KR100903133B1 - 광공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서 및 센싱 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서 및 센싱 방법에 관한 것으로, 광 공동을 이용하여 펄스 형태 또는 급격하게 변화하는 형태의 입력광에 대해 출력광의 세기 감소율을 통해 혼탁도를 측정하는 방법을 제공하고자 한다.

혼탁도, 혼탁계, 광공동

Description

광공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서 및 센싱 방법 {Optical cavity enhanced turbidimeter and tubidity measure method }

본 발명은 광공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서 및 센싱 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두개의 고 반사율을 가지는 거울을 마주보도록 구성한 광 공동을 이용하여 펄스 형태 또는 급격하게 변화하는 형태의 입력광에 대해 출력광의 세기 감소율을 통해 혼탁도를 측정하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-007-02, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].

혼탁도는 액체 내의 부유물이나 빛을 산란시키는 입자의 양에 의해 좌우되는 광학적 특성이다.

액체에 대한 혼탁도 측정은 수질 검사 등의 환경분야나 면역비탁법 등의 임상 검사 등 여러 분야에 폭넓게 응용 가능하다.

특히 임상 검사 분야에서는 항원 항체 반응에 의한 용액 내 혼탁도 증가를 통해 해당 항원의 존재 유무를 판단하는 자동화 기기에 해당 기술이 적용되어 사용 된다.

혼탁도는 혼탁계 (Turbidimeter, Nephelometer) 를 사용하여 측정하는데, 일반적으로 혼탁계는 하나 혹은 둘 이상의 레이저 빔이나 백색광 빔을 액체를 담고 있는 용기에 투과시켜 광량의 감소량이나 용기 내부의 액체로부터 산란되어 나오는 광량을 측정하여 혼탁도를 결정한다.

둘 이상의 빔을 사용할 경우 각각의 빔에 의한 투과 혹은 산란광의 세기를 측정, 비교함으로써 혼탁도에 대한 감도를 향상시키고 잡음을 감소시킬 수 있다.

또한, 용기 벽이나 그 외 여러 광학 소자로부터 반사 혹은 산란되어 광검출기로 입사하여 잡음의 원인이 되는 것을 방지하기 위한 광학계의 배열 등을 조절할 수 있다.

이러한 혼탁계들에 사용되는 광학계에서 레이저광 또는 백색광 빔은 테스트 용액을 담고 있는 용기를 단 한번 통과하게 된다.

즉, 광이 단 한번 테스트 용액을 통과하는 동안의 산란 정도를 측정하게 되기 때문에 테스트 대상 용액의 양이 적거나 혼탁도에 관련한 입자 농도가 작은 경우 정확한 혼탁도 측정이 어렵게 된다.

이러한 사실은 측정 과정이 간단함에도 불구하고 면역 비탁법 등의 혼탁도 측정 방식이 샘플의 양이 적고 타겟 물질의 농도가 적은 의학 분야에서 고감도 영역 측정법으로 사용되지 못하는 원인이 된다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 테스트용 광이 샘플 용액이 담긴 용기를 두 번 이상 통과시키는 효과를 얻기 위해 용기를 두 개의 거울로 구성되는 광 공동 내부에 배치하여 펄스 형태 또는 급격하게 세기가 변하는 광원를 이용하여 광검출기에 검출되는 광의 세기가 감소하는 감소율을 측정하여 용기 내의 혼탁도를 결정하는 방법을 제공하고자 한다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 광공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서의 일 실시예는,특정 파장을 가진 빛을 출력하는 광원; 혼탁도를 측정하고자 하는 액체가 담긴 용기; 고 반사율 거울을 마주 보도록 구성하여 상기 광원의 출력이 상기 용기내의 액체를 반복하여 투과하게 하는 광공동; 상기 액체의 반복 투과 후 상기 광공동에서 출력되는 빛의 세기(intensity)를 측정하는 광검출부; 및 상기 광검출부의 측정 결과로부터 상기 용액을 반복 투과한 빛의 감소율을 계산하고, 상기 용기내의 용액이 없을때의 감소율과 비교하여 상기 용액의 혼탁도를 계산하는 제어부;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 광공동을 이용한 고감도 혼탁도 센싱 방법의 일 실시예는, 특정 파장을 가진 빛을 출력하는 광원 출력 단계; 고 반사율 거울을 마주 보도록 구성된 광공동의 일단을 통하여 상기 출력된 광원이 입력되는 입력단계; 상기 광공동으로 입력된 광원이 상기 광공동의 일단과 타 단에서 반복 반사되면서 혼탁도를 측정하고자 하는 액체를 반복 투과하는 단계;상기 광공동의 타단으로 상기 반복 투과된 빛이 출력되는 단계; 상기 광공동에서 출력된 빛의 세기(intensity)를 측정하는 단계; 및 상기 세기 측정 결과로부터 상기 용액을 반복 투과한 빛의 감소율을 계산하고, 상기 용기내의 용액이 없을때의 감소율과 비교하여 상기 용액의 혼탁도를 분석,계산하는 단계;를 포함한다.

본 발명은 광공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서로서, 액체 샘플에서의 혼탁도 측정에서 샘플 용액을 담는 용기를 광 공동 내부에 장치하여 광공동을 투과하여 나오는 펄스나 급격하게 변화하는 형태의 광 신호 감쇠의 감소율을 측정하여 혼탁도를 높은 감도로 측정할 수 있다. 이러한 혼탁도 측정 방식은 또한 작은 양의 샘플 용액에 대해서도 혼탁도 측정이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 광 공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서의 일 실시예를 보여주는 도면이다.

광원(100)은 백색광에 특정 파장을 통과시키는 필터를 사용하거나 레이저를 사용할 수 있다.

광학 스위치(101)는 광원(100)의 백색광이나 레이저 광을 조절하는 부분으로서, 광원(100)로부터 나오는 빛을 펄스로 바꾸거나 급격하게 차단하는 등 빛의 세 기에 변화를 주는 것이 가능한 전광 (Electro-Optic)효과 또는 음광 (Acousto-Optic) 효과 등 광학적 스위칭이 가능한 효과들을 이용하여 작동한다.

또한, 광원(100)을 펄스 레이저로 사용함으로써 광학 스위치 효과까지 동시에 얻을 수도 있다.

광공동(Optical Cavity)(110)은 광원(100)으로부터 출력되는 광이 반사를 거듭하게 한다.

광 공동(110)은 두 개의 고(high) 반사율 거울을 마주보도록 하여 구성한다.

백색광 혹은 레이저 광은 두 거울 중 하나의 뒷면으로 입사하여 광 공동을 여기 시키게 된다.

광 공동 내부로 입사한 광은 두 개의 거울에 의해 번갈아 반사되는데 이 때 거울의 0이 아닌 투과율에 의해 일부 광이 투과하여 공동 밖으로 나간다.

이 투과하여 나가는 빔의 세기는 펄스 형태의 광 입력에 대해서는 최대값이 기하급수적으로 감쇠하는 펄스 형태가 되고, 급격하게 빛의 세기를 0으로 줄이는 광 입력에 대해서는 기하급수적으로 감쇠하게 된다.

이 때의 기하급수적 감쇠의 감소율은 공동 내부의 물질에 의한 흡수 및 산란도에 의해 결정되므로 투과광의 세기의 감소율을 측정하면 공동 내부 물질의 혼탁도를 결정할 수 있다.

이러한 광학적 장치는 공동 광자 감쇠 분광법 (Cavity Ring Down Spectroscopy) 에서 사용되는 것과 비슷한데, 공동 광자 감쇠 분광법의 경우에는 타겟(target)이 되는 물질의 흡수 스펙트럼을 관측하기 위해 해당 흡수선에 맞는 파장의 광원을 사용해야 하는데 반해 본 발명의 경우에는 흡수선에 해당되지 않는 영역의 파장을 사용하여 산란의 정도를 측정하여 혼탁도를 결정한다.

광검출부(120)는 광 공동(110)으로부터 투과되어 나오는 빛의 세기를 측정한다.

광검출부(120)는 기하급수적으로 감쇠하는 광의 세기를 측정할 수 있을 정도로 충분히 빠른 반응 시간을 가지고 있어야 한다.

도 1에서는 광 공동으로부터 투과되어 나오는 광의 위치에 광검출기를 놓아 투과 광의 세기를 측정하는 형태이지만 공동 내부에서 산란되는 광을 직접 측정할 수 있는 위치에 광 검출부를 장치할 수도 있다.

이 경우 신호 세기는 줄어들지만 배경 잡음 역시 줄어드는 효과를 얻을 수 있다.

용기 내 액체의 출입을 제어하는 부분은 밸브(130)이다.

환경 분야 응용과 같이 한 가지 액체에 대한 혼탁도를 측정하는 경우 입력 밸브와 출력 밸브를 각 하나씩 사용할 수 있다.

또한, 의료 분야에서 사용되는 것과 같이 면역 반응의 유무를 혼탁도로 판별하여 타겟 물질의 존재를 검출하는 경우 여러 개의 입력 밸브를 사용하여 각 반응 액체들의 유입 및 유출을 제어할 수 있다.

혼탁도를 측정하고자 하는 액체는 용기(140)에 담는다.

용기(140)의 재질은 유리나 사용 파장에 대한 투과도 높은 플라스틱 등을 사용할 수 있는데, 최대한 광 흡수나 난반사, 산란이 적은 재질을 사용한다.

용기의 모양은 직육면체, 원통형, 구형 등 제한이 없으나, 사용 광학계의 특성에 따라 광 검출기로 입사하여 잡음의 원인이 되는 산란광을 최소화하는 형태로 제작할 수 있다.

도 1의 예와 같은 하나의 빔을 사용할 경우에는 직육면체를 사용할 수 있으며, 그 이상의 숫자의 빔을 사용하는 경우에는 원통형이나 구형의 용기를 사용가능하다.

디지털-아날로그 변환기(150)은 광학 스위치(101)를 제어하는 전기적 신호를 생성한다.

제어기(160)는 본 발명의 센서 시스템을 총괄 제어하는 부분이다.

제어기(160)는 용기에 샘플 용액을 유입시킨 후 디지털-아날로그 변환기(150)를 통해 광공동 내부에 펄스 형태 혹은 급격하게 변화하는 세기의 광을 입력하고 투과하여 나오는 빛의 세기를 아날로그-디지털 변환기(170)를 거쳐 나오는 광검출부(120)의 광 검출 신호를 받아 분석한다.

한 번의 펄스에 대해 한 번의 혼탁도 측정이 가능하며 시간에 따른 측정이나 여러 번 측정을 통한 평균값 계산 등의 제어가 가능하다.

아날로그-디지털 변환기(170)은 광 검출기(120)로부터 나오는 광 세기 신호를 컴퓨터 혹은 제어기(160)로 입력할 수 있도록 디지털 신호로 변환한다.

도 2는 본 발명에 따른 광 공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서의 광원을 펄스 형태의 광원으로 사용했을 경우 광 검출기로부터 얻어질 수 있는 신호를 보여주는 도면이다.

210 은 광 검출기로부터 얻을 수 있는 신호이다.

광공동 내부로 입사한 광은 공동을 이루는 두 개의 거울 사이를 반사하면서 거울의 투과율에 의해 일부 광이 투과하여 검출기에서 검출된다.

이 경우 공동 내부의 광 펄스의 세기는 줄어들게 되므로 다음 반사 시에 투과되는 광 세기 역시 기하급수적으로 줄어들게 된다.

이 때 줄어드는 감소율은 거울의 투과율 및 공동 내부의 흡광도, 산란도 (혼탁도)에 의해 결정되므로 샘플 용액이 없을 경우의 감소율과 샘플 용액을 유입시킨 후의 감소율을 비교하여 샘플 용액의 혼탁도를 측정할 수 있다.

220 은 210의 광 펄스 감쇠 신호에서 기하급수적으로 감쇠하는 감소율을 얻기 위해 펄스 세기의 최대값을 기하급수적 감소함수에 대해 피팅한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 광 공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서의 광원을 급격하게 변화하는 광원을 사용했을 경우 광 검출기로부터 얻어질 수 있는 신호를 보여주는 도면이다.

310 은 급격하게 변화하는 광원의 세기를 나타낸 그래프이다.

도 3에서는 어느 일정한 시간에 꺼지는 광원을 나타낸다.

320 은 급격하게 꺼지는 광원의 경우 광 검출기에서 검출되는 광 세기의 신호를 나타낸 것이다.

광원이 급격하게 꺼지더라도 광 공동의 효과에 의해 광 검출기에 검출되는 광 신호는 기하급수적으로 감쇠하는 양상을 보이며 이 감소율은 역시 광 공동을 이루는 거울의 투과율, 광 공동 내부의 흡수율이나 혼탁도에 의해 결정된다.

330 는 320의 신호를 기하급수적으로 감소하는 함수에 대해 피팅하여 감소율을 얻을 수 있음을 보여준다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)에 의한 표시의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 광 공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서의 일 실시예를 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 광 공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서의 광원을 펄스 형태의 광원으로 사용했을 경우 광 검출기로부터 얻어질 수 있는 신호를 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 광 공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서의 광원을 급격하게 변화하는 광원을 사용했을 경우 광 검출기로부터 얻어질 수 있는 신호를 보여주는 도면이다.

Claims (5)

1. 특정 파장을 가진 빛을 출력하는 광원;

   혼탁도를 측정하고자 하는 액체가 담긴 용기;

   고 반사율 거울을 마주 보도록 구성하여 상기 광원의 출력이 상기 용기내의 액체를 반복하여 투과하게 하는 광공동;

   상기 액체의 반복 투과 후 상기 광공동에서 출력되는 빛의 세기(intensity)를 측정하는 광검출부; 및

   상기 광검출부의 측정 결과로부터 상기 액체를 반복 투과한 빛의 감소율을 계산하고, 상기 용기내의 액체가 없을때의 감소율과 비교하여 상기 액체의 혼탁도를 계산하는 제어부;를 포함하고

   상기 광원은 펄스 형태의 빛을 출력하거나 혹은 출력되는 빛의 세기가 급격하게 변화하는 것을 특징으로 하는 광공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광검출부의 측정된 빛의 세기를 디지털 신호로 변환하는 D-A변환기;

   상기 용기의 액체의 입력 및 출력을 제어하는 복수개의 밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광공동을 이용한 고감도 혼탁도 센서.
4. 특정 파장을 가진 빛을 출력하는 광원 출력 단계;

   고 반사율 거울을 마주 보도록 구성된 광공동의 일단을 통하여 상기 출력된 광원이 입력되는 입력단계;

   상기 광공동으로 입력된 광원이 상기 광공동의 일단과 타단에서 반복 반사되면서 혼탁도를 측정하고자 하는 액체를 반복 투과하는 단계;

   상기 광공동의 타단으로 상기 반복 투과된 빛이 출력되는 단계;

   상기 광공동에서 출력된 빛의 세기(intensity)를 측정하는 단계; 및

   상기 세기 측정 결과로부터 상기 액체를 반복 투과한 빛의 감소율을 계산하고, 상기 액체가 없을때의 감소율과 비교하여 상기 액체의 혼탁도를 분석,계산하는 단계;를 포함하고,

   상기 광원은 펄스 형태의 빛을 출력하거나 혹은 출력되는 빛의 세기가 급격하게 변화하는 것을 특징으로 하는 광공동을 이용한 고감도 혼탁도 센싱 방법.
5. 삭제

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