KR20150078713A - Led 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경에 관한 것으로, 구체적으로는 패턴 조명 현미경에서 설치되는 광원을 구성하는 LED소자를 격자형상으로 배치하고, 이 LED 소자의 광량을 조절하여 현미경에서 사용되는 공간적 사인파 형태의 조명을 생성할 수 있는 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경에 관한 것이다.
본 발명은 복수의 LED소자로 구성되는 광원; 상기 광원으로부터 조사되는 빛이 통과하되, 빛이 일부는 통과되고, 일부는 반사되도록 하여 사인파를 형성하도록 하는 패턴부; 상기 패턴부를 통과된 빛이 반사경에 반사되어 통과하여 대상물에 입사시키고, 이를 확대하는 현미경; 및 상기 현미경을 통하여 얻어진 영상이 입력되는 CCD 카메라를 포함한다.

Description

LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경{Light microscope having illumination of LED pattern}

본 발명은 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경에 관한 것으로, 구체적으로는 패턴 조명 현미경에서 설치되는 광원을 구성하는 LED소자를 격자형상으로 배치하고, 이 LED 소자의 광량을 조절하여 현미경에서 사용되는 공간적 사인파 형태의 조명을 생성할 수 있는 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경에 관한 것이다.

일반적으로 패턴 조명 현미경은(Structured Illumination Microscopy : SIM)은 현미경에서 공간 분해능(spatial resolution)을 향상시키기 위한 방법으로 널리 이용되고 있으며, 동시에 위상 천이(phase shifting) 및 연속 주사(continuous scanning)방법을 이용한 3차원 형상 측정 장치로 주목받고 있다.

이러한 패턴 조명 현미경은 도 1에 도시된 바와 같이 종축 방향의 구동 및 패턴을 발생시키는 패턴 격자의 구동을 통해 각 위치에서 조명의 패턴 및 패턴 변화를 인식하고, 이를 통하여 가시도가 정점(peak)에 이르는 위치를 계산하여 피대상물의 최적의 초점 위치를 결정하게 된다.

결국 피대상물의 최적의 초점 위치는 대상물의 표면 형상을 의미하기 때문에 패턴 조명 현미경은 현미경의 원리를 이용하여 3차원 영상 정보를 획득하게 된다.

상기한 패턴 조명 현미경에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.

상기 패턴 조명 현미경은 도 1에 도시된 바와 같이 광원(1)에서 조사되는 빛이 사인파 분포를 갖는 패턴부(2)에 조사되어 다시 현미경(3)으로 입사하여 측정 대상에 초점이 맺힌 후 결상 광학계를 통하여 CCD 카메라(4)에서 검출된다. 이때 사인파 분포의 패턴부(2)와, 측정 대상의 표면, CCD 카메라(4)의 영상면은 광학적으로 공액(conjugate) 관계에 놓이게 되어 측정 대상에 정확히 초점이 맺힐 경우, CCD 카메라(4)에서는 선명한 사인파 형태의 광분포를 측정할 수 있게 된다.

또한, 상기 광원(1)으로부터 조사되는 빛은 패턴부(2)를 통과할 시 측정 대상의 표면을 국지적으로 제한하여 조사됨으로써 초점이 맺히지 않은 곳에서 반사되는 빛을 차단하는 역할을 하게 되어, 패턴 조명 현미경의 각 종축 위치에서 가시되는 패턴의 위상 천이를 이용하여 추출된다. 따라서 패턴 조명 현미경은 패턴의 위상 천이와 종축 구동을 동기화하여 구동시킴으로서 연속적으로 신호를 획득할 수 있게 된다.

상기와 같이 획득된 신호는 CCD 카메라(4)의 각 픽셀당 점 확산함수와 점 확산함수 내부의 변조 신호가 겹쳐진 형태로 형성된다. 이와 같은 변조 신호는 위상 천이에 의한 것이며, 전체 점 확산함수의 형태는 초점의 위치에 따른다.

결국, 이러한 패턴 조명 현미경에서 점 확산함수에 해당하는 가시도(진폭)의 크기가 가장 큰 위치는 초점이 맺힌 위치가 되며, 이를 전체 픽셀에서 계산하면 물체의 3차원 형상을 측정할 수 있게 된다.

상기한 패턴 조명 현미경은 기본적인 광학 원리 측면에서 현재 산업분야에서 널리 사용되고 있는 공초점 현미경(confocal microscopy)과 유사하나, 상기한 공초점 현미경에서 3차원 영상을 측정하기 위해서는 Nipkow disk 또는 렌즈 어레이와 같은 부가 장치들이 장착되어야 하며, 이러한 장비들은 고가이기 때문에 3차원 영상을 측정하기 위해 많은 비용이 소요되는 문제점이 있었다.

한국정밀공학회 2012년도 추계학술대회 논문집(하), 주기남, 2012년

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 패턴 조명 현미경에서 설치되는 광원을 구성하는 LED소자를 격자형상으로 배치하고, 이 LED 소자의 광량을 광량 제어부에 의해 조절하여 현미경에서 사용되는 공간적 사인파 형태의 조명을 생성할 수 있는 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 복수의 LED소자로 구성되는 광원; 상기 광원으로부터 조사되는 빛이 통과하되, 빛이 일부는 통과되고, 일부는 반사되도록 하여 사인파를 형성하도록 하는 패턴부; 상기 패턴부를 통과된 빛이 반사경에 반사되어 통과하여 대상물에 입사시키고, 이를 확대하는 현미경; 및 상기 현미경을 통하여 얻어진 영상이 입력되는 CCD 카메라를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 광원은, LED소자가 격자로 배치되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 광원은, LED 소자의 광량을 조절하기 위한 광량 제어부를 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 광원은, 하나의 패턴이 교체되지 않고 상기 광원의 광량을 조절하여 패턴을 통과하여 반사경에 조사되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경에 의하면, 첫째, 기존의 점 측정을 기본으로 하는 공초점 현미경에 비해 한 번의 측정으로 3차원 측정이 가능한 장점이 있다.

둘째, 패턴의 교체없이 LED소자의 광량을 변화시킴으로서 현미경에서 사용되는 공간적 사인파 형태의 조명을 생성할 수 있게 되며, 사인파 형태 조명의 위상 천이가 가능하게 된다.

도 1은 종래의 패턴 조명 현미경의 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 2에 구비되는 패턴의 다양한 형상을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 CCD 카메라를 통하여 얻어진 영상이 분석기기를 통하여 종축 방향 구동에 따른 각 픽셀의 SIM 신호를 나타낸 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경을 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 3은 도 2에 구비되는 패턴의 다양한 형상을 나타낸 도면이며, 도 4는 도 2의 CCD 카메라를 통하여 얻어진 영상이 분석기기를 통하여 종축 방향 구동에 따른 각 픽셀의 SIM 신호를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경은, 현미경(30)의 상부와 연결되는 반사경(50)으로 빛을 조사하는 광원(10)이 구비된다. 상기 광원(10)은 복수의 LED소자로 구성되며, 상기 LED소자는 격자형으로 배치된다.

한편, 상기 광원(10)은, LED소자의 광량을 조절하기 위한 광량 제어부(11)가 더 구비된다. 따라서 LED소자의 광량을 변화시킴으로서 현미경에서 사용되는 공간적 사인파 형태의 조명을 생성할 수 있게 된다. 또한 사인파 형태 조명의 위상 천이가 가능하게 된다.

한편, 상기 광원(10)으로부터 조사되는 빛이 통과하되, 빛이 일부는 통과되고, 일부는 반사되도록 하여 사인파를 형성하도록 하는 패턴부(20)가 구비된다. 상기 패턴부(20)는 복수의 패턴이 수용되는 패턴교체 모듈(21)에 의해 다양한 패턴이 교체가능하며, 이는 대상물의 종류 및 광량에 따라 교체될 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한, 상기 패턴부(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 흑색영역과 투명한 영역으로 구분되며, 이는 측정물인 대상물(60)의 표면에 국지적으로 제한하여 조사하기 위한 것이다.

게다가 상기 패턴부(20)의 교체 외에도 하나의 패턴을 이용하여 상기 광원(10)의 광량을 조절함에 따라 대상물(60)의 표면에 국지적으로 빛을 조사할 수 있다.

따라서 패턴부(20)의 교체 또는 광량의 조절 등과 같이 다양한 방법을 적절히 혼합하여 대상물(60)의 표면에 빛을 국지적으로 조사할 수 있게 된다.

한편, 상기 패턴부(20)를 통과된 빛이 반사경(50)에 반사되어 통과하여 대상물(60)에 입사시키고, 이를 확대하는 현미경(30)이 구비된다. 상기 현미경(30)의 상부에는 반사경(50)이 결합되며, 상기 현미경(30)과 반사경 사이에는 경통이 구비되어 반사경(50)을 통하여 입사된 빛이 대상물(60)로 원활하게 입사되어 현미경(30) 영상을 얻게 된다.

한편, 상기 현미경(30)을 통하여 얻어진 영상이 입력되는 CCD 카메라(40)가 구비된다. 따라서 상기 대상물(60)의 영상을 현미경(30)을 통하여 얻게 되고, 이와 같이 얻어진 영상은 CCD 카메라(40)로 전달되며, 이러한 영상은 분석 장치를 통하여 분석된 후 종축 방향 구동에 따른 각 픽셀의 SIM 신호로 표시된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경의 작동상태에 대하여 살펴보기로 한다.

복수의 LED소자가 구비되는 광원(10)에서 조사되는 빛은 패턴부(20)를 통하여 일부는 통과하여 반사경(50)으로 유입되고, 일부는 패턴부(20)의 차단부에 의해 통과되지 못하게 된다.

이와 같이 패턴부(20)를 통과한 빛은 반사경(50)으로 조사되며, 반사경을 통하여 조사된 빛은 대상물(60)에 투영된다. 이때 상기 대상물(60)을 상하 또는 좌우로 이동시켜 초점을 맞추게 된다.

이후 초점이 맞춰지면 현미경(30)은 대상물(60)의 영상을 촬영하게 되며, 이러한 영상정보는 CCD 카메라(40)로 전달된다. 이와 같이 CCD 카메라로(40)로 입사된 영상정보는 분석장치를 통하여 도 4에 도시된 바와 같이 종축 방향 구동에 따른 각 픽셀의 SIM 신호가 그래프형태로 출력된다.

이와 같이 본 발명의 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경은, 기존의 공초점 현미경에서 3차원 영상을 측정하기 위한 nipkow disk 또는 렌즈 어레이와 같은 고가의 부가 장치들이 불필요하게 되어 비용이 절감된다.

또한, 대상물의 종류에 따라 패턴을 바꾸지 않고, LED소자의 광량을 변화시킴으로서 현미경에서 사용되는 공간적 사인파 형태의 조명을 생성할 수 있게 되며, 사인파 형태 조명의 위상 천이가 가능하게 된다.

이상에서 설명된 본 발명의 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 광원 11 : 광량 제어부
20 : 패턴부 21 : 패턴교체 모듈
30 : 현미경 40 : CCD 카메라
50 : 반사경 60 : 대상물

Claims (4)

1. 복수의 LED소자로 구성되는 광원(10);
   상기 광원(10)으로부터 조사되는 빛이 통과하되, 빛이 일부는 통과되고, 일부는 반사되도록 하여 사인파를 형성하도록 하는 패턴부(20);
   상기 패턴부(20)를 통과된 빛이 반사경(50)에 반사되어 통과하여 대상물(60)에 입사시키고, 이를 확대하는 현미경(30); 및
   상기 현미경(30)을 통하여 얻어진 영상이 입력되는 CCD 카메라(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 광원(10)은,
   LED소자가 격자로 배치되는 것을 특징으로 하는 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 광원(10)은,
   LED 소자의 광량을 조절하기 위한 광량 제어부(11)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 광원(10)은,
   하나의 패턴이 교체되지 않고 상기 광원(10)의 광량을 조절하여 패턴을 통과하여 반사경(30)에 조사되는 것을 특징으로 하는 LED 패턴 조명부가 구비되는 광학 현미경.

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