KR20190063027A - A method for auto-focus controlling in a line-scanning confocal microscopy and the apparatus therefor - Google Patents

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KR20190063027A
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Abstract

The present invention provides an autofocus detection method in a laser scanning confocal microscope using a rolling shutter sensor. The present invention reduces the complexity of the entire system by combining a part of optical systems of an autofocus detection module with a basic microscope system, and automatically analyzes only the intensity of light in an acquired image to automatically reduce a focus detection time.

Description

라인 스캐닝 방식의 공초점 현미경에서의 자동초점조절 방법 및 장치 {A method for auto-focus controlling in a line-scanning confocal microscopy and the apparatus therefor}[0001] The present invention relates to a method and apparatus for automatic focusing of a line-scanning type confocal microscope,

본 발명은 공초점 현미경에서의 자동초점조절 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for automatic focusing in a confocal microscope.

종래 현미경에서 사용하는 자동초점조절 (auto-focus controlling) 방법은 크게 두 가지 방법으로 구분된다. 하나는 이미지 (영상) 분석 기반 자동초점조절 방법이고, 다른 하나는 레이저를 이용한 자동초점조절 방법이다. 이미지 분석 기반 자동초점조절 방법은, 관측을 위한 대상물체 (specimen 또는 sample)의 영상을 분석하여 최적의 초점위치를 검출하고 조절하는 방법이다. 이미지 분석 방법은 측정 대상물체의 영상을 수득하고 이의 콘트라스트 (contrast)를 분석하는 것을 포함하는 SW (software) 알고리즘만으로 자동초점조절을 수행할 수 있으므로, 자동초점조절을 위한 별도의 광학 시스템이 필요하지 않다는 장점이 있다. 또한, 이미지 분석 알고리즘의 효용 정도에 따라 초점위치를 조절하는데 있어 오차율이 매우 적다는 장점이 있다. 그러나, 현미경은 수 ㎛ 단위의 변화에 민감하기 때문에 정확한 초점위치를 찾기 위해서는 미세 단위로 분할된 깊이 영상 (depth image)을 획득하여야 하고, 무작위한 위치의 샘플을 찾고, 영상을 촬영하여 분석하기까지 많은 시간이 소요되어 속도가 느리다는 단점이 있다. 또한, 대상물체가 놓인 슬라이드나 플레이트 자체의 물리적인 두께 오차로 인해, 샘플 위치를 변경하는 과정에서 초점위치를 찾기 위한 스캐닝 영역이 수 ㎜까지 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 물리적인 오차를 보완하기 위해 깊이 방향으로의 영상 획득 영역을 넓게 설정해야 할 필요가 있으며, 이 경우 자동초점조절은 더욱 느려지게 된다.The conventional auto-focus controlling method used in the conventional microscope is divided into two methods. One is an image (image) analysis based autofocusing method, and the other is an automatic focusing method using a laser. An image analysis based auto focus adjustment method is a method of detecting and adjusting an optimal focus position by analyzing an image of a specimen or a specimen for observation. Since the image analysis method can perform the automatic focus adjustment only by the SW (software) algorithm including obtaining the image of the object to be measured and analyzing the contrast of the object, a separate optical system for automatic focus adjustment is required There is an advantage that it is not. In addition, there is an advantage that the error rate is very small in adjusting the focus position according to the utility degree of the image analysis algorithm. However, since the microscope is sensitive to changes in the number of micrometers, it is necessary to acquire a depth image divided into fine units in order to find an accurate focal position, to find a sample at a random position, It takes a lot of time and slows down. Further, due to the physical thickness error of the slide on which the object is placed or the plate itself, there may be a difference of up to several millimeters in the scanning area for searching for the focus position in the course of changing the sample position. Therefore, in order to compensate for this physical error, it is necessary to set the image acquisition area in the depth direction to be wide, and in this case, the auto focus adjustment becomes slower.

다른 방법은, 형광 현미경에서 사용하는 형광 광원 외의 파장대역 (예를 들어, 근적외선)을 갖는 광원을 사용하여 별도 모듈 (module)을 구성하고, 측정하고자 하는 대상물체로부터 반사되는 빛을 별도의 센서로 받아 분석하는 방법이다. 예를 들어, 레이저 자동초점조절 방법은 대상물체에서 반사되어 되돌아오는 빛을 슬릿 (slit) 또는 핀홀 (pin-hole)에 통과시킨 후 PD (photo diode)로 세기 (intensity)를 검출하여 초점위치를 확인한다. 이와 같은 레이저 자동초점조절 방법은 기본 공초점 현미경 시스템 공간 외의 영역에 자동초점모듈의 구성을 위한 공간이 요구되지만, 이미지 분석이 필요 없고, 신속한 스캐닝이 가능하므로, 자동초점조절 속도가 빠르다는 장점이 있다. 또한, 외부 진동에 의해 대상물체가 놓인 플레이트 또는 스테이지 (stage)의 위치가 흔들리더라도 넓은 영역에 대해 빠른 스캐닝이 가능하기 때문에, 상기한 최대 수 ㎜까지 발생하는 대상물체를 포함하는 샘플이 놓이는 플레이트의 물리적인 두께 오차에 대한 문제점을 극복할 수 있다. 이러한 방법은, 측정 대상물체의 실제 초점위치가 아닌 광의 굴절률이 변하는 계면, 즉, 광 도파 매질이 변하는 지점, 예를 들어, air, water, oil 등 과 샘플 플레이트 혹은 슬라이드글라스 사이의 계면, 글라스와 샘플 사이의 계면, 샘플과 커버글라스 사이의 계면 등을 기준위치로써 검출하는 것으로서, 검출된 계면에 따라 실제 초점위치와 약 1 mm 이하의 오차를 갖는다. 따라서, 상기 검출된 계면 또는 기준위치로부터 측정 대상물체의 초점위치까지 일정 오프셋 (offset) 거리만큼 이동이 필요하다. 이 때 오프셋 거리는 초기 설정값으로써, 시야 또는 관찰 위치 (FOV, field of view)에 무관하게 고정된 값으로 주어지므로, 대상물체의 분포 및 형태에 따른 초점위치 오차가 발생하게 된다. Another method is to construct a separate module by using a light source having a wavelength band (for example, near-infrared ray) other than the fluorescent light source used in a fluorescence microscope, and to transmit the light reflected from the object to be measured to a separate sensor It is a method to receive and analyze. For example, the laser auto-focusing method is a method in which light reflected from a target object is passed through a slit or a pin-hole, and intensity is detected by a PD (photo diode) Check. Such a laser auto focus adjustment method requires a space for configuring an autofocus module in an area outside the basic confocal microscope system space, but it does not require image analysis and can perform fast scanning, have. Further, even if the position of the plate or the stage on which the object is placed due to the external vibration is able to be scanned quickly over a wide area, the plate on which the sample including the object, which occurs up to the maximum number of millimeters, Can overcome the problem of the physical thickness error of the substrate. This method can be applied not only to the actual focal position of the object to be measured but also to the interface where the refractive index of light changes, that is, the point where the optical waveguide medium changes, for example, the interface between the sample plate or the slide glass, An interface between the sample and the sample, and an interface between the sample and the cover glass as reference positions, and has an actual focal position and an error of about 1 mm or less depending on the detected interface. Therefore, it is necessary to move the object at a predetermined offset distance from the detected interface or reference position to the focal point of the measurement object. In this case, the offset distance is an initial set value, and is given as a fixed value irrespective of the field of view or the field of view (FOV), so that a focal position error occurs depending on the distribution and shape of the object.

최근에는 상기 이미지 (영상) 분석 기반 자동초점조절과 레이저 오토포커스 (Laser Auto Focus)의 신속한 스캐닝 속도를 결합한 방법이 제안된 바 있다. 예를 들어, 먼저 레이저 오토포커스 방식으로 상기 계면을 검출한 후, 이 위치로부터 일정 오프셋을 이동하고 상기 이동된 오프셋 위치로부터 특정 영역을 미세 단위로 스캐닝 한 영상을 추가로 분석함으로써 측정 대상물체의 초점위치를 검출 및 조절하는 방법이 있다. 다른 예로서, 자동초점조절을 위한 광원의 빛이 대상물체로부터 반사되어 돌아오는 빔 패턴 (beam pattern)을 별도의 센서가 아닌 기본 현미경 구성 중의 촬상소자 (imaging device), 예를 들어, CCD (Charge Coupled Device) 및 CMOS (Complementary metaloxidesemiconductor)로 획득하여 분석하는 방식이 있다. 이 때 영상의 전 영역이 아닌 반사되는 빔 패턴이 존재하는 일부 영역만을 분석함으로써, 상기 샘플 플레이트의 물리적인 두께 오차범위를 포함하는 영역의 스캐닝 및 분석 시간을 줄일 수 있다. 이와 같이, 공초점 현미경에서 자동초점에 소요되는 시간을 줄이기 위한 다양한 방법이 개발되고 있으나, 만족할 만한 방법 및 구조는 여전히 요구되는 실정이다. In recent years, a method has been proposed that combines the above-mentioned image (image) analysis-based auto focus adjustment and the laser scanning speed of the laser auto focus. For example, after the interface is first detected by the laser autofocus method, a predetermined offset is shifted from this position, and an image obtained by scanning the specific area in fine units from the shifted offset position is further analyzed to determine the focal point of the measurement object There is a method of detecting and adjusting the position. As another example, a beam pattern, in which the light of the light source for automatic focus adjustment is reflected from the object and is reflected, may be used as an imaging device in a basic microscopic configuration, for example, a CCD Coupled Device) and CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). In this case, by analyzing only a part of the area where the beam pattern is not reflected, the scanning and analysis time of the area including the physical thickness error range of the sample plate can be reduced. Thus, although various methods have been developed to reduce the time required for autofocus in a confocal microscope, satisfactory methods and structures are still required.

이에, 본 발명자들은 공초점 현미경에서 자동초점조절을 보다 더 효과적으로 수행할 수 있는 방법을 찾고자 부단히 노력하였으며, 그 결과 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors have endeavored to find a method for more effectively performing autofocus control in a confocal microscope, and as a result, the present invention has been completed.

한국등록특허 제 10-0602915호Korea Patent No. 10-0602915 한국특허등록 제 10-0781095호Korea Patent No. 10-0781095

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 본 발명은 공초점 현미경에서 자동으로 초점을 조절하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of automatically adjusting focus in a confocal microscope.

또한, 본 발명은 자동초점조절 장치가 구비된 공초점 현미경 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide a confocal microscope system equipped with an autofocusing apparatus.

또한, 본 발명은 광학장치의 자동초점조절을 위한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide a system for automatic focusing of an optical device.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 레이저 스캐닝 공초점현미경 (laser scanning confocal microscope)의 샘플 스캐닝 속도를 개선한 라인 스캐닝 현미경 (line scanning confocal microscope)을 이용한 자동초점조절 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an automatic focusing method using a line scanning confocal microscope, which improves the sample scanning speed of a laser scanning confocal microscope.

본 발명의 일 예에서, 본 발명의 자동초점조절 방법은, 광원부, 빔 스캐닝부, 검출부 및 대물렌즈부가 구비된 공초점 현미경을 포함하는 시스템 구성부, 시스템 제어부 및 신호처리부로 구성된 공초점 현미경의 자동초점조절 시스템에서, i) 기준위치로부터 초점위치의 오프셋 값을 계산하고 저장하는 단계; ⅱ) 상기 기준위치를 기준으로 일정영역에 대해 라인 (line) 형태의 빔 (beam)을 측정 대상물체 (specimen)에 조사하여 빔 스캐닝을 수행하여, 대물렌즈를 통해 입사한 이미지 신호를 2차원 배열 형태의 픽셀로 구성하여 스캐닝 이미지를 생성하고, 하나 이상의 다이크로익 빔 스플리터 (dichroic beam splitter)를 통과시켜 상기 생성된 스캐닝 이미지를 분리, 정렬하여 빔 스캐닝 패턴을 생성하는 단계; ⅲ) 상기 빔 스캐닝부와 동기화된 이미지 센서로 상기 분리 및 정렬된 빔 스캐닝 패턴을 분석하여 영상을 획득하는 단계; ⅳ) 상기 획득한 영상에서 라인 선예도 (sharpness) 또는 라인 세기 (intensity) 또는 둘 모두를 분석하여 초점위치까지의 거리를 추정하고 대물렌즈부를 Z-축 방향으로 이동시키는 단계; 및 ⅴ) 새로운 시야 (field of view)로 이동 여부를 확인하고, 상기 영상 회득 및 분석을 선택적으로 반복 수행하는 것을 포함하여, 공초점 현미경의 자동초점조절 방법을 제공한다.In one example of the present invention, the automatic focus adjustment method of the present invention is a method for adjusting a focus of a confocal microscope comprising a system constituent part including a light source part, a beam scanning part, a confocal microscope having a detection part and an objective lens part, a system control part and a signal processing part In an autofocus system, i) calculating and storing an offset value of a focus position from a reference position; (Ii) scanning the specimen with a beam in the form of a line with respect to a predetermined area based on the reference position, performing beam scanning, and outputting the image signal incident through the objective lens in a two-dimensional array Generating a scanning image by separating and aligning the generated scanning image by passing the scanning image through at least one dichroic beam splitter to generate a beam scanning pattern; Iii) acquiring an image by analyzing the separated and aligned beam scanning pattern with an image sensor synchronized with the beam scanning unit; Iv) estimating a distance to a focus position by analyzing line sharpness or line intensity or both in the acquired image and moving the objective lens unit in the Z-axis direction; And v) determining whether to move to a new field of view, and selectively performing the image acquisition and analysis repeatedly.

본 발명의 다른 일 예에서, 상기 ii)의 스캐닝은 스캐닝 미러 (scanning mirror)로 수행되고, 상기 이미지 센서는 상기 스캐닝 미러와 동기화된 롤링 셔터 (rolling shutter)를 포함하는 카메라인 것을 사용하여 샘플의 깊이방향(Z-축 방향) 노이즈를 제거하는 공초점 현미경 시스템을 구성하고, 본 시스템에 대해 특화된 자동초점조절 방법을 제공한다. In another example of the present invention, the scanning of ii) is performed with a scanning mirror, and the image sensor is a camera including a rolling shutter synchronized with the scanning mirror, A confocal microscope system for eliminating depth-direction (Z-axis direction) noise is provided, and a method of adjusting the autofocus that is specialized for the present system is provided.

본 발명의 또 다른 일 예에서, 상기 측정 대상물체는 1개 이상의 대물렌즈를 포함하는 모듈이 구비된 스테이지 상에 마운팅되고, 상기 스테이지가 z-축 방향으로 이동함에 의해, 상기 스테이지의 위치 값에 대응하는 영상이 이미지 센서 앞단의 셔터를 통해 깊이 방향 노이즈가 제거된 신호가 획득되는 것인, 공초점 현미경의 자동초점조절 방법을 제공한다. In another embodiment of the present invention, the object to be measured is mounted on a stage provided with a module including at least one objective lens, and the stage is moved in the z-axis direction, And a signal obtained by removing the depth direction noise is obtained through the shutter at the front end of the image sensor of the corresponding image.

본 발명의 또 다른 일 예에서, 상기 빔 스캐닝 수행과 카메라 롤링 셔터의 수행은 서로 반대방향으로 이동 및 수행되어, 시야 (FOV) 중앙부의 라인 형태의 영상을 획득하여 분석하는 것인, 공초점 현미경의 자동초점조절 방법을 제공한다. In another example of the present invention, the beam scanning operation and the camera rolling shutter operation are performed in opposite directions to each other to acquire and analyze a line-shaped image at the center of the field of view (FOV) The method comprising:

본 발명은 또한 라인 형태의 빔을 출사하는 광원부; 상기 광원부로부터 출사된 빔의 경로를 조절하고 상기 빔을 스테이지 (stage)에 마운팅 (mounting)된 측정 대상물체 (specimen) 상에 조사하고 대물렌즈를 통해 입사한 이미지 신호를 2차원 배열 형태의 픽셀로 구성하여 스캐닝 이미지를 생성하는 빔 스캐닝부; 상기 측정 대상물체에서 상기 빔의 초점이 형성되도록 상기 빔 스캐닝부를 통과한 빛을 상기 대상물체로 안내하는 대물렌즈, 및 상기 대물렌즈를 포함하는 모듈이 구비되고 측정 대상물체가 마운팅 되는 스테이지를 포함하는 대물렌즈부; 및 상기 빔 스캐닝부와 동기화된 이미지 센서로 상기 빔 스캐닝 패턴을 분석하여 영상을 획득하고 분석하는 검출부를 포함하는, 자동초점조절이 수행되는 공초점 현미경을 제공한다.The present invention also relates to a light source unit which emits a line-shaped beam; Adjusting the path of the beam emitted from the light source unit, irradiating the beam onto a specimen mounted on a stage, and outputting the image signal incident through the objective lens to a pixel in a two- A beam scanning unit configured to generate a scanning image; An objective lens for guiding light passing through the beam scanning unit to the object so that a focal point of the beam is formed on the object, and a stage on which a module including the objective lens is mounted and on which an object to be measured is mounted An objective lens unit; And a detector for analyzing the beam scanning pattern with an image sensor synchronized with the beam scanning unit to acquire and analyze an image, wherein the automatic focusing is performed.

본 발명의 일 예예서, 상기 라인 형태의 빔은 레이저 빔 (laser beam)이고 상기 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서와 롤링 셔터 (rolling shutter) 카메라를 포함하는 것인, 자동초점조절이 수행되는 공초점 현미경이 제공된다.One example of the present invention is a confocal microscope in which autofocus is performed, in which the beam in the form of a line is a laser beam and the image sensor comprises a CMOS image sensor and a rolling shutter camera / RTI >

본 발명의 다른 일 예에서, 상기 광원부는 하나 이상의 파장을 제공하는 광원모듈, 여기필터, 및 빔 익스펜더 (beam expander)가 순차적으로 구비된 것인, 자동초점이 수행되는 공초점 현미경을 제공한다. In another example of the present invention, the light source section is provided with a light source module that provides at least one wavelength, an excitation filter, and a beam expander, in sequence.

본 발명의 또 다른 일 예에서, 본 발명의 빔 스캐닝부는 갈바노메터 미러(galvanometer mirror) (132), 회전다면경 (polygonal rotation mirror) 및 MEMS (microelectro-mechanical systems)로부터 선택된 제1 다이크로익 미러 (dichroic mirror) 및 제2 다이크로익 미러를 포함하며, 예를 들어, 제1 다이크로익 미러가 X-축을 스캐닝하는 회전다면경인 경우, 제2 다이크로익 미러는 갈비노미터 미러이며 Y-축을 스캐닝하는 것인, 자동초점이 수행되는 공초점 현미경을 제공한다.In another embodiment of the present invention, the beam scanning unit of the present invention includes a first dichroic mirror 130 selected from a galvanometer mirror 132, a polygonal rotation mirror, and microelectro-mechanical systems (MEMS) For example, if the first dichroic mirror is a rotating polygon mirror that scans the X-axis, the second dichroic mirror is a galvanometer mirror and includes a dichroic mirror and a second dichroic mirror, - scanning the axis, wherein the autofocus is performed.

본 발명의 또 다른 일 예에서, 상기 빔 스캐닝부는, 상기 제1 다이크로인 미러 및 상기 제2 다이크로익 미러 중 어느 하나를 통과한 빔을 다른 하나로 안내하는 릴레이 광학계를 추가로 포함하도록 고안된다. In yet another example of the present invention, the beam scanning section is designed to further include a relay optical system for guiding a beam passed through either the first dichroic mirror or the second dichroic mirror to the other .

본 발명의 또 다른 일 예에서, 광학시스템 구성부, 시스템제어부 및 신호처리부로 구성된 공초점현미경의 자동초점조절 시스템으로서, 상기 광학시스템 구성부가, 라인 (line) 형태의 빔 (beam)을 출사하는 광원부; 상기 광원부로부터 출사된 빔의 경로를 조절하고 상기 빔을 스테이지 (stage)에 마운팅 (mounting)된 측정 대상물체 (specimen) 상에 조사하며, 상기 대물렌즈를 통해 입사한 이미지 신호로부터 빔 스캐닝 패턴을 생성하는 빔 스캐닝부; 상기 측정 대상물체에서 상기 빔의 초점이 형성되도록 상기 빔 스캐닝부를 통과한 빛을 상기 대상물체로 안내하는 대물렌즈, 및 상기 대물렌즈를 포함하는 테릿이 구비되고 측정 대상물체가 마운팅 되는 스테이지를 포함하는 대물렌즈부; 및 상기 이미지 센서로서 롤링 셔터 (rolling shutter) 카메라를 포함하는 검출부를 포함하고; 상기 시스템 제어부는, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체를 포함하며, 라인 형태 빔의 스캐닝 속도와 롤링셔터 카메라의 셔터 속도를 동기화시키고, 카메라 센서의 픽셀이 동기화되는 방향과 라인 빔의 스캐닝 방향이 반대로 수행되도록 제어하여, 시야 (FOV) 중앙에서만 신호를 받을 수 있도록 함으로써 분석하고자 하는 영상의 영역을 제한하며, 상기 신호처리부는, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체를 포함하며, 상기 수득한 영상의 라인 선예도 또는 라인 세기를 분석하여 초점거리를 측정하는 것인, 공초점현미경의 자동초점조절 시스템을 제공한다.In another example of the present invention, an autofocus system of a confocal microscope composed of an optical system component, a system controller, and a signal processor, the optical system component comprising: a light source for emitting a beam in the form of a line A light source; Adjusting a path of a beam emitted from the light source unit, irradiating the beam onto a specimen mounted on a stage, generating a beam scanning pattern from an image signal incident through the objective lens, A beam scanning unit for scanning the beam spot; An objective lens for guiding light passing through the beam scanning unit to the object so that a focal point of the beam is formed on the object, and a stage on which the object to be measured is mounted, An objective lens unit; And a detection unit including a rolling shutter camera as the image sensor; The system control unit includes a computer-readable recording medium for synchronizing the scanning speed of the line-shaped beam and the shutter speed of the rolling shutter camera so that the direction in which the pixels of the camera sensor are synchronized and the scanning direction of the line beam are reversed Wherein the signal processing unit includes a computer-readable recording medium for limiting the area of the image to be analyzed by allowing the signal to be received only at the center of the field of view (FOV), and the line sharpness or line strength And the focal distance is measured.

본 발명에서, 기준위치는 측정 대상물체의 실제 초점위치가 아닌 대상물체에 조사된 광의 굴절률이 변하는 계면 (기준위치)을 의미한다. In the present invention, the reference position means an interface (reference position) at which the refractive index of light irradiated to an object other than the actual focal position of the measurement object changes.

본 발명에서, 측정 대상물체는 측정물체, 샘플 또는 시편과 같은 의미를 갖는 것으로 이해되며, 현미경으로 관찰하고자 하는 대상을 의미한다.In the present invention, an object to be measured is understood to have the same meaning as a measurement object, sample, or specimen, and means an object to be observed with a microscope.

본 발명에서, 빔 확장기 (beam expander)는 입사광을 시스템 내부로 받아들여 출력 시 입사된 빔을 더 크게 확장하는 기능을 하는 부품 또는 장치이다.In the present invention, a beam expander is a component or a device that receives incident light into the system and expands the incident beam to a larger extent upon output.

본 발명에서, 빔 스플리터 (beam splitter)는 빔 스캐닝부에서 스캐닝된 이미지를 지정된 비율에 따라 두 개의 빔으로 분리하거나 두 개의 다른 빔을 단일 빔으로 결합하는데 사용되는 부품 또는 장치이다. In the present invention, a beam splitter is a part or apparatus used to split an image scanned by a beam scanning unit into two beams according to a specified ratio, or to combine two different beams into a single beam.

본 발명에서, z-축 방향은 측정 대상물체가 놓이는 면에 수직인 방향을 의미하며, 대상물체에 입사되는 빔 또는 광의 진행방향과 평행인 방향을 의미한다.In the present invention, the z-axis direction means a direction perpendicular to the plane on which the measurement object is placed, and means a direction parallel to the traveling direction of the beam or light incident on the object.

본 발명에서, X축 방향 및 Y축 방향은 스테이지 표면상에서 상호 수직인 관계를 이루는 축을 의미한다.In the present invention, the X-axis direction and the Y-axis direction refer to axes forming a mutually perpendicular relationship on the stage surface.

본 발명에서, 동기화는 2개 이상의 부품 또는 장치가 동시에 구동되어 실시간으로 연동되는 것을 의미한다. In the present invention, synchronization means that two or more parts or devices are simultaneously driven and linked in real time.

본 발명에서. 시야 (FOV, field of view)는 현미경 하에서 관찰되는 대상물체의 특정 영역을 의미한다. In the present invention. Field of view (FOV) refers to a specific area of an object under a microscope.

본 발명에 따른 공초점 현미경의 자동초점조절 방법은 시야의 고정된 중심부 영역을 분석하므로, 분석 및 처리에 소요되는 시간이 단축되고 향상된 정확도를 갖는 결과를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 자동초점조절 방법에 따르면, 간단한 연산으로 초점위치를 자동 분석하므로 자동초점조절에 필요한 시간은 측정 대상물체가 올려진 스테이지의 이동시간에만 의존한다. 또한, 본 발명의 방법으로 얻은 라인 패턴은 이미지 센서의 롤링 셔터와 연동하여 동기화 되도록 구동되므로, 기준위치가 아닌 영역으로부터의 빔은 노이즈로서 제거되고 목적하는 위치에서의 신호만 실시간으로 확인 및 분석할 수 있다. The automatic focusing method of the confocal microscope according to the present invention analyzes the fixed central region of the field of view, thus shortening the time required for analysis and processing and providing a result with improved accuracy. According to the automatic focus adjustment method of the present invention, since the focus position is automatically analyzed by a simple calculation, the time required for the automatic focus adjustment depends only on the movement time of the stage on which the measurement object is placed. In addition, since the line pattern obtained by the method of the present invention is driven to be synchronized with the rolling shutter of the image sensor, the beam from the area other than the reference position is removed as noise and only the signal at the desired position is confirmed and analyzed in real time .

도 1은 광학시스템 구성부, 시스템 제어부 및 신호처리부로 구성된 본 발명의 시스템 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 광학시스템 구성부를 도시한 것이다.
도 4는 롤링 셔터 카메라를 이용한 라인 스캐닝 시스템 제어 방식으로 일반 영상을 획득하는 것을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 시스템에서 자동초점을 위한 영상을 획득하는 것을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 신호처리부의 작동순서를 나타낸 것이다.
1 schematically shows a system configuration of the present invention composed of an optical system configuration unit, a system control unit, and a signal processing unit.
2 and 3 show the optical system constituent part of the present invention.
FIG. 4 shows a general image obtained by a line scanning system control method using a rolling shutter camera.
Figure 5 shows the acquisition of images for autofocus in the system of the present invention.
FIG. 6 shows an operation sequence of the signal processing unit of the present invention.

이하, 도면 및 실시예에 의거하여 본 발명을 설명한다. 본 발명의 도면 및 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시에 불가한 것이며, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described based on the drawings and embodiments. The drawings and embodiments of the present invention are not intended to be illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

도 1에 따르면, 본 발명의 시스템은 광학시스템 구성부 (10), 시스템 제어부 (20) 및 신호처리부 (30)로 구성되며, 상기 광학시스템 구성부는 광원부, 빔스캐닝부 및 대물렌즈부를 포함하는 공초점 현미경으로 구성된다. 상기 시스템 제어부는, 자동초점 분석 및 조정을 위한 영상을 얻기 위해 상기 광학시스템 구성부를 제어하고, 또한 상기 광학시스템 구성부로부터 획득한 영상 이미지를 이용한 초점 위치정보에 따라 상기 광학시스템 구성부를 제어한다. 상기 신호처리부는 상기 광학시스템 구성부로부터 수득한 영상 (신호)를 분석하여 초점 위치정보를 획득하며 이를 상기 시스템 제어부에 제공한다. 상기 시스템 제어부 및 신호처리부는 각각 시스템 제어 및 신호처리 프로그램을 기록한 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록매체를 포함할 수 있다.1, the system of the present invention comprises an optical system configuration unit 10, a system control unit 20, and a signal processing unit 30. The optical system configuration unit includes a light source unit, a beam scanning unit, Focus microscope. The system control unit controls the optical system configuration unit to obtain an image for autofocus analysis and adjustment, and controls the optical system configuration unit according to focal position information using an image image acquired from the optical system configuration unit. The signal processing unit analyzes the image (signal) obtained from the optical system construction unit to obtain focal position information and provides the focal position information to the system control unit. The system control unit and the signal processing unit may include a computer readable recording medium having recorded therein a system control and signal processing program, respectively.

도 2 및 3을 참조하여 본 발명의 광학시스템 구성부를 설명한다. 본 발명에서 광원부 (150)는 공초점 현미경에서 라인 형태 빔 스캐닝 및 영상 분석 이미지 센서에 필요한 빔을 출사한다. 상기 광원부 (150)는, 예를 들어, 라인 형태의 레이저 빔을 방출하도록, 1개 이상의 단파장 레이저 빔을 제공하는 광원모듈 (151), 여기필터 (ex filter) (152), 및 빔 익스펜더 (beam expander) (154)가 빔의 진행 방향을 따라 순차적으로 구비될 수 있다. 본 발명의 빔 스캐닝부 (130)는 빔 익스펜더 다음에 구비될 수 있고, 광원부 (130)에서 출사된 하나 이상의 단파장 레이저는, 각각의 레이저 파장에 맞는 적절한 제1 및 제 2 다이크로익 미러 (134, 132)를 통해 하나의 광으로 콜리메이션 (colimation)되고 빔의 경로는 특정 방향으로 변경할 수 있다. 상기 제1 다이크로익 미러 및 제2 다이크로익 미러는 각각 갈바노메터 미러(galvanometer mirror) (132), 회전다면경 (polygonal rotation mirror), AOD (acoustic optical deflector), DMD (digital micromirror device) 및 MEMS (microelectro-mechanical systems)를 포함하여 빔의 경로를 변경할 수 있는 임의의 수단으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 다이크로익 미러가 X-라인을 스캐닝하는 회전다면경인 경우, 제2 다이크로익 미러는 Y-라인을 스캐닝 하는 갈비노미터 미러일 수 있다. 빔 스캐닝부 (130)에 의해 경로가 변경된 빔은 대물렌즈 (142)로 진행하고, 상기 대물렌즈 (142)는 대상물체 상에 빔의 초점을 형성할 수 있도록 상기 빔 스캐닝부 (130)를 통과한 빔을 굴절시켜 대상물체를 향하도록 한다. 본 발명에서, 빔 스캐닝부 (130)는, 대상물체가 그 위에 장착된 스테이지 (141) 또는 플레이트가 z-축 방향을 따라 움직이는 동안, 라인 형태의 빔으로대상물체를 스캐닝 (scanning) 하도록 한다. 본 발명에서, 상기 다이크로익 미러 (134)는 이를 구동시키기 위한 수단, 예를 들어, 모터가 장착된 구동부가 구비되도록 할 수 있다. 상기 빔 스캐닝부 (130)는 상기 다이크로익 미러 (134) 및 갈바노미터스캐너 (132) 중 어느 하나를 통과한 빔을 다른 하나로 전달하기 위한 릴레이 광학계를 필요에 따라 추가로 포함할 수 있음은 물론이다. The optical system constitution of the present invention will be described with reference to Figs. 2 and 3. Fig. In the present invention, the light source unit 150 emits the beams necessary for line-shaped beam scanning and image analysis image sensors in a confocal microscope. The light source unit 150 includes a light source module 151 that provides one or more short wavelength laser beams, an exc filter 152, and a beam expander 152 to emit, for example, expander 154 may be sequentially provided along the traveling direction of the beam. The beam scanning unit 130 of the present invention may be provided after the beam expander and the one or more short wavelength lasers emitted from the light source unit 130 may be provided with first and second dichroic mirrors 134 , 132, and the beam path can be changed to a specific direction. The first dichroic mirror and the second dichroic mirror may include a galvanometer mirror 132, a polygonal rotation mirror, an acoustic optical deflector (AOD), a digital micromirror device (DMD) And microelectro-mechanical systems (MEMS). ≪ / RTI > For example, if the first dichroic mirror is a rotating polygon mirror scanning the X-line, the second dichroic mirror may be a galvanometer mirror scanning the Y-line. The beam whose path is changed by the beam scanning unit 130 proceeds to the objective lens 142. The objective lens 142 passes through the beam scanning unit 130 so as to form a focus of the beam on a target object Refract a beam to face the object. In the present invention, the beam scanning unit 130 allows the object 141 to be scanned with a line-shaped beam while the stage 141 or the plate on which the object is mounted moves along the z-axis direction. In the present invention, the dichroic mirror 134 may be provided with means for driving it, for example, a driving unit equipped with a motor. The beam scanning unit 130 may further include a relay optical system for transmitting a beam passing through one of the dichroic mirror 134 and the galvanometer scanner 132 to the other Of course.

또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 측정 대상물체가 놓인 스테이지 (141)는 대상물체를 수평 (xy-축) 및 수직 (z-축)으로 이동시킬 수 있는 구동수단을 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 구동부는 모터 또는 롤러를 포함하는 컨베이어 시스템일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서, 상기 스테이지가 z-축 방향으로 이동하면서 대물렌즈 (142)와 대상물체 사이의 거리를 조절하며, 이에 따라 자동초점조절이 수행된다. 스테이지 (141)의 z-축 방향 수직 이동을 위해 압전소자를 포함하는 압변환기 (piezo transducer)가 추가로 장착될 수 있다. 2 and 3, the stage 141 on which the object to be measured is placed further includes driving means capable of moving the object in the horizontal (xy-axis) and vertical (z-axis) directions . In the present invention, the driving unit may be a conveyor system including a motor or a roller, but is not limited thereto. In the present invention, as the stage moves in the z-axis direction, the distance between the objective lens 142 and the object is adjusted, so that auto focus adjustment is performed. A piezo transducer including a piezoelectric element may be further mounted for vertical movement of the stage 141 in the z-axis direction.

또한, 도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 검출부 (110)는 EM 필터모듈 (113), 카메라경통 (112) 및 롤링 셔터 (111)를 갖는 카메라를 순차적으로 포함한다. 측정 대상물체로부터 반사된 빔 또는 광은 대물렌즈 (142) 및 빔 스캐닝부 (130)을 통과하여 검출부 (110)으로 전달된다. 빔 스캐닝부 (130)의 빔 스필리터는 스캐닝된 빔 패턴을 생성하고, 생성된 빔 패턴은 EM 필터 (Emission filter), 카메라경통을 통해 빔 스캐닝부와 동기화된 롤링 셔터 카메라로 전달되어 영상이 획득된다. 2 and 3, the detection unit 110 of the present invention sequentially includes a camera having an EM filter module 113, a camera barrel 112, and a rolling shutter 111. The beam or light reflected from the measurement object passes through the objective lens 142 and the beam scanning unit 130 and is transmitted to the detection unit 110. The beam spiller of the beam scanning unit 130 generates a scanned beam pattern, and the generated beam pattern is transmitted to a rolling shutter camera synchronized with the beam scanning unit through an EM filter (Emission filter) and a camera barrel, do.

도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 시스템 제어부를 설명한다. 도 4는 일반 영상획득 방식에서 시스템 제어를 설명한다. 도 4에서 롤링 셔터 카메라 센서의 픽셀 (pixel) 수는 2048 * 2048이다. 수평픽셀 (horizontal pixels)은 거의 동시에 활성화 (activation) 되고, 수직 (vertical) 방향의 경우 설정한 인터벌 (interval) 값의 지연 (delay)를 가지고 순차적으로 활성화된다. 또한, 설정한 카메라 노출시간 (exposure time) 동안 라인단위 픽셀의 활성화 상태가 유지되고, 노출시간이 끝나면 순차적으로 비활성화(deactivation) 된다. 도 4의 시스템 제어부에서, 롤링 셔터 카메라를 이용한 공초점 방식은, 라인 스캐닝 방식의 현미경 시스템으로서, 하나의 시야 (FOV)를 촬영하기 위해 라인 형태의 빔을 x축 또는 y축 방향으로 스캐닝하고, 이때 빔의 스캐닝 속도를, 상기 셔터속도 (pixels의 activation 속도)와 동기화하여, 빛이 샘플에 비추고 있는 영역에 대해서만 신호를 받고 다른 영역에서 오는 노이즈는 제거한다. 도 4에 도시한 것과 같이, 스캐닝 속도 (= 셔터속도)에 따라 도 4의 회색영역(pixel active region), 노란색 영역 (line beam illumination region)의 기울기가 변동한다. 픽셀 활성화 영역은 입력 파라미터에 따라 변동한다 (도 4의 오른 쪽에서 3번째 참조). 속도 동기화는 기울기 (절대적인 속도)를 동일하게 맞추는 것이 아니고 각 영역이 겹치는 시작과 끝의 타이밍을 맞추는 것을 특징으로 한다 (도 4의 우측 상단 빨간 점선 표시부 참조). 따라서, 두 영역이 겹쳐 실제 신호를 받는 영역은 검은 점선으로 표시한 영역이 될 것이다. 노란색으로 나타낸 라인 빔은 광학 시스템 구성에 따라 고정된 두께 (도 4에서 수직방향)를 갖는다. 반면에 길이 방향 (도 4의 수평방향)은 시간(속도)을 나타낸다. 그러나, 실제로는 도 4에 도시한 것과 같이, 여러 행이 동시에 존재할 수 없으며, 스캐닝 하는 동안 실제 픽셀 활성화 영역과 겹치게 되는 부분은 도 4에서 검은 점선으로 표시(Actual signal acquisition region)한 영역이 된다. 상기 검은 점선영역과 회색 영역의 차이가 작을수록 빛이 존재할 때만 픽셀이 활성화 됨을 의미하며, 노이즈 제거율 (공초점 효과)이 증가한다. 그러나, 겹치는 영역이 작을수록 그만큼 신호의 세기도 감소하기 때문에 SNR (signal/noise ratio)가 작아진다. 이에 빔 스캐닝 속도와 픽셀 활성화 시간의 적절한 비율 조절이 필요하다. 도 4에서 사용한 센서 사이즈는 13.312 mm * 13.312 mm이고, 측정되는 라인 빔의 두께는 FWHM(full width harf maximum) = 약 1.7 μm이었다. 도 4에 도시된 시스템 제어부는 시스템을 구성하는 광학계에 따라 획득하는 이미지의 픽셀이 의미하는 사이즈는 달라지는데, 예를 들어, 20 x 대물렌즈를 사용하는 경우, 최종 이미지의 픽셀 크기는 약 0.585 μm이고, 이는 라인 빔이 고정된 상태에서 4 픽셀 라인을 동시에 비추고 있다는 것을 의미한다. 이 경우, 라인 노출 시간은 인터벌 시간의 약 4배로 설정하면 최적의 SNR을 얻을 수 있다. The system controller of the present invention will be described with reference to Figs. 4 and 5. Fig. Figure 4 illustrates system control in a general image acquisition scheme. In FIG. 4, the number of pixels of the rolling shutter camera sensor is 2048 * 2048. The horizontal pixels are activated substantially simultaneously and are activated sequentially with a delay of the interval value set in the case of the vertical direction. In addition, the active state of the pixels per line is maintained during the set camera exposure time, and deactivation is sequentially performed at the end of the exposure time. 4, the confocal method using a rolling shutter camera is a line scanning type microscope system. In this system, a line-shaped beam is scanned in the x-axis or y-axis direction to photograph one field of view (FOV) At this time, the scanning speed of the beam is synchronized with the shutter speed (activation speed of pixels) to receive a signal only for an area where light is shining on the sample and to remove noise from the other area. As shown in Fig. 4, the slope of the pixel active region and the yellow region (line beam illumination region) of Fig. 4 varies depending on the scanning speed (= shutter speed). The pixel activation area varies according to the input parameter (see the third in the right side of Fig. 4). The speed synchronization does not match the tilt (absolute speed) equally, but is characterized in that the timing of the start and end of overlapping areas is matched (see the red dotted line in the upper right corner of Fig. 4). Therefore, the area where the two areas overlap and the actual signal is received will be the area indicated by the black dotted line. The line beam indicated by yellow has a fixed thickness (vertical direction in FIG. 4) depending on the optical system configuration. While the longitudinal direction (the horizontal direction in Fig. 4) represents the time (speed). Actually, however, as shown in FIG. 4, a plurality of rows can not exist at the same time, and a portion overlapped with an actual pixel activation region during scanning becomes an area indicated by a black dotted line (Actual signal acquisition region) in FIG. The smaller the difference between the black dotted line region and the gray region, the more pixels are activated only when there is light, and the noise removal rate (confocal effect) increases. However, the signal / noise ratio (SNR) is reduced because the intensity of the signal decreases as the overlapping region is smaller. Therefore, it is necessary to adjust the beam scanning speed and the pixel activation time appropriately. The sensor size used in FIG. 4 was 13.312 mm * 13.312 mm, and the thickness of the line beam measured was FWHM (full width harf maximum) = about 1.7 μm. The system controller shown in FIG. 4 differs in the size of pixels of an image acquired according to an optical system constituting the system. For example, when using a 20 × objective lens, the pixel size of the final image is about 0.585 μm , Which means that the line beam is simultaneously illuminating a 4-pixel line in a fixed state. In this case, when the line exposure time is set to about four times the interval time, the optimum SNR can be obtained.

도 5는 본 발명의 시스템에서 자동초점분석을 위한 영상을 획득하는 방법을 나타낸 것이다. 도 5에 나타낸 것과 같이, 라인 빔의 스캐닝 속도와 셔터의 속도를 동기화 시켜 공초점 효과를 얻는 것과 동시에, 카메라 센서의 픽셀이 동기화되는 방향과 라인 빔의 스캔 방향을 반대로 함으로써, 시야 (FOV) 중앙에서만 신호를 받을수 있도록 하여 분석하고자 하는 영상의 영역을 제한할 수 있다. 이때, 사용하는 광원의 파장은 근적외선 영역이다. 획득되는 신호는 굴절률이 달라지는 계면으로부터 오는 것으로 하고, 실제 샘플의 초점위치를 찾는 데에 참고 (reference) 할 수 있다. 롤링 셔터가 동작하는 속도와 스캐닝 거울의 속도는 상기 설명한 것과 동일하게 동기화되나, 서로 반대 방향이 되도록 함으로써 픽셀의 수직방향으로 중앙 영역에 한정된 신호를 받을 수 있다. 이때 픽셀 활성화 인터벌 시간 (pixel active interval time)과 노출 시간을 조절함으로써 겹치는 영역의 두께를 조절할 수 있다. 상기 두께가 겹치는 영역의 최대값은 조명하는 라인 빔의 두께로서, 본 발명의 시스템을 구성하는 광학계에 의해 결정된다. 본 발명의 시스템 제어부는 상기한 것과 같이 본 발명의 방식으로 시야의 중앙영역에만 신호를 받아 획득한 영상을 신호처리부에서 처리하게 되며, 별도의 복잡한 연산없이 세기 (intensity)만을 분석하여 초점거리를 찾는다. 이와 같이, 세기만으로 영상 분석이 가능한 것은 본 발명의 시스템에서 획득한 영상이 라인 빔의 스캐닝 속도와 셔터 속도를 동기화하여 수득한 공초점 영상이기 때문이다. 본 발명의 다른 예로서, 라인 빔을 스캐닝하지 않고 중앙에 고정한 상태에서 촬영하여 라인 영상을 획득하고, 라인 선예도와 세기를 분석하여 초점위치를 찾는 방식도 가능하다.Figure 5 shows a method for acquiring images for autofocus analysis in the system of the present invention. 5, by synchronizing the scanning speed of the line beam and the shutter speed to obtain the confocal effect, and by reversing the direction in which the pixels of the camera sensor are synchronized with the scanning direction of the line beam, It is possible to limit the area of the image to be analyzed. At this time, the wavelength of the light source used is the near infrared region. The obtained signal comes from the interface where the refractive index is different, and can be referred to for finding the focal position of the actual sample. The speed at which the rolling shutter operates and the speed at which the scanning mirror is synchronized are synchronized as described above, but can be received in a signal confined to the central region in the vertical direction of the pixel by being in opposite directions. At this time, the thickness of the overlapping region can be adjusted by adjusting the pixel active interval time and the exposure time. The maximum value of the area where the thickness overlaps is the thickness of the illuminating line beam, which is determined by the optical system constituting the system of the present invention. As described above, the system controller of the present invention processes a signal obtained by receiving a signal only in the central region of the field of view according to the present invention in the signal processing unit, and analyzes the intensity only without performing a complicated operation to find a focal distance . The reason why the image analysis can be performed only by the intensity is that the image acquired by the system of the present invention is a confocal image obtained by synchronizing the scanning speed and the shutter speed of the line beam. As another example of the present invention, it is also possible to obtain a line image by photographing the line beam while fixing it in the center without scanning the line beam, and to find the focus position by analyzing line sharpness and intensity.

도 6에 따라 신호처리부에서 자동초점조절이 수행되는 과정을 설명한다. 본 발명에 따르면, 광학시스템 구성부 시스템 제어부 및 신호처리부로 구성된 본 발명의 시스템은 다음 단계를 포함하는 자동초점조절 방법을 제공한다: A process of performing auto focus adjustment in the signal processing unit according to FIG. 6 will be described. According to the present invention, a system of the present invention composed of an optical system component system controller and a signal processor provides a method of autofocusing comprising the following steps:

i) 기준위치로부터 초점위치의 오프셋 값을 계산하고 저장하는 단계;i) calculating and storing an offset value of the focus position from a reference position;

ⅱ) 상기 기준위치를 기준으로 일정영역에 대해 라인 (line) 형태의 빔 (beam)을 측정 대상물체에 조사하고, 상기 대상물체로부터 반사된 빔 스캐닝 패턴 (beam scanning pattern)으로부터 이미지 센서 (image sensor)를 통해 영상을 획득하는 단계; (Ii) irradiating a line-shaped beam to a measurement region with respect to a predetermined region with reference to the reference position, detecting an image sensor from a beam scanning pattern reflected from the object, Acquiring an image through the image processing unit;

ⅲ) 상기 획득한 영상에서 라인 선예도 (sharpness) 또는 라인 세기 (intensity)를 분석하고, 초점거리를 추정하여 스테이지를 z-축 방향으로 이동시키는 단계; 및Iii) analyzing line sharpness or line intensity in the acquired image and moving the stage in the z-axis direction by estimating the focal distance; And

ⅳ) 새로운 시야 (field of view, FOV)로 이동 여부를 확인하고, 필요에 따라 이동한 후 상기 영상회득 및 분석을 반복 수행하는 단계. Iv) confirming whether the moving picture is moved to a new field of view (FOV), repeating the image acquisition and analysis after moving according to need.

본 발명의 방법에 따르면, 상기 영상 획득 및 분석 단계에서, 라인 선예도가 가장 높은 것을 자동초점 위치의 레퍼런스로 할 수 있다. 빔 스캐닝이 없는 상태에서, 1개 이상의 대물렌즈를 포함하는 테릿 (terret)이 구비되고 측정 대상물체가 놓인 스테이지 (stage)를 z-축 방향으로 상하 이동함에 따라 상기 스테이지의 위치 값과 이에 대응하는 영상을 획득하여 분석하며, 이때 상기 이미지 센서의 카메라 셔터 모드는 글로벌셔터 (global shutter) (open aperture) 모드일 수 있다. According to the method of the present invention, in the image acquiring and analyzing step, the reference with the highest line sharpness can be set as the reference of the auto focus position. In the absence of beam scanning, a terret including at least one objective lens is provided, and as the stage on which the object to be measured is placed moves up and down in the z-axis direction, The camera shutter mode of the image sensor may be a global shutter (open aperture) mode.

본 발명의 다른 방법에 따르면, 상기 ⅱ)는 라인 형태의 빔을 사용하고 스캐닝 미러 (scanning mirror)를 사용하여 대상물체를 빔 스캐닝하고, 상기 빔 스캐닝과 동기화된 롤링 셔터 (rolling shutter)를 이미지 센서의 카메라 셔터로 이용하여 분석하고자 하는 영상을 획득한다. 또한, 상기 ⅲ)의 영상으로부터 라인 선예도 또는 라인 세기를 분석하는 단계는, 1개 이상의 대물렌즈를 포함하는 테릿이 구비되고 측정 대상물체가 장착되는 스테이지를 z-축 방향으로 이동하면서 상기 스테이지의 위치 값과 이에 대응하는 영상을 동시에 획득하여 분석할 수 있다. 본 발명의 영상 획득 및 분석 과정에서, 스캐닝 미러의 이동과 카메라 롤링 셔터의 수행은 서로 반대방향으로 설정되며, 이를 통해 시야의 중심부로부터 라인 형태의 영상을 획득하여 분석할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서, 이미지 센서의 카메라 셔터 모드는 스캐닝 미러와 동기화된 롤링 셔터 모드 일 수 있다. 본 발명의 자동초점조절 과정에서, 라인 형태의 빔 패턴은 롤링 셔터와 연동되고 동기화되므로, 목적하는 기준위치가 아닌 다른 영역으로부터 전달되는 빔은 노이즈로서 제거되고, 이에 따라 보다 더 정확한 깊이 위치 정보를 포함한 3차원 분석 및 자동초점 검출이 가능하다. According to another method of the present invention, the step (ii) includes the steps of using a line-shaped beam, beam scanning a target object using a scanning mirror, and moving a rolling shutter, synchronized with the beam scanning, To obtain the image to be analyzed. The step of analyzing the line sharpness or the line intensity from the image of iii) may include the step of measuring the position of the stage while moving the stage on which the object to be measured is mounted in the z- Value and the corresponding image can be acquired and analyzed at the same time. In the image acquiring and analyzing process of the present invention, the movement of the scanning mirror and the execution of the camera rolling shutter are set in directions opposite to each other, so that a line-shaped image can be obtained and analyzed from the center of the field of view. Thus, in the present invention, the camera shutter mode of the image sensor may be a rolling shutter mode synchronized with the scanning mirror. In the automatic focus adjustment process of the present invention, since the line-shaped beam pattern is synchronized with the rolling shutter and synchronized, the beam transmitted from the region other than the desired reference position is removed as noise, 3-dimensional analysis and auto-focus detection are possible.

본 발명의 방법에서, 기준위치를 검출하는 과정이 선행될 수 있다. 구체적으로, 먼저 대상물체에 대해 라인 형태의 빔 스캐닝을 z-축 방향으로 수행함과 동시에 이와 동기화된 영상을 이미지 센서를 통해 획득하고, 상기 수득한 영상으로부터 라인 선예도 및 세기를 분석하여 기준위치를 추정한다. 다음, 상기 추정된 기준위치로 스테이지를 이동시킨 후, 초점 위치까지 수동 또는 자동으로 이동시킨 후 위치 값 오프셋을 계산하고 저장한다. In the method of the present invention, the process of detecting the reference position may be preceded. Specifically, first, line-shaped beam scanning is performed on the object in the z-axis direction, and at the same time, images synchronized with the object are obtained through the image sensor. The line sharpness and strength are analyzed from the obtained image, do. Next, after the stage is moved to the estimated reference position, the position value offset is calculated and stored after manually or automatically moving the stage to the focal position.

본 발명은 공초점 현미경의 자동초점검출 및 조절에 유용하게 이용될 수 있다. 따라서, 공초점 현미경을 포함한 관측장비의 활용도를 높여 관련 산업분야에 널리 이용될 수 있을 것이다. The present invention can be usefully used for auto focus detection and adjustment of confocal microscopes. Therefore, the utilization of observation equipment including confocal microscope can be increased and it can be widely used in related industries.

10: 광학시스템 구성부
20: 시스템 제어부
30: 신호 처리부
110: 검출부;
111: 롤링 셔터를 포함하는 카메라;
112: 튜브렌즈 (카메라 경통); 113: EM 필터
130: 빔 스캐닝 부;
131: 라인 빔에 대한 빔 shaper;
132: 갈바노미터 스캐닝 미러; 133: 스캔렌즈 경통; 134: 다이크로익 미러;
141: 스테이지; 142: 대물렌즈
10: Optical system component
20:
30: Signal processor
110: detecting unit;
111: a camera including a rolling shutter;
112: tube lens (camera lens barrel); 113: EM filter
130: beam scanning unit;
131: beam shaper for line beam;
132: galvanometer scanning mirror; 133: scan lens barrel; 134: Dichroic mirror;
141: stage; 142: Objective lens

Claims (10)

라인 (line) 형태의 빔 (beam)을 출사하는 광원부;
상기 광원부로부터 출사된 빔의 경로를 조절하고 상기 빔을 스테이지 (stage)에 마운팅 (mounting)된 측정 대상물체 (specimen) 상에 조사하며, 상기 대물렌즈를 통해 입사한 이미지 신호로부터 빔 스캐닝 패턴을 생성하는 빔 스캐닝부;
상기 측정 대상물체에서 상기 빔의 초점이 형성되도록 상기 빔 스캐닝부를 통과한 빛을 상기 대상물체로 안내하는 대물렌즈, 및 상기 대물렌즈를 포함하는 테릿이 구비되고 측정 대상물체가 마운팅 되는 스테이지를 포함하는 대물렌즈부; 및
상기 빔 스캐닝부와 동기화된 이미지 센서로 상기 빔 스캐닝 패턴을 분석하여 영상을 획득하고 분석하는 검출부를 포함하는,
자동초점조절이 수행되는 공초점 현미경.
A light source unit for emitting a line-shaped beam;
Adjusting a path of a beam emitted from the light source unit, irradiating the beam onto a specimen mounted on a stage, generating a beam scanning pattern from an image signal incident through the objective lens, A beam scanning unit for scanning the beam spot;
An objective lens for guiding light passing through the beam scanning unit to the object so that a focal point of the beam is formed on the object, and a stage on which the object to be measured is mounted, An objective lens unit; And
And a detector for acquiring and analyzing the image by analyzing the beam scanning pattern with an image sensor synchronized with the beam scanning unit.
Confocal microscope where autofocus is performed.
제 1항에 있어서, 상기 라인 형태의 빔은 레이저 빔이고 상기 이미지 센서가 CMOS 이미지 센서 및 롤링 셔터 (rolling shutter) 카메라를 포함하는 것인, 자동초점조절이 수행되는 공초점 현미경. The confocal microscope according to claim 1, wherein the line-shaped beam is a laser beam and the image sensor comprises a CMOS image sensor and a rolling shutter camera. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 광원부는 하나 이상의 파장을 제공하는 광원모듈, 여기필터, 빔 익스펜더 (beam expander) 및 빔 스플리터 (beam splitter) 순차적으로 구비된 것인, 자동초점이 수행되는 공초점 현미경. 3. The apparatus according to claim 1 or 2, wherein the light source section is provided sequentially with a light source module providing at least one wavelength, an excitation filter, a beam expander and a beam splitter, Confocal microscope. 제 3항에 있어서, 상기 빔 스캐닝부는 제 1 다이크로익 미러 (dichroic mirror) 및 제 2 다이크로익 미러를 포함하는 것인, 자동초점조절이 수행되는 공초점 현미경. The confocal microscope according to claim 3, wherein the beam scanning unit includes a first dichroic mirror and a second dichroic mirror. 제 4항에 있어서, 상기 빔 스캐닝부는, 상기 제1 다이크로인 미러 및 상기 제 2 다이크로익 미러 중 어느 하나를 통과한 빔을 다른 하나로 안내하는 릴레이 광학계를 더 포함하는 것인, 자동초점조절이 수행되는 공초점 현미경.5. The apparatus according to claim 4, wherein the beam scanning section further comprises a relay optical system for guiding a beam passed through either the first dichroic mirror or the second dichroic mirror to the other, This is a confocal microscope being performed. 광원부, 빔 스캐닝부, 검출부 및 대물렌즈부로 구성된 공초점 현미경을 포함하는 광원시스템 구성부, 시스템제어부 및 신호처리부로 구성된 공초점 현미경의 자동초점조절 시스템에서,
i) 기준위치로부터 초점위치의 오프셋 값을 계산하고 저장하는 단계;
ⅱ) 상기 기준위치를 기준으로 일정영역에 대해 라인 형태의 빔을 측정 대상물체에 조사하여 빔 스캐닝을 수행하여, 대물렌즈를 통해 입사한 이미지 신호로부터 빔 스캐닝 패턴을 생성하는 단계;
ⅲ) 상기 빔 스캐닝부와 동기화된 이미지 센서로 상기 빔 스캐닝 패턴을 분석하여 영상을 획득하는 단계;
ⅳ) 상기 획득한 영상에서 라인 선예도 (sharpness) 또는 라인 세기 (intensity) 또는 둘 모두를 분석하여 초점위치까지의 거리를 추정하고 대물렌즈부를 Z-축 방향으로 이동시키는 단계; 및
ⅴ) 새로운 시야 (field of view)로 이동 여부를 확인하고, 상기 영상 회득 및 분석을 반복 수행하는 것을 포함하는,
공초점 현미경의 자동초점조절 방법.
In an autofocus microscope autofocus system composed of a light source system constituent part including a light source part, a beam scanning part, a confocal microscope composed of a detection part and an objective lens part, a system control part and a signal processing part,
i) calculating and storing an offset value of the focus position from a reference position;
Ii) generating a beam scanning pattern from an image signal incident through the objective lens by irradiating the line-shaped beam with respect to the reference position on the measurement object to perform beam scanning;
Iii) analyzing the beam scanning pattern with an image sensor synchronized with the beam scanning unit to acquire an image;
Iv) estimating a distance to a focus position by analyzing line sharpness or line intensity or both in the acquired image and moving the objective lens unit in the Z-axis direction; And
V) determining whether to move to a new field of view, and repeatedly performing said image acquisition and analysis;
A method for automatic focusing of a confocal microscope.
제 6항에 있어서, 상기 ii)의 스캐닝은 스캐닝 미러 (scanning mirror)로 수행되고, 상기 이미지 센서는 상기 스캐닝 미러와 동기화된 롤링 셔터 (rolling shutter) 카메라를 포함하는 것인, 공초점 현미경의 자동초점조절 방법. 7. The method of claim 6, wherein the scanning of ii) is performed with a scanning mirror, wherein the image sensor comprises a rolling shutter camera synchronized with the scanning mirror. Focus adjustment method. 제 7항에 있어서, 상기 대상물체는 1개 이상의 대물렌즈를 포함하는 테릿 (territ)이 구비된 스테이지 상에 마운팅되고, 상기 스테이지가 Z-축 방향으로 이동함에 의해, 상기 스테이지 위치에 대응하는 영상이 상기 빔 스캐닝과 동시에 획득되는 것인, 공초점 현미경의 자동초점조절 방법. 8. The method according to claim 7, wherein the object is mounted on a stage having at least one objective lens, and moving the stage in the Z-axis direction causes an image corresponding to the stage position Is obtained simultaneously with the beam scanning. 제 8항에 있어서, 상기 스캐닝 미러에 의한 빔 스캐닝 이동과 카메라 롤링 셔터의 수행은 서로 반대방향으로 이동 및 수행되어, 시야 중앙부의 라인 형태의 영상을 획득하여 분석하는 것인, 공초점 현미경의 자동초점조절 방법. 9. The method of claim 8, wherein the beam scanning movement by the scanning mirror and the camera rolling shutter movement are performed in opposite directions to each other to acquire and analyze a line-shaped image at the center of the field of view, Focus adjustment method. 광학시스템 구성부, 시스템제어부 및 신호처리부로 구성된 공초점현미경의 자동초점조절 시스템으로서,
상기 광학시스템 구성부가,
라인 (line) 형태의 빔 (beam)을 출사하는 광원부;
상기 광원부로부터 출사된 빔의 경로를 조절하고 상기 빔을 스테이지 (stage)에 마운팅 (mounting)된 측정 대상물체 (specimen) 상에 조사하며, 상기 대물렌즈를 통해 입사한 이미지 신호로부터 빔 스캐닝 패턴을 생성하는 빔 스캐닝부;
상기 측정 대상물체에서 상기 빔의 초점이 형성되도록 상기 빔 스캐닝부를 통과한 빛을 상기 대상물체로 안내하는 대물렌즈, 및 상기 대물렌즈를 포함하는 테릿이 구비되고 측정 대상물체가 마운팅 되는 스테이지를 포함하는 대물렌즈부; 및
상기 이미지 센서로서 롤링 셔터 (rolling shutter) 카메라를 포함하는 검출부를 포함하고;
상기 시스템 제어부는,
컴퓨터로 판독가능한 기록매체를 포함하며, 라인 형태 빔의 스캐닝 속도와 롤링셔터 카메라의 셔터 속도를 동기화시키고, 카메라 센서의 픽셀이 동기화되는 방향과 라인 빔의 스캐닝 방향이 반대로 수행되도록 제어하여, 시야 (FOV) 중앙에서만 신호를 받을수 있도록 함으로써 분석하고자 하는 영상의 영역을 제한하며,
상기 신호처리부는,
컴퓨터로 판독가능한 기록매체를 포함하며, 상기 수득한 영상의 라인 선예도 또는 라인 세기를 분석하여 초점거리를 측정하는 것인,
공초점현미경의 자동초점조절 시스템.
An autofocus system of a confocal microscope comprising an optical system component, a system controller and a signal processor,
The optical system constructing unit,
A light source unit for emitting a line-shaped beam;
Adjusting a path of a beam emitted from the light source unit, irradiating the beam onto a specimen mounted on a stage, generating a beam scanning pattern from an image signal incident through the objective lens, A beam scanning unit for scanning the beam spot;
An objective lens for guiding light passing through the beam scanning unit to the object so that a focal point of the beam is formed on the object, and a stage on which the object to be measured is mounted, An objective lens unit; And
And a detection unit including a rolling shutter camera as the image sensor;
The system control unit includes:
A computer-readable recording medium which synchronizes the scanning speed of the line-shaped beam with the shutter speed of the rolling shutter camera and controls the direction in which the pixels of the camera sensor are synchronized and the scanning direction of the line beam to be reversed, FOV) to limit the area of the image to be analyzed,
The signal processing unit,
And a computer-readable recording medium, wherein the focal length is measured by analyzing the line sharpness or line strength of the obtained image,
Focusing system of confocal microscope.
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