KR100944895B1

KR100944895B1 - 광 치료용 복합 광원 장치

Info

Publication number: KR100944895B1
Application number: KR1020070101398A
Authority: KR
Inventors: 강욱; 배수진; 이승엽; 김광훈; 임근희; 게리 브이 파파얀; 마카로프 드미트리
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2010-03-03
Also published as: KR20090036304A; US20090093866A1; JP4774093B2; US8647372B2; GB2458714B; GB2458714A; GB0812682D0; JP2009094069A

Abstract

본 발명은 광 치료용 복합 광원 장치에 관한 것으로서, 여드름을 비롯한 신체 피부질환 및 악성종양 등의 광 치료의 효율성을 높이기 위해 복합 광원을 사용하여 광선 치료에 유용한 광출력을 광가이드를 통해 치료 부위에 제공하는 광선 치료를 위한 복합 광원 장치에 관한 것이다.

상기한 본 발명은, 광 치료를 위한 광을 조사하는 광원과, 상기 광원에서 조사된 광이 입사면의 코어를 통해 입사되면 치료 부위에 제공될 수 있도록 입력된 광을 전달하는 광가이드를 포함하는 광 치료용 광원 장치에 있어서, 광 치료를 위해 정해진 스펙트럼 영역의 광을 조사하는 광원들을 포함하는 것으로서, 단파장 스펙트럼 영역의 주 방출 광을 갖는 단파장 광원과; 장파장 스펙트럼 영역의 주 방출 광을 갖는 장파장 광원과; 상기 광원들 중 선택된 광원의 광 또는 상기 광원들의 선택된 파장 범위의 광만이 입사되도록 광가이드의 입사면 전방에 배치되는 미러와; 상기 광원들로부터 조사된 광이 입사면의 코어를 통해 입사되면 광을 전달하는 광가이드를 포함하고, 상기 광원들은 광가이드의 입사면으로 입사되는 광선의 입사 범위가 모두 광가이드의 수용각 범위 안에 들어가는 동시에 상기 각 광원의 광선의 스폿이 모두 광가이드 입사면의 코어 안에 들어가도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

광 치료, 광원, 복합, 광가이드, 미러

Description

광 치료용 복합 광원 장치{Light source system for phototherapy of skin disease}

본 발명은 광 치료용 복합 광원 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 여드름을 비롯한 신체 피부질환 및 악성종양 등의 광 치료의 효율성을 높이기 위해 복합 광원을 사용하여 광선 치료에 적합한 파장 및 광출력을 광가이드를 통해 치료 부위에 제공하는 광선 치료를 위한 복합 광원 장치에 관한 것이다.

오늘날 여드름, 기미, 검버섯, 잡티, 흉터 및 주름, 악성종양 등의 각종 피부 질환 치료에 광선을 이용한 치료술이 널리 알려져 있다.

이러한 의료 목적의 광 치료를 위해 사용되는 광 치료 장치(phototherapy device)는 일반적으로 치료 광원과 상기 치료 광원으로부터 발생하는 광선을 환자의 치료 부위에 전달하는 광섬유를 이용한 광케이블로 구성된다.

여기서, 광원으로는 할로겐, 크세논(Xenon), 메탈-할라이드(metal-halide), 수은 등의 다양한 램프들이 사용될 수 있는데, 이러한 램프들을 기반으로 하는 광 섬유 광원 장치가 개발된 바 있다(US 6461866 B1).

또는 LED 배열체(array) 등이 사용되기도 하며(US 5634711), 코우히어런트(coherent)한 레이저 광원 등도 사용된다(US 7016718 B2).

그러나, 종래의 광 치료용 광원 장치의 예로서, 광역동 치료(Photo Dynamic Therapy, PDT) 과정 수행을 위해 개발된 Lumacare사(社)의 광원은 구성부로 할로겐 램프만을 갖고 있다.

이러한 할로겐 램프의 단일 광원 사용은 단파장(~400nm) 영역의 스펙트럼 광이 필수적인 치료의 경우에 허용 가능한 충분한 광의 강도를 제공하지 않으며, 단일 램프를 사용하는 경우에 진단 및 치료를 위한 다양한 요구를 만족시켜주는 최적의 조건을 갖추는 것이 어렵다.

광원들의 선택은 특수한 의료 목적의 수단 및 기술적-경제적인 면을 고려한 장비의 제작 요구 등에 의해 선택되는데, 특히 복합 작업이 필요한 경우에 단일 램프의 사용은 일반적으로 최적의 방법을 제공하지는 못하며, 이 경우 장비 개발자는 특수한 기능의 램프에 의존하거나 동시에 수 개의 램프를 사용하여 단점을 보완하게 된다.

단일 광원에 의해 주어진 광 에너지 출력 또는 파장을 보강하기 위해서 사용자가 수 개의 광원을 필요에 의해 사용할 수 있도록 하는 몇 가지 방법이 알려져 있다.

예를 들어, 광원의 교환 방법에서는 광가이드 케이블과 광원 사이의 거리 변화없이 광원들을 회전방식에 의해 적합한 광원을 광 전도 케이블의 끝면에 동축으 로 배열하거나 미국특허 US 6,494,899 B1(Carl E. Griffin)에서와 같이 모터를 사용하여 광원들을 종축 방향으로 이동하여 교환할 수 있다.

또는 램프는 고정하고 움직일 수 있는 접힘식 미러에 의해 조사 광이 순서대로 광가이드의 입력면에 입사되도록 할 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 조명 방식은 (a) 움직여지는 광원 또는 미러에 따른 장치의 복잡함을 가지며, (b) 수 개의 광원으로부터 방출하는 광을 동시에 활용하는 것이 불가능하다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 복수개의 광원을 조합하여, 광량의 증가, 광의 스펙트럼 확장, 조명 스펙트럼의 균일성 증가, 해로운 스펙트럼 성분 억제의 특성을 가지는 광 치료용 복합 광원 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 광 치료를 위한 광을 조사하는 광원과, 상기 광원에서 조사된 광이 입사면의 코어를 통해 입사되면 치료 부위에 제공될 수 있도록 입력된 광을 전달하는 광가이드를 포함하는 광 치료용 광원 장치에 있어서, 광 치료를 위해 정해진 스펙트럼 영역의 광을 조사하는 복수개의 광원들을 포함하는 것으로서, 단파장 스펙트럼 영역의 주 방출 광을 갖는 단파장 광원과; 장파장 스펙트럼 영역의 주 방출 광을 갖는 장파장 광원과; 상기 광원들 중 선택된 광원의 광 또는 상기 광원들의 선택된 파장 범위의 광만이 입사되도록 광가이드의 입사면 전방에 배치되는 미러와; 상기 광원들로부터 조사된 광이 입사면의 코어를 통해 입사되면 광을 전달하는 광가이드를 포함하고, 상기 광원들은 광가이드의 입사면으로 입사되는 광선의 입사 범위가 모두 광가이드의 수용각 범위 안에 들어가는 동시에 상기 각 광원의 광선의 스폿이 모두 광가이드 입사면의 코어 안에 들어가도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 미러는 장파장 광원에서 조사되는 광은 반사시키고 단파장 광원에서 조사되는 광은 투과시키는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 장파장 광원이 광가이드의 측방으로 배치되고, 상기 측방으로 배치된 장파장 광원의 광이 상기 미러에 의해 반사된 뒤 광가이드의 입사면으로 입사되도록 상기 미러가 광가이드의 입사면 전방에서 경사방향으로 배치된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 미러는 500 ~ 700nm 파장 범위의 광은 반사시키고 500nm 미만의 파장과 700nm를 초과하는 파장의 광은 투과시키는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 다이크로익 미러는 다이크로익 미러 표면과 다이크로익 미러로 입사되는 광선 사이의 각도가 45°이하가 되도록 배치된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 미러는 단파장 광원으로부터 조사된 광이 광가이드로 들어가는 입사 범위 밖으로 완전히 벗어나도록 배치되어, 상기 단파장 광원의 광이 미러를 거치지 않고 직접 광가이드 입사면에 입사되도록 한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 미러는 장파장 광원의 광을 100% 반사시키는 미러인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 광원은 램프, LED, 레이저 광원 중에 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 단파장 광원은 수은 램프인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 장파장 광원은 할로겐 램프인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 광가이드는 액상 광가이드인 것을 특징으로 한다.

상기한 특징을 갖는 본 발명에 따른 광 치료용 복합 광원 장치에 의하면, 복수개의 광원을 조합하여, 가시광 파장 범위에서 균일한 광 출력을 제공할 수 있고, 사용자가 필요한 파장들을 선택하여 광 출력을 제공할 수 있으며, 광량 증가 및 광원들의 광을 최대한 활용할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 광선 치료를 위한 복합 광원 장치에 관한 것으로서, 특히 여드름을 비롯한 신체 피부질환 및 악성종양 등의 광 치료의 효율성을 높이기 위해 복합 광원을 사용하여 광선 치료에 적합한 파장 및 광출력을 광가이드를 통해 치료 부위에 제공하는 광선 치료를 위한 복합 광원 장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 목적 달성을 위해 코우히어런트 하지 않은(non-coherent) 광원 또는 코우히어런트(coherent)한 광원 복수개를 함께 사용하는 복합 광원 장치를 개시한다.

본 발명의 복합 광원 장치에서는 복수개의 광원으로부터 방출되는 광선이 광가이드 내로 들어갈 때 필요한 파장 범위 내에서 각 광원의 특정 파장 범위에서의 부족한 광 에너지 출력이 다른 광원에 의해 보강되도록 구성된다.

본 발명의 기술적 구성에 대해 설명하기에 앞서서 참고로 복합 광원 장치에서 고려해야 할 사항들에 대해 우선 설명하기로 한다.

목적 달성을 위한 복합 광원 장치를 구성하기 위해서는 복수개의 광원으로부터 방출되는 모든 광선이 광가이드에 들어가도록 해야 하며, 이때 집광 방법으로는 광가이드의 수용각이 각 광원의 최대 입사각 이상이 되고 광가이드의 입사 구경(core, 코어) 지름 이내에 광원들의 광선 스폿(spot) 지름이 들어올 수 있도록 광원들의 입사각과 위치를 조정해야 한다.

첨부한 도 1은 전형적인 광가이드 광원 장치를 나타낸 도면으로서, 도면부호 L은 조명 광원(램프)을 나타내며, C는 집광기(반사경 또는 렌즈)를, LG는 광가이드(액상 또는 유리)를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 광가이드(LG)에 램프 조명 광선을 조사하는 가장 알려진 방법은 램프(L)에 의해 발광되는 광선 부분이 광가이드(LG)의 중심에 위치한 광축을 중심으로 광가이드의 입사면에 초점거리(최적의 작업거리)가 위치되도록 광을 조사하는 것이다.

이때, 램프의 집광각(beam-to-axis angle)을 U_L이라 하고 , 광가이드 수용각(acceptance angle)을 U_LG라 할 때, U_L≤ U_LG일 경우 광 에너지의 손실은 없게 된다.

그리고, 광원으로 사용되는 램프들의 경우 초점거리에 따라 광가이드에 전달 되는 광량은 상당한 차이가 난다.

일 예로, USHIO사(社)의 램프의 반사경을 갖는 EKE 할로겐 램프로부터 광가이드(지름 8mm)까지의 거리 변화에 따른 광출력의 상대적 변화를 첨부한 도 2에 나타내었다.

이는 광가이드의 출력면(광이 통과해서 나오는 광가이드의 끝면)에서의 광출력의 상대적 변화를 나타낸 것이다.

도 2에서 보여지는 바와 같이, 광원으로부터 방출되는 광출력은 램프와 광가이드 사이의 거리에 의존하는데, 최대 광출력은 37 ~ 38mm의 작업거리(working distance)에서 획득되고, 작업거리가 48mm까지 옮겨지면 광출력은 1.3배 감소한다.

따라서, 각 램프들의 작업거리에 따라 광가이드에 전달되는 광량이 차이가 나므로 복수개의 광원을 사용하는 광가이드 광원의 경우에 복수개의 램프들을 최적의 작업거리에 배치하는 것이 중요하다.

그러나, 각 램프들의 크기에 의하여 각각 만족스러운 위치에 광원을 배열하기가 첨부한 도 3과 도 4에 나타낸 바와 같이 어렵다.

도 3은 광가이드(LG)와의 최적 작업거리에 맞추기 위한 두 램프(L1,L2)의 배치를 나타낸 것으로, 두 램프(L1,L2)의 크기 때문에 상호 간 간섭이 발생하여 램프의 최적 작업거리를 맞추기가 어렵다.

수 센티미터의 최적 작업거리 위치에 광원들을 배치하기에는 광원 자체의 케이스 및 지지대에 의해 제약이 따르며, 광가이드에 들어가는 광원의 최대 입사각이 광가이드의 수용각 이하가 되어야 한다.

도 3에서 각 램프의 반사경(C1,C2) 크기 때문에 최적 작업거리를 맞추기 위해서 두 램프(L1,L2)를 서로 더 이상 가까이 접근시킬 수가 없으며, 결과적으로 광가이드(LG)의 입사면(입력면)(램프의 광이 들어가는 광가이드의 끝면) 중심부의 광축에 대해서 각 램프(L1,L2)의 광축이 보다 큰 경사각을 갖게 됨에 따라, 도 4에 나타낸 바와 같이 각 램프(L1,L2)의 입사각이 광가이드의 수용각을 넘는 부분이 발생하여 두 광원의 이 부분(수용각을 넘는 부분)에 해당되는 광이 광가이드 내에서 전반사가 안되고 손실됨으로써 광가이드를 통해 출력되지 못한다.

도 4는 두 램프의 입사각이 광가이드(LG)의 수용각을 넘는 부분을 그물 모양으로 빗금 친 부분으로 표시하였으며, 상기 빗금친 부분은 광가이드(LG) 내에서 전반사되지 못하고 손실됨으로써 광가이드를 통해 출력되지 못한다.

다음으로, 광원의 발광체의 크기에 따른 광가이드의 최적 작업거리에서 광선 스폿 지름을 고려해야 한다.

첨부한 도 5는 반사경을 갖는 EKE 할로겐 램프에서 발광하는 광선의 초점 면 근방에서의 광선 모습을 나타낸 사진으로, EKE 할로겐 램프의 경우에 발광체(luminous body) 크기(약 5mm)에 따른 EKE 램프의 초점거리 근방에서의 원추형 광선을 보인 것이다.

EKE 램프의 경우에는 사진에서 보여지는 바와 같이 초점 면에서 상기 발광체에 의한 광선 스폿의 지름은 약 8 ~ 10mm 정도이다.

반면, 수은 램프의 경우, 그 일 예로 OSLAM사(社)의 HXP 램프의 경우에는 발광체의 크기는 대략 1mm이며, 이 경우 발광체의 크기 이외에도 광학 시스템의 수 차, 회절 등을 또한 고려해야 하므로, 초점 면에서의 발광체에 의한 광선 스폿 지름은 1mm 이상이다.

결국, 복수개의 광원으로부터 발광하는 광선들을 최소의 광량 손실로 광가이드에 입사시키기 위해서는 최적 작업거리에 광원들을 위치시킨 뒤, 첨부한 도 6과 같이 광가이드(LG)의 수용각 내에 광원(L1~L3)들의 입사각이 들어가게 하고, 또한 광가이드(LG)의 코어(core)(CR)의 지름 안에 광선들의 스폿(S1~S3)의 지름(D_L1~D_L3)이 들어가도록 광원 설계를 해야 한다.

즉, 치료용 광원 장치에서 복수개의 광원을 사용하기 위해서는, 즉 치료용 복합 광원 장치를 구성하기 위해서는 최적 작업거리에 광원들을 위치시키는 조건, 광원의 최대 입사각이 광가이드의 수용각 이하인 조건(도 8에서 U_L + U_R ≤ U_LG인 조건), 광원들로부터 방출된 광선들의 스폿이 광가이드의 코어 안에 모두 들어가는 조건을 동시에 만족하도록 광원 배치 및 설계를 해야 한다.

도 6은 복수개의 광원(L1~L3)으로부터 발생하는 광선을 합하여 광가이드(LG)에 입사시키는 광원 설계 방법을 설명하기 위한 도면으로, 이에 도시된 바와 같이, (a) 광가이드(LG)의 수용각(U_LG) 내에 광원(L1~L3)들의 각 광선 입사각들이 모두 들어 가도록 입사시키는 방법, (b) 각 광원의 초점거리(또는 최적 작업거리)에 해당하는 거리에 위치한 광가이드(LG)의 입사면의 코어 지름(Diameter of entrance aperture)(D_LG) 내에서 각 광원들의 광선의 스폿 지름(D_L1~D_L3)들이 벗어나지 않게 각 광원들의 광선을 입사시키는 방법을 동시에 적용해야 한다.

또한 최적 작업거리에서 위의 두 방법 이외에 (c) 광원에서 발광하는 광선들의 파장을 합치는 세 번째 방법을 첨부한 도 7에서와 같이 고려할 수 있다.

도 7은 두 광원(L1,L2)에서 방출한 광선들의 파장을 합치는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 두 광원(L1,L2)으로부터 발광하는 광선의 파장을 합치는 도 7과 같은 방법은 두 광원의 광 스펙트럼 특성이 상이하면 상이할수록 더 효과적으로 사용될 수 있다.

예로서, 수은 램프와 할로겐 램프의 조합이거나 다른 한 광원이 레이저와 같은 단색광일 때 효과적이다.

그러나, 이 방법의 경우에 정해진 파장대에서 두 광원으로부터 발광하는 두 광선을 동시에 이용할 수 없다.

즉, 광원 L1이 수은 램프이고 광원 L2가 할로겐 램프라 할 때, 다이크로익 미러(DM)가 500nm 이하의 광을 투과시키고 500nm 이상의 광을 반사시킨다면 500nm 이상에서 발광하는 수은 램프 L1의 광선을 사용할 수 없게 된다.

광가이드에서 출력되는 광량을 증가시키고 광 스펙트럼 상에서 더욱 좋은 균일성을 얻기 위해서는 복수개의 광원이 발생시키는 광량을 최대한 손실 없이 광가이드에서 합치는 것이 바람직하다.

이러한 경우에 사용자가 원하는 출력 광의 파장 및 광 출력을 광가이드의 입사면에 설치된 광학 필터만 쉽게 교환함으로써 획득할 수 있기 때문이다.

이를 통해 광선 치료 장비를 위해 바람직한 넓은 광 스펙트럼 범위에서 균일하게 고출력의 광을 제공받을 수 있다.

그러나, 최적의 작업거리를 유지하면서 앞에서 기술한 세 가지 방법 (a), (b), (c) 중에 어느 한 가지 방법만을 사용할 경우에는 원하는 결과를 얻을 수 없다.

따라서, 위에서 기술한 각 방법의 한계를 극복하기 위해 두 램프 광원에 대해 세 가지 방법을 동시에 사용하는 복합 광원 장치를 본 발명에서 제안한다.

첨부한 도 8은 광가이드(LG)의 수용각 내에서 광원(L1,L2)들의 광선을 입사시키는 방법, 광가이드(LG)의 코어 지름(D_LG) 내에서 스폿 지름(D_L1,D_L2)이 벗어나지 않게 광원(L1,L2)들의 광선을 입사시키는 방법, 광원(L1,L2)들에서 방출한 광선들의 파장을 합치는 방법을 동시에 사용하여 구성한 도식도로서, 각 도면부호는 다음과 같다.

U_LG: 광가이드의 수용각

U_L: 광원의 집광각

U_R: 광가이드의 광축과 광원의 중심축 간 사이각

U_L+U_R: 광가이드의 광축과 광원의 집광각 사이의 최대 입사각

D_L1: 광원 1의 광가이드 표면(입력면)에서의 스폿 지름

D_L2: 광원 2의 광가이드 표면(입력면)에서의 스폿 지름

D_LG: 광가이드의 코어 지름

도 8을 참조하면, 두 광원(L1,L2)으로부터 발광하는 광선은 도 7의 경우와 비교하여 상대적으로 적은 부분이 겹친다.

미러(M)에서 두 램프(L1,L2)의 광선이 겹치는 부분은 다이크로익 미러 특성을 갖는다. 즉, 왼쪽 광원의 광은 반사를 하고 오른쪽 광원의 광은 반대로 광 투과를 하도록 하는 것이다. 도 8의 개념에 따른 실제 램프 L2의 배치는 도 9에 보여 진다.

광이 겹치지 않는 나머지 미러 부분은 불투명 미러(opaque mirror)일 수 있다. 광이 겹치는 부분은 상대적으로 매우 작을 수 있으며, 광가이드에 들어가는 광량에 거의 영향을 주지 않을 것이다.

한편, 본 발명자는 광 치료를 위한 램프 성능시험을 시행하였다.

이때, 두 개의 램프를 사용하였으며, 하나는 수은 램프를, 다른 하나는 할로겐 램프를 사용하였다.

수은 램프로는 120W의 OSRAM사(社)의 HXP-VIS 램프를 사용하였으며, 할로겐 램프로는 USHIO사(社)의 150W의 EKE 램프를 사용하였다.

각 램프 앞에 열 차폐 필터 및 파장 필터로 3D Millennium 필터, ThorLab 필터, Newport Hot 미러를 성능시험 램프 전방에 설치하였으며, Lumatec사(社)의 지름 8 mm의 액상 광가이드(liquid lightguide)를 통해 광선을 전달하여 OPHIR사(社)의 광출력미터(Optical Power Meter)를 통해 광출력을 측정하였다.

측정한 값은 하기 표 1에 나타내었다(RD: 3D Millennium 필터, FD: ThorLab 필터).

위의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 400nm 부근의 광출력은 수은 램프인 HXP-VIS로 충분하지만, 600nm 근방의 경우는, 특히 640 ~ 680nm 범위에서는 수은 램프 또는 할로겐 램프만으로는 광출력이 광역동 치료를 포함한 다양한 광 치료를 하기에는 부족하다.

따라서, 두 램프로부터 발생하는 광출력을 합칠 필요가 있으며, 이를 위해 본 발명자는 도 8에서 제안된 도식도에 따라 구체적인 복합 광원 장치를 개발하였으며, 이러한 본 발명의 복합 광원 장치를 첨부한 도 9에 도시하였다.

도 9는 두 개의 램프에 의해 광이 제공되는 본 발명의 복합 광원 장치를 도시한 구성도로서, 도 8 및 도 9를 참조하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 광 치료를 위한 복합 광원 장치는 광학 치료 과정을 수행하기 위해 정해진 광 스펙트럼 영역으로 광을 조사하도록 구성된 것으로, 단파장의 스펙트럼 영역에서 주된 방출 광을 갖는 광원(이하, 단파장 광원이라 함)(L1)과, 장파장의 스펙트럼 영역에서 주된 방출 광을 갖는 광원(이하, 장파장 광원이라 함)(L2)과, 상기 광원(L1,L2)들 중 선택된 광원의 광 또는 상기 광원(L1,L2)들의 선택된 파장 범위의 광만이 입사되도록 광가이드(LG)의 입사면 전방에 배치되는 미러(M)와, 상기 광원(L1,L2)에서 조사된 광이 수용각 범위 내에서 입사면의 코어(CR)를 통해 입사되면 광을 전달하는 광가이드(LG)를 포함한다.

여기서, 상기 광원(L1,L2)들은 광가이드(LG)의 입사면으로 입사되는 광의 입사 범위가 모두 광가이드(LG)의 수용각 범위 안에 들어가는 동시에 상기 각 광원(L1,L2)의 광 스폿(S1,S2)이 모두 광가이드 입사면의 코어(CR) 안에 들어가도록 배치된다.

즉, 각 광원(L1,L2)의 광이 광가이드(LG)의 입사면으로 들어갈 때 광원(L1,L2)들의 최대 입사각(광가이드의 광축과 광원의 집광각 사이의 최대 입사각)이 모두 광가이드(LG)의 수용각 이하(도 8에서 U_L + U_R ≤ U_LG)가 되도록 하고, 각 광원(L1,L2)의 광 스폿 지름(D_L1,D_L2)이 모두 입사면의 코어 지름(D_LG) 안에 들어가도록 하며, 광원(L1,L2)들의 광에서 미러(M)를 통해 선택된 파장 범위의 광이 광가이드(LG)에 들어가도록 한다.

이를 위해, 본 발명의 복합 광원 장치에서는 단파장 광원(L1)을 광가이드(LG)의 입사면(광이 들어가는 광가이드의 끝면) 전방에 배치하여 단파장 광원(L1)이 조사하는 광이 직접 광가이드 입사면의 코어(CR)에 입사되도록 하거나(도 9 참조) 상기 미러(M)를 투과한 뒤 광가이드 입사면의 코어(CR)에 입사되도록 한다(도 8 참조).

바람직하게는, 본 발명의 복합 광원 장치에서 장파장 광원(L2)은 광가이드(LG)의 측방으로 배치하고 다이크로익 미러(M)를 광가이드(LG)의 입사면 전방에서 경사방향으로 배치하여 장파장 광원(L2)에서 조사된 뒤 미러(M)에 의해 반사되는 광이 광가이드 입사면의 코어(CR)에 입사되도록 한다.

이와 같이 본 발명의 복합 광원 장치에서 미러(M)는 장파장 광원(L2)에서 조사되는 광을 반사시킴으로써 반사된 광이 광가이드(LG)에 들어가도록 하는 동시에 단파장 광원(L1)에서 조사되는 광 일부를 투과시킴으로써 투과된 광이 광가이드(LG)에 들어가도록 하는 다이크로익 미러가 될 수 있다(도 8 참조).

여기서, 상기 다이크로익 미러는 단파장 광원(L1)과 장파장 광원(L2)으로부터 조사되어 광가이드(LG)로 들어가는 광의 입사 범위 내에 배치되는데, 이때 도 8에 나타낸 바와 같이 미러(M) 일부가 단파장 광원(L1)의 광 입사 범위 이내에 들어가도록 단파장 광원(L1)과 광가이드(LG) 사이에 다이크로익 미러(M)가 배치될 수 있다.

즉, 단파장 광원(L1)과 다이크로익 미러(M), 광가이드(LG)의 상호 위치 관계에 있어서, 단파장 광원(L1)은 그로부터 조사되는 광의 최대 입사각이 광가이드(LG)의 수용각 범위 이내가 되도록 배치될 때 단파장 광원(L1)의 입사각 범위 이내에 그 전방에 위치되는 다이크로익 미러(M)의 일부가 들어오도록 단파장 광원 및 다이크로익 미러가 배치된다.

이때, 상기 미러(M)는 특정 파장 범위의 광은 반사시키고 그 파장 범위를 벗어나는 광은 투과시키는 다이크로익 미러가 될 수 있는데, 이때 500 ~ 700nm 파장 범위의 광은 반사시키고 500nm 미만의 파장과 700nm를 초과하는 파장의 광은 투과시키는 다이크로익 미러가 될 수 있다.

또한 미러(M)는 도 9에 나타낸 바와 같이 단파장 광원(L1)으로부터 조사되는 광이 광가이드(LG)로 들어가는 입사 범위 밖으로 완전히 벗어나게 설치될 수 있는데, 이때는 미러(M)가 장파장 광원(L2) 전방의 광 입사 범위에 배치된 상태로 장파장 광원(L2)의 광을 100% 반사하여 광가이드(LG)로 들어가게 하는 미러가 될 수 있으며, 이때 단파장 광원(L1)의 광은 광가이드(LG)의 수용각 이내에서 미러를 거치지 않고 직접 광가이드 입사면의 코어(CR)에 입사된다.

본 발명의 복합 광원 장치에서 광원(L1,L2)들은 램프, LED, 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원 중에 선택된 하나가 사용될 수 있다.

바람직하게는, 상기 단파장 광원(L1)으로는 수은 램프를 사용하고, 상기 장파장 광원(L2)으로는 할로겐 램프를 사용한다.

또한 바람직하게는, 본 발명의 복합 광원 장치에서 광가이드(LG)는 큰 수용각과 코어 지름을 가지는 액상 광가이드를 사용한다.

한편, 본 발명자는 도 9를 참조하여 복합 광원 장치를 구성한 뒤 광가이드의 광축과 광원으로부터 입사되는 광선 사이의 각도에 따른 광출력을 측정하였는 바, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 실험에서 단파장 광원으로는 수은 램프를 사용하였고, 장파장 광원으로는 할로겐 램프를 사용하였다.

도 9에 도시된 바와 같이 반사경을 갖는 램프들이 사용되는 경우, 작업거리가 35 ~ 45mm로 매우 가깝고 작업거리에 따라 상당한 출력 변화가 있으므로 최대한 광가이드 말단과 접근시켜야 한다.

이때, 광가이드의 광축과 수은 램프의 사이각(수은 램프의 최대 입사각) U_L+U_R(도 8 참조)이 클수록 수은 램프의 광은 직접 광가이드에 들어가게 된다.

그러나, U_L+U_R이 너무 크면 광가이드의 수용각 U_LG을 넘어가서 광가이드에서 전반사가 안 되므로 수용각을 넘어간 광량만큼 광 손실이 발생한다.

따라서, 수은 램프가 다이크로익 미러를 최대한 거치지 않고 광가이드에 직접 들어가는 최적의 각도를 하기 표 2에서와 같이 구해 보았다.

위에서 광가이드로는 LUMATEC사(社)의 지름 8mm의 액상 광가이드(liquid light guide)를 사용하였고, 사용된 액상 광가이드는 0.59의 경구율(numerical aperture, NA)을 가지면서 72도(°)의 수용각에 대응된다.

또한 Newport Hot Mirror를 수은 램프 앞에 설치하였으며, 광가이드 출력부에서의 광출력은 OPHIR NOVA II 광출력미터로 측정하였다.

하기 표 2는 광가이드를 통과하는 수은 램프의 광출력의 각도 의존성을 나타낸 것이다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 광가이드의 광축과 HXP-VIS 수은 램프의 사이각(수은 램프의 최대 입사각) U_L+U_R이 15도(°)일 때 광출력이 최대로 측정되었으며, 15°이하에서는 다이크로익 미러에 광선이 걸침에 따라 광 손실이 발생하고, 15°이상에서는 사이각 U_L+U_R이 광가이드의 수용각을 넘어가는 각도 부분이 발생하여 이에 대응하는 광들이 광가이드 내에서 전반사를 하지 못해 광 손실이 발생한다.

따라서, HXP-VIS 수은 램프의 경우 사이각(광가이드 광축으로부터의 수은 램프의 최대 입사각)이 15°를 넘지 않게 하며, 또한 광가이드의 표면에 조사되는 광 스폿 지름이 광가이드 코어에 들어가도록 광 스폿의 위치를 조정할 필요가 있다.

수은 램프의 경우는 앞에서 기술한 바와 같이 할로겐 램프에 비해 광 스폿 지름이 작기 때문에 광가이드의 표면에 위치를 잡기가 할로겐 램프보다 용이하다. 본 실험에서는 두 램프로부터 조사되는 광 스폿의 중심들은 약 3mm 정도 옮겨졌다.

본 발명에 따른 복합 광원 장치의 경우에 다이크로익 미러는 400nm 부근에서 투과율이 높고, 600nm 부근에서 반사율이 높아야 한다.

다이크로익 미러는 입사각에 따라 파장의 반사율과 투과율이 달라진다.

따라서, EKE 할로겐 램프로부터 다이크로익 미러에 들어가는 입사각을 45°이하로 하였을 때, 다이크로익 미러는 500 ~ 700nm 근방에서 거의 반사를 하고, 500nm 미만 및 700nm 초과 범위에서 광을 투과하므로, 다이크로익 미러와 할로겐 램프의 입사광 사이의 각도는 42°이하로 맞추었다.

한편, HXP 수은 램프가 미러를 거치지 않고 광가이드의 코어 안에 광 스폿 지름이 들어갈 수 있다면 다이크로익 미러 대신 100% 반사를 하는 불투명 미러를 사용하는 것이 바람직하다.

이 경우에 수은 램프의 광은 광 손실 없이 광가이드에 들어갈 수 있으며, 할로겐 램프의 광은 반사되어 광가이드에 들어간다.

그리고, 미러와 광가이드 사이의 공간에 필터 디스크(필터 휠)를 설치하여 사용자가 필요한 파장의 광을 필터들의 신속한 교환을 통해 획득할 수 있다.

즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 교환용 필터(11)들이 탑재된 필터 디스크(10)가 스텝핑 모터(12)의 회전축(12a)에 장착되는데, 스텝핑 모터(12)의 회전에 의해 필터 디스크(10)가 회전되면서 선택된 하나의 필터(11)가 광가이드(LG)의 입사면 전방에 위치되게 된다.

이러한 방법을 통해 일 예로 광역동 치료를 위한 대부분의 조영제 흡수 범위에 해당하는 600 ~ 700nm 범위의 파장대 및 포르피린(porphyrin)의 주 광흡수 파장 영역인 400nm에서 선택적으로 광을 제공할 수 있으며, 400nm와 600nm 파장대의 광을 동시에 또는 순차적으로도 제공이 가능하다.

도 1은 단일 램프와 광가이드로 구성된 전형적인 광 치료용 광원 장치를 도시한 참고도,

도 2는 할로겐 램프로부터 광가이드까지의 거리 변화에 따른 광출력의 상대적 변화를 나타낸 참고도,

도 3은 광가이드와의 최적 작업거리에 맞추기 위한 두 램프의 배치상태의 일 예를 도시한 참고도,

도 4는 두 램프의 입사각이 광가이드의 수용각을 벗어난 상태에서 램프의 광이 광가이드로 입력되지 못함을 보여주는 참고도,

도 5는 반사경을 갖는 할로겐 램프에서 발광하는 광선의 초점 면 근방에서의 광선 모습을 나타낸 사진,

도 6은 복수개의 광원으로부터 발생하는 광선을 합하여 광가이드에 입사시키는 광원 설계 방법을 설명하기 위한 도면,

도 7은 두 광원에서 방출한 광선들의 파장을 합치는 방법을 설명하기 위한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 복합 광원 장치에서 광원 배치 방법을 설명하기 위한 도식도,

도 9는 본 발명에 따른 복합 광원 장치의 실시예를 도시한 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 필터 디스크 11 : 교환용 필터

12 : 스텝핑 모터 12a : 회전축

M : 미러 L1, L2 : 램프

C1, C2 : 반사경 LG : 광가이드

CR : 코어

Claims

광 치료를 위한 광을 조사하는 광원과, 상기 광원에서 조사된 광을 치료 부위에 제공하기 위해 입력된 광을 전달하는 광가이드를 포함하는 광 치료용 광원 장치에 있어서,

상기 광원은 광 치료를 위해 정해진 스펙트럼 영역의 광을 조사하는 복수개의 광원들을 포함하는 것으로서, 단파장 스펙트럼 영역의 주 방출 광을 갖는 단파장 광원과; 장파장 스펙트럼 영역의 주 방출 광을 갖는 장파장 광원과; 상기 광원들 중 선택된 광원의 광 또는 상기 광원들의 선택된 파장 범위의 광만이 입사되도록 광가이드의 입사면 전방에 배치되는 미러와; 상기 광원들로부터 조사된 광이 상기 입사면의 코어부분을 통해 입사되면 광을 전달하는 광가이드를 포함하고,

상기 광원들 중 상기 미러를 투과하는 광 또는 파장 범위를 주 방출광으로 하는 광원은 상기 광가이드 입사면의 코어부분으로 직접 조사되거나 상기 미러의 일부를 통과하도록 배치되고,

상기 광원들은 광가이드의 입사면으로 입사되는 광선의 입사 범위가 모두 광가이드의 수용각 범위 안에 들어가는 동시에 상기 각 광원의 광선의 스폿이 모두 광가이드 입사면의 코어부분 안에 들어가도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 미러는 장파장 광원에서 조사되는 광은 반사시키고 단파장 광원에서 조사되는 광은 투과시키는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광 원 장치.
청구항 2에 있어서,

상기 장파장 광원이 광가이드의 측방으로 배치되고, 상기 측방으로 배치된 장파장 광원의 광이 상기 다이크로익 미러에 의해 반사된 뒤 광가이드의 입사면으로 입사되도록 상기 다이크로익 미러가 광가이드의 입사면 전방에서 경사방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 2 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이크로익 미러는 500 ~ 700nm 파장 범위의 광은 반사시키고 500nm 미만의 파장의 광은 투과시키는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 4에 있어서,

상기 다이크로익 미러는 다이크로익 미러 표면과 다이크로익 미러로 입사되는 광선 사이의 각도가 45°이하가 되도록 배치된 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 미러는 단파장 광원으로부터 조사된 광이 광가이드로 들어가는 입사 범위 밖으로 완전히 벗어나도록 배치되어, 상기 단파장 광원의 광이 미러를 거치지 않고 직접 광가이드 입사면에 입사되도록 한 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 6에 있어서,

상기 미러는 장파장 광원의 광을 100% 반사시키는 미러인 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광원은 램프, LED, 레이저 광원 중에 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 단파장 광원은 수은 램프인 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 장파장 광원은 할로겐 램프인 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광가이드는 액상 광가이드인 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 미러는 500 ~ 700nm 파장 범위의 광은 반사시키고 500nm 미만의 파장과 700nm를 초과하는 파장의 광은 투과시키는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.
청구항 12에 있어서,

상기 다이크로익 미러는 다이크로익 미러 표면과 다이크로익 미러로 입사되는 광선 사이의 각도가 45°이하가 되도록 배치된 것을 특징으로 하는 광 치료용 복합 광원 장치.