KR20100068105A - Scanning probe - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스캐닝 프로브에 관한 것으로, 구체적으로는 광섬유를 이용하여 외부의 영상을 획득하는 스캐닝 프로브에 관한 것이다.The present invention relates to a scanning probe, and more particularly, to a scanning probe for acquiring an external image using an optical fiber.
최근들어, 마이켈슨 간섭계의 원리를 응용하여 주로 생체 시료의 종단면 단층 이미지를 고 해상도로 실시간 측정 가능한 기술들이 개발되고 있다. 이러한 시스템의 샘플단은 샘플 시료의 횡방향 스캔을 위해서 보통 갈바노 미러(Galvano mirror)와 대물렌즈를 이용하여 벌크 형태로 구성되며, 내시경 등과 더불어 인체 내부를 이미징하는데 응용하기 위하여 프로브를 소형화 시키려는 연구가 활발히 진행 중이다.Recently, techniques for applying a principle of the Michelson interferometer have been developed to measure, in real time, a longitudinal tomographic image of a biological sample. The sample stage of such a system is usually composed of a bulk shape using galvano mirror and objective lens for the lateral scan of the sample sample, and researches to miniaturize the probe for application to imaging the inside of the human body with an endoscope. Is actively underway.
종래에는 소형 스캐닝 프로브를 제작하기 위한 방법으로, 이미지 스캔을 위한 마이크로 모터, 압전소자, CMOS-MEMS미러, MEMS 모터 그리고 코일과 영구자석과 같은 다양한 구동 시스템과 선명한 이미지를 얻기 위한 렌즈 시스템이 제안되었다.Conventionally, as a method for fabricating a small scanning probe, various driving systems such as micro motors, piezoelectric elements, CMOS-MEMS mirrors, MEMS motors, coils and permanent magnets for image scanning, and lens systems for obtaining clear images have been proposed. .
그러나, 압전소자를 이용하는 경우 높은 구동전압이 요구되며, 마이크로 모터나, CMOS-MEMS 미러 등을 사용하는 경우에는 제작공정과정이 복잡하고 까다롭다는 단점을 가지고 있었다. 또한, 샘플에 광을 조사하거나 발생된 신호광을 집광하 기 위한 렌즈시스템으로 광섬유의 전단에 마이크로 프리즘이나 반사경, 렌즈와 같이 벌크 형태의 소자를 사용하는 경우에는 광학소자와 광섬유와의 광축정렬에 있어 정확성이 요구되며 광학소자가 많아질수록 광손실이 커지는 단점을 가지고 있었다.However, when the piezoelectric element is used, a high driving voltage is required, and when the micro motor or the CMOS-MEMS mirror is used, the manufacturing process is complicated and difficult. Also, it is a lens system for irradiating light to a sample or condensing the generated signal light. In case of using bulk type devices such as micro prism, reflector and lens in front of optical fiber, optical axis alignment between optical element and optical fiber Accuracy was required, and the more optical elements, the greater the optical loss.
상기와 같은 문제를 해결하기위하여, 본 발명에서는 간단한 공정 과정을 통해 구현되며 저전력을 이용하여 구동할 수 있는 광섬유 스캐닝 프로브를 제공하기 위함이다. 또한, 구성에 필요한 광학소자를 최소화하여 광손실이 최소화된 광섬유 스캐닝 프로브를 제공하기 위함이다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide an optical fiber scanning probe that is implemented through a simple process and can be driven using a low power. In addition, it is to provide an optical fiber scanning probe with a minimum optical loss by minimizing the optical elements required for the configuration.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 자기장을 형성하는 전자석; 그리고,상기 자기장에 의해 몸체에 부착된 금속에 자기력이 가해지면, 진동이 발생하면서 외부의 영상을 획득하는 광섬유 스캐너;를 포함하는 스캐닝 프로브를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an electromagnet for forming a magnetic field; And, when a magnetic force is applied to the metal attached to the body by the magnetic field, the optical fiber scanner for acquiring an external image while generating a vibration provides a scanning probe comprising a.
여기서, 상기 광섬유 스캐너는 상기 자기력과 이에 저항하는 상기 몸체의 강성에 의해 진동하도록 구성될 수 있다. Here, the optical fiber scanner may be configured to vibrate by the magnetic force and the rigidity of the body to resist it.
이때, 상기 전자석은 전류가 인가되면 자기장을 발생시키는 솔레노이드로 구성되는 것이 바람직하다.At this time, the electromagnet is preferably composed of a solenoid to generate a magnetic field when a current is applied.
구체적으로, 상기 몸체는 고정단에 고정 설치되어 일방으로 연장되며, 스캔부는 상기 몸체의 연장되는 단부에 형성되어 상기 몸체의 진동시 소정구간을 왕복하면서 외부 영상을 획득하도록 구성될 수 있다.Specifically, the body is fixed to the fixed end and extends in one direction, the scan unit may be formed on the extending end of the body to be configured to acquire an external image while reciprocating a predetermined section during the vibration of the body.
이때, 상기 스캔부가 왕복하는 거리 또는 진동수는 상기 자기장의 세기와 구동 진동수에 따라 제어될 수 있다.In this case, the distance or frequency at which the scan unit reciprocates may be controlled according to the strength and driving frequency of the magnetic field.
그리고, 상기 몸체에 부착되는 금속은 교체 또는 위치 변경이 가능하도록 설 치될 수 있다.In addition, the metal attached to the body may be installed to be replaced or changed position.
따라서, 상기 광섬유 스캐너의 단부가 왕복하는 거리 또는 진동수는 상기 몸체에 부착되는 금속의 질량과 위치에 따라 제어되는 것이 가능하다.Thus, the distance or frequency at which the end of the optical fiber scanner reciprocates can be controlled according to the mass and position of the metal attached to the body.
한편, 상기 몸체의 내측에는 광이 진행하는 광섬유 코어가 형성되고, 상기 스캔부에는 상기 광섬유 코어로부터 발산되는 광을 확장시키는 광확장 광섬유 및 상기 광을 다시 집광시키는 광섬유 렌즈가 일체로 구성되는 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that an optical fiber core through which light propagates is formed inside the body, and the scan unit is integrally configured with an optical expansion optical fiber for expanding the light emitted from the optical fiber core and an optical fiber lens for condensing the light again. Do.
이때, 상기 광섬유 스캐너가 외부 영상을 획득할 수 있는 시야 거리는 상기 광섬유 코어의 직경, 광확장 광섬유의 외경과 길이 또는 렌즈의 곡률에 따라 다르게 형성될 수 있다. In this case, a viewing distance through which the optical fiber scanner can acquire an external image may be formed differently according to the diameter of the optical fiber core, the outer diameter and length of the optical fiber, or the curvature of the lens.
한편, 상기 광섬유 스캐너는 상기 솔레노이드와 평행하게 설치되며, 상기 솔레노이드의 단부에서 형성되는 자기장을 이용하여 진동하도록 구성되는 것이 바람직하다.On the other hand, the optical fiber scanner is installed in parallel with the solenoid, is preferably configured to vibrate using a magnetic field formed at the end of the solenoid.
또는, 상기 전자석은 두 개의 솔레노이드를 포함하여 이루어지며, 각각의 솔레노이드는 상기 금속이 설치되는 위치에서 서로 다른 방향의 자기장을 형성하도록 구성될 수 있다.Alternatively, the electromagnet may include two solenoids, and each solenoid may be configured to form magnetic fields in different directions at positions where the metal is installed.
이 경우, 상기 광섬유 스캐너는 상기 서로 다른 방향의 자기장에 의하여 2차원적으로 구동이 가능하다.In this case, the optical fiber scanner can be driven two-dimensionally by the magnetic fields in different directions.
이때, 상기 두 개의 솔레노이드는 상기 금속이 설치된 위치에서 각각의 자기장이 상호 직교하도록 배치되는 것이 바람직하다.At this time, the two solenoids are preferably arranged so that each magnetic field is perpendicular to each other at the position where the metal is installed.
그리고, 상기 두 개의 솔레노이드는 상기 광섬유 스캐너와 평행하게 설치되 며, 상기 광섬유 스캐너는 상기 각각의 솔레노이드의 단부에 형성되는 자기장을 이용하여 진동하도록 구성될 수 있다.The two solenoids may be installed in parallel with the optical fiber scanner, and the optical fiber scanner may be configured to vibrate using a magnetic field formed at an end of each solenoid.
한편, 상기 전자석과 상기 광섬유 스캐너를 보호하기 위한 케이스를 더 포함하고, 상기 케이스는 내충격성이 우수한 재질로 구성할 수 있다.The case may further include a case for protecting the electromagnet and the optical fiber scanner, and the case may be made of a material having excellent impact resistance.
또한, 본 발명의 목적은 자기장을 형성하는 전자석 및 상기 자기장에 의해 몸체에 부착된 금속에 자기력이 가해지면, 진동이 발생하면서 외부의 영상을 획득하는 광섬유 스캐너를 포함하는 스캐닝 프로브;가 구비되는 의료기기에 의해서도 달성될 수 있다.In addition, an object of the present invention is a scanning probe including an electromagnet to form a magnetic field and a fiber optic scanner to obtain an external image while the vibration occurs when a magnetic force is applied to the metal attached to the body by the magnetic field; It can also be achieved by means of a device.
여기서, 상기 스캐너는 상기 금속이 자기장에서 받는 힘과 이에 저항하는 자체의 강성에 의해 진동하도록 구성될 수 있다.Here, the scanner may be configured to vibrate by the strength of the metal in the magnetic field and its stiffness to resist it.
본 발명에 의할 경우, 전자석의 자기력에 의한 힘과 프로브 몸체의 자체 강성에 의해 진동이 이루어지는 바, 적은 전력으로도 소자들을 구동시킬 수 있어 전력의 소모를 줄일 수 있다.According to the present invention, the vibration is generated by the magnetic force of the electromagnet and the stiffness of the probe body, so that the devices can be driven with little power, thereby reducing power consumption.
또한, 본 발명에 의할 경우, 렌즈 일체형 광섬유를 이용하는 바, 제조 공정이 용이할 뿐 아니라, 광손실이 적어 선명한 외부 형상을 획득할 수 있다.In addition, when using the lens-integrated optical fiber according to the present invention, not only the manufacturing process is easy, but also the light loss is low, so that a clear external shape can be obtained.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본발명의 바람직한 제1 실시예를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a first preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 내부 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing an internal configuration of a scanning probe according to a first preferred embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스캐닝 프로브는 전자석 및 외부 영상을 획득하는 광섬유 스캐너를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the scanning probe according to the present invention includes an optical fiber scanner for acquiring an electromagnet and an external image.
상기 전자석(20)은 전류가 흐르면 스캐닝 프로브의 내부에 자기장을 발생한다. 그리고, 전자석(20)에 전류가 인가되면 자기장이 형성되면서 광섬유 스캐너(100)가 구동할 수 있는 힘을 제공한다.When the current flows, the
본 실시예에서는 전자석의 일예로서 솔레노이드(20)를 사용할 수 있다. 물론, 솔레노이드 이외의 전자석을 이용하는 것도 가능하나, 솔레노이드(20)를 사용하면 슬림한 선형의 스캐닝 프로브를 구성하는 것이 가능하다.In this embodiment, the
솔레노이드(20)는 솔레노이드 코어(21)와 솔레노이드 코일(22)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 솔레노이드 코어(21)는 연철과 같이 투자율이 큰 자성체로 형성되고, 이 주위에 절연전선으로 이루어진 솔레노이드 코일(22)이 감긴다. 그리고, 상기 솔레노이드 코일(22)에 전류가 인가되면 상기 솔레노이드 코어(21)로부터 솔레노이드(20) 주변에 자기장을 형성한다. 이때, 솔레노이드 코어(21)가 높은 투자율의 연철로 이루어지는 바, 솔레노이드 코일(22)에 적은 전압 및 전류가 인가되는 경우에도 강한 자기장을 발생할 수 있다.The
한편, 광섬유 스캐너(100)는 상기 솔레노이드(20)와 인접하여 설치된다. 그리고, 광이 진행하는 몸체(110) 및 외부의 영상을 획득하는 집광부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.On the other hand, the
광섬유 스캐너(100)의 몸체(110)는 소정 길이를 갖는 선형의 광섬유로 이루 어진다. 그리고 몸체(110) 내측에는 광이 진행하는 경로를 형성하는 광섬유 코어(111)가 구비된다. 그리고, 광섬유 코어(111)는 소정의 강성을 갖는 클래딩(cladding)(112)에 둘러싸여, 외부의 충격으로부터 보호받을 수 있다.The
그리고, 도 1에 도시된 바와 같이 몸체(110)의 일단은 고정단(30)에 고정되어 일방으로 연장되는 형상으로 설치될 수 있다. 그리고, 몸체(110) 외측부분에는 유도자성물질이 구비될 수 있다. 상기 유도자성물질(200)은 자기장 안에 위치하면, 자기력이 형성되는 물질을 의미한다. 따라서, 솔레노이드(20)에 전류가 인가되어 자기장이 발생하면, 자기장에 의해 유도자성물질(200)에 자기력이 가해지면서 광섬유 스캐너(100)에 휨 모멘트를 부여한다. 이때, 상기 휨모멘트에 의해 광섬유 스캐너(100)가 탄성 안에서 휘어지면 상기 몸체(110)는 자체의 강성에 의해 원형으로 복원되려는 힘에 의해 지속적으로 진동이 발생하는 외팔보(cantilever beam) 거동이 나타날 수 있다. 이와 같은 광섬유 스캐너(100)의 구동에 대해서는 이하에서 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.And, as shown in Figure 1 one end of the
한편, 집광부(120)는 상기 몸체(110)가 연장되는 방향의 단부에 형성된다. 그리고, 상기 몸체(110)가 자기력에 의하여 진동하는 경우 소정 구간을 왕복하면서 외부의 영상을 획득할 수 있게 한다. On the other hand, the
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 집광부(120)는 복수개의 광학소자가 개별적으로 구성되는 것이 아닌, 렌즈 일체형 구성으로 이루어질 수 있다. 따라서, 복수개의 광학소자가 개별적으로 구비되는 경우에 비해 광손실이 적게 나타나는 바, 높은 해상도의 영상을 획득할 수 있다.As shown in FIG. 1, the
구체적으로, 상기 광섬유 몸체(110)의 단부에 코어가 없는 실리카 광섬유(coreless silica fiber, CSF)로 구비되는 광확장 광섬유(121)가 용융 접합되고, 상기 광확장 광섬유(121)의 단부에는 아크 방전 등을 이용하여 일체형의 렌즈(lens)(122)가 형성될 수 있다. 따라서 광섬유 코어(111)를 따라 진행되는 광은 상기 집광부(120)에 도달하면, 코어가 없는 광확장 광섬유(121)에 의해 광의 확장이 일어나고, 소정 구간에서 확장된 빔은 렌즈(122)에 의해서 집광될 수 있다. 이때, 광섬유 스캐너(100)의 시야 거리 등의 동작 특성은 상기 광섬유 코어(111)의 직경, 광확장 광섬유(121)의 외경 또는 길이, 그리고 렌즈(122)의 곡률에 따라서 바뀔 수 있다.Specifically, the optical expansion
도 2는 자기장이 가해졌을 때 광섬유 스캐너(100)에 발생되는 변위를 도시한 설명도이다. 이하에서는 도 2를 참조하여 광섬유 스캐너(100)의 고정단(30)으로부터 상기 금속(200)이 부착된 위치까지의 거리가 이고, 상기 금속(200)이 부착된 위치로부터 상기 광섬유 스캐너(100)의 단부까지의 거리가 인 경우 상기 광섬유 스캐너(100)의 휨 거동 특성에 대하여 설명하도록 한다.2 is an explanatory diagram showing a displacement generated in the
본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 유도자성물질(200)로서 금속을 이용할 수 있으며, 광섬유 스캐너(100)의 몸체(110)의 소정위치에 부착 설치할 수 있다. 다만, 이는 일 예로서 금속 이외의 다른 물질을 사용하는 것도 가능하며, 부착방식이 아니라 몸체(110)의 외측부의 소정구간을 코팅하는 형태로 구성하는 것도 가능하다.In this embodiment, as shown in FIG. 2, a metal may be used as the inductive
이러한 상기 광섬유 스캐너(100)는 몸체(110)에 부착되는 금속(200)이 자기장에 의해 받는 힘과, 몸체(110)의 자체 강성을 이용하여 강제 진동하는 외팔보의 거동을 나타낸다. 즉, 광섬유 스캐너(100)는 소정 값의 고유 진동수를 갖는 외팔보 형태로 구성되어, 자기장이 걸리면 소정 주기로, 소정 거리를 왕복하는 운동을 수행할 수 있다. 따라서, 광섬유 스캐너(100)의 거동에 있어서 핵심적인 변수는 스캔 거리에 해당하는 광섬유 스캐너(100) 단부의 수직 변위의 크기 및 공명 진동수로 볼 수 있다.The
이를 구체적으로 분석하면, 광섬유 스캐너 몸체(110)의 영률(Young's Modulus)이 이고, 면적모멘트가 인 단면을 갖도록 구성된다고 가정한다. 그리고, 상기 고정단(30)에 고정 설치되는 지점을 원점으로 수평 거리를 , 수직 거리를 로 하는 좌표계에서 고정단(30)으로부터 만큼 떨어져 위치한 금속(200)에 크기의 자기력이 가해지는 경우, 지점에서 광섬유 스캐너(100)에 걸리는 휨 모멘트()는 아래와 같이 기술될 수 있다. Specifically analyzing the Young's Modulus of the optical
(1) (One)
(2) (2)
(3) (3)
식(1) 및 식(2)는 광섬유 스캐너(100)의 임의의 수평 위치()에 걸리는 휨 모멘트()를 상이한 관점에서 기술한 식이다.Equations (1) and (2) represent any horizontal position ( Bending moment () ) Is an equation described from different viewpoints.
식 (1)에서는 광섬유 스캐너(100)가 자기력을 받아 휘어질 때의 곡률()과 몸체(110)의 영률() 및 면적모멘트()를 이용하여 기술하였다. 여기서, 광섬유 스너(100)의 곡률은 의 2차미분형태()으로 나타낼 수 있다.In Equation (1), the curvature at the time when the
한편, 식 (2)는 고정단(30)으로부터 만큼 떨어진 위치로 만큼의 힘이 가해지는 경우, 임의의 수평거리 에 발생되는 휨모멘트()의 크기이다. 따라서, 식 (1) 및 식 (2)로부터 식 (3)이 유도될 수 있고, 식 (3)을 에 대하여 적분하면 아래의 결과를 얻을 수 있다.On the other hand, equation (2) is from the fixed end (30) Away Any horizontal distance Bending moment generated in ) Is the size. Thus, equation (3) can be derived from equations (1) and (2), and Integrating with gives the following results:
(4) (4)
여기서, 는 광섬유 스캐너(100)의 휨 각도()를 의미한다. 이때, 인 고정단(30)에서는 휨각도()가 0이므로, =0에 의해 =0임을 알 수 있다. 그리고, 금속(200)이 위치한 지점()에서의 휨각도()는 아래와 같이 표현될 수 있다.here, Is the bending angle of the optical fiber scanner 100 ). At this time, In the
(5) (5)
한편, 식 (4)를 에 관하여 한 번 더 적분하는 경우 아래와 같은 결과를 얻을 수 있다.Meanwhile, equation (4) If we integrate once more for, we get
(6) (6)
고정단(30)의 위치 조건을 이용하면(), =0임을 얻을 수 있다. 따라서, 금속(200)이 위치한 지점()에서의 수직 방향의 변위 는 아래와 같이 기술될 수 있다.Using the positional conditions of the fixed end 30 ), It can be obtained that 0. Thus, the point where the
(7) (7)
그러므로 자기력이 발생하는 까지는 휨 거동에 의해 소정 곡률로 변위가 발생하고, 금속(200)이 부착된 위치 이후로부터는 지점의 휨각도에 대응되도록 선형으로 변위가 증가함을 알 수 있다. 이 때, 에 해당하고, 상기 식 (5) 및 식 (7)을 이용하면, 도 2에서의 광섬유 스캐너(100)의 단부에서 발생되는 변위는 아래와 같이 기술될 수 있다.Therefore, magnetic force is generated Until the displacement occurs by a predetermined curvature due to the bending behavior, and after the position where the
(8) (8)
다음으로, 탄성계수를 구하기 위해서 식 (7)에 의 훅의 법칙을 적용하면, 광섬유 스캐너(100)의 수직 방향 탄성 계수는 아래와 같이 결정될 수 있다.Next, in order to find the modulus of elasticity, By applying Hook's law, the vertical elastic modulus of the
(9) (9)
그리고, 식 (9)를 이용하여 상기 광섬유 스캐너(100)의 공명진동수는 아래와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 는 광섬유 스캐너(100)의 수직 방향 탄성 계수에 해당하며, 는 지점에서의 광섬유 스캐너(100)의 등가질량(equivalent mass)에 해당한다.In addition, the resonance frequency of the
(10) 10
전술한 식(8) 및 식 (10)을 검토할 경우, 본 발명에 따른 광섬유 스캐너(100)의 거동 특성은 몸체에 부착되는 금속(200)에 의해 달라질 수 있음을 알 수 있다. 식 (8)로부터, 광섬유 스캐너(100)가 왕복 운동을 수행하는 스캔거리는 금속(200)이 몸체에 부착되는 위치에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 또한, 식 (10)으로부터, 광섬유 스캐너(100)의 공명 진동수는 금속(200)이 몸체(110)에 부착되는 위치 및 금속(200)의 질량에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 따라서, 금속(200)의 위치 및 질량을 조절하여, 광섬유 스캐너(100)의 거동 특성을 다르게 설정하는 것이 가능하다.Examining the above Equations (8) and (10), it can be seen that the behavior of the
이상에서는 광섬유 스캐너(100)의 거동 특성과 금속(200)과의 관계에 대해서 설명하였으나, 광섬유 스캐너(100)의 거동이 자기력의 세기에 의해 달라질 수 있음은 물론이다. 따라서, 솔레노이드 코일(22)에 인가되는 전류 또는 전압의 크기를 제어하여 광섬유 스캐너(100)의 거동 특성, 즉 스캔 거리 등을 제어할 수 있다.Although the relationship between the behavior characteristics of the
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 제조 공정을 도시한 것이다. 이하에서는 도 3을 참고하여 본 실시예의 스캐닝 프로브의 제조 공정을 설명하도록 한다.3 shows a manufacturing process of a scanning probe according to a preferred embodiment of the present invention. Hereinafter, a manufacturing process of the scanning probe of this embodiment will be described with reference to FIG. 3.
도 3의 (a)는 솔레노이드(20)에 사용되는 솔레노이드 코어(21)를 도시한 것이다. 여기서 솔레노이드 코어(21)는 연철을 사용할 수 있으며, 상기 연철은 적은 이력 손실로 교류기기의 철심에 적합한 특성을 갖도록 높은 투자율과 낮은 보자력(coercivity)을 갖는 것이 바람직하다.3A illustrates a
그리고, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 솔레노이드 코어(21)의 외부에 절연 도선인 솔레노이드 코일(22)을 감아줌으로서 솔레노이드(20)를 완성할 수 있다.As shown in FIG. 3B, the
도 3의 (c)에서는 광섬유 스캐너의 스캔부(120)를 제작하는 공정을 도시하고 있다. 도 3의 (c)에서 도시된 바와 같이, 광섬유 코어(111)를 포함하는 광섬유를 절단한 후 그 단부에 코어없는 실리카 섬유(CSF)를 용융접착하여 광확장 구간(121)을 구성할 수 있다. 그리고 광확장 구간(121)의 단부에는 소정의 펄스 세기와 방출 시간을 갖는 아크 방전을 가함으로서 원하는 곡률을 갖는 렌즈(122)를 일체로 형성 하는 것이 가능하다. 이 단계에서는, 광섬유 스캐너(100)의 시야 거리를 고려하여 광섬유 코어(111)의 직경, 광확장 광섬유(121)의 외경 및 길이, 그리고 렌즈(122)의 곡률을 설정하는 것이 바람직하다.FIG. 3C illustrates a process of manufacturing the
도 3의 (d)에서는 광섬유 스캐너(100)를 설치하는 단계를 수행할 수 있다. 전술한 바와 같이, 광섬유 스캐너(100)는 일단이 고정단(30)에 고정되어 일방으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이때, 고정단(30)은 솔레노이드(20)에 고정 설치되는 것도 가능하며, 스캐닝 프로브의 케이스(10)에 고정되도록 설치되는 것도 가능하다.In FIG. 3D, a step of installing the
이때, 광섬유 스캐너(100)는 솔레노이드(20)와 평행하게 설치되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 스캐닝 프로브는 인체의 내부 등 협소한 지역의 영상을 취득하는데 이용되는 바, 광섬유 스캐너(100)와 솔레노이드(20)가 나란하게 형성하여 슬림한 형상의 스캐닝 프로브를 구성할 수 있다.At this time, the
한편, 광섬유 스캐너(100)의 몸체에는 자기장으로부터 자기력을 받도록 금속(200)을 부착할 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이 광섬유 스캐너(100)의 스캔 거리 및 고유 진동수를 고려하여 질량 및 부착 위치를 결정할 수 있다. 나아가, 필요한 경우 상기 금속(200)의 위치 또는 질량을 변경할 수 있도록 상기 금속(200)은 광섬유 스캐너(100)의 몸체(110)에 착탈 가능하게 설치되는 것이 바람직하다.On the other hand, the body of the
여기서, 솔레노이드(20)가 형성하는 자기력선은 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 솔레노이드(20) 일단으로부터 빠져나온 후 절곡되어 상기 솔레노이드(20)의 길이 방향으로 진행하여 타단으로 진입하는 경로를 따른다. 다만, 금속(200)은 광 섬유 스캐너(100)와 수직방향의 성분이 포함되는 자기력선이 통과하는 경우에, 자기력을 이용하여 광섬유 스캐너(100)를 진동시키는 것이 가능하다. 따라서, 광섬유 스캐너(100)는 솔레노이드와 나란히 설치되되, 상기 금속(200)이 부착되는 위치는 광섬유 스캐너(100)와 수직 방향의 자기력선이 많이 분포하는 솔레노이드(20) 단부에 인접하도록 구성하는 것이 바람직하다.Here, the magnetic force line formed by the
도 3의 (e)는 최종적으로 완성되는 스캐닝 프로브의 단면을 도시하고 있다. 솔레노이드(20)와 광섬유 스캐너(100)는 케이스(10)에 삽입되어 보호될 수 있다. 이때, 상기 케이스(10)는 내충격성이 우수한 완충재를 이용하여 구성될 수 있으며, 본 실시예에서는 폴리탄산에스테르(polycarbonate)를 사용할 수 있다. 그리고, 상기 광섬유 스캐너(100)의 스캔부(120)가 형성되는 케이스의 단부는 외부의 영상 획득 시 광섬유 스캐너의 거동을 관찰할 수 있도록 투명한 부재로 구성되는 창(11)이 형성될 수 있다.FIG. 3E shows a cross section of the finally completed scanning probe. The
이와 같이 구성된 스캐닝 프로브는, 렌즈 일체형 광섬유를 이용하는 바 제조 공정이 용이하며, 연철의 성질을 이용하여 저전력으로 구동이 가능한 장점이 있다. 이때, 스캐닝 프로브의 왕복 스캔 속도, 왕복 스캔거리 및 시야 거리는 솔레노이드(20)의 직경, 솔레노이드 코일(22)의 단면적과 감긴 수, 솔레노이드 코어(21)의 투자율과 보자력, 광섬유 스캐너(100)의 길이, 광섬유 스캐너 몸체(110) 상에 부착된 금속(200)의 양과 위치, 그리고 솔레노이드 코일(22)에 인가되는 교류전류의 세기와 주파수 등에 의하여 조절할 수 있다.The scanning probe configured as described above has an advantage in that the manufacturing process is easy using a lens-integrated optical fiber, and can be driven at low power by using the property of soft iron. At this time, the reciprocating scan speed, the reciprocating scan distance and the viewing distance of the scanning probe are the diameter of the
이하에서는 도 4 내지 도 9를 참조하여, 상기와 같이 제작된 스캐닝 프로브에 대한 성능 실험의 결과를 설명하도록 한다. Hereinafter, the results of performance experiments on the scanning probes manufactured as described above will be described with reference to FIGS. 4 to 9.
도 4는 본 실시예에 따른 스캐닝 프로브를 이용하여 스캐닝을 수행하는 작업을 도시한 것이다. 상기 스캐닝 프로브에 638nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 입사시켰을 때, 광섬유 스캐너(100)는 약 4mm의 구간을 왕복하면서 스캐닝을 수행하고 있음을 보여준다.4 illustrates an operation of scanning by using the scanning probe according to the present embodiment. When a laser beam having a wavelength of 638 nm is incident on the scanning probe, the
도 5에서는 본 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 시야 거리를 측정한 결과를 도시한 것이다. 이는, 광섬유 스캐너(100)의 스캔부(120)의 특성으로서, 스캔부(120)에서 광을 발산하면 다시 스캔부(120)로 되돌아갈 수 있도록, 상기 스캔부(120)의 전면에 평면 반사경을 설치하였다. 그리고, 스캔부(120)와 반사경 사이의 거리를 변화시키면서 상기 스캔부(120)로 재집광되는 광의 세기를 파워미터를 이용하여 측정한 것이다. 5 illustrates a result of measuring a viewing distance of the scanning probe according to the present embodiment. This is a characteristic of the
그 결과, 도 5에 도시된 바와 같이, 재집광되는 광 세기가 최대인 시야거리는 약 1.2mm임을 알 수 있다. 이는 종래의 스캐닝 프로브의 경우 수 백㎛ 대의 시야 거리를 갖기 때문에 초근접 촬영이 요구되었던 것에 비하여, 시야 거리가 월등히 개선되었음을 보여준다.As a result, as shown in FIG. 5, it can be seen that the viewing distance at which the maximum light intensity is re-condensed is about 1.2 mm. This shows that the conventional scanning probe has a field of view of several hundreds of micrometers, and thus the field of view has been greatly improved compared to that required for super close-up photography.
한편, 도 6에서는 본 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 측면 해상도를 측정한 결과를 도시한 것이다. 스캐닝 프로브의 측면 해상도는 외부에 투사되는 광의 크기를 이용하여 판단할 수 있다. 따라서, 본 실험에서는 평면 반사경의 경계부분으로 상기 스캐닝 프로브를 통과시키면서, 재집광되는 광의 세기를 측정하였다. 6 shows the result of measuring the side resolution of the scanning probe according to the present embodiment. The resolution of the side surface of the scanning probe may be determined using the size of light projected to the outside. Therefore, in this experiment, while passing the scanning probe to the boundary portion of the planar reflector, the intensity of the re-condensed light was measured.
여기서, 광 세기가 일정한 부분은 스캔부(120)에서 발산되는 모든 광이 평면 반사경으로 조사되거나(광세기가 1인 경우), 평면 반사경을 벗어난 경우(광세기가 0인 경우)에 해당한다. 그리고, 광세기가 변하는 구간은 스캐닝 프로브가 반사경의 경계를 통과하면서 점차적으로 집광되는 광세기가 줄어드는 구간으로서, 상기 구간의 길이가 광의 직경에 해당하는 것으로 볼 수 있다. 본 실험에서는 광세기의 값이 최대의 80%에서 20%로 하락하는 구간의 거리를 광의 유효직경으로 정의하였으며, 14mm의 측면 해상도를 갖는 것으로 볼 수 있다.Here, the portion where the light intensity is constant corresponds to a case where all the light emitted from the
도 7은 본 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 구동 진동수에 따른 스캔 거리의 변화를 나타낸 것이다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 스캐닝 프로브는 공명 진동수를 갖는 바, 공명 진동수에서 최소의 전력소모로 최대의 스캔거리를 얻을 수 있는 장점을 갖는다. 본 실시예에 의할 경우, 각각의 구동 진동수에 대하여 스캔거리를 측정한 결과, 공명진동수인 30Hz에서 4mm의 최대 스캔거리를 측정할 수 있다.7 shows a change in scan distance according to the driving frequency of the scanning probe according to the present embodiment. As described above, the scanning probe according to the present invention has a resonance frequency, and has an advantage of obtaining a maximum scan distance with minimum power consumption at the resonance frequency. According to the present embodiment, as a result of measuring the scan distance for each driving frequency, a maximum scan distance of 4 mm can be measured at 30 Hz, which is a resonance frequency.
도 8은 본 발명에 따른 스캐닝 프로브를 이용하는 광학영상 시스템 중 하나인 스펙트럼 영역의 광학단층영상 시스템을 간략히 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 광학단층영상 시스템은 크게 광원부(801), 기준단(803), 샘플단(804) 그리고 검출단(806)으로 구성되어 있으며 각각의 단은 광섬유 광분배기(802)를 중심으로 연결될 수 있다.FIG. 8 is a schematic diagram of an optical tomography imaging system of a spectral region, which is one of optical imaging systems using a scanning probe according to the present invention. Referring to FIG. 8, the optical tomography imaging system includes a light source unit 801, a reference stage 803, a sample stage 804, and a detection stage 806, each of which is centered on an optical fiber optical splitter 802. Can be connected.
이미지 측정 과정은 다음과 같다. 광학단층영상을 위한 광대역 광원과 스캔 영역의 가시화를 위한 가시광 레이저가 광원부(801)를 이루고 있으며 두 광원은 광 분배기(802)에 의해 기준단(803)과 샘플단(804)으로 각각 소정의 비율로 분배된다. 분배 된 각각의 빔은 기준단의 미러와 샘플단의 측정하고자하는 샘플(805)에 의해 반사, 산란된 후 광분배기(802)에 의해 재결합되어 수광부(806)에서 간섭을 일으킨다. 두 빔의 간섭신호는 스펙트럼영역에서의 신호분석을 위해 회절격자, 렌즈, CCD로 구성된 스펙트럼 분광기를 거쳐 신호 처리부(807)로 보내진 후 일정의 신호 처리 과정을 거쳐 2차원 또는 3차원의 이미지로 재구성될 수 있다.The image measurement process is as follows. The broadband light source for the optical tomography image and the visible light laser for the visualization of the scan area constitute the light source unit 801, and the two light sources are provided by the light splitter 802 to the reference stage 803 and the sample stage 804, respectively. To be distributed. Each distributed beam is reflected and scattered by the mirror of the reference stage and the sample 805 to be measured at the sample stage and then recombined by the optical splitter 802 to cause interference in the light receiver 806. The interference signals of the two beams are sent to the signal processor 807 through a spectral spectrometer consisting of a diffraction grating, a lens, and a CCD for signal analysis in the spectral region, and then reconstructed into two-dimensional or three-dimensional images through a predetermined signal processing process. Can be.
도 9는 도 8의 광학단층영상 시스템으로부터 획득한 영상이다. 도 9의 (a)는 진주, 도 9의 (b)는 손가락, 도 9의 (c)는 올챙이의 복부에 대한 단층 이미지이다. 이와 같이 본 발명의 스캐닝 프로브를 이용하는 경우, 외부의 영상 정보를 높은 해상도로 획득하는 것이 가능하다.9 is an image obtained from the optical tomography system of FIG. 9 (a) is a pearl, FIG. 9 (b) is a finger, and FIG. 9 (c) is a tomographic image of the abdomen of the tadpole. As described above, when the scanning probe of the present invention is used, it is possible to acquire external image information at high resolution.
이하에서는 본 발명의 바람직한 제2 실시예와 제3 실시예에 따른 스캐닝 프로브에 대하여 설명한다. 다만, 전술한 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 대응되는 설명은 중복을 피하기 위하여 생략하도록 한다.Hereinafter, a scanning probe according to a second embodiment and a third embodiment of the present invention will be described. However, the same reference numerals are used for the same elements as in the above-described embodiment, and the corresponding description will be omitted to avoid duplication.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 내부를 도시한 내부 사시도이다. 전술한 실시예에서는 하나의 솔레노이드(20)를 이용하여 스캐닝 프로브를 구성하였으나, 본 실시예에서는 두 개의 솔레노이드(20)를 이용하여 스캐닝 프로브를 구성할 수 있다.10 is an internal perspective view showing the inside of a scanning probe according to a second embodiment of the present invention. In the above-described embodiment, the scanning probe is configured using one
전술한 실시예의 경우, 광섬유 스캐너(100)의 금속(200)은 단일한 자기장 상에 놓여 힘을 받기 때문에, 한 방향으로 왕복하는 운동 이외에는 수행할 수 없었 다. 이에 비해, 본 실시예에서는 두 개의 솔레노이드(20)에 의해 서로 다른 방향의 자기장이 금속(200)에 걸린다. 즉, 상기 금속(200)에는 두 자기장에 의해서 발생되는 서로 다른 방향의 자기력이 작용하면서, 상기 두 힘에 의한 합력에 의해 광섬유 스캐너(100)가 구동한다. 따라서, 상기 두 자기장의 세기를 조절하여 광섬유 스캐너(100)를 2차원 상에서 구동하는 것이 가능하다.In the above-described embodiment, since the
이 경우, 전술한 실시예와 마찬가지로 두 개의 솔레노이드(20) 및 광섬유 스캐너(100)는 슬림한 스캐닝 프로브를 형성할 수 있도록 평행하게 설치되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 금속(200)은 각각의 솔레노이드(20)의 단부와 인접하게 위치하여, 각각의 솔레노이드(20) 단부에서 절곡되는 방향으로 형성되는 자기장을 이용하여 구동하는 것이 바람직하다.In this case, like the above-described embodiment, the two
이때, 도 10에 도시된 바와 같이, 각각의 솔레노이드(20)는 광섬유 스캐너(100)와 평행하게 설치되어, 상기 금속(200)으로 상호 수직 방향인 자기장을 형성하도록 배치되는 것이 바람직하다. 각각의 솔레노이드(20)에 의해서 동일한 크기의 자기장이 상호 수직인 방향으로 형성되는 경우, 각각의 솔레노이드(20)에 인가되는 전류 또는 전압을 제어하여, 모든 방향으로 상기 광섬유 스캐너(100)를 구동하는 것이 가능하다.At this time, as shown in Figure 10, each
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 내부를 도시한 것이다. 전술한 실시예에서는 구동시 자기력을 받도록 광섬유 스캐너(100)의 일정부위에 금속을 부착하고 그 부분에 집중적으로 자기력을 가했으나, 본 실시예에서는 몸체(110)의 전부 또는 일부구간에 유도자성을 가질 수 있는 유도자성물질(200)을 코 팅 처리한 후, 상기 유도자성물질(200)이 코팅된 구간으로 자기장을 형성하여, 상기 구간에서 자기력이 발생하면서 진동하도록 구성할 수 있다.11 illustrates the inside of a scanning probe according to a third embodiment of the present invention. In the above-described embodiment, the metal is attached to a predetermined portion of the
도 11에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 단부가 마주보면서 일직선상에 나란히 배열되는 두 개의 솔레노이드(20)를 이용하여, 상기 인접한 단부 사이에 광섬유 스캐너 몸체(100)의 유도자성물질(200)이 코팅된 구간을 위치시킬 수 있다.As shown in FIG. 11, in this embodiment, the inductive
이 경우, 전술한 실시예와 달리 자기장에 의해 자기력이 발생되는 부분이 소정의 구간을 형성하는 바, 솔레노이드 코어(21)의 단면을 따라 솔레노이드(20)의 길이 방향으로 형성되는 자기장을 이용하는 것이 바람직하다.In this case, unlike the above-described embodiment, the portion in which the magnetic force is generated by the magnetic field forms a predetermined section, and it is preferable to use a magnetic field formed in the longitudinal direction of the
그리고, 본 실시예에서는 두 개의 솔레노이드(20)를 이용하고 있으나, 본 발명의 이에 한정되는 것은 아니며, 하나 또는 세 개 이상의 솔레노이드(20)를 이용하여 자기장의 세기를 제어하는 것이 가능하다.In addition, although two
한편, 본 실시예에 의할 경우, 상기 각각의 솔레노이드(20)는 불연속적으로 전류가 공급되어 자기장을 선택적으로 형성할 수 있다. 그리고, 각각의 솔레노이드(20)는 상기 광섬유 스캐너(100)의 몸체에 서로 다른 방향의 자기력을 발생시키도록 전류가 인가되는 것이 바람직하다. 따라서, 각각의 솔레노이드(20)는 순차적으로 번갈아가면서 자기장을 형성하며, 이때 각각의 솔레노이드(20)에 전류는 상기 광섬유 스캐너(100)가 구동하는 진동 주기에 대응하여 교대로 인가되는 것이 바람직하다.Meanwhile, according to the present embodiment, each of the
이와 같이 본 발명은 간단한 제조 공정으로 제조되어, 저전압으로 구동되는 스캐닝 프로브를 제공할 수 있다. 이러한 본 발명은 내시경 등의 의료기기 및 기타 협소한 위치의 영상을 획득할 수 있는 각종 장치에서 영상을 획득하는 구성으로 장착되어 널리 사용될 수 있다.As described above, the present invention can be manufactured by a simple manufacturing process to provide a scanning probe driven at a low voltage. The present invention can be widely used as a configuration for acquiring images in various devices capable of acquiring images of medical devices such as endoscopes and other narrow locations.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 내부 구성을 도시한 개략도이고,1 is a schematic diagram showing an internal configuration of a scanning probe according to a first preferred embodiment of the present invention,
도 2는 도 1의 광섬유 스캐너에 발생되는 변위를 도시한 설명도이고,2 is an explanatory diagram showing a displacement generated in the optical fiber scanner of FIG. 1,
도 3은 제1 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 제조 공정을 도시한 것이고,3 shows a manufacturing process of the scanning probe according to the first embodiment,
도 4는 제1 실시예에 따른 스캐닝 프로브를 이용하여 스캐닝 과정을 도시한 것이고, 4 illustrates a scanning process using the scanning probe according to the first embodiment,
도 5에서는 제1 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 시야 거리를 측정한 결과를 도시한 것이고,5 illustrates a result of measuring a viewing distance of the scanning probe according to the first embodiment,
도 6에서는 제1 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 측면 해상도를 측정한 결과를 도시한 것이고,6 illustrates a result of measuring side resolution of a scanning probe according to a first embodiment,
도 7은 제1 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 구동 진동수에 따른 스캔 거리의 변화를 나타낸 것이고,7 illustrates a change in scan distance according to a driving frequency of the scanning probe according to the first embodiment,
도 8은 제1 실시예에 따른 스캐닝 프로브를 이용하는 광학단층영상 시스템을 간략히 도시한 것이고,FIG. 8 schematically illustrates an optical tomography system using a scanning probe according to a first embodiment.
도 9는 도 8의 광학단층영상 시스템으로부터 획득한 영상이고,9 is an image obtained from the optical tomography system of FIG.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 내부를 도시한 내부 사시도이다.10 is an internal perspective view showing the inside of a scanning probe according to a second embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐닝 프로브의 내부를 도시한 내부 사시도이다.11 is an internal perspective view showing the inside of a scanning probe according to a third embodiment of the present invention.
Claims (21)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020080126824A KR20100068105A (en) | 2008-12-12 | 2008-12-12 | Scanning probe |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103932659A (en) * | 2014-04-14 | 2014-07-23 | 上海交通大学 | Single-optical-fiber endoscope scan probe and manufacturing method thereof |
KR20150107024A (en) * | 2014-03-13 | 2015-09-23 | 한국과학기술원 | Optical fiber scanner including a resonance frequency modulation unit |
-
2008
- 2008-12-12 KR KR1020080126824A patent/KR20100068105A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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