KR101088804B1 - 복수의 병소면을 이미지화하는 ｃｃｄ 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혈구의 3차원적 계산을 위한 이미지는 물론 형광화 되거나 비형광화된 입자의 이미지화를 위한 복수의 병소면을 이미지화하는 CCD 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피사체를 Z축을 따라 얇게 조각화하여 복수의 병소면조각체를 구성하고, 이를 단일한 전하 결합 소자(CCD, Change-coupled device)를 이용하여 동시에 이미지화하도록 할 수 있는 복수의 병소면을 이미지화하는 CCD 장치를 제공한다.

이를 이용하면, 종래의 통상적인 현미경을 그대로 사용할 수 있고, 여기에 이미지화 장치의 설치가 간단하며, 설치비용이 저렴하고, 장치가 단순하여 조작 및 취급이 용이한 작용효과가 기대된다. 또한, 두꺼운 시편도 복수의 슬라이스로 구분하고, 이를 동시에 이미지화 할 수 있어서 시편의 두께에 구애됨 없이 단일한 장치만으로도 이미지화가 가능한 작용효과도 기대된다.

고속 트래킹, CCD, 이미지화, 현미경, 병소면, 빔 분리 모듈, 프리즘 빔 스플리터, 광학 플레이트, 세포거동, 피사체, 마스킹 윈도우

Description

복수의 병소면을 이미지화하는 ＣＣＤ 장치{CCD device for imaging the multiple focal planes}

본 발명은 혈구의 3차원적 계산을 위한 이미지는 물론 형광화 되거나 비형광화된 입자에 있어서, 복수의 병소면을 이미지화하는 CCD 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피사체를 Z축을 따라 얇게 조각화하여 복수의 병소면조각체를 구성하고, 이를 단일한 전하 결합 소자(CCD, Change-coupled device)를 이용하여 동시에 이미지화하도록 할 수 있는 복수의 병소면을 이미지화하는 CCD 장치를 제공한다.

이를 이용하면, 종래의 통상적인 현미경을 그대로 사용할 수 있고, 여기에 고속 트래킹용 이미지화 장치의 설치가 간단하며, 설치비용이 저렴하고, 장치가 단순하여 조작 및 취급이 용이한 작용효과가 기대된다.

또한, 두꺼운 시편도 복수의 슬라이스로 구분하고, 이를 동시에 이미지화 할 수 있어서 시편의 두께에 구애됨 없이 단일한 장치만으로도 이미지화가 가능한 작용효과도 기대된다.

세포운동학을 연구하거나, 또는 형광화 되거나 비형광화된 입자의 거동을 표면과 주변특성(environmental properties)을 함수로 하여 분석을 수행하기 위해서 는 주어진 대상영역 안에서 이들을 동영상화 가능하도록 시각화할 필요가 있다.

형광화된 대상물의 실시간 이미지화는 통상 주사 형광 현미경(scanning fluorescent microscope)을 이용하여 수행되었다. 그러나, 이러한 시스템은 장치가 복잡하고, 영상화에 부합되는 속도로 스캐닝하기 위하여 대용량의 광학 모듈을 필요로 하였다.

종래에 비초점 영상화를 이용하여 회절패턴을 분석하는 3차원 트래킹 방법이 제안된 바 있다. 입자가 이미지 광학상의 병소면에 존재하지 않는 경우, 구면수차및 회절현상에 의하여 입자의 주변에 고리형상의 패턴이 형성된다. 비초점 영상화 방법은 이러한 고리의 반경을 이용하여 병소면 밖에 있는 입자의 위치를 결정하게 된다. 이러한 방법의 단점은 이미지 트래킹 대상의 밝기에 의존하는 심도(촛점이 맞는 범위)가 제한된다는 점, 세포 내 입자를 트래킹 할 때 세포기관이 회절패턴에 영향을 미친다는 점 등이다. 또한 이와 같은 방법은 분극효과에 기인한 늘어진 형상(elongated shape)을 갖는 양자점의 속성상, 이러한 양자점의 트래킹에 부적합한 면도 있다.

종래에 개발된 트래킹 장치의 또 다른 트래킹 방법은 z축의 방향으로 복수로 슬라이스 된 조각들을 동시에 이미지화하는 것이다. 이 모델에 의하면, 단일한 대상물에 의해 야기된 방사광은 복수의 채널로 분할된다. 각 채널의 광은 복수의 병소면을 튜브렌즈를 통하여 동시에 이미지화할 수 있으며, 상기 각 채널의 광은 이러한 튜브렌즈의 위치를 감안하여 그 위치가 분산특정된 개개의 CCD 카메라에 집중된다.

이 때, 각센서의 축변위에 의한 확대도의 변화는 무시하여도 된다. 그러나, 이러한 장비는 비록 대규모 장치를 요하지는 않으나, 복수의 카메라 장비를 갖추도록 하여야 하는데, 이 경우, 카메라들의 시간적 동기화, 데이터 분석의 곤란화 등과 같은 기술적 어려움이 야기되며, 따라서 광학 시스템을 더욱 고도화하여야 하고, 이로 인해 장비의 구축에 있어 비용적 부담이 큰 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 종래의 현미경 장치를 그대로 사용하면서 상기 현미경 장치와 손쉽게 착탈 가능하도록 빔 분리 모듈을 구비하는 고속 트래킹용 CCD를 더 설치하도록 함으로써 장비의 소형화 및 설치비용의 절감이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 피사체를 관찰하기 위한 대물렌즈와 튜브렌즈를 상하부에 구비하는 현미경부에 착탈가능하게 결합되며, CCD 소자를 구비하는 CCD장치에 있어서, 시준 렌즈와, 상기 제1릴레이 렌즈 상부에 위치하는 프리즘 빔 스플리터와, 상기 프리즘 빔 스플리터 상부에 위치하는 적어도 하나의 촛점 렌즈, 및 상기 촛점렌즈의 상부에 위치하는 적어도 하나의 광학 플레이트,를 구비하는 빔 분리모듈;을 포함하여 구성되며, 상기 빔 분리모듈은 상기 현미경부와 CCD 소자 사이에 설치되는 복수의 병소면을 이미지화하는 CCD 장치를 제공한다.

상기 빔 분리모듈은 현미경부와 인접하는 면에 상기 현미경부와 착탈가능하도록 결합되는 어댑터 튜브가 더 구비되는 것이 바람직하다.

상기 빔 분리모듈 또는 어댑터 튜브에는 피사체로부터 방사되는 광을 선별하는 마스킹 윈도우가 내장되는 것이 바람직하다.

상기 피사체는 상하로 평행하게 배열된 복수의 슬라이스로 구성되는 것이 바 람직하다.

상기 광학 플레이트는 피사체의 위치에 따라 대응되는 두께의 광학 플레이트로 교체가능하도록 하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 종래의 현미경 장치를 그대로 사용하면서 여기에 고속 트래킹용 CCD를 더 설치하도록 함으로써 장비의 소형화 및 설치비용의 절감이 가능하며, 장비의 조작이 간단한 작용효과가 기대된다.

특히 스캐닝 장치 및 3차원 이미지 및 트래킹 장치의 스피드를 향상하기 위한 구동부를 별도로 구비하도록 할 필요가 없어 장치가 매우 단순한 작용효과가 있다.

또한, 높은 개구수를 요하는 두꺼운 시편의 경우에도 그 두께와 무관하게 시편의 원하는 지점의 이미지를 실시간으로 얻을 수 있는 작용효과가 기대된다.

또한, 단일한 CCD 장치를 사용함에도 불구하고, 특정 부분의 거동을 3차원적으로 쉽게 파악할 수 있는 작용효과가 기대된다.

이하에서는 첨부되는 도면을 기초로 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 의하여 피관측체를 Z축을 따라 얇게 조각화하여 복수의 병소면조각체를 구성하고, 이러한 병소면조각체들을 단일한 전하 결합 소자(CCD, Change-coupled device) 센서를 이용하여 동시에 이미지화할 수 있다.

모든 병소면 조각체를 초점에 맞추기 위하여, 이에 적합한 광학 플레이트들을 도입하고, 이들에 의해 측정된 피사체의 심도에 따라 각 채널을 조정한다. 즉, 소기의 심도와 시각화하기 위한 피사체에 따라서 플레이트들의 두께가 조절된다.

본 발명에 의한 복수의 병소면 이미지화는 입자를 트래킹하고 세포 운동학을 3차원적으로 연구하는데 있어 단순하게 할 수 있으며 다른 응용이 용이한 특징이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의하여 병소면 또는 슬라이스의 동시 이미지화가 가능한 CCD 장치(100)의 기본 원리에 관한 것이다. 도시된 바와 같은 배열에 있어서 시편(101)은 대물렌즈(103)에 의해 이미지 영역에 있는 CCD 센서(107)에 투사된다. 사용된 대물렌즈의 심도에 대응하는 두께를 갖는 시편의 여러 슬라이스(병소면) 중, 슬라이스(105)들만이 선명한 이미지를 나타내었다고 하자.

0.40 이상의 개구수를 갖는 대상물에 있어서는 심도(Field of depth)는 대개 3㎛ 이하이다. 시편(101) 중에서 서로 다른(여기서는 두개의 슬라이스) 슬라이스(105)들이 선명한 이미지를 가지려면 CCD 센서(107)를 대물렌즈(103)에 대하여 상하 이동하여야 한다. 여기서, 최상단면에 보다 가까운 곳에 위치하는 슬라이스(105)들의 선명한 촬상을 위해서는 CCD 디텍터가 대상물에 보다 가깝도록 이동되어야 하며, 이는 도시된 바로부터 쉽게 알 수 있다.

요컨대, 본 발명은 고정된 단일한 CCD 디텍터를 이용하여 수개의 병소면들을 동시 이미지화 할 수 있는 것에 특징이 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의하여 병소면 또는 슬라이스의 동시 이미지화가 가능한 시스템(200)에서 병소면의 이동을 위하여 광학 플레이트(201)를 적용한 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 주어진 시편(101)내에서의 병소면의 이동은 피사체와 디텍터(CCD) 사이의 이미지화 영역에 위치한 광학 플레이트(201)에 의해 보상된다. 즉, 피사체는 CCD 디텍터 또는 센서(107)의 위치이동에 의하지 않더라도 광학 플레이트(201)를 경유하여 선명하게 이미지화될 수 있다. 여기서, 광학 플레이트(201)는 슬라이스(105)의 이미지면을 가상의 위치로부터 실제위치(거리는 ΔL)로 시프트한다.

도 3에서는 광학 플레이트(201)에 의한 이미지의 상하방향으로의 이동거리를 계산하기 위한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 이미지의 광학축을 따른 세로방향의 이동거리는

ΔL = (1-tgε₁'/tgε₁)×d (1)

이며, 여기서 ε₁은 광학 플레이트 표면에 대한 광선의 입사각이며, ε₁'은 굴절광선의 각도이고, d는 광학 플레이트의 두께이다. 입사각이 작은경우, 공기중에서의 (굴절률, n₁ = 1) 이동거리는,

ΔL = (n₂-1)×d/n₂ (2)

이다. 만일 광선의 입사각이 낮으면 플레이트가 이미지의 질감에 미치는 영향은 무시되어도 좋다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 4개의 병소면에 대한 동시 이미지화를 위한 CCD 장치(400)의 모식도이다. 피사체(101)은 대물렌즈(407)와 튜브렌즈(409)에 의해 복수의 이미지가 중첩되는 것을 방지하기 위하여 이미지의 경계면을 가리는 마스킹 윈도우(411)에 투사된다. 렌즈들(407, 409)은 통상의 현미경(401)에 실장된다. 마스킹 윈도우(411)의 크기는 CCD 센서(107)의 크기, 시준 렌즈(413) 및 촛점 렌즈(417)의 배율인자, 분리된 채널의 수에 의해 결정된다.

1/2인치 센서, 1:1의 릴레이 광학의 배율, 네개의 시각화 채널의 경우에는 마스킹 윈도우(411)의 최대 크기는 3×2 mm²의 크기를 갖는데, 이 때, 시편은 마스킹 윈도우(411) 크기의 20배가 되며, 시계(FOV, Field of View)는 150×100 ㎛²가 된다.

빔 분리 모듈(405)은 거울을 포함하는 프리즘 빔 스플리터(415)를 구비하며, 릴레이 유닛은 시준렌즈(413)와 일련의 촛점렌즈(417)로 구성된다. 높은 광학 효율을 얻기 위해서는 프리즘 빔 스플리터(415)의 견고하면서도 컴팩트한 시스템이 요구되는데, 프리즘 빔 스플리터(415)는 거울(미도시)과 광학 접착제에 의해 공고하 게 고정되어야 하며, 공기와 유리 계면에는 불순물이 존재해서는 안된다.

도 5에서는 본 발명에 의한 빔 스플리터 블록의 원형을 나타내었는데, 이와 같은 빔 스플리터 블록은 도시된 바와 같이 시준렌즈, 프리즘 빔 스플리터, 일련의 초점렌즈 및 일련의 광학 플레이트를 포함하고 있다.

빔 분리 모듈은 빔 스플리터 블록과 현미경을 연결하는 이미지화 포트를 구비하며, 상기 이미지화 포트는 어댑터 튜브(403)를 구성하여 빔 스플리터 블록과 현미경을 상호 용이하게 착탈되도록 한다.

분리된 빔은 CCD 디텍터13의 표면에 집중된다. 이미지면을 상하방향으로 조절하여 각 채널에 대응되도록 하기 위하여 광학 플레이트12는 각 빔의 경로상에 위치된다. 각 플레이트의 두께는 시편의 최상부면에 대한 각 시편의 각 병소면의 위치에 의존한다. 광학 플레이트의 두께는 심도(DOF, Depth of Field)의 대략 M²배인 현미경의 초점심도(Depth of focus)에 따라 조정되며, 여기서 M은 대물렌즈의 배율이다.

도 6은 본 발명의 CCD 장치의 실제 설치상태를 나타낸 사진으로서, 종래의 통상적 현미경에 설치된 것이다. 이 모듈은 CCD를 쉽게 부착, 제거할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 피사체(시편)의 분리된 병소면의 이미지의 배열(701, 703)을 도시한 것으로서, 이 병소면은 동일한 CCD 센서면에 대하여 수평 채널에 의해 동시에 투사되도록 한 것이다. 이미지의 순서는 광학 플레이트의 교체에 의해 변경이 가능하다.

도 8에서는 본 발명의 다른 실시예에 의한 CCD 장치(800)를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 배율과 굴절률의 변화는 무시한 상태에서, 통상의 시각화 대상의 반대에 각각 위치된 두개의 피사체를 동시에 이미지화할 수 있다. .

상부와 하부 피사체 또는 슬라이스(823, 823')의 초점을 F1, F2라 하고, 이들은 각각 ΔF의 거리만큼 이격된다고 하면, ΔF는 시각화되는 피사체 또는 슬라이스(823, 823')의 총 폭과 동일하다. 시편(801) 내에서의 슬라이스(823)의 상부는 대물렌즈(803)와 튜브렌즈(811)에 의해 마스킹 윈도우(829)에 투사된다. 슬라이스(823')의 하부는 대물렌즈(803')와 튜브렌즈(811')에 의해 동일한 마스킹 윈도우(829)에 투사된다. 두 채널로부터 투사되는 빔은 일련의 반사거울(825, 827), 이미지 인버팅 시스템(805), 이색성의 빔 스플리터(807)를 경유하여 상방향으로 조사된다. 이미지 인버팅 시스템(805)은 빔을 90도로 편향시키며, 축을 중심으로 이미지를 180도 회전시키는 역할을 한다.

상기 시스템은 단일한 5각(Penta) 프리즘, 또는 상호 45도의 각도를 유지하면서 인접하는 두 개의 거울, 또는 도브(Dove) 프리즘(이미지를 인버팅 시키는 반사 프리즘)을 갖는 반사거울 시스템이다.

방사된 광은 이색성 필터(809)에 의해 원천적으로 분리된다. 이후, 각 빔은 시준렌즈(813), 프리즘 빔 스플리터(815, 815'), 일련의 초점렌즈(817, 817') 및 일련의 광학 플레이트(819, 819')을 통과하여 시각화된 촛점면의 위치에 따라서 축 을 변화시키면서 이미지화한다. 모든 채널로부터 입사된 빔은 CCD 디텍터(821)의 표면에 집중된다.

각각의 병소면을 갖는 1㎛ 크기의 형광입자의 각 병소면에 대한 회절 이미지 샘플을 도 9에 도시하였다. 4개의 병소면의 최상단으로부터 각각 순차적으로 이미지화 한 것으로서, 이미지면간의 간격은 7.5㎛이며, 현미경은 통상의 것을 사용하였다. 도 10은 본 발명의 CCD장치에 의하여 1㎛ 크기 시편의 각 병소면을 이미지화하고, 이를 하나의 그래프로 나타내어 그 이력을 표시한 것이다. 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이 분리된 슬라이스상에서의 입자를 시간 단속적으로 이미지화 하고, 이들을 하나의 그래프로 도시함으로써 대상 이미지의 특정부분에 관한 이력을 추적할 수 있으며, 따라서 3차원의 공간에서 특정 부분의 거동을 쉽게 파악할 수 있다.

이러한 3차원적 거동을 단일한 CCD 장치를 통해 충분히 파악할 수 있다는 점에서 본 발명은 그 특징을 갖는다고 할 것이다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 안정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의하여 병소면 또는 슬라이스의 동시 이미지화가 가능한 CCD 장치의 기본 원리를 나타내기 위한 모식도,

도 2는 도 1의 모식도에 광학 플레이트를 적용한 모식도,

도 3은 본 발명의 일실시예의 광학 플레이트에 의한 이미지의 상하방향으로의 이동거리를 계산하기 위한 도면,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 4개의 병소면에 대한 동시 이미지화를 위한 CCD 장치의 모식도,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 빔 스플리터 블록 사진,

도 6은 본 발명의 CCD 장치의 실제 설치상태를 나타낸 사진,

도 7은 본 발명에 의한 피사체(시편)의 분리된 병소면 이미지의 배열을 나타내는 도면,

도 8은 도 8에서는 본 발명의 다른 실시예에 의한 4개의 병소면에 대한 동시 이미지화를 위한 CCD 장치의 모식도,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 각각의 병소면을 갖는 1㎛ 크기의 형광입자의 각 병소면에 대한 회절 이미지 샘플을 도식화한 도면,

도 10은 본 발명의 CCD장치에 의하여 1㎛ 크기 시편의 각 병소면을 이미지화하고, 이를 하나의 그래프로 나타내어 그 이력을 표시한 것이다.

<도면의 주요부에 대한 부호의 설명>

100, 200, 400, 800 : CCD 장치

101, 801 : 시편 103, 407, 803, 803' : 대물렌즈

105, 823, 823' : 슬라이스 또는 병소면 또는 피사체

107, 821 : CCD 센서 또는 디텍터 201, 819, 819' : 광학 플레이트

401 : 현미경 403 : 어댑터 튜브

405 : 빔 분리모듈 409, 811, 811' : 튜브렌즈

411, 829 : 마스킹 윈도우 413 : 시준렌즈

415, 807 : 프리즘 빔 스플리터 417 : 촛점렌즈

701, 703 : 병소면 이미지 배열 805 : 이미지 인버팅 시스템

809 : 이색성 필터 825, 827 : 반사거울

Claims (5)

1. 피사체를 관찰하기 위한 대물렌즈와 튜브렌즈를 상하부에 구비하는 현미경부에 착탈가능하게 결합되며, CCD 소자를 구비하는 CCD장치에 있어서,

   시준 렌즈와,

   상기 시준렌즈 상부에 위치하는 프리즘 빔 스플리터와,

   상기 프리즘 빔 스플리터 상부에 위치하는 적어도 하나의 촛점 렌즈, 및

   상기 촛점렌즈의 상부에 위치하는 적어도 하나의 광학 플레이트,를 구비하는 빔 분리모듈;

   을 포함하여 구성되며,

   상기 빔 분리모듈은 상기 현미경부와 CCD 소자 사이에 설치되고,

   상기 빔 분리모듈에는 피사체로부터 방사되는 광을 선별하는 마스킹 윈도우가 내장되는 것을 특징으로 하는 복수의 병소면을 이미지화하는 CCD 장치.
2. 피사체를 관찰하기 위한 대물렌즈와 튜브렌즈를 상하부에 구비하는 현미경부에 착탈가능하게 결합되며, CCD 소자를 구비하는 CCD장치에 있어서,

   시준 렌즈와,

   상기 시준렌즈 상부에 위치하는 프리즘 빔 스플리터와,

   상기 프리즘 빔 스플리터 상부에 위치하는 적어도 하나의 촛점 렌즈, 및

   상기 촛점렌즈의 상부에 위치하는 적어도 하나의 광학 플레이트,를 구비하는 빔 분리모듈;

   을 포함하여 구성되며,

   상기 빔 분리모듈은 상기 현미경부와 CCD 소자 사이에 설치되고,

   상기 빔 분리모듈은 현미경부와 인접하는 면에 상기 현미경부와 착탈가능하도록 결합되는 어댑터 튜브가 더 구비되며,

   상기 어댑터 튜브에는 피사체로부터 방사되는 광을 선별하는 마스킹 윈도우가 내장되는 것을 특징으로 하는 복수의 병소면을 이미지화하는 CCD 장치.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 피사체는 상하로 평행하게 배열된 복수의 슬라이스로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수의 병소면을 이미지화하는 CCD 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 광학 플레이트는 피사체의 위치에 따라 대응되는 두께의 광학 플레이트로 교체가능한 것을 특징으로 하는 복수의 병소면을 이미지화하는 CCD 장치.

Images