KR101685375B1 - 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치 및 이를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템 - Google Patents

편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치 및 이를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치 및 이를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수동적인 광 부품들만을 이용하여 푸앙카레 구(Poincare sphere) 상에서 서로 수직인 편광 상태를 갖는 두 광을 구현함으로써, 편광민감 이미징이 가능한 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치 및 이를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템을 제공한다.

Description

편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치 및 이를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템 {THE DEVICE OF POLARIZATION MULTIPLEXED WAVELENGTH SWEPT LIGHT SOURCE AND POLARIZATION-SENSITIVE OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY IMAGING USING THE SAME}
본 발명은 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치 및 이를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수동적인 광 부품들만을 이용하여 푸앙카레 구(Poincare sphere) 상에서 서로 수직인 편광 상태를 갖는 두 광을 구현함으로써, 편광민감 이미징이 가능한 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치 및 이를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템에 관한 것이다.
편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템은 시편의 복굴절 정보를 얻게됨으로써, 기존의 광간섭단층촬영 방식으로 획득 가능한 시편의 구조적인 정보뿐만 아니라 확실한 구성 성분 정보를 획득할 수 있다.
편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템은 생물학적 시편의 각 지점마다 복굴절 성질을 정량적으로 측정하여 그래픽적으로 표현하는 방법이다. 다시 말해, 복굴절 성질을 기반으로 시편의 각 부분의 성분들을 분석할 수 있다.
초기 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템은 샘플암의 복굴절 상태가 변하지 않는다는 가정 하에 구현되었다. 이러한 가정 하에 개발된 원형 편광된 광(circularly polarized light)을 이용하는 방식은 자유 공간 광학(free-space optics) 혹은 편광 유지 광섬유(polarization maintained fiber, PMF)를 이용하여, 원형 편광된 광을 시편에 조사(illumination)하여 입사된 편광 상태에 대해 시편에서 되돌아오는 광의 편광 상태가 얼마나 변하였는지를 분석함으로써, 시편의 복굴절 상태를 표현하는 방식이다. 또한, 이 방식은 파장판(waveplate)을 간섭계에 장착하여 입사되는 광의 편광 상태가 시편의 추정되는 선형 복굴절 축(linear birefringence axis)과 일치하지 않도록 확실히 하였다. 하지만, 내시경적 혹은 카테터 기반의 시스템과 같이 시스템의 샘플암이 고정되어 있지 않은 경우 조직 표면에서의 편광 상태가 유지될 수 없다.
내시경을 이용하거나 카테터를 이용하는 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템은 이러한 한계점을 극복하기 위해서, 편광 변조(polarization modulation) 혹은 주파수 다중(frequency multiplexing) 방식을 이용하여, 푸앙카레 구(Poincare sphere) 상에서 서로 수직인 편광된 두 광을 구현하여, 푸앙카레 구(Poincare sphere) 상에서 서로 수직으로 편광된 두 광을 시편에 조사(illumination)함으로써 이러한 한계점을 극복하였다. 이 방식은 시편에 조사되는 광의 정확한 편광 상태를 알 필요가 없다. 즉, 서로 수직인 편광된 두 광이 시편에 조사되면 시편의 조직 성분에 따라서 광의 편광 상태가 변하게 된다. 이 때 스토크스 벡터(Stokes vector)로 각 광(편광이 다른 두 개의 입사 광 및 후방산란된 광)의 편광 상태를 표현하고 푸앙카레 구(Poincare sphere) 상에 나타내어 벡터 연산을 이용하여 시편의 복굴절 주축(birefringence principle axis)을 도출한다. 이때, 복굴절 주축(birefringence principle axis)은 이 축과 나란한 편광 상태의 광이 입사되면 조직의 복굴절에 따른 편광의 변화가 없는 특징이 있다. 이 축을 기준으로 푸앙카레 구 내에서 입사 광의 스토크스 벡터와 산란된 광의 스토크스 벡터 사이의 각도를 도출하여 정량적으로 조직의 복굴절 정도를 표시한다. 하지만, 이 방식을 이용할 경우 두 개의 광의 편광 상태를 푸앙카레 구 상에서 수직을 이루도록 하기 위해 편광 변조기(polarization modulator)를 사용하여 편광 상태를 시간에 따라 변조하거나, 주파수 다중 방식을 구현하려면 푸앙카레 구 상에서 수직을 이루는 두 광을 각각 다른 광 주파수 영역에 배치하기 위하여 주파수 이동기(frequency shifter)를 사용해야 한다. 이러한 능동장치(편광 변조기, 주파수 이동기)를 사용하는 경우 장치를 구동하기 위한 전원 공급 및 구동 드라이버가 추가적으로 필요하다. 또한, 시간에 따라 파장 가변(modulation)되는 광원을 사용할 경우, 즉, 광 주파수 영역 이미징(optical frequency domain imaging, OFDI)이나 Swept-source OCT(SS-OCT)시스템의 경우 능동 장치의 동기화 구현을 위한 장치들이 부수적으로 필요하여 시스템의 복잡도를 증가시키는 문제점이 있다.
한국등록특허 [10-1352803]에서는 편광 민감 광 간섭 단층 촬영장치를 위한 파장 가변 레이저가 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-1352803] (등록일자: 2014.01.13)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 시간에 따라 파장이 가변되는 광원을 사용하는 2세대 OCT 시스템(OFDI, SS-OCT)에서, 수동적인 광 부품들만을 이용하여 푸앙카레 구(Poincare sphere) 상에서 서로 수직인 편광 상태를 갖는 두 광을 구현함으로써 편광민감 이미징이 가능하게 하는 한 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치 및 이를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는, 광원 변조를 위한 구형파 형태인 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨인 경우 파장 가변 광원을 온시키고 로우 레벨인 경우 상기 광원을 오프시키어 상기 광원의 온/오프에 따라 발생된 광을 출력하는 광 출력부(100); 상기 광 출력부(100)로부터 입사되는 광을 나누는 메인커플러(200); 상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 어느 하나의 광이 통과하는 제1광선로부(300); 상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 다른 하나의 광이 통과하는 제2광선로부(400); 상기 제2광선로부(400)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시키는 광 지연부(408); 주축이 양의 22.5도 각도를 이루며, 상기 제1광선로부(300)를 통과한 광을 선형 편광시키는 제1선형편광기(310); 주축이 음의 22.5도 각도를 이루며, 상기 제2광선로부(400) 및 상기 광 지연부(408)를 통과한 광을 선형 편광시키는 제2선형편광기(410); 및 상기 제1선형편광기(310)와 상기 제2선형편광기(410)를 통과한 광을 입력받아 편광 다중 형태의 하나의 광으로 변형시키는 빔스플리터(500);를 포함하되, 상기 광 지연부(408)는, 상기 구형파 형태인 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간과 동일한 시간만큼 상기 제2광선로부(400)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 상기 제1광선로부(300)를 통과한 광을 증폭하여 상기 제1선형편광기(310)로 출력하는 제1광증폭기(320); 및 상기 제2광선로부(400) 및 상기 광 지연부(305)를 통과한 광을 증폭하여 상기 제2선형편광기(410)로 출력하는 제2광증폭기(420)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는, 광원 변조를 위한 구형파 형태인 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨인 경우 파장 가변 광원을 온시키고 로우 레벨인 경우 상기 광원을 오프시키어 상기 광원의 온/오프에 따라 발생된 광을 출력하는 광 출력부(100); 상기 광 출력부(100)로부터 입사되는 광을 나누는 메인커플러(200); 상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 어느 하나의 광이 통과하는 제1광선로부(300); 상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 다른 하나의 광이 통과하는 제2광선로부(400); 상기 제1광선로부(300)를 통과하는 광을 두 개의 광으로 나누어 출력하거나 두 개의 입력 광을 하나의 광으로 결합하여 출력하는 제1커플러(301); 상기 제1커플러(301)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 어느 하나의 광이 통과하는 제1광섬유(302); 자기장을 띄며, 상기 제1광섬유(302)를 통과한 광을 반사시켜, 상기 제1커플러(301)로 돌려보내는 제1패러데이회전거울부(303); 상기 제1커플러(301)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 다른 하나의 광이 통과하는 제2광섬유(304); 상기 제2광섬유(304)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시키는 제1 광 지연부(306); 자기장을 띄며, 상기 제2광섬유(304) 및 상기 제1 광 지연부(306)를 통과한 광을 반사시켜, 상기 제1커플러(301)로 돌려보내는 제2패러데이회전거울부(305); 상기 제2광선로부(400)를 통과하는 광을 두 개의 광으로 나누어 출력하거나 두 개의 입력 광을 하나의 광으로 결합하여 출력하는 제2커플러(401); 상기 제2커플러(401)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 어느 하나의 광이 통과하는 제3광섬유(402); 상기 제3광섬유(402)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시키는 제2 광 지연부(406); 자기장을 띄며, 상기 제3광섬유(402) 및 상기 제2 광 지연부(406)를 통과한 광을 반사시켜, 상기 제2커플러(401)로 돌려보내는 제3패러데이회전거울부(403); 상기 제2커플러(401)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 다른 하나의 광이 통과하는 제4광섬유(404); 상기 제4광섬유(404)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시키는 제3 광 지연부(407); 자기장을 띄며, 상기 제4광섬유(404) 및 제3 광 지연부(407)를 통과한 광을 반사시켜, 상기 제2커플러(401)로 돌려보내는 제4패러데이회전거울부(405); 상기 제1커플러(301)가 상기 제1패러데이회전거울부(303) 및 상기 제2패러데이회전거울부(305)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을, 주축이 양의 22.5도 각도를 이루며 선형 편광시키는 제1선형편광기(310); 상기 제2커플러(401)가 상기 제3패러데이회전거울부(403) 및 상기 제4패러데이회전거울부(405)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을, 주축이 음의 22.5도 각도를 이루며 선형 편광시키는 제2선형편광기(410); 및 상기 제1선형편광기(310)와 상기 제2선형편광기(410)를 통과한 광을 입력받아 편광 다중 형태의 하나의 광으로 변형시키는 빔스플리터(500);를 포함하고, 상기 제1 광 지연부(306), 상기 제2 광 지연부(406), 및 상기 제3 광 지연부(407) 각각은, 상기 구형파 형태인 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간의 1배, 2배, 및 3배에 해당하는 시간 중에서 어느 하나의 시간만큼 광에 시간 지연을 발생시키되, 서로가 다른 시간만큼 시간 지연을 발생시키도록 구성된다.
그리고, 상기 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는, 상기 제1커플러(301)가 상기 제1패러데이회전거울부(303) 및 상기 제2패러데이회전거울부(305)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을 증폭하여 상기 제1선형편광기(310)로 입력시키는 제1광증폭기(320); 및 상기 제2커플러(401)가 상기 제3패러데이회전거울부(403) 및 상기 제4패러데이회전거울부(405)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을 증폭하여 상기 제2선형편광기(410)로 입력시키는 제2광증폭기(420)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템은, 앞서 살펴본 본 발명의 실시 예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템으로, 상기 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치와 연결된 광간섭 단층 촬영기(900)를 포함한다.
그리고, 상기 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템은 상기 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치에서 출력되는 광을 증폭하여 상기 광간섭 단층 촬영기(900)로 출력하는 제3광증폭기(510)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 커플러, 주축이 22.5도 각도를 이루는 선형편광기 및 빔스플리터를 이용하여 파장 가변 광원에서 발생된 광에 대하여 푸앙카레 구 상에서 수직인 편광 상태를 구현할 수 있다. 또한, 파장 가변 광원에서 발생된 광을 커플러를 통해 2개 혹은 4개로 나누고 광 지연부인 광섬유지연선 구성을 통해 서로 간에 시간차를 가지고 순차적으로 출력되게 해 주어 파장 가변 광원이 제공하는 속도의 2배 또는 4배의 속도로 편광민감 광간섭단층촬영이 가능하게 하는 편광 다중 형태의 파장 가변 광신호를 제공해 줄 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 수동적 광 부품들만 이용하여 편광민감 이미징 방식을 구현할 수 있게 해 줌으로써, 기존의 능동 장치를 이용하는 것과 비교해 보았을 때에, 편광민감 이미징을 위한 복잡한 동기화 장치 및 능동장치 사용이 불필요하게 된다. 그러므로, 편광민감 이미징 방식을 구현함에 있어, 보다 간단하면서도 경제적으로 시스템을 구현할 수 있도록 해 준다.
아울러, 광증폭기를 이용하여, 광이 광섬유지연선 구성을 통과하면서 발생하는 광 손실을 보상함으로써, 편광민감 이미징을 구현함에 있어서 정확한 측정 결과를 얻을 수 있도록 해 준다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치의 개념도.
도 2는 도 1에서 광선로부를 통과한 광이 출력되는 결과를 보여주는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트리 구조(tree structure)의 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치의 개념도.
도 4는 도 3에서 광선로부를 통과한 광이 출력되는 결과를 보여주는 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 패러데이 회전거울을 이용하는 방식의 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치의 개념도.
도 6은 도 5에서 광선로부를 통과한 광이 출력되는 결과를 보여주는 그래프.
도 7은 도 1에 따른 장치에 증폭기가 부가된 다른 실시예를 보여주는 개념도.
도 8은 도 5에 따른 장치에 증폭기가 부가된 다른 실시예를 보여주는 개념도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템의 개념도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치의 개념도이고, 도 2는 도 1에서 광선로부를 통과한 광이 출력되는 결과를 보여주는 그래프이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트리 구조(tree structure)의 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치의 개념도이고, 도 4는 도 3에서 광선로부를 통과한 광이 출력되는 결과를 보여주는 그래프이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 패러데이 회전거울을 이용하는 방식의 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치의 개념도이고, 도 6은 도 5에서 광선로부를 통과한 광이 출력되는 결과를 보여주는 그래프이며, 도 7은 도 1에 따른 장치에 증폭기가 부가된 다른 실시예를 보여주는 개념도이고, 도 8은 도 5에 따른 장치에 증폭기가 부가된 다른 실시예를 보여주는 개념도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템의 개념도이다.
광간섭단층촬영(optical coherence tomography) 방법은 광을 생물학적 시편(biological sample)에 입사시켜 후방산란(backscattering)되는 광과 기준 거울(reference mirror)로 부터 반사된 광의 간섭정보를 이용하여 시편의 깊이 방향으로 광 강도 이미지(optical intensity image)를 얻는 기술이다.
이 방법을 변형하면 시편의 광 강도 정보뿐 아니라 복굴절(birefringence) 정보를 이미징할 수 있으며, 이러한 방식의 이미징을 편광민감 광간섭단층촬영 방법이라고 정의한다. 이때, 시편의 복굴절 정보를 얻게됨으로써, 시편의 구조적인 정보뿐만 아니라 확실한 구성 성분 정보를 획득할 수 있다.
본 발명은 편광 다중 방식의 파장 가변 광원(polarization-multiplexed wavelength swept light source, PM-WSL) 장치 및 이를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템(polarization sensitive optical coherence tomography, PS-OCT)에 관한 것이다.
광 주파수 영역 이미징(OFDI: Optical Frequency Domain Imaging) 시스템의 광원은 파장 가변 광원을 사용하는 점이 특징이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치 역시 파장 가변 광원을 사용한다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 광 출력부(100), 메인커플러(200), 제1광선로부(300), 제2광선로부(400), 광 지연부(408), 제1선형편광기(310), 제2선형편광기(410) 및 빔스플리터(500)를 를 포함하되, 상기 제1광선로부(200)를 통과하여 제1선형편광기(310)에 광이 도달한 시간과 제2광선로부(300)를 통과하여 제2선형편광기(410)에 광이 도달한 시간의 차이가, 광원 변조를 위해 광 출력부(100)에 입력되는 구형파 형태인 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간과 동일한 시간이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
광 출력부(100)에는 광원 변조를 위한 구형파 형태의 변조 제어신호가 입력된다. 여기서, 상기 변조 제어신호가 하이 레벨인 경우의 전압 값은 광원을 통해 출력시키고자 하는 광 파워, 레이저 드라이버, 및 레이저 종류에 따라 서로 다르나, 상기 광 출력부(100)는 상기 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이(high) 레벨인 경우 파장 가변 광원(WSL)을 온 시키고, 로우(low) 레벨인 경우 상기 광원을 오프시키어 상기 광원의 온/오프에 따라 발생된 광을 출력한다. 그리고 바람직하게 도 1에 도시된 장치에서 광 출력부(100)에 입력되는 변조 제어신호는 듀티비가 50% 인 신호이다.
메인커플러(200)는 상기 광 출력부(100)로부터 입사되는 광을 둘로 나눈다. 이때, 커플러(coupler)는 광분배기라고도 한다.
제1광선로부(300)에는 상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 어느 하나의 광이 통과하고, 제2광선로부(400)에는 상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 다른 하나의 광이 통과한다.
그리고 광 지연부(408)는 상기 제2광선로부(400)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시킨다. 이러한 광 지연부(408)는 광섬유지연선(FDL: Fiber Delay Line)으로 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 상기 광 지연부(408)는 제2광선로부(400)를 통과하는 광에 상기 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간과 동일한 시간만큼 시간 지연을 발생되도록 광섬유지연선의 길이가 길게 형성된 형태일 수 있다.
제1선형편광기(310)는 제1광선로부(300)를 통과한 광이 통과하며, 주축이 양의 22.5도 각도를 이룬다.
제2선형편광기(410)는 제2광선로부(400) 및 광 지연부(408)를 통과한 광이 통과하며, 주축이 음의 22.5도 각도를 이룬다.
빔스플리터(500)는 상기 제1선형편광기(310)와 제2선형편광기(410)를 통과한 광을 입력받아 편광 다중 형태의 하나의 광으로 변형시킨다.
광간섭단층촬영(optical coherence tomography)술에서 편광민감 이미징이 가능하려면, 푸앙카레 구(Poincare sphere) 상에서 서로 수직인 편광 상태를 갖는 두 광이 존재하여, 생물학적 시편에 입사되어야 한다.
푸앙카레 구 상에서 수직인 편광 상태를 구현하기 위하여 본 발명에서는 주축이 22.5도(+22.5도, -22.5도) 각도를 이루는 선형편광기(310, 410)와 메인커플러(200)를 이용한다.
다시 말해, 광원으로부터 입사되는 광이 메인커플러(200)를 거쳐서 두 광으로 나뉘게 된다. 이 두 광은 22.5도(+22.5도, -22.5도) 각도를 이루는 선형편광기(310, 410)를 거쳐 오면서 두 광의 선형 편광은 45도의 각도를 이루게 되고, 이는 푸앙카레 구(Poincare sphere) 상에서 90도를 이루게 한다.
그리고, 상기 두 광은 상기 광 지연부(408)인 광섬유지연선(FDL) 구성을 통해 각각 22.5도(+22.5도, -22.5도) 각도를 이루는 선형편광기(310, 410)에 도달하는 시간차가 상기 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간과 동일한 시간만큼 발생되어, 빔스플리터(500)를 통해 출력되는 광이 도 2 내에 After fiber delay line에 개시된 그래프와 같이 시간에 따라 순차적으로 반복되는 광으로 출력되게 한다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같은 장치와 같이 수동 광 부품들만으로 편광민감 이미징 기능을 수행할 수 있는 파장 가변 광원 장치를 구현할 수 있다.
한편 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예는, 각각의 광섬유를 꼬거나 눌러서 주어진 편광 상태를 조절하는 편광 제어기(PC: Polarization Controller)를 광선로 상에 추가로 구비할 수 있다. 또한, 평행광선을 형성시키기 위한 광학장치인 시준기(coll: collimator)를 광선로 말단에 추가로 구비할 수 있다.
도 2를 참조하여, 도 1에 도시된 파장 가변 광원 장치의 광 출력 동작을 다시 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 광원 변조를 위한 구형파 형태인 변조 제어신호(Laser modulation signal)에 따라서 파장 가변 광원을 온/오프하여 출력 광을 발생시킨다 (도 2 내에 Before fiber delay line에 개시된 그래프 참조). 그리고 상기 발생시킨 광을 두 광으로 나누어, 상기 두 광의 시간차가 광 지연부(408)인 광섬유지연선을 통해 상기 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간과 동일한 시간만큼 되게 한 후, 상기 두 광이 선형편광기들(310, 410) 및 빔스플리터(500)를 거쳐 하나의 광으로 출력해 준다(도 2 내에 After fiber delay line에 개시된 그래프 참조).
그에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 제1 광선로부(300) 및 제2 광선로부(400) 각각을 통과하는 두 광이 푸앙카레 구(Poincare Sphere) 상에서 서로 수직인 편광 상태를 이루어 편광민감 광간섭단층촬영을 위한 편광 다중 형태의 파장 가변 광신호를 제공해 준다. 그리고, 상기 두 광이 도 2에 도시된 바와 같이 시간차를 가지며 순차적으로 출력되게 해 주어 광 출력부(100)의 파장 가변 광원이 제공하는 속도의 2배의 속도로 편광민감 광간섭단층촬영이 가능하게 하는 편광 다중 형태의 파장 가변 광신호를 제공해 준다.
도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 도 1에 도시된 장치의 확장 형태이다. 본 발명의 실시 예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 도 3에 도시된 바와 같이 트리 구조(tree structure) 형태로 복수 개의 커플러(coupler)들 및 광 지연부(FDL)들을 포함하도록 구성될 수 있다. 그에 따라, 도 3에 도시된 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 도 4에 도시된 변조 제어신호(Laser modulation signal)가 입력되는 경우, After fiber delay line에 개시된 그래프와 같이 시간차를 가지며 순차적으로 출력되는 편광민감 광간섭단층촬영을 위한 편광 다중 형태의 파장 가변 광신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 상기 제1광선로부(300) 및 제2광선로부(400)에 패러데이 회전 거울(FRM: Faraday Rototing Mirror)이 이용하는 방식으로, 패러데이 회전거울은 패러데이 반사경으로도 불리며, 도 5에 그 구성이 도시되어 있다.
도 5를 살펴보면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 광 출력부(100), 메인커플러(200), 제1광선로부(300), 제2광선로부(400), 제1 커플러(301), 제1광섬유(302), 제1패러데이회전거울부(303), 제2광섬유(304), 제1 광 지연부(306), 제2패러데이회전거울부(305), 제2커플러(401), 제3광섬유(402), 제2 광 지연부(406), 제3패러데이회전거울부(403), 제4광섬유(404), 제3 광 지연부(407), 제4패러데이회전거울부(405), 제1선형편광기(310), 제2선형편광기(410), 및 빔스플리터(500)를 포함한다.
앞서 살펴본 바와 동일하게, 광 출력부(100)에는 광원 변조를 위한 구형파 형태의 변조 제어신호가 입력된다. 여기서, 상기 변조 제어신호가 하이 레벨인 경우의 전압 값은 광원을 통해 출력시키고자 하는 광 파워, 레이저 드라이버, 및 레이저 종류에 따라 서로 다르나, 상기 광 출력부(100)는 상기 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이(high) 레벨인 경우 파장 가변 광원(WSL)을 온 시키고, 로우(low) 레벨인 경우 상기 광원을 오프시키어 상기 광원의 온/오프에 따라 발생된 광을 출력한다.
그리고 여기 도 5에 도시된 장치에서 광 출력부(100)에 입력되는 변조 제어신호는 바람직하게 듀티비가 25% 인 신호이다.
메인커플러(200)는 상기 광 출력부(100)로부터 입사되는 광을 둘로 나눈다.
제1광선로부(300)에는 상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 어느 하나의 광이 통과하고, 제2광선로부(400)에는 상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 다른 하나의 광이 통과한다.
제1커플러(301)는 제1광선로부(300)를 통과하는 광을 두 개의 광으로 나누어 출력하거나 두 개의 입력 광을 하나의 광으로 결합하여 출력하고, 제2커플러(401)는 제2광선로부(400)를 통과하는 광을 두 개의 광으로 나누어 출력하거나 두 개의 입력 광을 하나의 광으로 결합하여 출력한다.
제1광섬유(302)는 제1커플러(301)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 어느 하나의 광을 통과시키고, 제1패러데이회전거울부(303)는 자기장을 띄며, 제1광섬유(302)를 통과한 광을 반사시켜, 제1커플러(301)로 돌려보낸다.
제2광섬유(304)는 제1커플러(301)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 다른 하나의 광을 통과시키고, 제1 광 지연부(306)는 제2광섬유(304)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시킨다. 여기 제1 광 지연부(306) 이외에 후술할 제2 광 지연부(406) 및 제3 광 지연부(407) 모두 앞서 살펴본 광 지연부(408) 구성과 동일하게 광섬유지연선(FDL: Fiber Delay Line)으로 형성할 수 있다.
제2패러데이회전거울부(305)는 자기장을 띄며, 제2광섬유(304) 및 제1 광 지연부(306)를 통과한 광을 반사시켜, 상기 제1커플러(301)로 돌려보낸다.
제3광섬유(402)는 제2커플러(401)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 어느 하나의 광을 통과시키고, 제2 광 지연부(406)는 제3광섬유(402)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시킨다.
제3패러데이회전거울부(403)는 자기장을 띄며, 제3광섬유(402) 및 제2 광 지연부(406)를 통과한 광을 반사시켜, 제2커플러(401)로 돌려보낸다.
제4광섬유(404)는 제2커플러(401)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 다른 하나의 광을 통과시키고 제3 광 지연부(407)는 제4광섬유(404)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시킨다.
제4패러데이회전거울부(405)는 자기장을 띄며, 제4광섬유(404) 및 제3 광 지연부(407)를 통과한 광을 반사시켜, 제2커플러(401)로 돌려보낸다.
그리고, 제1선형편광기(310)는 제1커플러(301)에서 제1패러데이회전거울부(303) 및 제2패러데이회전거울부(305)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을, 주축이 양의 22.5도 각도를 이루며 선형 편광시키고, 제2선형편광기(410)는 제2커플러(401)에서 제3패러데이회전거울부(403) 및 제4패러데이회전거울부(405)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을, 주축이 음의 22.5도 각도를 이루며 선형 편광시킨다.
빔스플리터(500)는 제1선형편광기(310)와 제2선형편광기(410)를 통해 선형 편광된 두 광을 입력받아 편광 다중 형태의 하나의 광으로 변형시켜 출력한다.
그리고, 도 5에 도시된 본 발명에 따른 장치는 제1 광 지연부(306), 제2 광 지연부(406), 및 제3 광 지연부(407) 각각이, 입력되는 광에 시간 지연을 발생시키되 광 출력부(100)에 입력되는 구형파 형태인 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간의 1배, 2배, 및 3배에 해당하는 시간 중에서 어느 한 시간 만큼 시간 지연을 발생시키고, 서로가 상기 3가지 시간 중에서 다른 시간만큼 시간 지연을 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 다시 말해서, 일 예로 제1 광 지연부(306)는 상기 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간의 2배에 해당하는 시간만큼 입력 광에 대하여 시간 지연을 발생시키고, 제2 광 지연부(406)는 상기 하이 레벨을 유지하는 시간의 1배에 해당하는 시간만큼 입력 광에 대하여 시간 지연을 발생시키고, 상기 제3 광 지연부(407)는 상기 하이 레벨을 유지하는 시간의 3배에 해당하는 시간만큼 입력 광에 대하여 시간 지연을 발생시키도록 구성한다.
그에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 듀티비가 25%인 변조 제어신호(Laser modulation signal)가 광 출력부(100)에 입력되면, 상기 변조 제어신호(Laser modulation signal)에 따라서 파장 가변 광원을 온/오프하여 출력 광을 발생시킨다 (도 6 내에 Before fiber delay line에 개시된 그래프 참조). 그리고, 상기 발생시킨 광을 4개의 광으로 나누어, 광 지연부들(306, 406, 407)을 통해 상기 4개의 광 서로 간에 상기 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간의 1배, 2배, 또는 3배의 시간 차를 가지도록 한 후, 선형편광기들(310, 410) 및 빔스플리터(500)를 거쳐 하나의 광으로 출력해 준다(도 6 내에 After fiber delay line에 개시된 그래프 참조).
본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 상기 4개의 광들을 두 개씩 합하여 같은 편광 상태가 되도록 하고 푸앙카레 구(Poincare Sphere) 상에서 서로 수직인 편광 상태를 이루어 편광민감 광간섭단층촬영을 위한 편광 다중 형태의 파장 가변 광신호를 제공해 준다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 상기 4개의 광들을 도 6에 도시된 바와 같이 시간차를 가지며 순차적으로 출력되게 해 주어 광 출력부(100)의 파장 가변 광원이 제공하는 속도의 4배의 속도로 편광민감 광간섭단층촬영이 가능하게 하는 편광 다중 형태의 파장 가변 광신호를 제공해 준다.
그리고, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치는 제1광증폭기(320) 및 제2광증폭기(420)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 7을 살펴보면, 제1광증폭기(320)는 제1광선로부(300)를 통과한 광을 증폭하여 제1선형편광기(310)로 출력하고, 제2광증폭기(420)는 제2광선로부(400) 및 광 지연부(305)를 통과한 광을 증폭하여 제2선형편광기(410)로 출력해 준다.
그리고, 도 8을 살펴보면, 제1광증폭기(320)는 제1커플러(301)가 제1패러데이회전거울부(303) 및 제2패러데이회전거울부(305)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을 증폭하여 제1선형편광기(310)로 입력시키고, 제2광증폭기(420)는 제2커플러(401)가 제3패러데이회전거울부(403) 및 제4패러데이회전거울부(405)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을 증폭하여 제2선형편광기(410)로 입력시켜 준다.
그에 따라, 본 발명에 따른 장치는 광 지연부 구성인 광섬유지연선(FDL)을 지남으로써 발생하는 손실을 보상하기 위하여 광증폭기(BOA: Booster Optical Amplifier)를 통해 광을 증폭시킨 후 시스템에 입사되도록 할 수 있다. 이 때, 각각 두 경로에 대해 증폭시킬 수 있도록 광증폭기(BOA: Booster Optical Amplifier)를 각각 설치(도 7 및 도 8 참조)할 수 있으며, 이때 편광 독립적 광 증폭기를 사용할 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템은, 상기 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치와 연결된 광간섭 단층 촬영기(900)를 포함한다.
상기 광간섭 단층 촬영기(900)로는 2세대 OCT 시스템인 OFDI(Optical Frequency Domain Imaging)시스템 또는 SS-OCT(Swept-Source Optical Coherence Tomography) 시스템 등을 사용할 수 있다.
도 9에서 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치로 도 1의 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치가 연결된 예를 도시하였으나, 도3 또는 도5의 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치로 대체하는 것 역시 가능함은 물론이다.
그리고, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템은 상기 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치와 광간섭 단층 촬영기(900) 사이에 구비되는 제3광증폭기(510)를 더 포함할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 광 지연부 구성인 긴 길이의 광섬유지연선을 지남으로써 발생하는 손실을 보상하기 위하여 별도의 광증폭기(BOA: Booster Optical Amplifier)(510)를 통해 광을 증폭시킨 후 단층 촬영기(900)에 입사되도록 구성할 수 있다. 이때, 일반적인 광증폭기는 편광 상태에 따라 증폭 정도가 달라지게 되므로, 편광 상태에 민감하지 않은 PI-BOA(Polarization Insensitive Booster Optical Amplifier)를 채택할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 광 출력부 200: 메인커플러
300: 제1광선로부
301: 제1커플러 302: 제1광섬유
303: 제1패러데이회전거울부 304: 제2광섬유
305: 제2패러데이회전거울부 306 : 제1 광 지연부
310: 제1선형편광기
320: 제1광증폭기
400: 제2광선로부
401: 제2커플러 402: 제3광섬유
403: 제3패러데이회전거울부 404: 제4광섬유
405: 제4패러데이회전거울부 406 : 제2 광 지연부
407 : 제3 광 지연부 408 : 광 지연부
410: 제2선형편광기
420: 제2광증폭기
500: 빔스플리터
900: 광간섭 단층 촬영기

Claims (6)

  1. 광원 변조를 위한 구형파 형태인 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨인 경우 파장 가변 광원을 온시키고 로우 레벨인 경우 상기 광원을 오프시키어 상기 광원의 온/오프에 따라 발생된 광을 출력하는 광 출력부(100);
    상기 광 출력부(100)로부터 입사되는 광을 나누는 메인커플러(200);
    상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 어느 하나의 광이 통과하는 제1광선로부(300);
    상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 다른 하나의 광이 통과하는 제2광선로부(400);
    상기 제2광선로부(400)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시키는 광 지연부(408);
    주축이 양의 22.5도 각도를 이루며, 상기 제1광선로부(300)를 통과한 광을 선형 편광시키는 제1선형편광기(310);
    주축이 음의 22.5도 각도를 이루며, 상기 제2광선로부(400) 및 상기 광 지연부(408)를 통과한 광을 선형 편광시키는 제2선형편광기(410); 및
    상기 제1선형편광기(310)와 상기 제2선형편광기(410)를 통과한 광을 입력받아 편광 다중 형태의 하나의 광으로 변형시키는 빔스플리터(500);를 포함하되,
    상기 광 지연부(408)는,
    상기 구형파 형태인 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간과 동일한 시간만큼 상기 제2광선로부(400)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시키는 것을 특징으로 하는 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1광선로부(300)를 통과한 광을 증폭하여 상기 제1선형편광기(310)로 출력하는 제1광증폭기(320); 및
    상기 제2광선로부(400) 및 상기 광 지연부(408)를 통과한 광을 증폭하여 상기 제2선형편광기(410)로 출력하는 제2광증폭기(420)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치.
  3. 광원 변조를 위한 구형파 형태인 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨인 경우 파장 가변 광원을 온시키고 로우 레벨인 경우 상기 광원을 오프시키어 상기 광원의 온/오프에 따라 발생된 광을 출력하는 광 출력부(100);
    상기 광 출력부(100)로부터 입사되는 광을 나누는 메인커플러(200);
    상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 어느 하나의 광이 통과하는 제1광선로부(300);
    상기 메인커플러(200)로부터 나누어진 광 중 다른 하나의 광이 통과하는 제2광선로부(400);
    상기 제1광선로부(300)를 통과하는 광을 두 개의 광으로 나누어 출력하거나 두 개의 입력 광을 하나의 광으로 결합하여 출력하는 제1커플러(301);
    상기 제1커플러(301)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 어느 하나의 광이 통과하는 제1광섬유(302);
    자기장을 띄며, 상기 제1광섬유(302)를 통과한 광을 반사시켜, 상기 제1커플러(301)로 돌려보내는 제1패러데이회전거울부(303);
    상기 제1커플러(301)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 다른 하나의 광이 통과하는 제2광섬유(304);
    상기 제2광섬유(304)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시키는 제1 광 지연부(306);
    자기장을 띄며, 상기 제2광섬유(304) 및 상기 제1 광 지연부(306)를 통과한 광을 반사시켜, 상기 제1커플러(301)로 돌려보내는 제2패러데이회전거울부(305);
    상기 제2광선로부(400)를 통과하는 광을 두 개의 광으로 나누어 출력하거나 두 개의 입력 광을 하나의 광으로 결합하여 출력하는 제2커플러(401);
    상기 제2커플러(401)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 어느 하나의 광이 통과하는 제3광섬유(402);
    상기 제3광섬유(402)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시키는 제2 광 지연부(406);
    자기장을 띄며, 상기 제3광섬유(402) 및 상기 제2 광 지연부(406)를 통과한 광을 반사시켜, 상기 제2커플러(401)로 돌려보내는 제3패러데이회전거울부(403);
    상기 제2커플러(401)에서 두 개의 광으로 나누어진 광 중 다른 하나의 광이 통과하는 제4광섬유(404);
    상기 제4광섬유(404)를 통과하는 광에 시간 지연을 발생시키는 제3 광 지연부(407);
    자기장을 띄며, 상기 제4광섬유(404) 및 제3 광 지연부(407)를 통과한 광을 반사시켜, 상기 제2커플러(401)로 돌려보내는 제4패러데이회전거울부(405);
    상기 제1커플러(301)가 상기 제1패러데이회전거울부(303) 및 상기 제2패러데이회전거울부(305)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을, 주축이 양의 22.5도 각도를 이루며 선형 편광시키는 제1선형편광기(310);
    상기 제2커플러(401)가 상기 제3패러데이회전거울부(403) 및 상기 제4패러데이회전거울부(405)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을, 주축이 음의 22.5도 각도를 이루며 선형 편광시키는 제2선형편광기(410); 및
    상기 제1선형편광기(310)와 상기 제2선형편광기(410)를 통과한 광을 입력받아 편광 다중 형태의 하나의 광으로 변형시키는 빔스플리터(500);를 포함하고,
    상기 제1 광 지연부(306), 상기 제2 광 지연부(406), 및 상기 제3 광 지연부(407) 각각은,
    상기 구형파 형태인 변조 제어신호의 신호 레벨이 하이 레벨을 유지하는 시간의 1배, 2배, 및 3배에 해당하는 시간 중에서 어느 하나의 시간만큼 광에 시간 지연을 발생시키되, 서로가 다른 시간만큼 시간 지연을 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1커플러(301)가 상기 제1패러데이회전거울부(303) 및 상기 제2패러데이회전거울부(305)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을 증폭하여 상기 제1선형편광기(310)로 입력시키는 제1광증폭기(320); 및
    상기 제2커플러(401)가 상기 제3패러데이회전거울부(403) 및 상기 제4패러데이회전거울부(405)에 의해 입력된 두 광을 결합하여 출력시키는 광을 증폭하여 상기 제2선형편광기(410)로 입력시키는 제2광증폭기(420)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템으로,
    상기 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치와 연결된 광간섭 단층 촬영기(900)를 포함하는 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 편광 다중 방식의 파장 가변 광원 장치에서 출력되는 광을 증폭하여 상기 광간섭 단층 촬영기(900)로 출력하는 제3광증폭기(510)를 더 포함하는 편광 다중 방식의 파장 가변 광원장치를 이용한 편광민감 광간섭단층촬영 이미징 시스템.
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