3D endoscopes are utilized for fast and accurate cancer diagnosis and treatment by additionally providing depth and morphological information of target tissues compared to conventional 2D endoscopes. However, realization of 3D measurement module in small-sized and flexible endoscopes is having difficulties because of the additional required space and complexity of optical components for 3D imaging. Recently, miniaturization of optical equipment has been possible due to miniaturized optical components and image sensors, fabricated by the development of MEMS technology. This study presents miniaturized periodic micro optics designed and manufactured by MEMS fabrication technology for the realization of single image sensor based 3D flexible medical endoscope. Real-time 3D stereoscopic medical endoscope prototype was proposed with the symmetric microprism arrays based camera module, while flexible medical endoscope prototype with quantitative 3D imaging was also proposed with rotational offset microlens arrays based structured light/illumination switching module. The verification of 3D quantitative measurement of both proposed 3D endoscope prototypes was conducted by reconstructing the 3D depth map with single camera based calculation. The proposed periodic micro optics will provide a new direction for the miniaturized optical imaging systems with 3D measurement function such as medical endoscopes, smartphones, and drones.
3차원 내시경은 기존의 2차원 내시경의 영상에 깊이 및 병변의 3차원 모양 정보를 추가적으로 제공함으로써 보다 정확하고 빠른 암 진단에 사용되고 있다. 하지만 3차원 구현을 위한 추가적인 광학 모듈의 크기 및 복잡성 때문에 소형화 및 연성내시경으로의 구현에 어려움이 있다. 최근 MEMS 기술이 발전함에 따라 더 작은 이미지센서 및 마이크로 광학 소자들은 많은 광학 기기들의 소형화를 이끌어내고 있다. 본 연구에서는 단일 카메라 센서를 이용하여 3차원 연성 의료내시경을 구현하기 위한 주기적 배열을 갖는 광학 소자들을 MEMS 기술을 사용하여 개발하는 연구를 진행하였다. 대칭형 마이크로프리즘 어레이를 이용한 스테레오스코픽 방식의 3차원 카메라 모듈과 회전 오프셋 마이크로렌즈 어레이를 이용한 구조광/조명 스위칭 모듈을 개발 하였으며 이를 이용하여 실시간 3차원 스테레오스코픽 의료 내시경과 정량적 측정이 가능한 구조광 방식의 3차원 의료내시경의 시작품을 제안하였다. 제안된 마이크로 광학 소자를 갖는 3차원 연성 의료내시경의 시작품들은 단일 카메라 기반의 3차원 깊이 지도 복원을 이용하여 정량적 3차원 측정의 유효성을 평가하였다. 제안된 주기적 배열을 갖는 마이크로 광학 소자들은 의료내시경, 스마트폰, 그리고 드론과 같은 3차원 영상 측정을 위한 초소형 광학 영상 기기의 핵심 소자로 새로운 대안을 제시할 것으로 기대된다.
