KR101555147B1 - Common-path quantitative phase imaging unit for generating quantitative phase image - Google Patents

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KR101555147B1
KR101555147B1 KR1020140077301A KR20140077301A KR101555147B1 KR 101555147 B1 KR101555147 B1 KR 101555147B1 KR 1020140077301 A KR1020140077301 A KR 1020140077301A KR 20140077301 A KR20140077301 A KR 20140077301A KR 101555147 B1 KR101555147 B1 KR 101555147B1
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polarizing prism
quantitative phase
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박용근
이겨레
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한국과학기술원
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Abstract

Disclosed is a common path quantitative phase microscope unit generating a quantitative phase image using a camera part manufactured in a shape detachable from a microscope observing a sample. The common path quantitative phase microscope unit may comprise a microscope used for observing a sample based on light radiated from a light source; a polarizing prism separating an image of the sample in an image having polarization perpendicular to each other by refracting and dispersing light; and a quantitative phase image generating part generating a quantitative phase image based on an interference pattern corresponding to each image separated from the polarizing prism.

Description

정량 위상 영상을 생성하는 공통 경로 정량 위상 현미경 유닛{COMMON-PATH QUANTITATIVE PHASE IMAGING UNIT FOR GENERATING QUANTITATIVE PHASE IMAGE}[0001] COMMON-PATH QUANTITATIVE PHASE IMAGING UNIT FOR GENERATING QUANTITATIVE PHASE IMAGE [0002]

본 발명의 실시예들은 세포 등의 시료를 관측만 가능한 현미경에 정량 위상 현미경을 결합하여 세포 각 부분의 정량적인 위상 변화를 나타내는 정량 위상 영상을 생성하는 기술에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a technique for generating a quantitative phase image representing a quantitative phase change of each part of a cell by combining a quantitative phase microscope with a microscope capable of observing a sample such as a cell.

일반적으로, 살아있는 생물학적 세포는 그 자체가 어떠한 색깔을 갖지 않고 투명하여 살아있는 상태로 관찰하는 데 어려움이 존재한다. 이러한, 무색 투명한 시료의 내부 구조를 뚜렷하게 관찰하기 위해 위상차 현미경(Phase Contrast Microscopy), 및 미분 간섭 대비 현미경(Differential Interference Contrast Microscopy)이 이용되고 있다.In general, living biological cells have difficulties in observing themselves as living, transparent, without any color. Phase contrast microscopy and Differential Interference Contrast Microscopy have been used to clearly observe the internal structure of such a colorless transparent sample.

위상차 현미경은, 시료를 통과한 빛이 시료의 굴절률 차이에 의해 위상차를 갖게 되었을 때 이를 명암으로 바꾸어 관찰하는 현미경이다. 미분 간섭 대비 현미경은, 빛의 간섭 현상을 이용한 특수 현미경이다. 이러한 위상차 현미경과 미분 간섭 대비 현미경은 빛이 세포를 투과하면서 겪는 위상 간의 차이를 이용함에 따라 영상의 콘트라스트(contrast)를 향상시킨다.A phase contrast microscope is a microscope that observes light that has passed through a sample when it has a phase difference due to a refractive index difference of the sample, changing it to light and dark. Differential interference microscope is a special microscope using the phenomenon of light interference. These phase contrast and differential contrast contrast microscopes improve the contrast of images as they take advantage of differences in phase as light travels through the cells.

최근에는 영상의 콘트라스트 향상뿐만 아니라, 세포 각 부분의 정량적인 위상 변화를 얻기 위해 정량 위상 현미경(Quantitative Phase Microscopy)이 개발되었다. 정량 위상 현미경은 관측만으로 세포의 물리적, 화학적 특성을 파악할 수 있는 역할을 한다.In recent years, Quantitative Phase Microscopy has been developed not only to improve image contrast, but also to obtain quantitative phase changes of cell parts. Quantitative phase microscopy can be used to understand the physical and chemical characteristics of cells by observation alone.

그러나, 정량 위상 현미경은 광학 간섭계를 기반으로 구성되어 있기 때문에, 온도, 습도, 진동 등과 같이 주위 환경의 사소한 변화에도 간섭계 상의 문제가 발생할 수 있다. 이러한 간섭계 상의 문제는 광학 기술자가 없이는 해결되지 않기 때문에, 현미경을 유지 및 보수하는 데 어려움이 존재한다.However, since the quantitative phase microscope is based on an optical interferometer, a slight change in the ambient environment, such as temperature, humidity, and vibration, may cause interferometer problems. There is a difficulty in maintaining and repairing the microscope because the problem with such an interferometer is not solved without an optical engineer.

따라서, 간섭계 상의 문제를 감소시켜 광학 기술자가 없어도 보다 쉽게 현미경을 유지 및 보수할 수 있는 기술이 요구된다.Therefore, there is a need for a technique that can reduce the problems on the interferometer and make it easier to maintain and repair the microscope without an optical technician.

본 발명은 광학 기술자가 아닌 비전문가도 보다 쉽게 현미경을 유지 및 보수하기 위해 간섭계에서 필연적인 두 광경로 상의 오차를 감소시키기 위한 것이다,The present invention is intended to reduce the error in the two optical paths in the interferometer in order to more easily maintain and repair the microscope even for non-optical technicians.

또한, 본 발명은 공통 경로 정량 위상 현미경 유닛의 사용이 용이하도록 정량 위상 영상을 생성하기 위한 구성 요소들을 현미경과 탈부착 가능한 유닛 형태로 제공하기 위한 것이다. The present invention is also intended to provide components for generating a quantitative phase image in the form of a microscope and detachable unit so as to facilitate the use of the common path quantitative phase microscope unit.

본 발명의 일실시예에 따른 공통 경로 정량 위상 현미경 유닛은, 광원에서 방사된 광에 기초하여 시료(sample)를 관측하기 위해 이용되는 현미경, 상기 광을 굴절 및 분산시켜 서로 수직한 편광을 갖는 상으로 시료의 이미지를 분리하는 편광 프리즘(Polarizing Prism), 및 상기 편광 프리즘에서 분리된 시료의 이미지 각각에 해당하는 간섭 무늬에 기초하여 정량 위상 영상을 생성하는 정량 위상 영상 생성부를 포함할 수 있다.A common path constant amount phase microscope unit according to an embodiment of the present invention includes a microscope used for observing a sample based on light emitted from a light source, an image having a polarization perpendicular to each other by refracting and dispersing the light, And a quantitative phase image generator for generating a quantitative phase image based on the interference fringe corresponding to each of the images of the sample separated from the polarization prism.

일측면에 따르면, 상기 편광 프리즘에 입사되는 광의 편광 방향을 변경하는 파장판을 더 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, it is possible to further include a wave plate for changing a polarization direction of light incident on the polarizing prism.

다른 측면에 따르면, 상기 파장판은, 상기 편광 프리즘에 분리된 시료의 이미지의 세기가 서로 동일해지도록 상기 편광 방향을 변경하기 위해 회전할 수 있다. According to another aspect, the wave plate may be rotated to change the polarization direction so that intensity of images of separated samples in the polarization prism become equal to each other.

또 다른 측면에 따르면, 상기 편광 프리즘에서 분리된 시료 이미지의 편광과 45도 각도로 기울어져 배치되어 상기 광을 본 편광으로 변경하는 편광자(polarizer)를 더 포함할 수 있다.According to another aspect, the apparatus may further include a polarizer disposed at an angle of 45 degrees with respect to the polarization of the sample image separated from the polarization prism to convert the light into normal polarization.

또 다른 측면에 따르면, 상기 편광자는, 상기 편광 프리즘과 카메라 사이에 배치될 수 있다.According to another aspect, the polarizer may be disposed between the polarization prism and the camera.

또 다른 측면에 따르면, 상기 편광 프리즘은, 간섭 무늬를 갖기 위해 상의 세기가 동일해지도록 상기 시료의 이미지를 분리시킬 수 있다.According to another aspect, the polarizing prism can separate the image of the sample so that the image intensities are the same to have an interference fringe.

또 다른 측면에 따르면, 상기 편광 프리즘은, 상기 광을 굴절 및 분산시켜 서로에 대해 특정 각도로 틀어지도록 상기 시료의 이미지를 분리시킬 수 있다.According to another aspect, the polarizing prism can separate the image of the sample so that the light is refracted and dispersed to twist at an angle relative to each other.

또 다른 측면에 따르면, 상기 편광 프리즘에서 분리된 시료의 이미지가 간섭 무늬를 갖도록 광을 필터링하여 파장 대역이 좁은 광을 출력하는 대역 통과 필터를 더 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the apparatus may further include a band-pass filter that filters light so that the image of the sample separated from the polarization prism has an interference fringe, and outputs light having a narrow wavelength band.

또 다른 측면에 따르면, 상기 편광 프리즘은, 상기 편광 프리즘에서 분리된 시료의 이미지가 서로 겹쳐지지 않도록 분광각, 위치, 각도, 및 카메라와의 거리를 조절할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the polarizing prism may adjust the angle of diffraction, the position, the angle, and the distance to the camera so that the images of the sample separated from the polarizing prism do not overlap with each other.

또 다른 측면에 따르면, 상기 편광 프리즘과 카메라 간의 거리, 편광 프리즘의 분광각, 위치 및 각도는, 상기 현미경에 포함된 대물 렌즈의 개구수 및 배율, 카메라의 픽셀 크기, 광원의 중심 파장 및 스펙트럼 폭, 시료의 크기, 및 전체 영상의 시야에 기초하여 조절될 수 있다.According to another aspect of the present invention, the distance between the polarizing prism and the camera, the angle of diffraction, the angle and the angle of the polarizing prism are determined by the numerical aperture and magnification of the objective lens included in the microscope, the pixel size of the camera, , The size of the sample, and the field of view of the entire image.

또 다른 측면에 따르면, 상기 정량 위상 영상 생성부는, 공간 변조 홀로그램 분석 방법을 이용하여 상기 간섭 무늬를 분석함에 따라 획득된 위상 정보에 기초하여 상기 정량 위상 영상을 생성할 수 있다.According to another aspect, the quantitative phase image generator may generate the quantitative phase image based on phase information obtained by analyzing the interference fringe using a spatial modulation hologram analysis method.

또 다른 측면에 따르면, 상기 편광 프리즘은, 상기 현미경에 탈부착 가능하며, 현미경의 카메라 파트(camera part)에서 작동할 수 있다.According to another aspect, the polarizing prism is detachable to the microscope and can operate in a camera part of a microscope.

또 다른 측면에 따르면, 상기 간섭 무늬는, 상기 편광 프리즘에서 분리된 시료의 이미지가 카메라에 의해 기록되는 부분에 생성될 수 있다.According to another aspect, the interference fringe may be generated in a portion where an image of a sample separated in the polarization prism is recorded by a camera.

본 발명에 의하면, 간섭계에서 필연적인 두 광경로 상의 오차를 감소시킴에 따라, 광학 기술자가 아닌 비전문가도 보다 쉽게 현미경을 유지 및 보수할 수 있다.According to the present invention, by inevitably reducing the error in the two optical path lengths in the interferometer, the non-specialist who is not an optical technician can more easily maintain and repair the microscope.

또한, 정량 위상 영상을 생성하기 위한 구성 요소들을 현미경과 탈부착 가능한 유닛 형태로 제공함에 따라, 보다 용이하게 공통 경로 정량 위상 현미경 유닛을 사용할 수 있다.In addition, by providing components for generating a quantitative phase image in the form of a microscope and detachable unit, it is possible to use the common path quantitative phase microscope unit more easily.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공통 경로 정량 위상 현미경 유닛의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실예에 따른 편광 프리즘에서 분리된 시료의 이미지가 가지는 간섭 무늬의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 위상 정보 계산에 이용되는 파라미터를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a common path constant amount phase microscope unit according to an embodiment of the present invention.
2 is an illustration of an interference fringe of an image of a sample separated from a polarization prism according to an example of the present invention.
3 is a block diagram showing the configuration of a camera according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram provided to illustrate parameters used in phase information calculation according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공통 경로 정량 위상 현미경 유닛의 구성을 도시한 블록도이다.FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a common path constant amount phase microscope unit according to an embodiment of the present invention.

도 1에 따르면, 공통 경로 정량 위상 현미경 유닛(100)는, 시료의 관측을 위한 현미경의 바디 파트(body part: 110)와 정량 위상 영상을 생성하기 위한 카메라 파트(camera part: 120)로 구성될 수 있다. 1, the common path constant amount phase microscope unit 100 includes a body part 110 of a microscope for observing a sample and a camera part 120 for generating a quantitative phase image .

예를 들어, 현미경의 바디 파트(110)는, 시료의 관측을 위해 필요한 구성 요소로서, 광원(111), 대물 렌즈(112), 튜브 렌즈(tube lens: 113), 및 거울(114)을 포함할 수 있다. 여기서, 거울(114)은 선택적 구성 요소로서, 필요에 따라 생략될 수 있다. 그리고, 현미경의 바디 파트(110)는 시료(115)를 올려두는 재물대를 더 포함할 수 있다. For example, the body part 110 of the microscope includes a light source 111, an objective lens 112, a tube lens 113, and a mirror 114 as components necessary for observing the sample can do. Here, the mirror 114 is an optional component and may be omitted as needed. In addition, the body part 110 of the microscope may further include a floor to hold the sample 115 thereon.

광원(111)은 시료(115)를 관측 및 시료의 이미지를 분리하기 위해 이용되는 광을 방사할 수 있다. The light source 111 can emit light that is used to observe the sample 115 and to separate the image of the sample.

대물 렌즈(112)와 튜브 렌즈(113)는 시료의 상을 확대하는 역할을 수행할 수 있다.The objective lens 112 and the tube lens 113 can serve to enlarge the image of the sample.

그리고, 거울(114)은, 대물 렌즈(112)와 튜브 렌즈(113)를 통과한 광을 반사시켜 현미경의 카메라 파트(120)로 전달할 수 있다. The mirror 114 reflects the light that has passed through the objective lens 112 and the tube lens 113 and can transmit the light to the camera part 120 of the microscope.

예를 들어, 현미경의 카메라 파트(120)는 편광 프리즘(Polarizing Prism: 121), 편광자(Polarizer: 122), 및 카메라(123)을 포함할 수 있다. For example, the camera part 120 of the microscope may include a polarizing prism 121, a polarizer 122, and a camera 123.

편광 프리즘(121)은 광원(111)에서 방사된 광이 시료(115), 대물 렌즈(112), 및 튜브 렌즈(113)를 통과하여 확대된 뒤 카메라(123)에 맺히기 이전에, 튜브 렌즈(113) 또는 거울(114)로부터 입사되는 광을 굴절 및 분산시켜 시료의 이미지를 분리할 수 있다. The polarizing prism 121 is disposed in the vicinity of the tube 123 before the light emitted from the light source 111 passes through the sample 115, the objective lens 112, and the tube lens 113, 113 or the mirror 114 to refract and disperse the light to separate the image of the sample.

일례로, 편광 프리즘(121)은 각도를 조절하여 입사되는 광을 분산시킴에 따라 하나의 시료의 이미지를 두 개의 시료의 이미지로 분리할 수 있다. 여기서, 분리된 두 개의 시료의 이미지는 서로 수직한 편광을 가질 수 있다. 예를 들어, 편광 프리즘(121)은 서로 수직한 편광의 상이 서로에 대하여 특정 각도로 틀어지도록 편광 프리즘의 각도를 조절함에 따라, 시료의 이미지를 분리할 수 있다.For example, the polarization prism 121 can separate an image of one sample into images of two samples by adjusting the angle to disperse the incident light. Here, the images of the two separated samples may have polarization perpendicular to each other. For example, the polarization prism 121 can separate the image of the sample by adjusting the angle of the polarization prism such that the image of the polarization perpendicular to each other is turned at a specific angle with respect to each other.

이때, 편광 프리즘(121)은, 상기 서로 수직한 편광의 상의 세기가 동일해지도록 편광 프리즘의 각도를 조절함에 따라 시료의 이미지를 분리할 수 있다. 그러면, 간섭 무늬는 편광 프리즘(121)까지 전달된 빛의 세기를 최대한 활용하여 생성될 수 있다. At this time, the polarization prism 121 can separate the image of the sample by adjusting the angle of the polarization prism such that the intensity of the polarized light perpendicular to each other becomes the same. Then, the interference fringe can be generated by maximizing the intensity of the light transmitted to the polarization prism 121.

편광자(Polarizer: 122)는 분리된 시료의 이미지를 통과시켜 카메라(123)로 전달할 수 있다. 그러면, 분리된 시료의 이미지는 간섭 무늬를 가질 수 있다. 여기서, 간섭 무늬는 분리된 시료의 이미지가 카메라(123)에 의해 기록되는 부분에 의해 생성될 수 있다. 이때, 편광자(122)는 편광 프리즘(121)에서 분리된 시료의 이미지와 45도 각도로 기울어져 배치될 수 있다. 그러면,신호대잡음비(SNR, Signal-to-Noise Ratio)는 카메라의 생동폭(Dynamic Range)에 기초하여 감소될 수 있다.The polarizer 122 may pass the image of the separated sample to the camera 123. Then, the image of the separated sample may have an interference fringe. Here, the interference fringe can be generated by the portion where the image of the separated sample is recorded by the camera 123. [ At this time, the polarizer 122 may be disposed at an angle of 45 degrees with respect to the image of the sample separated in the polarization prism 121. Then, the signal-to-noise ratio (SNR) can be reduced based on the dynamic range of the camera.

그리고, 편광자(122)는 편광 프리즘(121)과 카메라(123) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 편광 프리즘(121)에서 분리된 두 개의 시료의 이미지가 서로 겹쳐지지 않도록 편광 프리즘(121)과 카메라(123) 간의 거리가 조절된 이후에, 편광자(122)는 분리된 두 개의 시료의 이미지와 45도 각도로 기울어진 방향으로 편광 프리즘(121)과 카메라(123) 사이에 배치될 수 있다.The polarizer 122 may be disposed between the polarizing prism 121 and the camera 123. For example, after the distance between the polarizing prism 121 and the camera 123 is adjusted such that the images of the two samples separated by the polarizing prism 121 do not overlap with each other, the polarizer 122 separates the two separated samples Can be disposed between the polarization prism 121 and the camera 123 in a direction tilted at an angle of 45 degrees with the image of the camera.

이때, 편광 프리즘(121)에서 분리된 두 개의 시료의 이미지의 세기가 동일하지 않을 수도 있다. 시료의 이미지의 세기가 동일해야 카메라의 생동폭(Dynamic Range)을 최대한 활용하여 높은 신호대잡음비(SNR)를 얻을 수 있으며, 정량 위상 영상은 각 시료의 이미지가 가진 간섭 무늬에 기초하여 생성될 수 있다. At this time, the intensity of the images of the two samples separated by the polarization prism 121 may not be the same. A high signal-to-noise ratio (SNR) can be obtained by maximizing the dynamic range of the camera and the quantitative phase image can be generated based on the interference pattern of the image of each sample .

이에 따라, 편광 프리즘(121)에서 분리된 두 개의 시료의 이미지의 세기가 동일하지 않은 경우에도 각 시료의 이미지가 간섭 무늬를 가질 수 있도록, 카메라 파트(120)는 파장판(wave plate: 124)을 더 포함할 수 있다.The camera part 120 includes a wave plate 124 so that the image of each sample can have an interference fringe even if the intensity of the images of the two samples separated by the polarization prism 121 is not the same. As shown in FIG.

파장판(124)은, 현미경의 바디 파트 바로 뒤와 편광 프리즘(121) 이전에 배치될 수 있다. 그리고, 파장판(124)은 회전하여 편광 프리즘(121)으로 입사되는 광의 편광 방향을 변경할 수 있다. 일례로, 파장판(124)은 튜브 렌즈(113), 또는 거울(114)과 편광 프리즘(121) 사이에 배치될 수 있다.The waveplate 124 may be disposed immediately behind the body part of the microscope and before the polarizing prism 121. Then, the wave plate 124 rotates to change the polarization direction of the light incident on the polarization prism 121. In one example, the waveplate 124 may be disposed between the tube lens 113, or between the mirror 114 and the polarization prism 121.

예를 들어, 시료의 모양이 심하게 비대칭이거나, 편광 프리즘의 각도를 조절하기 어려운 경우, 파장판(124)은 편광 프리즘(121)에서 분리되는 두 개의 시료의 이미지의 세기가 동일해지도록 편광 프리즘(121)으로 입사되는 광의 편광 방향을 조절할 수 있다. For example, if the shape of the sample is heavily asymmetric, or if it is difficult to adjust the angle of the polarization prism, the wave plate 124 is arranged so that the intensity of the image of the two samples separated in the polarization prism 121 becomes equal to that of the polarization prism 121 can adjust the polarization direction of the light.

또한, 시료에 입사하는 빛이 특정 편광을 가지고 있지 않은 경우, 빛에 편광을 만들어 주기 위하여, 편광 프리즘(121) 앞쪽에 추가적으로 편광자가 하나 더 위치하여 사용될 수 있다. 일례로, 추가적인 편광자(122)는 튜브 렌즈(113), 또는 거울(114)과 편광 프리즘(121) 사이에 배치될 수 있다. 다른 예로, 추가적인 편광자(122)는 광원(111)과 시료(115) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 추가적인 편광자를 돌려 편광 프리즘(121)에 입사하는 빛의 편광이 조절될 수 있으므로, 파장판(124)은 추가적으로 필요하지 않다. 다시 말해, 편광자가 두 개인 경우, 공통 경로 정량 위상 현미경 유닛(100)에서 파장판(124)은 생략 가능하다. In addition, if the light incident on the sample does not have a specific polarized light, one polarizer may be additionally disposed in front of the polarizing prism 121 so as to produce polarized light. As an example, an additional polarizer 122 may be disposed between the tube lens 113, or between the mirror 114 and the polarization prism 121. As another example, an additional polarizer 122 may be disposed between the light source 111 and the sample 115. At this time, since the polarization of the light incident on the polarizing prism 121 can be adjusted by turning the additional polarizer, the wavelength plate 124 is not additionally required. In other words, in the case where there are two polarizers, the wave plate 124 in the common path quantization phase microscope unit 100 can be omitted.

이때, 현미경의 카메라 파트(120)는 대역 통과 필터(125)를 더 포함할 수 있다.At this time, the camera part 120 of the microscope may further include a band-pass filter 125.

예를 들어, 백색광 등과 같이 스펙트럼(spectrum)이 넓은 광이 광원으로 이용되는 경우, 간섭 무늬가 잘 생기도록 하기 위해 광의 스펙트럼을 좁혀줄 필요가 있다. 이를 위해, 대역 통과 필터(125)는 편광 프리즘(121) 앞쪽에 자유로이 위치하며, 편광 프리즘(121)에서 분리되는 시료의 이미지가 간섭 무늬를 갖도록 파장판(124)으로부터 입사되는 광을 필터링하여 스펙트럼이 좁은 광을 편광 프리즘(121)으로 출력할 수 있다.For example, when light having a broad spectrum such as white light is used as a light source, it is necessary to narrow the spectrum of the light so that interference fringes can be generated easily. The bandpass filter 125 is freely positioned in front of the polarization prism 121 and filters the light incident from the wave plate 124 so that the image of the sample separated by the polarization prism 121 has an interference fringe, And this narrow light can be output to the polarization prism 121. [

일례로, 대역 통과 필터(125)는 튜브 렌즈(113), 또는 거울(114)과 편광 프리즘(121) 사이에 위치하여 입사되는 광을 대역 통과 필터링 (band pass filtering)할 수 있다.For example, the bandpass filter 125 may be positioned between the tube lens 113 or the mirror 114 and the polarization prism 121 to band pass filter the incident light.

다른 예로, 대역 통과 필터(125)는 광원(111)과 시료(115) 사이에 위치하여 입사되는 광을 대역 통과 필터링 (band pass filtering)할 수 있다.As another example, the band-pass filter 125 may be positioned between the light source 111 and the sample 115 to band pass filter the incident light.

그러면, 카메라(123)에 포함된 정량 위상 영상 생성부는 분리된 두 이미지의 간섭 무늬에 기초하여 정량 위상 영상을 생성할 수 있다. 여기서, 정량 위상 영상을 생성하는 구성은 아래의 도 2 및 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.Then, the quantitative phase image generator included in the camera 123 can generate a quantitative phase image based on the interference fringes of the two separated images. Here, a configuration for generating a quantitative phase image will be described later with reference to FIG. 2 and FIG. 3 below.

도 2는 본 발명의 일실예에 따른 편광 프리즘에서 분리된 시료의 이미지가 가지는 간섭 무늬의 예시도이다.2 is an illustration of an interference fringe of an image of a sample separated from a polarization prism according to an example of the present invention.

도 2에서, Σ는 두 개의 시료의 이미지(201, 202)를 나타내고, Σc는 두 시료의 배경 부분을 나타낸다. 그리고, fov는 카메라의 필드오브뷰(field of view), p는 카메라의 픽셀(pixel)을 나타내고, L은 광이 분리되는 거리이다. δ는 두 시료 간의 세퍼레이션 거리(separation distance)로서, 각 시료의 중심에서의 거리를 나타내며, θ는 파장판에서 광을 분리하는 세퍼레이션 각도(separation angle)을 나타낼 수 있다. D는 δ 방향에서 시료의 최대 폭(maximum width), CA(clear aperture)는 카메라 앞쪽에서의 광의 크기(beam size)를 나타낼 수 있다. In Fig. 2, [Sigma] denotes images 201 and 202 of two samples, and [Sigma] c denotes background portions of two samples. Fov is the field of view of the camera, p is the pixel of the camera, and L is the distance at which the light is separated. δ is the separation distance between the two samples, which represents the distance from the center of each sample, and θ is the separation angle separating the light from the waveplate. D is the maximum width of the sample in the δ direction, and CA (clear aperture) is the size of the beam in front of the camera.

도 2에 따르면, 편광 프리즘에서 분리된 두 개의 시료의 이미지(201, 202)는 서로 다른 부호를 가질 수 있다. 이때, 본 발명의 공통 경로 정량 위상 현미경 유닛(100)에서 생성되는 정량 위상 영상은 서로 다른 편광에 의해 동일하거나 상이한 두 개의 분리된 시료의 이미지로 이루어질 수 있다. 다시 말해, 정량 위상 영상은 편광 프리즘에서 분리된 두 개의 시료의 위상 영상으로 이루어질 수 있다. According to FIG. 2, images 201 and 202 of two samples separated in the polarization prism may have different signs. At this time, the quantitative phase image generated by the common path quantitative phase microscope unit 100 of the present invention may be composed of images of two separate samples which are the same or different by different polarizations. In other words, the quantitative phase image can be composed of phase images of two samples separated from the polarization prism.

여기서, 시료가 복굴절 특성을 가지는 경우, 정량 위상 영상은 서로 다른 편광에 의해 상이한 두 개의 위상 영상으로 구성될 수 있다. 그리고, 분리된 두 시료의 이미지의 세기가 동일한 경우, 정량 위상 영상은 서로 동일한 두 개의 위상 영상으로 구성될 수 있다.Here, when the sample has a birefringence characteristic, the quantitative phase image may be composed of two phase images different in polarized light. If the intensity of the images of the two separated samples is the same, the quantitative phase images can be composed of two identical phase images.

이때, 카메라의 픽셀 크기, 대물 렌즈의 개구수 및 배율, 광원의 중심 파장과 스펙트럼 폭, 시료의 크기와 전체 영상의 시야에 기초하여 편광 프리즘의 분광각, 편광 프리즘의 위치와 각도, 그리고 편광 프리즘과 카메라 간의 거리는 조절될 수 있다. 다시 말해, 편광 프리즘에서 분리된 두 시료의 이미지가 서로 겹쳐지지 않으면서, 위상 정보 계산이 용이하도록 상기 파라미터들에 기초하여 편광 프리즘의 분광각, 편광 프리즘의 위치와 각도, 그리고 편광 프리즘과 카메라 간의 거리는 조절될 수 있다. At this time, based on the pixel size of the camera, the numerical aperture and magnification of the objective lens, the center wavelength and spectral width of the light source, the size of the sample and the field of view of the whole image, the polarization angle of the polarization prism, the position and angle of the polarization prism, The distance between the camera and the camera can be adjusted. In other words, the images of the two samples separated from the polarization prism are not superimposed on each other, and the position and angle of the polarization prism, the polarization prism and the angle between the polarization prism and the camera The distance can be adjusted.

예를 들어, 편광 프리즘에서 분리된 두 시료의 이미지가 가지는 간섭 무늬의 콘트라스트(contrast)가 최대가 될수록 위상 정보 계산이 용이할 수 있다. 이에 따라, 편광 프리즘의 분광각, 편광 프리즘의 위치와 각도, 편광 프리즘과 카메라 간의 거리, 그리고 편광 프리즘 뒤 편광자의 각도는 두 간섭 무늬의 콘트라스트가 커지도록 조절될 수 있다. For example, as the contrast of an interference fringe of an image of two samples separated by a polarization prism is maximized, the phase information calculation can be facilitated. Accordingly, the polarization angle of the polarizing prism, the position and angle of the polarizing prism, the distance between the polarizing prism and the camera, and the angle of the polarizer behind the polarizing prism can be adjusted to increase the contrast of the two interference fringes.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라의 구성을 도시한 블록도이다.3 is a block diagram showing the configuration of a camera according to an embodiment of the present invention.

이때, 도 3의 카메라(300)는 도 1의 카메라(123)에 해당되는 바, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.The camera 300 shown in FIG. 3 corresponds to the camera 123 shown in FIG. 1, and a duplicate description will be omitted.

도 3을 참고하면, 카메라(300)는, 편광 프리즘에서 분리된 시료의 이미지가 가지는 간섭 무늬에 기초하여 정량 위상 영상을 생성할 수 있다. 카메라(300)는 위상 정보 계산부(301), 및 정량 위상 영상 생성부(302)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the camera 300 can generate a quantitative phase image based on an interference fringe of an image of a sample separated in a polarization prism. The camera 300 may include a phase information calculation unit 301 and a quantitative phase image generation unit 302.

위상 정보 계산부(301)는 편광 프리즘에서 분리된 시료의 이미지가 가지는 간섭 무늬로부터 위상 정보를 계산할 수 있다. 예를 들어, 위상 정보 계산부(301)는 공간 변조 홀로그램 분석 방법을 이용하여 두 간섭 무늬를 분석함에 따라 위상 정보를 계산할 수 있다.The phase information calculation unit 301 can calculate the phase information from the interference fringes of the image of the sample separated in the polarization prism. For example, the phase information calculation unit 301 can calculate phase information by analyzing two interference fringes using a spatial modulation hologram analysis method.

그러면, 정량 위상 영상 생성부(302)는 위상 정보 계산부(301)에서 계산된 위상 정보에 기초하여 정량 위상 영상을 생성할 수 있다. 여기서, 정량 위상 영상은 서로 다른 편광에 의해 동일하거나 상이한 두 개의 분리된 시료의 이미지로 이루어질 수 있다.Then, the quantitative phase image generator 302 can generate a quantitative phase image based on the phase information calculated by the phase information calculator 301. [ Here, the quantitative phase image can be composed of images of two separate samples which are the same or different by different polarizations.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 위상 정보 계산에 이용되는 파라미터를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.Figure 4 is a diagram provided to illustrate parameters used in phase information calculation according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참고하면, 카메라의 픽셀 크기로 표현 가능한 회절 무늬는 편광 프리즘의 분광각에 기초하여 생성될 수 있다. 이때, 대물 렌즈에 의해 측정된 정보는 손실없이 카메라에 기록될 수 있다. 예를 들어, 아래의 수학식 1에 기초하여 상기 정보는 손실없이 기록될 수 있다.Referring to FIG. 4, a diffraction pattern that can be expressed by the pixel size of the camera can be generated based on the diffraction angle of the polarization prism. At this time, the information measured by the objective lens can be recorded on the camera without loss. For example, the information can be recorded without loss based on Equation (1) below.

Figure 112014058994116-pat00001
Figure 112014058994116-pat00001

수학식 1에서, p는 카메라의 픽셀 크기, λ는 중심 파장, NA는 대물 렌즈의 개구수, M은 대물 렌즈의 배율일 수 있다.In Equation (1), p is the pixel size of the camera,? Is the center wavelength, NA is the numerical aperture of the objective lens, and M is the magnification of the objective lens.

편광 프리즘에서 분리된 두 시료의 이미지는 서로 겹쳐지지 않아야 하며, 둘 중 하나의 시료라도 다른 영상의 시료가 아닌 부분, 예를 들면, 배경 부분에 완전하게 속해있어야 시료가 카메라에 의해 기록되는 부분에 간섭 무늬가 생성될 수 있다. 이처럼, 두 시료의 이미지가 서로 겹치지 않도록 아래의 수학식 2 및 3이 이용될 수 있다. 예를 들어, 위상 정보 계산부(301)는 아래의 수학식 2 및 3에 기초한 공간 변조 홀로그램 분석 방법을 이용하여 두 시료의 이미지의 위상 정보를 계산할 수 있다.Images of two samples separated from the polarizing prism should not overlap each other, and one of the two samples should be completely contained in a part of the other image, for example, a background part, An interference fringe can be generated. In this way, the following equations (2) and (3) can be used so that the images of the two samples do not overlap each other. For example, the phase information calculation unit 301 can calculate phase information of images of two samples using a spatial modulation hologram analysis method based on Equations (2) and (3) below.

Figure 112014058994116-pat00002
Figure 112014058994116-pat00002

수학식 2에서,

Figure 112014058994116-pat00003
,
Figure 112014058994116-pat00004
인 경우, 수학식 2는 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.In Equation (2)
Figure 112014058994116-pat00003
,
Figure 112014058994116-pat00004
, Equation (2) can be expressed as Equation (3) below.

Figure 112014058994116-pat00005
Figure 112014058994116-pat00005

수학식 2 및 3에서, MD는 세퍼레이션 방향으로 시료의 두께를 나타낼 수 있다In equations (2) and (3), MD can represent the thickness of the sample in the separation direction

이상의 수학식 2 및 3은 공간 변조 홀로그램 분석 방법을 이용하여 간섭 무늬를 분석하기 위한 조건이 될 수 있다. 이때, 위상 정보 계산부(301)가 분리된 두 시료의 이미지가 동일하다는 정보를 이용하여 위상 정보를 계산하는 경우, 위상 정보 계산부(301)는 두 분리된 시료가 서로 겹친 상태로 기록되어도 원래 시료의 위상 정보를 재구성할 수 있다.Equations (2) and (3) above may be conditions for analyzing the interference fringes using the spatial modulation hologram analysis method. In this case, when the phase information calculation unit 301 calculates the phase information using the information that the images of the two separated samples are the same, the phase information calculation unit 301 determines that the two separated samples are recorded in the overlapped state, The phase information of the sample can be reconstructed.

이때, 광원에 따라 카메라가 기록하는 부분에 간섭 무늬가 생성되지 않을 수도 있다. 그러면, 분리된 두 시료의 이미지가 카메라에 의해 기록되는 부분에 간섭 무늬가 생성되도록 아래의 수학식 4가 이용될 수 있다.At this time, an interference fringe may not be generated in a portion recorded by the camera depending on the light source. Then, the following equation (4) can be used so that an interference fringe is generated at a portion where images of two separated samples are recorded by the camera.

Figure 112014058994116-pat00006
Figure 112014058994116-pat00006

수학식 4에서, ㅿλ는 반치전폭(full width at half maximum)이고, s는 위의 수학식 1에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 수학식 1에서 대물 렌즈에 따라 대물 렌즈의 개구수(NA)와 배율(M)이 달라질 수 있다. 이에 따라, s는 1/3p로 결정되는 것이 가장 효과적일 수 있다.In Equation (4), [lambda] is the full width at half maximum, and s can be determined by the above equation (1). For example, the numerical aperture (NA) and magnification (M) of the objective lens can be changed according to the objective lens in Equation (1). Accordingly, it can be most effective that s is determined to be 1 / 3p.

이처럼, 공통 경로 정량 위상 현미경 유닛은 수학식 4를 이용하여 간섭 무늬가 생성되도록 할 수 있으나, 광원의 스펙트럼이 너무 길어서 간섭 무늬가 시료가 있는 부분을 모두 덮지 못하는 경우, 대역 통과 필터를 사용하거나, 여러 번에 걸친 측정을 통하여 시료의 이미지를 재구성할 할 수도 있다. In this way, the common path constant-quantity phase microscope unit can generate the interference fringe using Equation (4). However, if the spectrum of the light source is too long and the interference fringe can not cover all the sample portions, It is also possible to reconstruct the image of the sample through several measurements.

이때, 대역통과필터를 사용하는 경우, 실제 사용되는 광의 세기가 현저하게 낮아지게 되어 신호대잡음비(SNR)가 증가할 수도 있다. 이에 따라, 광원으로는 스펙트럼이 넓고 광의 세기가 약한 광원보다는 스펙트럼이 좁고 광의 세기가 강한 광원이 이용되는 것이 간섭 무늬에 기포한 정량 위상 영상을 생성하기 위해 바람직할 수 있다.At this time, when a bandpass filter is used, the intensity of light actually used may be significantly lowered, and the SNR may increase. Accordingly, it is preferable to use a light source having a narrow spectrum and a strong light intensity rather than a light source having a broad spectrum and weak light intensity as the light source, in order to generate a quantitative phase image bubbled in the interference fringe.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (13)

시료(sample)를 관측하는 현미경의 바디 파트(body part, 110); 및
상기 바디 파트(110) 이후에 배치되며, 상기 시료를 통과한 광에 기초하여 정량 위상 영상을 생성하는 현미경의 카메라 파트(camera part, 120)
를 포함하고,
상기 바디 파트(110)는,
상기 시료를 관측하기 위한 광을 방사하는 광원(111);
상기 시료의 하단에 위치하여 시료의 상을 확대하는 대물 렌즈(112)와 튜브 렌즈(113); 및
상기 카메라 파트(120) 이전에 배치되며, 상기 대물 렌즈(112) 및 튜브 렌즈(113)를 통과한 광을 반사시켜 상기 카메라 파트(120)로 전달하는 거울(114)
을 포함하고,
상기 카메라 파트(120)는,
상기 튜브 렌즈(113) 또는 상기 거울(114)로부터 입사되는 광을 굴절 및 분산 시켜 서로 수직한 편광을 갖는 상으로 시료의 이미지를 분리하는 편광 프리즘(121); 및
상기 편광 프리즘(121) 이후에 배치되며, 상기 편광 프리즘(121)에서 분리된 시료의 이미지 각각에 해당하는 간섭 무늬에 기초하여 상기 정량 위상 영상을 생성하는 카메라(123)
를 포함하고,
상기 편광 프리즘(121)은,
상기 바디 파트(110) 이후 및 상기 카메라(123) 이전에 배치되며, 상기 편광 프리즘(121)에서 분리된 시료의 이미지가 서로 겹쳐지지 않도록 분광각, 위치, 각도, 및 카메라(123)와의 거리를 조절하는 것
을 특징으로 하는 정량 위상 현미경 유닛.A body part 110 of a microscope observing a sample; And
A camera part 120 disposed after the body part 110 for generating a quantitative phase image based on the light passing through the sample part,
Lt; / RTI >
The body part (110)
A light source 111 for emitting light for observing the sample;
An objective lens 112 and a tube lens 113 located at the lower end of the sample and enlarging the image of the sample; And
A mirror 114 disposed before the camera part 120 and reflecting the light having passed through the objective lens 112 and the tube lens 113 and transmitting the reflected light to the camera part 120,
/ RTI >
The camera part 120,
A polarizing prism 121 for refracting and dispersing the light incident from the tube lens 113 or the mirror 114 and separating the image of the sample into a phase having a vertical polarization; And
A camera 123 disposed after the polarizing prism 121 for generating the quantitative phase image based on the interference fringes corresponding to the images of the sample separated by the polarizing prism 121,
Lt; / RTI >
The polarizing prism (121)
Position, angle, and distance from the camera 123 so that images of the sample separated by the polarizing prism 121 do not overlap with each other, after the body part 110 and before the camera 123, Conditioning
And a quantitative phase microscope unit. 제1항에 있어서,
상기 바디 파트(110) 이후, 편광 프리즘(121) 이전에 배치되며, 상기 편광 프리즘(121)에 입사되는 광의 편광 방향을 변경하는 파장판(124)
을 더 포함하는 정량 위상 현미경 유닛. The method according to claim 1,
A wave plate 124 disposed before the polarizing prism 121 and changing the polarization direction of the light incident on the polarizing prism 121 after the body part 110,
Further comprising: a quantitative phase microscope unit. 제2항에 있어서,
상기 파장판(124)은,
상기 편광 프리즘(121)에 분리된 시료의 이미지의 세기가 서로 동일해지도록 상기 편광 방향을 변경하기 위해 회전하는 정량 위상 현미경 유닛.3. The method of claim 2,
The wavelength plate (124)
And the polarization prism (121) is rotated to change the polarization direction so that intensity of images of separated samples become equal to each other. 제1항에 있어서,
상기 편광 프리즘(121)과 상기 카메라(123) 사이에 배치되며, 상기 편광 프리즘(121)에서 분리된 시료의 이미지와 45도 각도로 기울어져 배치되어 상기 광을 편광으로 변경하는 편광자(polarizer, 122)
를 더 포함하는 정량 위상 현미경 유닛.The method according to claim 1,
A polarizer 122 disposed between the polarizing prism 121 and the camera 123 and disposed at an angle of 45 degrees with respect to the image of the sample separated from the polarizing prism 121 to change the light into polarized light, )
Further comprising: a quantitative phase microscope unit. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 편광 프리즘(121)은,
간섭 무늬를 갖기 위해 상의 세기가 동일해지도록 상기 시료의 이미지를 분리시키는 정량 위상 현미경 유닛.The method according to claim 1,
The polarizing prism (121)
A quantitative phase microscope unit for separating an image of the sample so that the image intensities are the same to have an interference fringe. 제1항에 있어서,
상기 편광 프리즘(121)은,
상기 광을 굴절 및 분산시켜 서로에 대해 특정 각도로 틀어지도록 상기 시료의 이미지를 분리시키는 정량 위상 현미경 유닛.The method according to claim 1,
The polarizing prism (121)
Wherein said light is refracted and dispersed to separate the image of said sample so that it is twisted at an angle relative to each other. 제1항에 있어서,
상기 바디 파트(110)와 상기 편광 프리즘(121) 사이에 배치되며, 상기 편광 프리즘(121)에서 분리된 시료의 이미지가 간섭 무늬를 갖도록 광을 필터링하여 파장이 좁은 광을 출력하는 대역 통과 필터(125)
를 더 포함하는 정량 위상 현미경 유닛.The method according to claim 1,
A bandpass filter (120) disposed between the body part (110) and the polarizing prism (121) for filtering light so that an image of the sample separated by the polarizing prism (121) has an interference fringe and outputting light with a narrow wavelength 125)
Further comprising: a quantitative phase microscope unit. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 편광 프리즘(121)과 카메라(123) 간의 거리, 편광 프리즘(121)의 분광각, 위치 및 각도는,
상기 바디 파트(110)에 포함된 대물 렌즈(112)의 개구수 및 배율, 카메라(123)의 픽셀 크기, 광원(111)의 중심 파장 및 스펙트럼 폭, 시료의 크기, 및 전체 영상의 시야에 기초하여 조절되는 정량 위상 현미경 유닛.The method according to claim 1,
The distance between the polarizing prism 121 and the camera 123, and the angle of polarization, position and angle of the polarizing prism 121,
Based on the numerical aperture and magnification of the objective lens 112 included in the body part 110, the pixel size of the camera 123, the center wavelength and spectral width of the light source 111, the size of the sample, A controlled phase microscope unit. 제1항에 있어서,
상기 카메라(123)는,
공간 변조 홀로그램 분석 방법을 이용하여 상기 간섭 무늬를 분석함에 따라 획득된 위상 정보에 기초하여 상기 정량 위상 영상을 생성하는 정량 위상 현미경 유닛.The method according to claim 1,
The camera (123)
A quantitative phase microscope unit for generating the quantitative phase image based on phase information obtained by analyzing the interference fringes using a spatial modulation hologram analysis method. 제1항에 있어서,
상기 편광 프리즘(121)은,
상기 바디 파트(110)에 탈부착 가능하며, 상기 카메라 파트(camera part, 120)에서 작동하는 정량 위상 현미경 유닛.The method according to claim 1,
The polarizing prism (121)
A quantitative phase microscope unit removably attachable to the body part 110 and operated by the camera part 120; 제1항에 있어서,
상기 간섭 무늬는,
상기 편광 프리즘(121)에서 분리된 시료의 이미지가 카메라(123)에 의해 기록되는 부분에 생성되는 정량 위상 현미경 유닛.The method according to claim 1,
The interference fringe,
Wherein an image of the sample separated by the polarizing prism (121) is generated in a portion recorded by the camera (123).
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