KR100724020B1 - 가변 첩 광섬유 격자 기반 단층 촬영용 광간섭 신호 발생기 - Google Patents

가변 첩 광섬유 격자 기반 단층 촬영용 광간섭 신호 발생기 Download PDF

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Abstract

가변 첩 광섬유 격자 기반의 단층 촬영용 광간섭신호 발생기에 관하여 개시한다. 본 발명의 광간섭신호 발생기는 광대역폭을 가지는 광신호를 출력하는 광대역 광원; 상기 광대역 광원으로부터 광신호를 입력받아 가우시안(gaussian) 형태의 스펙트럼으로 변환하는 광필터; 상기 광필터로부터 광신호를 입력받아 이를 두 개의 신호로 나누어 출력하며, 그 중 제 1 광신호를 단층 촬영하기 위한 샘플로 전달하는 광커플러; 3개의 포트(port)를 구비하며, 제 1 포트가 상기 광커플러와 연결되어 상기 광커플러에서 출력되는 제 2 광신호를 입력받아 제 2 포트 및 제 3 포트로 전달하고 다시 반사된 제 2 광신호를 상기 광커플러로 출력하는 서큘레이터; 상기 서큘레이터의 제 2 포트와 연결되고, 일정 격자 주기를 가지며, 상기 제 2 광신호를 입력받아 소정의 시간 지연을 가지고 반사하는 제 1 가변 첩 광섬유 격자; 및 상기 서큘레이터의 제 3 포트와 연결되고, 상기 제 1 가변 첩 광섬유 격자와 비대칭적인 격자 주기를 가지며, 상기 제 1 가변 첩 광섬유 격자에서 반사된 제 2 광신호를 입력받아 상기 제 1 가변 첩 광섬유 격자와 상보적인 시간 지연을 가지고 반사하는 제 2 가변 첩 광섬유 격자를 포함한다. 상기 제 2 가변 첩 광섬유 격자에서 반사된 제 2 광신호는 상기 광커플러에서 상기 샘플에서 반사된 제 1 광신호와 간섭현상을 일으킨다.

Description

가변 첩 광섬유 격자 기반 단층 촬영용 광간섭 신호 발생기{Optical Interferogram Generator based on Tunable Optical Chirped Fiber Grating for an Optical Coherent Tomography}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 결맞음성 단층촬영기의 응용되는 가변 첩 광섬유 격자 기반 광간섭신호 발생기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 첩 광섬유 격자를 구현한 예시도 및 이에 따른 시간 지연을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 첩 광섬유 격자에서 구부림 정도에 따른 시간 지연 효과의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 변화된 시간 지연 효과에 의해서 유도된 광지연길이를 나타낸 그래프이다.
도 5는 슬라이드 글래스를 샘플(sample) 위치에 두고 측정한 단층 촬영에 대한 간섭 신호 결과를 나타낸 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 설명*
10: 광대역 광원 20: 광필터
30: 광커플러 40: 샘플
50: 서큘레이터 60_1: 가변 첩 광섬유 격자A
60_2: 가변 첩 광섬유 격자B 70: 광전 변환기
본 발명은 단층 촬영용 광간섭신호 발생기에 관한 것으로서, 특히, 가변 첩 광섬유 격자 기반의 단층 촬영용 광간섭신호 발생기에 관한 것이다.
생체 및 세포의 영상 신호를 분석하기 위한 기술에는 X-ary 또는 초음파를 이용한 CT, MRI, 초음파 영상 처리 기술 등 여러 가지가 있으며 해상도, 투과 깊이 등에 따라 특정한 분야의 진단에 사용된다. 하지만 X-ray는 미세한 내부 구조를 파악하기 위해서 많이 쓰이는 기술이지만 생체에 손상을 줄 수 있다는 단점이 있고 초음파는 공간 및 순간 해상도가 낮다는 단점이 있다.
최근에 이러한 문제를 해결하고 고해상도 및 분해능을 갖는 광 결맞음성 단층촬영(Optical Coherent Tomography:OCT) 기술이 연구되고 있다. OCT 기술은 두 개의 광신호의 간섭 무늬에 의해서 샘플의 영상을 분석하는 기술로서, 레이저의 간섭 특성과 광반사의 성질을 이용하여 생체 조직의 구조 및 특징을 진단할 수 있는 기술이다.
OCT 기술은 조직의 반사 경계와 역산란(back scattering)으로부터 미세구조에 대한 공간 정보를 간섭 성질을 이용하여 영상 처리 하는 것으로 고분해능의 장 점과 실시간 영상 처리가 가능하고 생체 및 세포를 손상시키지 않는다는 장점이 있다.
종래의 OCT 기반 기술은 일반적으로 미러(mirror)를 선형 오실레이터(linear oscillator)에 고정하여 광신호의 시간 지연 효과를 조절하여 샘플(sample)에서 반사된 광신호와의 간섭 특성을 측정하는 기술이지만, 비선형 효과가 커서 신호에 잡음이 증가할 수 있고 시스템이 복잡하며 분산 문제로 인해 영상 신호의 왜곡이 증가할 수 있다는 문제점이 있다.
종래의 또 다른 기술로는 시간 지연 효과를 조절하여 OCT 시스템을 구현하는 기술로써 회절 격자(diffraction grating)를 사용하여 높은 시간 지연 효과 조절성을 얻어서 고해상도를 얻는 기술이 있다. 그러나, 이 기술은 공간을 통해 진행하는 광신호의 경로를 정확하게 3차원으로 정렬해야 하며, 시간 지연 효과가 외부환경의 변화에 민감한 단점이 있다.
본 발명은 부피가 큰 공간 광학(bulk optics) 기반 소자를 사용하지 않고 광섬유 기반의 소자를 사용하여 전체 광단층 촬영 시스템을 소형화시키는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 가변 첩 광섬유 격자를 기반으로 광단층 촬영 시스템을 구성함으로써, 저가형, 고집적도, 고해상도 및 고정밀도를 구현하고, 생체 조직에 손상을 주지 않고 실시간 영상 촬영 및 분석을 할 수 있는 광단층 시스템을 구현하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 첩 광섬유 격자 기반 단층 촬영용 광간섭신호 발생기는 광대역폭을 가지는 광신호를 출력하는 광대역 광원; 상기 광대역 광원으로부터 광신호를 입력받아 가우시안(gaussian) 형태의 스펙트럼으로 변환하는 광필터; 상기 광필터로부터 광신호를 입력받아 이를 두 개의 신호로 나누어 출력하며, 그 중 제 1 광신호를 단층 촬영하기 위한 샘플로 전달하는 광커플러; 3개의 포트(port)를 구비하며, 제 1 포트가 상기 광커플러와 연결되어 상기 광커플러에서 출력되는 제 2 광신호를 입력받아 제 2 포트 및 제 3 포트로 전달하고 다시 반사된 제 2 광신호를 상기 광커플러로 출력하는 서큘레이터; 상기 서큘레이터의 제 2 포트와 연결되고, 일정 격자 주기를 가지며, 상기 제 2 광신호를 입력받아 소정의 시간 지연을 가지고 반사하는 제 1 가변 첩 광섬유 격자; 및 상기 서큘레이터의 제 3 포트와 연결되고, 상기 제 1 가변 첩 광섬유 격자와 비대칭적인 격자 주기를 가지며, 상기 제 1 가변 첩 광섬유 격자에서 반사된 제 2 광신호를 입력받아 상기 제 1 가변 첩 광섬유 격자와 상보적인 시간 지연을 가지고 반사하는 제 2 가변 첩 광섬유 격자를 포함하며, 상기 제 2 가변 첩 광섬유 격자에서 반사된 제 2 광신호는 상기 광커플러에서 상기 샘플에서 반사된 제 1 광신호와 간섭현상을 일으키는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 단층 촬영기의 응용되는 가변 첩 광섬유 격자 기반 광간섭신호 발생기의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가변 첩 광섬유 격자 기반 광간섭신호 발생기는 광대역 광원(10), 광필터(20), 광커플러(30), 서큘레이터(50), 가변 첩 광섬유 격자A(60_1), 가변 첩 광섬유 격자B(60_2) 및 광전 변환기(70)를 포함한다.
광대역 광원(10)은 슈퍼콘티뉴엄(supercontinuum) 광원, LED(Light Emitting Diode) 광원, 초발광 다이오드(SLD:Super-Luminescent Diode), 솔리톤 광원 및 어븀 첨가 광섬유 광원의 증폭된 자기 발광(ASE:Amplified Spontaneous Emission) 광원 중 어느 하나로 형성되며, 30nm 이상의 대역폭을 가지고 출력된다.
광필터(20)는 장주기 및 단주기 광섬유 격자, MEMS 필터, Fabry-Perot 필터광섬유 루프 필터 또는 에탈론 필터로 형성되며, 상기 광대역 광원(10)의 신호를 입력받아 이를 가우시안(gaussian) 형태의 스펙트럼으로 변환시키는 역할을 한다.
광커플러(30)는 상기 광필터(20)로부터 출력되는 신호를 입력받아 두 개의 신호로 나누어 하나의 신호는 측정하고자 하는 샘플(sample, 40)로 입력하고, 나머지 신호는 서큘레이터(50)로 전달한다.
상기 서큘레이터(50)는 3개의 포트(port)를 가지며, 제 1 포트로 전달된 신호는 제 2 포트로 전달되면서 먼저 가변 첩 광섬유 격자A(60_1)로 전달된다. 가변 첩 광섬유 격자A(60_1)에서 반사되어 제 2 포트로 돌아온 신호는 제 3 포트로 전달되면서 가변 첩 광섬유 격자B(60_2)로 전달된다. 가변 첩 광섬유 격자B(60_2)에서 반사되어 제 3 포트로 전달된 반사신호는 제 1 포트를 통해 상기 광커플러(30)로 전달된다.
상기 가변 첩 광섬유 격자A(60_1) 및 가변 첩 광섬유 격자B(60_2)에 대하여는 도 2에서 자세히 설명하기로 한다.
샘플(40)에서 반사된 신호와 상기 두 개의 가변 첩 광섬유 격자A,B(60_1,60_2)를 지나면서 반사된 신호는 광커플러(30)에서 간섭현상을 일으킨다.
광전 변환기(70)는 상기 광커플러(30)로부터 전달된 신호를 전기신호로 변환하는 역할을 한다.
상기와 같은 구성의 가변 첩 광섬유 격자 기반 단층 촬영용 광간섭신호 발생기의 동작에 대하여 살펴보기로 한다.
30nm 이상의 광대역폭을 갖는 광대역 광원(10)은 광필터(20)를 통해서 가우시안(gaussian) 형태의 스펙트럼으로 만들어지고, 이 신호는 광커플러(30)를 통해서 두 개의 신호로 나뉘어 진다. 두 개의 광신호 중 하나의 광신호는 샘플(40)로 가고 나머지 광신호는 서큘레이터(50)로 전달된다.서큘레이터(50)로 전달된 광신호는 두 개의 가변 첩 광섬유 격자A,B(60_1,60_2)를 지나면서 반사되고 다시 광커플러(30)를 지나면서 상기 샘플(40)을 통해 반사된 광신호와 간섭현상을 일으키고 이를 광전 변환기(70)를 사용하여 전기신호로 바꾸어 샘플(40)에 대한 단층 영상 정보를 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 첩 광섬유 격자를 구현한 예시도 및 이에 따른 시간 지연을 나타낸 그래프이다.
일반적으로 광섬유 격자는 광섬유의 코어 부분에 규칙적인 굴절률 변화를 유도하여 제조하는 광소자이다. 규칙적인 굴절률 변화는 일정한 주기로 형성되어 있으며 격자 주기가 일정하면 광신호를 반사하거나 제거할 수 있다.
도 2에서 예시한 가변 첩 광섬유 격자는 격자의 주기가 불규칙적인 광섬유이다. 이는 광섬유 격자에 첩(chirped) 효과를 인가한 것이다. 광섬유 격자에 첩효과를 인가하는 방법은 여러 가지가 있는데, 도 2에서는 구부림(bending) 방법을 사용하였다. 구부림(bending) 방법은 광섬유 격자를 중심으로 구부림(bending)을 가하면 광섬유 격자의 주기가 변하게 되어 첩 효과가 유도되고 광신호는 시간 지연 효과를 얻게 된다.
격자 주기에 첩 효과를 인가하면 광신호가 진행하면서 반사되는 지점이 달라지고 따라서 광신호는 반사되는 지점에 따라서 시간 지연 효과를 가지게 된다. 즉, 반사되는 위치가 다르기 때문에 광신호가 통과하는 광섬유의 길이가 달라지므로 시간 지연 효과도 달라지게 된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 가변 첩 광섬유 격자A(60_1)와 가변 첩 광섬유 격자B(60_1)는 상보적인 시간지연을 가지며, 서로 비대칭적인 격자가 형성되어 있다. 도 1의 서큘레이터(50)를 지나서 가변 첩 광섬유 격자A(60_1)에서 반사된 광신호는 도 2의 그래프에서와 같이 양의 기울기를 갖는 시간 지연 효과(시간지연A)를 가지게 되고, 이 신호가 다시 음의 시간 지연 기울기(시간지연B)를 갖는 가변 첩 광섬 유 격자B(60_2)에서 반사되면 전체 분산은 0(zero)이 되면서 신호 왜곡은 제거되고 간섭현상의 성능은 증가한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 첩 광섬유 격자에서 구부림 정도에 따른 시간 지연 효과의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4는 변화된 시간 지연 효과에 의해서 유도된 광지연길이를 나타낸 그래프이다.
도 3에 나타난 바와 같이 시간 지연 효과가 첩 광섬유 격자의 구부림 정도에 따라서 효과적으로 변함을 알 수 있다. 즉, 소정의 파장에 대하여 구부림(bending) 정도에 따라 각기 다른 시간 지연을 가진다. 도 4를 참조하면, 시간 지연 효과의 변화에 대해 광지연길이의 변화를 나타낸 것으로 선형적으로 변함을 알 수 있다.
도 5는 슬라이드 글래스를 샘플(sample) 위치에 두고 측정한 단층 촬영에 대한 간섭 신호 결과로서, 고해상도로 영상 촬영이 가능하고 고화질의 영상 정보를 얻을 수 있다.
본 발명의 가변 첩 광섬유 격자 기반 광간섭신호 발생기를 사용한 광단층 촬영 시스템 기술은 광섬유를 사용하기 때문에 크기가 작아 시스템 집적화가 용이하다.
또한, 빛과 가변 첩 광섬유 격자를 이용한 시간 지연 효과를 이용하기 때문에 실제 샘플의 이미지를 촬영할 때 속도가 빨라 실시간 영상 처리 및 관측이 가능하다.
나아가, 해상도 및 분해능이 높으며 복굴절의 영향이 거의 없기 때문에 고스트(ghost) 영상 신호 효과를 제거할 수 있다.

Claims (5)

  1. 광대역폭을 가지는 광신호를 출력하는 광대역 광원;
    상기 광대역 광원으로부터 광신호를 입력받아 가우시안(gaussian) 형태의 스펙트럼으로 변환하는 광필터;
    상기 광필터로부터 광신호를 입력받아 이를 두 개의 신호로 나누어 출력하며, 그 중 제 1 광신호를 단층 촬영하기 위한 샘플로 전달하는 광커플러;
    3개의 포트(port)를 구비하며, 제 1 포트가 상기 광커플러와 연결되어 상기 광커플러에서 출력되는 제 2 광신호를 입력받아 제 2 포트 및 제 3 포트로 전달하고 다시 반사된 제 2 광신호를 상기 광커플러로 출력하는 서큘레이터;
    상기 서큘레이터의 제 2 포트와 연결되고, 일정 격자 주기를 가지며, 상기 제 2 광신호를 입력받아 소정의 시간 지연을 가지고 반사하는 제 1 가변 첩 광섬유 격자; 및
    상기 서큘레이터의 제 3 포트와 연결되고, 상기 제 1 가변 첩 광섬유 격자와 비대칭적인 격자 주기를 가지며, 상기 제 1 가변 첩 광섬유 격자에서 반사된 제 2 광신호를 입력받아 상기 제 1 가변 첩 광섬유 격자와 상보적인 시간 지연을 가지고 반사하는 제 2 가변 첩 광섬유 격자를 포함하며,
    상기 제 2 가변 첩 광섬유 격자에서 반사된 제 2 광신호는 상기 광커플러에서 상기 샘플에서 반사된 제 1 광신호와 간섭현상을 일으키는 것을 특징으로 하는 가변 첩 광섬유 격자 기반 단층 촬영용 광간섭신호 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광커플러에서 발생된 광간섭신호를 입력받아 전기적 신호로 변환하는 광전 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 첩 광섬유 격자 기반 단층 촬영용 광간섭신호 발생기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광대역 광원은,
    슈퍼콘티뉴엄(supercontinuum) 광원, LED(Light Emitting Diode) 광원, 초발광 다이오드(SLD:Super-Luminescent Diode), 솔리톤 광원 및 어븀 첨가 광섬유 광원의 증폭된 자기 발광(ASE:Amplified Spontaneous Emission) 광원 중 어느 하나의 광원인 것을 특징으로 하는 가변 첩 광섬유 격자 기반 단층 촬영용 광간섭신호 발생기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광필터는,
    장주기 및 단주기 광섬유 격자, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 필 터, 패브리-페롯(Fabry-Perot) 필터, 광섬유 루프 필터 및 에탈론 필터 중 어느 하나의 필터인 것을 특징으로 하는 가변 첩 광섬유 격자 기반 단층 촬영용 광간섭신호 발생기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 가변 첩 광섬유 격자의 시간 지연과 상기 제 2 가변 첩 광섬유 격자의 시간 지연의 합은 0(zero)인 것을 특징으로 하는 가변 첩 광섬유 격자 기반 단층 촬영용 광간섭신호 발생기.
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