KR101599240B1 - 이미징 장치 - Google Patents

Abstract

이미징 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 이미징 장치는, 피검사체에 빛을 조사하는 광원; 피검사체를 고정시키는 스테이지; 피검사체를 거친 빛을 집광하는 대물렌즈; 전압 조정에 의해 곡면 형상이 변경되도록 이루어지는 리퀴드렌즈; 및 대물렌즈로부터의 이미지를 감지하는 디텍터를 포함하고, 리퀴드렌즈는, 스테이지와 대물렌즈 사이에 배치되어 대물렌즈에서 피검사체를 향하는 초점거리를 조정할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 피검사체가 놓이는 스테이지의 한 쪽에 광원을 배치하고 다른 한 쪽에 리퀴드렌즈, 대물렌즈 및 디텍터가 배치되도록 함으로써 리퀴드렌즈를 통하여 초점거리를 용이하게 조정할 수 있으며, 대물렌즈, 스테이지 등의 이동을 위한 별도의 수단을 형성할 필요가 없어 소음 및 진동을 방지하고 원가를 절감시킬 수 있다.

Description

이미징 장치{IMAGING APPARATUS}

본 발명은 이미징 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 현미경에서 피검사체에 초점을 용이하게 맞출 수 있도록 이루어지는 이미징 장치에 관한 것이다.

현미경은 광학 현미경, 암시야 현미경, 위상차 현미경, 형광 현미경의 4종류로 구분되고, 대물렌즈의 위치가 시료보다 아래에 위치한 전도(inverted) 현미경이 있다.

현미경은, 시료인 슬라이드 글라스를 고정하는 장치인 재물대(stage), 시료에 빛을 조사하는 광원(light source), 렌즈 시스템을 등을 포함하며, 대물렌즈와 시료 간의 거리를 조절하는 초점조절수단이 포함되는 것이 일반적이다.

이처럼, 시료에 초점을 맞추기 위해서는, 대물렌즈를 이동시키거나, 재물대를 이동시키거나, 카메라 등을 이동시켜야 하는데, 이때 각 수단의 이동을 위해서는 현미경의 구조가 복잡해질 뿐 아니라, 이동을 위한 직간접적인 수단의 작동에 다른 소음 및 진동이 발생하는 문제점이 있다.

(0001) 대한민국등록특허 제10-0164281호(등록일: 1998.09.11)

(0001) 이준규 외 5인, 일렉트로웨팅구동형 MEMS기반 액체렌즈, 대한전기학회 하계학술대회 논문집 1537-1538, 2009.

본 발명의 목적은, 현미경에서 피검사체에 초점을 용이하게 맞출 수 있도록 이루어지는 것이며, 특히 리퀴드렌즈(액체렌즈)를 사용하여 오토포커스(autofocus)가 용이하게 이루어지면서, 영상의 왜곡을 최소화할 수 있는 이미징 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 피검사체에 빛을 조사하는 광원; 상기 피검사체를 고정시키는 스테이지; 상기 피검사체를 거친 빛을 집광하는 대물렌즈; 전압 조정에 의해 곡면 형상이 변경되도록 이루어지는 리퀴드렌즈; 및 상기 대물렌즈로부터의 이미지를 감지하는 디텍터를 포함하고, 상기 리퀴드렌즈는, 상기 스테이지와 대물렌즈 사이에 배치되어 상기 대물렌즈에서 상기 피검사체를 향하는 초점거리를 조정할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미징 장치에 의해 달성된다.

그리고 상기 스테이지와 상기 리퀴드렌즈 사이의 거리는 상기 리퀴드렌즈와 상기 대물렌즈 사이의 거리보다 짧게 이루어질 수 있다.

또한 상기 스테이지와 상기 리퀴드렌즈 사이의 거리가 L1, 상기 리퀴드렌즈와 상기 대물렌즈 사이의 거리가 L2, 상기 피검사체의 직경이 Ds, 상기 리퀴드렌즈의 직경이 Dl, 그리고 상기 대물렌즈의 직경이 Do라고 할 때, 다음의 식을 만족하도록 이루어질 수 있다.

또한 본 발명에 따른 이미징 장치는, 상기 스테이지와 상기 리퀴드렌즈 사이의 거리가 L1, 상기 리퀴드렌즈와 상기 대물렌즈 사이의 거리가 L2, 상기 피검사체의 직경이 Ds, 상기 리퀴드렌즈의 직경이 Dl, 그리고 상기 대물렌즈의 직경이 Do라고 할 때, 다음의 식을 만족하도록 이루어질 수 있다.

그리고 상기 광원에서 조사된 빛을 확산시키는 확산유리; 및 상기 확산유리를 거친 빛을 집광하여 상기 피검사체에 조사되도록 이루어지는 집광렌즈를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 피검사체가 놓이는 스테이지의 한 쪽에 광원을 배치하고 다른 한 쪽에 리퀴드렌즈, 대물렌즈 및 디텍터가 배치되도록 함으로써 리퀴드렌즈를 통하여 초점거리를 용이하게 조정할 수 있으며, 대물렌즈, 스테이지 등의 이동을 위한 별도의 수단을 형성할 필요가 없어 소음 및 진동을 방지하고 원가를 절감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치를 사시도,
도 2은 도 1에 도시된 이미징 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 이미징 장치에서 스테이지, 대물렌즈 및 리퀴드렌즈 간의 관계를 설명하는 도면,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 이미징 장치를 이용하여 세포(HL60)를 촬영한 이미지이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(1)를 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 이미징 장치(1)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 이미징 장치(1)에서 스테이지(50), 대물렌즈(70) 및 리퀴드렌즈(60) 간의 관계를 설명하는 도면이다.

본 발명에 따른 이미징 장치(1)는 현미경 광학계에 기반하고 있는 이미징 장치(1)를 의미하며, 이에 따라 통상의 현미경은 물론, 세포계수기와 같은 장비 또한 본 발명에 따른 이미징 장치(1)에 포함된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미징 장치(1)는, 광원(20), 스테이지(50), 대물렌즈(70), 리퀴드렌즈(60) 및 디텍터(80)를 포함하여 이루어진다. 또한 케이스(10), 확산유리(30) 및 집광렌즈(40)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

케이스(10)는 본 발명에 따른 이미징 장치(1)의 전체적인 몸체를 이루며, 내부가 관통된 파이프 형태로 이루어진다. 케이스(10)는 광원(20)이 결합되는 쪽의 제1 케이스(11)와 디텍터(80)가 결합되는 쪽의 제2 케이스(12)를 구분될 수 있으며, 제1 케이스(11)와 제2 케이스(12)과 연결브라켓(13)에 의해 결합될 수 있다.

이러한 연결브라켓(13) 상에 스테이지(50)가 형성되며, 피검사체(sample)의 삽입을 위한 슬롯(14)이 구비된다.

광원(20)은 피검사체에 빛을 조사하기 위한 것으로서 LED(light emitting diode)로 이루어질 수 있고, 이에 따라 수명이 길고 점등시간에 비하여 광량이 저하되는 비중이 작아 안정적으로 피검사체를 관찰할 수 있고, 발열량이 작으므로 열변형이 생기는 현상을 방지할 수 있으며, LED 자체의 크기가 작기 때문에 본 발명에 따른 이미징 장치(1)의 크기를 줄이는데 기여할 수 있다.

스테이지(50)는 통상의 현미경에서 재물대(stage)에 해당되는 것이며, 슬라이드 글라스 위의 피검사체롤 고정할 수 있도록 이루어진다.

대물렌즈(70)는 피검사체를 통과한 빛을 집광하여 디텍터(80)에 영상이 맺히도록 한다.

본 발명에서 리퀴드렌즈(60)는 전압 조정에 의해 곡면 형상이 변경되도록 이루어지는 것이다.

리퀴드렌즈(60)는 유체압(fluid pressure)을 이용한 방식으로 이루어질 수 있으나, 일렉트로웨팅(electrowetting)을 이용한 방법에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다.

일렉트로웨팅 기반의 액체렌즈는 안구의 수정체와 같이 작용할 수 있으며, 피사체와의 거리에 따라 그 두께가 변화되어 초점이 조절되는 것과 같이, 액체렌즈 캐비티(cavity) 안에 갇혀있는 액체를 외부 전압으로 조절하여 액체렌즈의 두께 및 곡률을 조절할 수 있고, 초소형, 저전력소비, 반영구적 수명 등의 장점이 있다.

본 발명에 따른 이미징 장치(1)에서 디텍터(80)는, 피검사체의 이미지를 시각적으로 구현하기 위한 카메라 장치이다. 이를 위하여 디텍터(80)는 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에서 리퀴드렌즈(60)는, 스테이지(50)와 대물렌즈(70) 사이에 배치되어 대물렌즈(70)에서 피검사체를 향하는 초점거리를 조정할 수 있도록 이루어진다.

렌즈는 빛이 조사되는 전체 면적에 걸쳐 일정한 초점거리를 형성해야 하므로 구경이 증가할수록 높은 제조기술이 요구된다. 특히, 리퀴즈렌즈는 구경이 증가할수록 고도의 기술이 요구되기 때문에, 구경 증가와 성능은 반비례한다.

리퀴드렌즈(60)는 대물렌즈(70)와 디텍터(80) 사이에 위치하면서 디텍터(80)에 가까운 쪽에 위치하여 사용될 수 있으나, 현미경에 사용되는 상용화된 대물렌즈(70) 및 디텍터(80)는 리퀴드렌즈(60)보다 구경이 커서 리퀴드렌즈(60)를 대물렌즈(70)와 디텍터(80) 사이에 위치시킬 경우 상의 왜곡이 심하게 나타나 사용할 수 없게 된다.

일반적으로 현미경을 이루는 대물렌즈의 배율은 1배보다 크고 구경이 가장 작은 영역은 관찰 영역이므로, 리퀴드렌즈(60)를 시료에 가깝게 위치시킬 경우 상술한 상의 왜곡을 줄일 수 있다. 이를 위해 본 발명에서는 리퀴드렌즈(60)를 피검사체와 대물렌즈(70) 사이에 위치시키도록 하고 있다.

상술한 바와 같이, 리퀴드렌즈(60)는 대물렌즈(70)보다 작은 구경(Dl<Do)으로 이루어짐에 따라, 리퀴드렌즈(60)가 대물렌즈(70)에 근접하여 설치되면, 도 4a 및 도 4b에 나타난 바와 같이, 중앙에 비해 가장자리의 명도가 크게 낮으며 가장자리에서 영상의 왜곡현상이 심해지게 된다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 이미징 장치(1)를 이용함에 있어서, 같은 현미경 셋업에서 리퀴드렌즈(60)의 위치만을 변경하여 세포(HL60)을 관찰한 이미지로서, 도 4a는 리퀴드렌즈(60)가 대물렌즈(70)에 상대적으로 가깝게 위치시킨 경우의 이미지이고, 도 4b는 리퀴드렌즈(60)가 피검사체에 상대적으로 가깝게 위치시킨 경우의 이미지이며, 도 4a의 경우가 도 4b의 경우보다, 중앙과 가장자리의 밝기 차이 및 영상 왜곡이 심함을 알 수 있다.

도 3으로부터 관찰영역의 모든 빛이 리퀴드렌즈(60)에서 차단되지 않고 대물렌즈(70)에 전달되는 조건을 리퀴드렌즈(60) 및 대물렌즈(70)의 구경, 그리고 스테이지(50), 리퀴드렌즈(60) 및 대물렌즈(70)의 거리의 관계를 식으로 정리하면 아래와 같다.

[수학식 1]을 벗어나는 범위에서는 상의 왜곡이 나타날 수 있는데, 경험적으로 아래의 [수학식 2]의 범위까지는 상의 왜곡이 크지 않아 리퀴드렌즈(60)를 오토포커싱에 사용할 수 있다.

Ds는 스테이지(50)상의 피검사체의 직경을 나타내고, L1은 스테이지(50)와 리퀴드렌즈(60)의 거리, 그리고 L2는 리퀴드렌즈(60)와 대물렌즈(70)의 거리를 의미한다.

리퀴드렌즈(60)가 스테이지(50)에 근접하여 설치되면, 스테이지(50)로부터 대물렌즈(70)로 향하는 빛이 리퀴드렌즈(60)에서 차단되지 않고 그대로 전달되지만, 리퀴드렌즈(60)가 스테이지(50)에 너무 근접하여 설치되면, 리퀴드렌즈(60)의 초점거리(focal length)를 변화시키더라도 현미경 전체의 초점거리의 변화폭이 감소하게 됨에 따라, 오토포커싱(auto focusing)에 사용하기 어렵다. 초점거리의 변화폭이 감소되는 리퀴드렌즈(60)와 스테이지(50)의 거리는 아래와 같다.

따라서, 디텍터(80)에서 감지되는 이미지의 왜곡을 최소화하면서 오토포커싱용으로 사용할 수 있는 리퀴드렌즈(60) 및 대물렌즈(70)의 구경, 그리고 스테이지(50), 리퀴드렌즈(60) 및 대물렌즈(70)의 거리의 관계는 [수학식 2] 및 [수학식 3]에 의해 아래와 같이 정리된다.

본 발명에 따른 이미징 장치(1)에 의하면, 피검사체가 놓이는 스테이지(50)의 한 쪽에 광원(20)을 배치하고 다른 한 쪽에 리퀴드렌즈(60), 대물렌즈(70) 및 디텍터(80)가 배치되도록 함으로써 리퀴드렌즈(60)를 통하여 초점거리를 용이하게 조정할 수 있으며, 대물렌즈(70), 스테이지(50) 등의 이동을 위한 별도의 수단을 형성할 필요가 없어 소음 및 진동을 방지하고 원가를 절감시킬 수 있다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 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 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 이미징 장치 10 : 케이스
11 : 제1 케이스 12 : 제2 케이스
13 : 연결브라켓 14 : 슬롯
20 : 광원 30 : 확산유리
40 : 집광렌즈 50 : 스테이지
60 : 리퀴드렌즈 70 : 대물렌즈
80 : 디텍터

Claims (5)

1. 피검사체에 빛을 조사하는 광원;
   상기 피검사체를 고정시키는 스테이지;
   상기 피검사체를 거친 빛을 집광하는 대물렌즈;
   전압 조정에 의해 곡면 형상이 변경되도록 이루어지는 리퀴드렌즈; 및
   상기 대물렌즈로부터의 이미지를 감지하는 디텍터를 포함하고,
   상기 리퀴드렌즈는, 상기 스테이지와 대물렌즈 사이에 배치되어 상기 대물렌즈에서 상기 피검사체를 향하는 초점거리를 조정할 수 있도록 이루어지고,
   상기 스테이지와 상기 리퀴드렌즈 사이의 거리는 상기 리퀴드렌즈와 상기 대물렌즈 사이의 거리보다 짧고,
   상기 스테이지와 상기 리퀴드렌즈 사이의 거리가 L1, 상기 리퀴드렌즈와 상기 대물렌즈 사이의 거리가 L2, 상기 피검사체의 직경이 Ds, 상기 리퀴드렌즈의 직경이 Dl, 그리고 상기 대물렌즈의 직경이 Do라고 할 때, 다음의 식을 만족하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미징 장치.
   

   
2. 삭제
3. 삭제
4. 피검사체에 빛을 조사하는 광원;
   상기 피검사체를 고정시키는 스테이지;
   상기 피검사체를 거친 빛을 집광하는 대물렌즈;
   전압 조정에 의해 곡면 형상이 변경되도록 이루어지는 리퀴드렌즈; 및
   상기 대물렌즈로부터의 이미지를 감지하는 디텍터를 포함하고,
   상기 리퀴드렌즈는, 상기 스테이지와 대물렌즈 사이에 배치되어 상기 대물렌즈에서 상기 피검사체를 향하는 초점거리를 조정할 수 있도록 이루어지고,
   상기 스테이지와 상기 리퀴드렌즈 사이의 거리는 상기 리퀴드렌즈와 상기 대물렌즈 사이의 거리보다 짧고,
   상기 스테이지와 상기 리퀴드렌즈 사이의 거리가 L1, 상기 리퀴드렌즈와 상기 대물렌즈 사이의 거리가 L2, 상기 피검사체의 직경이 Ds, 상기 리퀴드렌즈의 직경이 Dl, 그리고 상기 대물렌즈의 직경이 Do라고 할 때, 다음의 식을 만족하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미징 장치.
   

   
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 광원에서 조사된 빛을 확산시키는 확산유리; 및
   상기 확산유리를 거친 빛을 집광하여 상기 피검사체에 조사되도록 이루어지는 집광렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미징 장치.
   

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