KR20130016417A - Optical apparatus - Google Patents

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이재용
이은성
문대원
임천석
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한국표준과학연구원
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Abstract

PURPOSE: An optical system is provided to enable to obtain an objective lens for inserting a biological sample without aberration and a focal distance difference with respect to pump beams and stocks beams. CONSTITUTION: An optical system comprises a scanning unit(230), a fiber bundle unit(260), and an objective lens unit(270). The scanning unit provides collimation beams for scanning. One end of the fiber bundle unit receives the collimation beams, and the other end of the fiber bundle unit comprises a plurality of fibers outputting the collimation beams. The objective lend unit connected to the other end of the fiber bundle unit collects focal contacts of surfaces of an object in the other end of a sample, thereby transferring the same on the top surface of the sample and inserting into the sample.

Description

광학 장치{OPTICAL APPARATUS}Optical device {OPTICAL APPARATUS}

본 발명은 광학 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로, CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) 바이오 현미경의 대물 렌즈계(objective)에 관한 것이다.The present invention relates to an optical device, and more particularly, to an objective lens system of a Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) bio microscope.

CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) 바이오 현미경과 같은 생체 영상기술은 인류가 당면하고 있는 난치성 질병의 메커니즘을 규명하거나 해결할 수 있는 첨단과학기술이다. CARS 바이오 현미경 기술과는 달리, 기존의 공초점 반사 현미경 기반의 영상 기술은 세포조직에 여러 종류의 형광색소를 사용한다. 형광색소는 비독성이고, 단층촬영을 위해서는 세포조직에 깊게 침투해야 한다. 형광색소의 안전문제, 형광색소에 의존하는 비효율적인 진단성, 그리고 형광색소의 침투 비균일성에 의한 촬영된 상의 명암저하와 같은 문제가 발생된다. Bioimaging technologies such as CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) biomicroscopy are advanced science technologies that can identify or solve the mechanism of intractable diseases facing humanity. Unlike CARS biomicroscopy techniques, conventional confocal reflection microscopy-based imaging techniques use several types of fluorescent pigments in tissues. Fluorescent pigments are non-toxic and require to penetrate deep into the tissue for tomography. Problems such as safety problems of fluorescent dyes, inefficient diagnostics dependent on fluorescent dyes, and reduced contrast of photographed images due to inhomogeneity of fluorescent dyes are caused.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 CARS 이미징용 대물 렌즈계(objective)를 제공하는 것이다.One technical problem to be solved of the present invention is to provide an objective lens system (objective) for CARS imaging.

본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 스캐닝하는 평행빔을 제공하는 스캐닝부, 일단은 상기 평행빔을 전달받고 타단은 상기 평행빔을 출력하는 복수의 파어버를 포함하는 파이버 번들부, 및 상기 파이버 번들부의 타단에 접속하고 상기 타단의 물체 면(object plame)의 초점 궤적들을 샘플에 집속하여 샘플 상면(sample image plane)에 전달하고 상기 샘플에 삽입 가능한 대물렌즈부를 포함한다.An optical apparatus according to an embodiment of the present invention is a scanning unit for providing a parallel beam for scanning, one end of the fiber bundle unit including a plurality of fibers receiving the parallel beam and the other end to output the parallel beam, and the And an objective lens unit connected to the other end of the fiber bundle part, focusing the focal trajectories of the object plane of the other end on the sample, delivering the sample to a sample image plane, and inserting the sample into a sample image plane.

본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 펌프 빔 및 스톡스 빔에 대하여 수차가 없고 초점 거리 차이가 없는 생체 샘플 삽입용 대물 렌즈계를 제공할 수 있다. The optical device according to an embodiment of the present invention may provide an objective lens system for inserting a biological sample without aberration and difference in focal length with respect to the pump beam and the Stokes beam.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 광학 장치의 대물렌즈부를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2의 대물렌즈부의 광학 성능을 나타내는 도면들이다.
도 4는 도 2의 대물렌즈부의 스폿 다이어그램(spot diagram)을 나타낸다.
도 5는 도 2의 인서클드 에너지(encircled energy)를 나타낸다.
도 6은 도 2의 대물렌즈부의 점퍼짐함수(point spread function)를 나타낸다.1 is a view illustrating an optical device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining an objective lens unit of the optical device of FIG. 1.
3 is a diagram illustrating optical performance of the objective lens unit of FIG. 2.
4 illustrates a spot diagram of the objective lens unit of FIG. 2.
FIG. 5 shows the encircled energy of FIG. 2.
FIG. 6 illustrates a point spread function of the objective lens unit of FIG. 2.

본 발명에 따른 CARS 현미경 장치는 단일세포와 조직에 형광물질을 투여하지 않고, 분자 마다의 고유 진동 특성을 레이저 비선형광학 현상을 이용해 측정한다. 따라서, 상기 CARS 현미경 장치는 살아 있는 상태의 세포를 실시간으로 관찰할 수 있다. 또한, CARS 현미경 장치는 세포를 자르지 않고서도 3차원 입체 영상으로 내부 단면을 촬영할 수 있으며, 수 마이크로미터 크기의 세포에서 수 밀리미터 범위의 생체조직까지 300 나노미터 정도의 공간 해상도를 가지고 관찰할 수 있다.The CARS microscope apparatus according to the present invention measures the intrinsic vibration characteristic of each molecule using laser nonlinear optical phenomena without administering a fluorescent substance to single cells and tissues. Therefore, the CARS microscope device can observe the cells in a live state in real time. In addition, the CARS microscopy device can take internal cross-sections in three-dimensional stereoscopic images without cutting the cells, and can be observed with a spatial resolution of about 300 nanometers, ranging from cells of several micrometers in size to biological tissues ranging from several millimeters. .

한편, 상기 CARS 현미경 장치가 생체 내부(in-vivo)를 관찰하기 위하여, 내시 현미경 광학계가 요구된다. 즉, CARS 이미징용 현미경 대물렌즈부의 광학설계가 요구된다.On the other hand, in order for the CARS microscope device to observe in-vivo, an endoscope microscope optical system is required. That is, the optical design of the microscope objective lens unit for CARS imaging is required.

파장이 다른 두 개의 펄스인 펌프 빔(ωP)와 스톡스 빔(ωS)가 생체 샘플 내에서 동시에 초점을 형성하면, 이 초점에서 CARS 신호가 발생되고, 상기 CARS 신호는 검출부 쪽에서 영상화된다.When two pulses of different wavelengths, the pump beam ω P and the Stokes beam ω S , simultaneously focus in a biological sample, a CARS signal is generated at this focus, and the CARS signal is imaged on the detection side.

펌프 빔(ωP)와 스톡스 빔(ωS)으로 표현되는 두 개의 펄스가 색수차 없이 한 점으로 집속되면, 생체는 효과적으로 상기 CARS 신호을 발생시킬 수 있다. CARS 신호는 3차의 유도 편극 효과와 관련이 있다. 즉, CARS 신호의 발생량은 상기 펌프 빔의 세기의 자승과 상기 스톡스 빔 세기의 일승의 곱에 비례한다. 따라서, 집속되는 빔의 질은 CARS 현미경의 성능에 영향을 미친다.When two pulses represented by the pump beam ω P and the Stokes beam ω S are focused at one point without chromatic aberration, the living body can effectively generate the CARS signal. CARS signals are associated with tertiary induced polarization effects. That is, the generation amount of the CARS signal is proportional to the product of the power of the pump beam intensity and the power of the Stokes beam intensity. Thus, the quality of the focused beam affects the performance of the CARS microscope.

CARS 현미경 광학계의 크기는 생체 내에 삽입되어 사용할 수 있도록 작아야 한다. 또한, 상기 CARS 현미경 광학계의 수차특성은 회절한계 성능(diffraction- limited performance)을 가져야 한다. 또한, 상기 펌프 빔(ωP)와 상기 스톡스 빔(ωS)에서, 두 파장의 회절한계 성능이 한 점에서 일치해야 한다. 따라서, 상기 CARS 현미경 광학계는 공초점 방식의 내시형 광현미경에 사용되는 광학계보다 훨씬 엄격한 수차조건을 만족해야 한다. 한편, 상기 CARS 신호를 발생시키기 위해 사용되는 파장은 가시광선 영역보다는 생체 내부로의 투과도가 높은 근적외선 영역의 파장을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 펌프 빔의 파장은 817 nm일 수 있고, 상기 스톡스 빔의 파장은 1064 nm일 수 있다.The size of the CARS microscope optics should be small so that they can be inserted and used in vivo. In addition, the aberration characteristics of the CARS microscope optical system should have a diffraction-limited performance. In addition, in the pump beam ω P and the Stokes beam ω S , the diffraction limit performance of the two wavelengths must match at one point. Therefore, the CARS microscopy optical system must satisfy a much more stringent aberration condition than the optical system used for the confocal endoscope type optical microscope. On the other hand, the wavelength used to generate the CARS signal is preferably used in the wavelength of the near infrared region having a high transmittance into the living body rather than the visible light region. For example, the wavelength of the pump beam may be 817 nm and the wavelength of the Stokes beam may be 1064 nm.

CARS 현미경 광학계의 생체 삽입형 대물 렌즈계(objective)는 파이버 번들(fiber bundle)과 대물렌즈부를 포함한다. The implantable objective lens system of the CARS microscope optical system includes a fiber bundle and an objective lens unit.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the components have been exaggerated for clarity. Portions denoted by like reference numerals denote like elements throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치를 설명하는 도면이다.1 is a view illustrating an optical device according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 광학 장치의 대물렌즈부를 설명하는 도면이다.FIG. 2 is a diagram for explaining an objective lens unit of the optical device of FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 광학 장치는 스캐닝하는 평행빔을 제공하는 스캐닝부(230), 일단은 상기 평행빔을 전달받고 타단은 상기 평행빔을 출력하는 복수의 파어버를 포함하는 파이버 번들부(260), 및 상기 파이버 번들부(260)의 타단에 접속하고 상기 타단의 물체 면(object plame)의 초점 궤적들을 샘플에 집속하여 샘플 상면(sample image plane)에 전달하고 상기 샘플에 삽입 가능한 대물렌즈부(270)을 포함한다.1 and 2, the optical device includes a scanning unit 230 providing a parallel beam for scanning, and a fiber including a plurality of fibers for receiving the parallel beam at one end and outputting the parallel beam at the other end. The bundle 260 and the other end of the fiber bundle 260 are connected to each other, and the focal trajectories of the object plane of the other end are focused on a sample, delivered to a sample image plane, and inserted into the sample. Possible objective lens unit 270 is included.

상기 스캐닝부(230)는 서로 다른 파장의 펌프 빔과 스톡스 빔을 스캐닝하고, 상기 샘플의 집속된 점은 간섭성 엔티-스톡스 라만 산란 신호(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Signal; CARS signal)를 출력한다.The scanning unit 230 scans pump beams and Stokes beams of different wavelengths, and the focused point of the sample outputs a coherent anti-Stokes Raman Scattering Signal (CARS signal). .

상기 광학 장치의 대물 렌즈계(objective)의 요구 조건은 다음과 같다.The requirements of the objective lens system of the optical device are as follows.

(1) 샘플 쪽 수치구경(NAS)는 CARS 신호가 발생하기 위해 적어도 0.5 이상. 샘플측 수치구경(NAS)은 0.5 내지 0.7 정도가 바람직함. (1) The sample side numerical aperture (NAS) is at least 0.5 for the CARS signal to occur. Sample side numerical aperture (NAS) is preferably about 0.5 to 0.7.

(2) 상기 대물렌즈부의 샘플 측 시야(field of view at sample side; FOVS)은 220 μm 이하.(2) The field of view at sample side (FOVS) of the objective lens unit is 220 μm or less.

(3) 텔레센트리시티(Telecentricity)는 3.6도 이하.(3) Telecentricity is 3.6 degrees or less.

(4) 전장길이(total track length; TTL)는 10.4 mm 이하.(4) The total track length (TTL) is 10.4 mm or less.

(5) 대물렌즈계의 첫 번째 면은 평면 임.(5) The first side of the objective system is planar.

(6) 대물렌즈계에서 첫 번째 렌즈 (평 볼록렌즈)의 길이가 전체 대물렌즈계의 길이의 1/2 이상일 것. (예를 들어, 첫 번째 렌즈의 두께는 6 mm이고 상기 전장 길이는 10.4 mm 임).(6) The length of the first lens (flat convex lens) in the objective lens system is not less than 1/2 of the length of the whole objective lens system. (Eg, the first lens is 6 mm thick and the full length is 10.4 mm).

(7) 샘플 측의 마지막 렌즈 면의 모양은 볼록 면 일 것.(7) The shape of the last lens surface on the sample side should be convex.

(8) 대물렌즈계의 구성은 평면 또는 구면으로 최소 9매 이상일 것.(8) The composition of the objective lens system should be at least 9 in a flat or spherical shape.

(9) 구경 스톱(271)의 위치는 주광선이 광축을 통과하는 위치에 설치됨.(9) The position of the aperture stop 271 is installed at the position where the chief ray passes through the optical axis.

(10) 대물렌즈계의 직경이 1.9 mm 이하일 것. (10) The diameter of the objective lens system should be 1.9 mm or less.

수치구경(numerical aperture)이란 광학계가 빛을 모을 수 있는 능력을 통칭한다. 상기 수치 구경은 물체측 수치구경(numerical aperture at object side; NAO)과 상측 수치구경(numerical aperture at image side)으로 나뉜다. 물체측은 파이버 번들 쪽을 의미한다. 상측이란 생체 샘플 쪽을 의미한다. 상측 수치구경(numerical aperture at image side)은 샘플측 수치구경(numerical aperture at sample side; NAS)이다.Numerical aperture refers to the ability of an optical system to gather light. The numerical aperture is divided into a numerical aperture at object side (NAO) and a numerical aperture at image side. The object side means the fiber bundle side. The upper side means the biological sample. The numerical aperture at image side is the numerical aperture at sample side (NAS).

상기 광학 장치에 의해서 수집되는 CARS 신호의 양은 상기 샘플 쪽 수치구경(NAS)의 자승에 비례하고, 광학분해능(optical resolution)은 수치구경의 일승에 비례한다. 상기 샘플 쪽 수치구경(NAS)는 CARS 신호가 발생하기 위해 적어도 0.5 이상이다.The amount of CARS signal collected by the optical device is proportional to the square of the sample side numerical aperture (NAS), and the optical resolution is proportional to the square of the numerical aperture. The sample side numerical aperture (NAS) is at least 0.5 or greater for the CARS signal to occur.

물잠김(water immersion)을 고려한 샘플측 수치 구경(NAS)이 0.5 이고, 파이버 번들의 직경(η)이 0.7 mm이고, 경통의 두께를 0.3 mm로 가정하면, 최소의 광학구경 (clear aperture)은 0.7 mm이다.Assuming that the sample-side numerical aperture (NAS) considering water immersion is 0.5, the diameter (η) of the fiber bundle is 0.7 mm, and the thickness of the barrel is 0.3 mm, the minimum clear aperture is 0.7 mm.

물잠김을 고려한 샘플측 수치 구경(NAS)이 0.7 이고, 파이버 번들(270)의 직경(η)이 0.7 mm이고, 경통의 두께를 0.3 mm로 가정하면, 최대로 허용할 수 있는 구경은 2.5 mm이다. 즉, 허용 가능한 구경의 직경이 1.0 mm에서 2.5 mm정도를 가질 때, 샘플측 수치구경(NAS)은 0.5 내지 0.7 정도이다. 또는, 상기 파이버 번들 측 시야는 0.7 mm이하일 수 있다.Assuming that the sample side numerical aperture (NAS) considering the submersion is 0.7, the diameter (η) of the fiber bundle 270 is 0.7 mm, and the thickness of the barrel is 0.3 mm, the maximum allowable aperture is 2.5 mm to be. That is, when the diameter of the allowable aperture has a diameter of about 1.0 mm to about 2.5 mm, the sample-side numerical aperture NAS is about 0.5 to 0.7. Alternatively, the fiber bundle side view may be 0.7 mm or less.

상기 대물렌즈부(270)의 샘플 측 시야(field of view at sample side; FOVS)은 220 μm 이하로 설계될 수 있다. 수치구경과 광학구경이 정해지면 최대한도로 확보할 수 있는 시야에 대해 광학설계가 이루어진다. 그러면, 상기 파이버 번들(260)의 직경(η)이 0.7 mm 인 경우, 물상간(object to image)의 배율(magnification; M)은 0.314 (=220/700)이다. 이어서, 배율(M)은 기하광학으로부터 물상간(object to image)의 수치구경의 비(ratio)로 주어지고, 파이버 번들 측 수치구경은 0.16 내지 0.22이다. 통상적으로, 상기 파이버 번들(260)의 수용가능한 수치구경은 0.35 정도이므로, 상기 대물렌즈부(270)는 설계 조건을 만족한다.The field of view at sample side (FOVS) of the objective lens unit 270 may be designed to be 220 μm or less. Once the numerical and optical diameters are determined, an optical design is made for the field of view that can be maximized. Then, when the diameter η of the fiber bundle 260 is 0.7 mm, the magnification M of the object to image is 0.314 (= 220/700). The magnification M is then given by the ratio of the numerical aperture of the object to image from geometric optics, and the numerical diameter of the fiber bundle side is 0.16 to 0.22. Typically, since the acceptable numerical diameter of the fiber bundle 260 is about 0.35, the objective lens unit 270 satisfies the design condition.

텔레센트리시티(Telecentricity)는 물체측, 상측, 또는 양쪽에서 주광선(principal ray)이 광축과 나란하게 진행하는 것을 말한다. 예를 들어, 상기 파이버 번들(260)은 30,000 가닥을 포함할 수 있다. 상기 파이버 번들(260)로 입사하는 CARS 신호가 가닥 별로 편차가 크지 않고, 상기 파이버 번들(260)과 상기 대물렌즈부(270)의 연결시 조립 민감도를 최소화하기 위해, 상기 파이버 번들 측 텔레센트리시티(telecentricity at fiber bundle side)의 제한조건이 요구된다. 구체적으로, 상기 텔레센트리시티(Telecentricity)는 주광선이 광축을 통과하는 지점인 8번째 면 혹은 9번째 면에 설치될 수 있다.Telecentricity refers to the propagation of principal rays parallel to the optical axis on the object side, top side, or both. For example, the fiber bundle 260 may comprise 30,000 strands. The CARS signal incident on the fiber bundle 260 does not have a large variation for each strand, and in order to minimize the assembly sensitivity when the fiber bundle 260 is connected to the objective lens unit 270, the telecentricity at the fiber bundle side Constraints on telecentricity at fiber bundle side are required. Specifically, the telecentricity may be installed on the eighth or ninth surface, which is the point where the main ray passes through the optical axis.

샘플 측에서는 작업거리 (working distance)가 중요하다. 통상 비선형 광학영상은 3차원의 입체영상 (단층촬영)을 얻을 수 있다. 신호의 크기가 매우 미약하므로 투과깊이는 수백 μm이하로 제한된다. 따라서, 상기 CARS 신호에 대하여, 투과 깊이는 100 μm 정도임을 확인하였다. 따라서, 상기 작업거리는 100 μm 이하이다.The working distance is important on the sample side. In general, non-linear optical images can obtain a three-dimensional stereoscopic image (tomography). Since the signal is very small, the depth of transmission is limited to a few hundred μm or less. Therefore, for the CARS signal, it was confirmed that the penetration depth is about 100 μm. Therefore, the working distance is 100 μm or less.

상기 파이버 번들에 연결된 카세터(270)는 내시경과 같이 생체 내부를 자유롭게 움직여야 한다. 즉, 상기 카세터(270)는 구불구불한 관 속을 최소한의 피치로 자유롭게 움직일 수 있다. 이를 위해서는 상기 파이버 번들(260)에 부착되는 카세터의 전장길이(total track length; TTL)가 가급적 짧아야 한다. 상기 전장 길이는 가급적 20 mm 이하가 바람직하다. 더 바람직하게는 상기 전장 길이는 10.4 mm 이하일 수 있다. The catheter 270 connected to the fiber bundle should move freely inside the living body, such as an endoscope. That is, the catheter 270 can move freely in the meandering tube to a minimum pitch. To this end, the total track length (TTL) of the catheter attached to the fiber bundle 260 should be as short as possible. The full length is preferably 20 mm or less. More preferably, the full length may be 10.4 mm or less.

CARS 신호는 입사빔의 3승에 비례하는 전기광학적인 비선형 효과에 기인한다. 따라서, CARS 신호의 발생량은 초점의 질에 절대적으로 의존한다. 그러므로, CARS 대물 렌즈계는 파장이 다른 펌프 빔 (817 nm)과 스토스 빔 (1064 nm) 각각에 대해 회절한계 성능을 만족해야하고, 두 빔을 한 점에서 일치시켜야 한다. 즉, CARS 대물 렌즈계는 두 파장에 대해 완벽한 수차제거와 초점일치를 제공한다. CARS 대물 렌즈계는 사이텔(Seidel) 3차 수차제거 과정을 거친다. 예를 들어, 사이텔(Seidel) 3차 수차, 광축물점과 비축물점에 대한 일차 색수차, 색 구면수차, 색 코마수차, 색 비점수차로 구성된 오차함수가 CARS 대물 렌즈계 설계시 사용될 수 있다. 상면만곡 수차는 적절한 곡률로 휘어있는 상면을 도입함에 의해 보정되었다.The CARS signal is due to an electro-optic nonlinear effect that is proportional to the cubic of the incident beam. Thus, the amount of CARS signal generation depends absolutely on the quality of the focus. Therefore, the CARS objective lens system must satisfy the diffraction limit performance for each of the pump beams (817 nm) and the stosh beams (1064 nm) having different wavelengths, and match the two beams at one point. That is, the CARS objective lens system provides perfect aberration cancellation and focal matching for both wavelengths. The CARS objective lens system undergoes a Seidel 3rd order aberration process. For example, an error function consisting of Seidel 3rd order aberration, first order chromatic aberration, optical spherical aberration, color coma aberration, and color astigmatism for optical axis and stockpile points may be used in designing a CARS objective lens system. Top curvature aberration was corrected by introducing a curved top with proper curvature.

광원부(210)는 스톡스 빔(ωS)을 제공하는 제1 펄스 레이저(218) 및 펌프 빔(ωP)을 제공하는 제2 펄스 레이저(212)를 포함할 수 있다. 상기 광원부(210)는 이색성 미러(216)와 반사경(214)을 포함할 수 있다. 상기 스톡스 빔(ωS)은 상기 이색성 미러(116)에서 반사하여 진행할 수 있다. 또한, 상기 펌프 빔(ωP)은 상기 이색성 미러(118)에서 반사되어 경로가 변경되고 상기 이색성 미러(216)를 투과하여 진행할 수 있다. 이에 따라, 상기 스톡스 빔(ωS)과 상기 펌프 빔(ωP)은 동일한 광 경로를 가질 수 있다. 상기 펌프 빔의 파장은 817 nm이고, 상기 스톡스 빔의 파장은 1064 nm 일 수 있다.The light source unit 210 may include a first pulse laser 218 providing a stokes beam ω S and a second pulse laser 212 providing a pump beam ω P. The light source unit 210 may include a dichroic mirror 216 and a reflector 214. The Stokes beam ω S may be reflected by the dichroic mirror 116 and proceed. In addition, the pump beam ω P may be reflected by the dichroic mirror 118 to change its path and pass through the dichroic mirror 216. Accordingly, the stokes beam ω S and the pump beam ω P may have the same optical path. The wavelength of the pump beam may be 817 nm, and the wavelength of the Stokes beam may be 1064 nm.

빔 확장부(220)는 상기 스톡스 빔과 상기 펌프 빔의 빔(beam)의 크기를 확대시킬 수 있다. 예를 들어, 초점이 서로 일치하는 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈는 상기 스톡스 빔과 상기 펌프 빔의 크기를 확대시켜 상기 평행광을 제공할 수 있다.The beam extension unit 220 may enlarge the beams of the stokes beam and the pump beam. For example, the first lens and the second lens having the same focal point may enlarge the Stokes beam and the pump beam to provide the parallel light.

상기 스캐닝부(130)는 적어도 2개의 틸팅 미러(tilting mirror)를 포함할 수 있다. 상기 틸팅 미러들이 움직임에 따라, 상기 스캐닝부(130)에 입사하는 상기 평행광은 공간적으로 스캐닝될 수 있다.The scanning unit 130 may include at least two tilting mirrors. As the tilting mirrors move, the parallel light incident on the scanning unit 130 may be spatially scanned.

이색성 미러(240)은 상기 빔확장부(230)에서 제공하는 상기 평행광을 상기 스캐닝부(230)에 제공하고, 상기 대물렌즈부(270)로부터 오는 상기 CARS 신호를 검출부(250)에 제공할 수 있다. The dichroic mirror 240 provides the parallel light provided from the beam expanding unit 230 to the scanning unit 230, and provides the CARS signal from the objective lens unit 270 to the detection unit 250. can do.

상기 샘플(280)에서 발생한 CARS 신호는 상기 대물렌즈부(270), 상기 파이버 번들(260, 및 상기 스캐닝부(230)을 거쳐 상기 이색성 미러(240)에 제공된다. 상기 이색성 미러(240)는 상기 CARS 신호의 광 경로를 변경하여 상기 검출부(250)에 제공한다.The CARS signal generated in the sample 280 is provided to the dichroic mirror 240 through the objective lens unit 270, the fiber bundle 260, and the scanning unit 230. The dichroic mirror 240 ) Changes the optical path of the CARS signal and provides it to the detection unit 250.

상기 검출부(250)는 수광 소자를 포함할 수 있다. 상기 검출부(250)는 광 필터를 포함할 수 있다. 상기 검출부(250)와 상기 이색성 미러(240) 사이에는 집속 부(248)가 배치될 있다. 상기 집속부(248)는 제1 렌즈(242), 제2 렌즈(246), 및 핀홀(244)을 포함할 수 있다. 상기 핀홀(244)은 상기 제1 렌즈(242)와 상기 제2 렌즈 (246) 사이에 배치될 수 있다.The detector 250 may include a light receiving element. The detector 250 may include an optical filter. A focusing unit 248 may be disposed between the detection unit 250 and the dichroic mirror 240. The focusing unit 248 may include a first lens 242, a second lens 246, and a pinhole 244. The pinhole 244 may be disposed between the first lens 242 and the second lens 246.

평행빔 집속부(290)는 상기 스캐너부(230)와 상기 파이버 번들(260) 사이에 배치될 수 있다. 상기 평행빔 집속부(290)는 상기 파이버 번들(260)에 상기 평행광을 집속하여 전달할 수 있다. The parallel beam focusing unit 290 may be disposed between the scanner unit 230 and the fiber bundle 260. The parallel beam focusing unit 290 may focus and transmit the parallel light to the fiber bundle 260.

CARS 이미징용 대물렌즈부(270)는 가늘고 짧은 구조의 렌즈계이다. 상기 스캐닝하는 상기 평행빔 (collimating beam)이 상기 파이버 번들(260)에 입사하는 경우, 상기 파이버 번들(260)은 상기 타이버 번들의 타단에 초점궤적을 형성한다. 상기 대물렌즈부(270)은 상기 초점궤적을 생체 샘플의 샘플 상면 상에 집속하여 전달한다. 상기 초점궤적들이 상기 생체 샘플(280)에서 수차가 없는 각 점들로 집속되면, 집속된 점에서 CARS 신호가 발생한다.The objective lens unit 270 for CARS imaging is a lens system having a thin and short structure. When the scanning beam is incident on the fiber bundle 260, the fiber bundle 260 forms a focal locus at the other end of the fiber bundle. The objective lens unit 270 focuses and transmits the focal locus on the sample upper surface of the biological sample. When the focal loci are focused on the aberration-free points in the biological sample 280, a CARS signal is generated at the focused point.

도 2를 참조하면, 대물렌즈부(270)의 렌즈의 개수는 적어도 9매이고, 구면 및 평면일 수 있다. 상기 대물렌즈부의 전장 길이(TTL)는 10.4 mm 이하이고, 상기 대물렌즈부의 광학구경(Clear Aperture)의 직경은 1.9 mm 이하일 수 있다. 상기 대물렌즈부의 상기 샘플 측의 수치구경(numerical aperture)은 물 잠김(water immersion)을 고려하여 0.5 내지 0.8일 수 있다. 상기 대물렌즈부의 상기 물체 측의 수치구경(numerical aperture)은 0.16 내지 0.22일 수 있다. 상기 대물렌즈부의 렌즈의 개수는 적어도 9매이고, 구면 및 평면으로 구성될 수 있다. 상기 샘플 측 시야는 0.22 mm 이내일 수 있다. 구경 스톱(271)의 위치는 주광선이 광축을 통과하는 위치인 8번째 면 혹은 9번째 면에 설치된다. Referring to FIG. 2, the number of lenses of the objective lens unit 270 is at least nine, and may be spherical and planar. The full length TTL of the objective lens unit may be 10.4 mm or less, and the diameter of the optical aperture of the objective lens unit may be 1.9 mm or less. The numerical aperture of the sample side of the objective lens unit may be 0.5 to 0.8 in consideration of water immersion. The numerical aperture of the object side of the objective lens unit may be 0.16 to 0.22. The number of lenses of the objective lens unit is at least nine, and may be composed of a spherical surface and a flat surface. The sample side field of view may be within 0.22 mm. The position of the aperture stop 271 is provided on the eighth side or the ninth side, which is the position where the main ray passes through the optical axis.

도 3은 도 2의 대물렌즈부의 광학 성능을 나타내는 도면들이다.3 is a diagram illustrating optical performance of the objective lens unit of FIG. 2.

도 3을 참조하면, 에어리 디스크(Airy disk)는 수차특성을 파악하는 가장 표준적인 도구이다. 수차가 에어리 디스크보다 작으면, 회절보다 작은 수차라는 의미로써 회절한계성능이라고 명명된다. 에어리 디스크(Airy disk)의 반경(R)은 R= 0.61 λ/NAS 으로 주어진다. 여기서, λ는 파장이고, NAS는 샘플 쪽 수치구경이다. 펌프 빔 (817 nm)에 대해서는 상기 반경은 0.71 μm이고, 스톡스 빔 (1064 nm)에 대해서는 0.93 μm이다.Referring to Figure 3, Airy disk (Airy disk) is the most standard tool for identifying the aberration characteristics. If the aberration is smaller than the Airy disk, it is called diffraction limit performance in the sense of aberration smaller than diffraction. The radius R of the Airy disk is given by R = 0.61 lambda / NAS. Is the wavelength and NAS is the numerical aperture on the sample side. The radius is 0.71 μm for the pump beam (817 nm) and 0.93 μm for the Stokes beam (1064 nm).

종구면수차(longitudinal spherical aberration, LSA)는 파이버 번들의 중심점에서 출발한 축상 광선들(On-axis optical rays)이 입사동(Entrance Pupil)의 다양한 높이에 따른 상면 측 광축(optical axis at image plane side) 상의 다른 지점에 떨어지는 위치차이를 근축상점 (Gauss 상점)에 대해 나타낸 것이다. LSA 그래프에서 수평축의 0.0은 근축상점(paraxial image point)의 위치를 나타내고, 수직축의 1.0은 입사동(Entrance Pupil)의 규격화 (normalization)된 크기를 나타낸다.Longitudinal spherical aberration (LSA) is an optical axis at image plane side where on-axis optical rays originating from the fiber bundle's center point depend on various heights of the entrance pupil. The difference in position at the other point on the figure is shown in the paraxial store (Gauss store). In the LSA graph, 0.0 on the horizontal axis represents the position of the paraxial image point, and 1.0 on the vertical axis represents the normalized size of the entrance pupil.

LSA 그래프에서 최대초점오차는 817 nm의 펌프 빔에 대해서 0.27 μm이다. 한편, 에어리 디스크(Airy disk)의 반경(R)은 817 nm의 펌프 빔에 대해서 0.71이다. 따라서, 상기 대물렌즈부는 회절한계성능으로 보정되었다. The maximum focal error in the LSA graph is 0.27 μm for a pump beam of 817 nm. On the other hand, the radius R of the Airy disk is 0.71 for the pump beam of 817 nm. Therefore, the objective lens unit was corrected with diffraction limit performance.

LSA 그래프에서 최대초점오차는 1064 nm의 스톡스 빔에 대해서 0.28 μm이다. 에어리 디스크(Airy disk)의 반경(R)은 0.93 μm이다. 따라서, 상기 대물렌즈부는 회절한계성능으로 보정되었다. 또한, 펌프 빔과 스톡스 빔의 최대 초점차이는 0.11 μm이다.The maximum focus error in the LSA graph is 0.28 μm for a Stokes beam of 1064 nm. The radius R of the Airy disk is 0.93 μm. Therefore, the objective lens unit was corrected with diffraction limit performance. In addition, the maximum focus difference between the pump beam and the Stokes beam is 0.11 μm.

AFC (astigmatic field curve)는 비점수차와 상면만곡 수차를 나타낸다. AFC는 광섬유 상의 직선높이 (비축물점)에 따른 상면의 휨 정도를 나타내는 그래프이다. 휘어있는 곡선은 비축 상의 물체점들이 상면 상에서 결상된 지점을 연결한 궤적곡선이다. 광축을 z축으로 잡을 때, yz 평면을 자오면 (tangential plane)이라 하고, xz 평면을 구결면 (sagittal plane)이라 한다. 그래프에서 T1과 S1는 각각 스톡스 빔의 자오면과 구결면 방향으로의 휨 정도를 나타낸다. T2와 S2는 펌프 빔의 자오면과 구결면 방향으로의 휨 정도를 나타낸다. AFC 그래프로부터 비축 지점의 초점차이는 펌프 빔과 스톡스 빔 간에 최대 0.19 μm이다. 상기 초점차이는 매우 작은 양으로서, CARS 신호를 발생시킬 수 있다.Astigmatic field curves (AFCs) represent astigmatism and top curvature aberration. AFC is a graph showing the degree of warp of the upper surface according to the linear height (stock point) on the optical fiber. The curved curve is a trajectory curve connecting the points where the object points on the non-axis are formed on the top surface. When the optical axis is taken as the z axis, the yz plane is called a tangential plane, and the xz plane is called a sagittal plane. In the graph, T1 and S1 represent the degree of warping in the meridion and spherical plane directions of Stokes beam, respectively. T2 and S2 represent the degree of warping in the meridion and convexity directions of the pump beam. The difference in focal point from the AFC graph is 0.19 μm between the pump beam and the Stokes beam. The focal difference is a very small amount, which can generate a CARS signal.

왜곡수차(distortion aberration)는 CARS 신호의 발생여부와 직접적으로 관계하는 수차는 아니지만 초점의 위치오차를 나타내는 배율수차이다.Distortion aberration is not an aberration directly related to the generation of the CARS signal, but a magnification aberration indicating the positional error of the focal point.

도 4는 도 2의 대물렌즈부의 스폿 다이어그램(spot diagram)을 나타낸다.4 illustrates a spot diagram of the objective lens unit of FIG. 2.

도 5는 도 2의 인서클드 에너지(encircled energy)를 나타낸다.FIG. 5 shows the encircled energy of FIG. 2.

도 4를 참조하면, 상기 스폿 다이어그램은 한눈에 전체적인 결상특성을 파악할 수 있게 도와준다. 파어버 번들 상의 두 물체점에 대해 표시되어 있다. 즉, 광축 지점(on-axis)과 비축 지점(off-axis)의 끝단에 대해 표시되어 있다. 광축 혹은 비축 지점에서 출발한 광선들이 대물렌즈부를 통과한 후, 대물렌즈 배율 상의 특정 지점으로 완벽히 모인다면 수차는 제로가 된다. 하지만, 정확히 수차가 제로가 아닌 경우, 상면 상에 부딪히는 개개의 광선은 불규칙적으로 분포하게 된다. 광선의 분포가 에어리 디스크(Airy disk) 내에 모두 포함된다면 회절한계성능 이내이다. Referring to FIG. 4, the spot diagram helps to identify the overall imaging characteristics at a glance. Marked for two object points on the parver bundle. That is, the ends of the on-axis and off-axis are marked. The aberration becomes zero if the light rays starting from the optical axis or the non-axis point pass through the objective lens portion and then completely converge to a specific point on the objective lens magnification. However, if the aberration is not exactly zero, the individual rays hitting the upper surface become irregularly distributed. If the distribution of light rays is all contained in the Airy disk, it is within the diffraction limit performance.

도 4를 참조하면, 상기 카테나는 회절한계성능을 가진다. 또한, 모든 광선에 대해 펌프 빔과 스톡스 빔의 위치 차이는 0.1 μm 또는 0.2 μm 정도로, 거의 없음을 알 수 있다. 817 nm의 펌프 빔은 파란색이고, 1064 nm의 스톡스 빔은 빨간색이다.Referring to FIG. 4, the catena has a diffraction limit performance. In addition, it can be seen that the position difference between the pump beam and the Stokes beam is almost 0.1 μm or 0.2 μm for all the light beams. The pump beam at 817 nm is blue and the Stokes beam at 1064 nm is red.

도 5를 참조하면, 수평축은 원의 직경을 나타내고, 수직축은 원의 직경 내에 포함된 광선 수 혹은 퍼센트 에너지를 나타낸다. 광축 지점(on-axis)에 대하여, 0.22 μm의 직경 내에 100 퍼센트의 광선 수 혹은 에너지가 포함되어 있다. 비축 지점(off-axis)에 대하여, 0.64 μm의 직경 내에 100 퍼센트의 광선 수 혹은 에너지가 포함되어 있다.Referring to Figure 5, the horizontal axis represents the diameter of the circle, the vertical axis represents the number of rays or percent energy contained within the diameter of the circle. For the on-axis, 100 percent of the number of rays or energy is contained within a diameter of 0.22 μm. For the off-axis, 100 percent of the number of rays or energy is contained within a diameter of 0.64 μm.

도 6은 도 2의 대물렌즈부의 점퍼짐함수(point spread function)를 나타낸다.FIG. 6 illustrates a point spread function of the objective lens unit of FIG. 2.

도 6을 참조하면, 점퍼짐함수(point spread function)은 스폿 다이이어그램(spot diagram)에 대응되고, 회절 인써클드 에너지(diffraction encircled energy)는 기하학적 인써클드 에너지(geometric encircled energy)에 대응된다. 점퍼짐함수(point spread function)의 스트렐 비(Strehl ratio)는 광축 지점(on-axis)에 대하여 0.999를 가지고, 비축 지점(off-axis)에 대하여 0.976을 가진다. Referring to FIG. 6, a point spread function corresponds to a spot diagram, and diffraction encircled energy corresponds to a geometric encircled energy. do. The Strehl ratio of the point spread function has 0.999 for the on-axis and 0.976 for the off-axis.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be implemented without departing from the spirit.

270: 대물렌즈부
280: 샘플
260: 파이버 번들
290: 평행광 집속부
230: 스캐닝부
240: 이색성 미러
250: 검출부
220: 집속부
210: 광원부270: objective lens unit
280: Sample
260 fiber bundle
290: parallel light focusing unit
230: scanning unit
240: dichroic mirror
250: detector
220: focusing part
210: light source

Claims (16)

스캐닝하는 평행빔을 제공하는 스캐닝부;
일단은 상기 평행빔을 전달받고 타단은 상기 평행빔을 출력하는 복수의 파어버를 포함하는 파이버 번들부; 및
상기 파이버 번들부의 타단에 접속하고 상기 타단의 물체 면(object plane)의 초점 궤적들을 샘플에 집속하여 샘플 상면(sample image plane)에 전달하고 상기 샘플에 삽입 가능한 대물렌즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.A scanning unit providing a parallel beam for scanning;
A fiber bundle unit including a plurality of fibers, one end of which receives the parallel beam and the other end of which outputs the parallel beam; And
And an objective lens unit connected to the other end of the fiber bundle part, focusing trajectories of the other end of the object plane on the sample, transferring the focus trajectories to the sample image plane, and inserting the sample into the sample image plane. Device. 제1 항에 있어서,
상기 스캐닝부는 서로 다른 파장의 펌프 빔과 스톡스 빔을 스캐닝하고, 상기 샘플의 집속된 점은 간섭성 엔티-스톡스 라만 산란 신호(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Signal; CARS signal)를 출력하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method according to claim 1,
The scanning unit scans pump beams and Stokes beams of different wavelengths, and the focused point of the sample outputs a Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Signal (CARS) signal. Optical devices. 제2 항에 있어서,
상기 펌프 빔의 파장은 817 nm이고, 상기 스톡스 빔의 파장은 1064 nm 인 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method of claim 2,
The wavelength of the pump beam is 817 nm, and the wavelength of the stokes beam is 1064 nm. 제2 항에 있어서,
상기 스캐닝부와 상기 파이버 번들 사이에 배치된 평행빔 집속부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method of claim 2,
And a parallel beam focusing portion disposed between the scanning portion and the fiber bundle. 제2 항에 있어서,
상기 평행빔의 광 경로에 배치되고, 상기 간섭성 엔티-스톡스 라만 산란 신호를 선택적으로 반하는 이색성 거울(dichroic mirror);
상기 이색성 거울을 통하여 선택적으로 반사된 상기 간섭성 엔티-스톡스 라만 산란 신호를 검출하는 검출부; 및
상기 이색성 거울과 상기 검출부 사이에 배치되어 상기 간섭성 엔티-스톡스 라만 산란 신호를 상기 검출부에 집속하는 집속부; 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method of claim 2,
A dichroic mirror disposed in the optical path of the parallel beam and selectively opposing the coherent anti-Stokes Raman scattering signal;
A detector for detecting the coherent anti-stock Raman scattering signal selectively reflected through the dichroic mirror; And
A focusing unit disposed between the dichroic mirror and the detection unit to focus the coherent anti-Stokes Raman scattering signal on the detection unit; Optical device further comprises at least one of. 제1 항에 있어서,
상기 대물렌즈부의 전장 길이(TTL)는 10.4 mm 이하이고, 상기 대물렌즈부의 광학구경(Clear Aperture)의 직경은 1.9 mm 이하인 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method according to claim 1,
The total length TTL of the objective lens unit is 10.4 mm or less, and the diameter of the optical aperture (Clear Aperture) of the objective lens unit is 1.9 mm or less. 제1 항에 있어서,
상기 대물렌즈부의 상기 샘플 측의 수치구경(numerical aperture)은 물 잠김(water immersion)을 고려하여 0.5 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method according to claim 1,
The numerical aperture of the sample side of the objective lens unit is 0.5 to 0.8 in consideration of water immersion. 제1 항에 있어서,
상기 대물렌즈부의 상기 물체 측의 수치구경(numerical aperture)은 0.16 내지 0.22인 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method according to claim 1,
The numerical aperture of the object side of the objective lens unit is 0.16 to 0.22. 제1 항에 있어서,
상기 대물렌즈부의 렌즈의 개수는 적어도 9매이고, 구면 및 평면으로 구성된 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method according to claim 1,
And the number of lenses of the objective lens unit is at least nine, and comprises an spherical surface and a flat surface. 제1 항에 있어서,
상기 샘플 측 시야는 0.22 mm 이내인 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method according to claim 1,
The sample side field of view is within 0.22 mm. 제1 항에 있어서,
상기 파이버 번들 측 시야는 0.7 mm 이내인 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method according to claim 1,
And the fiber bundle side field of view is within 0.7 mm. 제1 항에 있어서,
상기 대물렌즈부의 첫 번째 면은 평면이고, 샘플 측의 마지막 렌즈 면은 볼록 면인 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method according to claim 1,
The first surface of the objective lens portion is a plane, and the last lens surface of the sample side is a convex surface. 제1 항에 있어서,
상기 대물렌즈부의 첫 번째 렌즈의 길이는 전체 대물렌즈부 길이의 반 이상인 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method according to claim 1,
And the length of the first lens of the objective lens unit is at least half the length of the entire objective lens unit. 제1 항에 있어서,
상기 대물렌즈부는 구경 스톱을 포함하고, 상기 구경 스톱은 주광선이 광축을 통과하는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.The method according to claim 1,
And the objective lens portion includes an aperture stop, wherein the aperture stop is disposed at a position where the chief ray passes through the optical axis. 생체 삽입형 광학 장치에 있어서,
스캐닝하는 평행빔이 파이버 번들의 일단으로 제공되고, 상기 파이버 번들의 타면에 형성된 초점 궤적들을 샘플에 집속하여 샘플 상면에 전달하고 상기 샘플에 삽입 가능한 대물렌즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 삽입형 광학 장치.In the living body implantable optical device,
A parallel beam for scanning is provided to one end of the fiber bundle, and includes an objective lens unit which focuses the focal locus formed on the other surface of the fiber bundle onto a sample and transmits the sample to an upper surface of the sample and is inserted into the sample. . 제 15항에 있어서,
상기 대물렌즈부의 전장 길이는 10.4 mm 이하이고, 상기 대물렌즈부의 광학구경(Clear Aperture)의 직경은 1.9 mm 이하이고, 상기 대물렌즈부의 상기 샘플 측의 수치구경(numerical aperture)은 물 잠김(water immersion)을 고려하여 0.5 이상이고, 상기 대물렌즈부의 렌즈의 개수는 적어도 9 매이며 곡면 또는 평면으로 구성되고, 샘플 측 시야는 0.22 mm 이내이고, 상기 파이버 번들 측 시야는 0.7 mm 이하인 것을 특징으로 하는 생체 삽입형 광학 장치.16. The method of claim 15,
The full length of the objective lens unit is 10.4 mm or less, the diameter of the optical aperture (Clear Aperture) of the objective lens unit is 1.9 mm or less, and the numerical aperture of the sample side of the objective lens unit is water immersion. ) Is 0.5 or more in consideration of, the number of the lens of the objective lens unit is at least 9, composed of a curved surface or plane, the sample side field of view is within 0.22 mm, the fiber bundle side field of view is 0.7 mm or less Insertion optics.
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