발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 형광 현미경 기술은 제한된 관측 시간, 광신호 포화, 시료 손상 등의 한계를 가집니다.

• 기존 간섭-산란 현미경(iSCAT)은 초점면 변경 시 기준장의 변화를 유발하여 일관된 신호 측정이 어렵습니다.

• 대물렌즈의 얕은 초점 심도로 인해 3차원 공간에 흩어진 사물 전체에 대한 영상 신호 취득이 제한됩니다.

• 정밀한 초점 조절에 사용되는 압전소자 구동 방식은 반응 속도가 매우 느립니다.

• 고배율 대물렌즈 사용 시 굴절률 매칭을 위한 오일이 샘플 교란을 일으켜 영상의 질을 저하시킬 수 있습니다.

기술의 필요성

• 대물렌즈나 샘플을 직접 움직이지 않고 3차원 공간의 초점을 빠르고 정확하게 맞출 수 있는 새로운 기술이 필요합니다.

• 항상 일관된 기준장을 유지하여 안정적이고 신뢰도 높은 간섭-산란 신호를 얻을 수 있는 방안이 요구됩니다.

• 샘플에 물리적 교란을 주지 않아 외부 진동에 민감한 측정 환경에서도 유용하게 사용될 수 있는 기술이 필요합니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 원격 재초점(Remote Refocusing) 시스템을 적용하여 기존 간섭-산란 현미경의 한계를 극복합니다. 이 시스템의 핵심 원리는 다음과 같습니다.

• 제1 대물렌즈가 샘플로부터 수집한 모든 빛(출력광)을 제2 대물렌즈를 이용해 광학적으로 재구현합니다.

• 이 과정에서 발생할 수 있는 광학적 수차를 고개구수의 제2 대물렌지를 통해 효과적으로 보상합니다.

• 최종적으로 제2 대물렌즈의 영상 공간에 수차가 없는 선명한 상을 형성하여 검출기로 전달합니다.

구체적인 구현 방법

1. 광원에서 나온 입사광이 제1 대물렌즈를 통해 샘플에 조사됩니다.

2. 샘플에서 반사 및 산란된 출력광이 제1 대물렌즈에 의해 수집됩니다.

3. 수집된 출력광은 제1 텔레센트릭 렌즈와 제2 대물렌즈를 통과하여 원격 초점 공간에 상을 맺습니다.

4. 초점 공간에 위치한 이동거울이 출력광을 반사시킵니다.

5. 반사된 빛은 다시 제2 대물렌즈와 제1 튜브렌즈를 거쳐 제1 검출기에서 검출되어 영상화됩니다.

6. 핵심적으로, 이동거울의 위치를 광축 방향으로 조절함으로써, 샘플을 직접 움직이지 않고도 3차원 상의 초점을 빠르고 정밀하게 맞출 수 있습니다.

기술의 장점

• 일관된 기준장이 유지되어 안정적인 간섭-산란 현미경 검사를 수행할 수 있습니다.

• 샘플 내에서 빠르게 움직이는 사물에 대한 초점상도 기존 기술보다 신속하게 획득할 수 있습니다.

• 대물렌즈나 샘플 스테이지의 물리적 이동이 없어 샘플에 교란을 주지 않으며, 영상의 질을 높입니다.

• 물리적 교란이 없으므로 외부 진동에 민감한 고정밀 측정이 요구되는 환경에 매우 유용합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 원격 재초점 시스템이 적용된 간섭-산란 현미경의 핵심 성능을 규명하는 것을 목적으로 합니다. 구체적으로는 기존 방식인 샘플 스테이지 이동에 따른 초점 변화와, 본 발명의 핵심인 거울 이동 방식에 따른 초점 변화를 직접 비교하여 그 효율성과 연관성을 분석하고자 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 직경 0.2㎛의 폴리스티렌 입자가 무작위로 분포된 PDMS 샘플을 준비합니다.

2. 기존 방식(iSCAT 채널) 측정을 위해 샘플 스테이지를 수직으로 이동시키며 입자 영상의 변화를 측정합니다.

3. 본 발명(RF-iSCAT 채널) 측정을 위해 샘플 스테이지는 고정한 채, 원격 초점 공간의 거울을 이동시키며 영상 변화를 측정합니다.

4. 각 방식에서 얻은 영상의 세기 변화를 비교하고, 초점이 가장 선명하게 맺히는 스테이지 위치와 거울 위치 값들의 관계를 분석합니다.

실험 결과

실험 결과, 원격 재초점 시스템의 거울 이동만으로도 샘플 스테이지를 물리적으로 이동시킨 것과 동일한 초점 조절 효과를 얻을 수 있음을 확인했습니다. 특히, 샘플 스테이지의 최적 초점 위치와 거울의 최적 초점 위치 사이에는 명확한 선형 관계가 성립하는 것을 발견했습니다. 이는 거울의 위치 값만으로도 샘플 내 입자의 실제 수직 위치를 정밀하게 예측하고 제어할 수 있음을 의미합니다. 아래 차트는 두 위치 값의 선형 관계를 시각적으로 보여줍니다.