KR101632672B1 - Confocal spectrogram microscope - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공초점 분광 현미경에 관한 것이다. 공초점 현미경과 스펙트럴 이미징 분광 현미경이 동시에 구비되는 멀티모달 현미경에서, 레이저를 사용하는 공초점 현미경 또는 SC 레이저를 사용하는 스펙트럴 이미징 분광 현미경으로 동작시 동일 위치에서 해당 광경로의 각도가 다른 광 분할기(beam splitter)로 스위칭하여 레이저의 입사 경로를 결정하는 스위칭 필터 유닛(SFU), 대물렌즈 및 광증폭관(PMT, Photo-Multiplier Tube)을 사용하여 공초점 영상과 분광 정보를 관찰하며, 상기 스텍트럴 이미징 분광 현미경에서 분광 정보를 획득하기 위해 단색화 장치의 파장을 고정하고 공초점 영상을 획득한 후, 파장을 변경하여 다시 공초점 영상을 획득하는 방법으로 다양한 파장에서 영상을 획득하며, 상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경에서 측정된 각 현미경의 측정결과는 시료를 움직이지 않은 상태에서 동일한 대물렌즈에서 관찰되는 측정결과인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a confocal spectroscopic microscope. In a multimodal microscope in which a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope are simultaneously provided, a spectral imaging spectroscopic microscope using a confocal microscope or SC laser using a laser, Observes a confocal image and spectroscopic information using a switching filter unit SFU, an objective lens, and a photo-multiplier tube (PMT) for switching an incident path of a laser by switching to a beam splitter, In order to acquire spectral information in a stet- tical imaging spectroscopic microscope, a wavelength of a monochromator is fixed, a confocal image is acquired, and then a confocal image is obtained again by changing a wavelength. An image is acquired at various wavelengths, The measurement results of each microscope measured in the confocal microscope and in the spectral imaging spectroscopic microscope described above, Is a measurement result observed in the same objective lens in a state in which the objective lens is not used.

Description

공초점 분광 현미경{Confocal spectrogram microscope}Confocal spectrogram microscope < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 공초점 분광 현미경에 관한 것으로, 특히 단색화 장치를 이용하여 공초점 현미경과 스펙트럴 이미징 분광 현미경을 결합한 멀티모달 현미경을 제작하여 시료로부터 공초점 현미경 영상 및 분광 정보를 동시에 획득하여 분석하는, 공초점 분광 현미경에 관한 것이다.
The present invention relates to a confocal spectroscopic microscope, and more particularly, to a multi-modal microscope combining a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope using a monochromator to acquire and analyze confocal microscopic images and spectroscopic information from the sample simultaneously, To a confocal spectroscopic microscope.

공초점 현미경(confocal microscope)은 레이저를 광원으로 사용하며, 초점 영상 검출 능력을 향상시키기 위해 대물렌즈(objective lens) 뒤편에 핀홀(pinhole)을 구비하여 명암비와 분해능을 높인 현미경이며, 광원에서 나온 빔을 대물렌즈를 통해 대물렌즈 하단의 시료 표면에 조사하고, 시료 표면에서 반사되는 빔의 일부만을 20㎛ 크기의 핀홀을 통하여 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받아 광검출기로 검출된다. A confocal microscope is a microscope that uses a laser as a light source and has a pinhole behind the objective lens to improve the contrast ratio and resolution to improve the ability to detect a focused image. Is irradiated to the surface of the sample at the lower end of the objective lens through the objective lens and only a part of the beam reflected from the sample surface is received by the photodetector after receiving only the in-focus signal through the pinhole having the size of 20 탆.

공초점 현미경은 광원과 시편상의 초점과, 광검출기(photo-detector) 앞의 핀홀(pinhole) 이라는 공간 필터가 서로 공액관계를 이루고 있기 때문에 일반 광학현미경에 비해 장점을 갖고 있다. 초점 평면 밖(out-of-focus)의 신호를 원천적으로 차단하고 초점 평면(in-focus)의 신호만 받아들임으로써 고분해능의 선명한 영상을 얻을 수 있으며, 비침습 및 2차원 절편 영상을 획득할 수 있다.A confocal microscope has advantages over a conventional optical microscope because it has a conjugate relationship between the light source and specimen focus and a spatial filter called a pinhole in front of the photo-detector. By blocking the out-of-focus signal from the source and receiving only the in-focus signal, a high-resolution clear image can be obtained and a non-invasive and two-dimensional intercept image can be obtained .

공초점 레이저 주사 현미경(confocal laser scanning microscope)은 레이저를 광원으로 사용하여 광 경로상에 바늘 구멍 형상의 핀홀(pinhole)을 통해 대물렌즈의 초점(focus)의 빛만을 시료에 조사하여 대물 렌즈에 입사하는 빔의 방향에 의해 공간적으로 스캔되게 되며, 단일 파장의 강한 빛을 이용하여 형광을 발생(excitation)시키고, 광검출기(photo-detector)로 검출하여 광 증폭관(PMT, Photo-Multiplier Tube)을 통해 특정 파장의 형광형상을 획득하여 시료의 미세구조를 관찰한다. A confocal laser scanning microscope uses a laser as a light source to irradiate a specimen with only the light of the focus of the objective lens through a pinhole in the form of a pinhole on the optical path, And excitation is performed using a strong light of a single wavelength. The light is detected by a photo-detector, and a photo-multiplier tube (PMT) Obtain the fluorescence shape of a specific wavelength through the microstructure of the sample.

도 1은 기존 빔 주사(beam scanning) 현미경의 개념도이다. 1 is a conceptual diagram of a conventional beam scanning microscope.

레이저를 렌즈를 통해 주사하여 광원 또는 레이저의 입사 경로를 결정하는 빔 스플리터 세트(beam splitter set); 렌즈의 입사 각도를 조절하는 듀얼 갈바노 미러(Galvano Mirror); 레이저 광원을 집속하는 제1 렌즈(image focusing lens); 광 초점에 따라 광원을 수집하는 제2 렌즈(collecting lens); 시편에 확대상을 만드는 대물 렌즈(objective lens); 대물렌즈 하단의 시료에 반사되어 제2렌즈, 제1렌즈, 갈바노 미러에 의해 반사되어 빔 스플리터 세트에 광 경로가 반사되어 광원을 집속하는 하단 렌즈; 핀홀 구멍이 형성되고, 하단 렌즈를 통과한 광원이 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole); 및 컴퓨터와 DAQ() 보드를 통해 연동되며, 시료 이미지를 분석하기 위해 수집된 영상을 검출하는 광 증폭관(PMT, Photo-Multiplier Tube)으로 구성된다. A beam splitter set for scanning a laser through a lens to determine an incident path of a light source or a laser; Dual Galvano Mirror to adjust the incident angle of the lens; A first lens (image focusing lens) for focusing the laser light source; A second lens collecting a light source according to an optical focus; An objective lens for creating a magnified image on the specimen; A lower lens that is reflected by the sample at the lower end of the objective lens and is reflected by the second lens, the first lens, the galvanometer mirror, and reflected by the beam splitter set so as to focus the light source; A pinhole hole is formed and a light source that has passed through the lower end lens blocks light entering from outside the detection area on the focal path and receives only the in-focus signal except the out-focus signal Receiving pinhole; And a Photo-Multiplier Tube (PMT) that is interlocked with the computer and DAQ () board and detects the collected image to analyze the sample image.

공초점 분광 현미경은 시편으로부터 나오는 형광 신호를 분광매질을 통해 분광 시킨 후, 파장에 따른 신호를 측정하는 구조를 가지고 있다. 이러한 분광 이미징 기술은 여러 파장 대역의 신호를 얻음으로써 각기 다른 종류의 형광 물질을 분별하며, 하나의 채널을 통해 측정될 수 있는 파장 폭이 줄어들수록 파장에 따른 불연속성이 줄어들기 때문에 전체적인 스펙트럼을 관찰하기가 용이해진다.The confocal spectroscopic microscope has a structure to measure the fluorescence signal from the specimen through the spectroscopic medium and then measure the signal according to the wavelength. These spectroscopic imaging techniques discriminate different types of fluorescent materials by obtaining signals of various wavelength bands, and as the wavelength width that can be measured through one channel decreases, the discontinuity due to the wavelength decreases, .

분광학은 시편(specimen)의 화학적 조성 및 변화를 관찰하는 방법으로 널리 사용되고 있으며, 분광 정보를 얻기 위해 하이퍼스펙트럴 현미경(Hyper-spectral imaging microscope, 분광 현미경)이 개발되어 사용되고 있다. Spectroscopy is widely used as a method of observing the chemical composition and changes of specimens, and a hyper-spectral imaging microscope (Spectroscopic Microscope) has been developed and used to obtain spectroscopic information.

그러나, 기존 하이퍼스펙트럴 현미경은 시스템이 복잡하여 기존 현미경과의 호환이 힘들고 분해능의 광학적 성능이 저하되는 단점이 있다.
However, the conventional hyperspectral microscope has a disadvantage in that it is difficult to be compatible with the conventional microscope due to the complexity of the system, and the optical performance of the resolution is deteriorated.

특허등록번호 10-1240146Patent Registration No. 10-1240146

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 단색화 장치를 이용하여 공초점 현미경과 스펙트럴 이미징 분광 현미경을 결합한 멀티 모달 현미경을 제작하여 시료로부터 공초점 현미경 영상 및 분광 정보를 동시에 획득하여 분석하는, 공초점 분광 현미경을 제공한다.
In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a multimodal microscope combining a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope using a monochromator, and simultaneously obtaining and analyzing a confocal microscope image and spectroscopic information from a sample, A confocal spectroscopic microscope is provided.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 공초점 현미경(confocal microscope)과 스펙트럴 이미징(spectral imaging) 분광 현미경을 동시에 구비하는 멀티모달 현미경을 배치함에 있어서, 상기 각각의 현미경을 구성하는 광학부품 중에서 대물렌즈를 상기 현미경들이 서로 공유하여 사용하는 광학부품으로 배치하되 상기 서로 공유하는 하나의 광학부품은 시료를 관찰하는 대물렌즈로 선정함에 따라, 상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경에서 측정된 각 현미경의 측정결과는 시료를 움직이지 않은 상태에서 동일한 대물렌즈에서 관찰되는 측정결과인 것을 특징으로 한다. In order to achieve the object of the present invention, in disposing a multimodal microscope having a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope at the same time, among the optical components constituting each microscope, Wherein the microscope is disposed as an optical component shared by the microscopes, and the one optical component shared by the microscopes is selected as an objective lens for observing the sample, and thus the confocal microscope and each microscope measured by the spectral imaging spectroscopic microscope Is a measurement result observed on the same objective lens in a state where the sample is not moved.

상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 현미경은 광증폭관(PMT, Photo-Multiplier Tube)을 공유하는 것을 특징으로 한다. The confocal microscope and the spectral imaging microscope share a photomultiplier tube (PMT).

상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 현미경은 해당 광경로에 따라 각도가 다른 광분할기(beam splitter)를 사용하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit)의 위치를 공유하는 것을 특징으로 한다. The confocal microscope and the spectral imaging microscope share a position of a switching filter unit (SFU) using a beam splitter having a different angle according to the optical path.

상기 멀티모달 현미경에서, 상기 공초점 현미경으로 동작시 488 nm 파장의 Ar-ion 레이저와, 543nm 또는 632.8 nm 파장의 He-Ne 레이저를 발사하는 레이저 블록을 사용하고, 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경으로 동작시 SC(Supercontinuum laser) 레이저를 사용하는 것을 특징으로 한다. In the multimodal microscope, an Ar-ion laser having a wavelength of 488 nm and a laser block emitting a He-Ne laser having a wavelength of 543 nm or 632.8 nm were used for the operation with the confocal microscope. The spectral imaging spectroscopic microscope And a supercontinuum laser (SC) laser is used.

상기 공초점 현미경 또는 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경은 레이저를 사용하는 상기 공초점 현미경 또는 SC 레이저를 사용하는 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경으로 동작시 동일 위치에서 해당 광경로의 각도가 다른 광 분할기(beam splitter)로 스위칭하여 레이저의 입사 경로를 결정하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit); 시료의 확대상을 만드는 대물렌즈; 및 시료 이미지를 검출하는 광증폭관(PMT, Photo-Multiplier Tube)를 공유하며, The confocal microscope or the spectral imaging spectroscopic microscope is a spectral imaging spectroscopic microscope using the confocal microscope or SC laser using a laser. In operation, a beam splitter A Switching Filter Unit (SFU) for determining the incident path of the laser; An objective lens for producing an enlarged image of the sample; And a photo-multiplier tube (PMT) for detecting a sample image,

상기 공초점 현미경에 의해 공초점 영상을 관찰하고, 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경에 의해 SC 레이저 제공부를 통해 시료의 분광 정보를 획득하기 위해 단색화 장치의 파장을 고정하고 공초점 영상을 획득한 후, 파장을 변경하여 다시 공초점 영상을 획득하는 방법으로 다양한 파장에서 영상을 획득하는 것을 특징으로 한다. The confocal image is observed by the confocal microscope, the wavelength of the monochromator is fixed and the confocal image is obtained in order to acquire the spectral information of the sample through the SC laser providing unit by the spectral imaging spectroscopic microscope, And acquiring a confocal image again at a plurality of wavelengths.

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상기 공초점 현미경은 상기 488 nm 파장의 Ar-ion 레이저와, 상기 543nm 또는 632.8 nm 파장의 He-Ne 레이저를 발사하는 레이저 블록; 상기 레이저 블록으로부터 레이저를 수신받는 콜리메이팅 렌즈(CL, collimating lens); 상기 레이저 블록 및 상기 콜리메이팅 렌즈(CL)로부터의 레이저빔을 유도하는 여기 필터(EF, Excitation Filter); 상기 공초점 현미경으로 동작시 선택된 광 분할기(beam splitter)로 스위칭하여 광원 또는 레이저의 입사 경로를 결정하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit); 렌즈의 입사 각도를 조절하는 갈바노 미러(GM, Galvano Mirror); 레이저 광원을 집속하는 제1 렌즈(image focusing lens)(L1); 광 초점에 따라 광원을 수집하는 제2 렌즈(collecting lens)(L2); 시료에 확대상을 만드는 대물 렌즈(objective lens); 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3); 핀홀 구멍이 형성되고, 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole); 및 컴퓨터의 모니터와 DAQ( Data Acquisition Board) 보드를 통해 연결되고, 광경로에 따라 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 명암비와 분해능이 향상된 나노 구조의 시료 이미지를 검출하여 분석하는 광 증폭관(PMT)을 포함한다.Wherein the confocal microscope comprises an Ar-ion laser having a wavelength of 488 nm and a laser block emitting a He-Ne laser having a wavelength of 543 nm or 632.8 nm; A collimating lens (CL) for receiving a laser beam from the laser block; An excitation filter (EF) for guiding the laser beam from the laser block and the collimating lens CL; A Switching Filter Unit (SFU) for switching to a beam splitter selected in operation with the confocal microscope to determine an incident path of a light source or a laser; Galvano Mirror (GM, Galvano Mirror) to adjust the incident angle of the lens; An image focusing lens L1 for focusing the laser light source; A second lens L2 for collecting the light source in accordance with the optical focus; An objective lens for creating a magnified image on the sample; The light is reflected by the second lens L2, the first lens L1 and the galvanometer mirror GM according to the optical path in the reverse direction reflected by the sample at the lower end of the objective lens and receives light through the switching filter unit SFU 3 lens L3; A pinhole in which a pinhole hole is formed and receives only an in-focus signal except a signal out-of-focus, shielding light entering from outside the detection area on the focal path; And a light detector for detecting and analyzing a sample image of a nano structure connected through a DAQ (Data Acquisition Board) board and a third lens L3 and a pinhole along a light path, And an amplification tube (PMT).

상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경의 SC 레이저 제공부는 SC(Supercontinuum laser) 레이저를 제공하는 SC 레이저; 상기 SC 레이저를 수신받는 콜리메이팅 렌즈(CL, collimating lens); 콜리메이팅 렌즈(CL)를 통과한 빔을 확장하여 평행 빔을 제공하는 빔 확장기(BE, Beam Expander); 파장에 따라 또는 톱니바퀴 모양의 그레이팅의 간격에 따라 빛을 회절시키는 그레이팅(GR, Grating); 상기 그레이팅(GR)으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 광축이 다른 방향으로 전송하는 OPM1(Off-axis parabolic mirror); 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(slit): 및 상기 OPM1으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 핀홀(slit)을 통해 광축이 다른 방향의 스위칭 필터 유닛(SFU)으로 전송하는 OPM2(Off-axis parabolic mirror)를 포함한다. The SC laser providing unit of the spectral imaging spectroscopic microscope may include an SC laser providing a supercontinuum laser (SC) laser; A collimating lens (CL) for receiving the SC laser; A beam expander BE for expanding a beam passing through the collimating lens CL to provide a parallel beam; A grating (Gr, Grating) for diffracting light according to the wavelength or the interval of the toothed grating; An off-axis parabolic mirror (OPM1) for transmitting diffracted light of an arbitrary wavelength received from the grating (GR) in the other direction; A pinhole for receiving only the in-focus signal except the out-focus signal; and a diffracted light for an arbitrary wavelength received from the OPM1 through a pinhole And an off-axis parabolic mirror (OPM2) whose optical axis transmits to the switching filter unit SFU in the other direction.

상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경은 상기 SC 레이저를 발사하여 그레이팅(GR, Grating)에 의해 파장에 따라 또는 톱니바퀴 모양의 그레이팅의 간격에 따라 빛을 회절시키고, 임의의 파장에 대한 회절광을 광축이 다른 방향으로 전송하는 OPM1, 핀홀(slit), OPM2를 통해 상기 스위칭 필터 유닛(SFU)으로 전송하는 SC 레이저 제공부; 렌즈의 입사 각도를 조절하는 갈바노 미러(GM, Galvano Mirror); 레이저 광원을 집속하는 제1 렌즈(image focusing lens)(L1); 광 초점에 따라 광원을 수집하는 제2 렌즈(collecting lens)(L2); 시료에 확대상을 만드는 대물 렌즈(objective lens); 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3); 핀홀 구멍이 형성되고, 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole); 및 컴퓨터의 모니터와 DAQ(Data Acquisition Board)보드를 통해 연결되고, 광경로에 따라 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 나노 구조의 시료 이미지를 검출하는 광 증폭관(PMT)을 포함한다. The spectral imaging spectroscopic microscope diffracts the light according to the wavelength or the interval of the gear-shaped grating by grating (Gr, Gr) by emitting the SC laser, and diffracts the diffracted light for an arbitrary wavelength An SC laser supplier for transmitting the OPM1 to the switching filter unit (SFU) via a pinhole (slit) OPM2; Galvano Mirror (GM, Galvano Mirror) to adjust the incident angle of the lens; An image focusing lens L1 for focusing the laser light source; A second lens L2 for collecting the light source in accordance with the optical focus; An objective lens for creating a magnified image on the sample; The light is reflected by the second lens L2, the first lens L1 and the galvanometer mirror GM according to the optical path in the reverse direction reflected by the sample at the lower end of the objective lens and receives light through the switching filter unit SFU 3 lens L3; A pinhole in which a pinhole hole is formed and receives only an in-focus signal except a signal out-of-focus, shielding light entering from outside the detection area on the focal path; And an optical amplifier tube (PMT) connected through a DAQ (Data Acquisition Board) board to a computer monitor and detecting a sample image of the nano structure through a third lens L3 and a pinhole along an optical path do.

상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경은, SC 레이저로부터 SC 레이저를 발사하여, 그레이팅(GR), OPM1, 500㎛ 크기의 핀홀(slit), OPM2를 통해 임의의 파장에 대한 회절광을 스위칭 필터 유닛(SFU)의 빔 스플리터로 반사되어, 갈바노 미러(GM), 제1 렌즈(L1) 및 제2 렌즈(L2), 대물렌즈 하단의 시료에 조사된 후, 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 형광 신호를 분광매질을 통해 분광 시킨 후, 파장에 따른 신호를 측정하도록 반사되는 형광 신호를 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받아 광 증폭관(PMT)에 의해 시료의 나노입자로부터 방출된 가시광선 파장을 통해 시료 이미지를 검출하여 분석하는 것을 특징으로 한다.
The spectral imaging spectroscopic microscope is a spectral imaging spectroscopic microscope which generates an SC laser from an SC laser and outputs diffracted light for arbitrary wavelength through a switching filter unit SFU via a grating GR, OPM1, a pinhole having a size of 500 mu m, Is reflected by a beam splitter of the objective lens and is irradiated to a sample at the lower end of the objective lens, and then the fluorescence signal reflected by the sample at the lower end of the objective lens is measured by spectroscopy A fluorescent signal reflected to measure a signal according to a wavelength is reflected by a second lens L2, a first lens L1 and a galvanometer mirror GM according to a reverse optical path, The third lens L3 receives light through the unit SFU and receives only the in-focus signal except the out-focus signal through the pinhole, Through the visible light wave emitted from the nanoparticles of the sample by the amplification tube (PMT) And a detection is characterized in that analysis.

본 발명에 따른 공초점 분광 현미경은 단색화 장치를 이용하여 공초점 현미경과 스펙트럴 이미징 분광 현미경을 결합한 멀티모달 현미경을 제작하여 시료로부터 공초점 현미경 영상 및 분광 정보를 동시에 획득하여 분석하는 효과가 있다.
The confocal spectroscopic microscope according to the present invention has the effect of simultaneously acquiring and analyzing confocal microscopic images and spectroscopic information from a sample by making a multimodal microscope combining a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope using a monochromator.

도 1은 기존 빔 주사(beam scanning) 현미경의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공초점 분광 현미경의 개념도이다.
도 3과 도 4는 단색화 장치 최적 설계 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 스펙트럴 이미징 분광 현미경의 분광 정보 획득 절차를 나타낸 도면이다.
도 6은 제안된 공초점 분광 현미경을 이용한 영상 획득 실험결과를 나타낸 사진이다.
도 7은 공초점 현미경과 스펙트럴 이미징 분광 현미경의 영상 획득 실험결과를 나타낸 사진이다. 1 is a conceptual diagram of a conventional beam scanning microscope.
2 is a conceptual diagram of a confocal spectroscopic microscope according to the present invention.
Figs. 3 and 4 are views showing the results of the optimum design of the monochromator.
5 is a view showing a spectral information acquisition procedure of a spectral imaging spectroscopic microscope.
6 is a photograph showing an image acquisition test result using the proposed confocal spectroscopic microscope.
FIG. 7 is a photograph showing the result of image acquisition of a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 공초점 분광 현미경의 개념도이다. 2 is a conceptual diagram of a confocal spectroscopic microscope according to the present invention.

본 발명의 공초점 분광 현미경은 단색화 장치를 이용하여 공초점 현미경(confocal microscope)과 분광 현미경(spectral microscope)을 결합한 멀티 모달 현미경을 제작하여 시편으로부터 공초점 현미경 영상 및 분광 정보를 동시에 획득할 수 있다. The confocal spectroscopic microscope of the present invention can simultaneously obtain a confocal microscope image and spectroscopic information from a specimen by making a multimodal microscope combining a confocal microscope and a spectral microscope using a monochromator .

본 발명의 공초점 분광 현미경은 공초점 현미경(confocal microscope)과 스펙트럴 이미징(spectral imaging) 분광 현미경이 동시에 구비되는 멀티모달 현미경이다. The confocal spectroscopic microscope of the present invention is a multimodal microscope having a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope at the same time.

공초점 현미경(confocal microscope)과 스펙트럴 이미징(spectral imaging) 분광 현미경을 동시에 구비하는 멀티모달 현미경을 배치함에 있어서, 상기 각각의 현미경을 구성하는 광학부품 중에서 대물렌즈를 상기 현미경들이 서로 공유하여 사용하는 광학부품으로 배치하되 상기 서로 공유하는 하나의 광학부품은 시료를 관찰하는 대물렌즈로 선정함에 따라, 상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경에서 측정된 각 현미경의 측정결과는 시료를 움직이지 않은 상태에서 동일한 대물렌즈에서 관찰되는 측정결과인 것을 특징으로 한다. In disposing a multimodal microscope having both a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope, an objective lens among the optical components constituting each microscope is shared by the microscopes Wherein the optical microscope and the spectral imaging spectroscopic microscope measure the microscopic results of the microscope as a function of the moving distance of the specimen Is a measurement result observed on the same objective lens.

상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 현미경은 광증폭관(PMT, Photo- Multiplier Tube)을 공유하는 것을 특징으로 한다. The confocal microscope and the spectral imaging microscope share a photomultiplier tube (PMT).

상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 현미경은 해당 광경로에 따라 각도가 다른 광분할기(beam splitter)를 사용하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit)의 위치를 공유하는 것을 특징으로 한다. The confocal microscope and the spectral imaging microscope share a position of a switching filter unit (SFU) using a beam splitter having a different angle according to the optical path.

공초점 현미경(confocal microscope)과 스펙트럴 이미징(spectral imaging) 분광 현미경이 동시에 구비되는 멀티모달 현미경에서, 공초점 현미경(confocal microscope)과 스펙트럴 이미징(spectral imaging) 분광 현미경이 동시에 구비되는 멀티모달 현미경에서, 레이저를 사용하는 공초점 현미경 또는 SC 레이저를 사용하는 스펙트럴 이미징 분광 현미경으로 동작시 동일 위치에서 해당 광경로의 각도가 다른 광 분할기(beam splitter)로 스위칭하여 레이저의 입사 경로를 결정하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit); 시료의 확대상을 만드는 대물렌즈; 및 시료 이미지를 검출하는 광증폭관(PMT, Photo-Multiplier Tube)을 포함하며, In a multimodal microscope with a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope, a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope are simultaneously equipped with a multimodal microscope A spectral imaging spectroscopic microscope using a confocal microscope using a laser or a SC laser, switching to a beam splitter whose angle of the light path is the same at the same position in operation to determine the incident path of the laser, Filter Unit (SFU); An objective lens for producing an enlarged image of the sample; And a photo-multiplier tube (PMT) for detecting a sample image,

상기 공초점 현미경에 의해 공초점 영상을 관찰하고, Observing the confocal image by the confocal microscope,

상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경에 의해 SC 레이저 제공부를 통해 시료의 분광 정보를 획득하기 위해 단색화 장치의 파장을 고정하고 공초점 영상을 획득한 후, 파장을 변경하여 다시 공초점 영상을 획득하는 방식으로 다양한 파장에서 영상을 획득하며, 상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경에서 측정된 각 현미경의 측정결과는 시료를 움직이지 않은 상태에서 동일한 대물렌즈에서 관찰되는 측정결과인 것을 특징으로 한다. In order to acquire the spectroscopic information of the sample through the SC laser providing unit by the spectral imaging spectroscopic microscope, the wavelength of the monochromator is fixed and the confocal image is acquired, and then the confocal image is obtained again by changing the wavelength. Wherein a measurement result of each microscope measured in the confocal microscope and the spectral imaging spectroscopic microscope is a measurement result observed in the same objective lens in a state where the sample is not moved.

본 발명은 공초점 현미경과 스펙트럴 이미징 분광 현미경이 동시에 구비되는 멀티모달 현미경에서, 공초점 현미경으로 동작시 488 nm 파장의 Ar-ion 레이저와, 543nm 또는 632.8 nm 파장의 He-Ne 레이저를 발사하는 레이저 블록을 사용하고, 스펙트럴 이미징 분광 현미경으로 동작시 SC(Supercontinuum laser) 레이저를 사용한다. The present invention relates to a multi-modal microscope in which a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope are simultaneously equipped with an Ar-ion laser with a wavelength of 488 nm and a He-Ne laser with a wavelength of 543 nm or 632.8 nm Laser block is used, and SC (Supercontinuum laser) laser is used for operation with spectral imaging spectroscopic microscope.

본 발명에 따른 공초점 분광 현미경은 공초점 현미경으로 동작시 488 nm 파장의 Ar-ion 레이저와, 543nm 또는 632.8 nm 파장의 He-Ne 레이저를 발사하는 레이저 블록; 레이저 블록으로부터 레이저를 수신받는 콜리메이팅 렌즈(CL, collimating lens); 레이저 블록 및 콜리메이팅 렌즈(CL)로부터의 레이저빔을 유도하는 여기 필터(EF, Excitation Filter); 스펙트럴 이미징 분광 현미경으로 동작시 SC(Supercontinuum laser) 레이저를 발사하는 SC 레이저; SC 레이저를 수신받는 콜리메이팅 렌즈(CL, collimating lens); 콜리메이팅 렌즈(CL)를 통과한 빔을 확장하여 평행 빔을 제공하는 빔 확장기(BE, Beam Expander); 파장에 따라 또는 톱니바퀴 모양의 그레이팅의 간격에 따라 빛을 회절시키는 그레이팅(GR, Grating); 그레이팅(GR, Grating)으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 광축이 다른 방향으로 전송하는 OPM1(Off-axis parabolic mirror); OPM1으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 500㎛ 크기의 핀홀(slit)을 통해 광축이 다른 방향으로 전송하는 OPM2(Off-axis parabolic mirror); 공초점 현미경 또는 분광 현미경으로 동작시 각도가 다른 광 분할기(beam splitter)로 스위칭하여 레이저의 입사 경로를 결정하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit); 렌즈의 입사 각도를 조절하는 갈바노 미러(GM, Galvano Mirror); 레이저 광원을 집속하는 제1 렌즈(image focusing lens)(L1); 광 초점에 따라 광원을 수집하는 제2 렌즈(collecting lens)(L2); 시료에 확대상을 만드는 대물 렌즈(objective lens); 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3); 핀홀 구멍이 형성되고, 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole); 및 컴퓨터의 모니터와 연결되고, 광경로에 따라 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 나노 구조의 시료 이미지를 검출하여 분석하는 광 증폭관(PMT, Photo-Multiplier Tube)으로 구성된다.
The confocal spectroscopic microscope according to the present invention comprises a laser block for emitting an Ar-ion laser having a wavelength of 488 nm and a He-Ne laser having a wavelength of 543 nm or 632.8 nm when operated with a confocal microscope; A collimating lens (CL) for receiving a laser beam from a laser block; An excitation filter (EF) for guiding a laser beam from the laser block and the collimating lens CL; An SC laser emitting a Supercontinuum laser (SC) laser in operation with a spectral imaging spectroscopic microscope; A collimating lens (CL) receiving an SC laser; A beam expander BE for expanding a beam passing through the collimating lens CL to provide a parallel beam; A grating (Gr, Grating) for diffracting light according to the wavelength or the interval of the toothed grating; An off-axis parabolic mirror (OPM1) for transmitting diffracted light of an arbitrary wavelength received from a grating (Gr, Grating) in the other direction; An off-axis parabolic mirror (OPM2) that transmits the diffracted light for an arbitrary wavelength received from OPM1 through a pinhole slit having a size of 500 mu m in the other direction; A Switching Filter Unit (SFU) for switching to a beam splitter having a different angle when operating with a confocal microscope or a spectroscopic microscope to determine an incident path of the laser; Galvano Mirror (GM, Galvano Mirror) to adjust the incident angle of the lens; An image focusing lens L1 for focusing the laser light source; A second lens L2 for collecting the light source in accordance with the optical focus; An objective lens for creating a magnified image on the sample; The light is reflected by the second lens L2, the first lens L1 and the galvanometer mirror GM according to the optical path in the reverse direction reflected by the sample at the lower end of the objective lens and receives light through the switching filter unit SFU 3 lens L3; A pinhole in which a pinhole hole is formed and receives only an in-focus signal except a signal out-of-focus, shielding light entering from outside the detection area on the focal path; And a Photo-Multiplier Tube (PMT) connected to the monitor of the computer and detecting and analyzing a sample image of the nano structure through a third lens L3 and a pinhole along an optical path.

공초점 현미경(confocal microscope)은 488 nm 파장의 Ar-ion 레이저와, 543nm 또는 632.8 nm 파장의 He-Ne 레이저를 발사하는 레이저 블록; 레이저 블록으로부터 레이저를 수신받는 콜리메이팅 렌즈(CL, collimating lens); 레이저 블록 및 콜리메이팅 렌즈(CL)로부터의 레이저빔을 유도하는 여기 필터(EF, Excitation Filter); 공초점 현미경으로 동작시 선택된 광 분할기(beam splitter)로 스위칭하여 광원 또는 레이저의 입사 경로를 결정하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit); 렌즈의 입사 각도를 조절하는 갈바노 미러(GM, Galvano Mirror); 레이저 광원을 집속하는 제1 렌즈(image focusing lens)(L1); 광 초점에 따라 광원을 수집하는 제2 렌즈(collecting lens)(L2); 시료에 확대상을 만드는 대물 렌즈(objective lens); 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3); 핀홀 구멍이 형성되고, 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole); 및 컴퓨터의 모니터와 DAQ(Data Acquisition Board)보드를 통해 연결되고, 광경로에 따라 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 명암비와 분해능이 향상된 나노 구조의 시료 이미지를 검출하여 분석하는 광 증폭관(PMT, Phton Multiplier Tube)으로 구성된다.
A confocal microscope is a laser block that emits an Ar-ion laser with a wavelength of 488 nm and a He-Ne laser with a wavelength of 543 nm or 632.8 nm; A collimating lens (CL) for receiving a laser beam from a laser block; An excitation filter (EF) for guiding a laser beam from the laser block and the collimating lens CL; A Switching Filter Unit (SFU) for switching to a beam splitter selected in operation with a confocal microscope to determine an incident path of a light source or a laser; Galvano Mirror (GM, Galvano Mirror) to adjust the incident angle of the lens; An image focusing lens L1 for focusing the laser light source; A second lens L2 for collecting the light source in accordance with the optical focus; An objective lens for creating a magnified image on the sample; The light is reflected by the second lens L2, the first lens L1 and the galvanometer mirror GM according to the optical path in the reverse direction reflected by the sample at the lower end of the objective lens and receives light through the switching filter unit SFU 3 lens L3; A pinhole in which a pinhole hole is formed and receives only an in-focus signal except a signal out-of-focus, shielding light entering from outside the detection area on the focal path; And a light detector for detecting and analyzing a sample image of a nano structure connected through a DAQ (Data Acquisition Board) board and a third lens L3 and a pinhole along a light path, It consists of a Phonon Multiplier Tube (PMT).

공초점 현미경(confocal microscope)은 레이저 블록으로부터 발사된 레이저를 콜리메이팅 렌즈(CL), 여기 필터(EF, Excitation Filter), 공초점 현미경으로 동작시 선택된 스위칭 필터 유닛(SFU)의 광 분할기(beam splitter)를 통해 갈바노 미러(GM), 제1 렌즈(image focusing lens)(L1), 제2 렌즈(collecting lens)(L2), 대물 렌즈(objective lens) 하단의 시료에 조사된 후에, 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받아 광 증폭관(PMT, Phton Multiplier Tube)에 의해 명암비와 분해능이 향상된 나노 구조의 시료 이미지를 분석하기 위해 수집된 영상을 검출하여 분석한다.
A confocal microscope is a confocal microscope in which a laser beam emitted from a laser block is passed through a collimating lens (CL), an excitation filter (EF), a beam splitter of a switching filter unit (SFU) After being irradiated onto a sample at the lower end of the galvanometer mirror GM, the image focusing lens L1, the second lens L2 and the objective lens via the objective lens sub- A first lens L1 and a third lens LB that are reflected by the galvanometer mirror GM and receive light through the switching filter unit SFU in accordance with the optical path in the reverse direction reflected by the sample of the first lens L2, L3) and a pinhole to receive only the in-focus signal except the out-focus signal, and the contrast ratio and the resolution of the signal are measured by a photomultiplier tube (PMT) To analyze this enhanced nanostructure sample image, the collected image is detected and analyzed.

스펙트럴 이미징 분광 현미경의 SC 제공부는 SC(Supercontinuum laser) 레이저를 발사하는 SC 레이저; SC 레이저를 수신받는 콜리메이팅 렌즈(CL, collimating lens); 콜리메이팅 렌즈(CL)를 통과한 빔을 확장하여 평행 빔을 제공하는 빔 확장기(BE, Beam Expander); 파장에 따라 또는 톱니바퀴 모양의 그레이팅의 간격에 따라 빛을 회절시키는 그레이팅(GR, Grating); 그레이팅(GR, Grating)으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 광축이 다른 방향으로 전송하는 OPM1(Off-axis parabolic mirror); 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(slit): OPM1으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 500㎛ 크기의 핀홀(slit)을 통해 광축이 다른 방향의 스위칭 필터 유닛(SFU)으로 전송하는 OPM2(Off-axis parabolic mirror);를 포함한다.
The SC providing portion of the spectral imaging spectroscopic microscope is an SC laser emitting a Supercontinuum laser (SC) laser; A collimating lens (CL) receiving an SC laser; A beam expander BE for expanding a beam passing through the collimating lens CL to provide a parallel beam; A grating (Gr, Grating) for diffracting light according to the wavelength or the interval of the toothed grating; An off-axis parabolic mirror (OPM1) for transmitting diffracted light of an arbitrary wavelength received from a grating (Gr, Grating) in the other direction; A pinhole receiving only the in-focus signal except for the out-focus signal: a diffracted light for an arbitrary wavelength received from the OPM1 is passed through a pinhole slit having a size of 500 mu m, And an OPM2 (Off-axis parabolic mirror) through which the optical axis transmits to the switching filter unit SFU in the other direction.

스펙트럴 이미징 분광 현미경의 SC 레이저 제공부는 SC(Supercontinuum laser) 레이저를 제공하는 SC 레이저; 상기 SC 레이저를 수신받는 콜리메이팅 렌즈(CL, collimating lens); 콜리메이팅 렌즈(CL)를 통과한 빔을 확장하여 평행 빔을 제공하는 빔 확장기(BE, Beam Expander); 파장에 따라 또는 톱니바퀴 모양의 그레이팅의 간격에 따라 빛을 회절시키는 그레이팅(GR, Grating); 상기 그레이팅(GR, Grating)으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 광축이 다른 방향으로 전송하는 OPM1(Off-axis parabolic mirror); 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(slit): 및 상기 OPM1으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 핀홀(slit)을 통해 광축이 다른 방향의 스위칭 필터 유닛(SFU)으로 전송하는 OPM2(Off-axis parabolic mirror);를 포함한다. An SC laser providing part of a spectral imaging spectroscopic microscope is an SC laser providing a supercontinuum laser (SC) laser; A collimating lens (CL) for receiving the SC laser; A beam expander BE for expanding a beam passing through the collimating lens CL to provide a parallel beam; A grating (Gr, Grating) for diffracting light according to the wavelength or the interval of the toothed grating; An off-axis parabolic mirror (OPM1) for transmitting diffracted light of an arbitrary wavelength received from the grating (GR) in the other direction of the optical axis; A pinhole for receiving only the in-focus signal except the out-focus signal; and a diffracted light for an arbitrary wavelength received from the OPM1 through a pinhole And an off-axis parabolic mirror (OPM2) whose optical axis transmits to the switching filter unit SFU in the other direction.

스펙트럴 이미징 분광 현미경은 SC 레이저를 발사하여 그레이팅(GR, Grating)에 의해 파장에 따라 또는 톱니바퀴 모양의 그레이팅의 간격에 따라 빛을 회절시키고, 임의의 파장에 대한 회절광을 광축이 다른 방향으로 전송하는 OPM1, 핀홀(slit), OPM2를 통해 상기 스위칭 필터 유닛(SFU)으로 전송하는 SC 레이저 제공부; 공초점 현미경 또는 분광 현미경에 따라 각도가 다른 광 분할기(beam splitter)로 스위칭하여 레이저의 입사 경로를 결정하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit); 렌즈의 입사 각도를 조절하는 갈바노 미러(GM, Galvano Mirror); 레이저 광원을 집속하는 제1 렌즈(image focusing lens)(L1); 광 초점에 따라 광원을 수집하는 제2 렌즈(collecting lens)(L2); 시료에 확대상을 만드는 대물 렌즈(objective lens); 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3); 핀홀 구멍이 형성되고, 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole); 및 컴퓨터의 모니터와 DAQ 보드를 통해 연결되고, 광경로에 따라 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 나노 구조의 시료 이미지를 검출하는 광 증폭관(PMT)으로 구성된다. The spectral imaging spectroscopy microscope fires SC laser to diffract light according to the wavelength or the interval of the grating by the grating (GR, Grating), and diffracts the diffracted light for arbitrary wavelength in the other direction An SC laser supplier for transmitting the OPM1, the pinhole, and the OPM2 to the switching filter unit SFU; A Switching Filter Unit (SFU) for switching an incident path of a laser by switching to a beam splitter having a different angle according to a confocal microscope or a spectroscopic microscope; Galvano Mirror (GM, Galvano Mirror) to adjust the incident angle of the lens; An image focusing lens L1 for focusing the laser light source; A second lens L2 for collecting the light source in accordance with the optical focus; An objective lens for creating a magnified image on the sample; The light is reflected by the second lens L2, the first lens L1 and the galvanometer mirror GM according to the optical path in the reverse direction reflected by the sample at the lower end of the objective lens and receives light through the switching filter unit SFU 3 lens L3; A pinhole in which a pinhole hole is formed and receives only an in-focus signal except a signal out-of-focus, shielding light entering from outside the detection area on the focal path; And an optical amplification tube (PMT) connected through a DAQ board to a computer monitor and detecting a sample image of the nano structure through a third lens L3 and a pinhole along an optical path.

스펙트럴 이미징 분광 현미경은, SC 레이저로부터 SC 레이저를 발사하여, 그레이팅(GR), OPM1, 500㎛ 크기의 핀홀(slit), OPM2를 통해 임의의 파장에 대한 회절광을 스위칭 필터 유닛(SFU)의 빔 스플리터로 반사되어, 갈바노 미러(GM), 제1 렌즈(L1) 및 제2 렌즈(L2), 대물렌즈 하단의 시료에 조사된 후, 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 형광 신호를 분광매질을 통해 분광 시킨 후, 파장에 따른 신호를 측정하도록 반사되는 형광 신호를 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받아 광 증폭관(PMT)에 의해 시료의 나노입자로부터 방출된 가시광선 파장을 통해 시료 이미지를 검출하여 분석한다.
The spectral imaging spectroscopic microscope is designed to emit an SC laser from an SC laser to generate diffraction light for an arbitrary wavelength through grating (GR), OPM1, pinhole size of 500 mu m, OPM2, The beam is reflected by a beam splitter and is irradiated onto a specimen at the lower end of the objective lens by the galvanometer mirror GM, the first lens L1 and the second lens L2, and then the fluorescence signal reflected by the specimen at the lower end of the objective lens, A fluorescent signal reflected to measure a signal according to the wavelength is reflected by the second lens L2, the first lens L1 and the galvanometer mirror GM according to the reverse optical path, A third lens L3 receiving light through the focus lens SFU and a pinhole to receive only the in-focus signal except the out-focus signal, The sample image was observed through the visible light wavelength emitted from the nanoparticles of the sample by the tube (PMT) The Department analyzes.

도 3과 도 4는 단색화 장치 최적 설계 결과를 나타낸 도면이다. Figs. 3 and 4 are views showing the results of the optimum design of the monochromator.

그레이팅(GR, Grating)은 Grating dispersion 0.80 nm/m rad이고, 파장에 따라 또는 톱니바퀴 모양의 그레이팅의 간격에 따라 빛을 회절시키는 역할을 한다. Grating is a grating dispersion of 0.80 nm / m rad and diffracts light according to the wavelength or the interval of the grating of the gear wheel shape.

OPM1(Off-axis parabolic mirror, M1)은 그레이팅(GR, Grating)으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 핀홀(slit)을 통해 광축이 다른 방향의 OPM2(Off-axis parabolic mirror, M2)로 전송한다. OPM1 (Off-axis parabolic mirror, M1) transmits diffracted light for arbitrary wavelength received from grating (grating) to OPM2 (Off-axis parabolic mirror, M2) do.

OPM2는 OPM1으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 광축이 다른 방향에 있는 스위칭 필터 유닛(SFU)으로 전송한다. OPM2 transmits the diffracted light for an arbitrary wavelength received from OPM1 to the switching filter unit (SFU) whose optical axis is in the other direction.

OPM2(M2)와 미러(Mirror) 사이는 단색 광원(Monochromatic Light Source)을 사용한다. A monochromatic light source is used between the OPM2 (M2) and the mirror (Mirror).

본 실험에서는 L1 (focal length: 25.4mm), L2(focal length : 125mm), M1(focal length : 209mm, Off axis angle: 24°), M2(focal length : 50.8mm, Off axis angle: 90°)이다.
(Focal length: 125mm), M1 (focal length: 209mm, Off axis angle: 24 °), M2 (focal length: 50.8mm, Off axis angle: 90 °) to be.

도 5는 스펙트럴 이미징 분광 현미경의 분광 정보 획득 절차를 나타낸 도면이다. 5 is a view showing a spectral information acquisition procedure of a spectral imaging spectroscopic microscope.

분광 현미경은 시료로부터 나오는 형광 신호를 분광매질을 통해 분광시킨 후, 파장에 따른 신호를 측정하는 구조를 가지고 있다. 이러한 분광 이미징 기술은 여러 파장 대역의 신호를 얻음으로써 각기 다른 종류의 형광 물질을 분석한다.The spectroscopic microscope has a structure to measure the fluorescence signal from the sample through the spectroscopic medium and then measure the signal according to the wavelength. These spectroscopic imaging techniques analyze different types of fluorescent materials by obtaining signals in multiple wavelength bands.

공초점 현미경과 스펙트럴 이미징 분광 현미경이 동시에 구비되는 멀티모달 현미경에서, 파장 스위핑 유닛(Wavelength Sweeping Unit)에 의해 단색화 장치의 파장을 고정하고 공초점 영상을 획득한 후, 파장을 변경하고 다시 공초점 영상을 획득하는 방법으로 다양한 파장에서 영상을 획득한다. In a multimodal microscope in which a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope are simultaneously provided, the wavelength of the monochromator is fixed and a confocal image is acquired by a wavelength sweeping unit. Then, the wavelength is changed, Obtain images at various wavelengths by acquiring images.

공초점 현미경과 스펙트럴 이미징 분광 현미경이 동시에 구비되는 멀티모달 현미경에서, 공초점 현미경 영상과 분광 정보를 동시에 획득한다. 분광 정보 획득 절차는 공초점 현미경을 기반으로 하여 단색화 장치의 파장(λ1)을 고정하고, 공초점 영상을 획득한 다음, 파장(λ2)을 변경하여 다시 공초점 영상을 획득하는 방법으로 다양한 파장의 영상을 획득한다. 획득한 공초점 영상을 각 픽셀에서 분석하여, 픽셀(pixel)에서 인센시티의 정보를 획득하고 Spectrum 정보로 환산하여 각각의 파장의 영상을 동일 spectrum grouping하여 비슷한 것끼리 하이퍼스펙트럴 영상(분광 정보 영상)을 획득한다.
In a multimodal microscope in which a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopy microscope are simultaneously provided, a confocal microscope image and spectroscopic information are acquired at the same time. The spectral information acquisition procedure is a method of acquiring a confocal image by fixing a wavelength (λ 1 ) of a monochromator based on a confocal microscope, acquiring a confocal image, and then changing a wavelength (λ 2 ) Acquires an image of a wavelength. The obtained confocal image is analyzed at each pixel, information of incen- ceity is obtained at the pixel, and the spectral information is converted into spectral information, and the images of the respective wavelengths are subjected to the same spectrum grouping to obtain hyperspectral images ).

도 6은 제안된 공초점 분광 현미경을 이용한 영상 획득 실험결과를 나타낸 사진이다. 멀티모달 현미경에서 현미경 동작 모드를 달리 하여 공초점 현미경의 형상과 분광 현미경의 관찰시, 빨강, 노랑, 보라색 등의 색깔이 동일한 부분은 동일한 성질을 가지는 것을 알 수 있다. 6 is a photograph showing an image acquisition test result using the proposed confocal spectroscopic microscope. In a multimodal microscope, the shape of the confocal microscope and the spectroscopic microscope are observed to have the same properties as those of the red, yellow, violet, and the like, by varying the mode of operation of the microscope.

도 7은 공초점 현미경과 스펙트럴 이미징 분광 현미경의 영상 획득 실험결과를 나타낸 사진이다. FIG. 7 is a photograph showing the result of image acquisition of a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope.

공초점 현미경 영상은 색이 없는 영상이 출력되며, 스펙트럴 이미징 분광 현미경은 시편으로부터 나오는 형광 신호를 분광매질을 통해 분광시킨 후, 파장에 따른 신호를 측정하여 색깔이 포함된 영상이 출력됨을 알 수 있다. The spectral imaging spectroscopic microscope is used to measure the fluorescence signal from the specimen through the spectroscopic medium and then measure the signal according to the wavelength. have.

공초점 분광 현미경은 시편으로부터 나오는 형광 신호를 분광매질을 통해 분광 시킨 후, 파장에 따른 신호를 측정하는 구조를 가지고 있다. 이러한 분광 이미징 기술은 여러 파장 대역의 신호를 얻음으로써 각기 다른 종류의 형광 물질을 분석한다.
The confocal spectroscopic microscope has a structure to measure the fluorescence signal from the specimen through the spectroscopic medium and then measure the signal according to the wavelength. These spectroscopic imaging techniques analyze different types of fluorescent materials by obtaining signals in multiple wavelength bands.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken in conjunction with the present invention. The present invention can be variously modified or modified.

CL: 콜리메이팅 렌즈 EF: 여기 필터(Excitation filter)
BE: 빔 확장기(Beam expander) OPM: Off-axis parabolic mirror
GR: 그레이팅(Grating) SC: Supercontinuum laser
SFU: 스위칭 필터 유닛 VPW: 가변 핀홀 휠
GM: 갈바노 미러 L1, L2, L3: 렌즈
OBJ: 대물 렌즈 PMT: 광증폭관(photomultiplier tube) CL: Collimating lens EF: Excitation filter
BE: Beam expander OPM: Off-axis parabolic mirror
GR: Grating SC: Supercontinuum laser
SFU: Switching filter unit VPW: Variable pinhole wheel
GM: galvanometer mirror L1, L2, L3: lens
OBJ: objective lens PMT: photomultiplier tube

Claims (9)

공초점 현미경(confocal microscope)과 스펙트럴 이미징(spectral imaging) 분광 현미경을 동시에 구비하는 멀티모달 현미경을 배치함에 있어서,
상기 각각의 현미경을 구성하는 광학부품 중에서 대물렌즈를 상기 현미경들이 서로 공유하여 사용하는 광학부품으로 배치하되 상기 서로 공유하는 하나의 광학부품은 시료를 관찰하는 대물렌즈로 선정함에 따라, 상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경에서 측정된 각 현미경의 측정결과는 시료를 움직이지 않은 상태에서 동일한 대물렌즈에서 관찰되는 측정결과이되
상기 공초점 현미경 또는 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경은
레이저를 사용하는 상기 공초점 현미경 또는 SC 레이저를 사용하는 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경으로 동작시 동일 위치에서 해당 광경로의 각도가 다른 광 분할기(beam splitter)로 스위칭하여 레이저의 입사 경로를 결정하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit);
시료의 확대상을 만드는 상기 대물렌즈; 및
시료 이미지를 검출하는 광증폭관(PMT)을 포함하며,
상기 공초점 현미경에 의해 공초점 영상을 관찰하고,
상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경에 의해 SC 레이저 제공부를 통해 시료의 분광 정보를 획득하기 위해 단색화 장치의 파장을 고정하고 공초점 영상을 획득한 후, 파장을 변경하여 다시 공초점 영상을 획득하는 방법으로 다양한 파장에서 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 공초점 분광 현미경.
In placing a multimodal microscope with a confocal microscope and a spectral imaging spectroscopic microscope at the same time,
Wherein an objective lens among the optical components constituting each microscope is disposed as an optical component shared by the microscopes, and one of the optical components shared by the microscopes is selected as an objective lens for observing the sample, And the measurement result of each microscope measured in the spectral imaging spectroscopic microscope is a measurement result observed in the same objective lens in a state where the sample is not moved
The confocal microscope or the spectral imaging spectroscopic microscope
The spectroscopic imaging spectroscopic microscope using the confocal microscope or SC laser using a laser switches to a beam splitter whose angle of the light path is the same at the same position during operation to determine the incident path of the laser, Filter Unit (SFU);
An objective lens for forming an enlarged image of a sample; And
And an optical amplifier tube (PMT) for detecting a sample image,
Observing the confocal image by the confocal microscope,
A method for acquiring spectroscopic information of a sample through the SC laser providing unit by the spectral imaging spectroscopic microscope is to fix the wavelength of the monochromator and obtain a confocal image, And the image is acquired at a wavelength.
제1항에 있어서,
상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 현미경은 광증폭관(PMT)을 공유하는 것을 특징으로 하는 공초점 분광 현미경.The method according to claim 1,
Wherein the confocal microscope and the spectral imaging microscope share an optical amplification tube (PMT). 제1항에 있어서,
상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럴 이미징 현미경은 해당 광경로에 따라 각도가 다른 광분할기(beam splitter)를 사용하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit)의 위치를 공유하는 것을 특징으로 하는 공초점 분광 현미경.The method according to claim 1,
Wherein the confocal microscope and the spectral imaging microscope share a position of a switching filter unit (SFU) using a beam splitter having different angles according to the optical path. microscope. 제1항에 있어서,
상기 멀티모달 현미경에서, 상기 공초점 현미경으로 동작시 488 nm 파장의 Ar-ion 레이저와, 543nm 또는 632.8 nm 파장의 He-Ne 레이저를 발사하는 레이저 블록을 사용하고, 상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경으로 동작시 SC(Supercontinuum laser) 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 공초점 분광 현미경.The method according to claim 1,
In the multimodal microscope, an Ar-ion laser having a wavelength of 488 nm and a laser block emitting a He-Ne laser having a wavelength of 543 nm or 632.8 nm were used for the operation with the confocal microscope. The spectral imaging spectroscopic microscope Confocal spectroscopic microscope characterized by using a supercontinuum laser (SC) laser. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 공초점 현미경은
488 nm 파장의 Ar-ion 레이저와, 543nm 또는 632.8 nm 파장의 He-Ne 레이저를 발사하는 레이저 블록;
상기 레이저 블록으로부터 레이저를 수신받는 콜리메이팅 렌즈(CL, collimating lens);
상기 레이저 블록 및 상기 콜리메이팅 렌즈(CL)로부터의 레이저빔을 유도하는 여기 필터(EF, Excitation Filter);
상기 공초점 현미경으로 동작시 선택된 광 분할기(beam splitter)로 스위칭하여 광원 또는 레이저의 입사 경로를 결정하는 스위칭 필터 유닛(SFU, Switching Filter Unit);
렌즈의 입사 각도를 조절하는 갈바노 미러(GM, Galvano Mirror);
레이저 광원을 집속하는 제1 렌즈(image focusing lens)(L1);
광 초점에 따라 광원을 수집하는 제2 렌즈(collecting lens)(L2);
상기 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3);
핀홀 구멍이 형성되고, 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole); 및
컴퓨터의 모니터와 DAQ(Data Acquisition Board)보드를 통해 연결되고, 광경로에 따라 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 명암비와 분해능이 향상된 나노 구조의 시료 이미지를 검출하여 분석하는 광 증폭관(PMT);
을 포함하는 공초점 분광 현미경.The method according to claim 1,
The confocal microscope
A laser block for emitting an Ar-ion laser with a wavelength of 488 nm and a He-Ne laser with a wavelength of 543 nm or 632.8 nm;
A collimating lens (CL) for receiving a laser beam from the laser block;
An excitation filter (EF) for guiding the laser beam from the laser block and the collimating lens CL;
A Switching Filter Unit (SFU) for switching to a beam splitter selected in operation with the confocal microscope to determine an incident path of a light source or a laser;
Galvano Mirror (GM, Galvano Mirror) to adjust the incident angle of the lens;
An image focusing lens L1 for focusing the laser light source;
A second lens L2 for collecting the light source in accordance with the optical focus;
The light is reflected by the second lens L2, the first lens L1, and the galvanometer mirror GM according to the optical path in the reverse direction reflected from the sample at the lower end of the objective lens and receives light through the switching filter unit SFU A third lens L3;
A pinhole in which a pinhole hole is formed and receives only an in-focus signal except a signal out-of-focus, shielding light entering from outside the detection area on the focal path; And
Optical amplification that detects and analyzes a nanostructure sample image that is connected through a computer monitor and a DAQ (Data Acquisition Board) board and has improved contrast ratio and resolution through a third lens (L3) and a pinhole along the optical path Pipe (PMT);
Confocal spectroscopy microscope. 제1항에 있어서,
상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경의 상기 SC 레이저 제공부는
SC(Supercontinuum laser) 레이저를 제공하는 SC 레이저;
상기 SC 레이저를 수신받는 콜리메이팅 렌즈(CL, collimating lens);
콜리메이팅 렌즈(CL)를 통과한 빔을 확장하여 평행 빔을 제공하는 빔 확장기(BE, Beam Expander);
파장에 따라 또는 톱니바퀴 모양의 그레이팅의 간격에 따라 빛을 회절시키는 그레이팅(GR, Grating);
상기 그레이팅(GR)으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 광축이 다른 방향으로 전송하는 OPM1(Off-axis parabolic mirror);
초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(slit): 및
상기 OPM1으로부터 받은 임의의 파장에 대한 회절광을 핀홀(slit)을 통해 광축이 다른 방향의 스위칭 필터 유닛(SFU)으로 전송하는 OPM2;
를 포함하는 공초점 분광 현미경. The method according to claim 1,
The SC laser providing unit of the spectral imaging spectroscopic microscope
An SC laser providing a supercontinuum laser (SC) laser;
A collimating lens (CL) for receiving the SC laser;
A beam expander BE for expanding a beam passing through the collimating lens CL to provide a parallel beam;
A grating (Gr, Grating) for diffracting light according to the wavelength or the interval of the toothed grating;
An off-axis parabolic mirror (OPM1) for transmitting diffracted light of an arbitrary wavelength received from the grating (GR) in the other direction;
A pinhole that receives only the in-focus signal except the out-of-focus signal; and
An OPM 2 for transmitting diffracted light for an arbitrary wavelength received from the OPM 1 to a switching filter unit SFU having an optical axis in a different direction through a pinhole;
Confocal spectroscopy microscope. 제1항에 있어서,
상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경은
SC 레이저를 발사하여 그레이팅(GR, Grating)에 의해 파장에 따라 또는 톱니바퀴 모양의 그레이팅의 간격에 따라 빛을 회절시키고, 임의의 파장에 대한 회절광을 광축이 다른 방향으로 전송하는 OPM1, 핀홀(slit), OPM2를 통해 스위칭 필터 유닛(SFU)으로 전송하는 SC 레이저 제공부;
렌즈의 입사 각도를 조절하는 갈바노 미러(GM, Galvano Mirror);
레이저 광원을 집속하는 제1 렌즈(image focusing lens)(L1);
광 초점에 따라 광원을 수집하는 제2 렌즈(collecting lens)(L2);
상기 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3);
핀홀 구멍이 형성되고, 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole); 및
컴퓨터의 모니터와 DAQ(Data Acquisition Board)보드를 통해 연결되고, 광경로에 따라 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 나노 구조의 시료 이미지를 검출하는 광 증폭관(PMT); 을 포함하는 공초점 분광 현미경.The method according to claim 1,
The spectral imaging spectroscopic microscope
An OPM1 for emitting an SC laser and diffracting the light according to a wavelength or a gap of a toothed grating by GR grating and transmitting the diffracted light for an arbitrary wavelength in the other direction OPM1, slit), an SC laser supplier for transmitting to the switching filter unit (SFU) through the OPM2;
Galvano Mirror (GM, Galvano Mirror) to adjust the incident angle of the lens;
An image focusing lens L1 for focusing the laser light source;
A second lens L2 for collecting the light source in accordance with the optical focus;
The light is reflected by the second lens L2, the first lens L1, and the galvanometer mirror GM according to the optical path in the reverse direction reflected from the sample at the lower end of the objective lens and receives light through the switching filter unit SFU A third lens L3;
A pinhole in which a pinhole hole is formed and receives only an in-focus signal except a signal out-of-focus, shielding light entering from outside the detection area on the focal path; And
An optical amplifier (PMT) connected through a DAQ (Data Acquisition Board) board to a computer monitor and detecting a sample image of the nano structure through a third lens (L3) and a pinhole along an optical path; Confocal spectroscopy microscope. 제1항에 있어서,
상기 스펙트럴 이미징 분광 현미경은,
SC 레이저로부터 SC 레이저를 발사하여, 그레이팅(GR), OPM1, 500㎛ 크기의 핀홀(slit), OPM2를 통해 임의의 파장에 대한 회절광을 스위칭 필터 유닛(SFU)의 빔 스플리터로 반사되어, 갈바노 미러(GM), 제1 렌즈(L1) 및 제2 렌즈(L2), 대물렌즈 하단의 시료에 조사된 후, 상기 대물렌즈 하단의 시료에 반사되는 형광 신호를 분광매질을 통해 분광시킨 후, 파장에 따른 신호를 측정하도록 반사되는 형광 신호를 역방향의 광경로에 따라 제2 렌즈(L2), 제1 렌즈(L1), 갈바노 미러(GM)에 반사되어 스위칭 필터 유닛(SFU)을 통해 광을 수신받는 제3 렌즈(L3) 및 핀홀(pinhole)을 통해 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받아 광 증폭관(PMT)에 의해 시료의 나노입자로부터 방출된 가시광선 파장을 통해 시료 이미지를 검출하여 분석하는 것을 특징으로 하는 공초점 분광 현미경.The method according to claim 1,
The spectral imaging spectroscopic microscope,
An SC laser is emitted from the SC laser and the diffracted light for an arbitrary wavelength is reflected by the beam splitter of the switching filter unit SFU through grating GR, OPM1, pinhole size of 500 mu m, OPM2, After the sample is irradiated onto the specimen at the lower end of the objective lens, the fluorescence signal reflected by the specimen at the lower end of the objective lens is spectroscopically analyzed through the spectroscopic medium, The fluorescent signal reflected to measure a signal according to the wavelength is reflected by the second lens L2, the first lens L1 and the galvanometer mirror GM according to the reverse optical path, and is reflected by the switching filter unit SFU The third lens L3 receiving the in-focus signal and the in-focus signal except the out-focus signal through the pinhole are received by the optical amplifier tube PMT The sample image is detected and analyzed through the visible light wavelength emitted from the nanoparticles of the sample. Confocal Spectroscopy Microscope as.
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