Hoffman Modulation Contrast란 무엇인가? #3, #4

[광학 기술 백서 #22]Hoffman Modulation Contrast란 무엇인가? #3,#4

 

 

Hoffman Modulation Contrast의 원리  #3 _시스템 해상력

 

 

 

<그림 3>

출처: http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/hoffman.html

 

Modulation contrast 모듈은 기본적으로 그림 3과 같이 두 가지의 구조를 가지고 있습니다. 그림 3의 좌측 구조(a)는 modulator와 slit의 위치가 광축 상에 위치하며 정확하게 대칭을 이루고 있습니다. 이 경우 시스템의 해상력은 아래의 공식에 의해 결정됩니다.

 

Resolution = λ/NA

 

여기에서 NA는 대물 렌즈의 numerical aperture를 의미하고 λ는 사용한 광원의 파장을 의미합니다. 이 구조에서 어두운 부분 (1% 투과율을 가지고 있는 구역)과 투명한 부분(100%의 투과율을 가지고 있는 구역)은 크기가 동일한 반면 회색 부분(15%의 투과율을 가지고 있는 구역)은 전체 영역의 약 10%만을 차지하는 얇은 줄무늬의 형태입니다. 

이와 비교하여 그림 3의 우측(b) 구조는 slit이 광축에서 벗어난 비대칭의 형태를 가지고 있으며 가장 어두운 영역이 modulator 한쪽 가장자리에 존재합니다. 이 구조는 기존의 구조와 비교하여 대물 렌즈의 대부분을 활용할 수 있기 때문에 해상도가 매우 개선됩니다.

 

Resolution = λ/(2NA)

 

위의 두 가지 서로 다른 시스템의 구성을 통해 확인할 수 있듯이 실제로 광축에 벗어난 형태를 가지고 있는 (b)와 같은 시스템이 광축상에 slit이 있는 (a)와 같은 시스템보다 2배 높은 해상력을 가지게 됩니다. 이는 이미 잠시 설명을 하였듯이 광축에서 벗어난 형태의 시스템에서는 투명한 부분이 대부분을 차지하고 있어 대물 렌즈의 대부분을 활용할 수 있기 때문입니다.

 

 

Hoffman Modulation Contrast의 원리  #4 _편광 필름

 

Condenser 렌즈의 아래쪽에는 조명이 나오는 출광부가 있으며 이 출광부에는 또 하나의 편광 필름이 있습니다. 이 편광 필름을 돌려 slit을 통과하는 빛의 폭을 조절할 수 있게 됨. 예를 들어 이 편광 필름과 slit의 편광 필름이 서로 수직하게 편광 방향을 조절하면 slit을 통과하는 빛은 절반이 차단되게 됩니다. 반면 편광의 방향이 서로 일치할 경우에는 slit을 통과하는 빛의 두께가 직각인 경우보다 2배가 두꺼워집니다.

 

 

 

<그림 4>

 

이렇게 편광 필름을 돌리면서 광량 조절이 가능한 빛은 대물 렌즈 뒤쪽의 modulator에서 투명한 영역을 통과합니다. (그림 3 (b)참조) 그러므로 편광 필름을 회전하면서 modulator의 투명한 부분을 통과하는 빛의 양을 조절할 수 있게 되고 이를 통해 가장 좋은 효과를 내는 지점을 찾을 수 있게 됩니다. 예를 들어 편광의 방향을 직각으로 맞춰 slit의 폭을 최소화 할 경우 매우 높은 contrast를 가지만 비교적 나쁜 품질의 이미지를 얻을 수 있게 됩니다. 반면 편광의 방향을 일치하도록 맞출 경우에는 slit을 통과하는 빛의 두께는 넓어지게 되고 전반적인 contrast가 줄어들지만 좋은 품질의 이미지를 얻게 됩니다. 

 

Slit이 두꺼울 때: contrast는 적지만 이미지 좋음

Slit이 얇을 때: contrast는 크지만 이미지 나쁨

 

<그림 5>

출처: http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/hoffman.html

 

이는 slit의 이미지가 물체를 통과하면서 발생하는 경로 차이로 인해 생기는 차이점인데, slit의 두께가 클 경우에는 물체의 굴절률이나 두께가 변하더라도 modulator에 결상되는 slit의 위치 변화에 그리 민감하지 않습니다 반면 slit을 통과하는 빛이 충분하기 때문에 더 좋은 이미지를 얻을 수 있습니다. 하지만 slit의 두께가 얇을 경우에는 modulation에서 결상되는 slit의 이미지도 좁아지고 이에 따라 modulator의 각기 다른 영역의 투과율에 더 큰 영향을 받게 됩니다. 이에 따라 contrast는 높아지고 slit을 통과하는 빛의 양은 적어지기 때문에 이미지는 좀더 나빠지게 됩니다.

 

 

 

<그림 6>

 

Modulation contrast 시스템의 초기 버전은 별도로 slit에 추가로 부착된 편광 필름이나 조명의 출광부에 편광 필름이 존재하지 않았습니다. 다만 그림 7에서 볼 수 있듯이 광축 상에 위치한 한 개의 단일 slit만이 존재하였습니다. 그러므로 초기 버전은 검사하고자 하는 물체의 contrast나 이미지 품질을 조절하지 못했습니다. 

 

 

 

<그림 7>

 

출처: http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/hoffman.html

 

 

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필진 소개

 

박강환, Benjamin Park (앤비젼 제품 기획팀/광학 담당) 광학에 대한 무한 열정으로 제품을 넘어 고객의 솔루션을 만드는 Optic Specialist