KR20150010281A - 초소형 내시경용 카메라 모듈 설계 및 제작 방법 - Google Patents

Abstract

초소형 내시경 카메라 모듈의 제작 기술에 있어, 최소 직경의 카메라 제작을 위해 경통의 외경면까지 영상 감지기가 조립될 수 있도록 하는 경통의 구조를 포함한다. 초소형 경통 기구와 조립이 되는 비구면 결상 렌즈 및 결상 렌즈 개구부와 렌즈 지지대 구조물들을 포함한다. 초소형 카메라 경통 기구와 영상 감지기와 조립되어 신호를 전달하는 연성 인쇄 회로 기판과 이들의 중간 연결 접속단 기구들을 포함한다. 미세 조명 광섬유의 조립체를 통해 광각의 조명을 얻을 수 있고, 이러한 미세 광섬유를 고정할 수 있는 기구를 포함한다. 본 발명의 장점은 초소형 카메라 기구 제작을 위한 부품의 최적 설계와 미세 부품들의 조립성을 향상시기는 구조들을 포함한다.

Description

초소형 내시경용 카메라 모듈 설계 및 제작 방법{Design and Fabrication of Ultra Small Camera System for Endoscope and Catheter}

본 발명은 일반적으로는 내시경들에 관한 것으로 더 상세하게는 초소형 내시경용 카메라 모듈의 설계 및 제작 방법에 관한 것이다.

내시경의 용도는 일반적인 방법으로 관찰이 어려운 환경에서 대상물의 관찰을 용이하게 해주는 것으로서 대상물의 해체 혹은 분해 작업없이 간단하게 내부를 확인할 수 있는 장치이다. 내시경은 산업용과 의료용으로 크게 분류되며, 각 분야에서 용도에 맞게 다양한 형태와 기능으로 세분화된다.

산업용 내시경 분야에서는 지속적으로 경박단소화되는 다양한 분야의 적용을 위해 초소형 내시경의 요구가 늘어나고 있으며, 의료용 내시경 분야 또한 미세한 혈관 또는 척수 등에 사용하기 위해 초소형 내시경의 필요성이 증가하고 있다.

이러한 산업계 및 의료계의 요구 사항을 충족하기 위해 소형 내시경의 개발이 다각도로 이루어지고 있고, 이에 더 나아가 초소형 내시경의 제작을 위한 구조적인 설계와 제작 방법에 대한 개발이 필요하다.

일반적으로 소형 내시경이라 함은, 내시경 선단부의 직경이 5mm를 포함한 그 이상의 직경 정도까지를 지칭한다. 내시경의 선단부에는 카메라 모듈, 조명 유도 장치, 선단부 각도 조절 장치, 공기 및 액체 주입 장치 및 흡인 장치 등이 위치한다. 카메라 모듈은 결상 렌즈 군, 영상 유도 장치 혹은 영상 감지기와 이미지 전송용 전장 부품으로 구성되어 있다. 카메라 모듈의 경우 내시경의 선단부의 크기를 결정하는 주요 부품 중 하나로서, 최대한 영상의 품질을 유지하면서 크기를 작게하여야 한다. 일반적으로 카메라 모듈은 사용되는 결상 렌즈 군과 영상 감지기의 크기가 커질수록 영상 품질이 향상되며, 일정 크기 이하의 소형화 제작에 한계가 있다.

본 발명은 종래 소형 내시경 제작 기술의 한계를 극복하고 초소형 내시경 카메라의 제작을 위한 카메라 모듈의 소형화 구조 설계 방법 및 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 초소형 카메라 모듈 제작을 위한 카메라 경통 설계 및 제작 기법을 포함한다. 일반적으로 내시경을 포함한 카메라 모듈 제작에 있어서, 카메라 모듈의 경통 내부에 영상 감지기가 위치하게 된다. 이 경우 영상 감지기의 대각선 방향 길이보다 큰 내경을 갖는 경통을 사용하여야 하며, 카메라 모듈의 직경은 영상 감지기의 대각선 방향 길이보다 항상 커지게 제작될 수 밖에 없다. 본 발명에서는 카메라 모듈의 경통에 영상 감지기의 측면을 일치시킬 수 있는 곳만을 남겨두고, 영상 감지기의 대각선 방향으로는 경통의 구조물를 없애는 개구부를 포함하는 설계이다. 이로서 카메라 모듈의 경통 내경은 영상 감지기의 대각선 방향 길이와 같거나 작아질 수 있고, 이러한 카메라 모듈에 결합 가능한 최대 크기의 영상 감지기를 결상 렌즈와 조합하므로써 제한된 구조에서 최대의 영상 품질을 얻을 수 있는 구조를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 내시경 선단부 카메라 모듈에 사용되는 결상 렌즈의 제작 기법을 포함한다. 일반적으로 내시경을 포함한 기타 광학계 구성에서는 수 개의 렌즈를 조합하여 구성되어, 선단부 카메라 모듈의 크기에 영향을 준다. 본 발명에서는 수 개의 렌즈 기능을 하나의 렌즈에 집적화 하여 그 기능을 하므로서, 수개의 렌즈 조립에서 오는 영상의 불균일성과 조립의 복잡성을 감소시킬 수 있도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 내시경 선단부 카메라 모듈 내 결상 렌즈의 전방과 후방에 사용되어, 결상 렌즈 개구부의 크기와 그 조립체를 지지할 수 있는 지지대로 이루어져 있다. 이들 부품은 초소형 크기인 결상 렌즈와 영상 감지기에 맞도록 설계 제작되며, 이들은 결상 렌즈 및 영상 감지기와 결합되어 초소형 규격에서 최상의 이미지를 얻을 수 있도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 내시경 경통 선단부에 결합되는 유리판을 포함한다. 액체로 차있는 곳에 내시경이 들어갈 때 편평한 유리판이 액체에 닿아야 영상 저하를 최소화 할 수 있는 기능을 가지며, 내시경 내부로 액체 등 이물이 침투하는 것을 방지하는 역할을 하도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 영상 감지기로부터 획득된 영상 자료를 송신하기 위한 배선 연결 방법을 포함한다. 일반적인 경우 전선을 사용하는 것에 반해, 본 발명에서는 연성 인쇄 회로 기판을 사용하는 것으로서, 자유자재로 움직임이 가능하고 좁은 간격의 배선 형성이 가능한 연성 인쇄 회로 기판의 특성을 활용하여 안정적이고 크기가 작은 배선 기구를 형성할 수 있다. 또한 본체와의 연결 부에 적정한 연결 단자를 활용할 수 있어 카메라 모듈의 교체가 용이한 구조를 가진다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 내시경 선단부에 조명을 조사하기 위한 조명용 광섬유의 제작 방법을 포함한다. 일반적으로 사용되는 하나의 가닥으로 제작된 조명용 광섬유의 경우 투과율과 일정 조사 각도를 유지하기 위해 그 선단부를 연마 가공하여 사용한다. 그러나 초소형 내시경의 경우 조명용 광섬유의 직경이 작아 연마 가공이 용이하지 않고, 그 조사각이 작으며 불량률 또한 높다. 이에 본 발명에서는 굴절률이 높아 넓은 조명 조사 각도를 유지할 수 있는 유리 소재로 제작된 조명용 미세 광섬유의 다발을 묶어 사용하므로서 조명의 조사 각도가 증가하는 구조를 가진다. 유리 재질의 경우 단수의 광섬유를 사용해도 되나, 이 경우 유연성이 없어 사용이 불가능하다. 따라서 유연성을 가질 수 있도록 수십 마이크로미터의 직경으로 만들어 그 특성은 유지하면서 유연성을 갖도록 제작된 구조를 가진다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 조명용 미세 광섬유의 묶음을 조명원에 설치하기 위한 설계 및 제작 방법을 포함한다. 초소형 내시경에 사용되는 조명용 광섬유는 그 직경이 작아 일반적인 방법으로 조명원에 위치시키는 것은 한계가 있다. 이에 본 발명에서는 미세 가공한 틈에 조명용 광섬유를 위치시기고 판형 탄성체를 사용하여 고정하는 방법을 포함한다. 이 경우 소형 조명용 광섬유를 연결하고 분리하는 방법이 간단한 구조를 가진다.

본 발명의 장점은 초소형 내시경 기구의 제작을 위해 적합한 설계 기법과 제작 기법을 사용하는 능력을 포함한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징들은 다음 도면들과 함께 본 발명의 상세한 설명에서 더 상세히 후술될 것이다.

본 발명은 첨부된 도면의 도안에서 제한으로써가 아니라 예로써 설명되고, 여기서 같은 참조 번호는 유사한 소자를 가리킨다.
도 1A-도1B 는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 경통 설계를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비구면 결상 렌즈 설계를 도시한 개략도.
도3는 본 발명의 실시예에 따른 결상 렌즈 개구부와 결상 렌즈 지지대를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유리판을 도시한 개략도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 영상 감지기와 연성 인쇄 회로 기판의 설계와 조립을 도시한 개략도.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 조명용 미세 광섬유의 제작예를 도시한 개략도.
도 7A-7D는 본 발명의 실시예에 따른 조명용 미세 광섬유의 고정 방법을 도시한 개략도.

본 발명은 이제 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 몇몇의 실시예를 참조하여 상세하게 기술될 것이다. 다음 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 상세 사항이 설명된다. 그러나, 이들 상세 사항의 일부 또는 모두가 없어도 본 발명이 행해질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예들에서, 본 발명을 불필요히 애매하게 하지 않기 위해, 잘 알려진 처리 단계 및/또는 구조는 상세하게 설명되지 않는다.

도 1A-1B는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 경통(100) 설계 및 영상 감지기(120)의 조립을 도시한다. 경통(100)은 영상 감지기(120)의 측면을 지지하기 위한 4개의 돌출 지지부(110)와 영상 감지기(120)의 대각 방향의 조립을 위한 절개부(111)를 포함한다. 경통(100) 내부로 영상 감지기(120)의 조립을 용이하게 하기 위한 모따기부(112)를 형성하는 것을 포함한다.

예로서 도 1B에 도시된 바와 같이, 영상 감지기(120)는 경통(100)에 조립되며 영상 감지기(120)의 평면도 상 길이가 가장 긴 대각 방향이 경통(100)의 외각 지름과 거의 일치하는 정도까지 조립이 되어 최소 크기의 경통을 이용한 초소형 카메라 모듈의 제작이 가능하다. 이때 영상 감지기(120)는 네 측면은 경통(100)의 돌출 지지부(110)에 의해 고정이 되고, 돌출 지지부(110)의 측면과 접착제에 의해 완전하게 고정된다.

도 2는 일반적으로 내시경 카메라 모듈에 사용되는 수 개의 렌즈들을 하나의 렌즈로 가공한 초소형 카메라 모듈에 사용되는 비구면 결상 렌즈(200)를 도시한다. 그림에서와 같이 하나의 렌즈 구조에 다양한 형상의 곡면(210)을 형성하여 수 개의 렌즈 조합으로 형성되는 광학적 특성을 만족하도록 설계 및 제작한다. 이때 내시경 선단부 개구부에 조립되는 유리판(410)이 없을 경우, 렌즈면이 액체에 닿게 되는데 영상 저하를 막기 위해서는 액체에 닿는 내시경 선단부 개구부쪽으로 비구면 결상 렌즈(200)의 편평한 면(220)이 오도록 조립된다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 비구면 결상 렌즈(200)의 전/후방에 조립되는 초소형 광학 기구들을 도시한다. 결상 렌즈 개구부(310)는 조리개 역할을 하는 것으로 비구면 결상 렌즈(200) 전면에 조립된다. 지지대(320)는 비구면 결상 렌즈(200)과 영상 감지기(120) 사이에 위치하며, 지지대(320)의 높이를 조절하여 영상 감지기(120)에 영상이 맺힐 수 있도록 초점 거리를 조절하는 역할을 하는 동시에 영상 감지기(120)를 지지하고 비구면 결상 렌즈(200)를 경통 내부에 압착할 수 있는 구조로 사용된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유리판을 도시한다. 경통(100)의 선단부 개구부를 편평한 유리판(410)으로 막아 액체등 이물질이 경통 내부로 침부하는 것을 방지한다. 또한 액체 속으로 내시경이 들어갈 경우 편평한 유리판이 액체에 닿아야 영상 저하를 최소화 할 수 있는 기능을 가진다.

도 5A-5B는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 영상의 전송을 위한 배선의 연결과 연결 단자의 사용을 도시한다. 영상 감지기(501)에서 출력되는 이미지의 전송을 일반적인 전선을 사용할 경우 그 조립성 문제나 다수의 전선에 의한 전체 내시경 삽입관의 크기에 제한을 받게된다. 본 발명에서는 연성 인쇄 회로 기판 선단부(515)를 사용하여 영상 감지기(501)와 결합하여 삽입관의 직경을 줄일 수 있으며, 초소형 내시경 삽입관의 연성에 영향을 주지 않는다. 결합 후 연성 인쇄 회로 기판 선단부(515)는 내시경 삽입관의 방향으로 꺽어 중간 연결 단자(520)까지 연결된다.

도 5B는 연결 단자(RJ22)(520)와 내시경 선단부의 카메라 모듈(500)의 연결과 전체 구조를 도시한다. 연성 인쇄 회로 기판(510)의 선단부에는 카메라 모듈(500)이 조립되며, 말단부에는 연결 단자(520)가 조립된다. 연성 인쇄 회로 기판(510)의 말단부에는 연결 단자(520)의 납땜 조립을 위한 신호 연결 단자(511) 및 접지 연결 단자(512)와 연결되어 내시경의 조작부 내부에 위치한다. 연결 단자(520)의 후면에는 외부 영상 및 조명 조절 장치로 연결되는 연결 단자(RJ22)(521) 연결 구멍을 포함한다.

도 6는 조명용 미세 광섬유(601) 묶음으로 초소형 내시경의 조명을 선단부로 전달하는 구조이다. 조명용 미세 광섬유(601) 가닥을 정렬하여 다발을 형성하고 조명용 미세 광섬유(601) 다발의 선단부를 고정하는(610) 제작 방법으로 고정하는 방법으로는 수축 관을 이용하는 방법과 접착제를 이용하는 방법 등을 포함한다. 일반적으로 사용되는 단수의 조명용 광섬유를 이용할 경우 약 60도의 조명 조사각을 가진다. 이 경우 조명의 조사각은 좁으나 소재의 유연성으로 인해 선단부의 각도 조절 시 큰 각도로 움직일 수 있고, 제작이 용이하다. 또한 유리 소재로 만든 미세광섬유 다발에 비해 가격이 저렴하고 조립이 용이하다.

도 7A-7D는 초소형 내시경에 사용되는 소형 조명용 광섬유를 조명원(752)에 일정 위치로 고정하는 방법을 도시한다. 조명원(752)은 초소형 내시경의 영상 조절 장치(700) 내부에 조명원(752)을 고정하고 전원을 인가하기 위한 인쇄 회로 기판(750) 상에 위치하고, 초소형 내시경의 영상 조절 장치(700)의 조명 조절 장치에 의해 그 밝기가 조정된다. 조명용 광섬유(705)는 초소형 내시경의 영상 조절 장치(700) 내부/외부 기구에 형성된 광섬유 삽입 구멍(720)으로 삽입된다.

도 7B-7D는 조명용 광섬유를 고정하는 방법에 대한 상세 도시이다. 특히 도 7B는 도 7A의 점선 표시 영역 내부(780)의 확대 도를 나타낸다. 조명용 광섬유(705)를 광섬유 삽입 구멍(720)으로 삽입하기 전, 조명용 광섬유(705)를 고정 및 해제를 위한 누름 장치(711)를 눌러 조명용 광섬유(705) 고정을 위한 판형 탄성체(715)를 고정 상대물로부터 이완시켜 조명용 광섬유(705)가 정하여진 위치까지 자유롭게 이동하게 한다. 조명용 광섬유(705)가 지정 위치에 다다르면 누름 장치(711)를 해제하여 고정용 판형 탄성체(715)가 상부 고정틈으로 이동하여 위치한 조명용 광섬유(705)를 움직이지 못하도록 고정하는 구조이다.

여기에 개시된 기술은 초소형 내시경 제작을 위한 카메라 모듈 및 부속되는 기구들의 제작과 조립 방법을 제시한다.

본 발명의 장점은 초소형 내시경의 제작을 위한 부품의 설계 기술과 제작 방법에 대한 기술들을 포함한다.

본 발명을 상이한 실시예들을 참조하여 도시하고 설명하였으나, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 발명의 사상과 범위로부터 떠나지 않고, 형태, 상세한 부분, 구성, 그리고 작동에 있어서의 변화가 행해질 수도 있다는 것은 당업자는 이해할 것이다.

100: 카메라 모듈 경통 120: 영상 감지기
200: 비구면 결상 렌즈 310: 조리개
320: 지지대 410: 유리판
510: 연성 인쇄 회로 기판 520; 연결 단자
605: 조명용 광섬유 700: 영상 조절 장치
711: 조명용 광섬유 누름 장치 715: 고정용 판형 탄성체
780: 광섬유 조립부분 확대도

Claims (16)

1. 초소형 내시경 카메라 모듈 설계와 제작 방법에 있어서,
   초소형 내시경 선단부 외경을 구성하는 경통부;
   상기 경통 내부에 조립되어 조리개 역할을 하는 결상 렌즈 개구부;
   상기 결상 렌즈 개구부 뒷단에 조립되는 비구면 결상 렌즈; 및
   결상 렌즈와 영상 감지기 사이에 놓여 초점 거리를 유지하는 지지대를 포함하고, 영상 감지기로 최종 조립되어 구성되는 초소형 내시경 카메라 모듈.
2. 제 1항에 있어서, 상기 경통의 외경이 영상 감지기의 대각 방향 길이와 대등 또는 작아질 수 있게 절개부를 포함하도록 구성된 초소형 내시경 카메라 모듈.
3. 제 2항에 있어서, 상기 경통이 영상 감지기의 4개의 측면을 지지할 수 있도록 하는 돌출 지지부를 포함하는 것인 초소형 내시경 카메라 모듈.
4. 제 1항에 있어서, 영상 감지기는 센서면 앞에 유리판을 포함하는 것인 초소형 내시경 카메라 모듈.
5. 제 1항에 있어서, 상기 경통부 앞쪽에 유리판이 부착되어 영상의 저하 및 액체 및 이물 유입을 막아주는 기능을 포함하는 것인 초소형 내시경 카메라 모듈.
6. 제 3항에 있어서, 상기 경통 내부에 부품들의 조립 편의성을 위한 4개의 돌출 지지부 상에 모따기부를 형성하는 것을 포함하는 초소형 내시경 카메라 모듈.
7. 제 1항에 있어서, 상기 경통의 절개부 또는 돌출 지지부 측면과 영상 감지기의 측면을 접착제에 의해 완전하게 고정할 수 있는 구조를 포함하는 초소형 내시경 카메라 모듈.
8. 제 1항에 있어서, 상기 초소형 내시경 카메라 경통과 조립되는 비구면 결상 렌즈를 포함한다. 비구면 결상 렌즈는 다수의 렌즈로 구현되는 광학적인 특성을 비구면 결상 렌즈로 구현한 것을 포함하는 초소형 내시경 카메라 모듈.
9. 제 8항에 있어서, 상기 비구면 결상 렌즈는 두면으로 구성되어 있는데, 개구부쪽의 면은 편평하며 지지대쪽 면은 비구면 형상인 것을 포함하는 것인 초소형 내시경 카메라 모듈.
10. 제 1항에 있어서, 상기 초소형 내시경 카메라 경통과 조립되는 초소형 광학 기구들을 포함한다. 비구면 결상 렌즈 앞단에 조립되어 광량을 조절하는 결상 렌즈 개구부와 일체혈 결상 렌즈를 초소형 내시경 카메라 경통 내부에 압착하고 영상 감지기와의 초점 거리를 유지하도록 설계된 지지대를 포함하는 초소형 내시경 카메라 모듈.
11. 초소형 내시경 카메라 모듈 설계와 제작 방법에 있어서,
    영상 감지기에서 나오는 영상 신호를 전달하는 연성 인쇄 회로 기판; 및
    연성 인쇄 회로 기판과 영상 조절 장치를 연결하기 위한 중간 연결 단자 접속부를 포함하는 초소형 내시경 카메라 모듈.
12. 제 11항에 있어서, 영상 감지와의 접속을 위해 연성 인쇄 회로 기판 상에 단자를 형성하고, 초소형 내시경 삽입관 방향으로 꺽어 초소형 내시경 삽입관의 직경을 최소화하는 연성 인쇄 회로 기판을 포함하는 초소형 내시경 카메라 모듈.
13. 제 11항에 있어서, 내시경 영상 조절 장치로 영상을 전달하기 위한 배선의 중간 연결 단자(암/수) 접속부를 포함하는 것인 초소형 내시경 카메라 모듈.
14. 초소형 내시경 카메라 모듈 설계와 제작 방법에 있어서,
    초소형 내시경 선단부에 조립되는 조명용 미세 광섬유 다발; 및
    영상 조절 장치에 조명용 미세 광섬유를 고정하기 위한 고정 장치를 포함하는 초소형 내시경 카메라 모듈.
15. 제 14항에 있어서, 조명용 미세 광섬유 가닥을 묶어 다발을 형성하여 조명의 조사각을 증가시키는 것인 초소형 내시경 카메라 모듈.
16. 제 14항에 있어서, 조명용 미세 광섬유를 영상 조절 장치의 조명원과 일정한 거리를 유지하며 고정시키는 구조 및 방법을 포함한다. 조명용 미세 광섬유는 기구에 가공된 홈에 자리를 잡게 되고 아래에 판형 탄성체를 이용하여 고정하는 것인 초소형 내시경 카메라 모듈.

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