KR20130121224A - High speed image measurement apparatus and method - Google Patents

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KR20130121224A
KR20130121224A KR1020120044245A KR20120044245A KR20130121224A KR 20130121224 A KR20130121224 A KR 20130121224A KR 1020120044245 A KR1020120044245 A KR 1020120044245A KR 20120044245 A KR20120044245 A KR 20120044245A KR 20130121224 A KR20130121224 A KR 20130121224A
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multifocal
laser
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high speed
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김기현
왕태준
남효석
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

A high-speed photographing device according to the embodiment of the present invention includes a laser generating device which generates laser beams; a multi-focused optical system which transforms the laser beams into multi-focused laser beams; and a two-photon microscopy which photographs images of a specimen mounted on a support at a high speed by using the multi-focused laser beams. Therefore, the high-speed photographing device according to the embodiment of the present invention is provided to generate self-fluorescence of high efficiency by enlarging a wavelength range of a laser beam of femtosecond pulses by installing an optical parametric oscillator on the laser generating device, thereby photographing images of the specimen at a high speed by generating self-fluorescence on a cell specimen without a separate specimen processing process or an external fluorescence indicator.

Description

고속 영상 촬영 장치 및 그 방법{HIGH SPEED IMAGE MEASUREMENT APPARATUS AND METHOD}High speed imaging device and method thereof {HIGH SPEED IMAGE MEASUREMENT APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 고속 영상 촬영 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high speed imaging apparatus and a method thereof.

생명학에서 세포 단위의 연구를 하거나 의학에서 세포 단위의 조직 검사를 하기 위해서는 세포 관찰이 필수적이다. 이를 위해 일반적으로 관찰하려는 시료에 외부 형광 표지자를 부착하거나 여러 색깔의 염료로 염색하고 광학 현미경으로 관찰하는 방법이 사용된다. 그러나, 이러한 시료 처리 과정은 복잡하고 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.Cell observation is essential for the study of cells in biology or for the examination of cells in medicine. For this purpose, a method of attaching an external fluorescent marker to a sample to be observed, or dyeing with various colors of dyes and observing with an optical microscope is generally used. However, this sample processing process is complicated and time-consuming.

또한, 형광 현미경은 외부 형광 표지자를 이용해 관심있는 분자 및 세포를 염색한 뒤 촬영하는 기술이므로, 관심있는 부분만을 볼 수 있는 장점이 있는 반면에 염색되지 않은 부분은 전혀 보지 못하는 단점이 있다.In addition, fluorescence microscopy is a technique of dyeing and photographing molecules and cells of interest using an external fluorescent marker, so that only the portions of interest are visible, while the unstained portions are not seen at all.

또한, 의학에서 병변 판별을 위한 조직 검사는 조직의 고정, 절편 제작, 염색 등의 복잡한 절차를 거치므로 검사 결과가 나올 때까지 오랜 시간이 걸리는 단점이 있다. In addition, the biopsy for lesion detection in medicine has a disadvantage that it takes a long time until the test results come out because it undergoes a complex procedure, such as tissue fixation, section production, staining.

본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 외부 형광 표지자나 시료 처리 과정 없이 세포 시료의 자가 형광을 발생시켜 고속 영상 촬영 할 수 있는 고속 영상 촬영 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the problems of the above-described background, to provide a high-speed imaging device and method for generating high-speed imaging by generating a self-fluorescence of a cell sample without a separate external fluorescent marker or a sample processing process .

본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치는 레이저빔을 발생시키는 레이저 발생 장치, 상기 레이저빔을 다초점 레이저빔으로 변형시키는 다초점 광학계, 상기 다초점 레이저빔을 이용하여 지지대 위에 탑재된 시료의 영상을 고속으로 촬영하는 이광자 현미경을 포함할 수 있다. A high speed imaging apparatus according to an embodiment of the present invention includes a laser generator for generating a laser beam, a multifocal optical system for transforming the laser beam into a multifocal laser beam, and a sample mounted on a support using the multifocal laser beam. It may include a two-photon microscope for taking an image of the high speed.

상기 레이저 발생 장치는 상기 시료에 자가 형광을 발생시키는 펨토초 펄스의 레이저빔을 발생시키는 펨토초 펄스 레이저, 상기 펨토초 펄스의 레이저빔의 파장 범위를 넓혀 고효율의 자가 형광을 발생시키는 광매개 발진기를 포함할 수 있다.The laser generating apparatus may include a femtosecond pulsed laser for generating a femtosecond pulsed laser beam for generating a self-fluorescence on the sample, and an optical-mediated oscillator for generating high-efficiency self-fluorescence by widening the wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam. have.

상기 펨토초 펄스 레이저는 티타늄 사파이어 레이저일 수 있다.The femtosecond pulsed laser may be a titanium sapphire laser.

상기 티타늄 사파이어 레이저에서 발생시킨 상기 펨토초 펄스의 레이저빔의 초기 파장 범위는 700nm 내지 1000nm이고, 상기 광매개 발진기를 통과한 상기 펨토초 펄스의 레이저빔의 고효율 형광 파장 범위는 400nm 내지 1600nm일 수 있다.The initial wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam generated by the titanium sapphire laser may be 700 nm to 1000 nm, and the high-efficiency fluorescence wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam that has passed through the photo-mediated oscillator may be 400 nm to 1600 nm.

상기 다초점 광학계는 상기 레이저빔의 에너지 분포를 가우시안 분포에서 균일 분포로 변형시키는 빔 변형기, 복수개의 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 빔 변형기를 통과한 단일 초점의 레이저빔을 다초점 레이저빔으로 변형시키는 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.The multifocal optical system includes a beam modifier and a plurality of micro lenses that transform the energy distribution of the laser beam from a Gaussian distribution to a uniform distribution, and converts a laser beam of a single focus passing through the beam modifier into a multifocal laser beam. It may include a micro lens array.

상기 시료 위에는 상기 다초점 레이저빔의 복수개의 초점이 위치할 수 있다.A plurality of focal points of the multifocal laser beam may be positioned on the sample.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 방법은 레이저 발생 장치를 이용하여 레이저빔을 발생시키는 단계, 다초점 광학계를 이용하여 상기 레이저빔을 다초점 레이저빔으로 변형시키는 단계, 상기 다초점 레이저빔을 이용하여 이광자 현미경에서 시료의 영상을 고속으로 촬영하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, the high-speed imaging method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of generating a laser beam using a laser generating device, transforming the laser beam into a multifocal laser beam using a multifocal optical system, the multifocal It may include the step of photographing the image of the sample at high speed with a two-photon microscope using a laser beam.

상기 레이저빔을 발생시키는 단계는 상기 시료에 자가 형광을 발생시키도록 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 펨토초 펄스의 레이저빔을 발생시키는 단계, 광매개 발진기를 이용하여 상기 펨토초 펄스의 레이저빔의 파장 범위를 넓히는 단계를 포함할 수 있다. The generating of the laser beam may include generating a femtosecond pulsed laser beam using a femtosecond pulse laser to generate self fluorescence in the sample, and broadening a wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam using an optical mediated oscillator. It may include a step.

또한, 상기 펨토초 펄스 레이저는 티타늄 사파이어 레이저일 수 있다.In addition, the femtosecond pulsed laser may be a titanium sapphire laser.

상기 다초점 광학계에서 복수개의 마이크로 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 상기 레이저빔을 다초점 레이저빔으로 변형시킬 수 있다.The laser beam may be transformed into a multifocal laser beam by using a microlens array including a plurality of microlenses in the multifocal optical system.

상기 시료 위에 상기 다초점 레이저빔의 복수개의 초점이 위치할 수 있다.A plurality of foci of the multifocal laser beam may be positioned on the sample.

본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치 및 그 방법은 레이저 발생장치에 광매개 발진기를 설치함으로써, 펨토초 펄스의 레이저빔의 파장 범위를 넓혀 고효율의 자가 형광을 발생시킬 수 있으므로, 외부 형광 표지자가 없거나 별도의 시료 처리 과정 없이도 세포 시료에서 자가 형광을 발생시켜 고속으로 시료의 영상을 촬영할 수 있다.The high-speed imaging apparatus and method according to an embodiment of the present invention can provide a high-efficiency self-fluorescence by widening the wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam by providing a photo-mediated oscillator in the laser generator, thereby providing an external fluorescent marker. It is possible to capture images of a sample at high speed by generating self fluorescence in a cell sample without or without a separate sample processing process.

또한, 레이저빔을 다초점 레이저빔으로 변형시키는 다초점 광학계를 설치함으로써, 시료 위에 레이저빔의 다초점이 위치하게 하여 고속으로 시료의 영상을 촬영할 수 있다.In addition, by providing a multifocal optical system that transforms the laser beam into a multifocal laser beam, the multifocal of the laser beam can be positioned on the sample, so that an image of the sample can be taken at high speed.

또한, 광매개 발진기와 다초점 광학계는 종래의 이광자 현미경에 부착하여 사용할 수 있으므로 별도의 비용 증가없이 고속으로 세포 시료의 영상 촬영이 가능하다. In addition, since the photo-mediated oscillator and the multifocal optical system can be attached to a conventional two-photon microscope, the imaging of the cell sample can be performed at high speed without additional cost.

또한, 의학에서 세포 시료의 영상 촬영 시, 세포의 핵과 단백질에 대한 염색 과정을 생략하고, 세포의 핵과 단백질의 분포를 촬영할 수 있으므로 고속 조직 검사가 가능하다. In addition, when imaging a cell sample in medicine, it is possible to omit the staining process for the nucleus and protein of the cell, and to photograph the distribution of the nucleus and protein of the cell, thereby enabling high-speed tissue examination.

또한, 별도의 염색 과정이 필요없으므로 시료에서 염색되지 않은 모든 부분도 영상 촬영이 가능하다. In addition, since a separate dyeing process is not necessary, all portions of the sample that are not dyed can be photographed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치의 다초점 광학계의 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치의 다초점 레이저빔이 시료 위에 위치하는 상태의 도면이다. 1 is an overall configuration diagram of a high speed imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a plan view of a micro lens array of a multifocal optical system of a high speed imaging apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a state in which a multifocal laser beam of a high speed imaging apparatus according to an embodiment of the present invention is positioned on a sample.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

그러면 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치에 대하여 도 1 내지 도 3을 참고로 상세하게 설명한다.Next, a high speed image photographing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치의 다초점 광학계의 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치의 다초점 레이저빔이 시료 위에 위치하는 상태의 도면이다.1 is an overall configuration diagram of a high speed imaging apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of a micro lens array of a multifocal optical system of a high speed imaging apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. Is a diagram of a state in which a multifocal laser beam of a high speed imaging apparatus according to an embodiment of the present invention is positioned on a sample.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치는 레이저빔(11)을 발생시키는 레이저 발생 장치(100), 레이저빔(11)을 다초점 레이저빔(12)으로 변형시키는 다초점 광학계(200), 다초점 레이저빔을 이용하여 지지대(320) 위에 탑재된 시료(20)의 영상을 고속으로 촬영하는 이광자 현미경(300)을 포함한다.1 to 3, the high speed imaging apparatus according to the exemplary embodiment of the present invention uses the laser generating apparatus 100 and the laser beam 11 to generate the laser beam 11 into a multifocal laser beam. 12) includes a two-photon microscope 300 that deforms the image of the sample 20 mounted on the support 320 using a multifocal optical system 200 and a multifocal laser beam.

레이저 발생 장치(100)는 펨토초 펄스의 레이저빔(111)을 발생시키는 펨토초 펄스 레이저(110), 펨토초 펄스의 레이저빔의 파장 범위를 넓혀 고효율 형광 펨토초 펄스의 레이저빔(112)으로 변형시키는 광매개 발진기(Optical Parametric Oscillator, OPO)(120)를 포함한다.The laser generating apparatus 100 broadens the wavelength range of the femtosecond pulse laser 110 for generating the femtosecond pulse laser beam 111 and the femtosecond pulse laser beam and transforms it into the laser beam 112 of the high efficiency fluorescence femtosecond pulse. An optical parametric oscillator (OPO) 120 is included.

펨토초 펄스 레이저(110)는 티타늄 사파이어 레이저(Ti Sapphire Laser)일 수 있으며, 펨토초 펄스의 레이저빔(111)을 발생시켜 이광자 현미경(300)에 위치하는 시료(20)에 자가 형광을 발시킨다.The femtosecond pulse laser 110 may be a titanium sapphire laser, and generates a femtosecond pulse laser beam 111 to self-fluoresce the sample 20 positioned on the two-photon microscope 300.

이광자 현미경(300)의 지지대(320) 위에 세포로 이루어진 시료(20)가 탑재되어 있는 경우, 세포 중 단백질의 구성 요소인 트립토판(tryptophan)은 약 280nm 파장의 자외선에서 자가 형광을 많이 발생시킨다. 따라서, 펨토초 펄스의 레이저빔(111)은 이광자 흡수(two photon absorption)를 이용하므로 시료(20)가 자가 형광을 발생시킬 수 있도록 자외선 파장의 2배인 560nm 내지 570 nm의 가시 광선 파장을 가지는 것이 바람직하다. 그러나, 티타늄 사파이어 레이저에서 발생시킨 펨토초 펄스의 레이저빔(111)의 초기 파장 범위는 700nm 내지 1000nm이다. 따라서, 이러한 초기 파장 범위의 레이저빔(111)은 자가 형광 현상을 적게 발생시키므로 영상 촬영에 적합하지 않고 오랜 시간이 걸리게 된다.When the sample 20 made of cells is mounted on the support 320 of the two-photon microscope 300, tryptophan, which is a component of protein in the cells, generates a lot of autofluorescence in ultraviolet light of about 280 nm wavelength. Therefore, since the femtosecond pulsed laser beam 111 uses two photon absorption, the sample 20 preferably has a visible light wavelength of 560 nm to 570 nm, which is twice the ultraviolet wavelength so that the sample 20 can generate self-fluorescence. Do. However, the initial wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam 111 generated by the titanium sapphire laser is 700 nm to 1000 nm. Therefore, since the laser beam 111 in the initial wavelength range generates less autofluorescence, it is not suitable for imaging and takes a long time.

따라서, 광매개 발진기(120)를 이용하여 500nm 내지 650nm의 가시광선 파장 영역까지 레이저빔의 파장 범위를 확대시킨 고효율 형광 펨토초 펄스의 레이저빔(112)으로 변형시키고, 이를 시료(20)에 조사함으로써 시료(20)에 자가 형광을 많이 발생시킨다.Therefore, by transforming the laser beam 112 of the high-efficiency fluorescent femtosecond pulse which extends the wavelength range of the laser beam to the visible light wavelength region of 500 nm to 650 nm using the photo-mediated oscillator 120, and irradiating the sample 20 The sample 20 generates a lot of self fluorescence.

이와 같이, 광매개 발진기(120)는 펨토초 펄스의 레이저빔의 파장 범위를 넓힌 고효율 형광 펨토초 펄스의 레이저빔(112)을 만들어 시료(20)에 자가 형광을 많이 발생시킨다. 광매개 발진기(120)를 통과한 고효율 형광 펨토초 펄스의 레이저빔의 고효율 형광 파장 범위는 400nm 내지 1600nm일 수 있다. As such, the photo-mediated oscillator 120 generates a high-efficiency fluorescent femtosecond pulsed laser beam 112 widening the wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam to generate a lot of self fluorescence in the sample 20. The high-efficiency fluorescence wavelength range of the laser beam of the high-efficiency fluorescence femtosecond pulse passing through the photo-mediated oscillator 120 may be 400 nm to 1600 nm.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치는 레이저 발생장치에 광매개 발진기(120)를 설치함으로써, 펨토초 펄스의 레이저빔의 파장 범위를 넓혀 고효율의 자가 형광을 발생시킬 수 있으므로, 외부 형광 표지자가 없거나 별도의 시료 처리 과정 없이도 세포 시료(20)에서 자가 형광을 발생시켜 고속으로 시료(20)의 영상을 촬영할 수 있다.As described above, the high-speed imaging apparatus according to the exemplary embodiment of the present invention may provide a high-efficiency self-fluorescence by widening the wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam by installing the photo-mediated oscillator 120 in the laser generator. Without an external fluorescent marker or without a separate sample processing process can generate an image of the sample 20 at high speed by generating a self-fluorescence in the cell sample 20.

한편, 다초점 광학계(200)는 레이저빔(11)의 에너지 분포를 변형시키는 빔 변형기(Beam Shaper)(210), 복수개의 마이크로 렌즈(221)를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)(220)를 포함한다. Meanwhile, the multifocal optical system 200 includes a beam shaper 210 for modifying an energy distribution of the laser beam 11 and a micro lens array 220 including a plurality of micro lenses 221. ).

빔 변형기(210)는 레이저빔(11)의 에너지 분포를 정규 분포인 가우시안 분포에서 레이저빔(11)의 모든 위치에서 에너지 분포가 균일한 균일 분포로 변형시킨다. The beam modifier 210 transforms the energy distribution of the laser beam 11 into a uniform distribution in which the energy distribution is uniform at all positions of the laser beam 11 in the Gaussian distribution which is a normal distribution.

도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이(220)는 복수개의 마이크로 렌즈(221)를 포함하므로 단일 초점의 레이저빔(11)을 다초점 레이저빔(12)으로 변형시킨다. As shown in FIG. 2, the microlens array 220 includes a plurality of microlenses 221 so that the laser beam 11 of a single focus is transformed into a multifocal laser beam 12.

마이크로 렌즈 어레이(220)를 통과한 다초점 레이저빔(12)은 내부 광학계(30)를 통과하여 이광자 현미경(300)으로 이동한다. 내부 광학계(30)는 마이크로 렌즈 어레이(220)를 통과한 다초점 레이저빔(12)을 집속시키는 제1 렌즈(260), 제1 렌즈(260)를 통과한 다초점 레이저빔(12)을 스캐닝하는 고속 스캐너(230), 고속 스캐너(230)에서 반사된 다초점 레이저빔(12)을 다시 집속시키는 제2 렌즈(240) 및 제2 렌즈(240)를 통과한 다초점 레이저빔(12)을 이광자 현미경(300)과 연결시키는 제3 렌즈(250)를 포함한다. 내부 광학계(30)는 상기에서 설명한 실시예에 한정되지 않고 다양한 실시예가 가능하다. The multifocal laser beam 12 passing through the micro lens array 220 passes through the internal optical system 30 and moves to the two-photon microscope 300. The internal optical system 30 scans the first lens 260 for focusing the multifocal laser beam 12 that has passed through the micro lens array 220 and the multifocal laser beam 12 that has passed through the first lens 260. The high speed scanner 230, the second lens 240 for focusing the multifocal laser beam 12 reflected from the high speed scanner 230, and the multifocal laser beam 12 passing through the second lens 240. And a third lens 250 for connecting with the two-photon microscope 300. The internal optical system 30 is not limited to the above-described embodiment, and various embodiments are possible.

이와 같이, 레이저빔(11)을 다초점 레이저빔(12)으로 변형시키는 다초점 광학계(200)를 설치함으로써, 시료(20) 위에 다초점 레이저빔의 복수개의 초점(1)이 위치하게 하여 고속으로 시료(20)의 영상을 촬영할 수 있다.In this way, by providing the multifocal optical system 200 that deforms the laser beam 11 into the multifocal laser beam 12, the plurality of focal points 1 of the multifocal laser beam are positioned on the sample 20 so that the high speed can be achieved. The image of the sample 20 can be taken.

이광자 현미경(300)은 시료(20)가 탑재되는 지지대(320), 다초점 레이저빔(12)의 일부는 반사시키고 나머지는 투과시키는 이색성 미러(dichroic mirror)(330), 이색성 미러(330)를 통과한 다초점 레이저빔(12)의 복수개의 초점(1)이 시료(20) 위에 위치하도록 하는 대물 렌즈(310)를 포함한다.The two-photon microscope 300 includes a support 320 on which the sample 20 is mounted, a dichroic mirror 330 that reflects a part of the multifocal laser beam 12, and transmits the rest thereof, and a dichroic mirror 330. The objective lens 310 includes a plurality of focal spots 1 of the multifocal laser beam 12 having passed through the target lens 20.

도 3에 도시된 바와 같이, 시료(20) 위에 복수개의 초점(1)이 위치하는 다초점 레이저빔(12)에 의해 시료(20)는 자가 형광을 발생시키며, 시료(20)의 자가 형광에 의해 발생된 빛이 다시 대물 렌즈(310)를 통과하고 이색성 미러(330)에서 반사된다. 이색성 미러(330)에서 반사된 빛은 제4 렌즈(340)를 통해 집속되어 영상 장치(350)로 입력된다. 따라서, 영상 장치(350)를 통해 시료(20)의 영상을 촬영할 수 있다. 이와 같이, 이광자 현미경(300)은 비선형 형광 현상을 바탕으로 하는 3차원 형광 현미경으로서 조직 내 세포의 관찰이 가능하다.As shown in FIG. 3, the sample 20 generates self-fluorescence by the multifocal laser beam 12 in which a plurality of focal points 1 are positioned on the sample 20. The light generated by the light passes through the objective lens 310 and is reflected by the dichroic mirror 330. The light reflected from the dichroic mirror 330 is focused through the fourth lens 340 and input to the imaging device 350. Therefore, the image of the sample 20 may be captured by the imaging device 350. As described above, the two-photon microscope 300 is a three-dimensional fluorescence microscope based on a nonlinear fluorescence phenomenon, and enables observation of cells in tissue.

이와 같이, 광매개 발진기(120)와 다초점 광학계(200)는 종래의 이광자 현미경(300)에 부착하여 사용할 수 있으므로 별도의 비용 증가없이 고속으로 세포 시료(20)의 영상 촬영이 가능하다. As such, the photo-mediated oscillator 120 and the multifocal optical system 200 may be attached to the conventional two-photon microscope 300 and used to photograph the cell sample 20 at high speed without additional cost.

또한, 자외선 파장에서 자가 형광을 많이 발생시키는 트립토판(tryptophan) 또는 DNA 등을 촬영하기 위해서는 자외선 현미경이 사용되었으나, 자외선 현미경은 자외선 파장이 투과할 수 있는 쿼츠(quartz) 광학계를 만들어야 하고, 광손상도 많다는 문제가 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치를 이용함으로써, 별도의 쿼츠 광학계가 필요없고, 광손상도 작게된다. In addition, an ultraviolet microscope was used to photograph tryptophan or DNA, which generates a lot of self-fluorescence at the ultraviolet wavelength, but the ultraviolet microscope must make a quartz optical system through which the ultraviolet wavelength can pass, and the degree of optical damage There are many problems. However, by using the high speed imaging apparatus according to the embodiment of the present invention, a separate quartz optical system is not required, and optical damage is also reduced.

상기 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영상 촬영 장치를 이용한 고속 영상 촬영 방법에 대해 이하에서 도 1 내지 도 3을 참고로 상세히 설명한다. A high speed image capturing method using a high speed image capturing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.

도 1에 도시한 바와 같이, 우선 레이저 발생 장치(100)를 이용하여 가시광선 파장 영역의 펨토초 펄스의 레이저빔(11)을 발생시킨다.As shown in FIG. 1, first, a laser beam 11 of femtosecond pulses in the visible wavelength range is generated using the laser generator 100.

즉, 시료(20)에 자가 형광을 발생시키도록 펨토초 펄스 레이저(110)를 이용하여 펨토초 펄스의 레이저빔(111)을 발생시킨다. 그리고, 시료(20)에 자가 형광을 많이 발생시키도록 광매개 발진기(120)를 이용하여 펨토초 펄스의 레이저빔(111)을 파장 범위가 넓은 고효율 형광 펨토초 펄스의 레이저빔(112)으로 변형시킨다. That is, the femtosecond pulse laser beam 111 is generated by using the femtosecond pulse laser 110 to generate self fluorescence in the sample 20. The femtosecond pulsed laser beam 111 is transformed into a laser beam 112 of a high efficiency fluorescence femtosecond pulse having a wide wavelength range by using the photo-mediated oscillator 120 to generate a large amount of self fluorescence in the sample 20.

이 때, 펨토초 펄스 레이저(110)는 티타늄 사파이어 레이저일 수 있으며, 티타늄 사파이어 레이저에서 발생시킨 펨토초 펄스의 레이저빔(111)의 초기 파장 범위는 700nm 내지 1000nm이고, 광매개 발진기(120)를 통과한 고효율 형광 펨토초 펄스의 레이저빔(112)의 고효율 형광 파장 범위는 400nm 내지 1600nm일 수 있다. 따라서, 가시광선 파장 영역의 펨토초 펄스의 레이저빔(11)을 발생시킬 수 있다.At this time, the femtosecond pulse laser 110 may be a titanium sapphire laser, the initial wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam 111 generated by the titanium sapphire laser is 700nm to 1000nm, and passed through the photo-mediated oscillator 120 The high efficiency fluorescence wavelength range of the laser beam 112 of the high efficiency fluorescence femtosecond pulse may be 400 nm to 1600 nm. Therefore, the laser beam 11 of the femtosecond pulse in the visible light wavelength region can be generated.

다음으로, 다초점 광학계(200)를 이용하여 레이저빔(11)을 다초점 레이저빔(12)으로 변형시킨다. 다초점 광학계(200)는 레이저빔(11)의 에너지 분포를 변형시키는 빔 변형기(210), 복수개의 마이크로 렌즈(221)를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이(220)를 포함하며, 마이크로 렌즈 어레이(220)는 단일 초점의 레이저빔(11)을 다초점 레이저빔(12)으로 변형시킨다. Next, the laser beam 11 is transformed into the multifocal laser beam 12 using the multifocal optical system 200. The multifocal optical system 200 includes a beam modulator 210 for modifying an energy distribution of the laser beam 11, a micro lens array 220 including a plurality of micro lenses 221, and the micro lens array 220. Transforms the single-focus laser beam 11 into a multifocal laser beam 12.

다음으로, 다초점 레이저빔(12)을 이용하여 이광자 현미경(300)에서 시료(20)의 영상을 고속으로 촬영한다. 즉, 시료(20) 위에 복수개의 초점(1)이 위치하는 다초점 레이저빔(12)에 의해 시료(20)는 자가 형광을 발생시키며, 시료(20)의 자가 형광에 의해 반사된 빛이 영상 장치(350)로 입력되어 영상 장치(350)를 통해 시료(20)의 영상을 고속으로 촬영할 수 있다. 이 때, 시료(20) 위에 복수개의 초점(1)이 위치하므로 시료(20)의 모든 위치에 대해 고속으로 촬영이 가능하다. Next, the image of the sample 20 is photographed at high speed by the two-photon microscope 300 using the multifocal laser beam 12. That is, the sample 20 generates autofluorescence by the multifocal laser beam 12 having a plurality of focal spots 1 on the sample 20, and the light reflected by the autofluorescence of the sample 20 is an image. It is input to the device 350 can take a high-speed image of the sample 20 through the imaging device 350. At this time, since the plurality of focal points 1 are positioned on the sample 20, imaging at all positions of the sample 20 can be performed at high speed.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the following claims. Those who are engaged in the technology field will understand easily.

100: 레이저 발생 장치 110: 펨토초 펄스 레이저
120: 광매개 발진기 200: 센서 본체
210: 빔 변형기 220: 마이크로 렌즈 어레이
300: 이광자 현미경100: laser generator 110: femtosecond pulse laser
120: photo-mediated oscillator 200: sensor body
210: beam transducer 220: micro lens array
300: two-photon microscope

Claims (11)

레이저빔을 발생시키는 레이저 발생 장치,
상기 레이저빔을 다초점 레이저빔으로 변형시키는 다초점 광학계,
상기 다초점 레이저빔을 이용하여 지지대 위에 탑재된 시료의 영상을 고속으로 촬영하는 이광자 현미경
을 포함하는 고속 영상 촬영 장치.A laser generator for generating a laser beam,
A multifocal optical system for transforming the laser beam into a multifocal laser beam,
Two-photon microscope for taking a high-speed image of the sample mounted on the support using the multi-focus laser beam
High speed imaging device comprising a. 제1항에서,
상기 레이저 발생 장치는
상기 시료에 자가 형광을 발생시키는 펨토초 펄스의 레이저빔을 발생시키는 펨토초 펄스 레이저,
상기 펨토초 펄스의 레이저빔의 파장 범위를 넓혀 고효율의 자가 형광을 발생시키는 광매개 발진기
를 포함하는 고속 영상 촬영 장치.In claim 1,
The laser generating device
Femtosecond pulsed laser for generating a femtosecond pulsed laser beam for generating self-fluorescence on the sample,
Optical-mediated oscillator to widen the wavelength range of the femtosecond pulse laser beam to generate high efficiency self-fluorescence
High speed imaging device comprising a. 제2항에서,
상기 펨토초 펄스 레이저는 티타늄 사파이어 레이저인 고속 영상 촬영 장치.3. The method of claim 2,
The femtosecond pulsed laser is a titanium sapphire laser. 제3항에서,
상기 티타늄 사파이어 레이저에서 발생시킨 상기 펨토초 펄스의 레이저빔의 초기 파장 범위는 700nm 내지 1000nm이고,
상기 광매개 발진기를 통과한 상기 펨토초 펄스의 레이저빔의 고효율 형광 파장 범위는 400nm 내지 1600nm인 고속 영상 촬영 장치.4. The method of claim 3,
The initial wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam generated by the titanium sapphire laser is 700nm to 1000nm,
The high-efficiency fluorescence wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam passing through the photo-mediated oscillator is 400nm to 1600nm. 제1항에서,
상기 다초점 광학계는
상기 레이저빔의 에너지 분포를 가우시안 분포에서 균일 분포로 변형시키는 빔 변형기,
복수개의 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 빔 변형기를 통과한 단일 초점의 레이저빔을 다초점 레이저빔으로 변형시키는 마이크로 렌즈 어레이
를 포함하는 고속 영상 촬영 장치.In claim 1,
The multifocal optical system
A beam modifier for transforming the energy distribution of the laser beam from a Gaussian distribution to a uniform distribution,
A microlens array comprising a plurality of microlenses and transforming a single focal laser beam through the beam modifier into a multifocal laser beam
High speed imaging device comprising a. 제1항에서,
상기 시료 위에는 상기 다초점 레이저빔의 복수개의 초점이 위치하는 고속 영상 촬영 장치.In claim 1,
And a plurality of focal points of the multifocal laser beam are positioned on the sample. 레이저 발생 장치를 이용하여 레이저빔을 발생시키는 단계,
다초점 광학계를 이용하여 상기 레이저빔을 다초점 레이저빔으로 변형시키는 단계,
상기 다초점 레이저빔을 이용하여 이광자 현미경에서 시료의 영상을 고속으로 촬영하는 단계
를 포함하는 고속 영상 촬영 방법.Generating a laser beam using a laser generator,
Transforming the laser beam into a multifocal laser beam using a multifocal optical system,
Taking an image of a sample at high speed with a two-photon microscope using the multifocal laser beam
High speed video recording method comprising a. 제7항에서,
상기 레이저빔을 발생시키는 단계는
상기 시료에 자가 형광을 발생시키도록 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 펨토초 펄스의 레이저빔을 발생시키는 단계,
광매개 발진기를 이용하여 상기 펨토초 펄스의 레이저빔의 파장 범위를 넓히는 단계
를 포함하는 고속 영상 촬영 방법.In claim 7,
Generating the laser beam
Generating a femtosecond pulsed laser beam using a femtosecond pulsed laser to generate self fluorescence in the sample,
Widening the wavelength range of the femtosecond pulsed laser beam using an optical mediated oscillator
High speed video recording method comprising a. 제8항에서,
상기 펨토초 펄스 레이저는 티타늄 사파이어 레이저인 고속 영상 촬영 방법.9. The method of claim 8,
The femtosecond pulsed laser is a titanium sapphire laser. 제7항에서,
상기 다초점 광학계에서
복수개의 마이크로 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 상기 레이저빔을 다초점 레이저빔으로 변형시키는 고속 영상 촬영 방법.In claim 7,
In the multifocal optical system
A high speed imaging method for converting a laser beam into a multifocal laser beam using a microlens array including a plurality of microlenses. 제10항에서,
상기 시료 위에 상기 다초점 레이저빔의 복수개의 초점이 위치하는 고속 영상 촬영 방법.11. The method of claim 10,
And a plurality of focal points of the multifocal laser beam are positioned on the sample.
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