CN108474740B - 利用混沌波传感器的样品特性探测装置 - Google Patents

利用混沌波传感器的样品特性探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明的一实施例提供一种样品特性探测装置，包括：波源，其用于朝向样品照射波；检测部，其用于检测所照射的波被所述样品多重散射而产生的激光散斑，并且在每个预设时间点检测所述激光散斑；以及控制部，其用于获取检测出的所述激光散斑随时间变化的时间相关性，并且基于获取到的所述时间相关性，实时检测所述样品的特性，其中，所述检测部检测所述样品与所述检测部之间或者所述检测部内部的一区域中的所述激光散斑。

Description

利用混沌波传感器的样品特性探测装置
技术领域
本发明的实施例涉及一种利用混沌波传感器的样品特性探测装置。
背景技术
人类与各种生物生活在同一空间中。从人眼看得见的生物到人眼看不见的生物在人类的周边一同生活的同时，直接或间接地影响着人类。其中，对人类的健康带来影响的微生物或小生物虽然人眼看不清，但存在于人类的周边而诱发各种疾病。
为了测量人眼看不见的微生物，以往利用微生物培养法、质谱分析法(massspectrometry)或核磁共振(unclear magnetic resonance)法等。在微生物培养法、质谱分析法或核磁共振法的情况下，虽然能够精密测量特定种类的细菌，但培养细菌的准备时间非常长，需要高费用的精密而复杂的设备。
除此之外，具有利用光学法来测量微生物的方法。例如，作为光学法利用拉曼光谱法(Raman spectrometry)及多光谱成像(Multispectral imaging)，但由于需要复杂的光学系统，要求能够操纵复杂光学系统的专门知识和实验室水平的设备，并且需要较长的测量时间，因此在普通人群的使用方面存在问题。
发明内容
技术问题
为了解决上述问题和/或局限，本发明的实施例的目的在于提供一种利用混沌波传感器的样品特性探测装置。
技术方案
本发明的一实施例提供一种样品特性探测装置，包括：波源，其用于朝向样品照射波；检测部，其用于检测所照射的波被所述样品多重散射(multiple scattering)而产生的激光散斑(laser speckle)，并且在每个预设时间点检测所述激光散斑；以及控制部，其用于获取检测出的所述激光散斑随时间变化的时间相关性(temporal correlation)，并且基于获取到的所述时间相关性，实时(real-time)探测所述样品的特性，其中，所述检测部检测所述样品与所述检测部之间或者所述检测部内部的一区域中的所述激光散斑。
有益效果
由于本发明的实施例所涉及的样品特性探测装置能够只利用激光光源和图像传感器来实现光学系统，因此不仅能够以低廉的价格提供光学系统，而且能够进行小型制作，从而能够在多种环境下被广泛应用。并且，由于为了探测微生物而只利用光学测量，因此无需使用抗原-抗体等靶物质，也无需如基因扩增技术等那样提取样品，从而能够削减在微生物测量过程中产生的费用。
附图说明
图1是用于说明本发明的一实施例所涉及的混沌波传感器的原理的图。
图2是示意性地图示本发明的第一实施例所涉及的样品特性探测装置的示意图。
图3是图示图1的检测部中的激光散斑的检测方法的图。
图4a至图4c是示意性地图示图1的样品特性探测装置的实施方式的示意图。
图5是按顺序图示利用本发明的一实施例所涉及的样品特性探测装置的微生物探测方法的顺序图。
图6是为了说明通过本发明的一实施例所涉及的控制部来分析激光散斑的时间相关性的方法而提供的图。
*图7是图示通过本发明的一实施例所涉及的样品特性探测装置按时间测量的激光散斑的光强度的标准偏差分布的图。
图8a及图8b是示意性地图示本发明的另一实施例所涉及的样品特性探测装置的示意图。
图9是示意性地图示本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置的示意图。
图10是示意性地图示本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置的一实施方式的立体图。
图11是图10的样品特性探测装置的框图。
图12是示意性地图示本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置的另一实施方式的图。
图13是示意性地图示本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置的又一实施方式的图。
图14是示意性地图示利用图9的样品特性探测装置而获取的施用抗生素前后的时间相关性变化的图表。
图15是示意性地图示本发明的一实施例所涉及的携带用生物感测系统的示意图。
图16是示意性地图示图15的携带用生物感测系统的实施方式的示意图。
图17是示意性地图示本发明的另一实施例所涉及的生物感测系统的示意图。
图18a至图18d是示意性地图示图17的生物感测装置的主体部的各种实施方式的示意图。
图19a及图19b是示意性地图示本发明的又一实施例所涉及的生物感测装置的示意图。
图20是示意性地图示具备图19的生物感测装置的生物感测系统的实施方式的示意图。
图21a及图21c是示意性地图示本发明的又一实施例所涉及的生物感测系统的示意图。
图21b是示意性地图示图21a的光学部的框图。
图22是示意性地图示本发明的一实施例所涉及的个体识别装置的示意图。
图23是示意性地图示图22的控制部及数据存储部的关系的框图。
图24是示意性地图示本发明的另一实施例所涉及的个体识别装置的图。
图25a及图25b是示意性地图示本发明的又一实施例所涉及的个体识别装置的示意图。
图26是按顺序图示利用本发明的一实施例所涉及的个体识别装置的个体识别方法的顺序图。
图27是示意性地图示本发明的一实施例所涉及的病毒检测装置的示意图。
图28是示意性地图示图27的病毒检测装置的框图。
图29a及图29b是为了说明在图27的病毒标记物施用部施用病毒标记物的过程而示意性地图示的图。
图30是按顺序图示本发明的一实施例所涉及的病毒检测方法的顺序图。
图31是图示随样品内的病毒种类产生的时间相关性系数的图表。
图32是图示本发明的实施例所涉及的样品特性探测装置被设置于冰箱的情况的示意图。
图33是示意性地图示图32的样品特性探测装置被设置于冰箱的顶板部的状况的示意图。
图34是通过图32的样品特性探测装置拍摄到的图像的示例。
图35及图36是表示本发明的实施例所涉及的样品特性探测装置被设置于洗衣机的盖子或洗涤物投入口的外周部或者被设置于牙刷灭菌器的盖子或壁面上的状态的示意图。
图37是关于通过本发明的实施例所涉及的样品特性探测装置测量的微生物存在与否、浓度及用于应用微生物种类的网络的图。
图38是图示在本发明的一实施例中与包括牙周及牙齿的口腔相关联地测量到的激光散斑的形式的图。
图39是在本发明的一实施例中与手指甲及脚指甲相关联地测量到的激光散斑的形式的图。
图40是为了说明在本发明的一实施例中测量是否在特定身体部位内或表面上存在微生物的方法而提供的流程图。
图41是为了说明利用两个散斑图像来测量是否在特定身体部位存在微生物的方法而提供的图。
图42是为了说明利用三个以上散斑图像来测量是否在特定身体部位存在微生物的方法而提供的图。
图43是图示在本发明的一实施例中利用时间反转镜来构成光学系统的情况的图。
图44是示意性地图示本发明的第三实施例所涉及的样品特性探测装置的示意图。
图45是图示图44的样品收集机构的另一实施方式的示意图。
图46是示意性地图示利用图45的样品收集机构的样品特性探测装置的示意图。
图47是示意性地图示本发明的第四实施例所涉及的样品特性探测装置的示意图。
图48是沿图47的Ⅰ-Ⅰ线剖切的剖面图。
图49及图50是示意性地图示本发明的第四实施例所涉及的样品特性探测装置的另一实施方式的图。
图51是图示本发明的第五实施例所涉及的样品特性探测装置的图。
图52是图示本发明的一实施例所涉及的检查方法的图。
图53是作为样品的例图示半导体元件的多层金属布线结构物的图。
图54是作为另一例利用激光散斑分析来确认金属布线的线宽变化的例。
图55是图示在硅晶片上形成有多个图案区域的情况的示意图。
图56是利用图51的样品特性探测装置按检查区域检查图案的示意图。
具体实施方式
本发明的一实施例提供一种样品特性探测装置，包括：波源，其用于朝向样品照射波；检测部，其用于检测所照射的波被所述样品多重散射而产生的激光散斑，并且在每个预设时间点检测所述激光散斑；以及控制部，其用于获取检测出的所述激光散斑随时间变化的时间相关性，并且基于获取到的所述时间相关性，实时检测所述样品的特性，其中，所述检测部检测所述样品与所述检测部之间或者所述检测部内部的一区域中的所述激光散斑。
在本发明的一实施例中，所述控制部可以根据由在所述样品的内部移动的细菌、微生物或病毒生成的散斑的变化，来实时推断所述细菌、微生物或病毒的存在与否或浓度。
在本发明的一实施例中，所述检测部可以检测与所述样品的表面隔开预定距离的所述第一区域中的所述激光散斑。
在本发明的一实施例中，所述第一区域可以被布置在第一表面与第二表面之间，其中，所述第一表面包括与所述样品的表面相隔第一距离的第一点，所述第二表面包括与所述样品的表面相隔第二距离的第二点，其中，所述第二距离大于所述第一距离。
在本发明的一实施例中，所述时间相关性可包括在第一时间点检测到的所述激光散斑的第一图像信息和在与所述第一时间点不同的第二时间点检测到的所述激光散斑的第二图像信息之间的差异。
在本发明的一实施例中，所述第一图像信息及所述第二图像信息可包括所述激光散斑的图案信息和所述波的强度信息中的至少一者。
在本发明的一实施例中，可进一步包括用于收容所述样品的样品布置部。
在本发明的一实施例中，进一步包括抗生素施用部，所述抗生素施用部用于向所述样品布置部内的所述样品施用预定的抗生素，其中，所述控制部可以基于所述激光散斑的时间相关性推断在向所述样品施用所述抗生素之前或之后所述样品内的微生物存在与否或微生物的浓度，并且根据所推断的微生物存在与否或所述微生物的浓度变化来实时判断所述抗生素的相容性。
在本发明的一实施例中，可进一步包括：盖构件，其以所述样品不露出到外部环境的方式至少覆盖所述样品布置部；以及培养环境调节部，其以维持所述样品的恒定培养环境的方式调节环境条件。
在本发明的一实施例中，进一步包括三维图像生成部，在包括两个以上所述检测部的情况下，所述三维图像生成部利用从多个所述检测部检测出的多个所述激光散斑来生成三维散斑图像，其中，所述控制部可以利用所述三维散斑图像来探测所述样品的特性。
在本发明的一实施例中，可进一步包括多重散射扩增部，所述多重散射扩增部使从所述样品多重散射并出射的所述波的至少一部分反射到所述样品以扩增所述样品中的多重散射次数。
在本发明的一实施例中，所述多重散射扩增部可包括：第一多重散射扩增部，其被布置在经过所述样品的中心的延长线上，并且使从所述样品多重散射并出射的所述波的至少一部分反射到所述样品；以及第二多重散射扩增部，其被布置成以所述样品为基准而与所述第一多重散射扩增部相对，并且使从所述样品多重散射并出射的所述波的至少一部分反射到所述样品。
本发明的另一实施例提供一种样品特性探测装置，包括：样品布置部，其用于收容样品；基准样品布置部，其被布置成与所述样品布置部相邻并且收容基准样品；波源，其用于朝向所述样品布置部内的所述样品及所述基准样品布置部内的所述基准样品照射波；检测部，其用于检测所照射的波分别被所述样品及所述基准样品多重散射而产生的第一激光散斑及基准激光散射，并且在每个预设的相同时间点进行检测；以及利用检测出的所述第一激光散斑来获取检测出的所述第一激光散斑随时间变化的时间相关性，并且基于获取到的所述时间相关性实时探测所述样品的特性，其中，所述检测部检测所述样品与所述检测部之间或者所述检测部内部的一区域中的所述激光散斑
在本发明的一实施例中，所述控制部可以根据由在所述样品内部移动的细菌、微生物或病毒生成的散斑的变化，来实时推断所述细菌、微生物或病毒的存在与否或者浓度。
在本发明的一实施例中，进一步包括抗生素施用部，所述抗生素施用部用于向所述样品布置部内的所述样品施用预定的抗生素，其中，所述控制部可以基于所述激光散斑的时间相关性推断在向所述样品施用所述抗生素之前或之后所述样品内的微生物存在与否或微生物的浓度，并且根据所推断的微生物存在与否或所述微生物的浓度变化来实时判断所述抗生素的相容性。
在本发明的一实施例中，所述时间相关性可包括在第一时间点检测到的所述第一激光散斑的第一图像信息和在与所述第一时间点不同的第二时间点检测到的所述第一激光散斑的第二图像信息之间的差异。
在本发明的一实施例中，所述第一图像信息及所述第二图像信息可包括激光散斑的图案信息和波的强度信息中的至少一者。
在本发明的一实施例中，所述控制部可利用检测出的所述基准激光散斑来获取检测出的所述基准激光散斑的基准信息，并且利用所述基准信息来去除关于所述第一激光散斑的时间相关性的噪声。
在本发明的一实施例中，可进一步包括：多波束反射器，其分割从所述波源入射的波并提供给多个波路径；以及波束分离器，其被设置在由所述多波束反射器提供的所述波路径上，并且变更由所述样品及所述基准样品反射并出射的所述波的路径并提供给所述检测部。
本发明的另一实施例提供一种样品特性探测装置，包括：波源，其用于朝向样品照射波；检测部，其用于检测所照射的波被所述样品多重散射而产生的激光散斑，并且在每个预设时间点检测所述激光散斑的扩散路径上的一区域中的所述激光散斑；以及控制部，其用于获取检测出的所述激光散斑的时间相关性，并且基于获取到的所述时间相关性实时探测所述样品的特性。
从下述的附图、权利要求书及发明的详细说明中将会明确前述以外的其他方面、特征。
实施例
下面，参照附图对以下实施例进行详细说明，在参照附图进行说明时，对相同或相应的结构要素赋予相同的附图标记，并省略关于此的重复说明。
本实施例可进行多种变更，在附图中示意地表示特定实施例，并在以下具体实施方式中进行详细的说明。参照附图的同时参照详细地后述的内容，将会明确本实施例的效果及特征、以及实现这些的方法。但是，本实施例并不限定于以下所公开的实施例，而是可以以彼此不同的多种方式实现。
在以下的实施例中，第一及第二等术语并不是限定性的含义，而是以将一个结构要素与其他结构要素相区别的目的使用第一及第二等术语。
在以下的实施例中，关于单数形式的表述，如果在文章中的含义不是明确地表示其他含义，则该单数形式的表述也包括复数形式的表述。
在以下的实施例中，“包括”或“具有”等术语是指说明书中记载的特征或结构要素存在，并不是用来事先排除一个以上其他特征或结构要素附加的可能性。
在以下的实施例中，当提及单元、区域或结构要素等部分位于其他部分上或上方时，不仅包括直接位于其他部分的上方的情况，而且还包括在其中间存在其他单元、区域或结构要素等的情况。
在以下的实施例中，关于连接或结合等术语，如果在文章中的含义不是明确地表示其他含义，则并不一定是表示两个部件的直接和/或固定连接或结合，并不排除在两个部件之间存在其他部件的情况。
表示说明书中记载的特征或结构要素存在，并不是事先排除一个以上其他特征或结构要素附加的可能性。
在附图中，为了方便说明，可以夸大或缩小结构要素的大小。例如，附图所示的各结构的大小及厚度是为了方便说明而任意表示，以下的实施例并不一定限定于图示的例。
下面，参照图1对本发明的混沌波传感器的原理进行说明。
图1是用于说明本发明的一实施例所涉及的混沌波传感器的原理的图。
在如玻璃那样内部折射率均匀的物质的情况下，当照射光时沿恒定方向产生折射。但是，如果向内部折射率不均匀的物体照射如激光等的相关光(Coherent Light)，则在物质内部产生非常复杂的多重散射(multiple scattering)。
参照图1，在由波源120照射的光及波(以下，为了简化而称为波)中，通过多重散射而沿复杂路径散射的波的一部分经过检查对象表面。经过检查对象表面的各种点的波彼此会引起相长干涉(constructive interference)或相消干涉(destructiveinterference)，并且这种波的相长/相消干涉会产生颗粒模样的图案(散斑)。
在本说明书中，将这种沿复杂路径散射的波命名为“混沌波(Chaotic wave)”，可通过激光散斑来检测混沌波。
另外，图1的左侧图为表示利用激光照射稳定的介质时的图。当利用相关光(例如，激光)照射没有内部结构物质移动的稳定的介质时，能够观测无变化且稳定的散斑图案。
但是，如图1的右侧图所示，在内部包括细菌等的在内部结构物质中移动的不稳定的介质的情况下，散斑图案发生变化。
即，由于如微生物的移动那样的微生物的微小生命活动，光路径可以随时间发生微小变化。由于散斑图案为因波的干涉而产生的现象，因此光路径的微小变化可以产生散斑图案的变化。由此，通过测量散斑图案的时间变化，而能够迅速测量微生物的生命活动。如此，在测量散斑图案随时间变化的情况下，能够知道微生物的存在与否及浓度，更进一步地还能够知道微生物的种类。
在本说明书中，将测量这种散斑图案的变化的结构定义为混沌波传感器(ChaoticWave Sensor)。
下面，基于上述的混沌波传感器的原理，对本发明的一实施例进行说明。图2是示意性地图示本发明的第一实施例所涉及的样品特性探测装置100的示意图，图3是图示图1的检测部130中的激光散斑的检测方法的图。此外，图4a至图4c是示意性地图示图1的样品特性探测装置100的实施方式的示意图。
参照图2，本发明的第一实施例所涉及的样品特性探测装置100可包括波源120、检测部130及控制部140。此外，样品特性探测装置100可进一步包括样品布置部110、多重散射扩增部150及显示部190。
能够通过本发明的第一实施例所涉及的样品特性探测装置100来测量的样品S也可以是如从待测量的个体中提取的唾液、血液或组织等的样品，还可以是如排出到个体的外部的大便、小便或角质等的样品。此外，样品S可包括从如食物等的个体提取的有机样品等。另外，样品S也可以表示待测量的个体自身。换言之，食物是个体，在不损坏(damage)食物的同时测量微生物的存在与否的情况下，食物自身可成为样品S。例如，如为了销售而包装的肉(meat)等的个体可成为样品S。就样品S而言，样品总体可作为试样来利用，也可以利用如胶带或膜(membrane)那样能够移动微生物的机构来准备样品S。另外，也可以通过个体用嘴吹来提取样品S，或者从皮肤提取样品S，或者通过用过滤器筛取大便等而提取样品S。作为一实施例，提取后的样品S可被收容在样品布置部110中。样品布置部110可形成为能够收容样品S的容器形态。样品布置部110能够限制样品自身的移动的同时支撑样品S。换言之，在限制样品S自身的移动的状态下进行检测。在本发明中，无需将样品S一定收容在样品布置部110。但是，以下为了便于说明，以样品S被布置在样品布置部110的情况为中心进行说明。另外，样品布置部110可以是如琼脂板(agar plate)那样的培养皿(petri dish)
在此，微生物可包括选自由葡萄球菌属(Staphylococcus)、凝固酶阴性葡萄球菌属(staph Coagulase negative)、金黄色葡萄球菌(Staph.aureus)、链球菌属(Streptococcus spp.)、绿色链球菌群(Streptococcus viridans group)、肠球菌属(Enterococcus spp.)、棒状杆菌属(Corynebacterium spp.)、气球菌属(Aerococcusspp.)、微球菌属(Micrococcus spp.)、消化链球菌属(Peptostreptococcus spp.)、乳球菌属(Lactococcus spp.)、明串珠菌属(Leuconostoc spp.)、托氏菌属(Tothia spp.)、孪生球菌属(Gemella spp.)、产碱杆菌属(Alcaligenes spp.)、枣缩果病病原(Alternariaspp.)、黄杆菌属(Flavobacterium spp.)、芽孢杆菌属(Bacillus spp.)、无色杆菌属(Achromobacter spp.)、不动杆菌属(Acinetobacter spp.)、放线杆菌属(Actinobacillusspp.)、产碱菌属(Alcaligenes spp.)、弯曲杆菌属(Campylobacter spp.)、爱德华菌属(Edwardsiella spp.)、埃立克体菌属(Ehrlichia spp.)、肠杆菌属(Enterobacter spp.)、欧文氏菌属(Ewingella spp.)、黄杆菌属(Flavobacteria)、哈夫尼亚菌属(Hafnia spp.)、克雷白氏杆菌(klebsiella)、克雷伯菌属(Klebsiella spp.)、克吕沃尔菌属(Kluyveraspp.)、军团菌属(Legionella spp.)、莫拉菌属(Morxella spp.)、摩根菌属(Morganellaspp.)、奈瑟菌属(Neisseria spp.)、巴斯德菌属(Pasteurella spp.)、普鲁氏杆菌属(Prevotella spp.)、变形杆菌属(Proteus spp.)、普罗威登斯菌属(Providencia spp.)、假单胞菌属(Pseudomonas spp.)、拉氏菌属(Rahnella spp.)、沙门氏菌属(Salmonellaspp.)、沙雷氏(Serratia)菌属(Serratia spp.)、志贺氏菌属(Shigella spp.)、鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium spp.)、弧菌属(Vibrio spp.)、耶尔森(yersinia)菌属(Yersiniaspp.)、奈瑟球菌属(Neisseria spp.)、金氏菌属(Kingella spp.)、心杆菌属(Cardiobacterium)、非结核性分枝杆菌(NTB：non-Tuberculosis mycobacteria)、结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)及鸟分枝杆菌(Mycobacterium avium)组成的组中的细菌。
波源120能够朝向样品布置部110内的样品S照射波。波源120可应用能够生成波(wave)的所有种类的源设备，例如可以是能够照射特定波长带的光的激光(laser)。本发明并不限制波源的种类，但以下为了便于说明以波源为激光的情况为中心进行说明。
例如，为了在样品布置部110形成散斑，可将相干性(coherence)优异的激光作为波源120来利用。此时，确定激光波源的相干性的波源的光谱带宽(spectral bandwidth)越短则测量准确度会越增加。即，相干距离(coherence length)越长则测量准确度会越增加。由此，作为波源120可利用波源的光谱带宽小于已定义的基准带宽的激光，光谱带宽比基准带宽越短则测量准确度会越增加。例如，可以以维持以下数学式1的条件的方式设定波源的光谱带宽。
[数学式1]
光谱带宽＜1nm
根据数学式1，为了测量激光散斑的图案变化，在每个基准时间向培养皿内照射光时，可维持波源120的光谱带宽小于1nm。
再次参照图2，检测部130可以在每个预设时间点(time)检测所照射的波被样品S多重散射而产生的激光散斑。在此，时间点是指连续的时间流中的某一瞬间，可以按相同的时间间隔预设时间点，但并不一定限于此，也可以按任意时间间隔预设时间点。检测部130可包括与波源120的种类对应的感测机构，例如在利用可见光波长带的光源的情况下，可利用作为拍摄图像的拍摄装置的图像传感器。作为一实施例，检测部130包括图像传感器及具有预定焦距的一个以上透镜，从而能够检测激光散斑。此时，焦距可以比样品S与检测部130之间的距离短，但并不限于此。作为另一实施例，检测部130也可以利用未包括透镜的图像传感器。检测部130可以至少在第一时间点检测激光散斑及在第二时间点检测激光散斑，并提供给控制部140。另外，第一时间点及第二时间点只是为了方便说明而选择的一个示例，检测部130可以在比第一时间点及第二时间点更多的多个时间点检测激光散斑。
具体而言，在波被照射到样品S的情况下，所入射的波可通过多重散射来形成激光散斑。由于激光散斑因光的干涉现象而产生，因此在样品内不存在移动的情况下，可以随时间总是显示恒定干涉图案。与此相比较，在样品S内存在如病毒那样的微生物的情况下，激光散斑可根据微生物的移动随时间变化。检测部130可以在每个预设时间点检测这种随时间变化的激光散斑并提供给控制部140。检测部130可以以能够感测微生物的移动的程度的速度检测激光散斑，例如，能够以每秒钟25帧至30帧的速度检测。
参照图3，检测部130可以检测因照射到样品S的波被样品S多重散射而产生的激光散斑。换言之，检测部130可以检测从样品S诱发(caused)的激光散斑。具体而言，检测部130虽然也可以检测样品S的表面F上的激光散斑，但也可以在每个预设时间点检测被样品S多重散射的波的移动路径上的一区域A1中的激光散斑。此时，第一区域A1可以是与样品S的表面F隔开预定距离的区域。作为一实施例，第一区域A1可以是被布置在第一表面B1和第二表面B2之间的区域，其中，该第一表面B1包括与样品S的表面隔开第一距离d1的第一点x1，该第二表面B2包括与样品S的表面F隔开比第一距离d1更大的第二距离d2的第一点x2。即，可以检测在检测部130与样品之间的第一区域A1中的激光散斑。或者，可以检测检测部130内部的激光散斑，例如，在检测部130为CCD传感器的情况下，可以检测CCD传感器的表面上的激光散斑。作为另一实施例，检测部130也可以利用图像传感器来检测激光散斑。在利用图像传感器来检测激光散斑的情况下，可通过比从样品S的表面观察激光散斑的情况相比缩短焦距来检测激光散斑。
另外，在作为检测部130利用图像传感器的情况下，可以以图像传感器的一个像素(pixel)的大小d小于或等于散斑图案的粒子大小(grain size)的方式布置图像传感器。例如，可以以满足以下的数学式2的条件的方式，在图4a至图4c的光学系统中布置图像传感器。
[数学式2]
d≤散斑的粒子大小
如数学式2所示，图像传感器的一个像素的大小d应为散斑图案的粒子大小以下，但如果像素大小过小，则因产生欠采样(undersampling)而可能会在应用像素分辨率方面存在困难。由此，为了实现有效的SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)，可以以在散斑粒子大小上最多设置五个以下的像素的方式布置图像传感器。
为了比较散斑信号的动态变化，可需要在彼此不同的时间测量到的最少两个以上图像。例如，可以以预定间隔在每个基准时间生成两个以上激光散斑图像。例如，可存在通过在当前时间照射激光以拍摄被检查对象而生成的激光散斑图像1、以及通过在10秒之后照射光以拍摄培养皿而生成的激光散斑图像2。除此之外，如再经过10秒之后生成激光散斑图像3并再经过10秒之后生成激光散斑图像4等那样，可通过在第一次照射光之后按预定间隔照射光，其结果在10(n-1)秒之后可形成n个激光散斑图像。于是，能够通过分析所生成的激光散斑图像之间的差异来探测是否在培养皿内存在微生物。
此时，根据是否利用两个散斑图像来探测微生物的存在与否或者是否利用三个以上散斑图像来探测微生物的存在与否，微生物探测方法可以不同。
作为一例，在利用通过按预定时间间隔照射光而在各个时间生成的两个散斑图像的情况下，如果在被检测对象内不存在微生物，则在0秒测量到的散斑图像与在10秒测量到的散斑图像之间的差异为已定义的第一基准值以下，从而该差异可以非常微小。虽然偶尔可能会存在较小的信号差，但这有可能会被解释为如水分蒸发或振动等那样实验时存在的所有噪声(noise)的影响。此时，在培养皿内存在微生物的情况下(例如，蜡样芽孢杆菌(B.cereus)或大肠杆菌(E.coli)等)，在0秒生成的散斑图像与在10秒生成的散斑图像之间的差异可以是已定义的第二基准值以上。即，在0秒与10秒之间测量到的散斑信号差为第二基准值以上，如果信号存在较大的变化，则可以探测到在被检查对象内存在细菌等的微生物。
控制部140可利用检测出的所述激光散斑来获取时间相关性，并且基于获取到的时间相关性，实时推断是否存在包括在样品S中的微生物或者微生物的浓度。在本说明书中，实时是指通过在一小时内推断是否存在微生物或者微生物的浓度变化来判断抗生素的相容性，优选地在5分钟内能够推断是否存在微生物或微生物的浓度变化。更优选地，能够在20秒内推断是否存在微生物或微生物的浓度变化。如此，控制部140能够通过核查两个散斑图像之间的差异(例如，像素值差等)是否为第一基准值以下以及是否为第二基准值以上，从而探测是否在培养皿内存在微生物。此时，也可以将第一基准值和第二基准值定义为相同的值，并且还可以定义为彼此不同的值。作为另一例，在利用按预定时间间隔测量到的三个以上散斑图像的情况下，控制部140可通过在三个以上散斑图像中执行时间相关分析(time correlation analysis)而探测是否在培养皿内存在微生物。即，检测部130可以以预定时间间隔在彼此不同的时间点向被检查对象照射光，并且基于通过使该光进行多重散射而形成的激光散斑之间的时间相关性探测是否在培养皿内存在微生物。例如，在对各时间t测量到的散斑图像进行平均化后的数据设为I(x，y；t)的情况下，控制部140可以相对于特定延迟时间τ计算上述各点的时间相关系数。关于由控制部140推断微生物的存在与否或微生物的浓度变化的方法将在后面叙述。
另外，参照图4a至图4c，本发明的一实施例所涉及的样品特性探测装置100可进一步包括多重散射扩增部150。
多重散射扩增部150可通过使从样品S经多重散射而出射的波的至少一部分反射到样品S来扩增样品S中的多重散射次数。多重散射扩增部150可包括多重散射物质(multiple scattering material)。例如，多重散射物质包括折射率较大且具有微米大小以下的直径的粒子，例如包括氧化钛(TiO2)纳米粒子，多重散射扩增部150可以使入射到所述多重散射扩增部150的波的至少一部分反射。多重散射扩增部150被布置为与样品S相邻，并且能够使从样品S经多重散射而出射的波在样品S与所述多重散射扩增部150之间的空间进行一次以上往返。在样品S中可存在微生物，但该微生物的数量也可以微少。以往，为了检测样品S内的微生物，能够在使微生物繁殖很长时间例如几天之后检测该微生物，从而为了检测微生物而需要较多的时间。与此不同地，本发明的一实施例所涉及的样品特性探测装置100通过由多重散射扩增部150来扩增波在样品S内多重散射的次数，而能够快速而精密地检测微生物。
多重散射扩增部150使所入射的波的一部分反射，并且使剩余波透射。或者，多重散射扩增部150使所入射的波的一部分透射，并且使剩余波反射。或者，多重散射扩增部150也可以使所入射的所有波反射。多重散射扩增部150可以以与波源120和检测部130的光学系统结构对应的方式选择前述结构中的至少一者以上。
参照图4a，样品特性探测装置100-1可以将包括波源120和检测部130的光学系统构成为反射型。入射到样品S的波L1因样品S的光学不均匀特征而发生多重散射现象，并且能够反射出一部分波。此时，检测部130可通过拍摄随着因样品S的光学不均匀特性而波被样品S反射后出射而产生的激光散斑信号，来测量由样品S诱发的激光散斑。
样品特性探测装置100-1可包括第一多重散射扩增部151及第二多重散射扩增部153。第一多重散射扩增部151被布置在经过样品S的中心的延长线C上，能够使从样品S经多重散射而出射的波的至少一部分反射到样品S。第二多重散射扩增部153被布置成以样品S为基准而与第一多重散射扩增部151相对，能够使从样品S经多重散射而出射的波的至少一部分反射到样品S。在反射型光学系统的情况下，第一多重散射扩增部151可被形成为使波的一部分透射且使一部分反射的半透射型。此外，第二多重散射扩增部153可被形成为使所入射的全部波反射的反射型。由此，能够在样品S内显著扩增波的多重散射次数。
在图4a中，可以以不受波源120的波长及波的强度等限制的方式使用，作为检测部130的种类优选能够测量二维信息的相机，但也可以使用测量一维信息的相机。
在图4a中，波源120及样品S的位置并不受限，用于测量反射出的激光散斑信号的检测部130可被设置为测量出的一个散斑大小相当于检测部130的像素中的两个至三个像素以上。例如，为了测量因由样品S产生的波的反射导致的激光散斑信号，检测部130可被设置为相对于样品S的光入射表面倾斜预定角度。
参照图4b，样品特性探测装置100-2可以将包括波源120和检测部130的光学系统构成为透射型。入射到样品S的波因样品S的光学不均匀特征而产生多重散射现象，并且使一部分波透过样品S并出射。于是，检测部130可通过拍摄因波透过样品S并出射而产生的激光散斑信号，从而测量因透过样品S而诱发的激光散斑。在样品特性探测装置100-2的光学系统构成为透射型的情况下，第一多重散射扩增部151及第二多重散射扩增部153可被形成为使波的一部分透射且使一部分反射的半透射型。
参照图4c，样品特性探测装置100-3可将包括波源120和检测部130的光学系统构成为分光型。入射到样品S的波L1因样品S的光学不均匀性特征产生多重散射现象而反射出一部分波，并且利用波束分离器(Beam splitter,181)将该反射出的一部分波的路径变更到检测部130。由于在形成为分光型的情况下利用波的偏振状态，因此可进一步包括如相位延迟板或偏振板等的光学部。此时，检测部130位于波源120与样品S之间，能够变更由样品S反射出的波的路径。此外，检测部130可测量由样品S反射出的或者随着路径变更而产生的激光散斑。
另外，在样品特性探测装置100-3的光学系统构成为分光型的情况下，第一多重散射扩增部151可形成为使波的一部分透射并使一部分反射的半透射型。此外，第二多重散射扩增部153可形成为使所入射的全部波反射的反射型。
图5是依次图示利用本发明的一实施例所涉及的样品特性探测装置100的微生物探测方法的顺序图。
参照图5，可通过波源120向样品S照射波(S10)。接着，可通过检测部130在每个预设时间点检测入射到样品S的波因多重散射而产生的激光散斑。接着，控制部140可利用在每个预设时间点生成的激光散斑图像来计算图像之间的时间相关性系数，并且可以基于时间相关性系数推断是否在样品S内存在微生物(S30)。此外，控制部140可以基于时间时间相关性系数的变化度测量微生物的浓度。
此时，在测量由样品S形成的激光散斑的期间，可以限制由波源120和检测部130构成的光学系统的移动。例如，只有直至通过从波源120向样品S照射波而测量微生物的浓度为止在波源120和检测部130不存在移动，才能准确地测量微生物的浓度。如前述，光学系统可构成为反射型、透射型或分光型形式。
另外，样品特性探测装置100可进一步包括显示部190。显示部190用于将由控制部140推断出的微生物的存在与否或微生物的浓度结果显示到外部。
下面，参照图6对本发明的一实施例所涉及的控制部140的控制方法进行说明。
图6是为了说明由本发明的一实施例所涉及的控制部140分析激光散斑的时间相关性的方法而提供的图。
参照图6，作为一实施例，控制部140可利用在第一时间点检测出的激光散斑的第一图像信息和在与第一时间点不同的第二时间点检测出的激光散斑的第二视频信息的差异来推断微生物的存在与否或微生物的浓度。在此，第一图像信息及第二图像信息可以是激光散斑的图案信息及波的强度信息中的至少一者。另外，本发明的一实施例并不是只利用第一时间点上的第一图像信息与第二时间点上的第二图像信息的差异，而是可通过扩大而利用在多个时间点检测出的多个激光散斑的图像信息。控制部140可利用在多个预设时间点生成的激光散斑的图像信息来计算图像之间的时间相关系数，并且可以基于时间相关性系数推断是否在样品S内存在微生物或微生物的浓度。
可利用下述数学式3来计算检测出的激光散斑图像的时间相关性。
[数学式3]
Figure BDA0001731371090000181
在数学式3中，C表示时间相关性系数，I表示标准化后的光强度，(x，y)表示相机的像素坐标，t表示测量时间，T表示总测量时间，τ表示时间延迟(timelag)。
根据数学式3可计算时间相关性系数，作为一实施例，可通过时间相关性系数降低至预设基准值以下的分析来推断微生物的存在与否或微生物的浓度。具体而言，可通过时间相关性系数超过预设误差范围而降低至基准值以下的情况来推断存在微生物。此外，由于微生物的浓度越增加则时间相关性系数降低至基准值以下的时间越短，因此可利用该现象且通过表示时间相关性系数的图表的倾斜度值来推断微生物的浓度。基准值可根据微生物的种类及如温度等的环境因素而不同。在图6的图表中，实线S1表示不存在微生物的样品的时间相关系数，虚线S2表示存在微生物的情况的样品的时间相关系数。如果微生物的浓度不同，则虚线S2的倾斜度值也不同。
下面，参照图7对在控制部140利用激光散斑来判断样品的微生物浓度的方法进行具体说明。
图7是图示通过本发明的一实施例所涉及的样品特性探测装置按时间测量的激光散斑的光强度的标准偏差分布的图。
参照图7，控制部140可以以在各基准时间测量的激光散斑图像为对象，计算激光散斑的光强度(intensity)的标准偏差。
随着存在于样品内的细菌及微生物持续移动，相长干涉和相消干涉可以与所述移动对应地发生变化。此时，随着相长干涉和相消干涉发生变化，光强度的程度可以大幅变化。于是，控制部140可通过求出表示光强度的变化程度的标准偏差而确认在样品中是否存在细菌及微生物。
例如，控制部140检测在各预定时间测量的激光散斑图像，并且可通过检测出的图像来计算激光散斑随时间产生的光强度的标准偏差。可以基于下述数学式4计算激光散斑随时间产生的光强度的标准偏差。
Figure BDA0001731371090000191
在数学式4中，可表示S：标准偏差、(x，y)：相机像素坐标、T：总测量时间、t：测量时间、It：在t时间测量到的光强度、以及I：随时间产生的平均光强度。
相长及相消干涉图案根据细菌及微生物的移动而不同，由于基于数学式4计算出的标准偏差值较大，因此可以基于该标准偏差值测量细菌及微生物的浓度。
并且，控制部140可以基于激光散斑的光强度的标准偏差值的大小与细菌及微生物的浓度的线性关系，测量包括在样品中的细菌及微生物的分布图即浓度。
图8a及图8b是示意性地图示本发明的另一实施例所涉及的样品特性探测装置100-4的示意图。在图8a及图8b中，为了方便说明，以光学部135与检测部130之间的关系为中心进行图示。
参照图8a及图8b，样品特性探测装置100-4可进一步包括光学部135，该光学部135用于将从样品散射出的第一波信号复原并调制为波源120的波被样品散射前的第二光信号。此时，光学部135可包括空间光调制部(Spatial Light Modulator；SLM,1351)及检测部130。就光学部135而言，在入射从测量对象散射出的波的情况下，可控制散射出的波的波面，并且再次复原为散射前的波(光)之后提供给检测部130。
在空间光调制部1351可入射由样品散射出的波(光)。空间光调制部1351可控制由样品散射出的波的波面并提供给透镜1352。透镜1352可聚集经控制的光并再次提供给检测部130。检测部130可通过感测由透镜聚集的波而复原为由波源输出的散射前的初始波并输出。
在此，在稳定的介质即测量对象内不存在生物的移动的情况下，光学部135可将从样品散射出的第一光信号复原为散射前的光。但是，在测量对象内存在病毒的情况下，因检测用复合体的移动而第一光信号不同，因此无法感测相位控制波面，由此无法调制为具有相位共轭波面的第二光信号。包括前述的光学部135的微生物探测装置100-4可利用这种第二光信号的差异来更精细地推断微生物的存在与否或微生物的浓度。
下面，对本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置200进行说明。
图9是示意性地图示本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置200的示意图。
参照图9，本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置200可包括样品布置部210、抗生素施用部260、波源220、检测部230及控制部240。在本发明的第二实施例中，波源220、检测部230及控制部240的结构及利用它探测微生物的方法与第一实施例相同，因此省略重复说明。
样品布置部210可收容样品S。此时，样品S可包括如唾液、血液或组织等的样品或如食物等的有机样品等。样品布置部210可形成为能够收容样品S的容器形态。样品S也可以将全部样品作为试样使用，还可以利用如胶带或膜(membrane)那样能够移出微生物的机构来准备样品S。
抗生素施用部260可以向样品布置部210内的样品施用预定的抗生素A。抗生素施用部260可被布置为与样品布置部210相邻，例如，如图示那样，抗生素施用部260被布置在与样品布置部210相对的位置上而能够向样品S供给抗生素。抗生素施用部260能够施用一种抗生素，在施用的抗生素的相容性不吻合的情况下，可以替换为其他种类的抗生素而进行施用。作为另一实施例，包括与多个抗生素对应的多个抗生素施用部260，也可以根据需要替换使用抗生素施用部260。
波源220可以朝向样品布置部210内的样品S照射波。作为波源220可应用能够生成波的所有种类的源设备，例如可以是能够照射特定波长带的光的激光。
检测部230可以在每个预设时间点测量所照射的波被样品S多重散射而产生的激光散斑。在此，时间点是指连续的时间流中的任一瞬间，可以按相同的时间间隔预设时间点，但并不一定限定于此，也可以按任意时间间隔预设时间点。检测部230可包括与波源220的种类对应的感测机构，例如，在利用可见光线波长带的光源的情况下，可利用作为拍摄图像的拍摄装置的CCD相机(camera)。检测部230可以至少在第一时间点检测激光散斑及在第二时间点检测激光散斑并提供给控制部240。在此，第一时间点为向样品S施用抗生素之前的时间点，第二时间点为向样品S施用抗生素之后的时间点。另外，第一时间点及第二时间点只是为了方便说明而选择的一个示例，检测部230可以在比第一时间点及第二时间点更多的时间点检测激光散斑。
控制部240可利用检测出的所述激光散斑来获取时间相关性，并且基于获取到的时间相关性，推断在对样品S施用抗生素之前或之后是否存在微生物或微生物的浓度。控制部240可以根据推断出的微生物存在与否或者微生物的浓度变化实时判断施用的抗生素的相容性。在本说明书中，实时是指通过在一小时内推断是否存在微生物或者微生物的浓度变化而判断抗生素的相容性，优选地可通过在5分钟内推断是否存在微生物或者微生物的浓度变化而判断抗生素的相容性。更优选地可通过在20秒内推断抗生素的浓度变化而判断抗生素的相容性。
另外，第二实施例所涉及的样品特性探测装置200可进一步包括温度调节部284，该温度调节部284与样品布置部210连接，并且向样品布置部210供给预设温度的热。温度调节部284被控制部240控制，并且为了能够促进样品S内的微生物的繁殖，可提供能够维持适当温度的热。例如，为了使样品S能够维持约30℃至40℃的温度，控制部240能够控制温度调节部284。但是，并不限于此，控制部240可根据待推断的微生物的种类以其他设定温度控制温度调节部284。
图10是示意性地图示本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置100的一实施方式的立体图，图11是图10的样品特性探测装置200的框图。
参照图10及图11，样品特性探测装置200可进一步包括盖构件200A及样品传送部200B。
盖构件200A可以以样品S不会露出到外部环境的方式至少覆盖样品布置部210。作为一实施例，可以将作为前述的结构要素的样品布置部210、抗生素施用部260、波源220、检测部230及控制部240布置在盖构件200A的内部。在进行抗生素相容性检查的期间，由于样品S被露出到外部环境中而产生噪声，无法进行准确的检查。因此，盖构件200A可通过使样品S从外部环境特别是外部空气中分离而使污染最小化并提高准确性。
样品传送部200B的一端与样品布置部210连接，另一端向盖构件200A的外部突出，由于在一端与另一端之间形成有沿长度方向延伸的连通孔而能够通过另一端将样品S传送到样品布置部210。在利用注射器等提取样品S之后，以不会露出到外部空气中的状态通过样品传送部200B直接传递给样品布置部210。作为另一实施例，被检者可以从样品传送部200B的另一端经嘴吹将样品S传送给样品布置部210。
此时，抗生素施用部260可包括与盖构件200B的外部连通的抗生素投入口211，从外部向抗生素施用部260供给抗生素。
另外，样品特性探测装置200可进一步包括显示部290。显示部290可以将由控制部240推断出的微生物的存在与否或者微生物的浓度结果显示到外部，并且如图所示，显示部290可被布置在盖构件200B的外侧。
另外，图12是示意性地图示本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置200-1的另一实施方式的图。
在另一实施例中，样品特性探测装置200-1可包括两个以上检测部230A、230B、230C、230D。此时，样品特性探测装置200-1可进一步包括三维图像生成部245，该三维图像生成部245利用由多个检测部230A、230B、230C、230D检测出的多个激光散斑来生成三维散斑图像。为了生产三维图像而理论上需要的检测部230的台数为两台，在两台的情况下识别相对图像，为了生产绝对三维图像，可至少包括三台检测部230。在附图中为了提高准确度而图示了四个检测部230A、230B、230C、230D。
图13是示意性地图示本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置200-2的又一实施方式的图。
参照图13，又一实施例所涉及的样品特性探测装置200-2可包括样品布置部210、基准样品布置部215、抗生素施用部(未图示)、波源220、检测部230、控制部240、波束分离器281及多波束反射器283。另一实施例进一步包括基准样品布置部215，除与此有关的波路径不同这一点以外与前述的第二实施例的结构要素相同，因此省略重复说明。
样品布置部210可收容样品。
基准样品布置部215被布置为与样品布置部210相邻，并且可收容基准样品。此时，基准样品可以是包括样品能够露出的外部环境条件的样品，例如基准样品可以是放置样品的空气。换言之，基准样品可以是用于使因外部环境因素而有可能产生的噪声最小化的样品的对照组。
虽然未图示抗生素施用部(未图示)，但可以对样品布置部210内的样品施用已知的抗生素。
波源220可以朝向样品布置部210内的样品及基准样品布置部215内的基准样品照射波。在此，在波源220与样品布置部210及基准样品布置部215之间可设置有多波束反射器283及波束分离器281。此外，也可以进一步包括用于变更由波源220提供的波路径的镜子285。
多波束反射器283可分割从波源220入射的波并提供给多个波路径。通过使各个波在多波束反射器283的前表面和后表面反射，从而可提供平行分割后的第一波L2及第二波L3。
波束分离器281可被布置在由多波束反射器283提供的多个波路径上，并且将所述第一波L2及所述第二波L3分别提供给样品及基准样品。之后，可变更从样品及基准样品反射并出射的波路径并提供给检测部230。
检测部230可以从样品及基准样品中的每一者在每个预设的相同时间点检测因所照射的波的多重散射而产生的第一激光散斑及基准激光散斑。检测部230可包括与从样品反射出的第一波的路径对应地布置的第一检测部231及与从基准样品反射出的第二波的路径对应地布置的第二检测部233。
控制部240可利用检测出的第一激光散斑来获取检测出的第一激光散斑的时间相关性，并且基于获取到的时间相关性推断在对样品施用抗生素之前或之后的样品内微生物存在与否或者微生物的浓度。控制部240可根据推断出的微生物的存在与否或者微生物的浓度变化来判断抗生素的相容性。此时，控制部140可利用检测出的基准激光散斑来一同获取检测出的基准激光散斑的基准信息。控制部240可利用获取到的基准信息来去除关于第一激光散斑的时间相关性的噪声。
换言之，前述的样品特性探测装置200-2通过附加基准样品布置部215，能够同时检测随外部环境产生的关于时间相关性系数的变化。由此，由于能够从实际样品的时间相关性系数中排除噪声，从而能够进行准确的检查。
图14是示意性地图示利用图9的样品特性探测装置200来获取的施用抗生素前后的时间相关性变化的图表。
如果样品的时间相关性系数在施用抗生素前后不同，则控制部240可判断为所施用的抗生素具有相容性。在图14的图表中，实线S1表示不存在微生物的样品的时间相关系数，虚线S2表示存在微生物的情况的样品的时间相关系数，点划线S3表示施用抗生素的情况的时间相关系数。如图14所示，就点划线S3而言，可知以施用抗生素时间点t1为基准在施用抗生素之前其倾斜度与点线S2的倾斜度相同，在施用抗生素之后其倾斜度与实线S1的倾斜度相同。图14表示施用抗生素前后的一例，实际上与其不同地在施用抗生素后也可以表示实线S1与虚线S2之间的倾斜度值。但是，可通过这种变化，来判断抗生素是否适合样品。
如前述，本发明的第二实施例所涉及的样品特性探测装置200可利用廉价的费用来迅速推断微生物的存在与否或者微生物的浓度，由此能够快速而准确地检查抗生素对样品的相容性。
下面，对利用本发明的实施例所涉及的微生物探测方法的携带用生物感测系统1进行说明。
图15是示意性地图示本发明的一实施例所涉及的携带用生物感测系统1的示意图，图16是示意性地图示图15的携带用生物感测系统1的实施方式的示意图。
参照图15，本发明的一实施例所涉及的生物感测系统1可包括电子设备10、生物感测装置20、检测部30及控制部40。此时，利用控制部40的激光散斑的微生物探测方法与前述相同，因此省略重复说明。
电子设备10为包括布置在一表面上的光源部11及相机部12的电子设备，可以是可移动的携带用设备。电子设备10可包括显示部(未图示)，所述一表面可以是与布置有显示部(未图示)的表面相对的表面(参照图15)，作为另一实施例，所述一表面可以是与布置显示部(未图示)的表面相同的表面。作为又一实施例，电子设备10可包括两个以上光源部11和/或两个以上相机部12，也可以均布置在与布置显示部(未图示)的表面相对的表面上。电子设备10可以是容易移动的多种携带用装置，例如可以是手机、平板电脑(tablet)、笔记本、图形计算器(graphing calculator)、携带用游戏机、数目相机、数码摄像机或可携式媒体播放器等。
光源部12为在如通常的手机那样的电子设备中使用的光源，可以是具有较宽的波长带的光源。例如可以是照射可见光的总波长带的光的光源。但是，并不限于此，也可以是照射紫外线波长带的光的光源，还可以是具有与此不同的波长带的光源。
虽然未图示，但是相机部11包括：透镜模块，其包括至少一个透镜；以及图像传感器，其用于感测由上述透镜模块提供的光图像，从而能够拍摄测量对象的光图像，并且生成成像信息。
另外，生物感测装置20可以在附着于上述电子设备10的状态下感测生物的存在与否或浓度，或者可以在与电子设备10分离而拆卸的状态下感测生物的存在与否或浓度。生物感测装置20可包括主体部20A和转换部22。
生物感测装置20的主体部20A可被形成为相对于电子设备10能够拆卸。在主体部20A可布置有转换部22，可被形成为用于将转换部22固定在与电子设备10的光源部12对应的位置上的多种方式。关于主体部20A的多种实施方式将在后面描述。另外，主体部20A可包括开口21，该开口21用于使电子设备10的相机部11露出。由于在与相机部11对应的位置上形成有贯通主体部20A的开口21，因此能够使相机部11露出。
生物感测装置20的转换部22被布置在与波源120对应的位置的主体部20A上，能够将由光源部12照射出的光转换为预定波长带的第一波并朝向外部的测量对象照射。转换部22被布置在从光源部12照射光的位置上，能够使所提供的光转换为预定波长带的第一波(wave)并朝向外部的测量对象照射。例如，转换部22可以是带通滤波器(Band PassFilter)。即，生物感测系统1能够通过转换部22照射容易检测激光散斑(laser specle)的特定波长带的第一波，从而感测测量对象内的生物的存在与否或浓度。
例如，为了在测量对象上形成散斑，转换部22可将光转换为相干性(coherence)优良的光谱带宽(spectral bandwidth)，此时所照射的光的光谱带宽越短则测量准确度会越增加。即，相干距离(coherence length)越长则测量准确度会越增加。
另外，检测部30可以在每个预设时间点检测因由所述转换部22照射的第一波被测量对象多重散射(multiple scattering)而产生的第一激光散斑。在此，时间点(time)是指连续的时间流中的任一瞬间，可以按相同的时间间隔预设时间点(time)，但并不一定限于此，也可以按任意时间间隔预设时间点。检测部30可包括与所照射的第一波对应的感测机构，但也可以在不包括独立的感测机构的情况下，将电子设备10的相机部11作为感测机构来使用。换言之，检测部30被传递通过相机部11生成的成像信息，并且可利用上述成像信息来检测第一激光散斑。检测部30可以至少在第一时间点检测第一激光散斑及在与第一时间点不同的第二时间点检测第一激光散斑，并提供给控制部40。另外，第一时间点及第二时间点只是为了方便说明而选择的一个示例，检测部30可以在比第一时间点及第二时间点更多的多个时间点检测激光散斑。
具体而言，参照图16对检测部30中的第一激光散斑检测方法进行说明。
参照图16，在对测量对象M照射第一波的情况下，所入射的第一波因多重散射而可形成第一激光散斑。在此，测量对象M可以是包括能够形成前述的混沌波(chaotic wave)的介质的任何种类。例如，如图2所示，只要不是如床垫或沙发、菜板、桌子、卫生间把手、键盘等那样人能够接触的物体中的、如金属(metal)那样具有规则的反射性的介质，则任何种类也可以成为测量对象。此外，如牙齿或手指甲等那样人体的身体也可以成为测量对象。由于激光散斑因光的干涉现象而产生，因此如果在测量对象内不存在移动，则能够随时间总是表示恒定的干涉图案。与此相对地，在测量对象M内存在如细菌、细菌或螨虫等的生物的情况下，激光散斑可根据生物的移动随时间变化。检测部30可以在每个预设时间点检测这种随时间变化的激光散斑并提供给控制部40。检测部30可以以能够感测生物移动的程度的速度检测激光散斑，例如，可以以每秒25帧至30帧的速度检测激光散斑。
另外，在介质为如牛奶或纯净水那样的液体的情况下，因介质的流动性而有可能无法检测激光散斑。此时，本发明的一实施例所涉及的生物感测系统可进一步包括用于使作为液体的介质滤过的介质过滤部(未图示)，并且以包括有介质滤过后剩下的残留物的介质过滤部(未图示)为测量对象检测激光散斑。由此，能够感测是否在如难以进行激光散斑检测的液体那样的测量对象M内存在生物或者推断生物的浓度。
另外，控制部40可利用检测出的所述第一激光散斑来获取时间相关性，并且基于获取到的时间相关性，实时推断测量对象M的生物存在与否或者生物的浓度。在本说明书中，实时是指在一小时内推断生物的存在与否或者生物的浓度变化，优选地可以在五分钟内推断生物的存在与否或者生物的浓度变化。更优选地可以在20秒内推断生物的存在与否或者生物的浓度变化。控制部40可被操作为通过电子设备10的显示部(未图示)将关于是否存在生物的结论及关于生物的浓度变化推断的结果提供给用户。关于由控制部40推断生物的存在与否或者生物的浓度变化的方法将在后面叙述。
在此，控制部可包括如处理器(processor)那样能够处理数据的所有种类的装置。在此，“处理器”可指例如具有为了执行以包括在程序内的代码或指令表现的功能而物理性结构化的电路的、内置在硬件中的数据处理装置。作为如此内置在硬件中的数据处理装置的一例，可包括微处理器(microprocessor)、中央处理单元(central processing unit：CPU)、处理器内核(processor core)、多处理器(multiprocessor)、ASIC(application-specific integrated circuit，专用集成电路)或FPGA(field programmable gatearray，现场可编程门阵列)等的处理装置，但本发明的范围并不限定于此。
虽然在图15及图16中图示了控制部40被布置在电子设备10内的情况，但本发明并不限定于此。控制部40也可以被布置在生物感测装置20中，还可以被布置在能够与电子设备10及生物感测装置20进行通信的外部服务器(未图示)中。但是，为了方便说明，以控制部40被布置在电子设备10内的情况为中心进行说明。此时，控制部40可通过驱动存储在电子设备10的存储部(未图示)的应用程序(application program)或应用((application)来实现前述的操作。
另外，在一实施例所涉及的生物感测系统1利用第一激光散斑的时间相关性来推断生物的存在与否或者生物的浓度变化时，除随时间相关性产生的激光散斑的变化以外的其他因素带来的变化有可能会作为噪声(noise)发挥作用。为了去除这种噪声，生物感测系统1可通过在布置有检测部30的装置即一实施例中的电子设备10上附加手抖修正功能而使因用户的手抖产生的噪声最小化。
此外，为了检测出准确的第一激光散斑，生物感测系统1可将测量对象M与生物感测装置20之间的基准焦距提供给用户。作为另一实施例，生物感测装置1可进一步包括用于对测量对象M与生物感测装置20之间的距离进行测量的距离传感器25，上述距离传感器25可被布置在生物感测装置20的主体部20A。距离传感器25可测量生物感测装置20与测量对象M之间的距离，并且将关于距离的信息传递给控制部40。控制部40可判断由距离传感器25测量的距离是否包括在预设范围内，在距离包括在预设范围内的情况下生成第一信号。此时，由于检测部30在从控制部40接收到上述第一信号时进行操作，因此在对准焦点的情况下能够自动检测第一激光散斑。
图17a及图17b是示意性地图示本发明的另一实施例所涉及的生物感测系统1-1的示意图，图18a至图18d是示意性地图示图17的生物感测装置20的主体部20A的各种实施方式的示意图。
参照图17a，本发明的另一实施例所涉及的生物感测系统1-1可包括电子设备10、生物感测装置20、检测部30及控制部40。在参照图17进行说明时，对与图1及图2的生物感测系统1相同或对应的结构要素赋予相同的附图标记，并且省略关于此的重复说明。
电子设备10可包括布置在一表面上的光源部12及相机部11，并且电子设备10为可移动的携带用装置。
另一实施例所涉及的生物感测装置20包括主体部20A及转换部22，并且可进一步包括独立的波源部23，该波源部23不仅在附着于电子设备10的状态下能够感测生物，而且在分离状态下也能够感测生物。
主体部20A可被形成为相对于电子设备10能够拆卸。参照图18a，主体部20A可被形成为能够向电子设备10的一侧安装的夹子形状。主体部20A利用具有弹性力的铰链来接合布置有开口部21、转换部22及波源部23的主体201、与主体201连接的把手部202及主体201与把手部202之间，从而通过施加到把手部202的压力而相对于电子设备10能够拆卸主体部20A。另外，参照图17b，主体部20A可进一步包括微透镜(macro lens，29)，该微透镜与作为电子设备10的相机部11所对应的位置的开口21重叠。由于主体部20A进一步包括微透镜29并缩短焦距，因此电子设备10的相机部11能够检测与样品S的表面隔开的一区域(A1，参照图3)中的激光散斑。此外，主体部20A在与微透镜29的焦距对应的位置上可进一步包括屏幕部(未图示)，该屏幕部能够形成从样品S多重散射而进行的波相。此时，屏幕部(未图示)可由能够使从样品S多重散射后的波透射的半透射性材料形成。
作为另一实施方式，主体部20A也可以形成为能够安装在电子设备10的至少一部分上的壳体(case)形态。具体而言，主体部20A可以是安装在布置有光源部12及相机部11的电子设备10的一表面的至少一部分区域上的壳体形态。如图18b所示，主体部20A也可以是安装在电子设备10的一表面的整个表面上的壳体形态，如图18c所示，还可以是仅覆盖光源部12及相机部11所处的一表面的一部分区域的形态。此外，如图18d所示，主体部20A可以以与布置有开口部21及转换部22的表面平行的方式形成有贯通主体部20A的中心的插入口204，主体部20A通过向插入口204插入电子设备10而能够装卸。本发明的主体部20A并不限定于上述实施方式，可以是相对于电子设备10能够拆卸的多种实施例。作为另一实施例，主体部20A也可以通过对与电子设备10接触的接触表面赋予粘合剂而相对于电子设备10拆卸。
再次参照图17，波源部23可以朝向测量对象M照射第二波。作为波源部23可应用能够生成波的所有种类的源设备，例如可以是能够照射特定波长带的光的激光。本发明并不限制波源种类，但以下为了方便说明，以波源为激光的情况为中心进行说明。
例如，为了在测量对象M上形成散斑，可将相干性(coherence)优良的激光作为波源来使用，此时，用于确定激光波源的相干性的波源的光谱带宽(spectral bandwidth)越短则测量准确度会越增加。即，相干距离(coherencelength)越长则测量准确度会越增加。由此，可以将波源部23的光谱带宽小于已定义的基准带宽的激光作为波源部23来使用，波源部23的光谱带宽比基准带宽越短则测量准确度会越增加。例如，为了维持上述数学式1的条件，可以设定波源部23的光谱带宽。
根据数学式1，在每个用于测量激光散斑的图案变化的基准时间向测量对象内照射光时，可维持波源部23的光谱带宽小于1nm。
为了进行另一实施例所涉及的生物感测装置20从电子设备10分离的操作，检测部30可至少布置在生物感测装置20中。
检测部30可包括与波源部23的种类对应的感测机构，例如，在利用可见光波长带的光源的情况下，可利用作为拍摄图像的拍摄装置的CCD相机(camera)。检测部30可以至少在第一时间点检测激光散斑及在第二时间点检测激光散斑，并提供给控制部40。此时，控制部40被布置在生物感测装置20中，能够执行前述的操作。作为另一实施例，如一实施例那样控制部40也可以被布置在电子设备10中。本发明并不限定于控制部40的位置，但是以下为了方便说明，以控制部40被布置在电子设备10中的情况为中心进行说明。在控制部40被布置在电子设备10中的情况下，生物感测装置20进一步包括能够通过有线/无线方式与电子设备10进行通信的通信部24，能够将检测出的所述激光散斑传送给控制部40。通信部24可包括为了通过有线/无线连接与电子设备收发如信号或数据信号那样的信号而所需要的硬件或软件。
另外，在作为检测部30利用图像传感器的情况下，可以以图像传感器的一个像素(pixel)的大小d小于或等于散斑图案的粒子大小(grain size)的方式布置图像传感器。例如，检测部30可包括满足上述数学式2的条件的图像传感器。
如数学式2所示，图像传感器的一个像素(pixel)的大小d应为散斑图案的粒子大小(grain size)以下，但如果像素大小过小则产生欠采样(undersampling)，从而在应用像素分辨率时有可能会存在困难。由此，为了实现有效的SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)，可以以最多五个以下的像素位于散斑粒子大小(speckle grain size)的方式布置图像传感器。
检测部30可以在生物感测装置20从电子设备10分离的状态下检测因从波源部23照射的第二波被测量对象多重散射而产生的第二激光散斑。此外，检测部30可以在生物感测装置20附着于电子设备10的状态下测量从电子设备10的光源部12照射并转换后的第一波被测量对象多重散射而产生的第一激光散斑，此时当然也可以检测由第二波产生的第二激光散斑。换言之，检测部30可以选择并检测第一激光散斑及第二激光散斑中的至少一个散斑。
另外，控制部40可利用检测出的第一激光散斑或第二激光散斑来获取第一激光散斑或第二激光散斑的时间相关性，并且基于获取到的时间相关性，实时推断测量对象内的生物存在与否或者生物的浓度。
图19a及图19b是示意性地图示本发明的又一实施例所涉及的生物感测装置20的示意图，图20是示意性地图示具有图19的生物感测装置20的生物感测系统1-2的实施方式的示意图。在参照图19及图20进行说明时，对与图15及图16的生物感测系统1相同或对应的结构要素赋予相同的附图标记，并省略关于此的重复说明。
参照图19a及图20，生物感测装置20可进一步包括支撑部205，该支撑部205以从转换部22朝向测量对象M突出预设长度L的方式从主体部20A延伸。如前述，生物感测系统1-2可利用第一激光散斑的时间相关性来推断生物的存在与否或者生物的浓度变化，除由随时间相关性变化的激光散斑以外的其他因素导致的变化作为噪声(noise)来发挥作用。支撑部205不仅进行支撑以将生物感测装置20稳定地设置于测量对象，而且可维持作为检测部30的焦距的L，从而能够准确地检测激光散斑。此外，在图20中图示为从电子设备10分离生物感测装置20之后的状态，当然也可以在生物感测装置20附着于电子设备10的状态下进行测量。
参照图19b，生物感测装置20可进一步包括基准测量部209，该基准测量部209用于提供被测量对象M多重散射后的第一激光散斑或第二激光散斑的基准值。基准测量部209被布置在与开口部21及转换部22对应的位置上，并且可以与开口部21及转换部22隔开测量对象M与生物感测装置20的检测部30所隔开的长度L。如图所示，基准测量部209可被形成为从前述的支撑部205延伸，但并不限于此。此外，基准测量部209也可以被布置为与开口部21及转换部22对应，还可以被布置为与波源部23及检测部30对应。即，基准测量部209为了提供所测量的激光散斑的基准值而测量稳定的介质，当基准测量部209区分为对生物感测装置20照射波并检测的两个单位单元时，一个单位单元可对测量对象的激光散斑进行测量，剩余一个单位单元可测量基准测量部209的基准激光散斑。由此，生物感测装置20能够排除因移动或外部环境导致的噪声，能够进行准确的测量。
图21a及图21c是示意性地图示本发明的又一实施例所涉及的生物感测系统1-3的示意图，图21b是示意性地图示图21a的光学部35的框图。
参照图21a至图21c，作为又一实施例，生物感测系统1-3可进一步包括光学部135，该光学部135通过将由测量对象M散射出的第一光信号复原为散射前的第二光信号而进行感测。此时，光学部135可包括空间光调制部(SpatialLight Modulator；SLM,1351)和透镜1352。在入射由测量对象散射出的光时，光学部135可将散射出的光复原为散射前的光并提供给检测部30。
空间光调制部1351可被入射由测量对象散射出的第一光信号。空间光调制部1351可控制散射出的波并提供给透镜1352。透镜1352可聚集由空间光调制部1351提供的第一光信号并复原为作为散射前的原始信号的第二光信号并输出。
在此，在稳定的介质即在测量对象内不存在生物的移动的情况下，光学部135可将由测量对象M散射出的第一光信号复原为散射前的光。但是，在测量对象内存在生物的情况下，由于生物的移动而第一光信号不同，因此无法感测相位控制波面，由此无法将第一光信号复原为具有相位共轭波面的第二光信号。包括前述的光学部135的生物感测系统1可利用这种第二光信号的差异来更准确地推断生物的存在与否或者生物的浓度。
另外，作为另一实施例，光学部135当然还可以进一步包括如能够变更第一光信号及第二光信号的路径的镜子(mirror)或波束分离器(beam splitter)等的光学单元。
如前述，本发明的实施例所涉及的生物感测装置及具备该生物感测装置的生物感测系统利用由测量对象内的生物导致的激光散斑的时间相关性变化，从而能够以廉价的费用迅速推断生物的存在与否或者生物的浓度并提供给用户。由此，用户能够直接确认人眼看不清的周边环境的污染状态。此外，生物感测系统通过相对于具有携带性的电子设备能够拆卸的形式的生物感测装置而在不受测量对象的位置限制的情况下能够在任何地方进行测量，从而给用户带来便利性。
下面，对利用前述的本发明的实施例所涉及的微生物探测方法的个体识别装置2进行说明。
图22是示意性地图示本发明的一实施例所涉及的个体识别装置2的示意图，图23是示意性地图示图22的控制部140及数据存储部145的关系的框图。
参照图22，本发明的一实施例所涉及的个体识别装置2可包括样品布置部110、环境腔室180、波源120、一个以上检测部130及控制部140。此外，个体识别装置2可进一步包括数据存储部145及显示部190。
样品布置部110可收容从目标个体提取的样品S。此时，样品S也可以是如目标个体的唾液、血液或组织等的样品，还可以是如从目标客体排出到体外的大便、小便或角质等的样品。还可以通过目标个体用嘴吹来提取样品S，或者从皮肤提取样品S，或者通过用过滤器筛取大便等而提取样品S。体内存在的微生物也可以存在于这种样品中。这由于当人类打呼噜或打嗝及放屁时体内存在的微生物排出到外部，因此可利用多种方法来提取用于识别目标个体的样品S。作为提取样品S的另一实施例，也可以在使目标个体在净化室中活动规定时间之后，从被布置在净化室的空气过滤器中提取包括活动期间的微生物的样品S。就样品S而言，总体样品也可以作为试样来利用，也可以利用如胶带或膜((membrane)等那样能够移送微生物的单元来准备样品S。
环境腔室180将上述样品布置部110收容在内部，并且可使样品S的环境条件发生变化。环境腔室180可使温度、湿度、压力、磁场、是否施用抗生素和抗生素种类中的至少一个环境条件发生变化。具体而沿，环境腔室180可通过具备温度调节装置、湿度调节装置、压力调节装置或磁场调节装置等而使上述环境条件发生变化。但是，前述的环境条件只是一个示例，本发明并不限于此。作为另一实施例，环境腔室180也可以进一步包括能够施用一种以上抗生素的抗生素施用装置。此外，当然不仅能够应用前述的环境条件，而且能够应用可以对样品S内的微生物带来影响的多种环境条件。环境腔室180可被控制部140控制。
环境腔室180不受形式限制，但环境腔室180可由不会受到外部环境影响的材料或结构形成。例如，为了在环境腔室180的内部维持恒定温度，环境腔室180可由隔热材料形成。此外，环境腔室180也可以由能够耐受预定压力的耐压结构形成。
另外，环境腔室180的布置在从波源120照射波的路径上的一表面181可由透明材料形成。在波源120被布置在环境腔室180的外部的情况下，为了向样品S传递从波源120照射的波，环境腔室180的至少一表面181可由透明材料形成。作为另一例，环境腔室180的布置在从波源120照射波的路径上的另一表面183也可以由用于扩散波的扩散材料形成。前述的混沌波传感器可通过样品S内的微生物的移动来检查因多重散射而产生的激光散斑。此时，能够通过由扩散材质形成环境腔室180的另一面183，使因微生物的移动导致的多重散射效果进一步极大化。作为另一实施例，环境腔室180的另一表面183包括多重散射物质，从而也可以增加波在样品S内的多重散射次数。
波源120可朝向样品布置部110内的样品S照射波。作为波源120可应用能够生成波(wave)的所有种类的源设备，例如可以是能够照射特定波长带的光的激光(laser)。本发明并不受限波源的种类，但以下为了方便说明，以波源为激光的情况为中心进行说明。例如，为了在样品布置部110内形成散斑，可将相干性(coherence)优良的激光作为波源120来利用。
再次参照图22，检测部130可以在每个预设时间点检测因所照射的波被样品S多重散射而产生的激光散斑。
控制部140可利用检测出的激光散斑来推断环境条件变化前后的样品内的微生物浓度。控制部140可利用对环境条件变化前后推断出的微生物的浓度差来从多个个体中识别目标个体。微生物可存在于个体的内部和外部等的任何地方，每个个体所具有的微生物的种类可以不同。换言之，与个体共存的微生物的种类可成为如个体基因或指纹那样能够识别个体的一个识别信息。但是，由于无法看见如细菌等的微生物，因此难以分析在从个体提取的样品中包括何种微生物。虽然也可以分析包括在从个体提取的样品中的微生物的基因，但是存在与分析个体基因的情况相同需要经过复杂的分析过程的问题。
本发明的一实施例可利用因被样品S内的微生物多重散射而产生的激光散斑来进行简便而快速的分析。在从个体提取的样品S中可存在一种以上微生物。微生物可根据种类呈现出随环境条件不同的浓度变化。在本发明中，不区分与微生物的种类有关的浓度，而是通过利用一种以上微生物随环境条件变化而不同的平均浓度，从多个个体中识别目标个体。
参照图23，控制部140可包括平均浓度推断部141、识别部143及数据校正部147。
平均浓度推断部141被提供由检测部130检测出的激光散斑，并且获取检测出的激光散斑的时间相关性(temporal correlation)，平均浓度推断部141可以基于获取到的时间相关性推断包括在样品S中的一种以上微生物的平均浓度。平均浓度推断部141可以推断在改变样品S的环境条件前即应用第一环境条件时的微生物的第一平均浓度。此外，平均浓度推断部141可以推断在改变样品S的环境条件后即应用与第一环境条件不同的第二环境条件时的微生物的第二平均浓度。在此，如前述，第一环境条件及第二环境条件可包括温度、压力、磁场及湿度中的至少一个条件。此时，在使环境条件中的一种发生变化的情况下，只有将其他环境条件固定为常数，才能准确地确定由第一环境条件及第二环境条件之间的差异产生的平均浓度变化。作为另一实施例，在使两种以上环境条件发生变化的情况下，可通过在提取到的一种样品S中使各种环境条件依次变化来推断浓度，或者可利用两种以上样品S使各种环境条件分别变化而推断浓度。
识别部143可运算随环境条件的变化产生的微生物的平均浓度的变化率以生成目标个体的识别数据，并且利用识别数据从多个个体中识别目标个体。识别部143可通过运算随第一环境条件产生的第一平均浓度和随第二环境条件产生的第二平均浓度的差异来生成识别数据。例如，在第一环境条件为温度30℃的情况下，样品S内的微生物的第一平均浓度可被推断为40％，在变化为作为第二环境条件的温度60℃的情况下，样品S内的微生物的第二平均浓度可变化为20％。此时，目标个体具有如下微生物的种类：即，该微生物持有因温度变化而平均灭亡20％的特性。这种特性可以成为仅目标个体所具有的识别信息。
一实施例所涉及的个体识别装置2可进一步包括数据存储部145，该数据存储部145与多个个体分别对应地事先存储有关于随环境条件的变化产生的微生物的平均浓度变化率的基准数据。识别部143可通过比较所述识别数据和基准数据而从多个个体中识别目标个体。
作为另一实施例，识别部143也可以通过从彼此不同的两个样品中分别生成识别数据，并且比较识别数据，而判断两个样品从相同的个体提取或排出。
作为另一实施例，在预先知道目标个体的情况下，识别部143可通过比较目标个体的识别数据和存储在数据存储部145中的基准数据来判断目标个体的健康状态。具体而言，在数据存储部145存储有关于各个体的基准数据，在基准数据中不仅包括随环境条件的变化产生的微生物的平均浓度变化率，而且还包括一定环境条件下的微生物的平均浓度值。在预先知道目标个体的情况下，在从样品S提取的识别数据相对于一定环境条件下的平均浓度值包括在预设误差范围内时，可判断为目标个体处于健康的状态。相反，在从样品S提取的识别数据脱离平均浓度值的预设误差范围的情况下，可判断为目标个体处于不健康的状态。本发明的一实施例所涉及的个体识别装置2可利用从目标个体周期性地提取的样品S的识别数据来监测((monitoring)目标个体的健康。
另外，在数据存储部145不存在能够比较的基准数据的情况下，数据校正部147可将由识别部143生成的目标个体S的识别数据转换为基准数据并存储在数据存储部145中。个体识别装置2可通过数据校正部147来构建关于多个个体的基准数据的数据库。此外，当存储在数据存储部145的基准数据存在错误的情况下，数据校正部147也可以利用识别数据来修正基准数据。
再次参照图22，控制部140可利用推断出的微生物的平均浓度的变化率来从多个个体中实时判断目标个体。在本说明书中，实时是指在一小时内利用微生物的平均浓度变化率来识别目标个体，优选地可以在五分钟内利用微生物的平均浓度变化率来识别目标客体。更优选地可以在20秒内识别目标个体。
另外，个体识别装置2可进一步包括显示部190。显示部190可以将由控制部140推断出的微生物的平均浓度变化率及目标个体的识别结果显示到外部。
图24是示意性地图示本发明的另一实施例所涉及的个体识别装置2-2的图。
参照图24，另一实施例所涉及的个体识别装置2-2可包括样品布置部210、基准样品布置部215、环境腔室280A、基准腔室280B、波源220、检测部230及控制部240。此外，个体识别装置2-2可进一步包括如波束分离器281及多波束反射器283等的光学单元。另一实施例除进一步包括基准样品布置部215及基准腔室280B这一点以外与一实施例的结构要素相同，因此省略重复说明。
样品布置部210可收容从目标个体提取的样品。
基准样品布置部215可收容基准样品。样品布置部210可被收容在环境条件变化的环境腔室280A的内部，基准样品布置部215可被收容在环境条件不变化的基准腔室280B的内部。此时，基准样品为与从所述目标个体提取的样品相同的样品，基准样品可以是用于使推断平均浓度时有可能会发生的噪声最小化的样品的对照组。
环境腔室280可以改变样品的环境条件，从第一环境条件变化为具有与第一环境条件不同的条件的第二环境条件。例如，可以是第一环境条件的样品的温度为30℃，第二环境条件的样品的温度为60℃的情况。
基准样品布置部215布置在基准腔室280B内部，作为在环境腔室280A中环境条件变化前的条件，能够将基准样品的环境条件维持恒定。例如，可以以作为所述第一环境条件的30℃维持基准样品的环境条件。
波源220可以朝向样品布置部210内的样品及基准样品布置部215内的基准样品照射波。在此，在波源220与样品布置部210和基准样品布置部215之间可设置有多波束反射器283及波束分离器281。此外，也可以进一步包括用于变更由波源220提供的波路径的镜子285。
多波束反射器283可分割从波源220入射的波并提供给多个波路径。多波束反射器283通过在前表面和后表面使各个波反射而提供经平行分割的第一波L4及第二波L5。
波束分离器281可被布置在由多波束反射器283提供的多个波路径上，并且向各个样品及基准样品提供所述第一波L4及第二波L5。然后，可变更从样品及基准样品反射并出射的波的路径并提供给检测部230。
检测部230可以按预设相同时间点从样品及基准样品中的每一个检测因所照射的波的多重散射而产生的激光散斑及基准激光散斑。检测部230可包括与从样品反射出的第一波的路径对应地布置的第一检测部231和与从基准样品反射出的第二波的路径对应地布置的第二检测部233。
控制部240可利用检测出的激光散斑来获取检测出的激光散斑的时间相关性，并且基于获取到的时间相关性推断包括在样品中的一种以上微生物的平均浓度。此时，控制部240可利用检测出的基准激光散斑来一同获取检测出的基准激光散斑的基准信息。控制部240利用随环境条件的变化产生的微生物的平均浓度差，此时，控制部240可利用基准激光散斑的基准信息来从微生物的平均浓度差中排除时间因素。
换言之，另一实施例所涉及的个体识别装置200可通过附加基准腔室280B而获取随环境条件的变化产生的微生物的平均浓度差。由此，能够去除随时间产生的噪声，并且无需限定测量时间，从而个体识别分析变得更简便。
图25a及图25b是示意性地图示本发明的又一实施例所涉及的个体识别装置2-3的示意图。
参照图25a及图25b，个体识别装置2-3可进一步包括光学部235，该光学部235用于将从样品散射出的第一波信号复原并调制为波源220的波未被样品散射前的第二光信号。此时，光学部235可包括空间光调制部(Spatial Light Modulator；SLM，2351)及检测部230。在入射由测量对象散射后的波的情况下，光学部235可控制散射出的波的波面并再次复原为散射前的波(光)而提供给检测部230。
空间光调制部2351可被入射由样品散射后的波(光)。空间光调制部2351可控制由样品散射出的波的波面并提供给透镜2352。透镜2352可聚集经控制的光并再次提供给检测部240。检测部240可感测由透镜聚集的波而复原为散射前由波源输出的初始波并输出。
在此，当在稳定的介质即在测量对象内不存在生物的移动时，光学部235可将从样品散射出的第一光信号复原为散射前的光。但是，在测量对象内存在生物的情况下，因生物的移动而第一光信号不同，因此无法感测相位控制波面，由此无法将第一光信号调制为具有相位共轭波面的第二光信号。包括前述的光学部235的个体识别装置200可利用这种第二光信号的差异来更精密地推断生物的存在与否或者生物的浓度。
图26是按顺序图示利用本发明的一实施例所涉及的个体识别装置2的个体识别方法的顺序图。
参照图26，通过事先存储与多个个体分别对应的基准数据而构建数据库(S100)。基准数据可以与多个个体分别对应地包括随环境条件的变化产生的微生物的平均浓度变化率。可根据环境条件的种类独立地存储微生物的平均浓度变化率。例如，在A个体中的基准数据的温度从30℃变化为60℃的情况下，可包括如微生物平均缩减30％的第一基准数据或因施用B种类的抗生素而微生物平均缩减45％的第二基准数据那样与多个环境条件对应的多个数据。
接着，可通过检测部130在每个预设时间点检测第一激光散斑(laser speckle)(S200)，该第一激光散斑通过在第一环境条件下朝向从目标个体提取的样品照射波并经多重散射(multiple scattering)而产生。然后，控制部140可利用检测出的第一激光散斑来推断第一环境条件下的样品内的微生物的第一浓度(S300)。由控制部140推断第一浓度的步骤可利用检测出的第一激光散斑来获取第一激光散斑的时间相关性，并且基于获取到的时间相关性推断包括在样品中的一种以上微生物的第一平均浓度。
接着，环境腔室180可将样品的环境条件从第一环境条件变化为第二环境条件。在环境条件变化为第二环境条件之后，可通过检测部130在每个预设时间点检测第二激光散斑(S400)，该第二激光散斑通过在第二环境条件下朝向样品照射波并经多重散射而产生。然后，控制部140可利用检测出的第二激光散斑来推断第二环境条件下的样品内的微生物的第二浓度(S500)。由控制部140推断第二浓度的步骤可利用检测出的第二激光散斑来获取第二激光散斑的时间相关性，并且基于获取到的时间相关性推断包括在样品中的一种以上微生物的第二浓度。
接着，控制部140可利用第一浓度和第二浓度的差异来从多个个体中识别(discrimination)目标个体(S600)。具体而言，可通过计算第一环境条件下的微生物的第一平均浓度和第二环境条件下的微生物的第二平均浓度的变化率来生成识别数据(S610)。识别数据可以是目标个体的固有识别信息。控制部140可通过比较识别数据和事先存储的基准数据来从多个个体中识别目标个体。
假如，在存在与识别数据匹配的基准数据的情况下(A1)，控制部140判断为与所匹配的基准数据对应的个体为与目标个体相同的个体并识别目标个体(S620)。但是，在数据存储部145中不存在匹配的基准数据的情况下(A2)，数据校正部157可通过将目标个体的识别数据转换为一个基准数据并存储到数据存储部145而构建数据库。
如前述，本发明的实施例所涉及的个体识别装置可利用根据微生物的激光散斑的时间相关性的变化来以廉价的费用迅速分析每个个体所具有的固有微生物信息，由此可从多个个体中快速而准确地识别目标个体。
下面，对利用前述的本发明的实施例所涉及的微生物探测方法的病毒检测装置3进行说明。
图27是示意性地图示本发明的一实施例所涉及的病毒检测装置3的示意图，图28是示意性地图示图27的病毒检测装置3的框图。图29a及图29b是为了说明在病毒标记物施用部165施用病毒标记物的过程而示意性地图示的图。
参照图27及图28，本发明的一实施例所涉及的病毒检测装置3可包括样品布置部110、病毒标记物施用部165、磁场形成部170、波源120、检测部130及控制部140。
样品布置部110可收容样品S。此时，样品S也可以是如个体的唾液、血液或组织等的样品，还可以是如从个体排出到体外的大便、小便或角质等的样品。此外，样品也可以是如食物等的有机样品，还可以是利用棉棒或胶带等来从物体的表面提取的样品。作为样品S也可以将整个样品用作试样，也可以利用如胶带或膜(membrane)那样能够移动病毒的机构来准备样品S。样品布置部110可构成为能够收容样品S的容器形态。样品布置部110可限制样品自身的移动的同时支撑样品S。换言之，在限制样品S自身的移动的状态下进行检测。
病毒标记物施用部165可通过在样品S中施用包括有磁性粒子(magneticparticle)的病毒标记物(virus marker)来形成病毒标记物和样品内的病毒结合成的检测用复合体。病毒标记物施用部165可被布置为与样品布置部110相邻。作为另一实施例，病毒检测装置3可通过使样品布置部110向病毒标记物施用部165移动而执行施用病毒标记物的步骤。作为又一实施例，病毒检测装置3也可以在使提取到的样品S首先向病毒标记物施用部165移动而施用病毒标记物之后，将其布置在样品布置部110。如此，在本发明中不会限制病毒标记物施用部165的位置。
参照图3a，可通过在形成特定病毒和基因对的物质中结合磁性粒子B13而形成病毒标记物B1。具体而言，病毒标记物B1可包括与样品S内的病毒V1结合(conjugation)的抗体B11和结合到抗体B11的磁性粒子B13。病毒标记物B1的抗体B11可通过抗原抗体反应与样品S内的病毒V1结合，由此病毒V1可形成与病毒标记物B1的磁性粒子B13结合的检测用复合体C1。
磁性粒子可以是粒子直径为纳米范围的粒子。磁性粒子由于从波源照射出的波的散射较强而能够容易检测激光散斑。另外，具体而言，磁性粒子可以是超顺磁性纳米粒子。在此，超顺磁性纳米粒子是指在从外部施加磁场的情况下呈现较强的磁性的物质。例如，超顺磁性纳米粒子可包括选自由铁(Fe(Ⅲ))、锰(Mg)、镁(Mg)、镍(Ni)、锌(Zn)及钴(Co)组成的组中的一种以上。一实施例所涉及的超顺磁性纳米粒子可以是平均粒径为3至100nm，也可以是具有4至30nm的粒子。此外，超顺磁性纳米粒子的平均磁化力可以是60emu/g至150emu/g，可以是80emu/g至130emu/g。
参照图29b，提取到的样品S可包括多种病毒。为了检测这些多种病毒，病毒标记物施用部165可将包括与多种病毒中的任一种接合的抗体和结合到抗体的磁性粒子的多种病毒标记物施用到样品S中。为了方便说明，以在样品S中包括两种病毒的情况为例在附图中进行图示。由于无法用眼睛看到在实际提取到的样品S中包括何种病毒，因此为了检测病毒，可将多种病毒标记物施用到样品S中。
此时，病毒标记物的种类数无需与样品S内的病毒种类数相同。例如，如图29b所示，病毒标记物施用部165可将作为三种病毒标记物的第一病毒标记物B1、第二病毒标记物B2及第三病毒标记物B3施用到样品S中。在样品S包括与第一病毒标记物B1成对的第一病毒V1和与第二病毒标记物B2成对的第二病毒V2的情况下，可形成第一病毒V1与第一病毒标记物B1结合而成的第一检测用复合体C1和第二病毒V2与第二病毒标记物B2结合而成的第二检测用复合体C2。病毒检测装置3不仅可通过第一检测用复合体C1和第二检测用复合体C2来检测样品S内存在的病毒，而且检测样品S内的病毒种类。
另外，病毒标记物施用部165可从所述样品S中去除未与病毒结合的病毒标记物。例如，病毒标记物施用部165可利用多孔性过滤器(porous filter)从样品S中去除未与病毒结合的磁性粒子。在此，多孔性过滤器可以是使病毒标记物通过且过滤(filtering)病毒与病毒标记物结合而成的检测用复合体的物体。具体而言，作为一实施例，病毒标记物施用部165可利用多孔性过滤器(未图示)从样品S中去除未成对的第三病毒标记物B3。由此，在样品S中只残留与包括磁性粒子的病毒标记物结合而成的第一检测用复合体C1和第二检测用复合体C2，能够进行准确的病毒检测。
再次参照图27及图28，磁场形成部170被布置为与样品布置部110相邻，可通过在样品布置部110的周围形成磁场(magnetic field)而对检测用复合体赋予移动。磁场形成部170可利用磁力使包括在检测用复合体中的磁性粒子移动。此时，与磁性粒子结合的病毒也可以一同移动。由于与如细菌等的微生物不同，病毒(virus)不存在移动，因此即使向未施用病毒标记物的样品S照射波，也因未产生激光散斑而无法检测病毒。因此，在样品S内存在病毒的情况下，可通过病毒标记物施用部165来形成磁性粒子与病毒结合而成的检测用复合体，并且可通过对检测用复合体利用磁力来对病毒赋予移动。此时，如图所示，磁场形成部170可利用包围样品布置部110的RF线圈175来形成磁场。但是，这只是一种实施方式，本发明并不限于此。也可以只利用永久磁铁来对样品布置部110的样品S形成磁场。磁场形成部170也可以利用微型核磁共振装置((micro nuclear magnetic resonance，micro-NMR)。
磁场形成部170可以在每个预定的第一时间变更磁场的方向或强度以对检测用复合体赋予移动。在磁场形成部170对样品S赋予具有恒定方向和强度的磁场的情况下，检测用复合体C1可沿一方向移动后再次停止移动，难以进行准确的病毒检测。因此，磁场形成部170在每个预定的第一时间变更磁场的方向或强度而在由病毒检测装置3检测病毒的期间可以持续赋予移动。
波源120可朝向样品布置部110内的样品S照射波。波源120可应用能够生成波(wave)的所有种类的源设备，例如，波源120可以是能够照射特定波长带的光的激光(laser)。本发明并不限制波源种类，但以下为了方便说明，以波源为激光的情况为中心进行说明。
例如，为了在样品布置部110中形成散斑，可以将相干性(coherence)优良的激光作为波源120来利用。此时，用于确定激光波源的相干性的波源的光谱带宽(spectralbandwidth)越短则测量准确度越增加。即，相干距离(coherence length)越长则测量准确度越增加。由此，作为波源120可利用波源的光谱带宽小于已定义的基准带宽的激光，波源的光谱带宽比基准带宽越小则测量准确度越增加。
检测部130可以在每个预设时间点检测因所照射的波经由样品S内的检测用复合体C1的移动被多重散射而产生的激光散斑。检测部130可包括与波源120的种类对应的感测机构，例如，在利用可见光波长带的光源的情况下可利用作为拍摄图像的拍摄装置的CCD相机。检测部130虽然可测量产生激光散斑的样品的表面，但也可以监测在样品的表面与检测部130之间的一区域中的激光散斑。此外，检测部130在没有具有预定焦距的透镜部的情况下可检测激光散斑。检测部130可以至少在第一时间点检测激光散斑及在第二时间点检测激光散斑，并提供给控制部140。另外，第一时间点及第二时间点只是为了方便说明而选择的一个示例，检测部130可以在比第一时间点及第二时间点更多的多个时间点检测激光散斑。
另外，检测部130进行检测的预设时间点的时间间隔可以比由磁场形成部170对检测用复合体赋予移动的第一时间更短。换言之，检测用复合体的移动比测量的时间点的间隔更短的情况下，检测用复合体的快速移动也可以作为噪声来发挥发用。因此，为了准确的检测，检测部130可利用比由磁场形成部170变更磁场的方向或强度的第一时间更短的间隔来检测激光散斑。
另外，在作为检测部130利用图像传感器的情况下，可以以图像传感器的一个像素(pixel)的大小d小于或等于散斑图案的粒子大小(grain size)的方式布置图像传感器。
控制部140可利用检测出的激光散斑来获取检测出的激光散斑的时间相关性。控制部140可以基于获取到的时间相关性，实时推断样品S内的病毒的存在与否或者病毒的浓度。此时，控制部140被提供关于磁场形成部170的变更的磁场方向或强度的磁场信息，并且可利用磁场信息来获取检测出的激光散斑的时间相关性。在本说明书中，实时是指在一小时内推断病毒的存在与否或者病毒的浓度变化，优选地可以在五分钟内推断病毒的存在与否或者病毒的浓度。更优选地可以在20秒内检测病毒。关于由控制部140获取激光散斑的时间相关性的方法将在后面叙述。
另外，病毒检测装置3可进一步包括显示部190。显示部190可以将关于由控制部140推断出的病毒的存在与否、浓度及种类的结果显示到外部。
图30是依次图示本发明的一实施例所涉及的病毒检测方法的顺序图。
参照图30，首先，通过在样品中施用包括磁性粒子(magnetic particle)的病毒标记物(virus marker)来形成病毒标记物与样品S内的病毒结合而成的检测用复合体(A10)。由于样品S内的病毒种类可以是多种，因此病毒标记物的种类也可以是多种，病毒种类的个数无需与病毒标记物种类的个数相同。此时，病毒标记物使与病毒对应的抗体的种类不同，作为结合到抗体的磁性粒子可利用相同的磁性粒子。由此，在通过在样品S上形成磁场而对检测用复合体赋予移动的情况下，可以只根据病毒种类而产生移动差异，因此能够根据种类区分病毒。
然后，通过在样品S的周围形成磁场而对检测用复合体赋予移动(A20)。前述的磁场形成部170可以在每个预定的第一时间变更磁场的方向或强度，由此可诱导检测用复合体的持续移动。
然后，通过朝向样品S照射波，在每个预设时间点检测因所照射的波经由检测用复合体的移动被多重散射而产生的激光散斑(A30)。此时，预设时间点可以比由磁场形成部170变更磁场的方向或强度的第一时间更短。
然后，可通过控制部140利用检测出的激光散斑来获取检测出的激光散斑的时间相关性，并且基于获取到的时间相关性，实时推断样品S内的病毒的存在与否或者浓度。
图31是图示随样品内的病毒种类产生的时间相关性系数的图表。在图31的图表中，实线S1表示不存在病毒的样品的时间相关性，第一虚线C1表示只存在第一病毒V1的样品的时间相关系数。第三虚线C2表示只存在第二病毒V2的样品的时间相关性，第二虚线C1+C2表示第一病毒V1和第二病毒V2均存在的样品的时间相关系数。此时，在第一病毒V1和第二病毒V2共存的情况下，假设该浓度与只存在第一病毒的情况或只存在第二病毒的情况相同。在图3b中以相同的圆形式图示了第一病毒V1和第二病毒V2，但实际上第一病毒V1和第二病毒V2可具有不同的形式和不同的重量。因此，即使包括第一病毒V1的第一检测用复合体C1和包括第二病毒V2的第二检测用复合体C2被放置在相同的磁场中，也可以看到不同的移动。由于这种不同的移动而激光散斑的时间相关性也不同。可利用这种区别点来区分样品S内的病毒种类。
如前述，本发明的实施例所涉及的病毒检测装置可利用包括病毒和磁性粒子的检测用复合体的激光散斑的时间相关性变化，来以廉价的费用迅速推断病毒的存在与否、浓度及病毒的种类。
下面，参照图32至图37对本发明的实施例所涉及的样品特性探测装置100的多种形式的设置位置及操作进行说明。
图32是图示本发明的实施例所涉及的样品特性探测装置100被设置于冰箱P1的情况的示意图，图33是示意性地图示图32的样品特性探测装置100被设置于冰箱P1的顶板部1050的形式的示意图。
参照图32及图33，冰箱P1可包括主体1010及门1020，在冰箱P1的侧面1053、搁板1051或顶板1050等的多种位置上可设置有样品特性探测装置100。在本实施例中，冰箱P1可进一步包括一个以上凹陷部1040，样品特性探测装置可位于凹陷部1040。为了在冰箱P1中装满食品的情况下确保用于测量混沌波的适当距离，样品特性探测装置100可位于凹陷部1040。
波源120优选为激光光源。为了转换激光的方向，波源120可具备驱动部125。为了能够测量冰箱P1的多种部分的细菌，驱动部125可变更波源120的照射方向。
检测部130优选为包括图像传感器的相机，仍然可包括独立的驱动部。此外，可以以一个激光散斑对应两个像素以上的方式调整焦点。作为另一实施例，检测部130也可以是图像传感器。
图34是通过图32的样品特性探测装置100拍摄到的图像的示例。
参照图34，检测部130可拍摄冰箱内部。在该情况下，在冰箱拍摄图像中可存在存储有食品S的区域I和未存储食品的区域，检测部130可以以能够检测存储有食品的区域并且由波源120向该部分照射光的方式控制驱动部125。此外，为了准确地拍摄由波源120照射的部分的散斑，检测部130可通过驱动部变更拍摄位置，并且可调节焦点。
此外，为了进行适当的控制，检测部130可在拍摄波源120并测量之前测量距离。例如，波源120可包括经调制后的激光，例如可包括调制激光的振幅或频率后的信号，在通过检测部130或独立的受光部(未图示)接收经调制的光之后，可测量距离。
检测部130可根据测量出的距离来调整焦点。
图35及图36是图示本发明的实施例所涉及的样品特性探测装置被设置于洗衣机的盖或洗涤物投入口的外周部或者被设置于牙刷灭菌器的盖或壁面上的状态的示意图。设置于洗衣机P2的盖或洗涤物投入口的外周部的样品特性探测装置100具有如通过图32及图33说明的结构，并且可执行操作。
图37是关于用于应用由本发明的实施例所涉及的样品特性探测装置100测量出的微生物的存在与否、浓度及微生物种类的网络的图。
参照图37，家庭服务器1530从包括样品特性探测装置100的装置1510、1020中收集关于浓度、微生物存在与否及微生物种类的数据。
在包括样品特性探测装置100的装置1510、1520能够直接上网的情况下，外部服务器1560可执行家庭服务器1530所发挥的功能。
家庭服务器1530或外部服务器1560基于收集到的浓度、微生物存在与否及微生物种类测量危险率，在危险率为规定水平以上的情况下，向用户终端1570或用户终端1580发送通知(notification)。
用户可以在接收通知之后通过按压包括在通知中的链接而向外部企业1550请求该装置1510的清扫或防疫。
此外，在发现新种类的微生物的情况下，可向外部企业1550委托分析，并且家庭服务器1530或外部服务器1560可以基于分析结果更新新种类的微生物种类。
用户终端1570或用户终端1580包括计算机、手机或平板电脑等的多种形式的终端机。用户终端1570或用户终端1580可通过请求包括样品特性探测装置100的装置而查看当前微生物的浓度。此外，用户终端1570或用户终端1580也可以进行控制以能够测量样品特性探测装置100的波源120及检测部130的适当的位置。特别是，用户终端1570或用户终端1580可通过网络接收由检测部130拍摄到的图像，并且可以基于接收到的图像控制波源120及检测部130。
如上述所说明的那样，通过测量散斑图案的时间变化来探测微生物的存在与否，从而不仅在未经几天培养微生物的情况下也能够在数秒内迅速进行探测，而且能够以非接触方式精密地测量关于抗生素的反应性。例如，省略现有的需要一日至四日的培养过程(即，没有培养过程)，只通过向培养皿等的被检测对象照射激光而测量激光散斑便能够即时探测微生物的存在与否。由此，在探测为存在微生物的情况下，能够直接在该位置测量关于探测到的微生物的反应性，因此能够在处理微生物的生命科学和医学领域中缩短相当多的时间。
并且，如前述，由于能够只利用激光光源和图像传感器实现光学系统，因此不仅能够以廉价的价格提供光学系统，而且能够进行小型制作，因此能够在多种环境下广泛应用。并且，由于为了探测微生物而只利用光学测量，因此无需使用抗原-抗体等目标物质，并且也无需如基因扩增技术等那样提取试验片，从而能够缩减微生物测量过程中产生的费用。
下面，参照图38至图43对本发明的实施例所涉及的样品特性探测装置100的另一实施方式进行说明。
图38是图示在本发明的一实施例中与包括牙周及牙齿的口腔相关联地测量到的激光散斑的形态的图，图39是在本发明的一实施例中与手指甲及脚指甲相关联地测量到的激光散斑的形态的图。
参照图38及图39，可利用相干性(coherency)优良的光源(例如，激光等)向包括作为测量对象的牙齿和牙周等的口腔810或手指甲/脚趾甲901、902内或表面照射光。此时，从光源120放射的光可被构成牙齿801、牙周802、手指甲901或脚趾甲902等的物质散射几次。即，可以产生多重散射(multiple scattering)。如此，光经过多重散射的同时光线可形成非常长的光路径，在形成光路径的过程中在包括牙齿801及牙周802等的口腔810、手指甲901或脚趾甲902内或表面存在细菌微生物的情况下，光可以多次经过微生物。
如上述所说明的那样，经多重散射的光的空间强度分布具有非常复杂的形态，可将该形态称为激光散斑图案。即，参照图38及图39，由于因复杂的多重散射而在测量表面的各点引起光的相长干涉或相消干涉的程度彼此不同，可以产生激光散斑。此时，如果作为引起散射的物质的牙齿801、牙周802、手指甲901或脚趾甲902等不移动，则可以不变更散斑的形态。换言之，由于散射现象为由波方程式确定的现象，因此如果牙齿、牙周、手指甲或脚趾甲等表面不移动，则可以不变更激光散斑的形态。
此时，如果在特定身体部位(牙齿、牙周、手指甲或脚趾甲等)的表面存在微生物，则因微生物的微小生命活动(例如，细胞内的移动或微生物的移动等)而光路径可以随时间发生微小变更。由于激光散斑图案为因光的干涉产生的现象，因此微小光路径的变化可以使激光散斑图案发生变化。由此，通过测量激光散斑图案的时间变化，能够迅速测量微生物的生命活动即在特定身体部位内或表面是否存在微生物。即，如前述，在通过多重散射测量在每个基准时间测量到的多个激光散斑图案的时间变化的情况下，能够即时测量微生物的存在与否。
图40是在本发明的一实施例中为了说明测量在特定身体部位内或表面上是否存在微生物的方法而提供的流程图。
图40的各步骤(1001至1003步骤)可通过一实施例所涉及的样品特性探测装置100的各结构要素(例如，光源及测量部)来执行。并且，在特定身体部位为手指甲及脚趾甲的情况下，波源120和检测部130以及作为样品的手指甲或脚趾甲可被布置为图4A至图4C的结构，在特定身体部位为口腔的情况下，波源120和检测部130以及作为样品的口腔可被布置为图4A至图4C的结构。
在1001步骤中，波源120可以向口腔、手指甲或脚趾甲等的特定身体部位内或表面照射光。可以以作为波源120的激光被作为样品的特定身体部位(手指甲、脚趾甲或口腔等)反射的形态照射光，或者作为波源120的激光透过作为样品的特定身体部位(手指甲或脚趾甲)的形态照射光。
在1002步骤中，检测部130可以以预定间隔在每个基准时间测量从特定身体部位诱发的激光散斑。例如，通过以预定间隔在每个基准时间向特定身体部位照射光，能够在特定身体部位内或表面形成激光散斑，并且通过利用相机等来拍摄产生多重散射的特定身体部位内或表面，能够生成形成有激光散斑的激光散斑图像。此时，为了测量已生成的多个图像的散斑图案，作为检测部130可利用包括二维图案传感器或一维光传感器的相机。例如，作为检测部130可利用搭载有CCD等摄像元件的相机。
此时，如图4A至图4C所示，能够自由地构成向特定身体部位入射的光和相机等的传感器的位置。例如，如果相机像素((pixel)的大小和散斑粒子大小(speckle grainsize)之间满足已定义的条件，则也可以在任何位置布置所述入射的光和相机等的传感器的位置。此时，从激光光源至相机的距离可由激光光源的相干距离来限制。例如，相干距离为表示能够引起光的干涉的距离，因此为了利用相干距离较长的光源，可通过远隔激光和相机位置(即，激光光源与相机之间的距离)而构成光学系统。
在1003步骤中，检测部130可以基于表示测量出的多个激光散斑随时间变化的程度的激光散斑的图案变化，测量在特定身体部位内或表面是否存在微生物。即，可以基于多个激光散斑图案之间的动态变化，测量在特定身体部位内或表面是否存在微生物。
在此，为了比较激光散斑图案的动态变化，有可能需要在彼此不同的时间测量到的最少两个以上图像。例如，在1002步骤中，如通过在第一时间照射激光并拍摄特定身体部位而生成的激光散斑图像1、在从第一时间经过基准时间(1秒或10秒等)后即在第二时间照射光并拍摄特定身体部位而生成的激光散斑图像2等那样，可以以预定间隔在每个基准时间生成两个以上激光散斑图像。除此之外，如在再次经过10秒后生成的激光散斑图像3及在再次经过10秒后生成的激光散斑图像4等那样，通过在首次照射光以后以预定间隔(例如，按10秒)照射光，其结果在n-1秒以后可生成n个激光散斑图像。于是，通过分析已生成的激光散斑图像之间的差异，从而能够测量在特定身体部位内或表面是否存在微生物。
此时，根据利用两个散斑图像来测量微生物的存在与否或者利用三个以上散斑图像来测量微生物的存在与否，微生物测量方法可以不同。在此，参照图41及图42对利用两个或三个以上激光散斑图像来测量在特定身体部位内或表面是否存在微生物的详细操作进行说明。
图41是为了说明利用两个散斑图像来测量在特定身体部位是否存在微生物的方法而提供的图。
参照图41，在利用通过以预定时间间隔照射光而在各个时间生成的两个散斑图像的情况下，如果在特定身体部位内或表面不存在微生物(static speckle)，则在0秒测量到的散斑图像和在10秒测量到的散斑图像之间的差异为已定义的第一基准值以下，从而该差异可以非常微小。虽然有时可存在较小的差异，但这可被解释为如水分蒸发或振动等那样实验时存在的所有噪声(noise)的影响。此时，在特定身体部位内或表面存在微生物(例如，B.cereus bacteria等)的情况下，在0秒生成的散斑图像与在10秒生成的散斑图像之间的差异可以是已定义的第二基准值以上。即，如果因在0秒与10秒之间测量到的散斑图案的差异为第二基准值以上而激光散斑图案存在较大的变化，则可确定为在特定身体部位内或表面存在细菌等的微生物。
如此，检测部130可通过检查两个散斑图像之间的差异(例如，像素值差等)为第一基准值以下还是是否为第二基准值以上，来确定在特定身体部位内或表面是否存在微生物。此时，也可以将第一基准值和第二基准值已定义为相同的值，还可以已定义为彼此不同的值。
图42是为了说明利用三个以上散斑图像来测量在特定身体部位是否存在微生物的方法而提供的图。
参照图42，在利用以预定时间间隔测量到的三个以上散斑图像的情况下，检测部130可在三个以上散斑图像中执行时间相关分析(time correlation analysis)，从而测量在特定身体部位是否存在微生物。即，检测部130可以基于通过按预定时间间隔在特定彼此不同的时间点向特定身体部位内或表面照射光并发生多重散射而形成的激光散斑之间的时间相关性(temporal correlation)，测量在特定身体部位是否存在微生物。例如，在将对各时间t测量到的散斑图像进行平均化后的数据设为I(x，y；t)时，检测部130可以基于上述的数学式3，在各部位相对于特定延迟时间τ计算时间相关性系数。并且，检测部130可以基于计算出的时间相关性系数的变化率，测量在特定身体部位内或表面是否存在微生物，测量到的实验结果可以是如图42所示。在此，由于在数学式3中已经说明了基于数学式3计算时间相关性系数的结构及基于计算出的时间相关性系数测量在特定身体部位是否存在微生物，因此省略重复说明。
如以上所说明的那样，通过测量散斑图案的时间变化以测量微生物的存在与否，从而即使在不进行几天培养的情况下也能够在数秒内迅速测量微生物。例如，可省略现有的一日至四日的培养过程(即，没有培养过程)，可仅通过向样品照射激光以测量激光散斑而即时探测微生物的存在与否。由此，在准备样品(手指甲、脚趾甲、口腔或食品等)之后，能够在该位置即时测量微生物、细菌的存在与否及活动性，因此可以在牙科、皮肤科、家庭或食品店中迅速而简便地测量微生物或细菌的存在与否。
图43是图示在本发明的一实施例中利用时间反转镜来构成光学系统的情况的图。
图43的1310可表示利用时间反转镜以在散射体中使光路径反转的情况，1320可表示在散射体内存在移动物体的情况以及因光路径的变化而未发生路径反转的情况。即，1310可表示发生时间反转反射现象的情况，1320可表示未发生时间反转反射现象的情况。
时间反转镜可指在光反射到镜面后返回时以及到达镜面时发生使移动路径直接反向返回的现象(即，时间反转反射现象)的镜子。虽然在通常的镜子中不会产生时间反转反射现象，但在特殊条件下有可能产生所述时间反转反射现象。
在上述韩国授权专利第10-1599147号中说明了利用时间反转镜的数字光单沟道相位共轭装置，在利用时间反转镜构成光学系统的情况下，能够非常敏感地测量是否在散射体(例如，牙齿、牙周、手指甲、脚趾甲或食品等的样品)内部存在移动物体。这是因为，由于在复杂的散射体内产生时间反转反射的现象为需要非常精密的控制的物理现象，因此如图43的1320所示，也有可能因散射体内的小变化而时间反转反射现象不成立。由此，可以基于利用时间反转镜在散射体内产生的时间反转反射现象，测量是否在散射体(即，样品)内存在细菌或微生物等的物体。
参照图43的1310，可以从散射体前入射任意图案的光。即，可以向散射体入射具有任意图案的光。在此，所述图案可利用固定的光圈(aperture)或掩模(mask)等来生成，除此之外，所述图案可以以显示(display)图案实现。于是，向散射体入射的光可被散射体散射。于是，波面控制器(spatial light modulator，SLM，1302)可将由散射体散射的光1301转换为平面波1303。于是，通过波面控制器1302转换的平面波1303被镜面1303反射，自动产生时间反转反射现象，可以以首次出发的该形态的光出射。
此时，如图43的1320所示，在散射体内部存在移动物体(例如，如细菌或微生物等那样待探测的物质)的情况下，光的路径可能不会进一步追随时间反转反射现象。即，有可能发生与首次向散射体入射的光无关的其他图案的光。于是，用户或测量部可通过观察或测量从所述镜面1304反射回来的光的图案而测量散射体内部的移动。即，可通过将返回来的光的图案与向散射体首次入射的光所具有的任意图案进行比较，并且基于作为比较结果的图案的差异探测是否在散射体内部存在移动物质(即，微生物或细菌等)。参照图43的1320，由于返回来的光的图案与首次入射的光的图案不同，因此可探测为在散射体内部存在移动物质。
并且，如图43的1310所示，在返回来的光的图案与向散射体首次入射的光所具有的任意图案相同或在已定义的基准范围内相似的情况下，即如果返回来的光的图案与产生时间反转反射现象的情况相应，则可探测为在散射体内部不存在移动物质。即，可探测为在散射体内部不存在微生物或细菌。
图44是示意性地图示本发明的第三实施例所涉及的样品特性探测装置300的示意图，图45是图示图44的样品提取机构311的另一实施方式的示意图。此外，图46是示意性地图示利用图44的样品提取机构311的样品特性探测装置300的示意图。
参照图44，第三实施例所涉及的样品特性探测装置300可包括波源320、检测部330、控制部340、样品布置部310及样品提取机构311。本发明的第三实施例的波源320、检测部330及控制部340的结构以及利用它们来探测微生物的方法与第一实施例相同，因此省略重复说明。
波源320可朝向样品布置部310内的样品S照射波。波源320可应用能够生成波的所有种类的源设备，例如，可以是能够照射特定波长带的光的激光。
检测部330可以在每个预设时间点检测因所照射的波被样品S多重散射而产生的激光散斑。在此，时间点是指连续的时间流中的任一瞬间，时间点可被预设为相同的时间间隔，但并不一定限于此，也可以被预设为任意时间间隔。检测部230可包括与波源320的种类对应的感测机构，例如在利用可见光波长带的光源的情况下，可利用作为拍摄图像的拍摄装置的CCD相机。检测部330可以至少在第一时间点检测激光散斑及在第二时间点检测激光散斑，并提供给控制部340。
控制部340可利用检测到的所述激光散斑来获取时间相关性，并且基于获取到的时间相关性推断样品S内的微生物存在与否或微生物的浓度。
样品提取机构311可从对象体提取包括微生物的样品S。作为一例，图44的样品提取机构311可包括平面形态的粘合构件。图44的样品提取机构311可利用上述粘合构件与人类的皮肤粘合并取下后收容在样品布置部310。在人类的皮肤上存在很多微生物，也可以存在如毛囊虫那样的寄生虫。在利用所述样品提取机构311来提取人眼看不清的微生物或如毛囊虫等的寄生虫之后，可通过利用样品特性探测装置300来分析它们，从而确认存在于作为对象体的人类的皮肤的微生物或寄生虫的存在与否。作为另一实施例，样品提取机构311可通过与人类活动多的物品粘合后取下而确认存在于所述物品的微生物的存在。例如，如毡等的对象体不仅体积较大，而且因毡纤维的移动而有可能不适合作为样品直接使用。在利用所述样品提取机构311与这种对象体粘合并取下之后，可通过利用样品特性探测装置300进行分析，从而确认存在于对象体的微生物的存在。
参照图45及图46，作为另一实施例，样品提取机构311可提取作为液体的样品。此时，样品S可以是如小便或血液等的具有流动性的液体。或者，样品S也可以是将如大便等的具有非流动性的样品与如水等的溶剂混合而成的样品。在此，混合溶剂可以是不会对样品S内的微生物的生长带来影响的溶剂。在利用样品提取机构311来提取这种具有流动性的样品S之后，可利用过滤器313来过滤。由于在利用具有流动性的样品S直接探测微生物的情况下，难以区分流动性移动和微生物的移动，因此无法准确地探测微生物。因此，第三实施例所涉及的样品特性探测装置300可通过利用如细菌等的微生物被过滤并且剩余液体315能够穿过的过滤器313例如多孔性过滤器，来从样品S中筛取包括在样品S中的微生物。
在样品S为小便的情况下，如果在小便中存在微生物，则微生物被过滤器313过滤，大部分水315可以通过过滤器313。此外，在样品S为血液的情况下，如具有红血球、白血球或细菌等的大小的微生物被过滤器313过滤，血浆315可以通过过滤器313。如此，可通过朝向筛取微生物的过滤器313照射波，并且检测由微生物诱发的激光散斑，从而确认样品S内的微生物的存在与否或浓度。
图47是示意性地图示本发明的第四实施例所涉及的样品特性探测装置400的示意图，图48是沿图41的Ⅰ-Ⅰ线剖切的剖面图。
参照图47，第四实施例所涉及的样品特性探测装置400可包括波源420、波路径变更部421、检测部430、控制部440、样品布置部410、样品阵列部410A及多重散射扩增部450。由于本发明的第四实施例的波源420、检测部430及控制部440的结构及利用它们来探测微生物的方法与第一实施例相同，因此省略重复说明。
第四实施例所涉及的样品特性探测装置400可包括多个样品布置部410。多个样品布置部410可以以彼此具有预定相隔距离的方式排列，如图所示，在一个样品阵列部410A也可以形成有多个样品布置部410，以下为了方便说明，以在一个样品阵列部410A布置有多个样品布置部410的情况为中心进行说明。
在多个样品布置部410的每一个中可收容有多个样品。多个样品也可以是相同的样品，还可以是彼此不同的样品。例如，在第一样品布置部410-1可收容有第一样品S-1，在第二样品布置部410-2可收容有第二样品S-2。第一样品S-1和第二样品S-2也可以是从彼此不同的对象体中提取的样品，还可以是从相同的对象体的不同区域中提取的样品。
波源420可朝向样品布置部410内的样品S照射波。波源320可应用能够生成波的所有种类的源设备，例如，可以是能够照射特定波长带的光的激光。为了利用波源420向多个样品照射波，第四实施例所涉及的样品特性探测装置400可包括波路径变更部421。换言之，不是从波源420直接向样品S照射波，而是可利用波路径变更部421向样品S照射波。
来自波源420的波可以入射至波路径变更部421。波路径变更部421可由微镜构成。波路径变更部421具备反射面，能够使入射的波朝向多个样品S反射。反射面被图示为没有折射力的平面，但本发明并不限定于此。波路径变更部421可被驱动控制部(未图示)精密驱动。作为另一实施例，波路径变更部421被控制部440精密驱动，由此能够向多个样品S中的每一个照射波。作为构成波路径变更部421的微镜可采用能够通过电控制而产生反射面的逆变位的多种结构，例如可采用通常公知的微机电系统(micro electromechanicalsystem；MEMS)镜或数字微镜器件(digital micromirror device，DMD)元件等，但这只是示例，也可以是以二维阵列布置多个微镜的结构。
另外，波路径变更部421进一步包括布置在波路径上的镜子422，可进行调节以使向样品布置部410照射的波的角度恒定。换言之，在利用微镜向多个样品布置部410照射波的情况下，波路径变更部421的波入射角度可根据样品布置部410的位置而不同。由此，由于在样品S内多重散射的程度可根据多个样品布置部410的位置而不同，可能难以进行准确的比较评价，因此能够通过进一步布置镜子422而调节为向样品布置部410入射的波的角度均匀。虽然在附图中只图示了被布置在第一样品布置部410-1上的镜子422，但这是为了方便说明而示意性地图示，可通过在各个样品布置部410的上端布置镜子而调节向样品布置部410照射的波的角度。
参照图47及图48，多重散射扩增部450可通过使从样品S经多重散射而出射的波的至少一部分向样品S反射而扩增样品S中的多重散射次数。多重散射扩增部450可包括多重散射物质(multiple scattering material)。例如，多重散射物质包括氧化钛(TiO2)，多重散射扩增部450能够使向所述多重散射扩增部450入射的波的至少一部分反射。多重散射扩增部450被布置为与样品S相邻，从样品S经多重散射而出射的波可以在样品S与所述多重散射扩增部450之间的空间至少往返一次以上。
多重散射扩增部450可包括第一多重散射扩增部451及第二多重散射扩增部453。第一多重散射扩增部451可被布置在样品布置部410与波路径变更部421之间，并且被布置为与样品布置部410重叠。如附图所示，在包括多个样品布置部410的第四实施例的各个样品布置部410可布置有多个第一多重散射扩增部451，为了将样品S布置到样品布置部410，可由能够拆卸的结构形成各个样品布置部410。作为另一实施例，第一多重散射扩增部451由覆盖样品阵列部410A的整个表面的结构形成，也可以划分为在与各个样品布置部410对应的位置包括多重散射物质的区域。同样，为了向样品布置部410投入样品S，另一实施例所涉及的第一多重散射扩增部451也可以构成为如盖那样的形式。
第二多重散射扩增部453可被布置在样品布置部410与检测部430之间。第二多重散射扩增部453可被布置为与多个样品布置部410中的每一个重叠。第二多重散射扩增部453可以以单独设置的方式布置在样品布置部410与检测部430之间，但作为另一实施例，也可以通过使与样品布置部410重叠的区域的样品阵列部410A包括多重散射物质而与样品阵列部410A一体形成。或者，第二多重散射扩增部453也可以形成为布置在样品阵列部410A的整个表面上的一个板形状。在该情况下，只在第二多重散射扩增部453的与样品布置部410对应的位置包括多重散射物质，其他部分由不会使波透射的材料形成，能够使因从相邻的样品布置部410散射的波产生的干涉最小化。
检测部430可以在每个预设时间点检测因所照射的波被样品S多重散射而产生的激光散斑。在此，时间点是指连续的时间流中的任一瞬间，可以按相同的时间间隔预设时间点，但并不一定限于此，也可以按任意时间间隔预设时间点。检测部430可包括与波源420的种类对应的感测机构，例如，在利用可见光波长带的光源的情况下，可利用作为拍摄图像的拍摄装置的CCD相机。检测部430可以至少在第一时间点检测激光散斑及在第二时间点检测激光散斑，并提供给控制部440。
控制部440可利用检测出的所述激光散斑来获取时间相关性，并且基于获取到的时间相关性推断样品S内的微生物的存在与否或者微生物的浓度。控制部440可推断收容在多个样品布置部410的多个样品S中的每一个的微生物存在与否或者微生物的浓度。此时，控制部440可以在每个预定时间变更波路径而向多个样品布置部410照射的方式电控制波路径变更部421的反射面。控制部440可通过与控制波路径变更部421的定时连动地分类由检测部430检测出的激光散斑图像而获取时间相关性。因此，即使控制部440利用一个检测部430，也能够推断收容在多个样品布置部410的每一个中的多个样品S的微生物存在与否或者微生物的浓度。
如前述，第四实施例所涉及的样品特性探测装置可利用波路径变更部来快速探测收容在多个样品布置部的多个样品的微生物存在与否或者微生物的浓度。
图49及图50是示意性地图示本发明的第四实施例所涉及的样品特性探测装置的另一实施方式的图。
参照图49，样品特性探测装置400-1可包括波源420、波路径变更部421、检测部430及控制部440。另一实施方式的样品特性探测装置400-1可通过按区域分割样品S而推断并比较各区域中的微生物存在与否或者微生物的浓度。例如，对于如包装牛肉那样的食品而言，需要在保持包装状态的状态下确认如细菌那样的微生物的存在与否。此时，具备波路径变更部421的样品特性探测装置400-1可通过根据样品的各分割区域(T1、T2..TN)依次照射从波源420照射的波，从而探测样品的各区域中的微生物存在与否或者微生物的浓度。
为了探测如食品那样的样品的微生物，样品特性探测装置400-1可被设置为反射型光学系统。此时，样品特性探测装置400-1可进一步包括用于使从波源420照射的波向波路径变更部421入射的镜子423。虽然在附图中图示了一个镜子423，但也可以进一步具备用于变更波路径的附加透镜或镜子。作为另一实施例，样品特性探测装置400-1也可以设置为透射型光学系统。此时，样品S可以是收容在透明包装材料中的食品。
另外，样品特性探测装置400-1可根据样品的介质种类而进一步具备多重散射扩增部(未图示)。例如，在如牛肉那样组织致密的介质的样品的情况下，即使不具备多重散射扩增部，也充分产生多重散射，因此能够探测微生物。但是，在与此不同的介质的情况下，可通过进一步具备多重散射扩增部(未图示)并探测样品内的微生物存在与否，从而能够进行更致密的分析。
控制部440可通过与控制波路径变更部421的定时连动地分类由检测部430检测出的激光散斑图像而获取时间相关性。由此，控制部440可利用检测出的激光散斑来探测各区域中的微生物存在与否。此外，控制部440可控制波路径变更部421的扫描路径(点划线)，由此可获取激光散斑的空间相关性。即，作为另一实施方式的样品特性探测装置400-1不仅获取激光散斑的时间相关性，而且获取空间相关性，从而能够进行关于样品内的微生物存在与否或者浓度的映射(mapping)。
参照图50，又一实施方式的样品特性探测装置400-2具备包括多个样品布置部410的旋转阵列部410B，并且可包括波源420、检测部430、控制部440及多重散射扩增部451、453。在此，由波源420、检测部430及多重散射扩增部451、453构成的光学系统可以在固定状态下使旋转阵列部410B旋转的同时，测量收容在多个样品布置部410中的多个样品。
旋转阵列部410B可包括驱动部415，该驱动部415以预设旋转速度来驱动旋转阵列部410B。在旋转阵列部410B沿圆周方向按预定间隔相隔布置有多个样品布置部410。布置在旋转阵列部410B的多个样品布置部410按预定间隔相隔并以规定的旋转速度旋转，从而可利用固定的波源420及检测部430来探测样品布置部410内的样品的微生物的存在与否或者浓度。旋转阵列部410B可沿经过中心O的中心轴(Axis1)旋转，并且可以在旋转期间不会以中心轴(Axis1)为基准倾斜(tilt)的方式精密地驱动旋转阵列部410B。这是因为在检测激光散斑时旋转阵列部410B的倾斜作为噪声(noise)发挥作用。控制部440可通过控制上述驱动部415而使旋转阵列部410B以预定旋转速度旋转，此时可将从样品布置部410检测出的激光散斑分类并分析为关于样品的激光散斑。
另外，旋转阵列部410B在样品布置部410之间可包括基准样品布置部R。基准样品布置部R与样品布置部410相同，但不收容样品S。通过测量基准样品布置部R中的基准激光散斑，能够去除在旋转阵列部410B旋转的期间可发生的噪声并进行准确的激光散斑检测。
多重散射扩增部可包括第一多重散射扩增部451和第二多重散射扩增部452。第一多重散射扩增部451可被布置在波源420与样品布置部410之间。第一多重散射扩增部451被布置在波源420所照射的样品布置部410上，能够通过不向其他样品布置部410照射波而减少噪声。此外，第二多重散射扩增部453可被布置在样品布置部410与检测部430之间，并且同样可位于以只检测从所测量的样品布置部410多重散射的波的方式测量且与样品布置部410对应的区域上。虽然在附图中图示了第一多重散射扩增部451和第二多重散射扩增部453与样品布置部410间隔开，但并不限于此。作为另一实施例，在各样品布置部410的上部和下部也可以固定设置有第一多重散射扩增部451及第二多重散射扩增部453。
下面，参照图51至图56，对第五实施例所涉及的样品特性探测装置的实施方式进行说明。
将在向散射体照射具有相干性的光时因所反射的信息的干涉现象而产生的不规则图案称为激光散斑。根据本发明的技术思想，可通过这种激光散斑分析来确认形成于基板上的结构物的图案是否异常。
在图51中图示了本发明的第五实施例所涉及的样品特性探测装置。参照该图51，样品特性探测装置500由照射激光的光源、支撑样品的样品架、收集因向样品入射的光被多重散射而形成的激光散斑信息的信息收集部、以及分析收集到的信息并向用户输出分析结果的信息分析部构成。在此，光源可以与其他实施例的波源对应，信息收集部可以与其他实施例的检测部对应，信息分析部可以与其他实施例的控制部对应。
所述光源产生激光并向样品照射激光，可以设置一个光源或可以设置照射不同波长的光的两个以上光源。
在图52中示出本发明的一实施例的检查方法。参照图52，向被样品架支撑的样品照射激光(S01)。接着，信息收集部收集由所照射的激光与样品的相互作用形成的激光散斑(S02)。在通过信息分析部分析由信息收集部收集到的激光散斑信息之后向用户输出分析结果(S03)。
作为示例，所述信息收集部可以是相机，如图4A至图4C那样，由光源和相机构成的光学系统可构成为如反射型或透射型那样的多种形式。在图53中作为样品的例图示了半导体元件的多重金属布线结构物。在第一金属布线61与第二金属布线62之间形成有第一绝缘层64，在第二金属布线62的上部形成有第二绝缘层65。
绝缘层64、65的代表性的材料可以是硅氧化物(SiO2)，除此之外，作为光透射且具有透明度的绝缘物可利用任何材料。作为示例，金属布线61、62的材料可利用铝、钨或铜等。
因此，在向这种样品照射激光的情况下，通过可透射光的第二绝缘层65的激光中的一部分被第二金属布线62反射或一部分通过第一绝缘层64，并且该一部分再次在形成有通孔63或第一金属布线61的结构物内反射或散射之后，再次通过第一绝缘层64及第二绝缘层65并露出而形成激光散斑。因此，可根据构成样品的结构物(金属布线、孔或绝缘层等)的形式来确定激光散斑的图案，并且与这种结构物的变化连动地激光散斑的图案也发生变化。以下，参照图53对利用这种样品结构物的变化的散斑图案分析方法进行说明。
图53的(a)正常进行工序，图53的(b)在通孔部分形成有空孔610，在图53的(c)中未形成用于贯通绝缘体的触点。
在将上述样品安装到样品架之后，向样品照射激光，并且收集从样品散射出的激光散斑的信息。通过信息分析部来分析收集到的信息。信息分析部与存储有标准样品即如图53的(a)那样进行时的激光散斑信息的数据库(DB)连接。信息分析部通过将收集到的激光散斑信息和已存储在数据库中的标准样品的激光散斑信息相互比较而导出散斑图案的差异值。在这种差异值为已设定的基准以下的情况下，被解释为分析样品具有与标准样品相同的结构，因此可被判断为正常进行工序。
相反，在因如图53的(b)或图53的(c)那样非正常地进行工序而存在图案上的异常区域的情况下，收集到的散斑信息与标准样品的散斑信息的差异显著，该差异值超过已设定的基准，因此可判断为非正常地进行工序。
图54为另一例，是通过激光散斑分析来确认金属布线的线宽变化的例。在如图54的(a)那样具有正常线宽的情况下，与标准样品之间的差异为已设定的基准以下。但是，在如图54的(c)那样具有非正常地形成有线宽的区域71的情况下，与标准样品之间的差异显著，由此可判断为非正常地进行工序。
作为另一例，能够以相同的方式对因离子注入而形成于硅基板上的活性区域的异常与否进行检查。
根据本发明的一实施例所涉及的其他样品特性探测装置，能够通过依次检查由多个硅晶片形成的图案区域，执行对形成于硅晶片内的多个图案区域的整体判断各个图案形状的有无的功能。在图55中示意性地图示了在硅晶片上形成有多个图案区域的情况。在该情况下，图案区域为在最终完成工序时通过切割(sawing)分离而最终划定为一个元件的区域。
图56是利用图51的样品特性探测装置来按检查区域检查图案的示意图。在利用本发明的一实施例所涉及的样品特性探测装置的情况下，从多个图案区域例如图56的箭头那样左侧最上端图案区域出发依次照射激光，并且信息收集部通过从各个图案区域收集相应的激光散斑信息而存储在数据库中。信息分析部通过分析存储在数据库中的各图案区域的激光散斑信息而执行如整个图案区域中的平均值和标准偏差等的统计分析。在该情况下，可解释为激光散斑信息显著脱离平均值的图案区域具有与其他图案区域不同的结构，并且可视为非正常地进行工序的区域。因此，通过输出关于如此非正常地进行的图案区域的信息，即使用户并非将硅晶片局部切断而照射，也能够获取关于非正常的图案区域的信息。
在利用激光散斑的非侵入式血流测量、激光散斑对比成像(Laser SpeckleContrast Imaging)、非侵入式血管检查、利用血流测量的个人认证等的应用激光散斑的多种领域中可应用本发明。此外，在镜面加工检查、多层结构膜的剥离检查等的制造检查领域中也可以应用本发明。此外，在利用二进制成像(binary imaging)的移动体的位置跟踪、应用光学编码器的陀螺传感器等的领域中也可以应用本发明。
目前为止以优选实施例为中心对本发明进行了查看。应理解为本发明所属技术领域的技术人员在不脱离本发明的本质特性的范围内可以以变形的形式实现本发明。因此，应从说明性的观点考虑上述公开的实施例，而不是从限定性的观点考虑上述公开的实施例。本发明的范围呈现于权利要求书而不是前述的说明，应理解为在与该权利要求书等同的范围内存在的所有不同点包括在本发明中。
工业适用性
根据本发明的一实施例，提供一种利用混沌波传感器的样品特性探测装置。

Claims (16)

1.一种样品特性探测装置，包括：
波源，其用于朝向样品照射波；
检测部，其用于检测所照射的波被所述样品多重散射而产生的激光散斑，并且在每个预设时间点检测所述激光散斑；以及
控制部，其用于获取检测出的所述激光散斑随时间变化的时间相关性，并且基于获取到的所述时间相关性，实时检测所述样品的特性，
其中所述检测部检测所述样品与所述检测部之间或者所述检测部内部的一区域中的所述激光散斑，
其中所述检测部被配置为检测与所述样品的表面隔开预定距离的第一区域中的所述激光散斑，以及
其中所述第一区域被布置在第一表面与第二表面之间，其中所述第一表面包括与所述样品的表面相隔第一距离的第一点，所述第二表面包括与所述样品的表面相隔第二距离的第二点，其中所述第二距离大于所述第一距离。
2.根据权利要求1所述的样品特性探测装置，其中，
所述控制部根据由在所述样品内部移动的细菌、微生物或病毒生成的散斑的变化来实时推断所述细菌、微生物或病毒的存在与否或者浓度。
3.根据权利要求1所述的样品特性探测装置，其中，
所述时间相关性包括在第一时间点检测到的所述激光散斑的第一图像信息和在与所述第一时间点不同的第二时间点检测到的所述激光散斑的第二图像信息之间的差异。
4.根据权利要求3所述的样品特性探测装置，其中，
所述第一图像信息及所述第二图像信息包括所述激光散斑的图案信息和所述波的强度信息中的至少一者。
5.一种样品特性探测装置，包括：
波源，其用于朝向样品照射波；
检测部，其被配置为检测所照射的波被所述样品多重散射而产生的激光散斑，并且在每个预设时间点检测所述激光散斑；以及
控制部，其被配置为获取检测出的所述激光散斑随时间变化的时间相关性，并且基于获取到的所述时间相关性，实时检测所述样品的特性，
样品布置部，其被配置为收容所述样品，
其中所述检测部检测所述样品与所述检测部之间或者所述检测部内部的一区域中的所述激光散斑，
还包括抗生素施用部，所述抗生素施用部用于向所述样品布置部内的所述样品施用预定的抗生素，
其中，所述控制部基于所述激光散斑的时间相关性推断在向所述样品施用所述抗生素之前或之后所述样品内的微生物存在与否或微生物的浓度，并且根据所推断的微生物存在与否或所述微生物的浓度变化来实时判断所述抗生素的相容性。
6.一种样品特性探测装置，包括：
波源，其用于朝向样品照射波；
检测部，其被配置为检测所照射的波被所述样品多重散射而产生的激光散斑，并且在每个预设时间点检测所述激光散斑；以及
控制部，其被配置为获取检测出的所述激光散斑随时间变化的时间相关性，并且基于获取到的所述时间相关性，实时检测所述样品的特性，
样品布置部，其被配置为收容所述样品，
其中所述检测部检测所述样品与所述检测部之间或者所述检测部内部的一区域中的所述激光散斑，
还包括：
盖构件，其以所述样品不露出到外部环境的方式至少覆盖所述样品布置部；以及
培养环境调节部，其以维持所述样品的恒定培养环境的方式调节环境条件。
7.根据权利要求6所述的样品特性探测装置，还包括三维图像生成部，在包括两个以上所述检测部的情况下，所述三维图像生成部利用从多个所述检测部检测出的多个所述激光散斑来生成三维散斑图像，
其中，所述控制部利用所述三维散斑图像来探测所述样品的特性。
8.一种样品特性探测装置，包括：
波源，其用于朝向样品照射波；
检测部，其被配置为检测所照射的波被所述样品多重散射而产生的激光散斑，并且在每个预设时间点检测所述激光散斑；以及
控制部，其被配置为获取检测出的所述激光散斑随时间变化的时间相关性，并且基于获取到的所述时间相关性，实时检测所述样品的特性，
多重散射扩增部，其被配置为使从所述样品多重散射并出射的所述波的至少一部分反射到所述样品以扩增所述样品中的多重散射次数，
其中所述检测部检测所述样品与所述检测部之间或者所述检测部内部的一区域中的所述激光散斑，
其中所述多重散射扩增部包括：
第一多重散射扩增部，其被布置在经过所述样品的中心的延长线上，并且使从所述样品多重散射并出射的所述波的至少一部分反射到所述样品；以及
第二多重散射扩增部，其被布置成以所述样品为基准而与所述第一多重散射扩增部相对，并且使从所述样品多重散射并出射的所述波的至少一部分反射到所述样品。
9.一种样品特性探测装置，包括：
样品布置部，其用于收容样品；
基准样品布置部，其被布置成与所述样品布置部相邻并且收容基准样品；
波源，其用于朝向所述样品布置部内的所述样品及所述基准样品布置部内的所述基准样品照射波；
检测部，其用于检测所照射的波分别被所述样品及所述基准样品多重散射而产生的第一激光散斑及基准激光散射，并且在每个预设的相同时间点进行检测；以及
控制部，其利用检测出的所述第一激光散斑来获取检测出的所述第一激光散斑随时间变化的时间相关性，并且基于获取到的所述时间相关性实时探测所述样品的特性，
其中，所述检测部检测所述样品与所述检测部之间或者所述检测部内部的一区域中的所述激光散斑。
10.根据权利要求9所述的样品特性探测装置，其中，
所述控制部根据由在所述样品内部移动的细菌、微生物或病毒生成的散斑的变化来实时推断所述细菌、微生物或病毒的存在与否或者浓度。
11.根据权利要求9所述的样品特性探测装置，还包括抗生素施用部，所述抗生素施用部用于向所述样品布置部内的所述样品施用预定的抗生素，
其中，所述控制部基于所述激光散斑的时间相关性推断在向所述样品施用所述抗生素之前或之后所述样品内的微生物存在与否或微生物的浓度，并且根据所推断的微生物存在与否或所述微生物的浓度变化来实时判断所述抗生素的相容性。
12.根据权利要求9所述的样品特性探测装置，其中，
所述时间相关性包括在第一时间点检测到的所述第一激光散斑的第一图像信息和在与所述第一时间点不同的第二时间点检测到的所述第一激光散斑的第二图像信息之间的差异。
13.根据权利要求12所述的样品特性探测装置，其中，
所述第一图像信息及所述第二图像信息包括激光散斑的图案信息和波的强度信息中的至少一者。
14.根据权利要求13所述的样品特性探测装置，其中，
所述控制部利用检测出的所述基准激光散斑来获取检测出的所述基准激光散斑的基准信息，并且利用所述基准信息来去除关于所述第一激光散斑的时间相关性的噪声。
15.根据权利要求9所述的样品特性探测装置，还包括：
多波束反射器，其分割从所述波源入射的波并提供给多个波路径；以及
波束分离器，其被设置在由所述多波束反射器提供的所述波路径上，并且变更由所述样品及所述基准样品反射并出射的所述波的路径并提供给所述检测部。
16.一种样品特性探测装置，包括：
波源，其用于朝向样品照射波；
检测部，其用于检测所照射的波被所述样品多重散射而产生的激光散斑，并且在每个预设时间点检测所述激光散斑的扩散路径上的一区域中的所述激光散斑；以及
控制部，其用于获取检测出的所述激光散斑的时间相关性，并且基于获取到的所述时间相关性实时探测所述样品的特性，
其中所述检测部被配置为检测与所述样品的表面隔开预定距离的第一区域中的所述激光散斑，以及
其中所述第一区域被布置在第一表面与第二表面之间，其中所述第一表面包括与所述样品的表面相隔第一距离的第一点，所述第二表面包括与所述样品的表面相隔第二距离的第二点，其中所述第二距离大于所述第一距离。
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