공간 필터는 공간상에 진행하는 빛의 특정 주파수 영역을 선택적으로 차단 및 통과시켜 광원의 수차 제거, 이미지 프로세싱, 레이저 빔 shaping 등의 역할을 하는 광학 요소이다. 가장 대표적인 공간 필터는 직사각형 형태의 슬릿(Slit), 원형의 핀홀(Pinhole)이 있다. 대다수의 공간 필터는 크기가 고정된 형태로 활용되고 있으나. 공간 필터의 크기에 따라 필터링되는 주파수 영역이 변경되며 연구 목적에 따라 적합한 크기의 공간 필터가 적용되어야 한다. 예를 들어, 핀홀이 활용되는 in vivo ...
공간 필터는 공간상에 진행하는 빛의 특정 주파수 영역을 선택적으로 차단 및 통과시켜 광원의 수차 제거, 이미지 프로세싱, 레이저 빔 shaping 등의 역할을 하는 광학 요소이다. 가장 대표적인 공간 필터는 직사각형 형태의 슬릿(Slit), 원형의 핀홀(Pinhole)이 있다. 대다수의 공간 필터는 크기가 고정된 형태로 활용되고 있으나. 공간 필터의 크기에 따라 필터링되는 주파수 영역이 변경되며 연구 목적에 따라 적합한 크기의 공간 필터가 적용되어야 한다. 예를 들어, 핀홀이 활용되는 in vivo 공초점 현미경의 경우 핀홀의 크기에 의해 분해능이 결정된다. 공초점 현미경에서 핀홀은 out-of-focal plane에서 발생하는 빛을 차단하고 초점 평면에서의 빛만을 통과시켜 샘플 내부 조직의 이미징을 가능하게 하는 역할을 한다. 따라서 핀홀의 크기가 증가하면 초점 평면이외의 빛이 이미징 되게 되며 이는 영상의 해상도 감소를 가져오게 된다. 반면 통과하는 빛의 양은 증가하기 때문에 영상의 밝기는 증가하게 된다. 따라서 관찰하고자 하는 대상의 특성 및 목적에 따라 광량과 해상도를 고려하여 적절한 크기의 핀홀을 선정하여야 한다. 현재 고정형 핀홀을 사용할 경우 핀홀 교체에 약 30분 이상의 시간이 소요되게 되며 시간 소요로 인하여 수 초 이내에 반응이 완료되는 다양한 생물학적 모델의 실시간 관찰에는 한계점을 가지고 있다. 이러한 한계극복을 위해 몇몇 크기의 조절이 가능한 가변형 공간 필터들이 연구되고 있다. 이러한 가변형 공간 필터는 구동 메커니즘에 따라 구분이 가능하며 대표적으로 기계적, opto-fluidic, electro-optical 매커니즘 3가지가 있다. 기계적 구동 방식의 공간 필터는 모터 또는 액추에이터와 같은 기계적 운동이 가능한 장치를 이용하여 블레이드의 위치를 조절하여 원하는 크기의 공간 필터를 구현하는 원리이다. 하지만, 완전한 원형의 구현은 불가능하며 블레이드 개수에 따라 다각형을 갖는 pseudo-circle의 한계점을 가지고 있다. 또한 다양한 크기의 공간 필터가 구현된 (원)판을 이동시켜 디텍터 앞에 위치시키는 방식도 존재하지만, 구동장치의 정밀도에 의해 미세 튜닝이 추가로 요구된다. Opto-fludic 구동 방식은, 유체를 이용하여 광학 투과도를 변경시키는 방식이다. 주로 불투명 또는 검은색의 유체를 마이크로 채널 내로 유입/유출 시켜 투과도를 조절한다. 공간 필터의 형상에 따라 설계된 마이크로 채널을 구현하고 해당 채널에 일정량의 유체를 유입시켜 원하는 크기의 공간 필터를 구현하는 방법이다. 하지만 유체의 움직임에 의해 필터의 형상이 결정되기 때문에 불연속적인 (모자이크 패턴)의 공간 필터 구현은 불가능한 한계점이 존재한다. Electro-optical 구동 방식은, 전기장을 이용하여 광학 투과도를 변경 하게 된다. 대표적으로 스마트 윈도우에 활용되는 PDLC를 이용한 방법이 있다. PDLC를 이용한 공간 필터는 MEMS, heat reflow 방식을 통하여 서로 다른 높이를 갖는 3차원 구조물을 제작하여 PDLC층의 두께 구배를 부여한다. PDLC는 층의 두께에 따라 투명하게 전환되는 데 필요한 인가전압이 비례하는 특성이 있어 전압량의 조절을 통하여 다양한 크기의 공간 필터의 튜닝이 가능한 원리이다. 해당 방식은 필터 크기의 연속적인 변화가 가능한 장점이 있으나, 구조물에 의해 PDLC층의 두께 구배가 결정되게 되고 이로 인하여 구현 가능한 형상이 구조물에 의해 결정되는 한계점이 존재한다. 또한 구조물 제작간 발생하는 표면 정밀도에 따라 구동 전압이 일정하지 않으며 이로 인해 정확한 필터 형태의 구현이 어려운 단점이 있다. 즉 원하는 크기의 필터의 구현이 어렵다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 공간 필터로 활용하고자 하는 각 영역의 독립적으로 제어가 가능한 전극과 PDLC를 적용하여 독립적 구동이 가능한 공간 필터를 제안한다. 독립적 제어가 가능한 전극 구현을 위해서 펨토초 레이저 기반의 마이크로 머시닝 기술을 활용하여 공간 필터의 기판인 ITO-glass의 패터닝을 진행한다. 패터닝된 ITO layer는 서로 전기적으로 분리되어 독립적으로 구동이 가능하도록 설계하였다. 이후 PDLC를 적용하여 전기장 인가에 따라 active area의 스위칭이 가능한 공간 필터, 크기 및 튜닝 위치 제어가 가능한 핀홀 및 슬릿을 개발하였다. 개발된 공간 필터는 in vivo 공초점 현미경 시스템 및 단색기(Monochromator) 시스템에 적용하여 성능을 검증하였다. 스위칭 타입의 공간 필터 중 펨토초 레이저의 양면 가공 특성을 활용하여 2개의 PDLC층으로 구성된 1010 어레이 타입의 공간 필터를 개발하였다. 각 층의 어레이 형태는 서로 직교 하도록 배치하여 구동시에 중첩되는 영역에서만 투과도 전환이 일어나며 그 외의 영역은 서로 가려지게 된다. 따라서 각 영역의 개별적인 구동이 가능한 원리이다. 개발된 어레이 타입의 공간 필터와 유사한 예는 SLM 및 디스플레이 표시 장치를 들수 있다. 하지만 이들은 개별 영역 (e.g 픽셀)의 구동을 위해서는 부가적인 전자 소자의 임베딩이 필요하며 이들에 의해 픽셀 영역에서 활용할 수 없는 데드존이 발생한다. 하지만 본 논문에서 개발된 공간 필터는 추가적인 전자 소자 등의 장치가 필요하지 않으며 dead zone free 특징을 가진다. In vivo 공초점 현미경 시스템은 레이저를 광원으로 하여 시료의 내부를 비절개적으로 관찰 할 수 있는 광학 영상 장치이다. 시료 내부의 관찰을 가능케 하는 핵심 광학 요소는 원형 공간 필터인 핀홀이다. 핀홀은 초점 평면에서 발생한 빛 만을 검출기로 통과시켜 광학 단층 촬영을 가능케 하며 핀홀의 크기에 따라 영상의 밝기, 해상도가 결정되게 된다. 본 연구에서는 50㎛, 100㎛, 150㎛의 직경 변경이 가능한 가변형 핀홀을 개발하였으며 이를 공초점 현미경에 적용하였다. 가변형 핀홀이 적용된 공초점 현미경을 이용하여 다양한 생체 시료의 in vivo, ex vivo 이미징을 진행하여 기능성을 검증하였다. 획득된 이미지로부터 밝기, 해상도를 정성적, 정량적으로 평가하였다. 또한 실시간 관찰을 위해서는 핀홀의 튜닝 속도가 중요한 인자이다. 개발된 가변형 핀홀의 응답속도 측정을 진행하였으며 약 60msec의 결과를 확인하였다. 단색기(Monochromator)는 시료의 형광 특성을 분석하기 위한 장치로 polychromatic light을 diffraction grating으로 분산시킨다. 분산된 빛은 슬릿에 의해 특정 위치의 빛(특정 파장 대역)만이 투과하게 된다. 좁은 슬릿은 좁은 대역의 파장 추출이 가능하며 spectral resolution이 높다. 하지만 광량의 감소가 필연적이며 이로 인해 형광 여기를 위한 광량이 충분치 못할 가능성이 존재한다. 즉. 분석하고자 하는 시료의 형광 특성에 따라 적절한 크기의 슬릿을 적용하여야 한다. 본 연구에서는 30㎛, 90㎛,150 ㎛ 의 너비 조절이 가능한 슬릿 I, 500㎛, 1000㎛, 1500㎛의 너비 조절이 가능한 슬릿 II를 개발하여 단색기에 적용하여 추출되는 빛의 밴드패스(Bandpass)를 정량적으로 평가하였으며 추출된 빛의 최소 밴드패스는 2.6nm 로 확인 되었다. 또한, 위치 조절이 가능한 2중 슬릿 및 3중 슬릿을 개발하였으며 단색기에서 빛의 중심 파장 변경을 확인하였다. 대다수의 상용 단색기는 추출되는 빛의 중심 파장의 변경을 위해서는 diffraction grating의 회전을 통하여 구현하지만 본 연구에서 개발된 슬릿은 물리적인 움직임 없이 파장 변경이 가능하였다.
공간 필터는 공간상에 진행하는 빛의 특정 주파수 영역을 선택적으로 차단 및 통과시켜 광원의 수차 제거, 이미지 프로세싱, 레이저 빔 shaping 등의 역할을 하는 광학 요소이다. 가장 대표적인 공간 필터는 직사각형 형태의 슬릿(Slit), 원형의 핀홀(Pinhole)이 있다. 대다수의 공간 필터는 크기가 고정된 형태로 활용되고 있으나. 공간 필터의 크기에 따라 필터링되는 주파수 영역이 변경되며 연구 목적에 따라 적합한 크기의 공간 필터가 적용되어야 한다. 예를 들어, 핀홀이 활용되는 in vivo 공초점 현미경의 경우 핀홀의 크기에 의해 분해능이 결정된다. 공초점 현미경에서 핀홀은 out-of-focal plane에서 발생하는 빛을 차단하고 초점 평면에서의 빛만을 통과시켜 샘플 내부 조직의 이미징을 가능하게 하는 역할을 한다. 따라서 핀홀의 크기가 증가하면 초점 평면이외의 빛이 이미징 되게 되며 이는 영상의 해상도 감소를 가져오게 된다. 반면 통과하는 빛의 양은 증가하기 때문에 영상의 밝기는 증가하게 된다. 따라서 관찰하고자 하는 대상의 특성 및 목적에 따라 광량과 해상도를 고려하여 적절한 크기의 핀홀을 선정하여야 한다. 현재 고정형 핀홀을 사용할 경우 핀홀 교체에 약 30분 이상의 시간이 소요되게 되며 시간 소요로 인하여 수 초 이내에 반응이 완료되는 다양한 생물학적 모델의 실시간 관찰에는 한계점을 가지고 있다. 이러한 한계극복을 위해 몇몇 크기의 조절이 가능한 가변형 공간 필터들이 연구되고 있다. 이러한 가변형 공간 필터는 구동 메커니즘에 따라 구분이 가능하며 대표적으로 기계적, opto-fluidic, electro-optical 매커니즘 3가지가 있다. 기계적 구동 방식의 공간 필터는 모터 또는 액추에이터와 같은 기계적 운동이 가능한 장치를 이용하여 블레이드의 위치를 조절하여 원하는 크기의 공간 필터를 구현하는 원리이다. 하지만, 완전한 원형의 구현은 불가능하며 블레이드 개수에 따라 다각형을 갖는 pseudo-circle의 한계점을 가지고 있다. 또한 다양한 크기의 공간 필터가 구현된 (원)판을 이동시켜 디텍터 앞에 위치시키는 방식도 존재하지만, 구동장치의 정밀도에 의해 미세 튜닝이 추가로 요구된다. Opto-fludic 구동 방식은, 유체를 이용하여 광학 투과도를 변경시키는 방식이다. 주로 불투명 또는 검은색의 유체를 마이크로 채널 내로 유입/유출 시켜 투과도를 조절한다. 공간 필터의 형상에 따라 설계된 마이크로 채널을 구현하고 해당 채널에 일정량의 유체를 유입시켜 원하는 크기의 공간 필터를 구현하는 방법이다. 하지만 유체의 움직임에 의해 필터의 형상이 결정되기 때문에 불연속적인 (모자이크 패턴)의 공간 필터 구현은 불가능한 한계점이 존재한다. Electro-optical 구동 방식은, 전기장을 이용하여 광학 투과도를 변경 하게 된다. 대표적으로 스마트 윈도우에 활용되는 PDLC를 이용한 방법이 있다. PDLC를 이용한 공간 필터는 MEMS, heat reflow 방식을 통하여 서로 다른 높이를 갖는 3차원 구조물을 제작하여 PDLC층의 두께 구배를 부여한다. PDLC는 층의 두께에 따라 투명하게 전환되는 데 필요한 인가전압이 비례하는 특성이 있어 전압량의 조절을 통하여 다양한 크기의 공간 필터의 튜닝이 가능한 원리이다. 해당 방식은 필터 크기의 연속적인 변화가 가능한 장점이 있으나, 구조물에 의해 PDLC층의 두께 구배가 결정되게 되고 이로 인하여 구현 가능한 형상이 구조물에 의해 결정되는 한계점이 존재한다. 또한 구조물 제작간 발생하는 표면 정밀도에 따라 구동 전압이 일정하지 않으며 이로 인해 정확한 필터 형태의 구현이 어려운 단점이 있다. 즉 원하는 크기의 필터의 구현이 어렵다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 공간 필터로 활용하고자 하는 각 영역의 독립적으로 제어가 가능한 전극과 PDLC를 적용하여 독립적 구동이 가능한 공간 필터를 제안한다. 독립적 제어가 가능한 전극 구현을 위해서 펨토초 레이저 기반의 마이크로 머시닝 기술을 활용하여 공간 필터의 기판인 ITO-glass의 패터닝을 진행한다. 패터닝된 ITO layer는 서로 전기적으로 분리되어 독립적으로 구동이 가능하도록 설계하였다. 이후 PDLC를 적용하여 전기장 인가에 따라 active area의 스위칭이 가능한 공간 필터, 크기 및 튜닝 위치 제어가 가능한 핀홀 및 슬릿을 개발하였다. 개발된 공간 필터는 in vivo 공초점 현미경 시스템 및 단색기(Monochromator) 시스템에 적용하여 성능을 검증하였다. 스위칭 타입의 공간 필터 중 펨토초 레이저의 양면 가공 특성을 활용하여 2개의 PDLC층으로 구성된 1010 어레이 타입의 공간 필터를 개발하였다. 각 층의 어레이 형태는 서로 직교 하도록 배치하여 구동시에 중첩되는 영역에서만 투과도 전환이 일어나며 그 외의 영역은 서로 가려지게 된다. 따라서 각 영역의 개별적인 구동이 가능한 원리이다. 개발된 어레이 타입의 공간 필터와 유사한 예는 SLM 및 디스플레이 표시 장치를 들수 있다. 하지만 이들은 개별 영역 (e.g 픽셀)의 구동을 위해서는 부가적인 전자 소자의 임베딩이 필요하며 이들에 의해 픽셀 영역에서 활용할 수 없는 데드존이 발생한다. 하지만 본 논문에서 개발된 공간 필터는 추가적인 전자 소자 등의 장치가 필요하지 않으며 dead zone free 특징을 가진다. In vivo 공초점 현미경 시스템은 레이저를 광원으로 하여 시료의 내부를 비절개적으로 관찰 할 수 있는 광학 영상 장치이다. 시료 내부의 관찰을 가능케 하는 핵심 광학 요소는 원형 공간 필터인 핀홀이다. 핀홀은 초점 평면에서 발생한 빛 만을 검출기로 통과시켜 광학 단층 촬영을 가능케 하며 핀홀의 크기에 따라 영상의 밝기, 해상도가 결정되게 된다. 본 연구에서는 50㎛, 100㎛, 150㎛의 직경 변경이 가능한 가변형 핀홀을 개발하였으며 이를 공초점 현미경에 적용하였다. 가변형 핀홀이 적용된 공초점 현미경을 이용하여 다양한 생체 시료의 in vivo, ex vivo 이미징을 진행하여 기능성을 검증하였다. 획득된 이미지로부터 밝기, 해상도를 정성적, 정량적으로 평가하였다. 또한 실시간 관찰을 위해서는 핀홀의 튜닝 속도가 중요한 인자이다. 개발된 가변형 핀홀의 응답속도 측정을 진행하였으며 약 60msec의 결과를 확인하였다. 단색기(Monochromator)는 시료의 형광 특성을 분석하기 위한 장치로 polychromatic light을 diffraction grating으로 분산시킨다. 분산된 빛은 슬릿에 의해 특정 위치의 빛(특정 파장 대역)만이 투과하게 된다. 좁은 슬릿은 좁은 대역의 파장 추출이 가능하며 spectral resolution이 높다. 하지만 광량의 감소가 필연적이며 이로 인해 형광 여기를 위한 광량이 충분치 못할 가능성이 존재한다. 즉. 분석하고자 하는 시료의 형광 특성에 따라 적절한 크기의 슬릿을 적용하여야 한다. 본 연구에서는 30㎛, 90㎛,150 ㎛ 의 너비 조절이 가능한 슬릿 I, 500㎛, 1000㎛, 1500㎛의 너비 조절이 가능한 슬릿 II를 개발하여 단색기에 적용하여 추출되는 빛의 밴드패스(Bandpass)를 정량적으로 평가하였으며 추출된 빛의 최소 밴드패스는 2.6nm 로 확인 되었다. 또한, 위치 조절이 가능한 2중 슬릿 및 3중 슬릿을 개발하였으며 단색기에서 빛의 중심 파장 변경을 확인하였다. 대다수의 상용 단색기는 추출되는 빛의 중심 파장의 변경을 위해서는 diffraction grating의 회전을 통하여 구현하지만 본 연구에서 개발된 슬릿은 물리적인 움직임 없이 파장 변경이 가능하였다.
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