시야각 조절이 가능한 내시경 광섬유 레이저 가공 기술
유동윤*, 최훈국*, 손익부*,⌧, 노영철*, 신중원**
*광주과학기술원 고등광기술연구소, **GSM Korea
Laser micromachining of optical endoscopic fiber for viewing
Dongyoon Yoo*, Hun-Kook Choi*, Ik-Bu Sohn*,⌧, Young-Chul Noh*, Jung-Won Shin*
*Advanced Photonics Research Institute, Gwangju Intitute of Science and Technology
**GSM Korea
Abstract
In this paper, controlling shape of optical fiber tip for endoscope was investigated for eliminating blind spot.
The blind spot of endoscope is generated by divergence angle of optical fiber, so it is easy to generate blind spot when tightly focusing. In order to eliminate this region, fiber tip is necessary to be controlled as convex or concave. Illumination simulation of convex and concave type of fiber tip in the endoscope was in progress, so the distance of non- blind region was investigated in each case. As well as the simulation, the tip was fabricated as concave shape by UV laser machining. Then the beam radiation was measured to observe the blind region. The result showed that controlling the fiber tip as convex or concave shape makes the narrow blind region of illumination in endoscope.
Keywords: Endoscope illumination(내시경 조명), optical fiber(광섬유), UV laser(UV 레이저), laser processing(레이저 가공)1)
1. 서 론
광섬유는 주로 광통신에 많이 사용되었으나 광 필터, 광섬유 센서, 의료용 광섬유 등 광섬유 응용 소자로서 다양한 분야에 활용이 가능하다.1-4 최근 에는 측면조사 광섬유 팁을 비롯한 정밀한 광섬유 팁 가공 기술이 발전하여 다양한 분야에서 사용되 고 있으며, 특히 의료분야에 많이 적용되고 있다.
그 중에서 펨토초와 CO2 레이저를 이용하여 개발 된 다방향 조사 광섬유 팁은 원뿔형상의 팁으로 레이저 빔을 전방과 측면으로 넓게 퍼지게 하는 역할이 가능하여 외과적 의료 수술에 적용하기 위 한 연구개발이 진행되고 있다.4
의료 수술용 광섬유 팁뿐만 아니라 최근에는 내 시경 조명에 광섬유가 많이 사용된다. 내시경을 위해 LED나 광섬유5-8를 많이 이용하고 있지만, Fig.1의 기존 내시경처럼 영상과 조명경로가 분리
투고일 : 2015년 3월 23일 심사완료일 : 2015년 3월 25일 게재승인일 : 2015년 3월 26일
교신저자 : 손익부 ⌧ [email protected]
되어 인체 내부를 매우 가깝게 관찰할 경우 조명 이 비추지 않는 사각지대가 발생하여 정확한 측정 이 어려워지며, 기존의 크기에서 더 작은 크기의 내시경을 제작하기 어려운 단점이 있다.
Fig. 1 Traditional medical endoscope and coaxial illumination medical endoscope.
본 논문에서는 이러한 단점과 한계를 극복하기 위하여 광섬유 끝단에 미세하고 정밀한 형상 제어 가 가능한 레이저 가공 기술9-12을 사용하였다. 레
이저 가공 기술은 다양한 물질에 가공이 가능하다 는 장점으로 인해 여러 응용분야에 적용이 되고 있다. 또한, Fig. 1의 일체형 의료용 내시경 그림 과 같이 원통형 튜브로 이루어진 조명용 광섬유를 사용하였다. 영상과 조명경로를 동일한 축에 위치 시키는 구성으로 내시경의 크기를 줄이고, 광섬유 끝단의 형상 제어를 통해 조명 사각지대를 최소화 하였다. 레이저를 이용한 광섬유 형상 제어에 앞 서 LightTools 시뮬레이션 프로그램을 통하여 방사 분포를 확인하였으며, 그에 맞는 광섬유 팁 형상 을 레이저를 통해 가공하였다.
2. 시뮬레이션
영상과 조명경로가 동축으로 이루어진 일체형 내시경의 사각지대를 최소화하기 위하여 Fig.2와 같이 원통형 튜브 광섬유 끝단의 형상을 오목이나 볼록렌즈 형상으로 변화시켜야 한다.
Fig. 2 Illumination of the endoscope according to the fiber shape; (a)flat type, (b)concave type.
레이저 가공을 통하여 광섬유 끝단 형상 제어하 기 전에 LightTools 시뮬레이션을 통하여 그 가능 성을 먼저 확인하여 보았다. 가공되지 않은 일반 수직한 끝단 면, 볼록하게 가공된 끝단 면, 그리고 오목하게 가공된 끝단 면의 빔 형상 분포를 비교 하여 조명을 비추지 않는 사각지대가 얼마나 효과 적으로 제거되는지 비교하여 보았다. 실제 실험에 사용한 샘플과 같이 0.9mm 직경, 튜브의 두께 0.07mm로 설정하고 볼록과 오목한 형상을 위한 R 값은 ±0.035mm, ±0.043mm로 설정하여 시뮬레이 션을 진행하였다. 수직한 형상의 일반적인 광섬유 의 경우 빔의 사각지대가 사라지는 지점이 끝단을 기준으로 위로 4mm 떨어진 지점이다.
일반적인 수직한 면의 광섬유와 달리 볼록한 면 과 오목한 면의 광섬유의 빔 분포에서는 빔의 사각
지대가 사라지는 지점이 수직한 경우보다 짧아짐을 확인할 수 있다. R = 0.035의 볼록한 면은 사각지 대가 사라지는 지점이 끝단으로부터 0.5mm위, 그 리고 오목한 면도 마찬가지로 끝단으로부터 0.5 mm임을 알 수 있다. R = 0.043의 경우에는 볼록 면은 1mm로 R = 0.035의 경우에 비해 거리가 늘 어나나 오목 면은 그대로 0.5mm임을 확인할 수 있 다. 즉, 광섬유 끝단이 볼록하거나 오목한 형상으로 이루어질 경우 수직한 형상에 비해 빛의 사각지대 를 현저하게 줄일 수 있음을 확인 할 수 있었다.
그 중에서도 오목한 면의 경우가 보다 효과적으로 빔의 분포를 넓게 퍼뜨려 내시경 조명에 보다 적합 함을 확인하였다.
Fig. 3 Simulation results of beam radiation for flat, convex, and concave types of endoscopic fibers.
3. 실험 및 결과
시뮬레이션 결과를 바탕으로 실험을 진행하였으며, 실험에서 사용된 광섬유는 플라스틱 재질의 광섬유 다발이 뭉쳐진 원통형 튜브 광섬유를 사용하였다.
원형 튜브의 플라스틱 광섬유를 가공하기 위하여 Fig.4의 UV레이저 가공 시스템을 사용하였다. UV레 이저는 266nm 파장, 최대 출력 3W, 펄스폭 30ns, 반복률 30kHz의 사양을 갖는 Coherent사의 AVIA 266-3이다.
실험은 Fig. 5의 방법으로 진행되었고, 볼록한 면 의 결과보다 효과적인 오목한 형상으로 광섬유 끝 단을 가공하였다.
Fig. 4 UV laser machining system.
Fig. 5 Schematic of laser machining for beam control.
Fig. 6 Laser machining of a concave endoscopic optical fiber.
R = 0.035의 오목한 형상을 가공하기 위하여 UV 레이저 시스템의 스테이지 가공방식을 이용하였으며, 20 배율을 가지는 대물렌즈를 사용하여 가공하였다.
레이저를 이용하여 광섬유 끝단에 제작된 오목한 형상에 대해 광학 현미경과 Confocal microscope를 사용하여 측정하였다.
Fig. 6의 Confocal microscope profile에서 볼 수 있듯이 원통형 튜브 광섬유 끝단에 오목한 미세 형상이 제작됨을 확인 할 수 있었다. 이렇게 제작 된 원통형 튜브 광섬유 끝단의 오목한 형상에 대 해 빔 방사 분포 측정을 통해 수직한 형상과의 차 이를 확인 하였다.
빔 방사 분포 측정을 위해 Fig. 7과 같이 구성 하였으며, 633nm 파장을 가지는 He-Ne 레이저를 사용하였다. 레이저 빔을 내시경용 광섬유에 입사시
켜 방사된 결과를 CCD로 측정하였다. 그리고 광섬 유 팁과 CCD의 거리를 조절하여 어느 위치에서 빔 의 사각지대가 사라지는지 확인하였다. 가공 전 수 직한 광섬유 끝단의 경우 사각지대가 사라지는 지 점은 광섬유 끝단에서 4mm 떨어진 지점 이었지만, 오목한 광섬유 끝단의 경우에는 3.5mm로 거리가 줄었음을 확인할 수 있었다. 사각지대의 거리가 수 직한 형상에 비해 줄어들었지만, 시뮬레이션 결과와 많은 차이를 보임을 확인 할 수 있었다.
이렇게 시뮬레이션과 가공결과의 차이가 생기는 이유는 레이저 가공에 사용된 원통형 튜브 광섬유 가 하나의 물질로 이루어진 단일 광섬유가 아닌 매 우 작은 플라스틱 광섬유가 다발로 묶여져 있어 레 이저 가공 시 일정하게 가공이 이루어지지 않은 것 생각된다.
Fig. 7 Experimental setup for beam radiation of the concave endoscopic fiber.
Fig. 8 Result of beam radiation measurement with distance of fiber tip and screen.
시뮬레이션 결과만큼의 원하는 결과가 나오지 않았지만 형상 가공을 통하여 빔의 사각지대가 줄 어드는 것을 확인할 수 있었다. 추후에 매우 작은 플라스틱 다발 묶음으로 이루어진 광섬유가 아닌 하나의 물질로 이루어진 원통형 튜브 광섬유를 사 용하여 형상 가공을 진행할 것이며, 광섬유 끝단의 정밀한 형상 제어를 통해 빔이 도달하지 않는 사 각지대의 거리를 조절할 수 있을 것으로 기대한다.
4. 결 론
기존 내시경처럼 영상과 조명경로가 분리되어
인체 내부를 매우 가깝게 관찰할 경우 조명이 비 추지 않는 사각지대 발생과 기존의 크기에서 더 작은 크기의 내시경을 제작하기 어려운 단점을 극 복하기 위하여 영상과 조명경로가 동축으로 이루 어진 일체형 내시경구조를 제안하였으며, 전달되는 빔의 사각지대를 줄이기 위한 광섬유의 끝단의 형 상 가공실험을 진행하였다.
광섬유 끝단이 볼록하거나 오목한 형상 일 때의 빔 방사 분포를 시뮬레이션을 통해 확인 하였으 며, UV레이저 가공 시스템을 사용하여 광섬유 끝 단에 오목한 형상을 가공하였다. 가공된 광섬유와 가공하지 않은 광섬유의 빔 방사 분포를 비교한 결과 오목한 형상 가공이 이루어진 광섬유의 사각 지대 거리가 더 짧은 것을 확인 할 수 있었다. 하 지만 시뮬레이션 결과와 가공결과를 비교할 경우 많은 차이를 보임을 알 수 있는데, 실험에 사용된 광섬유가 매우 작은 광섬유 다발로 묶여진 형태로 구성되어 있어 형상 가공이 일정하게 이루어지지 않아 발생한 차이라 판단된다. 추후에는 후속연구 로 묶음으로 구성된 광섬유가 아닌 단일 물질로 이루어진 광섬유 끝단에 정밀 형상 제어 실험을 통해 빔 사각지대의 거리 조절 연구를 진행할 것 이며, 이러한 레이저 가공기술을 이용하여 내시경 뿐만 아니라 다른 다양한 연구 분야에도 적용이 가능할 것이라 생각된다.
Acknowledgement
This work was supported by the “Asian Laser Center Program” through a grant provide by the Gwangju Institute of Science and Technology in 2015, and the research on ultra-precision laser machining and optical information technology project through provided by GIST in 2014.
References
1) D.W. Lee, S.S. Lee, M.H. Park, J.G. Choi, G.S. Nam, Z. Shang, “A temperature Measurement using Fiber Optics Method”, Spring Conference of KSPE 2014, pp. 358-359, 2014.
2) G.I. Jung, J.S. Kim, T.H. Lee, J.H. Choi, H.B.
Oh, A.H. Kim, H.C. Jung, J.H. Jun, “The study
for Measuring Angular Displacement Using an Optical Fiber Sensor”, CICS 2013, pp.
372-373, 2013.
3) S.H. Jo, Y.H. Kim, Y.W. Lee, “Flat-Top Interleaving Fiber Filter based on Lyot Birefringence Combination”, Summer conference of KIEE 2013, pp. 1418-1419, 2013.
4) D. Jeong, I.B. Sohn, Y.C. Noh, J.H. Kim, C.H.
Kim, H. Lee, “Laser Microfabrication of Multi- directional Side-fire Optical Fiber Tip”, J. Korean Soc. Eng., Vol. 30, No. 10, pp. 1017-1022, 2013.
5) H.J. Noh, K.W. Ko, “Improve Circumstance of LED and Development Algorithm of Inspection for inprove performance of Endoscopic camera”, CICS 2012, pp. 61-62, 2012.
6) J.K.F. Suh, H.J. Shin, D.H. Kang, H.J. Moon, S.Y. Kim, S.J. Hyung, “A study of micro-endoscope system for lower motor neuron stimulation using optical micro fiber bundle”, KSPE, pp.
1233-1234, 2013.
7) M. Park, J.K. Kim, and M.S. Lee, “POF Technology:
Current Status and Applications”, Prospectives of Industrial Chemistry, Vol. 3, No. 5, pp.
27-36, 2000.
8) G.J. Lee, Y.H. Jeong, C.H. Oh, E.K. Kim, and Y. P. Lee, “Femtosecond laser fabrication of surface-relief grating and internal diffraction grating in glass,” J. Kor. Phys. Soc. Vol.
46, No. 96, pp. 175-180, 2005.
9) Zang, Q.Z., Qiu, J.R., Jiang, X.W., Zhao, C.J., and Zhu, C.S., “Fabrication of internal diffraction gratings in calcium fluoride crystals by a focused femtosecond laser,” Opt. Exp. Vol.
12, No. 5, pp. 742-746, 2005.
10) Y. Cheng, K. Sugioka, M. Masuda, K. Shihoyama, K. Toyoda, and K. Midorikawa, “Optical gratings embedded in photosensitive glass by photochemical reaction using a femtosecond laser,” Opt. Exp.
Vol. 11, No. 15, pp. 1809-1816, 2003.
11) K. Kawamura, M. Hirano, T. Kamiya, and H.
Hosono, “Holographic writing of volume-type microgratings in silica glass by a single chirped laser pulse,” Appl. Phys. Lett. Vol. 81, No.
6, pp. 1137-1139, 2002.
12) D.Y. Yoo, H.K. Choi, I.B. Sohn, Y.C. Noh, Y.T. Lee, Y.J. Kim, Y.H. Kim, H.M. Kang, J.H. Noh, “High speed laser machining for breathable film using multi-pulse repeated radiation and diffractive beam splitter”, Journal of KSLP, Vol. 17, No. 3, 2014.
