KR20230017623A - 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법 - Google Patents

푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법 Download PDF

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주철민
김의한
조진우
김정수
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, UV 영역을 포함하는 빛을 조사하는 광원부(100), 상기 광원부(100)에 의해 조사되는 빛을 소정 패턴으로 산란시키는 광 산란부(200), 이미징 측정하고자 하는 시편을 포함하고, 상기 시편에 상기 광 산란부(200)에 의해 소정 패턴으로 산란된 빛이 조사되는 시편부(300) 및 상기 시편을 투과한 이미지 신호를 획득하는 이미지 센서부(400)를 포함하는 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템에 관한 것이다.

Description

푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법 {Optical imaging system and method based on fourier ptychographic algorithm}
본 발명은 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 현미경에 적용된 푸리에 타이초그래픽 기법을 이용하여, 바이오 물질의 위상 정보 이미지, 명시야 정보 이미지 뿐 아니라, 형광 정보 이미지까지 고해상도로 획득할 수 있는 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 타이초그래픽(ptychographic) 산술 현미경은, 다수의 LED 광원을 활용하여 시편을 조명하고, 광전파 이론을 바탕으로 각각의 LED 광원 위치에서 시편으로 조명하였을 때, 영상 센서에서 취득될 이미지들의 차이를 예측하게 된다.
예측된 시편 취득 이미지와, 실제 시편 취득 이미지 간의 차이를 줄이기 위하여, 반복적인 위상 복원 및 업데이트 과정(일 예를 들자면, gerchberg-saxton algorithm)을 통해서, 고해상도의 명시야(bright field) 정보 이미지와 고해상도의 위상(phase) 정보 이미지를 동시에 획득 복원하게 된다.
이러한 타이초그래픽 산술 현미경은, 저가의 광학 부품을 이용하여 고가 현미경을 상회하는 수준의 고해상도와 더불어, 더 넓은 관측 시야를 영상화할 수 있는 장점을 가지며, 산술적 반복 알고리즘을 통해 고해상 대면적 영상을 복원하는 과정에서 시편의 위상 정보를 함께 복원할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 자외선(UV) 광원은 기존 가시광선에 비해, 파장이 짧아서 보다 향상된 분해능을 갖는 이미지를 획득할 수 있으며, 박테리아나 바이러스 등과 같은 바이오 물질들은 대부분 강한 자외선 흡수 특성을 가지고 있어, 명시야 영상의 대조비를 제고할 수도 있다.
특히, 상기 바이오 물질들 중 대다수는 200 ~ 250 nm 파장 영역의 UV에 의해 자가 형광을 나타내는 특징을 나타내고 있기 때문에, 별도의 라벨링 과정 없이도 바이오 물질의 형광 이미지를 취득하거나, 이로부터 추가 정보를 얻을 수 있다.
이러한 자외선 광원을 상술한 타이초그래픽 산술 현미경에 적용하였을 때, 영상 해상도는 광원의 파장에 비례하기 때문에, 타이초그래픽 산술 현미경에 보편적으로 사용되는 가시광선에 비해 해상도가 향상될 것이라는 이점이 이론적으로 예측 가능하다.
그렇지만, 현재까지 시중에 보편화된 UV LED가 고가이며, 출력이 낮기 때문에, 자외선 광원을 타이초그래픽 산술 현미경에 적용하는 것은 현실적으로 불가능하다. 뿐만 아니라, 타이초그래픽 산술 현미경에는 다수의 LED 광원이 활용되기 때문에, 광원의 개수가 많은 만큼 그 한계점은 더욱 두드러진다.
이와 관련해서, 국내 공개 특허 제10-2019-0088277호("단일촬영 푸리에 타이코그래피 마이크로스코피 시스템")에서는 대상물에 복수의 광을 1회 동시 조사하여, 이미지 정보를 얻어 고해상도 이미지를 복원하는 기술을 개시하고 있다.
국내공개특허 제10-2019-0088277호(공개일자 2019.07.26.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 현미경에 적용된 푸리에 타이초그래픽 기법을 이용하여, 바이오 물질의 위상 정보 이미지, 명시야 정보 이미지 뿐 아니라, 형광 정보 이미지까지 고해상도로 획득할 수 있는 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템은, UV 영역을 포함하는 빛을 조사하는 광원부(100), 상기 광원부(100)에 의해 조사되는 빛을 소정 패턴으로 산란시키는 광 산란부(200), 이미징 측정하고자 하는 시편을 포함하고, 상기 시편에 상기 광 산란부(200)에 의해 소정 패턴으로 산란된 빛이 조사되는 시편부(300) 및 상기 시편을 투과한 이미지 신호를 획득하는 이미지 센서부(400)를 포함하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 시편부(300)는 상기 시편을 소정 방향으로 선형적으로 이동시키는 구동수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 이미지 센서부(400)는 상기 시편이 소정 방향으로 선형적으로 이동됨에 따라서, 반복하여 상기 이미지 신호를 획득하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템은 기저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘을 이용하여, 전달되는 다수의 이미지 신호에 대한 중복 영역 데이터를 기반으로 이미지 복원을 수행하는 이미지 복원부(500)를 더 포함하며, 상기 이미지 복원부(500)는 상기 이미지 센서부(400)로부터 다수의 이미지 신호를 전달받아, 상기 시편의 위상 정보 이미지와 명시야 정보 이미지를 획득하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템은 상기 시편부(300)와 이미지 센서부(400)의 사이에 배치되는 광학 필터를 포함하는 광학 필터부(600)를 더 포함하며, 상기 이미지 센서부(400)는 상기 광학 필터부(600)를 통해서 UV 영역의 빛이 차폐된 상기 이미지 신호를 획득하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 이미지 복원부(500)는 상기 광학 필터부(600)를 통해서 상기 이미지 센서부(400)가 획득한 다수의 이미지 신호를 전달받아, 상기 시편의 형광 정보 이미지를 획득하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은, 광원부에서, UV 영역을 포함하는 빛을 조사하는 광원 조사 단계(S100), 광 산란부에서, 상기 광원 조사 단계(S100)에 의해 조사되는 빛을 소정 패턴으로 산란시키는 산란 단계(S200), 상기 산란 단계(S200)에 의해 소정 패턴으로 산란된 빛이 시편으로 조사되는 시편 조사 단계(S300), 이미지 센서부에서, 상기 시편 조사 단계(S300)를 통해서, 상기 시편에 조사된 빛에 의해 상기 시편을 투과한 이미지 신호를 획득하는 이미지 신호 획득 단계(S400) 및 이미지 복원부에서, 기저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘을 이용하여, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)에 의해 획득하여 전달받은 상기 이미지 신호에 대한 중복 영역 데이터를 기반으로 이미지 복원을 수행하여, 상기 시편의 위상 정보 이미지와 명시야 정보 이미지를 획득하는 제1 이미지 복원 단계(S500)를 포함하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은 상기 시편 조사 단계(S300)를 수행하고 난 후, 상기 시편을 소정 방향으로 선형적으로 이동시키는 구동수단을 이용하여, 상기 시편이 소정 방향으로 선형적으로 이동되는 이동 단계(S310)를 더 포함하며, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)는 상기 이동 단계(S310)에 의해 상기 시편이 이동됨에 따라, 반복하여 상기 이미지 신호를 다수 개 획득하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)를 수행하기 전, 광학 필터부에서, 상기 시편에 조사된 빛에 의해 상기 시편을 투과한 빛 중 UV 영역의 빛을 차폐하는 차폐 단계(S600)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)를 수행하고 난 후, 이미지 복원부에서, 기저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘을 이용하여, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)에 의해 획득하여 전달받은 다수의 상기 이미지 신호에 대한 중복 영역 데이터를 기반으로 이미지 복원을 수행하여, 상기 시편의 형광 정보 이미지를 획득하는 제2 이미지 복원 단계(S700)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법은 광학 필터를 통해 UV 광원의 차폐 상태를 제어할 수 있으며, 스페클을 활용하여 시편을 조광하고, 시편 자체를 선형적으로 움직이면서 반복적으로 영상을 취득하기 때문에, 스페클 사이즈가 충분히 작다면 시편의 위치, 스페클의 패턴, 시편에서부터 이미지 센서부까지의 거리 정보를 바탕으로 광 전파 모델을 구축할 수 있어, 시편이 움직이면서 반복 취득된 영상을 활용하여 고해상도 명시야 정보 이미지, 고해상도 위상 정보 이미지 뿐 만 아니라, 고해상도 형광 정보까지 함께 복원 및 취득할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템을 나타낸 구성 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법에서, 활용하는 푸리에 타이초그래픽 알고리즘의 동작 과정을 나타낸 순서 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법을 나타낸 순서 예시도이다.
도 4는 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법을 나타낸 순서 예시도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.
타이초그래픽(ptychographic)은 평면파 형태의 간섭성 빛을 조리개를 이용하여 제한된 영역으로 물체에 조광하고, 물체에 조광된 빛은 산란되어 멀리 떨어진 평면에 회절 무늬를 생성하며 이를 이차원 센서를 통해서 측정하는 기술을 의미한다. 이 후, 물체(샘플)를 빛의 전파 방향과 수직한 평면에서 이동시키면서, 각각의 위치에 따라 회절 무늬를 측정하게 된다. 측정한 다수의 회절 무늬를 이미지 복원 알고리즘을 이용하여 중합함으로써, 물체의 이미지를 생성하게 된다. 광 전파 모델은 잘 알려져 있으므로, 취득한 회절 무늬를 바탕으로 어떤 물체의 형상이 전파 모델을 통해 전달되었는지 역적용하여 예측하는 방식으로, 이 때, 대상 물체의 흡수도와 광위상지연정도를 동시에 파악할 수 있다. 이를 통해서, 타이초그래픽은 값비싼 광학 렌즈 등을 사용하지 않고도, 광학계를 구성하여 이미지를 생성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 푸리에 타이초그래픽(fourier ptychographic)은 타이초그래픽과 비슷한 모델을 일반적으로 사용되는 현미경(대물렌즈-튜브렌즈-센서로 구성되는 현미경 시스템)에 적용시킨 모델이다. 광원으로 LED 어레이를 사용하여 다양한 각도에서 순차적으로 물체에 빛을 조광하게 된다. 물체에 조광된 빛은 대물렌즈와 튜브렌즈를 거쳐, 이미지 평면에서 이미지를 생성하게 되며, 이 때, 이차원 센서를 위치시켜 이미지를 측정 및 기록하게 된다.
즉, LED 어레이를 통해 순차적으로 물체에 조명을 조광하며 각도에 따라 이미지를 측정하고 기록하는 기술을 의미한다. 타이초그래픽과 마찬가지로, 광 전파 모델은 널리 알려져 있으므로, 어떤 형상의 물체가 위치할 때, 광 전파 모델에 따라 취득된 이미지가 형성될 수 있는지 반복적으로 역계산하여 물체의 형사을 매우 고정밀도로 복원할 수 있다. 푸리에 타이초그래픽 역시도 대상 물체의 흡수도와 광위상지연정도를 동시에 파악할 수 있으며, 고해상도 영상을 복원할 수 있으면서도, 저배율 대물렌즈(또는 일반렌즈)를 활용할 수 있기 때문에, 관측시야가 넓으면서도 고해상도로 샘플을 복원할 수 있다는 장점을 지닌다.
그렇지만, 고해상도의 명시야 영상과 고해상도의 위상 영상을 동시에 획득/복원하는 것에서 더 나아가, 고해상도의 형광 영상을 취득하기 위해서는, 이론적으로는 UV 광원을 타이초그래픽 산술 현미경에 적용할 경우, UV LED 광원이 고가이며, 출력이 낮기 때문에 적용이 어려운 문제점이 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 타이초그래픽 산술 현미경은 다수의 광원이 요구되기 때문에, 그 한계점이 더욱 두드러지게 된다.
이에 따라, 본 발명의 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법은, 고해상도의 형광 영상 정보를 취득하면서도, 종래의 타이초그래피 기반 광학 이미지 시스템이 가지고 있는 장점을 그대로 가질 수 있도록 구성하고 있다. 뿐만 아니라. 기계학습과 딥러닝의 발달로 폭넓은 데이터를 적용하는 것이 보편화되어 있음을 감안하였을 때, 별도의 광 간섭계나, 복잡한 광학 부품 및 고성능의 광원이 없이도 고해상도의 위상 영상/명시야 영상/형광 영상을 제공할 수 있어, 기계 학습 및 예측의 정확도를 큰 폭으로 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
즉, 본 발명의 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템 및 그 방법은, 광 스페클(speckle) 광원을 이용한 기법으로 바이오 물질의 위상 영상/명시야 영상/형광 영상을 하나의 저가 셋업으로 취득할 수 있는 산술 현미경을 제안할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 광원부(100), 광 산란부(200), 시편부(300) 및 이미지 센서부(400)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 광원부(100)와 이미지 센서부(400)는 현미경 시스템(푸리에 타이초그래픽 산술 현미경 시스템)을 이루고 있는 구성들에 해당하며, 상기 시편부(300)는 측정하고자 하는 시료, 샘플 등을 의미한다.
각 구성에 대해서 상세히 알아보자면,
상기 광원부(100)는 UV 영역을 포함하는 빛을 조사하는 레이저 또는 LED를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 광원부(100)는 단일 광원 형태로 구성하여도 무방하다.
상기 광 산란부(200)는 상기 광원부(100)에 의해 조명되는 빛, 다시 말하자면, 상기 광원부(100)로부터 조사되는 빛을 소정 패턴으로 산란시키는 산란 매질을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상세하게는, 상기 광 산란부(200)는 산란 매질로 위상 산란 매질, 무작위의 마이크로 렌즈 배열 등을 이용하여, 상기 광원부(100)에 의해 조사되는 빛에 스페클(speckle)을 형성하도록 하는 것이 바람직하다.
스페클 패턴은 레이저 광과 같은 코히런트한 빛을 거친 면으로 조명했을 때, 공간에 생기는 콘트라스트가 높은 반점 같은 무늬를 의미하며, 거친 면의 각 점에서 산란된 빛이 서로 불규칙한 위상 관계로 간섭함으로써 생기는 복잡한 간섭 패턴이다. 이러한 스페클 패턴의 성질을 이용하여, 물체의 변위나 변형, 속도의 측정 등이 행해지고 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템에서는, 상기 광 산란부(200)에 의해 형성되는 소정 패턴에 대한 정보가 없어도 추후에 시편의 정보를 획득하는데 무방하기 때문에, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 시편부(300)는 이미징 측정하고자 하는 시편을 포함하고, 상기 시편에 상기 광 산란부(200)에 의해 소정 패턴으로 산란된 빛이 조사되는 것이 바람직하다.
다시 말하자면, 상기 시편으로 UV 광원과 산란 매질의 결합에 의해 형성된 스페클 패턴의 조명이 조사되게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템에서는, 상기 시편으로 박테리아, 바이러스와 같은 바이오 물질을 예로 들고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시에에 불과하다.
상기 이미지 센서부(400)는 상기 시편을 투과한 이미지 신호를 획득하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 이미지 센서부(400)는 CMOS 이미지 센서 등을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 이에 대해서 한정하는 것은 아니다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템은 상술한 바와 같이, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템인 만큼, 다수의 이미지 신호를 획득하는 것이 요구된다. 그렇지만, 상기 광원부(100)가 단일 광원 형태로 구성되는 것이 가장 바람직한 바, 종래와 같이 다수의 광원을 순차적으로 온/오프 제어하는 것이 아니라, 상기 광원부(100)는 지속적으로 빛을 조사하도록 하며, 상기 시편부(300) 자체가 이동되고, 이에 따라 상기 이미지 센서부(400)에서 상기 시편을 투과한 다수의 이미지 신호를 획득하는 것이 바람직하다.
이를 위해서, 상기 시편부(300)는 상기 시편을 소정 방향으로 선형적으로 이동시키는 구동수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 구동수단은 상기 시편을 X 방향 또는 Y 방향으로 선형적으로 이동시키는 것이 바람직하며, 이에 대해서 한정하는 것은 아니다.
상기 이미지 센서부(400)는 상기 시편이 소정 방향으로 선형적으로 이동됨에 따라, 반복하여 상기 이미지 신호를 획득하는 것이 바람직하다. 다시 말하자면, 상기 시편이 소정 방향으로 선형적으로 이동됨에 따라, 상기 시편을 투과한 다수의 이미지 신호를 획득하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템은 상기 이미지 센서부(400)를 통해서 취득한 상기 시편을 투과한 이미지 신호를 이용하여, 상기 시편의 위상 정보 이미지, 명시야 정보 이미지를 고해상도로 복원할 수 있으며, 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 이미지 복원부(500)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 이미지 복원부(500)는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템이 구성되어 있는 현미경 시스템(푸리에 타이초그래픽 산술 현미경 시스템)과는 별개로, 상기 이미지 센서부(400)와 네트워크 연결되어 있는 별도의 컴퓨터를 포함하는 연산처리수단에 구성되어 동작을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 이미지 복원부(500)는 미리 저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘을 이용하여, 상기 이미지 센서부(400)로부터 전달되는 다수의 이미지 신호에 대한 중복 영역 데이터를 기반으로 이미지 복원을 수행하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 이미지 복원부(500)에 미리 저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘의 일 예를 들자면, 도 2에 도시된 바와 같이, 반복적 위상복원 알고리즘을 포함하여 구성되는 것이 바람직하나, 상기 시편에 대한 투과 이미지를 반복적으로 업데이트받아 푸리에 타이초그래픽 알고리즘의 동작을 수행하는 것으로 보편적으로 사용되기 때문에, 이에 대한 세부 한정은 생략하며, 또한 알고리즘에 대해서 한정하는 것은 아니다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 필터부(600)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 광학 필터부(600)는 상기 시편부(300)와 이미지 센서부(400)의 사이에 배치되는 광학 필터를 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 필요에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템이 구성되어 있는 현미경 시스템(푸리에 타이초그래픽 산술 현미경 시스템)에 부착(결합)되거나 탈착될 수 있다.
이 때, 상기 광학 필터부(600)의 탈부착 선택은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템을 이용하는 사용자, 연구자 등의 선택에 따라, 시편의 형광 정보 이미지의 취득을 원할 경우, 상기 광학 필터부(600)의 부착이 이루어지고, 아닐 경우 탈착되게 된다.
상세하게는, 상기 광학 필터부(600)는 상기 광학 필터를 상기 시편부(300)와 이미지 센서부(400)의 사이에 배치됨으로써, 상기 시편을 투과한 빛 중 UV 영역의 빛이 차폐되게 된다. 다시 말하자면, 바이오 물질을 포함하는 상기 시편은 상기 광원부(100)를 통해서 UV 영역의 빛이 조사될 경우, 자가 형광을 나타내는 특징이 있다.
이를 활용하여, 상기 광학 필터부(600)를 통해서 상기 시편을 투과한 빛 중 UV 영역의 빛을 차폐하게 되면, 상기 이미지 센서부(400)에서는 상기 시편의 자가 형광에 의한 방출되는 형광 빛만 을 취득할 수 있게 된다.
다시 말하자면, 상기 이미지 센서부(400)는 상기 광학 필터부(600)를 통해서 UV 영역의 빛이 차폐됨에 따라 상기 시편이 자외선에 의해 자극되어 발현하는 형광 신호만을 취득할 수 있다. 이 때, 상기 광학 필터로는 Optical high-pass filter, Optical band-pass filter 등을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 이에 대해서 한정하는 것은 아니다.
이를 통해서, 상기 이미지 복원부(500)는 상기 시편의 형광 정보 이미지를 취득할 수 있다. 즉, 상기 이미지 복원부(500)는 상기 광학 필터부(600)에 의해 상기 시편을 투과한 빛 중 UV 영역의 빛이 차폐됨에 따라, 취득한 상기 시편을 투과한 다수의 형광 신호들을 전달받아, 상기 시편의 형광 정보 이미지를 획득할 수 있다.
종래에는 형광 신호를 본래 비간섭성 광원으로 간주되기 때문에, 간섭성 광원을 기반으로 반복적으로 위상을 복원하는 종래의 타이초그래픽 산술 현미경으로는 고해상도의 형광 정보 이미지를 복원 및 취득할 수 없다. 그렇지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템은 상술한 바와 같이, 상기 광학 필터부(600)를 통해서 UV 광원의 차폐 상태를 제어할 수 있어, 스페클을 활용하여 시편을 조광하고, 시편 자체를 선형적으로 움직이면서 반복적으로 영상을 취득하기 때문에, 스페클 사이즈가 충분히 작다면 시편의 위치, 스페클의 패턴, 시편에서부터 이미지 센서부까지의 거리 정보를 바탕으로 광 전파 모델을 구축할 수 있다.
시편이 움직이면서 반복 취득된 영상을 활용하여 비용 함수(cost function)를 제시하고, 이를 반복적으로 최적화하는 방식(일예를 들자면, conjugate gradient method)을 통해 고해상도 명시야 정보 이미지, 고해상도 위상 정보 이미지 뿐 만 아니라, 고해상도 형광 정보까지 함께 복원 및 취득할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법을 나타낸 순서도로서, 도 3 및 도 4를 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법을 상세히 알아본다.
본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 광원 조사 단계(S100), 산란 단계(S200), 시편 조사 단계(S300), 이미지 신호 획득 단계(S400) 및 제1 이미지 복원 단계(S500)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
각 단계에 대해서 자세히 알아보자면,
상기 광원 조사 단계(S100)는 상기 광원부(100)에서, 레이저 또는 LED를 포함하는 광원 수단을 이용하여, 상기 시편으로 UV 영역을 포함하는 빛을 조사하게 된다.
상기 산란 단계(S200)는 상기 광 산란부(200)에서, 상기 광원 조사 단계(S100)에 의해 조사되는 빛을 소정 패턴으로 산란시키게 된다. 이를 위해, 상기 광 산란부(200)는 산란 매질을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 일 예를 들자면, 위상 산란 매질, 무작위의 마이크로 렌즈 배열 등을 이용하여, 상기 광원 조사 단계(S100)에 의해 조사되는 빛에 스페클(speckle)을 형성하도록 하게 된다.
상기 시편 조사 단계(S300)는 상기 시편으로 상기 산란 단계(S200)에 의해 소정 패턴으로 산란된 빛이 조사되게 된다.
즉, 상기 시편으로 UV 광원과 산란 매질의 결합에 의해 형성된 스페클 패턴의 조명이 조사되게 된다.
여기서, 상기 시편으로 박테리아, 바이러스와 같은 바이오 물질을 예로 들고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하다.
상기 이미지 신호 획득 단계(S400)는 상기 이미지 센서부(400)에서, 상기 시편 조사 단계(S300)를 통해서 상기 시편에 조사된 빛에 의해 상기 시편을 투과한 이미지 신호를 획득하게 된다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은 중복 영역 데이터를 이용하여 이미징을 수행하는 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법인 만큼 중복 영역 데이터를 포함하는 상기 시편을 투과한 이미지 신호를 획득하는 것이 요구된다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 시편 조사 단계(S300)를 수행하고 난 후, 상기 이동 단계(S310)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 이동 단계(S310)는 상기 시편을 소정 방향으로 선형적으로 이동시키는 구동수단을 이용하여, 상기 시편을 X 방향 또는 Y 방향으로 선형적으로 이동시키게 된다.
이를 통해서, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)는 상기 이동 단계(S300)에 의해 상기 시편이 소정 방향으로 선형적으로 이동됨에 따라, 반복하여 상기 이미지 신호를 획득하게 된다.
상기 제1 이미지 복원 단계(S500)는 상기 이미지 복원부(500)에서, 미리 저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘을 이용하여, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)에 의해 획득하여 전달받은 상기 이미지 신호에 대한 중복 영역 데이터를 기반으로 이미지 복원을 수행하여, 상기 시편의 위상 정보 이미지와 명시야 정보 이미지를 획득하게 된다.
이 때, 미리 저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘의 일 예를 들자면, 반복적 위상복원 알고리즘을 포함하여 구성되는 것이 바람직하나, 상기 시편에 대한 투과 이미지를 반복적으로 업데이트받아 푸리에 타이초그래픽 알고리즘의 동작을 수행하는 것으로 보편적으로 사용되기 때문에, 이에 대한 세부 한정은 생략하며, 또한 알고리즘에 대해서 한정하는 것은 아니다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은 시편의 형광 정보 이미지의 취득을 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)를 수행하기 전, 상기 광학 필터의 부착을 위한 차폐 단계(S600)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 광학 필터로는 Optical high-pass filter, Optical band-pass filter 등을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 이에 대해서 한정하는 것은 아니다.
상기 차폐 단계(S600)는 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)를 수행하기 전, 상기 시편부(300)와 이미지 센서부(400)의 사이에 부착 배치하여, 상기 시편에 조사된 빛에 의해 상기 시편을 투과한 빛 중 UV 영역의 빛을 차폐하게 된다.
즉, 상기 시편을 이루고 있는 바이오 물질은 UV 영역을 포함하는 빛이 조사됨에 따라, 자외선에 의해 자극되어 자가 형광을 나타내는 특징이 있다.
이를 활용하여, 상기 차폐 단계(S600)는 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)에서, 상기 시편의 형광 이미지 만을 획득할 수 있도록, 상기 광학 필터를 부착 배치하여 상기 시편을 투과한 빛 중 UV 영역의 빛을 차폐하게 된다.
이를 통해서, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)는 상기 이미지 센서부(400)에서, 상기 시편 조사 단계(S300)를 통해서 상기 시편에 조사된 빛에 의해 상기 시편을 투과한 이미지 신호를 획득하되, 상기 시편을 투과한 빛 중 UV 영역의 빛이 차폐된 다수의 형광 신호들을 취득하게 된다.
물론, 상술한 바와 같이, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)는 상기 이동 단계(S300)에 의해 상기 시편이 소정 방향으로 선형적으로 이동됨에 따라, 반복하여 상기 이미지 신호를 획득하게 된다.
이 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 이미지 복원 단계(S700)를 더 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제2 이미지 복원 단계(S700)는 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)를 수행하고 난 후, 상기 이미지 복원부(500)에서, 미리 저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘을 이용하여, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)에 의해 획득하여 전달받은 상기 이미지 신호(상기 시편을 투과한 다수의 형광 신호)에 대한 중복 영역 데이터를 기반으로 이미지 복원을 수행하여, 상기 시편의 형광 정보 이미지를 획득하게 된다.
종래에는 형광 신호를 본래 비간섭성 광원으로 간주되기 때문에, 간섭성 광원을 기반으로 반복적으로 위상을 복원하는 종래의 타이초그래픽 산술 현미경으로는 고해상도의 형광 정보 이미지를 복원 및 취득할 수 없다. 그렇지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은 상기 광학 필터의 탈/부착을 통해서 UV 광원의 차폐 상태를 제어할 수 있어, 스페클을 활용하여 시편을 조광하고, 시편 자체를 선형적으로 움직이면서 반복적으로 영상을 취득하기 때문에, 스페클 사이즈가 충분히 작다면 시편의 위치, 스페클의 패턴, 시편에서부터 이미지 센서부까지의 거리 정보를 바탕으로 광 전파 모델을 구축할 수 있다.
시편이 움직이면서 반복 취득된 영상을 활용하여 비용 함수(cost function)를 제시하고, 이를 반복적으로 최적화하는 방식(일예를 들자면, conjugate gradient method)을 통해 고해상도 명시야 정보 이미지, 고해상도 위상 정보 이미지 뿐 만 아니라, 고해상도 형광 정보까지 함께 복원 및 취득할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 광원부
200 : 광 산란부
300 : 시편부
400 : 이미지 센서부
500 : 이미지 복원부
600 : 광학 필터부

Claims (10)

  1. UV 영역을 포함하는 빛을 조사하는 광원부(100);
    상기 광원부(100)에 의해 조사되는 빛을 소정 패턴으로 산란시키는 광 산란부(200);
    이미징 측정하고자 하는 시편을 포함하고, 상기 시편에 상기 광 산란부(200)에 의해 소정 패턴으로 산란된 빛이 조사되는 시편부(300); 및
    상기 시편을 투과한 이미지 신호를 획득하는 이미지 센서부(400);
    를 포함하는, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 시편부(300)는
    상기 시편을 소정 방향으로 선형적으로 이동시키는 구동수단;
    을 더 포함하는, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 이미지 센서부(400)는
    상기 시편이 소정 방향으로 선형적으로 이동됨에 따라서, 반복하여 상기 이미지 신호를 획득하는, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템은
    기저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘을 이용하여, 전달되는 다수의 이미지 신호에 대한 중복 영역 데이터를 기반으로 이미지 복원을 수행하는 이미지 복원부(500);
    를 더 포함하며,
    상기 이미지 복원부(500)는
    상기 이미지 센서부(400)로부터 다수의 이미지 신호를 전달받아, 상기 시편의 위상 정보 이미지와 명시야 정보 이미지를 획득하는, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템은
    상기 시편부(300)와 이미지 센서부(400)의 사이에 배치되는 광학 필터를 포함하는 광학 필터부(600);
    를 더 포함하며,
    상기 이미지 센서부(400)는
    상기 광학 필터부(600)를 통해서 UV 영역의 빛이 차폐된 상기 이미지 신호를 획득하는, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 이미지 복원부(500)는
    상기 광학 필터부(600)를 통해서 상기 이미지 센서부(400)가 획득한 다수의 이미지 신호를 전달받아, 상기 시편의 형광 정보 이미지를 획득하는, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 시스템.
  7. 광원부에서, UV 영역을 포함하는 빛을 조사하는 광원 조사 단계(S100);
    광 산란부에서, 상기 광원 조사 단계(S100)에 의해 조사되는 빛을 소정 패턴으로 산란시키는 산란 단계(S200);
    상기 산란 단계(S200)에 의해 소정 패턴으로 산란된 빛이 시편으로 조사되는 시편 조사 단계(S300);
    이미지 센서부에서, 상기 시편 조사 단계(S300)를 통해서, 상기 시편에 조사된 빛에 의해 상기 시편을 투과한 이미지 신호를 획득하는 이미지 신호 획득 단계(S400); 및
    이미지 복원부에서, 기저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘을 이용하여, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)에 의해 획득하여 전달받은 상기 이미지 신호에 대한 중복 영역 데이터를 기반으로 이미지 복원을 수행하여, 상기 시편의 위상 정보 이미지와 명시야 정보 이미지를 획득하는 제1 이미지 복원 단계(S500);
    를 포함하는, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은
    상기 시편 조사 단계(S300)를 수행하고 난 후,
    상기 시편을 소정 방향으로 선형적으로 이동시키는 구동수단을 이용하여, 상기 시편이 소정 방향으로 선형적으로 이동되는 이동 단계(S310);
    를 더 포함하며,
    상기 이미지 신호 획득 단계(S400)는
    상기 이동 단계(S310)에 의해 상기 시편이 이동됨에 따라, 반복하여 상기 이미지 신호를 다수 개 획득하는, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은
    상기 이미지 신호 획득 단계(S400)를 수행하기 전,
    광학 필터부에서, 상기 시편에 조사된 빛에 의해 상기 시편을 투과한 빛 중 UV 영역의 빛을 차폐하는 차폐 단계(S600);
    를 더 포함하는, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법은
    상기 이미지 신호 획득 단계(S400)를 수행하고 난 후,
    이미지 복원부에서, 기저장된 푸리에 타이초그래픽 알고리즘을 이용하여, 상기 이미지 신호 획득 단계(S400)에 의해 획득하여 전달받은 다수의 상기 이미지 신호에 대한 중복 영역 데이터를 기반으로 이미지 복원을 수행하여, 상기 시편의 형광 정보 이미지를 획득하는 제2 이미지 복원 단계(S700);
    를 더 포함하는, 푸리에 타이초그래픽 기반 광학 이미징 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190088277A (ko) 2018-01-18 2019-07-26 서울대학교산학협력단 단일촬영 푸리에 타이코그래피 마이크로스코피 시스템

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