KR102631506B1 - 광 간섭 단층촬영을 이용하는 고속 그리고 긴 심도 범위 이미징을 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
레이저 방사선을 제공하도록 구성되고, 광 공진기(optical cavity)를 포함하는 레이저 장치를 포함할 수 있는 예시적인 장치가 제공될 수 있다. 광 공진기는 제 1 및 제 2 측을 갖는 분산형 광 도파관 제 1 장치를 포함할 수 있고, 상기 분산형 광 도파관 제 1 장치는 (ⅰ) 적어도 하나의 제 2 전자기 방사선을 제공하기 위해 제 1 측에서 적어도 하나의 제 1 전자기 방사선을 수용하고, (ⅱ) 적어도 하나의 제 4 전자기 방사선을 제공하기 위해 제 2 측에서 적어도 하나의 제 3 전자기 방사선을 수용하도록 구성된다. 제 1 및 제 2 측은 서로 상이하고, 제 2 및 제 3 방사선은 서로 관련된다. 광 공진기는 또한, 제 1 전자기 방사선을 제 1 장치에 제공하기 위해 제 4 방사선을 수용하고 변조하도록 구성될 수 있는 능동형 광 변조기 제 2 장치를 포함할 수 있다.
Description
관련 출원(들)에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 2월 12일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제 62/294,822 호 및 2016년 3월 18일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제 62/310,365 호에 관한 것이고 그의 우선권을 주장하며, 그의 전체는 본 명세서에 참조로서 통합된다.
본 발명은 광학 이미징 시스템, 더 구체적으로 대용량 이미징 체적 내에 위치된 샘플의 3차원 산란 속성의 고속 이미징에 관한 것이고, 특히 이미징 시스템에 대한 샘플의 각각의 영역의 거리가 샘플에 걸쳐 그리고 시간에 따라 달라지게 하는 기하학적 구조를 갖는 샘플의 빠른 심도 분해된 이미징(depth-resolved imaging)에 관한 장치 및 방법에 관한 것이다.
광 간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography; OCT)은 몇 내지 수십 미크론의 범위의 해상도로 생물학적 샘플의 단면 이미지를 제공한다. 시간 도메인 OCT("TD-OCT")로서 언급되는 종래의 OCT는 낮은 간섭 간섭계 기술을 이용하여 심도 범위를 성취할 수 있다. 대조적으로, 푸리에 도메인 OCT("FD-OCT") 기술은 스펙트럼 레이더 기술을 이용하여 심도 범위(depth ranging)를 성취할 수 있다. FD-OCT 기술은 개선된 신호 대 잡음 성능 및 기계적으로 스캔된 간섭계 기준 암(mechanically scanned interferometer reference arm)의 제거를 통해 더 높은 이미징 속도를 가능하게 하는 것으로 도시된다.
FD-OCT 시스템은 일반적으로, 광원을 샘플 빔 및 기준 빔으로 분리함으로써 동작한다. 샘플 빔은 이미징될 샘플로 지향될 수 있고, 샘플로부터 반사된 광은 기준 빔으로부터의 광(즉, 기준 암으로부터 리턴하는)과 재조합되어, 간섭 신호를 야기하며, 이는 예를 들면, 샘플의 구조, 구성 및 상태에 관한 정보를 포함할 수 있다. 샘플 경로의 광 또는 기준 경로의 광은 예를 들면, 위상 변조기 또는 주파수 시프터(frequency shifter)에 의해 수정될 수 있고, 이는 간섭의 특성을 변경하고 신호의 정보 콘텐트를 증진시키거나 신호를 보다 쉽게 검출하게 한다. FD-OCT 시스템은 간섭 신호를 파장의 함수로서 샘플링할 수 있다.
FD-OCT 시스템의 하나의 예시적인 실시예에서, 파장의 함수로서의 간섭 신호는 시간의 함수로서 스위핑(sweeping), 변화 또는 스텝(step)하는 출력 파장을 갖는 광원을 이용함으로써 얻어질 수 있다. 간섭 신호의 시간의 함수로서의 검출은 그에 의해, 간섭 신호를 파장의 함수로서 산출할 수 있다. 이러한 예시적인 실시예는 광 주파수 도메인 이미징("OFDI") 기술로서 언급될 수 있다.
FD-OCT 시스템의 또 다른 예시적인 실시예에서, 파장의 함수로서의 간섭 신호는 1차원 또는 2차원 카메라가 파장의 함수로서 신호를 샘플링할 수 있도록 광대역 광원 및 파장에 따라 재조합된 샘플 및 기준 광을 공간적으로 분리하는 스펙트럼 분산 유닛 또는 분광기를 이용함으로써 얻어질 수 있다. 이 예시적인 실시예는 스펙트럼 도메인 OCT 기술으로서 언급될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예 둘 모두에서, 파수(k)(k=1/파장)의 함수로서 검출된 간섭 신호는 혼탁하거나(turbid) 반 혼탁한 샘플 또는 반투명 샘플에서 산란하는 심도 프로파일에 관한 정보를 제공하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 정보는 예를 들면, 샘플의 구조, 구성, 상태, 흐름, 및 복굴절에 관한 정보를 포함할 수 있다.
주어진 심도에서의 산란자는 간섭 신호의 진폭 또는 편광에서 변조를 유도할 수 있다. 파수 공간에서의 그러한 변조의 주파수는 기준 암에서의 광의 시간 지연에 대해 그 산란자로부터 반사된 광의 시간 지연 또는 스캐터의 위치와 관련될 수 있다. 기준 암 광에 비해 어떠한 순 시간 지연도 없는 반사 신호를 야기하는 심도에 위치된 산란자는 파수에 따라 변조하지 않는 간섭 신호를 유도할 수 있다. 산란 자의 위치가 이 제로 지연 포인트로부터 이동함에 따라, 주파수의 크기가 증가할 수 있다. 큰 지연 윈도우를 통해 이미징하기 위해 예로서, 큰 시간 지연 윈도우 내에서 반사를 검출하고 로컬화하기 위해, 간섭 신호는 종종 파수 공간에서 충분히 높은 해상도로 샘플링되어, 큰 지연 윈도우와 연관되는 변조 주파수의 범위의 명확한 검출을 용이하게 할 수 있다.
파수의 고 해상도에서 샘플링을 수용하기 위해, 점점 더 빠른 아날로그 디지털 변환기("ADC")가 OFDI 시스템에서 이용될 수 있으며, 점점 더 많은 픽셀 수의 카메라가 SD-OCT 시스템에서 이용될 수 있다. OFDI 및 SD-OCT 시스템 둘 모두에서, 큰 범위에 걸친 이미징으로 인한 증가된 데이터 체적은 종종, 점점 더 높은 대역폭의 데이터 전송 버스 및 데이터 저장 유닛의 이용을 야기할 수 있다.
수행되는 스펙트럼 측정의 수를 증가시키지 않고 OFDI 또는 SD-OCT 시스템의 심도 범위를 증가시키기 위해 광 도메인 서브샘플링이 이용될 수 있다. 게다가, 광 도메인 서브샘플링은 이미징 시스템의 전기적 대역폭을 증가시키지 않고 이미징 속도를 증가시키기 위해 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, 광 도메인 서브샘플링 OCT 시스템은 동일한 수의 측정으로 동작되는 FD-OCT 또는 SD-OCT 시스템보다 주어진 수의 측정을 통해 더 많은 체적의 물리적 공간의 정보를 얻을 수 있다.
고속 광 도메인 서브샘플링된 OCT 시스템에서, 매우 높은 속도로 큰 심도 범위에 걸쳐 이미징하는 것이 가능하여, 이미징 시스템에 대해 정확하게 위치되지 않거나 필드에 걸쳐 이미징 시스템에 대한 거리를 다르게 하는 표면을 포함하는 샘플의 비디오 레이트 체적 현미경관찰을 야기한다.
따라서, 본 명세서에서 상기 설명된 결함의 적어도 일부를 해결하고/하거나 극복할 필요성이 존재한다.
특히, 종래 시스템 및 방법을 통한 결함 중 적어도 일부는 레이저 방사선을 제공하도록 구성되고, 광 공진기(optical cavity)를 포함하는 레이저 장치를 포함할 수 있는 일 예시적인 장치로 해결될 수 있다. 광 공진기는 제 1 및 제 2 측을 갖고, (ⅰ) 적어도 하나의 제 2 전자기 방사선을 제공하기 위해 제 1 측에서 적어도 하나의 제 1 전자기 방사선을 수용하고, (ⅱ) 적어도 하나의 제 4 전자기 방사선을 제공하기 위해 제 2 측에서 적어도 하나의 제 3 전자기 방사선을 수용하도록 구성되는 분산형 광 도파관 제 1 장치를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 측은 서로 상이하고, 제 2 및 제 3 방사선은 서로 관련된다. 광 공진기는 또한, 제 1 전자기 방사선을 제 1 장치에 제공하기 위해 제 4 방사선을 수용하고 변조하도록 구성될 수 있는 능동형 광 변조기 제 2 장치를 포함할 수 있다. 레이저 방사선은 제 1, 제 2, 제 3 또는 제 4 방사선 중 적어도 하나와 연관될 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제 1 장치는 섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating; FBG), 처프된(chirped) FBG, 및/또는 FBG 어레이일 수 있다. FBG는 편광 유지 광섬유 및/또는 비 편광 유지 광섬유에서 제공될 수 있다. 제 1 장치는 또한, 제 1 방사선 및/또는 제 3 방사선의 광 주파수에 따라 선형적으로 달라지는 그룹 지연을 야기하도록 구성될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 제 1 장치는 (i) 제 1 방사선을 수용하고 제 2 방사선을 투과시키는 적어도 하나의 제 1 서큘레이터(circulator), 및/또는 (ii) 제 3 방사선을 수용하고 제 4 방사선을 투과시키는 적어도 하나의 제 2 서큘레이터를 포함할 수 있다. 광 공진기는 제 1 방사선, 제 2 방사선, 제 3 방사선 또는 제 4 방사선 중 적어도 하나를 증폭시키도록 구성될 수 있는 적어도 하나의 광 증폭기 제 3 장치를 포함할 수 있다. 광 증폭기 장치는 반도체 증폭기, 라만 증폭기, 파라메트릭 광 증폭기, 및/또는 섬유 증폭기를 포함할 수 있다. 광 공진기는 또한, 제 3 전자기 방사선을 제 1 장치에 제공하기 위해 제 2 방사선을 수용하고 변조하도록 구성될 수 있는 또 다른 능동형 광 변조기 제 4 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 또 다른 능동형 광 변조기 제 4 장치는 제 2 방사선과 상이한, 제 1 장치를 통해 이동하는 광 방사선을 억제하도록 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 또 다른 능동형 광 변조기 제 4 장치는 또 다른 능동형 광 증폭기 장치일 수 있다.
본 발명의 여전히 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 광 공진기는 제 1 장치를 통해 투과된 광 방사선을 차단하도록 구성되는 적어도 하나의 광 편광판 제 5 장치를 포함할 수 있다. 광 공진기는 또한, 분산 보상 장치 및/또는 고정된 주기적 스펙트럼 필터 장치를 포함할 수 있다. 고정된 주기적 스펙트럼 필터 장치는 (i) 3과 25 사이인 피네스(finesse)를 갖는 패브리 페로 에탈론 필터(Fabry-Perot etalon filter), 및/또는 (ii) 광 인터리버를 포함할 수 있다. 패브리 페로 에탈론 필터는 공기 갭 에탈론 필터일 수 있다.
본 발명의 여전히 또 다른 예시적인 실시예에서, 레이저 방사선은 시간에 따라 예를 들면, 연속적으로 및/또는 이산적으로 변화하는 파장을 가질 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 장치에 의한 동작은 파장이 80 nm/마이크로초보다 빠른 레이트로 변화하게 할 수 있다.
또 다른 대안적인 실시예에서, 제 1 장치는 편광 유지 광 도파관에서 제공되는 섬유 브래그 격자(FBG)를 포함할 수 있고, 제 1 방사선은 광 도파관의 제 1 복굴절 축을 따라 론칭(launching)될 수 있고, 제 3 방사선은 제 1 및 제 2 복굴절 축이 서로 상이한 광 도파관의 제 2 복굴절 축을 따라 론칭될 수 있다. 제 2 전자기 방사선은 제 1 전자기 방사선의 반사일 수 있고, 제 4 전자기 방사선은 제 3 전자기 방사선의 반사일 수 있다.
본 발명의 여전히 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 레이저 방사선을 제공하도록 구성되고, 광 공진기를 포함하는 레이저 장치를 포함할 수 있는 일 예시적인 장치가 제공될 수 있다. 광 공진기는 적어도 하나의 제 2 전자기 방사선을 제공하기 위해 적어도 하나의 제 1 전자기 방사선을 수용하도록 구성될 수 있는 분산형 제 1 장치, 및 적어도 하나의 제 4 전자기 방사선을 제공하기 위해 적어도 하나의 제 3 전자기 방사선을 수용하도록 구성되는 분산형 제 2 장치를 포함할 수 있는 반면에, 제 2 방사선 및 제 3 방사선은 서로 관련된다. 광 공진기는 전자기 방사선을 제 1 장치에 제공하기 위해 제 4 방사선을 수용하고 변조하도록 구성될 수 있는 능동형 광 변조기 제 2 장치를 더 포함할 수 있고, 레이저 방사선은 제 1, 제 2, 제 3 또는 제 4 방사선과 연관된다. 레이저 장치는 또한, (i) 샘플 암에서 레이저 방사선으로부터 제 5 전자기 방사선, (ii) 기준 암에서 레이저 방사선으로부터 제 6 전자기 방사선, 및 (iii) 제 5 전자기 방사선과 제 6 전자기 방사선 사이의 간섭에 기초하여 간섭 신호를 생성하도록 구성되는 간섭계 장치를 포함할 수 있다. 레이저 장치는 또한, 적어도 하나의 샘플의 적어도 하나의 부분에 걸쳐 제 5 전자기 방사선을 스캔하도록 구성된 빔 스캐닝 장치를 포함할 수 있다. 레이저 장치, 간섭계 장치와, 빔 스캐닝 장치 사이의 상호작용은 샘플(들)의 부분(들)의 광 속성의 3차원 측정을 제공한다.
예를 들면, 하나의 예시적인 실시예에 따라, 레이저 장치는 전자 클록 신호에 기초하여 간섭 신호를 얻도록 구성된 아날로그 디지털 획득 장치, 및 제 2 장치를 구동하도록 구성된 전자 신호 생성기를 더 포함할 수 있는 반면에, 전자 클록 신호는 전자 신호 생성기에 위상 고정될 수 있다. 제 1 및 제 2 장치는 섬유 브래그 격자 또는 동일한 섬유 브래그 격자의 일부를 포함할 수 있다. 제 2 전자기 방사선은 제 1 전자기 방사선의 반사일 수 있고, 제 4 전자기 방사선은 제 3 전자기 방사선의 반사일 수 있다. 레이저 방사선은 광 주파수 콤(optical frequency comb)일 수 있다.
본 발명의 여전히 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 특정 수(N)의 이산 광 주파수에서 레이저 방사선을 생성하도록 구성되는 레이저 장치를 포함할 수 있는 일 예시적인 장치가 제공될 수 있다. 예시적인 장치는 또한, 레이저 방사선으로부터 간섭 신호를 생성하도록 구성된 간섭계 장치, 및 적어도 하나의 샘플의 적어도 하나의 부분에 걸쳐 레이저 방사선의 적어도 하나의 부분을 스캔하도록 구성된 빔 스캐닝 장치를 포함할 수 있다. 이산 광 주파수의 각각의 라인 폭은 10 GHz 미만일 수 있고, 이산 광 주파수의 각각 사이의 간격은 20 GHz보다 클 수 있다. 레이저 방사선은 초당 2천만 개의 이산 광 주파수 스텝보다 큰 레이트로 이산 광 주파수 사이를 스텝할 수 있다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 레이저 장치는 2미터보다 큰 길이를 갖는 연속적인 섬유 브래그 격자, 및 2미터보다 큰 길이를 갖는 섬유 브래그 격자 어레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 여전히 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 적어도 하나의 구조에 관한 비디오 스트림을 디스플레이하기 위한 방법 컴퓨터 액세스가능한 매체(예로서, 컴퓨터에 의해 실행될 소프트웨어가 저장된)가 제공될 수 있다. 예를 들면, 이러한 방법 및 컴퓨터 액세스가능한 매체를 이용하여, 상이한 시점에서 적어도 하나의 구조의 상이한 부분에 관한 4차원 간섭계 데이터를 측정하는 것이 가능하고, 4차원 데이터는 적어도 하나의 구조의 적어도 하나의 광 속성을 설명한다. 게다가, 4차원 간섭계 데이터를 2차원 비디오 데이터로 변환하고, 2차원 비디오 데이터를 이용하여 구조의 상이한 부분의 비디오 스트림을 디스플레이하는 것이 가능하다. 측정 및 디스플레이의 성능의 레이턴시(latency)는 1초 미만이다.
이러한 예시적인 방법 및 컴퓨터에 의해 수행된 예시적인 절차는 의료 절차에서 그렇게 행해지고, 또 다른 것은 절차가 비디오 스트림을 이용하여 대화식으로 유도되게 할 수 있다. 부가적으로, 측정은 주파수 콤 광 소스를 이용하여 수행될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 측정은 본 명세서의 상기 다양한 실시예에서 설명된 바와 같은 레이저 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 여전히 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 방법 컴퓨터 액세스가능한 매체(예로서, 컴퓨터에 의해 실행될 소프트웨어가 저장된)는 적어도 하나의 해부학적 구조에 대한 의학적 절차에서 이용되도록 제공될 수 있다. 이러한 예시적인 방법 및 컴퓨터를 이용하여, 5 메가 헤르츠보다 큰 레이트로 구조의 적어도 하나의 광 속성을 설명하는 단일 차원 간섭계 데이터를 측정하는 것이 가능하다. 게다가, 상이한 시점에서 적어도 하나의 구조의 상이한 부분에 관한 단일 차원 간섭계 데이터로부터 4차원 간섭계 데이터를 구성하고, 의료 절차에서 4차원 간섭계 데이터를 활용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 측정은 주파수 콤 광 소스를 이용하여 수행될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 측정은 본 명세서에서의 상기 다양한 실시예들에서 설명된 바와 같은 레이저 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 여전히 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 적어도 하나의 구조에 관한 비디오 스트림을 디스플레이하기 위해 방법 컴퓨터 액세스가능한 매체(예로서, 컴퓨터에 의해 실행될 소프트웨어가 저장된)가 제공될 수 있다. 예를 들면, 이러한 방법 및 컴퓨터 액세스가능한 매체를 이용하여, 상이한 시점에서 적어도 하나의 구조의 상이한 부분에 관한 4차원 간섭계 데이터를 측정하는 것이 가능한 반면에, 4차원 데이터는 구조의 적어도 하나의 광 속성을 설명하며, 4차원 간섭계 데이터는 특정한 공간 치수로 원형으로 감싸질 수 있다. 부가적으로, 예시적인 방법 및 컴퓨터는 특정한 공간 치수를 압축함으로써 4차원 간섭계 데이터를 2차원 비디오 데이터로 변환할 수 있고, 2차원 비디오 데이터를 이용하여 구조의 상이한 부분의 비디오 스트림을 디스플레이할 수 있다.
예를 들면, 압축은 (i) 4차원 간섭계 데이터 내에서 구조의 표면의 위치를 찾아내는 단계, 및 (ii) 위치를 이용하여 압축을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 게다가, 측정은 주파수 콤 광 소스, 및/또는 본 명세서에서의 상기 다양한 실시예에서 설명된 바와 같은 레이저 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면 및 청구항과 결부하여 취해질 때, 본 발명의 예시적인 실시예의 다음의 상세한 설명을 판독할 시에 명백해질 것이다.
본 발명의 또 다른 목적, 특징 및 장점은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하는 첨부된 도면과 결부하여 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 일 예시적인 파장 스텝된 레이저의 주파수 콘텐트와 시간 사이의 관계의 일 예시적인 예시의 도면.
도 2는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 광학적으로 서브샘플링된(OS-OCT) 이미징 시스템의 블록도.
도 3은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 시스템에서 심도 신호의 앨리어싱(aliasing)을 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 시스템에서의 이미징의 원형 랩핑의 예시적인 예시의 세트를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른, 예시적인 OS-OCT 시스템에서 이용된 이미징 탐침(imaging probe) 및 기울어진 샘플에 대해 얻어지는 예시적인 이미지의 예시의 세트를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 고속 파장 스텝된 소스, 및 그에 의해 생성된 예시적인 출력의 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 고속 OS-OCT 이미징 시스템의 도면.
도 8은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 직교 복조 시스템의 도면.
도 9는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 직교 복조 없이 그리고 직교 복조를 통해 얻어진 예시적인 OS-OCT 이미지의 세트를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 광 복조기에서 직교 에러를 정정하는 기술을 포함하는 일 예시적인 직교 복조 및 OS-OCT 신호 프로세싱을 제공하는 방법의 흐름도.
도 11은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 OS-OCT 이미징 시스템에서 제어 전자장치에 대한 일 예시적인 타이밍 방식을 제공하는 시스템의 블록도.
도 12는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 시스템에서 이용된 이미징 현미경의 도면.
도 13은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 광역(wide-field) OS-OCT 이미지의 일 예시적인 세트를 도시한 도면.
도 14는 고속 OS-OCT 시스템의 이미지의 일 예시적인 세트를 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 고속 OS-OCT 시스템으로부터 획득된 비디오 시퀀스로부터의 이미지의 일 예시적인 세트를 도시한 도면.
도 16은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 편광 의존 이미지 콘트라스트를 나타내는 일 예시적인 고속 OS-OCT 시스템에 의해 생성된 일 예시적인 비디오 시퀀스로부터 제공된 이미지의 또 다른 예시적인 세트를 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 레이저 출력의 시간 갭을 채우기 위해 이웃하는 A-라인으로부터의 레이저 출력 펄스를 인터리빙하기 위한 장치, 및 다양한 구성요소로부터의 예시적인 출력의 예시의 블록도.
도 18은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 섬유 브래그 격자 어레이의 예시적인 예시, 및 그 구성요소 중 하나로부터 제공된 출력의 일 예시적인 그래프.
도 19는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 섬유 브래그 격자를 활용하는 일 예시적인 레이저 소스의 다이어그램의 세트를 도시한 도면.
도 20은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 연속적으로 처프된 섬유 브래그 격자를 활용하는 일 예시적인 레이저 소스의 다이어그램의 세트를 도시한 도면.
도 21은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 레이저 소스에서 이용된 섬유 브래그 격자 어레이에서의 일 예시적인 격자 설계 배치의 일 예시적인 예시를 도시한 도면.
도 22는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 능동형 편광 제어를 활용하는 일 예시적인 레이저 소스의 도면.
도 23은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 특정 경로에서의 광 순환을 제한하기 위해 주파수 또는 위상 시프터를 포함하는 일 예시적인 레이저 소스의 도면.
도 24는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 (예시적인 파워 그래프를 갖는) 파장 채널에 걸쳐 상이한 그룹 지연을 생성하기 위해 광 인터리브 및 디인터리버를 포함하는 일 예시적인 레이저 소스의 도면.
도 25는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 고속 퓨리에 변환(FFT) 이전의 컴퓨팅 장치에서의 비 단조인 파장 신호 및 그들의 재구성의 일 예시적인 시간 도메인 검출 방식의 예시를 도시한 도면.
도 26은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 주파수 시프팅(및 파장의 예시적인 예시)을 이용하여 주파수의 입력 세트로부터 부가적인 광 주파수를 생성하는 일 예시적인 시스템의 도면.
도 27은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 편광 변조 소스 출력을 도시하는 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 28은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 한 세트의 연속적으로 처프된 섬유 브래그 격자를 조합함으로써 제공된 분산형 소자의 일 예시적인 예시를 도시한 도면.
도 29는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 위상 변조를 이용하여 직교 복조를 수행하는 일 예시적인 이미징 간섭계의 도면.
도 30은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 직교 복조를 수행하기 위해 시간 및 파수의 함수로서 광을 위상 시프트하기 위한 예시적인 방식을 제공하는 예시적인 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 31은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 8 비트 디지타이저(digitizer) 및 더 큰 큰 심도를 갖는 레지스터에 대한 무늬 평균화(fringe averaging)를 이용하는 일 예시적인 시스템 및 일 예시적인 신호의 획득의 도면.
도 32는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 특정 경로(및 그 출력을 제공하는 예시적인 그래프)에서의 광 순환을 억제하도록 구성되는 공동에서의 변조를 제공하는 일 예시적인 레이저 소스의 도면.
도 33은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 다수의 파장을 포함하는 콤 소스 및 검출 이전에 각각의 파장 신호를 공간적으로 분리하기 위한 파장 디멀티플렉서를 이용하는 일 예시적인 OS-OCT 시스템의 도면.
도 34는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 반사형 분산 소자 내의 광 이득을 포함하는 일 예시적인 OS-OCT 레이저의 도면.
도 35는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 편광판을 포함하고 특정 서브 공동에서의 광 순환을 억제하는 편광 제어기에 의해 구성된 일 예시적인 OS-OCT 레이저의 도면.
도 36은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 펄싱된 광대역 레이저 소스를 분산시킴으로써 제공된 일 예시적인 OS-OCT 소스의 도면.
도 37은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 OS-OCT 소스의 일 예시적인 구성, 동작/기능, 및 타이밍의 예시적인 예시의 세트를 도시한 도면.
도 38은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 스펙트럼 출력의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 39는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 시간적 출력의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 40은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 간섭 길이의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 41은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 잡음의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프.
도 2는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 광학적으로 서브샘플링된(OS-OCT) 이미징 시스템의 블록도.
도 3은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 시스템에서 심도 신호의 앨리어싱(aliasing)을 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 시스템에서의 이미징의 원형 랩핑의 예시적인 예시의 세트를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른, 예시적인 OS-OCT 시스템에서 이용된 이미징 탐침(imaging probe) 및 기울어진 샘플에 대해 얻어지는 예시적인 이미지의 예시의 세트를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 고속 파장 스텝된 소스, 및 그에 의해 생성된 예시적인 출력의 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 고속 OS-OCT 이미징 시스템의 도면.
도 8은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 직교 복조 시스템의 도면.
도 9는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 직교 복조 없이 그리고 직교 복조를 통해 얻어진 예시적인 OS-OCT 이미지의 세트를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 광 복조기에서 직교 에러를 정정하는 기술을 포함하는 일 예시적인 직교 복조 및 OS-OCT 신호 프로세싱을 제공하는 방법의 흐름도.
도 11은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 OS-OCT 이미징 시스템에서 제어 전자장치에 대한 일 예시적인 타이밍 방식을 제공하는 시스템의 블록도.
도 12는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 시스템에서 이용된 이미징 현미경의 도면.
도 13은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 광역(wide-field) OS-OCT 이미지의 일 예시적인 세트를 도시한 도면.
도 14는 고속 OS-OCT 시스템의 이미지의 일 예시적인 세트를 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 고속 OS-OCT 시스템으로부터 획득된 비디오 시퀀스로부터의 이미지의 일 예시적인 세트를 도시한 도면.
도 16은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 편광 의존 이미지 콘트라스트를 나타내는 일 예시적인 고속 OS-OCT 시스템에 의해 생성된 일 예시적인 비디오 시퀀스로부터 제공된 이미지의 또 다른 예시적인 세트를 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 레이저 출력의 시간 갭을 채우기 위해 이웃하는 A-라인으로부터의 레이저 출력 펄스를 인터리빙하기 위한 장치, 및 다양한 구성요소로부터의 예시적인 출력의 예시의 블록도.
도 18은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 섬유 브래그 격자 어레이의 예시적인 예시, 및 그 구성요소 중 하나로부터 제공된 출력의 일 예시적인 그래프.
도 19는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 섬유 브래그 격자를 활용하는 일 예시적인 레이저 소스의 다이어그램의 세트를 도시한 도면.
도 20은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 연속적으로 처프된 섬유 브래그 격자를 활용하는 일 예시적인 레이저 소스의 다이어그램의 세트를 도시한 도면.
도 21은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 레이저 소스에서 이용된 섬유 브래그 격자 어레이에서의 일 예시적인 격자 설계 배치의 일 예시적인 예시를 도시한 도면.
도 22는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 능동형 편광 제어를 활용하는 일 예시적인 레이저 소스의 도면.
도 23은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 특정 경로에서의 광 순환을 제한하기 위해 주파수 또는 위상 시프터를 포함하는 일 예시적인 레이저 소스의 도면.
도 24는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 (예시적인 파워 그래프를 갖는) 파장 채널에 걸쳐 상이한 그룹 지연을 생성하기 위해 광 인터리브 및 디인터리버를 포함하는 일 예시적인 레이저 소스의 도면.
도 25는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 고속 퓨리에 변환(FFT) 이전의 컴퓨팅 장치에서의 비 단조인 파장 신호 및 그들의 재구성의 일 예시적인 시간 도메인 검출 방식의 예시를 도시한 도면.
도 26은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 주파수 시프팅(및 파장의 예시적인 예시)을 이용하여 주파수의 입력 세트로부터 부가적인 광 주파수를 생성하는 일 예시적인 시스템의 도면.
도 27은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 편광 변조 소스 출력을 도시하는 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 28은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 한 세트의 연속적으로 처프된 섬유 브래그 격자를 조합함으로써 제공된 분산형 소자의 일 예시적인 예시를 도시한 도면.
도 29는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 위상 변조를 이용하여 직교 복조를 수행하는 일 예시적인 이미징 간섭계의 도면.
도 30은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 직교 복조를 수행하기 위해 시간 및 파수의 함수로서 광을 위상 시프트하기 위한 예시적인 방식을 제공하는 예시적인 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 31은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 8 비트 디지타이저(digitizer) 및 더 큰 큰 심도를 갖는 레지스터에 대한 무늬 평균화(fringe averaging)를 이용하는 일 예시적인 시스템 및 일 예시적인 신호의 획득의 도면.
도 32는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 특정 경로(및 그 출력을 제공하는 예시적인 그래프)에서의 광 순환을 억제하도록 구성되는 공동에서의 변조를 제공하는 일 예시적인 레이저 소스의 도면.
도 33은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 다수의 파장을 포함하는 콤 소스 및 검출 이전에 각각의 파장 신호를 공간적으로 분리하기 위한 파장 디멀티플렉서를 이용하는 일 예시적인 OS-OCT 시스템의 도면.
도 34는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 반사형 분산 소자 내의 광 이득을 포함하는 일 예시적인 OS-OCT 레이저의 도면.
도 35는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 편광판을 포함하고 특정 서브 공동에서의 광 순환을 억제하는 편광 제어기에 의해 구성된 일 예시적인 OS-OCT 레이저의 도면.
도 36은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 펄싱된 광대역 레이저 소스를 분산시킴으로써 제공된 일 예시적인 OS-OCT 소스의 도면.
도 37은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 OS-OCT 소스의 일 예시적인 구성, 동작/기능, 및 타이밍의 예시적인 예시의 세트를 도시한 도면.
도 38은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 스펙트럼 출력의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 39는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 시간적 출력의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 40은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 간섭 길이의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프의 세트를 도시한 도면.
도 41은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 잡음의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프.
도면 전체에 걸쳐, 달리 언급되지 않는 한, 동일한 참조부호 및 문자는 도시된 실시예의 유사한 특징, 소자, 구성요소 또는 부분을 나타내기 위해 이용된다. 게다가, 본 발명이 이제 도면을 참조하여 상세하게 설명될지라도, 그것은 예시적인 실시예와 관련하여 그렇게 행해진다. 본 발명 및 첨부된 청구항의 진정한 범위 및 사상을 벗어나지 않고 설명된 예시적인 실시예에 대한 변경 및 수정이 행해질 수 있음이 의도된다.
광 도메인 서브샘플링된 OCT는 이후 광학적으로 서브샘플링된 OCT(OS-OCT)로서 언급된다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에서, 광 주파수 도메인 이미징(OFDI)에 기초하는 이미징 시스템이 제공될 수 있다. 소스 파장이 시간에 따라 실질적으로 연속적으로 변화하는 파장 스위핑된 소스(wavelength-swept source)를 활용하는 종래의 OCT 시스템과는 달리, OS-OCT는 소스가 파장 분리 기간에서 별개의 점프를 통해 단계 방식으로 달라지는 파장을 갖는 파장 스텝된 소스를 이용할 수 있고, 여기서 파장은 실질적으로 일정하다.
도 1은 일 예시적인 파장 스텝된 레이저의 주파수 콘텐트와 시간 사이의 관계의 일 예시적인 예시를 도시한다. 도 1의 이러한 예시적인 예시는 일 예시적인 파장 스텝된 소스(100)의 시간의 함수로서 출력 파수를 나타낸다. 이 소스는 파수로 시변할 수 있는 광 출력(110)을 포함할 수 있다. 일 예시적인 파수(132) 대 시간(131) 추적은 플롯(130)으로 제공된다. 예시적인 추적은 소스 파수가 신속하게 스위칭되는 기간(135a 내지 135f)에 의해 분리된 레이저의 k에서의 안정성의 기간(133a 내지 133f)에 의해 특징지워질 수 있다. 파수 공간에서의 스텝 크기는 Δk(134)로서 주어질 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 파장은 반드시 파수로 균등하게 이격될 수 없고, 소스에서 Δk 간격의 범위일 수 있다. 안정 기간의 각각(133a 내지 133f)은 소스의 특정 채널에 대한 파수 값(k_a 내지 k_f)(137a 내지 137f)을 정의할 수 있다. 안정성의 기간은 인접한 파수 사이의 시간 갭의 다양한 퍼센티지를 차지할 수 있다; 예를 들면, 그것은 전체 시간 갭을 채울 수 있으며 레이저는 하나의 파수로부터 다음 파수로 직접 점프할 수 있거나, 그것은 다음 파수까지 레이저 파워가 턴 오프되는 짧은 펄스일 수 있다. 예시적인 플롯(130)은 소스의 총 채널 카운트의 서브세트일 수 있는 6개의 채널을 포함하거나, 소스는 예를 들면, 2와 같은 덜 별개의 파수 출력을 포함할 수 있다. 소스의 출력 파워는 채널의 각각에서 주목할만한 파워를 산출하도록 설계된다.
파워 추적은 파장의 함수로서 평탄할 수 있고/있거나 예를 들면, 소스에서 이용된 이득 매체의 스펙트럼 응답에 따라 달라질 수 있거나, 특정한 프로파일을 따르도록 이루어질 수 있다. 파장 사이의 시간(135a 내지 135f) 동안, 예시적인 레이저 소스의 파워는 변조 및/또는 턴 오프될 수 있다. 도 1에 도시된 파수 출력이 단조 증가하는 파수를 나타낼지라도, 파수(137a 내지 137f)는 예를 들면, 출력 파수가 내림차순의 단조 순으로, 또는 예를 들면, 137a, 그 다음 137d, 그 다음 137f, 그 다음 137e, 그 다음 137b, 그 다음 137c와 같은 비 단조 순으로 발생할 수 있는 것과 같은 비 단조 순서를 따를 수 있다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에서, OCT 이미징 대역에서의 소스 출력 파장은 대략 800nm, 1.0㎛, 1.3㎛, 1.5㎛, 1.6㎛, 또는 1.7㎛에 대략 중앙에 위치될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, UV 및 가시광선 대역에서의 소스 출력 파장을 포함하는 임의의 광 범위에서 동작하는 것이 가능하다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 소스는 2개 이상의 스펙트럼 영역으로 그룹화되는 파장을 출력할 수 있다. 예를 들면, 1.0 내지 1.1㎛ 이내의 파장이 출력된 다음에 1.3 내지 1.4㎛으로부터의 파장이 출력될 수 있다. 대안적으로, 적색, 녹색, 및 청색 가시광선 스펙트럼의 각각 내에서 다수의 파수 스텝된 출력을 산출하는 일 예시적인 소스가 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따라 이용될 수 있다.
도 2에 도시된 일 예시적인 광학적으로 서브샘플링된(OS-OCT) 이미징 시스템의 또 다른 예시적인 실시예에서, 파장 스텝된 소스(200)는 광 스플리터(205)에 의해 샘플 암(220)과 기준 암(210)으로 분할될 수 있다. 기준 암(210)에서의 광 또는 다른 전자기 방사선은 복소 복조기(240)의 제 1 포트(240a)로 지향될 수 있다. 샘플 암(220)에서의 광 또는 다른 전자기 방사선은 샘플로 지향될 수 있고 상기 샘플로부터 수집될 수 있다. 이것은 예를 들면, 이 광 또는 다른 전자기 방사선을 우선적으로 포트(230b)로 지향할 수 있는 광 서큘레이터의 제 1 포트(230a)로 샘플 암 광을 지향시킴으로써 달성될 수 있다. 포트(230b)로부터의 광 또는 다른 전자기 방사선은 광섬유(235)에 의해 샘플(250)을 향해 지향될 수 있다. 광섬유(235)는 샘플 상의 샘플 암 광의 위치 및 다른 특성을 제어하기 위해 본 분야에 알려지는 다양한 탐침, 카테터(catheters), 내시경, 및 현미경을 포함할 수 있지만 이들로 제한되지 않는다. 샘플(250)로부터의 후방산란된 광 또는 다른 전자기 방사선은 섬유(235)에 의해 수집되고, 서큘레이터(230)의 포트(230b)로 리턴되며, 우선적으로 포트(230c)로 지향될 수 있다. 이 광 또는 다른 전자기 방사선은 그 다음, 복조 복조기(240)의 포트(240b)로 지향될 수 있다. 복소 복조기(240)는 예로서, 광 구성요소, 디지타이저, 및 디지털 프로세싱을 포함할 수 있다. 복소 복조기는 샘플 암(220)과 기준 암(210) 사이의 간섭과 연관되는 신호를 각각의 파수 채널에 대해 측정하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 복소 복조기는 각각의 파수 채널에 대응하여, 복소 반사된 샘플 필드에 비례하는 복소 신호(S)(270과 280의 조합으로 구성됨)를 제공할 수 있다.
수학식 1
여기서, P(ki)는 파수(ki)에 대응하는 반사된 신호 파워이고, θ(ki)는 파수(ki)에 대응하는 기준 암 광과 반사된 샘플 광 사이의 위상차이다. 복소 신호(S)(예로서, 270 및 280의 조합을 포함함)는 데이터 프로세싱 및 기록 유닛(260)(하나 이상의 컴퓨터 또는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있음)으로 포워딩될 수 있다.
본 발명의 일 예시적인 실시예에서, 복소 복조기(240)는 예로서, Vakoc, Optics Letters 31(3) 362-364(2006) 미국 특허 공보 제 2007/0035743에서 설명된 바와 같은 편광 기반 복조 장치에 기초할 수 있다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 위상 변조기는 기준 암(210) 또는 샘플 암(220) 중 어느 하나에 배치될 수 있다. 예시적인 위상 변조기는 각각의 파수 채널에 대해 이들 위상 시프트의 각각에서 2개의 측정을 행하여, 복소 신호(S)를 구성하는데 필요한 시간 멀티플렉싱된 동위상 및 직교 신호를 제공할 수 있도록 예로서, π/2 라디안 또는 0 라디안의 위상 시프트를 유도하도록 제공, 구성 및/또는 구조화될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 복소 복조기는 예로서, Choma, Optics Letters 28(22) 2162-2164에서 설명된 바와 같이, 3×3 쌍의 이용에 기초할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 시스템에서의 심도 신호의 앨리어싱을 도시하는 그래프를 묘사한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 주파수 변환은 이산 파수(ki)에서의 간섭을 서브샘플링함으로써 발생할 수 있다. 도 3의 예시적인 그래프는 샘플 암과 기준 암 사이의 지연의 함수로서 복소 신호(S)의 주파수를 제공한다. 실선(300)은 연속적으로 스위핑된 파장 소스에 대한 예시적인 주파수를 도시하고, 점선(310)은 파수(ki)에서의 광 서브샘플링을 이용하여 측정된 주파수를 도시한다. 제로 지연(340)에 중심을 둔 주파수 범위에서, 어떠한 변환도 유도되지 않을 가능성이 있다. 더 큰 크기의 지연에 해당하는 주파수 범위에서, 주파수는 기저대역 신호로 다운 변환될 수 있다. 예를 들면, 파장 스위핑된 소스를 이용할 때 +F/5와 +3*F/5 사이에 나타나는 지연 범위(320)의 주파수는 광학 서브샘플링을 이용하여 -F/5 내지 F/5의 범위로 다운샘플링될 수 있다. 예로서, -F/5로부터 F/5까지의 제한된 주파수 범위만을 검출함으로써, 내지 에 의해 특징지워진 전체 심도에 걸친 신호가 감소된 데이터 체적으로 획득될 수 있다.
상기 설명된 예시적인 실시예에서, 데이터 프로세싱 및 데이터 저장 유닛(260)(도 2 참조)은 본 분야에 알려진 이산 푸리에 변환을 활용하는 접근법에 따라, 획득된 복소 신호 어레이(Si)의 각각으로부터 심도의 산란 프로파일을 생성할 수 있다. 이들 예시적인 프로파일은 이미지를 생성하도록 연결될 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 시스템에서 이미징의 원형 랩핑의 예시적인 예시의 세트를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 서브샘플링된 이미지의 심도 범위보다 큰 범위에 걸쳐있는 샘플로부터 야기되는 서브샘플링된 이미지가 생성된다. 예로서, 서브샘플링 없이, 복소 복조를 제공하는 일 예시적인 OFDI 시스템으로 획득될 수 있는 일 예시적인 이미지(400)에 묘사된 바와 같은 각도로 배열되는 일 예시적인 샘플이 활용될 수 있다. 예로서, 각각의 A-라인 내의 샘플링된 데이터 포인트 중 일부를 폐기함으로써, 서브샘플링된 이미지가 생성될 수 있고 일 예시적인 이미지(410)에 도시된다. 이미지 심도 범위는 상당히 감소될 수 있고, 기저대역 외부에서 발생하는 신호는 이 감소된 심도 범위 내에서 나타나도록 하향변환될 수 있다. 이 이미지를 기울임으로써, 즉 이미지의 사본을 수직으로 연결함으로써, 원래 구조(420)를 인식할 수 있다. 표면 탐색 루틴을 이용하여, 객체의 단일 표현이 복제 표현(430)으로부터 분리될 수 있어서, 샘플의 이미지를 복구할 수 있다. 이미징이 기울어진 샘플을 포함하기에 충분한 범위에 걸쳐 효과적으로 성취되었지만, 410으로 묘사된 심도 범위에 대응하는 감소된 데이터 체적으로 성취되었다는 것에 주의한다.
유효 심도 범위를 증가시키기 위한 서브샘플링된 광학 이미징의 이용은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른, 예시적인 OS-OCT 시스템에서 이용된 이미징 탐침의 예시의 세트 및 기울어진 샘플에 대해 얻어지는 예시적인 이미지를 보여주는 도 5에 도시된다. 이미징 기구(500)는 이미징 광 또는 다른 전자기 방사선을 시스템(502)으로부터 샘플(510)로 전달할 수 있는 내시경(501)을 포함할 수 있고, 역산란된 광 또는 다른 전자기 방사선을 시스템(502)으로 리턴시킨다. 내시경(501)은 광섬유와 같은 단일 양방향성 도파관을 이용함으로써 제공되거나 그것을 포함할 수 있거나, 대안적으로 2개 이상의 도파관을 이용함으로써 제공될 수 있다. 도파관 중 하나는 시스템(502)으로부터 샘플(510)로 광 또는 다른 전자기 방사선을 전파할 수 있고, 도파관 중 또 다른 하나는 샘플(510)로부터 시스템(502)으로 산란되거나 반사된 광 또는 다른 전자기 방사선을 리턴시킬 수 있다. 내시경(501)은 내시경(501)을 나가는 광의 각도(530)를 스캔할 수 있는 빔 스캐너(540)를 예로서, 그것의 먼 팁(tip) 근처에 포함할 수 있다. 빔 스캐너(540)는 Kim 등의 Opt. Express 15, 18130-18140 (2007)에서 설명된 바와 같이 마이크로전자기 스캐너에 기초할 수 있다. 내시경과 각도를 이루도록 배향된 샘플에 대해, 하나의 각도에 대해 빔 스캐너(540)로부터 샘플 표면까지의 거리는 상대적으로 더 짧을 수 있고, 예를 들면, d1(520a)일 수 있고, 또 다른 각도에 대해, 상대적으로 더 길 수 예를 들면, d2(520b)일 수 있다.
종래의 OCT 또는 OFDI 기술을 이용하여, 이미징 시스템(500)은 전체 심도 범위(d2-d1+δ)에 걸쳐 데이터를 획득할 수 있으며, 여기서 파라미터(δ(522))는 샘플로의 이미징 심도를 설명한다. 종래의 OCT 또는 OFDI 이미지(550)는 심도(521) 및 각도(523)의 함수로서 이미지를 제공한다. 예시적인 이미지는 d2-d1+δ에 의해 주어진 심도 범위를 점유한다. 짧은 시간에서 이 큰 영역에 걸쳐 데이터를 획득하는 것은 빠른 디지털화 및 데이터 전송 능력을 요구한다. 이러한 예시적인 이미지는 또한, 획득이 비효율적일 수 있음을 나타낼 수 있다. 이것은 획득된 이미지의 넓은 영역에서, 조직 표면(533a) 위에 또는 조직 표면(533b) 아래의 δ보다 큰 심도의 정보 콘텐트가 거의 없거나 전혀 없기 때문일 수 있다. 서브샘플링된 광 주파수 도메인 이미징 또는 서브샘플링된 SD-OCT의 이용은 동일한 정보 콘텐트의 획득을 용이하게 하며, 더 큰 효율을 갖는다. 일 예시적인 서브샘플링된 OFDI 이미지(560)는 심도(561) 및 각도(564)의 함수로서 제공된다. 예시적인 이미징 시스템(500)은 δ(562)의 이미징 범위를 제공하도록 구성될 수 있다. 이 예시적인 이미징 범위는 샘플에 대한 이미징 침투 심도보다 클 필요는 없고, 정보가 더 얕은 영역에 대해 요구된다면, 대안적으로 더 적을 수 있다. 일 예시적인 서브샘플링된 이미징 절차의 랩핑 속성(wrapping properties)은 모든 각도에서 샘플의 표면 심도(δ)로부터의 정보의 포착을 용이하게 할 수 있다. 또한, 일 예시적인 이미징 획득 대역폭은 조직 표면 위의 빈 공간에, 또는 조직에 대한 이미징 침투 아래에 대해 전용일 것 같진 않다.
예를 들면, 스네이크(snake) 절차(Yezzi 등, IEEE Tran Med Imag 16,2 199-209(1997)에서 설명된 바와 같은)를 포함하는 표면 발견 절차를 이용하여 조직 표면(570)의 위치를 발견하거나 그렇지 않으면, 결정하고, 조직이 심도가 거의 일정한 표면으로 도시된 이미지(590)를 생성하기 위해 예시적인 이미지를 언랩핑(unwrapping)하는 것이 가능하다.
고속 OS-OCT 이미징 시스템의 예시적인 실시예
본 발명에 따른 고속 광학적으로 서브샘플링된 이미징 시스템 및 이미지 디스플레이 장치 및 방법의 예시적인 실시예가 본 명세서의 하기에서 설명되고, 도 6 내지 도 16에 도시된다.
예를 들면, 도 6은 본 발명에 따른 고속 레이저 소스 및 그의 하나 이상의 구성요소에 의해 제공된 예시적인 출력의 일 예시적인 실시예를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 예시적인 레이저 장치(600)는 세기 변조기(610), 반도체 광 증폭기 세트(611 및 614)의 세트, 제 1 분산형 섬유(615), 고정형 패브리 페로 에탈론(613)에 기초한 파장 선택형 필터의 세트, 출력 결합기(616), 및 제 2 분산형 섬유(612)를 포함하는 링 공동을 포함한다. 레이저 광 또는 다른 전자기 방사선은 레이저 공동에서 시계 방향으로 순환할 수 있다. 네거티브 분산형 소자는 예로서, 1550nm에서 대략 -700ps/nm의 총 분산을 제공하는 분산 보상 섬유로부터 생성되거나 그렇지 않으면 만들어질 수 있다. 포지티브 분산 소자는 예로서, 1550nm에서 + 700ps/nm의 총 분산을 제공하는 표준 단일 모드 섬유로부터 생성되거나 그렇지 않으면 만들어질 수 있다. 이러한 예시적인 표준 섬유는 편광 모드 분산의 효과를 감소시키기 위해 패러데이 회전자 거울을 갖는 이중 경로 구성에서 동작될 수 있다. 예시적인 레이저는 중심 파장 예로서, 대략 1550nm 및 1522nm로부터 1590nm까지의 레이징 대역폭(632a)으로 동작할 수 있다. 레이저가 부가적인 파장 및 대역폭에서 동작할 수 있음이 이해되어야 한다.
분산 보상 섬유로부터의 광 또는 다른 전자기 복사는 예로서, 반 시계 방향으로의 광/방사 통과를 방지하기 위한 광 아이솔레이터를 포함할 수 있는 광대역 반도체 광 증폭기(614, 611)에 의해 증폭될 수 있다. 이 증폭된 광은 200 GHz FSR(613)을 갖는 2개의 동일한 FP 에탈론의 세트를 통과한다. 레이저는 하나의 에탈론, 또는 복수의 에탈론으로 동작될 수 있다. 예시적인 에탈론(들)은 대략적으로 동등하게 이격된 파수에서 광 또는 다른 전자 방사선을 투과시킬 수 있다. 예를 들면, 조합된 필터의 광 투과 스펙트럼을 좁히고 잡음 성능을 향상시키며 증폭기 및 섬유에서의 비선형 상호작용을 감소시키기 위해 하나의 예시적인 실시예에서 2개의 FP 에탈론이 이용될 수 있다. 출력 결합기(616)는 필터(613) 다음에 배치될 수 있고, 광의 대략 20%가 공동 밖으로 지향될 수 있다. 출력 결합기(616)의 예시적인 결합비는 넓은 범위에 걸쳐 설정될 수 있다. 본 발명의 이러한 예시적인 실시예에서, 각각의 분산형 소자의 길이는 실질적으로 크기가 매치되도록 선택될 수 있고, 또한 동작 대역폭에 걸쳐 반대 부호를 가질 수 있다.
세기 변조기(610)는 튜닝가능한 길이 및 튜닝가능한 반복율의 펄스를 생성하는 펄스 생성기(622)에 의해 구동될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 펄스 길이의 다른 범위가 가능할지라도, 펄스 길이는 0.05 ns와 5 ns 사이일 수 있다. 이러한 예시적인 펄스 길이는 변조기(610)를 통해 높은 광 투과를 시간 윈도우(temporal window)에 제공할 수 있다. 세기 변조기(610)는 또한, 리튬 니오바이트 도파관 속성의 최적화를 통해 높은 온 오프 연장 비(대략 30dB)를 제공할 수 있어서, "오프" 상태에 있을 때 투과된 광을 제한하기 위해 이용될 수 있다. 선택적으로 또는 게다가, 전기 광 세기 변조기가 이용될 수 있거나, 반도체 이득 소자는 전류 변조되어 이 세기 변조 기능을 제공할 수 있다. 편광판은 편광 의존 동작을 갖는 변조기를 보상하기 위해 변조기(610) 이전에 포함될 수 있고, 편광 제어기는 편광판과 변조기 사이에 배치되어 리턴된 광 편광 상태를 변조기의 최적 축에 정렬시킬 수 있다. 예를 들면, 편광 제어기가 광 공동을 통해 포함되어 각각의 소자에서 광 편광 상태를 정렬시킬 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 펄스 생성기(622)는 공동 왕복 시간의 역수에 의해 주어진 기본 공동 주파수의 4336 번째 고조파일 수 있는 예로서, 약 18.9 MHz에서 구동될 수 있다. 이 예시적인 고조파에서 동작함으로써, 세기 변조기로 리턴하는 펄스는 투과 윈도우에 매치될 수 있고 예시적인 변조기를 통과할 수 있다. 변조기에서, 대부분의 또는 모든 레이저 파장 펄스는 단일 다중 파장 펄스 내에 일시적으로 중첩될 수 있다. 분산형 섬유를 통과한 후에, 이들 펄스는 일시적으로 분리될 수 있다. 제 2 분산형 섬유는 그 다음, 이들 펄스를 재압축할 수 있다. 변조기에서의 각각의 펄스는 별개의 파장을 갖는 펄스 트레인에서의 각각의 펄스와 함께 펄스 트레인을 생성하도록 신장될 수 있다. 임의의 주어진 시간에서 다수의 펄스 트레인이 공동에 존재한다.
레이저 출력은 출력 결합기(616)로부터 제공될 수 있다. 이 출력은 파워를 증가시키기 위해 또 다른 광 증폭기를 통과할 수 있고/있거나 그것은 또한 예로서, FP 에탈론(619)과 같은 하나 또는 여러 개의 파장 선택형 필터에 의해 필터링될 수 있어서 라인 폭을 개선하고/하거나 ASE 광 투과를 감소시킨다. 출력 펄스 트레인은 예를 들면, 반사 모드에서 동작되는 분산 보상 섬유 또는 섬유 브래그 격자 어레이, 또는 반사 모드에서 동작된 처프된 섬유 브래그 격자일 수 있거나 그것을 포함할 수 있는 분산 보상 소자(또는 포지티브 분산 소자)(618)를 이용하여 시간에 따라 신장되거나 압축될 수 있다. 외부 분산 소자(618)는 레이저 공동을 변경하지 않고 외부적으로 A-라인 지속기간 및 연관된 필요한 디지털화 속도를 수정하기 위해 이용될 수 있다.
파워을 증가시키고 라인 폭을 개선시키기 위해 부가적인 증폭기(617, 620)가 포함될 수 있다. 이들 증폭기는 반도체 광 증폭기에 기초할 수 있지만 예를 들면, 도핑된 광섬유에 의해 구성될 수 있거나 라만 이득을 활용할 수 있다. 레이저 공동(619) 외부의 필터의 이용은 배경으로 증폭된 자연 방출 광을 제거하고 각각의 파장 펄스의 라인 폭을 좁힐 수 있다. 증폭 및 필터링은 또한, 다수의 스테이지에서 반복되어 파워을 또한 증가시키고 라인 폭을 최적화한다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에서, 레이저 출력은 필터(613, 619)의 투과 통과 대역에 대응하는 별개의 파장을 갖는 각각의 펄스를 갖는 펄스 트레인(640)을 포함할 수 있다. 이것은 고속 광전자 수신기에 의해 시각화되고 고속 오실로스코프 상에서 캡쳐될 수 있다. 다른 설정이 본 발명의 범위 내에서 고려될지라도, 본 발명에 따른 예시적인 실시예에서의 이러한 예시적인 펄스 트레인(641)의 길이는 대략 50 ns로 설정될 수 있다. 각각의 펄스 트레인은 OCT 이미징에서 "A-라인"을 나타내며, 파수로 대략 균등하게 이격되는 고유 파장을 가질 수 있는 별개의 펄스를 포함할 수 있으며 파장 선택형 필터 투과 피크와 매치한다. 출력 레이저(630)의 광 스펙트럼은 출력 파장(631)의 실질적으로 별개의 대역을 갖는 콤 구조일 수 있다.
예시적인 스펙트럼 출력(630)은 파장(632a, 631a)의 함수로서 광 파워(632b, 631b)의 플롯으로서 도 6에 도시된다. 더 작은 파장 범위의 확대된 이미지는 그래프(631)에 도시되고, 더 큰 범위는 그래프(632)에 도시된다. 시간 출력(640)은 시간(640a)의 함수로서 수신된 전압(640b)을 표시한다.
레이저의 유효 A-라인 레이트는 기본 공동 왕복 주파수의 상이한 고조파(또는 공동 왕복 시간의 하위고조파인 상이한 펄스 반복 시간에서 동일하게)에서 세기 변조기를 동작시킴으로써 변경될 수 있다. 이것은 A-라인의 반복 레이트가 전자적으로 변경되는 것을 용이하게 할 수 있다. 분산의 크기는 각각의 파장 펄스 사이의 시간 간격을 조정함으로써 A-라인 길이를 수정하도록 조정될 수 있다. 이들 소자가 도 6의 특정한 조직 및/또는 순서로 도시될지라도, 이용될 수 있고 본 발명의 범위 내에 있는 대안적인 순서 및/또는 조직이 존재함이 당업자에게 분명해야 한다.
본 발명의 일 예시적인 실시예에서, 고속 레이저 소스(700)의 출력(도 7의 블록도에 도시된 바와 같이)은 간섭계(701)의 입력부로 지향될 수 있다. 이 간섭계(701)는 레이저 소스(700)의 출력을 샘플 암(703) 및 기준 암(704)으로 분할 또는 분리할 수 있다. 샘플 암(703)은 편광 감지 이미징을 개선하기 위해 이용될 수 있는 편광 변조를 위한 전기 광 변조기(EOM)(710)를 포함할 수 있다. EOM(710)은 각각의 파장 펄스, 각각의 A-라인, 각각의 이미징 프레임, 각각의 이미징 체적 또는 임의의 시간 블록의 데이터의 편광 상태를 변조하도록 구성될 수 있다. EOM(710)은 광 또는 다른 전자기 방사선을 이중 경로 섬유(717)로 지향시킬 수 있는 광 서큘레이터(711)의 광학 경로 앞과 그 내부의 샘플 암(703)에 배치될 수 있다. 선택적으로 또는 게다가, 변조기(예로서, EOM(710))는 결합기(702)의 광학 경로의 앞과 내부에 배치되어 샘플 및 기준 암 광 둘 모두 또는 다른 전자기 방사선을 변조할 수 있다. 선택적으로 또는 게다가, 이러한 예시적인 변조기는 이중 경로 섬유(717)에 위치될 수 있다. 이 이중 경로 섬유는 시스템을 교정하기 위해 이용될 거울(713)과 같은 구조에 광의 일부를 지향시키는 스플리터(712)를 포함할 수 있다. 샘플 암(703)은 또한, 광 또는 다른 전자기 방사선을 샘플(714)에 제공할 수 있다. 기준 암 광은 서큘레이터(705)를 통해 거울(706)에 이르는 이중 경로 섬유(718)로 이동될 수 있다. 이 거울(76)의 위치는 기준 암 광 지연을 수정하도록 조정될 수 있다. 편광 제어기(707, 708, 715)는 기준 및/또는 샘플 암(703, 704) 내에 제공될 수 있다. 편광판(709)은 입력 편광 상태를 변조기에 설정하기 위해 EOM(710)의 광 경로 앞과 그 내부에 제공될 수 있다. 기준 및 샘플 암(703, 704)으로부터 제공된 광 또는 다른 전자 방사선은 광 복조기(716)에서 조합될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 도 7의 광 복조기(716)의 도면을 보다 상세히 도시한다. 예를 들면, 샘플(801) 및 기준(802)으로부터의 광(들) 또는 다른 전자기 방사선은 편광 빔 조합기(PBC)(804)에 제공되며, 상기 편광 빔 조합기는 수신된 광 또는 다른 전자기 방사선을 2개의 직교 편광 상태로 분할하거나 그렇지 않으면 분리한다. 기준 암(802)으로부터의 광 또는 다른 전자기 방사선의 편광 상태는 기준 암 광을 예로서, 편광 다양성 검출을 위해 PBC(804)의 출력 포트의 각각에, 또는 편광 다양성 검출이 이용되지 않으면 주로 하나의 출력 포트에서 대략 동일하게 분할하도록 구성될 수 있는 편광 제어기(803)로 제어될 수 있다. PBC(804)의 각각의 출력 포트에서, 광 구성요소의 시스템이 예를 들면, 신호(809b) 상에서 검출된 다른 직교 채널(MQ)에 대하여 신호(809a) 상에서 검출된 하나의 동위상 채널(MI)에서 시프트를 생성하도록 구성될 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 편광 제어기(806a, 806b, 806c, 806d)는 기준 암(802)으로부터의 광 또는 다른 전자기 방사선에 대하여 샘플 암(801)으로부터의 광 또는 다른 전자기 방사선에서의 상이한 위상 지연을 제공할 수 있고, 따라서 편광 빔 스플리터(807a, 807b, 807c, 807d)에 의해 생성되는 간섭 무늬에서 제어가능한 위상 시프트를 유도한다.
대안적으로 또는 게다가, 이러한 예시적인 광 회로는 벌크 광 스플리터 및 편광 회전기를 이용하여 자유 공간에서 구성될 수 있다. 각각의 편광 빔 스플리터의 출력은 세기 잡음 감소를 위해 평형 수신기(808a, 808b, 808c, 808d)의 반대 부호인 입력부에 전달될 수 있다. 신호는 필터(809a, 809b, 809c, 809d)를 이용하여 저역 통과 필터링될 수 있다. 이들 저역 통과 필터의 차단 주파수(cut-off frequency)는 레이저의 광 서브샘플링에 대해 야기되는 기저대역 윈도우의 주파수 대역폭에 매치하도록 설정될 수 있으며, 상기 레이저의 광 서브샘플링은 dT가 레이저로부터의 파장 펄스의 시간 간격인 1/(2*dT)로서 근사화될 수 있고/있거나, 시간 간격이 A-라인에 걸쳐 동일하지 않은 경우 레이저로부터의 파장 펄스의 최소 시간 간격으로서 근사화될 수 있다. 예를 들면, 50/50 광 결합기(805a, 805b)가 예시적인 시스템에 포함될 수 있다.
MI 및 MQ 신호가 직교로 부가될 때, 하나의 신호 측정에서 공액 모호성으로부터 기인한 복소 공액 아티팩트의 감소가 있을 수 있다. 감소량은 예로서, 공액 아티팩트가 MI와 MQ 사이의 관계가 완전 직교(예로서, 약 90도 위상 분리)에 얼마나 근접하는지에 연관된다. RF 채널의 수를 감소시키기 위해, 예를 들면 니오브산 리튬 위상 변조기 또는 음향 광 변조기를 이용하는 간섭계의 기준 또는 샘플 암에서 순차적인 위상 변조를 통해 MI 및 MQ를 생성하기 위해 필요한 정보를 생성하는 복조기가 제공될 수 있다.
검출된 간섭 무늬((MI)(예로서, 신호(809a)에서 검출됨)와 (MQ)(예로서, 신호(809b)에서 검출됨)) 사이의 직교 관계에서의 불완전함은 포지티브 및 네거티브 지연 공간으로부터의 신호의 불완전한 분리를 초래할 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 측정된 신호는 디지타이저(810a, 810b)에 의한 획득 및 디지털화된 신호의 컴퓨팅 장치(예로서, 컴퓨터, 프로세서 및/또는 그의 다수 또는 조합)로의 전송 후에 수정될 수 있다. 이들 예시적인 수정은 예로서, Siddiqui 등에 의한 Optics Express 23,5 5508-5520 (2015)에서 설명된 바와 같은 알려진 기술을 이용하여 이들 에러를 정정하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 예시적인 정정은 거울 신호의 세트(도 7의 거울(713) 참조)와 같은 별도의 샘플로부터 획득된 미리 결정된 데이터를 이용하여 수행될 수 있고/있거나, 선택적으로 샘플 자체의 신호에 의해 유도될 수 있다. 이 정정은 측정된 파장(즉, 스펙트럼 에러)의 함수로서 발생하는 에러, 및 RF 주파수(즉, RF 에러)의 함수로서 발생하는 에러 둘 모두를 제거할 수 있다. RF 에러는 시스템에 관련된 더 높은 RF 주파수로 인해 고속 이미징에서 중요해질 수 있다. 이러한 예시적인 절차는 다양한 심도 위치에서 도 7의 샘플 교정 거울(713)로부터의 신호를 활용할 수 있고 동시에 모든 심도 위치에 대한 잔여 피크를 최소화한다. 예시적인 절차는 주파수 의존 에러를 정정하기 위해 RF 주파수 도메인에서 주파수 응답 함수(H(Δ))를 적용하기 위해 이용될 수 있다. 진폭 및 위상 에러 정정은 RF 시간 도메인에서 적용될 수 있다. 이들 에러는 시스템 당 한번 계산되거나 그렇지 않으면 결정될 수 있고(예로서, 컴퓨팅 장치에 의해), 시스템이(예로서, 컴퓨팅 장치에 의해) 자신의 상태를 크게 변경하지 않는다면 모든 후속 이미지에 적용될 수 있다. 스펙트럼 에러는 RF 에러와 별도로 계산되고 적용될 수 있어서(예로서, 컴퓨팅 장치에 의해) 단지 영향을 미치는 스펙트럼 에러가 RF 에러와 관계 없이 교정될 수 있는 상태가 변경되게 한다.
일 예시적인 복조 회로는 Siddiqui 등에 의한 Optics Express 23,5 5508-5520 (2015)에서 설명된 바와 같은 종래의 푸리에 도메인 측정과 유사한 서브샘플링된 측정에 대해 동작할 수 있다. 도 9에 도시된 하나의 예에서, 그것은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 직교 복조 없이 및 직교 복조를 통해 얻어진 예시적인 OS-OCT 이미지의 세트를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 손가락의 서브샘플링된 이미지는 직교 복조(900) 없이 제공되고 이미지 및 그것의 복소 공액의 중첩을 도시하여, 이미지에서 아티팩트를 야기한다. 이 문제점은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 디스플레이(901)에 도시된 복조 및 에러 정정으로 해결될 수 있다. 예를 들면, 도 8에 도시된 예시적인 구성은 디지타이저(810a)의 2개의 위상 시프트된 간섭 무늬(예로서, X 편광 상태에 대한 디지타이저(810a)의 제 1 채널 - 채널 1 상의 I, 및 디지타이저(810a)의 제 2 채널 - 채널 2 상의 Q)를 생성하기 위해 이용될 수 있고, 1x2 스플리터(805a) 대신에 1xN 스플리터를 이용함으로써, 부가적인 위상 시프트된 간섭 신호가 생성될 수 있다. 예를 들면, 하나의 예시적인 구성에서, 편광 기반 복조 시스템은 0deg, +60deg, 및 +120deg의 상대 위상 시프트에서 3개의 위상 시프트된 간섭 신호를 제공할 수 있다. 3개 또는 그 이상의 위상 시프트된 간섭 채널의 예시적인 이용은 예를 들면, 직교 복조 정확도를 개선하기 위해, 또는 2개가 DC에서 신호 아티팩트의 존재를 감소시키기 위해 활용될 수 있다.
사후 프로세싱 정정 인자를 도출하기 위해 거울 구조로부터 획득된 신호를 프로세싱하기 위해 이용된 일 예시적인 절차가 이하에서 설명되고 도 10에 도시되며, 도 10은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 광 복조기에서 직교 에러를 정정하기 위한 기술을 포함하는 OS-OCT 신호 프로세싱 및 일 예시적인 직교 복조를 제공하는 방법의 흐름도를 도시한다. 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 절차(1010)에서, 검출된 신호(MI 및 MQ)가 얻어지고 절차(1020)에서 해닝 윈도우(Hanning window), 푸리에 변환(FT)으로 프로세싱되며 그 다음, 절차(1030)에서 신호 대 잡음 비를 개선하기 위해 무늬에 걸쳐 간섭적으로 평균화될 수 있다(예로서, 컴퓨팅 장치를 이용하여). 다음에, 푸리에 도메인의 신호 피크가 절차(1040)에서 발견될 수 있다. 그 후, 절차(1050)에서, RF 에러 정정은 Siddiqui 등에 의한 Optics Express 23,5 5508-5520 (2015)에서 설명된 바와 같이 수행되고, 뒤이어 절차(1060)에서 Siddiqui 등에 의한 Optics Express 23,5 5508-5520 (2015)에서 설명된 바와 같이 다시 스펙트럼 에러 정정이 수행될 수 있다. 에러 함수는 최적화 루프(검은 점선 박스)를 통한 여러 번의 반복 후에 절차(1070)에서 정정 인자(H(Δ) 및 α(k) 및 β(k))를 업데이트 및 최적화하기 위해 이용될 수 있다.
고속 광학적으로 서브샘플링된 OCT 시스템의 일 예시적인 실시예는 도 11에 도시된 바와 같이 많은 시스템 모듈에 걸쳐 위상 동기화된 클록킹 시스템을 활용할 수 있고, 도 11은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 OS-OCT 이미징 시스템에서 제어 전자장치에 대한 일 예시적인 타이밍 방식을 제공하는 시스템의 블록도를 도시한다. 도 11에 제공된 바와 같이, 신호 생성기(1108)는 세기 변조기(1104)를 구동하기 위한 패턴/펄스 생성기(1105)를 위한 클록으로서 이용될 수 있다. 이 신호 생성기(1108)의 내부 클록은 EOM(1100)를 제어하는 제 1 신호 생성기(1101), 고속 축 빔 스캐너(1103)를 제어하는 제 2 신호 생성기(1102), 저속 축 빔 스캐너(1106)를 제어하는 제 3 신호 생성기(1107), 및 간섭계 무늬 데이터를 획득하기 위해 고속 디지타이저(1112, 1113)의 획득 클록을 제어하는 제 4 신호 생성기(1111)를 포함하는, 예시적인 시스템을 동기화하고 위상 잠금하기 위해 몇몇 전자 서브시스템에 걸쳐 공유될 수 있다. 패턴/펄스 생성기(1105)는 컴퓨터 장치(1109)에 의해 설정될 수 있는 2진 데이터 패턴을 활용할 수 있다. 신호 생성기(1108)로부터의 트리거 출력 신호는 지연 생성기(1110)로 전달되어 고속 디지타이저(1112, 1113)를 위한 트리거 신호를 생성할 수 있다. 상기 예시적인 실시예가 단지 예시적인 것이며, 클록킹 전자장치 및 신호 경로의 다수의 조직이 본 발명의 범위 내에서 유사한 효과를 성취하기 위해 당업자에 의해 이해될 수 있음이 이해되어야 한다. 이 예시적인 타이밍 구성은 짧거나 긴 시간 분리를 갖는 A-라인에 걸쳐 위상 안정성이 높은 측정을 용이하게 하도록 구성되었다.
예시적인 디지타이저(1112, 1113)에 대한 클록 주파수는 각각의 A-라인에 대한 정수의 디지털화된 샘플을 초래한 레이저 A-라인 레이트의 정수배가 되도록 구성될 수 있다. 이것은 A-라인 위상 시프트를 고려할 필요 없이 다수의 A-라인이 직접적으로, 즉 측정된 무늬 도메인에서 또는 FFT 후에 복잡한 A-라인으로서 평균화되는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 이 예시적인 시스템에서, 패턴/펄스 생성기(1105)는 신호 생성기(1108)에 의해 예로서, 3.64437734 GHz 신호에 의해 구동될 수 있고; 패턴 생성기(1105)는 컴퓨터(1109)에 의해 설정되어 이 주파수에서 192 비트를 생성하고 이 192 비트 시퀀스 중 하나의 비트에 대해 "온"으로 유지하여, 3.64437734 GHz/192=18.9811319791667 MHz의 A라인 레이트를 산출한다. 디지타이저 클록은 예로서, A-라인 당 정확히 65개의 측정치를 제공하기 위해 외부 클록(1111)에 의해 1.23377357865 GHz로 설정되었다. 예를 들면, 연속적인 획득의 세트가 조합되어 개선된 SNR 및 무늬 신호의 부가로 간섭적으로 평균화된 A-라인을 생성할 수 있다. A-라인의 이 예시적인 간섭성 평균화는 필드 프로그래밍가능한 게이트 어레이(FPGA)와 같은 디지타이저 보드 상의 프로세서를 이용하거나 컴퓨터 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 시스템에서 이용된 이미징 현미경의 다이어그램을 도시한다. 도 12의 이미징 시스템의 이 예시적인 실시예에서, 각각 x 및 y 차원을 가로질러 빔을 스캔할 수 있는 광각 갈바노미터 거울(large-angle galvanometric mirrors)(1202, 1203)를 포함하는 스캔된 빔 탐침을 포함할 수 있다. 시준기(1200)는 빔 스캐너(1202, 1203)(예로서, 대략 7 mm의 빔 크기) 및 예로서, 스캐너(1202, 1203)의 광 경로 전에 그리고 상기 광 경로에 배치될 수 있는 250 mm의 초점 길이를 갖는 집속 렌즈(1201)로 지향될 수 있는 시준된 빔(1208)을 생성하여 팬 빔 이미징 기하학적 구조(fan-beam imaging geometry)를 생성할 수 있다. 예시적인 시스템은 샘플(1207)이 예시적인 탐침로부터 멀리 이동함에 따라 확장된 시야(1204, 1205, 1206)에서 예를 들면, 사람의 얼굴의 샘플의 광역 심도 분해 이미지(wide-field depth-resolved images)를 가능하게 할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 광역 OS-OCT 이미지의 일 예시적인 세트를 도시한다. 예를 들면, 3차원 데이터세트는 다른 디스플레이 모드 중에서 일 예시적인 이미지(1301)의 단일 심도 평면, 일 예시적인 이미지(1300)의 심도에 걸친 평균 세기 투영, 또는 단일 단면 이미지를 검사함으로써 시각화될 수 있다. 예시적인 이미지(1300 및 1301)는 예시적인 시스템의 큰 피사계 심도 및 광역 능력을 설명한다. 이들 예시적인 이미지(1300, 1301)에서, 3센티미터보다 큰 피사계 심도가 얻어질 수 있다. 이 이미지를 획득하는데 있어서, 예시적인 레이저는 대략 18.9 MHz A라인 레이트로 동작되었으며, 이미지는 16.5925 Hz에서 동작하는 고속 축 스캐너로 측정된 2000 x 2000 가로방향 픽셀(9 cm x 9 cm 영역에 걸쳐 있음)을 디스플레이하고 저속 축 스캐너는 0.008296 Hz에서 동작하며, 250 mm 집속 렌즈를 이용한다. 스캐닝 속도를 훨씬 초과한 이러한 예시적인 레이저의 속도로 인해, 예시적인 이미지의 SNR을 개선하기 위해 단일 프레임에서, 2개의 프레임 사이, 또는 체적 사이에서 인접한 A-라인을 평균화하는 것이 가능했다.
또 다른 예시적인 이미징 현미경은 또한, 예로서 더 느린 갈바노미터 스캐너와 함께 3.9 kHz 공진 빔 스캐너를 이용함으로써 제공될 수 있다. 250 mm 집속 렌즈를 활용하는 것이 가능하다. 예시적인 3.9 kHz 공진 고속 스캐너를 통해, 고속 프레임에서 ~2428 픽셀 및 저속 프레임에서 1000 픽셀을 측정하면서 초 당 대략 8개의 체적을 얻는 것이 가능하다. 이 절차 및 장치는 비디오 레이트 예로서, 초 당 8개의 체적에서 획득된 각각의 체적을 갖는 샘플의 용적 측정 이미징(volumetric imaging)을 용이하게 했다. 예시적인 체적 획득 레이트는 고속 프레임 방향으로, 저속 프레임 방향으로 A-라인의 수를 감소시킴으로써, 그리고 스캐너의 속도를 증가시킴으로써 상당히 증가될 수 있다. 이 이미징은 18.9 MHz A-라인 레이트 소스로 수행되었다. 도 14에 도시된 바와 같이, 공진 스캐너의 정현파 본질로 인해, 원래 이미지(1400)로부터 수평 방향으로 이 공간 붕괴(spatial disruption)를 제거하여 왜곡되지 않은 이미지(1401)를 생성하는 프로세싱에서 정현파 보간을 수행하는 것이 가능했다. 예시적인 왜곡되지 않은 이미지(1401)의 위치(1404)에서의 제 1 체적의 219번째 단면 이미지(1403)가 도 14에 도시되어 있으며, 서브표면 특성이 기록된 기저대역 윈도우에서 어떻게 나타나는지를 설명한다. 예를 들면, 기저대역 윈도우 크기는 공동 내/외부 공동 필터의 FSR을 변경함으로써 변경될 수 있다. 이미지(1400 및 1401)는 심도 축에 걸친 예시적인 평균 세기 투영 이미지이다.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 실시예에서, 편광 다양성 체적 조직 이미징은 조직 필드 내의 복굴절의 광 축 및 광 복굴절을 측정하기 위해 이용되었고, 이들 체적 측정치는 비디오 레이트 현미경을 통해 획득되어, 수술 분야의 비디오 레이트 복굴절 이미징을 허용한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 4개의 디지타이저 채널(예로서, 도 8의 디지타이저 채널(810a, 810b))이 이용되어, X 및 Y 편광 다양성 검출 채널의 각각의 I/Q 측정을 제공한다. 제 1 디지타이저 보드(810a)의 트리거 출력은 제 2 디지타이저 보드(810b) 상의 획득의 시작을 트리거링하기 위해 이용될 수 있다. 간섭하는 PBC(804) 이후의 광 경로 및 전기 케이블의 길이는 변조 또는 PS 에러를 유도할 수 있는 차동 지연을 피하기 위해 최대로 등화되었다. 예를 들면, 편광 감도(PS) 측정에 대해, X 채널과 Y 채널 사이의 주파수 의존 위상 시프트는 Y 채널 위상이 심도를 갖는 X 채널에 비해 명백하게 증가하게 함으로써 인공 복굴절 측정을 생성할 수 있다. 이 아티팩트는 또한, 컴퓨터 장치(810a, 810b)에서 수행된 사후 프로세싱에서 Y-채널 신호에 대해 X-채널 신호를 지연시킴으로써 제거되었다.
도 15는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 고속 OS-OCT 시스템으로부터 획득된 비디오 시퀀스로부터의 이미지의 일 예시적인 세트를 도시하고, 상기 이미지의 세트는 본 발명에 따른 시스템의 예시적인 실시예에 따라 획득된 비디오의 스냅샷을 포함한다. 도 15에서 제공된 예시적인 이미지는 심도에 걸친 평균 세기 투영을 이용하여 3개의 시점(1500, 1501, 1502)에서 실리콘 팬텀(silicon phantom)에 기초하는 쥐 소좌골 신경(mouse sciatic nerve)을 도시한다. 이 예시적인 시간 동안, 신경은 한 쌍의 포셉(forceps)으로 크러쉬(crush)되었다. 광 복굴절 축은 알려진 절차를 이용하여 추출되었고 중간 광 축 투영이 수행되어 광축 이미지(1503, 1504, 1505)를 생성했다. 광 축 데이터(1506 및 1507)의 단면 이미지는 각각 라인(1508 및 1509)에서 제공된다. 광 축 데이터는 광 축의 각도가 이미지(1503, 1504, 1505, 1506, 1507)의 컬러에 매핑되는 곳에서 디스플레이된다. 이 예시적인 데이터세트에서, 기록은 대략 9초 동안 지속되고 54개의 전체 체적을 포함했다.
이 예에서, 고속 스캐너는 3.945 kHz로 동작했고, 순방향 스캔 동안 입력 편광(1)과 역방향 스캔 동안 입력 편광(2) 사이에서 변조가 수행되었다(예로서, EOM 변조 속도는 3.945 kHz였다). 저속 축 스캐너는 6.514083 Hz의 속도를 갖고, 램프 파형으로 구동되며 따라서, 한 체적에서 600개의 가로방향 순방향(고속 축) 스캔 및 600 개의 역방향(고속 축) 스캔을 제공한다. 1.2 cm x 1 cm의 가로방향 장을 측정되었다. 예시적인 서브샘플링된 OCT 시스템의 심도 범위는 대략 5센티미터였다. 이러한 예시적인 데이터는 조직에서 대략 500㎛의 기저대역 이미징 윈도우 심도를 산출하는 200 GHz 출력 파수 간격을 갖고 획득되었다.
일 예시적인 실시예에서, 편광 데이터는 편광의 스톡스(Stokes) 표현의 3개의 광축 파라미터를 적색, 녹색 및 청색 컬러 스케일에 매핑하고, 그 다음 심도에 걸쳐 이들 컬러 체적 이미지를 중간 투영함으로써 디스플레이되어 조직 광 복굴절(1503, 1504, 1505, 1506, 1507)의 2차원 맵을 생성할 수 있다.
대안적으로, 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시스템 및 방법의 예시적인 실시예는 평균 구조적(세기) 투영(1600), 또는 광학 축, 지연, 및/또는 탈분극 정보(1601)를 갖는 가중된 투영을 디스플레이하기 위해 활용될 수 있다. 이 예시적인 이미지는 주위 근육(1605a, b, c)의 필드에서 포셉(1604)에 의해 조작되고 있는 외과적으로 노출된 랫 좌골 신경(rat sciatic nerve)(1603)을 도시한다. 예시적인 복굴절 투영된 이미지(1601)는 원형 컬러맵(1602) 상에 맵핑된 광 축 각도를 도시하고, 여기서 컬러/색조는 이미징 빔 전파 방향(1606)에 수직인 선형 평면에서 광 축 각도를 나타낸다. 본 명세서에서, 색조/컬러의 값은 심도에 걸친 세기 및 지연 값에 의해 가중된다. 이 단일 인페이스 투영(single enface projection)은 도 15에 도시된 쥐 좌골 신경 이미지에 대해 설명한 것과 유사한 획득 파라미터를 통한 비디오 획득 내에서 단일 캡쳐이다. 값이 낮은 저 복굴절 디스플레이를 갖는 샘플(예로서, 포셉(1607)과 같은) 및 높은 복굴절의 샘플은 높은 값 컬러로 디스플레이될 수 있다. 1608과 같은 내장된 신경/조직 특성은 이러한 3D에서 2D 투영으로 시각화될 수 있다. 3차원 데이터를 디스플레이하고, 이러한 예시적인 3차원 데이터를 2차원 이미지로 변환/전달하기 위한 다수의 방법이 존재한다는 것이 이해되어야 한다.
부가적인 광원 실시예
도 6에 도시되고 본 명세서에서 상기 설명된 예시적인 레이저 소스는 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 관한 것이다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 레이저 소스는 다른 것들 중에서 광섬유 증폭기, 파라메트릭 증폭기, 비선형 증폭기, 및/또는 라만 증폭기에 기초한 광 이득을 포함할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 레이저 출력의 시간 갭을 채우기 위해 이웃하는 A-라인으로부터의 레이저 출력 펄스를 인터리빙하는 장치, 및 다양한 구성요소로부터의 예시적인 출력의 예시의 블록도를 도시한다. 레이저 소스를 포함하는 이 예시적인 실시예에서, 각각의 파장 펄스(1717)의 시간 지속기간은 세기 변조기에 대한 신호를 공동에서의 분산형 소자에 의한 신장 후의 펄스의 시간 간격 미만인 것이 되도록 제어함으로써 구성될 수 있다. 이것은 증폭기 또는 다른 레이저 공동 소자에서의 상이한 파장 펄스의 중첩을 제한하도록 수행될 수 있으며, 이는 또한 펄스 사이의 오프 시간(1718)을 생성함으로써 더 낮은 레이저 듀티 사이클을 야기할 수 있다. 이들 오프 시간 때문에, 레이저의 파워는 짧은 펄스(1715)로 집중될 수 있어서, 비선형 효과를 생성하거나 부스터 증폭기를 포화시킴으로써 불리할 수 있는 더 높은 순시 파워을 생성한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 이러한 예시적인 저 듀티 사이클 펄스 트레인은 결합기(1710), 제 1 암(1718), 지연 섬유를 포함하는 지연기(delay)(1711) 및 편광 제어기(1712)를 포함하는 다중 경로 광 회로를 통과할 수 있고 예를 들면, 결합기(1713)를 이용하여 재조합될 수 있다. 지연기(1711)는 예로서, A-라인 반복률 플러스 펄스 사이의 시간 간격의 절반과 대략 같도록 구성될 수 있다. 이 예시적인 구성은 펄스(1716)를 일시적으로 중첩하지 않고 인접한 A-라인을 함께 인터리빙할 수 있다.
대안적으로 또는 게다가, 반복적인 분산형 소자는 펄스의 시간적 분리에 영향을 미치지 않고 파장 펄스의 각각을 일시적으로 분산시키기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 파장 선택형 필터의 FSR 또는 레이저의 파장 선택형 필터의 정수배와 매치된 FSR을 갖는 히레-트르누아 에탈론(Gires-Tournois etalon)은 펄스 신장을 야기하는 각각의 펄스의 제한된 대역폭 내에서 큰 분산을 생성하기 위해 레이저 출력에서 활용될 수 있다. 이 필터의 예시적인 그룹 지연 응답은 각각의 펄스가 펄스 대 펄스 간격의 현저한 변경을 유도하지 않고 시간적으로 넓어지도록(또는 이러한 예시적인 방식으로 구성된 경우 압축됨) 주기적일 수 있다(1715). 도 6에 도시된 바와 같은 예시적인 레이저는 도 17에 도시된 증폭기(1700, 1703, 1706, 1709), 분산 소자(1705, 1702, 1707), 스펙트럼 필터(1704, 1708) 및 세기 변조기(1701)를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 파장 선택형 필터는 에탈론에서 분산적 매체를 이용하지 않고 큰 대역폭에 걸쳐 일정한 자유 스펙트럼 범위를 유지하는 장점을 갖는 공기 공동 패브리 페로 에탈론으로부터 구성될 수 있다. 대안적인 파장 필터 구성은 다른 것들 중에서, 섬유 기반 패브리 페로 에탈론, 가상적으로 이미징된 위상 어레이 격자, 섬유 브래그 격자 또는 다른 도파관 브래그 격자, 어레이된 도파관 격자, 순환 어레이된 도파관 격자, 또는 광 인터리버 및 디인터리버를 포함할 수 있다.
여전히 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 레이저 공동 내의 분산형 소자(구성요소(612, 615)로서 도 6에 도시됨)는 섬유 브래그 격자(FBG) 어레이 또는 긴 처프된 섬유 브래그 격자에 기초할 수 있다. 예를 들면, 분산은 각각의 파장의 반사의 상이한 공간 위치에 의해 생성된다. 도 18은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 섬유 브래그 격자 어레이의 일 예시적인 예시, 및 그의 구성요소 중 하나로부터 제공된 출력의 일 예시적인 그래프를 도시한다. 도 18에 도시된 일 예시적인 FBG 어레이 구성에서, 개별적인 FBG(1800a 내지 1800h)의 세트는 각각의 순차적인 격자로부터의 반사된 펄스가 에 의해 시간적으로 분리되도록 거리(Δx(1806))만큼 분리된 섬유를 따라 위치될 수 있고, 여기서 c는 광의 속도이고 n은 섬유의 굴절률이다. 예를 들면, 개별적인 FBG(1800a 내지 h)는 FP 에탈론 또는 유사한 주기적 필터가 요구되지 않고, FBG 반사 파장이 레이징 파장을 정의하도록 파장 선택형 필터로서 기능할 수 있다. 선택적으로 또는 게다가, FBG 반사율의 스펙트럼 위치는 공동 내 FP 에탈론과 같은 파장 선택형 필터에 의해 통과된 파장에 정렬될 수 있다.
FBG의 예시적인 반사 대역폭은 레이저 라인 폭이 에탈론 라인 폭에 의해 결정되도록 넓어질 수 있다. 가변 광 감쇠기(1805)는 예로서, 레이징 파장의 수를 감소시키기 위해 반사된 펄스의 수를 제한하기 위해 어레이에 포함될 수 있다. 하나의 측(1801a)으로부터의 입력 광은 반사될 수 있고 그에 의해 그것의 파장, 또는 그것의 파장에 매치하는 광에 의해 마주친 제 1 FBG에 정렬하는 FBG의 위치에 기초하여 상이한 그룹 지연을 제공하는 각각의 파장을 갖는 출력 광(1801b)을 생성한다. 예시적인 FBG 어레이 구성은 또한, 양측으로부터 이용될 수 있으며, 다른 끝단(1802c)으로부터 론칭된 광은 동일한 격자 밖으로 반사되어 1802d로 리턴하고, 역순으로 FBG를 보는(seeing) 입력 광(1802b)으로 인해 반사된 광(1801b)에서 성취되는 것과 반대의 분산을 가질 수 있다. 대안적으로 또는 게다가, 제 2 FBG 어레이는 이 어레이에서의 격자의 순서가 역전된 반대 분산을 생성하기 위해 이용될 수 있다. FBG 반사율(1804) 대 파장(1803)은 도 18의 그래프에 도시된 바와 같이 그것의 라인 폭, 반사율, 위상 응답, 및 중심 파장을 구성하기 위해 격자 기록 프로세스에 의해 맞춰질 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 섬유 길이를 따라 연속적인 파장 반사율을 제공하는 처프된 FBG가 이용될 수 있다. 예를 들면, 공동에서의 파장 선택형 필터는 레이징 파장을 정의할 수 있고 처프된 FBG는 포지티브 및 네거티브의 분산(들)을 생성할 수 있다. 예시적인 FBG 어레이와 같이, 동일한 처프된 FBG는 반대 측으로부터 론칭함으로써 포지티브 및 네거티브 분산(들)을 생성하기 위해 이용될 수 있다. 처프된 FBG의 반사율은 특정 레이저 출력 프로파일을 유도하고/하거나 공동에서 파장 의존 손실 또는 이득을 보상하도록 설계될 수 있다. 예시적인 레이저는 예를 들면, 고속의 종래 FD-OCT를 위한 레이저 소스를 제공하는 연속적인 파장 스위핑된 출력을 생성하기 위해 공동에서 파장 선택형 필터 없이 구성될 수 있다.
FBG 어레이에서의 예시적인 FBG의 간격은 예를 들면, 섬유에서 약 5 cm(Δx=5cm)일 수 있으며, 그에 의해 인접한 FBG에 대응하는 파장에서 광의 반사 사이에서 0.5 ns의 시간적 변위를 생성한다. 예를 들면, FBG는 더 가깝게 배치되어 이 시간 분리를 줄이고, 또한 그것을 늘일 수 있다. 수십 센티미터에서 수백 미터의 FBG 어레이가 제공될 수 있다.
FBG 어레이 또는 연속적으로 처프된 FBG 분산형 소자를 통한 광의 투과를 감소시키거나 그렇지 않으면 최소화하기 위해, 격자의 반사율은 100%에 가깝게 만들어질 수 있어서, 투과가 크게 제한된다. 이것은 예를 들면, 세기 변조기를 경유하는 레이저 공동 내에서 레이징 경로를 방지하기 위해 행해질 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 섬유 브래그 격자를 활용하는 일 예시적인 레이저 소스의 다이어그램의 세트를 도시한다. 특히, 단일 FBG 어레이 또는 연속적으로 처프된 FBG를 포함하는 레이저의 예시적인 실시예 및 한 쌍의 FBG 어레이 또는 연속적으로 처프된 FBG를 제공하는 예시적인 실시예가 도 19에 도시된다. 예를 들면, 단일 FBG 어레이/연속적으로 처프된 FBG 구성(1900)에서, 세기 변조기(1902), 서큘레이터(1906, 1907), 선택적인 파장 선택형 필터(1903, 1905), 및 광 증폭기(1904) 및 출력 결합기(1910)가 도 19에 도시된다. 예를 들면, 광 또는 다른 전자기 방사선이 포트(1911) 상에 출력된다. 파장 선택형 필터는 예를 들면, 패브리 페로 에탈론 또는 다른 주기적 스펙트럼 필터일 수 있거나 그것을 포함할 수 있다. 포지티브 분산은 좌측으로부터 FBG 어레이 및/또는 연속적으로 처프된 FBG(1908)에 입사하는 광에 의해 생성될 수 있고, 보상 네거티브 분산은 우측으로부터 FBG 어레이 또는 연속적으로 처프된 FBG(1908)에 입사하는 광에 의해 생성된다. 대안적으로 또는 게다가, 예시적인 FBG 디바이스/구성(1900)은 좌측으로부터 입사하는 광에 대한 네거티브 분산 및 우측으로부터 입사하는 광에 대한 포지티브 분산을 생성하도록 구성될 수 있다. 일 예시적인 단일 FBG(1909)는 FBG 어레이 내에 제공되고, 좌측 및 우측으로부터 광 반사 경로를 제공한다. 이것이 도 18에 도시된 바와 같은, 섬유(1908)에 위치될 수 있는 많은 FBG 중 하나일 수 있음이 이해되어야 한다.
도 19에 도시된 일 예시적인 구성(1901)의 본 발명의 일 대안적인 예시적인 실시예에서, 예시적인 레이저는 동일한 세기 변조기(1950), 서큘레이터(1951, 1952), 파장 선택형 필터(선택적)(1953, 1955), 광 증폭기(1954), 및 섬유(1957) 상에서 나가는 광 또는 다른 전자기 방사선을 갖는 출력 결합기(1956)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 격자(1958, 1959)가 이용될 수 있고, 격자(1958)로부터 격자(1959)로의 투과 경로가 없을 가능성이 있다. 격자(1958)는 포지티브 분산을 생성하도록 구성되거나 구조화될 수 있고, 격자(1959)는 포지티브 분산 격자(1958)에 크기가 매치된 네거티브 분산을 생성하도록 구성되거나 구조화될 수 있거나 예를 들면, 그 역도 마찬가지이다. 구동 신호(1912, 1960)는 세기 변조기(1902, 1950)을 각각 동작시키기 위해 이용될 수 있다. 이들 구동 신호는 펄스 생성기 또는 컴퓨팅 장치로부터 생성될 수 있다. 본 발명에 따른 레이저 시스템의 이러한 예시적인 실시예 및 또 다른 설명된 예시적인 실시예는 더 많거나 적은 파장 선택형 필터 및 이득 매체를 포함할 수 있으며, 예시적인 구성요소는 그러한 예시적인 공동 내에서 상이한 구성 또는 방식으로 조직될 수 있다.
도 20에 도시된 레이저 시스템의 예시적인 실시예에서, 예시적인 레이저는 연속적으로 처프된 FBG(2008) 뿐만 아니라, 구동 신호(2010)에 의해 구동된 세기 변조기(2000), 서큘레이터(2001, 2007), 파장 선택형 필터(선택적)(2002, 2004), 광 증폭기(2003), 및 출력 결합기(2005)를 활용할 수 있다. 광 또는 다른 전자기 방사선이 섬유(2006) 상에 출력될 수 있다. 분산 보상 소자/구성(2009)은 예시적인 FBG 시스템(2008)으로부터 생성된 미스매치된 분산을 정정하기 위해 제공될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서, FBG 어레이 또는 연속적으로 처프된 FBG는 모든 파장으로부터의 반사된 광 또는 다른 전자기 방사선이 대략적으로 동일한 편광 상태에 있음을 보장하기 위해 편광 유지 섬유로부터 제공될 수 있다. 예시적인 FBG 어레이 또는 연속적으로 처프된 FBG는 부가적으로, FBG 반사율에서의 측 모드를 제거하기 위해 감소된 클래딩 모드 섬유에서 제공될 수 있다.
또 다른 예시적인 구성에서, FBG 어레이 또는 연속적으로 처프된 FBG는 편광 유지(PM) 섬유에 기초할 수 있고, 하나의 측으로부터 입사하는 광 또는 다른 전자기 방사선은 빠른 축을 따라 론칭될 수 있으며, 다른 측으로부터 론칭된 광은 느린 축을 따라 론칭될 수 있다. FBG 어레이를 이용하는 이 예시적인 구성에서, 고속 및 저속 축에서 각각의 격자의 반사율의 시프트는 레이저의 파장 간격과 매치하도록 구성될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예를 이용하면, 예를 들면, 격자(2011)의 하나의 측 또는 2개의 측을 편광판에 배치함으로써 격자를 통한 광 투과로 인한 레이징을 방지하는 것이 가능하다. 예를 들면, 편광판(2012a, 2012b)은 편광 제어기(20l3a, 20l3b)와 함께 이용될 수 있다. 편광판(2012a)를 통해 좌측으로부터 고속 축에서 론칭되고 격자(2014)를 통해 투과되는 광 또는 다른 전자기 방사선은 편광판(2012b)에 의해 차단될 수 있다. FBG의 반사율은 특정 레이저 출력 프로파일을 유도하거나 공동에서 파장 의존 손실 또는 이득을 보상하도록 구성될 수 있다.
여전히 또 다른 예시적인 실시예에서, WSF 소자는 공동으로부터 생략될 수 있고 FBG 어레이는 레이징 파장을 정의할 수 있으며, 각각의 레이징 파장의 라인 폭은 각각의 FBG의 반사율의 대역폭에 의존한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 연속적으로 처프된 FBG 어레이는 부가적인 파장 선택형 소자 없이 그리고 연속적으로 스위핑된 파장 소스를 생성하지 않고 분산형 소자로서 이용될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서, FBG 어레이는 의도되지 않은 경로에서의 광 순환을 방지하기 위해 이용될 수 있는 어레이를 통한 투과를 제한하도록 이용 및 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 21은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 레이저 소스에서 이용된 섬유 브래그 격자 어레이의 일 예시적인 격자 설계 장치의 일 예시적인 예시를 도시한다. 도 21에 도시된 바와 같이, 개별적인 FBG(2106a 내지 2106j)는 각각의 격자 반사 프로파일이 2개의 레이저 파장(λ1 내지 λ10)을 점유할 수 있도록, 그들의 반사 파장(2100)의 함수로서 위치 축(2102)을 따라 위치될 수 있다. 예를 들면, 격자(2106b)는 λ2 및 λ1에서의 광을 반사한다. 그러나, 좌측으로부터의 λ1에서의 광은 이전 격자(2106a)에 의해 크게 반사된다. 따라서, 격자(2106b)는 λ2에서 광에 대한 1차 반사 포인트를 제공할 수 있고 격자(2106a)를 통해 투과되는 λ1에서의 광의 투과를 감소시키는 역할을 한다. 우측으로부터, 2106b는 λ1에서 광의 1차 반사를 제공할 수 있고, 2106a는 λ1에서의 광의 투과를 감소시킨다. 좌측 및 우측으로부터의 광이 주로 상이한 격자로부터 반사되기 때문에, 격자 위치는 각각의 파장에 의해 경험된 전체 공동 그룹 지연이 대략 동일하도록 일관된 간격(Δx(2104))만큼 이격될 수 있다.
일 대안적인 예시적인 실시예에서, 분산을 생성하기 위해 이용된 FBG 어레이는 도 21의 패널(2190)에 도시된 바와 같이 각각의 파장(2101) 및 위치(2103)에서 2개 이상의 격자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제 1 격자(2166a)는 좌측으로부터 λ1에서의 광을 반사하고, 제 2 격자(2166b)는 2166a를 통해 투과된 적은 광을 반사시킴으로써 투과를 억제했다. 격자 쌍(2166a, 2166b 및 2166c, 2166d, 등)의 간격은 예를 들면, 격자(2166a, 2166c)의 간격의 절반, 예로서 Δx(2105)와 비교하여 Δx/2(2170)일 수 있다. 예를 들면, Δx는 5 cm일 수 있다. 이들 예에서, 각각의 격자가 90% 반사율을 갖는다면, 광의 대략 10%가 투과된다. 따라서, 제 2 격자(2166b)는 또한, 약 10%만큼 투과를 감소시켜, 대략 1% 투과를 산출한다.
도 22는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 능동형 편광 제어를 활용하는 일 예시적인 레이저 소스의 도면을 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 예시적인 구성은 FBG 구성의 각각의 파장에서 편광 회전의 효과를 최소화하도록 제공된다. 도 22에 도시된 바와 같이, 레이저 공동은 세기 변조기(2230), 서큘레이터(2231, 2232), FBG 분산형 소자(2233), 파장 선택형 필터(선택적)(2235, 2236), 능동형 편광 변조기(2210a, 2210b)를 또한 포함하는 광 증폭기(2234)를 포함한다. 이들 변조기(2210a, 2210b)는 각각 제어 신호(2203, 2202)를 이용하여 각각의 파장 펄스의 편광 상태를 미리 결정된 상태로 정렬하기 위해 이용될 수 있다. 결합기(2237)로부터의 레이저 출력은 레이저 출력 파워를 검출기(2205) 및 또 다른 광 출력부(2206)으로 지향시키는 탭 결합기(2204)를 포함할 수 있는 컴퓨팅/제어기 장치(2200)로 지향될 수 있고, 예를 들면 출력 파워를 최대화함으로써 각각의 펄스에 대해 편광 구동 신호를 조정할 수 있다. 이 예시적인 최적화는 펄스 단위로 수행될 수 있어서, 편광 변조기(2210a, 2210b)에 전달될 수 있는 일 예시적인 정정 파형을 제공한다. 예를 들면, 이러한 예시적인 컴퓨팅 장치(2200)는 세기 변조기(2230)에 대한 구동 신호(2201)를 생성하기 위해 이용된 동일한 장치일 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 특정 경로에서의 광 순환을 제한하기 위해 주파수 또는 위상 시프터를 포함하는 여전히 또 다른 예시적인 레이저 소스의 도면을 도시한다. 도 23에 도시된 바와 같이, 세기 변조기(2300)(컴퓨팅 장치 또는 펄스 생성기로부터의 신호(2301)에 의해 구동됨), 서큘레이터(2302a, 2302b), 파장 선택형 필터(2304a, 2304b), 광 증폭기(2305) , 출력 결합기(2307), 및 예로서, FBG 어레이 또는 연속적으로 처프된 FBG와 같은, 양방향 분산 소자(2303)를 포함하고, 또한 양방향 분산 소자(2303)를 통해 2302b로부터 서큘레이터(2302a)로 광 증폭기(2305)로 그리고 서큘레이터(2302b)로 되돌아가는(변조기(2300)를 경유하여) 경로의 광 또는 방사선 전파를 억제하기 위해 이용될 수 있는 광 주파수 시프터(2306, 2307)를 포함할 수 있는 레이저 공동이 제공된다. 제 1 주파수 시프터(2306)는 주파수 시프트(+F)를 유도할 수 있고, 제 2 주파수 시프터는 -F의 주파수 시프트를 유도할 수 있다.
따라서, 제 1 및 제 2 주파수 시프터(2306, 2307)를 통과하는 광/방사선은 아마도 어떠한 순 주파수 시프트도 갖지 않을 것 같다. 그러나, 세기 변조기를 보지 않고 순환하는 광/방사선은 왕복 당 +F만큼 연속적으로 업시프트된다. +F는 예를 들면, 1 GHz일 수 있고 파장 선택형 필터(2304a, b)의 라인 폭은 예를 들면, 1 GHz일 수 있다. 이것은 광/방사선이 파장 선택형 필터의 통과 대역에서 벗어나게 하고(walk-off) 이 경로에서 광 순환을 억제하게 할 수 있다. FBG 어레이의 예시적인 경우에, 양방향 분산 소자(2303)의 라인 폭은 주파수 시프터(2306)에 의해 +F로 한번 업시프트되는 광을 반사시키기에 충분히 넓은 대역이 되도록 구성될 수 있다. 주파수 시프터(2306, 2307)는 예를 들면, 음향 광 주파수 시프터 또는 전기 광 변조기를 이용하여 구성될 수 있으며, 부가적으로 위상 변조기이거나 이를 포함할 수 있다. 위상 변조기를 이용하도록 구성된 또 다른 예시적인 실시예에서, 제 2 위상 변조기(2307)는 제 1 위상 변조기(2306)에 의해 유도된 것과 반대인 위상 변조를 유도할 수 있다. 이 예시적인 방식에서, 제 1 위상 변조기는 스펙트럼적으로 광을 확장할 수 있고, 제 2 위상 변조기는 이 확장을 보상하고 광이 파장 선택형 필터 통과 대역을 통과하는 것을 허용한다. 레이저 출력(2308)은 출력 결합기(2309)에 의해 제공된다.
도 34에 도시된 유사한 예시적인 실시예에서, 주파수 시프터는 또 다른 서큘레이터(3402b)의 경로에 배치되지 않은 서큘레이터(3402a)의 경로에 배치될 수 있다. 주파수 시프터(3409)는 각각이 그것을 통과하는 동안 +F의 시프트를 유도할 수 있다. 광이 바람직한 공동에서(세기 변조기(3400)를 통해) 통과할 때, 주파수 시프터(3409)를 통한 이중 경로는 +2F의 시프트를 야기할 수 있고, 이는 파장 선택형 필터들(3404a, b)의 통과 대역과 정렬될 것이다. 양방향성 분산 소자는 파장 선택형 필터(3404a, 3404b) 플러스 +F의 통과대역에 정렬된 반사를 가질 것이다. 제 2 주파수 시프터(3410)는 -2F의 시프트를 유도할 수 있고, 따라서 세기 변조기(3400)를 향해 지향된 광/방사선은 제로 순 주파수 시프트를 가질 수 있다. 그러나, 서큘레이터(3402b)로부터 양방향 분산 소자(3403)를 통해 서큘레이터(3402a)로, 광 증폭기(3405)로 그리고 서큘레이터(3402b)로 되돌아가는 경로는 이 경로의 매 왕복을 통해 +F 시프트를 가질 수 있으며, 파장 선택형 필터(3404a, 2404b) 통과 대역으로부터의 벗어남을 유도할 수 있다. 도 34에 도시된 바와 같이, 이 예시적인 시스템은 광 증폭기(3405), 광 출력(3408)을 제공하는 출력 결합기(3407), 및 구동 신호(3401)에 의해 구동될 수 있는 변조기(3400)를 포함할 수 있다.
도 35는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 편광판을 포함하고 특정 서브 공동에서 광 순환을 억제하는 편광 제어기에 의해 구성된 일 예시적인 OS-OCT 레이저의 도면을 도시한다. 예를 들면, 이러한 예시적인 시스템은 의도되지 않은 경로에서의 광 순환을 제한하도록 구성될 수 있으며, 구성요소(3509)는 3502b의 경로에 배치되지 않은 서큘레이터(3502a)의 경로에 배치된다(도 35). 세기 변조기(3500)를 통해 이동하는 바람직한 공동은 광/방사선이 의도되지 않은 경로(세기 변조기(3500)를 경유하여)를 통해 그리고 단일 경로를 통해 이동하는 동안 이 구성요소를 통해 이중 경로로 이동할 것이다. 예를 들면, 도 35에 도시된 일 예시적인 레이저 공동은 세기 변조기(3500)(컴퓨팅 장치 또는 펄스 생성기로부터의 신호(3501)에 의해 구동됨), 서큘레이터(3502a, 3502b), 파장 선택형 필터(3504a, 3504b), 광 증폭기(3505), 출력 결합기(3507), 및 서큘레이터(3502a)의 이중 통과 경로에 배치되는 비 격리 이득 매체(non-isolated gain medium)(3509)를 또한 포함할 수 있는 FBG 어레이 또는 연속적으로 처프된 FBG와 같은, 양방향 분산 소자(3503)를 포함한다. 공동 경로(3500)에서 세기 변조기(3500)를 통해 이동하는 공동의 이득은 예로서, 2회 대신에 한번 이득 매체(3509)를 통해 이동하는, 서큘레이터(3502b)로부터 양방향 분산 소자(3503)를 통해 서큘레이터(3502a)로, 광 증폭기(3505)로 그리고 서큘레이터(3502b)로 되돌아가는 경로의 이득을 초과할 수 있다. 편광 제어기(3510a 내지 3510d)는 공동 내의 구성요소를 통한 투과 또는 이득을 최대화/최소화하기 위해 공동 내의 다양한 위치에 배치될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 예시적인 시스템은 의도되지 않은 경로에서 광/방사선 순환을 제한하도록 제공될 수 있고, 따라서 구성요소(3509)는 편광판일 수 있다. 이 경로를 이동하는 광/방사선은 편광 제어기(3510b)에 의해 X 편광 상태로 설정될 수 있고 편광판(3509)은 이 편광 상태를 통과하도록 설정될 수 있다. 양방향 분산 소자(3503)로부터 반사하는 광/방사선은 편광 제어기를 이용하여 X 편광 상태에서 리턴하고, 편광판(3509)을 통과하도록 구성될 수 있다. 특히, 양방향 분산 소자(3503)를 통해 투과하고 있는 광/방사선은 (편광 제어기(3510d)에 의해 설정된 바와 같이) 직교 Y 편광 상태를 갖도록 편광 제어기를 이용하여 구성될 수 있고 편광판(3509)에 의해 감쇄될 수 있다. 이 편광판(3509)은 구성요소(3502a, 3505, 3502b, 및 3503)를 연결하는 경로의 어딘가에 배치될 수 있다. 예를 들면, 광 증폭기(3505)는 그것의 편광 의존 이득으로 인해 편광판의 역할을 할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 광 인터리버/디인터리버를 이용하여 부가적인 분산이 생성된다. 특히, 도 24는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 (예시적인 파워 그래프를 갖는) 파장 채널에 걸쳐 상이한 그룹 지연을 생성하기 위해 광 인터리브 및 디인터리버를 포함하는 일 예시적인 레이저 소스의 다이어그램을 도시한다. 특히, 도 24에 도시된 바와 같이, 구동 신호(2401)에 의해 구동된 세기 변조기(2400), 서큘레이터(2402a, 2402b), 분산 소자(2404), 파장 선택형 필터(2417a, 2417b), 광 증폭기(2408), 및 출력 섬유(2409)를 포함하는 일 예시적인 레이저 공동이 제공될 수 있다. 레이저는 부가적으로, 서큘레이터(2403a, 2403b) 및 광 인터리브(2405a, 2405b)를 포함한다. 인터리브(2403a, 2405b)는 i에 대한 짝수 및 홀수 채널 입력을 포트(a(홀수) 및 b(짝수)) 상에 분리할 수 있다. 예를 들면, 필터(2417a, 2417b)가 파장의 세트(λ1, λ2, λ3,.....)를 생성하면, 홀수 파장 세트(λ1, λ3, λ5,...)는 포트(a) 상에 투과될 수 있고, 짝수 파장 세트(λ2, λ4, λ5,...)는 포트(b) 상에 투과될 수 있다. 이 예시적인 방식으로, 포트(2407a)에 대한 섬유 거울 경로(2406a)의 길이 차를 조정함으로써, 짝수 파장의 펄스는 홀수 파장의 펄스와 시간적으로 분리될 수 있다. 짝수 및 홀수 파장의 이 시간적 변위는 출력 포트(2406b, 2407b)의 길이 차를 반전시킴으로써 인터리버(2405b)에 의해 보상될 수 있다.
이 예시적인 실시예에서, 소자(2404)에 의해 이용된 분산은 그 자체로 짝수 또는 홀수 파장을 분리하기에 충분한 것으로 감소될 수 있고, 인터리브(2405a, 2405b)는 짝수/홀수 파장 세트를 변위시키기 위해 이용될 수 있다. 중간층(2405a, b)에서의 입력 파워는 예를 들면, 2410에 도시될 수 있고, 포트(a) 상의 출력 파워는 2411에 도시되며, 포트(b) 상의 출력 파워는 2412에 도시된다. 광학 인터리빙된 채널 간격은 파장 선택형 필터(2417a, 1417b)에 의해 설정되는 레이저의 공간과 매치시키도록 설계될 수 있다. 이러한 예시적인 구성에 따라, 레이저 출력은 단조롭게 파장에서 진행하지 않고 그 대신 홀수 파장을 통해 먼저 진행한 다음 10-파장 레이저에 대해 예를 들면, 의 순서로 짝수 파장을 통해 진행한다. 이러한 예시적인 디지타이저 및 컴퓨터 장치(2501)를 이용하는 일 예시적인 OS-OCT 이미징 시스템은 도 25에 도시된 바와 같이 이들 신호를 일시적으로 획득하고(2502) 예를 들면, 푸리에 변환(2404)에 의한 프로세싱에 앞서 메모리(2503)에서 측정을 재구성할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 소스 분산 속성은 예를 들면, 공동내 분산 소자에서의 분산 프로파일을 제어함으로써 시간에서 실질적으로 균일하게 이격되는 출력 펄스 트레인을 생성하도록 구성될 수 있다.
도 26은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 주파수 시프팅(및 파장의 예시적인 예시)을 이용하여 주파수의 입력 세트로부터 부가적인 광 주파수를 생성하는 일 예시적인 시스템의 다이어그램을 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 제 1 파장 세트(2610)(예를 들면, )에서 레이저(2600)의 출력 펄스 트레인은 광 경로(2603a 및 2603b)로 분할될 수 있고, 하나의 경로는 광 주파수 시프터(2602)를 통과할 수 있다. 이들 경로로부터의 광/방사선은 또한 예를 들면, 섬유 길이를 이용함으로써 지연될 수 있고, 2개의 경로는 펄스가 중첩하지 않도록 재조합된다. 조합된 광/방사선(2604)은 예를 들면, 세트()를 포함하는 새로운 파장 세트(2611)를 포함할 수 있다. 이 예시적인 구성은 소스에 의해 제공된 파장의 수를 확장하기 위해 이용될 수 있다. 광 주파수 시프터는 예를 들면, 변조기에서의 펄스 도달에 정렬되는 주기적인 선형 위상 램프로 구동될 수 있는 음향 광 주파수 시프터 및/또는 위상 변조기일 수 있다. 구동 신호(2620)는 주파수 시프터(2602)를 제어할 수 있고 예를 들면, 예시적인 레이저 및 이미징 시스템을 부가적으로 제어할 수 있는 컴퓨터 장치에 연결될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 예시적인 레이저 소스는 2개의 편광 상태(SOPs) 사이에서 변조하는 소스 편광을 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 파장 스텝된 레이저의 출력은 2개의 경로로 분할될 수 있고 편광은 하나의 경로에서 회전되고 2개의 빔은 재조합되어 이중 편광 상태 소스를 생성한다.
도 27은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 편광 변조된 소스 출력을 도시하는 그래프의 세트를 도시한다. 도 27에 도시된 바와 같이, 하나의 경로에서의 광/방사선은 중첩을 회피하기 위해 제 2 경로에서의 광/방사선에 비해 지연될 수 있고, 그러한 지연은 예를 들면, 모든 펄스(2700)를 갖는 SOPs를 사이클링하는 출력을 산출하기 위한 입력 펄스 사이의 간격의 절반일 수 있다. 또 다른 예시적인 구성에서, SOP 변조는 인접한 A-라인(2702)에서 수행될 수 있다. 여전히 또 다른 예시적인 구성에서, SOP 변조는 임의의 수의 인접한 A-라인 사이에서 수행될 수 있고; 예를 들면, 단일 B-스캔 프레임 또는 전체 C-스캔에서의 복수의 A-라인 사이에서 수행될 수 있다. 여전히 또 다른 예시적인 구성에서, 레이저 출력 편광은 예를 들면, 전기 광 변조기, 도파관 변조기 및/또는 음향 광 주파수 시프터 장치를 이용하여 능동적으로 변조될 수 있다.
도 28은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 한 세트의 연속적으로 처프된 섬유 브래그 격자를 조합함으로써 제공된 분산형 소자의 일 예시적인 예시를 도시한다. 도 28에 도시된 바와 같이, 일 예시적인 레이저 소스는 일련의 처프된 FBGs(2880)를 연결함으로써 구성된 분산형 소자를 이용할 수 있다. 예를 들면, 제 1 처프된 FBG(2800a)는 제 2 처프된 FBG(2800b)에 대해 접합된 장치(2801a)로 접합될 수 있고, 처프된 FBGs 사이에 격자가 없는 섬유를 포함할 수 있다. 제 3 처프된 FBG(2800c)는 제 2 격자(2800b)에 대해 접합된 장치(2802b)로 접합될 수 있다. 격자(2800a 내지 2800c)의 각각은 제한된 대역폭을 반영하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제 1 격자(2800a)는 반사율 프로파일(2805a)을 가질 수 있고, 제 2 격자(2800b)는 반사율 프로파일(2805b)을 가질 수 있으며, 제 3 격자(2800c)는 반사율 프로파일(2805c)을 가질 수 있다. 격자(2800a 내지 2800c)의 예시적인 반사율 프로파일은 중첩할 수 있다. 격자(2800a 내지 2800c)에 의해 프로파일된 그룹 지연은 각각 지연 프로파일(2806a 내지 2806c)에 의해 주어질 수 있다.
도 32는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 특정 경로(및 그의 출력을 제공하는 예시적인 그래프)에서의 광 순환을 억제하도록 구성되는 공동에서의 변조를 제공하는 일 예시적인 레이저 소스의 다이어그램을 도시하고, 여기서 예시적인 레이저는 변조기의 이용에 의해 원치 않는 경로에서의 광의 순환을 회피하도록 구성될 수 있다. 특히, 예시적인 레이저는 변조기(3230), 서큘레이터(3231, 3232), 반사형 분산형 장치(3233), 부가적인 변조가능한 손실 또는 이득 소자(3251), 파장 선택형 필터(3235, 3236)의 광 세트, 광 증폭기(3234), 및 광 출력(3238)을 생성하는 출력 결합기(3237)를 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 예시적인 레이저는 의 순서로 구성요소를 통과하는 광에 의해 정의된 공동 경로(A)에서 우선적으로 발산하도록 구성될 수 있고, 또한 의 순서로 구성요소를 통과하는 광에 의해 정의된 공동 경로(B)에서 발산하지 않도록 구성된다.
도 32에 도시된 예시적인 시스템은 예를 들면, 변조기(3250)를 이용하여 이 경로에서의 손실을 예를 들면 변조하거나, 구동 신호(3240)를 이용하여 광 증폭기(3234)의 이득을 변조함으로써 공동 경로(B)에서 더 낮은 이득을 제공하도록 구성될 수 있다. 이 손실/이득의 변조는 타이밍 주파수(T1+T2)를 갖는 그래프(3260)에서 주기적일 수 있다. 경로(B)를 통한 광의 순환은 (N+0.5)*(T1+T2)인 것이 되도록 구성될 수 있고, 여기서 N은 정수이다. 그래프(3260)에 나타낸 바와 같이, 경로(B)에서 순환하는 광/방사선은 낮은 손실(또는 높은 이득)(3262a, 3262b)을 갖는 시간에 이어서 높은 손실(또는 낮은 이득)(3261a, 3261b)을 갖는 시간을 연속적으로 겪을 수 있다. 이것은 다수의 순환에 걸쳐 경로의 전체 손실을 증가시키고 광의 축적을 감소시킬 수 있다. 경로(A)의 순환 시간은 예를 들면, 변조기(3230)에 섬유를 부가함으로써 경로(B)의 순환 시간과 별개로 설정될 수 있다. 이 예시적인 타이밍은 N*(T1+T2)인 것이 되도록 구성될 수 있고 여기서, N은 정수이다. 예를 들면, 경로(B)에서 순환하는 광/방사선은 레이징을 생성하는 저 손실(또는 고 이득)의 일관된 상태를 제공할 수 있거나, 억압 레이징으로 높은 손실(또는 낮은 이득)의 상태를 경험할 수 있다. 변조기에 대한 구동 신호(3241)는 50% 또는 50% 미만의 레이저 듀티 사이클을 제공하고 저 손실(또는 고 이득) 사이클의 타이밍에 정렬되도록 구성될 수 있다. 이 예시적인 방식으로, 예시적인 레이저는 그래프(3270)에 도시된 바와 같이 제한된 광/방사선 출력(3272a, 3272b)의 기간에 의해 분리된 레이징 출력의 기간(3271a, 3271b)을 갖고 광/방사선(3238)을 출력하도록 구성될 수 있다.
이 예시적인 구성에서, 경로(B)로부터의 광/방사선이 억제될 수 있다. 시간(T2)은 예를 들면, T1과 같을 수 있거나, T1보다 작을 수 있다. 3260에서의 변조 패턴이 예를 들면, 정현파 변조와 같은 평활 변조일 수 있음이 이해될 수 있다. 분산형 소자(3233)는 공동 경로(A)가 시간 윈도우(3262a, 3262b)의 에지에서와 같이 가장 낮은 전체 이득을 갖는 시간 동안 이득 피크에서 파장을 생성하도록 구성될 수 있고, 시간 윈도우(3262a, 3262b)의 중앙 영역에서와 같이, 이득이 가장 높은 시간 동안 이득 피크의 에지에서 파장을 생성한다. 손실 및 이득의 변조는 예를 들면, 반도체 광 증폭기(3234)에서 이용된 전류(3240)를 변조함으로써, 및/또는 신호(3251)에 의해 제어된 부가적인 변조기 또는 이득 소자(3250)의 삽입에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 제어 신호(3240 및 3251)는 예를 들면, 구동 신호(3241)와 동기화될 수 있다. 출력 광(3238)의 듀티 사이클은 광을 2개의 경로로 분할하고 대략적으로 하나의 A-라인의 길이만큼 다른 경로에 대해 하나의 경로를 지연시키며 재조합함으로써 증가될 수 있다. 이 제 2 경로에서, 광/방사선은 도 27에 도시된 바와 같이 예를 들면, 편광이 회전되어 상이한 편광을 갖는 인접한 A-라인을 생성할 수 있다.
도 36은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 펄싱된 광대역 레이저 소스를 분산시킴으로써 제공된 일 예시적인 OS-OCT 소스의 다이어그램을 도시한다. 레이저 공동에 더하여, 예시적인 소스는 비 공동 구성을 가질 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 광대역 광원(3600)으로부터의 광/방사선은 세기 변조기(3601)(예로서, 컴퓨팅 장치 또는 펄스 생성기로부터의 신호(3605)에 의해 구동됨)에 의해 시간 펄싱될 수 있다. 광/방사선은 FBG 어레이 또는 연속적으로 처프된 FBG와 같은, 분산 소자(3603)를 향해 이러한 광/방사선을 지향시키는 서큘레이터(3602)에 입사할 수 있다. 분산된 광/방사선은 분산 소자(3603)로부터 리턴하고, 파장 선택형 필터(3604)를 통해 이동한다(예로서, 0으로부터 다수까지의 이 경로 범위에서의 필터의 수). 광/방사선은 광 증폭기(3606a, 3606b)에 의해 여러 단계에서 증폭될 수 있다. 예시적인 레이저의 출력은 파장 선택형 콤 필터(3604)가 이용되면, 또는 FBG 어레이가 분산 소자(3603)로서 이용되면 파장 스텝될 수 있다. 연속적으로 처프된 FBG(3603)가 파장 선택형 필터(3604) 없이 이용되면, 레이저의 출력은 파장 스위핑될 수 있다. 이들 예시적인 구성요소는 동일한 출력을 성취하기 위해 상이한 순서로 배열될 수 있다.
부가적인 간섭계 실시예
도 29는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 위상 변조를 이용하여 직교 복조를 수행하는 일 예시적인 이미징 간섭계의 도면을 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 예시적인 OS-OCT 시스템은 기준 암 또는 샘플 암에서 광을 위상 변조함으로써 무늬의 복소 복조를 수행하도록 구성될 수 있다. 도 29에 도시된 바와 같이, 레이저 소스(2900)는 광 결합기(2902)에 의해 생성된 샘플 암(2903) 및 기준 암(2904)을 포함하는 간섭계(2901)에 광/방사선을 투과시킬 수 있다. 기준 암(2904)에서의 광/방사선은 컴퓨터 장치에 의해 레이저(2900)와 동기적으로 생성된 신호(2951)에 의해 구동될 수 있는 위상 변조기(2950)를 통과할 수 있다. 이 위상 변조기(2950)는 전기 광 변조기, 음향 광 주파수 시프터, 및/또는 빔의 위상을 변조하기 위한 다른 장치를 이용하여 구성될 수 있다. 기준 및 샘플 암(2903, 2904)으로부터의 광/방사선은 간섭 결합기(2930)에서 조합될 수 있고, 출력 신호는 디지타이저 및 컴퓨터 장치(2931 및 2932)에 의해 검출될 수 있다. 기준 암 위상 시프트는 간섭 무늬의 동위상(I) 및 직교(Q) 구성요소의 검출을 용이하게 하고, 복소 공액 애매성 제거를 허용하도록 구성될 수 있다. 기준은 광섬유 경로(2918)를 통해 기준 거울(2906)로부터의 광을 지향시키고 수용하는 서큘레이터(2905)를 포함할 수 있다. 샘플 암(2903)은 광 편광을 제어하는 전기광 변조기(2910) 및 편광판(2909)를 포함할 수 있다. 서큘레이터(2911)는 광/방사선을 광 결합기(2912)를 통해 샘플 교정 거울(2913) 및 샘플(2914)로 지향시키고, 광섬유(2917)를 따라 이들 경로로부터의 반사된 광/방사선을 수용할 수 있다. 편광 제어기(2907, 2915, 2908)는 광/방사선의 편광 상태를 제어하도록 제공될 수 있다.
변조기(2950)에 의해 수행될 수 있는 위상 시프팅은 도 30의 그래프(3000)에 도시된 바와 같이 예를 들면, 파수(k1)에서 제 1 펄스에 위상(1)을 인가하고, 파수(k1)에서 제 2 펄스에 대해 제 2 위상(2)을 인가하며, 후속 펄스에 대해 이것을 반복하는 예시적인 소스로부터 인접한 광 펄스를 위상 시프트하도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 위상 상태는 A-라인 사이에서 변조될 수 있다(3010). 대안적으로, 위상 변조기는 펄스 내에서 동작하여 펄스의 전방에서 하나의 위상 시프트 및 이후 절반에서 제 2 위상 시프트를 생성할 수 있다(3020). 명목상으로 0도 및 90도의 위상 상태를 제공하는 2-상태 위상 시프팅 디바이스가 설명될지라도, 다수의 위상 상태는 예를 들면, 3-상태 구성이 이용되어 0deg, +60deg, +120deg의 위상을 제공하도록 위상 변조기에 의해 생성될 수 있다. 대안적으로 또는 게다가, 복소 공액 제거를 위한 직교 또는 위상 시프트된 신호는 음향 광 주파수 시프터 또는 N×N 간섭 결합기(여기서 예로서, N은 2와 같지 않음)에 기초하여 확립된 기술을 이용하여 생성될 수 있다.
도 33은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 검출 이전에 각각의 파장 신호를 공간적으로 분리하기 위해 다수의 파장을 포함하는 콤 소스 및 파장 디멀티플렉서를 이용하는 일 예시적인 OS-OCT 시스템의 다이어그램을 도시한다. 도 33에 도시된 바와 같이, 파장(λ1 내지 λn)의 세트에서 연속적인 또는 거의 연속적인 광/방사선 출력을 제공할 수 있는 콤 소스(3300)가 이용될 수 있다. 이러한 예시적인 소스(3300)는 광/방사선을 기준 암(3370a) 및 샘플 암(3370b)으로 분리하는 분할 결합기(3301)를 포함하는 간섭계에 입력될 수 있다. 기준 암(3370b)은 광을 거울(3306)에 결합될 수 있는 섬유(3307)로 지향시키기 위해 결합기(3303)를 이용할 수 있다. 반사된 광/방사선은 결합기(3303)로 리턴하고, 위상 변조기 또는 음향 광 주파수 시프터(3304)로 투과될 수 있다. 샘플 암 광/방사선은 샘플에 광/방사선을 전달하는 섬유(3308)에 광/방사선을 또한 지향시키는 결합기(3302)로 지향될 수 있고, 반사된 광/방사선은 간섭 결합기(3305)로 리턴될 수 있다. 간섭 무늬는 출력 포트(3309a 및 3309b) 상에 나타난다. 파장(λ1)에서의 간섭 무늬는 예를 들면, 격자 또는 어레이된 도파관 격자(AWG)일 수 있거나 그것을 포함할 수 있는 디멀티플렉서(3310a 및 3310b)를 이용하여 격리될 수 있다. λ1에서의 광 신호는 출력(3311a)으로 지향될 수 있다. 디멀티플렉서(3310b)에 대한 유사한 출력은 출력(3311b)으로 지향될 수 있고 신호(3311a, 3311b)는 안정된 광검출기(balanced photoreceiver)에 입력되어 세기 잡음 감산을 수행할 수 있다.
검출된 신호(3311d)는 그 다음, 컴퓨터 장치(3340)로서 상세히 도시된 컴퓨팅 장치(3310e)로 송신되거나 그렇지 않으면 제공될 수 있다. 예를 들면, 신호(3341)는 컴퓨터 장치(3340)에서 제공된 아날로그 디지털 변환기(3342)에 의해 디지털화될 수 있고 예를 들면, 복조기(3344)를 이용하여 I(3345) 및 Q(3346) 구성요소로 분리될 수 있다. 이러한 예시적인 복조기(3344)는 디바이스(3304)가 예로서, 음향 광 주파수 시프터와 같은, 주파수 시프터일 때 알려진 기술을 이용하여 주파수 혼합에 기초한 I/Q 복조기일 수 있거나 그것을 포함할 수 있다. 신호(3345, 3346)는 λ1에서 복소 간섭 신호를 정의할 수 있고, 알려진 푸리에 도메인 OCT 프로세싱을 이용하여 심도 분해 산란 신호(3348)를 산출하거나 그렇지 않으면 결정하기 위해 (다른 파장으로부터의 정보와 함께) 이용될 수 있는 푸리에 변환 엔진(3347)으로의 입력의 하나의 부분일 수 있다. 부가적인 파장 신호는 λ1에 대해 본 명세서에서 설명되는 시스템 및 방법의 유사한 예시적인 실시예를 이용하여 디멀티플렉서(3310a, 3310b)의 부가적인 출력 포트를 이용하여 유사한 방식으로 분석될 수 있다.
광 수신기, 디지타이저, 및 컴퓨터 실시예
도 31은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 8 비트 디지타이저 및 더 큰 큰 심도를 갖는 레지스터에 대한 무늬 평균화를 이용하는 신호의 일 예시적인 획득 및 일 예시적인 시스템의 다이어그램을 도시한다. 예를 들면, OS-OCT 시스템은 무늬의 온보드 평균화를 수행하도록 구성될 수 있는 간섭계 무늬 신호를 획득하기 위한 디지타이저(3100)를 포함할 수 있다. 도 31에 도시된 바와 같이, 디지타이저(3100)는 8 비트 아날로그 디지털 변환기(3102)를 이용하여 아날로그 신호(3101)를 디지털화할 수 있다. 샘플(1)로부터의 8 비트 디지털 워드는 그 다음, 먼저 워드를 16 비트(3103)로 변환하고 그 다음, 레지스터(3104)에서 기존의 값을 갖는 이 워드(3105)를 부가할 수 있는 평균화 엔진(3107)으로 이동될 수 있다. 이러한 예시적인 절차는 별도의 평균화 엔진(3108)에서 샘플(2)에 대해 반복될 수 있다.
A-라인/무늬에서의 N개의 포인트에 대한 하나의 예시적인 구성에서, N개의 평균화 엔진이 존재할 수 있다. N+1 샘플은 그 다음, 제 1 평균화 엔진(3107)으로 리턴될 수 있다. 이러한 예시적인 절차는 i회 반복 동안 반복될 수 있고, i회 반복 이후의 값은 평균화 엔진(3107)으로부터 16 비트 워드로서 출력될 수 있다(3107a). 16 비트 워드(3107a, 3108a, 3109a 등)의 세트는 평균화된 무늬를 정의할 수 있으며, 여기서 3108a는 평균화 엔진(3108)에 의해 생성될 수 있고 3109a는 평균화 엔진(3109)에 의해 생성된다. 여기서 우리는 디지타이저(3102)가 더 높은 비트 심도로 동작될 수 있음에 주의한다. 이 디지타이저 장치(3100)는 더 낮은 비트 심도의 디지타이저가 무늬 평균화를 통해 동적 범위 및 신호 충실도를 개선하면서 이용되도록 허용한다. 이 예시적인 디지타이저 시스템은 컴퓨터 또는 필드 프로그래밍가능한 게이트 어레이 상에서 부분적으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 디지타이저 클록 입력(3180)은 디지타이저 클록, 레이저 A-라인, 및 결과적인 무늬가 계속 고도로 동기화되도록 레이저에 동기화될 수 있다. 이 온보드 프로세서는 또한, FFT와 같은 코어 신호 프로세싱을 수행할 수 있다. 이것은 광학적으로 서브샘플링된 시스템이 실시간 프로세싱 및 이미지 디스플레이를 수행하는 것을 용이하게 할 수 있다. 부가적으로, 디지타이저는 획득된 데이터를 컴퓨팅 장치에 연속적으로 스트리밍하여 연속적인 이미징 또는 실시간 연속적인 이미징을 허용하도록 구성될 수 있다. 신호는 10 비트와 같은 8 비트 이외의 비트 심도에서 디지털화될 수 있으며 12 또는 14 비트와 같은 16 비트와는 또 다른 비트 심도로 변환될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 디지타이저는 샘플을 활용하고, 펄스 지속기간에 걸쳐 신호를 누적하는 기능을 보유하거나 통합하며 일 대안으로서, 누적된 측정치를 저역 통과 필터로 이용된 종래의 디지타이저로 리턴시킬 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 서브샘플링된 기저대역 이미지의 나이퀴스트 에지 근처의 주파수로서 발생하는 신호 롤 오프(signal roll-off)는 심도의 함수로서 신호를 증폭함으로써, 그리고 OS-OCT 시스템의 롤 오프에 매치시키기 위해 이러한 증폭을 선택함으로써 오프셋될 수 있다.
이미징 탐침의 대안적인 실시예
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 광학적으로 서브샘플링된 이미징 시스템은 내부 사이트를 이미징하기 위해 이용될 수 있는 작은 스캐닝된 빔 탐침으로 동작될 수 있다. 이 예시적인 스캐닝 탐침은 섬유 스캐닝 아키텍처, 소형 MEM 기반의 거울, 회전 프리즘 또는 회전 탐침 설계에 기초할 수 있다. 게다가, 이 탐침은 순방향 및 측 이미징을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 현미경은 초점 평면을 샘플 위치로 동적으로 조정하기 위해 필요한 광 소자를 포함하도록 구성될 수 있다. 이것은 예로서, 기계적으로 렌즈 위치를 이동시키고/시키거나 전압 제어 액체 렌즈 기술과 같은 가변 광 렌즈를 이용함으로써 수행될 수 있다. 게다가 또는 대안적으로, 이러한 예시적인 탐침 또는 현미경 시스템은 초점의 확장된 심도를 특징으로 하는 비 가우시안 이미징 빔 프로파일을 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 빔 프로파일은 예를 들면, 도넛 개구(donut aperture)를 이용함으로써 또는 액시콘 렌즈(axicon lens)에 의해 생성될 수 있는 예로서, 베셀 빔일 수 있다.
또 다른 광원의 설계 및 설명의 예시적인 실시예
도 37은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 일 예시적인 OS-OCT 소스(3700)의 일 예시적인 구성, 동작/기능, 및 타이밍의 예시적인 예시의 세트를 도시한다. 예를 들면, 패턴 생성기(3712)로부터의 대략 525 ps 전기 펄스(3701)는 전기 광 니오브산 리튬 세기 변조기(3713)를 구동할 수 있고, 공동 왕복 시간의 공진 시에 반복된다. 이득 매체는 102 nm의 3-dB 대역폭을 갖는 반도체 광 증폭기(SOA)(3721)일 수 있거나 그것을 포함할 수 있다. 연속적으로 처프된 섬유 브래그 격자(3714)는 포지티브 및 네거티브 분산 둘 모두에 대한 액세스를 용이하게 하기 위해 2개의 서큘레이터(3715a, 371b) 사이에 배치될 수 있다. 격자는 1522 nm부터 1605 nm까지의 연속적인 반사 대역폭을 갖는 예로서, 길이가 8.3 m일 수 있다. 격자는 예로서, +/-930 ps/nm의 1550 nm에서 분산을 산출하는 광 주파수에 대해 선형 그룹 지연을 생성하도록 설계될 수 있다. 동일한 격자가 포지티브 및 네거티브 분산 둘 모두를 위해 이용될 수 있다. 반사 모드에서 이용된 격자의 삽입 손실은 근거리 측 반사 파장에 대해 1.36 dB이었고 격자의 원단으로부터 반사하는 파장에 대해 1.71 dB이었다. 보다 높은 안정성과 더 낮은 레벨의 잡음을 갖기 위해, 단일 모드 섬유에 의해 유도된 레이저 공동에서의 색 분산은 λ=1550 nm에서 -38.5 ps/nm/km의 분산 파라미터를 갖는 9m 분산 보상 섬유(DCF)(3720)를 삽입함으로써 매치될 수 있다. 게다가, 레이저 공동에서 광의 20%는 80/20 출력 광 결합기(3718)를 통해 탭 아웃(tap out)되어 광 출력(3719)을 생성할 수 있다. 디지털 지연 생성기(3711)는 SOA 전류 드라이브(3710)를 변조하기 위해 이용될 수 있다. 지연 생성기는 패턴 생성기(3712)에 의해 구동될 수 있다.
섬유 브래그 격자가 부분적으로 투과성일 수 있기 때문에, 레이저에 3개의 별개의 공동이 존재할 수 있다. 이들 공동은 순환하는 광이 포인트((A)(3717a) 및 (B)(3717b))를 통과하는 순서에 의해 라벨링(labelling)될 수 있다. 원하는 레이징을 제공하는 가장 긴 공동은 두 포인트(공동(ABABA))을 통과할 수 있다. 2개의 짧은 공동은 또한, CFBG(공동(AAAAA), 공동(BBBBB))의 0이 아닌 투과에 의해 생성된다. CFBG 통과 대역 내에서, 광의 대략 30%가 반사될 수 있다. 게다가, 격자 반사 대역폭 외부의 파장은 거의 100%의 효율을 갖고 격자를 통해 투과된다. 공동(BBBBB)가 어떠한 광 이득도 갖지 않기 때문에, 레이징 공동이 아니지만 반사를 생성할 수 있을 가능성이 있다. 공동(AAAAA)은 SOA를 포함할 수 있으며, 공동(ABABA)에서 레이징에 영향을 줄 수 있는 레이저를 발산할 수 있다.
공동(AAAAA)에서의 레이징은 SOA를 변조하고 공동(ABABA, AAAAA, 및 BBBBB)의 각각의 왕복 시간을 제어함으로써 억제될 수 있다. 이 예시적인 구성에서, 공동(ABABA)의 왕복 시간은 공동(AAAAA) 및 공동(BBBBB)의 왕복 시간의 대략 2배일 수 있다(3702 참조). SOA(3731) 및 EOM(3730)의 예시적인 변조는 그래프(3703)에 도시된 바와 같이 이들 짧은 공동에서 억제된 광 순환일 수 있다. 공동(AAAAA)에서 순환하는 광/방사선은 EOM(3732)에 의해 차단될 수 있다. 공동(BBBBB)에서 순환하는 광/방사선은 SOA 변조(3733)에 의해 CFBG의 모든 파장에 의해 차단될 수 있다. 공동(ABABA)에서 순환하는 광/방사선은 전류가 높고 그 다음, EOM(3734)을 통과하기 위해 리턴하는 동안 EOM을 통해 SOA로 이동할 수 있다.
파장 스텝된 (주파수 콤) 출력을 생성하기 위해, 80 GHz FSR(~0.64 nm) 및 낮은 피네스(~5)를 갖는 고정된 융합 실리카 FP 에탈론(3716)이 제공될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 25 GHz와 400 GHz 사이의 FSR을 갖는 에탈론이 이용될 수 있다. 이 FP가 제거될 때, 연속적인 파장 스위핑된 동작이 성취될 수 있다. 시스템(3700)의 예시적인 실시예에서, SOA는 예로서, 61 ns의 전류 펄스로 구동될 수 있다. 긴 공동(ABABA)의 왕복은 예로서, SOA 전류 펄스보다 거의 4배 큰 244.75 ns(대략 50.1m)였다. 이것은 레이저 출력에서 대략 25%의 듀티 사이클을 생성할 수 있다. A-라인 레이트를 증가시키기 위해, 4x 복사 및 붙여넣기 버퍼링 지연 라인(3704)은 16.3 MHz A-라인 레이트를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 부스터 SOA(3742)는 복사 및 붙여넣기 지연 라인 다음에 이용되었다. 지연 라인은 50/50 결합기(3741a, 3741b, 3741c) 및 지연 섬유(3743a, 3743b)의 세트로 구성된다. 부스터 SOA(3742)에 편광 상태를 정렬시키기 위해 편광 제어기가 경로에 포함되었다.
이 예시적인 실시예에서, 3과 25 사이의 피네스 값을 갖는 FP 에탈론은 저 잡음 동작을 제공하기 위해 이용되었다. 이 레이저 실시예에서, 원하는 레이징 라인 폭보다 넓은 라인 폭을 갖는 FP 에탈론이 이용되었다. 레이징은 라인 폭 좁히기(line width narrowing)를 제공하고 더 넓은 FP 통과 대역은 더 낮은 잡음 성능을 산출할 수 있다. 예를 들면, FP는 견고한 에탈론일 수 있거나, 거울 사이에 공기 공간을 갖는 2개의 부분 거울로 구성될 수 있다. 공기 이격된 거울을 이용하는 것은 에탈론의 FSR이 동적으로 변경되는 것을 용이하게 할 수 있다.
레이저 설계에서의 출력 결합기(예를 들면, 도 37에 도시된 출력 결합기(3718))가 레이저 출력 광을 제공하기 위해 레이저 공동 내의 어딘가에 위치될 수 있음이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 광 주파수 콤 소스는 각각의 광 주파수에 대해 20 GHz보다 많이 이격된 이산 광 주파수 및 10 GHz 미만의 순간 라인 폭에서 광/방사선을 제공할 수 있다.
도 38은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 스펙트럼 출력의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프의 세트를 도시한다. 예를 들면, (도 37의) 4x 복사 및 붙여넣기 지연 라인(3704) 이후의 레이저의 출력 스펙트럼(3800, 3801)이 연속적(3800a, 3801a) 및 주파수 콤(3800b, 3801b) 구성에 대해 도 38에 도시되었다. 각각의 이러한 예시적인 구성에서, 61 ns의 SOA 구동 전류 펄스는 레이징 대역폭을 ~62 nm(1525 내지 1587)로 설정한다. 예시적인 주파수 콤 구성에서, 80 GHz만큼 이격된 출력 라인은 광 스펙트럼 분석기의 0.02 nm 분해능 아래의 FWHM 라인 폭으로 관측된다. 4x 복사 및 붙여넣기 버퍼링 전의 레이저의 출력 파워는 연속적으로 스위핑된 그리고 주파수 콤 구성에 대해 각각 1.7 mW 및 1.5 mW였다. 이들 파워 측정은 출력의 25% 듀티 사이클 때문에 부분적으로 낮다. 복사 및 붙여넣기 버퍼링 및 부스터 증폭 후에, 출력 파워는 연속적인 그리고 주파수 콤 구성 둘 모두에서 35 mW인 것으로 측정되었다.
도 39는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 시간적 출력의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프의 세트를 도시한다. 특히, 도 39에 도시된 바와 같이, 연속적(3900) 및 주파수 콤(3901) 구성을 위해 8 GHz 광검출기 및 2 GHz 오실로스코프로 측정된 레이저의 출력 흔적이 제공된다. 예시적인 주파수 콤 구성에서, EOM은 525 ps 전기 펄스로 구동될 수 있고, 1550 nm에서의 CFBG 분산은 930 ps/nm여서, 80 GHz 이격된 펄스 사이에서 대략 600 ps 분리를 산출한다. 이 펄스 구조는 부분적으로 2 GHz 오실로스코프 대역폭으로 인해 검출하기가 어렵다. 제 2 CFBG는 시간 도메인(3902)에서 광 펄스를 또한 분리하기 위해 (복사 및 붙여넣기 버퍼링 없이) 레이저 출력 사후 공동을 신장하기 위해 제공될 수 있다.
도 40은 연속적으로 스위핑된 그리고 주파수 콤 구성의 간섭 속성을 포함하는, 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 간섭 길이의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프의 세트를 도시한다. 각각의 이러한 예시적인 구성에 대해, 레이저는 간섭 무늬를 생성하기 위해 마하-젠더 간섭계로 출력되었다. 연속적인 파장 스위핑된 구성(4000)에 대해, 이 무늬 신호는 8 GHz 광검출기를 이용하여 감지되었으며 무늬 진폭은 RF 스펙트럼 분석기를 이용하여 측정되었다. 무늬 진폭은 제로 지연 포인트에 대한 거울 위치의 함수로서 측정되었다. 주파수 콤 구성이 제한된 기저대역 내에서 RF 주파수를 생성하기 때문에, 800 MHz 광검출기 및 고속 디지타이저가 이용될 수 있어서, 무늬를 거울 위치의 함수로서 캡쳐하기 위해 1 GS/초 이상으로 구동한다. 기준 암 측정치는 이들 무늬로부터 감산되고 무늬의 진폭은 거울 위치의 함수로서 산출되었다. 4001에 도시된 바와 같이, 주파수 콤 구성은 훨씬 긴 간섭 길이를 제공했다.
도 41은 레이저 소스의 상대 세기 잡음(RIN)을 포함하는, 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 예시적인 OS-OCT 소스의 잡음의 일 예시적인 측정치를 제공하는 그래프를 도시한다. RIN은 800 MHz 광검출기 및 2 GS/초보다 큰 디지타이저를 이용하여 측정되었다. 연속적으로 스위핑된 그리고 주파수 콤 레이저에 대해 -140 dB/Hz 및 -145 dB/Hz의 RIN 레벨이 얻어진다.
상기 설명된 내용은 단지 본 발명의 원리를 설명한다. 설명된 실시예에 대한 다양한 수정 및 변경은 본 명세서에서의 교시를 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 실제로, 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 장치, 시스템 및 방법은 임의의 OCT 시스템, OFDI 시스템, SD-OCT 시스템, SECM 시스템, OBM 시스템 또는 생체내 또는 신선한 조직에서 이미징할 수 있는 다른 이미징 시스템을 통해 이용될 수 있고/있거나 그들을 구현할 수 있고 예를 들면, 2005년 5월 26일에 국제 특허 공개 번호 제 WO 2005/047813 호로서 공개된 2004년 9월 8일에 출원된 국제 특허 출원 PCT/US2004/029148, 2006년 5월 4일에 미국 특허 공개 번호 제 2006/0093276 호로서 공개된 2005년 11월 2일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 11/266,779 호, 및 2005년 1월 27일에 미국 특허 공개 번호 제 2005/0018201 호로서 공개된 2004년 7월 9일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 10/501,276 호, 2002년 5월 9일에 공개된 미국 특허 공개 번호 제 2002/0122246 호, 미국 특허 출원 번호 제 61/649,546 호, 미국 특허 출원 번호 제 11/625,135 호, 미국 특허 출원 번호 제 61/589,083 호, 및 국제 출원 번호 제 PCT/US2014/048256 호에서 설명된 것으로 이용될 수 있으며, 그의 개시는 본 명세서에서 전체적으로 참조로서 통합된다. 따라서, 당업자가 본 명세서에서 명시적으로 도시되거나 설명되지 않을지라도, 본 발명의 원리를 구현하고 따라서 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 다수의 시스템, 장치 및 방법을 고안할 수 있음이 이해될 것이다. 게다가, 본 명세서에서 설명된 다양한 예시적인 실시예는 당업자에 의해 이해되어야 하는 바와 같이, 모든 다른 예시적인 설명된 실시예와 교환가능하게 이용될 수 있다. 게다가, 종래 기술의 지식이 본 명세서의 상기 내용에 참조로서 명시적으로 통합되지 않는 범위에서, 그것은 명백하게 본 명세서에 전체적으로 통합된다. 본 명세서에서의 상기 참조된 모든 공개문헌은 본 명세서에 전체적으로 참조로서 통합된다.
Claims (64)
- 레이저 방사선을 제공하도록 구성되고, 광 공동(optical cavity)을 포함하는 레이저 장치를 포함하고, 상기 광 공동은:
- 제 1 및 제 2 측을 갖는 분산형 광 도파관 제 1 장치 - 상기 분산형 광 도파관 제 1 장치는, (ⅰ) 적어도 하나의 제 2 전자기 방사선을 제공하기 위해 상기 제 1 측에서 적어도 하나의 제 1 전자기 방사선을 수용하고, (ⅱ) 적어도 하나의 제 4 전자기 방사선을 제공하기 위해 상기 제 2 측에서 적어도 하나의 제 3 전자기 방사선을 수용하도록 구성되고, 상기 제 1 및 제 2 측은 서로 상이하며, 상기 제 2 및 제 3 전자기 방사선은 서로 관련됨 - ,
- 상기 제 1 전자기 방사선을 상기 제 1 장치에 제공하기 위해 상기 제 4 전자기 방사선을 수용하고 변조하도록 구성되는 능동형 광 변조기 제 2 장치, 및
- 적어도 하나의 광 증폭기 장치 및 고정된 주기적 스펙트럼 필터 장치를 포함하는 장치 - 상기 고정된 주기적 스펙트럼 필터 장치는 상기 적어도 하나의 광 증폭기 장치와 결합되어 상기 제 2 전자기 방사선을 필터링 및 증폭하여 상기 제 3 전자기 방사선을 생성함 - 를 포함하고,
상기 레이저 방사선은 상기 제 1, 제 2, 제 3 또는 제 4 전자기 방사선 중 적어도 하나와 연관되고
상기 레이저 방사선이 광 주파수 콤(optical frequency comb)인, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 장치는 섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating; FBG), 처프된(chirped) FBG, 또는 FBG 어레이 중 적어도 하나인, 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 FBG는 편광 유지 광섬유 또는 비 편광 유지 광섬유 중 적어도 하나에서 제공되는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 장치는 상기 제 1 전자기 방사선 또는 상기 제 전자기 3 방사선 중 적어도 하나의 광 주파수에 따라 선형적으로 달라지는 그룹 지연을 야기하도록 구성되는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 장치는 (i) 상기 제 1 전자기 방사선을 수용하고 상기 제 2 전자기 방사선을 투과시키는 적어도 하나의 제 1 서큘레이터(circulator), 또는 (ii) 상기 제 3 전자기 방사선을 수용하고 상기 제 4 전자기 방사선을 송신하는 적어도 하나의 제 2 서큘레이터 중 적어도 하나를 포함하는, 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 증폭기 장치는 반도체 증폭기, 라만 증폭기, 파라메트릭 광 증폭기, 또는 섬유 증폭기 중 적어도 하나를 포함하는, 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 공동은 상기 제 1 장치를 통해 투과된 광 방사선을 차단하도록 구성되는 적어도 하나의 광 편광판 제 5 장치를 포함하는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 공동은 분산 보상 장치를 포함하는, 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 고정된 주기적 스펙트럼 필터 장치는 (i) 3과 25 사이인 피네스(finesse)를 갖는 패브리 페로 에탈론 필터(Fabry-Perot etalon filter), 또는 (ii) 광 인터리버 중 적어도 하나를 포함하는, 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 패브리 페로 에탈론 필터는 공기 갭 에탈론 필터인, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 레이저 방사선은 시간에 따라 변화하는 파장을 갖는, 장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 파장은 시간에 따라 연속적으로 변화하는, 장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 파장은 시간에 따라 이산적으로 변화하는, 장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 장치에 의한 동작은 파장이 80 nm/마이크로초보다 빠른 레이트로 변화하게 하는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 장치는 편광 유지 광 도파관에서 제공되는 섬유 브래그 격자(FBG)를 포함하고, 상기 제 1 전자기 방사선은 상기 광 도파관의 제 1 복굴절 축을 따라 론칭(launching)되고, 상기 제 3 전자기 방사선은 상기 광 도파관의 제 2 복굴절 축을 따라 론칭되며, 상기 제 1 및 제 2 복굴절 축은 서로 상이한, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전자기 방사선은 상기 제 1 전자기 방사선의 반사이고, 상기 제 4 전자기 방사선은 상기 제 3 전자기 방사선의 반사인, 장치. - 레이저 방사선을 제공하도록 구성되고, 광 공동(optical cavity)을 포함하는 레이저 장치로서, 상기 광 공동은:
- 적어도 하나의 제 2 전자기 방사선을 제공하기 위해 적어도 하나의 제 1 전자기 방사선을 수용하도록 구성되는 분산형 제 1 장치, 및
- 적어도 하나의 제 4 전자기 방사선을 제공하기 위해 적어도 하나의 제 3 전자기 방사선을 수용하도록 구성되는 분산형 제 2 장치로서, 상기 제 2 방사선 및 제 3 방사선은 서로 관련되는, 상기 분산형 제 2 장치, 및
- 상기 적어도 하나의 제 1 전자기 방사선을 상기 제 1 장치에 제공하기 위해 상기 제 4 방사선을 수용하고 변조하도록 구성되는 능동형 광 변조기 제 2 장치로서, 상기 레이저 방사선은 상기 제 1, 제 2, 제 3 또는 제 4 방사선 중 적어도 하나와 연관되는, 상기 능동형 광 변조기 제 2 장치를 포함하는, 상기 레이저 장치;
간섭계 장치로서:
i. 샘플 암에서 상기 레이저 방사선으로부터 제 5 전자기 방사선,
ii. 기준 암에서 상기 레이저 방사선으로부터 제 6 전자기 방사선, 및
iii. 상기 제 5 전자기 방사선과 상기 제 6 전자기 방사선 사이의 간섭에 기초한 간섭 신호를 생성하도록 구성되는, 상기 간섭계 장치; 및
적어도 하나의 샘플의 적어도 하나의 부분에 걸쳐 상기 제 5 전자기 방사선을 스캔하도록 구성된, 빔 스캐닝 장치를 포함하고,
상기 레이저 장치, 상기 간섭계 장치, 및 상기 빔 스캐닝 장치 사이의 상호작용은 상기 적어도 하나의 샘플의 적어도 하나의 부분의 광 속성의 3차원 측정을 제공하는, 장치. - 제 22 항에 있어서,
전자 클록 신호에 기초하여 간섭 신호를 얻도록 구성된 아날로그 디지털 획득 장치; 및
제 2 장치를 구동하도록 구성된 전자 신호 생성기를 더 포함하고,
상기 전자 클록 신호는 상기 전자 신호 생성기에 위상 고정되는, 장치. - 제 22 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 장치는 섬유 브래그 격자를 포함하는, 장치. - 제 22 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 장치는 동일한 섬유 브래그 격자의 일부를 포함하는, 장치. - 제 22 항에 있어서,
상기 제 2 전자기 방사선은 상기 제 1 전자기 방사선의 반사이고, 상기 제 4 전자기 방사선은 상기 제 3 전자기 방사선의 반사인, 장치. - 제 22 항에 있어서,
상기 레이저 방사선은 광 주파수 콤(optical frequency comb)인, 장치. - 특정 수(N)의 이산 광 주파수에서 레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 장치;
상기 레이저 방사선으로부터 간섭 신호를 생성하도록 구성된 간섭계 장치, 및
적어도 하나의 샘플의 적어도 하나의 부분에 걸쳐 상기 레이저 방사선의 적어도 하나의 부분을 스캔하도록 구성된 빔 스캐닝 장치를 포함하고,
상기 이산 광 주파수의 각각의 라인 폭은 10 GHz 미만이고,
상기 이산 광 주파수의 각각 사이의 간격은 20 GHz보다 크며,
상기 레이저 방사선은 초당 2천만 개의 이산 광 주파수 스텝보다 큰 레이트로 상기 이산 광 주파수 사이를 스텝하는, 장치. - 제 28 항에 있어서,
상기 레이저 장치는 2미터보다 큰 길이를 갖는 연속적인 섬유 브래그 격자를 포함하는, 장치. - 제 28 항에 있어서,
상기 레이저 장치는 2미터보다 큰 길이를 갖는 섬유 브래그 격자 어레이를 포함하는, 장치. - 적어도 하나의 구조에 관한 비디오 스트림을 디스플레이하기 위한 방법에 있어서:
a) 상이한 시점에서 적어도 하나의 구조의 상이한 부분에 관한 4차원 간섭계 데이터를 측정하는 단계로서, 상기 4차원 간섭계 데이터는 상기 적어도 하나의 구조의 적어도 하나의 광 속성을 설명하는, 상기 4차원 간섭계 데이터를 측정하는 단계;
b) 상기 4차원 간섭계 데이터를 2차원 비디오 데이터로 변환하는 단계; 및
c) 상기 2차원 비디오 데이터를 이용하여 상기 적어도 하나의 구조의 상이한 부분의 비디오 스트림을 디스플레이하는 단계를 포함하고,
상기 측정 및 상기 디스플레이의 성능의 레이턴시(latency)는 1초 미만인, 적어도 하나의 구조에 관한 비디오 스트림을 디스플레이하기 위한 방법. - 제 31 항에 있어서,
절차((a) 내지 (c))는 의료 절차에서 수행되고, 상기 절차를 상기 비디오 스트림을 이용하여 대화식으로 유도하는 단계를 더 포함하는, 적어도 하나의 구조에 관한 비디오 스트림을 디스플레이하기 위한 방법. - 제 31 항에 있어서,
단계(a)는 주파수 콤 광 소스를 이용하여 수행되는, 적어도 하나의 구조에 관한 비디오 스트림을 디스플레이하기 위한 방법. - 제 31 항에 있어서,
단계(a)는 레이저 방사선을 제공하도록 구성되고, 광 공동(optical cavity)을 포함하는 레이저 장치를 이용하여 수행되고, 상기 광 공동은:
- 제 1 및 제 2 측을 갖는 분산형 광 도파관 제 1 장치로서, (ⅰ) 적어도 하나의 제 2 전자기 방사선을 제공하기 위해 상기 제 1 측에서 수용된 적어도 하나의 제 1 전자기 방사선, 및 (ⅱ) 적어도 하나의 제 4 전자기 방사선을 제공하기 위해 상기 제 2 측에서 수용된 적어도 하나의 제 3 전자기 방사선을 수용하고 분산시키도록 구성되고, 상기 제 1 및 제 2 측은 서로 상이하며, 상기 제 2 및 제 3 방사선은 서로 관련되는, 상기 분산형 광 도파관 제 1 장치, 및
- 상기 적어도 하나의 제 1 전자기 방사선을 상기 제 1 장치에 제공하기 위해 상기 제 4 방사선을 수용하고 변조하도록 구성되는 능동형 광 변조기 제 2 장치를 포함하고,
상기 레이저 방사선은 상기 제 1, 제 2, 제 3 또는 제 4 방사선 중 적어도 하나와 연관되는, 적어도 하나의 구조에 관한 비디오 스트림을 디스플레이하기 위한 방법. - 삭제
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