KR20090112075A - 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터 - Google Patents

음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터 Download PDF

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Abstract

음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터는 광 서큘레이터로부터 입사된 빛의 파장별 회절각을 조절하기 위한 음향광학가변필터(Acousto Optic Tunable Filter : AOTF); 음향광학가변필터로부터 출력된 빛이 입사되는 슬릿(slit); 슬릿을 통과한 빛이 입사되는 회절격자; 회절격자에 의해 회절된 빛이 입사되는 렌즈; 렌즈를 통과한 빛이 입사되는 도브 프리즘(Image Rotator); 렌즈 출력단으로부터 도브 프리즘이 고려된 광학적 초점거리에 위치하는 미러 및 도브 프리즘과 미러 사이에 위치하는 디스크를 포함한다.
음향광학가변필터(AOTF), 비등간격, 홀(hole), 디스크, 광 필터, 도브 프리즘

Description

음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터{Optical filter consisting of Acousto-Optic Tunable Filter and non-uniform space hole disk}
본 발명은 음향광학가변필터(AOTF)와 비등간격 홀(hole) 디스크로 구성된 광 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 음향광학가변필터(Acousto-Optic Tunable Filter : AOTF)에 인가되는 RF 전기신호의 주파수를 스위핑(sweeping)시킴에 따라 광섬유 링 레이저의 발진 파수(wave-number)가 이산적(discrete)이고, 선형적(linear)으로 증가되도록 하여, 간섭신호의 샘플링 및 AD 변환 시에 발진 파수와 자동적으로 동기가 이루어지게 하여 AD 변환 및 신호처리를 단순화하고, 고속화시켜 생체단면 영상의 프레임 속도를 향상시킬 수 있는 음향광학가변필터(AOTF)와 비등간격 홀(hole) 디스크로 구성된 광 필터에 관한 것이다.
일반적으로 광간섭 단층촬영법(optical coherence tomography: OCT)은 광의 기준 빔과 샘플로부터 반사된 검출 빔 사이의 간섭을 측정할 수 있는 영상화 기법으로, 최근 MRI나 CT보다 구조가 간단하고, 초음파 영상 촬영기보다 높은 해상도를 제공할 수 있다는 장점 때문에 지속적으로 연구/개발되고 있다.
광간섭성 단층촬영장치는 초음파 대신 근적외선(near-infrared radiation; NIR) 파장의 광원을 생체 등 다중 산란 물체에 조사하여, 반사된 근적외선(NIR)의 세기를 여러 각도에서 측정하여 컴퓨터 신호 처리함으로써 조직의 영상을 얻게 된다.
이와 같은 광간섭성 단층촬영장치 중 하나인 SS(Swept Source)-OCT를 구현하기 위해 swept source laser를 광원으로 사용하는 데, 이는 시스템의 성능에 매우 큰 영향을 미칠 수 있는 요소라고 할 수 있다.
고속 광대역 스위핑(sweeping)은 바로 이러한 swept source laser의 중요 요구 특성 중 하나이다. 이러한 고속 광대역 스위핑 특성에 더하여, 등간격으로 파수(wave-number)를 스위핑하도록 하면, 더욱 빠른 속도로 동작하는 SS-OCT 시스템의 구현이 가능할 수 있다. 상기와 같은 요구 특성들은 swept source laser를 구성하는 광 필터에 의해서 좌우될 수 있다.
이처럼 중요한 역할을 담당하는 광 필터로는 기존에 polygon을 이용한 방식이 사용되어 왔다. 그러나 polygon 방식은 회전모터를 이용하여 광 필터링이 이루어지기 때문에 스위핑(sweeping)의 속도와 반복성, 그리고 안정성면에서 다소 제한이 있으며, 연속적으로 파장 스위핑(sweeping)을 제공하기 위해서는 별도의 장치를 이용한 샘플링 동기 신호를 발생시켜야 한다는 단점이 있다.
그리고 polygon을 이용한 방식은, 스위핑(sweeping)이 파장영역에서 이루어 짐에 따라 영상정보를 얻기 위한 과정에서 불가피하게 rescaling 과정이 포함되어야 하므로 영상의 프레임 속도 향상에 있어 저해요소로 작용한다는 문제점도 있다.
또한, 이산적 스위핑(sweeping) 동작을 수행하는 경우, 일면이 이산적 미러로 구성된 poligon은 이산적 미러의 폭이 유한함에 따라, 회전 시 미러로부터 반사되는 파장의 작은 변화로 인해 레이저 발진 파장이 변동될 수 있다는 단점도 있다.
따라서, 고속 광대역 특성뿐만 아니라 등간격 파수 스위핑(sweeping)을 제공하는 swept source laser를 구현하기 위한 새로운 광 필터의 구성 방안이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 음향광학가변필터(Acousto-Optic Tunable Filter : AOTF)에 인가되는 RF 전기신호의 주파수를 스위핑시킴에 따라 광섬유 링 레이저의 발진 파수가 이산적이고, 선형적으로 증가되도록 하여, 간섭신호의 샘플링 및 AD 변환 시에 발진 파수와 자동적으로 동기가 이루어지게 하여 AD 변환 및 신호처리를 단순화하고, 고속화시켜 생체단면 영상의 프레임 속도를 향상시킬 수 있는 음향광학가변필터(AOTF)와 비등간격 홀(hole) 디스크로 구성된 광 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터(AOTF)와 비등간격 홀(hole) 디스크로 구성된 광 필터는, 광 서큘레이터로부터 입사된 빛의 파장별 회절각을 조절하기 위한 음향광학가변필터(Acousto Optic Tunable Filter : AOTF); 음향광학가변필터로부터 출력된 빛이 입사되는 슬릿(slit); 슬릿을 통과한 빛이 입사되는 회절격자; 회절격자에 의해 회절된 빛이 입사되는 렌즈; 렌즈를 통과한 빛이 입사되는 도브 프리즘(Image Rotator); 렌즈 출력단으로부터 도브 프리즘이 고려된 광학적 초점거리에 위치하는 미러 및 도브 프리즘과 미러 사이에 위치하는 디스크를 포함한다.
이 때, 디스크에는 지름이 15 ~ 25㎛ 범위 내에 해당하는 복수개의 홀(hole)이 연속적으로 형성되고, 디스크의 홀(hole) 간격은 비선형적으로 감소하는 형태로 이루어진 것이 바람직할 수 있다.
이러한 디스크의 표면은 무반사 코팅 처리된 것이 좋을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터에 있어서, 도브 프리즘은 렌즈를 통과한 평행광에 대해 45˚ 회전되어 설치된 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 음향광학가변필터(AOTF)와 비등간격 홀(hole) 디스크로 구성된 광 필터에 따르면, 파수의 스위핑이 기계장치(모터)에 의존하지 않고, AOTF에 인가되는 RF 전기신호의 스위핑에 의하여 이루어지므로, 고속 스위핑이 가능하며, 또한 발진 파수의 안정성이 뛰어나다는 장점이 있다.
이 외에도, 본 발명은 종래와 같이 간섭신호 샘플링을 위한 동기신호 획득부를 별도로 구성할 필요가 없으며, 또한, Rescaling 과정 없이 획득된 샘플값에 대한 FFT(Fast Fourier Tramsform)를 수행할 수 있어 영상 프레임 속도를 향상시킬 수 있다는 등의 추가적인 장점도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터(AOTF)와 비등간격 홀(hole) 디스크로 구성된 광 필터는, 광 서큘레이터로부터 입사된 빛의 파장별 회절각을 조절하기 위한 음향광학가변필터(Acousto Optic Tunable Filter : AOTF); 음향광학가변필터로부터 출력된 빛이 입사되는 슬릿(slit); 슬릿을 통과한 빛이 입사되는 회절격자; 회절격자에 의해 회절된 빛이 입사되는 렌즈; 렌즈를 통과한 빛이 입사되는 도브 프리즘(Image Rotator); 렌즈 출력단으로부터 도브 프리즘이 고려된 광학적 초점거리에 위치하는 미러 및 도브 프리즘과 미러 사이에 위치하는 디스크를 포함한다.
이 때, 디스크에는 지름이 15 ~ 25㎛ 범위 내에 해당하는 복수개의 홀(hole)이 연속적으로 형성되고, 디스크의 홀(hole) 간격은 비선형적으로 감소하는 형태로 이루어진 것이 바람직할 수 있다.
이러한 디스크의 표면은 무반사 코팅 처리된 것이 좋을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터에 있어서, 도브 프리즘은 렌즈를 통과한 평행광에 대해 45˚ 회전되어 설치된 것이 바람직하다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있을 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터는 음향광학가변필터(Acousto Optic Tunable Filter : AOTF, 110), 슬릿(120), 회절격자(130), 렌즈(140), Dove 프리즘(Image Rotator, 150), 연속된 작은(hole)들로 구성된 디스크(160) 및 미러(170) 등을 포함하여 구성할 수 있다.
이 때, 음향광학가변필터(110)는 이에 인가되는 전기신호의 RF 주파수에 따라 음향광학가변필터(110)를 통과하여 출력되는 빛의 파장별 회절각도를 조절할 수 있는 일종의 가변형 회절격자로써, 보다 자세하게는, 텅스텐 램프와 같이 연속스펙트럼을 방출하는 광원에서 나온 입사광에 대하여 고속으로 특정한 파장만을 투과시 킬 수 있는 일종의 필터이다.
이러한 음향광학가변필터(110)로는 복굴절 성질이 있는 광학결정(TeO2 등)이 적용되는 것이 바람직하며, 이러한 광학결정의 밑면에는 압전소자를 부착하여 결정 내부에 음파(acoustic wave)를 발생시킬 수 있도록 하는 것이 좋다.
이 때, 압전소자를 작동시키기 위해서는, 별도로 외부에서 수십 MHz의 정현파(sine wave)를 발생시키는 드라이버가 필요할 수 있는데, 여기서, 드라이버는 특정한 주파수의 정현파를 발생시켜 압전소자를 구동하고, 음향광학가변필터(110)의 결정 내에 음파를 발생시킬 뿐만 아니라, 고속으로 주파수를 가변하여 음향광학가변필터(110) 결정에 인가할 수 있는 것이 좋다.
결정 내에서 진행하는 음파는 입사광과 만나 음향광학효과(acousto-optic effect)에 의해서 특정한 파장의 회절광을 얻을 수 있다. 또한, 음향광학가변필터(AOTF, 110) 결정에 인가하는 정현파의 주파수와 회절광의 파장은 반비례관계에 있기 때문에, 전기적으로 정현파를 조절함으로써, 그에 해당하는 파장의 빛만을 선택적으로 얻는 것이 가능할 수 있다.
도 1을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터의 동작원리에 대하여 설명하도록 한다.
우선, SOA(Semiconductor Optical Amplifier)로 구성된 광섬유 링으로부터 출력된 광대역 ASE(Amplified Spontaneous Emission)는 광 서큘레이터를 통하여 도 1과 같이 광 필터의 음향광학가변필터(AOTF, 110)에 입사된다.
음향광학가변필터(110)로 입사된 광대역 평행광은 음향광학가변필터(110)에 인가되는 RF 전기신호의 주파수 스위핑(sweeping)에 의해, 파장별 회절각이 변하게 된다. 이로 인해 음향광학가변필터(110) 다음 단에 위치한 고정 슬릿(120)을 통과하는 빛의 중심 파장도 스위핑(sweeping) 될 수 있다.
한편, 슬릿(120)의 폭을 적절하게 조정함에 따라 슬릿(120)을 통과하는 빛은 중심 파장 주위로 비교적 좁은 폭의 가우시안 스펙트럼을 가질 수 있게 되는데, 이러한 가우시안 스펙트럼을 가지는 빛은, 다음 단의 회절격자(130)에 의해 회절되어 짧은 길이의 스펙트럼 바(bar)로 렌즈(140)에 입사하게 된다.
이 때, 회절격자(130)는 렌즈(140)의 초점거리에 위치하는 것이 바람직하다.
일단, 렌즈(140)로 입사된 빛은 렌즈(140)를 통과하고 난 후, 도 1에 도시된 바와 같이, x방향으로 일정한 폭을 가지는 평행광으로 진행하게 된다. 이 평행광이 45˚로 회전된 도브 프리즘(150)을 통과하게 되면, 상기 평행광은 이미지가 90˚회전되어 x방향이 아닌 y방향으로 일정한 폭을 갖는 평행광으로 출력된다.
렌즈(140)의 출력단으로부터 도브 프리즘(150)이 고려된 광학적 초점거리에는 미러(170)가 위치하는 것이 바람직한데, 이 때, 미러(170)에는 아주 가는 선의 스펙트럼 바가 형성될 수 있다.
이러한 미러(170)의 바로 앞단에는 등간격 파수 스위핑(sweeping)을 위해 특별 제작된 고정 디스크(160)가 놓이게 되는 것이 바람직하다.
여기서, 디스크(160) 상에는 간격이 비선형적으로 감소하는 형태로 홀(hole, 165)이 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
이렇게 형성된 홀(hole, 165)은 그 위로 입사되는 실선 형태의 y방향 스펙트럼 바의 중심 부분만이 통과되도록 한다. 이와 같이 홀(165)이 형성된 디스크(160)를 통해 스펙트럼 바의 한 파장만이 선택되고, 미러(170)에서 반사된 빛은 입사경로로 다시 되돌아가게 된다.
이러한 구성을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터는, 음향광학가변필터(110)에 입사된 광대역의 파장 중에 어느 한 파장만을 선택할 수 있는 광 필터를 구현할 수 있게 되는 것이다.
최종적으로, 광섬유 링 레이저는 본 발명의 실시예에 따른 광 필터에 의해서 선택된 파장을 증폭하고, 이를 발진하게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터는, 음향광학가변필터(AOTF, 110)에 인가되는 RF 전기신호를 고속으로 스위핑함으로써, y방향의 스펙트럼 바가 디스크의 홀(hole) 틈을 고속으로 지나가게 할 수 있음은 물론, 이 때, 파수가 등간격으로 선택될 수 있도록 하는 것이 가능하다. 그 결과, 본 발명은 링 레이저의 발진 파수를 등간격으로 고속 증가시키는 것이 가능하게 되는 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 광 필터의 홀(hole)이 형성된 디스크를 나타낸 사시도이다.
일반적으로, OCT 영상을 얻기 위해서는 등간격의 각 파수별로 획득된 간섭신호 샘플값에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform)를 취하여야 한다. 이 때, FFT에 적용되는 샘플 개수를 N이라 하면, 이에 대응하는 파수의 개수도 동일하게 N개 이어야 한다. 이는 디스크(160) 상에 홀(hole, 165)의 개수가 N개 이어야 함을 의미한다.
여기서, 파수간의 간격이 등간격이 되기 위해서는 디스크(160)의 홀(hole, 165) 간격(R)이 비선형적으로 감소하는 것이 바람직한데, 그 이유는 파장과 파수간에는 k=2π/λ의 역비례 관계가 성립하기 때문이다.
즉, 파수가 등간격 및 선형적으로 증가하게 되면, 파장은 비등간격 및 비선형적으로 감소되기 때문에, 결국, 도 2에 도시된 디스크(160) 상의 홀(hole, 165) 구조와 같이 홀(165)이 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성을 통해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터는, 디스크(160) 상의 홀(hole, 165)과 비투과 영역 사이의 경계에서 발생하는 투과 빛의 세기 변화에 따라, 간섭신호 샘플링을 위한 동기 신호를 용이하게 얻을 수 있게 되는 것이다.
이 때, 디스크(160)의 표면에는 홀(hole, 165)을 통과하는 빛만이 미러(170)에서 반사된 후에 되돌아갈 수 있도록 무반사 코팅을 하는 것이 좋을 수 있으며, 이 때, 디스크(160)의 홀(hole, 165)의 지름은 약 20㎛ 정도가 적당하다. 이는 링 레이저의 발진에 필요한 양의 빛이 홀(165)을 통과한 후에, 다시 링 레이저로 되돌 아갈 수 있도록 하기 위함이다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터를 나타낸 예시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광 필터의 홀(hole)이 형성된 디스크를 나타낸 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 발진기 110 : AOTF
120 : 슬릿(slit) 130 : 회절 격자
140 : 렌즈 150 : 도브 프리즘
160 : 디스크 165 : 홀(hole)
170 : 미러

Claims (5)

  1. 광 서큘레이터로부터 입사된 빛의 파장별 회절각을 조절하기 위한 음향광학가변필터(Acousto Optic Tunable Filter : AOTF);
    상기 음향광학가변필터로부터 출력된 빛이 입사되는 슬릿(slit);
    상기 슬릿을 통과한 빛이 입사되는 회절격자;
    상기 회절격자에 의해 회절된 빛이 입사되는 렌즈;
    상기 렌즈를 통과한 빛이 입사되는 도브 프리즘(Image Rotator);
    상기 렌즈 출력단으로부터 도브 프리즘이 고려된 광학적 초점거리에 위치하는 미러; 및
    상기 도브 프리즘과 미러 사이에 위치하는 디스크를 포함하는 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스크에는 지름이 15 ~ 25㎛ 범위 내에 해당하는 복수개의 홀(hole)이 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 디스크의 홀(hole) 간격은 비선형적으로 감소하는 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스크의 표면이 무반사 코팅된 것을 특징으로 하는 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도브 프리즘은, 렌즈를 통과한 평행광에 대해 45˚ 회전되어 설치된 것을 특징으로 하는 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터.
KR1020080037758A 2008-04-23 2008-04-23 음향광학가변필터와 비등간격 홀 디스크로 구성된 광 필터 KR100964167B1 (ko)

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