KR101563810B1 - 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경 및 그의 시편 변형성 측정 방법 - Google Patents

공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경 및 그의 시편 변형성 측정 방법 Download PDF

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Abstract

3차원 굴절률 분포와 시편의 막 떨림을 모두 분석할 수 있는 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경 및 그의 시편 변형성 측정 방법이 개시된다. 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은, 광선(beam)을 방사하는 광원, 광선이 시편(sample)에 입사하는 입사각을 변경하고, 입사각이 변경됨에 따라 달라진 광축을 보정하는 렌즈부, 시편을 투과한 광선들 간의 간섭 무늬를 측정하는 카메라부, 및 간섭 무늬에 기초하여 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 시편의 막 떨림을 분석하는 분석부를 포함할 수 있다.

Description

공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경 및 그의 시편 변형성 측정 방법{COMMON-PATH 3-DIMENSION DIFFRACTION LIGHT MICROSCOPY AND METHOD FOR MEASURING DEFORMABILTY OF SAMPLE}
본 발명의 실시예들은 개별 적혈구와 같은 시편의 3차원 굴절률 분포와 막 떨림을 정량적으로 측정하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 살아있는 생물학적 세포는 그 자체가 어떠한 색깔을 갖지 않고 투명하여 살아있는 상태로 관찰하는 데 어려움이 존재한다. 이러한, 무색 투명한 시편(sample)의 내부 구조를 뚜렷하게 관찰하기 위해 회절 위상 현미경(Diffraction Phase Microscopy: DPM), 및 단층 위상 현미경(Tomographic Phase Microscopy: TPM)이 이용되고 있다.
회절 위상 현미경은, 광의 위상을 공통 광 경로 간섭계 기반으로 측정하여 생물학적인 시편의 위상 정보를 실시간으로 획득하고, 위상 정보를 이용하여 시편의 2차원 두께 정보와 함께 수십 nm의 미세한 세포막 진동을 정량적으로 측정한다. 이때, 위상을 측정하는 간섭계가 공통의 광 경로로 구성됨에 따라 위상 잡음(phase noise)이 획기적으로 줄어들지만, 시편의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 데 어려움이 존재한다.
또한, 회절 위상 현미경은, 위상 정보를 두께 정보로 변환할 때 사용되는 굴절률을 3차원 굴절률 분포와 동시에 측정하기 어려워 시료의 정확한 높이 및 떨림을 측정하는 데 어려움이 존재한다.
단층 위상 현미경은, 시편의 3차원 굴절률 분포를 정량적으로 측정할 수는 있으나, 위상을 정량적으로 측정하는 간섭계가 공통 광 경로를 경유하지 않음에 따라 위상 잡음이 크게 발생하여 수십 nm의 미세한 세포막 떨림을 측정하는 데 어려움이 존재한다.
따라서, 시편의 3차원 굴절률 분포뿐만 아니라 시편의 막 떨림을 측정할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 개별 적혈구와 같은 단일 세포의 3차원 굴절률 분포와 막 떨림을 정량적으로 측정하도록 간섭계를 공통 광 경로로 구성하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 질병 진단 및 관련 연구에서 사용이 가능하도록 시편의 막 떨림과 특성 사이의 상관관계를 분석하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은, 광선(beam)을 방사하는 광원, 상기 광선이 시편(sample)에 입사하는 입사각을 변경하고, 입사각이 변경됨에 따라 달라진 광축을 보정하는 렌즈부, 상기 시편을 투과한 광선들 간의 간섭 무늬를 측정하는 카메라부, 및 상기 간섭 무늬에 기초하여 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 시편의 막 떨림을 분석하는 분석부를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 렌즈부는, 상기 입사각을 변경하는 거울 1, 및 상기 광축을 보정하는 거울 2를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 거울 1은, 상기 시편으로 입사되는 광선의 입사각이 수직이 되도록 배치될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 카메라부는, 상기 시편을 투과함에 따라 시편에 의해 왜곡된 파면을 가지는 샘플 광선(sample beam)과 상기 시편을 투과함에 따라 발생하는 왜곡된 파면이 제거된 참조 광선(reference beam) 간의 간섭 무늬를 측정할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 렌즈부는, 상기 시편을 투과함에 따라 발생하는 왜곡된 파면을 제거하는 공간 주파수 필터를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 분석부는, 상기 간섭 무늬에 기초하여 시편의 위상 정보와 세기 정보가 포함된 필드(field) 정보를 측정하고, 상기 필드 정보에 기초하여 상기 3차원 굴절률 분포를 계산할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 분석부는, 상기 위상 정보에 기초하여 시편의 두께 정보를 계산하고, 상기 시편의 두께 정보에 기초하여 상기 시편의 막 떨림을 분석할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 시편은, 단일 세포일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경에서의 시편 변형성 측정 방법은, 광원에서 방사된 광선이 시편(sample)에 입사하는 입사각을 변경하는 단계, 상기 입사각이 변경됨에 따라 달라진 광선의 광축을 보정하는 단계, 상기 시편을 투과한 광선들 간의 간섭 무늬를 측정하는 단계, 및 상기 간섭 무늬에 기초하여 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 시편의 막 떨림을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 입사각을 변경하는 단계는, 상기 광원 다음에 배치된 거울 1을 이용하여 상기 광원으로부터 방사된 광선이 상기 시료에 입사되는 입사각을 변경할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 광축을 보정하는 단계는, 상기 입사각이 변경됨에 따라 달라진 광선의 광축이 일정해지도록 거울 2를 이용하여 보정하는 것을 특징으로 하는 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경에서의 시편 변형성 측정 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 간섭 무늬는, 상기 시편을 투과함에 따라 시편에 의해 왜곡된 파면을 가지는 샘플 광선(sample beam)과 상기 시편을 투과함에 따라 발생하는 왜곡된 파면이 제거된 참조 광선(reference beam)이 CCD 렌즈에 겹쳐져서 촬상됨에 따라 생성될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 간섭 무늬를 측정하는 단계는, 공간 주파수 필터링을 통해 상기 시편을 투과함에 따라 발생하는 왜곡된 광선의 파면을 제거하여 상기 간섭 무늬를 측정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 본 발명은 간섭계를 공통 광 경로로 구성함에 따라 개별 적혈구와 같은 단일 세포의 3차원 굴절률 분포와 막 떨림을 정량적으로 측정할 수 있다.
또한, 시편의 막 떨림과 특성 사이의 상관관계를 분석하여 분석 결과를 질병 진단 및 관련 연구에서 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경의 구조도를 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경에서 측정한 폴리스티렌 비드(polystyrene bead)의 3차원 굴절률 분포와 적혈구의 3차원 굴절률 분포를 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경에서 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 동시에 막 떨림을 분석하는 동작을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
혈액의 혈구 세포 중에서 가장 많은 수를 차지하는 적혈구는 변형성(deformability)이 매우 좋은 구조를 가지며, 열 에너지와 ATP(Adenosine Triphosphate)에 의한 효과로 수십 nm에 해당하는 떨림을 나타낼 수 있다. 더욱이, 적혈구는 내부가 헤모글로빈으로 균일하게 채워져 있기 때문에 본 발명에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경을 이용하여 분석하기에 알맞은 시편이다.
이에 따라, 이하에서는, 적혈구를 시편의 예로 사용하여, 적혈구의 변형성을 나타내는 막 떨림과 함께 다양한 적혈구의 특성을 분석하는 기술에 대해 설명하고자 한다. 예를 들어, 적혈구에 자극을 주지 않은 상태에서 적혈구의 막떨림 및 표면적, 질량, 체적, 헤모글로빈 농도 등의 특성을 분석하는 기술에 대해 설명하고자 한다. 이때, 시편으로는 적혈구 이외에, 백혈구, 혈소판 및 다양한 단일 세포가 이용될 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참고하면, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경(100)은 광원(101) 렌즈부(102), 카메라부(103), 및 분석부(104)를 포함할 수 있다.
광원(101)은 시편(sample)을 투과하는 광선(beam)을 방사할 수 있다. 예를 들어, 광원(101)으로는 레이저(laser)가 이용되고, 시편으로는 적혈구가 이용될 수 있다.
렌즈부(102)는, 광선이 시편에 입사하는 입사각을 변경하고, 입사각이 변경됨에 따라 달라진 광선의 광축을 보정할 수 있다. 이때, 렌즈부(102)는 입사각을 변경하고, 광축을 보정하기 위해 거울 1 및 거울 2를 포함하고, 시편을 투과한 광선을 이용하여 간섭 무늬를 생성하기 위해 대물 렌즈, 공간 주파수 필터 및 복수의 다양한 렌즈들을 포함할 수 있다.
카메라부(103)는 렌즈부(102)를 통과한 광선들 간의 간섭 무늬를 측정할 수 있다. 예를 들어, 카메라부(103)는 CCD 렌즈에 촬상된 광선들 간의 간섭 무늬를 측정할 수 있다.
분석부(104)는 간섭 무늬에 기초하여 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 시편의 막 떨림을 분석할 수 있다.
일례로, 분석부(104)는 CCD 렌즈에 촬상된 샘플 광선(sample beam)과 참조 광선(reference beam) 간의 간섭 무늬에 기초하여 시편의 위상 정보와 세기 정보가 포함된 필드 정보(field information)를 측정할 수 있다. 여기서, 샘플 광선은, 광선이 시편을 투과함에 따라 시편에 의해 왜곡된 파면을 가지는 광선을 나타내고, 참조 광선은, 시편에 의해 왜곡된 파면에 제거된 광선을 나타낼 수 있다.
그리고, 분석부(104)는 측정된 필드 정보를 이용하여 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산할 수 있다. 이어, 분석부(104)는 측정된 필드 정보 및 시편의 3차원 굴절률 분포에 기초하여 시편의 막 떨림을 분석할 수 있다.
일례로, 분석부(104)는 시편의 위상 정보와 3차원 굴절률 분포에 기초하여 시편의 두께 정보를 계산할 수 있다. 예를 들어, 3차원 굴절률 분포는 시편 및 시편 주위 물질의 굴절률을 나타내며, 시편의 2차원 두께 정보 측정에 따른 시편의 내부 구조 및 부피, 표면적과 같은 시편의 특성을 분석하기 위해 이용될 수 있다.
도 1에서는, 카메라부(103)와 분석부(104)를 별도의 구성요소로 설명하였으나, 이는 실시예에 해당되며, 분석부(104)는 카메라부(103)에 포함될 수도 있다. 예를 들어, CCD(Charge Coupled Device) 렌즈를 포함하는 카메라부(103)에서 간섭 무늬를 분석할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경의 구조도를 도시한 예시도이다.
도 2를 참고하면, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경(200)은 광원인 레이저(201), 거울 1(202), 렌즈 1(203), 대물렌즈 1(204), 시편(205), 대물렌즈 2(206), 렌즈 2(207), 거울 2(208), 렌즈 3(209), 렌즈 4(210), 그레이팅(grating, 211), 렌즈 5(212), 공간 주파수 필터(213), 렌즈 6(214), 및 CCD 렌즈(215)를 포함할 수 있다.
도 2에서, 레이저(201)는 도 1의 광원(101)에 해당하고, 거울 1(202), 렌즈 1(203), 대물렌즈 1(204), 시편(205), 대물렌즈 2(206), 렌즈 2(207), 거울 2(208), 렌즈 3(209), 렌즈 4(210), 그레이팅(grating, 211), 렌즈 5(212), 공간 주파수 필터(214), 및 렌즈 6(214)은 도 1의 렌즈부(102)에 포함되며, CCD 렌즈(314)는 도 1의 카메라부(103)에 포함될 수 있다.
레이저(201)는 광원으로서, 시편(205)을 관측하고, 시편(205)에 투과될 광선(beam)을 방사할 수 있다.
거울 1(202)은 시편에 입사하는 광선의 입사각을 변경할 수 있다. 이때, 거울 1은 샘플 광선과 참조 광선 간의 위상 차이가 작아지도록 시편(205)에 입사하는 광선의 각도를 계속 변경할 수 있다. 예를 들어, 거울 1(202)로는 X-Y 갈바노 거울이 이용될 수 있다.
일례로, 거울 1(202)은 시편(205)에 입사하는 광선의 입사각이 수직이 되도록 레이저(201) 다음에 배치될 수 있다. 이처럼, 거울 1(202)이 수직이 되도록 배치된 경우, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경(200)은 회절 위상 현미경(Diffraction Phase Microscopy: DPM)과 동일한 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경(200)은 거울 1(202)이 광선의 입사각을 변경함에 따라 시편의 위상 정보를 실시간으로 획득할 수 있으며, 위상 정보에 기초하여 시편의 두께 정보 및 시편의 막 진동을 정량적으로 측정할 수 있다.
이때, 거울 1(202)에 의해 광선의 입사각이 변경됨에 따라, 달라진 광선의 광축을 보정할 필요가 있다. 이에 따라, 거울 2(208)는 거울 1(202)이 시편(205)에 입사하는 광선의 입사각을 변경할 때, 동시에 달라진 광선의 광축을 보정할 수 있다. 예를 들어, 거울 2(208)로는 X-Y 갈바노 거울이 이용될 수 있다.
일례로, 거울 2(208)는 거울 2(208)에서 반사된 광선이 이후의 경로에서는 광축이 일정하게 유지되도록 광선의 광축을 보정하여 반사할 수 있다. 예를 들어, 거울 2(208)는 광선이 렌즈 3(209)부터 렌즈6(214)을 통과하여 CCD 렌즈(215)에 촬상될 때까지 광선의 광축이 일정하게 유지되도록 광축을 보정할 수 있다.
렌즈 1(203)은 거울 1(202)을 통해 반사되는 복수개의 광선을 대물렌즈 1(204)로 투과시킬 수 있다. 여기서, 대물렌즈 1(204)로 입사되는 광선들 각각은 거울 1(202)을 통해 서로 다른 입사각을 갖도록 반사된 광선에 해당할 수 있다.
대물렌즈 1(204)은 렌즈 1(203)로부터 출사된 광선을 투과하여 시편(205)으로 출사시킬 수 있다. 이때, 시편(205)은 대물렌즈 1(205)과 대물렌즈 2(206) 사이에 고정되어 위치할 수 있다. 그리고, 대물렌즈 1(204) 및 대물렌즈 2(206)는 시편(205)의 상을 확대하기 위해 이용될 수 있다.
이때, 광선이 시편(205)을 투과함에 따라 광선의 파면이 왜곡될 수 있다. 그리고, 왜곡된 파면을 갖는 입사각이 서로 상이한 광선 중 어느 하나의 광선이 샘플 광선으로 이용될 수 있다.
그러면, 렌즈 2(207)는 대물 렌즈 2(206)로부터 출사된 광선을 투과하여 거울 2(208)로 출력할 수 있다. 거울 2(208)는 복수 개의 광선의 광축이 일정해지도록 광축을 보정할 수 있다.
그레이팅(grating, 211)은 렌즈 3(209) 및 렌즈 4(210)를 통과한 광선을 복수 개로 분리할 수 있다. 예를 들어, 그레이팅(211)은 분광 특성을 가지며, 입사되는 광선을 2개로 분광하여 렌즈 5(212)로 출사시킬 수 있다.
공간 주파수 필터(214)는 그레이팅(211)을 투과한 광선 중 참조 광선(reference beam)으로 사용하고자 하는 광선에 대해 공간 주파수 필터링을 수행할 수 있다. 예를 들어, 공간 주파수 필터(214)는 그레이팅(211)을 투과한 광선 중 0번째 광선(0th order beam)에 대해 공간 주파수 필터링을 수행하여 시편(205)을 통과함에 따라 발생한 파면의 왜곡을 제거할 수 있다.
이때, 공간 주파수 필터(214)는 광선의 회절 단계에 해당하는 크기의 핀-홀(pin-hole)을 렌즈 6(214)의 초점 거리에 위치시킨 후 광선을 투과시킴에 따라 공간 주파수를 필터링할 수 있다. 이처럼, 공간 주파수 필터링을 통해 시편에 의해 영향이 제거된 0번째 광선(0th order beam)은 참조 광선으로 이용되고, 그레이팅(211)을 통과한 1번째 광선(1st order beam)은 샘플 광선은 샘플 광선으로 이용될 수 있다.
그러면, 렌즈 6(214)은 샘플 광선과 참조 광선을 투과하여 CCD 렌즈(215)로 출사시킬 수 있다.
CCD 렌즈(215)에서 샘플 광선과 참조 광선이 겹쳐지면서 촬상될 수 있다. 이처럼, 샘플 광선과 참조 광선이 겹쳐짐에 따라 간섭 무늬가 생성될 수 있다. 그러면, 분석부는, 간섭 무늬를 분석하여 시편의 필드 정보를 측정할 수 있다. 그리고, 분석부는 시편의 필드 정보를 이용하여 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 시편의 막 떨림을 분석할 수 있다. 여기서, 필드 정보는, 시편의 위상 정보 및 세기 정보를 포함할 수 있다.
이상의 도 2에서 설명한 바와 같이, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은, 위상을 측정하는 간섭계가 공통 광 경로를 경유하기 때문에, 시편의 3차원 굴절률 분포를 정량적으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 거울 1 및 2를 이용하여 DPM으로 동작함에 따라 시편의 막 떨림을 보다 정확하게 측정할 수 있다. 다시 말해, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은, 샘플 광선과 참조 광선이 공통 광 경로를 경유하기 때문에 시편의 3차원 굴절률 분포뿐만 아니라, 시편의 막 떨림을 보다 정확히 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 시편에 의해 광선의 파면이 왜곡되는 동작을 설명하기 위해 제공되는 면이다.
도 3을 참고하면, 광선으로 평면파가 이용되는 경우, 평면파(301)가 광 산란이 적은 시편(302)을 통과할 때 시편의 형태와 시편 주변 물질의 굴절률 차이에 의해 광 파면이 왜곡(303)될 수 있다.
이때, 왜곡된 파면의 정보를 정량적으로 측정하기 위해 간섭계가 사용될 수 있다. 예를 들어, 동일한 광원에서 방사되는 광선은 빔 스플리터(beam slitter)를 이용하여 두 개로 나누어질 수 있다. 이어, 두 개로 나누어진 광선은 시편을 투과하면서 시편에 의해 왜곡된 파면을 가지는 샘플 광선과, 왜곡이 제거된 참조 광선을 포함할 수 있다.
이때, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 거울 1 및 거울 2를 이용하여 시편에 입사되는 광선의 입사각을 변경할 수 있다. 그리고, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 상기 광선의 입사각을 변경하면서 특정 입사각에 대한 시편의 필드 정보를 측정함에 따라 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산할 수 있다. 이때, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 샘플 광선과 참조 광선이 동일한 광 경로를 경유하도록 함에 따라 두 광선 사이의 상대적인 위상 차이를 감소시켜 수십 nm에 해당하는 막 떨림, 즉, 표면 떨림을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경에서 측정한 폴리스티렌 비드(polystyrene bead)의 3차원 굴절률 분포와, 적혈구의 3차원 굴절률 분포를 도시한 예시도이다.
도 4에서, 401은 직경 3μm의 폴리스트렌 비드의 3차원 굴절률 분포를 나타내고, 402는 건강한 정상인의 적혈구의 3차원 굴절률 분포를 나타낸다.
도 4를 참고하면, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경에서 적혈구의 질량은 38pg, 부피는 87fl, 표면적은 127μm2로 측정하였다. 이때, 입사되는 광을 수직으로 위치시키고, 125 frame/s로 2초 동안 적혈구의 막 떨림을 측정한 결과, 적혈구 두께의 시간에 따른 표준편차, 즉, 막 떨림은 38nm로 측정되었다.
임상에서 주로 사용하는 CBC(Complete Blood Count) 방식의 혈액 진단 방법은 수 많은 혈구의 특성을 평균적으로 축정하여 분석하고, 마이크로피펫 호흡(micropipette aspiration), 광집게(optical tweezers), 마그네틱 트위스팅 사이토메트리(magnetic twisting cytometry) 기술들은 측정 시간이 오래 걸리며 적혈구의 변형성을 측정하기 위해 큰 힘을 인가하기 때문에 정밀한 실험 수행에 어려움이 존재하나, 본 발명의 일실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 동일한 시편에 대해 3차원 굴절률 분포와 막 떨림을 동시에 측정하여 분석 가능함에 다라, 적혈구에 자극을 주지 않은 상태에서 적혈구의 변형성을 나타내는 막 떨림과 함께 적혈구의 표면적, 질량, 체적, 헤모글로빈 농도 등의 특성을 정밀하게 분석할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경에서 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 동시에 막 떨림을 분석하는 동작을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
도 5에서, 시편의 3차원 굴절률 분포 및 막떨림 분석은 도 1의 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경에 의해 수행될 수 있다.
도 5를 참고하면, 501 단계에서, 시편은 두 대물렌즈 사이에 고정되어 위치할 수 있다. 예를 들어, 시편으로는 적혈구, 백혈구, 혈소판 등의 단일 세포가 이용될 수 있으며, 시편은, 대물렌즈 1 및 대물렌즈 2 사이에 위치할 수 있다.
502 단계에서, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 거울 1을 이용하여 시편으로 입사되는 광선의 입사각을 변경할 수 있다. 이와 동시에, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 거울 2를 이용하여 광선의 입사각이 변경됨에 따라 달라진 광축이 일정해지도록 보정할 수 있다. 예를 들어, 거울 1 및 2로는 X-Y 갈바노 거울이 이용될 수 있다.
이어, 503 단계에서, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 CCD 렌즈를 이용하여 두 광선 간의 간섭 무늬를 측정할 수 있다.
예를 들어, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 CCD 렌즈에 촬상된 샘플 광선과 참조 광선이 겹쳐짐에 따라 생성된 간섭 무늬를 측정할 수 있다. 여기서, 샘플 광선(sample beam)은, 시편을 투과함에 따라 시편에 의해 왜곡된 파면을 가지는 광선을 나타내고, 참조 광선(reference beam)은, 시편을 투과함에 따라 발생하는 왜곡된 파면이 공간 주파수 필터링을 통해 제거된 광선을 나타낼 수 있다. 그리고, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 간섭 무늬에 기초하여 다양한 입사각으로 광선이 입사됨에 따른 시편의 필드 정보를 측정할 수 있다.
그리고, 504 단계에서, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 다양한 입사각에서 측정된 시편의 필드 정보를 이용하여 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산할 수 있다. 여기서, 시편의 필드 정보는, 시편의 위상 정보 및 시편의 세기 정보를 포함할 수 있다.
이때, 505 단계에서, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 거울 1을 시편에 수직한 방향으로 광선이 입사되도록 고정한 후, CCD 렌즈에 촬상되는 샘플 광선과 참조 광선 간의 간섭 무늬를 실시간으로 측정할 수 있다.
그리고, 506 단계에서, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 간섭 무늬를 이용하여 실시간으로 시편의 위상 정보를 분석할 수 있다. 예를 들어, 공통 광 경로 3차원 회절 광 현미경은 시편의 위상 정보와 3차원 굴절률 분포를 이용하여 시편의 두께 정보를 계산하고, 시편의 두께 정보를 이용하여 막 떨림을 분석할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 광선(beam)을 방사하는 광원(101);
    상기 광선이 시편(sample)에 입사하는 입사각을 변경하고, 입사각이 변경됨에 따라 달라진 광축을 보정하는 렌즈부(102);
    상기 시편을 투과한 광선들이 촬상되는 카메라부(103); 및
    상기 광선들 간의 간섭 무늬에 기초하여 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 시편의 막 떨림을 분석하는 분석부(104)
    를 포함하고,
    상기 렌즈부(102)는,
    상기 시편으로 입사되는 광선의 입사각이 수직이 되도록 상기 광원(101) 다음에 배치되며, 상기 광원(101)으로부터 입사되는 광선이 서로 다른 입사각을 갖도록 반사하는 거울 1(202);
    상기 거울 1(202) 다음에 배치되며, 상기 서로 다른 입사각을 갖는 광선을 투과시키는 렌즈 1(203);
    상기 거울 1(202) 다음에 배치되며, 상기 렌즈 1(203)로부터 입사되는 광선을 투과하여 상기 시편으로 출사하는 대물렌즈 1(204);
    상기 대물렌즈 1(204) 다음에 배치되며, 상기 시편을 투과함에 따라 왜곡된 파면을 갖는 입사각이 서로 상이한 광선을 출사하는 대물렌즈 2(206);
    상기 대물렌즈 2(206) 다음에 배치되며, 상기 대물렌즈 2(206)로부터 출사된 광선을 투과시키는 렌즈 2(207);
    상기 렌즈 2(207) 다음에 배치되며, 상기 렌즈 2(207)로부터 입사되는 서로 다른 입사각을 갖는 광선을 반사함으로써, 반사된 광선이 하기 렌즈 3(209)를 통과하여 상기 카메라부(103)에 촬상될 때까지 상기 거울 1(202)에 의해 달라진 광선의 광축을 일정하게 유지시키는 거울 2(208); 및
    상기 거울 2(208) 다음에 배치되는 렌즈 3(209) 및 렌즈 4(210)를 통과한 광선을 복수개로 분리하여 렌즈 5(212)로 출사시키는 그레이팅(grating, 211)
    을 포함하고,
    상기 거울 2(208)는,
    상기 렌즈 2(207)로부터 입사되는 서로 다른 입사각을 갖는 광선을 반사함으로써, 반사된 광선이 상기 렌즈 3(209)를 통과하여 상기 카메라부(103)에 촬상될 때까지 상기 거울 1(202)에 의해 달라진 광선의 광축을 일정하게 유지시키고,
    상기 분석부(104)는,
    상기 시편을 투과함에 따라 왜곡된 파면을 가지며, 상기 그레이팅(211)을 통과한 샘플 광선(sample)과 공간 주파수 필터링을 통해 상기 왜곡된 파면이 제거된 참조 영상(reference beam)이 상기 카메라부(103)에 촬상되면서 겹쳐지는 간섭 무늬에 기초하여 시편의 위상 정보와 세기 정보가 포함된 필드(field) 정보를 측정하고, 상기 필드 정보에 기초하여 상기 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 상기 3차원 굴절률 분포 계산 시 이용된 시편과 동일한 시편의 두께 정보를 상기 위상 정보에 기초하여 계산하고, 상기 시편의 두께 정보에 기초하여 상기 시편의 막 떨림을 분석하고,
    상기 샘플 광선과 참조 광선은,
    상기 카메라부(103)에 촬상될 때까지 동일한 광 경로를 경유하는 것
    을 특징으로 하는 광 현미경.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 거울 1은,
    상기 시편으로 입사되는 광선의 입사각을 변경하는 X-Y 갈바노 거울인 것
    을 특징으로 하는 광 현미경.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈부(102)는,
    상기 렌즈 5(212)와 상기 카메라부(103) 이전에 배치되는 렌즈 6(214) 사이에 배치되며, 핀홀(pin-hole)을 상기 렌즈 6(214)의 초점 거리에 위치시킨 후 상기 그레이팅(211)을 투과한 광선 중 어느 하나의 광선을 투과시킴으로써, 상기 시편을 투과함에 따라 발생하는 왜곡된 파면을 제거하는 공간 주파수 필터(213)
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 현미경.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시편은, 단일 세포인 것을 특징으로 하는 광 현미경.
  9. 광원(101), 렌즈부(102), 카메라부(103), 및 분석부(104)를 포함하는 광 현미경이 수행하는 시편 변형성 측정 방법에 있어서,
    상기 렌즈부(102)에서, 광원에서 방사된 광선이 시편(sample)에 입사하는 입사각을 변경하는 단계;
    상기 렌즈부(102)에서, 상기 입사각이 변경됨에 따라 달라진 광선의 광축을 보정하는 단계; 및
    상기 분석부(104)에서, 상기 시편을 투과한 광선들 간의 간섭 무늬에 기초하여 시편의 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 시편의 변형성을 나타내는 시편의 막 떨림을 분석하는 단계
    를 포함하고,
    상기 입사각을 변경하는 단계는,
    상기 시편으로 입사되는 광선의 입사각이 수직이 되도록 상기 광원(101) 다음에 배치되며, 상기 렌즈부(102)에 포함되는 거울 1(202)에서, 상기 광원(101)으로부터 입사되는 광선이 서로 다른 입사각을 갖도록 반사하고,
    상기 광축을 보정하는 단계는,
    상기 거울 1(202) 다음에 배치되며, 상기 렌즈부(102)에 포함되는 렌즈 1(203)에서, 상기 서로 다른 입사각을 갖는 광선을 투과시키고,
    상기 거울 1(202) 다음에 배치되며, 상기 렌즈부(102)에 포함되는 대물렌즈 1(204)에서, 상기 렌즈 1(203)로부터 입사되는 광선을 투과하여 상기 시편으로 출사하고,
    상기 대물렌즈 1(204) 다음에 배치되며, 상기 렌즈부(102)에 포함되는 대물렌즈 2(206)에서, 상기 시편을 투과함에 따라 왜곡된 파면을 갖는 입사각이 서로 상이한 광선을 출사하고,
    상기 대물렌즈 2(206) 다음에 배치되며, 상기 렌즈부(102)에 포함되는 렌즈 2(207)에서, 상기 대물렌즈 2(206)로부터 출사된 광선을 투과시키고,
    상기 렌즈 2(207) 다음에 배치되며, 상기 렌즈부(102)에 포함되는 거울 2(208)에서, 상기 렌즈 2(207)로부터 입사되는 서로 다른 입사각을 갖는 광선을 반사함으로써, 반사된 광선이 하기 렌즈 3(209)를 통과하여 상기 카메라부(103)에 촬상될 때까지 상기 거울 1(202)에 의해 달라진 광선의 광축을 일정하게 유지시키고
    상기 거울 2(208) 다음에 배치되는 렌즈 3(209) 및 렌즈 4(210) 다음에 배치되며, 상기 렌즈부(102)에 포함된 그레이팅(grating, 211)에서, 상기 렌즈 3(209) 및 렌즈 4(210)를 통과한 통과한 광선을 복수개로 분리하여 렌즈 5(212)로 출사시키고,
    상기 시편의 막 떨림을 분석하는 단계는,
    상기 시편을 투과함에 따라 왜곡된 파면을 가지며, 상기 그레이팅(211)을 통과한 샘플 광선(sample)과 공간 주파수 필터링을 통해 상기 왜곡된 파면이 제거된 참조 영상(reference beam)이 상기 카메라부(103)에 촬상되면서 겹쳐지는 간섭 무늬에 기초하여 시편의 위상 정보와 세기 정보가 포함된 필드(field) 정보를 측정하고,
    상기 필드 정보에 기초하여 상기 3차원 굴절률 분포를 계산하고, 상기 3차원 굴절률 분포 계산 시 이용된 시편과 동일한 시편의 두께 정보를 상기 위상 정보에 기초하여 계산하고 상기 시편의 두께 정보에 기초하여 상기 시편의 막 떨림을 분석하고,
    상기 샘플 광선과 참조 광선은,
    상기 카메라부(103)에 촬상될 때까지 동일한 광 경로를 경유하는 것
    을 특징으로 하는 광 현미경에서의 시편 변형성 측정 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 시편의 막 떨림을 분석하는 단계는,
    공간 주파수 필터링을 통해 상기 시편을 투과함에 따라 발생하는 왜곡된 광선의 파면을 제거하는 것
    을 특징으로 하는 광 현미경에서의 시편 변형성 측정 방법.
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