KR20130073720A - 텔레센트릭 렌즈계 및 이를 구비한 바이오 검출장치 - Google Patents

텔레센트릭 렌즈계 및 이를 구비한 바이오 검출장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체측으로부터 이미지측의 순서대로, 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군을 포함하는 확대 렌즈군, 정의 굴절력을 가지며, 상기 확대 렌즈군으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환하는 제3 렌즈군, 조리개, 및 정의 굴절력을 가지는 제4 렌즈군을 포함하는 텔레센트릭 렌즈계와 이를 구비한 바이오 검출장치에 관한 것이다.

Description

텔레센트릭 렌즈계 및 이를 구비한 바이오 검출장치{Tele-centric lens system and bio detecting apparatus using the same}
본 발명은 텔레센트릭 렌즈계 및 이를 구비한 바이오 검출장치에 관한 것이다.
바이오 검출장치는 분자 생물단위의 미세한 단백질 등을 검출하므로, 검출(측정)의 정확도를 향상시키기 위해서는 무엇보다도 정확한 이미지를 촬영하는 것이 중요하다.
이미지 촬영을 위한 렌즈계는 피검출체가 가지는 작은 정보까지 선명하게 기록하여야 하므로 고성능이 요구되며, 조명광을 충분히 활용하기 위한 구조가 요구된다. 그러나, 고성능을 실현하기 위해서는 소형화를 이루기에 어려움이 있고, 소형화를 위해서는 제조 원가의 상승이 수반되므로 높은 광학 성능과 제조 비용을 같이 만족시키기에 어려움이 있다.
일본특허공개공보 제2010-211160호(2010.09.24) "양측 텔레센트릭 렌즈계를 포함하는 렌즈 시스템"
본 발명의 일실시예는, 텔레센트릭 렌즈계 및 이를 구비한 바이오 검출장치에 에 관한 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 물체측으로부터 이미지측의 순서대로, 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군을 포함하는 확대 렌즈군; 정의 굴절력을 가지며, 상기 확대 렌즈군으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환하는 제3 렌즈군; 조리개; 및 정의 굴절력을 가지는 제4 렌즈군;을 포함하는 텔레센트릭 렌즈계를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 제3 렌즈군과 상기 제4 렌즈군 사이의 거리(d)는 하기의 식을 만족할 수 있다.
<식>
10% ≤
Figure pat00001
≤25%
여기서, OAL은 물체면으로부터 이미지면까지의 거리를 나타낸다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제3 렌즈군과 상기 제4 렌즈군 사이의 거리(d)는 25mm ~ 70mm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 조리개와 마주보는 상기 제3 렌즈군의 면은 상기 조리개를 향해 볼록하고, 상기 조리개와 마주보는 상기 제4 렌즈군의 면은 상기 조리개를 향해 볼록할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제3 렌즈군과 상기 제4 렌즈군 사이에 위치하는 광학 필터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제3 렌즈군과 상기 제4 렌즈군 사이에 위치하는 빔 분리기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 텔레센트릭 렌즈계의 f넘버는 2.0 ~ 2.5 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 조명광을 방출하는 조명원; 상기 조명광을 수광한 피검출체로부터 방출된 검출광을 수광하는 텔레센트릭 렌즈계; 및 상기 텔레센트릭 렌즈계를 통해 수집된 검출광을 전기적 신호로 변경하는 고체 촬상소자;를 포함하며,
상기 텔레센트릭 렌즈계는, 물체측으로부터 이미지측의 순서대로, 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군을 포함하는 확대 렌즈군; 정의 굴절력을 가지며, 상기 확대 렌즈군으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환하는 제3 렌즈군; 조리개; 및 정의 굴절력을 가지는 제4 렌즈군;을 포함하는 바이오 검출장치를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 텔레센트릭 렌즈계는, 제3 렌즈군 및 제4 렌즈군 사이에 구비되는 형광 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 텔레센트릭 렌즈계는, 제3 렌즈군 및 제4 렌즈군 사이에 구비되며, 상기 조명광이 상기 텔레센트릭 렌즈계의 광축과 동축의 전방면에서 피검체를 향해 조사되도록 상기 제3 렌즈군과 상기 제4 렌즈군 사이에 구비되는 빔 스플리터;를 더 포함하며, 상기 조명원은 상기 빔 스플리터를 향해 상기 조명광을 방출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 텔레센트릭 렌즈계는, 제3 렌즈군 및 제4 렌즈군 사이에 구비되며, 상기 조명광 중 일부 파장 대역의 광이 상기 텔레센트릭 렌즈계의 광축과 동축의 전방면에서 피검체를 향해 조사되도록 상기 제3 렌즈군과 상기 제4 렌즈군 사이에 구비되는 필터;를 더 포함하며, 상기 조명원은 상기 필터를 향해 상기 조명광을 방출할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 컴팩트하고 밝은 텔레센트릭 렌즈를 제공할 수 있다.
또한, 다양한 광학 부재를 실장하기에 충분한 공간을 확보할 수 있으므로 동축 조명을 형성하는 등의 다양한 구조를 설계하는 것이 가능하다.
그리고, 콜리메이션 기능을 수행하는 제3 렌즈를 구비함으로써 검출광이 광학 부재, 예컨대 광학 필터를 통과하면서 광신호가 변환되는 것을 방지함으로써 바이오 검출장치의 측정 오차를 최소화하여 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계가 사용되는 바이오 검출장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 텔레센트릭 렌즈계에 광학 필터가 더 포함된 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 제3 렌즈군의 기능을 설명하기 위한 것으로, 필터에 입사되는 광의 입사각에 따른 투과율의 변화 및 파의 분리 현상을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 2의 텔레센트릭 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점 수차 및 왜곡에 관한 수차도를 도시한 것이다.
도 6은 도 2의 텔레센트릭 렌즈계의 코마수차를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계를 개략적으로 도시한 것으로, 빔 스플리터 및 광학 필터가 더 포함된 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 도 7의 텔레센트릭 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점 수차 및 왜곡에 관한 수차도를 도시한 것이다.
도 9는 도 7의 텔레센트릭 렌즈계의 코마수차를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계를 개략적으로 도시한 것으로, 서로 다른 종류의 광학 필터들이 더 포함된 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 도 10의 텔레센트릭 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점 수차 및 왜곡에 관한 수차도를 도시한 것이다.
도 12는 도 10의 텔레센트릭 렌즈계의 코마수차를 도시한 것이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계가 사용되는 바이오 검출장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
바이오 검출장치는 크게, 조명원(100), 텔레센트릭 렌즈계(200), 및 촬상 소자(300)를 구비하여 피검체로부터 생물학적 신호를 획득할 수 있다. 바이오 검출장치는 예를 들어, 핵산증폭진단과 같은 바이오 분야에서 사용될 수 있다. 이 때, 피검체(1)는 조명광에 의하여 스스로 형광 발광하는 시료나 형광 시약으로 염색된 시료를 포함할 수 있다.
조명원(100)은 조명광을 방출하는 부재로서, 적어도 하나 이상의 LED를 사용할 수 있다. 조명원(100)에서 방출된 조명광은 피검체(1)를 향해 진행한다. 일예로, 조명광은 직접 피검체(1)를 향하여 조사될 수 있다. 또는, 조명광은 텔레센트릭 렌즈계(200)를 통과하면서 상기 텔레센트릭 렌즈계(200)의 광축과 동축의 전방면에서 피검체(1)를 향하여 조사될 수 있다(동축 조명).
텔레센트릭 렌즈계(200)는 복수의 렌즈를 포함하며, 피검체(1), 예컨대 스스로 형광 발광하는 시료 또는 형광 시약으로 염색된 시료로부터 방출되는 광을 수광한다. 텔레센트릭 렌즈계(200)를 통해 모아진 피검체(1)의 이미지는 촬상소자(300)에서 전기적 신호로 변환되며, 변화된 신호는 별도로 구비된 판독부(400)로 보내어질 수 있다. 촬상소자(300)로는 CCD, CMOS와 같은 고체 촬상 소자가 사용될 수 있다. 판독부(400)는 촬영된 이미지에 근거하여 시료의, 농도 형상, 발광, 형광 발광의 강도 등을 정량화할 수 있다.
바이오 검출장치는 분자 생물단위의 미세한 단백질 등을 검출하므로, 정확한 이미지를 촬영하기 위하여 초점을 맞추는데 오차가 생기지 않는 텔레센트릭 렌즈계(200)를 사용할 수 있다. 이하에서는, 도 2 내지 도 12를 참조하여 텔레센트릭 렌즈계(200)의 구체적 구성을 설명한다.
< 실시예 1>
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 2의 텔레센트릭 렌즈계에 광학 필터가 더 포함된 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 텔레센트릭 렌즈계는 물체측으로부터 순서대로, 제1,2 렌즈군(G1, G2)을 포함하는 확대 렌즈군(Gm), 제3 렌즈군(G3), 제4 렌즈군(G4)을 포함하며, 제3 렌즈군(G3)과 제4 렌즈군(G4) 사이에는 조리개(ST)가 배치된다. 조리개(ST)와 마주보는 상기 제3 렌즈군(G3)의 이미지측 면은 조리개(ST)를 향해 볼록하고, 조리개(ST)와 마주보는 상기 제4 렌즈군(G4)의 물체측 면도 상기 조리개(ST)를 향해 볼록할 수 있다. 이와 같은 구성을 통해 조리개(ST)를 전후한 거리, 예컨대 3 렌즈군(G3)과 제4 렌즈군(G4) 사이의 거리(d)를 길게 확보할 수 있다.
확대 렌즈군(Gm)은 대구경 렌즈를 구비하는 제1 렌즈군(G1) 및 제2 렌즈군(G2)을 포함한다. 제1 렌즈군(G1)은 정의 굴절력을 갖고 제2 렌즈군(G2)은 부의 굴절력을 갖는다. 제1 렌즈군(G1)은 물체측면이 평면이고 이미지측면이 볼록한 형상의 제1 렌즈(11), 물체측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제2 렌즈(12)를 포함할 수 있고, 제2 렌즈군(G2)은 양오목의 제3 렌즈(21)를 포함할 수 있다.
제3 렌즈군(G3)은 정의 굴절력을 갖고, 확대 렌즈군(Gm)으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환하는 콜리메이션의 기능을 수행한다. 제3 렌즈군(G3)은 예컨대, 물체측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제4 렌즈(31)와 양볼록 형상의 제5 렌즈(32)가 접합된 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
제4 렌즈군(G4)은 정의 굴절력을 갖고, 포커싱을 수행한다. 제4 렌즈군(G4)은 예컨대, 물체측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제6 렌즈(41)와 양볼록 형상의 제7 렌즈(42)가 접합된 접합 렌즈, 및 물체측으로 볼록한 메니스커스 형상의 제8 렌즈(43)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계는 총 8매의 렌즈를 포함함으로써 전체 렌즈의 매수를 줄이며, 전장이 짧은 소형 렌즈계를 구현할 수 있다. 또한, 제3 렌즈군(G3)과 제4 렌즈군(G4) 사이의 거리(d)는 다음과 같은 식 1을 만족함으로써, 별도의 광학 부재가 구비될 수 있는 충분한 거리를 확보할 수 있다.
<식 1>
10% ≤
Figure pat00002
≤25%
여기서, OAL은 물체면으로부터 이미지면까지의 거리를 나타내고, 물체면은 도1에서 설명한 피검체(1)의 표면을 나타낸다. 즉, OAL은 물체면인 피검체로부터 제1 렌즈군(G1)의 물체측면까지의 거리(WD)와, 제1 렌즈군(G1)의 물체측면의 정점으로부터 이미지면까지의 거리의 합이다.
식 1은 텔레센트릭 렌즈계의 광학적 전장(OAL)에 대한 제3 렌즈군(G3)으로부터 제4 렌즈군(G4) 까지의 거리(d)의 비를 정의한 것으로, 하한치를 초과하게 되면 별도의 광학 부재가 구비될 수 있는 충분한 공간을 확보하기 어렵고, 상한치를 초과하게 되면 컴팩트한 텔레센트릭 렌즈계를 구현하기 어렵다. 제3 렌즈군(G3)으로부터 제4렌즈군(G4) 까지의 거리(d)는 약 25mm ~ 70mm일 수 있다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 텔레센트릭 렌즈계의 Fno는 2.0 ~ 2.5 범위를 만족함으로써, 소형이면서 비교적 밝은 렌즈계를 제공할 수 있다.
도 3을 참조하면, 바이오 검출장치의 구동을 위해 제3 렌즈군(G3)과 제4렌즈군(G4) 사이에는 별도의 광학 부재로서 광학 필터(F1)가 구비될 수 있다. 이 때, 제3 렌즈군(G3)은 확대 렌즈군(Gm)과 광학 필터(F1) 사이에 구비되어, 확대 렌즈군(Gm)으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환한다. 따라서, 광학 필터(F1)로 입사되는 광은 콜리메이션된 광이며, 제3 렌즈군(G3)의 콜리메이션에 의해 바이오 검출장치의 측정 신뢰도가 향상될 수 있다.
제3 렌즈군(G3)이 콜리메이션 기능을 수행하여, 바이오 검출장치의 측정 신뢰도가 향상될 수 있는 구체적 이유를 살펴보면 다음과 같다.
광학 필터(F1)로 입사되는 광의 입사각이 0°가 아닌 경우에 광학 필터(F1)를 통과한 광은 입사각에 따라 다음과 같은 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
1) 스펙트럼의 중심 파장이 이동(Shift)한다.
2) S편광과 P편광의 두 개의 서로 다른 스펙트럼이 발생한다.
도 4a 및 도 4b는 제3 렌즈군(G3)의 기능을 설명하기 위한 것으로, 광학 필터(F1)에 입사되는 광의 입사각에 따른 투과율의 변화 및 파의 분리 현상을 나타낸 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 예를 들어 광학 필터(F1)가 장파장 패스 필터(long wave pass filter)인 경우, 스펙트럼이 이동하는 시프트 현상, 및 P파와 S파가 분리되는 현상이 발생함을 확인할 수 있다. 구체적으로, P파가 S파보다 이동되는 정도가 더 크게 나타나며, 투과율도 저하된다.
도 4b를 참조하면, 예를 들어 광학 필터(F1)가 밴드 패스 필터(band pass filter)인 경우에는, 도 4a를 참조하여 설명한 바와 같이 P파와 S파가 이동하는 정도가 크게 나타나지는 않지만 중심 파장이 단파장으로 이동하고, 밴드폭이 P파의 경우에 다소 넓어지고, S파의 경우에 좁아지는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같은, 광학 필터(F1)로 입사되는 광의 입사각에 따른 스펙트럼 이동(spectral shift)은 다음의 식 2와 같이 나타낼 수 있다.
<식 2>
Figure pat00003
여기서, θ는 광학 필터(F1)로 입사되는 광의 입사각을, Neff는 광학 필터 소재의 유효 굴절율을, l0는 광이 필터에 수직으로 입사할 때, 즉 입사각이 0°일 때의 기준 파장을 나타낸다.
식 2를 참조하면, 광학 필터로 입사되는 광의 입사각이 커질수록 스펙트럼이동 및 P파와 S파로의 분리 현상과 같은 문제가 발생하므로 바이오 검출장치의 측정 정확도가 저하되게 된다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 확대 렌즈군(Gm)과 광학 필터(F1) 사이에 콜리메이션을 수행하는 제3 렌즈군(G3)이 구비되어 평행광으로 변환하므로 광학 필터(F1)를 통과하면서 스펙트럼 이동하는 현상을 방지할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계를 포함하는 바이오 검출장치의 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
하기의 [표 1]은 도 2에 도시된 텔레센트릭 렌즈계의 설계 데이터를 나타낸다. [표 1]에서 R은 곡률반경을, Dn은 렌즈 중심 두께 또는 렌즈와 렌즈 사이의 간격을 Nd는 d선 굴절율을, Vd는 d선의 아베수를 나타낸다.
　 R Dn Nd Vd
Object ∞ 60 　 　
1 ∞ 10 1.74 44.85
2 -191.69 0.5 　 　
3 55.00 17 1.74 44.85
4 70.48 68.39 　 　
5 -73.83 2 1.60 60.60
6 14.63 33.64 　 　
7 54.58 2 1.70 30.20
8 31.60 4.22 1.60 60.60
9 -187.16 27.5 　 　
Stop ∞ 0.6 　 　
11 106.03 2 1.76 26.53
12 21.16 4.7 1.52 64.17
13 -38.28 1.8 　 　
14 22.84 10.93 1.74 44.85
15 104.17 24.4618696 　 　
Image ∞ 　 　
하기의 [표 2]는 [표 1]과 같은 설계 데이터를 구비한 텔레센트릭 렌즈계의 유효초점거리(EFL), F넘버(Fno), 배율, 제1 렌즈군(G1)의 물체측면으로부터 피검체까지의 거리(WD:Working Distance), 광학적 전장(OAL)을 나타낸다. 여기서 광학적 전장(OAL)은 물체면으로부터 이미지면까지의 거리로서, 물체면인 피검체로부터 제1 렌즈군(G1)의 물체측면까지의 거리(WD)를 포함한 값이다.
EFL(mm) 91.3
FNO 2.2
배율 0.89
WD(mm) 60
OAL(mm) 270
도 5는 도 2의 텔레센트릭 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점 수차 및 왜곡에 관한 수차도를 도시한 것이고, 도 6은 도 2의 텔레센트릭 렌즈계의 코마수차를 도시한 것이다.
< 실시예 2>
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계를 도시한 것으로, 렌즈계가 빔 스플리터, 광학 필터가 더 포함된 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계도 물체측으로부터 순서대로, 제1,2 렌즈군(G1, G2)을 포함하는 확대 렌즈군(Gm), 제3 렌즈군(G3), 제4 렌즈군(G4)을 포함하며, 제3 렌즈군(G3)과 제4 렌즈군(G4) 사이에는 조리개(ST)가 배치된다. 또한, 제3 렌즈군(G3)이 확대 렌즈군(Gm)으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환하는 콜리메이션의 기능을 수행하며, 제4 렌즈군(G4)이 포커싱을 수행하는 점, 제3 렌즈군(G3)과 조리개(ST) 사이의 거리(d)가 <식 1>을 만족하는 점, Fno는 2.0 ~ 2.5 범위를 만족함으로써 소형이면서 비교적 밝은 렌즈계를 제공할 수 있는 점은 앞서 도 2를 참조하여 설명한 텔레센트릭 렌즈계와 동일하다.
다만, 본 발명의 실시예에 따르면, 제3 렌즈군(G3)과 조리개(ST) 사이에 제1 광학 필터(F1) 이외에 빔 스플리터(BS)가 더 포함되고 조명원(100)으로부터 빔 스플리터(BS)까지의 경로에 제2 광학 필터(F2)와 제5 렌즈군(G5)이 더 포함되어 동축 조명을 형성하는 점에서 차이가 있다. 제5 렌즈군(G5)의 구성은 제4 렌즈군(G4)의 구성과 실질적으로 동일하다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 차이점을 위주로 설명한다.
확대 렌즈군(Gm)은 대구경 렌즈를 구비하는 제1 렌즈군(G1) 및 제2 렌즈군(G2)을 포함한다. 제1 렌즈군(G1)은 정의 굴절력을 갖고 제2 렌즈군(G2)은 부의 굴절력을 갖는다. 제1 렌즈군(G1)은 양볼록의 제1 렌즈(11 '), 물체측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제2 렌즈(12 ')를 포함할 수 있다.
제2 렌즈군(G2)은 물체측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제3, 4 렌즈(21 ', 22 ') 를 포함할 수 있다. 텔레센트릭 렌즈계의 배율이 커질 경우에 제1 렌즈군(G1)에서 제2 렌즈군(G2)으로 진행하는 광이 꺽이는 정도가 매우 커질수 있는데 이 때 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군(G2)의 파워 및 민감도가 커져서 제조 수율의 문제를 야기할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면 제2 렌즈군(G2)이 복수의 렌즈를 구비하므로 파워가 분산되므로 이와 같은 문제를 예방할 수 있다.
제3 렌즈군(G3)은 정의 굴절력을 갖고, 확대 렌즈군(Gm)으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환하며, 예컨대, 물체측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제5 렌즈(31 ')와 양볼록 형상의 제6 렌즈(32 ')가 접합된 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
제4 렌즈군(G4)은 정의 굴절력을 갖고, 포커싱을 수행하며, 예컨대, 물체측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제7 렌즈(41 ')와 양볼록 형상의 제8 렌즈(42 ')가 접합된 접합 렌즈, 및 물체측으로 볼록한 메니스커스 형상의 제9 렌즈(43 ')를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계는 총 9매의 렌즈를 포함함으로써 전체 렌즈의 매수를 줄이며, 전장이 짧은 소형 렌즈계를 구현할 수 있다. 또한, 확대 렌즈군(Gm)과 제1 광학 필터(F1) 사이에 콜리메이션을 수행하는 제3 렌즈군(G3)이 구비되므로 제1 광학 필터(F1)에서 스펙트럼 이동을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계를 포함하는 바이오 검출장치의 신뢰도를 향상시킬 수 있음은 물론이다.
제1 광학 필터(F1)는 피검체인 물체로부터 방출된 검출광의 진행 경로 상에 구비되며, 바이오 검출에 필요한 색으로 보정해줄 수 있다. 예컨대, 제1 광학 필터(F1)는 형광 필터일 수 있다.
제2 광학 필터(F2)는 조명원(100)에서 방출된 조명광의 진행 경로 상에 구비되며, 조명광으로부터 특정 여기 파장(excitation wavelength)의 광을 선택할 수 있는 여기 필터(excitation filter)일 수 있다.
도 7을 참조하여 조명광 및 검출광의 진행 경로를 살펴보면 다음과 같다.
조명원(100)으로부터 방출된 조명원(100)은 순차적으로 제5 렌즈군(G5), 제2 광학 필터(F2)를 지나 빔 스플리터(BS)에 의해 제3 렌즈군(G3), 제2 렌즈군(G2)과 제1 렌즈군(G1)을 지나 피검체로 방출된다. 빔 스플리터(BS)에 의하여 조명광은 텔레센트릭 렌즈계의 광축과 동축 선상에서 피검체를 향해 진행한다(동축 조명).
피검체, 예컨대 형광 발광시료 또는 형광 발광으로 염색된 시료를 포함한 피검체에서 방출된 검출광은 순차적으로 제1,2 렌즈군(G1, G2)의 확대 렌즈군(Gm), 제3 렌즈군(G3), 빔 스플리터(BS) 및 제1 광학 필터(F1)를 지나 제4 렌즈군(G4)을 향해 진행한다. 이 때, 검출광은 제3 렌즈군(G3)에 의해 평행광으로 변경되어 빔스플리터(BS) 및 제1 광학 필터(F1)를 지나게 된다. 이 후, 제4 렌즈군(G4)을 지난 검출광은 이미지 면에 결상된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계는 제3 렌즈군(G3)과 제4 렌즈군(G4) 사이에 충분한 공간을 확보하므로, 빔 스플리터(BS) 및 제1 광학 필터(F1)와 같은 광학 부재가 구비될 수 있다.
하기의 [표 3]은 도 7에 도시된 텔레센트릭 렌즈계의 설계 데이터를 나타낸다. [표 3]에서 R은 곡률반경을, Dn은 렌즈 중심 두께 또는 렌즈와 렌즈 사이의 간격을 Nd는 d선 굴절율을, Vd는 d선의 아베수를 나타낸다.
　 Radius Distance Nd Vd
Object ∞ 35 　 　
1 203.57 11.64 1.74 44.85
2 -407.96 1.00 　 　
3 55.00 13.02 1.74 44.85
4 90.92 45.03 　 　
5 54.13 2.00 1.74 44.85
6 18.43 6.76 　 　
7 96.20 1.50 1.62 60.32
8 21.65 51.33 　 　
9 69.55 1.50 1.69 31.31
10 31.60 6.42 1.62 53.27
11 -98.32 2.00 　 　
12 ∞ 15.00 1.52 64.17
13 ∞ 15.00 1.52 64.17
14 ∞ 11.00 　 　
15 ∞ 2.00 1.46 67.80
16 ∞ 12.00 　 　
Stop ∞ 0.50 　 　
18 100.09 1.50 1.76 26.53
19 24.71 3.87 1.52 64.17
20 -70.35 0.15 　 　
21 26.59 3.99 1.74 44.85
22 78.46 37.13 　 　
Image 　 0 　 　
하기의 [표 4]는 [표 3]과 같은 설계 데이터를 구비한 텔레센트릭 렌즈계의 유효초점거리(EFL), F넘버(Fno), 배율, 제1 렌즈군(G1)의 물체측면으로부터 피검체까지의 거리(WD:Working Distance), 광학적 전장(OAL)을 나타낸다. 여기서 광학적 전장(OAL)은 물체면으로부터 이미지면까지의 거리로서, 물체면인 피검체로부터 제1 렌즈군(G1)의 물체측면까지의 거리(WD)를 포함한 값이다.
EFL(mm) 161.3
FNO 2.6
배율 0.1255
WD(mm) 35
OAL(mm) 280
도 8은 도 7의 텔레센트릭 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점 수차 및 왜곡에 관한 수차도를 도시한 것이고, 도 9는 도 7의 텔레센트릭 렌즈계의 코마수차를 도시한 것이다.
< 실시예 3>
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계를 도시한 것으로, 렌즈계가 제1,2 광학 필터(F1, F2)외에 다이크로익 필터(F3: dichroic filter)를 더 포함한 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계도 물체측으로부터 순서대로, 제1,2 렌즈군(G1, G2)을 포함하는 확대 렌즈군(Gm), 제3 렌즈군(G3), 제4 렌즈군(G4)을 포함하며, 제3 렌즈군(G3)과 제4 렌즈군(G4) 사이에는 조리개(ST)가 배치된다. 또한, 제3 렌즈군(G3)이 확대 렌즈군(Gm)으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환하는 콜리메이션의 기능을 수행하며, 제4 렌즈군(G4)이 포커싱을 수행하는 점, 제3 렌즈군(G3)과 제4 렌즈군(G4) 사이의 거리(d)가 <식 1>을 만족하는 점, Fno는 2.0 ~ 2.5 범위를 만족함으로써 소형이면서 비교적 밝은 렌즈계를 제공할 수 있는 점은 앞서 도 2를 참조하여 설명한 텔레센트릭 렌즈계와 동일하다.
또한, 동축 조명을 형성하기 위해 조명광의 진행 경로에 제2 광학 필터(F3)와 제5 렌즈군(G5) 이 더 포함되는 점에서 앞서 도 7을 참조하여 설명한 텔레센트릭 렌즈계와 동일하다.
다만, 본 발명의 실시예에 따르면, 빔 스플리터(BS)가 아닌 다이크로익 필터(F3)가 더 포함된 점에서 차이가 있다. 다이크로익 필터(F3)를 사용함으로써, 빔 스플리터(BS)를 사용하는 경우에 비하여 조명 효율 및 인식 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
다이크로익 필터(F3)로는 검출 환경에 따라 높은 파장의 광은 통과하고 낮은 파장의 광은 반사하는 장파장 패스 필터, 또는 낮은 파장의 광은 통과하고 높은 파장의 광은 반사하는 단파장 패스 필터를 사용할 수 있다.
확대 렌즈군(Gm)은 대구경 렌즈를 구비하는 제1 렌즈군(G1) 및 제2 렌즈군(G2)을 포함한다. 제1 렌즈군(G1)은 정의 굴절력을 갖고 제2 렌즈군(G2)은 부의 굴절력을 갖는다. 제1 렌즈군(G1)은 양볼록의 제1 렌즈(11 "), 물체측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제2 렌즈(12 ")를 포함할 수 있고, 제2 렌즈군(G2)은 물체측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제3, 4 렌즈(21 ", 22 ")를 포함할 수 있다.
제3 렌즈군(G3)은 정의 굴절력을 갖고, 확대 렌즈군(Gm)으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환하며, 예컨대, 양볼록 형상의 제5 렌즈(31 ")와 이미지측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제6 렌즈(32 ")가 접합된 접합 렌즈를 포함할 수 있다. 텔레센트릭 렌즈계의 배율이 커질 경우에 제1 렌즈군(G1)에서 제2 렌즈군(G2)으로 진행하는 광이 꺽이는 정도가 매우 커질 수 있는데 이 때 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군(G2)의 파워 및 민감도가 커져서 제조 수율의 문제를 야기할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면 제2 렌즈군(G2)이 복수의 렌즈를 구비하므로 파워가 분산되므로 이와 같은 문제를 예방할 수 있다.
제4 렌즈군(G4)은 정의 굴절력을 갖고, 포커싱을 수행하며, 예컨대, 물체측을 향해 볼록한 메니스커스 형상의 제7 렌즈(41 ")와 양볼록 형상의 제8 렌즈(42 ")가 접합된 접합 렌즈, 및 물체측으로 볼록한 메니스커스 형상의 제9 렌즈(43 ")를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계는 총 9매의 렌즈를 포함함으로써 전체 렌즈의 매수를 줄이며, 전장이 짧은 소형 렌즈계를 구현할 수 있다. 또한, 확대 렌즈군(Gm)과 제1 광학 필터(F1) 사이에 콜리메이션을 수행하는 제3 렌즈군(G3)이 구비되므로 제1 광학 필터(F1)에서 스펙트럼 이동을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계를 포함하는 바이오 검출장치의 신뢰도를 향상시킬 수 있음은 물론이다.
제1 광학 필터(F1)는 피검체인 물체측으로부터 방출된 검출광의 진행 경로 상에 구비되며, 바이오 검출에 필요한 색으로 보정해줄 수 있다. 예컨대, 제1 광학 필터(F1)는 형광 필터일 수 있다.
제2 광학 필터(F2)는 조명원(100)에서 방출된 조명광의 진행 경로 상에 구비되며, 조명광으로부터 특정 여기 파장(excitation wavelength)의 광을 선택할 수 있는 여기 필터(excitation filter)일 수 있다.
도 10을 참조하여 조명광 및 검출광의 진행 경로를 살펴보면 다음과 같다.
조명원(100)으로부터 방출된 조명원(100)은 순차적으로 제5 렌즈군(G5), 제2 광학 필터(F2)를 지나 다이크로익 필터(F3)를 통과한 일정한 파장 대역의 광이 제3 렌즈군(G3), 제2 렌즈군(G2)과 제1 렌즈군(G1)을 지나 피검체로 방출된다. 다이크로익 필터(F3)를 통과하면서 조명광 중 일정한 파장 대역의 광이 텔레센트릭 렌즈계의 광축과 동축 선상에서 피검체를 향해 진행한다(동축 조명).
피검체로부터 방출된, 예컨대 형광 발광과 같은 검출광은 순차적으로 제1,2 렌즈군(G1, G2)의 확대 렌즈계, 제3 렌즈군(G3), 다이크로익 필터 및 제1 광학 필터를 지나 제4 렌즈군(G4)을 향해 진행한다. 이 때, 검출광은 제3 렌즈군(G3)에 의해 평행광으로 변경되어 다이크로익 필터 및 제1 광학 필터를 지나게 된다. 제4 렌즈군(G4)을 지난 검출광은 이미지 면에 결상된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈계는 제3 렌즈군(G3)과 조리개(ST) 사이에 충분한 공간을 확보하므로, 다이크로익 필터(F3) 및 제1 광학 필터(F1)와 같은 광학 부재가 구비될 수 있다.
하기의 [표 5]은 도 10에 도시된 텔레센트릭 렌즈계의 설계 데이터를 나타낸다. [표 5]에서 R은 곡률반경을, Dn은 렌즈 중심 두께 또는 렌즈와 렌즈 사이의 간격을 Nd는 d선 굴절율을, Vd는 d선의 아베수를 나타낸다.
　 Radius Distance Nd Vd
obj ∞ 30 　 　
1 279.40 11.20 1.81 40.61
2 -524.50 0.50 　 　
3 60.00 23.00 1.81 40.61
4 73.88 42.60 　 　
5 96.38 6.88 1.61 56.65
6 20.64 8.21 　 　
7 131.36 1.70 1.67 47.11
8 24.20 37.62 　 　
9 99.13 7.60 1.61 46.60
10 -37.16 1.70 1.76 26.53
11 -63.79 25.00 　 　
12 ∞ 1.10 1.46 67.80
13 ∞ 22.00 　 　
14 ∞ 2.00 1.46 67.80
15 ∞ 12.00 　 　
Stop ∞ 2.00 　 　
17 137.58 1.70 1.78 25.68
18 23.55 5.12 1.52 59.48
19 -76.30 0.50 　 　
20 28.22 4.96 1.74 44.85
21 654.95 36.98 　 　
Image ∞ 0 　 　
하기의 [표 6]는 [표 5]과 같은 설계 데이터를 구비한 텔레센트릭 렌즈계의 유효초점거리(EFL), F넘버(Fno), 배율, 제1 렌즈군(G1)의 물체측면으로부터 피검체까지의 거리(WD:Working Distance), 광학적 전장(OAL)을 나타낸다. 여기서 광학적 전장(OAL)은 물체면으로부터 이미지면까지의 거리로서, 물체면인 피검체로부터 제1 렌즈군(G1)의 물체측면까지의 거리(WD)를 포함한 값이다.
EFL(mm) 101.2
FNO 2.6
배율 0.1
WD(mm) 30
OAL(mm) 285
도 11은 도 10의 텔레센트릭 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점 수차 및 왜곡에 관한 수차도를 도시한 것이고, 도 12는 도 10의 텔레센트릭 렌즈계의 코마수차를 도시한 것이다.
하기의 [표 7]는 도 2, 도 7, 도 10에 따른 텔레센트릭 렌즈계의 광학적 전장(OAL), Fno, FOV(Field Of View), 제3 렌즈군(G3)과 제4 렌즈군(G4) 사이의 거리(d), 및 <식 1>에 따른 값을 나타낸다.
OAL Fno FOV d 식 1
실시예1 270mm 2.2 92mm 28.1 0.104
실시예2 280mm 2.6 90mm 25.5 0.091
실시예3 285mm 2.5 100mm 64.1 0.225
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
1: 피검체 100: 조명원
200: 텔레센트릭 렌즈계 300: 촬상소자
400: 판독부 G1: 제1 렌즈군
G2: 제2 렌즈군 G3: 제3 렌즈군
G4: 제4 렌즈군 Gm: 확대 렌즈군
F1: 제1 광학 필터 또는 광학 필터
F2: 제2 광학 필터 F3: 제3 광학 필터
BS: 빔 스플리터 ST: 조리개

Claims (11)

  1. 물체측으로부터 이미지측의 순서대로,
    정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군을 포함하는 확대 렌즈군;
    정의 굴절력을 가지며, 상기 확대 렌즈군으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환하는 제3 렌즈군;
    조리개; 및
    정의 굴절력을 가지는 제4 렌즈군;을 포함하는 텔레센트릭 렌즈계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 렌즈군과 상기 제4 렌즈군 사이의 거리(d)는 하기의 식을 만족하는 텔레센트릭 렌즈계.
    <식>
    10% ≤
    Figure pat00004
    ≤25%
    여기서, OAL은 물체면으로부터 이미지면까지의 거리를 나타낸다.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제3 렌즈군과 상기 제4 렌즈군 사이의 거리(d)는 25mm ~ 70mm인 텔레센트릭 렌즈계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조리개와 마주보는 상기 제3 렌즈군의 면은 상기 조리개를 향해 볼록하고, 상기 조리개와 마주보는 상기 제4 렌즈군의 면은 상기 조리개를 향해 볼록한 텔레센트릭 렌즈계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 렌즈군과 상기 조리개 사이에 위치하는 광학 필터;를 더 포함하는 텔레센트릭 렌즈계.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제3 렌즈군과 상기 조리개 사이에 위치하는 빔 분리기;를 더 포함하는 텔레센트릭 렌즈계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 렌즈계의 f넘버는 2.0 ~ 2.5 인 텔레센트릭 렌즈계.
  8. 조명광을 방출하는 조명원;
    상기 조명광을 수광한 피검출체로부터 방출된 검출광을 수광하는 텔레센트릭 렌즈계; 및
    상기 텔레센트릭 렌즈계를 통해 수집된 검출광 전기적 신호로 변경하는 고체촬상소자;를 포함하며,
    상기 텔레센트릭 렌즈계는, 물체측으로부터 이미지측의 순서대로,
    정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군을 포함하는 확대 렌즈군;
    정의 굴절력을 가지며, 상기 확대 렌즈군으로부터 입사되는 광을 광축에 평행한 광으로 변환하는 제3 렌즈군;
    조리개; 및
    정의 굴절력을 가지는 제4 렌즈군;을 포함하는 바이오 검출장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 렌즈계는,
    제3 렌즈군 및 제 4렌즈군 사이에 구비되는 형광 필터를 더 포함하는 바이오 검출장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 렌즈계는,
    제3 렌즈군 및 제 4렌즈군 사이에 구비되며, 상기 조명광이 상기 텔레센트릭 렌즈계의 광축과 동축의 전방면에서 피검체를 향해 조사되도록 상기 제3 렌즈군과 상기 제 4렌즈군 사이에 구비되는 빔 스플리터;를 더 포함하며,
    상기 조명원은 상기 빔 스플리터를 향해 상기 조명광을 방출하는 바이오 검출장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 렌즈계는,
    제3 렌즈군 및 제 4렌즈군 사이에 구비되며, 상기 조명광 중 일부 파장 대역의 광이 상기 텔레센트릭 렌즈계의 광축과 동축의 전방면에서 피검체를 향해 조사되도록 상기 제3 렌즈군과 상기 제 4렌즈군 사이에 구비되는 필터;를 더 포함하며, 상기 조명원은 상기 필터를 향해 상기 조명광을 방출하는 바이오 검출장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105954860A (zh) * 2016-05-13 2016-09-21 西安远心光学系统有限公司 一键式测量双远心镜头

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