KR101346351B1 - 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치 - Google Patents

광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유의 종단부로 갈수록 그 모드필드 직경이 작아지도록 하여 유효 스캔진폭을 향상시켜 고화질영상을 획득할 수 있도록 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광학 스캔장치는, 코어부와 클래딩부로 구성된 광섬유의 종단부에 형성된 광섬유 캔틸레버와, 상기 광섬유 캔틸레버의 진동을 기동하는 액츄에이터와, 상기 광섬유의 종단부에서 방출 및 입사되는 광신호를 굴절시켜 변환하는 스캔렌즈부를 포함하고 상기 광섬유 캔틸레버가 상기 액츄에이터에 의해 진동하여 상기 광섬유의 종단에서 방출되는 광신호를 스캔하는 광학 스캔장치에 있어서, 상기 광섬유는 서로 다른 모드필드 직경을 갖는 다수의 광섬유 요소를 포함하되, 상기 다수의 광섬유 요소의 모드필드 직경은 상기 광섬유의 길이를 따라 종단으로 갈수록 작아짐을 특징으로 한다.

Description

광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치{OPTICAL SCANNING DEVICE BASED ON AN OPTICAL FIBER CANTILEVER}
본 발명은 광학 스캔장치에 관한 것으로서, 특히 광섬유(fiber)의 종단부로 갈수록 그 모드필드 직경이 작아지도록 하여 유효 스캔진폭을 향상시켜 고화질영상을 획득할 수 있도록 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에 관한 것이다.
광학 스캔장치는 외부로부터 공급받은 구동신호에 맞춰 출력광의 지향각 혹은 초점의 위치를 변화시키는 목적의 광학 기구이다. 외부로부터 광학 스캔장치에 입사된 광선은 스캔동작에 의해 전달방향이 편향되어 출력되고 그 편향된 광선은 렌즈 등의 광학적 기구를 거쳐 초점의 위치 변이로 전환될 수 있으며, 이런 스캔동작에 의해 이미지 정보의 획득이나 투사의 응용에 활용된다.
대표적인 광학 스캔장치로는 평면거울을 장착한 갈바노미터(galvanometer)를 이용한 광학 스캔장치를 들 수 있다. 갈바노미터를 이용한 스캔장치는 회전축에 평면거울을 장착하여 출력되는 광선의 지향각을 조정하는 것을 원리로 한다. 다른 광학 스캔장치로 다면체 거울(polygon mirror)에 의한 스캔장치가 있다. 다면체 거울에 의한 스캔장치는 다면체 거울을 그 축을 중심으로 등속 회전시키고 다면체 거울의 옆면에 폭이 좁은 평행광선이 입사하여 다면의 평면거울 가운데 하나에 의해 반사되어 출력되는 구조를 갖는다.
이들 광학 스캔장치는 소형화하는데 여러 난점이 있어 소형경량의 스캔장치가 요구되는 응용분야에 활용하기 부적합하여 이를 대체할 새로운 스캔광학 기술의 개발이 이뤄지고 있다. 대표적인 소형 광학 스캔장치로는 미세공정기술을 이용하여 소형 전기기계적 소자를 구현하는 MEMS(micro-electro-mechanical system) 기술을 이용한 MEMS 스캔거울 스캔장치를 들 수 있다. 이 기술은 MEMS 소자 제작기술을 이용하여 크기가 수 밀리미터(㎜) 수준의 미세평면거울을 제공한다. 이러한 평면거울은 정전기적 혹은 정자기적 기동부에 의해 거울면 구동축을 중심으로 각진동할 수 있도록 하고 이에 따라 반사광의 지향각을 편향시킬 수 있다.
다른 소형 광학 스캔장치로는 광섬유 캔틸레버(optical fiber cantilever)의 진동을 이용하여 광선을 스캔하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 스캔장치가 있다. 광섬유 캔틸레버 기반의 광학 스캔장치는 입사광을 외부로부터 공급받는 광섬유를 갖고 스캔동작에 의해 편향된 출력광은 자유공간을 통해 평행광선 혹은 수렴광선 형태로 제공한다.
도 1은 종래의 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치의 구성도이다.
도 1에서와 같이, 종래의 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에서 광섬유(10)는 광을 전달하는 코어부(core)와 그 코어부를 둘러싼 클래딩부(cladding)로 구성된다. 코어부를 따라 광신호가 전송되고 종단에서 자유공간으로 방출되어 발산 및 확산된다. 이때 광섬유(10)의 종단은 광섬유 축에 직교한 평면의 종단면으로 형성되어 종결된다. 또한, 광섬유(10)의 종단으로부터 일정 거리만큼 떨어진 지점에 광섬유(10)를 진동시키기 위한 압전형 진동소자인 원통형 PZT 액츄에이터(10)가 광섬유(10)와 연결된다. 이러한 광섬유(10)에서 종단에서부터 PZT 액츄에이터(10)의 결합점까지의 길이(L)만큼의 광섬유는 자유로이 진동할 수 있으며, 이 부분을 광섬유 캔틸레버(70)로 명명한다.
한편, PZT 액츄에이터(10)는 광학 스캔장치의 베이스구조(30)에 의해 지지 및 고정된다. 이러한 PZT 액츄에이터(10)는 외부로부터 공급된 전기신호에 의해 화살표(40)의 방향으로 횡축 진동하고, 이에 따라 상기 길이(L)로 정의된 광섬유 캔틸레버(70)도 함께 진동할 수 있게 된다. 이때, 광섬유 종단에서 방출된 광선(50)은 스캔 렌즈(60)를 통해 평행광선 혹은 수렴광선 형태로 전환되어 목적하고자 하는 영상획득 혹은 영상투사에 활용된다.
도 1에서, 점선 표시된 광섬유 캔틸레버(70')는 광섬유 캔틸레버의 진동시 진동의 어느 시점에서 광섬유 캔틸레버의 형상을 개략적으로 도시하고 있다. 광섬유 캔틸레버는 진동 중에 본래의 직선형 평형상태(70)에서 벗어나 일시적으로 휘어진 형태(70')를 가지게 되고 광섬유 캔틸레버의 종단, 즉 광섬유의 종단은 평형상태의 위치에서 벗어나 변이를 얻는다. 이때 광섬유 종단에서 방출되는 광선(80)은 그 코어부의 광선 방출점이 변이됨에 따라 점선으로 표시된 것과 같은 광선(80)의 경로를 갖게 되며 스캔 렌즈(60)에 의해 굴절되어 평행광이 형성될 때 그 지향각이 평형상태의 경우보다 θ의 각 만큼 편향된다.
그런데, 종래의 광섬유 캔틸레버의 진동에 있어서 액츄에이터의 기동성능의 한계 및 광섬유 캔틸레버의 공진진동의 낮은 Q인자(Q-factor)에 의해 광섬유 캔틸레버 종단의 진동폭은 제한된 크기를 가지게 된다. 따라서 광섬유 캔틸레버의 길이는 수십 밀리미터 이하 수준으로 짧고 광섬유의 구부림에 대한 기계적 허용도는 유리재질 고유의 한계를 갖기 때문에 광섬유의 기계적 강도가 허용하는 최대의 스캔진폭이 존재한다. 수 밀리미터 수준의 매우 짧은 길이를 갖는 광섬유 캔틸레버에 대해 그 스캔진폭이 캔틸레버의 길이보다 충분히 작지 않을 경우 진동동작에 의해 유리재질의 광섬유가 영구히 손상될 위험이 있다.
또한, 광섬유 캔틸레버의 복원력은 스캔진폭이 작은 경우에는 종단의 변이에 대해 복원력이 비례하는 형태로 선형적 특성을 갖지만 그 스캔진폭이 커짐에 따라 기계적 비선형 효과를 가지게 된다. 이러한 비선형적 특성은 스캔동작이 불안정하게 하여 안정적인 스캔장치를 구현하는데 문제가 될 수 있다.
이에, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 광섬유 캔틸레버의 진동에 의해 광신호를 공간적으로 스캔하는 경우 큰 스캔진폭을 갖는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 향상된 유효 스캔진폭을 활용하여 영상의 획득 및 투사 응용에서 높은 화질을 제공할 수 있도록 설계된 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치는,
코어부와 클래딩부로 구성된 광섬유의 종단부에 형성된 광섬유 캔틸레버와, 상기 광섬유 캔틸레버의 진동을 기동하는 액츄에이터와, 상기 광섬유의 종단부에서 방출 및 입사되는 광신호를 굴절시켜 변환하는 스캔렌즈부를 포함하고 상기 광섬유 캔틸레버가 상기 액츄에이터에 의해 진동하여 상기 광섬유의 종단에서 방출되는 광신호를 스캔하는 광학 스캔장치에 있어서, 상기 광섬유는 서로 다른 모드필드 직경을 갖는 다수의 광섬유 요소를 포함하되, 상기 다수의 광섬유 요소의 모드필드 직경은 상기 광섬유의 길이를 따라 종단으로 갈수록 단계적으로 작아짐을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 광섬유는 종단부에 그 내부에 코어부를 포함하지 않는 무코어 광섬유 요소를 더 포함한다.
본 발명에서, 상기 다수의 광섬유 요소는 단일 도파모드에 의해 광신호를 전송하는 단일모드 광섬유이다.
본 발명에서, 상기 다수의 광섬유 요소는 서로 상이한 광전송 특성을 갖는 제1 및 제2 광섬유가 직렬로 연결된다.
본 발명에서, 상기 제1 및 제2 광섬유 사이에 상기 제1 및 제2 광섬유와 다른 광전송 특성을 갖는 제3 광섬유가 삽입 결합되고, 상기 제3 광섬유의 모드필드 직경은 상기 제1 광섬유의 모드필드 직경보다 작고 상기 제2 광섬유의 모드필드 직경보다 크다.
본 발명에서, 상기 제3 광섬유는 서로 다른 모드필드 직경을 갖는 다종의 광섬유가 직렬로 연결되며 상기 직렬로 연결된 다종의 광섬유는 그 모드필드 직경이 상기 광섬유의 길이방향에서 종단으로 갈수록 단계적으로 작아진다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치는,
코어부와 클래딩부로 구성된 광섬유의 종단부에 형성된 광섬유 캔틸레버와, 상기 광섬유 캔틸레버의 진동을 기동하는 액츄에이터와, 상기 광섬유의 종단부에서 방출 및 입사되는 광신호를 굴절시켜 변환하는 스캔렌즈부를 포함하고 상기 광섬유 캔틸레버가 상기 액츄에이터에 의해 진동하여 상기 광섬유의 종단에서 방출되는 광신호를 스캔하는 광학 스캔장치에 있어서, 상기 광섬유는, 광신호를 전달하는 전달 광섬유부 및 상기 광신호를 스캔하는 스캔 광섬유부를 포함하고 상기 전달 광섬유부와 스캔 광섬유부는 서로 다른 모드필드 직경을 가지며 상기 각 모드필드 직경은 상기 광섬유의 길이를 따라 종단으로 갈수록 단계적으로 작아짐을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 광섬유는 상기 전달 광섬유부와 스캔 광섬유부 사이에 직렬로 서로 결합되어 광신호의 전송을 중계하는 연결 광섬유부를 더 포함한다.
본 발명에서, 상기 연결 광섬유부는 서로 다른 광전송 특성을 갖는 다종의 광섬유 요소를 포함하고, 상기 전달 광섬유부, 연결 광섬유부 및 스캔 광섬유부의 각 모드필드 직경은 상기 광섬유의 길이를 따라 종단으로 갈수록 단계적으로 작아진다.
본 발명에서, 상기 광섬유는 상기 스캔 광섬유의 종단에 결합되며 그 내부에 코어부를 포함하지 않는 무코어 광섬유부 요소를 더 포함한다.
본 발명에서, 상기 광섬유는 상기 클래딩부의 외면을 덮는 잔여광제거 외피부를 더 포함하고 상기 잔여광제거 외피부의 굴절률은 상기 광섬유의 클래딩부의 굴절률과 동일하거나 그 이상이다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에서는 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명에 의하면 광섬유 캔틸레버의 종단에서 광신호가 방출 혹은 수집되는 방출점의 크기, 즉 스캔 광섬유부의 모드필드 직경이 작아 제한한 캔틸레버 종단의 진동폭에 대하여 높은 유효 스캔진폭을 갖는 이점을 갖는다.
또한, 본 발명에 의하면 광신호를 광학 스캔장치로 전달하는 전달 광섬유부가 표준 단일모드 광섬유 혹은 넓은 코어면적을 갖는 LMA(large-mode fiber) 광섬유를 활용할 수 있게 되어 응용이 요구하는 광섬유의 전달 및 전송 특성을 갖는다.
또한, 본 발명에 의하면 광전송 특성이 상이한 다수의 이종의 광섬유 요소들이 직렬 연결될 때 발생되는 삽입손실의 문제를 연결 광섬유부를 이용하여 해결하여 저손실 광학 스캔장치의 목적을 충족시킬 수 있다.
도 1은 종래의 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유의 모드필드 직경에 따른 스캔진폭의 차이를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치의 구성도.
도 4은 도 3의 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에 적용된 광섬유의 단면도.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에 대하여 도시된 광학적 특성은 거시적인 광선의 발산으로 근사적으로 묘사되고 있다.
상술한 바와 같이, 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치는 간단한 구조의 소형 스캔장치로서 고등적 내시경 영상법과 같이 소형화된 스캔장치가 요구되는 이미지획득 시스템에 적합한 특성을 가지고 있다. 이때 이용되는 내시경 광섬유는 통상적인 단일모드 광섬유 및 LMA 광섬유일 수 있다. 이와 같은 경우 광섬유 캔틸레버 기반 광학 스캔장치에 활용되는 광섬유의 특성은 스캔 작용과 성능의 여러 특성을 결정하거나 제한할 수 있다. 특히, 광섬유 종단의 광선 방출특성은 내시경과 같은 이미지획득 시스템에서 스캔되는 영역의 크기나 스캔된 이미지의 분해능을 결정하는 중요한 인자이다.
본 발명에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에서 스캔작용에 의한 이미지 획득 혹은 투사는 광섬유 캔틸레버 종단의 광신호 방출점의 진동에 의해 이뤄진다. 그리고 소형 액츄에이터의 미소한 기동능력에도 큰 스캔진폭을 얻기 위해서는 광섬유 캔틸레버를 공진적으로 진동시킬 필요가 있다. 가장 효과적인 진동은 최저차 진동모드를 통해 이뤄지며 그 공진주파수는 광섬유 캔틸레버 길이의 제곱에 반비례하고 그 직경에 비례한다. 이러한 광섬유 캔틸레버의 진동에 있어서 액츄에이터의 기동성능의 한계 및 캔틸레버 공진진동의 낮은 Q인자에 의해서 캔틸레버 종단의 진동폭은 제한된 크기를 자기게 됨은 당연하다.
광섬유 캔틸레버의 스캔진폭은 이러한 진동능력의 한계를 갖지 않아 요구되는 스캔진폭을 달성하는데 물리적 한계가 없다고 하더라도 일정한 진폭한계를 설정하여 이 이상의 진폭을 갖지 않는 조건에서 스캔장치를 동작시킬 여러 필요성이 있다. 광섬유 캔틸레버의 길이는 수십 밀리미터 이하 수준으로 짧고 광섬유의 구부림에 대한 기계적 허용도는 유리재질 고유의 한계를 갖는다.
또한, 광섬유 종단 방출점의 진동에 의한 방출점의 변이면, 즉 스캔평면은 스캔진폭이 작은 경우 평면으로 근사할 수 있으나 스캔진폭이 큰 경우 뚜렷한 곡면을 형성하게 되어 이미지 획득이나 투사의 응용에서 화질을 저하시킬 우려가 있다.
이러한 점들을 고려할 때, 스캔진폭(A)은 광섬유 캔틸레버의 길이(L)와 관계하는 실용적 최대치를 갖도록 광학 스캔장치를 동작시키는 것이 바람직하다. 즉, 스캔진폭(A)은 광섬유 캔틸레버의 길이(L)에 대해 일정한 비율 이하의 한계치를 갖게 할 필요가 있다. 정량적인 비 A/L의 한계치는 응용상의 목적 및 요구사항과 광섬유 캔틸레버의 설계 패러미터에 따라 상이할 것이나, 이상의 점들을 고려할 때 통상적으로 1/10 이하 수준이 되어야 한다고 가정할 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버의 길이(L)가 5mm일 때 이에 따른 스캔진폭(A)의 한계는 0.5mm에 불과하여 전체적인 스캔진폭은 그 두 배인 1.0mm 수준으로 제한될 수 있다.
한편, 이러한 광섬유를 적용한 광섬유 캔틸레버 광학 스캔장치에서는 통상의 단일모드 광섬유나 LMA 광섬유와 같이 큰 모드필드 직경을 갖는 광섬유의 이점도 제공할 수 있다. 구체적으로 설명하면, 광섬유의 종단에서 방출되는 광선의 특성은 광섬유의 코어부에서 도파되는 빛의 모드필드 직경(mode-field diameter)에 의해 결정된다. 광섬유는 일정한 직경의 코어부를 갖고 이 코어부로 도파되는 빛은 코어부의 크기에 의해 횡적인 분포가 제한된다. 단일모드 광섬유의 경우 코어부 부근에 집중된 전자기장 분포, 즉 모드필드는 2차원 가우시안 함수(Gaussian function)로 근사되어 회전대칭적 분포형태를 갖는다. 모드필드 직경은 가장 강한 전자기장을 갖는 중심부에 대해 그 세기가 일정한 비율에 이르는 지점이 형성하는 가상적 원의 직경을 나타내며 단일모드 광섬유의 경우 코어 직경과 비슷한 값을 갖는다. 모드필드 직경의 정확한 정의는 상이할 수 있으나 본 명세서에서는 가우시안 함수 형태의 분포를 갖는 모드필드에 대해 그 세기가 최대점의 1/e(1/2.718…) 이상인 모드필드 영역의 직경으로 정의한다.
통상적인 단일모드 광섬유에 대해 모드필드 직경 d는 5~10㎛ 수준이고, LMA(large-mode fiber) 광섬유의 경우 넓은 모드필드 단면적에 의해 20㎛ 수준에 이를 수 있다. 단일모드 광섬유의 경우 회절광학적 이론에 따라 모드필드 직경은 방출되는 광신호의 공간적 회절 특성을 결정하며 이에 따라 방출광의 거시적 확산각(divergence angle)을 결정한다. 모드필드 분포의 형태가 가우시안 함수와 같이 일정한 모양을 갖는다면 그 확산각은 모드필드 직경 d에 반비례하며 큰 코어 직경을 가질수록 더 작은 확산각을 가지게 된다.
이러한 특성을 갖는 단일모드 광섬유를 광섬유 캔틸레버 광학 스캔장치에 이용함에 있어서, 광섬유 캔틸레버 종단의 스캔진폭이 일정한 한계로서 최대값을 가질 때 더 작은 모드필드 직경을 갖는 광섬유를 활용하면 더 큰 진동폭을 갖는 것과 같은 효과를 가져올 수 있다. 실용적 스캔장치의 이미지획득 및 투사 응용에서 편향각이 스캔되어 출력되는 평행광선은 2차적인 렌즈에 의해 목표로 하는 2차 스캔평면에 실상을 갖도록 변환된다. 그리고 스캔 렌즈와 2차 렌즈의 결합에 의한 실상 형성은 일정한 배율을 갖게 된다. 이에 원하는 2차 스캔평면에서의 스캔동작의 진폭은 렌즈 시스템의 배율에 의해 자유롭게 조정이 가능하다. 단, 이러한 스캔진폭의 증배는 방출점 크기의 증배를 동반하고 2차 스캔평면의 초점크기(spot size)가 같은 비율로 커져 획득 혹은 투사하는 이미지의 질을 저하시킨다. 그러므로 이러한 스캔장치의 스캔진폭을 논하는데 길이로 환산되는 스캔진폭의 절대적 크기는 무의미하며 스캔진폭이 방출점의 유효 크기에 대한 비율이 실제 유효한 스캔진폭을 가늠하는 척도이다. 그리고 광섬유 캔틸레버 광학 스캔장치에서 캔틸레버 종단의 유효한 스캔진폭은 활용된 광섬유 종단의 모드필드 직경에 대한 비율로 나타난다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에서 광섬유의 모드필드 직경에 따른 유효 스캔진폭을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 광섬유의 모드필드 직경(d1)이 큰 경우이고, 도 2b는 상대적으로 모드필드 직경(d2)이 작은 경우에 대하여 도시한다. 도시된 광섬유는 광섬유 캔틸레버로서 진동하며 최대 진폭에 이른 상황을 도시하고 있다. 도면에서 표시된 점선은 광섬유의 종단에서 방출되는 광선의 전달방향과 렌즈를 통한 굴절상황을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b에 나타난 광선의 스캔작용은 명확한 이해를 돕기 위해 광섬유 종단의 변이와 스캔각의 크기가 과장된 것으로써 실제의 경우와 비교했을 때 광선의 형태는 도면의 수직축 방향의 변이가 과장된 것으로 이해해야 한다. 또한, 도면에 도시된 두 경우에서, 광학 스캔장치는 각각 스캔 렌즈(60,60')를 가지고 광섬유에서 방출된 광선을 평행광선으로 변환시키고 있다. 다만, 각각의 광섬유는 서로 다른 모드필드 직경에 따라 다른 확산각 q1과 q2을 가지게 된다. 이때, 전술한 바와 같이 모드필드 직경과 방출광의 확산각은 서로 반비례하는 특성을 갖는다.
또한, 스캔렌즈를 거친 후에 형성된 각각의 평행광이 서로 같은 스캔 특성을 갖도록 하기 위해서 스캔 렌즈가 서로 다른 초점거리 f1과 f2를 가지는 경우를 상정하였다. 이때, 생성된 평행광의 폭 W는 도 2a 및 도 2b에서 나타낸 바와 같이 두 경우에서 같게 된다. 따라서 렌즈의 근축근사 이론에 따라 스캔 렌즈의 초점거리는 광섬유의 확산각(q1,q2)에 대략 반비례한다. 각각의 스캔장치는 도면에서 보이는 바와 같이 스캔렌즈에 의해 만들어진 평행광 출력이 응용이 목적으로 하는 용도에 맞게 2차 렌즈(90,90')에 의해 굴절되어 초점(F,F')을 형성하도록 한다. 이에 따라 광섬유 캔틸레버의 스캔동작은 이러한 2차 렌즈의 초점이 광축에 직교한 평면을 위에서 진동하게 하는 결과를 야기한다. 2차 렌즈가 형성하는 초점의 진동면을 2차 스캔평면이라 하고 실제 응용에 있어서 스캔평면이 스캔장치를 이용한 이미지의 획득 및 투사가 이뤄지는 공간이 된다.
도면에서는 서로 다른 모드필드 직경의 광섬유에 의한 효과를 가시적으로 비교하기 위해 스캔렌즈(60,60')를 통과한 광선은 그 폭과 지향각에 있어서 동일한 특성을 갖도록 설정되었다. 이로써 같은 초점거리 f0를 갖는 2차 렌즈(90,90')에 의해 A0로 같은 크기의 초점 스캔이 2차 스캔평면에서 수행된다. 2차 렌즈의 유효한 개구 크기인 W와 초점거리 f0의 동일성에 의해 회절광학 이론에 따라 2차 스캔평면의 초점 크기는 두 경우에 있어 동일하다. 그러므로 동일한 초점거리 f0를 갖는 2차 렌즈(90,90')를 활용하여 생성된 초점(F,F')은 같은 초점크기(spot size)를 가질 것이다.
이와 같은 두 경우를 비교함에 있어서, 같은 특성의 스캔작용이 2차 스캔평면에서 이뤄지게 하기 위한 캔틸레버의 진동폭은 광섬유의 모드필드 직경과 관계함을 알 수 있다. 스캔렌즈(60,60')와 2차 렌즈(90,90')를 이용하여 광섬유 종단에서 방출된 광선이 다시 초점을 맺혀 실상을 형성하는 경우에 스캔렌즈(60,60')와 2차 렌즈(90,90')에 의한 배율은 스캔렌즈(60,60')와 2차 렌즈(90,90')의 초점거리 간의 비율로 결정된다. 즉, 두 경우의 배율은 각각 M=f0/f1과 M'=f0/f2로 주어진다. 그리고, 2차 스캔평면에서의 일정한 스캔진폭 A0를 만들기 위한 캔틸레버 종단의 스캔진폭은 각각 A1=A0/M=A0ㆍf1/f0과 A2=A0/M'=A0ㆍf2/f0으로 주어져 스캔렌즈(60,60')의 초점거리에 비례함을 알 수 있다.
이는 전술한 바와 같이 확산각에 대략 반비례하므로 최종적으로 모드필드 직경에 비례하게 된다. 이와 같이, 2차 스캔평면에서 동일한 효과를 얻기 위해 요구되는 캔틸레버의 진동폭은 광섬유 모드필드 직경에 대략 비례하며 작은 모드필드 직경을 갖는 스캔 광섬유를 이용함으로써 2차 스캔평면의 스캔진폭에 이득을 가져올 수 있다.
상기에서 스캔렌즈(60,60')와 2차 렌즈(90,90')의 분리는 논리적 명확성을 위한 것으로써 실제 광학 스캔장치 구현에서 단일 또는 다수의 렌즈를 이용하여 2차 스캔평면을 형성하더라도 그 결과의 차이를 가져오지 않는다. 광섬유 캔틸레버 광학 스캔장치에서 렌즈를 이용하여 광선의 초점을 형성하고 이 초점의 스캔작용이 응용이 목적으로 하는 광학적 스캔의 작용일 때, 2차 스캔평면에서 초점의 스캔이 갖는 절대적 진폭은 렌즈의 배율로 조정이 가능하다. 다만, 응용이 요구하는 일정한 초점크기를 갖기 위해서 요구되는 캔틸레버의 스캔진폭은 광섬유 모드필드 직경의 감소로 작아지게 된다. 이러한 점에 근거하여, 캔틸레버 종단의 스캔진폭을 그 광선의 방출점을 형성하는 광섬유 모드필드 직경으로 규격화한 값(A/d)을 유효 스캔진폭이라 정의할 수 있다. 그리고, 유효 스캔진폭은 내시경과 같은 이미지 획득 응용에 있어서 스캔된 이미지의 크기 혹은 화질을 결정하는 인자로 이미지의 크기를 유효한 화소크기로 나눈 값에 대응된다.
통상의 단일모드 광섬유의 모드필드 직경 d가 5~10㎛의 범위를 갖고 스캔장치의 광섬유 캔틸레버 길이 L이 5mm인 경우, 광섬유 캔틸레버 진동의 스캔진폭 한계는 0.5mm로 가늠할 수 있으며, 이에 따라 유효 스캔진폭 A/d는 50~100에 불과하다. 또한 같은 조건에서 d가 20㎛ 수준인 LMA 광섬유를 이용하면 유효 스캔진폭 A/d는 25에 불과하게 된다. 이는 고화질의 이미지를 얻기에 충분치 않으며 본 발명이 제시하는 스캔장치에 의해 개선될 것이다.
전술한 바와 같이 작은 모드필드 직경을 갖는 스캔 광섬유를 이용하여 광섬유 캔틸레버 스캔장치를 구현하면 일정한 캔틸레버 진동의 한계에 대해 유효 스캔진폭을 증대할 수 있다. 그러나 단순히 작은 코어 직경을 갖는 광섬유로 대체하는 방안은 아래와 같은 문제점을 갖는다.
첫째, 작은 모드필드 직경을 갖는 광섬유는 광신호 전송과정에서 광학적 비선형효과를 야기한다. 이는 모드필드 직경의 감소에 따라 광신호의 공간적 분포에 따른 광세기(optical intensity)가 증대되는데 따른 결과이다. 이러한 문제는 전술한 바와 같이 다광자 내시경과 같은 응용에서 전송되는 조사광의 양을 제한할 우려가 있다.
둘째, 작은 모드필드 직경을 갖는 광섬유는 광섬유 커넥터(connector) 등의 광섬유 탈부착기구를 구성할 때 기계적 정렬오차에 의한 삽입손실(insertion loss)이 증대될 우려가 있다. 삽입손실은 일정한 정렬오차에 대해 모드필드 직경의 감소에 따라 급격히 증대될 우려가 있다.
셋째, 작은 모드필드 직경을 갖는 광섬유는 표준 단일모드 광섬유와 같이 모드필드 직경이 큰 기존의 광섬유를 활용한 광원 등의 다른 장치와의 연결에 있어서 호환성을 확보할 수 없게 된다.
이에, 본 발명에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치는 상기한 난점을 해소하기 위하여 작은 모드필드 직경을 갖는 광섬유를 형성하도록 하고 한편, 이 보다 큰 모드필드 직경을 갖는 표준 단일모드 광섬유나 LMA 광섬유로 전달 광섬유부를 형성하도록 한다. 또한, 서로 다른 특성을 갖는 다수의 광섬유 요소를 직렬적으로 결합 연결하되, 그 모드필드 직경이 중간적 값을 가지는 연결 광섬유를 다수의 광섬유 요소 사이에 삽입하여 직렬 연결함으로써 광섬유의 길이방향에 따라서 광섬유의 모드필드 직경이 단계적으로 변하는 광섬유를 제공하여 광섬유 캔틸레버 기반의 광학 스캔장치를 구현한다. 이하에서, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치의 구성도이고, 도 4는 도 3의 광학 스캔장치에 적용된 광섬유의 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치(100)는 코어부(111)와 클래딩부(112)로 이루어진 광섬유(110)를 포함하여 구성된다. 이러한 광섬유(110)는 PZT 액츄에이터(120)와 광섬유지지부(130)에 의해 연결되어 그 종단부에 일정한 길이(L)의 광섬유 캔틸레버(170)를 형성한다. 즉, 이러한 광섬유 캔틸레버(170)는 광섬유(110)의 종단에서부터 PZT 액츄에이터(120)의 결합점까지의 일정한 길이(L)만큼의 광섬유로서 PZT 액츄에이터(120)에 의해 자유로이 진동할 수 있는 광섬유의 일부분이다.
PZT 액츄에이터(120)는 베이스구조(140)에 의해 지지되고 외부로부터 공급된 전기신호에 의해 진동하여 광섬유 캔틸레버의 진동을 야기한다. 광섬유(110)의 코어부의 종단에서는 도면에서 점선으로 표시된 바와 같이 광선이 외부로 확산 방출되며, 스캔렌즈부(150)을 통해 원하는 형태의 광선으로 전환되어 출력된다.
이때, 이러한 광섬유(110)에서는 PZT 액츄에이터(120)가 연결된 인근의 클래딩부(112)가 잔여광제거 외피부(160)에 의해 덮여지는 구조를 선택적으로 구현할 수도 있다. 이러한 잔여광제거 외피부(160)는 도면에 도시된 바와 같이 광섬유 캔틸레버(170)를 형성하는 광섬유 영역을 제외한 나머지 영역에서 광섬유 연결점의 인근에 형성될 수 있다. 잔여광제거 외피부(160)는 클래딩부(112)의 잔여 광신호를 효과적으로 제거하게 된다. 이를 위해서 잔여광제거 외피부(160)는 광섬유(110)의 클래딩부의 굴절률과 비슷하거나 약간 더 높은 굴절률 특성을 가져야 하고, 광신호를 흡수하거나 산란시켜 클래딩부(112)에서 광신호를 영구적으로 제거할 수 있어야 한다. 이러한 잔여광제거 외피부(160)의 재질로는 예컨대, 광흡수제가 첨가된 플라스틱이 바람직하다.
이러한 잔여광제거 외피부(160)와 광섬유(110)의 클래딩부(112) 간에는 약간의 굴절률 차이가 존재하며, 이로써 그 계면에서는 잔여 광신호의 일부가 반사되어 잔여광제거 외피부(160)로 돌입하지 못할 수 있다. 이에 잔여광제거 외피부(160)는 가능한 클래딩부(112)와 유사한 굴절률 특성을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 또한 잔여광제거 외피부(160)가 클래딩부(112)에서의 잔여광을 생성시키는 광섬유 연결점에서부터 시작하여 그 길이가 충분하도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 광섬유 연결점 사이의 거리는 이러한 잔여광 제거가 충분할 수 있도록 긴 길이를 확보하여야 한다. 이를 위해서는 본 발명에서는 광섬유 연결점간의 거리가 클래딩부(112)의 직경보다 100배 혹은 그 이상으로 월등히 크도록 구현한다. 클래딩부(112)의 직경이 표준적 광섬유 직경인 0.125mm인 경우 광섬유 연결점간 거리는 10mm 혹은 그 이상이 바람직하다.
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유(110)는 코어부(111)가 종단으로 갈수록 그 모드필드 직경이 작아지는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 종단으로 갈수록 모드필드 직경이 단계적으로 작아지도록 한다. 도 4에는 본 발명의 실시 예에서 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치(100)에 적용되는 광섬유(110)의 단면도가 도시된다. 이러한 광섬유(110)는 코어부(111)의 직경, 즉 모드필드 직경에 따라 다수의 광섬유 요소로 구분될 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 광섬유(110)는 광원측에서부터 그 종단으로 갈수록 모드필드 직경이 작아지며, 구체적으로는 각 광섬유 요소별로 단계적으로 작아진다. 즉, 광섬유(110)는 길이를 따라 종단으로 가면서 단계적으로 감소하는 모드필드 직경에 따라 전달 광섬유부(110a), 연결 광섬유부(110b), 스캔 광섬유부(110c) 및 무코어 광섬유부(110d)로 구분된다.
이와 같이 광섬유(110)에서 각 코어부(111)의 직경은 전달 광섬유부(110a)로부터 스캔 광섬유부(110c)로 갈수록 단계적으로 감소하고 스캔 광섬유부(110c)의 종단에 이르러서는 코어부(111)가 종결된다. 따라서 전달 광섬유부(110a)의 직경이 가장 크고 다음으로 연결 광섬유부(110b), 스캔 광섬유부(110c)의 순이며 무코어 광섬유부(110d)에는 코어를 갖지 않는 원통형 유리섬유이다. 이에, 각 광섬유부의 코어부(111)를 따라 광섬유 길이방향으로 전달된 광신호는 스캔 광섬유부(110c)의 코어부 종단에서 일정한 확산각으로 방출된다. 이때, 주의할 것은 본 발명에 따른 광학 스캔장치의 광섬유는 기본적으로 전달 광섬유부(110a)와 스캔 광섬유부(110c)만을 포함할 수 있다. 여기에, 필요에 따라서는 선택적으로 연결 광섬유부(110b)가 이들 사이에 삽입 연결될 수도 있다. 또한, 광섬유(110)의 종단에서 무코어 광섬유부(110d)가 스캔 광섬유부(110c)에 결합되어 종단을 형성하도록 구현할 수도 있다.
한편, 이러한 연결 광섬유부(110b)는 다시 서로 다른 광전송 특성을 갖는 다종의 광섬유 요소를 포함하여 구성될 수 있다. 도 4에서는 일례로 제1 연결 광섬유부(121)와 제2 연결 광섬유부(122)의 두 광섬유 요소로 구성된 것으로 도시되어 있으나, 이는 일례이며 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 연결 광섬유부(110b)는 2종 이상의 광섬유 요소로 구성될 수도 있다. 뿐만 아니라 단일 종류의 광섬유 요소나 3종 이상의 서로 다른 광섬유 요소로 구성될 수도 있다. 이때, 이들 광섬유 요소들은 적어도 일부는 그 모드필드 직경이 다르다. 이들 다수의 광섬유 요소, 즉 전달 광섬유부(110a), 제1 연결 광섬유(111), 제2 연결 광섬유부(112), 스캔 광섬유부(110c) 및 무코어 광섬유부(110d)는 초기에 일체형으로 구현될 수도 있고 서로 인접한 광섬유 요소들 간에 소정의 광섬유 용융융착 방법에 의해 영구적으로 결합되도록 구현될 수도 있다.
이와 같은 구조의 광섬유(110)는 본 발명에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에 적용될 경우 향상된 유효 스캔진폭을 제공한다. 즉, 본 발명의 광학 스캔장치는 도 1에서 보인 종래의 광학 스캔장치와 그 기본구조는 동일하지만, 그 광학 스캔장치에 적용되는 광섬유는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 코어부의 구조가 다르다. 이때, 도 3 및 도 4에서는 스캔 광섬유(110c)의 종단이 도 1에서의 광섬유(10)의 종단과 일치하도록 배치되는 방향을 갖는다. 이는 동일한 길이(L)의 광섬유 캔틸레버를 갖지만, 종래의 코어부는 광섬유의 종단과 동일한 반면, 본 발명에 따른 코어부(111)의 종단은 광섬유(110)의 종단보다 짧기 때문이다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유(110)를 적용한 광섬유 캔틸레버 광학 스캔장치는 향상된 유효 스캔진폭을 제공할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 전달 광섬유부(110a)는 큰 코어 직경에 따른 큰 모드필드 직경을 가지는 반면, 스캔 광섬유부(110c)는 작은 코어 직경과 모드필드 직경을 가진다. 이에 따라 코어부(111)의 종단에서 방출되는 광신호는 스캔 광섬유(110c)의 작은 모드필드 직경에 의한 이점, 즉 향상된 유효 스캔진폭을 제공하며 이러한 이득은 도 2에서 설명하는 바와 원리가 같다.
또한, 상기한 바와 같이 연결 광섬유부(110b)는 2종의 광섬유 요소로 구성될 수 있고 혹은 단일한 종류의 광섬유나 3종 이상의 서로 다른 모드필드 직경을 갖는 광섬유 요소의 직렬연결로 구성될 수 있다. 연결 광섬유부가 다종의 광섬유 요소로 구성될수록 모드필드의 축방향 변화가 보다 점진적으로 이루어져 광섬유 요소 간 연결점에서 발생하는 광신호의 손실을 줄일 수 있는 이점을 갖는다.
한편, 무코어 광섬유부(110d)는 본 발명에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에서 필수적인 요소는 아니나 광섬유(110)의 종단에서 발생할 수 있는 광신호의 반사를 줄여주는 역할을 하여 여러 응용에서 이점을 제공할 수 있다. 무코어 광섬유부(110d)가 없고 스캔 광섬유부(110c)가 종단을 형성하여 자유공간과 접하면 그 코어부(111)에 의해 도파되는 광신호가 급속한 굴절률 변화를 겪어 그 종단면의 계면에서 상당한 수준의 계면반사를 얻게 된다.
통상의 실리카 유리재질의 광섬유에 대해 이러한 계면반사의 비율은 3% 수준에 이른다. 이러한 반사율은 광신호의 손실측면에서는 무시할 수 있으나 반사된 광신호가 전달 광섬유부(110a)를 통해 재도파되어 전달 광섬유부(110a)에 연결된 광원 등의 작동에 영향을 끼칠 우려가 있으며, 특히 OCT 내시경(optical coherence tomography endocscope)과 같이 광신호가 광섬유의 양방향을 거치는 경우 이러한 반사신호는 잡음 등으로 기여할 우려가 있다.
본 발명에 따른 광섬유(110)의 바람직한 실시예에서 모드필드 직경의 구체적 치수는 다음과 같을 수 있다. 광섬유(110)의 클래딩 직경은 예컨대 125㎛ 이고, 전달 광섬유부(110a)의 모드필드 직경 d0는 8.7㎛, 연결 광섬유부(110b)의 모드필드 직경 dc1과 dc2는 각각 6.1㎛와 4.3㎛, 그리고 스캔 광섬유부(110c)의 모드필드 직경 ds는 3.0㎛이라고 하면, 이에 따라, 전달 광섬유부(110a)와 스캔 광섬유부(110c)의 모드필드 직경 비율은 0.34이나 각 인접한 광섬유 요소간 모드필드 직경 비율은 대략 0.7이다.
광섬유 간 연결에 의한 삽입손실은 그 연결된 두 광섬유의 도파모드가 가진 모드필드(mode field)에 대한 곱셈적분(overlap integral)으로 계산될 수 있다. 단일모드 광섬유의 모드필드는 가우시안 분포함수로 근사할 수 있으며 이러한 경우 삽입손실은 간단한 식으로 계산될 수 있다. 광섬유 간 연결이 코어간 정렬상의 오차를 무시할 때, dB 단위로 환산한 광섬유 결합의 삽입손실 Lm의 근사적 계산식은 하기 수학식 1과 같다.
Figure 112013007307690-pat00001
여기서, da와 db는 결합된 두 광섬유 요소의 모드필드 직경을 나타낸다. 이와 같이 이종의 광섬유 요소가 결합될 때 모드필드의 차이로 인한 광신호의 손실을 발생하며 손실된 광신호는 더 이상 코어부로 진행하지 못하고 클래딩부로 확산된다. 그리고 클래딩부가 광신호 흡수성을 갖는 코팅재질로 보강되어 있다면 흡수되어 영구히 제거되게 된다.
위 수학식 1을 이용하여 본 실시 예에서 4종의 광섬유 요소들(110a~210d)이 직렬 결합되어 있을 때 발생하는 손실을 계산할 수 있다. 각각의 광섬유 요소의 결합당 0.5~0.6dB의 손실이 발생하며 총 1.6dB의 손실이 발생할 것으로 추산할 수 있다. 많은 응용에서 있어서 이러한 수준의 손실은 감내할 수 있을 것으로 기대된다.
반면, 연결 광섬유부(110b)를 이용하지 않고 직접 스캔 광섬유부(ds=3.0㎛)와 전달 광섬유부(d0=8.7㎛)를 연결할 경우 광신호 손실은 4.2dB에 이르며 모드필드 직경간 비율이 증대됨에 따라 급격히 증가한다.
이와 같이 다종의 광섬유 요소로 연결 광섬유부(110b)를 구성하여 모드필드 직경의 단계적 변화에 따른 광신호의 손실을 줄일 수 있다. 연결 광섬유부(110b)를 추가적으로 3종 이상의 광섬유 요소로 구성할 경우 광신호 손실을 더욱 줄일 수도 있다. 다만, 수학식 1에서의 계산결과는 삽입손실의 대략적인 경향을 보여줄 뿐 실제 삽입손실은 모드필드 분포의 형태, 광섬유 결합시 정렬상의 오차 등으로 인해 증대되거나 감소할 수 있다. 또한, 용융융착에 의한 광섬유 결합은 고온에서 광섬유 유리를 용융하여 두 광섬유를 결합하므로 코어부(111)를 형성하는 첨가물(core dopant)의 확산을 야기하여 손실을 줄이는 효과를 가질 수 있다. 이러한 현상은 광섬유 요소간 결합점 부근에서 코어부 첨가물의 확산이 코어 직경과 이에 따른 모드필드 직경의 변화를 점진적이고 부드럽게 만들 수 있기 때문이다.
한편, 도 4에서 보인 바와 같은 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 무코어 광섬유부(110d), 스캔 광섬유부(110c), 제1 연결 광섬유부(121), 제2 연결 광섬유부(122) 및 전달 광섬유부(110a)의 길이는 본 광학 스캔장치 응용의 성격 및 설계조건에 따라 다르게 결정될 수 있음은 당연하다.
또한, 상술한 바와 같이 무코어 광섬유부(110d)의 기능은 계면반사에 따른 광신호의 과잉된 반사를 줄이는데 있다. 무코어 광섬유부(110d)의 길이는 이러한 목적에 부합하도록 스캔 광섬유(110c)의 종단, 즉 코어부(111)의 종단에서 일정한 확산각을 갖고 방출되는 광선이 무코어 광섬유부(110d)의 종단에서 반사되어 되돌아올 때 그 광신호의 코어에 대한 재삽입 비율이 충분히 낮은 조건만 충족할 수 있으면 된다. 예컨대, 이러한 목적에 비춰 대부분의 경우 바람직하게는 무코어 광섬유부(110d)의 길이는 100~500㎛ 정도면 충분하다 할 것이나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 전달 광섬유부(110a)는 본 발명에 따른 광학 스캔장치를 광원과 같은 다른 장치와 연결하기 위한 기능을 수행하며, 그 길이는 별다른 제약 없이 응용이 요구하는 광섬유 길이에 따라 0.5미터에서 10미터 정도로 다양할 것이다.
나아가, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치에서 스캔 광섬유부(110c)와 연결 광섬유부(110b)는 광섬유(110)의 모드필드 직경을 변환하는데 그 목적이 있다. 그러나, 스캔 광섬유부(110c)와 연결 광섬유부(110b)의 길이는 다른 부가적 특성에 영향을 미칠 수도 있고, 광섬유 캔틸레버 스캔장치 응용에 따라 다른 길이를 갖도록 설계되어야 한다.
광학 스캔장치의 응용 가운데 다광자 내시경의 내시경 프로브에 본 발명이 제시하는 광섬유 캔틸레버 기반의 광학 스캔장치를 활용하는 경우에는 광학적 비선형효과에 대한 우려로 스캔 광섬유부(110c)와 연결 광섬유부(110b)의 길이를 최소화할 필요가 있을 수 있다. 이는 모드필드 직경이 더 큰 전달 광섬유부(110a)에 비해 스캔 광섬유부(110c)와 연결 광섬유부(110b)의 모드필드 직경이 작기 때문에 큰 비선형효과를 일으킬 수 있다는 점에서 연유한다. 이 경우 스캔 광섬유부(110c)와 연결 광섬유부(110b)의 길이는 광신호의 파장보다 월등히 긴 길이를 충족하는 한도 내에서 되도록 짧은 길이를 가져야 하며, 이러한 길이는 응용의 세부적 특성에 따라 달라질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, 본 광학 스캔장치를 통상의 다광자 내시경 응용에 활용하는 경우에는 스캔 광섬유부(110c) 및 연결 광섬유부(110b) 각각의 길이는 0.1mm 보다 크고 1mm 보다 짧은 정도가 바람직하다. 그러므로 이 경우에는 상기 스캔 광섬유부(110c)와 연결 광섬유부(110b)가 함께 광섬유 캔틸레버부(370)를 형성할 수 있다. 광섬유 캔틸레버부(370)는 별도의 외피가 없이 코어부(111)와 클래딩부(112)를 갖는 유리섬유의 형태를 가지게 되므로 각 광섬유 요소의 결합점에서 손실되어 클래딩(112)으로 확산된 광신호는 클래딩부(112)에 의해 광섬유 종단까지 도파될 수 있다. 이와 같은 클래딩부(112)의 잔여 광신호는 다광자 내시경과 같은 응용에서는 무시될 수 있다. 다광자 내시경에서는 시료의 비선형광학적 효과에 의해 이미지를 형성하는 광신호가 생성되고 넓은 단면적을 갖는 클래딩부(112)에 확산되어 도파되는 클래딩 잔여 광신호는 시료의 비선형광학 효과를 야기 하기에는 그 면적당 파워 곧, 세기가 낮기 때문이다.
이와는 반대로, 본 발명의 광학 스캔장치가 OCT 내시경과 같은 응용에서 내시경 프로브의 스캔장치로 활용될 때에는 대부분의 경우 광섬유 고유의 광학적 비선형효과가 큰 우려가 되지 못한다. 반면, 도 4과 같은 광섬유 구조에 기반한 광학 스캔장치에서 광섬유 요소간 결합점에서 손실되어 클래딩부(112)로 도파되는 클래딩 잔여 광신호가 미세하게나마 코어부(111)로 다시 회복될 때 잡음의 요소로 작용할 가능성이 있다. 이러한 이유로 인해, OCT 내시경과 같은 응용에 대해서는 스캔 광섬유부(110c)와 연결 광섬유부(110b) 각각이 각 광섬유요소 간 연결점의 중간 영역에서 클래딩부(112)의 광신호를 완전히 제거할 수 있는 구조로 보강되어야 한다. 이는 광섬유 연결점 인근의 광섬유 클래딩부가 클래딩의 잔여 광신호를 제거할 수 있는 특성을 가지도록 보강되고, 또한 이러한 잔여 광신호의 제거가 효과적으로 일어나도록 연결점 간의 길이가 충분히 길어야 한다.
한편, 본 명세서에서는 광섬유 캔틸레버 스캔장치에 관해 기술함에 있어 입력 광신호가 광섬유를 통해 입사되고 그 편향된 출력광이 자유공간으로 방출되는 작동 방식을 중심적으로 묘사할 것이다. 그러나 별도의 지시가 없는 한 입력과 출력의 광신호 진행 방향에 대한 구분은 임의적인 것으로써 목적에 따라 정반대의 방향으로 광신호가 인가 및 출력될 수 있고 이로 인해 본 발명의 범위가 제한되지는 않음을 밝혀둔다.
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치는 의료분야의 내시경 영상화면을 획득하기 위한 분야 등을 비롯하여 광섬유 캔틸레버 광학 스캔장치를 이용한 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 광섬유 캔틸레버는 길이(L)에 따른 기계적 강도의 한계를 극복하기 위하여 스캔진폭을 향상시킬 수 있으므로 적은 길이의 캔틸레버를 사용하더라도 스캔진폭을 크게 유지할 수 있다. 이는 좁은 통로의 장기 내에서도 넓은 영역의 주변 영상을 획득할 수 있게 하는 장점을 가진다고 볼 수 있다.
110 : 광섬유 110a : 전달 광섬유부
110b : 연결 광섬유부 110c : 스캔 광섬유부
110d : 무코어 광섬유부 121 : 제1 연결 광섬유부
122 : 제2 연결 광섬유부 130 : 광섬유지지부
140 : 베이스구조 150 : 스캔렌즈
160 : 잔여광제거 외피부 170 : 광섬유 캔틸레버

Claims (11)

  1. 코어부와 클래딩부로 구성된 광섬유의 종단부에 형성된 광섬유 캔틸레버와, 상기 광섬유 캔틸레버의 진동을 기동하는 액츄에이터와, 상기 광섬유의 종단부에서 방출 및 입사되는 광신호를 굴절시켜 변환하는 스캔렌즈부를 포함하고 상기 광섬유 캔틸레버가 상기 액츄에이터에 의해 진동하여 상기 광섬유의 종단에서 방출되는 광신호를 스캔하는 광학 스캔장치에 있어서,
    상기 광섬유는 서로 다른 모드필드 직경을 갖는 다수의 광섬유 요소를 포함하되, 상기 다수의 광섬유 요소의 모드필드 직경은 상기 광섬유의 길이를 따라 종단으로 갈수록 단계적으로 작아짐을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유는 종단부에 그 내부에 코어부를 포함하지 않는 무코어 광섬유 요소를 더 포함함을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 광섬유 요소는 단일 도파모드에 의해 광신호를 전송하는 단일모드 광섬유임을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 광섬유 요소는 서로 상이한 광전송 특성을 갖는 제1 및 제2 광섬유가 직렬로 결합됨을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광섬유 사이에 상기 제1 및 제2 광섬유와 다른 광전송 특성을 갖는 제3 광섬유가 삽입 결합되고, 상기 제3 광섬유의 모드필드 직경은 상기 제1 광섬유의 모드필드 직경보다 작고 상기 제2 광섬유의 모드필드 직경보다 큼을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 광섬유는 서로 다른 모드필드 직경을 갖는 다종의 광섬유가 직렬로 연결되며 상기 직렬로 연결된 다종의 광섬유는 그 모드필드 직경이 상기 광섬유의 길이방향에서 종단으로 갈수록 단계적으로 작아짐을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
  7. 코어부와 클래딩부로 구성된 광섬유의 종단부에 형성된 광섬유 캔틸레버와, 상기 광섬유 캔틸레버의 진동을 기동하는 액츄에이터와, 상기 광섬유의 종단부에서 방출 및 입사되는 광신호를 굴절시켜 변환하는 스캔렌즈부를 포함하고 상기 광섬유 캔틸레버가 상기 액츄에이터에 의해 진동하여 상기 광섬유의 종단에서 방출되는 광신호를 스캔하는 광학 스캔장치에 있어서,
    상기 광섬유는,
    광신호를 전달하는 전달 광섬유부 및 상기 광신호를 스캔하는 스캔 광섬유부를 포함하고 상기 전달 광섬유부와 스캔 광섬유부는 서로 다른 모드필드 직경을 가지며 상기 각 모드필드 직경은 상기 광섬유의 길이를 따라 종단으로 갈수록 단계적으로 작아짐을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광섬유는 상기 전달 광섬유부와 스캔 광섬유부 사이에 직렬로 서로 결합되어 광신호의 전송을 중계하는 연결 광섬유부를 더 포함함을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연결 광섬유부는 서로 다른 광전송 특성을 갖는 다종의 광섬유 요소를 포함하고, 상기 전달 광섬유부, 연결 광섬유부 및 스캔 광섬유부의 각 모드필드 직경은 상기 광섬유의 길이를 따라 종단으로 갈수록 단계적으로 작아짐을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광섬유는 상기 스캔 광섬유의 종단에 결합되며 그 내부에 코어부를 포함하지 않는 무코어 광섬유부 요소를 더 포함함을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 광섬유는 상기 클래딩부의 외면을 덮는 잔여광제거 외피부를 더 포함하고 상기 잔여광제거 외피부의 굴절률은 상기 광섬유의 클래딩부의 굴절률과 동일하거나 그 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유 캔틸레버를 이용한 광학 스캔장치.
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