KR20170005625A

KR20170005625A - 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템 및 그 방법

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Publication number: KR20170005625A
Application number: KR1020150095910A
Authority: KR
Inventors: 김기현; 윤여름; 장원혁; 손시형; 왕태준; 김범주
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2017-01-16

Abstract

본 발명은, 광원으로부터 발생된 광을 기준광과 조사광으로 분리하는 분리단계, 조사광을 편광시키는 편광단계, 편광된 조사광을 베셀 빔의 형태로 샘플에 조사하는 조사단계, 샘플에 조사된 광인 검출광을 검출하는 검출단계, 기준광과 검출광을 디지털 신호로 변환하고, 샘플의 조직의 편광특성을 연산하는 단계 및 편광특성에 따른 영상을 디스플레이 단계를 포함하는 다크필드 조명기반 편광 민감성 광간섭 단층영상 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템 및 그 방법은 다크필드 조명방식을 적용하여, 표면반사 신호 수집을 최소화 할 수 있어 정확한 영상을 획득하여 임상 적용분야에 확대적용 및 실용성을 증가시키는 효과가 있다.

Description

다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템 및 그 방법{THE METHOD AND SYSTEM FOR DARK-FIELD POLARIZATION-SENSITIVE OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY.}

본 발명은 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다크필드 조명을 적용한 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

OCT(Optical Coherence Tomography)란 광간섭 단층영상을 말하며, 생체조직의 산란에 의해 발생되는 역산란광의 변화를 깊이별로 획득하여 영상을 구현하는 기술을 말한다.

편광민감 광간섭 단층영상 시스템(Polarization Sensitive-Optical Coherence Tomography System)(이하 PS-OCT라 함)는 생체 조직 내에 입사된 빛이 특성에 따라 발생하는 편광 성분의 변화를 추가로 감지하는 기술로, 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer) 원리를 기본으로 한다. 단지 구조적인 형태의 영상을 구현하는 OCT 에 비해서 PS-OCT는 일반적인 광학적인 방법으로 이미징할 때 획득하기 어려운 기능적인 정보들을 제공해 준다.

PS-OCT 기술은 병변과 조직의 구별이 보다 명확하기 때문에 전임상 및 임상 연구에 적용되어오고 있으며, 이러한 PS-OCT에 관한 기술은 대한민국 등록특허 제1,332,222호 등에 개시되어 있다.

그러나 이러한 기존의 PS-OCT는 조직의 표면에서 강한 반사신호가 발생할 경우, 포화 상태로 계산되는 등 조직 내 편광 정보의 계산이 어려워져 조직의 정확한 영상을 획득하기 어려운 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제1,332,222호 (2007.06.15. 공개)

본 발명은 종래의 편광 민감성 광간섭 단층영상 시스템의 표면반사에 의해 정확한 영상을 획득하기 어려운 문제점을 해결하는 다크필드 조명기반 편광 민감성 광간섭 단층영상 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라 광원으로부터 발생된 광을 기준광과 조사광으로 분리하는 분리단계, 조사광을 편광시키는 편광단계, 편광된 조사광을 베셀 빔의 형태로 샘플에 조사하는 조사단계, 샘플에 조사된 광인 검출광을 검출하는 검출단계, 기준광과 검출광을 디지털 신호로 변환하고, 샘플의 조직의 편광특성을 연산하는 단계 및 편광특성에 따른 영상을 디스플레이 단계를 포함하는 다크필드 조명기반 편광 민감성 광간섭 단층영상 시스템이 제공될 수 있다.

이때, 조사하는 단계 및 검출단계는 동일한 대물렌즈를 이용하며, 검출단계는 가우시안 빔의 형태로 검출할 수 있다.

또한, 조사하는 단계는 샘플의 표면에서 표면반사를 최소화 할 수 있도록 환형의 조사광을 조사하며, 검출하는 단계는 환형의 조사광의 중심부분에서 검출할 수 있다.

나아가, 조사단계는 조사광의 광경로상에 배치된 엑시콘 렌즈 또는 환형의 개구가 형성된 마스크를 이용하여 베셀 빔의 형태로 구현될 수 있다.

한편, 조사단계 및 검출단계는 복수의 렌즈를 포함하는 광 경로를 이용하며, 조사광의 개구수(Numerical Aperture)는 검출광의 개구수보다 크도록 구성된 광 경로를 이용하여 수행될 수 있다.

그리고, 검출단계는 복수의 렌즈 사이에 구비된 프리즘, 거울, 빔 스플리터 중 어느 하나를 포함한 구성을 이용하여 조사단계의 광 경로와 분리되는 경로를 이용하여 검출할 수 있다.

한편, 연산단계는, 조사광의 경로상에서의 변화량을 측정하여 보정하며, 샘플의 조직에 의한 빛의 산란 및 복굴절을 반영하여 변수를 연산하도록 구성될 수 있다.

추가로, 광원, 광원으로부터 발생된 광을 기준광과 조사광으로 분리하는 광분리부, 조사광을 편광시키는 편광부, 조사광의 경로를 형성하는 복수의 렌즈, 복수의 렌즈 사이에서 조사광의 경로를 형성하며, 조사광이 베셀 빔의 형태를 갖도록 구성되는 베셀 빔 전환부, 조사광 경로의 끝단에 위치하며, 조사광을 샘플로 조사하고, 샘플 조직 내에 조사된 빛을 수광하는 대물렌즈, 복수의 렌즈 사이의 광경로상에 구비되며, 대물렌즈로부터 수광된 검출광의 경로가 조사광 경로로부터 분리되도록 구성되는 검출광 분리부, 기준광과 검출광으로부터 영상신호를 수신하는 검출부, 검출부로부터 디지털 출력신호를 수신하며, 샘플의 조직내의 편광특성을 연산하도록 구성되는 연산부, 편광특성에 따른 영상을 표시하도록 구성되는 디스플레이부를 포함하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템이 제공된다.

이때, 베셀 빔 전환부는 액시콘 렌즈를 포함하며, 광 경로상에서 검출광 분리부보다 전단에 위치하도록 구성될 수 있다.

그리고, 검출광 분리부는, 검출광이 조사광보다 작은 개구수(Numerical aperture)를 갖는 위치에 구비될 수 있으며, 검출광의 경로가 분리될 수 있도록 렌즈의 면적보다 작은 면적으로 구성될 수 있다.

구체적으로 검출광 분리부는, 복수의 렌즈 사이에 구비된 프리즘, 거울, 빔 스플리터 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

한편, 편광부는 조사광을 서로 직교하는 두 방향으로 편광시키며, 검출부는 기준광 및 조사광의 간섭광을 두 방향의 편광으로 분리하여 동일한 방향의 성분을 검출하도록 구성될 수 있다.

이때, 기준광이 진행하는 레퍼런스 아암(reference arm) 및 복수의 렌즈, 베셀 빔 전환부, 대물렌즈 및 검출광 분리부를 포함하며, 조사광 및 검출광의 경로를 형성하는 샘플 아암(sample arm)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템 및 그 방법은 다크필드 조명방식을 적용하여, 표면반사 신호 수집을 최소화 할 수 있어 정확한 영상을 획득하여 임상 적용분야에 확대적용 및 실용성을 증가시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 조사영역 및 검출영역을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 대물렌즈와 조사광 및 검출광의 경로의 일부를 표시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예의 순서도이다.
도 5는 기존방식과 본 발명으로 획득한 식물 잎의 단층 및 표면 영상이다.
도 6은 기존방식과 본 발명으로 획득한 사람의 피부의 단층 및 표면 영상이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템 및 그 방법에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 개념도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제1 실시예로서 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템이 제공될 수 있다.

다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템은 광원(100), 광 분리부(200), 수동지연소자(501), 편광부(300), 렌즈(511~516), 베셀 빔 전환부(520), 대물렌즈(516), 검출광 분리부(530), 검출부(540), 연산부(550), 디스플레이부를 포함하여 구성될 수 있다.

광원(100)은 빛을 발생시키는 구성이며, 광 분리부(200)는 간선계, 외부 트리거 신호로 광을 분배하며, 간선계에 구비된 광 분리부(200)는 레퍼런스 아암(400)과 샘플 아암(500)으로 광을 분배하게 된다.

편광부(300)는 빛을 서로 직교하는 수직방향과 수평방향의 성분으로 편광시킨다. 편광부(300)는 샘플 아암(500)에 구비되어 기준광을 편광시키도록 구성된다.

수동지연소자(501)는 조사광(Li)의 두가지 상태의 편광성분이 샘플 아암(500)으로 동시에 통과하도록 구성된다.

광섬유 콜리메이터(a fiber collimator)는 수동지연소자(501)를 통과한 광을 광섬유에 수광시킨다.

샘플 아암(500) 및 레퍼런스 아암(400)은 광섬유를 이용하여 샘플 표면에 자유로운 접근이 가능하도록 구성된다.

베셀 빔 전환부(520)는 렌즈(511~516) 와 함께 조사광(Li)의 경로를 형성하며 조사광(Li)이 샘플에 조사시 외측에 집중될 수 있도록 광의 프로파일을 전환시킨다. 조사광(Li)의 프로파일은 베셀 빔 전환부(520)를 거치면서 가우시안 빔의 형태에서 베셀 빔(Bessel Beam)의 형태로 변환시키게 된다. 특히 0차 베셀 함수 프로파일을 갖도록 변환되어 광이 특정영역에 집중될 수 있도록 구성된다. 베셀 빔 전환부(520)는 엑시콘 렌즈를 사용하여 구성될 수 있으며, 환형의 개구가 형성된 마스크를 포함하여 구성될 수 있다. 마스크와 베셀 빔 전환부(520)가 선택적으로 사용될 때 각각의 설치 위치는 달라질 수 있다.

샘플 암(500)에는 복수의 렌즈(511~516)가 구비되며 일 예로 베셀 빔 전환부(520) 이후에 6개의 렌즈(511~516)가 구비되어 광 경로를 형성할 수 있다. 6개의 렌즈(511~516)는 엑시콘 렌즈에 의해 생성된 베셀 빔의 초점을 릴레이하여 샘플에 전달하기 위해 구비된다.

제1 렌즈(511)와 제2 렌즈(512)는 후술할 검출광 분리부(530)가 설치되기 위한 퓨필 플레인(pupil plane)을 마련하기 위해 구성된 조합이다.

제3 렌즈(513)와 제4 렌즈(514)는 스캐팅을 위한 2축(x,y) 스캐너를 설치하기 위한 퓨필 플레인(pupil plane)을 마련하기 위해 구성된 조합이다. 즉 제2 렌즈(512)와 제3 렌즈(513)의 사이 또는 제4 렌즈(514) 및 제5 렌즈(515) 사이에는 검출광 분리부(530) 또는 스캐너가 위치될 수 없다.

제5 렌즈(515)는 끝단에 구비되는 대물렌즈(516)과 함께 사용되며, 각각의 초점길이의 비에 따라 배율(magnification)이 결정될 수 있도록 구성된다. 또한 조사광(Li)의 환형 빔의 두께, 조사각도(개구수,NA)가 변화시킬 수 있으며, 초점심도를 변화시킬 수 있도록 구성된다.

이와같이 다크필드 조명을 기반으로 PS-OCT가 수행될 수 있도록 조사광(Li)은 복수의 렌즈를 통과하면서 적절한 상태로 변환된다. 조사광(Li)은 대물렌즈(516)는 마지막으로 통과하여 샘플에 도달하며, 샘플에서 반사, 굴절, 산란된 검출광은 대물렌즈(516)를 통해 수광된다.

한편 이와같은 복수의 렌즈(511~516)의 조합은 일 예일 뿐 다양하게 구성될 수 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

검출광 분리부(530)는 복수의 렌즈(511~516) 사이에 구비되어 조사광(Li)의 광 경로로부터 검출광(Ld)을 분리한다. 검출광 분리부(530)는 프리즘으로 구성된 모습이 도시되어 있으나, 이는 일 예일 뿐, 거울, 빔 스플리터 등으로 변형될 수 있다. 검출광 분리부(530)는 광 경로상에서 베셀 빔 전환부(520)보다 후단에 구비될 수 있다. 가우시안 빔의 형태에서는 검출광 분리부(530)의 존재로 조사광(Li)이 차단되는 영역이 발생할 수 있다. 따라서 조사광(Li)이 베셀 빔의 형태로 변환한 뒤 경로의 단면이 환형으로 이루어질 때, 광이 분포하지 않는 중심부분에 검출광 분리부(530)를 두어 조사광(Li)의 진행에 장애가 되는 것을 방지하기 위함이다. 이때, 검출광 분리부(530)의 면적은 검출광 분리부(530) 전후에 배치된 제1 렌즈(511) 및 제2 렌즈(512)의 면적보다 작은 면적으로 구성될 수 있다.

검출부(540)에서는 레퍼런스 아암(400)과 샘플 아암(500)에서 각각 되돌아온 빛은 광 분배기에서 모이게 되며, 레퍼런스 아암(400)에 의해서 두 빛의 경로차가 같으면 간섭 현상을 일으켜 간섭신호를 발생시킨다.

발생된 간섭신호는 다시 편광 광분배기를 통과하여 수평성분과 수직성분으로 나뉘게 되고 각각의 성분을 광 검출기들을 통하여 디지털 신호로 전환된다. 검출부(540)는 편광 다이버스 검출(Polarization diverse detection; PDD)를 수행하는 구성으로 이루어 질 수 있으며, 이에 대한 구성은 널리 사용되고 있는 구성이며 다양하게 변형될 수 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

연산부(550)에서는 간섭신호를 근거로 연산하여 데이터를 얻도록 구성된다. 연산부(550)에는 다양한 소프트웨어 또는 알고리즘을 이용하여 연산되도록 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 조사영역 및 검출영역을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 대물렌즈(516)와 조사광(Li) 및 검출광(Ld)의 경로의 일부를 표시한 도면이다.

도 2(a)를 살펴보면, 조사광(Li)은 환형의 베셀 빔의 형태로 샘플의 표면에 조사된다. 반면, 검출광(Ld)는 도 2(b)에 나타난 바와 같이 환형의 조사광(Li)의 중심부분에서 검출하게 된다. 검출광(Ld)의 검출이 샘플의 표면에 조사광(Li)이 조사되지 않은 영역에서 이루어지므로 표면반사에 의한 영향을 최소화 할 수 있게 된다.

도 3을 살펴보면, 대물렌즈(516)에서의 광경로가 나타나 있으며, 광 경로중 외곽지역으로 베셀 빔의 형태인 조사광(Li)이 조사되고, 중심부분에서 가우시안 빔의 형태인 검출광(Ld)의 경로가 형성되는 모습이 나타나이 있다. 이와 같이 조사되고 검출하기 위하여 조사광(Li)의 개구수(Numerical Aperture)는 다크필드 효과가 발휘될 수 있도록 검출광(Ld)의 개구수보다 크게 구성된다. 다만, 조사광(Li)과 검출광(Ld)의 개구수의 비는 다양하게 변형되어 적용될 수 있으며, 그에 따른 다크필드의 효과도 달라지게 된다.

이과같이 샘플의 표면에서 조사광(Li)이 조사되지 않은 부분의 다크 필드 영역으로부터 빛의 검출이 이루어지므로, 표면에서의 전반사에 의한 영향을 최소화 할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예의 순서도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상방법은 기준광과 조사광(Li)으로 분리하는 분리단계(S100), 편광단계(S200), 베셀 빔 전환단계(S300), 조사단계(S400), 검출단계(S500), 편광분배단계(S600), 연산단계(S700), 디스플레이단계(S800)를 포함하여 구성될 수 있다.

기준광과 조사광(Li)으로 분리하는 단계(S100)는 광원(100)으로부터 발생된 광을 특성변화의 기준이 되는 기준광과 조직내로 조사하기 위한 조사광(Li)으로 분리하는 단계이다. 광원(100)으로부터 발생된 빛은 광섬유를 통한 경로를 통하고, 이후 기준광은 레퍼런스 아암(400)(reference arm)을 통한 경로, 조사광(Li)은 샘플 아암(500)(sample arm)의 경로를 통하게 된다. 기준광과 조사광(Li)으로 분리하는 단계(S100)는 광섬유 커플러를 이용하여 필요에 따라 50:50, 80:20, 90:10, 95:5 등 다양한 비율로 분리되는 광섬유 커플러(a fiber coupler)가 이용될 수 있다.

편광단계(S200)는 조사광(Li)을 수직성분과 수평성분으로 편광시킨다. 편광단계(S200)는 편광조절기(polarization controller)를 이용하여 수행될 수 있으며, 편광조절기는 레퍼런스 아암(400) 및 샘플 아암(500)에 각각 설치될 수 있다.

베셀 빔 전환단계(S300)는 샘플 아암(500)의 내측에서 가우시안 빔 형태의 조사광(Li)을 베셀 빔(Bessel Beam)의 형태로 변환시키는 단계이다. 조사광(Li)은 다크필드 효과를 얻기 위해 베셀 빔의 형태로 변환된다. 이때, 베셀 빔의 프로파일은 조사빔이 효율적으로 집중될 수 있도록 0차 베셀 함수(zero-order Bessel funciton)의 프로파일을 갖도록 변환될 수 있다.

베셀 빔 전환단계(S300)는 샘플 아암(500)에 구비된 베셀 빔 전환부(520)를 이용할 수 있으며, 베셀 빔 전환부(520)는 조사광(Li)을 베셀 빔의 형태로 변환시키기 위하여 조사광(Li)의 광 경로상에 엑시콘 렌즈(Axicon Lens) 또는 환형 개구가 형성된 마스크(mask)를 이용할 수 있다. 한편, 이러한 조사광(Li)에 대하여는 차후 부가 설명하기로 한다.

조사단계(S400)는 조사광(Li)을 샘플 아암(500)을 통하여 조직에 빛을 조사하며, 베셀 빔의 형태로 전환된 조사광(Li)이 복수의 렌즈를 거치고 최종적으로 대물렌즈를 통과하여 샘플의 표면에 환형으로 조사될 수 있도록 구성된다. 이때 이용되는 복수의 렌즈는 조사광(Li)을 샘플의 표면에 환형으로 조사하기 위한 다양한 조합으로 구성될 수 있다.

검출단계(S500)는 샘플의 조직에 조사된 광이 대물렌즈(516)를 통하여 수광하는 단계이다. 조사광(Li)이 베셀 빔의 형태, 즉 환형으로 조직의 표면에 조사되므로 직접 조사광(Li)이 조사되지 않는 중심부분을 통하여 조직 내에서 산란되고 굴절된 빛을 수광한다. 검출단계(S500)에서는 렌즈(511~516) 사이에 구비된 검출광 분리부(530)를 이용하여 검출광(Ld)을 조사광(Li)의 경로로부터 분리시킨다. 검출광 분리부(530)는 프리즘, 거울, 빔 스플리터 등으로 구성될 수 있다.

편광분배단계(S600)는 샘플 아암(500)에서 검출된 검출광(Ld)과 전술한 레퍼런스 아암(400)에서 발생된 기준광이 편광 다이버스 검출(Polarization diverse detection)을 통하여 수직 편광과 수평 편광성분이 분리되는 단계이다. 기준광과 검출광(Ld)의 수직성분은 동일한 광 검출기를 통하여 검출되며, 수평성분 또한 동일한 광 검출기를 통하여 검출된다. 이때 광 검출기는 포토 다이오드(photo diode) 등으로 구성될 수 있다.

이때, 편광 다이버스 검출은 편광 광분배기(Polarization Beam Spritter), 빔 스플리터(beam spliiter)를 이용하며, 기준광과 검출광(Ld)을 통과시켜 수평성분과 수직성분의 분리될 수 있도록 구성될 수 있다.

연산단계(S700)는 기준광과 조사광(Li)을 디지털 신호로 변환하고, 샘플의 조직의 편광특성을 연산하는 단계이다. 연산단계(S700)에서는 입력된 디지털 신호를 수직, 수평성분에 대하여 각각 연산하여 크기와 위상을 구할 구 있게 된다. 한편, 연산단계(S700)에서 샘플 표면에서의 반사광은 연산의 기준이 될 수 있으며, 샘플의 편광 특성을 계산하는 데 사용될 수 있다.

디스플레이단계(S800)는 연산단계(S700)에서 연산된 조직 내의 편광 특성에 따른 결과 값을 시각적으로 표현하는 단계이다.

한편, 편광분배단계(S600), 연산단계(S700)에서 광간섭의 연산 및 시각화를 위한 소프트웨어 및 디스플레이 단계(S800)는 일반적으로 널리 사용되는 구성이므로 더 이상의 상세한 설명을 생략한다.

이하에서는 본 발명에 따라 획득한 단층영상에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 5 및 도 6에 기존 PS-OCT와 본 발명의 차이를 나타내기 위하여 획득된 영상을 나타나 있으며, 도 5는 기존방식과 본 발명으로 획득한 식물 잎의 단층 및 표면 영상이며, 도 6은 기존방식과 본 발명으로 획득한 사람의 피부의 단층 및 표면 영상이다.

촬영을 위해 구성된 구체적인 구성으로서, 광원(100)은 파장 1310nm, 대역폭107nm, 스위핑 스피드 50kHz, 공기중에서 이미징 깊이 6mm인 광을 발생시키는 소자로 구성되었다.

이후 광 분리부(200)에서는 95%의 빛은 간선계 시스템으로 가며, 나머지 5%는 데이터를 얻기위한 외부 트리거 신호를 생성하도록 사용되었다. 간선계 시스템에서는, 샘플 아암(500)에 80%, 레퍼런스 아암(400)에 20% 로 분리되었다.

베셀 빔 전환부(520)는 170˚ apex angle을 갖는 엑시콘 렌즈를 이용하여 zero-order 베셀 빔으로 변환시켰다.

조사광(Li)은 0.11 NA, 검출광(Ld)은 0.025 NA를 갖도록 구성되어 다크필드 효과를 발휘될 수 있도록 구성되었다.

도 5(a), (b)는 식물잎의 x-z 평면영상이며, 도 5(c), (d)는 식물잎의 x-y 평면의 영상이다. 도 5 (a),(c)는 기존의 PS-OCT(Polarization-Sensitive Optical Coherence Tomography)를 이용하여 획득한 영상이며, 도 (b), (d)는 본 발명에 따라 획득된 영상이다. (a)와 (c), (b) 와(d) 는 각각의 영상에 나타난 파선을 기준으로 한 단면도에 해당한다.

도시된 바와 같이 기존의 PS-OCT로 획득된 영상은 표면 반사(specular reflection) 효과로 인해 (a), (c) 모든 영역이 강한 강도로 수신되어 조직이 명확하게 나타나지 않는 문제가 있으며, 특히 강도가 낮은 부분에 영향이 크게 나타난다.

식물 잎의 조직은 표면으로부터 내측으로 배열된 제1 레이어(p1) 및 제2 레이어(p2)로 구별할 수 있다. 제1 레이어(p1)와 제2 레이어(p2)를 살펴보면, 비교적 조밀한 조직으로 구성된 제1 레이어(p1)보다 제2 레이어(p2)에서의 효과가 명확하게 나타나게 된다. (b),(d)를 다시 살펴보면 다크필드 방식을 이용하여 샘플이 높은 표면반사율을 갖더라도 표면 반사의 영향을 최소화 할 수 있고, 높은 대비의 영상을 획득할 수 있어, 조직이 보다 명확하게 구별될 수 있다.

도 6을 살펴보면, (a),(c)는 광 인텐시티(intensity)를 나타내며, (b),(d)는 PS 이미지가 나타나 있다. (a),(d)는 기존 PS-OCT로 획득한 영상 (c),(d)는 본 발명을 이용하여 획득된 영상이다.

도 6(a),(b)와 같이 기존의 PS-OCT방식을 이용하면 표면의 반사가 너무 강한 경우에 부분적으로(화살표) 검출광(Ld)의 포화가 일어날 수 있으며, 이러한 영상은 광 인텐시티 및 PS 이미지에 모두 나타날 수 있게 된다. 연산단계(S600)에서 연산시 표면의 신호를 기준으로 나머지 광 인텐시티를 계산하게 되므로, 표면에서 강한 신호를 수신하여 포화되면 해당 부분을 기준으로 연산하는 나머지 부분의 데이터가 부정확해지는 결과를 가져온다.

반면, 다크필드를 조명기반으로 하여 표면 반사의 영향을 최소화 할 수 있으므로, 검출광(Ld)의 포화를 방지할 수 있어 선명한 영상을 얻을 수 있게 된다.

이상에서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템 및 그 방법은 PS-OCT에 다크필드 조명을 기반으로하여 표면반사의 영향을 최소화 할 수 있어 보다 선명한 영상을 획득할 수 있는 효과가 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

S100: 기준광과 조사광으로 분리하는 분리단계
S200: 편광단계
S300: 베셀 빔 전환단계
S400: 조사단계
S500: 검출단계
S600: 편광분배단계
S700: 연산단계
S800: 디스플레이단계
Li: 조사광
Ld: 검출광
100: 광원 200: 광 분리부 300: 편광부
400: 레퍼런스 아암 500: 샘플 아암 501: 수동지연소자
511: 제1 렌즈 512: 제2 렌즈 513: 제3 렌즈
514: 제4 렌즈 515: 제5 렌즈 516: 대물렌즈
520: 베셀 빔 전환부
530: 검출광 분리부 540: 검출부 550: 연산부
p1: 제1 레이어 p2: 제2 레이어

Claims

광원으로부터 발생된 광을 기준광과 조사광으로 분리하는 광분리부;
상기 조사광의 광경로를 형성하는 복수의 렌즈;
상기 조사경로에 구비되며, 상기 조사광의 프로파일을 전환하는 조사광 전환부;
상기 복수의 렌즈 사이의 광경로상에 구비되며, 상기 샘플에서 되돌아온 검출광의 경로가 상기 조사광 경로로부터 분리되도록 구성되는 검출광 분리부;
상기 기준광과 상기 검출광을 근거로 연산하는 연산부; 및
상기 연산부에서 연산된 데이터를 근거로 단층영상을 표시하는 디스플레이부를 포함하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 조사광 전환부는
상기 조사광을 상기 샘플에 조사시 조사영역의 중심부분보다 외측부분의 광 강도가 더 큰 프로파일로 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 조사광 전환부는,
상기 조사광이 일부분에 집중될 수 있도록 베셀 빔(Bessel beam)의 형태로 전환되도록 구성되는 베셀 빔 전환부인 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 베셀 빔 전환부는,
액시콘 렌즈를 포함하며, 상기 광 경로상에서 상기 검출광 분리부보다 전단에 위치하는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 베셀 빔 전환부는 상기 조사광이 0차 베셀 함수의 프로파일로 전환되도록 구성되며,
상기 복수의 렌즈는 상기 조사광이 상기 샘플에 환형으로 조사되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 검출광 분리부는,
상기 조사광의 환형 경로에 영향을 미치지 않도록 상기 환형 경로의 내측에 구비되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 검출광 분리부는,
상기 검출광 분리부의 전후에 배치된 상기 렌즈에 의해 생성된 베셀 빔의 면적보다 면적이 작도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 검출광 분리부는,
상기 검출광이 상기 조사광보다 작은 개구수(Numerical aperture)를 갖는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템.
제7 항에 있어서,
상기 검출광 분리부는,
상기 복수의 렌즈 사이에 구비된 프리즘, 거울, 빔 스플리터 중 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 기준광이 진행하는 레퍼런스 아암(reference arm); 및
상기 복수의 렌즈, 상기 베셀 빔 전환부, 상기 대물렌즈 및 상기 검출광 분리부를 포함하며, 상기 조사광 및 상기 검출광의 이동경로를 형성하는 샘플 아암(sample arm)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 시스템.
광원으로부터 발생된 광을 기준광과 조사광으로 분리하는 분리단계;
상기 조사광의 프로파일을 전환하여 상기 샘플에 조사하는 조사단계;
상기 샘플에서 되돌아오는 검출광을 검출하는 검출단계; 및
상기 기준광과 상기 검출광 사이의 간섭정보를 근거로 연산하여 단층영상을 표시하는 단계를 포함하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상방법.
제11 항에 있어서,
상기 조사단계는,
상기 조사광을 상기 샘플에 조사시 조사영역의 중심부분보다 외측부분의 광 강도가 더 큰 프로파일로 전환하는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상방법.
제12 항에 있어서,
상기 조사단계는,
상기 조사광이 일부분에 집중될 수 있도록 베셀 빔으로 전환하는 베셀 빔 전환단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상방법.
제13 항에 있어서,
상기 베셀 빔 전환단계는,
상기 조사광을 0차 베셀 함수(zero-order Bessel Function)의 프로파일을 갖도록 변환시키는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 방법.
제14 항에 있어서,
상기 조사단계는 상기 샘플의 표면에서 표면반사를 최소화 할 수 있도록 상기 샘플의 표면에 환형으로 상기 조사광을 조사하며,
상기 검출단계는 상기 샘플의 표면상에서 상기 환형의 조사광의 중심부분에서 검출하는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상 방법.
제14 항에 있어서,
상기 베셀 빔 전환단계는 상기 조사광의 광 경로상에 배치된 엑시콘 렌즈 또는 환형의 개구가 형성된 마스크를 이용하여 상기 베셀 빔의 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상방법.
제14 항에 있어서,
상기 조사하는 단계 및 상기 검출단계는 동일한 대물렌즈를 이용하며,
상기 검출단계는 가우시안 빔의 형태로 검출하는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상방법.
제14 항에 있어서,
상기 조사광의 개구수(Numerical Aperture)는 상기 검출광의 개구수보다 크도록 구성된 광 경로를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상방법.
제14 항에 있어서,
상기 검출단계는,
상기 조사광의 환형 경로에 영향을 미치지 않도록 상기 환형 경로의 내측에 구비된 검출광 분리부를 이용하여 상기 검출광의 경로가 상기 조사광의 경로와 분리시키는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 관간섭 단층영상방법.
제19 항에 있어서,
상기 검출단계는
상기 복수의 렌즈 사이에 구비된 프리즘, 거울, 빔 스플리터 중 어느 하나를 포함한 구성을 이용하여 상기 조사단계의 상기 광 경로와 분리되는 경로를 이용하여 검출되는 것을 특징으로 하는 다크필드 조명기반 편광민감성 광간섭 단층영상방법.