KR20130138262A

KR20130138262A - 광 간섭 단층 촬영 장치를 위한, 검출기 상의 분산 광의 정렬을 제어하기 위한 조정가능한 편향기를 구비한 분광계

Info

Publication number: KR20130138262A
Application number: KR1020137012304A
Authority: KR
Inventors: 페렌스 라크시
Original assignee: 알콘 렌즈엑스 인코포레이티드
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-12-18
Also published as: WO2012051363A1; JP2013543120A; KR101792775B1; US8049886B1; RU2013121897A; MX2013003955A; DK2627978T3; TWI504866B; JP5947306B2; EP2627978A1; PL2627978T3; CA2811921C; RU2589505C2; CA2811921A1; AU2011316508B2; ES2585633T3; BR112013009188A2; CN103250035B; PT2627978T; AU2011316508A1

Abstract

수신된 광을 스펙트럼으로 분산하기 위한 스펙트럼 분산 광학 요소(120), 스펙트럼 분산 광을 조정가능하게 편향하기 위한 레버리지드-옵틱스 조정가능한 편향기(142-1, 142-2, 142-3), 및 스펙트럼 분산되고 조정가능하게 편향된 광을 수신하기 위한 검출기 어레이(160)를 포함하는 분광계가 제공된다. 수신된 광은 스펙트럼 영역 광 간섭 단층 촬영기에서 복귀 이미지 빔 및 기준 빔으로부터 조합된 간섭 빔을 포함할 수 있다. 검출기 어레이는 선형 센서 어레이를 포함할 수 있다. 레버리지드-옵틱스 조정가능 편향기는 조정가능한 투과 특성 또는 조정가능한 반사 특성을 구비한 광학 요소를 포함할 수 있으며, 상기 조정가능한 편향기는 더 작은 광학 조정으로 광학적으로 레버리지되는 기계적 조정에 의해 조정가능하다.

Description

광 간섭 단층 촬영 장치를 위한, 검출기 상의 분산 광의 정렬을 제어하기 위한 조정가능한 편향기를 구비한 분광계 {SPECTROMETER WITH ADJUSTABLE DEFLECTOR FOR CONTROLLING ALIGNMENT OF DISPERSED LIGHT ON DETECTOR, FOR OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2010년 10월 14일에 출원된, 미국 출원 제 12/904,681호에 대해 35 U.S.C. § 119 하에서 우선권을 청구하며, 이의 전체 내용들은 인용에 의해 본 출원에 포함된다.

기술 분야

본 특허 문서는 조정가능한 편향기들을 구비한 분광계들을 설명한다. 더욱 상세하게는, 본 특허 문서는 광 간섭 단층 촬영 장치에서의 잠재적인 적용을 위해 조정가능한 편향기에 의해 정렬이 제어되는 분광계들을 논의한다.

스펙트럼 영역 광 간섭 단층 촬영기(SD-OCT)들은 상대적인 광-대역 광원의 광(light)을 기준 광 및 이미지 광으로 분리하고, 그리고 타깃으로부터 복귀된 이미지 광을 예를 들면 기준 거울로부터 복귀된 기준 광과 간섭함으로써 타깃 구역들을 이미지화한다. 이러한 간섭 또는 이미지 광은 이어서 스펙트럼으로 분해되고 스펙트럼 구성 요소들은 검출기 내의 센서 어레이의 센서들에 투사되거나 투과된다. SD-OCT들은 개별 센서들에 의해 감지된, 간섭 광의 스펙트럼 구성 요소들을 푸리에 변환함으로써 특정된 xy 측방향 로케이션(location)에서 본질적으로 동시에 z-깊이들의 범위에서 타깃을 이미지화한다. 예를 들면, 시간 영역 타입의 더 많은 종래의 OCT 시스템들은 z-스캐닝을 수행함으로써 z-깊이들의 범위를 이미지화하여 상당히 더욱더 느린 프로세싱 속도들을 초래한다. SD-OCT가 x, y, 선형, 또는 xy 스캐너와 조합될 때, 전체 타깃 구역 또는 체적의 2차원 이미지 또는 3차원 이미지가 현저히 높은 속도 및 해상도로 형성될 수 있다.

그러나 SD-OCT들의 고성능 속도 및 고 해상도 이미지화는 통상적으로 광원의 대역폭, 옵틱스(optics)의 해상도 및 광 수집 효율 및 SD-OCT들의 검출기 어레이의 판독 속도를 포함하는 SD-OCT들의 사양들의 대부분의 매개변수들에 대한 고 정밀 제어에 의해 달성된다.

일종의 SD-OCT들은 이러한 요구조건들을 충족하도록 회절 제한 성능을 구비한 고 개구수 이미지화 분광계들을 이용한다. 이러한 장치들은 2차원 어레이들 내에 배열되는 센서들보다 더 빠른 판독 속도들을 제공할 수 있는 것과 같은, 검출기로서 종종 센서들의 선형 어레이를 사용하며, 여전히 타당한 속도로 타깃 체적을 통하여 스캔한다. 고 정밀도를 갖춘 일반적인 광-대역 광원의 스펙트럼을 분해하기에 적절한, 통상적인 선형 센서 어레이는 선형 배열체 내에 1,000 또는 그 초과의 픽셀들을 포함할 수 있다. 현재, 개별 픽셀들 또는 센서들의 크기는 10 x 10 미크론(micron) 내지 20 x 20 미크론의 범위 내에 있다. 그러나 이러한 개별 픽셀들의 작은 크기는 SD-OCT들의 잠재적인 고 해상도를 실현하기 위한 이미지 빔의 정렬에 대한 만만찮은 도전들을 가진다.

SD-OCT 장치들의 분광계는 통상적으로 단일-모드 광 섬유로부터 이미지 또는 간섭 광을 수신한다. 분광계는 이러한 간섭 광을 스펙트럼 구성 요소들로 분해 또는 분산하여 스펙트럼 구성 요소들을 분광계의 검출기의 개별 센서들에 투과한다. 이미지 광의 검출된 구성 요소들은 푸리에 변환되어 타깃의 이미지를 구성하기 위해 분석된다.

위에서 설명된 바와 같이, 선형 센서 어레이들을 구비한 검출기들은 효율적으로 그리고 고속으로 이미지화하기 위한 잠재력을 가진다. 이러한 선형-어레이 검출기들의 잠재력을 실현하도록, 분광계의 스펙트럼 분해 요소는 분해된 스펙트럼을 10 내지 20 미크론 폭인 픽셀들의 라인 상으로 투사한다. 이러한 사양은 분광계의 광학 요소들을 충분히 높은 정밀도로 정렬함으로써 달성될 수 있다. 각도 정렬의 특정된 정확도는 광학 스테이지들 또는 요소들을 기계적으로 조정 및 회전함으로써 달성될 수 있는, 대략 밀리라디안, 또는 mrad이다. 한편, 측방향 오 정렬들이 스펙트럼 분해 요소와 검출기 사이의 광학 경로의 길이 만큼 확대될 때, 측방향 정렬의 정확도는 10배 더 높은 정밀도를 요구할 수 있다.

이러한 고 정밀 정렬들을 달성하도록, 분광계들은 요구된 정밀도의 측방향 정렬을 달성하도록 조립 동안 미세하게 조절(tune)될 수 있는 조정가능한 또는 가동 광학 요소들을 이용할 수 있다. 이러한 조정가능한-요소 분광계들은 또한 분광계들의 정기적으로 예정된 유지보수 동안 수정 조정들의 가능성을 제공한다. 그러나, 분광계가 작동 중일 때 조정가능한 요소들이 조정가능한 요소들의 최적 정렬들로부터 더 용이하게 오 정렬되고 이탈될 수 있으며(drift) 따라서 종종 테스트 및 재설정을 위한 기술적 지원을 요구할 수 있다. 의료 적용에서와 같은, 고-기술 환경으로부터 벗어나서 사용되는 분광계의 중요한 경우에서, 이 같은 세심한 관리가 필요한 시스템의 과도한 고장 시간 및 불편함을 언급할 필요 없이, 종종 즉시 또는 예정되지 않은 시간 간격들에서 분광계의 정렬을 테스트하고 재설정하기 위한 즉시 이용가능한 기술적 지원이 없을 수 있다.

고정된, 조정가능하지 않은 스테이지들을 이용함으로써 이러한 도전들을 대신하기 위한 시도를 하는 분광계 설계들은 한편으로 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같은 측방향 정렬들의 수신 불가능하게 낮은 정밀도의 문제점에 직면한다. 이러한 충돌하는 요구조건들은 분광계들의 설계를 최적화하기 위한 도전들을 가진다.

이러한 특허 문서에서 설명된 분광계들의 다양한 실시예는 유용하게는 이러한 설계 도전들에 대한 해법들을 제공할 수 있는 방식으로 센서 어레이와의 개선된 정렬을 제공한다. 특히, 분광계들의 다양한 실시예들은 센서 어레이와의 정렬을 개선할 수 있는 다른 타입의 광 및 이미지의 조정가능한 편향을 제공한다.

몇몇 실시예들에서, 분광계는 수신된 광을 스펙트럼으로 분산하도록 구성된 스펙트럼 분산 광학 요소, 스펙트럼으로 분산된 광을 조정가능하게 편향하기 위한 레버리지드-옵틱스(leveraged-optics) 조정가능 편향기, 및 스펙트럼으로 분산되고 조정가능하게 편향된 광을 수신하기 위한 검출기 어레이를 포함할 수 있다. 수신된 광은 복귀 이미지 빔 및 기준 빔으로부터 조합된 간섭 빔을 포함할 수 있다.

몇몇 실행예들에서, 스펙트럼 분산 광학 요소는 프리즘, 그레이팅(grating), 굴절률 종속 파장을 구비한 광학 요소, 투과 특성 종속 파장을 구비한 광학 요소, 또는 편향 특성 종속 파장을 구비한 광학 요소를 포함할 수 있다. 몇몇 실행예들에서, 검출기 어레이는 선형 센서 어레이, 2차원 센서 어레이, 또는 검출기 카메라를 포함할 수 있다.

몇몇 실행예들에서, 레버리지드-옵틱스 조정가능 편향기는 조정가능한 투과 특성 또는 조정가능한 반사 특성을 구비한 광학 요소를 포함할 수 있으며, 여기에서 조정가능한 편향기는 더 작은 광학 조정으로 광학적으로 레버리지(leverage)된 기계적 조정에 의해 조정가능하다. 몇몇 실행예들에서 광학 조정 각도에 대한 기계적 조정 각도의 비율이 10, 다른 실행예들에서 100을 초과할 수 있다. 몇몇 실행예들에서 광학 조정 각도에 대한 기계적 조정 각도의 비율이 5를 초과하지만 100 미만이다. 조정가능한 편향기는 하나 이상의 회전가능한 웨지형 광학 플레이트를 포함할 수 있다.

몇몇 실행예들에서 분광계는 수신된 광을 평행 광으로 전환하는 시준기, 및 스펙트럼으로 분산된 광을 검출기 어레이 상으로 포커싱(focus)하고 이미지화(imaging)하는 포커싱 렌즈를 포함하는 이미지화 분광계이다.

몇몇 실시예들에서 편향기의 편향-조정 범위와 관련된 제 1 검출기-빔-위치 범위가 분광계의 구성 요소들의 누적 위치-허용오차 범위와 관련된 제 2 검출기-빔-위치 범위를 초과한다. 몇몇 실행예들에서 편향기의 편향-조정 범위와 관련된 제 1 검출기-빔-위치 범위가 분광계의 작동 검출기-빔-위치 범위를 초과한다. 몇몇 실시예들에서 레버리지드-옵틱스 조정가능 편향기에 의해 유발된 작동 빔 오 정렬이 검출기의 오 정렬 허용오차보다 작다. 몇몇 실행예들에서 조정가능한 편향기는 검출기의 종횡비(aspect ratio)보다 더 큰 각도 오 정렬을 도입하지 않으면서 스펙트럼으로 분산된 광의 측방향 오 정렬을 보상하도록 구성된다.

몇몇 실행예들에서 분광계는 알려진 파장 광을 이용하여 분광계의 센서들의 재교정을 통한 길이 방향 오 정렬의 보상을 허용하도록 구성된다.

몇몇 실행예들에서, 스펙트럼 영역 광 간섭 단층 촬영(SD-OCT) 장치는 간섭 광을 수신하도록 그리고 간섭 광의 측방향으로 분리되는 스펙트럼 구성 요소들에 의한 간섭 광의 시트를 형성하도록 구성되는 스펙트럼 분해 장치, 상이한 센서들에 의해 간섭 광의 시트의 상이한 스펙트럼 구성 요소들을 검출하기 위한 센서 어레이, 및 센서 어레이와의 광 시트의 정렬을 제어하기 위한 레버리지식으로 조정가능한 정렬-제어기를 포함할 수 있다. 정렬-제어기는 회전가능한 웨지형 프리즘을 포함할 수 있다.

몇몇 실행예들에서 분광계는 이미지 광의 스펙트럼 구성 요소들을 측방향으로 분산하기 위한 스펙트럼 분산기, 이미지 광의 스펙트럼 구성 요소들을 감지하기 위한 센서 어레이, 및 분광계의 요소들의 위치 변화에 의한 누적 빔 위치 오 정렬을 보상할 수 있는 선택적인 레버리지식 정렬-제어기를 포함할 수 있다.

도 1은 분광계를 예시한다.
도 2의 (a)는 분광계의 선형 센서 어레이 상에 투사된 최적 정렬된 스펙트럼 분산 광을 예시한다.
도 2의 (b)는 각도 및 측방향 오 정렬된 스펙트럼 분산 광을 예시한다.
도 3a 내지 도 3c는 3개의 기본 타입들의 오 정렬들을 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 조정가능한 편향기 제어 정렬하는 분광계들의 두 개의 실시예들을 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 조정가능한 편향기 제어 정렬하는 분광계의 특별한 실시예들을 예시한다.
도 6은 회전하는 웨지의 회전으로 측방향으로 오 정렬된 스펙트럼의 전개도이다.

이 특허 문서에서 실행예들 및 실시예들은 분광계들의 고 정밀 정렬 및 장기 안정성의 위에서 설명된 상충되는 요구 조건들에 대한 개선들을 제공한다.

위에서 설명된 바와 같이, 고 정밀 정렬은 분광계들에서 정렬 스테이지들 내에 조정가능한 광학 요소들을 장착함으로써 달성될 수 있다. 그러나 분광계의 정기적인 작동 동안조차, 이러한 조정가능한 광학 요소들은 조정가능하기 때문에, 이러한 조정가능한 광학 요소들은 이들의 초기 위치로부터 벗어나서, 회전 및 변형하여 설정되고 오 정렬들을 도입하기를 시작할 수 있다. 이러한 오 정렬들은 분광계의 정밀도를 악화시키고 분광계의 장기 안정성에 장애가 된다.

분광계들의 안정성은 고정된 장착부(mount)들에 광학 요소들을 본딩하거나 기계적으로 클램핑함으로써 증가될 수 있다. 한편, 분광계의 조립 동안 고정된 장착부들을 설치하는 것은 광학 요소들의 정렬의 정밀도를 제한한다. 대표적인 예에서, 광학 요소가 분광계 내로 적어도 부분적으로 수동으로 설치되는 경우, 광학 요소의 위치는 백 미크론의 규모(scale)의 정밀도로 제어될 수 있다. 분광계가 수 개의 광학 요소들을 포함할 때, 누적되는 빔 위치 오 정렬 또는 허용오차 에러가 수백 미크론에 도달할 수 있으며, 가능하게는 1,000 미크론까지 도달할 수 있다. 검출기 어레이에서 개별 센서들의 물리적 크기가 약 10 내지 20 미크론이므로, 본딩된 광학 요소들의 조립의 에러들에 의해 유발된 수백 미크론의 오 정렬은 실질적으로 분광계의 효율을 감소시킬 수 있으며, 가능하게는 심지어 분광계 자체의 기능성에 위협을 가하게 된다. 따라서, 본딩된 분광계들의 최장기 안정성은 분광계의 조립 동안 발생하는 오 정렬의 증가된 문제점이 그 대가로 발생된다.

도 1은 통상적인 분광계(10)의 예에 대한 상기 문제점들을 예시한다. 분광계(10)는 이미지 또는 간섭 광(11)을 수신하여 수신된 광을 평행 광선(ray)들로 변환하는 시준기 또는 시준 렌즈(13)를 통하여 이미지 또는 간섭 광을 투과할 수 있다. 시준된 광선들은 스펙트럼 분산 요소(spectrally dispersing element; 15)에 도달할 수 있는데, 스펙트럼 분산 요소는 상기 광선들의 스펙트럼 구성 요소들을 측방향으로 확산하고 상기 광선들의 스펙트럼 구성 요소들을 포커싱 렌즈(17)를 향하여 재지향시키는데, 이 포커싱 렌즈는 이어서 검출기(19) 상으로 상기 광선들의 스펙트럼 구성 요소들을 이미지화하거나 포커싱한다.

분광계들은 이미지화 및 비-이미지화 카테고리들로 분류될 수 있다. 이미지화 분광계는 통상적으로 포인트형 소스로부터 광을 수신하여 상기 광을 분광계의 검출기 상의 지점에 이미지화한다. 이 같은 포인트형 소스는 광학 섬유의 선단일 수 있다. 비 이미지화 분광계는 통상적으로 슬릿의 형태로 광을 수신하여 이 광을 라인으로서 분광계의 검출기에 전달한다.

명명법의 문제로서, 위의 용어 "이미지 광"은 광이 이미지화의 타깃에 대한 이미지 정보를 운반하는 것을 나타내기 위한 이미지 광으로 광이 명명될 때 이미지화 분광계 또는 비-이미지화 분광계에 의해 수신된 광을 지칭할 수 있다. 여기서 설명된 설계 원리들은 이미지화 분광계 및 비-이미지화 분광계 모두에서 실행될 수 있다.

도 2의 (a) 및 (b)는 스펙트럼 분산 광선들이 광 시트를 형성할 수 있는 것을 예시하는데, 이 광 시트에서 광의 스펙트럼 구성 요소들이 측방향으로 확산하는 방식으로 전파된다. 측방향 확산 스펙트럼은 광원의 대역폭에 대응하는, λ(최소)로부터 λ(최대)까지의 파장들을 구비한 광선들을 포함한다. 이러한 광 시트는 센서들의 어레이 상으로 투사될 수 있다. 도시된 예에서, 어레이는 xy 타깃 로케이션에서 본질적으로 동시에 z 깊이의 범위에 대한 이미지 데이터를 수집하여 유용한 프로세싱 및 판독 속도를 제공하는 선형 센서 어레이(19)이다.

광 시트 또는 측방향 분사 스펙트럼은 회전 제한 폭을 구비한 라인(S)에서 선형 센서 어레이의 평면과 교차한다. 도 2의 (a)는 잘-정렬된 분광계(10)를 보여주는데, 여기에서 측방향 분산 스펙트럼(S)(정렬)은 선형 센서 어레이(19)와 정렬된다. 선형 센서 어레이(19)는 s1 내지 sN의 N개의 센서들을 포함할 수 있다. 통상적인 분광계들에서, N은 약 1,000 개 또는 그 초과일 수 있다. 광의 스펙트럼 구성 요소들은 M<N의 작은 파장 간격들로 분해될 것이며, 특히 개별 센서들의 공간 폭에 의해 이의 폭(Δλ)이 결정된다. 상기 양들은 개략적인 관련식 ΜΔλ ~ [X(최대) - λ(최소)]에 의해 관련될 수 있다.

도 2의 (b)는 통상적으로 오 정렬된 분광계를 예시하는데, 여기에서 측방향 확산 스펙트럼은 기울어진 또는 회전된 라인(S)(오 정렬)에서 선형 센서 어레이(19)의 평면과 교차한다. 이러한 오 정렬된 분광계에서 센서들의 일 부분이 입사 측방향 확산 스펙트럼을 감지할 수 있지만, 확산 스펙트럼의 상당한 부분은 선형 센서 어레이와 완전히 어긋난다(miss).

오 정렬의 주요 원인들 중 일부는 조립 프로세스의 제한된 정밀도를 포함한다. 종종 광학 요소들의 설치는 수동 단계들 및 조작들을 포함한다. 설치의 수동 단계들의 부정확도 또는 허용오차 에러에 의한 센서 어레이에서의 빔-위치-오 정렬은 대략 100 미크론일 수 있다. 분광계의 개별 광학 요소들에 의해 발생된 에러들은 대략 1,000 미크론의 누적 에러로 축적될 수 있다.

오 정렬의 다른 잠재적 소스는 분광계의 변경 작동 상태들이다. 온도 변화들은 광학 요소들의 위치의 이탈을 일으킬 수 있다. 전체 이미지화 장치의 하우징의 기계적 응력들, 전단 및 비틀림은 또한 광학 요소들의 상대적으로 잘못된 배치 또는 회전을 일으킬 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 3개 이상의 오 정렬 타입들이 있음을 예시한다. 도 2의 (b)의 포괄적인 오 정렬은 통상적으로 이러한 3개의 오 정렬들의 중첩으로 분해될 수 있다.

도 3a는 각도 또는 회전 오 정렬을 예시하는데, 확산 스펙트럼(S)과 선형 센서 어레이의 라인 사이의 오 정렬 각도(α)를 특징으로 한다.

확산 스펙트럼(S)이 선형 센서 어레이와 정렬되어 심지어 최외측 파장[λ(최소) 및 λ(최대)]들이 어레이의 센서들 상에 있는 경우 이 같은 각도 오 정렬들은 최소화되거나 제거될 수 있다. 약 1,000 개의 개별 센서들 또는 픽셀들의 센서 어레이에서, 센서 어레이는 약 1/500 또는 2 밀리라디안(mrad) 미만이 되는 α로 변환한다. 분광계가 수동으로 조립되고 조작되는 경우조차 광학 요소들의 각도 정렬의 1 내지 2 mrad 정밀도가 달성될 수 있다.

도 3b는 길이 방향 오 정렬을 예시하며, 선형 센서 어레이와 유용한 각도 정렬을 가지는 확산 스펙트럼(S)을 특징으로 하지만 스펙트럼 구성 요소들의 파장들이 선형 센서 어레이(19)를 따라 검출기-빔-위치[Δ(long)] 거리 만큼 이동된다(shift). 여기서 용어 "검출기-빔-위치"는 검출기에서의 빔의 위치를 축약한 것이다. 이 같은 길이 방향 오 정렬은 예를 들면 부주의하게 약간 이동된 위치 내로 설치되는 광학 요소에 의해 유발될 수 있다. 이러한 이동은 이러한 특정 파장 구성 요소[λ(spec)]를 감지하도록 명목상으로 의도된 센서로부터 선형 어레이를 따라 이격된 거리[Δ(long)]에서 센서에 지향된 특정 스펙트럼 또는 파장 구성 요소[λ(spec)]가 유발될 수 있다.

이 같은 길이방향 오 정렬들은 또한 예를 들면 아래의 단계들에 의해 최소화 또는 제거될 수 있다: (a) 널리 알려진 특정 파장[λ(spec)]을 구비한 광이 분광계 상으로 투사될 수 있고; (b) 널리 알려진 파장[λ(spec)]을 감지하는 것을 보고하는 센서(s)(spec-sensing)의 인덱스/표시/로케이션이 기록될 수 있고; (c) 특정 파장[λ(spec)]을 실제로 감지하는 센서(s)(spec-sensing)와 이러한 λ(spec) 파장을 감지하도록 명목적으로 설계된 센서(s)(spec-design)가 결정될 수 있으며; 그리고 (d) 개별 센서[s(i)]들의 표시들/로케이션들과 개별 센서들에 의해 감지된 스펙트럼 구성 요소들의 파장 사이의 소통(correspondence) 또는 룩-업 테이블(look-up table)은 전체 센서 어레이(19)를 따른 이러한 측정된 Δ(long)에 따라 재교정될 수 있다. 소정의 경우들에서 스펙트럼 램프들 또는 수은, 나트륨, 또는 불활성 가스 램프들을 포함하는 공지된 원자 스펙트럼들을 구비한 다른 광원들은 이를 위해 사용될 수 있다.

도 3c는 측방향 오 정렬된 확산 스펙트럼(S)을 예시하며, 여기에서 확산 스펙트럼(S), 또는 광 시트는 센서 어레이(19)로부터 일정한 거리[Δ(lat)]에서 선형 센서 어레이(19)의 평면과 교차한다. 선형 어레이의 측방향 크기가 약 10 미크론일 수 있고, 스펙트럼 분산 요소(15) 및 검출기(19)를 분리하는 통상적인 거리가 약 0.1 미터=100,000 미크론이기 때문에, 스펙트럼 분산 요소가 10 미크론/100,000 미크론=0.1 mrad의 각도 정밀도로 정렬되는 경우, 스펙트럼 분산 요소(15)가 측방향 오 정렬[Δ(lat)]을 최소화하거나 제거할 수 있다.

이러한 0.1 mrad 정밀도는 이전에 언급된 바와 같이 각도 오 정렬을 제거할 수 있는 1 mrad 정밀도보다 10 배 더 조밀(tight)하다. 이 같은 0.1 mrad 정밀도는 통상적으로 그 조립체가 수동 조작들을 포함하는 분광계들이 접근하기 어렵다.

도 4a 및 도 4b는 유용하게는 센서 어레이와의 개선된 정렬을 제공할 수 있는 분광계의 다양한 실시예들을 예시한다.

도 4a는 스펙트럼 분산 광학 요소(120), 레비리지드-옵틱스 조정가능 편향기(140) 및 검출기 또는 센서 어레이(160)를 포함하는 분광계(100)의 일 실시예를 예시한다.

스펙트럼 분산 광학 요소(120)는 시준된 이미지 광을 수신하도록 그리고 수신된 이미지 광을 스펙트럼으로 분산하도록 구성될 수 있다. 이미지 광 또는 간섭 빔은 복귀된 이미지 빔 및 기준 빔으로부터 조합된, 스펙트럼 영역 광 간섭 단층 촬영(SD-OCT) 장치의 빔 스플리터(beam splitter)로부터 수신될 수 있다.

SD-OCT 장치들과 관련된 적용들이 본 특허 문서에서 더욱 상세하게 설명되었지만, 분광계(100)들은 또한 다른 광학 시스템들에서 넓은 사용 분야를 가질 수 있다. 또한, 분광계는 이미지화 타입 또는 비-이미지화 타입일 수 있다.

스펙트럼 분산 광학 요소(120)는 프리즘, 그레이팅, 회절률 종속 파장을 구비한 광학 요소, 투과 특성 종속 파장을 구비한 광학 요소 또는 편향 특성 종속 파장을 구비한 광학 요소를 포함할 수 있다.

검출기 또는 센서 어레이(160)는 스펙트럼 분산되고 조정가능하게 편향된 광을 수신하도록 구성될 수 있다. 센서 어레이(160)는 픽셀들, 전하-결합 검출기(CCD)들, 또는 검출된 광을 기초로 한 전기 신호를 발생하는 임의의 다른 타입의 센서들의 어레이를 포함할 수 있다. 검출기(160)는 또한 2차원 센서 어레이 및 검출기 카메라를 포함할 수 있다.

센서 어레이(160)를 포함하는, 분광계(100)의 광학 요소들 모두는 영구적인 비-가동 스테이지들에 본딩되거나 잠금될 수 있다. 이 같이 본딩된 설계들은 분광계의 유용한 장기 안정성 및 분광계의 성능을 보장한다. 위에서 설명된 바와 같이, 본딩된 요소 분광계들에서 선형 센서 어레이(160) 상으로 스펙트럼(S)을 가이드하고 선형 센서 어레이와 스펙트럼(S)을 정렬하기 위한 도전이 될 수 있지만, 조립 프로세스의 부정확도에 의해 도입된, 본딩들 및 잠금/클램핑 절차의 장착들의 기계적 변화들이 선형 센서 어레이(160)의 픽셀들의 높이 또는 폭을 초과하는 검출기에서 빔 위치를 이동시킬 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 사실 빔은 조립 및 교정에 대한 실질적인 도전들을 초래하는, 수 개의 다중 픽셀 폭 만큼 이동되거나 오프셋될 수 있다. 개별 광학 요소들의 변화로부터 축적되는 누적 에러 및 결과적인 측방향 오 정렬[Δ(lat)]은 수백 마이크로까지 추가될 수 있으며, 반면 개별 픽셀들의 폭은 통상적으로 단지 10 내지 20 미크론이며, 다시 분광계(100)의 측방향 정렬의 도전을 강조한다.

도 4a는 분광계(100)에서 이러한 설계 도전은 스펙트럼 분산 광을 조정가능하게 편향하도록 구성될 수 있는 레버리지드-옵틱스 조정가능 편향기(140)를 포함함으로써, 해결될 수 있다.

레버리지드-옵틱스 조정가능 편향기(140)의 양태들은 (a) 기계적 조정들이 레버리지되며, 그리고 (b) 레버리징(leveraging)은 기계적 대신 광학적인 것을 포함한다.

(a) 본 발명의 맥락에서 레버리징은 기계적 조정을 빔의 편향 각도의 매우 작은 조정으로 변환하거나 단계적으로 감소(down-stepping)하는 편향기(140)를 지칭할 수 있다. 예를 들면, 360도 만큼 편향기(140)의 장착 상의 기계적 조정자 스크류의 회전은 높은 기어율들 또는 다른 수단을 경유하여 느리게 회전하는 플랫포옴의 몇 도(a few degree) 회전과 같은, 중간 기계적 스테이지의 작은 기계적 이동으로 변환되거나 단계적으로 감소될 수 있다. 이러한 중간 기계적 스테이지는 단계적으로 감소하는 기계적 운동을 필적하는 광학 운동으로, 예를 들면 이에 따라 편향된 빔의 편향 각도를 변경하도록 소정의 몇 도들로 거울을 회전시킴으로써 변화될 수 있다.

이러한 시스템들은 조정들을 기계적으로 레버리징하거나 단계적으로 감소하여 조정자 스테이지의 더 큰 기계적 운동을 중간 기계적 스테이지의 더 작은 기계적 운동으로 변환하고, 그리고 이어서 중간 기계적 스테이지의 작은 기계적 운동을 동등하게 작은 광학 조정으로 변환한다.

그러나 단계적으로 감소되는 나사들, 기어들, 또는 레버 아암들이 이탈 및 오 정렬에 잘 저항할 수 없고 새로운 또는 부가 타입의 오 정렬의 소스가 될 수 있기 때문에, 중간 기계적 스테이지를 이용하는 기계적으로 단계적인 감소 시스템들은 장기 안정성의 도전들과 직면할 수 있다.

(b) 분광계(100)의 레버리지드-옵틱스 조정가능한 편향기(140)는 단계적인 감소/레버리징 중간 기계적 스테이지를 이용하지 않으면서 큰 기계적 조정들을 작은 광학 조정들로 변환할 수 있다. 이 같은 중간 기계적 레버리징 스테이지의 사용을 회피하는 것은 이탈 및 오 정렬의 문제점을 미연에 방지할 수 있어, 분광계 장기 작동 안정성 및 확실한 정렬을 제공한다.

몇몇 실시예들에서, 빔 편향 각도의 광학 발생 변화에 대한 기계적 조정의 각도의 비율은 10 또는 그 초과일 수 있으며, 다른 실시예들에서, 100 또는 그 초과일 수 있으며, 또 다른 실시예들에서 1,000 또는 그 초과일 수 있다.

몇몇 실행예들에서, 장기 안정성은 광학 조정에 대한 기계적 조정들의 비율이 1,000, 다른 실시예에서는 100 그리고 또 다른 실시예들에서는 10을 초과하지 않는 것을 확인함으로써 최적화될 수 있다.

레버리지드 옵틱스 조정가능한 편향기(140)는 조정가능한 투과 특성을 구비한 광학 요소 및 조정가능한 반사 특성을 구비한 광학 요소를 포함할 수 있다.

도 4b는 분광계(200)의 다른 실행예를 예시한다. 분광계(200)는 스펙트럼 분해 요소(230) 및 레버리지드-옵틱스 정렬 제어기(240)를 포함하는 스펙트럼 분산기(220)를 포함할 수 있다. 스펙트럼 분산기(220)는 분산된 스펙트럼을 검출기 또는 센서 어레이(260) 상으로 가이드할 수 있다. 스펙트럼 분해 요소(230)는 스펙트럼 분산 요소(120)와 유사할 수 있으며, 정렬 제어기(240)는 조정가능한 검출기(140)와 유사할 수 있으며, 그리고 검출기/센서-어레이(260)는 센서 어레이(160)와 유사할 수 있다.

도 4b는 스펙트럼 분해 요소(230) 및 정렬 제어기(240)가 함께 통합형 스펙트럼 분산기(220)를 형성할 수 있는 것을 예시한다. 예를 들면, 몇몇 실행예에서, 정렬 제어기(240)는 스펙트럼 분산기(220)의 광학 요소들 사이에서 실행될 수 있다.

도 5a는 도 4a 및 도 4b의 분광계들의 특정 실시예들을 예시한다. 도 5a의 분광계는 이미지 광을 시준된 광으로 전환하는 시준기(13) 및 스펙트럼으로 분산된 광을 검출기/센서 어레이(160) 상으로 포커싱하여 이미지화하는, 포커싱 렌즈(17)를 포함하는 이미지화 분광계일 수 있다.

이러한 실행예에서 레버리지드-옵틱스 조정가능 편향기(140)는 회전가능한 웨지 또는 프리즘(142)을 포함할 수 있다. 회전가능한 웨지 프리즘(142)은 선형 센서 어레이(160)에 대해 스펙트럼(S)의 로케이션을 변화시키거나 조정할 수 있으며 광학 소자들의 설치의 변화 또는 허용 오차 에러 또는 광학 요소들의 변화하는 작동 상태들에 의해 발생된, 측방향 오 정렬[Δ(lat)]을 보상하거나 제어할 수 있다.

작은 경사/웨지 각도를 구비한 회전가능한 웨지 또는 웨지 프리즘은 중간의 단계적 감소 기계적 스테이지를 이용하지 않고 대신 큰 기계적 조정을 직접 작은 광학 조정으로 변환하는 레버리징 또는 단계적 감소 메커니즘의 일 예이다. 예를 들면, 회전가능한 웨지 프리즘(142)의 큰 기계적 360도 회전은 중간의 기계적 단계적 감소 스테이지를 적용하지 않으면서, 웨지 각도에 따라 1도 또는 그 미만만큼 투과된 빔을 편향할 수 있다.

도 5b는 몇몇 실행예들에서 회전가능한 웨지 또는 웨지 프리즘이 시준기(13)와 웨지(142-1)로서 스펙트럼 분산 요소(120) 사이; 또는 스펙트럼 분산 요소(120)와 웨지(142-2)로서 포커싱 렌즈(17) 사이; 또는 포커싱 렌즈(17)와 웨지(142-3)로서 검출기(160) 사이와 같은, 광학 경로의 다양한 세그먼트들 내로 삽입될 수 있는 것을 예시한다. 다른 실행예들에서, 임의의 두 개 또는 심지어 모든 3개의 회전가능한 웨지(142-1, 142-2, 및 142-3)들이 삽입될 수 있다. 회전가능한 웨지가 스펙트럼 분산기(220)의 요소들 사이에 위치되는 이러한 실시예들은 도 4b의 분광계(200)의 실행예들로서 간주될 수 있다. 광학 경로의 상이한 세그먼트들에서 회전가능한 웨지(142)를 위치 설정하는 자유는 스펙트럼의 원하는 크기의 선형 변환을 충족하는 설계의 최적화를 허용한다.

도 6은 웨지 프리즘(142)의 회전이 측방향 확산 스펙트럼(S)의 원형 운동을 초래할 수 있는 것을 예시한다. 옵틱스의 분석은 최소 파장[λ(최소)] 및 최대 파장[λ(최대)]에 대응하는, 스펙트럼(S)의 개략적인 단부 지점들이 C(최소) 및 C(최대)로 표시된 원들 주위를 이동하는 것을 보여준다. 스펙트럼(S1 및 S2)들의 두 개의 극단 위치들, 및 대응적으로 원[C(최소) 및 C(최대)]들이 선형 센서 어레이(160)에 대해 비대칭일 수 있다.

제 1 검출기-빔-위치 범위[Δ(lat-편향기)]는 회전가능한 웨지 프리즘(142)에 의해 그리고 일반적으로 조정가능한 제어기(140 또는 240)에 의해 유발되고 제어된 측방향 오 정렬의 최대 크기, 또는 범위를 표시한다. 몇몇의 통상적인 실행예들에서, 이러한 제 1 검출기-빔-위치 범위[Δ(lat-편향기)]는 제 2 검출기-빔-위치 범위[Δ(lat-누적)]를 초과할 수 있고, 검출기(160)의 평면에서 빔 위치에 의해 스위핑된 측방향 범위는 분광계(100 또는 200)의 구성 요소들의 누적 위치-허용오차 범위와 관련된다.

앞에서 논의한 바와 같이, Δ(lat-누적)는 두 개 이상의 근원(origin)들을 가질 수 있다. 근원들 중 하나는 수동 조작들을 포함하는 조립 프로세스 동안 발생되는 분광계의 개별 요소들의 위치들의 변화 또는 허용오차 에러일 수 있다. 다른 근원은 분광계의 작동 온도, 또는 기계적 변형들 및 마모 및 파열과 같은 변화하는 작동 매개변수들일 수 있다.

분명히, 도 5a의 회전가능한 웨지(142)를 회전함으로써, 또는 일반적으로, 도 4a 및 도 4b의 조정가능한 편향기(140)를 조정함으로써, Δ(lat-편향기)가 Δ(lat-누적)보다 크기만 하면, 광학 요소들의 조립의 변화 또는 허용오차 에러에 의해 유발된 누적 오 정렬을 보상하고 스펙트럼(S)을 선형 센서 어레이(160) 상으로 역으로 변환하기 위해 편향기(140)를 조정하는 것이 가능하다.

동일한 사상에서, Δ(lat-편향기)가 작동 편향기-빔 위치 범위, 즉 분광계(100-200)의 작동 매개변수들을 변화함으로써 구동된 측방향 오 정렬들의 범위를 나타내는 Δ(lat-작동)보다 큰 경우, 이때 조정가능한 편향기(140)의 조정은 이러한 변화하는 작동 매개변수들에 의해 발생된 오 정렬들을 보상할 수 있다. 이 같은 변화하는 작동 매개변수들의 예들은 작동 온도들의 변경, 연장된 이용과 관련된 분광계의 잦은 마모-및 파열에 의한 작동 요소들의 위치 이탈, 및 예를 들면 분광계를 재위치, 이동, 또는 심지어 재설치의 도중에 작동 환경의 변화를 포함한다.

선택적으로 레버리지드 조정가능 편향기(140)를 적용하는 다른 장점은 분광계(100-200)들이 장기간 확실히 정렬되어 제 위치에 남아 있는 것인데, 이는 작은 웨지 각도를 갖는 얇은 웨지 프리즘(142)의 광학 정렬이 웨지(142)의 기울어짐 또는 변환에 민감하지 않기 때문이다. 웨지 프리즘(142)이 광학 빔 전파에 대해 실질적으로 수직한 빔 경로 내로 배치될 때, 단지 광학 축선 주위의 웨지(142)의 회전 또는 각도 정렬은 선형 센서 어레이(142)에 대해 스펙드럼(S)의 위치에 영향을 미친다. 조정가능한 편향기의 매개변수들이 0.1 mrad의 범위와 각도 정렬 제어를 제공하도록 조정가능한 편향기(140)의 매개변수들이 선택될 수 있다. 이 같은 설계에 의해, 조정가능한 편향기(140)는 선형 센서 어레이(160) 상으로 측방향 확산 스펙트럼(S)이 가이드될 수 있고, 반면 동시에 각도 정렬이 약 1 mrad의 허용 오차를 가질 때 편향기(140)의 심지어 더 큰 각도 오 정렬들이 각도 정렬에 불리한 영향을 미치지 않을 것이다. 따라서, 회전가능한 프레임과 같은, 가변 스테이지에서의 웨지 프리즘을 장착하고 측방향 정렬이 최적화될 때 웨지 프리즘을 클램핑하는 것은 분광계(100-200)의 정밀한 조정을 허용하며 반면 분광계(100-200)의 장기 안정성을 악화시키거나 희생시키지 않는다.

분광계(100 및 200)들의 몇몇 실행예들에서, 설계의 광 왜곡(optical distortion)은 또한 작은 웨지 각도 및 작은 두께를 구비한 웨지 프리즘(142)의 실행을 적용함으로써 최소화할 수 있다.

분광계(100 및 200)들의 몇몇 실행예들에서 조정가능한 편향기(140)에 의해 유발된 작동 빔 오 정렬은 편향기(160)의 오 정렬 허용오차보다 더 작을 수 있다.

분광계(100 및 200)들의 몇몇 실행예들에서, 조정가능한 편향기는 편향기의 종횡비보다 큰 각도 오 정렬을 도입하지 않으면서 스펙트럼 분산 광의 측방향 오 정렬을 보상하도록 구성될 수 있다.

본 명세서가 많은 상세 사항들을 포함하지만, 이들은 본 발명의 범위 또는 청구될 수 있는 것의 범위에 대한 제한들로서 해석되지 않아야 하며, 오히려 특별한 실시예들에 특정된 특징들의 설명들로서 해석되어야 한다. 별개의 실시예들의 맥락에서 본 명세서에서 기술된 특정 특징들은 또한 단일 실시예 내에서 조합되어 실행될 수 있다. 역으로, 단일 실시예의 맥락에서 기술된 다양한 특징들은 또한 다수의 실시예들에서 개별적으로 또는 임의의 적합한 하위조합으로 실행될 수 있다. 더욱이, 특징들이 특정 조합들 내에서 작용하는 것으로 위에서 기술되고, 심지어 초기에 그와 같이 청구될 수도 있지만, 청구된 조합으로부터 하나 또는 그 초과의 특징들이 일부 경우들에서 조합으로부터 삭제될 수 있고, 청구된 조합은 하위조합 또는 하위조합의 변형에 관한 것일 수 있다.

Claims

수신된 광을 스펙트럼으로 분산하도록 구성된 스펙트럼 분산 광학 요소;
상기 스펙트럼 분산된 광을 조정가능하게 편향하기 위한 레버리지드-옵틱스 조정가능한 편향기(leveraged-optics adjustable deflector); 및
상기 스펙트럼 분산되고 조정가능하게 편향된 광을 수신하기 위한 검출기 어레이를 포함하는,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 수신된 광은 복귀된 이미지 빔 및 기준 빔으로부터 조합된 간섭 빔을 포함하는,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 스펙트럼 분산 광학 요소는:
프리즘, 그레이팅(grating), 굴절률 종속 파장을 구비한 광학 요소, 투과 특성 종속 파장을 구비한 광학 요소 및 편향 특성 종속 파장을 구비한 광학 요소 중 하나 이상을 포함하는,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 검출기 어레이는:
선형 센서 어레이, 2차원 센서 어레이, 및 검출기 카메라를 포함하는,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 레버리지드 옵틱스 조정가능 검출기는 조정가능한 투과 특성 및 조정가능한 반사 특성 중 하나 이상을 구비한 광학 요소를 포함하며,
상기 조정가능한 편향기는 작은 광학 조정으로 광학적으로 레버리지되는 기계적 조정에 의해 조정가능한,
분광계.
제 5 항에 있어서,
상기 광학 조정의 각도에 대한 상기 기계적 조정의 각도의 비율이 10을 초과하는,
분광계.
제 6 항에 있어서,
상기 광학 조정의 각도에 대한 상기 기계적 조정의 각도의 비율이 100을 초과하는,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 광학 조정의 각도에 대한 상기 기계적 조정의 각도의 비율이 5를 초과하고 100 미만인,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 조정가능한 편향기는 하나 이상의 회전가능한 웨지형 광학 플레이트인,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 분광계는 이미지화 분광계이며,
상기 이미지화 분광계는:
상기 수신된 광을 평행 광으로 전환하는, 시준기; 및
상기 스펙트럼 분산 광을 상기 검출기 어레이 상으로 포커싱 및 이미지화하는 포커싱 렌즈를 포함하는,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 검출기의 편향-조정 범위와 관련된 제 1 검출기-빔-위치 범위가 상기 분광계의 구성 요소들의 누적 위치-허용오차 범위와 관련된 제 2 검출기-빔-위치 범위를 초과하는,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 검출기의 편향-조정 범위와 관련된 제 1 검출기-빔-위치 범위가 상기 분광계의 작동 검출기-빔-위치 범위를 초과하는,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 레버리지드-옵틱스 조정가능 편향기에 의해 유발되는 작동 빔 오 정렬은 상기 검출기의 오 정렬 허용오차보다 작은,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 조정가능한 편향기는 상기 검출기의 종횡비보다 더 큰 각도 오 정렬을 도입하지 않으면서 상기 스펙트럼 분산 광의 측방향 오 정렬을 보상하도록 구성되는,
분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 분광계는 알려진 파장 광을 이용하여 분광계의 센서들의 재교정을 통하여 길이 방향 오 정렬의 보상을 허용하도록 구성되는,
분광계.
스펙트럼 영역 광 간섭 단층 촬영(SD-OCT) 장치로서,
간섭 광을 수신하고 상기 간섭 광의 스펙트럼 구성 요소들을 측방향으로 분리함으로써 간섭 광 시트를 형성하도록 구성된 스펙트럼 분해기,
상이한 센서들에 의해 간섭 광 시트의 상이한 스펙트럼 구성 요소들을 검출하기 위한 센서 어레이, 및
상기 광 시트와 상기 센서 어레이의 정렬을 제어하기 위한 레버리지드 조정가능 정렬-제어기를 포함하는,
스펙트럼 영역 광 간섭 단층 촬영(SD-OCT) 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 정렬-제어기가 회전가능한 웨지형 프리즘을 포함하는,
스펙트럼 영역 광 간섭 단층 촬영(SD-OCT) 장치.
분광계로서,
이미지 광의 스펙트럼 구성 요소들을 측방향으로 분산하기 위한 스펙트럼 분산기;
상기 이미지 광의 스펙트럼 구성 요소들을 감지하기 위한 센서 어레이; 및
상기 분광계의 요소들의 위치 변화에 의한 누적 빔 위치 오 정렬을 보상할 수 있는 광학 레버리지드 정렬-제어기를 포함하는,
분광계.