KR102282644B1 - 파장 가변 광원 시스템 - Google Patents

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Abstract

파장 가변 광원 시스템이 개시된다. 파장 가변 광원 시스템은 협대역 광원부, 및 파장 모듈레이션부를 포함한다. 협대역 광원부는 미리 설정된 파장 영역의 협대역 광을 발생하고, 파장 모듈레이션부는 입사되는 협대역 광의 파장을 미리 설정된 변경 파장으로 변경하여 출력한다. 이와 같은 구성에 의하면, 광대역의 광의 일부 파장 대역만을 추출하여 선택하는 것이 아니라 협대역 광을 발생하여 사용하는 것이기 때문에 우수한 광 출력 효율을 가지면서도, 필요한 광의 파장으로 선택적으로 변경할 수 있기 때문에 다양한 파장 대역의 광을 효과적으로 제공할 수 있게 된다.

Description

파장 가변 광원 시스템 {SYSTEM FOR PROVIDING WAVELENGTH VARIABLE LIGHT SOURCE}
본 발명은 광학 영상을 얻기 위해 시료에 광을 조사하는 광원 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내시경과 같은 의료용 광학 영상 장치에서 백색광 영상, 분광 영상 및 형광 영상을 얻기 위한 광원 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 광학 영상 장치는 시료에 빛을 조사하기 위한 광원과 시료로부터 방출되는 빛을 검출하기 위한 검출기로 구성된다. 최근, 내시경 등의 의료용 광학 영상 기술은 백색광 영상뿐만 아니라, 분광 및 형광 영상까지 얻을 수 있도록 진화하고 있다.
이를 위해서 시료에 조사(illumination)하는 광원의 특성이 중요하다. 특히, 조사하는 광원의 분광 특성에 따라 시료로부터 반사되는 반사광의 분광 특성이 달라지고, 이를 통해 시료의 물성 등을 분석할 수 있기 때문이다.
구체적으로 내시경에서는 헤모글로빈의 주요 흡광 대역인 410nm 파장의 협대역(narrow band) 파장 대역의 빛을 조사하여, 혈관 영상의 대조도를 향상시키고 있다. 이러한 광원을 위해서는 협대역 파장 특성 등 적절한 분광 특성을 가지는 빛의 발생이 필요하다.
도 1은 제논 램프의 분광 스펙트럼이 도시된 그래프이다. 도 1에서, 가시광 영역인 400 내지 700nm 대역을 포함한 파장 대역에서 광출력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 협대역 광원은 특정 파장 대역에서 광출력이 높은 광원을 의미한다.
도 2는 협대역 광원의 광출력 특성을 개략적으로 도시한 도면이다. 일반적으로 종래에는, 도 1의 광대역 광원으로부터 특정 파장 대역에서 빛을 투과시키는 광학 필터나 모노크로미터를 이용하여 도 2에 도시된 협대역 광을 출력하는 광원을 제작하고 있다.
도 3 내지 도 5는 종래 의료용 광원의 파장 모듈레이션 방법들을 개략적으로 도시한 도면들이다. 일반적으로 협대역 파장의 광을 얻기 위해서는, 광대역 광원으로부터 나오는 빛을 대역 필터 등을 이용하여 해당하는 협대역 광만 투과시키거나(도 1), grating이 내장된 모노크로미터를 이용하여 광대역 중 일부만의 선택하여 조사하는 방법(도 2)을 사용한다. 그런데 이러한 방법들은 광대역 광원으로부터 대부분의 파장 대역을 제거하고 일부 파장 대역만을 통과시키기 때문에, 최종적인 광 출력이 낮은 문제를 가지고 있다.
이 밖에도, 여러 개의 광원을 결합하여 필요에 따라 해당되는 광원만을 구동하거나 조합하여 빛을 조사하는 방법(도 3)도 있다. 그런데 이 방법의 경우, 해당되는 파장 대역의 광원이 이미 존재해야 하는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 우수한 광 출력 효율을 가지면서도, 다양한 파장 대역의 광을 효과적으로 제공할 수 있도록 해주는 광원 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 파장 가변 광원 시스템은 협대역 광원부, 및 파장 모듈레이션부를 포함한다. 협대역 광원부는 미리 설정된 파장 영역의 협대역 광을 발생하고, 파장 모듈레이션부는 입사되는 협대역 광의 파장을 미리 설정된 변경 파장으로 변경하여 출력한다.
이와 같은 구성에 의하면, 광대역의 광의 일부 파장 대역만을 추출하여 선택하는 것이 아니라 협대역 광을 발생하여 사용하는 것이기 때문에 우수한 광 출력 효율을 가지면서도, 필요한 광의 파장으로 선택적으로 변경할 수 있기 때문에 다양한 파장 대역의 광을 효과적으로 제공할 수 있게 된다.
이때, 입사되는 입사 협대역 광을 투과하고 파장이 변경된 출력 협대역 광을 반사하는 제 1 투과부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 출력 협대역 광의 방향이 광 입사단으로 출력되는 것을 방지하여 광 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 출력되는 출력 협대역 광을 투과하고 입사되는 입사 협대역 광을 반사하는 제 2 투과부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 입사 협대역 광이 광 출력단으로 출력되는 것을 방지하여, 입사 협대역 광으로 인한 의도치 않은 간섭 효과 등을 방지할 수 있게 된다.
또한, 파장 모듈레이션부는 기판, 및 기판상에 형성된 미리 설정된 물질의 층을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 기판 상에 미리 설정된 물질의 층은 상기 물질의 층에 조사된 빛을 흡수하여 더 높은 파장 대역의 빛을 방출할 수 있는 파장 모듈레이션 물질이어야 하며, 다양한 유기 또는 무기 형광 물질로 구성될 수 있다. 특히, 물질의 층을 구성하는 파장 모듈레이션 물질을 나노 물질 입자의 하나인 양자점으로 구성할 경우, 우수한 광 효율 특성을 가지면서도 보다 효과적으로 파장 변경을 수행할 수 있게 된다.
이때, 나노 물질 입자의 크기는 변경될 파장 영역에 따라 선택될 수 있으며, 양자점층은 서로 다른 입자 크기의 나노 물질들을 포함할 수 있다.
또한, 양자점층은 나노 물질 입자가 적층되어 형성될 수 있으며, 나노 물질 입자가 포함된 미리 설정된 매질로 형성될 수 있다. 이를 위한 매질로는 고분자 물질이 이용될 수 있다.
또한, 파장 가변 광원 시스템은, 입사 협대역광을 각각 서로 다른 파장으로 변경하여 출력하는 복수의 파장 모듈레이션부를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 단일 협대역 광을 서로 다른 파장의 복수의 협대역 광으로 변경하고 이를 조합하여 다양한 형태의 광을 출력할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 광대역의 광의 일부 파장 대역만을 추출하여 선택하는 것이 아니라 협대역 광을 발생하여 사용하는 것이기 때문에 우수한 광 출력 효율을 가지면서도, 필요한 광의 파장으로 선택적으로 변경할 수 있기 때문에 다양한 파장 대역의 광을 효과적으로 제공할 수 있게 된다.
또한, 출력 협대역 광의 방향이 광 입사단으로 출력되는 것을 방지하여 광 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 입사 협대역 광이 광 출력단으로 출력되는 것을 방지하여, 입사 협대역 광으로 인한 의도치 않은 간섭 효과 등을 방지할 수 있게 된다.
또한, 나노 물질 입자의 선택을 통해 우수한 광 효율 특성을 가지면서도 보다 효과적으로 파장 변경을 수행할 수 있게 된다.
또한, 파장 가변 광원 시스템은, 입사 협대역광을 각각 서로 다른 파장으로 변경하여 출력하는 복수의 파장 모듈레이션부를 포함할 수 있다.
또한, 단일 협대역 광을 서로 다른 파장의 복수의 협대역 광으로 변경하고 이를 조합하여 다양한 형태의 광을 출력할 수 있게 된다.
도 1은 제논 램프의 분광 스펙트럼이 도시된 그래프.
도 2는 협대역 광원의 광출력 특성을 개략적으로 도시한 도면.
도 3 내지 도 5는 종래 일반적인 의료용 광원의 파장 모듈레이션 방법을 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파자 가변 광원 시스템의 개략적인 도면.
도 7은 입사 협대역 광원과 출력 협대역 광원의 분광 특성을 개략적으로 도시한 도면.
도 8 및 도 9는 파장 모듈레이션부의 구조의 예를 도시한 도면.
도 10은 도 2의 파장 가변 광원 시스템에서의 광경로를 도시한 도면.
도 11은 복수의 파장 모듈레이션부를 포함하는 파장 가변 광원 시스템의 예를 개략적으로 도시한 도면.
도 12 및 도 13은 각각 도 11의 파장 가변 광원 시스템의 입력 광 및 출력 광의 스펙트럼을 도시한 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 광원 시스템의 개략적인 블록도이다. 도 6에서, 파장 가변 광원 시스템(100)은 협대역 광원부(110), 파장 모듈레이션부(120), 제 1 투과부(130), 및 제 2 투과부(140)를 포함한다.
보다 구체적으로, 도 6에는, 협대역 광원(110)의 파장 모듈레이션을 통해 협대역광을 만들 수 있는 광원 구조가 도시되어 있다. 도 6의 광원 구조는 협대역 광원(110), 파장 모듈레이션부(120), 그리고, 파장 모듈레이션을 증가시키기 위한 제 1 투과부(110), 및 제 2 투과부(140)로 구성되어 있다.
도 6에서 파장 모듈레이션부(120), 제 1 투과부(130), 및 제 2 투과부(140)는 점선으로 표시된 전달 광학부 내에 포함되어 있으며, 협대역 광원(110)으로부터 협대역 광을 입사받아 파장을 변경한 후 다시 출력하는 예가 도시되어 있다.
협대역 광원부(110)는 미리 설정된 파장 영역의 협대역 광을 발생한다. 자외선 파장 대역과 같이 좁은 파장 대역의 빛을 전달 광학부로 조사하기 위한 것이다. 이를 위해 협대역 광원부(110)는 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)나 레이저(LASER) 등 다양한 발광소자를 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 협대역 광원부(110)는 파장 모듈레이션부(120)에서 사용되는 파장 변환 물질의 종류 등에 따라 결정될 수 있는 파장의 입사광을 제공할 수 있는 발광소자가 채택될 수 있다.
예를 들어, 파장 모듈레이션부(120)에서 양자점(Qunatum Dot, QD)을 파장변환물질로 사용하는 경우, 양자점에 대한 입사광으로 사용될 수 있는 파장의 빛(예를 들어, 자외선)을 제공할 수 있는 발광 다이오드(예를 들어, 자외선 발광 다이오드)를 협대역 광원부(110)에서 발광소자로 채택할 수 있다. 또한, 자외선 발광다이오드 대신 자외선을 발광하는 레이저 발생 장치가 사용될 수도 있다.
파장 모듈레이션부(120)는 입사되는 협대역 광의 파장을 미리 설정된 변경 파장으로 변경하여 출력한다. 협대역 광원(110)의 파장을 이동하여 새로운 파장 대역의 협대역 광으로 모듈레이션시키는 것이다. 이에 따라, 협대역 광원(110)으로부터의 빛이 파장 모듈레이션부(120)에 조사되면 더 긴 파장 대역의 협대역 광이 생성되며, 전달 광학부를 통해 출력단으로 전송된다.
이와 같이, 파장 모듈레이션부(120)는 자외선과 같은 특정 파장 대역의 빛을 받으면 더 긴 파장 대역으로 파장을 이동하여 협대역 광을 발생시키며, 이러한 구성은, 협대역 광원(110)의 파장 이동을 이용하기 때문에, 광대역 광원을 이용하는 경우보다 효율이 높다는 장점을 가진다.
도 7은 입사 협대역 광원과 출력 협대역 광원의 분광 특성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 7에서, 이동된 협대역 광원의 중심파장(λ2)은 입사된 협대역 광원의 파장(λ1)보다 크며, 파장 모듈레이션부(120)의 특성에 따라 이동 협대역 광원의 중심파장 이동 변이(Delta)는 조절될 수 있다.
이를 위해, 파장 모듈레이션부(120)는 기판(122), 및 기판(122)상에 미리 설정된 파장 모듈레이션 물질(124)의 층을 포함하며, 글래스 등의 기판(122) 위에 빛의 파장을 모듈레이션 할 수 있는 물질을 형성하는 것이다. 특히, 파장 모듈레이션 물질은 파장 모듈레이션 물질에 조사된 빛을 흡수하여 더 높은 파장 대역의 빛을 방출하는 특징을 가지며, 대표적인 예로서 양자점(quantum dot)을 이용할 수 있다.도 8 및 도 9는 파장 모듈레이션부의 구조의 예를 도시한 도면이다.
파장 모듈레이션 물질(124)은 파장 모듈레이션 물질(124)에 일정한 파장 대역의 빛을 입사시켰을 때, 더 긴 파장 대역의 빛으로 변환하여 방출할 수 있다. 특히 자외선 대역에서의 흡광도가 크며, 흡광된 빛은 더 긴 파장의 대역의 빛으로 방출된다. 이때, 파장 모듈레이션 물질로 양자점이 이용될 때는 도 7의 델타(Delta) 값은 양자점의 크기로 조절될 수 있다. 양자점(124)은 반도체 나노 물질 입자인 것이 일반적이나 유사한 기능을 수행하는 다른 나노 물질 입자로 구현될 수도 있을 것이다.
이때, 파장 모듈레이션 물질(124)의 층은 나노 물질 입자인 양자점으로 적층되어 형성될 수 있으며, 나노 물질 입자가 포함된 미리 설정된 고분자 물질로 형성될 수도 있다. 도 8에는 양자점(124)이 기판(122) 위에 층층이 적층된 예가, 도 9에는 양자점이(124) 고분자 등의 매질에 혼합되어 고분자 매질에 포함된 채로 기판에 고정화된 예가 각각 도시되어 있다. 이때, 파장 모듈레이션 물질(124)로는 서로 다른 방출광을 가지는 복수의 물질들이 사용될 수 있다.
제 1 투과부(130)는 입사되는 입사 협대역 광을 투과하고 파장 모듈레이션부에서 파장이 변경된 이동 협대역 광을 반사하고, 제 2 투과부(140)는 출력되는 이동 협대역 광을 투과하고 입사되는 입사 협대역 광을 반사한다. 제 1, 2 투과부(130, 140)는 파장 모듈레이션부(120)에서의 파장 모듈레이션의 효율을 높여서 최종적으로 출력되는 이동 협대역 광원의 광출력을 높이는 기능을 수행하는 것이다.
이를 위해, 제 1 투과부(130)는 협대역 광원만을 투과시키고 나머지 파장 대역의 빛은 반사시키는 특성을 가지고, 제 2 투과부(140)는 이동 협대역 광원의 파장 대역만을 투과시키고 나머지는 반사시키는 특성을 가지게 된다. 이때, 제 1, 2 투과부(130, 140)는 인터퍼런스 (interference) 방식의 필터로 구성될 수 있다.
도 10은 도 2의 파장 가변 광원 시스템에서의 광경로를 도시한 도면이다. 도 10에서, 협대역 광원(110)에서 발생한 빛은 제 1 투과부(130)를 통하여 파장 모듈레이션부(120)에 전달된다. 파장 모듈레이션부(120)에서는 협대역 광원의 파장을 이동하여 이동 협대역 광원으로 모듈레이션한다. 이때, 이동 협대역 광원의 빛은 방향성 없이 파장 모듈레이션부(120)의 양쪽으로 발산하다.
제 2 투과부(140)로 전달되는 이동 협대역 광은 빛을 출력단으로 전달되며, 이와 반대 방향으로 전달되는 이동 협대역 광은 제 1 투과부(130)에서 반사되어 제 2 투과부(140)를 거쳐서 출력단으로 전달된다.
이와 함께, 파장 모듈레이션부(120)에서 전달되는 협대역 광원의 일부는 투과될 수 있는데, 제 2 투과부(140)에서 반사되어 파장 모듈레이션부(120)로 전달되며, 2차적인 파장 이동한 후에, 이동 협대역 광원의 광경로로 통해 출력단으로 전달된다.
한편, 파장 가변 광원 시스템(100)은 입사 협대역광을 각각 서로 다른 파장으로 변경하여 출력하는 복수의 파장 모듈레이션부(120)를 포함하도록 구현될 수도 있다. 도 11은 복수의 파장 모듈레이션부를 포함하는 파장 가변 광원 시스템의 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
이와 같은 구성에 의하면, 복수개의 피크를 가지는 협대역 광원의 제작이 가능해진다. 특히, 파장 모듈레이션부(120)에서 R, G, B 파장 영역의 광이 나오도록 설정하면 백색광 광원으로도 활용할 수 있게 된다.
도 12 및 도 13은 각각 도 11의 파장 가변 광원 시스템의 입력 광 및 출력 광의 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 도 12 및 도 13에서, 중심 주파수 372nm의 입사 협대역 광이 서로 다른 파장 모듈레이션부(120)를 통해 각각 파장이 변경되어, 각각 420nm, 540nm, 620nm의 청색, 녹색, 적색 파장 영역의 협대역 광으로 변환되어 출력되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명을 통해 구현된 복합 광원을 이용하는 경우, 다양한 파장 대역에서의 흡광 특성을 가지는 병변의 영상 대조도를 높이는데 활용할 수 있게 된다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.
100: 파장 가변 광원 시스템
110: 협대역 광원부
120: 파장 모듈레이션부
122: 기판
124: 양자점
130: 제 1 투과부
140: 제 2 투과부

Claims (11)

  1. 미리 설정된 파장 영역의 협대역 광을 발생하는 협대역 광원부; 및
    입사되는 상기 협대역 광의 파장을 미리 설정된 변경 파장으로 변경하여 출력하는 파장 모듈레이션부를 포함하는 전달 광학부를 포함하는 파장 가변 광원 시스템으로서,
    상기 전달 광학부는,
    상기 입사되는 입사 협대역 광을 투과하고 상기 파장이 변경된 출력 협대역 광을 반사하는 제 1 투과부; 및
    상기 출력되는 출력 협대역 광을 투과하고 상기 입사되는 입사 협대역 광을 반사하는 제 2 투과부를 더 포함하고,
    상기 파장 모듈레이션부는,
    기판; 및
    상기 기판상에 형성된 파장 모듈레이션 물질의 층을 포함하며,
    상기 파장 모듈레이션 물질의 층은 입사된 미리 설정된 파장 대역의 광을 흡수하여 입사된 파장 대역보다 긴 파장 대역의 광을 방출하고,
    상기 제 1 투과부와 상기 제 2 투과부 사이에서 미리 설정된 수로 선택적으로 배치되며, 각각 상기 입사 협대역광을 서로 다른 파장으로 변경하여 출력하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장 모듈레이션 물질은 미리 설정된 나노 물질 입자인 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 나노 물질 입자의 크기는 변경될 파장 영역에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 파장 모듈레이션 물질의 층은 서로 다른 입자 크기의 상기 나노 물질 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 시스템.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 파장 모듈레이션 물질의 층은 상기 나노 물질 입자가 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 시스템.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 파장 모듈레이션 물질의 층은 상기 나노 물질 입자가 포함된 미리 설정된 고분자 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장 모듈레이션 물질의 층은 서로 다른 파장 대역의 빛을 방출하는 미리 설정된 복수의 물질들을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 시스템.
  11. 삭제
KR1020170169394A 2017-12-11 2017-12-11 파장 가변 광원 시스템 KR102282644B1 (ko)

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