KR101541610B1 - 공간 필터 기반 구조 조명 현미경 - Google Patents

공간 필터 기반 구조 조명 현미경 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 공간 필터 기반 구조 조명 현미경은, 광을 발산하는 광원; 광원으로부터 발산된 광을 전기적 신호를 이용하여 그리드(grid) 패턴을 생성 및 변조시키고, 그리드 패턴 변조된 광의 일부를 측정 대상물인 샘플 방향으로 보내고 다른 일부는 신호 처리부로 보내는 공간 필터; 및 샘플에 의해 반사 또는 산란된 광의 신호를 획득한 후 획득된 신호를 신호 처리부로 보내는 이미지 센싱부;를 포함하며, 신호 처리부에서는 공간 필터로부터 바로 전달된 광의 신호와 이미지 센싱부를 통해 전달된 광의 신호의 동기화가 이루어짐으로써 샘플의 영상을 획득할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 전기적 신호를 이용하는 공간 필터를 통해 생성된 그리드 패턴을 변조시킬 수 있어 고해상도의 영상 정보를 획득할 수 있으며, 그리드 패턴 변조를 위하여 기계적인 구조가 적용되지 않기 때문에 진동 등을 배제할 수 있어 정밀로 향상은 물론 안정성을 확보할 수 있다.

Description

공간 필터 기반 구조 조명 현미경{Structural illumination microscopy based on spatial filter}
공간 필터 기반 구조 조명 현미경이 개시된다. 보다 상세하게는, 전기적 신호를 이용하는 공간 필터를 통해 생성된 그리드 패턴을 변조시킬 수 있어 고해상도의 영상 정보를 획득할 수 있는 공간 필터 기반 구조 조명 현미경이 개시된다.
구조 조명 현미경은 높은 분해능이 필요한 미소 수준의 생명 현상에 대한 연구를 하는 생물학과 기초 의한 연구에 사용되고 있다. 구조 조명 현미경은 고속의 영상 획득 속도와 광학계의 안정성을 구비하기 때문에 휴대용 현미경으로 적용이 가능할 뿐만 아니라 전술한 것처럼 생물학, 의료, 의약 분야에 적용될 수 있다.
일반적으로 구조 조명 현미경은 일정한 패턴이 있는 그리드(grid)를 조명계에 배치하고, 기계적으로 그리드를 움직여 각각 다른 위상에서 얻어진 영상 정보를 이용해서 고해상도 현미경 영상 정보를 획득한다.
그런데, 종래의 구조 조명 현미경은 그리드를 기계적으로 움직이기 때문에 이미지 획득하는 속도에 한계가 있으며, 기계적인 움직임으로 발생하는 진동 때문에 광학계에 영향을 줄 우려가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 전기적 신호를 이용하는 공간 필터를 통해 생성된 그리드 패턴을 변조시킬 수 있어 고해상도의 영상 정보를 획득할 수 있으며, 그리드 패턴 변조를 위하여 기계적인 구조가 적용되지 않기 때문에 진동 등을 배제할 수 있어 정밀로 향상은 물론 안정성을 확보할 수 있는 공간 필터 기반 구조 조명 현미경을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 3차원의 고해상도 영상을 실시간으로 획득할 수 있기 때문에 생물학, 의학, 의약 분야 등에 적용될 수 있는 공간 필터 기반 구조 조명 현미경을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 공간 필터 기반 구조 조명 현미경은, 광을 발산하는 광원; 상기 광원으로부터 발산된 상기 광을 전기적 신호를 이용하여 그리드(grid) 패턴을 생성 및 변조시키고, 그리드 패턴 변조된 상기 광의 일부를 측정 대상물인 샘플 방향으로 보내고 다른 일부는 신호 처리부로 보내는 공간 필터; 및 상기 샘플에 의해 반사 또는 산란된 상기 광의 신호를 획득한 후 획득된 상기 신호를 상기 신호 처리부로 보내는 이미지 센싱부;를 포함하며, 상기 신호 처리부에서는 상기 공간 필터로부터 바로 전달된 상기 광의 신호와 상기 이미지 센싱부를 통해 전달된 상기 광의 신호의 동기화가 이루어짐으로써 상기 샘플의 영상을 획득할 수 있으며, 이러한 구성에 의해서, 전기적 신호를 이용하는 공간 필터를 통해 생성된 그리드 패턴을 변조시킬 수 있어 고해상도의 영상 정보를 획득할 수 있으며, 그리드 패턴 변조를 위하여 기계적인 구조가 적용되지 않기 때문에 진동 등을 배제할 수 있어 정밀로 향상은 물론 안정성을 확보할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 공간 필터는 상기 광을 투과시키는 원리를 이용한 투과형 공간 필터이거나 상기 광을 반사시키는 원리를 이용한 반사형 공간 필터일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 공간 필터가 상기 투과형 공간 필터로 마련되는 경우, 상기 공간 필터는, 액체 크리스탈(liquid crystal) 기반 공간 모듈레이터(spatial modulator) 또는 마그네토-옵틱(magneto-optic) 기반 공간 모듈레이터(spatial modulator)로 마련될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 공간 필터가 상기 반사형 공간 필터로 마련되는 경우, 상기 공간 필터는, 액체 크리스탈(liquid crystal) 기반 공간 모듈레이터(spatial modulator), 변형 미러(deformable mirror) 또는 디지털 마이크로 미러 장치(DMD, Digital Micromirror Device)로 마련될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 공간 필터는 주기적인 그리드 패턴을 생성하기 위해, LCD(liquid crystal display), LED 디스플레이(light emitting diode display), PDP(plasma display panel) 디스플레이, OLED(organic-LED) 디스플레이, 파이버 어레이 번들(fiber array bundle) 디스플레이 중 어느 하나의 디스플레이를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 공간 필터는 수직 방향으로의 그리드 패턴, 수평 방향으로 그리드 패턴, 대각선 방향으로의 그리드 패턴, 점 배열 그리드 패턴의 생성이 가능하다.
일측에 따르면, 상기 광원과 상기 공간 필터 사이에 위치되어 상기 광을 집광시키는 제1 렌즈; 및 상기 공간 필터 후미에 위치되어 상기 공간 필터로부터의 광을 평행 광으로 변화시키는 제2 렌즈; 및 상기 제2 렌즈로부터의 상기 광을 빔 스플리팅(splitting)시키는 빔 스플리터를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 광원은, 고체 레이저, 광섬유 레이저, 할로겐 램프, 제논 램프, 고출력 엘이디 중 어느 하나로 마련될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 광원의 파장 및 상기 샘플의 흡수 대역에 따라 단일광자, 이광자, 다중 광자 구조 조명 현미경으로 구현 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기적 신호를 이용하는 공간 필터를 통해 생성된 그리드 패턴을 변조시킬 수 있어 고해상도의 영상 정보를 획득할 수 있으며, 그리드 패턴 변조를 위하여 기계적인 구조가 적용되지 않기 때문에 진동 등을 배제할 수 있어 정밀로 향상은 물론 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 3차원의 고해상도 영상을 실시간으로 획득할 수 있기 때문에 생물학, 의학, 의약 분야 등에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 공간 필터 기반 구조 조명 현미경의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 수평 방향으로의 그리드 패턴을 도시한 도면이다.
도 3은 수직 방향으로의 그리드 패턴을 도시한 도면이다.
도 4는 우측 하방의 대각선 방향을 갖는 그리드 패턴을 도시한 도면이다.
도 5는 우측 상방의 대각선 방향을 갖는 그리드 패턴을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사형 공간 필터 기반 구조 조명 현미경의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 공간 필터 기반 구조 조명 현미경의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 공간 필터 기반 구조 조명 현미경은, 광을 발산하는 광원(101)과, 광원(101)으로부터 발산된 광을 전기적 신호를 이용하여 그리드(grid) 패턴을 생성 및 변조시키는 공간 필터(104)와, 공간 필터(104)의 후미에 배치되어 공간 필터(104)로부터 전달된 광을 분리(splitting)하여 그 중 일부를 샘플(108)이 로딩된 스테이지(109) 방향으로 보내는 빔 스플리터(106)와, 샘플(108)에서 반사 또는 산란되고 빔 스플리터(106)를 통과한 광의 이미지를 센싱하는 이미지 센싱부(111)와, 공간 필터(104)로부터 샘플(108)로 전달되지 않고 바로 전달된 광의 신호 및 샘플(108)을 지나온 광의 신호를 처리하는 신호 처리부(112)를 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 샘플(108)에 대한 고해상도의 영상을 실시간으로 획득할 수 있다.
각 구성에 대해 설명하면, 먼저 본 실시예의 광원(101)은, 광을 발생시킨 후 발산하는 구성으로서 다양한 종류의 광원(101)이 적용될 수 있다. 예를 들면, 광원(101)은 고체 레이저, 광섬유 레이저, 할로겐 램프, 제논 램프, 고출력 엘이디 등이 적용될 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 광원(101)의 파장 및 샘플의 흡수 대역에 따라 본 실시예의 구조 조명 현미경은 단일광자, 이광자 또는 다중광자 구조 조명 현미경으로 적용될 수 있다.
한편, 광원(101)으로부터 발생된 광이 공간 필터(104)에 미치기 전에 제1 렌즈(103)를 통과한다. 제1 렌즈(103)는 공간 필터(104)의 필터 크기에 맞추어 광을 집광시키고 집광된 광을 공간 필터(104)에 제공하는 역할을 한다.
본 실시예의 공간 필터(104)는, 광을 투과하는 원리가 적용되는 투과형 공간 필터(104)가 적용될 수 있다. 공간 필터(104)는 전기적 신호를 이용하여 다양한 그리드 패턴을 생성하고 아울러 변조할 수 있다. 부연하면, 종래의 구조 조명 현미경의 경우 그리드 변조를 위해 기계적인 방법이 적용되었지만, 본 발명의 일 실시예의 경우, 전기적 신호를 이용하는 공간 필터(104)에 의해 그리드 패턴의 생성 및 변조가 이루어지기 때문에 그리드 패턴의 빠른 변조가 가능함은 물론 진동 발생 원인을 배제할 수 있어 안정성 및 정밀성을 확보할 수 있다.
이러한 공간 필터(104), 즉 투과형 공간 필터(104)는, 액체 크리스탈(liquid crystal) 기반 공간 모듈레이터(spatial modulator) 또는 마그네토-옵틱(magneto-optic) 기반 공간 모듈레이터(spatial modulator)로 마련될 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
아울러, 공간 필터(104)는, 주기적인 그리드 패턴을 생성하기 위해, LCD(liquid crystal display), LED 디스플레이(light emitting diode display), PDP(plasma display panel) 디스플레이, OLED(organic-LED) 디스플레이, 파이버 어레이 번들(fiber array bundle) 디스플레이 중 어느 하나의 디스플레이를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
이러한 구성의 공간 필터(104)는 그리드 패턴을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 전기적 신호에 의해 그리드 패턴의 공간 위상을 변조시킬 수 있고, 이를 통해 그리드 패턴 변조 시 얻어지는 음영을 갖는 영상 정보를 통해 고해상도의 영상을 복원할 수 있다.
Figure 112013112347017-pat00001
......식 1
상기 식 1을 통해 부연하면, I는 x, y 좌표에 있는 이미지의 세기 정보이다. 그리고 I1, I2, I3는 그리드를 변조하면서 획득된 x, y좌표의 이미지 세기이다. 상기 식 1을 통해서, 그리드 패턴이 선 배열로 변조되는 경우, 이미지의 세기를 구할 수 있다.
한편, 그리드 패턴이 선이 아닌 점 배열로 변조될 수 있는데, 이를 위해 그리드 패턴을 아홉번 변조시켜야 한다. 이 때, x, y 좌표의 이미지 세기 I는 다음의 식 2로 복원할 수 있다.
Figure 112013112347017-pat00002
......식 2
이처럼, 공간 필터(104)를 이용해 그리드 패턴의 변조가 이루어지기 때문에 다양한 그리드 패턴을 얻을 수 있다.
도 2를 참조하면, 수평 방향으로의 그리드 패턴을 얻을 수 있고, 도 3을 참조하면 수직 방향으로 그리드 패턴을 얻을 수 있다. 또한, 도 4를 참조하면 우측 하방의 대각선 방향을 갖는 그리드 패턴을 얻을 수 있고, 도 5를 참조하면 우측 상방의 대각선 방향을 갖는 그리드 패턴을 얻을 수도 있다.
또한, 도 2 내지 도 5에 도시된 그리드 패턴을 얻는 공간 필터(104)에 전기적 신호를 이용하여 예를 들면, 0, 2π/3, 4π/3으로 공간 위상을 변조시킬 수 있고, 그리드 패턴 변조 시 얻어진 음영을 갖는 영상 정보를 이용해 샘플(108)에 대한 고해상도의 영상을 얻을 수 있다.
전술한 것처럼 공간 필터(104)에 의해 그리드 패턴이 얻어지고 변조가 이루어진 광은 빔 스플리터(106)를 거쳐 샘플(108) 방향으로 이동될 수 있다.
여기서, 공간 필터(104)에서 빔 스플리터(106)로 광이 이동할 때, 공간 필터(104)의 광을 평행 광으로 변화시키기 위한 제2 렌즈(105)가 공간 필터(104)와 빔 스플리터(106) 사이에 개재될 수 있다.
빔 스플리터(106)를 거쳐 샘플(108) 방향으로 이동되는 광은 대물 렌즈(107)를 통과한 후 스테이지(109) 상에 로딩된 샘플(108)에 반사되거나 산란되고, 반사 또는 산란된 광은 다시 대물 렌즈(107) 및 빔 스플리터(106)를 거쳐 광의 이미지를 감지하는 이미지 센싱부(111)로 전달될 수 있다.
이 때, 빔 스플리터(106)를 통과한 광은 제3 렌즈(110)를 통과하면서 집광되며 이를 통해 이미지 센싱부(111)에서 집광된 광의 이미지 센싱이 이루어질 수 있다.
이미지 센싱부(111)는, 샘플(108) 전 영역을 스캔에 의해 촬영할 수 있는 면적 카메라로 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 실시예의 신호 처리부(112)는, 예를 들면 컴퓨터로 마련될 수 있으며, 공간 필터(104) 및 샘플(108)을 거쳐온 광의 신호 및 공간 필터(104)로부터 샘플(108)을 거치지 않고 바로 온 신호를 동기화하고, 이들 신호를 이용하여 샘플(108) 영상을 고해상도로 실시간 구현할 수 있다.
아울러, 3차원 정보를 획득하기 위해 이미지 센싱부(111)를 통해 샘플(108)이 놓인 스테이지(109) 또는 대물 렌즈(107)를 높이 방향으로 스캔하여 다수의 영상 정보를 획득할 수 있고 이를 하나의 영상 정보를 통합할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기적 신호를 이용하는 공간 필터(104)를 통해 생성된 그리드 패턴을 변조시킬 수 있어 고해상도의 영상 정보를 획득할 수 있으며, 그리드 패턴 변조를 위하여 기계적인 구조가 적용되지 않기 때문에 진동 등을 배제할 수 있어 정밀로 향상은 물론 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 3차원의 고해상도 영상을 실시간으로 획득할 수 있기 때문에 생물학, 의학, 의약 분야 등에 적용될 수 있는 장점이 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공간 필터 기반 구조 조명 현미경의 구성에 대해서 설명하되 전술한 일 실시예의 공간 필터 기반 구조 조명 현기명의 구성과 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사형 공간 필터 기반 구조 조명 현미경의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 공간 필터 기반 구조 조명 현미경은, 광원(201)과, 광의 반사 원리를 이용하여 그리드 패턴을 생성 및 변조시키는 공간 필터(213)와, 빔 스플리터(206)와, 이미지 센싱부(211)와, 신호 처리부(212)를 포함할 수 있다. 그리고 구성들 사이사이에 배치되는 다수의 렌즈(203, 205, 207, 210)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 경우, 공간 필터(213)가 반사형 투과 필터로 마련될 수 있다. 예를 들면, 액체 크리스탈(liquid crystal) 기반 공간 모듈레이터(spatial modulator), 변형 미러(deformable mirror), 디지털 마이크로 미러 장치(DMD, Digital Micromirror Device) 중 어느 하나가 공간 필터(213)로 마련될 수 있는 것이다.
반사형 공간 필터(213)는, 광원(201)으로부터 전달된 광에 반사 원리를 적용하여 그리드 패턴을 형성시키고, 전기적 신호를 이용하여 그리드 패턴을 변조시키도록 한다.
반사형 공간 필터(213)로부터 그리드 패턴 변조된 광의 일부는 도시된 바와 같이, 신호 처리 장치로 바로 가거나 또는 빔 스플리터(206)를 거쳐 스테이지(209) 상에 놓인 샘플(208) 방향으로 가고 샘플(108)에 반사 또는 산란된 광은 이미지 센싱부(211)를 거쳐 신호 처리부(212)로 이동된다.
신호 처리부(212)에서는 공간 필터(213)로부터 바로 온 광의 신호 및 이미지 센싱부(211)를 거쳐 온 신호를 동기화하여 영상 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반사형 공간 필터 기반 구조 조명 현미경 역시, 전기적 신호를 이용하는 공간 필터(213)를 통해 생성된 그리드 패턴을 변조시킬 수 있어 고해상도의 영상 정보를 획득할 수 있으며, 그리드 패턴 변조를 위하여 기계적인 구조가 적용되지 않기 때문에 진동 등을 배제할 수 있어 정밀로 향상은 물론 안정성을 확보할 수 있다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
101 : 광원
104 : 공간 필터
106 : 빔 스플리터
108 : 샘플
111 : 이미지 센싱부
112 : 신호 처리부

Claims (9)

  1. 광을 발산하는 광원(101);
    상기 광원(101)으로부터 발산된 상기 광을 전기적 신호를 이용하여 그리드(grid) 패턴을 생성하거나 그리드 패턴의 공간 위상을 변조시키고, 그리드 패턴 변조된 상기 광의 일부를 측정 대상물인 샘플(108) 방향으로 보내고 다른 일부는 신호 처리부(112)로 보내는 공간 필터(104); 및
    상기 샘플(108)에 의해 반사 또는 산란된 상기 광의 신호를 획득한 후 획득된 상기 신호를 상기 신호 처리부(112)로 보내는 이미지 센싱부(111);
    를 포함하며,
    상기 공간 필터(104)는 그리드 패턴 변조 시 얻어지는 음영을 갖는 영상 정보를 이용하여 해상도를 증대시키며,
    상기 신호 처리부(112)에서는 상기 공간 필터(104)로부터 바로 전달된 상기 광의 신호와 상기 이미지 센싱부(111)를 통해 전달된 상기 광의 신호의 동기화가 이루어짐으로써 상기 샘플(108)의 영상을 획득하는 공간 필터 기반 구조 조명 현미경.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공간 필터(104)는 상기 광을 투과시키는 원리를 이용한 투과형 공간 필터이거나 상기 광을 반사시키는 원리를 이용한 반사형 공간 필터인 공간 필터 기반 구조 조명 현미경.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공간 필터(104)가 상기 투과형 공간 필터로 마련되는 경우, 상기 공간 필터(104)는, 액체 크리스탈(liquid crystal) 기반 공간 모듈레이터(spatial modulator) 또는 마그네토-옵틱(magneto-optic) 기반 공간 모듈레이터(spatial modulator)로 마련되는 공간 필터 기반 구조 조명 현미경.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공간 필터(104)가 상기 반사형 공간 필터로 마련되는 경우, 상기 공간 필터는, 액체 크리스탈(liquid crystal) 기반 공간 모듈레이터(spatial modulator), 변형 미러(deformable mirror) 또는 디지털 마이크로 미러 장치(DMD, Digital Micromirror Device)로 마련되는 공간 필터 기반 구조 조명 현미경.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 공간 필터(104)는 주기적인 그리드 패턴을 생성하기 위해, LCD(liquid crystal display), LED 디스플레이(light emitting diode display), PDP(plasma display panel) 디스플레이, OLED(organic-LED) 디스플레이, 파이버 어레이 번들(fiber array bundle) 디스플레이 중 어느 하나의 디스플레이를 포함하는 공간 필터 기반 구조 조명 현미경.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 공간 필터(104)는 수직 방향으로의 그리드 패턴, 수평 방향으로 그리드 패턴, 대각선 방향으로의 그리드 패턴, 점 배열 그리드 패턴의 생성이 가능한 공간 필터 기반 구조 조명 현미경.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원(101)과 상기 공간 필터(104) 사이에 위치되어 상기 광을 집광시키는 제1 렌즈(103); 및
    상기 공간 필터(104) 후미에 위치되어 상기 공간 필터(104)로부터의 광을 평행 광으로 변화시키는 제2 렌즈(105); 및
    상기 제2 렌즈(105)로부터의 상기 광을 빔 스플리팅(splitting)시키는 빔 스플리터(106)를 더 포함하는 공간 필터 기반 구조 조명 현미경.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원(101)은, 고체 레이저, 광섬유 레이저, 할로겐 램프, 제논 램프, 고출력 엘이디 중 어느 하나로 마련되는 공간 필터 기반 구조 조명 현미경.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광원(101)의 파장 및 상기 샘플의 흡수 대역에 따라 단일광자, 이광자, 다중 광자 구조 조명 현미경으로 구현 가능한 공간 필터 기반 구조 조명 현미경.
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