반사 대물렌즈 개론

유형 | 이점

현미경 대물렌즈는 현미경 설계 시 가장 흔하게 인식되는 부품 중 하나입니다. 이미지 확대 기능이 있는 현미경 대물렌즈는 접안렌즈나 이미징 시스템(예: imaging lens, camera)을 통해 직접 눈으로 볼 수 있게 해줍니다. 기존의 대물렌즈는 설계상 일련의 광학 렌즈로 구성되어 굴절력을 갖게 됩니다. 하지만 고배율의 포커싱 옵틱, deep UV ~ far IR에서의 색 수차 보정이 필요해지면서 광학업계는 이의 자극을 받아 해답을 얻고자 파장별 굴절을 갖는 대물렌즈 또는 미러 기반의 대물렌즈를 생산하기 위해 경제적이면서도 기성 판매가 가능한 제품들의 개발을 착수하였습니다. 이러한 대물렌즈에는 빛의 초점을 맞추거나 이미지를 형상하는 2개 이상의 미러로 구성된 굴절 디자인이 적용됩니다. 대물렌즈에 관한 일반 정보는 Microscope와 Objectives의 이해에서 확인하십시오.

가장 일반적인 형태의 대물렌즈는 2개로 미러로 이루어진 Schwarzschild objective입니다 (그림 1). 이러한 렌즈 시스템은 spider mount에 고정되어 있는 작은 지름의 "secondary" mirror 그리고 center aperture가 있는 큰 지름의 "primary" mirror로 구성됩니다. Primary mirror와 secondary mirror에는 gold coating 처리가 되어 있어, reflective objective housing 내에서 각각의 위치를 더 정확히 알려 줍니다. 이러한 미러 기반의 대물렌즈는 2가지 configuration으로 제공됩니다. 하나는 포커싱 용도를 위한 infinity corrected 구조이며 다른 하나는 이미징 용도를 위한 infinite conjugate 구조입니다.

그림 1: Reflective Objective의 구조

REFLECTIVE OBJECTIVE의 유형

Infinity Corrected Reflective Objectives

Infinity corrected reflective objectives (그림 2)는 포커싱 용도에 적합한 렌즈입니다. 시준된 빛이 secondary mirror의 center aperture를 통과해 대물렌즈 안으로 입사되고 특정 working distance에서 빛의 초점을 맞추게 됩니다. 이러한 구성은 광대역 혹은 다양한 레이저 소스를 단일점(single point)으로 초점을 맺게 하는 경제적인 수단을 제공합니다. 주요 용도로는 VIS reference beam을 통합시키는 IR이나 UV 레이저(예: Nd:YAG laser)의 포커싱이 있습니다.

그림 2: Infinity Corrected Reflective Objective의 디자인

Finite-Conjugate Reflective Objectives

Finite conjugate reflective objectives (그림 3)는 이미징 용도에 적합한 렌즈입니다. 이러한 대물렌즈는 간편 솔루션으로서 포커싱을 위한 추가 옵틱을 필요로하지 않습니다. Finite conjugate mirror-based configuration은 해상도가 우수하기 때문에 일반적으로 기존의 refractive microscope objective를 대신해서 사용할 수 있습니다. Infinity corrected reflective objectives는 tube lens를 추가하면 이미징 용도로 사용할 수 있고 빔 경로 안에서 빔의 조정이 가능해져 유연성이 증대됩니다.

그림 3: Finite-Conjugate Reflective Objective의 디자인

반사 현미경 렌즈 VS. 굴절 현미경 렌즈 디자인의 장점

굴절 대물렌즈에 비해 반사 대물렌즈의 가장 큰 장점은 광대역 범위에서의 색 수차 조절 능력입니다. 한정된 영역에서 유사한 성능을 보이는 굴절 대물렌즈는 예를 들어 가시광 범위의 용도에서 상당히 대중적으로 사용됩니다. 단, 디자인 범위를 벗어나면 투과와 이미지 성능에 문제가 생깁니다. 추가적으로 다양한 코팅 옵션을 제공함으로써 deep UV, IR 및 특정 레이저 파장에서 뛰어난 성능을 갖게 됩니다.

반사 대물렌즈의 주요 스펙

반사 대물렌즈를 비교할 때는 이러한 미러 기반의 시스템에 적용되는 2가지의 독특한 변수를 반드시 고려해야 합니다: obscuration(암흑화)과 투과되는 wavefront. 반사 시스템에서는 중앙부에 primary mirror가 위치하여 빛을 secondary mirror로 전달하기보다는 겉도는 미광(stray light)을 통과해 이를 역반사 시킵니다. 이를 방지하기 위해 제조 시 primary mirror의 중앙 부분 위에 흡수 코팅을 입히게 됩니다. 암흑화가 발생하는 2곳은 primary 미러의 직경 쪽과 spider leg의 너비 쪽입니다. 비록, 일부 제조사들은 중심부의 암흑화만 스펙에 표기하지만, 최상의 방법은 명시된 스펙에 모든 종류의 암흑화를 포함하는 것입니다. 예를 들어, 에드몬드 옵틱스에서는 모든 종류의 암흑화를 반사 대물렌즈 제품 스펙에 명시하도록 하고 있습니다.

투과 웨이브프런트 오류(Transmitted wavefront error)는 반사 대물렌즈를 이용하는 대다수의 어플리케이션에서 가장 중요하게 여겨야하는 변수일지도 모릅니다. 투과 웨이브프런트 오류는 웨이브프런트가 시스템에 들어가고 나오면서 입출력 사이에 생기는 차이입니다. 근래에는 미러 제조 시 높은 정밀도로 표면을 제작하고 시험할 수 있어 더욱 정확하게 보정된 시스템을 만들어 낼 수 있습니다. λ/20 peak-to-valley (P-V)를 준수하는 미러를 갖을 수 있게 됨으로써, ≤ λ/4 P-V의 투과 웨이브프런트를 보유한 반사 대물렌즈의 제작이 가능해졌습니다. 예를 들어, 에드몬드 옵틱스에서는 fixed TECHSPEC® ReflX™ Reflective Objectives 전제품을 단단히 장착하여, 표준 제품 라인에서는 λ/10 RMS transmitted wavefront 그리고 고성능 제품 라인에서는 λ/4 P-V transmitted wavefront를 보장해드립니다. TECHSPEC® ReflX™ Reflective Objectives의 fixed line 제품들은 Zygo GPI-XP Interferometer로 능동 정렬되고 테스트를 거치기 때문에 각각의 대물렌즈가 스펙을 준수할 수 있게 보장해줍니다.

이처럼 웨이브프런트의 오류가 낮아지면 반사 대물렌즈는 회절제한 또는 근회절 제한 성능을 갖게 될 수 있습니다. 회절이 제한된 대물렌즈는 Airy Disk로 규정되는 초점의 스팟을 최소 사이즈로 만들어내며, 최소 스팟의 직경은 다음과 같이 대물렌즈와 파장의 NA 값을 이용해 구할 수 있습니다:

Airy disk에 관한 자세한 내용은 당사 어플리케이션 노트 해상도와 콘트라스트의 한계: The Airy Disk를 참고하시기 바랍니다.

기존의 굴절 대물렌즈가 특정 파장 범위 내에서 활용되는 어플리케이션에 적합한 반면, 반사 대물렌즈는 deep-UV ~ far-IR까지의 광대역 범위에서도 광학적 성능과 이미지 품질을 향상할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 반사 대물렌즈는 회절 제한 성능과 색 수차 보정이 굉장히 중요한 FTIR, laser focusing, and ellipsometry(타원 편광법) 용도에 이상적으로 사용할 수 있습니다.