KR20210086694A - 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템 - Google Patents

고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템 Download PDF

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Abstract

본 개시에는 광빔을 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔으로 변조시키기 위한 광빔 변조 모듈; 카메라를 사용하여 변조광빔에 의해 조명된 샘플을 상이한 화소 하에서 이미징하기 위한 이미징 모듈; 샘플의 이미징된 표층을 절제하기 위한 절제 모듈; 및 하나의 표층에서 하나의 샘플스트립의 샘플 이미지를 복조하여 광학 단층촬영 이미지를 형성하고, 각 표층의 각 샘플스트립의 광학 단층촬영 이미지를 3차원 이미지로 재구성하기 위한 복조 모듈을 포함하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템이 개시된다. 본 개시는 샘플을 분할하여 적어도 하나의 표층을 형성시키고, 적어도 하나의 표층을 분할하여 적어도 하나의 샘플스트립을 형성시키며, 이는 각 샘플스트립에 대한 이미징을 통해 전체 샘플에 대한 이미징을 실현할 수 있으며, 다단계 이미징을 수행할 수 없을 경우, 이미징된 부분을 절제 모듈로 절단하여 샘플의 임의층의 이미징을 실현할 수 있기 때문에, 그 이미징 속도가 빠르고 효율성이 높다.

Description

고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템
본 개시는 이미징 기술에 관한 것으로서, 특히 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템에 관한 것이다.
광학 이미징 기술 분야에서는 기존 와이드 필드 현미경의 아웃 포커스된 배경 간섭으로 인해 초점면이 선명한 이미지를 얻을 수 없기에, 일반적으로 조직을 얇게 잘라서 배경 간섭을 피하는 바, 광학 단층촬영은 광학의 이미징 방법을 통해 유사한 조직 절편의 이미징 효과에 달할 수 있어 광학 절편이라고도 불린다. 공초점 마이크로 이미징 기술(Confocal microscopic imaging technique)은 카메라 앞에 배치된 핀홀(pinhole)을 통해 초점 이탈된 배경 간섭을 차단하고 초점면의 유효 신호만 통과시켜, 광학 단층촬영 효과에 달한다. 다광자 여기 마이크로 이미징 기술은 비선형 효과를 사용하며, 이상적인 광학 단층촬영 효과를 달성하기 위해 초점에만 충분한 에너지를 갖도록 하여 샘플의 형광 신호를 여기시킨다. 그러나, 이 두가지 광학 단층촬영 기술은 모두 하나하나 스캔(scan point by point)하는 이미징 방식을 사용하며, 이미징 플럭스에서 와이드 필드 이미징 방식에 비해 명백한 단점이 있다.
구조광 조명 마이크로 이미징 기술은 와이드 필드 조명에 중첩된 고주파의 주기적인 패턴 변조를 사용하여 초점면 신호에 대한 변조를 구현하며, 초점 이탈 신호는 이러한 고주파 변조의 빠른 감쇠로 인해 억제되어 광학 단층촬영이 구현된다. 이 과정을 구현하기 위해서는, 적어도 3개의 변조 위상이 상이한 원본 이미지가 필요하며, 초점면 신호는 구조광 조명 마이크로 이미징 재구성 알고리즘을 통해 복조되어, 광학 단층촬영 이미지가 얻어진다. 마찬가지로 광학 단층촬영 기능을 갖는 공초점 및 다광자 여기 마이크로 이미징 기술에 비해, 구조광 조명 마이크로 이미징은 와이드 필드 이미징 방식을 사용함으로써 높은 이미징 플럭스와 빠른 속도의 이점을 갖는다. 대형 샘플을 이미징해야 하는 경우, 구조광 조명 마이크로 이미징 기술은 일반적으로 이미징 시야를 확장하기 위해 모자이크 스플라이싱 방식이 필요하다. 따라서 대형 샘플이 이미징될 때 소모되는 시간은 대부분이 모자이크와 모자이크사이의 샘플 이동에 사용되므로, 전체의 이미징 속도가 제한된다. 과도한 모자이크 스플라이싱을 피하기 위해, 출원번호 201310131718.X의 중국 특허 출원은 라인 스캔 스트립식 이미징을 사용하여 이미징 속도를 높이고, 구조광 조명을 사용하여 배경 간섭을 억제하여 대형 샘플의 광학 단층촬영 이미지의 신속한 획득을 구현하는 구조광 쾌속 스캐닝 이미징 방법을 개시한다. 그러나, 이 방법은 마찬가지로 구조광 조명 마이크로 이미징 알고리즘 재구성에 필요한 원본 데이터를 얻기 위해 샘플 이미징 영역을 왕복 세번 스캔해야 하므로, 이는 이미징 속도를 희생하였을 뿐만 아니라, 이 이미징 방법은 스트립식 이미징 시스템에서 광빔 변조기를 사용하여 조명광 필드에 대한 변조를 구현함으로써, 시스템의 복잡성을 증가시키는 동시에, 전통적인 구조광 조명 마이크로 이미징 방법의 사용으로 인해 이미징 품질이 변조 패턴 대비율에 더 많이 의존하게 된다. 더욱이 기존의 이미징 방식은 3차원 이미징을 수행할 수 없기 때문에 간단하고 효율적인 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템의 개발이 아주 필요하다.
본 개시는 상기와 같은 기술적 단점을 극복하고 종래기술의 늦은 3차원 이미징 속도의 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 기술목적을 달성하기 위해, 본 개시의 기술안은 광빔을 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔으로 변조시키고, 이 변조광빔은 대물렌즈의 초점면에서 똑같지 않은 변조 강도를 갖기 위한 광빔 변조 모듈; 변조광빔에 의해 조명된 샘플의 적어도 하나의 표층에서의 적어도 하나의 샘플스트립을 상이한 화소 하에서 이미징하기 위한 이미징 모듈; 샘플의 이미징된 표층을 절제하기 위한 절제 모듈; 및 하나의 표층에서 하나의 샘플스트립의 샘플 이미지를 복조하여 광학 단층촬영 이미지를 형성하고, 각 표층의 각 샘플스트립의 광학 단층촬영 이미지를 재구성하여 3차원 이미지를 형성하기 위한 복조 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템을 제공한다.
종래기술과 비교하면, 본 개시는 샘플을 분할하여 적어도 하나의 표층을 형성시키고, 적어도 하나의 표층을 분할하여 적어도 하나의 샘플스트립을 형성시키며, 이는 각 샘플스트립에 대한 이미징을 통해 전체 샘플에 대한 이미징을 실현할 수 있으며, 다단계 이미징을 수행할 수 없을 경우, 이미징된 부분을 절제 모듈로 절단하여 샘플의 임의층의 이미징을 실현할 수 있기 때문에, 그 이미징 속도가 빠르고 효율성이 높다.
도1은 본 개시에 따른 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템의 광학구조모식도이다.
도2는 본 개시에 따른 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템의 연결 블록도이다.
도3은 본 개시에 따른 샘플 이미징 모식도이다.
도4는 본 개시에 따른 실시예1의 광학 단층촬영 이미지의 재구성 원리도이다.
도5는 본 개시에 따른 실시예2의 광학 단층촬영 이미지의 재구성 원리도이다.
본 개시의 목적, 기술안 및 이점을 보다 명확하게 하기 위해, 이하에서는 첨부된 도면 및 실시예를 결부시켜 본 개시를 더욱 상세히 설명한다. 여기에서 설명되는 구체적인 실시예는 단지 본 개시를 해석하기 위한 것일 뿐, 본 개시를 한정하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다.
도1, 도2, 도3에 나타낸 바와 같이, 본 개시에서는 광빔 변조 모듈(11), 이미징 모듈(12), 절제 모듈(13) 및 복조 모듈(14)을 포함하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템(10)을 제공한다.
광빔 변조 모듈(11)은 광빔을 대물렌즈(117)의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈(117)의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔(11b)으로 변조하고, 당해 변조광빔(11b)은 대물렌즈(117)의 초점면에서 똑같지 않은 변조 강도를 갖기 위한 것이다. 상기 광빔 변조 모듈(11)은 조명 광선을 라인형상의 라인광빔(11a)으로 성형하기 위한 하나의 성형광로 및 라인광빔(11a)을 라인조명 변조광빔(11b)으로 변조하기 위한 하나의 변조광로를 포함한다.
광빔 변조 모듈(11)은 광선방향을 따라 순차적으로 설치되는 레이저광원(111), 제1렌즈(112), 제2렌즈(113), 원통형 렌즈(114), 제3렌즈(115) , 다이크로익 미러(116) 및 대물렌즈(117)로 구성될 수 있다. 레이저광원(111), 제1렌즈(112), 제2렌즈(113), 원통형 렌즈(114)는 성형광로를 형성하고, 제3렌즈(115), 다이크로익 미러(116) 및 대물렌즈(117)는 변조광로를 형성한다. 광선 성형시, 레이저광원(111)은 출사되어 조명 광선을 형성하고, 이는 제1렌즈(112) 및 제2렌즈(113)에 의해 순서대로 처리된 후 확산되며, 확산 후의 광빔은 원통형 렌즈(114)에 의해 변조되어 라인형상의 라인광빔(11a)을 형성하고, 이 라인광빔(11a)은 발산된 광선이므로, 이는 제3렌즈(115)에 의해 변조되어 평행광선의 라인광빔(11a)을 형성하고, 다이크로익 미러(116)를 통과하여 그 입사방향을 변조시킨 후 대물렌즈(117)로 진입하여 대물렌즈(117)의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈(117)의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 라인조명 변조광빔(11b)을 형성기킨다. 후속되는 이미징의 편의를 위해, 변조광빔(11b)의 광축은 조명 광선 및 반사되지 않은 라인광빔(11a)의 광축에 수직으로 설치되며, 즉 제1렌즈(112), 제2렌즈(113), 원통형 렌즈(114), 제3렌즈(115)는 동축으로 설치되고, 제1렌즈(112), 제2렌즈(113), 원통형 렌즈(114), 제3렌즈(115)의 중심축선은 대물렌즈(117)의 중심축선에 수직으로 설치된다. 또한, 다이크로익 미러(116)와 변조광빔(11b)의 광축사이의 협각은 45°이고, 이는 다이크로익 미러(116)에 의해 반사된 후의 라인광빔(11a)의 폭변형이 발생하지 않도록 확보할 수 있다.
본 실시예에서는 우선 조명 광선을 라인형상의 라인광빔(11a)으로 성형시킨 후, 다시 라인광빔(11a)을 라인조명 가능한 변조광빔(11b)으로 변조시킨다. 본 실시예에서는 대물렌즈(117)의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈(117)의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔(11b)을 통해 샘플(20)을 라인조명함으로써, 샘플(20)이 형광을 여기하는데 도움이 될 수 있고, 따라서 후속 이미징에 도움이 된다.
여기서, 상기 변조광빔(11b)은 대물렌즈 초점면에서 구체적으로 똑같지 않은 변조 강도, 예를 들어 똑같지 않은 변조 강도를 갖는 가우스 변조, 사인 변조, 삼각 변조 등의 파형에 의해 변조된다. 본 실시예의 조명광빔은 가우스 광빔을 사용하기 때문에, 본 실시예에서 형성된 변조광빔(11b)은 가우스 변조이다. 여기서, 본 실시예는 필요에 따라 똑같지 않은 변조 강도를 갖는 다른 파형에 의해 변조될 수도 있다.
이미징 모듈(12)은 변조광빔(11b)에 의해 조명된 샘플(20)의 적어도 하나의 표층에서의 적어도 하나의 샘플스트립을 상이한 화소 하에서 이미징하기 위한 것이고; 이는 구동 유닛(121), 이미징 유닛(122), 이미지 블록 획득 유닛(123) 및 스플라이싱 유닛(124)을 포함하고, 구동 유닛(121)은 광빔 변조 모듈(11)과 샘플(20)을 서로 수직인 세 방향으로 상대적으로 이동하도록 구동하기 위한 것이고, 이미징 유닛(122)은 샘플스트립의 길이방향을 따라 연속 이미징하기 위한 것이며, 상기 샘플스트립의 길이방향은 광빔 변조 모듈(11) 및 샘플(20) 중 하나의 상대적인 이동방향과 동일하다.
상기 광빔 변조 모듈(11)과 협력하기 위해, 본 실시예의 구동 유닛(121)은 하나의 3차원 전동식 병진 스테이지를 채택할 수 있고, 샘플(20)은 이 3차원 전동 병진 스테이지에 배치될 수 있으며, 3차원 전동 병진 스테이지는 수평면에서 횡방향 및 종방향으로 이동하도록 샘플(20)을 구동할 수 있고, 연직면에서 상하이동하도록 샘플(20)을 구동할 수 있기 때문에, 광빔 변조 모듈(11)과 샘플(20)을 구동하여 서로 수직되는 3개의 방향에서의 상대적인 이동을 실현할 수 있다. 본 실시예의 구동 유닛(121)은 샘플(20)을 3개의 수직되는 방향에서 이동하도록 구동하는 것에 국한되지 않고, 광빔 변조 모듈(11)을 3개의 수직되는 방향에서 이동하도록 구동할 수도 있음을 알 수 있다.
상세 설정시, 3차원 전동 병진 스테이지는 대물렌즈(117)의 바로 아래에 위치하고, 3차원 전동 병진 스테이지의 상부 표면은 수평상태에 있으며, 대물렌즈(117)의 중심축선은 3차원 전동 병진 스테이지의 상부 표면에 수직된다.
이미징 유닛(122)은 하나의 이미징 광로로 구성되어 있고, 이는 대물렌즈(117)의 바로 위에 위치한 발사 광필터(122a), 튜브렌즈(122b) 및 이미징 카메라(122c)로 구성되어 있으며, 샘플(20)이 변조광빔(11b)의 작용하에 여기되어 방출된 형광은 대물렌즈(117), 다이크로익 미러(116), 발사 광필터(122a) 및 튜브렌즈(122b)를 순차적으로 통과하고, 이미징 카메라(122c)에 의해 탐지되어 이미징된다. 여기서, 본 실시예의 이미징 카메라(122c)는 Sub-array（서브 어레이） 또는 ROI（Region of interest，관심영역）의 기능을 갖는 에리어 어레이 CCD（Charge-coupled device，전하 결합 소자） 또는 에리어 어레이 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，상보성 금속산화물 반도체）카메라이고, 에리어 모드 기능을 갖는 라인 어레이 CCD 또는 라인 어레이 CMOS 카메라를 사용할 수도 있다. 후속되는 광학 단층촬영 이미지의 재구성의 편의를 위해, 본 실시예에서 상기 이미징 카메라(122c)의 이미징 영역은 N행의 화소, N≥2이고, 이미징 카메라(122c)의 이미징 방향 및 이미징 영역의 폭은 각각 라인조명 변조광빔(11b)의 방향 및 폭과 동일하다.
이미징의 편의를 위해, 본 실시예의 샘플(20)은 직사각형 블록 형상일 수 있으므로, 3차원 이미징을 수행할 때 샘플(20)은 샘플 본체 및 샘플 본체 외를 감싸는 고체매체로 구성되도록 설정할 수 있으며, 고체 매체는 일반적으로 한천(agar), 파라핀 또는 수지이다. 여기서, 샘플(20)은 위에서 아래로 순차적으로 균일하게 배치된 복수의 표층, 즉 제1표층, 제2표층, 제3표층 등으로 분할되어 형성될 수 있고, 각 표층은 종방향을 따라 균일하게 분할되어 복수의 샘플스트립, 즉 제1샘플스트립, 제2샘플스트립, 제3샘플스트립 등을 형성할 수 있으며, 샘플스트립의 폭은 이미징 카메라(122c)의 N행 화소의 폭과 동일하게 설정될 수 있다.
도3에 나타낸 바와 같이, 이미징할 때, 샘플은 8개의 표층으로 설정되고, 각표층은 분할되어 4개의 샘플스트립을 형성하며, 구동 유닛(121)이 샘플(20)을 횡방향으로 연속적으로 등속운동하도록 구동시키면, 이미징 카메라(122c)는 제1표층(21)의 제1샘플스트립(211)을 이미징하고, 제1샘플스트립(211)의 이미징이 완료된 후, 샘플(20)은 횡방향을 따라 반환되어 제2표층(22)의 제1샘플스트립(221)을 이미징할 수 있고, 그 후 제3표층(23)의 제1샘플스트립(231), 제4표층(24)의 제1샘플스트립(241) 등을 순차적으로 이미징할 수 있다. 연직방향에서 이미징 카메라(122c)에 의해 이미징되는 층수는 한계가 있기 때문에, 설정된 이미징 층수에 도달된 후, 예를 들어 제4표층(24)의 제1샘플스트립(241)의 이미징이 완료된 후, 샘플(20)을 종방향으로 하나의 샘플스트립의 폭만큼 이동하도록 구동할 수 있고, 제1표층(21)의 제2샘플스트립(212), 제2표층(22)의 제2샘플스트립(222), 제3표층(23)의 제2샘플스트립(232), 제4표층(24)의 제2샘플스트립(242)을 순차적으로 이미징하며, 그 후 상기의 방식대로 제1표층(21) 내지 제4표층(24)의 다른 샘플스트립이 모두 이미징되며, 이미징이 완료된 후, 이미징된 제1표층(21) 내지 제4표층(24)은 절제 모듈(13)에 의해 절제될 수 있으며; 절제후, 샘플(20)을 4개의 표층두께의 거리만큼 위로 이동하도록 구동시키며, 그 후 계속하여 제5표층~제8표층을 이미징시킨다.
각 샘플스트립의 이미징 프로세스에서, 상이한 화소 하에 형성된 샘플 이미지의 계산식은
Figure pct00001
이고,
여기서,
Figure pct00002
는 i화소 하에 형성된 샘플 이미지이고,
Figure pct00003
는 샘플 이미지
Figure pct00004
에 대응되는 변조 강도이며,
Figure pct00005
는 샘플 이미지의 초점면 이미지이고,
Figure pct00006
는 샘플 이미지의 초점 이탈면 이미지이다.
여기서, 이미징 카메라(122c)의 N행 화소는 횡방향으로 배치되어 샘플스트립의 이동방향과 동일하기 때문에, 샘플(20)의 샘플스트립이 상이한 화소 하에서 각각 이미징되는데 편리하다. 하나의 샘플스트립을 이미징할 때, 이미징 카메라(122c)의 단일 프레임 노출시간은 샘플(20)이 한 행의 화소를 이동하는 시간과 동일하고, 임의의 한 행의 화소가 한 프레임 이미지에서 대응되는 이미지를 하나의 스트립 이미지 블록으로 설정하면, 임의의 한 행의 화소가 다중 프레임 이미지에서 대응되는 복수의 스트립 이미지 블록은 이 샘플(20)의 각 부분의 순차적인 연속 이미징이고, 이 연속 이미징은 하나의 스트립 이미지로 스플라이싱될 수 있고, N행의 화소는 N개의 스트립 이미지를 형성할 수 있다. 도4（a）에 나타낸 바와 같이, 상기 샘플(20)의 이미징 평면에 평행되는 평면에서 서로 수직되는 X 및 Y 두 방향을 형성하고, 상기 변조광빔(11b)은 X 및 Y방향에서 각각 아래와 같은 특성을 갖는다. 상기 변조광빔(11b)은 상기 N행 화소에서 X방향을 따라 똑같지 않은 변조 강도를 가지고, 상기 변조광빔(11b)은 상기 N행 화소의 각 행의 화소에서 Y방향을 따라 동일한 변조 강도를 가지며, 상세하게 X방향은 횡방향이고 Y방향은 종방향이다. 또한, N행 화소의 분포방향 및 폭은 각각 라인조명 변조광빔(11b)의 분포방향 및 폭과 동일하고, 서로 물상공액관계(conjugate relation)에 있기 때문에, 이미징 영역과 라인조명 변조광빔(11b)이 서로 대응되는데 편리하다. 본 실시예의 화소는 행화소이고, 샘플 이미지는 스트립 이미지이다.
도4（a）에 나타낸 바와 같이, 이미징할 때, 샘플(20)은 이미징 화소 배열 방향을 따라 이동하되, 이미징의 단일 프레임 노출시간은 샘플(20)이 한 행의 화소를 이동하는 시간과 동일하기 때문에, 각 행의 화소는 샘플(20)의 길이방향을 따라 순차적으로 복수의 스트립 이미지 블록을 형성하며, 이 복수의 스트립 이미지 블록은 샘플(20)에 대한 연속 이미징이다.
본 실시예에서 상기 이미지 블록 획득 유닛(123)은 시간순으로 얻은 하나의 샘플스트립의 각 프레임 이미지에서의 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 획득하기 위한 것이고, 스트립 이미지 블록의 계산식은
Figure pct00007
이고,
여기서,
Figure pct00008
는 t번째 프레임 이미지에서 제i행 화소에 대응되는 스트립 이미지 블록이고,
Figure pct00009
는
Figure pct00010
에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이며, 즉
Figure pct00011
는 온전한 스트립 이미지에서의 m번째 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이며,
Figure pct00012
는
Figure pct00013
에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점 이탈면 이미지이고,
Figure pct00014
는 제i행 화소에 대응되는 변조 강도이다.
상기 스플라이싱 유닛(124)은 하나의 샘플스트립의 각 프레임 이미지에서 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 순차적으로 스플라이싱하여 제i행 화소의 스트립 이미지를 얻기 위한 것이고, 그 계산식은
Figure pct00015
이고,
여기서, M는 온전한 스트립 이미지에 대응되는 스트립 이미지 블록의 수이고, 상세하게는: 상기 스트립 이미지는 M개의 스트립 이미지 블록을 스플라이싱하여 형성되고, 여기서,
Figure pct00016
는 상기 스트립 이미지에서 m번째 스트립 이미지 블록에 대응되는 초점면 이미지이고, m≤M이다.
상기 스트립 이미지는 한 행의 화소에 대응되는 복수의 스트립 이미지를 시프트 및 스플라이싱하여 형성되고, 그는 상기에서 설명한 스트립 이미지이며, 즉 N행 화소는 각각 스플라이싱되어 N개의 스트립 이미지를 형성할 수 있음에 유의해야 한다.
복조 모듈(14)은 하나의 표층에서 하나의 샘플스트립의 스트립 이미지를 복조하여 광학 단층촬영 이미지를 형성하고, 각 표층의 각 샘플스트립의 광학 단층촬영 이미지를 재구성하여 3차원 이미지를 형성하기 위한 것이다.
상기 복조 모듈(14)은 이미지 누적 유닛(141), 복조 유닛(142) 및 단층촬영 유닛(143)을 포함하고, 상기 이미지 누적 유닛(141)은 하나의 샘플스트립의 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제1스트립 이미지를 형성하고, 이 샘플스트립의 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제2스트립 이미지를 형성하기 위한 것이고, 상기 복조 유닛(142)은 제1스트립 이미지 및 제2스트립 이미지를 광학 단층촬영 이미지로 복조하기 위한 것이며, 상기 단층촬영 유닛(143)은 복수의 샘플스트립의 광학 단층촬영 이미지를 재구성하여 3차원 이미지를 형성하기 위한 것이다.
상기 N개의 스트립 이미지를 획득하는 경우, 그 중의 하나, 둘 또는 복수의 스트립 이미지를 임의로 선택해서 누적하여 제1스트립 이미지를 형성한 후, 동일한 방식으로 누적하여 제2스트립 이미지를 얻고, 상기 복조 알고리즘에 의해 획득된 광학 단층촬영 이미지가 0이 되는 것을 방지하기 위해, 본 실시예에서는 α개 화소 하에서의 스트립 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치와 β개 화소 하에서의 스트립 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치를 상이하게 설정할 수 있다.
누적 후, 복조 유닛(142)은 아래의 복조 알고리즘을 통해 대응되는 샘플스트립의 초점면 이미지, 즉 광학 단층촬영 이미지를 획득할 수 있으며, 상기 복조 유닛(142)에서 사용되는 복조 알고리즘의 복조 공식은
Figure pct00017
이고,
여기서, α, β는 양의 정수이고, c는 0보다 큰 상수이며, I1는 α개 화소 하에서 획득한 스트립 이미지의 누적합이고, I2는 β개 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며; α개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도와 β개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치는 상이하다.
각 스트립은 복수의 스트립 이미지 블록을 스플라이싱하여 구성되어 있으며, 따라서
Figure pct00018
이다.
본 실시예의 스트립 이미지의 획득 프로세스의 설명을 쉽게 하기 위해, 이하 실시예에 따라 설명된다.
실시예1: 도4（a）에 나타낸 바와 같이, 샘플이 N행 화소의 배열방향을 따라 이동하면, 이는 t1 시간 내지 tN+M-1시간내에 N+M-1 프레임 이미지(M는 온전한 스트립 이미지에 대응되는 스트립 이미지 블록의 수이고, 이 실시예에서 N는 8이고, M는 9임)를 얻을 수 있고, 이 N+M-1프레임 이미지에서의 각 행의 화소는 모두 하나의 스트립 이미지 블록에 대응되며, 예를 들어, 첫번째 프레임 이미지의 제1행 화소의 스트립 이미지 블록
Figure pct00019
, 두번째 프레임 이미지의 제1행 화소의 스트립 이미지 블록
Figure pct00020
, N번째 프레임 이미지의 제1행 화소의 스트립 이미지 블록
Figure pct00021
및 N+M-1번째 프레임 이미지의 제1행 화소의 스트립 이미지 블록
Figure pct00022
을 획득할 수 있으며, 상기 스트립 이미지 블록
Figure pct00023
, 스트립 이미지 블록
Figure pct00024
내지 스트립 이미지 블록
Figure pct00025
은 순차적으로 스플라이싱되어 하나의 스트립 이미지를 형성할 수 있고, 대응되는 제2행 화소 내지 제N행 화소는 모두 스플라이싱되어 대응되는 스트립 이미지를 형성할 수 있다.
도4（b） 및 4（c）에 나타낸 바와 같이, 보다 선명한 스트립 이미지 블록 및 스트립 이미지를 획득하는 방법을 쉽게 설명하기 위해, 우선 제2행 화소 및 제4행 화소를 예로 들어 설명한다. 스트립 이미지 블록 및 샘플 이미지의 계산식에서 각각 알다시피:
Figure pct00026
및
Figure pct00027
이면, 네번째 프레임 이미지의 제4행 화소 하에서의 스트립 이미지 블록
Figure pct00028
（여기서 m=1이고, 스트립 이미지는 9개의 스트립 이미지 블록을 스플라이싱하여 형성되며, 네번째 프레임 이미지의 제4행의 화소 하에서의 스트립 이미지 블록은 상기 스트립 이미지의 첫번째 스트립 이미지 블록이고, 즉
Figure pct00029
는 상기 스트립 이미지에서 첫번째 스트립 이미지 블록에 대응되는 초점면 이미지임）이고; 상응하게,
Figure pct00030
이고, 여기서
Figure pct00031
이며, 두번째 프레임 이미지의 제2행 화소 하에서의 스트립 이미지 블록
Figure pct00032
이고; I1는 제4행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며, 즉
Figure pct00033
이고, I2는 제2행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며, 즉
Figure pct00034
이고, α및 β의 값을 모두1로 선택하고,
Figure pct00035
이기 때문에,
Figure pct00036
이다.
실시예2: 도5에 나타낸 바와 같이, 제4행 화소 하에서 스플라이싱하여 형성된 스트립 이미지
Figure pct00037
이고, 여기서
Figure pct00038
이며; 제1행 화소 하에서 스플라이싱하여 형성된 스트립 이미지
Figure pct00039
이고, 여기서
Figure pct00040
이며; 제2행 화소 하에서 스플라이싱하여 형성된 스트립 이미지
Figure pct00041
이고, 여기서
Figure pct00042
이며; 제3행 화소 하에서 스플라이싱하여 형성된 스트립 이미지
Figure pct00043
이고, 여기서
Figure pct00044
이다.
I1는 제1, 2, 3 행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이고, 즉
Figure pct00045
이며, I2는 제4행 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이고, 즉
Figure pct00046
이면, α의 값은 3, β의 값은 1로 대응하게 선택한 것에 해당하기 때문에, 복조 공식에서 알다사피:
Figure pct00047
이며, 따라서,
Figure pct00048
이다.
상기 복조 알고리즘을 통해 각 샘플스트립의 광학 단층촬영 이미지를 순차적으로 얻을 수 있으며, 단층촬영 유닛(143)은 모든 광학 단층촬영 이미지를 스플라이싱하여 하나의 입체 3차원 이미지를 형성할 수 있다.
샘플(20)의 종방향 폭이 이미징 카메라(122c)의 N행 화소의 이미징 영역의 폭보다 작은 경우, 각 표층에는 하나의 샘플스트립만 존재하고, 샘플(20)은 이미징 프로세스에서 종방향으로 이동할 필요가 없으며; 샘플(20)의 종방향 폭이 이미징 카메라(122c)의 N행 화소의 이미징 영역의 폭보다 작고 그 두께가 이미징 카메라(122c)가 이미징할 수 있는 깊이보다 작은 경우, 예를 들어 표층이 2개 뿐인 경우, 샘플(20)은 단지 횡방향으로 왕복 이동하기만 하면 되고, 표층절제를 수행하는 절제 모듈(13)도 필요없으며; 여기서, 샘플(20)의 폭이 이미징 카메라(122c)의 N행 화소의 이미징 영역의 폭보다 작고 그 두께가 설정된 하나의 표층의 두께보다 작은 경우, 이 샘플(20)은 단지 한번만 스캔 이미징하기만 하면 되기 때문에, 이는 2차원 이미징으로 간주할 수 있음에 유의해야 한다. 이상에서 알다시피, 본 실시예에서는 복수의 2차원 이미지를 중첩함으로써 하나의 3차원 이미지가 형성된다.
상술한 본 개시의 구체적인 구현은 본 개시의 보호범위에 대한 제한을 구성하지 않는다. 본 개시의 기술 구상에 따라 이루어진 기타 대응되는 다종한 임의의 변경 및 변형은 모두 본 개시의 청구 범위의 보호 범위내에 포함되어야 한다.

Claims (10)

  1. 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템에 있어서,
    광빔을 대물렌즈의 초점면에서 초점을 맞출 수 있고 대물렌즈의 초점 이탈면에서 발산할 수 있는 변조광빔으로 변조시키고, 이 변조광빔은 대물렌즈의 초점면에서 똑같지 않은 변조 강도를 갖기 위한 광빔 변조 모듈;
    카메라를 사용하여 변조광빔에 의해 조명된 동일한 샘플의 적어도 하나의 표층에서의 적어도 하나의 샘플스트립을 상이한 화소 하에서 이미징하기 위한 이미징 모듈;
    샘플의 이미징된 표층을 절제하기 위한 절제 모듈; 및
    하나의 표층에서 하나의 샘플스트립의 샘플 이미지를 복조하여 광학 단층촬영 이미지를 형성하고, 각 표층의 각 샘플스트립의 광학 단층촬영 이미지를 재구성하여 3차원 이미지를 형성하기 위한 복조 모듈을 포함하는,
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미징 모듈에서 형성된 샘플스트립의 샘플 이미지의 계산식은
    Figure pct00049
    이고,
    여기서,
    Figure pct00050
    는 i화소 하에서 형성된 샘플 이미지이고,
    Figure pct00051
    는 샘플 이미지
    Figure pct00052
    에 대응되는 변조 강도이며,
    Figure pct00053
    는 샘플 이미지의 초점면 이미지이고,
    Figure pct00054
    는 샘플 이미지의 초점 이탈면 이미지이며;
    상기 복조 모듈에서, 복조 공식은
    Figure pct00055
    이고,
    여기서, α, β는 양의 정수이고, c는 0보다 큰 상수이며, I1는 α개 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이고, I2는 β개 화소 하에서 획득한 샘플 이미지의 누적합이며; α개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치와 β개 화소 하에서의 샘플 이미지에 대응되는 변조 강도의 누적치는 상이한
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이미징 모듈은 광빔 변조 모듈과 샘플을 서로 수직인 세 방향으로 상대적으로 이동하도록 구동하기 위한 하나의 구동 유닛; 및 샘플스트립의 길이방향을 따라 연속 이미징하기 위한 하나의 이미징 유닛을 포함하고, 상기 샘플스트립의 길이방향은 광빔 변조 모듈 및 샘플 중 하나의 상대적인 이동방향과 동일한
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이미징 모듈에서의 카메라의 이미징 영역은 N행 화소, N≥2이고; 샘플의 이미징 평면에 평행되는 평면에서 서로 수직되는 X 및 Y 두 방향을 형성하고, 상기 변조광빔은 X및 Y방향에서 각각 아래와 같은 특성을 가지며 - 상기 변조광빔은 상기 N행 화소에서 X방향을 따라 똑같지 않은 변조 강도를 가지고, 상기 변조광빔은 상기 N행 화소의 각 행의 화소에서 Y방향을 따라 동일한 변조 강도를 가지며 - ; 상기 화소는 행화소이고, 상기 샘플 이미지는 스트립 이미지인
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이미징 모듈은 하나의 이미지 블록 획득 유닛 및 하나의 스플라이싱 유닛을 포함하고, 상기 이미지 블록 획득 유닛은 시간순으로 얻은 하나의 샘플스트립의 각 프레임 이미지에서의 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 획득하기 위한 것이고, 스트립 이미지 블록의 계산식은
    Figure pct00056
    이고,
    Figure pct00057
    는 t번째 프레임 이미지에서 제i행 화소에 대응되는 스트립 이미지 블록이고,
    Figure pct00058
    는
    Figure pct00059
    에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이며, 즉
    Figure pct00060
    는 온전한 스트립 이미지에서의 m번째 스트립 이미지 블록의 초점면 이미지이며,
    Figure pct00061
    는
    Figure pct00062
    에 대응되는 스트립 이미지 블록의 초점 이탈면 이미지이고,
    Figure pct00063
    는 제i행 화소에 대응되는 변조 강도이며; 상기 스플라이싱 유닛은 하나의 샘플스트립의 각 프레임 이미지에서 제i행 화소의 스트립 이미지 블록을 순차적으로 스플라이싱하여 제i행 화소의 스트립 이미지를 얻기 위한 것이고, 그 계산식은
    Figure pct00064
    이고, 여기서, M는 온전한 스트립 이미지에 대응되는 스트립 이미지 블록의 수이고, m≤M인
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복조 모듈은 이미지 누적 유닛, 복조 유닛 및 단층촬영 유닛을 포함하고, 상기 이미지 누적 유닛은 하나의 샘플스트립의 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제1스트립 이미지를 형성하고, 이 샘플스트립의 적어도 한행 화소의 스트립 이미지를 누적하여 제2스트립 이미지를 형성하기 위한 것이고, 상기 복조 유닛은 제1스트립 이미지 및 제2스트립 이미지를 상기 복조 공식에 의해 상기 스트립 이미지의 광학 단층촬영 이미지로 복조하기 위한 것이며, 따라서
    Figure pct00065
    이고, 상기 단층촬영 유닛은 복수의 샘플스트립의 광학 단층촬영 이미지를 재구성하여 3차원 이미지를 형성하기 위한
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이미징 유닛에 의해 이미징된 단일 프레임 노출시간은 광빔 변조 모듈 및 샘플이 샘플스트립의 길이방향을 따라 한 행의 화소를 상대적으로 이동하는 시간과 동일하고; 상기 N행 화소의 분포방향 및 폭은 각각 변조광빔의 분포방향 및 폭과 동일하며, 서로 물상공액관계에 있는
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광빔 변조 모듈은 조명 광선을 라인형상의 라인광빔으로 성형하기 위한 하나의 성형광로 및 라인광빔을 라인조명 변조광빔으로 변조하기 위한 하나의 변조광로를 포함하는
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 성형광로는 조명 광선의 전달 방향을 따라 순차적으로 설치되는 레이저광원, 제1렌즈, 제2렌즈, 원통형 렌즈를 포함하고; 상기 변조광로는 라인광빔의 발산광선을 평행광선으로 변조하기 위한 제3렌즈, 라인광빔의 입사방향을 변조하기 위한 다이크로익 미러 및 입사방향 변조후의 라인광빔과 동축으로 설치되는 하나의 대물렌즈를 포함하는
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구동 유닛은 샘플을 서로 수직되는 3개의 방향에서 이동하도록 구동하기 위한 하나의 병진 스테이지이고, 상기 병진 스테이지는 다이크로익 미러에서 떨어진 상기 대물렌즈의 일측에 위치하고 상기 변조광빔의 광축에 수직되며; 상기 절제 모듈은 진동 절편 도구, 다이아몬드 도구 및 경질 합금 도구 중의 하나 또는 복수개를 포함하는
    것을 특징으로 하는 고플럭스 광학 단층촬영 3차원 이미징 시스템.
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