KR20170137515A - 색수차 보상 장치 및 이를 포함한 현미경 시스템 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 색수차 보상 장치는, 영상을 획득함에 있어서 색수차를 보상할 수 있다. 상기 색수차 보상 장치는, 빛을 입사 시키는 입사렌즈, 상기 빛이 진행하는 방향으로 상기 입사렌즈의 일측에 이격되어 배치되고 상기 입사렌즈와 이중 텔레센트릭(Double telecentric) 구조를 형성하는 출사렌즈, 상기 출사렌즈를 기준으로 상기 입사렌즈와 마주보는 방향에 배치되고 상기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에서 빛이 평행광을 이루도록 배열되는 가변초점렌즈 및 상기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에 배치되고, 상기 가변초점렌즈에 의하여 상기 평행광이 깨지는 것을 보상하는 상쇄렌즈를 포함할 수 있다. 그리하여, 상기 색수차 보상 장치는, 광학계의 초점거리를 변화시킴으로써 색수차를 보상할 수 있다.

Description

색수차 보상 장치 및 이를 포함한 현미경 시스템{A CHROMATIC ABERRATION COMPENSATOR AND A MICORSCOPY SYSTEM COMPRISING THE CHROMATIC ABERRATION COMPENSATOR}
아래의 실시예들은 색수차 보상 장치 및 이를 포함한 현미경 시스템에 관한 것이다.
공초점 내시현미경은(Confocal endo-microscopy)은 의료 분야에서 체내 진단용 장비에 주로 이용된다. 기존 광학내시경 이용 시에는 넓은 영역의 고속 진단이 가능하나, 측정 분해능에 한계가 있고 조직 내부 정보는 획득할 수가 없어 진단의 한계를 가진다. 이를 보완하기 위해 환자의 체내에서 조직 시편을 채취하여 정밀 진단을 진행할 수 있으며, 이와 같은 방법은 생검법, 또는 조직검사법이라고 불린다. 하지만 조직검사법의 경우 직접 환자의 조직을 채취하므로 작게나마 상처가 나게 되고, 이에 따른 부작용이 있을 수 있다. 또한, 무엇보다 검사결과를 받기 까지의 시간이 오래 소요된다.
이를 보완하기 위해 사용되는 공초점 내시현미경은, 광학적 단면을 형성한 뒤 고분해능 3차원 진단을 진행함으로써, 조직을 직접 채취하지 않고도 조직검사법과 비슷한 수준의 진단 결과를 제시할 수 있다. 또한, 실시간으로 진단 결과를 확인할 수 있다.
한국 특허 2013-0026702호에는 공초점 형광 현미경에 관하여 개시되어 있다.
일 실시예에 따른 목적은 공초점 현미경 시스템에서 발생할 수 있는 색수차 문제를 보상하기 위해 가변초점렌즈를 이용하는 색수차 보상 장치를 제공하기 위한 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 색수차 보상 장치를 포함함으로써 공초점 현미경에서 발생할 수 있는 색수차 문제가 보상되는 현미경 시스템을 제공하기 위한 것이다.
그에 따라, 상기 색수차 보상 장치를 포함하는 현미경 시스템을 사용함으로써, 비용을 절감하고 오진 가능성 및 부작용의 가능성을 감소시키는 것을 목표로 한다.
일 실시예에 따른 현미경 시스템은, 빛을 방출하는 레이저 광원, 상기 레이저 광원에서 방출된 빛을 통과시키고 시편을 향하는 방향으로 상기 빛의 초점을 형성시키는 대물렌즈, 상기 시편에서 반사된 빛을 검출하는 광 검출기, 상기 광 검출기에서 검출된 빛의 신호를 통하여 영상을 복원할 수 있는 컴퓨터 및 상기 레이저 광원과 상기 대물렌즈 사이에 배치되어, 상기 영상을 획득함에 있어서 색수차를 보상하는 색수차 보상 장치를 포함하고, 빛의 초점 평면을 모두 일치시킴으로써 색수차를 보상할 수 있다.
상기 색수차 보상 장치는, 상기 레이저 광원으로부터 전달된 빛을 입사시키는 입사렌즈, 상기 빛이 진행하는 방향으로 상기 입사렌즈의 일측에 이격되어 배치되고 상기 입사렌즈와 이중 텔레센트릭(Double telecentric) 구조를 형성하는 출사렌즈, 기 출사렌즈를 기준으로 상기 입사렌즈와 마주보는 방향에 배치되고 상기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에서 빛이 평행광을 이루도록 배열되는 가변초점렌즈 및 기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에 배치되고, 상기 가변초점렌즈에 의하여 상기 평행광이 깨지는 것을 보상하는 상쇄렌즈를 포함할 수 있다. 그리하여, 상기 색수차 보상 장치는 렌즈의 초점거리를 변화시킴으로써 색수차를 보상할 수 있다.
여기서, 상기 색수차 보상 장치는, 상기 가변초점렌즈로서 볼록렌즈가 사용되고, 상기 가변초점렌즈는 렌즈 곡률을 변화시켜 상기 가변초점렌즈의 초점거리를 조정할 수 있으며, 상기 상쇄렌즈로서 오목렌즈가 사용되고, 상기 상쇄렌즈는 초점거리가 고정될 수 있다.
현미경 시스템은, 상기 대물렌즈를 통과한 빛을 시편에 스캐닝하여 시편 내에 초점 평면을 형성하는 GRIN렌즈(Gradient index lens)를 더 포함할 수 있다.
기준 초점거리보다 긴 초점거리를 갖도록 상기 가변초점렌즈를 조정하는 경우 상기 시편의 상보다 먼 거리에 상기 대물렌즈와 상기 GRIN렌즈의 초점이 위치되며, 상기 기준 초점거리보다 짧은 초점거리를 갖도록 상기 가변초점렌즈를 조정하는 경우 시편의 상보다 가까운 거리에 상기 대물렌즈와 상기 GRIN렌즈의 초점이 위치될 수 있다. 또한, 상기 색수차 보상 장치의 위치는 상기 대물렌즈의 초점 및 상기 GRIN렌즈의 초점과 공액 관계를 이룸으로써 상기 대물렌즈와 상기 GRIN렌즈의 초점의 위치를 변화시켜 색수차를 보상할 수 있다.
상기 현미경 시스템의 상기 레이저 광원은 다중 파장의 광대역 빛을 방출하고, 현미경 시스템은 상기 광대역 빛 중에서 영상 획득에 사용할 단일 파장의 빛을 필터링하는 단색화 장치, 상기 색수차 보상 장치, 상기 광 검출기 및 상기 단색화 장치 사이에 배치되어 상기 단색화 장치에서 필터링된 단일 파장의 빛을 반사시켜 상기 색수차 보상 장치로 전달하고 상기 시편에서 반사된 빛을 통과시켜 상기 광 검출기로 전달하는 광 분리기 및 상기 대물렌즈 하단에 배치되어 3차원 영상획득을 위해 상기 대물렌즈를 이동시키는 대물렌즈 스캐너를 더 포함할 수 있다.
또한, 현미경 시스템은 상기 단색화 장치와 상기 색수차 보상 장치 사이에 구비되어 상기 단색화 장치에서 필터링된 단일 파장의 정보를 획득하고 상기 정보에 대응하는 초점거리 변화신호를 상기 색수차 보상 장치에 제공하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 단색화 장치에서 단일 파장의 출력을 변화시키는 경우, 상기 변화를 감지하여 실시간으로 상기 색수차 보상 장치의 상기 가변초점렌즈의 초점거리를 조정할 수 있다.
또한, 현미경 시스템은 상기 색수차 보상 장치와 상기 광 분리기 사이에 배치되어 상기 광 분리기로부터 전달되는 단일 파장의 빛을 2차원으로 스캐닝(Scanning)하는 2차원 스캐너, 상기 색수차 보상 장치와 상기 2차원 스캐너 사이에 배치되는 스캔렌즈 및 상기 대물렌즈와 상기 색수차 보상 장치 사이에 배치되는 튜브렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 2차원 스캐너는 2차원으로 스캐닝된 빛을 상기 스캔렌즈로 전달하고, 상기 스캔렌즈와 상기 튜브렌즈는 이중 텔레센트릭(Double telecentric) 구조를 형성하여 빛을 상기 대물렌즈의 후면에 조사할 수 있다.
상기 현미경 시스템은, 상기 단색화 장치와 상기 광 분리기 사이에 배치되어, 상기 단일 파장의 빛을 상기 광 분리기로 전달하는 제1 광대역 거울 및 상기 대물렌즈와 상기 튜브렌즈 사이에 배치되어 상기 튜브렌즈로부터 전달되는 빛을 상기 대물렌즈로 전달하는 제2 광대역 거울을 더 포함할 수 있다.
상기 광 분리기는, 편광 분리기 또는 이색성 분리기 형태로 형성될 수 있고, 상기 광 분리기가 상기 편광 분리기 형태인 경우 상기 현미경 시스템은 시편의 산란 진단 정보를 획득할 수 있으며, 상기 광 분리기가 상기 이색성 분리기 형태인 경우 상기 현미경 시스템은 시편의 형광 진단 정보를 획득할 수 있다.
레이저 광원으로부터 방출된 빛이 시편에서 반사된 후 검출되어 시편의 영상을 획득하는 광학계에서 사용되는 색수차 보상 장치는, 빛을 입사 시키는 입사렌즈, 상기 빛이 진행하는 방향으로 상기 입사렌즈의 일측에 이격되어 배치되고, 상기 입사렌즈와 이중 텔레센트릭(Double telecentric) 구조를 형성하는 출사렌즈, 상기 출사렌즈를 기준으로 상기 입사렌즈와 마주보는 방향에 배치되고 상기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에서 빛이 평행광을 이루도록 배열되는 가변초점렌즈 및 상기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에 배치되고, 상기 가변초점렌즈에 의하여 상기 평행광이 깨지는 것을 보상하는 상쇄렌즈를 포함하고, 광학계의 초점거리를 변화시킴으로써 상기 시편의 영상을 획득함에 있어 발생되는 색수차를 보상할 수 있다.
상기 가변초점렌즈로서 볼록렌즈가 사용되고 상기 가변초점렌즈는 렌즈 곡률을 변화시켜 상기 가변초점렌즈의 초점거리를 조정할 수 있으며, 상기 상쇄렌즈로서 오목렌즈가 사용되고, 상기 상쇄렌즈는 초점거리가 고정될 수 있다.
기준 초점거리보다 긴 초점거리를 갖도록 상기 가변초점렌즈를 조정하는 경우 시편의 상보다 먼 거리에 광학계의 초점이 위치되며, 상기 기준 초점거리보다 짧은 초점거리를 갖도록 상기 가변초점렌즈를 조정하는 경우 시편의 상보다 가까운 거리에 광학계의 초점이 위치될 수 있다.
일 실시예에 색수차 보상 장치는 가변초점렌즈를 이용하여 공초점 현미경 시스템에서 발생할 수 있는 색수차 문제를 보상할 수 있다.
일 실시예에 따른 현미경 시스템은 색수차 보상 장치를 포함함으로써 공초점 현미경에서 발생할 수 있는 파장에 따라 발생하는 색수차 문제를 보상할 수 있다.
또한, 색수차 보상 장치를 포함하는 현미경 시스템을 사용함으로써, 비용을 절감하고 오진 가능성 및 부작용의 가능성을 감소시킬 수 있다.
도1은 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치를 포함한 공초점 현미경 시스템을 나타낸다.
도2는 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치의 구성 및 구동 원리를 나타낸다.
도3은 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치를 이용하여 대물 렌즈 및 GRIN 렌즈에서 색수차가 보상되는 원리를 나타낸다.
도4는 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치를 이용하여 색수차를 보상한 경우 그 효과를 나타낸다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치 및 이를 포함한 현미경 시스템의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치 및 이를 포함한 현미경 시스템의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치 및 이를 포함한 현미경 시스템의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도1은 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치를 포함한 공초점 현미경 시스템을 나타내며, 도2는 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치의 구성을 나타낸다. 또한, 도3은 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치를 이용하여 색수차를 보상하는 원리를 나타내고, 도4는 일 실시예에 따른 색수차 보상 장치를 이용하여 색수차를 보상한 경우 그 효과를 나타낸다.
도1을 참조하면, 일 실시예에 따른 현미경 시스템(10)은, 빛을 방출하는 레이저 광원(100), 레이저 광원(100)에서 방출된 빛을 통과시키는 대물렌즈(210), 대물렌즈(210)를 통과한 빛을 시편(미도시)에 스캐닝하여 시편 내에 초점 평면을 형성하는 GRIN렌즈(Gradient index lens, 230), 시편에서 반사된 빛을 검출하는 광 검출기(300), 광 검출기(300)에서 검출된 빛의 신호를 통하여 영상을 복원할 수 있는 컴퓨터(미도시) 및 레이저 광원(100)과 대물렌즈(210) 사이에 배치되어 영상을 획득함에 있어서 색수차를 보상하는 색수차 보상 장치(400)를 포함한다.
여기서, 레이저 광원(100)은 다중 파장의 광대역 빛을 방출할 수 있다. 또한, 현미경 시스템(10)은 광대역 빛 중에서 영상 획득에 사용할 단일 파장의 빛을 필터링하는 단색화 장치(110)를 더 포함할 수 있다.
뿐만 아니라, 현미경 시스템(10)은, 색수차 보상 장치(400), 광 검출기(300) 및 단색화 장치(110) 사이에 배치되어 단색화 장치(110)에서 필터링된 단일 파장의 빛을 반사시켜 색수차 보상 장치(400)로 전달하고, 시편에서 반사된 빛을 통과시켜 광 검출기(300)로 전달하는 광 분리기(500)를 더 포함할 수 있다. 또한, 현미경 시스템(10)은 대물렌즈(210) 하단에 배치되어 3차원 영상획득을 위해 대물렌즈(210)를 이동시키는 대물렌즈 스캐너(220)를 더 포함할 수 있다.
또한, 현미경 시스템(10)은, 색수차 보상 장치(400)와 광 분리기(500) 사이에 배치되어 광 분리기(500)로부터 전달되는 단일 파장의 빛을 2차원으로 스캐닝(Scanning)하는 2차원 스캐너(600)를 더 포함할 수 있다. 더불어, 현미경 시스템(10)은 색수차 보상 장치(400)와 2차원 스캐너(600) 사이에 배치되는 스캔렌즈(710) 및 대물렌즈(210)와 색수차 보상 장치(400) 사이에 배치되는 튜브렌즈(720)를 더 포함할 수 있다.
현미경 시스템(10)은, 단색화 장치(110)와 색수차 보상 장치(400) 사이에 구비되어, 단색화 장치(110)에서 필터링된 단일 파장의 정보를 획득하고 상기 정보에 대응하는 초점거리 변화신호를 색수차 보상 장치(400)에 제공하는 제어부(800)를 더 포함할 수 있다.
또한, 현미경 시스템(10)은, 단색화 장치(110)와 광 분리기(500) 사이에 배치되어 단일 파장의 빛을 광 분리기(500)로 전달하는 제1 광대역 거울(910) 및 대물렌즈(210)와 튜브렌즈(720) 사이에 배치되어 튜브렌즈(720)로부터 전달되는 빛을 대물렌즈(210)로 전달하는 제2 광대역 거울(920)을 더 포함할 수 있다.
상기의 구성들에 의한 현미경 시스템(10)은, 체내 3차원 고분해능 영상 획득을 위해 사용되는 공초점 내시현미경의 사용 시 발생하는 색수차를 보상하기 위하여, 색수차 보상 장치(400)를 단색화 장치(110)와 동기화함으로써, 다중 파장을 이용한 3차원 고분해능 영상 획득이 가능하도록 구현될 수 있다. 그리하여, 광섬유 (Optical fiber)를 사용하지 않는 형태의 피부 진단용 현미경에서 다중 파장 영상을 획득할 수 있는 기술을 제시하고자 한다.
다중 파장 영상 획득 (Multi-wavelength imaging) 기술은, 공초점 현미경의 진단 분석 능력을 보다 향상시킬 수 있는 방법으로서, 마치 흑백 텔레비전으로 보는 것과 같은 공초점 진단 영상을, 컬러 영상으로 바꾸어줌으로써 조직 내 다양한 구성 물질들을 진단에 용이하게 가시성을 높여주는 기술이다. 색체 자체가 다르게 나타나므로, 단일 파장에서는 구별이 불가능했던 두 가지 물질들을 확연히 분리해서 관찰하는 것이 가능하며, 단일 파장에서는 흡수되지 않아 관찰되지 않던 물질들까지 모두 가시화하는 것도 가능하다.
색수차 보상(Chromatic aberration compensation)은 위와 같은 다중 파장 현미경에 있어 핵심이 되는 기술로서, 내시현미경의 말단에서 사용되는 광학 렌즈들은 이러한 색수차 보상이 매우 어렵다. 또한, 다양한 말단 렌즈들을 교체하며 사용할 경우, 또는 이러한 렌즈들이 소모품인 경우에는, 말단 렌즈 각각이 색수차 보상이 되어 있어야 하고, 이는 경제성이 매우 떨어지는 방식이다.
따라서, 이하에서는 가변초점렌즈를 이용한 색수차 보상 장치를 통해 색수차를 효율적으로 보상할 수 있는 현미경 시스템(10)에 관하여 설명한다.
기본적으로 다중 파장 공초점 내시현미경에서의 색수차는 측정 대상 좌표계에서 축 방향으로 발생하게 되며, 이는 대물렌즈 초점 거리 변화와 동일하게 해석될 수 있다. 즉, 다중 파장 공초점 내시현미경의 색수차가 보상되어 있지 않을 경우, 도1의 A와 같이, 파장에 따라 다른 초점 거리를 갖게 되므로, 시편 상에서 축 방향으로 서로 다른 지점에서의 영상을 획득하게 된다. 이 때, 가변초점렌즈를 포함한 색수차 보상 장치를 이용하면, 이러한 파장 별 축 방향 분포(X4, Y4, Z4)를 한 점(X4)으로 모으는 것이 가능하다. 각 파장 별로 축 방향 초점 거리 변화량을 측정한 후, 이와 반대되는 방향으로 초점 거리를 변화시켜주면, 색수차가 보상된 광학계를 구성할 수 있다.
이하에서는, 색수차 보상 장치를 포함한 현미경 시스템(10)의 전체적인 작동 원리를 설명한다.
레이저 광원(100)에서는 넓은 파장 영역에 대해 광대역 레이저 빛이 출사하게 된다. 단색화 장치(110)는 이러한 광대역 레이저 빛에서 영상 획득에 사용할 단일 파장의 빛을 필터링한다. 상기 단색화 장치(110)는 프리즘 형태의 분광기나 회절격자 형태의 분광기 등 다양한 형태로 구성될 수 있다.
또한, 단색화 장치(110)는 모터를 이용하여 자동으로 구동될 수 있으며, 모터의 엔코딩 값과 걸러내는 파장 사이의 관계식을 구하여 자동으로 구현될 수 있으며, 회전 스테이지 (Rotation stage)의 눈금 값과 걸러내는 파장 사이의 관계식을 구하여 수동으로 구현될 수 있다.
제1 광대역 거울(910)은 단일 파장의 빛을 광 분리기(500)로 전달하는 역할을 한다.
광 분리기(500)는 편광 분리기 또는 이색성 분리기의 형태로 구성될 수 있다. 즉, 시편이 되는 조직에서 산란 진단 정보(Scattered diagnostic information)를 획득하고자 할 경우 편광 분리기의 형태로 구성하고, 형광 진단 정보 (Fluorescence diagnostic information)를 획득하고자 할 경우 이색성 분리기의 형태로 구성한다.
단일 파장의 빛은 먼저 광 분리기(500)에서 반사되어 2차원 스캐너(600)로 도달하고, 2차원 스캐너(600)는 단일 파장의 빛을 2차원으로 스캐닝(Scanning)한다.
그 후, 단일 파장의 빛은 스캔렌즈(710)로 전달되며, 이때 횡 방향 스캐닝은 일반적으로 사용되는 갈바노 스캐닝 거울(Galvanometer scanning mirror)과 공진형 스캐닝 거울(Resonant scanning mirror)의 조합, 또는 갈바노 스캐닝 거울 두 개를 이용하여 구현하거나 다각형 거울 (Polygon mirror)과 갈바노 스캐닝 거울의 조합 등으로 자유롭게 구현할 수 있다.
스캔렌즈(710)는 튜브렌즈(720)와 함께 이중 텔레센트릭 구조 (Double telecentric)를 형성하며, 빛을 대물렌즈(210) 후면(Back aperture)에 조사하게 된다. 이 때, 대물렌즈(210)와 튜브렌즈(720) 사이에 제2 광대역 거울(92)이 필요에 따라 하나 더 설치되어, 전체적인 광 경로를 최적화할 수 있다.
대물렌즈 스캐너(220)는 압전 구동기(Piezoelectric actuator)의 형태로 구성되어 3차원 영상 획득이 가능하도록 구성되며, GRIN렌즈(230)는 진단하고자 하는 시편인 피부 조직 내에 초점 평면을 형성하여, 공초점 영상 획득이 가능하도록 한다.
피부 조직 내 초점 평면에서 산란된 빛 또는 형광 빛은 다시 GRIN렌즈(230)로 집광되며, GRIN렌즈(230)를 통과한 빛은 다시 한 번 대물렌즈(210), 제2 광대역 거울(920), 튜브렌즈(720), 스캔렌즈(710), 2차원 스캐너(600)를 거쳐 광 분리기(500)로 돌아가게 된다.
돌아오는 빛은 광 분리기(500)를 통과하도록 설계되며, 빛이 산란광의 형태일 경우 시편을 향하는 빛과 시편에서 돌아오는 빛 사이의 편광 방향이 90도만큼 차이가 나도록 파장판(Wave plate, 미도시)를 이용하여 편광 방향을 회전시켜 줄 수 있다. 또한, 빛이 형광의 형태일 경우 시편을 향하는 빛과 시편에서 돌아오는 빛 사이의 파장 차이가 나므로, 이색성 광 분리기만으로 분리가 가능하다.
이렇게 분리되어 돌아온 빛은 광 검출기(200)에 의해서 검출되고, 최종적으로 컴퓨터에서 이러한 검출 신호를 진단 영상으로 복원한다. 이러한 공초점 내시현미경 구조에 색수차 보상 장치(400)와 제어부(800)를 삽입함으로써 색수차의 보상이 가능하다. 색수차 보상 장치(400)는 스캔렌즈(710)와 튜브렌즈(720) 사이의 초점 평면에 위치하며, 초점 거리를 변화시켜가며 색수차를 보상하게 된다.
이때, 색수차 보상을 위해 변화시켜야 하는 초점 거리의 양은 제어부(800)에서 판단하며, 단색화 장치(110)에서 제공하는 파장 정보를 획득한 후, 이에 맞는 적절한 초점 거리 변화 신호를 색수차 보상 장치(400)로 주게 된다.
또한, 단색화 장치(110)에서 출력 파장을 변화시킨 경우, 제어부(800)는 이러한 변화를 실시간으로 감지하여 색수차 보상 장치(400)로의 신호를 변화시켜주며, 이러한 일련의 과정은 개루프 제어(Open--op control)의 형태로 수행된다.
도2를 참조하여 색수차 보상 장치(400)의 동작 원리를 설명한다. 색수차 보상 장치(400)는 스캔렌즈로부터 전달된 빛을 입사 시키는 입사렌즈(Input lens, 410), 빛이 진행하는 방향으로 상기 입사렌즈의 일측에 이격되어 배치되고 상기 입사렌즈와 이중 텔레센트릭(Double telecentric) 구조를 형성하는 출사렌즈(Output lens, 420), 출사렌즈를 기준으로 상기 입사렌즈와 마주보는 방향에 배치되고 상기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에서 빛이 평행광을 이루도록 배열되는 가변초점렌즈(Tunable focus lens, 430), 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에 배치되고 상기 가변초점렌즈에 의하여 상기 평행광이 깨지는 것을 보상하는 상쇄렌즈(Offset lens, 440)로 이루어진다.
여기서, 입사렌즈(410)와 출사렌즈(420)는 한 쌍을 이루어 이중 텔레센트릭 구조(Double telecentric)를 형성한다. 각 렌즈의 초점 위치는 도1의 튜브렌즈(720) 및 스캔렌즈(710) 사이의 초점 평면과 공액(Conjugate) 관계를 이룬다. 그리하여, 전체적인 광학적 성능의 저하 없이 가변초점렌즈(430)를 삽입할 수 있도록 구성된다.
가변초점렌즈(430)는 입사렌즈(410)와 출사렌즈(420) 사이의 평행광이 형성되는 부분에 삽입되며, 가변초점렌즈(430)에 의해 평행광이 깨지는 것을 보상하기 위해 상쇄렌즈(440)가 함께 사용된다.
기본적으로 가변초점렌즈(430)는 볼록렌즈로서 빛을 모으는 역할을 하며, 렌즈 곡률이 실시간으로 변화하며 초점 거리를 맞출 수 있다. 상쇄렌즈(440)는 오목 렌즈로서 일정한 초점거리를 가지며, 수차 보상이 불필요한 초점거리에서 가변초점렌즈(430)와 함께 사용되어 평행광을 형성한다.
기준 초점거리(X1, X2)보다 긴 초점거리(Z1, Z2)를 갖도록 가변초점렌즈(430)를 조절할 경우 시편 상에서 더 먼 거리에 초점이 위치하도록 변화시킬 수 있으며, 기준 초점거리(X1, X2)보다 짧은 초점거리(Y1, Y2)를 갖도록 가변초점렌즈(430)를 조절할 경우 시편 상에서 더 가까운 거리에 초점이 위치하도록 변화시킬 수 있다.
즉, 기준 초점거리보다 긴 초점거리를 갖도록 상기 가변초점렌즈(430)를 조정하는 경우 시편의 상보다 먼 거리에 광학계의 대물렌즈(210)와 GRIN렌즈(230)의 초점이 위치되며, 기준 초점거리보다 짧은 초점거리를 갖도록 가변초점렌즈(430)를 조정하는 경우 시편의 상보다 가까운 거리에 광학계의 대물렌즈(210)와 GRIN렌즈(230)의 초점이 위치될 수 있다.
즉, 색수차 보상 장치(400)는, 스캔렌즈(710)와 튜브렌즈(720) 사이의 초점에 위치되며, 상기 위치는 대물렌즈(210)의 초점 및 GRIN렌즈(230)의 초점과 공액 관계를 이루어 대물렌즈(210)와 GRIN렌즈(230)의 초점의 위치를 변화시킴으로써 색수차를 보상할 수 있다.
이러한 방식으로 광학계의 전체적인 초점거리를 변화시킴으로써, 색수차를 실시간으로 보상하는 것이 가능하다.
가변초점렌즈(430)에는 다양한 종류가 있으며, 일 예로서 전자식 가변초점렌즈(Electrically tunable focus lens)가 있다. 전자식 가변초점렌즈는 기본적으로 액체가 채워진 막의 형태를 취하며, 렌즈 회로에 전류를 흘리면 렌즈에 부착된 압전 소자가 렌즈의 가장자리에 압력을 가하게 되고, 이에 따라 렌즈 내부 액체가 가운데로 몰리면서 렌즈의 초점거리가 변화하게 된다. 이러한 초점거리 변화는 다양한 광학계에 삽입되어 색수차 보정, 3차원 영상 획득, 움직임 보상 등 다양한 형태로 이용될 수 있다.
도3을 참조하면, 최종적으로 빛이 GRIN렌즈(230)를 통과한 뒤 시편 상에서의 수차 보정되는 과정을 파악할 수 있다.
먼저 중계 광학계(Relay optics)를 거쳐 대물렌즈(210)를 통과한 빛은 초점을 형성한 후 아포칼 시스템(Afocal system)의 형태를 이루며 GRIN렌즈(230))로 입사된다. GRIN렌즈(230)를 통과한 빛은 다시 한 번 시편 상의 초점을 맺게 된다.
만일 기준 파장의 빛이 기준 광 경로(X3)를 지날 때 초점 평면이 기준 평면(Reference plane, X4)에 형성된다고 가정하고, 수차가 발생하는 다른 파장의 빛이 수차 광 경로(Aberrated beam path, Z3)를 지나 수차 평면(Aberrated plane, Z4)에 초점 평면을 형성한다고 가정할 때, 가변초점렌즈(430)는 수차 평면(Z4)에 형성된 초점을 기준 평면(X4)으로 옮겨주는 역할을 한다.
이를 위해 우선 대물렌즈(210)의 초점 거리가 수차 대물렌즈 초점 평면(Aberrated objective focal plane, Z5)에서 기준 대물렌즈 초점 평면(Reference objective focal plane, X5)으로 변화하게 되며, 이에 따라 시편 상의 초점 위치도 변화하여, 다중 파장의 빛의 초점 평면을 모두 일치시키는 것이 가능해진다.
도 4를 참조하면, 상기 도 3과 같이 수차가 보정되기 전과 수차가 보정된 후 획득한 영상의 차이를 파악할 수 있다. 대물렌즈(210)를 통과한 빛이 GRIN렌즈(230)를 통과한 후 구형의 시편에 도달한다고 가정할 때, 수차가 보상되지 않은 경우(A)와 같이 색상(R : 홍색, G : 녹색, B : 청색)에 따라 다른 위치에 초점 평면을 형성하게 된다.
이 때, 홍색, 녹색, 청색은 설명을 위해 상대적인 색상을 나타내며, 실제로는 모두 홍색처럼 보이더라도 파장 차이가 나는 경우들을 모두 포함한다. 수차가 보상되지 않은 상태에서 영상 획득을 진행하면, K와 같이 색상에 따라 서로 다른 영상이 획득되므로, 진단을 위해 같은 지점에서 다양한 진단 정보를 얻는 것이 불가능하다.
이에 반하여, 가변초점렌즈(430)를 이용하여 수차를 보상할 경우, K'와 같이 같은 지점에서의 영상을 획득할 수 있으므로, 같은 지점에서 다양한 정보를 획득하는 것이 가능하다.
이와 같은 색수차 보상 장치(400) 및 이를 포함한 현미경 시스템(10)을 통하여, 색수차를 갖고 있는 다중 파장 공초점 내시현미경 광학계에서 파장에 따라 발생하는 수차 문제를 해결할 수 있다. 그리하여, 말단 렌즈를 교체하면서 사용하거나, 위생상의 문제로 소모품으로써 수회의 사용 후 폐기 처분하는 비경제적인 방식에서 탈피 할 수 있다.
또한, 색수차 보상 장치를 활용하여, 다중 파장 공초점 현미경을 상용화 시킴으로써, 조직검사법과 내시현미경 현장 진단 기술 사이의 진단률 차이를 좁히는 것이 가능하다. 그에 따라, 조직검사법이 거치는 조직 채취, 탈수, 염색 등의 과정들을 모두 생략하고 환자의 체내에서 즉각적인 정밀 진단이 가능하며, 조직검사법이 수반하는 오진 가능성, 부작용 가능성을 대폭 줄이는 것이 가능하므로, 진단 과정을 양적으로 축소하고 질적으로 향상시키는 것이 가능하다.
현재는 단색 공초점 현미경만이 상용화되어 사용되고 있으나, 이는 현재의 조직검사법을 완전히 대체하기에는 진단 정보가 다소 부족하며, 이를 보완하기 위한 다중 파장 공초점 현미경을 본 발명을 통해 상용화에 더욱 가깝게 발전시킴으로써, 조직검사법과 내시현미경 현장 진단 기술 사이의 진단률 차이를 좁히는 것이 가능하다. 향후 다중 파장 공초점 현미경 기술이 완전히 자리 잡을 경우, 조직검사법이 거치는 조직 채취, 탈수, 염색 등의 과정들을 모두 생략하고 환자의 체내에서 즉각적인 정밀 진단이 가능하며, 따라서 조직검사법이 수반하는 오진 가능성, 부작용 가능성을 대폭 줄이는 것이 가능하므로, 진단 과정을 양적으로 축소하고 질적으로 향상시키는 것이 가능하다.
이상과 같이 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 실시예가 설명되었으나 이는 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 현미경 시스템
100 : 레이저 광원
110 : 단색화 장치
210 : 대물렌즈
220 : 대물렌즈 스캐너
230 : GRIN렌즈
300 : 광 검출기
400 : 색수차 보상 장치
410 : 입사렌즈
420 : 출사렌즈
430 : 가변초점렌즈
440 : 상쇄렌즈
500 : 광 분리기
600 : 2차원 스캐너
710 : 스캔렌즈
720 : 튜브렌즈
800 : 제어부
910 : 제1 광대역 거울
920 : 제2 광대역 거울

Claims (12)

  1. 빛을 방출하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원에서 방출된 빛을 통과시키고 시편을 향하는 방향으로 상기 빛의 초점을 형성시키는 대물렌즈;
    상기 시편에서 반사된 빛을 검출하는 광 검출기;
    상기 광 검출기에서 검출된 빛의 신호를 통하여 영상을 복원할 수 있는 컴퓨터; 및
    상기 레이저 광원과 상기 대물렌즈 사이에 배치되어, 상기 영상을 획득함에 있어서 색수차를 보상하는 색수차 보상 장치;
    를 포함하고, 빛의 초점 평면을 모두 일치시킴으로써 색수차를 보상하는, 현미경 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 색수차 보상 장치는,
    상기 레이저 광원으로부터 전달된 빛을 입사시키는 입사렌즈;
    상기 빛이 진행하는 방향으로 상기 입사렌즈의 일측에 이격되어 배치되고, 상기 입사렌즈와 이중 텔레센트릭(Double telecentric) 구조를 형성하는 출사렌즈;
    상기 출사렌즈를 기준으로 상기 입사렌즈와 마주보는 방향에 배치되고, 상기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에서 빛이 평행광을 이루도록 배열되는 가변초점렌즈; 및
    상기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에 배치되고, 상기 가변초점렌즈에 의하여 상기 평행광이 깨지는 것을 보상하는 상쇄렌즈;
    를 포함하고, 상기 가변초점렌즈의 초점거리를 변화시킴으로써 색수차를 보상하는, 현미경 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가변초점렌즈로서 볼록렌즈가 사용되고, 상기 가변초점렌즈는 렌즈 곡률을 변화시켜 상기 가변초점렌즈의 초점거리를 조정할 수 있으며,
    상기 상쇄렌즈로서 오목렌즈가 사용되고, 상기 상쇄렌즈는 초점거리가 고정되는, 현미경 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 대물렌즈를 통과한 빛을 시편에 스캐닝하여 시편 내에 초점 평면을 형성하는 GRIN렌즈(Gradient index lens);를 더 포함하고,
    기준 초점거리보다 긴 초점거리를 갖도록 상기 가변초점렌즈를 조정하는 경우, 상기 시편의 상보다 먼 거리에 상기 대물렌즈와 상기 GRIN렌즈의 초점이 위치되며,
    상기 기준 초점거리보다 짧은 초점거리를 갖도록 상기 가변초점렌즈를 조정하는 경우, 시편의 상보다 가까운 거리에 상기 대물렌즈와 상기 GRIN렌즈의 초점이 위치되고,
    상기 색수차 보상 장치의 위치는 상기 대물렌즈의 초점 및 상기 GRIN렌즈의 초점과 공액 관계를 이룸으로써 상기 대물렌즈와 상기 GRIN렌즈의 초점의 위치를 변화시켜 색수차를 보상하며, 현미경 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 다중 파장의 광대역 빛을 방출하고,
    상기 광대역 빛 중에서 영상 획득에 사용할 단일 파장의 빛을 필터링하는 단색화 장치;
    상기 색수차 보상 장치, 상기 광 검출기 및 상기 단색화 장치 사이에 배치되어, 상기 단색화 장치에서 필터링된 단일 파장의 빛을 반사시켜 상기 색수차 보상 장치로 전달하고, 상기 시편에서 반사된 빛을 통과시켜 상기 광 검출기로 전달하는, 광 분리기; 및
    상기 대물렌즈 하단에 배치되어 3차원 영상획득을 위해 상기 대물렌즈를 이동시키는 대물렌즈 스캐너;
    를 더 포함하는, 현미경 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단색화 장치와 상기 색수차 보상 장치 사이에 구비되어, 상기 단색화 장치에서 필터링된 단일 파장의 정보를 획득하고, 상기 정보에 대응하는 초점거리 변화신호를 상기 색수차 보상 장치에 제공하는 제어부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 단색화 장치에서 단일 파장의 출력을 변화시키는 경우, 상기 변화를 감지하여 실시간으로 상기 색수차 보상 장치의 상기 가변초점렌즈의 초점거리를 조정하는, 현미경 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 색수차 보상 장치와 상기 광 분리기 사이에 배치되어, 상기 광 분리기로부터 전달되는 단일 파장의 빛을 2차원으로 스캐닝(Scanning)하는 2차원 스캐너;
    상기 색수차 보상 장치와 상기 2차원 스캐너 사이에 배치되는 스캔렌즈; 및
    상기 대물렌즈와 상기 색수차 보상 장치 사이에 배치되는 튜브렌즈;
    를 더 포함하고,
    상기 2차원 스캐너는 2차원으로 스캐닝된 빛을 상기 스캔렌즈로 전달하고,
    상기 스캔렌즈와 상기 튜브렌즈는 이중 텔레센트릭(Double telecentric) 구조를 형성하여 빛을 상기 대물렌즈의 후면에 조사하는, 현미경 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단색화 장치와 상기 광 분리기 사이에 배치되어, 상기 단일 파장의 빛을 상기 광 분리기로 전달하는 제1 광대역 거울; 및
    상기 대물렌즈와 상기 튜브렌즈 사이에 배치되어, 상기 튜브렌즈로부터 전달되는 빛을 상기 대물렌즈로 전달하는 제2 광대역 거울;
    을 더 포함하는, 현미경 시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 광 분리기는,
    편광 분리기 또는 이색성 분리기 형태로 형성될 수 있고,
    상기 광 분리기가 상기 편광 분리기 형태인 경우, 상기 현미경 시스템은 시편의 산란 진단 정보를 획득할 수 있으며,
    상기 광 분리기가 상기 이색성 분리기 형태인 경우, 상기 현미경 시스템은 시편의 형광 진단 정보를 획득할 수 있는, 현미경 시스템.
  10. 레이저 광원으로부터 방출된 빛이 시편에서 반사된 후 검출되어 시편의 영상을 획득하는 광학계에서 사용되는 색수차 보상 장치에 있어서,
    빛을 입사 시키는 입사렌즈;
    상기 빛이 진행하는 방향으로 상기 입사렌즈의 일측에 이격되어 배치되고, 상기 입사렌즈와 이중 텔레센트릭(Double telecentric) 구조를 형성하는 출사렌즈;
    상기 출사렌즈를 기준으로 상기 입사렌즈와 마주보는 방향에 배치되고, 상기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에서 빛이 평행광을 이루도록 배열되는 가변초점렌즈; 및
    상기 입사렌즈와 상기 출사렌즈 사이에 배치되고, 상기 가변초점렌즈에 의하여 상기 평행광이 깨지는 것을 보상하는 상쇄렌즈;
    를 포함하고,
    광학계의 초점거리를 변화시킴으로써 상기 시편의 영상을 획득함에 있어 발생되는 색수차를 보상하는, 색수차 보상 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가변초점렌즈로서 볼록렌즈가 사용되고, 상기 가변초점렌즈는 렌즈 곡률을 변화시켜 상기 가변초점렌즈의 초점거리를 조정할 수 있으며,
    상기 상쇄렌즈로서 오목렌즈가 사용되고, 상기 상쇄렌즈는 초점거리가 고정되는, 색수차 보상 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    기준 초점거리보다 긴 초점거리를 갖도록 상기 가변초점렌즈를 조정하는 경우, 시편의 상보다 먼 거리에 광학계의 초점이 위치되며,
    상기 기준 초점거리보다 짧은 초점거리를 갖도록 상기 가변초점렌즈를 조정하는 경우, 시편의 상보다 가까운 거리에 광학계의 초점이 위치되는, 색수차 보상 장치.
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