CN114556089A

CN114556089A - 水质检测仪

Info

Publication number: CN114556089A
Application number: CN202080026281.1A
Authority: CN
Inventors: 金英德; 赵耕晩; 南国铉
Original assignee: Wave Talk Inc
Current assignee: Wave Talk Inc
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2022-05-27
Also published as: KR102407130B1; KR20220037795A; WO2022059829A1; US20220317104A1; EP4215899A4; EP4215899A1

Abstract

本发明的一个实施例提供一种水质检测仪，包括：本体；杯容纳部，所述杯容纳部从所述本体的一面向内侧方向形成，能够容纳盛装流体的杯子；波源，所述波源朝向所述杯容纳部照射波；检测部，所述检测部在每个事先设置的时间点，检测所述照射的波在所述流体内多重散射而发生的激光散斑(laser speckle)；及控制部，所述控制部利用所述检测的激光散斑，实时(real‑time)推定所述流体内是否存在杂质。

Description

水质检测仪

技术领域

本发明的实施例涉及水质检测仪。

背景技术

一般而言，诸如水或饮料的流体通过过滤等多样处理而供应给使用者。对于以饮用为目的的流体，根据需要，除流体内添加的添加物之外的其他物质，例如微生物等应在去除后供应给使用者。但是，在处理流体的过程中，由于诸如与外部气体接触的情况，流体内微生物可能会意外地增殖。

为了感知流体内微生物并检测水质，以往提出了多样方法，但在流体内感知极少量的微生物是非常困难的。

发明内容

技术课题

为了解决上述问题及/或局限，本发明目的在于提供一种利用混沌波传感器实时感知流体内微生物并检测水质的水质检测仪。

技术方案

本发明的一个实施例提供一种水质检测仪，包括：本体；杯容纳部，所述杯容纳部从所述本体的一面向内侧方向形成，能够容纳盛装流体的杯子；波源，所述波源朝向所述杯容纳部照射波；检测部，所述检测部在每个事先设置的时间点，检测所述照射的波在所述流体内多重散射而发生的激光散斑(laser speckle)；及控制部，所述控制部利用所述检测的激光散斑，实时(real-time)推定所述流体内是否存在杂质。

发明效果

根据本发明一个实施例的水质检测仪利用激光散斑的时间相关性及空间相关性的变化，从而可以以低廉的费用迅速推定流体内是否存在微生物及/或浓度并检测水质。

附图说明

图1是概略图示根据本发明一个实施例的水质检测仪的概念图。

图2是用于说明根据本发明一个实施例的混沌波传感器的原理的图。

图3是显示图1的概念图实际体现的水质检测仪的立体图。

图4作为沿图3的A-A线截取的剖面图，是显示杯子容纳于杯容纳部的状态的图。

图5是沿图3的B-B线截取的剖面图。

图6是图3的水质检测仪的俯视图。

图7是显示杯子加装于图3的杯容纳部的样子的立体图。

图8a至图8c是图示根据本发明一个实施例的水质检测仪中随着流体内细菌浓度的时间相关性系数的图表。

图9至图10是用于说明根据本发明另一实施例的水质检测仪判断高浓度样本的浓度信息的原理的图。

最佳实施方式

在本发明的一个实施例中，所述杯容纳部可以包括：底部，所述底部在所述本体的内部形成；及壁体部，所述壁体部从所述底部向所述本体的所述一面侧延长形成，以包围所述杯容纳部中容纳的所述杯子的侧面至少一部分的方式形成。

在本发明的一个实施例中，所述底部与所述壁体部构成的角度可以并非垂直。

在本发明的一个实施例中，所述角度可以为85°以上、88°以下。

在本发明的一个实施例中，所述壁体部可以以环形形成，以向所述本体的所述一面越来越窄的方式形成。

在本发明的一个实施例中，在所述底部，可以凸出形成有三个以上的支撑部。

在本发明的一个实施例中，所述各支撑部与所述杯子可以分别进行点接触。

在本发明的一个实施例中，所述底部或壁体部可以包括用于使所述波源照射的波在所述流体内多重散射(multiple scattering)的次数扩增的多重散射扩增区域。

在本发明的一个实施例中，所述多重散射扩增区域可以使从所述流体射出的所述波的至少一部分反射到所述流体而使在所述流体内的多重散射次数扩增。

在本发明的一个实施例中，可以利用所述检测的激光散斑而获得所述检测的激光散斑的时间相关性(temporal correlation)，基于所述获得的时间相关性而实时(real-time)推定所述流体内是否存在微生物。

在本发明的一个实施例中，所述时间相关性可以包括在第一时间点检测的所述激光散斑的第一影像信息与在不同于所述第一时间点的第二时间点检测的所述激光散斑的第二影像信息的差异。

在本发明的一个实施例中，所述第一影像信息与所述第二影像信息可以包括所述激光散斑的图案信息及所述波的强度信息中至少任一种。

在本发明的一个实施例中，所述控制部可以获得所述检测部检测的光学图像的干涉图案的空间相关性(spatial correlation)，以所述干涉图案的空间相关性随着时间的变化为基础，判断所述流体内是否存在微生物。

本发明的另一实施例提供一种水质检测方法，包括：能够容纳流体的杯子插入于杯容纳部的步骤；借助于波源而向容纳所述杯子的杯容纳部照射具有干涉性的波的步骤；借助于检测部而在每个事先设置的时间点检测所述波源照射的波在所述流体内多重散射而发生的激光散斑(laser speckle)的步骤；及借助于控制部而利用所述检测的激光散斑来实时(real-time)推定所述流体内是否存在微生物的步骤。

通过以下附图、权利要求书及发明内容，前述内容以外的其他方面、特征、优点将会明确。

具体实施方式

下面参照附图，详细说明以下实施例，当参照附图进行说明时，相同或对应的构成要素赋予相同的附图标号，省略对此的重复说明。

本实施例可以施加多样的变换，将在附图中示例性图示特定实施例并在正文中详细说明。如果参照后面与附图一同详细叙述的内容，本实施例的效果及特征以及达成其的方法将会明确。但是，本实施例并非限定于以下公开的实施例，可以以多样的形态体现。

在以下实施例中，第1、第2等术语并非限定性的意义，而是用于将一个构成要素区别于其他构成要素的目的。

在以下实施例中，只要在文理上未明确表示不同，则单数的表达包括复数的表达。

在以下实施例中，包括或具有等术语，意指说明书中记载的特征或构成要素的存在，并非预先排除一个以上其他特征或构成要素的附加可能性。

在以下实施例中，当提到单元、区域、构成要素等部分在其他部分上方或上面时，不仅是在其他部分的紧上方的情形，也包括在其中间存在其他单元、区域、构成要素等的情形。

在以下实施例中，只要在上下文未明确表示不同，则连接或结合等术语并非意指两个构件必须直接及/或固定连接或结合，并非排除在两个构件之间存在其他构件。

意指说明书中记载的特征或构成要素的存在，并非预先排除一个以上其他特征或构成要素的附加可能性。

在附图中，为了说明的便利，构成要素的大小可以夸张或缩小。例如，在图中显示的各构成的大小及厚度为了说明的便利而任意显示，因而以下实施例并非必须限定于图示的内容。

图1是概略图示根据本发明一个实施例的水质检测仪100的概念图，图2是用于说明根据本发明一个实施例的混沌波传感器的原理的图，图3是显示图1的概念图实际体现的水质检测仪的立体图，图4作为沿图3的A-A线截取的剖面图，是显示杯子容纳于杯容纳部的状态的图，图5是沿图3的B-B线截取的剖面图，图6是图3的水质检测仪的俯视图，图7是显示杯子加装于图3的杯容纳部的样子的立体图。

首先，如果参照图1，根据本发明一个实施例的水质检测仪100可以包括波源110、检测部120、控制部130。另外，图1的水质检测仪100可以还包括警报单元140及杯容纳部(参照图4的160)。而且，在该杯容纳部160，可以容纳盛装成为检测对象的流体L的杯子200。另外，杯容纳部160可以包括用于使从波源110照射的波在流体L内多重散射(multiplescattering)的次数扩增的多重散射扩增区域165。

其中，流体L可以为液体或气体。另外，流体L可以是微生物能够增殖的物质，例如，可以是内部不含散射物质的水。但是，本发明不限于此，作为另一实施例，流体L也可以是内部包含散射物质的诸如牛奶的物质。以下为了说明的便利，首先说明流体L内部不包含散射物质的情形，对于包含散射物质的流体L，将在后面叙述。

波源110可以朝向杯容纳部160所容纳的杯子200内部的流体L照射波。波源110可以应用能够生成波(wave)的所有种类的源装置，例如可以是能够照射特定波段的光的激光(laser)。

检测部120可以利用波而感知流体L内是否存在作为杂质的微生物M。在本说明书中，检测部120可以是混沌波传感器。其中，杂质也可以是非溶解性悬浮物质。检测部120不仅执行微生物M检测功能，还可以执行检测流体L内包含的杂质的功能。不过，以下为了说明的便利，以检测流体L内微生物M的情形为中心进行说明。

下面参照图2，对本发明的混沌波传感器的原理进行说明。

在如同玻璃一样内部折射率均匀的物质的情况下，当照射光时，向既定方向发生折射。但如果向内部折射率不均匀的物体照射诸如激光的相干光(Coherent Light)，则在物质内部发生非常复杂的多重散射(multiple scattering)。

如果参考图2，波源照射的光线或波(以下为了简化而称为波)中通过多重散射而以复杂的路径散射的波的一部分穿过检测对象面。穿过检测对象面的多个地点的波彼此引起相长干涉(constructive interference)或相消干涉(destructive interference)，这种波的相长/相消干涉产生单粒状的斑纹(散斑：speckle)。

在本说明书中，将这种以复杂路径散射的波命名为“混沌波(chaotic wave)”，混沌波可以通过激光散斑来检测。

再者，图2的左侧图是利用激光照射稳定的介质时出现的图。当利用相干光(例如激光)照射内部构成物质无移动的稳定化介质时，可以观测无变化的稳定的散斑斑纹。

但是，如图2的右侧图所示，在内部包含细菌等内部构成物质中有移动的不稳定的介质的情况下，散斑斑纹发生变化。

即，光路径会因生物的细微生命活动(例如，细胞内移动、微生物的移动、螨虫的移动等)而随时间细微地变化。散斑图案是因波的干涉而发生的现象，因而细微的光路径的变化可以使散斑图案发生变化。因此，通过测量散斑图案的时间性变化，可以迅速测量生物的移动。如此测量散斑图案随时间的变化时，可以获知生物是否存在及浓度，进一步而言，也可以获知生物的种类。

本说明书将这种测量散斑图案的变化的构成定义为混沌波传感器(Chaotic WaveSensor)。

另一方面，诸如水的流体L如前所述不包含在内部发生散射的均质物质，因而当不存在微生物M时，不会产生激光散斑。不过，根据本发明一个实施例的水质检测仪100可以通过后述的多重散射扩增区域165而使波多重散射，产生稳定的激光散斑条纹。水质检测仪100在杯子200中盛装的流体L内存在微生物M时，由于微生物的移动，波的路径会细微地变化。细微的波路径的变化可以使散斑图案发生变化，因此，通过测量散斑图案的时间性变化，可以迅速检测流体L内是否存在微生物M。

如果再参照图1及图2，根据本发明一个实施例的水质检测仪100可以包括波源110、检测部120及控制部130。

波源110可以朝向杯容纳部160中容纳的杯子200内部的流体L照射波。波源110可以应用能够生成波(wave)的所有种类的源装置，例如可以是能够照射特定波段的光的激光(1aser)。本发明对波源种类没有限制，不过，下面为了说明的便利，以激光的情形为中心进行说明。

例如，为了使流体L形成散斑，可以将干涉性(coherence)好的激光用作波源110。此时，决定激光波源相干性的波源的频谱带宽(spectral bandwidth)越短，测量准确度会越增加。即，相干长度(coherence length)越长，测量准确度会越增加。因此，波源的频谱带宽不足预先定义的基准带宽的激光可以用作波源110，越比基准带宽短，测量准确度会增加。例如，可以设置波源的频谱带宽，使得保持以下数学式1的条件。

【数学式1】

Spectralbandwidth＜5nm

根据数学式1，为了测量激光散斑的图案变化，在每个基准时间向流体内照射光时，波源110的频谱带宽可以保持不足5nm。

检测部120可以在每个事先设置的时间点检测所照射的波在流体L内多重散射而发生的激光散斑。其中，所谓时间点(time)，意指连续的时间流动中的某一瞬间，时间点(time)可以按相同的时间间隔事先设置，但并非必须限定于此，也可以按任意的时间间隔事先设置。检测部120可以包括与波源110种类对应的感知手段，例如，在利用可见光波段的光源的情况下，可以利用作为拍摄影像的拍摄装置的CCD照相机(camera)。检测部120可以至少检测第一时间点的激光散斑、检测第二时间点的激光散斑并提供给控制部130提供。另一方面，第一时间点及第二时间点只是为了说明的便利而选择的一个示例，检测部120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，如果波照射于流体L，则入射的波可以借助于多重散射而形成激光散斑。激光散斑借助于光的干涉现象而发生，因而如果流体内没有微生物，则会由多重散射扩增区域表现出随着时间而始终既定的干涉条纹。与此相比，当流体L内存在微生物时，激光散斑会因微生物M的移动而随时间变化。检测部120可以在每个事先设置的时间点检测这种随着时间变化的激光散斑并提供给控制部130。检测部120可以以能够感知微生物M移动的程度的速度来检测激光散斑，例如，可以以每秒25帧至30帧的速度进行检测。

另一方面，当使用图像传感器作为检测部120时，图像传感器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颗粒大小(grain size)的方式配置。例如，在检测部120包括的光学系中，图像传感器可以以满足下述数学式2的条件的方式配置。

【数学式2】

d≤speckle grain size

如数学式2所示，图像传感器的一个像素(pixel)的大小d需为散斑图案的颗粒大小(grain size)以下，但如果像素的大小过小，则发生采样过疏(undersampling)，在利用像素分辨率方面会存在困难。因此，为了达成有效的SNR(Signal to Noise Ratio：信噪比)，图像传感器可以以使最大5个以下的像素位于散斑颗粒大小(speckle grain size)的方式配置。

控制部130可以利用所检测的激光散斑而获得所检测的激光散斑的时间相关性(temporal correlation)。控制部130可以基于所获得的时间相关性，实时推定(real-time)流体L内是否存在微生物。在本说明书中，所谓实时(real-time)，意指在3秒以内推定微生物M的存在与否，优选地，可以在1秒内推定微生物M的存在与否。

作为一个实施例，控制部130可以利用在第一时间点检测的激光散斑的第一影像信息、在不同于第一时间点的第二时间点检测的激光散斑的第二影像信息差异而推定微生物M的存在与否。其中，第一影像信息及第二影像信息可以为激光散斑的图案信息及波的强度信息中至少任一种。

另一方面，本发明的一个实施例并非只利用第一时间点的第一影像信息与第二时间点的第二影像信息差异，而是可以将其扩展，在多个时间点利用多个排水沟散斑的影像信息。控制部130可以利用在事先设置的多个时间点各自生成的激光散斑的影像信息，计算影像间的时间相关系数，可以基于时间相关性系数，推定流体(L)内是否存在微生物(M)。所检测的激光散斑影像的时间相关性可以利用下述数学式3而计算。

【数学式3】

在数学式3中，

代表时间相关性系数、

代表标准化的光线强度，(x，y)代表照相机的像素坐标，t代表测量的时间，T代表总测量时间，τ代表时间间隔(time lag)。

根据数学式3，可以计算时间相关性系数，作为一个实施例，通过时间相关性系数下降到事先设置的基准值以下的分析，可以推定微生物的存在与否。具体而言，由于时间相关性系数超过事先设置的误差范围而下降到基准值以下，因而可以推定为存在微生物。

另外，检测部120可以推定杯子200中容纳的流体L内的杂质的浓度。此时，检测部120也可以执行推定流体L内杂质的浓度并测量流体L的浊度的功能。普通的浊度测量装置难以测量105cfu/ml以下的杂质浓度。但是，根据本发明一个实施例的检测部120通过如下判断杂质浓度的方法，也可以测量106cfu/ml以下的杂质浓度。其中，杂质不限于微生物。以下为了说明的便利，以杂质是微生物的情形为中心，对控制部130利用激光散斑而判断微生物浓度的方法进行具体说明。

控制部130可以以在每个基准时间测量的激光散斑影像为对象，计算激光散斑的光线强度(intensity)的标准偏差。由于流体L内包含的微生物持续移动，因而相长干涉和相消干涉会与所述移动对应地变化。此时，随着相长干涉与相消干涉的变化，光线强度的程度会极大变化。于是，控制部130可以求出代表光线强度变化程度的标准偏差，检测杯子200内的微生物，测量他们的分布图。

例如，控制部130可以将在每个预先确定的时间测量的激光散斑影像合成，在所合成的影像中计算激光散斑随着时间的光线强度标准偏差。激光散斑随时间的光线强度标准差可以基于以下数学式4而计算。

【数学式4】

在数学式4中，S可以代表标准偏差，(x,y)可以代表照相机像素坐标，T可以代表总测量时间，t可以代表测量时间，I_t可以代表在t时间测量的光线强度，

可以代表随着时间的平均光线强度。

相长及相消干涉图案随着微生物的移动而变化，基于数学式4计算的标准偏差值增大，因此，基于此可以测量微生物的浓度。但是，本发明不根据上述数学式4而限定测量微生物浓度的方法，以利用所检测的激光散斑差异的任何方法，均可测量微生物的浓度。

而且，控制部130也可以基于激光散斑的光线强度的标准偏差值的大小与微生物浓度的线性关系而推定流体中包含的微生物的分布图，即浓度。

另一方面，多重散射扩增区域165可以使从流体L射出的波的至少一部分重新反射到流体L内，扩增流体L中的多重散射次数。多重散射扩增区域165可以包括多重散射物质(multiple scattering material)。例如，多重散射物质可以包括折射率较大的具有微米大小以下直径的颗粒，例如，氧化钛(TiO2)纳米颗粒。此时，多重散射扩增区域165可以在杯容纳部160的底部(参照图4的161)和壁体部(参照图4的163)的表面涂覆多重散射物质而形成。但是，本发明不限于此，作为另一实施例，也可以通过在底部(参照图4的161)和壁体部(参照图4的163)本身涂覆多重散射物质而形成多重散射扩增区域165。

另一方面，多重散射扩增区域165的至少一部分可以由使从流体L射出的波全部反射到流体L的反射区域167构成。反射区域167可以使波从流体L向水质检测仪100外部的射出实现最小化，从而扩增检测部120的微生物感知率。反射区域167可以相对于波从波源110入射的入射区域而相向地配置。反射区域167可以使从波源110照射的波全部反射到流体L内，从而可以增加可在流体L中多重散射的波量，由此，可以扩增检测部120中的微生物感知率。作为另一实施例，除向检测部120射出的波的移动路径之外的多重散射扩增区域165的全体区域，也可以由反射区域构成。

如果再次参照图1，根据本发明一个实施例的水质检测仪100可以还包括警报单元140。而且，水质检测仪100可以通过网络而与外部的终端20或服务器(图上未示出)连接。

警报单元140如果从控制部130输入代表存在微生物的信号t1，则可以将其通知使用者。警报单元140可以利用声音、光中至少任一种向外部通知流体内存在微生物。警报单元140可以包括通过光生成警告信号的诸如LED的照明装置及通过声音生成警告信号的扬声器(图上未示出)，光和声音可以同时生成。

另外，水质检测仪100可以还包括能够与使用者的终端20通信的通信装置(图上未示出)。警报单元140如果从控制部130输入代表存在微生物的信号t1，则可以通过无线或有线的通信装置(图上未示出)而向终端20提供包括微生物感知信号的信息。另外，虽然未图示，警报单元140也可以向服务器(图上未示出)提供上述信息。水质检测仪100如果通过警报单元140上传了微生物感知与否、微生物感知时间、微生物浓度相关的信息，则可将其登记于服务器(图上未示出)，并提供其他使用者可以查询服务器(图上未示出)中登记的数据的界面。根据一个实施例的水质检测仪100可以通过上述过程，将微生物发生情况等构建成数据库。终端20可以是能够在有线、无线通信环境下利用web服务的个人计算机或便携终端。

如果参照图3至图7，根据本发明一个实施例的水质检测仪100可以包括波源110、检测部120、本体150、杯容纳部160。另外，虽然图3至图7中未图示，水质检测仪100可以还包括图1中说明的控制部(图1的130)及警报单元(图1的140)。其中，波源110及检测部120已在图1等中说明，因而省略其详细说明。

本体150构成水质检测仪100的外形，在其内部可以形成有波源110、检测部120、杯容纳部160。在图中，图示了本体150整体上构成偏心的流线形(甚至于从上面观察时为鸡蛋形)且形成有杯子200可以从上部插入到内侧的杯容纳部160的情形，但本发明的思想不限于此，本体150的大小、形状、材质或杯容纳部160在本体150中形成的位置可以多样地变更。

杯容纳部160可以以杯子200能够从本体150的上部插入到内侧(即，中心部侧)的方式形成。杯容纳部160可以包括底部161及壁体部162。如果将其不同地表达，也可以表达为借助于底部161和壁体部162而形成杯子200可以容纳、安放的杯容纳部160。

底部161构成杯容纳部160的底面，以大致扁平的形状形成。在这种底部161的至少一部分，可以形成有上述多重散射扩增区域165。

其中，根据本发明一个实施例的水质检测仪100的特征在于，在底部161凸出形成有三个以上的支撑部161a，稳定地支撑杯容纳部160中容纳的杯子200。

详细而言，盛装流体的杯子200的外形多样且一些杯子的底面可能不平坦。此时存在的问题是，将杯子200安放于杯容纳部160时，杯子200不是静止而是细微地晃动，可能发生测量值的误差。

为了解决这种问题，本发明的一个实施例的特征在于，在底部161凸出形成有三个以上的支撑部161a，稳定地支撑杯容纳部160中容纳的杯子200。

如果如此在底部161凸出形成三个以上的支撑部161a，则底部161与杯子200的底面不是进行面接触而是进行三点(或其以上)接触，通过这种三点接触，可以使在杯子200底面不平坦时可能发生的细微晃动实现最小化，提高反复测量时的精密度。

另一方面，壁体部162从底部161向大致垂直的方向形成，以环形形成，以便能够在内部容纳杯子200。在这种壁体部162的至少一部分，可以形成上述多重散射扩增区域165及/或反射区域167。

其中，根据本发明一个实施例的水质检测仪100的特征在于，壁体部162与底部161构成的角α并非准确地为直角，而是稍稍倾斜(即，歪斜)地形成。

详细而言，根据本发明一个实施例的水质检测仪100为了容纳杯子200，杯容纳部160所形成的部分为开放的结构。如上所述，在一面(的至少一部分)开放的结构中，当激光因反射而导致光散射时，散射的光的一部分泄露到开放的结构外，检测部(参照图1的120)接受的光量发生损失，存在给通过光散射分析的结果带来影响的问题。

为了解决这种问题，本发明的一个实施例的特征在于，壁体部162与底部161构成的角α并非准确地为直角，而是稍稍倾斜地形成。即，以壁体部162与底部161构成的角α大致为85°至88°的方式形成壁体部162，使被壁体部162反射的激光朝向开放的面的相反侧而减少光量的损失，从而可以提高光散射效果。

换言之，也可以表达为壁体部162以入口越向上(即越向+Z轴方向)越窄的方式形成，或者，还可以表达为直径越向上越逐渐减小。根据这样的本发明，可以减小波源110射出的光泄露到外部的损失，从而提高光散效果。

另一方面，杯子200可以包括不透明部210。详细而言，当杯子200的全体面均透明地形成时，激光泄露到外部，对使用者而言，会发生眩目现象。另外，为了利用水质检测仪100而检测杯子200内流体的水质，还存在需显示所需最小限度的流体量的必要性。

为了解决这种问题，杯子200的至少一部分，具体而言，直至杯子200侧面下部的既定高度形成不透明部210，可以在向使用者显示为了检测流体的水质所需的最小限度的流体量的同时，获得使使用者不直接用肉眼观察激光的效果。

图8a至图8c是图示根据本发明一个实施例的水质检测仪中随着流体内细菌浓度的时间相关性系数的图表。图8a至图8c是当向杯子200中盛装的流体内人为投入微生物时，显示随着其浓度的时间相关性系数的变化。

在图8a至图8c的图表中，x轴是关于时间t的轴，y轴是关于时间相关性系数(C(t))的轴。其中，虚线L2代表检测部120事先设置的激光散斑的时间相关性系数的基准值。另外，实线L1代表通过检测部120而随着时间所获得的激光散斑的时间相关性系数的测量数据。

图8a的实线L1显示在不向流体内投入微生物的情况下，通过检测部120而获得的激光散斑的时间相关性系数。如果参照图8a，当不存在流体内微生物时，流体内散射而发生的激光散斑没有变化，因而可知时间相关性系数也随着时间而几乎既定，未超过事先设置的基准值L1。

图8b的实线L1显示在向流体内投入4ml的10^0cfu/ml浓度的微生物的情况下，通过检测部120而获得的激光散斑的时间相关性系数。另外，图8c的实线L1显示在向流体内投入4ml的10^1cfu/ml浓度的微生物的情况下，通过检测部120而获得的激光散斑的时间相关性系数。

如果参照图8b及图8c，当存在流体内微生物时，流体内散射而发生的激光散斑随着时间而变化，因此，时间相关性系数在感知微生物的时间点发生改变。图8b及图8c的经阴影处理的区域(Bacteria Deteting Signal)显示出在感知这种微生物的时间点的时间相关性系数的变化，可以确认，微生物的浓度越高，时间相关性系数的峰值越高。另一方面，在图8b及图8c的经阴影处理的区域中，检测部120在激光散斑的时间相关性系数L1超过作为事先设置的基准值的虚线L2时，可以判断为存在微生物。此时，当存在微生物时，检测部120感知微生物所花费的测量时间可以是从时间相关性系数急剧变化的时间点至与作为基准值的虚线L2相交的时间点的区间，当参照图8b及图8c时，可以确认为约0.2秒以内。

由此可以确认，根据本发明一个实施例的水质检测仪可以在0.2秒以内的极短时间，换言之，实时(real-time)感知作为流体内杂质的微生物。另外可以确认，根据本发明一个实施例的水质检测仪利用时间相关性系数的变化率或峰值而推定微生物的浓度。另外可以确认，水质检测仪即使在微生物浓度低的情况(10^0cfu/ml)下也能够检测。

如前所述，根据本发明一个实施例的水质检测仪利用了激光散斑的时间相关性的变化，从而可以以低廉的费用迅速推定流体内微生物的存在与否或浓度。

下面对根据本发明另一实施例的水质检测仪的微生物检测方法进行说明。根据本发明另一实施例的水质检测仪的微生物检测方法的特征在于，利用空间相关性替代时间相关性，检测流体内微生物的存在与否或浓度。以下对此进行详细说明。

图9至图10是用于说明根据本发明另一实施例的水质检测仪检测微生物的原理的图。

如果参照图9至图10，控制部130可以从检测部120接受提供按时序序列测量的光学图像，从光学图像判断样本内的微生物的浓度信息。

控制部130可以获得干涉图案的空间相关性(spatial correlation)。其中，以下述公式给出的空间相关性可以用既定范围的数字表现出在时间t测量的图像上，任意像素与相距该像素距离r的像素具有何等相似的亮度(参考图10的(b)。既定范围可以是-1至1的范围。即，空间相关性代表任意像素与其他像素之间的相关性为何种程度，如果是1，则代表正相关性，如果是-1，则代表负相关性，如果是0，则代表没有相关性。具体而言，在形成干涉图案之前，亮度均匀地射出，因而样本图像的空间相关性可以显示出近似1的正相关性，但形成干涉图案后，相关性的值会向靠近0的方向下降。

在检测部120中，可以将处于r'＝(x,y)位置的像素在时间t测量的亮度定义为I(r',t)，将相距r的像素的亮度定义为I(r'+r,t)。如果利用其定义空间相关性，则可以如下面数学式5所示。

【数学式5】

C₀(t)用于将数学式5的范围调节到-1至1。如果任意像素在时间t测量的亮度I(r',t)与相距距离r的像素的亮度I(r'+r,t)相同，则空间相关性导出1，如果不相同，则导出小于1的值。

作为一个实施例，本发明也可以只以关于时间的函数来表现上述空间相关性。为此，控制部130可以从任意像素，针对具有相同大小的r的像素，如下述数学式6所示求出空间相关性的平均(参照图10的(b))。

【数学式6】

作为一个实施例，控制部130可以将事先设置的距离代入所述数学式6，以关于时间的函数表现，可以利用该函数，通过作为既定范围的0至1之间的值，确认干涉图案形成的程度(参照图10的(d))。

控制部130也可以通过样本图像随着时间的图案变化来区分样本内异物与微生物。就异物质而言，即使经过时间，也没有图像上的变化，但就微生物而言，形状、大小等图像随着时间而变化，因此，水质检测仪100能够区分异物质与微生物。

另一方面，控制部130也可以如下利用空间相关性判断微生物的浓度信息。可以利用一个图像生成重叠的2个相同的图像，使两个之一的图像向一个方向按事先设置的距离位移(shift)后，分析在位移的图像与未位移的图像之间，邻接的两个像素在何等类似，由此获得空间相关性。其中，空间相关性成为代表图像何等均一的尺度，当因为菌落而形成干涉图案时，由于细小的干涉图案，邻接的两个像素的类似度下降，因而空间相关性的值也下降。

这种空间相关性系数(spatial correlation coefficient)根据位移的距离r而变化(参照图9的(b))，在既定距离范围内，作为位移的距离的r越增加，该值越下降，在超过既定距离范围的情况下，具有几乎既定的值。因此，为了获得更有意义的空间相关性，控制部130可以使图像按事先设置的既定距离以上位移而获得空间相关性。此时，事先设置的既定距离r依赖于散斑尺寸，控制部130在以像素单位表现时，可以使图像按大于散斑尺寸的像素位移而获得空间相关性。例如，所述事先设置的既定距离可以是最小3像素以上的距离。

另一方面，不仅是如上所述的空间相关性，控制部130也可以获得所测量的样本图像的干涉图案的时间相关性(temporal correlation)，基于所获得的时间相关性而检测微生物。控制部130可以利用按时序测量的干涉图案的图像信息而计算图像间的时间相关性系数(temporal correlation coefficient)，基于时间相关性系数，检测样本内微生物群落。

控制部130可以通过所计算的时间相关性系数下降到事先设置的基准值以下的分析而检测微生物。

为了上述分析，根据本发明一个实施例的水质检测仪100可以还包括用于使入射到杯子200的光在样本内多重散射(multiple scattering)的次数扩增的多重散射扩增构件。例如，多重散射扩增构件(图上未示出)可以配备于波源110与杯子200之间或杯子200与检测部120之间的光的移动路径上，使光的多重散射次数扩增。多重散射扩增构件(图上未示出)也可以以能加装于水质检测仪100或拆卸的结构形成并根据需要使用。通过前述构成，根据本发明一个实施例的水质检测仪可以在短时间内检测杯子200内的流体的微生物。

截止目前，针对本发明以优选实施例为中心进行了考查。本发明所属技术领域的普通技术人员会理解，在不超出本发明的本质特性的范围内，可以以变形的形态体现本发明。因此，所述公开的实施例应从说明的观点而非限定的观点加以考虑。本发明的范围在权利要求书而非前述说明中显示，与之同等范围内的所有差异点应解释为包含于本发明。

【工业实用性】

根据本发明的一个实施例提供一种水质检测仪。另外，可以在产业上利用的流体内杂质测量装置等中应用本发明的实施例。

Claims

1.一种水质检测仪，包括：

本体；

杯容纳部，所述杯容纳部从所述本体的一面向内侧方向形成，能够容纳盛装流体的杯子；

波源，所述波源朝向所述杯容纳部照射波；

检测部，所述检测部在每个事先设置的时间点，检测所述照射的波在所述流体内多重散射而发生的激光散斑；及

控制部，所述控制部利用所述检测的激光散斑，实时(real-time)推定所述流体内是否存在杂质。

2.根据权利要求1所述的水质检测仪，其中，

所述杯容纳部包括：

底部，所述底部在所述本体的内部形成；及

壁体部，所述壁体部从所述底部向所述本体的所述一面侧延长形成，以包围所述杯容纳部中容纳的所述杯子的侧面至少一部分的方式形成。

3.根据权利要求2所述的水质检测仪，其特征在于，

所述底部与所述壁体部构成的角度并非垂直。

4.根据权利要求3所述的水质检测仪，其特征在于，

所述角度为85°以上、88°以下。

5.根据权利要求2所述的水质检测仪，其特征在于，

所述壁体部以环形形成，以向所述本体的所述一面越来越窄的方式形成。

6.根据权利要求2所述的水质检测仪，其特征在于，

在所述底部，凸出形成有三个以上的支撑部。

7.根据权利要求6所述的水质检测仪，其特征在于，

所述各支撑部与所述杯子分别进行点接触。

8.根据权利要求2所述的水质检测仪，其特征在于，

所述底部或壁体部包括用于使所述波源照射的波在所述流体内多重散射的次数扩增的多重散射扩增区域。

9.根据权利要求8所述的水质检测仪，其特征在于，

所述多重散射扩增区域使从所述流体射出的所述波的至少一部分反射到所述流体而使在所述流体内的多重散射次数扩增。

10.根据权利要求1所述的水质检测仪，其特征在于，

所述控制部利用所述检测的激光散斑而获得所述检测的激光散斑的时间相关性，基于所述获得的时间相关性而实时推定所述流体内是否存在微生物。

11.根据权利要求10所述的水质检测仪，其中，

所述时间相关性包括在第一时间点检测的所述激光散斑的第一影像信息与在不同于所述第一时间点的第二时间点检测的所述激光散斑的第二影像信息的差异。

12.根据权利要求11所述的水质检测仪，其中，

所述第一影像信息与所述第二影像信息包括所述激光散斑的图案信息及所述波的强度信息中至少任一种。

13.根据权利要求1所述的水质检测仪，其特征在于，

所述控制部获得所述检测部检测的光学图像的干涉图案的空间相关性，以所述干涉图案的空间相关性随着时间的变化为基础，判断所述流体内是否存在微生物。

14.一种水质检测方法，包括：

能够容纳流体的杯子插入于杯容纳部的步骤；

借助于波源而向容纳所述杯子的杯容纳部照射具有干涉性的波的步骤；

借助于检测部而在每个事先设置的时间点检测所述波源照射的波在所述流体内多重散射而发生的激光散斑的步骤；及

借助于控制部而利用所述检测的激光散斑来实时推定所述流体内是否存在微生物的步骤。