'hoffman modulation contrast'에 해당되는 글 3건

  1. 2015.11.09 Hoffman Modulation Contrast의 활용 (1)
  2. 2015.10.27 Hoffman Modulation Contrast란 무엇인가? #3, #4
  3. 2015.10.05 Hoffman Modulation Contrast란 무엇인가? #1, #2

[광학 기술 백서 #25]Hoffman Modulation Contrast의 활용


현재에 사용하는 Modulation contrast 시스템은 modulator와 slit이 모두 광축에서 벗어난 형태로 구성되어 있으며 이로 인해 대물렌즈의 NA를 최대한 활용할 수 있게 되어 더 좋은 해상력과 화질을 구현할 수 있게 되었습니다. 또한 검사하고자 하는 물체의 미세한 형태와 특징들이 선명하게 그림자로 표현하여 마치 3차원과 같은 영상을 얻을 수 있게 되었습니다. 이러한 영상은 검사하고자 하는 물체의 형태를 돋보이게 만듭니다. (아래의 세포 사진 참조)


Modulator는 이러한 물체의 단단함, 굴곡, 굴절률의 변화, 두께와 같은 특성들에 따라 미세하게 밝기를 변화시키는 역할을 합니다. 이러한 결과로 나타난 이미지는 흡사 3차원 영상과 비슷하며 광학적으로 한쪽에서 빛을 조사시켜 얻는 높은 contrast를 지닌 이미지와 비슷한 영상을 얻을 수 있습니다. 


:

<그림 8>

출처: http://microscopy.berkeley.edu/courses/tlm/bf_review/key.html


그림 9에서 확인할 수 있듯이 관찰하고자 하는 물체의 기울기 방향에 따라 이미지는 밝을 수도 어두울 수도 있습니다. 다양한 굴곡과 평평한 면이 함께 포함되어 있는 가상의 물체를 고려하였을 때 그림 9의 (a)와 같은 굴곡에서는 빛이 modulator의 가장 어두운 면을 통과하여 어두운 이미지를 가지게 됩니다. 반면에 이와 반대의 굴곡을 가지고 있는 (c)와 같은 이미지에서는 빛이 투명한 부위를 통과하여 밝은 이미지를 가지게 됩니다. 평평한 면에서는 회색 부분을 통과하고 회색 이미지를 얻을 수 있습니다. 이러한 작용의 결과로 어떠한 굴곡을 가지고 있는 물체의 한쪽 부분은 밝은 면을 가지고 있는 반면 다른 부분은 어둡게 표현이 되고 별다른 굴곡을 가지고 있지 않을 경우에는 위 그림의 배경이 보여주듯이 회색으로 별다른 특징 없이 표시됩니다.


이렇게 굴곡의 방향과 기울기를 통해 생긴 contrast는 검사하고자 하는 물체에 가상의 그림자가 생긴 것과 같은 효과를 주게 됩니다. 이러한 효과가 modulation contrast imaging의 가장 일반적인 형태이며 편광필름을 돌리면서 이러한 contrast를 변화시킬 수 있고 편광필름과 slit, 그리고 물체를 회전시키면서 최종 영상의 contrast를 개선 또는 악화시킬 수 있게 됩니다.



<그림 9>


Modulator는 검사하고자 하는 물체가 어떻게 slit의 이미지를 shift시키는가에 따라 최종적인 이미지에 영향을 주기 때문에 amplitude filter라고 표현하기도 합니다. Modulator의 다양한 투과율 변화를 통해 모든 종류의 세포와 조직들뿐 아니라 수정이나 glass와 같은 투명한 물질의 이물이나 굴곡의 변화를 관찰할 수 있고 심지어 반사형 조명을 활용한 modulation contrast 현미경도 사용이 가능하여 곡물의 경계면이나 불투명한 물체 또는 금속표면 및 복잡한 회로나 전자 제품을 검사하는 데에도 활용되고 있습니다.


이러한 modulation contrast 기술은 한계도 있지만 수없이 많은 장점들을 가지고 있습니다. 그 장점들 중 한가지는 바로 기존에 사용되는 렌즈의 NA를 모두 활용할 수 있다는 점입니다. 이와 같이 NA를 충분히 활용하게 될 경우에 높은 수준의 해상력을 보유할 수 있게 되고 이를 통해 검사하고자 하는 물체의 contrast와 가시성을 높일 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 또한 이 방법은 렌즈의 높은 해상력을 그대로 유지할 있기 때문에 achromat와 같은 렌즈에도 적용이 가능하고 심지어 apo-chromatic 렌즈에도 사용이 가능하다는 장점을 가지고 있습니다.



필진 소개



박강환, Benjamin Park

(앤비젼 제품 기획팀/광학 담당)

광학에 대한 무한 열정으로 제품을 넘어 고객의 솔루션을 만드는 Optic Specialist



Posted by 비전만

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  1. 안창준 2017.07.06 09:29  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    호프만 콘트라스트에 대해서 잘 보았습니다.
    이 기법이 위상차 현미경 또는 쉬리렌 광학계와 비교한다면
    어떤 관계에 있는지, 그 차이와 공통점이 궁금하네요

    설명해 주신 내용을 기반으로 봤을때,
    결과는 DIC와 비슷하지만,
    원리는 특히 쉬리렌 광학계와 유사점이 많은것 같습니다.

[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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[광학 기술 백서 #21]Hoffman Modulation Contrast란 무엇인가? #1, #2


Hoffman Modulation Contrast는 투명 또는 반투명한 물체의 굴곡이나 굴절률의 변화를 빛의 밝기로 표현하는 방법입니다. 해당 방법은 물체의 contrast를 증가시켜 좀더 정확한 검사가 가능하도록 합니다. 이 기술은 1975년 Robert Hoffman 박사가 최초로 제안하였으며 현재에는 몇 가지 구성품들이 추가되어 좀더 완성도가 높아졌습니다.




<그림 1>

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


위의 그림이 기본적인 Hoffman Modulation Contrast 현미경 광학계의 구성도입니다. 


Hoffman Modulation Contrast의 가장 핵심 구성품은 modulator라고 불리는 광학 필터인데 이 필터는 서로 다른 투과율을 가지고 있는 세 종류의 영역으로 구성되어 있으며 대물 렌즈의 후초점면에 위치하고 있습니다. modulator를 통과한 빛은 일반적인 회색이 가지는 밝기보다 상대적으로 더 어둡거나 밝은 빛으로 나뉘어지게 되고 이러한 현상을 modulate되었다고 합니다. 


이러한 modulation contrast에 사용 가능한 대물 렌즈는 10배부터 100배까지 전 영역에 걸쳐 있으며 기본적으로 모든 대물 렌즈에 대응한다고 보는 것이 맞습니다. 


Hoffman Modulation Contrast의 원리 #1 _Modulrator


이러한 modulator는 그림 2와 같이 총 세 가지의 다른 투과율을 가지고 있는 필터로 나뉘어져 있습니다. 가장 어두운 영역인 D는 modulator에서 가장 가장자리에 있으며 가장 작은 영역을 가지고 있습니다. 이 부분의 투과율은 1% 수준으로 실질적으로 빛을 거의 투과시키지 않습니다. 그림상에서 G로 표시된 회색 영역은 15%의 빛을 투과시키고 남아있는 부분인 B로 표시된 영역은 아무것도 없는 투명한 부분입니다. 




<그림 2>

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


Modulator 아래쪽에는 조명을 위한 condenser lens와 함께 회전이 가능한 경통이 있습니다. 이러한 회전식 condenser lens 경통은 일반적인 bright-field 현미경 렌즈와 동일하게 별도의 조절 가능한 조리개를 가지고 있으며 이를 이용하여 Koehler 조명에 적합한 조명을 조절할 수 있습니다.

 


Hoffman Modulation Contrast의 원리  #2 _slit


경통 안에는 절반 정도가 편광필름에 의해 가려진 직사각형 형태의 작은 slit이 있습니다.. 이 slit과 편광필름의 크기는 다양한 배율을 지닌 대물 렌즈의 종류에 따라 달라지게 됩니다.


<그림 1>과 <그림 3>에서 확인할 수 있듯이 slit은 condenser 렌즈의 전초점거리 면에 위치하고 있습니다. 빛이 slit을 통과할 때, 이 slit의 이미지는 대물 렌즈의 후초점면에 맺히게 되는데 이곳에 바로 modulator가 있습니다. 


condenser 렌즈의 전초점면에 위치한 slit은 대물렌즈의 후초점면에 있는 modulator와 광학적으로 짝을 이루고 있습니다. 그렇기 때문에 condenser 렌즈에 의해 생긴 slit의 이미지는 검사하고자 하는 물체의 광학적인 밀도, 두께 등의 변화에 따라 일반적인 경로를 따르지 않고 미세한 경로 변화가 일어나게 됩니다.




<그림 3>

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


그리고 이러한 경로 변화로 인해 빛은 modulator의 밝은 영역 또는 어두운 영역을 통과하며 contrast를 극대화시키게 됩니다.


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