Dedication to True Color and Improved Brightness Solidify the Switch from a Halogen to a Light Emitting Diode (LED) Light Source

새로운 현미경 대부분은 명시야 이미징을 위해 LED 광원을 사용합니다. 과학기술이 진보함에 따라, 오늘날의 LED 기반 현미경은 일광과 비슷한 스펙트럼과 500만 ~ 700만의 상관 색온도 범위를 갖는 광원이 탑재하고 있습니다. 그러나 병리학자를 포함한 현미경 이용자들은 수년 동안 색상 필터링 기능이 있는 할로겐램프 조명을 사용하여 샘플을 관찰해오고 있습니다. 최상의 색 표현력을 제공하기 때문입니다. 병리학자들이 LED 광원을 선택하도록 설득하기 위해서는 먼저 색온도가 그들의 필요에 부합하도록 만들어야 합니다. 하나를 제외한 모든 파장을 할로겐램프를 사용했을 때와 똑같이 관찰할 수 있다고 해도, 단 하나의 색상이 중대한 실수나 오판으로 이어질 수 있기 때문에 의심을 품게 할 수 있습니다. 병리학자는 토론 또는 교육을 위한 목적으로 대규모 집단 내에서 명시야 및 기타 조명 방식을 사용하여 샘플을 관찰합니다. LED 광원을 사용하여 같은 목적을 달성하기 위해서는 광도가 할로겐램프 이상이 되어야 합니다.

Olympus는 현미경을 위한 새로운 LED 광원을 개발하기 시작하면서 많은 병리학자가 사용하는 필터 조명 탑재식 할로겐램프에 필적하는 성능의 색상 스펙트럼과 밝기를 만들어내는 것을 목표로 삼았습니다.

그림 1: 할로겐전구(왼쪽) 및 트루컬러 LED(오른쪽)의 예
 

색상 무결성에 대한 기대에 부응하기

친환경적인 LED로 할로겐 광원과 동등한 색 표현을 달성하는 것은 도전적인 과정이었습니다. 첫 번째 단계는 Olympus의 파트너 병리학자들이 자신의 감각지각을 토대로 제공한 평가 내용을 정량화하는 것이었습니다. LED 광원을 사용하는 관찰을 필터 장착식 할로겐램프를 사용하는 관찰과 비교해달라고 요청했으며 “색상이 다르다”, “샘플이 전보다 푸르게 보인다”, “약간의 붉은 색채가 필요하다”등의 의견을 받았습니다. 색상 정량화의 경우, JIS(Japanese Industrial Standard) 및 기타 국제 표준에 따라 정의된 색상표를 사용하는 표준 방식이 있습니다. 그러나 이런 색상표의 색채가 현미경으로 관찰되는 색채와 정확하게 일치하지 않았기 때문에 “실제로 관찰되는 색상”에 관한 데이터를 모아야 했습니다. Olympus는 파트너들과 함께 연구를 거듭하면서 병리학자들이 자주 관찰하는 샘플의 색상을 측정했습니다. 우리는 Olympus의 평가 색상과 표준값을 정의하기 위해 사용했던 색상들을 분리하였고, 미묘한 색상차를 정량화하는데 성공했습니다.

가시광선 스펙트럼에서 할로겐램프는 매끈하고 연속적인 특징을 갖지만, 전형적인 백색 LED의 광강도는 피크(peak)와 딥(dip)이 있어 균일하지 않고 400~430nm 및 600~700nm 구간에서 약합니다. 우리는 이러한 파장대를 약한 강도로 보정하기 위해 여러 종류의 LED를 혼합하여 사용해보았습니다. 그러나 이 방법으로는 현미경 검사에 필요한 색 충실도를 만들어내기가 어려웠습니다. 또한, 색 보정 필터를 사용하여 기존 광원에 가까운 색 표현을 달성하기도 했지만 충분하지 않았습니다.

파장(NM)	일반 LED
	할로겐램프 + 필터

그림 2: 필터 장착 할로겐램프와 일반 LED의 스펙트럼 분포 비교
 

이러한 실패를 경험한 후, 우리는 다양한 LED의 가시 범위에서 파장의 부재를 줄이기 위한 방법이 무엇인지 탐색하게 되었습니다. 우리의 선택은 405nm로 여기한 RGB 형광체 시스템을 갖는 LED를 개발하는 것이었습니다. Olympus에서 정한 원래의 표준과 성능을 달성할 잠재성이 있다고 생각했기 때문입니다.

형광체 여러 개를 조합하여 백색을 만들어냈습니다
그림 3: 형광체 여러 개를 사용하는 근자외선 LED의 빛 스펙트럼 분포

우리는 새로운 LED 광원의 시제품을 병리학자들에게 제공한 후, 샘플을 관찰하고 다음 질문에 답해달라고 요청했습니다.

-LED와 할로겐램프의 색 프로필에 차이가 있습니까?
-혹시 차이점이 있는 경우, 그것이 진단에 영향을 미칩니까?
-색 프로필을 어떻게 봐야 합니까?

우리는 위의 사안과 관련하여 병리학자들과 일련의 논의를 진행한 후, 새로운 LED 광원이 Olympus의 초기 평가 색상으로 정의된 표준값에 부합되며 우리가 염원했던 것처럼 필터 장착 할로겐램프 조명과 “같은 색”을 만들어낸다고 판단했습니다.

할로겐램프 + 필터와 일반 LED의 비교	할로겐램프 + 필터와 트루컬러 LED의 비교
그림 4: 필터 장착 할로겐램프와 일반 LED 및 트루컬러 LED의 비교

사용성 향상을 위한 광도 증대

할로겐램프가 제공하는 수준의 밝기를 연색성이 높은 백색 LED가 달성하거나 넘어서기 위해서는 많은 전류 입력이 필요합니다. 그러나 LED에 높은 전류를 가하면 LED가 생성하는 열의 양이 증가하고 LED의 수명이 짧아집니다. LED의 수명을 단축하지 않으면서 밝기를 개선하는 열쇠는 조명 효율을 최적화하는 것입니다. 이러한 해결책의 필수 요소는 프로스테드 산광기(frosted diffuser)입니다. 프로스테드 산광기는 균일한 조명을 달성하기에 효과적인 옵션이지만 광도를 낮추기도 합니다. 이런 필터의 확산각은 LED 어레이가 할로겐 필라멘트보다 작습니다. 이는 균일한 조명을 유지하는 동시에 더 높은 광도를 달성할 수 있다는 것을 의미합니다.

그림 5: 할로겐램프(왼쪽)와 트루컬러 LED(오른쪽)의 확산 비교
 

Olympus는 이처럼 어려운 조명 및 해상도 조건을 극복하고 원하는 밝기를 얻고자, 증가된 광출력 효율과 LED 광원의 형태, 산광기의 산란 속성을 고려한 광학 시뮬레이션을 사용하여 최적화 연구를 진행했습니다. 전체 조명 체계를 작게 만들 수 있을 기계적 레이아웃과 열 발산 구조를 설계하기 위해 광학/기계/전기 개발팀이 힘을 모았습니다. 50,000시간 이상의 기대 수명을 달성하는 것이 목표였으며, 이를 위해 시간에 따른 광강도의 변화, 열 발산 구조, 색 재현, 소비전력과 관련된 매개변수를 평가하며 연구를 거듭했습니다. 결국, 현재 Olympus가 제공할 수 있는 최고의 광도와 색상 무결성을 갖춘 백색 LED 광원을 개발해냈습니다.

결론

트루컬러 LED(특허출원 중)는 Olympus의 혁신을 위한 헌신의 산물이며, 병리학자에게 익숙한 할로겐램프 및 필터 방식과 같은 연색성 및 광도 성능을 제공합니다. 이 새로운 광원의 고품질 조명은 시중에 나와 있는 밝은 LED로는 달성할 수 없습니다. 이 백색 LED 광원이 탑재된 BX53 현미경은 다른 관찰 방법뿐 아니라 투과 명시야 현미경 검사에도 유리합니다. 강렬한 밝기 수준 덕분에 동시 관찰을 위한 멀티 헤드 논의 및 교육 시스템에 활용할 수 있으며, 연색성이 높은 백색 LED가 신뢰성 있는 샘플 관찰을 원하는 병리학자들이 필요로 하는 색상 무결성 성능을 제공합니다.

그림 6: 26인용 멀티 헤드 토론 시스템(왼쪽)과 관찰 이미지(오른쪽)