KR100719893B1

KR100719893B1 - 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하는 공초점현미경

Info

Publication number: KR100719893B1
Application number: KR1020050099219A
Authority: KR
Inventors: 김덕영; 육영춘
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2007-05-18
Also published as: KR20070043207A

Abstract

본 발명은 공초점 조건을 만족하면서도 공간필터 또는 광섬유의 각 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거한 상태에서 샘플 시료 이미지를 취득하도록 구성된 공초점 현미경(200)에 관한 것으로서, 광원(210)의 빛을 평행광으로 변환하거나 포커싱하는 다수 개의 렌즈들과, 렌즈들의 전방 또는 후방에 위치하는 공초점 주사수단과, 광원(210)의 빛 또는 샘플 시료(250)의 표면에서 반사된 빛을 그 진ㅂ이 변경되도록 반사시키거나 통과시키는 빔 스플리터 및, 샘플 시료(250)에서 반사된 빛의 영상을 취득하는 광검출기를 포함한다. 그리고, 본 발명의 광검출기는 적어도 2개가 설치되며, 제1 광검출기(260)는 샘플 시료(250)의 표면에서 반사된 빛을 취득하도록 샘플 시료(250)의 상부에 위치하며, 제2 광검출기(261)는 제1 광검출기(260)로부터 이격되게 위치하고; 본 발명의 빔 스플리터는 적어도 2개가 설치되며, 제1 빔 스플리터(240)는 샘플 시료(250)가 놓여지는 위치와 제1 광검출기(260) 사이에 설치되며, 제2 빔 스플리터(241)는 광원(210)과 제1 빔 스플리터(240) 사이에서 제1 빔 스플리터(240)로부터 전달되는 빛을 제2 광검출기(260)로 반사시키고; 공초점 주사수단(공간필터 또는 광섬유)은 제1, 제2 빔 스플리터(240, 241) 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하는 공초점 현미경{Confocal Microscope Removing Measurement Noise Generated by Diffraction Phenomenon}

도 1은 종래기술에 따른 공간필터를 이용한 공초점 현미경의 개략도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하도록 구성된 공초점 현미경의 개략도이고,

도 3은 도 2에 도시된 공초점 현미경의 제1, 제2 광검출기에서 각각 취득된 이미지 선명도를 나타낸 그래프이고,

도 4는 광섬유 샘플 시료를 측정한 데이터들의 그래프들로서, (a)는 공간필터를 이용한 경우와 공간필터를 이용하지 않는 경우에 각각 취득한 데이터들이고, (b)는 도 2에 도시된 본 발명의 공초점 현미경을 이용하여 취득한 데이터이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예로서, 편광된 빛이 광원으로 사용되는 경우에 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하도록 구성된 공초점 현미경의 개략도이고,

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 공간필터를 대신하는 광섬유를 이용하는 경우에 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하도록 구성된 공초점 현미경의 개략도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100, 200, 300, 400 : 공초점 현미경

110, 210, 310 : 광원

130, 230, 330 : 공간필터

240, 241, 340, 341 : 빔 스플리터

150, 250, 350 : 샘플 시료

160, 260, 261, 360, 361 : 광검출기

본 발명은 공초점 현미경에 관한 것으로서, 특히 공초점 조건을 만족하면서도 공간필터 또는 광섬유의 각 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거한 상태에서 샘플 시료 이미지를 취득하도록 구성된 공초점 현미경에 관한 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 공간필터를 이용한 공초점 현미경의 개략도이다.

도 1에 도시된 종래기술에 따른 공초점 현미경(100)은 미국특허 제4,468,118호에 공지된 바와 같이 일반적으로 다음과 같이 구성된다. 즉, 종래기술의 공초점 현미경(100)은 광원(110)에서 발생되는 빛이 제1 렌즈(121)를 통과하면서 평행광으로 변환되고, 이런 평행광이 빔 스플리터(140)에서 방향전환되어, 대물렌즈(124)를 통해 샘플 시료(150)의 단면에 포커싱된다. 그러면, 종래기술의 공초점 현미경(100)은 샘플 시료(150)의 단면에서 반사되는 빛이 빔 스플리터(140)를 통과해서 광검출기(160)에 도달된다. 이때, 높은 분해능으로 샘플 시료(150)의 이미지를 취득하기 위해서 광검출기(160)의 전방에 공간필터(130)가 설치된다.

이와 같은 구성으로 공초점 현미경(100)은 일반 현미경에 비해 높은 공간 분해능으로 샘플 시료(150)의 이미지를 취득할 수 있어서, 생물-물리와 같은 다양한 연구분야에서 사용되고 있다.

하지만, 종래기술의 공초점 현미경(100)은 공간필터(130)의 회절현상으로 인해 샘플 시료(150)의 이미지에 노이즈가 발생되는 문제점이 있었다. 그럼에도 불구하고, 종래기술의 공초점 현미경(100)에서는 대부분의 샘플 시료(150)들의 이미지 굴절률 차가 크기 때문에, 공간필터(130)에 의해 발생되는 노이즈는 샘플 시료(150)의 이미지 명암에 비해 무시할 수 있는 정도였다.

하지만, 공간필터(130)에 의해 발생되는 노이즈는 이미지 굴절률 차가 적은 샘플 시료(150)를 종래기술의 공초점 현미경(100)으로 측정하는 경우에 무시할 수 없는 정도의 부정확한 데이터가 취득될 수 밖에 없다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 공초점 조건을 만족하는 지점에서 회절현상에 의해 발생되는 노이즈가 없는 상태의 샘플 시료 이미지를 취득하도록, 종래기술과 달리 제1, 제2 광검 출기와 다수 개의 렌즈들 및 공간필터 등이 배열 설치되는 공초점 현미경을 제공하는데 그 목적이 있다.

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공초점 현미경은 빛을 발생시키는 광원과, 상기 광원의 빛을 평행광으로 변환하거나 포커싱하는 다수 개의 렌즈들과, 상기 렌즈들 전방 또는 후방에 위치하는 공초점 주사수단과, 상기 광원의 빛 또는 샘플 시료의 표면에서 반사된 빛을 그 진행방향이 변경되도록 반사시키거나 통과시키는 빔 스플리터 및, 상기 샘플 시료에서 반사된 빛의 영상을 취득하는 광검출기를 포함한다. 그리고, 상기 광검출기는 적어도 2개가 설치되며, 제1 광검출기는 상기 샘플 시료의 표면에서 반사된 빛을 취득하도록 상기 샘플 시료의 상부에 위치하고, 제2 광검출기는 상기 제1 광검출기로부터 일정 간격 이격되게 위치하고; 상기 빔 스플리터는 적어도 2개가 설치되며, 제1 빔 스플리터는 상기 샘플 시료가 놓여지는 위치와 상기 제1 광검출기 사이에 설치되며, 제2 빔 스플리터는 상기 광원과 상기 제1 빔 스플리터 사이에서 상기 제1 빔 스플리터로부터 전달되는 빛을 상기 제2 광검출기로 반사시키고; 상기 공초점 주사수단은 상기 제1, 제2 빔 스플리터 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공초점 주사수단은 공간필터인 것이 바람직하다.

또한, 상기 공초점 주사수단은 광섬유이고, 상기 공초점 주사수단에는 편광 조정기가 연결되는 것이 더 바람직하다.

또한, 상기 빔 스플리터는 폴라라이징 빔 스플리터(Polarising Beam Splitter)인 것이 더 바람직하다.

또한, 상기 제1 빔 스플리터와 상기 샘플 시료가 놓여지는 위치 사이에는 λ/4 웨이브 플레이트(quarter wave plate)가 설치되고, 상기 제2 빔 스플리터와 상기 공초점 주사수단 사이에는 λ/2 웨이브 플레이트(half wave plate)가 설치되는 것이 더 바람직하다.

아래에서는 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하는 본 발명의 공초점 현미경에 대한 한 실시예를 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하겠다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하도록 구성된 공초점 현미경의 개략도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공초점 현미경(200)은 공초점 주사수단인 공간필터(230)를 통과한 빛의 영상이 제2 광검출기(261)에서 취득됨으로써, 공초점 조건을 만족하는 지점이 확인된다. 그리고, 본 발명의 공초점 현미경(200)은 상기 공초점 조건을 만족하는 상태에서 공간필터(230)를 통과하기 전 단계의 샘플 시료에 대한 빛의 영상을 제1 광검출기(260)가 취득함으로써, 공간필터(230)의 회절현상에 의한 노이즈가 제거된 샘플 시료의 데이터가 수집될 수 있다.

이를 위해 본 발명의 공초점 현미경(200)은 빛을 조사하는 광원(210)이 구비되고, 이런 광원(210)의 빛을 평행광으로 변환하도록 광원(210)의 전방에 제1 렌즈(221)가 설치된다.

본 발명의 공간필터(230)는 상기 빛의 이동경로 선상에 설치되고, 제2, 제3 렌즈(222, 223)는 평행광을 포커싱하거나 다시 평행광으로 변환하기 위해 공간필터(230)의 전후방에 각각 설치된다. 공간필터(230)는 높은 공간 분해능력을 가지기 때문에, 본 발명은 샘플 시료에서 반사된 빛을 공간필터(230)로 통과시키도록 구성된다.

제1, 제2 빔 스플리터(240, 241)는 빛의 진행방향이 변경되도록 빛을 반사시키거나 통과시키는 수단이다. 제1 빔 스플리터(240)는 제3 렌즈(223)의 후방에 설치되어, 광원(210)의 빛을 샘플 시료(250)가 위치하는 방향으로 반사시킨다. 그리고, 제2 빔 스플리터(241)는 제1, 제2 렌즈(221, 222)들 사이에 설치되어, 광원(210)의 빛을 공간필터(230)의 방향으로 통과 진행시킨다.

샘플 시료(250)는 제1 빔 스플리터(240)의 하부에 놓여지고, 샘플 시료(250)의 표면 상부에 대물렌즈(224)가 설치된다. 이와 같은 구성으로 본 발명의 공초점 현미경(200)은 대물렌즈(224)에 의해 샘플 시료(250)의 표면에 광원(210)의 빛이 약 1㎛ 이하의 빔으로 포커싱된다.

이때, 샘플 시료(250) 표면에서의 빛의 반사율은 다음의 수학식 1과 같으며, 샘플 시료(250)의 표면이 대물렌즈(224)의 초점거리에 위치할 때 샘플 시료(250)에서 반사되는 빛의 양이 가장 크다.

(여기서, n : 굴절률, R : 샘플 시료에서 반사되는 빛의 반사율)

제1 광검출기(260)는 제1 빔 스플리터(240)의 상부에 위치하며, 샘플 시료(250)의 표면에서 반사된 빛의 일부가 제1 빔 스플리터(240)와 제4 렌즈(225)를 순차적으로 통과한 후에 입사되어, 샘플 시료(250)의 데이터를 취득한다.

제2 광검출기(261)는 제2 빔 스플리터(241)의 상부 또는 하부에 위치한다. 그러면, 본 발명은 샘플 시료(250)의 표면에서 반사된 빛의 일부가 그 입사경로를 따라 제1 빔 스플리터(240)에서 반사되고, 공간필터(230)를 통과하여, 제2 빔 스플리터(241)에서 제2 광검출기(261)의 방향으로 반사된다. 이로 인해, 제2 광검출기(261)는 공간필터(230)를 통과한 빛이 제5 렌즈(226)를 통해 입사됨으로써, 공간필터(230)의 회절현상에 의한 노이즈가 있는 상태로 샘플 시료(250)의 데이터를 취득한다.

이와 같은 본 발명의 공초점 현미경(200)을 이용하여, 샘플 시료(250)가 좌표 Z축으로 움직이는 경우에 제1, 제2 광검출기(260, 261)에서 각각 취득된 샘플 시료(250)의 데이터 예가 도 3에 도시되었다.

도 3에 도시된 곡선 1은 제1 광검출기(260)에서 취득된 샘플 시료(250)의 데이터 그래프이며, 곡선 2는 샘플 시료(250)에서 반사된 빛이 공간필터(230)로 통과되어 제2 광검출기(261)에서 취득된 샘플 시료(250)의 데이터 그래프이다. 곡선 2의 피크 포인트(peak point)는 공초점을 만족하는 가장 높은 공간 분해능의 지점을 나타낸다. 반면, 곡선 1의 피크 포인트(peak point)는 공간필터(230)를 통과하지 않은 빛의 데이터이기 때문에 공초점 조건이 아닌 경우에 취득된 것이다.

따라서, 본 발명의 공초점 현미경(200)은 곡선 2의 피크 포인트 지점에서 제 1 광검출기(260)로 샘플 시료(250)에 대한 데이터를 취득함으로써, 공초점을 만족하면서도 공간필터(230)의 회절현상에 의한 노이즈가 제거된 상태의 샘플 시료(250) 이미지가 얻어질 수 있다. 즉, 본 발명의 공초점 현미경(200)은 제2 광검출기(261)를 서보 시스템(servo system)으로 사용하여 공초점 조건을 만족하는 샘플 시료(250)의 지점을 취득하고, 제1 광검출기(260)에서 공간필터(230)의 회절현상에 의한 노이즈가 없으면서도 공간 분해능이 높은 샘플 시료(250)의 데이터가 취득될 수 있다.

도 4는 광섬유 샘플 시료를 측정한 데이터들의 그래프들로서, (a)는 공간필터를 이용한 경우와 공간필터를 이용하지 않는 경우에 각각 취득한 데이터들이고, (b)는 도 2에 도시된 본 발명의 공초점 현미경을 이용하여 취득한 데이터이다. 그리고, 본 실험에서는 계단모양의 굴절률(step index)을 갖는 광섬유를 그 샘플 시료로 사용하였다.

도 4의 (a) 그래프에서 확인되는 바와 같이, 종래기술의 현미경은 공간필터를 이용하지 않는 경우(D2)에 그래프 곡선이 완만하게 잘 측정된 것처럼 보이지만, 공초점이 아닌 상태에서 취득된 것으로 정확한 데이터라고 정의할 수 없다. 그리고, 종래기술의 현미경은 공간필터가 사용되는 경우(D1)에 회절현상에 의한 노이즈로 인해 그래프 곡선의 변동이 불규칙적으로 심하게 나타났다.

반면, 도 4의 (b) 그래프에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 공초점 현미경(200)을 이용하는 경우에는 공초점 조건을 만족하는 지점에서 광섬유 샘플 시료의 데이터가 측정됨으로써, 회절현상에 의한 노이즈가 없어서 그래프 곡선의 변동이 불규칙적이지 않음을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예로서, 편광된 빛이 광원으로 사용되는 경우에 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하도록 구성된 공초점 현미경의 개략도이다.

본 발명의 다른 실시예인 공초점 현미경(300)은 편광효과가 있는 광원(310)이 사용되는 경우에 다음과 같이 구성된다. 하지만, 도 5에 도시된 공초점 현미경(300)은 상술된 도 2의 공초점 현미경(200)과 그 기본 원리가 동일함으로 동일한 기능을 수행하는 주요 구성요소에 대해서는 생략하고, 아래에서 다른 구성요소만 설명하겠다.

즉, 공초점 현미경(300)은 도 2의 제1, 제2 빔 스플리터(240, 241)와 달리 제1, 제2 폴라라이징 빔 스플리터(340, 341 : Polarising Beam Splitter)가 사용되어, 편광된 빛이 2개로 나눠져 통과되거나 반사되도록 구성된다.

그리고, 공초점 현미경(300)은 제1 폴라라이징 빔 스플리터(340)와 샘플 시료(350)가 놓이는 위치 사이에 λ/4 웨이브 플레이트(370 ; quarter wave plate)가 설치되고, 제2 폴라라이징 빔 스플리터(341)와 공초점 주사수단 사이에 λ/2 웨이브 플레이트(371 : half wave plate)가 설치되어, 샘플 시료(350)의 표면에서 반사되어 돌아오는 편광이 각각 통과될 수 있도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시예의 공초점 현미경(400)은 도 2에 도시된 공초점 현미경(200)과 달리 공초점 주사수단으로 공간필터(230)를 대신하여 광섬유(430)가 사용된다. 단, 광섬유(430)가 공초점 주사수단으로 사용되는 경우에는 광섬유(430)가 빛의 편광상태를 바꾸기 때문에, 이를 조절하기 위한 편광 조정기(431 ; polarization controller)가 설치된다.

그리고, 도 6에 도시된 공초점 현미경(400)은 상술된 도 5의 공초점 현미경(300)과 그 기본 원리가 동일함으로 동일한 기능을 수행하는 다른 구성요소에 대해서는 생략하겠다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 공초점 현미경은 공초점 조건을 만족하는 지점에서 공간필터의 회절현상에 의한 노이즈가 없는 샘플 시료의 이미지 데이터를 취득할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 공초점 현미경에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

빛을 발생시키는 광원과, 상기 광원의 빛을 평행광으로 변환하거나 포커싱하는 다수 개의 렌즈들과, 상기 렌즈들 전방 또는 후방에 위치하는 공초점 주사수단과, 상기 광원의 빛 또는 샘플 시료의 표면에서 반사된 빛을 그 진행방향이 변경되도록 반사시키거나 통과시키는 빔 스플리터 및, 상기 샘플 시료에서 반사된 빛의 영상을 취득하는 광검출기를 포함하는 공초점 현미경에 있어서,

상기 광검출기는 적어도 2개가 설치되며, 제1 광검출기는 상기 샘플 시료의 표면에서 반사된 빛을 취득하도록 상기 샘플 시료의 상부에 위치하며, 제2 광검출기는 상기 제1 광검출기로부터 일정 간격 이격되게 위치하고;

상기 빔 스플리터는 적어도 2개가 설치되며, 제1 빔 스플리터는 상기 샘플 시료가 놓여지는 위치와 상기 제1 광검출기 사이에 설치되며, 제2 빔 스플리터는 상기 광원과 상기 제1 빔 스플리터 사이에서 상기 제1 빔 스플리터로부터 전달되는 빛을 상기 제2 광검출기로 반사시키고,

상기 공초점 주사수단은 상기 제1, 제2 빔 스플리터 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하는 공초점 현미경.
청구항 1에 있어서, 상기 공초점 주사수단은 공간필터인 것을 특징으로 하는 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하는 공초점 현미경.
청구항 1에 있어서, 상기 공초점 주사수단은 광섬유이고, 상기 공초점 주사수단에는 편광 조정기가 연결되는 것을 특징으로 하는 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하는 공초점 현미경.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 스플리터는 폴라라이징 빔 스플리터(Polarising Beam Splitter)인 것을 특징으로 하는 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하는 공초점 현미경.
청구항 4에 있어서, 상기 제1 빔 스플리터와 상기 샘플 시료가 놓여지는 위치 사이에는 λ/4 웨이브 플레이트(quarter wave plate)가 설치되고, 상기 제2 빔 스플리터와 상기 공초점 주사수단 사이에는 λ/2 웨이브 플레이트(half wave plate)가 설치되는 것을 특징으로 하는 회절현상에 의해 발생되는 노이즈를 제거하는 공초점 현미경.