KR101502236B1 - 3 차원 다색 형광 공초점 현미경 및 이를 사용하는 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법 - Google Patents

3 차원 다색 형광 공초점 현미경 및 이를 사용하는 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법 Download PDF

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Abstract

빔 모듈레이터 및 크로마틱 대물렌즈를 구비한 공초점 현미경 및 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법이 제공된다. 실시예의 공초점 현미경은 크로마틱 대물렌즈를 통과하여 시편에 조사된 변조된 광에 의해 방출되는 형광 신호를 분석함으로써 시편의 깊이의 정보를 생성할 수 있다. 또한, 실시예의 공초점 현미경은 공초점 현미경 및/또는 시편의 기계적인 이송 없이 시편의 깊이의 정보를 검출할 수 있고, 시편을 2 차원 평면에서 스캔하는 것만으로 시편의 3 차원 영상을 생성할 수 있다.

Description

3 차원 다색 형광 공초점 현미경 및 이를 사용하는 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법 {3 DIMENSIONAL CHROMATIC CONFOCAL MICROSCOPE, AND METHOD OF GENERATING INFORMATION ON DEPTH OF SPECIMEN USING SAME}
아래의 설명은 공초점 현미경에 관한 것으로, 시편의 깊이의 정보를 생성하는 공초점 현미경에 관한 것이다.
공초점 현미경은 시편의 3 차원 형상을 관찰하기 위해 사용된다. 형광 공초점 현미경은 시편의 3 차원 영상을 획득하기 위해 사용된다. 예컨대, 시편은 생체 조직일 수 있다.
형광 공초점 현미경은 시편으로부터 방출된 형광 신호를 분석함으로써 시편에 대한 정보를 획득할 수 있다.
형광 신호는 공초점 현미경의 광원으로부터 방출된 광이 형광 물질이 처리된 시편에 조사됨에 따라 시편으로부터 방출된다. 형광 신호는 공초점 현미경의 초점 거리에 따라 시편의 다양한 깊이에서 방출될 수 있다. 방출된 형광 신호에 기반하여 시편의 깊이에 따른 2 차원 영상이 획득될 수 있다. 또한, 획득된 시편의 깊이에 따른 수 십 내지 수 백장의 2 차원 영상에 기반하여 시편의 3 차원 영상이 생성될 수 있다.
일반적으로, 공간적인 제약 때문에 형광 공초점 현미경 및 내시경을 사용하여 시편의 깊이의 정보를 직접 획득하는 방식은 이루어지기 어렵다. 말하자면, 형광 공초점 현미경에 의해서는 고정된 위치에서의 2 차원의 정보만이 획득될 수 있다.
또한, 2 차원 정보에 기반하여 3 차원의 정보를 획득하기 위해서는 시편에 광이 지속적으로 조사되어야 한다. 따라서, 광의 지속적인 조사에 의한 시편의 광탈색 및/또는 광독성이 발생할 수 있고, 3 차원 정보가 획득되기 위해서 많은 시간이 요구될 수 있다.
또한, 기존의 공초점 현미경은 시편의 3 차원적인 변화를 실시간으로 관찰하기 어렵다는 문제점을 갖는다.
한국공개특허 제2010-0018984호 (공개일 2010년 02월 18일)에는 빔 스캐닝 방식의 크로마틱 공초점 현미경을 개시한다. 크로마틱 공초점 현미경은, 점광원 형태로 형성되며 백색광(white light) 또는 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛을 방출하는 광원부, 시준 렌즈, 시준 렌즈를 통과한 평행광을 분리하는 빔 스플리터, 스캐닝 시스템, 스캐닝 시스템을 통과한 빛을 파장에 따라 분리하여 시편(200)으로 입사시키는 대물렌즈계, 시편 표면에서 반사되어 나온 빛을 받아들이는 수광 렌즈, 상기 수광 렌즈의 후방에 구비된 핀홀, 스펙트로미터 및 핀홀을 통과한 광선의 세기 및 파장을 측정하여 가장 빛의 세기가 강한 파장 성분을 검출하는 검출부를 포함한다.
상기에서 설명된 정보는 단지 이해를 돕기 위한 것이며, 종래 기술의 일부를 형성하지 않는 내용을 포함할 수 있으며, 종래 기술이 통상의 기술자에게 제시할 수 있는 것을 포함하지 않을 수 있다.
일 실시예는 시편으로부터 방출된 형광 신호를 분석함으로써 시편의 깊이의 정보를 생성할 수 있는 공초점 현미경 및 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예는 크로마틱 대물렌즈를 사용하고, 시편으로부터 방출된 형광 신호를 분석함으로써 크로마틱 대물렌즈의 초점 거리에 대한 정보를 획득할 수 있는 공초점 현미경 및 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법을 제공할 수 있다.
일 측면에 따르면, 공초점 현미경에 있어서, 광을 방출하는 광원, 상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하는 빔 모듈레이터, 크로마틱 대물렌즈 및 처리부를 포함하고, 상기 빔 모듈레이터는 상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하고, 상기 변조된 광은 상기 크로마틱 대물렌즈를 통과하여 상기 공초점 현미경에 의해 관찰되는 시편으로 조사되고, 상기 처리부는 상기 시편으로 조사된 상기 변조된 광에 의해 상기 시편으로부터 방출된 형광 신호를 검출하고, 상기 검출된 형광 신호에 기반하여 상기 시편의 깊이의 정보를 생성하고, 상기 크로마틱 대물렌즈의 초점 거리는 상기 크로마틱 대물렌즈로 입사되는 입사광의 파장에 따라 변하는, 공초점 현미경이 제공된다.
상기 광원에 의해 방출되는 상기 광은 광대역(broad band)의 광이거나, 시간에 따라 파장이 변화하는 광일 수 있다.
상기 처리부는 상기 형광 신호의 변조 주파수를 분석함으로써 상기 크로마틱 대물렌즈의 상기 초점 거리를 획득할 수 있다.
상기 처리부는 상기 획득된 초점 거리에 기반하여 상기 시편의 상기 깊이의 정보를 생성할 수 있다.
상기 처리부는 상기 형광 신호 중 특정 변조 주파수의 신호를 증폭하는 락-인 증폭기(lock-in amplifier)를 포함할 수 있다.
상기 빔 모듈레이터는 진폭 변조기(amplitude modulator)를 포함할 수 있다.
상기 빔 모듈레이터는 상기 진폭 변조기를 사용함으로써 상기 광원으로부터 방출된 광을 파장에 따라 변조할 수 있다.
상기 빔 모듈레이터는 광학 지연 발생기(optical delay generator)를 포함할 수 있다.
상기 광학 지연 발생기는 상기 광원으로부터 방출된 상기 광의 파장에 따라 상이한 지연(delay)를 발생시킴으로써 상기 광원으로부터 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조할 수 있다.
상기 공초점 현미경은 광 섬유(optical fiber)를 더 포함할 수 있다.
상기 변조된 상기 광은 광 섬유를 통해 상기 크로마틱 대물렌즈로 입사될 수 있다.
상기 광 섬유는 광 섬유 번들(bundle) 또는 하나의 가닥의 광 섬유(single fiber)일 수 있다.
상기 깊이의 정보는 상기 시편의 표면 상의 복수의 위치들의 깊이들의 정보일 수 있다.
상기 시편은 상기 표면에 대응하는 2 차원 평면 상에서 스캔될 수 있다.
상기 처리부는 상기 스캔에 따라 상기 복수의 위치들에 각각 대응하는 깊이들의 정보를 생성할 수 있다.
상기 공초점 현미경은 빔 스캐너를 더 포함할 수 있다.
상기 빔 스캐너는 상기 크로마틱 대물렌즈를 통해 상기 시편으로 조사되는 광이 조사되는 상기 시편 상의 위치를 변경함으로써, 상기 시편을 2 차원 평면 상에서 스캔할 수 있다.
상기 처리부는 상기 스캔에 따라 상기 복수의 위치들에 각각 대응하는 깊이들의 정보를 생성할 수 있다.
상기 크로마틱 대물렌즈의 상기 초점 거리는 상기 입사광의 파장에 비례하여 일정하게 증가 또는 감소할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 공초점 현미경이 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법에 있어서, 상기 공초점 현미경의 광원으로부터 방출된 광을 파장에 따라 변조하는 단계, 상기 공초점 현미경에 의해 관찰되는 시편으로부터 방출된 형광 신호를 검출하는 단계 - 상기 형광 신호는 상기 공초점 현미경의 크로마틱 대물렌즈를 통과하여 상기 시편으로 조사된 상기 변조된 광에 의해 방출됨 - 및 검출된 상기 형광 신호에 기반하여 상기 시편의 깊이의 정보를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 크로마틱 대물렌즈의 초점 거리는 상기 크로마틱 대물렌즈로 입사되는 입사광의 파장에 따라 변하는, 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법이 제공된다.
상기 정보를 생성하는 단계는 상기 형광 신호의 변조 주파수를 분석함으로써 상기 크로마틱 대물렌즈의 상기 초점 거리를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정보를 생성하는 단계는 상기 획득된 초점 거리에 기반하여 상기 시편의 상기 깊이의 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 깊이의 정보를 생성하는 단계는 상기 형광 신호 중 특정 변조 주파수의 신호를 증폭하는 단계 - 상기 신호의 증폭은 상기 공초점 현미경의 락-인 증폭기에 의해 수행됨 -를 포함할 수 있다.
상기 변조하는 단계는 상기 광원으로부터 방출된 상기 광의 파장에 따라 상이한 지연(delay)을 발생시키는 단계 - 상기 지연은 상기 공초점 현미경의 광학 지연 발생기에 의해 발생됨 -를 포함할 수 있다.
상기 깊이의 정보는 상기 시편의 표면 상의 복수의 위치들의 깊이들의 정보일 수 있다.
상기 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법은 상기 시편을 상기 표면에 대응하는 2 차원 평면 상에서 스캔하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법은 상기 복수의 위치들의 깊이들의 정보에 기반하여 상기 시편의 3 차원 영상을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 생성하는 단계는 상기 스캔에 따라 상기 복수의 위치들에 각각 대응하는 깊이들의 정보를 생성할 수 있다.
또 다른 일 측면에 있어서, 공초점 내시경에 있어서, 광을 방출하는 광원, 상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하는 빔 모듈레이터, 광섬유, 처리부 및 상기 공초점 내시경에 의해 관찰되는 시편의 내부로 삽입되는 내시경 프로브를 포함하고, 상기 내시경 프로브는 크로마틱 대물렌즈를 포함하고, 상기 빔 모듈레이터는 상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하고, 상기 변조된 광은 상기 광 섬유를 통해 상기 크로마틱 대물렌즈를 통과하여 상기 시편으로 조사되고, 상기 처리부는 상기 시편으로 조사된 상기 변조된 광에 의해 상기 시편으로부터 방출된 형광 신호를 검출하고, 상기 검출된 형광 신호에 기반하여 상기 시편의 상기 내부에서의 상기 시편의 깊이의 정보를 생성하고, 상기 크로마틱 대물렌즈의 초점 거리는 상기 크로마틱 대물렌즈로 입사되는 입사광의 파장에 따라 변하는, 공초점 내시경이 제공된다.
시편의 3 차원 영상을 생성할 수 있는 공초점 현미경 및 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법이 제공된다.
시편이 2 차원 평면 상에서만 스캔되기 때문에, 일 실시예의 공초점 현미경은 별도의 이송 장치 없이 시편의 3 차원 영상을 획득할 수 있다.
또한, 일 실시예의 공초점 현미경은 시편에 광을 반복적으로 조사하지 않고 시편의 3 차원 영상을 획득할 수 있기 때문에, 시편의 광탈색 및/또는 광독성이 방지될 수 있다.
일 실시예에서, 크로마틱 대물렌즈를 통과하는 변조된 광이 연속적인 파장의 광인 경우, 시편의 깊이에 대한 연속적인 정보가 생성될 수 있다.
일 실시예의 공초점 현미경은 내시경 시스템에도 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공초점 현미경을 나타낸다.
도 2는 일 예에 따른 광원 및 빔 모듈레이터를 나타낸다.
도 3은 일 예에 따른 광원 및 빔 모듈레이터를 나타낸다.
도 4는 일 예에 따른 광원 및 빔 모듈레이터를 나타낸다.
도 5는 일 예에 따른 처리부를 나타낸다.
도 6은 일 예에 따른 처리부를 나타낸다.
도 7은 일 예에 따른 광 섬유에 의해 연결된 크로마틱 대물렌즈를 나타낸다.
도 8은 일 예에 따른 광 섬유에 의해 연결된 크로마틱 대물렌즈를 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 일 예에 따른 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 일 예에 따른 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 일 예에 따른 시편으로부터 방출된 형광 신호를 검출하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 13은 일 예에 따른 시편의 3 차원 영상을 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
실시예에는 다양한 변경이 가해질 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 실시예를 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시예는 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 공초점 현미경을 나타낸다.
공초점 현미경(100)은 광원(110), 제1 핀홀(115), 제1 렌즈(120), 빔 모듈레이터(130), 형광 필터셋(140), 빔 스캐너(150), 처리부(160), 제2 핀홀(165) 제2 렌즈(170) 및, 크로마틱 대물렌즈(180)를 포함할 수 있다.
도시된 것과는 달리, 공초점 현미경(100)은 하나 이상의 구성 요소들을 추가적으로 더 포함할 수 있다. 말하자면, 도시된 공초점 현미경(100)은 실시예들을 설명하기 위해 편의상 하나 이상의 구성 요소들이 생략된 간략화된 공초점 현미경일 수 있다.
공초점 현미경(100)은 시편(190)을 관찰하기 위한 장치일 수 있다.
공초점 현미경(100)은 형광 공초점 현미경일 수 있다. 형광 공초점 현미경은 시편(190)으로부터 방출된 형광 신호를 검출함으로써 시편(190)의 표면 및/또는 내부에 대한 정보를 생성하는 장치일 수 있다.
시편(190)은 공초점 현미경(100)에 의해 관찰되는 시편으로서 시험 및/또는 분석의 대상이 되는 물체일 수 있다. 시편(190)은 소정의 투명도를 가질 수 있다. 예컨대, 시편(190)은 생체 조직(tissue)일 수 있다.
시편(190)은 형광 물질이 처리된 시편일 수 있다. 형광 물질은 소정의 파장 또는 소정의 범위의 파장의 광이 조사되면 형광 신호를 방출하는 물질일 수 있다. 소정의 형광 물질은 공초점 현미경(100)이 사용되기 전에, 시편(190)에 사전 처리될 수 있다.
시편(190)으로부터 방출되는 형광 신호의 파장의 범위는 시편(190)에 조사되는 광의 파장의 범위와는 무관할 수 있다. 예컨대, 시편(190)의 형광 물질은 특정한 제1 파장 범위(예컨대, 흡수 파장 범위)의 광을 흡수할 수 있다. 특정한 제1 파장 범위의 광이 형광 물질로 흡수됨에 따라 상기의 형광 물질은 특정한 제2 파장 범위(예컨대, 방출 파장 범위)의 형광 신호를 방출할 수 있다. 형광 물질이 흡수하는 광의 제1 파장 범위 및 형광 물질에 의해 방출된 형광 신호의 제2 파장 범위는 서로 상이할 수 있다.
형광 물질이 흡수하는 광의 제1 파장 범위는 형광 물질의 여기(excitation) 파장의 범위일 수 있다. 형광 물질의 여기 파장의 범위는 형광 물질의 종류에 따라 상이할 수 있다.
광원(110)은 광을 방출하는 장치 또는 부품일 수 있다. 광원(110)으로부터 방출되는 광은 레이저일 수 있다. 광원(110)에 의해 방출되는 레이저의 파장은 일정한 범위 내에 있을 수 있다. 예컨대, 광원(110)에 의해 방출되는 레이저의 파장은 시편(190)에 처리된 형광 물질의 여기 파장의 범위 내로 조절 및 제어될 수 있다.
광원(110)은 다색광을 방출할 수 있다. 또는, 광원(110)에 의해 방출되는 광은 광대역(broad band)의 광 또는 시간에 따라 파장이 변화하는 광일 수 있다. 광대역의 광의 파장의 대역은 시편(190)에 처리된 형광 물질의 여기 파장의 범위 내로 조절 및 제어될 수 있다. 또한, 시간에 따라 파장이 변화하는 광의 파장의 범위는 시편(190)에 처리된 형광 물질의 여기 파장의 범위 내로 조절 및 제어될 수 있다.
광원으로부터 방출된 광은 제1 핀홀(115)을 통과한 후 제1 렌즈(120)를 통과할 수 있다. 제1 핀홀(115)은 광원으로부터 방출된 광이 통과하는 구멍(hole)일 수 있다.
제1 핀홀(115)은 소정의 크기를 가질 수 있다. 제1 핀홀(115)은 방출된 광에 적합한 크기를 가질 수 있다. 또한, 제1 핀홀(115)은 방출된 광이 통과하기에 적합한 크기를 가질 수 있다.
제1 핀홀(115)은 광원(110)의 전면에 배치될 수 있다.
제1 핀홀을 통과한 광은 제1 렌즈(120)를 통과할 수 있다. 제1 렌즈(120)를 통과한 광은 평행광일 수 있다. 예컨대, 제1 렌즈(120)는 제1 렌즈(120)를 통과하는 광을 평행광으로 변환시키는 콜리메이터(collimator)일 수 있다.
제1 렌즈(120)를 통과한 평행광은 빔 모듈레이터(130)에 의해 변조될 수 있다.
빔 모듈레이터(130)는 광원(110)으로부터 방출된 광을 방출된 광의 파장에 따라 변조할 수 있다. 예컨대, 빔 모듈레이터(130)는 광원(110)으로부터 방출된 광의 서로 상이한 파장들을 서로 상이한 변조 주파수들로 변조할 수 있다. 말하자면, 빔 모듈레이터(130)는 상기의 방출된 광의 서로 상이한 파장들에 대해, 상기의 서로 상이한 파장들을 서로 상이한 변조 주파수들로 각각 변조할 수 있다. 변조 주파수는 반송 주파수(carrier frequency)일 수 있다.
광원(110)으로부터 방출되는 광이 시간에 따라 파장이 변화하는 광인 경우, 빔 모듈레이터(130)는 시간에 따라 변하는 변조 주파수로 광원(110)으로부터 방출된 광을 변조할 수 있다. 또는, 광원(110)으로부터 방출되는 광이 광대역의 광인 경우, 빔 모듈레이터(130)는 연속적인 변조 주파수로 광원(110)으로부터 방출된 광을 변조할 수 있다.
광원(110)으로부터 방출된 광을 변조하는 방법에 대해서는 후술될 도 2 내지 도 4를 참조하여 더 자세하게 설명된다.
빔 모듈레이터(130)에 의해 변조된 광은 형광 필터셋(140)을 통과할 수 있다. 형광 필터셋(140)은 제1 필터(140-1), 제2 필터(140-2) 및 제3 필터(140-3)를 포함할 수 있다. 필터들(140-1 내지 140-3)은 특정한 파장의 광 또는 특정한 범위의 파장의 광을 선택적으로 통과시키거나 반사할 수 있다.
제1 필터(140-1)는 변조된 광 중 시편(190)에 처리된 형광 물질의 여기 파장의 범위 내의 파장의 광만을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 예컨대, 제1 필터(140-1)는 여기 필터일 수 있다. 제1 필터(140-1)를 통과한 광은 제2 필터(140-2)를 통과할 수 있다.
제2 필터(140-2)는 시편(190)에 처리된 형광 물질의 여기 파장의 범위 내의 파장의 광을 선택적으로 통과시키고, 시편(190)으로부터 방출되는 형광 신호는 반사할 수 있다. 예컨대, 제2 필터(140-2)는 다이크로익 미러(Dichroic Mirror) 또는 편광 분리기일 수 있다. 시편(190)으로부터 방출된 형광 신호는 제2 필터(140-2)에 의해 반사됨에 따라 제3 필터(140-3)를 통과할 수 있다.
제3 필터(140-3)는 제2 필터(140-2)에 의해 반사된 광 중 특정한 파장 범위의 형광 신호만 통과시킬 수 있다. 예컨대, 제3 필터(140-3)는 에미션 필터(emission filter)일 수 있다.
빔 모듈레이터(130)에 의해 변조된 광은, 제2 필터(140-2)를 통과한 후, 크로마틱 대물렌즈(180)로 입사될 수 있다.
빔 모듈레이터(130)에 의해 변조된 광은 크로마틱 대물렌즈(180)를 통과하여 시편(190)으로 조사될 수 있다.
크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리는 크로마틱 대물렌즈(180)로 입사되는 입사광의 파장에 따라 변할 수 있다. 예컨대, 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리는 입사광의 파장에 비례하여 일정하게 증가 또는 감소할 수 있다. 또는, 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리는 입사광의 파장에 반비례하여 일정하게 증가 또는 감소할 수 있다.
크로마틱 대물렌즈(180)를 통과한 광은 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점으로 집중될 수 있다. 말하자면, 크로마틱 대물렌즈(180)를 통과한 변조된 광은 변조된 광의 파장에 따라 변한 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점에 대응하는 시편(190)의 위치에 조사될 수 있다.
빔 모듈레이터(130)에 의해 변조된 광이 크로마틱 대물렌즈(180)를 통과하여 시편(190)에 조사되면, 크로마틱 대물렌즈(180)를 통과하는 광의 파장에 따라 변조된 광이 조사된 시편(190)의 표면 상의 위치의 서로 상이한 깊이의 지점들(또는, 서로 상이한 깊이의 위치들)로부터 형광 신호가 방출될 수 있다.
크로마틱 대물렌즈(180)를 통과하여 시편(190)의 표면에 조사되는 광이, 예컨대, 광대역의 광과 같은, 연속적인 파장의 광인 경우 광이 조사된 시편(190)의 위치의 연속되는 깊이의 지점들(또는, 연속되는 깊이의 지점들)로부터 형광 신호가 방출될 수 있다. 말하자면, 후술될 처리부(160)는 광이 조사된 시편(190)의 표면의 위치의 연속된 깊이의 지점들로부터 방출된 형광 신호에 기반하여 광이 조사된 시편(190)의 표면 상의 위치의 깊이에 대한 연속적인 정보를 생성할 수 있다.
도시된 것과는 달리, 빔 모듈레이터(130)에 의해 변조된 광은 광 섬유를 통해 크로마틱 대물렌즈(180)로 입사될 수 있다.
빔 모듈레이터(130)에 의해 변조된 광이 광 섬유를 통해 크로마틱 대물렌즈(180)로 입사되는 실시예 및 크로마틱 대물렌즈(180)의 구조에 대해서는, 후술될 도 7 및 도 8을 참조하여 더 자세하게 설명된다.
처리부(160)의 광 검출기(162)는 형광 신호를 검출할 수 있다. 형광 신호는 시편(190)으로 조사된 변조된 광에 의해 시편(190)으로부터 방출될 수 있다.
처리부(160)는 검출된 형광 신호에 기반하여 시편(190)의 깊이의 정보를 생성할 수 있다.
처리부(160)에 의해 생성된 시편(190)의 깊이의 정보는 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리와 관련된 정보일 수 있다. 말하자면, 시편(190)의 깊이의 정보는 시편(190)의 표면 상의 위치의 서로 상이한 깊이의 지점들 중 형광 신호가 방출된 지점에 대한 정보일 수 있다. 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리와 관련된 정보는 검출된 형광 신호의 주파수 또는 변조 주파수를 분석함으로써 획득될 수 있다. 말하자면, 처리부(160)는 형광 신호의 변조 주파수를 분석함으로써 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리를 획득할 수 있고, 획득된 초점 거리에 기반하여 시편(190)의 깊이의 정보를 생성할 수 있다.
처리부(160)에 의해 생성되는 깊이의 정보는 시편(190)의 표면 상의 복수의 위치들의 깊이들의 정보일 수 있다. 시편(190)의 표면 상의 복수의 위치들의 각 위치는 크로마틱 대물렌즈(180)를 통과한 변조된 광이 조사된 시편의 표면 상의 위치일 수 있다.
광원(110)으로부터 방출된 광의 파장에 따라, 광원(110)으로부터 방출된 광에 대한 변조 주파수가 변할 수 있다. 또한, 크로마틱 대물렌즈(180)를 통과하는 변조된 광의 파장에 따라 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리가 변할 수 있다. 따라서, 처리부(160)는 시편(190)으로부터 방출되는 형광 신호의 주파수 또는 변조 주파수를 분석함으로써, 상기의 주파수 또는 변조 주파수에 기반하여 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리를 획득할 수 있다. 처리부(160)는 획득된 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리에 기반하여 시편(190)의 깊이의 정보를 생성할 수 있다.
하기에서는, 시편(190)으로부터 방출된 형광 신호에 의해 시편(190)의 깊이의 정보가 획득되는 과정이 좀 더 구체적으로 설명된다.
시편(190)으로부터 방출된 형광 신호는 제2 필터(140-2)에 의해 반사된 후, 제3 필터(140-3)를 통과하여 제2 렌즈(170)로 입사될 수 있다. 제2 렌즈(170)는 집광렌즈일 수 있다. 말하자면, 제2 렌즈(170)를 통과한 형광 신호는 제2 렌즈(170)의 초점으로 집중될 수 있다.
제2 렌즈(170)를 통과한 형광 신호는 제2 핀홀(165)을 통과할 수 있다. 제2 핀홀(165)을 통화한 형광 신호는 처리부(160)에 의해 검출될 수 있다. 제2 핀홀은 처리부(160) 및 제2 렌즈(170)의 사이에 배치될 수 있다. 제2 핀홀은 제2 렌즈(170)의 초점에 배치될 수 있다.
제2 렌즈(170)는 형광 신호의 초점을 일정하게 보정하기 위한 렌즈일 수 있다. 말하자면, 제2 렌즈(170)를 통과한 형광 신호는 제2 렌즈(170)의 초점으로 집중될 수 있다.
처리부(160)의 광 검출기(162)는 제2 핀홀(165)을 통과한 형광 신호를 검출할 수 있다. 광 검출기(162)는 광의 세기를 검출하기 위한 장치일 수 있다. 광 검출기(162)는 제2 핀홀(165)을 통과한 형광 신호의 세기를 검출할 수 있다.
광 검출기(162)에 의해 검출된 형광 신호는 처리부(160)의 주파수 분석기(164)에 의해 분석될 수 있다. 주파수 분석기(164)는 검출된 형광 신호의 주파수 또는 변조 주파수를 분석할 수 있다.
처리부(160)의 데이터 획득부(166)는 주파수 분석기(164)에 의해 분석된 데이터를 수집할 수 있다. 데이터 획득부(166)는 주파수 분석기(164)에 의해 분석된 데이터를 실시간으로 획득할 수 있다. 데이터 획득부(166)는 주파수 분석기(164)에 의해 분석된 데이터를 디지털 데이터로 변환할 수 있다. 예컨대, 데이터 획득부(166) 아날로그 투 디지털(analog to digital) 컨버터를 포함할 수 있다.
데이터 획득부(166)에 의해 수집된 데이터는 처리부(160)의 연산부(168)에 의해 처리될 수 있다. 연산부(168)는 시편(190)의 깊이의 정보를 검출하기 위해 요구되는 연산을 처리할 수 있다. 연산부(168)는 데이터 획득부(166)에 의해 수집된 데이터를 처리하고, 형광 신호가 방출된 시편(190)의 위치에 대한 정보를 획득함으로써, 시편(190)의 깊이의 정보를 생성할 수 있다.
처리부(160) 및/또는 연산부(168)은 공초점 현미경(100)에 포함된 구성으로서 도시되었으나 도시된 것과는 달리 공초점 현미경(100)과는 별개의 장치로서 존재할 수 있다.
처리부(160) 및/또는 연산부(168)는 공초점 현미경(100)과 유무선의 통신 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 또는 컴퓨터 시스템의 일부일 수 있다. 처리부(160) 및/또는 연산부(168)는 하나 이상의 코어를 포함하는 프로세서(processor)를 포함할 수 있다.
시편(190)에 대한 3 차원 영상이 생성되기 위해서, 시편(190)의 전체에 대한 깊이들의 정보의 생성이 요구될 수 있다. 처리부(160)가 시편(190)의 전체에 대한 깊이들의 정보를 생성할 수 있도록, 시편(190)은 시편(190)의 표면에 대응하는 2 차원 평면 상에서 스캔될 수 있다. 말하자면, 처리부(160)는 시편(190)의 표면에 대응하는 2 차원 평면 상에서의 시편(190)의 스캔에 따라 시편(190)의 표면 상의 복수의 위치들에 각각 대응하는 깊이들의 정보를 생성할 수 있다.
처리부(160)는 생성된 시편(190)의 전체에 대한 깊이들의 정보에 기반하여 시편(190)의 3 차원 영상을 생성할 수 있다.
시편(190)의 표면에 대응하는 2 차원 평면 상에서의 시편(190)의 스캔은 빔 스캐너(150)에 의해 수행될 수 있다. 예컨대, 빔 스캐너(150)는 크로마틱 대물렌즈(180)를 통해 시편(190)으로 조사되는 광이 조사되는 시편(190) 상의 위치를 변경함으로써, 시편(190)을 2 차원 평면 상에서 스캔할 수 있다.
빔 스캐너는 공진형 스캐너 및/또는 갈바노 거울(galvano mirror)을 포함할 수 있다.
공진형 스캐너는 소정의 공진 주파수에서 진동할 수 있다.
갈바노 거울은 전기적 신호를 수신할 수 있다. 갈바노 거울은 수신된 전기적 신호에 기반하여 회전할 수 있다. 예컨대, 제2 필터(140-2)를 통과한 변조된 광이 회전된 갈바노 거울에 의해 반사됨으로써 광이 크로마틱 대물렌즈(180)를 통해 조사되는 시편(190) 상의 위치가 변할 수 있다. 광이 조사되는 시편(190) 상의 위치가 변함으로써, 시편(190)은 x축의 방향 및 y축의 방향으로 2 차원 평면 스캔될 수 있다.
도 1에서, 빔 스캐너(150)는 제2 필터(140-2) 및 크로마틱 대물렌즈(180)의 사이에 배치되는 것으로 도시었다. 그러나, 도시된 것과 달리, 빔 스캐너(150)는 크로마틱 대물렌즈(180) 내에 배치될 수도 있다.
도 2는 일 예에 따른 광원 및 빔 모듈레이터를 나타낸다.
도 2에는 도 1을 참조하여 전술된, 광원(110) 및 빔 모듈레이터(130)의 예시적인 구성이 도시되었다.
광원(110)은 제1 광원(210) 및 제2 광원(210-1)을 포함할 수 있다.
제1 광원(210) 및 제2 광원(210-1)은 각각 서로 상이한 파장의 광을 방출할 수 있다. 제1 광원(210)에 의해 방출되는 제1 광 및 제2 광원(210-2)에 의해 방출되는 제2 광은 제1 광원(210) 및 제2 광원(210-1)으로부터 동시에 방출될 수 있고, 소정의 시간 차를 가지고 순차적으로 방출될 수 있고, 또는 시분할(time-slicing)로 방출될 수 있다.
빔 모듈레이터(130)는 진폭 변조기(amplitude modulator)를 포함할 수 있다. 빔 모듈레이터(130)가 포함하는 진폭 변조기의 개수는 광원(110)에 의해 방출되는 광의 파장의 개수에 따라 결정될 수 있다. 진폭 변조기의 개수는 방출되는 광의 파장의 개수와 동일할 수 있다. 예컨대, 빔 모듈레이터(130)는 제1 진폭 변조기(220) 및 제2 진폭 변조기(220-1)를 포함할 수 있다.
빔 모듈레이터(130)는 진폭 변조기를 사용함으로써 광원(110)으로부터 방출된 광을 파장에 따라 변조할 수 있다.
예컨대, 제1 광원(210)에 의해 방출되는 제1 광은 제1 진폭 변조기(220)에 의해 변조될 수 있고, 제2 광원(210-1)에 의해 방출되는 제2 광은 제2 진폭 변조기(220-1)에 의해 변조될 수 있다. 제1 광은 제1 진폭 변조기(220)에 의해 제1 변조 주파수로 진폭 변조될 수 있고. 제2 광은 제2 진폭 변조기(220-1)에 제2 변조 주파수로 진폭 변조될 수 있다. 제1 변조 주파수 및 제2 변조 주파수는 서로 상이할 수 있다. 말하자면, 제1 광 및 제2 광의 각각의 파장에 대해 서로 상이한 주파수로 진폭 변조가 수행될 수 있다.
빔 모듈레이터(130)는 빔 결합기(combiner)(230)를 포함할 수 있다. 빔 결합기(230)는 제1 진폭 변조기(220) 및 제2 진폭 변조기(220-1)에 의해 각각 변조된 광을 합할 수 있다. 빔 결합기(230)에 의해 합해진 광은 형광 필터셋(140)으로 입사될 수 있다.
도시된 것과는 달리 진폭 변조기들(220 및 220-1) 및 빔 결합기(230)는 광원(110)의 일부일 수 있다. 말하자면, 광원(110)은 진폭 변조기들(220 및 220-1) 및 빔 결합기(230)를 포함할 수 있다.
도시된 것과는 달리, 광원(110)은 복수의 광원들을 포함할 수 있다. 이 때, 복수의 광원들의 각각은 서로 상이한 파장의 광을 방출할 수 있다. 또한, 복수의 광원들의 각각에 의해 방출되는 광은 동일한 시각에 방출되거나, 소정의 시간 차를 갖고 순차적으로 방출되거나, 시분할로 방출될 수 있다. 빔 모듈레이터(130) 또한, 복수의 진폭 변조기들을 포함할 수 있다. 복수의 진폭 변조기들의 각각은 복수의 광원들의 각 광원이 방출하는 광의 파장에 대응할 수 있다.
앞서 도 1을 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 3은 일 예에 따른 광원 및 빔 모듈레이터를 나타낸다.
도 3에는 도 1을 참조하여 전술된, 광원(110) 및 빔 모듈레이터(130)의 예시적인 구성이 도시되었다.
광원(110)은 광대역 광원일 수 있다. 광원(110)은 광대역의 광을 방출할 수 있다.
빔 모듈레이터(130)는 빔 스플리터(310), 제1 미러(320), 제2 미러(320-1), 광학 지연 발생기(optical delay generator)(330) 및 빔 결합기(340)를 포함할 수 있다.
빔 스플리터(310)는 광원(110)으로부터 방출된 광을 분할할 수 있다. 예컨대, 빔 스플리터(310)는 광원(110)으로부터 방출된 광을 2개로 분할할 수 있고, 분할된 제1 광 및 제2 광은 제1 미러(320) 및 제2 미러(320-1)로 각각 입사될 수 있다. 빔 스플리터(310)는 광원(110)으로부터 방출된 광의 세기를 분할할 수 있다.
제1 미러(320) 및 제2 미러(320-1)는 빔 스플리터(310)에 의해 분할된 제1 광 및 제2 광을 각각 반사할 수 있다. 제1 미러(320) 및 제2 미러(320-1)는 동일한 특성을 가질 수 있다.
반사된 제1 광은 빔 결합기(340)로 입사될 수 있다. 반사된 제2 광은 광학 지연 발생기(optical delay generator)(330)로 입사될 수 있다.
광학 지연 발생기(330)는 광원(110)으로부터 방출된 광의 파장에 따라 상이한 지연(delay)를 발생시키는 장치일 수 있다. 말하자면, 광학 지연 발생기(330)로 입사된 광은, 상기의 광의 파장에 대응하는 시간만큼 지연되어 광학 지연 발생기(330)로부터 방출될 수 있다. 광학 지연 발생기(330)에 의해, 방출된 광의 파장에 따라 광의 진행이 지연될 수 있다. 상기의 광의 지연에 의해 광원(110)으로부터 방출된 광은 방출된 광의 파장에 따라 변조될 수 있다. 광원(110)으로부터 방출된 광은 방출된 광의 파장에 대응하는 주파수로 변조될 수 있다.
광학 지연 발생기(330)에 의해 변조된 광은 빔 결합기(340)에 의해 제1 미러(320)에 의해 반사된 광과 합해질 수 있다. 빔 결합기(340)에 의해 제1 미러(320)에 의해 반사된 광 및 광학 지연 발생기(330)에 의해 변조된 광이 합해짐으로써 합해지는 광들 간의 보강 간섭 및 상쇄 간섭이 일어날 수 있다. 예컨대, 빔 결합기(340)는 간섭계일 수 있다.
빔 결합기(340)에 의해 합해진 광은 형광 필터셋(140)으로 입사될 수 있다.
도시된 것과는 달리 빔 스플리터(310), 제1 미러(320), 제2 미러(320-1), 광학 지연 발생기(330) 및 빔 결합기(340)는 광원(110)의 일부일 수 있다. 말하자면, 광원(110)은 빔 스플리터(310), 제1 미러(320), 제2 미러(320-1), 광학 지연 발생기(330)를 포함할 수 있다.
앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 4는 일 예에 따른 광원 및 빔 모듈레이터를 나타낸다.
도 3에는 도 1을 참조하여 전술된, 광원(110) 및 빔 모듈레이터(130)의 예시적인 구성이 도시되었다.
광원(110)은 광대역 광원일 수 있다. 광원(110)은 광대역의 광을 방출할 수 있다.
빔 모듈레이터(130)는 빔 스플리터(410), 제1 주파수 변조기(430), 제1 미러(420), 제2 미러(420-1), 제2 주파수 변조기(430-1) 및 빔 결합기(440)를 포함할 수 있다. 빔 스플리터(410), 제1 미러(420), 제2 미러(420-1) 및 빔 결합기(440)는 도 3을 참조하여 전술된 빔 스플리터(310), 제1 미러(320), 제2 미러(320-1) 및 빔 결합기(340)에 각각 대응할 수 있다.
빔 스플리터(410)에 의해 분할된 제1 광은 제1 주파수 변조기(430)를 통과할 수 있다. 제1 주파수 변조기(430)는 제1 광을 파장에 따라 서로 상이한 변조 주파수로 변조할 수 있다. 변조된 제1 광은 제1 미러(320)에 의해 반사되어 빔 결합기(440)로 입사될 수 있다.
빔 스플리터(410)에 의해 분할된 제2 광은 제2 미러(320-1)에 의해 반사되어 제2 주파수 변조기(430-1)로 입사될 수 있다. 제2 주파수 변조기(430-1)는 제2 주파수 변조기(430-1)로 입사된 제2 광을 파장에 따라 서로 상이한 변조 주파수로 변조될 수 있다. 변조된 제2 광은 빔 결합기(440)로 입사될 수 있다.
빔 결합기(440)는 제1 주파수 변조기(430)에 의해 변조된 제1 광 및 제2 주파수 변조기(430-1)에 의해 변조된 제2 광을 합할 수 있다. 변조된 제1 광 및 변조된 제2 광이 합해짐으로써 합해지는 광들 간의 보강 간섭 및 상쇄 간섭이 일어날 수 있다. 예컨대, 빔 결합기(440)는 간섭계일 수 있다.
빔 결합기(440)에 의해 합해진 광은 형광 필터셋(140)으로 입사될 수 있다.
도시된 것과는 빔 스플리터(410), 제1 주파수 변조기(430), 제1 미러(420), 제2 미러(420-1), 제2 주파수 변조기(430-1) 및 빔 결합기(440)는 광원(110)의 일부로서 존재할 수 있다. 말하자면, 광원(110)은 빔 스플리터(410), 제1 주파수 변조기(430), 제1 미러(420), 제2 미러(420-1), 제2 주파수 변조기(430-1) 및 빔 결합기(440)를 포함할 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 5는 일 예에 따른 처리부를 나타낸다.
도 5에는 도 1을 참조하여 전술된, 처리부(160)의 일 예가 도시되었다.
도시된 것처럼 처리부(160)는 락-인 증폭기(lock-in amplifier)(510)를 포함할 수 있다. 락-인 증폭기(510)는 형광 신호의 특정 변조 주파수의 신호를 증폭할 수 있다. 말하자면 락-인 증폭기(510)는 형광 신호 중 일부의 변조 주파수의 신호를 선택적으로 증폭할 수 있다.
락-인 증폭기(510)가 증폭하는 특정 변조 주파수의 신호는 소정의 변조 주파수의 신호 또는 소정의 범위의 변조 주파수의 신호일 수 있다. 락-인 증폭기(510)는 형광 신호에 대해 예컨대, 진폭 변조된 신호와 같은, 변조된 형태의 신호만을 증폭할 수 있다.
락-인 증폭기(510)는 도 1을 참조하여 전술된 주파수 분석기(164)의 일부일 수 있다. 말하자면, 주파수 분석기(164)는 락-인 증폭기(510)를 포함할 수 있다. 또는, 락-인 증폭기(510)는 주파수 분석기(164)에 의해 수행되는 주파수 분석의 전단계에서 형광 신호의 소정의 범위의 변조 주파수의 신호를 증폭할 수 있다.
요컨대, 광 검출기(162)에 의해 검출된 형광 신호 중 특정 변조 주파수의 신호는 락-인 증폭기(510)에 증폭될 수 있다. 증폭된 신호에 기반하여, 주파수 분석기(164)는 형광 신호의 주파수 또는 변조 주파수를 분석할 수 있다. 분석된 데이터는 데이터 획득부(166)에 의해 수집될 수 있다. 연산부(168)는 수집된 데이터를 처리함으로써 시편(190)의 깊이의 정보를 생성할 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 6은 일 예에 따른 처리부를 나타낸다.
도 6에는 도 1을 참조하여 전술된, 처리부(160)의 일 예가 도시되었다.
처리부(160)는 고속 DAQ 보드(610) 및 주파수 신호 처리부(620)를 포함할 수 있다.
고속 DAQ 보드(610)는 도 1을 참조하여 전술된, 데이터 획득부(166)에 대응할 수 있다. 고속 DAQ 보드(610)는 광 검출기(162)에 의해 검출된 형광 신호를 디지털 신호로 변경할 수 있다. 고속 DAQ 보드(610)는 아날로그 투 디지털 컨버터를 포함할 수 있다.
고속 DAQ 보드(610)는 광 검출기(162)에 의해 검출된 형광 신호의 잡음을 필터링할 수 있고, 잡음이 제거된 형광 신호를 증폭할 수 있다. 말하자면, 고속 DAQ 보드(610)는 검출기(162)에 의해 검출된 형광 신호를 주파수 분석기(164), 연산부(168) 및/또는 주파수 신호 처리부(620)가 분석할 수 할 수 있는 데이터로 변환할 수 있다.
주파수 신호 처리부(620)는 고속 DAQ 보드(610)에 의해 획득된 신호를 처리할 수 있다. 예컨대, 주파수 신호 처리부(620)는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT)의 알고리즘을 사용하여 DAQ 보드(610)에 의해 획득된 신호를 처리할 수 있다. 주파수 신호 처리부(620)는 FFT의 알고리즘을 사용하여 고속 DAQ 보드(610)에 의해 획득된 신호를 처리함으로써 형광 신호의 각 변조 주파수에 대응하는 신호의 크기를 측정할 수 있다. 획득된 각 변조 주파수에 대응하는 신호의 크기에 기반하여, 처리부(160)는 시편(190)의 깊이의 정보를 생성할 수 있다.
도시된 것과는 달리, 주파수 신호 처리부(620)는 주파수 분석기(164) 또는 연산부(166)의 일부로서 존재할 수 있다. 말하자면, 주파수 분석기(164) 또는 연산부(166)는 주파수 신호 처리부(620)를 포함할 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 7은 일 예에 따른 광 섬유에 의해 연결된 크로마틱 대물렌즈를 나타낸다.
도 1을 참조하여 전술된 공초점 현미경(100)은 광 섬유(optical fiber)를 포함할 수 있다.
광 섬유의 말단(end point)으로 입사된 광은 광 섬유의 내부에서 전반사될 수 있다. 상기의 전반사에 의해 입사된 광은 광 섬유의 반대편 말단으로 방출될 수 있다.
형광 필터셋(140)을 통과한 광은 광 섬유를 통해 크로마틱 대물렌즈(180)로 입사될 수 있다. 말하자면, 빔 모듈레이터(130)에 의해 변조된 광은 광 섬유를 통해 크로마틱 대물렌즈(180)로 입사될 수 있다.
크로마틱 대물렌즈(180)와 연결된 광 섬유는 광 섬유 번들(bundle) 또는 하나의 가닥의 광 섬유(single fiber)일 수 있다.
도 7에는 광 섬유 번들(710)에 의해 연결된 크로마틱 대물렌즈가 도시되었다. 광 섬유 번들(710)은 복수의 가닥의 광 섬유를 합친 것일 수 있다. 예컨대, 광 섬유 번들(710)은 광 섬유 케이블일 수 있다. 광 섬유 번들(710)은 연결부(720)에 의해 크로마틱 대물렌즈(180)와 연결될 수 있다.
광 섬유 번들(710)을 사용하여 크로마틱 대물렌즈(180)를 통과한 변조된 광이 시편(190)으로 조사되는 경우, 하나의 가닥의 광 섬유를 사용하여 상기 변조된 광이 시편(190)으로 조사되는 경우보다 시편(190)의 표면 상의 더 넓은 영역에 변조된 광이 조사될 수 있다.
크로마틱 대물렌즈(180)는 마이크로옵틱스(microptics) 기반의 크로마틱 대물렌즈일 수 있다.
크로마틱 대물렌즈(180)는 렌즈들(730-1 내지 730-3)을 포함할 수 있다. 렌즈들(730-1 내지 730-3)은 비구면 렌즈 및/또는 회절 렌즈일 수 있다.
크로마틱 대물렌즈(180)는 렌즈들(730-1 내지 730-3) 외에 하나 이상의 비구면 렌즈 및/또는 회절 렌즈를 더 포함할 수 있다. 말하자면, 크로마틱 대물렌즈(180)는 하나 이상의 비구면 렌즈들 및/또는 회절 렌즈들의 조합으로서 구성될 수 있다.
렌즈들(730-1 내지 730-3)은 하우징(housing) 내에서 조합될 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 8은 일 예에 따른 광 섬유에 의해 연결된 크로마틱 대물렌즈를 나타낸다.
도 7을 참조하여 전술된 것처럼, 공초점 현미경(100)은 광 섬유를 포함할 수 있고, 공초점 현미경(100)이 포함하는 광 섬유는 광 섬유 번들 또는 하나의 가닥의 광 섬유일 수 있다. 도 8에는 하나의 가닥의 광 섬유(810)에 의해 연결된 크로마틱 대물렌즈가 도시되었다.
광 섬유(810)는 연결부(720)에 의해 크로마틱 대물렌즈(180)와 연결될 수 있다. 광 섬유(810)를 사용하여 크로마틱 대물렌즈(180)를 통과한 변조된 광이 시편(190)으로 조사되는 경우, 광 섬유 번들(710)를 사용하여 상기 변조된 광이 시편(190)으로 조사되는 경우보다 시편(190)의 표면 상의 위치에 조사된 변조된 광에 의해 방출되는 형광 신호의 광학적 특성이 더 우수할 수 있다. 예컨대, 광 섬유(810)를 사용하는 경우 시편(190)으로부터 방출되는 형광 신호는 광 섬유 번들(710)을 사용하는 경우 시편(190)으로부터 방출되는 형광 신호에 비해 노이즈를 덜 포함할 수 있다.
크로마틱 대물렌즈(180)는 마이크로옵틱스(microptics) 기반의 크로마틱 대물렌즈일 수 있다. 크로마틱 대물렌즈(180)는 렌즈들(820-1 내지 820-3)을 포함할 수 있다. 렌즈들(820-1 내지 820-3)은 비구면 렌즈 및/또는 회절 렌즈일 수 있다. 크로마틱 대물렌즈(180)는 렌즈들(820-1 내지 820-3) 외에 하나 이상의 비구면 렌즈 및/또는 회절 렌즈를 더 포함할 수 있다. 렌즈(820-2)는 그린렌즈일 수 있다. 그린렌즈는 원통형 형태의 렌즈일 수 있다. 말하자면, 크로마틱 대물렌즈(180)는 그린렌즈, 하나 이상의 비구면 렌즈들 및/또는 회절 렌즈들의 조합으로서 구성될 수 있다.
도 1에서 도시된 것과는 달리, 빔 스캐너(150)는 크로마틱 대물렌즈(180)에 포함될 수 있다. 말하자면, 형광 필터셋(140)을 통과한 변조된 광은 크로마틱 대물렌즈(180) 내의 빔 스캐너(150)에 의해, 시편(190)의 표면 상의 서로 상이한 위치로 조사될 수 있다. 빔 스캐너(150)는 초소형 전기-기계 시스템(Micro Electro Mechanical System; MEMS) 스캐너 또는 피에조-일렉트릭(Piezo-electric; PZT) 스캐너일 수 있다.
렌즈들(820-1 내지 820-3) 하우징 내에서 조합될 수 있고, 빔 스캐너(150)도 하우징 내에 배치될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하여 설명된 실시예의 공초점 현미경은 공초점 내시경일 수 있다. 공초점 내시경은 산업용 내시경 또는 의료용 내시경일 수 있다. 실시예의 공초점 내시경이 의료용 내시경인 경우, 시편(190)은 내시경 시술의 피시술자의 생체 조직일 수 있다.
공초점 내시경의 프로브는 크로마틱 대물렌즈(180)를 포함할 수 있다. 예컨대, 크로마틱 대물렌즈(180)는 내시경 프로브의 말단에 부착될 수 있다.
공초점 내시경의 프로브는 공초점 내시경에 의해 관찰되는 시편(190)의 내부로 삽입될 수 있다. 연결부(720) 및/또는 광 섬유(710 또는 810) 또한 시편(190)의 내부로 삽입될 수 있다.
연결부(720) 및 크로마틱 대물렌즈(180)의 크기는 시편의 내부로 삽입될 수 있을 만큼 작을 수 있고, 광 섬유 번들(170)의 굵기는 시편의 내부로 삽입될 수 있을 만큼 가늘 수 있다.
빔 모듈레이터(130)에 의해 변조된 광은 광 섬유(710 또는 810)를 통해 크로마틱 대물렌즈(180)를 통과하여 시편(190)으로 조사될 수 있다. 변조된 광은 공초점 내시경의 내시경 프로브가 삽입된 시편(190)의 내부에서 시편(190)으로 조사될 수 있다.
처리부(160)는 시편(190)으로 조사된 변조된 광에 의해 시편(190)으로부터 방출된 형광 신호를 검출할 수 있고, 검출된 형광 신호에 기반하여 공초점 내시경의 프로브가 삽입된 시편(190)의 내부에서의 시편(190)의 깊이의 정보를 생성할 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 9는 일 실시예에 따른 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하여 전술된 공초점 현미경(100)에 의해 수행되는 시편(190)의 깊이의 정보를 생성하는 방법이 도시되었다.
후술될 단계들(910 및 930)이 수행됨으로써 시편(190)의 높이의 정보가 검출될 수 있다.
단계(910)에서, 빔 모듈레이터(130)는 공초점 현미경(100)의 광원(110)으로부터 방출된 광을 파장에 따라 변조할 수 있다.
단계(920)에서, 처리부(160)는 공초점 현미경(100)에 의해 관찰되는 시편(190)으로부터 방출된 형광 신호를 검출할 수 있다. 검출된 형광 신호는 공초점 현미경(100)의 크로마틱 대물렌즈(180)를 통과하여 시편(190)으로 조사된 빔 모듈레이터(130)에 의해 변조된 광에 의해 방출된 형광 신호일 수 있다. 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리는 크로마틱 대물렌즈(180)로 입사되는 입사광의 파장에 따라 변할 수 있다.
단계(930)에서, 처리부(160)는 검출된 형광 신호에 기반하여 시편(190)의 깊이의 정보를 생성할 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 10은 일 예에 따른 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
후술될 단계들(1010 및 1020)은 도 9를 참조하여 전술된 단계(930)에 포함될 수 있다.
단계(1010)에서, 처리부(160)는 검출된 형광 신호의 변조 주파수를 분석함으로써 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리를 획득할 수 있다.
단계(1020)에서, 처리부(160)는 획득된 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리에 기반하여 시편(190)의 깊이의 정보를 생성할 수 있다.
획득된 크로마틱 대물렌즈(180)의 초점 거리에 대응하는 초점의 위치에서 형광 신호가 방출될 수 있다. 따라서, 처리부(160)는 형광 신호가 방출된 시편(190)의 위치의 정보에 기반하여 시편(190)의 깊이의 정보로서 생성할 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 11은 일 예에 따른 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9를 참조하여 전술된 단계(930)는 후술될 단계(1110)를 더 포함할 수 있다.
단계(1110)에서, 처리부(160)는 검출된 형광 신호 중 특정 변조 주파수의 신호를 증폭할 수 있다. 출된 형광 신호 중 특정 변조 주파수의 신호의 증폭은 상기 공초점 현미경(100)의 도 5를 참조하여 전술된 락-인 증폭기(510)에 의해 수행될 수 있다. 락-인 증폭기(510)가 증폭하는 특정 변조 주파수의 신호는 소정의 변조 주파수의 신호 또는 소정의 범위의 변조 주파수의 신호일 수 있다. 예컨대, 락-인 증폭기(510)는 변조된 형태의 신호만을 증폭할 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 12는 일 예에 따른 시편으로부터 방출된 형광 신호를 검출하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 9를 참조하여 전술된 단계(910)는 후술될 단계(1210)를 더 포함할 수 있다.
단계(1210)에서, 빔 모듈레이터(130)는 광원(110)으로부터 방출된 광의 파장에 따라 상이한 지연을 발생시킬 수 있다. 광원(110)으로부터 방출된 광의 파장에 따른 상이한 지연은 공초점 현미경(100)의 도 3을 참조하여 전술된 광학 지연 발생기(330)에 의해 발생될 수 있다. 광원(110)으로부터 방출된 광의 파장에 따라 상이한 지연이 발생됨으로써 광원(110)으로부터 방출된 광은 파장에 따라 변조될 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 13은 일 예에 따른 시편의 3 차원 영상을 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 9를 참조하여 전술된 것처럼, 단계(930)에서, 처리부(160)에 의해 생성되는 깊이의 정보는 시편(190)의 표면 상의 복수의 위치들의 깊이들의 정보일 수 있다.
단계(1310)에서, 빔 스캐너(150)는 시편(190)을 시편(190)의 표면에 대응하는 2 차원 평면 상에서 스캔할 수 있다.
단계(1320)에서, 처리부(150)는 시편(190)의 표면 상의 복수의 위치들의 깊이들의 정보에 기반하여 상기 시편의 3 차원 영상을 생성할 수 있다. 말하자면, 처리부(160)는 생성된 시편(190)의 전체에 대한 깊이들의 정보에 기반하여 시편(190)의 3 차원 영상을 생성할 수 있다
앞서 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명된 기술적 내용들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 공초점 현미경에 있어서,
    광을 방출하는 광원;
    상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하는 빔 모듈레이터;
    크로마틱 대물렌즈; 및
    처리부
    를 포함하고,
    상기 빔 모듈레이터는 상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하고,
    상기 변조된 광은 상기 크로마틱 대물렌즈를 통과하여 상기 공초점 현미경에 의해 관찰되는 시편으로 조사되고,
    상기 처리부는 상기 시편으로 조사된 상기 변조된 광에 의해 상기 시편으로부터 방출된 형광 신호를 검출하고, 상기 검출된 형광 신호에 기반하여 상기 시편의 깊이의 정보를 생성하고,
    상기 크로마틱 대물렌즈의 초점 거리는 상기 크로마틱 대물렌즈로 입사되는 입사광의 파장에 따라 변하고,
    상기 처리부는 상기 형광 신호의 변조 주파수를 분석함으로써 상기 크로마틱 대물렌즈의 상기 초점 거리를 획득하고, 상기 획득된 초점 거리에 기반하여 상기 시편의 상기 깊이의 정보를 생성하는, 공초점 현미경.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원에 의해 방출되는 상기 광은 광대역(broad band)의 광이거나, 시간에 따라 파장이 변화하는 광인, 공초점 현미경.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는
    상기 형광 신호 중 특정 변조 주파수의 신호를 증폭하는 락-인 증폭기(lock-in amplifier)
    를 포함하는, 공초점 현미경.
  5. 공초점 현미경에 있어서,
    광을 방출하는 광원;
    상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하는 빔 모듈레이터;
    크로마틱 대물렌즈; 및
    처리부
    를 포함하고,
    상기 빔 모듈레이터는 상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하고,
    상기 변조된 광은 상기 크로마틱 대물렌즈를 통과하여 상기 공초점 현미경에 의해 관찰되는 시편으로 조사되고,
    상기 처리부는 상기 시편으로 조사된 상기 변조된 광에 의해 상기 시편으로부터 방출된 형광 신호를 검출하고, 상기 검출된 형광 신호에 기반하여 상기 시편의 깊이의 정보를 생성하고,
    상기 크로마틱 대물렌즈의 초점 거리는 상기 크로마틱 대물렌즈로 입사되는 입사광의 파장에 따라 변하고,
    상기 빔 모듈레이터는
    진폭 변조기(amplitude modulator)
    를 포함하고,
    상기 빔 모듈레이터는 상기 진폭 변조기를 사용함으로써 상기 광원으로부터 방출된 광을 파장에 따라 변조하는, 공초점 현미경.
  6. 공초점 현미경에 있어서,
    광을 방출하는 광원;
    상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하는 빔 모듈레이터;
    크로마틱 대물렌즈; 및
    처리부
    를 포함하고,
    상기 빔 모듈레이터는 상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하고,
    상기 변조된 광은 상기 크로마틱 대물렌즈를 통과하여 상기 공초점 현미경에 의해 관찰되는 시편으로 조사되고,
    상기 처리부는 상기 시편으로 조사된 상기 변조된 광에 의해 상기 시편으로부터 방출된 형광 신호를 검출하고, 상기 검출된 형광 신호에 기반하여 상기 시편의 깊이의 정보를 생성하고,
    상기 크로마틱 대물렌즈의 초점 거리는 상기 크로마틱 대물렌즈로 입사되는 입사광의 파장에 따라 변하고,
    상기 빔 모듈레이터는
    광학 지연 발생기(optical delay generator)
    를 포함하고,
    상기 광학 지연 발생기는 상기 광원으로부터 방출된 상기 광의 파장에 따라 상이한 지연(delay)를 발생시킴으로써 상기 광원으로부터 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하는, 공초점 현미경.
  7. 제1항에 있어서,
    광 섬유(optical fiber)
    를 더 포함하고,
    상기 변조된 상기 광은 광 섬유를 통해 상기 크로마틱 대물렌즈로 입사되는, 공초점 현미경.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광 섬유는 광 섬유 번들(bundle) 또는 하나의 가닥의 광 섬유(single fiber)인, 공초점 현미경.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 깊이의 정보는 상기 시편의 표면 상의 복수의 위치들의 깊이들의 정보인, 공초점 현미경.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 시편은 상기 표면에 대응하는 2 차원 평면 상에서 스캔되고,
    상기 처리부는 상기 스캔에 따라 상기 복수의 위치들에 각각 대응하는 깊이들의 정보를 생성하는, 공초점 현미경.
  11. 제9항에 있어서,
    빔 스캐너
    를 더 포함하고,
    상기 빔 스캐너는 상기 크로마틱 대물렌즈를 통해 상기 시편으로 조사되는 광이 조사되는 상기 시편 상의 위치를 변경함으로써, 상기 시편을 2 차원 평면 상에서 스캔하고,
    상기 처리부는 상기 스캔에 따라 상기 복수의 위치들에 각각 대응하는 깊이들의 정보를 생성하는, 공초점 현미경.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 크로마틱 대물렌즈의 상기 초점 거리는 상기 입사광의 파장에 비례하여 일정하게 증가 또는 감소하는, 공초점 현미경.
  13. 공초점 현미경이 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법에 있어서,
    상기 공초점 현미경의 광원으로부터 방출된 광을 파장에 따라 변조하는 단계;
    상기 공초점 현미경에 의해 관찰되는 시편으로부터 방출된 형광 신호를 검출하는 단계 - 상기 형광 신호는 상기 공초점 현미경의 크로마틱 대물렌즈를 통과하여 상기 시편으로 조사된 상기 변조된 광에 의해 방출됨 -; 및
    검출된 상기 형광 신호에 기반하여 상기 시편의 깊이의 정보를 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 크로마틱 대물렌즈의 초점 거리는 상기 크로마틱 대물렌즈로 입사되는 입사광의 파장에 따라 변하고,
    상기 깊이의 정보를 생성하는 단계는,
    상기 형광 신호의 변조 주파수를 분석함으로써 상기 크로마틱 대물렌즈의 상기 초점 거리를 획득하고, 상기 획득된 초점 거리에 기반하여 상기 시편의 상기 깊이의 정보를 생성하는, 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법.
  14. 공초점 내시경에 있어서,
    광을 방출하는 광원;
    상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하는 빔 모듈레이터;
    광섬유;
    처리부; 및
    상기 공초점 내시경에 의해 관찰되는 시편의 내부로 삽입되는 내시경 프로브
    를 포함하고,
    상기 내시경 프로브는
    크로마틱 대물렌즈
    를 포함하고,
    상기 빔 모듈레이터는 상기 방출된 광을 상기 광의 파장에 따라 변조하고,
    상기 변조된 광은 상기 광 섬유를 통해 상기 크로마틱 대물렌즈를 통과하여 상기 시편으로 조사되고,
    상기 처리부는 상기 시편으로 조사된 상기 변조된 광에 의해 상기 시편으로부터 방출된 형광 신호를 검출하고, 상기 검출된 형광 신호에 기반하여 상기 시편의 상기 내부에서의 상기 시편의 깊이의 정보를 생성하고,
    상기 크로마틱 대물렌즈의 초점 거리는 상기 크로마틱 대물렌즈로 입사되는 입사광의 파장에 따라 변하고,
    상기 처리부는 상기 형광 신호의 변조 주파수를 분석함으로써 상기 크로마틱 대물렌즈의 상기 초점 거리를 획득하고, 상기 획득된 초점 거리에 기반하여 상기 시편의 상기 깊이의 정보를 생성하는, 공초점 내시경.
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