KR20090043845A - 초광각 광학계 및 이를 포함하는 캡슐형 내시경 - Google Patents

초광각 광학계 및 이를 포함하는 캡슐형 내시경 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초광각 광학계에 관한 것으로, 소형 기기에 사용되는 초광각 광학계에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초광각 광학계는 정의 굴절률을 가지며, 광각을 집광하는 1 렌즈, 부의 굴절률을 가지며, 수차를 보정하는 제 2 렌즈, 및 적외선을 차단하는 적외선 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 160°이상의 넓은 화각 및 그에 따른 밝은 렌즈를 포함하므로, 소형임에도 불구하고, 높은 해상도의 생체 내의 이미지 영상을 얻을 수 있다.
초광각, 광학계, 적외선 필터, 캡슐, 내시경

Description

초광각 광학계 및 이를 포함하는 캡슐형 내시경{ULTRA WIDE ANGLE OPTICAL SYSTEM AND CAPSULE ENDOSCOPE COMPRISING IT}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초광각 광학계를 나타낸 렌즈 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 초광각 광학계의 수차도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 초광각 광학계의 수차도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 초광각 광학계의 수차도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초광각 광학계를 포함하는 캡슐형 내시경을 나타낸 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 조리개 2 : 적외선 필터
L1 : 제 1 렌즈 L2 : 제 2 렌즈
11a, 11b : 송신전극 12 : 조명소자
13 : 렌즈 14 : CMOS 이미지센서
15 : 배터리 16 : 출력선
17 : 광창 18 : 수납체
본 발명은 넓은 광각을 가진 광학계에 관한 것으로, 캡슐형 내시경에 사용되는 초광각 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 캡슐형 내시경의 촬상소자로서 CMOS, CCD 소자를 채용하고 있고, 상기 촬상소자에는 120°~ 140° 정도의 화각을 가지는 광학계가 사용된다.
최근 들어 의료 검사 장비 등이 소형화됨에 따라 소형 광학계의 수요가 급증하고 그에 맞는 기술적 요구 사항도 증가하고 있다.
이러한 광학계는 다음과 같은 조건이 요구된다.
첫째, 밝은 렌즈이어야 한다. 그 이유는 주변환경에 크게 구애받지 않고 사물을 촬영해야 하는 특징이 있기 때문에, 광량이 적은 곳에서도 사물을 촬영하는데 지장이 없기 위해서는 밝은 렌즈가 요구된다.
둘째, 최대한 작은 사이즈로 부품 여유도를 증가시켜야 한다.
셋째, 높은 해상도를 얻을 수 있어야 한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 소형이면서 밝은 렌즈와 높은 해상도를 얻을 수 있는 초광각 광학계 및 이를 포함하는 캡슐형 내시경을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 광각 및 수차보정을 각각 실시함으로써 높은 성능의 광학계를 얻을 수 있는 초광각 광학계 및 이를 포함하는 캡슐형 내시경을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초광각 광학계는 정의 굴절률을 가지며, 광각을 집광하는 1 렌즈, 부의 굴절률을 가지며, 수차를 보정하는 제 2 렌즈, 및적외선을 차단하는 적외선 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐형 내시경은 생체 내를 조명하는 조명수단과, 상기 조명부에 의해 조명된 부위를 촬상하는 촬상수단과, 상기 촬상수단 전단에 위치하는 대물광학계와, 상기 촬상수단에 의해 촬상된 영상정보를 생체 외로 송신하는 송신수단을 포함하는 캡슐형 내시경으로서, 상기 대물 광학계는 전술한 초광각 광학계를 포함할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초광각 광학계를 나타낸 렌즈 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 물체측으로부터 조리개(1), 제 1 렌즈(L1), 제 2 렌즈(L2) 및 적외선 필터(2) 순으로 배열된다.
구체적으로 살펴보면, 조리개(1)는 입사되는 광량의 양을 조절한다.
제 1 렌즈(L1)는 전체적으로 정(+)의 굴절률과, 물체측으로부터 부(-)의 곡률을 갖는다. 상기 제 1 렌즈(L1)는 강한 정의 굴절률을 가짐으로써, 160° 이상의 광각을 집광하여 받을 수 있다.
제 2 렌즈(L2)는 전체적으로 부(-)의 굴절률과, 물체측으로부터 정(+)의 곡률을 갖는다. 상기 제 2 렌즈(L2)는 제 1 렌즈(L1)를 통과한 광을 집광하여 수차를 보정한다.
적외선 필터(2)는 제 2 렌즈(L2)를 통과하여 입사되는 광에서 열에너지가 가장 높은 적외선을 차단하여 이미지 센서와 같은 이미저(미도시)에 발생될 수 있는 열에 의한 손상 가능성을 감소시킨다.
이와 같이 조리개(1) 뒤쪽의 제 1 렌즈(L1)가 강한 정의 굴절력을 가짐으로써 초광각 광학계를 구성하는 것이 가능해지며, 광학계의 전장이 짧아져도 후초점거리(제 2 렌즈(L2)면에서부터 이미지 센서까지의 거리)의 여유를 충분히 확보할 수 있기 때문에 기구 구성이나 설계가 보다 용이해진다.
특히, 제 1 렌즈(L1)는 초광각 영역의 빛이 입사하는데 적합하도록 상측(이미지)이 볼록한 매니스커스 형상의 렌즈가 사용된다.
또한 렌즈 밝기와 해상력을 높이기 위하여 제 1, 2 렌즈(L1, L2)의 렌즈면을 모두 비구면으로 구성한다.
특히 본 발명의 각 실시예에서는 초광각 광학계를 구현하기 위해 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2)의 굴절력에 대하여 다음의 조건식들을 만족하도록 설계한다.
<조건식 1>
0.5<│K1/Kt│<1
K1 : 제 1 렌즈 굴절능
Kt : 전체 광학계 굴절능
굴절능 : 굴절률(n)/초점거리(f)
상기 조건식 1은 제 1 렌즈(L1)와 전체 광학계의 굴정능 관계식으로 상한치 1 보다 크면, 높은 굴절능이 필요하게 되고, 이에 따라 더 높은 차수의 비구면 계수를 이용해야 하므로 생산이 어려워진다. 또한, 하한치 0.5 보다 작으면 초광각 성능을 얻기가 어렵다.
<조건식 2>
0.1<│K2/Kt│<0.5
K2 : 제 2 렌즈 굴절능
Kt : 전체 광학계 굴절능
굴절능 : 굴절률(n)/초점거리(f)
상기 조건식 2는 제 2 렌즈(L2)와 전체 광학계의 굴절능 관계식으로 상한치 0.5 보다 크면, 높은 굴절능이 필요하게 되고, 이에 따라 더 높은 차수의 비구면 계수를 이용해야 하므로 생산이 어려워진다. 또한, 하한치 0.1 보다 작으면 짧은 TTL(Through The Lens)로 수차보정을 하기가 어렵다.
상기 조건식 1, 2에 따른 실시예들은 이하에 기재된 표와 같다.
이때 화각은 150°및 이미지의 상 크기는 2㎜이다.
Figure 112007077969504-PAT00001
Figure 112007077969504-PAT00002
상기 수학식 1은 비구면 방정식이다.
상기 표 1에 나타낸 3가지 실시예는 모두 상고 높이인 Y 값이 1 (즉, 이미지 대각의 크기가 2)인 렌즈 시스템을 전제로 한 것이다.
표 1에서 본 발명의 각 실시예에 따르면 종래에 비해 훨씬 밝은 초광각 광학계를 구현할 수 있다.
상기 표 1의 값을 산출하는데 제공된 각 실시예별 데이터는 다음과 같으며, 상기 각 실시예에 따른 초광각 광학계의 구체적인 구성은 도 1에 도시된 바와 같다.
또한 각 실시예에 나타난 비구면 계수는 비구면 형상에 관한 아래의 관계식 에 적용되는 계수이다.
여기서, K는 Conic 상수이며, A, B, C, D는 각각 비구면 계수이다.
<실시예 1>
Figure 112007077969504-PAT00003
<실시예 2>
Figure 112007077969504-PAT00004
<실시예 3>
Figure 112007077969504-PAT00005
조건식 1에서 실시예 2의 경우와 실시예 1을 비교하면 동일한 화각과 동일한 이미지 크기의 조건에서 실시예 1은 상한치를 넘게 되어 제1 렌즈(L1)의 각면(1, 2)의 비구면 계수가 실시예 2의 경우보다 높은 값을 갖게 된다.
이것은 곧 가공면의 가공복잡성이 증가 된 것으로 생산성에 지대한 영향을 기치게 된다.
조건식 2에서 실시예 1 및 3에서의 렌즈의 성능값의 편차가 큼에도 불구하고 본 발명의 지정된 범위에서는 동일한 성능의 수차범위를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
하지만 하한치보다 작은 실시예 2의 경우는 수차 보정이 잘 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 2, 도 3 및 도 4는 각각 실시예 1 내지 3에 따른 초광각 광학계의 수차도를 나타낸 것으로서, 이를 통해 각 실시예에서 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차를 확인할 수 있다.
비점수차도에서 tan은 물체와 광축이 나란한 방향의 비점수차 곡선을 나타내는 것이고, sag은 물체와 광축이 수직이 되는 방향의 비점수차 곡선을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초광각 광학계를 포함하는 캡슐형 내시경을 나타낸 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 초광각 광학계를 포함하는 캡슐형 내시경은 직경 10mm, 길이 20mm 정도의 크기로서, 캡슐형 내시경의 외형을 형성하는 하우징의 일 단은 돔 형태의 광창(17)으로 형성되어 있고, 타단은 장방형의 수납체(18)로 형성되어 있어 전체적으로 탄환 형태를 이루고 있다.
캡슐형 내시경의 광창(17)은 빛이 통과하는 부분으로서 인체에 무해하면서 빛을 통과시키는 재질로서 유리 또는 폴리카보네이트로 되어 있고, 수납체(18)는 후술할 여러 소자들을 포함하는 부분으로서 상기한 바와 같이 부도체로 형성되어 있다. 광창(17)은 수납체(18)와 봉합되어 예를 들어 소화기관의 점액 등이 캡슐형 내시경 내부로 침투되거나, 캡슐형 내시경 내의 물질이 인체 내부로 새어나오지 않도록 한다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 캡슐형 내시경은 광창(17)과 수납체(18)로 이루어진 하우징으로 외형을 형성하고, 수납체(18)의 내부에 조명소자(12), 렌즈(13), CMOS 이미지센서(14) 및 배터리(15)와, 수납체(18)의 표면에 전기적으로 격리되어 형성된 송신전극(11)을 포함하고 있다.
우선, 광창(17) 뒤에 렌즈(13)가 위치하고 렌즈(13) 뒤에는 각종 회로가 집적되어 있는 CMOS 이미지센서(14)가 배치되어 있다. 렌즈(13)와 CMOS 이미지센서(14) 사이의 거리는 광창(17)을 통해 입사된 빛이 CMOS 이미지센서(14)의 표면에 집속될 수 있도록 조정된다. 렌즈(13)와 CMOS 이미지센서(14) 사이에 도너츠 형태의 배열로 복수의 조명소자(12)가 배치되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 조명소자(12)로서 적어도 4개의 LED를 사용하였다. 조명소자(12)에서 조사된 빛이 광창(17)을 원활하게 통과하여 사물을 비출 수 있도록 하기 위해 광창(17)의 내면에는 비반사코딩이 되어 있다. CMOS 이미지센서(14) 뒤에는 전원으로서 작용하는 배 터리(15)가 위치한다. 본 발명의 실시예에서는 배터리(15)로서 방전전압이 평탄하고 인체에 해가 적은 산화은 전지를 사용하였다.
본 발명에 따른 캡슐형 내시경은 전술한 렌즈(13)에 도 1 내지 도 4에서 설명한 초광각 광학계를 포함하고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초광각 광학계를 포함하는 캡슐형 내시경은 160°이상의 넓은 화각 및 그에 따른 밝은 렌즈(13)를 포함하므로, 소형임에도 불구하고, 높은 해상도의 생체 내의 이미지 영상을 얻을 수 있다.
캡슐형 내시경의 내부 동작을 간단히 살펴보면, 조명소자(12)에서 조사된 빛으로부터 대상물의 영상을 렌즈(13)를 통해 CMOS 이미지센서(14)가 포착하고, CMOS 이미지센서(14)는 포착된 영상신호를 내부의 각종 회로를 통해 가공된 후 두 개의 출력선(16)에 각각 연결된 송신 전극으로 신호가 인가되어, 상기한 바와 같이 인체를 도체로 하여 인체 외부의 수신 전극(미도시)에서 감지되게 된다.
상기 캡슐형 내시경은 인체를 매질로 하는 인체 통신을 통해 취득된 생체 정보를 전송하는 적어도 2개의 전극을 구비한 캡슐형 내시경으로서 저전력으로 구동이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 캡슐형 내시경(201)의 조명수단을 제어하는 신호 인가선을 구비하였으므로, 장시간에 걸쳐 체강 내 생체 정보의 취득을 가능하게 한다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일예로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형과 조합이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초광각 광학계 및 이를 포함하는 캡슐형 내시경에 의하면, 넓은 화각 및 그에 따른 밝은 렌즈를 포함하므로, 높은 해상도의 생체 내의 이미지 영상을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초광각 광학계 및 이를 포함하는 캡슐형 내시경에 의하면, 보다 선명한 이미지 영상을 제공할 수 있으므로, 사용자가 정확한 진단을 할 수 있다는 효과를 제공한다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (10)

  1. 정의 굴절률을 가지며, 광각을 집광하는 1 렌즈;
    부의 굴절률을 가지며, 수차를 보정하는 제 2 렌즈; 및
    적외선을 차단하는 적외선 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광각 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈는,
    다음의 굴절능 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 초광각 광학계.
    0.5<│K1/Kt│<1
    K1 : 제 1 렌즈 굴절능
    Kt : 전체 광학계 굴절능
    굴절능 : 굴절률(n)/초점거리(f)
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 렌즈는,
    다음의 굴절능 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 초광학 광학계.
    0.1<│K2/Kt│<0.5
    K2 : 제 2 렌즈 굴절능
    Kt : 전체 광학계 굴절능
    굴절능 : 굴절률(n)/초점거리(f)
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈는,
    비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 초광각 광학계.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 - 곡률을 갖고, 상기 제 2 렌즈는 + 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 초광각 광학계.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈는,
    매니스커스 렌즈인 것을 특징으로 하는 초광각 광학계.
  7. 생체 내를 조명하는 조명수단과, 상기 조명부에 의해 조명된 부위를 촬상하는 촬상수단과, 상기 촬상수단 전단에 위치하는 대물광학계와, 상기 촬상수단에 의해 촬상된 영상정보를 생체 외로 송신하는 송신수단을 포함하는 캡슐형 내시경으로서,
    상기 대물 광학계는 청구항 제 1 항에 기재된 초광각 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 캡슐형 내시경은,
    적외선 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 캡슐형 내시경은,
    인체를 매질로 하는 인체 통신을 이용하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 캡슐형 내시경은,
    전계를 매질로 하는 전계 통신을 이용하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경.
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