KR101345788B1 - Ｗｄｍ 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기 - Google Patents

Ｗｄｍ 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기 Download PDF

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이병하
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Abstract

본 발명은 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기에 관한 것이다. 이러한 고분해능 광학 단층 영상기기는, 제1 광원이 입력되는 제1 입력단과, 제2 광원이 입력되는 제2 입력단을 구비하고, 상기 제1,2 입력단으로 입력된 상기 제1,2 광원이 서로 결합되되 상기 제1 광원의 대역폭과 상기 제2 광원의 대역폭이 합쳐져 대역폭이 확대된 된 제1 결합광을 출력하는 WDM 커플러(Wavelength Division Multiplexing Coupler); 상기 제1 결합광이 입력되는 소스단을 구비하고, 상기 제1 결합광을 제1 분배광 및 제2 분배광으로 분할하는 광대역 광스플리터; 상기 광대역 광스플리터의 일측에 결합되어 상기 제1 분배광이 지나는 경로를 제공하며, 상기 제1 분배광이 반사되는 반사거울을 구비하는 기준단; 상기 광대역 광스플리터의 타측에 결합되어 상기 제2 분배광이 지나는 경로를 제공하며, 상기 제2 분배광이 샘플에 의해 반사되는 샘플단; 및 상기 기준단 및 샘플단에서 반사된 상기 제1,2 분배광이 다시 광대역 광스플리터를 거치면서 결합되어 제2 결합광이 출력될 때, 상기 제2 결합광으로부터 이미지를 획득하는 디텍터단을 포함하되, 상기 광대역 스플리터는, 제1,2 도파로를 제공하는 코어와 상기 코어를 감싸는 클래드를 포함하며, 상기 제1 도파로는 상기 제1 결합광 및 제1 분배광의 광 경로로 제공되고, 상기 제2 도파로는 상기 제2 결합광 및 제2 분배광의 광 경로로 제공되며, 상기 코어의 굴절율을 n1, 상기 클래드의 굴절율을 n2, 코어 폭의 1/2을 ρ라 할 때,
kρ(n1 2- n2 2)1/2 < π/2 (여기서, k=2π/λ(λ는 광의 파장))
인 관계를 만족하고,
상기 제1 도파로와 상기 제2 도파로가 제1 구간 및 제2 구간에서 커플링될 때, 상기 제1 구간의 길이를 L1, 상기 제2 구간의 길이를 L2, 상기 제1 구간으로부터 상기 제2 구간까지의 광 경로차를 ΔL라 할 때,
420㎛≤L1≤480㎛,
750㎛≤L2≤850㎛,
0.6㎛≤ΔL≤0.9㎛,
인 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＷＤＭ 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기{High Resolution Optical Coherence Tomography using Wavelength Division Multiplexing Coupler(WDM) and Wide Band Splitter}
본 발명은 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기에 관한 것으로, 특히 WDM 커플러를 이용하여 소정 대역폭을 갖는 광원을 복수 개 입력하고 상기 각 광원의 대역폭이 합쳐진 넓은 파장 범위를 갖는 혼합파장을 만들어 내고, 광대역 파장영역에서 단일모드로 동작하며 일정한 분배비율을 갖는 광대역 광스플리터를 이용하여 샘플의 고분해능 이미지를 획득할 수 있도록 한 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기에 관한 것이다.
광학 단층 영상기기(Optical Coherence Tomography: OCT)는 비침습성의 이미지를 구현할 수 있기 때문에 널리 연구되어 지고 있다. 광학 단층 영상기기는 낮은 결맞음 간섭계를 기반으로 하여 바이오 샘플의 정교한 단층 이미지를 제공할 수 있다. 일반적으로 광원이 광대역화될수록 고분해능을 가진 광학 단층 영상기기를 구현할 수 있다. 최근에는 광대역 광원으로 Superluminescent Diode, White light sourse, Short pulse laser, Supercontinuum 광원이 널리 사용되고 있다.
그러나, 이러한 광대역 광원들에 불구하고, 광섬유를 기반으로 하는 광학 단층 영상기기는 밴드폭에 제한을 가진다. OCT 시스템은 간섭계이기 때문에 광섬유 기반의 OCT에서 핵심부품은 광분배기이며, 일반적으로 광분배기는 1200nm 근처에서 단일모드(single-mode)와 멀티모드(multi-mode)의 경계인 차단파장을 가지고 낮은 밴드폭을 가진다.
이를 극복하기 위하여 광자결정 광섬유(Photonic crystal fiber: PCF)의 전 영역의 단일모드 특성을 이용하여 PCF 광분배기가 사용되어 왔다. PCF 광분배기는 광섬유를 기반으로 하는 OCT 시스템에서 넓은 영역을 가진 광원을 수용할 수 있으므로 고분해능 시스템에서 많은 적용이 이루어진다. 상기 PCF 광분배기는 용융-융착 방법에 의해서 제조되는데, 이러한 과정에서 공기구멍 구조의 파과와 오염에 의한 3~6 dB의 높은 초과손실(excess loss)을 가진다. 뿐만 아니라 비대칭적인 공기구멍의 배열은 많은 편광상태에 야기하여 광파워의 큰 변화의 원인이 된다.
이를 해결하고자 PCF를 이용해 블록 어레이(Block array)를 제작하고, 상용 스플리터 칩과 블록 어레이를 패키징하여, 높은 초과손실을 줄이고 높은 편광의존 손실을 줄이려고 하였다. 그러나, 이러한 상용 스플리터 칩은 1200nm 이상의 단일모드를 가지는 것을 특정하고 있어 1000nm 이하에서 동작되는 Spectral Domain OCT(SD-OCT)의 파장에는 사용할 수 없다. 1000nm 이상의 SD-OCT의 경우 InGaAs line CCD를 이용해야 되는데 이는 1000nm 이하의 Si line CCD 보다 월등히 가격이 비싸다는 단점이 있다.
따라서, 보다 비용이 저렴하고 다파장 대역의 SD-OCT 시스템을 구현하기 위해서는 1000nm 이하의 넓은 대역에서 동작하고, 낮은 초과손실을 가져야 하며, 대량생산이 가능한 광대역 광분배기가 필요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, WDM 커플러를 이용하여 넓은 파장 영역의 광원을 제공하여 분해능을 향상시키고, 광대역 파장영역에서 단일모드로 동작하며 일정한 분배비율을 갖는 광대역 광스플리터를 이용하여 고분해능의 샘플 이미지를 획득할 수 있도록 한 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기는, 제1 광원이 입력되는 제1 입력단과, 제2 광원이 입력되는 제2 입력단을 구비하고, 상기 제1,2 입력단으로 입력된 상기 제1,2 광원이 서로 결합되되 상기 제1 광원의 대역폭과 상기 제2 광원의 대역폭이 합쳐져 대역폭이 확대된 된 제1 결합광을 출력하는 WDM 커플러(Wavelength Division Multiplexing Coupler); 상기 제1 결합광이 입력되는 소스단을 구비하고, 상기 제1 결합광을 제1 분배광 및 제2 분배광으로 분할하는 광대역 광스플리터; 상기 광대역 광스플리터의 일측에 결합되어 상기 제1 분배광이 지나는 경로를 제공하며, 상기 제1 분배광이 반사되는 반사거울을 구비하는 기준단; 상기 광대역 광스플리터의 타측에 결합되어 상기 제2 분배광이 지나는 경로를 제공하며, 상기 제2 분배광이 샘플에 의해 반사되는 샘플단; 및 상기 기준단 및 샘플단에서 반사된 상기 제1,2 분배광이 다시 광대역 광스플리터를 거치면서 결합되어 제2 결합광이 출력될 때, 상기 제2 결합광으로부터 이미지를 획득하는 디텍터단을 포함하되, 상기 광대역 스플리터는, 제1,2 도파로를 제공하는 코어와 상기 코어를 감싸는 클래드를 포함하며, 상기 제1 도파로는 상기 제1 결합광 및 제1 분배광의 광 경로로 제공되고, 상기 제2 도파로는 상기 제2 결합광 및 제2 분배광의 광 경로로 제공되며, 상기 코어의 굴절율을 n1, 상기 클래드의 굴절율을 n2, 코어 폭의 1/2을 ρ라 할 때,
kρ(n1 2- n2 2)1/2 < π/2 (여기서, k=2π/λ(λ는 광의 파장))
인 관계를 만족하고,
상기 제1 도파로와 상기 제2 도파로가 제1 구간 및 제2 구간에서 커플링될 때, 상기 제1 구간의 길이를 L1, 상기 제2 구간의 길이를 L2, 상기 제1 구간으로부터 상기 제2 구간까지의 광 경로차를 ΔL라 할 때,
420㎛≤L1≤480㎛,
750㎛≤L2≤850㎛,
0.6㎛≤ΔL≤0.9㎛,
인 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 샘플단은, 상기 제2 분배광이 지나는 경로를 제공하는 광섬유와, 상기 광섬유가 결합되며 사용자가 파지하는 손잡이와, 상기 광섬유가 연결되는 광섬유커넥터와, 상기 광섬유커넥터를 경유하는 제2 분배광을 시준하는 콜리메이터와, 상기 콜리메이터로부터 시준된 광을 샘플 측으로 반사시키는 반사미러와, 상기 반사미러와 상기 샘플 사이에 마련되며 뉴메리컬 어퍼처(Numerical Aperture)가 0.6 이상인 하이 NA 렌즈를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1,2 도파로는 가시광선 대역 내지 근적외선 대역의 파장 범위에서 단일모드로 동작하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기는, 넓은 파장 범위를 갖는 광원을 제공함과 동시에 광대역 파장영역에서 단일모드로 동작하며 일정한 분배비율을 가짐으로써 고분해능 샘플 이미지를 획득할 수 있는 효과를 제공한다.
도1은 일반적인 Spectral Domain OCT(SD-OCT)의 개략적인 구성도,
도2는 본 발명에 따른 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기의 구성도,
도3은 WDM 커플러의 동작을 개략적으로 설명한 도면,
도4은 도2에 채용된 광대역 광스플리터의 사시도,
도5는 도4의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도,
도6는 도4의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도,
도7는 도4의 좌측면도,
도8 내지 도10은 광대역 광스플리터에 의한 광의 분배비율을 도시한 그래프,
도11 및 도12은 종래 광스플리터에 의한 광의 분배비율을 도시한 그래프,
도13은 본 발명에 따른 광학 단층 영상기기의 고분해능을 보여주는 도면,
도14 및 도15는 본 발명에 따른 광학 단층 영상기기를 이용하여 획득한 샘플의 이미지들을 도시한 도면이다.
도16은 도2의 요부를 발췌하여 도시한 도면,
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2는 본 발명에 따른 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기의 구성도이고, 도3은 WDM 커플러의 동작을 개략적으로 설명한 도면이다. 도4은 도2에 채용된 광대역 광스플리터의 사시도이고, 도5는 도4의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다. 도6는 도4의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도이고, 도7는 도4의 좌측면도이다.
먼저 도1을 참조하면, 간섭계를 이용한 일반적인 Spectral Domain Optical Coherence Tomography(SD-OCT)의 구성을 살펴보면 다음과 같다. 인가된 광원(4)은 광스플리터(5)에서 기준단(6)과 샘플단(7)으로 분리되어 나간다.
기준단(6)과 샘플단(7)에서 각각 반사된 광은 다시 되돌아와 광스플리터(5)를 거치고, 광 경로차에 의해 간섭무늬가 형성된다. 간섭무늬는 스펙트로미터(8)에서 획득되고 간섭무늬 신호를 이용하여 이미지를 얻도록 구성된다.
도2를 참조하면, 본 발명에 따른 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기는, WDM 커플러(300), 광대역 광스플리터(100), 기준단(220), 샘플단(230), 및 디텍터단(240)을 포함한다.
상기 WDM 커플러(300)(Wavelength Division Multiplexing Coupler) 및 광대역 광스플리터(100)는, 본 발명에 따른 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기에 넓은 대역폭을 갖는 광원을 제공하고, 넓은 파장 영역에서 단일모드로 동작하고, 일정한 분배비율(coupling ratio)를 제공할 수 있도록 하기 위해서 구비되는 핵심적인 구성요소 중의 하나이다.
상기 WDM 커플러(300)(Wavelength Division Multiplexing Coupler)는 넓은 대역폭을 갖는 광원을 제공하기 위해서 구비된다.
상기 WDM 커플러(300)는 제1 입력단(310)과 제2 입력단(320)을 구비한다.
상기 제1 입력단(310)에는 제1 광원이 입력되고, 상기 제2 입력단(320)에는 제2 광원이 입력된다. 예컨대, 도2를 참조하면, 본 실시예에 따른 고분해능 광학 단층 영상기기는 제1 입력단(310)에 780nm SLD(Superluminescent Diode) 광원이 입력되고, 제2 입력단(320)에 840nm SLD 광원이 입력되는 예를 도시하고 있다.
상기 제1,2 입력단(310,320)으로 입력된 상기 제1,2 광원은 상기 WDM 커플러(300)를 거치면서 서로 결합되어 제1 결합광으로 출력된다. 구체적으로, 상기 제1,2 입력단으로 각각 입력된 제1,2 광원은 WDM 커플러(300)를 거치면서 서로 결합되며, 상기 제1 광원의 대역폭과 상기 제2 광원의 대역폭이 합쳐져 대역폭이 확대된 제1 결합광을 출력한다.
본 발명에 따른 고분해능 광학 단층 영상기기는 가시광선 대역 내지 근적외선 대역의 파장범위에서 단일모드로 동작하고, 일정한 분배비율을 제공하므로, 상기 780nm, 840nm는 제1,2 광원의 예시에 불과하며, 상기 가시광선 대역 내지 근적외선 대역에서 제1,2 광원은 임의로 선택될 수 있음은 물론이다.
도3은 제1,2 광원이 WDM 커플러(300)를 통과하여 결합광을 형성할 때의 과정을 도시하고 있다. 도3에 도시된 바와 같이, WDM 커플러(300)는 제1,2 광원의 광 파워가 손실되지 않으면서 광대역의 파장을 갖는 결합광을 제공한다.
고분해능을 갖는 광학 단층 영상기기를 제공하기 위해서는 넓은 대역폭을 갖는 광원의 제공이 필요하며, 이때 광 파워의 손실을 최소화하기 위해서 WDM 커플러(300)를 사용한다.
상기 광대역 광스플리터(100)는 상기 제1 결합광을 입력받아 상기 제1,2 결합광을 제1,2 분배광으로 분할하기 위해서 구비된다.
상기 광대역 광스플리터(100)에는 소스단(210), 기준단(220), 샘플단(230), 및 디텍터단(240)이 각각 연결된다. 상기 제1 결합광은 상기 소스단(210)으로 입력된다. 상기 제1 결합광은 상기 광대역 광스플리터(100)를 거치면서 제1 분배광 및 제2 분배광으로 분할된다.
광대역 광스플리터(100)의 구조에 관하여는 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도2를 참조하면, 광대역 광스플리터(100)는 좌측으로 2개의 연결단이 구비되고, 우측으로 2개의 연결단이 구비된다(2×2 구조). 광대역 광스플리터(100)의 좌측의 상측으로는 소스단(210)이 연결되고, 좌측의 하측으로는 디텍터단(240)이 연결된다. 한편, 우측의 상측으로는 기준단(220)이 연결되고, 우측의 하측으로는 샘플단(230)이 연결된다.
상기 광대역 광스플리터(100)는 소스단(210)으로 들어온 제1 결합광이 제1,2 분배광으로 분할하는 스플리터의 기능을 수행하며, 제1,2 분배광은 기준단(220) 및 샘플단(230)으로 진행하게 된다.
도4 내지 도7은 광대역 광스플리터(100)를 도시한 것이다. 상기 광대역 광스플리터(100)는 두 가닥의 도파로가 서로 커플링되어 일명 마흐젠더 구조로 이루어진다.
도6을 참조하면, 상기 광대역 광스플리터(100)는 제1,2 도파로(10,20)를 제공하는 코어(1)와, 상기 코어(1)를 감싸는 클래드(2)를 포함한다. 광대역 광스플리터(100)는 Si 기판(4) 위에 클래드(2)가 놓이고 상기 클래드(20)의 내부에 제1,2 도파로(10,20)로서 제공되는 코어(1)가 배치된다.
우선, 광대역 광스플리터(100)의 제1,2 도파로(10,20)가 단일모드로 동작하기 위하여, 상기 코어(1)의 굴절율을 n1, 상기 클래드(2)의 굴절율을 n2, 코어 폭(W)의 1/2을 ρ라 할 때,
kρ(n1 2- n2 2)1/2 < π/2 (여기서, k=2π/λ(λ는 광의 파장))
인 관계를 만족한다.
즉, 코어(1)의 굴절율 n1, 클래드(2)의 굴절율 n2, 코어 폭(W)의 1/2 값을 적절하게 조절하여 광섬유를 단일모드로 동작하도록 구현한다.
상기 kρ(n1 2- n2 2)1/2 값이 π/2보다 크게 주어지는 경우에 제1,2 도파로(10,20)는 멀티모드로 동작하게 된다. 광이 멀티모드로 동작하게 되면 샘플단(230) 또는 기준단(220)에서 되돌아오는 광이 수많은 간섭무늬를 야기하게 되고, 이러한 불필요한 간섭무늬는 이미지의 획득시 노이즈로 작용하게 되므로, 본 발명에 따른 광대역 광스플리터(100)는 제1,2 도파로(10,20)가 단일모드로 동작하도록 구현된다.
도5를 참조하면, 광대역 광스플리터(100)는 두 가닥의 제1,2 도파로(10,20)가 제1 구간 및 제2 구간에서 커플링하여 이루어진다.
상기 제1 구간의 길이를 L1, 상기 제2 구간의 길이를 L2, 상기 제1 구간으로부터 상기 제2 구간까지의 광 경로차를 ΔL라 할 때, 420㎛≤L1≤480㎛, 750㎛≤L2≤850㎛, 그리고 0.6㎛≤ΔL≤0.9㎛ 인 관계를 만족한다.
상기 광대역 광스플리터(100)는 넓은 파장 영역, 특히 가시광선과 근적외선 파장 영역에서 일정한 분배비율을 갖는 광스플리터를 제공하고자 하며, 상기한 바와 같이, L1, L2, 및 ΔL의 값이 상기 범위에 있을 때 40% 내지 60%의 일정한 분배비율을 갖는 광대역 광스플리터(100)가 구현된다.
도4를 참조하면, 상술한 마흐젠더 구조는 스플리터칩(30) 내부에 배치되고, 상기 스플리터칩(30)에는 블록 어레이가 결합된다. 상기 블록 어레이는 상기 스플리터칩(30)의 양단부에 각각 결합되는 제1 광섬유 어레이 블록(40)과 제2 광섬유 어레이 블록(50)을 포함한다.
상기 제1 광섬유 어레이 블록(40)은, 상기 제1 도파로의 입력단(11) 및 상기 제2 도파로의 입력단(21)에 각각 연결되는 제1 광섬유(41) 및 제2 광섬유(42)가 배치되어 구성된다.
구체적으로, 도7을 참조하면, 상기 제1 광섬유(41) 및 제2 광섬유(42)를 V홈에 올리고 UV 경화용 수지를 이용하여 경화시킴으로써 제1 광섬유 어레이 블록(40)을 제작한다.
상기 제2 광섬유 어레이 블록(50)은, 상기 제1 도파로의 출력단(12) 및 상기 제2 도파로의 출력단(22)에 각각 연결되는 제3 광섬유(51) 및 제4 광섬유(52)가 배치되어 구성된다.
구체적으로, 상기 제2 광섬유 어레이 블록(50)도 상기 제1 광섬유 어레이 블록(40)과 마찬가지로 V홈에 제3 광섬유(51) 및 제4 광섬유(52)를 올리고 UV 경화용 수지를 이용하여 경화시킴으로써 제2 광섬유 어레이 블록(50)을 제작한다.
마흐젠더 구조로 커플링된 도파로가 내부에 배치되는 스플리터칩(30)과 상기 제1,2 광섬유 어레이 블록(40,50)을 패키징한 상태가 도4에 도시되어 있다.
본 실시예에 있어서, 제1,2 광원이 WDM 광커플러(300)에 제공되어 제1 결합광이 출력되면, 상기 제1 결합광은 상기 제1 광섬유(41)에 제공된다. 상기 제1 결합광은 광대역 광스플리터(100)를 거치면서 제1,2 분배광으로 분할된다.
제1 분배광은 제3 광섬유(51)를 경유하여 기준단(220)으로 나아가고, 제2 분배광은 제4 광섬유(52)를 경유하여 샘플단(230)으로 나아간다. 상기 제2 광섬유(42)에는 디텍터단(240)이 연결된다.
상기 구성에 따른 광대역 광스플리터(100)는 광대역의 파장범위에서 일정한 광 분배비율(coupling ratio)를 제공한다. 상기 광 분배비율은 상기 제1 도파로의 입력단(11)으로 들어온 제1 결합광이 광스플리터의 마흐젠더 구조를 거치면서 제1 도파로의 출력단(12)과 제2 도파로의 출력단(22)으로 분배되는 비율을 말하는 것이며, 분배된 광은 기준단(220)과 샘플단(230)으로 나뉘어서 진행된다는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명 실시예에 채용된 광대역 광스플리터(100)가 넓은 파장범위에서 일정한 광 분배비율을 제공한다고 함은, 제1 도파로(10)에 인가되는 제1 결합광의 파장범위가 넓더라도 기준단(220)과 샘플단(230)으로 광이 일정하게 분배될 수 있는 광스플리터를 제공한다는 것을 의미한다. 따라서 다양한 대역의 파장을 동시에 이용할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
한편, WDM 커플러(300)는 제1,2 광원의 광 파워의 손실을 최소화하면서 이들의 대역폭을 합성하여 넓은 대역폭을 갖는 제1 결합광을 제공하므로, 샘플 이미지의 고분해능화를 가능하게 한다.
즉, 고분해능 이미지를 획득하기 위해서 필요한 넓은 대역폭을 갖는 광원을 WDM 커플러(300)에 의해 제공하고, 광대역 광스플리터(100)는 넓은 대역폭을 갖는 광원에 불구하고 일정한 광 분배비율을 제공함으로써, 결과적으로 고분해능의 이미지를 획득하는 효과를 제공하는 것이다.
도8 내지 도12를 참조하여 광스플리터의 광 분배비율에 대하여 설명하면 다음과 같다. 도8 내지 도10은 본 발명 실시예에 채용된 광대역 광스플리터(100)에 의한 광의 분배비율을 도시한 그래프이고, 도11 및 도12는 종래 광스플리터에 의한 광의 분배비율을 도시한 그래프이다.
도8 내지 도10을 참조하면, 광대역 광스플리터(100)는 640nm에서 1100nm까지 일정한 광 분배비율을 제공하고 있음을 알 수 있다. 반면에 도11 및 도12를 참조하면, 종래 광스플리터는 633nm를 중심파장으로 가지며, 약 20nm 범위에서 일정한 분배비율(약 40~60%)을 진다. 예컨대 840nm 대역에서는 커플링(분배)이 일어나지 않는 것을 확인할 수 있다.
커플링이 일어나지 않는다는 것은 제1 도파로(10)로 들어온 광이 광스플리터를 거치면서 분배되지 않고, 기준단(220) 또는 샘플단(230) 측으로만 진행하게 되어 간섭무늬를 얻을 수 없으며, 종국적으로 디텍터단(240)에서에 의해 이미지를 획득할 수 없게 되는 것이다.
상기 기준단(220)은 상기 광대역 광스플리터(100)의 일측에 결합되어 상기 제1 분배광이 지나는 경로를 제공하며, 상기 제1 분배광이 반사되는 반사거울(221)을 구비한다.
상기 샘플단(230)은 샘플(231)이 놓이는 곳으로, 상기 광대역 광스플리터(100)의 타측에 결합되어 상기 제2 분배광이 지나는 경로를 제공하며, 상기 제2 분배광은 상기 샘플(231)에 의해 반사된다. 상기 기준단(220) 및 샘플단(230)의 구성은 일반적인 광학 단층 영상기기의 구성을 채용할 수 있다.
상기 기준단(220) 및 샘플단(230)에서 반사된 상기 제1 분배광 및 제2 분배광은 다시 광대역 광스플리터(100)를 거치면서 결합되어 제2 결합광으로 출력된다.
즉, 상기 제1 결합광이 제1 도파로(10) 측으로 제공될 때 마흐젠더 구조를 거치면서 제1,2 분배광으로 분배되어 기준단(220) 및 샘플단(230)으로 진행하며, 기준단(220) 및 샘플단(230)에서 반사된 제1,2 분배광은 상기 광대역 광스플리터(100)의 마흐젠터 구조를 다시 거치면서 제2 결합광으로 서로 결합되고, 상기 제2 결합광은 디텍터단(240)으로 나아간다.
상기 디텍터단(240)은 최초 WDM 광커플러(300)에 입력되는 넓은 파장에 대한 고분해능 이미지를 얻기 위해서 구비된다.
상기 디텍터단(240)은 이미지를 획득하기 위해서, 스펙트로미터(250), 프레임 그레버(260), 컴퓨터(270)을 포함한다. 이러한 구성에 의해 넓은 파장에 대한 고분해능 이미지를 획득한다.
상기 스펙트로미터(250)는 상기 제2 결합광으로부터 분할된 어느 하나의 파장에 대한 간섭무늬 신호를 획득한다. 본 실시예에서, 상기 스펙트로미터(250)는 콜리메이터(251), 렌즈(253), 그레이팅(254), Line CCD(255) 카메라로 구성된다. 상기 스펙트로미터(250)의 각 구성은 이미 공지된 구성에 의하는 의하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
상기 스펙트로미터(250)에서 획득된 간섭무늬 신호는 프레임 그레버(260)(frame graber)에 의해 컴퓨터(270)로 전송된다. 상기 컴퓨터(270)는 간섭무늬 신호를 수신하여 역 빠른 푸리에 변환(Inverse fast Fourier Transform) 통해 샘플(231)의 깊이 정보를 얻고 이를 이용하여 2D 이미지를 얻을 수 있으며, 2D 스캐너를 이용하여 샘플(231)의 면적을 스캔하면 3D 이미지를 얻을 수 있다.
도13은 본 발명에 따라 두 개의 광원을 결합하여 대역폭이 확대된 하나의 광원을 사용하여 이미지를 획득하는 고분해능 광학 단층 영상기기와, 한 개의 광원을 사용한 광학 단층 영상기기의 축 방향의 분해능을 비교하여 도시한 것이다.
도13의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고분해능 광학 단층 영상 기기의 축 방향으로의 분해능으로 약 5㎛ 임을 알 수 있고, 도13의 (b)에 도시된 바와 같이 하나의 광원을 이용한 광학 단층 영상기기의 축 방향으로의 분해능은 약 8㎛임을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 고분해능 광학 단층 영상기기는 종래의 광학 단층 영상기기보다 축 방향으로 분해능이 향상됨을 알 수 있다.
도14은 본 발명에 따른 고분해능 광학 단층 영상기기와 하나의 광원을 사용하는 광학 단층 영상기기를 사용하여 획득한 샘플(231)들의 이미지이다. 도14의 (d)에 도시된 고무나무 잎을 샘플로서 사용하였다.
도14의 (a)는 본 발명에 따른 고분해능 광학 단층 영상기기를 사용하여 얻은 이미지이고, 도14의 (b)는 하나의 광원을 사용하는 광학 단층 영상기기를 사용하여 얻은 이미지이다. 도14의 (c)는 (a)의 3D 이미지를 나타낸 것이다.
도14의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고분해능 광학 단층 영상기기의 축 방향 분해능이 종래 하나의 광원을 이용하는 것보다 향상됨을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기에 있어서, 샘플단은 프로브의 형태로 제작될 수 있다.
구체적으로, 상기 샘플단은 상기 제2 분배광이 지나는 경로를 제공하는 광섬유(232)와, 상기 광섬유(232)가 결합되며 사용자가 파지하는 손잡이(233)와, 상기 광섬유(232)가 연결되는 광섬유커넥터(234)와, 상기 광섬유커넥터(234)를 경유하는 제2 분배광을 시준하는 콜리메이터(235)와, 상기 콜리메이터(235)로부터 시준된 광을 샘플 측으로 반사시키는 반사미러(236)와, 상기 반사미러(236)와 상기 샘플 사이에 마련되며 뉴메리컬 어퍼처(Numerical Aperture)가 0.6 이상인 하이 NA 렌즈(237)(High Numerical Aperture lense)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 광섬유(232)는 상기 광대역 광스플리터(100)에서 분배된 제2 분배광이 지나는 경로이다. 상기 광섬유(232)의 길이는 샘플의 위치를 고려하여 다양하게 선택될 수 있다. 예컨대, 상기 샘플이 인체로서 상기 샘플단이 인체로 투입되어야 하는 경우, 그 길이를 충분히 길게 확보하여 내시경을 위한 장비로 활용될 수 있다.
상기 손잡이(233)는 상기 광섬유(232)의 단부에 결합되어 사용자가 파지할 수 있는 크기로 형성된다. 상기 광섬유(232)는 상기 손잡이(233)의 내부에 배치된다.
상기 광섬유커넥터(234)는 상기 광섬유(232)가 연결된다. 도16을 참조하면, 상기 광섬유커넥터(234)에 연결되는 광섬유(232)는 외부로 노출된 형태로 도시되었으나, 상기 광섬유(232)는 별도의 케이스에 수용되는 형태로 구성될 수 있음은 물론이다.
상기 콜리메이터(235), 반사미러(236)는 일반적으로 공지된 구성에 따르므로, 그 구체적인 설명은 생략한다. 본 실시예에서 상기 반사미러(236)는 갈보미러(Galvo Mirror)가 사용되며, 상기 갈보미러를 제어하는 전선(038)은 상기 손잡이(233)의 내부에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 갈보미러의 구성 역시 공지된 구성에 의하므로, 그 구체적인 설명은 생략한다.
상기 하이 NA 렌즈(237)는 반사미러(236)와 샘플 사이에 배치된다. 본 실시예에서 상기 하이 NA 렌즈(237)는 상기 콜리메이터(235)와 반사미러(236)를 수용하는 케이스의 외측에 결합된다.
상기 하이 NA 렌즈(237)는 뉴메리컬 어퍼처(Numerical Aperture)가 0.6 이상으로 이루어진다. 일반적으로 뉴메리컬 어퍼처는 현미경의 해상력을 결정하는 수치로서, 예컨대 일반 현미경에서 대물렌즈를 통과한 빛과 광축이 이루는 최대각과 대물렌즈와 시료 사이의 매질의 굴절률을 이용하여 정의된다. 뉴메리컬 어퍼처의 값이 클수록 분해능이 향상된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 고분해능 광학 단층 영상기기는 샘플단을 현미경 구조화하여 이동이 편리하게 구성한 것이다. 즉, 기존에 대형화(bulk)된 시스템은 샘플을 샘플단으로 이동시켜야 하므로 광학 단층 영상기기의 이동성이 제한된다.
본 실시예는 샘플단을 현미경화하여 이동이 편리한 프로브 구조를 구현하여 이러한 문제를 해결한다. 상기 제2 분배광이 지나는 경로를 제공하는 광섬유(232)를 충분히 길게 확보하고 손잡이(233)를 결합하여, 사용자가 샘플 측으로 손잡이(233)를 이동시킴으로써 간편한 프로브가 완성된다. 이때 높은 뉴메리컬 어퍼처를 사용함으로써 분해능을 향상시키는 고분해능 광학 단층 영상기기를 현미경으로 활용할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분행능 광학 단층 영상기기는, WDM 커플러(300)를 이용하여 넓은 대역폭을 갖는 광원을 제공하고, 광대역 광스플리터를 이용하여 가시광선 대역 내지 근적외선 대역을 포함하는 넓은 파장 범위에서 단일모드로 동작하고 비교적 일정한 광의 분배비율을 제공할 수 있으므로, 고분해능 이미지를 신속하고 용이하게 획득할 수 있다.
또한, 샘플단을 하이 NA 렌즈(237)를 포함하여 프로브화함으로써, 광학단층 영상기기의 이동성을 확보하고 현미경화하여 사용할 수 있으며, 횡방향으로의 분해능을 더욱 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 고분해능 광학 단층 영상기기는 고분해능을 가지므로 다양한 분야에서 응용이 가능하다.
예컨대, 본 발명에 따른 고분해능 광학 단층 영상기기는 인체 조직을 절개하지 않고 실시간으로 세포를 분석할 수 있어 병리학 분야, 암 조기진단, 수술분야 등에 폭넓게 이용 가능하다.
또한, 도15는 본 발명에 따른 고분해능 광학 단층 영상기기를 이용하여 씨앗의 이미지를 획득한 것이다. 본 발명에 따르면, 비파괴형태로 씨앗의 이미지를 얻을 수 있다.
도15의 (a)는 고추씨앗의 2D 및 3D 이미지이며, 도15의 (b)는 애호박 씨앗의 2D 및 3D 이미지이다. 이처럼, 씨앗의 품종 등을 판별하는데 사용함으로써 고부가 가치를 창출할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다.
1... 코어 2... 클래드
10... 제1 도파로 11... 제1 도파로 입력단
12... 제1 도파로 출력단 20... 제2 도파로
21... 제2 도파로 입력단 22... 제2 도파로 출력단
30... 스플리터칩 40... 제1 광섬유 어레이 블록
41... 제3 광섬유 42... 제4 광섬유
50... 제2 광섬유 어레이 블록 51... 제5 광섬유
52... 제6 광섬유 100... 광대역 광스플리터
210... 소스단 220... 기준단
221... 반사거울 230... 샘플단
231... 샘플 240... 디텍터단
250... 스펙트로미터 251... 콜리메이터
253... 렌즈 254... 그레이팅
255... Line CCD 260... 프레임 그레버
270... 컴퓨터 300... WDM 커플러
310... 제1 입력단 320... 제2 입력단
232... 광섬유 233... 손잡이
234... 광섬유커넥터 235... 콜리메이터
236... 반사미러 237... 하이 NA 렌즈

Claims (3)

  1. 제1 광원이 입력되는 제1 입력단과, 제2 광원이 입력되는 제2 입력단을 구비하고, 상기 제1,2 입력단으로 입력된 상기 제1,2 광원이 서로 결합되되 상기 제1 광원의 대역폭과 상기 제2 광원의 대역폭이 합쳐져 대역폭이 확대된 된 제1 결합광을 출력하는 WDM 커플러(Wavelength Division Multiplexing Coupler);
    상기 제1 결합광이 입력되는 소스단을 구비하고, 상기 제1 결합광을 제1 분배광 및 제2 분배광으로 분할하는 광대역 광스플리터;
    상기 광대역 광스플리터의 일측에 결합되어 상기 제1 분배광이 지나는 경로를 제공하며, 상기 제1 분배광이 반사되는 반사거울을 구비하는 기준단;
    상기 광대역 광스플리터의 타측에 결합되어 상기 제2 분배광이 지나는 경로를 제공하며, 상기 제2 분배광이 샘플에 의해 반사되는 샘플단; 및
    상기 기준단 및 샘플단에서 반사된 상기 제1,2 분배광이 다시 광대역 광스플리터를 거치면서 결합되어 제2 결합광이 출력될 때, 상기 제2 결합광으로부터 이미지를 획득하는 디텍터단을 포함하되,
    상기 광대역 스플리터는,
    제1,2 도파로를 제공하는 코어와 상기 코어를 감싸는 클래드를 포함하며,
    상기 제1 도파로는 상기 제1 결합광 및 제1 분배광의 광 경로로 제공되고, 상기 제2 도파로는 상기 제2 결합광 및 제2 분배광의 광 경로로 제공되며,
    상기 코어의 굴절율을 n1, 상기 클래드의 굴절율을 n2, 코어 폭의 1/2을 ρ라 할 때,
    kρ(n1 2- n2 2)1/2 < π/2 (여기서, k=2π/λ(λ는 광의 파장))
    인 관계를 만족하고,
    상기 제1 도파로와 상기 제2 도파로가 제1 구간 및 제2 구간에서 커플링될 때, 상기 제1 구간의 길이를 L1, 상기 제2 구간의 길이를 L2, 상기 제1 구간으로부터 상기 제2 구간까지의 광 경로차를 ΔL라 할 때,
    420㎛≤L1≤480㎛,
    750㎛≤L2≤850㎛,
    0.6㎛≤ΔL≤0.9㎛,
    인 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샘플단은,
    상기 제2 분배광이 지나는 경로를 제공하는 광섬유와, 상기 광섬유가 결합되며 사용자가 파지하는 손잡이와, 상기 광섬유가 연결되는 광섬유커넥터와, 상기 광섬유커넥터를 경유하는 제2 분배광을 시준하는 콜리메이터와, 상기 콜리메이터로부터 시준된 광을 샘플 측으로 반사시키는 반사미러와, 상기 반사미러와 상기 샘플 사이에 마련되며 뉴메리컬 어퍼처(Numerical Aperture)가 0.6 이상인 하이 NA 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2 도파로는 가시광선 대역 내지 근적외선 대역의 파장 범위에서 단일모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 WDM 커플러 및 광대역 광스플리터를 이용한 고분해능 광학 단층 영상기기.
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