KR100973149B1 - 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라만변이 만큼 주파수 차이를 가진 두 광원의 분광분산을 공간적으로 엔코딩한 후, 측정하려는 시료 위치에서 두 레이저 빔을 겹치게 하여 간섭성 반스톡스 라만산란(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering : CARS) 신호의 공간적 분포를 얻을 수 있게 하는 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경에 관한 것으로, 본 발명은 통형상의 본체(1); 상하로 일정거리 이격되어 설치되며 스톡스광과 펌프광을 각각 전달하는 스톡스광 광섬유(11) 및 펌프광 광섬유(12); 상기 광섬유(11,12)로부터 전달된 스톡스광과 펌프광을 시준하는 시준렌즈(20); 시준된 스톡스광과 펌프광의 분광분산이 동일하도록 회절시키는 회절격자(30); 스톡스광을 반사시키며 시료로부터 생성된 CARS광을 상기 회절격자(30)로 재반사시키는 이색성 반사부와, 펌프광을 전반사시키는 전반사부로 이루어져 반사된 스톡스광과 펌프광을 전달하는 반사거울(40); 반사된 펌프광과 스톡스광을 시료로 집속하는 대물렌즈(50); CARS광을 분광기로 전달하는 CARS광 전달부(60); 를 포함하여 이루어진다.

내시경, 분광 엔코딩, 간섭성 반스톡스 라만산란, 이미징, 회절격자

Description

분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경{Spectrally Encoded CARS Endoscope}

본 발명은 라만변이 만큼 주파수 차이를 가진 두 광원의 분광분산을 공간적으로 엔코딩한 후, 측정하려는 시료 위치에서 두 레이저 빔을 겹치게 하여 간섭성 반스톡스 라만산란(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering : CARS) 신호의 공간적 분포를 얻을 수 있게 하는 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경에 관한 것이다.

질병조직에 대한 형태학적 혹은 생리학적 변화의 시각적 관찰은 병의 초기진단에서 요구되는 중요한 과정이라 할 수 있다. 특히, 생체 내에서의(in vivo) 직접관찰을 가능하게 하는 복강경이나 내시경이 임상에서 널리 쓰이게 됨에 따라 환자의 치사율을 감소시킬 수 있게 되었고 질병진단에 드는 비용을 상당히 줄일 수 있게 되었다. 내시경의 경우는 의학 뿐 만아니라 생물학적 연구에서도 무절개 혹은 최소한의 침습(minimally invasive)으로 대상을 관찰할 수 있다는 장점을 가지고 있어 다양한 형태로 개발되어지고 있다. 생체 내로 들어가 영상을 얻어야 된다는 특성상 내시경 프로브(probe)는 가능한 가늘어야하고 머리부분에 설치될 결상광학 계는 매우 좁은 공간에 여러 광학부품들이 잘 집적되어야 한다. 생체 내에서 얻어진 영상을 외부로 유도하기 위해 대부분의 경우 잘 빗질된 광섬유다발을 사용하지만 세밀한 영상을 위해 상당히 많은 가닥수의 광섬유를 필요로 하게 되어 내시경 프로브의 굵기가 전체적으로 커지는 문제를 갖게 된다. 이 경우, 혈관 내벽이나 작은 동물의 내부 조직을 관찰하기 위한 내시경으로는 부적절하다. 또 다른 접근 방법으로 미세광학 거울을 내시경 프로브의 머리부분에 장착하여 한 가닥의 단일모드 광섬유로 외부로부터 들여온 레이저 빔을 시료 위에 스캔하고, 생성된 일렬의 산란 광신호를 광섬유로 다시 밖으로 유도하여 외부에서 신호처리를 통해 영상을 재생시킨다. 이 경우는 프로브 굵기에 있어서는 이점이 있지만 작은 공간 안에서 고속 스캔을 할 수 있는 장치를 만들어 집적시켜야 되는 상당히 어렵고 도전적인 문제에 부닥치게 된다.

상기한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 레이저빔을 시료 위에 고속스캔하는 복잡한 장치 대신에 빛을 분산시킬 수 있는 간단한 회절광학소자로 내시경 내부을 소형화할 수 있도록 하는 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경은 통형상의 본체(1); 상기 본체(1) 일측에 스톡스 광원으로부터 발생된 임의의 주파수대를 갖는 스톡스광과 펌프광원으로부터 발생되며 상기 스톡스광과 함께 시료의 매질분자를 들뜬 상태로 만드는 펌프광을 각각 전달하며 스톡스광과 펌프광의 입사각이 달라지도록 상하로 일정거리 이격되어 설치되는 스톡스광 광섬유(11) 및 펌프광 광섬유(12); 상기 광섬유(11,12)의 후방인 상기 본체(1) 내측에 설치되며 상기 광섬유(11,12)로부터 전달된 스톡스광과 펌프광을 시준하는 시준렌즈(20); 상기 시준렌즈(20) 후방인 상기 본체(1) 내측에 설치되며 시준된 스톡스광과 펌프광의 분광분산이 동일하도록 회절시키는 하나의 회절격자(30); 상기 본체(1) 내측에 설치되며 회절된 펌프광은 투과시키고 회절된 스톡스광을 반사시키며 시료로부터 생성된 CARS광을 상기 회절격자(30)로 재반사시키는 이색성 반사부와, 이색성 반사부를 투과한 펌프광을 전반사시키는 전반사부로 이루어져 반사된 스톡스광과 펌프광을 전달하는 반사거울(40); 상기 본체(1) 타측 내부에 설치되며 상기 반사거울(40)로부터 반사된 펌프광과 스톡스광을 시료로 집속하는 대물렌즈(50); 상기 CARS광을 분광기로 전달하는 CARS광 전달부(60); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 CARS광 전달부(60)는 상기 본체(1)의 일측 광섬유(11,12)가 설치된 부위에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반사거울(40)의 이색성 반사부와 전반사부는 각각 이색성 반사거울과 전반사거울로 구비되며, 상기 이색성 반사거울(41)과 전반사거울(42)이 이루는 각도를 조절하는 각도조절수단(43)이 더 구비된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 각도조절수단(43)은 상기 이색성 반사거울(41)과 전반사거울(42) 사이에 삽입되며 상기 이색성 반사거울(41)을 지지하며 이동에 의해 상기 이색성 반사거울(41) 각도를 조절하는 지지부(43a)와, 상기 본체(1)에 결합되며 상기 지지부(43a)와 접하여 상기 지지부(43a)의 이동거리를 조절하는 지지부 이동거리 조절나사(43b)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 반사거울(40)의 이색성 반사부와 전반사부는 상기 반사거울(40)의 일면과 타면에 각각 이색성 코팅과 전반사 코팅으로 형성되며 상기 반사거울은 입사되는 펌프광 및 스톡스광에 대하여 일정각도를 이루어 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반사거울(40)의 각도(α)는 하기 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

α = (θ_pd - θ_sd)/2n

((θ_pd - θ_sd)는 펌프광과 스톡스광 회절각의 차이, n은 반사거울의 굴절률)

본 발명은 분자진동공명 특성을 가지는 CARS 분광분석의 장점을 활용할 뿐만 아니라, 레이저빔을 시료 위에 고속스캔하는 복잡한 장치 대신에 빛을 분산시킬 수 있는 간단한 회절광학소자로 펌프광과 스톡스광의 분광분산을 동일하도록 함으로써 고속스캐닝과 동일한 효과를 소형의 간단한 장치로 구현한다는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경을 설명한다.

본 발명은 레이저빔을 시료 위에 고속스캔하는 복잡한 장치 대신에 빛을 분산시킬 수 있는 간단한 회절광학소자로 펌프광과 스톡스광의 분광분산을 동일하도록 함으로써 고속스캐닝과 동일한 효과를 소형의 간단한 장치로 구현한다는 분광 엔코딩 내시경(spectrally encoded endoscope)에 관한 것이다. 이는 파장분할 다중처리 방식의 한 개념으로서, 광대역 레이저빔을 단일모드 광섬유를 통해 내시경 머리부분으로 전달하고 회절격자를 이용해 공간적으로 분산시킨 후 각 파장성분이 시료에서 산란되어 발생된 광신호를 다시 광섬유를 통해 외부로 끌어내어 분광기로 분산(spectral dispersion)시켜 시료에서 생긴 공간적인 신호분포를 분광 신호분포 로 재생시키는 것이다. 즉, 2차원 이미징을 위한 미세거울의 2개 스캔축 중에 고속 스캔이 요구되는 축에 공간스캔 대신에 회절격자를 써서 분광분산의 공간적인 엔코딩을 만드는 개념이다. 현재 이 기술은 시료의 선형광학적 특성인 굴절률이나 흡수도 차이에 따른 반사도 분포 이미징에 국한되어 적용되고 있지만 시료의 비선형광학적 특성에 대한 이미징에도 응용이 가능할 것으로 충분히 예상할 수 있다.

간섭성 반스톡스 라만 산란(coherent anti-Stokes Raman scattering; CARS)은 분자진동공명 특성을 가지고 있기 때문에 시료에 대한 분광학적 정보를 줄 수 있는 장점이 있고, 이를 현미경 영상시스템에 적용하면 시료의 화학적 조성에 대한 공간적 분포를 영상으로 얻을 수 있다. 신호광의 가간섭성 특성으로 인해 기존 라만현미경 이미징에 비해 훨씬 강한 신호세기를 줄 수 있고, 공초점 형광현미경과 다르게 시료의 염색과정 없이 무표지(label-free) 3차원 이미징이 가능하여 바이오의료 분야에서 강력한 이미징 도구로 개발되고 있다. CARS 는 도 1의 에너지도표에서 보는 바와 같이 두 개의 다른 파장의 레이저빔인 펌프빔과 스톡스빔이 시료에 조사되어 그 맥놀이 주파수에 공명인 분자진동모드를 여기시키고 또 다른 제3의 프로브빔이 반스톡스 라만산란되는 3차 비선형광학 현상이다. 이때 일반적으로 프로브빔과 펌프빔은 같은 파장의 동일한 레이저를 사용하므로 신호광의 주파수는

과 같이 표현된다. 따라서 이와 같은 CARS 신호발생 특성상 분광 엔코딩 CARS 내시경 광학계는 기존의 분광 엔코딩 내시경과는 달리 두 다른 파장대에서의 분광분산을 동시에 고려해 주어야 되는 독특한 설계개념을 필요로 한다.

분광 엔코딩 CARS 내시경(SE-CARS endoscope)을 구현하기 위해 첫째로 고려할 가장 핵심이 되는 조건은 회절격자에 의해 시료면 위에 조사되어 분산될 펌프빔과 스톡스빔의 분광분산이 같은 값을 가져야 된다는 것이다. 즉, 다음 식을 만족시켜야 한다.

(1)

여기서,

는 파수(wavenumber),

는 회절각을 나타낸다. 이는 이미징 영역에서 두 빔의 파수차, 즉, 라만변이 값이 일정하게 유지되도록 하는 조건이 된다. 둘째로, 두 레이저빔의 스펙트럼이 공간적으로 시료면의 같은 위치에서 겹쳐져야 한다. 이렇게 함으로써 시료면 위에서 특정 라만변이의 분자진동모드들만이 활성화되어 CARS 신호의 분포가 얻어진다. 도 2에서 이 두 조건을 도식적으로 표현하였다. 가우시안으로 가정된 레이저빔이 회절격자에 입사되어 분광분산된 후 집속렌즈로 시료면 위에 모아졌을 때, 각각의 파수 성분

은 X 축상의 각 위치에서 선폭

인 가우시안 광세기분포를 갖게 된다.

는 영상의 공간분해능에 밀접한 관련을 갖는 양으로서

로 표현되며

는 집속렌즈의 수치구경이고

은 파장이다. 도 2에서 위쪽은 펌프광의 분포를 나타내었고 아래쪽은 같은 X 축상 위치에서의 스톡스광의 분포를 나타내었다. 엔코딩 CARS 이미징이 구현되기 위해 스톡스광과 펌프광이 식 (1)을 만족시키면 식 (2)가 성립되고 각 위치에서 식 (3)으로 표현되는 각기 다른 파수의 CARS 신호가 얻어진다. 각 위치에서 라만변이는 같으면서 CARS 신호의 파수가 다른 분광 엔코딩된 신호가 얻어지는 것이다.

(2)

(3)

이 때, 한 레이저빔의 스펙트럼을 다른 레이저빔에 상대적으로 위치 이동시키면 라만변이 값을 조절할 수 있다. 이상에서 각 레이저의 전체 밴드폭

은 레이저 자체의 파장

에 비해 충분히 작아 회절각의 파수에 대한 의존성이 밴드폭 내에서 1차함수적이라고 가정하였다. 생성된 CARS 신호의 대부분은 전방으로 진행하지만 산란성이 큰 생체조직 내에서 상당량의 신호가 후방으로 되반사되어 집속렌즈에 의해 다시 외부로 끌어내어질 수 있고 이를 분광기로 분해하면 분광 엔코딩된 CARS 신호의 공간분포를 얻게 된다.

CARS 신호는 두 레이저빔이 겹치는 부분에서 발생하므로 시야범위(field of view : FOV)는 밴드폭이 작은 레이저에 의해서 결정된다. 주어진 입사 레이저의 밴드폭

에 따른 시야범위를 계산해보면

으로 주어지게 되는데 f 는 집속대물렌즈의 초점거리이다. 결국 주어진 레이저 밴드폭에 서 시야범위를 크게 하기 위해서는 가능한 분광분산

을 크게 하여야 하는데, 어느 한계를 넘어가면 레이저 에너지가 넓은 범위로 퍼져 시료면에 떨어지는 레이저 출력밀도(power density)가 줄게 되어 충분한 양의 신호발생이 어려워진다. 따라서 이 점도 분광 엔코딩 CARS 내시경 설계시 중요한 고려사항이 되어야 한다. 최종적으로, 분광 엔코딩 방식으로 얻어진 1차원 영상은 기계적으로 구동되는 Y 축 방향의 저속 스캔장치와 연동되어 2차원 영상을 형성하게 된다.

본 발명은 내시경 프로브의 머리부분 광학계 설계로서 단일모드 광섬유에 의해 유도된 레이저 빔이 GRIN(gradient-index) 렌즈에 의해 시준되고 투과형 회절격자를 통해 분산된 후 또 다른 GRIN 렌즈에 의해 시료면에 집속되는 형태로 전체적인 설계 개념을 갖추고 있다. 광선추적(ray tracing)은 1차 기하광학에 근거하였고 고차 기하광학적 광선추적을 통한 고차 단색광수차(monochromatic aberration) 및 색수차(chromatic aberration)에 대한 분석 및 보정은 논의 영역 밖이므로 고려하지 않았다.

이미 앞서 언급했듯이 분광 엔코딩 CARS 내시경 설계의 핵심은 하나의 회절격자를 사용해 펌프광과 스톡스광의 분광분산을 같게 만드는 것이다. 이 조건을 찾기 위해 회절격자에 대한 기본관계식을 식 (4)와 같이 파수의 함수로 표현해 보았다.

(4)

주어진 파수

과 격자선 간격 a 에서 입사각

와 m 차 회절각

의 관계를 보여준다. 본 발명에서는 1차 회절인 경우(m = 1)에 국한하였다. 위 관계식으로부터 분광분산은 식 (5)와 같이 표현되고 펌프광과 스톡스광 파수대역에서 이 값이 동일해야하므로 식 (6) 의 관계식이 얻어진다.

(m = 1) (5)

(6)

여기서

는 각각 펌프광과 스톡스광의 회절각도이다. 이제 다른 두 파수대역에서 식 (4) 내지 식 (6)으로 주어지는 3 개의 식을 동시에 만족시키는 회절조건을 찾을 수 있다면 분광 엔코딩 CARS 이미징은 구현될 수 있게 되는 것이다. 식 (6)에 의하면 두 회절각은 달라야 하므로 우선 첫 번째 고려해볼 수 있는 가장 단순한 경우로는 펌프광과 스톡스광의 입사각이 동일한, 즉, 두 입사레이저빔이 하나의 광섬유로부터 유도되어 시준된 후 회절격자에 입사되는 상황이다. 이 경우 식 (4) 내지 식 (6)에서 주어지는 3 개의 관계식으로부터 식 (7)을 얻게 된다. 하지만 이 식의 좌변과 우변은 서로 다른 부호를 가지기 때문에 등식이 성립될 수 있는 물리적 조건이 존재할 수 없다. 따라서 이 경우는 설계 가능성에서 제외된다.

(7)

결국 펌프광과 스톡스광은 도 3에서와 같이 서로 입사각이 달라야함을 짐작할 수 있다. 이 같은 상황이 의미하는 바는 하나의 광섬유로 펌프빔과 스톡스빔을 함께 유도할 경우 두 파수대역에서 분광분산을 같게 만들 수 없다는 것이다. 즉, 두 레이저빔은 각각의 광섬유를 필요로 한다. 이는 오히려 장치의 동작에 있어서 유리한 면을 제공하는데, 하나의 광섬유 내에서 고출력의 두 레이저빔 간의 상호영향(cross talk)을 배제할 수 있다는 것이다. 그리고 후술하겠지만, 각각의 광섬유를 사용함으로써 시준렌즈와 대물렌즈에 의해 유발되는 색수차를 각 광섬유의 위치조절로 보상할 수도 있게 된다.

도 3에서

는 각각 펌프빔과 스톡스빔의 입사각을 나타낸다. 각각의 레이저빔의 입사각과 회절각, 즉, 전체 4개의 각도를 조절하여 식(4) 내지 식(6)을 만족시키게 하면 동일분산조건이 이루어진다. 식이 3 개이고 변수가 4 개이므로 여러 가지 경우가 가능할 수 있지만 회절각이 너무 크면 회절빔의 아나몰픽(anamorphic) 왜곡이 심해지고 너무 작으면 분산이 작아지기 때문에 본 발명에서는 설계상의 편의성을 고려하여 스톡스빔의 회절각을 임의로

= 65 도로 정하고 이에 따라 나머지 각들이 결정되도록 하였다. 회절격자의 격자선 주기 a 와 입사레이저 파수가 정해지면 바로 계산되는 값들이다.

분광 엔코딩 방식 이미징에서 넓은 시야범위를 갖기 위해서는 넓은 밴드폭을 가진 입사레이저를 사용하는 것이 유리하겠지만 현재 시판되는 초단펄스 레이저의 경우 그 밴드폭이 매우 한정되어 있다. 이러한 시판 상황과 가장 많이 응용되는 CARS 이미징 파장 영역을 고려하여 본 발명에서는 740 nm (13514 cm^-1) 와 938 nm (10664 cm^-1)에서 중심파장을 갖는 54 펨토초 펄스폭의 모드락 티타늄 사파이어 레이저 두 대를 펌프빔과 스톡스빔으로 각각 설정하였다. 레이저 펄스가 푸리에변환 한계 내에 있다고 가정하였을 때, 밴드폭은 274 cm^-1 혹은 파장으로 각각 15 nm, 24.1 nm 이다. 이 두 파장의 차이에 해당하는 파수차는 생체조직 내의 리피드(lipid)분자의 라만진동수에 일치하는 영역으로서 현재 CARS를 이용한 응용연구가 가장 활발히 이루어지고 있는 라만변이 대역에 포함되어 있다. 이렇게 한정된 레이저 밴드폭 내에서 충분한 시야범위를 얻기 위해서는 회절격자에 의한 분광분산을 높여야 하는데, 앞서 언급했듯이 너무 높은 분산은 시료위의 단위 면적당 조사되는 입사레이저 파워를 줄게 하므로 본 발명에서는 도 2의 펌프빔 공간폭

내에서 분광폭(spectral width)이

= 7.4 cm^-1 (

0.4 nm) 가 되도록 하였다. 이 값은 생체분자의 라만선폭 및 현재 피코초 협대역(narrow band) CARS 이미징에서 이미 사용되고 있는 레이저 밴드폭에 근사한 값으로서 현실적인 수치이다. 이 분광폭은 결국 회절격자의 분광분해능에

으로 관계지어져 있으므로 주어진 펌프빔 파수

에서 격자선수 N 이 결정된다. 설정된 펌프파장 740 nm 에서 이 값은 대략 13514/7.4 ~ 1800 이며 분해가능한 이미징 화소수는 대략 274 cm^-1/7.4 cm^-1 = 37 가 된다. 하지만 이 화소수는 수차없이 회절한계 초점을 만들 수 있는 완벽한 대물렌즈를 사용했을 때 가능한 숫자이고 실제 렌즈의 경우 이 보다 적은 값을 갖는다. 본 발명에서 추구하는 내시경 프로브의 직경을 대략 2.5 mm 이내로 잡고 직경 2 mm 의 회절격자를 사용할 경우 격자선 밀도는 900 grooves/mm 이 되고 격자선 간격은 a = 1.11 ㎛ 가 된다. 이렇게 정해진 입사레이저 파수와 회절격자의 규격을 바탕으로 펌프빔과 스톡스빔의 입사각, 회절각을 구해보면,

17.38도

3.56도

74.75도

65도가 된다. 펌프빔의 회절각 74.75 도에서 분광분산을 식(5)를 이용해 계산해 보면 0.000185 radian/cm^-1 이 되고 시야범위는 각도로

= 0.051 radian 이 된다.

광섬유에서 유도된 입사레이저빔들을 시준하기 위한 시준렌즈를 도 3의 왼편에 놓고 회절된 빔을 집속하기 위한 대물렌즈를 오른편에 설치하므로써 전체적인 내시경의 구성은 완성된다. 이렇게 설계된 내시경 광학계를 도 4에 나타내었다.

도시된 바와 같이 본 발명의 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경은 통형상의 본체(1); 상하로 일정거리 이격되어 설치되며 스톡스광과 펌프광을 각각 전달하는 스톡스광 광섬유(11) 및 펌프광 광섬유(12); 상기 광섬유(11,12)로부터 전달된 스톡스광과 펌프광을 시준하는 시준렌즈(20); 시준된 스톡스광과 펌프광의 분광분산이 동일하도록 회절시키는 회절격자(30); 스톡스광을 반사시키며 시료로부터 생성된 CARS광을 상기 회절격자(30)로 재반사시키는 이색성 반사부와, 펌프광을 전반사시키는 전반사부로 이루어져 반사된 스톡스광과 펌프광을 전달하는 반사거울(40); 반사된 펌프광과 스톡스광을 시료로 집속하는 대물렌즈(50); CARS광을 분광기로 전달하는 CARS광 전달부(60); 를 포함하여 이루어진다.

스톡스광 광섬유(11) 및 펌프광 광섬유(12)는 상기 본체(1) 일측에 설치되며 상하로 일정거리 이격되어 설치되며 스톡스 광원으로부터 발생된 임의의 주파수대를 갖는 스톡스광과 펌프광원으로부터 발생되며 상기 스톡스광과 함께 시료의 매질분자를 들뜬 상태로 만드는 펌프광을 각각 전달한다.

상기 시준렌즈(20)는 상기 광섬유(11,12)의 후방인 상기 본체(1) 내측에 설치되며 상기 광섬유(11,12)로부터 전달된 스톡스광과 펌프광을 시준하는 역할을 한다.

상기 회절격자(30)는 상기 시준렌즈(20) 후방인 상기 본체(1) 내측에 설치되며 시준된 스톡스광과 펌프광의 분광분산이 동일하도록 회절시키며 하나로 된다.

상기 반사거울(40)은 상기 본체(1) 내측에 설치되며 회절된 펌프광은 투과시키고 회절된 스톡스광을 반사시키며 시료로부터 생성된 CARS광을 상기 회절격자(30)로 재반사시키는 이색성 반사부와, 이색성 반사부를 투과한 펌프광을 전반사시키는 전반사부로 이루어져 반사된 스톡스광과 펌프광을 전달한다.

상기 대물렌즈(50)는 상기 본체(1) 타측 내부에 설치되며 상기 반사거울(40)로부터 반사된 펌프광과 스톡스광을 시료로 집속하는 역할을 한다.

상기 CARS광 전달부(60)는 상기 본체(1)의 일측 광섬유(11,12)가 설치된 부위에 위치하며 상기 CARS광을 분광기(미도시됨)로 전달하는 역할을 한다.

일반적으로 내시경에 유용하게 쓰이는 렌즈는 소형 제작이 가능한 GRIN 렌즈를 사용하는데, 본 발명에서도 시중에 이미 시판되고 있는 GRINTECH 사의 초점거리 4.65 mm 렌즈(GT-LFRL-180-024-20-cc, 직경 2 mm, 길이 10.68 mm, NA0.19)를 시준렌즈(20)로, 초점거리 0.46 mm 렌즈(GT-LFRL-180-024-20-cc, 직경 0.5 mm, 길이 1.06 mm, NA0.52)를 대물렌즈(50)로 적용하였다. 이 렌즈들은 입사레이저 파장영역에서 비교적 작은 색수차를 보여주며 평행광 집속에서 회절한계에 근접한 초점 크기를 주는 것으로 알려져 있다. 회절격자에 두 레이저빔의 입사각 차이(

)가 13.82 도(= 0.241 radian)이므로 초점거리 f = 4.65 mm 로 주어진 GRIN 렌즈로 시준하는 경우에 두 광섬유 사이의 간격을 h = 1.12 mm 로 하면 된다. 그리고 대물렌즈로 사용할 GRIN 렌즈의 초점거리가 0.46 mm 이므로 시야범위는 0.46 x 0.051 radian = 23.5 ㎛ 가 된다. 그런데, 도 3에서와 같이 펌프빔과 스톡스빔의 회절각이 차이(여기에서는 9.75 도)가 있으므로 그 상태로 대물렌즈에 의해 집속되면 두 빔은 시료면 위의 같은 위치에서 겹쳐지지 못한다.

이 문제를 간단히 해결하기 위해 이색거울(dichroic mirror) 하나와 전반사 거울 하나를 쐐기 모양으로 구성해 도 4에서와 같이 대물렌즈 전단계에 설치하였다. 이때, 상기 반사거울(40)의 이색성 반사부와 전반사부는 각각 이색성 반사거울과 전반사거울로 구비되며, 상기 이색성 반사거울(41)과 전반사거울(42)이 이루는 각도를 조절하는 각도조절수단(43)이 구비된다. 상기 각도조절수단(43)은 상기 이색성 반사거울(41)과 전반사거울(42) 사이에 삽입되며 상기 이색성 반사거울(41)을 지지하며 이동에 의해 상기 이색성 반사거울(41) 각도를 조절하는 지지부(43a)와, 상기 본체(1)에 결합되며 상기 지지부(43a)와 접하여 상기 지지부(43a)의 이동거리를 조절하는 지지부 이동거리 조절나사(43b)를 포함한다.

상기 지지부(43a)의 아래쪽에 위치한 거울은 펌프광을 반사시키기 위한 전반사 거울이고 위쪽에 4.87 도 각으로 놓여 있는 거울은 펌프빔을 투과시키고 스톡스빔과 생성된 CARS빔을 반사시킬 수 있는 이색거울이다. 두 개의 거울대신 하나의 유리쐐기(glass wedge)를 사용할 수도 있다. 이러한 구성을 위하여 상기 반사거울(40)의 이색성 반사부와 전반사부는 상기 반사거울(40)의 일면과 타면에 각각 이색성 코팅과 전반사 코팅으로 형성되며 상기 반사거울은 입사되는 펌프광 및 스톡스광에 대하여 일정각도를 이루어 설치되도록 한다. 이때, 반사거울(40)의 한쪽 면에 전반사 코팅하고 다른 면에 이색성 코팅을 하여 쐐기각도 9.75/2n(n 은 유리재질의 굴절률) 으로 만들면 된다. 그리고 가능한 분산이 작은 크라운유리를 사용하여 전체 분광분산에 대한 영향을 최소화하여 등식 (1)이 유지되게 한다. Fused silica(Abbe number 67.8)를 유리쐐기로 사용할 경우 이 영향은 거의 1/1000 정도이므로 무시할 수 있다.

앞서 언급하였듯이, 두 GRIN 렌즈는 스톡스빔에 대한 초점거리가 펌프빔에 대한 초점거리보다 약간 더 긴 종색수차(longitudinal chromatic aberration)를 가지고 있다. 각 파장대(740 nm, 938nm)에서 이 색수차에 의한 초점거리 차이는 시준렌즈의 경우 30 ㎛, 대물렌즈는 5 ㎛ 정도이다. 따라서 시준렌즈의 명목상 초점 근처에서 두 광섬유의 종방향에 대한 상대적인 위치 차이를 d = 0.53 mm 로 조절하면 두 입사레이저빔의 집속점을 일치시킬 수 있고 종색수차는 보상된다.

지금까지는 펌프빔과 스톡스빔의 분광분산을 시료면 위에 일치시켜 특정 라만변이(2850 cm^-1)에서 분광 엔코딩된 CARS 신호를 발생시키게 하는 광학계에 대하여 설명하였다. 다음은 발생된 CARS 신호의 일부가 되반사되어 대물렌즈를 통해 들어와 회절격자를 거쳐 또 다른 광섬유 즉 상기 CARS광 전달부(60)를 통해 외부로 유도되는 방법을 설명한다. 회절격자에 입사되는 중심 CARS 신호광의 입사각은 스톡스광의 회절각과 같을 것이므로 65도가 되고 회절격자를 지나 시준렌즈 쪽으로 회절된 회절각은 20.87도가 된다. 따라서 도 4에 표시된 바와 같이 시준렌즈에 의해 스톡스빔 광섬유 위치에서 b = 1.4 mm 떨어진 곳에 모아지게 된다. 하지만 파장 611 nm 를 중심으로 606 nm 에서 616.2 nm 에 걸쳐 발생한 분광 엔코딩된 CARS 신호의 분광분산이 펌프광이나 스톡스광의 분광분산과 같지 않기 때문에 신호빔은 단일 각도 20.87도로 회절하지 못하고 대략 0.75 도 범위 내에 분포한다. 결국 한점에 모아지지 않고 60 ㎛ 크기로 퍼져있게 된다. 더구나 광섬유에 도달한 CARS 신호는 대부분 시료에서 산란되어 되반사된 광이므로 작은 점으로 집속되기가 불가능하다. 따라서 상기 CARS광 전달부(60)는 단일모드 광섬유 대신 다중모드 광섬유를 사용하거나 충분히 큰 직경의 클래딩을 가진 펌프빔 광섬유를 제작하여 클래딩모드로 유도하는 것이 효과적이다.

이상에서와 같이 본 발명은 생체분자 라만변이의 전체범위에 똑같이 적용될 수 있기 때문에 각 분자진동모드의 라만변이에 맞게 적절히 설계수치들을 계산하면 여러 진동모드들에 대한 내시경 설계도를 완성할 수 있다. 앞서 계산된 CH₂ 분자진 동모드의 경우와, 같은 방법으로 얻어진 분자진동 지문영역(finger print region)내의 아마이드결합모드(1649 cm^-1)에 대한 분광 엔코딩 CARS 내시경(SE-CARS endoscope) 설계수치를 정리하면 표 1과 같다.

[표 1] 두 개의 다른 라만변이에서 계산된 SE-CARS 내시경 광학계 설계수치(레이저 밴드폭 : 274 cm-1, 투과형 회절격자 : 900 grooves/mm, 직경 2mm).

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

도 1은 CARS 현상의 에너지 도표.

도 2는 SE-CARS 구현을 위한 분광분산의 공간적 엔코딩 조건을 나타낸 도면.

도 3은 분광분산을 일치시키기 위해 회절격자에서 형성될 펌프빔과 스톡스빔의 기하학적 위치관계를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 의한 분광 엔코딩 CARS 내시경(SE-CARS endoscope)의 구조를 나타낸 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 본체 11: 스톡스광 광섬유

12: 펌프광 광섬유 20: 시준렌즈

30: 회절격자 40: 반사거울

41: 이색성 반사거울 42: 전반사거울

43: 각도조절수단 43a: 지지부

43b: 지지부 이동거리 조절나사 50: 대물렌즈

60: CARS광 전달부

Claims (6)

1. 통형상의 본체(1);

   상기 본체(1) 일측에 스톡스 광원으로부터 발생된 임의의 주파수대를 갖는 스톡스광과 펌프광원으로부터 발생되며 상기 스톡스광과 함께 시료의 매질분자를 들뜬 상태로 만드는 펌프광을 각각 전달하며 스톡스광과 펌프광의 입사각이 달라지도록 상하로 일정거리 이격되어 설치되는 스톡스광 광섬유(11) 및 펌프광 광섬유(12);

   상기 광섬유(11,12)의 후방인 상기 본체(1) 내측에 설치되며 상기 광섬유(11,12)로부터 전달된 스톡스광과 펌프광을 시준하는 시준렌즈(20);

   상기 시준렌즈(20) 후방인 상기 본체(1) 내측에 설치되며 시준된 스톡스광과 펌프광의 분광분산이 동일하도록 회절시키는 하나의 회절격자(30);

   상기 본체(1) 내측에 설치되며 회절된 펌프광은 투과시키고 회절된 스톡스광을 반사시키며 시료로부터 생성된 CARS광을 상기 회절격자(30)로 재반사시키는 이색성 반사부와, 이색성 반사부를 투과한 펌프광을 전반사시키는 전반사부로 이루어져 반사된 스톡스광과 펌프광을 전달하는 반사거울(40);

   상기 본체(1) 타측 내부에 설치되며 상기 반사거울(40)로부터 반사된 펌프광과 스톡스광을 시료로 집속하는 대물렌즈(50);

   상기 CARS광을 분광기로 전달하는 CARS광 전달부(60);

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭 성 반스톡스 라만산란 내시경.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 CARS광 전달부(60)는 상기 본체(1)의 일측 광섬유(11,12)가 설치된 부위에 위치하는 것을 특징으로 하는 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 반사거울(40)의 이색성 반사부와 전반사부는 각각 이색성 반사거울과 전반사거울로 구비되며, 상기 이색성 반사거울(41)과 전반사거울(42)이 이루는 각도를 조절하는 각도조절수단(43)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 각도조절수단(43)은 상기 이색성 반사거울(41)과 전반사거울(42) 사이에 삽입되며 상기 이색성 반사거울(41)을 지지하며 이동에 의해 상기 이색성 반사거울(41) 각도를 조절하는 지지부(43a)와, 상기 본체(1)에 결합되며 상기 지지부(43a)와 접하여 상기 지지부(43a)의 이동거리를 조절하는 지지부 이동거리 조절나사(43b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 반사거울(40)의 이색성 반사부와 전반사부는 상기 반사거울(40)의 일면과 타면에 각각 이색성 코팅과 전반사 코팅으로 형성되며 상기 반사거울은 입사되는 펌프광 및 스톡스광에 대하여 일정각도를 이루어 설치되는 것을 특징으로 하는 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 반사거울(40)의 각도(α)는 하기 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경.

   α = (θ_pd - θ_sd)/2n

   ((θ_pd - θ_sd)는 펌프광과 스톡스광 회절각의 차이, n은 반사거울의 굴절률)

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