KR101685004B1 - 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치에 관한 것으로, 구강 내 구조물의 3차원 데이터를 획득할 수 있는 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치에 있어서, 출력광을 조사하는 광원부; 상기 출력광을 복수개의 측정광으로 분할하고, 상기 구조물로부터 반사된 반사광을 상기 복수개의 측정광에 대응하도록 분할하며, 복수개의 분할반사광을 출력하는 광분할 방식 광학부; 상기 복수개의 분할반사광을 감지하는 광감지부; 상기 광감지부의 감지 결과에 따라 상기 구조물의 3차원 데이터를 생성하는 제어부; 및 상기 3차원 데이터를 송신하는 데이터 송신부를 포함한다.

Description

마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치{APPARATUS FOR SCANNING ORAL CAVITY USING MICROLENS ARRAY}

본 발명은 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치에 관한 것으로서, 특히 치과 환자의 구강 내에 삽입되어 구강 내 구조물에 대한 3차원 정보를 치과 치료에 이용할 수 있도록 처리하는 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치에 관한 것이다.

치과 의사가 치과 환자를 치료하기 위해서는 치과 환자의 구강 내 구조물에 관한 정확한 정보를 제공받아야 한다. 이를 위하여, 구강 내 구조물을 정확하게 그리고 보다 효과적으로 3차원 모델링하는 것이 필요한 바, 구강 내를 직접 스캔해서 구강 내 구조물의 3차원 데이터의 획득하는 구강 스캐너가 개발되어 왔다.

일반적인 구강 스캐너는, 프로젝터를 광원으로 하여 구강 내에 광을 조사하고 이를 카메라로 취득한 후 삼각법을 이용하여 3차원 데이터로 변환함으로써 3차원 모델링 등을 통해 치과 의사가 치과 환자의 구강 내 구조물을 입체적으로 관찰할 수 있도록 한다.

그러나, 구강 스캐너는 치과 환자의 구강 내에 삽입되어야 하는 바, 치과 환자의 구강 내 구조물에 대한 3차원 데이터를 획득하는 과정에서 흔들리거나 위치 이동이 발생되어 획득된 3차원 데이터에 왜곡이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

또한, 구강 스캐너는 상당한 부피를 가진 고체 구조물이 치과 환자의 구강 내에 삽입되는 과정에서 치과 환자에게 불편을 야기할 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여, 마이크로렌즈 어레이를 통하여 3차원 스캐닝 데이터의 왜곡을 보정하고, 광섬유 등을 이용하여 유연성 있는 구강 스캐너 팁을 제공함으로써, 신뢰성 있는 데이터를 제공하는 동시에 치과 환자의 불편을 감소시키는 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 구강 내 구조물의 3차원 데이터를 획득할 수 있는 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치에 있어서, 출력광을 조사하는 광원부; 상기 출력광을 복수개의 측정광으로 분할하고, 상기 구조물로부터 반사된 반사광을 상기 복수개의 측정광에 대응하도록 분할하며, 복수개의 분할반사광을 출력하는 광분할 방식 광학부; 상기 복수개의 분할반사광을 감지하는 광감지부; 상기 광감지부의 감지 결과에 따라 상기 구조물의 3차원 데이터를 생성하는 제어부; 및 상기 3차원 데이터를 송신하는 데이터 송신부를 포함한다.

이 때, 상기 광분할 방식 광학부는, 상기 출력광을 상기 구조물의 방향으로 반사시키고, 기본반사광을 투과시키는 빔스플리팅부; 복수개의 마이크로렌즈의 배열을 구비하고, 상기 빔스플리팅부에 의해 반사된 출력광을 상기 배열에 따라 분할하여 상기 복수개의 측정광을 생성하며, 상기 구조물로부터 반사된 반사광을 상기 배열에 따라 분할하여 복수개의 기본반사광을 생성하는 광분할부; 및 상기 복수개의 기본반사광을 정합하여 상기 복수개의 분할반사광을 생성하는 광조정부를 포함할 수 있다.

한편, 상기 광조정부는, 상기 복수개의 기본반사광을 집속하는 제1 렌즈부; 상기 제1 렌즈부에서 집속한 집속광이 투과되는 핀홀을 구비한 제1 핀홀부재; 및 상기 제1 핀홀부재를 투과한 광을 분할하여 상기 복수개의 분할반사광을 생성하는 제2 렌즈부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 렌즈부를 상기 복수개의 기본반사광에 평행한 방향으로 이동시킬 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치는, 상기 빔스플리팅부와 상기 광분할부 사이에 유연한 광경로를 제공하는 광섬유부를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 광조정부는, 상기 복수개의 기본반사광을 집속하는 제1 액체렌즈부; 상기 제1 액체렌즈부에서 집속한 집속광이 투과되는 핀홀을 구비한 제2 핀홀부재; 및 상기 제2 핀홀부재를 투과한 광을 분할하여 상기 복수개의 분할반사광을 생성하는 제2 액체렌즈부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 액체렌즈부 및 상기 제2 액체렌즈부의 굴절률을 조정할 수 있다.

전술한 본 발명에 따르면, 마이크로렌즈 어레이를 통하여 3차원 스캐닝 데이터의 왜곡을 보정하고, 광섬유 등을 이용하여 유연성 있는 구강 스캐너 팁을 제공함으로써, 구강 스캐너의 흔들림이 있는 경우에도 신뢰성 있는 데이터를 제공하는 동시에 고체 형태의 하우징이 구강 내에 삽입됨으로써 야기되는 치과 환자의 불편을 감소시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치 중 광분할 방식 광학부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치 중 광분할부의 마이크로렌즈 어레이를 상세히 도시한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치 중 광조정부를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.

또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치를 도시한 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치는, 광원부(100), 광분할 방식 광학부(200), 광 감지부(300), 제어부(400) 및 데이터 통신부(500)를 포함한다.

광원부(100)는, 광분할 방식 광학부(200)를 향하여 출력광을 조사한다. 이 때, 광원부(100)는, 제어부(400)의 제어에 따라, 즉, 제어부(400)에 설정된 출력 위치 및 출력 각도에 따라 출력광을 조사하게 된다. 한편, 제어부(400)는, 제어된 출력광에 대한 출력 위치 정보 및 출력 각도 정보를 저장하고, 저장된 출력 위치 정보 및 출력 각도 정보를 참조하여 구강 내 구조물 3차원 데이터를 생성하게 된다. 한편, 광원부(100)의 배치 구조는 구강 스캐너의 형태에 따라 변경될 수 있으며, 광 출력 소자는 소형화에 유리한 레이저 다이오드 또는 LED(Light Emitting Diode)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

한편, 광분할 방식 광학부(200)는, 광원부(100)에서 조사한 출력광을 복수개의 측정광으로 분할하고, 측정광이 치과 환자의 구강 내 구조물에 반사되어 형성된 반사광을 복수개의 측정광에 대응하도록 분할하며, 분할된 복수개의 분할반사광을 광감지부(300)로 출력한다. 즉, 광분할 방식 광학부(200)는, 출력광을 분할하여 복수개의 측정광을 형성함으로써 제어부(400)가 최종적으로 획득할 수 있는 정보의 양을 증가시킬 수 있다.

또한, 광 감지부(300)는, 광분할 방식 광학부(200)에서 분할한 복수개의 분할반사광을 감지하고, 감지한 복수개의 분할반사광에 따른 정보를 제어부(400)로 출력한다. 여기서, 광 감지부(300)의 광센서는, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor), CCD(Charged Coupled Device) 또는 PSD(Position Sensitive Device) 등의 수광 소자일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

한편, 제어부(400)는, 광감지부(300)의 감지 결과로 구강 내 구조물의 3차원 데이터를 생성하며, 생성된 3차원 데이터를 데이터 송신부(500)로 출력한다. 즉, 제어부(400)는, 광감지부(300)로부터 복수개의 분할반사광에 따라 결정된 전기 신호에 상응하는 위치 정보, 즉, 구강 내 구조물의 위치별 높이 값 등을 획득하고, 획득한 값들을 통합하여 3차원 데이터를 생성한다.

또한, 데이터 통신부(500)는, 제어부(400)로부터 입력받은 3차원 데이터를 3차원 모델링 등으로 치과 의사에게 표시할 수 있는 장치로 송신한다. 이 때, 데이터 통신부(500)는, 유선 또는 무선 통신 모듈일 수 있으나, 사용의 편의성을 위하여 무선 통신 모듈인 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치 중 광분할 방식 광학부(200)를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치 중 광분할부(220)의 마이크로렌즈 어레이를 상세히 도시한 도면으로, 도 2 및 도 3에 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 광분할 방식 광학부(200)는, 빔스플리팅부(210), 광분할부(220) 및 광조정부(230)를 포함할 수 있으며, 이 중 광조정부(230)는, 제1 렌즈부(231), 제1 핀홀부재(232) 및 제2 렌즈부(233)를 포함할 수 있다.

빔스플리팅부(210)는, 광원부(100)에서 조사한 출력광을 치과 환자의 구강 내 구조물의 방향, 즉, 광분할부(220)의 방향으로 반사시키고, 치과 환자의 구강 내 구조물에서 반사된 광으로부터 기인한 복수개의 기본반사광에 대한 경로를 형성하여, 복수개의 기본반사광을 광조정부(230)로 제공하게 된다. 즉, 빔스플리팅부(210)는, 출력광은 반사하고 기본반사광은 투과하는 빔 스플리터(beam splitter)로, 이를 통하여 광분할부(220)에 제공되는 출력광 뿐만 아니라 광분할부(220) 분할한 기본반사광에 대하여 공통의 광경로를 사용할 수 있도록 한다.

또한, 광분할부(220)는, 복수개의 마이크로렌즈의 배열을 구비하고, 빔스플리팅부(210)에 의해 반사된 광을 배열 내 마이크로렌즈의 개수에 따라 분할하여 복수개의 측정광을 생성하며, 측정광이 치과 환자의 구강 내 구조물에 반사되어 형성된 반사광을 배열 내 마이크로렌즈의 개수에 따라 분할하여 복수개의 기본반사광을 생성하고, 생성된 기본반사광을 빔스플리팅부(210)에 제공한다. 여기서, 광분할부(220)는, 도 3에 도시된 바와 같은 직경 120㎛, 높이 1.2㎛인 마이크로렌즈의 배열일 수 있으며, 배열 내 각각의 마이크로렌즈는 초점거리가 동일하고, 각 마이크로렌즈에 의하여 한 번에 복수개의 측정광을 제공함으로써 제어부(400)가 치과 환자의 구강 내 구조물에 관한 풍부한 정보를 짧은 시간 내에 획득할 수 있도록 한다.

한편, 광조정부(230)는, 빔스플리팅부(210)로부터 입력된 복수개의 기본반사광을 정합하여 복수개의 분할반사광을 생성하고, 생성된 분할반사광을 광감지부(300)에 제공한다. 이 때, 광조정부(230)는, 제1 렌즈부(231), 제1 핀홀부재(232) 및 제2 렌즈부(233)를 포함할 수 있다.

여기서, 제1 렌즈부(231)는, 소정의 굴절률을 가지고, 복수개의 기본반사광을 집속하여 제1 핀홀부재(232)에 제공하는 역할을 한다. 이 때, 제어부(400)는, 복수개의 분할반사광을 분석하고, 분석한 분할반사광에 따라 최적의 데이터를 얻을 수 있도록 제1 렌즈부(231)를 복수개의 기본반사광에 평행한 방향으로 이동시켜 초점거리를 조정하며, 이를 통하여 선명한 3차원 데이터를 생성할 수 있도록 한다. 여기서, 제1 렌즈부(231)는, 하나의 렌즈만을 포함하는 구조에 한정되지 않으며, 복수개의 렌즈를 포함할 수 있다.

한편, 제1 핀홀부재(232)는, 제1 렌즈부(231)에서 집속한 집속광을 투과시켜 제2 렌즈부(233)에 제공한다. 즉, 제1 핀홀부재(232)는, 공초점(Confocal) 방식을 제공하기 위한 구성요소로서, 이에 의하면, 제1 렌즈부(231)에서 집속한 집속광이 제1 핀홀부재(232)에 형성된 핀홀에 결상되는데, 이 때 치과 환자 내 구강 내 구조물가 초점위치를 조금만 벗어나게 되어도 제1 핀홀부재(232)에 형성된 핀홀을 투과한 광의 세기가 급격하게 감소하게 된다. 따라서, 광감지부(300)는 제1 핀홀부재(232)를 투과한 광의 세기를 감지하여 위치별 치과 환자 내 구강 내 구조물의 높이 정보를 획득할 수 있다.

또한, 제2 렌즈부(233)는, 제1 핀홀부재(232)를 투과한 광을 분할하여 복수개의 분할반사광을 생성하고, 생성된 분할반사광을 광감지부(300)로 제공한다. 이 때, 제2 렌즈부(233)는, 그 위치가 고정적일 수도 있고, 제1 렌즈부(231)와 마찬가지로 복수개의 기본반사광에 평행한 방향으로 이동될 수도 있으나 이에 한정되지 않는다. 여기서, 제2 렌즈부(233)는, 하나의 렌즈만을 포함하는 구조에 한정되지 않으며, 복수개의 렌즈를 포함할 수 있다.

한편, 광섬유부(240)는, 빔스플리팅부(210)와 광분할부(220) 사이에 유연한 광경로를 제공할 수 있다. 이 때, 광섬유부(240)는, 광섬유(Optical Fiber) 또는 FOP(Fiber Optic Plate)일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 이를 장착함으로써 곡선인 광경로의 구현이 가능하므로 구강 스캐너의 하우징을 장 내시경 장치의 팁에 연결된 관과 같이 유연한 소재로 구성하고 이를 통하여 치과 환자의 구강 내 삽입 시 치과 환자의 불편함을 감소시킬 수 있다.

도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치 중 광조정부(230)를 도시한 도면으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광조정부(230)는, 제1 액체렌즈부(234), 제2 핀홀부재(235) 및 제2 액체렌즈부(236)를 포함할 수 있다.

제1 액체렌즈부(234)는, 제어부(400)에서 인가한 전압의 세기 또는 인가 시간에 따라 가변적인 굴절률을 가지고, 복수개의 기본반사광을 집속하여 제2 핀홀부재(235)에 제공하는 역할을 한다. 이 때, 제어부(400)는, 복수개의 분할반사광을 분석하고, 분석한 분할반사광에 따라 최적의 데이터를 얻을 수 있도록 제1 액체렌즈부(234)에 인가하는 전압의 세기 또는 인가 시간을 제어하여 제1 액체렌즈부(234)의 초점거리, 즉, 굴절률을 조정하며, 이를 통하여 선명한 3차원 데이터를 생성할 수 있도록 한다. 여기서, 제1 액체렌즈부(234)는, 하나의 렌즈만을 포함하는 구조에 한정되지 않으며, 복수개의 렌즈를 포함할 수 있다.

한편, 제2 핀홀부재(235)는, 제1 액체렌즈부(234)에서 집속한 집속광을 투과시켜 제2 액체렌즈부(235)에 제공한다. 즉, 제2 핀홀부재(235)는, 제1 핀홀부재(232)와 마찬가지로 공초점(Confocal) 방식을 제공하기 위한 구성요소로서, 그 형태에는 제1 핀홀부재(232)와 다소 차이가 있을 수 있으나 제공하는 기능은 제1 핀홀부재(232)와 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.

또한, 제2 액체렌즈부(236)는, 제어부(400)에서 인가한 전압의 세기 또는 인가 시간에 따라 가변적인 굴절률을 가지고, 제2 핀홀부재(235)를 투과한 광을 분할하여 복수개의 분할반사광을 생성하고, 생성된 분할반사광을 광감지부(300)에 제공하는 역할을 한다. 이 때, 제어부(400)는, 복수개의 분할반사광을 분석하고, 분석한 분할반사광에 따라 최적의 데이터를 얻을 수 있도록 제2 액체렌즈부(236)에 인가하는 전압의 세기 또는 인가 시간을 제어하여 제2 액체렌즈부(236)의 초점거리, 즉, 굴절률을 조정하며, 이를 통하여 선명한 3차원 데이터를 생성할 수 있도록 한다. 여기서, 제2 액체렌즈부(236)는, 하나의 렌즈만을 포함하는 구조에 한정되지 않으며, 복수개의 렌즈를 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지, 치환, 변경 및 변형이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100: 광원부 200: 광분할 방식 광학부
210: 빔스플리팅부 220: 광분할부
230: 광조정부 231: 제1 렌즈부
232: 제1 핀홀부재 233: 제2 렌즈부
234: 제1 액체렌즈부 235: 제2 핀홀부재
236: 제2 액체렌즈부 300: 광 감지부
400: 제어부 500: 데이터 통신부

Claims (5)

1. 구강 내 구조물의 3차원 데이터를 획득할 수 있는 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치에 있어서,
   출력광을 조사하는 광원부;
   상기 출력광을 복수개의 측정광으로 분할하고, 상기 구조물로부터 반사된 반사광을 상기 측정광에 대응하는 복수개의 기본반사광으로 분할하며, 상기 복수개의 기본반사광으로부터 초점거리에 따른 복수개의 분할반사광을 생성하는 광분할 방식 광학부;
   상기 복수개의 분할반사광을 감지하는 광감지부;
   상기 광감지부의 감지 결과에 따라 상기 구조물의 3차원 데이터를 생성하는 제어부; 및
   상기 3차원 데이터를 송신하는 데이터 송신부를 포함하고,
   상기 광분할 방식 광학부는,
   상기 출력광을 상기 구조물의 방향으로 반사시키고, 상기 복수개의 기본반사광을 투과시키는 빔스플리팅부;
   초점거리가 동일한 복수개의 마이크로렌즈의 배열을 구비하고, 상기 빔스플리팅부에 의해 반사된 상기 출력광을 상기 배열에 따라 상기 복수개의 측정광으로 분할하여 상기 구조물로 일괄 조사되게 하고, 상기 구조물로부터 반사된 상기 반사광을 상기 배열에 따라 상기 복수개의 기본반사광으로 분할하여 상기 빔스플리팅부에 일괄 조사되게 하는 광분할부; 및
   공초점 방식으로 상기 복수개의 기본반사광으로부터 초점거리에 따른 상기 복수개의 분할반사광을 생성하는 광조정부를 포함하는 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 광조정부는,
   상기 복수개의 기본반사광을 집속하는 제1 렌즈부;
   상기 제1 렌즈부에서 집속한 집속광이 투과되는 핀홀을 구비한 제1 핀홀부재; 및
   상기 제1 핀홀부재를 투과한 광을 분할하여 상기 복수개의 분할반사광을 생성하는 제2 렌즈부를 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 제1 렌즈부를 상기 복수개의 기본반사광에 평행한 방향으로 이동시키는 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 광조정부는,
   상기 복수개의 기본반사광을 집속하는 제1 액체렌즈부;
   상기 제1 액체렌즈부에서 집속한 집속광이 투과되는 핀홀을 구비한 제2 핀홀부재; 및
   상기 제2 핀홀부재를 투과한 광을 분할하여 상기 복수개의 분할반사광을 생성하는 제2 액체렌즈부를 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 제1 액체렌즈부 및 상기 제2 액체렌즈부의 굴절률을 조정하는 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 빔스플리팅부와 상기 광분할부 사이에 유연한 광경로를 제공하는 광섬유부를 더 포함하는 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구강 스캔 장치.

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