KR102522512B1 - 시분할 광원장치와 공간분할 이미징 센서를 이용한 filter-wheel free 다파장 형광 동시 검출 시스템 - Google Patents
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Abstract
시분할 광원장치와 공간분할 이미징 센서를 이용한 filter-wheel free 다파장 형광 동시 검출 시스템은 다파장 광원부, 집속 광학부, 공간 분할부, 및 이미징 광학부를 포함한다. 다파장 광원부는 서로 다른 파장의 광을 출력하고, 집속 광학부는 서로 다른 파장의 광을 집속하여 동일한 형광 영역으로 전달하고, 공간 분할부는 형광 영역으로부터 전달된 형광을 파장 영역에 따라 공간적으로 분할하며, 이미징 광학부는 공간적으로 분할된 형광을 서로 분리하여 출력한다. 이와 같은 구성에 의하면, 서로 다른 파장의 광원을 동일 형광 영역에 조사하고, 검출된 형광을 공간적으로 분할하여 서로 다른 영역에서 영상화하기 때문에, 장치의 부피 및 비용을 저감하면서도, 다파장의 형광을 동시에 검출할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 다파장 형광 동시 검출 관련 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생화학물질에서 발생하는 형광을 측정함에 있어서, 여러 종류의 형광을 원활하게 측정할 수 있음과 동시에 장치의 소형화 및 경제성 향상을 달성할 수 있도록 하는 다파장 형광 검출 시스템에 관한 것이다.
생화학물질에서 발생하는 형광을 측정하기 위해서는, 먼저 형광물질에 에너지를 주기 위한 여기광을 제공한다. 다양한 형광물질에 따라 여기효율이 높은 여기광의 파장대가 각각 따로 존재하기 때문에, 어떤 특정 형광물질을 원활하게 측정하기 위해서는 해당 형광물질의 발생 형광의 양을 최대로 만들기 위해 해당 형광물질에 적합한 파장대의 여기광을 사용하게 된다.
이러한 원리에 따라 다중 형광 검출을 위해서는 여러 종류의 여기광이 사용되는데, 이러한 여기광들이 형광검출에 서로 영향을 주지 않아야 한다. 따라서 다채널 형광측정시스템은 다양한 종류의 형광물질에 각각 적합한 서로 다른 파장대의 여기광을 형광물질 별로 공급할 수 있도록 형성된다.
이와 같은 기능을 실현하기 위하여, 통상적으로는 모든 파장 대역의 광을 포함하는 백색광원을 기본광원으로 사용하되, 각 형광물질에 맞는 파장대의 광만 선택적으로 통과시키는 다수의 밴드패스필터를 필터휠에 설치하고, 필터휠을 회전시켜 측정하고자 하는 형광물질에 적합한 밴드패스필터를 선택하여 여기광을 만들어낸다.
또한, 형광을 검출하는 수광부의 경우에도, 특정 파장만 통과시키는 다수의 밴드패스필터를 필터휠에 설치하고, 필터휠을 회전시켜 검출하고자 하는 형광물질에 적합한 밴드패스필터를 선택하여 형광량을 측정한다. 이러한 과정에서, 여기광에 의한 백그라운드 간섭을 최소화하기 위해 통상적으로 다이크로익 빔스플리터(dichroic beam splitter)를 사용한다.
그런데, 종래의 형광 검출 장치는 특정 파장대의 형광을 검출하기 위해 밴드패스필터, 다이크로익 빔스플리터, 광원, 수광센서를 포함하여 이루어지는 측정채널이 필요한바, 다수 파장대의 형광 검출을 위해서는 다수의 측정채널이 필요하여 장치 부피 및 비용이 지나치게 증가하게 된다.
뿐만 아니라, 서로 다른 파장대의 형광을 측정하기 위해서는, 특정 파장대에 최적화된 어느 하나의 측정채널로 측정을 수행한 뒤 이동하여 다른 특정 파장대에 최적화된 다른 측정채널로 바꾸어 다시 측정을 해야 하는데, 이 과정에서 시간적 지연에 따른 반응 정도 차이로 인한 측정 오차가 발생될 위험성 또한 커진다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 장치의 부피 및 비용을 저감하면서도, 다파장의 형광을 동시에 검출할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다파장 형광 동시 검출 시스템은 다파장 광원부, 집속 광학부, 공간 분할부, 및 이미징 광학부를 포함한다. 다파장 광원부는 서로 다른 파장의 광을 출력하고, 집속 광학부는 서로 다른 파장의 광을 집속하여 동일한 형광 영역으로 전달하고, 공간 분할부는 형광 영역으로부터 전달된 형광을 파장 영역에 따라 공간적으로 분할하며, 이미징 광학부는 공간적으로 분할된 형광을 서로 분리하여 출력한다.
이와 같은 구성에 의하면, 서로 다른 파장의 광원을 동일 형광 영역에 조사하고, 검출된 형광을 공간적으로 분할하여 서로 다른 영역에서 영상화하기 때문에, 장치의 부피 및 비용을 저감하면서도, 다파장의 형광을 동시에 검출할 수 있게 된다.
이때, 이미징 광학부로부터 전달된 광을 파장 영역에 따라 서로 다른 영역에서 검출하는 이미지 센서부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 이미지 센서부에서 검출되는 물리적 영역에 따라 파장 영역을 구별할 수 있게 된다.
또한, 이미지 센서부에서 검출된 데이터를 미리 설정된 영역에 따라 각각 처리하는 영상 처리부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 파장 영역별로 분리하여 구분되는 영상 처리를 수행할 수 있게 된다.
또한, 다파장 광원부에서의 광의 주파수와 시분할 제어를 수행하는 광원 제어부를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 출력 가능한 복수의 광에 대해 주파수와 시분할을 제어함으로써, 다양한 형광 영상을 확보할 수 있게 된다.
또한, 영상 처리부에 의해 처리된 영상을 미리 설정된 영역에 따라 각각 분석하는 영상 분석부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 서로 다른 파장에 대해 획득된 영상을 각각 이용하여 영상을 분석할 수 있게 된다.
또한, 미리 설정된 영역에 따라 각각 처리된 영상을 조합 또는 합성하여 출력하는 영상 출력부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 필요에 따라 영상 출력의 형태를 변화하여 더욱 효과적인 영상을 확보할 수 있게 된다.
또한, 다파장 광원부는 복수의 백색 광원 및 백색 광원에 각각 대응하는 서로 다른 파장영역의 필터를 포함할 수 있으며, 서로 다른 파장 영역의 복수의 광원을 포함할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 서로 다른 파장의 광원을 동일 형광 영역에 조사하고, 검출된 형광을 공간적으로 분할하여 서로 다른 영역에서 영상화하기 때문에, 장치의 부피 및 비용을 저감하면서도, 다파장의 형광을 동시에 검출할 수 있게 된다.
또한, 이미지 센서부에서 검출되는 물리적 영역에 따라 파장 영역을 구별할 수 있게 된다.
또한, 파장 영역별로 분리하여 구분되는 영상 처리를 수행할 수 있게 된다.
또한, 출력 가능한 복수의 광에 대해 주파수와 시분할을 제어함으로써, 다양한 형광 영상을 확보할 수 있게 된다.
또한, 서로 다른 파장에 대해 획득된 영상을 각각 이용하여 영상을 분석할 수 있게 된다.
또한, 필요에 따라 영상 출력의 형태를 변화하여 더욱 효과적인 영상을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 광원장치와 공간분할 이미징 센서를 이용한 filter-wheel free 다파장 형광 동시 검출 시스템의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 다파장 형광 동시 검출 시스템의 사용 상태를 도시한 도면.
도 3 및 도 4는 다파장 광원부(110)의 도 2의 실제 구현 예를 도시한 도면.
도 5는 공간 분할부의 공간분할 멀티플렉싱 모듈을 도시한 도면.
도 6은 도 5의 공간분할 멀티플렉싱 모듈의 각 면을 분리하여 도시한 도면.
도 7은 도 1의 시분할 광원장치와 공간분할 이미징 센서를 이용한 filter-wheel free 다파장 형광 동시 검출 시스템에서 수행되는 검출 과정을 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1의 다파장 형광 동시 검출 시스템의 사용 상태를 도시한 도면.
도 3 및 도 4는 다파장 광원부(110)의 도 2의 실제 구현 예를 도시한 도면.
도 5는 공간 분할부의 공간분할 멀티플렉싱 모듈을 도시한 도면.
도 6은 도 5의 공간분할 멀티플렉싱 모듈의 각 면을 분리하여 도시한 도면.
도 7은 도 1의 시분할 광원장치와 공간분할 이미징 센서를 이용한 filter-wheel free 다파장 형광 동시 검출 시스템에서 수행되는 검출 과정을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 광원장치와 공간분할 이미징 센서를 이용한 filter-wheel free 다파장 형광 동시 검출 시스템의 개략적인 블록도이고, 도 2는 도 1의 다파장 형광 동시 검출 시스템의 사용 상태를 도시한 도면이다.
도 1에서, 다파장 형광 동시 검출 시스템은 다파장 광원부(110), 집속 광학부(120), 공간 분할부(130), 이미징 광학부(140), 이미지 센서부(150), 영상 처리부(160), 광원 제어부(170), 영상 분석부(180), 및 영상 출력부(190)를 포함한다.
다파장 광원부(110)는 서로 다른 파장의 광을 출력한다. 이때, 다파장 광원부(110)는 복수의 백색 광원 및 백색 광원에 각각 대응하는 서로 다른 파장영역의 필터를 포함할 수 있으며, 서로 다른 파장 영역의 복수의 광원을 포함할 수도 있다.
도 3 및 도 4는 도 2의 다파장 광원부 실제 구현 예를 도시한 도면이다. 도 3에는 다파장 광원이 백색광 LED와 다파장 필터를 이용하여 구현된 예가, 도 4에는 다파장 LED를 이용하여 구현된 예가 각각 도시되어 있다. 도 3과 도 4에서 다파장 광원부(110)는 렌즈를 더 포함하고 있는 것을 확인할 수 있다.
집속 광학부(120)는 서로 다른 파장의 광을 집속하여 동일한 형광 영역으로 전달하고, 공간 분할부(130)는 형광 영역으로부터 전달된 형광을 파장 영역에 따라 공간적으로 분할한다.
도 5는 공간 분할부의 공간분할 멀티플렉싱 모듈을 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 공간분할 멀티플렉싱 모듈의 각 면을 분리하여 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 공간 분할부(130)는 모듈 형태로 제작되어 어레이 형태로 결합될 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 광원쪽면의 하나의 개구부로 입사된 광이 이미지면에서는 파장별로 분할되어 서로 다른 개구부를 통해 각각 출력되는 것을 확인할 수 있다.
이미징 광학부(140)는 공간적으로 분할된 형광을 서로 분리하여 출력한다. 이와 같은 구성에 의하면, 서로 다른 파장의 광원을 동일 형광 영역에 조사하고, 검출된 형광을 공간적으로 분할하여 서로 다른 영역에서 영상화하기 때문에, 장치의 부피 및 비용을 저감하면서도, 다파장의 형광을 동시에 검출할 수 있게 된다.
이미지 센서부(150)는 이미징 광학부(140)로부터 전달된 광을 파장 영역에 따라 서로 다른 영역에서 검출한다. 이와 같은 구성에 의하면, 이미지 센서부에서 검출되는 물리적 영역에 따라 파장 영역을 구별할 수 있게 된다.
영상 처리부(160)는 이미지 센서부(150)에서 검출된 데이터를 미리 설정된 영역에 따라 각각 처리한다. 이와 같은 구성에 의하면, 파장 영역별로 분리하여 구분되는 영상 처리를 수행할 수 있게 된다.
광원 제어부(170)는 다파장 광원부(110)에서의 광의 주파수와 시분할 제어를 수행한다. 이와 같은 구성에 의하면, 출력 가능한 복수의 광에 대해 주파수와 시분할을 제어함으로써, 다양한 형광 영상을 확보할 수 있게 된다.
영상 분석부(180)는 영상 처리부(160)에 의해 처리된 영상을 미리 설정된 영역에 따라 각각 분석한다. 이와 같은 구성에 의하면, 서로 다른 파장에 대해 획득된 영상을 각각 이용하여 영상을 분석할 수 있게 된다.
영상 출력부(190)는 미리 설정된 영역에 따라 각각 처리된 영상을 조합 또는 합성하여 출력한다. 이와 같은 구성에 의하면, 필요에 따라 영상 출력의 형태를 변화하여 더욱 효과적인 영상을 확보할 수 있게 된다.
도 7은 도 1의 시분할 광원장치와 공간분할 이미징 센서를 이용한 filter-wheel free 다파장 형광 동시 검출 시스템에서 수행되는 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8에서, 먼저 어레이 형태로 구성된 다파장 광원과 형광여기 영역으로 빛을 전달하는 집속 광학계를 구하고, 파장별 시분할을 통해 동일한 영역에 다파장 여기광을 조사한다.
이어서, 샘플단에서 조사된 파장에 따라 여기된 형광신호는 2차원 구조의 복수의 필터를 경유하여 파장별로 서로 다른 광경로를 어레이 형태로 만들게 되고, 어레이 형태의 다파장 형광신호는 카메라에 공간분할되어 관측된다.
이를 활용하여 필터휠이 없고, 복수의 카메라가 필요없는 다파장 형광 동시 검출 시스템을 구현할 수 있으며, 본 발명의 활용을 통해 감염병 등 유전성 질환을 진단할 수 있는 필터휠이 없는 멀티플렉싱 소형 분자진단 장비 구현이 가능해 진다.
이를 위해, 본 발명은 다파장 광원 어레이로부터 조사되는 여기광을 동일 형광영역으로 빛을 전달하는 광학장치, 다파장 광원의 주파수와 조사를 빠르게 제어할 수 있는 시분할 소프트웨어 및 하드웨어, 다파장 광원과 이에 대응하여 방출되는 복수 형광신호의 빛 간섭을 최소화하는 복수의 멀티밴드 투과필터, 파장에 대응하여 여기되는 복수의 형광신호를 파장별로 분리하여 어레이 형태로 카메라에 결상하는 3차원 형태의 광경로 결상광학계, 카메라에 공간분할되어 결상되는 파장별 형광신호를 분석하는 소프트웨어, 및 다파장 광원 및 영상시스템을 제어할 수 있는 마이크로콘트롤러유닛을 포함할 수 있다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
110: 다파장 광원부
120: 집속 광학부
130: 공간 분할부
140: 이미징 광학부
150: 이미지 센서부
160: 영상 처리부
170: 광원 제어부
180: 영상 분석부
190: 영상 출력부
120: 집속 광학부
130: 공간 분할부
140: 이미징 광학부
150: 이미지 센서부
160: 영상 처리부
170: 광원 제어부
180: 영상 분석부
190: 영상 출력부
Claims (8)
- 서로 다른 파장의 광을 출력하는 다파장 광원부;
상기 서로 다른 파장의 광을 집속하여 동일한 형광 영역으로 전달하는 집속 광학부;
상기 형광 영역으로부터 전달된 형광 영상을 파장 영역에 따라 공간적으로 분할하는 공간 분할부; 및
상기 공간적으로 분할된 형광 영상을 서로 분리하여 출력하는 이미징 광학부를 포함하는 다파장 형광 동시 검출 시스템으로서,
상기 이미징 광학부로부터 전달된 영상을 파장 영역에 따라 단일 이미지 센서의 서로 다른 위치 영역에서 각각 검출하는 이미지 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 형광 동시 검출 시스템.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 이미지 센서부에서 검출된 데이터를 미리 설정된 영역에 따라 각각 처리하는 영상 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 형광 동시 검출 시스템.
- 청구항 3에 있어서,
상기 다파장 광원부에서의 광의 주파수와 시분할 제어를 수행하는 광원 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 형광 동시 검출 시스템.
- 청구항 4에 있어서,
상기 영상 처리부에 의해 처리된 영상을 상기 미리 설정된 영역에 따라 각각 분석하는 영상 분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 형광 동시 검출 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 미리 설정된 영역에 따라 각각 처리된 영상을 조합 또는 합성하여 출력하는 영상 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 형광 동시 검출 시스템.
- 청구항 6에 있어서,
상기 다파장 광원부는 복수의 백색 광원 및 상기 백색 광원에 각각 대응하는 서로 다른 파장영역의 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 형광 동시 검출 시스템.
- 청구항 6에 있어서,
상기 다파장 광원부는 서로 다른 파장 영역의 복수의 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 형광 동시 검출 시스템.
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