KR102355140B1 - 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 장치를 이용한 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법은, 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계; 이미지 측정부에서 상기 시편의 다른 깊이(depth) 위치 상에서 다른 위치를 측정하도록 구성되어, 상기 시편의 2차원 영상을 측정하는 단계; 및 서로 다른 상기 패턴과 서로 다른 상기 깊이(depth) 위치에서 측정한 상기 2차원 영상을 바탕으로 상기 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THREE-DIMENSIONAL OPTICAL TOMOGRAPHY USING PARTIALLY COHERENT LIGHT AND MULTIPLE ILLUMINATION PATTERN}
아래의 실시예들은 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 저간섭성의 광원을 이용하여 3차원 굴절률 영상을 복원하는 3차원 광회절 단층촬영 방법 및 장치에 관한 것이다.
광회절 단층촬영법(Optical Diffraction Tomography, ODT)은 비침습적인 방식으로 샘플의 3차원 굴절률(Refractive Index, RI) 분포를 정량적으로 복구할 수 있기 때문에, 박테리아, 세포, 조직 등 생물학적 연구뿐만 아니라, 플라스틱 렌즈의 결함 확인, 미세한 3차원 온도 분포 측정 등 다양한 분야에 적용되어 사용되고 있다(비특허문헌 1).
기존의 ODT 기술은 간섭성이 높은 광원(coherent illumination)을 바탕으로 시편에서 산란된 신호와 참조광(reference light)을 간섭시켜서 발생하는 패턴을 간섭계(interferometry)를 사용하여 측정하여 분석하는 것을 기본으로 한다. 하지만, 이 경우 광원의 높은 간섭성으로 인해 speckle noise와 같은 영상 품질 저하가 발생할 수 있으며, 간섭계를 구성하고 유지하는 과정에서 여러 가지 취약점(예컨대, 진동에 의한 잡음, 복잡한 기구, 정밀한 장비 유지 요구 등)이 발생할 수 있다.
이 문제를 해결하기 위해 간섭성이 낮은 광원을 이용하여 시편의 굴절률 정보를 측정할 수 있는 이론이 개발되었고(비특허문헌 2 및 3), 최근 실험적으로 구현되었다(비특허문헌 4). 하지만, 종래 방식으로 측정된 3차원 굴절률 영상은 시편의 3차원 구조를 정확하게 측정하지 못하고 상당한 영상 왜곡이 발생한다.
Park, YongKeun, Christian Depeursinge, and Gabriel Popescu. "Quantitative phase imaging in biomedicine."　Nature Photonics　12.10 (2018): 578-589. Streibl, Norbert. "Three-dimensional imaging by a microscope."　JOSA A　2.2(1985): 121-127. Bao, Yijun, and Thomas K. Gaylord. "Quantitative phase imaging method based on an analytical nonparaxial partially coherent phase optical transfer function."　JOSA A　33.11(2016): 2125-2136.
Figure 112020078904802-pat00001
Soto, Juan M., Jos A. Rodrigo, and Tatiana Alieva. "Label-free quantitative 3D tomographic imaging for partially coherent light microscopy."　Optics express　25.14(2017): 15699-15712.
실시예들은 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 간섭성이 낮은 광원(low coherence light or partially coherent light)을 사용하고 참조광(reference beam)이 없는 단순한 광학 측정 장비에서, 정확한 3차원 굴절률 영상을 획득하기 위한 기술을 제공한다.
실시예들은 여러 장의 최적화된 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하고, 이를 바탕으로 3차원 영상의 왜곡 없이 정확한 값과 형상을 가진 굴절률 토모그래피를 구성하는, 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
실시예들은 간섭성이 낮은 일반적인 광원을 이용하여, 간섭계 등을 사용하지 않는 간단한 영상 측정 장치를 이용하여, 작은 시편의 3차원 굴절률 정보를 정확하게 측정할 수 있는, 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 장치를 이용한 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법은, 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계; 이미지 측정부에서 상기 시편의 다른 깊이(depth) 위치 상에서 다른 위치를 측정하도록 구성되어, 상기 시편의 2차원 영상을 측정하는 단계; 및 서로 다른 상기 패턴과 서로 다른 상기 깊이(depth) 위치에서 측정한 상기 2차원 영상을 바탕으로 상기 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 시편의 2차원 영상을 측정하기 이전에, 상기 시편과 상기 이미지 측정부 사이에 광 전파부가 위치하여 상기 시편과 상기 이미지 측정부 사이에 빛의 전파를 일으키는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계는, 적어도 3개 이상의 광 조명 패턴을 사용하고, 빛의 세기는 공간주파수 좌표계를 기준으로 최외각에 위치하며, 상기 최외각으로 정의된 지점에서 공간주파수가 중심으로 이동하면서 빛의 세기는 줄어드는 조건을 만족하는 패턴들을 조합하여 최종 광학 전달 함수(Optical Transfer Function, OTF)를 생성할 때, 각 공간주파수 위치에서 광학 전달 함수(OTF) 값이 최대한 균일하도록 패턴을 결정할 수 있다.
상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계는, 투과형 또는 반사형 디스플레이 장치를 사용하거나 패턴이 기록된 장치를 사용하여 입사 패턴을 제어함에 따라 상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사할 수 있다.
상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계는, 고정된 기구물에 다른 각도로 입사하는 상기 광원을 사용하여 입사 패턴을 제어함에 따라 상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사할 수 있다.
상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계는, 상기 광원과 상기 패턴을 제어하는 입사 패턴 제어부가 일체형으로 구성된 LED(Light Emitting Device) array 또는 micro LED array를 사용하여, 상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사할 수 있다.
상기 2차원 영상을 바탕으로 상기 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원하는 단계는, 진폭(amplitude) 및 위상(phase)에 의한 3D 점 확산 함수(Point Spread Function, PSF)를 계산하고, 각기 다른 z 위치에서 측정된 2차원 영상 i(x,y,z) 정보를 바탕으로 v(x,y,z) = amplitude(x,y,z) + i * phase(x,y,z)를 재구성하는 방식으로, 상기 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원할 수 있다.
다른 실시예에 따른 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 장치는, 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 입사 패턴 제어부; 상기 시편의 다른 깊이(depth) 위치 상에서 다른 위치를 측정하도록 구성되어, 상기 시편의 2차원 영상을 측정하는 이미지 측정부; 및 서로 다른 상기 패턴과 서로 다른 상기 깊이(depth) 위치에서 측정한 상기 2차원 영상을 바탕으로 상기 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원하는 계산부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 시편과 상기 이미지 측정부 사이에 위치하여 상기 시편과 상기 이미지 측정부 사이에 빛의 전파를 일으키는 광 전파부를 더 포함할 수 있다.
상기 입사 패턴 제어부는, 적어도 3개 이상의 광 조명 패턴을 사용하고, 빛의 세기는 공간주파수 좌표계를 기준으로 최외각에 위치하며, 상기 최외각으로 정의된 지점에서 공간주파수가 중심으로 이동하면서 빛의 세기는 줄어드는 조건을 만족하는 패턴들을 조합하여 최종 광학 전달 함수(Optical Transfer Function, OTF)를 생성할 때, 각 공간주파수 위치에서 광학 전달 함수(OTF) 값이 최대한 균일하도록 패턴을 결정할 수 있다.
실시예들에 따르면 간섭성이 낮은 일반적인 광원을 이용하여, 간섭계 등을 사용하지 않는 간단한 영상 측정 장치를 이용하여, 작은 시편의 3차원 굴절률 정보를 정확하게 측정할 수 있는, 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 기존의 기술들로는 정확하게 측정이 어려웠던 생물학 세포와 같은 투명한 물체의 3차원 굴절률 정보를 쉽고 정밀하게 측정할 수 있기 때문에, 이를 활용하면 추가적인 표지 없이 생물학 연구와 의학 진단 분야에서 널리 활용될 수 있다.
도 1a은 일반적인 저간섭성 3차원 현미경 영상 복원의 예를 나타내는 도면이다.
도 1b는 도 1a의 실험적으로 측정한 미세 플라스틱 구슬의 3차원 복원 영상을 나타내는 도면이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 여러 장의 입사 패턴의 특징을 나타내는 도면이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 3가지 입사 패턴을 사용하는 예를 나타내는 도면이다.
도 2c는 일 실시예에 따른 4가지 입사 패턴을 사용하는 예를 나타내는 도면이다.
도 2d는 일 실시예에 따른 계산한 여러 장의 입사 패턴으로 측정한 3차원 굴절률 영상 결과를 나타내는 도면이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 제안하는 조건을 만족하지 못하는 입사 패턴의 특징을 나타내는 도면이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 제안하는 조건을 만족하지 못하는 입사 패턴으로 측정한 3차원 굴절률 영상 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 장치를 나타내는 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 측정 암세포들의 3차원 굴절률 영상을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
아래의 실시예들은 간섭성이 낮은 광원(low coherence light or partially coherent light)을 사용하고 참조광(reference beam)이 없는 단순한 광학 측정 장비에서, 정확한 3차원 굴절률 영상을 획득하기 위한 기술을 제공한다.
연구를 통해 파악한 기존 기술의 문제점은 3차원 영상을 구성하기 위한 2차원 정보 획득 과정에서, 영상 시스템의 광학 전달 함수(Optical Transfer Function, OTF)를 정확하게 반영하지 못한다는 점이다. 이로 인해, 측정하여 구성한 3차원 영상 정보에서 심각한 정보 왜곡이 발생할 수 있다. 보다 구체적으로, 기존 방식에서는 시편에 입사되는 광원이 Kohler illumination이라고 하는 일반적인 현미경 광원을 이용하게 되는데, 이 경우, 구성되는 3차원 공간주파수(spatial frequency)별로 전송 효율(transfer efficiency)이 다르게 되어 3차원 영상의 왜곡이 발생하게 되는 것이다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 본 실시예에서는 여러 장의 최적화된 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하고, 이를 바탕으로 3차원 영상의 왜곡 없이 정확한 값과 형상을 가진 굴절률 토모그래피를 구성하는 것이 목적이다.
실시예들은 저간섭성의 광원을 이용하여 3차원 굴절률 영상을 복원하는 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 여러 2차원 패턴 광원을 이용하고, 광학 전달 함수(OTF)의 왜곡 발생을 최소화할 수 있는 특수한 패턴 광원을 사용하는 것이 핵심이다.
3차원 영상 생성 이론에 따르면(비특허문헌 2 및 3), 3차원 물체는 3차원 빛의 흡수도와 관련된 분포 amplitude(x,y,z)와 3차원 굴절률과 관련된 분포 phase(x,y,z)로 구성되고, 3차원 물체는 복소수로 v(x,y,z) = amplitude(x,y,z) + i * phase(x,y,z)로 표현된다. 이 3차원 물체를 현미경 등 영상 장비를 이용하여 카메라로 기록하면, 측정된 빛의 세기 분포는 다음 식과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
i(x,y,z) = b(x,y,z) + amplitude(x,y,z) Δ PSF_A(x,y,z) + phase(x,y,z) Δ PSF_P(x,y,z)
여기서, b는 배경 빛 세기 분포를 나타내고, Δ 기호는 합성(convolution)을 나타낸다. PSF_A(x,y,z) 및 PSF_P(x,y,z)는 각각 진폭(amplitude) 및 위상(phase)에 의한 3D 점 확산 함수(Point Spread Function, PSF)이다.
3차원 영상 복원은 각기 다른 z 위치에서 측정한 여러 장의 2차원 세기 분포 영상을 이용하여 복원하게 되는데, 구체적으로는 [수학식 1]을 푸리에 변환한 [수학식 2]를 이용하여 3차원 공간상에서 이루어질 수 있다. [수학식 1]을 푸리에 변환하면 다음 식과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
I(k_x,k_y,k_z) = B(k_x,k_y,k_z) + Amplitude(k_x,k_y,k_z) H_A(k_x,k_y,k_z) + Phase(k_x,k_y,k_z) H_P(k_x,k_y,k_z)
여기서, B(k_x,k_y,k_z), Amplitude(k_x,k_y,k_z) 및 Phase(k_x,k_y,k_z)는 각각 b(x,y,z), amplitude(x,y,z) 및 phase(x,y,z)를 3차원 푸리에 변환한 것이며, 대문자 및 소문자로 구분하여 표현될 수 있다.
광학 현미경 시스템이 준비되면, 광학 현미경 시스템의 광원과 영상 획득부의 구성에 따라 PSF_A(x,y,z) 및 PSF_P(x,y,z)를 계산하여 넣어주고, 각기 다른 z 위치에서 측정된 i(x,y,z) 정보를 바탕으로 [수학식 2]를 통해 v(x,y,z) = amplitude(x,y,z) + i * phase(x,y,z)를 재구성하는 방식으로 3차원 복원 과정을 진행할 수 있다. 이 때, PSF_A(x,y,z) 및 PSF_P(x,y,z)의 형태에 따라 3차원 영상 복원의 품질이 결정되는 것을 [수학식 1]과 [수학식 2]에서 확인할 수 있다.
도 1a은 일반적인 저간섭성 3차원 현미경 영상 복원의 예를 나타내는 도면이다. 그리고 도 1b는 도 1a의 실험적으로 측정한 미세 플라스틱 구슬의 3차원 복원 영상을 나타내는 도면이다.
도 1a를 참조하면, 종래의 일반적인 저간섭성 3차원 현미경 영상 복원의 예를 나타내며, 각각의 입사 조건에 따른 3차원 광학 전달 함수(OTF)의 형태를 나타낸다. 여기서 진폭(amplitude) 및 위상(phase)은 모든 도면에서 반전될 수 있다.
일반적인 입사 광을 사용한 경우 시뮬레이션(simulation)과 실험 결과를 나타내며, 도 1a의 첫 번째 경우("#1, half NA")에는 시편에 입사되는 광원이 일반적인 현미경에서 사용되는 Kohler illumination이고, 대물 렌즈(objective lens)의 numerical aperture(NA) 기준으로 절반에 해당하는 NA로 입사한 경우이다. 진폭(Amplitude) 광학 전달 함수(OTF)와 위상(Phase) 광학 전달 함수(OTF)를 보면 각 공간주파수 별로 정보를 측정하지 못하는 경우와 정보가 왜곡되어서 복원되는 경우가 많음을 확인할 수 있다. 또한, 도 1a의 두 번째 경우("#2, full NA with gradient")에는 대물 렌즈(objective lens)의 numerical aperture(NA) 기준으로 full에 해당하는 NA로 입사한 경우이다.
이를 바탕으로 영상 측정을 하게 되면 도 1b와 같은 결과를 얻을 수 있다. 즉, 도 1b를 참조하면, 실험적으로 측정한 미세 플라스틱 구슬의 3차원 복원 영상을 확인할 수 있으며, 3차원 영상에 상당한 왜곡이 발생함을 확인할 수 있다. 이 때, 3 um 지름을 가진 미세 플라스틱 구슬(polystyrene bead)를 오일(oil)에 넣고 측정할 수 있다.
도 2a는 일 실시예에 따른 여러 장의 입사 패턴의 특징을 나타내는 도면이다. 또한 도 2b는 일 실시예에 따른 3가지 입사 패턴을 사용하는 예를 나타내는 도면이고, 도 2c는 일 실시예에 따른 4가지 입사 패턴을 사용하는 예를 나타내는 도면이다. 그리고 도 2b는 일 실시예에 따른 계산한 여러 장의 입사 패턴으로 측정한 3차원 굴절률 영상 결과를 나타내는 도면이다.
본 실시예의 핵심은 진폭(amplitude) 및 위상(phase)에 의한 3D 점 확산 함수(PSF) PSF_A(x,y,z) 및 PSF_P(x,y,z)가 이상적인 상황이 될 수 있도록 특별히 계산된 여러 장의 입사 패턴을 이용하여 3차원 영상을 구성하는 것이다. 본 실시예에서 제안된 여러 장의 입사 패턴의 특징은 도 2a에 도시된 바와 같다. 최소 3장 이상의 광 패턴을 사용하는데, 공간주파수 좌표계(k_x, k_y) 기준으로 다음과 같은 특성을 갖는다.
(1) 굴절률의 실수부와 허수부를 동시에 측정하기 위해서 최소 3개 이상의 광 조명 패턴을 사용한다. 굴절률의 실수부만 측정하기 위해서 (즉, 시편에서 빛의 흡수를 무시할 수 있는 경우) 최소 2개 이상의 광 조명 패턴을 사용한다.
(2) 빛의 세기가 가장 큰 위치는 공간주파수 좌표계 기준으로 최외각 또는 중앙에 위치한다.
(3) (2)에서 정의된 지점에서 공간주파수가 (0, 0)인 곳(중심)으로 이동하면서 빛의 세기는 줄어든다. 이 때, 줄어드는 경향성은 선형 감소보다 빠르게 줄어들어야 한다.
(4) (1), (2), (3) 조건을 만족하는 패턴들을 조합하여 최종 광학 전달 함수(OTF)를 생성할 때, 각 공간주파수 위치에서 광학 전달 함수(OTF) 값이 최대한 균일하도록 패턴을 결정한다.
여기서, 여러 장의 입사 패턴은 도 2b에 도시된 바와 같이 3가지 입사 패턴을 사용할 수 있고, 도 2c에 도시된 바와 같이 4가지 입사 패턴을 사용할 수도 있다. 도 2d를 참조하면, 본 실시예에서 제안한 방식으로 계산한 여러 장의 입사 패턴으로 측정한 3차원 굴절률 영상 결과를 나타낸다. 도시된 패턴은 본 발명을 적용한 패턴의 일 예이고, 실제 적용에서는 위 조건들을 만족하는 다른 패턴 조합을 사용하는 것이 가능하다.
기존 방식으로 측정한 결과에서 문제가 되었던 영상의 왜곡과 아티팩트(artifact) 등이, 새로운 방식으로 측정한 결과에서는 대부분 해결 되었음을 확인할 수 있다. 특히, 측면 뷰(side view)(x-z 또는 x-y 단면도)에서 확인할 수 있듯이, 시편의 3차원 복원 중에서 중요한 광축 방향 영상의 왜곡이 거의 사라진 것을 확인할 수 있다.
도 3a는 일 실시예에 따른 제안하는 조건을 만족하지 못하는 입사 패턴의 특징을 나타내는 도면이다. 그리고 도 3b는 일 실시예에 따른 제안하는 조건을 만족하지 못하는 입사 패턴으로 측정한 3차원 굴절률 영상 결과를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 실시예에 따른 제안하는 조건을 만족하지 못하는 다른 입사 패턴에서 측정한 3차원 굴절률 영상을 나타내며, 영상의 왜곡이 확연하다.
본 실시예에서 제안하는 방식과 그리고 얻게 되는 3차원 굴절률 영상의 결과는, 단순히 여러 광 패턴을 사용한다고 해서 달성할 수 있는 것이 아니다. 일 예로, 단순히 빛을 절반씩 막는 패턴을 여러 장 사용하여 3차원 굴절률을 복원하는 경우, 오히려 더 심각한 영상 왜곡이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 여러 장의 패턴을 사용하더라도, 단순한 패턴을 사용하는 경우 3차원 광학 전달 함수(OTF) 공간을 균일하게 채우지 못하게 되기 때문이다.
도 4는 일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 장치를 이용한 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법은, 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계(S110), 이미지 측정부에서 시편의 다른 깊이(depth) 위치 상에서 다른 위치를 측정하도록 구성되어, 시편의 2차원 영상을 측정하는 단계(S130), 및 서로 다른 패턴과 서로 다른 깊이(depth) 위치에서 측정한 2차원 영상을 바탕으로 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원하는 단계(S140)를 포함하여 이루어질 수 있다.
시편의 2차원 영상을 측정하기 이전에, 시편과 이미지 측정부 사이에 광 전파부가 위치하여 시편과 이미지 측정부 사이에 빛의 전파를 일으키는 단계(S120)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 방법의 각 단계를 보다 상세히 설명한다.
일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 방법은 일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 장치를 이용하여 보다 구체적으로 설명할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 장치를 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 광회절 단층촬영 장치(500)는 입사 패턴 제어부(510), 이미지 측정부(530) 및 계산부(540)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 차원 광회절 단층촬영 장치(500)는 광 전파부(520)를 더 포함할 수 있다.
단계(S110)에서, 입사 패턴 제어부(510)는 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사할 수 있다. 입사 패턴 제어부(510)는 입사 패턴을 제어하기 위한 장치이다. 여기서, 시편은 투과형 또는 반사형 구조로 구성할 수 있다.
입사 패턴 제어부(510)는 적어도 3개 이상의 광 조명 패턴을 사용하고, 빛의 세기는 공간주파수 좌표계를 기준으로 최외각에 위치하며, 최외각으로 정의된 지점에서 공간주파수가 중심으로 이동하면서 빛의 세기는 줄어드는 조건을 만족하는 패턴들을 조합하여 최종 광학 전달 함수(Optical Transfer Function, OTF)를 생성할 때, 각 공간주파수 위치에서 광학 전달 함수(OTF) 값이 최대한 균일하도록 패턴을 결정할 수 있다.
입사 패턴 제어부(510)는 투과형 또는 반사형 디스플레이 장치를 사용하여 입사 패턴을 제어함에 따라 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사할 수 있다. 예를 들어 LCD(Liquid Crystal Display)를 사용하여 투과형 제어부를 구성할 수 있다. 다른 예로, 디지털 마이크로미러 디바이스(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하여 반사형 제어부를 구성할 수 있다. 또 다른 예로, 공간광변조기(Spatial Light Modulator)를 사용하여 투과형 또는 반사형 제어부를 구성할 수 있다.
입사 패턴 제어부(510)는 패턴이 기록된 장치를 사용하여 입사 패턴을 제어함에 따라 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사할 수 있다. 예를 들어, 앞에서 설명한 패턴 조건을 만족시키는 적어도 하나 이상의 2차원 흡광 패턴(들)을 회전시키거나 이송시킴으로써 입사 패턴을 제어할 수 있다.
입사 패턴 제어부(510)는 고정된 기구물에 다른 각도로 입사하는 광원을 사용하여 입사 패턴을 제어함에 따라 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사할 수 있다. 즉, 입사 패턴을 제어하기 위해 고정된 기구물에 입사 광을 제어하여 구성할 수 있다. 예를 들어 반구형 고정된 기구물에 다른 각도로 입사하는 광원을 사용하여 앞에서 설명한 패턴 조건을 만족시키도록 구성할 수 있다.
또한, 입사 패턴 제어부(510)는 광원과 패턴을 제어하는 입사 패턴 제어부(510)가 일체형으로 구성된 LED(Light Emitting Device) array 또는 micro LED array 등을 사용하여, 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사할 수 있다.
단계(S120)에서, 광 전파부(520)는 시편과 이미지 측정부(530) 사이에 위치하여, 시편과 이미지 측정부(530) 사이에 빛의 전파를 일으킬 수 있다. 광 전파부(520)는 시편과 이미지 측정부(530) 사이에 빛의 전파를 일으킬 수 있는 장치 또는 초점 거리를 바꿀 수 있는 기구이다.
단계(S130)에서, 이미지 측정부(530)는 시편의 다른 깊이(depth) 위치 상에서 다른 위치를 측정하도록 구성되어, 시편의 2차원 영상을 측정할 수 있다. 예를 들어, 시편에서 산란된 정보를 획득하는 대물 렌즈를 시편 방향으로 가까이 또는 멀리 이동함으로써 구성할 수 있다. 또한, 시편의 위치를 렌즈 방향에서 가깝게 하거나 멀리 이동함으로써 구성할 수 있다. 또한, 렌즈의 초점 거리를 바꾸는 방식으로 구성할 수 있다.
단계(S140)에서, 계산부(540)는 여러 장 측정된 2차원 영상에서 3차원 굴절률 영상을 복원할 수 있다. 이러한 계산부(540)는 서로 다른 패턴과 서로 다른 깊이(depth) 위치에서 측정한 2차원 영상을 바탕으로, [수학식 2]를 이용하여 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원할 수 있다.
보다 구체적으로, 2차원 영상을 바탕으로 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원하는 단계는, 진폭(amplitude) 및 위상(phase)에 의한 3D 점 확산 함수(Point Spread Function, PSF)를 계산하고, 각기 다른 z 위치에서 측정된 2차원 영상 i(x,y,z) 정보를 바탕으로, [수학식 2]를 통해 v(x,y,z) = amplitude(x,y,z) + i * phase(x,y,z)를 재구성하는 방식으로, 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 측정 암세포들의 3차원 굴절률 영상을 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 일 실시예에 따라 측정한 암세포들의 3차원 굴절률 영상의 예를 나타낸다.
실시예들에 따르면 간섭성이 낮은 일반적인 광원을 이용하여, 간섭계 등을 사용하지 않는 간단한 영상 측정 장치를 이용하여, 작은 시편의 3차원 굴절률 정보를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 기존의 기술들로는 정확하게 측정이 어려웠던 생물학 세포와 같은 투명한 물체의 3차원 굴절률 정보를 쉽고 정밀하게 측정할 수 있기 때문에, 이를 활용하면 추가적인 표지 없이 생물학 연구와 의학 진단 분야에서 널리 활용될 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
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 (10)

  1. 3차원 광회절 단층촬영 장치를 이용한 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 방법에 있어서,
    복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계;
    이미지 측정부에서 상기 시편의 다른 깊이(depth) 위치 상에서 다른 위치를 측정하도록 구성되어, 상기 시편의 2차원 영상을 측정하는 단계; 및
    서로 다른 상기 패턴과 서로 다른 상기 깊이(depth) 위치에서 측정한 상기 2차원 영상을 바탕으로 상기 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원하는 단계
    를 포함하고,
    상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계는,
    적어도 3개 이상의 광 조명 패턴을 사용하고, 빛의 세기는 공간주파수 좌표계를 기준으로 최외각에 위치하며, 상기 최외각으로 정의된 지점에서 공간주파수가 중심으로 이동하면서 빛의 세기는 줄어드는 조건을 만족하는 패턴들을 조합하여 최종 광학 전달 함수(Optical Transfer Function, OTF)를 생성할 때, 각 공간주파수 위치에서 광학 전달 함수(OTF) 값이 최대한 균일하도록 패턴을 결정하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 광회절 단층촬영 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시편의 2차원 영상을 측정하기 이전에, 상기 시편과 상기 이미지 측정부 사이에 광 전파부가 위치하여 상기 시편과 상기 이미지 측정부 사이에 빛의 전파를 일으키는 단계
    를 더 포함하는, 3차원 광회절 단층촬영 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계는,
    투과형 또는 반사형 디스플레이 장치를 사용하거나 패턴이 기록된 장치를 사용하여 입사 패턴을 제어함에 따라 상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 광회절 단층촬영 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계는,
    고정된 기구물에 다른 각도로 입사하는 상기 광원을 사용하여 입사 패턴을 제어함에 따라 상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 광회절 단층촬영 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 단계는,
    상기 광원과 상기 패턴을 제어하는 입사 패턴 제어부가 일체형으로 구성된 LED(Light Emitting Device) array 또는 micro LED array를 사용하여, 상기 복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 광회절 단층촬영 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 영상을 바탕으로 상기 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원하는 단계는,
    진폭(amplitude) 및 위상(phase)에 의한 3D 점 확산 함수(Point Spread Function, PSF)를 계산하고, 각기 다른 z 위치에서 측정된 2차원 영상 i(x,y,z) 정보를 바탕으로 v(x,y,z) = amplitude(x,y,z) + i * phase(x,y,z)를 재구성하는 방식으로, 상기 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 광회절 단층촬영 방법.
  8. 저간섭성 광원과 다중 패턴 조명을 이용한 3차원 광회절 단층촬영 장치에 있어서,
    복수 개의 패턴을 이용하여 시편에 광원을 입사하는 입사 패턴 제어부;
    상기 시편의 다른 깊이(depth) 위치 상에서 다른 위치를 측정하도록 구성되어, 상기 시편의 2차원 영상을 측정하는 이미지 측정부; 및
    서로 다른 상기 패턴과 서로 다른 상기 깊이(depth) 위치에서 측정한 상기 2차원 영상을 바탕으로 상기 시편의 3차원 굴절률 정보를 복원하는 계산부
    를 포함하고,
    상기 입사 패턴 제어부는,
    적어도 3개 이상의 광 조명 패턴을 사용하고, 빛의 세기는 공간주파수 좌표계를 기준으로 최외각에 위치하며, 상기 최외각으로 정의된 지점에서 공간주파수가 중심으로 이동하면서 빛의 세기는 줄어드는 조건을 만족하는 패턴들을 조합하여 최종 광학 전달 함수(Optical Transfer Function, OTF)를 생성할 때, 각 공간주파수 위치에서 광학 전달 함수(OTF) 값이 최대한 균일하도록 패턴을 결정하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 광회절 단층촬영 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시편과 상기 이미지 측정부 사이에 위치하여 상기 시편과 상기 이미지 측정부 사이에 빛의 전파를 일으키는 광 전파부
    를 더 포함하는, 3차원 광회절 단층촬영 장치.
  10. 삭제
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230166265A (ko) * 2022-05-30 2023-12-07 주식회사 토모큐브 Ai 기술 기반의 3차원 굴절률 현미경 영상 분해능 개선 시스템 및 방법

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005181356A (ja) 2003-12-15 2005-07-07 Canon Inc カメラシステム、カメラ、アクセサリ及び撮影レンズ
CN109580457B (zh) * 2018-11-01 2021-05-04 南京理工大学 基于led阵列编码照明的三维衍射层析显微成像方法
CN115015176B (zh) * 2022-05-18 2023-08-29 北京大学长三角光电科学研究院 一种光学衍射层析成像增强方法和装置
CN115598822B (zh) * 2022-12-15 2023-03-10 达州爱迦飞诗特科技有限公司 智能多维度显微图像采集与处理方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080004634A (ko) * 2005-05-06 2008-01-09 씨리얼 테크놀로지스 게엠베하 삼차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 장치
KR20170124204A (ko) * 2016-05-02 2017-11-10 주식회사 토모큐브 자동 보정 집광렌즈를 이용한 자동으로 초점을 조절하는 방법 및 장치
KR101888924B1 (ko) * 2017-01-06 2018-08-17 주식회사 토모큐브 디지털 마이크로미러 소자와 시간 복합 구조화 조명을 이용한 구조화 조명 현미경 시스템 및 그 동작 방법
KR102083875B1 (ko) * 2014-08-11 2020-03-03 한국전자통신연구원 홀로그래픽 영상에 대한 품질 측정 장치 및 방법
KR20200074460A (ko) * 2018-12-17 2020-06-25 주식회사 토모큐브 간섭 패턴에서 파동의 위상 정보 추출 방법 및 장치

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5671085A (en) 1995-02-03 1997-09-23 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for three-dimensional microscopy with enhanced depth resolution
US6741362B2 (en) * 2001-05-07 2004-05-25 Asml Holding N.V. Method, system, and computer program product for determining refractive index distribution
WO2004073501A2 (en) * 2003-02-20 2004-09-02 Gutin Mikhail Optical coherence tomography with 3d coherence scanning
JP4454030B2 (ja) * 2006-02-21 2010-04-21 国立大学法人 筑波大学 ３次元光断層画像の画像処理方法
CN103954602B (zh) * 2014-03-10 2016-08-17 北京理工大学 激光双轴差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置
US9626587B2 (en) * 2014-08-28 2017-04-18 Toshiba Medical Systems Corporation Iterative reconstruction scheme for phase contrast tomography
WO2016118761A1 (en) * 2015-01-21 2016-07-28 California Institute Of Technology Fourier ptychographic tomography
US9955863B2 (en) * 2015-05-28 2018-05-01 Cylite Pty Ltd High resolution 3-D spectral domain optical imaging apparatus and method
KR101716125B1 (ko) 2015-07-20 2017-03-15 주식회사 토모큐브 파면 제어기를 활용한 초고속 고정밀 3차원 굴절률 측정 방법 및 장치
US10845759B2 (en) * 2016-05-06 2020-11-24 Uwm Research Foundation, Inc. Snapshot optical tomography system and method of acquiring an image with the system
KR101865624B1 (ko) * 2016-06-10 2018-06-11 주식회사 토모큐브 파면 제어기를 이용한 초고속 3차원 굴절률 영상 촬영 및 형광 구조화 조도 현미경 시스템 및 이를 이용한 방법
WO2019008569A1 (en) * 2017-07-06 2019-01-10 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. SYSTEM AND METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL OPTICAL IMAGING WITHOUT BIOLOGICAL CELL SAMPLE MARKER IN A CLIMATE CHAMBER
CN107290846B (zh) 2017-08-04 2019-06-21 南京理工大学 基于环状可编程led照明的定量相位显微成像方法
CN108519728A (zh) * 2018-02-12 2018-09-11 北京工业大学 一种高分辨率数字全息衍射层析成像
CN109061220B (zh) * 2018-09-04 2020-07-31 北京航空航天大学 一种基于激光吸收光谱层析成像技术的气流二维速度分布测量方法
CN109580457B (zh) * 2018-11-01 2021-05-04 南京理工大学 基于led阵列编码照明的三维衍射层析显微成像方法
CN110441983B (zh) * 2019-07-24 2022-09-09 成都仲伯科技有限公司 基于光学传递函数的x光高分辨率成像方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080004634A (ko) * 2005-05-06 2008-01-09 씨리얼 테크놀로지스 게엠베하 삼차원 장면의 홀로그래픽 재구성을 위한 장치
KR102083875B1 (ko) * 2014-08-11 2020-03-03 한국전자통신연구원 홀로그래픽 영상에 대한 품질 측정 장치 및 방법
KR20170124204A (ko) * 2016-05-02 2017-11-10 주식회사 토모큐브 자동 보정 집광렌즈를 이용한 자동으로 초점을 조절하는 방법 및 장치
KR101888924B1 (ko) * 2017-01-06 2018-08-17 주식회사 토모큐브 디지털 마이크로미러 소자와 시간 복합 구조화 조명을 이용한 구조화 조명 현미경 시스템 및 그 동작 방법
KR20200074460A (ko) * 2018-12-17 2020-06-25 주식회사 토모큐브 간섭 패턴에서 파동의 위상 정보 추출 방법 및 장치

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Rodrigo, and Tatiana Alieva. "Label-free quantitative 3D tomographic imaging for partially coherent light microscopy." Optics express 25.14(2017): 15699-15712.
Bao, Yijun, and Thomas K. Gaylord. "Quantitative phase imaging method based on an analytical nonparaxial partially coherent phase optical transfer function." JOSA A 33.11(2016): 2125-2136.
Park, YongKeun, Christian Depeursinge, and Gabriel Popescu. "Quantitative phase imaging in biomedicine." Nature Photonics 12.10 (2018): 578-589.
Soto, Juan M., Jos
Streibl, Norbert. "Three-dimensional imaging by a microscope." JOSA A 2.2(1985): 121-127.

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230166265A (ko) * 2022-05-30 2023-12-07 주식회사 토모큐브 Ai 기술 기반의 3차원 굴절률 현미경 영상 분해능 개선 시스템 및 방법
KR102659201B1 (ko) 2022-05-30 2024-04-22 주식회사 토모큐브 Ai 기술 기반의 3차원 굴절률 현미경 영상 분해능 개선 시스템 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20220034646A1 (en) 2022-02-03
US11408725B2 (en) 2022-08-09
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CN114002190A (zh) 2022-02-01
JP2022024950A (ja) 2022-02-09
EP3945307C0 (en) 2023-07-26
JP7117677B2 (ja) 2022-08-15
EP3945307A1 (en) 2022-02-02
EP3945307B1 (en) 2023-07-26

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