KR101240146B1 - 갈바노 미러를 이용한 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 갈바노 미러를 이용한 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경에 관한 것으로, 평행광을 출사하는 펄스 레이저 광원부, 상기 광원부에서 출사되는 레이저의 편광을 얻기 위한 편광판, 상기 편광판에서 편광된 광에서 임의의 파장에 대한 회절광을 획득하기 위한 회절부, 상기 회절부를 통해 회절된 광을 스캐닝 하는 스캐닝 미러, 상기 스캐닝 미러에서 스캐닝된 빔을 측정 시편에 조사하는 조사부, 상기 조사부를 통해 측정 시편에 조사된 후 반사되는 형광신호를 파장에 따라 분산시키는 프리즘, 상기 프리즘을 투과한 광의 크기를 결정하는 렌즈부, 회전을 통해 상기 렌즈부에서 출사되는 광의 파장을 결정하는 갈바노 미러 및 상기 갈바노 미러에서 선택된 임의의 파장을 가지는 광이 핀홀을 투과하면 해당 광을 검출하는 광검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

갈바노 미러를 이용한 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경{Wavelength scanning confocal-spectral microscope with the use of galvano mirror}

본 발명은 갈바노 미러를 이용한 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경에 관한 것으로, 형광 물질로 염색된 생물 시편의 파장에 따른 스펙트럼 영상을 측정하기 위한 공초점 분광 현미경을 개발하는 것으로써, 검출 부분의 갈바노 미러의 회전을 이용하여 원하는 파장의 신호를 선택할 수 있도록 하는 현미경의 구현 방법 및 구조에 관한 것이다.

공초점 분광 현미경은 시편으로부터 나오는 형광 신호를 분광매질을 통해 분광 시킨 후, 파장에 따른 신호를 측정하는 구조를 가지고 있다. 이러한 분광 이미징 기술은 여러 파장 대역의 신호를 얻음으로써 각기 다른 종류의 형광 물질을 분별할 수 있도록 하며, 하나의 채널을 통해 측정될 수 있는 파장 폭이 줄어들수록 파장에 따른 불연속성이 줄어들기 때문에 전체적인 스펙트럼을 관찰하기가 용이해진다.

도 1은 종래기술에 따른 공초점 분광 현미경의 개략적인 구성도이다. 종래기술에 따른 공초점 현미경의 구조를 개략적으로 살펴보면, 빛을 제공하는 광원부(101), 상기 광원부에서 제공된 빛을 입력받아 측정 대상 물체로 상기 빛을 전달하는 광섬유부(105); 및 상기 광섬유부의 일측에 결합되고, 상기 광섬유부를 진동시켜서 상기 측정 대상 물체의 특정면을 따라 상기 빛이 조사되도록 하는 스캐닝부(106)를 포함하며, 상기 측정 대상 물체에서 반사된 빛을 상기 광섬유부가 입력받아 소정의 영상처리부(109)로 유도하여, 상기 측정 대상 물체에서 반사된 빛이 검출되고, 상기 스캐닝부는 상기 광섬유부의 일부를 감싸도록 형성된 그립부(201) 및 상기 그립부와 연결되어 상기 광섬유부를 광축에 수직하게 진동시키는 진동부(202, 203)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이처럼 분광 이미징을 구현하기 위하여 다양한 분광 구조를 가지고 있는 현미경들이 상용품으로 시판되고 있다. 특히 자유로운 파장선택을 위하여 움직이는 슬릿을 이용한 방법은 파장 선택성이 우수하나 슬릿을 움직이는데 기계적인 변환 속도가 느리다는 단점을 가지고 있다.

그로 인해 스펙트럼 영상을 얻기에는 속도가 떨어진다. 또한 다채널 PMT를 이용한 측정 방식은 PMT 자체의 채널의 개수가 한정되어 있기 때문에 넓은 파장의 스펙트럼 측정을 위해서는 한 채널을 통해 측정되는 파장 폭이 커진다는 단점을 가지고 있는 문제점이 있는 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 기존의 다채널 PMT를 이용한 측정 방식은 PMT 자체의 채널의 개수가 한정되어 있기 때문에 넓은 파장의 스펙트럼 측정을 위해서 한 채널을 통해 측정되는 파장 폭이 커지는 단점을 보완하여 시스템을 간소화시키고 고속으로 검출할 수 있는 형광 공초점 분광 현미경을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 하나의 점(Point) 검출기를 이용함에 따라 비교적 간단한 시스템의 구현이 가능하며 기계적인 모멘트가 작은 갈바노 미러의 회전을 이용하였기 때문에 빠른 파장 스위칭 속도를 얻을 수 있으므로 다채널 검출기에 근접한 스펙트럼 획득 속도를 얻을 수 있는 공초점 현미경을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 평행광을 출사하는 펄스 레이저 광원부, 상기 광원부에서 출사되는 레이저의 편광을 얻기 위한 편광판, 상기 편광판에서 편광된 광에서 임의의 파장에 대한 회절광을 획득하기 위한 회절부, 상기 회절부를 통해 회절된 광을 스캐닝 하는 스캐닝 미러, 상기 스캐닝 미러에서 스캐닝된 빔을 측정 시편에 조사하는 조사부, 상기 조사부를 통해 측정 시편에 조사된 후 반사되는 형광신호를 파장에 따라 분산시키는 프리즘, 상기 프리즘을 투과한 광의 크기를 결정하는 렌즈부, 회전을 통해 상기 렌즈부에서 출사되는 광의 파장을 결정하는 갈바노 미러 및 상기 갈바노 미러에서 선택된 임의의 파장을 가지는 광이 핀홀을 투과하면 해당 광을 검출하는 광검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원부는, 펄스 레이저를 출사하는 다채널 레이저부, 상기 레이저부에서 출사되는 광을 하나로 합치는 컴바이너, 상기 컴바이너에서 합쳐진 광을 전달하는 광섬유 및 상기 광섬유에서 출사되는 광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 조사부는, 상기 스캐닝미러에서 반사되는 광의 크기를 조절하기 위해 순차적으로 구성되는 스캔렌즈와 튜브렌즈 및 상기 튜브렌즈를 투과한 광을 시편으로 조사하는 대물렌즈;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 렌즈부는, 두 개의 렌즈로 구성되며, 두 렌즈의 초점거리 비율 제어를 통해 빔 크기를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광검출부는, 상기 갈바노 미러에서 반사되는 광의 초점을 형성시키는 초점렌즈, 상기 초점렌즈를 투과하는 광의 편광 성분에 대해 오프셋을 보상하기 위한 Calcite, 상기 Calcite를 투과하는 광의 특정 파장만 통과시키는 핀홀 및 핀홀을 통과한 광의 파장을 검출하는 PMT;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 Calcite는, 두께를 조절하여 초점의 위치를 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 하나의 PMT(검출기)를 이용하고, 갈바노 미러를 이용한 빠른 스위칭 속도로 파장의 변환이 가능한 분광 구조를 통해 비교적 간단한 시스템을 구성함과 동시에 검출속도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 공초점 분광 현미경의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 갈바노 미러를 이용한 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경의 일예를 도시한 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공초점 분광 현미경의 분광 광학계의 구조와 파장에 따른 빔의 경로를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 공초점 분광 현미경의 분광 광학계의 구조와 편광 방향에 따른 빔의 경로 및 보상 현상을 개략적으로 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 갈바노 미러를 이용한 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 갈바노 미러를 이용한 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경은, 평행광을 출사하는 펄스 레이저 광원부, 상기 광원부에서 출사되는 레이저의 편광을 얻기 위한 편광판, 상기 편광판에서 편광된 광에서 임의의 파장에 대한 회절광을 획득하기 위한 회절부, 상기 회절부를 통해 회절된 광을 스캐닝 하는 스캐닝 미러, 상기 스캐닝 미러에서 스캐닝된 빔을 측정 시편에 조사하는 조사부, 상기 조사부를 통해 측정 시편에 조사된 후 반사되는 형광신호를 파장에 따라 분산시키는 프리즘, 상기 프리즘을 투과한 광의 크기를 결정하는 렌즈부, 회전을 통해 상기 렌즈부에서 출사되는 광의 파장을 결정하는 갈바노 미러 및 상기 갈바노 미러에서 선택된 임의의 파장을 가지는 광이 핀홀을 투과하면 해당 광을 검출하는 광검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 갈바노 미러를 이용한 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경은, 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경을 제공하기 위한 것으로, 갈바노 미러를 이용하여 빔 크기를 제어함으로써 하나의 검출기에서 형광 신호를 획득하는 것을 주요 기술적 요지로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 갈바노 미러를 이용한 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경의 일예를 도시한 개략적인 구성도이다. 공초점 현미경 모듈은 기존의 공초점 현미경을 이용 가능하다.

광원부는 범용성을 위해 다채널 cw 레이저(1)를 사용할 수 있다. 상기 레이저(1)는 컴바이너(2)를 통해 하나의 광섬유(3)로 모아지며 Collimator(4)를 통하여 평행광으로 만들어지는 것으로, 이를 통해 광원부를 구성한다. 하나의 편광 성분만을 이용하기 위해 편광판(5)이 놓이게 된다.

회절부는 반사 거울(6)의 각도와 Acousto optic tunable filter(7)의 rf 신호 주파수를 조절함에 따라 특정 레이저 파장만이 회절된다. AOTF(7)에 의해 회절된 레이저 빛은 x, y축으로 회전하는 스캐닝 미러(8)에 의해 빔 스캐닝이 되고, 시편으로 조사하기 위한 조사부를 구성하는 스캔렌즈(9)와 튜브렌즈(10)로 구성된 중계렌즈를 통해 대물렌즈(11)의 구경에 맞도록 확대가 된다.

이는 상기 시편(12)에 조명이 되고, 시편으로부터 나오는 형광신호는 반대의 경로를 거쳐서 AOTF(7)을 그대로 투과하여 분광 검출 부분으로 진행한다. 분광 검출부분에서는 프리즘(13)을 통하여 형광신호가 파장에 따라 공간적으로 분산된다. 두 렌즈군(14), (15)사이의 초점거리 비율을 이용하여 빔 크기를 갈바노 미러(16)의 크기에 맞도록 조절되고 이 미러(16)의 회전을 통하여 검출부에 구성되는 핀홀(19)에 들어가는 파장을 선택할 수 있다. 상기 핀홀(19) 뒤쪽에 위치한 광검출기(20)를 통하여 특정한 파장의 신호만 검출이 된다. 초점렌즈(17)의 위치와 초점거리를 조절함에 따라 초점평면 상에서 공간적으로 분산된 정도를 결정할 수 있다. Calcite(18)는 서로 다른 편광방향의 빛이 핀홀(19) 위치에서 약간의 오프셋을 나타내는데 이를 보상하기 위하여 사용된다. Calcite(18)의 두께를 조절함에 따라 오직 한 편광 성분의 초점위치를 이동시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공초점 분광 현미경의 분광 광학계의 구조와 파장에 따른 빔의 경로를 나타낸 도면이다. 프리즘(13)로부터 분산된 형광 신호 중에서 장파장 신호의 경로(21)와 단파장 신호의 경로(22)을 도 2에 나타내었다. 프리즘(13)을 거친 형광 신호는 파장에 따라 진행각도가 달라지지만 각 파장의 빛은 평행광 형태로 진행한다. 두 렌즈(14), (15)를 이루고 있는 렌즈군은 무한 초점계(afocal system)로 이루어져 있어 렌즈에 들어가는 빔과 나오는 빔은 평행광으로 진행하며 빔의 크기는 렌즈 (14)와 (15)의 초점거리 비율만큼이 축소되어 진행한다. 또한 파장에 따른 진행각도는 렌즈 (14), (15)를 통해 굴절되므로 단파장 신호의 경로(21)와 장파장 신호의 경로(22)가 교차되는 지점(23)이 발생한다. 이 지점(23)에 갈바노 미러(16)를 위치시키면 최소의 직경을 이용한 파장 스캐닝이 가능하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 공초점 분광 현미경의 분광 광학계의 구조와 편광 방향에 따른 빔의 경로 및 보상 현상을 개략적으로 도시한 도면이다. 분광 광학계 부분을 서로 다른 편광 방향의 빛 (24), (25)과 함께 나타낸 것이다. 같은 파장의 빛이라도 편광 방향에 따라 약간의 각도 차이를 가지며 진행하게 되고, 이 각도 차이는 핀홀(19)에서 서로 다른 위치에 초점을 맺게 된다. 이를 Calcite(18)를 이용하여 두 빛 (24), (25)를 같은 위치에 초점을 맺도록 Calcite(18)의 두께를 조절한다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 간단한 시스템을 구성함과 동시에 검출속도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

1 : 레이저 2 : 컴바이너
3 : 광섬유 4 : 콜리메이터
5 : 편광판 6 : 반사미러
7 : AOTF 8 : 스캐닝 미러
9 : 스캔렌즈 10 : 튜브렌즈
11 : 대물렌즈 12 : 시편
13 : 프리즘 14, 15 : 렌즈
16 : 갈바노 미러 17 : 초점렌즈
18 : Calcite 19 : 핀홀
20 : 광검출기

Claims (6)

1. 평행광을 출사하는 펄스 레이저 광원부;
   상기 광원부에서 출사되는 레이저의 편광을 얻기 위한 편광판;
   상기 편광판에서 편광된 광에서 임의의 파장에 대한 회절광을 획득하기 위한 회절부;
   상기 회절부를 통해 회절된 광을 스캐닝 하는 스캐닝 미러;
   상기 스캐닝 미러에서 스캐닝된 빔을 측정 시편에 조사하는 조사부;
   상기 조사부를 통해 측정 시편에 조사된 후 반사되는 형광신호를 파장에 따라 분산시키는 프리즘;
   상기 프리즘을 투과한 광의 크기를 결정하는 렌즈부;
   회전을 통해 상기 렌즈부에서 출사되는 광의 파장을 결정하는 갈바노 미러; 및
   상기 갈바노 미러에서 선택된 임의의 파장을 가지는 광이 핀홀을 투과하면 해당 광을 검출하는 광검출부;를 포함하며,
   상기 광원부는, 펄스 레이저를 출사하는 다채널 레이저부, 상기 레이저부에서 출사되는 광을 하나로 합치는 컴바이너, 상기 컴바이너에서 합쳐진 광을 전달하는 광섬유 및 상기 광섬유에서 출사되는 광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈;를 포함하고,
   상기 조사부는, 상기 스캐닝미러에서 반사되는 광의 크기를 조절하기 위해 순차적으로 구성되는 스캔렌즈와 튜브렌즈 및 상기 튜브렌즈를 투과한 광을 시편으로 조사하는 대물렌즈를 포함하며,
   상기 렌즈부는, 두 개의 렌즈로 구성되며, 두 렌즈의 초점거리 비율 제어를 통해 빔 크기를 제어하고,
   상기 광검출부는, 상기 갈바노 미러에서 반사되는 광의 초점을 형성시키는 초점렌즈, 상기 초점렌즈를 투과하는 광의 편광 성분에 대해 오프셋을 보상하기 위한 칼사이트(Calcite), 상기 칼사이트를 투과하는 광의 특정 파장만 통과시키는 핀홀 및 핀홀을 통과한 광의 파장을 검출하는 PMT;를 포함하며,
   상기 칼사이트는, 두께를 조절하여 초점의 위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 갈바노 미러를 이용한 파장 스캐닝 방식의 공초점 분광 현미경.
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