WO2014148701A1 - 광-기계적 효과를 조절할 수 있는 레이저 장치 및 이를 이용한 방법 - Google Patents

광-기계적 효과를 조절할 수 있는 레이저 장치 및 이를 이용한 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2014148701A1
WO2014148701A1 PCT/KR2013/007346 KR2013007346W WO2014148701A1 WO 2014148701 A1 WO2014148701 A1 WO 2014148701A1 KR 2013007346 W KR2013007346 W KR 2013007346W WO 2014148701 A1 WO2014148701 A1 WO 2014148701A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser beam
photo
pulse
pulsed laser
diameter
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/007346
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
정순철
전재훈
박종락
최승문
정구인
민병찬
김형식
김성필
Original Assignee
건국대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 건국대학교 산학협력단 filed Critical 건국대학교 산학협력단
Publication of WO2014148701A1 publication Critical patent/WO2014148701A1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/101—Lasers provided with means to change the location from which, or the direction in which, laser radiation is emitted
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
    • A61B18/203—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser applying laser energy to the outside of the body

Definitions

  • the present invention relates to a laser device capable of adjusting the photo-mechanical effect and a method using the same, and more particularly to a photo-mechanical effect using a pulsed laser beam, the pulsed laser beam
  • the present invention relates to a laser device capable of adjusting the photo-mechanical effect by adjusting pulse energy while keeping a diameter of a constant.
  • a laser device refers to a device that emits light using light amplification by stimulated emission of radiation.
  • Such a laser device may emit 'artificial light having a uniform direction, phase, and wavelength', which is different from natural light, and is used in many industrial fields based on these characteristics. Specifically, 1) optical communication using optical properties, 2) medical monitoring such as disease monitoring, low level laser therapy, photodynamic therapy, and 3) nanotechnology to separate chemical bonds. 4) It is used in various industrial fields covering precision machine tools such as diamond processing.
  • the present invention is to solve the problem of causing the photo-mechanical effect using a laser device.
  • the present invention is to make it possible to present a mechanical stimulus (Mechanical Stimulus) to the human body using a laser device.
  • the present invention also makes it possible to control the photo-mechanical effects caused by laser devices.
  • Laser device for solving the above problems, by outputting a pulsed laser beam (Pulsed laser beam) to cause a photo-mechanical effect (Photo-mechanical effect),
  • the photo-mechanical effect is controlled by adjusting the energy of the pulsed laser beam while keeping a diameter constant.
  • the laser device while maintaining the pulse width (pulse width) of the pulse laser beam (ms) in milliseconds or less, and the diameter of the pulse laser beam is kept constant, unit It is characterized by adjusting the energy per pulse.
  • the laser device may operate in a mode of increasing the photo-mechanical force and a mode of decreasing the photomechanical force, and per unit pulse in the mode of increasing the photo-mechanical force.
  • the energy per unit pulse is reduced in a mode of increasing energy and decreasing the photo-mechanical force.
  • the laser device according to an embodiment of the present invention, the first operation for maintaining a constant output diameter of the pulsed laser beam; And a second operation of changing an output diameter of the pulsed laser beam.
  • the laser device is characterized by maintaining a constant diameter when the laser beam reaches the object.
  • the laser device when the distance to the object changes, by changing the output diameter of the pulsed laser beam to maintain a constant beam diameter when reaching the object It is done.
  • the laser device characterized in that it further comprises a lens unit for changing the output diameter of the pulsed laser beam.
  • the distance recognition unit for recognizing the distance to the object further comprises, characterized in that for controlling the lens unit based on the distance information recognized by the distance recognition unit. do.
  • the laser device is characterized in that the distance recognizing unit measures distance using ultrasonic waves, infrared rays, or lasers.
  • the laser device according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is utilized for the purpose of presenting a mechanical stimulus to the human body.
  • the laser device is characterized in that the energy per unit pulse is controlled by adjusting the intensity or pulse width of the output light of the laser.
  • the haptic device for solving the above problems, by outputting a pulsed laser beam (Pulsed laser beam) to cause a photo-mechanical effect (Photo-mechanical effect), the pulse laser
  • the photo-mechanical effect can be controlled by adjusting the energy of the pulsed laser beam while maintaining a constant diameter of the beam, and can present a mechanical touch using the photo-mechanical effect. It is characterized by being.
  • the haptic device while maintaining the pulse width (pulse width) of the pulse laser beam (millisecond) or less, and the diameter of the pulse laser beam is kept constant, It is characterized by adjusting the energy per pulse.
  • a method for inducing a photo-mechanical effect for solving the above problems, (a) the laser device to adjust the energy of the pulsed laser beam; (b) the pulse laser beam generated by the laser device reaches an object; And (c) generating a photo-mechanical effect by the pulsed laser beam reaching the object, wherein the laser device maintains the energy of the pulsed laser beam while maintaining a constant diameter of the pulsed laser beam.
  • the photo-mechanical effect can be adjusted.
  • the laser device of step (a) maintains the pulse width of the pulse laser beam to ms (millisecond) or less, and The energy per unit pulse is controlled while the diameter of the pulse laser beam is kept constant.
  • the present invention can produce a photo-mechanical effect using a pulsed laser beam. Specifically, the present invention can produce a photo-mechanical effect using a pulsed laser beam with a pulse width of ms (millisecond) or less.
  • the present invention can increase or decrease the photo-mechanical forces to implement. Specifically, the present invention increases or decreases the energy per unit pulse of the pulsed laser beam while the pulse width of the pulsed laser beam is ms or less and the diameter of the pulsed laser beam is kept constant. Increase or decrease the energy density) to increase or decrease the photo-mechanical force.
  • the present invention can keep the diameter of the pulsed laser beam irradiated on the object constant even when the distance between the laser device and the object is changed.
  • the present invention can be applied to a haptic device. Specifically, since the present invention can present somethesis to the skin of the human body based on the photo-mechanical effect, it may be applied to the field of haptics. In particular, the present invention can present the somatosensory using photo-mechanical stimulation, not photo-chemical or photo-thermal stimulation of the laser, such as non-contact, etc. It is possible to present somatosensory in a safe state while maintaining the laser's natural characteristics.
  • the present invention when used in the field of haptics, can quantitatively control mechanical stimuli unlike conventional haptic devices.
  • the conventional haptic devices are difficult to quantitatively control the mechanical stimulus because the mechanical stimulus is presented by using a vibration element, air pressure, pin arrangement, etc.
  • the present invention is to control the energy per unit pulse of the laser Mechanical stimulation can be controlled quantitatively.
  • the present invention when used in the field of haptics, unlike conventional haptic devices, the temporal reliability of the mechanical stimulus (reliability of whether the target time point and the actual stimulation time coincidence) or spatial reliability (the target site and the actual stimulation site of Reliability of coincidence) can be secured.
  • the conventional haptic devices have presented a mechanical stimulus using a vibration element, air pressure, pin arrangement, etc., but it is difficult to secure temporal reliability or spatial reliability of the mechanical stimulus.
  • Temporal reliability can be secured using the characteristics of the laser beam, and spatial reliability can also be secured through the fine movement of the laser beam.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a photomechanical effect that a laser device may cause.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a laser device according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a conceptual diagram showing parameters of a pulsed laser beam.
  • FIG 4 and 5 are exemplary views showing the operation of the lens unit which can be included in the laser device according to the present invention.
  • FIG. 6 is a configuration diagram showing the configuration of a laser device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of an experimental system for confirming that the laser device according to the present invention causes a photo-mechanical effect.
  • FIG. 8 is a graph showing an output signal of a piezo sensor.
  • each functional unit represented below is only an example for implementing the present invention. Accordingly, other implementations may be used in other implementations of the invention without departing from the spirit and scope of the invention.
  • each functional unit may be implemented in purely hardware or software configurations, but may be implemented in a combination of various hardware and software configurations that perform the same function.
  • the laser device according to the present invention can cause a photo-mechanical effect through a laser beam. Specifically, by adjusting the parameters of the laser beam that was used only for causing the photo-chemical effect or the photo-thermal effect, the photo-mechanical effect can be induced. Therefore, the laser device according to the present invention can be utilized in various industrial fields requiring mechanical stimulus, and in particular, as a problem (eg, damage to skin tissue) that a photo-chemical effect or a photo-thermal effect can cause. Somesthesis presentation areas (eg, tactile presentation devices, haptic devices, etc.), which have had barriers to entry, can also be utilized as sources of mechanical stimuli.
  • Somesthesis presentation areas eg, tactile presentation devices, haptic devices, etc.
  • the laser device generates a laser beam using a pulsed laser rather than a continuous laser (CW laser, continuous wave laser) to generate a photo-mechanical effect, and the generated pulse laser Adjust the energy of the beam.
  • a pulsed laser rather than a continuous laser (CW laser, continuous wave laser) to generate a photo-mechanical effect
  • the generated pulse laser Adjust the energy of the beam.
  • the photo-chemical effect or the photo-thermal effect may occur when continuously provided with the laser stimulus, and thus, pulsed laser is used to obtain the photo-mechanical effect without excluding these effects.
  • the laser device adjusts the energy per unit pulse in a pulse width condition of ms (millisecond) or less, and generates the photo-mechanical effect of the laser beam based on this adjustment operation.
  • the degree to which the pulsed laser beam causes the photo-mechanical effect can be adjusted.
  • the laser device 100 may cause the photo-mechanical effect as described above. Specifically, it may cause a mechanical effect on an object other than the human body as shown in the upper side of FIG. 1, or may cause a mechanical touch to the human body as shown in the lower side of FIG. 1.
  • the laser device 100 for generating a pulse laser beam, the intensity of the optical signal constituting the pulse laser beam (Power, J / The optical filter unit 130 for adjusting the s), the lens unit 150 for adjusting the diameter of the pulse laser beam, the control unit 170 for controlling the operation of the laser output unit, the optical filter unit, the lens unit It may include.
  • the laser apparatus 100 may further include an input unit for receiving information from a user, an output unit for outputting information related to its operation, a communication unit for transmitting and receiving information with external devices, and the like. These components may also be controlled by the controller 170.
  • the laser output unit 110 may output a pulsed laser beam and may include a laser driver, a cooling device, and the like.
  • the laser driver is configured to include a laser medium, an optical pumping unit, an optical resonator, and the like, and generates an optical signal constituting the pulsed laser beam.
  • the cooling device is configured to remove heat that may be generated in the process of generating an optical signal by the laser driver, and serves to protect the laser driver device.
  • the laser output unit 110 may be formed in various forms capable of generating a pulsed laser beam.
  • the laser output unit 110 may be a ruby laser, neodymium: yag laser (Nd: YAG laser), neodymium: glass laser (Nd: glass laser), laser diode (Ga, Al, As), excimer ( Excimer) can be formed in the form of a laser, a dye laser, and the like, in addition to this kind can be configured in various forms.
  • the laser output unit 110 may adjust various parameters of the pulsed laser beam, and in particular, may adjust energy per unit pulse of the pulsed laser beam to generate a photo-mechanical effect.
  • the adjustment of the energy per unit pulse is achieved through the operation of adjusting the intensity (Power, J / s) of the optical signal constituting the pulse laser beam, or adjusting the pulse width of the pulse laser beam. Can be achieved through operation.
  • the pulse width may be adjusted in a range of ms (millisecond) or less.
  • the photo-chemical effect or the photo-thermal effect may be induced as mentioned above. Because there is a possibility.
  • parameters such as optical signal power (Power, J / s), pulse width, pulse repetition rate, and the like of the pulse laser beam may be checked.
  • the energy density of the pulsed laser beam irradiated to the object may also be adjusted. Specifically, 1) as the laser output unit 110 increases the energy per unit pulse while the diameter of the pulse laser beam irradiated to the object is kept constant, the energy density of the pulse laser beam irradiated to the object is increased. 2) the energy of the pulsed laser beam irradiated to the object as the laser output unit 110 decreases the energy per unit pulse while the diameter of the pulsed laser beam irradiated to the object is kept constant. Density can be reduced. Therefore, this operation can increase or decrease the intensity of the photo-mechanical force caused by the laser device 100. As will be seen later, while the diameter of the pulsed laser beam remains constant, it increases or decreases the energy density of the pulsed laser beam irradiated to the object, thereby increasing or decreasing the intensity of the induced photo-mechanical force. Can be.
  • the optical filter unit 130 is a configuration for adjusting the intensity (Power, J / s) of the optical signal constituting the pulse laser beam, the laser output unit 110 outputs through this intensity control The energy can be adjusted secondly per unit pulse of the beam.
  • the optical filter unit 130 may include an attenuator for attenuating the intensity of the optical signal, and may reduce the intensity (Power, J / s) of the optical signal using the apparatus. Therefore, the optical filter unit 130 may perform an operation of reducing energy per unit pulse by attenuating the intensity of the optical signal in the same pulse width.
  • the optical filter unit 130 if the laser output unit 110 itself has the ability to adjust the energy per unit pulse may be selectively mounted on the laser device 100, the unit pulse It can play a secondary role in fine-tuning sugar energy. However, when the laser output unit 110 itself does not have the ability to adjust the energy per unit pulse, it is essentially mounted on the laser device 100, and plays a leading role in controlling the energy per unit pulse. Done.
  • the lens unit 150 is a configuration for adjusting the diameter (diameter) of the pulse laser beam.
  • the lens unit 150 includes a light focusing unit (for example, a convex lens unit) for focusing the pulsed laser beam and a light diffusing unit (eg, concave lens unit, etc.) for diffusing the pulsed laser beam. can do.
  • the lens unit 150 may 1) maintain a constant output diameter of the pulse laser beam (first operation), or 2) change the output diameter of the pulse laser beam (second operation). Can be formed.
  • the output diameter of the pulse laser beam herein means the diameter at the moment when the pulse laser beam leaves the laser device.
  • the first operation may be achieved by fixing the configuration and arrangement of the lens unit 150.
  • the first operation may be utilized when a pulse laser beam having a constant diameter is applied to an object having a fixed position (distance). Since the output diameter of the pulsed laser beam is kept constant, the diameter of the pulsed laser beam irradiated (reached) to the object distant by a fixed distance from the laser device can be kept constant. Referring to FIG. 4, an embodiment of the first operation may be confirmed.
  • the lens unit 150 is formed in a fixed configuration and arrangement, and maintains a constant output diameter of the pulsed laser beam. Therefore, the diameter of the pulse laser beam irradiated to the object separated by the distance 1 can be kept constant at D1, and the diameter of the pulse laser beam irradiated to the object separated by the distance 2 can be kept constant at D2.
  • the second operation may be achieved by dynamically changing the configuration and arrangement of the lens unit 150.
  • the lens unit 150 may be configured by selectively arranging the light converging unit and the light diffusing unit, changing an arrangement position of the light converging unit, and changing an arrangement position of the light diffusing unit. It is possible to increase or decrease the output diameter of the pulsed laser beam. For reference, referring to FIG. 5, an embodiment of changing an output diameter of the pulsed laser beam may be confirmed by changing an arrangement position of the light diffusion unit.
  • This second operation can be utilized when a pulse laser beam of constant diameter is to be applied to an object whose position can be changed (movable).
  • the output diameter of the pulsed laser beam is increased, and when the position of the object approaches toward the laser device, the output diameter of the pulsed laser beam is reduced, whereby This is because the diameter of the pulsed laser beam irradiated (arrived) on the changing (moving) object can be kept constant.
  • the lens unit 150 changes the output diameter of the pulsed laser beam in accordance with the position change of the object, and through this operation to maintain a constant diameter of the beam irradiated to the object.
  • the output diameter of the pulsed laser beam is increased in proportion to the distance away, thereby maintaining the same diameter of the beam irradiated to the object.
  • the output diameter of the pulsed laser beam is reduced in proportion to the approaching distance, thereby maintaining the same diameter of the beam irradiated to the object.
  • the above-described salping lens unit 150 may maintain the diameter of the pulse laser beam irradiated (reached) to an object which is fixed or moved through the first operation or the second operation.
  • the input unit is a component for receiving information necessary for the operation of the laser apparatus 100.
  • the input unit may receive basic information for adjusting various parameters of the pulsed laser beam, and may transfer the received information to the controller 170.
  • the input unit may include a plurality of input keys for receiving a number or a character and setting various functions, and may also include various function keys necessary for the operation of the laser apparatus 100.
  • the input unit may be formed as various types of input devices such as a pad and a touch screen, and may be formed in various devices in addition to the input device.
  • the output unit is configured to display an operation state and an operation result of the laser apparatus 100 or provide predetermined information to a user.
  • the output unit may display information input by the user and information provided to the user, including various menus, and may include various types of liquid crystal displays, organic light emitting diodes, and audio output devices. It may be formed in the form of output devices.
  • the communication unit is configured to allow the laser device 100 to transmit and receive information with external electronic devices.
  • the communication unit may be configured in the form of various wired communication devices or wireless communication devices that satisfy the IEEE standard, and may be implemented in various types of communication devices in addition to the IEEE standard.
  • the laser device 100 may be configured to be controlled by an external electronic device through the communication unit, and may also be configured to operate in conjunction with various electronic devices such as a display device and a mobile terminal. .
  • the controller 170 may include various types of the laser apparatus 100 including the laser output unit 110, the optical filter unit 130, the lens unit 150, the input unit, the output unit, and the communication unit. This is a configuration for controlling the configurations.
  • the controller 170 may include at least one arithmetic means and a storage means, wherein the arithmetic means may be a general purpose CPU (CPU), but may be implemented as a programmable device element suitable for a specific purpose. CPLD, FPGA) or application specific semiconductor processing unit (ASIC) or microcontroller chip.
  • the storage means may be a volatile memory device, a nonvolatile memory or a nonvolatile electromagnetic storage device, or a memory inside the computing means.
  • the controller 170 may collectively control the energy per unit pulse of the pulsed laser beam by controlling the operations of the laser output unit 110 and the optical filter unit 130. Specifically, by controlling the operation of the laser output unit 110 and the optical filter unit 130, it is possible to adjust the pulse width (Pulse width) and the intensity (Power, J / s) of the optical signal, The adjustment operation can control the energy per unit pulse.
  • the controller 170 may control the operation of the lens unit 150 to maintain a constant diameter of the pulse laser beam irradiated (reached) to the object. Specifically, when the position of the object is fixed, the controller 170 operates the lens unit in the first operating state as viewed from above, and when the position of the object changes, operates the lens unit in the second operating state as described above. The diameter of the pulsed laser beam irradiated (arrived) to the object can be kept constant.
  • the controller 170 may operate in a control mode for increasing the photo-mechanical force or in a control mode for reducing the photo-mechanical force.
  • the laser device has a laser output unit 110, an optical filter unit 130, a lens unit 150, an input unit, an output unit,
  • the communication unit controller 170 may be included.
  • the distance recognition unit 190 may be further included to recognize the distance between the laser device and the object.
  • the distance recognition unit 190 is configured to recognize a distance between the laser device 100 and an object (object to which the pulse laser beam is irradiated).
  • the distance recognition unit 190 may generate distance information by measuring the distance between the laser device 100 and the object in real time, and may transmit the generated information to the controller 170.
  • the controller 170 may control the operation of the lens unit based on the distance information received from the distance recognition unit 190. 1) For example, when the distance information transmitted by the distance recognition unit 190 is fixed at a fixed value, the controller may control the lens unit 150 to the first operation state as described above. . 2) In addition, when the distance information transmitted by the distance recognizer 190 is changed in real time, the controller 170 may control the lens unit 150 to the second operation state as described above. In this case, the controller 170 may change the output diameter of the pulse laser beam in real time based on the distance information that is changed in real time, and pulse laser irradiated (reached) to the moving object through this control operation. The diameter of the beam can be kept constant.
  • the distance recognizer 190 may recognize (measure) the distance in various ways.
  • the distance recognition unit 190 may measure the distance between the laser device 100 and the object by analyzing the time until the laser or the ultrasonic wave is emitted and the change in the period or amplitude of the laser or the ultrasonic wave. Can be.
  • the distance recognition unit 190 may irradiate an infrared light to an object and detect a light receiving sensitivity of the reflected light to measure the distance, or may measure the distance using a GPS or the like.
  • the distance recognition unit 190 may measure the distance by simultaneously applying two or more of the ultrasonic method, the infrared method, the laser method, and the GPS method. In this case, the average of the calculated values may be calculated.
  • the distance value can be determined.
  • the distance recognizer 190 may operate in a state in which the distance recognizer 190 is interlocked with the laser output unit 110. That is, the distance may be measured using a pulse laser beam output from the laser output unit 110 without mounting a separate laser device for distance measurement.
  • the laser device 100 may generate a photo-mechanical effect by using a pulsed laser beam, and may control the photo-mechanical effect, and thus may be utilized in various industrial fields requiring mechanical stimulation. .
  • the laser device 100 may cause a photo-mechanical effect on skin tissue of the human body, and may be applied to various haptic devices requiring mechanical touch.
  • FIG. 7 is a view showing the configuration of an experimental system for confirming the photo-mechanical effect of the laser device 100.
  • Such an experimental system may include a configuration of a laser device 100, a collagen film, a piezo sensor, a three-axis position fine adjustment device, a computer, and the like.
  • the laser device 100 is a laser device 100 according to the present invention as described above.
  • a wavelength of 532 nm, a pulse width of 5 ns, a pulse repetition rate of 10 Hz, and a beam diameter of 0.48 mm Laser device having a beam diameter irradiated to the object.
  • the collagen film is a type I collagen film (Neskin®-F, Medira, thickness of 300 ⁇ m to 500 ⁇ m) used for clinical treatment epidermal healing & substitue, modeling human skin tissue. Configuration. Since more than 90% of the living tissue is composed of type I collagen, the collagen film can be used to indirectly experiment with the effects that will occur in living skin tissue.
  • the skin thickness (epidermis) of the human body differs according to individual, sex, and race
  • five collagen films were first conducted, and secondly, collagen films were used. The experiment was conducted. This is because the skin thickness (epidermis) of the human body may vary in the range of 5 to 10 collagen films according to individual, gender, and race. Referring to Table 1, the weight and thickness of five collagen films and ten collagen films can be confirmed.
  • the collagen film was used in the form attached to the piezo sensor.
  • the piezo sensor is an element expressing a mechanical stimulus applied from the outside as an electrical output signal. Therefore, in this experiment, the piezoelectric sensor was used to observe the mechanical change caused in the collagen film.
  • the three-axis position fine adjustment device is a device for finely controlling the position of the piezo sensor.
  • the computer is a device for receiving a signal output from the piezo sensor, analyzing the received signal, and displaying the analyzed result.
  • the pulsed laser beam was irradiated at a frequency of 10 Hz. Specifically, the pulsed laser beam was irradiated immediately before 0.05 [s], immediately before 0.15 [s], immediately before 0.25 [s], and immediately before 0.35 [s].
  • FIG. 8 is a graph showing the results of this experiment.
  • the output signal of the piezo sensor is generated at a frequency of 10 Hz corresponding to the pulse repetition rate of the irradiated laser beam.
  • the time when the output signal is generated by the piezo sensor coincides with the time when the pulse laser beam is irradiated (just before 0.05 [s], just before 0.15 [s], just before 0.25 [s], 0.35 [s], etc.). Can be.
  • the laser beam caused the photo-mechanical effect.
  • the magnitude of the output signal of the piezo sensor it is also possible to calculate the magnitude of the induced photo-mechanical force.
  • Table 2 below shows the beam diameter, energy density, and number of subjects used in the experiment. Experiments were performed using 26 combinations of energy densities at six beam diameters.
  • the energy per unit pulse in the state that the diameter of the pulsed laser beam irradiated to the finger is kept constant (0.1mm, 0.43mm, 0.52mm, 0.87mm, 4mm, 5mm, 7mm or 8mmn)
  • the induced photo-mechanical force increases in proportion to the energy density and is insensitive to mechanical stimuli. This is because they also recognized the stimulus as the photo-mechanical force increased.
  • the method for inducing a photo-mechanical effect may include the step (a) of the laser device adjusting the energy of the pulsed laser beam.
  • the laser device preferably adjusts the energy per unit pulse of the pulsed laser beam to cause photo-mechanical action.
  • the laser device preferably adjusts the energy per unit pulse of the pulsed laser beam in a state in which the diameter of the pulsed laser beam is kept constant. This is because through the adjustment operation, the magnitude of the photo-mechanical force generated by the pulsed laser beam can be adjusted.
  • the pulse laser beam generated by the laser device 100 may include a step (step b) of reaching the object.
  • the pulsed laser beam reaching the object may include a step of generating a photo-mechanical effect (step c).
  • the method for inducing the photo-mechanical effect according to the present invention may include substantially the same features as the laser device 100 according to the present invention, although the categories are different.
  • the features described above with respect to the laser device 100 may be naturally inferred and applied to the method for inducing a photo-mechanical effect.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Surgery Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 광-기계적 효과를 조절할 수 있는 레이저 장치에 관한 것으로서, 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 출력하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 일으키되, 상기 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 일정하게 유지한 상태에서 상기 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

광-기계적 효과를 조절할 수 있는 레이저 장치 및 이를 이용한 방법
본 발명은 광-기계적 효과를 조절할 수 있는 레이저 장치 및 이를 이용한 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펄스 레이저 빔을 이용하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 일으킬 수 있고, 상기 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 일정하게 유지한 상태에서 펄스 에너지를 조절하여, 상기 광-기계적 효과를 조절할 수 있는 레이저 장치와 관한 것이다.
레이저(Laser) 장치란, 방사의 유도 방출에 의한 광증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)을 이용하여 빛을 방출하는 장치를 의미한다.
이러한 레이저 장치는, 자연광(Natural light)과는 차별되는 '방향, 위상, 파장이 고른 인공의 빛'을 방출할 수 있는데, 이러한 특성을 기초로 많은 산업 분야에서 활용되고 있다. 구체적으로, 1) 광학적 특성을 이용한 광통신 영역, 2) 질병 모니터링, 저출력 레이저 광선요법(Low level laser therapy), 광역동 치료(Photodynamic therapy) 등의 의료 영역, 3) 화학적 결합을 분리하는 나노기술 영역, 4) 다이아몬드 가공 등의 정밀 공작 기계 영역 등을 망라하는 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.
하지만, 종래의 레이저 장치는, 광학적 효과의 측면에서 활용되거나, 80℃ 이상의 범위에서 발생되는 광-화학적(Photo-chemical) 또는 광-열적(Photo-thermal) 효과의 측면에서만 활용되었다.
따라서, 광-기계적(Photo-mechanical) 효과를 일으킬 수 있는 레이저 장치에 관한 연구는 전무한 실정이다.
본 발명은 레이저 장치를 이용하여 광-기계적 효과를 유발시키는 것을 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 레이저 장치를 이용하여 인체에 기계적 자극(Mechanical Stimulus)을 제시할 수 있게 하는 것을 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 레이저 장치가 유발하는 광-기계적 효과를 조절할 수 있게 하는 것을 해결과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 출력하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 일으키되, 상기 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 일정하게 유지한 상태에서 상기 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width)을 ms(millisecond) 이하로 유지시키고, 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서, 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 광-기계적 힘을 증가시키는 모드 및 광 기계적 힘을 감소시키는 모드로 동작할 수 있고, 상기 광-기계적 힘을 증가시키는 모드에서 상기 단위 펄스당 에너지를 증가시키고, 상기 광-기계적 힘을 감소시키는 모드에서 상기 단위 펄스당 에너지를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 일정하게 유지시키는 제1동작; 및 상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 변화시키는 제2동작;을 수행할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 상기 레이저 빔이 대상물에 도달할 때의 직경을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 상기 대상물과의 거리가 변화는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 변화시켜 상기 대상물에 도달할 때의 빔 직경을 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 변화시키기 위한 렌즈부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 대상물과의 거리를 인식하기 위한 거리 인식부;를 더 포함하고, 상기 거리 인식부가 인식한 거리 정보를 바탕으로 상기 렌즈부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 상기 거리 인식부가, 초음파, 적외선 또는 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 인체에 기계적 자극을 제시하는 용도로 활용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는, 레이저의 출력 광의 세기 또는 펄스 폭을 조절하여, 상기 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 장치는, 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 출력하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 일으키되, 상기 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 일정하게 유지한 상태에서 상기 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 조절하며, 상기 광-기계적 효과를 이용하여 기계적 촉감을 제시할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 장치는, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width)을 ms(millisecond) 이하로 유지시키고, 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서, 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광-기계적 효과 유발 방법은, (a) 레이저 장치가 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절하는 단계; (b) 상기 레이저 장치가 생성한 펄스 레이저 빔이 대상물에 도달하는 단계; 및 (c) 상기 대상물에 도달한 펄스 레이저 빔이 광-기계적 효과를 일으키는 단계;를 포함하되, 상기 레이저 장치가, 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서 상기 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절하여, 상기 광-기계적 효과를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광-기계적 효과 유발 방법은, 상기 (a) 단계의 레이저 장치가, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width)을 ms(millisecond) 이하로 유지시키고, 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 이용하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 일으킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 펄스 폭이 ms(millisecond) 이하인 펄스 레이저 빔을 이용하여 광-기계적 효과를 일으킬 수 있다.
또한, 본 발명은 구현하는 광-기계적 힘을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 펄스 레이저 빔의 펄스 폭이 ms 이하이고, 상기 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)이 일정하게 유지된 상태에서, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 증가시키거나 감소(= 에너지 밀도를 증가시키거나 감소)시켜서 광-기계적 힘을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저 빔의 출력 직경을 일정한 상태로 유지할 수 있으며, 출력 직경이 일정하게 유지된 상태에서 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 조절할 수 있다. 따라서, 레이저 장치로부터 고정된 거리에 위치하는 대상물에 조사되는 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지할 수 있으며, 이러한 상태에서 단위 펄스당 에너지를 조절(= 에너지 밀도를 조절)하여 유발되는 광-기계적 힘을 변화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저 장치와 대상물 사이의 거리가 변화되는 경우에도, 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지시킬 수 있다. 구체적으로 본 발명은, 레이저 장치와 대상물 사이의 거리 변화에 대응하여, 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 변화시키는 형태로도 구성될 수 있으며, 이를 통해 대상물에 조사되는(도달되는) 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지시킬 수 있다. 따라서, 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경이 일정하게 유지된 상태에서 단위 펄스당 에너지를 조절(= 에너지 밀도를 조절)하여 유발되는 광-기계적 힘을 변화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 햅틱(Haptic) 장치에도 활용될 수 있다. 구체적으로 본 발명은 광-기계적인 효과를 기초로 인체의 피부에 체성 감각(Somethesis)을 제시할 수 있으므로, 햅틱스(Haptics) 분야에 응용될 수 있다. 특히, 본 발명은 레이저의 광-화학적(Photo-chemical) 또는 광-열적(Photo-thermal) 자극이 아닌, 광-기계적 자극을 이용하여 체성 감각을 제시할 수 있으므로, 비접촉(Non-contact) 등의 레이저 본연의 특성은 유지하면서 안전한 상태로 체성 감각을 제시할 수 있다.
또한, 본 발명은 햅틱스 분야에 활용되는 경우, 기존의 햅틱 장치들과 달리 기계적 자극을 정량적으로 제어할 수 있다. 구체적으로, 종래의 햅틱 장치들은 진동 소자, 공기 압력, 핀 배열 등을 이용하여 기계적인 자극을 제시하였기 때문에 기계적 자극을 정량적으로 제어하기가 어려웠으나, 본 발명은 레이저의 단위 펄스당 에너지를 제어하여 기계적 자극을 정량적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 햅틱스 분야에 활용되는 경우, 기존의 햅틱 장치들과 달리 기계적 자극의 시간적 신뢰성(목표 시점과 실제 자극 시점의 일치 여부에 관한 신뢰성) 또는 공간적 신뢰성(목표 부위와 실제 자극 부위의 일치 여부에 관한 신뢰성)을 확보할 수 있다. 구체적으로, 종래의 햅틱 장치들은 진동 소자, 공기 압력, 핀 배열 등을 이용하여 기계적 자극을 제시하였기 때문에 기계적 자극의 시간적 신뢰성 또는 공간적 신뢰성을 확보하기가 어려웠으나, 본 발명은 빛의 속도로 이동하는 레이저 빔의 특성을 이용하여 시간적 신뢰성을 확보할 수 있고, 레이저 빔의 미세한 움직임을 통해 공간적인 신뢰성도 확보할 수 있다.
도 1은 레이저 장치가 일으킬 수 있는 광 기계적 효과를 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은 펄스 레이저 빔의 파라미터들을 보여주는 개념도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 레이저 장치가 포함할 수 있는 렌즈부의 동작을 나타내는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 레이저 장치가 광-기계적 효과를 일으키는 것을 확인하기 위한 실험 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 8은 피에조 센서(Piezo sensor)의 출력 신호를 보여주는 그래프이다.
도 9 내지 도 12는 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서 단위 펄스당 에너지를 변화(=에너지 밀도의 변화)시키는 조건에서 수행된 실험들의 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 장치 및 이를 이용한 방법을 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
한편, 이하에서 표현되는 각 기능부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능부가 사용될 수 있다. 또한, 각 기능부는 순전히 하드웨어 또는 소프트웨어의 구성만으로 구현될 수도 있지만, 동일 기능을 수행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합으로 구현될 수도 있다.
또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
이하, 본 발명에 다른 레이저 장치의 특징을 개괄적으로 살펴본다.
본 발명에 따른 레이저 장치는, 레이저 빔을 통해 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 유발시킬 수 있다. 구체적으로, 광-화학적 효과(Photo-chemical effect) 또는 광-열적 효과(Photo-thermal effect)를 유발시키는 용도로만 활용되던 레이저 빔의 파라미터를 조절하여, 광-기계적 효과를 유발시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 레이저 장치는 기계적 자극(Mechanical stimulus)이 필요한 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있으며, 특히 광-화학적 효과 또는 광-열적 효과가 유발할 수 있는 문제점(예컨대, 피부 조직 손상 등)으로 인해 진입 장벽이 있었던, 체성감각(Somesthesis) 제시 분야(예컨대, 촉감 제시 장치, 햅틱 장치 등)에도 기계적 자극의 소스로서 활용될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 레이저 장치는, 광-기계적 효과의 발생을 위해, 연속형 레이저(CW laser, Continuous wave laser)가 아닌 펄스 레이저(Pulsed laser)를 이용하여 레이저 빔을 생성하며, 생성된 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절한다.
레이저 자극의 연속적으로 제공되는 경우에는 광-화학적 효과 또는 광-열적 효과가 일어날 수 있으므로, 이러한 효과들을 배제한 상태에서 광-기계적 효과를 얻기 위해 펄스 레이저(Pulsed laser)를 이용하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 장치는, ms(millisecond) 이하의 펄스 폭(Pulse width) 조건에서 단위 펄스당 에너지를 조절하며, 이러한 조절 동작을 기초로 레이저 빔의 광-기계적 효과를 발생시킨다.
펄스 레이저를 이용하는 경우에도, 펄스 폭이 큰 경우에는 레이저 자극의 충분한 노출시간이 확보되어 광-화학적 또는 광-열적 현상이 일어날 수 있다. 따라서, ms(millisecond) 이하의 펄스 폭(Pulse width) 조건에서 단위 펄스당 에너지를 조절하여 이러한 현상을 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 장치는, 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 일정하게 유지한 상태에서 단위 펄스당 에너지를 조절(= 에너지 밀도를 조절)할 수 있으며, 이러한 동작을 통해 상기 펄스 레이저 빔이 광-기계적 효과를 유발하는 정도(= 광-기계적 힘의 크기)를 조절할 수 있다.
따라서, 레이저의 광-기계적 효과를 정량적으로 제시하기 위한 제어 동작의 기초를 제공할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치(100)를 살펴본다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치(100)는 위에서 살펴본 것과 같이 광-기계적 효과를 일으킬 수 있다. 구체적으로, 도 1의 상부 측 그림과 같이 인체 이외의 물체에 기계적인 효과를 일으키거나, 도 1의 하부 측 그림과 같이 인체에 기계적인 촉감을 유발시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치(100)는, 펄스 레이저 빔을 생성하는 레이저 출력부(110), 상기 펄스 레이저 빔을 구성하는 광신호의 세기(Power, J/s)를 조절하기 위한 광필터부(130), 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 조절하기 위한 렌즈부(150), 상기 레이저 출력부, 상기 광필터부, 상기 렌즈부의 동작을 제어하는 제어부(170)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 장치(100)는, 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 입력부, 자신의 동작과 관련된 정보를 출력하기 위한 출력부, 외부의 장치들과 정보를 송수신하기 위한 통신부 등을 더 포함할 수 있으며, 이러한 구성들 역시 상기 제어부(170)에 의해 제어될 수 있다.
상기 레이저 출력부(110)는, 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 출력하는 구성으로서, 레이저 드라이버(Laser driver), 냉각 장치 등을 포함할 수 있다. 여기서 상기 레이저 드라이버는, 레이저 매질(Laser medium), 광 펌핑부(Optical pumping), 광 공진기(Optical resonator) 등의 구성을 포함하는 구성으로서, 상기 펄스 레이저 빔을 구성하는 광신호를 생성한다. 또한, 상기 냉각 장치는, 상기 레이저 드라이버가 광 신호를 생성하는 과정에서 발생 될 수 있는 열을 제거하는 구성으로서, 상기 레이저 드라이버 장치를 보호하는 역할을 하는 구성이다.
이러한 상기 레이저 출력부(110)는, 펄스 레이저 빔을 생성할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 출력부(110)는, 루비 레이저, 네오디뮴:야그 레이저(Nd:YAG Laser), 네오디뮴:글라스 레이저(Nd:Glass Laser), 레이저 다이오드(Ga, Al, As), 엑시머(Excimer) 레이저, 색소 레이저 등의 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 종류 이외에도 다양한 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 레이저 출력부(110)는, 상기 펄스 레이저 빔의 다양한 파라미터를 조절할 수 있으며, 특히 광-기계적 효과의 발생을 위해 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 조절할 수 있다. 여기서 상기 단위 펄스당 에너지의 조절은, 펄스 레이저 빔을 구성하는 광신호의 세기(Power, J/s)를 조절하는 동작을 통해 달성되거나, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width)을 조절하는 동작을 통해 달성할 수 있다. 다만 이 경우 상기 펄스 폭의 조절은 ms(millisecond) 이하의 범위에서 조절되는 것이 바람직한데, ms를 초과하는 범위에서 조절되는 경우에는 앞서 언급한 것과 같이 광-화학적 효과 또는 광-열적 효과가 유발될 가능성이 있기 때문이다.
참고로, 도 3을 참조하면, 상기 펄스 레이저 빔의, 광신호 세기(Power, J/s), 펄스 폭(Pulse width), 펄스 반복율(Repetition rate) 등의 파라미터를 확인해볼 수 있다.
한편, 상기 레이저 출력부(110)가 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 조절함에 따라, 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도 역시 조절될 수 있다. 구체적으로, 1) 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경이 일정하게 유지된 상태에서 상기 레이저 출력부(110)가 단위 펄스당 에너지를 증가시킴에 따라, 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도가 증가 될 수 있고, 2) 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경이 일정하게 유지된 상태에서 상기 레이저 출력부(110)가 단위 펄스당 에너지를 감소시킴에 따라, 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도가 감소 될 수 있다. 따라서, 이러한 동작을 통해 상기 레이저 장치(100)가 유발하는 광-기계적 힘의 세기를 증가시키거나 감소시킬 수 있다. (뒤에서 살펴보겠지만, 펄스 레이저 빔의 직경이 일정하게 유지된 상태에서, 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도를 증가시키거나 감소시켜서, 유발되는 광-기계적 힘의 세기를 증가시키거나 감소시킬 수 있다.)
상기 광필터부(130)는, 상기 펄스 레이저 빔을 구성하는 광신호의 세기(Power, J/s)를 조절하기 위한 구성으로서, 이러한 세기 조절을 통해 상기 레이저 출력부(110)가 출력하는 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 2차적으로 조절할 수 있는 구성이다.
이러한 상기 광필터부(130)는, 광신호의 세기를 감쇄시키는 감쇄 장치(Attenuator)를 포함할 수 있는데, 이러한 장치를 이용하여 광신호의 세기(Power, J/s)를 감쇄시킬 수 있다. 따라서, 상기 광필터부(130)는, 펄스 폭이 동일한 상태에서 광신호의 세기를 감쇄시켜 단위 펄스당 에너지를 감소시키는 동작을 수행할 수 있다.
한편, 상기 광필터부(130)는, 상기 레이저출력부(110) 자체가 단위 펄스당 에너지를 조절하는 능력을 갖추고 있는 경우에는 상기 레이저 장치(100)에 선택적으로 장착될 수 있으며, 상기 단위 펄스당 에너지를 세밀하게 조절하기 위한 보조적인 역할을 수행할 수 있다. 다만, 상기 레이저출력부(110) 자체가 단위 펄스당 에너지를 조절하는 능력을 갖추고 있지 못하는 경우에는 상기 레이저 장치(100)에 필수적으로 장착되어서, 상기 단위 펄스당 에너지를 조절하는 주도적인 역할을 수행하게 된다.
상기 렌즈부(150)는, 상기 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 조절하기 위한 구성이다. 이러한 상기 렌즈부(150)는, 상기 펄스 레이저 빔을 집속하기 위한 광집속부(예컨대, 볼록렌즈부 등) 및 상기 펄스 레이저 빔을 확산시키기 위한 광확산부(예컨대, 오목 렌즈부 등)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 렌즈부(150)는 1) 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 일정하게 유지(제1동작)시키거나, 2) 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 변화(제2동작)시킬 수 있다. 형성될 수 있다. (참고로 여기서 펄스 레이저 빔의 출력 직경이란, 펄스 레이저 빔이 상기 레이저 장치를 떠나는 순간의 직경을 의미한다.)
상기 제1동작은 상기 렌즈부(150)의 구성 및 배치를 고정시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 상기 제1동작은, 위치(거리)가 고정된 대상물에 일정한 직경의 펄스 레이저 빔을 가하고자 하는 경우에 활용될 수 있다. 펄스 레이저 빔의 출력 직경이 일정하게 유지되므로, 상기 레이저 장치로부터 고정된 거리만큼 떨어진 대상물에 조사(도달)되는 펄스 레이저 빔의 직경도 일정하게 유지될 수 있기 때문이다. 도 4를 참조하면, 상기 제1동작의 실시예를 확인할 수 있다. 도 4의 실시예에서 상기 렌즈부(150)는 구성 및 배치가 고정된 상태로 형성되며, 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 일정하게 유지시킨다. 따라서, 거리 1만큼 떨어진 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경을 D1으로 일정하게 유지시키고, 거리 2만큼 떨어진 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경을 D2로 일정하게 유지시킬 수 있다.
상기 제2동작은 상기 렌즈부(150)의 구성 및 배치를 동적으로 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 구체적으로 상기 렌즈부(150)는, 상기 광집속부와 상기 광확산부를 선택적으로 배치하는 동작, 상기 광집속부의 배치 위치를 변화시키는 동작, 상기 광확산부의 배치 위치를 변화시키는 동작 등을 통해 상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 참고로, 도 5를 참조하면, 상기 광확산부의 배치 위치를 변화시키는 동작을 통해, 상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 변화시키는 실시예를 확인할 수 있다.
이러한 상기 제2동작은, 위치가 변화할 수 있는(운동 가능한) 대상물에 일정한 직경의 펄스 레이저 빔을 가하고자 하는 경우에 활용될 수 있다. 상기 대상물의 위치가 상기 레이저 장치로부터 멀어지는 경우에는 상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 증가시키고, 상기 대상물의 위치가 상기 레이저 장치를 향해 가까워지는 경우에는 상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 감소시켜서, 위치가 변화하는(운동하는) 대상물에 조사(도달)되는 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지시킬 수 있기 때문이다. 도 5를 참조하면, 상기 제2동작의 실시예를 확인할 수 있다. 도 5의 실시예에서 상기 렌즈부(150)는 대상물의 위치 변화에 따라 상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 변화시키며, 이러한 동작을 통해 대상물에 조사되는 빔의 직경을 일정하게 유지시킨다. 예를 들어 상기 대상물이 위치 1에서 위치 2로 이동하는 경우에는, 멀어진 거리에 비례하여 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 증가시키며, 이를 통해 대상물에 조사(도달)되는 빔의 직경을 동일하게 유지시킨다. 또한, 상기 대상물이 위치 2에서 위치 1로 이동하는 경우에는, 가까워진 거리에 비례하여 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 감소시키며, 이를 통해 대상물에 조사(도달)되는 빔의 직경을 동일하게 유지시킨다.
결국, 이상에 살핀 상기 렌즈부(150)는, 상기 제1동작 또는 상기 제2동작을 통해 고정 또는 운동하는 물체에 조사(도달)되는 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지시킬 수 있다.
상기 입력부는, 상기 레이저 장치(100)의 동작에 필요한 정보를 입력받기 위한 구성이다. 이러한 상기 입력부는 상기 펄스 레이저 빔의 다양한 파라미터를 조절하기 위한 기초 정보를 입력받을 수 있으며, 입력받은 정보를 상기 제어부(170)에 전달할 수 있다.
또한, 상기 입력부는 숫자 또는 문자를 입력받고 각종 기능들을 설정하기 위한 다수의 입력키들을 포함할 수 있으며, 상기 레이저 장치(100)의 동작에 필요한 다양한 기능키들도 포함할 수 있다.
한편, 상기 입력부는, 패드, 터치스크린 등과 같은 다양한 종류의 입력 장치로서 형성될 수 있으며, 이러한 입력 장치 이외에도 다양한 장치의 형태로 형성될 수 있다.
상기 출력부는, 상기 레이저 장치(100)의 동작 상태 및 동작 결과를 표시하거나 소정의 정보를 사용자에게 제공하기 위한 구성이다. 이러한 상기 출력부는 각종 메뉴를 비롯하여 사용자가 입력한 정보 및 사용자에게 제공하는 정보를 표시할 수 있으며, 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display), OLED(Organic Light Emitted Diode), 음성 출력 장치 등을 포함하는 다양한 출력장치들의 형태로 형성될 수 있다.
상기 통신부는, 상기 레이저 장치(100)가 외부의 전자 장치들과 정보를 송수신할 수 있게 하는 구성이다. 이러한 상기 통신부는, IEEE 표준을 만족시키는 다양한 유선 통신 장치 또는 무선 통신 장치의 형태로 구성될 수 있으며, IEEE 표준 이외에도 다양한 형태의 통신 장치로 구현될 수 있다.
따라서, 이러한 통신부를 통해 상기 레이저 장치(100)는 외부의 전자 장치에 의해 제어되는 형태로 구성될 수 있으며, 디스플레이 장치, 모바일 단말기 등의 다양한 전자 장치와 연동하여 동작하는 형태로도 구성될 수 있다.
상기 제어부(170)는, 상기 레이저 출력부(110), 상기 광필터부(130), 상기 렌즈부(150), 상기 입력부, 상기 출력부, 상기 통신부를 포함하는 상기 레이저 장치(100)의 다양한 구성들을 제어하기 위한 구성이다.
이러한 상기 제어부(170)는, 적어도 하나의 연산 수단과 저장 수단을 포함할 수 있는데, 여기서 상기 연산 수단은 범용적인 중앙연산장치(CPU)일 수 있으나, 특정 목적에 적합하게 구현된 프로그래머블 디바이스 소자(CPLD, FPGA)나 주문형 반도체 연산장치(ASIC) 또는 마이크로 컨트롤러 칩일 수 있다. 또한, 상기 저장 수단은 휘발성 메모리 소자이거나 비휘발성 메모리 또는 비휘발성 전자기적 저장 소자이거나 연산 수단 내부의 메모리일 수 있다.
한편, 상기 제어부(170)는, 상기 레이저 출력부(110) 및 상기 광필터부(130)의 동작을 제어하여 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 총괄적으로 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 출력부(110) 및 상기 광필터부(130)의 동작을 제어하여, 펄스 폭(Pulse width) 및 광신호의 세기(Power, J/s)를 조절할 수 있으며, 이러한 파라미터들의 조절동작을 통해 단위 펄스당 에너지를 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부(170)는, 상기 렌즈부(150)의 동작을 제어하여 대상물에 조사(도달)되는 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 제어부(170)는, 대상물의 위치가 고정된 경우에는 상기 렌즈부를 위에서 살펴본 제1동작 상태로 동작시키고, 대상물의 위치가 변화하는 경우에는 상기 렌즈부를 위에서 살펴본 제2동작 상태로 동작시켜서, 대상물에 조사(도달)되는 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부(170)는, 광-기계적 힘을 증가시키기 위한 제어모드로 동작하거나, 광-기계적 힘을 감소시키기 위한 제어모드로 동작할 수 있다. 1) 먼저, 상기 제어부(170)는 광-기계적 힘을 증가시키기 위한 제어모드에서 동작하는 경우, 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서, 단위 펄스당 에너지를 증가(=에너지 밀도를 증가)시키는 제어동작을 수행하며, 이러한 동작을 통해 펄스 레이저 빔이 유발하는 광-기계적 힘을 증가시킬 수 있다. 2) 또한, 상기 제어부(170)는, 광-기계적 힘을 감소시키기 위한 제어모드에서 동작하는 경우, 대상물에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서, 단위 펄스당 에너지를 감소(=에너지 밀도를 감소)시키는 제어동작을 수행하며, 이러한 동작을 통해 펄스 레이저 빔이 유발하는 광-기계적 힘을 감소시킬 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 장치를 살펴본다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 장치는, 앞서 살펴본 실시예와 마찬가지로, 레이저 출력부(110), 광필터부(130), 렌즈부(150), 입력부, 출력부, 통신부 제어부(170) 등을 포함할 수 있으며, 레이저 장치와 대상물 사이의 거리를 인식하기 위한 거리 인식부(190)를 더 포함할 수 있다.
상기 거리 인식부(190)는, 상기 레이저 장치(100)와 대상물(펄스 레이저 빔을 조사받는 대상물) 사이의 거리를 인식하는 구성이다. 이러한 상기 거리 인식부(190)는, 상기 레이저 장치(100)와 상기 대상물 사이의 거리를 실시간으로 측정하여 거리 정보를 생성할 수 있으며, 이렇게 생성한 정보를 상기 제어부(170)로 전달할 수 있다.
따라서, 상기 제어부(170)는, 상기 거리 인식부(190)로부터 전달받는 거리 정보를 바탕으로 상기 렌즈부의 동작을 제어할 수 있다. 1) 예를 들어, 상기 제어부는, 상기 거리 인식부(190)가 전달하는 거리 정보가 일정한 수치로 고정되어 있는 경우에는, 상기 렌즈부(150)를 위에서 살펴본 제1동작 상태로 제어할 수 있다. 2) 또한, 상기 제어부(170)는, 상기 거리 인식부(190)가 전달하는 거리 정보가 실시간으로 변경되는 경우에는, 상기 렌즈부(150)를 위에서 살펴본 제2동작 상태로 제어할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부(170)는, 실시간으로 변화되는 거리 정보를 바탕으로, 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 실시간으로 변화시킬 수 있으며, 이러한 제어 동작을 통해 운동하는 물체에 조사(도달)되는 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지시킬 수 있다.
한편, 상기 거리 인식부(190)는 다양한 방식으로 거리를 인식(측정)할 수 있다. 예를 들어, 상기 거리 인식부(190)는 레이저 또는 초음파가 발사되어 돌아오기까지의 시간이나, 레이저 또는 초음파의 주기 또는 진폭의 변화를 분석하여 레이저 장치(100)와 대상물 사이의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 상기 거리 인식부(190)는, 대상물에 적외광을 조사하고 그 반사광의 수광 감도를 검출하여 거리를 측정하거나, GPS 등을 이용하여 거리를 측정할 수도 있다. 또한, 상기 거리 인식부(190)는, 이러한 초음파 방식, 적외선 방식, 레이저 방식, GPS 방식 중 2가지 이상의 방식을 동시에 적용하여 거리를 측정할 수도 있는데, 이 경우 산출된 값들의 평균을 계산하여 최종 거리 값을 결정할 수 있다. 참고로, 상기 거리 인식부(190)가 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 경우에는, 상기 레이저 출력부(110)와 연동한 상태로도 동작할 수 있다. 즉, 별도의 거리 측정용 레이저 장치를 장착하지 않고, 상기 레이저 출력부(110)가 출력하는 펄스 레이저 빔을 이용하여 거리를 측정할 수도 있다.
이상에 살핀 본 발명에 따른 레이저 장치(100)는 펄스 레이저 빔을 이용하여 광-기계적 효과를 일으킬 수 있고, 상기 광-기계적 효과를 조절할 수 있으므로, 기계적 자극이 필요한 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 레이저 장치(100)는, 인체의 피부 조직에도 광-기계적 효과를 일으킬 수 있으며, 기계적-촉감이 필요한 다양한 햅틱(Haptic) 장치에 적용될 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치(100)가 광-기계적 효과를 일으키는 것을 실험적으로 살펴본다.
도 7은 상기 레이저 장치(100)의 광-기계적 효과를 확인하기 위한 실험 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
이러한 상기 실험 시스템에는, 레이저 장치(100), 콜라겐 필름, 피에조 센서, 3축 위치 미세 조정 장치, 컴퓨터 등의 구성이 포함될 수 있다.
상기 레이저 장치(100)는, 위에서 살펴본 본 발명에 따른 레이저 장치(100)이다.
본 실험에서는 이러한 상기 레이저 장치(100)의 일 실시예로서, 532 nm의 파장(Wavelength), 5 ns의 펄스 폭(Pulse width), 10 Hz의 펄스 반복률(Repetition rate), 0.48 mm의 빔 직경(대상물에 조사되는 빔 직경)을 가지는 레이저 장치가 사용되었다.
상기 콜라겐 필름은, 임상 치료용 대체피부(Ficilitates epidermal healing & substitue) 용도로 사용되는 타입 I 콜라겐 필름(Neskin®-F, Medira, 300㎛ 내지 500㎛의 두께)으로서, 인체의 피부 조직을 모델링한 구성이다. 생체 조직의 90% 이상이 타입 I 콜라겐으로 구성되어 있으므로, 이러한 콜라겐 필름을 이용하여 생체 피부 조직에서 발생 될 효과를 간접적으로 실험할 수 있다.
다만, 인체의 피부 두께(표피)는 개인별, 성별, 인종별에 따라 차이가 있으므로, 본 실험에서는 1차적으로 5장의 콜라겐 필름을 대상으로 실험을 진행하고, 2차적으로 10장의 콜라겐 필름을 대상으로 실험을 진행하였다. 개인별, 성별, 인종별에 따라 인체의 피부 두께(표피)가 콜라겐 필름 5장 내지 10장의 범위에서 변화할 수 있기 때문이다. 표 1을 참조하면, 5장의 콜라겐 필름과 10장의 콜라겐 필름의 무게와 두께를 확인할 수 있다.
표 1
콜라겐 필름의 개수 무게[g] 두께[mm]
5장 0.12 0.15
10장 0.23 0.31
한편, 상기 콜라겐 필름은 상기 피에조 센서에 부착된 형태로 사용되었다.
상기 피에조 센서(Piezo sensor)는, 외부에서 가해지는 기계적인 자극을 전기적인 출력신호로 표현하는 소자이다. 따라서, 본 실험에서는 이러한 피에조 센서를 이용하여 상기 콜라겐 필름에서 유발되는 기계적인 변화를 관측하였다.
한편, 본 실험에서는 표면이 코팅된 피에조 센서(LFT1-028K, Measurement specialties)를 사용하였는데, 이는 상기 콜라겐 필름의 부착 시 센서 표면이 받을 수 있는 영향을 최소화하기 위함이다.
상기 3축 위치 미세 조정 장치는, 상기 피에조 센서의 위치를 미세하게 컨트롤하기 위한 장치이다. 또한, 상기 컴퓨터는 상기 피에조 센서가 출력하는 신호를 수신하고, 수신한 신호를 분석하며, 분석한 결과를 디스플레이하는 장치이다.
이상에서 살핀 실험 시스템을 이용하여 다음과 같은 실험을 진행하였다.
1) 단위 펄스당 에너지가 0.05 mJ인 펄스 레이저 빔을 5장으로 구성된 콜라겐 필름에 조사하는 실험을 진행하였다.
2) 펄스 레이저 빔은 10 Hz의 빈도로 조사되었으며, 구체적으로 0.05[s] 직전, 0.15[s] 직전, 0.25[s] 직전, 0.35[s] 직전 등의 순간에 조사되었다.
3) 이러한 실험 과정에서 출력되는 피에조 센서의 신호를 분석하였다.
도 8은 이러한 실험의 결과를 보여주는 그래프이다. 도 5를 참조하면, 조사된 레이저 빔의 펄스 반복율과 대응되는 10 Hz의 빈도로 피에조 센서의 출력신호가 생성되는 것을 알 수 있다. 또한, 피에조 센서에서 출력신호가 생성되는 시점도 상기 펄스 레이저 빔이 조사된 시점(0.05[s] 직전, 0.15[s] 직전, 0.25[s] 직전, 0.35[s] 등)과 일치하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 이러한 실험 결과를 통해, 상기 레이저 빔이 광-기계적 효과를 유발한 것을 확인할 수 있다. 또한, 피에조 센서의 출력신호의 크기를 분석함으로써, 유발된 광-기계적 힘의 크기도 산출할 수도 있다.
이하, 도 9 내지 도 11을 참조하여, 펄스 레이저 빔의 직경 및 에너지 밀도의 제어와 관련된 실험예를 살펴본다.
광-기계적 효과의 조절을 위한, 파라미터의 제어 방법을 연구하기 위해 다음과 같은 실험을 진행하였다.
1) 본 발명에 따른 레이저 장치(100)를 이용하여 펄스 레이저 빔을 피험자들의 손가락에 조사하고, 피험자들의 반응을 조사하였다.
2) 피험자들의 반응은 "느낌 없음", "기계적 촉감(접촉감, 압감)이 느껴짐", "아픔(통증)"으로 구분하여 조사하였다.
3) 펄스 레이저 빔의 직경(손가락에 조사되는 빔의 직경)을 일정하게 유지한 상태에서 단위 펄스당 에너지를 변화(=에너지 밀도를 변화)시키면서 실험을 진행하였다.
아래의 표 2는 실험에 사용된 빔 직경, 에너지 밀도, 피험자의 수를 보여준다. 6 종류의 빔 직경에서 26가지 조합의 에너지 밀도를 사용하여 실험을 수행하였다.
표 2
빔 직경 [mm] 에너지 밀도 [J/cm2] 피험자 수 [n]
0.1 12.7388535 10
16.5605095
20.3821656
24.2038216
0.43 0.20669 10
0.41338
0.62006
0.82675
1.03344
0.52 0.47111144 10
0.61244488
0.75377831
0.89511174
0.87 0.05049 10
0.10098
0.15147
0.20196
0.25245
4 0.039808917 10
0.063694268
0.095541401
0.127388535
0.159235669
5 0.025477707 10
0.056050955
0.096815287
0.127388535
0.157961783
7 0.05199532 10
0.075393215
0.098791109
8 0.039808917 10
0.069665605
0.099522293
도 9 내지 도 12는, 상기 표 2의 조건에서 수행된 실험의 결과를 정리한 그래프이다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 손가락에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경이 일정하게 유지(0.1mm, 0.43mm, 0.52mm, 0.87mm, 4mm, 5mm, 7mm 또는 8mmn)된 상태에서 단위 펄스당 에너지(=에너지 밀도)가 증가하는 경우에, 기계적 촉감 또는 아픔(강한 강도의 기계적 촉감)을 인지한 피험자의 비율도 함께 상승하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 반대로, 손가락에 조사되는 펄스 레이저 빔의 직경이 일정하게 유지된 상태에서 단위 펄스당 에너지(=에너지 밀도)가 감소하는 경우에는, 기계적 촉감 또는 아픔을 인지한 피험자의 비율도 함께 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이는, 펄스 레이저 빔의 직경이 일정하게 유지되는 상태에서 단위 펄스당 에너지(=에너지 밀도)가 증가함에 따라, 유발되는 광-기계적 힘이 상기 에너지 밀도에 비례하여 증가하고, 기계적 자극에 둔감한 피험자들도 광-기계적 힘의 증가에 따라 자극을 인식하였기 때문이다. 또한, 반대의 경우에는, 펄스 레이저 빔의 직경이 일정하게 유지되는 상태에서 단위 펄스당 에너지(=에너지 밀도)가 감소함에 따라, 유발되는 광-기계적 힘이 상기 에너지 밀도에 비례하여 감소하고, 기계적 자극에 민감한 피험자들도 광-기계적 힘의 감소에 따라 자극을 인식할 수 없었기 때문이다.
결국, 이러한 실험을 통해, 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)이 일정하게 유지된 상태에서 단위 펄스당 에너지를 조절(=에너지 밀도를 조절)하여, 펄스 레이저 빔이 유발하는 광-기계적 힘을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광-기계적 효과 유발 방법을 살펴본다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광-기계적 효과 유발 방법은, 레이저 장치가 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절하는 단계(a 단계)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 레이저 장치는, 광-기계적 작용을 일으키기 위해 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저 장치는, 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 일정하게 유지한 상태에서 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것이 바람직하다. 이러한 조절 동작을 통해, 상기 펄스 레이저 빔이 유발하는 광-기계적 힘의 크기를 조절할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 a 단계 이후에는, 상기 레이저 장치(100)가 생성한 펄스 레이저 빔이 대상물에 도달하는 단계(b 단계)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 b 단계 이후에는, 상기 대상물에 도달한 펄스 레이저 빔이 광-기계적 효과를 일으키는 단계(c 단계)를 포함할 수 있다.
이상에서 살핀 본 발명에 따른 광-기계적 효과 유발 방법은, 카테고리는 상이하지만, 본 발명에 따른 레이저 장치(100)와 실질적으로 동일한 특징을 포함할 수 있다. 따라서, 중복서술을 방지하기 위하여 자세히 기재하지는 않았지만, 상기 레이저 장치(100)와 관련하여 상술한 특징들은 상기 광-기계적 효과 유발 방법 발명에도 당연히 유추되어서 적용될 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 레이저빔을 (Laser beam)을 출력하는 레이저 장치에 있어서,
    펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 출력하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 일으키되,
    상기 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 일정하게 유지한 상태에서 상기 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width)을 ms(millisecond) 이하로 유지시키고,
    상기 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서, 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    광-기계적 힘을 증가시키는 모드 및 광 기계적 힘을 감소시키는 모드로 동작할 수 있고,
    상기 광-기계적 힘을 증가시키는 모드에서 상기 단위 펄스당 에너지를 증가시키고, 상기 광-기계적 힘을 감소시키는 모드에서 상기 단위 펄스당 에너지를 감소시키는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 일정하게 유지시키는 제1동작; 및
    상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 변화시키는 제2동작;
    을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 빔이 대상물에 도달할 때의 직경을 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 대상물과의 거리가 변화는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 변화시켜 상기 대상물에 도달할 때의 빔 직경을 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔의 출력 직경을 변화시키기 위한 렌즈부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    대상물과의 거리를 인식하기 위한 거리 인식부;
    를 더 포함하고,
    상기 거리 인식부가 인식한 거리 정보를 바탕으로 상기 렌즈부를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 거리 인식부는, 초음파, 적외선 또는 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    인체에 기계적 자극을 제시하는 용도로 활용되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  11. 제 2 에 있어서,
    레이저의 출력 광의 세기 또는 펄스 폭을 조절하여, 상기 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  12. 촉감을 제시하기 위한 햅틱(Haptic) 장치에 있어서,
    펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 출력하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 일으키되,
    상기 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 일정하게 유지한 상태에서 상기 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절하여 광-기계적 효과(Photo-mechanical effect)를 조절하며, 상기 광-기계적 효과를 이용하여 기계적 촉감을 제시할 수 있는 것을 특징으로 하는 햅틱 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width)을 ms(millisecond) 이하로 유지시키고,
    상기 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서, 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것을 특징으로 하는 햅틱 장치.
  14. (a) 레이저 장치가 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절하는 단계;
    (b) 상기 레이저 장치가 생성한 펄스 레이저 빔이 대상물에 도달하는 단계; 및
    (c) 상기 대상물에 도달한 펄스 레이저 빔이 광-기계적 효과를 일으키는 단계;
    를 포함하되,
    상기 레이저 장치는, 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서 상기 펄스 레이저 빔의 에너지를 조절하여, 상기 광-기계적 효과를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 광-기계적 효과 조절 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 레이저 장치는, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width)을 ms(millisecond) 이하로 유지시키고, 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것을 특징으로 하는 광-기계적 효과 조절 방법.
PCT/KR2013/007346 2013-03-22 2013-08-14 광-기계적 효과를 조절할 수 있는 레이저 장치 및 이를 이용한 방법 WO2014148701A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130030727A KR101340361B1 (ko) 2013-03-22 2013-03-22 광-기계적 효과를 조절할 수 있는 레이저 장치 및 이를 이용한 방법
KR10-2013-0030727 2013-03-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014148701A1 true WO2014148701A1 (ko) 2014-09-25

Family

ID=49988056

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2013/007346 WO2014148701A1 (ko) 2013-03-22 2013-08-14 광-기계적 효과를 조절할 수 있는 레이저 장치 및 이를 이용한 방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101340361B1 (ko)
WO (1) WO2014148701A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101581763B1 (ko) 2015-06-22 2016-02-23 건국대학교 산학협력단 펄스 레이저 및 흡수계수가 높은 매질을 이용한 체성감각 유도 시스템
KR101684482B1 (ko) * 2015-11-13 2017-01-11 건국대학교 글로컬산학협력단 2파장 레이저를 활용한 체성감각 유도장치

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6118913A (en) * 1995-11-27 2000-09-12 Ciba Vision Corporation Apparatus for haptic attachment for intraocular lenses using diode laser
US20050197655A1 (en) * 1995-10-27 2005-09-08 Telfair William B. Method and apparatus for removing corneal tissue with infrared laser radiation and short pulse mid-infrared parametric generator for surgery

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050197655A1 (en) * 1995-10-27 2005-09-08 Telfair William B. Method and apparatus for removing corneal tissue with infrared laser radiation and short pulse mid-infrared parametric generator for surgery
US6118913A (en) * 1995-11-27 2000-09-12 Ciba Vision Corporation Apparatus for haptic attachment for intraocular lenses using diode laser

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. A. KARPENKO ET AL., LUMINESCENCE 2010, vol. 25, pages 452 - 455 *
SERGEY S. SARKISOY ET AL., APPL. PHYS. LETT., vol. 85, no. 14, 4 October 2004 (2004-10-04), pages 2747 - 2749 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR101340361B1 (ko) 2013-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014148700A1 (ko) 광-기계적 효과를 일으키는 레이저 장치 및 이를 이용한 방법
WO2014148699A1 (ko) 촉감 조절을 위해 펄스 레이저 빔의 직경을 변화시킬 수 있는 레이저 장치 및 이를 이용한 방법
WO2017116055A1 (ko) 양자 노이즈 기반 난수생성기의 성능을 관리하기 위한 장치 및 방법
WO2014148701A1 (ko) 광-기계적 효과를 조절할 수 있는 레이저 장치 및 이를 이용한 방법
WO2017171175A1 (ko) Led들을 이용하여 체지방을 감소시키는 웨어러블 장치와 이의 동작 방법
WO2020190102A1 (ko) 광 조사 장치
WO2015023056A1 (ko) 레이저를 이용하여 촉감을 제공하는 전자 장치 및 이를 이용한 방법
WO2018164429A1 (ko) 레이저 치료를 위한 영역 분할 방법, 그를 이용한 레이저 치료 방법 및 장치
WO2016153132A1 (ko) 피부 측정기기 및 그 제어방법
WO2017183826A1 (ko) 레이저 치료를 위한 이동 패턴 제어 방법 및 그를 이용한 레이저 조사 장치
WO2017191854A1 (ko) 캡슐형 광선시술장치
WO2021075858A2 (ko) 위치 조절이 가능한 손 지압 모듈을 포함하는 안마 의자
WO2020080636A1 (ko) 두피 케어용 광 출력 기기
WO2019112189A1 (ko) 의료용 레이저 장치
WO2019164375A2 (ko) 블루라이트에 의한 피부 변화 측정 장치, 방법 및 블루라이트 조사 장치
WO2019112356A1 (ko) 광원 장치
WO2011037299A1 (en) Capsule endoscope having biopsy function and method for controlling the same
WO2021096286A1 (ko) 어깨 인식이 가능한 마사지 장치 및 이의 제어 방법
WO2022019582A1 (ko) 로봇 및 그 제어 방법
WO2016179902A1 (zh) 患者端远程辅助诊疗设备及远程辅助诊疗方法
WO2015076597A1 (ko) 피부 질환 치료 방법 및 장치
WO2019031878A2 (ko) 미용수기기 및 이를 이용한 미용기기
KR101483428B1 (ko) 레이저 빔을 이용하여 촉감을 제공할 수 있는 수술용 로봇 장치
WO2020184868A1 (ko) 초음파 마스크 및 이를 포함하는 피부 관리 기기
WO2012133979A1 (ko) 광 수술장치 및 이의 제어방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13878752

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13878752

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1