KR101637832B1

KR101637832B1 - 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법

Info

Publication number: KR101637832B1
Application number: KR1020150065980A
Authority: KR
Inventors: 유홍기; 김준영; 형경초
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-07-07
Also published as: US10610105B2; US20180132727A1; EP3295859B1; WO2016182333A1; EP3295859A1; EP3295859A4

Abstract

일 실시예에 따른 광 프로브는, 대상체를 조사하기 위한 빛이 광원으로부터 입사되는 광섬유; 상기 광섬유에 입사된 빛을 집속시키는 렌즈 및 상기 광섬유에 입사된 빛의 파면을 변조시킬 수 있도록 패턴이 형성된 파면 변조기를 포함하고, 상기 광섬유, 상기 렌즈 및 상기 파면 변조기는 동축 상에 배치되고, 상기 파면 변조기를 통과한 빛은 상기 동축 상에 초점이 형성될 수 있으며, 상기 파면 변조기에 형성된 패턴 설계에 의해 상기 빛의 분해능 또는 초점 심도가 조절될 수 있다.

Description

광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법{OPTICAL PROBE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파면 변조기의 최적 설계를 통하여 횡방향 분해능 및 초점 심도를 향상시킬 수 있는 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로 내시경 광 프로브가 심혈관 질환 및 소화기 질환 진단에 사용되고 있다. 그러나, 상기 내시경 광 프로브를 이용한 기술 중 하나인 광단층활용기술(Optical Coherence Tomography)에서 횡방향 분해능 및 초점 심도는 서로 상충 관계에 있다.

이를 극복하기 위한 종래 기술로는 엑시콘 렌즈(axicon lens)나 그린 섬유(GRIN fiber)를 이용한 광프루브, 소프트웨어 알고리즘을 이용한 포스트 프로세싱 방법 등이 있다.

상기 엑시콘 렌즈를 이용한 광 프로브는 엑시콘 렌즈를 사용하여 광 프로브를 제작하며, 가우시안 빔을 베셀 빔으로 변환하여 이용한다. 베셀 빔은 'non-diffraction' 특성을 가지고 있기 때문에 넓은 영역에서 일정한 스팟(spot)의 크기를 유지할 수 있어 초점 심도를 확장시킬 수 있다. 하지만, 이 방법으로 생성한 베셀 빔은 광 손실이 크기 때문에 고감도 측정이 필요한 생물 조직 이미징에는 어려움이 있을 수 있다.

상기 그린 섬유를 이용한 광 프로브는 섬유의 코어 부분이 구배 지수(gradient index)를 가지는 광섬유인 그린 섬유를 사용하는 기술이며, 코어의 사이즈가 각기 다른 그린 섬유 두 개를 이어서 붙이게 될 수 있다. 이때, 코어의 사이즈가 작은 그린 섬유는 위상 필터 역할을 하게 되어 초점 심도를 1.5배 정도 확장시킬 수 있다. 하지만 이어서 붙이는 그린 섬유의 길이가 각각 200㎛, 30㎛ 보다 짧아야 하기 때문에 제작이 어려울 수 있다.

상기 소프트웨어 알고리즘은 포스트 프로세싱(Post processing) 방법으로 초점 심도를 확장하는 소프트웨어 알고리즘을 이용하는 방법으로서, digital refocusing method, inverse scattering approach 등의 알고리즘이 있다. 하지만 이 방법은 후처리 과정을 통한 보정 방법으로 연산량이 많고 복잡하기 때문에 실시간 처리하기 어려우며 노이즈의 영향 등으로 왜곡의 위험이 있을 수 있다.

예를 들어, 2011년 3월 7일에 출원된 KR2012-7026133호에서는 "특정 해상도에서 적어도 하나의 해부학적 구조의 미세 영상을 제공하는 시스템, 방법 및 컴퓨터 접근 가능 매체"에 대하여 개시되어 있으며, 특히 적어도 하나의 전자기 방사선을 제공하도록 설정된 복수의 엑시콘 렌즈를 포함하고 있다.

또한, 예를 들어, 2010년 12월 24일에 출원된 KR2010-0134640호에서는 "광섬유 다발 기반의 내시경 타입 스펙트럼 영역 광학단층영상 시스템"에 대하여 개시되어 있으며, 특히 샘플단에 보다 많은 광량을 집속하거나 수집하기 위해서 광섬유 다발에 그린렌즈를 사용하고 있다.

일 실시예에 따른 목적은 파면 변조기의 최적 설계를 통하여 횡방향 분해능을 향상시키는 동시에 깊이방향 측정 영역을 넓힐 수 있는 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 파면 변조기가 복수 개의 환형 영역을 구비하여, 복수 개의 환형 영역의 직경 크기 또는 높이 차이를 변화시킴으로써 분해능 또는 초점 심도를 향상시킬 수 있는 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 광 프로브 전방에 프리즘 또는 미러를 배치함으로써, 전방 조사뿐만 아니라 원주 방향 조사(circumferential scanning) 및 2차원 조사를 할 수 있는 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 공통 경로(common path) 광 프로브를 사용함으로써, 광학 시스템의 정렬(alignment)이 쉽고 분산으로 인한 아티팩트들(artifact) 및 공통 노이즈(common noise)에 대한 문제점들을 해소할 수 있는 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 소프트 리소그래피(soft lithography)의 한 형태인 복제 몰딩(replica molding)에 의하여 제작될 수 있어, 제작이 용이하고 광 프로브의 소형화를 가능하게 할 수 있는 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 기존의 광 프로브보다 넓은 범위의 병변의 상태를 정밀하게 진달할 수 있어 심혈관 질환 및 소화기 질환 진단에 널리 활용될 수 있고, 동맥 경화, 소화기 암 등의 조기 정밀 진단을 가능하게 하고, 약물 및 치료 반응, 병변의 발전 과정 등을 관찰하여 질병의 발생 기전에 대한 연구를 도울 수 있는 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 기존의 영상기기에서 광 프로브 부분만을 대체하여 사용할 수 있으므로 다양한 분야에 적용할 수 있는 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 광 프로브는, 대상체를 조사하기 위한 빛이 광원으로부터 입사되는 광섬유; 상기 광섬유에 입사된 빛을 집속시키는 렌즈 및 상기 광섬유에 입사된 빛의 파면을 변조시킬 수 있도록 패턴이 형성된 파면 변조기를 포함하고, 상기 광섬유, 상기 렌즈 및 상기 파면 변조기는 동축 상에 배치되고, 상기 파면 변조기를 통과한 빛은 상기 동축 상에 초점이 형성될 수 있으며, 상기 파면 변조기에 형성된 패턴 설계에 의해 상기 빛의 분해능 또는 초점 심도가 조절될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 파면 변조기에 형성된 패턴은 복수 개의 환형 영역을 포함하고, 상기 복수 개의 환형 영역은, 제1 환형 영역; 상기 제1 환형 영역으로부터 방사상으로 이격된 제2 환형 영역; 및 상기 제1 환형 영역 및 상기 제2 환형 영역 사이에 배치된 제3 환형 영역;을 포함하고, 상기 제1 환형 영역, 상기 제2 환형 영역 및 상기 제3 환형 영역의 높이 차이 또는 직경의 크기에 의하여 상기 빛의 분해능 또는 초점 심도가 조절될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 복수 개의 환형 영역 사이의 높이 차이는 빛의 파장 및 굴절률 차이에 의하여 결정되며,

상기 d는 복수 개의 환형 영역 사이의 높이 차이이고,

상기 n1은 제1 환형 영역의 굴절률이고,

상기 n2는 제3 환형 영역의 굴절률이고,

상기 λ는 빛의 파장일 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 복수 개의 환형 영역의 직경 크기는 상기 광섬유의 종류 및 상기 파면 변조기에 입사된 빛의 파장의 크기에 의해 결정될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 제1 환형 영역은 상기 동축 상에 위치되고, 상기 제1 환형 영역, 상기 제2 환형 영역 및 상기 제3 환형 영역을 통과한 빛은 상기 동축 상에 초점이 형성될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 복수 개의 환형 영역은 웨이퍼 상에 식각될 수 있고, 상기 웨이퍼 상에 폴리머를 도포 및 경화시킴으로써, 상기 폴리머에 상기 복수 개의 환형 영역이 복제될 수 있으며, 상기 복제된 폴리머를 상기 렌즈에 부착함으로써 상기 파면 변조기가 제작될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 파면 변조기의 전방에 이격 배치된 프리즘을 더 포함하고, 상기 파면 변조기를 통과한 빛은 상기 프리즘의 사면에 반사되어 상기 동축과 수직하는 축 상에서 초점이 형성될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 파면 변조기의 전방에 이격 배치된 미러를 더 포함하고, 상기 미러의 경사 각도를 제어함으로써, 상기 파면 변조기를 통과한 빛의 초점이 형성되는 지점을 제어할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 파면 변조기의 전방에 이격 배치된 스플리터를 더 포함하고, 상기 파면 변조기를 통과한 빛의 일부는 상기 스플리터의 표면에 반사되어 상기 동축과 수직하는 축 상에서 초점이 형성되고, 상기 파면 변조기를 통과한 빛의 나머지 일부는 상기 스플리터의 표면을 통과하여 상기 동축 상에서 초점이 형성될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 스플리터에서 상기 파면 변조기를 향하는 일면은 40 내지 50도로 연마된 후 스플리터 코팅되고, 상기 스플리터에서 상기 일면과 마주보는 타면은 반사 코팅될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 광섬유에 입사된 빛을 확산시키는 스페이서를 더 포함하고, 상기 광섬유에 입사된 빛은 상기 스페이서의 직경에 대응하도록 확산될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 광 프로브의 제작 방법은, 광섬유에 입사된 빛의 파면을 변조시키기 위한 파면 변조기의 패턴이 설계되는 단계; 웨이퍼 상에 상기 파면 변조기의 패턴이 식각되는 단계; 및 상기 웨이퍼 상에 식각된 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계;를 포함하고, 상기 파면 변조기의 패턴은 복수 개의 환형 영역을 포함하고, 상기 복수 개의 환형 영역의 직경 또는 높이 차이에 의해 상기 빛의 분해능 또는 초점 심도가 조절될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 웨이퍼 상에 식각된 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계는, 상기 웨이퍼 상에 폴리디메틸실록산(PDMS)이 도포되는 단계; 상기 웨이퍼 상에서 폴리디메틸실록산이 경화되는 단계; 상기 웨이퍼 상에서 폴리디메틸실록산이 제거되는 단계; 렌즈 상에 자외선 경화 에폭시가 도포되는 단계; 상기 자외선 경화 에폭시 상에 상기 웨이퍼 상에서 제거된 폴리디메틸실록산이 배치되는 단계; 및 상기 자외선 경화 에폭시 상에 상기 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계;를 포함하고, 상기 렌즈에 스페이서 및 광섬유가 조립될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 웨이퍼 상에 식각된 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계는, 상기 웨이퍼 상에 자외선 경화 에폭시가 도포되는 단계; 및 상기 웨이퍼 상에서 상기 자외선 경화 에폭시가 경화되는 단계;를 포함하고, 상기 경화된 자외선 경화 에폭시에 렌즈, 스페이서 및 광섬유가 조립될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 웨이퍼 상에 자외선 경화 에폭시가 도포되는 단계 이전에, 상기 웨이퍼 상에 코팅제가 도포되는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법에 의하면, 파면 변조기의 최적 설계를 통하여 횡 방향 분해능을 향상시키는 동시에 깊이 방향 측정 영역을 넓힐 수 있다.

일 실시예에 따른 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법에 의하면, 파면 변조기가 복수 개의 환형 영역을 구비하여, 복수 개의 환형 영역의 직경 크기 또는 높이 차이를 변화시킴으로써 분해능 또는 초점 심도를 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법에 의하면, 광 프로브 전방에 프리즘 또는 미러를 배치함으로써, 전방 조사뿐만 아니라 원주 방향 조사(circumferential scanning) 및 2차원 조사를 할 수 있다.

일 실시예에 따른 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법에 의하면, 공통 경로(common path) 광 프로브를 사용함으로써, 광학 시스템의 정렬(alignment)이 쉽고 분산으로 인한 아티팩트들(artifact) 및 공통 노이즈(common noise)에 대한 문제점들을 해소할 수 있다.

일 실시예에 따른 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법에 의하면, 소프트 리소그래피(soft lithography)의 한 형태인 복제 몰딩(replica molding)에 의하여 제작될 수 있어, 제작이 용이하고 광 프로브의 소형화를 가능하게 할 수 있다.

일 실시예에 따른 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법에 의하면, 기존의 광 프로브보다 넓은 범위의 병변의 상태를 정밀하게 진달할 수 있어 심혈관 질환 및 소화기 질환 진단에 널리 활용될 수 있고, 동맥 경화, 소화기 암 등의 조기 정밀 진단을 가능하게 하고, 약물 및 치료 반응, 병변의 발전 과정 등을 관찰하여 질병의 발생 기전에 대한 연구를 도울 수 있다.

일 실시예에 따른 광 프로브 및 상기 광 프로브의 제작 방법에 의하면, 기존의 영상기기에서 광 프로브 부분만을 대체하여 사용할 수 있으므로 다양한 분야에 적용할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 광 프로브를 도시한다.
도 2(a) 및 (b)는 일 실시예에 따른 광 프로브에서 파면 변조기의 평면도 및 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 3(a) 및 (b)는 일 실시예에 따른 광 프로브에서 파면 변조기를 활용한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 4는 도 1의 광 프로브에 프리즘이 추가된 모습을 도시한다.
도 5는 도 1의 광 프로브에 미러가 추가된 모습을 도시한다.
도 6은 도 1의 광 프로브에 스플리터가 추가된 모습을 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 광 프로브의 제작 방법을 도시하는 순서도이다.
도 8a 및 8b는 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계를 구체화하는 순서도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 광 프로브가 제작되는 모습을 도시한다.
도 10(a) 내지 (c)는 파면 변조기가 제작되는 과정을 도시하는 사진이다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 일 실시예에 따른 광 프로브를 도시하고, 도 2(a) 및 (b)는 일 실시예에 따른 광 프로브에서 파면 변조기의 평면도 및 단면도를 개략적으로 도시하고, 도 3(a) 및 (b)는 일 실시예에 따른 광 프로브에서 파면 변조기를 활용한 시뮬레이션 결과를 도시하고, 도 4는 도 1의 광 프로브에 프리즘이 추가된 모습을 도시하고, 도 5는 도 1의 광 프로브에 미러가 추가된 모습을 도시하고, 도 6은 도 1의 광 프로브에 스플리터가 추가된 모습을 도시한다.

도 1을 참조하여, 일 실시예에 따른 광 프로브(10)는 광섬유(100), 캐필러리(200), 스페이서(300), 렌즈(400) 및 파면 변조기(500)를 포함할 수 있다.

상기 광섬유(100)에는 대상체를 조사하기 위한 빛이 광원(미도시)으로부터 입사될 수 있다.

상기 광섬유(100)는 예를 들어 단일모드 광섬유(single mode fiber)로 마련될 수 있다.

상기 광섬유(100)는 빛의 전송 형태에 따라 크게 단일모드 광섬유 및 다중모드 광섬유로 분류될 수 있는데, 단일모드 광섬유의 경우 코어(core)가 10㎛ 미만으로 매우 작고 빛의 전송 형태가 한 가지뿐이라서 광 손실이 매우 적으며 신호의 변형 또는 왜곡이 거의 없기 때문에 신호의 장거리 전송이 가능할 수 있다.

상기 광섬유(100)의 외주면에는 캐필러리(capillary; 200)가 접합될 수 있다.

상기 캐필러리(200)는 매우 작은 지름을 갖는 관으로서, 예를 들어 광섬유(100)의 외주면을 둘러싸도록 원기둥 형상으로 마련될 수 있다.

구체적으로, 캐필러리(200)에는 광섬유(100)가 관통될 수 있으며, 상기 광섬유(100)는 캐필러리(200)의 일단을 통해 캐필러리(200) 내부를 향해 연장하고 캐필러리(200)의 타단에서 종결되며, 광섬유(100)는 캐필러리(200)의 타단에서 외부에 노출된다.

이때, 광섬유(100) 및 캐필러리(200)는 동축 상에 배치될 수 있다. 따라서 광섬유(100)의 코어가 캐필러리(200)의 양단에서 중앙에 배치될 수 있고, 광섬유(100)의 단부가 캐필러리(200)의 타단 중앙에서 외부에 노출될 수 있다.

전술된 캐필러리(200)가 광섬유(100)와 결합된 형태를 Fiber Pigtail이라 하며, 일반적으로 Module Packaging에 많이 사용될 수 있다.

이와 같이 캐필러리(200)는 광섬유(100)가 광 프로브(10)에 적용되는 것을 용이하게 하고, 광 프로브(10)뿐만 아니라 다양한 광학 시스템 내에서 광학 정렬을 용이하게 할 수 있다.

상기 캐필러리(200)의 타단에는 스페이서(spacer; 300)가 연결될 수 있다.

상기 스페이서(300)는 예를 들어 글래스 스페이서(glass spacer)로 마련될 수 있다.

상기 스페이서(300)은 일단에서 캐필러리(200)의 타단에 맞닿아 일정한 길이로 연장된 원기둥 형상으로 마련될 수 있으며, 캐필러리(200)와 동축 상에 배치될 수 있다.

다만, 스페이서(300) 내에는 광섬유(100)가 존재하지 않으며, 광섬유(100)를 통해 전달된 빛이 광섬유(100)의 단부로부터 확산되게 할 수 있다.

이때, 빛은 스페이서(300) 내에서 스페이서(300)의 직경에 대응되도록 확산될 수 있다.

구체적으로, 캐필러리(200)에 연결된 스페이서(300)의 일단 중앙으로부터 빛이 점차 확산되어 스페이서(300)의 타단 면 전체에 퍼지게 될 수 있다.

이와 같이 스페이서(300)는 광섬유(100)에 의해 전달된 빛을 전달과 동시에 확산시키는 역할을 할 수 있다.

상기 스페이서(300)의 타단에는 렌즈(400)가 연결될 수 있다.

상기 렌즈(400)는 예를 들어 그린 렌즈(GRIN Lens)로 마련될 수 있으며, 상기 그린 렌즈는 소정의 굴절률 기울기가 있고 렌즈 작용이 있는 유리로서, 그린(GRIN)은 gradient index lens의 약어이다. 이때, 굴절률 기울기는 확산에 의한 유리의 이온교환, 혹은 졸－겔법으로 얻어진 다공질 겔의 이온교환으로 만들어진다.

상기 렌즈(400)는 예를 들어 일단에서 스페이서(300)의 타단에 맞닿아 일정한 길이로 연장된 원기둥 형상으로 마련될 수 있으며, 캐필러리(200) 및 스페이서(300)와 동축 상에 배치될 수 있다.

이때, 렌즈(400)은 스페이서(300)에서 확산된 빛을 집속시키는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 스페이서(300)에서 스페이서(300)의 직경에 대응되도록 확산된 빛이 렌즈(400)를 통과하면서 집속될 수 있다.

상기 렌즈(400)의 타단에는 파면 변조기(500)가 연결될 수 있다.

상기 파면 변조기(500)는 예를 들어 Binary-phase 파면 변화 필터로 마련될 수 있으며, 구체적으로 광섬유(100)에 입사된 빛의 형상을 변화시킬 수 있다.

도 2(a) 및 (b)를 참조하여, 파면 변조기(500)의 설계도, 특히 파면 변조기(500)에 형성된 패턴의 설계도는 다음과 같이 구성될 수 있다.

상기 파면 변조기(500)는 복수 개의 환형 영역을 포함할 수 있다.

도면에는 네 개의 환형 영역으로 도시되었으나, 상기 복수 개의 환형 영역은 적어도 두 개 이상의 다양한 개수로 마련될 수 있다.

이하에서는 파면 변조기(500)가 네 개의 환형 영역을 포함하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

상기 복수 개의 환형 영역은 제1 환형 영역(510), 제2 환형 영역(520), 제3 환형 영역(530) 및 제4 환형 영역(540)을 포함할 수 있다.

상기 제1 환형 영역(510)은 파면 변조기(500)의 중앙에 위치된 환형의 영역으로 마련될 수 있고, 상기 제2 환형 영역(520)은 제1 환형 영역(510)으로부터 일정한 간격으로 방사상으로 이격 배치된 환형의 영역으로 마련될 수 있고, 상기 제3 환형 영역(530)은 제1 환형 영역(510)과 제2 환형 영역(520) 사이에 배치된 환형의 영역으로 마련될 수 있고, 상기 제4 환형 영역(540)은 제2 환형 영역(520)의 외주면을 감싸도록 환형의 영역으로 마련될 수 있다.

이때, 상기 제1 환형 영역(510)은 파면 변조기(500)의 중앙에 위치되므로, 제1 환형 영역(510)의 중심은 광섬유(100)와 동축 상에 위치될 수 있다.

구체적으로, 제1 환형 영역(510)은 a의 직경 크기를 구비할 수 있고, 제2 환형 영역(520)은 c의 직경 크기를 구비할 수 있고, 제3 환형 영역(530)은 b의 직경 크기를 구비할 수 있고, 제4 환형 영역(540)은 파면 변조기(500)의 전체 직경에 대응하는 직경 크기를 구비할 수 있다.

이때, 제1 환형 영역(510), 제2 환형 영역(520), 제3 환형 영역(530) 및 제4 환형 영역(540)의 직경 크기는 광섬유(100)의 종류 및 파면 변조기에 입사된 빛의 크기(size)와 관련이 있을 수 있다.

파면 변조기(500)의 제작 과정에서 구체적인 시뮬레이션을 통하여 최적의 a, b 및 c 값이 설계될 수 있다.

또한, 제1 환형 영역(510) 또는 제2 환형 영역(520)에서의 굴절률(refractive index)은 n1이고, 제3 환형 영역(530) 또는 제4 환형 영역(530)에서의 굴절률은 n2일 수 있다.

이때, 제1 환형 영역(510) 또는 제2 환형 영역(520)과 제3 환형 영역(530) 또는 제4 환형 영역(530) 사이에 d만큼의 높이 차이가 형성될 수 있다.

예를 들어, 제1 환형 영역(510) 또는 제2 환형 영역(520)은 제3 환형 영역(530) 또는 제4 환형 영역(530)보다 높이가 낮게 형성될 수 있다.

이와 같이 제1 환형 영역(510), 제2 환형 영역(520), 제3 환형 영역(530)및 제4 환형 영역(540)을 구비하여, 파면 변조기(500)에는 패턴이 형성될 수 있다.

또한, 파면 변조기(500)에서 빛이 이진 위상(Binary phase)으로 변조되는 경우, 상기 굴절률 및 높이 차이는 다음과 같은 관련성을 가질 수 있다.

이때, d는 복수 개의 환형 영역 사이의 높이 차이이고,

n1은 제1 환형 영역 또는 제2 환형 영역의 굴절률이고,

n2는 제3 환형 영역 또는 제4 환형 영역의 굴절률이고,

λ는 빛의 파장이다.

이와 같이 복수 개의 환형 영역 중 인접한 환형 영역 사이의 높이 차이는 복수 개의 환형 영역 중 인접한 환형 영역 사이의 굴절률 차이 및 광섬유(100)의 종류 및 파면 변조기에 입사된 빛의 파장에 의해 조절될 수 있다.

구체적으로, 광섬유(100)에 입사된 빛은 파면 변조기(500), 예를 들어 서로 다른 환형 영역을 통과하면서 π만큼의 위상 차이가 발생하게 할 수 있다.

이러한 위상 차이를 가진 빛은 서로 간섭해서 빛의 형상을 변화시킬 수 있으며, 이를 통하여 일 실시예에 따른 광 프로브(10)의 빛에 의한 횡 방향 분해능을 향상시키는 동시에 깊이 방향 측정 영역을 넓힐 수 있다.

이때, 횡방향은 파면 변조기(500)의 방사상 방향을 의미할 수 있으며, 횡 방향 분해능을 향상시킬 수 있다는 것은 파면 변조기(500)를 통과한 빛이 초점 영역에서 횡방향으로 높은 분해능을 가질 수 있다는 것을 의미할 수 있다.

그리고, 깊이 방향은 광섬유(100)의 길이 방향(다시 말해서, 광축 방향) 또는 광 프로브(10)의 길이방향을 의미하며, 깊이 방향 측정 영역을 넓힐 수 있다는 것은 파면 변조기(500)를 통과한 빛이 광섬유(100), 캐필러리(200), 스페이서(300), 렌즈(400) 및 파면 변조기(500)의 동축 상에서 초점을 형성하여 횡방향으로 높은 분해능을 유지할 수 있는 길이가 길어질 수 있다는 것을 의미할 수 있다.

예를 들어, 복수 개의 환형 영역 간에 π만큼의 위상 차이를 구현하기 위해서는 복수 개의 환형 영역 중 인접한 영역을 통과하는 빛의 광 경로차를 λ/2로 되는 것이 바람직할 수 있다.

전술된 식을 통하여, 빛의 광 경로차를 λ/2이 되게 할 수 있는 d 값이 산출될 수 있다.

여기에는 파면 변조기(500)에서 빛이 이진 위상(Binary phase)으로 변조되는 경우의 굴절률 및 높이 차이에 대한 관련 식을 제시하였으나, 굴절률 및 높이 차이에 대한 다른 관련 식을 이용하여 빛을 임의의 위상으로 변형시킬 수 있음은 당연하다.

따라서, 복수 개의 환형 영역의 직경 크기 및 높이 차이를 적절하게 설계함으로써, 광 프로브(10)의 분해능 및 초점 심도를 향상시킬 수 있다.

역으로, 요구되는 광 프로브(10)의 분해능 및 초점 심도의 향상 정도에 따라서 복수 개의 환형 영역의 직경 크기 및 높이 차이가 결정될 수 있다.

예를 들어, 분해능을 5% 향상시키면서 초점 심도를 100% 향상시킬 수 있는 파면 변조기(500)의 패턴 설계와 분해능을 10% 향상시키면서 초점 심도를 50% 향상시킬 수 있는 파면 변조기(500)의 패턴 설계는 서로 다를 수 있으며, 상기 분해능 및 초점 심도의 조합을 통하여 다양하게 파면 변조기(500)의 패턴 설계가 수행될 수 있다.

이는 파면 변조기(500) 제작 전에 시뮬레이션을 통해 미리 예측될 수 있으며, 경우에 따라서 적절하게 파면 변조기(500)의 패턴이 달리 제작될 수 있다.

또한, 도 3(a) 및 (b)를 참조하여, 파면 변조기(500)의 미적용 시와 파면 변조기(500)의 적용 시 광 프로브(10)의 초점 심도가 변화될 수 있다.

구체적으로, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 일 실시예에 따른 광 프로브(10)에 파면 변조기(500)가 미적용된 경우에 비해, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 일 실시예에 따른 광 프로브(10)에 파면 변조기(500)가 적용된 경우에 초점 심도가 3배 가량 향상된 것을 알 수 있다.

따라서, 일 실시예에 따른 광 프로브(10)는 파면 변조기의 최적 설계를 통하여 횡방향 분해능을 향상시키는 동시에 깊이 방향 측정 영역을 확장시킴으로써, 대상체의 전방 조사(forward scanning)를 효율적으로 수행할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 광 프로브(10)는 캐필러리(200), 스페이서(300), 렌즈(400) 및 파면 변조기(500)가 순차적으로 구성된 것으로 설명되었으나, 광 프로브(10)가 다양하게 구성될 수 있음은 당연하다.

예를 들어, 광 프로브(10)에서 스페이서(300)가 포함되지 않을 수 있고, 스페이서(300)와 렌즈(400)의 순서가 변경되어 스페이서(300)의 단부에 파면 변조기(500)가 장착되거나, 파면 변조기(500)가 스페이서(300)와 렌즈(400) 사이에 배치될 수 있다.

이와 같이 구성된 일 실시예에 따른 광 프로브(10)의 전방에는 프리즘(600)이 배치될 수 있다.

도 4를 참조하여, 상기 프리즘(600)은 광 프로브(10)의 파면 변조기(500)를 향하여 사면(602)이 형성될 수 있으며, 상기 사면(602)에서 파면 변조기(500)를 통과한 빛이 반사될 수 있다.

사면(602)에서 반사된 빛은 광섬유(100), 캐필러리(200), 스페이서(300), 렌즈(400) 및 파면 변조기(500)의 동축과 수직하는 축 상에 초점이 형성될 수 있다.

이와 같이 광 프로브(10) 전방에 프리즘(600)를 배치함으로써, 원주 방향 조사(circumferential scanning) 또한 가능해질 수 있다.

도 5를 참조하여, 일 실시예에 따른 광 프로브(10)의 전방에는 미러(700)가 이격 배치될 수 있다.

상기 미러(700)는 예를 들어 MEMS Mirror로 마련될 수 있으며, 미러(700)의 경사 각도를 제어할 수 있다.

미러(700)의 경사 각도를 제어하는 것에 의해 파면 변조기(500)를 통과한 빛이 반사되는 방향이 제어될 수 있고, 빛의 초점이 형성되는 지점이 제어될 수 있다.

예를 들어, 파면 변조기(500)를 통과한 빛이 미러(700)의 사면에 반사되어, 광섬유(100), 캐필러리(200), 스페이서(300), 렌즈(400) 및 파면 변조기(500)의 동축과 수직하는 축 상에 초점이 형성될 수 있다.

이와 같이 광 프로브(10) 전방에 미러(700)를 배치함으로써, 2차원 조사 또한 가능해질 수 있다.

도 6을 참조하여, 일 실시예에 따른 광 프로브(10)의 전방에는 스플리터(splitter; 800)가 이격 배치될 수 있다.

예를 들어, 파면 변조기(500)를 향하는 스플리터(800)의 일면(802)은 예를 들어 40 내지 50도로 연마된 후 스플리터 코팅이 되어, 스플리터로서의 기능을 할 수 있다.

반면, 상기 스플리터(800)의 일면과 마주보는 타면(804)은 반사 코팅이 되어, 미러의 역할을 할 수 있다.

이때, 파면 변조기(500)를 통과한 빛의 일부는 스플리터(800)의 표면, 예를 들어 스플리터(800)의 일면(802)에 반사되어 광섬유(100), 캐필러리(200), 스페이서(300), 렌즈(400) 및 파면 변조기(500)의 동축과 수직하는 축 상에 초점이 형성될 수 있다.

반면, 파면 변조기(500)를 통과한 빛의 나머지 일부는 스플리터(800)의 일면(802)을 통과하여 상기 동축 상에서 초점이 형성될 수 있다. 특히 이때 초점은 스플리터(800)의 타면(804) 상에 형성될 수 있다.

이때, 공통 경로(common path) 광 프로브(10)를 사용함으로써, 광학 시스템 내에서 정렬(alignment)이 쉽고 분산으로 인한 아티팩트들(artifact) 및 공통 노이즈(common noise)에 대한 문제점들을 해소할 수 있다.

이상 일 실시예에 따른 광 프로브에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 일 실시예에 따른 광 프로브의 제작 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 7은 일 실시예에 따른 광 프로브의 제작 방법을 도시하는 순서도이고, 도 8a 및 8b는 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계를 구체화하는 순서도이고, 도 9(a) 내지 (f)는 일 실시예에 따른 광 프로브가 제작되는 모습을 도시하고, 도 10(a) 내지 (c)는 파면 변조기가 제작되는 과정을 도시하는 사진이다.

도 7 내지 9를 참조하여, 일 실시예에 따른 광 프로브는 다음과 같이 제작될 수 있다.

우선, 광섬유에 입사된 빛의 파면을 변조시키기 위한 파면 변조기의 패턴이 설계된다(S10).

이때, 파면 변조기의 패턴은 복수 개의 환형 영역을 포함하고, 상기 복수 개의 환형 영역의 직경 또는 높이 차이에 의해 빛의 분해능 또는 초점 심도가 조절될 수 있다.

이어서, 웨이퍼 상에 파면 변조기의 패턴이 식각된다(S20).

이때, 웨이퍼 상에 복수 개의 환형 영역이 비등방 에칭(anisotropic etching)을 통하여 식각될 수 있다.

그런 다음, 웨이퍼 상에 식각된 파면 변조기의 패턴이 복제된다(S30).

이때, 웨이퍼 상에 식각된 파면 변조기의 패턴은 폴리머를 이용하여 다양한 방식에 의해 복제될 수 있다.

예를 들어, 도 8(a) 및 도 9를 참조하여, 웨이퍼 상에 폴리디메틸실록산(PDMS)이 도포되고(S31), 웨이퍼 상에서 폴리디메틸실록산이 경화되고(S32), 웨이퍼 상에서 폴리디메틸실록산이 제거되고(S33), 렌즈 상에 자외선 경화 에폭시가 도포되고(S34), 상기 자외선 경화 에폭시 상에 상기 웨이퍼 상에서 제거된 폴리디메틸실록산이 배치되고(S35), 상기 자외선 경화 에폭시 상에 상기 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계(S36)를 포함할 수 있다.

이와 같이 웨이퍼 상에 식각된 파면 변조기의 패턴은 폴리디메틸실록산(PDMS)을 이용하여 1차적으로 복제된 이후에, 렌즈에 도포된 자외선 경화 에폭시를 이용하여 2차적으로 복제될 수 있다.

이때, 자외선 경화 에폭시는 렌즈 상에 10㎛보다 작은 두께로 도포될 수 있으며, 렌즈 상에 도포된 자외선 경화 에폭시 자체가 파면 변조기가 될 수 있다.

이 경우, 웨이퍼 상에 식각된 파면 변조기의 패턴이 복제되는 것과 동시에 상기 복제된 파면 변조기의 패턴이 렌즈에 장착될 수 있다.

따라서, 렌즈에 스페이서 및 광섬유가 조립됨으로써 광 프로브가 제작될 수 있다.

반면, 8(b)를 참조하여, 파면 변조기가 별도로 제작되고 렌즈에 장착되도록 파면 변조기의 패턴이 복제될 수 있다.

구체적으로, 상기 웨이퍼 상에 자외선 경화 에폭시가 도포되고(S37), 상기 웨이퍼 상에서 상기 자외선 경화 에폭시가 경화됨으로써(S38), 파면 변조기가 제작될 수 있다.

또한, 상기 웨이퍼 상에 자외선 경화 에폭시가 도포되기 전에 웨이퍼 상에 코팅제가 도포되는 단계를 더 포함할 수 있으며, 웨이퍼 상에 테프론 코팅 등과 같이 미끄러운 코팅을 한 후에 상기 자외선 경화 에폭시를 경화시킴으로써 파면 변조기가 제작될 수 있다.

이와 같이 제작된 파면 변조기에 렌즈, 스페이서 및 광섬유가 조립됨으로써 광 프로브가 제작될 수 있다.

전술된 바와 같이 파면 변조기는 다양한 방식에 의해 제작될 수 있고, 따라서 일 실시예에 따른 광 프로브 또한 다양한 방식에 의해 제작될 수 있다.

도 10(a) 내지 (c)를 참조하여, 웨이퍼, 폴리디메틸실록산 및 렌즈 상에서 파면 변조기의 패턴을 확인할 수 있다.

도 10(a)를 참조하여, 웨이퍼 상에서 파면 변조기의 패턴이 복수 개의 환형 영역을 구비하여 형성될 수 있고, 도 10(b)를 참조하여, 웨이퍼 상에 도포된 폴리디메틸실록산에 파면 변조기의 패턴이 복제될 수 있고, 도 10(c)를 참조하여, 렌즈 상에 도포된 자외선 경화 에폭시에 파면 변조기의 패턴이 복제될 수 있다.

이를 통하여, 파면 변조기가 우수한 품질로 제작되었음을 확인할 수 있다.

그러므로 일 실시예에 따른 광 프로브의 제작방법을 통하여 소프트 리소그래피(soft lithography)의 한 형태인 복제 몰딩(replica molding)에 의하여 제작될 수 있어, 제작이 용이하고 광 프로브의 소형화를 가능하게 할 수 있다.

더 나아가 일 실시예에 따른 광 프로브의 제작방법에 의하여 제작된 광 프로브는 기존의 광 프로브보다 넓은 범위의 병변의 상태를 정밀하게 진달할 수 있어 심혈관 질환 및 소화기 질환 진단에 널리 활용될 수 있고, 동맥 경화, 소화기 암 등의 조기 정밀 진단을 가능하게 하고, 약물 및 치료 반응, 병변의 발전 과정 등을 관찰하여 질병의 발생 기전에 대한 연구를 도울 수 있으며, 기존의 영상기기에서 광 프로브 부분만을 대체하여 사용할 수 있으므로 다양한 분야에 적용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 광 프로브
100: 광섬유
200: 캐필러리
300: 스페이서
400: 렌즈
500: 파면 변조기
510: 제1 환형 영역
520: 제2 환형 영역
530: 제3 환형 영역
540: 제4 환형 영역
600: 프리즘
602: 사면
700: 미러
800: 스플리터
802: 일면
804: 타면

Claims

대상체를 조사하기 위한 빛이 광원으로부터 입사되는 광섬유;
상기 광섬유에 입사된 빛을 집속시키는 렌즈; 및
상기 광섬유에 입사된 빛의 파면을 변조시킬 수 있도록 패턴이 형성된 파면 변조기;
를 포함하고,
상기 광섬유, 상기 렌즈 및 상기 파면 변조기는 동축 상에 배치되고,
상기 파면 변조기를 통과한 빛은 상기 동축 상에 초점이 형성될 수 있으며, 상기 파면 변조기에 형성된 패턴 설계에 의해 상기 빛의 분해능 또는 초점 심도가 조절될 수 있는 광 프로브.
제1항에 있어서,
상기 파면 변조기에 형성된 패턴은 복수 개의 환형 영역을 포함하고,
상기 복수 개의 환형 영역은,
제1 환형 영역;
상기 제1 환형 영역으로부터 방사상으로 이격된 제2 환형 영역; 및
상기 제1 환형 영역 및 상기 제2 환형 영역 사이에 배치된 제3 환형 영역;
을 포함하고,
상기 제1 환형 영역, 상기 제2 환형 영역 및 상기 제3 환형 영역의 높이 차이 또는 직경의 크기에 의하여 상기 빛의 분해능 또는 초점 심도가 조절될 수 있는 광 프로브.
제2항에 있어서,
상기 복수 개의 환형 영역 사이의 높이 차이는 빛의 파장 및 굴절률 차이에 의하여 결정되며,

상기 d는 복수 개의 환형 영역 사이의 높이 차이이고,
상기 n1은 제1 환형 영역의 굴절률이고,
상기 n2는 제3 환형 영역의 굴절률이고,
상기 λ는 빛의 파장인, 광 프로브.
제2항에 있어서,
상기 복수 개의 환형 영역의 직경 크기는 상기 광섬유의 종류 및 상기 파면 변조기에 입사된 빛의 크기에 의해 결정될 수 있는 광 프로브.
제2항에 있어서,
상기 제1 환형 영역은 상기 동축 상에 위치되고,
상기 제1 환형 영역, 상기 제2 환형 영역 및 상기 제3 환형 영역을 통과한 빛은 상기 동축 상에 초점이 형성되는 광 프로브.
제2항에 있어서,
상기 복수 개의 환형 영역은 웨이퍼 상에 식각될 수 있고, 상기 웨이퍼 상에 폴리머를 도포 및 경화시킴으로써, 상기 폴리머에 상기 복수 개의 환형 영역이 복제될 수 있으며, 상기 복제된 폴리머를 상기 렌즈에 부착함으로써 상기 파면 변조기가 제작될 수 있는 광 프로브.
제1항에 있어서,
상기 파면 변조기의 전방에 이격 배치된 프리즘을 더 포함하고,
상기 파면 변조기를 통과한 빛은 상기 프리즘의 사면에 반사되어 상기 동축과 수직하는 축 상에서 빛의 초점이 형성되는 광 프로브.
제1항에 있어서,
상기 파면 변조기의 전방에 이격 배치된 미러를 더 포함하고,
상기 미러의 경사 각도를 제어함으로써, 상기 파면 변조기를 통과한 빛의 초점이 형성되는 지점을 제어할 수 있는 광 프로브.
제1항에 있어서,
상기 파면 변조기의 전방에 이격 배치된 스플리터를 더 포함하고,
상기 파면 변조기를 통과한 빛의 일부는 상기 스플리터의 표면에 반사되어 상기 동축과 수직하는 축 상에서 초점이 형성되고,
상기 파면 변조기를 통과한 빛의 나머지 일부는 상기 스플리터의 표면을 통과하여 상기 동축 상에서 초점이 형성되는 광 프로브.
제9항에 있어서,
상기 스플리터에서 상기 파면 변조기를 향하는 일면은 40 내지 50도로 연마된 후 스플리터 코팅되고,
상기 스플리터에서 상기 일면과 마주보는 타면은 반사 코팅되는 광 프로브.
제1항에 있어서,
상기 광섬유에 입사된 빛을 확산시키는 스페이서를 더 포함하고,
상기 광섬유에 입사된 빛은 상기 스페이서의 직경에 대응하도록 확산될 수 있는 광 프로브.
광섬유에 입사된 빛의 파면을 변조시키기 위한 파면 변조기의 패턴이 설계되는 단계;
웨이퍼 상에 상기 파면 변조기의 패턴이 식각되는 단계; 및
상기 웨이퍼 상에 식각된 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계;
를 포함하고,
상기 파면 변조기의 패턴은 복수 개의 환형 영역을 포함하고,
상기 복수 개의 환형 영역의 직경 또는 높이 차이에 의해 상기 빛의 분해능 또는 초점 심도가 조절될 수 있는 광 프로브의 제작 방법.
제12항에 있어서,
상기 웨이퍼 상에 식각된 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계는,
상기 웨이퍼 상에 폴리디메틸실록산(PDMS)이 도포되는 단계;
상기 웨이퍼 상에서 폴리디메틸실록산이 경화되는 단계;
상기 웨이퍼 상에서 폴리디메틸실록산이 제거되는 단계;
렌즈 상에 자외선 경화 에폭시가 도포되는 단계;
상기 자외선 경화 에폭시 상에 상기 웨이퍼 상에서 제거된 폴리디메틸실록산이 배치되는 단계; 및
상기 자외선 경화 에폭시 상에 상기 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계;
를 포함하고,
상기 렌즈에 스페이서 및 광섬유가 조립될 수 있는 광 프로브의 제작 방법.
제12항에 있어서,
상기 웨이퍼 상에 식각된 파면 변조기의 패턴이 복제되는 단계는,
상기 웨이퍼 상에 자외선 경화 에폭시가 도포되는 단계; 및
상기 웨이퍼 상에서 상기 자외선 경화 에폭시가 경화되는 단계;
를 포함하고,
상기 경화된 자외선 경화 에폭시에 렌즈, 스페이서 및 광섬유가 조립될 수 있는 광 프로브의 제작 방법.
제14항에 있어서,
상기 웨이퍼 상에 자외선 경화 에폭시가 도포되는 단계 이전에,
상기 웨이퍼 상에 코팅제가 도포되는 단계를 더 포함할 수 있는 광 프로브의 제작 방법.