KR101436543B1 - 고효율 평행광 형광출력을 향상시키기 위한 광학계 및 냉각장치를 구비한 형광영상구현시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광신호의 발현과 형광 영상구현을 함께 구현할 수 있는 조명 및 영상 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 대역필터를 포함한 백색광원 조명 시스템의 비효율성을 개선하기 위하여, 단색성이 우수한 LED를 사용함으로써 광 효율성을 개선하고 형광신호의 효과적 발현을 구현하는 조명 시스템과 조명 시스템에 의해 발현되는 형광 신호를 획득하고 이를 실시간으로 영상 구현할 수 있는 카메라 시스템에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 특징은 광원 및 영상 획득을 위한 광 검출소자를 포함한 광학계; 및 상기 광학계의 열기를 냉각시키기 위한 냉각장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 평행광 형광출력을 향상시키기 위한 광학계 및 냉각장치를 구비한 형광영상구현시스템{Fluorescence imaging system equipped with optical and cooling device for enhancement of high efficient collimated light output}

본 발명은 형광신호의 발현과 형광 영상구현을 함께 구현할 수 있는 조명 및 영상 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 대역필터를 포함한 백색광원 조명 시스템의 비효율성을 개선하기 위하여, 단색성이 우수한 LED를 사용함으로써 광 효율성을 개선하고 형광신호의 효과적 발현을 구현하는 조명 시스템과 조명 시스템에 의해 발현되는 형광 신호를 획득하고 이를 실시간으로 영상 구현할 수 있는 카메라 시스템에 관한 것이다.

본 기술에서는 그동안 LED의 단점으로 지목되었던 발산각 문제를 효과적으로 제어하여 출력광 형태를 평행광에 대한 출력향상으로 개선함으로써 광 효율성을 향상시키는 방법과 발현된 형광신호를 효과적으로 영상구현할 수 있도록 하는 카메라 및 냉각 장치의 구성을 제안한다.

일반적으로 형광 신호를 발현시키기 위해서는 형광 물질을 광학적으로 여기시키기 위한 특정 파장대역의 광원이 필요하다. 이를 위해, 지금까지는 출력 파워가 강한 백색광원과 특정 파장에 해당하는 대역필터를 조합하여 사용하여 왔으나, 광 손실이 커서 효과적으로 형광 신호를 발현시킬 수 없었다. 그런데 최근에 단색성이 우수한 고출력 LED가 개발됨에 따라, 이를 이용한 형광 신호의 발현이 시도되고 있다. 그러나 LED의 경우, 단색성이 우수하다는 장점에도 불구하고 발산각이 커서 특정 영역에 도파시키기 어렵다는 단점과 발생되는 열의 양이 커서 카메라와 함께 사용할 경우 카메라의 감도를 떨어뜨린다는 단점이 있다.

그러므로 LED 및 카메라를 형광 발현 및 형광 영상구현을 위해 하나의 시스템으로 구성하여 사용하기 위해서는, LED의 도파 효율 개선 및 LED의 발열 문제 해결이 우선적으로 진행되어야 하는 상황이다.

특허출원 제10-1994-0034001호 특허출원 제10-2000-0026440호 특허출원 제10-2011-0106876호

상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 본 발명에서는 LED의 발산각을 고려하여 광의 도파 형태를 평행광으로 변환하기 위하여 포물선 형태의 반사거울을 사용하였으며, LED 광원 및 반사거울을 어레이 형태로 구성하여 출력광 효율이 향상되게 하는 목적이 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 형광신호의 발현과 검출을 효과적으로 수행하기 위하여 LED광원과 카메라를 하나의 시스템으로 구성하였으며, LED광원에 의해 발생하는 열에 의해 카메라의 저하되는 현상을 방지하기 위하여 수랭식 펌프를 통해 광원의 열을 냉각시킬 수 있는 장치를 광원과 함께 구성하여 과열되는 것을 방지하는 것이다.

이로써 고출력 LED광원을 효율적으로 도파시킴으로써 형광 신호의 발현을 향상시키고, 발현된 형광 신호를 고감도 영상으로 구현하게 된다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 형광신호의 발현을 위한 고출력 LED광원, 광 도파 효율을 향상시키기 위한 반사거울, 형광신호의 영상구현을 위한 카메라 및 발열을 제어하기 위한 수랭식 냉각 장치로 구성된다. 광 검출 소자는 LED광원 및 형광신호의 파장대역에 대응하여 사용될 수 있으며, 대역필터를 사용하여 광 검출 소자의 성능을 향상시키는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 고출력 LED를 광원으로 사용함으로써, 광원의 고출력, 단파장 특성을 이용하여 효과적으로 형광 신호를 발현시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 고출력 LED광원의 광 도파효율을 향상시키기 위하여, 포물선형태의 반사거울을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 발현된 형광신호를 영상으로 구현하기 위하여 광 검출 소자로써 카메라가 사용되며, 광 검출 소자의 성능을 향상시키기 위하여 대역필터를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 고출력 LED로부터 발생되는 열에 의하여 카메라의 감도가 저하되는 것을 방지하기 위하여 냉각시스템이 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 광원 및 영상 획득을 위한 광 검출소자를 포함한 광학계; 및 상기 광학계의 열기를 냉각시키기 위한 냉각장치를 포함하여, 상기 광학계에 의하여 형광신호 발현 및 형광 영상구현이 이루어지고, 상기 냉각장치는 광원으로부터 발생된 열로 인해, 광 검출소자 형광 검출 감도가 저하되는 것을 방지하기 위하여 수랭식 냉각장치로 이루어지며, 상기 냉각장치로 냉각수를 공급하고 광검출소자로 전원을 공급하도록 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 수랭식 냉각장치의 구동 및 LED광원의 구동은 컨트롤러에 의해 제어되며, 냉각수는 순환튜브에 의해 순환/공급되며 광원용 전원은 전원공급 케이블에 의해 LED광원에 공급되고, 한쪽 순환튜브에서 냉각수가 공급되고 LED광원과 접합된 부분에서 열을 냉각시킨 후 반대쪽 순환튜브로 냉각수가 빠져나가는 것을 특징으로 하는 형광영상구현시스템을 제공한다. 그리고 본 발명은 상기 광학계는, 형광 발광을 위한 LED광원, LED광원의 전방에 위치된 반사거울, 냉각을 위한 냉각장치 및 영상 획득을 위한 광 검출소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광영상구현시스템을 제공한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

본 발명에서는 평행광으로 변환된 어레이 형태의 LED 광원을 통해 광원을 효율적으로 도파시킬 수 있으며, 대역필터가 부착된 카메라를 통해 도파된 광에 의해 발현된 특정한 파장대역에 해당하는 형광신호를 검출할 수 있는 것이다.

또한 LED 광원에 의해 발생하는 열로 인한 카메라의 감도저하를 수랭식 냉각 장치를 통해 방지함으로써 시스템의 성능을 향상시키는 효과가 있다.

특히 최근에는 광 강도가 향상된 LED가 개발됨에 따라, 단일 파장 특성 및 고출력 광 특성을 가진 LED를 사용하여 형광을 효과적으로 발현시키고, 고감도의 카메라를 사용하여 형광영상을 실시간으로 구현함으로써, 임상에 적용 가능하여 광을 이용한 진단도구로써 그 활용도가 크도록 마련된 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 형광영상구현시스템에 대한 전체적인 구성 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 형광영상구현시스템에 의하여 작동되는 형광신호 발현 및 형광 영상구현이 동시에 동작되는 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 형광영상구현시스템의 반사거울에 대한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 형광영상구현시스템에 있어서 반사거울의 1개소 셀부분의 확대예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 형광영상구현시스템의 냉각장치에 순환튜브가 연결된 상태의 상태도이다.
도 6은 본 발명에 따른 형광영상구현시스템에 있어서 반사거울 및 카메라에 대한 결합구성 및 영상발현과 영상신호획득에 대한 예시 설명도이다.
도 7은 본 발명에 따른 형광영상구현시스템의 반사거울에 대한 측단면 예시도이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

즉 본 발명에 따른 고효율 평행광 형광출력을 향상시키기 위한 광학계 및 냉각장치를 구비한 형광영상구현시스템(100)은 첨부된 도 1 내지 도 7 등에서와 같이, 광원 및 영상 획득을 위한 광 검출소자를 포함한 광학계(20), 및 상기 광학계(20)의 열기를 냉각시키기 위한 냉각장치(3) 등을 포함하여 이루어진다.

이러한 본 발명에 있어서 상기 광학계(20)에 의하여 형광신호 발현 및 형광 영상구현이 가능도록 구비되어 형광영상구현시스템(100)이 마련되는 것이다.

즉 중앙의 형광영상신호의 획득을 위한 카메라 결합공의 주위를 둘러 다수 개의 반사층 및 도파광이 발현되는 구멍이 형성된 반사거울(2)을 포함하여 광학계(20)를 이루는 것이다.

그리고 이러한 광학계(20)의 후방으로 냉각을 위한 냉각장치(3)가 설치되는 것이다.

즉 상기 광원에 결합되는 반사거울(2)을 포함하며, 이러한 상기 반사거울(2)은 광원의 도파 효율을 향상시키기 위하여 포물선 형태로 이루어진 반사층(22)을 포함하는 것이다.

이러한 반사층(22)은 광원인 LED광원(1)으로부터 발광되는 형광신호가 반사층(22)에 반사되어 전방으로 직선의 평행광이 형성되도록 구비된다.

이와 같은 본 발명에 따른 형광영상구현시스템(100)에 있어서, 상기 광 검출소자는 카메라(5)로 구비되고, 상기 광원은 LED광원으로 마련된 LED광원(1)이 마련된다.

아울러 상기 광 검출소자의 형광 영상구현 효율을 향상시키고, 잡음신호를 줄이기 위하여 광 검출소자의 전면에 위치되는 대역필터(4)를 포함하는 것이다.

특히 상기 냉각장치(3)는 광원으로부터 발생된 열로 인해, 광 검출소자 형광 검출 감도가 저하되는 것을 방지하기 위하여 수랭식 냉각장치로 이루어지는 것이 주요 특징인 것이다.

나아가 상기 광 검출소자로부터 신호케이블(7)을 통하여 전송받은 영상신호를 처리하는 영상신호처리부(10)가 마련된다.

또한 상기 냉각장치(3)로 냉각수를 공급하고 광검출소자로 전원을 공급하도록 제어하는 컨트롤러(9)를 구비한 것이다. 따라서 컨트롤러(9)에 의하여 카메라(5)로 알맞은 전원을 공급하고, 또한 냉각장치(3)와 연결된 순환튜브(6)를 통하여 냉각장치(3)에 냉각수를 공급하는 것이다.

이러한 컨트롤러(9)와 영상신호처리부(10)가 연결되는 경우에는 영상신호처리부(10)에 의한 컨트롤러(9)의 제어 프로세서에 의하여, 냉각장치(3)로 공급되는 냉각수를 조절할 수 있어 결국 광학계(20)의 온도를 알맞은 수준으로 조절이 이루어지는 것이다.

이와 같이 마련되는 본 발명에 따른 고효율 평행광 형광출력을 향상시키기 위한 광학계 및 냉각장치를 구비한 형광영상구현시스템(100)에 대해서, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

이러한 본 발명에서 제시하는 형광신호 발현 및 형광 영상구현이 동시에 가능한 냉각장치가 구비된 형광구현 시스템인 형광영상구현시스템(100)은 LED광원(1)으로부터 발생된 광(11)은 반사거울(2)에 의해 평행광 형태로 변환된다. 그리하여 광(11)은 형광물질이 분포하는 부위에 도파된다.

이에 도파된 광(11)에 의해 발현되는 형광신호는 형광 검출효율을 높이고 잡음신호를 제거하기 위해 구성된 대역필터(4)를 통과하여 광 검출소자인 카메라(5)에 검출된다.

이때 LED광원(1)으로부터 발생되는 열에 의하여 인접하여 구성된 카메라(5)의 검출 감도가 저하되는 현상을 방지하기 위하여, LED광원(1) 후단에 수랭식 냉각장치(3)를 구성하여 열을 제거하도록 하였다. 이러한 수랭식 냉각장치(3)의 구동 및 LED광원(1)의 구동은 별도의 컨트롤러(9)에 의해 제어되며, 냉각수는 순환튜브(6)에 의해 순환/공급되며 광원용 전원은 전원공급 케이블(8)에 의해 LED광원(1)에 공급된다.

아울러 본 발명에서 제시하는 형광신호 발현 및 형광 영상구현이 동시에 가능한 냉각장치가 구비된 형광구현 시스템의 구동에 대한 일련의 과정은 도 2를 통해서 알 수 있다.

그리고 도 3은 형광신호 발현 및 형광 영상구현이 동시에 가능한 냉각장치가 구비된 형광구현 시스템에 사용된 반사거울(2)의 개략도로써, 출력광의 세기를 증가시키기 위하여 어레이 형태로 배열되게 광도파용 구멍이 형성되고 이러한 광도파용 구멍에는 벽면이 포물선 형태를 갖는 반사층(22)이 형성되는 것이다. 그리하여 광(11)이 평행광으로 도파된다.

그리고 LED광원(1)의 형태에 맞추어 반사거울(2)의 광도파용 구멍이 어레이 배열 형태로 이루어지며, 도 4에서와 같이 LED광원(1)에서 발생하는 광의 집적/도파 효율을 향상시키기 위하여 포물선 형태로 디자인되었다. 도 4에서와 같이, 포물선 형태로 디자인된 반사거울(2)을 사용하였을 경우, 광 도파효율이 90% 이상 나타나는 것을 광학 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다.

아울러 도 5는 LED광원(1)에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 수랭식 냉각장치로써 한쪽 순환튜브(6)에서 냉각수가 공급되고 LED광원(1)과 접합된 부분에서 열을 냉각시킨 후 반대쪽 순환튜브(6)로 냉각수가 빠져나가는 구조로 디자인되어 있다.

이처럼, 형광신호 발현 및 형광 영상구현이 동시에 가능한 냉각장치가 구비된 형광구현 시스템을 통해 형광신호의 효과적인 발현 및 고품질의 형광 영상구현이 가능한 것이다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 일실시예를 기재한 것이므로, 상기 실시예의 기재에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 제한적으로 해석되어서는 아니 된다.

1 : LED광원 2 : 반사거울
3 : 냉각장치 4 : 대역필터
5 : 카메라 6 : 순환튜브
7 : 신호케이블 8 : 전원공급 케이블
9 : 컨트롤러 10 : 영상신호처리부
11 : 광 20 : 광학계
100 : 형광영상구현시스템

Claims (7)

1. 광원 및 영상 획득을 위한 광 검출소자를 포함한 광학계; 및
   상기 광학계의 열기를 냉각시키기 위한 냉각장치를 포함하여, 상기 광학계에 의하여 형광신호 발현 및 형광 영상구현이 이루어지고,
   상기 냉각장치는 광원으로부터 발생된 열로 인해, 광 검출소자 형광 검출 감도가 저하되는 것을 방지하기 위하여 수랭식 냉각장치로 이루어지며,
   상기 냉각장치로 냉각수를 공급하고 광검출소자로 전원을 공급하도록 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
   상기 수랭식 냉각장치의 구동 및 LED광원의 구동은 컨트롤러에 의해 제어되며, 냉각수는 순환튜브에 의해 순환/공급되며 광원용 전원은 전원공급 케이블에 의해 LED광원에 공급되고,
   한쪽 순환튜브에서 냉각수가 공급되고 LED광원과 접합된 부분에서 열을 냉각시킨 후 반대쪽 순환튜브로 냉각수가 빠져나가는 것을 특징으로 하는 형광영상구현시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 광학계는, 형광 발광을 위한 LED광원, LED광원의 전방에 위치된 반사거울, 냉각을 위한 냉각장치 및 영상 획득을 위한 광 검출소자를 포함하고,
   상기 광원에 결합되는 반사거울을 포함하는 것으로, 상기 반사거울은 광원의 도파 효율을 향상시키기 위하여 포물선 형태로 이루어진 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광영상구현시스템.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 광 검출소자는 카메라로 구비되고,
   상기 광원은 LED광원으로 구비되는 것을 특징으로 하는 형광영상구현시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 광 검출소자의 형광 영상구현 효율을 향상시키고, 잡음신호를 줄이기 위하여 광 검출소자의 전면에 위치되는 대역필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광영상구현시스템.
   
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 광 검출소자로부터 전송받은 영상신호를 처리하는 영상신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광영상구현시스템.
   

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