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KR102272149B1 - 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치 - Google Patents

3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치 Download PDF

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KR102272149B1
KR102272149B1 KR1020200023424A KR20200023424A KR102272149B1 KR 102272149 B1 KR102272149 B1 KR 102272149B1 KR 1020200023424 A KR1020200023424 A KR 1020200023424A KR 20200023424 A KR20200023424 A KR 20200023424A KR 102272149 B1 KR102272149 B1 KR 102272149B1
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incident light
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박용근
신승우
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주식회사 토모큐브
한국과학기술원
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Abstract

3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법은, 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 단계; 및 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 입사된 상기 입사광에 대한 시편의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정하는 단계를 포함하고, 복굴절이 포함된 상기 시편에서 복굴절률 값과 분자들의 정렬 방향의 3차원 구조를 측정할 수 있다.

Description

3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR RETRIEVING THREE-DIMENSIONAL REFRACTIVE INDEX TENSOR DISTRIBUTION}
아래의 실시예들은 3차원 굴절률 텐서(tensor)의 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 3차원 복굴절률 복구를 구현하는 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
광회절 단층촬영법(Optical Diffraction Tomography, ODT)은 비침습적인 방식으로 시편(시편)의 3차원 굴절률(Refractive Index, RI) 분포를 정량적으로 복구할 수 있기 때문에, 박테리아, 세포, 조직 등 생물학적 연구뿐만 아니라 플라스틱 렌즈 결함 확인, 미세한 3차원 온도 분포 측정 등 다양한 분야에 적용되어 사용되고 있다(비특허문헌 1-3).
하지만, 기존의 광회절 단층촬영법(ODT) 기술은 빛의 전기장 진동방향에 따른 파면이 모두 동일하다는 스칼라 파동(scalar wave) 가정을 요구하기 때문에 방향에 따라 다른 굴절률을 가지는 복굴절 시편에 대해서는 기술의 적용이 제한되어 왔다.
비특허문헌 4-6은 2차원 정량 위상 영상 (quantitative phase imaging) 기술을 이용하여 측정한 시편의 편광별 2차원 위상 지연 영상을 측정할 수 있는 선행연구이다. 한국등록특허 10-1461235호는 이러한 생체조직 검사를 위한 편광감도-광간섭 영상획득용 프로브 및 편광 민감 광 간섭 영상검출용 프로브 및 생체조직 검사를 위한 편광감도-광간섭 영상시스템의 구동방법에 관한 기술을 기재하고 있다.
입사하는 빛의 편광에 따라, 복굴절을 띄는 시편의 편광별 2차원 광학장 (optical field) 영상 (비특허문헌 4-6) 또는 깊이에 따른 편광별 2차원 광학장 영상은 (한국등록특허 10-1461235호)은 측정할 수 있는 기술이 존재했으나, 이런 복굴절 현상을 발생시키는 시편의 근본적인 물리량인 3차원 굴절률 텐서를 측정할 수 있는 이론이나 방법론은 알려진 바가 없다.
Kim, K., et al. (2016). "Optical diffraction tomography techniques for the study of cell pathophysiology." arXiv preprint arXiv:1603.00592. Wolf, E. (1969). "Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data." Optics Communications 1(4): 153-156. Park, Y. (2018). "Quantitative phase imaging in biomedicine." Nature Photonics 12(10): 578-589. Colomb, T., Dahlgren, P., Beghuin, D., Cuche, E., Marquet, P., & Depeursinge, C. (2002). Polarization imaging by use of digital holography. Applied optics, 41(1), 27-37. Wang, Z., Millet, L. J., Gillette, M. U., & Popescu, G. (2008). Jones phase microscopy of transparent and anisotropic samples. Optics letters, 33(11), 1270-1272. Kim, Y., Jeong, J., Jang, J., Kim, M. W., & Park, Y. (2012). Polarization holographic microscopy for extracting spatio-temporally resolved Jones matrix. Optics Express, 20(9), 9948-9955.
실시예들은 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 복굴절이 포함된 시편에서 정확한 복굴절률 값과 분자들의 3차원 방향을 측정할 수 있는 기술을 제공한다.
실시예들은 복굴절 물질이 포함된 시편의 3차원 복굴절률 분포를 정확히 측정할 뿐만 아니라, 분자들의 3차원 정렬 방향에 대한 정보 또한 얻을 수 있는 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
또한, 실시예들은 액정 방울의 3차원 분자 정렬 방향을 관측함으로써, 폐쇄된 공간 내 분자간의 상호작용 결과를 광학적으로 직접 측정할 수 있고, 추가적인 표지 없이 생물학적 세포 또는 조직 시편에서 골격 및 근육 섬유 구조의 선택적 3차원 관찰이 가능한 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법은, 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 단계; 및 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 입사된 상기 입사광에 대한 시편의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정하는 단계를 포함하고, 복굴절이 포함된 상기 시편에서 복굴절률 값과 분자들의 정렬 방향의 3차원 구조를 측정할 수 있다.
상기 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 단계는, 상기 입사광의 각도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 입사광의 각도를 제어하는 단계는, 이중 거울의 위치를 모터 등으로 제어하여 이동시키는 방식, 갈바노메트릭 거울(dual galvanometric mirror), 가변형 거울(deformable mirror), 디지털 마이크로미러 소자(digital micromirror device), 액정 공간 광 변조기(Liquid-crystal spatial light modulator) 및 2차원 멤스 거울(Micro Electro Mechanical System mirror, MEMS mirror) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 상기 입사광의 각도를 제어할 수 있다.
상기 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 단계는, 상기 입사광의 편광을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 입사광의 편광을 제어하는 단계는, 편광 광 분리기(polarization beam splitter), 광 섬유 편광 제어기(optical fiber polarization controller), 회전하는 편광판, 액정 지연기(liquid-crystal retarder) 및 메타 평면(meta surface) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 상기 입사광의 편광을 제어할 수 있다.
상기 입사광에 대한 시편의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정하는 단계는, 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 위상 이동 간섭계(phase shifting interferometry) 및 정량 위상 이미지 촬영 기구(Quantitative phase imaging unit) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한 시간적(temporal) 및 공간적(spatial) 세기 변조 간섭계(intensity modulation interferometry)를 이용하거나, 세기 전달 공식(transport of intensity equation) 및 푸리에 타이코그래피(Fourier ptychography) 중 적어도 어느 하나를 이용한 2차원 회절광을 측정하는 방법을 이용할 수 있다. 또한, 회전하는 편광판, 액정 지연기(liquid-crystal retarder) 및 메타 평면(meta surface) 등을 이용하여 편광 의존적으로 2차원 회절광을 측정할 수 있다.
복굴절률의 텐서 특성은 복굴절이 포함된 상기 시편의 공간적 회전에 의한 것임을 이용하여, 측정된 굴절률 텐서를 대각화함에 따라 복굴절이 포함된 상기 시편에서 복굴절률 값 및 분자들의 정렬 방향을 3차원으로 단층복원 할 수 있다.
다른 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치는, 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 입사광 제어부; 및 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 입사된 상기 입사광에 대한 시편의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정하는 회절광 측정부를 포함하고, 복굴절이 포함된 상기 시편에서 복굴절률 값과 분자들의 정렬 방향의 3차원 구조를 측정할 수 있다.
상기 입사광 제어부는, 상기 입사광의 각도를 제어하는 각도 제어부; 및 상기 입사광의 편광을 제어하는 편광 제어부를 포함하여 이루어질 수 있다.
복굴절률의 텐서 특성은 복굴절이 포함된 상기 시편의 공간적 회전에 의한 것임을 이용하여, 측정된 굴절률 텐서를 대각화함에 따라 복굴절이 포함된 상기 시편에서 복굴절률 값 및 분자들의 정렬 방향을 3차원으로 단층복원 할 수 있다.
실시예들에 따르면 복굴절 물질이 포함된 시편의 3차원 복굴절률 분포를 정확히 측정할 뿐만 아니라, 분자들의 3차원 정렬 방향에 대한 정보 또한 얻을 수 있는 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 액정 방울의 3차원 분자 정렬 방향을 관측함으로써, 폐쇄된 공간 내 분자간의 상호작용 결과를 광학적으로 직접 측정할 수 있고, 추가적인 표지 없이 생물학적 세포 또는 조직 시편에서 골격 및 근육 섬유 구조의 선택적 3차원 관찰이 가능한 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 평면파의 입사광을 각도와 편광으로 제어하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서를 측정한 결과를 나타낸다.
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 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 기존 광회절 단층촬영법(ODT) 기술을 이론적으로 확장하여 복굴절 시편(시편)의 3차원 복굴절률 복구를 구현하는 것이 목적이다. 궁극적으로, 실시예들은 복굴절이 포함된 시편에서 더 정확한 복굴절률 값과 분자들의 3차원 방향을 측정할 수 있다.
실시예들은 3차원 복굴절률 복구를 구현하는 기술에 관한 것이다. 이를 위해서, 기존 이론의 한계를 극복하는 이론 개발과, 이론을 실제로 구현하기 위한 측정 장비의 개발이 핵심이다.
아래에서는 먼저 기존 이론의 한계를 극복하는 이론 개발에 대해 설명한다.
이론의 개발은 기존 이론의 한계인 스칼라파(scalar wave) 가정을 벗어나서, 벡터파(vector wave)와 굴절률 텐서(tensor)를 기반하여 벡터 파동방정식을 푸는 것이 핵심이다.
약 산란 시편(Weakly scattering sample)을 가정하여, 물질 내부에서 다음 식과 같은 벡터 파동방정식이 유도될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020020166865-pat00001
여기서, k 는 파동 벡터(wave vector)의 크기,
Figure 112020020166865-pat00002
은 굴절률 텐서(tensor),
Figure 112020020166865-pat00003
는 전기장 벡터이다.
위 파동방정식을 불균일한 헬름홀츠 방정식(inhomogeneous Helmholtz equation)의 형태로 표현하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020020166865-pat00004
여기서,
Figure 112020020166865-pat00005
는 산란 포텐셜 텐서(scattering potential tensor)이다.
[수학식 2]의 해석적 해를 구하기 위해, Rytov 근사를 사용할 수 있다. Rytov 방법에서는 파면을 지수(exponent) 함수로 표현하고, 약하게 회절된 파면은 지수(exponent)의 급수 표현 중 첫 번째 차수까지만 유의미하게 근사할 수 있으며 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020020166865-pat00006
여기서, ψ x = ln E x 이다.
[수학식 2]를 [수학식 3]의 Rytov 근사를 이용해 구한 해석적 해는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020020166865-pat00007
여기서,
Figure 112020020166865-pat00008
는 입사광 평면파의 편광벡터이고, δ 는 Dirac 델타함수이다. 또한, 아래첨자 0은 입사광의 특성을 나타낸다.
에너지 보존에 의해, 굴절률 텐서는 대칭행렬이어야만 한다는 사실이 잘 알려져 있다. 따라서 이 실시예에서도 굴절률 텐서는 측정해야 하는 6개 성분을 가진 대칭행렬을 가정할 수 있다.
하나의 입사광 각도마다 2개의 수직한 편광벡터가 정의될 수 있으므로, 회절된 파면은 총 6개의 벡터 성분으로 표현될 수 있다. 그러나 수직한 두 개의 편광 벡터의 한가지 성분은 항상 서로 의존되어 있기 때문에, 독립적인 식 5개와 굴절률 텐서의 변수 6개인 미결정 시스템(underdetermined system)이 된다.
이를 해결하기 위해, 미소 기울임 방법을 제공할 수 있다. 회절된 파면에 영향을 준 산란 포텐셜(scattering potential)의 위치는
Figure 112020020166865-pat00009
이기 때문에, 입사각을 바꾸면 다른 위치의 산란 포텐셜 신호(scattering potential signal)를 측정하게 되므로 여전히 미결정 시스템이다. 하지만, 입사각을 아주 미세하게 바꾸면, 미세하게 각도를 바꾸기 전의 산란 포텐셜(scattering potential)과 이것의 미분을 이용하여 회절된 파면을 표현할 수 있고, 입사광의 편광 벡터와도 수직한 벡터 성분을 만들어 줄 수 있다. 이를 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020020166865-pat00010
[수학식 5]의 표현에서, 미분함수의 푸리에 변환(Fourier transform) 특성을 이용하면, 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020020166865-pat00011
여기서,
Figure 112020020166865-pat00012
이다.
즉, 입사각을 미소하게 기울여 측정된 벡터 파면으로부터 미결정 시스템에서 필요한 추가적인 정보를 넣어줄 수 있게 된다.
최종적으로, 복굴절률의 텐서 특성은 복굴절 물질의 공간적 회전에 의한 것임을 이용하여 측정된 굴절률 텐서를 대각화하면, 복굴절률 값 및 분자들의 정렬 방향을 3차원으로 단층복원 할 수 있다.
다음으로, 개발된 이론을 실제로 구현하기 위한 측정 장비의 개발에 대해 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 기술의 실제 구현의 핵심은, 다양한 각도와 편광으로 평면파 입사광을 제어하고, 산란된 광학장을 편광 의존적으로(polarization dependent) 측정하는 것이다.
기존의 광회절 단층촬영법(ODT) 기술은 입사광의 각도를 제어하고 대응하는 산란파면들을 측정하지만, 본 실시예들에 따른 기술은 입사광의 편광 제어 및 편광 의존적 파면을 측정하는 차이가 있다.
일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치(100)는 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 입사광 제어부(110) 및 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 입사된 입사광에 대한 시편의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정하는 회절광 측정부(120)를 포함하여 이루어질 수 있고, 이를 통해 복굴절이 포함된 시편에서 복굴절률 값과 분자들의 정렬 방향의 3차원 구조를 측정할 수 있다.
아래에서 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치(100)를 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치(100)는 입사광 제어부(110) 및 회절광 측정부(120)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 입사광 제어부(110)는 각도 제어부(111) 및 편광 제어부(112)를 포함하여 이루어질 수 있고, 회절광 측정부(120)는 파면 측정부(122)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 실시예에 따라 회절광 측정부(120)는 시편(121)을 더 포함할 수 있다.
입사광 제어부(110)는 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어할 수 있다.
여기서, 입사광 제어부(110)는 각도 제어부(111)를 포함할 수 있고, 각도 제어부(111)는 입사광의 각도를 제어할 수 있다.
빠르고 안정적으로 입사광의 각도를 제어할 수 있는 소자로는 이중 거울, 갈바노메트릭 거울(galvanometric mirror), 가변형 거울(deformable mirror), 디지털 마이크로미러 소자(digital micromirror device), 액정 공간 광 변조기(Liquid-crystal spatial light modulator), 2차원 멤스 거울(Micro Electro Mechanical System mirror, MEMS mirror) 등이 있다. 예컨대, 이중 거울의 위치를 모터 등으로 제어하여 이동시킴으로써 빠르고 안정적으로 입사광의 각도를 제어할 수 있다.
또한, 입사광 제어부(110)는 편광 제어부(112)를 더 포함할 수 있고, 편광 제어부(112)는 입사광의 편광을 제어할 수 있다.
입사광의 편광을 제어하는 방법으로는 편광 광 분리기(polarization beam splitter), 광 섬유 편광 제어기(optical fiber polarization controller), 회전하는 편광판, 액정 지연기(liquid-crystal retarder), 메타 평면(meta surface) 등을 이용하는 방법이 있다.
회절광 측정부(120)는 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 입사된 입사광에 대한 시편(121)의 2차원 회절광(회절 광학장)을 편광 의존적으로 측정할 수 있다.
2차원 회절 광학장의 측정 방법에는 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 위상 이동 간섭계(phase shifting interferometry), 정량 위상 이미지 촬영 기구(Quantitative phase imaging unit) 등을 포함한 시간적(temporal), 공간적(spatial) 세기 변조 간섭계(intensity modulation interferometry)를 이용하거나, 세기 전달 공식(transport of intensity equation), 푸리에 타이코그래피(Fourier ptychography) 등을 이용한 2차원 회절 광학장 측정 방법이 모두 이용 가능하다. 또한, 회전하는 편광판, 액정 지연기(liquid-crystal retarder) 및 메타 평면(meta surface) 등을 이용하여 편광 의존적으로 2차원 회절광을 측정할 수 있다.
상술한 2차원 회절 광학장 측정 방법에 더하여, 편광 의존적 광학장 측정을 위해서는 상술한 입사광의 편광을 제어하는 방법에서와 같이 카메라 앞의 회전하는 편광판, 액정 지연기, 메타 평면을 이용할 수 있다. 또한, 카메라 이미지센서 앞에 편광판이 붙어 있는 편광 카메라를 이용하거나, 서로 다른 방향의 편광판 또는 편광 빔스플리터와 카메라 2개를 이용하여 한꺼번에 측정하는 것 또한 가능하다.
이러한 방법들로 다양한 각도 및 편광 상태로 입사된 평면파에 대한 시편(121)의 2차원 회절 광학장을 편광 의존적으로 측정한 후, 앞에서 설명한 기존 이론의 한계를 극복하는 이론을 이용하면 복굴절 시편(121)의 복굴절률 및 분자들의 정렬 방향의 3차원 구조를 분석할 수 있게 된다.
도 3은 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법을 나타내는 흐름도이다. 또한, 도 4는 일 실시예에 따른 평면파의 입사광을 각도와 편광으로 제어하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법은, 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 단계(S110), 및 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 입사된 입사광에 대한 시편(121)의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정하는 단계(S120)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이를 통해 복굴절이 포함된 시편(121)에서 복굴절률 값과 분자들의 정렬 방향의 3차원 구조를 측정할 수 있다.
도 4를 참조하면, 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 단계(S110)는, 입사광의 각도를 제어하는 단계(S111), 및 입사광의 편광을 제어하는 단계(S112)를 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면 기존 기술로는 측정하지 못했던 복굴절 구조를 3차원 정량 이미징 할 수 있고, 측정된 굴절률 값과 비율을 이용하여 비표지 분자 특이적 3D 이미징(label-free molecular specific 3D imaging)을 구현할 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법의 각 단계를 보다 구체적으로 설명한다.
일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법은 도 1 및 도 2에서 설명한 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치(100)를 예를 들어 설명할 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치(100)는 입사광 제어부(110) 및 회절광 측정부(120)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 입사광 제어부(110)는 각도 제어부(111) 및 편광 제어부(112)를 포함하여 이루어질 수 있고, 회절광 측정부(120)는 파면 측정부(122)를 포함하여 이루어질 수 있다.
단계(S120)에서, 입사광 제어부(110)는 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어할 수 있다.
입사광 제어부(110)는 입사광의 각도를 제어할 수 있다. 이를 위해 입사광 제어부(110)는 이중 거울, 갈바노메트릭 거울(galvanometric mirror), 가변형 거울(deformable mirror), 디지털 마이크로미러 소자(digital micromirror device), 액정 공간 광 변조기(Liquid-crystal spatial light modulator) 및 2차원 멤스 거울(Micro Electro Mechanical System mirror, MEMS mirror) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 입사광의 각도를 제어할 수 있다.
또한, 입사광 제어부(110)는 입사광의 편광을 제어할 수 있다. 이를 위해 입사광 제어부(110)는 편광 광 분리기(polarization beam splitter), 광 섬유 편광 제어기(optical fiber polarization controller), 회전하는 편광판, 액정 지연기(liquid-crystal retarder) 및 메타 평면(meta surface) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 입사광의 편광을 제어할 수 있다.
단계(S120)에서, 회절광 측정부(120)는 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 입사된 입사광에 대한 시편(121)의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정할 수 있다.
회절광 측정부(120)는 입사광에 대한 시편(121)의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정하기 위해 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 위상 이동 간섭계(phase shifting interferometry) 및 정량 위상 이미지 촬영 기구(Quantitative phase imaging unit) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한 시간적(temporal) 및 공간적(spatial) 세기 변조 간섭계(intensity modulation interferometry)를 이용하거나, 세기 전달 공식(transport of intensity equation) 및 푸리에 타이코그래피(Fourier ptychography) 중 적어도 어느 하나를 이용한 2차원 회절광을 측정하는 방법을 이용할 수 있다.
이에 따라 복굴절이 포함된 시편(121)에서 복굴절률 값과 분자들의 정렬 방향의 3차원 구조를 측정할 수 있다. 복굴절률의 텐서 특성은 복굴절이 포함된 시편(121)의 공간적 회전에 의한 것임을 이용하여, 측정된 굴절률 텐서를 대각화함에 따라 복굴절이 포함된 시편(121)에서 복굴절률 값 및 분자들의 정렬 방향을 3차원으로 단층복원 할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 텐서를 측정한 결과를 나타낸다. 여기서, 측정한 시편은 생체 세포(A549 cell; 폐암 세포)이다.
실시예들에 따르면 복굴절 물질이 포함된 시편의 3차원 굴절률 분포를 좀 더 정확히 측정할 뿐만 아니라, 분자들의 3차원 정렬 방향에 대한 정보 또한 얻을 수 있다.
실시예들을 적용하면, 기존의 기술들로는 직접 측정할 수 없었던 액정 방울의 3차원 분자 정렬 방향을 관측함으로써, 폐쇄된 공간 내 분자간의 상호작용 결과를 광학적으로 직접 측정할 수 있다. 생물학적 세포 또는 조직 시편에서 골격 및 근육 섬유는 주위에 비해 큰 편광성을 갖고 있으므로, 추가적인 표지 없이 이러한 구조의 선택적 3차원 관찰에도 적용될 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 생산되는 플라스틱 제품에서 뒤틀림, 늘어남 등에 의한 스트레스는 광학적 편광 특성을 유발하기 때문에 작은 플라스틱 렌즈의 생산 불량 검출 등에도 더 효과적으로 적용될 수 있을 것이라 기대된다.
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. 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 단계; 및
    적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 입사된 상기 입사광에 대한 시편의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정하는 단계
    를 포함하고,
    복굴절이 포함된 상기 시편에서 복굴절률 값과 분자들의 정렬 방향의 3차원 구조를 측정하며,
    상기 입사광에 대한 시편의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정하는 단계는,
    마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 위상 이동 간섭계(phase shifting interferometry) 및 정량 위상 이미지 촬영 기구(Quantitative phase imaging unit) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한 시간적(temporal) 및 공간적(spatial) 세기 변조 간섭계(intensity modulation interferometry)를 이용하거나, 세기 전달 공식(transport of intensity equation) 및 푸리에 타이코그래피(Fourier ptychography) 중 적어도 어느 하나를 이용한 2차원 회절광을 측정하는 방법을 이용하고,
    복굴절률의 텐서(tensor) 특성은 복굴절이 포함된 상기 시편의 공간적 회전에 의한 것임을 이용하여, 측정된 굴절률 텐서를 대각화함에 따라 복굴절이 포함된 상기 시편에서 복굴절률 값 및 분자들의 정렬 방향을 3차원으로 단층복원 하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 단계는,
    상기 입사광의 각도를 제어하는 단계
    를 포함하는, 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입사광의 각도를 제어하는 단계는,
    이중 거울, 갈바노메트릭 거울(galvanometric mirror), 가변형 거울(deformable mirror), 디지털 마이크로미러 소자(digital micromirror device), 액정 공간 광 변조기(Liquid-crystal spatial light modulator) 및 2차원 멤스 거울(Micro Electro Mechanical System mirror, MEMS mirror) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 상기 입사광의 각도를 제어하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 단계는,
    상기 입사광의 편광을 제어하는 단계
    를 포함하는, 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 입사광의 편광을 제어하는 단계는,
    편광 광 분리기(polarization beam splitter), 광 섬유 편광 제어기(optical fiber polarization controller), 회전하는 편광판, 액정 지연기(liquid-crystal retarder) 및 메타 평면(meta surface) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 상기 입사광의 편광을 제어하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 굴절률 텐서의 측정 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 평면파의 입사광을 적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 제어하는 입사광 제어부; 및
    적어도 하나 이상의 각도와 편광으로 입사된 상기 입사광에 대한 시편의 2차원 회절광을 편광 의존적으로 측정하는 회절광 측정부
    를 포함하고,
    복굴절이 포함된 상기 시편에서 복굴절률 값과 분자들의 정렬 방향의 3차원 구조를 측정하며,
    상기 회절광 측정부는,
    마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 위상 이동 간섭계(phase shifting interferometry) 및 정량 위상 이미지 촬영 기구(Quantitative phase imaging unit) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한 시간적(temporal) 및 공간적(spatial) 세기 변조 간섭계(intensity modulation interferometry)를 이용하거나, 세기 전달 공식(transport of intensity equation) 및 푸리에 타이코그래피(Fourier ptychography) 중 적어도 어느 하나를 이용한 2차원 회절광을 측정하는 방법을 이용하고,
    복굴절률의 텐서(tensor) 특성은 복굴절이 포함된 상기 시편의 공간적 회전에 의한 것임을 이용하여, 측정된 굴절률 텐서를 대각화함에 따라 복굴절이 포함된 상기 시편에서 복굴절률 값 및 분자들의 정렬 방향을 3차원으로 단층복원 하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 입사광 제어부는,
    상기 입사광의 각도를 제어하는 각도 제어부; 및
    상기 입사광의 편광을 제어하는 편광 제어부
    를 포함하는, 3차원 굴절률 텐서의 측정 장치.
  10. 삭제
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