KR101103091B1

KR101103091B1 - 파장 라우터를 이용한 전자기 스펙트럼으로부터의 시료의측정

Info

Publication number: KR101103091B1
Application number: KR1020067003658A
Authority: KR
Inventors: 얀 립슨
Original assignee: 씨8 메디센서스, 인크.
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2012-01-04
Also published as: KR20070041662A; US20070279628A1; EP1662986A2; US20050124870A1; WO2005019803A3; WO2005019803A2; CN1838911B; CN1838911A; EP1662986A4; US7266401B2

Abstract

더 작은 전체 검출기 면적에서 스펙트럼 에너지를 집중시키는 것을 제공하면서, 복수 개의 파장의 시료로부터 산란된 약한 신호가 단일 검출기 또는 복수 개의 검출기에 방사되도록 더해질 수 있다. 또한, 샘플 부피에서 물의 양을 측정하고 샘플 부피에서 체액의 염도를 측정함으로써 주어진 시료에 대한 결과적인 신호의 조정이 얻어질 수 있는 방법이 개시된다.

Description

파장 라우터를 이용한 전자기 스펙트럼으로부터의 시료의 측정{MEASURING ANALYTES FROM AN ELECTROMAGNETIC SPECTRUM USING A WAVELENGTH ROUTER}

본 출원은 35 U.S.C 119(e)에 따라 2003년 8월 22일에 출원된 미국 임시 특허 출원 시리얼 번호 60/497,072에 대해 우선권을 주장한다.

본 발명은 샘플 내의 시료의 측정방법에 관한 것으로, 특히 시료의 특성인 전자기 스펙트럼에 기초하여 시료를 측정하는 방법에 관한 것이며, 예를 들어, 생물체의 비-침습적(non-invasive) 시료의 측정에 사용될 수 있다.

생물체 내의 중요 물질의 비침습적 측정을 위한 적절한 장치를 만드는 데 많은 시도들이 있어 왔다. 이러한 측정 능력의 중요성은 조직의 장애 없이 이러한 유기체의 생화학 반응을 관찰하기 위한 필요뿐 아니라, 피부를 침습하는 것이 요구되는 현재 적용방법에서보다 자주 환자의 혈당 레벨을 측정하는 것이 바람직한 당뇨와 같은 만성 질환을 조절하는 것을 돕기 위해 요구된다. 분자 분광법(molecular spectroscopy)이 이러한 측정을 위해 제안되었다. 하지만, 혈액 및 간질액(interstitial fluid)은 구별되어야 할 매우 많은 수의 화합물을 포함한다. 가시광선 또는 근적외선(near infrared) 영역에서의 흡수 분광법은 혈액 및 다른 조직에 존재하는 많은 화합물의 스펙트럼이 이 영역에서 겹치는 어려움을 겪게 된다. 중간 적외선(Mid-IR) 분광법은 개개의 분자들에 대해 고유한 스펙트럼을 생성하지만, 두 가지 중대한 문제점이 있다. (1) 검출기가 충분히 민감하게 동작하려면 낮은 온도에서 작동되어야 한다. (2) 물이 중간 적외선 방사를 잘 흡수하며 이러한 방사는 유기체 내로 수십 마이크론 정도만 투과할 수 있다.

이러한 어려움을 해결하기 위해 라만(Raman) 분광법이 제안되었다. 라만 분광법에서, 산란 스펙트럼은 방사 주파수의 차 또는 합 및 분자의 특성 스펙트럼 주파수에서 생성된다. 차 주파수 생성은 스토크(Stokes) 산란으로 불리고, 합 주파수 생성은 반-스토크(Anti-Stokes) 산란으로 불린다. 결과 스펙트럼 시그너처도 관심 시료에 따라 특유하다. 하지만, 라만 산란에 대한 단면이 작고, 결과적인 산란 신호는 약하다. 또한, 다른 비-선형 과정을 사용하거나 광 소스로부터의 이용가능한 파워가 작은 경우의 분광법에 대해서도 약한 신호가 발생할 수 있다. 다른 대표적인 예제로는 4 파장 혼합, 주파수 이중화(frequency doubling), 및 다중-광자 형광(multi-photon fluorescence)을 포함한다.

미국 특허번호 6,064,897, "체액에서 시료의 비침습적 관찰에 있어 라만 분광법을 이용하는 센서 및 센서 사용방법"은 관심 시료로부터 나오는 복수 개의 스펙트럼 라인을 관찰하기 위해 복수 개의 대역통과필터 및 검출기를 사용하는 것을 제안한다. 상기 방법의 가정은, 혼동을 주는 스펙트럼을 가질 수 있는 다른 물질의 존재시에, 단일 라인 보다 복수 개의 스펙트럼 라인이 특정한 시료에 더 잘 상관된다는 것이다. 또한, 상기 특허는 적은 감쇠를 가질 수 있는 이산 전송 필터(discrete transmission filter)를 사용하는 시스템을 보여준다. 하지만, 이러한 시스템은 검출기 노이즈에 의해 감도에 있어 제한될 수 있다. 검출 영역이 늘어남에 따라 검출기의 암전류도 증가한다. 따라서, N_d가 검출기의 개수일 때, 복수 개의 검출기는 개별 검출기의 약 N_d 배의 전체 암전류를 가질 것이다. 암전류는 신호로부터 대수적으로 감해지므로, 노이즈 분포는 평균값이 아니라 분산으로부터 발생한다. 분산은 (N_d)^1/2에 비례할 것이다. 따라서, 미국 특허번호 6,064,897에 기술된 방법은 전체 노이즈가 검출기의 수에 따라 증가하는 문제점을 겪는다.

또한, 미국 특허번호 6,181,957에서처럼, 라만 산란은 눈의 안구 수양액(aqueous humor)에서 당 농도를 측정하기 위해 제안되었다. 안구 수양액은 높은 투명도와 같은 바람직한 광학 특성을 가진다. 하지만, 연속적으로 관련된 시료를 측정하기 위해서는 피부를 통해 그러한 관찰을 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 제안된 방법에서는 눈의 안전에 관한 중대한 문제가 수반된다. 또한, 측정 위치의 선택과는 관계없이, 미국 특허번호 6,181,957도 실제적인 검출기에서의 약한 산란 신호 측정 문제를 해결하는 방법을 제시하지 않는다.

혈액에서의 복수 개의 시료를 측정하기 위한 라만 산란은 2001년 8월, MIT에서 발행된, 쿠에 의한 논문, "근적외선 라만 분광법을 이용한 생물체 조직에서의 혈액 시료의 측정"에서 보고되었다. 포도당(glucose)에 대해 10초마다 6개 정도로 적은 약한 라만 신호가 보고되었다. 긴 측정 시간과 높은 레이저 파워(300초, 280mW)가 요구된다. 이러한 파라미터는 많은 적용분야에서 실용적이지 않다.

다른 연구(SPIE 회보 4368권에서의, 체이컨에 의한 "근적외선 라만 분광법에 의한 비침습적 혈액 분석")에서, 핑커 팁(finger tip)을 통해 광이 인가되는 라만 산란을 이용하여, 생체 내에서 당 측정이 수행되었다. 상기 방법은 신호 크기를 증가시키지만, 여전히 낮은 온도의 검출기, 높은 레이저 파워, 및 값비싼 저 에프 넘버(low f number) 분광계를 사용한다. 약한 신호의 기분적 문제는 여전히 남아있다.

비침습적 측정에 있어 매우 중요한 다른 어려움은, 다양한 부류의 환자들에 있어, 다양한 조건과 시간에 대해 유효한, 신뢰할 수 있는 조정방법의 확립이다. 변이는 다음을 포함하는 여러 원인에 의해 일어난다. (1) 온도, (2) 중복되는 스펙트럼을 가지는 다양한 농도의 혼동 물질의 존재, (3) 진폭, 모양, 또는 스펙트럼 라인의 위치에 관해 시료의 스펙트럼에 영향을 주는 다른 물질의 존재, (4) 샘플링의 위치, 및 내재된 혈액과 간질액의 비율의 변이, (5) 소스 또는 분광 광학 소자의 파장을 포함하는 기구의 드리프트(drift).

많은 스펙트럼 라인의 개별 진폭을 측정하여 얻어진 여러 물질의 스펙트럼에 기초하여, 조정이 회귀 기법에 의해 이루어졌다. 이러한 기술은 크기 및 샘플 부피의 조성에 있어서의 변이에 민감하고 또한 결과적으로 매우 복잡한 분광계가 된다. 체이컨 등의 연구는 눌러진 손가락에 대해, 압박 없이 손가락으로부터 얻어진 스펙트럼을 이용하여 신호를 감하는 것에 기초하는 방법을 추가한다. 상기 언급된 참조문헌의 도 11을 참조하면, 라만 측정과 포도당의 연구실 측정 차이의 상관에 있어 많은 산란이 있어, 이 기술을 부정확하게 한다.

더 작은 전체 검출기 면적에서 스펙트럼 에너지를 집중시키는 것을 제공하는, 복수 개의 파장에서의 약한 신호가 단일 검출기 또는 복수 개의 검출기에 방사되도록 더해질 수 있는 장치에 관한 것이다. 또한, 샘플 부피에서 물의 양을 측정하고 샘플 부피에서 체액의 염도를 측정함으로써 주어진 시료에 대한 결과적인 신호의 조정이 얻어질 수 있는 방법이 개시된다.

본 발명의 한 측면에 의하면, 샘플로부터 나오는 산란 파장을 단일 검출기 또는 하나 이상의 검출기로 경로 지정하기 위해 복수 개의 홀로그램이 사용된다. 특히, 측정되는 시료로부터 나오는 스펙트럼 에너지는 복수 개의 스펙트럼 라인에서 나타난다. 파장 라우터를 이용하여, 대부분 또는 모든 스펙트럼 라인의 에너지가 단일 검출기로 향할 수 있으므로, 측정에 있어 신호대 잡음 비를 현저히 증가시킨다.

또한, 라우터의 기능은 복수 개의 파장에서의 소스들의 입력 에너지를 결합하는 데 확장될 수 있어, 복수 개의 상대적으로 값싼 소스로부터의 입력 광학 파워를 증가시킬 수 있다. 또한, 파워의 일부는 기준 셀로 향할 수 있어, 측정결과를 조정하는 데 사용된다. 라우터의 기능은 일반적이어서 입력 또는 출력 파장의 전부 또는 일부는 어떤 적당한 위치 또는 복수 개의 지점으로 향하게 될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면은 조정 기술에 관한 것이다. 관심있는 시료는 종종 물에 용해되므로, 샘플 부피의 주어진 시료의 양은 부피에서의 물의 양에 따라 증가한다. 물의 적당한 라만 여기 스펙트럼 라인에서 산란된 신호의 진폭을 측정함으로써, 물의 양은 독립적으로 결정된다. 물을 포함하는 기준 셀을 사용함으로써, 신호 크기는 특정한 물의 양에 따라 절대적으로 조정된다. 또한, 물의 라인의 절대적 스펙트럼 위치는 물의 자유 이온의 양의 함수로서 변화한다는 것이 알려져 있다. 특히, 라인은 대부분의 생물 샘플에서의 이온의 주요 원천인 염화 나트륨의 농도에 비례하여 이동한다. 인체 혈액 내의 염화 나트륨의 농도는 좁은 범위에 있다. 따라서, 측정결과는 알려진 고정된 양으로부터 가정될 수 있고, 그로 인해 부가적인 정교한 조정이 획득된다. 하지만, 스펙트럼 이동은 매우 작다. 염이 없는 물을 포함하는 기준 셀을 이용하고, 두 선택된 스펙트럼 위치에서 차 신호를 고려함으로써, 정교한 결정이 가능하다. 기준 셀은 다른 종류의 조정을 제공하기 위해, 알려진 농도의 시료와 같은 다른 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 추가적인 특성 및 이점은 이어지는 구체적인 설명에서 제시될 것이고, 구체적인 설명을 통해 명백해 질 것이며, 또는 본 발명의 실시예에 의해 이해할 수 있다. 본 발명의 특성 및 이점은 첨부되는 청구항에서 제시된 장치 및 그 조합에 의해 실현되고 얻어질 것이다. 본 발명의 특성들은 이어지는 설명 및 첨부된 청구항으로부터 명백해 질 것이고, 이하 제시되는 본 발명의 실시예에 의해 이해할 수 있다.

본 발명의 상기 기술된 이점 및 특성과 다른 이점과 특성이 획득될 수 있도록 설명하기 위해, 첨부된 도면에 도시된 특정 실시예를 참조하여 상기에서 간단히 기술된 본 발명이 보다 구체적으로 설명된다. 이러한 도면은 단지 본 발명의 실시예를 도시할 뿐이고 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명은 첨부된 도면을 통해 상세히 기술되고 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 블록도.

도 2a 및 2b는 도 1의 파장 라우터에 의해 경로가 정해진 파장을 도시하는 도면.

도 3a 및 3b는 반사 홀로그램 광학 소자(HOE)의 기본 동작을 도시하는 도면.

도 4는 입사광을 분리하는 HOE를 도시하는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 장치의 한 실시예의 도면.

도 6a 및 6b는 도 5의 장치에 대한, 소스 파장의 배열, 시료의 스펙트럼 라인, 및 홀로그램의 파장의 예를 도시하는 도면.

도 6c 및 6d는 염분 측정에 기초한 도 5의 장치에 대한 조정 방법을 도시하는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 장치의 간단한 실시예의 도면.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 상위레벨 블록도이고, 장치 내의 주요 부분의 광학상 기능을 보여준다. 이 예제에서, 장치는 4개의 소스(S1-S4), 2개의 검출기(140A-B), 기준 셀(125) 및 셔터(120), 샘플(135) 및 셔터(130), 및 파장 라우터(110)를 포함한다.

일반적으로, 장치는 다음과 같이 동작한다. 소스(S1-S4)는 광을 생성하고, 생성된 광은 파장 라우터(110)에 의해 경로가 지정되어 해당 셔터(120,130)를 통해 기준 셀(125) 및/또는 샘플(135)로 전송된다. 셔터(120,130)는 방사 시간을 조절한 다. 기준 셀(125) 및/또는 샘플(135)로부터 산란된 광은 파장 라우터(110)에 의해 검출기(140)로 경로가 지정된다.

소스(S1-S4)는 파장의 다양성(도 1에서 파장 1 내지 4)을 가진다. 파장 라우터(110)는 소스(S1-S4)로부터의 입사광의 선형 조합을 셔터(120,130)를 통해 샘플(135) 및/또는 기준 셀(125)로 향하게 한다. 만약 각 소스가 구별되는 파장을 가지고, I_k가 k번째 소스의 세기라면, 기준 셀(125)에 방사되는 세기 I_r 및 샘플(135)에 방사되는 세기 I_s는 각각 다음과 같이 주어진다.

여기서 0≤A_k≤1, 0≤B_k≤1, 및 A_k + B_k≤1이고, W는 소스의 전체 개수이다. 파장 라우터(110)는 상이한 출력들에 대해 입사광의 수동 파워 분할을 수행한다. 계수 A_k 및 B_k는 파장 k에서 발생하는 파워 분할을 나타낸다. 이 예에서는, 파장과 소스 사이에 1대1 대응이 있지만(예를 들어, 소스 S_k는 파장 k에서 광을 생성), 이것이 요구되지는 않는다. 적절한 계수가 1 또는 0에 해당하도록 파장 라우터(110) 를 고안함으로써 모든 주어진 파장을 기준 셀(125) 또는 샘플(135)으로 경로 지정하도록 특별한 기능이 선택될 수 있다.

도 2a는 그림 상에서 파장 경로 지정을 보여주는 도면이다. 왼쪽 편의 4개의 화살표는 4개의 소스(S1-S4)에 의해 생성되는 방사 광을 나타낸다. 각 화살표는 다른 파장을 나타낸다. 소스로부터 목적지(기준 셀(125) 또는 샘플(135))로의 각 경로는 적절한 목적지로 향하는 각 입력 파장의 소정 부분을 나타낸다. 소스(S1, S2 및 S4)로부터의 광은 파장 라우터(110)에 의해 기준 셀(125)로 경로가 지정된다. 소스(S2 및 S3)로부터의 광은 파장 라우터(110)에 의해 샘플(135)로 경로가 지정된다. 이 도면에서, 또한, 각 목적지는 화살표에 의해 나타낸다. 화살표의 개수는 목적지에 대해 특별한 의미를 가지지는 않는다. 또한, 화살표의 개수는 광학 빔의 물리적 위치나 방향에 대한 특성을 암시하지 않는다. 예를 들어, 하나의 화살표는 하나의 물리적 위치 또는 하나의 입사각에 대응되지 않는다. 대응되는 광은 단일 지점에 방사되는 단일 광학 빔에 포함될 수도 있고, 다른 지점에 방사되는 및/또는 다른 입사각의 여러 개의 분리된 광학 빔에 포함될 수 있다. 또한, 소스로부터의 광은 복수 개의 광학 빔에 포함될 수 있다.

라우터(110)로부터의 광이 기준 셀(125) 또는 샘플(135)에 방사될 때, 산란 신호가 생성된다. 일반적으로 신호는 기준 셀(125) 또는 샘플(135) 내의 다양한 물질로부터의 복수 개의 스펙트럼 라인으로 구성된다. 이러한 스펙트럼 라인을 생성하는 과정은 라만 산란에만 한정되지 않고, 2차 하모닉 생성, 3차 하모닉 생성, 4 파장 혼합 및 형광을 포함한다. 이러한 과정의 어느 것도 측정되는 시료의 특성을 지니는 스펙트럼을 생성할 수 있다. 소스로부터의 각 입사 파장은 상기 과정들의 하나 또는 그 이상에 의해 복수 개의 산란된 파장을 생성할 수 있다.

라만 산란을 특히 유용한 예제로서 고려할 때, 각 입사 파장은 입사 주파수와 물질의 특성 라만 주파수의 차에 의해 주어지는 주파수에서 산란 파장을 생성할 것이다. 이 과정은 스토크 라만 산란으로 불린다. 또한, 합 주파수 생성이 발생하고, 이것은 반-스토크 라만 산란으로 불린다.

이하에서, 스토크 과정이 이 장치의 기능을 설명하기 위해 사용되나, 스토크 과정에만 한정되는 것은 아니다. 만약 샘플(135) 상에 N개의 입사 파장과 L개의 특성 라만 주파수가 있다면, 산란된 신호는 N * L = P 개의 라만 산란 파장을 포함할 것이다. 각 파장은 M 개의 검출기 중 하나로 경로가 지정될 수 있다. 소스로부터 기준 셀/샘플로의 경로 지정처럼, 기준 셀/샘플로부터 검출기로의 경로 지정은 일반적이고, 다음 식에 의해 표현될 수 있다.

여기서 I_d는 d번째 검출기에 입사되는 전체 파워이고, P_k는 k번째 산란 파장에서의 산란 파워이고, C_dk는 라우터(110)에 의해 d번째 검출기로 인도되는 k번째 파장에서의 파워의 비율이다. 광학 증폭이 없는 경우, 에너지의 보존은 계수 C_dk가 개개의 산란 파장의 어느 것에 대해서도 다음 부등식을 만족할 것을 요구한다.

여기서 모든 d 및 k에 대해 C_dk≥0 이다.

샘플(135)로부터의 산란 파장에 대한 파장 라우터(110)의 기능은 도 2b에 도시되어 있고, 각 경로는 각 검출기로 향하는 산란 파장의 부분을 나타낸다. 이 예제에서, 샘플 상에 5개의 라만 라인이 있고, 방사되는 광은 2개의 다른 파장에 있는 것으로 가정된다. 따라서, 샘플로부터 전체 2 * 5 = 10개의 산란 파장이 있다. 오른쪽 편의 각 화살표는 산란 파장의 하나를 나타낸다. 기준 셀에는 하나의 라만 라인이 있는 것으로 가정한다. 따라서, 기준 셀로부터의 두 개의 산란 파장이 있다.

많은 적용례에서, 경로 지정 방법은 비-블로킹(non-blocking) 구조인 것이 바람직하다. 주어진 파장에서 각 목적지로 향하는 광의 비율은 다른 파장에서 또는 다른 목적지로 인도되는 광의 비율과 독립적이다(물론 에너지 보존에 따라). 수학적으로, 이것은 계수 C_dk가 상이한 k값에 대해 상관될 필요가 없음을 의미한다. 유사하게, 계수 A_k도 상관될 필요가 없고, 계수 B_k도 상관될 필요가 없다. 많은 적용례에서, 또한 구조가 주어진 파장의 부분이 하나 이상의 목적지로 향하게 되는 것으로 정의될 수 있는 브로드캐스팅(broadcasting)을 허용하는 것이 바람직하다. 따라서, 결과적인 구조는 브로드캐스트 기능을 가지는 선형 비-블로킹 수동 네트워크 인 것이 바람직하다.

도 3 내지 7은 소스와 신호 파장의 경로 지정에 대한 바람직한 실시예를 상세히 나타낸다. 최근에 홀로그램 매체 상의 데이터의 저장에 있어 상당한 진보가 이루어졌다. 이러한 연구의 목적은 주어진 기록 필름에 저장될 수 있는 독립적인 홀로그램의 수를 최대화하는 것이었다. 또한, 이러한 홀로그램을 협-대역 스펙트럼 특성을 가지는 회절 광소자로 사용하는 것도 가능하다. 이러한 매체는 안정적이고 상대적으로 두꺼우므로(1 mm), 근 적외선 영역의 1 nm 미만의 파장에 걸쳐 상당한 회절률을 가지는 반사 홀로그램을 생성하는 것이 가능하다. 따라서, 홀로그램의 대역을 문제된 스펙트럼 라인의 대역에 매칭하여 효율적으로 원하는 신호만 회절하는 것이 가능하다. 이러한 형태의 협 대역 홀로그램은 투과와 반대되는 반사에서 더 쉽게 획득된다. 이러한 홀로그램은 투과시에 동작하는 이색성의(dichroic) 필터가 아니다. 또한, 이러한 홀로그램은 독립적으로 동작한다. 직렬 연결된 두 대역 통과 필터의 총 필터 함수는 개별 필터 함수의 곱이다. 반면에, 복수 개의 홀로그램의 회절 출력은 본질적으로 개별 홀로그램으로부터의 회절의 합이다. 이 특성은 복잡한, 일반적인 라우터를 만드는 것을 가능하게 하는 데, 그것은 각 홀로그램의 회절 특성이 다른 홀로그램의 존재에 독립적이기 때문이다.

이러한 홀로그램은 적절한 파장과 입사각의 간섭하는 기록 빔에 노출됨으로써 기록될 수 있다. 노출시에, 감광 물질의 굴절률은 입사 기록 빔의 보강간섭 및 소멸간섭에 대응하는 국지적 세기, 최대치 및 최소치에 비례하여 변화한다. 최적으로 조정된 물질은 상당한 지수 변화에 대응할 수 있고, 많은 수의 독립한 홀로그램 이 같은 부피에서 기록될 수 있다. 이러한 홀로그램의 다중성은 상기 설명된 선형 동작에 따라 파장을 편향시키는 파장 라우터를 만드는 데 사용될 수 있다.

일반적으로, 각 홀로그램은 원하는 방향의 소정의 대역 내의 고정된 비율의 광을 전환하도록 디자인될 수 있다. 만약, 모든 특유의 파장이 특정의 목적지에 향한다면, 매우 높은 회절률의 홀로그램은 광의 95% 이상을 전환하도록 기록될 수 있다. 선택적으로, 낮은 회절률의 여러 개의 홀로그램을 기록하고, 각 홀로그램은 같은 파장을 전환하도록 디자인될 수 있다. 그러나 각 홀로그램은 여러 목적지로 각 파장에서의 에너지의 일부를 전환하기 위해 상이한 각도로 배치된다.

설명된 라우팅 방법이 일반적이지만, 측정 시료로부터 방출되는 스펙트럼 에너지의 대부분이 단일 검출기에 집중되는 것이 특히 유리하다. 이것은 P개의 상이한 산란 파장 중 우월한 것을 단일 검출기에 전환함으로써 이루어진다. 그로 인해, 원하는 시료의 측정에 있어 신호대 잡음 비의 상당한 진보를 획득할 수 있다. 복수 개의 시료도 유사하게 처리될 수 있고, 여러 물질에 대해 매우 민감한 검출 특성을 가지는 분광계를 생성할 수 있다.

주어진 매체에 기록될 수 있는 고 회절률의 홀로그램의 수는 다음과 같다.

여기서 N_H는 홀로그램의 수이고, n_l은 광-노출에 의해 유도되는 굴절지수의 최대 변화이며, T는 매체의 두께이다.

96% 이상의 회절률을 가지는 반사 홀로그램에 대해, 매개변수는 다음 부등식을 만족해야 한다.

여기서 λ_a는 입사 방사의 파장이고, ψ₀는 θ₀가 입사각일 때 홀로그램 무늬 (π/2-θ₀)에 대한 방사의 입사각의 보수이다. 작은 ψ₀에 대해, λ_a = 0.9 μm이고, n_l = 0.02이며, 식(5)는 T>34 μm을 산출한다. 결과적으로, 지수차가 0.02일 때, 기록되는 모든 고 회절률 홀로그램은 약 34 μm의 감광 물질을 요구한다.

또한, 홀로그램의 스펙트럼 특성을 고려하는 것이 필요하다. 홀로그램은 편향되어야 하는 모든 방사 에너지를 회절하기에 충분한 범위에 걸쳐 적절한 회절률을 가지는 것이 바람직하다. 소스 파장을 적절한 목적지로 경로 지정하는 경우에, 홀로그램은 단지 소스 방사의 스펙트럼 폭보다 더 큰 대역에 걸쳐 고 회절률을 가지는 것이 필요하다. 하지만, 산란된 파장의 경우에, 홀로그램은 검출되는 라인에 관련되지 않는 최소한의 방사를 회절시켜야 한다. 따라서, 홀로그램이 고 회절률을 가지는 대역을 스펙트럼 라인의 폭에 대략 매칭시키는 것이 바람직하다. 스펙트럼 라인은 크게 변할 수 있는 폭을 가지고, 라만 라인은 0.5 nm 정도의 작은 스펙트럼 폭을 가질 수 있다.

다음 관계식은 예상되는 스펙트럼 폭을 나타낸다.

여기서 n₀는 매체의 평균 굴절률이고, 지정된 조건은 첫 번째 반사율 0의 파장의 위치에 대응되며, ξ_r = 3.9는 부등식(5)를 정확히 만족하는 홀로그램에 대응된다. 낮은 회절률의 반사 홀로그램에 있어서, 식(6)의 오른편의 숫자는 더 작지만, 단지 43%의 회절률을 가지는 반사 홀로그램에 대해서도 3보다 크다. 식(6)은 0.5 nm의 반의 폭을 가지는 홀로그램에 대해, n₀ = 1.55이고, 입사각이 90°근처일 때, T = 650 μm 임을 보여준다.

전술한 내용은 홀로그램의 바람직한 매체는 100 μm 보다 작지 않고 바람직하게는 약 1000 μm 두께의 감광 물질 시스템이어야 함을 제시한다. 0.005보다 작지 않고, 바람직하게는 0.02의 광-노출에 의해 매체의 굴절률의 변화를 생성할 수 있다. 바람직한 파라미터가 얻어지면, 회절률 및 스펙트럼 폭과 관련하여 제시된 목적을 성취할 수 있다. 또한, 주어진 부피에 대해 약 30개의 홀로그램을 기록하는 것도 가능하다.

복수 개의 고 회절률 홀로그램을 저장할 수 있는 두께의 매체를 유지하면서, 더 넓은 대역의 홀로그램을 생성하는 것이 때때로 요구된다. 홀로그램의 주기 또는 배경 굴절률이 무늬에 수직한 방향을 따라 변하도록 하는 것이 가능하다. 하지만, 그렇게 함으로써, 부등식(5)은 더 이상 고 회절률을 보장하지 못하고, 각 홀로그램 에 대해 더 큰 n_l로 디자인하는 것이 바람직하다. 그것은 매체의 모든 사용가능한 지수 차를 사용하기 전에 기록될 수 있는 홀로그램의 전체 수를 줄인다. 그럼에도 불구하고, 시뮬레이션에 의해 1000 μm 두께의 매체에서, 2nm 대역과 지수 차 0.003으로 95%를 초과하는 회절률의 홀로그램을 기록할 수 있다. 따라서, 약 6개의 이러한 홀로그램이 0.02의 전체 지수 차 범위를 가지는 매체에서 기록될 수 있다. 이 예제에서, 배경 굴절률은 홀로그램의 앞에서 뒤로 전체 0.003 만큼 선형적으로 변한다. 상기 예에서 설명된 다양한 종류의 홀로그램은 파장 라우터(110)의 본질적 기능을 생성하는 데 충분하다.

이 실시예에서, 라우터는 특정한 기능들을 수행하는 홀로그램 생성 블록으로 구성된다. 하나의 기초적 기능은 각을 통해 광을 회절시키는 것이고 필요한 홀로그램이 도 3a에 도시되어 있다. 굴절률은 도 3a에서 라인의 주파수에 의해 표시된다. 홀로그램의 굴절률 변화는 기록을 수행하는 데 사용되는 빔이 보강 간섭일 때 최대치가 된다(노출에 반비례하여 지수가 변하는 매체도 또한 가능하고 동일하게 동작한다). 도 3b는 같은 부피의 각에 배치된 두 개의 홀로그램을 보여준다. 만약 두 파장에서의 평면파가 적당한 각으로 이 장치에 입사하면, 평면파는 같은 각에서 나올 것이다. 이 장치는 파장 다중화기(multiplexer)이고, 복수 개의 파장의 빔을 결합하는 데 사용될 수 있다. 반대 방향에서, 이것은 파장 디멀티플렉서(demultiplexer)이다.

또한, 단일 파장의 상이한 부분을 두 개의 다른 방향으로 전환하는 것이 가 능하며, 그 기능은 스프리터(splitter)로서 설명된다. 개념은 도 4에 도시되어 있다. 상기 설명된 홀로그램 종류의 조합을 사용하여, 파장의 임의의 선형 조합을 원하는 목적지로 향하게 할 수 있는 파장 라우터를 형성하는 것이 가능하다.

도 5는 바람직한 실시예의 도면이며, 다음의 하위 부품들로 구성되는 것으로 고려될 수 있다.

1. 이 예제에서 4개의 상이한 파장의 소스와 조준 렌즈로 구성되는 소스 부품.

2. 복수 개의 반사 홀로그램으로 구성되어 파장 라우팅 기능을 수행하는 홀로그램 광학 소자(Holographic optical element, HOE).

3. 샘플과 관련된 빔 전달 및 집광 기기.

4. 기준 셀과 관련된 빔 전달 및 집광 기기.

소스 부품은 조준된 광으로 HOE에 방사한다. 소스에서의 각 분리된 파장으로부터의 빔은 다른 각도에서 렌즈로부터 나온다. HOE에서의 적절한 홀로그램은 같은 방향에서 각 분리된 빔의 일부를 반사한다. 따라서, 초점 렌즈를 통과하면, 모든 빔이 같은 지점에 집중된다. 또한, HOE는 각 빔의 고정 부분을 분리하여 기준 셀 또는 샘플로 향하게 한다. 공통의 목적지를 가지는 모든 빔이 HOE로부터 평행하게 나온다.

샘플에서 집중되었을 때, 입사 방사는 샘플 부피에 존재하는 각 물질에 대해 입사 방사와는 다른 하나 또는 그 이상의 파장에서 산란을 생성할 것이다. 산란된 파장은 렌즈에 의해 모여서 HOE로 되돌아온다. HOE는 각 산란된 파장의 적당한 부 분을 원하는 검출기로 경로 지정한다. 유사한 과정이 기준 셀로부터 나오는 산란된 파장에 대해 발생한다.

도 5에서의 HOE의 기능을 도시하는 예제가 도 6a 및 도 6b에 나타난다. 이 예제에서는, 도 6a의 왼쪽 편에 λ₁-λ₄로 표시된 4개의 소스가 사용된다. λ₁,λ₂에서의 2개의 소스가 시료의 4개의 스펙트럼 라인으로부터 라만 신호를 생성하는 데 사용된다(4개의 스펙트럼 라인은 도 6a의 오른쪽 편에 도시된다). 그러므로, 산란된 광에 대해 전체 8개의 차 주파수 신호가 있다. 도 6b는 HOE의 스펙트럼 응답을 도시한다. 도 6b의 왼쪽 편의 8개의 스펙트럼 커브의 각각은 차 주파수 중 하나에 중심을 둔 반사 홀로그램을 나타낸다. 따라서, 8개의 차 주파수 신호는 HOE에 의해 검출기로 향하게 된다. λ₃,λ₄에서의 남은 2개의 소스는 조정을 위해 물의 스펙트럼 라인을 측정하는 데 사용되며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 샘플/기준 셀과의 상호작용 후에, 이러한 소스들은 모두 같은 파수(wavenumber)로 이동된다. 단일 홀로그램(도 6b의 오른쪽 스펙트럼 커브)은 양 신호를 검출기로 향하게 한다.

조정(calibration)은 시료의 농도의 양적 측정을 하도록 고안된 장치에 있어 중요한 특성이다. 도 5의 예제에서, 시료는 용매에 용해된 것으로 가정한다. 또한, 많은 다른 물질들이 같은 부피의 용매에 용해될 수 있다. 하지만, 시료의 양은 광이 모이는 용매의 부피에 비례하도록 기대된다. 만약 같은 부피의 모든 물이 같은 시료 농도를 가지면, 시료로부터 산란된 신호는 용매로부터의 산란 신호에 비례해 야 한다. 용매의 적당한 스펙트럼 라인으로부터의 신호 크기와 시료의 적당한 라인으로부터의 신호 크기의 비는 시료의 농도의 측정결과이어야 한다. 용매를 분리하여 측정하고, 상기 언급된 비율을 고려하면, 측정은 유기체의 물리적 운동이나 생리학적 변화로부터 야기되는 샘플 부피의 변화에 둔감하게 될 것이다.

선택적으로, 기준 셀은 최소한 샘플 내에 시료가 용해된 용매와 동일한 용매의 양을 포함한다. 기준 셀에 관한 외형이 엄격히 고정되고 안정적인 것으로 간주될 수 있으므로, 기준 셀로부터의 신호는 반복적인 측정에서 일정해야 한다. 변화는 광전자 소자 내의 드리프트(drift)에 기인할 것이고, 측정에 의해 검출되고 배제될 것이다.

장치로의 고정된 표준적인 특질의 제공은 자체 조정 특성을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, 용매는 소정의 농도에서 하나 또는 그 이상의 용해된 시료를 포함한다. 용매처럼, 이러한 시료에 대한 신호는 단지 소자 드리프트에 의해 변할 수 있다. 기준 셀을 측정함으로써, 드리프트는 수학적으로 배제될 수 있고, 따라서 기준 셀 측정은 장치의 전체적인 조정도 허용한다.

인체 조직에서의 시료의 비침습적 측정에 적용되는 바람직한 실시예에서, 체액의 염도에 의존하는 부가적인 조정이 소개된다. 인체 혈액에서의 염화나트륨의 농도는 0.142 몰/리터를 중심으로 매우 협소한 범위(약 6%)에 고정된다. 따라서, 실제 농도는 0.142 몰/리터로 가정할 수 있다. 염도는 물의 O-H 신장 스펙트럼 라인의 절대 파장을 염의 농도에 비례하는 양만큼 이동시킨다. 의존관계는 분자 구조 저널, 550-551권, 225-234 페이지(2000)의 퓨릭 등에 의한 "염화 나트륨 수용액의 라만 분광 연구"에 설명되어 있다. 저자는 염의 존재에 의한 스펙트럼의 이동을 계산하기 위해 염을 포함하는 물의 스펙트럼이 순수(pure water)의 스펙트럼으로부터 수학적으로 공제되는 과정을 설명한다. 스펙트럼은 2개의 파장 중 최소에서 측정된다.

도 6c는 물의 스펙트럼(점선)과 염화 나트륨을 포함하는 용액의 스펙트럼(실선)을 도시한다. 도 6d는 이 두 스펙트럼 간의 차 신호를 도시한다. 차 신호는 약 3140 cm^-1에서 최대 포지티브 진폭에 도달하고, 약 3506 cm^-1에서 최대 네거티브 진폭에 도달한다. 이 두 파장에서의 차 신호 사이의 차이는 620으로 표시된다. 이것은 염도에 의한 파장 이동의 좋은 측정자료이고, 혈액 내의 나트륨 이온의 농도를 계산하는 데 사용될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 기준 셀은 일정량의 염이 없는 물을 포함하고, 스펙트럼은 두 개의 파수 3140, 3506 cm^-1에서 검출된다. 이러한 값은 공칭비를 가지고, 실제 판독은 이 공칭값을 유지하기 위해 수학적으로 스케일링 된다. 그리고 스케일링 인자가 기준 셀이 아닌 샘플을 이용한 동일한 측정결과에 인가된다. 이러한 측정은 샘플 내의 염도를 추정하기 위해 사용된다.

계산과정은 이제 설명된다. R₁을 기준 셀의 파수 3140 cm^- ¹에서 측정된 신호로, R₂를 기준 셀의 파수 3506 cm^- ¹에서 측정된 신호로 한다. 일단 파장이 선택되 면, 비 R₁/R₂는 물의 고정 특성이다. 하지만, 광학기기 또는 측정에서 사용되는 두 검출기에서의 차이에 의해 일정한 변이가 일어날 수 있다. R₂'=A R₁, A R₁/R₂'=1이 되도록 값 A가 계산된다.

동일한 측정결과가 염도에 따른 도 6c의 이동된 커브를 가지는 샘플에 적용된다. 만약 S₁ 및 S₂가 샘플로부터 두 개의 파수 3140, 3506 cm^- ¹에서 각각 얻어진 신호라면, 같은 인자 A가 신호 S₂에 인가된다. 또한, 기준 및 샘플에 대한 신호들의 합이 다음과 같이 동일하게 스케일링 된다.

R₁+AR₂=C(S₁+AS₂)

여기서 C는 식(7)을 만족하도록 계산되는 수학 상수이다. 식(7)의 수학적 기능은 정규화로 불린다.

차 신호는

D₁=R₁-C S₁

및

D₂=AR₂-C A S₂

이다.

여기서, (D₁-D₂)/R₁은 샘플의 염도에 비례한다. 비례상수는 장치로 표준 염류 용액을 측정함으로써 얻어질 수 있다. 신호 진폭은 알려진 농도에 절대적으로 관계되므로, 상기 알고리즘은 모든 다른 시료 측정에 대해 부가적인 조정을 할 수 있다.

조정에 사용되는 광은 가능하면 샘플로부터의 광과 같은 광학적 경로를 따르는 것이 바람직하고, 같은 검출기에 의해 검출되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 라우터는 물의 스펙트럼 라인을 단일 검출기로 전환하며, 이 검출기는 또한 모든 원하는 시료 라인에서 모든 파워의 합을 측정하는 데 사용된다. 도 5, 6a 및 6b를 참조하면, 물의 측정 과정은 다음과 같다.

1. 셔터 1은 열리고, 셔터 2는 닫혀서, 단지 기준 셀만 방사된다.

2. 소스 λ₃가 기준 셀에 방사하기 위해 켜진다. 산란된 광은 해당 홀로그램(예를 들어, 특유한 파장에 대해 고안된 홀로그램)에 의해 전환되어 단일 검출기에서 측정된다.

3. 소스 λ₃가 꺼지고, 소스 λ₄가 켜진다. 이 소스 파장은 다음 관계식을 만족하도록 선택된다.

1/λ₃ - 1/λ₄ =ΔKw

여기서, ΔKw는 두 개의 측정 파장 사이의 파수의 차이고 약 366 cm^-1인 것이 바람직하다. 스토크 라만 산란은 소스와 분자의 특성 진동 주파수 사이의 차 주파수의 생성에 기초하여 동작하므로, 식(9)를 만족하는 두 개의 소스는 동일한 파장에서 나타나지만, 원하는 라만 라인에서 두 개의 구분된 파수를 샘플링하는 산란 신호를 생성한다. 즉, 소스 λ₃와 파수 3140 cm^- ¹사이의 차 요소가 소스 λ₄와 파수 3506 cm^- ¹사이의 차 요소와 같은 파장에서 위치할 수 있다. 따라서, 단계 2에서와 같은 홀로그램이 원하는 광을 동일한 검출기로 전환한다.

4. 셔터 1은 닫히고, 셔터 2는 열려서, 샘플이 측정된다.

5. 샘플 측정을 위해 소스 λ₃,λ₄가 기준 셀 측정과 같은 방법으로 배열된다.

6. 기준 셀 및 샘플의 λ₃,λ₄측정 결과가 상기에서 설명한 대로, 샘플의 염도를 조정하는 데 사용된다.

시료를 측정하기 위해, 소스 λ₁,λ₂가 동시에 가동된다. 바람직한 실시예에서, 또한 시료는 기준 셀에 존재하고, 셔터 1을 열고, 셔터 2를 닫음으로써 분리하여 측정될 수 있다. 이 실시예에서, 라우터는 각 산란된 파장을 동일한 검출기로 편향시킨다. 따라서, 각 파장에서의 파워는 더해진다. 셔터 2를 열고, 셔터 1을 닫음으로써, 샘플에 대해 동일한 측정이 수행될 수 있다. 복수 개의 소스를 이용할 때의 하나의 장점은 상대적으로 값싼 레이저로부터 더 많은 소스 파워를 얻을 수 있는 것이다. 이 시스템은 매우 많은 수의 산란된 파장들이 단일 검출기로 편향되도록 한다. 신호는 비례하여 증가한다. 검출기의 암전류의 편차는 신호에 독립적이다. 따라서, 암전류 노이즈에 관한 S/N비는 신호에 비례하여 증가한다.

기준 셀에서의 시료의 농도를 알기 때문에, 기준 셀로부터의 신호는 샘플로부터의 신호에 대한 좋은 조정자료이다. 하나 이상의 시료가 측정될 때, 바람직한 실시예는 각 시료에 대해 추가적인 검출기를 추가하고, 기준 셀에서 용액에 각 시료를 추가하는 것을 포함한다.

HOE에 관한 광학 시스템의 같은 편에 소스, 샘플, 기준 셀 및 검출기의 존재는 밀집(crowding)을 발생할 수 있다. 이것은 도면의 면 밖으로 하나 또는 그 이상의 부품들을 이동함으로써(도 5에서의 x 방향을 따라서) 어느 정도 해소될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 소형화가 중요할 때에는, 밀집의 문제는 발생할 수 있다.

홀로그램의 수용각의 입사각의 함수로서의 의존성으로부터 문제가 발생한다. 반사 홀로그램에 대해, 회절률이 0으로 접근할 때의 각 편차 δ는 다음과 같다.

여기서, Δλ는 회절률이 0으로 접근하도록 하는 파장 편차이다. 이 계산은 1차 확장 브래그(Bragg) 조건으로부터 나오고, θ가 90°에 접근함에 따라, 1차항이 사라지면서 2차로 확장하는 것이 바람직하다. 만약 홀로그램이 시료로부터의 좁은 스펙트럼 라인에 최적인 좁은 파장 대역을 가지고, 입사각이 상대적으로 π/2 라디안에 근접하지 않으면, 또한, 좁은 시야를 가질 것이다. 입사광과 회절광 사이의 각 변이는 단지 2(π/2-θ)이고, 이것은 θ가 커짐에 따라 작아진다.

초점 길이 f의 렌즈에 입사하는 조준광에 대해, 광을 방출하는 지점과 산란된 광이 집중되는 지점 사이의 변환 편차는 2f(π/2-θ) 이고, 또한 작아진다. 따라서, 초점 길이가 커지지 않으면, 소스와 검출기는 함께 밀집될 것이다. 하지만, 광학 시스템은 가능하면 샘플로부터 방출되는 광을 많이 모으는 것이 바람직하다. 또한, 샘플에서의 지점의 크기를 확대하는 것은 바람직하지 않으며, 그것은 더 큰 검출기가 필요하고, 그것은 더 높은 암전류를 가지기 때문이다. 결과적으로, 광학기기의 크기는 초점 길이에 따라 커진다. 따라서, 도 5의 고안에서, 밀집 문제를 제거하기 위해서는 일반적으로 큰 광학기기가 요구된다.

소형 장치를 위한 밀집 문제의 해결책은 도 7에 나타난다. 여기서 제 2 HOE가 소개된다. 제 2 HOE는 HOE1으로부터의 야기된 반사로부터 입사되는 모든 방사를 반사하는 기능을 수행한다. HOE2는 HOE1에 관한 각으로 배치된다. 따라서, HOE2로부터 HOE1을 향해 뒤로 전파되는 광은 HOE1의 홀로그램의 시야 밖에 있고, HOE1에 의해 다시 회절되지 않는다. 홀로그램의 시야, δ는 광이 편향되는 각보다 더 작고, 따라서 광은 다시 회절되지 않으므로, 이러한 구성이 가능하다.

결과적으로, 소스는 샘플 및 기준 셀로부터 시스템의 반대쪽에 놓일 수 있다. 장 파장 통과 필터(long wave pass filter, LWP)는 산란된 광을 검출기로 통과시키면서, 소스 광을 반사하는 데 사용된다. 이러한 구조는 스토크 라만 산란에 적당하다. 반-스토크 라만 산란에 대해서는, 단 파장 통과 필터가 선택되어야 한다. 밀집을 감소시키는 것 외에도, 또한, 필터는 광학기기에 의해 산란되는 소스 광을 편향하는 것을 도와주고, 또는 검출기에 도달하는 광학 경로에서의 다른 인덱스 불연속을 제거한다.

선택적으로, 샘플 또는 기준 셀에 방사하기 위해, 프리즘을 반사하는 이동가능한 이중 어퍼쳐(aperture)가 채택된다. 샘플에 방사하는 것이 필요할 때, 장치는 Y 방향(축 정의에 대해서는 도 7 참조)에 위치하여, 소스로부터 집중된 광과 산란으로부터 집중된 광이 두 어퍼쳐의 하부를 통해 통과한다. 기준 셀에 방사하기 위해, 전환 프리즘을 지닌 이중 어퍼쳐는 Y 방향으로 이동되어 광이 상부 어퍼쳐로 통과한다. 도 7은 이 위치에서의 어퍼쳐를 보여준다. 샘플의 방향에서 어퍼쳐를 통과하는 것으로 보이는 광선은 광이 하부 어퍼쳐를 통과할 때 소스와 산란된 광의 경로를 보여준다. 프리즘은 소스 및 산란된 광을 약 90°편향시켜, 기준 셀이 샘플로부터 떨어져서 배치되도록 한다.

도 7에서, 가장자리 및 중앙의 광선은 방사 및 산란 신호를 나타낸다. 각도는 명확성을 위해 과장되었다. 약간 다른 Y 방향 위치에 있는 광선들은 도면에서 보여주기 위해 배치된 것이고, 실제로는 겹쳐질 수 있다. 두 HOE 사이에 존재하는 일부 광선들은, HOE 사이의 광선의 복잡한 모습을 생성하지 않도록 감추어졌다.

도 7은 기준 셀 및 샘플로부터의 산란된 광이 단일 검출기로 되돌아 오는 경우를 보여주지만, 본 고안의 요구사항은 아니다. 단일 매체에서 HOE1과 HOE2의 기능을 결합하는 것이 가능하다. 표시의 명확성을 위해 여기서는 두 기능이 분리되었다.

Claims

샘플 내 시료의 광학 스펙트럼을 측정하기 위한 장치에 있어서,

하나 이상의 광학 방사 소스;

상기 하나 이상의 소스로부터 광학 방사의 서로 다른 파장에서 파워의 부분적인 선형 조합을, 복수의 스펙트럼 라인에서 상기 광학 방사를 산란시키는 시료를 포함하는 샘플로 향하게 할 수 있는 제 1 수동형 파장 라우터; 및

상기 시료로부터 산란된 스펙트럼 라인 각각에서 상기 파워의 부분적인 선형 조합을 검출기로 향하게 하는 제 2 수동형 파장 라우터를 구비하고,

상기 제 2 수동형 파장 라우터는 서로 다른 산란된 스펙트럼 라인 중 적어도 일부를 상기 검출기로 각각 보내는 홀로그램들 중 적어도 2개를 저장하는 홀로그램 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 소스 각각은 다른 모든 소스와는 별개의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 홀로그램은 반사 홀로그램인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제 1 수동형 파장 라우터는 적어도 2개의 홀로그램을 저장하는 홀로그램 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 4에 있어서,

상기 홀로그램은 반사 홀로그램인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 시료로부터 방사하는 상기 산란된 스펙트럼 라인 중 적어도 2개는 하나의 검출기로 경로 지정되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,

복수의 시료로부터 방사하는 상기 산란된 스펙트럼 라인 중 적어도 2개는 복수의 검출기로 경로 지정되고, 상기 각 검출기는 언제든지 단일 시료로부터 상기 산란된 스펙트럼 라인만을 수신하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 시료 중 하나는 포도당(Glucose)인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 샘플은 인체 조직(Human Tissue)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 샘플은 인간의 혈액을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
샘플 내 용매에 용해된 시료의 농도에 대한 조정된 측정(Calibrated Measurement)을 수행하기 위한 장치에 있어서,

하나 이상의 광학 방사 소스;

상기 소스 중 적어도 하나로부터의 방사를 상기 샘플로 전송하고, 상기 샘플 내 시료의 산란된 신호로부터 적어도 하나의 스펙트럼 라인을 수집하는 수단을 제공하는 수동형 광학 시스템; 및

상기 시료로부터 상기 산란된 신호를 검출하고, 상기 샘플 내 상기 용매의 적어도 하나의 스펙트럼 라인으로부터 산란광을 수집하며, 상기 시료로부터 산란광을 검출하는데 사용되는 검출기 시스템을 구비하고,

상기 스펙트럼 라인의 진폭은 상기 샘플 내 상기 시료의 농도를 연산하는데 있어서 조정 인자로서 사용되고, 상기 용매는 물이며,

상기 물의 상기 스펙트럼 라인 중 적어도 하나의 이동(Shift)에 의하여 상기 물의 염도를 결정하는 처리 장치를 더 구비하고,

상기 샘플은 상기 염도의 표준 범위가 25%를 넘지 않는 생체 물질을 포함하며, 이로써 공칭값(Nominal Value)이 존재하는 것으로 가정하는 것이 가능하며,

상기 염도 측정은 하나 이상의 시료의 농도에 대한 추가적인 조정 파라미터를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 11에 있어서,

상기 검출기 시스템은, 상기 시료로부터 상기 산란된 신호를 검출하는 제 1 검출기 및 상기 샘플 내 상기 용매의 적어도 하나의 스펙트럼 라인으로부터 산란된 광을 수집하는 제 2 검출기를 포함하고,

상기 스펙트럼 라인의 상기 진폭은 상기 샘플 내 상기 시료의 농도를 연산하는데 있어서 조정 인자로서 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 11에 있어서,

상기 검출기 시스템은, 상기 시료로부터 상기 산란된 신호를 검출하고 상기 샘플 내 상기 용매의 적어도 하나의 스펙트럼 라인으로부터 산란된 광을 수집하는 제 1 검출기를 포함하고,

상기 스펙트럼 라인의 상기 진폭은 상기 샘플 내 상기 시료의 농도를 연산하는데 있어서 조정 인자로서 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 11에 있어서,

상기 생체 물질은 인체 조직인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 14에 있어서,

상기 인체 조직은 혈액인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 14에 있어서,

상기 인체 조직은 간질액(Interstitial Fluid)인 것을 특징으로 하는 장치.
삭제
청구항 14에 있어서,

상기 시료 중 적어도 하나는 포도당인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 15에 있어서,

상기 시료 중 적어도 하나는 포도당인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 16에 있어서,

상기 시료 중 적어도 하나는 포도당인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 11에 있어서,

상기 시료 중 적어도 하나는 포도당인 것을 특징으로 하는 장치.
샘플 내 용매에 용해된 시료의 농도에 대한 조정된 측정을 수행하기 위한 장치에 있어서,

하나 이상의 광학 방사 소스;

상기 시료가 상기 샘플 내에 용해되어 있는 상기 용매와 동일한 용매를 다량 포함하는 기준 셀(Reference Cell);

하나 이상의 검출기; 및

상기 하나 이상의 소스로부터의 광학 방사를 상기 샘플 및 상기 용매를 포함하는 상기 기준 셀로 보내며, 상기 샘플 내 상기 용매로부터 산란된 스펙트럼 라인의 선형 조합을 상기 하나 이상의 검출기로 보내는 수동형 광학 시스템을 구비하며,

상기 검출기는, 상기 샘플로부터 상기 용매 스펙트럼 라인에 대응하는 제 2 신호를, 그리고 상기 기준 셀로부터 상기 용매 스펙트럼 라인에 대응하는 제 3 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 22에 있어서,

측정될 상기 시료는 상기 기준 셀의 상기 용매에 추가적으로 존재하고,

상기 수동형 광학 시스템은 추가적으로, 상기 샘플 내 상기 시료로부터 산란된 스펙트럼 라인의 선형 조합을 상기 하나 이상의 검출기로 보내고, 상기 기준 셀 내 상기 시료로부터 산란된 스펙트럼 라인의 선형 조합을 상기 하나 이상의 검출기로 보내며,

상기 검출기는, 상기 샘플로부터 상기 시료 산란 스펙트럼 라인에 대응하는 제 1 신호를, 상기 기준 셀로부터 상기 시료 산란 스펙트럼 라인에 대응하는 제 4 신호를 추가적으로 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 22에 있어서,

상기 용매는 물인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 22에 있어서,

상기 샘플은 생체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 22에 있어서,

상기 샘플은 인체 조직을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 26에 있어서,

상기 샘플은 인간의 혈액을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 22에 있어서,

상기 샘플은 인간의 간질액을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 22에 있어서,

상기 시료 중 적어도 하나는 포도당인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 24에 있어서,

상기 시료 중 적어도 하나는 포도당인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 23에 있어서,

상기 시료 중 적어도 하나는 포도당인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 26에 있어서,

상기 시료 중 적어도 하나는 포도당인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 27에 있어서,

상기 시료 중 적어도 하나는 포도당인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 28에 있어서,

상기 시료 중 적어도 하나는 포도당인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 22에 있어서,

상기 기준 셀과 상기 샘플 내 물의 라만 스펙트럼 라인(Raman Spectral Line)의 위치 간 비교에 의하여, 염분이 존재하지 않는 공칭값으로부터의 상기 샘플 내 물의 라만 스펙트럼 라인의 이동으로부터 상기 물의 염도를 결정하는 처리 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 35에 있어서,

상기 처리 장치는 상기 검출기에 의하여 생성되는 신호에 기초하여 조정 인자를 생성하고, 상기 조정 인자는 상기 샘플 내 상기 시료의 농도를 연산하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 11에 있어서,

상기 시료의 스펙트럼 라인을 상기 검출기 시스템으로 향하게 하는데 사용되는 상기 수동형 광학 시스템 내 하나 이상의 홀로그램을 이용하여, 상기 시료가 상기 샘플 내에 용해되는 상기 용매의 스펙트럼 라인이 상기 시료의 적어도 하나의 라인의 측정을 위하여 사용되는 동일한 검출기 시스템으로 보내어지도록 하는 파장에서 상기 소스 중 하나가 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 파장 라우터 중 적어도 하나는 적어도 2개의 반사 홀로그램을 포함하고,

상기 적어도 2개의 반사 홀로그램 양자는, 파장 대역 내 광의 일부를 회절하여 상기 대역 내 상기 광의 전부나 일부가 입사광의 방향과 90도보다 크게 차이나는 방향에서 상기 홀로그램의 쌍으로부터 나오도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 22에 있어서,

상기 수동형 광학 시스템은, 적어도 제 1 및 제 2 어퍼쳐(Aperture)를 가지는, 이동 가능한 불투명 또는 고반사 물질을 더 포함하며,

상기 수동형 광학 시스템은, (a) 상기 하나 이상의 소스로부터 상기 샘플을 향하고 있는 광학 방사에 대한 초점; (b) 상기 샘플로부터 상기 하나 이상의 검출기를 향하고 있는 산란된 스펙트럼 라인에 대한 초점; (c) 소스로부터 상기 기준 셀을 향하고 있는 광학 방사에 대한 초점; 및 (d) 상기 기준 셀로부터 상기 하나 이상의 검출기를 향하고 있는 산란된 스펙트럼 라인에 대한 초점을 생성하고,

상기 (a) 및 (b)의 초점은 제 1 실질적으로 동일한 위치에 있고, 상기 (c) 및 (d)의 초점은 제 2 실질적으로 동일한 위치에 있으며,

상기 제 1 및 제 2 어퍼쳐는, 상기 (a) 및 (b)의 초점이 상기 제 1 어퍼쳐를 통해 전송되는 방식으로 옮겨질 수 있고, 상기 (c) 및 (d)의 초점이 상기 제 2 어퍼쳐를 통해 전송되는 방식으로 옮겨질 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 39에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 어퍼쳐 중 적어도 하나를 통과하는 방사를 적어도 10도의 각도로 편향시키기 위한 프리즘을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.