KR20210036146A - 토폴로지 정보를 이용하는 광간섭 현미경 장치 - Google Patents

토폴로지 정보를 이용하는 광간섭 현미경 장치 Download PDF

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KR20210036146A
KR20210036146A KR1020190118253A KR20190118253A KR20210036146A KR 20210036146 A KR20210036146 A KR 20210036146A KR 1020190118253 A KR1020190118253 A KR 1020190118253A KR 20190118253 A KR20190118253 A KR 20190118253A KR 20210036146 A KR20210036146 A KR 20210036146A
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정웅규
박기범
안유진
배중권
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Abstract

본 발명은 토폴로지 정보를 이용하는 광간섭 현미경 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치는 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 상기 대상객체의 제1 단층 이미지를 촬영하는 제1 렌즈를 포함하는 촬영부;를 포함할 수 있다.

Description

토폴로지 정보를 이용하는 광간섭 현미경 장치{optical coherence microscopy using topology information}
본 발명은 토폴로지 정보를 이용하는 광간섭 현미경 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토폴로지 정보를 이용하여 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이로부터 미리 결정된 거리만큼 이격되어 이동하며, 대상객체의 단층 이미지를 촬영하기 위한 광간섭 현미경 장치에 관한 것이다.
광간섭 현미경 장치(Optical Coherence Microscopy, OCM)는 바이오 표본의 비 침습성, 고해상도 해부학적 특징을 제공하는 생체 의학 분야의 유망한 이미징 도구로서 가장 큰 장점은 얼룩이나 라벨 없이 세포 구조 정보를 제공할 수 있다는 것이다.
광간섭 현미경 장치는 높은 NA(numerical aperture) 렌즈를 사용하여 해상도가 높은 대신에 초점 심도(Depth of focus, DOF)가 줄어들게 되어 샘플객체의 위치에 대해 DOF에서 벗어나게 되면 신호 손실을 발생하게 된다.
예를 들어, 도 1a와 같이 종래의 낮은 NA 렌즈(4X)(110)를 사용하게 되면 초점 거리로부터
Figure pat00001
500um 이상일때 디포커스(de-focuse)되어 영상이 보이지만, 도 1b와 같이 종래의 높은 NA 렌즈(20X)(120)를 사용하게 되면 초점 거리로부터
Figure pat00002
100um 이상이 되면 디포커스되어 영상이 흐리게 나온다.
이와 같이, 종래의 경우, 높은 NA 렌즈를 사용하는 경우 DOF를 벗어나게 되어 디포커스되는 문제점이 있으나 이를 해결하기 위한 연구는 미흡한 실정이다.
[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-1900254호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 토폴로지 정보를 이용하는 광간섭 현미경 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 대상객체의 단층 이미지를 촬영하기 위한 광간섭 현미경 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치는 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 상기 대상객체의 제1 단층 이미지를 촬영하는 제1 렌즈를 포함하는 촬영부;를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 촬영부의 제1 렌즈는, 상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이로부터 미리 결정된 거리만큼 이격되어 수직 이동하며, 상기 대상객체의 제1 단층 이미지를 촬영할 수 있다.
실시예에서, 상기 미리 결정된 거리는, 상기 제1 렌즈에 대한 초점 심도(depth of focus, DOF) 이하의 초점 거리를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 촬영부는, 상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 제2 단층 이미지를 촬영하는 제2 렌즈를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제2 렌즈의 배율(magnification)은, 상기 제1 렌즈의 배율보다 작을 수 있다.
실시예에서, 상기 광간섭 현미경 장치는 상기 제2 단층 이미지로부터 상기 대상객체의 표면의 위치를 검출하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제어부는, 상기 대상객체의 표면의 위치에 따라, 상기 대상객체의 다수의 영역들 각각에 대하여 상기 제1 렌즈가 수직이동하는 이동 거리 정보를 산출할 수 있다.
실시예에서, 상기 제어부는, 상기 이동 거리 정보에 따라, 상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대하여 상기 제1 렌즈가 수직이동하는 거리를 나타내는 토폴로지(topology) 정보를 생성할 수 있다.
실시예에서, 상기 토폴로지 정보는, 상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대하여 상기 제1 렌즈가 수직이동하는 거리에 대응하는 색상 정보를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 촬영부의 제1 렌즈는, 상기 토폴로지 정보에 기반하여, 상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 상기 대상객체의 제1 단층 이미지를 촬영할 수 있다.
실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 단층 이미지에 상기 토폴로지 정보를 적용하여 제3 단층 이미지를 생성할 수 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 대상객체의 단층 이미지를 촬영함으로써 일정한 해상도의 단층 이미지를 얻을 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 종래의 일 실시예에 따른 저배율 렌즈의 DOF예를 도시한 도면이다.
도 1b는 종래의 일 실시예에 따른 고배율 렌즈의 DOF예를 도시한 도면이다.
도 2a는 종래의 일 실시예에 따른 단층 이미지 촬영의 예를 도시한 도면이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단층 이미지 촬영의 예를 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 단층 이미지 촬영 과정의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치의 기능적 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단층 이미지의 예를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 토폴로지 정보를 이용하는 광간섭 현미경 장치를 설명한다.
도 2a는 종래의 일 실시예에 따른 단층 이미지 촬영의 예를 도시한 도면이다. 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단층 이미지 촬영의 예를 도시한 도면이다.
저배율 렌즈에서는 초점 심도(depth of focus, DOF)가 길어 대상객체의 표면의 높이에 대해 큰 영향을 받지 않지만, 고배율 렌즈를 사용하게 되면 DOF가 짧아 대상객체의 표면의 높이에 영향을 많이 받는다.
따라서, 넓은 영역을 촬영하기 위해서는 샘플 표면이 일정하게 평평해야 일정한 강도의 단층 이미지를 얻을 수 있는 문제점을 가지고 있었다. 즉, DOF를 벗어나게 되면 신호 손실이 되어 단층 이미지의 밝기가 낮아진다.
이 경우, 도 2a를 참고하면, 대상객체의 표면의 영역 a, b 및 c 각각의 높이가 상이하기 때문에, 종래의 광간섭 현미경 장치의 렌즈(200)와 대상객체의 표면 간 거리가 DOF보다 큰 영역 a에서는 단층 이미지(210)의 해상도가 영역 b와 c에서의 단층 이미지(210)의 해상도보다 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 2b를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치의 제1 렌즈(220)의 경우, 대상객체의 표면의 영역 a, b 및 c 각각에 대한 높이에 따라 수직 이동하기 때문에, 제1 렌즈(220)와 대상객체의 표면 간 거리가 일정하게 유지될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치는 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 대상객체의 제1 단층 이미지(230)를 촬영할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치의 제1 렌즈(220)는 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이로부터 미리 결정된 거리만큼 이격되어 수직 이동하며, 대상객체의 제1 단층 이미지(230)를 촬영할 수 있다.
이 경우, 미리 결정된 거리는, 제1 렌즈(220)에 대한 초점 심도(depth of focus, DOF) 이하의 초점 거리를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치는 영역 a, b 및 c 모두에서 신호 손실이 발생하지 않아 높고 일정한 해상도의 제1 단층 이미지(230)를 획득할 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 단층 이미지 촬영 과정의 예를 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치의 제2 렌즈는 대상객체의 표면의 다수의 영역들(310) 각각에 대한 제2 단층 이미지(320)를 촬영할 수 있다.
여기서, 제2 렌즈의 배율(magnification)은 제1 렌즈의 배율보다 작을 수 있다. 즉, 제1 렌즈는 고배율 렌즈를 의미하고, 제2 렌즈는 저배율 렌즈를 의미할 수 있다. 다시말해, 제1 렌즈는 높은 NA(numerical aperture) 렌즈를 의미하고, 제2 렌즈는 낮은 NA 렌즈를 의미할 수 있다.
광간섭 현미경 장치의 제어부는, 제2 단층 이미지(320)로부터 상기 대상객체의 표면의 위치를 검출할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부는 제2 단층 이미지(320)에서 대상객체의 픽셀 값을 식별하여, 대상객체의 표면의 위치를 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 광간섭 현미경 장치의 제어부는, 대상객체의 표면의 위치에 따라, 대상객체의 다수의 영역들(310) 각각에 대하여 제1 렌즈가 수직이동하는 이동 거리 정보(332)를 산출할 수 있다.
여기서, 이동 거리 정보(332)는 제1 렌즈가 대상객체의 표면의 다수의 영역들(310) 각각에 대한 높이로부터 미리 결정된 거리만큼 이격되도록 제1 렌즈가 수직 이동하는 거리를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 광간섭 현미경 장치의 제어부는 제2 단층 이미지(320)로부터 미리 결정된 기준선과 대상객체의 표면의 다수의 영역들(310) 각각 사이의 깊이 정보를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 광간섭 현미경 장치의 제어부는 제2 단층 이미지(320)로부터 대상객체의 표면의 다수의 영역들(310) 각각에 대한 높이 정보를 산출할 수 있다.
광간섭 현미경 장치의 제어부는 상기 이동 거리 정보(332), 깊이 정보 및 높이 정보 중 적어도 하나에 따라, 상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들(310) 각각에 대하여 제1 렌즈가 수직이동하는 거리를 나타내는 토폴로지(topology) 정보(334)를 생성할 수 있다.
여기서, 토폴로지 정보(334)는, 대상객체의 표면의 다수의 영역들(310) 각각에 대하여 제1 렌즈가 수직이동하는 거리에 대응하는 색상 정보를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 토폴로지 정보(334)는 제1 렌즈를 수직 방향으로 이동시키는 광간섭 현미경 장치의 스테이지를 제어하기 위한 룩업 테이블(lookup table)로 사용될 수 있다.
광간섭 현미경 장치의 제1 렌즈는 토폴로지 정보(334)에 기반하여 대상객체의 표면의 다수의 영역들(310) 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 대상객체의 제1 단층 이미지(342)를 촬영할 수 있다.
이 경우, 만약, 종래와 같이 토폴로지 정보(334)를 고려하지 않은 단층 이미지(344)의 경우, DOF를 벗어나는 영역은 어두운 이미지가 생성된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치의 제1 렌즈는 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하기 때문에, 제1 단층 이미지(342)는 대상객체의 표면의 다수의 영역들(310) 전체에 걸쳐 균일한 강도의 해상도를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 광간섭 현미경 장치의 제어부는 제1 단층 이미지(342)에 토폴로지 정보(334)를 적용하여 제3 단층 이미지(352)를 생성할 수 있다. 즉, 제1 단층 이미지(342)에 깊이 정보를 추가하여 제3 단층 이미지(352)를 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치(400)의 기능적 구성을 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 광간섭 현미경 장치(400)는 촬영부(410), 제어부(420) 및 표시부(430)를 포함할 수 있다.
촬영부(410)는 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 대상객체의 제1 단층 이미지를 촬영하는 제1 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 촬영부(410)는 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 제2 단층 이미지를 촬영하는 제2 렌즈를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 렌즈는 고배율 렌즈를 포함하고, 제2 렌즈는 저배율 렌즈를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 촬영부(410)는 대상객체의 표면을 따라 3차원(즉, x축, y축, z축)으로 이동하기 위한 스테이지(stage)를 더 포함할 수 있다.
제어부(420)는 제2 단층 이미지로부터 대상객체의 표면의 위치를 검출할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(420)는 대상객체의 표면의 위치에 따라, 대상객체의 다수의 영역들 각각에 대하여 제1 렌즈가 수직이동하는 이동 거리 정보를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(420)는 제2 단층 이미지로부터 미리 결정된 기준선과 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각 사이의 깊이 정보를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(420)는 제2 단층 이미지로부터 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이 정보를 산출할 수 있다.
또한, 제어부(420)는 상기 이동 거리 정보, 깊이 정보 및 높이 정보 중 적어도 하나에 따라, 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이를 나타내는 토폴로지 정보를 생성할 수 있다.
이 경우, 촬영부(410)의 제1 렌즈는 토폴로지 정보에 기반하여, 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 대상객체의 제1 단층 이미지를 촬영할 수 있다.
또한, 제어부(420)는 제1 단층 이미지에 토폴로지 정보를 적용하여 제3 단층 이미지를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(420)는 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로(micro) 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다. 또한, 제어부(420)는 CP(communication processor)라 지칭될 수 있다. 제어부(420)는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치(400)의 동작을 제어할 수 있다.
표시부(430)는 생성된 제1 단층 이미지, 제2 단층 이미지 및 제3 단층 이미지 중 적어도 하나를 디스플레이할 수 있다.
일 실시예에서, 표시부(430)는 단말에서 처리되는 정보를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 표시부(430)는 액정 디스플레이(LCD; Liquid Crystal Display), 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode) 디스플레이, 유기 발광 다이오드(OLED; Organic LED) 디스플레이, 마이크로 전자기계 시스템(MEMS; Micro Electro Mechanical Systems) 디스플레이 및 전자 종이(electronic paper) 디스플레이 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 4를 참고하면, 광간섭 현미경 장치(400)는 촬영부(410), 제어부(420) 및 표시부(430)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시 예들에서 광간섭 현미경 장치(400)는 도 4에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 4에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단층 이미지의 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 종래의 광간섭 현미경 장치(OCM)의 경우, 배율이 4X, 10X 및 20X로 높아짐에 따라 단층 이미지의 밝기가 어두워지고 해상도가 떨어짐을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광간섭 현미경 장치(Trajectory-OCM)의 경우, 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 대상객체의 단층 이미지를 촬영함에 따라, 배율이 4X, 10X 및 20X로 높아지더라도 단층 이미지의 밝기가 밝고 해상도도 높음을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
110: 낮은 NA 렌즈
120: 높은 NA 렌즈
200: 렌즈
210: 단층 이미지
220: 제1 렌즈
230: 제1 단층 이미지
310: 다수의 영역들
320: 제2 단층 이미지
332: 이동 거리 정보
334: 토폴로지 정보
342: 제1 단층 이미지
344: 단층 이미지
352: 제3 단층 이미지
400: 광간섭 현미경 장치
410: 촬영부
420: 제어부
430: 표시부

Claims (11)

  1. 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 상기 대상객체의 제1 단층 이미지를 촬영하는 제1 렌즈를 포함하는 촬영부;
    를 포함하는,
    광간섭 현미경 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촬영부의 제1 렌즈는,
    상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이로부터 미리 결정된 거리만큼 이격되어 수직 이동하며, 상기 대상객체의 제1 단층 이미지를 촬영하는,
    광간섭 현미경 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미리 결정된 거리는, 상기 제1 렌즈에 대한 초점 심도(depth of focus, DOF) 이하의 초점 거리를 포함하는,
    광간섭 현미경 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촬영부는,
    상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 제2 단층 이미지를 촬영하는 제2 렌즈를 더 포함하는,
    광간섭 현미경 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 배율(magnification)은, 상기 제1 렌즈의 배율보다 작은,
    광간섭 현미경 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 단층 이미지로부터 상기 대상객체의 표면의 위치를 검출하는 제어부;
    를 더 포함하는,
    광간섭 현미경 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 대상객체의 표면의 위치에 따라, 상기 대상객체의 다수의 영역들 각각에 대하여 상기 제1 렌즈가 수직이동하는 이동 거리 정보를 산출하는,
    광간섭 현미경 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 이동 거리 정보에 따라, 상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대하여 상기 제1 렌즈가 수직이동하는 거리를 나타내는 토폴로지(topology) 정보를 생성하는,
    광간섭 현미경 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 토폴로지 정보는,
    상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대하여 상기 제1 렌즈가 수직이동하는 거리에 대응하는 색상 정보를 포함하는,
    광간섭 현미경 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 촬영부의 제1 렌즈는,
    상기 토폴로지 정보에 기반하여, 상기 대상객체의 표면의 다수의 영역들 각각에 대한 높이에 따라 이동하며 상기 대상객체의 제1 단층 이미지를 촬영하는,
    광간섭 현미경 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 단층 이미지에 상기 토폴로지 정보를 적용하여 제3 단층 이미지를 생성하는,
    광간섭 현미경 장치.
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