KR20190033695A - 상향변환 렌즈 집적 광의료 시스템 - Google Patents
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Abstract
상향변환 렌즈 집적 광의료 시스템이 제공된다. 시스템은 적외선 광을 생성하는 광원부; 상기 적외선 광을 전달하는 광 전달부; 및 상기 광 전달부로부터의 광을 이미징 대상에 조사하는 광 조사부를 포함한다. 상기 광원부, 상기 광 전달부 및 상기 광 조사부 중 하나에 상기 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하는 상향변환 렌즈가 포함되어 있다.
Description
본 발명은 상향변환 렌즈 집적 광의료 시스템에 관한 것이다.
근적외선 빛은 햇빛이나 발열체로부터 방출되며, 적색 스펙트럼의 끝보다 바깥쪽에 있는 적외선 중에서 가장 파장이 짧은 빛에 해당하며, 700nm ~ 3um 파장 영역의 빛이 해당된다. 가시광선은 사람의 눈에 보이는 전자기파로 일반적으로 사람의 눈이 반응하는 390~700nm 파장 영역의 빛에 해당된다. 근적외선은 강한 열작용과 가시광선 대비 침투 깊이가 깊어 진단, 치료 및 수술 등 의료분야에 활용되고 있다.
그러나 적외선 대역의 빛은 사람의 눈에 보이지 않기 때문에, 적외선 대역 빛을 활용한 광의료 시스템에서는 적외선 대역 광을 이용한 의료행위가 일어나는 정확한 위치정보와, 적외선 광이 조사된 위치의 변화 결과에 대한 시각화 정보를 제공하기 위한 수단이 필요하다. 이를 위해 가시광을 적외선과 결합하여 조사되도록 광학시스템을 구성하거나 적외선 이미징 시스템을 추가적으로 장착하여 활용하고 있다.
기존에 적외선 광의료 시스템에 활용되는 대표적인 시각화 방법으로, OCT(Optical Coherence Tomography) 광 이미징(imaging) 시스템과 같이, 근적외선 빛에 가시광 유도 빔을 결합하여 시스템 사용자에게 근적외선 이미지 스캔 위치를 파악할 수 있도록 하는 방법이 있다. 그러나 이미징용 근적외선 광원과 가시광 유도 빔을 결합하기 위해 별도의 광커플러, 파장 분활 다중화기, 빔 스플리터 또는 반사경과 미러 등 광학부품이 필요하며, 추가적인 패키징 공정과 정밀한 광정렬 기술이 요구된다. 이로 인해 광원부 또는 광전달부의 구성이 복잡해지고 부피가 커지는 문제가 있으며, 유도 빔 소스 구동을 위한 장치들 또한 추가적으로 필요하게 된다.
또한, 모니터링용 가시광 대신 적외선 카메라를 이용한 열화상 정보 획득 장치를 통해 레이저가 조사된 인체 범위와 레이저 조사로 인한 인체 변화를 모니터링 하는 방법이 있다. 그러나 이 경우, 적외선 센서 또는 적외선 카메라가 필요하며, 수집된 열화상 데이터를 처리하기 위한 프로세서와 이를 표시하기 위한 디스플레이 장치가 추가적으로 필요하다. 이는 광의료 시스템 전체 크기를 증가시키고, 시스템 가격을 크게 상승시킨다. 아울러 열화상 획득 장치를 이용한 시각화 방법은 근적외선에 노출된 인체가 근적외선 빛을 흡수하고 온도가 상승하여 온도분포 변화를 보이는데 시간이 필요하므로 조사부위에 대한 즉각적인 시각화와 분석에 어려움이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상향변환 렌즈 집적을 통해 적외선 대역 빛을 이용하는 광의료 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 별도의 가시광 대역 광원 없이도 의료 행위가 행해지는 위치에 대한 정보와 시각화 정보를 획득할 수 있는 광의료 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 단순한 구조를 가지면서 제작 공정이 간단한 광의료 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 특징에 따른 광 의료 시스템은, 적외선 광을 생성하는 광원부; 상기 적외선 광을 전달하는 광 전달부; 및 상기 광 전달부로부터의 광을 이미징 대상에 조사하는 광 조사부를 포함하며, 상기 광원부, 상기 광 전달부 및 상기 광 조사부 중 하나에 상기 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하는 상향변환 렌즈가 포함되어 있다.
상기 상향변환 렌즈는 적외선 대역의 빛을 흡수하여 가시광 대역의 빛을 방출하여 상기 가시광 대역 조준광을 생성하는 상향변환 물질을 포함할 수 있다.
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 입사면에 집적되어 있을 수 있다.
이 경우, 상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 방출면에 집적되어 있을 수 있다. 또는 상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 내부에 집적되어 있을 수 있다.
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈에 집적되는 위치에 따라, 상기 상향변환 렌즈로부터 방출되는 상기 가시광 대역 조준광의 위치와 분포가 달라질 수 있다.
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 입사면 또는 방출면에서, 가운데 부분에 집적되어 있을 수 있다. 또는 상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 입사면 또는 방출면에서, 가운데 부분을 제외한 상단 부분 또는 하단 부분에 집적되어 있을 수 있다. 또는 상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 입사면 또는 방출면을 두 개의 부분으로 나눈 경우 상기 2개의 부분 중 어느 하나의 부분에 집적되어 있을 수 있다. 또는 상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 입사면 또는 방출면 전체에 집적되어 있을 수 있다.
한편, 상기 상향변환 물질의 밀도, 성분, 조성, 면적, 밀도 및 적외선 여기 파장과 세기에 따라, 상기 상향변환 렌즈로부터 방출되는 적외선 광과 상기 가시광 대역 조준광의 비율과 세기가 달라질 수 있다.
상기 상향변환 렌즈의 초점거리, 수렴각도 및 발산각도 중 적어도 하나의 변경에 따라, 상기 상향변환 렌즈로부터 적외선 광과 상기 가시광 대역 조준광이 콜리메이션 형태, 집속 형태, 발산 형태 중 하나의 형태로 방출될 수 있다.
상기 광원부가 상기 적외선 광을 생성하는 광원; 및 상기 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하는 상향변환 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 광 전달부가, 상기 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하여, 상기 적외선 광과 상기 가시광 대역 조준광을 상기 광 조사부로 제공하는 상향변환 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 광 조사부가, 상기 광 전달부로부터 제공되는 적외선 광으로 상기 이미징 대상을 스캐닝하는 스캐너; 및 상기 스캐너로부터의 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하여, 상기 적외선 광과 상기 가시광 대역 조준광을 상기 이미징 대상에 조사하는 상향변환 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 광 의료 시스템은 반사부; 및 상기 광원부에서 출력되는 광의 일부는 상기 광 조사부로 보내고, 상기 광원부에서 출력되는 광의 나머지는 상기 반사부로 보내는 빔 스플리터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광 의료 시스템은, 상기 반사부에 의해 반사되는 반사광과 상기 이미징 대상으로부터 반사되어 돌아온 광을 간섭시켜 이미징 대상에 대한 이미지 정보를 획득하는 검출부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 반사부는 상기 빔 스플리터로부터 제공되는 광을 반사시키며, 상기 빔 스플리터는 상기 광 조사부로부터 제공되는 이미징 대상으로부터 나온 광과 상기 반사부로부터 반사된 광을 결합하여 상기 검출부로 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 눈에 보이지 않은 적외선 대역을 활용한 광의료 시스템의 광원부, 광전달부, 또는 광조사부 등에 상향변환 렌즈를 집적하여 이미징 대상에 적외선 광과 가시광 대역 조준광이 함께 조사된다.
별도의 가시광 대역 광원 없이도 적외선 빛과 가시광 대역 조준광이 함께 조사되도록 함에 따라, 사람의 눈에 보이지 않는 적외선 빛을 이용한 진단, 수술, 치료 등의 의료행위가 행해지는 위치에 대한 정보와 시각화 정보를 획득할 수 있으므로, 정확한 의료행위가 행해질 수 있도록 할 수 있다.
또한, 별도의 가시광 대역 광원이 필요 없고, 가시광 대역 조준광 결합을 위한 추가 광학부품과 광정렬 공정 및 패키징 공정이 불필요함으로, 그 결과, 광의료 시스템의 구조가 단순해지고 소형화되며 제작공정이 간단해지고, 광의료 시스템의 생산성이 향상되고 저가격화가 가능하다.
아울러 본 발명의 실시 예에 따른 광의료 시스템은 적외선 광을 이용한 산업 및 상업분야에 적외선 광 시각화를 위한 목적으로 활용 가능하다.
도 1은 적외선 대역 파장을 활용한 광의료 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 2는 근적외선 레이저 광원을 이용한 의료용 레이저 진단 및 치료기를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광의료 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광의료 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광의료 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 적외선 및 가시광 방출을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈를 구성하는 상향변환 물질의 구성 예를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 투과광 방출 형태를 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 측면 및 외곽 형상을 나타낸 예시도이다.
도 2는 근적외선 레이저 광원을 이용한 의료용 레이저 진단 및 치료기를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광의료 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광의료 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광의료 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 적외선 및 가시광 방출을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈를 구성하는 상향변환 물질의 구성 예를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 투과광 방출 형태를 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 측면 및 외곽 형상을 나타낸 예시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 광 의료 시스템에 대하여 설명한다.
도 1은 적외선 대역 파장을 활용한 광의료 시스템을 나타낸 예시도이다. 구체적으로 도 1은 OCT(Optical coherence tomography) 광영상 이미징 시스템을 나타낸다.
기존에 적외선 대역 파장을 활용한 광의료 시스템으로 도 1과 같이, 근적외선 광을 활용하는 OCT 광영상 이미징 시스템이 있다. 이 시스템에서는 이미지 스캔 위치 확인을 위해, 별도의 가시광 대역 광원을 근적외선 이미징 광과 함께 결합하여 이미지 스캔영역에 가시광 대역 조준광을 조사한다.
구체적으로, 이미징용 근적외선 광원(1)과 유도 빔 소스(2)로부터의 가시광 유도 빔을 결합한다. 가시광 유도 빔은 OCT 광이미징 시스템뿐만 아니라 적외선 대역 빛을 활용한 진단, 치료 및 수술 등의 목적으로 활용되는 광의료 시스템에 적외선을 이용한 의료행위가 일어나는 환부에 대한 위치 정보 및 환부의 변화에 대한 시각화 정보를 제공하기 위해 폭넓게 적용 가능하다.
그런데 근적외선 광과 가시광 유도빔을 결합하기 위해, 도 1과 같이, 별도의 광 커플러, 파장 분활 다중화기, 빔 스플리터(3) 등 광학부품이 필요하며, 추가적인 패키징 공정과 정밀한 광정렬 기술이 요구된다. 이로 인하여, 광원부(1, 2) 또는 광전달부(6)의 구성이 복잡해지고 부피가 커진다. 또한, 유도 빔 소스(2)의 구동을 위한 장치들이 추가적으로 필요하게 된다. 그 결과, 광정렬 및 패키징 공정이 복잡하여 생산성이 떨어지고 가격이 상승하게 된다.
적외선 대역 파장의 빛을 이용한 치료 및 수술용 광의료 시스템 역시 사용자에게 적외선을 이용한 의료행위가 일어나는 환부에 대한 위치 정보 및 환부의 변화에 대한 시각화 정보를 제공하기 위해, 별도의 적외선 센서와 영상수집 장치, 수집 데이터 프로세서 및 모니터링 장비 등이 필요하다. 이러한 장비들은 적외선 광의료 시스템을 크게 만들고 가격을 상승시키는 주요원인이다.
도 2는 근적외선 레이저 광원을 이용한 의료용 레이저 진단 및 치료기를 나타낸 예시도이다.
첨부한 도 2에 도시된 의료용 레이저 진단 및 치료기는, 모니터링용 가시광 대신 적외선 카메라를 이용한 열상(또는 열화상) 정보 획득 장치를 통해 레이저가 조사된 인체 범위와 레이저 조사로 인한 인체 변화를 모니터링 한다.
그러나 도 2의 예와 같은 열화상 정보 획득 장치를 이용한 시각화 방식은 열화상 정보 획득을 위해 적외선 센서 또는 적외선 카메라가 필요하며, 수집된 열화상 데이터를 처리하기 위한 프로세서와 이를 표시하기 위한 디스플레이 장치가 추가적으로 필요하다. 아울러 열화상 획득 장치를 이용한 시각화 방법은 근적외선에 노출된 인체가 근적외선 빛을 흡수하고 온도가 상승하여 온도분포 변화를 보이는데 시간이 필요하므로 조사부위에 대한 즉각적인 시각화와 분석에 어려움이 있다.
본 발명의 실시 예에서는 적외선 대역 빛을 활용하는 광의료 시스템에, 적외선 대역 빛을 흡수하여 가시광 대역 빛을 방출하는 상향변환 물질을 포함한 렌즈를 집적하여, 별도의 가시광 대역 광원 없이도 적외선 광과 가시광 대역 조준광이 함께 조사되도록 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광의료 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
첨부한 도 3에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광의료 시스템(100)은 광원부(110), 빔 스플리터(120), 광 전달부(130), 광 조사부(140), 반사부(150), 그리고 검출부(160)를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 광의료 시스템(100)은 OCT(Optical Coherence Tomography) 광 이미징(imaging) 시스템 구조를 기본으로 하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 광의료 시스템(100)이 적외선 광 이미징 및 치료기로 사용되는 경우, 빔 스플리터(120) 및 반사부(150)가 사용되지 않을 수 있다.
광원부(110)는 광원(111)과 상향변환 렌즈(112)를 포함한다. 광원(111)은 적외선 광을 생성하며 적외선 광원이라고도 명명될 수 있다. 상향변환 렌즈(112)는 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성한다. 적외선 광원과 광전달을 위한 광섬유 사이에 상향변환 렌즈(112)가 사용됨으로써, 이미징 대상에 적외선 광과 가시광 대역 조준광이 함께 조사된다.
빔 스플리터(120)는 광원부(110)로부터의 일부 광은 광 조사부(140)로 보내고, 나머지 광은 반사부(150)로 보낸다.
광 전달부(130)는 광학 렌즈(131)를 포함하며, 광섬유를 통해 빔 스플리터(120)로부터 전달되는 광이 광학 렌즈(131)로 입사될 수 있다. 광학 렌즈(131)는 빔 스플리터(120)로부터 전달되어 출력되는 광을 집광하여 광 조사부(140)로 제공한다.
광 조사부(140)는 스캐너(141)와 대물 렌즈(142)를 포함한다. 스캐너(141)는 광 전달부(130)로부터 제공되는 광을 대물 렌즈(142)를 통해 이미징 대상(object)을 스캐닝하고, 스캐닝된 이미징 대상으로부터 방출된 광을 빔 스플리터(120)를 통해 검출부(160)로 제공한다. 여기서, 대물 렌즈(142)는 광 전달부(130)에서 전달된 광을 콜리메이션 또는 집속하는 역할을 한다.
한편, 반사부(150)는 광학 렌즈(151) 및 기준 미러(152)를 포함한다. 광학 렌즈(151)는 빔 스플리터(120)로부터 전달된 광을 기준 미러(152)로 제공하며, 기준 미러(152)로 제공된 광은 기준 미러(152)에 의해 반사되어 다시 광학 렌즈(151)를 통해 빔 스플리터(120)로 제공된다.
빔 스플리터(120)는 광 조사부(140)로부터 제공되는 이미징 대상으로부터 나온 광과 반사부(150)로부터 기준 미러(152)에 의해 반사된 광을 결합하여 검출부(160)로 제공한다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광의료 시스템(100)에서는 검출부(160)에서 기준 미러(152)에 의해 반사된 반사광과 이미징 대상으로부터 반사되어 돌아온 광을 간섭시켜 이미징 대상에 대한 이미지 정보를 획득한다. 검출부(160)는 가시광 대역 광을 차단하기 위한 필터를 추가적으로 구비하여 노이즈 성분을 제거할 수 있다.
이러한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광의료 시스템(100)에서, 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하기 위해 상향변환 렌즈를 광원부(110)에 적용하여, 이미징 대상에 적외선 광과 가시광 대역 조준광이 함께 조사되도록 한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광의료 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
첨부한 도 4에서와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광의료 시스템(100)은 위의 제1 실시 예와 같이, 광원부(110), 빔 스플리터(120), 광 전달부(130), 광 조사부(140), 반사부(150), 그리고 검출부(160)를 포함한다. 다만, 제1 실시 예와는 달리, 광원부(110)가 광원(111)과 집속 렌즈(113)를 포함하며, 광 전달부(130)가 집광을 위한 광학 렌즈 대신에 상향 변환 렌즈(132)를 포함한다. 여기서는 제1 실시 예와 동일한 구조에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 제2 실시 예에서는, 광전달부(130)에 상향변환 렌즈(132)를 적용함으로써, 가시광 대역 조준광이 적외선 광과 함께 이미징 대상에 조사된다. 즉, 광원부(110)로부터는 적외선 광만이 생성되어 출력되며, 이후 광 전달부(130)의 상향변환 렌즈(132)는 빔 스플리터(120)로부터 전달되는 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하여 광 조사부(140)로 제공함으로써, 가시광 대역 조준광이 적외선 광과 함께 이미징 대상에 조사된다.
이러한 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광의료 시스템(100)에서, 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하기 위해 상향변환 렌즈(132)를 광 전달부(130)에 적용하여, 이미징 대상에 적외선 광과 가시광 대역 조준광이 함께 조사되도록 한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광의료 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
첨부한 도 5에서와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광의료 시스템(100)은 위의 제1 실시 예와 같이, 광원부(110), 빔 스플리터(120), 광 전달부(130), 광 조사부(140), 반사부(150), 그리고 검출부(160)를 포함한다. 다만, 제1 실시 예와는 달리, 광원부(110)가 광원(111)과 집속 렌즈(113)를 포함하며, 광 조사부(140)가 대물 렌즈 대신에 상향 변환 렌즈(143)를 포함한다. 여기서는 제1 실시 예와 동일한 구조에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 제3 실시 예에서는, 광조사부(140)에 상향변환 렌즈(143)를 적용함으로써, 가시광 대역 조준광이 적외선 광과 함께 이미징 대상에 조사된다. 즉, 광원부(110)로부터는 적외선 광만이 생성되어 출력되며, 이후 광 조사부(140)의 상향변환 렌즈(143)가 광 전달부(130)로부터 전달되는 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성함으로써, 가시광 대역 조준광이 적외선 광과 함께 이미징 대상에 조사된다.
이러한 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광의료 시스템(100)에서, 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하기 위해 상향변환 렌즈를 광 조사부(140)에 적용하여, 이미징 대상에 적외선 광과 가시광 대역 조준광이 함께 조사되도록 한다.
이러한 본 발명의 실시 예들의 상향변환 렌즈(112, 132, 143)에 사용되는 상향변환 물질로는 낮은 에너지의 빛을 흡수하여 높은 에너지의 빛을 방출하도록 하도록 하는 희토류(rare earth) 계 원소의 이온들로 lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thuliym (Tm), ytterbium (Yb), lutetium (Lu), scandium (Sc), yttrium (Y) 등을 포함하는 물질들이 활용될 수 있다. 그러나 본 발명에서 사용되는 상향변환 물질은 이에 한정되지 않으며, 낮은 에너지의 빛을 흡수하여 높은 에너지의 빛을 방출하는 다양한 물질이 상향변환 물질로 사용될 수 있다. 적외선 영역의 낮은 에너지 빛(pumping source)을 흡수하여 가시광 대역의 높은 에너지 빛을 여기(excitation) 방출하는 상향변환 방출은, 앞서 언급한 희토류 계열 원소의 이온이 포함된 상향변환 물질이 두 개 또는 그 이상의 낮은 에너지 광자를 흡수하여 두 단계 또는 그 이상의 단계에 걸친 에너지 준위 (energy level) 상승을 통해 높은 에너지 준위로 전자를 여기시키고, 전자 천이(electron transfer)를 통해 가시광 영역의 높은 에너지 빛을 방출함으로써 일어난다. 펌핑 광원과 에너지 준위 상승 단계 및 방출되는 빛의 파장은 희토류 원소의 종류와 조합에 따라 달라질 수 있으며, 이를 통해 다양한 색상의 가시광 빛 생성이 가능하다.
위의 실시 예들에서와 같이, 광이미징 시스템에 사용되는 렌즈 중 일부를 상향변환 물질이 포함된 상향변환 렌즈로 대체하여, 적외선 광원 하나를 이용하여 적외선 광과 가시광 대역 조준광을 함께 활용할 수 있다. 그 결과, 별도의 조준광 형성을 위한 가시광 광원과 이를 적외선 광원과 결합시키기 위한 다양한 광학 부품(예를 들어, 광커플러, 파장 분활 다중화기, 빔 스플리터 또는 반사경과 미러 등) 및 결합 공정이 불필요하다. 또한, 광원부, 광전달부 및 광조사부의 소형화가 가능하고 광정렬 및 패키징 공정이 간단해질 뿐 아니라 생산효율이 높아지고 생산단가 절감되는 효과가 있다. 또한 가시광 광원 구동을 위한 전원 공급 수단과 제어 수단 등이 요구되지 않아서, 전체적인 구성이 간단해지는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예들에서 사용된 상향변환 렌즈는 OCT 광 이미징 시스템을 포함한 광 이미징 광의료 시스템 외에도 진단, 치료, 수술용 적외선 광의료 시스템에 적용 가능하며, 기존 광학 렌즈를 대체하는 간단한 방법으로 가시광 대역 조준광이 적외선과 함께 조사되도록 함으로써, 시스템 사용자가 직접 눈으로 적외선이 조사되는 위치에 대한 확인을 가능하게 하여, 환부에 대한 정확한 진단 및 시술이 가능하도록 돕는다. 상향변환 렌즈를 활용한 진단, 치료, 수술용 적외선 광의료 시스템은 기존 적외선 광의료 시스템에서 진단 및 시술 부위 확인을 위해 사용되는 적외선 센서, 적외선 카메라와 수집된 데이터를 처리하기 위한 프로세서 및 처리 결과를 보여주기 위한 디스플레이 장치가 불필요하게 됨에 따라 전체 광의료 시스템의 구성이 단순해지고 시스템 구성을 위한 비용이 절감될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈는 적외선 광원을 이용한 광의료 시스템뿐만 아니라 적외선 광원을 이용한 다양한 산업 및 상업분야에 적외선 광의 시각화를 위한 목적으로 폭넓게 활용 가능하다. 또한, 동시에 적외선 대역 빛과 가시광 대역 빛의 활용이 가능하여 적외선 이미지센서, 현미경, 보안, 식별, 디스플레이, 내시경 등 적외선이 활용되는 다양한 분야에 활용 가능하다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 적외선 및 가시광 방출을 나타낸 예시도이다.
구체적으로, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈에서, 상향변환 물질의 집적 위치에 따른 적외선(Light I) 및 상향변환 된 가시광(Light II)의 투과 방출 결과를 나타낸다. 여기서는 예시적으로 콜리메이션(collimation) 렌즈에 상향변환 물질을 집적하여 구성한 상향변환 렌즈에 대한 투과 방출 결과를 나타낸다.
도 6의 (a)는 상향변환 물질을 렌즈의 입사면에서 가운데 부분에 집적시킨 경우의 투과 방출시키는 결과를 나타내며, 도 6의 (b)는 상향변환 물질을 렌즈의 입사면에서 가운데 부분을 제외한 상단부분과 하단 부분에 각각 집적시킨 경우의 투과 방출시키는 결과를 나타내고, 도 6의 (c)는 렌즈의 입사면을 두 부분으로 나눈 경우에, 상향변환 물질을 하측에 대응하는 부분에 집적시킨 경우의 투과 방출시키는 결과를 나타내며, 도 6의 (d)는 상향변환 물질을 렌즈의 입사면 전체에 집적시킨 경우의 투과 방출시키는 결과를 나타낸다.
첨부한 도 6의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 상향변환 물질의 위치에 따라 적외선 광원으로부터 상향변환되어 방출되는 가시광의 위치가 달라질 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 상향변환 물질의 위치에 따라 가시광의 위치와 분포 조절이 가능하다.
이외에도, 상향변환 물질에 포함되어 상향변환을 일으키는 희토류 계열 원소의 성분, 조합 조절을 통해 다양한 색상의 가시광 대역 빛 방출이 가능하며, 희토류 계열 원소의 농도, 면적 및 적외선 대역 펌핑 광원의 광량에 따라 상향변환 렌즈를 거쳐 방출되는 적외선과 가시광의 비율 및 광량 조절이 가능하다. 또한, 희토류 계열 원소의 농도와 광도에 따라 여기-천이 과정의 효율이 다르며 그 결과 여기-방출되는 가시광과 여기되지 않고 방출되는 적외선 광의 비율이 다르다(광량 또한 다를 수 있음).
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈를 구성하는 상향변환 물질의 구성 예를 나타낸 도이다.
상향변환 물질의 면적, 형상, 밀도, 두께 및 구성을 사용목적 및 응용분야에 따라 다양하게 변형이 가능하다. 상향변환 물질의 형상은 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 다각형, 일부가 손실되거나 속이 빈 구조, 연결/끊어짐/연속/불연속/규칙/불규칙의 점/선/면 구조를 갖는 기하학 구조, 숫자, 문자, 그림 등 사용목적과 응용분야에 따라 다양하게 집적이 가능하며 어떠한 형태로 변형이 가능하다.
또한, 도 7에서와 같이, 상향변환 물질을 렌즈에 집적하는 위치를, 적외선이 렌즈로 입사하는 입사면(front surface), 방출면(rear surface) 및 내부(inside) 중 하나일 수 있다. 첨부한 도 7의 (b)에서와 같이, 상향변환 물질을 렌즈의 입사면에 집적할 수 있으며(도 6 참조), 이외에도, 도 7의 (c)에서와 같이, 렌즈의 입사면 이외에, 광이 방출되는 렌즈의 방출면에 집적할 수 있다. 또한, 도 7의 (d) 및 (e)에서와 같이, 상향변환 물질을 렌즈의 내부에 집적할 수 있으며, 도 7의 (d)에서와 같이, 렌즈 내부의 일부에만 상향변환 물질을 집적하거나 또는 도 7의 (e)에서와 같이, 렌즈 내부 전체에 상향변환 물질을 집적할 수도 있다.
본 발명의 상향변환 물질의 형상 및 렌즈에 집적되는 위치는 도 7에 도시된 것에 한정되지 않으며, 다양한 형태로의 변경이 가능하다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 투과광 방출 형태를 나타낸 예시도이다.
첨부한 도 8에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈는 사용목적과 응용분야에 따라 렌즈를 투과하여 방출되는 적외선과 가시광이 콜리메이션 형태(도 8의 (a) 참조), 집속 형태(도 8의 (b) 참조), 발산 형태(도 8의 (c) 참조)) 중 하나의 형태로 출력되도록 설계 및 제작될 수 있다. 예를 들어, 설계값 조절을 통해 상향변환 렌즈의 형상 조절을 통해 초점거리, 수렴각도 및 발산각도를 제어하여, 도 8에 예시된 바와 같은 다양한 투과광 형태가 되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 측면형상과 외곽형상 또한 사용목적에 따라 다양하게 변형 가능하다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 측면 및 외곽 형상을 나타낸 예시도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 측면형상은 도 9에 예시된 바와 같이 다양한 형상일 수 있다. 구체적으로, 도 9의 (a)에서와 같이, 상향변환 렌즈의 측면 형상이, 양면이 볼록한(biconvex) 형상, 한쪽 면이 볼록한(plano-convex) 형상, 오목 볼록 렌즈(positive meniscus) 형상, 볼록 오목 렌즈(negative meniscus) 형상, 한쪽 면이 오목한(plano-concave) 형상, 양면이 오목한(bioconcave) 형상, 멘스컨스(menscus) 형상, 메니스커스(meniscus) 형상일 수 있으며, 이외에도 평면 형상 및 자유형상(freeform)등을 포함한 다양한 측면형상을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 렌즈의 외곽 형상은 도 9에 예시된 바와 같이 다양한 형상일 수 있다. 구체적으로, 도 9의 (b)에서와 같이, 상향변환 렌즈의 외곽 형상이, 원형, 타원형, 모서리가 커브진 사각형, 사각형, 삼각형 등의 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 외곽형상이외에도, 상향변환 렌즈의 외곽 형상은 시스템 구성과 광학부 설계에 따라 다양한 기하학 구조의 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상향변환 물질은 입사된 광이 투과하여 방출될 수 있는 유리, 플라스틱, 반도체, 폴리머, 고분자 물질 등 모든 종류의 물질에 집적 가능하며 렌즈와 동일하거나 유사한 효과를 낼 수 있다. 아울러 시스템 구성과 사용목적 등에 따라 하나 또는 다수개의 상향변환 렌즈가 집적될 수 있으며, 다수개의 상향변환 렌즈가 집적된 경우 각 상향변환 렌즈의 형상과 상향변환 물질의 종류 및 렌즈의 집적 위치 등에 따라 다양한 파장과 패턴의 가시광 대역 발산광 형성이 가능하다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 사업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
Claims (17)
- 적외선 광을 생성하는 광원부;
상기 적외선 광을 전달하는 광 전달부; 및
상기 광 전달부로부터의 광을 이미징 대상에 조사하는 광 조사부
를 포함하며,
상기 광원부, 상기 광 전달부 및 상기 광 조사부 중 하나에 상기 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하는 상향변환 렌즈가 포함되어 있는, 광 의료 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 상향변환 렌즈는 적외선 대역의 빛을 흡수하여 가시광 대역의 빛을 방출하여 상기 가시광 대역 조준광을 생성하는 상향변환 물질을 포함하는, 광 의료 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 입사면에 집적되어 있는, 광 의료 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 방출면에 집적되어 있는, 광 의료 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 내부에 집적되어 있는, 광 의료 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈에 집적되는 위치에 따라, 상기 상향변환 렌즈로부터 방출되는 상기 가시광 대역 조준광의 위치와 분포가 달라지는, 광 의료 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 입사면 또는 방출면에서, 가운데 부분에 집적되어 있는, 광 의료 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 입사면 또는 방출면에서, 가운데 부분을 제외한 상단 부분 또는 하단 부분에 집적되어 있는, 광 의료 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 입사면 또는 방출면을 두 개의 부분으로 나눈 경우, 상기 2개의 부분 중 어느 하나의 부분에 집적되어 있는, 광 의료 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 상향변환 물질이 상기 상향변환 렌즈의 입사면 또는 방출면 전체에 집적되어 있는, 광 의료 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 상향변환 물질의 밀도, 성분, 조성, 면적, 밀도 및 적외선 여기 파장과 세기에 따라, 상기 상향변환 렌즈로부터 방출되는 적외선 광과 상기 가시광 대역 조준광의 비율과 세기가 달라지는, 광 의료 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 상향변환 렌즈의 초점거리, 수렴각도 및 발산각도 중 적어도 하나의 변경에 따라, 상기 상향변환 렌즈로부터 적외선 광과 상기 가시광 대역 조준광이 콜리메이션 형태, 집속 형태, 발산 형태 중 하나의 형태로 방출되는, 광 의료 시스템. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광원부가
상기 적외선 광을 생성하는 광원; 및
상기 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하는 상향변환 렌즈
를 포함하는, 광 의료 시스템. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 전달부가
상기 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하여, 상기 적외선 광과 상기 가시광 대역 조준광을 상기 광 조사부로 제공하는 상향변환 렌즈를 포함하는, 광 의료 시스템. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 조사부가
상기 광 전달부로부터 제공되는 적외선 광으로 상기 이미징 대상을 스캐닝하는 스캐너; 및
상기 스캐너로부터의 적외선 광으로부터 가시광 대역 조준광을 생성하여, 상기 적외선 광과 상기 가시광 대역 조준광을 상기 이미징 대상에 조사하는 상향변환 렌즈
를 포함하는, 광 의료 시스템. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
반사부; 및
상기 광원부에서 출력되는 광의 일부는 상기 광 조사부로 보내고, 상기 광원부에서 출력되는 광의 나머지는 상기 반사부로 보내는 빔 스플리터
를 더 포함하는, 광 의료 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 반사부에 의해 반사되는 반사광과 상기 이미징 대상으로부터 반사되어 돌아온 광을 간섭시켜 이미징 대상에 대한 이미지 정보를 획득하는 검출부
를 더 포함하며,
상기 반사부는 상기 빔 스플리터로부터 제공되는 광을 반사시키며, 상기 빔 스플리터는 상기 광 조사부로부터 제공되는 이미징 대상으로부터 나온 광과 상기 반사부로부터 반사된 광을 결합하여 상기 검출부로 제공하는, 광 의료 시스템.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114994931A (zh) * | 2022-05-27 | 2022-09-02 | 合肥英睿系统技术有限公司 | 前置瞄准装置及组合式瞄准系统 |
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2017
- 2017-09-21 KR KR1020170122072A patent/KR20190033695A/ko unknown
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114994931A (zh) * | 2022-05-27 | 2022-09-02 | 合肥英睿系统技术有限公司 | 前置瞄准装置及组合式瞄准系统 |
| CN114994931B (zh) * | 2022-05-27 | 2023-08-01 | 合肥英睿系统技术有限公司 | 前置瞄准装置及组合式瞄准系统 |
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