KR20180014453A - led 조명장치 15도에서 75도 각도를 이용하여 나노단위를 볼 수 있는 고배율 고화질 광학현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광학현미경이 갖고 있는 문제점인 고배율일수록 빛의 회절한계로 인해서 이미지가 뿌옇게 생겨 초점이 흐려지고 빛의 밝기가 어두워져서 보고싶은 상 또는 물체가 제대로 보이지 않게 되는 현상을 극복하도록 하기 위한 장치(광학현미경)이다. LED 조명의 각도를 15도에서 75도까지 적절하게 상을 향해서 기울여서 보고 싶은 상의 모양과 패턴에 따라 다르게 조절할수 있기에 빛의 유입량 즉 광량을 증가시켜 나노단위까지도 광학현미경으로 볼수 있게 했다. 각종 다양한 대물렌즈에 uv 차단 필터 또는 렌즈를 바로 뒤에 장착시켜서 적외선 또는 자외선을 적절하게 차단시켜서 붉은 톤을 없애고 빛과 함께 경통으로 들어온 빛이 이미지센서 바로 앞에 12mm 형태의 둥근형태안으로 모여져서 빛의 산란을 차단시켰고, 상을 더욱더 선명하게 깨끗하게 스마트폰이나 컴퓨터화면으로 볼수 있다. 이런 방식으로 하면 광학현미경으로 10만배 이상을 풀칼라 1920*1080 풀화질 30프레임이상의 영상으로 선명하게 볼수 있기에 1나노까지도 상을 풀칼라로 관찰할 수가 있다. 암세포를 쉽게 죽이지 않고 관찰 연구할수 있으며, 다양한 광물들을 눈으로 직접 보면서 관찰하고 성분분석까지 가능하여 세포단위 이상도 볼수 있고 경통의 길이를 적절히 조절하여 분자구조까지 볼수 있게 한 것이다.

Description

led 조명장치 15도에서 75도 각도를 이용하여 나노단위를 볼 수 있는 고배율 고화질 광학현미경 {a high-resolution optical microscope which allows you to see at the nanoscale by adjusting LED lighting angle from 15 degrees to 75 degrees}

본 발명은 광학현미경이 갖고 있는 고배율일수록 빛의 회절한계로 인해서 이미지가 뿌옇게 생겨 초점이 흐려지는 문제를 극복하기 위한 방법으로, LED 조명장치의 각도를 15도에서 75도로 조절해가면서 스마트폰이나 컴퓨터같은 장치의 화면에서, 나노단위까지도 실제 광학상태로 200만 화소급(1920*1080 30프레임이상의 이미지센서로)이상 선명한 풀칼라 영상으로 실시간 보고 사진으로 촬영하고 저장하기 위한 방법에 관한 것이다.

발명의 배경이 되는 기술로는 [도면 1] 과 같이 펜라이트를 꼽아서 지지할수 있는 LED조명 고정대(110)에서 펜라이트를 고정(111)시키고 조명의 각도를 90도 직각 상태에서 나사로 조여가면서(112) 천천히 각도를 조절해서 15도부터 75도사이에 맞추게 되면(112), 적합한 광량을 줄수 있게되고, 이 LED 조명장치가 현미경 바로 옆에 앞쪽에 붙어 있어서 빛의 종류와 밝기를 조절이 가능하고 쉽게 교환할 수 있도록 되어 있다. 즉 적은 빛의 양으로 밝기를 조절할 수 있도록 발명한 효율적인 조명장치 지지대이다. 이때 각도를 45도에 맞추면 편한하게 안정적으로 빛이 비스듬하게 보고 싶은 물체에 부딪혀서 반사된 빛과 그 상이 대물렌즈를 통해서 자연스럽게 경통을 거쳐(116) 12mm 안으로(129) 다시 모아져서 이미지센서에 적절하게 상이 맺히게 되는 것이다. 일반적으로 대물렌즈 접안렌즈를 사용하는 실체현미경, 생물현미경, 위상차현미경, 편광현미경, 기타 광학현미경들은 모두 조명을 상부조명 하부조명을 사용하고 빛은 led부터 다양한 조명장치를 사용한다. 이때 하부조명을 사용할 때는 보고자 하는 상의 바로 밑에서 빛을 비춘다. 즉 조명장치를 보고자 하는 물체 또는 상 바로 밑에서 비추어주므로, 상이 얇지 않고 두꺼우면 어둡게 또는 검게 보여 상을 정확히 볼 수 없다. 상부조명은 현미경의 고정받침대에 붙여서 고정되어 있어 상의 크기나 모양의 다양성에 맞추어서 상을 정확하게 볼 수 없다. 또는 usb현미경일 경우는 현미경의 렌즈를 중심으로 둥그렇게 싸서 직접 쏘아주는 조명장치를 사용하고 있기에 빛이 난반사를 가져와서 상이 뿌옇게 보이고 적외선이나 자외선이 이미지센서에 그대로 통과되어 붉게 보여지거나 뿌옇게 보여진다. 하지만 본 발명은 상부조명에서 빛을 고정시킨 것이 아니라 조명의 각도를 보고자 하는 물체가 놓여져 있는 바닥을 중심으로 15도에서 75도 사이를 조절할 수 있다. 이렇게 하면 빛의 세기와 거리와 직진성의 문제와 난반사가 일어나는 것을 줄여주게 되어서 렌즈를 통해서 상의 초점을 더 정확하게 해주므로 해상도를 높여줄 수 있다. 광학현미경의 고배율 2000배이상으로 높일 때 렌즈의 상이 흐려질 때 자외선과 적외선uv 차단 필터 또는 렌즈를 대물렌즈 바로 뒤에 붙여서(140) 렌즈로 유입된 상의 초점이 맺혀지는 부분을 붉은 색을 없애주기에 더욱더 선명하게 해상도를 높여주며 led 빛으로도 나노단위의 상태를 관찰 및 촬영 캡쳐할 수 있다. 이런 방법으로 하면 1나노까지도 우리의 가시광선영역으로 확대해서 풀칼라로 광학으로 선명한 이미지 또는 영상으로 실시간 볼 수 있게 된다.

광학현미경이 갖고 있는 회절한계로 인해서 렌즈를 통과한 빛이 왜곡되어서 우리의 눈 또는 이미지센서로 볼 때 해상도(선명도)가 떨어져서 광학현미경 2000배이상으로 보기가 힘든 것이 현실이다. 하지만 led 빛 조명의 각도를 보고자 하는 물체(상)이 있는 바닥을 중심으로 15도에서 75도 사이를 조절해가면서 빛의 세기와 거리와 직진성의 문제를 렌즈를 통해서 상의 초점을 더 정확하게 해주므로 해상도를 높여줄 수 있다. 이렇게 하므로 2000배이상 뿐 아니라 나노상태까지도 풀칼라 풀화질인 1920*1080 30프레임이상의 영상으로 우리가 사물을 눈으로 직접 볼수 있는 화질급인 200만화소급으로 보게하고자 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 LED 펜라이트(penlight)(114) 조명 지름 2cm 크기의 조명빛을 고정시키는 단계(111)와 현미경 외부 바로 옆에 각도를 0도에서 90도 각도로 꺽을 수 있도록 조절할수 있는 단계(112), 즉 초점 길이가 2cm 이상 떨어져 있어야 led 빛이 상을 비스듬하게 45도 각도를 기준으로 비추어지면서 좌우 각도를 조절할수 있는 단계(112),현미경 돌출부렌즈를 감싸는 부분에서 보고자 하는 물체를 대고 볼수 있도록 하기 위한 부분에 조명이 15도에서 75도 사이로 조절하면서 비추어지게 할수 있기 위해서 한쪽이 파져있도록 설계된 단계(113), 렌즈가 실체렌즈로 사물로부터 떨어진 위치 공간사이로 벌어진 틈으로 충분히 led 빛 조명이 비추어져서 반사된 빛이 렌즈로 들어갈 수 있게 하기위해서 붉은 빛을 차단시키는 uv 차단 필터 또는 렌즈 단계(140), 렌즈를 장착해서 꼽아서 다양한 렌즈를 바꾸어서 변화시킬수 있는 경통안에서 왔다갔다 하면서 렌즈의 초점 길이를 늘렸다 줄렸다 할수 있는 단계(121)(119)(120)(138), 손 지문의 촉감을 아주 미세하게 부드러우면서도 유연하게 초점을 잡아서 상이 보이는 데 효과적으로 초점을 맞추어주는 역할에 도움을 주는 휠부분의 상부 표면에 볼록튀어나온 엠보싱효과의 배열구조형태가 있는 단계(138), 경통안에서 양쪽 봉이 튼튼하게 잡아주어서 양쪽으로 지지해주고 양쪽 캡으로 씌어서 고정시켜서 회전할 때 안전하게 지지해주는 단계 (119), 유도레일이 더 이상 앞으로 나오지 못하게 해서 렌즈지지봉(122)이 앞으로 삐져나오지 못하게 지지봉의 캡을 씌어서 빛을 차단시키고 막아주는 단계(117),(123),(118), 이미지센서 앞에 12mm 사각형태로 캡이 씌어져서 빛이 반사되지 않고 정확하게 최대한 이미지센서로 경통안으로 빛이 나아가기 쉽게 해주는 단계(116), 이 빛이 다시 모아져서 12mm 연결부위(125)를 거쳐서 이미지센서를 보호하면서 빛이 튕기지 않도록 해주면서 빛을 모아주어서 정확한 상이 맺히고 선명하게 도와주는 단계(129), 경통의 크기를 12mm 이내로 줄이므로 빛이 나아가는 데 걸림돌이 생기지 않도록 즉, 직진성을 유지해서 빛이 퍼져보이는 것을 줄여주고 직진성을 도와주어서 초점이 ?셜劾? 거들어주는 단계(125),(), 이미지 센서는 디지털 단순배율을 늘린 200만화소가 아닌 실제 광학 최소한 200만화소급이상으로 1920*1080 풀화질 30프레임이상으로 usb방식 또는 블루투스방식으로 스마트폰이나 컴퓨터 기타 화면으로 보여질수있도록 지원되는 센서 이어야 하는 단계(129), usb선을 움직이지 않도록 고정시켜주는 캡(128)과 선을 안에서 흔들리지 않도록 잡아주는 고정선잡아주는 곳(127)과 4개의 나사로 이미지센서를 정확하게 고정시켜주고 튼튼하게 잡아주는 역할을 하는 케이스 커버 두껑의 캡(126) 단계, 이 이미지센서로 대물렌즈와 적외선 및 자외선 차단 필터를 통해서 빛이 들어온 것이 12mm 구경안쪽으로만 통과하도록 빛을 모아주는 단계(129), 현미경이 흔들리지 않게 고정시켜서 화질을 떨리지 않게 볼수 있도록 고정시켜주는 고정대에서 현미경을 일자형태로 암수로 장착해서 움직이지 않게 고정(131)단계와 양쪽 조임나사로 고정시켜주도록 조여주는 단계(132), 봉이 흔들거리지 않도록 일자 형태의 암수로 나뉘어져서 지지대 봉이 고정되어서 돌아가거나 흔들리지 않도록 일자형태로 사각레일형태로 고정시켜주는 단계(133), 양쪽으로 고정해서 밑으로 현미경이 무거워서 내려오지 않도록 고정시켜주는 두 개의 양쪽 가드레일이 있는 곳에 고정조임새 부분(136), 비스듬하게 레일과 기어가 반대로 비스듬하게 돌아가서(137) 위아래로 움직일수 있는 단계(134), 현미경을 위에서 아래로 고정시켜서 흔들리지 않도록 사물을 관찰하기 쉽게 해주는 현미경 장착부위의 고정나사부분(135)으로 이루어져 있다.

광학현미경의 회절한계를 극복하여서 고배율로 갈수록 화질 선명도가 떨어지고 색상의 밝기가 떨어져서 어둡게 나와서 광학2000배 이상에선 화질이 좋지 않지만 본 발명은 이러한 한계를 극복하고 광학 1만배이상에서도 물체를 볼수 있고 세포나 암세포를 살아있는 상태에서 연구 관찰할수 있으며 동물 식물의 구조를 다양하게 관찰할 때 우수한 화질로 나노상태도 풀칼라로 가시광선 영역에서 그것도 선명하게 관찰할수 있게된다. 특히 광학현미경의 한계가 200나노라고 하는데 이런 방식으로 접근하면 1나노안의 분자구조도 광학현미경으로 우리 눈으로 보는 세계로 보게 되며 풀칼라로 풀화질로 우수한 해상도로 선명하게 직접 관찰할수 있게 되므로 의료분야와 연구분야 소재분야에서 성분분석까지 다 가능하게 되어 눈으로 직접 관찰하면서 성분분석과 그 패턴 구조원리를 쉽게 알수 있다.

[도 1] 전체 광학현미경 완성도. 스마트폰에 usb로 연결시켜서 머리카락을 광학2000배 로 보고 있음. 나노상태의 큐티클이 아주 선명하게 3D입체로 보여짐.
[도 2] LED펜라이트를 꼽아서 각도를 45도각도를 중심으로 좌우 35도를 움직여서 전체 15도에서 75도 각도로 조정해가면서 나사로 고정시켜줌.
[도 3] LED펜라이트 즉 조명의 난반사를 없애고자 한쪽으로 빛을 모아주고 빛을 한쪽으로 적절하게 조절해줄수 있는 대물렌즈 빛 보호 캡.
[도 4] 대물렌즈의 양쪽을 봉으로 지지해주고 윗머리를 캡으로 해서 빛이 대물렌즈 안으로만 들어가게 해주는 대물렌즈 연결부위
[도 5] 대물렌즈를 나사식으로 고정시키고 지지봉을 양쪽으로 물려주면서 회전해가도록 하는 대물렌즈 연결 고정 회전판
[도 6] 대물렌즈를 양쪽으로 튼튼하게 잡아주면서 부드럽게 회전해서 초점을 잡아주게 해주는 지지봉 양쪽 캡을 씌운 것과 안 씌운 상태 비교.
[도 7] 외부경통 케이스 내부의 모습
[도 8] 초점 잡아주는 휠을 정확하게 회전시켜주도록 양쪽으로 잡아주는 부분
[도 9] 초점휠과 지지봉을 끼우고 캡을 닫고 고정시켜준 상태
[도 10] 이미지센서를 고정시켜주기 위한 케이스 두껑 캡
[도 11] 현미경 고정지지대 아래와 윗부분 일자로 연결되는 고정 부위
[도 12] 현미경 고정지지대 완성도
[도 13] 현미경 고정지지대 측면도
[도 14] 현미경 고정지지대 비스듬한 기어연결부를 포함한 후면도
[도 15] 현미경 정면도
[도 16] 현미경 측면도
[도 17] 현미경 펜라이트의 각도가 90도인 상태의 완성도
[도 18] 현미경 위에서 보는 평면도
[도 19] 현미경 초점휠과 캡 펜라이트 지지봉 대물렌즈 회전판 케이스등 전체연결 내 외부 모습
[도 20] 대물렌즈 뒤에 uv 차단 필터 또는 렌즈
[도 21] 대물렌즈 뒤에 uv 차단 필터 또는 렌즈 연결부분

led 조명 구경 2cm 이내의 펜라이트를 조명끼우개(110)에 넣고 나사로 조명을 고정(111)시키고 각도를 조절해서 45도를 중심으로 조정해서 고정(112)시켜 놓은후 조명을 켠다. 그리고 스마트폰 또는 컴퓨터 기기의 모니터 화면으로 보기 위해서 이미지센서부위를 usb로 연결시킨다. 다이얼(138)을 돌려서 렌즈부위를 보고싶은 사물에서 거리를 띄워서 공간을 약 2cm이상 두면서 천천히 초점을 맞추어나간다. 좀더 떨림이 없이 볼려면 현미경을 이제 고정대에 위에서부터 장착한다. 그리고 양쪽 나사로 흔들리지 않도록 고정(135)시켜준다. 보고 싶은 사물을 받침대 위에 올리고 경통을 올려서 나사를 조절(134)해서 위로 올린후 조명의 각도는 45도를 기준으로 비추게 한후 조금씩 다르게 각도를 조절해간다. 빛의 세기가 달라지게 되어서 상이 반사되는 상황이 보이면서 제일 잘 보이는 형태로 고정시켜준다. 이제 미동조임새로 조여주어서 고정(136)시켜서 상이 흔들리게 보이지 않도록 해준다... 이렇게 하므로 아주 높은 고배율을 선명하게 관찰할수 있게된다. 이제 스마트폰 앱등으로 다양하게 저장한다.

스마트폰 앱으로 자체 디비를 통해서 성분분석까지 같이 겸해서 실시간으로 스마프폰앱을 통해서 각종 다양한 물질의 성분분석이 가능하게 되어서 저렴하게 성분분석이 가능하게 되며, 소재개발에 있어서 우위를 차지할수 있고 각 나라에 기술 이전을 통한 비즈니스관계를 확장할수 있으며 각나라의 광물자원의 성분분석을 나노상태로 풀칼라로 보게되어서 성분분석을 눈으로 보면서 바로 쉽게 판단하고 자원확보에 있어서 알려지지 않은 자원에 대한 가치평가도 할수 있게 된다. 그동안 고배율로 볼수 없었던 광물자원을 이제 고배율로 눈으로 3D입체로 보면서 성분분석이 가능하게 되어서 다양한 소재자원을 활용하는데 크게 기여하게 된다. 3d프린터와 연계해서 렌즈 자체도 만들어서 같이 연결시키면 그 가치는 더더욱 높아지게된다. 따라서 본 발명으로 인한 부가가치는 매우 높다.

Claims (13)

1. led조명장치를 끼우는 부분(110)에 고정시키는 나사부분(111)과 각도를 조절하면서 빛의 효율을 도와주는 15도에서 75도 각도를 조절 고정시키는 부분(112)
2. 상과 거리를 적절하게 조절해주고 빛의 난반사를 줄여주고 빛을 모아주는 효과를 나타내는 한쪽이 파져있는 대물렌즈 보호캡(113)
3. 12mm 렌즈를 돌려서 적절하게 초점을 맞추도록 경통안쪽으로 휘어감아져 돌아가면서 왔다갔다하는 길게 앞으로 뻗어나와서 렌즈를 쉽게 장착할수 있도록 도와주는 렌즈장착부 (121),(120),(119)
4. 대물렌즈의 600~650나노미터의 uv 차단 필터를 대물렌즈 바로 뒤에 고정해서 빛이 뿌옇게 모아진것을 다시 붉은 색을 없애주고 선명하게 정상대로 이미지센서로 나아가도록 해주는 부분(140)
5. 양쪽으로 수컷모양으로 돌기가 나와서 끼워서 캡을 씌어서 고정시킬수 있도록 되어 있는 지지봉(122),(123),(118)
6. 휠경통이 안쪽에서 휘감아져 잘 돌아가게 안으로 회전하는데 잡아주는 회전지지대(124)
7. 12mm 구경으로 빛이 모아져서 이미지센서에 12mm로 연결시켜줄수 있는 부위(125),(129)
8. 두껑이 옆으로 달깍하면서 끼워져서 고정되게 만들어져 있는 부분(130)
9. USB선을 쉽게 고정시키고 흔들리지 않도록 해서 이미지센서를 고정시키는 부분(128),(126),(127)
10. 현미경을 고정시킬수 있도록 일자로 고정대 양쪽 암 수와 나사로 연결 되는 조임새 부분 (131),(132)
11. 비스듬하게 경사가 져서 기아에 서로 반대로 물려서 위아래로 돌아가게 할수 있도록 되어 있는 기어연결부분 (137)
12. 미동나사로 더욱더 고정시켜서 현미경이 무거워서 내려오지 못하게 고정시켜서 화면을 떨림을 막아주는 역할을 하는 조임새부분(136)과 4각형으로 암수로 이루어져서 지지대가 옆으로 비틀리지 않고 천천히 왔다갔다 하면서 물려주어서 튼튼하게 잡아주는 레일역할을 하는 부분(133)
13. 현미경을 양쪽으로 고정시켜서 움직이지 않도록 해주는 지지나사부분(135)

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