KR101919416B1

KR101919416B1 - 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치

Info

Publication number: KR101919416B1
Application number: KR1020170007879A
Authority: KR
Inventors: 정현우; 이종훈; 이승훈; 오요한; 김순배
Original assignee: 을지대학교 산학협력단
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2019-02-08
Also published as: WO2018135676A1; KR20180084361A

Abstract

본 발명은 본 발명은 단일검출기를 사용하여 검출단에서 샘플단 광 신호의 수직과 수평 성분의 동시 측정이 가능한 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치를 제공한다.

Description

단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치{Device for polarization sensitive optical coherence tomography on one-unit detector}

본 발명은 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치에 관한 것이다.

광 단층영상 시스템(optical coherence tomography, OCT)은 최근 크게 각광받고 있는 첨단의료 영상 기술 중 하나로 생체 조직 내부 구조를 비침습적, 고속, 마이크로 단위의 고해상도로 이미징할 수 있는 큰 장점을 가지고 있다. 이러한 광 단층영상 시스템을 기본으로 한 편광-민감 광 단층 영상기술(PS-OCT)은 최근 피부에서 열손상(thermal damage), 손상 치료(wound healing), 광노화(photo-aging)에 관한 연구, 치아에서 충치, 안구에서 망막신경섬유층 및 각막에 관한 연구, 자궁경부암, 대장암, 인후두암 진단 등 의학적으로 다양한 분야에 응용되어져왔다. 또한, 임상 적용을 위해서 영상 획득 속도를 빠르게 하는 기술, 고해상도의 영상 획득을 위한 기술, 제작 비용 절감을 위한 기술, 노이즈 영향을 최소화하기 위한 기술 등이 매우 활발하게 진행 중에 있다. 그러나 광 단층 영상기술(OCT)과는 다르게 편광-민감 광 단층 영상기술은 검출단에서 편광분배기(PBS)를 사용하여 두 개의 검출기 또는 분광기로 조직 샘플로부터 측정되는 광 신호의 수직, 수평 편광 정보를 동시에 획득한다. 그러나, 두 개의 검출기를 제작 및 사용하여 샘플단 광 신호의 수직과 수평 신호를 측정하더라도, 해상도와 민감도 등의 성능이 동일한 검출기 또는 분광기를 제작 및 사용해야하는데, 동일한 분광기 제작은 매우 어려우며, 두 대의 분광기 제작에만 큰 비용이 소요된다. 이와 관련하여 대한민국 등록특허 제1179759호는 편광 민감 광결맞음 단층 영상 장치를 개시하고 있다.

그러나 상기 선행기술의 경우, 고속 광스위치를 주문 생산하기 위한 추가적인 비용이 들고 광스위치에 대한 소프트웨어 및 하드웨어 기반의 복잡한 트리거 작업이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 단일검출기를 사용하여 검출단에서 샘플단 광 신호의 수직과 수평 성분의 동시 측정이 가능한 편광-민감 광 단층영상장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 저 결맞음 광선(SLD)을 생성하기 위한 광원; 상기 광원으로부터 수평 편광만 통과시키는 제1편광분배기; 상기 제1편광분배기를 통과한 수평 편광을 측정샘플을 스캐닝하는 샘플단 및 상기 샘플의 영상정보 획득을 위한 기준단으로 각각 분배하고 상기 샘플단 및 상기 기준단으로부터 각각 수득된 샘플신호 및 기준신호를 이용하여 간섭신호를 생성하는 광분배기; 상기 광분배기로부터 입사된 샘플의 영상정보 획득용 광선이 렌즈에 의해 거울로 포커싱되어 기준신호를 생성하는 기준단; 상기 기준 신호를 선형 편광으로 변환하는 제1쿼터 파장판; 상기 광분배기로부터 입사된 샘플 스캐닝용 광선이 광학스캐너에 의해 스캐닝되고 렌즈에 의해 측정샘플로 포커싱되어 샘플신호를 수득하는 샘플단; 상기 샘플신호를 원형 편광으로 전환하는 제2쿼터 파장판; 상기 간섭신호를 수직(vertical)과 수평(horizontal)성분으로 분리하는 제2편광분배기; 상기 간섭신호를 평행광으로 전환하는 콜리메이터; 상기 간섭신호를 보정하고 분광기로 전달해 주는 편광조절기; 상기 간섭신호를 영상신호로 전환해 주기 위한 분광기; 및 상기 영상신호를 영상으로 구현하기 위한 컴퓨터를 포함하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치가 제공된다.

본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 저 결맞음 광선(SLD)을 생성하기 위한 광원; 상기 광원으로부터 수평 편광만 통과시키는 제1편광분배기; 상기 제1편광분배기를 통과한 수평 편광을 측정샘플을 스캐닝하는 샘플단 및 상기 샘플의 영상정보 획득을 위한 기준단으로 각각 분배하고 상기 샘플단 및 상기 기준단으로부터 각각 수득된 샘플신호 및 기준신호를 이용하여 간섭신호를 생성하는 광분배기; 상기 광분배기로부터 입사된 샘플의 영상정보 획득용 광선이 렌즈에 의해 거울로 포커싱되어 기준신호를 생성하는 기준단; 상기 기준 신호를 선형 편광으로 변환하는 제1쿼터 파장판; 상기 광분배기로부터 입사된 샘플 스캐닝용 광선을 반사시키는 관절거울 및 측정 유동성 향상을 위한 관절회전축으로 구성된 레이저 암 기반의 프로브를 통과한 후 샘플신호를 수득하는 샘플단; 상기 샘플신호를 원형 편광으로 전환하는 제2쿼터 파장판; 상기 간섭신호를 수직(vertical)과 수평(horizontal)성분으로 분리하는 제2편광분배기; 상기 간섭신호를 평행광으로 전환하는 콜리메이터; 상기 간섭신호를 보정하고 분광기로 전달해 주는 편광조절기; 상기 간섭신호를 영상신호로 전환해 주기 위한 분광기; 및 상기 영상신호를 영상으로 구현하기 위한 컴퓨터를 포함하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치가 제공된다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단일검출기를 사용하여 검출단에서 샘플단 광 신호의 수직과 수평 성분의 동시 측정이 가능하므로 경제적인 장점과 최대 이미징 속도 효과를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 개략적인 구성을 나타내고 있는 개요도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 분광기(130)의 개략적인 구성을 나타내는 개요도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 분광기(130)에서 듀얼 선주사 카메라(137) 대신 다 픽셀의 면센서를 갖는 초고속 카메라를 사용하여 입사된 광을 라인으로 표시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 샘플단(150)에 구성된 레이저 암 기반의 프로브(200)의 구조를 개략적으로 도시하는 개요도이다.
도 5는 본 발명의 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)에서 각막을 이미징할 수 있는 샘플단(150)의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)에서 망막을 이미징할 수 있는 샘플단(150)의 개략적인 구성도이다.

용어의 정의:

본 문서에서 사용되는 용어 "편광-민감 광 단층 영상기술(Polarization Sensitive Optical Coherence Tomography, PS-OCT)"은 최근 크게 각광받고 있는 첨단 바이오 의료 영상 기술중 하나로 기본 광 단층 영상 기술(Optical Coherence Tomography, OCT)처럼 생체 조직 내부 구조를 비침습적으로 단층 이미징할 수 있으며, 편광에 민감하게 반응하는 콜라겐 섬유와 같은 비대칭 물질에서 반사 또는 산란되어 나오는 빛의 특성인 편광의 변화, 복굴절에 의한 위상천이, 광 축 정보 등을 얻을 수 있는 기술이다.

본 문서에서 사용되는 용어 "저 결맞음 광원(SLD)"은 넒은 스펙트럼 밴드폭을 갖는 광선을 생성하는 광원을 의미한다.

발명의 상세한 설명:

상기 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치에 있어서, 상기 샘플단은, 상기 제1편광분배기로부터 입사된 광선을 스캐닝하기 위한 광학스캐너; 및 상기 광학스캐너를 통과한 광선을 측정샘플로 포커싱하기 위한 제2렌즈를 포함할 수 있고 상기 제2렌즈는 현미경 타입의 대물렌즈일 수 있다.

상기 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치에 있어서, 상기 기준단은, 상기 제1편광분배기로부터 입사된 광선을 거울로 포커싱하기 위한 제1렌즈; 및 상기 포커싱된 광선을 반사시키는 거울을 포함할 수 있고 상기 제1렌즈와 거울 사이에 빛의 분산을 보정할 수 있는 분산 보정계(dispersion compensator)를 추가로 포함할 수 있다.

상기 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치에 있어서, 상기 분광기는 상기 편광조절기를 통과한 간섭신호를 평행광으로 형성하기 위한 콜리메이터; 상기 평행광을 분광하기 위한 투과회절격자 또는 반사회절격자; 상기 평행광을 포커싱하기 위한 포커싱렌즈; 및 상기 포커싱된 광신호를 영상신호로 변환하기 위한 카메라를 포함할 수 있고 상기 제2편광분배기를 통과 후 수직과 수평성분으로 분리된 간섭신호는 수평을 기준으로 25 내지 65˚의 범위로 조절되는 입사각도에 따라 상기 투과회절격자 또는 반사회절격자에 입사될 수 있으며 상기 광신호 정보는 상기 듀얼 선주사 카메라의 프레임 그래버(frame grabber)에 의해 변환될 수 있다.

상기 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치에 있어서, 상기 카메라는 투과회절격자 또는 반사회절격자로부터 분광된 샘플의 영상정보 획득용 간섭신호 및 샘플 스캐닝용 간섭신호로 변환하는 듀얼 선주사 카메라일 수 있고 상기 듀얼 선주사 카메라의 센서의 방향은 상하 또는 좌우로 위치할 수 있다.

상기 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치에 있어서, 상기 저 결맞음 광원의 파장은 생체조직의 경우 800 nm, 1000 nm 또는 1300 nm 대역의 파장의 광원을 사용할 수 있고 상기 제1편광분배기는 선형편광기(linear polarizer)로 대체될 수 있다.

상기 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치에 있어서, 상기 제1쿼터 파장판은 수평을 기준으로 22.5˚의 각도로 기울어져 있고 상기 기준신호 통과 후 수평을 기준으로 45˚선형 편광(linear polarized light)을 생성할 수 있으며 상기 제2쿼터 파장판은 수평을 기준으로 45˚의 각도로 기울어져 있고 상기 샘플신호 통과 후 원형 편광(circular polarized light)을 생성할 수 있다.

본 발명자들은 종래 발명(한국 등록특허 제1179759호)에서 상품화되지 않은 고속 광스위치를 주문자 생산방식으로 주문 제작하여 사용함으로써, 검출단에서 수직과 수평 성분의 신호가 한번씩 순차적으로 고속 광스위치에 의해 단일 검출기 또는 분광기로 전송됨으로써 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상기술을 제시한 바 있다. 그러나, 상기 기술은 고속 광스위치를 주문 생산하기 위한 추가적인 비용이 크고, 고속 광스위치의 동작 제어를 위해 검출기, 광학스캐너, 광스위치에 대한 소프트웨어 및 하드웨어 기반의 복잡한 트리거 작업이 필요하다. 또한, 측정 샘플로부터 검출되는 광 신호의 수직과 수평 성분을 분리하여 고속 광스위치에 의해 한번씩 순차적으로 분광기 내 카메라(검출기)로 전송해 줌으로서, 단일분광기 기반의 듀얼 신호 획득은 가능하나 카메라가 두 번 정보를 획득해야 PS-OCT 이미지 한 장을 얻을 수 있어서 한 장의 PS-OCT 영상 구현을 위해서는 카메라의 최대 속도가 절반으로 감소하여, 전체 이미징 시스템의 이미징 획득 속도를 절반으로 감소시킨다.

본 발명자들은 상기 문제점을 주목하고 예의 노력한 결과 검출기 또는 분광기를 새로운 개념으로 설계 및 도입하여, 검출단에서의 두 개의 검출기를 사용하는 보편적인 편광-민감 광 단층영상장치 기술에 비해 단일검출기 사용으로 단가를 크게 낮추어 경제적인 효과가 크며, 두 개의 서로 다른 분광기 제작으로 인한 영상 신호의 왜곡 극복, 트리거 신호의 간편화, 소프트웨어/ 하드웨어 기반의 영상 신호 보정 알고리듬의 불필요로 인한 측정 시간의 최소화 등의 획기적인 효과뿐만 아니라 종래 고속 광스위치를 사용하여 검출단에서 수직과 수평 성분을 각 각 한번 씩 검출기로 보내주는 기술은 단일검출기에 의한 장치 구성이 가능하나 검출기 속도를 절반만 사용하게 되어 전체 장치의 최대 이미징 속도 구현이 불가능한 점을 해결함에 따라 광스위치 사용없이 단일분광기를 사용하여 샘플 광 신호의 수직과 수평 성분을 동시에 획득 가능하여 경제적인 장점과 최대 이미징 속도 구현의 장점을 모두 갖춘 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치를 개발하였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 균일한 부호는 균일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.

또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 무게추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 개략적인 구성을 나타내고 있는 구성도이다. 상술한 바와 같이, 종래 편광-민감 광 단층 영상기술은 상품화되지 않은 고속 광스위치를 주문자 생산방식으로 주문 제작하여 사용함으로써, 검출단에서 수직과 수평 성분의 신호가 한번씩 순차적으로 고속 광스위치에 의해 단일 검출기 또는 분광기로 전송되었으나 상기 방식은 고속 광스위치를 주문 생산하기 위한 추가적인 비용이 크고, 고속 광스위치의 동작 제어를 위해 검출기, 광학스캐너, 광스위치에 대한 소프트웨어 및 하드웨어 기반의 복잡한 트리거 작업이 필요하였다. 그러나 본 발명의 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)는 분광기 설계 시 싱글 라인이 아닌 두 개 또는 다수 라인의 센서 모듈을 탑재한 카메라 또는 면 센서를 탑재한 area 카메라를 사용하여 광 신호의 수직과 수평성분을 동시에 획득하는 것이 가능하다.

본 발명의 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 구조를 살펴보면, 크게 측정용 샘플이 위치하고 상기 샘플신호를 수득하는 샘플단(150), 기준신호를 생성하는 기준단(180) 및 간섭신호를 영상신호로 검출 및 전환하는 분광기(130)로 구성되어 있다.

본 발명의 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 작동원리를 살펴보면 먼저, 생성된 저 결맞음 광원(101)(SLD)은 제1편광분배기(102)(Polarization Beam Splitter, PBS)를 통과 후 수평 편광된 빛만 광분배기(103)(beam splitter, BS)를 통과한 후 기준신호를 획득하기 위해서 거울(181)이 구성되어있는 기준단(180)과 샘플신호를 획득하기 위해 측정샘플(153)이 위치하는 샘플단(150)으로 분배된다. 이때, 기준단(180)으로 분배된 기준신호 획득용 광선은 수평을 기준으로 22.5˚기울어진 제1쿼터 파장판(QWP, 104)을 통과한 후 기준단(180)의 제1렌즈(182)에 의해 거울(181)에 포커싱되고, 거울(181)에서 반사되어 다시 제1쿼터 파장판(104)을 통과하면 수평을 기준으로 45˚선형 편광(linear polarized light)되며 수직성분과 수평성분의 크기와 위상(phase)은 동일하게 된다. 이때, 상기 제1편광분배기(102)는 선형편광기(linear polarizer)로 대체 가능하고 저 결맞음 광원(101)의 파장은 생체조직의 경우 800 nm, 1000 nm 및 1300 nm 대역의 파장의 광원을 사용할 수 있다. 또한, 기준단(180) 내의 제1렌즈(182)와 거울(181) 사이에 빛의 분산을 보정할 수 있는 분산 보정계(dispersion compensator)가 삽입될 수 있고 상기 분산 보정계 없이 소프트웨어 기반의 알고리즘을 통해 빛의 분산이 보정될 수 있다.

한편, 광분배기(103)로부터 샘플신호를 생성하기 위해서 샘플단(150)으로 분배된 샘플 스캐닝용 광선은 수평을 기준으로 수평을 기준으로 45˚기울어진 제2쿼터 파장판(105)을 통과하면서 원형 편광(circular polarized light)이 되고, 이를 스캔하는 광학스캐너(152)를 지나 제2렌즈(151)에 의해 측정샘플(153)로 포커싱된다. 이 때, 제2렌즈(151)는 현미경 타입의 대물렌즈를 사용할 수 있다. 그 후, 조사 대상이 완벽한 반사체인 거울이라면 원형 편광된 샘플 스캐닝용 광선은 다시 반사되어 제2렌즈(151)와 광학스캐너(152)를 지나 제2쿼터 파장판(105)을 통과하게 되고, 이 때 샘플단(150)에서 되돌아 나온 빛은 수직(vertical) 성분만 존재하게 된다.

한편, 광분배기(103)에서부터 기준단(180)의 거울(181)까지의 광선의 이동거리와 광분배기(103)에서부터 샘플단(150)의 검사대상까지의 광선의 이동거리가 같을 때 기준단(180)에서 반사되어 나온 빛과 샘플단(150)에서부터 반사되어 나온 빛은 광분배기(103)에서 다시 만나 간섭신호를 생성하게 된다. 상기 생성된 간섭신호는 제2편광분배기(109)를 지나면서 수직(vertical)과 수평(horizontal)성분으로 분리되고, 상기 수직성분은 제2편광분배기(109)에서 반사되어 제1콜리메이터(110)를 통과한 후 평행광으로 전환되고 제1편광조절기(112)에 의해 상기 간섭신호를 적절하게 보정해준 뒤 제3콜리메이터(131)에 의해 평행광되어 검출기인 분광기(130)(spectrometer)로 전송되고 수평성분은 제2편광분배기(109)를 통과하여 제2콜리메이터(111)를 통과한 후 평행광으로 전환되고 제2편광조절기(113)에 의해 상기 간섭신호를 적절하게 보정해준 뒤 제4콜리메이터(132)에 의해 평행광되어 분광기(130)로 전송된다. 그 후 상기 평행광은 수평을 기준으로 25 내지 65˚의 범위로 조절되는 입사각도에 따라 투과회절격자(133)에 입사되어 분광되고 포커싱렌즈(135)에 의해 포커싱된 후 듀얼 선주사 카메라(137)의 센서에 입사되어 상기 수평 및 수직 신호를 최대 이미징 속도 즉 최대 카메라 전송 속도를 유지하며 동시에 최종 검출가능하고 상기 포커싱된 평행광 신호를 영상신호로 변환하는 컴퓨터(115)를 통해 확인할 수 있다. 이때 투과회절격자(133) 대신 반사회절격자를 사용해도 같은 효과를 나타낼 수 있고 상기 듀얼 라인 센서의 방향은 상하 또는 좌우로 위치할 수 있으며 연구자의 목적 및 환경에 맞게 동시 포커싱되도록 투과회절격자(133)에 입사되는 상기 수평 및 수직 신호의 각도는 조절가능하다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 분광기(130)의 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다. 도 1의 분광기(130)의 구성은 상부에서 관찰한 평면도의 구성으로 제3콜리메이터(131) 및 제4콜리메이터(132)를 통과한 두 개의 평행광이 마치 같은 높이의 좌우 양방향에서 투과회절격자(133)로 조사되는 것처럼 보이나 측면도인 도 2를 참고하면 콜리메이터(131, 132)의 높이를 달리하여 상기 두 개의 평행광을 상하로 분리시키는 것을 확인할 수 있다. 상기 높이가 다른 두 개의 콜리메이터(131, 132)에 의한 평행광의 높이가 각각 다르게 투과회절격자(133)에 입사되어 분광되고 포커싱렌즈(135)에 의해 두 개의 라인 센서를 갖는 듀얼 선주사 카메라(137)의 센서(sensor)를 통해 각각 포커싱된다. 이 때, 도 1은 상술한 바와 같이, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 평면도로 콜리메이터의 입사 각도는 콜리메이터 마운트에 의해 x, y, z 3축으로 자유롭게 조정가능하고, 높이 조정을 위해 3축 마이크로 스테이지를 사용하여, 마이크로 단위의 3축 이동 및 조정이 가능하다. 또한, 필요에 따라 적절한 입사 각도를 갖는 투과회절격자(133)를 주문 제작할 수 있고 도 1과 같이 좌우로 조사하지 않고, 상하로 조사하거나 듀얼 선주사 카메라(137)의 두 개의 라인 센서의 방향을 상하로 평행하게 위치시키거나, 좌우로 평행하게 위치하도록 카메라의 방향을 바꾸어서 장치를 구성할 수 있다. 한편 듀얼 선주사 카메라(137)에 의해 검출된 평행광은 순차적으로 프레임그래버(framegrabber)에 의해 컴퓨터(115) 데이터로 전송되며, GPU(graphic processing unit) 기반의 초고속 병렬처리 알고리즘에 의해 실시간 동시 영상 구현이 가능하다. 이는 종래 기술과 비교하여 큰 비용 절감 효과 및 복잡한 하드웨어 및 소프웨어의 동작 트리거 제어를 크게 감소시킬 수 있는 심플한 다 초점 광 영상시스템이 가능하고 도 3에 나타난 바와 같이, 듀얼 선주사 카메라(137) 대신 다 픽셀의 면센서를 갖는 초고속 카메라를 사용하여, 원하는 두 라인(도 3의 붉은 색 두 개 라인)을 선택 및 선별하여 콜리메이터(131, 132) 두 개에 의해 입사된 광을 두 라인으로 포커싱시켜 센서에서 원하는 픽셀만 라인 형태로 사용하게 소프트웨어를 구성하여 사용함으로써, 듀얼 라인 센서처럼 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 샘플단(150)에 구성된 레이저 암 기반의 프로브(200)의 구조를 개략적으로 도시하는 구성도이다. 상기와 같은 구성은 샘플단(150)을 피부과에서 사용하는 의료용 레이저 암(arm)을 변형하여 광학스캐너(152)를 포함하고 있는 프로브가 연결 및 적용된 의료 진단 및 바이오샘플 측정에 유리한 시스템이라 할 수 있다. 따라서 측정 유동성을 크게 향상시켜 사용자 및 피검자에게 큰 편리성을 제공할 뿐 아니라 기존 광섬유 기반 프로브로는 측정할 수 없는 편광소멸도(DOP), 원형편광소멸도(DOCP)등의 유용한 정보의 측정이 가능하다. 또한, 광섬유 기반의 편광-민감 광결맞음 단층영상시스템은 편광-민감 광결맞음 단층영상시스템(PS-OCT)의 신호인 복굴절 신호의 절대값이 아닌 상대값만을 측정할 수 있으나, 본 발명의 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)는 샘플의 복굴절 신호의 절대값을 측정할 수 있는 장점이 있다. 이에 대한 작동원리를 설명하면, 도 4에 나타난 바와 같이, 광분배기(103)에서 샘플단(150)으로 분배된 빛은 45˚기울어진 제2쿼터 파장판(105)을 통과한 후 레이저 암 기반의 프로브(200)로 입사하게 된다. 상기 입사된 빛은 제1관절회전축(50)을 지나 제1관절거울(33)에 반사되고 제2관절회전축(51)을 지나 제2관절거울(34)에 반사되면서 제3관절회전축(52) 및 제4관절회전축(53)을 통과하게 된다. 그 후, 제3관절거울(35)에 반사된 빛은 제5관절회전축(54) 이후 제4관절거울(36)에 반사되고 제6관절회전축(55), 제5관절거울(37) 및 제6관절거울(38)에서 반사되어 제7관절회전축(56)을 마지막으로 통과한 후 레이저 암에 연결되도록 설계된 프로브로 입사된다. 이때 상기 관절회전축은 레이저 암 기반의 프로브(200)의 각 관절의 측정 유동성 향상을 위해서 구성되었고 관절의 개수는 사용자의 목적에 따라 적절히 조절할 수 있다.

한편, 레이저 암 기반의 프로브(200)의 끝단 출구는 끝단 나사선(39)과 연결되도록 나사선 홈을 구비하였고 끝단의 중심축에서 프로브로 입사되는 빛이 광학스캐너(152)(galvanometer)의 중심(pivot)에서 반사되도록 설계되었다. 광학스캐너(152)의 중심(pivot)에서 반사되어 나온 빛은 다시 대물렌즈(42)의 중심으로 입사된 후 샘플로 입사되고 대물렌즈(42)의 나사선과 레이저 암 기반의 프로브(200)가 연결되도록 나사선홈(41)이 구비되어 있다. 이 때, 대물렌즈(42)의 입사구로부터 광학스캐너(152)의 중심(pivot)까지의 거리는 fb(Back focal length)가 되도록 설계하였다. 샘플로부터 나오는 광신호인 빛을 전자기장에서 Ex를 수평성분, Ey를 수직성분이라 할 때 하기 수식에 대입하면 스톡스 변수를 쉽게 얻을 수 있다.

이 때, 상기 ε은 수직 성분의 위상 εy, 수평성분의 위상 εx 의 차이를 나타내고 DOP(degree of polarization) 및 DOCP(degree of circular polarization)를측정하는 수식은 하기와 같다.

도 5는 본 발명의 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)의 샘플단(150)의 다른 변형예에 대한 개략적인 구성도에 관한 것으로 레이저 암 기반의 프로브(200)로 구성하는 것 외에, 도시한 바와 같이, 광분배기(103)로부터 입사된 빛이 광학스캐너(152)에 반사되고 제2렌즈(151)에 포커싱되어 인체 안구의 각막을 이미징하는 시스템으로 구성할 수 있고 도 6에 도시한 바와 같이, 광학스캐너(152) 다음에 두 개의 렌즈 즉 제2렌즈(151), 제3렌즈(154)를 사용하여 입사되는 빛을 평행광으로 만들어주고, 상기 평행광이 안구에 입사되어 인체 안구 내 수정체에 의해 망막을 이미징하는 시스템으로 구성할 수 있다.

결론적으로 종래에는 검출단에서 샘플로부터 검출되는 광 신호의 수직 수평 신호를 각각 검출하여 편광-민감 광 단층영상을 구현해야하므로, 두 개의 검출기 즉 분광기가 필요였으나 본 발명의 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치(100)는 단일 분광기만을 사용하여 효과적인 편광-민감 광 단층영상(PS-OCT)을 구현할 수 있으므로 의료기기분야, 반도체 및 휴대폰 등의 다양한 기술분야에 활용될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치
130: 분광기
150: 샘플단
180: 기준단
101: 저 결맞음 광원
103: 광분배기
152: 광학스캐너
153: 측정샘플

Claims

저 결맞음 광선(SLD)을 생성하기 위한 광원;
상기 광원으로부터 수평 편광만 통과시키는 제1편광분배기;
상기 제1편광분배기를 통과한 수평 편광을 측정샘플을 스캐닝하는 샘플단 및 상기 샘플의 영상정보 획득을 위한 기준단으로 각각 분배하고 상기 샘플단 및 상기 기준단으로부터 각각 수득된 샘플신호 및 기준신호를 이용하여 간섭신호를 생성하는 광분배기;
상기 광분배기로부터 입사된 샘플의 영상정보 획득용 광선이 렌즈에 의해 거울로 포커싱되어 기준신호를 생성하는 기준단;
상기 기준 신호를 선형 편광으로 변환하는 제1쿼터 파장판;
상기 광분배기로부터 입사된 샘플 스캐닝용 광선이 광학스캐너에 의해 스캐닝되고 렌즈에 의해 측정샘플로 포커싱되어 샘플신호를 수득하는 샘플단;
상기 샘플신호를 원형 편광으로 전환하는 제2쿼터 파장판;
상기 간섭신호를 수직(vertical)과 수평(horizontal)성분으로 분리하는 제2편광분배기;
상기 간섭신호를 평행광으로 전환하는 콜리메이터;
상기 간섭신호를 보정하고 분광기로 전달해 주는 편광조절기;
상기 편광조절기를 통과한 간섭신호를 평행광으로 형성하기 위한 콜리메이터; 상기 평행광을 분광하기 위한 투과회절격자 또는 반사회절격자; 상기 평행광을 포커싱하기 위한 포커싱렌즈; 및 상기 포커싱된 광신호를 영상신호로 변환하기 위한 카메라를 포함하는 상기 간섭신호를 영상신호로 전환해 주기 위한 분광기; 및
상기 영상신호를 영상으로 구현하기 위한 컴퓨터를 포함하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
제1항에 있어서,
상기 샘플단은,
상기 제1편광분배기로부터 입사된 광선을 스캐닝하기 위한 광학스캐너; 및
상기 광학스캐너를 통과한 광선을 측정샘플로 포커싱하기 위한 제2렌즈를 포함하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
제2항에 있어서,
상기 제2렌즈는 현미경 타입의 대물렌즈인, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
제1항에 있어서,
상기 기준단은,
상기 제1편광분배기로부터 입사된 광선을 거울로 포커싱하기 위한 제1렌즈; 및
상기 포커싱된 광선을 반사시키는 거울을 포함하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
제4항에 있어서,
상기 제1렌즈와 거울 사이에 빛의 분산을 보정할 수 있는 분산 보정계(dispersion compensator)를 추가로 포함하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
삭제
제1항에 있어서,
제2편광분배기를 통과 후 수직과 수평성분으로 분리된 간섭신호는 수평을 기준으로 25 내지 65˚의 범위로 조절되는 입사각도에 따라 상기 투과회절격자 또는 반사회절격자에 입사되는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
제1항에 있어서,
상기 광신호 정보는 듀얼 선주사 카메라의 프레임 그래버(frame grabber)에 의해 변환되는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
제1항에 있어서,
상기 카메라는 투과회절격자 또는 반사회절격자로부터 분광된 샘플의 영상정보 획득용 간섭신호 및 샘플 스캐닝용 간섭신호로 변환하는 듀얼 선주사 카메라인, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
제9항에 있어서,
상기 듀얼 선주사 카메라의 센서의 방향은 상하 또는 좌우로 위치하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
제1항에 있어서,
상기 저 결맞음 광원의 파장은 생체조직의 경우 800 nm, 1000 nm 또는 1300 nm 대역의 파장의 광원을 사용하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
제1항에 있어서,
상기 제1편광분배기는 선형편광기(linear polarizer)로 대체되는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1쿼터 파장판은 수평을 기준으로 22.5˚의 각도로 기울어져 있고 상기 기준신호 통과 후 수평을 기준으로 45˚선형 편광(linear polarized light)을 생성하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
제1항에 있어서,
상기 제2쿼터 파장판은 수평을 기준으로 45˚의 각도로 기울어져 있고 상기 샘플신호 통과 후 원형 편광(circular polarized light)을 생성하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.
저 결맞음 광선(SLD)을 생성하기 위한 광원;
상기 광원으로부터 수평 편광만 통과시키는 제1편광분배기;
상기 제1편광분배기를 통과한 수평 편광을 측정샘플을 스캐닝하는 샘플단 및 상기 샘플의 영상정보 획득을 위한 기준단으로 각각 분배하고 상기 샘플단 및 상기 기준단으로부터 각각 수득된 샘플신호 및 기준신호를 이용하여 간섭신호를 생성하는 광분배기;
상기 광분배기로부터 입사된 샘플의 영상정보 획득용 광선이 렌즈에 의해 거울로 포커싱되어 기준신호를 생성하는 기준단;
상기 기준 신호를 선형 편광으로 변환하는 제1쿼터 파장판;
상기 광분배기로부터 입사된 샘플 스캐닝용 광선을 반사시키는 관절거울 및 측정 유동성 향상을 위한 관절회전축으로 구성된 레이저 암 기반의 프로브를 통과한 후 샘플신호를 수득하는 샘플단;
상기 샘플신호를 원형 편광으로 전환하는 제2쿼터 파장판;
상기 간섭신호를 수직(vertical)과 수평(horizontal)성분으로 분리하는 제2편광분배기;
상기 간섭신호를 평행광으로 전환하는 콜리메이터;
상기 간섭신호를 보정하고 분광기로 전달해 주는 편광조절기;
상기 편광조절기를 통과한 간섭신호를 평행광으로 형성하기 위한 콜리메이터; 상기 평행광을 분광하기 위한 투과회절격자 또는 반사회절격자; 상기 평행광을 포커싱하기 위한 포커싱렌즈; 및 상기 포커싱된 광신호를 영상신호로 변환하기 위한 카메라를 포함하는 상기 간섭신호를 영상신호로 전환해 주기 위한 분광기; 및
상기 영상신호를 영상으로 구현하기 위한 컴퓨터를 포함하는, 단일검출기 기반의 편광-민감 광 단층영상장치.