KR20230112332A - 캡슐 내시경 - Google Patents

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KR20230112332A
KR20230112332A KR1020220008461A KR20220008461A KR20230112332A KR 20230112332 A KR20230112332 A KR 20230112332A KR 1020220008461 A KR1020220008461 A KR 1020220008461A KR 20220008461 A KR20220008461 A KR 20220008461A KR 20230112332 A KR20230112332 A KR 20230112332A
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capsule endoscope
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조재흥
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한남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일실시 형태는, 투명 케이스와, 상기 투명 케이스의 내부에 형성되며 관통 홀을 가지는 제1 반사부와, 전면이 상기 제1 반사부와 마주보게 배치되어 상기 제1 반사부로부터 입사된 광을 반사시키며, 중앙에 관통홀이 형성된 제2 반사부, 및 상기 제2 반사부에서 반사된 광 및 상기 제2 반사부의 관통홀을 통과한 광을 수광하여 이미지 센서에 광을 전달하는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈계를 포함하는 캡슐 내시경을 제공할 수 있다.

Description

캡슐 내시경{CAPSULE ENDOSCOPE}
본 발명은 캡슐 내시경에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전방위 촬영이 가능한 광학계가 구비된 캡슐 내시경에 관한 것이다.
인체의 내장 기관은 식도, 위장, 소장, 대장, 간 및 췌장 등과 같이 복수 개의 기관으로 구성된다. 인체의 내장 기관 중 식도, 위장, 소장 및 대장은 소화기관으로 분류된다. 이러한 소화 기관의 검사를 통한 병변 확인은 초음파 검사, 단층 촬영 검사 및 내시경 검사 등과 같은 다양한 검사 방법이 사용된다. 초음파 검사, 단층 촬영검사 및 내시경 검사 등과 같은 다양한 검사 방법 중 시각적으로 직접 관찰할 수 있는 검사로 내시경 검사가 많이 사용된다.
내시경 검사를 전후로 환자들은 불편함과 검사 중 내시경 기구물에 의해 장 속의 출혈로 천공과 같은 합병증들을 유발한다는 단점이 있으며, 이를 보완하기 위해 캡슐 내시경이 개발되었다. 캡슐 내시경은 알약 크기로 환자들의 검사진행 중 고통 부담을 줄이며 검사를 진행하면서도 일상생활이 가능하다는 장점이 있다. 캡슐 내시경은 일반 내시경으로 관찰이 어려운 소장 관찰을 목적으로 개발이 되었으나 식도, 위, 대장까지 활용영역이 넓어지고 있다.
선행문헌 : 한국 공개특허 10-2020-0102267
도 1은, 선행문헌에 나타난 캡슐 내시경의 구조도이다. 선행문헌에 따른 캡슐 내시경(1)은 케이싱(30), 케이싱 내부에 수용되어 인체 내부에 투입되고 인체 내부를 촬영하여 영상을 생성하는 영상 모듈(50), 영상 모듈과 동일한 축선 방향으로 상기 케이싱 내부에 수용되며 영상 모듈에 전원을 제공하는 배터리 모듈(70) 및 케이싱의 내부에 형성되어 각각 영상 모듈과 배터리 모듈에 접촉되어 영상모듈과 배터리 모듈 사이를 전기적으로 연결하는 회로 연결부를 포함할 수 있다.
선행문헌에 개시된 캡슐 내시경은 일방향을 향하도록 카메라가 배치되어 캡슐 내시경의 진행방향을 촬영하도록 되어 있다. 따라서, 장 내벽의 질병 유무를 판단하기에는 화각이 적절하지 않은 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 일실시 형태에서는 초소형 전방위 광학계를 이용하여 캡슐 내시경의 측면영상을 360°촬영이 가능하며 캡슐 내시경 진행방향까지 촬영이 가능한 캡슐 내시경을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시 형태는, 투명 케이스와, 상기 투명 케이스의 내부에 형성되며 관통 홀을 가지는 제1 반사부와, 전면이 상기 제1 반사부와 마주보게 배치되어 상기 제1 반사부로부터 입사된 광을 반사시키며, 중앙에 관통홀이 형성된 제2 반사부, 및 상기 제2 반사부에서 반사된 광 및 상기 제2 반사부의 관통홀을 통과한 광을 수광하여 이미지 센서에 광을 전달하는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈계를 포함하는 캡슐 내시경을 제공할 수 있다.
상기 제1 반사부는 상기 제2 반사부를 향해 볼록한 구면 거울이며 중앙부에 관통홀이 형성될 수 있다.
상기 제2 반사부는 평면 거울일 수 있다.
상기 이미지 센서에는, 상기 제2 반사부의 관통홀을 통해 촬영된 상기 캡슐 내시경의 진행방향 정면영상과, 상기 제1 반사부 및 제2 반사부를 통해 촬영된 상기 캡슐 내시경의 진행방향 측면영상이 결상되는 것일 수 있다.
상기 캡슐 내시경은, 상기 제2 반사부의 후면 방향에 배치되며, 상기 캡슐 내시경의 진행방향의 광을 수광하여 상기 제2 반사부의 관통홀로 통과시키는 수광렌즈부를 더 포함할 수 있다.
상기 캡슐 내시경은, 상기 제2 반사부의 후면 방향에 배치되는 조명부를 더 포함할 수 있으며, 이 때, 상기 조명부는 상기 캡슐 내시경의 진행방향 및 진행방향 측면을 조광할 수 있다.
본 발명의 일실시 형태에 따르면, 캡슐 내시경의 진행방향에서 장 정면을 촬영하도록 캡슐 내시경의 측면영상을 촬영할 뿐만 아니라 캡슐 내시경의 진행방향 정면을 촬영할 수 있어서, 캡슐 내시경의 자세제어 및 경로 이동이 용이한 캡슐 내시경을 얻을 수 있다.
도 1은, 종래 기술에 따른 캡슐 내시경의 구조도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 구조도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 캡슐 내시경의 이미지 센서에 영상이 결상되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 스폿 다이어그램이다.
도 6은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서 각 반화각에 대한 MTF(modulation transfer function)를 나타낸다.
도 7은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서의 초점심도(DOF : depth of focus)를 나타낸다.
도 8은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서 누적확률을 분석한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시형태에 따른 캡슐 내시경을 특정의 온도변화로 진행시 영상의 스폿 다이어그램이다.
도 10은, 본 발명의 일실시형태에 따른 캡슐 내시경을 특정의 온도변화로 진행시 MTF 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 구조도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(200)은, 투명 케이스(210), 제1 반사부(220), 제2 반사부(230), 및 렌즈계(240)를 포함할 수 있다.
투명 케이스(210)는, 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경의 외형을 구성한다. 투명 케이스의 내부에는 상기 제1 반사부, 제2 반사부 및 렌즈계를 포함하여 캡슐 내시경 작동을 위한 전자부품등이 배치될 수 있다. 투명 케이스의 전체적인 형태는 알약과 같은 캡슐 형태를 가지며 내부에 배치되는 전자 부품 등을 보호하기 위해 밀봉될 수 있다. 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경에서 투명 케이스(210)는 제1 반사부(220) 및 제2 반사부(230)의 관통홀로 광을 투영시킬 수 있도록 투명한 재질로 형성될 수 있다. 상기 투명 케이스(210)는 전체가 투명한 재질로 형성될 수도 있으며, 제1 반사부(220) 및 제2 반사부의 관통홀(231)로 광을 투영시킬수 있는 일부 영역만 투명한 재질로 형성될 수도 있다. 상기 투명 케이스는 일부가 원기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 단부는 둥근 반구 타입으로 형성될 수 있다.
제1 반사부(220)는, 상기 투명 케이스(210)를 통해 입사되는 광을 반사시킬 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제1 반사부(220)는 볼록한 형태로 형성되며 중앙부에 관통홀(221)이 형성될 수 있다. 상기 제1 반사부(220)는 투명 케이스(210)를 통해 입사되는 광을 제2 반사부(230)로 반사시킬 수 있다. 상기 제1 반사부(220)는 제2 반사부(230) 방향으로 볼록한 형태의 구면거울일 수 있다. 상기 중앙부에 형성된 관통홀(221)은 제1 반사부(220)의 전면 및 후면을 관통하는 구멍일 수 있다. 상기 제1 반사부(220)는 관통 홀(221)을 중심으로 회전 대칭형일 수 있다.
제2 반사부(230)는, 전면이 상기 제1 반사부(220)와 마주보게 배치되고, 상기 제1 반사부로부터 입사된 광을 반사시킬 수 있다. 상기 제2 반사부(230)는 평면거울일 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제2 반사부(230)에서 반사되는 광은 상기제1 반사부(220)에 형성된 관통홀(220)로 입사될 수 있다. 상기 제2 반사부는 오목거울 형태로 구현될 수도 있다. 이처럼, 제2 반사부(230)에서 반사되는 광이 상기제1 반사부의 관통홀(221)로 입사되기 위해서는 상기 제1 반사부(220) 및 제2 반사부(230)의 곡률반경 및 제1 반사부와 제2 반사부의 배치 거리 등을 계산하여 배치될 수 있다.
본 실시형태에서 상기 제2 반사부(230)의 중앙부분에는 관통홀(231)이 형성될 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제1 반사부로부터 입사된 광을 반사시키는 역할을 하는 영역은 제2 반사부의 가장자리 영역일 수 있다. 상기 중앙부에 형성된 관통홀(231) 영역을 통해 캡슐 내시경의 진행방향 정면의 광이 통과할 수 있다.
렌즈계(240)는, 상기 제2 반사부(230)에서 반사된 광 및 상기 제2 반사부의 관통홀(231)을 통과한 광을 수광하여 이미지 센서(250)에 전달할 수 있다. 상기 렌즈계(240)는 상기 제1 반사부(220)의 관통홀(221)의 후면에 배치되어 상기 관통홀(221)을 통해 입사되는 제2 반사부의 반사광 및 제2 반사부의 관통홀(231)을 통과한 광을 수광할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 렌즈계(240)는 복수의 렌즈(241, 242, 243, 244, 245, 246)를 포함할 수 있다. 상기 복수의 렌즈 중 적어도 하나는 비구면 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 렌즈계(240)의 구성은 전체 광학계의 길이나 화각 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
상기 렌즈계(240)의 후면에는 이미지 센서(250)가 배치될 수 있다. 이미지 센서(250)는 CCD(Charge Coupled Devide) 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 타입일 수 있다. 이미지 센서는 수광된 광으로부터 영상 이미지를 생성할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 이미지 센서(250)는 가시광(RGB)과 근적외선(near-infrared, NIR)에 대한 영상을 동시에 결상시킬 수 있는 이미지 센서가 사용될 수 있다.
본 실시형태에서 제1 반사부(220), 제2 반사부(230) 및 렌즈계(240)는 광축을 따라 일렬로 배치될 수 있다. 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(200)은 캡슐 내시경의 진행방향과 직각인 측면의 영상을 촬영하기 위해서, 제1 반사부(220)를 볼록 형태로 배열하고, 상기 제1 반사부와 대향하도록 제2 반사부(230)를 배치하였다. 또한, 상기 제2 반사부(230)에서 반사된 광이 제1 반사부의 관통홀(221) 뒤에 형성된 렌즈계(240)로 향하도록 배치될 수 있다. 이렇게 함으로서, 캡슐 내시경의 진행방향과 직각인 내장의 벽면에 대한 360° 촬영이 가능할 수 있다. 또한, 상기 캡슐 내시경의 진행방향 정면을 촬영할 수 있도록 제2 반사부의 중앙에 관통홀(231)을 형성하였다. 이렇게 함으로써, 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경의 이미지 센서에는 캡슐 내시경의 진행방향과 직각인 내장의 벽면 뿐만 아니라 캡슐 내시경의 진행방향에 대한 영상이 결상될 수 있다. 상기 투명 케이스(210) 내부에는 제1 반사부(220), 제2 반사부(230) 및 렌즈계(240)를 고정시키기 위한 별도의 고정기구물이 형성될 수 있다.
본 실시형태에 따른 캡슐 내시경의 촬영 영역은 정면영상의 반화각(HFOV : Half field of View)은 70°, 측면영상의 반화각은 50°~ 120°가 되도록 제1 반사부 및 제2 반사부의 곡률반경이나 제1 반사부 및 제2 반사부에 형성된 관통홀의 크기, 제1 반사부, 제2 반사부 및 렌즈계의 배치등을 조절할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 구조도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(300)은, 투명 케이스(310), 제1 반사부(320), 제2 반사부(330), 렌즈계(340), 수광 렌즈부(360), 조명부(370)를 포함할 수 있다.
투명 케이스(310)는, 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경의 외형을 구성한다. 투명 케이스의 내부에는 상기 제1 반사부, 제2 반사부 및 렌즈계를 포함하여 캡슐 내시경 작동을 위한 전자부품등이 배치될 수 있다. 투명 케이스의 전체적인 형태는 알약과 같은 캡슐 형태를 가지며 내부에 배치되는 전자 부품 등을 보호하기 위해 밀봉될 수 있다. 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경에서 투명 케이스(310)는 제1 반사부(320) 및 제2 반사부(330)의 관통홀로 광을 투영시킬 수 있도록 투명한 재질로 형성될 수 있다. 상기 투명 케이스(310)는 전체가 투명한 재질로 형성될 수도 있으며, 제1 반사부(320) 및 제2 반사부의 관통홀(331)로 광을 투영시킬수 있는 일부 영역만 투명한 재질로 형성될 수도 있다. 상기투명 케이스는 일부가 원기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 단부는 둥근 반구 타입으로 형성될 수 있다.
제1 반사부(320)는, 상기 투명 케이스(310)를 통해 입사되는 광을 반사시킬 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제1 반사부(320)는 볼록한 형태로 형성되며 중앙부에 관통홀(321)이 형성될 수 있다. 상기 제1 반사부(320)는 투명 케이스(310)를 통해 입사되는 광을 제2 반사부(330)로 반사시킬 수 있다. 상기 제1 반사부(320)는 제2 반사부(330) 방향으로 볼록한 형태의 구면거울일 수 있다. 상기 중앙부에 형성된 관통홀(321)은 제1 반사부(320)의 전면 및 후면을 관통하는 구멍일 수 있다. 상기 제1 반사부(320)는 관통 홀(321)을 중심으로 회전 대칭형일 수 있다.
제2 반사부(330)는, 전면이 상기 제1 반사부(320)와 마주보게 배치되고, 상기 제1 반사부로부터 입사된 광을 반사시킬 수 있다. 상기 제2 반사부(330)는 평면거울일 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제2 반사부(330)에서 반사되는 광은 상기제1 반사부(320)에 형성된 관통홀(321)로 입사될 수 있다. 상기 제2 반사부는 오목거울 형태로 구현될 수도 있다. 이처럼, 제2 반사부(330)에서 반사되는 광이 상기제1 반사부의 관통홀(321)로 입사되기 위해서는 상기 제1 반사부(320) 및 제2 반사부(330)의 곡률반경 및 제1 반사부와 제2 반사부의 배치 거리 등을 계산하여 배치될 수 있다.
본 실시형태에서 상기 제2 반사부(330)의 중앙부분에는 관통홀(331)이 형성될 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제1 반사부로부터 입사된 광을 반사시키는 역할을 하는 영역은 제2 반사부의 가장자리 영역일 수 있다. 상기 중앙부에 형성된 관통홀(331) 영역을 통해 캡슐 내시경의 진행방향 정면의 광이 통과할 수 있다.
렌즈계(340)는, 상기 제2 반사부(330)에서 반사된 광 및 상기 제2 반사부의 관통홀(331)을 통과한 광을 수광하여 이미지 센서(350)에 전달할 수 있다. 상기 렌즈계(340)는 상기 제1 반사부(320)의 관통홀(321)의 후면에 배치되어 상기 관통홀(321)을 통해 입사되는 제2 반사부의 반사광 및 제2 반사부의 관통홀(331)을 통과한 광을 수광할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 렌즈계(340)는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 복수의 렌즈 중 적어도 하나는 비구면 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 렌즈계(340)의 구성은 전체 광학계의 길이나 화각 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
상기 렌즈계(340)의 후면에는 이미지 센서(350)가 배치될 수 있다. 이미지 센서(350)는 CCD(Charge Coupled Devide) 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 타입일 수 있다. 이미지 센서는 수광된 광으로부터 영상 이미지를 생성할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 이미지 센서(350)는 가시광(RGB)과 근적외선(near-infrared, NIR)에 대한 영상을 동시에 결상시킬 수 있는 이미지 센서가 사용될 수 있다.
본 실시형태에서 제1 반사부(320), 제2 반사부(330) 및 렌즈계(340)는 광축을 따라 일렬로 배치될 수 있다. 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(300)은 캡슐 내시경의 진행방향과 직각인 측면의 영상을 촬영하기 위해서, 제1 반사부(320)를 볼록 형태로 배열하고, 상기 제1 반사부와 대향하도록 제2 반사부(330)를배치하였다. 또한, 상기 제2 반사부(330)에서 반사된 광이 제1 반사부의 관통홀(321) 뒤에 형성된 렌즈계(340)로 향하도록 배치될 수 있다. 이렇게 함으로써, 캡슐 내시경의 진행방향과 직각인 내장의 벽면에 대한 360° 촬영이 가능할 수 있다. 또한, 상기 캡슐 내시경의 진행방향 정면을 촬영할 수 있도록 제2 반사부의 중앙에 관통홀(331)을 형성하였다. 이렇게 함으로서, 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경의 이미지 센서에는 캡슐 내시경의 진행방향과 직각인 내장의 벽면 뿐만 아니라 캡슐 내시경의 진행방향에 대한 영상이 결상될 수 있다. 상기 투명 케이스(310) 내부에는 제1 반사부(320), 제2 반사부(330) 및 렌즈계(340)를 고정시키기 위한 별도의 고정기구물이 형성될 수 있다.
본 실시형태에 따른 캡슐 내시경의 촬영 영역은 정면영상의 반화각(HFOV : Half field of View)은 70°, 측면영상의 반화각은 50°~ 120°가 되도록 제1 반사부 및 제2 반사부의 곡률반경이나 제1 반사부 및 제2 반사부에 형성된 관통홀의 크기, 제1 반사부, 제2 반사부 및 렌즈계의 배치등을 조절할 수 있다.
본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(300)은, 수광 렌즈부(360)를 포함할 수 있다. 상기 수광 렌즈부(360)기 제2 반사부의 후면 방향에 배치되며, 상기 캡슐 내시경의 진행방향의 광을 수광하여 상기 제2 반사부의 관통홀로 통과시킬 수 있다. 상기 수광 렌즈부(360)는 상기 제2 반사부의 관통홀(331)을 덮을 수 있도록 형성될 수 있다. 상기 수광 렌즈부(360)를 통해 입사된 캡슐 내시경 진행방향 정면의 광은 상기 제2 반사부의 관통홀(331), 제1 반사부의 관통홀(321), 및 렌즈계(340)를 통과하여 이미지 센서(350)에 영상이 결상될 수 있다. 상기 수광 렌즈부(360)는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 복수의 렌즈 중 적어도 하나는 구면렌즈를 포함할 수 있다. 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(300)의 이미지 센서(350)에는 캡슐 내시경 진행방향 측면영상 및 정면영상이 동시에 결상될 수 있다. 따라서, 이미지센서에 측면영상이 결상되고 남는 공간에 정면영상이 결상되도록 상기 수광 렌즈부(360)를 구성할 수 있다. 즉, 상기 수광 렌즈부(360)는 렌즈계(340)를 구성하는 렌즈들의 곡률반경, 두께, 렌즈의 매질을 고려하여 설계될 수 있다.
본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(300)은, 조명부(370)를 더 포함할 수 있다. 상기 조명부(370)는 제2 반사부(330)의 후면부에 배치될 수 있다. 바람직하게는 상기 수광 렌즈부(360)의 주변으로 형성될 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 조명부(370)는 상기 제1 반사부(320)의 반화각(HFOV : Half Field of View) 및 캡슐 내시경 진행방향 정면을 조명하도록 배치될 수 있다. 상기 조명부(370)는, 상기 제2 반사부(330)를 향하는 제1 면, 상기 제1 면에 대향하는 제2 면 및 상기 제1 면과 제2 면을 연결하는 복수의 측면을 포함하는 기판부와, 상기 기판부의 복수의 측면 및 제2면에 배치되는 LED소자를 포함할 수 있다. 상기 제1 면과 제2면의 중앙부에는 상기 수광 렌즈부(360)가 수납될 수 있도록 관통영역이 형성될 수 있다. 즉, 상기 LED 소자는 상기 제1 반사부, 제2 반사부 및 렌즈계에 의해 이미지 센서(350)에 생성되는 촬영 영역을 조명하도록 배치될 수 있다. 상기 LED 소자는 상기 캡슐 내시경(300)의 정면 및 측부를 조명하도록 배치될 수 있다. 이렇게 함으로써, 상기 전방위 촬영이 가능한 캡슐 내시경이 촬영하는 캡슐 내시경 진행방향 및 내장의 벽면을 조명하도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 캡슐 내시경의 이미지 센서에 영상이 결상되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a)는 캡슐 내시경 진행방향 측면영상이 결상되는 개념을 나타낸다. 캡슐 내시경의 진행방향 측면은 내장의 벽일 수 있다. 캡슐 내시경이 내장을 따라 진행시 진행방향 측면인 내장 벽면의 영상은 제1 반사부(420)를 통해 입력되고, 제1 반사부에서 반사된 영상은 제2 반사부(430)의 가장자리 영역을 통해 반사될 수 있다. 이렇게 반사된 영상은 제1 반사부에 형성된 관통홀(421)을 통해 렌즈계(440)로 진행할 수 있다. 렌즈계(440)의 복수의 렌즈를 통과한 후 영상은 이미지 센서(450)에 결상될 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 캡슐 내시경의 측면 영상은 이미지 센서의 가장자리 부분에 결상될 수 있다.
도 4의 (b)는 캡슐 내시경 진행방향의 정면영상이 결상되는 개념을 나타낸다. 캡슐 내시경의 진행방향은 내장의 길이 방향일 수 있다. 캡슐 내시경이 내장을 따라 진행시, 진행방향인 내장의 정면영상은 수광 렌즈부(460)를 통해 입력될 수 있다. 상기 수광렌즈부(460)의 곡률반경 등에 의해 촬영가능한 각도가 달라질 수 있다. 수광렌즈부(460)를 통과한 영상은 제2 반사부(430)에 형성된 관통홀(431) 및 제1 반사부에 형성된 관통홀(미도시)을 통과하여 렌즈계(440)로 진행할 수 있다. 렌즈계(440)의 복수의 렌즈를 통과한 후 영상은 이미지 센서(450)에 결상될 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 캡슐 내시경의 정면 영상은 이미지 센서의 가운데 부분에 결상될 수 있다. 본 실시형태에서는 이미지 센서(450)에 정면영상 및 측면영상이 서로 겹치지 않고 결상되도록 제1 반사부의 곡률, 렌즈계 및 수광 렌즈부의 구성 및 스펙등을 결정할 수 있다. 렌즈계 및 수광 렌즈부를 구성하는 렌즈들은 곡률반경, 두께, 렌즈의 매질에 따라 광투과 특성이 달라지므로 이를 고려하여 캡슐 내시경을 설계할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 스폿 다이어그램이다.
도 5의 (a)는 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경에서 반화각 50°, 65°, 80°, 95°, 110°, 120°에서의 측면 영상 스폿 다이어그램이고, 도 5의 (b)는 정면 결상광학계의 반화각 0°, 14°, 28°, 42°, 56°, 70°에서의 정면영상 스폿 다이아그램이다. 도 5의 (a)에서 RMS 값은, 각각 1.5㎛, 1.0㎛, 1.3㎛, 1.2㎛, 1.0㎛, 0.8㎛임을 확인할 수 있다. 도 5의 (b)에서 RMS 값은 각각 2.4㎛, 1.4㎛, 1.3㎛, 1.3㎛, 1.0㎛, 0.8㎛ 임을 확인할 수 있다. 이 값들은 원으로 보이는 에어리 디스크(Airy disk) 안에 스폿이 형성되는 것으로 확인할 수 있으며, 이미지 센서의 픽셀 크기 5.6㎛와 비교했을 때에도 스폿이 작게 형성되는 것을 확인하였다.
도 6은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서 각 반화각에 대한 MTF(modulation transfer function)를 나타낸다. 일반적으로 광학계의 MTF는 광학계의 해상도와 명암대비의 척도로 이미지 센서에 의해 정해진 나이퀴스트 주파수에서 MTF가 0.3을 넘는 것으로 광학계의 성능지표를 삼는다. 본 실시형태에서는 이미지 센서의 가시광과 근적외선에 대한 나이퀴스트 주파수인 90 lp/mm 와 180 lp/mm의 값으로 각각 MTF를 평가하였다. 도 6의 (a)는 반화각 50°, 65°, 80°, 95°, 110°, 120°에 대한 MTF이고, 도 6의 (b)는 반화각 0°, 14°, 28°, 42°, 56°, 70°에 대한 MTF이다. 본 실시예에서 측면영상에 대한 MTF 값은 가시광의 경우 90 lp/mm에서 0.55 의 MTF 값을 가지고 근적외선의 경우 180 lp/mm에서 약 0.21의 MTF값을 나타낸다. 또한, 정면영상의 경우 90 lp/mm에서 0.58의 MTF 값이므로 가시광영역에서의 MTF 성능은 충분히 나타나는 것으로 볼 수 있다.
도 7은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서의 초점심도(DOF : depth of focus)를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 도 7의 (a)는 측면영상의 반화각 50°, 65°, 80°, 95°, 110°, 120°에서의 초점심도를 나타내고, 도 7의 (b)는 정면영상의 반화각 0°, 14°, 28°, 42°, 56°, 70°에서의 초점심도를 나타낸다. 측면영상의 초점심도는 -0.052mm ~ +0.052mm의 값을 가지고, 정면 영상의 초점심도는 -0.035mm~+0.051 mm의 값을 가진다. 따라서, 이미지 센서의 배치 및 조립에는 문제가 없다.
도 8은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서 누적확률을 분석한 그래프이다. 본 실시형태에서 고려한 공차의 종류와 범위는 렌즈의 두께변화 ±0.03mm, 렌즈의 곡률 반경 변화 ±0.05%, 시험판 검사도 2ring, 렌즈의 굴절률 0.0005, V-값 공차 1%, 면의 불균일도 0.5 ring, 경통의 기울기 0.0005 rad, 렌즈 그룹의 관심 공차 0.0005mm로 설정되었다. 도 8의 (a)에서는 측면영상의 공차에 따른 가시광 영역의 나이퀴스트 주파수인 90 lp/mm 에서 MTF에 따른 누적 확률을 나타낸다. 측면영상의 반화각 50°, 65°, 80°, 95°, 110°, 120°에서 0.3의 MTF에서 99%dml 공차 누적 분포를 가지므로 충분한 성능을 가진다고 판단하였다. 도 8의 (b)에서는 정면영상의 공차에 따른 가시광 영역의 나이퀴스트 주파수인 90 lp/mm에서 MTF에 따른 누적 확률을 나타낸다. 정면영상의 반화각 0°, 14°, 28°, 42°, 56°, 70°에서 0.3의 MTF값에서 99.9%의 공차 누적 확률을 가지므로 광학계 전체의 조립과정에서의 공차에는 문제가 없다.
도 9는 본 발명의 일실시형태에 따른 캡슐 내시경을 특정의 온도변화로 진행시 영상의 스폿 다이어그램이다. 도 9의 (a)는 20℃로 온도변화를 진행했을 때 측면영상의 스폿 다이어그램이고, 도 9의 (b)는 20℃로 온도변화를 진행했을 때 정면영상의 스폿 다이어그램이다. 스폿 다이어 그램의 RMS 값은 이미지 센서 4×4 binning 형태에서의 스폿 최대허용값인 5.6㎛보다 작게 나오는 것으로 평가되었고, 대부분의 광이 에어리 디스크 안에 형성되는 것을 확인하였다.
도 10은, 본 발명의 일실시형태에 따른 캡슐 내시경을 특정의 온도변화로 진행시 MTF 그래프이다. 도 10의 (a)는 온도를 20℃로 했을 때 반화각 50°, 65°, 80°, 95°, 110°, 120°에서의 측면영상의 MTF 그래프이고, 도 10의 (b)는 온도를 20℃로 했을 때 반화각 0°, 14°, 28°, 42°, 56°, 70°에에서의 정면 영상의 MTF 그래프이다. 이 때 MTF 값은 정면영상과 측면영상 모두 가시광영역에서의 0.3 MTF값을 가질 때 약 120 lp/mm 의 값을 가지는 것으로 확인하였다. 이 때 근적외선 영역에서는 0.2 MTF 값을 가질 때 약 157 lp/mm의 값을 가지는 것으로 확인하였다. 이때 근적외선 영역의 영상은 장 내벽의 질병의 형태를 관찰하는 것보다 질병의 유무를 확인하는 것이 목적이므로 이는 충분한 MTF 값을 가지는 것으로 판단하였다.
도 9 및 도 10에서 검토한 바와 같이, 20℃에서 비열화를 진행했을 때의 스폿 다이어그램과 MTF 성능이 모두 충분한 성능을 보여주는 것으로 판단하여 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경은 20℃ 내지 40℃ 의 온도에서도 정상적으로 작동할 수 있는 것으로 판단하였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시형태 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 제1 반사부 및 제2 반사부의 곡률반경이나 배치 위치, 렌즈계를 구성하는 렌즈의 갯수 등의 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
210 : 투명 케이스 220 : 제1 반사부
230 : 제2 반사부 240 : 렌즈계
250 : 이미지 센서

Claims (7)

  1. 투명 케이스;
    상기 투명 케이스의 내부에 형성되며 관통 홀을 가지는 제1 반사부;
    전면이 상기 제1 반사부와 마주보게 배치되어 상기 제1 반사부로부터 입사된 광을 반사시키며, 중앙에 관통홀이 형성된 제2 반사부; 및
    상기 제2 반사부에서 반사된 광 및 상기 제2 반사부의 관통홀을 통과한 광을 수광하여 이미지 센서에 광을 전달하는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈계를 포함하는 캡슐 내시경.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사부는 상기 제2 반사부를 향해 볼록한 구면 거울이며 중앙부에 관통홀이 형성된 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반사부는 평면 거울인 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서에는,
    상기 제2 반사부의 관통홀을 통해 촬영된 상기 캡슐 내시경의 진행방향 정면영상과, 상기 제1 반사부 및 제2 반사부를 통해 촬영된 상기 캡슐 내시경의 진행방향 측면영상이 결상되는 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반사부의 후면 방향에 배치되며, 상기 캡슐 내시경의 진행방향의 광을 수광하여 상기 제2 반사부의 관통홀로 통과시키는 수광렌즈부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반사부의 후면 방향에 배치되는 조명부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 조명부는 상기 캡슐 내시경의 진행방향 및 진행방향 측면을 조광하는 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
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