KR20170106776A - 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치 및 고감도 핸드피스 - Google Patents

레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치 및 고감도 핸드피스 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따르면, 레이저가 조사된 피처리물로부터 생성된 발생 광을 수집하는 레이저 핸드피스에 있어서, 내부에 타원형 케비티를 구비한 핸드피스 몸체부; 및 타원형 케비티에서 반사된 발생 광을 수집하도록 타원형 케비티의 제1 초점에 배치된 광 수집부를 포함하고, 핸드피스 몸체부는 상기 타원형 케비티의 중심축에 대하여 수직하지 않은 절단면을 구비한 레이저 핸드피스가 제공된다.

Description

레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치 및 고감도 핸드피스{Laser induced breakdown spectroscopy apparatus and highly sensitive handpiece}
본 발명은 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로, 피부에 조사하여 피부에서 발산되는 광을 효율적으로 집광하는 핸드피스를 포함하는 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치에 관한 것이다.
레이저 유도 방전 스펙트로스코피(Laser Induced Breakdown Spectroscopy; LIBS)는 레이저를 피처리물에 조사하여 상기 피처리물이 복사하는 원자 방출 스펙트럼(atomic emission spectroscopy)을 분석하는 기술이다. 일반적으로 수 fs(피코세크)~ns(나노세크)의 펄스 지속시간(pulse duration)을 갖는 펄스 레이저가 렌즈로 집광하여 대상 표면에서 대상 표면에 조사된다. 대상 표면에서 에너지 밀도가 1GW/cm2의 이상이 되면, 상기 대상 표면의 극소량은 어블레이션(ablation)되어 플라즈마화 된다. 이때 방출되는 원자의 전자 방출 스펙트럼(electronic emission spectrum)은 분광기(spectrometer)로 분광된다. 특정 원소는 특정 파장의 빛을 발생하기 때문에, LIBS는 실시간으로 원소 성분을 파악할 수 있다. 레이저를 생체 샘플(bio sample) 이나 인체 피부에 직접 적용할 경우, 불필요한 생체 조직의 열적 손상(thermal damage)을 감소하기 위하여, 조사되는 레이저의 에너지 밀도는 최소화 되어야 한다. 따라서, 레이저로 유도된 플라즈마에서 방출되는 광을 효율적으로 수집하는 기술이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 향상된 광 수집 능력을 가진 레이저 유도 방전 스펙트로스코피가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 유도 방전 스펙트로스코피를 위하여 광 수집 능력을 향상시킨 핸드피스가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 레이저 피부 처리 장치에 부착하여 사용할 수 있는 레이저 유도 방전 스펙트로스코피가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저가 조사된 피처리물로부터 생성된 발생 광을 수집하는 레이저 핸드피스에 있어서
내부에 타원형 케비티를 구비한 핸드피스 몸체부; 및 상기 타원형 케비티에서 반사된 발생 광을 수집하도록 상기 타원형 케비티의 제1 초점에 배치된 광 수집부를 포함하고, 상기 핸드피스 몸체부는 상기 타원형 케비티의 중심축에 대하여 수직하지 않은 절단면을 구비한 레이저 핸드피스가 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 타원형 케비티의 제2 초점은 절단면에 실질적으로 위치되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 핸드피스 몸체부는 타원형 케비티에 연결되고 레이저가 통과하는 광 입구, 및 광 수집부에 의하여 수집된 발생 광을 외부로 전달되는 광 출구를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 입구를 통해서 절단면에 수직으로 입사되는 입사광과 타원형 케비티의 중심축이 이루는 각도는 예각일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 출구는 타원형 케비티의 중심축에 배치되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 절단면은 제2 초점을 지나가도록 절단된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 입구를 통해서 절단면에 수직으로 입사되는 입사광과 상기 타원형 케비티의 중심축 사이의 각도는 5도 내지 45도 일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 수집부는 구면이 제2 초점을 바라보면서 타원형 케비티의 제1 초점에 배치된 반구형 렌즈; 및 반구형 렌즈의 평면과 접촉하여 배치된 테이퍼 광섬유 광학판(tapered optical fiber optic plate)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 테이퍼 광섬유 광학판의 일단은 반구형 렌즈의 평면에 접촉하여 배치되고, 테이퍼 광섬유 광학판의 타단은 핸드피스 몸체부의 광 출구에 배치되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 테이퍼 광섬유 광학판의 타단과 광섬유를 연결하는 평면-볼록 구조의 집속 렌즈를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 핸드피스 몸체부는 실린더 형태이고, 광입구 및 광 출구는 상기 실린더의 상부면에 배치되고, 절단면은 실린더의 하부면에 배치되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 타원형 케비티의 표면은 금속으로 코팅된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 핸드피스 몸체부는 제1 몸체부와 제2 몸체부를 포함하고, 제2 몸체부는 타원형 케비티의 제1 초점에서 중심축에 수직하게 절단된 면을 구비하고, 투명한 재질로 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 레이저를 출력하는 레이저 광원; 레이저를 전달받아 피처리물에 상기 레이저를 조사하여 생성된 발생 광을 수집하는 핸드피스; 상기 핸드피스로부터 수집된 발생 광을 전달하는 광섬유; 상기 광섬유로부터 발생 광을 제공받아 파장에 따라 스펙트럼을 측정하는 분광기; 및 상기 스펙트럼을 분석하는 처리부를 포함하고, 상기 핸드피스는 상술한 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치가 제공될 수 있다.
일 실시예에 다르면, 레이저 광원은 펄스 레이저를 출력하고, 상기 발생 광은 복사광일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 타원형 케비티를 구비한 핸드피스는 광 수집 능력을 향상시켜, 보다 적은 레이저 파워로 대상 시편의 손실을 최소화 하면서, 안정적이고, 재현성이 높은 레이저 유도 방전 스펙트로스코피를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치는 종래의 레이저 피부 처리 장치에 부착하여 레이저 유도 방전 스펙트로스코피를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 도 1의 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치의 핸드피스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
일반적으로 집속 렌즈에 의하여 집속된 레이저로 발생된 플라즈마는 레이저의 진행 방향으로 미세한 분화구(crater)가 생성되면서 발생한다. 따라서, 플라즈마 또는 플라즈마에서 발생한 복사광은 완벽한 방사형이 아닌, 레이저 진행 방향으로 높은 광 밀도를 가진다. 이러한 이유로, 레이저를 피처리물에 조사한 입사 경로와 동일한 경로로 플라즈마 복사광은 집속 렌즈에 의하여 수집되고, 이색성 거울과 같은 빔 분할기를 사용하여 플라즈마 복사광은 광섬유로 전달된다.
하지만, 이러한 기존 기술에서는 집속 렌즈로 커버되지 않는 영역에서는 플라즈마 복사 광의 손실을 피할 수 없으며, 분광 신호 감도 증강을 위해서는 손실되는 빛을 최대한 회수하는 방법이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 반사면으로 구성된 타원형 케비티에서, 제1 초점에 광 수집부를 배치하고, 제2 초점에 피처리물을 배치한 경우, 제2 초점의 피처리물에 레이저가 조사되면, 피처리물로부터 플라즈마 복사광이 발생된다. 이 경우, 플라즈마 복사광은 반사를 통하여 제1 초점으로 모이게 되며, 제1 초점에 배치된 광 수집부는 효율적으로 플라즈마 복사광을 수집하여 신호 감도를 증가시킬 수 있다.
특히, 이러한 구조는 집광 효율을 증가시킬 수 있으며, 타원 반사체가 입사 레이저에 대하여 기울어진다. 이에 따라, 입사 레이저의 광 경로는 플라즈마 복사광의 광 경로와 분리된다. 이러한 광 경로의 분리에 의하여, 종래의 피부 미용 레이저 등의 핸드피스 전체 또는 일부만을 교체하거나, 기존의 피부 미용 레이저의 핸드피스에 본 발명에 따른 핸드 피스를 추가하면, LIBS 신호가 추출될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드피스는 종래의 피부 미용 레이저 장치에 부착하여 저렴한 가격에 피부 미용 처리와 동시에 또는 별도로 LIBS 신호를 추출하여 피부의 상태를 검사할 수 있다.
본 핸드피스를 활용하여 집광 효율을 증가시키면, 광원 (레이저)의 에너지를 감소시킬 수 있으며, 특히 펄스 레이저의 경우, 에너지를 감소시키면, 피부에 불필요한 thermal damage (열손상)을 최소화 할 수 있으며, 레이저의 shot-to-shot variation (레이저 샷 간의 차이)가 감소하여 균일한 분광 신호를 얻을 수 있다.
본 핸드피스는 미용레이저에 장착되어 피부로부터 발생되는 플라즈마 광 (LIBS 신호)뿐만 아니라, 동시에 물리적으로 발생되는 반사광, 산란광 및 형광광을 극대화하여 집속하여 분광기 등의 광 분석 모듈로 전송할 수 있다.
또한 추가적으로 본 핸드피스는 백색광 등 연속적인 스펙트럼을 갖는 광원에도 적용될 수 있으며, 이 경우에 피부에 반사된 백색광을 극대화하여 추출할 수 있다. 또한, Nd:YAG 레이저를 포함한 펄스레이저 뿐 아니라 UV 영역부터, 가시광, IR 영역을 포함한 다양한 CW (continuous wave) (연속광) 레이저 등에도 적용될 수 있으며, 이 경우엔 연속광 레이저가 피부에 침투하여 피부 조직 및 분자에 의해 산란되거나 (Raman scattering), 특정 분자를 여기시켜 (excitation) 발생되는 형광 (fluorescence) 빛을 극대화하여 집속시켜 광 분석 모듈로 전송할 수 있다. 이 경우에도 집광 효율을 증가시킴으로써 백색광이나 연속광의 광원의 에너지를 감소시킬 수 있으며, 집광 효율을 증가시키기 위한 추가적인 비싸고 복잡한 광섬유 구조를 최소화 할 수 있다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예와 결과 등에 대해 설명하고자 한다. 이하의 실시 예와 결과는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
용어의 정의
본원 명세서에서, '타원형 캐비티의 중심축'이라는 표현은 제1 초점(F1)과 제2 초점(F2)을 지나가는 가상의 직선을 의미하고, '핸드피스의 중심축'이라는 표현은 핸드피스의 절단면에 수직으로 입사되는 입사광과 제2 초점(F2)을 지나가는 가상의 직선을 의미한다.
또한, 본원 명세서에서, '제2초점(F2)이 절단면에 실질적으로 위치된다'는 표현은, 제2초점(F2)이 절단면에 정확히 위치되는 것뿐만 아니라 제2초점(F2)이 절단면의 근처에 위치되는 것까지 포함하는 의미로 사용하기로 한다. 여기서, '절단면의 근처'라고 함은, 절단면을 기준으로 절단면의 상방 또는 하방에 소정 거리 이내의 위치를 의미한다. 한편, 소정 거리 이내에 제2초점(F2)이 위치되었을 때 발휘되는 수광 효과와, 제2초점(F2)이 절단면에 정확히 위치되었을 때 발휘되는 수광 효과를 비교할 때, 양자의 효과가 실질적으로 큰 차이가 없으며, 이러한 조건을 만족하는 한도에서 소정 거리가 정해진다.
또한, 본원 명세서에서, 용어 '레이저 광원'은 펄스 레이저 또는 연속광 레이저를 의미한다. 또한 '레이저 광원'의 주파수 대역은 임의의 주파수 대역을 가질 수 있고, 예를 들면 UV(Ultra violet) 대역, 가시광(Visible light) 대역, 또는 IR(Infra-red) 대역을 가질 수 있다. 또한, '레이저 광원'은 단색광 또는 합성광일 수 있다.
또한, 본원 명세서에서, 용어 '발생 광'은 레이저 광원이 피처리물에 조사되었을 때 발생되는 광들을 모두 포함하는 의미이다. 따라서, '발생 광'은 예를 들면 플라즈마 광, 반사광, 산란광, 및/또는 형광광을 의미할 수 있다.
이하에서는 레이저 광원이 펄스 레이저이고, 발생 광이 플라즈마 광인 경우를 가정하여 도 1 내지 도 4를 참조하여 본원의 다양한 실시예들을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치를 설명하기 위한 개념도이고, 도 2는 도 1의 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치의 핸드피스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치(100)는 펄스 레이저 광원(110), 핸드피스(120), 광섬유(126), 분광기(136), 및 처리부(138)를 포함한다. 펄스 레이저 광원(110)은 펄스 레이저를 출력한다. 핸드피스(120)는 펄스 레이저를 전달받아 피처리물(10)에 펄스 레이저를 조사하여 생성된 플라즈마의 복사광을 수집한다. 광섬유(126)는 핸드피스(120)로부터 수집된 복사광을 전달한다. 분광기(136)는 광섬유(126)로부터 복사광을 제공받아 파장에 따라 복사 스펙트럼을 측정한다. 처리부(138)는 복사 스펙트럼을 분석한다. 핸드피스(120)는 내부에 타원형 케비티(123)를 구비한 핸드피스 몸체부(122); 및 타원형 케비티(123)에서 반사된 복사광을 수집하도록 타원형 케비티(123)의 제1 초점(F1)에 배치된 광 수집부(124)를 포함한다. 핸드피스 몸체부(122)는 타원형 케비티(123)의 중심축(또는 장축)에 대하여 수직하지 않은 절단면을 구비한다.
본 실시예에서, 타원형 케비티(123)의 제2초점(F2)은 절단면에 실질적으로 위치된다. 따라서, 피처리물(10)이 절단면에 위치되면, 타원형 케비티(123)의 제2 초점(F2)은 피처리물(10)에 배치되게 된다.
펄스 레이저 광원(110)은 펄스 레이저를 출력할 수 있다. 펄스 레이저 광원(110)은 CO2 레이저, Nd:YAG 레이저, 엑시머 레이저, 아르곤 레이저일 수 있다. 펄스 레이저 광원(110)의 펄스 폭은 수 fs(피코세크)~ns(나노세크)의 펄스 지속시간(pulse duration)을 가지고, 펄스 레이저 광원의 출력은 1GW/cm2 이상일 수 있다. 펄스 레이저 제어부(112)는 펄스 레이저 광원(110)을 제어하고 광 출력이 발생하는 경우, 펄스 신호를 발생시키어 분광기(136)에 제공할 수 있다.
전달 광학계(140)는 펄스 레이저 광원(110)의 출력광을 핸드피스(120)에 전달할 수 있다. 전달 광학계(140)는 광섬유를 이용하거나 회전 가능한 관절로 연결된 복수의 암을 포함할 수 있다. 전달 광학계(140)를 통하여 전달된 펄스 레이저는 평행광일 수 있다. 이 경우, 집속 렌즈(121)는 타원형 케비티(123)의 제2 초점(F2)에 광을 집속할 수 있다.
핸드피스(120)는 전달 광학계(140)를 통하여 전달된 펄스 레이저를 피처리물에 조사할 수 있다. 사용자는 핸드피스(120)를 손으로 잡고 원하는 위치에 레이저를 조사할 수 있다. 피처리물(10)은 예를 들면 인체의 피부일 수 있으나 그러한 인체의 피부에만 한정되지는 않는다. 핸드피스(120)는 내부에 타원형 케비티(123)를 포함한다. 타원형 케비티(123)의 내부면 또는 타원 면은 플라즈마 복사광을 반사할 수 있도록 금속 물질로 코팅될 수 있다.
타원형 케비티(123)는 상술한 바와 같이 제1 초점(F1) 과 제2 초점(F2)을 구비한다. 타원형 케비티(123)의 이심률은 예를 들면 0.5 내지 0.9일 수 있다. 제1 초점에서 방사형으로 발생된 플라즈마 복사광은 제2 초점에 수렴된다. 핸드피스(120)는 예를 들면 원기둥 형상일 수 있으나 그러한 원기둥 형상에만 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서, 핸드피스(120)의 중심축과 타원형 케비티(123)의 중심축은 서로 평행하지 않고 소정의 각을 이룬다. 여기서 소정의 각도는 예를 들면 90도 미만의 예각일 수 있다.
레이저 유도 플라즈마가 발생하는 지점을 제2 초점(F2)으로 하면, 타원형 케비티에서 반사된 모든 경로의 빛은 제 1 초점(F1)에 집광된다. 제1 초점(F1)에 광 수집부(124)를 배치하면, 플라즈마 복사광은 효율적으로 수집될 수 있다. 이에 따라, 기존 기술보다 많은 광량이 분광기로 전송되어, 분광 신호 감도가 증가될 수 있다.
핸드피스 몸체부(122)는 타원형 케비티(123)에 연결되고 펄스 레이저가 통과하는 광 입구(123a), 및 광 수집부(124)에 의하여 수집된 복사광을 외부로 전달되는 광 출구(123c)를 포함할 수 있다. 절단면은 피처리물(10)에 접촉하는 평면을 제공하고, 절단면은 실질적으로 제2 초점을 지날 수 있다.
광 입구(123a)의 위치는, 광 입구(123a)를 통해서 입사되는 입사광이 이동되는 광 경로와, 타원형 케비티(123)의 중심축(또는 장축)은 서로 평행하지 않고 소정의 각을 이루도록 배치된다. 여기서, 소정의 각은 90도 미만의 예각일 수 있다. 예를 들면, 핸드피스 몸체부(122)가 원기둥 형상인 경우, 광 입구(123a)는 원기둥의 상부면에 배치되고, 절단면은 원기둥의 하부면이며, 광 출구(123c)는 원기둥의 상부면에 배치될 수 있다. 광 출구(123c)는 타원형 케비티의 중심축의 연장선상에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 입구(123a)를 통해서 절단면에 수직으로 입사되는 입사광과 타원형 케비티(123)의 중심축 사이의 각도는 5도 내지 45도일 수 있다. 한편, 광 입구(123a)를 통해서 입사되는 입사광은 절단면에 수직하여 입사되도록, 광 입구(123a)가 위치된다.
제1 초점(F1)을 중심으로 방사형의 빛이 모아진다. 모아진 빛을 제한된 수치 구경(numerical aperture; NA) 값을 갖는 광섬유(optical fiber)에 손실 없이 효과적으로 전달해 주기 위한 광학시스템이 필요하다.
예를 들면, 광 수집부(124)는 반구형 렌즈와 테이퍼 광섬유 광학판(tapered optical fiber optic plate)을 포함할 수 있다. 반구형 렌즈(124a)의 구면은, 타원형 케비티(123)의 중심축 상에 위치될 수 있다. 여기서, 반구형 렌즈(124a)의 구면은 제2 초점(F2)을 향하는 방향으로 위치할 수 있다. 바람직하게 반구형 렌즈(124a)의 구면의 중심은 타원형 케비티(123)의 중심축 상에 위치될 수 있다.
테이퍼 광섬유 광학판(tapered optical fiber optic plate, 124b)은 반구형 렌즈(124a)의 평면과 접촉하여 배치된다.
제1 초점으로 모이는 빛은 반구면 렌즈(124a)를 통해서 굴절되고, 테이퍼 광섬유 광학판(124b)에 입사하는 광의 입사각이 좁혀진다. 테이퍼 광섬유 광학판(124b)은 수 십~ 수 백 개의 광섬유 다발이 압착되고, 테이퍼진 형태일 수 있다. 이에 따라, 테이퍼 광섬유 광학판(124b)은 지름이 넓은 일단을 통하여 광을 제공받아, 지름이 좁은 타단을 통하여 추가적인 광 손실 및 왜곡이 없이 광을 전달할 수 있다.
테이퍼 광섬유 광학판(124b)의 일단은 반구형 렌즈(124a)의 평면에 접촉하여 배치되고, 테이퍼 광섬유 광학판(124b)의 타단은 핸드피스 몸체부(122)의 광 출구(123c)에 배치될 수 있다.
테이퍼 광섬유 광학판(124b)의 타단을 통하여 전달된 광은 집속 렌즈(127)를 통하여 광섬유(126)에 전달될 수 있다. 집속 렌즈(127)는 평면-볼록 구조이고, 평면이 광섬유를 바라보도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 복사광은 손실 없이 광섬유를 따라 진행한다.
광섬유(126)는 복사광을 분광기(136)에 전달하는 광경로를 제공할 수 있다. 광섬유(126)는 단일모드 광섬유 또는 다중모드 광섬유일 수 있다.
빔 분할기(132)는 광섬유(132)에 연결되고 분기하여 분광기(136) 및 트리거 신호 발생부(134)에 제공할 수 있다. 빔 분할기(132)는 프리즘 구조의 빔 분할기는 또는 광섬유를 이용한 빔 분할기 일 수 있다. 빔 분할기(132)의 빔 분할 비율은 예를 들면 10: 1 수준일 수 있다.
트리거 신호 발생부(134)는 포토다이오드를 포함하고, 입사광에 따라 전기 신호인 트리거 신호를 생성할 수 있다. 트리거 신호는 분광기(136)에 제공되어 분광기(136)의 광소자의 동작 시간을 설정할 수 있다.
분광기(136)는 입사하는 복사광의 스펙트럼을 분석하여 전기 신호인 분광 신호로 변환할 수 있다. 분광기(136)는 일차원 광센서 어레이를 포함하고, 광 센서 어레이는 레이저 제어부(112)의 동기 신호 또는 트리거 신호 발생부(134)의 트리거 신호를 제공받아 통상적으로 일정한 시간 지연을 가지고 동기화되어 동작할 수 있다.
처리부(138)는 분광기(136)의 분광신호를 제공받아 소정의 알고리즘을 통하여 형광 또는 전자 방출 스펙트럼을 분석하여 조직의 원소 정보 및 화학 구조 정보를 파악하여, 대상 물질이 피부인 경우 피부의 상태 또는 피부암의 발생 여부를 산출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 처리부(138)는 유선 또는 무선 네트워크(미도시)를 통해서 분광기(136)로부터 분광 신호를 제공받아 처리하여 피부의 상태를 분석할 수 있다.
예를 들면, 처리부(138)는 LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy: 레이저 유도 플라즈마 분광)을 분석하여 질병을 진단하는 기능을 수행할 수 있다. 레이저가 피처리물에 조사되었을 때 특정 원소는 특정 파장의 빛을 발광한다는 원리를 이용한 것이다. 예를 들면, US7,092,087(2006. 8. 15)(이하, '087'특허)에는, LIBS를 이용한 질병 진단에 대한 기본적인 개념이 개시되어 있다. '087' 특허에 개시된 내용은 본원 발명의 개념과 상충되지 않는 한도에서 본원 명세서의 일부로 결합된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치를 설명하기 위한 개념도이다. 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치(200)는 펄스 레이저 광원(110), 핸드피스(220), 광섬유(126), 분광기(136), 및 처리부(138)를 포함한다. 펄스 레이저 광원(110)은 펄스 레이저를 출력한다. 핸드피스(220)는 펄스 레이저를 전달받아 피처리물에 펄스 레이저를 조사하여 생성된 플라즈마의 복사광을 수집한다. 광섬유(126)는 핸드피스(220)에 의해 수집된 복사광을 전달한다. 분광기(136)는 광섬유로부터 복사광을 제공받아 파장에 따라 복사 스펙트럼을 측정한다. 처리부(138)는 복사 스펙트럼을 분석한다. 핸드피스(220)는 내부에 타원형 케비티를 구비한 핸드피스 몸체부(222); 및 타원형 케비티(123)에서 반사된 복사광을 수집하도록 타원형 케비티(123)의 제1 초점에 배치된 광 수집부(124)를 포함한다. 상기 핸드피스 몸체부(220)는 상기 타원형 케비티(123)의 중심축에 대하여 수직하지 않은 절단면을 구비한다.
또한 본 실시예에서도, 타원형 케비티(123)의 제2초점(F2)은 절단면에 실질적으로 위치되므로, 피처리물(10)이 절단면에 위치되면, 타원형 케비티(123)의 제2 초점(F2)은 피처리물(10)에 배치되게 된다. 또한, 핸드피스(120)의 중심축과 타원형 케비티(123)의 중심축은 서로 평행하지 않고 소정의 각을 이룬다. 여기서 소정의 각은 예를 들면 90도 미만의 예각일 수 있다.
펄스 레이저 광원(110)은 통상적인 피부 미용 및 조직 재생과 같은 처리를 수행할 수 있으며, 피부에 형성된 점, 모반, 기미 등을 육안으로 확인할 필요가 있다. 따라서, 핸드피스(220)에는 입사 레이저가 조사될 위치를 정확히 확인하기 위하여 가시광선 영역에서 투명한 광학 창을 요구할 수 있다. 이를 위하여, 본 실시예에 따른 핸드피스 몸체부(222)는 투명한 부위를 포함할 수 있다.
핸드피스 몸체부(222)는 제1 몸체부(222a)와 제2 몸체부(222b)를 포함할 수 있다. 제1 몸체부(222a)는 금속 재질이거나 금속으로 타원형 케비티(123)가 코팅될 수 있다. 핸드피스 몸체부(222)는 예를 들면 원기둥 형상이고, 광입구(123a)는 상기 원기둥의 상부면에 배치되고, 타원형 케비티(123)의 절단면은 원기둥의 하부면에 배치되고, 광출구(123c)는 원기둥의 상부면에 배치될 수 있다.
제1 몸체부(222a)의 타원체 케비티(123)는 금속으로 코팅되어 플라즈마 복사광을 제1 초점에 반사시킨다.
제2 몸체부(222b)는 타원형 케비티(123)의 제1 초점(F1)에서 핸드피스(120)의 중심축에 수직하게 절단된 면을 구비하고, 투명한 재질로 형성될 수 있다. 이에 따라, 의사 또는 사용자는 육안으로 점 등을 보면서 정확한 위치를 확인하여 레이저를 조사할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치를 설명하기 위한 개념도이다. 도 1 내지 도 3에서 설명한 것과 중복되는 내용은 생략하기로 하고 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치(300)은 펄스 레이저 광원(110)으로부터 펄스 레이저를 전달받아 피처리물(10)에 펄스 레이저를 조사하여 생성된 플라즈마의 복사광을 수집하는 핸드피스(320); 핸드피스(320)로부터 수집된 복사광을 전달하는 광섬유(126); 광섬유(126)로부터 복사광을 제공받아 파장에 따라 복사 스펙트럼을 측정하는 분광기(136); 및 분광기(136)에 의해 측정된 복사 스펙트럼을 분석하는 처리부(138)를 포함한다. 핸드피스(320)는 내부에 타원형 케비티(123)를 구비한 핸드피스 몸체부(122); 및 타원형 케비티(123)에서 반사된 복사광을 수집하도록 타원형 케비티(123)의 제1 초점(F1)에 배치된 광 수집부(124)를 포함한다. 핸드피스 몸체부(122)는 타원형 케비티(123)의 중심축에 대하여 수직하지 않은 절단면을 구비한다.
또한 본 실시예에서도, 타원형 케비티(123)의 제2초점(F2)은 절단면에 실질적으로 위치되므로, 피처리물(10)이 절단면에 위치되면, 타원형 케비티(123)의 제2 초점(F2)은 피처리물(10)에 배치되게 된다. 또한, 핸드피스(120)의 중심축과 타원형 케비티(123)의 중심축은 서로 평행하지 않고 소정의 각을 이룬다. 여기서 소정의 각은 예를 들면 90도 미만의 예각일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치는 종래의 레이저 피부 처리 장치(101)를 이용하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 종래의 레이저 피부 처리 장치(101)는 펄스 레이저 광원(110), 펄스 레이저 제어부(112), 전달 광학계(140), 및 피부처리용 핸드피스(150)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 핸드피스(320)는 종래의 레이저 피부 처리 장치의 피부 처리용 핸드피스(150)에 부착될 수 있다. 피부 처리용 핸드피스(150)는 집속 렌즈를 통하여 초점에 레이저를 집속한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 핸드피스(320)는 종래의 피부 처리용 핸드피스(150)에 연속적으로 결합하고, 집속 렌즈와 공초점을 가지는 평행광 렌즈(321a) 및 평행광 렌즈(321a)를 통과한 평행광을 집속하는 보조 집속 렌즈(321b)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 보조 집속 렌즈(321b)는 타원형 케비티(123)의 제2 초점(F2)에 레이저를 집속할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 펄스 레이저 광원
112: 레이저 제어부
120: 핸드피스
122: 핸드피스 몸체부
124: 광 수집부
126: 광섬유
136: 분광기
138: 처리부

Claims (15)

  1. 레이저가 조사된 피처리물로부터 생성된 발생 광을 수집하는 레이저 핸드피스에 있어서
    내부에 타원형 케비티를 구비한 핸드피스 몸체부; 및
    상기 타원형 케비티에서 반사된 발생 광을 수집하도록 상기 타원형 케비티의 제1 초점에 배치된 광 수집부를 포함하고,
    상기 핸드피스 몸체부는 상기 타원형 케비티의 중심축에 대하여 수직하지 않은 절단면을 구비하고,
    상기 타원형 케비티의 제2 초점은 상기 절단면에 실질적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 핸드피스 몸체부는 상기 타원형 케비티에 연결되고 상기 레이저 가 통과하는 광 입구, 및 상기 광 수집부에 의하여 수집된 발생 광을 외부로 전달되는 광 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 광 입구를 통해서 상기 절단면에 수직으로 입사되는 입사광과 상기 타원형 케비티의 중심축이 이루는 각도는 예각인 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 광 출구는 상기 타원형 케비티의 중심축에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 절단면은 제2 초점을 지나가도록 절단된 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 광 입구를 통해서 상기 절단면에 수직으로 입사되는 입사광과 상기 타원형 케비티의 중심축 사이의 각도는 5도 내지 45인 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 광 수집부는
    구면이 상기 제2 초점을 바라보면서 상기 타원형 케비티의 제1 초점에 배치된 반구형 렌즈; 및
    상기 반구형 렌즈의 평면과 접촉하여 배치된 테이퍼 광섬유 광학판(tapered optical fiber optic plate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  8. 제8 항에 있어서,
    상기 테이퍼 광섬유 광학판의 일단은 상기 반구형 렌즈의 평면에 접촉하여 배치되고,
    상기 테이퍼 광섬유 광학판의 타단은 상기 핸드피스 몸체부의 상기 광 출구에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 테이퍼 광섬유 광학판의 타단과 상기 광섬유를 연결하는 평면-볼록 구조의 집속 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 레이저 핸드피스.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 핸드피스 몸체부는 실린더 형태이고,
    상기 광입구 및 상기 광 출구는 상기 실린더의 상부면에 배치되고,
    상기 절단면은 상기 실린더의 하부면에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  11. 제2 항에 있어서,
    상기 타원형 케비티의 표면은 금속으로 코팅된 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 핸드피스 몸체부는 제1 몸체부와 제2 몸체부를 포함하고,
    상기 제2 몸체부는 상기 타원형 케비티의 제1 초점에서 상기 중심축에 수직하게 절단된 면을 구비하고, 투명한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 몸체부는 금속 재질인 것을 특징으로 하는 레이저 핸드피스.
  14. 레이저를 출력하는 레이저 광원;
    레이저를 전달받아 피처리물에 상기 레이저를 조사하여 생성된 발생 광을 수집하는 핸드피스;
    상기 핸드피스로부터 수집된 발생 광을 전달하는 광섬유;
    상기 광섬유로부터 발생 광을 제공받아 파장에 따라 스펙트럼을 측정하는 분광기; 및
    상기 스펙트럼을 분석하는 처리부를 포함하고,
    상기 핸드피스는 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 따른 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치.
  15. 제14항에 있어서
    레이저 광원은 펄스 레이저를 출력하고, 상기 발생 광은 복사광인 것을 특징으로 하는 레이저 유도 방전 스펙트로스코피 장치.
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