KR102404070B1 - 광섬유 번들을 이용하는 반사 내시현미경 및 이를 이용한 이미지 획득 방법 - Google Patents

광섬유 번들을 이용하는 반사 내시현미경 및 이를 이용한 이미지 획득 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 번들을 이용하는 반사 내시현미경 및 이를 이용한 이미지 획득 방법에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 광섬유 번들에서 어느 하나의 광섬유를 통해 타겟 오브젝트(target object)로 입사파를 출력하는 입사파 출력부와, 입사파에 대응하여 타겟 오브젝트로부터 출력되는 반사파를 광섬유 번들에서 대응되는 복수의 광섬유를 통해 수신하는 반사파 수신부 및 반사파에 대응되는 반사 매트릭스(reflection matrix)를 구성하고, 구성된 반사 매트릭스에 기초하여 입사파의 위상 지연 및 반사파의 위상 지연 중 적어도 하나의 위상 지연이 보상된 이미지를 획득하는 이미지 획득부를 포함한다.

Description

광섬유 번들을 이용하는 반사 내시현미경 및 이를 이용한 이미지 획득 방법{REFLECTION ENDOSCOPIC MICROSCOPE USING THE OPTICAL FIBER BUNDLE AND ENDOSCOPE IMAGE ACQUISITION METHOD USING THEREOF}
본 발명은 반사 내시현미경 및 이를 이용한 이미지 획득 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광섬유 번들 기반의 프로브를 구비하는 반사 내시현미경에서 위상 지연이 보상된 이미지를 획득하는 기술적 사상에 관한 것이다.
광섬유(optical fibers)에 기반한 매우 가는 형태의 프로브를 구비하는 반사 내시 현미경은 인체 내부와 같은 기존의 광학계가 접근하기 어려운 영역에 대한 이미지를 획득할 수 있기 때문에 관련 분야에 대한 다양한 연구가 진행되고 있으나, 탄성 산란된 빛을 이용하여 고해상도 이미지를 획득 하기 위해서는 여러가지 기술적 제약이 있다.
광섬유 번들을 이용하는 내시 현미경의 경우, 물체를 조명하기 위해 광섬유에 주입된 입사광의 일부가 광섬유 끝단에서 내부 반사되고 이 빛이 물체에서 반사된 빛과 간섭을 일으켜서 물체의 이미지를 왜곡시킨다.
따라서, 두 개의 빛을 분리하기 위하여 형광 혹은 이광자 현상을 이용한 비선형 이미지를 획득하는데, 광섬유 번들 내 각각의 광섬유를 이미지의 픽셀(pixel)로 활용하기 때문에 이미지의 해상도가 각 광섬유의 코어(core)와 코어 사이의 간격에 의해 제한되어, 인체의 관찰 및 진단에는 사용할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 광섬유를 통해서 이미지를 획득하는 경우, 이미지의 정보량에 해당하는 다수의 공간 모드를 필요로 한다. 따라서 단일 모드 광섬유는 이미지 정보를 획득하기 위해 기계적 스캐닝(scanning) 과정을 야기한다.
한편, 투과 행렬 및 광섬유를 이용한 멀티모드(multi-mode) 기반의 내시 현미경의 경우, 멀티-모드 광섬유의 투과 특성을 갖는 투과 행렬을 미리 측정, 이를 활용하여 다중 모드 광섬유를 통해서 전달된 이미지 정보를 복원하였다. 그러나, 이 기술의 경우 다중 모드 광섬유의 휘어진 모양이 달라질 때마다 투과 행렬을 다시 측정해야 하기 때문에 모양이 바뀌지 않는 고정된 형태의 다중 모드 광섬유에서만 적용이 가능하다는 문제가 있다.
미국등록특허 제10571678호, "Device and method for controlling group velocity delays of pulses propagating in monomode optical fibers of a fiber bundle". 일본등록특허 제6651032호, "섬유 광학 시스템의 작동 방법 및 섬유 광학 시스템". 한국등록특허 제10-1502236호, "3차원 다색 형광 공초점 현미경 및 이를 사용하는 시편의 깊이의 정보를 생성하는 방법".
본 발명은 사전 캘리브레이션 과정 없이 광섬유 번들에 의한 위상 지연을 실시간으로 보정할 수 있는 반사 내시현미경 및 이를 이용한 이미지 획득 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 역-반사 노이즈 성분이 제거된 이미지를 획득할 수 있는 반사 내시현미경 및 이를 이용한 이미지 획득 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 광섬유 번들 기반의 프로브를 통해 기존의 현미경이 접근하기 어려운 정밀 기계의 내부 혹은 인체 내부에 접근하여 광섬유 번들에 의한 위상 지연이 보정된 이미지를 획득할 수 있는 반사 내시현미경 및 이를 이용한 이미지 획득 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 이광자 또는 형광 측정을 위한 어떠한 염색없이 입사파와 같은 파장을 갖는 반사파를 이용하여 고해상도 이미지를 제공할 수 있는 반사 내시현미경 및 이를 이용한 이미지 획득 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 광섬유 번들에서 어느 하나의 광섬유를 통해 타겟 오브젝트(target object)로 입사파를 출력하는 입사파 출력부와, 입사파에 대응하여 타겟 오브젝트로부터 출력되는 반사파를 광섬유 번들에서 대응되는 복수의 광섬유를 통해 수신하는 반사파 수신부 및 반사파에 대응되는 반사 매트릭스(reflection matrix)를 구성하고, 구성된 반사 매트릭스에 기초하여 입사파의 위상 지연 및 반사파의 위상 지연 중 적어도 하나의 위상 지연이 보상된 이미지를 획득하는 이미지 획득부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 타겟 오브젝트는 광섬유 번들의 출사면으로부터 400μm 내지 1,200μm 만큼 이격된 거리에 위치할 수 있다.
또한, 이미지 획득부는 반사파에 대응되는 원시 이미지에서 반사 데이터 성분이 집중된 복수의 픽셀들과 역-반사 노이즈(back-reflection noise) 성분이 집중된 픽셀을 구분하고, 역-반사 노이즈 성분이 집중된 픽셀에서 역-반사 노이즈 성분을 물리적으로 제거할 수 있다.
일측에 따르면, 이미지 획득부는 반사파에 대응되는 원시 이미지에 기초하여 복소 필드-맵(complex field-map)을 도출하고, 복소 필드-맵에 기초하여 반사 매트릭스를 구성할 수 있다.
일측에 따르면, 반사 매트릭스는 열(column) 인덱스와 행(row) 인덱스가 각각 광섬유 번들에서의 입사파의 공간좌표와 반사파의 공간좌표로 구성되고, 매트릭스 구성 성분들(elements)이 복소 필드-맵의 구성 성분들로 구성되는 매트릭스일 수 있다.
일측에 따르면, 이미지 획득부는 구성된 반사 매트릭스에 기초한 상관관계 분석(correlation analysis)을 통해 위상 지연이 보상된 이미지를 획득할 수 있다.
일측에 따르면, 이미지 획득부는 구성된 반사 매트릭스의 열들(columns) 간의 상관관계 분석을 통해, 입사파의 위상 지연 성분을 도출하고, 복소 필드-맵에서 입사파의 위상 지연 성분을 보상할 수 있다.
일측에 따르면, 입사파의 위상 지연 성분은 광섬유 번들에서의 입사파의 코어-의존 위상 지연 성분에 스케일링 팩터(scaling factor) 및 입사파의 공간 좌표 성분이 연산된 성분일 수 있다.
일측에 따르면, 이미지 획득부는 구성된 반사 매트릭스의 행들(rows) 간의 상관관계 분석을 통해, 반사파의 위상 지연 성분을 도출하고, 입사파의 위상 지연 성분이 보상된 복소 필드-맵에서 반사파의 위상 지연 성분을 보상할 수 있다.
일측에 따르면, 반사파의 위상 지연 성분은 광섬유 번들에서의 반사파의 코어-의존 위상 지연 성분에 스케일링 팩터 및 반사파의 공간 좌표 성분이 연산된 성분일 수 있다.
일측에 따르면, 이미지 획득부는 반사파에 대응되는 원시 이미지에 대한 힐버트 변환(hilbert transform)을 통해 복소 필드-맵을 도출할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 이용한 이미지 획득 방법은 입사파 출력부에서, 광섬유 번들에서 어느 하나의 광섬유를 통해 타겟 오브젝트(target object)로 입사파를 출력하는 단계와, 반사파 수신부에서, 입사파에 대응하여 타겟 오브젝트로부터 출력되는 반사파를 광섬유 번들에서 대응되는 복수의 광섬유를 통해 수신하는 단계 및 이미지 획득부에서, 반사파에 대응되는 반사 매트릭스(reflection matrix)를 구성하고, 구성된 반사 매트릭스에 기초하여 입사파의 위상 지연 및 반사파의 위상 지연 중 적어도 하나의 위상 지연이 보상된 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 본 발명은 사전 캘리브레이션 과정 없이 광섬유 번들에 의한 위상 지연을 실시간으로 보정할 수 있다.
또한, 본 발명은 역-반사 노이즈 성분이 제거된 이미지를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명은 광섬유 번들 기반의 프로브를 통해 기존의 현미경이 접근하기 어려운 정밀 기계의 내부 혹은 인체 내부에 접근하여 광섬유 번들에 의한 위상 지연이 보정된 이미지를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명은 이광자 또는 형광 측정을 위한 어떠한 염색없이 입사파와 같은 파장을 갖는 반사파를 이용하여 고해상도 이미지를 제공할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 일실시예에 따른 반사 내시 현미경의 구현예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 광섬유 번들을 통해 입사파를 출력하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 복소 필드-맵을 도출하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 이미지를 획득하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 위상 지연을 식별하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 이용하여 좁고 구부러진 통로에 위치한 타겟 오브젝트의 이미지를 획득하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 반사 내지 현미경에서 초점 거리를 조정하여 이미지를 획득하는 실험 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 반사 내지 현미경에서 도 8의 실험 과정을 통해 이미지를 획득하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 염색되지 않은 생물학적 조직의 이미지를 획득하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 이용한 이미지 획득 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서 설명하는 일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 별도의 렌즈가 연결되지 않는 광섬유 번들 기반의 프로브를 이용할 수 있으며, 이러한 프로브의 구조는 초음파를 이용한 영상 장치와 유사하게 구현될 수 있다.
초음파를 이용한 영상 장치는 음파를 이용하기 때문에 별도의 렌즈를 사용하지 않고 초음파 트랜스듀서(transducer) 배열을 갖고 있으며, 개개의 트랜스듀서를 통해서 초음파를 발생시키고 타겟 오브젝트에서 반사되어 돌아오는 초음파를 다시 트랜스듀서 배열을 이용하여 측정할 수 있다.
즉, 반사 내시 현미경은 개개의 광섬유를 통해서 파동을 타겟 오브젝트에 입사 시키며, 타겟 오브젝트로부터 반사되어 돌아오는 파동을 별도의 렌즈를 사용하지 않고 광섬유 다발을 통해서 측정한다는 측면에서, 파동이 각각 초음파와 빛이라는 차이를 제외하면 초음파를 이용한 영상 장치와 유사한 방식으로 동작한다고 볼 수 있다.
한편, 반사 내시 현미경은 광섬유 번들 내 개개의 광섬유가 갖는 광 경로차에 따른 왜곡된 빛의 위상 정보를 보정할 수 있으며, 이와 동시에 타겟 오브젝트에 의해서 발생하는 위상 정보의 왜곡도 보정할 수 있다.
상술한 본 발명의 위상 보정 기술은 반사 내시 현미경과 유사한 구조로 구현되는 초음파를 이용한 영상 장치에서도 용이하게 적용될 수 있다.
초음파를 이용한 영상 장치는 주요 측정 대상이 되는 생체 조직의 경우, 그 형태 및 구조가 균일하지 않기 때문에 초음파가 타겟 오브젝트에서 반사되어 트랜스듀서를 통해서 측정될 때 필연적으로 초음파의 위상 왜곡이 발생할 수 있다.
이에, 초음파를 이용한 영상 장치는 본 발명의 위상 보정 기술을 적용하여 초음파 영상 측정에서 발생하는 반사파의 위상 왜곡을 보정할 수 있으며, 이를 통해 스펙클(speckle) 노이즈가 제거된 더 선명하고 대비(constrast)가 좋은 영상(image)을 얻을 수 있다.
다시 말해, 본 발명은 파동의 종류는 상이하나, 파동의 입사 및 측정에 있어 구조적 특성이 매우 유사하며 파동의 위상 왜곡을 보정하기 위해 사용되는 알고리즘이 동일한 효과를 제공할 수 있기 때문에 초음파를 이용한 영상 장치에도 용이하게 적용될 수 있다.
일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 이하에서 도 1을 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경(100)은 사전 캘리브레이션 과정 없이 광섬유 번들에 의한 위상 지연을 실시간으로 보정할 수 있다.
또한, 반사 내시 현미경(100)은 역-반사 노이즈 성분이 제거된 이미지를 획득할 수 있다.
또한, 반사 내시 현미경(100)은 광섬유 번들 기반의 프로브를 통해 기존의 현미경이 접근하기 어려운 정밀 기계의 내부 혹은 인체 내부에 접근하여 광섬유 번들에 의한 위상 지연이 보정된 이미지를 획득할 수 있다.
또한, 반사 내시 현미경(100)은 이광자 또는 형광 측정을 위한 어떠한 염색없이 입사파와 같은 파장을 갖는 반사파를 이용하여 고해상도 이미지를 제공할 수 있다.
이를 위해, 반사 내시 현미경(100)은 입사파 출력부(110), 반사파 수신부(120) 및 이미지 획득부(130)를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 입사파 출력부(110)는 광섬유 번들에서 어느 하나의 광섬유를 통해 타겟 오브젝트(target object)로 입사파를 출력할 수 있다.
예를 들면, 광섬유 번들은 다수의 광섬유들이 다발로 구성된 프로브일 수 있으며, 프로브의 직경은 300μm으로 설정될 수 있으나, 150μm 이하의 크기로 결정될 수도 있다.
또한, 광섬유 번들은 입사면을 통해 입사파 출력부(110)로부터 입사파를 수신하여 출사면을 통해 수신한 입사파를 출력할 수 있다.
일실시예에 따른 반사파 수신부(120)는 출력된 입사파에 대응하여 타겟 오브젝트로부터 출력되는 반사파를 광섬유 번들에서 대응되는 복수의 광섬유를 통해 수신할 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 반사파는 타겟 오브젝트의 반사면에 의해 입사파가 반사된 신호일 수 있다. 다시 말해, 반사파는 후방 산란된 신호(backscattered signal waves)일 수 있다.
일측에 따르면, 반사파를 수신하는 복수의 광섬유 및 입사파를 출력하는 어느 하나의 광섬유는 서로 다른 광섬유일 수 있다.
일실시예에 따른 이미지 획득부(130)는 반사파 수신부(120)를 통해 수신한 반사파에 대응되는 반사 매트릭스(reflection matrix)를 구성하고, 구성된 반사 매트릭스에 기초하여 입사파의 위상 지연 및 반사파의 위상 지연 중 적어도 하나의 위상 지연이 보상된 이미지를 획득할 수 있다.
일측에 따르면, 타겟 오브젝트는 광섬유 번들의 출사면으로부터 400μm 내지 1,200μm 만큼 이격된 거리에 위치할 수 있다. 또한, 이미지 획득부(130)는 원시 이미지에서 반사 데이터 성분이 집중된 복수의 픽셀들과 역-반사 노이즈(back-reflection noise) 성분이 집중된 픽셀을 구분하고, 역-반사 노이즈 성분이 집중된 픽셀에서 역-반사 노이즈 성분을 물리적으로 제거할 수 있다.
예를 들면, 원시 이미지는 수신한 반사파에 대응하여 반사 내시 현미경(100)에 구비된 카메라에서 캡처한 원시 간섭 이미지(raw interference images)를 의미할 수 있으며, 반사 데이터 성분은 타겟 오브젝트의 이미지에 관한 데이터 성분을 의미할 수 있다. 다시 말해, 반사 데이터 성분은 후방 산란된 신호 데이터를 의미할 수 있다.
구체적으로, 광섬유 번들은 출사면에 광학 렌즈 또는 스캐너가 부착되지 않아 다수의 광섬유가 노출되어 형태로 구성되고, 타겟 오브젝트를 광섬유 번들의 출사면으로부터 400μm 내지 1,200μm 만큼 이격된 거리에 위치시켜 광섬유 번들이 이미지 픽셀을 구성하는 기존의 내시 현미경과는 달리 초점이 맞지 않는 평면 상에 위치시킬 수 있다. 또한, 광섬유 번들은 프레넬 회절(fresnel diffraction)에 의해 복수의 광섬유를 통해 수신한 반사파를 이미지 획득부(130)에 전달할 수 있다.
이미지 획득부(130)는 상술한 광섬유 번들의 구성으로 인해 수신한 반사파에 대응되는 원시 이미지로부터 반사 데이터 성분이 집중된 복수의 픽셀들과 역-반사 노이즈 성분이 집중된 픽셀을 구분할 수 있으며, 역-반사 노이즈 성분이 집중된 픽셀에서 역-반사 노이즈 성분을 물리적으로 분리하고 제거할 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경(100)은 카메라를 통해 획득되는 이미지가 실제 공간이 아닌 공간 주파수에서 픽셀화가 되기 때문에 획득되는 이미지에서의 픽셀화 문제를 해결할 수 있으며, 입사파를 출력하는 어느 하나의 광섬유로 인한 역-반사 노이즈 성분을 물리적으로 분리하고 제거할 수 있다.
일측에 따르면, 이미지 획득부(130)는 반사파에 대응되는 원시 이미지에 기초하여 복소 필드-맵(complex field-map)을 도출하고, 복소 필드-맵에 기초하여 반사 매트릭스를 구성할 수 있다.
예를 들면, 이미지 획득부(130)는 역-반사 노이즈 성분이 제거된 원시 이미지에 기초하여 복소 필드-맵을 도출할 수 있다.
일측에 따르면, 이미지 획득부(130)는 반사파에 대응되는 원시 이미지에 대한 힐버트 변환(hilbert transform)을 통해 복소 필드-맵을 도출할 수 있다.
일측에 따르면, 반사 매트릭스는 열(column) 인덱스와 행(row) 인덱스가 각각 광섬유 번들에서의 입사파의 공간좌표와 반사파의 공간좌표로 구성되고, 매트릭스 구성 성분들(elements)이 복소 필드-맵의 구성 성분들로 구성되는 매트릭스를 의미할 수 있다.
일측에 따르면, 이미지 획득부(130)는 구성된 반사 매트릭스에 기초한 상관관계 분석(correlation analysis)을 통해 위상 지연이 보상된 이미지를 획득할 수 있다.
구체적으로, 이미지 획득부(130)는 구성된 반사 매트릭스의 열들(columns) 간의 상관관계 분석을 통해, 입사파의 위상 지연 성분을 도출하고, 복소 필드-맵에서 입사파의 위상 지연 성분을 보상할 수 있다.
또한, 이미지 획득부(130)는 구성된 반사 매트릭스의 행들(rows) 간의 상관관계 분석을 통해, 반사파의 위상 지연 성분을 도출하고, 입사파의 위상 지연 성분이 보상된 복소 필드-맵에서 반사파의 위상 지연 성분을 보상할 수 있다.
일측에 따르면, 입사파의 위상 지연 성분은 광섬유 번들에서의 입사파의 코어-의존 위상 지연 성분(core-dependent phase retardations)과 스케일링 팩터(scaling factor)를 포함한 입사파의 공간 좌표의 함수로 주어진 위상 지연이 결합된 성분일 수 있다.
다시 말해, 입사파의 위상 지연 성분은 광섬유 번들에서의 입사파의 코어-의존 위상 지연 성분(core-dependent phase retardations)에 스케일링 팩터(scaling factor) 및 입사파의 공간 좌표 성분이 연산된 성분일 수 있다.
또한, 반사파의 위상 지연 성분은 광섬유 번들에서의 반사파의 코어-의존 위상 지연 성분에 스케일링 팩터 및 반사파의 공간 좌표 성분이 연산된 성분일 수 있다.
구체적으로, 입사파 및 반사파는 광섬유 번들을 통해 전달되는 과정에서 광섬유의 굽힘 및 비틀림으로 인해 상이한 위상 지연이 발생될 수 있으며, 이러한 위상 지연의 발생은 이미지 변환 과정에서 스펙클 패턴(speckle patterns) 발생과 이미지 정보의 손실을 야기할 수 있다.
이에, 일실시예에 따른 이미지 획득부(130)는 광섬유의 굽힘 및 비틀림으로 인한 코어-의존 위상 지연 성분을 실시간으로 감지 및 보상할 수 있다.
일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 이후 실시예 도 2a 내지 도 2c를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c는 일실시예에 따른 반사 내시 현미경의 구현예를 설명하기 위한 도면이다.
다시 말해, 도 2a 내지 도 2c는 도 1을 통해 설명한 일실시예에 따른 반사 내시 현미경의 예시를 설명하는 도면으로, 이후 도 2a 내지 도 2c를 통해 설명하는 내용 중 도 1을 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 참조부호 210은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경의 구성도를 도시하고, 참조부호 220은 반사 내시 현미경에서 입사파를 하나의 광섬유를 통해 타겟 오브젝트로 출력하는 예시를 나타내며, 참조부호 230은 반사 내시 현미경에서 입사파에 대응하여 타겟 오브젝트로부터 출력되는 반사파를 복수의 광섬유를 통해 수신하는 예시를 나타낸다.
참조부호 210에 따르면, 입사파 출력부는 레이저 광원(laser), 제1 내지 제2 렌즈(L1 내지 L2), 제4 내지 제5 렌즈(L4 내지 L5) 및 스캐닝 미러(scanning mirror)(GM)를 포함할 수 있다.
또한, 반사파 수신부는 제3 렌즈(L3) 및 제3 빔스플리터(BS3)를 포함할 수 있다.
또한, 입사파 출력부 및 반사파 수신부는 광섬유 번들(fiber bundle), 대물 렌즈(OL) 및 제2 빔 스플리터(BS2)를 서로 공유할 수 있다.
한편, 이미지 획득부는 카메라(camera) 내부에 구비되거나, 카메라 외부에 별도로 구비되어 카메라와 연동될 수도 있다.
구체적으로, 레이저 광원(laser)은 파장
Figure 112020102433010-pat00001
이 532 nm이고, 간섭 길이(coherence length)가 6 mm인 레이저 다이오드일 수 있다.
제1 빔 스플리터(BS1)는 레이저 광원(laser)으로부터 출력되는 빔을 샘플 빔(sample beam)과 참조 빔(reference beam)으로 분할하여 샘플 빔은 스캐닝 미러(GM)로 전달하고, 참조 빔은 제3 빔스플리터(BS3)로 전달할 수 있다.
스캐닝 미러(GM)는 광섬유 번들(fiber bundle) 중 어느 하나의 광섬유로 샘플 빔을 전달할 수 있으며, 이를 위해 스캐닝 각도가 제어될 수 있다.
광섬유 번들에서 스캐닝 미러(GM)를 통해 샘플 빔을 전달 받는 어느 하나의 광섬유는 전달 받은 샘플 빔(입사파)을 타겟 오브젝트에 조사할 수 있다.
타겟 오브젝트는 조사된 샘플 빔에 대응되는 반사파를 광섬유 번들 중 복수의 광섬유로 제공할 수 있으며, 복수의 광섬유는 수신한 반사파를 대물 렌즈(OL) 및 제3 빔 스플리터(BS3)를 통해 카메라(camera)로 전달할 수 있다.
일측에 따르면, 제3 빔 스플리터(BS3)는 제1 빔 스플리터(BS1)로부터 전달 받은 참조 빔을 카메라(camera)로 전달할 수 있으며, 카메라(camera)는 반사파와 참조 빔에 기초하여 인터페로그램(interferogram)을 생성할 수 있다.
참조부호 220 내지 230에 따르면,
Figure 112020102433010-pat00002
는 광섬유 번들에서의 입사파의 공간 좌표 성분을 의미하고,
Figure 112020102433010-pat00003
는 광섬유 번들에서의 반사파의 공간 좌표 성분을 의미할 수 있다.
Figure 112020102433010-pat00004
는 광섬유 번들에서의 입사파의 코어-의존 위상 지연 성분을 의미하고,
Figure 112020102433010-pat00005
는 광섬유 번들에서의 반사파의 코어-의존 위상 지연 성분을 의미할 수 있다.
Figure 112020102433010-pat00006
는 타겟 오브젝트의 반사면 SP에서의 입사파의 전기장(electric fields)을 의미하고,
Figure 112020102433010-pat00007
는 반사면 SP에서의 반사파의 전기장을 의미할 수 있다.
Figure 112020102433010-pat00008
는 카메라에서 감지된 전기장을 의미하고, d는 광섬유 번들의 출사면 OP와 타겟 오브젝트의 반사면 SP 사이의 거리를 의미할 수 있다.
구체적으로, 광섬유 번들에서 입사파의 공간 좌표
Figure 112020102433010-pat00009
에 대응되는 어느 하나의 광섬유의 입사면 IP에 집중된 입사파는 코어-의존 위상 지연
Figure 112020102433010-pat00010
을 경험하고, 출사면 OP에서 타겟 오브젝트로 출력될 수 있다.
출력된 입사파는 타겟 오프젝트의 반사면 SP와 접촉하며, 이때 타겟 오프젝트의 반사면 SP에서 입사파와 접촉된 좌표 (x, y)에서의 입사파
Figure 112020102433010-pat00011
는 하기 수학식1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식1]
Figure 112020102433010-pat00012
여기서, k/d는 스케일링 팩터(scaling factor)를 의미하고, k는
Figure 112020102433010-pat00013
인 파수(wavenumber)를 의미하며,
Figure 112020102433010-pat00014
는 레이저 광원의 파장을 의미할 수 있다.
일측에 따르면, 입사파는 진폭 반사율(amplitude reflectance)이 오브젝트 함수인
Figure 112020102433010-pat00015
표현되는 타겟 오프젝트의 반사면 SP에서 반사되어, 후방 산란된 신호인 반사파가 광섬유 번들로 전달될 수 있다.
예를 들면, 반사면 SP에서의 반사파의 전기장
Figure 112020102433010-pat00016
은
Figure 112020102433010-pat00017
의 연산을 통해 도출될 수 있다.
반사파는 프레넬 회절을 통해 반사파의 공간 좌표
Figure 112020102433010-pat00018
에 대응되는 복수의 광섬유의 출사면 OP으로 입력되고, 입력된 반사파는 코어-의존 위상 지연
Figure 112020102433010-pat00019
을 경험하고, 입사면 IP을 통해 카메라로 전달될 수 있다.
일측에 따르면, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경의 이미지 획득부는 전달된 반사파에 대응되는 원시 이미지에 기초하여 복소 필드-맵(complex field-map)
Figure 112020102433010-pat00020
을 도출할 수 있으며, 이때 복소 필드-맵
Figure 112020102433010-pat00021
은 하기 수학식2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식2]
Figure 112020102433010-pat00022
여기서,
Figure 112020102433010-pat00023
는 수정된 오브젝트 함수
Figure 112020102433010-pat00024
를 푸리에 변환(Fourier transform)하여 도출되는 오브젝트 스펙트럼(object spectrum)을 의미하고,
Figure 112020102433010-pat00025
는 입사 경로에서의 입사파의 위상 지연 성분을 의미하며,
Figure 112020102433010-pat00026
는 반사 경로에서의 반사파의 위상 지연 성분을 의미할 수 있다.
예를 들면, 입사 경로는 참조부호 210에서 레이저 광원(laser)으로부터 타겟 오프젝트의 반사면 SP까지 입사파가 전달되는 경로를 의미하고, 반사 경로는 타겟 오브젝트의 반사면 SP로부터 카메라(camera)까지 반사파가 전달되는 경로를 의미할 수 있다.
구체적으로, 복소 필드-맵
Figure 112020102433010-pat00027
은 스케일링 팩터 k/d와
Figure 112020102433010-pat00028
에 의한 스펙트럼 시프트(spectral shift)를 갖는 오브젝트 스펙트럼을 포함하고, 모든 2차 위상 항(quadratic phase terms)이 프레넬 회절의 결과로 도입될 수 있으며, 입력 및 출력 위상 지연이 수정된 오브젝트 함수
Figure 112020102433010-pat00029
에 반영될 수 있다.
일반적으로는, 반사파로부터 수정된 오브젝트 함수
Figure 112020102433010-pat00030
, 입사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00031
및 반사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00032
을 식별하는데 어려움이 있다.
반면, 일실시예에 따른 이미지 획득부는 CLASS(closed-loop accumulation of single scattering) 알고리즘을 이용하여 수정된 오브젝트 함수
Figure 112020102433010-pat00033
, 입사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00034
및 반사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00035
을 용이하게 식별할 수 있다.
CLASS 알고리즘은 시분해 반사 행렬(reflection matrix)에 기초하여 각도별 빛의 파면의 위상 변화를 수치적으로 찾아내고 보상함으로써, 타겟 오브젝트의 이미징에 필요한 단일 산란 누적 광신호를 극대화하여 이미지를 최적화할 수 있다.
이하에서는, 일실시예에 따른 이미지 획득부에서 CLASS 알고리즘을 이용하여 위상 지연이 보상된 이미지를 획득하는 예시에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 또한, 이하에서 설명하는 전체 과정은 위상 지연의 보정을 위해 복수 회 반복 수행될 수도 있다.
우선, 이미지 획득부는 복소 필드-맵
Figure 112020102433010-pat00036
에 기초하여 반사 매트릭스
Figure 112020102433010-pat00037
를 구성할 수 있다.
예를 들면, 반사 매트릭스
Figure 112020102433010-pat00038
는 열(column) 인덱스가 입사파의 공간 좌표
Figure 112020102433010-pat00039
와 행(row) 인덱스가 반사파의 공간좌표
Figure 112020102433010-pat00040
로 구성되고, 매트릭스 구성 성분들(elements)이 복소 필드-맵
Figure 112020102433010-pat00041
의 구성 성분들로 구성되는 매트릭스일 수 있다.
다음으로, 이미지 획득부는 수정된 오브젝트 함수
Figure 112020102433010-pat00042
를 획득하기 위한 입사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00043
및 반사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00044
을 구성된 반사 매트릭스
Figure 112020102433010-pat00045
의 열들과 행들간의 상관관계 분석을 통해 자동 식별할 수 있다.
또한, 이미지 획득부는
Figure 112020102433010-pat00046
와 같은 관계를 통해 타겟 오브젝트의 반사율 맵(reflectance map)을 획득할 수 있으며, 작업 범위 내의 객체에 대한
Figure 112020102433010-pat00047
와 같은 2차 위상 항을 자동으로 식별할 수 있다.
한편, 이미지 획득부는 광섬유 번들의 출사면 OP와 타겟 오브젝트의 반사면 SP 사이의 거리 d는 2차 위상 항으로부터 획득될 수 있으므로, 단일 반사 매트릭스의 기록으로부터 3D 이미지를 재구성 할 수도 있다.
구체적으로, 이미지 획득부는 반사 매트릭스
Figure 112020102433010-pat00048
의 열들(columns) 간의 상관관계 분석을 통해, 입사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00049
을 도출하고, 복소 필드-맵
Figure 112020102433010-pat00050
에서 입사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00051
을 보상할 수 있다.
일측에 따르면, 입사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00052
은 입사파의 코어-의존 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00053
에 스케일링 팩터 k/d 및 입사파의 공간 좌표 성분
Figure 112020102433010-pat00054
을 연산하는 하기 수학식3을 통해 도출될 수 있다.
[수학식3]
Figure 112020102433010-pat00055
또한, 이미지 획득부는 하기 수학식4를 통해 입사파의 위상 지연 성분이 보상된 복소 필드-맵
Figure 112020102433010-pat00056
을 도출할 수 있다.
[수학식4]
Figure 112020102433010-pat00057
다음으로, 이미지 획득부는 반사 매트릭스
Figure 112020102433010-pat00058
의 행들(rows) 간의 상관관계 분석을 통해, 반사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00059
을 도출하고, 입사파의 위상 지연 성분이 보상된 복소 필드-맵
Figure 112020102433010-pat00060
에서 반사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00061
을 보상할 수 있다.
일측에 따르면, 반사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00062
은 반사파의 코어-의존 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00063
에 스케일링 팩터 k/d 및 반사파의 공간 좌표 성분
Figure 112020102433010-pat00064
을 연산하는 하기 수학식5를 통해 도출될 수 있다.
[수학식5]
Figure 112020102433010-pat00065
또한, 이미지 획득부는 하기 수학식6과 같이 반사파의 위상 지연이 보상된 복소 필드-맵
Figure 112020102433010-pat00066
을 도출할 수 있다.
[수학식6]
Figure 112020102433010-pat00067
일측에 따르면, 이미지 획득부는 오브젝트 스펙트럼
Figure 112020102433010-pat00068
이 식별될 때까지 상술한 과정을 반복 수행할 수 있다.
구체적으로, 이미지 획득부는 복수의 이미지(복소 필드-맵) 각각에 대응되는 오브젝트 스펙트럼을 입사파의 공간 좌표
Figure 112020102433010-pat00069
만큼 이동시킬 수 있으며, 이는 광섬유 번들에서 입사파를 출력하는 모든 광섬유에 대한 오브젝트 스펙트럼의 변환을 의미할 수 있다.
또한, 이미지 획득부는 변환된 오브젝트 스펙트럼들을 모두 합산하고, 역 푸리에 변환을 수행하여 수정된 오브젝트 함수
Figure 112020102433010-pat00070
를 도출할 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 이미지 획득부는 반사 매트릭스
Figure 112020102433010-pat00071
의 열들과 행들간의 상관관계 분석을 통해, 입사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00072
및 반사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00073
을 식별 및 보상하여 위상 지연이 보상된 이미지를 실시간으로 획득할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 광섬유 번들을 통해 입사파를 출력하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 참조부호 300은 인코히어런트 소스(incoherent source)를 광섬유 번들의 출사면에 비추었을 때, 광섬유 번들의 입사면에서의 브라이트-필드 이미지(bright-field image)를 도시한다.
참조부호 300에 따르면, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 광섬유 번들 중 타겟 오브젝트로 입사파(샘플 빔)를 출력할 어느 하나의 광섬유를 선택할 수 있으며, 구체적으로 반사 내시 현미경은 스캐닝 미러의 각도를 제어하여 샘플 빔을 어느 하나의 광섬유 코어에 집중 시킬 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 복소 필드-맵을 도출하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 4의 (a) 내지 (d) 각각은 입사파의 공간 좌표
Figure 112020102433010-pat00074
가 각각 (0μm, 0μm), (-31μm, -11μm), (37μm, 45μm) 및 (-62μm, 89μm)인 입사파에 대응되는 반사파로부터 획득한 원시 이미지를 도시하고, 도 4의 (e) 내지 (h) 각각은 도 4의 (a) 내지 (d)의 원시 이미지에 대응되는 복소 필드-맵의 이미지를 도시한다.
도 4의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 반사파에 대응되는 원시 이미지들의 공간 좌표는 복수의 광섬유에서의 반사파의 공간 좌표에 대응되며, 이 중 가장 밝은 픽셀은 입사파를 출력하는 하나의 광섬유로 인한 역-반사 노이즈(back-reflection noise) 성분이 집중되는 픽셀을 의미할 수 있다.
구체적으로, 광섬유 번들은 출사면이 광학 렌즈 또는 스캐너가 부착되지 않아 다수의 광섬유가 노출되어 형태로 구성되고, 타겟 오브젝트를 광섬유 번들의 출사면으로부터 400μm 내지 1,200μm 만큼 이격된 거리에 위치시켜 광섬유 번들이 이미지 픽셀을 구성하는 기존의 반사 내시 현미경과는 달리 초점이 맞지 않는 평면 상에 위치시킬 수 있다.
일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 상술한 광섬유 번들의 구성으로 인해 수신한 반사파에 대응되는 원시 이미지에서 반사 데이터 성분이 집중된 복수의 픽셀들과 역-반사 노이즈 성분이 집중된 픽셀을 구분하고, 구분된 픽셀에서 역-반사 노이즈 성분을 물리적으로 분리하고 제거할 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 도 4의 (a) 내지 (d)에서 역-반사 노이즈 성분을 물리적으로 분리된 원시 이미지에 대한 힐버트 변환(hilbert transform)을 수행하여, 도 4의 (e) 내지 (h)와 같은 복소 필드-맵을 도출할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 이미지를 획득하는 예시를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 위상 지연을 식별하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 도 5의 (a) 및 (d)는 기존 이미지 획득 방법에 기반하는 반사 내시 현미경을 통해 획득한 배경에 대한 타겟의 반사율 대비가 높은 타겟 오브젝트와 낮은 타겟 오브젝트의 이미지를 각각 도시하고, 도 5의 (b) 및 (e)는 반사율 대비가 높은 타겟 오브젝트와 낮은 타겟 오브젝트에 대한 복소 필드-맵(complex field-map)에서 입사파의 위상 지연 및 반사파의 위상 지연을 수정하지 않은 스펙트럼의 역 푸리에 변환된 이미지를 각각 도시하며, 도 5의 (c) 및 (f)는 반사율 대비가 높은 타겟 오브젝트와 낮은 타겟 오브젝트에 대하여 입사파의 위상 지연 및 반사파의 위상 지연이 보상된 이미지를 도시 한다.
또한, 도 6의 (a) 및 (c)는 도 5에 도시된 배경에 대한 타겟의 반사율 대비가 높은 타겟 오브젝트와 낮은 타겟 오브젝트에 대한 이미지를 얻기 위한 입사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00075
을 각각 도시하고, 도 6의 (b) 및 (d)는 배경에 대한 타겟의 반사율 대비가 높은 타겟 오브젝트와 낮은 타겟 오브젝트에 대한 이미지를 얻기 위한 반사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00076
을 각각 도시한다.
구체적으로, 도 5의 (b) 및 (e)에 도시된 역 푸리에 변환된 이미지는 스펙클 패턴(speckle patterns) 발생되고, 이미지 정보가 손실된 것을 확인할 수 있다.
반면, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 도 2를 통해 설명한 class 알고리즘을 이용하여 입사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00077
및 반사파의 위상 지연 성분
Figure 112020102433010-pat00078
을 식별하고, 식별된 성분을 복소 필드-맵에 보상함으로써, 도 5의 (c) 및 (f)에 도시된 바와 같이 픽셀화가 없으면서 기존의 반사 내시 현미경의 이미지(도 5의 (a) 및 (d)에 도시된 도면) 보다 고품질 및 고해상도의 이미지를 획득할 수 있다.
일실시예에 따른 반사 내시 현미경의 해상도는
Figure 112020102433010-pat00079
로 설정된 개구 수(numerical aperture; NA)에서 광섬유 번들의 직경 D에 의해 결정될 수 있으며, 여기서 n은 광섬유와 타겟 오브젝트 사이의 굴절율을 의미할 수 있다. 해상도
Figure 112020102433010-pat00080
는 광섬유 자체의 개구 수 NA(0.4) 보다 큰 경우 공간 해상도가 제한될 수 있다.
구체적으로, 거리 d가 1,200 μm에서 400 μm로 감소함에 따라, n = 1에 대해
Figure 112020102433010-pat00081
가 0.12에서 0.47로 증가하며, 이론적인 공간 분해능(spatial resolving power)이 1.6 μm에서 0.67 μm로 증가할 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경의 시야 필드 직경(view field diameter) 은
Figure 112020102433010-pat00082
으로 설정되고, 여기서 광섬유 코어 간의 간격
Figure 112020102433010-pat00083
는 3.2 μm로 설정될 수 있다. 즉, 거리 d가 증가함에 따라 시야 필드 직경 L은 66 μm에서 170 μm로 증가할 수 있다.
일실시예에 따른 반사 내시 현미경에서의 효과적인 광섬유 코어간의 간격
Figure 112020102433010-pat00084
는 다수의 이미지에 대한 합성 과정으로 인해 1.5 μm로 감소할 수 있다. 이에, 거리 d가 증가함에 시야 필드 직경 L의 범위는 140 μm 내지 410 μm가 될 수 있다. 거리 d = 500 μm에서 추정된 시야 필드 직경 L은 170 μm 이였으며, 이는 실험 결과와 부합되는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 기존의 반사 내시 현미경을 통해 획득된 도 5의 (d)의 배경에 대한 타겟의 반사율 대비가 낮은 타겟 오브젝트에서는 역-반사 노이즈가 후방 산란된 신호 보다 훨씬 강하기 때문에 타겟 오브젝트를 명확히 식별하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
반면 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 획득된 도 5의 (f)의 배경에 대한 타겟의 반사율 대비가 낮은 타겟 오브젝트의 이미지에서는 역-반사 노이즈가 제거되고, 입사파의 위상 지연 성분 및 반사파의 위상 지연 성분이 보상되어 타겟 오브젝트가 명확히 식별되는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 이용하여 좁고 구부러진 통로에 위치한 타겟 오브젝트의 이미지를 획득하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 도 7의 (a)는 일반적인 반사 내시 현미경을 이용하여 획득된 타겟 오브젝트의 이미지를 도시하고, 도 7의 (b)는 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 이용하여 획득된 타겟 오브젝트의 이미지를 도시한다.
구체적으로, 도 7을 통해 획득된 이미지들은 내경 및 외경이 각각 10mm, 15mm이고, 길이가 80cm인 구부러진 통로를 갖는 플라스틱 튜브에 광섬유 번들(프로브)을 삽입하여 획득한 타겟 오브젝트의 이미지를 도시한다.
도 7의 (a)에 따르면, 일반적인 반사 내시 현미경을 이용하여 획득된 타겟 오브젝트의 이미지는 픽셀화가 되고 저해상도의 이미지가 출력되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 7의 (b)에 따르면, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 이용하여 획득된 타겟 오브젝트의 이미지는 픽셀화 없이 선명한 이미지가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
다시 말해, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 타겟 오브젝트가 좁고 구부러진 통로에 위치한 경우에도 형광 표지 없이 고해상도의 이미지를 획득할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 반사 내지 현미경에서 초점 거리를 조정하여 이미지를 획득하는 실험 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 일실시예에 따른 반사 내지 현미경에서 도 8의 실험 과정을 통해 이미지를 획득하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 9를 참조하면, 참조부호 800은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경에서 서로 다른 깊이A 및 깊이 B에 배치된 두 개의 타겟 오브젝트들에 대하여 이미지를 획득하는 실험 과정을 도시한다.
또한, 도 9의 (a) 및 (b)는 대물 렌즈를 통해 깊이 A 및 깊이 B에서 획득한 이미지를 각각 도시하고, 도 9의 (c) 및 (d)는 일실시예에 따른 반사 내지 현미경에서 반사 매트릭스에 기반하여 재구성한 깊이 A 및 깊이 B에서의 이미지를 각각 도시한다.
구체적으로, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 획득되는 이미지의 유효성을 판단하기 위해, 도 9의 (a) 및 (b)에 도시된 이미지와 같이 초점을 서로 다른 깊이(깊이 A 및 B)로 조정하여 투과 이미지를 촬영하였고, 이는 타겟 오브젝트를 통해 투과된 파장으로 대물렌즈에 의해 수집되었으며, 일실시예에 따른 반사 내시 현미경는 유효 개구 수(NA)가 0.3으로 대물 렌즈의 개구 수(NA)인 0.1 보다 높게 나타나, 이미지가 대물 렌즈를 통해 획득된 투과 이미지보다 우수한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 복소 필드-맵(complex field-map)을 도출한 후, 3D 이미징(3D imaging)을 구현할 수 있다.
일실시예에 따른 반사 내시 현미경은 200μm의 간격을 두고 서로 다른 깊이 A 및 B에 각각 적층 배치된 두 개의 타겟 오브젝트들에 대해 단일 반사 매트릭스 세트를 적용하였으며, 도 9의 (d)에 도시된 것과 같이 깊이 B에서의 반사 이미지가 코어-의존 위상 지연을 연산하는데 더 강한 상관 관계를 제공함에 따라, 깊이 B에서 목표 이미지를 명확히 식별할 수 있었다.
또한, 깊이 B에 대해서 입사파와 반사파의 위상 지연이 보상된 반사 매트릭스에 초점 거리를 바꾸기 위한 위상을 추가함으로써 도 9의 (c)에 도시된 것과 같이 깊이 A에서의 목표 이미지를 명확히 식별할 수 있었다.
도 10은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 염색되지 않은 생물학적 조직의 이미지를 획득하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 도 10의 (a)는 대물 렌즈를 통해 획득한 생물학적 조직의 투과 이미지를 도시하고, 도 10의 (b)는 일반적인 반사 내시 현미경을 통해 획득한 생물학적 조직의 이미지를 도시하고, 도 10의 (c)는 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 획득한 생물학적 조직의 이미지를 도시한다. 예를 들면, 생물학적 조직은 생쥐의 융모(villi)를 포함하는 조직일 수 있다.
구체적으로, 도 10의 (a) 내지 (c)에 따르면, 일반적인 반사 내시 현미경을 통해 획득된 이미지는 대상과 배경의 대비가 너무 낮아서 융모를 식별할 수 없으며, 그림자만 모호하게 표시되어 있는 것을 확인할 수 있다. 반면 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 통해 획득된 이미지는 역-반사 노이즈 및 위상지연이 없기 때문에 융모를 명확히 식별할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 11은 일실시예에 따른 반사 내시 현미경을 이용한 이미지 획득 방법을 설명하기 위한 도면이다.
다시 말해, 도 11은 도 1 내지 도 10을 통해 설명한 일실시예에 따른 반사 내시 현미경의 동작 방법을 설명하기 위한 도면으로, 이후 도 11을 통해 설명하는 내용 중 도 1 내지 도 10을 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략 하기로 한다.
도 11을 참조하면, 1110단계에서 일실시예에 따른 이미지 획득 방법은 입사파 출력부에서, 광섬유 번들에서 어느 하나의 광섬유를 통해 타겟 오브젝트(target object)로 입사파를 출력할 수 있다.
다음으로, 1120단계에서 일실시예에 따른 이미지 획득 방법은 반사파 수신부에서, 입사파에 대응하여 타겟 오브젝트로부터 출력되는 반사파를 광섬유 번들에서 대응되는 복수의 광섬유를 통해 수신할 수 있다.
다음으로, 1130단계에서 일실시예에 따른 이미지 획득 방법은 이미지 획득부에서, 반사파에 대응되는 반사 매트릭스(reflection matrix)를 구성하고, 구성된 반사 매트릭스에 기초하여 입사파의 위상 지연 및 반사파의 위상 지연 중 적어도 하나의 위상 지연이 보상된 이미지를 획득할 수 있다.
결국, 본 발명을 이용하면, 사전 캘리브레이션 과정 없이 광섬유 번들에 의한 위상 지연을 실시간으로 보정할 수 있다.
또한, 본 발명은 역-반사 노이즈 성분이 제거된 이미지를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명은 광섬유 번들 기반의 프로브를 통해 기존의 현미경이 접근하기 어려운 정밀 기계의 내부 혹은 인체 내부에 접근하여 광섬유 번들에 의한 위상 지연이 보정된 이미지를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명은 이광자 또는 형광 측정을 위한 어떠한 염색없이 입사파와 같은 파장을 갖는 반사파를 이용하여 고해상도 이미지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 형광 표지 없이 좁고 굴곡진 통로에 위치한 타겟 오브젝트에 대한 이미징을 수행할 수 있는 반사 내시 현미경에 관한 것으로, 광섬유 번들의 출사면에 렌즈나 스캐너가 부착되지 않아, 가장 얇은 형태의 프로브를 구현할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 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.
100: 반사 내시 현미경 110: 입사파 출력부
120: 반사파 수신부 130: 이미지 획득부

Claims (11)

  1. 광섬유 번들에서 어느 하나의 광섬유를 통해 타겟 오브젝트(target object)로 입사파를 출력하는 입사파 출력부;
    상기 입사파에 대응하여 상기 타겟 오브젝트로부터 출력되는 반사파를 상기 광섬유 번들에서 대응되는 복수의 광섬유를 통해 수신하는 반사파 수신부 및
    상기 반사파에 대응되는 반사 매트릭스(reflection matrix)를 구성하고, 상기 구성된 반사 매트릭스에 기초하여 상기 입사파의 위상 지연 및 상기 반사파의 위상 지연 중 적어도 하나의 위상 지연이 보상된 이미지를 획득하는 이미지 획득부
    를 포함하고,
    상기 이미지 획득부는,
    상기 구성된 반사 매트릭스에 기초한 상관관계 분석(correlation analysis)을 수행하되, 상기 구성된 반사 매트릭스의 열들(columns) 간의 상관관계 분석을 통해 상기 입사파의 위상 지연 성분을 도출하고, 상기 구성된 반사 매트릭스의 행들(rows) 간의 상관관계 분석을 통해 상기 반사파의 위상 지연 성분을 도출하며,
    상기 입사파의 위상 지연 성분 및 상기 반사파의 위상 지연 성분 각각은,
    상기 광섬유 번들의 굽힘 및 비틀림으로 인한 상기 입사파의 코어-의존 위상 지연 성분 및 상기 반사파의 코어-의존 위상 지연 성분을 포함하는
    반사 내시 현미경.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 오브젝트는,
    상기 광섬유 번들의 출사면으로부터 400μm 내지 1,200μm 만큼 이격된 거리에 위치하고,
    상기 이미지 획득부는,
    상기 반사파에 대응되는 원시 이미지에서 반사 데이터 성분이 집중된 복수의 픽셀들과 역-반사 노이즈(back-reflection noise) 성분이 집중된 픽셀을 구분하고, 상기 역-반사 노이즈 성분이 집중된 픽셀에서 상기 역-반사 노이즈 성분을 물리적으로 제거하는
    반사 내시 현미경.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 획득부는,
    상기 반사파에 대응되는 원시 이미지에 기초하여 복소 필드-맵(complex field-map)을 도출하고, 상기 복소 필드-맵에 기초하여 상기 반사 매트릭스를 구성하는
    반사 내시 현미경.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반사 매트릭스는,
    열(column) 인덱스와 행(row) 인덱스가 각각 상기 광섬유 번들에서의 상기 입사파의 공간좌표와 상기 반사파의 공간좌표로 구성되고, 매트릭스 구성 성분들(elements)이 상기 복소 필드-맵의 구성 성분들로 구성되는 매트릭스인
    반사 내시 현미경.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 이미지 획득부는,
    상기 구성된 반사 매트릭스에 기초한 상관관계 분석을 통해 상기 위상 지연이 보상된 이미지를 획득하는
    반사 내시 현미경.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 이미지 획득부는,
    상기 복소 필드-맵에서 상기 입사파의 위상 지연 성분을 보상하는
    반사 내시 현미경.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 입사파의 위상 지연 성분은,
    상기 입사파의 코어-의존 위상 지연 성분에 스케일링 팩터(scaling factor) 및 상기 입사파의 공간 좌표 성분이 연산된 성분인
    반사 내시 현미경.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 이미지 획득부는,
    상기 입사파의 위상 지연 성분이 보상된 복소 필드-맵에서 상기 반사파의 위상 지연 성분을 보상하는
    반사 내시 현미경.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반사파의 위상 지연 성분은,
    상기 반사파의 코어-의존 위상 지연 성분에 스케일링 팩터 및 상기 반사파의 공간 좌표 성분이 연산된 성분인
    반사 내시 현미경.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 이미지 획득부는,
    상기 반사파에 대응되는 원시 이미지에 대한 힐버트 변환(hilbert transform)을 통해 상기 복소 필드-맵을 도출하는
    반사 내시 현미경.
  11. 입사파 출력부에서, 광섬유 번들에서 어느 하나의 광섬유를 통해 타겟 오브젝트(target object)로 입사파를 출력하는 단계;
    반사파 수신부에서, 상기 입사파에 대응하여 상기 타겟 오브젝트로부터 출력되는 반사파를 상기 광섬유 번들에서 대응되는 복수의 광섬유를 통해 수신하는 단계 및
    이미지 획득부에서, 상기 반사파에 대응되는 반사 매트릭스(reflection matrix)를 구성하고, 상기 구성된 반사 매트릭스에 기초하여 상기 입사파의 위상 지연 및 상기 반사파의 위상 지연 중 적어도 하나의 위상 지연이 보상된 이미지를 획득하는 단계
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 위상 지연이 보상된 이미지를 획득하는 단계는,
    상기 이미지 획득부에서, 상기 구성된 반사 매트릭스에 기초한 상관관계 분석(correlation analysis)을 수행하되, 상기 구성된 반사 매트릭스의 열들(columns) 간의 상관관계 분석을 통해 상기 입사파의 위상 지연 성분을 도출하고, 상기 구성된 반사 매트릭스의 행들(rows) 간의 상관관계 분석을 통해 상기 반사파의 위상 지연 성분을 도출하며,
    상기 입사파의 위상 지연 성분 및 상기 반사파의 위상 지연 성분 각각은,
    상기 광섬유 번들의 굽힘 및 비틀림으로 인한 상기 입사파의 코어-의존 위상 지연 성분 및 상기 반사파의 코어-의존 위상 지연 성분을 포함하는
    반사 내시 현미경을 이용한 이미지 획득 방법.
KR1020200124780A 2020-09-25 2020-09-25 광섬유 번들을 이용하는 반사 내시현미경 및 이를 이용한 이미지 획득 방법 KR102404070B1 (ko)

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