Three-dimensional (3D) endoscopes can provide depth information of the real physical world to the surgeons during the surgeries and help them to perceive and understand the patient’s anatomy more accu-rately compared to the traditional two-dimensional endoscope. However, conventional 3D endoscope tech-niques to acquire stereo image pairs with two cameras, additional actuator for temporal division stereo imag-ing, or other bulky optical components for spatial division stereo imaging has limitations on image acquisition stability and miniaturization of endoscopic systems.
This work presents fabrication of symmetric microprism arrays for stereo endoscopic imaging with simple method using two-step lithography and geometric guided resist reflow in a wafer scale, and optically characterized to form stereo image pair with single image sensor chip. Microprism arrays has advantages over other techniques, such as capability of shooting image pairs simultaneously with great stability, less issues on aligning the optical component, and favorable size for compact packaging of endoscopic system. Microfab-rication of the microprism arrays utilizes thermoset photoresist SU-8, thermoplastic photoresist AZ9260, and thermal reflow of thermoplastic photoresist to form 3D inclined microstructure. After making microprism ar-ray structures above the silicon substrate through microfabrication, microstructures were transferred onto the desired substrate with soft lithography using PDMS mold and UV curable resin. Transferred microprism ar-rays with UV curable resin were placed in front of a single endoscopic camera and compactly packed for stereo endoscopic imaging. Imaging with the stereo endoscope using microprism arrays, disparity map be-tween the corresponding left and right images of the distanced object were calculated after calibration of the system. Furthermore, the internal organs of the live mice and swine were imaged with microprism arrays based stereo endoscope.
본 연구에서는 한대의 카메라를 이용하여 3차원 영상을 가능케 하는 스테레오스코픽 내시경을 위한 마이크로프리즘 어레이를 두 단계의 포토 리소그래피, 열경화성 물질과 열가소성 물질을 이용한 열처리 방법, 그리고 소프트 리소그래피를 이용한 전사를 통하여 제작을 하였다. 제작된 마이크로프리즘 어레이는 대칭적인 굴절 각 특성을 갖고 있으며 이를 이용하여 한 대의 카메라가 두 대의 가상 카메라 역할을 하게 만들고, 그 굴절각의 크기를 마이크로프리즘 구조의 프리즘 각도를 통하여 조절을 할 수 있다. 또한 이러한 굴절각의 크기를 이용하여 스테레오스코픽 내시경 시스템의 주시 각의 크기를 조절 할 수 있으며, 이는 곧 정의된 거리에서 볼 수 잇는 3차원 물체의 크기한계로 작용하게 된다. 또한 소프트 리소그래피를 이용하여 원하는 기질 위에 마이크로프리즘 구조를 전사가 가능하다. 본 연구에서 스테레오스코픽 내시경 시스템의 작동거리를 20mm 에서 100mm로 정함에 따라 그에 맞는 주시 각, 굴절 각을 얻기 위해 각도 $24^\circ$ 의 마이크로프리즘 어레이를 성공적으로 제작하였고, 소형화된 스테레오스코픽 내시경 조립을 위하여 다이싱 쏘 블레이드를 통하여 마이크로프리즘 어레이를 5mm의 크기로 잘라내었고, 내시경 조립 부품은 3D 프린터를 이용하여 원형을 만든 후에 조립을 완료하였다. 조립이 완료된 스테레오스코픽 내시경의 왜곡과 광축 불일치를 보정을 통하여 제거한 후에 3차원 물체의 스테레오영상을 녹화 하였다. 그 후 녹화된 영상을 영상처리를 통하여 양안시차의 값을 계산하여 시차맵을 제작하였다. 더 나아가 마이크로프리즘 어레이를 사용하는 스테레오스코픽 내시경을 통하여 살아있는 쥐, 돼지의 복강영상을 실시간 녹화하였다. 마이크로프리즘 어레이 기반의 스테레오스코픽 내시경은 실시간영상, 소형화, 간단한 조립의 장점을 갖고 있으며 마이크로프리즘 어레이와 조립 부품의 최적화, 영상처리의 추가를 통하여 간단하고 비용효과적인 소형 3차원 내시경으로서 사용이 되는 걸 기대 할 수 있다.
