KR20220105264A - Microscope system for quantifying birefringence of sample - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일정한 편광 상태로 변조된 광을 시료에 조사하고 시료에서 반사 또는 투과한 광을 편광 축에 따라 분리 취득한 상을 연산함으로써 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a microscope system for quantifying the optical anisotropy of a sample, and more particularly, by irradiating a sample with light modulated in a constant polarization state and calculating an image obtained by separating the light reflected or transmitted from the sample along the polarization axis. A microscopy system for quantifying the optical anisotropy of a sample.
산술 현미경은 광학 수치 모델 기반 산술 연산 기법을 이용해 기존 현미경의 복잡한 광학계를 단순화하고, 시료의 광세기 정보뿐만 아니라 위상 정보 등 일반 현미경에서 제공할 수 없는 정보를 복원 및 제공하는 영상 기술이다. 대표적으로 미분 위상차(Differential phase-contrast) 영상 기술과 Fourier ptychography 기술이 있다. 미분 위상차 현미경은 2개 이상의 상보적인 광조사 패턴으로 취득한 여러 개의 광세기 영상을 이용하여 투명한 시료의 정량적인 위상 정보를 복원하는 영상 기술이고, Fourier ptychography 기술은 시료를 다양한 각도의 평면파로 조사하고, 취득된 영상을 Fourier 공간에서 중합하여 대면적, 고해상도 영상을 복원하는 기술이다.Arithmetic microscope is an imaging technology that simplifies the complex optical system of a conventional microscope by using an arithmetic operation technique based on an optical numerical model, and restores and provides information that cannot be provided by a general microscope such as phase information as well as light intensity information of a sample. Representatively, there are differential phase-contrast imaging technology and Fourier ptychography technology. Differential phase contrast microscopy is an imaging technology that restores quantitative phase information of a transparent sample using multiple light intensity images acquired with two or more complementary light irradiation patterns. It is a technology to reconstruct a large-area, high-resolution image by superimposing the acquired image in Fourier space.
복굴절은 광의 편광 상태에 따라 하나의 매질 안에서 굴절률이 상이해서 두 개의 굴절광으로 분리되는 현상으로 조사광이 광학적으로 이방성을 가지는 매질에 입사할 때 발생하게 된다. 반도체 소재, 복합소재, 생체 시료들이 광학적 이방성을 갖고 있다. Birefringence is a phenomenon in which the refractive index is different in one medium according to the polarization state of the light and thus the light is separated into two refracted lights. Semiconductor materials, composite materials, and biological samples have optical anisotropy.
복합소재 및 반도체 소재의 내부 결정 구조의 기계적 특성, 생분해성, 생체 적합성 등을 결정하기 위해 결정 구조를 관찰하는데 광학적 이방성 특성에 대한 영상이 이용된다. 특히, 반도체 공정에 필요한 실리콘 웨이퍼와 EUV 마스크는 광학적 이방성 측정을 통해 조기에 결함을 찾고, 불필요한 공정이 최소화될 수 있다. An image of optical anisotropy is used to observe the crystal structure to determine the mechanical properties, biodegradability, biocompatibility, etc. of the internal crystal structure of composite and semiconductor materials. In particular, in the silicon wafer and EUV mask required for the semiconductor process, defects can be found at an early stage through optical anisotropy measurement, and unnecessary processes can be minimized.
또한, 염색체, 근육 조직 및 미세 소관 등 생체 조직은 광학적 이방성을 가지고 있어서 광학적 이방성 특성 영상을 통해 그 내부 구조가 관찰 가능하다. 따라서, 생체 시료에 대한 광학적 이방성 특성 영상은 생물 및 의료 분야에서도 사용되고, 염색과 같은 전처리 과정이 필요 없다는 점에서 더욱 유용하다.In addition, biological tissues such as chromosomes, muscle tissue, and microtubules have optical anisotropy, so that the internal structure can be observed through the optical anisotropy characteristic image. Therefore, the optical anisotropy characteristic image of a biological sample is used in biological and medical fields, and is more useful in that it does not require a pretreatment process such as dyeing.
광학적 이방성 측정 기술로는 편광 현미경과 간섭계 기반의 기술이 있다. 편광 현미경은 조사부와 측정부 사이에 편광판을 구비하여 편광판을 물리적으로 회전시키면서 영상을 취득하기 때문에 영상 수집의 안정성 및 반복성이 낮은 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 고가의 Electric variable retarder 사용이 필요하지만, 전기적 장치이기 때문에 사용 조건에 따라 캘리브레이션이 요구된다. 간섭계 기반의 광학적 이방성 측정 기술은 간섭계를 사용하기 때문에 복잡한 광학계 구성이 필요하고, 외란에 취약하다는 단점이 있다. Optical anisotropy measurement techniques include a polarization microscope and an interferometer-based technique. A polarizing microscope has a disadvantage in that stability and repeatability of image collection are low because an image is acquired while physically rotating the polarizing plate by providing a polarizing plate between the irradiation part and the measuring part. In order to solve this problem, it is necessary to use an expensive electric variable retarder, but since it is an electric device, calibration is required according to the conditions of use. Since the interferometer-based optical anisotropy measurement technique uses an interferometer, it requires a complex optical system configuration and has disadvantages in that it is vulnerable to disturbance.
본 발명은 시료에 조사되는 광의 편광을 변조하고 시료에서 반사 또는 투과한 광을 편광 축에 따라 분리한 영상을 취득하고, 취득한 영상을 수치 모델 기반 알고리즘으로 연산함으로써 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템을 제공한다. The present invention modulates the polarization of light irradiated to a sample, acquires an image in which the light reflected or transmitted from the sample is separated along the polarization axis, and calculates the acquired image using a numerical model-based algorithm to quantify the optical anisotropy of the sample. provides
본 발명의 일 실시 예에 따른 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템은, 시료의 광학적 이방성에 대한 정량적 정보를 제공하는 현미경 시스템에 있어서, 광을 방출하는 광원부; 상기 광원부에서 방출된 광의 편광 형태를 변조하는 편광 변조부; 상기 편광 변조부에 의해 변조된 광이 시료에 조사되고 상기 시료에서 반사 또는 투과한 광을 편광 방향에 따라 구분하여 검출하는 편광 취득부; 및 상기 편광 취득부가 검출한 광을 통해 상기 시료의 광학적 이방성에 대한 정량적 정보를 가시화하는 영상을 생성하는 영상 생성부를 포함한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample, comprising: a light source unit emitting light; a polarization modulator for modulating a polarization shape of the light emitted from the light source; a polarization acquisition unit for irradiating the light modulated by the polarization modulator to the sample and detecting the light reflected or transmitted from the sample according to the polarization direction; and an image generation unit generating an image for visualizing quantitative information on the optical anisotropy of the sample through the light detected by the polarization acquisition unit.
또한, 상기 시료의 광학적 이방성은, 상기 시료의 광축 방향 및 위상 지연값을 포함한다. In addition, the optical anisotropy of the sample includes an optical axis direction and a phase retardation value of the sample.
또한, 상기 광원부는 LED 어레이 또는 레이저를 포함한다. In addition, the light source unit includes an LED array or a laser.
또한, 상기 편광 취득부는, 복수의 집광 렌즈 및 상기 시료에서 반사 또는 투과한 광을 편광 방향에 따라 구분하고 구분된 광의 각각의 세기를 검출하는 편광 카메라를 포함한다. In addition, the polarization acquisition unit includes a plurality of condensing lenses and a polarization camera for classifying the light reflected or transmitted from the sample according to the polarization direction and detecting the respective intensity of the divided light.
또한, 상기 편광 취득부는, 복수의 집광 렌즈, 상기 시료에서 반사 또는 투과한 광을 직교하는 편광 방향에 따라 일정한 각도로 이격시켜 분리하는 월라스톤 프리즘 및 상기 분리된 직교하는 편광 방향에 따른 광을 검출하는 이미지 센서를 포함하는 카메라를 포함한다. In addition, the polarization acquisition unit, a plurality of condensing lenses, a Wollaston prism separating the light reflected or transmitted from the sample at a predetermined angle according to the orthogonal polarization direction, and the separated light according to the orthogonal polarization direction. and a camera including an image sensor.
또한, 상기 편광 취득부는, 상기 복수의 집광 렌즈 사이에 위치하는 필드 스톱을 더 포함한다. In addition, the polarization acquisition unit further includes a field stop positioned between the plurality of condensing lenses.
또한, 상기 편광 취득부는, 복수의 집광 렌즈, 상기 시료에서 반사 또는 투과한 광을 직교하는 편광 방향에 따라 반사 또는 투과시키는 편광 빔 스플리터, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제1 광을 검출하는 제1 카메라, 및 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제2 광을 검출하는 제2 카메라를 포함한다. In addition, the polarization acquisition unit includes a plurality of condensing lenses, a polarization beam splitter that reflects or transmits light reflected or transmitted from the sample in a polarization direction orthogonal to a polarization direction, and a first light that is reflected by the polarization beam splitter is detected. a camera, and a second camera configured to detect a second light that has passed through the polarizing beam splitter.
본 발명에 따른 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템은, 간단한 구조를 갖는 광학계를 이용하여 시료를 반사 또는 투과한 광의 상을 얻고, 상기 상의 광 세기를 수치 모델 알고리즘으로 산술 처리함으로써 광학적 이방성을 정량화한 영상을 얻을 수 있다. The microscope system for quantifying the optical anisotropy of a sample according to the present invention obtains an image of light reflected or transmitted through a sample using an optical system having a simple structure, and quantifies the optical anisotropy by arithmetic processing the light intensity of the image with a numerical model algorithm You can get one video.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템의 편광 취득부의 일 예이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템의 편광 취득부의 다른 예이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템의 편광 취득부의 또 다른 예이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 시료의 광학적 이방성의 정량적 정보를 가시화한 것을 도시한다. 1 is a schematic configuration diagram of a microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample according to an embodiment of the present invention.
2A is an example of a polarization acquisition unit of a microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample according to an embodiment of the present invention.
2B is another example of a polarization acquisition unit of a microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample according to an embodiment of the present invention.
2C is another example of a polarization acquisition unit of a microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating the visualization of quantitative information on the optical anisotropy of a sample according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 명세서 사용되는 용어들은 본 발명의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.The terms used in this specification are terms defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user or operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.
아울러, 아래에 개시된 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시 예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.In addition, the embodiments disclosed below do not limit the scope of the present invention, but are merely exemplary matters of the components presented in the claims of the present invention, and are included in the technical spirit throughout the specification of the present invention and the scope of the claims. Embodiments including substitutable components as equivalents in components may be included in the scope of the present invention.
그리고 아래에 개시된 실시 예에서의 “제1”, “제2”, “일면”, “타면” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.And in the embodiments disclosed below, terms such as “first”, “second”, “one side”, and “other side” are used to distinguish one component from other components, and the component is the term are not limited by Hereinafter, in describing the present invention, detailed description of known techniques that may obscure the gist of the present invention will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템(1000)은 광원부(100), 편광 변조부(200), 편광 취득부(300), 및 영상 생성부(400)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , a
광원부(100)는 시료로 광을 방출하며, LED 또는 레이저 등의 광원을 이용될 수 있다. 예를 들어, 광원부(100)는 광원으로 LED 어레이를 이용하며, LED 어레이는 매트릭스 구조의 일정한 피치로 발광 다이오드가 배열되는 것이다.The
편광 변조부(200)는 광원부(100)에서 방출된 광을 일정한 편광 형태로 변조한다. 광원부(100)에서 방출된 광은 전기장의 진동이 일정한 방향성이 없는 무편광된 광 또는 일정한 편광 형태를 가질 수 있다. 본 발명은, 미리 의도하는 일정한 방향성으로 편광된 조사광을 시료에 조사하고, 시료를 반사 또는 투과한 광을 직교하는 편광 방향에 따라 검출하여 시료의 특성이 반영된 검출광의 전달 함수를 조사광의 전달 함수와 수치적으로 대비함으로써 시료의 광학적 이방성 특성을 추출하게 된다. 따라서, 편광 변조부(200)는, 영상 생성부(400)가 광학적 이방성을 추출하는데 이용하는 산술 식의 간편화를 위해 미리 의도된 편광 형태로 광원부(100)에서 방출된 광을 변조하게 된다. 일 실시 예에 의하면, 편광 변조부(200)은 원 편광된, 특히 좌원 편광된 광이 시료에 조사되도록 방출 광을 변조한다. 편광 변조부(200)은 광원부에서 방출된 광의 편광 상태에 따라 의도하는 편광 형태로 변조하기 위해 광학 기구들의 다양한 조합이 가능하다. The
편광 변조부(200)는, 일 예로 광원부의 광원이 레이저인 경우, 일정한 편광 형태를 원편광으로 변조하기 위한 웨이브 플레이트(wave plate) 또는 지연자(retarder)를 포함하거나 공간 광 변조기(SLM: Spatial Light Modulator)를 포함할 수 있다. The
또한, 편광 변조부(200)은 다른 예로 광원부의 광원이 무편광된 광을 방출하는 경우, 무편광된 광을 원편광으로 변조하기 위해 선형 편광기와 웨이브 플레이트 또는 지연자를 포함하거나, 원형 편광기를 포함할 수 있다.In addition, as another example, when the light source of the light source unit emits unpolarized light, the
편광 취득부(300)는 시료에서 반사 또는 투과한 광을 편광 방향에 따라 구분하여 검출하고 편광 방향에 따라 분리된 광의 세기를 전기적 신호로 전환하여 영상 생성부에 전달한다. 의도하는 일정한 편광 형태를 가진 조사광이 시료에 조사되고 시료에서 반사 또는 투과된 광은 시료의 광학적 이방성에 의해 조사광이 가진 편광 형태가 유지되지 않고 변화하게 된다. 일 실시 예에서, 원편광된 광이 시료에 조사되고 시료를 반사 또는 투과하는 과정에서 시료의 광학적 이방성이 반영된 반사광 또는 투과광은 타원 편광된 광일 수 있다. 편광 취득부(300)는 시료에서 반사 또는 투과한 광을 편광 방향에 따라 분리하는 광학 기구 또는 직교하는 편광 방향에 따라 각각 분리된 광의 세기를 전기적 신호로 검출하는 이미지 센서를 포함한 카메라를 포함할 수 있다. The
도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템의 편광 취득부의 일 예, 다른 예 및 또 다른 예를 도시한다. 2A to 2C show an example, another example, and another example of a polarization acquisition unit of a microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample according to an embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 일 예에서, 편광 취득부(300)는 복수의 집광 렌즈 및 시료에서 반사 또는 투과한 광을 편광 방향에 따라 구분하고 구분된 광의 세기를 검출하는 편광 카메라(321)를 포함한다. 편광 취득부(300)는 시료(10)을 통과한 광을 평행광으로 변조하는 제1 렌즈(311) 및 평행광이 편광 카메라(321)에 감광되도록 집광하는 제2 렌즈(312)를 포함하는 복수의 집광렌즈를 포함한다. 편광 카메라(321)은 감광된 광을 0 도, 45 도, 90도, 및 135도 축의 편광 방향의 성분에 따른 세기로 각각 분류하여 검출하고 광세기 영상을 복원한다. 도 2b를 참조하면, 다른 예에서, 편광 취득부(300)는, 복수의 집광 렌즈, 시료에서 반사 또는 투과한 광을 직교하는 편광 방향에 따라 일정한 각도로 이격시켜 분리하는 월라스톤 프리즘(Wollaston prism)(322), 및 분리된 직교하는 편광 방향에 따른 광을 검출하는 이미지 센서를 포함하는 카메라(332)를 포함한다. Referring to FIG. 2A , in one example, the
편광 취득부(300)는 시료(10)을 통과한 광을 평행광으로 변조하는 제1 렌즈(311) 및 월라스톤 프리즘(322)에 의해 편광 방향에 따라 분리된 광이 각각 카메라(332)의 이미지 센서에 감광되도록 집광하는 제2 렌즈(312)를 포함하는 복수의 집광렌즈를 포함한다. 월라스톤 프리즘(322)은 시료의 광학적 이방성 특성이 반영된 반사광 또는 투과광을 서로 직교하는 진동면을 갖는 두 선편광된 광으로 일정한 각도로 이격되게 분리한다. 월라스톤 프리즘(322)에 의해 분리된 광이 카메라(332)의 이미지 센서 내에 영역을 달리하여 동시에 감광됨으로써 시료를 반사 또는 투과한 광은 직교하는 편광 방향의 성분에 따른 세기로 각각 분류되어 검출된다. The
본 예에서, 편광 취득부(300)는 제1 렌즈(311) 및 제2 렌즈(312) 이외에 제1 렌즈(311)와 월라스톤 프리즘(322) 사이에 배치되는 제3 렌즈(미도시)를 더 포함하고, 제1 렌즈(311) 및 제3 렌즈 사이에 위치하는 필드 스톱(field stop)(미도시)을 더 포함한다. 필드 스톱의 배치 위치 및 어퍼쳐 크기를 조절하여 이미지 센서 내로 월라스톤 프리즘에 의해 분리된 광이 감광되도록 하고 상기 분리된 광이 이미지 센서 내에서 겹치는 것을 방지한다. In this example, the
도 2c를 참조하면, 또 다른 예에서, 편광 취득부(300)는 복수의 집광 렌즈, 시료(10)에서 반사 또는 투과한 광을 직교하는 편광 방향에 따라 반사 또는 투과시키는 편광 빔 스플리터(PBS)(323), 편광 빔 스플리터(323)에서 반사된 제1 광을 검출하는 제1 카메라(333) 및 편광 빔 스플리터(323)를 투과한 제2 광을 검출하는 제2 카메라(334)를 포함한다.Referring to FIG. 2C , in another example, the
편광 취득부(300)는 시료(10)을 통과한 광을 평행광으로 변조하는 제1 렌즈(311) 및 평행광이 편광 빔 스프리터를 거쳐 이미지 센서에 감광되도록 이를 집광하는 제2 렌즈(312)를 포함하는 복수의 집광렌즈를 포함한다. 편광 빔 스플리터(323) 시료의 광학적 이방성 특성이 반영된 반사광 또는 투과광을 서로 직교하는 진동면을 갖는 두 선편광된 제1 광 및 제2 광으로 분리한다. 편광 빔 스플리터(323)에 의해 분리된 광은 서로 직교하는 방향으로 나아가므로 본 예에서는 분리된 광을 검출하는 두 대의 카메라가 필요하다. 제1 카메라 및 제2 카메라에 포함되는 각각의 이미지 센서에 의해 시료를 반사 또는 투과한 광은 직교하는 편광 방향의 성분에 따른 세기로 각각 검출된다. The
영상 생성부(400)는 편광 취득부(300)가 검출한 광을 통해 시료의 광학적 이방성에 대한 정량적 정보를 가시화하는 영상을 생성한다. 편광 취득부(300)는 편광 방향에 따라 분리된 광 각각의 세기를 전기적 신호로 변환하여 영상 생성부(400)로 전달하고, 이를 송신한 영상 생성부(400)는 기 저장된 수치 모델 기반 알고리즘에 의한 연산을 통해 시료의 정량적인 광학적 이방성 특성 정보를 추출한다. 여기서, 시료의 광학적 이방성은 시료의 광축 방향과 위상 지연값을 포함한다.The
영상 생성부(400)는 편광 취득부(300)에서 전달한 전기적 신호를 연산 처리할 수 있는 컴퓨팅 장치일 수 있다.The
영상 생성부(400)는 시료의 특성 또는 편광 취득부의 방식에 따라 각기 다른 수치 모델 기반 알고리즘을 이용할 수 있다. 예를 들어 다양한 각도로 광을 조사하고 취득한 광의 정보를 푸리에 공간에 중합해 대면적, 고해상도 광흡수 및 광위상 영상을 복원하는 FPM(Fourier Ptychographic Microscopy)와 조사광 패턴에 따른 PTF(Phase Transfer Function)을 이용해 고감도 광위상 영상을 복원하는 DPC(Differential Phase Contrast) 기반 QPI(Quantitative Phase Imaging)이 적용이 가능한 알고리즘이 있다.The
일 실시 예에서, 영상 생성부(400)는, 원평광된 광을 시료에 조사하고 시료를 반사 또는 투과한 광을 직교하는 편광 방향에 따라 분리하여 분리된 광의 각각의 광세기를 검출하는 경우, 즉, 도 2b 및 도 2c에 도시된 실시 예의 경우, 하기의 수학식들을 이용하여 시료의 광학적 이방성 정보, 즉, 시료의 광축 방향 및 위상 지연값을 정량적으로 추출할 수 있다. In an embodiment, the
원편광된 광을 시료에 조사하고 시료를 반사 또는 투과한 광을 직교하는 편광 방향에 따라 분리하여 얻은 분리된 광 각각의 전기장은 수학식 1과 같다.The electric field of each separated light obtained by irradiating circularly polarized light to the sample and separating the light reflected or transmitted from the sample along the orthogonal polarization direction is the same as in Equation (1).
수학식 1Equation 1
여기서, , , , 및 는 직교하는 편광 방향에 따라 분리된 광 각각의 전기장의 진폭 및 위상이고, 는 광학적 이방성 시료를 모델링한 Jones 매트릭스이다. here, , , , and is the amplitude and phase of the electric field of each light separated according to the orthogonal polarization direction, is the Jones matrix modeling the optically anisotropic sample.
시료의 광학적 이방성인 광축 방향 및 위상 지연을 추출하기 위해서는 상기 수학식 1은 Stokes 파라미터, 즉 수학식 2와 같이 변환된다.In order to extract the optical axis direction and phase delay, which are the optical anisotropy of the sample, Equation 1 is converted to the Stokes parameter, that is, Equation 2.
수학식 2Equation 2
시료의 광축 방향() 및 위상 지연()의 공간적 분포는 수학식 3과 같이 추출된다. The optical axis direction of the sample ( ) and phase delay ( ) is extracted as in Equation 3.
수학식 3Equation 3
상기에서는 Jones 매트릭스를 이용하여 시료의 정량적인 광학적 이방성 특성을 추출하는 것을 서술하였지만, 보다 많은 편광 방향에 따른 광세기 영상을 취득하고 뮬러 매트릭스(Mueller matrix)를 이용하여 연산하는 경우 이색성(dichroism)과 같이 추가적인 광학적 이방성 특성을 얻을 수 있다. In the above, it has been described that the quantitative optical anisotropy characteristics of the sample are extracted using the Jones matrix, but when obtaining light intensity images according to more polarization directions and calculating using a Mueller matrix, dichroism Additional optically anisotropic properties can be obtained, such as
일 실시 예에서, 영상 생성부(400)는, 원평광된 광을 시료에 조사하고 시료를 반사 또는 투과한 광을 0도, 45도, 90도 및 135도 편광 축의 편광 방향에 따라 분리하여 분리된 광의 각각의 광세기를 검출하는 경우, 즉, 도 2a에 도시된 실시 예의 경우, 하기의 수학식들을 이용하여 시료의 광학적 이방성 정보, 즉, 시료의 광축 방향 및 위상 지연값을 정량적으로 추출할 수 있다.In an embodiment, the
수학식 4
수학식 4에서 는 X 편광 축의 방향으로 분리된 광세기 영상이고, 는 시료의 광축 방향이고, 는 위상 지연이다. 시료의 광축 방향() 및 위상 지연()은 수학식 5과 같이 얻을 수 있다. in
수학식 5Equation 5
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 시료의 광학적 이방성의 정량적 정보를 가시화한 것을 도시한다.3 is a diagram illustrating the visualization of quantitative information on the optical anisotropy of a sample according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 도 3의 (a) 내지 (c)는 투명한 시료를 반사 또는 투과한 광을 직교하는 편광 방향에 따라 분리된 광 각각의 세기를 평균하여 이미지로 도시한 것이다. 도 3의 (d) 내지 (f)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 현미경 시스템으로 추출한 시료의 광학적 이방성, 즉 광축 방향과 위상 지연값을 2차원 맵의 형태로 제공한다. 여기서, 광축 방향은 색으로, 위상 지연값은 진하기로 혼합하여 도시된다. 이로써, 본 발명에 따른 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템에 의해 광학적 이방성을 가진 시료의 특성을 정량화 하여 가시화할 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3 , FIGS. 3A to 3C are images obtained by averaging the intensity of each light separated according to a polarization direction orthogonal to the reflected or transmitted light of the transparent sample. 3 (d) to (f) provide the optical anisotropy of the sample extracted by the microscope system according to an embodiment of the present invention, that is, the optical axis direction and the phase delay value in the form of a two-dimensional map. Here, the optical axis direction is shown by mixing color and the phase delay value in dark. Accordingly, it can be confirmed that the characteristics of the sample having the optical anisotropy can be quantified and visualized by the microscope system for quantifying the optical anisotropy of the sample according to the present invention.
도 3의 (a) 내지 (d)는 UAD(uric acid dihydrate)을 시료로 하고, 도 3의 (b) 내지 (e)는 UA(anhydrous uric acid)을 시료로 하고, 도 3의 (c) 내지 (f)는 UAD 및 UA의 혼합물을 시료로 한다. Figures 3 (a) to (d) are UAD (uric acid dihydrate) as a sample, Figure 3 (b) to (e) is UA (anhydrous uric acid) as a sample, Figure 3 (c) to (f) are samples of a mixture of UAD and UA.
Claims (7)
광을 방출하는 광원부;
상기 광원부에서 방출된 광의 편광 형태를 변조하는 편광 변조부;
상기 편광 변조부에 의해 변조된 광이 시료에 조사되고 상기 시료에서 반사 또는 투과한 광을 편광 방향에 따라 구분하여 검출하는 편광 취득부; 및
상기 편광 취득부가 검출한 광을 통해 상기 시료의 광학적 이방성에 대한 정량적 정보를 가시화하는 영상을 생성하는 영상 생성부를 포함하는, 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템.
In the microscope system for providing quantitative information about the optical anisotropy of a sample,
a light source emitting light;
a polarization modulator for modulating a polarization shape of the light emitted from the light source;
a polarization acquisition unit irradiating the light modulated by the polarization modulator to the sample and detecting the light reflected or transmitted from the sample by dividing the light according to the polarization direction; and
A microscope system for quantifying the optical anisotropy of a sample, comprising an image generator for generating an image for visualizing quantitative information on the optical anisotropy of the sample through the light detected by the polarization acquisition unit.
상기 시료의 광학적 이방성은, 상기 시료의 광축 방향 및 위상 지연값을 포함하는, 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템.
The method according to claim 1,
The optical anisotropy of the sample is a microscope system for quantifying the optical anisotropy of the sample, including an optical axis direction and a phase delay value of the sample.
상기 광원부는 LED 어레이 또는 레이저를 포함하는, 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템.
The method according to claim 1,
The light source unit includes an LED array or a laser microscope system for quantifying the optical anisotropy of the sample.
상기 편광 취득부는,
복수의 집광 렌즈 및 상기 시료에서 반사 또는 투과한 광을 편광 방향에 따라 구분하고 구분된 광의 각각의 세기를 검출하는 편광 카메라를 포함하는, 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템.
The method according to claim 1,
The polarization acquisition unit,
A microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample, comprising: a plurality of condensing lenses; and a polarization camera for classifying light reflected or transmitted from the sample according to a polarization direction and detecting each intensity of the divided light.
상기 편광 취득부는,
복수의 집광 렌즈,
상기 시료에서 반사 또는 투과한 광을 직교하는 편광 방향에 따라 일정한 각도로 이격시켜 분리하는 월라스톤 프리즘 및
상기 분리된 직교하는 편광 방향에 따른 광을 검출하는 이미지 센서를 포함하는 카메라를 포함하는, 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템.
The method according to claim 1,
The polarization acquisition unit,
a plurality of condensing lenses,
A Wollaston prism that separates the light reflected or transmitted from the sample at a predetermined angle according to the orthogonal polarization direction, and
A microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample, including a camera including an image sensor for detecting light according to the separated orthogonal polarization directions.
상기 편광 취득부는,
상기 복수의 집광 렌즈 사이에 위치하는 필드 스톱을 더 포함하는, 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템.
6. The method of claim 5,
The polarization acquisition unit,
A microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample, further comprising a field stop positioned between the plurality of condensing lenses.
상기 편광 취득부는,
복수의 집광 렌즈,
상기 시료에서 반사 또는 투과한 광을 직교하는 편광 방향에 따라 반사 또는 투과시키는 편광 빔 스플리터,
상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제1 광을 검출하는 제1 카메라, 및
상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제2 광을 검출하는 제2 카메라를 포함하는, 시료의 광학적 이방성을 정량화하는 현미경 시스템. The method according to claim 1,
The polarization acquisition unit,
a plurality of condensing lenses,
A polarizing beam splitter that reflects or transmits light reflected or transmitted from the sample in a polarization direction orthogonal to it;
a first camera for detecting the first light reflected from the polarizing beam splitter, and
A microscope system for quantifying optical anisotropy of a sample, comprising a second camera for detecting a second light that has passed through the polarizing beam splitter.
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