KR101263326B1 - 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영 장치 - Google Patents

음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치는 시료를 단층 촬영하는 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치에 있어서, 광대역 광원; PBS; 상기 PBS로부터 제공되는 빛살들 중 구동 RF 주파수에 대응되는 특정 파장들의 빛살들이 선택되며, 선택된 파장의 일부빛살은 주파수 변조되어 제1 빛살로 출력되고, 선택된 파장의 나머지 빛살은 주파수 변조되지 않은 상태로 회절되어 제2 빛살로 출력되는 음향 광 변조필터(AOTF); 스윕 속도에 따라 스윕되는 복수 개의 fRF를 생성하여 연속적으로 상기 AOTF로 제공하여 상기 AOTF를 구동시키는 AOTF 구동부; 신호빛을 AOTF로 제공하는 스캐닝 미러; 참조빛을 제공하는 제2 빛살 경로 유도부; 상기 스윕 속도에 대한 정보를 이용하여 신호빛과 참조빛의 간섭신호들을 복조하여 출력하는 복조부;를 구비한다. 본 발명에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치는 AOTF를 이용하여 고속 동작이 가능한 스윕 소스를 간단하게 구현할 수 있다.

Description

음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영 장치{Heterodyne Optical Coherence Tomography using an AOTF}
본 발명은 음향 광변조필터(acusto-optic tunable filter, 이하 AOTF)를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 광대역 광원과 이중경로(Double-pass) AOTF 정렬을 통해 서로 다른 연속적인 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)들을 AOTF에 제공함으로써 연속적인 준단색광(Quasi-monochromatic light)을 제공할 수 있는 고속 구동이 가능한 스윕 소스(swept source)를 간단하게 구현함과 동시에 헤테로다인 측정기법을 이용한 광 간섭성 단층 촬영 장치에 관한 것이다.
시료의 표면은 대체로 육안으로 직접 확인할 수 있으나, 시료의 크기가 매우 작은 경우에는 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 광 간섭성 단층촬영 장치 (Optical Coherence Tomography, 이하 OCT)를 통하여 얻은 이미지 정보를 활용하였다.
OCT는 광의 짧은 가간섭 거리(coherence length)를 가지는 근적외선 파장의 광원을 이용하는 광 결맞음 단층 촬영 기법으로서, 비침습적으로 생체 조직의 단층 영상을 얻을 수 있는 새로운 영상진단기술이다. OCT는 높음감도(90dB 이상), 넓은 동적영역, 수 마이크로미터급 이미지 분해능, 실시간 이미징, 소형화의 장점을 가지므로 정밀 의료기기분야에도 다양하게 적용할 수 있다. 또한 OCT는 광대역 광원을 이용하여 시료에 대해 단층 촬영을 수행하며 이로부터 시료에 대한 3차원 표면 형상이나 내부 구조를 획득한다. 초음파 영상기술의 경우는 반사 초음파의 생체 깊이에 따른 지연시간을 전자적 방법으로 측정하는데 반하여 OCT의 경우는 초음파에 비하여 훨씬 빠른 광을 이용하므로 간섭계의 간섭신호를 측정하여 정보 신호를 이미지화하는 차이가 있다. OCT는 MRI, CT 등으로 얻을 수 없는 조직의 층 형태 구분 및 미세혈관의 병리학적인 영상진단에 탁월하여 의료응용분야에서 안과영역, 특히 망막 관련 병변의 진단에 널리 사용되고 있고, 최근에는 심장병학, 종양학, 내시경학, 치과, 신경외과, 정형외과, 비뇨기과, 피부과 등으로 그 응용범위가 점차 다양해지고 있다. 또한 고해상도의 비파괴 검사가 필요한 일반 산업 분야에도 유용하게 사용될 수 있다. 종래 일반적인 OCT 이미징 기술은 시간영역 OCT(TD-OCT: Time Domain OCT)와 퓨리에영역 OCT(FD-OCT: Fourier Domain OCT)가 있다.
도 1은 종래의 TD-OCT에 대한 기본 시스템을 개념적으로 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, TD-OCT는 기준거울(Reference Mirror)에서 반사된 광과 시료(Sample)에서 반사된 광을 결합하고, 포토다이오드와 같은 광검출소자를 이용하여 시료의 깊이별 1차원 정보를 순차적으로 획득한 후, 두 축 방향(X, Y)으로 빔을 주사시켜 최종적으로 시료의 3차원 정보를 획득한다. 이때, TD-OCT는 시료 내부로부터 반사된 광과 기준 거울에서 반사된 광이 결합하여 간섭을 일으키도록 하기 위하여, 각 반사된 광들의 광로차를 맞추어 주어야 한다. 이와 같이 광로차를 맞추기 위하여, TD-OCT는 기준 미러를 연속적으로 이동시켜 스캔하여야 되며, 기준단 미러를 이동시키기 위하여 PZT 액츄에이터와 같은 구동장치를 사용하게 된다. 그런데, PZT 액츄에이터와 같은 구동 장치는 구동 속도에 한계가 있기 때문에, 시간 영역 OCT의 스캐닝 속도가 구동 장치의 속도에 따라 제한을 받는 문제를 내포하고 있다.
도 2는 종래의 광대역 소스와 분광계를 이용한 FD-OCT의 일종인 Spectral-Domain OCT(SD-OCT) 시스템을 개념적으로 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, SD-OCT는 기준 미러가 고정되어 있으며 간섭계에서 나온 광 스펙트럼이 동시에 분광계(Spectrometer)에 의해 탐지된 후 퓨리에 변환(Fourier Transform)에 의해 시료의 깊이에 따른 정보를 측정하게 된다. 이와 같이, SD-OCT는 spectrometer와 같은 촬상소자를 이용하여 시료의 각 파장대역별 정보를 획득하고, 이를 퓨리에 변환시켜 시료의 깊이별 1차원 정보를 획득한다. 전술한 SD-OCT는 촬상소자가 각 파장대역별 영상을 획득하여야 되는데, 촬상 소자의 구동 속도에 한계가 있기 때문에 SD-OCT의 이미지 획득 속도가 촬상 소자의 구동 속도에 따라 제한을 받게 된다.
전술한 SD-OCT의 문제점을 해결하기 위하여, FD-OCT의 또 다른 형태인 Swept Source OCT(SS-OCT)가 제안되었다. 도 3은 종래의 SS-OCT 시스템의 구조도를 개략적으로 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, SS-OCT는 각 파장대역별 광을 시간에 따라 연속적으로 조사 가능한 튜너블 레이저(Tunable Laser)와 같은 즉, 스윕 소스(swept source)를 사용하고, 포토다이오드와 같은 광검출소자를 이용하여 시료에 대한 각 파장대역별 정보를 획득하는 것으로서, SD-OCT와 같이 위상지연을 위한 기준단 거울의 움직임 없이 스윕소스의 파장가변 속도 즉, 스윕속도에 해당하는 속도로 깊이방향에 대한 정보를 획득할 수 있다.
하지만, 전술한 OCT들에 비해 상대적으로 이미지 획득 속도가 고속임에도 불구하고, 고속의 파장가변 광원 즉, 스윕 소스(swept source)를 구성하기 위해서는 상대적으로 광학계 구성이 복잡하고 크기가 커지기 때문에 결과적으로 이를 이용한 OCT 장치의 크기가 커지게 되어 응용에 제약을 받게 되는 문제점을 내포하고 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광대역 광원과 이중경로(Double-pass) AOTF 정렬을 통해 서로 다른 연속적인 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)들을 AOTF에 제공함으로써 연속적인 준단색광(Quasi-monochromatic light)을 제공할 수 있는 고속 구동이 가능한 스윕 소스(swept source)를 간단하게 구현함과 동시에 헤테로다인 측정기법을 이용한 광 간섭성 단층 촬영 장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은 시료를 단층 촬영하는 음향 광변조필터를 이용한 광 간섭성 단층 촬영 장치에 관한 것으로서, 빛살을 제공하는 광대역 광원; 상기 광원으로부터 제공되는 빛살을 편광 상태에 따라 투과시키거나 반사시키는 편광빔스플리터(PBS); 상기 PBS로부터 제공되는 광대역 광원 중 AOTF에 제공되는 특정 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)들에 대응되는 특정 파장들이 선택되며, 선택된 파장 중 50% 빛은 주파수 변조된 제 1빛살의 신호빛으로로, 나머지 50% 빛은 제 2빛살의 참조빛으로 주파수 변조되지 않은 상태로 회절시켜 출력하는 음향 광 변조필터(AOTF); 사전 설정된 스윕(sweep) 속도에 따라 스윕되는 복수 개의 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)를 생성하여 상기 AOTF로 연속적으로 제공하여 상기 AOTF를 구동시키는 AOTF 구동부; 상기 AOTF로부터 제공되는 제1 빛살의 진행 경로에 배치되어, 제1 빛살을 시료를 향해 주사시키고, 시료로부터 되반사되는 신호빛(Signal beam)을 다시 AOTF로 제공하며, 시료의 표면을 스캐닝하도록 XY 방향으로 구동하는 스캐닝 미러(Scanning mirror); 상기 AOTF로부터 제공되는 제2 빛살들의 진행 경로에 배치되고, 상기 제2 빛살들을 각각의 입사 경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Reference beam)을 제공하는 제2 빛살 경로 유도부; 상기 AOTF와 상기 샘플스테이지 및 제2 빛살 경로 유도부 사이에 배치되고, 입사된 빛살들을 원형 편광으로 변환시켜 출력하는 사분파장 위상지연판(QWP); 상기 AOTF로부터 출력된 후 PBS에서 반사되어 진행하는 신호빛과 참조빛의 간섭 신호들을 순차적으로 검출하고, 상기 AOTF 구동부로부터 스윕 속도에 대한 정보를 제공받고, 상기 스윕 속도에 대한 정보를 이용하여 상기 검출된 간섭신호들을 파장에 따라 시간별로 동기화시켜 복조하여 출력하는 복조부; 및 상기 스캐닝 미러의 구동을 제어하고, 상기 복조부에 의해 출력된 신호들을 이용하여 시료에 대한 단층 촬영 정보를 검출하는 제어부;를 구비하고,
상기 제1 빛살은 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)에 의해 변조된 1차(First-order) 빛살이며, 제2 빛살은 변조되지 않은 영차(Zero-order) 빛살인 것을 특징으로 한다.
전술한 특징에 따른 광학 단층 촬영 장치에 있어서, 상기 제2 빛살 경로 유도부는 평행하게 입사되는 빛살들을 입사 경로를 따라 다시 반사시키는 제1 거울; 및 상기 AOTF로부터 제공되는 제2 빛살의 진행경로에 배치되어, 상기 제2 빛살을 서로 평행하게 반사시켜 제1 거울로 제공하고, 상기 제1 거울로부터 되반사되는 제2 빛살을 각각 입사경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Reference beam)을 제공하는 포물면 거울;을 구비하거나,
상기 제2 빛살 경로 유도부는 입사되는 빛살들을 각각 입사 경로를 따라 다시 반사시키는 구면 거울; 및 AOTF로부터 제공되는 제2 빛살의 진행 경로에 배치되어, 상기 제2 빛살을 상기 구면 거울로 제공하고, 상기 구면 거울로부터 되반사되는 제2 빛살을 각각 입사 경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Refernce beam)을 제공하는 제2 거울;을 구비하거나,
상기 제2 빛살 경로 유도부는 상기 AOTF로부터 제공되는 제2 빛살의 진행경로에 배치되어, 상기 제2 빛살을 각각 입사 경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Reference beam)을 제공하는 구면 거울; 을 구비할 수 있다.
전술한 특징에 따른 광 간섭성 단층 촬영 장치에 있어서, 이중경로를 통해 상기 AOTF로부터 출력된 후 PBS에서 반사되어 진행하는 신호빛과 참조빛의 간섭 신호를 검출하여 제공하는 광검출소자; 및 상기 AOTF 구동부로부터 스윕 속도에 대한 정보를 제공받고, 상기 스윕 속도를 이용하여 상기 광검출소자로부터 제공된 간섭신호들을 파장에 따라 시간별로 동기화시켜 복조하여 출력하는 복조기;를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영 장치는 광대역 광원과 이중경로 AOTF를 이용함으로써, 연속되는 서로 다른 파장의 준단색광을 시간에 대하여 연속적으로 제공할 수 있는 파장가변 광원 즉, Swept Source를 간단하게 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 광 간섭성 단층 촬영 장치는 AOTF를 이용한 스윕 소스를 제공함으로써, TD-OCT와 같은 위상 지연을 유발하는 구성요소의 움직임이 없으며, 종래의 SS-OCT와 같은 크고 복잡한 광원 구성없이 시료의 각 깊이별 정보들을 포함하는 서로 다른 파장의 간섭신호들은 광검출소자를 이용하여 시료의 각 깊이별 정보들을 고속으로 획득할 수 있게 된다.
또한, 이중경로 AOTF를 구비하는 헤테로다인 측정기법을 이용하여 광 간섭성 단층 촬영 장치를 구성함으로써, 간단한 구조의 광학계를 통해 빔 정렬이 용이하며, 상대적으로 외부 환경에 의한 노이즈에 강인하게 신호를 검출 가능하다는 장점을 갖는다.
또한, 간섭계에 사용되는 신호빛을 XY 스캐닝 미러를 이용하여 시료에 주사하여 스캐닝 속도를 더욱 증대시켜 킬 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 종래의 기술에 따른 TD-OCT를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 SD-OCT를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 기술에 따라 SS-OCT를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치를 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치에 있어서, 제2 빛살 경로 유도부의 다른 실시형태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치에 있어서, 제2 빛살 경로 유도부의 또 다른 실시형태를 나타낸 도면이다.
도 7은 AOTF로 입사된 빛살들과 AOTF에 의해 변조되어 출력된 빛살들을 설명하기 위하여 도시한 그림이다.
도 8은 AOTF로 제공되는 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)와 출력 파장과의 상관관계를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치의 구조 및 동작을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치는 AOTF를 이중으로 통과하는 빛살들 중 입사 경로와 동일한 경로로 진행하는 빛살들만을 이용하는 double-Pass 헤테로다인 간섭계를 이용한 광 간섭성 단층 촬영장치로서, AOTF 구동부를 통해 스윕되는 연속적인 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)를 AOTF로 제공하여, 간섭신호들을 시간에 대하여 연속적으로 검출할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치를 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 AOTF를 이용한 헤테로다인 간섭계(30)는 광원(300), PBS(310), AOTF(320), AOTF 구동부(330), 스캐닝 미러(340), 제2 빛살 경로 유도부(350), QWP(360), 복조부(370) 및 제어부(380)을 구비한다.
상기 광원(300)은 빛살을 제공하는 것으로서, 가간섭 거리가 짧은 광을 제공하는 것이 바람직하며, 백색광(White light), LED(Light-emitting diode), SLD(Super Luminescent Diode) 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
편광빔스플리터(PBS; 310)는 입사되는 빛살을 편광 상태에 따라 투과시키거나 반사시키는 소자로서, P파는 그대로 투과하고 S파는 입사각과 수직되게 반사시킨다. 따라서, PBS는 광원(300)으로부터 제공되는 P파를 그대로 투과시켜 AOTF(320)로 제공한다.
음향광변조필터(Acousto-Optics Tunable Filter; AOTF)(320)는 음향광크리스탈(Acousto-Optics Crystal)에 입사된 빛살 중 특정한 파장만을 선별하여 아주 좁은 대역폭을 가진 광학 밴드 패스 필터의 역할을 한다. 상기 AOTF(320)는 AOTF 구동부(330)로부터 제공된 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)로 진동하게 되고, 그 결과 입사되는 빛살 중 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)에 대응되는 제1 파장(λ1)의 제1 빛살은 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)에 의해 변조된 1차(First order) 빛살로 출력되고, 제2 빛살들은 변조없이 원래 주파수(f0)를 그대로 갖는 영차(Zero-order) 빛살로 출력된다. 또한, AOTF(320)으로 입사된 P파의 빛살들은 AOTF(320)을 통과함에 따라 AOTF의 특성에 의해 P파로부터 90°회전된 선형 편광상태인 S파가 된다.
상기 AOTF 구동부(330)는 사전 설정된 스윕 속도에 따라 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)가 스윕되어 AOTF로 연속적으로 제공하여 AOTF를 구동시킴과 동시에, 신호빛의 검출을 위하여 상기 스윕 속도에 대한 정보를 복조부(370)로 제공한다. 이와 같이, AOTF 구동부가 스윕 속도에 따라 스윕되는 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)들을 AOTF로 제공함으로써, AOTF는 고속 동작이 가능한 파장가변 광원 즉, Swept Source로서의 기능을 수행할 수 있게 된다.
도 8은 AOTF로 제공되는 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)와 이에 대응되는 출력 파장과의 상관관계를 도시한 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 광대역 광원으로부터의 광이 입사된 AOTF는 AOTF 구동부로부터 제공되는 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)에 해당하는 파장의 준단색광(Quasi-monochromatic light)을 시간(t)에 대하여 연속적으로 출력하게된다.
한편, 상기 스캐닝 미러(340)는 상기 AOTF(320)로부터 제공되는 제1 빛살의 진행 경로에 배치되어, 제1 빛살을 시료를 향해 주사시키고, 시료로부터 되반사되는 신호빛(Signal beam)을 다시 AOTF로 제공하며, 시료의 표면을 스캐닝할 수 있도록 XY 방향으로 구동한다. 스캐닝 미러 구동부(345)는 제어부로부터 제공된 스캐닝 미러 구동신호에 따라 상기 스캐닝 미러(340)가 시료의 표면을 XY 방향으로 스캐닝할 수 있도록 스캐닝 미러를 회전시킨다. 상기 스캐닝 미러 구동부(345)는 제1 빛살을 XY 방향으로 미세하게 스캐닝할 수 있는 galvano scanner 혹은 resonant mirror scanner로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 스캐닝 미러(340)와 시료 사이에 대물렌즈를 더 구비하여, 상기 제1 빛살의 초점을 맞추어 시료로 제공할 수 있다.
제2 빛살 경로 유도부(350)는 상기 AOTF(320)로부터 제공되는 제2 빛살들의 진행경로에 배치되고, 상기 제2 빛살들을 각각의 입사 경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Reference beam)을 제공한다. 상기 제2 빛살 경로 유도부는 도 4에서와 같이, 평행하게 입사되는 빛살들을 입사 경로를 따라 다시 반사시키는 제1 거울(352) 및 상기 AOTF(320)로부터 제공되는 제2 빛살들의 진행경로에 배치되어, 상기 제2 빛살들을 서로 평행하게 반사시켜 제1 거울(352)로 제공하고, 상기 제1 거울로부터 되반사되는 제2 빛살들을 각각 입사경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Reference beam)을 제공하는 포물면 거울(354)로 구비될 수 있다.
한편, 사분파장 위상지연판인 QWP(Quater-Wave Plate; 360)는 입사되는 빛의 편광방향에 대하여 45°로 정렬되어 있기 때문에, S파의 선형 편광이 입사되면 원형 편광으로 변환시켜 출력하게 되며, 다시 상기 원형 편광된 빛이 입사되면 P파의 선형 편광으로 변환시켜 출력한다. 상기 QWP(360)는 상기 AOTF(320)와 상기 샘플스테이지(340) 및 제2 빛살경로유도부(350) 사이에 배치되고, 상기 AOTF(320)로부터 제공되는 S파의 선형 변광들을 원형 편광으로 변환시켜 출력하거나, 상기 샘플스테이지(340) 또는 제2 빛살경로유도부(350)로부터 반사된 원형 편광들을 P파의 선형 편광으로 변환시켜 출력한다.
한편, 상기 샘플스테이지(340) 및 제2 빛살경로유도부(350)로부터 반사된 신호빛과 참조빛은 QWP(360)를 통과한 후 AOTF(320)에서 재변조되어 PBS(310)로 진행한다. 상기 샘플 스테이지(340) 및 제2 빛살경로유도부(350)에서 반사된 제1 빛살 및 제2 빛살들은 QWP를 통과하면서 원형 편광에서 P편광 상태가 된다. 또한, AOTF로 재입사한 각각의 빛살들은 다시 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)에 대응되어 변조된 제1 파장의 일차빛살과 변조되지 않은 영차 빛살로 나뉘어 출력된다. 따라서, 이미 한번 주파수 변조된 빛살이 다시 주파수 변조됨에 따라, AOTF(320)로부터 출력되는 두 빛살의 주파수 차이값, 즉 beat frequency는 AOTF(320)의 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)의 2배가 된다. 또한, AOTF(320)을 통과한 빛살은 90°회전하여 S파로 변환된다.
도 7은 AOTF로 입사된 빛살들과 AOTF에 의해 변조되어 출력된 빛살들을 설명하기 위하여 도시한 그림으로서, 도 7의 (a)는 AOTF 구동부(330)로부터 구동 RF 주파수
Figure 112011077523369-pat00001
가 제공되는 경우, AOTF를 통과하는 빛살들 중 입사경로와 동일한 경로로 통과하는 빛살들을 도시한 것이며, 도 7의 (b)는 AOTF 구동부(330)로부터 구동 RF 주파수
Figure 112011077523369-pat00002
가 제공되는 경우, AOTF를 통과한 후 거울들에 의해 반사되어 다시 AOTF로 입사되어 입사 경로와 동일한 경로 및 상기 입사경로와 다른 경로로 통과하는 빛살들을 도시한 것이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 주파수(
Figure 112011077523369-pat00003
)를 갖는 P편광의 빛살(a1)이 AOTF(50)로 입사되고, AOTF(50)로 입사된 빛살은 제1 빛살(a3) 및 제2 빛살들(a2)로 나뉘어 출력된다. 즉, 1차 빛살(a3)는 주파수(
Figure 112011077523369-pat00004
)를 가지며, 0차 빛살(a2)들은 주파수(
Figure 112011077523369-pat00005
)를 가지게 되며, 상기 0차 빛살들은 각 파장에 따라 1차 빛살과 서로 다른 각도로 분리되어 출력된다. AOTF로부터 출력된 1차 빛살(a3)은 QWP(52)를 통과하면서 45°회전하여 원형편광으로 변환되어 거울(56)으로 입사하게 되며, AOTF로부터 출력된 0차 빛살(a2)들은 QWP(52)를 통과하면서 45°회전하여 원형편광되어 구면거울과 같은 거울(54)로 입사하게 된다. 도 7에서는 설명의 편의상,
Figure 112011077523369-pat00006
에서 i=1,2,3인 빛살만 도시하였다.
도 7의 (b)를 참조하면, 도 7의 (a)와 동일하게 주파수(
Figure 112011077523369-pat00007
)의 0차 빛살(b2)들 및 주파수(
Figure 112011077523369-pat00008
)의 1차 빛살(b1)이 각각 거울(56 및 54)에서 반사되어 QWP(52)를 통과하여 AOTF(50)로 재입사하게 된다.
AOTF로 재입사된 1차 빛살(b1)은 AOTF를 그대로 통과하는 0차 빛살(b6)과 AOTF의 구동 RF 주파수(
Figure 112011077523369-pat00009
)로 변조된 1차 빛살(b4)로 나뉘어 서로 일정각도 이격되어 출력된다. 즉, 주파수(
Figure 112011077523369-pat00010
)의 0차 빛살(b6)과 주파수(
Figure 112011077523369-pat00011
)의 1차 빛살(b4)로 나뉘어 출력된다. 한편, AOTF로 재입사된 0차 빛살(b2)은 AOTF를 그대로 통과하는 0차 빛살(b3)와 AOTF의 구동 RF 주파수(
Figure 112011077523369-pat00012
)로 변조된 1차 빛살(b5)로 나뉘어 서로 일정각도 이격되어 출력된다.
즉, 서로 다른 각도로 분리되었던 0차 빛살(b2)들이 다시 AOTF로 재입사되면서 주파수(
Figure 112011077523369-pat00013
)의 0차 빛살(b3)과 주파수(
Figure 112011077523369-pat00014
)의 1차 빛살(b5)로 나뉘어 출력된다. 여기서, 주파수(
Figure 112011077523369-pat00015
)의 1차 빛살(b4)과 주파수(
Figure 112011077523369-pat00016
)의 0차 빛살(b3)은 서로 동일한 제1 경로를 따라 진행하며, 주파수(
Figure 112011077523369-pat00017
)의 1차 빛살(b5)과 주파수(
Figure 112011077523369-pat00018
)의 0차 빛살(b6)도 서로 동일한 제2 경로를 따라 진행하게 되며, 제1 경로와 제2 경로는 서로 일정각도 이격된다.
한편, 본 발명에서와 같이, AOTF 구동부(330)로부터 구동 RF 주파수
Figure 112011077523369-pat00019
,
Figure 112011077523369-pat00020
,
Figure 112011077523369-pat00021
가 시분할되어 순차적으로 제공되는 경우, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같은 시분할되어 제공된 각 구동 RF 주파수들에 의한 신호빛과 참조빛들이 순차적으로 검출될 것이다.
PBS(310)로 입사된 빛살들은 모두 S편광상태로서, 제1 경로로 진행되는 빛살들만을 검출하는 것을 특징으로 한다. 복조부(370)는 간섭신호 검출소자(374) 및 복조기(376)를 구비한다. 상기 간섭신호 검출소자(374)는 포토디텍터 등으로 구성되어, 상기 AOTF로부터 출력된 후 PBS에서 반사되어 진행하는 신호빛과 참조빛의 간섭신호를 검출하여 복조기(376)로 제공한다. 상기 복조기(376)는 상기 AOTF 구동부로부터 스윕 속도에 대한 정보를 제공받고, 상기 스윕 속도에 대한 정보를 이용하여 상기 검출된 간섭신호들을 파장에 따라 동기화시켜 복조하여 출력한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치(30)는 스윕되는 구동 RF 주파수를 연속적으로 AOTF로 제공하여, 광대역 광원 및 AOTF가 스윕 소스(Sweep source)로 구동되는 것을 특징으로 한다.
AOTF 구동부(330)로부터 제공된 구동 RF 주파수(
Figure 112011077523369-pat00022
)는 체배기(Frequency Doubler; 378)를 통해 2배의 주파수(2
Figure 112011077523369-pat00023
)로 변환되어 다수 개의 복조기(376)로 제공된다. 상기 다수 개의 복조기(376)는 상기 2배의 주파수(2
Figure 112011077523369-pat00024
)를 이용하여 상기 다수 개의 광검출소자로부터 제공되는 각각의 간섭신호를 복조하여 신호빛에 대한 I i 신호 및 Q i 신호를 검출하여 제어부(380)로 출력한다. 여기서, 상기 Ii값 및 Qi 값은 수학식 1 및 2와 같다.
Figure 112011077523369-pat00025
Figure 112011077523369-pat00026
여기서 i값은 스윕소스의 파장가변 속도 즉, 스윕속도에 의해 결정되는 각 구동 RF 주파수 혹은 이에 대응하는 파장을 의미한다. 전술한 I i 신호 및 Q i 신호를 이용하여 수학식 3 및 4에 따라 진폭 및 위상을 검출할 수 있다.
Figure 112011077523369-pat00027
Figure 112011077523369-pat00028
복조기로부터 출력된 I i 신호 및 Q i 신호는 제어부(380)로 제공되어, 각 파장에 해당하는 위상과 진폭을 검출하게 된다. 상기 제어부(380)는 복조기로부터 제공되는 아날로그 신호들을 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터(382) 및 컴퓨터(384)로 구성될 수 있으며, 상기 컴퓨터(384)는 A/D 컨버터로부터 제공되는 디지털 신호의 I값 및 Q값을 저장하고 이들로부터 위상과 진폭을 검출하며, 스캐닝 미러 구동부에 대한 구동 신호를 생성하여 출력함으로써 스캐닝 미러의 구동을 제어한다.
한편, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치에 있어서, 제2 빛살 경로 유도부의 다른 실시형태를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 상기 제2 빛살 경로 유도부(350)는 상기 AOTF(320)로부터 제공되는 제2 빛살들의 진행 경로에 배치되어, 상기 제2 빛살들을 각각 입사 경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Reference beam)을 제공하는 구면 거울(356)로 구비될 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 구면 거울(356)은 제2 빛살들의 진행 경로에만 일부 배치될 수 있으며, 제1 빛살의 진행 경로에도 배치되는 경우, 상기 제1 빛살의 진행 경로를 방해하지 않도록 일부분이 개방되어 있어야 한다.
한편, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치에 있어서, 제2 빛살 경로 유도부의 또 다른 실시형태를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 상기 제2 빛살 경로 유도부(350)는 상기 입사되는 빛살들을 각각 입사 경로를 따라 다시 반사시키는 구면 거울(358) 및 AOTF로부터 제공되는 제2 빛살들의 진행 경로에 배치되어, 상기 제2 빛살들을 상기 구면 거울(358)로 제공하고, 상기 구면 거울로부터 되반사되는 제2 빛살들을 각각 입사 경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Refernce beam)을 제공하는 제2 거울(357)로 구비될 수 있다. 전술한 것과 같이, 제2 빛살 경로 유도부(350)는 어떤 구성으로 이루어지든, 제2 빛살을 AOTF로 반사시켜 그대로 제공하는 역할을 하게 된다.
전술한 구성을 갖는 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치는 광대역 광원과 이중경로 AOTF를 이용하여 연속적인 파장가변이 가능한 Swept source를 간단히 구현함으로써, AOTF의 주파수 스윕속도에 해당하는 속도로 이미지를 얻을 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, AOTF를 구비하는 헤테로다인 간섭계를 이용하여 광학 단층 촬영 장치를 구성함으로써, 간단한 구조의 광학계를 통해 빔 정렬이 용이하며, 위상 지연을 유발하는 구성요소의 움직임이 없게 되고, 고속 스캐닝이 가능해진다는 장점을 갖는다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 음향 광변조필터를 이용한 헤테로다인 광 간섭성 단층 촬영장치는 시료의 외부 형상이나 내부 구조를 비접촉적이며 비침습적인 방법으로 영상화시키고자 하는 모든 분야에 널리 적용할 수 있다. 특히, 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.
30 : 광학 단층 촬영 장치
300 : 광원
310 : PBS
320 : AOTF
330 : AOTF 구동부
340 : 스캐닝 미러
350 : 제2 빛살 경로 유도부
352 : 제1 거울
354 : 포물면 거울
356 : 구면 거울
360 : QWP
370 : 복조부
374 : 광검출소자
376 : 복조기
380 : 제어부

Claims (8)

  1. 헤테로다인 간섭계를 이용하여 시료를 단층 촬영하는 광학 단층 촬영 장치에 있어서,
    빛살을 제공하는 광대역 광원;
    시료를 배치할 수 있는 샘플 스테이지;
    상기 광원으로부터 제공되는 빛살을 편광 상태에 따라 투과시키거나 반사시키는 편광빔스플리터(PBS);
    상기 PBS로부터 제공되는 빛살들 중 구동 RF 주파수(Driving RF frequency, fRF)에 대응되는 특정 파장들의 빛살들이 선택되며, 선택된 파장의 일부빛살은 주파수 변조되어 제1 빛살로 출력되고, 선택된 파장의 나머지 빛살은 주파수 변조되지 않은 상태로 회절되어 제2 빛살로 출력되는 음향 광 변조필터(AOTF);
    사전 설정된 스윕 속도에 따라 스윕되는 복수 개의 구동 RF 주파수(fRF)를 생성하여 연속적으로 상기 AOTF로 제공하여 상기 AOTF를 구동시키는 AOTF 구동부;
    상기 AOTF로부터 제공되는 제1 빛살의 진행 경로에 배치되어, 제1 빛살을 시료를 향해 주사시키고, 제1 빛살이 시료로부터 되반사된 신호빛(Signal beam)을 다시 AOTF로 제공하며, 시료의 표면을 스캐닝하도록 XY 방향으로 구동하는 스캐닝 미러(Scanning mirror);
    상기 AOTF로부터 제공되는 제2 빛살의 진행 경로에 배치되고, 상기 제2 빛살의 입사 경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Reference beam)을 제공하는 제2 빛살 경로 유도부;
    상기 AOTF와 상기 샘플스테이지 및 제2 빛살 경로 유도부 사이에 배치되고, 입사된 빛살을 원형 편광으로 변환시켜 출력하는 사분파장 위상지연판(QWP);
    상기 AOTF로부터 출력된 후 PBS에서 반사되어 진행하는 신호빛과 참조빛의 간섭 신호들을 검출하고, 상기 AOTF 구동부로부터 스윕 속도에 대한 정보를 제공받고, 상기 스윕 속도에 대한 정보를 이용하여 상기 검출된 간섭신호들을 복조하여 출력하는 복조부; 및
    상기 스캐닝 미러의 구동을 제어하고, 상기 복조부에 의해 출력된 신호들을 이용하여 시료에 대한 단층 촬영 정보를 검출하는 제어부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 간섭계를 이용한 광학 단층 촬영장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제2 빛살 경로 유도부는
    평행하게 입사되는 빛살을 입사 경로를 따라 다시 반사시키는 제1 거울; 및
    상기 AOTF로부터 제공되는 제2 빛살의 진행경로에 배치되어, 상기 제2 빛살을 서로 평행하게 반사시켜 제1 거울로 제공하고, 상기 제1 거울로부터 되반사되는 제2 빛살을 각각 입사경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Reference beam)을 제공하는 포물면 거울;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 간섭계를 이용한 광학 단층 촬영장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제2 빛살 경로 유도부는
    입사되는 빛살을 각각 입사 경로를 따라 다시 반사시키는 구면 거울; 및
    AOTF로부터 제공되는 제2 빛살의 진행 경로에 배치되어, 상기 제2 빛살을 상기 구면 거울로 제공하고, 상기 구면 거울로부터 되반사되는 제2 빛살을 각각 입사 경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Refernce beam)을 제공하는 제2 거울;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 간섭계를 이용한 광학 단층 촬영장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제2 빛살 경로 유도부는
    상기 AOTF로부터 제공되는 제2 빛살의 진행경로에 배치되어, 상기 제2 빛살을 각각 입사 경로를 따라 다시 반사시켜 참조빛(Reference beam)을 제공하는 구면 거울;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 간섭계를 이용한 광학 단층 촬영장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는 복조부로부터 출력된 신호들을 이용하여 샘플에 대한 단층 정보를 검출하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 간섭계를 이용한 광학 단층 촬영장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 복조부는
    상기 AOTF로부터 출력된 후 PBS에서 반사되어 진행하는 신호빛과 참조빛의 간섭 신호를 검출하는 광검출소자; 및
    상기 AOTF 구동부로부터 스윕 속도에 대한 정보를 제공받고, 상기 스윕 속도에 대한 정보를 이용하여 상기 광검출소자로부터 제공된 간섭신호를 파장에 따라 시간별로 동기화시켜 복조하여 출력하는 복조기;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 간섭계를 이용한 광학 단층 촬영장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 스캐닝 미러는
    상기 스캐닝 미러를 XY 방향으로 구동하는 스캐닝 미러 구동부를 더 구비하고,
    상기 제어부는 스캐닝 미러 제어신호를 생성하여 상기 스캐닝 미러 구동부로 전송하고, 상기 스캐닝 미러 구동부는 스캐닝 미러 제어신호에 따라 스캐닝 미러를 구동시키는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 간섭계를 이용한 광학 단층 촬영장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 헤테로다인 간섭계는
    주파수 체배기를 더 구비하고, 상기 주파수 체배기는 AOTF 구동부로부터 제공되는 구동 RF 주파수를 2배의 주파수로 변환하여 복조기로 출력하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 간섭계를 이용한 광학 단층 촬영장치.
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