KR101200536B1 - 바이오 물질을 검출하는 빔 스캐닝 시스템 - Google Patents

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Abstract

초연속 광원(supercontinuum light source)과 광 위상 배열(optical phased array) 방식을 이용한 빔 스캐닝에 기초하여 암, 미생물 등을 포함하는 바이오 물질을 검출하는 빔 스캐닝 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 빔 스캐닝 시스템은, 초연속 광원을 형성하도록 동작하는 광원 형성부; 전압을 가변적으로 형성하여 인가하도록 동작하는 전압 인가부; 및 전압에 기초하여 초연속 광원의 위상을 변화시켜 간섭 패턴(interference pattern)을 변화시킨 빔들을 형성하여 출력하도록 동작하는 광소자를 포함한다.

Description

바이오 물질을 검출하는 빔 스캐닝 시스템{BEAM SCANNING SYSTEM FOR DETECTING BIO-MATERIAL}
본 발명은 빔 스캐닝 시스템에 관한 것으로, 특히 암, 미생물 등을 포함하는 바이오 물질을 검출하는 빔 스캐닝 시스템에 관한 것이다.
레이저 광원을 이용한 빔 스캐닝은 레이저 레이더(laser radar), 대면적 스캐닝 디스플레이(large area scanning displays), 자유 공간(free space) 광통신, 레이저 프린터, 바코드 리더 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 현재까지 레이저 광원을 이용한 빔 스캐닝은 다양한 구성방식을 통해 개발되고 있다. 예를 들면, 기계적 빔 스캐닝, MEMs(microelectromechanical systems) 기반의 빔 스캐닝, 광 위상 배열(optical phased array) 방식의 빔 스캐닝 등이 레이저 광원을 이용한 빔 스캐닝으로서 개발되고 있다.
기계적 빔 스캐닝 중 대표적인 방법은 폴리곤 미러 또는 홀로그래픽 디스크를 이용하고 있는데 빛의 효율, 스캐닝 범위 등에서 뛰어난 장점을 보이고 있다. 그러나, 높은 정확성을 얻기 위해서는 고정밀 광학용품들이 필요할 뿐만 아니라 구성이 복잡하고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 또한, 기계적으로 구동되므로 스캐닝 속도가 ㎳ 범위 내로 매우 작은 단점이 있다.
MEMs 기반의 빔 스캐닝은 기계적 빔 스캐닝과 마찬가지로 기계적인 구동 방식으로 인해 속도 제한이 따른다. 기계적인 구동 방식을 극복하기 위해 리튬니오베이트(Lithium Niobate) 전광 프리즘 디플렉터(prism deflector)를 이용하는 연구가 진행되고 있다. 리튬니오베이트 전광 프리즘 디플렉터를 이용하는 경우, ㎱ 범위내에서의 높은 구동 속도가 장점이지만, 500V 이상의 높은 구동 전압을 필요로 하기 때문에 비현실적이다.
전술한 바와 같은 단점을 극복하기 위해 최근에는 광 위상 배열 방식의 빔 스캐닝에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 광 위상 배열 방식의 빔 스캐닝은 구동 전압이 낮고, 높은 속도에서의 빔 스캐닝이 가능하다. 따라서, 광 위상 배열 방식을 이용한 빔 스캐닝에 기초하여 바이오 물질을 검출하는 시스템이 요구되고 있다.
본 발명은 초연속 광원(supercontinuum light source)과 광 위상 배열(optical phased array) 방식을 이용한 빔 스캐닝에 기초하여 암, 미생물 등을 포함하는 바이오 물질을 검출하는 빔 스캐닝 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 빔 스캐닝 시스템은, 초연속 광원(supercontinumm light source)을 형성하도록 동작하는 광원 형성부; 전압을 가변적으로 형성하여 인가하도록 동작하는 전압 인가부; 및 상기 전압에 기초하여 상기 초연속 광원의 위상을 변화시켜 간섭 패턴(interference pattern)을 변화시킨 빔들을 형성하여 출력하도록 동작하는 광소자를 포함한다.
본 발명은 초고속 빔 스캐닝 방식을 이용하여 영상을 획득할 수 있어, 미세 유체(microfluidic) 관 내부에 실시간으로 흐르는 바이오 물질을 시료 고정 없이 연속적으로 검출할 수 있다.
또한, 본 발명은 초연속 광원을 이용하므로 미세 유체관 내부에 실시간으로 흐르는 바이오 물질의 영상을 획득할 수 있을 뿐만 아니라 바이오 물질의 분광(spectroscopy)도 가능하다.
도 1은 광 위상 배열(optical phased array)을 이용한 빔 스캐닝을 보이는 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 시스템을 개략적으로 보이는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 보이는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 광 위상 배열(optical phased array)을 이용한 빔 스캐닝을 보이는 예시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, x-y 평면에 존재하는 광원들이 ξ-η 평면에 투사될 때 ξ-η 평면에서 간섭(interference) 패턴이 발생하는데, 이 간섭 패턴은 다음의 수학식 1을 통해 설명될 수 있다.
Figure 112010033755413-pat00001
수학식 1에 있어서, An은 n번째 광원의 광 세기, ω0은 광원의 스폿 크기(spot size), φn은 n번째 광원의 위상, λ는 광원의 파장, L은 x-y 평면과 ξ-η 평면 간의 거리, xn과 yn은 n번째 광원의 위치를 나타낸다.
수학식 1에 나타낸 바와 같이, 각 광원의 위상이 변하게 되면, 간섭 패턴의 위치가 변하게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 각 광원의 위상을 변화시켜 간섭 패턴의 위치를 변화시키는 빔 스캐닝을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 시스템을 개략적으로 보이는 도면이다. 도 2를 참조하면, 빔 스캐닝 시스템(100)은 광원 형성부(110), 전압 인가부(120), 광소자(130), 빔 집속부(140), 미러(150) 및 빔 처리부(160)를 포함한다. 또한, 빔 스캐닝 시스템(100)는 복수의 바이오 물질 각각에 대응하는 바이오 물질 정보(이하, 제1 바이오 물질 정보라 함)를 저장하는 저장부(도시하지 않음)를 더 포함한다. 여기서, 제1 바이오 물질 정보는 바이오 물질에 해당하는 스펙트럼 데이터(spectrum data), 빔 영상 등을 포함할 수 있다.
광원 형성부(110)는 광원을 형성한다. 본 실시예에서, 광원은 초연속 광원(supercontinuum light source)를 포함한다. 광원 형성부(110)는 초연속 광원을 형성할 수 있는 장치라면 어떤 장치라도 무방하다.
전압 인가부(120)는 전압을 가변적으로 형성하여 인가한다. 전압은 광원(보다 상세하게 초연속 광원)의 위상을 변화시켜 간섭 패턴의 위치를 변화시키기 위한 것이다. 본 실시예에서, 전압 인가부(120)는 전압을 가변적으로 형성하여 인가할 수 있는 장치라면 어떤 장치라도 무방하다.
광소자(130)는 전압 인가부(120)로부터 인가되는 전압에 기초하여, 광원 형성부(110)로부터 제공되는 광원의 위상을 변화시켜 간섭 패턴의 위치를 변화시킨 빔(beam)들을 형성하여 출력한다. 광소자(130)에 대해서는 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 보이는 도면이다. 도 3을 참조하면, 광소자(130)는 1개의 입사 포트(131)와 2개의 출사 포트(132a, 132b)를 포함하는 y-분기 형식의 광소자를 포함한다. 또한, 광소자(130)는 출사 포트(132a)에 설치되어, 전압 인가부(120)로부터 인가되는 전압에 기초하여 초연속 광원의 위상을 변화시켜 간섭 패턴의 위치를 변화시키기 위한 전극(133)을 포함한다.
전술한 실시예에서는 광소자(130)가 2개의 출사 포트(132a, 132b)를 포함하는 것으로 설명하였지만, 이에 국한되지 않는다. 다른 실시예에서는 광소자(130)가 복소의 출사 포트를 포함할 수도 있다.
또한, 전술한 실시예에서는 전극(133)이 출사 포트(132a)에 설치되는 것으로 설명하였지만, 이에 국한되지 않는다. 다른 실시예에서는 전극(133)이 출사 포트(132b)에 설치될 수도 있다.
도 3에 있어서, 도면부호 30은 출사 포트(132a, 132b)로부터 출력되는 빔들의 파 필드(far-field) 패턴인 간섭(interference) 패턴을 나타낸다. 전극(133)에 전압이 가해지면, 캐리어 밀도(carrier density)가 변하게 되고, 캐리어 밀도의 변화에 따라 웨이브 가이드, 즉 출사 포트((132a, 132b)를 통과하는 광의 굴절률(refractive index)이 변함으로써 위상이 변하게 된다. 이와 같이 위상이 변하게 되면, 수학식 1에 의해 간섭 패턴의 위치가 변하게 된다.
전술한 실시예에서는 간섭 패턴의 위치를 변화시키기 위해 전극(133)에 전압을 인가하는 것으로 설명하였지만, 이에 국한되지 않는다. 다른 실시예에서는 간섭 패턴의 위치를 변화시키기 위해 전극(133)에 광 필드(optical field), 마이크로웨이브(microwave)를 인가할 수도 있다.
다시 도 2를 참조하면, 빔 집속부(140)는 광소자(130)로부터 출력되는 빔들을 집속(focusing)시킨다. 빔 집속부(140)는 광소자(130)로부터 빔을 집속시킬 수 있는 장치라면 어떤 장치라도 무방하다. 일례로서, 빔 집속부(140)는 빔 집속 렌즈를 포함할 수 있다.
미러(150)는 빔 집속부(140)에 의해 집속된 빔들을 미세 유체(microfluidic) 관(20)으로 반사시킨다. 여기서, 미세 유체관(20)은 암, 미생물 등을 포함하는 바이오 물질(21)이 흐르는 관이다.
빔 처리부(160)는 미세 유체관(20)을 통과한 빔들(22)을 이용하여 미세 유체관(20)을 흐르는 바이오 물질을 검출한다. 보다 상세하게, 빔 처리부(160)는 미세 유체관(20)을 통과한 빔들(22)을 수신하고, 수신된 빔들(22)을 이용하여 미세 유체관(20)을 흐르는 바이오 물질에 해당하는 바이오 물질 정보(이하, 제2 바이오 물질 정보라 함)를 형성한다. 본 실시예에서 제2 바이오 물질 정보는 스펙트럼 데이터, 빔 영상 등을 포함할 수 있다. 빔 처리부(160)는 저장부를 조회하여 제2 바이오 물질 정보와 가장 유사한 제1 바이오 물질 정보를 검출하고, 검출된 제1 바이오 물질 정보에 해당하는 바이오 물질의 종류를 나타내는 검출 정보를 형성한다. 형성된 검출 정보는 디스플레이부(도시하지 않음), 프린터(도시하지 않음) 등을 포함하는 출력 장치(도시하지 않음), 또는 저장매체(도시하지 않음)로 출력될 수 있다.
일실시예에서, 빔 처리부(160)는 서로 다른 파장 대역의 광 검출기들을 어레이화한 광 검출기 어레이(detector array)(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 빔 처리부(160)는 서로 다른 파장 필터를 갖는 광대역의 광 검출기 어레이를 포함할 수 있다. 빔 처리부(160)는 복수의 광 검출기 각각으로부터 출력되는 신호를 조합하여 분광(spectroscopy) 및 영상 획득을 수행한다.
전술한 실시예에서는 검출부(160)가 광 검출기 어레이를 포함하는 것으로 설명하였지만, 이에 국한되지 않는다. 검출부(160)는 미세 유체관(20)을 통과하는 빔들을 수신하고, 수신된 빔들을 이용하여 빔 영상을 형성하도록 동작하는 CCD(charge-coupled device)(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예를 통해 설명되고 예시되었으나, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 사항 및 범주를 벗어나지 않고 여러 가지 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.
일례로서, 전술한 실시예에서는 렌즈(140)에 의해 집속된 빔들을 미세 유체관(30)으로 반사시키기 위한 미러(150)를 포함하는 것으로 설명하였지만, 다른 실시예에서는 렌즈(140)에 의해 집속된 빔들을 직접 미세 유체관(30)으로 조사시킬 수도 있다.
100: 빔 스캐닝 시스템 110: 광원 형성부
120: 전원 인가부 130: 광소자
131: 입력 포트 132a, 132b: 출사 포트
133: 전극 140: 빔 집속부
150: 미러 160: 빔 처리부

Claims (7)

  1. 빔 스캐닝 시스템으로서,
    초연속 광원(supercontinumm light source)을 형성하도록 동작하는 광원 형성부;
    전압을 가변적으로 형성하여 인가하도록 동작하는 전압 인가부;
    상기 전압에 기초하여 상기 초연속 광원의 위상을 변화시켜 간섭 패턴(interference pattern)을 변화시킨 빔들을 형성하여 출력하도록 동작하는 광소자;
    상기 광소자로부터 출력되는 상기 빔들을 집속시키도록 동작하는 빔 집속부;
    복수의 바이오 물질 각각에 대응하는 제1 바이오 물질 정보를 저장하는 저장부;
    상기 집속된 빔들을 바이오 물질이 흐르는 미세 유체관으로 반사시키도록 동작하는 미러; 및
    상기 미세 유체관을 통과한 빔들을 수신하고, 상기 수신된 빔들을 이용하여 제2 바이오 물질 정보를 형성하고, 상기 저장부를 조회하여 상기 제2 바이오 물질 정보와 가장 유사한 제1 바이오 물질 정보에 해당하는 바이오 물질을 검출하도록 동작하는 빔 처리부를 포함하는 빔 스캐닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광소자는,
    상기 초연속 광원을 입력받도록 동작하는 입사 포트;
    상기 초연속 광원에 기초하여 상기 빔들을 출력하도록 동작하는 복수의 출사 포트; 및
    상기 복수의 출사 포트중 어느 하나의 출사 포트에 설치되고, 상기 전압을 인가받도록 동작하는 전극
    을 포함하는 빔 스캐닝 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광소자는 y-분기 형식의 광소자를 포함하는 빔 스캐닝 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 바이오 물질 정보는 스펙트럼 데이터 및 빔 영상중 적어도 하나를 포함하는 빔 스캐닝 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 빔 처리부는, 서로 다른 파장 대역의 광 검출기들을 어레이화한 광 검출기 어레이를 포함하는 빔 스캐닝 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 빔 처리부는, 서로 다른 파장 필터를 갖는 광 검출기 어레이를 포함하는 빔 스캐닝 시스템.
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