KR102593252B1 - 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법 및 이미징 시스템 - Google Patents

고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법 및 이미징 시스템 Download PDF

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Abstract

본 개시에는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법 및 이미징 시스템이 개시되는 바, 이 방법은 광빔을 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔으로 변조시키고, 이 변조광빔은 대물렌즈의 초점면에서 똑같지 않은 변조 강도를 가지는 단계; 변조광빔에 의해 조명된 샘플을 상이한 화소 하에서 이미징을 수행하고, 상이한 화소 하에서의 샘플 이미지를 획득하는 단계; 및 상이한 화소 하에서의 샘플 이미지를 복조 알고리즘을 통해 복조하여 샘플 이미지의 초점면 이미지를 획득하는 단계를 포함하며; 시스템은 광빔 변조 모듈, 이미징 모듈 및 복조 모듈을 포함한다. 본 개시는 똑같지 않은 변조 강도를 갖는 광빔을 통해 조명을 수행하고, 동일한 샘플을 기반으로 상이한 화소 하에서 이미징을 수행한 후, 더 간단한 복조 알고리즘을 사용하여 초점면 이미지를 얻으며; 이는 구조광 재구성 알고리즘을 단순화하였고, 재구성의 효율성을 향상시켰으며, 대형 샘플의 이미징 속도를 향상시켰다.

Description

고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법 및 이미징 시스템
본 개시는 광학 이미징 기술에 관한 것으로서, 특히 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법 및 이미징 시스템에 관한 것이다.
광학 이미징 기술 분야에서는 기존 와이드 필드 현미경의 아웃 포커스된 배경 간섭으로 인해 초점면이 선명한 이미지를 얻을 수 없기에, 일반적으로 조직을 얇게 잘라서 배경 간섭을 피하는 바, 광학 단층촬영은 광학의 이미징 방법을 통해 유사한 조직 절편의 이미징 효과에 달할 수 있어 광학 절편이라고도 불린다. 공초점 마이크로 이미징 기술(Confocal microscopic imaging technique)은 카메라 앞에 배치된 핀홀(pinhole)을 통해 초점 이탈된 배경 간섭을 차단하고 초점면의 유효 신호만 통과시켜, 광학 단층촬영 효과에 달한다. 다광자 여기 마이크로 이미징 기술은 비선형 효과를 사용하며, 이상적인 광학 단층촬영 효과를 달성하기 위해 초점에만 충분한 에너지를 갖도록 하여 샘플의 형광 신호를 여기시킨다. 그러나, 이 두가지 광학 단층촬영 기술은 모두 하나하나 스캔(scan point by point)하는 이미징 방식을 사용하며, 이미징 플럭스에서 와이드 필드 이미징 방식에 비해 명백한 단점이 있다.
구조광 조명 마이크로 이미징 기술은 와이드 필드 조명에 중첩된 고주파의 주기적인 패턴 변조를 사용하여 초점면 신호에 대한 변조를 구현하며, 초점 이탈 신호는 이러한 고주파 변조의 빠른 감쇠로 인해 억제되어 광학 단층촬영이 구현된다. 이 과정을 구현하기 위해서는, 적어도 3개의 변조 위상이 상이한 원본 이미지가 필요하며, 초점면 신호는 구조광 조명 마이크로 이미징 재구성 알고리즘을 통해 복조되어, 광학 단층촬영 이미지가 얻어진다. 마찬가지로 광학 단층촬영 기능을 갖는 공초점 및 다광자 여기 마이크로 이미징 기술에 비해, 구조광 조명 마이크로 이미징은 와이드 필드 이미징 방식을 사용함으로써 높은 이미징 플럭스와 빠른 속도의 이점을 갖는다. 대형 샘플을 이미징해야 하는 경우, 구조광 조명 마이크로 이미징 기술은 일반적으로 이미징 시야를 확장하기 위해 모자이크 스플라이싱 방식이 필요하다. 따라서 대형 샘플이 이미징될때 소모되는 시간은 대부분이 모자이크와 모자이크사이의 샘플 이동에 사용되므로, 전체의 이미징 속도가 제한된다. 과도한 모자이크 스플라이싱을 피하기 위해, 출원번호 201310131718.X의 중국 특허 출원은 라인 스캔 스트립식 이미징을 사용하여 이미징 속도를 높이고, 구조광 조명을 사용하여 배경 간섭을 억제하여 대형 샘플의 광학 단층촬영 이미지의 신속한 획득을 구현하는 구조광 쾌속 스캐닝 이미징 방법을 개시한다. 그러나, 이 방법은 마찬가지로 구조광 조명 마이크로 이미징 알고리즘 재구성에 필요한 원본 데이터를 얻기 위해 샘플 이미징 영역을 왕복 세번 스캔해야 하므로, 이는 이미징 속도를 희생하였을 뿐만 아니라, 이 이미징 방법은 스트립식 이미징 시스템에서 광빔 변조기를 사용하여 조명광 필드에 대한 변조를 구현함으로써, 시스템의 복잡성을 증가시키는 동시에, 전통적인 구조광 조명 마이크로 이미징 방법의 사용으로 인해 이미징 품질이 변조 패턴 대비율에 더 많이 의존하게 된다. 더욱이 기존의 이미징 방식은 3차원 이미징을 수행할 수 없기 때문에 간단하고 효율적인 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템의 개발이 아주 필요하다.
본 개시는 상기와 같은 기술적 단점을 극복하고, 종래기술에서 구조광 조명 마이크로 이미징 기술은 대형 샘플에 대한 이미징 속도가 늦고, 별도의 변조 장치를 사용해야 하며, 변조 패턴 대비율에 크게 의존하고, 광학 단층촬영 이미지를 재구성할 때 복조 알고리즘이 복잡하다는 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법 및 이미징 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 기술목적을 달성하기 위해, 본 개시의 기술안은 아래와 같은 단계S1~단계S3을 포함하는 플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법을 제공한다.
단계S1에 있어서, 광빔을 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔으로 변조시키고, 이 변조광빔은 대물렌즈의 초점면에서 똑같지 않은 변조 강도를 가지며;
단계S2에 있어서, 카메라를 사용하여 변조광빔에 의해 조명된 동일한 샘플을 상이한 화소 하에서 이미징을 수행하고, 형성된 샘플 이미지의 계산식은
이며,
여기서, 는 i화소 하에서 형성된 샘플 이미지이고, 는 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도이며, 는 샘플 이미지의 초점면 이미지이고, 는 샘플 이미지의 초점 이탈면 이미지이며;
단계S3에 있어서, 복조 알고리즘을 통해 상이한 화소 하에서의 샘플 이미지를 복조하여 샘플 이미지의 초점면 이미지를 획득하고, 이 초점면 이미지는 광학 단층촬영 이미지이며; 여기서, 상기 복조 알고리즘의 복조 공식은
이고,
여기서, α, β는 양의 정수이고, c는 0보다 큰 상수이며, I1는 α개 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이고, I2는 β개 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며; α개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치와 β개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치는 상이하다.
동시에, 본 개시는 또한 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 시스템을 제공하는 바, 상기 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 시스템은
광빔을 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔으로 변조시키고, 이 변조광빔은 대물렌즈의 초점면에서 똑같지 않은 변조 강도를 갖기 위한 광빔 변조 모듈;
카메라를 사용하여 변조광빔에 의해 조명된 동일한 샘플을 상이한 화소 하에서 이미징하기 위한 이미징 모듈 - 그에 의해 형성된 샘플 이미지의 계산식은 이고, 는 i화소 하에서 형성된 샘플 이미지이고, 는 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도이며, 는 샘플 이미지의 초점면 이미지이고, 는 샘플 이미지의 초점 이탈면 이미지이며 - ; 및
상이한 화소 하에서의 샘플 이미지를 복조 알고리즘을 통해 복조하여 샘플 이미지의 초점면 이미지를 획득하기 위한 복조 모듈 - 이 초점면 이미지는 광학 단층촬영 이미지이고; 여기서, 상기 복조 알고리즘의 복조 공식은 이고, α, β는 양의 정수이고, c는 0보다 큰 상수이며, I1는 α개 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이고, I2는 β개 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며; α개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치와 β개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치는 상이하며 - ; 을 포함한다. 　　
종래기술과 비교하면, 본 개시는 똑같지 않은 변조 강도를 갖는 광빔을 통해 조명을 수행하고, 동일한 샘플을 기반으로 상이한 화소 하에서 이미징을 수행한 후, 더 간단한 복조 알고리즘을 사용하여 초점면 이미지를 얻으며; 이는 구조광 재구성 알고리즘을 단순화하였고, 재구성의 효율성을 향상시켰으며, 대형 샘플의 이미징 속도를 향상시켰다. 　　
도1은 본 개시에 따른 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법의 흐름도이다.
도2는 본 개시에 따른 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법 중 하나의 서브-흐름도이다.
도3은 본 개시에 따른 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법 중 다른 하나의 서브-흐름도이다.
도4는 본 개시에 따른 실시예1의 광학 단층촬영 이미지의 재구성 원리도이다.
도5는 본 개시에 따른 실시예2의 광학 단층촬영 이미지의 재구성 원리도이다.
도6은 본 개시에 따른 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 시스템의 광학구조 모식도이다.
도7은 본 개시에 따른 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 시스템의 연결 블록도이다.
본 개시의 목적, 기술안 및 이점을 보다 명확하게 하기 위해, 이하에서는 첨부된 도면 및 실시예를 결부시켜 본 개시를 더욱 상세히 설명한다. 여기에서 설명되는 구체적인 실시예는 단지 본 개시를 해석하기 위한 것일 뿐, 본 개시를 한정하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다.
도1~3에 나타낸 바와 같이, 본 개시에서는 아래의 단계S1~S3을 포함하는고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법을 제공한다.
단계S1에 있어서, 광빔을 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔으로 변조시키고, 이 변조광빔은 대물렌즈의 초점면에서 똑같지 않은 변조 강도를 가진다.
구체적으로 변조시킬 때, 우선 광빔을 라인형상의 라인광빔으로 성형시킨 후, 다시 라인광빔을 라인조명 변조광빔으로 변조시킨다. 본 실시예에서는 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔을 통해 샘플을 라인조명함으로써, 샘플이 형광을 여기하는데 도움이 될 수 있고, 따라서 후속 이미징에 도움이 된다.
여기서, 상기 변조광빔은 대물렌즈 초점면에서 구체적으로 똑같지 않은 변조 강도, 예를 들어 똑같지 않은 변조 강도를 갖는 가우스 변조, 사인 변조, 삼각 변조 등의 파형에 의해 변조된다. 본 실시예의 조명광빔은 가우스 광빔을 사용하기 때문에, 본 실시예에서 형성된 조명의 변조 광빔은 가우스 변조이다. 여기서, 본 실시예는 필요에 따라 똑같지 않은 변조 강도를 갖는 다른 파형에 의해 변조될 수도 있다.
단계S2에 있어서, 변조광빔에 의해 조명된 샘플을 상이한 행 화소 하에서 이미징을 수행하고, 형성된 샘플 이미지의 계산식은
이고,
여기서, 는 i화소 하에서 형성된 샘플 이미지이고, 는 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도이며, 는 샘플 이미지의 초점면 이미지이고, 는 샘플 이미지의 초점 이탈면 이미지이다.
구체적으로 이미징할 때, 이는 아래와 같은 단계S21~S24를 포함한다.
단계S21에 있어서, 상기 변조광빔과 샘플을 상기 X방향에서 상대적으로 연속적이고 등속이동하도록 구동시킨다.
단계S22에 있어서, 상기 카메라는 상기 샘플을 그의 상대적인 이동방향을 따라 순차적으로 연속 이미징시킨다.
본 실시예의 변조광빔은 샘플의 이동방향에 수직될 수 있고, 샘플이미징에 대해 연속 이미징하는 방향은 복수 행의 화소 배열의 방향과 동일하며, 즉 샘플이 변조광빔에 대해 상대적으로 이동하는 과정에서, 샘플의 연속 조명되는 부분이 연속 이미징된다. 여기서, 본 실시예에서는 샘플을 라인조명 변조광빔에 수직되는 방향을 따라 연속적으로 등속이동하도록 구동시킬 수 있고, 변조광빔을 샘플에 평행되는 방향을 따라 연속적으로 등속이동하도록 구동시킬 수도 있으며, 변조광빔과 샘플이 상대적인 연속, 등속운동을 할수 있기만 하면 된다.
도4（a）에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 이미징 영역은 N행 화소, N≥2이고; 상기 샘플의 이미징 평면에 평행되는 평면에서 서로 수직되는 X 및 Y 두 방향을 형성하고, 상기 변조광빔은 X 및 Y방향에서 각각 아래과 같은 특성을 갖는다. 상기 변조광빔은 상기 N행 화소에서 X방향을 따라 똑같지 않은 변조 강도를 가지고, 상기 변조광빔은 상기 N행 화소의 각 행의 화소에서 Y방향을 따라 동일한 변조 강도를 갖는다. 또한, N행 화소의 분포방향 및 폭은 각각 라인조명 변조광빔의 분포방향 및 폭과 동일하고, 서로 물상공액관계에 있기 때문에, 이미징 영역과 라인조명 변조광빔이 서로 대응되는데 편리하다.
대응하게, 변조광빔에 대한 샘플의 이동방향은 또한 X방향을 따르므로, 변조광빔에 대한 샘플의 이동방향이 N행 화소의 배열방향과 동일함을 확보할 수 있다. 조작의 편의를 위해, 본 실시예에서 바람직하게는 구동에 의한 샘플의 이동을 사용하고, 변조광빔은 정적으로 설정될 수 있으며, 즉 샘플의 이동방향은 N행 화소의 배열방향과 동일하게 설정할 수 있고, 이미징의 단일 프레임 노출시간은 샘플이 한 행의 화소를 이동하는 시간과 동일하다. 임의의 한 행의 화소의 한 프레임 이미지에서 대응되는 이미지가 하나의 스트립 이미지 블록으로 설정되면, 임의의 한 행의 화소의 다중 프레임 이미지에서 대응되는 복수의 스트립 이미지 블록은 이 샘플의 각 부분의 순차적인 연속 이미징이고, 이 연속 이미징은 하나의 스트립 이미지로 스플라이싱될 수 있으며, N행 화소는 N개의 스트립 이미지를 형성할 수 있다.
여기서, 본 실시예에서는 이미징을 판단할 수 있고, 연속 이미징이 완료된 후 후속되는 단계를 수행할 수 있으며, 연속 이미징이 완료되지 않은 경우 샘플의 이동을 계속하여 구동시킨다. 본 실시예는 샘플의 연속, 등속이동을 통해 샘플의 연속 이미징을 실현하기 때문에, 이는 샘플에 대한 연속 스캐닝 이미징에 해당하며, 이미징 후에는 전체 샘플이 연속 스캐닝 이미징을 완료했는지 여부를 판단해야 하며, 이는 이미징의 무결성 및 연속성을 확보하는데 도움이 된다.
단계S23에 있어서, 시간순으로 얻은 각 프레임 이미지에서의 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 획득하고, 상기 스트립 이미지 블록의 계산식은
이며,
여기서, 는 t번째 프레임 이미지에서 제i행 화소에 대응되는 스트립 이미지 블록이고, 는 에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이며, 즉 는 온전한 스트립 이미지에서의 m번째 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이고, 는 에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점 이탈면 이미지이며, 는 제i행 화소에 대응되는 변조 강도이다.
도4（a）에 나타낸 바와 같이, 이미징 시, 샘플은 이미징 화소의 배열방향을따라 이동하며, 이미징의 단일 프레임 노출시간은 샘플이 한 행의 화소를 이동하는 시간과 동일하기 때문에, 각 행의 화소는 샘플의 길이방향을 따라 복수의 스트립 이미지 블록을 순차적으로 형성하며, 이 복수의 스트립 이미지 블록은 샘플에 대한 연속 이미징이다.
단계S24에 있어서, 각 프레임 이미지에서의 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 순차적으로 스플라이싱하여 제i행 화소의 스트립 이미지를 얻고, 상기 스트립 이미지의 계산식은
이며,
여기서, M는 온전한 스트립 이미지에 대응되는 스트립 이미지 블록의 수이고, 상세하게는, 상기 스트립 이미지는 M개의 스트립 이미지 블록을 스플라이싱하여 형성되고, 여기서, 는 상기 스트립 이미지에서 m번째 스트립 이미지 블록에 대응되는 초점면 이미지이고, m≤M이다.
상기 스트립 이미지는 한 행의 화소에 대응되는 복수의 스트립 이미지 블록을 시프트 및 스플라이싱하여 형성되고, 즉 N행 화소는 각각 스플라이싱되어 N개의 샘플 이미지를 형성할 수 있음에 유의해야 한다.
단계 S3에 있어서, 복조 알고리즘을 통해 상이한 화소 하에서의 복수의 스트립 이미지를 복조하여 상기 스트립 이미지의 초점면 이미지를 획득하고, 이 초점면 이미지는 광학 단층촬영 이미지이며; 여기서, 상기 복조 알고리즘의 복조 공식은
이고,
여기서, α, β는 양의 정수이고, c는 0보다 큰 상수이며, I1는 α개 화소 하에서 획득한 스트립 이미지의 누적합이고, I2는 β개 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며; α개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치와 β개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치는 상이하다.
그 구체적인 단계는 아래와 같다.
단계S31에 있어서, 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제1스트립 이미지를 형성하고, 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제2스트립 이미지를 형성하며;
상기 N개의 스트립 이미지를 획득하는 경우, 그 중의 하나, 둘 또는 복수의 스트립 이미지를 임의로 선택해서 누적하여 제1스트립 이미지를 형성한 후, 동일한 방식으로 누적하여 제2스트립 이미지를 얻고, 상기 복조 알고리즘에 의해 획득된 광학 단층촬영 이미지가 0이 되는 것을 방지하기 위해, 본 실시예에서는 α개 화소 하에서의 스트립 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치와 β개 화소 하에서의 스트립 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치를 상이하게 설정할 수 있다.
단계S32에 있어서, 제1스트립 이미지 및 제2스트립 이미지는 복조 공식에 의해 상기 스트립 이미지의 광학 단층촬영 이미지로 복조되면, 이다.
본 실시예의 스트립 이미지의 획득 프로세스의 설명을 쉽게 하기 위해, 이하실시예에 따라 설명된다.
실시예1: 도4（a）에 나타낸 바와 같이, 샘플이 N행 화소의 배열방향을 따라 이동하면, 이는 t1시간 내지 tN+M-1시간내에 N+M-1프레임 이미지(M는 온전한 스트립 이미지에 대응되는 스트립 이미지 블록의 수이고, 이 실시예에서 N는 8이고, M는 9임)를 얻을 수 있고, 이 N+M-1 프레임 이미지에서의 각 행의 화소는 모두 하나의 스트립 이미지 블록에 대응되며, 예를 들어, 첫번째 프레임 이미지의 제1행 화소의 스트립 이미지 블록, 두번째 프레임 이미지의 제1행 화소의 스트립 이미지 블록, N번째 프레임 이미지의 제1행 화소의 스트립 이미지 블록 및 N+M-1번째 프레임 이미지의 제1행 화소의 스트립 이미지 블록을 획득할 수 있으며, 상기스트립 이미지 블록, 스트립 이미지 블록 내지 스트립 이미지 블록은 순차적으로 스플라이싱되어 하나의 스트립 이미지를 형성할 수 있고, 대응되는 제2행 화소 내지 제N행 화소는 모두 스플라이싱되어 대응되는 스트립 이미지를 형성할 수 있다.
도4（b）및 4（c）에 나타낸 바와 같이, 보다 선명한 스트립 이미지 블록 및 스트립 이미지를 획득하는 방법을 쉽게 설명하기 위해, 우선 제2행 화소 및 제4행 화소를 예로 들어 설명한다. 스트립 이미지 블록 및 샘플 이미지의 계산식에서 각각 알다시피: 및 이면, 네번째 프레임 이미지의 제4행 화소 하에서의 스트립 이미지 블록（여기서 m=1이고, 스트립 이미지는 9개의 스트립 이미지 블록을 스플라이싱하여 형성되며, 네번째 프레임 이미지의 제4행의 화소 하에서의 스트립 이미지 블록은 상기 스트립 이미지의 첫번째 스트립 이미지 블록이고, 즉 는 상기 스트립 이미지에서 첫번째 스트립 이미지 블록에 대응되는 초점면 이미지임）이고; 상응하게, 이고, 여기서 이며, 두번째 프레임 이미지의 제2행 화소 하에서의 스트립 이미지 블록이고; I1는 제4행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며, 즉 이고, I2는 제2행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며, 즉 이고, α및 β의 값을 모두1로 선택하고, 이기 때문에, 이다.
실시예2: 도5에 나타낸 바와 같이, 제4행 화소 하에서 스플라이싱하여 형성된 스트립 이미지이고, 여기서 이며; 제1행 화소 하에서 스플라이싱하여 형성된 스트립 이미지이고, 여기서 이며; 제2행 화소 하에서 스플라이싱하여 형성된 스트립 이미지이고, 여기서 이며; 제3행 화소 하에서 스플라이싱하여 형성된 스트립 이미지이고, 여기서 이다.
I1는 제1, 2, 3행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이고, 즉 이며, I2는 제4행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이고, 즉 이면, α의 값은 3, β의 값은 1로 대응하게 선택한 것에 해당하기 때문에, 복조 공식에서 알다사피: 이며, 따라서, 이다.
본 실시예의 설명의 편의를 위해, 도6, 도7에 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 또한 광빔 변조 모듈(11), 이미징 모듈(12) 및 복조 모듈(13)을 포함하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 시스템(10)을 제공한다.
광빔 변조 모듈(11)은 광빔을 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔으로 변조시키고, 이 변조광빔은 대물렌즈의 초점면에서 똑같지 않은 변조 강도를 갖기 위한 것이다.
본 실시예에서, 상기 광빔 변조 모듈(11)은 조명 광선을 라인형상의 라인광빔으로 성형하기 위한 하나의 성형광로 및 라인광빔을 라인조명 변조광빔으로 변조히기 위한 하나의 변조광로를 포함한다. 여기서, 상기 성형광로는 조명 광선의 전달 방향을 따라 순차적으로 설치되는 레이저광원(111), 제1렌즈(112), 제2렌즈(113), 원통형 렌즈(114)를 포함하고; 상기 변조광로는 라인광빔의 발산광선을 평행광선으로 변조하기 위한 제3렌즈(115), 라인광빔의 입사방향을 변조하기 위한 다이크로익 미러(116) 및 입사방향 변조후의 라인광빔과 동축으로 설치되는 하나의 대물렌즈(117)를 포함한다.
광선 변조시, 레이저광원(111)은 출사되어 조명 광선을 형성하고, 이는 제1렌즈(112) 및 제2렌즈(113)에 의해 순서대로 처리된 후 확산되며, 확산 후의 광빔은 원통형 렌즈(114)에 의해 성형되어 라인형상의 라인광빔(11a)을 형성하고, 이 라인형상 광빔(11a)은 발산된 광선이므로, 이는 제3렌즈(115)를 통과하여 평행광선의 라인형상 광빔(11a)을 형성하고, 다이크로익 미러(116)를 통과하여 그 입사방향을 변경시킨 후 대물렌즈(117)로 진입하여 대물렌즈(117)의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈(117)의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 라인형상 변조광빔(11b)을 형성시킨다. 후속되는 이미징의 편의를 위해, 라인형상 변조광빔(11b)의 광축은 조명 광선 및 반사되지 않은 라인형상 광빔(11a)의 광축에 수직으로 설치되며, 즉 제1렌즈(112), 제2렌즈(113), 원통형 렌즈(114), 제3렌즈(115)는 동축으로 설치되고, 제1렌즈(112), 제2렌즈(113), 원통형 렌즈(114), 제3렌즈(115)의 중심축선은 대물렌즈(117)의 중심축선에 수직으로 설치된다. 또한, 다이크로익 미러(116)와 라인조명 변조광빔(11b)의 광축사이의 협각은 45°이고, 이는 다이크로익 미러(116)에 의해 반사된 후의 라인광빔(11a)의 폭변형이 발생하지 않도록 확보할 수 있다.
이미징 모듈(12)은 카메라를 사용하여 변조광빔에 의해 조명된 동일한 샘플을 상이한 화소 하에서 이미징 하기 위한 것이고, 이는 구동 유닛(121), 이미징 유닛(122), 이미지 블록 획득 유닛(123) 및 스플라이싱 유닛(124)을 포함한다. 여기서, 이미징 모듈(12)에 의해 이미징되어 형성된 샘플 이미지의 계산식은 이고, 여기서, 는 i화소 하에서 형성된 샘플 이미지이고, 는 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도이며, 는 샘플 이미지의 초점면 이미지이고, 는 샘플 이미지의 초점 이탈면 이미지이다.
구동 유닛(121)은 상기 변조광빔(11b)과 샘플(20)을 X방향으로 상대적으로 연속적이고 등속이동하도록 구동하기 위한 것이고, 카메라의 단일 프레임 노출시간은 한 행의 화소를 상대적으로 이동하는 시간과 동일하며; 구동의 편의를 위해, 본 실시예의 구동 유닛(121)은 하나의 병진 스테이지를 채택할 수 있고, 이는 샘플(20)을 변조광빔(11b)에 수직되는 방향에서 연속, 등속이동하도록 구동할 수 있으며; 병진 스테이지(12)는 전동식 병진 스테이지(12)를 채택할 수 있고, 이는 대물렌즈(117)의 바로 아래에 위치하며, 샘플(20)은 병진 스테이지(12)에 배치되어 병진 스테이지(12)에 따라 이동될 수 있다. 이미징의 정밀도를 제어하기 위해, 병진 스테이지(12)의 상부 표면은 라인형상 변조광빔(11b)의 광축에 수직되고, 샘플(20)은 병진 스테이지(12)에 배치되어 이동 중에 라인형상 변조광빔(11b)의 변조 영역내를 통과하며, 라인형상 변조광빔(11b)의 작용하에, 샘플(20)은 여기되어 형광을 방출한다. 본 실시예의 병진 스테이지(12)는 수평 상태에 있고, 라인형상 변조광빔(11b)은 상기 병진 스테이지에 평행되고 샘플(20)의 이동방향과 서로 수직된다.
이미징 유닛(122)은 샘플(20)의 상대적인 이동방향을 따라 순차적으로 이미징하기 위한 것이고; 상세하게는 샘플(20)의 연속적인 이동에 따라 순차적이고 연속적인 이미징을 수행하고, 이는 하나의 이미징 광로를 통해 실현할 수 있으며, 이 이미징 광로는 대물렌즈(117)의 바로 위에 위치한 발사 광필터(122a), 튜브렌즈(122b) 및 카메라(122c)로 구성되어 있으며, 샘플(20)이 여기되어 방출된 형광은 대물렌즈(117), 다이크로익 미러(116), 발사 광필터(122a) 및 튜브렌즈(122b)를 순차적으로 통과하고, 카메라(122c)에 의해 탐지되어 이미징된다. 여기서, 본 실시예의 카메라(122c)는 Sub-array（서브 어레이） 또는 ROI（Region of interest，관심영역）의 기능을 갖는 에리어 어레이 CCD（Charge-coupled device，전하 결합 소자） 또는 에리어 어레이 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，상보성 금속산화물 반도체）카메라이고, 에리어 모드 기능을 갖는 라인 어레이 CCD 또는 라인 어레이 CMOS 카메라를 사용할 수도 있다. 후속되는 광학 단층촬영 이미지의 재구성의 편의를 위해, 본 실시예에서 상기 카메라(122c)의 이미징 영역은 N행 화소, N≥2이고, 카메라(122c)의 이미징 방향 및 이미징 영역의 폭은 각각 라인조명 변조광빔(11b)의 방향 및 폭과 동일하며, 상기 카메라(122c)의 단일 프레임 노출시간은 상기 병진 스테이지가 샘플(20)을 구동하여 한 행의 화소를 이동시키는 시간과 동일하다. 그리고, 그에 대해서는 이미 전문에서 설명하였기 때문에, 여기서는 반복하지 않는다.
이미지 블록 획득 유닛(123)은 시간순으로 얻은 각 프레임 이미지에서의 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 획득하기 위한 것이고, 스트립 이미지 블록의 계산식은 이고, 는 t번째 프레임 이미지에서 제i행 화소에 대응되는 스트립 이미지 블록이며, 는 에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이고, 즉 는 온전한 스트립 이미지에서의 m번째 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이고, 는 에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점 이탈면 이미지이며, 는 제i행 화소에 대응되는 변조 강도이다.
스플라이싱 유닛(124)은 각 프레임 이미지에서 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 순차적으로 스플라이싱하여 제i행 화소의 스트립 이미지를 얻기 위한 것이고, 그 계산식은 이고, 여기서, M는 온전한 스트립 이미지에 대응되는 스트립 이미지 블록의 수이다. 상세하게는, 상기 스트립 이미지는 M개의 스트립 이미지 블록을 스플라이싱하여 형성되고, 여기서, 는 상기 스트립 이미지에서 m번째 스트립 이미지 블록에 대응되는 초점면 이미지이고, m≤M이다.
복조 모듈(13)은 복수의 샘플 이미지를 복조 알고리즘을 통해 복조하여 복수의 샘플 이미지의 초점면 이미지를 획득하기 위한 것이고, 이는 이미지 누적 유닛(131) 및 복조 유닛(132)을 포함하며, 본 실시예의 샘플 이미지는 스트립 이미지이고, 이미지 누적 유닛(131)은 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제1스트립 이미지를 형성하고, 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제2스트립 이미지를 형성하기 위한 것이고; 복조 유닛(132)은 제1스트립 이미지 및 제2스트립 이미지를 상기 복조 공식에 의해 상기 스트립 이미지의 광학 단층촬영 이미지로 복조하기 위한 것이다. 본 실시예에서 설명되는 초점면 이미지는 광학 단층촬영 이미지이고; 여기서, 상기 복조 알고리즘의 복조 공식은 이고, α, β는 양의 정수이고, c는 0보다 큰 상수이며, I1는 α개 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이고, I2는 β개 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며; α개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치와 β개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치는 상이함에 유의해야 한다.
상기 이미지 블록 획득 유닛(123), 스플라이싱 유닛(124), 이미지 누적 유닛(131) 및 복조 유닛(132)의 구체적인 작용 과정은 이미 전문에서 상세히 설명하였다.
상술한 본 개시의 구체적인 구현은 본 개시의 보호범위에 대한 제한을 구성하지 않는다. 본 개시의 기술 구상에 따라 이루어진 기타 대응되는 다종한 임의의 변경 및 변형은 모두 본 개시의 청구 범위의 보호 범위내에 포함되어야 한다.

Claims (10)

  1. 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법에 있어서,
    상기 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법은 아래와 같은 단계S1~단계S3을 포함하되,
    단계S1에 있어서, 광빔을 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔으로 변조시키고;
    단계S2에 있어서, 카메라를 사용하여 변조광빔에 의해 조명된 동일한 샘플을 상이한 행 화소 하에서(in different rows of pixels) 이미징을 수행하여 복수의 샘플 이미지를 형성하고, 상기 변조광빔은 이미징 동안, 상기 상이한 행 화소의 배열방향으로 상이한 행 화소에 대해 똑같지 않은 변조 강도를 가지며, 상기 샘플과 상기 변조광빔은 상기 상이한 행 화소의 상기 배열방향을 따라 상대적으로 이동하며, 상기 상이한 행 화소 내의 각 행 화소는 상기 상이한 행 화소의 상기 배열방향을 따라 복수의 스트립 이미지 블록을 순차적으로 형성하고, 상기 복수의 스트립 이미지 블록은 동일한 샘플의 복수의 샘플 이미지 중 대응하는 이미지로 스플라이싱하는 데 사용되는 상이한 행 화소의 각 행 화소에 의해 형성되고, 형성된 샘플 이미지의 계산식은
    이며,
    여기서, 는 제i행 화소 하에서 형성된 샘플 이미지이고, 는 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도이며, 는 샘플 이미지의 초점면 이미지이고, 는 샘플 이미지의 초점 이탈면 이미지이며;
    단계S3에 있어서, 복조 알고리즘을 통해 상이한 화소 하에서의 샘플 이미지를 복조하여 샘플 이미지의 초점면 이미지를 획득하고, 이 초점면 이미지는 광학 단층촬영 이미지이며; 여기서, 상기 복조 알고리즘의 복조 공식은
    이고,
    여기서, α, β는 양의 정수이고, I1는 제α행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이고, I2는 제β행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며; c는 상기 선택된 제α행 화소 및 상기 선택된 제β행 화소에 관련되며; βx(제α행 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치)와 αx(제β행 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치)는 상이한
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카메라의 이미징 영역은 N행 화소, N≥2이고;
    상기 샘플의 이미징 평면에 평행되는 평면에서 서로 수직되는 X 및 Y 두 방향을 형성하고, 상기 변조광빔은 X 및 Y 방향에서 각각 아래와 같은 특성을 가지며 - 상기 변조광빔은 상기 N행 화소에서 X방향을 따라 똑같지 않은 변조 강도를 가지고, 상기 변조광빔은 상기 N행 화소의 각 행의 화소에서 Y방향을 따라 동일한 변조 강도를 가지며 - ;
    상기 화소는 행화소이고, 상기 샘플 이미지는 스트립 이미지인
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단계S2는 아래와 같은 단계S21~S24를 포함하되,
    단계S21에 있어서, 상기 변조광빔과 샘플을 상기 X방향에서 상대적으로 연속적이고 등속이동하도록 구동시키며;
    단계S22에 있어서, 상기 카메라는 상기 샘플을 그의 상대적인 이동방향을 따라 순차적으로 연속 이미징시키며;
    단계S23에 있어서, 시간순으로 얻은 각 프레임 이미지에서의 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 획득하고, 스트립 이미지 블록의 계산식은
    이며,
    여기서, 는 t번째 프레임 이미지에서 제i행 화소에 대응되는 스트립 이미지 블록이고, 는 에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이며, 즉 는 온전한 스트립 이미지에서의 m번째 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이고, 는 에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점 이탈면 이미지이며, 는 제i행 화소에 대응되는 변조 강도이며;
    단계S24에 있어서, 각 프레임 이미지에서의 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 순차적으로 스플라이싱하여 제i행 화소의 스트립 이미지를 얻고, 그 계산식은
    이며,
    여기서, M는 온전한 스트립 이미지에 대응되는 스트립 이미지 블록의 수이고, m≤M인
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 카메라의 단일 프레임 노출시간은 한 행의 화소를 상대적으로 이동하는 시간과 동일한
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 N행 화소의 분포방향 및 폭은 각각 변조광빔의 분포방향 및 폭과 동일하며, 서로 물상공액관계에 있는
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계S3은 아래와 같은 단계S31~ S32를 포함하되,
    단계S31에 있어서, 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제1스트립 이미지를 형성하고, 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제2스트립 이미지를 형성하며;
    단계S32에 있어서, 제1스트립 이미지 및 제2스트립 이미지는 상기 복조 공식에 의해 상기 스트립 이미지의 광학 단층촬영 이미지로 복조되면, 인
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 변조광빔은 라인형상인
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 방법.
  8. 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 시스템에 있어서,
    광빔을 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔으로 변조시키기 위한 광빔 변조 모듈;
    카메라를 사용하여 변조광빔에 의해 조명된 동일한 샘플을 상이한 행 화소 하에서 이미징을 수행하여 복수의 샘플 이미지를 형성하고, 상기 변조광빔은 이미징 동안, 상기 상이한 행 화소의 배열방향으로 상이한 행 화소에 대해 똑같지 않은 변조 강도를 가지며, 상기 샘플과 상기 변조광빔은 상기 상이한 행 화소의 상기 배열방향을 따라 상대적으로 이동하며, 상기 상이한 행 화소 내의 각 행 화소는 상기 상이한 행 화소의 상기 배열방향을 따라 복수의 스트립 이미지 블록을 순차적으로 형성하고, 상기 복수의 스트립 이미지 블록은 동일한 샘플의 복수의 샘플 이미지 중 대응하는 이미지로 스플라이싱하는 데 사용되는 상이한 행 화소의 각 행 화소에 의해 형성되도록 하기 위한 이미징 모듈 - 그에 의해 형성된 샘플 이미지의 계산식은 이고, 는 제i행 화소 하에서 형성된 샘플 이미지이고, 는 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도이며, 는 샘플 이미지의 초점면 이미지이고, 는 샘플 이미지의 초점 이탈면 이미지이며 - ; 및
    상이한 화소 하에서의 샘플 이미지를 복조 알고리즘을 통해 복조하여 샘플 이미지의 초점면 이미지를 획득하기 위한 복조 모듈 - 이 초점면 이미지는 광학 단층촬영 이미지이고; 여기서, 상기 복조 알고리즘의 복조 공식은 이고, α, β는 양의 정수이고, I1는 제α행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이고, I2는 제β행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며; c는 상기 선택된 제α행 화소 및 상기 선택된 제β행 화소에 관련되며; βx(제α행 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치)와 αx(제β행 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치)는 상이하며 - ; 을 포함하는,
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 카메라의 이미징 영역은 N행 화소, N≥2이고;
    상기 샘플의 이미징 평면에 평행되는 평면에서 서로 수직되는 X 및 Y 두 방향을 형성하고, 상기 변조광빔은 X 및 Y 방향에서 각각 아래와 같은 특성을 가지며 - 상기 변조광빔은 상기 N행 화소에서 X방향을 따라 똑같지 않은 변조 강도를 가지고, 상기 변조광빔은 상기 N행 화소의 각 행의 화소에서 Y방향을 따라 동일한 변조 강도를 가지며 - ;
    상기 화소는 행화소이고, 상기 샘플 이미지는 스트립 이미지이며;
    상기 N행 화소의 분포방향 및 폭은 각각 변조광빔의 분포방향 및 폭과 동일하며, 서로 물상공액관계에 있는
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이미징 모듈은
    상기 변조광빔과 샘플을 X방향으로 상대적으로 연속적이고 등속이동하도록 구동하기 위한 구동 유닛 - 상기 카메라의 단일 프레임 노출시간은 한 행의 화소를 상대적으로 이동하는 시간과 동일하며 - ;
    카메라를 사용하여 상기 샘플을 그의 상대적인 이동방향을 따라 순차적으로 이미징하기 위한 이미징 유닛;
    시간순으로 얻은 각 프레임 이미지에서의 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 획득하기 위한 이미지 블록 획득 유닛 - 스트립 이미지 블록의 계산식은 이고, 는 t번째 프레임 이미지에서 제i행 화소에 대응되는 m번째 스트립 이미지 블록이며, 는 에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이고, 는 에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점 이탈면 이미지이며, 는 제i행 화소에 대응되는 변조 강도이며 - ; 및
    각 프레임 이미지에서 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을순차적으로 스플라이싱하여 제i행 화소의 스트립 이미지를 얻기 위한 스플라이싱 유닛 - 상기 스트립 이미지의 계산식은 이고, M는 온전한 스트립 이미지에 대응되는 행화소의 수이며 - ; 을 포함하고,
    상기 복조 모듈은
    적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제1스트립 이미지를 형성하고, 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제2스트립 이미지를 형성하기 위한 이미지 누적 유닛; 및
    제1스트립 이미지 및 제2스트립 이미지를 상기 복조 공식에 의해 상기 스트립 이미지의 광학 단층촬영 이미지로 복조하면 로 되기 위한 복조 유닛을 포함하는
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 이미징 시스템.
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