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3차원 현미경 이미징 기술 연구
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15-12-28 14:58
 3차원 현미경 이미징 기술 연구 |
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| 중국과학원 시안(西安) 광학 정밀기계 연구소
산하 `순간 상태 광학 및 광자 기술(Photon Technology) 국가 중점 실험실` 야오바오리(姚保利) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를
통해 3차원 현미경 이미징 기술 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀의 관련 연구 성과는 " Full-color structured illumination optical sectioning microscopy"라는 테마로 세계적인 과학 학술지 네이처(Nature)의 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재되었다. 색상(스펙트럼) 정보는 물체 특징을 기술하는데 있어서 하나의 중요한 물리량이 되고 있는 상황이다. 3차원 물체 색상 크로마토그래피(Chromatography) 기술은 물체 표면 형태 특징의 중요한 수단이 되고 있을 뿐만 아니라 실제적인 물체 3차원 디지털화의 기반이 되고 있다. 레이저 공동 초점 스캐닝 현미경을 대표로 하는 포인트 스캐닝 현미경 이미징 기술은 3차원 크로마토그래피(Chromatography) 능력을 보유하고 있는 상황이다. 하지만 전체 3차원 샘플에 대한 포인트 스캐닝은 비교적 긴 시간이 필요할 뿐만 아니라 시각 필드도 매우 작기 때문에 현재 바이오 의학 현미경 이미징 분야에서만 응용되고 있는 상황이다. 줄무늬 투영 방법과 화이트 위상 이동 간섭 방법은 비교적 성숙된 3차원 물체 표면 이미징 및 측정 기술로서 현재 폭넓게 응용되고 있는 상황이다. 이런 두 가지 기술이 3차원 매핑(3D mapping) 기술과 결합되면 3차원 물체의 표면 색상 정보를 취득할 수 있다. 하지만 매핑 기술은 단점을 보유하고 있는데 구체적으로 이미지 대형 왜곡이 존재하는 동시에 해상도가 높지 못한 단점이 존재하고 있는 상황이다. 동시에 위상 랩핑 해제 알고리즘 제한을 받아 줄무늬 투영 방법과 화이트 위상 이동 간섭 방법은 표면이 복잡하고 돌변하는 구조를 보유하고 있는 물체에 모두 적용할 수 없는 상황이다. 하지만 유사한 복잡 구조는 일상적으로 나타나고 있는 상황이다(예를 들면 동물의 모발, 기계 작업 표면의 글리치(glitch), 식물의 잎 등). 구조적인 조명 현미경(SIM)은 일종 특수한 조명 방식의 넓은 필드 이미징 기술로서 특정 알고리즘 계산 및 재 구성을 통해 3차원 광 슬라이스 이미징을 실현할 수 있다. 동시에 샘플 표면의 복잡 구조를 정밀 분석할 수 있다. 하지만 현재 모든 SIM은 단일 색상이며 현미경 시각 필드 크기의 제한을 받기 때문에 SIM 기술은 현재 미시적인 분야에만 응용되고 있는 상황이다. 중국과학원 시안(西安) 광학 정밀기계 연구소 산하 `순간 상태 광학 및 광자 기술(Photon Technology) 국가 중점 실험실` 야오바오리(姚保利) 연구원 연구팀은 지난 2010년도부터 SIM 기술 연구를 실행하였으며 심층적이고 정밀한 이론 및 실험 연구를 통해 최초로 디지털 현미경 디바이스(DMD)와 LED 조명에 기반한 SIM 기술을 개발하였다(Scientific Reports 2013, 중국 ‘국가 발명 특허’ ZL201110448980.8). 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 컬러 CMOS 카메라로 기록한 화이트 혹은 멀티 색상 구조의 광 조명을 통해 전통 광 슬라이스 SIM 기술이 사용하고 있는 제곱평균제곱근(root mean square) 단층 분석 알고리즘에 대한 개선 작업을 실행하고 HSV 컬러 공간의 컬러 알고리즘(이미 중국 ‘국가 발명 특허’를 신청한 상황임)을 제시하고 물체 고해상도 컬러 3차원 이미지를 취득하였다. 연구팀은 3차원 멀티 시각 필드 데이터 자체 적응 융합 기술과 결합하여 중시계(Mesoscopic) 물체(서브 밀리미터에서 밀리미터 레벨의 사이즈임)에 대한 현미경 이미징을 취득할 때 현미경 시각 필드의 한계 때문에 전체 물체의 고해상도 3차원 이미징을 1회적으로 취득할 수 없는 문제를 해결하였으며 시각 필드 범위는 2mm2 이상 수준에 달하는 것으로 나타났다. 연구팀은 중국과학원 동물 연구소 연구팀과 공동 실험 연구를 실행하여 진드기와 곤충 점프 장치의 컬러 3차원 광 슬라이스 이미징을 실현함으로써 관련 분야 연구를 위해 유력한 기술 지원을 제공하였다. 동시에 마이크로 전자 칩 및 동전(coin) 구조에 대해 큰 시각 필드 컬러 3차원 이미징을 실행함으로써 3차원 물체 표면 형태에 대한 측정 분야에서의 SIM 기술 응용을 추진하였다. 3차원 이미징과 측정 기술은 현재 국내외 광학 분야에서의 중요한 연구 방향이 되고 있으며 이미 현대 공업 및 문화 창의 산업의 전체 프로세스에 임베디드된 상황이다. 연구팀은 이번 연구를 통해 3차원 현미경 이미징 분야에서 핵심을 기술을 보유할 수 있게 되었으며, 관련 기술은 바이오 의학, 재료 화학, 정밀 제조 등 학과와의 교차 협력을 통해 중국의 해당 분야 연구 수준을 대폭 향상시키고 있는 상황이다. 연구팀이 취득한 연구 결과는 폭넓고 밝은 응용 전망을 보유하고 있다. [그림 1] 진드기(a) 및 점프 디아바이스(b)의 컬러 3차원 이미지. [그림 2] 디지털 현미경 칩의 컬러 3차원 이미지. |