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KR102285540B1 - 내시경용 초소형 광각 렌즈 시스템 및 이를 포함하는 내시경 - Google Patents

내시경용 초소형 광각 렌즈 시스템 및 이를 포함하는 내시경 Download PDF

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KR102285540B1
KR102285540B1 KR1020190166543A KR20190166543A KR102285540B1 KR 102285540 B1 KR102285540 B1 KR 102285540B1 KR 1020190166543 A KR1020190166543 A KR 1020190166543A KR 20190166543 A KR20190166543 A KR 20190166543A KR 102285540 B1 KR102285540 B1 KR 102285540B1
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South Korea
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lens
lens system
focal length
equation
endoscope
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KR1020190166543A
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KR20210075456A (ko
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방현진
이승락
박병준
이기리
김지섭
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재단법인 오송첨단의료산업진흥재단
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Abstract

내시경용 초소형 광각 렌즈 시스템 및 이를 포함하는 내시경에서, 상기 광각 렌즈 시스템은 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 포함한다. 상기 제1 렌즈는 서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면은 모두 비구면(非球面)이고 오목하다. 상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈에 인접하며, 서로 마주하는 제3 면 및 제4 면을 포함하고, 상기 제3 면 및 상기 제4 면은 모두 상기 제1 렌즈의 반대 방향으로 볼록하다. 상기 제3 렌즈는 상기 제2 렌즈에 인접하며, 서로 마주하는 제6 면 및 제7 면을 포함하고, 상기 제6 면 및 상기 제7 면은 모두 볼록하며 적어도 한 면은 비구면이다.

Description

내시경용 초소형 광각 렌즈 시스템 및 이를 포함하는 내시경{SUBMINIATURED WIDE-ANGLE LENS SYSTEM AND ENDOSCOPE HAVING THE SAME}
본 발명은 초소형 광각 렌즈 시스템 및 이를 포함하는 내시경에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분자 영상 기반의 정밀 진단을 위한 형광분자영상내시경에 적용이 가능하며, 나아가 일회용 내시경 및 광학영상진단기기 등에의 활용이 가능한 내시경용 초소형 광각 렌즈 시스템 및 이를 포함하는 내시경에 관한 것이다.
최근 특히, 소화기암의 꾸준한 증가에 따라, 소화기 질환에 대한 정밀 진단이 가능한 내시경 기술의 개발 수요가 증가하고 있는 추세이다.
한편, 종래의 일반적인 내시경들의 경우, 조직의 형태학적 관찰에만 의존하기 때문에, 정밀 진단이 필요한 경우, 조식 검사가 수반되어져야 하는데, 이러한 조직 검사시 의심되는 부위 외에 주변부위까지 조직을 생검하여야 하기 때문에 불필요한 부위에 대한 상처나 출혈을 발생시키게 된다.
이러한 종래 내시경이 갖는 문제를 해결하기 위해, 최근에는 내시경 관찰시 조직의 병변을 직접 진단할 수 있는 다양한 광학적 접근 기술이 개발되고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-1889914호에서와 같이, 내시경에 초소형 카메라 모듈을 결합함으로써, 상기와 같은 광학적 진단이 가능한 시스템이 대표적이다.
다만, 이러한 광학 모듈이 결합된 내시경 장치의 경우, 광학렌즈의 성능이 가장 중요한데, 이는 광학렌즈의 성능에 따라 병변 진단의 능력이 결정되기 때문이다.
따라서, 광학렌즈의 성능을 향상시키기 위한, 광학렌즈의 설계 및 제작이 필요하지만, 종래의 confocal 기반 형광분자영상 내시경의 경우, 세포의 형태학적 분석을 통해 진단이 수행되며, 좁은 시야와 짧은 초점 심도를 갖고 있기 때문에 넓은 영역에 대한 빠른 진단이 어려운 한계가 있다.
또한, 영상을 캡쳐한 후 검사 후 진단 결과를 제공하기 때문에, 현장 진단용 실시간 내시경 검사에 적합하지 않으며, 측정 범위가 제한되는 이유로 짧은 내시경 검시 시간 동안 소화기 병변을 효과적으로 진단하는 것은 한계가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1889914호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 광각 화상을 제공하여 생체 내에서 상대적으로 넓은 영역에 대한 빠른 진단이 가능하여 현장 진단용 실시간 검사를 효과적으로 수행할 수 있고, 내시경의 수행 시간 동안 소화기내 암을 효과적으로 진단할 수 있는 내시경용 초소형 광각 렌즈 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 초소형 광각 렌즈시스템을 포함하는 내시경을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 광각 렌즈 시스템은 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 포함한다. 상기 제1 렌즈는 서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면은 모두 비구면(非球面)이고 오목하다. 상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈에 인접하며, 서로 마주하는 제3 면 및 제4 면을 포함하고, 상기 제3 면 및 상기 제4 면은 모두 상기 제1 렌즈의 반대 방향으로 볼록하다. 상기 제3 렌즈는 상기 제2 렌즈에 인접하며, 서로 마주하는 제6 면 및 제7 면을 포함하고, 상기 제6 면 및 상기 제7 면은 모두 볼록하며 적어도 한 면은 비구면이다.
일 실시예에서, 상기 제1 렌즈는 음(-)의 굴절력을 가지며, 상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 렌즈는 메니스커스(Meniscus) 형상을 가지며, 상기 제3 면 및 상기 제4 면은 모두 구면(球面)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈의 사이에는 제5 면을 가지는 조리개, 및 상기 제7 면에 마주하며 상기 제3 렌즈에 인접하도록 배치된 글래스(glass)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 렌즈의 상기 제1 면으로부터 글래스의 외측에 위치한 상면까지의 거리를 TTL, 상기 렌즈 시스템의 초점거리를 F라 할 때,
Figure 112019128979796-pat00001
식 (1)
상기 식 (1)을 만족시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 렌즈의 초점거리를 f1, 상기 렌즈 시스템의 초점거리를 F라 할 때,
Figure 112019128979796-pat00002
식 (2)
상기 식 (2)를 만족시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 렌즈의 초점거리를 f2, 상기 제3 렌즈의 초점거리를 f3라 할 때,
Figure 112019128979796-pat00003
식 (3)
상기 식 (3)을 만족시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 렌즈의 초점거리를 f1, 상기 제2 렌즈의 초점거리를 f2, 상기 제3 렌즈의 초점거리를 f3라 할 때,
Figure 112019128979796-pat00004
식 (4)
상기 식 (4)를 만족시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 렌즈의 상기 제1 면으로부터 조리개까지의 거리를 S1_stop, 상기 제1 렌즈의 상기 제1 면으로부터 글래스의 외측에 위치한 상면까지의 거리를 TTL이라 할 때,
Figure 112019128979796-pat00005
식 (5)
상기 식 (5)를 만족시킬 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 내시경은 렌즈 시스템, 광섬유 또는 센서부 및 외형부를 포함한다. 상기 광섬유 또는 센서부는 상기 렌즈 시스템과 연결된다. 상기 외형부는 상기 렌즈 시스템이 위치하는 전단부, 및 상기 전단부의 후단에 위치하는 후단부를 포함한다. 이 경우, 렌즈 시스템은 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 포함한다. 상기 제1 렌즈는 서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면은 모두 비구면(非球面)이고 오목하다. 상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈에 인접하며, 서로 마주하는 제3 면 및 제4 면을 포함하고, 상기 제3 면 및 상기 제4 면은 모두 상기 제1 렌즈의 반대 방향으로 볼록하다. 상기 제3 렌즈는 상기 제2 렌즈에 인접하며, 서로 마주하는 제6 면 및 제7 면을 포함하고, 상기 제6 면 및 상기 제7 면은 모두 볼록하며 적어도 한 면은 비구면이다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 내시경용 초소형 광각 렌즈시스템이 총 3개의 렌즈가 일렬로 배열되도록 구성하고, 각각의 렌즈들의 형상, 구조 및 설계를 상기와 같이 설정함으로써, 종래 confocal 기반의 형광분자영상 내시경에 사용되는 렌즈 시스템에서 좁은 시야와 짧은 초점 심도를 가져 생체 내 넓은 영역에 대한 빠른 진단이 어려운 문제를 해결하여, 화각 90°이상의 광각 화상을 제공하여 넓은 영역에 대한 빠른 영상 획득이 가능하게 된다.
또한, 후초점거리를 적절히 조절함으로써 상면으로 입사되는 주광선의 각도를 낮추어 주변광량에 대한 손실을 감소시킴과 동시에 고해상도 이미지 파이버(image fiber) 및 소형 센서에 대응될 수 있다.
또한, 비구면이 포함된 광학계임에도 변곡점을 최소화하고, 생산 용이성을 고려하여 렌즈 형상을 설계함으로써 제작비용을 절감하여, 형광분자영상내시경 뿐 아니라 일회용 내시경 및 광학영상진단기기 등에도 효과적으로 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 내시경용 초소형 광각 렌즈시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 광각 렌즈시스템의 종방향 구면 수차, 비점수차 및 왜곡수차를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 내시경용 초소형 광각 렌즈시스템을 도시한 모식도이다.
도 4는 도 3의 광각 렌즈시스템의 종방향 구면 수차, 비점수차 및 왜곡 수차를 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 내시경을 도시한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 내시경을 도시한 모식도이다.
도 7은 도 5의 내시경을 이용하여 시료의 형광영상 정보를 촬영한 결과를 도시한 이미지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 내시경용 초소형 광각 렌즈시스템을 도시한 모식도이다. 도 2는 도 1의 광각 렌즈시스템의 종방향 구면 수차, 비점수차 및 왜곡수차를 도시한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 내시경용 초소형 광각 렌즈시스템(1, 이하, 렌즈 시스템이라 함)은 제1 렌즈(10), 제2 렌즈(20), 제3 렌즈(30), 글래스(40) 및 조리개(50)를 포함한다.
이 경우, 상기 제1 렌즈(10)는 촬영의 대상이 되는 물체(5)에 인접하도록 배치되는 것으로, 상기 물체(5)로부터 상기 제1 렌즈(10), 제2 렌즈(20), 조리개(50), 제3 렌즈(30) 및 글래스(40)의 순서로 차례로 배치되고, 상기 글래스(40)의 외측에는 상면(60)이 배치된다.
이 경우, 상기 상면(60)은, 상기 글래스(40)에 인접하도록 배치되는 별도의 구조물의 외면 또는 상기 렌즈 시스템(1)의 외측면으로 정의될 수 있으며, 후술되는 도 5 및 도 6의 내시경에서는, 상기 상면(60)은 광섬유(130) 또는 센서부(230)의 면에 해당될 수 있다.
또한, 도 1에서는 상기 렌즈들이 좌측에서 우측으로 배치되는 것을 예시하였으나, 이는 예시적인 배열에 불과하며, 상기 렌즈들은 하측에서 상측으로 배치될 수 있으며, 촬영의 대상인 물체(5)로부터 일렬로 배치된다면, 다양한 방향으로의 배열이 가능함은 자명하다.
보다 구체적으로, 상기 제1 렌즈(10)는 소정의 두께로 형성되며 서로 마주하는 제1 면(S1) 및 제2 면(S2)을 포함한다.
상기 제1 면(S1)은 상기 물체(5)를 향하는 방향으로 위치하며, 상기 제2 면(S2)은 상기 제1 면(S1)의 반대 방향을 향하여 위치한다.
이 경우, 상기 제1 면(S1) 및 상기 제2 면(S2)은 모두 비구면(非球面)이고, 모두 오목하게 형성된다. 즉, 상기 제1 면(S1)은 상기 물체(5)를 향하여 오목하게 형성되며, 상기 제2 면(S2)은 외부, 즉 후술되는 상기 제2 렌즈(20)를 향하여 오목하게 형성된다.
또한, 상기 제1 렌즈(10)는 음(-)의 굴절력을 가진다.
한편, 상기 제2 렌즈(20)는 상기 제1 렌즈(10)에 인접하도록 배치되며, 이에 따라, 상기 제1 렌즈(10)가 상기 물체(5)와 상기 제2 렌즈(20)의 사이에 위치하게 된다.
상기 제2 렌즈(20)는 소정의 두께로 형성되며 서로 마주하는 제3 면(S3) 및 제4 면(S4)을 포함한다.
상기 제3 면(S3)은 상기 제1 렌즈(10)를 향하는 방향으로 위치하며, 상기 제4 면(S4)은 상기 제3 면(S3)의 반대 방향을 향하여 위치한다.
이 경우, 상기 제3 면(S3) 및 상기 제4 면(S4)은 모두 구면(球面), 즉 구면의 일부에 해당되고, 모두 같은 방향을 향하여 볼록하게 형성된다. 즉, 상기 제3 면(S3)은 상기 제4 면(S3)을 향하여 돌출되도록 형성되며, 상기 제4 면(S4)은 외부, 즉 후술되는 상기 조리개(50)를 향하여 볼록하게 형성된다. 즉, 상기 제3 면(S3)은 상기 제2 면(S2)을 향하는 방향으로는 오목하게 형성된다.
이상과 같이, 상기 제3 면(S3) 및 상기 제4 면(S4)은 상기 조리개(50)를 향하는 방향으로는 모두 돌출되도록 형성되는 것으로, 전체적으로 메니스커스(Meniscus) 형상을 가진다.
또한, 상기 제2 렌즈(20)는 양(+)의 굴절력을 가진다.
상기 조리개(50)는 소정의 조리개 면(S5)을 가지며, 상기 제2 렌즈(20)와 상기 제3 렌즈(30)의 사이에 배치된다.
한편, 상기 제3 렌즈(30)는 상기 조리개(50)에 인접하도록 배치되며, 이에 따라, 상기 조리개(50)가 상기 제2 렌즈(20)와 상기 제3 렌즈(30)의 사이에 위치하게 된다.
상기 제3 렌즈(30)는 소정의 두께로 형성되며 서로 마주하는 제6 면(S6) 및 제7 면(S7)을 포함한다.
상기 제6 면(S6)은 상기 조리개(50)를 향하는 방향으로 위치하며, 상기 제7 면(S7)은 상기 제6 면(S6)의 반대 방향을 향하여 위치한다.
이 경우, 상기 제6 면(S6) 및 상기 제7 면(S7) 중 적어도 하나는 비구면(非球面)이고, 서로 반대 방향으로 돌출되어 모두 볼록하게 형성된다. 즉, 상기 제6 면(S6)은 상기 조리개(50)를 향하여 볼록하게 형성되며, 상기 제7 면(S7)은 외부, 즉 후술되는 상기 글래스(40)를 향하여 볼록하게 형성된다.
또한, 상기 제3 렌즈(30)는 양(+)의 굴절력을 가진다.
상기 글래스(40)는 상기 제3 렌즈(30)와 상기 상면(60)의 사이에 배치되는 것으로, 단면의 형상은 도 1에 도시된 바와 같이 오목하거나 볼록한 형상을 갖지 않으며 서로 마주하는 두 면은 평행하게 연장된다.
한편, 본 실시예에서의 상기 렌즈 시스템(1)은 하기 식 (1) 내지 식 (6)을 만족시킬 수 있으며, 이에 각각의 식들의 내용과 의미에 대하여 설명한다.
우선, 상기 렌즈 시스템(1)은, 상기 제1 렌즈(10)의 제1 면(S1)으로부터 상기 글래스(40)의 외측에 위치하는 상면(60)까지의 거리를 TTL, 상기 렌즈 시스템(1) 전체의 초점거리를 F라 할 때, 하기 식 (1)을 만족시킨다.
Figure 112019128979796-pat00006
식 (1)
상기 식 (1)은 상기 렌즈 시스템(1)의 전체 길이를 정의하는 것으로, 상기 식 (1)의 하한값인 3.8 미만인 경우, 상기 전체 길이가 짧아지게 되어 상기 상면(60)으로 입사되는 주광선각도가 증가하게 된다. 이와 같이, 상기 주광선각도가 증가하게 되면 주변광량비에 대한 보정이 어려우며, 상기 상면(60)에서의 중심대비 주변부의 밝기가 감소하게 된다. 또한, 상기 전체 길이가 짧아지게 되면, 상기 렌즈 시스템(1)을 보다 작게 구성할 수는 있으나 상기 렌즈들의 공차관리 및 제작이 어려워지게 된다.
한편, 상기 식 (1)에서의 상한값인 5.0을 초과하는 경우, 상기 렌즈 시스템(1)의 전체 길이가 길어지게 되므로, 초소형 광학계의 구성이 어려워지는 문제가 있다.
이에 따라, 상기 식 (1)의 조건을 충족하는 것이 필요하다.
또한, 상기 렌즈 시스템(1)은, 상기 제1 렌즈(10)의 초점거리를 f1, 상기 렌즈 시스템(1)의 전체의 초점거리를 F라 할 때, 하기 식 (2)를 만족시킨다.
Figure 112019128979796-pat00007
식 (2)
상기 식 (2)는 상기 렌즈 시스템(1)의 수차보정 및 형상을 정의한 것으로, 상기 식 (2)의 하한값 미만인 경우, 상기 렌즈 시스템(1)의 전체 굴절력이 증가하게 되는데, 이에 따라 상기 제1 렌즈(10)의 제2 측면(S2)의 곡률이 증가하게 되어 제작이 어려운 문제가 발생된다.
또한, 상기 식 (2)의 상한값을 초과하는 경우, 상대적으로 상기 제1 렌즈(10)의 굴절력이 작아지기 때문에, 상기 렌즈 시스템(1)의 전체 길이가 증가할 수 있으며, 상기 제2 렌즈(20)와 상기 제3 렌즈(30)의 굴절력이 증가하여 공차 관리에 어려운 문제가 발생한다.
이에 따라, 상기 식 (2)의 조건을 충족하는 것이 필요하다.
또한, 상기 렌즈 시스템(1)은, 상기 제2 렌즈(20)의 초점거리를 f2, 상기 제3 렌즈(30)의 초점거리를 f3라 할 때, 하기 식 (3)을 만족시킨다.
Figure 112019128979796-pat00008
식 (3)
상기 식 (3)은 상기 렌즈 시스템(1)의 공차 완화 및 수차 보정을 정의한 것으로, 본 실시예에서, 상기 조리개(50)는 상기 제2 렌즈(20)와 상기 제3 렌즈(30) 사이에 배치된 구조를 특징으로 하는데, 상기 식 (3)을 통해 상기 제2 렌즈(20)와 상기 제3 렌즈(30)의 굴절력을 적절히 분배함으로써, 공차에 의한 성능 변화를 최소하하는 것이 가능하게 된다.
상기 식 (3)에서, 상한값인 0.4 이상인 경우, 상기 제2 렌즈(20)의 굴절력이 작아지게 되어 수차보정 및 상면(60)으로 입사되는 주광선 각도를 낮추는 것이 어려워질 수 있으며, 상기 렌즈 시스템(1) 전체의 길이가 길어지게 된다. 또한, 상기 제3 렌즈(30)의 굴절력이 증가하게 되어, 상기 제3 렌즈(30)의 상기 제6 면(S6)과 상기 제7 면(S7)의 곡률이 증가하게 되어, 상기 렌즈 시스템(1)의 제작이 어려워지는 문제가 있다.
이에 따라, 상기 식 (3)의 조건을 충족하는 것이 필요하다.
또한, 상기 렌즈 시스템(1)은, 상기 제1 렌즈(10)의 초점거리를 f1, 상기 제2 렌즈(20)의 초점거리를 f2, 상기 제3 렌즈(30)의 초점거리를 f3라 할 때, 하기 식 (4)를 만족시킨다.
Figure 112019128979796-pat00009
식 (4)
상기 식 (4)는 상기 제1 내지 제3 렌즈들(10, 20, 30)의 초점거리들의 관계를 정의한 것으로, 상기 제1 렌즈(10)로부터 상기 제3 렌즈(30)로 갈수록 초점거리가 짧아지는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 제1 렌즈(10)로부터 상기 제3 렌즈(30)로 갈수록 굴절력이 증가하게 되면, 후초점 거리(back focal length, BFL)를 적절하게 증가시킬 수 있어, 상기 상면(60)으로 입사되는 주광선 각도를 낮추는 것이 가능하게 되며, 이에 따라 주변 광량비를 증가시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 식 (4)의 조건을 충족하는 것이 필요하다.
또한, 상기 렌즈 시스템(1)은, 상기 제1 렌즈(10))의 상기 제1 면(S1)으로부터 조리개까지의 거리를 S1_stop, 상기 제1 렌즈(10)의 상기 제1 면(S1)으로부터 글래스(40)의 외측에 위치한 상면(50)까지의 거리를 TTL이라 할 때, 하기 식 (5)를 만족시킨다.
Figure 112019128979796-pat00010
식 (5)
상기 식 (5)는 상기 렌즈 시스템(1)의 왜곡수차 및 상기 상면(60)으로 입사되는 주광선 각도의 보정을 정의한 것으로, 상기 식 (5)에서 하한값인 0.4미만인 경우, 상기 상면(60)으로 입사되는 주광선 각도가 증가하게 되며, 이에 따라 수차 보정을 위한 상기 렌즈 시스템(1)의 굴절력 및 곡률 증가로 인해 제작이 어려워지는 문제가 야기된다.
또한, 상기 식 (5)에서 상한값인 0.6이상인 경우, 상기 렌즈 시스템(1)의 전체 길이가 증가하게 되어, 왜곡수차 보정이 어려워지는 문제가 발생한다.
이에 따라, 상기 식 (5)의 조건을 충족하는 것이 필요하다.
나아가, 상기 렌즈 시스템(1)이 포함하는 상기 제1 렌즈(10)의 상기 제1 면(S1) 및 상기 제2 면(S2)은 모두 비구면(非球面)이고, 상기 제3 렌즈(30)의 상기 제6 면(S6) 및 상기 제7 면(S7) 중 적어도 하나는 비구면(非球面)임은 앞서 설명한 바와 같다.
이 경우, 상기 비구면(非球面)은 하기 식 (6)으로 정의된다.
Figure 112019128979796-pat00011
식 (6)
이 때, z는 상기 렌즈 시스템(1)의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리, h는 상기 광축에 수직인 방향으로의 거리, c는 상기 정점에서의 곡률 반경, k는 코닉(conic) 상수, A는 4차 비구면 계수, B는 6차 비구면 계수, C는 8차 비구면 계수, D는 10차 비구면 계수이다.
한편, 상기 도 1의 렌즈 시스템(1)을 실제 설계한 예로서, 상기 조건식들인 식 (1) 내지 식 (6)을 모두 만족시키는 렌즈 시스템의 설계값은 하기 [표 1] 및 [표 2]와 같으며, 하기 [표 1] 및 [표 2]를 통해 설계된 상기 렌즈 시스템(1)이 갖는 종방향 구면 수차(longitudinal spherical aberration), 비점수차(astigmatism) 및 왜곡 수차(distortion)는 도 2에 도시된 바와 같다.
이 경우, 하기 [표 1] 및 [표 2]를 통해 예시적으로 설계되는 상기 렌즈 시스템(1)에서, F-number(조리개 값)는 5.2이고, 화각(FOV)은 90°, 상기 렌즈 시스템(1) 전체의 유효초점거리(EFL)는 0.407mm, 상기 제1 렌즈(10)의 초점거리(f1)는 -1.055mm, 상기 제2 렌즈(20)의 초점거리(f2)는 0.796mm, 상기 제3 렌즈(30)의 초점거리(f3)는 0.706mm, 상기 제1 렌즈(10)의 제1 면(S1)으로부터 상기 상면(60)까지의 거리(TTL)는 1.806mm이다.
한편, 상기 도 2에서의 상기 종방향 구면 수차는 각각 656.27nm, 546.07nm, 486.13nm의 파장을 갖는 광에 대하여 도시한 것이며, 상기 비점수차 및 왜곡 수차는 546.07nm의 파장을 갖는 광에 대하여 도시한 것이다.
[표 1] 렌즈 시스템(1)의 설계값
Figure 112019128979796-pat00012
[표 2] 식 (6)의 비구면 계수값
Figure 112019128979796-pat00013
이상과 같이, 상기 조건식들인 식 (1) 내지 식 (6)을 모두 만족시키는 렌즈 시스템(1)을 상기 [표 1] 및 [표 2]와 같이 설계할 수 있으며, 이를 통해 내시경용 초소형 광각 렌즈시스템을 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 내시경용 초소형 광각 렌즈시스템을 도시한 모식도이다. 도 4는 도 3의 광각 렌즈시스템의 종방향 구면 수차, 비점수차 및 왜곡 수차를 도시한 모식도이다.
본 실시예에서의 상기 렌즈 시스템(2)은 도 1을 참조하여 설명한 상기 렌즈 시스템(1)과 실질적으로 동일한 구성을 포함하므로, 상기 렌즈 시스템(2)의 구성과 관련하여는 중복되는 설명은 생략한다.
즉, 도 3을 참조하면, 본 실시예서의 상기 렌즈 시스템(2)이 포함하는 제1 렌즈(11), 제2 렌즈(21), 제3 렌즈(31), 글래스(41), 조리개(51) 및 상면(61)은 도 1의 렌즈 시스템(1)에서의 상기 제1 렌즈(10), 제2 렌즈(20), 제3 렌즈(30), 글래스(40), 조리개(50) 및 상면(60)과 실질적으로 동일하다.
이에 따라, 상기 렌즈 시스템(2) 역시, 상기 식 (1) 내지 식 (6)에서 설명한 조건식을 동일하게 충족시킨다.
다만, 상기 렌즈 시스템(2)은 하기 [표 3] 및 [표 4]에서와 같은 설계로 변형 설계될 수 있으며, 이렇게 설계된 상기 렌즈 시스템(2)은 상기 조건식들인 식 (1) 내지 식 (6)을 모두 만족시킨다.
또한, 하기 [표 3] 및 [표 4]를 통해 설계된 상기 렌즈 시스템(2)이 갖는 종방향 구면 수차(longitudinal spherical aberration), 비점수차(astigmatism) 및 왜곡 수차(distortion)는 도 4에 도시된 바와 같다.
이 경우, 하기 [표 3] 및 [표 4]를 통해 예시적으로 설계되는 상기 렌즈 시스템(2)에서, F-number(조리개 값)는 5.2이고, 화각(FOV)은 90°, 상기 렌즈 시스템(2) 전체의 유효초점거리(EFL)는 0.426mm, 상기 제1 렌즈(11)의 초점거리(f1)는 -1.092mm, 상기 제2 렌즈(21)의 초점거리(f2)는 0.834mm, 상기 제3 렌즈(31)의 초점거리(f3)는 0.754mm, 상기 제1 렌즈(11)의 제1 면(S1)으로부터 상기 상면(61)까지의 거리(TTL)는 1.790mm이다.
한편, 상기 도 4에서의 상기 종방향 구면 수차는 각각 656.27nm, 546.07nm, 486.13nm의 파장을 갖는 광에 대하여 도시한 것이며, 상기 비점수차 및 왜곡 수차는 546.07nm의 파장을 갖는 광에 대하여 도시한 것이다.
[표 3] 렌즈 시스템(2)의 설계값
Figure 112019128979796-pat00014
[표 4] 식 (6)의 비구면 계수값
Figure 112019128979796-pat00015
이상과 같이, 상기 조건식들인 식 (1) 내지 식 (6)을 모두 만족시키는 렌즈 시스템(2)을 상기 [표 3] 및 [표 4]와 같이 설계할 수 있으며, 이를 통해 내시경용 초소형 광각 렌즈시스템을 구현할 수 있다.
나아가, 도 1 및 도 3을 참조하여 설명한, 상기 렌즈 시스템(1, 2)의 실제 설계값은 하기 [표 5]에서와 같이 상기 식 (1) 및 식 (5)를 모두 충족시킨다.
[표 5] 식 (1) 내지 식 (5)의 충족여부
Figure 112019128979796-pat00016
이 경우, 하기 [표 1] 내지 [표 5]를 통해 예시된 상기 렌즈 시스템들(1, 2) 및 상기 도 2 및 도 4를 통해 확인되는 설계 수치는 일 예에 불과한 것으로, 다양하게 상기 식 (1) 내지 식 (6)을 만족시키는 범위에서 다양하게 설계될 수 있음은 자명하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 내시경을 도시한 모식도이다.
본 실시예에서의 상기 내시경(100)은 도 1에서 설명한 상기 렌즈 시스템(1)을 그대로 포함하는 것으로, 상기 렌즈 시스템(1)에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 내시경(100)은 상기 렌즈 시스템(1) 외에, 외형부(120) 및 광섬유(130)를 포함한다.
상기 외형부(120)는 일 방향으로 연장되며, 전단부(121) 및 후단부(122)를 포함하여, 상기 전단부(121)의 내부에는 상기 렌즈 시스템(1)이 위치하고, 상기 후단부(122)에는 상기 광섬유(130)가 위치한다.
이 경우, 상기 광섬유(130)의 전면, 즉 상기 렌즈 시스템(1)을 향하는 면은 곧, 도 1의 상기 렌즈 시스템(1)에서 설명한 상면(60)에 해당되는 것으로, 상기 광섬유(130)는 상기 렌즈 시스템(1)에 인접하도록 배치된다.
그리하여, 시료(110)에 대한 측정 영상은 상기 렌즈 시스템(1), 및 상기 광섬유(130)를 통해 도 5의 화살표로 도시된 바와 같이 외부로 제공되며, 이렇게 제공되는 영상을 바탕으로 상기 시료(110)에 대한 진단을 수행하게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 내시경을 도시한 모식도이다.
본 실시예에서의 상기 내시경(200) 역시 도 1에서 설명한 상기 렌즈 시스템(1)을 그대로 포함하는 것으로, 상기 렌즈 시스템(1)에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 6를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 내시경(200)은 상기 렌즈 시스템(2) 외에, 외형부(220) 및 센서부(230)를 포함한다.
상기 외형부(220)는 일 방향으로 연장되며, 전단부(221) 및 후단부(222)를 포함하여, 상기 전단부(221)의 내부에는 상기 렌즈 시스템(1)이 위치하고, 상기 후단부(222)에는 상기 센서부(230)가 위치한다.
이 경우, 상기 센서부(230)의 전면, 즉 상기 렌즈 시스템(1)을 향하는 면은 곧, 도 1의 상기 렌즈 시스템(1)에서 설명한 상면(60)에 해당되는 것으로, 상기 센서부(230)는 상기 렌즈 시스템(1)에 인접하도록 배치된다.
그리하여, 시료(110)에 대한 측정 영상은 상기 렌즈 시스템(1)을 통해 상기 센서부(230)로 제공되며, 이렇게 제공되는 영상을 바탕으로 상기 시료(110)에 대한 진단을 수행하게 된다.
한편, 상기 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 상기 내시경(100, 200)에서, 상기 도 1의 렌즈 시스템(1)을 포함하는 것을 예시하였으나, 상기 도 3을 참조하여 설명한 렌즈 시스템(2)을 도 1의 렌즈 시스템(1)을 대신하여 포함하는 것도 가능하며, 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 7은 도 5의 내시경을 이용하여 시료의 형광영상 정보를 촬영한 결과를 도시한 이미지이다.
도 7은 도 5의 내시경(100)을 이용하여 실제 시료의 형광영상 정보를 촬영한 결과로서, FITC(fluorescein isothiocyanate)와 PBS(phosphate-buffered saline) 샘플에 480nm 대역의 레이저를 입사시켜 500nm 초반 대역의 파장으로 반사되는 광을 통해 획득한 영상이다.
도 7을 통해 확인되는 바와 같이, PBS 샘플에서는 형광영상은 검출되지 않았으며, FITC 조영제 샘플을 통해서는 형광 영상이 검출되는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예의 상기 렌즈 시스템으로 내시경을 제작하는 경우, 초소형 광각 렌즈 시스템을 내시경으로 구현할 수 있으며, 이를 통해 직접 샘플에 대한 형광영상을 획득할 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 내시경용 초소형 광각 렌즈시스템이 총 3개의 렌즈가 일렬로 배열되도록 구성하고, 각각의 렌즈들의 형상, 구조 및 설계를 상기와 같이 설정함으로써, 종래 confocal 기반의 형광분자영상 내시경에 사용되는 렌즈 시스템에서 좁은 시야와 짧은 초점 심도를 가져 생체 내 넓은 영역에 대한 빠른 진단이 어려운 문제를 해결하여, 화각 90°이상의 광각 화상을 제공하여 넓은 영역에 대한 빠른 영상 획득이 가능하게 된다.
또한, 후초점거리를 적절히 조절함으로써 상면으로 입사되는 주광선의 각도를 낮추어 주변광량에 대한 손실을 감소시킴과 동시에 고해상도 이미지 파이버(image fiber) 및 소형 센서에 대응될 수 있다.
또한, 비구면이 포함된 광학계임에도 변곡점을 최소화하고, 생산 용이성을 고려하여 렌즈 형상을 설계함으로써 제작비용을 절감하여, 형광분자영상내시경 뿐 아니라 일회용 내시경 및 광학영상진단기기 등에도 효과적으로 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 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.
1, 2 : 렌즈 시스템 10, 11 : 제1 렌즈
20, 21 : 제2 렌즈 30, 31 : 제3 렌즈
40, 41 : 글래스 50, 51 : 조리개
60, 61 : 상면 100, 200 : 내시경
110, 210 : 시료 120, 220 : 외형부
130 : 광섬유 230 : 센서부

Claims (10)

  1. 서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면은 모두 비구면(非球面)이고 오목한 제1 렌즈;
    상기 제1 렌즈에 인접하며, 서로 마주하는 제3 면 및 제4 면을 포함하고, 상기 제3 면 및 상기 제4 면은 모두 상기 제1 렌즈의 반대 방향으로 볼록한 제2 렌즈;
    상기 제2 렌즈에 인접하며, 서로 마주하는 제6 면 및 제7 면을 포함하고, 상기 제6 면 및 상기 제7 면은 모두 볼록하며 적어도 한 면은 비구면인 제3 렌즈; 및
    상기 제7 면에 마주하며 상기 제3 렌즈에 인접하도록 배치된 글래스(glass)를 포함하고,
    상기 제1 렌즈의 상기 제1 면으로부터 상기 글래스의 외측에 위치한 상면까지의 거리를 TTL, 렌즈 시스템의 초점거리를 F, 상기 제1 렌즈의 초점거리를 f1, 상기 제2 렌즈의 초점거리를 f2, 상기 제3 렌즈의 초점거리를 f3이라 할 때,
    Figure 112021080425398-pat00029
    식 (1)
    Figure 112021080425398-pat00030
    식 (2)
    Figure 112021080425398-pat00031
    식 (3)
    Figure 112021080425398-pat00032
    식 (4)
    상기 식 (1) 내지 (4)를 만족시키는 렌즈 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 음(-)의 굴절력을 가지며,
    상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 양(+)의 굴절력을 가지는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 메니스커스(Meniscus) 형상을 가지며,
    상기 제3 면 및 상기 제4 면은 모두 구면(球面)인 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈의 사이에는 제5 면을 가지는 조리개를 더 포함하는 렌즈 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 상기 제1 면으로부터 조리개까지의 거리를 S1_stop, 상기 제1 렌즈의 상기 제1 면으로부터 글래스의 외측에 위치한 상면까지의 거리를 TTL이라 할 때,
    Figure 112019128979796-pat00021
    식 (5)
    상기 식 (5)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  10. 렌즈 시스템;
    상기 렌즈 시스템과 연결된 광섬유 또는 센서부; 및
    상기 렌즈 시스템이 위치하는 전단부, 및 상기 전단부의 후단에 위치하는 후단부를 포함하는 외형부를 포함하고,
    상기 렌즈 시스템은,
    서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면은 모두 비구면이고 오목한 제1 렌즈;
    상기 제1 렌즈에 인접하며, 서로 마주하는 제3 면 및 제4 면을 포함하고, 상기 제3 면 및 상기 제4 면은 모두 상기 제1 렌즈의 반대 방향으로 볼록한 제2 렌즈;
    상기 제2 렌즈에 인접하며, 서로 마주하는 제6 면 및 제7 면을 포함하고, 상기 제6 면 및 상기 제7 면은 모두 볼록하며 적어도 한 면은 비구면인 제3 렌즈; 및
    상기 제7 면에 마주하며 상기 제3 렌즈에 인접하도록 배치된 글래스(glass)를 포함하고,
    상기 제1 렌즈의 상기 제1 면으로부터 상기 글래스의 외측에 위치한 상면까지의 거리를 TTL, 상기 렌즈 시스템의 초점거리를 F, 상기 제1 렌즈의 초점거리를 f1, 상기 제2 렌즈의 초점거리를 f2, 상기 제3 렌즈의 초점거리를 f3이라 할 때,
    Figure 112021080425398-pat00033
    식 (1)
    Figure 112021080425398-pat00034
    식 (2)
    Figure 112021080425398-pat00035
    식 (3)
    Figure 112021080425398-pat00036
    식 (4)
    상기 식 (1) 내지 (4)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 내시경.
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