KR20220069253A - Illumination system for integral imaging microscope - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 집적 영상 현미경에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 집적 영상 현미경의 조명계 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an integrated imaging microscope, and more particularly, to an illumination system of the integrated imaging microscope.
광학 현미경은 시료에 대해 대물 렌즈(Objective lens)와 튜브 렌즈(Tube lens)를 거처 중간 면(intermediate plane)에 맺힌 상을 카메라 혹은 접안렌즈를 통해 다시 확대하는 장치이다.An optical microscope is a device that magnifies an image formed on an intermediate plane through an objective lens and a tube lens for a sample again through a camera or an eyepiece.
그리고, 집적영상 현미경은 광학 현미경 구조에서 중간 면과 카메라 사이에 마이크로 렌즈 어레이를 두어 집적영상을 획득할 수 있도록 고안된 장치이다. In addition, the integrated imaging microscope is a device designed to acquire an integrated image by placing a microlens array between the intermediate surface and the camera in the optical microscope structure.
광학 현미경은 고배율을 대물렌즈의 사용함에 따른 화각 및 초점의 심도범위가 부족할 수밖에 없는 단점을 가지고 있는데, 기존 광학현미경에 대해 집적영상 기술을 적용함으로써, 이러한 단점을 극복할 수 있다.The optical microscope has a disadvantage in that the angle of view and depth of focus range are insufficient due to the use of an objective lens with high magnification. By applying integrated imaging technology to the existing optical microscope, this disadvantage can be overcome.
집적영상 기술은 여러 개의 렌즈로 구성된 렌즈 어레이를 이용하여 3차원 물체 정보를 2차원 영상으로 저장하고, 저장된 2차원 영상을 처리하여 3차원 물체 정보를 획득하는 기술이다. 이러한 집적영상 기술은 3차원 영상으로 표현할 수 있는 수직시차와 수평시차가 모두 제공되며, 깊이방향으로의 복원이 가능하다.The integrated imaging technology is a technology that stores 3D object information as a 2D image using a lens array composed of multiple lenses, and processes the stored 2D image to obtain 3D object information. This integrated imaging technology provides both vertical and horizontal parallax that can be expressed in a three-dimensional image, and can be restored in the depth direction.
집적영상 기술은 렌즈 어레이를 사용하기 때문에, 렌즈 어레이를 이루는 각 싱글 렌즈들의 광학적 특성이 복원 혹은 디스플레이 영상의 품질에 많은 영향을 끼친다. 이는 특히 싱글 렌즈의 초점거리와 밀접한 관계가 있다. Since the integrated imaging technology uses a lens array, the optical characteristics of each single lens constituting the lens array greatly affect the quality of a restored or displayed image. This is particularly closely related to the focal length of a single lens.
집적영상 기술에서는 여러 개의 렌즈로 구성된 렌즈 어레이를 사용하기 때문에, 하나의 렌즈를 사용하는 경우와 비교하여 큰 구경의 렌즈를 사용할 수 없는 단점이 있으며, 이로 인해 초점거리가 매우 짧은 거리를 갖는다. 그러나, 획득된 집적영상을 이용하여 3차원 디스플레이가 아니 2차원 초점별 영상을 복원한다면 다양한 초점거리별 2차원 영상을 획득할 수 있고, 각각의 초점거리별 2차원 영상을 합하여 긴 초점 심도를 얻을 수 있다. Since the integrated imaging technology uses a lens array composed of several lenses, there is a disadvantage that a large-aperture lens cannot be used compared to the case of using a single lens, and thus the focal length is very short. However, if the 2D image for each focal length is restored using the acquired integrated image, instead of the 3D display, 2D images for each focal length can be acquired, and a long depth of focus can be obtained by summing the 2D images for each focal length. can
집적 영상 현미경은 기존 광학현미경에 대해 카메라 장창 부분 앞에 마이크로 렌즈 어레이를 추가하여 집적영상을 획득하고, 획득된 영상을 복원하는 방법으로 초점의 심도범위를 늘릴 수 있다.The integrated imaging microscope can increase the depth of focus range by adding a microlens array in front of the camera pole to acquire an integrated image and restoring the acquired image with respect to an existing optical microscope.
집적 영상 기술은 라이트 필드 정보를 광학적으로 다루는 방법의 하나이며, 물체의 perspective view 및 depth를 표현하는 기술이고, 이를 이용해 3D 디스플레이, 영상처리 및 현미경 등에 응용되고 있다.Integrated imaging technology is one of the methods of optically handling light field information and is a technology for expressing perspective view and depth of an object, and is applied to 3D displays, image processing, and microscopes using this technology.
집적 영상 현미경은 시료 정보를 획득하여 transverse and longitudinal information을 제공한다. The integrated imaging microscope provides transverse and longitudinal information by acquiring sample information.
광학현미경을 이용해 물체의 3차원 정보를 획득하기 위해서는 충분한 광원이 필요하고, 원하는 위치에 강한 빛을 보내기 위해서는 동축 조명이 필요하다. 특히 최근 상용 현미경의 구조는 infinity corrected optical system 구조를 채택하여 대물렌즈와 튜브 렌즈 사이에 다양한 액세서리를 삽입할 수 있으며, 이 위치에 광원을 삽입하여 동축 조명이 가능하게 제작되고 있다. A sufficient light source is required to acquire three-dimensional information of an object using an optical microscope, and coaxial illumination is required to send strong light to a desired location. In particular, the structure of a recent commercial microscope adopts an infinity corrected optical system structure, so that various accessories can be inserted between the objective lens and the tube lens, and a light source is inserted in this position to enable coaxial illumination.
집적 영상 현미경은 동축 조명을 이용하여 영상을 획득한다. 그러나 튜브 렌즈 후면에 장착된 마이크로 렌즈 어레이의 각각의 싱글 렌즈에 충분한 빛이 들어가지 않을 때 복원영상의 해상도와 클리어한 영상을 획득하기 힘들다. Integrated imaging microscopes acquire images using coaxial illumination. However, when sufficient light does not enter each single lens of the micro lens array mounted on the back of the tube lens, it is difficult to obtain the resolution of the restored image and clear image.
그리고, 투과가 가능한 시료의 경우, 시료가 매우 얇으므로 동축 조명을 이용하며 상하에서 빛이 입사되어 깨끗한 영상을 획득할 수 있으나, 투과가 불가능한 시료의 경우, 동축 조명의 상단부를 쓰거나 유연성 라이트를 시료에 추가로 입사시켜 광량을 증폭시켜 영상을 획득한다. 대물렌즈의 초점과 동축 조명의 위치에서 active area 즉, 관측 영역이 되는 조명의 범위가 큰 경우, 입사되는 광량은 증가하지만, 시료에 그늘이 생기며 이로 인해 3차원 정보를 복원할 때 원하지 않는 영상 또는 정보를 획득하게 된다.And, in the case of a transmissive sample, since the sample is very thin, coaxial illumination is used and light is incident from the top and bottom to obtain a clean image. An image is acquired by amplifying the amount of light by additionally incident on the . When the active area, that is, the range of illumination that becomes the observation area at the focal point of the objective lens and the position of coaxial illumination is large, the amount of incident light increases, but a shadow is formed on the sample. information will be obtained.
따라서 집적 영상 현미경을 이용해 3차원 정보를 획득 및 재생하기 위해서는 측면에서 입사되는 빛보다 동축으로 빛이 입사되어야 하고, 대물렌즈의 초점 영역의 넓이를 충분히 커버할 수 있어야 하며, 현미경 광학계를 유지하여 영상 획득에 방해가 없어야 한다.Therefore, in order to acquire and reproduce 3D information using an integrated imaging microscope, light must be incident coaxially rather than light incident from the side, it must be able to sufficiently cover the area of focus of the objective lens, and maintain the microscope optical system to obtain images. There should be no obstruction to acquisition.
도 1은 일반적인 집적 영상 현미경의 조명계 시스템을 도시한 것이다. 1 shows an illumination system of a general integrated imaging microscope.
도 1에서 보는 바와 같이, 집적 영상 현미경은 투과형 시료의 경우 시료 하단에서 입사되는 빔과 측면에서 입사되는 빔을 이용한다. 그러나 투과되지 않는 시료의 경우 유연성 라이트와 같이 추가의 조명이 요구된다. 특히 동축으로 입사되는 조명이 아닌 경우 시료의 형태에 의한 그림자가 발생되며, 광원이 넓게 분산되어 입사되므로 CMOS와 같은 촬상소자에서 획득한 요소 영상의 경우 밝기가 균일하지 못한 최종 결과물을 얻게 된다. 이러한 최종 결과물인 요소 영상은 복원과정을 통해 시차 영상이 생성될 때, 중심 위치의 영상의 경우 눈으로 분간할 수 없을 정도로 밝고, 측면으로 가면서 광원이 적어지는 형태로 생성되다가, 가장자리의 경우 빛을 받지 못하기 때문에 복원된 시차영상 중에 사용할 수 있는 영상의 수가 적어진다는 문제점이 있다.As shown in FIG. 1 , in the case of a transmission-type sample, the integrated imaging microscope uses a beam incident from the lower end of the sample and a beam incident from the side. However, for non-transmissive samples, additional illumination is required, such as a flexible light. In particular, when the illumination is not coaxially incident, a shadow is generated due to the shape of the sample, and since the light source is widely dispersed and incident, a final result with non-uniform brightness is obtained in the case of elemental images obtained from an imaging device such as CMOS. When a parallax image is generated through the restoration process, the final result of the elemental image is that the image at the center is bright enough to be indistinguishable to the eye, and the light source decreases as it goes to the side. There is a problem in that the number of usable images among the reconstructed disparity images is reduced because it is not received.
예를 들어, 집적 영상 현미경에 사용되는 마이크로 렌즈 어레이의 경우, 상용 현미경 시스템의 대물렌즈와 튜브 렌즈의 크기와, 촬상 소자의 크기에 의해 하나의 요소 렌즈가 100um ~ 200um 사이로서, 받아들일 수 있는 광량에 한계가 있다. 또한 필 팩터(Fill Factor) 측면에서 볼 경우 촬상 소자에 대응되는 영역 대비 렌즈의 대응 범위가 약 70% 이하이기 때문에, 이로 인해 또 한번 광량이 줄어드는 문제점을 가지고 있다.For example, in the case of a microlens array used in an integrated imaging microscope, one element lens is between 100um and 200um depending on the size of the objective lens and tube lens of a commercial microscope system and the size of the image pickup device. There is a limit to the amount of light. In addition, in view of the fill factor, since the corresponding range of the lens to the area corresponding to the imaging device is about 70% or less, there is a problem in that the amount of light is reduced again.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 동축의 조명과 같은 효과를 갖도록, 홀로그램 광학 소자를 이용한 집적 영상 현미경의 조명계 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an illumination system for an integrated imaging microscope using a holographic optical device to have the same effect as coaxial illumination.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 집적 영상 현미경의 조명계 시스템에 관한 것으로서, 시료의 상을 설정된 배율만큼 확대하기 위한 대물 렌즈, 광섬유를 통해 입사되는 빔을 분할하여 반사광이 상기 대물 렌즈로 입사되도록 하는 빔 스플리터, 상기 시료를 맞고 나온 빔이 입사되며, 시료에 대한 집적영상을 생성하기 위한 마이크로 렌즈 어레이, 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 상을 촬영하기 위한 촬상소자 및 상기 대물 렌즈와 상기 시료 사이에 위치하여, 상기 대물 렌즈를 통해 전달된 광원을 상기 시료에 조사하기 위한 홀로그램 광학소자를 포함한다. The present invention for achieving the above object relates to an illumination system of an integrated imaging microscope, an objective lens for magnifying an image of a sample by a set magnification, and splitting a beam incident through an optical fiber so that reflected light is incident on the objective lens a beam splitter that hits the sample, a microlens array for generating an integrated image of the sample, an image pickup device for capturing an image passing through the microlens array, and between the objective lens and the sample and a holographic optical element for irradiating the light source transmitted through the objective lens to the sample.
상기 홀로그램 광학소자는 상기 대물 렌즈의 NA(numerical aperture)와 동일한 성능으로 구현될 수 있다. The holographic optical element may be implemented with the same performance as a numerical aperture (NA) of the objective lens.
본 발명의 다른 실시예에 따른 집적 영상 현미경의 조명계 시스템은 시료의 상을 설정된 배율만큼 확대하기 위한 대물 렌즈, 광섬유를 통해 입사되는 빔을 분할하여 반사광이 상기 대물 렌즈로 입사되도록 하는 빔 스플리터, 상기 시료를 맞고 나온 빔이 입사되며, 시료에 대한 집적영상을 생성하기 위한 마이크로 렌즈 어레이, 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 상을 촬영하기 위한 촬상소자, 상기 대물 렌즈와 상기 시료 사이에 형성된 도파관, 미러 특성을 갖고 있으며, 입사되는 광을 상기 도파관을 통해 이동시키기 위한 입사단 홀로그램 광학소자 및 렌즈 특성을 갖고 있으며, 상기 도파관을 통해 전달된 광을 상기 대물 렌즈를 통해 입사되는 반사광과 결합하여 상기 시료에 조사하기 위한 출사단 홀로그램 광학소자를 포함한다. An illumination system of an integrated imaging microscope according to another embodiment of the present invention includes an objective lens for magnifying an image of a sample by a set magnification, a beam splitter for splitting a beam incident through an optical fiber so that reflected light is incident on the objective lens, the A beam that hits the sample is incident, a micro lens array for generating an integrated image of the sample, an imaging device for capturing an image passing through the micro lens array, a waveguide formed between the objective lens and the sample, and mirror characteristics has an incident end hologram optical element and lens characteristics for moving the incident light through the waveguide, and combines the light transmitted through the waveguide with the reflected light incident through the objective lens and irradiates the sample It includes an output end hologram optical element for
본 발명의 일 실시예에서 발산되어 입사되는 광을 평행광으로 만들어 상기 입사단 홀로그램 광학소자에 입사되도록 하는 제1 렌즈를 더 포함할 수 있다. In an embodiment of the present invention, a first lens may further include a first lens that converts the diverged and incident light into parallel light to be incident on the incident end hologram optical device.
상기 출사단 홀로그램 광학소자는 상기 대물 렌즈의 NA(numerical aperture)와 동일한 성능으로 구현될 수 있다. The output end hologram optical element may be implemented with the same performance as the numerical aperture (NA) of the objective lens.
본 발명에 의하면, 홀로그램 광학소자를 이용한 집적 영상 현미경의 조명계 시스템을 제안함으로써, 광량을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, by proposing an illumination system for an integrated imaging microscope using a holographic optical element, there is an effect of remarkably improving the amount of light.
또한, 본 발명에 의하면, 실시간 집적 영상 현미경의 영상 품질을 향상시키며, 기존의 상용 라이트 필드 현미경이 갖는 문제점인 시차 정보 생성 제한을 극복할 수 있는 효과가 있다. In addition, according to the present invention, it is possible to improve the image quality of the real-time integrated imaging microscope, and to overcome the limitation of generating parallax information, which is a problem of the conventional commercial light field microscope.
도 1은 일반적인 집적 영상 현미경의 조명계 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적 영상 현미경의 조명계 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적 영상 현미경의 조명계 시스템을 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 B 부분을 확대한 것이다.
도 5는 본 발명에서 홀로그램 광학소자를 제작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에서 낮은 NA를 갖는 대물렌즈에서의 집적 영상 현미경의 조명계를 도시한 것이다. 1 shows an illumination system of a general integrated imaging microscope.
2 illustrates an illumination system of an integrated imaging microscope according to an embodiment of the present invention.
3 illustrates an illumination system of an integrated imaging microscope according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an enlarged view of part B of FIG. 3 .
5 is a view for explaining a process of manufacturing a holographic optical device in the present invention.
6 shows an illumination system of an integrated imaging microscope in an objective lens having a low NA in the present invention.
본 명세서에서 개시된 실시 예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시에서 제안하고자 하는 실시 예는 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 실시 예들의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.Advantages and features of the embodiments disclosed herein, and methods for achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in conjunction with the accompanying drawings. However, the embodiments to be proposed in the present disclosure are not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the present embodiments are provided to those of ordinary skill in the art. It is only provided to fully indicate the category.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시 예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. Terms used in this specification will be briefly described, and the disclosed embodiments will be described in detail.
본 명세서에서 사용되는 용어는 개시된 실시 예들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 상세한 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. The terms used in this specification have been selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions of the disclosed embodiments, but may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technology, and the like. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the detailed description part of the corresponding specification. Therefore, the terms used in the present disclosure should be defined based on the meaning of the term and the contents of the entire specification, rather than the simple name of the term.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.References in the singular herein include plural expressions unless the context clearly dictates the singular.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.In the entire specification, when a part "includes" a certain element, this means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated. Also, as used herein, the term “unit” refers to a hardware component such as software, FPGA, or ASIC, and “unit” performs certain roles. However, "part" is not meant to be limited to software or hardware. A “unit” may be configured to reside on an addressable storage medium and may be configured to refresh one or more processors. Thus, by way of example, “part” includes components such as software components, object-oriented software components, class components and task components, processes, functions, properties, procedures, subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays and variables. The functionality provided within components and “parts” may be combined into a smaller number of components and “parts” or further divided into additional components and “parts”.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적 영상 현미경의 조명계 시스템을 도시한 것이다. 2 illustrates an illumination system of an integrated imaging microscope according to an embodiment of the present invention.
도 2에서 (a)는 집적 영상 현미경의 조명계 시스템의 구조를 간략하게 도시한 것이고, (b)는 A 부분을 확대한 도면이다. In FIG. 2 (a) is a schematic diagram of the structure of an illumination system of an integrated imaging microscope, and (b) is an enlarged view of part A. Referring to FIG.
도 2를 참조하면, 본 발명의 집적 영상 현미경의 조명계 시스템은 대물 렌즈(Objective lens)(110), 빔 스플리터(Beam splitter)(120), 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)(130), 촬상 소자(140), 홀로그램 광학소자(Holographic optical element, HOE)(210)를 포함한다. Referring to FIG. 2 , the illumination system of the integrated imaging microscope of the present invention includes an
대물 렌즈(110)는 시료(Specimen)(1)의 상을 설정된 배율만큼 확대하는 역할을 한다. The
빔 스플리터(120)는 광섬유를 통해 입사되는 빔을 분할하여 반사광이 대물 렌즈(110)로 입사되도록 하는 역할을 한다. The
마이크로 렌즈 어레이(130)는 시료(1)를 맞고 나온 빔이 입사되며, 시료(1)에 대한 집적영상을 생성하는 역할을 한다. The
촬상소자(140)는 마이크로 렌즈 어레이(130)를 통과한 상을 촬영하는 역할을 한다. 예를 들어, 촬상소자(140)는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)로 구현될 수 있다. The
홀로그램 광학소자(210)는 대물 렌즈(110)와 시료(1) 사이에 위치하여, 대물 렌즈(110)를 통해 전달된 광원을 시료(1)에 조사한다. The hologram
본 발명의 일 실시예에서 홀로그램 광학소자(210)는 대물 렌즈(110)의 NA(numerical aperture)와 동일한 성능을 갖도록 구현될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the holographic
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 집적 영상 현미경의 조명계 시스템은 대물렌즈의 NA(numerical aperture)와 같은 성능을 갖는 홀로그램 광학소자를 이용하여 시료에 광원을 입사하는 구조이다. As shown in FIG. 2 , the illumination system of an integrated imaging microscope according to an embodiment of the present invention has a structure in which a light source is incident on a sample using a holographic optical device having the same performance as the numerical aperture (NA) of an objective lens.
도 2의 실시예에서 집적 영상 현미경의 조명계 시스템은 측면에서 조명이 입사되나, 렌즈 성능을 갖는 홀로그램 광학소자가 시료(1)에 추가 광원이 되어 입사되므로 CMOS 등의 촬상소자(140)에서 획득하는 영상의 밝기는 기존의 방식보다 홀로그램 광학소자의 회절 효율만큼 높다.In the embodiment of FIG. 2, illumination is incident from the side of the illumination system of the integrated imaging microscope, but since a holographic optical element with lens performance becomes an additional light source and is incident on the
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적 영상 현미경의 조명계 시스템을 도시한 것이다. 3 illustrates an illumination system of an integrated imaging microscope according to another embodiment of the present invention.
기본적으로 시료의 위치, 대물렌즈의 초점거리(또는 Working Distance), 측면 HOE 조명계의 광경로와 시료를 지지하는 장치 간의 간섭 등이 발생할 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 도파관 형태로 삽입하는 구조를 갖는 집적 영상 현미경의 조명계를 제안한다. Basically, when the position of the sample, the focal length (or working distance) of the objective lens, and the interference between the optical path of the side HOE illumination system and the device supporting the sample occur, the structure to be inserted in the form of a waveguide as shown in FIG. We propose an illumination system for an integrated imaging microscope with
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적 영상 현미경의 조명계 시스템은 집적 영상 현미경의 배율이 매우 높을 때 짧은 워킹 디스턴스(Working Distance)로 인한 공간상의 문제가 발생할 때 적용될 수 있는 방법이다.3, the illumination system system of the integrated imaging microscope according to another embodiment of the present invention is a method that can be applied when a problem in space due to a short working distance occurs when the magnification of the integrated imaging microscope is very high. .
도 3의 실시예에서 도파관(Waveguide)(340)을 이용하여 반사형 HOE(320, 330)에 조명이 입사되면 투과 또는 반사형 타입의 HOE 렌즈(Lens)를 통과하여 시료에 입사되는 방식이다. 이 경우 HOE의 흡수율과 도파관 두께에 의해 입사되는 광량을 변형시킬 수 있다.In the embodiment of FIG. 3 , when light is incident on the reflective HOEs 320 and 330 using a
도 3의 실시예는 집적 영상 현미경의 배율이 매우 높을 때 짧은 워킹 디스턴스(Working Distance)로 인한 공간 상의 문제가 발생할 때 적용될 수 있는 방법이다. 주로 고배율 대물렌즈를 이용할 경우 발생하는 문제로서, 초점거리와 워킹 디스턴스가 매우 짧아지며, 이 때 시료가 위치하고 있는 영역으로 조명계가 침범하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 얇은 도파관 구조를 이용하여 조명을 추가하는 방식을 제안한다. 이 방식에서 도파관 양 끝의 홀로그램 입출력 커플러는 평행광 구조와 현미경의 대물렌즈와 NA가 같은 렌즈를 사용하여 기록함으로써 광원을 높일 수 있다.The embodiment of FIG. 3 is a method that can be applied when a problem in space occurs due to a short working distance when the magnification of the integrated imaging microscope is very high. This is a problem that occurs mainly when a high magnification objective lens is used. The focal length and the working distance are very short, and the illumination system invades the area where the sample is located. In order to solve this problem, the present invention proposes a method of adding lighting using a thin waveguide structure. In this way, the hologram input/output coupler at both ends of the waveguide can increase the light source by recording using a collimated light structure and a lens having the same NA as the objective lens of the microscope.
도 4는 도 3의 B 부분을 확대한 것이다. FIG. 4 is an enlarged view of part B of FIG. 3 .
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적 영상 현미경의 광학계 시스템은 대물 렌즈(Objective lens)(110), 빔 스플리터(Beam splitter)(120), 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)(130), 촬상 소자(140), 제1 렌즈(310), 입사단 HOE(320), 출사단 HOE(330), 도파관(Waveguide)을 포함한다. 3 and 4 , the optical system of the integrated imaging microscope according to another embodiment of the present invention includes an
대물 렌즈(110)는 시료(Specimen)(1)의 상을 설정된 배율만큼 확대하는 역할을 한다. The
빔 스플리터(120)는 광섬유를 통해 입사되는 빔을 분할하여 반사광이 대물 렌즈(110)로 입사되도록 하는 역할을 한다. The
마이크로 렌즈 어레이(130)는 시료(1)를 맞고 나온 빔이 입사되며, 시료(1)에 대한 집적영상을 생성하는 역할을 한다. The
촬상소자(140)는 마이크로 렌즈 어레이(130)를 통과한 상을 촬영하는 역할을 한다. 예를 들어, 촬상소자(140)는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)로 구현될 수 있다. The
도파관(340)은 대물 렌즈(110)와 시료(1) 사이에 형성되어 있다. The
제1 렌즈(310)는 발산되어 입사되는 광을 평행광으로 만들어 입사단 HOE(320)에 입사되도록 한다. The
입사단 HOE(320)는 미러(mirror) 특성을 갖고 있으며, 입사되는 광을 도파관(340)을 통해 이동시킨다. The
출사단 HOE(330)는 렌즈(lens) 특성을 갖고 있으며, 도파관(340)을 통해 전달된 광을 대물 렌즈(110)를 통해 입사되는 반사광과 결합하여 시료(1)에 조사한다. The
본 발명의 일 실시예에서 출사단 HOE(330)는 대물 렌즈(110)의 NA(numerical aperture)와 동일한 성능을 갖도록 구현될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the
도 4의 실시예에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적 영상 현미경의 조명계 시스템은 일루미네이터(Illuminator)에서 조사되는 조명의 평행광 변형 역할을 하는 렌즈(310), 반사형 HOE로서 미러특성을 갖는 입사단 HOE(320), 반사형 HOE로서 렌즈 특성을 갖는 출사단 HOE(330), 도파관(340)을 포함하는 구조이다. In the embodiment of Fig. 4, the illumination system of the integrated imaging microscope according to another embodiment of the present invention includes a
일루미네이터에서 조사된 조명이 발산되어 입사될 경우, 렌즈(310)를 이용하여 평행광을 생성하고, 이렇게 생성된 평행광이 미러 특성을 갖는 입사단 HOE(320)에 조사 되면, 도파관(340)을 따라 이동하다가 렌즈 특성을 갖는 출사단 HOE(330)에서 대물렌즈의 NA와 같은 특성의 입사 빔과 같이 결합하여 시료(1)에 조사되는 구조이다.When the illumination irradiated from the illuminator is diverged and incident, parallel light is generated using the
이처럼 본 발명에서는 기존의 현미경의 측면에서 입사되는 빔의 세기와, 렌즈 특성을 갖는 반사형 HOE에 의해 발생하는 조명의 결합을 통해 부족한 광원의 세기를 향상시킬 수 있다.As such, in the present invention, it is possible to improve the intensity of the insufficient light source through the combination of the intensity of the beam incident from the side of the conventional microscope and the illumination generated by the reflective HOE having lens characteristics.
도 5는 본 발명에서 홀로그램 광학소자를 제작하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명에서 낮은 NA를 갖는 대물렌즈에서의 집적 영상 현미경의 조명계를 도시한 것이다. 5 is a view for explaining a process of manufacturing a holographic optical device in the present invention, and FIG. 6 shows an illumination system of an integrated imaging microscope in an objective lens having a low NA in the present invention.
집적 영상 현미경의 대물렌즈가 저배율일 경우, 낮은 NA로 인해 전체적으로 조명이 퍼지는 현상이 발생한다. 즉, 획득한 요소 영상의 전체적인 균일도가 높아지는 반면 밝기가 줄어드는 단점이 있다. When the objective lens of the integrated imaging microscope has a low magnification, a phenomenon in which illumination is spread throughout occurs due to low NA. That is, while the overall uniformity of the acquired elemental image is increased, there is a disadvantage in that the brightness is decreased.
도 5 및 도 6에서 본 발명의 집적 영상 현미경의 조명계는 반사형 홀로그램 광학소자 렌즈를 이용하여 시료에 집중적으로 집광하는 형태 대신, 균일한 밝기를 유지하며 광량을 증가시킬 수 있다.5 and 6 , the illumination system of the integrated imaging microscope of the present invention can increase the amount of light while maintaining uniform brightness instead of concentrating light on the sample by using a reflective hologram optical element lens.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.The present invention has been described above using several preferred embodiments, but these embodiments are illustrative and not restrictive. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention and the scope of the rights set forth in the appended claims.
110 대물렌즈
120 빔 스플리터
130 마이크로 렌즈 어레이
140 촬상소자
210 HOE
310 제1 렌즈
320 입사단 HOE
330 출사단 HOE
340 도파관110
130
210
320
340 waveguide
Claims (5)
광섬유를 통해 입사되는 빔을 분할하여 반사광이 상기 대물 렌즈로 입사되도록 하는 빔 스플리터;
상기 시료를 맞고 나온 빔이 입사되며, 시료에 대한 집적영상을 생성하기 위한 마이크로 렌즈 어레이;
상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 상을 촬영하기 위한 촬상소자; 및
상기 대물 렌즈와 상기 시료 사이에 위치하여, 상기 대물 렌즈를 통해 전달된 광원을 상기 시료에 조사하기 위한 홀로그램 광학소자
를 포함하는 집적 영상 현미경의 조명계 시스템.
an objective lens for magnifying the image of the sample by a set magnification;
a beam splitter for splitting a beam incident through an optical fiber so that reflected light is incident on the objective lens;
a micro-lens array to which a beam that hits the sample is incident and generates an integrated image of the sample;
an image pickup device for photographing an image passing through the microlens array; and
A holographic optical element positioned between the objective lens and the sample to irradiate the light source transmitted through the objective lens to the sample
Illumination system of an integrated imaging microscope comprising a.
상기 홀로그램 광학소자는 상기 대물 렌즈의 NA(numerical aperture)와 동일한 성능을 갖는 것을 특징으로 하는 집적 영상 현미경의 조명계 시스템.
The method according to claim 1,
The illumination system of the integrated imaging microscope, characterized in that the holographic optical element has the same performance as the NA (numerical aperture) of the objective lens.
광섬유를 통해 입사되는 빔을 분할하여 반사광이 상기 대물 렌즈로 입사되도록 하는 빔 스플리터;
상기 시료를 맞고 나온 빔이 입사되며, 시료에 대한 집적영상을 생성하기 위한 마이크로 렌즈 어레이;
상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 상을 촬영하기 위한 촬상소자;
상기 대물 렌즈와 상기 시료 사이에 형성된 도파관;
미러 특성을 갖고 있으며, 입사되는 광을 상기 도파관을 통해 이동시키기 위한 입사단 홀로그램 광학소자; 및
렌즈 특성을 갖고 있으며, 상기 도파관을 통해 전달된 광을 상기 대물 렌즈를 통해 입사되는 반사광과 결합하여 상기 시료에 조사하기 위한 출사단 홀로그램 광학소자
를 포함하는 집적 영상 현미경의 조명계 시스템.
an objective lens for magnifying the image of the sample by a set magnification;
a beam splitter for splitting a beam incident through an optical fiber so that reflected light is incident on the objective lens;
a micro-lens array to which a beam that hits the sample is incident and generates an integrated image of the sample;
an image pickup device for photographing an image passing through the microlens array;
a waveguide formed between the objective lens and the sample;
an incident end hologram optical element having a mirror characteristic and for moving incident light through the waveguide; and
An output end hologram optical element for irradiating the sample by combining the light transmitted through the waveguide with the reflected light incident through the objective lens and having a lens characteristic
Illumination system of an integrated imaging microscope comprising a.
발산되어 입사되는 광을 평행광으로 만들어 상기 입사단 홀로그램 광학소자에 입사되도록 하는 제1 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 영상 현미경의 조명계 시스템.
4. The method according to claim 3,
Illumination system of an integrated imaging microscope, characterized in that it further comprises a first lens for making the diverged and incident light into parallel light to be incident on the holographic optical element at the incident end.
상기 출사단 홀로그램 광학소자는 상기 대물 렌즈의 NA(numerical aperture)와 동일한 성능을 갖는 것을 특징으로 하는 집적 영상 현미경의 조명계 시스템.
5. The method of claim 4,
The illumination system of the integrated imaging microscope, characterized in that the output end hologram optical element has the same performance as the NA (numerical aperture) of the objective lens.
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