KR102409740B1 - 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미량 시료의 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR) 중에 생성되는 반응산물의 생성을 검출하기 위하여 시료 전체에 균일한 여기광을 제공 및 심도편차에 대하여 안정적인 영상을 취득하는데 있어서, 크기를 소형화하면서도 제작 및 제어에 유리하고 감도를 향상시킬 수 있는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 관한 것으로서, 광원으로부터 발생되어 특정 파장대역으로 필터링된 여기광 및 시료로부터 전달되는 형광을 소정 각도로 반사하여 폴딩시키는 평면미러와, 측정영역 전구간에 걸쳐 수차 발생을 최소화하도록 광축의 입사각을 20-25도로 하여 상기 평면미러에서 폴딩된 특정 파장대역의 여기광을 반사시켜 시료에 전달하고, 시료로부터 발생된 형광을 반사시켜 다시 상기 평면미러로 전달하는 곡면미러와, 전달된 형광에서 특정 파장대역의 형광을 선택적으로 통과시키는 방출필터 및 상기 방출필터를 통과한 특정 파장대역의 형광을 집광시켜 광검출기로 전달하는 집광렌즈계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 형광 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 미량 시료의 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR) 중에 생성되는 반응산물의 생성을 검출하기 위하여 시료 전체에 균일한 여기광을 제공 및 심도편차에 대하여 안정적인 영상을 취득하는데 있어서, 크기를 소형화하면서도 제작 및 제어에 유리하고 감도를 향상시킬 수 있는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 관한 것이다.
근래 중합효소 연쇄반응(이하 'PCR')을 수행하면서 반응산물을 실시간으로 모니터링할 수 있는 실시간 중합효소연쇄반응(real-time PCR) 방법이 개발되었다. 이 방법은 젤 상에서의 전기영동이 필요 없고, 반응사이클 도중에 증폭산물을 확인할 수 있으며, 정량적인 결과를 얻을 수 있는 이점이 있는 방법이다. 이러한 실시간 PCR을 위해 사용되는 장치는 PCR반응을 위한 온도순환장치(thermal cycler)와 반응물의 실시간 검출을 위한 형광분석기(fluorometer)를 합체한 기기로서, 통상 실시간 PCR의 모니터링은 형광시약을 이용한 형광검출이 사용되므로, 이하에서는 이를 형광 측정 장치라 칭한다.
종래의 실시간 PCR을 위한 장치(JP 특개2016-195602, 이하 '선행기술')는 도 1에 도시한 바와 같이 열제어부(1c), 반응용 성분의 현탁액 포함하는 시료가 들어있는 반응튜브(2a)에 열을 전달하기 위한 블록(1)과 반응튜브 내부의 시료에 광을 조사하기 위한 조사광원(11) 그리고 시료로부터 발광되는 형광을 수광하기 위한 수광부(78)로 구성되어 있다. 반응튜브(2a)는 예로서 8×12의 어레이로 96개가 플라스틱제의 단위 트레이에 원추형으로 형성될 수 있고, 착탈 가능하게 장착된다.
선행기술의 작동원리는 반응튜브(2a) 안의 시료를 반응시키기 위해 열제어부(1c)를 이용하여 냉각 또는 가열 사이클을 반복적으로 실행하면서 매 사이클이 끝날 때 마다 조사광원(11)과 수광부(78)를 작동시켜 시료로부터 발광하는 형광량을 측정하여 반응의 정도를 실시간으로 표시하게 한다.
선행기술은 백색광원인 조사광원(11)으로부터 형광 프로브에 맞는 파장의 여기광을 발생시키기 위해 대역통과필터(7)가 사용되며, 시료에서 나온 형광만을 선택적으로 수광소자(78)로 전달하기 위해 또 하나의 밴드패스필터(8)가 사용되었다. 빔스플리터(6)는 45° 각도로 배치되어 여기광과 형광을 분리하기 위한 소자로서, 여기광(여기광의 주파수 대역을 갖는 광)은 반사하고 시료로부터 발광되는 형광(형광의 주파수 대역을 갖는 광)은 통과시킨다. 빔스플리터(6)에서 반사된 여기광은 거울(22)에서 반사되어 프레넬렌즈(3)에 의해 집속 및 렌즈(2b)에 의해 각 반응튜브(2a)의 중심(초점)에 도달하게 되고, 시료에 포함된 마커 염료가 여기광에 반응하여 발광된 형광은 거울(5)에서 반사 및 빔스플리터(6)를 통과하여 수광부(78)에 도달한다.
각 반응튜브(2a)의 상부에 배치되는 렌즈(2b)는 여기광의 초점이 시료의 중심에 집속되도록 하며, 그 상부에 배치되는 프레넬렌즈(3)는 여기광을 평행하게 만들기 위한 것으로, 형광측정을 위한 시료 전체에 걸쳐 균일한 조명과 심도편차에 대하여 안정적인 영상 취득을 목적으로 텔레센트릭 광학계를 구성한다.
그러나 선행기술은 구성되는 텔레센트릭 광학계의 특성상 물체면 전영역에서 양호한 성능을 확보하기 위해 광경로가 길게 형성되기 때문에, 최근 현장에서 요구되고 있는 형광 측정 장치의 소형화에 큰 걸림돌이 되고 있다.
또한, 물체면과 가까운 위치에 물체크기와 동등한 크기의 필드렌즈가 배치되기 때문에 물체면에 가까이 배치된 필드렌즈에 의해 형광측정장치의 소형화에 제약이 있다.
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하여 기존의 형광 측정 장치가 지닌 한계 및 문제점의 해결에 역점을 두어, 종래의 텔레센트릭 광학계의 특성인 길게 형성되는 광경로를 짧게 줄임으로써 형광 측정 장치의 소형화 및 발생하는 수차 및 상면만곡 편차를 최소화하는 효과를 도모할 수 있는 새로운 구조의 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 미량 시료의 중합효소 연쇄반응 중에 생성되는 반응산물의 생성을 검출하기 위하여 시료 전체에 균일한 여기광을 제공 및 심도편차에 대하여 안정적인 영상을 취득하는데 있어서, 크기를 소형화하면서도 제작 및 제어에 유리하고 감도를 향상시킬 수 있는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치를 제공하는 데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치는, 형광성 염료 성분을 포함하는 시료가 담긴 적어도 하나의 반응튜브를 지지하는 열제어 수단을 포함하는 반응장치의 중합효소 연쇄반응(PCR)에서 발광된 형광량을 측정함으로써 상기 시료를 검사하기 위하여, 상기 형광성 염료를 발광시키는 주파수 대역을 갖는 여기광을 발생시키는 광원과, 상기 광원으로부터 발생하는 여기광을 집광시키는 제1 집광렌즈계 및 상기 제1 집광렌즈계에 의해 집광된 여기광에서 특정 파장대역의 여기광을 통과시키는 여기필터를 포함하는 제1 광학계 및 상기 여기필터를 통과한 특정 파장대역의 여기광을 반사시켜 시료에 전달하고, 시료로부터 발생된 형광을 통과시켜 광검출기로 전달하는 제2 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 있어서, 상기 제2 광학계로부터 전달되는 특정 파장대역의 여기광 및 시료로부터 전달되는 형광을 소정 각도로 반사하여 폴딩시키는 평면미러 및 상기 평면미러에서 폴딩된 특정 파장대역의 여기광을 반사시켜 시료에 전달하고, 시료로부터 발생된 형광을 반사시켜 다시 상기 평면미러로 전달하는 곡면미러를 포함하는 제3 광학계; 및 상기 제3 광학계를 통해 전달된 형광에서 특정 파장대역의 형광을 선택적으로 통과시키는 방출필터 및 상기 방출필터를 통과한 특정 파장대역의 형광을 집광시켜 광검출기로 전달하는 제2 집광렌즈계를 포함하는 제4 광학계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 있어서, 상기 제3 광학계는 상기 곡면미러에 입사하는 여기광의 광축 입사각이 20도 이상이고 25도 이하의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 있어서, 상기 제3 광학계는 상기 곡면미러의 초점위치에 개구스톱(aperture stop)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 있어서, 상기 제3 광학계의 상기 곡면미러는 구면 형상, 회전대칭 비구면 형상 및 비대칭 자유곡면 형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 있어서, 상기 제4 광학계의 상기 제2 집광렌즈계는 2매 이상의 렌즈로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 있어서, 상기 제4 광학계의 상기 제2 집광렌즈계는 하기의 수학식 1을 만족하는 소재를 적어도 1매 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
<수학식 1>
Vd <30, Nd >1.6
여기서, Vd는 재질의 아베수, Nd는 재질의 굴절률이다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 있어서, 상기 광검출기는, 측정영역 전구간의 상면만곡 편차를 최소화하기 위해 수광면이 하기의 수학식 2를 만족하도록 상기 제4 광학계의 광축에 경사지게 배치되는 것이 바람직하다.
<수학식 2>
0< tan α < M * tan θ
여기서, M은 광학계 배율, α는 광검출기의 수광면 경사각, θ는 곡면미러의 광축 입사각이다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 있어서, 상기 제2 광학계는, 여기광과 형광의 광경로 상에 배치되어 여기광과 형광을 합성 및 분리하는 다이크로익 빔스플리터 및 여기광의 광경로 상에 위치하여 여기광만을 반사하는 반사미러 중 어느 하나로 구성이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 있어서, 상기 평면미러는, 상기 제2 광학계로부터 전달되는 특정 파장대역의 여기광 및 시료로부터 전달되는 형광을 '4자' 및 'Z자' 중 어느 하나로 폴딩시킴으로써 형광 측정 장치의 크기를 최소화할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명은 곡면미러가 텔레센트릭 특성을 갖도록 곡면미러의 초점 위치에 개구스톱을 배치하고 곡면미러와 평면미러를 경사 배치하여 광경로를 구성함으로써 소형의 형광측정장치를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 필드렌즈 대신에 곡면미러를 적용하여 굴절률 분산에 의한 색수차가 발생하지 않는 특징을 갖고 있어, 다중형광 측정시에도 양호한 성능을 확보 할 수 있다.
여기서 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 실시간 PCR을 위한 장치를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 블록구성도,
도 3은 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 바람직한 실시 예를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 다른 일 실시예를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 제4 광학계의 확대도,
도 6은 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계의 수차 특성 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계의 결상면 경사각에 대한 MTF 특성 그래프,
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 제2 광학계의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 블록구성도,
도 3은 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 바람직한 실시 예를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 다른 일 실시예를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 제4 광학계의 확대도,
도 6은 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계의 수차 특성 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계의 결상면 경사각에 대한 MTF 특성 그래프,
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 제2 광학계의 일 실시예를 나타낸 도면.
이하에서는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, "부"의 용어에 대한 의미는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위 또는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
먼저, 도 2는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 블록구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 바람직한 실시 예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치는 형광성 염료 성분을 포함하는 시료가 담긴 적어도 하나의 반응튜브를 지지하는 열제어 수단을 포함하는 반응장치의 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)에서 발광된 형광량을 측정함으로써 시료를 검사한다. 따라서 형광성 염료를 발광시키는 주파수 대역을 갖는 여기광을 발생시키는 광원(110)과, 광원(110)으로부터 발생하는 여기광을 집광시키는 제1 집광렌즈계와, 이 제1 집광렌즈계에 의해 집광된 여기광에서 특정 파장대역의 여기광을 통과시키는 여기필터(121)를 포함하는 제1 광학계(120)를 광원(110)에 인접하여 구성한다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치는 여기필터(121)를 통과한 특정 파장대역의 여기광을 반사시켜 시료(101)에 전달하고, 시료(101)로부터 발생된 형광을 통과시켜 광검출기(160)로 전달하는 제2 광학계(130)를 제1 광학계(120)에 인접하여 구성한다.
제2 광학계(130)는 여기광과 형광을 합성 및 분리하는 소자로서, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 다이크로익 빔스플리터(131, dichroic beam splitter) 또는 반사미러(132)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 8과 같이 다이크로익 빔스플리터(131)를 포함하는 제2 광학계(130)는 제1 광학계(120)의 여기필터(121)로부터 입사되는 여기광(L1)을 반사시켜 제3 광학계(140)로 전달하고, 제3 광학계(140)로부터 입사되는 형광(L2)을 통과시켜 제4 광학계(150)의 방출필터(151)로 전달한다. 한편, 도 9와 같이 반사미러(132)를 포함하는 제2 광학계(130)는 제1 광학계(120)의 여기필터(121)로부터 입사되는 여기광(L1)만을 반사시켜 제3 광학계(140)로 전달하고, 제3 광학계(140)로부터 입사되는 형광(L2)은 반사미러(132)와 관계 없이 제4 광학계(150)의 방출필터(151)로 진행한다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치는 제2 광학계(130)로부터 전달되는 특정 파장대역의 여기광 및 시료(101)로부터 전달되는 형광을 소정 각도로 반사하여 폴딩시키는(folding) 평면미러(141) 및 측정영역 전구간에 걸쳐 수차 발생을 최소화하도록 광축의 입사각을 20-25도로 하여 평면미러(141)에서 폴딩된 특정 파장대역의 여기광을 반사시켜 시료(101)에 전달하고, 시료(101)로부터 발생된 형광을 반사시켜 다시 평면미러(141)로 전달하는 곡면미러(142)를 포함하는 제3 광학계(140)를 구비한다.
곡면미러(142)가 텔레센트릭 특성을 갖도록 곡면미러(142)의 초점위치에 제2집광렌즈계(152)로 입사하는 형광 광속 양을 조절하는 개구스톱(153, aperture stop)이 배치된다. 상기의 개구스톱(153)은 형광을 검출하는 광학계의 밝기를 결정하는 수단으로 조리개, 애퍼처(aperture), 애퍼처 스톱(aperture stop), 스톱(stop) 등과 같은 명칭으로 불리기도 한다. 또한 상기의 곡면미러(142)는 경우에 따라 구면, 회전대칭 비구면, 비대칭 자유곡면의 면 형상으로 적용될 수 있다.
상기 제3 광학계(140)는 평면미러(141)와 곡면미러(142)를 도 3에 도시된 바와 같이 배치하여 광경로를 '4자' 형태로 폴딩하거나, 도 4에 도시된 바와 같이 배치하여 광경로를 'Z자' 형태로 폴딩함으로써 광경로가 짧아지도록 하여 텔레센트릭 광학계 및 이를 포함하는 형광 측정 장치의 크기를 소형화할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에서 곡면미러(142)에서 광축에 대한 입사각(θ)이 20-25도가 되도록 배치한다. 이는 측정영역 전구간에서 균일한 결상성능을 확보하기 위한 것으로, 곡면미러(142)에서 형광이 반사됨에 따라 발생하는 수차가 최소화되도록 하기 위한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치는 제3 광학계(140)를 통해 전달된 형광에서 특정 파장대역의 형광을 선택적으로 통과시키는 방출필터(151)와, 상기 방출필터를 통과한 특정 파장대역의 형광을 집광시켜 광검출기로 전달하는 제2 집광렌즈계(152)를 포함하는 제4 광학계(150)를 구비한다.
도 5는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치의 제4 광학계의 확대도로서, 제4 광학계(150) 중 제2 집광렌즈계(152)의 렌즈구성을 상세히 도시하였다. 제2 집광렌즈계(152)를 구성하는 렌즈군의 일 실시예를 하기의 표 1에 나타내었다.
상기 제2 집광렌즈계(152)는 2매 이상의 렌즈군으로 구성될 수 있으며, 넓은 파장범위에서 색수차 특성을 양호히 확보하기 위해 아베수(Vd)와 굴절률(Nd)이 하기의 수학식1을 만족하는 적어도 1매 이상의 고굴절 고분산 소재를 포함한다.
도 6은 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계의 수차 특성을 나타낸 그래프로서, 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 텔레센트릭 광학계는 파장범위 450nm에서 750nm에서 양호한 색수차 특성을 갖고 있음을 알 수 있다.
아울러, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치는 측정영역 전구간의 상면만곡 편차를 최소화하기 위해 제4광학계(150)의 광축에 대하여 수직으로 배치되던 광검출기(160)의 수광면(161)을 하기의 수학식 2를 만족하는 경사각(α)만큼 경사지게 배치한다.
여기서, M은 광학계 배율, α는 광검출기의 수광면 경사각, θ는 곡면미러의 광축 입사각이다.
상기 수학식 2에 따라, 일 실시 예로서, 측정영역의 크기 83*117mm, 결상 파장대역 450-750nm, 매질의 NA(Numerical Aperture) 0.02, 배율(M) 0.08 및 곡면미러(142)의 곡률반경을 895mm로 하고, 제3 광학계(140)의 곡면미러(142) 광축 입사각(θ)을 20도로 하면, 수학식 2의 최대 경사각(α_max) = tan-1(M*tanθ) = 1.67도이다. 본 발명에 따른 실시 예에서는 광검출기(160)의 수광면의 경사각(α)은 1.67보다 작은 각도를 갖는 1.25도로 설정하였다.
도 7 는 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계의 결상면 경사각에 대한 MTF 특성 그래프로서, 본 발명에 따른 곡면미러(142)의 곡률반경 895mm에 대하여, 광검출기(160)의 수광면(161)면의 경사각도에 대한 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 나타낸 것이다. 광검출기(160)의 수광면(161)면을 1.25도의 경사각도로 적용할 시 MTF가 개선됨을 알 수 있다.
하기의 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 곡면미러 입사각과 광검출기 수광면의 경사각을 나타낸 것으로서, 제3 광학계(140)의 곡면미러(142)의 여러 입사각에 대한 제4 광학계(150)의 상면만곡이 최소화되는 광검출기(160)의 수광면(161)의 경사각도를 나타낸다. 표 2는 상기 수학식 2를 만족한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치는 텔레센트릭 광학계의 광경로를 짧게 줄임으로써 형광 측정 장치를 소형화할 수 있으며, 측정영역 전구간에 걸쳐 수차 발생을 최소화함과 아울러 상면만곡 편차를 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.
101: 시료 110: 광원
120: 제1 광학계 121: 여기필터
130: 제2 광학계 131: 다이크로익 빔스플리터
132: 반사미러 140: 제3 광학계
141: 평면미러 142: 곡면미러
150: 제4 광학계 151: 방출필터
152: 제2 집광렌즈계 153: 개구스톱
160: 광검출기 161: 수광부
L1: 여기광 L2: 형광
θ: 곡면미러 입사각 Α: 수광면 경사각
120: 제1 광학계 121: 여기필터
130: 제2 광학계 131: 다이크로익 빔스플리터
132: 반사미러 140: 제3 광학계
141: 평면미러 142: 곡면미러
150: 제4 광학계 151: 방출필터
152: 제2 집광렌즈계 153: 개구스톱
160: 광검출기 161: 수광부
L1: 여기광 L2: 형광
θ: 곡면미러 입사각 Α: 수광면 경사각
Claims (9)
- 형광성 염료 성분을 포함하는 시료가 담긴 적어도 하나의 반응튜브를 지지하는 열제어 수단을 포함하는 반응장치의 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)에서 발광된 형광량을 측정함으로써 상기 시료를 검사하기 위하여, 상기 형광성 염료를 발광시키는 주파수 대역을 갖는 여기광을 발생시키는 광원과, 상기 광원으로부터 발생하는 여기광을 집광시키는 제1 집광렌즈계 및 상기 제1 집광렌즈계에 의해 집광된 여기광에서 특정 파장대역의 여기광을 통과시키는 여기필터를 포함하는 제1 광학계 및 상기 여기필터를 통과한 특정 파장대역의 여기광을 반사시켜 시료에 전달하고, 시료로부터 발생된 형광을 통과시켜 광검출기로 전달하는 제2 광학계를 포함하는 형광 측정 장치에 있어서,
상기 제2 광학계로부터 전달되는 특정 파장대역의 여기광 및 시료로부터 전달되는 형광을 소정 각도로 반사하여 폴딩시키는(folding) 평면미러 및 상기 평면미러에서 폴딩된 특정 파장대역의 여기광을 반사시켜 시료에 전달하고, 시료로부터 발생된 형광을 반사시켜 다시 상기 평면미러로 전달하는 곡면미러를 포함하는 제3 광학계; 및
상기 제3 광학계를 통해 전달된 형광에서 특정 파장대역의 형광을 선택적으로 통과시키는 방출필터 및 상기 방출필터를 통과한 특정 파장대역의 형광을 집광시켜 광검출기로 전달하는 제2 집광렌즈계를 포함하는 제4 광학계;를 포함하여 이루어지고,
상기 광검출기는, 측정영역 전구간의 상면만곡 편차를 최소화하기 위해 수광면이 하기의 수학식 2를 만족하도록 상기 제4 광학계의 광축에 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치.
<수학식 2>
0< tan α < M * tan θ
여기서, M은 광학계 배율, α는 광검출기의 수광면 경사각, θ는 곡면미러의 광축 입사각이다.
- 제 1항에 있어서, 상기 제3 광학계는,
상기 곡면미러에 입사하는 여기광의 광축 입사각이 20도 이상이고 25도 이하의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 제3 광학계는,
상기 곡면미러의 초점위치에 개구스톱(aperture stop)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 제3 광학계의 상기 곡면미러는,
구면 형상, 회전대칭 비구면 형상 및 비대칭 자유곡면 형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 제4 광학계의 상기 제2 집광렌즈계는,
2매 이상의 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 제4 광학계의 상기 제2 집광렌즈계는,
하기의 수학식 1을 만족하는 소재를 적어도 1매 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치.
<수학식 1>
Vd <30, Nd >1.6
여기서, Vd는 재질의 아베수, Nd는 재질의 굴절률이다.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 제2 광학계는,
여기광과 형광의 광경로 상에 배치되어 여기광과 형광을 합성 및 분리하는 다이크로익 빔스플리터 및 여기광의 광경로 상에 위치하여 여기광만을 반사하는 반사미러 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 평면미러는,
상기 제2 광학계로부터 전달되는 특정 파장대역의 여기광 및 시료로부터 전달되는 형광을 '4자' 및 'Z자' 중 어느 하나로 폴딩시키는 것을 특징으로 하는 텔레센트릭 광학계를 포함하는 형광 측정 장치.
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