KR100777002B1 - 간섭광 및 편광을 동시에 이용할 수 있는 복합 방식의광간섭성 단층 촬영 시스템 - Google Patents

간섭광 및 편광을 동시에 이용할 수 있는 복합 방식의광간섭성 단층 촬영 시스템 Download PDF

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케이 이엔지(주)
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Abstract

본 발명에 따라서, 간섭광 및 편광을 동시에 이용할 수 있는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템이 개시된다. 상기 시스템은, 광원으로부터 유입되는 선편광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시켜 샘플에 조사하는 샘플단 모듈과; 상기 광원으로부터 발생된 선편광을 시간차를 두고 반사시켜 돌려 보내는 광지연단 모듈로서, 상기 선편광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시킨 다음 반사하고, 그 반사된 광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시켜 선편광으로 출력하는 광지연단 모듈과; 상기 샘플단 모듈과 광지연단 모듈로부터 반사되어 들어오는 선편광을 그대로 통과시키거나 수평 성분의 선편광 및 수직 성분의 선편광으로 분리한 후 전기 신호로 처리하여 디지털 신호 형태로 출력하는 신호 처리 유닛을 포함한다.

Description

간섭광 및 편광을 동시에 이용할 수 있는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템{COMPLEX-TYPE OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY SYSTEM CAPABLE OF USING INTERFERENCE AND POLARIZED LIGHTS AT THE SAME TIME}
도 1은 종래 기술에 따른 광간섭성 단층 촬영 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 가지 바람직한 실시예에 따른 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시한 시스템에 사용될 수 있는 광원의 구성의 한 가지 예를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 4는 도 2에 도시한 시스템에 사용될 수 있는 샘플단 및 광지연단의 구성의 한 가지 예를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 5는 1/4 파장판과 선편광의 위상 변화 관계를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210: 광원
220: 2×2 분리기
230: 샘플단
234: 1/4 파장판
240: 광지연단
244: 1/4 파장판
250: 신호 처리 유닛
254: 편광 빔 분할기(PBS)
260: 제어 및 디스플레이 유닛
본 발명은 광간섭성 단층 촬영 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 단순히 간섭광만을 이용하는 종래 기술과는 달리 간섭광 외에 편광 효과를 함께 이용하여 상황에 따라 샘플을 더욱 정확하게 분석할 수 있도록 해주는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템에 관한 것이다.
인체 내부에 대한 영상을 취득할 수 있는 의료 장비로서, 엑스레이 촬영기, 자기공명 영상 촬영기(MRI), 컴퓨터 단층 촬영기(CT), 초음파 영상 촬영기 등이 있다.
엑스레이 촬영기는 방사선을 이용하기 때문에, 인체에 해로운 영향을 끼칠 수 있는 단점이 있다.
MRI 및 CT는 규모가 크고 가격이 고가이어서, 일부 대규모 병원 등에서만 제한적으로 이용되고 있어 널리 대중화되기에는 곤란한 단점이 있다. 또한, MRI는 체내 또는 체외에 철재의 의료 재료 또는 기구가 있는 환자의 경우에는 사용하기 어려운 단점이 있다.
초음파 영상 촬영기는 MRI 및 CT에 비해 저가인 반면, 해상도가 떨어지는 단점이 있다.
한편, 최근에는 MRI나 CT보다 구조가 간단하면서도 초음파 영상 촬영기보다 높은 해상도를 제공할 수 있는 광간섭성 단층 촬영 장치(optical coherence tomography; OCT)의 개발이 진행되고 있다.
광간섭성 단층 촬영 장치는 초음파 대신 근적외선(near-infrared radiation; NIR) 파장의 광원을 생체 등 다중 산란 물체에 조사하여, 반사된 근적외선의 세기를 여러 각도에서 측정하여 컴퓨터 신호 처리함으로써 조직의 영상을 얻는 장치이다.
이러한 광간섭성 단층 촬영 장치의 한 가지 예가 도 1에 도시되어 있다. 이하에서는, 도 1을 참조하여, 상기 종래 장치의 구성을 개략적으로 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광간섭성 단층 촬영 장치는 광원(10), 분리기(20), 프로브(30), 레퍼런스 미러(41), 미러 구동부(45), 광검출기(50), 영상 신호 처리 장치(60)를 포함한다.
광원(10)에서 출사되는 광의 파장은 검사 대상체(70) 내에 있는 물체에 대해 낮은 흡수율을 갖고 깊숙이 침투될 수 있는 파장을 적용한다.
예를 들면, 검사 대상체(70)가 인체인 경우 광원(10)은 인체 조직 내에 있는 물, 헤모글로빈, 멜라닌 등에 소량만 흡수될 수 있고, 인체 내부로 깊숙이 침투될 수 있는 800 nm 내지 1300 nm의 파장의 광을 출사하는 광원을 적용하는 것이 바람직하다.
분리기(20)는 광원(10)에서 출사되어 입사된 광을 분할하여 레퍼런스 미러(41)와 프로브(30) 각각으로 출사한다. 또한, 분리기(20)는 프로브(30)와 레퍼런스 미러(41)로부터 입사된 광을 광검출기(50)로 출력한다 (즉, 2×2 분리기). 이러한 분리기(20)로서는 광섬유 커플러가 적용되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 모드(mode) 간의 간섭을 배제하기 위해 분리기(20)용 광섬유 커플러에 적용되는 광섬유(23 내지 26)는 단일 모드 광섬유를 적용한다.
광섬유 커플러를 형성하는 일반적인 방식은 2개의 광섬유를 용융 인장에 의해 형성하는 방식과 측면 연마에 의해 형성하는 방식이 있고, 이러한 방식들은 모두 당업계에 공지되어 있으므로, 추가의 상세한 설명은 생략한다.
이러한 광섬유 커플러는 벌크 타입 분리기에 비해 광학적 정렬이 요구되지 않는 장점이 있다.
분리기(20)로 적용된 광섬유 커플러에서 광이 분할되는 부분을 기준으로 양측으로 각각 연장되는 4개의 광섬유 부분에 대해서 참조 부호 23으로 표기된 부분을 제1 광섬유 터미널, 24로 표기된 부분을 제2 광섬유 터미널, 25로 표기된 부분을 제3 광섬유 터미널, 26으로 표기된 부분을 제4 광섬유 터미널로 명명하여 이하에서 설명한다.
프로브(30)는 분리기(20)의 제1 경로에 해당하는 제2 광섬유 터미널(24)을 통해 전송된 광을 검사 대상체(70)로 조사하고, 검사 대상체(70)로부터 입사된 광을 분리기(20)로 전송할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 프로브(30)는 검사 대상체(70)를 가로지르는 방향으로 광섬유를 이동시킬 수 있도록 구성되어 있다.
레퍼런스 미러(41)는 미러 구동부(45)에 의해 광로를 가변시킬 수 있도록 되어 있으며, 반사율을 높이기 위해 금(Au) 등으로 코팅되어 있는 것이 바람직하다.
참조 부호 43은 분리기(20)에 적용된 광섬유 커플러의 제2 광로를 형성하는 제3 광섬유 터미널(25)을 통해 출사된 광을 평행광으로 변환시키기 위해 적용된 콜리메이팅 렌즈이다.
미러 구동부(45)는 영상 신호 처리 장치(60)의 일부를 구성하는 컴퓨터(65)를 통해 제어된다.
미러 구동부(45)는 레퍼런스 미러(41)를 직선 이송 스테이지를 따라 이송할 수 있게 구축하는 방식, 보이스 코일 또는 갈바노 미터를 이용하여 레퍼런스 미러(41)를 회동시켜 광로 길이를 가변시키는 방식 등과 같이, 다양한 방식을 적용할 수 있다.
광검출기(50)는 분리기(20)로부터 제4 광섬유 터미널(26)을 통해 입사된 광을 수신하고, 수신된 광을 전기적 신호로 변환하여 출력한다.
영상 신호 처리 장치(60)는 증폭기(61), 밴드패스 필터(62), 디모듈레이터(63), A/D 변환기(64) 및 컴퓨터(65)를 포함한다.
증폭기(61)는 광검출기(50)에서 출력되는 신호를 증폭하여 출력하는데, 출력 신호가 미약하지 않을 경우 생략될 수 있다.
밴드패스 필터(62)는 증폭기(61)를 통해 출력된 신호 성분 중 설정된 대역의 신호를 추출하여 출력한다. 밴드패스 필터(62)의 통과 대역은 레퍼런스 미러(41)의 이동 속도와 관련된 도플러 주파수를 고려하여 적절하게 결정하면 된다.
디모듈레이터(63)는 밴드패스 필터(62)를 통과한 신호 성분 중 캐리어 주파수 성분을 제외한 엔벨로프 성분 중 상하로 대칭되는 파형에서 상부 또는 하부의 파형을 출력한다.
A/D 변환기(64)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 기능을 수행한다.
컴퓨터(65)는 입력된 디지털 신호로부터 영상 정보를 생성하여 디스플레이 장치(도시 생략)에 출력한다.
컴퓨터(65)의 기억 장치에는 단층 촬상 드라이버(도시 생략)가 설치되어 있고, 단층 촬상 드라이버는 키보드 또는 마우스와 같은 입력 장치(도시 생략)를 이용하여 단층 촬상 조건을 설정할 수 있는 창과, 설정된 조건에 따라 취득된 신호로부터 처리된 영상을 디스플레이 장치를 통해 디스플레이하는 처리를 수행한다.
컴퓨터(65)는 설정된 단층 촬상 조건에 따라 미러 구동부(45) 및 프로브(30)의 구동을 제어한다.
이러한 종래의 광간섭성 단층 촬영 장치(OCT)는 광의 간섭만을 이용하여 검사 대상체(70), 즉 샘플을 검사하기 때문에 샘플을 분석함에 있어서 한계가 있고, 조직의 층 구조를 선명하게 볼 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 광간섭 현상을 이용하는 OCT에 편광 원리를 적용하여 샘플을 촬상하여 영상으로 출력함으로써, 간섭광에 의한 영상과 편광 원리를 통해 얻어지는 영상 및 이 둘의 영상을 합성하여 얻어지는 영상을 관찰할 수 있도록 하여 샘플을 더욱 정확하게 분석할 수 있는, 광간섭 및 편광 원리를 모두 이용하는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 샘플단 및 광지연단을 조건에 따라 간섭광을 통과시키고 또는 위상 변화를 야기할 수 있는 모듈 형태로 구현하여 보다 단순화된 구조의 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 샘플단 및 광지연단으로부터 반사되어 들어오는 광을 신호 처리하는 장치의 구성을 보다 단순화한 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라, 간섭 효과 및 편광 효과 모두를 이용하여 샘플을 조사할 수 있는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템이 제공되는데, 이 시스템은 선편광을 발생시키는 광원과; 상기 광원으로부터 유입되는 선편광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시켜 샘플에 조사하고, 샘플로부터 반사되어 오는 광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시켜 선편광으로 출력하는 샘플단 모듈과; 상기 광원으로부터 발생된 선편광을 시간차를 두고 반사시켜 돌려 보내는 광지연단 모듈로서, 상기 선편광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시킨 다음 반사 하고, 그 반사된 광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시켜 선편광으로 출력하는 광지연단 모듈과; 상기 샘플단 모듈과 광지연단 모듈로부터 반사되어 들어오는 선편광을 그대로 통과시키거나 수평 성분의 선편광 및 수직 성분의 선편광으로 분리한 후 전기 신호로 처리하여 디지털 신호 형태로 출력하는 신호 처리 유닛과; 상기 광원으로부터 유입되는 선편광을 상기 샘플단 모듈 및 광지연단 모듈에 분배하고, 이들 모듈로부터 반사되어 들어오는 선편광을 상기 신호 처리 유닛으로 출력하는 분리기와; 상기 샘플단 모듈 및 광지연단 모듈을 제어하여, 상기 광원으로부터 상기 분리기를 통해 분배되어 들어오는 선편광을 그대로 통과하도록 하거나 그 위상이 변화하여 통과하도록 하고, 상기 신호 처리 유닛으로부터 들어오는 디지털 신호를 영상 처리하여 그 영상 정보를 디스플레이 장치에 출력하는 컴퓨터 장치를 포함한다.
본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 상기 샘플단 모듈은 상기 분리기로부터 들어오는 선편광을 그대로 투과시키는 축방향 각도 또는 상기 선편광을 원형 편광으로 위상 변화시킬 수 있는 축방향 각도를 갖도록 상기 컴퓨터 장치에 의해 제어되는 제1 1/4 파장판을 포함하고, 상기 광지연단 모듈은 상기 분리기로부터 들어오는 선편광을 그대로 투과시키는 축방향 각도 또는 상기 선편광을 타원 편광으로 위상 변화시킬 수 있는 축방향 각도를 갖도록 상기 컴퓨터 장치에 의해 제어되는 제2의 1/4 파장판을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 1/4 파장판의 축방향 각도는 0°또는 45°가 되도록 상기 컴퓨터 장치에 의해 제어되고, 상기 제2 1/4 파장판의 축방향 각도는 0°또는 22.5°가 되도록 상기 컴퓨터 장치에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 상기 신호 처리 유닛은, 광축을 갖고 있으며, 상기 샘플단 모듈 및 광지연단 모듈로부터 반사되어 상기 분리기를 통해 들어오는 각각의 선편광을 그대로 통과시키거나 수평 선편광 및 수직 선편광으로 분리하는 편광 빔 분할기(PBS)와, 상기 편광 빔 분할기로부터 출력되는 선편광 또는 수평 선평광 및 수직 선편광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광검출기와, 상기 광검출기로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 포함할 수 있다.
본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 상기 컴퓨터 장치는 상기 편광 빔 분할기를 그대로 통과하여 신호 처리된 후 출력된 선편광의 디지털 신호에 의한 영상 정보를 제1 디스플레이부를 통해 출력하고, 상기 편광 빔 분할기를 통과하면서 분리된 수평 선편광 및 수직 선편광의 디지털 신호에 의한 영상 정보를 제2 디스플레이부를 통해 출력할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 컴퓨터 장치는 상기 편광 빔 분할기를 그대로 통과하여 신호 처리된 후 출력된 선편광의 디지털 신호에 의한 영상 정보와, 상기 편광 빔 분할기를 통과하면서 분리된 수평 선편광 및 수직 선편광의 디지털 신호에 의한 영상 정보를 합성하여 제3 디스플레이부를 통해 출력할 수도 있다.
본 발명의 한 가지 실시예에 있어서, 상기 광원은 비(非)가시광선의 적외선을 출력하는 IR 빔과, 상기 IR 빔으로부터 출사되는 광을 샘플의 원하는 부위로 안내하도록 하기 위한 가시광선을 출력하는 가이드빔과, 상기 가이드빔의 전방에 설 치되어 가이드빔으로 출력되는 가시광선을 상기 IR 빔으로부터 출력되는 적외선을 향하여 반사시키는 거울과, 상기 IR 빔의 전방에 설치되어 상기 거울로부터 반사되어 들어오는 가시광선을 상기 자외선의 광로와 일치시키는 분할기와, 상기 분할기로부터 나오는 적외선을 선편광으로 변환하는 편광자를 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조로 한 이하의 본 발명의 바람직한 실시 형태의 상세한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
첨부된 도면을 참조한 이하의 설명에 있어서, 통상적으로 요구되는 공지의 장치 및 그 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 한 가지 바람직한 실시예에 따른 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템의 구성도를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템은 광원(210), 아이솔레이터(ISO)(218), 2×2 분리기(220), 샘플단(230), 광지연단(240), 신호 처리 유닛(250) 및 제어 및 디스플레이 유닛(260)을 포함한다.
광원(210)은 빛을 발생시키는 것으로서, 본 발명에 따르면, 예컨대 1310 nm의 파장과 650 nm 파장의 광을 함께 출사하도록 구성되어 있다. 구체적으로, 도 3에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 광 원(210)은 IR 빔(beam)(211), 가이드 빔(guide beam)(212), 빔 분리기(213), 거울(214), 편광자(215) 및 커넥터(217)를 포함한다.
IR 빔(211)은 인체와 같은 샘플을 분석하기 위한 신호를 만들어 내는 광을 출사하기 위한 것으로서, 예컨대 1310 nm 파장의 광을 출사한다. 이러한 파장의 광은 비(非)-가시광선으로서 체내 깊숙이 침투할 수 있다. 이러한 1310 nm 파장의 광을 발생시키기 위해 SLD(super luminescent diode)를 사용하는 것이 바람직하다. SLD로부터 발생되는 1310 nm 파장의 광은 생체의 대부분을 구성하는 물과 멜라닌 색소, 혈류 속의 헤모글로빈의 흡수 정도를 모두 고려할 때 가장 최적의 조건을 만족하는 파장 대역에 속하는 광이라고 생각된다.
한편, 상기한 바와 같이, IR 빔(211)으로부터 출사되는 광은 비가시광선이기 때문에, 작업자가 본 발명의 시스템을 이용하여 작업을 수행하는 경우, 샘플의 어느 부위에 상기 광이 조사되고 있는지 여부를 확인할 수가 없다. 따라서, 본 발명에 따르면, 작업자가 상기 IR 빔으로부터 출사되는 광의 초점을 맞출 수 있도록, 다시 말하면 그 광을 샘플의 원하는 부위로 안내하도록 하기 위하여 별도의 광원, 즉 가이드 빔(212)이 상기 광원에 설치된다. 따라서, 작업자는 가이드 빔(212)으로부터 출사되는 광을 이용하여 상기 IR 빔으로부터 출사되는 광을 샘플의 원하는 부위에 정확히 초점을 맞추면서 스캔 작업을 수행할 수가 있게 된다.
한편, 본 발명의 상기 실시예에서와 같이, 2개의 광원을 이용하는 경우, 각 광원의 진행 경로가 상이하게 되므로, 이를 조정할 필요가 있다. 이를 위해, 본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 가이드 빔(212)의 전방에 그 빔으로부터 출사되는 광의 경로를 90°바꾸어 주는 거울(214)이 설치되며, 이 거울(214)에서 반사된 광, 즉 가시광선은 IR 빔(211)의 전방에 설치된 빔 분할기(213)에서 다시 그 진행 방향을 바꾸게 되어, IR 빔(211)으로부터 출사되어 빔 분할기(213)를 그대로 통과하는 비가시광선과 같은 경로를 취하게 된다. 빔 분할기(213)의 입장에서 보면, IR 빔으로부터 출사되어 나오는 비가시광선이 빔 분할기를 기준으로 2개의 광으로 나누어지는 것으로 볼 수 있으므로, "빔 분할기"라는 용어를 사용한다.
한편, 결맞음성이 좋은 레이저 광을 사용하여 간섭 효과와 복굴절성을 모두 측정할 수 있도록 상기 빔 분리기(213)로부터 나오는 광을 선편광으로 변환시키기 위하여 편광자(215)가 설치된다.
마지막으로, 참조 부호 217로 나타낸 것은 커넥터, 구체적으로는 섬유 커넥터(fiber connector)를 나타내는데, 이는 광의 손실을 최소화하기 위해 설치된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 참조 부호를 사용하지는 않았지만, 각 구성 요소 사이를 광섬유를 이용하여 연결하고 이를 통해 광을 전달하게 된다. 이러한 연결 부위에서의 광 손실을 최소화하기 위해 섬유 커넥터(217)를 이용하며, 특히 섬유의 복굴절 특성으로 인해 광의 진행 도중 편광 상태의 변화를 막기 위해 저복굴절 섬유를 사용한다.
상기 광원으로부터 출사되어 나오는 광은 2×2 분리기(220)로 진행한다. 이 분리기는 광원(210)으로부터 유입된 광을 샘플단(230)과 광지연단(240)으로 분배시 키고, 다시 상기 샘플단과 광지연단으로부터 반사되어 돌아오는 광을 신호 처리 유닛(250)으로 분배한다. 이때, 실시예에 따라서는, 광원(210)과 분리기(220) 사이에는 아이솔레이터(218)를 설치하여 분리기(220)로부터 광원으로의 광의 유입을 차단할 수 있다. 즉, 아이솔레이터(218)는 샘플단(230)과 광지연단(240)으로부터 반사되어 돌아온 광이 신호 처리 유닛(250)으로만 향하게 하고 광원으로 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다. 물론, 아이솔레이터(218)는 광원으로부터 출사되어 나오는 광은 그대로 투과시킨다.
이하에서는, 샘플단(230)과 광지연단(240)의 구성을 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 4의 (a)를 참조하면, 샘플단(230)은 1/4 파장판(λ/4 plate) 모듈과 프로브(238)를 포함한다. 1/4 파장판 모듈은 렌즈(232, 236)와 1/4 파장판(234)을 포함한다. 렌즈(232)는 분리기(220)로부터 섬유 커넥터(237)를 통해 들어오는 광을 평행광으로 전환시킴과 아울러 1/4 파장판(234)에 집속시키는 역할을 한다. 1/4 파장판(234)은 광의 편광 상태를 변환시켜주는 판으로서, 그 각도는 0°또는 45°로 설정할 수 있도록 구성되어 있다.
도 5를 참조하여, 1/4 파장판과 편광의 관계를 간략하게 설명하면, 편광이 1/4 파장판의 축방향에 대하여 0°의 각도를 두고 들어오면, 아무런 변환 없이 그 편광은 그대로 통과하고, 22.5°의 각도를 두고 들어오면, 1/4 파장판을 통과한 후 타원편광을 형성하고(도 5의 (b) 참조), 45°의 각도를 두고 들어오면 원편광을 형성하는 성질이 있다(도 5의 (a) 참조). 본 발명은 이러한 편광과 1/4 파장판의 관계를 이용하여 모듈을 구성한다.
구체적으로, 상기한 바와 같이 1/4 파장판(234)은 0°또는 45°의 각도로 설정할 수 있도록 구성된다. 즉, 사용자가 컴퓨터를 통해, 상기 1/4 파장판(234)의 각도를 0°로 설정하게 되면, 선편광은 아무런 위상 변화 등을 겪지 않으면서 1/4 파장판(234)을 그대로 통과하게 되고, 따라서 통상의 광간섭을 통한 샘플의 영상을 획득할 수 있다. 그러나, 사용자가 1/4 파장판(234)을 45°의 각도로 설정한 경우에, 도시한 것과 같은 수직 선편광이 1/4 파장판(234)을 통과하면 원편광으로 변환되고, 이 원편광은 위상 변화, 즉 거의 완전 반사를 시키는 거울과 달리, 생체 조직과 같은 샘플에 충돌을 하게 되면 원편광으로 반사되는 것이 아니라, 통상 타원 편광으로 위상 변화를 겪게 된다. 이러한 타원 편광이 상기 45°의 1/4 파장판(234)을 다시 통과하면, 타원 편광에 대응되는 각을 갖는 선편광으로 변환된다.
1/4 파장판(234)을 통과한 편광은 렌즈(232)와 동일한 기능을 수행하는 렌즈(236)를 통과하여 집속된 후 섬유 커넥터(237)를 통해 프로브(238)로 전달된다. 섬유 커넥터에 대해서는 광원(210)과 관련하여 상기한 바와 동일하므로, 그 중복되는 설명은 생략한다. 프로브(238)는 광원(210)으로부터 발생된 광을 샘플에 조사하고, 샘플로부터 반사되어 들어오는 광을 1/4 파장판 모듈로 전송할 수 있도록 구성되어 있다.
한편, 도 4의 (b)에 도시되어 있는 바와 같이, 광지연단(240)은 샘플단(230)과 유사한 구성으로 되어 있다. 즉, 광지연단(24)은 1/4 파장판 모듈을 포함하고 있는데, 이 모듈은 렌즈(242, 246), 1/4 파장판(244)을 포함하며, 광섬유와의 연결부위에 섬유 커넥터(247)가 장착되어 있다. 본 발명에 따르면, 1/4 파장판(244)은 샘플단(230)의 1/4 파장판(234)과는 달리 0°또는 22.5°의 각도로 설정될 수 있게 구성되어 있다. 즉, 1/4 파장판(244)은 샘플단(230)의 1/4 파장판(234)과 달리 반사되어 나오는 광의 편광 상태를 45°선편광으로 만들어 주기 위한 것으로서, 그림과 같이 수직 편광이 22.5°의 1/4 파장판(244)을 통과하게 되면 타원 편광이 되고 그 타원 편광이 거울(도시 생략)에서 반사된 후 다시 1/4 파장판(244)를 통과하면 수평 방향 및 수직 방향으로의 벡터 크기가 동일한 45°선편광으로 변환된다. 물론, 1/4 파장판(244)을 0°로 설정하여 주면, 광은 아무런 위상 변화 없이 그 파장판을 통과하게 되며, 이는 1/4 파장판(234)에 대해 설명한 것과 같다.
한편, 도면 부호 248로 표시한 것은 종래 기술에서의 레퍼런스 미러와 미러 구동부 등을 포함하는 유닛을 나타낸다.
샘플단(230) 및 광지연단(240)으로부터의 광, 보다 구체적으로는 각각의 1/4 파장판 모듈로부터 나오는 선편광은 분리기(220)를 거쳐 신호 처리 유닛(250)으로 공급된다. 한편, 광원(210)과 분리기(220)와 샘플단(230)과 광지연단(240)과 신호 처리 유닛(250)은 광섬유로 연결되어 있으며, 신호 처리 유닛(250)의 내부에서도 광섬유가 각 구성 요소를 상호 연결하고 있다.
신호 처리 유닛(250)은 샘플단(230)과 광지연단(240)을 통해 반사된 선편광을 전기 신호로 처리하기 위한 구성 요소로서, 콜리메이팅 렌즈(252), 편광 빔 분할기(Polarization Beam Splitter; PBS)(254), 광검출기(255a, 255b), 증폭기(256a, 256b) 및 A/D 컨버터(258)를 포함한다.
콜리메이팅 렌즈(252)는 분리기(220)로부터 출사되어 나오는 광을 평행광으로 바꾸어 PBS(254)로 안내하는 역할을 한다.
PBS(254)는 유입되는 광을 분리하는 역할을 한다. 즉, PBS(254) 역시 상기 1/4 파장판(234, 244)과 마찬가지로 광축을 갖고 있다. 따라서, PBS(254)의 광축에 대해 45°선편광이 들어오면 그 선편광은 PBS(254)에 의해 동일 벡터 크기의 수평 및 수직 성분으로 분리된다. 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 1/4 파장판(234, 244)이 각각 45°및 22.5°의 각도로 설정되어 있다면, 광지연단으로부터 반사되어 분리기(220)를 통과하여 PBS(254)로 유입되는 광은 45°선편광이 된다. 이 선편광은 PBS(254)를 통과하면서 동일 벡터 크기의 수평 및 수직 성분으로 분리된다. 한편, 샘플단(230)으로부터 반사되어 분리기(220)를 통과하여 PBS(254)로 유입되는 광은 타원편광에 대응되는 소정의 각을 갖는 선편광이다. 이 선편광은 PBS(254)를 통과하면서 임의 크기의 수평 및 수직 성분으로 분리된다. 이와 같이 분리된 선편광들의 수평 선편광 및 수직 선편광은 각각 별도로 광검출기(255a, 255b)로 공급되게 된다. 다시 말하면, 샘플단(230) 및 광지연단(240)으로부터 반사되어 나오는 각각의 선편광은 PBS(254)를 통과하면서 수평 성분 및 수직 성분으로 각각 분리된 후, 예컨대 수평 성분의 선편광들은 광검출기(255a)로 수직 성분의 선편광들은 광검출기(255b)로 들어가게 된다.
한편, 1/4 파장판(234, 244)이 0°로 설정되어 있는 경우에는, 광원(210)으로부터 발생되는 선편광은 아무런 위상 변화 없이 샘플단과 광지연단으로 입사되고 반사되어 나온다. 이러한 선편광은 수평 상태의 선편광이든 수직 상태의 선편광이든 PBS(254)의 광축에 대해 동일 또는 90°차이가 나기 때문에, 두 성분으로 분할되는 일이 없이 그대로 PBS를 통과하고, 따라서 통상의 간섭 효과에 따른 영상을 획득할 수 있게 된다.
광검출기(255a, 255b)는 PBS(254)를 통해 수신된 선편광을 수신하고 그 수신된 광을 전기 신호로 변환하여 출력시키는 역할을 하는 것으로서, 샘플단(230)으로부터 유래되는 선편광 및 광지원단(240)으로부터 유래되는 선편광이 PBS(254)를 통과하면서 나뉘어진 수평 및 수직 성분의 선편광, 또는 PBS를 그대로 통과한 선편광을 수신하여 각각 전기 신호로 전환시킨다. 광검출기(255a, 255b)로부터 출력되는 신호는 증폭기(256a, 256b)를 통과하면서 증폭되어 A/D 컨버터(258)로 공급된다. 상기 증폭기는 광검출기로부터 출력되는 신호가 미약하지 않은 경우 생략할 수도 있다.
A/D 컨버터(258)는 상기 증폭기를 통과한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변 환하여 컴퓨터(262)로 공급한다.
한편, 도 1을 참고하여 종래 기술과 관련하여 설명한 바와 같이, 상기 광검출기(255a, 255b)와 A/D 컨버터(258) 사이에는 밴드패스 필터, 디모듈레이터 등을 설치할 수도 있다.
한편, 상기한 바와 같이 선편광에 의한 신호를 생성하는 신호 처리 유닛(250)은 제어 및 디스플레이 유닛(260)에 연결되어, 상기 신호를 사용자에게 디스플레이한다.
도시한 바와 같이, 제어 및 디스플레이 유닛(260)은 신호 처리 유닛(250)과 연결되어 상기한 샘플단(230)과 광지연단(240)을 제어하고 영상 정보를 출력하는 역할을 하며, 컴퓨터 장치(262)와 디스플레이 장치(264)를 포함할 수 있다.
컴퓨터 장치(262)는 샘플단(230) 및 광지연단(240) 등에 연결되어 사용자가 이들을 각각 제어할 수 있도록 해주고, 또 사용자가 원하는 바에 따라 단순히 간섭광만을 이용할지 또 편광도 함께 이용하여 영상을 획득할 수 있도록 해준다.
디스플레이 장치(264)는 컴퓨터(262)에 연결되어 컴퓨터(264)에 입력된 신호를 영상으로 출력한다. 이때, 도면에 도시한 바와 같이, 제어 및 디스플레이 유닛(260)은 간섭 효과를 이용하여 얻어지는 영상을 디스플레이하는 제1 디스플레이부(264a), 편광 효과를 이용하여 얻어지는 영상을 디스플레이하는 제2 디스플레이부(264b), 이들 효과를 혼합하여 얻어지는 영상을 디스플레이하는 제3 디스플레이 부(264c)를 포함하며, 이때 제3 디스플레이부는 제1 및 제2 디스플레이부와 독립적으로 구성될 수도 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 즉, 먼저 사용자가 간섭 효과를 이용하여 샘플을 검사하고자 하는 경우, 사용자는 먼저 컴퓨터(262)를 통해 샘플단(230)과 광지연단(240)의 1/4 파장판(234, 244)의 각도를 0°로 설정한다. 상기한 바와 같이, 1/4 파장판의 각도가 0°이면 광원(210)으로부터 나오는 선편광은 아무런 위상 변화 없이 그 1/4 파장판을 그대로 통과하고, 또 PBS(254)를 통과할 때에도 수평 상태이든 수직 상태이든지 PBS의 광축과 동일 또는 90°차이가 나기 때문에, 두 성분으로 나뉘어지지 않고 한 성분으로 출사되어 광검출기(255a 또는 255b)로 들어가 전기 신호로 변환된 후 영상 처리가 되어 제1 디스플레이부(264a)에서 디스플레이된다.
한편, 편광 효과를 이용하여 샘플을 검사하고자 하는 경우, 사용자는 먼저 컴퓨터(262)를 통해 샘플단(230)과 광지연단(240)을 제어하여, 1/4 파장판(234)의 각도를 45°로 설정하고, 1/4 파장판(244)의 각도를 22.5°로 설정한다. 이와 같은 방식으로, 1/4 파장판(234, 244)의 각도가 설정되면, 광원(210)으로부터 나오는 선편광은 분리기(220)를 통과한 후 그 일부가 1/4 파장판(234)을 통과하면서 원편광으로 되고 샘플에 충돌하면서 타원 편광으로 위상이 변화된 후 다시 1/4 파장판(234)을 통과하여 타원 편광에 대응되는 각을 갖는 선편광(이하, 편의상 제1 선 편광이라 한다)으로 변화된다.
한편, 분리기(220)를 통과한 선편광의 나머지 일부는 1/4 파장판(244)을 통과한 후 거울(도시 생략)에서 반사되어 다시 1/4 파장판을 통과하여 45°선편광, 즉 수직 성분과 수평 성분의 벡터 크기가 동일한 선편광(이하, 편의상 제2 선편광이라 한다)으로 변화된다.
상기 제1 선편광 및 제2 선편광은 PBS(254)의 광축에 대해 소정의 각도로 그 PBS에 입사하기 때문에, 각각 수평 성분 및 수직 성분으로 나뉘어진다. 이때 제2 선편광은 45°선편광이기 때문에 PBS를 통과한 후 동일한 크기의 수평 성분 및 수직 성분의 선편광으로 분리된다. 이와 같이 나뉘어진 제1 선편광의 수평 성분 및 제2 선편광의 수평 성분, 제1 선편광의 수직 성분 및 제2 선편광의 수직 성분은 각각 광검출기(255a, 255b)로 입사하여 전기 신호로 변환되어 영상 처리된 후, 최종적으로 제2 디스플레이부(264b)에 디스플레이된다.
한편, 사용자는 약간의 시간차를 두고 전술한 것과 같은 두 과정, 즉 간섭 효과를 이용한 영상 처리 및 편광 효과를 이용한 영상 처리를 수행할 수 있다. 이러한 경우에는, 간섭광을 이용하여 얻어지는 전기 신호 및 편광 효과를 이용하여 얻어지는 전기 신호가 혼합 영상 처리되어 제3 디스플레이부(264c)를 통해 디스플레이된다.
이처럼, 간섭광을 이용하여 얻어지는 영상, 편광을 이용하여 얻어지는 영상, 간섭광 및 편광을 시차를 두고 이용하여 얻어지는 영상을 하나의 시스템을 통해 한 번에 디스플레이할 수 있으므로, 간섭광만을 이용한 단층 촬영 장치와 비교하여 더욱 용이하고 정확하게 샘플을 분석할 수가 있다.
이상, 본 발명의 구성을 바람직한 실시예를 참고하여 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 후술하는 특허청구범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 수정, 변형될 수 있다는 점에 유의하여야 한다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 등가물에 의해서만 제한된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템에 따르면, 광간섭 원리 외에 편광 원리를 적용하여 샘플을 촬상하여 영상으로 출력함으로써, 샘플을 더욱 정확하게 분석할 수 있다.
또한, 상기 광간섭 원리 및 편광 원리를 모듈 형태의 구성으로 구현함으로써 구조의 복잡성을 야기하지 않으면서도 하나의 시스템으로 광간섭 및 편광에 의한 샘플 분석을 수행할 수 있다.

Claims (7)

  1. 선편광을 발생시키는 광원과;
    상기 광원으로부터 유입되는 선편광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시켜 샘플에 조사하고, 샘플로부터 반사되어 오는 광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시켜 선편광으로 출력하는 샘플단 모듈과;
    상기 광원으로부터 발생된 선편광을 시간차를 두고 반사시켜 돌려 보내는 광지연단 모듈로서, 상기 선편광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시킨 다음 반사하고, 그 반사된 광을 그대로 투과시키거나 위상 변화시켜 선편광으로 출력하는 광지연단 모듈과;
    상기 샘플단 모듈과 광지연단 모듈로부터 반사되어 들어오는 선편광을 그대로 통과시키거나 수평 성분의 선편광 및 수직 성분의 선편광으로 분리한 후 전기 신호로 처리하여 디지털 신호 형태로 출력하는 신호 처리 유닛과;
    상기 광원으로부터 유입되는 선편광을 상기 샘플단 모듈 및 광지연단 모듈에 분배하고, 이들 모듈로부터 반사되어 들어오는 선편광을 상기 신호 처리 유닛으로 출력하는 분리기와;
    상기 샘플단 모듈 및 광지연단 모듈을 제어하여, 상기 광원으로부터 상기 분리기를 통해 분배되어 들어오는 선편광을 그대로 통과하도록 하거나 그 위상이 변화하여 통과하도록 하고, 상기 신호 처리 유닛으로부터 들어오는 디지털 신호를 영상 처리하여 그 영상 정보를 디스플레이 장치에 출력하는 컴퓨터 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 샘플단 모듈은 상기 분리기로부터 들어오는 선편광을 그대로 투과시키는 축방향 각도 또는 상기 선편광을 원형 편광으로 위상 변화시킬 수 있는 축방향 각도를 갖도록 상기 컴퓨터 장치에 의해 제어되는 제1 1/4 파장판을 포함하고, 상기 광지연단 모듈은 상기 분리기로부터 들어오는 선편광을 그대로 투과시키는 축방향 각도 또는 상기 선편광을 타원 편광으로 위상 변화시킬 수 있는 축방향 각도를 갖도록 상기 컴퓨터 장치에 의해 제어되는 제2의 1/4 파장판을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 1/4 파장판의 축방향 각도는 0°또는 45°가 되도록 상기 컴퓨터 장치에 의해 제어되고, 상기 제2 1/4 파장판의 축방향 각도는 0°또는 22.5°가 되도록 상기 컴퓨터 장치에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 처리 유닛은,
    광축을 갖고 있으며, 상기 샘플단 모듈 및 광지연단 모듈로부터 반사되어 상기 분리기를 통해 들어오는 각각의 선편광을 그대로 통과시키거나 수평 선편광 및 수직 선편광으로 분리하는 편광 빔 분할기(PBS)와,
    상기 편광 빔 분할기로부터 출력되는 선편광 또는 수평 선평광 및 수직 선편 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광검출기와,
    상기 광검출기로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 컴퓨터 장치는 상기 편광 빔 분할기를 그대로 통과하여 신호 처리된 후 출력된 선편광의 디지털 신호에 의한 영상 정보를 제1 디스플레이부를 통해 출력하고, 상기 편광 빔 분할기를 통과하면서 분리된 수평 선편광 및 수직 선편광의 디지털 신호에 의한 영상 정보를 제2 디스플레이부를 통해 출력하는 것을 특징으로 하는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 컴퓨터 장치는 상기 편광 빔 분할기를 그대로 통과하여 신호 처리된 후 출력된 선편광의 디지털 신호에 의한 영상 정보와, 상기 편광 빔 분할기를 통과하면서 분리된 수평 선편광 및 수직 선편광의 디지털 신호에 의한 영상 정보를 합성하여 제3 디스플레이부를 통해 출력하는 것을 특징으로 하는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 광원은 비(非)가시광선의 적외선을 출력하는 IR 빔과, 상기 IR 빔으로부터 출사되는 광을 샘플의 원하는 부위로 안내하도록 하기 위한 가시광선을 출력하는 가이드빔과, 상기 가이드빔의 전방에 설치되어 가이드빔으 로 출력되는 가시광선을 상기 IR 빔으로부터 출력되는 적외선을 향하여 반사시키는 거울과, 상기 IR 빔의 전방에 설치되어 상기 거울로부터 반사되어 들어오는 가시광선을 상기 자외선의 광로와 일치시키는 분할기와, 상기 분할기로부터 나오는 적외선을 선편광으로 변환하는 편광자를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 방식의 광간섭성 단층 촬영 시스템.
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