쾰러 조명법 활용 극대화

균일한 조명과 우수한 표본 대비를 가능하게 하는 기술

임계 조명법은 아우구스트 쾰러(August Köhler, 1866–1948)가 현재 쾰러 조명법으로 알려진 새로운 조명 방식을 개발하기 전까지 지배적인 현미경 검사 기술이었습니다. 임계 조명법의 문제는 램프의 밝은 광원이 표본 이미지와 동일한 평면에 필라멘트 이미지를 생성하는 것이었습니다. 최종 이미지에서 전구 필라멘트의 가시성으로 인해 표본 조명이 균일하지 않고 눈부심 현상과 음영 현상이 발생했습니다. 쾰러 조명은 초점이 맞지 않은 광원 이미지를 사용하여 표본을 고르게 조명함으로써 이러한 현상을 해소했습니다.

오늘날까지도 최적이 아닌 표본 조명으로 인해 올바른 관찰이 방해될 경우에는 쾰러 조명법을 적용해야 합니다. 쾰러 조명법은 투과 혹은 반사 광 경로를 사용하여 명시야, 암시야 등 모든 위상차 현미경 검사에서 표본을 균일하게 조명할 수 있습니다. 쾰러 조명법은 균일한 조명, 고해상도 및 양호한 표본 대비를 가능하게 합니다.

반사 광학 현미경 검사를 사용하여 캡처된 이미지. 위 이미지는 쾰러 조명법을 사용하지 않고 캡처되었고 아래 이미지는 쾰러 조명법을 사용하여 캡처되었습니다.

쾰러 조명법을 설정하고 사용하는 방법은 무엇일까요?

투과광 현미경 검사: 쾰러 조명법에는 광원과 표본 사이에서 작동하는 현미경의 여러 광학 컴포넌트가 필요합니다. 이러한 컴포넌트에는 콜렉터 렌즈, 필드 조리개, 콘덴서 조리개, 콘덴서 렌즈가 있습니다. 콜렉터 렌즈는 광원에서 빛을 수집하여 콘덴서 조리개의 평면에 초점을 맞추는 역할을 하고, 그 다음 콘덴서 렌즈는 이 빛을 표본에 투사합니다.

시야 조리개를 조정하면 표본 평면의 필드 조리개 개구 이미지는 촬영된 표본 영역보다 약간 큰 크기로 설정되며, 이는 접안렌즈 필드 스탑에서 볼 수 있는 표본 이미지의 일부에 해당합니다. 필드 조리개, 표본 및 접안렌즈 필드 스탑 모두 동일한 결합 이미지 평면에 있기 때문에 이러한 조정을 통해 조명 광선이 접안렌즈 시야를 완전히 채울 수 있는 동시에 접안렌즈 필드 스탑으로 차단되는 외부 빛의 양을 최소화할 수 있습니다.

반사 광학 현미경 검사: 반사 광학 현미경 검사 또는 epi 조명은 금속, 광석, 세라믹, 폴리머, 반도체(예: 미가공 실리콘, 웨이퍼, 집적회로), 슬래그, 석탄, 플라스틱, 페인트와 같은 불투명 표본의 조명용으로 선택할 수 있습니다.

반사 광학 현미경 검사에서 쾰러 조명법을 설정하는 데 필요한 주요 광학 컴포넌트는 투과 광학 현미경 검사의 광학 컴포넌트와 반대 방향으로 배열됩니다. 콘덴서 개구 조리개는 광원에 더 가깝고 필드 조리개는 표본에 더 가깝습니다. 반사 광학 현미경 검사에서 대물렌즈는 두 가지 기능을 합니다. 내려가는 동안에 대물렌즈는 올바르게 정렬된 콘덴서 역할을 하고, 표본에 부딪힌 빛의 각도를 통제합니다. 반면에, 올라가는 동안에는 대물렌즈의 개구수(NA)는 표본에서 반사될 때 캡처될 수 있는 빛의 각도를 결정합니다. 모든 조건이 동일하다면 NA가 높으면 높을수록 대물렌즈의 해상도는 개선되고 표본의 해상도도 개선됩니다.

반사 광학 현미경의 일반적인 설정

쾰러 조명법은 어떻게 적용됩니까?

명시야 현미경 검사: 가장 일반적으로 사용되는 광학 현미경 기술입니다. 샘플 조명은 스테이지 위에 배치된 수직 조명 장치를 통과해 초점이 맞춰진 텅스텐-할로겐 램프를 통해 위에서 투과됩니다. 대물렌즈를 통과해 빔 스플리터로 반사된 빛은 표본를 비춥니다. 표본 표면에서 반사된 빛은 대물렌즈로 다시 들어가 접안렌즈와 카메라 포트를 차례로 통과합니다. 표본의 입사광 흡수 및 회절로 인해 이미지에 식별 가능한 변화를 유발하는 경우가 많습니다. 휘도나 색상의 차이가 거의 없는 표본에는 암시야 현미경 검사 또는 반사 미분간섭(DIC)이 필요합니다(아래 참조).

명시야 관찰로 본 마이크로칩 이미지.

암시야 현미경 검사: 표본에서 산란된 빛에서 대비가 발생하는 어플리케이션에 가장 적합합니다. 표본에서 산란되지 않은 빛은 대물렌즈에 수집되지 않아 이미지에 포함되지 않습니다. 따라서 표본 주위의 시야가 어둡게 보입니다. 암시야 현미경 검사의 주요 제한 사항은 최종 이미지에서 나타나는 낮은 광도입니다. 이것이 쾰러 조명법의 작동 원리로서 샘플에 강한 조명을 사용해야 합니다. 너무 매끄러워서 음영이 생기지 않는 돌출 형상은 명시야 이미지에서 나타나지 않지만, 이 형상의 측면에서 반사된 빛은 암시야 이미지에서 나타납니다.

암시야 관찰로 본 마이크로칩 이미지.

위상차 현미경 검사: 표본에서 반사된 빛의 서로 다른 광 경로 길이 간섭으로 인해 샘플 대비가 나타나는 광학 현미경 검사 기술입니다. 진폭 및 위상 변이는 표본의 특성에 따라 나타납니다. 이러한 변화는 빛의 산란과 흡수로 인한 밝기의 변화로 나타납니다. 위상차 현미경은 명시야 현미경 검사에서 나타나지 않는 표본의 형상이나 구조를 다수 나타내기 때문에 산업용 현미경 검사에서 특히 중요합니다.

위상차가 없고(위) 위상차가 있는(아래) 명시야 관찰로 본 광택 금속의 단면 이미지.

미분간섭(DIC) 현미경 검사: 새로운 위상차 이미징 방식입니다. DIC 현미경 검사는 마치 물체를 옆에서 비추는 것처럼 인공 음영을 만들어 대비를 강화합니다. DIC 현미경 검사를 위해, 편광은 2개의 직교 편광 파트로 분리됩니다. 그런 다음, 표본 평면에서 공간 변위(sheared)된 상호 간섭 부분을 재조합한 후 관찰합니다. 재조합시 두 부분의 간섭은 광 경로 차이, 즉 굴절률과 기하학적 경로 길이의 곱에 민감합니다. 관찰된 대비는 변위 방향을 따라 경로 길이 변화도에 비례하여 3차원 물리적 고저 효과가 나타납니다.

DIC가 없고(위) DIC가 있는(아래) 명시야 관찰로 본 광택 금속의 단면 이미지.