KR102160857B1

KR102160857B1 - Optical probe

Info

Publication number: KR102160857B1
Application number: KR1020180085479A
Authority: KR
Inventors: 지창현; 전상범; 이용승; 전새영; 김용권
Original assignee: 이화여자대학교 산학협력단; 서울대학교산학협력단
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2038-07-23
Also published as: WO2020022729A1; KR20200010879A

Abstract

일 실시예에 따른 광 프로브는 빛을 방출하는 광원; 상기 광원의 빛을 제1방향으로 집광시키는 제1 집광 렌즈; 및 제1방향으로 집광된 빛을 상기 제1방향에 교차하는 제2방향으로 집광시키는 복수 개의 제2 집광 렌즈들; 상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들로부터 각각 연장하며 제2방향으로 집광된 빛을 대상체로 전달하는 복수 개의 도파관들; 및 대상체로 전달된 빛에 의해 대상체가 자극 또는 억제될 때 발생하는 전기적 신호를 수용하도록 구성된 복수 개의 전극들을 포함할 수 있다.An optical probe according to an embodiment includes a light source emitting light; A first condensing lens condensing light of the light source in a first direction; And a plurality of second condensing lenses for condensing light condensed in a first direction in a second direction crossing the first direction. A plurality of waveguides each extending from the plurality of second condensing lenses and transmitting light condensed in a second direction to an object; And a plurality of electrodes configured to receive an electrical signal generated when the object is stimulated or suppressed by the light transmitted to the object.

Description

Optical probe {OPTICAL PROBE}

이하, 실시예들은 광 프로브에 관한 것이다.Hereinafter, embodiments relate to an optical probe.

종래 광 신호를 이용하여 신경 세포를 자극하고, 자극된 신경 세포로부터 전기적 신호를 획득하는 신경 프로브가 개발되고 있다. 예를 들어, 미국공개특허공보 제2013/0030274호는 집적 광 신경 프로브를 개시하고 있다. 여기에 개시된 프로브는 "Michigan Probe"로 알려져 있다. 이러한 "Michigan Probe"는 신경 프로브의 표면에 광원과 전극 패드를 함께 설치하고, 신경 프로브에 설치된 광원이 신경 세포를 자극함에 따라 전극 패드가 신경 세포에서 발생하는 전기 신호를 감지하는 구조를 가지고 있다. 그러나, "Michigan Probe"는 복수 개의 세장형 섕크(shank)들의 도입부에 위치한 단일의 광원의 광 신호를 광섬유 기반의 도파관(waveguide)을 통해 복수 개의 세장형 섕크의 말단으로 전달하는 구조를 가지고 있으므로 그 광 전달 효율이 낮을 수 있다.Conventionally, a neural probe that stimulates a nerve cell using an optical signal and acquires an electrical signal from the stimulated nerve cell has been developed. For example, US Patent Publication No. 2013/0030274 discloses an integrated optical nerve probe. The probe disclosed herein is known as “Michigan Probe”. This "Michigan Probe" has a structure in which a light source and an electrode pad are installed together on the surface of a nerve probe, and as the light source installed on the nerve probe stimulates a nerve cell, the electrode pad detects an electrical signal generated from the nerve cell. However, "Michigan Probe" has a structure that transmits an optical signal from a single light source located at the introduction of a plurality of elongated shanks to the ends of a plurality of elongated shanks through an optical fiber-based waveguide. The light transmission efficiency may be low.

일 실시예에 따른 목적은 광원의 광 신호를 직접적으로 이용하는 광 프로브를 제공하는 것이다.An object according to an embodiment is to provide an optical probe that directly uses an optical signal from a light source.

일 실시예에 따른 목적은 대상체로의 광 신호의 전달 효율을 향상시키는 광 프로브를 제공하는 것이다.An object according to an embodiment is to provide an optical probe that improves transmission efficiency of an optical signal to an object.

상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들은 서로 분리되어 있을 수 있다.The plurality of second condensing lenses may be separated from each other.

상기 광원의 빛이 상기 제1 집광 렌즈로 입사하는 방향은 상기 제1 집광 렌즈의 광축과 교차할 수 있다.A direction in which light from the light source enters the first condensing lens may cross an optical axis of the first condensing lens.

상기 제1 집광 렌즈의 광축은 상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들의 각각의 광축에 대해 꼬인 위치(skewed position)에 있을 수 있다.The optical axis of the first condensing lens may be in a skewed position with respect to each of the plurality of second condensing lenses.

상기 제1 집광 렌즈는 상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들을 커버하도록 상기 복수 개의 도파관들이 연장하는 방향에 교차하는 방향으로 연장하는 로드 형상을 구비할 수 있다.The first condensing lens may have a rod shape extending in a direction crossing a direction in which the plurality of waveguides extend so as to cover the plurality of second condensing lenses.

상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들의 각각의 테두리는 상기 제1 집광 렌즈를 바라보는 측에서 호 형상을 구비할 수 있다.Each edge of the plurality of second condensing lenses may have an arc shape from a side facing the first condensing lens.

상기 광원, 상기 제1 집광 렌즈 및 상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들은 빛이 이동하는 경로를 따라 일렬로 배열될 수 있다.The light source, the first condensing lens, and the plurality of second condensing lenses may be arranged in a line along a path through which light moves.

상기 제1 집광 렌즈, 상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들 및 상기 복수 개의 도파관들은 인터페이스 구조체를 형성하고, 상기 인터페이스 구조체는 상기 광원에 대해 분리 가능하도록 상기 광원에 결합할 수 있다.The first condensing lens, the plurality of second condensing lenses, and the plurality of waveguides form an interface structure, and the interface structure may be coupled to the light source so as to be separable from the light source.

상기 광원으로부터 상기 제1 집광 렌즈와 상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들을 경유하여 상기 복수 개의 도파관들로 이어지는 광 경로가 형성되도록, 상기 제1 집광 렌즈의 일부는 상기 인터페이스 구조체에 임베드되며 상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들과 상기 복수 개의 도파관들은 상기 인터페이스 구조체 위에 형성될 수 있다.A part of the first condensing lens is embedded in the interface structure so that an optical path leading from the light source to the plurality of waveguides via the first condensing lens and the plurality of second condensing lenses is formed. 2 Condensing lenses and the plurality of waveguides may be formed on the interface structure.

상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들은 이들에 각각 대응하는 복수 개의 도파관들 중 상기 광원에 인접하는 단부에 일체로 형성될 수 있다.The plurality of second condensing lenses may be integrally formed at an end adjacent to the light source among a plurality of waveguides respectively corresponding thereto.

상기 광 프로브는 상기 복수 개의 도파관들이 설치되고 실리콘을 포함하는 기판을 더 포함하고, 상기 도파관들의 각각은 코어와 클래딩을 포함하고, 상기 코어는 상기 기판과 상기 클래딩에 의해 둘러싸일 수 있다.The optical probe further includes a substrate on which the plurality of waveguides are installed and including silicon, each of the waveguides includes a core and a cladding, and the core may be surrounded by the substrate and the cladding.

일 실시예에 따른 광 프로브는 빛을 방출하는 단일의 광원; 일 방향으로 연장하는 제1 집광 렌즈; 상기 제1 집광 렌즈의 일 부분에 인접하는 복수 개의 제2 집광 렌즈들과, 상기 제1 집광 렌즈가 연장하는 방향에 교차하는 방향으로 상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들로부터 각각 연장하는 복수 개의 제1 도파관들을 포함하는 제1 인터페이스 구조체; 및 상기 제2 집광 렌즈의 타 부분에 인접하는 추가적인 복수 개의 제2 집광 렌즈들과, 상기 제1 집광 렌즈가 연장하는 방향에 교차하는 방향으로 상기 추가적인 복수 개의 제2 집광 렌즈들로부터 각각 연장하는 복수 개의 제2 도파관들을 포함하는 제2 인터페이스 구조체를 포함하고, 상기 제2 인터페이스 구조체는 상기 제1 인터페이스 구조체 위에 쌓이고, 상기 제1 인터페이스 구조체의 복수 개의 제2 집광 렌즈들 및 상기 제2 인터페이스 구조체의 복수 개의 제2 집광 렌즈들은 2차원 어레이를 형성할 수 있다.An optical probe according to an embodiment includes a single light source for emitting light; A first condensing lens extending in one direction; A plurality of second condensing lenses adjacent to a portion of the first condensing lens, and a plurality of first condensing lenses respectively extending from the plurality of second condensing lenses in a direction crossing a direction in which the first condensing lens extends A first interface structure including waveguides; And a plurality of additional second condensing lenses adjacent to other portions of the second condensing lens, and a plurality of additional second condensing lenses each extending from the additional plurality of second condensing lenses in a direction crossing a direction in which the first condensing lens extends. A second interface structure including two second waveguides, the second interface structure being stacked on the first interface structure, a plurality of second condensing lenses of the first interface structure and a plurality of the second interface structure The two second condensing lenses may form a two-dimensional array.

상기 제1 집광 렌즈는 상기 제1 집광 렌즈가 연장하는 방향 및 상기 복수 개의 제2 집광 렌즈들이 연장하는 방향에 각각 교차하는 방향으로 일렬로 배열된 복수 개의 볼록부들을 포함하고, 상기 복수 개의 볼록부들 중 어느 하나의 볼록부는 상기 제1 인터페이스 구조체의 복수 개의 제2 집광 렌즈들에 인접하고, 상기 복수 개의 볼록부들 중 다른 하나의 볼록부는 상기 제2 인터페이스 구조체의 복수 개의 제2 집광 렌즈들에 인접할 수 있다.The first condensing lens includes a plurality of convex portions arranged in a row in a direction crossing each of a direction in which the first condensing lens extends and a direction in which the plurality of second condensing lenses extend, and the plurality of convex portions One of the convex portions is adjacent to the plurality of second condensing lenses of the first interface structure, and the other convex portion of the plurality of convex portions is adjacent to the plurality of second condensing lenses of the second interface structure. I can.

일 실시예에 따른 광 프로브는 광원의 광 신호를 직접적으로 이용할 수 있다.The optical probe according to an embodiment may directly use an optical signal from a light source.

일 실시예에 따른 광 프로브는 대상체로의 광 신호의 전달 효율을 향상시킬 수 있다.The optical probe according to an embodiment may improve the efficiency of transmitting an optical signal to an object.

일 실시예에 따른 광 프로브의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the optical probe according to an embodiment are not limited to those mentioned above, and other effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 일 실시예에 따른 광 프로브를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 2-2에서 바라본 광 프로브의 일부의 단면도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 광 프로브를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 3b는 빛이 이동하는 경로가 함께 표시된 일 실시예에 따른 광 프로브의 일부를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 광 프로브를 개략적으로 나타낸 상면도이다.
도 4b는 빛이 이동하는 경로가 함께 표시된 일 실시예에 따른 광 프로브의 일부를 개략적으로 나타낸 상면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 광 프로브의 다른 예를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 광 프로브의 또 다른 예를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광 프로브의 집적된 구성요소들을 개략적으로 나타낸 측단면도이다.1 is a schematic perspective view of an optical probe according to an embodiment.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the optical probe viewed from 2-2 of FIG. 1.
3A is a side cross-sectional view schematically illustrating an optical probe according to an exemplary embodiment.
3B is a side cross-sectional view schematically illustrating a part of an optical probe according to an exemplary embodiment in which a path through which light travels is also displayed.
4A is a schematic top view of an optical probe according to an exemplary embodiment.
4B is a top view schematically showing a part of an optical probe according to an exemplary embodiment in which a path through which light travels is also displayed.
5 is a side cross-sectional view schematically showing another example of an optical probe according to an embodiment.
6 is a side cross-sectional view schematically showing another example of an optical probe according to an embodiment.
7 is a side cross-sectional view schematically showing integrated components of an optical probe according to another embodiment.

이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to elements of each drawing, it should be noted that the same elements are assigned the same numerals as possible even if they are indicated on different drawings. In addition, in describing the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function interferes with the understanding of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the constituent elements of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being "connected", "coupled" or "connected" to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but another component between each component It should be understood that may be “connected”, “coupled” or “connected”.

어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components including common functions will be described using the same name in other embodiments. Unless otherwise stated, the description of one embodiment may be applied to other embodiments, and a detailed description will be omitted in the overlapping range.

도 1은 일 실시예에 따른 광 프로브를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 2-2에서 바라본 광 프로브의 일부의 단면도이다.1 is a perspective view schematically illustrating an optical probe according to an exemplary embodiment, and FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the optical probe viewed from 2-2 of FIG. 1.

도 3a는 일 실시예에 따른 광 프로브를 개략적으로 나타낸 측단면도이고, 도 3b는 빛이 이동하는 경로가 함께 표시된 일 실시예에 따른 광 프로브의 일부를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.3A is a side cross-sectional view schematically illustrating an optical probe according to an exemplary embodiment, and FIG. 3B is a side cross-sectional view schematically illustrating a part of an optical probe according to an exemplary embodiment in which a path through which light travels is displayed.

도 4a는 일 실시예에 따른 광 프로브를 개략적으로 나타낸 상면도이고, 도 4b는 빛이 이동하는 경로가 함께 표시된 일 실시예에 따른 광 프로브의 일부를 개략적으로 나타낸 상면도이다.4A is a top view schematically illustrating an optical probe according to an exemplary embodiment, and FIG. 4B is a top view schematically illustrating a part of an optical probe according to an exemplary embodiment in which a path through which light travels is displayed.

도 1, 도 2, 도 3a, 도 3b, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 일 실시예에 따른 광 프로브(1)는 서로 다른 방향의 빛을 집광(focus)하는 2단 광학 구조를 구비함으로써 광원으로부터 대상체로의 빛의 전달 효율을 높일 수 있다. 여기서, 대상체는 신경 세포를 포함할 수 있다.1, 2, 3A, 3B, 4A, and 4B, an optical probe 1 according to an exemplary embodiment has a two-stage optical structure that focuses light in different directions. It is possible to increase the efficiency of light transmission from the light source to the object. Here, the subject may include nerve cells.

광 프로브(1)는 전원(11) 및 인터페이스 구조체(12)를 포함할 수 있다. 인터페이스 구조체(12)는 대상체와 접속하도록 구성된다.The optical probe 1 may include a power supply 11 and an interface structure 12. The interface structure 12 is configured to connect to an object.

전원(11)은 빛을 방출하는 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원은 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 발광 다이오드를 포함하는 광원은 단일 파장을 가지는 빛을 방출할 수 있다. 또 다른 예에서, 발광 다이오드를 포함하는 광원은 적어도 2개 이상의 파장들을 가지는 빛을 방출할 수 있다.The power source 11 may include a light source that emits light. For example, the light source may include a light emitting diode (LED). In one example, a light source including a light emitting diode may emit light having a single wavelength. In another example, a light source including a light emitting diode may emit light having at least two or more wavelengths.

전원(11) 및 인터페이스 구조체(12)는 서로 분리 가능하게 결합할 수 있다. 예를 들어, 전원(11)은 재사용 가능한 부분이고, 인터페이스 구조체(12)는 일회용 부분일 수 있다. 전원(11)이 발광 다이오드(LED)로 구성된 광원을 포함하는 경우, 전원(11)에 광원을 구동시키기 위한 구동 회로, 배터리, 통신 회로 등을 집적함으로써 광 프로브(1)를 무선 시스템으로 구성할 수 있다.The power supply 11 and the interface structure 12 may be separated from each other. For example, the power supply 11 may be a reusable part, and the interface structure 12 may be a disposable part. When the power source 11 includes a light source composed of a light emitting diode (LED), the optical probe 1 can be configured as a wireless system by integrating a driving circuit, a battery, a communication circuit, etc. for driving the light source into the power source 11. I can.

인터페이스 구조체(12)는 기판(121), 제1 집광 렌즈(122), 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123), 도파관(124), 전기적 연결부(125), 전극(126) 및 전기 리드(127)를 포함할 수 있다.The interface structure 12 includes a substrate 121, a first condensing lens 122, at least one second condensing lens 123, a waveguide 124, an electrical connection 125, an electrode 126, and an electrical lead 127. ) Can be included.

기판(121)은 집광 렌즈들(122, 123), 도파관(124), 전기적 연결부(125), 전극(126) 및 전기 리드(127)가 그 위에 집적되도록 구성된다. 예를 들어, 기판(121)은 실리콘 기판일 수 있다.The substrate 121 is configured such that the condensing lenses 122 and 123, the waveguide 124, the electrical connection unit 125, the electrode 126, and the electrical lead 127 are integrated thereon. For example, the substrate 121 may be a silicon substrate.

기판(121)은 본체(1211), 연장부(1212), 첨단부(1213) 및 그루브(1214)를 포함할 수 있다. 본체(1211)는 플레이트 형상을 구비할 수 있다. 본체(1211)의 위에는 제1 집광 렌즈(122), 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123), 도파관(124)의 일부, 전기적 연결부(125) 및 전기 리드(127)의 일부가 설치될 수 있다. 연장부(1212)는 본체(1211)로부터 첨단부(1213)로 연장할 수 있다. 연장부(1212)는 도파관(124)의 형상, 개수 등을 고려하여 디자인 될 수 있다. 첨단부(1213)는 연장부(1212) 중 본체(1211)의 맞은 편에 형성될 수 있다. 첨단부(1213)의 위에는 복수 개의 전극(126)들이 형성될 수 있다. 그루브(1214)는 본체(1211)에 형성될 수 있다. 그루브(1214)는 제1 집광 렌즈(122)의 일부를 수용하도록 구성된다.The substrate 121 may include a body 1211, an extension part 1212, a tip part 1213, and a groove 1214. The body 1211 may have a plate shape. A first condensing lens 122, at least one second condensing lens 123, a part of a waveguide 124, an electrical connection part 125, and a part of the electrical lead 127 may be installed on the main body 1211. . The extension part 1212 may extend from the main body 1211 to the tip part 1213. The extension part 1212 may be designed in consideration of the shape and number of the waveguides 124. The tip portion 1213 may be formed on the opposite side of the main body 1211 of the extension portion 1212. A plurality of electrodes 126 may be formed on the tip portion 1213. The groove 1214 may be formed in the body 1211. The groove 1214 is configured to receive a portion of the first condensing lens 122.

제1 집광 렌즈(122)는 광원의 빛을 집광하도록 구성되고, 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)는 제1 집광 렌즈(122)에 의해 집광된 빛을 이차적으로 집광하도록 구성된다. 제1 집광 렌즈(122) 및 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)가 빛을 집광하는 방향은 빛의 모든 방향을 커버할 수 있도록 설정된다.The first condensing lens 122 is configured to condense light of a light source, and at least one second condensing lens 123 is configured to secondly condense the light collected by the first condensing lens 122. Directions in which the first condensing lens 122 and the at least one second condensing lens 123 condense light are set to cover all directions of light.

일 실시예에서, 제1 집광 렌즈(122)는 광원의 빛을 제1방향으로 집광하도록 구성되고, 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)는 제1 집광 렌즈(122)에 의해 제1방향으로 집광된 빛을 제1방향에 교차하는 제2방향으로 집광하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1방향 및 제2방향은 서로 직교하도록(orthogonal) 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1방향은 z축 방향이고, 제2방향은 y축 방향으로 설정될 수 있다.In one embodiment, the first condensing lens 122 is configured to condense light of a light source in a first direction, and at least one second condensing lens 123 is configured to be in a first direction by the first condensing lens 122. It may be configured to condense the collected light in a second direction crossing the first direction. Here, the first direction and the second direction may be set to be orthogonal to each other. For example, the first direction may be set as the z-axis direction, and the second direction may be set as the y-axis direction.

도 3b 및 도 4b를 참조하여 구체적으로 설명하면, 제1 집광 렌즈(122)로 입사하는 광원의 빛은 제1 집광 렌즈(122)에 의해 제1방향(e.g. z축 방향)으로 집광된다. 제1방향으로 집광된 빛은 제2 집광 렌즈(123)로 입사한다. 제2 집광 렌즈(123)로 입사하는 (제1방향으로 집광된) 빛은 제2 집광 렌즈(123)에 의해 제2방향(e.g. y축 방향)으로 집광된다. 이후, 제1방향 및 제2방향으로 차례로 집광된 빛은 도파관(124)을 통해 대상체(e.g. 신경 세포)로 전달된다. 바람직한 예에서, 제1 집광 렌즈(122)의 중심부와 제2 집광 렌즈(123)의 중심부는 동일 평면 상에 위치할 수 있다.3B and 4B, light from a light source incident on the first condensing lens 122 is condensed in a first direction (e.g. z-axis direction) by the first condensing lens 122. Light condensed in the first direction enters the second condensing lens 123. Light (condensed in the first direction) incident on the second condensing lens 123 is condensed in the second direction (e.g. y-axis direction) by the second condensing lens 123. Thereafter, the light that is sequentially condensed in the first direction and the second direction is transmitted to the object (e.g. nerve cell) through the waveguide 124. In a preferred example, the center of the first condensing lens 122 and the center of the second condensing lens 123 may be located on the same plane.

일 실시예에서, 광원의 빛이 제1 집광 렌즈(122)로 입사하는 방향은 제1 집광 렌즈(122)의 광축(A-A)과 교차(intersect)할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 광원의 빛이 제1 집광 렌즈(122)로 입사하는 방향은 제1 집광 렌즈(122)의 광축(A-A)과 실질적으로 직교할 수 있다.In one embodiment, a direction in which light from a light source enters the first condensing lens 122 may intersect with an optical axis A-A of the first condensing lens 122. In a preferred embodiment, a direction in which light from a light source enters the first condensing lens 122 may be substantially perpendicular to the optical axis A-A of the first condensing lens 122.

일 실시예에서, 제1 집광 렌즈(122)의 광축(A-A)은 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)의 광축(B-B)에 대해 꼬인 위치(skewed position)에 있을 수 있다. 여기서, "꼬인 위치"라는 의미는 2개의 선들이 서로 만나지도 않고 서로 평행하지도 않은 상태를 말한다. 다시 말하면, 제1 집광 렌즈(122)의 광축(A-A) 및 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)의 광축(B-B)은 서로 만나지도 않고 서로 평행하지도 않도록 제1 집광 렌즈(122) 및 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)가 배치될 수 있다.In an embodiment, the optical axes A-A of the first condensing lens 122 may be in a skewed position with respect to the optical axes B-B of the at least one second condensing lens 123. Here, the meaning of "twisted position" refers to a state in which two lines do not meet each other and are not parallel to each other. In other words, the first condensing lens 122 and at least one optical axis AA of the first condensing lens 122 and the optical axis BB of at least one second condensing lens 123 do not meet each other and are not parallel to each other. The above second condensing lens 123 may be disposed.

예를 들어, 제1 집광 렌즈(122)는 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)를 커버하도록 배치될 수 있다. 바람직한 예에서, 제1 집광 렌즈(122)는 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)로부터 연장하는 도파관(124)의 연장 방향에 교차하는 방향으로 연장하는 형상을 가질 수 있다. 더욱 바람직한 예에서, 제1 집광 렌즈(122)는 원통형의 로드 형상을 가질 수 있다.For example, the first condensing lens 122 may be disposed to cover at least one or more second condensing lenses 123. In a preferred example, the first condensing lens 122 may have a shape extending in a direction crossing the extending direction of the waveguide 124 extending from at least one second condensing lens 123. In a more preferred example, the first condensing lens 122 may have a cylindrical rod shape.

일 예에서, 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)는 제1 집광 렌즈(122)를 바라보는 측의 테두리(1231)가 호 형상을 구비하도록 형성될 수 있다. 바람직한 예에서, 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)는 기판(121) 위에서 제1 집광 렌즈(122)를 바라보는 측의 테두리(1231)뿐만 아니라 도파관(124)을 바라보는 측의 테두리(1232)도 호 형상을 구비하도록 형성될 수 있다. 더욱 바람직한 예에서, 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)는 실질적으로 원판 형상을 구비할 수 있다.In one example, the at least one second condensing lens 123 may be formed such that the edge 1231 on the side facing the first condensing lens 122 has an arc shape. In a preferred example, the at least one second condensing lens 123 is not only an edge 1231 on the substrate 121 on the side facing the first condensing lens 122, but also an edge 1232 on the side facing the waveguide 124. ) May also be formed to have an arc shape. In a more preferred example, the at least one second condensing lens 123 may have a substantially disk shape.

일 실시예에서, 광원, 제1 집광 렌즈(122) 및 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)는 빛이 이동하는 경로를 따라 일렬로 배열될 수 있다. 여기서, 빛이 이동하는 경로를 따라 일렬로 배열된다는 의미는 빛이 이동하는 경로가 실질적으로 하나의 방향을 따라 형성되어 광원, 제1 집광 렌즈(122) 및 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)가 그 경로를 따라 배열된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 광원, 제1 집광 렌즈(122) 및 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)는 x축 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다. 이와 같은 배치 방식은 광 프로브(1)를 2차원 구조로 제작하기에 적합할 수 있다. 따라서, 일반적으로 3차원 구조를 구현하기 어려운 것으로 알려져 있는 MEMS 공정을 이용하여 2차원 구조의 광 프로브(1)를 제작할 수 있다.In one embodiment, the light source, the first condensing lens 122, and at least one second condensing lens 123 may be arranged in a row along a path through which light travels. Here, the meaning that the light is arranged in a row along the moving path means that the light moving path is formed substantially along one direction, so that the light source, the first condensing lens 122 and at least one second condensing lens 123 Means are arranged along that path. For example, the light source, the first condensing lens 122 and at least one second condensing lens 123 may be arranged in a row along the x-axis direction. This arrangement method may be suitable for fabricating the optical probe 1 in a two-dimensional structure. Therefore, the optical probe 1 having a two-dimensional structure can be manufactured using a MEMS process, which is generally known to be difficult to implement a three-dimensional structure.

일 실시예에서, 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)는 복수 개일 수 있다. 복수 개의 제2 집광 렌즈(123)들에 의해 최종적으로 집광된 빛은 도파관(124)을 통해 대상체로 전달된다. 여기서, 복수 개의 제2 집광 렌즈(123)들은 서로 분리되어 있을 수 있다. 여기서 "서로 분리되어 있다"는 의미는 복수 개의 제2 집광 렌즈(123)들이 서로 연결, 결합 또는 접속되지 않고 이격되어 있는 상태를 말한다. 이와 같은 구조에 의하면, 복수 개의 제2 집광 렌즈(123)들의 각각에 의해 최종적으로 집광된 빛이 복수 개의 제2 집광 렌즈(123)들의 각각에 대응하는 도파관(124)을 통해 대상체로 전달되므로, 광원으로부터 대상체로 전달되는 빛의 손실이 감소될 수 있다.In one embodiment, there may be a plurality of at least one second condensing lens 123. Light finally condensed by the plurality of second condensing lenses 123 is transmitted to the object through the waveguide 124. Here, the plurality of second condensing lenses 123 may be separated from each other. Here, the meaning of "separated from each other" refers to a state in which the plurality of second condensing lenses 123 are separated from each other without being connected, coupled, or connected. According to this structure, since light finally condensed by each of the plurality of second condensing lenses 123 is transmitted to the object through the waveguide 124 corresponding to each of the plurality of second condensing lenses 123, Loss of light transmitted from the light source to the object may be reduced.

도파관(124)은 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)에 의해 최종적으로 집광된 빛을 대상체로 전달하도록 구성된다. 도파관(124)은 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)로부터 연장할 수 있다. 도파관(124)은 광원의 빛을 대상체로 전달하는 데 적절한 구조를 가지거나 적절한 물질로 이루어질 수 있다.The waveguide 124 is configured to transmit light finally collected by the at least one second condensing lens 123 to the object. The waveguide 124 may extend from at least one second condensing lens 123. The waveguide 124 may have a structure suitable for transmitting light from a light source to an object or may be made of an appropriate material.

바람직한 실시예에서, 도파관(124)은 광 섬유를 이용하지 않고 빛을 직접적으로 이용하는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도파관(124)은 코어(1241) 및 코어(1241)의 적어도 일부를 둘러싸는 클래딩(1242)을 포함할 수 있다. 바람직한 예에서, 코어(1241)의 3개 방향의 면이 클래딩(1242)에 의해 둘러싸이고, 코어(1241)의 남은 1개 방향의 면이 기판(121)에 의해 둘러싸일 수 있다.In a preferred embodiment, the waveguide 124 may have a structure that uses light directly without using an optical fiber. For example, the waveguide 124 may include a core 1241 and a cladding 1242 surrounding at least a portion of the core 1241. In a preferred example, the three directional faces of the core 1241 may be surrounded by the cladding 1242, and the remaining one directional face of the core 1241 may be surrounded by the substrate 121.

일 예에서, 코어(1241)는 에폭시 기반의 포토레지스트인 SU-8을 포함할 수 있다. 일 예에서, 클래딩(1242)은 폴리머를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 코어(1241) 및 클래딩(1242)은 금속 또는 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride) 등의 세라믹, 또는 이들의 조합으로 만들어질 수도 있다.In one example, the core 1241 may include SU-8, which is an epoxy-based photoresist. In one example, cladding 1242 may include a polymer. In another example, the core 1241 and the cladding 1242 may be made of a metal or a ceramic such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or a combination thereof. have.

일 실시예에서, 도파관(124)은 복수 개일 수 있다. 복수 개의 도파관(124)들은 복수 개의 대상체들 - 예를 들어, 신경 세포 - 로 빛을 전달할 수 있다. 이에 따라, 광 프로브(1)는 복수 개의 도파관(124)들을 통해 복수 개의 대상체들을 동시에 자극 또는 억제할 수 있으며, 대상체들로 빛이 전달됨에 따라 대상체들로부터 발생하는 전기적 신호를 다양하게 수집할 수 있다.In one embodiment, there may be a plurality of waveguides 124. The plurality of waveguides 124 may transmit light to a plurality of objects-for example, nerve cells. Accordingly, the optical probe 1 can simultaneously stimulate or suppress a plurality of objects through the plurality of waveguides 124, and variously collect electrical signals generated from the objects as light is transmitted to the objects. have.

바람직한 실시예에서, 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)는 도파관(124)과 일체로 형성될 수 있다. 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)는 도파관(124)이 광원 및 제1 집광 렌즈(122)를 바라보는 도파관(124)의 단부에 일체로 형성될 수 있다.In a preferred embodiment, at least one second condensing lens 123 may be integrally formed with the waveguide 124. At least one second condensing lens 123 may be integrally formed at an end of the waveguide 124 facing the light source and the first condensing lens 122 from the waveguide 124.

전기적 연결부(125)는 전극(126)에 의해 수용된 전기적 신호를 전원(11)에 전달할 수 있다. 예를 들어, 전기적 연결부(125)는 금속과 같은 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 전극(126)은 대상체로 전달된 빛에 의해 대상체가 자극 또는 억제될 때 발생하는 전기적 신호를 수용하도록 구성된다. 전극(126)은 기판(121)의 첨단(1213) 위에 형성될 수 있다. 바람직한 예에서, 전극(126)은 낮은 임피던스를 가지는 물질 - 이리듐, 탄소 나노튜브 등 - 을 포함할 수 있다. 전기 리드(127)는 전기적 연결부(125)와 전극(126)을 전기적으로 연결하도록 구성된다. 전기 리드(127)는 기판(121) 위에 설치될 수 있다. 전극(126)은 도파관(124)의 일 측에 위치하는 전기 리드(127)를 통해 전기적 연결부(125)로 이어지고, 전기적 연결부(125)는 (미도시된) 도선을 통해 전원(11)과 연결될 수 있다.The electrical connection unit 125 may transmit an electrical signal received by the electrode 126 to the power source 11. For example, the electrical connection unit 125 may include an electrically conductive material such as metal. The electrode 126 is configured to receive an electrical signal generated when the object is stimulated or suppressed by light transmitted to the object. The electrode 126 may be formed on the tip 1213 of the substrate 121. In a preferred example, the electrode 126 may include a material having a low impedance-iridium, carbon nanotubes, and the like. The electrical lead 127 is configured to electrically connect the electrical connection 125 and the electrode 126. The electrical lead 127 may be installed on the substrate 121. The electrode 126 is connected to the electric connection unit 125 through an electric lead 127 located on one side of the waveguide 124, and the electric connection unit 125 is connected to the power supply 11 through a (not shown) conductor. I can.

도 5는 일 실시예에 따른 광 프로브의 다른 예를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.5 is a side cross-sectional view schematically showing another example of an optical probe according to an embodiment.

도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 광 프로브(2)는 복수 개의 인터페이스 구조체(12)들을 스택(stack) 형태로 구성하여 2차원 형태의 M x N 매트릭스 구조를 구현할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 인터페이스 구조체(12)들은 제1방향(e.g. z축 방향)으로 층층히 쌓일 수 있다.Referring to FIG. 5, the optical probe 2 according to an exemplary embodiment may implement a two-dimensional M x N matrix structure by configuring a plurality of interface structures 12 in a stack form. For example, the plurality of interface structures 12 may be stacked in layers in a first direction (e.g. z-axis direction).

바람직한 예에서, 전원(11)은 단일의 광원을 포함할 수 있다. 단일의 광원을 이용하여 복수 개의 인터페이스 구조체(12)들의 2차원 어레이 형태의 집광 렌즈들(122, 123)에 빛을 전달할 수 있고, 전달된 빛으로 더욱 많은 수의 대상체들의 반응을 자극하거나 억제하고, 이에 따라 발생하는 전기적 신호를 다양하게 수집할 수 있다.In a preferred example, the power source 11 may comprise a single light source. Using a single light source, light can be transmitted to the condensing lenses 122 and 123 in the form of a two-dimensional array of the plurality of interface structures 12, and the transmitted light can stimulate or suppress the reaction of a greater number of objects. As a result, electrical signals generated accordingly may be collected in various ways.

도 6은 일 실시예에 따른 광 프로브의 또 다른 예를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.6 is a side cross-sectional view schematically showing another example of an optical probe according to an embodiment.

도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 광 프로브(3)는 복수 개의 인터페이스 구조체(12)들을 스택 형태로 구성하되, 단일의 제1 집광 렌즈(322)를 이용할 수 있다.Referring to FIG. 6, the optical probe 3 according to an embodiment includes a plurality of interface structures 12 in a stacked form, but a single first condensing lens 322 may be used.

제1 집광 렌즈(322)는 복수 개의 인터페이스 구조체(12)들이 쌓이는 방향을 따라 연장하는 형상을 구비할 수 있다.The first condensing lens 322 may have a shape extending along a direction in which the plurality of interface structures 12 are stacked.

일 실시예에서, 제1 집광 렌즈(322)는 복수 개의 인터페이스 구조체(12)들이 쌓이는 방향을 따라 일렬로 배열된 복수 개의 볼록부(3221)들을 포함할 수 있다. 복수 개의 블록부(3221)들의 각각은 대응하는 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)에 인접하도록 배치될 수 있다. 도시되지 않은 예에서, 복수 개의 볼록부(3221)들의 각각은 대응하는 적어도 하나 이상의 제2 집광 렌즈(123)에 인접하도록 복수 개의 인터페이스 구조체(12)들에 설치될 수도 있다.In one embodiment, the first condensing lens 322 may include a plurality of convex portions 3221 arranged in a line along a direction in which the plurality of interface structures 12 are stacked. Each of the plurality of block portions 3221 may be disposed to be adjacent to the corresponding at least one second condensing lens 123. In an example not shown, each of the plurality of convex portions 3221 may be installed on the plurality of interface structures 12 to be adjacent to the corresponding at least one second condensing lens 123.

도 7은 또 다른 실시예에 따른 광 프로브의 집적된 구성요소들을 개략적으로 나타낸 측단면도이다.7 is a side cross-sectional view schematically showing integrated components of an optical probe according to another embodiment.

도 7을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 광 신호를 전달하는 도파관이 기판에 집적된 구조체가 도시된다. 일 실시예에 따른 구조체(421)에 따르면, 실리콘 산화물(silicon oxide)(e.g. SiO₂)이 중간에 위치한 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼(4211) 위에 응력 보상(stress compensation) 및 전기적 절연을 위해 3중층(4216)이 증착된다. 일 예에서, 3중층(4216)은 실리콘 산화물과, 실리콘 질화물과, 실리콘 산화물이 차례로 적층된 형태를 가질 수 있다. 증착된 3중층(4216) 위에는 전기적 신호를 수용하는 저임피던스의 전극과, 패드 형태의 전기적 연결부와, 이들을 연결하는 전기 리드를 위한 크롬/금(Cr/Au) 물질(4217)이 리프트-오프(lift-off)된다. 증착된 3중층(4216) 및 크롬/금 물질(4217) 위에는 실리콘 산화물 또는 3중층(4215)이 다시 증착되고, 증착된 실리콘 산화물 또는 3중층(4215)의 일부가 에칭과 같은 방식으로 패터닝된다. 에칭과 같은 방식으로 패터닝 된 부분에는 티타늄/이리듐(Ti/Ir) 물질의 기록 전극(426)이 위치된다. 증착된 3중층(4216) 및 크롬/금 물질(4217) 위에 증착된 실리콘 산화물 또는 3중층(4215) 위에는 SU-8 물질의 코어(4241)가 패터닝된다. 도 7에 도시된 바와 같은 구조체(421)는 앞서 설명한 도 1 내지 도 6의 인터페이스 구조체에 적용될 수 있다.Referring to FIG. 7, a structure in which a waveguide transmitting an optical signal is integrated on a substrate according to another embodiment is illustrated. According to the structure 421 according to an embodiment, stress compensation and electrical insulation are performed on a silicon-on-insulator (SOI) wafer 4211 in which silicon oxide (eg SiO ₂ ) is located in the middle. A triple layer 4216 is deposited. In one example, the triple layer 4216 may have a form in which silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxide are sequentially stacked. On the deposited triple layer 4216, a low-impedance electrode for accommodating an electrical signal, an electrical connection in the form of a pad, and a chromium/gold (Cr/Au) material 4217 for the electrical lead connecting them are lift-off. -off). On the deposited triple layer 4216 and the chromium/gold material 4217, a silicon oxide or triple layer 4215 is deposited again, and a portion of the deposited silicon oxide or triple layer 4215 is patterned in the same manner as etching. A recording electrode 426 made of a titanium/iridium (Ti/Ir) material is positioned on a portion patterned in the same manner as etching. A core 4241 of SU-8 material is patterned over the deposited triple layer 4216 and the silicon oxide or triple layer 4215 deposited over the chromium/gold material 4217. The structure 421 as shown in FIG. 7 may be applied to the interface structure of FIGS. 1 to 6 described above.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as a system, structure, device, circuit, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.

Claims

A light source that emits light;
A first condensing lens condensing light of the light source in a first direction and having a first optical axis in a second direction orthogonal to the first direction;
A plurality of second condensing lenses each condensing light condensed in a first direction in the second direction and each having a second optical axis in the first direction;
A plurality of waveguides each extending from the plurality of second condensing lenses and transmitting light condensed in a second direction to an object; And
A plurality of electrodes configured to receive an electrical signal generated when the object is stimulated or suppressed by light transmitted to the object;
Including,
The first optical axis and the second optical axis are orthogonal to a direction in which light travels,
The light source, the first condensing lens, and the plurality of second condensing lenses are arranged in a line along a third direction orthogonal to the first direction and the second direction, respectively,
An optical probe in which the first condensing lens and the plurality of second condensing lenses are disposed so that the first optical axis and the second optical axis do not meet each other or are not parallel.

The method of claim 1,
The plurality of second condensing lenses are separated from each other.

The method of claim 1,
An optical probe in which the light from the light source is incident on the first condensing lens and crosses the optical axis of the first condensing lens.

delete

The method of claim 1,
The first condensing lens is an optical probe having a rod shape extending in a direction crossing a direction in which the plurality of waveguides extend so as to cover the plurality of second condensing lenses.

The method of claim 1,
Each edge of the plurality of second condensing lenses has an arc shape from a side facing the first condensing lens.

delete

The method of claim 1,
The first condensing lens, the plurality of second condensing lenses, and the plurality of waveguides form an interface structure,
The interface structure is an optical probe coupled to the light source so as to be separable from the light source.

The method of claim 8,
A part of the first condensing lens is embedded in the interface structure so that an optical path leading from the light source to the plurality of waveguides via the first condensing lens and the plurality of second condensing lenses is formed. 2 An optical probe in which condensing lenses and the plurality of waveguides are formed on the interface structure.

The method of claim 1,
The plurality of second condensing lenses are integrally formed at an end portion adjacent to the light source among a plurality of waveguides respectively corresponding thereto.

The method of claim 1,
The plurality of waveguides are installed and further comprises a substrate including silicon,
Each of the waveguides includes a core and a cladding,
The core is an optical probe surrounded by the substrate and the cladding.

A single light source that emits light;
A first condensing lens that condenses light of the light source in a first direction, has a first optical axis in a second direction orthogonal to the first direction, and includes a plurality of convex portions arranged in a line in the first direction;
A plurality of second condensing lenses, each of which condenses the light condensed in a first direction in the second direction, has a second optical axis in the first direction, and is adjacent to a first convex part of the plurality of convex parts, and the second A first interface structure including a plurality of first waveguides each extending from the plurality of second condensing lenses in a direction crossing a direction in which the first condensing lens extends; And
An additional plurality of second condensing lenses adjacent to a second convex portion of the plurality of convex portions each condensing light condensed in a first direction in the second direction and each having a second optical axis in the first direction; A second interface structure including a plurality of second waveguides each extending from the additional plurality of second condensing lenses in a direction crossing a direction in which the first condensing lens extends;
Including,
The second interface structure is stacked on the first interface structure,
The plurality of second condensing lenses of the first interface structure and the plurality of second condensing lenses of the second interface structure form a two-dimensional array,
The light source, the first condensing lens, and a plurality of second condensing lenses of the first interface structure are arranged in a line along a third direction perpendicular to the first direction and the second direction, respectively,
The light source, the first condensing lens, and a plurality of second condensing lenses of the second interface structure are arranged in a line along the third direction,
The first optical axis and the second optical axis are orthogonal to a direction in which light travels,
The first convex portion and a plurality of second condensing lenses of the first interface are disposed so that the first optical axis and the second optical axis do not meet each other or are not parallel,
An optical probe in which the second convex portion and a plurality of second condensing lenses of the second interface are disposed so that the first optical axis and the second optical axis do not meet or are parallel to each other.

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