KR100608497B1 - 광학 장치 및 이를 구비한 미세입자 관찰 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시료가 안치된 칩에 빔을 조사하고, 상기 시료가 발하는 빛을 판독하여 시료를 관찰하는 장치에서 상기 칩에 빔을 조사하기 위한 광학 장치로서, 상기 시료에 조사할 빔을 발하는 광원, 및 상기 광원의 빔을 반사하여 상기 칩 상에 소정 각도로 경사지게 입사시키는 제1반사경을 포함하는 광학 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 광학 장치를 구비하는 미세입자 관찰 장치에 관한 것이다.
본 발명의 광학 장치에 따라 광원의 빛이 시료 상에 소정 각도로 경사지게 입사되는 경우, 빛의 투과도를 최대화할 수 있다. 따라서, 시료가 발하는 빛이 선명해지고, 정밀한 영상을 얻을 수 있으며, 상기 미세입자를 정확하게 관찰하고, 분석할 수 있다.
Description
도 1은 종래의 광학 장치의 구성도이고,
도 2는 종래의 광학 장치 사용시 파장에 따른 투과도를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명에 따른 광학 장치의 구성도이고,
도 4는 본 발명에 따른 광학 장치를 사용하여 빔을 조사하는 경우, 조사되는 영역을 도시한 것이며,
도 5는 본 발명에 따른 광학 장치를 적용할 수 있는 시료 칩의 단면도이고,
도 6은 본 발명에 따른 광학 장치 사용시 파장에 따른 투과도를 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 광원 150 : 입사광조절렌즈
200 : 제1반사경 250 : 시료 칩
300 : 제2반사경 400 : 대물렌즈
500 : 영상촬영수단 500 : 영상판독부
본 발명은 시료가 안치된 칩에 빔을 조사하고, 상기 시료가 발하는 빛을 판독하여 시료를 관찰하는 장치에서 상기 칩에 빔을 조사하기 위한 광학 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 상기 시료에 조사할 빔을 발하는 광원; 및 상기 광원의 빔을 반사하여 상기 칩 상에 소정 각도로 경사지게 입사시키는 제1반사경을 포함하는 광학 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 광학 장치를 구비하는 미세입자 관찰 장치에 관한 것이다.
미세입자를 관찰하기 위한 장치 등에서, 상기 미세입자를 선명하게 촬영하기 위한 광학 장치들이 연구 개발되었다.
도 1은 덴마크의 케모메텍(Chemometek) 사에서 개발한 미세입자 계수 장치에서 사용되는 광학부를 도시한 것이다. 상기 광학부는 복수의 LED(111~114)로 구성되며, 일부 LED(111, 112)는 시료가 안치되어 있는 시료칩(250)의 상부에 배치되어 상기 시료칩(250) 상에 빛을 조사하고, 일부 LED(113, 114)는 상기 시료칩(250)의 하부에 배치되어 상기 시료칩(250) 상에 빛을 조사한다. 상기 LED(111~114)에서 발하는 빛은 상기 시료칩(250)의 연직 방향에 대하여 약 35°의 각도로 경사지게 입사된다.
상기 LED(111~114)에 의하여 조사되는 빛에 의하여 형성된 시료의 상은 대물렌즈(400)를 거쳐 영상촬영수단(500)에 의하여 촬영된다.
그러나, 상기 광학 장치는 복수의 LED를 배치하기 때문에, 지나치게 많은 공 간을 차지하게 된다. 또한, 550nm 이하의 파장대의 빛만을 통과시키는 필터를 사용하는 경우, 도 2 및 수치적분 결과인 하기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 필터 투과율(TF)은 79%에 지나지 않는다. 상기 도 2에서 빗금친 영역이 필터를 통과하는 영역이다.
[표 1] 도 2의 그래프의 수치적분 결과
파장(λ)의 범위(nm) | P'i(λ) | Q'i(λ) | Pi(λ) | Qi(λ)=Pi(λ)×Q'i(λ) |
450-475 | 10 | 0.3 | 0.056 | 0.0168 |
475-500 | 30 | 0.6 | 0.167 | 0.1002 |
500-525 | 70 | 0.85 | 0.389 | 0.3310 |
525-550 | 70 | 0.95 | 0.389 | 0.3690 |
ΣP'i=180 | ΣPi=1.0 | ΣQi=0.82 | ||
TF = 필터투과도(0.96) ×Q = 0.96 ×0.82 = 0.79 |
상기 표 1에서,
P'i(λ)는 LED의 광도(luminosity)이고,
Q'i(λ)는 형광 염료인 PI(요오드화 프로피듐, propidium iodide)의 여기효율(excitation efficiency)이며,
Pi(λ)는 LED의 등가 광도(equivalent luminosity)로서, Pi(λ)=P'i/ΣP'i=P'i/180에 의하여 구하고,
Qi(λ)는 LED에 의한 PI의 여기효율이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 광학 장치는 광원의 빔을 반사하여 칩 상에 소정 각도로 경사지게 입 사시키는 제1반사경을 포함한다.
상기한 바와 같은 광학 장치를 이용하는 경우, 광원의 빛의 투과도를 최대화할 수 있고, 시료가 발하는 빛이 선명해지며, 정확한 영상을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 광학 장치를 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 상기 광학 장치를 구비하는 미세입자 관찰 장치에 관한 것이다.
본 발명은 시료가 안치된 칩에 빔을 조사하고, 상기 시료가 발하는 빛을 판독하여 시료를 관찰하는 장치에서 상기 칩에 빔을 조사하기 위한 광학 장치로서,
상기 시료에 조사할 빔을 발하는 광원; 및
상기 광원의 빔을 반사하여 상기 칩 상에 소정 각도로 경사지게 입사시키는 제1반사경을 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광학 장치는, 상기 칩을 통과한 빔을 재반사시켜 다시 상기 칩 상에 소정 각도로 경사지게 입사시키는 제2반사경을 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 제2반사경은 상기 칩에 대하여 상기 제1반사경의 반대편에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 제1반사경은, 상기 광원의 빔이 상기 칩의 연직 방향에 대하여 20°내지 40°의 각도로 경사지게 상기 칩 상에 입사되도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 칩을 통과한 빔이 재반사되어 다시 상기 칩 상에 연직 방향에 대하여 20° 내지 40°의 각도로 경사지게 입사되도록 상기 제2반사경을 배치하는 것이 바람직하다. 상기한 바와 같이 경사지게 입사되는 경우, 광원의 빔의 시료칩에 대한 투과율를 극대화할 수 있다.
상기 경사각은 칩의 종류 또는 투과광에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethylmethacrylate)와 같은 투광성 플라스틱 재질의 시료칩에 레이저 광원을 조사하는 경우, 연직 방향에 대하여 약 30°의 경사각에서 최대 투과율을 나타내었다. 또한, 상기 시료칩을 통과한 빔은 상기 제2반사경에 의하여 다시 상기 시료칩으로 입사되므로, 시료칩에 조사되는 광량을 극대화할 수 있다.
본 발명에 따른 광학 장치는, 상기 광원으로부터 발한 빔의 크기 및 초점거리를 조절할 수 있는 입사광조절렌즈가 상기 광원 및 상기 제1반사경 사이에 구비되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 광원에서 발하는 빛 중에서 특정 파장대의 빛만을 통과시키는 입사광여과기, 또는 상기 시료가 발하는 빛 중에서 특정 영역의 빛만을 통과시키는 출력광여과기를 더 포함할 수 있다.
상기 광원으로는 관찰하려는 미세입자의 종류에 따라 레이저 광원 또는 LED를 사용할 수 있다. 특히, 형광에 반응하는 염료, 예를 들어, PI 등으로 염색하여 관찰하는 경우, 레이저 광원을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 미세입자 관찰 장치로서, 미세입자를 포함하는 시료가 안치되어 있는 시료 칩 상에 빔을 조사하는 광원부; 상기 광원부에서 조사한 빔에 의하여 형성된 시료의 상을 확대하기 위하여 상기 칩과 접해있는 대물렌즈; 상기 대물렌즈를 통하여 확대된 상기 시료의 상을 촬영하는 영상촬영수단; 및 상기 영상촬영수단에 의하여 촬영된 영상을 판독하는 영상판독부를 포함하되,
상기 광원부로서 상기 광학 장치를 적용시킨 미세입자 관찰 장치에 관한 것이다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광학 장치, 및 상기 광학 장치를 구비하는 미세입자 관찰 장치에 대하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명에 따른 광학 장치의 구성도이다.
상기 광학 장치는 시료가 안치된 칩(250)에 빔을 조사하기 위한 광학 장치로서, 상기 시료에 조사할 레이저 빔을 발하는 레이저 광원(100); 및 상기 광원(100)의 빔을 반사하여 상기 칩(250)의 연직 방향에 대하여 소정 각도 α로 경사지게 입사시키는 제1반사경(200)을 포함한다.
상기 광원으로는 빔의 직경이 1mm이고, 전력이 20mW인 레이저 광원을 사용하였다.
또한, 상기 칩(250)을 통과한 빔을 재반사시켜 다시 상기 칩(250) 상에 소정 각도 α로 경사지게 다시 입사시키는 제2반사경(300)이 더 포함되어 있다. 이 때, 상기 제1반사경(200)과 상기 제2반사경(300)은 상기 칩(250)에 대하여 서로 반대편에 위치한다.
상기 광원(100)과 상기 제1반사경(200) 사이에는, 상기 광원의 빔의 크기 및 초점거리를 조절할 수 있도록 입사광조절렌즈(150)가 구비되어 있다. 상기 입사광 조절렌즈(150)의 투과율(TL)은 약 0.98이다. 상기 렌즈는 상기 광원(100)의 크기를 3배 확대시킨다.
상기 제1반사경(200)에 의하여 반사된 빔은 상기 칩의 연직 방향에 대하여 20°내지 40°의 경사각 α를 이루면서 경사지게 상기 칩(250) 상에 입사된다. 또한, 상기 칩(250) 상에 입사된 빛은 상기 칩(250)을 관통한 후, 상기 제2반사경(300)에 의하여 재반사되어 다시 상기 칩 상에 연직 방향에 대하여 20°내지 40°의 경사각 α를 이루면서 경사지게 입사된다.
상기 제1반사경 및 제2반사경의 반사율(RM)은 약 0.98이다.
이와 같이 광원의 빛이 상기 시료칩의 연직 방향에 대하여 경사각 α를 이루면서 칩(250) 상에 입사되는 경우, 시료칩에 조사되는 광량을 극대화할 수 있다. 상기 경사각은 칩의 종류 또는 투과광에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서 상기 칩으로는 PMMA를 사용하였으며, 경사각 α가 32.5°인 경우 투과율이 최대를 나타내었다.
상기 시료 칩 상에 조사된 총 빛의 양 EΣ=Edirect+Esecond로 표현할 수 있으며, 각각의 양은 하기 수학식 1 내지 3과 같다:
[수학식 1]
Edirect = P ×TL ×Rm / A = 2.35mW/mm2
[수학식 2]
Esecond = Edirect ×TPMMA
3 ×RM = 1.91mW/mm2
[수학식 3]
EΣ = Edirect + Esecond = 4.26mW/mm2
상기식에서,
P는 광원의 에너지이고,
TL은 입사광 조절 렌즈의 투과율이며,
Rm은 제1반사경 및 제2반사경의 반사율이고,
A는 시료칩 상에 조사된 영역의 면적이며,
TPMMA는 상기 시료칩의 투과율이다.
상기 레이저 광원이 시료 칩 상에 조사되면, 상기 형광물질에 의하여 염색 된 미세입자가 특정파장의 형광을 발하기 때문에 이를 검출하여 시료의 영상을 얻을 수 있다.
도 4는 시료칩의 연직 방향에 대하여 경사각 α를 이루며 입사하는 경우, 빔의 크기 및 시료 칩 상에 빛이 조사되는 영역의 면적과의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 빔의 면적 A'은 πa2이고, 시료 칩 상에 빛이 조사되는 영역의 면적 A는 πab=πa2/cosα이다.
도 5는 본 발명에 사용되는 시료 칩의 단면도이다. 재질은 PMMA이며, 굴절 율 nPMMA는 1.494이다. 따라서, 투과율 TPMMA는 하기 수학식 4와 같이 구할 수 있다:
[수학식 4]
TPMMA = 4nPMMAcosαcosα'/[nPMMAcosα'+cosα] = 0.94
상기식에서, α' = arcsin(sinα/nPMMA) 이다.
본 발명에 따른 미세입자 관찰 장치는 전술한 바와 같은 광학 장치를 광원부로서 사용하며, 상기 광원부에서 조사한 빔에 의하여 형성된 시료의 상을 확대하기 위하여 상기 칩과 접해있는 대물렌즈(400); 상기 대물렌즈를 통하여 확대된 상기 시료의 상을 촬영하는 영상촬영수단(500); 및 상기 영상촬영수단에 의하여 촬영된 영상을 판독하는 영상판독부(600)를 더 포함한다.
한편, 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 케모메텍사의 광학 장치에 있어서 시료칩에 조사되는 광량은 다음과 같이 계산할 수 있다:
각각의 LED로는 전력이 5.4mW이고, 빔의 반지름이 5mm인 것을 사용하며, 하나의 LED로부터 발하는 에너지 ELED ≒ (P ×TF / πr2) cosα < 0.044mW/mm
2이다. 여기에서, P는 LED의 에너지이고, TF는 필터 투과 효율(Filter transmission efficiency)이며, r은 광원의 빔의 반지름이고, α는 상기 광원의 빔이 시료칩의 연직 방향에 대하여 이루는 경사각이다.
총 30개의 LED를 사용하는 경우, 최대 에너지는 1.32mW/mm2이다.
따라서, 본 발명에 따른 광학 장치(최대 에너지 : 4.26mW/mm2)는 종래 광학 장치에 비해서, 보다 많은 에너지를 시료에 전달할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 광학 장치를 사용하는 미세입자 관찰 장치에서 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
상기 그래프에서, 레이저 빔(λ=532nm)은 98%의 효율을 나타내며, 형광을 여기시키는 에너지는 EE = E ×Q = 4.26mW/mm2 ×0.98 = 4.17mW/mm2이다.
한편, 종래 케모메텍 사의 광학 장치의 경우, 형광을 여기시키는 에너지 EE = E ×Q = 1.32mW/mm2 ×0.82 = 1.074mW/mm2이다.
따라서, 본 발명에 따른 광학 장치를 사용하는 경우, 시료칩에 조사되는 광량을 극대화할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따라 광원의 빛이 시료 상에 소정 각도로 경사지게 입사되는 경우, 광원에 의한 노이즈를 최소화할 수 있고, 에너지 효율을 최대화할 수 있다. 특히, 제2반사경에 의하여 광원의 빛을 시료 상으로 재반사시킴으로써 시료칩에 조사되는 광량을 최대화할 수 있다. 따라서, 시료가 발하는 빛이 선명해지고, 깨끗한 영상을 얻을 수 있으며, 이에 따라 상기 미세입자를 정확하게 관찰하고, 분석할 수 있다.
Claims (11)
- 삭제
- 시료가 안치된 칩에 빔을 조사하고, 상기 시료가 발하는 빛을 판독하여 시료를 관찰하는 장치에서 상기 칩에 빔을 조사하기 위한 광학 장치로서,상기 시료에 조사할 빔을 발하는 광원;상기 광원의 빔을 반사하여 상기 칩 상에 소정 각도로 경사지게 입사시키는 제1반사경; 및상기 칩을 통과한 빔을 재반사시켜 다시 상기 칩 상에 소정 각도로 경사지게 입사시키는 제2반사경을 포함하되,상기 제2반사경은 상기 칩에 대하여 상기 제1반사경의 반대편에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광원은 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광원은 LED인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
- 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1반사경은, 상기 광원의 빔이 상기 칩의 연직 방향에 대하여 20°내지 40°의 각도로 경사지게 상기 칩 상에 입사되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 광원으로부터 발한 빔의 크기 및 초점거리를 조절하는 입사광조절렌즈가 상기 광원 및 상기 제1반사경 사이에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 시료 칩은 투광성의 플라스틱 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 광학 장치.
- 삭제
- 미세입자 관찰 장치로서,상기 미세입자를 포함하는 시료가 안치되어 있는 시료 칩 상에 빔을 조사하는 광원부;상기 광원부에서 조사한 빔에 의하여 형성된 시료의 상을 확대하기 위하여 상기 칩과 접해있는 대물렌즈;상기 대물렌즈를 통하여 확대된 상기 시료의 상을 촬영하는 영상촬영수단; 및상기 영상촬영수단에 의하여 촬영된 영상을 판독하는 영상판독부를 포함하며,여기에서, 상기 광원부는상기 시료에 조사할 빔을 발하는 광원;상기 광원의 빔을 반사하여 상기 칩 상에 소정 각도로 경사지게 입사시키는 제1반사경; 및상기 칩을 통과한 빔을 재반사시켜 다시 상기 칩 상에 소정 각도로 경사지게 입사시키는 제2반사경을 포함하되,상기 제2반사경은 상기 칩에 대하여 상기 제1반사경의 반대편에 위치하는 것을 특징으로 하는 미세입자 관찰 장치.
- 제 9 항에 있어서, 상기 광원은 레이저 광원 또는 LED인 것을 특징으로 하는 미세입자 관찰 장치.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 제1반사경은, 광원의 빔이 상기 칩의 연직 방향에 대하여 20°내지 40°의 각도로 경사지게 상기 칩 상에 입사되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 미세입자 관찰 장치.
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