JAI | 생명 과학 및 산업 애플리케이션을 위한 첨단 컬러 현미경 솔루션

생명 과학 및 산업 애플리케이션을 위한 첨단 컬러 현미경 솔루션

서론

세상은 나날이 작아지고 있습니다. 비전 시스템 설계자에게 있어 이 문구는 비전 시스템에서 미세한 디테일이 점점 더 중요해지고 있다는 특별한 의미를 가집니다. 광학 현미경을 사용하여 한 사람이 수동으로 수행했던 작업은 이제 디지털 카메라, 정교한 이미지 캡처, 분석 소프트웨어가 결합된 현미경을 통해 그 어느 때보다 빠르고 정확하게 반복적으로 수행되고 있습니다.

이러한 현미경 기반 머신 비전 시스템은 반도체 검사, 재료 과학, 고장 분석 및 QA와 같은 광범위한 산업 애플리케이션 및 생명 과학 애플리케이션에서 사용되고 있습니다.

이러한 애플리케이션의 목표를 달성하기 위해서는 디지털 현미경 시스템에서 컬러 정보를 캡처하고 분석하는 것이 매우 중요합니다. 따라서 시스템의 "눈" 역할을 하는 시스템의 카메라는 시스템의 "두뇌"인 소프트웨어가 기능을 수행할 수 있도록 적합한 수준의 공간 및 컬러 정보를 제공할 수 있어야 합니다.

본 기술 가이드를 통해 디지털 현미경 솔루션과 다양한 카메라 기능을 활용하여 애플리케이션 요구 조건을 충족하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

Color Microscopy Tech Guide Icon
Chapter 1 컬러 현미경 시스템의 유형

컬러 현미경 시스템의 유형

최신 컬러 현미경 기반 시스템은 여러 범주로 나뉩니다. 가장 일반적인 범주는 다음과 같습니다.

  • 샘플을 조명하고 컬러 이미지를 캡처하기 위해 기존 명시야 기술과 함께 컬러 염료 또는 염색을 사용하는 시스템

    일부 산업 시스템의 경우 조명에 암시야 기술 및 근적외선 파장을 포함하여 가시적 및 비가시적 디테일을 동시에 분석할 수도 있습니다.
    Microscope Illustration brightfield
    명시야 현미경 기술
  • 컬러 형광을 이용한 컬러 현미경 시스템
    이 기술은 유기 및 무기 화합물 모두에서 사용될 수 있지만 특정 구조 또는 관심 개체가 여기된 광원에 부딪힐 때 특정 광 파장(색상)을 방출하는 방식으로 1개 이상의 형광 염색(형광단)이 생물학적 샘플에 추가되는 생명 과학 분야에서 가장 일반적으로 사용됩니다.

    Microscope Illustration color fluorescence
    형광 현미경 기술
Chapter 2 컬러 현미경의 과제

컬러 현미경의 과제

컬러 현미경 시스템 설계자는 타겟 애플리케이션에 따라 다양한 과제에 직면합니다. 고려해야 할 몇 가지 중요한 과제는 다음과 같습니다.

  • 컬러 정확도 및 구별
    많은 애플리케이션, 특히 염색이나 염료와 관련된 생명 과학 애플리케이션에서 정확한 분석을 하기 위해서는 특정 색상을 감지하고 유사한 색상과 구별하는 것이 중요합니다.

    Unstained stained
    샘플에 컬러 염색을 추가하기 전(왼쪽)과 후의 명시야 이미지(출처: Olympus)
  • 감도
    현미경 애플리케이션은 보통 상대적으로 낮은 조도에서 작동해야 합니다. 이는 초기 광원의 흡수로 인해 방출되는 "광"의 강도가 감소하는 형광 애플리케이션에서 가장 두드러집니다. 명시야 애플리케이션의 경우에도 광독성을 최소화하고 검사 중인 샘플을 손상시키지 않도록 조도를 제한해야 할 수 있습니다.

  • 이미지 선명도/디테일 수준
    현미경이나 기타 광학 장치에서 필요한 배율을 제공할 수는 있지만 이것이 미세한 디테일의 선명도를 보장하지는 않습니다. 정확한 위치 또는 측정이 필요한 애플리케이션에서 사용되는 머신 비전 감지기/카메라는 부드러움, 모아레 패턴 또는 기타 디테일 손실이 최소화된 컬러 이미지를 제공해야 합니다.

  • 컬러(특히 적색) 향상
    생명과학 분야에 사용되는 많은 염료, 염색, 형광단은 적색을 띠고 있습니다. 현미경 기반 시스템은 기본 감도나 특정 색상을 강조하는 기능을 통해 해당 스펙트럼에서 탁월한 성능을 발휘해야 합니다. 적색 채널의 확장된 감도는 눈에 보이지 않는 NIR 대역의 정보가 필요한 일부 산업 애플리케이션에 유용할 수도 있습니다.

    Skin cells bright field
    피부 세포의 명시야 현미경 이미지
  • 낮은 노이즈
    감도 및 선명도 문제와 관련하여 현미경 기반 시스템은 효과적인 분석을 위해 노이즈 수준을 최소화하여 저조도 조건에서 캡처한 노출이 충분히 "깨끗한" 상태를 유지하도록 해야 합니다.

  • 먼지 및/또는 이물질 잔해(FOD)
    현미경 애플리케이션에서는 전자 노이즈로 인해 이미지에 나타나는 가상 "먼지"만큼 실제 먼지에도 관심을 기울여야 합니다. 카메라의 광경로로 먼지 입자, 보푸라기 및 기타 이물질 잔해(FOD)가 들어가는 경우 현미경 애플리케이션의 효율성이 크게 낮아질 수 있습니다. 센서 또는 광학 유리 요소에 있는 모든 FOD가 강조되는 경향이 있는 명시야 현미경의 경우 특히 주의가 필요합니다. 세포 계수 및 기타 유사한 유형의 애플리케이션의 경우 먼지/FOD가 잘못 식별되거나 계산될 수 있어 이를 방지하는 것이 매우 중요합니다.

  • 프레임 속도
    생세포 이미징과 같은 생명 과학 애플리케이션의 경우 "실시간" 또는 더 빠른 프레임 속도의 타임랩스 시퀀스가 필요할 수 있으며 웨이퍼 검사 및 기타 산업 애플리케이션의 경우 처리량 요구 조건을 충족하기 위해 높은 프레임 속도가 필요합니다. 또한 여러 이미지를 쌓아야 하는 확장된 피사계 심도(EDOF)와 같은 기술 역시 더 높은 프레임 속도를 활용할 수 있습니다.

  • 강력한 분석 도구와의 호환성
    맞춤형으로 개발된 분석 소프트웨어를 사용하는 시스템도 많지만 현미경 기반 시스템의 경우 이미 시장에 나와있는 타사 특수 소프트웨어 캡처 및 분석 도구를 활용하는 경우도 많습니다. 시스템 설계자와 통합자는 시스템에 반드시 필요한 기능의 유형을 확인하고 시장에 나와있는 상용 또는 오픈 소스 소프트웨어가 쉽게 통합되어 이러한 기능을 제공할 수 있는지 고려해야 합니다.

Chapter 3 컬러 카메라 과제 해결

컬러 카메라 과제 해결

이전 섹션에서 언급한 바와 같이 이미징 솔루션이 대형 머신 비전 애플리케이션에 포함된 경우인지 더 단순한 실험실 스타일 장비의 일부인지에 관계없이 효과적인 컬러 현미경 이미징 솔루션을 만들기 위해서는 적합한 카메라 기술을 활용하는 것이 중요합니다.

  • 기본 시스템 요구 조건을 지원하는 Bayer 컬러 기술
    컬러 요구 조건이 비교적 낮은 시스템의 경우 적절한 결과를 내기 위해 Bayer 색상 필터가 장착된 이미지 센서가 탑재된 표준 싱글 센서 카메라(검출기)를 활용할 수 있습니다. 물론, 주요 문제를 염두에 두고 색상 향상 및/또는 색상 공간 변환과 같은 특수 기능을 제공하며 노이즈가 적고 감도가 좋으며 합리적인 프레임 속도를 갖춘 카메라를 찾아야 합니다. 주요 현미경 소프트웨어 패키지와의 통합 역시 매우 중요할 수 있습니다.


    최근 몇 년 동안 상당한 개선을 이룬 Bayer 컬러 카메라는 시스템 설계자에게 기본 컬러 현미경 시스템을 위한 여러 좋은 옵션을 제공합니다. 특히, Sony의 PregiusTM 센서 라인과 같은 최신 CMOS 이미지 센서 기술을 기반으로 하는 새로운 카메라는 많은 애플리케이션의 요건을 충족하는 빠른 프레임 속도 및 저노이즈 컬러 이미지를 제공합니다.

  • 첨단 애플리케이션을 위한 멀티 센서 프리즘 카메라
    탁월한 색상 및 공간 성능을 통해 애플리케이션에 가치를 더하는 첨단 컬러 현미경 시스템을 구축하기 위해서는 첨단 카메라 기술을 활용해야 합니다.

    Fluorescence
    적색, 녹색, 청색 형광단을 활용한 형광 이미지

    3-센서 프리즘 카메라(3-CMOS 또는 3-CCD)는 첨단 광학 프리즘을 사용하여 입사광을 스펙트럼 파장(적색, 녹색, 청색)에 따라 3개의 개별 센서로 분리합니다. 미묘한 구분이 필요한 경우 3-센서 프리즘 카메라는 RGB 값을 추정하기 위해 보간을 사용해야 하는 Bayer 카메라보다 더 높은 색상 정확도를 제공할 수 있습니다(아래 참조).

    또한 더 높은 유효 감도를 제공합니다. 이는 Bayer 필터 매트릭스가 기본적으로 각 픽셀에 떨어지는 파장의 2/3를 차단하는 반면 프리즘 카메라는 멀티 센서를 사용하여 샘플에서 나오는 광의 거의 100%를 캡처하기 때문입니다. 전체 신호 대 노이즈 비율이 더 높은 프리즘 카메라는 더 낮은 조도에서 더 뛰어난 이미지를 생성할 수 있어 섬세한 샘플에 가해지는 스트레스를 줄일 수 있습니다.

    Bayer 컬러 방식 vs 프리즘 기술

    Bayer Prism compare
    Bayer 필터(왼쪽)를 사용하는 경우 각 픽셀은 하나의 색상 밴드(R, G 또는 B)만을 캡처할 수 있게 됩니다. 다른 두 색상의 픽셀 RGB 값은 인접 픽셀에서 캡처된 데이터를 사용하여 "보간"됩니다. 프리즘 기술(오른쪽)의 경우 입사광을 정밀하게 정렬된 3개의 센서로 분리하기 때문에 보간에 의한 정밀도 손실 없이 각 픽셀에 대한 트루 RGB 값을 캡처할 수 있습니다.
Chapter 4 JAI 현미경 솔루션

JAI 현미경 솔루션

JAI는 컬러 이미징 및 프리즘 기술 전문성과 주요 현미경 소프트웨어 패키지와의 통합을 통해 고급 컬러 기능을 갖춘 현미경 시스템을 만들기 위한 다양한 옵션을 제공합니다.

JAI의 멀티 센서 프리즘 기술은 이와 유사한 Bayer 컬러 카메라보다 더 높은 수준의 색상 정확도, 더 뛰어난 미묘한 음영 차이 구별, 더 뛰어난 저조도 감도 및 더 뛰어난 디테일 선명도를 제공합니다(자세한 내용은 컬러 이미징 기술 가이드 참조). 이를 통해 개발자는 기존 흑백 또는 싱글 칩 컬러 카메라에서는 불가능했던 방식으로 미세한 샘플을 분석할 수 있는 생물학 및 산업용 시스템을 구축할 수 있습니다.

JAI의 프리즘 컬러 카메라는 입사광을 3개의 개별 색상 대역으로 분리하는 3방향 이색 프리즘에 3개의 1.6 메가픽셀 CMOS 센서 또는 3개의 3.2 메가픽셀 CMOS 센서가 장착되어 있습니다. 이를 통해 Bayer 보간 알고리즘에서 제공하는 색상 정보의 평균값이나 추정값이 아닌 각 픽셀에 대한 정확한 RGB 값을 제공할 수 있습니다.

JAI 현미경 솔루션은 2가지 해상도 및 IR 차단 필터 옵션으로 구성된 Apex 시리즈 프리즘 컬러 카메라 8대로 구성되어 있습니다.(자세한 내용은 아래 "확장된 적색 채널 감도 섹션"의 "필터가 없는" 모델 참조) 이러한 카메라는 첨단 현미경 애플리케이션의 요구 조건에 맞춰 조정된 다양한 기능을 제공합니다. 제공되는 기능은 다음과 같습니다.

  • 타사 소프트웨어 솔루션과의 통합
    구축하는 시스템의 유형에 따라 고유한 분석 소프트웨어를 처음부터 개발하는 경우도 있습니다. 그러나 많은 시스템과 개별 실험실 셋업의 경우 이미 시장에 나와 있는 특수 소프트웨어 캡처 및 분석 도구를 사용하여 시간과 노력을 아낄 수 있습니다. JAI 현미경 솔루션은 이 2가지 접근 방식을 모두 지원합니다. 표준 GenICam 호환 펌웨어는 광범위한 소프트웨어 개발 도구와 통합 가능합니다. 또한 Apex 시리즈 카메라는 가장 많이 사용되는 타사 현미경 소프트웨어 패키지인 Image-Pro® 및 µManager와 완전하게 통합될 수 있습니다.

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    사용자와 시스템 설계자는 Media Cybernetics(미국 메릴랜드주 록빌) 사의 Image-Pro 이미지 분석 소프트웨어 플랫폼을 통해 현미경 기반 이미지를 보다 쉽게 캡처, 처리, 측정, 분석 및 공유할 수 있습니다. Apex 시리즈 카메라는 맞춤형 드라이버를 통해 이미지를 Image-Pro 소프트웨어로 전달할 수 있으며 Image-Pro 환경에서 특정 카메라 기능을 제어할 수 있습니다.

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    오픈 소스, 비상업적 소프트웨어 솔루션을 선호하는 경우를 위해 캘리포니아 대학 샌프란시스코 캠퍼스의 Vale 연구실에서 제작되고 현재 Open Imaging, Inc. 사에서 개발 및 유지 관리 중인 μManager(Micro-Manager) 소프트웨어용 장치 어댑터가 개발되었습니다. 개발된 어댑터를 통해 4대 주요 제조업체(Leica, Nikon, Olympus 및 Zeiss)의 현미경에서 현미경 이미징에 사용되는 다양한 유형의 주변 장치(스테이지, 필터 휠, 셔터 등)를 지원하는 μManager 소프트웨어를 Apex 시리즈 카메라에 완전히 통합할 수 있습니다.

  • 확장된 적색 채널 감도 옵션
    많은 현미경 기반 시스템에는 가시광선 이상의 스펙트럼 범위가 필요합니다. 여기에는 여러 가지 이유가 있을 수 있습니다. 예를 들어, 형광 현미경 시스템에서 사용되는 일반적인 형광단 중 일부는 색상 밸런스에서 근적외선의 영향을 피하기 위해 대부분의 컬러 카메라에서 사용되는 일반적인 670-700nm 차단 범위를 벗어난 방출 플롯을 가지고 있습니다. 하지만 이런 경우 "딥 레드" 형광단의 캡처가 크게 줄어들게 되어 특정 이미지 디테일을 확인하기 어렵게 만들 수 있습니다. 유사하게, 산업 검사 시스템에서는 결함을 더 잘 분석하기 위해 플라스틱 너머나 일부 재료의 표면 아래를 검사하는 등 근적외선의 특수한 특성을 활용해야 하는 경우가 많습니다.

    JAI 현미경 솔루션에는 일반 IR 차단 포인트가 제거된 컬러 모델이 포함되어 있어 딥 레드(deep red) 및 근적외선 파장으로 감도를 확장할 수 있습니다. 이러한 "NF" 모델은 주어진 애플리케이션을 위해 적절한 이미징 요소를 구성하는 경우 높은 추가 유연성을 제공합니다.

    Extended red spectral with fluorophore overlay 650px
    적색 형광단 플롯 및 확장된 감도 스펙트럼 차트
  • 컬러 향상 기능
    표준 또는 확장된 적색 채널 감도가 탑재된 모든 JAI 현미경 솔루션 카메라는 더 용이하고 자세한 분석을 위해 사용자가 특정 색상을 강조할 수 있는 기능을 제공합니다. 사용자는 적색, 녹색, 청색의 3원색 또는 노랑, 시안, 마젠타의 3가지 보색 등 6개 색상 중 1개를 선택하여 향상시킬 수 있습니다. 색상을 일반 색도의 최대 2배까지 강화하면 의료 애플리케이션에서 혈액의 적색을 주변 조직 보다 잘 보이게 만들거나 일반적인 형광 애플리케이션에서 특정 형광단을 강조하는 것과 같이 특정 항목을 "눈에 띄게" 만들 수 있습니다.

  • 저노이즈 화이트 밸런싱
    모든 현미경 애플리케이션의 시작점은 카메라가 사용 중인 조명 유형에 대한 적절한 화이트 밸런스를 제공하는지 확인하는 것입니다. 일반적인 Bayer 컬러 카메라는 3개 컬러 채널 중 2개에 이득(증폭)을 추가하여 가장 높은 응답을 가진 채널에 매치시켜야만 밸런스를 맞출 수 있습니다. 그러나 이득을 추가하는 경우 신호뿐만 아니라 일부 저조도 현미경 애플리케이션에서 중요한 문제가 될 수 있는 이미지의 노이즈 역시 증가하게 됩니다.

    JAI의 현미경 솔루션의 프리즘 카메라는 셔터 속도 및 이득 등을 각 센서에서 독립적으로 제어할 수 있습니다. 이를 통해 응답이 낮은 두 채널의 노출 시간을 늘리거나 응답이 가장 높은 두 채널의 노출 시간을 단축하여 화이트 밸런싱을 위한 셔터 속도를 사용할 수 있습니다. 더 긴 노출을 사용하면 노이즈가 약간 증가할 수 있지만 증가량은 이득을 적용할 때보다 훨씬 적습니다.

  • 향상된 방진 기능
    JAI의 모든 현미경 카메라는 검사 및 검증을 통해 이물질 잔해(FOD)를 최소화하여 고품질 이미지를 보장합니다. 그러나 일부 애플리케이션에서는 표준 카메라보다 더 엄격한 먼지 및 FOD 방지가 필요할 수 있습니다. JAI는 이러한 애플리케이션을 위해 훨씬 더 높은 수준의 FOD 스크리닝이 적용된 여러 "LSX" 모델을 제공합니다.

  • 플러그 앤 플레이 USB3 Vision 인터페이스
    JAI 현미경 솔루션이 지원하는 모든 카메라 모델은 최신 USB3 Vision 인터페이스를 사용합니다. USB는 플러그 앤 플레이 편의성과 높은 데이터 대역폭의 탁월한 조합을 제공하는 현미경 기반 시스템을 위한 인터페이스입니다. 3.2 메가픽셀 모델은 초당 38 프레임의 속도로 풀 해상도를 출력할 수 있어 산업용 검사 시스템, 생세포 이미징, 확장된 피사계 심도(EDOF) 등에 필요한 높은 처리량을 지원합니다. 1.6 메가픽셀 모델은 풀 해상도에서 초당 최대 79 프레임의 속도를 제공합니다.

기술 자료 및 기타 문서를 포함한 자세한 제품 정보는 이 웹사이트의 Apex 현미경 솔루션 페이지를 참조하세요.

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특정 프로젝트의 요건에 대한 논의가 필요하거나 JAI 현미경 솔루션 제품의 견적이 필요하신 경우 아래의 연락처 링크를 통해 문의하시기 바랍니다. JAI 컨설턴트가 궁금하신 내용에 대한 답변과 맞춤형 조언을 제공해 드립니다.

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