KR101214440B1 - 조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치 및 이의 광 조사방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광학 진단장치에 관한 것으로서, 영상 픽업 헤드의 여기 발광다이오드로부터 광 조사가 이루어지는 피부 진단부위 내에서 조명의 균일도를 보다 향상시킬 수 있는 광학 진단장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 피부의 진단부위에 대한 형광 진단을 위하여 형광 여기 광원으로 사용되는 복수의 여기 발광다이오드가 설치된 광학 진단장치에 있어서, 상기 복수의 여기 발광다이오드 중 일부의 여기 발광다이오드는 광 조사부위가 상기 피부의 진단부위에서 전체적으로 타원형을 이루어 배열되도록 각각의 광 조사각도가 설정되고, 나머지 여기 발광다이오드는 상기 타원형 배열의 각 모서리 위치에 광을 조사하도록 각각의 광 조사각도가 설정된 것을 특징으로 하는 조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치를 제공한다.

Description

조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치 및 이의 광 조사방법{Apparatus for photo-diagnosis of skin disease using uniform illumination and illuminating method of the smae}

본 발명은 형광 진단을 위한 광학 진단장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 여기 광원으로 복수의 발광다이오드를 사용하여 진단부위를 조명하고 상기 진단부위에서 발생하는 형광을 광 픽업 장치로 검출하는 광학 진단장치에 관한 것이다.

최근 화장품 가게나 피부관리소, 병원의 피부과 등에서는 자신의 피부상태를 측정 및 진단하여 자신의 피부상태에 맞는 화장품을 선택할 수 있도록 하거나 자신의 피부상태에 있어서의 문제점을 발견하고 그 해결책을 찾는데 도움을 주는 다양한 피부진단장치를 볼 수 있다.

이 중에서도 특히 피부에 특정 파장의 광선을 조사하여 상기 광선이 조사된 피부가 나타내는 특유의 형광색을 분석함으로써 피부상태를 진단하는 램프를 이용한 피부진단장치가 널리 사용되고 있다.

종래의 피부진단장치에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

인체의 모공(毛孔)에는 피지(皮脂)를 만드는 피지선이 있으며, 건강한 상태의 인체에서는 피지선이 적당량의 피지를 모공에서 피부 표면으로 방출하여 피지막을 형성시킨다. 이러한 피지막은 피부의 천연보호막으로 작용하게 된다.

그런데, 건강하지 않은 상태의 인체에서는 과도한 피지를 분비하며, 과도하게 분비된 피지는 공기에 접하여 산화되고, 이때 산화된 피지는 딱딱해져 모공을 막히게 한다.

이렇게 모공이 막힌 곳의 피지에는 세균이 번식하게 되는데, 이 세균의 내부에 포르피린(porphyrin)이라는 물질이 생성되고, 포르피린은 자외선에 반응하여 발광한다.

이에 따라 자외선에 반응하는 포르피린의 성질을 이용한 피부진단장치가 개발된 바 있다.

종래기술에 따른 피부진단장치에서는 어둠 상자 속에서 환자의 얼굴 전체에 자외선 램프로 자외선을 주사하고, 발광된 형광강도(intensity of fluorescence)의 변화를 광 검출기를 통해 육안(肉眼)으로 관찰하는 방법을 사용하였다.

또한 그 밖에 광을 사용한 질병 진단을 위하여 일반적으로 잘 알려진 할로겐, 크세논(Xenon), 메탈-할라이드(metal-halide), 수은 등의 램프를 적용한 광섬유 광원을 사용하였다.

이러한 램프들은 특수한 의료 목적의 수단 및 기술적, 경제적인 면을 고려한 장비의 제작 요구 등에 의해 선택되었으며, 광범위하거나 선택적인 파장대의 다양한 광이 요구되는 복합작업이 필요한 경우에 단일 램프의 사용은 일반적으로 최적의 방법을 제공하지는 못하였다.

이 경우에 장비 개발자는 특수한 기능의 램프에 의존하거나 복수의 램프를 동시에 사용하여 단점을 보완하였는데, 형광을 사용하는 질병 진단에서 여기광(excitation light) 조사에 의한 진단 대상으로부터 발생하는 형광 관찰과, 백색광(white light)에 의한 진단부위의 전체 지형, 위치 및 색깔 등의 관찰이 필요한 것으로 알려져 있다.

피부 질환에 5-ALA를 포함하는 광민감제(photosensitizer)를 사용하는 형광 진단(Fluorescence Diagnoses; FD) 및 광역학 치료법(Photo Dynamic Therapy; PDT) 활용의 장점 및 가능성 등은 참조문헌[C.Fritch and T. Ruzichka, "Fluorescence Diagnosis and Photodynamic Therapy of Skin Diseases", Atlas and Handbook, 2003, Springer-Verlag.Wien]에 잘 나타나 있다.

상기 참조문헌에 따르면, 피부층의 형광상은 사진형태로 기록되며, 촬영을 위하여 암실에서 진단 대상에 우드(Wood) 램프의 자외선을 0.25에서 1.5초 노출하고 1600 ASA와 같이 고감도의 필름을 가지고 현상한다.

한편, 정상 및 손상된 피부의 피부 질환 진단을 위하여 분광학적인 수단과 형태학적인 수단(spectroscopy and imaging method)에 의한 일련의 광학 진단 방법이 있다.

피부 치료의 경우도 전자파의 광 조사의 작용에 의한 광 치료방법이 있으며, 이러한 일련의 광학 수단들 중에 형광 진단 및 광역학 치료(PDT)는 중요한 위치를 차지하고 있다.

형광 진단의 경우 주어진 조건에서 조직의 병적 상태 부위와 정상 조직 부위는 형광 특성이 다르게 관찰되며, 이러한 차이는 방사되는 파장 및 형광 밝기의 강도로 나타난다.

분광학적인 파장 분석수단의 단점은 일 회 시행 동안에 피부 부위의 낮은 공간 분해능과 조사되는 점들의 수가 적다는 점이다.

관찰 부위에서 형광 영상을 획득하는 수단은 위의 단점을 제거하며, 많은 경우에 관찰되는 형광 영상은 단색 광(monochrome fluorescence imaging)으로 주어진다.

따라서, 단색 형광 영상과 함께 형태학적인 정밀한 분석을 위하여 같은 부위에 대하여 백색광으로 획득한 컬러 영상이 보충된다[simultaneous acquisition and display of morphological (color image) and physiological (fluorescence image) information)(DYADERM professional, Biocam GmbH; http://www.biocam.de].

그러나, 단색 광의 형광 영상은 피부의 개별적인 부위에서 파장의 차이를 나타내는 정보를 상실함에 따라 본질적으로 화상이 빈약할 수밖에 없으며, 특히 피부 자체에서 발생하는 고유 형광의 특성 연구에서 형광의 원인 규명을 어렵게 한다.

다파장 영상 시스템(multispectral imaging system) 수단을 통해 형광 분광학적인 수단과 형광 영상 수단의 장점을 결합시키는 것은 가능하다[Hewett et al., 2000, "Fluorescence detection of superficial skin cancer", J. Mod. Opt. 47, 2021-2027].

그리고, 피부로부터 발생하는 형광의 기본적인 분광학적인 정보는 가시광선 영역으로부터 획득될 수 있으며, 따라서 다파장 영상 시스템으로서 고감도 컬러 카메라를 적용할 수 있고, 이를 통해 장치를 간단하게 하고 또한 공간 분해능을 증가시킬 수 있다.

한편, 피부 질환에 대한 백색광 관찰 및 형광 진단을 위한 진단 장비에서는 영상 픽업 헤드에 의해 피부 조직을 관찰할 수 있으며, 영상 픽업 헤드는 피부와 접촉해 관찰할 수 있는 시야 홀(view hole)을 통해 들어오는 피부 영상을 픽업하기 위한 영상 픽업 장치(image pick-up device)와 조명부로 구성된다.

그리고, 상기와 같은 영상 픽업 헤드의 조명부에서 형광 여기 광원으로는 통상 395 ~ 405 nm의 조명 범위를 갖는 발광다이오드(LED)가 사용되고, 백색광원으로는 백색 발광다이오드가 사용된다.

또한 조명광에 의한 진단부위의 시야(field of view)(시야 홀을 통해 진단되는 영역)는 약 20 mm× 15 mm로 관찰하며, 광의 관찰은 텔레비전 카메라(예, 칼라 CCD-415 : 1/2인치, 782×582)을 통해 이루어질 수 있고, 이는 형광 및 백색광의 동시 영상 기록 및 영상 처리가 가능하다.

그러나, LED를 광원으로 사용하는 경우에 있어서 기본적으로 조명의 비균일성 문제를 가지게 되는데, 이는 LED가 중심에서는 조명 강도가 크고 주변으로 갈수록 조명 강도가 작아지는 특성을 가지기 때문이다.

병적 상태 부위와 정상 조직 부위의 피부에서 발생되는 형광의 특성은 방사되는 파장 및 형광 밝기의 강도 등의 차이로 나타나는데, 피부를 균일하게 조사하지 않을 경우, 형광물질이 광이 조사되어지는 영역 내에서 위치에 따라 여기되는 정도가 달라지기 때문에 형광물질의 여기 정도가 달라지고, 결국 관측되어지는 형광 밝기의 강도에 신뢰성이 떨어지게 된다.

이하, 종래 광학 진단 장치의 문제점, 즉 조명의 비균일성 문제점에 대하여 좀더 상세히 살펴보기로 한다.

가장 특성이 우수한 발광다이오드 중의 하나인 RL-UV2030(405 nm)을 표본 발광다이오드로 사용하여, 발광다이오드 정점에서 조명 대상 부위까지의 거리를 달리하여 그 거리에 따른 빔의 반점 중심에서의 출력밀도와, 반점 중심의 최대 밝기에 대해 50% 수준의 밝기를 나타내는 지점의 지름을 측정(광 출력 검출계(optical power meter) Q8230에서 지름 8 mm의 광 검출기를 이용하여 측정)하였을 때, 그 측정 결과는 하기 표 1과 같다.

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 관찰되는 시야에 대해 필요한 조명을 얻기 위하여 하나의 발광다이오드만을 사용해서는 원하는 조명을 얻기가 어렵다. 즉, 대상 부위와 가까운 거리에서 조명을 할 경우에 조명 빔의 지름이 충분하지 않으며, 원거리에서 조명을 할 경우에는 광의 출력밀도가 부족하다.

따라서, 조명의 출력밀도를 증가시키기 위해서는 사용하는 발광다이오드의 수를 증가시킬 필요가 있으며, 균일한 조명을 위해서 발광다이오드들의 다양한 배열 구성을 생각할 수 있다. 즉, 조명의 원하는 출력밀도 및 균일 조사를 얻기 위해서 복수의 발광다이오드를 사용하는 것이다.

가장 간단한 방식은 카메라(1) 앞에 12개의 발광다이오드(3a)를 사용하되, 발광다이오드(3a)들의 조명중심축(C2) 방향을 도 1a에 나타낸 구조에서와 같이 시야의 중심으로 향하게 하는 것인데, 이 경우 시야의 지름은 21.4 mm로 균일한 조명을 획득할 수 있으며, 이 경우 시야의 중심에서 계산된 출력밀도 크기는 9.9 mW/㎠이다.

그러나, 이러한 배열은 영상 픽업 헤드의 케이스 내에서 발광다이오드의 고정판으로부터 진단 대상이 되는 부위(시야 홀 부위)까지, 그리고 발광다이오드로부터 진단 대상이 되는 부위까지 상당한 자유공간을 요구하며, 발광다이오드와 진단부위까지의 거리가 충분하지 않으면 안 된다.

예로 언급된 수치에서 이러한 거리는 60 mm 이상이 되어야 한다. 결국, 발광다이오드(3a)로부터 피부 진단부위에 밀착되는 시야 홀까지의 거리가 길어지기 때문에 충분한 거리 확보를 위하여 영상 픽업 헤드의 전체 길이가 길어질 수밖에 없다.

이 경우에도 시야 중심부가 되는 피부 부위에서는 형광 영상 품질이 만족스럽지만 영상 주변부는 조명 강도가 불충분하여 영상 품질이 좋지 않으며, 특히 LED와 피부 부위 간의 충분한 거리를 확보해야 하고, LED 광들에 의한 조명 면적의 범위가 매우 좁은 범위가 되는 단점이 있다. 만일, 주변부를 잘 보기 위하여 카메라의 감도를 증가시키면 중심부가 포화 조건이 된다.

도 1b는 도 1a와 같이 여기 광원인 복수의 발광다이오드가 모두 광축을 중심으로 겹쳐지도록 광을 조사하는 상태를 나타내는 도면으로서, 이렇게 광축을 중심으로 광을 겹쳐 조사하도록 하면, 광 조사부위의 중심부와 주변부 간에 광 차이가 크게 발생하고, 균일 조사되는 면적이 작으며, 또한 작업 거리(working distance)가 증가할 수밖에 없다. 복수의 발광다이오드가 모두 광축 중심으로 향해 있는 경우, 넓은 람베르시안(Labertian) 분포를 갖는 발광다이오드라 하더라도 중심부와 주변부 간의 조사광의 세기차가 발생하게 되는 것이다.

다른 방법으로, 발광다이오드의 수를 증가시키되, 발광다이오드들과 대상 부위와의 자유공간을 줄이기 위해서 발광다이오드들을 케이스의 시야 홀에 보다 접근시키는 방법이 있다.

한편, 피부 질환에 대한 형광 진단용 광학 진단장치, 즉 영상 픽업 헤드에서 대물렌즈 주변으로 복수의 여기 발광다이오드를 설치한 뒤 이들을 사용하여 피부의 진단부위를 조명하고 이때 발생하는 피부 형광을 광 검출기가 연결된 대물렌즈를 통하여 획득하는 통상의 광학 진단장치에서, 조명의 균일도를 향상시키기 위한 종래의 조명부를 선행 특허 문헌을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

여기 광원으로 발광다이오드를 사용하는 광학 진단장치에서 피부 진단부위에 고른 피부 형광을 발생시키기 위해서는 복수의 발광다이오드 조명의 균일한 조사가 필요하다.

미국특허 제7,369,692호에서는 대물렌즈 광축에 대해 배열된 조건에 따라 각도를 달리하여 여기 발광다이오드의 여기 광축이 진단부위의 중심을 향하여 조사될 수 있도록 구성하고 있다. 그러나, 이러한 광원의 배열 및 구조에서는 피부 진단부위의 중심에 여기광의 쏠림이 일어나 형광이 더욱 많이 여기되고 중심에서 멀어질수록 조사되는 광이 줄어들게 되어 형광의 발생이 감소하게 됨으로써 피부 형광 영상의 왜곡이 발생하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본원 출원인에 의해 출원되고 등록된 특허 제785279호에서는 원형으로 배열된 복수의 여기 발광다이오드들이 피부 진단부위의 미리 할당된 개별 면적을 조명할 수 있도록 각각의 조명중심축 각도가 조정된 상태로 설치되어, 피부 진단부위 전체를 모자이크 형태로 조명할 수 있는 조명부의 구성이 개시되어 있다.

이러한 조명부에서는 각각의 여기 발광다이오드가 대물렌즈의 광축에 대하여 서로 다른 각도 또는 동일한 각도로 설치되어 피부 진단부위를 모자이크 형태로 조명하게 됨으로써 대상 부위의 넓은 시야를 여기광, 즉 여기 발광다이오드들로 구성된 광원의 빔들에 의해 균일하게 조명할 수 있게 된다.

이러한 여기 발광다이오드의 원형 배열 구성에 대해서 도면을 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 통상적인 영상 픽업 헤드의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 3은 복수의 여기 발광다이오드가 원형으로 배열된 상태를 나타내는 도면으로서, 도 2에서 도면부호 11은 피부 진단부위에 대해 진단을 시행하는 진단면(시야 홀 부위)을 나타낸다.

또한 도 3에서는 원형으로 배열된 복수의 여기 발광다이오드가 피부 진단부위에서 매트릭스(matrix) 형태로 광을 조사하는 것을 보여주고 있다. 도 3에서 도면부호 2의 직사각형은 시야 영역, 즉 영상 픽업 헤드의 시야 홀 영역을 나타낸 것으로, 이는 시야 홀에 접촉된 피부 진단부위의 영역에 해당하며, 진단을 위해서 여기 발광다이오드에 의해 균일한 조명이 이루어져야 하는 영역이다. 도면부호 17은 여기 발광다이오드(도 2에서 도면부호 13임)가 고정되는 위치를 나타낸 것이다.

또한 가는 빗금선으로 표시된 도면부호 3의 원들은 각 여기 발광다이오드에 의해 조명되는 영역들을 표시한 것으로, 각 영역들은 진단부위의 전체 영역에서 미리 할당된 개별 면적에 대해 각 여기 발광다이오드가 조명하게 되는 영역이며, 이러한 각 영역은 조명중심축이 설정되는 각도에 의해 결정된다. 빗금선으로 표시된 상기 원(3)들의 중심은 각 여기 발광다이오드의 조명중심축과 진단부위의 표면이 만나는 교차점에 해당한다.

도시된 바와 같이, 영상 픽업 헤드(10)는 피부 진단부위에 광을 조사하기 위한 복수의 여기 발광다이오드(13)를 포함하는 조명부(12)와, 대물렌즈(14)와 광 검출기(15)를 포함하는 영상 픽업 장치(image pick-up device)를 가진다.

여기서, 대물렌즈(14)와 광 검출기(15)는 시야 홀을 피부에 접촉시켜 관찰하는 동안 상기 시야 홀을 통해 들어오는 피부 영상을 픽업하기 위한 장치이다. 일반적인 광 검출기(CCD 센서 또는 CMOS 등)의 형태는 직사각형의 형태를 가지며, 따라서 영상 픽업 헤드(10)는 이에 대응하는 시야 홀, 즉 직사각형의 시야 홀을 가진다.

결국, 영상 픽업 헤드(10)를 피부의 진단부위에 접촉하면, 대물렌즈(14) 축(이미지 픽업 광축)을 기준으로 대물렌즈(14) 주변에 원형으로 배열된 복수의 여기 발광다이오드(13)들이 피부의 진단부위에 광을 조사하게 되고, 여기 발광다이오드(13)의 광 조사에 의해 발생한 반사광 또는 형광은 대물렌즈(14)를 통해 광 검출기(15)에서 획득된다.

그러나, 여기 발광다이오드(13)들을 대물렌즈(14)를 중심으로 원형으로 배열한 조명부(12)를 사용하여 피부의 진단부위에 광을 매트릭스 형태로 조사하도록 한 구성에서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 피부 진단부위는 시야 홀 영역(2) 내에서 발광다이오드(13)의 개수만큼 분할되고, 이때 각각의 발광다이오드(13)가 분할되어진 피부 진단부위의 각 부분을 담당하여 광을 조사하게 된다(개개의 발광다이오드에 의해 조명되는 영역을 도면부호 3의 원으로 나타내고 있음).

따라서, 조사 균일성은 확실히 개선할 수가 있으나, 할당된 각 부위를 조사하기 위해서는 각 발광다이오드(13)가 서로 다른 조사각도로 세팅되어야 하기 때문에, 장비의 제작 및 생산의 관점에서 어려움(제약)이 발생하게 된다(각 발광다이오드가 진단부위를 향하는 방향이 안쪽으로만 향하는 것이 아니라 상하좌우로 흐트러짐).

즉, 조명부(12) 내 발광다이오드가 설치된 공간의 제약으로 인하여 각 발광다이오드를 원하는 조사각도로 설정하는데 어려움이 있는 것이다. 특히, 복수의 발광다이오드(13)들을 조명부(12) 내에서 서로 부딪히지 않도록 하면서 최상의 균일도를 얻을 수 있는 수준으로 도 3의 매트릭스 조사 형태(피부 진단부위에서 각 발광다이오드의 광 조사부위가 매트릭스 형태로 배열됨)가 되게 설치하려 할 때, 각 발광다이오드의 조사각도를 조정하는데 많은 어려움이 있는 것이 사실이다.

도 2를 참조하면, 발광다이오드 배열을 가지는 조명부(12) 내에서 각 발광다이오드(13)가 설치된 공간은 한정된 공간으로 되어 있으며, 이러한 좁은 공간에서 발광다이오드(13)의 조사각도를 매트릭스 조사 형태가 되도록 조정하는 것은 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 복수의 여기 발광다이오드에 의해 광 조사가 이루어지는 피부 진단부위에서 조명의 균일도를 보다 향상시킬 수 있는 광학 진단장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 조명의 균일도를 보다 향상시킬 수 있는 새롭고 보다 진보된 여기 발광다이오드의 광 조사 방식을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

특히, 본 발명은 조명부 내에서 각 여기 발광다이오드의 조사각도가 원하는 각도로 용이하게 조정될 수 있으면서도 기존의 매트릭스 배열과 비교할 때 동등하거나 보다 우수한 최상의 조명 균일도를 확보할 수 있는 광 조사 방식을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 피부의 진단부위에 대한 형광 여기 광원으로 사용되는 복수의 여기 발광다이오드가 설치된 광학 진단장치에 있어서, 상기 피부의 진단부위 상에 전체적으로 타원형을 이루는 광 조사 배열이 형성되도록 각각의 광조사 각도가 설정된 1군의 여기 발광다이오드들로 구성된 제1발광다이오드 배열군과; 상기 제1발광다이오드 배열군의 타원형 광 조사 배열의 각 모서리 부분에 광을 조사하도록 각각의 광조사 각도가 설정된 또 다른 1군의 여기 발광다이오드들로 구성된 제2발광다이오드 배열군;을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치를 제공한다.

그리고, 본 발명은, 피부의 진단부위에 대한 형광 진단을 위하여 형광 여기 광원으로 사용되는 복수의 여기 발광다이오드가 설치된 광학 진단장치에서, 상기 복수의 여기 발광다이오드 중 일부의 여기 발광다이오드에 의해 조명되는 각각의 광 조사부위가 상기 피부의 진단부위에서 전체적으로 타원형을 이루어 배열되도록 하고, 나머지 여기 발광다이오드의 광 조사부위는 상기 타원형 배열의 각 모서리에 위치되도록 하는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치의 광 조사방법을 제공한다.

이에 따라, 본 발명의 광학 진단장치 및 광 조사방법에 의하면, 복수의 여기 발광다이오드에 의해 조명되는 개개의 광 조사부위가 피부 진단부위에서 '타원형 + 모서리' 배열 형태가 되도록 함으로써 보다 향상된 조명의 균일도를 얻을 수 있게 된다.

또한 본 발명의 광학 진단장치에서는 기존의 매트릭스 배열과 비교할 때 동등하거나 보다 우수한 최상의 조명 균일도를 확보할 수 있으면서도 각 여기 발광다이오드의 조사각도를 원하는 각도로 보다 쉽고 원활하게 조정할 수 있는 장점이 있다.

특히, 여기 발광다이오드의 조사각도를 설정함에 있어서, '타원형 + 모서리' 배열의 광 조사 형태에서는 조명부 내 각 여기 발광다이오드의 필요한 각도 조정 범위가 줄어들기 때문에 더욱 쉽게 원하는 조사각도로 조정하여 최상의 균일도를 얻을 수 있게 된다.

또한 개개의 여기 발광다이오드에 의해 조명되는 광 조사부위의 형태가 '타원형 + 모서리' 배열이라는 새롭고 진보된 광 조사 형태에 의하여 여기 발광다이오드의 설치와 더불어 장치의 제작 및 생산 공정이 보다 용이해질 수 있게 된다.

도 1a 및 도 1b는 종래기술에 따른 광학 진단장치의 문제점을 설명하기 위한 도면으로서, 도 1a는 종래기술에 따른 광학 진단장치의 일례에서 여기 광원을 측면에서 도시한 도면이고, 도 1b는 여기 광원으로 복수의 발광다이오드가 모두 광축 중심으로 겹쳐지도록 조사하는 광 조사상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 통상적인 영상 픽업 헤드의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 여기 발광다이오드가 원형으로 배열된 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 광학 진단장치에 의한 광 조사방식을 나타내는 도면으로서, 각 여기 발광다이오드의 광 조사부위가 '타원형 + 모서리' 형태로 배열되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 조사량 분포를 살펴보기 위하여 본 발명에 따른 광 조사방식(실시예)을 시뮬레이션한 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 조사량 분포를 비교해보기 위하여 비교예(비교예1)로서 종래기술에 따른 광 조사부위의 원형(Circle) 배열 형태를 나타낸 도면이다.
도 8은 원형 배열 형태의 시뮬레이션 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 조사량 분포를 비교해보기 위하여 또 다른 비교예(비교예2)로서 광 조사부위의 매트릭스(Matrix) 배열 형태를 나타낸 도면이다.
도 11은 매트릭스 배열 형태의 시뮬레이션 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 복수의 여기 발광다이오드에 의해 조명되는 피부 진단부위에서 조명의 균일도를 보다 향상시킬 수 있는 광학 진단장치에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 기존의 매트릭스 배열과 비교할 때 동등하거나 보다 우수한 최상의 조명 균일도를 확보할 수 있으면서도 각 여기 발광다이오드의 조사각도를 원하는 각도로 보다 쉽고 원활하게 조정할 수 있는 광학 진단장치에 관한 것이다.

또한 본 발명은 복수의 여기 발광다이오드를 사용하는 광원 구조를 가지는 광학 진단장치에서 피부 진단부위, 즉 시야 홀(field of view)을 최대한 균일하게 여기시켜 광이 조사되는 영역(진단장치로 관찰되는 영역) 내 피부 형광을 발생시킬 때 왜곡이 발생되지 않도록 하기 위한 광 조사방법에 관한 것으로, 피부 진단부위에서 복수의 여기 발광다이오드에 의해 조명되는 광 조사부위의 배열 형태를 개선하고자 한 것이다.

특히, 본 발명에 따른 광학 진단장치 및 광 조사방법에서 피부 진단부위에 광이 조사되는 형태는 각 여기 발광다이오드에 의해 형성되는 광 조사부위가 '타원형 + 모서리' 배열 형태를 가지는 것에 주된 특징이 있으며, 이를 통해 피부 진단부위의 조명 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.

배경기술에서 설명한 바와 같이, 피부 진단부위에 여기광이 불균일하게 조사될 경우, 즉 여기 발광다이오드에 의해 조사되는 광의 세기가 특정 부위에서 다른 위치보다 과도하게 커진다면, 그 특정 부위는 피부의 형광물질이 적게에 분포 되어 있음에도 형광물질이 많이 분포되어 있는 곳보다도 더 큰 형광 세기를 보일 수 있고, 이는 피부에서 발생되는 형광 특성에 따라 질병의 유무, 피부 상태 진단 등의 판단에 있어 부정확성을 야기시키게 된다.

따라서, 피부 진단에 있어서 조명의 균일도 확보가 무엇보다 중요하며, 본 발명에서는 피부 진단부위에서 광이 조사되어지는 형태를 개선하여 상술한 발명의 목적을 달성하고자 하는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 광학 진단장치에 의한 광 조사방식을 나타내는 도면으로서, 각 여기 발광다이오드의 광 조사부위가 본 발명에 따른 '타원형 + 모서리' 형태로 배열되는 상태를 나타내는 도면이다. 도 4에서 도면부호 2는 시야 홀 영역(피부 진단부위)을, 각 원(c1 ~ c12)은 각 여기 발광다이오드에 의해 조명되는 영역(광 조사부위)를 나타낸다.

또한 도 5은 조사량 분포를 살펴보기 위하여 본 발명에 따른 광 조사방식(실시예)을 시뮬레이션한 예를 나타내는 도면이며, 도 6은 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

또한 도 7은 조사량 분포를 비교해보기 위하여 비교예(비교예1)로서 종래기술에 따른 광 조사부위의 원형(Circle) 배열 형태를 나타낸 도면이고, 도 8은 시뮬레이션한 예를 나타내는 도면이며, 도 9는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

또한 도 10은 조사량 분포를 비교해보기 위하여 또 다른 비교예(비교예2)로서 광 조사부위의 매트릭스(Matrix) 배열 형태를 나타낸 도면이고, 도 11은 시뮬레이션한 예를 나타내는 도면이며, 도 12는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

우선, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 피부 진단부위에서 복수의 여기 발광다이오드에 의해 조명되는 전체 광 조사부위의 배열 형태에 차이가 있는 것으로, 종래와 같은 도 7의 원형 배열의 광 조사 형태나 도 10의 매트릭스 배열의 광 조사 형태가 아닌, '타원형 + 모서리' 배열의 광 조사 형태를 가지는 것에 주된 특징이 있다.

즉, 개별 조사가 이루어지는 복수의 여기 발광다이오드(도 5에서 도면부호 13임) 중 일부의 여기 발광다이오드는 개개의 광 조사부위(c1 ~ c8)가 피부 진단부위에서 전체적으로 타원형을 이루어 배열되도록 각각의 광 조사각도가 설정되고, 나머지 여기 발광다이오드는 상기 타원형 배열의 각 모서리 위치에 광을 조사하도록(개개의 광 조사부위(c9 ~ c12)가 상기 타원형 배열의 각 모서리 부분에 위치하도록) 각각의 광 조사각도가 설정되는 것이다.
이를 구분하기 위하여, 본 명세서에서는 광 조사부위(c1 ~ c8)가 피부 진단부위에서 전체적으로 타원형을 이루어 배열되도록 각각의 광 조사각도가 설정된 1군의 여기 발광다이오드들을 제1발광다이오드 배열군이라 하고, 상기 타원형 배열의 각 모서리 위치에 광을 조사하도록(개개의 광 조사부위(c9 ~ c12)가 상기 타원형 배열의 각 모서리 부분에 위치하도록) 각각의 광 조사각도가 설정된 또 다른 1군의 여기 발광다이오드들을 제2발광다이오드 배열군이라 한다.

또한 상기와 같은 '타원형 + 모서리' 배열의 광 조사 형태에서 타원형의 배열을 형성하는 광 조사부위(c1 ~ c8) 중 이웃한 광 조사부위들 간에는 적어도 일부 이상이 서로 겹쳐지도록 하고, 타원형의 배열을 형성하는 광 조사부위(c1 ~ c8)와 각 모서리 위치의 광 조사부위(c9 ~ c12) 간에도 적어도 일부 이상이 서로 겹쳐지도록 한다.

이러한 광 조사방식에서, 시야 홀 영역(2), 즉 피부 진단부위 내의 광 조사부위(c1 ~ c8)들이 타원형으로 배열되는 형태는, 영상 픽업 헤드의 시야 홀 및 피부 진단부위의 전체적인 형상이 직사각형일 때, 최상의 균일도를 얻기 위하여 요구되는 각 여기 발광다이오드의 조사각 조정 범위를 줄여주게 된다.

또한 여기 발광다이오드의 일부가 각 모서리 위치에 광을 조사하도록 구비됨으로써(도 4에서 각 광 조사부위 c9 ~ c12로 나타냄), 피부 진단부위 내에서 광 조사량이 전체적으로 균일해지도록 하게 됨은 물론, 모서리 부분에 광을 조사하는 여기 발광다이오드에 대해서도 최상의 균일도를 위해 요구되는 조사각 조정 범위를 줄일 수 있게 된다.

다시 말해, 본 발명에 따른 '타원형 + 모서리' 배열 형태의 광 조사방식을 적용하는 경우, 피부 진단부위에서 여기광의 균일도를 전체적으로 향상시킬 수 있게 되고, 전체 여기 발광다이오드의 조사각을 조정함에 있어서도 각 여기 발광다이오드의 조사각이 조정되어야 하는 양을 줄일 수 있게 되면서 보다 용이한 조사각 조정을 통하여 최상의 균일도를 얻을 수 있게 된다.

또한 '타원형 + 모서리' 배열 형태라는 개선된 광 조사 형태에 의하여 여기 발광다이오드의 설치와 더불어 장치의 제작 및 생산 공정이 보다 용이해질 수 있게 된다.

바람직한 실시예로서, 도 4에 도시된 실시예와 같이, 12개의 여기 발광다이오드(각 여기 발광다이오드가 조명하는 광 조사부위를 개개의 원으로 표시함, 도 5에서 도면부호 13임)로 조명부(도 2에서 도면부호 12에 해당함)를 구성하는 경우, 8개의 광 조사부위(c1 ~ c8)가 타원형을 이루어 배열되도록 광을 조사하는 8개의 여기 발광다이오드가 설치되고, 각 모서리 위치에 1개씩 나누어 광을 조사하는 4개의 여기 발광다이오드(광 조사부위 c9 ~ c12임)가 설치될 수 있다.

물론, 여기 발광다이오드의 개수는 12개를 초과하거나 그 미만이 될 수도 있으며, 다만 각 경우에서 복수의 여기 발광다이오드 중 일부는 타원형 배열로 광을 조사하도록 설치되고, 나머지는 각 모서리 위치에 광을 조사하도록 설치된다.

또한 각 모서리에 광을 조사하는 여기 발광다이오드의 경우, 도시된 실시예와 같이 단수로 설치하는 것이 가능하나, 조명의 균일도 향상에 기여한다면 필요한 경우 전체 모서리 또는 일부 모서리의 광 조사용으로 복수의 여기 발광다이오드를 설치하는 것이 가능하다. 예컨대, 전체 모서리 또는 일부 모서리 위치에 광을 조사하도록 2개씩의 여기 발광다이오드를 설치하는 것이 가능하다.

그리고, 도면으로 여기 광원, 즉 여기 발광다이오드만을 도시하였으나, 백색광원, 즉 백색 발광다이오드가 설치된 기존의 광학 진단장치와 마찬가지로, 여기 발광다이오드와 백색 발광다이오드를 함께 영상 픽업 헤드에 설치하는 것이 가능하다.

이상으로 상기 각 여기 발광다이오드들에 의해 피부 진단부위에 광이 조사되는 형태 및 개개의 광 조사부위가 배열되는 형태를 설명하였으며, 상기와 같이 '타원형 + 원형'의 광 조사 형태를 구현하기 위하여 영상 픽업 헤드의 조명부 내에 실제 여기 발광다이오드가 배열되는 구조에 대해서는 본 발명에서 특정한 배열 구조로 한정하지는 않는다.

예컨대, 영상 픽업 헤드의 조명부에서 여기 광원인 복수의 발광다이오드들을 대물렌즈 축(이미지 픽업 광축)을 중심으로 원형으로 배열하거나, 일부는 타원형으로, 일부는 모서리 위치에 설치하는 '타원형 + 모서리' 형태로 배열하는 것이 가능하다. 또는 일부는 원형, 일부는 모서리 위치에 설치하는 '원형 + 모서리' 형태로 배열하는 것도 가능하다.

여기서, 각 여기 발광다이오드는 이미지 픽업 광축에 대하여 서로 다른 각도 또는 동일 각도로 설치되어 전체 피부 진단부위를 균일하게 조명하게 된다.

그리고, 본 발명의 광학 진단장치에서 피부 진단부위 내 광 조사부위의 배열 형태가 '타원형 + 모서리' 배열로 개선되도록 각 여기 발광다이오드의 광 조사각도를 설정하는 것을 제외하고는 광학 진단장치의 나머지 구성에 대해서는 종래의 공지된 구성이 그대로 적용될 수 있다.

즉, 영상 픽업 헤드가 피부 진단부위의 관찰을 위한 직사각형의 시야 홀(view hole)을 통해 들어오는 피부 영상을 픽업하는 영상 픽업 장치(image pick-up device)와, 피부 진단부위를 조명하는 조명부로 구성되는 점, 상기 영상 픽업 장치가 대물렌즈 및 광 검출기를 포함하여 구성되는 점, 상기 조명부가 여기 발광다이오드 배열을 포함하는 점, 복수의 여기 발광다이오드(본 발명에서는 '타원형 + 모서리' 형태로 배열됨)들이 영상 픽업 헤드에서 대물렌즈 주변으로 설치되어 피부의 진단부위를 조명하는 점, 조명 동안 발생하는 반사광 또는 형광을 대물렌즈를 통해 광 검출기가 획득하는 점 등에서 종래의 공지된 구성과 차이가 없다.

한편, 본원 출원의 발명자들은 여기 발광다이오드들의 광 조사부위가 피부 진단부위(시야 홀 영역) 내에서 '타원형 + 모서리' 배열 형태가 되도록 광 조사가 이루어질 때, 종래와 같은 원형 배열의 광 조사 형태에 비해 조명의 균일도가 향상될 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있었는 바, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 '타원형 + 모서리' 배열 형태(실시예)를, 도 7과 도 8은 비교예1로서 원형 배열 형태를, 도 10과 도 11은 비교예2로서 매트릭스 배열 형태를 나타내는 도면으로서, 각각의 광 조사량 시뮬레이션 결과를 도 6, 도 9, 도 12에 나타내었으며, 이와 더불어 시뮬레이션 결과를 하기 표 2에 요약하여 나타내었다.

('VAR'은 편차(variation)를 나타내는 것임)

우선, 도 9에서 알 수 있는 바와 같이 원형 배열의 광 조사 형태에서는 광 조사량이 중심부의 상대적으로 넓은 면적에 집중되는 양상을 보이고 있으며, 주변부로 갈수록 조사량이 줄어들면서 중심부와 차이가 크게 발생함을 알 수 있었다.

또한 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 매트릭스 배열의 광 조사 형태에서는 개별 여기 발광다이오드에 대해 각각의 조사 영역을 할당하였을 경우 광 조사량 기준 최대값의 80% 이상이 되는 영역이 원형 배열 구조 28.85%에서 36.64%로, 최대값의 60% 이상이 되는 영역은 88.45%에서 93.2%로 증가하였는 바, 원형 배열의 광 조사 형태에 비해 균일한 조사가 이루어짐을 알 수 있었다.

그러나, 매트릭스 배열의 광 조사 형태에서는 각각의 여기 발광다이오드가 가지는 조사방향(조사각도)이 다르기 때문에 장치 제작이나 생산 공정에 어려움이 있게 된다.

물론, 피부 진단부위가 여기 발광다이오드의 개수만큼 분할되고, 각각의 여기 발광다이오드는 분할되어진 피부 진단부위의 각 부분을 담당하여 조사하게 되므로, 광 조사의 균일성이 원형 배열의 광 조사 형태에 비해서는 확실히 개선될 수 있다.

그러나, 할당된 부위에 광을 조사하기 위해서는 각 여기 발광다이오드가 서로 다른 각도로 세팅되어야 하기 때문에 장비의 제작 및 생산의 관점에서 어려움(제약)이 발생하게 된다(각 여기 발광다이오드가 피부 진단부위를 향하는 방향이 안쪽으로만 향하는 것이 아니라 상하좌우로 흐트러짐).

반면, 본 발명에 따른 '타원형 + 모서리' 배열의 광 조사 형태는 매트릭스 배열 형태에 비하여 동등한 수준 또는 그 이상의 우수한 조사 균일성 정도를 가지면서도 각 여기 발광다이오드들의 조사방향이 안쪽으로 향하고 있어 각각의 조사각도를 설정할 때 여기 발광다이오드 간의 간섭이 발생하지 않는다.

결국, 각 여기 발광다이오드를 보다 간단히 배치 및 설치하는 것이 가능해지고, 무엇보다 매트릭스 배열 형태에 비해서는 보다 많은 수의 여기 발광다이오드를 사용할 수 있는 큰 장점이 있게 된다. 동일한 공간 내에서 여기 발광다이오드의 사용 개수를 원하는 개수 만큼 보다 쉽게 늘려 설치하는 것이 가능해지는 것이다.

표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 시뮬레이션 결과에서도 동일한 총 조사량에서 최대값의 80% 이상에 해당하는 영역이 39%, 최대값의 60% 이상에 해당하는 영역이 97%에 달하여 보다 우수한 조명 균일도를 나타내는 것으로 확인되었다.

도 4를 참조하면, '타원형 + 모서리' 배열의 광 조사 형태를 적용할 때, 개별 광 조사부위를 나타내는 원의 일부가 겹쳐짐을 볼 수 있는데, 특히 각 원 내에서 중심부 외측의 주변부가 이웃한 광 조사부위에 겹쳐져 2개의 발광다이오드에 의해 조명되고 있다.

이는 중심부 외측의 주변부에서 조명 강도가 약해지는 것을 어느 정도 보상해주기 때문에 전체적인 균일도 향상에 기여한다. 결국, 본 발명의 광학 진단장치 및 광 조사방법에서는 조사방향이 안쪽을 향하고 있는 것에 의하여 개별 발광다이오드의 설치가 매트릭스 배열에 비해 용이해진다는 장점과 더불어 매트릭스 배열 수준의 균일도를 제공할 수 있다는 장점이 있게 된다.

도 4에서 광 조사부위가 원으로 명확히 경계지어져 도시되고 있으나, 원 외측의 부분도 조명 강도가 약하긴 하지만 실제 광이 조사되고 있는 부분(발광다이오드에 의해 조명이 이루어지는 부분임)으로 이해해야 하며, 전체 조명 부위를 분할하여 모자이크 형태의 조명이 이루어지고 있는 매트릭스 배열 형태와 비교할 때 광 조사의 중첩 측면으로 인해 동등한 수준의 균일도 향상 효과가 제공될 수 있다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 광학 진단장치에서는 피부 진단부위에 여기광을 조사하기 위한 복수의 여기 발광다이오드 중 일부를 타원형 배열의 광 조사가 이루어지도록 하면서 그 나머지를 4곳의 각 모서리 위치에 광을 조사하도록 설치함으로써 보다 향상된 조명의 균일도를 얻을 수 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 영상 픽업 헤드 12 : 조명부
13 : 여기 발광다이오드 14 : 대물렌즈
15 : 광 검출기

Claims (12)

1. 피부의 진단부위에 대한 형광 여기 광원으로 사용되는 복수의 여기 발광다이오드가 설치된 광학 진단장치에 있어서,
   상기 피부의 진단부위 상에 전체적으로 타원형을 이루는 광 조사 배열이 형성되도록 각각의 광조사 각도가 설정된 1군의 여기 발광다이오드들로 구성된 제1발광다이오드 배열군과;
   상기 제1발광다이오드 배열군의 타원형 광 조사 배열의 각 모서리 부분에 광을 조사하도록 각각의 광조사 각도가 설정된 또 다른 1군의 여기 발광다이오드들로 구성된 제2발광다이오드 배열군;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1발광다이오드 배열군은 상기 타원형의 배열을 형성하는 광 조사부위에서 이웃한 광 조사부위들 간에 적어도 일부 이상이 서로 겹쳐지도록 설치된 것을 특징으로 하는 조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 타원형의 배열을 형성하는 광 조사부위와 각 모서리 위치의 광 조사부위 간에 적어도 일부 이상이 서로 겹쳐지도록 여기 발광다이오드들이 설치된 것을 특징으로 하는 조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 각 모서리 위치에서의 광 조사부위가 단수의 여기 발광다이오드에 의해 광이 조사되어 조명되도록 구성된 것을 특징으로 하는 조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
   8개의 광 조사부위가 타원형을 이루어 배열되도록 광을 조사하는 8개의 여기 발광다이오드가 설치되고, 각 모서리 위치에 1개씩 나누어 광을 조사하는 4개의 여기 발광다이오드가 설치된 것을 특징으로 하는 조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 각 모서리 위치에서의 광 조사부위가 복수의 여기 발광다이오드에 의해 광이 조사되어 조명되도록 구성된 것을 특징으로 하는 조명의 균일도가 향상되는 광학 진단장치.
   
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