KR102051188B1 - 능동 홀로그래픽 광학 집게 및 그의 파면 제어 방법 - Google Patents

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    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

Abstract

능동 홀로그래픽 광학 집게 및 그의 파면 제어 방법이 개시된다. 광학 집게를 이용한 파면 제어 방법은, 3차원 형상의 물체(object)에 해당하는 빛을 포획하는 단계, 및 파면 제어기를 이용하여 포획된 빛의 방향 및 모양 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함할 수 있다..

Description

능동 홀로그래픽 광학 집게 및 그의 파면 제어 방법{ACTIVE HOLOGRAPHIC OPTICAL TWEEZERS AND METHOD FOR CONTROLLING WAVEFRONT USING ACTIVE HOLOGRAPHIC OPTICAL TWEEZERS}
본 발명의 실시예들은 3차원 형상의 물체(object)의 파면을 제어하는 기술에 관한 것이다.
광학 집게(optical tweezers)라고 불리는 기술은 레이저(laser)로 광 초점을 만들고, 만든 초점에 구형 물체를 포획하는 기술이다. 초점의 위치를 옮김으로써, 포획된 구형 물체의 3차원 위치를 조절 가능하고, 물체에 미세한 힘을 가할 수 있어 물리학과 생물학 등 많은 분야에서 이용되고 있다.
2000년대 초반에는 파면 제어기를 이용하여 물체에 입사하는 파면을 제어함으로써, 여러 개의 초점을 동시에 만들어 복수의 물체를 동시에 포획하고 3차원 위치를 제어하는 기술이 개발되었으며, 아래의 비특허 문헌 [1]Reicherter , M., Haist, T., Wagemann , E.U . & Tiziani , H.J . Optical particle trapping with computer-generated holograms written on a liquid-crystal display. Opt. Lett . 24, 608-610 (1999). 및 [2]Grier , D.G . A revolution in optical manipulation. Nature 424, 810-816 (2003).에서는 상기 파면 제어기를 이용하여 3차원 위치를 제어하는 기술을 개시하고 있다.
이때, 대부분의 광학 집게 실험에 사용된 물체의 모양은 구형이었으며, 물체의 모양이 구형인 경우, 빛이 물체에 작용하는 힘을 쉽게 계산 가능하여, 구형 물체의 3차원 움직임을 쉽게 제어 가능하였다.
그러나, 물체의 모양이 구형 이외에 다른 모양을 갖고, 물체의 모양이 복잡해지는 경우, 물체를 안정적으로 포획하기 어려우며, 포획된 물체가 불안정한 운동을 하거나 제어할 수 있는 물체의 방향이 제한된다. 이러한 제한으로 인해, 생명 세포와 같이 복잡한 모양을 갖는 물체의 3차원 운동을 제어하는 데 어려움이 존재한다.
따라서, 생명 세포 등과 같이 복잡한 모양을 갖거나, 임의의 형상을 갖는 물체를 안정적으로 포획하여 3차원 위치를 제어할 수 있는 기술이 요구된다.
[1] Reicherter, M., Haist, T., Wagemann, E.U. & Tiziani, H.J. Optical particle trapping with computer-generated holograms written on a liquid-crystal display. Opt. Lett. 24, 608-610 (1999). [2] Grier, D.G. A revolution in optical manipulation. Nature 424, 810-816 (2003). [3] Wolf, E. Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data. Opt. Commun. 1, 153-156 (1969). [4] Sung, Y.J. et al. Optical diffraction tomography for high resolution live cell imaging. Opt. Express 17, 266-277 (2009). [5] Kim, K. et al. High-resolution three-dimensional imaging of red blood cells parasitized by Plasmodium falciparum and in situ hemozoin crystals using optical diffraction tomography. J. Biomed. Opt. 19, 011005 (2014)
본 발명은 미세 물체의 3차원 형상 정보를 기반으로 광학 집게의 포획광의 모양을 파면 제어기로 능동 제어함으로써, 임의의 형상을 갖는 미세 물체를 안정적으로 포획하고, 포획된 빛(즉, 포획광)의 방향 및 모양 등을 제어하기 위한 것이다.
광학 집게를 이용한 파면 제어 방법은, 3차원 형상의 물체(object)에 해당하는 빛을 포획하는 단계, 및 파면 제어기를 이용하여 포획된 빛의 방향 및 모양 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 제어하는 단계는, 상기 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 물체의 3차원 굴절률 분포가 되도록 상기 포획된 빛의 방향 및 모양 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어하는 단계는, 상기 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 물체가 회전했을 때의 3차원 굴절률 분포가 되도록 상기 파면 제어기를 이용하여 상기 포획된 빛의 방향을 제어할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어하는 단계는, 상기 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 물체가 탄성(elasticity)에 의해 변형되었을 때의 3차원 굴절률 분포가 되도록 상기 파면 제어기를 이용하여 상기 포획된 빛의 모양을 제어할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어하는 단계는, 3차원 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초하여 상기 포획된 빛의 3차원 세기 분포를 제어하기 위한 2차원 파면을 계산하는 단계, 및 계산된 상기 2차원 파면을 상기 파면 제어기에 투영함으로써 상기 물체의 파면을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기가 되도록 상기 파면 제어기에서 제어된 빛의 크기를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 빛의 크기는, 제어하고자 하는 상기 물체의 최소 크기 및 최대 크기에 기초하여 상기 광 집속 장치의 개구부의 크기가 되도록 조절될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 물체의 최소 크기는, 상기 광 집속 장치로 입사되는 빛의 파장 및 광 집속 장치의 개구수에 기초하여 계산되고, 상기 물체의 최대 크기는, 상기 광 집속 장치로 입사되는 빛의 파장, 광 집속 장치의 개구수, 및 상기 파면 제어기에서 제어 가능한 픽셀(pixel) 수에 기초하여 계산될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 광 집속 장치의 개구수는, 상기 광 집속 장치의 개구부의 지름 및 렌즈의 초점 거리에 기초하여 계산될 수 있다.
광학 집게는, 3차원 형상의 물체(object)에 해당하는 빛을 포획하는 포획부, 및 상기 3차원 형상의 물체의 3차원 굴절률 분포 및 파면 제어기를 이용하여 상기 포획된 빛의 방향 및 모양 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 물체의 3차원 굴절률 분포가 되도록 상기 포획된 빛의 방향 및 모양 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 물체가 회전했을 때의 3차원 굴절률 분포가 되도록 상기 파면 제어기를 이용하여 상기 포획된 빛의 방향을 제어할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 물체가 탄성(elasticity)에 의해 변형되었을 때의 3차원 굴절률 분포가 되도록 상기 파면 제어기를 이용하여 상기 포획된 빛의 모양을 제어할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 3차원 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초하여 상기 포획된 빛의 3차원 세기 분포를 제어하기 위한 2차원 파면을 계산하고, 계산된 상기 2차원 파면을 상기 파면 제어기에 투영함으로써 상기 물체의 파면을 제어할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 파면 제어기에서 제어된 빛의 크기는, 광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기가 되도록 릴레이 렌즈군을 이용하여 조절될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 빛의 크기는, 제어하고자 하는 상기 물체의 최소 크기 및 최대 크기에 기초하여 상기 광 집속 장치의 개구부의 크기가 되도록 조절될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 물체의 최소 크기는, 상기 광 집속 장치로 입사되는 빛의 파장 및 광 집속 장치의 개구수에 기초하여 계산되고, 상기 물체의 최대 크기는, 상기 광 집속 장치로 입사되는 빛의 파장, 광 집속 장치의 개구수, 및 상기 파면 제어기에서 제어 가능한 픽셀(pixel) 수에 기초하여 계산될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 광 집속 장치의 개구수는, 상기 광 집속 장치의 개구부의 지름 및 렌즈의 초점 거리에 기초하여 계산될 수 있다.
본 발명에 의하면, 파면 제어기를 이용하여 광학 집게의 포획광의 모양 및 방향을 능동 제어할 수 있다.
또한, 세포 등의 미세 물체를 원하는 모양으로 안정적으로 변형시킬 수 있어, 세포에 힘을 가하여 변형시킬 때의 세포 반응을 정밀 분석 가능하도록 할 수 있다.
또한, 복잡한 형상을 갖는 세포들을 포획하고 조립하는 세포 단계의 수술 작업을 광 제어하고, 실시간 촬영하여 세포의 반응, 수술 예후 등을 모니터링 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학 집게의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학 집게를 이용하여 포획된 빛의 파면을 제어하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학 집게를 포함하는 3차원 정밀 광조형 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학 집게를 이용한 3차원 정밀 광조형 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 굴절률 분포를 측정하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 굴절률 분포를 측정하는 세부 동작 과정을 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학 집게를 이용하여 3차원 형상의 물체를 회전하여 조형하려는 물체를 수정하는 세부 동작을 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 릴레이 렌즈군 및 광학 집게를 포함하는 3차원 정밀 광조형 장치의 모식도를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시예들은, 광학 집게를 이용하여 3차원 형상의 물체(object), 특히, 세포 등의 미세 물체를 안정적으로 포획하고, 포획된 빛(즉, 포획광)의 방향 및 모양 등을 제어하는 기술에 관한 것이다.
본 실시예들에서, 물체(object)는 임의의 모양을 갖는 3차원 형상의 미세 물체를 나타낼 수 있으며, 예컨대, 미세 물체는 복잡한 모양을 갖는 생물 세포 등을 포함할 수 있다. 그리고, 광원은 3차원 형상의 물체(object)를 조형하기 위해 빛을 조사하는 것으로서, 예컨대, 레이저, 레이저 다이오드 등을 포함할 수 있다.
본 실시예들에서, 광학 집게는 능동 홀로그래픽 광학 집게(Active holographic optical tweezers)를 나타내는 것으로서, 파면 제어기를 이용하여 물체(object)의 모양 및 방향 등을 제어할 수 있다. 그리고, 파면 제어기는 디지털 마이크로 거울(Digital Micromirror Device, DMD), 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM), 변형 거울(Deformable mirror) 등을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학 집게의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학 집게를 이용하여 포획된 빛의 파면을 제어하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 1에 따르면, 광학 집게(즉, 능동 홀로그래픽 광학 집게, 100)는 포획부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있으며, 도 2의 각 단계들(210 내지 230 단계)은 도 1의 광학 집게(100)의 각 구성 요소(포획부(110) 및 제어부(120))에 의해 수행될 수 있다.
210 단계에서, 포획부(110)는 3차원 형상의 물체(object, 예컨대, 생체 세포 등의 미세 물체)와 관련된 빛을 포획할 수 있다. 여기서, 3차원 형상의 물체(object)는 이광자 흡수 광중합 공정, 광조형 기술 등에 기초하여 생성될 수 있다.
220 단계에서, 제어부(120)는 포획된 빛의 모양 및 방향 중 적어도 하나를 파면 제어기를 이용하여 제어할 수 있다. 이때, 제어부(120)는 광학 집게(100)에서 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 측정된 상기 물체의 3차원 굴절률 분포가 되도록(즉, 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 측정된 3차원 물체의 형상과 같아지도록) 파면 제어기를 이용하여 포획된 빛의 파면을 제어할 수 있다.
221 단계에서, 물체가 회전하는 경우, 제어부(120)는 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 물체가 회전했을 때의 3차원 굴절률 분포가 되도록 포획된 빛의 파면을 제어함으로써, 포획된 빛의 방향을 제어할 수 있다. 즉, 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 회전으로 인해 방향이 변경된 3차원 물체의 형상에 해당하는 3차원 굴절률 분포를 갖도록, 상기 포획된 빛의 방향을 제어할 수 있다. 예컨대, 시계방향으로 15도 회전한 경우, 제어부(120)는 15도 회전한 형상을 갖도록 파면제어기를 이용하여 상기 포획된 빛의 방향을 제어할 수 있다.
222 단계에서, 물체가 탄성(elastic)에 의해 모양이 변형되는 경우, 제어부(120)는 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 물체가 탄성에 의해 변형되었을 때의 3차원 굴절률 분포가 되도록 포획된 빛의 파면을 제어함으로써, 포획된 빛의 모양을 제어할 수 있다. 즉, 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 탄성으로 인해 모양이 변경된 3차원 물체의 형상에 해당하는 3차원 굴절률 분포를 갖도록, 상기 포획된 빛의 모양을 제어할 수 있다.
230 단계에서, 파면 제어기에서 파면이 제어된 빛의 크기는 릴레이 렌즈군을 이용하여 광 집속 장치의 개구부의 크기가 되도록 조절될 수 있다. 여기서, 릴레이 렌즈군을 이용하여 파면이 제어된 빛의 크기를 조절하는 동작은 도 7을 참고하여 후술하기로 한다.
도 1 및 도 2에서, 광학 집게를 이용하여 빛을 안정적으로 포획하고, 포획된 빛의 모양 및 방향을 제어하기 위해 실시간으로 측정된 상기 물체의 3차원 굴절률 분포가 이용될 수 있다. 이하에서는 3차원 굴절률 분포를 측정하고, 측정된 3차원 굴절률 분포와 파면 제어기를 이용하여 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 상기 측정된 물체의 3차원 굴절률 분포가 되도록 제어하는 동작에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학 집게를 포함하는 3차원 정밀 광조형 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학 집게를 이용한 3차원 정밀 광조형 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3에서, 3차원 정밀 광조형 장치(300)는 3D 굴절률 분포 측정부(310), 및 광학 집게(320, 즉, 능동 홀로그래픽 광학 집게)를 포함할 수 있다. 여기서, 3D 굴절률 측정부(310)는 광원(311), 광 스캔부(312) 및 영상 측정부(313)를 포함할 수 있다. 그리고, 도 4의 각 단계들(410 내지 420 단계)은 도 3의 3차원 정밀 광조형 장치(300)의 각 구성 요소(예컨대, 3D 굴절률 분포 측정부(310), 및 광학 집게(320))에 의해 수행될 수 있다. 도 3에서, 광학 집게(320)는 도 1의 광학 집게(100)를 나타내는 것으로서, 포획부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
410 단계에서, 3D 굴절률 분포 측정부(310)는 광조형 기술로 제작된 물체(object)의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. 예컨대, 광회절 단층 촬영 장비를 이용하여 상기 물체의 3차원 굴절률 분포가 고속으로 실시간 측정될 수 있다.
420 단계에서, 광학 집게(320)는 측정된 3차원 굴절률 분포와 파면 제어기를 이용하여 광학 집게(320)에서 포획된 빛(즉, 포획광)의 파면을 제어할 수 있다.
421 단계에서, 광학 집게(320)의 제어부(321)는 3차원 Gerchberg-Saxton 알고리즘을 이용하여 3차원 형상의 물체를 조형하는 빛의 3차원 세기 분포를 제어하는 2차원 파면을 계산할 수 있다. 예컨대, 제어부(321)는 광원(311)에서 방사된 빛의 3차원 세기 분포를 제어할 수 있는 2차원 파면을 계산할 수 있다.
422 단계에서, 광학 집게(320)는 계산된 2차원 파면을 파면 제어기에 투영함으로써, 3차원 형상의 물체를 제어할 수 있다.
예를 들어, 광학 집게(320)는 파면 제어기를 이용하여 상기 빛의 3차원 세기 분포가 3D 굴절률 분포 측정부(310)에서 측정된 3차원 형상의 물체(즉, 시편)의 3차원 굴절률 분포와 같아지도록 광학 집게(320)에서 포획된 빛(즉, 포획광)의 파면을 제어함으로써, 조형하려는 물체의 모양 및 방향 등을 제어할 수 있다. 여기서, 물체의 방향을 제어하는 구체적인 설명은 아래의 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 굴절률 분포를 측정하는 방법을 도시한 흐름도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 굴절률 분포를 측정하는 세부 동작 과정을 도시한 블록도이다.
도 5에서 각 단계들(즉, 510 내지 550 단계)은 도 3의 구성 요소인 3D 굴절률 분포 측정부(310)에 의해 수행될 수 있으며, 3D 굴절률 분포 측정부(310)는 광원(311), 광 스캔부(312) 및 영상 측정부(313)를 포함할 수 있다. 도 6에서, 광원(610)은 도 3의 광원(311)에 해당하고, 파면 제어기 또는 갈바노 거울(620)은 광 스캔부(312)에 해당하고, 간섭계(640), 단층 촬영 알고리즘(650) 및 3차원 굴절률 분포(660)는 영상 측정부(613)에 해당할 수 있다. 광원(311, 610)은 레이저, 레이저 다이오드 등을 포함할 수 있다.
510 단계에서, 광 스캔부(312)는 광원(610, 311)에서 출사된 빛이 3차원 형상의 물체(object, 630)로 입사 시, 입사되는 빛의 파면을 제어하여 빛의 각도를 변경할 수 있다. 예컨대, 광 스캔부(312)는 파면 제어기에 해당할 수 있다.
광 스캔부(312)는 광원(610, 311)에서 출사되는 빛을 3차원 형상의 물체(630)에 여러 각도로 입사시키기 위한 장치로서, 예를 들어, 갈바노 거울(Galvanomirror)을 이용하여 빛의 각도를 특정 각도로 바꿀 수 있다. 이외에, 파면 제어기를 이용하여 상기 물체로 입사하는 빛의 파면을 제어함으로써, 물체(630)로 입사하는 빛의 각도를 변경할 수 있다. 예컨대, 파면 제어기로는 디지털 마이크로 거울(Digital Micromirror Device, DMD), 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM), 변형 거울(Deformable mirror) 등이 이용될 수 있다.
520 단계에서, 영상 측정부(313)는 3차원 형상의 물체로 입사된 빛이 3차원 형상의 물체(630)에 의해 산란됨에 따른 산란 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 영상 측정부(313)는 대물 렌즈, 간섭계, 카메라로 구성될 수 있다.
예를 들어, 영상 측정부(313)는 광 집속 장치인 대물 렌즈를 이용하여 상기 물체(630)에 의해 입사된 빛이 산란됨에 따른 산란 정보를 획득할 수 있다.
630 단계에서, 영상 측정부(313)는 획득한 산란 정보를 간섭계(640)를 이용하여 공간 변조하여 홀로그램을 생성할 수 있다.
640 단계에서, 영상 측정부(313)는 카메라로 홀로그램을 측정(즉, 촬영)할 수 있다.
650 단계에서, 영상 측정부(313)는 카메라를 통해 측정된 홀로그램 영상(즉, 촬영을 통해 생성된 3차원 홀로그램 영상)에 기초하여 상기 물체의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다.
예를 들어, 영상 측정부(313)는 공간 변조 홀로그램의 분석기법으로 상기 3차원 홀로그램 영상을 분석하여 상기 3차원 홀로그램 영상에서 정량 위상 영상을 추출할 수 있다. 그리고, 영상 측정부(313)는 위의 비특허 문헌 [3] Wolf, E. Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data. Opt. Commun . 1, 153-156 (1969)., [4] Sung, Y.J . et al. Optical diffraction tomography for high resolution live cell imaging. Opt. Express 17, 266-277 (2009)., 및 [5] Kim, K. et al. High-resolution three-dimensional imaging of red blood cells parasitized by Plasmodium falciparum and in situ hemozoin crystals using optical diffraction tomography . J. Biomed. Opt. 19, 011005 (2014).에서 제시하고 있는 푸리에 절편 이론(Fourier slice theorem) 또는 푸리에 회절 이론(Fourier diffraction theorem) 기반의 단층 촬영 알고리즘(450)을 이용하여 상기 추출된 정량 위상 영상으로부터 상기 3차원 굴절률 분포(660)를 측정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학 집게를 이용하여 3차원 형상의 물체를 회전하여 조형하려는 물체를 수정하는 세부 동작을 도시한 블록도이다.
광학 집게(100, 320)는 파면 제어기(720)를 이용하여 광학 집게(100, 320)에서 포획된 빛의 3차원 세기 분포를 3D 굴절률 분포 측정부(310)에서 3차원 형상의 물체(예컨대, 세포 등의 미세 물체)의 3차원 굴절률 분포와 같아지도록 제어함으로써, 상기 물체의 모양 및 방향을 제어할 수 있다.
전자기 변분 원리(electromagnetic variational principle)에 따르면 전자기 에너지 범함수 (electromagnetic energy functional),
Figure 112017108942095-pat00001
는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017108942095-pat00002
수학식 1에서,
Figure 112017108942095-pat00003
은 Maxwell Hamiltonian operator, H는 전자기파의 자기장 세기, E는 전자기파의 전기장 세기,
Figure 112017108942095-pat00004
는 물체의 유전율을 나타낼 수 있다.
기저 상태(ground state)의 E에서 범함수가 최소가 되며, 이 때의 최소값은 기저 상태의 에너지 값이 될 수 있다. 이에 따라, 수학식 1에서, 범함수 값이 최소가 되기 위해서는 분모가 최대가 되어야 하고, 분모가 최대가 되는 것은 조형 물체의 3차원 굴절률 분포와 포획된 빛(730)의 3차원 세기 분포가 겹치는 부분의 부피가 최대가 될 때 가능할 수 있다. 즉, 광학 집게(100, 320)에서 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 3D 굴절률 분포 측정부(310)에서 측정한 물체의 3차원 굴절률 분포와 같아지도록 광학 집게(100, 320)의 포획광의 파면을 제어하면, 임의의 모양을 가진 물체는 안정적으로 포획될 수 있다. 그리고, 상기 포획된 빛의 3차원 세기 분포를 물체가 회전한 형태가 되도록 제어하면, 물체는 다시 에너지를 최소화하기 위해서 회전할 수 있다(740). 다시 말해, 조형하려는 물체(object)가 회전하는 경우, 광학 집게(100, 320)는 파면 제어기(720)를 이용하여 상기 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 회전한 물체에 해당하는 3차원 굴절률 분포가 되도록 포획된 빛의 파면을 제어함으로써, 물체의 방향을 제어할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여, 광학 집게(100, 320)는 임의의 형상을 가진 물체를 안정적으로 원하는 방향으로 회전시킬 수 있다. 다시 말해, 포획된 빛의 파면을 제어함으로써, 3차원 형상의 물체의 방향을 변경할 수 있다.
또한, 상기 물체가 탄성(elasticity)이 있는 물체인 경우, 광학 집게(100, 320)는 포획된 빛의 3차원 세기 분포를 물체가 변형된 형태가 되도록 제어함으로써, 물체의 모양을 변형시킬 수 있다. 예컨대, 조형하려는 3차원 형상의 물체의 모양이 탄성에 의해 변형되는 경우, 광학 집게(100, 320)는 포획된 빛의 3차원 세기 분포가 탄성으로 인해 모양이 변형된 물체에 해당하는 3차원 굴절률 분포가 되도록 포획된 빛(즉, 포획광)의 파면을 제어함으로써, 3차원 형상의 물체의 모양을 변형시킬 수 있다.
이를 위해, 광학 집게(100, 320)는 3차원 Gerchberg-Saxton 알고리즘을 이용하여 상기 빛의 3차원 세기 분포를 제어할 수 있는 2차원 파면(750)을 계산할 수 있다. 그리고, 광학 집게(100, 320)는 계산된 2차원 파면(750)을 파면 제어기(720)에 투영하여 3차원 형상의 물체(예컨대, 물체의 모양 및 방향 등)를 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 릴레이 렌즈군 및 광학 집게를 포함하는 3차원 정밀 광조형 장치의 모식도를 도시한 도면이다.
도 8에서는 파면 제어기와 릴레이 렌즈군을 이용하여 광학 집게의 포획된 광의 파면을 제어하는 동작을 설명하고자 한다.
도 8을 참고하면, 파면 제어기(810)와 광 집속 장치(830) 사이에는 복수의 릴레이 렌즈들(즉, 릴레이 렌즈군, 820)이 위치할 수 있으며, 릴레이 렌즈군(820)은 빛의 크기를 조절할 수 있다.
파면 제어기(810)에서 제어된 빛이 광 집속 장치(830)의 개구부(clear aperture)의 크기와 같을 때, 포획된 빛(즉, 포획광, 840)의 세기와 미리 정의된 파면 제어기(810)로 제어 가능한 빛의 모드 개수가 모두 최대화될 수 있다. 이에 따라, 릴레이 렌즈군(820)을 이용하여 파면 제어기(810)에서 제어된 빛의 크기를 광 집속 장치(830)의 개구부 크기에 맞추는 것이 중요할 수 있다. 릴레이 렌즈군(820)을 이용하여 파면 제어기(810)에서 제어된 빛이 광 집속 장치(830)의 개구부에 모두 입사할 경우, 제어하려는 물체의 최소 크기
Figure 112017108942095-pat00005
와 최대 크기
Figure 112017108942095-pat00006
는 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017108942095-pat00007
Figure 112017108942095-pat00008
수학식 2에서, λ는 입사광의 파장을 나타내고, NA는 광 집속 장치의 개구수(Numerical Aperture), M은 파면 제어기의 제어 가능한 픽셀(pixel) 수를 나타낼 수 있다. 이때, 현미경 대물 렌즈가 광 집속 장치로 이용되는 경우, 광 집속 장치의 개구수는, 대물 렌즈의 개구수로 정의될 수 있다. 그리고, 일반 렌즈가 이용되는 경우, 광 집속 장치의 개구수는 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017108942095-pat00009
수학식 3에서, D는 개구부의 지름, f는 렌즈의 초점 거리를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 입사광의 파장 l = 532 nm, 파면 제어기의 픽셀(pixel) 수 M = 600, 대물 렌즈의 NA = 0.9인 경우, 제어하려는 물체의 최소 크기 d min = 295.6 nm, 제어하려는 물체의 최대 크기 d max = 177.3 mm로 계산될 수 있으며, 개구부의 지름 D = 50 mm, 초점 f = 300 mm인 일반 렌즈를 사용하는 경우, 제어하려는 물체의 최소 크기 d min = 3.19 mm, 제어하려는 물체의 최대 크기 d max = 1.92 mm로 계산될 수 있다.
이처럼, 광학 집게(즉, 능동 홀로그래픽 광학 집게)를 사용함으로써, 임의의 3차원 형상의 물체를 안정적으로 광 포획할 수 있고, 파면 제어기를 이용하여 포획된 광의 파면을 제어함으로써, 물체의 방향과 모양 등을 제어할 수 있다. 이에 따라, 세포 등의 미세 물체를 원하는 모양으로 안정적으로 변형시킬 수 있어, 세포에 힘을 가하여 변형시킬 때의 세포 반응을 정밀 분석 가능할 수 있다. 또한, 복잡한 형상을 갖는 세포들을 포획하고 조립하는 세포 단계의 수술 작업을 광 제어하고, 실시간 촬영하여 세포의 반응, 수술 예후 등을 모니터링할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (18)

  1. 3차원 형상의 물체(object)의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 단계; 및
    파면 제어기를 이용하여, 상기 물체와 관련하여 포획되는 빛의 방향 및 모양 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 포획되는 빛의 2차원 파면을 계산하는 단계;
    상기 2차원 파면을 상기 파면 제어기에 투영하여, 상기 포획되는 빛의 3차원 세기 분포가 상기 3차원 굴절률 분포와 동일해지도록, 상기 파면 제어기를 이용하여 상기 포획되는 빛의 파면을 제어하여, 상기 물체를 포획하는 단계; 및
    상기 포획되는 빛의 3차원 세기 분포가 상기 물체가 탄성(elasticity)에 의해 변형되었을 때의 3차원 굴절률 분포와 동일해지도록, 상기 파면 제어기를 이용하여 상기 포획되는 빛의 파면을 제어하여, 상기 물체의 모양을 변형시키는 단계를 포함하고,
    상기 3차원 굴절률 분포를 측정하는 단계는,
    상기 물체로 입사되는 빛의 파면을 제어하여 빛의 각도를 변경하는 단계;
    상기 물체로 입사된 빛이 상기 물체에 의해 산란됨에 따른 산란 정보를 획득하는 단계;
    획득한 상기 산란 정보를 간섭계를 이용하여 공간 변조하여 홀로그램을 생성하는 단계;
    생성된 상기 홀로그램을 촬영장치를 통해 촬영하는 단계; 및
    생성된 상기 홀로그램에 기초하여 상기 물체의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 산란 정보를 획득하는 단계는,
    대물 렌즈를 이용하여 상기 산란 정보를 획득하고,
    생성된 상기 홀로그램에 기초하여 상기 물체의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 단계는,
    상기 촬영을 통해 생성된 3차원 영상을 대상으로, 정량 위상 영상을 추출하는 단계; 및
    추출된 상기 정량 위상 영상을 대상으로, 푸리에 절편 이론(Fourier slice theorem) 기반의 단층 촬영 알고리즘을 이용하여 상기 3차원 굴절률 분포를 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 물체의 모양을 변형시키는 단계는,
    전자기 변분 원리(electromagnetic variational principle)에 따라 아래의 수학식과 같이 표현되는 에너지 범함수(electromagnetic energy functional)가 기저 상태에서 최소값이 되게 하기 위해, 상기 포획되는 빛의 3차원 세기 분포가 상기 물체가 탄성(elasticity)에 의해 변형되었을 때의 3차원 굴절률 분포와 동일해지도록, 상기 포획되는 빛의 파면을 제어하는 광학 집게를 이용한 파면 제어 방법.
    Figure 112019503894733-pat00018

    여기서, 상기
    Figure 112019503894733-pat00019
    는 에너지 범함수를 나타내고, 상기
    Figure 112019503894733-pat00020
    은 Maxwell Hamiltonian operator를 나타내고, 상기 H는 전자기파의 자기장 세기를 나타내고, 상기 E는 전자기파의 전기장 세기를 나타내고, 상기
    Figure 112019503894733-pat00021
    는 물체의 유전율을 나타냄.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는,
    3차원 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초하여, 상기 2차원 파면을 계산하는 단계를 포함하는 광학 집게를 이용한 파면 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기가 되도록 상기 파면 제어기에서 제어된 빛의 크기를 조절하는 단계를 더 포함하는 광학 집게를 이용한 파면 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 빛의 크기는, 상기 물체의 최소 크기 및 최대 크기에 기초하여 상기 광 집속 장치의 개구부의 크기가 되도록 조절되는 광학 집게를 이용한 파면 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 최소 크기는, 상기 광 집속 장치로 입사되는 빛의 파장 및 상기 광 집속 장치의 개구수에 기초하여 계산되고,
    상기 최대 크기는, 상기 광 집속 장치로 입사되는 빛의 파장, 상기 광 집속 장치의 개구수, 및 상기 파면 제어기에서 제어 가능한 픽셀(pixel) 수에 기초하여 계산되는 광학 집게를 이용한 파면 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광 집속 장치의 개구수는, 상기 광 집속 장치의 개구부의 지름 및 렌즈의 초점 거리에 기초하여 계산되는 광학 집게를 이용한 파면 제어 방법.
  10. 3차원 형상의 물체(object)와 관련되는 빛을 포획하는 포획부;
    상기 포획되는 빛의 방향 및 모양 중 적어도 하나를 제어하는 파면 제어기; 및
    3D 굴절률 분포 측정부를 통하여 상기 물체의 3차원 굴절률 분포를 측정하고, 상기 포획되는 빛의 2차원 파면을 계산하고, 상기 2차원 파면을 상기 파면 제어기에 투영하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 포획되는 빛의 3차원 세기 분포가 상기 3차원 굴절률 분포와 동일해지도록, 상기 파면 제어기를 이용하여 상기 포획되는 빛의 파면을 제어하여, 상기 물체를 포획하고,
    상기 포획되는 빛의 3차원 세기 분포가 상기 물체가 탄성(elasticity)에 의해 변형되었을 때의 3차원 굴절률 분포와 동일해지도록, 상기 파면 제어기를 이용하여 상기 포획되는 빛의 파면을 제어하여, 상기 물체의 모양을 변형시키고,
    상기 3D 굴절률 분포 측정부는,
    상기 물체로 입사되는 빛의 파면을 제어하여 빛의 각도를 변경하는 광 스캔부; 및
    상기 물체로 입사된 빛이 상기 3차원 형상의 물체에 의해 산란됨에 따른 산란 정보를 획득하고, 획득한 상기 산란 정보를 간섭계를 이용하여 공간 변조하여 홀로그램을 생성하고, 생성된 상기 홀로그램을 촬영장치를 통해 촬영하고, 생성된 상기 홀로그램에 기초하여 상기 물체의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 영상 측정부
    를 포함하고,
    상기 영상 측정부는,
    대물 렌즈를 이용하여 상기 산란 정보를 획득하고,
    상기 영상 측정부는,
    생성된 상기 홀로그램을 촬영장치를 통해 촬영하고, 촬영을 통해 생성된 3차원 영상을 대상으로, 정량 위상 영상을 추출하고, 추출된 상기 정량 위상 영상을 대상으로, 푸리에 절편 이론(Fourier slice theorem) 기반의 단층 촬영 알고리즘을 이용하여 상기 3차원 굴절률 분포를 측정하고,
    상기 제어부는,
    전자기 변분 원리(electromagnetic variational principle)에 따라 아래의 수학식과 같이 표현되는 에너지 범함수(electromagnetic energy functional)가 기저 상태에서 최소값이 되게 하기 위해, 상기 포획되는 빛의 3차원 세기 분포가 상기 물체가 탄성(elasticity)에 의해 변형되었을 때의 3차원 굴절률 분포와 동일해지도록, 상기 포획되는 빛의 파면을 제어하는 광학 집게.
    Figure 112019503894733-pat00022

    여기서, 상기
    Figure 112019503894733-pat00023
    는 에너지 범함수를 나타내고, 상기
    Figure 112019503894733-pat00024
    은 Maxwell Hamiltonian operator를 나타내고, 상기 H는 전자기파의 자기장 세기를 나타내고, 상기 E는 전자기파의 전기장 세기를 나타내고, 상기
    Figure 112019503894733-pat00025
    는 물체의 유전율을 나타냄.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    3차원 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초하여, 상기 2차원 파면을 계산하는 광학 집게.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 파면 제어기에서 제어된 빛의 크기는,
    릴레이 렌즈군을 통하여, 광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기가 되도록 조절되는 광학 집게.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 빛의 크기는, 상기 물체의 최소 크기 및 최대 크기에 기초하여 상기 광 집속 장치의 개구부의 크기가 되도록 조절되는 광학 집게.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 최소 크기는, 상기 광 집속 장치로 입사되는 빛의 파장 및 상기 광 집속 장치의 개구수에 기초하여 계산되고,
    상기 최대 크기는, 상기 광 집속 장치로 입사되는 빛의 파장, 상기 광 집속 장치의 개구수, 및 상기 파면 제어기에서 제어 가능한 픽셀(pixel) 수에 기초하여 계산되는 광학 집게.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광 집속 장치의 개구수는, 상기 광 집속 장치의 개구부의 지름 및 렌즈의 초점 거리에 기초하여 계산되는 광학 집게.
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