KR101080376B1

KR101080376B1 - System and method for generating image using interferometer

Info

Publication number: KR101080376B1
Application number: KR1020090038322A
Authority: KR
Inventors: 이병하; 최우준; 나지훈; 최해룡
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2011-11-04
Also published as: KR20100119288A

Abstract

본 발명은 광학 간섭계를 이용하여 시료의 이미지를 생성하는 시스템과 그 방법을 개시한다. 본 발명은 광을 발생시키는 광원; 광원을 점멸 구동시키는 광원 변조부; 광원 점멸에 따라 발생된 광을 기준단과 시료가 구비된 샘플단으로 분배시키는 광 분배부; 기준단을 이송시키는 기준단 이송부; 및 기준단이 이송될 때마다 분배된 광이 기준단과 샘플단으로부터 반사된 뒤 광 분배부에서 재결합되면 재결합된 광으로부터 검출되는 간섭 이미지를 검출하는 이미지 획득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 시스템을 제공한다. 본 발명에 따르면, 단축을 통하여 연속적으로 스캔하는 것이 가능하며, 기준단을 이송시키는 장치를 통해 고속으로 3차원 이미징을 구현할 수 있다. 또한, 이미징을 통해 획득된 이미지의 해상도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.The present invention discloses a system and method for generating an image of a sample using an optical interferometer. The present invention provides a light source for generating light; A light source modulator driving the light source to blink; A light distribution unit for distributing the light generated by the light source flickering to the sample stage including the reference stage and the sample; A reference stage transfer unit for transferring the reference stage; And an image acquisition unit for detecting an interference image detected from the recombined light when the distributed light is reflected from the reference end and the sample end and then recombined in the light distribution unit each time the reference end is transferred. to provide. According to the present invention, it is possible to continuously scan through a short axis, and can realize three-dimensional imaging at high speed through an apparatus for transferring a reference stage. In addition, it is possible to prevent the resolution of an image obtained through imaging from being lowered.

간섭계, 3차원 이미지, OCT, 가간섭성, 연속 스캔, 광 점멸 Interferometer, 3D image, OCT, Coherence, Continuous Scan, Light Blinking

Description

System and method for generating image using interferometer {System and method for generating image using interferometer}

본 발명은 간섭계를 이용한 이미지 생성 시스템과 그 방법 및 상기 방법을 구현하는 프로그램이 기록된 기록매체에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광학 간섭계(optical interferometer)를 이용하여 시료의 이미지를 생성하는 시스템과 그 방법 및 상기 방법을 구현하는 프로그램이 기록된 기록매체에 관한 것이다.The present invention relates to an image generating system using an interferometer, a method thereof, and a recording medium on which a program for implementing the method is recorded. More particularly, the present invention relates to a system for generating an image of a sample using an optical interferometer, a method thereof, and a recording medium on which a program for implementing the method is recorded.

시료의 표면은 대체로 육안으로 직접 확인할 수 있으며, 시료의 크기가 매우 작은 경우에도 현미경을 사용하여 확인할 수가 있다. 그러나, 시료를 절개시키지 않고서는 이러한 방법으로 시료의 내부를 확인하는 것이 거의 불가능하다. 그래서, 종래에는 시료의 절개나 접촉 없이 시료의 내부를 확인하고자 하는 경우 OCT(Optical Coherence Tomography)를 통하여 얻은 이미지 정보를 활용하였다.The surface of the sample can generally be directly identified with the naked eye, and even when the sample size is very small, it can be confirmed by using a microscope. However, it is almost impossible to identify the inside of the sample in this way without cutting the sample. Thus, in the related art, in order to check the inside of a sample without cutting or contacting the sample, image information obtained through optical coherence tomography (OCT) was used.

OCT는 광의 가간섭성(coherent)을 이용하는 광 결맞음 단층 촬영 기법으로서, 광대역 광원을 이용하여 시료에 대해 단층 촬영을 수행하며 이로부터 시료에 대한 3차원 표면 형상이나 내부 구조를 획득한다. 종래 일반적인 OCT 이미징 기술은 빔 주사 방향의 개수에 따라 시간 영역 OCT(TD-OCT: Time Domain OCT)와 주파수 영역 OCT(FD-OCT: Frequency Domain OCT)로 구분된다.OCT is an optical coherence tomography technique using coherent light, which performs tomography on a sample using a broadband light source and obtains a three-dimensional surface shape or internal structure of the sample from the sample. Conventional OCT imaging technology is classified into a time domain OCT (TD-OCT) and a frequency domain OCT (FD-OCT) according to the number of beam scanning directions.

시간 영역 OCT는 기준단 미러(mirror)를 연속적으로 이송시켜 시료의 깊이별 1차원 정보를 획득한 후 두 축 방향(X, Y)으로 빔을 주사시켜 최종적으로 시료의 3차원 정보를 획득한다. 반면, 주파수 영역 OCT는 기준단의 움직임 없이 두 축 방향에서의 기계적인 스캔을 이용하여 시료에 대한 3차원 이미징을 구현한다. 그러나, 시간 영역 OCT와 주파수 영역 OCT는 스캔 방식이 비효율적이며 고속 단층 이미징이 어려운 문제점이 있다.The time domain OCT continuously transfers a reference mirror to obtain one-dimensional information of each sample depth, and then scans beams in two axial directions (X, Y) to finally obtain three-dimensional information of the sample. Frequency-domain OCT, on the other hand, implements three-dimensional imaging of samples using mechanical scans in two axial directions without movement of the reference stage. However, the time domain OCT and the frequency domain OCT have problems in that the scanning method is inefficient and high-speed tomography imaging is difficult.

최근 들어 상기한 문제점을 해결하는 수단으로 전역 OCT(FF-OCT: Full-Field OCT)가 각광받고 있다. 전역 OCT는 시료에 대한 깊이 방향의 단축(Z축) 스캔만으로도 3차원 이미징을 구현할 수 있어 스캔 방식이 효율적이며 고속 단층 이미징이 가능하다. 그러나, 전역 OCT는 시간 영역 OCT나 주파수 영역 OCT와 마찬가지로 비디오 레이트(video rate) 수준의 고속 3차원 형상 정보를 구현하는 것이 매우 어렵다는 문제점이 있다.Recently, global OCT (FF-OCT: Full-Field OCT) has been in the spotlight as a means to solve the above problems. Global OCT enables three-dimensional imaging with only short-axis (Z-axis) scans of samples, resulting in efficient scanning and high-speed tomography imaging. However, global OCT has a problem in that it is very difficult to implement fast three-dimensional shape information at the video rate level, similar to time-domain OCT and frequency-domain OCT.

전역 OCT는 시료의 특정 깊이에 대한 2차원 단층 정보를 얻기 위해 위상 천이된 복수개의 간섭 이미지를 이용한다. 간섭 신호의 위상 변조는 기준단 미러를 미세하게 왕복 이송시킴으로써 이루어지는데, 위상 천이가 발생되는 시간만큼은 시료의 위치가 고정되어 있어야 한다. 즉, 전역 OCT는 3차원 이미징을 위한 깊이별 2차원 이미지를 획득하기 위해 샘플 스테이지의 이송-정지-이송을 반복하는 단계 적(step-by-step) 스캔 방식을 취한다. 이로 인하여 전역 OCT는 고속으로 3차원 이미징을 구현하는 것이 거의 불가능하다. 또한, 촌각(寸刻)으로 생체 내부 조직 간에 움직임 변화가 발생하는 생물을 시료로써 이미징할 경우, 전역 OCT의 이러한 불연속적인 저속 스캔 방식은 획득된 이미지의 해상도를 현격하게 저하시킨다. 또한, 실시간적으로 변하는 시료의 매커니즘(mechanism)을 포착할 수 없다. 또한, 실시간 계측을 통해 결과를 도출하는 산업용 검측 방식으로 적용하는 것도 불가능하다.Global OCT uses a plurality of phase shifted interference images to obtain two-dimensional tomographic information about a particular depth of a sample. The phase modulation of the interference signal is achieved by finely reciprocating the reference mirror, and the position of the sample must be fixed for the time when the phase shift occurs. That is, the global OCT takes a step-by-step scan method of repeating the transfer-stop-transfer of the sample stage to obtain a depth-specific two-dimensional image for three-dimensional imaging. This makes global OCT almost impossible to achieve three-dimensional imaging at high speed. In addition, when imaging specimens in which movement changes occur between living tissues at a slant angle as a sample, this discontinuous low-speed scanning method of the global OCT significantly reduces the resolution of the acquired image. In addition, it is not possible to capture the mechanism of the sample that changes in real time. In addition, it is not possible to apply it as an industrial detection method that derives results through real-time measurement.

한편, 상기한 문제점을 극복하기 위해서 단축 연속 스캔 방식을 이용한 OCT 이미징 기술이 제안되고 있다. S. Bouquin이 제안한 3차원 이미징 기술에 따르면, 이미지 처리용 모듈이 내재된 실리콘 칩 어레이(array)를 검광기로 이용함으로써 주화(coin)에 대한 3차원 이미징을 횡방향 스캔 없이 구현할 수 있다. 그러나, 이 기술은 칩을 설계하고 제작하는 과정이 매우 복잡하고 칩 내의 어레이 픽셀 사이즈가 매우 크며 그 개수가 제한되기 때문에 축상 분해능이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 이미지 감도가 60dB 이하이기 때문에 생물학적 샘플을 이미징한다는 것이 거의 불가능하다.On the other hand, in order to overcome the above problems, OCT imaging technology using a uniaxial continuous scan method has been proposed. According to the three-dimensional imaging technology proposed by S. Bouquin, three-dimensional imaging of coins can be realized without transverse scanning by using an array of silicon chips with an image processing module as an analyzer. However, this technique has a problem in that axial resolution is poor because the process of designing and manufacturing the chip is very complicated, the array pixel size in the chip is very large, and the number thereof is limited. In addition, imaging the biological sample is nearly impossible because the image sensitivity is 60 dB or less.

한편, 위상천이기법과 단축 연속 스캔을 이용한 고속의 생물학적 샘플 이미징이 보고된 바 있다. M. Akiba, K. P. Chan, N. Tanno 등이 2003년 5월 "Optics Letters, Volume 28, Issue 10, pp. 816-818"을 통해 공개한 "Full-field optical coherence tomography by two-dimensional heterodyne detection with a pair of CCD cameras" 논문에 따르면, 한쌍의 동일한 CCD(Charge Coupled Device)와 LCS(Liquid Crystal Shifter)를 이용하여 한장의 간섭 이미지와 광학적으로 90도 위상 지연된 간섭 이미지를 동시에 획득한 후 산술 계산을 통해 시료에 대한 단층 정보를 얻음으로써 3차원 이미징을 구현한다. 그러나, 이 방법은 한쌍의 CCD에 대한 고정도의 상호 광정렬, 간섭 신호 검출의 동기화 등을 구현하는 데에 기술적 어려움이 있다. 한편, 이 방법은 획득된 간섭 신호의 백그라운드 잡음(background noise)을 제거시키기 위해 미리 저장되어 있는 현미경 이미지를 이용한다. 그런데, 이 방법은 기준단을 이송시킬 때에 이송축과 광축의 평행성이 보장되고 시료 내부 산란체의 균일한 광 분포를 가정해야만 이상적인 DC 제거가 가능하다. 따라서, 이 방법으로는 완전하게 DC 신호를 제거한다는 것이 불가능하다.On the other hand, fast biological sample imaging using phase shifter and uniaxial continuous scan has been reported. Full-field optical coherence tomography by two-dimensional heterodyne detection with M. Akiba, KP Chan and N. Tanno et al. Published in May 2003 in "Optics Letters, Volume 28, Issue 10, pp. 816-818". a pair of CCD cameras ", a pair of identical Charge Coupled Devices (CCD) and Liquid Crystal Shifter (LCS) are used to simultaneously acquire a single interference image and an optically 90-degree phase delayed interference image. Three-dimensional imaging is realized by obtaining tomographic information about the sample. However, this method has technical difficulties in implementing high-precision mutual optical alignment, synchronization of interference signal detection, and the like for a pair of CCDs. On the other hand, this method uses a pre-stored microscope image to remove background noise of the obtained interference signal. In this method, however, the parallelism between the feed axis and the optical axis is ensured when the reference stage is transferred, and the ideal DC removal is possible only by assuming a uniform light distribution of the scatterer inside the sample. Therefore, it is impossible to completely remove the DC signal with this method.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 간섭계를 구성하는 기준단과 샘플단 간의 광경로 차이에 따라 발생하는 간섭광의 세기 변화를 고려하여 광점멸을 수행하며 광점멸을 통한 광원 변조를 기반으로 3차원 이미징을 구현하는 이미지 생성 시스템과 그 방법 및 상기 방법을 구현하는 프로그램이 기록된 기록매체를 제공함을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problem, and performs light blinking in consideration of the change in intensity of interference light caused by the difference in light paths between the reference stage and the sample stage constituting the interferometer, and is based on light source modulation through light blinking. It is an object of the present invention to provide a recording medium on which an image generation system for implementing three-dimensional imaging, a method thereof, and a program for implementing the method are recorded.

또한, 본 발명은 중심파장이 동일한 광원을 구비하는 다른 간섭계를 이용하여 광원 변조 신호를 실시간으로 보정시키는 이미지 생성 시스템과 그 방법 및 상기 방법을 구현하는 프로그램이 기록된 기록매체를 제공함을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide an image generating system for correcting a light source modulated signal in real time using another interferometer having a light source having the same center wavelength, and a method and a recording medium on which a program for implementing the method is recorded. .

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 광을 발생시키는 광원; 상기 광원을 점멸 구동시키는 광원 변조부; 상기 광원 점멸에 따라 발생된 광을 기준단과 시료가 구비된 샘플단으로 분배시키는 광 분배부; 상기 기준단을 이송시키는 기준단 이송부; 및 상기 기준단이 이송될 때마다 상기 분배된 광이 상기 기준단과 상기 샘플단으로부터 반사된 뒤 상기 광 분배부에서 재결합되면 상기 재결합된 광으로부터 검출되는 간섭 이미지를 검출하는 이미지 획득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 시스템을 제공한다.The present invention has been made to achieve the above object, a light source for generating light; A light source modulator driving the light source to blink; A light distribution unit for distributing the light generated by the flashing of the light source to a sample stage having a reference stage and a sample; A reference stage transfer unit for transferring the reference stage; And an image acquiring unit which detects an interference image detected from the recombined light when the distributed light is reflected from the reference end and the sample end and then recombined in the light distribution unit whenever the reference end is transferred. An image generating system is provided.

바람직하게는, 상기 이미지 생성 시스템은 상기 광원 변조부의 상기 광원 점멸 신호 생성을 제어하는 광원 변조 제어 장치를 더 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 광원 변조부는 상기 광원 변조 제어 장치의 구동에 따라 추정된 도플러 주파수로 상기 광원을 점멸 구동시킨다.Preferably, the image generating system further comprises a light source modulation control device for controlling the light source flashing signal generation of the light source modulator. More preferably, the light source modulator flickers the light source at the Doppler frequency estimated according to the driving of the light source modulation controller.

바람직하게는, 상기 광원 변조 제어 장치는 광을 발생시키는 광 발생부; 상기 광 발생부로부터 발생된 광을 고정된 제1 반사부와 상기 기준단 이송부에 장착된 제2 반사부로 분할시키는 광 분할부; 및 상기 분할된 광이 상기 제1 반사부와 상기 제2 반사부로부터 반사된 뒤 상기 광 분할부에서 재결합되면 상기 재결합된 광을 검출하여 상기 광원 변조부에 제공시키는 광 검출부를 포함한다.Preferably, the light source modulation control device includes a light generating unit for generating light; A light splitting unit dividing the light generated from the light generating unit into a fixed first reflecting unit and a second reflecting unit mounted to the reference stage transfer unit; And a light detector that detects the recombined light and provides it to the light source modulator when the split light is reflected from the first reflector and the second reflector and then recombined by the light splitter.

더 바람직하게는, 상기 광 발생부는 상기 광원이 발생시키는 광과 중심파장이 일치하는 광을 발생시킨다. 또는, 상기 광원 변조 제어 장치는 상기 광 발생부와 상기 광 분할부 사이에 위치하며 상기 광 발생부로부터 발생된 광을 단일 파장 평형광으로 변환시키는 라인 필터링부를 더 포함한다.More preferably, the light generating unit generates light whose center wavelength is identical to the light generated by the light source. The light source modulation control apparatus may further include a line filtering unit positioned between the light generating unit and the light splitting unit and converting light generated from the light generating unit into single wavelength balanced light.

바람직하게는, 상기 이미지 생성 시스템은 상기 검출된 간섭 이미지를 기반으로 상기 시료의 3차원 이미지를 생성하는 3차원 이미지 생성 장치를 더 포함한다.Preferably, the image generating system further comprises a three-dimensional image generating apparatus for generating a three-dimensional image of the sample based on the detected interference image.

바람직하게는, 상기 이미지 획득부는 상기 광원의 점멸 또는 상기 기준단의 이송에 따라 연속적으로 획득된 상기 간섭 이미지들 간의 차이를 고려하여 포락선 성분을 추출하는 포락선 성분 추출부; 및 상기 추출된 포락선 성분을 병합하여 상기 시료의 단층에 대한 정보를 생성하는 단층 정보 생성부를 포함한다.Preferably, the image obtaining unit comprises: an envelope component extracting unit extracting an envelope component in consideration of the difference between the interference images continuously acquired according to the blinking of the light source or the transfer of the reference stage; And a tomography information generating unit for generating information on the tomography layer of the sample by merging the extracted envelope components.

또한, 본 발명은 광을 발생시키는 광 발생부와, 상기 광 발생부로부터 발생된 광을 고정된 제1 반사부와 기준단과 함께 이송되는 제2 반사부로 분할시키는 광 분할부, 및 상기 광 분할부로부터 분할된 광이 상기 제1 반사부와 상기 제2 반사부로부터 반사된 뒤 상기 광 분할부에서 재결합되면 상기 재결합된 광을 검출하는 광 검출부를 포함하는 광원 변조 제어 장치; 상기 광을 발생시키는 광원; 상기 검출된 광에 대한 정보를 기반으로 하는 상기 광원 변조 제어 장치의 제어에 따라 상기 광원이 점멸되면 상기 점멸에 따라 상기 광원으로부터 발생된 광을 상기 기준단과 시료가 구비된 샘플단으로 분배시키는 광 분배부; 상기 제2 반사부로와 상기 기준단을 함께 이송시키는 기준단 이송부; 및 상기 기준단이 이송될 때마다 상기 광 분배부로부터 분배된 광이 상기 기준단과 상기 샘플단으로부터 반사된 뒤 상기 광 분배부에서 재결합되면 상기 재결합된 광으로부터 검출되는 간섭 이미지를 검출하는 이미지 획득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 시스템을 제공한다.The present invention also provides a light splitting unit for generating light, a light splitting unit for splitting the light generated from the light generating unit into a second reflecting unit which is transported together with a fixed first reflecting unit and a reference stage, and the light splitting unit. A light source modulation control device including a light detector configured to detect the recombined light when the light split from the first reflector is reflected from the first reflector and the second reflector and then recombined by the light splitter; A light source for generating the light; When the light source is blinking under the control of the light source modulation control device based on the information on the detected light, the light distribution for distributing the light generated from the light source to the sample stage provided with the reference stage and the sample according to the blinking Allocation; A reference end transfer unit configured to transfer the reference end together with the second reflector; And an image acquiring unit which detects an interference image detected from the recombined light when the light distributed from the light distribution unit is reflected from the reference end and the sample stage and then recombined in the light distribution unit whenever the reference stage is transferred. It provides an image generating system comprising a.

또한, 본 발명은 (a) 광을 점멸시키는 단계; (b) 상기 점멸에 따라 발생된 광을 기준단과 시료가 구비된 샘플단으로 분배시키는 단계; (c) 상기 기준단을 이송시키면서 상기 분배된 광이 상기 기준단과 상기 샘플단으로부터 반사된 뒤 재결합되면 상기 재결합된 광으로부터 검출되는 간섭 이미지를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) flashing light; (b) distributing the light generated by the blinking to a sample stage having a reference stage and a sample; and (c) detecting an interference image detected from the recombined light when the distributed light is reflected from the reference end and the sample end and is recombined while transporting the reference end. to provide.

바람직하게는, 상기 (a) 단계는 추정된 도플러 주파수로 상기 광을 점멸시킨다.Preferably, step (a) flashes the light at an estimated Doppler frequency.

바람직하게는, 상기 (a) 단계는 (aa) 광을 발생시키는 단계; (ab) 상기 발생된 광을 고정된 제1 반사부와 상기 기준단을 이송시키는 기준단 이송부에 장착된 제2 반사부로 분할시키는 단계; (ac) 상기 분할된 광이 상기 제1 반사부와 상기 제 2 반사부로부터 반사된 뒤 재결합되면 상기 재결합된 광을 검출하는 단계; 및 (ad) 상기 검출된 광으로부터 상기 도플러 주파수를 추정하는 단계를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 (aa) 단계는 상기 (a) 단계에서 점멸되는 광과 중심파장이 일치하는 광을 발생시킨다.Preferably, step (a) comprises (aa) generating light; (ab) dividing the generated light into a fixed first reflecting unit and a second reflecting unit mounted to a reference stage conveying unit for transporting the reference stage; (ac) detecting the recombined light when the divided light is reflected from the first reflector and the second reflector and then recombined; And (ad) estimating the Doppler frequency from the detected light. More preferably, step (aa) generates light whose center wavelength is identical to the light flickering in step (a).

바람직하게는, 상기 (c) 단계의 이후 단계로 (d) 상기 검출된 간섭 이미지를 기반으로 상기 시료의 3차원 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.Preferably, the step after the step (c) includes (d) generating a three-dimensional image of the sample based on the detected interference image.

바람직하게는, 상기 (c) 단계는 (ca) 상기 광원의 점멸 또는 상기 기준단의 이송에 따라 연속적으로 획득된 상기 간섭 이미지들 간의 차이를 고려하여 포락선 성분을 추출하는 단계; 및 (cb) 상기 추출된 포락선 성분을 병합하여 상기 시료의 단층에 대한 정보를 생성하는 단계를 포함한다.Preferably, the step (c) comprises the steps of: (ca) extracting an envelope component in consideration of the difference between the interference images continuously acquired according to the blinking of the light source or the transfer of the reference stage; And (cb) merging the extracted envelope components to generate information on the tomography layer of the sample.

본 발명에 따르면, 간섭계를 구성하는 기준단과 샘플단 간의 광경로 차이에 따라 발생하는 간섭광의 세기 변화를 고려하여 광점멸을 수행하며 광점멸을 통한 광원 변조를 기반으로 3차원 이미징을 구현함으로써 다음 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 단축을 통하여 연속적으로 스캔하는 것이 가능하며, 기준단을 이송시키는 장치를 통해 고속으로 3차원 이미징을 구현할 수 있다. 둘째, 단축 연속 스캔을 통하여 시료의 형태학적 구조나 형상학적 구조를 효율적으로 복원할 수 있으며, 복원 시간도 크게 단축시킬 수 있다. 즉, 3차원 이미징 성능을 크게 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the light flickering is performed in consideration of the change in the intensity of the interference light caused by the difference in the optical paths between the reference stage and the sample stage constituting the interferometer. Can be obtained. First, it is possible to scan continuously through shortening, and it is possible to implement three-dimensional imaging at high speed through an apparatus for transferring a reference stage. Second, it is possible to efficiently restore the morphological structure or the morphological structure of the sample through the uniaxial continuous scan, it is also possible to significantly reduce the recovery time. That is, three-dimensional imaging performance can be greatly improved.

또한, 본 발명에 따르면, 중심파장이 동일한 광원을 구비하는 다른 간섭계를 이용하여 광원 변조 신호를 실시간으로 보정시킴으로써 다음 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 상기 신호를 통해 실시간으로 보정을 수행함으로써 획득된 이미지의 해상도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 종래 기술에 따르면 비선형적이며 기계적인(mechanical) 스캔에 의해서 도플러 신호가 임의적으로 변화되며, 이에 따라 간섭 성분이 감소하는 현상이 발생한다. 본 발명은 이러한 현상을 방지하기 위해 실시간으로 보정을 수행하며, 이로부터 획득된 이미지의 해상도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 둘째, 실시간 보정을 통해 보다 효율적이면서 안정적으로 3차원 이미징을 구현할 수 있다. 세째. 고속 스캔의 자동화가 가능하다. 즉, 이미징 스캔 속도를 증가시킬 경우, 도플러 주파수 증가로 인해 광점멸 신호 주파수에 대한 조작이 필수적인데, 본 발명에서는 이러한 작업이 수동 조작 없이도 실시간 자동 제어가 가능하다. 따라서 임의의 스캔 속도에서도 실시간 고속 이미징을 수행할 수 있다.Further, according to the present invention, the following effects can be obtained by correcting the light source modulated signal in real time using another interferometer having the same light source having the same center wavelength. First, it is possible to prevent the resolution of the obtained image from being degraded by performing correction in real time through the signal. According to the prior art, the Doppler signal is randomly changed by a nonlinear and mechanical scan, thereby reducing the interference component. The present invention performs the correction in real time to prevent such a phenomenon, it is possible to prevent the resolution of the image obtained therefrom from being lowered. Second, three-dimensional imaging can be implemented more efficiently and stably through real-time correction. Third. High-speed scan automation is possible. That is, when the imaging scan speed is increased, the operation of the light blinking signal frequency is essential due to the increase of the Doppler frequency. In the present invention, this operation can be performed automatically in real time without manual operation. Thus, real-time high speed imaging can be performed at any scan speed.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are assigned to the same components as much as possible even if displayed on different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In addition, the following will describe a preferred embodiment of the present invention, but the technical idea of the present invention is not limited thereto and may be variously modified and modified by those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다. 도 1에 따르면, 3차원 이미지 생성 시스템(100)은 2차원 이미지 획득 장치(110), 기준단 이송부(130), 광원 변조부(140), 광원 변조 신호 보정 장치(150) 및 3차원 이미지 생성 장치(170)를 포함한다.1 is a conceptual diagram schematically showing a three-dimensional image generation system according to a preferred embodiment of the present invention. According to FIG. 1, the 3D image generating system 100 includes a 2D image acquisition device 110, a reference stage transfer unit 130, a light source modulator 140, a light source modulated signal correction device 150, and a 3D image generation. Device 170.

본 실시예에서 3차원 이미지 생성 시스템(100)은 광학 간섭계를 이용하여 시료에 대한 2차원 단층 정보를 획득하며, 획득된 단층 정보를 기반으로 시료의 3차원 형상 정보를 생성하는 3차원 이미징 시스템으로 정의할 수 있다.In the present embodiment, the three-dimensional image generating system 100 obtains two-dimensional tomographic information about a sample using an optical interferometer, and generates a three-dimensional shape information of the sample based on the obtained tomographic information. Can be defined

본 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템(100)은 간섭계를 구성하는 기준단과 샘플단 간의 광경로 차이에 따라 발생하는 간섭광의 세기 변화를 고려하여 광점멸을 수행하며 광점멸을 통한 광원 변조를 기반으로 3차원 이미징을 구현한다. 종래에는 3차원 이미징을 위하여 최소 두 방향 이상의 빔 주사 행정을 요구하거나 불연속적인(step by step) 축상 스캔을 필요로 하였다. 그러나, 본 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템(100)은 단축 방향으로 빔 주사 행정이 이루어지며 광점멸을 통한 광원 변조를 기반으로 연속적으로 스캔을 수행하여 3차원 이미징을 구현한다. 본 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템(100)은 이를 통해 3차원 이미징을 구현하는 데에 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있으며, 3차원 이미징 성능도 향상시킬 수 있다.The three-dimensional image generation system 100 according to the present embodiment performs light blinking in consideration of the change in the intensity of interference light caused by the difference in the optical path between the reference stage and the sample stage constituting the interferometer and based on the light source modulation through the light blinking Implements 3D imaging. Conventionally, three-dimensional imaging requires a beam scanning stroke of at least two directions or a discontinuous (step by step) axial scan. However, the three-dimensional image generating system 100 according to the present exemplary embodiment performs a beam scanning stroke in a short axis direction and continuously performs scanning based on light source modulation through light blinking to implement three-dimensional imaging. The 3D image generating system 100 according to the present exemplary embodiment can greatly shorten the time required to implement 3D imaging, and can also improve 3D imaging performance.

또한, 본 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템(100)은 중심파장이 동일한 광원을 구비하는 다른 간섭계를 이용하여 광원 변조 신호를 실시간으로 보정한다. 종래에는 스캐너의 기계적인(mechanical) 구동에 따라 발생하는 여러 현상 들(ex. 가·감속, 마찰(friction), 역회전(backlash), 위치 변동(fluctuation) 등)은 획득된 이미지에 심각한 왜곡을 발생시켰다. 그러나, 본 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템(100)은 광원 변조 신호를 실시간으로 보정시켜 기계적 구동에 따른 문제점을 해결한다. 본 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템(100)은 이를 통해 획득된 이미지의 해상도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.In addition, the 3D image generating system 100 according to the present embodiment corrects the light source modulated signal in real time by using another interferometer having a light source having the same center wavelength. Conventionally, various phenomena (eg, acceleration, deceleration, friction, backlash, position fluctuation, etc.) caused by the mechanical driving of the scanner may cause severe distortion in the acquired image. Generated. However, the three-dimensional image generation system 100 according to the present embodiment solves the problem of mechanical driving by correcting the light source modulation signal in real time. The 3D image generating system 100 according to the present exemplary embodiment may prevent the resolution of the obtained image from being lowered.

본 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템(100)은 광점멸을 통한 광원 변조를 기반으로 3차원 이미징을 구현하기 위해 2차원 이미지 획득 장치(110), 기준단 이송부(130) 및 광원 변조부(140)를 포함한다. 이하에서는 이에 대해 상세하게 설명한다.The three-dimensional image generating system 100 according to the present embodiment is a two-dimensional image acquisition device 110, the reference stage transfer unit 130 and the light source modulator (3) to implement the three-dimensional imaging based on the light source modulation through light flashing ( 140). This will be described in detail below.

2차원 이미지 획득 장치(110)는 간섭 이미지를 통해 시료에 대한 2차원 단층 정보를 획득하는 장치이다. 이러한 2차원 이미지 획득 장치(110)는 간섭 이미지를 생성하기 위한 간섭계로 마이켈슨 간섭계(michelson interferometer)를 포함한다. 본 실시예에서 2차원 이미지 획득 장치(110)는 OCT(Optical Coherence Tomography)를 구현할 수 있는 간섭계라면 마이켈슨 간섭계 외 다른 간섭계를 포함하는 것도 가능하다.The two-dimensional image obtaining apparatus 110 is an apparatus for obtaining two-dimensional tomographic information about a sample through an interference image. The two-dimensional image obtaining apparatus 110 includes a Michelson interferometer as an interferometer for generating an interference image. In the present embodiment, the 2D image obtaining apparatus 110 may include an interferometer other than a Michelson interferometer as long as it is an interferometer capable of implementing optical coherence tomography (OCT).

2차원 이미지 획득 장치(110)는 광 조사부(111), 조사광 조절부(112), 광 분배부(113), 분배광 반사부(114), 시료 위치부(115), 광 감쇄부(116), 결합광 수집부(117) 및 2차원 이미지 획득부(118)를 포함한다.The two-dimensional image obtaining apparatus 110 includes a light irradiation unit 111, an irradiation light adjusting unit 112, a light distribution unit 113, a distribution light reflecting unit 114, a sample position unit 115, and a light attenuation unit 116. ), A combined light collecting unit 117, and a two-dimensional image obtaining unit 118.

광 조사부(111)는 광을 조사시키는 것으로서, 광원(111a)과 구동전류 발생부(111b) 및 구동전류 공급부(111c)를 포함하여 이루어진다. 구동전류 발생 부(111b)는 광원(111a)을 구동시키기 위한 구동전류를 발생시키는 것으로서, LD 드라이버(Laser Diode driver)로 구현될 수 있다. 구동전류 공급부(111c)는 발생된 구동전류를 광원(111a)에 공급시키는 것으로서, LD 마운트(mount)로 구현될 수 있다. 광원(111a)은 광대역 광을 펌핑 조사시키는 것으로서, 본 실시예에서 예컨대 중심 파장이 805nm인 발광 다이오드(luminescent diode)로 구현될 수 있다.The light irradiator 111 irradiates light and includes a light source 111a, a drive current generator 111b, and a drive current supply unit 111c. The driving current generating unit 111b generates a driving current for driving the light source 111a and may be implemented as an LD driver. The driving current supply unit 111c supplies the generated driving current to the light source 111a and may be implemented as an LD mount. The light source 111a pumps and irradiates broadband light, and may be implemented as a light emitting diode having a center wavelength of 805 nm, for example.

조사광 조절부(112)는 광 조사부(111)로부터 출력된 조사광을 평행광으로 조절시키는 것으로서, 본 실시예에서 빔 평형기 또는 시준 렌즈(collimator)로 구현될 수 있다.The irradiation light adjusting unit 112 adjusts the irradiation light output from the light irradiation unit 111 to parallel light, and may be implemented as a beam balancer or collimator in the present embodiment.

광 분배부(113)는 평행광을 분배시키는 것으로서, 본 실시예에서 광속 분할기(beam splitter)로 구현될 수 있다. 광 분배부(113)에 의해 분할된 광들은 각각 기준단(120)과 샘플단(121)으로 향한다. 기준단(120)과 샘플단(121)은 분배광의 흐름이 있는 광경로 상에 구비되며, 기준단(120)과 달리 샘플단(121)의 끝단에는 시료가 위치한다.The light distribution unit 113 distributes parallel light and may be implemented as a beam splitter in the present embodiment. The light split by the light distributor 113 is directed to the reference stage 120 and the sample stage 121, respectively. The reference stage 120 and the sample stage 121 are provided on the optical path in which the distribution light flows, and unlike the reference stage 120, the sample is positioned at the end of the sample stage 121.

분배광 반사부(114)는 기준단(120)의 끝단에 형성되며, 기준단(120)을 지나가는 분배광을 반사시키는 기능을 수행한다. 분배광 반사부(114)는 바람직하게는 분배광을 전반사시킨다. 본 실시예에서 분배광 반사부(114)는 미러(mirror) 특히 전반사 미러로 구현될 수 있다.The distribution light reflector 114 is formed at the end of the reference stage 120 and performs a function of reflecting the distribution light passing through the reference stage 120. The distribution light reflector 114 preferably totally reflects the distribution light. In the present embodiment, the split light reflector 114 may be implemented as a mirror, in particular a total reflection mirror.

시료 위치부(115)는 샘플단(121)의 끝단에 형성되며, 샘플단(121)을 지나는 분배광이 흘러가는 지점에 시료를 위치시킨다. 이러한 시료 위치부(115)는 바람직하게는 시료의 위치를 상·하·좌·우로 이동시킬 수 있는 이송기를 포함한다. 본 실시예에서 샘플단(121)을 지나가는 분배광은 시료 위치부(115)에 위치한 시료로부터 반사되어 광 분배부(113)로 입력된다.The sample positioner 115 is formed at the end of the sample end 121 and positions the sample at a point where the distribution light passing through the sample end 121 flows. The sample position unit 115 preferably includes a feeder capable of moving the position of the sample up, down, left, and right. In the present exemplary embodiment, the distribution light passing through the sample stage 121 is reflected from the sample located at the sample position unit 115 and input to the light distribution unit 113.

광 감쇄부(116)는 광 분배부(113)와 분배광 반사부(114) 사이에 형성되며, 분배광 반사부(114)로부터 반사된 광을 감쇄시키는 기능을 수행한다. 광 감쇄부(116)는 바람직하게는 샘플단(121)에서 역산란된 광과 동일한 세기를 가지도록 분배광 반사부(114)로부터 반사된 광을 감쇄시킨다. 샘플단(121)에서 역산란된 광은 샘플단(121)을 지나다가 시료 위치부(115)에 위치한 시료로부터 반사되어 광 분배부(113)로 입력되는 광을 가리킨다.The light attenuating unit 116 is formed between the light distribution unit 113 and the distribution light reflecting unit 114 and performs a function of attenuating the light reflected from the distribution light reflecting unit 114. The light attenuator 116 preferably attenuates the light reflected from the distribution light reflector 114 to have the same intensity as the light scattered back at the sample stage 121. The light scattered back from the sample stage 121 refers to the light that passes through the sample stage 121 and is reflected from the sample located at the sample position unit 115 to be input to the light distribution unit 113.

한편, 이하 설명에서는 편의상 광 분배부(113)로부터 분할된 뒤 기준단(120)을 거쳐 분배광 반사부(114)로 향하는 광과 샘플단(121)을 거쳐 시료 위치부(115)로 향하는 광을 산란광으로 약술한다. 또한, 분배광 반사부(114)로부터 반사된 뒤 기준단(120)을 거쳐 광 분배부(113)로 입력되는 광과 시료 위치부(115)에 위치한 시료로부터 반사된 뒤 샘플단(121)을 거쳐 광 분배부(113)로 입력되는 광을 역산란광으로 약술한다.Meanwhile, in the following description, for the sake of convenience, the light is divided from the light distribution unit 113 and then directed to the distribution light reflecting unit 114 via the reference stage 120 and the light directed toward the sample position unit 115 via the sample stage 121. Outline as scattered light. In addition, after reflecting from the distribution light reflecting unit 114 and reflected from the light input to the light distribution unit 113 through the reference stage 120 and the sample located in the sample position unit 115, the sample stage 121 is The light input to the light distribution unit 113 is outlined as backscattered light.

결합광 수집부(117)는 두 역산란광이 광 분배부(113)에서 결합되면 이 결합광을 수집하는 기능을 수행한다. 결합광 수집부(117)는 바람직하게는 결합광의 색수차(chromatic aberration)를 보정시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 결합광 수집부(117)는 색수차를 보정시키는 렌즈 즉 결상 렌즈로 구현될 수 있다.The combined light collecting unit 117 collects the combined light when the two backscattered light are combined in the light distribution unit 113. The combined light collecting unit 117 preferably performs a function of correcting chromatic aberration of the combined light. In the present embodiment, the combined light collecting unit 117 may be implemented as a lens that corrects chromatic aberration, that is, an imaging lens.

2차원 이미지 획득부(118)는 결합광 수집부(117)를 통해 소정 시간동안 결합광들을 수집하며 이로부터 시료의 깊이별 단층 정보 즉 시료의 2차원 이미지를 획 득한다. 일반적으로 기준단(120)과 샘플단(121)의 광경로 차이가 광원(111a)의 가간섭 거리(coherence length) 내에 있으면 간섭이 발생한다. 이때, 조사된 빔 영역의 한 점에 대한 간섭광들은 공간적으로 분포하기 때문에 이 간섭광들이 모여 간섭 이미지를 형성하게 된다. 간섭 이미지는 최종적으로 결합광 수집부(117)를 거쳐 2차원 이미지 획득부(118)에 의해 검출된다. 2차원 이미지 획득부(118)는 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 이미지 센서로 구현될 수 있다.The two-dimensional image acquisition unit 118 collects the combined light for a predetermined time through the combined light collecting unit 117 and acquires the tomographic information for each depth of the sample, that is, the two-dimensional image of the sample. In general, interference occurs when the optical path difference between the reference stage 120 and the sample stage 121 is within the coherence length of the light source 111a. At this time, since the interference light beams for one point of the irradiated beam area are spatially distributed, the interference light beams gather to form an interference image. The interference image is finally detected by the two-dimensional image acquisition unit 118 via the combined light collector 117. The 2D image acquisition unit 118 may be implemented as an image sensor such as a charge coupled device (CCD).

기준단 이송부(130)는 분배광 반사부(114)를 왕복 운동시키는 것으로서, 본 실시예에서 광 분배부(113)로부터 산란된 광의 흐름에 평행한 방향으로 분배광 반사부(114)를 왕복 운동시킨다. 분배광 반사부(114)가 기준단 이송부(130)의 스캔 행정에 따라 움직이면 기준단(120)과 샘플단(121)에서의 광경로 차이에 변화가 생기며, 이에 따라 간섭광의 세기도 시간적으로 변화된다. 결국 기준단 이송부(130)의 연속적인 움직임이 간섭광의 세기도 연속적이면서 규칙적으로 변화되도록 하며, 이는 도플러 주파수를 가지는 간섭 신호(interferogram)로써 나타난다.The reference stage transfer unit 130 reciprocates the distribution light reflecting unit 114, and in this embodiment, reciprocates the distribution light reflecting unit 114 in a direction parallel to the flow of light scattered from the light distribution unit 113. Let's do it. When the distribution light reflector 114 moves according to the scan stroke of the reference stage transfer unit 130, a difference occurs in the optical path difference between the reference stage 120 and the sample stage 121, and thus the intensity of the interference light also changes in time. do. As a result, the continuous movement of the reference stage transfer unit 130 causes the intensity of the interference light to be changed continuously and regularly, which is represented as an interferogram having a Doppler frequency.

본 발명의 기본 원리는 전형적인 짧은 가간섭 광원(low coherence light source)을 가진 간섭계에서 발생된 간섭 신호에서부터 출발한다. 2차원 이미지 획득 장치(110)의 2차원 이미지 획득부(118)로부터 획득된 간섭 신호에 관한 식은 광원이 단색광이고 외부 잡음이 없다는 가정을 전제로 한다. 이때, 2차원 이미지 센서 상에 위치한 임의의 한 픽셀에서 검출되는 간섭 신호는 다음과 같이 수식적으로 나타낼 수 있다.The basic principle of the present invention starts with the interference signal generated in an interferometer with a typical short coherence light source. The equation for the interference signal obtained from the 2D image acquisition unit 118 of the 2D image acquisition device 110 is based on the assumption that the light source is monochromatic light and there is no external noise. At this time, the interference signal detected in any one pixel located on the two-dimensional image sensor can be expressed as follows.

여기에서, A_r은 분배광 반사부(114)로부터의 반사광 크기, A_s는 시료로부터 오는 역산란광의 크기, k는 시료 내부로 전파되는 빔의 전파 상수, △z는 기준단(120)과 샘플단(121)의 광 경로차이다.Here, A _r is the magnitude of the reflected light from the split light reflector 114, A _s is the magnitude of the backscattered light coming from the sample, k is the propagation constant of the beam propagated into the sample, and Δz is the reference stage 120. It is the optical path difference of the sample stage 121.

그런데, 분배광 반사부(114)의 이송이 없다면 △z는 일정하므로 검출되는 간섭 신호는 상수값을 유지할 것이다. 이에 따라, 광대역 스펙트럼을 가진 광원의 경우 시스템의 간섭 신호는 다음과 같이 수정할 수 있다.By the way, if there is no transfer of the split light reflector 114,? Z is constant, so the detected interference signal will maintain a constant value. Accordingly, in the case of a light source having a broad spectrum, the interference signal of the system can be modified as follows.

상기에서, S(w)는 광원의 스펙트럼을 나타내며, t_r은 기준단(120)의 반사계수, t_s는 샘플단(121)의 반사계수이다. 특히 t_s는 시료 구조에 대한 정보를 가지고 있다. 가우시안 스펙트럼을 가진 입사빔일 경우, S(w)는 수학식 3과 같이 표시할 수 있다. 따라서, 분배광 반사부(114)의 이송을 고려하면 수학식 2는 비분산 매질(non-dispersive medium) 내에서 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.In the above, S (w) represents the spectrum of the light source, t _r is the reflection coefficient of the reference stage 120, t _s is the reflection coefficient of the sample stage 121. In particular, t _s contains information about the sample structure. In the case of an incident beam having a Gaussian spectrum, S (w) may be expressed by Equation 3 below. Therefore, considering the transfer of the split light reflector 114, Equation 2 may be expressed as Equation 4 in a non-dispersive medium.

△τ_g와 △τ_p는 각각 군속도(group velocity)와 위상속도(phase velocity)에 관한 식으로 표현될 수 있다. 간섭 신호는 수학식 5와 같이 DC 성분과 AC 성분으로 각각 나눌 수 있다.Δτ _g and Δτ _p may be expressed in terms of group velocity and phase velocity, respectively. The interference signal may be divided into a DC component and an AC component as shown in Equation 5, respectively.

상기에서, I_AC의 위상항이 단지 기준단(121)의 움직임에 의한 위상 변화만 고려한다고 가정하면 w₀△τ_p는 2πf_rt로 나타낼 수 있다. 또한, f_r은 분배광 반사부(114)의 스캔 행정에 의한 간섭 신호의 도플러 주파수로써 f_r=2V/λ₀(V : 분배광 반사부(114)의 스캔 속도, λ₀ : 광대역 광원의 중심 파장)로 나타낸다.In the above, assuming that the phase term of I _AC only considers the phase change caused by the movement of the reference terminal 121, w ₀ Δτ _p may be represented by 2πf _r t. In addition, f _r is the Doppler frequency of the interference signal due to the scan stroke of the split light reflector 114, f _r = 2V / λ ₀ (V: scan speed of the split light reflector 114, λ ₀ : wide band light source) Center wavelength).

광원 변조부(140)는 2차원 이미지 획득 장치(110)의 광원(111a)을 미리 정해진 기준에 따라 변조시키는 기능을 수행한다. 바람직하게는, 광원 변조부(140)는 상기 광원(111a)을 도플러 주파수로 광점멸시키는 기능을 수행한다. 광원 변조부(140)의 이러한 역할은 스위칭된 간섭 신호가 2차원 이미지 획득부(118)에서 검출되도록 한다.The light source modulator 140 performs a function of modulating the light source 111a of the 2D image obtaining apparatus 110 according to a predetermined criterion. Preferably, the light source modulator 140 performs a function of light blinking the light source 111a at the Doppler frequency. This role of the light source modulator 140 allows the switched interference signal to be detected by the 2D image acquisition unit 118.

도플러 주파수는 보통 CCD와 같은 2차원 이미지 센서의 반응 주파수보다 훨씬 높다. 따라서, 진동 주파수(beat frequency)를 가진 간섭 신호를 검출할 때에, 2차원 이미지 획득부(118)는 노출 시간(exposure time)동안 입사되는 간섭 신호의 보강 간섭 성분과 상쇄 간섭 성분들을 병합하여 하나의 일정한 DC 값으로 나타낸다. 이러한 2차원 이미지 획득부(118)의 저역 통과 필터링(low pass filtering) 효과는 간섭 신호의 고주파수 AC항들을 거의 소멸시켜 간섭 신호에 포함된 깊이별 시료의 반사 정보를 추출하지 못하게 만든다. 따라서, 이러한 문제점을 극복하기 위해 본 실시예에서는 광원 변조부(140)를 통해 2차원 이미지 획득 장치(110)의 광원(111a)을 도플러 주파수로 점멸시키면서 스위칭된 간섭 신호를 2차원 이미지 획득부(118)가 검출하도록 한다.Doppler frequencies are usually much higher than the response frequencies of two-dimensional image sensors such as CCDs. Therefore, when detecting an interference signal having a beat frequency, the 2D image acquisition unit 118 merges the constructive interference components and the destructive interference components of the interference signal incident during the exposure time. It is represented by a constant DC value. The low pass filtering effect of the two-dimensional image acquisition unit 118 almost disappears the high frequency AC terms of the interference signal, thereby making it impossible to extract the reflection information of the sample for each depth included in the interference signal. Therefore, in order to overcome this problem, in the present exemplary embodiment, the interference signal switched while flashing the light source 111a of the 2D image acquisition apparatus 110 at the Doppler frequency through the light source modulator 140 is a 2D image acquisition unit ( 118) to detect.

이러한 방법은 도 2를 참조하면 간단히 설명될 수 있다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속 3차원 이미징 방법을 도식화한 도면이다. 도 2에서 (a)는 OCT 기준단(120) 이송으로 발생된 시료 내부의 한 점에 대한 시변 간섭 신호(time varying interference signal)이고, (b)는 2차원 이미지 획득부(118)의 느린 반응 시간(slow response time)으로 인한 간섭 성분의 감소를 막기 위해 OCT 광 원(111a)을 도플러 주파수(doppler frequency)로 on-off 점멸하기 위한 펄스열을 나타낸다. (c)는 이미지 취득을 위한 2차원 어레이 센서(118)의 프레임 신호로써, OCT 광원(111a) 점멸로 인해 변조된 간섭 신호의 포락선 성분들이 2차원 이미지 획득부(118)의 여러 프레임 주기 동안 병합되어 평균화된 값으로 검출된다. 이하 도 2를 참조하여 설명한다.This method can be briefly described with reference to FIG. 2. 2 is a diagram illustrating a fast three-dimensional imaging method according to a preferred embodiment of the present invention. In Figure 2 (a) is a time varying interference signal (time varying interference signal) for a point inside the sample generated by OCT reference stage 120 transfer, (b) is a slow response of the two-dimensional image acquisition unit 118 In order to prevent the reduction of the interference component due to the slow response time, a pulse train for turning on and off the OCT light source 111a at the Doppler frequency is shown. (c) is a frame signal of the two-dimensional array sensor 118 for image acquisition, and the envelope components of the modulated interference signal due to the flashing of the OCT light source 111a are merged for several frame periods of the two-dimensional image acquisition unit 118. And detected as an averaged value. A description with reference to FIG. 2 is as follows.

도 2에서 (a)는 분배광 반사부(114) 이송에 따라 발생하는 도플러 주파수 f_r을 가진 시료 내 한 점에서 발생한 간섭 신호를 보여준다. (a)에서 시료의 단층 정보인 포락선 함수(envelope function)가 포함되어 있음을 알 수 있다. (b)는 도플러 주파수와 같은 주파수 f_g로 변조된 광원(111a)의 광점멸 신호를 보여준다. 이러한 온-오프(on-off) 광변조에 의해서 간섭 신호는 빔이 시료에 조사(on)되는 시간 동안만 발생하며 꺼져(off) 있는 구간에서는 발생하지 않는다. 이는 분배광 반사부(114)의 이송에 따라 발생되는 간섭 신호(도 2의 (a))가 광변조에 의해 샘플링되는 결과로 보여질 수 있으며, 간섭 신호와 변조 광신호의 초기 위상을 적절히 조절한다면 간섭 신호의 포락선 성분만을 추출하는 것이 가능하다는 결론에 이르게 한다.In FIG. 2, (a) shows an interference signal generated at a point in a sample having a Doppler frequency f _r generated by the distribution light reflector 114. In (a) it can be seen that the envelope function (envelope function) is included. (b) shows the light blinking signal of the light source 111a modulated at the same frequency f _g as the Doppler frequency. By this on-off light modulation, the interference signal is generated only during the time that the beam is irradiated to the sample and not in the off period. This may be seen as a result of the interference signal (FIG. 2A) generated by the transport of the distribution light reflector 114 sampled by light modulation, and appropriately adjusts the initial phase of the interference signal and the modulated light signal. This leads to the conclusion that it is possible to extract only the envelope component of the interfering signal.

광점멸 방법을 이용한 광변조 효과(stroboscopic light modulation)는 2차원 이미지 획득부(118)로 하여금 간섭 성분의 병합을 배제한 채 시료에 대한 단층 정보만을 취할 수 있게 한다. 샘플링된 간섭 신호는 2차원 이미지 획득부(118)의 노출 시간동안 병합(integration)되어 (c)와 같이 최종 디지털 신호로 출력된다.Light modulation effect (stroboscopic light modulation) using the light blink method allows the two-dimensional image acquisition unit 118 to take only tomographic information about the sample without excluding the interference component. The sampled interference signal is integrated during the exposure time of the 2D image acquisition unit 118 and output as the final digital signal as shown in (c).

앞서 설명하였듯이 2차원 이미지 센서의 느린 주파수 반응 속도로 인하여 도플러 주기로 추출된 각각의 포락선 구성 성분들을 하나씩 검출해내는 것은 불가능한 일이다. 또한, 샘플링된 수많은 포락선 표본들은 2차원 검출기의 긴 노출 주기동안 병합되고 시료에 대한 2차원 이미지는 평균화 과정을 거친 몇 개의 포락선 성분들로만 표현될 것이다. 그럼에도 불구하고 이러한 신호들 자체가 시료 내부 정보로 표현되는 간섭 성분을 가지고 있기 때문에, 그들 간의 차이를 통하여 DC 성분이 배제된 시료의 한 점에 대한 정보를 획득할 수 있게 된다. 분배광 반사부(114)를 실시간으로 이송시키면서 2차원 이미지 획득부(118)를 통해 획득한 시료의 2차원 이미지를 연속적으로 적층시킨다면 시료에 대한 실시간 3차원 구조 형상을 정량적으로나마 복원해내는 것은 충분히 가능한 일이다. 본 실시예에서 시료에 대한 실시간 3차원 구조 형상을 복원하는 기능은 3차원 이미지 생성 장치(170)가 담당한다.As described above, due to the slow frequency response of the two-dimensional image sensor, it is impossible to detect each envelope component extracted in the Doppler period one by one. In addition, numerous sampled envelope samples will be merged over the long exposure period of the two-dimensional detector and the two-dimensional image of the sample will be represented by only a few envelope components that have been averaged. Nevertheless, since these signals themselves have interference components represented by the information inside the sample, the difference between them makes it possible to obtain information on a point of the sample from which the DC component is excluded. If the two-dimensional image of the sample acquired through the two-dimensional image acquisition unit 118 is continuously stacked while transferring the distribution light reflector 114 in real time, it is sufficient to recover the real-time three-dimensional structural shape of the sample quantitatively. It is possible. In this embodiment, the 3D image generating apparatus 170 is responsible for restoring the real-time 3D structural shape of the sample.

간섭 신호에 적용될 광원 변조에 관한 식은 도플러 주파수와 같은 on-off 기반으로 동작하는 변조 함수로 나타낼 수 있으며, 다음과 같이 푸리에 확장 함수로 표현될 수 있다.The equation of the light source modulation to be applied to the interference signal can be represented by a modulation function that operates on-off based, such as the Doppler frequency, and can be expressed as a Fourier extension function as follows.

여기서, θm은 도플러 간섭 신호와 광변조 신호 간의 초기 위상을 나타낸다.Where m represents the initial phase between the Doppler interference signal and the optical modulation signal.

광점멸에 따라 변조된 간섭 신호는 수학식 5와 수학식 6의 곱으로 표현될 수 있으며, 변조된 간섭 신호는 2차원 이미지 획득부(118)의 노출 기간 T동안 픽셀 내 부에 적층된다. 이와 같은 과정은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.The interference signal modulated according to the light blinking may be expressed as a product of Equation 5 and Equation 6, and the modulated interference signal is stacked in the pixel during the exposure period T of the 2D image acquisition unit 118. This process can be expressed as follows.

수학식 7에서 마지막 항은 다음과 같이 두 개의 항으로 확장시킬 수 있다.In Equation 7, the last term can be extended to two terms as follows.

수학식 7에서 두번째 항은 T≫1/f_r의 경우, cosine 함수의 시간 평균으로 볼 수 있으므로 이 값은 0이 된다. 그리고, σ_τ≫1/f_r이기 때문에 수학식 7에서 세번 째 항도 0이 성립한다. 첫번째 항 역시

을 제외하고 모두 0이 성립한다. 이러한 조건에서 최종적으로 검출되는 간섭 신호는 다음과 같이 표현된다.The second term in Equation (7) can be regarded as the time average of the cosine function in the case of T''1 / f _r , so this value is zero. And since σ _tau >> 1 / f _r , the third term 0 in Equation 7 holds. The first term also

0 is true except for The interference signal finally detected under these conditions is expressed as follows.

수학식 9에서 원하지 않는 DC 성분인 첫번째 항을 제거해주기 위해 연속적으로 획득된 2차원 이미지 센서 신호들 간의 차이를 적용하게 되면, 다음과 같이 원하는 샘플 정보만을 획득하게 된다.If the difference between the two-dimensional image sensor signals obtained continuously to remove the first term, which is an unwanted DC component in Equation 9, only desired sample information is obtained as follows.

그런데, 여기서 유의해야 할 점이 하나 있다. 그것은 수학식 10의 cosθ_m 값 에 의해서 시료에 대한 정보의 획득 여부가 결정된다는 점이다. 즉, θ_m=0일 경우 샘플이 완벽하게 이미징되는 반면, θ_m=π/2일 경우 샘플 이미지를 추출할 수 없다. 실제로 바이오 샘플과 같이 구조가 복잡한 물체에 이 방법을 적용할 경우, 이러한 조건이 샘플 이미지 복원에 큰 영향을 주지는 않는다. 즉, 수없이 많은 샘플 내부의 경계면들이 불규칙하고 임의로 배열되어 있기 때문에 위상 불일치가 π/2만큼 일어나는 샘플의 특정 경계면에 한해서만 정보 손실이 있을 수 있고, 위상 차이가 π/2를 벗어나는 모든 샘플 구조에 대해서는 신호 세기의 차이가 있더라도 모두 복원해낼 수 있게 된다.However, there is one point to note here. That is, whether or not to obtain information about the sample is determined by the cosθ _m value of the equation (10). That is, when θ _m = 0, the sample is perfectly imaged, whereas when θ _m = π / 2, the sample image cannot be extracted. Indeed, when the method is applied to complex structures such as biosamples, these conditions do not significantly affect sample image reconstruction. In other words, because of the irregular and random arrangement of the interfaces inside the sample, there may be information loss only at the specific boundary of the sample where the phase mismatch is π / 2, and for all sample structures where the phase difference is outside π / 2. With respect to the signal strength, all of them can be recovered.

도 3은 도 2에서 언급한 방법 즉 광변조 방법을 적용하여 3차원 이미징 획득이 가능한지를 확인하기 위해 실시한 1차원 신호에 대한 전산 시늉(computer simulation)을 한 결과이다. 도 3에서 (a)는 시료 내부의 임의의 한 점에서 발생된 간섭 신호이다. (b)는 OCT 광원의 광점멸을 위한 OCT 간섭 신호의 도플러 주파수로 진동하는 펄스열을 나타낸다. (c)는 OCT 광원의 on-off 광점멸이 적용된 OCT 간섭 신호를 보여준다. (d)는 2차원 이미지 센서에 의해 획득된 일련의 광변조 OCT 간섭 신호의 산술적 계산을 통해 획득된 DC 신호가 제거된 간섭 신호의 포락선 정보를 나타낸다. 이하 설명은 도 3을 참조한다.FIG. 3 is a result of computer simulation of a one-dimensional signal performed to confirm whether three-dimensional imaging is possible by applying the method mentioned in FIG. In Figure 3 (a) is an interference signal generated at any one point inside the sample. (b) shows a pulse train oscillating at the Doppler frequency of the OCT interference signal for the light flicker of the OCT light source. (c) shows the OCT interference signal to which the on-off light flickering of the OCT light source is applied. (d) shows the envelope information of the interference signal from which the DC signal obtained through the arithmetic calculation of a series of optical modulation OCT interference signals obtained by the two-dimensional image sensor. The following description refers to FIG. 3.

(a)는 OCT 간섭계의 기준단 미러(114)의 이송에 의해서 발생된 시변 간섭 신호로써 수학식 4와 같이 나타낼 수 있으며, 도플러 주파수는 2kHz로 가정한다. (b)는 수학식 6과 같이 표현된 OCT 광원(111a)의 on-off 점멸을 위한 변조 신호로써 간섭 신호의 도플러 주파수와 동일한 주기로 반복된다. (c)는 도플러 간섭 신호인 수학식 4에 샘플링 함수인 수학식 6이 적용된 결과로써, 광변조가 적용된 OCT 간섭 신호로 표현될 수 있다. 이때, 광변조 신호와 OCT 간섭 신호의 초기 위상은 0으로 가정된다. (c)에서 보듯, OCT 광원 점멸에 의해 간섭 신호의 상쇄 간섭 성분이 모두 제거되고, 포락선 성분만이 남아 있게 된다. 이는 2차원 이미지 센서(118)에 의한 간섭 성분의 감소를 사전에 차단시킬 수 있음을 말해준다. 광변조가 적용된 OCT 간섭 신호는 수학식 7에서와 같이 2차원 이미지 센서(118)의 노출 주기(200Hz로 가정)동안 병합된다. 이후, (d)에서 보는 바와 같이, 수학식 10에서 표현되는 산술 연산을 통해 비간섭 성분은 완전히 제거되고, 샘플의 정보를 포함하는 포락선 신호만을 추출해낼 수 있게 된다.(a) is a time-varying interference signal generated by the transfer of the reference mirror 114 of the OCT interferometer can be expressed as Equation 4, and the Doppler frequency is assumed to be 2kHz. (b) is a modulation signal for on-off blinking of the OCT light source 111a represented by Equation 6 and repeated at the same period as the Doppler frequency of the interference signal. (c) is a result of applying Equation 6, which is a sampling function, to Equation 4, which is a Doppler interference signal, and may be expressed as an OCT interference signal to which optical modulation is applied. At this time, the initial phase of the optical modulation signal and the OCT interference signal is assumed to be zero. As shown in (c), all of the destructive interference components of the interference signal are removed by the OCT light source flickering, and only the envelope component remains. This indicates that the reduction of the interference component by the two-dimensional image sensor 118 can be blocked in advance. The OCT interference signal to which light modulation is applied is merged during the exposure period (assuming 200 Hz) of the two-dimensional image sensor 118 as shown in Equation (7). Then, as shown in (d), through the arithmetic operation represented by Equation 10, the non-interfering component is completely removed, it is possible to extract only the envelope signal including the information of the sample.

다시 도 1을 참조하여 설명한다.This will be described with reference to FIG. 1 again.

본 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템(100)의 또다른 특징은 중심파장이 동일한 광원을 구비하는 다른 간섭계를 이용하여 광원 변조 신호를 실시간으로 보정한다는 것이다. 이 점을 고려하여, 본 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템(100)은 광원 변조 제어 장치(150)를 더 포함한다. 이하에서는 이에 대해 상세하게 설명한다.Another feature of the three-dimensional image generating system 100 according to the present embodiment is that the light source modulated signal is corrected in real time using another interferometer having the same wavelength as the center wavelength. In consideration of this point, the 3D image generating system 100 according to the present embodiment further includes a light source modulation control device 150. This will be described in detail below.

OCT 간섭계(110)의 기준단 미러(114)를 이송시켜주는 기준단 이송부(130)의 스캔 행정은 일반적으로 선형 모터를 이용한 기계적인 방식을 취한다. 그런데, 선형 모터의 가·감속이나 마찰력(friction ripple), 백래쉬(backlash), 추력 리플(force ripple), 외부 요동(fluctuation) 등은 기준단 이송부(130)의 등속 행정 상에 비선형성을 유발시킬 수 있다. 이러한 비선형성은 스캐너의 스캔 속도를 임의적으로 변화시키며, 간섭 신호의 도플러 주파수에 무작위의 변화를 초래시킨다. 실질적인 OCT 간섭 신호는 스캐너의 이와 같은 효과로 인해 임의적인 시변 도플러 주기를 가지고 있기 때문에 이론적인 도플러 주파수로 점멸을 반복하는 OCT 광변조 신호와 전혀 대응되지 않는다. 따라서, 2차원 이미지 센서(118)에 의해 간섭 성분이 감소될 수 있고, 이는 결국 획득된 이미지의 해상도를 저하시키는 원인이 된다.The scan stroke of the reference stage transfer unit 130 for transferring the reference stage mirror 114 of the OCT interferometer 110 generally takes a mechanical method using a linear motor. However, acceleration / deceleration, friction ripple, backlash, thrust ripple, and external fluctuation of the linear motor may cause nonlinearity on the constant velocity stroke of the reference stage feeder 130. Can be. This nonlinearity randomly changes the scan rate of the scanner and causes a random change in the Doppler frequency of the interfering signal. Since the actual OCT interference signal has an arbitrary time varying Doppler period due to this effect of the scanner, it does not correspond at all to the OCT optical modulation signal which repeats blinking at the theoretical Doppler frequency. Thus, the interference component can be reduced by the two-dimensional image sensor 118, which in turn causes a decrease in the resolution of the obtained image.

이러한 문제를 극복하기 위해 본 실시예에서는 시변 도플러 주파수에 대한 OCT 광점멸 신호의 능동적 대응이 가능한 실시간 보정 시스템 즉, 광원 변조 제어 장치(150)를 더 포함한다.In order to overcome this problem, the present embodiment further includes a real-time correction system, that is, a light source modulation control device 150 capable of actively responding to the OCT light blinking signal with respect to the time varying Doppler frequency.

광원 변조 제어 장치(150)는 광점멸의 능동적 제어를 위한 보정 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 광원 변조 제어 장치(150)가 생성한 보정 신호는 광원 변조부(140)에 제공되며, 광원 변조부(140)는 이 신호를 토대로 2차원 이미지 획득 장치(110)의 광원(111a)을 변조시킨다.The light source modulation control device 150 performs a function of generating a correction signal for active control of light blinking. The correction signal generated by the light source modulation controller 150 is provided to the light source modulator 140, and the light source modulator 140 modulates the light source 111a of the 2D image acquisition device 110 based on the signal. .

광원 변조 제어 장치(150)는 2차원 이미지 획득 장치(110)와 마찬가지로 간섭계를 포함하여 이루어진다. 특히, 광원 변조 제어 장치(150)는 2차원 이미지 획득 장치(110)와 중심파장이 동일한 광원을 구비한다.The light source modulation control device 150 includes an interferometer like the two-dimensional image acquisition device 110. In particular, the light source modulation control device 150 includes a light source having the same center wavelength as the 2D image acquisition device 110.

광원 변조 제어 장치(150)는 기본적인 마이켈슨 간섭계와 전자 회로부로 구성되어 있으며, 2차원 이미지 획득 장치(110)와 기준단 이송부(130)를 공유한다. OCT 광원의 중심파장과 동일한 스펙트럼을 가지고 있는 단파장 빔을 이용하여 기준단(120) 이송에 따른 정현적(sinusoidal) 간섭 신호를 생성한다. 생성된 정현파 간 섭 신호는 DC 성분이 제거된 펄스파로 변환되며, 변환된 펄스열의 주기는 간섭 신호의 주기와 일치한다. 펄스열은 OCT 광원의 점멸을 위한 전력 공급 신호로 작용되며, 이러한 실시간 피드백(feedback) 효과를 통해 2차원 이미지 획득 장치(110)의 광점멸은 정확히 시변 도플러 간섭 신호와 대응되어 이미지의 해상도를 향상시키게 된다. 이러한 능동형 광변조 방법은 순간적으로 변동하는 간섭 신호의 주기에 대해 OCT 광변조 주기를 동시적으로 변화시켜 줌으로써 스캐너의 비선형에 관계없이 고속의 3차원 OCT 이미징을 가능하게 한다. 이러한 3차원 OCT 이미징은 이미지 해상도도 저하되지 않도록 한다.The light source modulation control device 150 includes a basic Michelson interferometer and an electronic circuit unit, and shares the two-dimensional image acquisition device 110 and the reference stage transfer unit 130. A sinusoidal interference signal is generated by transferring the reference stage 120 using a short wavelength beam having the same spectrum as the center wavelength of the OCT light source. The generated sinusoidal interference signal is converted into a pulse wave from which the DC component is removed, and the period of the converted pulse string coincides with the period of the interference signal. The pulse train acts as a power supply signal for flickering the OCT light source, and through this real-time feedback effect, the light flickering of the 2D image acquisition device 110 accurately corresponds to the time varying Doppler interference signal to improve the resolution of the image. do. The active optical modulation method enables high-speed three-dimensional OCT imaging regardless of the nonlinearity of the scanner by simultaneously changing the OCT optical modulation period with respect to the instantaneously changing period of the interference signal. This three-dimensional OCT imaging also ensures that image resolution is not degraded.

광원 변조 제어 장치(150)의 대체적인 구성은 2차원 이미지 획득 장치(110)와 동일하다. 따라서, 동일한 기능을 수행하는 구성부에 대해서는 동일한 도면 부호를 적용한다. 다만, 편의상 이하에서 설명하는 구성부에 한해서는 동일한 기능을 수행하더라도 다른 도면 부호를 적용한다. 또한, 구성부 명칭의 서두에 "제2"를 포함시켜 "제1"이 포함된 2차원 이미지 획득 장치(110)의 구성부와 서로 구별되도록 한다.An alternative configuration of the light source modulation control device 150 is the same as that of the two-dimensional image acquisition device 110. Therefore, the same reference numerals apply to components that perform the same function. However, for convenience, only the components described below apply different reference numerals to perform the same function. In addition, "second" is included at the beginning of the name of the component so as to be distinguished from components of the two-dimensional image obtaining apparatus 110 including the "first".

광원 변조 제어 장치(150)는 2차원 이미지 획득 장치(110)와 몇몇 부분에서 차이가 있는 바, 이하에서는 이 부분에 대해서만 설명한다.The light source modulation control device 150 differs from the two-dimensional image acquisition device 110 in some parts, and only this part will be described below.

광원 변조 제어 장치(150)는 2차원 이미지 획득 장치(110)와 달리 광 감쇄부(116)를 구비하지 않는다. 대신에, 광원 변조 제어 장치(150)는 라인 필터링부(151)를 구비한다. 라인 필터링부(151)는 조사광 조절부(112)와 광 분배부(113) 사이에 위치한다. 이러한 라인 필터링부(151)는 본 실시예에서 조사광 조절부(112) 를 통과한 광대역 평형빔을 2차원 이미지 획득 장치(110)에서의 평형빔과 중심파장이 동일한 단일파장 평형빔으로 전환시키는 기능을 수행한다. 라인 필터링부(151)는 예컨대 레이저 라인 필터로써 구현될 수 있다.The light source modulation control device 150 does not include the light attenuator 116, unlike the 2D image acquisition device 110. Instead, the light source modulation control device 150 includes a line filtering unit 151. The line filtering unit 151 is positioned between the irradiation light control unit 112 and the light distribution unit 113. The line filtering unit 151 converts the broadband balanced beam passing through the irradiation light control unit 112 into a single wavelength balanced beam having the same central wavelength as the balanced beam in the 2D image obtaining apparatus 110 in the present embodiment. Perform the function. The line filtering unit 151 may be implemented as, for example, a laser line filter.

광원 변조 제어 장치(150)는 기준단(120)에 대응하는 개념으로 이송단(153)을 구비하며, 샘플단(121)에 대응하는 개념으로 고정단(152)을 구비한다. 고정단(152) 끝에는 시료가 구비되지 않는 관계로 시료 위치부(115) 대신 고정단 반사부(154)가 장착된다.The light source modulation control apparatus 150 includes a transfer stage 153 in a concept corresponding to the reference stage 120, and a fixed stage 152 in a concept corresponding to the sample stage 121. Since the sample is not provided at the end of the fixed end 152, the fixed end reflector 154 is mounted instead of the sample position 115.

한편, 이송단(153) 끝의 제2 분배광 반사부(155)는 2차원 이미지 획득 장치(110)의 제1 분배광 반사부(114)와 함께 기준단 이송부(130)에 장착되며, 기준단 이송부(130)에 의해 동시에 스캐닝이 이루어지도록 한다.On the other hand, the second distribution light reflector 155 at the end of the transfer stage 153 is mounted to the reference stage transfer unit 130 together with the first distribution light reflector 114 of the two-dimensional image acquisition device 110, the reference However, scanning is simultaneously performed by the transfer unit 130.

광 검출부(156)는 2차원 이미지 획득 장치(110)와 동시 구동하는 광원 변조 제어 장치(150)로부터 간섭 신호에 대한 정보를 수집한다. 이러한 광 검출부(155)는 도플러 주파수로 진동하는 정현적 도플러 신호를 광원 변조부(140)에 제공하는 기능을 수행한다. 광 검출부(156)는 본 실시예에서 PD(Photo Detector)로 구현될 수 있다.The light detector 156 collects information on the interference signal from the light source modulation control device 150 which is simultaneously driven with the 2D image acquisition device 110. The light detector 155 functions to provide the light source modulator 140 with a sinusoidal Doppler signal vibrating at the Doppler frequency. The light detector 156 may be implemented as a photo detector (PD) in this embodiment.

이상 설명한 광원 변조 제어 장치(150)의 구동 방법을 설명하면 다음과 같다. 광대역 광원에서 발산된 광은 빔 평형기에 의해 평행광으로 전환된다. 이후, 라인 필터링부(151)를 거쳐 OCT 광원의 중심파장에 근접하는 단파장 평행빔으로 진행하게 된다. 광속 분할기를 통해 각각 균등 분할된 단파장 평행빔은 간섭계 각 단 미러(154, 155)에 반사되어 광속 분할기에서 재결합한다. 이후, 간섭을 일으키게 되고, 결상 렌즈를 통해 최종적으로 광 검출부(156)로 검출된다. 이후, 기준단 이송부(130)의 연속 스캔에 따라 이송단 미러(155)에 위치 변화가 있게 되고, 이에 따라 광 검출기(156)로 검출되는 간섭광의 세기 변화가 정현파의 양상을 띠게 된다. 이것은 도플러 주파수로 진동하는 전기적 정현파 신호로 변환된다. 이후, 정현적 도플러 신호는 전기적 라인을 통해 광원 변조부(140)로 전달되고, 광원 변조부(140)에 의해 OCT 광원(111a)의 광점멸을 위한 펄스 신호로 변환된다. 도플러 주파수로 동작하는 펄스 신호는 OCT 광원의 광점멸 구동을 위한 구동 드라이버(111b)로 입력된다. 구동 드라이버(111b)는 OCT 광원과 연결된 광원 마운트(111c)에 구동 전류를 공급하여 최종적으로 OCT 광원(111a)이 시변 도플러 주기를 가지고 on-off로 점멸된다. 이러한 방법을 통해 기준단 미러(114)의 이송에 의해 발생된 간섭 신호로부터 DC가 포함된 포락선 성분만을 2D 이미지 센서(118)로부터 취할 수 있게 된다. 그리고, 검출된 신호의 차이로부터 잡음과 DC가 제거된 포락선 정보, 즉 샘플의 반사 정보만을 추출해낼 수 있게 된다.The driving method of the light source modulation control device 150 described above is as follows. Light emitted from the broadband light source is converted into parallel light by a beam balancer. Thereafter, the line filtering unit 151 proceeds to a short wavelength parallel beam approaching the center wavelength of the OCT light source. The short-wavelength parallel beams, which are equally divided through the beam splitters, are reflected by the end mirrors 154 and 155 of the interferometer and recombine in the beam splitters. Thereafter, interference is caused and finally detected by the light detector 156 through the imaging lens. Thereafter, a position change occurs in the transfer mirror 155 according to the continuous scan of the reference stage transfer unit 130, and thus, the change in the intensity of the interference light detected by the photo detector 156 takes the form of a sine wave. This is converted into an electrical sine wave signal that vibrates at the Doppler frequency. Thereafter, the sinusoidal Doppler signal is transmitted to the light source modulator 140 through an electrical line, and is converted into a pulse signal for light blinking of the OCT light source 111a by the light source modulator 140. The pulse signal operating at the Doppler frequency is input to the driving driver 111b for driving the light blink of the OCT light source. The driving driver 111b supplies a driving current to the light source mount 111c connected to the OCT light source so that the OCT light source 111a blinks on-off with a time varying Doppler period. In this way, only the envelope component including DC from the interference signal generated by the transfer of the reference mirror 114 can be taken from the 2D image sensor 118. In addition, it is possible to extract only the envelope information from which the noise and the DC are removed, that is, the reflection information of the sample, from the difference between the detected signals.

도 4는 광원 변조부의 능동적 제어 과정을 도시한 실험적 결과 그래프이다. 자세하게는, 기준단 이송부(130)의 비선형적 스캔 행정에 따라 발생되는 도플러 주파수의 임의적 변화에 대한 OCT 광점멸의 능동적 제어 과정을 보여주는 실험적 결과 그래프이다.4 is an experimental result graph illustrating an active control process of a light source modulator. In detail, it is an experimental result graph showing an active control process of OCT light blinking for an arbitrary change in the Doppler frequency generated by the nonlinear scan stroke of the reference stage transfer unit 130.

도 4에서 (a)는 광원 변조 제어 장치(150)에 구비되는 제2 분배광 반사부(155)의 축상 운동으로부터 발생된 정현파 형태의 간섭신호를 나타낸다. 광원 변조 제어 장치(150)의 광원 스펙트럼이 OCT 광원(111a)의 스펙트럼 중심파장과 같기 때문에, 광원 변조 제어 장치(150)에서 발생되는 도플러 주파수의 변화는 기준단 이송부(130)의 비선형적 운동시 발생되는 OCT 간섭 신호의 도플러 변화와 일치한다.In FIG. 4, (a) illustrates an sine wave interference signal generated from the axial motion of the second split light reflection unit 155 included in the light source modulation control device 150. Since the light source spectrum of the light source modulation control device 150 is the same as the spectral center wavelength of the OCT light source 111a, the change in the Doppler frequency generated in the light source modulation control device 150 is caused by the nonlinear motion of the reference stage transfer unit 130. It is consistent with the Doppler change of the generated OCT interference signal.

(b)는 대역 통과 필터를 거쳐 정현파 도플러 신호로부터 DC 성분과 외부 고주파 잡음이 제거된 신호를 나타낸다. 이렇게 정제된 도플러 간섭 신호는 전기적 회로를 거쳐 간섭 신호와 동일한 도플러 주기를 가지는 펄스열로 변환된다. (c)는 이 펄스열을 보여주고 있다. (d)는 펄스열에 의해 광점멸되는 OCT 광원(111a)이 적용된 간섭 신호를 나타낸다. 이러한 변조 신호는 2차원 이미지 센서로 검출된 후 연산 과정을 거쳐 시료의 단층 정보를 보여주게 된다.(b) shows a signal from which a DC component and external high frequency noise are removed from a sinusoidal Doppler signal through a band pass filter. The purified Doppler interference signal is converted into a pulse train having the same Doppler period as the interference signal through an electrical circuit. (c) shows this pulse train. (d) shows an interference signal to which the OCT light source 111a to which light flickers by a pulse train is applied. The modulated signal is detected by the two-dimensional image sensor and then subjected to a calculation process to show the tomographic information of the sample.

이상 설명한 바와 같이, 광원 변조 제어 장치(150)가 광원 변조부(140)에 광점멸에 기반이 되는 정보를 제공함으로써 이미징 스캔부에서 발생한 도플러 변화에 즉각적이고도 능동적으로 반응할 수 있으며, 고속 3차원 이미징을 수행할 수 있음을 실험적 결과를 통하여 확인할 수 있다.As described above, the light source modulation control device 150 provides the light source modulation unit 140 with information based on the light flickering, thereby promptly and actively responding to the Doppler change generated in the imaging scan unit, and is capable of high speed 3D. Experimental results confirm that imaging can be performed.

도 5는 광원 변조부의 능동적 OCT 광점멸 제어를 실험적으로 확인해 본 결과이다. 도 5에서 (a)는 비선형적인 스캔 과정으로 인해 무작위적인 도플러 변화가 감지된 OCT 간섭 신호의 한 부분이다. 기준단 이송부(130)의 스캔 동작시, OCT 간섭 신호의 도플러 주파수(즉, (a))가 시간적으로 변하고 있음을 알 수 있다.5 is a result of experimentally confirming active OCT light blinking control of the light source modulator. In Figure 5 (a) is a portion of the OCT interference signal is detected a random Doppler change due to the non-linear scan process. During the scan operation of the reference stage transfer unit 130, it can be seen that the Doppler frequency (ie, (a)) of the OCT interference signal is changing in time.

(b)는 시변 도플러 간섭 신호에 대응하여 변화하는 OCT 광점멸을 위한 펄스 신호를 나타낸다. 펄스 주기의 변화 양상이 OCT 간섭 신호의 그것과 거의 일치하고 있음을 확인할 수 있다. (c)는 능동적 제어 방식이 적용되지 않은 이론적 도플러 주파수에 의해 발생되는 펄스열을 나타낸다. 도 5에서 볼 수 있듯이 OCT 간섭 신호의 도플러 주기와 전혀 일치되지 않음을 알 수 있다.(b) shows a pulse signal for OCT light flashing that changes in response to a time varying Doppler interference signal. It can be seen that the change of the pulse period is almost identical to that of the OCT interference signal. (c) shows the pulse train generated by the theoretical Doppler frequency to which the active control method is not applied. As can be seen in Figure 5 it can be seen that it does not coincide with the Doppler period of the OCT interference signal.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템이 생성한 시료에 대한 고속 3차원 이미징 결과를 도시한 도면이다. 도 6에서 (a)는 오십원 주화의 양각 문자에 대한 형상 정보를 한번의 기준단 이송부(130) 스캔에 의해 깊이별로 획득한 이미지를 나타낸다. 그리고, (b)는 축상 스캔으로 획득한 깊이별 단층 정보들로부터 복원된 주화 양각 문자에 대한 3차원 형상 이미지를 나타낸다.FIG. 6 is a diagram illustrating a fast 3D imaging result of a sample generated by a 3D image generating system according to a preferred embodiment of the present invention. In FIG. 6, (a) shows an image obtained for each depth by scanning the reference stage transfer unit 130, the shape information of the embossed characters of the fifty-won coin. And (b) shows a three-dimensional image of the coin embossed characters reconstructed from the depth tomographic information obtained by the axial scan.

(a)는 스캔으로부터 획득된 오십원 주화의 양각 문자에 대한 2차원 단층 정보를 표면에서부터 깊이별로 나열한 결과이다. 이때, 스캔 속도는 805μm/s이며, 획득된 이미지간 간격은 약 4.5μm이다. 또한, 2차원 이미지 센서의 측정 속도는 5ms/frame이며, 이미징 획득 속도는 128ms/volume이다. 실험 결과에서 확인할 수 있듯이, 주화 양각 표면 및 바닥에 대한 정보가 손실 없이 잘 획득되고 있음을 알 수 있다.(a) is the result of listing two-dimensional tomographic information about the embossed characters of fifty-won coins obtained from the scan by depth from the surface. At this time, the scanning speed is 805 μm / s, and the acquired inter-image spacing is about 4.5 μm. In addition, the measurement speed of the two-dimensional image sensor is 5ms / frame, the imaging acquisition speed is 128ms / volume. As can be seen from the experimental results, it can be seen that information on the surface and bottom of the relief of the coin is well obtained without loss.

(b)는 깊이별 2차원 단층 정보를 이용한 주화의 3차원 형상 구조를 복원한 결과이다. 실제 주화의 사진과 비교해 볼 때, 본 발명의 3차원 이미징 성능이 샘플 정보에 대한 왜곡 없이 잘 구현되고 있음을 알 수 있다.(b) is the result of restoring the three-dimensional shape structure of the coin using the two-dimensional tomographic information for each depth. Compared with the photograph of the actual coin, it can be seen that the three-dimensional imaging performance of the present invention is well implemented without distortion of the sample information.

다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 방법을 설명한다. 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 방법을 도시한 순서도이다. 이하 설명은 도 7을 참조한다.Next, a three-dimensional image generation method according to a preferred embodiment of the present invention. 7 is a flowchart illustrating a 3D image generating method according to a preferred embodiment of the present invention. The following description refers to FIG. 7.

본 실시예에서 2차원 이미지 획득 장치(110)와 광원 변조 제어 장치(150)는 동시에 구동한다.In the present embodiment, the two-dimensional image acquisition device 110 and the light source modulation control device 150 are driven simultaneously.

광원 변조 제어 장치(150)의 경우, 광 조사부의 광원(157a)이 광을 조사시키면(S700), 이 조사광은 조사광 조절부를 거쳐 광 분배부에서 분할된다(S705). 분할된 두 광은 각각 이송단(153)과 고정단(152)을 지나가며 그 끝에 구비된 제2 분배광 반사부(155)와 고정단 반사부(154)로부터 반사된다(S710). 각 반사부(155, 154)로부터 반사된 두 광은 광 분배부에서 다시 결합되며, 이 결합광은 결합광 수집부를 거쳐 광 검출부(156)에서 검출된다(S715). 검출된 정보는 광원 변조부(140)에 제공되며, 광원 변조부(140)는 제공된 정보를 토대로 2차원 이미지 획득 장치(110)의 광원(111a)이 광점멸을 수행하게 한다(S720).In the case of the light source modulation control device 150, when the light source 157a of the light irradiation unit irradiates light (S700), the irradiation light is split in the light distribution unit via the irradiation light adjusting unit (S705). The two split light beams pass through the transfer end 153 and the fixed end 152, respectively, and are reflected from the second distribution light reflector 155 and the fixed end reflector 154 provided at the ends (S710). The two lights reflected from the reflectors 155 and 154 are combined again in the light distribution unit, and the combined light is detected by the light detector 156 via the combined light collecting unit (S715). The detected information is provided to the light source modulator 140, and the light source modulator 140 causes the light source 111a of the 2D image obtaining apparatus 110 to perform light blinking based on the provided information (S720).

2차원 이미지 획득 장치(110)는 도 1을 참조하여 전술하였듯이 시료의 2차원 이미지를 획득한다(S725). 이때, 획득되는 이미지는 광원 변조부(140)의 광점멸을 고려하며 기준단 이송부(130)의 왕복 운동을 따른다.The 2D image acquisition apparatus 110 acquires a 2D image of the sample as described above with reference to FIG. 1 (S725). In this case, the obtained image considers the light flickering of the light source modulator 140 and follows the reciprocating motion of the reference stage transfer unit 130.

2차원 이미지 획득 장치(110)가 획득한 시료의 2차원 이미지는 3차원 이미지 생성 장치(170)로 전달되며, 3차원 이미지 생성 장치(170)는 전달된 2차원 이미지들을 취합하여 시료에 대한 3차원 이미지를 생성한다(S730).The 2D image of the sample obtained by the 2D image acquisition device 110 is transferred to the 3D image generating device 170, and the 3D image generating device 170 collects the 2D images transferred to the 3D image. A dimensional image is generated (S730).

한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, CD-ROM, DVD, 광데이터 저장장치 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.Meanwhile, the above-described embodiments of the present invention can be written as a program that can be executed in a computer, and can be implemented in a general-purpose digital computer that operates the program using a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may be a magnetic storage medium (for example, a ROM, a floppy disk, a hard disk, a magnetic tape, etc.), an optical reading medium (for example, a CD-ROM, a DVD, an optical data storage device, etc.). And storage media such as carrier waves (eg, transmission over the Internet).

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various modifications, changes, and substitutions may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. will be. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by the embodiments and the accompanying drawings. . The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

본 발명은 광학 간섭계(optical interferometer)를 이용하여 시료의 외부 형상이나 내부 구조를 비접촉적이며 비침습적인 방법으로 영상화시킬 수 있는 광 단층 미세 조영 기법의 일종인 낮은 광 결맞음 단층 촬영기(OCT; Optical Coherence Tomography)에 관한 것이다.The present invention provides a low optical coherence tomography (OCT), which is a kind of optical tomographic microscopy technique that can image the external shape or internal structure of a sample by using a non-contact and non-invasive method using an optical interferometer. Tomography).

OCT 기술은 상용 의료 장비에 점차 널리 보급되고 있으며, 특히 안과에서 많이 이용되고 있다. 본 발명은 생체 내부 병변의 형상학적 구조 분석을 요하거나 생체 내부의 미세 변이를 감지하고자 하는 생의학 분야, 시료의 비파괴 검사나 생산제품의 품질 검사와 같은 실시간 반응 아웃풋을 요구하는 공업 계측 분야 등을 위한 3차원 형상 측정 기술을 제공한다. 또한, 본 발명은 실시간 계측을 통해 결과를 도출하는 산업용 검측 방식으로 적용할 수 있다. 본 발명은 의료계 관련 산업 분야 뿐만 아니라 여러 생산 산업 분야에 고속 진단 및 검사, 분석 장비로써 응용될 수 있을 것으로 기대된다.OCT technology is increasingly widely used in commercial medical equipment, especially in ophthalmology. The present invention is for the biomedical field that requires the analysis of the morphological structure of the in vivo lesions, or for the industrial measurement field that requires real-time reaction output such as non-destructive testing of samples or quality inspection of production products. Provide three-dimensional shape measurement technology. In addition, the present invention can be applied to the industrial detection method to derive the result through real-time measurement. The present invention is expected to be applied as a high-speed diagnostic, inspection and analysis equipment not only in the medical field, but also in various production industries.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.1 is a conceptual diagram schematically showing a three-dimensional image generation system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속 3차원 이미징 방법을 도식화한 도면이다.2 is a diagram illustrating a fast three-dimensional imaging method according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 고속 3차원 이미징 방법에 대해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한 결과를 도시한 그래프이다.3 is a graph showing the results of computer simulations for the high speed three-dimensional imaging method.

도 4는 광원 변조부의 능동적 제어 과정을 도식화한 도면이다.4 is a diagram illustrating an active control process of a light source modulator.

도 5는 광원 변조부의 능동적 제어 과정에 대한 실험 결과 그래프이다.5 is a graph showing experimental results of an active control process of a light source modulator.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 시스템이 생성한 시료에 대한 고속 3차원 이미징 결과를 도시한 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a fast 3D imaging result of a sample generated by a 3D image generating system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 이미지 생성 방법을 도시한 순서도이다.7 is a flowchart illustrating a 3D image generating method according to a preferred embodiment of the present invention.

Claims

A light source for generating light;

A light source modulator driving the light source to blink;

A light distribution unit for distributing the light generated by the flashing of the light source to a sample stage having a reference stage and a sample;

A reference stage transfer unit for transferring the reference stage; And

The image acquisition unit detects an interference image detected from the recombined light when the divided light is reflected from the reference end and the sample end and then recombined by the light distribution unit whenever the reference end is transferred.

Image generation system comprising a.

The method of claim 1,

A light source modulation controller for controlling the generation of the light source blinking signal of the light source modulator

The image generating system further comprises.

The method of claim 2,

And the light source modulator blinks the light source at an estimated Doppler frequency according to the driving of the light source modulation controller.

The method of claim 2,

The light source modulation control device,

A light generator for generating light;

A light splitting unit dividing the light generated from the light generating unit into a fixed first reflecting unit and a second reflecting unit mounted to the reference stage transfer unit; And

A light detector that detects the recombined light and provides it to the light source modulator when the split light is reflected from the first reflector and the second reflector and then recombined in the light splitter

Image generation system comprising a.

The method of claim 4, wherein

And the light generating unit generates light having a center wavelength coinciding with the light generated by the light source.

The method of claim 4, wherein

The light source modulation control apparatus further includes a line filtering unit positioned between the light generating unit and the light splitting unit and converting light generated from the light generating unit into single wavelength balanced light.

The method of claim 1,

3D image generating device for generating a 3D image of the sample based on the detected interference image

The image generating system further comprises.

The method of claim 1,

The image acquisition unit,

An envelope component extracting unit extracting an envelope component in consideration of a difference between the interference images continuously obtained according to the blinking of the light source or the transfer of the reference stage; And

Tomographic information generation unit for generating the information on the tomographic layer of the sample by merging the extracted envelope component

Image generation system comprising a.

A light splitting unit for generating light, a light splitting unit for splitting the light generated from the light generating unit into a fixed first reflecting unit and a second reflecting unit which is transported together with the reference terminal, and light split from the light splitting unit A light source modulation control device including a light detector for detecting the recombined light when the light is reflected from the first reflector and the second reflector and then recombined by the light splitter;

A light source for generating the light;

When the light source is blinking under the control of the light source modulation control device based on the information on the detected light, the light distribution for distributing the light generated from the light source to the sample stage provided with the reference stage and the sample according to the blinking Allocation;

A reference end transfer unit for transferring the second reflector and the reference end together; And

The image acquisition unit detects an interference image detected from the recombined light when the light distributed from the light distribution unit is reflected from the reference stage and the sample stage and then recombined in the light distribution unit whenever the reference stage is transferred.

Image generation system comprising a.

(a) flashing light;

(b) distributing the light generated by the blinking to a sample stage having a reference stage and a sample;

(c) detecting an interference image detected from the recombined light when the distributed light is recombined after being reflected from the reference end and the sample end while transporting the reference end;

Image generation method comprising a.

11. The method of claim 10,

The step (a) is characterized in that for flashing the light at the estimated Doppler frequency.

The method of claim 11,

In step (a),

(aa) generating light;

(ab) dividing the generated light into a fixed first reflecting unit and a second reflecting unit mounted to a reference stage conveying unit for transporting the reference stage;

(ac) detecting the recombined light when the divided light is reflected from the first reflector and the second reflector and then recombined; And

(ad) estimating the Doppler frequency from the detected light

Image generation method comprising a.

13. The method of claim 12,

Wherein (aa) is characterized in that for generating the light of the center wavelength and the light flickering in the step (a).

11. The method of claim 10,

After step (c),

(d) generating a three-dimensional image of the sample based on the detected interference image

Image generation method comprising a.

11. The method of claim 10,

In step (c),

(ca) extracting an envelope component in consideration of the difference between the interference images continuously acquired according to the blinking of the light or the transfer of the reference stage; And

(cb) generating information on the tomography layer of the sample by merging the extracted envelope components;

Image generation method comprising a.

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