KR100460202B1 - A system of pH image detection based on the line scanning - Google Patents
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Abstract
미생물 및 세포의 물질대사에 의해 나타나는 확산 속도 및 이차원 농도 분포를 얻기 위한 기존의 pH 이미지 검출 방법에서는 센서 표면에 레이저 빔을 이동시켜 이차원적인 pH 분포를 측정하였다. 하지만, 이는 광원의 위치를 이차원적으로 미세 조정하여 주사하므로 광원의 정밀한 위치 제어장치가 필요하게 되며, 하나의 이미지를 얻기 위해 모든 화소에 대한 광전류 측정으로 많은 시간이 필요하게 된다.In the conventional pH image detection method for obtaining diffusion rate and two-dimensional concentration distribution caused by the metabolism of microorganisms and cells, the two-dimensional pH distribution was measured by moving a laser beam on the sensor surface. However, this requires precise positioning control of the light source because two-dimensional fine-tuning of the position of the light source is required, and a large amount of time is required for photocurrent measurement for all pixels in order to obtain one image.
본 발명은 pH의 이차원 분포를 고속으로 검출하기 위한 이미지 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 센서면에 특정 전위를 인가하기 위한 전위차계(310)와, 원하는 전위차이를 유지 및 보상하기 전극부(330)와, 수소 이온을 감지하고 해당 광 전류를 발생하기 위한 센서부(340)와, 위치별로 발생된 복합 광전류의 주파수 성분을 분석하기 위한 전류 검출부(350)와, 검출된 전류를 주파수 성분별로 표시하여 결과를 표시하기 위한 디스플레이부(360), 및 위치별로 서로 다른 주파수를 가지도록 변조하기 위한 라인 광학부(370)로 구성된 것을 특징으로 하는 라인 스캔형 pH 이미지 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image detecting apparatus and method for detecting a two-dimensional distribution of pH at high speed, comprising: a potentiometer 310 for applying a specific potential to a sensor surface, and an electrode portion 330 for maintaining and compensating a desired potential difference. The sensor unit 340 for detecting hydrogen ions and generating a corresponding photocurrent, the current detector 350 for analyzing frequency components of the complex photocurrent generated for each position, and the detected current for each frequency component are displayed. It relates to a line scan type pH image detection device and method characterized in that it comprises a display unit 360 for displaying a, and a line optical unit 370 for modulating to have a different frequency for each position.
Description
바이오 센서는 생체 물질만이 갖는 분자간의 선택적인 반응성을 이용하여 다양한 생리 활성 물질의 농도를 신속하게 정량할 수 있는 센서를 말한다. 최근에는 이러한 바이오 센서와 반도체 센서를 결합한 신호 감지 및 처리 방법이 개발되고있으며, 감지 대상 물질과의 상호작용에 의해 형성된 구조의 산화ㆍ환원 반응을 이용하는 광지시 전위차계 센서 (LAPS : light-addressable potentiometric sensor), 센서에 도달하는 복사선의 광물리학적인 특성을 이용한 표면 플라즈몬 공명 (SPR : surface plasmon resonance) 소자, 및 물질의 흡착에 따른 진동자의 주파수 변화를 감지하는 표면 탄성파 (SAW : surface acoustic wave) 소자 등이 있다.The biosensor refers to a sensor capable of quickly quantifying concentrations of various bioactive substances by using selective reactivity between molecules of a biomaterial only. Recently, a method of detecting and processing a signal combining a bio sensor and a semiconductor sensor has been developed, and a light-addressable potentiometric sensor (LAPS) using an oxidation / reduction reaction of a structure formed by interaction with a substance to be detected is developed. ), Surface plasmon resonance (SPR) devices using the photophysical characteristics of the radiation reaching the sensor, and surface acoustic wave (SAW) devices that detect the change in frequency of the vibrator due to the adsorption of materials. There is this.
이 중 LAPS는 반도체에 가해지는 광자극 및 화학 반응에 의해 나타나는 전기 신호를 측정하는 것으로, 광자극에 의해 측정 대상의 위치를 선택하므로 센서 어레이 구성시 별도의 구동 회로가 필요 없어 구조가 간단하고, 동일 소자 위에서 동시에 다종의 물질 분석이 가능한 장점을 가지고 있다. 이 밖에도 반도체 공정에 의한 제작으로 규격화 및 집적화가 용이하다.Among them, LAPS measures the electrical signals generated by photo-stimulation and chemical reactions applied to the semiconductor. Since the position of the measurement target is selected by the photo-stimulation, the structure is simple because no separate driving circuit is required when constructing the sensor array. The advantage is that multiple materials can be analyzed simultaneously on the same device. In addition, it can be easily standardized and integrated by fabrication using a semiconductor process.
LAPS는 미생물 농도에 따른 생화학 반응에 의해 발생하는 수소이온의 양이 달라짐을 이용한 것으로, pH 변화량을 검출함으로써 미생물의 농도를 간접적으로 측정하게 된다. 그러므로, 최근에 간단한 구조로 여러 대상물을 동시에 측정할 필요가 있는 미생물ㆍ독소의 농도 검출에 대표적으로 사용되고 있으며 환경, 군사용, 및 생물학 연구에 널리 이용될 것으로 예견된다.LAPS is used to change the amount of hydrogen ions generated by the biochemical reaction according to the concentration of the microorganism, and indirectly measures the concentration of the microorganism by detecting the pH change. Therefore, it is recently used for the detection of the concentration of microorganisms and toxins that need to measure several objects simultaneously with a simple structure, and is expected to be widely used for environmental, military, and biological research.
또한, 미생물 및 세포의 물질대사에 의해 나타나는 확산 속도 및 이차원 농도 분포를 얻기 위하여 LAPS 표면에 레이저 빔을 이동시켜 이차원적인 pH 분포를 측정하는 pH 이미지 검출 및 미세 조직의 관찰을 위한 고분해능 pH 이미지 센서에 관한 연구가 수행하였다.In addition, in order to obtain the diffusion rate and two-dimensional concentration distribution caused by the metabolism of microorganisms and cells, a high resolution pH image sensor for pH image detection and microstructure observation, which measures the two-dimensional pH distribution by moving the laser beam on the surface of the LAPS. A study was conducted.
pH 이미지 센서는 pH의 2차원적 분포 및 특정 이온이나 미생물 분자의 농도를 가시화할 수 있는 센서이다.pH image sensors are sensors that can visualize the two-dimensional distribution of pH and the concentration of specific ions or microbial molecules.
이러한 pH이미지 센서의 개념도를 도 1에 나타내었다. pH 이미지는 공핍층의 정전용량 변화를 변조된 광에 의해 발생하는 교류 광전류로 측정하는 LAPS의 원리를 이용함으로써 얻을 수 있다.A conceptual diagram of such a pH image sensor is shown in FIG. 1. The pH image can be obtained by using the principle of LAPS, which measures the change in capacitance of the depletion layer by the alternating photocurrent generated by the modulated light.
센서(110) 내에 존재하는 공핍층의 폭은 미생물에 의한 이온 농도에 의존하므로, 변조된 광(120)이 감지면을 스캔할 때 각 화소에 해당하는 광전류를 검출 회로(130)을 이용하여 측정함으로써 센서 표면에서의 pH 분포를 검출하게 된다. 이러한 pH 이미지는 전기화학 및 생물학 분야에서 생화학 반응 과정에서 나타나는 화학 물질 변화를 가시화 하는데 사용될 수 있다.Since the width of the depletion layer existing in the sensor 110 depends on the ion concentration by the microorganism, when the modulated light 120 scans the sensing surface, the photocurrent corresponding to each pixel is measured using the detection circuit 130. This detects the pH distribution on the sensor surface. Such pH images can be used to visualize chemical changes that occur during biochemical reactions in the electrochemical and biological fields.
pH의 공간적인 분포를 관찰하기 위한 종래의 방법에서는 화소별로 광반응에 의해 발생하는 광전류를 검출하게 된다. 화소별 pH 이미지 검출을 위한 종래의 시스템 및 개념도를 도 2에 나타내었다.In the conventional method for observing the spatial distribution of pH, the photocurrent generated by the photoreaction for each pixel is detected. A conventional system and conceptual diagram for pixel-by-pixel pH image detection are shown in FIG. 2.
도 2 (a)에서 종래의 pH 이미지 검출 시스템은 센서면에 원하는 직류 전압을 발생시키기 위한 직류 전압 가변부(211)과 직류전압 인가부(212)로 구성된 전위차계(210)와 상기 전위차계에 의해 발생한 직류 전압을 센서면에 인가하기 위한 기준전극(231)과 기준 전극의 전압 변화를 보상하기 위한 제어전극(232)로 구성된 전극부(230)와 수소 이온 감지를 위한 감지막(241)과 절연체(242) 및 전자-정공쌍이 발생되고 이들의 이동에 의해 정전 용량 변화가 일어나는 실리콘 웨이퍼(243)으로 구성된 센서부(240)과 변조 신호 성분을 증폭하고 검출하기 위한 신호 검출부(250)과 검출된 화소별 측정값을 모아 2차원 영상으로 표시하기 위한 디스플레이부(260)과센서에 인가되는 광을 발생하는 광원부(271)과 발생 광원의 조사 위치를 조절하기 위한 위치 조절부(272, 273)와 조사광의 초점을 맞추기 위한 렌즈(274)로 구성된 광인가부(270)으로 구성된다.In FIG. 2 (a), the conventional pH image detection system is generated by a potentiometer 210 and a potentiometer 210 composed of a DC voltage varying unit 211 and a DC voltage applying unit 212 for generating a desired DC voltage on a sensor surface. An electrode unit 230 including a reference electrode 231 for applying a DC voltage to the sensor surface and a control electrode 232 for compensating for the voltage change of the reference electrode, a sensing film 241 for detecting hydrogen ions, and an insulator ( 242 and a sensor unit 240 composed of a silicon wafer 243 in which an electron-hole pair is generated and a capacitance change occurs due to the movement thereof, a signal detector 250 for amplifying and detecting a modulation signal component, and a detected pixel. The display unit 260 for collecting the measured values of each star and displaying them in a two-dimensional image, the light source unit 271 for generating light applied to the sensor, and the position adjusting units 272 and 273 for adjusting the irradiation position of the generated light source. Broad It consists of a light applying unit 270 composed of a lens 274 for focusing.
이상과 같은 구조를 가진 pH이미지 센서의 동작을 살펴보면 다음과 같다. EIS구조의 센서 감지막위에 분포된 특정 2차원 pH이미지를 검출하기 위하여 전위차계(210)에서 전극부(230)를 통해 전해질(220)에 인가되는 직류 전압을 고정해 두면, 표면 pH에 따라 출력 전류가 다르게 나타나게 된다. 또한, 광인가부(270)에서는 센서면에 광자극을 동시에 인가하게 된다. 이때 광자극이 인가되는 위치에서의 pH값에 해당하는 광전류가 발생하게 되고, 이 광전류를 신호 검출부(250)에서 검출하여 해당 위치의 pH 값을 저장한다.The operation of the pH image sensor having the above structure is as follows. In order to detect a specific two-dimensional pH image distributed on the sensor sensing film of the EIS structure, when the DC voltage applied to the electrolyte 220 is fixed through the electrode part 230 in the potentiometer 210, the output current depends on the surface pH. Will appear differently. In addition, the light applying unit 270 simultaneously applies a photo stimulus to the sensor surface. At this time, a photocurrent corresponding to a pH value at the position where the photostimulation is applied is generated, and the photocurrent is detected by the signal detector 250 to store the pH value at the position.
특정 위치에 해당하는 pH값을 검출한 후에 광인가부의 위치 조절부(272,273)에 의해 광자극 위치가 이동하게 되고, 이동한 위치에서의 pH값을 상기 과정과 같이 검출함으로써 다음 화소에 대한 pH값을 얻게 된다. 이러한 과정을 각 화소별로 수행하여 2차원적으로 표시함으로써 pH이미지를 얻을수 있다.After detecting the pH value corresponding to the specific position, the photostimulation position is moved by the position adjusting units 272 and 273 of the light applying unit, and the pH value for the next pixel is detected by detecting the pH value at the moved position as described above. You get This process can be performed for each pixel to display the pH in two dimensions.
도 2b는 이러한 종래의 pH 이미지 검출 개념도를 나타낸 것으로 특정 위치의 광 출력은 광조사 위치에 따른 전류이며Figure 2b shows such a conventional pH image detection conceptual diagram that the light output of a specific position is the current according to the light irradiation position And
[ 수학식 1 ][Equation 1]
와 같다. 이는 조사광의 주파수 성분을 포함한 전류의 진폭로 나타난다. 즉, 가로 X, 세로 Y의 화소수를 가진 pH 이미지는 각 화소에서 나타나는 전류값의 이차원적 분포를 나타냄으로써 얻을 수 있으므로,Same as This is the amplitude of the current, including the frequency component of the irradiated light Appears. That is, the pH image with the number of pixels in the horizontal X and vertical Y Is the current value displayed at each pixel By representing the two-dimensional distribution of
[ 수학식 2 ][Equation 2]
와 같이 나타난다.Appears as
이러한 기존 방법에서는 각 화소의 위치 정보를 파악하기 위하여 광원의 위치를 이동시키거나 가로 및 세로 방향으로 광원의 위치를 변화시키기 위하여 미세 거울을 이동함으로써 순차적으로 출력값을 읽어 내어 재구성하게 된다. 그러나 이러한 방법은 이미지 구성을 위하여 각 화소별로 출력을 검출해야 하므로 측정시간이 길어지며, 높은 공간 분해능을 위해서는 광원의 위치 이동을 위한 X, Y 주사용 거울의 미세한 조정 장치 및 구동을 위한 제어가 필요하며 광원을 센서면에 유도하기 위한 복잡한 광학부가 필요하게 된다.In this conventional method, the output values are sequentially read out and reconstructed by moving the position of the light source to grasp the position information of each pixel or by moving the fine mirror to change the position of the light source in the horizontal and vertical directions. However, this method requires a long measurement time because the output must be detected for each pixel in order to construct an image, and fine adjustment of the X and Y scanning mirrors for position shift of the light source and control for driving the high spatial resolution are required. And complex optics are needed to guide the light source to the sensor surface.
본 발명에서는 pH의 이차원 분포를 고속으로 검출하기 위한 이미지 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다. 제안한 pH 이미지 검출 방법에서는 각 화소별로 다른 주파수로 변조된 광을 인가한 후, 주파수 성분별로 위치를 확인함으로써 한 라인의 신호 성분을 동시에 측정할 수 있음을 이용하였다. 이는 고속 pH 분포 검출뿐만 아니라, 현재 관심을 모으고 있는 DNA 또는 단백질 칩의 고속 디지털 신호 분석 장치에 활용할 수 있을 것이다.The present invention relates to an image detection system and method for detecting a two-dimensional distribution of pH at high speed. In the proposed pH image detection method, a signal component of one line can be measured simultaneously by applying a modulated light with a different frequency for each pixel and then confirming the position for each frequency component. In addition to high-speed pH distribution detection, it could be used for high-speed digital signal analysis of DNA or protein chips of interest.
도 1은 pH 이미지 센서의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a pH image sensor.
도 2a 및 도 2b는 기존 pH 이미지 센서의 검출 시스템 및 개념도를 보인 것이다.2A and 2B show a detection system and a conceptual diagram of a conventional pH image sensor.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 이미지 검출 시스템 및 개념도를 보인 것이다.3A and 3B show an image detection system and a conceptual diagram of the present invention.
도 4는 본 발명에 사용된 광신호 변조부의 구성도를 보인 것이다.Figure 4 shows the configuration of the optical signal modulator used in the present invention.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 사용된 회전 격자 및 거리에 따른 주파수 특성을 보인 것이다.5a and 5b shows the frequency characteristics according to the distance and the rotation grating used in the present invention.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 의한 영상의 검출 과정 및 라인 영상 검출 과정도를 나타낸 것이다.6A and 6B illustrate a process of detecting an image and a process of detecting a line image according to the present invention.
본 발명에서는 기존의 방법에서 나타나는 문제점들을 해결하기 위하여 라인별 출력에 의한 pH 이미지 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이는 각 화소별로 나타나는 출력을 검출하는 대신에 한 라인에 대하여 각 화소별로 서로 다른 주파수 성분의 광을 인가했을 때 나타나는 출력을 주파수 성분별로 재구성함으로써 한번에 한 라인의 출력을 얻을 수 있다.The present invention relates to a pH image detection system and method by line-by-line in order to solve the problems appearing in the conventional method. Instead of detecting the output of each pixel, the output of one line can be obtained at a time by reconstructing the output of the frequency component by the frequency component for each pixel.
본 발명의 pH이미지 검출 시스템을 도 3에 나타내었다. 본 발명의 pH이미지 검출 시스템은 센서면에 원하는 직류 전압을 발생시키기 위한 직류전압 가변부(311)과 직류전압 인가부(312)로 구성된 전위차계(310)와 상기 전위차계에 의해 발생한 직류 전압을 센서면에 인가하기 위한 기준전극(331)과 기준 전극의 전압 변화를 보상하기 위한 제어전극(332)로 구성된 전극부(330)와 수소 이온 감지를 위한 감지막(341)과 절연체(342) 및 전자-정공쌍이 발생되고 이들의 이동에 의해 정전 용량 변화가 일어나는 실리콘 웨이퍼(343)으로 구성된 센서부(340)과 신호 증폭, 주파수 성분 분석 및 검출을 위한 신호 검출부(350)과 검출된 화소별 측정값을 모아 2차원 영상으로 표시하기 위한 디스플레이부(360)과 센서면에 인가될 광은 발생하기 위한 광원부(371)와 광원부에서 발생된 광을 센서 길이로 확장하기 위한 확장 렌즈(372)와 확장된 광을 위치별로 서로다른 주파수를 가지도록 변조하기 위한 회전 격자(373)와 회전 격자에 의해 변조된 광을 센서의 한 라인에 한정하여 인가하기 위한 슬릿(374)으로 구성된 라인 광학부(370)으로 구성된다.The pH image detection system of the present invention is shown in FIG. The pH image detection system according to the present invention includes a potentiometer 310 composed of a DC voltage varying unit 311 and a DC voltage applying unit 312 for generating a desired DC voltage on the sensor surface, and a DC voltage generated by the potentiometer. An electrode portion 330 comprising a reference electrode 331 for applying to the control electrode and a control electrode 332 for compensating for the voltage change of the reference electrode, a sensing film 341 and an insulator 342 for detecting hydrogen ions, and an electron- The sensor unit 340 composed of the silicon wafer 343 in which the hole pairs are generated and the capacitance changes by the movement thereof, the signal detector 350 for signal amplification, frequency component analysis and detection, and the detected pixel-specific measurement values are The display unit 360 for collecting and displaying the 2D image and the light to be applied to the sensor surface are extended with the light source unit 371 for generating and the extension lens 372 for extending the light generated from the light source to the sensor length. Line optics 370 comprising a rotating grating 373 for modulating the light to have different frequencies for each position and a slit 374 for applying the light modulated by the rotating grating to one line of the sensor. It is composed.
이상과 같은 구조를 가진 pH이미지 센서의 동작을 살펴보면 다음과 같다.The operation of the pH image sensor having the above structure is as follows.
EIS구조의 센서 감지막위에 분포된 특정 2차원 pH이미지를 검출하기 위하여 전위차계(210)에서 전극부(230)를 통해 전해질(220)에 인가되는 직류 전압을 고정해 두면, 표면 pH에 따라 출력 전류가 다르게 나타나게 된다. 또한, 광인가부(270)에서는 센서면에 광자극을 동시에 인가하게 된다. 이때 광자극이 인가되는 위치에서의 pH값에 해당하는 광전류가 발생하게 되고, 이 광전류를 신호 검출부(250)에서 검출하여 해당 위치의 pH 값을 저장한다.In order to detect a specific two-dimensional pH image distributed on the sensor sensing film of the EIS structure, when the DC voltage applied to the electrolyte 220 is fixed through the electrode part 230 in the potentiometer 210, the output current depends on the surface pH. Will appear differently. In addition, the light applying unit 270 simultaneously applies a photo stimulus to the sensor surface. At this time, a photocurrent corresponding to a pH value at the position where the photostimulation is applied is generated, and the photocurrent is detected by the signal detector 250 to store the pH value at the position.
특정 위치에 해당하는 pH값을 검출한 후에 광인가부의 위치 조절부(272,273)에 의해 광자극 위치가 이동하게 되고, 이동한 위치에서의 pH값을 상기 과정과 같이 검출함으로써 다음 화소에 대한 pH값을 얻게 된다. 이러한 과정을 각 화소별로 수행하여 2차원적으로 표시함으로써 pH이미지를 얻을수 있다.After detecting the pH value corresponding to the specific position, the photostimulation position is moved by the position adjusting units 272 and 273 of the light applying unit, and the pH value for the next pixel is detected by detecting the pH value at the moved position as described above. You get This process can be performed for each pixel to display the pH in two dimensions.
도 3 (b)는 본 발명의 이미지 검출 과정 개념도를 나타낸 것으로, 센서면에 광신호 변조부에 의해 해당 라인의 가로 방향으로 서로 다른 주파수 성분을 가지는 광원 신호가 인가된다. 즉, 가로 방향으로 변조된 광은개의 변조 주파수인를 각각 가진다. 이렇게 변조된 광을 센서면에 조사하면3 (b) shows a conceptual diagram of an image detection process according to the present invention, in which a light source signal having different frequency components in a horizontal direction of a corresponding line is applied by an optical signal modulator to a sensor surface. That is, the light modulated in the horizontal direction Modulation frequencies Each has When the modulated light is irradiated onto the sensor surface
[ 수학식 3 ][Equation 3]
과 같이 서로 다른 주파수 성분의 합에 해당하는 출력 신호을 얻게된다. 이 출력 신호를 이용한 가로 방향의 화소 성분은Output signal corresponding to the sum of different frequency components You get Horizontal direction using this output signal The pixel component of
[ 수학식 4 ][Equation 4]
와 같다. 여기서,는 광 변조부에서 변조된 주파수 성분을 나타내고 있으며,FFT[]는 주파수 성분 분석을 위한 고속 퓨리에 변환을 나타내고 있다. 따라서, 주파수 성분 분석에 의해 주파수별 진폭이 나타나게 되고, 이때의 각 주파수별 진폭이 센서면의 각 화소 위치에 따른 전류의 크기가 된다. 따라서, 한 라인에 대한 이미지를 동시에 얻을수 있다.Same as here, Is the frequency component modulated by the optical modulator. FFT [] shows the fast Fourier transform for frequency component analysis. Therefore, the frequency-specific amplitude appears by frequency component analysis, and the amplitude of each frequency at this time becomes the magnitude of the current according to each pixel position on the sensor surface. Thus, an image of one line can be obtained simultaneously.
개의 화소로 이루어지는 pH 이미지는 상기 수학식 4에서 구해진 각 라인의 전류를 세로 방향y의 화소 성분에 대하여 스캔함으로써 이차원 분포로 구성한 것으로 PH image with four pixels Is the current of each line obtained from Equation 4 To be configured in a two-dimensional distribution by scanning with respect to a pixel component in the vertical direction y
[ 수학식 5 ][Equation 5]
와 같이 얻어지게 된다. 따라서, 라인 이미지에 대한 y방향으로의 이차원적인 확장이 된다.Will be obtained as Thus, the line image This is a two-dimensional extension of the y direction.
제안한 라인 스캔형 이미지 검출 시스템을 위해서는 동일한 라인 내에 서로 다른 주파수 성분을 가지는 변조 광신호가 필요하다. 본 발명에서는 광신호 처리에 널리 사용되는 회전 격자를 이용하여 광신호를 변조하였다. 제안한 방법에 사용된 광신호 변조부의 구성도를 도 4에 나타내었다. 광원으로부터 나온 광을 확장 렌즈를 통하여 센서 길이로 확장하고 이를 회전 격자에 의해 중심으로부터 멀어질수록주파수가 증가하는 형태로 변조한 다음, 이를 LAPS의 측정면에 라인별로 인가하기 위해 슬릿을 통하여 한 라인의 변조광을 센서면에 조사한다. 센서면의 한 라인에 대한 출력 신호를 얻고 나면, 주파수 성분 분석을 위한 FFT를 수행하여 주파수별 진폭을 공간적으로 표시하여 라인 이미지를 검출하게 된다. 다음 라인의 측정을 위하여 센서를 라인 분해능만큼 수평 이동시킨 다음, 측정을 수행한다.The proposed line scan type image detection system requires a modulated optical signal having different frequency components in the same line. In the present invention, the optical signal is modulated using a rotating grating widely used for optical signal processing. The configuration diagram of the optical signal modulator used in the proposed method is shown in FIG. 4. The light from the light source is extended through the expansion lens to the sensor length and modulated in such a way that the frequency increases as it moves away from the center by the rotating grating, and then one line through the slit to apply it to the measuring surface of the LAPS line by line. Modulated light is irradiated onto the sensor surface. After obtaining the output signal for one line on the sensor surface, the FFT for frequency component analysis is performed to spatially display the amplitude for each frequency to detect the line image. To measure the next line, move the sensor horizontally by the line resolution, then perform the measurement.
본 발명에서 사용되는 회전 격자는 도 5 (b)와 같이 동일한 라인 내에 여러 주파수 성분이 일정한 간격으로 분포된 변조광을 발생시키기 위한 것이다. 이러한 회전 격자의 투과 함수를 극좌표계로 나타내면The rotating grating used in the present invention is to generate modulated light in which several frequency components are distributed at regular intervals in the same line as shown in FIG. The transmission function of this rotating grid is represented by polar coordinates
[ 수학식 6 ][Equation 6]
와 같다. 여기서,은 회전 격자 내에 포함된 격자의 가지수로 중심에서의 거리에 따라 변화하는 값이며, sgn(ㆍ)는 이진화를 위한 시그모이드 함수이다. 따라서, 광의 변조 주파수는 회전 격자의 회전수rot및 하나의 회전 격자에 구성된 격자수에 의해Same as here, Is the number of gratings included in the rotating grating and changes with distance from the center, and sgn (·) is a sigmoid function for binarization. Thus, the modulation frequency of the light Is the number of rotations rot of the rotating grid and the number of grids composed of one rotating grid By
[ 수학식 7 ][Equation 7]
과 같이 결정된다. 그러므로, 회전 격자를 설계하기 위해서는 광 변조 주파수의 범위, 격자수, 및 회전수를 고려하여야 한다. 본 발명에 사용될 회전 격자 설계를 위하여 각 화소의 위치별 광 변조 주파수을Is determined as follows. Therefore, to design a rotating grating, the range, the number of gratings, and the number of rotations of the optical modulation frequency should be considered. Optical modulation frequency for each pixel position for the rotating grating design to be used in the present invention of
[ 수학식 8 ][Equation 8]
과 같이 정의하였다. 여기서,는 중심으로부터 최내각 원주에서의 변조 주파수이고,는 인접 화소와의 주파수 차이이며,은 화소의 위치이다.It is defined as follows. here, Is the modulation frequency at the innermost circumference from the center, Is the frequency difference from adjacent pixels, Is the position of the pixel.
이와 같은 장치를 이용한 라인 스캔형 pH 이미지 검출을 위한 방법을 도 6에 나타내었다. 본 발명에 의한 라인 스캔형 pH 이미지 검출 방법은 센서면에 위치별로 서로 다른 주파수를 가지는 라인 광자극을 인가하는 광 자극 인가 단계(610)와 인가된 광자극에 의해 발생하는 센서 출력을 주파수 성분 분석을 통하여 한 라인에 대한 이미지를 검출하기 위한 라인 이미지 검출 단계(620)와 상기 검출된 다음 라인의 이미지 검출을 위해 이미지 검출 위치를 이동시키기 위한 이미지 위치 이동 단계(630)로 구성된다.6 shows a method for detecting a line scan type pH image using such an apparatus. In the line scan type pH image detection method according to the present invention, a frequency component analysis is performed on an optical stimulus applying step 610 for applying a line photostimulus having a different frequency to each sensor surface and a sensor output generated by the applied photostimulus. A line image detection step 620 for detecting an image for one line through the image position shifting step 630 for moving the image detection position for image detection of the next detected line.
한편, 상기 라인 이미지 검출 단계는 각 위치별로 서로 다른 주파수가 합해진 복합 센서 출력 신호를 검출하기 위한 복합 신호 검출 단계(621)와 상기 검출된 복합 신호에서 각 위치별 주파수 성분을 분석하기 위한 주파수 분석 단계(622)와 주파수 분석된 결과를 이용하여 한 라인에 해당하는 영상을 재구성하기 위한 라인 영상 재구성 단계(623)로 구성된 것을 특징으로 한다.The line image detection step includes a complex signal detection step 621 for detecting a complex sensor output signal having different frequencies added to each location, and a frequency analysis step for analyzing frequency components for each location in the detected complex signal. 622 and a line image reconstruction step 623 for reconstructing an image corresponding to one line using the frequency-analyzed result.
본 발명에서는 pH의 이차원 분포를 고속으로 검출하기 위한 라인 스캔형 이미지 검출 시스템의 신호 획득-처리 방법을 제안하였다. 제안한 라인 스캔형 pH 이미지 검출 방법에서는 광주파수 변조용 회전 격자를 이용하여 각 화소별로 다른 주파수로 변조된 광을 인가한 후, 주파수 성분별로 위치를 확인함으로써 한 라인의 신호 성분을 동시에 측정할 수 있음을 이용하였다. LAPS 소자를 이용하여 제안한 방법에 의한 이미지 검출은 기존의 방식보다 빨리 검출할 수 있다. 이는 고속 pH 분포의 검출 뿐만 아니라, 현재 관심을 모으고 있는 DNA 또는 단백질 칩의 고속 디지털 신호 분석 장치에 활용할 수 있을 것이다.In the present invention, a signal acquisition-processing method of a line scan type image detection system for detecting two-dimensional distribution of pH at high speed is proposed. In the proposed line scan type pH image detection method, the signal components of one line can be measured at the same time by applying the modulated light with different frequency for each pixel by using the optical grating rotation grating. Was used. The image detection by the proposed method using the LAPS device can be detected earlier than the conventional method. This could be used for high speed digital signal analysis of DNA or protein chips of interest, as well as detection of fast pH distribution.
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JPS6073449A (en) * | 1983-09-30 | 1985-04-25 | Toshiba Corp | Device for measuring ph of high-temperature water |
JPS60177257A (en) * | 1984-02-23 | 1985-09-11 | Toshiba Corp | Device for monitoring ph in high-temperature water gap |
JPH09203723A (en) * | 1995-11-24 | 1997-08-05 | Horiba Ltd | Two-dimensional ph measuring device |
-
2002
- 2002-05-01 KR KR10-2002-0024881A patent/KR100460202B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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JPH09203723A (en) * | 1995-11-24 | 1997-08-05 | Horiba Ltd | Two-dimensional ph measuring device |
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