KR101323228B1 - 능동형 모드 잠김 레이저를 이용한 광 결맞음 단층 영상기기 - Google Patents

Abstract

개시된 광 결맞음 단층 영상기기(optical coherence tomography, OCT)는 샘플의 영상 정보를 획득하기 위하여 능동형 모드 잠김 레이저(active mode-locking fiber laser)를 이용한다. 본 영상기기는 주기적으로 변하는 특정 파형의 신호를 발생시키고, 발생된 신호에 의하여 중심 주파수가 변하는 변조(modulation) 신호를 발생시키는 변조 신호 발생부, 변조 신호 발생부로부터 전달받은 변조 신호에 의하여 중심 파장이 주기적으로 변하는 광을 공진기를 통하여 방출하는 광원부, 광원부로부터 방출된 단일 경로의 광을 서로 다른 경로를 갖는 제1 광과 제2 광으로 분리하는 광 분리부, 광 분리부에 의하여 분리된 제1 광이 진행하는 경로에 배치되어 제1 광을 반사시키는 기준부, 샘플을 실장하고, 광 분리부에 의하여 분리된 제2 광의 경로에 배치되어 제2 광을 제1 광보다 일정 시간 지연시켜 반사시키는 진단부, 기준부와 진단부를 통하여 서로 다른 경로로 진행되어 서로 간섭이 발생된 제1 광과 제2 광을 결합시키는 광 결합부, 및 광 결합부로부터 전달받은 광의 데이터를 검출하고 영상화하는 신호처리부를 포함한다. 따라서 본 영상기기는 변조 신호를 광원부에 직접 전달하여 기계적 한계를 가지고 고가인 가변 필터를 제거함으로써, 기계적 한계를 극복하고 비용을 절감할 수 있다.

Description

능동형 모드 잠김 레이저를 이용한 광 결맞음 단층 영상기기{Optical Coherence Tomography using active mode-locking fiber laser}

본 발명은 광 결맞음 단층 영상기기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중심 파장이 고속으로 반복하여 스캔되어 가변되는 능동형 모드 잠김 레이저를 광원으로 이용하는 광 결맞음 단층 영상기기에 관한 것이다.

광의 공간 분할을 이용한 측정 시스템은 빛의 결맞음(coherence) 현상을 이용하여 샘플(sample)의 깊이 방향 영상을 획득하는 장비인 광 결맞음 단층 영상기기(optical coherence tomography, OCT)를 포함한다.

상기 광 결맞음 단층 영상기기는 샘플의 내부 조직 단면을 영상화하여 볼 수 있는 고해상도의 이미징 시스템이다. 상기 광 결맞음 단층 영상기기는 근적외선 파장대의 광원의 간섭 원리를 이용한 기기이다. 특히, 상기 광 결맞음 단층 영상 기법은 샘플의 내부를 비 접촉하여 조영하는 영상 기법으로 최근 들어 이와 관련한 연구가 활발히 진행되고 있다.

한편, 상기 광 결맞음 단층 영상기기에서, 깊이 방향의 정보 획득 속도는 중심 파장 가변 레이저의 반복 속도에 의존한다. 이와 달리, 상기 광 결맞음 단층 영상기기에서, 2차원 혹은 3차원 영상 획득 시에는 광을 이용하여 가로축과 세로축으로의 스캐닝(scanning)을 수행하여야 한다.

이에 종래의 광 결맞음 단층 영상기기는 공진기 내에 레이저 광의 파장을 주기적으로 스캔하여 파장을 가변시키기 위한 광 가변 필터가 필요하다. 이러한 광 가변 필터는 주로 페브리페로 필터(Fabry-Perot Filter)가 주로 사용된다.

한편, 상기 광 가변 필터는 수백 ㎑ 이상의 주파수 영역에서는 기계적 한계를 가지고 그 특성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 광 가변 필터가 상대적으로 고가이기 때문에, 광 결맞음 단층 영상기기의 제조비용이 증가하는 문제점이 발생한다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명은 고가의 광 가변 필터의 중심 파장을 통해 레이저의 중심 파장을 선택하지 않고, 광원부의 광 증폭기 또는 전광소자의 광세기를 빠르게 상승 하강 반복시키는 RF 변조 신호의 주파수를 통해 레이저의 중심 파장을 선택하는 능동형 모드 잠김 레이저를 제공하는 것이다.

또한 상기 레이저의 중심 파장의 주기적 반복 변화를 기존 광 가변 필터의 중심 파장의 주기적 변화가 아닌 변조 신호의 주파수를 주기적으로 변화시켜 제공함으로써, 기계적 속도 한계를 극복하고 전체적인 비용을 절감시킬 수 있는 광 결맞음 단층 영상기기를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예들에 따른 능동형 모드 잠김 레이저를 이용한 광 결맞음 단층 영상기기는 공진기 내부로 전달받은 변조(modulation) 신호에 의하여 중심 파장이 주기적으로 변하는 광을 방출하는 광원부, 상기 광원부로부터 방출된 단일 경로의 광을 서로 다른 경로를 갖는 제1 광과 제2 광으로 분리하는 광 분리부, 상기 광 분리부에 의하여 분리된 제1 광이 진행하는 경로에 배치되어 상기 제1 광을 반사시키는 기준부, 상기 샘플을 실장하고, 상기 광 분리부에 의하여 분리된 제2 광의 경로에 배치되어 상기 제2 광을 상기 제1 광보다 일정 시간 지연시켜 반사시키는 진단부, 상기 기준부와 진단부를 통하여 서로 다른 경로로 진행되어 서로 간섭이 발생된 제1 광과 제2 광을 결합시키는 광 결합부, 및 상기 광 결합부로부터 전달받은 광의 데이터를 검출하고 영상화하는 신호처리부를 포함한다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 광원부는 링 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하고, 상기 변조 신호를 수신하는 광 증폭기, 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 분산을 보상하기 위한 분산 보상 광섬유(dispersive compensation fiber), 및 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력 커플러를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 상기 광원부는 양쪽 끝단에 반사경(mirror)이 형성된 선 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하고, 상기 변조 신호를 수신하는 광 증폭기, 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 분산을 보상하기 위한 분산 보상 광섬유(dispersive compensation fiber), 및 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력 커플러를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 광원부는 링 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하는 광 증폭기, 상기 광 증폭기로부터 전달받은 광의 세기에 따라 광의 진행을 스위칭하고, 상기 변조 신호를 수신하는 전광소자, 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 분산을 보상하기 위한 분산 보상 광섬유(dispersive compensation fiber), 및 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력 커플러를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 광원부는 양쪽 끝단에 반사경(mirror)이 형성된 선 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하는 광 증폭기, 상기 광 증폭기로부터 전달받은 광의 세기에 따라 광의 진행을 스위칭하고, 상기 변조 신호를 수신하는 전광소자, 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 분산을 보상하기 위한 분산 보상 광섬유(dispersive compensation fiber), 및 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력 커플러를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 광원부는 복수개가 병렬로 연결된 링 형상의 공진기들 내에서 광 이득을 제공하는 복수개의 광 증폭기들, 상기 복수개의 광 증폭기들로부터 각각 증폭된 광들을 결합시키기 위한 커플러, 상기 커플러에 의하여 결합된 광의 세기에 따라 광의 진행을 스위칭하고, 상기 변조 신호를 수신하는 전광소자, 상기 전광소자를 통과한 광의 분산을 보상하기 위한 분산 보상 광섬유(dispersive compensation fiber), 및 상기 분산 보상 광섬유를 통과한 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력 커플러를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 광원부는 양쪽 끝단에 반사경(mirror)이 형성되고 한쪽 단에 복수개의 반사경들이 형성되어 복수개가 병렬로 연결된 선 형상의 공진기들 내에 각각 배치되어 광 이득을 제공하는 복수개의 광 증폭기들, 상기 복수개의 광 증폭기들로부터 각각 증폭된 광들을 결합시키기 위한 커플러, 상기 커플러에 의하여 결합된 광의 세기에 따라 광의 진행을 스위칭하고, 상기 변조 신호를 수신하는 전광소자, 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 분산을 보상하기 위한 분산 보상 광섬유(dispersive compensation fiber), 및 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력 커플러를 포함한다.

예를 들어, 상기 광 증폭기들은 상기 병렬로 연결된 복수개의 공진기 내에서 서로 다른 광 이득을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 광 증폭기 또는 상기 전광소자에 중심 주파수가 변하는 변조 신호를 전달하기 위한 변조 신호 발생부를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 변조 신호 발생부는 특정 파형의 신호를 발생시키고, 상기 발생된 신호의 중심 주파수를 주기적으로 변화시키는 신호 발생부(funtion generator), 상기 중심 주파수가 변화되는 신호를 특정 대역의 RF 신호로 발생시키는 RF 신호 발생부, 오프셋(offset) 전압을 제어하기 위하여 일정 크기의 DC 전압을 제공하는 DC 전압 제공부, 및 상기 DC 전압과 상기 RF 신호를 합성하여 상기 광 증폭기에 상기 변조 신호를 제공하는 바이어스-티(bias-tee)로 이루어진다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 능동형 모드 잠김 레이저를 이용한 광 결맞음 단층 영상기기에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 중심 주파수가 변하는 변조 신호를 광원부에 직접 입력하므로 기계적 한계를 갖는 가변 필터를 제거할 수 있다.

둘째, 고가의 가변 필터를 저가의 변조 신호 발생부로 대체함으로써, 광 결맞음 단층 영상기기의 제조비용을 절감시킬 수 있다.

셋째, 변호 신호 발생부는 광원부인 공진기의 길이와 무관하므로, 파장 가변 속도를 변화시킬 수 있다.

넷째, 광원부의 전광소자에 변조 신호를 입력하여 능동 광이득을 스위칭하지 않고, 수동 광도파로를 스위칭하여 광 세기를 상승/하강 반복시킴으로써 상대적으로 더 낮은 전력으로 안정되게 구동될 수 있다.

다섯째, 레이저 공진기인 복수개의 광원부를 병렬로 연결하고, 광의 공통 경로에 배치된 전광소자에 변조 신호를 입력함으로써, 광대역을 확대하고 출력 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 능동형 모드 잠김 레이저를 이용한 광 결맞음 단층 영상기기를 설명하기 위한 개략적인 구성도
도 2는 도 1에 도시된 광원부의 일 실시예를 설명하기 위한 구성도
도 3은 도 2에 도시된 변조 신호 발생부를 구체적으로 설명하기 위한 구성도
도 4 내지 도 8들은 도 1에 도시된 광원부의 다른 실시예를 설명하기 위한 구성도
도 9는 변조 신호의 주파수 변화에 따라 광원부에서 발진되는 광의 스펙트럼을 설명하기 위한 그래프

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 능동형 모드 잠김 레이저를 이용한 광 결맞음 단층 영상기기에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.

또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 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 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 능동형 모드 잠김 레이저를 이용한 광 결맞음 단층 영상기기를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 능동형 모드 잠김 레이저를 이용한 광 결맞음 단층 영상기기(1)는 광의 간섭을 이용하여 샘플의 영상 정보를 획득한다. 이를 위하여, 광 결맞음 단층 영상기기(1)는 광원부(10), 광 분리부(20), 기준부(30), 진단부(40), 광 결합부(50) 및 신호처리부(60)를 포함한다.

광원부(10)는 공진기를 이용하여 외부로 광을 방출한다. 이 때, 광원부(10)로부터 방출되는 광은 단일 경로를 갖는다. 또한, 광원부(10)는 중심 파장이 주기적으로 변하는 광을 방출한다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 광원부(10)는 공진기 외부로부터 내부로 전달받은 변조 신호(modulation signal)에 의하여 중심 파장이 주기적으로 변하는 광을 방출한다. 예를 들어, 상기 변조 신호는 RF 변조 신호이다. 즉, 광원부(10)는 공진기 내부에 배치된 광의 파장을 주기적으로 스캔하여 가변시키는 가변 필터를 이용하지 않고, 외부에서 파장이 주기적으로 변하는 변조 신호를 직접 입력받는다. 이에 광원부(10)는 공진기의 길이에 구애받지 않아 기계적인 제한 없이 중심 파장이 주기적으로 변하는 광을 발진시킬 수 있다. 또한, 광원부(10)는 공진기의 길이와 무관하므로, 파장 가변 속도를 다양하게 변화시킬 수 있다. 나아가, 광원부에 배치된 광 증폭기 또는 전광소자에서의 광 세기를 빠르게 상승과 하강시키는 것을 반복시키는 RF 변조 신호에 의하여 광원부가 발진되는 레이저 광의 중심 파장을 선택할 수 있다.

한편, 상기 변조 신호는 광원부의 광 증폭기 또는 전광소자에서의 광 세기를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 공진기 내부를 진행하는 광 위상을 변화시킬 수도 있다. 이에 상기 변조 신호에 의하여 광 위상이 변함으로써, 광원부가 중심 파장이 변하는 레이저 광을 외부로 발진시킬 수 있다.

이에 대한 구체적인 설명은 도 2 내지 도 8을 통하여 설명하기로 한다.

광 분리부(20)는 광원부(10)로부터 발진되는 광을 분리한다. 광 분리부(20)는 광원부(10)로부터 방출되는 단일 경로의 광을 복수개의 경로를 갖는 분산광으로 분리한다. 여기서, 분산광이라 함은 각각의 경로로 진행하는 광이 복수 개 존재하는 것을 말한다. 예를 들어, 광 분리부(20)는 하나의 입력값을 복수개의 출력값으로 출력하는 1*N 커플러를 포함한다. 따라서 광 분리부(20)는 광원부(10)로부터의 광을 복수개의 광으로 분리하는 것이다. 여기서, 광 분리부(20)는 광원부(10)로부터 방출된 단일 경로의 광을 서로 다른 경로를 갖는 제1 광과 제2 광으로 분리한다.

기준부(30)는 광 분리부(20)에 의하여 분리된 제1 광이 진행하는 경로에 배치되어 상기 제1 광을 반사시킨다. 예를 들어, 기준부(30)는 반사경(도시되지 않음)을 구비하여 기준부(30)로 입력되는 광을 그대로 반사시킨다. 이와 달리, 기준부(30)는 반사시키지 않고 광의 진행을 지연시키는 지연 소자를 이용하여 반사경에 의하여 반사되는 시간만큼 지연시킬 수도 있다.

진단부(40)는 샘플을 실장하고, 광 분리부(20)에 의하여 분리된 제2 광의 경로에 배치되어 상기 제2 광을 상기 제1 광보다 일정 시간 지연시켜 반사시킨다. 여기서, 진단부(40)를 통하여 진행하는 제2 광이 제1 광보다 지연되는 이유는 제1 광은 기준부(30)에 구비된 반사경을 통하여 반사되나, 제2 광은 샘플로 입사된 후 반사되기 때문이다. 이 과정에서 제1 광과 제2 광이 간섭을 일으킬 수 있다.

이와 같이, 기준부(30)와 진단부(40)를 통과하는 제1 광과 제2 광은 경로차 등에 의하여 서로 간섭되어, 결과적으로 간섭 신호가 생성된다.

광 결합부(50)는 기준부(30)와 진단부(40)를 통하여 서로 다른 경로로 진행되어 서로 간섭이 발생된 제1 광과 제2 광을 결합시켜 하나의 경로로 진행시킨다. 여기서, 광 결합부(50)는 제1 광과 제2 광의 광 자체를 결합시키는 것보다는 커플러로 구비되어 광을 단일 경로로 진행하도록 한다.

신호처리부(60)는 광 결합부(50)로부터 전달받은 광의 데이터를 검출하고 영상화한다. 신호처리부(60)는 입력되는 광의 위상 변화 등을 이용하여 샘플의 정보를 획득할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 광원부의 일 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.

도 2를 참조하면, 광원부(100)는 외부로부터 중심 파장이 변하는 변조 신호를 직접 입력받아, 이를 공진기 내의 구성 요소들을 통하여 외부로 광을 발진시킨다.

이를 위하여, 광원부(100)는 링 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하고, 상기 변조 신호를 수신하는 광 증폭기(101), 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 분산을 보상하기 위한 분산 보상 광섬유(dispersive compensation fiber, DCF)(102) 및 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력 커플러(103)를 포함한다.

광 증폭기(101)는 반도체 광증폭기 또는 어븀첨가 광섬유 증폭기 등을 포함하며, 상기 반도체 광증폭기 및 어븀첨가 광섬유 증폭기는 이미 공지된 사항이므로 상세한 설명은 생략하도록 하며, 당업자에 의해 적절히 선택되어 사용될 수 있을 것이다.

광 증폭기(101)는 전원공급기(도시하지 않음)에 의해 소정의 전원이 인가되는데, 이때 광 증폭기(101)에 공급되는 전원은 공진기의 내부 손실율에 상응하여 결정된다. 즉, 상기 공진기에 구비되는 각종 소자로 인해 발생되는 내부 손실량을 보상해주기 위해서는 상기 전원공급기의 공급전원으로 작동되는 광 증폭기(101)가 이득체 역할을 하므로 출력 커플러(103)에서 충분한 광세기가 관측되도록 상기 전원공급기를 조절해줄 수 있다.

한편, 광 증폭기(101)의 레이저 광 세기를 결정하는 것이 상기 전원공급기의 공급전원레벨이므로 항상 상기 전원공급기의 전력을 적절히 결정하여 일정 이득을 갖게 해야 한다. 즉, 광 증폭기(101)의 이득율을 공진기의 내부 손실율보다 높게 해주어야만 유효한 레이저 광 펄스열을 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 광원부(100)의 광 증폭기(101)가 변조 신호 발생부(104)로부터 변조 신호를 직접 입력받는다. 이 때, 변조 신호 발생부(104)는 광원부(100)와 별도로 구비될 수도 있으며, 광원부(100)의 내부에 구성될 수도 있다.

이와 같이, 광원부(100)가 레이저 광의 중심 파장을 가변시키기 위하여 가변 필터를 사용하지 않고, 변조 신호 발생부(104)로부터 중심 파장이 변하는 변조 신호를 직접 입력받음으로써, 공진기의 길이와는 독립적으로 파장 가변 속도를 다양하게 조절할 수 있다. 또한, 기계적 한계를 갖는 고가의 가변 필터를 제거함으로써, 광원부(100)를 갖는 전체의 영상기기(1)에 대한 제조 단가를 현저하게 낮출 수 있다. 나아가, 광원부(100)에 배치된 광 증폭기(101)에서의 광 세기를 빠르게 상승과 하강시키는 것을 반복시키는 RF 변조 신호에 의하여 광원부(100)가 발진되는 레이저 광의 중심 파장을 선택할 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 변조 신호 발생부를 구체적으로 설명하기 위한 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 영상기기는 광원부(100)에 변조 신호를 제공하는 변조 신호 발생부(104)를 더 포함한다. 변조 신호 발생부(104)는 광원부(100)의 광 증폭기(101)에 중심 주파수가 변하는 변조 신호를 전달한다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 변조 신호 발생부(104)는 신호 발생부(funtion generator, 105), RF 신호 발생부(106), DC 전압 제공부(107) 및 바이어스-티(bias-tee, 108)를 포함한다.

신호 발생부(105)는 삼각파형(triangular waveform) 또는 램프파형(ramp waveform)과 같은 신호를 발생시킨다. 또한, 신호 발생부(105)는 발생된 신호의 중심 주파수를 주기적으로 변화시켜 전달한다. 예를 들어, 신호 발생부(105)는 주파수 100 ㎑의 신호를 발생시킨다.

한편, 신호 발생부(105)는 낮은 반복률에서는 삼각파형 또는 램프파형과 같은 신호를 발생키고, 높은 반복률에서는 정현파형(sinusoidal waveform)을 발생시킨다. 또한, 신호 발생부(105)는 발생된 신호의 중심 주파수를 주기적으로 변화시키고 이 변화에 따른 레이저 광 진행상수(optical propagation constant)의 선형화를 위하여 각각 RF 신호 발생부(105)와 신호처리부(60)에 신호를 동시에 전달한다. 위에서 신호 발생부(105)가 RF 신호 발생부(105)와 신호처리부(60)에 신호를 동시에 전달하는 이유는 레이저 광의 진행상수가 선형화된 단층 영상을 얻기 위해서이다.

구체적으로, 광의 파장이 삼각파형 변조 신호뿐만 아니라 정현파(사인파)형 변조 신호에 의하여 변하는(이동하는) 경우에, 간섭 신호의 간격이 균일하지 않고 비선형적일 수 있다. 이에 신호처리부(60)에서 상기 간섭 신호와 상기 변조 신호의 형상을 비교하여 선형화 작업을 수행하도록 신호 발생부(105)는 상기 변조 신호를 신호처리부(60)에도 전달할 수 있다. 비록 파장의 시간별 변화가 선형적인 경우에도 이미지를 처리하는 과정에서의 기준 변수는 '시간에 따른 파장의 선형적 변화'보다 '시간에 따른 광 진행상수의 선형적 변화'가 더 바람직하다. 특히, 광진행상수는 파장의 역수에 비례하므로 신호 발생부(105)는 광원부(100)를 구동시키는 원천적인 신호를 신호처리부(60)에 전달한다.

나아가, 신호 발생부(105)는 진단부(40)에 구비되어 1 차원 깊이 정보를 2 차원 단면 영상 또는 3 차원 부피 영상으로 바꾸어주는 검류기(galvanometer) 또는 변환단(translation stage) 등의 공간 스캐너(도시되지 않음)에 상기 발생된 신호를 전달할 수도 있다. 이 때, 상기 공간 스캐너는 1 차원 깊이 정보를 2 차원 또는 3 차원 영상을 변환시키는 반복 동작을 상기 발생된 신호에 정수배로 수행할 수 있다.

즉, 변조 신호 발생부(104)가 광 증폭기(101)에 상기 변조 신호를 제공하는 경우, 신호 발생부(105)는 상기 변조 신호의 기초가 되는 신호를 신호처리부(60)에 제공하거나, 상기 변조 신호의 기초가 되는 신호를 신호처리부(60) 및 진단부(40)에 제공함으로써, 전체적인 광의 진행상수를 선형화시킬 수 있다.

RF 신호 발생부(106)는 특정 주파수의 RF 신호를 발생시킨다. 본 발명의 실시예들에 있어서, RF 신호 발생부(106)는 신호 발생부(105)에서 발생된 신호를 ㎒ 영역대의 RF 신호를 발생시킨다. 예를 들어, RF 신호 발생부(106)는 597.18 ㎒ 내지 597.87 ㎒ 영역대의 RF 신호를 신호 발생부(105)에서 발생된 주파수 100 ㎑의 주기로 반복하여 발생시킬 수 있다.

DC 전압 제공부(107)는 오프셋(offset) 전압을 제어하기 위하여 일정 크기의 DC 전압을 제공한다. 예를 들어, DC 전압 제공부(107)는 오프셋 전압을 고려하여 일정 크기의 DC 전압을 생성하여 바이어스-티에 공급한다.

바이어스-티(108)는 DC 전압 제공부(107)로부터 공급된 DC 전압과 RF 신호 발생부(106)로부터 공급되는 RF 신호를 합성하여 광원부(100)의 광 증폭기(101)에 변조 신호를 제공한다. 이에 바이어스-티(108)는 DC 전압을 입력받기 위한 제1 입력단자, RF 신호를 입력받기 위한 제2 입력단자 및 변조 신호를 광 증폭기(101)에 공급하기 위한 출력단자를 구비한다.

앞에서 언급한 바와 같이, 변조 신호 발생부(104)는 광원부(100)와 별도로 구비될 수도 있고 광원부(100) 내에 일체로 형성될 수도 있다.

이와 같이, 광원부(100)에서 발진되는 중심 파장이 가변되는 광은 변조 신호 발생부(104)에 의하여 그 중심 파장이 변화되므로 공진기의 길이와 관계없으므로 파장 가변 속도가 다양하게 조절할 수 있고, 고가의 가변 필터를 배제시킬 수도 있다.

도 4는 도 1에 도시된 광원부의 다른 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.

도 4를 참조하면, 광원부(200)는 양쪽 끝단에 반사경(201, 202)이 형성된 선 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하는 광 증폭기(203), 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 분산을 보상하기 위한 분산 보상 광섬유(204), 및 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력 커플러(205)를 포함한다.

한편, 도 4에 도시된 광원부(200)는 도 2에 도시된 광원부(100)와 공진기의 형상이 상이하고 나머지 구성요소는 실질적으로 동일하고, 광 증폭기(203)가 변조 신호 발생부로부터 상기 변조 신호를 직접 제공받는 점도 동일하므로 추가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 5는 도 1에 도시된 광원부의 다른 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.

도 5를 참조하면, 광원부(300)는 링 형상의 공진기 내에 광 증폭기(301)로부터 전달받은 광의 세기에 따라 광의 진행을 스위칭하기 위한 전광소자(302)를 더 포함한다. 한편, 광원부(300)는 도 2에 도시된 광원부(100)와 전광소자를 더 구비하는 것을 제외하고는 나머지 구성요소는 실질적으로 동일하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광원부(300)는 전광소자(302)를 통하여 변조 신호 발생부(305)로부터 발생된 변조 신호를 입력받는다.

도 6은 도 1에 도시된 광원부의 다른 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.

도 6을 참조하면, 광원부(400)는 양쪽 끝단에 반사경(mirror)이 형성된 선 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하는 광 증폭기(404), 광 증폭기(404)로부터 전달받은 광의 세기에 따라 광의 진행을 스위칭하기 위한 전광소자(403)를 더 포함한다. 여기서, 전광소자(403)는 공진기 내에 진행하는 광의 진행을 스위칭하는 것이지 광 증폭기(404)로부터 전달받은 광을 스위칭한다는 기재에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광원부(400)는 전광소자(403)를 통하여 변조 신호 발생부(407)로부터 발생된 변조 신호를 입력받는다.

이와 같이, 도 5 및 도 6에 도시된 광원부(300, 400)는 변조 신호 발생부(305, 407)로부터 중심 파장이 변하는 변조 신호를 전광소자(302, 403)를 통하여 직접 입력받는다.

이와 같이, 광원부(300, 400)는 변조 신호 발생부(305, 407)로부터 중심 파장이 변하는 변조 신호를 전광소자(302, 403)를 통하여 직접 입력받음으로써, 공진기의 길이와는 독립적으로 파장 가변 속도를 조절할 수 있다. 또한, 가변 필터를 제거함으로써, 광원부(300, 400)의 제조비용을 절감시킬 수 있다.

나아가, 광 증폭기가 변조 신호를 입력받는 경우와 비교하여 전광소자(302, 403)가 변조 신호를 입력받는 경우에는 능동 광이득을 스위칭하지 않고, 수동 광도파로를 스위칭하여 광 세기를 상승/하강 반복시킴으로써 상대적으로 더 낮은 전력으로 안정되게 구동될 수 있다.

도 7 및 도 8은 도 1에 도시된 광원부의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 구성도들이다.

도 7을 참조하면, 광원부(500)는 복수개가 병렬로 연결된 링 형상의 공진기들 내에서 광 이득을 제공하는 복수개의 광 증폭기들(501, 502), 복수개의 광 증폭기들(501, 502)로부터 각각 증폭된 광들을 결합시키기 위한 커플러(503), 커플러(503)에 의하여 결합된 광의 세기에 따라 광의 진행을 스위칭하고, 상기 변조 신호를 수신하는 전광소자(504), 전광소자(504)를 통과한 광의 분산을 보상하기 위한 분산 보상 광섬유(505), 및 분산 보상 광섬유(505)를 통과한 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력 커플러(506)를 포함한다.

도 8을 참조하면, 광원부(600)는 양쪽 끝단에 반사경들(601, 602, 603)이 형성되고 한쪽 단에 복수개의 반사경들(601, 602)이 형성되어 복수개가 병렬로 연결된 선 형상의 공진기들 내에 각각 배치되어 광 이득을 제공하는 복수개의 광 증폭기들(604, 605), 복수개의 광 증폭기들(604, 605)로부터 각각 증폭된 광들을 결합시키기 위한 커플러(606), 커플러(606)에 의하여 결합된 광의 세기에 따라 광의 진행을 스위칭하고, 상기 변조 신호를 수신하는 전광소자(607), 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 분산을 보상하기 위한 분산 보상 광섬유(608), 및 상기 공진기 내에서 진행하는 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력 커플러(609)를 포함한다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 광 증폭기들(501, 502, 604, 605)은 병렬로 연결된 복수개의 공진기 내에서 서로 다른 광 이득을 제공할 수도 있다.

이와 같이, 복수개가 병렬로 연결된 공진기들이 구비된 광원부(500, 600)는 광의 공통 경로에 전광소자(504, 607)를 배치하고 광의 별도 경로에 광 증폭기들(501, 502, 604, 605)을 배치함으로써, 광대역을 확대할 수 있고 광원부(500, 600)의 출력 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

나아가, 광의 공통 경로에 배치된 전광소자(504, 607)에 변조 신호를 입력하는 것은 복수개의 공진기들에 배치된 광 증폭기들(501, 502, 604, 605) 각각에 변조 신호를 입력하는 것과 비교하여 효율적으로 제어할 수 있다.

도 7 및 도 8의 경우, 일부 경로가 다른 공진기 2개가 병렬 연결된 광원부들(500, 600)을 도시하였으나, 확대하고자 하는 광대역 및 원하는 출력 효율에 따라 더 많은 공진기들을 병렬로 연결시킬 수도 있다.

도 9는 변조 신호의 주파수 변화에 따라 광원부에서 발진되는 광의 스펙트럼을 설명하기 위한 그래프이다.

도 9를 참조하면, 변조 신호 발생부에서 출력하는 변조 신호의 중심 주파수를 변화시키는 경우, 이에 대응하여 광원부에서 발진되는 파장이 변화하는 것을 알 수 있다. 따라서 공진기 외부에 구성된 변조 신호 발생부의 신호 발생부, RF 신호 발생부 등을 이용하여 주파수를 가변시키는 경우, 광원부에서 발진되는 광의 중심 파장 또한 변화되는 것을 확인할 수 있다. 한편, 이러한 광의 중심 파장의 변화와 진행상수의 변화를 정량적으로 연계하여 선형화된 단층 영상을 얻기 위하여 변조신호 발생부의 중심주파수 변화 정보를 영상 기기의 신호처리부에도 동시에 전달되어야 할 것이다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 광 결맞음 단층 영상기기는 공진기 외부에 설치된 변조 신호 발생부의 주파수를 조절하여 광원부에서 발진하는 광의 중심 파장을 가변시킴으로써, 기존의 가변 필터를 효율적으로 대체할 수 있다. 나아가, 본 영상기기는 복수개의 공진기를 병렬로 연결하고 광의 공통 경로에 배치된 전광소자에 변조 신호를 입력함으로써, 광대역을 확대하고 출력 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 광 결맞음 단층 영상기기
10 : 광원부 20 : 광 분리부
30 : 기준부 40 : 진단부
50 : 광 결합부 60 : 신호처리부

Claims (2)

1. 샘플의 영상 정보를 획득하기 위하여 능동형 모드 잠김 레이저(active mode-locking fiber laser)를 이용한 광 결맞음 단층 영상기기(optical coherence tomography, OCT)에 있어서,
   주기적으로 변하는 특정 파형의 신호를 발생시키고, 상기 발생된 신호에 의하여 중심 주파수가 변하는 변조(modulation) 신호를 발생시키는 변조 신호 발생부;
   상기 변조 신호 발생부로부터 전달받은 변조 신호에 의하여 중심 파장이 주기적으로 변하는 광을 공진기를 통하여 방출하는 광원부;
   상기 광원부로부터 방출된 단일 경로의 광을 서로 다른 경로를 갖는 제1 광과 제2 광으로 분리하는 광 분리부;
   상기 광 분리부에 의하여 분리된 제1 광이 진행하는 경로에 배치되어 상기 제1 광을 반사시키는 기준부;
   상기 샘플을 실장하고, 상기 광 분리부에 의하여 분리된 제2 광의 경로에 배치되어 상기 제2 광을 상기 제1 광보다 일정 시간 지연시켜 반사시키는 진단부;
   상기 기준부와 진단부를 통하여 서로 다른 경로로 진행되어 서로 간섭이 발생된 제1 광과 제2 광을 결합시키는 광 결합부; 및
   상기 광 결합부로부터 전달받은 광의 데이터를 검출하고 영상화하는 신호처리부를 포함하고,
   상기 변조 신호 발생부는 상기 중심 주파수가 주기적으로 변하는 변조(modulation) 신호를 상기 광원부 및 신호처리부에 동시에 전달하여 광 진행상수의 선형화를 제공하는 것을 특징으로 하는 광 결맞음 단층 영상기기.
2. 삭제

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