KR102084899B1 - 광섬유 프로브 제조 방법 - Google Patents

광섬유 프로브 제조 방법 Download PDF

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Abstract

비점수차를 줄일 수 있는 광섬유 프로브 및 광섬유 프로브 제조 방법이 개시된다. 개시된 광섬유 프로브는 광원의 빛이 입사되는 광섬유; 상기 입사된 빛을 원주면 방향으로 반사시키는 반사부; 및 상기 반사부의 원주면에 결합되는 입사면과 상기 원주면의 곡률과 상이한 곡률의 출사면을 포함하는 투명 윈도우를 포함한다.

Description

광섬유 프로브 및 광섬유 프로브 제조 방법{OPTICAL PROBE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 광섬유 프로브 및 광섬유 프로브 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비점수차(astigmatism)를 줄일 수 있는 광섬유 프로브 및 광섬유 프로브 제조 방법에 관한 것이다.
조직 내부의 영상 및 생체 신호를 획득하기 위한 목적으로, 조직에 삽입이 가능한 광섬유 프로브가 활용되고 있다. 예를 들어, Optical coherence tomography (OCT), confocal microscopy (CM), two-photon microscopy (TPM), multiphoton microscopy (MPM) 등과　같은　광영상기술의　영상을　획득하기　위해 광섬유 프로브가 이용된다.
광섬유 프로브의 성능을 개선하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1637832호가 있다.
본 발명은 비점수차를 줄일 수 있는 광섬유 프로브 및 광섬유 프로브 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원의 빛이 입사되는 광섬유; 상기 입사된 빛을 원주면 방향으로 반사시키는 반사부; 및 상기 반사부의 원주면에 결합되는 입사면과 상기 원주면의 곡률과 상이한 곡률의 출사면을 포함하는 투명 윈도우를 포함하는 광섬유 프로브를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광원의 빛이 입사되는 광섬유; 상기 입사된 빛을 확산시키는 제1노-코어 파이버; 상기 확산된 빛을 집속시키는 그린 파이버; 상기 집속된 빛이 원주면 방향으로 전반사되도록 일부분이 연마된 제2노-코어 파이버; 및 상기 원주면에 결합되어 상기 전반사된 빛에 대한 비점수차를 감소시키는 투명 윈도우를 포함하는 광섬유 프로브를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1기판 상에 수지를 마련하는 단계; 입사된 빛이 출사되는 광섬유 프로브의 원주면을 상기 수지와 접촉시키는 단계; 상기 원주면과 상기 수지가 접촉한 상태로 상기 수지를 경화시키는 단계; 및 상기 광섬유 프로브를 상기 기판과 분리하는 단계를 포함하는 광섬유 프로브 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 빛이 통과하는 원주면에 투명 윈도우를 결함함으로써, 원주면에 의해 발생하는 비점수차를 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 빛이 통과하는 원주면에 의해 발생하는 비점수차 감소함으로써, 횡방향으로 초점의 스팟 사이즈가 감소하여 횡방향 분해능이 증가할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 광섬유 프로브의 광효율이 향상될 수 있으며 반사에 의해 발생할 수 있는 영상의 노이즈도 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 프로브를 도시하는 도면이다.
도 2는 종래의 광섬유 프로브를 도시하는 도면이다.
도 3은 광섬유 프로브의 반사부를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 프로브에 의해 형성되는 초점에 대한 스팟 다이어그램(spot diagram)을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 투명 윈도우의 굴절률에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 프로브 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 프로브 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 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.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 프로브를 도시하는 도면이며, 도 2는 종래의 광섬유 프로브를 도시하는 도면이다. 그리고 도 3은 광섬유 프로브의 반사부를 도시하는 도면이다. 도 1(a) 및 도 2(a)는 광섬유 프로브에 대한 측면도를 도시하고 있으며, 도 1(b) 및 도 2(b)는 광섬유 프로브에 대한 정면도를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 프로브는 광섬유(110), 반사부(120) 및 투명 윈도우(130)를 포함한다.
광섬유(110)로 광원의 빛이 입사(140)되면, 입사된 빛은 반사부(120)에서 반사되어 반사부(120)의 측면 방향(side-viewing)으로 출사(150)된다. 광섬유(110)는 일실시예로서, 싱글 모드 파이버(111, Single Mode Fiber, SMF), 노-코어 파이버(112, No-Core Fiber, NCF) 및 그린 파이버(113, GRIN fiber)를 포함할 수 있다. 노-코어 파이버(112)는 싱글 모드 파이버(111)로 입사된 빛을 전달받아 입사된 빛을 확산시키며, 그린 파이버(1130)는 노-코어 파이버(112)에 의해 확산된 빛을 전달받아 확산된 빛을 집속시킨다. 실시예에 따라서, 노-코어 파이버(112) 및 그린 파이버(113) 이외 빛을 확산 및 집속시키는 다양한 광학 소자가 이용될 수 있다.
반사부(120)는 광섬유(110)로 입사(330)된 빛을 원주면(320) 방향으로 반사시킨다. 도 3에 도시된 바와 같이, 반사부(120)는 원통형 형상의 일부분이 연마된(polished) 형태일 수 있는데, 연마된 반사면(310)에 의해 빛이 반사되어 원주면(320) 방향으로 출사(340)될 수 있다. 반사면(310)은 그린 파이버(113)에 의해 집속된 빛이 전반사될 수 있도록 연마되어 형성될 수 있으며, 일실시예로서 노-코어 파이버가 연마된 형태일 수 있다.
반사부(120)에서 반사된 빛은 투명 윈도우(130)로 입사된다. 투명 윈도우(130)는 반사부(120)의 원주면(320)에 결합되는 입사면(131)과 원주면(320)의 곡률과 상이한 곡률의 출사면(132)을 포함하며, 도 2의 종래 광섬유 프로브와 비교하여 추가된 부분이다.
반사부(120)는 일부분이 연마된 원통형 형상이기 때문에, 반사부(120)로부터 출사되는 빛은 원주면(cylindrical surface, 320)을 통과하게 되고, 결국 반사부(120)로부터 출사되는 빛이 원기둥 렌즈(cylindrical lens)를 통과하는 것과 동일한 효과가 나타낸다. 원기둥 렌즈는 비점수차(astigmatism)를 발생시키기 때문에, 본 발명은 투명 윈도우를 이용하여 비점수차를 감소시키는 방안을 제안한다.
도 1에서는 평평한 형상의 출사면(132)이 일실시예로서 도시되고 있다. 입사면(131)은 원주면(320)과 같이 곡면의 형상이나, 출사면(132)은 곡률이 0인 평면의 형상이다. 실시예에 따라서, 출사면(132)의 곡률 및 형상은 다양하게 결정될 수 있으며, 출사면(132)은 반사부(120)의 원주면(320)의 곡률보다 작은 곡률의 볼록한 형태일 수 있다. 결국, 반사부(120)의 원주면(320)에 의해 발생한 비점수차는, 원주면(320)과 출사면(132)의 곡률 차이만큼 투명 윈도우(130)에 의해 완화될 수 있다.
또는 일실시예로서, 본 발명에 따른 광섬유 프로브는 조직에 삽입될 때 체액으로부터 보호되기 위해 투명한 튜브에 삽입된 형태로 조직에 삽입될 수 있는데, 투명한 튜브 역시 원기둥 렌즈의 역할을 할 수 있고, 따라서 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 반사부(120) 뿐만 아니라 투명한 튜브에 의한 비점수차까지 상쇄시키기 위해 출사면(130)은 오목한 형태일 수 있다.
투명 윈도우(130)는 유리 뿐만 아니라 다양한 투명 재질로 제조될 수 있으며, 제조상의 편의를 위해 투명한 수지 계열로 제조될 수 있다. 투명 윈도우(130)는 일실시예로서 에폭시 수지 재질일 수 있다.
결국 본 발명에 따르면, 빛이 통과하는 원주면에 투명 윈도우를 결함함으로써, 원주면에 의해 발생하는 비점수차를 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 투명 윈도우(130)의 출사면(132)에는 다양항 패턴이 형성될 수 있으며 이러한 패턴은 빛의 위상을 변화시키는 파면 변조기로 작용할 수 있다. 이러한 패턴에 의해 초점 심도가 증가하거나 초점의 스팟 사이즈가 감쇠되어 횡방향 해상도가 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 프로브에 의해 형성되는 초점에 대한 스팟 다이어그램(spot diagram)을 나타내는 도면이다. 도 4(a)는 투명 윈도우를 이용하지 않는 광섬유 프로브에 대한 스팟 다이어그램을 나타내며, 도 4(b)는 출사면이 평평한 투명 윈도우를 이용하는 광섬유 프로브에 대한 스팟 다이어그램을 나타낸다.
비점수차에 의해 횡방향으로 초점의 스팟 사이즈(spot size)가 증가하게 되는데, 도 4(b)의 스팟 사이즈(420)가 도 4(a)의 스팟 사이즈(410)에 비해 현격히 작음을 알 수 있다. 다시 말해 본 발명에 따른 광섬유 프로브를 이용할 경우, 원주면에 의해 발생하는 비점수차가 감소할 수 있다.
투명 튜브를 사용하는 경우 등과 같이 사용 환경에 따라서, 투명 윈도우의 출사면을 오목한 형상으로 형성할 경우에 비점수차가 더욱 감소할 수 있으며, 출사면의 곡률은 사용 환경이나 광섬유 프로브의 설계 파라미터 등에 따라 결정될 수 있다.
결국 본 발명에 따르면, 원주면에 의해 발생하는 비점수차를 감소할 수 있고, 횡방향으로 초점의 스팟 사이즈가 감소하여 횡방향 분해능이 증가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 투명 윈도우의 굴절률에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
굴절률이 서로 다른 두개의 매질을 빛이 통과할 때 두 매질의 경계면에서 빛이 반사될 수 있는데, 빛의 반사율은 두 매질의 굴절률에 따라 결정된다. 빛이 두 매질의 경계면에 수직한 방향으로 진행할 경우, 반사율(r)은 [수학식 1]과 같이 결정된다. [수학식 1]에서 n1은 제1매질의 굴절률이며 n2는 제2매질의 굴절률을 나타낸다.
Figure 112019122096857-pat00001
광섬유 프로브에서, 일반적으로 반사부로 이용될 수 있는 노-코어 파이버(제1매질)와 노-코어 파이버 외부의 공기(제2매질)의 굴절률은 각각 1.4468과 1이므로, 반사율은 [수학식 1]에 의해 3.3%가 된다.
즉, 투명 윈도우를 이용하지 않을 경우, 빛의 반사율은 3.3% 정도 되는데, 본 발명에 따른 투명 윈도우에 의해 빛의 반사율은 더욱 줄어들 수 있다. 투명 윈도우가 이용될 경우, 즉, 노-코어 파이버와 공기 사이에 새로운 매질이 추가될 경우, 빛의 반사율은 [수학식 2]와 같이 계산될 수 있으며, 결국 투명 윈도우의 굴절률이 달라짐에 따라 빛의 반사율 역시 달라질 수 있다.
Figure 112019122096857-pat00002
여기서, n1은 제1매질(노-코어 파이버)의 굴절률, n2는 제2매질(투명 윈도우)의 굴절률, n3는 제3매질(공기)의 굴절률을 나타낸다.
도 5는 투명 윈도우의 굴절률에 따른 반사율을 나타내며, 투명 윈도우의 굴절률이 1.2 정도일 때 빛의 반사율이 1.68%로 최소가 됨을 알 수 있다. 따라서, 반사부 및 공기의 굴절률에 따라 반사율이 감소될 수 있도록 투명 윈도우의 굴절률을 결정하여 제조한 후 반사부에 결합할 경우, 광섬유 프로브의 광효율이 향상될 수 있으며 반사에 의해 발생할 수 있는 영상의 노이즈도 감소될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 프로브 제조 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 프로브 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a)를 참조하면, 제1기판(610) 상에 수지(620)를 마련하고, 입사된 빛이 출사되는 광섬유 프로브(630)의 원주면(320)을 수지(620)와 접촉킨다. 제1기판(610)은 평평한 형상일 수 있으며, 실시예에 따라서 볼록한 형상이거나 오목한 형상일 수 있고 곡률 역시 다양하게 결정될 수 있다. 광섬유 프로브(630)는 도 2에 도시된 광섬유 프로브일 수 있으며, 수지(620)는 에폭시 수지로서 UV 경화 수지일 수 있다.
도 6(b)를 참조하면, 원주면(320)과 수지(620)가 접촉한 상태로 수지(620)를 경화시키며, UV를 수지(620)에 조사하여 수지(620)를 경화시킬 수 있다.
도 6(c)를 참조하면, 수지(620)의 경화가 완료되면, 광섬유 프로브(630)를 제1기판(610)과 분리하며, 경화된 수지는 전술된 투명 윈도우(130)에 대응된다. 평평한 제1기판(610)과 접촉했던 투명 윈도우(130)의 출사면(132) 역시 평평하게 형성될 수 있으며, 투명 윈도우(130)의 입사면은 반사부와 결합되어 고정된다. 제1기판(610)이 볼록한 형상일 경우, 출사면(132)은 오목해질 수 있으며, 제1기판(610)이 오목한 형상일 경우 출사면(132)은 볼록해질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 제1기판(610) 상에 마련되는 수지(620)의 양은 원주면(320)을 통해 출사되는 빛의 빔 폭에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 빔 폭이 넓을 경우 투명 윈도우(130)의 폭도 넓을 필요가 있으므로 제1기판(610) 상에 마련되는 수지(620)의 양을 증가시키는 것이 바람직하다. 또는 광섬유 프로브(630)와 수지(620)를 접촉시켜 압력(640)을 인가할 수 있는데, 인가되는 압력(640)을 증가시켜 수지(620)와 원주면(320)의 접촉 면적을 증가시킴으로써 투명 윈도우(130)의 폭을 증가시킬 수도 있다.
한편, 제1기판(610)은 실리콘 웨이퍼 기판일 수 있으며, 수지(620)가 경화될 때 반사부뿐만 아니라 제1기판(610)에도 수지(620)가 붙어서 광섬유 프로브를 기판과 분리하기 어려울 수 있으므로, 수지(620)와 제1기판(610) 사이의 접착을 방지하는 코팅제를 제1기판(610)에 코팅하여 광섬유 프로브를 제조할 수 있다.
또는 도 7에 도시된 바와 같이, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 제1기판으로 이용할 수 있다. 평평한 제2기판(710) 상에 액체 상태의 PDMS(720)를 도포하고, 도포된 PDMS(720)에 열을 가하여 경화시킴으로써, 평평한 PDMS 기판이 만들어질 수 있다. 제2기판의 형상은 실시예에 따라서 볼록한 형상이거나 오목한 형상일 수 있으며, 제2기판의 형상에 따라 PDMS 기판 역시 볼록하거나 오목한 형상일 수 있다.
실시예에 따라서, 제2기판에 미리 설정된 패턴이 형성될 수 있으며, 제2기판의 패턴에 의해 PDMS 기판에도 패턴이 형성될 수 있다. 그리고 최종적으로 투명 윈도우의 출사면에도 패턴이 형성될 수 있다. 이러한 패턴은 파면 변조기로서 기능한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (3)

  1. 제1기판 상에 액체 상태의 PDMS를 도포하는 단계; 및
    상기 PDMS를 경화시켜 제2기판을 제조하는 단계
    상기 제2기판 상에 수지를 마련하는 단계;
    입사된 빛이 출사되는 광섬유 프로브의 원주면을 상기 수지와 접촉시키는 단계;
    상기 원주면과 상기 수지가 접촉한 상태로 상기 수지를 경화시키는 단계; 및
    상기 광섬유 프로브를 상기 기판과 분리하는 단계를 포함하며,
    상기 제1기판의 형상은
    오목한 형상, 볼록한 형상 또는 평평한 형상인
    광섬유 프로브 제조 방법.
  2. 기판 상에 수지를 마련하는 단계;
    입사된 빛이 출사되는 광섬유 프로브의 원주면을 상기 수지와 접촉시키는 단계;
    상기 원주면과 상기 수지가 접촉한 상태로 상기 수지를 경화시키는 단계; 및
    상기 광섬유 프로브를 상기 기판과 분리하는 단계를 포함하며,
    상기 기판은, 상기 수지와 상기 기판 사이의 접착을 방지하는 코팅제가 코팅된 기판이며,
    상기 기판의 형상은, 오목한 형상, 볼록한 형상 또는 평평한 형상인
    광섬유 프로브 제조 방법.
  3. 기판 상에 수지를 마련하는 단계;
    입사된 빛이 출사되는 광섬유 프로브의 원주면을 상기 수지와 접촉시키는 단계;
    상기 원주면과 상기 수지가 접촉한 상태로 상기 수지를 경화시키는 단계; 및
    상기 광섬유 프로브를 상기 기판과 분리하는 단계를 포함하며,
    상기 기판 상에 마련되는 수지의 양은
    상기 원주면을 통해 출사되는 빛의 빔 폭에 따라 결정되는
    광섬유 프로브 제조 방법.
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