechanism, which is popularly used in commercial laser scanning confocal microscopes due to its benefit of high efficiency and relatively high speed.
The three-dimensional reconstruction algorithm for beam scanning chromatic confocal microscopy is proposed considering spectral field curvature and difference of field width. The procedure to construct the closed-form equation to compensate and calibrate the beam scanning effect in three-dimensional reconstruction is proposed.
With the experimentally measured signal from a sample structure, the three-dimensional profile is reconstructed by relating the wavelength and scanning angle to the axial and the lateral coordinates. The difference of the lateral field of view and the optical performance with the relative depth scanning position is also discussed. In beam scanning chromatic confocal microscopy, the wavelength-to-depth codification and the lateral field of view should be determined considering the beam scanning angle. Demonstration shows a good agreement with the results from theoretically established algorithm and those from actual data.
공초점 현미경은 서로 공액 관계에 있도록 배치된 점광원과 점검출부로부터 공간상의 한 점의 신호만을 취득함으로써 다른 광학 장치에 비해 우수한 특성을 구현하고 있다. 하지만 한번에 한 점의 신호만을 받아들이기 때문에, 이를 2차원 평면 영상 또는 3차원 체적 영상으로 구성하기 위해서는 횡방향과 종방향으로의 주사 과정이 필요하다. 이러한 주사 과정에 수반되는 기구적인 운동부에서 소요되는 시간으로 인해, 공초점 현미경의 고속 측정 분야 적용이 제한되고 있으며, 측정 속도를 빠르게 하기 위한 다양한 주사 방법이 제시되어 왔다.
주사 방식은 크게 시편 이송 주사 방식, 핀홀 이동 주사 방식, 그리고 광선 이동 주사 방식의 세가지로 나눌 수 있다. 이 중 시편 이송 주사 방식은 초점 위치를 고정시킨 채 시편을 기계적으로 이송시키는 방식으로, 개념적으로 가장 단순한 방식이지만, 모든 광학 신호의 취득이 광축선상에서 이루어지게 되므로 가장 우수한 광학적인 성능을 구현할 수 있다. 하지만 측정시간이 매우 오래 걸리므로 특수한 용도에서만 사용되고 있다. 핀홀 이동 주사 방식은 점광원과 점검출부의 위치를 변경시킴으로써 횡방향 주사를 수행하는데 회전식 닙코우 디스크가 그 대표적인 예라 할 수 있다. 이 방식은 매우 빠른 속도의 횡방향 주사가 가능하지만 광손실이 크며 구현할 수 있는 개구수가 작아서 높은 정밀도의 측정이 어렵다는 단점이 있다. 광선 이동 주사 방식은 갈바노미터나 다각 회전 거울 등의 광선 방향 변환 장치를 이용하여 시편에 조사되는 광선의 각도를 변화시킴으로써, 측정 영역에 형성되는 초점의 위치를 순차적으로 이동하면서 주사하는 방식으로, 광학적인 설계와 장치가 상대적으로 복잡하지만, 광학적인 성능이 시편 이송 주사 방식에 준할 수 있도록 설계하는 것이 가능하며, 실시간 영상의 속도에 준하는 측정 속도까지 도달할 수 있어 상용 공초점 현미경에서 가장 많이 채택되고 있는 방식이다. 횡방향 주사 방식의 경우 여러 가지 방식이 제안되었으나, 종방향 주사 방식은 측정기 자체나 대물렌즈, 또는 시편을 직접 종방향으로 이동시키는 방식이 보편적으로 적용되고 있다. 이러한 기계적인 이송에 거의 의존하였던 종방향 주사 방식에 기계적인 이송을 배제한 색수차를 이용한 다색 주사방식이 제안되었으며 공초점 현미경 시스템에 도입되었다. 다색 주사 방식은 종방향 색수차를 의도적으로 발생시킴으로써 시편에 맺히는 초점의 위치가 파장 값에 따라 종방향으로 분산되도록 하고, 이 중 시편의 표면에서 반사되는 파장의 빛만이 검출부의 핀홀을 통과하도록 하여, 이 때 검출된 빛의 파장 값을 읽음으로써 최종 렌즈 면으로부터 시편 표면까지의 상대적인 위치를 구할 수 있는 원리이다.
다색 주사 방식은 공초점 현미경의 고속 3차원 측정을 위한 잠재성 높은 기술로 평가되면서 효과적인 다색 종방향 주사 방식을 구현하기 위한 여러 가지 연구가 수행되었다. 하지만 대부분의 연구가 다색 종방향 주사 만의 연구로 이루어졌으며, 횡방향 주사와 연계하여 실질적인 3차원 측정을 구현하는 연구는 매우 제한적으로 이루어졌다. 특히 광선 이동 주사 방식과 다색 주사 방식이 통합된 시스템에 관한 연구는 보고된 바가 없다. 본 논문에서는 종방향의 다색 주사 방식과 횡방향의 광선 이동 주사 방식이 결합된 다색 공초점 3차원 주사 현미경을 구현하고, 이에 대한 이론적인 분석과 실험적인 검증을 수행한다.
다색 공초점 3차원 주사 현미경의 핵심 요소인 색 분산 생성 광학계의 설계 방법을 전통적인 공초점 주사 현미경과의 성능 분석 방법을 응용하여 제시하였으며, 기계적인 종방향 이송장치가 없이 3차원 측정이 가능한 다색 공초점 주사 현미경을 구성하였다.
다색 주사 방식을 광선 이동 주사 장치와 결합하게 되면 횡방향 주사를 위한 광선 각도 변화에 따라 파장에 대한 상면 만곡 현상이 발생하며, 횡방향 관측 영역의 크기가 시편이 놓이게 되는 종방향 위치에 따라 달라지는 관측 영역 변이 현상이 생기게 된다. 정확한 3차원 영상 재구성을 위해서는 이러한 특이 현상들에 대한 보정이 이루어져야 하며, 본 논문에서는 이와 같은 현상에 대한 이론적인 고찰과 실험을 통한 보정 방법을 제시한다. 구성된 시스템 으로부터 검증된 표준 시편에 대한 신호를 취득한 뒤 본 논문에서 제안된 3차원 영상 재구성 방법을 적용하여 신뢰성 있는 측정 결과를 얻었다.
향후 보다 최적화된 색 분산 생성 광학계의 설계에 대한 연구가 이루어진다면 더욱 확장된 관측 영역을 확보할 수 있을 것으로 기대되며, 이와 함께 고속의 분광 장치 및 분광 분석 알고리즘에 대한 연구가 뒷받침 된다면 고속 3차원 측정이 요구되는 여러 분야에서 활용될 수 있는 실질적인 기술이 될 것이다.
