KR101172012B1

KR101172012B1 - 컬러 필터 어레이를 사용하는 분광 분석 장치

Info

Publication number: KR101172012B1
Application number: KR20100017006A
Authority: KR
Inventors: 심환보
Original assignee: 심환보
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2012-08-08
Also published as: KR20110097250A

Abstract

분광 분석 장치 및 이를 사용한 농도 측정 방법에 관한 것으로서, 컬러 필터 어레이를 사용하여, 개개의 컬러 필터를 통과한 특정한 파장에 대한 광도 특성을 구함으로써, 장치의 구성이 간단하고 한 번에 다수의 파장에 대한 광도 특성을 검출할 수 있다.

Description

컬러 필터 어레이를 사용하는 분광 분석 장치{Spectrophotometer apparatus using color filter array}

본 발명은 빛의 파장에 따른 분포도를 측정하여, 물질의 물리적 혹은 화학적 특성을 조사하는 분광 광도 분석에 관한 것으로서, 특히 시료 물질이나 시료 물질의 용액에 대한 흡광도나 투광도를 측정하여, 시료의 농도 등과 같은 특성을 구할 수 있는 분광 분석 장치에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 종래의 분광 분석 장치는 광원의 빛을 분광시켜 시료에 조사하고, 그 반사광 또는 투과광을 수광하고, 수광된 빛을 전하량으로 변환하여 측정한다.

도 11에 종래의 분광 분석 장치의 구성도를 일례로서 나타내었다.

도 11에서와 같이, 종래의 분광 분석 장치는 빛을 발생시키는 광원부(101), 발생된 빛을 파장별로 분리하는 파장 선택부(102), 분석할 시료를 빛의 통로에 장착하는 시료부(103), 시료를 통과하기 전후의 빛의 강도를 측정하는 검출부(104)로 구성된다.

광원부(101)는 텅스텐 램프나 중수소 방전관 등을 사용하며, 점등을 위해 전원부나 렌즈와 같은 광학계가 부속되어 있다. 자외부(紫外部)의 광원으로는 중수소 방전관이 사용되고, 가시부(可視部)의 광원으로는 텅스텐 램프가 사용되고 있다.

파장 선택부(102)는 광원부(101)로부터의 빛을 단색광기(monochromator) 또는 필터를 사용하여 특정 파장의 빛으로 분리한다. 단색광기로는 프리즘이나 회절격자가 사용되고 있다.

시료부(103)는 시료 용액을 셀(cell)에 넣어서 장착하여 빛이 시료를 투과하도록 한다. 시료를 담는 셀은 측정하고자 하는 파장의 빛을 흡수하지 않도록 석영으로 만든 관(cuvette)이 가장 널리 이용되고 있다.

검출부(104)는 시료가 흡수한 빛의 양을 측정하는 것으로서, 필요에 따라 증폭기, 지시계, 기록계 등이 사용될 수 있다.

상기한 종래의 분광 분석 장치에서 사용하는 단색광기는 주로 프리즘이나 회절발(grating)을 사용하고 있으므로, 그 구조가 복잡하고 구동을 위한 장치가 필요한 단점이 있다. 또한, 필터를 사용하여 파장을 선택할 경우에도 필터 휠(wheel)과 같은 구동장치가 필요하고, 파장별로 필터를 갖추어야 하므로 비용이 높아지는 문제가 있다.

또한, 종래의 분광 분석 장치는 깨끗한 시료와 탁한 시료간에 측정 정확도에 있어서 큰 차이를 나타낸다. 탁도(濁度)가 높은 시료의 경우 희석을 통해 측정 정확도를 높이는 방법을 고려할 수 있으나, 검출 한계치를 벗어날 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 구조가 간단하고 시료의 탁도를 보정할 수 있으며, 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 분광 분석 장치 및 이를 사용한 농도 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 분광 분석 장치는 시료에 빛을 투과시켜 시료의 특성을 측정하는 장치로서, 빛을 발생하는 광원부와, 상기 시료가 담긴 셀을 장착하여 상기 광원부에서 발생한 빛이 시료를 투과하도록 하는 시료부와, 특정한 색상을 갖는 다수의 컬러 필터를 배열해서 구성되며 상기 시료를 통과한 빛을 통과시켜 각 컬러 필터마다 특정한 파장의 빛을 선택적으로 투과시키는 컬러 필터 어레이부와, 상기 컬러 필터 어레이부를 통과한 빛을 감지하여 상기 시료의 광학 특성을 검출하는 검출부를 포함한다.

상기 컬러 필터 어레이부는 광원부에서 발생된 빛을 확산시켜 빛이 균일하게 개개의 컬러 필터에 조사될 수 있도록 하는 확산기(diffuser)와, 상기 확산기를 통해 입사되는 빛에서 적외선을 차단하는 적외선 차단 렌즈와, 상기 개개의 컬러 필터에 효과적으로 광을 유도하기 위한 집광 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 집광 렌즈는 개개의 컬러 필터에 대응하는 다수의 마이크로 렌즈로 구성될 수 있다.

상기 검출부는 상기 컬러 필터 어레이부를 통과한 빛을 감지하여 전기 신호로 변환하는 이미지 센서와, 상기 이미지 센서로부터의 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기와, 상기 변환된 디지털 신호를 처리하여 시료를 통과한 빛의 특성을 표시하는 화상 신호 처리기를 포함할 수 있다. 상기 이미지 센서는 CCD(Charge-coupled device) 혹은 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)로 구성할 수 있다.

상기 분광 분석 장치를 사용하여 시료의 농도를 측정하는 방법은, 빛을 차단한 상태의 광량(I_Dark)을 측정하는 단계와, 기준 시료에 대한 각 컬러 필터의 측정값(I_Blank)을 구하는 단계와. 농도를 측정하고자 하는 시험 시료(sample)에 빛을 투과시켜, 시험 시료에 대한 각 컬러 필터의 측정값(I_Sample)을 구하는 단계와, 상기 시험 시료에 대한 각 컬러 필터의 측정값(I_Sample)으로부터 각 색상별로 광 감쇄량을 비교하는 단계와, 상기 시험 시료에 대한 투과도 또는 흡수도를 구하는 단계와, 표준 시료에 대한 흡수도를 측정하여, 흡수도와 농도에 관한 검량선 그래프를 구하는 단계와, 상기 시험 시료에 대한 투과도 또는 흡수도와 상기 검량선 그래프로부터, 상기 시험 시료의 농도를 계산하는 단계를 포함한다.

상기 농도 측정 방법은 상기 시험 시료의 색상에 영향을 주지 않는 상기 컬러 필터의 색상에 대한 측정값을 이용하여, 상기 시험 시료의 탁도를 보정하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

본 발명의 분광 분석 장치는 회절발이나 필터 휠을 사용하지 않으므로, 구동부가 필요하지 않다. 따라서 그 구조가 간단하고 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한, 평형광이 필요하지 않으며 발색 가능한 물질은 모두 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 탁도에 대한 보정을 동시에 할 수 있으며, 소프트웨어적으로 RGB의 감도를 제어할 수 있어서 측정 농도의 범위를 확장할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분광 분석 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분광 분석 장치에서 CFA와 이미지 센서를 구현한 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분광 분석 장치에 의해 농도를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 농도 측정 방법에 따라 측정한 기준 시료에 대한 RGB 강도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 농도 측정 방법에 따라 측정한 시험 시료에 대한 RGB 강도를 나타내는 그래프이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 본 발명의 실시예에 따른 농도 측정 방법에 따라 측정한 시험에 사용된 CFA의 파장별 감도 및 사용된 광원의 파장별 강도이고, 도 6(c) 및 도 6(d)는 본 발명의 실시예에 따른 농도 측정 방법에 따라 측정한 시험에서의 파장별 흡수도 및 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 농도 측정 방법을 따라 측정한 시험 시료의 R에 대한 흡수도를 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 농도 측정 방법에 따라 측정한 표준 시료의 검량선을 나타내는 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 농도 측정 방법에 따라, 동일한 농도의 시료에 대해 탁도 보정을 하지 않은 경우와 탁도 보정을 한 경우의 흡수도의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 종래의 분광 분석 장치의 일례를 나타낸 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분광 분석 장치의 구성도이다. 도 1에서와 같이, 본 발명의 분광 분석 장치는 광원부(10), 시료부(20), 컬러 필터 어레이부(30) 및 검출부(40)를 포함한다.

광원부(10)는 전구, 방전관, 레이저와 같은 광원을 사용하여 빛을 발생시키는 광원(11)과, 광원(11)으로부터 발생된 빛을 집광하는 집광 렌즈(12)로 구성된다. 광원(11)에서 발생된 빛은 시료 물질과의 상호 작용 후에도 측정이 가능할 정도로 충분한 강도로 가지고 있어야 한다.

시료부(20)는 광원부(10)로부터의 빛이 시료를 투과하도록 하는 것으로서, 시료 용액을 넣는 셀(cell)(21)과 셀 홀더(cell holder)(22)로 구성된다. 셀(21)은 시험 용액의 종류에 따라 적절한 재질의 것이 선택되며, 시료부(20)에 의해 시료가 빛의 통로에 배치된다.

컬러 필터 어레이부(30)는 특정한 색상을 갖는 다수의 컬러 필터가 배열된 컬러 필터 어레이(CFA: Color Filter Array)(34)로 구성되며, 시료를 통과한 빛을 CFA(34)에 통과시킨다. CFA(34)는 각 컬러 필터마다 특정한 파장의 빛(예를 들어, R, G, B)을 선택적으로 투과시킨다.

컬러 필터 어레이부(30)는 광원에서 발생된 빛을 확산시키는 확산기(diffuser)(31), 입사되는 빛에서 적외선을 차단하는 적외선 차단 렌즈(32), 각각의 컬러 필터에 효과적으로 빛을 유도하기 위한 집광 렌즈(33)를 더 포함할 수 있다. 확산기(31)는 빛을 확산시킴으로써, 빛이 더욱 균일하게 CFA(34)에 조사되도록 할 수도 있다. 적외선 차단 렌즈(32)는 조사되는 빛에서 적외선을 차단하여 광학 센서에 열잡음이 발생하지 않도록 하는 것이고, 집광 렌즈(33)는 개개의 컬러 필터에 대응하는 다수의 마이크로 렌즈로 구성되어 집광 효율을 향상시킨다.

검출부(40)는 컬러 필터 어레이부(30)를 통과한 빛을 감지하여 전기 신호를 변환하는 이미지 센서(41)와, 이미지 센서(41)로부터의 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog Digital Converter)(42)와, 변환된 디지털 신호를 처리하여 시료를 통과한 빛의 특성을 나타내는 화상 신호 처리기(43)로 구성된다. 이미지 센서(41)는 CCD(Charge-coupled device)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 사용할 수 있으며, 이미지 센서(41)의 각 화소는 CFA(34)의 각 필터에 대응한다. 화상 신호 처리기(43)는 사용자가 시험 결과를 용이하게 판독할 수 있도록 전용 표시기나 컴퓨터 등과 연결되어 사용된다.

도 2에서는 CFA와 이미지 센서를 구현한 일례를 더욱 상세하게 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 화소(51)가 어레이(array)로 형성되어 있는 실리콘 기판(50) 위에, 각 화소에 대응하여, 이미지 센서인 광 검출기(52)와 CFA(53)가 차례로 설치되고, 그 위에 마이크로 렌즈(54)가 설치되어 있다.

한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 이미지 센서(41)의 출력 신호는 상관 이중 샘플 장치(CDS: Correlated Double Sampling) 및 증폭기를 거쳐 ADC(42)에 입력될 수 있으며, CFA(34), 이미지 센서(41), CDS, 증폭기, ADC(42), 신호 처리기(43) 등을 일괄적으로 제어하는 센서 제어기를 추가로 사용할 수도 있다.

상기한 본 발명의 분광 분석 장치는 다음과 같이 동작한다.

먼저, 광원(11)으로부터의 빛은 시료(21)를 통과한 후, 확산기(31), 적외선 차단 렌즈(32), 집광 렌즈(33)를 차례로 투과한 다음, CFA(34)를 투과하게 된다. CFA(34)에서 각 색상별로 파장이 선택되고, 선택된 파장의 빛이 이미지 센서(41)의 각 화소에 도달하여 전기 신호로 변환된다. 변환된 전기 신호는 ADC(42)를 통해 디지털 신호로서 화상 신호 처리기(43)에 입력되고, 화상 신호 처리기(43)에서 측정값을 계산함으로써 시료(21)의 광도 특성을 구할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 종래와 같이 회절발을 사용하거나 필터를 교환하여 특정 파장을 선택하는 것이 아니라, CFA를 사용함으로써, 개개의 컬러 필터를 통과한 특정한 파장에 대한 광도 특성을 구할 수 있다. 이와 같이 컬러 필터를 통과한 각각의 파장에 대한 강도를 구하고, 이를 비교 대상 시료에 대한 강도와 비교하여 시료의 농도와 같은 특성을 구한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 분광 분석 장치는 회절발을 구동하기 위한 구동부나 필터 교환을 위한 구조 등이 필요하지 않으므로, 장치의 구성이 간단하고 사용이 매우 편리하다. 또한, 한 번에 다수의 파장에 대한 광도 특성을 검출할 수 있으므로 이를 적절히 조합하여 시료에 대한 더욱 다양한 특성을 분석할 수 있다.

본 발명의 분광 분석 장치에 사용되는 CFA는 디지털 카메라나 평판 표시 소자 등에 사용되는 부품용으로 이미 제조된 것을 그대로 사용하거나, 분광 분석 장치의 목적에 맞도록 전용의 CFA를 만들어 사용할 수도 있다. 전자의 경우, 대량 생산된 부품을 이용함으로써 제조 단가를 낮출 수 있는 이점이 있고, 후자의 경우 용도 및 특성에 최적인 분광 분석 장치를 설계할 수 있는 이점이 있다.

이하에서는, 본 발명의 분광 분석 장치를 이용한 광도 측정의 일례로서 시료의 농도 측정 방법에 대해 설명한다. 도 3에 본 발명의 분광 분석 장치에 의한 농도 측정 방법의 흐름도를 나타내었다.

측정하고자 하는 농도 범위에서 일련의 표준 시료를 준비하고 증류수와 같은 기준 시료를 준비한 후, 분광 분석 장치에서 빛을 차단한 상태의 광량(I_dark)을 측정한다 (단계 100).

기준 시료를 시료부(20)에 장착하고 광원(11)을 동작시켜 빛이 기준 시료를 투과하도록 하여, 기준 시료의 RGB 측정값(I_blank)을 구한다 (단계 200).

농도를 측정하고자 하는 시험 시료(sample)를 장착하고 광원을 동작시켜 빛이 시험 시료를 투과하도록 하여, 시험 시료의 RGB 측정값(I_sample)을 구한다 (단계 300).

시험 시료의 RGB 측정값(I_sample)으로부터 R, G, B 각각의 광 감쇄량을 비교하여 광 감쇄량이 가장 큰 파장(흡수도가 큰 색상)을 주 측정원으로 하고, 광 감쇄량이 가장 작은 파장(흡수도가 작은 색상)을 기준 색상으로 한다 (단계 400). 예를 들어, R(적색)만을 흡수하는 시료는 R만의 흡수도를 비교하고, R(적색)과 G(녹색)의 중간 영역의 빛을 흡수하는 경우에는 R과 G의 흡수도를 동시에 고려한다.

용액의 색과 관계없는 영역에서 흡수되는 것처럼 계측되는 부분은 용액의 탁도와 관계하여 이 부분을 기준 광량으로 설정하면 해당 흡수대의 절대치를 정확히 얻어 낼 수 있다.

다음으로, 람버트비어(Lambert-Beer)의 법칙에 따라 아래 식을 이용하여 시험 시료에 대한 투과도(T) 또는 흡수도(A)를 구한다 (단계 500).

T = (I_Sample- I_Dark)/(I_Blank- I_Dark)

A = log(1/T)

표준 시료에 대한 흡수도를 측정하여, 흡수도와 농도에 관한 검량선 그래프를 그린다 (단계 600).

상기 검량선 그래프로부터 계수값(a, b, c, d)를 구한 후, 상기 흡수도(A)와 계수값을 아래의 농도 식에 대입하여, 시험 시료의 농도를 구한다 (단계 700).

농도(Conc.) = aA³ + bA² + cA+d

상기한 농도 측정 방법을 이용하여 시험 시료의 농도를 측정한 결과에 대한 그래프를 도 4 내지 도 8에 나타내었다. 이 때, 사용된 CFA는 640x320 화소의 RGB 패턴을 가진다.

먼저, 도 4는 상기 단계 200에서 구한 기준 시료의 RGB 강도(Light Intensity)를 나타낸 것이고, 도 5는 단계 300에서 구한 시험 시료의 RGB 강도를 나타낸 것이다. 이들 그래프에서는 640개의 화소로 된 CFA의 각 라인별로 해당 측정값(각각 R, G, B)을 각각 모두 더해서 표시하였다.

또한, 이들 값과 각 필터의 파장별 감도 및 사용 광원의 파형을 종합적으로 감안하여 파장별 흡수도를 구하였으며, 이를 도 6에 나타내었다. 즉, 도 6(a) 및 도 6(b)는 시험에 사용된 CFA의 파장별 감도 및 사용된 광원의 파장별 강도이고, 도 6(c) 및 도 6(d)는 파장별 흡수도 및 투과도를 나타낸다.

도 7은 단계 500에서 구한 R 파장에 대한 흡수도를 나타낸 것이고, 도 8은 단계 600에서 구한 검량선의 그래프이다. 도 7과 도 8의 데이터를 이용하여, 단계 700에서와 같이 시험 시료의 농도를 구할 수 있다.

본 발명의 분광 분석 장치에서는 CFA를 사용함으로써, 측정하고자 하는 시료의 탁도를 동시에 보정할 수 있다. 이하에서 이러한 탁도 보정 방법에 대해 설명한다.

통상, 시료 용액에 포함된 입자에 기인한 탁도의 차이에 따라 측정된 흡수도가 달라진다. 종래에는 이러한 탁도에 따른 흡수도를 보상하기 위해, 2개의 광원을 사용하거나, 또는 2개의 필터를 이용해야만 했다. 심지어 대부분의 수질 측정기에서는 입자를 제거한 후에 측정하는 것이 일반적이다.

본 발명에서는 CFA를 사용하고 있으므로, 동시에 여러 개의 필터를 사용한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 시료 용액의 색상에 거의 영향이 없는 CFA의 어느 색상에 대한 측정값을 이용하여 시료 용액의 탁도를 보정할 수 있다. 탁도는 투과 광량을 감소시킴으로 대부분의 영역에서 흡수로 인식한다. 따라서 색에 의한 흡수의 참값을 얻어야 한다. 이는 흡수색에서 기준이 되는 미흡수 영역을 감해 줌으로써 해결할 수 있다.

동일한 농도의 시료에 대해 탁도 보정을 한 경우와 하지 않은 경우의 흡수도의 측정 결과를 도 9 및 도 10에 나타내었다. 도 9는 탁도 보정을 하지 않은 경우로서, 혼탁한 시료와 깨끗한 시료간에 흡수도의 차이가 매우 크게 나타난다는 것을 알 수 있다. 반면, 도 10은 탁도 보정을 한 경우로서, 혼탁한 시료와 깨끗한 시료간의 흡수도 차이가 도 9에 비해 현저히 감소되었음을 알 수 있다.

본 발명은 상기한 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예가 구성될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.

10 광원부 11 광원
12 집광 렌즈 20 시료부
21 시료셀 22 셀 홀더
30 CFA부 31 확산기
32 차단 렌즈 33 집광 렌즈
34, 53 CFA 40 검출부
41 이미지 센서 42 ADC
43 신호 처리기 50 실리콘 기판
51 화소 52 광 검출기
54 마이크로 렌즈

Claims

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광원으로부터의 빛을 시료에 투과시키고, 상기 시료를 통과한 빛을 다수의 컬러 필터에 통과시켜 각 컬러 필터마다 특정한 파장의 빛이 선택적으로 투과되도록 하고, 상기 컬러 필터를 통과한 빛을 감지하여 상기 시료의 농도를 측정하는 방법에 있어서,
빛을 차단한 상태의 광량(I_dark)을 측정하는 단계와,
기준 시료에 대한 각 컬러 필터의 측정값(I_blank)을 구하는 단계와.
농도를 측정하고자 하는 시험 시료(sample)에 빛을 투과시켜, 시험 시료에 대한 각 컬러 필터의 측정값(I_sample)을 구하는 단계와,
상기 시험 시료에 대한 각 컬러 필터의 측정값(I_sample)으로부터 각 색상별로 광 감쇄량을 비교하는 단계와,
상기 시험 시료에 대한 투과도 또는 흡수도를 구하는 단계와,
표준 시료에 대한 흡수도를 측정하여, 흡수도와 농도에 관한 검량선 그래프를 구하는 단계와,
상기 시험 시료에 대한 투과도 또는 흡수도와 상기 검량선 그래프로부터, 상기 시험 시료의 농도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 측정 방법.
제6항에 있어서,
상기 시험 시료의 색상에 영향을 주지 않는 상기 컬러 필터의 색상에 대한 측정값을 이용하여, 상기 시험 시료의 탁도를 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 측정 방법.