KR20220003217A - 광학 영상 장비의 초점 심도 향상 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 빛을 출력하는 광원; 상기 광원에 연결되어 상기 광원으로부터 빛을 제공받아 1차로 가이드하는 제1광섬유; 상기 제1광섬유에 연결되어 상기 제1광섬유에서 1차로 가이드된 빛을 제공받으며, 제공받은 빛을 2차로 가이드하는 제2광섬유; 및 상기 제2광섬유에 이격되도록 배치되고, 상기 제1 및 제2광섬유 각각으로부터 제공된 빛을 굴절시키는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 심도 향상 장치를 제공한다.

Description

광학 영상 장비의 초점 심도 향상 장치{Device to extend the depth of focus for optical imaging device}
본 발명은 초점 심도 향상 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광학 영상 장비의 초점 심도를 향상시키는 장치에 관한 것이다.
광학 영상 장비는 광학을 이용하여 영상을 보여주는 장비인데, 생명과학, 의학, 약학, 식품, 금속 및 반도체 등의 광범위한 분야에 적용되는 분석 장비이다.
광학 영상 장비, 특히 광간섭 단층 촬영기(optical coherence tomography, OCT)에서는 횡방향의 초점(focal spot)의 크기(transverse resolution)가 작고 초점 심도(depth of focus, DOF)가 길어야 높은 해상도로 넓은 범위를 관찰할 수 있다.
하지만, 횡방향의 분해능(transverse resolution)과 초점 심도는 트레이드 오프(trade-off)의 관계에 있기 때문에 횡방향의 분해능과 초점 심도를 동시에 향상시키기 어려운 문제가 있다.
일례로, 액시콘 렌즈(Axicon lens)를 사용하여 초점 영역에서 베셀 빔(Bessel beam)을 형성하여 초점 심도를 증가시키는 장치가 알려져 있다. 이러한 장치는, 액시콘 렌즈의 정점 각도(apex angle)를 조절하여 초점 심도가 늘어나는 정도를 조절할 수 있다.
액시콘 렌즈를 사용하는 장치는, 액시콘 렌즈가 들어갈 공간이 필요하며 액시콘 렌즈를 작게 제작하기 어려워서, 장치의 소형화 및 배치에 어려운 점이 있었다.
또한, 이진 위상 마스크(Binary phase mask)를 사용하는 장치가 알려져 있다. 이런 장치는, 초점 영역에서 빛의 간섭 현상에 의해 초점 심도가 증가하게 되며, 이진 위상 마스크의 구조를 조절하여 초점 심도가 늘어나는 정도를 조절할 수 있게 되는데, 사이드 로브(Side lobe)는 상대적으로 작게 된다.
이진 위상 마스크(Binary phase mask)를 사용하는 장치의 경우, 이진 위상 마스크를 제작할 때 오차가 많이 발생하고, 기계적 손상을 입기 쉬우며, 배치가 어려운 문제가 있었다.
공개 특허 제10-2017-0019855호(2017.2.22.)
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 목적은 광학 영상 장비의 초점 심도를 향상시키는 장치를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 초점 심도 향상 장치는 빛을 출력하는 광원; 상기 광원에 연결되어 상기 광원으로부터 빛을 제공받아 1차로 가이드하는 제1광섬유; 상기 제1광섬유에 연결되어 상기 제1광섬유에서 1차로 가이드된 빛을 제공받으며, 제공받은 빛을 2차로 가이드하는 제2광섬유; 및 상기 제2광섬유에 이격되도록 배치되고, 상기 제1 및 제2광섬유 각각으로부터 제공된 빛을 굴절시키는 렌즈를 포함한다.
본 발명의 초점 심도 향상 장치는 상기 제1 및 제2광섬유에 의해 각각 가이드된 빛은 상기 렌즈에 의해 각각 굴절되면서 광축상의 다른 위치에 각각 초점을 생성하여 초점 심도의 향상을 가능하게 한다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 제1광섬유는, 광원에 연결되어, 광원으로부터 빛을 제공받으며, 코어 내부에서 빛을 1차로 가이드하여 제2광섬유로 제공하는 코어를 구비한다.
바람직하게는, 상기 제1광섬유는, 상기 코어의 외주를 감싸는 클래딩과, 상기 클래딩의 외주를 감싸는 코팅부를 더 구비할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 상기 제2광섬유는, 상기 제1광섬유의 코어에 연결되어, 상기 제1광섬유의 코어에 의해 가이드 된 빛을 제공받으며, 제공된 가이드된 빛을 2차로 가이드하는 코어와, 상기 제2광섬유의 코어를 감싸도록 상기 제2광섬유의 코어의 외주에 설치되는 클래딩을 구비할 수 있다.
또한, 상기 제2광섬유의 코어의 직경은 상기 제1광섬유의 코어의 직경 보다 작거나 같을 수 있다.
바람직하게는, 제2광섬유의 코어의 직경이 제1광섬유의 코어의 직경 보다 작은 경우 상기 제1광섬유의 코어를 따라 가이드 된 빛은, 상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유의 경계면에서 일부는 상기 제2광섬유의 코어로 제공되고, 나머지 일부는 상기 제2광섬유의 클래딩으로 제공될 수 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 초점 심도 향상 장치는 상기 제1광섬유 및 상기 제2광섬유 사이에 배치되고, 상기 제1광섬유의 코어로부터 제공된 빛을 가이드하는 스페이서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 초점 심도 향상 장치는 광원에서 출력된 빛은 제1 및 제2광섬유에 의해 각각 가이드되고 렌즈에 의해 각각 굴절되면서 광축상의 다른 위치에 각각 초점을 생성하여 초점 심도의 향상을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 초점 심도 향상 장치의 일례를 도시하는 개념도.
도 2는 도 1에서의 A 부분의 확대도.
도 3은 본 발명의 초점 심도 향상 장치의 다른 일례를 도시하는 개념도.
도 4는 도 3에서의 B 부분의 확대도.
도 5는 본 발명의 초점 심도 향상 장치에 따른 두 개의 초점이 발생한 예를 도시하는 그래프.
도 6는 본 발명의 초점 심도 향상 장치의 제2광섬유의 길이가 늘어나기 전의 두 초점 사이의 거리를 도시하는 그래프.
도 7은 본 발명의 초점 심도 향상 장치의 제2광섬유의 길이가 늘어난 후의 두 초점 사이의 거리를 도시하는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 초점 심도 향상 장치(100)의 일례를 도시하는 개념도이고, 도 2는 도 1에서의 A 부분의 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 초점 심도 향상 장치(100)의 일례에 대하여 서술한다.
본 발명의 초점 심도 향상 장치(100)는, 광원(10), 제1광섬유(20), 제2광섬유(30) 및 렌즈(40)를 포함한다.
광원(10)은 빛을 출력하여 제1광섬유(20)로 제공한다.
일례로, 광원(10)은 레이저(LASER, Light Amplification by the Simulated Emission of Radiation) 광원(10)일 수 있다.
제1광섬유(20)는 광원(10)에 연결되어 상기 광원(10)으로부터 빛을 제공받아 1차로 가이드하게 한다.
제1광섬유(20)는 코어(21), 클래딩(cladding, 23) 및 코팅부(25)를 구비할 수 있다.
제1광섬유(20)의 코어(21)는, 광원(10)에 연결되어, 광원(10)으로부터 빛을 제공받으며, 코어 내부에서 빛을 1차로 가이드하여 제2광섬유(30)로 제공된다. 일례로, 제1광섬유(20)의 코어(21)는 유리 재질로 이루어질 수 있다.
제1광섬유(20)의 클래딩(23)은 제1광섬유(20)의 코어(21)의 외주에서 코어를 감싸도록 배치된다. 제1광섬유(20)의 클래딩(23)은 제1광섬유(20)의 코어(21)의 굴절률 보다 작은 굴절률을 갖도록 하여, 제1광섬유(20)의 코어(21)의 내부에서 가이드되는 빛은 제1광섬유(20)의 클래딩(23)과 제1광섬유(20)의 코어(21)의 경계면에서, 전반사가 이루어지도록 한다. 일례로, 제1광섬유(20)의 클래딩(23)은 유리 재질로 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2에는 제1광섬유(20)의 코어(21)에서 가이드된 빛이 제2광섬유(30) 및 렌즈(40)를 통해 외부로 나오는 경로가 빨간 선으로 표시되어 있다.
제1광섬유(20)의 코어(21)의 직경은 후술하는 제2광섬유(30)의 코어(31)의 직경 보다 크거나 같을 수 있다.
제1광섬유(20)의 코어(21)의 직경은 후술하는 제2광섬유(30)의 코어(31)의 직경과의 비율이 조절되어 제1 및 제2광섬유(20, 30) 코어에서 나온 빛의 초점 강도(intensity)의 비율은 조정될 수 있다.
제2광섬유(30)는 제1광섬유(20)와 연결되어, 제1광섬유(20)에서 가이드된 빛을 제공받는다. 일례로, 제2광섬유(30)는 제1광섬유(20)와 퓨전 스플라이서(fusion splicer)에 의해 부착되어 연결될 수 있다. 또한, 제2광섬유(30)는 일 측이 제1광섬유(20)에 연결된 후에, 다른 일 측은 클리빙(cleaving) 공정에 의해 절단될 수 있다.
제2광섬유(30)는 코어(31) 및 클래딩(cladding, 33)을 구비할 수 있다.
제2광섬유(30)의 코어(31)는, 제1광섬유(20)의 코어(21)에 연결되어, 제1광섬유(20)의 코어(21)에 의해 가이드 된 빛을 제공받으며, 제공된 가이드된 빛을 2차로 가이드 한다.
도 1 및 도 2에는 제1광섬유(20)의 코어(21)에서 가이드된 빛이 제2광섬유(30)로 유입되는 예가 도시되며, 제2광섬유(30)의 코어(31)에서 빛이 출력되고 렌즈(40)를 통해 굴절되는 경로가 보라색 음영으로 표시되어 있다.
일례로, 제2광섬유(30)의 코어(31)는 유리 재질로 이루어질 수 있다.
제2광섬유(30)의 클래딩(33)은 제2광섬유(30)의 코어(31)를 감싸도록 제2광섬유(30)의 코어(31)의 외주에 설치된다.
제2광섬유(30)의 클래딩(33)은 제2광섬유(30)의 코어(31)의 굴절률 보다 작은 굴절률을 갖도록 하여, 제2광섬유(30)의 코어(31)의 내부에서 가이드되는 빛은 제2광섬유(30)의 클래딩(33)과 제2광섬유(30)의 코어(31)의 경계면에서, 전반사가 이루어지도록 한다. 일례로, 제2광섬유(30)의 클래딩(33)은 유리 재질로 이루어질 수 있다.
제2광섬유(30)의 코어(31)의 직경은 제1광섬유(20)의 코어(21)의 직경 보다 작거나 같을 수 있다.
본 명세서에서 제1 및 제2광섬유(20, 30) 각각의 코어의 직경은, 물리적인 직경의 크기일 수도 있으며, 모드 필드 지름(mode field diameter)일 수도 있다. 모드 필드 지름은 단일 모드 광섬유에서 광 에너지의 지름이다.
제2광섬유(30)의 코어(31)의 직경이 제1광섬유(20)의 코어(21)의 직경 보다 작은 경우, 제1광섬유(20)의 코어(21)를 따라 가이드 된 빛은, 제1광섬유(20)와 제2광섬유(30)의 경계면에서 일부는 제2광섬유(30)의 코어(31)로 제공되고, 나머지 일부는 제2광섬유(30)의 클래딩(33)으로 제공된다.
제1광섬유(20)의 코어(21)를 따라 가이드 된 빛 중에서, 제2광섬유(30)의 클래딩(33)으로 제공되어 가이드 되는 빛은 링 형상을 가지게 된다.
한편, 렌즈(40)는, 제1광섬유(20)의 코어(21), 제2광섬유(30)의 코어(31)와 제2광섬유(30)의 클래딩(33)으로부터 제공된 빛을 굴절시켜서 광축상에서 초점을 생성하게 한다.
렌즈(40)로 제공되는 광 중에서, 제1광섬유(20)의 코어(21)와 제2광섬유(30)의 코어(31) 각각에서 출력된 빛들은 광축상의 서로 다른 위치에서 출력되었으므로, 렌즈(40)를 통과한 뒤에도 각각 광축상의 다른 위치에 초점을 생성하게 된다.
한편, 렌즈(40)로 제공되는 광 중에서, 제2광섬유(30)의 클래딩(33)에서 가이드되는 빛은 링 형상의 빛으로 베셀 빔(Bessel beam)의 특성을 가지게 되어 초점 심도가 1차적으로 더 늘어나게 된다.
렌즈(40)로 제공되는 제1광섬유(20)와 제2광섬유(30)의 코어에서 출력된 광이 렌즈(40)를 통과함에 따라 광축상의 서로 다른 위치에서 초점을 형성하게 되고, 총 초점 심도는 두 초점의 초점 심도 합과 같으므로 2차적으로 초점 심도가 늘어나게 된다. 초점 심도가 늘어나는 것은 초점에서 빛의 분포를 광축방향으로 늘어나도록 재분배하는 것일 수 있다.
한편, 제2광섬유(30)의 길이를 조절하여 제1광섬유(20) 및 제2광섬유(30) 두 초점 사이의 간격을 조절할 수 있다.
또한, 제1광섬유(20)의 코어(21) 및 제2광섬유(30)의 코어(31)의 직경 비율을 조절하여 두 초점의 강도 비율을 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 초점 심도 향상 장치(200)는 상기 제1광섬유(20) 및 상기 제2광섬유(30) 사이에 배치되고, 상기 제1광섬유(20)의 코어(21)로부터 제공된 빛을 가이드하는 스페이서(50)를 더 포함할 수 있다.
스페이서(50)는 일례로, 유리의 재질로 이루어질 수 있다.
도 3 및 4에는 스페이서(50)를 더 포함하는 본 발명의 초점 심도 향상 장치(200)의 예가 도시되며, 도 1 및 도 2에서 도시된 본 발명의 초점 심도 향상 장치(100)와는 스페이서(50)만 더 포함하여 구성된 점에서 차이가 있으며, 나머지 구성인 광원(10), 제1광섬유(20), 제2광섬유(30) 및 렌즈(40) 등의 구성은 전술한 본 발명의 초점 심도 향상 장치(100)와 차이는 없다.
도 3 및 4를 참조하면, 제1 및 제2광섬유(20, 30) 사이에 배치되는 스페이서(50)에 의해 제1광섬유(20)의 코어(21)에서 가이드된 빛은 스페이서(50)에서 빛을 붉은색의 원뿔형상으로 가이드되는 예가 도시된다.
스페이서(50)에 의해 빛은 원뿔형상으로 가이드되고, 제2광섬유(30)의 코어(31) 및 클래딩(33)에 의해 가이드됨으로써, 초점 심도는 늘어날 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4에는 제1광섬유(20)의 코어(21)에서 가이드된 빛이 스페이서(50)에 의해 원뿔형상으로 가이드되고 제2광섬유(30)의 클래딩(33)으로 유입되는 예가 붉은색으로 도시되며, 제2광섬유(30)의 코어(31)로 유입되어 출력된 빛이 렌즈(40)를 통해 굴절되는 경로가 보라색 음영으로 표시되어 있다.
도 5를 참조하면, 제1광섬유(20)의 코어(21) 및 제2광섬유(30)의 코어(31)에 의해 각각 가이드된 빛에 의해 축 방향으로 2개의 초점이 발생되어 초점 심도가 증가된 예가 도시된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6에서의 제2광섬유(30)의 길이 보다 도 7에서의 제2광섬유(30)의 길이를 길게하여 실험을 수행하였으며, 도 6 보다 도 7에서 두 초점 사이의 길이가 멀어진 예가 도시된다.
본 발명의 초점 심도 향상 장치(100, 200)는 안과용 광 간섭성 단층촬영기술(optical coherence tomography), 심혈관 질환 진단용 광 간섭성 단층촬영기술과, 마이크로 광 간섭성 단층촬영기술로 응용되어 제품화될 수 있다.
안과용 광 간섭성 단층촬영기술은, 기존 안과용 광 간섭성 단층촬영기술의 이미징 렌즈(imaging lens) 직전 광섬유 끝 단에 적용하는 것만으로 초점 심도를 최소 2배 이상 증가시킬 수 있다.
심혈관 질환 진단용 광 간섭성 단층촬영기술은 기존 심혈관 질환 진단용 광 간섭성 단층촬영기술의 이미징 카테터(imaging catheter)의 끝 단 광섬유에 적용하여 초점 심도를 최소 2배 이상 증가시킬 수 있다.
마이크로 광 간섭성 단층촬영기술은 광 섬유(Optical fiber) 기반 마이크로 광 간섭성 단층촬영기술의 이미징 렌즈(imaging lens) 직전 광섬유 끝 단에 적용하는 것만으로 초점 심도를 최소 2배 이상 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 초점 심도 향상 장치(100, 200)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100, 200:초점 심도 향상 장치
10:광원
20:제1광섬유 21:코어 23:클래딩 25:코팅부
30:제2광섬유 31:코어 33:클래딩
40:렌즈
50:스페이서

Claims (8)

  1. 빛을 출력하는 광원;
    상기 광원에 연결되어 상기 광원으로부터 빛을 제공받아 1차로 가이드하는 제1광섬유;
    상기 제1광섬유에 연결되어 상기 제1광섬유에서 1차로 가이드된 빛을 제공받으며, 제공받은 빛을 2차로 가이드하는 제2광섬유; 및
    상기 제2광섬유에 이격되도록 배치되고, 상기 제1 및 제2광섬유 각각으로부터 제공된 빛을 굴절시키는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 심도 향상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2광섬유에 의해 각각 가이드된 빛은 상기 렌즈에 의해 각각 굴절되면서 광축상의 다른 위치에 각각 초점을 생성하여 초점 심도의 향상을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 초점 심도 향상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1광섬유는,
    광원에 연결되어, 광원으로부터 빛을 제공받으며, 코어 내부에서 빛을 1차로 가이드하여 제2광섬유로 제공하는 코어를 구비하는 것을 특징으로 하는 초점 심도 향상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1광섬유는,
    상기 코어의 외주를 감싸는 클래딩과,
    상기 클래딩의 외주를 감싸는 코팅부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초점 심도 향상 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2광섬유는,
    상기 제1광섬유의 코어에 연결되어, 상기 제1광섬유의 코어에 의해 가이드 된 빛을 제공받으며, 제공된 가이드된 빛을 2차로 가이드하는 코어와,
    상기 제2광섬유의 코어를 감싸도록 상기 제2광섬유의 코어의 외주에 설치되는 클래딩을 구비하는 것을 특징으로 하는 초점 심도 향상 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2광섬유의 코어의 직경은 상기 제1광섬유의 코어의 직경 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 초점 심도 향상 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    제2광섬유의 코어의 직경이 제1광섬유의 코어의 직경 보다 작은 경우 상기 제1광섬유의 코어를 따라 가이드 된 빛은, 상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유의 경계면에서 일부는 상기 제2광섬유의 코어로 제공되고, 나머지 일부는 상기 제2광섬유의 클래딩으로 제공되는 것을 특징으로 하는 초점 심도 향상 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1광섬유 및 상기 제2광섬유 사이에 배치되고, 상기 제1광섬유의 코어로부터 제공된 빛을 가이드하는 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 심도 향상 장치.
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