KR101042687B1 - 회절패턴을 이용한 프랙셔널 레이저 시스템 및 레이저 프랙셔널 조사 방법 - Google Patents

회절패턴을 이용한 프랙셔널 레이저 시스템 및 레이저 프랙셔널 조사 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회절패턴을 이용한 레이저 시스템 및 레이저 조사방법에 관한 것으로, 치료용 레이저 시스템에 있어서, 레이저 광을 발생시키는 광원; 상기 광원에서 발생된 레이저 광을 회절광으로 변환하는 회절광학소자; 및 상기 회절광학소자(DOE)를 통과하는 상기 회절광을 치료 대상체에 복수개의 레이저 스팟(spot)으로 조사시키는 볼록렌즈를 포함한다.
이와 같은 발명을 제공하면, 치료 부위에 조사되는 레이저 스팟의 크기를 크게 줄일 수 있고, 이에 따라 각 스팟상에서의 레이저 강도(intensity)가 수백배 이상 증가됨으로써 시술 효과가 크게 증대될 수 있다.
또한, 각 스팟의 강도들이 상당히 균일해지게 됨으로써 시술 표면상에서 고른 시술 효과가 가능하게 될 뿐만 아니라, 독립적인 구동부를 따로 둘 필요 없이 비교적 간단한 광학계가 사용됨으로써 구현 비용이 매우 적게 된다.
레이저, 프렉셔널, 회절광학소자(DOE), 스팟(spot), 볼록렌즈

Description

회절패턴을 이용한 프랙셔널 레이저 시스템 및 레이저 프랙셔널 조사 방법{fractional laser system using of diffraction pattern, and thereof ray method}
본 발명은 치료용 레이저 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구성으로 n×n의 레이저 어레이 스팟으로 조사할 수 있을 뿐 아니라, 스팟의 세기 및 사이즈를 용이하게 제어할 수 있는 고 효율의 치료용 레이저 시스템 및 그 조사 방법에 관한 것이다.
일반적으로 기미, 검버섯, 잡티 등의 피부 질환 등의 치료에 레이저를 이용한 레이저치료술이 널리 알려져 있다. 그리고, 현재 새로운 레이저를 이용한 피부 치료 방법으로 수백 ~ 수천 개의 미세 치료 영역을 만들어서 각 미세 치료영역에 대하여 레이저 시술하는 방법이 각광받고 있다.
상기와 같은 수백 ~ 수천 개의 미세 치료 영역에 조사하기 위한 레이저는 복수개의 레이저 스팟을 치료 대상에 만들어서 행해지고 있는데, 이러한 레이저 스팟은 종래 기술에 있어서는 레이저 스캐너 장치를 이용하여 만들어 사용하였다.
그러나, 스캐너 장치는 동시에 복수개의 스팟을 형성하는 것이 아니라, 시간 차를 두고 복수개의 스팟을 형성할 수 있도록 레이저 장치로 스캔하는 구성이어서 빠른 치료가 어렵고 구동하기 쉽지 않은 단점이 있다.
더 나아가, 최근에는 마이크로렌즈 배열체에 의하여 멀티 스팟을 구현하는 레이저 장치 시스템이 소개되어 졌는데(특허공보 등록 제0720868호), 이는 복수개의 마이크로렌즈 배열체를 형성하여 레이저빔을 통과시켜 다발의 멀티빔으로 조사시켜 복수개의 스팟을 구현하는 기술로서, 마이크로렌즈 배열체를 형성하는 것이 쉽지 않고, 스팟 사이즈나 강도의 세기 조정이 쉽지 않을 뿐 아니라, 전체 조사되는 영역에서의 각 스팟의 강도가 균일하지 않아 효과적인 시술이 어렵다는 단점이 있다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 과제는 간단한 구성으로 미세 크기의 스팟(spot) 구현이 가능하도록 하고, 각 스팟(spot)의 세기 또는 강도가 균일하게 유지 되도록하며, 스팟(spot)의 간격 및 싸이즈를 용이하게 제어할 수 있도록 하여 시술 효과를 높일 수 있는 고품질의 치료용 레이저 시스템 및 그 조사 방법을 제공하고자 함에 있다.
상술한 과제를 수행하기 위한 본 발명의 특징은 치료용 레이저 시스템에 있어서, 레이저 광을 발생시키는 광원; 상기 광원에서 발생된 레이저 광을 회절광으로 변환하는 회절광학소자; 및 상기 회절광학소자(DOE)를 통과하는 상기 회절광을 치료 대상체에 복수개의 레이저 스팟(spot)으로 조사시키는 볼록렌즈를 포함한다.
여기서, 상기 복수개의 레이저 스팟(spot)은 n×n 레이저 스팟(spot)인 것이 바람직하고, 상기 회절광학소자(DOE) 및 상기 볼록렌즈의 거리를 조정하여 촛점거리(f)를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 광원에서 발생된 레이저 광을 가이드 하여 상기 회절광학소자(DOE)로 전달하는 레이저 광 가이드 암을 더 포함하는 것일 수 있고, 상기 볼록렌즈와 상기 치료 대상체 사이에 위치하여 , 상기 치료 대상체의 조사면적을 제어하는 개구부를 더 포함하는 것일 수 있을 뿐 아니라, 상기 회절광학소자(DOE)는 상기 레이저광을 투과하여 상기 치료 대상체에 n×n 의 레이저 스 팟(spot)을 형성할 수 있도록 투광판상에 미리 계산된 회절패턴이 형성된 것일 수 있다.
그리고 본 발명의 제2 특징은 레이저 프랙셔널(fractional) 조사방법에 있어서, (a) 광원에서 레이저광을 발생하는 단계; (b) 상기 발생된 레이저를 광학회절소자에 의해 회절 시키는 단계; 및 (c) 상기 회절된 광을 볼록렌즈에 의해 치료 대상체에 복수개의 레이저 스팟(spot) 형태로 조사시키는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 회절광학소자와 상기 볼록렌즈의 초점 거리를 조정하여 상기 레이저 스팟(spot)의 싸이즈 또는 세기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 레이저 스팟의 크기를 크게 줄일 수 있고, 이에 따라 각 스팟상에서의 레이저 강도(intensity)가 수백배 이상 증가됨으로써 시술 효과가 크게 증대될 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 회절광학소자의 특성상 사용된 레이저빔의 단면상의 강도 분포가 공간적으로 뷸균일 하더라도 시술 표면위에서 형성되는 각 스팟의 강도들이 상당히 균일해지게 됨으로써 시술 표면상에서 고른 시술 효과가 가능하게 된다.
더하여, 본 발명에 따른 시스템은 프랙셔널(fractional) 레이저 구현에 독립적인 구동부를 따로 둘 필요 없이 비교적 간단한 광학계가 사용됨으로써 구현 비용 이 매우 적게 된다.
이하 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 치료용 레이저 시스템의 구성도를 예시한 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 시스템은 레이저광을 발생하는 의료용 레이저 광원(10), 레이저 광원(10)으로부터 발생된 광을 가이드 하는 빔 가이드 암(20), 상기 빔 가이드 암(20)을 통과한 레이저 광을 회절광으로 변환시키는 회절광학소자(Diffraction Optical Element: DOE)(30), 상기 변환된 회절광을 복수개의 스팟으로 조사시키는 볼록렌즈(40)를 포함하여 구성한다.
여기서 레이저 광원(10)은 의료용 레이저 광원(10)으로서 피부 치료를 위한 소정 파장대의 단일 레이저를 출력하는 것이 바람직하고, Er:YAG 레이저, Nd:YAG 레이저 등이 사용 가능하다. 그리고 빔 가이드 암(20)은 치료 시술을 위해 치료 대상체(50)에 어느 부위이든 자유로운 동작이 가능해야 하고 프로부 동작의 자유도가 높아야 하므로 광원(10)과 회절광학소자 및 볼록렌즈로 구성된 광학계 사이에서 플렉시블하게 연결해 주는 역할을 한다.
그리고, 피부 치료를 위해 프렉셔널 레이저광을 치료 대상체(50)에 조사하는 것이 바람직한데, 이는 피부의 손상을 줄이고 치료부위에 골고루 시술을 해야하기 때문이다. 이러한 이유로 종래에는 스캐너 방식으로 조사하거나 복수개의 마이크로 렌즈 배열체를 이용해 멀티 레이저 스팟을 형성하도록 하였지만, 각 스팟 세기의 균일성 및 미세 스팟으로의 조정, 즉 스팟의 싸이즈를 자유롭게 조절할 수 없었다.
이에 본 발명에서는 회절광학소자(30)(DOE)를 이용하여 레이저광을 회절광으로 변환시켜 복수개의 레이저 스팟을 조사하도록 하는 구성을 착안하였다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 시스템의 구성 및 작용 원리를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 시스템의 프렉셔널 레이저 광 조사 원리의 구성을 예시한 도면이고, 도 3은 본 발명을 이용해 치료 대상체(50)에 조사되는 n x n 어레이 점(spot) 형태의 패턴을 나타낸 도면이고, 도 4는 회절광학소자(30)를 통과하는 레이저 광의 퓨리에 변환 패턴을 나타낸 도면이다.
의료용 레이저로부터 출사되는 레이저광이 치료 대상체(50)에서 도 3에 나타낸 바와 같이, n x n 어레이 스팟(spot)형태로 여러 개의 점들도 형성되도록 해준 레이저를 프랙셔널(fractional) 레이저라고 부른다.
이 형태를 구현하는 데에는 기존에는 두개의 수평, 수직의 광주사기를 사용하고 있는데, 본 발명에서는 도 2에 예시된 바와 같이 구동부가 전혀 없이 특수하게 제조된 회절소자(DOE)(30)를 사용하여 도 3에 나타난 형태로 복수개의 점(spot)들을 시술하려는 표면 또는 치료 대상체(50) 위에 형성시킬 수 있도록 하는 것이 본 발명의 특징이다.
도 3에서 나타난 2차원 형태의 점(spot)들을 하나의 피사체로 가정하고 이 피사체에 대한 퓨리에 변환 함수를 컴퓨터로 연산하게 되면 도 4에 나타난 형태와 같은 복잡한 이차원 패턴이 나타나게 된다. 회절광학소자(30)(DOE)는 반도체 공정 에 사용되고 있는 식각(etching)) 방법으로 미리 연산된 패턴의 공간적 진폭변화가 레이저광을 투과시킬 수 있는 얇은 판 위에 공간적인 위상차이 형태로 형성되도록 해 준 광학소자이다.
물론, 본 발명에서는 감광판 위에 형성시키기도 하지만 고츨력 레이저에 의한 회절소자의 손상을 방지하고, 레이저가 이 회절소자를 투과할 때 회절 효율을 크게 하기 위해서 투명한 얇은 판위에 형성시켜 레이저빔이 이를 투과할 때에 공간적인 광경로 즉, 위상차이가 미리 연산된 패턴과 동일하도록 해 주는 것이 바람직하다.
그러므로 본 발명에서는 상술한 바와 같이 도 4에 나타난 형태와 같은 퓨리에 변환 패턴에 대한 회절광학소자(30)를 이용하여, 도 2에 나타낸 바와 같이, 거의 평행한 레이저광이 회절광학소자(30)를 투과하도록 하고, 회절광학소자(30) 바로 뒤에 볼록렌즈(40)를 위치시켜 피사체에 투영시키도록 구성한다.
회절광학소자(30)(DOE)에 의해 회절된 레이저광들은 볼록렌즈(40)의 후초점면 상에서 도 3에 나타난 형태의 조사패턴을 재생하게 된다. 볼록렌즈(40)에 의해 이차원 분포 o(x,y)를 갖는 피사체가 한개의 볼록렌즈(40)에 의해 이차원적 퓨리에변환 분포를 형성시키는 원리는 이하의 설명과 같다.
볼록렌즈(40)의 초점거리를 f라고 하면 파동광학 이론에 의하면 이 렌즈의 전방에 o(x,y) 함수 형태의 공간적 이차원 투과함수를 갖는 피사체가 놓여 있을 경우, 이곳에 파장이 λ인 단색 평행광이 입사하게 되면 피사체를 투과한 직후의 빛의 공간적 진폭분포는 역시 o(x,y)에 비례하게 되며, 빛이 진행함에 따라 o(x,y)에 포함되어 있는 공간주파수들에 따라 여러 방향으로 회절하게 된다.
일례로 어느 특정한 공간주파수 fx 는 볼록렌즈(40)의 후초점면에서의 이차원 공간좌표를 xf , yf 라고 한다면 xf 가 fx·λ·f 인 위치에서 한개의 점으로 모이게 된다. 이 때문에 볼록렌즈(40)의 후초점면에서 어느 위치에 이 점이 형성되는지를 알면, 역으로 이차원 조사패턴 내에 포함되어 있는 공간주파수(단위는 lines/mm 임.)가 어떻게 되어 있는지를 알 수 있게 된다.
파동광학 이론에 의하면 이차원 공간주파수
Figure 112009002911961-pat00001
,
Figure 112009002911961-pat00002
는 볼록렌즈의
후초점면에서의 공간좌표와 렌즈의 초점거리, 그리고 입사 평행광의 파장과
Figure 112009002911961-pat00003
,
Figure 112009002911961-pat00004
의 관계가 있음을 알 수 있으며, 볼록렌즈의 후초점면에 형성되는 진폭분포 함수 O(fx ,fy) 는,
Figure 112009002911961-pat00005
에 비례함을 알 수 있다. [수학식1] 표현은 정확하게 함수 o(x,y)의 퓨리에변환과 일치하기 때문에, 결국 볼록렌즈(40)에 의해 이차원 퓨리어 변환 수행이 가능하게 됨을 알 수 있다. 또한, 만약 역으로 볼록렌즈(40)의 전방에 O(fx ,fy)를 위 치시킨다면 후초점면에서는 이에 대한 역퓨리에 변환된 진폭분포 o(x,y)가 형성되게 된다. 따라서, n x n 형태의 어레이 스팟이 볼록렌즈(40)의 후초점면에서 형성되도록 하기위해서는 도 2에 나타낸 바와 같이, 투과 함수가 이의 퓨리에변환 함수에 비례하는 회절소자를 제조하여 이 회절광학소자(30)를 볼록렌즈(40)의 전방에 위치시킨다. 즉, 역퓨리에 변환은 퓨리에 변환 함수의 fx ,fy대신에 -fx ,-fy를 대입하여 볼록렌즈(40)의 후초점면에서의 공간좌표만 180도 반대방향으로 설정해 주면 동일한 진폭분포를 갖게 되므로 볼록렌즈(40)의 후초점면에서는 n x n 형태의 어레이 스팟이 형성되게 된다.
다음으로 n x n 형태의 어레이 스팟을 볼록렌즈(40)의 후초점면에 형성시키기 위해 사용되는 회절광학소자(30)를 제조하는 방법은 우선, 어레이 스팟 형태의 함수를 수학적으로 퓨리에 변환을 하게 되는데 이러한 변환은 CGH(computer generated hologram) 제조에 주로 사용되는 FFT(fast Fourier transform) 법으로 컴퓨터로 이루어지게 된다.
n x n 어레이 스팟의 경우에는 기존의 comm 함수와 비숫하나 각 스팟의 직경을 적절하게 조절해 줘야 하고, 회절이 안된 레이저빔이 볼록렌즈(40)의 후초점에서 모이지 않도록 해야 하므로 기존의 comm 함수와는 많이 다르기 때문에 구체적인 수학적 함수 형태로 표현될 수는 없다.
따라서, n x n 어레이 스팟 형태의 피사체와 대응되는 이차원 공간적 진폭분포를 그대로 도입하여 컴퓨터상에서 FFT 연산이 이루어지는 방법으로 n x n 어레이 스팟의 퓨리에변환 함수와 동일한 진폭분포를 갖는 이차원적 데이터를 구한 후에, 사용되는 빛에 투명한 얇은판(투광판) 위에다가 반도체 제조공정에서 사용되고 있는 식각법으로 그의 두께변화 분포가 퓨리에 변환 함수의 이차원 공간적 진폭분포와 비례하도록 해준다.
그러면 이곳으로 평행광이 투과할 경우 평행광의 공간적 광경로차 즉, 위상분포가 이 진폭분포와 비례하게 되며 이 위상분포가 볼록렌즈(40)에 의해 후초점면에서 역퓨리에 변환이 되면서 본래의 피사체인 n x n 어레이 스팟 형태가 형성되게 된다.
이와같이, 본 발명에 따른 치료용 레이저 시스템은 n x n 어레이 스팟을 형성시킬 수 있는 적당한 회절광학소자(30)를 사용하여 기존의 의료용 레이저빔을 평행광으로 사용하고 시술에 적합한 초점거리를 유지하면서 고출력 레이저빔에 의해서도 파손되지 않는 볼록렌즈(40)를 사용하여 기존의 의료용 레이저시스템에 프랙셔널(fractional) 레이저의 기능을 갖는 시스템이다.
또한, 본 발명은 볼록렌즈(40)의 초점거리가 증가할수록 재생되는 피사체의 크기가 증가하게 되므로 이를 이용하면 도 2에 나타낸 바와 같이, 각 점들 간의 간격을 원하는대로 조절할 수 있게 된다. 즉, 예를 들어서 피부 성형시에 하고자 하는 시술의 종류에 따라서 프랙셔널(fractional) 레이저빔의 각 레이저 스팟(spot)간의 간격을 적절하게 조절할 수 있다는 것이다.
이와 같은 조정은 치료 대상체(50)와 볼록렌즈(40) 사이의 거리를 조정하는 것으로도 가능하나, 이는 본 발명의 시스템 사용자 스스로 조정이 가능하므로, 시 술을 하기 위한 적정한 거리에 맞도록 제어부에서 볼록렌즈(40)와 회절광학소자(30)의 거리를 조정하여 최종 스팟의 간격을 제어하도록 하는 것이 바람직하다. 또한 치료 대상체(50)에 조사되는 멀티스팟의 전체 싸이즈는 하우징(45)의 개구부(47)에 있는 개구부(47) 폭을 자유롭게 조정할 수 있도록 하여 용이하게 제어할 수 있게 된다.
이처럼 본 발명은 도 1에 나타낸 바와 같이, 회절광학소자(30)(DOE)를 사용하여 의료용으로 사용되는 레이저빔이 시술하고자 하는 피부 표면위에 n x n 형태의 레이저 어레이 스팟 형태로 형성되도록 해줄 수 있는 이른바 프랙셔널(fractional) 레이저 시스템을 제공한다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, n x n 형태의 레이저 어레이 스팟을 형성하는 치료용 레이저 프랙셔널(fractional) 조사방법의 흐름도를 예시한 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 치료용 레이저 광원(10)에서 레이저를 발생하는 단계(S100), 이 레이저광을 회절광학소자(30)에 의해 회절광으로 변환시키는 단계(S110); 회절광학소자(30)와 볼록렌즈(40)의 간격을 조절하여 멀티스팟을 제어하는 단계(S120); 볼록렌즈(40)에 의해 치료대상체에 n x n 형태의 레이저 어레이 스팟을 조사하는 단계(S130)를 포함하여 구성한다.
여기서 회절광학소자(30)는 상술한 바와 같이 치료대상체에 n x n 형태의 레이저 어레이 스팟을 형성할 수 있도록 미리 계산된 패턴으로 제조된 소자로서, 치료 부위나 증상에 따라 다양하게 패턴을 구현하여 형성할 수 있음은 물론이다.
이와 같이, 본 발명은 치료용 프렉셔널 레이저 빔을 형성하기 위해 종래의 방법 처럼 스캔 또는 마이크로렌즈 배열체에 의한 멀티빔 형태가 아닌, 회절광을 이용해 n x n 형태의 레이저 어레이 스팟을 형성하도록 구성된 발명으로, 스팟의 크기를 자유롭게 조절할 수 있고, 이러한 조절을 통해 스팟의 간격 및 세기를 용이하게 조정할 수 있게 되어 다양한 증상 및 부위에 효과적으로 시술을 할 수 있도록 하는 방법을 제안한다.
또한, 종래의 마이크로렌즈 배열체에 의한 멀티빔은 조사대상 영역에서 각 스팟의 세기가 균일하지 않아 효과적인 시술이 어려웠지만 본 발명의 회절광에 의한 어레이 스팟은 균일한 세기로 치료 대상체(50)에 조사할 수 있다는 점에서 고른 시술 효과를 가능하게 하는 장점이 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 치료용 레이저 시스템의 구성도를 예시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 레이저 시스템의 프렉셔널 레이저 광 조사 원리의 구성을 예시한 도면이고,
도 3은 본 발명을 이용해 치료 대상체에 조사되는 n x n 어레이 점(spot) 형태의 패턴을 나타낸 도면이고,
도 4는 회절광학소자를 통과하는 레이저 광의 퓨리에 변환 패턴을 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, n x n 형태의 레이저 어레이 스팟을 형성하는 치료용 레이저 프랙셔널 조사방법의 흐름도를 예시한 도면이다.

Claims (8)

  1. 치료용 레이저 시스템에 있어서,
    레이저 광을 발생시키는 광원;
    투광판상에 회절패턴이 형성되어, 상기 광원에서 발생된 레이저 광을 회절광으로 변환하는 회절광학소자; 및
    상기 회절광학소자(DOE)를 통과하는 상기 회절광을 치료 대상체에 복수개의 레이저 스팟(spot)으로 조사시키는 볼록렌즈;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절패턴을 이용한 프랙셔널(fractional) 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 레이저 스팟(spot)은 n×n 레이저 스팟(spot)인 것을 특징으로 하는 회절패턴을 이용한 프랙셔널(fractional) 레이저 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회절광학소자(DOE) 및 상기 볼록렌즈의 초점 거리를 조정하여 촛점거리(f)를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절패턴을 이용한 프랙셔널(fractional) 레이저 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원에서 발생된 레이저 광을 가이드 하여 상기 회절광학소자(DOE)로 전달하는 레이저 광 가이드 암을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절패턴을 이용한 프랙셔널(fractional) 레이저 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 볼록렌즈와 상기 치료 대상체 사이에 위치하여 개구를 조정하여, 상기 치료 대상체의 조사면적을 제어하는 개구부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절패턴을 이용한 프랙셔널(fractional) 레이저 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회절광학소자(DOE)의 회절패턴은 상기 레이저광을 투과하여 상기 치료 대상체에 n×n 의 레이저 스팟(spot)을 형성할 수 있도록 미리 계산되어 형성된 것을 특징으로 하는 프랙셔널(fractional) 레이저 시스템.
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