KR20130083258A - 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기 및 이를 이용한 공초점 현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기 및 이를 이용한 공초점 현미경에 관한 것으로, 레이저 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 레이저 광을 평행광을 만드는 콜리메이터, 상기 콜리메이터에서 출사되는 선형 편광광에서 p파 광을 위상 변조(phaser modulation) 시키고, s파는 광주파수 편이가 일어나지 않도록 변조시키는 전기광학 변조기, s파 편광판과 p파 편광판이 일체로 구성되어 p파만을 위상 변조를 일으키는 편광판 및 한쪽만 반파장판(half-wave plate)로 구성되어 최종빔 출력을 편향방향은 동일하게 하고, p파만 위상변조를 일어나도록 빔을 출력하는 파장판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기 및 이를 이용한 공초점 현미경{Spatial phase modulator based on electro-optic modulator using the confocal microscope}

본 발명은 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기 및 이를 이용한 공초점 현미경에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 고분해능을 유지하면서 향상된 투과깊이를 가지는 공초점 현미경 개발을 위하여 전기광학 변조기, 편광판 및 반파장판을 이용하여 대물렌즈의 초점에서만 광강도가 변조되는 광원을 구현할 수 있는 변조기 및 이를 이용한 공초점 현미경에 관한 것이다.

공초점 현미경은 광원, 대물렌즈의 초점과 광검출기 앞의 핀홀(pinhole)이 공액 관계에 놓이게 되어서 빔 주사 방식을 결합하게 되면 대물렌즈의 초점 평면(in-focus)의 신호만 받아들이고 초점 평면 밖(out-of-focus)의 신호를 차단할 수 있게 된다. 따라서 고분해능, 비침습, 2차원 광학 절편(optical section)영상을 얻을 수 있다.

바이오 및 의학 분야에서 공초점 현미경이 많이 이용되고 있다. 그 중에서도 시편의 절편화 없이 체내의 영상 (in-vivo)을 실시간으로 얻기 위한 시도로 공초점 현미경이 이용되고 있다. 이런 이유는 시편의 절편화 과정에서 조직 및 구조가 손상 및 오염될 가능성이 있기 때문이다. 따라서 손상 없이 외부로부터 생체 내부로의 접근이 매우 중요하다. 하지만 다양한 매질로 구성되어 있는 생체 시편은 외부로 부터의 깊이가 깊어질수록 빛의 산란(scattering)이 많이 일어나기 때문에 영상의 분해능 및 신호의 세기, 광학 절편 성능이 떨어지므로 우수한 영상을 얻기 힘들다. 따라서 광학 현미경의 투과 깊이가 매우 중요하다.

초고속 광원을 이용하여 초점 내에서만 일어나는 이광자 현상을 이용하여 고분해능, 비침습, 2차원 광학 절편영상을 얻어내는 이광자 (two-photon) 현미경의 경우 수백 um에서도 우수한 영상을 얻을 수 있는 높은 투과깊이를 가지기 때문에 광학 현미경의 낮은 투과 깊이를 극복하기 위해서 많이 이용된다. 하지만 초고속 광원은 수 억원 대의 고가 장비라는 단점이 있다.

최근에는 저가의 레이저를 이용하여 높은 투과 깊이를 가지는 광학 현미경을 만들기 위한 노력이 이루어지고 있다. 산란되는 광자를 제외한 초점 평면에만 도달하는 탄도광(ballistic)만을 검출해서 영상화 하는 초점내 변조 현미경 (Focal modulation microscope)이 바로 그 예다.

대물렌즈의 후구경(back aperture)을 절반으로 나누어서 각각에 다른 파장 즉, 다른 광주파수(optical frequency)의 빛을 입사시키게 되면 빛이 진행하는 동안은 서로 간섭하지 않다가 초점평면에서 두 빛이 만나게 되면, 서로 간섭하여 두 빛의 광주파수의 차이로 광강도(intensity)의 맥놀이(beat)가 일어난다. 이 맥놀이 신호만을 검출하게 되면 산란 빛의 영향을 받지 않고 향상된 투과 깊이를 얻을 수 있다. 따라서, 광 변조 광원을 이용하여 높은 투과성을 가지는 광원 광학계의 개발과 이를 활용한 광학 현미경 시스템 개발이 필요한 실정에 있다.

KR 10-7907070호 KR 10-1080382호

따라서, 본 발명은 공간적 위상 변조 광원을 이용하여 공초점 현미경의 투과깊이를 향상시키고자 하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명은 선형 편광의 레이저 빔, 전기 광학형 변조기, 제작된 편광판, 그리고 제작된 파장판을 이용하여 공간적으로 위상이 변조된 빔을 생성하고, 공간적으로 위상이 변조된 빔을 공초점 모듈에 입사시켜 검출된 신호 중 맥놀이 신호와 동일한 주파수의 신호만을 영상화하면, 탄도광 만을 추출하여 영상화할 수 있어서 향상된 투과깊이를 얻을 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 레이저 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 레이저 광을 평행광을 만드는 콜리메이터, 상기 콜리메이터에서 출사되는 선형 편광광에서 p파 광을 위상 변조(phaser modulation) 시키고, s파는 광주파수 편이가 일어나지 않도록 변조시키는 전기광학 변조기, s파 편광판과 p파 편광판이 일체로 구성되어 p파만을 위상 변조를 일으키는 편광판 및 한쪽만 반파장판(half-wave plate)로 구성되어 최종빔 출력을 편향방향은 동일하게 하고, p파만 위상변조를 일어나도록 빔을 출력하는 파장판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 편광판은, 세로축 중앙을 기준으로 왼쪽은 s파 편광판(polarizer)이 구성되고, 오른쪽으로는 p파 편광판이 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 콜리메이터를 통과한 평행빔은 45ㅀ 각도로 상기 전기광학 변조기에 입사되는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 발명은, 편광방향은 동일하고, s파 광은 위상변조가 일어나지 않고, p파 광은 위상변조가 일어나도록 광을 출력하는 광원 생성부, 상기 광원 생성부에 출력되는 광을 분할하는 빔스플리터, 상기 빔스플리터에서 반사된 광을 집광시키는 집광렌즈, 상기 집광렌즈를 투과한 광을 검출하는 광검출기, 상기 빔스플리터를 투과한 광에서 임의의 파장값은 투과시키고 나머지 광은 반사시키는 이색거울(dichroic mirror), 상기 이색거울을 통과한 광을 스캐닝하여 반사시켜 스캔렌즈와 튜브렌즈를 각각 통과한 후 통과된 광을 측정 대상물에 조사시키는 대물렌즈, 상기 측정 대상물에서 반사된 형광 광은 상기 이색거울을 통해 반사된 후 반사된 형광 광을 검출하는 검출부, 상기 광검출기에서 검출된 기준신호광과 상기 검출부에서 검출된 광에서 동일한 주파수를 가지는 신호만을 검출하는 락인증폭기(lock-in amplifier)를 포함한다.

또한, 상기 검출부는, 상기 이색거울에서 반사된 광을 집광시키는 집광렌즈, 상기 집광렌즈를 투과한 광의 초점광을 투과시키는 핀홀 및 상기 핀홀을 관통한 광을 검출하는 광전자 증배기(photo multiplier tube)를 포함한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 공간적으로 위상이 변조된 빔을 공초점 모듈에 입사시켜 검출된 신호 중 맥놀이 신호와 동일한 주파수의 신호만을 영상화하면, 탄도광(ballistic) 만을 추출하여 영상화할 수 있어서 향상된 투과깊이를 얻을 수 있는 이점이 있다.

또한, 전기 광학적 변조기의 변조량을 조절하더라도 광학계의 변경이 불필요한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간적 위상 변조된 광원을 생성하는 광원 생성부의 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전기 광학형 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기를 이용한 초점내 변조 현미경을 개략적으로 나타낸 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기 및 이를 이용한 공초점 현미경의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기 및 이를 이용한 공초점 현미경은, 레이저 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 레이저 광을 평행광을 만드는 콜리메이터, 상기 콜리메이터에서 출사되는 선형 편광광에서 p파 광을 위상 변조(phaser modulation) 시키고, s파는 광주파수 편이가 일어나지 않도록 변조시키는 전기광학 변조기, s파 편광판과 p파 편광판이 일체로 구성되어 p파만을 위상 변조를 일으키는 편광판 및 한쪽만 반파장판(half-wave plate)로 구성되어 최종빔 출력을 편향방향은 동일하게 하고, p파만 위상변조를 일어나도록 빔을 출력하는 파장판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 구성되는 전기광학 변조기를 이용한 공간형 위상 변조기를 활용하여 공초점 현미경에 적용함으로써, 투과깊이가 향상된 영상을 검출할 수 있는 현미경을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간적 위상 변조된 광원을 생성하는 광원 생성부의 개략적으로 나타낸 구성도이다. 편광 유지형 광섬유(PM fiber)를 이용하여 635nm의 다이오드 레이저로 구성되는 광원(110)에서 나온 선형 편광(linearly polarized)빔은 콜리메이터(collimator ; 120)를 지나 평행빔이 된다. 레이저 빔의 선형 평광(10) 방향과 전기 광학형 변조기(130)의 세로축이 45ㅀ를 이루도록 빔이 입사 되면 p파(20)는 위상 변조(phaser modulation)가 일어나고 s파(21)는 광주파수 편이가 일어나지 않는다. 제작된 편광판(140)은 세로축을 중심으로 왼쪽은 s파 편광판(polarizer ; 22)이, 오른쪽은 p파 편광판(23)을 이루고 있다. 제작된 편광판을 지난 빔은 왼쪽은 s파(24), 오른쪽은 위상 변조가 일어난 p파(25)가 된다. 제작된 파장판(150)은 절반의 왼쪽만 반파장판(half-wave plate)이므로 통과한 최종빔(26)은 전체적으로 편광방향은 같고 왼쪽은 위상변조가 일어나지 않고, 오른쪽만 위상변조가 일어난 빔이 된다.

도 2는 본 발명에 따른 전기 광학형 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기를 이용한 초점 내 변조 현미경을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 광원 생성부(100)를 통과한 빔은 공간적으로 위상이 변조되어 빔의 절반과 나머지 절반이 상대적으로 변조된 위상차를 가지게 된다.

이렇게 생성된 공간적 위상 변조 빔은 빔 분리장치(200)를 통과한다. 이때 50%는 투과되고 50%는 반사된다. 반사된 빔은 집광 렌즈(collecting lens ; 210)를 거쳐 광검출기(photo detector ; 220)에 도달한다. 검출된 신호는 변조 주파수를 가지고 있으므로 기준(reference)로 사용된다. 빔 분리장치(200)를 통과한 빔은 레이저 빔 파장만을 투과시키고 레이저 빔보다 장파장은 반사시키는 이색거울(dichroic mirror ; 230)을 통과하게 된다. 통과한 빔은 2축 고속 미러 스캐너(240)와 스캔 렌즈(scan lens ; 250), 튜브 렌즈(tube lens ; 260)를 통과하여 대물렌즈(270)에 도달한다.

상기 대물렌즈(270)를 지난 빔은 도 1에서와 같이 초점내에서만 광강도의 변조가 일어나고 변조 주파수와 동일한 형광(fluorescence)빛이 초점내에서 변조되어 발생하게 된다. 변조된 형광 빛은 원래 왔던 경로를 되돌아가 이색거울(230)에 의해 반사된다. 반사된 형광 빛은 집광 렌즈(11)를 통과하여 핀홀(pinhole ; 290)을 거쳐 광전자증배기(300 ; photo multiplier tube)를 이용하여 검출된다. 이때 검출된 신호 중 광검출기(220)를 통해 받은 기준신호와 동일한 주파수를 가지는 신호만을 락인 증폭기(310)(lock-in amplifier)를 이용하여 검출한다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 광원 생성부 110 : 광원
120 : 콜리메이터 130 : 전기광학 변조기
140 : 편광판 150 : 파장판
200 : 빔스플리터 210 : 집광렌즈
220 : 광검출기 230 : 이색거울
240 : 스캐닝 미러 250 : 스캔렌즈
260 : 튜브렌즈 270 : 대물렌즈
280 : 집광렌즈 290 : 핀홀
300 : 광전자 증배기
310 : 락인증폭기(lock-in amplifier)

Claims (9)

1. 레이저 광을 출사하는 광원;
   상기 광원에서 출사되는 레이저 광을 평행광을 만드는 콜리메이터;
   상기 콜리메이터에서 출사되는 선형 편광광에서 p파 광을 위상 변조(phaser modulation) 시키고, s파는 광주파수 편이가 일어나지 않도록 변조시키는 전기광학 변조기;
   s파 편광판과 p파 편광판이 일체로 구성되어 p파만을 위상 변조를 일으키는 편광판; 및
   한쪽만 반파장판(half-wave plate)로 구성되어 최종빔 출력을 편향방향은 동일하게 하고, p파만 위상변조를 일어나도록 빔을 출력하는 파장판;을 포함하는 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 편광판은,
   세로축 중앙을 기준으로 왼쪽은 s파 편광판(polarizer)이 구성되고, 오른쪽으로는 p파 편광판이 구성되는 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 콜리메이터를 통과한 평행빔은 45ㅀ 각도로 상기 전기광학 변조기에 입사되는 것을 특징으로 하는 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한항에 있어서,
   상기 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위한 변조기를 사용하는 공초점 현미경.
5. 편광방향은 동일하고, s파 광은 위상변조가 일어나지 않고, p파 광은 위상변조가 일어나도록 광을 출력하는 광원 생성부;
   상기 광원 생성부에 출력되는 광을 분할하는 빔스플리터;
   상기 빔스플리터에서 반사된 광을 집광시키는 집광렌즈;
   상기 집광렌즈를 투과한 광을 검출하는 광검출기;
   상기 빔스플리터를 투과한 광에서 임의의 파장값은 투과시키고 나머지 광은 반사시키는 이색거울(dichroic mirror);
   상기 이색거울을 통과한 광을 스캐닝하여 반사시켜 스캔렌즈와 튜브렌즈를 각각 통과한 후 통과된 광을 측정 대상물에 조사시키는 대물렌즈;
   상기 측정 대상물에서 반사된 형광 광은 상기 이색거울을 통해 반사된 후 반사된 형광 광을 검출하는 검출부;
   상기 광검출기에서 검출된 기준신호광과 상기 검출부에서 검출된 광에서 동일한 주파수를 가지는 신호만을 검출하는 락인증폭기(lock-in amplifier);를 포함하는 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기를 사용하는 공초점 현미경.
6. 제 5항에 있어서, 상기 검출부는,
   상기 이색거울에서 반사된 광을 집광시키는 집광렌즈;
   상기 집광렌즈를 투과한 광의 초점광을 투과시키는 핀홀; 및
   상기 핀홀을 관통한 광을 검출하는 광전자 증배기(photo multiplier tube);를 포함하는 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기를 사용하는 공초점 현미경.
7. 제 5항에 있어서, 상기 스캐닝 미러는,
   2축 고속 스캐닝 미러인 것을 특징으로 하는 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기를 사용하는 공초점 현미경.
8. 제 5항에 있어서, 상기 광원 생성부는,
   레이저 광을 출사하는 광원;
   상기 광원에서 출사되는 레이저 광을 평행광을 만드는 콜리메이터;
   상기 콜리메이터에서 출사되는 선형 편광광에서 p파 광을 위상 변조(phaser modulation) 시키고, s파는 광주파수 편이가 일어나지 않도록 변조시키는 전기광학 변조기;
   s파 편광판과 p파 편광판이 일체로 구성되어 p파만을 위상 변조를 일으키는 편광판; 및
   한쪽만 반파장판(half-wave plate)로 구성되어 최종빔 출력을 편향방향은 동일하게 하고, p파만 위상변조를 일어나도록 빔을 출력하는 파장판;을 포함하는 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기를 사용하는 공초점 현미경.
9. 제 8항에 있어서, 상기 광원은,
   편광 유지형 광섬유(PM fiber)를 이용하여 635nm 다이오드 레이저를 통해 구성되는 광원에 해당하는 전기광학 변조기를 이용한 공간적 위상 변조기를 사용하는 공초점 현미경.
   

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