KR20060033860A - 이중으로 피복된 섬유 주사 현미경 - Google Patents

Abstract

이중으로 피복된 섬유 주사 현미경이 개시된다. 본 발명에 따른 섬유 주사 현미경은 조사 레이저 빔을 출력하는 레이저, 제1 코어 및 일반적으로 제1 코어 내에 위치하고, 레이저로부터 조사 레이저 빔을 수신하여, 조사 레이저 빔을 테스트 샘플로 전송하도록 동작하는 제2 코어를 구비하는 섬유 부재 및 섬유 부재의 일단과 테스트 샘플로 이루어지는 적어도 하나의 그룹을 지지하고, 섬유 부재의 일단과 테스트 샘플을 상대적으로 이동시키도록 동작하는 이동 스테이지(moveable stage);를 포함한다. 본 발명에 의하면, 뛰어난 적응성, 큰 주사 범위, 빠른 주사 속도, 조용한 주사, 수차없는 주사, 낮은 가격 등의 장점을 보유한 주사 현미경이 제공된다.

주사 현미경, 레이저, 코어, 조사 레이저 빔, 이동 스테이지

Description

이중으로 피복된 섬유 주사 현미경{DOUBLE-CLAD FIBER SCANNING MICROSCOPE}

본 발명은 주사현미경에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 향상된 검출 효율을 위해서 이중으로 피복된 섬유를 사용하는 주사현미경에 관한 것이다.

공초점(confocal) 현미경은 1957년에 마빈 민스키에 의해 처음으로 발명되었다. 초기에, 스테이지 주사(stage scanning)는 정지된 광빔의 초점을 가로지르는 점방식 패턴에 표본(specimen)을 이동시키는 것에 의해 영상을 얻도록 하였다. 출구 핀홀은 주사 지점에 결합된 영상 평면에 위치하므로, 초점으로부터 유래된 신호만이 핀홀을 통해서 전달된다. 반면에 초점을 벗어난 신호들은 검출시스템에 이르는 것이 방지된다. 따라서 일반적으로 공초점 현미경은 광시야 현미경보다 고해상도를 나타내며, 보다 중요한 것은, 3차원 영상을 얻기 위한 분해능(sectioning capaility)을 가지고 있다. 스테이지 주사의 장점은 시야 영역이 광대하게 확장된다는 것인데, 왜냐하면 영상화 될 수 있는 영역은 현미경의 광학특성보다도 주사 스테이지(the scanning stage)의 이동 범위에 의해 결정되기 때문이다. 하지만, 그 응용에 제한이 있다는 단점이 있다. 거대한 스테이지를 정밀하게 이동시키는데 시간이 걸리기 때문에 주사 속도는 매우 느리다. 게다가, 이동 스테이지는 시료, 특 히 액체에 담근 생물학적 샘플에 진동 문제를 일으킨다. 이러한 문제점들은 1980년대 후반에 레이저 주사 공초점 현미경이 실용적인 기구로 개발되면서 극복되었는데, 빔 조사가 대물 렌즈의 입구 동공에 맺히는 두 개의 검류계 거울(galvanometer mirrors)에 의해 조절된다. 따라서, 입사 조사광선의 방향만이 입구면에서 벗어난다, 반면에 동공은 조사 내내 완전히 방사된 상태로 남는다. 따라서, 물체로부터 나온 레이져 빔의 초점은 영상화되는 샘플을 가로질러 주사한다. 검류계 거울들로 주사하는 빔은 보다 높은 주사 속도를 나타낸다. 또한 샘플 스테이지의 이동이 없기 때문에 샘플은 진동에 의해 방해받지 않는다. 하지만, 빔 주사 또한 그 자체의 단점을 가지고 있다. 대물렌즈 입구 동공에서의 레이져 빔의 입사 각도는 일정 범위로 변해야 하므로, 고가의 고품질 대물렌즈를 사용하더라도 이에 따르는 수차(aberration)가 불가피하다. 게다가, 시야범위는 물체의 수용각도에 의해 매우 제한된다. 다광자 공초점 현미경의 발명이 출구 핀홀을 생략함으로써 검출 효율을 향상시켰지만, 기본적인 주사 메커니즘은 종전의 공초점 현미경과 동일하다.

위에서 간략히 언급한 바와 같이, 다양한 연구 분야, 특히 생물학 연구에서 필수불가결한 수단이라는 사실에도 불구하고 스테이지- 및 빔-주사 공초점 현미경은 그들 각각의 단점을 가지고 있다.

본 발명에 따른 주사 현미경은 조사 레이저 빔을 출력하는 레이저; 제1 코어 및 일반적으로 상기 제1 코어 내에 위치하고, 상기 레이저로부터 상기 조사 레이저 빔을 수신하여, 상기 조사 레이저 빔을 테스트 샘플로 전송하도록 동작하는 제2 코어를 구비하는 섬유 부재; 및 상기 섬유 부재의 일단과 상기 테스트 샘플로 이루어지는 적어도 하나의 그룹을 지지하고, 상기 섬유 부재의 일단과 상기 테스트 샘플을 상대적으로 이동시키도록 동작하는 이동 스테이지(moveable stage);를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 조사 레이저 빔은 상기 테스트 샘플에 충격을 가해 상기 테스트 샘플을 표시하는 결과신호를 생성하며, 상기 제1 코어는 상기 테스트 샘플로부터 출력되는 상기 결과신호를 수집(collect)하도록 동작하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 결과신호는, 형광신호인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 결과신호는, 라만(Raman) 신호인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 결과신호는, 상기 조사 레이저 빔의 되반사 신호인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 조사 레이저 빔 및 상기 결과 신호를 모두 수신하기 위해 연동되는 광분리 시스템; 및 상기 광분리 시스템에 연동하는 광검출 시스템;을 더 포함하며, 상기 광분리 시스템은 상기 광검출 시스템으로 상기 결과신호를 전송하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제2 코어는, 상기 제1 코어 내에 상기 제1 코어와 동축상에 위치하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 레이저 및 상기 섬유 부재 사이에 상기 레이저 에너지를 전송하기 위해 상기 레이저와 상기 섬유 부재 사이에 위치하는 섬유 커플러;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 섬유 부재는, 복수의 코어를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 테스트 샘플은, 생물학적 조직인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 섬유 부재의 일단과 연동되는 렌즈;를 더 포함하며, 상기 렌즈는 해상도를 증대시키고, 상기 테스트 샘플의 조사(excitation)를 증대시키도록 동작하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 렌즈는, GRIN(Gradient Index) 렌즈인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 주사 현미경은 조사 레이저 빔을 출력하는 레이저 소스; 복수의 섬유 부재들을 포함하며, 상기 복수의 섬유 부재들 각각은 제1 코어 및 일반적으로 상기 제1 코어 내에 위치하며, 상기 레이저 소스로부터 출력되는 상기 조사 레이저를 수신하고, 상기 샘플로부터 결과신호를 생성하기 위해 상기 조사 레이저 빔을 테스트 샘플로 전송하도록 동작하는 제2 코어를 구비하는 복수의 섬유 부재들을 포함하는 섬유 부재 시스템; 상기 조사 레이저 빔 및 상기 결과신호를 수신하기 위해 연동되는 광분리 시스템; 및 상기 광분리 시스템에 연동되는 광검출 시스템;을 포함하며, 상기 광분리 시스템은 검출을 위해 상기 광검출 시스템에 결과신호를 전송하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 섬유 부재 시스템과 상기 테스트 샘플로 이루어지는 적어도 하나의 그룹을 지지하고, 상기 섬유 부재 시스템과 상기 테스트 샘플을 상대적으로 이동시키도록 동작하는 이동 스테이지(movable stage);를 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 복수의 섬유 부재 내의 상기 제1 코어 및 상기 2 코어는 상기 테스트 샘플로부터 상기 결과신호를 수집(collect)하도록 동작하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 결과신호는, 형광신호인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 결과신호는, 라만(Raman) 신호인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 결과신호는, 상기 조사 레이저 빔의 되반사 신호인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제2 코어들 각각은, 상기 각각의 제1 코어들 내에 상기 제1 코어들과 동축상에 위치하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 섬유 부재 시스템과 접속되어 상기 조사 레이저 빔 및 상기 결과신호를 전송하는 섬유 커플러;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 샘플은, 생물학적 조직인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 섬유 부재 시스템과 연동되는 렌즈;를 더 포함하며, 상기 렌즈는 해상도를 증대시키고, 상기 샘플의 조사(excitation)를 증대시키도록 동작하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 렌즈는, GRIN(Gradient Index) 렌즈인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 새로운 이중피복된 섬유에 기초한 주사 공초점 현미경은 스테이지- 및 빔-주사 형태의 장점들을 가지며, 반면에 통상적인 공초점 현미경의 모든 주요 단점을 극복하였다. 게다가, 본 발명은 더 나아가 증대된 융통성과 저비용 등 중요한 새로운 특징들을 제공한다.

본 발명의 원리에 따르면, 레이저 에너지를 방출하는 레이저를 포함하는 주사 현미경이 제공된다. 제1 코어와 제2 코어를 포함하는 섬유부재가 레이저에 연결된다. 섬유부재의 제2 코어는 일반적으로 제2 코어를 위한 제1 클래딩으로 작용하는 제1 코어 내에 배치되어 있고, 제2 코어는 제1 코어보다 그 크기가 작다. 제1 코어는 제2 클래딩에 의해 둘러 싸여져 있다. 섬유부재의 반대쪽 끝은 이동을 위해 이동 스테이지(movable stage)에 장착된다.

본 발명의 그 밖의 적용 가능영역은 이하에서 제공되는 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다. 상세한 설명과, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는, 구체적인 예들은 설명을 위한 목적일 뿐이고, 본 발명의 범위를 제한하지 위한 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 상세한 설명과 이에 따르는 도면들로부터 보다 완전히 이해될 것이다.

도 1은 단일 모드 섬유와 비교하여 이중 피복된 섬유를 통해 검출된 2-광자 형광 전력을 설명하는 그래프이다.

도 2는 본 발명의 이중으로 피복된 섬유 주사현미경을 설명하는 개략도이다.

도 3은 GRIN 렌즈가 조사 빔(excitation beam)을 포커스하고 형광 또는 다른 결과 신호를 모으는데 이용된 경우 산출된 결과들을 나타낸 도면이며, 여기서 모아진 형광의 스팟 사이즈는 반지름이 약 49㎛이며, 이는 섬유 끝(fiber tip)에서 출력되는 조사 빔보다 크다.

도 4는 주사 헤드로 사용되는 양면 접점용 섬유의 투시도이다.

후술하는 바람직한 실시예 설명은 본래 단지 예시적인 것이고 결코 본 발명, 이의 응용, 또는 용도를 제한하기 위함이 아니다.

대물렌즈에서 입사 빔의 입사각을 변화시키는 것을 포함하는 통상의 빔 주사와는 대조적으로, 본 발명의 빔 주사는 조사(excitation)를 위해 레이저를 전달하고 동일한 섬유를 따라 돌아오는 신호를 모으는 광섬유를 이동시키는 것에 의해 이루어질 수 있다. 통상의 섬유는 단일 모드 섬유이든지 다중 모드 섬유이든지 이런 방식으로 실제로 사용될 수 없다. 단일 모드 섬유(SMF)는 조사에 적절한 모드를 가지고 있지만, 개구수(numerical aperture:NA)가 대체로 약 0.1뿐이므로 매우 비효율적으로 신호를 모으게 된다. 반면에, 비록 다중 모드 섬유가 신호를 모으는데 적합한 보다 큰 개구수를 구비하고 있더라도, 출력모드(output mode)는 정확하게 촛점이 맞춰질 수 없으며, 따라서 결과적으로 비효율적 조사(excitation)와 낮은 해상도(resolution)를 초래하게 된다. 게다가, 다광자 조사(excitation)의 경우에, 초단 레이저 펄스(ultra short laser pulse)는 다중모드 섬유를 통하여 전파하는 동안에 심하게 변형되기 때문에, 다중모드 섬유는 더욱 낮은 조사율(excitation rate)에 이르게 된다.

생체탐지(biosensing)에서의 트레이드-오프 문제(trade-off issue)를 설명하기 위해, 미국 임시특허 출원번호 60/434,604.(U. S. Provisional Application No. 60/434,604.)에 기술된 바와 같이 이중으로 피복된 섬유가 섬유를 통한 생체탐지(through-fiber biosensing)에 대한 조사 및 집적(collection) 효율을 제고시키기 위하여 사용될 수 있다. 이 출원은 참조문헌으로서 여기에 포함되어 있다. 도 1을 참조하면, 이 출원에서 라인 A에 의해 표현되는 이광자(two-photon) 발광 검사 민감도(fluorescence detection sensitivity)는, 라인 B에 의해 표현되는 종래의 단일모드 섬유와 비교할 때, 광자를 끌어들이는 결정체인 이중으로 피복된 섬유(photonic crystal double-clad fiber)를 사용함으로써 40배 증가한다.

도 2를 참조하면, 일반적으로 도면번호 10으로 지시되는 이중으로 피복된 섬유 주사 현미경의 개략도가 도시되어 있다. 그럼에도 불구하고, 이 이중으로 피복된 섬유 주사 구조에 근거하여 다른 구성이 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 이중으로 피복된 섬유 주사 현미경(10)은 레이저(12)를 갖는 것으로 설명되어 지는데, 레이저(12)는 레이저 광선(14)을 발사할 수 있다. 레이저(12)는 조사(excitation) 레이져 광선으로서 참조되어 질 수 있다. 레이저(12)는 섬유 커플러(fiber coupler)(18)를 경유하여 이중으로 피복된 섬유 또는 섬유재(fiber member)(16)에 실시가능하게 결합된다. 보다 자세히 설명하면, 이중피복섬유(16)는 내부코어(20), 외부코어(22) 및 외부 클래딩(24)을 포함한다. 내부코어(20)는 외부코어(22) 및 외부 클래딩(24)과 각각 동심축에 위치한다. 그러나, 이러한 관계가 반드시 요구되는 것은 아니다. 외부코어(22)는 또한 내부코어(20)에 대한 내부 클래딩으로 역활을 하고 따라서 이중 목적으로 기능함을 알 수 있다. 도 3의 (a)를 참조하면, 이중피복섬유(16)는 복수의 섬유들(plurality of fibers)(16)로 이루어 지는 섬유 부재 시스템(fiber member system)(16)일 수 있다.

레이저 빔(14)이 이중피복섬유(16)의 가까운 말단부(26)에 위치한 내부코어(20)에 인입되도록, 레이저(12)는 섬유 커플러(18)를 통과하여 이중피복 섬유(16)에 결합된다. 이중피복 섬유(16)의 먼 쪽 말단부(28)는 3차원(3-D)의 고속 주사 스테이지(scanning stage)(30)에 결합되는데, 주사 스테이지(scanning stage)(30)는 이중피복 섬유(16)의 먼 쪽 말단부(28)를 조사(excitation)시키면서 대상 샘플(sample of interest)(32)을 가로질러 레이저 빔(14)을 이동시킬 수 있게 된다. 그린(GRIN) 렌즈와 같은 마이크로-렌즈(34)는 이중피복 섬유(16)의 먼 쪽 말단부(28)에 부착될 수 있는데, 이는 레이저 빔(14)을 보다 작은 지점에 촛점을 맞추어 보다 높은 해상도(resolution)를 달성하기 위한 것이다. 발광신호, 라만신호(Raman signals), 레이져 빔(14)의 되반사(back reflection) 등과 같은 결과신호로서 대상 샘플(32)로부터 발산되는 결과신호는 이중피복 섬유(16)의 내부코어(20)와 외부코어(22)를 통과하여 다시 집적되고, 광학 검출 시스템(38)에 도달하기 전에 이색성 거울(dichroic mirror)과 같은 광학 분리 시스템(36)을 사용하여 조사 레이저 빔(14)으로부터 분리된다. 한편, 상기 결과신호는 발광신호, 라만신호(Raman signals), 레이져 빔(14)의 되반사(back reflection) 등에 제한되는 것은 아니다. 필터(40)는 불필요한 신호를 여과하여 불필요한 신호가 광학 검출 시스템(38)에 도달하는 것을 방지하기 위한 목적으로 사용될 수 있다.

이중피복 섬유(16)와 관련하여, (내부에 피복된) 내부코어 및 외부코어의 렌즈 개구수는 독립적으로 적정화될 수 있다. 고배율 대물렌즈와 비교할 때, 외부코 어의 렌즈 개구수는 공기중에서 0.8배 또는 똑같은 수치이다. 더욱이, GRIN(Gradient Index) 렌즈와 같은 렌즈가 조사 광선(excitation light)을 보다 더 촛점에 맞추기 위하여 이중피복 섬유(16)에 연결될 때, 렌즈로부터 이중피복 섬유재로 다시 수용된 형광신호의 집적 효율은 높아지게 되는데, 이는 렌즈의 색수차(chromatic aberration)가 존재하더라도 보다 큰 외부코어가 효율적으로 형광신호를 수집(collect)할 수 있기 때문이다. 만약 종래의 섬유재가 이 경우에 사용된다면 결과신호의 효율은 낮게 된다.

도 3 (a)- (e)를 참조하면, GRIN 렌즈로부터 수집된 발광물(collected fluorescence)은 이중피복 섬유재(16)의 먼 쪽 말단부(28)에 커다란 점(spot)을 형성한다. 즉, 도 3 (a)를 참조하면, 섬유 부재 시스템(fiber member system)(16)은 앞서 언급한 복수의 내부코어(20) 및 외부코어(22)를 포함한다. 도 3 (b)를 참조하면, 조사 빔(excitation beam)(300)이 이중피복 섬유(16)를 떠날 때, 여기 빔(excitation beam)(300)은 GRIN 렌즈와 같은 렌즈(34)를 통과하고, 샘플(32)에 촛점이 집중된다. 조사 빔(excitation beam)(300)은, 일반적으로 도 3 (c)에 도시된 바와 같이, 결과신호(302)가 샘플(32)로부터 생성되도록 한다. 이 결과신호(302)는, 예를 들어, 약 1㎛의 반지름을 가질 수 있다. 그러나, 도 3 (d)를 참조하면, 결과신호(302)는 다시 렌즈(34)를 통과한다. 이상적으로 결과신호(302)는 이중피복 섬유재(16)의 먼쪽 말단부(28)에 완전하게 촛점이 맞춰지게 된다. 그러나, 색수차(chromatic aberration) 및/또는 그 밖의 이상현상(anomalies) 때문에 결과신호(302)의 보다 큰 흔적이 만들어져서 약 49 ㎛의 반지름을 가질 수 있다. 종래방법 에 의한 수집(collection)에서, 이와 같은 큰 흔적은 수집되지 아니하고, 따라서 시스템의 효율성을 감소시킨다. 그러나, 본 발명에서는 높은 개구수를 갖는 외부코어(22)가 더 많은 결과신호(302)를 포집할 수 있고, 따라서 개선된 탐지 효율(detection efficiency)을 제공하게 된다.

본 발명의 이중으로 피복된 섬유 주사 현미경(scanning microscope)(10)은 종래의 주사 현미경(scanning microscopes)에 비하여 많은 장점을 제공한다. 예를 들면, 이미 기술한 바와 같이, 이중으로 피복된 섬유 주사 현미경(scanning microscope)(10)은 매우 간단한 구조를 가지고 있다. 그러나, 이것은 혁신적이고 근본적인 주사 메커니즘(scanning mechanism)의 변화를 가지고 포함하고 있는데, 이것은 새로운 타입의 주사 현미경(scanning microscope)의 독특한 특성을 확실히 보증한다.

본 발명의 이중으로 피복된 섬유 주사 현미경(10)은 매우 플렉시블하다. 특히, 이중피복섬유(16)의 말단(28)을 포함하는 주사 헤드는 단일 섬유를 통과하는 주사 스테이지(30)의 작은 이동(ex: x-y, x-y-z)에 의해 제어되므로, 이중 피복된 섬유 주사 현미경(10)은 조사 소스(excitation source) 및 검출에 영향을 받지 않고 자유롭게 조정될 수 있다. 따라서, 영상 주사는 직립 또는 역형태 또는 필요하다면 임의로 각도에서 수행될 수 있다. 주사 스테이지(30)는 대상 샘플에 대해 어떤 주사 패턴도 쉽게 얻을 수 있다. 또한, 주사 스테이지(30)는 조사 소스 및 검출 시스템과 함께 독립적으로 실행되는 현미경을 구축하는데 이용될 수 있다. 또한, 주사 스테이지(30)는 종래의 광 현미경에 통합되는 하나의 구성요소로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 주사 스테이지(30)는 대물렌즈 삽입부(nosepiece)에 나사로 고정된 구성 요소로 제작될 수 있다. 따라서, 종래의 현미경을 아래에서 기술하는 바와 같은 다양한 장점을 갖는 주사 현미경으로 쉽게 변환할 수 있다.

넓은 주사 범위

종래의 빔 주사 현미경과 달리, 이중 피복된 섬유 주사 현미경(10)의 주사 범위는 이중피복섬유(16)의 말단을 제어하는데 이용되는 주사 스테이지(30)의 이동 범위에 의해 결정된다. 실제로, 미크론(micron)보다 작은 높은 해상도를 유지하면서 밀리미터 혹은 그 보다 큰 범위까지 이동 범위가 증가되는 것이 발견되었다. 이러한 특성으로 인하여 큰 샘플에 대한 전체 영상을 얻을 수 있게 된다. 예를 들어, 종래의 빔 주사 현미경의 주사 범위는 대물 렌즈의 안계(field of view) 제한으로 인하여 세포 스케일로 제한된다. 이와 달리, 이중피복섬유(16)에 기초한 새로운 빔 주사 메커니즘에 의하면, 단일 주사로 전체 유기체 또는 종양의 영상을 얻을 수 있다.

고속 주사

빠른 주사 속도는 실용적인 장치를 구축하는데 필요하다. 종래의 스테이지-주사 현미경에서는, 거대한 스테이지를 샘플 및 샘플 홀더와 함께 이동시키는 데 많은 시간이 걸리므로, 주사 속도는 일반적으로 매우 느리다. 여기서 기술된 주사 메커니즘은 단지 경량의 섬유 조각을 이동시키는 것을 포함할 뿐이다. 빔 주사에 이용되는 주사 거울들과 유사하게, 섬유 조각은 스캐너(주사 장치)에 의해 고속으로 스캔할 수 있다.

샘플에 대한 진동이 없음

뛰어난 고속 주사에도 불구하고, 샘플의 영상화를 방해하는 진동은 전혀 없다. 왜냐하면, 주사 스테이지와 달리 주사 과정 동안 샘플은 정지해 있기 때문이다. 경량의 섬유 조각 외에 고속 주사가 가능하게 되는 실질적인 이유가 있다. 또한, 섬유 조각으로부터 멀리 떨어진 필드(field)의 조사는 저음의 빔 주사를 구현하는데 이용된다. 이 것은 가까운 필드에서 주사 광 현미경의 사용에 있어 심각한 문제라고 할 수 있는 주사 팁(tip)과 샘플들 간의 상호작용과 같은 불가피한 문제점들을 극복한다.

수차없는 주사

종래의 빔 주사에 있어서, 두 개의 주사 거울들은 대물렌즈의 입구에서 조사 광의 입사각을 변경하는데 이용되는 데, 이로 인하여 축 이탈 수차(off-axis aberrations)들이 유발된다. 축 이탈 수차가 보정된 대물렌즈를 설계 및 제작하는 것은 매우 어렵고 비용이 많이 든다. 또한, 많은 노력에도 불구하고, 축 이탈 수차는 특히 상대적으로 넓은 안계에 대해 완전히 보상되기 어렵기 때문에, 안계(the field of view)와 영상의 품질과의 타협은 계속되어야 한다. 플렉시블한 이중피복 섬유(16)에 조사 빔을 주사하는 방법은 종래의 빔 주사와 관련된 수차 문제를 해결 할 수 있다. 이중으로 피복된 섬유 주사 현미경(10)에서, 샘플의 각 주사 지점은 동일하게 조도되어야 하며, 전체 주사 범위를 통해 동일한 신호가 모아진다. 이러한 특성은 대상 샘플에 대해 높은 품질의 영상을 얻을 수 있도록 해준다.

낮은 가격

이중 피복된 섬유 주사 현미경을 구성하기 위한 비용은 주사 거울에 기초하여 하나의 주사 단위를 갖는 종래의 빔 주사 현미경을 구성하기 위한 비용보다 낮다. 위에서 설명한 바와 같이, 상대적으로 넓고 평평한 안계를 얻고, 축 이탈 수차를 보상하기 위한 대물렌즈의 요건은 중요하다. 또한, 대물렌즈의 입구에 주사 거울의 상을 영상화하기 위해 높은 광학 특성을 갖는 영상 시스템이 요구된다. 이러한 인자들은 종래의 빔 주사 현미경의 제조 비용을 높인다.

이와 달리, 이중으로 피복된 섬유 주사 현미경(10)에서, 섬유 커플러(18)로 이용되는 대물렌즈는 단지 광을 이중피복 섬유(16)의 끝 부분에 포커싱할 뿐이다. 따라서, 섬유 파이버에서 대물렌즈는 요건을 충족시키면서 상대적으로 낮은 가격으로 제조될 수 있다. 이중피복 섬유의 말단을 제어함으로써 빔 주사를 구현할 수 있는데, 이로 인해 종래의 빔 주사 현미경에 이용되는 주사 거울들과 고품질의 영상 시스템으로 이루어지는 고비용의 주사부(scanning unit)를 대체할 수 있다. 따라서, 이중 클래드 섬유(16)에 기초한 새로운 주사 메커니즘을 이용하여 저비용, 고성능의 현미경을 제작하는 것이 가능하게 된다.

이중으로 피복된 섬유 배열 주사 현미경

위에서, 하나의 이중피복 섬유(16)를 이용한 이중으로 피복된 섬유 주사 현미경(10)이 설명되었다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같은 이중피복 섬유(16)의 1차원(1-D) 또는 2차원(2-D) 배열(200)을 이용하여 주사 속도를 더욱 향상시킬 수 있다고 판단된다.

조사 광(Excitation light)은 멤스 스위치와 같은 종래의 기술들을 이용하여 이중피복 섬유 배열(200)에 결합될 수 있다. 단일 섬유에 주사하는 대신에, 이중 피복 섬유 배열(200)에 동시에 주사할 때, 주사 속도는 이중피복 섬유 배열에서 이중으로 피복된 섬유들의 개수에 의해 증가된다. 예를 들어, 각각 1mm의 간격으로 이격된 5개의 이중피복 섬유들(16)을 단일 이동 스테이지(30)에 장착하여 이용하면, 주사될 5mm의 라인은 단지 1mm의 이동만이 요구된다. 따라서, 주사 속도는 단일 섬유 주사에 비해 5배 정도 증가된다. 이중피복 섬유들의 2차원 배열이 이용되면, 넓은 영상 영역에 대해서도 높은 주사 속도를 유지할 수 있게 된다.

이중피복 섬유 주사에 기초한 신형 주사 현미경들의 새로운 메커니즘이 제공된다. 이 현미경은 종래의 스테이지 및 빔 주사 현미경들의 결점을 극복하고, 위에서 언급한 많은 장점들을 보유한다. 예를 들어, 뛰어난 적응성, 큰 주사 범위, 빠른 주사 속도, 조용한 주사, 수차없는 주사, 낮은 가격 등의 장점을 보유한다. 이러한 모든 장점들이 하나의 현미경에 집적되므로, 다양한 분야에서의 응용이 기대된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하고 있으나, 본 발명 은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (23)

1. 조사 레이저 빔을 출력하는 레이저;

   제1 코어 및 일반적으로 상기 제1 코어 내에 위치하고, 상기 레이저로부터 상기 조사 레이저 빔을 수신하여, 상기 조사 레이저 빔을 테스트 샘플로 전송하도록 동작하는 제2 코어를 구비하는 섬유 부재; 및

   상기 섬유 부재의 일단과 상기 테스트 샘플로 이루어지는 적어도 하나의 그룹을 지지하고, 상기 섬유 부재의 일단과 상기 테스트 샘플을 상대적으로 이동시키도록 동작하는 이동 스테이지(moveable stage);를 포함하는 주사 현미경.
2. 제1항에 있어서,

   상기 조사 레이저 빔은 상기 테스트 샘플에 충격을 가해 상기 테스트 샘플을 표시하는 결과신호를 생성하며,

   상기 제1 코어는 상기 테스트 샘플로부터 출력되는 상기 결과신호를 수집(collect)하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
3. 제2항에 있어서, 상기 결과신호는,

   형광신호인 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
4. 제2항에 있어서, 상기 결과신호는,

   라만(Raman) 신호인 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
5. 제2항에 있어서, 상기 결과신호는,

   상기 조사 레이저 빔의 되반사 신호인 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
6. 제2항에 있어서,

   상기 조사 레이저 빔 및 상기 결과 신호를 모두 수신하기 위해 연동되는 광분리 시스템; 및

   상기 광분리 시스템에 연동하는 광검출 시스템;을 더 포함하며,

   상기 광분리 시스템은 상기 광검출 시스템으로 상기 결과신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2 코어는,

   상기 제1 코어 내에 상기 제1 코어와 동축상에 위치하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
8. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 및 상기 섬유 부재 사이에 상기 레이저 에너지를 전송하기 위해 상기 레이저와 상기 섬유 부재 사이에 위치하는 섬유 커플러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
9. 제1항에 있어서, 상기 섬유 부재는,

   복수의 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
10. 제1항에 있어서, 상기 테스트 샘플은,

    생물학적 조직인 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
11. 제1항에 있어서,

    상기 섬유 부재의 일단과 연동되는 렌즈;를 더 포함하며,

    상기 렌즈는 해상도를 증대시키고, 상기 테스트 샘플의 조사(excitation)를 증대시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
12. 제11항에 있어서, 상기 렌즈는,

    GRIN(Gradient Index) 렌즈인 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
13. 조사 레이저 빔을 출력하는 레이저 소스;

    복수의 섬유 부재들을 포함하며, 상기 복수의 섬유 부재들 각각은 제1 코어 및 일반적으로 상기 제1 코어 내에 위치하며, 상기 레이저 소스로부터 출력되는 상기 조사 레이저를 수신하고, 상기 샘플로부터 결과신호를 생성하기 위해 상기 조사 레이저 빔을 테스트 샘플로 전송하도록 동작하는 제2 코어를 구비하는 복수의 섬유 부재들을 포함하는 섬유 부재 시스템;

    상기 조사 레이저 빔 및 상기 결과신호를 수신하기 위해 연동되는 광분리 시스템; 및

    상기 광분리 시스템에 연동되는 광검출 시스템;을 포함하며,

    상기 광분리 시스템은 검출을 위해 상기 광검출 시스템에 결과신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
14. 제13항에 있어서,

    상기 섬유 부재 시스템과 상기 테스트 샘플로 이루어지는 적어도 하나의 그룹을 지지하고, 상기 섬유 부재 시스템과 상기 테스트 샘플을 상대적으로 이동시키도록 동작하는 이동 스테이지(movable stage);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
15. 제13항에 있어서,

    상기 복수의 섬유 부재 내의 상기 제1 코어 및 상기 2 코어는 상기 테스트 샘플로부터 상기 결과신호를 수집(collect)하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
16. 제13항에 있어서, 상기 결과신호는,

    형광신호인 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
17. 제13항에 있어서, 상기 결과신호는,

    라만(Raman) 신호인 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
18. 제13항에 있어서, 상기 결과신호는,

    상기 조사 레이저 빔의 되반사 신호인 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
19. 제13항에 있어서, 상기 제2 코어들 각각은,

    상기 각각의 제1 코어들 내에 상기 제1 코어들과 동축상에 위치하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
20. 제13항에 있어서,

    상기 섬유 부재 시스템과 접속되어 상기 조사 레이저 빔 및 상기 결과신호를 전송하는 섬유 커플러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
21. 제13항에 있어서, 상기 샘플은,

    생물학적 조직인 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
22. 제13항에 있어서,

    상기 섬유 부재 시스템과 연동되는 렌즈;를 더 포함하며,

    상기 렌즈는 해상도를 증대시키고, 상기 샘플의 조사(excitation)를 증대시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 주사 현미경.
23. 제22항에 있어서, 상기 렌즈는,

    GRIN(Gradient Index) 렌즈인 것을 특징으로 하는 주사 현미경.

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