KR101281649B1 - 이광자현미경 장치 - Google Patents

Abstract

스캐닝에 필요한 광경로를 간단히 하고 시료의 스캔시 정밀한 스캔 조정이 가능한 광자현미경 장치 및 그 스캔방법이 소개된다. 이 중에서, 광자현미경 장치는, Z스테이지, Y스테이지, X스테이지, 압전소자 액츄에이터 및 간극 조절유닛을 포함하는 구성으로, 광원이 고정된 상태에서 시료가 위치한 스테이지를 XYZ방향으로 미세하게 구동하여 스캔한다.

Description

이광자현미경 장치{TWO PHOTON MICROSCOPE}

본 발명은 이광자현미경 장치 및 그 스캔방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광원이 고정된 상태에서 시료가 위치한 스테이지를 XYZ방향으로 미세하게 구동할 수 있는 이광자현미경 장치 및 그 스캔방법에 관한 것이다.

일반적으로 이광자현미경(Two Photon Microscope)은 레이저의 광원을 이용하여 관찰대상(시료)의 조직 내부를 비절개적으로 관찰할 수 있도록 구성된 현미경이다.

도 1a는 종래 기술에 따른 이광자현미경 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 1b는 일반적인 압전소자 액츄에이터의 작동 원리를 나타낸 도면이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 종래 이광자현미경은 광원(10)에서 주사되는 레이저를 스캔 거울(20)을 이용하여 스테이지(70)의 관찰대상(71) 위에서 2차원(XY방향)으로 스캐닝하고, 이미징 평면의 각 지점에서 발생된 빛을 광경로 분리기(30)를 통해 반사하고, 광센서(40)에 의해 광경로 분리기(30)에서 반사된 빛을 아날로그 신호로 변환시키고, 변환된 아날로그 신호를 ADC 카드(50)를 통해 디지털신호로 변환하며, 컨트롤러(60)에서 분석하여 모니터를 통해 2차원 영상으로 만들어 낸다.

그러나, 종래 기술의 경우, 이광자현미경 내에 고가의 레이저 스캔 거울이 사용되므로, 이광자현미경의 제작 비용이 증가되었다. 특히, 스캔 거울의 광축에 정렬하기 위해서는 광학 부품들의 조정이 복잡하게 설계된 망원경 시스템이 추가적으로 필요한데, 이 망원경 시스템을 적용하는 경우 이미지 평면의 왜곡이 발생되는 문제가 있었다.

한편, 종래 원자현미경에서는 압전소자 액츄에이터를 이용하여 XYZ방향으로 이동이 가능한 스테이지가 사용되기도 하였다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 종래 압전소자 액츄에이터는 소자의 양측에 압력을 가하면 압력에 비례하는 양음의 전하가 나타나는 압전현상을 역으로 이용한 것으로서, 소자(11)의 양단에 전압을 가하면 소자(11)가 변형하여, 변형 후의 소자(12)는 일방향으로 신장(ㅿL)되며, 이러한 변위를 이용하여 스테이지를 구동하는 것이다.

그런데, 이러한 압전소자 액츄에이터를 스테이지에 장착하는 경우, 압전소자 액츄에이터의 가공오차 및 제작오차로 인해, 압전소자 액츄에이터와 스테이지 사이에 간극이 발생되어 압전소자 액츄에이터의 정밀 조정이 어려운 문제가 있었다. 이 문제를 해결하기 위해, 별도의 간극조절판을 수작업으로 연마하여 간극에 삽입하는 방안이 제안되기도 하였으나, 이 경우 압전소자 액츄에이터를 설치할 때마다, 그에 해당되는 간극조절판을 번거롭게 제작해야 했다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 시료의 스캐닝에 필요한 광경로를 간단히 하고, 시료의 스캔시 정밀한 조정이 가능한 이광자현미경 장치 및 그 스캔방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이광자현미경 장치는, 광원이 고정된 상태에서 시료가 위치한 스테이지를 XYZ방향으로 미세하게 구동하여 스캔하는 이광자현미경 장치로서, Z스테이지, Y스테이지, X스테이지, 압전소자 액츄에이터 및 간극 조절유닛을 포함하고, Z스테이지는 베이스 스테이지에 대해 Z방향으로 직선운동이 이루어지고, Y스테이지는 상기 Z스테이지 상에 설치되어 상기 Z스테이지의 진행방향과 수직되는 Y방향으로 직선운동이 이루어지고, X스테이지는 상기 Y스테이지 상에 설치되고 시료가 고정되는 샘플대가 마련되며 상기 Z 스테이지 및 Y 스테이지에 수직하는 X방향으로 직선운동이 이루어지고, 압전소자 액츄에이터는 상기 Z스테이지, Y스테이지 및 X스테이지를 직선운동시키기 위한 구동력을 제공하기 위해 스테이지에 장착되며, 간극 조절유닛은 상기 압전소자 액츄에이터의 장착시 압전소자 액츄에이터와 스테이지 간의 간극을 정밀하게 보정한다.

바람직하게, 본 발명에 따른 이광자현미경 장치는, 레이저 광원부, 광경로 분리기, 광검출기, ACD 카드 및 컨트롤러를 더 포함하고, 레이저 광원부는 레이저 빔을 시료에 주사하고, 광경로 분리기는 상기 시료에서 반사된 빛을 광원의 경로로 반사하고, 광검출기는 상기 광경로 분리기에서 반사된 빛을 아날로그 신호로 검출하고, ACD 카드는 상기 광검출기에서 검출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하고, 컨트롤러는 상기 ACD 카드에서 전환된 디지털 신호를 분석하고 상기 시료의 이동에 따른 스캔 영역을 설정한다.

바람직하게, 상기 간극 조절유닛은 상기 압전소자 액츄에이터를 고정하기 위한 장착소켓과, 압전소자 액츄에이터와 스테이지 간의 간극을 조절하기 위한 조정나사와, 상기 장착소켓과 조정나사 사이를 연결하는 플로팅조인트와, 간극이 조절된 최종 위치에서 상기 조정나사를 고정하는 고정볼트로 구성된다.

본 발명에 따른 이광자현미경 스캔방법은, 광원이 고정된 상태에서 시료가 위치한 스테이지를 XYZ방향으로 미세하게 구동하여 스캔하는 이광자현미경 스캔방법으로서, 광원의 레이저 빔을 스테이지 상에 위치한 시료에 주사하는 단계와, 스테이지를 Z방향으로 구동시켜 상기 시료에 대한 레이저 빔의 초점을 맞추는 단계와, 시료의 스캔 영역을 설정하는 단계와, 설정된 스캔 영역에 따라 스테이지를 XY방향으로 구동시켜 시료를 스캔하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 본 발명에 따른 이광자현미경 스캔방법은, 상기 시료를 스캔하는 단계 이후, 스캔된 영상에 따라 스캔 영역을 재설정한 후, 재설정된 스캔 영역에 따라 시료를 재스캔하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 다음과 같은 현저한 효과가 구현될 수 있다.

첫째, 본 발명은 레이저 빔을 주사하는 레이저 광원부가 고정된 상태로 스캔이 가능함으로써, 광경로가 간단해질 수 있다는 이점이 있다.

둘째, 본 발명은 레이저 광원부에서 스캔 거울과 같은 고가의 구성이 불필요하므로, 제품의 생산 비용이 절감되고, 장치의 소형화가 가능하다는 이점이 있다.

셋째, 본 발명은 간극 조절유닛을 통해 스테이지에 대한 압전소자 액츄에이터의 장착시, 이들 간의 간극 발생을 방지할 수 있다는 이점이 있다.

도 1a는 종래 기술에 따른 이광자현미경 장치를 도시한 구성도.
도 1b는 일반적인 압전소자 액츄에이터의 작동 원리를 도시한 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 이광자현미경 장치를 도시한 구성도.
도 3은 도 2의 "A-A"선부를 부분 절개하여 도시한 확대도.
도 4는 본 발명에 따른 이광자현미경 장치의 간극 조절유닛을 도시한 분해 도.

우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 이광자현미경 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 "A-A"선부를 부분 절개하여 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 이광자현미경 장치의 간극 조절유닛을 분해하여 나타낸 도면이다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 이광자현미경 장치는, 3차원 투시 광영상을 제공하는 현미경으로, 광원인 레이저 광원부(400)를 고정한 상태에서 압전소자 액츄에이터(200)를 통해 스테이지를 XYZ방향으로 미세하게 구동하여 시료가 정밀하게 스캔되도록 한다.

이를 구현하기 위해 이광자현미경 장치는, 스테이지(100), 압전소자 액츄에이터(200), 간극 조절유닛(300), 레이저 광원부(400), 광경로 분리기(500), 광검출기(600), ACD 카드(700) 및 컨트롤러(800)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 스테이지(100)는 XYZ방향으로 이동이 가능한 구동 스테이지로, 베이스 스테이지(140)에 대해 Z방향으로 직선운동이 가능한 Z스테이지(110)와, Y방향으로 직선운동이 가능한 Y스테이지(120)와, X방향으로 직선운동이 가능한 X스테이지(130)로 구성된다.

이들 Z스테이지(110), Y스테이지(120) 및 X스테이지(130)는 스테이지(100)의 상방향으로 적층되는 구조로, 베이스 스테이지(140)의 상면에 Z스테이지(110)가 위치되고, Z스테이지(110)의 상면에 Y스테이지(120)가 위치되고, Y스테이지(120)의 상면에 X스테이지(130)가 위치되며, X스테이지(130)에는 시료가 고정되는 샘플대(150)가 마련된다.

특히, 이들 Z스테이지(110), Y스테이지(120) 및 X스테이지(130)에는 해당 스테이지를 X방향, Y방향, 또는 Z방향으로 정밀하게 이동시킬 수 있는 압전소자 액츄에이터(200)가 설치된다.

압전소자 액츄에이터(200)는 나노 단위의 정밀한 조절이 가능한 액츄에이터로서, 압전소자 액츄에이터(200)의 설치 위치에 따라, Z스테이지(110)를 Z방향으로 이동시키거나, Y스테이지(120)를 Y방향으로 이동시키거나, X스테이지(130)를 X방향으로 이동시킨다.

종래 이광자현미경 장치의 경우, 정밀한 광축 정렬과 망원경 시스템의 설치가 필요한 스캔 거울을 통해 스테이지의 시료에 대한 스캔이 이루어지므로, 이광자현미경의 구조가 복잡해지고 시료의 이미지 평면에 대한 왜곡이 발생될 우려가 있지만, 본 발명에 의한 이광자현미경 장치의 경우, 광원이 고정된 상태에서 시료가 고정된 스테이지(100)가 압전소자 액츄에이터(200)를 통해 XYZ방향으로 미세하게 구동가능하므로, 시료의 스캐닝에 필요한 광경로를 간단히 할 수 있고, 시료의 스캔시 정밀한 조정이 가능하다는 장점이 갖는다.

이러한 압전소자 액츄에이터(200)는 전압이 가해지면 변형되면서 일방향으로 신장이 이루어지는 통상의 압전소자가 사용되며, 간극 조절유닛(300)을 통해 스테이지(100)에 장착된다.

간극 조절유닛(300)은 스테이지(100)의 안착홈(101)에 설치되어 압전소자 액츄에이터(200)와 스테이지(100) 간의 간극을 정밀하게 보정한다. 이를 위해, 간극 조절유닛(300)은 장착소켓(310), 조정나사(320), 플로팅조인트(330) 및 고정볼트(미도시)로 구성된다.

여기서, 간극 조절유닛(300)의 장착소켓(310)은 압전소자 액츄에이터(200)가 고정되는 소켓으로, 해당 일단부에 압전소자 액츄에이터(200)가 결합되는 장착홈(311)이 형성되고 해당 타단부에 플로팅조인트(330)가 삽입되는 삽입홈(312)이 형성된다. 플로팅조인트(330)는 해당 일단부에 장착소켓(310)의 삽입홈(312)에 삽입되는 헤드부가 마련되고 해당 타단부에 조정나사(320)가 삽입되어 고정된다.

그리고 간극 조절유닛(300)의 조정나사(320)는 해당 일단부가 플로팅조인트(330)에 삽입된 상태에서, 해당 타단부가 스테이지에 나사 결합되어 고정볼트에 의해 고정될 수 있는 구조로, 이 조정나사(320)의 타단에는 조절도구에 의해 삽입시 회전이 가능한 조정홈(321)이 형성된다. 이때, 스테이지(100)에는 고정볼트가 관통되는 고정홀(341)이 형성된다.

즉, 조절도구(미도시)를 조정나사(320)의 조정홈(321)에 삽입한 상태에서 회전시키면, 조절도구(미도시)의 회전력에 의해 조정나사(320)가 시계방향 또는 반시계방향으로 회전되면서, 플로팅조인트(330) 및 장착소켓(310)을 일방향 또는 타방향으로 정밀하게 이동시킬 수 있으며, 이때, 압전소자 액츄에이터(200) 또한 일방향 또는 타방향으로 이동되면서, 스테이지(100)와의 간극을 보정할 수 있다.

레이저 광원부(400)는 레이저 빔을 시료에 주사하기 위한 광원으로, 이광자 현상의 유도를 위해 순간 출력이 수백 KW에 달하는 극초단파인 펨토(Femto)초 레이저가 사용된다. 이 펨토(Femto)초 레이저는 근적외선 파장을 사용하므로, 2~3배 정도의 깊은 이미징이 가능하다.

광경로 분리기(500)는 시료에서 반사된 빛을 광원의 경로에서 광검출기(600)로 반사하고, 광검출기(600)는 광경로 분리기(500)에서 반사된 빛을 아날로그 신호로 검출하고, ACD 카드(700)는 광검출기(600)에서 검출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하고, 컨트롤러(800)는 ACD 카드(700)에서 전환된 디지털 신호를 분석하고 시료의 이동에 따른 스캔 영역을 설정할 수 있는데, 이들 광경로 분리기(500), ACD 카드(700) 및 컨트롤러(800) 구성은 종래 이광자현미경에 사용되는 광경로 분리기, ACD 카드 및 컨트롤러 구성과 대응되는 구성으로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 이광자현미경 스캔방법은, 광원의 레이저 빔을 스테이지 상에 위치한 시료에 주사하고, 스테이지를 Z방향으로 구동시켜 시료에 대한 레이저 빔의 초점을 맞추고, 시료의 스캔 영역을 설정하며, 설정된 스캔 영역에 따라 스테이지를 XY방향으로 구동시켜 시료를 스캔함으로써 구현된다.

특히, 시료를 스캔하는 단계 이후에는, 스캔된 영상에 따라 스캔 영역을 재설정하고, 재설정된 스캔 영역에 따라 시료를 재스캔할 수도 있다.

이와 같이, 광원이 고정된 상태에서 압전소자 액츄에이터(200)를 통해 시료가 위치한 스테이지를 XYZ방향으로 미세하게 구동하면서 시료를 스캔함으로써, 광경로를 간단히 하고 이광자현미경의 관찰영역을 최대화할 수 있다.

상기에서 본 발명을 바람직 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

110 :Z스테이지 120 :Y스테이지
130 :X스테이지 140 :베이스 스테이지
200 :압전소자 액츄에이터 300 :간극 조절유닛
310 :장착소켓 311 :장착홈
312 :삽입홈 320 :조정나사
330 :플로팅조인트 321 :조정홈
341 :고정홀 400 :레이저 광원부
500 :광경로 분리기 500 :광검출기
700 :ACD 카드 800 :컨트롤러

Claims (5)

1. 광원이 고정된 상태에서 시료가 위치한 스테이지를 XYZ방향으로 미세하게 구동하여 스캔하는 이광자현미경 장치로서,
   베이스 스테이지에 대해 Z방향으로 직선운동이 이루어지는 Z스테이지;
   상기 Z스테이지 상에 설치되어 상기 Z스테이지의 진행방향과 수직되는 Y방향으로 직선운동이 이루어지는 Y스테이지;
   상기 Y스테이지 상에 설치되고 시료가 고정되는 샘플대가 마련되며 상기 Z 스테이지 및 Y 스테이지에 수직하는 X방향으로 직선운동이 이루어지는 X스테이지;
   상기 Z스테이지, Y스테이지 및 X스테이지를 직선운동시키기 위한 구동력을 제공하기 위해 스테이지에 형성된 안착홈에 장착되는 압전소자 액츄에이터; 및
   상기 압전소자 액츄에이터와 스테이지 간의 간극을 정밀하게 보정하기 위하여 상기 스테이지에 장착되고, 상기 압전소자 액츄에이터를 이동시켜 압전소자 액츄에이터의 일단이 상기 스테이지에 밀착되도록 위치를 조정하는 간극 조절유닛을 포함하고,
   상기 간극 조절유닛은
   상기 스테이지에 형성된 안착홈에 배치되고, 상기 압전소자 액츄에이터의 타단이 고정되어 상기 안착홈을 따라 상기 압전소자 액츄에이터를 일체로 이동시키는 장착소켓과;
   일측이 상기 스테이지의 외부로 노출되고, 타측이 상기 스테이지의 안착홈으로 노출되면서 상기 스테이지에 나사 결합되어 이동되는 조정나사와;
   상기 스테이지에 형성된 안착홈에 배치되고, 상기 장착소켓과 조정나사의 타측 사이를 연결하여 상기 조정나사의 이동에 따라 상기 장착소켓 및 압전소자 액츄에이터를 일체로 이동시키는 플로팅조인트와;
   위치가 조절된 최종 위치에서 상기 조정나사를 고정하는 고정볼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 이광자현미경 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   레이저 빔을 시료에 주사하기 위한 레이저 광원부;
   상기 시료에서 반사된 빛을 광원의 경로에서 광검출기로 전달하는 광경로 분리기;
   상기 광경로 분리기에서 반사된 빛을 아날로그 신호로 검출하는 광검출기;
   상기 광검출기에서 검출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 ACD 카드; 및
   상기 ACD 카드에서 전환된 디지털 신호를 분석하고 상기 시료의 이동에 따른 스캔 영역을 설정하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이광자현미경 장치.
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