KR20180018720A - 공통 경로 통합 저 가간섭성 간섭계법 시스템 및 그 방법 - Google Patents

공통 경로 통합 저 가간섭성 간섭계법 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

평면 광파 회로의 일부로서 적어도 부분적으로 통합되는 공통 경로 간섭계를 포함하는 저 가간섭성 간섭계법 이미징 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 이미징 시스템은 고도의 파장 감응성 컴포넌트의 포함 없이 통합된 광학장치에서 구현된다. 결과적으로, 그들은 종래 기술의 PLC 기반의 간섭계보다 더 적은 파장 의존성을 나타낸다. 또한, 본 발명의 공통 경로 간섭계 배열은 종래 기술의 PLC 기반의 간섭계를 괴롭히는 편광 및 파장 분산 효과를 방지한다. 여전히 또한, 통합된 공통 경로 간섭계는 다른 통합 간섭계보다 더 작고 덜 복잡한데, 이것은, 단일의 칩 상에 다수의 간섭계를 통합하는 것을 가능하게 만들고, 그에 의해 평면 파 병렬 OCT 시스템과 같은 다중 신호 시스템을 가능하게 한다.

Description

공통 경로 통합 저 가간섭성 간섭계법 시스템 및 그 방법{COMMON-PATH INTEGRATED LOW COHERENCE INTERFEROMETRY SYSTEM AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 일반적으로 표면 아래 이미징(sub-surface imaging)에 관한 것으로서, 특히, 광학적 가간섭성 단층 촬영(optical coherence tomographic), 광학 주파수 도메인 이미징(optical frequency domain imaging), 및 광학적 가간섭성 반사 이미징(optical coherence reflectance imaging)과 같은 저 가간섭성 간섭계법 이미징(low coherence interferometry imaging)에 관한 것이다.
샘플 표면 아래의 구조체를 검출 및 이미지화하는 능력은 많은 애플리케이션에서 바람직하다. 수년 동안, x 선 이미징이 표면 아래 구조를 이미지화하는 가장 널리 사용된 방법이었다; 그러나 x 선 이미징은 - 특히 의료 응용 분야에서 - 열악한 이미지 해상도 및 큰 선량 및/또는 누적된 노출로부터의 암의 증가된 위험과 같은 많은 결점을 가지고 있다. 이러한 결점은 광학적 가간섭성 단층 촬영법(optical coherence tomography; OCT)과 같은 대안적인 표면 아래 이미징 방법의 개발에 박차를 가하였다.
OCT는 생물학, 생물 의학, 의료 검진(medical screening) 및 시력 보호와 같은 분야에서 급속히 중요한 진단 도구가 되었다. 그것은, 손상을 주는 전리 방사선에 조직을 노출시키지 않고도, 생물학적 조직 내부의 미크론 크기의 마이크로구조체의 비침습적 이미징을 가능하게 하기 위해, 저 가간섭성 광학 간섭계를 활용한다. 또한, 그것의 상대적으로 저렴한 비용, 고해상도, 및 생체 내(in-vivo) 성능은, 그것을 매력적인 이미징 방법으로 만든다. 예를 들면, 시력 보호 분야에서, OCT는 인간의 안저(eye fundus)를 비침습적으로 이미지화하고, 그에 의해 황반 변성(macular degeneration), 녹내장(glaucoma), 색소성 망막염(retinitous pigmentosa), 및 등등과 같은 망막 병리(retinal pathology)의 진단을 용이하게 하기 위해 사용된다.
초기의 OCT 시스템은, 입력 광 신호가 기준 암(reference arm)과 샘플 암(sample arm)으로 분할되는 자유 공간 마이켈슨(Michelson) 간섭계의 상대적으로 간단한 구현에 기초한 시간 도메인 시스템이었다. 기준 암에서, 광은 이동 가능한 기준 미러를 향해 지향되는데, 미러가 스캔 길이를 따라 이동됨에 따라, 미러는 검출기를 향해 광을 연속적으로 반사한다. 기준 암의 순간 길이는 이 미러의 순간 위치에 의존한다. 샘플 암에서, 광은 제1 물점(object point)에서 샘플로 지향된다. 광은, 표면 아래의 구조적 피쳐와 같은 구조적 불연속성에 의해서만 물점으로부터 되반사된다. 기준 및 샘플 암으로부터의 복귀 신호는 빔 결합기에서 결합되어 검출기에서 간섭 패턴을 생성하는 신호를 형성한다. 기준 암 및 샘플 암의 각각에서 동일한 거리를 이동하는 광은 구조적으로 재결합하여, 제1 물점에서의 표면 및 표면 아래의 구조적 피쳐의 깊이에 대응하는 고강도 신호를 형성한다. 개개의 물점의 깊이의 이 일차원 축방향 스캔은 통상적으로 "A 스캔"으로 칭해진다. 복수의 물점의 각각에서 A 스캔을 수행하는 것에 의해, 샘플의 구조체의 이차원 또는 삼차원 이미지가 개발될 수 있다.
불행히도, 초기의 시간 도메인 OCT 기술은 유망하였지만, 그들의 복잡성 및 시간 집약적인 성질은 그들의 광범위한 채택을 제한하도록 기능하였다. 결과적으로, 향상된 감도를 가지고 더 빠른 이미징을 가능하게 하는, 소인 소스 OCT(Swept-source OCT; SS-OCT) 및 스펙트럼 도메인 OCT(spectral-domain OCT; SD-OCT)를 포함하는 대안적인 푸리에 도메인(Fourier-domain) OCT 접근법이 개발되었다.
SS-OCT에서, 간섭계 신호(interferometric signal)는 미러 위치보다는 파장의 함수로서 검출기에 의해 샘플링된다. 통상적으로, 샘플의 물점은, 일정 범위의 광학 주파수(즉, 소인 소스(swept source))를 소인하는(sweep) 광원으로 조사된다(interrogated). 결과적으로, 물점은 광학 주파수가 시간의 함수인 단색 광의 빔으로 조명된다. 이것은, 강도 대 파수 k(k는 파장의 역수에 비례함)의 간섭계 신호로 나타난다. 그 다음, 간섭계 신호를 강도 대 깊이의 플롯으로 변환하기 위해, 푸리에 변환(Fourier transform)으로 칭해지는 수학적 알고리즘이 사용된다.
SD-OCT에서, 물점은 넓은 스펙트럼 광으로 조사된다. 물점으로부터 반사되는 광은, 복수의 파장 성분의 각각에 대해 상이한 출력 신호를 동시에 제공하는 일 열의 검출기를 따라 파장에 의해 분산된다. 결과적으로, 물점 내의 많은 깊이로부터 정보가 동시에 수집되고, 이 정보를 강도 대 깊이의 플롯으로 변환하기 위해, 푸리에 변환 연산이 사용될 수 있다.
역사적으로, 대부분의 OCT 시스템의 간섭계 부분은 벌크 광학장치(bulk optics), 광섬유, 또는 이 둘의 조합에 기초하기에, 이러한 OCT 시스템을 상대적으로 대형이며 비싸게 만든다. 그러나, 통합된 광학장치(integrated optics)에 기초한 간섭계는 OCT 시스템의 사이즈 및 비용을 줄이는 방식을 제공한다.
통합된 광학장치는, 광 도파관이 기판의 표면 상에 형성되는 공지된 기술이다. 이들 "표면 도파관"은 통상적으로 제1 재료의 굴절률보다 더 낮은 굴절률을 갖는 제2 재료에 의해 둘러싸인 제1 재료의 코어를 포함한다. 재료 사이의 계면에서의 굴절률의 변화는, 코어를 통해 전파하는 광의 반사를 가능하게 하고, 그에 의해 광을 도파관의 길이를 따라 안내하게 된다. 평면 광파 회로(planar lightwave circuit; PLC)로 일반적으로 칭해지는 표면 도파관의 배열은, 작은 영역 내에서의 광학 신호의 라우팅뿐만 아니라, 자유 공간 또는 광섬유 기반 시스템에서는 달성하기 어려울 수 있는 복잡한 광학적 기능성을 가능하게 한다.
PLC 기반의 간섭계를 포함하는 OCT 시스템의 예는, Akca, 등에 의한, "Toward Spectral-Domain Optical Coherence Tomography on a Chip", IEEE J. of Sel. Topics in Quantum Elect., Vol. 18, pp. 1223-1233 (2012) 및 "Miniature spectrometer and beam splitter for an optical coherence tomography on a silicon chip", Optics Express, Vol. 21, pp. 16648-16656 (2013)에서, Nguyen 등에 의한, "Integrated-optics-based swept-source optical coherence tomography", Optics Letters, Vol. 36, pp. 1293-1295 (2011) 및 "Optical coherence tomography imaging with an integrated optics spectrometer", Optics Letters, Vol. 37, pp. 4820-4822 (2012)에서, 그리고 Yurtsever 등에 의한, "Ultra-compact silicon photonic integrated interferometer for swept-source optical coherence tomography", Optics Letters, Vol. 39, pp. 5228-5231 (2014)에서 설명된다.
이들 PLC 기반의 간섭계가 벌크 광학장치 기반 OCT 시스템보다 훨씬 더 작은 OCT 시스템을 가능하게 하지만, 그들은, 상당한 파장 의존성이 있는 컴포넌트(예를 들면, 방향성 커플러, 등등)를 필요로 한다. 이것은 시스템 성능을 저하시킬 수 있고 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio; SNR) 및/또는 콘트라스트 대 잡음비(contrast-to-noise ratio; CNR)를 감소시킬 수 있다. 또한, 설명되는 마이켈슨 또는 마하 젠더(Mach-Zehnder) 간섭계 배열(interferometer arrangement)은, 통상적으로, 그들의 샘플 암과 기준 암 사이에서 큰 색 분산 및 편광 불일치를 나타낸다. 이들 불일치가 광섬유 기반 간섭계 시스템에서 보상될 수 있지만, PLC 기반의 시스템에서 그들을 보상하는 것은 상당한 도전 과제일 수 있다.
결과적으로, 상당한 파장 의존성 없이 양호한 시스템 성능을 가능하게 하는 표면 아래 이미징에 대한 PLC 기반의 접근법에 대한 필요성이 남아 있다.
본 발명은 종래 기술에 공지된 표면 아래 이미징 시스템에 비해 향상된 성능을 갖는 저비용이고 소형의 통합된 표면 아래 이미징 시스템을 가능하게 한다. 본 발명의 실시형태는, 광학적 가간섭성 단층 촬영법, 광학적 가간섭성 반사측정법(optical coherence reflectometry), 광 주파수 도메인 이미징, 및 등등과 같은 저 가간섭성 간섭계법 애플리케이션에서 사용하기에 특히 잘 적합된다.
본 발명의 실시형태는, 통합된 광학장치 기술에 기초한 공통 경로 간섭계(common-path interferometer)를 포함하는 표면 아래 이미징 시스템이다. 종래 기술의 PLC 기반의 간섭계와는 대조적으로, 본 발명의 실시형태는 고도의 파장 감응성 통합 광학장치 컴포넌트(wavelength-sensitive integrated-optics component)의 포함없이 구현된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 간섭계는 종래 기술의 PLC 기반의 간섭계와 비교하여 감소된 파장 의존성을 나타낸다. 또한, 본 발명의 공통 경로 간섭계 배열은 마이켈슨 간섭계 또는 마하 젠더 간섭계 중 어느 하나에 기초한 종래 기술의 PLC 기반의 간섭계를 괴롭히는 편광 및 파장 분산 효과를 방지한다.
본 발명의 예시적인 실시형태는, 소스, PLC 기반의 간섭계, 스캐닝 미러, 기준면으로서 사용하기에 적합한 반사기, 및 검출기를 포함하는 SD-OCT 시스템이다. 간섭계는, 하류(즉, 여기) 광 및 상류(즉, 후방 반사된) 광에 대한 개별 경로를 포함하는 공통 경로 배열로 배열된다. 결과적으로, 방향성 커플러가 입력 광을 별개의 기준 암 및 샘플 암으로 분리할 필요가 없으며 간섭계의 기준 신호 및 샘플 신호는 PLC를 통과하는 공통 경로를 공유한다. 또한, 샘플에 의해 반사되는 광은 수집 도파관에 의해 검출기로 직접적으로 전달되고, 서큘레이터 또는 방향성 커플러에 대한 필요성을 다시금 없앤다. 지향성 커플러 및/또는 서큘레이터의 사용을 방지하는 것에 의해, 파장에 대한 감도가 완화된다.
예시적인 실시형태에서, 소스는 광대역 수퍼 루미네슨트 발광 다이오드(wide-band super-luminescent light-emitting diode)를 포함하고, 수집 도파관은 반사된 광 신호의 파장 성분을, 검출기에 포함되는 광검출기의 일차원 어레이 상으로 공간적으로 분산시키기 위한 소형 분광계를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 소스는, 일정 범위의 파장을 통해 협파장 샘플 신호를 반복적으로 소인하는(sweep) 소인 소스이다. 이러한 실시형태에서, 광원의 스펙트럼이 시간적으로 순차적으로 스캔되기 때문에, 분광계는 필요로 되지 않는다. 결과적으로, 이들 실시형태는 단일의 고속 광검출기만을 필요로 한다. 몇몇 실시형태에서, 검출기는 균형이 맞춰진 검출 구성(balanced detection configuration)에서 두 개의 고속 광검출기를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 반사기는 하나의 차원을 따른 등급이 나눠진 반사율(graded reflectivity)에 의해 특성 묘사되고, 기준 표면에 의해 상류 방향에서 반사되는 광의 양을 제어하기 위해 샘플 신호에 대한 자신의 위치가 제어된다.
몇몇 실시형태에서, 간섭계는 상류 및 하류 광에 대한 단일 경로와 결합되는 y 스플리터를 갖는 통합된 광학장치 칩(integrated-optics chip)을 포함하는데, 이 경우, y 스플리터는 소스 및 검출기의 각각을 단일 경로에 광학적으로 커플링한다.
본 발명의 한 실시형태는, 샘플상의 복수의 물점을 동시에 조사하는 복수의 공통 경로 간섭계를 포함한다. 각각의 간섭계는 PLC 모듈의 적어도 하나의 표면 도파관을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, PLC 모듈은, 입력 광학 신호를 복수의 자유 공간 광학 신호로 분배하는 표면 도파관의 분배 네트워크를 포함한다. 각각의 자유 공간 광학 신호는, 자신의 에너지를 기준 신호 및 상이한 물점을 향해 지향되는 샘플 신호로 분배하는 반사기에 입사된다. 각각의 샘플 신호 및 그 각각의 물점의 상호 작용은 산란 신호를 발생시키는데, 산란 신호는 자신의 대응하는 기준 신호와 결합되고 간섭계 신호로서 PLC 모듈의 표면 도파관으로 커플링된다. 각각의 간섭계 신호는, 자신의 각각의 물점의 구조적 피쳐에 기초하는 파장 신호를 포함한다. 각각의 간섭계 신호의 파장 신호는 검출되어 자신의 각각의 물점에 대한 A 스캔을 생성하기 위해 사용된다. 몇몇 실시형태에서, 분배 네트워크의 표면 도파관은, 비선형 룰러(non-linear ruler)를 정의하는 성긴 배열(sparse arrangement)로 배열된다. 이들 실시형태 중 일부에서, 기준 신호 및 산란 신호는 PLC 모듈의 수집 네트워크에서 수신되는데, 이 경우, 수집 네트워크는 분배 네트워크의 것과 매치하는 비선형 룰러를 정의하도록 배열되는 복수의 표면 도파관을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, PLC 모듈은 표면 도파관의 분배 네트워크 및 표면 도파관의 수집 네트워크를 포함한다. 분배 네트워크는 평면 파와 같은 복합 샘플 신호(composite sample signal)를 집합적으로 정의하는 복수의 샘플 신호를 제공한다. 복수의 샘플 신호의 각각의 위상은, 복합 샘플 신호의 형상 및/또는 전파 방향을 정의하도록 위상 컨트롤러에 의해 제어된다. 복합 샘플 신호는 샘플의 영역으로 향해 지향되는데, 샘플의 영역은 그 영역의 구조적 피쳐에 기초하는 산란 에너지로 복합 샘플 신호를 산란한다. 산란 에너지는 복수의 산란 신호로서 수집 네트워크의 표면 도파관에 커플링되는데, 복수의 산란 신호는, 그 다음, 복수의 검출기 엘리먼트로 제공되고, 복수의 검출기 엘리먼트의 각각은 프로세서에 출력 신호를 제공하고, 프로세서는 복수의 출력 신호에 기초하여 샘플 영역의 구조체의 추정치를 생성한다. 몇몇 실시형태에서, 복수의 샘플 신호의 위상은 상이한 복합 샘플 신호로 샘플 영역을 조사하기 위해 다수 회 변경된다. 이것은, 프로세서가 샘플 영역의 구조적 피쳐의 합성 추정치(compound estimate)를 생성하는 것을 가능하게 하고, 그에 의해 추정치의 정확도를 향상시키게 된다.
본 발명의 실시형태는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(low coherence interferometry; LCI) 시스템인데, LCI 시스템은 제1 샘플 신호로 샘플의 제1 물점을 조사하도록 동작하는 광학 시스템을 포함하고, 광학 시스템은: 입력 광학 신호를 제공하기 위한 소스; 입력 광학 신호를 수신하도록 그리고 입력 광학 신호에 기초하는 제1 광학 신호를 제공하도록 동작하는 평면 광파 회로(planar lightwave circuit; PLC) 모듈 - PLC 모듈은 제1 면(facet)을 갖는 제1 표면 도파관을 포함함 - ; 제1 광학 신호를 제1 기준 신호 및 제1 샘플 신호로 분배하도록 치수가 정해지고 배열되는 반사기를 포함하고; 소스, PLC 모듈 및 반사기는, PLC 모듈에 포함되는 적어도 하나의 표면 도파관을 포함하는 제1 공통 경로를 제1 기준 신호 및 제1 샘플 신호가 공유하는 공통 경로 간섭계인 제1 간섭계의 일부를 집합적으로 정의하고; 그리고 PLC 모듈, 반사기, 및 샘플은, 제1 면이 제1 기준 신호 및 제1 산란 신호 - 제1 산란 신호는, 제1 물점의 적어도 하나의 구조적 피쳐 및 제1 샘플 신호에 기초하는 제1 복수의 파장 신호를 포함함 - 를 제1 간섭계 신호로서 제1 표면 도파관 안으로 커플링하도록 배열된다.
본 발명의 다른 실시형태는 샘플의 이미지를 형성하기 위한 광학 시스템인데, LCI 시스템은, (1) 입력 광학 신호를 제공하기 위한 소스; 및 (2) 평면 광파 회로(PLC) 모듈을 포함하고, PLC 모듈은: (i) 입력면에서 입력 광학 신호를 수신하도록 그리고 입력 광학 신호를, 복수의 방출면에서 복수의 제1 광학 신호로 분배하도록 치수가 정해지고 배열되는 제1 복수의 표면 도파관을 포함하는 분배 네트워크 - 복수의 제1 광학 신호는 집합적으로 복합 광학 신호를 정의하고, 분배 네트워크는 복수의 제1 광학 신호 중 적어도 하나의 위상을 제어하도록 동작하고, 또한 복합 광학 신호의 형상 및 전파 방향 중 적어도 하나는 복수의 제1 광학 신호 중 적어도 하나의 위상에 기초함 - ; 및 (ii) 샘플로부터 수신되는 광학적 에너지를, 복수의 산란 신호로서, 제2 복수의 표면 도파관 안으로 커플링하도록 치수가 정해지고 배열되는 복수의 수집면을 구비하는 제2 복수의 표면 도파관을 포함하는 수집 네트워크를 포함하고; 샘플로부터 수신되는 광학적 에너지는, 복합 광학 신호 및 샘플의 적어도 하나의 구조적 피쳐에 기초한다.
본 발명의 다른 실시형태는 샘플의 이미지를 형성하기 위한 방법인데, 그 방법은: 제1 면을 구비하는 제1 표면 도파관을 포함하는 평면 광파 회로(PLC) 모듈 - PLC 모듈은 입력 광학 신호를 수신하고 입력 광학 신호에 기초하는 제1 광학 신호를 제공함 - 을 제공하는 것; 제1 광학 신호에 대해 부분적으로 투과성인 반사기 - PLC 모듈 및 반사기는 제1 기준 신호 및 제1 샘플 신호에 대한 제1 공통 경로를 갖는 제1 공통 경로 간섭계의 적어도 일부를 집합적으로 정의하도록 배열되고, 반사기는 PLC 모듈로부터 제1 광학 신호를 수신함 - 를 제공하는 것; 제1 광학 신호를 반사기에서 제1 기준 신호 및 제1 샘플 신호로 분배하는 것; 제1 샘플 신호로 샘플의 제1 물점을 조사하여, 제1 물점의 적어도 하나의 구조적 피쳐 및 제1 샘플 신호에 기초하는 제1 복수의 파장 신호를 갖는 제1 산란 신호를 생성하는 것; 제1 기준 신호 및 제1 산란 신호의 각각을 제1 면에서 제1 표면 도파관 안으로 커플링하여, 제1 복수의 파장 신호를 포함하는 제1 간섭계 신호를 형성하는 것; 및 제1 복수의 파장 신호에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 것을 포함한다.
도 1a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 이미징 시스템의 개략도를 묘사한다.
도 1b는 테스트 중인 샘플(즉, 샘플(108))의 영역의 상면도의 개략도를 묘사한다.
도 2는 예시적인 실시형태에 따른 광학 시스템의 개략도를 묘사한다.
도 3은 벌크 광학장치 파장 분산 엘리먼트를 포함하는 대안적인 공통 경로의 PLC 기반의 광학 시스템(common-path, PLC-based optical system)의 개략도를 묘사한다.
도 4는 본 발명의 실시형태에서 사용하기에 적합한 대안적인 공통 경로 간섭계 PLC 모듈(common-path-interferometer PLC module)의 개략도를 묘사한다.
도 5a 및 도 5b는, 각각, PLC 모듈(302 및 400)에 기초한 SS-OCT 시스템의 예를 묘사한다.
도 5c는 입력 신호(506)를 묘사한다.
도 6은 본 발명의 제1 대안적인 실시형태에 따른 다중 신호 LCI 시스템의 개략도를 묘사한다.
도 7a는 분배 네트워크(608)의 개략도를 묘사한다.
도 7b는 수집 네트워크(610)의 개략도를 묘사한다.
도 7c는 PLC 모듈(602)의 분해 측면도이다.
도 7d 및 도 7e는 본 발명의 대안적인 실시형태에 따른 분배 네트워크 및 수집 네트워크의 개략도를 각각 묘사한다.
도 8은 본 발명의 제1 대안적인 실시형태에서 사용하기에 적합한 대안적인 PLC 모듈을 묘사한다.
도 9는 본 발명의 제2 대안적인 실시형태에 따른 다중 신호 LCI 시스템의 개략도를 묘사한다.
도 10은 분배 네트워크(904)의 개략도를 묘사한다.
도 11은 일련의 P 개의 상이한 합성 광학 신호로 스캔 영역을 조사하기 위한 방법의 동작을 묘사한다.
도 12는 본 발명의 제2 대안적인 실시형태에 따른 위상 컨트롤러의 단면도의 개략도를 묘사한다.
도 13a는 평면 파(906-i)를 사용한 스캔 영역(122)의 조사 동안의 스캔 영역(122)의 개략도를 묘사하는데, 이 경우, 평면 파(906-i)는 표면(126)에 대해 실질적으로 수직이다(즉, θi = 0).
도 13b는, 스캔 영역(122) 내의 위치(x1, z1)에 위치되는 대표적인 구조적 피쳐(1302-1)에 의해 산란되는 평면 파(906-i)의 에너지에 대한 전파 경로를 묘사한다.
도 13c는 스캔 영역(122) 내의 위치(x1, z1)에 위치되는 대표적인 구조적 피쳐(1302-1)에 의해 산란됨에 따라, 각도 α로 기울어진 평면 파(906-i)의 에너지에 대한 전파 경로를 묘사한다.
도 1a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 이미징 시스템의 개략도를 묘사한다. 시스템(100)은 광학 시스템(102), 프로세서(104), 및 정렬 시스템(106)을 포함하는 저 가간섭성 간섭계법 시스템이다. 시스템(100)은 샘플 영역의 구조체의 삼차원 이미지를 생성하도록 동작하는 OCT 시스템이다.
저 가간섭성 간섭계법(low coherence interferometry; LCI)은, 광학적 가간섭성 단층 촬영법(OCT), 광학적 가간섭성 반사측정법, 부분 가간섭성 반사측정법, 광학 주파수 도메인 이미징, 및 등등 - 이들 모두는 저 가간섭성 조명 하에서 동작되는 간섭계를 포함하는 실질적으로 동일한 기본 측정 셋업을 구비함 - 을 포함하는 여러 타입의 이미징 접근법을 포괄한다는 것을 유의해야 한다. LCI 시스템은 의료 이미징, 전기장 또는 자기장, 압력, 가속, 유량, 등등의 측정을 포함하는 상이한 분야에 연구 및 적용되었는데, OCT 시스템은 LCI 시스템 중에서 가장 범용적이다. 비록 예시적인 실시형태가 OCT 시스템이지만, 본 명세서를 읽은 후에, 광학적 가간섭성 반사측정법과 같은 상이한 LCI 접근법을 구현하는 본 발명의 대안적인 실시형태를 명시하고(specify), 제조하고, 사용하는 법이 기술 분야에서 숙련된 자에게는 명백할 것이다.
도 1b는 테스트 중인 샘플(즉, 샘플(108))의 영역의 상면도의 개략도를 묘사한다. 도 1b는 도 1a의 a-a 뷰를 따라 취해진 샘플(108)의 표면(126)의 뷰를 묘사한다. 영역(120)은 스캔 영역(122-1 내지 122-N)을 포함한다. 스캔 영역(122-1 내지 122-N)(총칭하여 스캔 영역(122)이라 함)의 각각은, M 개의 물점(124)(즉, 물점(124-1 내지 124-M))을 포함하고, 하기에서 그리고 도 2와 관련하여 논의되는 바와 같이, 광학 시스템(102)에 의해 수행되는 B 스캔의 영역과 실질적으로 동일한 사이즈를 갖는다. 스캔 영역(122)의 각각의 영역은, 하나의 차원에서는, 각각의 물점(즉, A 스캔의 사이즈)을 조사하기 위해 사용되는 신호의 직경에 의해, 그리고, 다른 차원에서는, 샘플 신호(110)가 스캔되는 거리에 의해 정의된다.
광학 시스템(102)은 스펙트럼 도메인 광학적 가간섭성 단층 촬영법(spectral-domain optical coherence tomography; SD-OCT) 시스템의 통합된 광학장치 기반의(즉, PLC 기반의) 광학 엔진이다. 광학 시스템(102)은 하기에서 그리고 도 2와 관련하여 상세히 설명된다.
프로세서(104)는, 다른 것들 중에서도, 영역(120) 내의 각각의 물점의 조사를 가능하게 하기 위해 광학 시스템(102)과 정렬 시스템(106) 사이의 정렬을 제어할 수 있는, 물점의 조사에 의해 생성되는 출력 신호를 프로세싱할 수 있는, 그리고 프로세싱된 출력 신호에 기초하여 영역의 구조적 이미지를 전개할 수 있는 종래의 프로세싱 시스템이다.
정렬 시스템(106)은, 광학 시스템(102) 및 샘플(108)의 상대적인 위치를 집합적으로 제어하는 병진 스테이지(translation stage; 116) 및 스캐너(118)를 포함한다.
병진 스테이지(116)는, 프로세서(104)로부터의 제어 신호에 응답하여 광학 시스템(102)을 스캔 영역(122-1 내지 122-N)의 각각과 정렬하도록 동작하는 종래의 병진 스테이지이다.
스캐너(118)는, 광학 시스템(102)이 스캔 영역 내의 각각의 물점(124)을 조사하는 것을 가능하게 하기 위해, 스캔 영역의 길이를 따라 샘플 신호(110)를 스캔하도록 동작하는 단일 축 회전 미러이다. 몇몇 실시형태에서, 스캐너(118)는 샘플(108) 상의 경로를 따라 광을 소인하기에 적합한 상이한 스캐닝 엘리먼트를 포함한다. 본 발명에서 사용하기에 적합한 스캐너는 1 축 또는 2 축 스캐닝 미러, 1 또는 2 축 MEMS 미러, 1 또는 2 축 미러 검류계(galvanometer), 및 등등을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되는 것은 아니다.
동작에서, 병진 스테이지(116)는 광학 시스템(102)을 영역(120) 내의 N 개의 스캔 영역(122)의 각각과 순차적으로 정렬시킨다. 광학 시스템(102)이 스캔 영역과 정렬되는 동안, 스캐너(118)는 스캔 영역의 폭을 가로 질러 샘플 신호(110)를 스캔하여 스캔 영역의 M 개의 물점(124)의 각각을 순차적으로 조사한다. 스캔 영역 내의 모든 물점을 스캔한 이후, 병진 스테이지(116)는 다음 스캔 영역의 조사를 가능하게 하기 위해 광학 시스템 및 샘플의 상대적인 위치를 파악한다(index). 이 프로세스는, 광학 시스템(102)이 영역(120) 내의 M×N 개의 물점(124) 모두를 조사할 때까지 반복된다.
기술 분야에서 숙련된 자는, 정렬 시스템(106)의 스캐너 및 병진 스테이지의 조합이 광학 시스템(102) 및 샘플(108)을 정렬하기에 적합한 시스템의 단지 하나의 예를 나타내는 것에 불과하다는 것, 및 그들 사이의 광학 경로를 변경하기 위한 스캐닝 미러, 다축 병진 스테이지, 다중 자유도 정렬 스테이지, 광학 시스템 및 샘플 중 하나 또는 둘 모두의 수동 위치 결정, 및 등등과 같은 무수한 대안예가 본 발명의 범위 내에 존재한다는 것을 인식할 것이다. 몇몇 실시형태에서, 스캐너(118)는 포함되지 않고 샘플 신호(110)는 광학 시스템(102)으로부터 직접적으로 테스트 중인 물점으로 직접(통상적으로 하나 이상의 개재하는 렌즈를 통해) 전파한다.
통합된 광학장치 기반의 공통 경로 간섭계를 포함하는 광학 시스템을 활용하는 것이 종래 기술의 LCI 이미징 시스템에 비해 중요한 이점을 갖는 본 발명의 실시형태를 제공한다는 점은 본 발명의 한 양태이다. 첨부된 청구범위를 비롯한, 본 명세서의 목적을 위해, "공통 경로 간섭계"는, 샘플 암 및 기준 암이 동일한 광학 경로를 공유하는 간섭계 배열로서 정의된다. 공통 경로 간섭계 기반의 OCT 시스템이 종래 기술에서 알려져 있지만, 통합된 광학 플랫폼에서 이들을 구현하는 것과 관련되는 도전 과제는 중요하다. 구체적으로, (광섬유에 비교했을 때) 표면 도파관과 관련되는 높은 전파 손실, 광대역 스플리터 및 서큘레이터와 같은 성숙한(mature) 핵심 통합 광학장치 컴포넌트의 결여는, PLC 기반의 공통 경로 간섭계를 지금까지 비실용적이게 만들었다. 결과적으로, 지금까지, PLC 기반의 OCT 시스템은 마이켈슨 또는 마하 젠더 간섭계에만 기초하였으며 공통 경로 간섭계 기반의 OCT 시스템은 추구되지 않았다.
그러나, 간섭계의 광학 경로에서 파장 감응성 도파관 엘리먼트 및 미성숙(immature) 도파관 엘리먼트를 배제하는 비일반적인 대안적 회로 레이아웃을 활용하는 것에 의해 실용적인 공통 경로 간섭계가 통합된 광학장치 플랫폼에서 구현될 수 있다는 것이 본 발명의 양태이다. 또한, 종래 기술의 LCI 이미징 시스템에 내재하는 문제점을 완화시키는 것 외에도, 파장에 민감한 컴포넌트가 없는 본 발명의 실시형태는, 광대역 구현예(예를 들면, SD-OCT 시스템) 및 소인 파장 구현예(예를 들면, SS-OCT 시스템)를 비롯한, 사실상 임의의 LCI 시스템에서의 사용에 적합하다. 이것은, 상이한 파장에 대해 극적으로 변하는 커플링 특성을 통상적으로 구비하는 방향성 커플러를 포함하는 종래 기술의 간섭계 배열에 비해 현저한 이점을 나타낸다.
도 2는 예시적인 실시형태에 따른 광학 시스템의 개략도를 묘사한다. 광학 시스템(102)은, SD-OCT에 적합한 공통 경로 간섭계를 정의하도록 배열되는 소스(202), 평면 광파 회로 모듈(204), 렌즈(206-1 내지 206-3), 반사기(208), 및 검출기(210)를 포함한다.
소스(202)는, PLC 모듈(204)과 광학적으로 커플링되는 수퍼 루미네슨트 발광 다이오드(light-emitting diode; LED)를 포함하는 광대역 광원이다. 소스(202)는, 소망하는 축 방향 해상도를 가능하게 하기에 충분히 넓은 연속적인 파장 범위를 PLC 모듈(204)이 가지도록 입력 신호(212)를 제공한다. 예시적인 실시 예에서, 입력 신호 (212)의 파장 범위는 대략 1300 나노미터(nm)에 집중되고, 대략 40nm의 반치전폭(full-width-at-half-maximum; FWHM)을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 소스(202)는 상이한 중심 파장 및/또는 상이한 FWHM을 갖는 입력 신호를 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 소스(202)는 수퍼 루미네슨트 LED 이외의 종래의 광대역 광원이다.
소스(202)는, 입력 신호(212)를 PLC 모듈(204) 안으로 진출시키도록, 진입면(entry facet; 220)과 광학적으로 커플링된다. 몇몇 실시형태에서, 소스 안으로의 역 반사 또는 다른 광 신호의 커플링을 완화하기 위해, 광학 분리기가 소스(202)의 일부로서 또는 소스(202)와 PLC 모듈(204) 사이에 포함된다.
PLC 모듈(204)은, 방출 도파관(emission waveguide; 216), 수집 도파관(218), 분산기(214), 및 출력 도파관(output waveguide; 238-1 내지 238-P)을 포함하는 채널 타입 표면 도파관의 배열을 포함하는 통합된 광학장치 칩이다. 몇몇 실시형태에서, PLC 모듈(204)은 하나 이상의 통합된 광학장치 칩을 포함한다. 방출 도파관(216)은 진입면(220) 및 방출면(222)을 포함한다. 수집 도파관(218)은 수집면(224) 및 출사면(exit facet; 226)을 포함한다. 방출 도파관(216) 및 수집 도파관(218)은, 그들이 방출면(216) 및 수집면(218)에서 발산 방향을 따라 광을 방출 및 수집하도록 배열된다. 몇몇 실시형태에서, 도파관 및/또는 그들의 면(facet)은, 방출 도파관(216) 안으로의 광의 커플링을 완화하도록 조정되지 않는다. 방출 및 수집 도파관, 방출면, 및 수집면의 배열은 광학 시스템(102)의 전체에 의존하며; 따라서, 그들의 치수, 간격, 및 방위는 본 발명의 각각의 실시형태에 대한 설계 선택의 문제이다는 것을 유의해야 한다. 첨부된 청구범위를 비롯한, 본 명세서의 목적을 위해, 용어 "표면 도파관"은, 제1 재료의 굴절률보다 더 낮은 굴절률을 갖는 제2 재료에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 제1 재료의 코어를 포함하는 광학 도파관으로서 정의되는데, 이 경우, 코어와 그 주변 재료 사이의 계면에서의 굴절률의 변화는, 코어를 통해 전파하는 광의 반사를 가능하게 하고, 그에 의해, 표면 도파관의 길이를 따라 광을 안내한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 표면 도파관은, 도파관, 채널 도파관, 리지(ridge) 도파관, 박스 도파관, 및 등등과 같은 통합된 광학장치 기반 도파관에 대한 다른 일반적으로 사용되는 이름을 포함하도록 의도된다.
방출 도파관(216) 및 수집 도파관(218)의 각각은, 전파 손실이 거의 없이 입력 신호(212)를 전달하기에 적합한 표면 도파관 구조체를 포함한다. 기술 분야에서 숙련된 자는, 본 명세서를 읽은 후에, 다른 요인들 중에서도, 채널 도파관의 특정한 설계뿐만 아니라, 그들의 구성 재료가 입력 신호(212)에 포함되는 파장에 의존한다는 것을 인식할 것이다. PLC 모듈(204)에서 사용하기에 적합한 재료는, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 실리콘, 게르마늄, 화합물 반도체, 유리, 및 등등을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 또한, 비록 예시적인 실시형태가, 채널 도파관인 표면 도파관을 포함하지만, 본 명세서를 읽은 후에, 통합된 광학장치 칩이 채널 도파관 이외의 적어도 하나의 표면 도파관을 포함하는 대안적인 실시형태를 명시하고, 제조하고, 사용하는 법이 기술 분야에서 숙련된 자에게는 명백할 것이다. 본 발명의 실시형태에서 사용하기에 적합한 표면 도파관 구조체는, 리지 도파관, 스트라이프 도파관(stripe waveguide), 다중 코어 도파관(multi-core waveguide)(예를 들면, 미국 특허 제7,146,087호, 등등에서 설명되는 바와 같은 TriPleX 도파관), 박스 형상의 도파관, 및 등등을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다.
하류 및 상류 광을 위한 별개의 도파관(즉, 방출 도파관(216) 및 수집 도파관(218))의 사용은, 종래 기술의 OCT 및 다른 LCI 시스템에 비해 중요한 이점을 갖는 본 발명의 실시형태를 제공한다는 것을 유의해야 한다. 종래의 설계 이론은 간섭계에서의 하류 및 상류 광 신호에 대한 경로의 분리를 방지할 것을 지시하는데, 그 이유는 그러한 설계가 통상적으로 더 많은 광학적 손실을 가질 것이기 때문이다. 그러나, 이들 신호 경로를 분리하는 것에 의해, 본 발명은 방향성 커플러와 같은 파장 의존적 도파관 엘리먼트의 방지를 가능하게 한다. 간섭계 배열의 파장 의존성을 완화하는 것에 의해, 색 분산에 기인하는 잡음이 감소되고, 그에 의해 - 추가적인 손실로 인한 약화된 신호 강도를 대가로 하더라도 - 향상된 SNR 및 CNR을 갖는 시스템 성능을 제공하게 된다. 결과적으로, 본 발명은, 통합된 광학장치의 사용이, 종래 기술의 PLC 기반의 OCT 시스템의 단점 중 일부가 없이, OCT 시스템 사이즈 및 비용을 감소시키는 것을 가능하게 한다.
방출 도파관(216)은 입력 신호를 방출면(222)으로 전달하는데, 이 경우, 입력 신호는 방출면(222)에서 자유 공간으로 진출되고 (종래의 렌즈(206-1 및 206-2)를 통해) 스캐너(118)에 의해 물점(124)을 향해 지향된다. 입력 신호(212)가 물점을 향하여 전파함에 따라, 그것은 반사기(208)에 입사하는데, 반사기(208)는 제1 부분을 참조 신호(230)로서 되반사하고 제2 부분을 샘플 신호(110)로서 물점(124)으로 전달한다.
반사기(208)는, 광학 시스템(102) 내에서의 자신의 위치가 각각의 물점의 조사 전체에 걸쳐 고정된 채로 유지되는 반사기이다. 예시적인 실시형태에서, 반사기(208)의 반사율은 스캐너의 스캔 방향을 따라 실질적으로 균일하다; 그러나, 그것은 스캐너(118)의 스캔 방향에 직교하는 방향을 따라 실질적으로 선형인 반사율 그래디언트를 갖는다. 결과적으로, 반사기(208)를 이동시키는 것에 의해 제어될 샘플 신호(110) 및 산란 신호(112)의 강도. 이것은, 예를 들면, 검출기(210)의 포화를 방지하는 데 및/또는 검출기에 의해 수신되는 파장 신호가 높은 SNR을 제공하는 강도를 갖는 것을 보장하는 데, 유리할 수 있다.
물점(124)에서, 샘플 신호(110)는 샘플 재료의 깊이 안으로 침투하는데, 이 경우, 샘플 신호에서의 파장 신호는 물점 내의 구조적 불연속성에 의해 산란 신호(112)로서 산란된다. 기술 분야에서 숙련된 자는, 샘플 신호(110) 내의 파장 신호가 상이한 유효 경로 길이를 나타낸다는 것을 인식할 것이다. 결과적으로, 물점의 구조적 구성은 산란 신호(112)의 스펙트럼 내용에 인코딩된다.
산란 신호(112) 및 기준 신호(230)는 광학 시스템(102)을 통해 공통 경로를 이동한다. 렌즈(206-2)에서, 산란 신호(112) 및 기준 신호(230)는 복귀 신호(240)로서 결합하는데, 복귀 신호(240)는, 그 다음, 수집면(224)에서 수집 도파관(218) 안으로 커플링되어, 자신의 파장 성분이 조사된 물점의 구조체에 기초하는 간섭계 신호(232)를 집합적으로 정의한다.
기술 분야에서 숙련된 자는, 기준 신호(230)가, 마이켈슨 또는 마하 젠더 간섭계와 같은 종래의 이중 경로 간섭계의 기준 암에 의해 제공되는 기준 신호와 유사하다는 것을 인식할 것이다. 유사한 방식으로, 샘플 신호(110)는 종래의 이중 경로 간섭계의 샘플 암에 의해 제공되는 샘플 신호와 유사하다. 그러나, 광학 시스템(102)의 하류 방향에서, 기준 신호(230) 및 샘플 신호(110)는 동일한 광학 신호(즉, 입력 신호(212))의 일부이고, 따라서, 본질적으로 진입면(220) 및 반사기(208)로부터 동일한 경로(즉, 공통 경로(228))를 따라 이동한다. 공통 경로(228)는 방출 도파관(216) 및 방출면(222)과 반사기(208) 사이의 자유 공간 광학 경로를 포함한다. 마찬가지로, 광학 시스템(102)의 상류 방향에서, 기준 신호(230) 및 산란 신호(112)는 반사기(208)로부터 FPR1까지 동일한 경로(즉, 공통 경로(242))를 따라 이동한다. 공통 경로(242)는 반사기(208)와 수집면(222) 사이의 자유 공간 경로 및 수집 도파관(218)을 포함한다. 따라서, 광학 시스템(102)의 기준 신호 및 샘플 신호는, 공통 경로(228 및 242)를 포함하는 공통 경로를 이동한다. 공통 경로 간섭계 배열을 활용하는 것에 의해, 본 발명의 실시형태는 종래 기술의 PLC 기반의 OCT 시스템에 내재하는 별개의 광학 경로를 방지한다. 결과적으로, 본 발명의 실시형태에서, 샘플 신호 및 기준 신호는 실질적으로 동일한 위상 및 그룹 속도뿐만 아니라, 매칭된 편광 및 색채 분산을 갖는다. 또한, 방향성 커플러 및 서큘레이터와 같은 컴포넌트를 방지하는 것에 의해, 본 발명의 실시형태는 종래 기술의 통합된 광학장치 기반의 OCT 시스템보다 더 적은 파장 의존성을 가질 수 있다.
수집 도파관(218)은 수집면(224)으로부터 분산기(214)로 간섭계 신호(232)를 전달한다.
분산기(214)는, 자유 전파 영역(FPR1 및 FRP2) 사이에 위치되는 배열된 도파관(234)을 포함하는 어레이 도파관 격자(array waveguide grating; AWG)를 포함하는 분광계이다. 수집 도파관(218)으로부터의 광은 FPR1에서 발산하고 정렬된 도파관 안으로 커플링된다. 배열된 도파관(234) 내의 인접한 도파관 사이의 길이 차이는, 파장 신호(λ1 내지 λP)의 중심 파장의 정수이다. 결과적으로, FPR2의 시작에서의 파면은 원통형이고, 파장 신호(λ1 내지 λP)로 하여금 FPR2의 이미지면(236) 상의 상이한 위치로 집속되게 하는데, 이 경우, 각각의 파장 신호는 출력 도파관(238) 중 상이한 출력 도파관 안으로 커플링된다.
비록 예시적인 실시형태가, AWG를 포함하는 분산기를 포함하지만, 본 명세서를 읽은 후에, 분산기(214)가 상이한 파장 분산 엘리먼트, 예컨대 회절 격자 기반의 소형 분광계, 프리즘 엘리먼트, 및 등등을 포함하는 대안적인 실시형태를 명시하고, 제조하고, 사용하는 법이 기술 분야에서 숙련된 자에게는 명백할 것이다.
출력 도파관(238)은 파장 신호를 출사면(226)으로 전달하는데, 이 경우, 파장 신호는 출사면(226)에서 자유 공간 안으로 진출되고 종래의 렌즈(206-3)를 통해 검출기(210)로 제공된다.
첨부된 청구범위를 비롯한 본 명세서의 목적을 위해, 분산기(214) 및 출력 도파관(238)은 광학 시스템(102)의 검출 부분에 위치되는 것으로 정의되고, 따라서, 간섭계의 광학 경로 외부에 있는 것으로 간주된다.
몇몇 실시형태에서, 이미지면(236)은 출사면(226)에 위치되고 자유 공간 광학장치를 사용하여 검출기(210) 상으로 직접적으로 이미지화된다. 이러한 실시형태에서, 출력 도파관(238)은 PLC 모듈(204)에 포함되지 않는다.
검출기(210)는 파장 신호(λ1 내지 λP)를 검출하는 데 적합한 종래의 라인스캔 카메라(linescan camera)이다. 몇몇 실시형태에서, 검출기(210)는, 이차원 어레이의 광검출기 또는 다른 적절한 이미지 센서(예를 들면, 전하 결합 소자(charge-coupled device; CCD), 등등)와 같은 간섭계 신호(232)의 각각의 파장 성분에 대해 상이한 출력 신호를 제공하도록 동작하는 다른 다중 엘리먼트 검출기이다. 기술 분야에서 숙련된 자는, 이미징 시스템의 전체 스펙트럼 해상도가, 검출기 제한 해상도(detector-limited resolution) 및 배열된 도파관 제한 해상도(arrayed-waveguide-limited resolution)의 조합으로서 주어진다는 것을 인식할 것이다.
검출기(210)는 프로세서(104)로 출력 신호(114)를 제공한다. 프로세서(104)는 이들 신호를 프로세싱하여 테스트 중인 물점의 A 스캔을 생성한다.
물점의 조사의 완료시, 정렬 시스템(106)은, 영역(120) 내의 다른 물점의 조사를 가능하게 하기 위해, 광학 시스템(102) 및 샘플(108)을 재배열한다. 일단 영역(120) 내의 모든 M×N 개의 물점(또는 물점의 소망하는 세트)의 조사가 조사되었다면, 프로세서(104)는 영역의 표면 및 표면 아래 구조체의 삼차원 이미지를 생성한다.
몇몇 실시형태에서, 분산기(214)는 PLC 모듈(204) 안으로 통합되지 않고, 오히려 통합된 광학장치 칩의 외부에 있다.
도 3은 벌크 광학장치 파장 분산 엘리먼트를 포함하는 대안적인 공통 경로의 PLC 기반의 광학 시스템의 개략도를 묘사한다. 광학 시스템(102)은, 소스(202), 평면 광파 회로 모듈(302), 렌즈(206-1 내지 206-3), 반사기(208), 분산기(304), 및 검출기(210)를 포함하는데, 이들은 SD-OCT에 적합한 공통 경로 간섭계를 정의하도록 배열된다.
PLC 모듈(302)은 PLC 모듈(204)과 유사하지만; 그러나, PLC 모듈(302)은 방출 도파관(216) 및 수집 도파관(306)만을 포함한다.
상기에서 그리고 도 2와 관련하여 설명되는 바와 같이, 방출 도파관(216)은 진입면(220)으로부터 방출면(222)으로 입력 신호(212)를 전달하는데, 이 경우, 입력 신호(212)는 방출면(222)에서 자유 공간으로 진출된다.
물점(124)의 조사 후, 산란 신호(112) 및 기준 신호(230)는 수집면(224)에서 수집 도파관(306) 안으로 커플링되고, 그에 의해, 간섭계 신호(232)를 집합적으로 정의한다.
수집 도파관(306)은 수집 도파관(218)과 유사하지만; 그러나 수집 도파관(306)은 간섭계 신호(232)를 수집면(224)으로부터 출사면(308)으로 직접적으로 전달하는데, 이 경우, 간섭계 신호(232)는 출사면(308)에서 자유 공간으로 진출되고 렌즈(206-3)에 의해 시준된다.
분산기(304)는 렌즈(206-3)로부터 시준된 간섭계 신호(232)를 수신하고, 광의 스펙트럼 내용을 검출기(210)의 길이를 따라 파장 신호(λ1 내지 λP)로서 공간적으로 분산시킨다. 기술 분야에서 숙련된 자는, 본 명세서를 읽은 후에, 회절 격자, 프리즘, 블레이즈 격자(blazed grating), PLC 기반의 분산기, 및 등등을 비롯한, 분산기(304)에서의 사용에 적합한 무수한 파장 분산 엘리먼트가 종래 기술에 공지되어 있다는 것을 인식할 것이다.
검출기(210)는, 상기에서 논의되는 바와 같이, 출력 신호(114)를 프로세서(104)로 제공한다.
도 4는 본 발명의 실시형태에서 사용하기에 적합한 대안적인 공통 경로 간섭계 PLC 모듈의 개략도를 묘사한다. PLC 모듈(400)은 PLC 모듈(302)과 유사하지만; 그러나, PLC 모듈(400)은 입력 신호(212) 및 간섭계 신호(232) 둘 다를 전달하기 위한 공통 경로를 포함한다. PLC 모듈(400)은 y 커플러(402), 방출 도파관(404), 수집 도파관(406), 공통 도파관(408), 조사면(interrogation facet; 410), 및 출사면(412)을 포함한다.
Y 커플러(402)는, 방출 도파관(404) 및 수집 도파관(406)의 각각을 공통 도파관(408)과 광학적으로 커플링하도록 기능하는 종래의 통합된 광학장치 y 커플러이다.
방출 도파관(404), 수집 도파관(406) 및 공통 도파관(408)의 각각은 상기에서 설명되는 PLC 모듈(204)의 도파관과 유사한 종래의 채널 도파관이다.
공통 도파관(408)은 y 커플러(402)와 조사면(410) 사이에서 광학 신호를 전달하도록 동작한다.
동작에서, 방출 도파관(404)은 입력 신호(212)를 공통 도파관(408) 안으로 커플링하는데, 상기에서 설명되는 바와 같이, 공통 도파관(408)은 입력 신호를 조사면(410)으로 전달하고, 입력 신호는 조사면(410)에서 자유 공간 안으로 진출된다.
조사면(410)은 또한 기준 신호(230) 및 산란 신호(112)의 각각의 광학적 에너지를 수신하고, 그들을 간섭계 신호(232)로서 공통 도파관(408) 안으로 광학적으로 커플링한다. 조사면(410)은 PLC 모듈(400)의 방출면(222) 및 수집면(224) 둘 모두로서 기능을 한다는 것을 유의해야 한다.
공통 도파관(408)은 간섭계 신호(232)를 y 커플러(402)로 전달하는데, 이 경우, 신호는 수집 도파관(406) 안으로 커플링된다. 출사면(412)에서, 간섭계 신호는 자유 공간 안으로 진출되고 렌즈(206-3)를 통해 분산기(304)로 제공된다.
몇몇 실시형태에서, PLC 모듈(400)은 통합된 분산기 및 복수의 출력 도파관, 예컨대 상기에서 그리고 도 2와 관련하여 설명되는 분산기(214) 및 출력 도파관(238)을 포함한다. 이러한 실시형태에서, 수집 도파관은, 간섭계 신호(232)를 출사면(412)에서 자유 공간으로 진출시키기 보다는, 간섭계 신호(232)를 y 커플러(402)로부터 분산기로 전달한다.
상기에서 논의되는 바와 같이, PLC 모듈(302)도 PLC 모듈(400)도 파장 감응성 엘리먼트를 포함하지 않는다. 파장 감도가 거의 또는 전혀 없는 PLC는, 소인 소스 OCT 시스템, 및 등등을 비롯한, 사실상 임의의 타입의 LCI 시스템에서, 그들의 기능성이 이러한 시스템에 포함되는 검출기 및 소스의 타입에 무관하기 때문에, 사용될 수 있다는 것이 본 발명의 한 양태이다.
도 5a 및 도 5b는, 각각, PLC 모듈(302 및 400)에 기초한 SS-OCT 시스템의 예를 묘사한다. 그러나, 본원에서 개시되는 실시형태는 단지 예시적인 것에 불과하다는 것 및 추가적인 대안적 시스템이 본 발명의 범위 내에 존재한다는 것을 유의해야 한다. 광학 시스템(500 및 510)은 상기에서 설명되는 광학 시스템(102 및 300)과 유사하지만; 그러나, 광학 시스템(500 및 510)은, 광대역 소스(202)를 소인 소스(즉, 소스(502))로 대체하는 것에 의해, 그리고 다중 엘리먼트 검출기(210)를, 단일의 고속 광검출기 엘리먼트만을 포함하는 검출기(즉, 검출기(504))에 의해 대체하는 것에 의해, 소인 소스 광학적 가간섭성 단층 촬영법(SS-OCT)을 위해 구성된다.
소스(502)는, 대략 1266 나노미터(nm)로부터 대략 1358 나노미터까지 연장하는 파장 범위 R1에 걸쳐 자신의 파장이 연속하여 소인되는 좁은 스펙트럼 선폭 광을 제공하는 좁은 선폭 소스이다. 소스(502)는 20 마이크로초(즉, 소스(502)가 50 KHz의 소인율을 가짐)의 주기 T1을 갖는 주기적 신호로서 광학 신호(506)를 제공한다. 통상적으로, 소스(502)는 각각의 소인 기간의 시작시에 신호를 프로세서(104)에 제공하기 위한 추가적인 엘리먼트(도시되지 않음), 예컨대 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating)를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 소스(502)는 상이한 파장 범위 R1을 통해 소인하는 입력 신호를 제공하고, 및/또는 상이한 소인 기간 T1을 갖는다. 본 명세서를 읽은 후에, 소스(502)를 명시하고, 제조하고, 사용하는 법이 기술 분야에서 숙련된 자에게는 명백할 것이다.
도 5c는 입력 신호(506)를 묘사한다.
몇몇 실시형태에서, 소스(502)는 소인 소스 입력 신호를 제공하기에 적합한 또 다른 소스이다. 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 소스는, 외부 공진기형 파장 가변 레이저(external cavity tunable laser), 수퍼 루미네슨트 다이오드, 초연속 생성 광원(super-continuum generation light source), 무동성 소인 소스(akinetic swept source), 가변(tunable) 수직 캐비티 광방출 다이오드(vertical cavity light emitting diode; VCSEL), 가변 광섬유 레이저, 가변 파장 필터와 커플링되는 광대역 소스, 및 등등과 같은, 그러나 이들로 제한되지는 않는 좁은 선폭의 가변 소스를 포함한다. 기술 분야에서 숙련된 자는, 본 발명의 실시형태가 상이한 파장 체계에서의 동작에 적합하다는 것을 인식할 것이다.
입력 신호(506)는, 복귀 신호(508)을 발생시키는 스캔 영역(122) 내의 물점을 조사하기 위해 자유 공간으로 진출된다. 복귀 신호(508)는 상기에서 그리고 도 2와 관련하여 설명되는 복귀 신호(240)와 유사하다. 복귀 신호(508)는 간섭계 신호(512)로서 각각의 PLC 안으로 커플링된다.
검출기(504)는 고속 광검출기를 포함한다. 본 명세서를 읽은 후에, 검출기(504)를 명시하고, 제조하고, 사용하는 법이 기술 분야에서 숙련된 자에게는 명백할 것이다.
검출기(504)는 입력 신호(506)의 소인 파장에 기초하는 출력 신호(114)를 제공한다. 결과적으로, 간섭계 신호(512)에서의 파장 성분은, 입력 신호(506)의 파장 소인의 시간 의존성을 포함한다. 따라서, 간섭계 신호(512)의 시간 의존성은 테스트 중인 물점(124)에서 구조적 피쳐의 깊이를 결정하기 위해 사용될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 스캐너(118)는, 샘플 신호가 하나의 소인 기간 T1과 동일한 측정 시간 동안 각각의 물점에 입사하도록 하는 비율로 각각의 스캔 영역(122)에 걸쳐 샘플 신호(110)를 스캔한다. 몇몇 실시형태에서, 각각의 물점에 대한 측정 시간은, 수 회의 소인 기간에 걸쳐 출력 신호(114)의 평균화를 가능하게 하기 위해 소인 기간의 배수와 동일하다.
본 발명에 따른 광학 시스템은 통합된 광학장치에 기초하고 공통 경로 간섭계 배열을 활용하기 때문에, 그들은 종래 기술의 것보다 상당히 더 작고 덜 복잡할 수 있다. 결과적으로, 본 발명은 단일의 PLC 칩 상에 많은 광학 시스템을 결합하는 것을 실용적으로 만드는데, 이것은 종래의 방법을 사용하여 실현하는 것이 불가능하지 않다면 어려울 것이다. 따라서, 본 발명은 다수의 샘플 신호를 병렬로 활용하는 실시형태를 가능하게 한다. 몇몇 실시형태에서, 이들 샘플 신호는 실질적으로 서로 독립적이고, 그에 의해, 병렬 OCT와 같은 실질적으로 병렬 LCI 시스템을 가능하게 한다. 몇몇 실시형태에서, 샘플 신호는 서로 조정되고, 그에 의해 자기 상관 OCT, 동적 광 산란 OCT, 및 평면 파 병렬 OCT와 같은 애플리케이션을 가능하게 한다.
도 6은 본 발명의 제1 대안적인 실시형태에 따른 다중 신호 LCI 시스템의 개략도를 묘사한다. 광학 시스템(600)은, 소스(502), 반사기(208), PLC 모듈(602), 콜리메이터 어레이(604-1 및 604-2), 및 검출기 어레이(606)를 포함하는데, 이들은 M 개의 실질적으로 독립적인 광학 시스템(300)을 포함하는 병렬 SS-OCT 시스템으로서 배열된다. 도 6 내지 도 8에서 묘사되는 예시적인 실시형태에서, 시스템(600)은, 스캔 영역의 B 스캔을 생성하기 위해 스캔 영역(122) 내의 모든 M(여기서 M = 16) 개의 물점의 동시 조사를 가능하게 하고, 그에 의해 스캐너(118)를 제거한다. 비록 이 예시적인 실시형태에서, M = 16이지만; 그러나, 본 명세서를 읽은 후에, 기술 분야에서 숙련된 자는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 M이 임의의 실용적인 숫자일 수 있다는 것을 인식할 것이다.
PLC 모듈(602)은 분배 네트워크(608) 및 수집 네트워크(610)를 포함하는데, 이들은 복수의 공통 경로 간섭계의 파 안내 부분(wave-guided portion)을 집합적으로 정의한다. 분배 네트워크(608) 및 수집 네트워크(610)는 별개의 기판 상에 형성되는데, 이들은, 그 다음, 열 양극 본딩(thermo-anodic bonding), 플라즈마 지원 본딩(plasma-assisted bonding), 등등과 같은 종래의 웨이퍼 본딩 동작을 사용하여, 또는 에폭시, SU-8, 및 등등과 같은 본딩 매질(bonding medium)을 통해 결합된다.
도 7a는 분배 네트워크(608)의 개략도를 묘사한다. 분배 네트워크(608)는, 1×16 빔 스플리터를 정의하는 트리 구조체의 복수의 y 커플러에 의해 상호 접속되는 출력 도파관(704-1 내지 704-16)을 포함하는 도파관 네트워크(702)를 포함한다. 도파관 네트워크(702)는 진입면(220)에서 입력 신호(506)를 수신하도록 그리고 일련의 y 커플러에서 그 에너지를 균등하게 분할하여 실질적으로 동일한 강도의 출력 신호(706-1 내지 706-16)를 제공하도록 설계되는데, 실질적으로 동일한 강도의 출력 신호(706-1 내지 706-16)는 방출면(222-1 내지 222-16)에서 조사 신호(708-1 내지 708-16)로서 자유 공간 안으로 진출된다. 조사 신호(708-1 내지 708-16)의 각각은 상기에서 그리고 도 5a와 관련하여 설명되는 자유 공간 입력 신호(506)와 유사하다.
도 7b는 수집 네트워크(610)의 개략도를 묘사한다. 수집 네트워크(610)는, 수집면(224-1 내지 224-16) 및 출사면(308-1 내지 308-16)을 각각 광학적으로 커플링하도록 배열되는 복수의 수집 도파관(306)을 포함하는 도파관 네트워크(710)를 포함한다. 수집 네트워크(610)는 스캔 영역(122)으로부터 복귀 신호(508-1 내지 508-16)를 수신하도록 설계되고 각각을 콜리메이터 어레이(604-2)의 상이한 콜리메이터로 제공한다.
도 7c는 PLC 모듈(602)의 분해 측면도이다. 도 7c는 도 7a 및 7b의 b-b 뷰를 통해 취해진 PLC 모듈(602)의 뷰를 묘사한다. 분배 네트워크(608) 및 수집 네트워크(610)의 각각은 하부 클래딩, 상부 클래딩, 및 클래딩 재료에 의해 둘러싸이는 복수의 도파관 코어를 포함한다. 일단 형성되면, 두 개의 통합된 광학장치 칩은, 예를 들면, 플라즈마 지원 웨이퍼 본딩을 사용하여 대면(face-to-face) 결합된다. 통상적으로, 상부 클래딩 층(및/또는 본딩 매질)의 두께는, 결합시, 각각의 칩의 도파관 코어가 이들 사이의 크로스토크를 완화하기에 충분한 거리만큼 분리되도록 하는 그런 두께이다는 것을 유의해야 한다. 또한, 몇몇 실시형태에서, 통합된 광학장치 칩은 이들 사이에 약간의 각도가 있도록 결합된다. 이것은, 분배 네트워크의 도파관과 수집 네트워크의 도파관 사이에, 그들 각각의 면이 광학적으로 동일한 지점과 커플링되는 것을 용이하게 하는 각도를 제공한다.
동작에서, 분배 네트워크(608)는 입력 신호(506)를 수신하고, 그것을 복수의 16 개의 조사 신호(708-1 내지 708-16)로 동일하게 분배하고, 조사 신호를 콜리메이터 어레이(604-1)로 제공한다.
콜리메이터 어레이(604-1)는 종래의 렌즈릿(lenslet)의 1 차원 어레이인데, 종래의 렌즈릿의 각각은 조사 신호(708-1 내지 708-16) 중 상이한 하나를 시준하고 그것을 반사기(208) 및 스캔 영역(122)으로 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 콜리메이터 어레이(604-1)(및/또는 콜리메이터 어레이(604-2))는, 조사 신호(708-1 내지 708-16)를 형성하도록 그리고 그들을 반사기 및 스캔 영역으로 제공하도록 동작하는, 원통형 렌즈, 등등과 같은 상이한 광학 소자이다.
반사기(208)는 기준 신호(230)의 어레이를 콜리메이터 어레이(604-1)로 되돌리는 한편, 스캔 영역(122) 내의 모든 M 개의 물점을 동시에 조사하는 샘플 신호(110-1 내지 110-16)를 통과시킨다.
스캔 영역(122) 내의 각각의 물점은 고유한 산란 신호(112)를 발생시키는데, 고유한 산란 신호(112)는 복귀 신호(508-1 내지 508-16) 중 하나로서 자신의 대응하는 기준 신호(230)와 결합된다. 복귀 신호는, 각각, 수집면(224-1 내지 224-16)에서 수신되는데, 이 경우, 수집면(224-1 내지 224-16)에서 복귀 신호는 간섭계 신호(512-1 내지 512-16)로서 도파관 네트워크(710)의 도파관 안으로 커플링된다.
도파관 네트워크(710)는 간섭계 신호(512-1 내지 512-16)를 출사면(308-1 내지 308-16)으로 각각 전달하는데, 이 경우, 간섭계 신호(512-1 내지 512-16)는 출사면(308-1 내지 308-16)에서 자유 공간 안으로 진출되고 검출기 어레이(606)에 제공되는 콜리메이터 어레이(604-2)의 콜리메이터에 의해 시준된다. 몇몇 실시형태에서, 검출기 어레이(606)는 콜리메이터 어레이(604-2)가 요구되지 않는 출사면(308)에 충분히 근접하여 위치된다는 것을 유의해야 한다.
검출기 어레이(606)는 개개의 검출기 엘리먼트(612-1 내지 612-M)를 포함하는 종래의 어레이 검출기이다. 본 발명의 실시형태에서 사용하기에 적합한 검출기 어레이는, 광검출기 어레이, 라인스캔 카메라, CCD 어레이, 및 등등을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 검출기 엘리먼트(612-1 내지 612-M)는 그들의 출력을 출력 신호(614)로서 프로세서(104)로 제공한다.
광학 시스템(600)은 종래 기술에 비해 몇 가지 이점을 갖는다. 먼저, 종래의 OCT 시스템에서는, 스캔 영역의 물점을 따라 샘플 신호를 물리적으로 스캔하고 그 물점의 각각에서 A 스캔을 순차적으로 생성하는 것에 의해 스캔 영역의 B 스캔이 생성된다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 이것은 일반적으로 검류계 미러(galvanometric mirror), MEMS 미러, 등등과 같은 물리적 빔 스캐닝 메커니즘을 사용하여 행해진다. 빔 스캐닝 메커니즘이 스캔 영역의 전체 폭에 걸쳐 샘플 신호를 이동시킬 수 있는 속도는, 일반적으로 대략 수 백 헤르쯔이다. 그러나, 각각의 물점에서 A 스캔이 생성될 수 있는 속도는, SS-OCT에서의 소인 소스의 소인 주파수 또는 SC-OCT에서의 라인스캔 카메라의 샘플 주파수에 의해 제한되는데, 이들은 일반적으로 대략 50 KHz 이상이다. 결과적으로, 빔 스캐닝 메커니즘의 전체 스캔 대역폭은 종래의 OCT 시스템의 B 스캔 프레임 레이트에 대한 제한 요인이다.
둘째, A 스캔을 순차적으로 획득하기 위해 스캔 영역의 길이에 걸쳐 샘플 신호를 물리적으로 이동시키는 것은, 보상되어야 하는 벌크 모션 아티팩트(bulk motion artifact)를 발생시킨다. 이것은, 유체 흐름, 혈류, 등등과 같은 동적 파라미터뿐만 아니라, 층 두께, 층 굴절률, 복굴절, 및 등등과 같은 소정의 정적 파라미터의 추정을 복잡하게 한다.
시스템(600)이 스캔 영역(122)의 B 스캔을 그것의 모든 물점의 A 스캔을 동시에 발생시키는 것에 의해 생성하기 때문에, 시스템의 측정 대역폭을 제한하는 스캐닝 메커니즘은 없다. 결과적으로, 시스템(600)은, 소인 소스 또는 라인스캔 카메라의 훨씬 더 높은 동작 주파수에 근접하는 속도로 완전한 B 스캔을 생성할 수 있다. 또한, 시스템(600)에서 샘플 신호를 물리적으로 이동할 필요가 없기 때문에, 그것은 벌크 모션 아티팩트를 완화하고, 그에 의해 동적 및 정적 파라미터 추정을 향상시키게 된다.
비록 광학 시스템(600)이 소인 소스 동작에 대해 구성되지만, 본 명세서를 읽은 후에, 광학 시스템(600)이 스펙트럼 도메인 시스템으로서 동작하는 대안적인 실시형태를 명시하고, 제조하고, 사용하는 법이 기술 분야에서 숙련된 자에게는 명백할 것이다. 예를 들면, 소스(502)를 광대역 소스로 교체하고 자유 공간 간섭계 신호를 검출기 엘리먼트의 이차원 어레이에 걸쳐 스펙트럼적으로 분산시키는 것에 의해, 광학 시스템(600)은 SD-OCT 시스템으로서 동작할 수 있을 것이다.
자기 상관법(autocorrelation method)을 활용하는 것에 의해 유체의 유속을 OCT로 정량적으로 결정할 수 있다는 것이 종래 기술에서 알려져 있다. 통상적으로, 이러한 종래 기술의 시스템은 유동 방향을 따라 다수의 물점의 각각에 대해 A 스캔을 수 회(예를 들면, 천 번 또는 그 이상) 측정한다. 따라서, 50kHz의 샘플링 주파수의 경우, 단일의 자기 상관에 대한 획득 시간은 20 밀리초인데, 이것은 많은 애플리케이션 - 특히 생체 내 애플리케이션 - 의 경우 너무 느리다.
본 발명에 따른 PLC 기반의 OCT 시스템은, 국소화된 혈류 모니터링과 같은 생체 내 애플리케이션이 시간 분해능을 희생시키지 않으면서 실용적인 그러한 정도까지 필요로 되는 획득 시간을 감소시킬 수 있다는 것이 본 발명의 추가적인 양태이다. 단일의 PLC 모듈 내에서 많은 통합된 광학장치 OCT 시스템을 병렬로 통합하는 능력은, 상이한 샘플 암이 샘플 영역의 상이한 공간 위치를 이미지화하는 것을 가능하게 한다. 또한, 샘플 암을 (예를 들면, 골룸 룰러(Golomb ruler), 대수 룰러(logarithmic ruler), 등등으로서 이격되는) 균일하지 않은 패턴으로 이격시키는 것에 의해, 스캔 영역을 측정하는 데 필요한 병렬 OCT 시스템의 수를 크게 줄일 수 있다. 첨부된 청구범위를 비롯한, 본 명세서의 목적을 위해, 용어 "비선형 룰러"는, 균일하지 않은 간격을 가지고 배열되지만 그러나 집합적으로 측정 파라미터의 결정을 가능하는 엘리먼트(예를 들면, 틱 마크(tick mark), 수집면, 수집 도파관, OCT 시스템, 샘플 암, 등등)의 배열로서 정의된다.
도 7d 및 도 7e는 본 발명의 대안적인 실시형태에 따른 분배 네트워크 및 수집 네트워크의 개략도를 각각 묘사한다. 분배 네트워크(712) 및 수집 네트워크(714)는 상기에서 설명되는 분배 네트워크(608) 및 수집 네트워크(610)와 유사하지만; 그러나, PLC 모듈(602) 내에서의 분배 네트워크(712) 및 수집 네트워크(714)의 포함은, 탁한 매질 내에서의 플로우와 같은 유체 역학의 결정을 위한 자기 상관법을 활용하는 성긴 병렬 OCT 측정 시스템으로서의 광학 시스템(600)의 동작을 가능하게 한다. 또한, 수집 네트워크(714)의 포함은, 깊이 분해된 샘플 구조체를 정량화하는 것(예를 들면, 플로우, 확산, 및 다른 샘플 및 동적 파라미터)과 같은 추가적인 시스템 성능을 가능하게 한다.
분배 네트워크(712)는, 출력 도파관(718-1 내지 718-6)을 포함하는 도파관 네트워크(716)를 포함한다. 출력 도파관(718-1 내지 718-6)은 1×6 빔 스플리터를 정의하는 트리 구조의 복수의 y 커플러에 의해 상호 접속된다. 도파관 네트워크(716)는 진입면(220)에서 입력 신호(506)를 수신하고 일련의 y 커플러를 통해 그 에너지를 균등하게 분할하여, 방출면(724-1 내지 724-6)에서 조사 신호(722-1 내지 722-6)로서 자유 공간 안으로 진출되는 실질적으로 동일한 강도의 출력 신호(720-1 내지 720-6)를 제공한다. 출력 도파관(718) 및 그들의 각각의 방출면(724)은, 그들의 간격이 0:1:4:10:12:17의 골룸 룰러 분포를 따르도록 배열된다.
수집 네트워크(714)는, 수집 도파관(728-1 내지 728-6)을 포함하는 도파관 네트워크(726)를 포함한다. 수집 도파관(728)의 각각은, 상기에서 설명되는 수집 도파관(306)과 유사하지만; 그러나, 수집 도파관(728)은, 그들의 간격이 분배 네트워크(712)의 동일한 골롬 룰러 분포(즉, 0:1:4:10:12:17)를 따르도록 배열된다. 수집 도파관(728)의 각각은, 콜리메이터 어레이(604-1) 내의 다른 렌즈릿으로부터 자신의 각각의 복귀 신호(730)를 수신하고 통상적으로 그것을, 간섭계 신호(732)로서, 다중 광섬유 어레이(도시되지 않음)로 전달하는데, 다중 광섬유 어레이는, 그 다음, 그 신호를 적절한 검출기로 전달한다.
분배 네트워크(712) 및 수집 네트워크(714)의 각각의 미리 정의된 그리고 특정한 간격은 복귀 신호(508)의 성긴 수집으로부터의 데이터 손실을 완화한다. 상기에서 설명되는 분배 네트워크(712) 및 수집 네트워크(714)의 도파관의 배열은, 예를 들면, 단지 여섯 개의 측정치로 17 개의 신호의 상관 해제가 획득되는 것을 가능하게 한다.
상기에서 설명되는 6-도파관 골롬 룰러 분포는 비선형 룰러를 정의하는 적절한 성긴 도파관 분포의 하나의 예에 불과하다는 것 및 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 분포도 가능하다는 것을 유의해야 한다. 다른 적절한 분포는, 다른 수의 도파관의 골룸 순서 분포(예를 들면, 12 도파관의 골룸 분포는 85 개의 신호의 상관 해제의 측정을 가능하게 할 것이다), 대수 룰러에 기초한 다중 도파관 배열, 및 등등을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다.
또한, 비선형 룰러를 정의하는 임의의 성긴 분포에 대한 도파관의 수 및 간격은 설계의 문제이며, 통상적으로, 빔 웨이스트(beam waist), 측정될 유속의 범위, 등등과 같은 다른 파라미터에 기초한다.
도 8은 본 발명의 제1 대안적인 실시형태에서 사용하기에 적합한 대안적인 PLC 모듈을 묘사한다. PLC 모듈(800)은, 상기에서 그리고 도 5c와 관련하여 설명되는 바와 같이, M 개의 병렬 광학 시스템(510)을 정의하도록 배열되는 분배 네트워크(608) 및 수집 네트워크(802)를 포함하지만; 그러나, 그들의 방출 도파관(304)은 분배 네트워크(608) 내에 포함된다.
PLC 모듈(800)에서, 분배 네트워크(608) 및 수집 네트워크(802)는 단일의 기판 상에 형성된다는 것을 유의해야 한다. 결과적으로, PLC 모듈(800)은, 도파관 교차에 대한 필요성으로 인해 PLC 모듈(602)보다 더 많은 광학적 손실을 나타내는데, 도파관 교차의 각각은 약 0.3dB의 광학적 손실을 제공한다.
상기에서 간략히 언급되는 바와 같이, 본 발명은, 다수의 출력 신호(예를 들면, 조사 신호(708))가 결합되어 평면 파, 곡선 파면, 빔, 등등과 같은 복합 광학 신호를 형성하도록 제공되는 실시형태를 가능하게 한다. 이러한 실시형태에서, 출력 신호 중 하나 이상의 위상은, 파 형상, 전파 방향, 등등과 같은 결합된 출력 신호의 하나 이상의 특성을 지시하도록 제어된다 - 위상 배열 안테나(phased-array antenna)의 각각의 엘리먼트로부터의 개별 출력 신호가 집합적으로 무선 빔을 정의하도록 제어되는 방식과 유사함.
몇몇 실시형태에서, PLC 모듈(800)의 출력 도파관은, 상기에서 그리고 도 7d 내지 도 7e와 관련하여 설명되는 바와 같이, 성긴 배열로 배열된다는 것을 유의해야 한다.
도 9는 본 발명의 제2 대안적인 실시형태에 따른 다중 신호 LCI 시스템의 개략도를 묘사한다. 광학 시스템(900)은, 소스(502), PLC 모듈(902), 콜리메이터 어레이(604-2), 및 검출기 어레이(606)를 포함한다. 광학 시스템(900)은, 스캔 영역에 대해 상이한 경사각을 갖는 일련의 평면 파를 사용하여 스캔 영역(122)을 조사하도록 동작하고, 그에 의해, 다양한 조명 조건 하에서 스캔 영역의 조사를 가능하게 한다. 몇몇 실시형태에서, 광학 시스템(900)은, 자신의 형상이 평면 파 이외의 것으로서 제어되는 하나 이상의 복합 광학 신호로 스캔 영역을 조사하도록 동작한다.
PLC 모듈(902)은 상기에서 설명되는 PLC 모듈(600)과 유사한데, 여기서 분배 네트워크(608)는 분배 네트워크(904)로 대체된다.
도 10은 분배 네트워크(904)의 개략도를 묘사한다. 분배 네트워크(904)는 도파관 네트워크(702) 및 위상 컨트롤러(1002-1 내지 1002-16)를 포함하는데, 위상 컨트롤러(1002-1 내지 1002-16)는 출력 도파관(704-1 내지 704-16)과 동작 가능하게 각각 커플링된다. 통상적으로, 출력 도파관(704-1 내지 704-16)은 x 방향을 따라 가능한 한 가깝게, 그러나 출력 신호 사이의 상당한 크로스토크를 방지하기에 충분한 간격을 두고 이격된다.
도 11은 일련의 P 개의 상이한 합성 광학 신호로 스캔 영역을 조사하기 위한 방법의 동작을 묘사한다. 방법(1100)은 동작(1101)에서 시작하는데, 여기서, 분배 네트워크(904)는 입력 신호(506)를 출력 도파관(704-1 내지 704-16)의 출력 신호(706-1 내지 706-16)로 각각 분할한다.
동작(1102)에서, i=1 내지 Q의 각각에 대해, 출력 신호(706)의 각각의 위상은, 집합적으로 평면 파형(906-i)을 정의하는 샘플 신호(1004-1 내지 1004-16)를 정의하도록 제어된다.
도 12는 본 발명의 제2 대안적인 실시형태에 따른 위상 컨트롤러의 단면도의 개략도를 묘사한다. 위상 컨트롤러(1002)는, 출력 도파관(704)의 구성 층 중 하나 이상의 물리적 특성(예컨대, 변형률, 온도, 등등)을 제어하는 것에 의해 출력 신호(706)의 위상을 제어하는 위상 시프터이다. 본원에서 설명되는 예시적인 실시형태에서, 위상 컨트롤러(1002)는 미국 특허 공보 제20150110441호에서 설명되는 바와 같은 응력 유도(stress-inducing; SI) 위상 시프터이다. 위상 컨트롤러(1002)는, 출력 도파관(704)의 도파관 코어와 동작 가능하게 커플링되는 변형 엘리먼트(1202)를 포함한다. 변형 엘리먼트(1202)는, 하부 전극(1204), 압전 층(1206), 및 상부 전극(1208)을 포함한다. 위상 컨트롤러(1002)는, 위상 컨트롤러(1002-1 내지 1002-16)의 각각을 나타낸다.
하부 전극(1204) 및 상부 전극(1208)의 각각은, 백금, 금, 알루미늄, 등등과 같은 전기적으로 전도성인 재료의 층이다. 하부 전극(1204) 및 상부 전극(1208)의 두께는 설계 선택의 문제이다.
압전 층(1206)은 티탄산 지르콘산 연(lead zirconate titanate; PZT)과 같은 압전 재료의 층이다. 압전 층(1206)은, 그 상에 상부 전극(1208)이 형성되는 실질적으로 직사각형 영역을 형성하도록 패턴화된다. 기술 분야에서 숙련된 자는, 압전 층(1206)의 두께, 및 상부 전극(1208)의 폭 및 길이가, 변형 엘리먼트(1202)의 동작 치수뿐만 아니라, 그 동작 특성을 효과적으로 규정한다는 것을 인식할 것이다.
몇몇 실시형태에서, 압전 층(1206) 및 하부 전극(1204) 중 하나 또는 둘 모두는 패턴화되지 않으며, 따라서, 기판의 전체 표면 위에 남아 있게 된다. 이러한 실시형태에서, 기저의 하부 전극까지 전기적 접촉이 확립되는 것을 가능하게 하기 위해, 압전 재료를 통해 비아가 형성된다.
위상 컨트롤러(1002)에서, 변형 엘리먼트(1202)는, 출력 도파관(704)의 상부 클래딩이 박막화되어 압전 층으로부터 도파관의 층으로의 기계적 변형의 전달을 향상시키는 출력 도파관(704)의 한 영역 상에 배치된다. 몇몇 실시형태에서, 출력 도파관(704)의 상부 클래딩은, 그 상에 압전 층(1206)이 배치되는 수직 측벽을 형성하도록 형성된다.
프로세서(104)는, 압전 층(1206)에서 변형을 유도하는 전압 차이를 하부 전극(1204)과 상부 전극(1208) 사이에서 발생시키는 제어 신호를 위상 컨트롤러(1002)로 제공한다. 이 변형은 기저의 도파관 층으로 전달되어, 자신의 유효 굴절률에서의 변화를 야기하고, 따라서, 출력 도파관(704)을 통과함에 따라 출력 신호(706)에서 위상 변화를 생성하여 샘플 신호(1004)를 발생시킨다.
비록 이 실시형태에서 위상 컨트롤러(1002) 각각이 SI 위상 컨트롤러이지만, 몇몇 실시형태에서는, 위상 컨트롤러(1002-1 내지 1002-16) 중 적어도 하나는, 자신의 각각의 출력 도파관(704)의 일부의 상부 클래딩 상에 배치되는 옴성 히터(ohmic heater)를 포함하는 종래의 열 광학(thermo-optic; TO)) 위상 시프터이다.
동작(1103)에서, 평면 파(906-i)는, 스캔 영역(122)의 깊이 안으로 관통하고 산란 에너지(908)를 발생시키는 것에 의해 스캔 영역(122)을 조사하는데, 산란 에너지(908)는 스캔 영역의 깊이 내의 구조적 피쳐와 평면 파 사이의 상호 작용으로부터 유래한다.
도 13a는 평면 파(906-i)를 사용한 스캔 영역(122)의 조사 동안의 스캔 영역(122)의 개략도를 묘사하는데, 이 경우, 평면 파(906-i)는 표면(126)에 대해 실질적으로 수직이다(즉, θi = 0). 묘사되는 바와 같이, x 방향은 스캔 영역을 따른 거리를 나타내고 한편 z 방향은 샘플 매질로의 깊이(즉, A 스캔의 통상적인 방향)를 나타낸다.
평면 파의 광학 에너지가 스캔 영역(122)의 깊이 안으로 침투함에 따라, 영역 내의 각각의 구조적 피쳐(1302)는, 에너지의 일부를 구형파로서 산란시키는 점 소스로서 작용한다.
동작(1104)에서, 수집 네트워크(610)는 수집면(224-1 내지 224-16)에서 산란 에너지(908)를 수신한다. 산란 에너지(908)는 스캔 영역 내의 모든 구조적 피쳐(1302)로부터의 기여를 포함한다는 것을 유의해야 한다. 산란 에너지(908)는 산란 신호(910-1 내지 910-16)로서 도파관 네트워크(706)에 커플링된다.
도 13b는, 스캔 영역(122) 내의 위치(x1, z1)에 위치되는 대표적인 구조적 피쳐(1302-1)에 의해 산란되는 평면 파(906-i)의 에너지에 대한 전파 경로를 묘사한다. (x1, z1)에 위치되는 구조적 피쳐는, 수집 네트워크(610)의 수집면(224)에 도달하는 구형파를 산란시킨다. 구조적 피쳐(1302-1)에 의해 산란되고 x2에 위치되는 수집면(224)에 의해 수신되는 에너지에 의해 이동되는 전체 광학 경로 길이 ΔOPL은 다음으로서 주어진다:
Figure pct00001
동작(1105)에서, 산란 신호(910-1 내지 910-16)는 출사면(308-1 내지 308-16)으로 각각 전달되어 자유 공간 안으로 진출되고, 콜리메이터 어레이(604-2)에 의해 시준되어, 검출기 어레이(606)로 제공된다.
동작(1106)에서, 산란 신호(910-1 내지 910-16)는, 고유한 출력 신호(614-1 내지 614-16)를 프로세서(104)로 제공하는 검출기 엘리먼트(612-1 내지 612-16)에서 검출된다.
동작(1107)에서, 프로세서(104)는 출력 신호(614)를 프로세싱하여 영역(122)의 B 스캔을 계산한다. 프로세서(104)는, 출력 신호의 푸리에 도메인 정보를 공간 정보로 먼저 변환하고, 그 다음, 각각의 검출기 신호를 ΔOPL(z, x1, x2) 만큼 시프팅함으로써 각각의 산란 지점(즉, 각각의 구조적 피쳐(1302))의 기여를 가간섭적으로(coherently) 가산하고 그들을 어레이 방향(즉, x 방향을 따른 방향)에서 가산하는 것에 의해, B 스캔-i를 계산한다.
i=1 내지 Q의 각각에 대해 동작(1102 내지 1107)이 반복되는데, 이 경우, 각각의 평면 파(906-i)에 대한 경사각 θi는 상이하다. 각 평면 파에 대한 기울기를 변경하는 것에 의해, 각각의 구조적 피쳐(1302)에 대한 전체 광학 경로 길이가 변경된다.
도 13c는 스캔 영역(122) 내의 위치(x1, z1)에 위치되는 대표적인 구조적 피쳐(1302-1)에 의해 산란됨에 따라, 각도 α로 기울어진 평면 파(906-i)의 에너지에 대한 전파 경로를 묘사한다. α의 경사각을 갖는 기울어진 평면 파의 경우, 총 광학 경로 길이 ΔOPL(α, z, x1, x2)는 다음에 의해 주어진다:
Figure pct00002
동작(1108)에서, 프로세서(104)는 B 스캔-1 내지 B 스캔-Q를 가간섭적으로 더하여 스캔 영역(122)의 합성된 B 스캔(compounded B-scan)을 생성한다. 통상적으로, B 스캔은, 복합 광학 신호의 엔벨로프(즉, 평면 파(906-1 내지 906-P)) 또는 가간섭적 가산을 보장하기 위한 임의의 다른 비선형 절차를 취하지 않고 가산된다. 상이한 경사각을 갖는 평면 파로 스캔 영역(122)을 조사하는 것에 의해, 합성된 B 스캔의 이미지 품질(예를 들면, 그 횡방향 해상도)이 개선된다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 샘플을 조사하기 위해 임의의 실용적인 수의 평면 파(906)가 사용될 수 있지만, 이미징 시스템에 대한 프레임 속도는 그에 상응하여 감소된다는 것을 유의해야 한다.
본 개시는 예시적인 실시형태의 단지 하나의 예를 교시한다는 것 및 본 발명의 많은 변형이 본 개시를 읽은 후에 기술 분야의 숙련된 자에 의해 쉽게 고안될 수 있다는 것 및 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (15)

  1. 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(low coherence interferometry; LCI) 시스템으로서,
    상기 LCI 시스템은 제1 샘플 신호로 상기 샘플의 제1 물점(object point)을 조사하도록(interrogating) 동작하는 광학 시스템을 포함하고, 상기 광학 시스템은:
    입력 광학 신호를 제공하기 위한 소스;
    상기 입력 광학 신호를 수신하도록 그리고 상기 입력 광학 신호에 기초하는 제1 광학 신호를 제공하도록 동작하는 평면 광파 회로(planar lightwave circuit; PLC) 모듈 - 상기 PLC 모듈은 제1 면(facet)을 갖는 제1 표면 도파관을 포함함 - ;
    상기 제1 광학 신호를 제1 기준 신호 및 상기 제1 샘플 신호로 분배하도록 치수가 정해지고 배열되는 반사기를 포함하고;
    상기 소스, PLC 모듈 및 반사기는, 상기 PLC 모듈에 포함되는 적어도 하나의 표면 도파관을 포함하는 제1 공통 경로를 상기 제1 기준 신호 및 상기 제1 샘플 신호가 공유하는 공통 경로 간섭계인 제1 간섭계의 일부를 집합적으로 정의하고; 그리고
    상기 PLC 모듈, 상기 반사기, 및 상기 샘플은, 상기 제1 면이 상기 제1 기준 신호 및 제1 산란 신호 - 상기 제1 산란 신호는, 상기 제1 물점의 적어도 하나의 구조적 피쳐 및 상기 제1 샘플 신호에 기초하는 제1 복수의 파장 신호를 포함함 - 를 제1 간섭계 신호로서 상기 제1 표면 도파관 안으로 커플링하도록 배열되는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(LCI) 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PLC 모듈은:
    상기 소스와 광학적으로 커플링되는 제2 표면 도파관; 및
    검출기와 광학적으로 커플링되는 제 3 표면 도파관을 더 포함하고;
    상기 제1 표면 도파관, 제2 표면 도파관 및 제 3 표면 도파관은, (1) 상기 제2 표면 도파관이 상기 제1 표면 도파관으로 상기 제1 광학 신호를 제공하도록; 그리고 (2) 상기 제1 표면 도파관이 제1 간섭계 신호의 적어도 일부를 상기 제 3 표면 도파관으로 제공하도록, 기판 상에서 모놀리식으로(monolithically) 통합되고 y 커플러에서 광학적으로 커플링되는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(LCI) 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PLC 모듈은 제2 면을 구비하는 제2 표면 도파관을 포함하고, 상기 반사기는 상기 제2 면으로부터 상기 제1 광학 신호를 수신하고, 또한, 상기 제1 표면 도파관 및 제2 표면 도파관은, 상기 제1 표면 도파관 및 제2 표면 도파관이 기판 상에서 광학적으로 커플링되지 않도록, 상기 기판 상에서 모놀리식으로 통합되는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(LCI) 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 표면 도파관은 제1 기판 상에 배치되고, 상기 제2 표면 도파관은 제2 기판 - 상기 PLC 모듈은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판을 포함함 - 상에 배치되는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(LCI) 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면 도파관으로부터 상기 제1 간섭계 신호를 수신하기 위한 그리고 상기 제1 복수의 파장 신호를 공간적으로 분산시키기 위한 제1 분산기를 더 포함하는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(LCI) 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 PLC 모듈은 상기 제1 분산기 및 복수의 출력 표면 도파관을 포함하고, 상기 분산기는, 각각의 파장 신호가 상기 복수의 출력 표면 도파관 중 상이한 하나 안으로 커플링되도록, 상기 제1 복수의 파장 신호를 공간적으로 분산시키도록 치수가 정해지고 배열되는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(LCI) 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반사기는 적어도 하나의 차원에서 불균일한 반사율을 가지며, 상기 반사기는 상기 적어도 하나의 차원을 따라 상기 샘플에 대해 이동 가능한, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(LCI) 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 PLC 모듈은 방향성 커플러가 없는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(LCI) 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 PLC 모듈은 제2 면을 구비하는 제2 표면 도파관을 더 포함하고;
    상기 PLC 모듈은 또한, 상기 입력 광학 신호에 기초하는 제2 광학 신호를 제공하도록 동작하고;
    상기 반사기는 상기 제2 광학 신호를 제2 기준 신호 및 제2 샘플 신호로 분배하도록 치수가 정해지고 배열되며;
    상기 소스, PLC 모듈 및 반사기는, 상기 PLC 모듈에 포함되는 적어도 하나의 표면 도파관을 포함하는 제2 공통 경로를 상기 제2 기준 신호 및 상기 제2 샘플 신호가 공유하는 공통 경로 간섭계인 제2 간섭계의 일부를 집합적으로 정의하고; 그리고
    상기 PLC 모듈, 상기 반사기, 및 상기 샘플은, 상기 제2 면이 상기 제2 기준 신호 및 제2 산란 신호 - 상기 제2 산란 신호는, 상기 제2 물점의 적어도 하나의 구조적 피쳐 및 상기 제2 샘플 신호에 기초하는 제2 복수의 파장 신호를 포함함 - 를 제2 간섭계 신호로서 상기 제2 표면 도파관 안으로 커플링하도록 배열되는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(LCI) 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 또한, 상기 제1 샘플 신호를 포함하는 복수의 샘플 신호로 상기 샘플의 복수의 물점 - 상기 복수의 물점은 상기 제1 물점을 포함함 - 을 조사하도록 동작하고:
    상기 반사기는 상기 PLC 모듈로부터 수신되는 복수의 광학 신호의 각각을 복수의 기준 신호 및 상기 복수의 샘플 신호로 분배하도록 치수가 정해지고 배열되고, 상기 복수의 기준 신호는 상기 제1 기준 신호를 포함하고 상기 복수의 대응하는 샘플 신호의 각각은 상기 복수의 기준 신호의 상이한 하나에 대응하고;
    상기 PLC 모듈은:
    (i) 입력면(input facet)에서 상기 입력 광학 신호를 수신하도록 그리고 상기 입력 광학 신호를, 비선형 룰러(non-linear ruler)를 정의하는 제1 방향으로 배열되는 복수의 방출면(emission facet)에서 상기 복수의 광학 신호로 분배하도록 치수가 정해지고 배열되는 제1 복수의 표면 도파관을 포함하는 분배 네트워크; 및
    (ii) 상기 제1 배열 내에 배열되는 복수의 수집면(collection facet)을 구비하는 제2 복수의 표면 도파관 - 상기 제2 복수의 표면 도파관은 상기 제1 면을 포함하는 상기 복수의 수집면 및 상기 제1 표면 도파관을 포함함 - 을 포함하는 수집 네트워크를 더 포함하고;
    상기 소스, PLC 모듈, 및 반사기는 복수의 공통 경로 간섭계 - 상기 복수의 공통 경로 간섭계의 각각은, 상기 복수의 물점 중 상이한 물점을, 상기 복수의 샘플 신호 중 상이한 샘플 신호로 조사하여 그 물점의 특성을 나타내는 산란 신호를 생성하도록 동작함 - 를 집합적으로 정의하고; 그리고
    상기 PLC 모듈, 반사기, 및 샘플은, 상기 복수의 수집면이 상기 복수의 기준 신호의 각각 및 상기 복수의 기준 신호의 각각의 대응하는 산란 신호를, 간섭계 신호로서, 상기 복수의 제2 표면 도파관 중 상기 복수의 기준 신호의 각각의 각 표면 도파관 안으로 커플링하도록, 배열되는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 저 가간섭성 간섭계(LCI) 시스템.
  11. 샘플의 이미지를 형성하기 위한 광학 시스템으로서,
    (1) 입력 광학 신호를 제공하기 위한 소스; 및
    (2) 평면 광파 회로(PLC) 모듈을 포함하고,
    상기 PLC 모듈은:
    (i) 입력면에서 상기 입력 광학 신호를 수신하도록 그리고 상기 입력 광학 신호를, 복수의 방출면에서 복수의 제1 광학 신호로 분배하도록 치수가 정해지고 배열되는 제1 복수의 표면 도파관을 포함하는 분배 네트워크 - 상기 복수의 제1 광학 신호는 집합적으로 복합 광학 신호를 정의하고, 상기 분배 네트워크는 상기 복수의 제1 광학 신호 중 적어도 하나의 위상을 제어하도록 동작하고, 또한 상기 복합 광학 신호의 형상 및 전파 방향 중 적어도 하나는 상기 복수의 제1 광학 신호 중 상기 적어도 하나의 상기 위상에 기초함 - ; 및
    (ii) 상기 샘플로부터 수신되는 광학적 에너지를, 복수의 산란 신호로서, 상기 제2 복수의 표면 도파관 안으로 커플링하도록 치수가 정해지고 배열되는 복수의 수집면을 구비하는 제2 복수의 표면 도파관을 포함하는 수집 네트워크를 포함하고;
    상기 샘플로부터 수신되는 상기 광학적 에너지는, 상기 복합 광학 신호 및 상기 샘플의 적어도 하나의 구조적 피쳐에 기초하는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 광학 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 분배 네트워크는 복수의 위상 컨트롤러 - 상기 복수의 위상 컨트롤러 각각은 상기 복수의 제1 광학 신호 중 상이한 하나와 동작 가능하게 커플링됨 - 를 더 포함하는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 광학 시스템.
  13. 샘플의 이미지를 형성하기 위한 방법으로서,
    제1 면을 구비하는 제1 표면 도파관을 포함하는 평면 광파 회로(PLC) 모듈 - 상기 PLC 모듈은 입력 광학 신호를 수신하고 상기 입력 광학 신호에 기초하는 제1 광학 신호를 제공함 - 을 제공하는 단계;
    상기 제1 광학 신호에 대해 부분적으로 투과성인 반사기 - 상기 PLC 모듈 및 상기 반사기는 제1 기준 신호 및 제1 샘플 신호에 대한 제1 공통 경로를 갖는 제1 공통 경로 간섭계의 적어도 일부를 집합적으로 정의하도록 배열되고, 상기 반사기는 상기 PLC 모듈로부터 상기 제1 광학 신호를 수신함 - 를 제공하는 단계;
    상기 제1 광학 신호를 상기 반사기에서 상기 제1 기준 신호 및 상기 제1 샘플 신호로 분배하는 단계;
    상기 제1 샘플 신호로 상기 샘플의 제1 물점을 조사하여, 상기 제1 물점의 적어도 하나의 구조적 피쳐 및 상기 제1 샘플 신호에 기초하는 제1 복수의 파장 신호를 갖는 제1 산란 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 기준 신호 및 상기 제1 산란 신호의 각각을 상기 제1 면에서 상기 제1 표면 도파관 안으로 커플링하여, 상기 제1 복수의 파장 신호를 포함하는 제1 간섭계 신호를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 복수의 파장 신호에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 PLC 모듈이 제2 면을 구비하는 제2 표면 도파관을 더 포함하도록 상기 PLC 모듈을 제공하는 단계 - 상기 PLC 모듈 및 상기 반사기는 또한, 제2 기준 신호 및 제2 샘플 신호에 대한 제2 공통 경로를 갖는 제2 공통 경로 간섭계의 적어도 일부를 정의함 - ;
    상기 입력 광학 신호에 기초하는 제2 광학 신호 - 상기 제2 광학 신호는 상기 PLC 모듈에 의해 제공되고 상기 입력 광학 신호에 기초함 - 를 제공하는 단계;
    상기 제2 광학 신호를, 상기 반사기에서 상기 제2 기준 신호 및 상기 제2 샘플 신호로 분배하는 단계;
    상기 제2 샘플 신호로 상기 샘플의 제2 물점을 조사하여, 상기 제2 물점의 적어도 하나의 구조적 피쳐 및 상기 제2 샘플 신호에 기초하는 제2 복수의 파장 신호를 갖는 제2 산란 신호를 생성하는 단계;
    상기 제2 기준 신호 및 상기 제2 산란 신호의 각각을 상기 제2 면에서 상기 제2 표면 도파관 안으로 커플링하여, 상기 제2 복수의 파장 신호를 포함하는 제2 간섭계 신호를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 복수의 파장 신호에 기초하여 제2 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 샘플의 이미지를 형성하기 위한 방법.
  15. 샘플을 조사하기 위한 방법으로서,
    입력면, 분배 네트워크 및 수집 네트워크 - 상기 분배 네트워크는 상기 입력면과 광학적으로 커플링되는 복수의 방출면을 갖는 복수의 방출 표면 도파관을 포함하고, 상기 수집 네트워크는 복수의 수집면을 갖는 복수의 수집 표면 도파관을 포함함 - 를 포함하는 평면 광파 회로(PLC) 모듈을 제공하는 단계;
    상기 입력면에서 수신되는 입력 광학 신호를 상기 복수의 방출면에서 복수의 출력 신호 - 상기 복수의 출력 신호는 집합적으로 복합 광학 신호를 정의함 - 로 분배하는 단계;
    상기 복합 광학 신호의 형상 및 전파 방향 중 적어도 하나를 제어하기 위해 상기 복수의 출력 신호 중 적어도 하나의 위상을 제어하는 단계;
    상기 복수의 수집면에서 산란 에너지 - 상기 산란 에너지는 상기 샘플의 적어도 하나의 구조적 피쳐 및 상기 복합 광학 신호에 기초함 - 를 수신하는 단계;
    상기 산란 에너지를 상기 복수의 수집 표면 도파관에서 전파하는 복수의 산란 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 복수의 산란 신호에 기초하여 출력 신호 - 상기 출력 신호는 상기 샘플의 상기 적어도 하나의 구조적 피쳐에 기초함 - 를 생성하는 단계를 포함하는, 샘플을 조사하기 위한 방법.
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