KR101348563B1 - 비파괴 당도측정기 - Google Patents

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KR101348563B1
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도영수
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Abstract

본 발명은 비파괴 당도측정기에 관한 것으로서, 광원으로부터 광이, 당도측정 대상의 과일의 과육을 통하여 반사된 체반사광에서 근적외선을 수광하는 분광센서로서의 광센서의 전기적 신호를 처리하고 통계적인 분석기법에 의하여 당도를 예측하기 위하여 LED를 원형상으로 배설하여 가지는 LED광원과, 상기 과일의 과육을 통하여 반사된 체반사광을 수광하는 광센서 및 온도센서를 포함하는 측정센서부를 가지고, 상기 측정센서부가 돌출형성되는 후면하프체 및 상기 후면하프체와 결합하여 당도측정기의 케이싱을 구성하는 전면하프체에는 당도치값을 디지털값으로서 표시하기 위한 디지털디스플레이를 전면에 장착하여 가지는 패널부 및 조작스위치를 배설하여 가지고, 상기 케이싱 내방에는 상기 광센서로부터의 전기적인 신호를 처리하고 연산 및 판단을 수행하는 중앙처리장치, 상기 온도센서로부터의 온도데이터값과 LED광원으로의 광원데이터값을 연산을 위하여 보관되는 EPROM, 충전이 가능한 전원부를 포함하는 주회로기판을 내장하고, 상기 중앙처리장치는 상기 광센서로부터의 전기적인 처리신호인 파장데이터, 상기 온도센서로부터의 온도데이터, LED광원으로부터의 광원데이터에 기초하여 측정된 광 파형을 통계학적인 분석방법으로 상기 디지털디스플레이에 수치값으로 당도를 표시하게 하는 당도측정기를 제공한다.

Description

비파괴 당도측정기{A MEASUREMENT INSTRUMENT FOR SUGAR CONTENT IN FRUITS}
본 발명은 비파괴 당도측정기에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 과일 등의 신선식품의 당도를 비파괴적인 방법으로 측정하기 위한 당도측정기, 특히 휴대성이 대폭 제고된 구성의 컴팩트한 구성의 당도측정기의 제공에 관한 것이다.
종래로부터 비파괴적인 과일의 당도측정방법으로 근적외선을 과일에 주사하여 반사되는 광의 파장특성을 이용하여 과일의 당도를 측정하고자 하는 다양한 시도가 있었다.
예를 들면 한국 공개번호 10-2011-0111970호의 '과일당도측정 집적광센서 및 측정방법'에서는 과일당도측정용 집적광센서에 있어서, 집적화된 광센서모듈은 과일조직에 침투 가능한 파장을 가진 광을 방출하는 발광다이오드와, 과일조직 내에서 반사되는 광을 검출하는 포토다이오드로 구성되어 과일의 당도를 비파괴적으로 측정할 수 있는 과일당도측정용 집적광센서모듈을 구성하고, 발광다이오드 및 포토다이오드 상단에 과일표면과 직접 접촉하는 광섬유다발, 광섬유다발 하단에 부착되어 고정된 로드셀부, 로드셀, 발광다이오드 칩, 포토다이오드 칩 하단에 기판을 포함하는 구성의 당도측정용의 센서를 제공하고 있다.
상기하는 공개특허의 구성에서는 센서를 구성함에 있어서, 송광부로서의 발광다이오드와 수광부로서의 포트다이오드, 로드셀, 광섬유다발을 단일의 칩 상에 구성하고 광섬유다발과 로드셀을 사용하여 광집속을 하도록 구성되어 있는 센서를 제공하고 있다.
그러나, 상기하는 구성의 단일 칩 상에 송광부로서의 발광다이오드와 수광부로서의 포트다이오드를 구성하는 방식은 제조공정이 대단히 복잡하고 다수의 이질적인 부재가 칩 상에 집적되어야 하므로 자동화공정이 어려워 대부분 수작업으로 구성되어야 함으로써 수율이 낮고 제조비용이 높아 실제 적용상의 어려움이 크다.
또한 상기 공개특허의 기술은 센서의 구성만을 개시하고 전체 당도측정기의 호적한 구성은 개시하고 있지 않아 센서의 실제 적인 사용방식을 알기 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 공개번호 특2001-0017743호의 근적외선을 이용한 과일당도 판정방법 및 그 장치, 특2003-0062859호의 휴대식 비파괴 과실품질 측정계에서도 근적외선을 이용하는 과일당도측정장치를 제안하면서 광섬유다발을 사용하여 광송신과 수신을 행하고 휴대용장치에서도 광섬유다발로 광경로를 구성한 것이 안출되어 있다.
그러나, 상기하는 광전달 경로로서 광섬유다발을 사용하는 당도측정기는 역시 제조공정에서의 구성상의 어려움과 휴대용으로 하기에 적합하지 아니한 제안구성이다.
본 발명은 동일 출원인이 기히 2012년 8월 31일자의 10-2012-0096592호의 '휴대용 당도측정기'의 문제점을 개선한 구성의 제공에 관한 것이다.
본 출원인의 위 선출원에서는, 과일 등의 신선식품의 당도는 제품의 품질에 막대한 영향을 주며 소비자들의 구매요건이 되고 많은 매장들에서 적정 수준 이상의 당도를 요구하고 있으나, 종래의 청과물 등의 당도를 검사하는데 있어서 표본 추출에 의한 파괴적인 방법에 의존하고 있는 화학적인 분석방법은 신속하지 못하고, 전수 조사가 아닌 표본조사이기 때문에 정확성이 의문시되고, 생산자인 농민의 입장에서 볼 때 파괴적인 방법은 생산물의 손실을 초래할 뿐만 아니라 부정확한 판정결과로 인하여 제값을 받지도 못하고 시장으로 출하시키는 경우가 발생하고 출하 적기를 판단하기 어려워 농가소득 증대를 기대할 수 없다는 문제점에 착안하여 새로운 구성의 당도측정기를 제안한 바 있다.
상기 제안의 선출원에서는, 측정 대상의 과일에 대하여 광조사와 과일의 과육을 통과한 광의 특성을 분석하여 과일의 파괴없이 광학적인 검사로서 측정된 당도수치데이터를 비교기에서 중앙처리장치에 기히 경험적이고 누적되어 입력된 데이터값으로서의 당도기준값과 비교하여 다단계의 표시장치로서 구분하여 표시하는 당도판별디스플레이를 제공하고,
중앙처리장치의 입력된 기준데이터값으로서의 당도기준값과, 비교하여 LED드라이버를 거쳐서 다단계의 발광다이오우드를 색상으로 구분하여 표시하게 함으로써 비파괴적인 당도의 측정을 다단계의 다른 색상을 가지는 LED를 구동하게 하여 당도의 단계적인 판별이 가능한 특유의 구성을 제공하였다.
그러나, 상기하는 선원의 구성은 비교적 구성이 간결하여 저렴하게 구성할 수 있는 장점은 있었으나, 다단계의 LED 색상으로 유사치만을 표시하게 함으로써 비교적 정밀한 당도데이터를 요청하는 대형의 판매점에서 사용하기에는 적합하지 않다는 문제점이 있고 근래의 민감한 시장환경 하에서는 그 수요가 제한적이라는 문제점이 있었다.
따라서, 휴대가 가능하면서도 비파괴적이며 당도 수치 정확한 판독이 가능한 구성의 당도측정기의 필요성이 대두되었다.
한국공개특허 2001-0017743호: 근적외선을 이용한 과일당도 판정방법 및 그 장치. 한국 공개특허 2003-0062859호: 휴대식 비파괴 과실품질 측정계. 한국 공개특허 2001-0098390호: 비파괴당도 측정장치. 한국 특허 10-0752415호: 전기화학적 바이오센서를 이용한 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템. 한국 공개특허 10-2011-0111970호: 과일당도측정 집적광센서 및 측정방법.
노(Noh) 등(2007): 레이저 유도 형광 영상을 이용한 사과의 내부품질을 평가. 칭(Qing) 등(2007): 레이저 빛의 후방 산란 이미지를 분석하여 사과의 당도와 경도를 예측. 루(Lu)(2003): 500~1000nm 영역에서 일종의 반사광 측정방법인 scattering image를 이용한 사과의 내부 품질인 당도와 경도를 측정. 무라마츠(Muramatsu) 등(1999): 표면 진동의 변화를 이용하여 레이저 도플러 검출기로 측정하여 비파괴 측정.
상기하는 문제점을 감안하여 본 발명의 비파괴 당도측정기는,
기히 공지의 기술로서 널리 알려진 근적외선분광법을 기초로 하되, 구성이 간결하여 종래와 같이 광섬유를 사용하여 광원을 연장하지 않고 개선된 구성의 센서부로서의 측정센서부를 제공함으로서 휴대가 극히 간단하면서도 측정 정밀도가 높은 당도측정기의 제공으로서 제조경비 및 휴대성을 극대화하는 목적을 달성하고자 한다.
또한 본 발명의 비파괴 당도측정기는 비파괴적으로 측정이 가능하며, 측정수치를 디지털 디스플레이로 구현함으로써 정밀한 당도 측정값의 판독이 가능한 장치를 제공하고 측정센서부의 구성을 개선함으로써 저렴하고도 컴팩트한 구성의 당도측정기를 제공하는 것을 역시 주요한 목적으로 한다.
본 발명의 비파괴 당도측정기는 본 출원인의 선출원의 구성을 더욱 개선하고 수치적인 판독이 가능하게 함으로써 사용의 편의성을 제고하며, 나악 측정센서부의 개선을 더욱 개선함으로써 측정정도가 높고 저렴한 휴대용의 비파괴 당도측정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기하는 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비파괴 당도측정기는;
광원으로부터 광이, 당도측정 대상의 과일의 과육을 통하여 반사된 체반사광에서 근적외선을 수광하는 분광센서로서의 광센서의 전기적 신호를 처리하고 통계적인 분석기법에 의하여 당도를 예측하기 위하여 LED)를 원형상으로 배설하여 가지는 LED광원과, 상기 과일의 과육을 통하여 반사된 체반사광을 수광하는 광센서 및 온도센서를 포함하는 측정센서부를 가지고,
상기 측정센서부가 돌출형성되는 후면하프체 및 상기 후면하프체와 결합하여 당도측정기의 케이싱을 구성하는 전면하프체에는 당도치(Brix값)을 디지털값으로서 표시하기 위한 디지털디스플레이를 전면에 장착하여 가지는 패널부 및 조작스위치를 배설하여 가지고,
상기 케이싱 내방에는 상기 광센서로부터의 전기적인 신호를 처리하고 연산 및 판단을 수행하는 중앙처리장치, 상기 온도센서로부터의 온도데이터값과 LED광원으로의 광원데이터값을 연산을 위하여 보관되는 EPROM, 충전이 가능한 전원부를 포함하는 주회로기판을 내장하고,
상기 중앙처리장치는 상기 광센서로부터의 전기적인 처리신호인 파장데이터, 상기 온도센서로부터의 온도데이터, LED광원으로부터의 광원데이터에 기초하여 측정된 광 파형을 통계학적인 분석방법으로 상기 디지털디스플레이에 수치값으로 당도를 표시하게 하는 당도측정기에 있어서;
상기 광센서는 상기 주회로기판과 별도의 회로기판 상에 구성되는 센서유니트 상의 하나의 소자로서 CIS(CMOS Image Sensor) 웨이퍼 상에 광학적식각(Optical Lithography)의 반도체공정을 이용하여 700nm ∼ 900nm의 분광 특성을 갖는 나노필터 어레이를 대량으로 제작하여 모노리틱하게 일체로 집적화하여 분광필터와 CIS를 가지는 센서체이고,
상기 광센서로부터의 전기적인 신호를 처리하여 상기 중앙처리장치로 보내기 위한 전처리수단으로서의 센서신호처리마이컴이 상기 광센서와 동일한 회로기판에 구성되어 독립된 센서유니트로 제공되며,
상기 측정센서부에서 상기 LED광원에 인접하여 상기 광센서가 노출되도록 배설되는 것을 기본적인 구성 상의 특징으로 한다.
상기하는 구성에 의한 본 발명의 비파괴 당도측정기는, 휴대성이 제고되고 측정의 정밀도가 증대된 비파괴 당도측정기를 제공한다.
나아가, 본 발명은 CIS(CMOS Image Sensor)에 분광 특성을 부여하는 필터를 반도체 공정을 이용해서 모놀리딕한 제품 형태로 제작하고, 광회절 원리를 이용한 분광 필터를 집적화한 선출원 구성에 더하여,
당도측정에 최적화된 전체 장치로서의 당도측정기를 제공하고 당에 최적화된 단일 파장 대역의 LED 광원을 사용함으로써 제조 비용을 줄이고 소모 전류를 낮출 수 있어서 휴대용 기기에 적합한 구성을 제공하는 것은 동 출원의 선출원의 기술 목적과 부합하면서,
최적화된 독립된 구성으로서 컴팩트하면서도 보급성이 좋은 당도측정기를 제공하는 것을 특징으로 한다.
도 1 a,b는 본 발명의 기술이 적용된 비파괴 당도측정기의 적합한 구성으로서의 예시적인 제품구성의 측면도 및 평면도.
도 2는 본 발명의 기술이 적용된 비파괴 당도측정기의 센서부를 도시하는 도 1b의 배면도.
도 3은 본 발명의 비파괴 당도측정기의 측정센서부 만을 도시하는 평면도.
도 4a는 본 발명의 비파괴 당도측정기의 측정센서부에 부착사용이 가능한 접촉마운팅의 단면도.
도 4b는 본 발명의 비파괴 당도측정기의 측정센서부의 단면을 도시하는 도 3의 A-A 선 단면도.
도 5는 본 발명의 비파괴 당도측정기의 측정센서부에서 채용되는 광원의 특성설명도와 측정센서부의 측정대상인 과일로의 접촉상태를 확대하여 과장되게 도시하는 부분단면도.
도 6은 본 발명의 비파괴 당도측정기에 사용되는 광센서를 수납한 회로기판으로서의 센서유니트의 사시도.
도 7은 본 발명의 비파괴 당도측정기에 적용되기에 적합한 구성의 측정센서의 제조공정의 모식도.
도 8은 본 발명의 기술이 적용된 비파괴 당도측정기의 측정센서부의 센서의 구성모식도.
도 9는 본 발명의 비파괴 당도측정기의 전체적인 하드웨어의 블럭구성도.
도 10은 본 발명의 비파괴 당도측정기의 센서측정부의 작동을 설명하는 플로우챠트도.
도 11은 본 발명의 기술이 적용된 비파괴 당도측정기의 작동플로우도.
도 12는 본 발명의 당도측정기의 통계적분석을 위하여 시행한 다양한 당도를 가지는 과일의 광스펙트럼도.
도 13은 본 발명의 당도측정기의 통계적분석을 위하여 사과의 경우의 당도예측모델의 정립을 위하여 시행한 것으로서 광센서에서의 측정당도와 과일의 실제당도 간의 상관그래프도.
도 14는 본 발명의 비파괴 당도측정기의 전체 구성의 실제 생산을 위한 목업(Mock-up)의 측면,평면,배면도이다.
이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 예를 살펴보면 다음과 같다.
도 1 a,b는 본 발명의 기술이 적용된 비파괴 당도측정기의 적합한 구성으로서의 예시적인 제품구성의 측면도 및 평면도,도 2는 도 1b의 배면도, 도 3은 측정센서부 만을 도시하는 평면도, 도 4a는 측정센서부에 부착사용이 가능한 접촉마운팅의 단면도, 도 4b는 측정센서부의 단면을 도시하는 도 3의 A-A 선 단면도, 도 5는 측정센서부에서 채용되는 광원의 특성과 측정센서부의 측정대상인 과일로의 접촉상태를 확대하여 과장되게 도시하는 부분단면도, 도 6은 광센서를 수납한 회로기판으로서의 센서유니트의 사시도, 도 7은 본 발명에 채용되는 측정센서의 제조공정의 모식도, 도 8은 본 발명에 채용되는 측정센서부의 센서의 구성모식도, 도 9는 전체적인 하드웨어의 블럭구성도, 도 10은 당도측정기의 센서측정부의 작동을 설명하는 플로우챠트도, 도 11은 당도측정기의 작동플로우도, 도 12는 당도측정기의 통계적인 분석을 위하여 실시한 다양한 당도를 가지는 과일의 광스펙트럼도, 도 13은 광센서에서의 측정당도와 과일의 실제당도 간의 상관그래프도, 도 14는 본 발명의 비파괴 당도측정기의 전체 구성의 실제 생산을 위한 목업(Mock-up)의 측면,평면,배면도로서 순차적으로 설명한다.
본 발명의 구성은 본 출원인의 선출원에 대하여 유사, 동일한 기술구성은 전제부로서 기재하고 본 발명에 고유한 구성부 및 작용에 대하여서만 권리로서 청구하고 있다.
이하에서 본 발명의 당도측정기(100)를 구성부재의 설명과 함께 구성부재로부터의 전기적인 신호의 처리흐름을 따라서 순차적으로 구성과 작동을 설명한다.
[ 당도측정기(100)의 하드웨어적인 구성]
본 발명의 비파괴 당도측정기(100)를 도시하는 도 1a 이하와 함께 설명하고 실제 생산을 위한 목업의 사진인 도 14를 참고로서 같이 설명한다.
본 발명의 비파괴 당도측정기(100)의 구성은 예시적인 형상체의 도면으로서 도시하는 바와 같은 형상의 케이싱이 아닌 다양한 형상체의 사출체로서 구성될 수 있음은 물론이다.
휴대성이 제고된 본 발명의 비파괴 당도측정기(100)의 전체 케이싱체는 전면하프체(Frontal Half body:1)과 후방부의 후면하프체(Rear Half Body:20)으로 구분되는 통상적인 하프(Half) 결합체로서 제조되며, 그 내방에 주회로기판(PB)을 내장하여 휴대가 가능한 전체 케이싱을 구성하게 된다.
전면하프체(1)에는 도 1b에 도시하는 바와 같이,
당도치(Brix값)을 수치로서 표시하기 위한 LCD 디스플레이가 바람직한 실시예인 디지털디스플레이(11)를 전면에 장착하여 가지는 패널부(10)를 배설되어 구성된다.
패널부(10)에는 바람직하게는 멤브레인스위치(Membrain Switch) 방식이 적합한 구성으로 하여 전원스위치(12), 모드선택스위치(13), 메뉴선택UP,DOWN스위치(14,15) 및 선택확정용 확인스위치(16)가 각각 후술하는 작동을 위하여 배설된다. 또한 패널부(10)에는 전원표시등(17)과 충전상태등(18)이 발광다이오드디스플레이수단으로 제공된다.
상기하는 조작스위치류는 본 발명의 당도측정기(100)의 구성에 따라서 선택적으로 모두 필요하거나 어떤 구성(예를 들면 특정한 과일인 사과에 특화된 당도측정기를 구성하는 경우는 과일의 종류를 선택하는 메뉴선택UP,DOWN스위치(14,15) 등은 불요한 구성일 수 있다.
바람직한 구성의 디지털디스플레이(11)에는 도 1b 및 도 14의 실제생산품의 사진에서와 같이, 당도수치를 브릭스값(Brix Value)으로 표시하는 당도수치부, 측정대상과일을 표시하는 대상표시부, 측정 시의 주위환경의 온도를 표시하는 온도표시부) 및 전원의 충전상태표시부를 선택되는 바람직한 위치에 배설하여 구성되는 통상적인 캐릭터 형식의 LCD 디스플레이로서 도시된다.
이러한 구성의 전면하프체(1)에 결합되어, 내부부재인 주회로기판(PB) 등을 포함하는 케이싱으로 구성하면서, 측정센서부(30)를 제공하기 위하여 결합되는 후면하프체(20)이 도 2에 배면도로서 도시된다.
후면하프체(20)의 상방향 측으로는 본 발명의 주요 구성부인 측정센서부(30)가 센서부로서 돌출하는 관체 형상체의 결합으로 제공되고, 전면하프체(1)과 후면하프체(20)이 결합되는 측방에는 측정 시에 사용자의 조작의 편의성을 위하여 측정개시버턴(21)이 배설되어 사용자가 한 손으로 파지한 상태에서 측정가능하도록 제공된다.
돌출하는 관체어셈블리로서의 측정센서부(30)는 본체인 케이싱의 중심축에 대하여 경사각(α)을 가지도록 형성되는 것이 측정 시의 과일(F)과의 간섭을 피하기 위하여 바람직하다.
측정개시버턴(21)이 측방에 위치하는 것은 측정 대상의 과일(F)에 대하여 본 발명의 당도측정기(100)를 접촉하는 도 5의 도면 우측부분에서와 같이, 흔들림없이 접촉한 상태에서 측정을 개시할 수 있게 한 손으로 조작가능하게 하기 위한 것으로서,
도 1b의 도시되는 패널부(10) 상에 배설되는 다른 조작스위치는 초기 또는 측정 이후에 과일(F)로부터 당도측정기(100)를 이격시킨 이후에 이루어지므로 이러한 조작스위치의 배설이 바람직하다.
돌출하여 구성되는 측정센서부(30)는 경사각(α)을 케이싱의 중심선에 대하여 가짐으로써 도 1a 내지 도 5에 도시되는 바와 같이, 측정대상물인 사과 등의 과일(F) 측으로 접촉각(α- 90도)을 가지면서 접속하게 된다. 이에 따라서 측정센서부(30)의 단부는 측정대상 과일(F)의 표면과의 접촉성이 좋게 하고 과일(F)과 측정자의 손의 간섭을 최소화하여 측정의 정밀도를 제고한다.
도 3 및 도 4b에 도시하는 바와 같이, 측정센서부(30)는 돌출하는 높이(H)가 낮은 외륜 관체로서의 차광관체(31-1)를 가지고, 차광관체(31-1)의 내방에는 차광관체(31-1)와 동심을 가지면서 차광관체(31-1)의 직경보다 작은 축소된 직경의 역시 돌출하는 내륜관체로서의 광구획관체(31-2)를 더 구성하면서 차광관체(31-1)의 돌출한 높이(H)보다 광구획관체(31-2)의 돌출한 높이(h)를 작게 하여 높이차(HD)를 부여하는 것이 좋다.
다양한 곡률(R)을 가지는 과일(F) 들을 대상으로 실험한 결과 이 높이차(HD)는 1mm 내외가 바람직하였다.
이렇게 차광관체(31-1)와 광구획관체(31-2) 간에 높이차(HD)를 부여하는 것은 도 5의 우측에 부분적으로 설명을 위하여 도시하는 바와 같이 당도측정기(100)를 과일(F)에 접촉하여 사용하는 경우, 사과 등의 과일(F)은 고유의 곡면 형상에 의한 곡률(R)을 가지게 되므로 당도측정기(100)의 측정 시에 접촉면에서의 과일(F)의 곡률(R)에 의하여 측정중심부는 당도측정기(100)의 측정센서부(30) 내방으로 일정한 높이만큼 진입하게 되고,
이 진입한 높이를 외방의 차광관체(31-1)와 내방의 광구획관체(31-2)의 높이차(HD)에 의하여 흡수하여 완전한 밀착이 이루어지게 되도록 하여 후술하는 LED광원(32)으로부터의 광원의 누설과 외부환경으로부터의 간섭광의 인입을 차단하기 위한 것이다.
이러한 목적을 위하여 더욱 바람직하게는 측정센서부(30)의 차광관체(31-1)는 측정대상물인 과일의 표면에 상처를 주지않고 또한 밀접하게 접촉함으로써 측정정밀도를 제고하고, 측정 대상의 과일(F)의 곡률(R)이 과일(F)의 종류에 따라서 다르므로 이를 흡수하기 위하여 탄성재, 예를 들면 고무, 우레탄으로 성형하여야 하는 것이 좋고,
또 다른 더욱 바람직한 실시구성으로서는 차광관체(31-1) 자체는 경성의 플라스틱 사출체로 구성하고 도 4a와 같은 단면의 링형상의 접촉마운팅(M)을 고무 등의 탄성재로서 별도로 구성하여 차광관체(31-1)의 단부(E)에 끼워 사용하여도 무방하다.
이러한 접촉마운팅(M)의 구성을 사용하는 경우는 접촉마운팅(M)의 직경(Md)과 높이(Mh)를 다르게 하여 다양한 과일 즉 직경이 비교적 작은 과일과 직경이 비교적 큰 과일 모두에 본 발명의 당도측정기(100)를 효율적으로 사용할 수 있게 된다.
상기하는 구성으로서 차광관체(31-1)는 외부환경으로부터 측정대상의 과일(F) 및 측정점으로의 불필요한 후술하는 자연광, 또는 자연광의 산란광의 진입을 차단하게 되고 광구획관체(31-2)는 후술하는 LED광원(32)으로서 LED(32-1,32-2,32-3. .)로부터의 광속(Light Flux)이 산란되지 않고 측정 대상점으로 집속하도록 하여 과일(F)의 표면으로 인입되어 반사된 광만을 광센서(40)로 보내도록 구획하여 측정정밀도를 높이기 위한 이중관체로서 작용하게 된다.
도 4b에서와 같이 측정센서부(30)의 차광관체(31)와 광구획관체(31-2) 사이의 링형상 외주부의 내방 저면부(S)에는 측정용의 LED광원(32)으로서 다수의 LED(32-1,32-2,32-3. .)가 원형상으로 배설되고, 차광관체(31-1)의 중앙부에는 과일(F)로부터의 광을 수광하는 광센서(40)가 배설된다.
광센서(40)는 후술하는 바와 같이 센서유니트(U) 상에 배설된 센서부로서 도 4b에서와 같이 전체 센서유니트(U)에 고정된 하나의 소자로서의 센서부이다.
또한, 원형상으로 배설되는 LED광원(32)으로서의 LED(32-1,32-2,32-3. .)의 원호상의 어느 하나의 공간에 온도센서(61)가 배설되어 측정 지점의 측정시점의 온도를 측정하게 되며 이는 후술하는 측정과정에서 주요한 변수로서 채용된다.
본 발명에서 적합한 LED광원(32)으로서의 다수의 LED(32-1,32-2,32-3. .)는 700 ~ 900 nm 의 중심파장을 가지는 것으로서 선택하게 된다.
상기하는 도 3, 도 4b의 구성으로 함으로써 광원인 LED(32-1,32-2,32-3. .)와, 수광부인 광센서(40)를 광학적으로 격리하게 하여 과일(F)의 표면을 통과하지 아니한 광원의 빛이 바로 광센서(40)로 유입되지 않도록 설계하여 상대적으로 낮은 휘도의 LED를 광원으로는 사용할 수 있도록 함으로서 종래의 고휘도의 광원을 사용하던 구성에 비하여 제조 비용 및 소비 전력을 줄여 휴대용 기기에 적합하도록 개발하는 것이 가능하게 된 것이다.
이는 도 5의 설명도에서와 같이, 과일(F)로 투사되는 광(I)은 과일(F)의 표면에서 반사되는 정규반사광(Ir), 과일(F)의 내부로 침투하여 과육(FB)을 경유하여 다시 과일(F)의 표면으로 전달되는 체반사광(Ib), 외부환경으로부터의 침투하는 확산광(Id), 및 과일(F)의 내부에서 과육(FB)에 의하여 흡수되는 흡수광(Ia) 및 과육(FB)을 통과하여 버리는 투과광(It)으로 구성되는 광의 종류에 기인하는 것이다.
따라서 상기의 측정센서부(30)의 차광관체(31)와 광구획관체(31-2)의 구성으로서 외부환경으로부터의 침투하는 확산광(Id)을 최소화하고, 과일(F)의 내부로 침투하여 과육(FB)을 경유하여 다시 과일(F)의 표면으로 전달되는 체반사광(Ib) 만을 광센서(40)로 전달가능하게 하여 당도의 측정정밀도를 제고할 수 있고,
광원으로부터의 광속을 집속하고 최대한 측정에 사용할 수 있게 하여, 비교적 저휘도의 LED광원을 사용할 수 있게 되는 것이다. 이는 종래 선원 등에서 고휘동의 할로겐램프의 사용으로 인한 구조의 복잡화와 대형화및 고비용의 문제점을 해소할 수 있는 유용성을 가진다.
이러한 측정센서부(30)에 채용되어 본 발명에 적합한 구성의 광센서(40)는 도 6에 도시되는 바와 같이, 센서체로서 구성되어 주회로기판(PB)과는 별도의 회로기판(UB) 상에 구성되는 센서유니트(U) 상의 하나의 소자로서 장착되고,
도 4b의 측정센서부(30)의 단면도에서의 하방에 배설되는 바와 같이, 측정센서부(30)의 중앙의 광구획관체(31-2) 내방 저면에서 이 광센서(40)가 노출되도록 장착되고 바람직하게는 광센서(40)의 노출면 측에는 커버글래스(도시하지 아니함)가 장착된다.
광센서(40)는 종래 선출원의 기술과 같이, 근적외선(Near Infrared : NIR) 분광센서로서 종래에부터 다양한 용도로서 사용되고 있었다.
이러한 종래로부터의 근적외선분광센서는 예를 들면 한국 공개번호 10-2011-0111970호의 '과일당도측정 집적광센서 및 측정방법'에서와 같이, 발광다이오드와, 과일조직 내에서 반사되는 광을 검출하는 포토다이오드및 센서를 집합시켜 하나의 기판 상에 배설하여 구성하거나,
전공정에서 완성된 쿼츠(Quartz)나 글래스웨이퍼(Glass Wafer) 상에 단순히 필터어레이를 별도로 분리하여 따로 제작하고, 부가적으로 CIS(CMOS Image Sensor)가 집적된 칩(Chip) 상에 하이브리드 형태로 부착하여 조립하는 방식을 사용하였기 때문에 근적외선 분광센서의 가격이 대단히 높았으며 이는 양산형의 구성이 아니고 기성품을 반조립하는 구성이므로 수율이 낮고 다단계의 공정에 의하여 제조비용의 상승 및 작동신뢰성이 높지 않다는 문제점이 있었다.
본 발명에 채용되는 측정센서부(30)의 센서유니트(U) 상에 배설되는 광센서(40)는 본 출원인의 선출원에서 기히 기술하고 도 7과 도 8에 다시 도시하는 바와 같이, CIS(CMOS Image Sensor) 웨이퍼 위에 광학적식각(Optical Lithography)의 반도체공정을 이용하여 700nm ∼ 900nm의 분광 특성을 갖는 나노필터 어레이를 대량으로 제작하여 모노리틱하게 일체로 집적화(integration)함으로써 기존 제품들에 비해 손쉽게 휴대가 가능하도록 하게 한 것으로서 이러한 구성은 선원에 개시되어 본 발명에서는 종래 구성으로서 참조한다.
광센서(40)는 근적외선분광센서(CIS)를 구성하기 위하여 도 7에서와 같이,
광학적인 식각(Optical-Lithography)의 반도체 공정을 이용하여 CIS(CMOS Image Sensor)의 웨이퍼(W) 상의 CIS의 픽셀과 정합되어 배열되는 단일층의 나노필터 어레이(FA)를 일관된 공정으로서 제작하여 구성하였다.
이는 선출원에서 기히 개시한 구성으로서 본 발명의 광센서(40)에 적합한 구성으로서 하여 전체 당도측정기(100)의 가격 중 상당비중을 차지하는 센서부의 가격을 저하시킬 수 있었다.
광센서(40)는 상기하는 방법으로 제조되는 도 8의 나노필터어레이인 분광필터(41)에서 특정한 파장대 예를 들면, 750 nm 파장대를 필터링하고 CIS(CMOS Image Sensor)(42)는 필터링된 빛의 파장을 전기적 신호로 변환한다. 이러한 광센서(40)에 보호를 위한 커버글래스(43)를 장착할 수 있음은 물론이다.
이러한 구성체로서의 광센서(40)는 도 7에 도시하는 바와 같은 별개의 회로기판인 센서회로기판(UB)으로 구성되는 센서유니트(U)에 수광체로 하나의 소자로서 고정되고 센서유니트(U)에는 후술하는 광신호처리를 위한 제어소자들이 배설된다. 제어소자 중의 하나는 정형화된 커스텀IC와 같은 센서신호처리마이컴(SC)일 수 있고 후술하는 신호처리를 위한 로직을 내장하게 된다.
물론 케이싱 내의 주회로기판(PB)의 위치와 측정센서부(30)의 위치와의 정합으로서 센서유니트(U)의 별개의 센서회로기판(UB)을 제거할 수 있으나 생산 및 제조공정의 관리 측면에서 별도의 기판체로서 구성하는 것이 바람직하다.
상기의 광센서(40)는 근적외선 분광센서유니트로서, 광의 파장의 강도를 이용하므로 시료로부터 센싱되고 필터링된 광데이터를 검출하는 소자로서 사용되고 센서유니트(U) 상에 구성되어 제어소자와 같이 작동한다.
광센서(40)와 협동하는 센서유니트(U) 상의 센서신호처리마이컴(SC)의 신호처리를 로직과 함께 작동하는 전기적인 신호처리의 흐름을 도 10의 블럭도와 함께 설명한다.
[ 센서유니트(U)와 광센서(40)의 신호처리]
광센서(40)와 협동하는 센서유니트(U) 상의 제어소자의 센서신호처리마이컴(SC)은 하기의 신호처리블럭을 구비하여야 한다.
트랜스퍼게이트(TG:Transfer Gate)(50)로부터의 구동 펄스에 따라 CIS(CMOS Image Sensor)(42)상의 픽셀어레이를 구동시키게 되고, LED광원(32)으로서 다수의 LED(32-1,32-2,32-3. .)로부터의 출력광은 차광관체(31-1)와 광구획관체(31-2)의 협동으로 과일(F)로 진입하게 되고 과일(F)의 과육을 통하여 입사광쪽으로 다시 반사되는 체반사광(Ib)은 광센서(40)의 나노필터어레이인 분광필터(41)에서 특정한 근적외선 파장대, 예를 들면 바람직하게는 '750nm' 파장대 만을 필터링하고 이 필터링된 근적외선파장광은 CIS(CMOS Image Sensor)(42)상의 픽셀어레이를 구동하여 반사측정된 근적외선파장에 기초한 전기적 신호를 얻게 된다.
이 전기적 신호에 기초하여 트랜스퍼게이트(50)로부터의 구동 펄스에 따른 CIS(42)상의 픽셀어레이 구동의 신호는 샘플링홀딩부(S/H:Sample & Hold)(51)에서 샘플링하여 임시로 저장하고, 복수연관처리부(CDS:Correlated Double Device)(52)에서 CIS(42)로부터의 신호를 전달받기 전과, 전달받은 후의 두 번의 신호를 샘플링해서 서로 빼주어 신호를 전달받기 전에 발생한 노이즈(잡음)와 CIS(42)의 픽셀들의 고유의 불균일성을 제거하고, 조정부(Adjust)(53)에서 게인(Gain) 조정과 오프셋값을 보정한 이후, 아날로그디지털컨버터(ADC:Analog Digital Converter)(54)에서 전기적인 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하여 이미지감응프로세서(ISP:Image Sensor Processor)(55)에서 상기의 디지털 값으로 변환된 이미지 신호를 처리하여 보다 정확한 이미지데이터의 전기적 신호로 만들어 후술하는 주회로기판(PB)의 주마이컴(Micom)인 중앙처리장치(60)로 보내어 처리하게 된다.
위와 같은 센서유니트(U)와 협동하는 주회로기판(PB) 상의 구성을 도 9와 함께 설명한다.
케이싱 내에 내장되는 PCB 기판으로서의 주회로기판(PB)에는 센서유니트(U)로부터의 전기적인 신호를 처리하고 연산 및 판단을 수행하는 중앙처리장치(60)이 후술하는 제어로직을 프로그램으로 내장하여 가지면서 실장된다.
중앙처리장치(60)에 당도측정 시의 측정환경의 온도값이 보정데이터로서 필요하므로 온도센서(61)를 가지면서 센서유니트(U)로부터의 전기적 신호를 당도 수치로 변환하는 알고리즘에 따른 변환논리를 포함한다.
온도센서(61)로부터의 온도데이터값과 LED광원(32)으로의 광원데이터값은 연산을 위하여 보관되는 EPROM(62)을 거쳐 중앙처리장치(60)로 전송되고, 중앙처리장치(60)로부터의 출력값은 상술한 전면하프체(1)의 LCD 디스플레이 등의 디지털디스플레이(11)에 표시된다.
주회로기판(PB)으로의 전원은 전원부(70)에 의하여 이루어지고 전원부(70)는 도시하는 바와 같이, 통상적인 리튬이온배터리와 같은 충전배터리(71)와 같은 충전수단을 구비하여 외부전원(72)으로부터 충전하여 배터리컨트롤러(73) 및 DC/DC컨버터(74)를 거쳐 주회로기판(PB)으로 공급된다. 당도측정기(100)는 반복적이고 지속적으로 사용되므로 충전가능한 전원공급수단을 구비하는 것이 좋다.
DC/DC컨버터(74)는 당도측정기(100)의 각각의 구성소자인 온도센서(61), LED광원(32), EPROM(62), 센서유니트(U), 중앙처리장치(60), 디지털디스플레이(11)가 요구하는 레벨에 맞는 전압으로 각각 변환하여 전원을 공급하게 된다.
이러한 충전상태는 디지털디스플레이(11)의 충전상태표시부(11-4) 및 패널부(10) 상의 전원표시등(17)과 충전상태등(18)에 의하여 표시되게 된다.
주회로기판(PB) 상의 중앙처리장치(60)로 수합되는 센서유니트(U)로부터의 전기적인 처리신호인 파장데이터, 온도센서(61)로부터의 온도데이터, LED광원(32)으로부터의 광원데이터에 기초하여 측정된 광 파형을 해석하고, 광데이터변환의 조정(Calibration) 방법과 최적화(Fitting) 방법에 기초하는 당도연산의 알고리즘과 프로그래밍은 본 발명의 출원 이전에 기히 많은 논문과 자료에서 개시되어 있고 본 발명에서는 그러한 이론 중 본 발명에 적합한 것을 예시적으로 설명한다.
패널부(10) 상에 배설되는 상술한 모드선택스위치(13), 메뉴선택UP DOWN스위치(14,15) 및 확정용 OK스위치(16)는 본 발명에서 반드시 필요한 구성요소는 아니나 후술하는 통계적인 데이터에 의하여 다양한 종류의 과일에 맞게 중앙처리장치(60)가 각각 다른 상수와 변수를 가지는 중회귀분석값을 선택하게 구성하는 경우 필요한 조작스위치들이다.
[ 당도측정기(100)의 주회로기판(PB)과 중앙처리장치(60)에 의한 신호처리]
센서유니트(U)의 광센서(40)로부터의 처리된 전기적 신호에 기초하여, 측정대상의 과일(F) 상에 도 4b에서와 같이 측정센서부(30)를 접촉시킨 상태에서 측정개시버턴(21)의 작동으로서 당도 측정을 개시(80)하면,
광센서(40)의 셔트속도(Shut Speed)를 선택(81)하고 이전 측정데이터인 백데이터(Back Data)를 측정( 백데이터는 LED를 발광하지 않은 상태에서 측정한 데이터임)(82)하여 측정한 백데이터를 '0'으로 리셋(83)시킨다.
이런 초기상태에서 LED광원(32)을 발광시켜 과일(F)에 조사하여 과일(F) 내부에 투과되어 과육(FB) 속의 당과 반응한 후, 반사되어 나오는 체반사광(Ib)의 근적외선 스펙트럼을 감지하여 센서유니트(U) 상의 광센서(40)가 이를 전기적인 신호로서 측정(84)하여 센서유니트(U)에서의 처리를 거쳐서 주회로기판(PB) 상의 중앙처리장치(60)로 전달된다.
온도센서(61)는 측정 시점의 과일(F)의 온도를 측정(90)한다.
광센서(40)에 의하여 측정된 내부 반사파를 측정한 값이 기준 값 범위( 즉, 데이터가 과대화되거나 너무 미약하여 무의미한 데이터가 아닌 유효한 데이터범위)인지를 판단(85)하게 하여 기준 값 범위가 아닐 경우 재측정을 실시한다.
중앙처리장치(60)는 이러한 측정 과정을 반복적으로 여러 번 수행하고 측정데이터가 기준 값 범위이면 측정검량단계로 이행(86)하고 측정검량단계에서의 측정검량이 종료되면 온도센서(61)의 측정온도에 기한 온도보정(87)을 수행하여 중앙처리장치(60)에서의 처리를 거쳐 디지털디스플레이(11)에 당도를 표시(88)하여 당도측정을 종료하게 된다.
상기의 측정검량단계(88)에서 측정검량은 통상적으로 알려진 분석방법, 예를 들면 상술한 한국 공개번호 10-2011-0111970호 등에서도 개시된 중 회귀 분석 (Multiple Linear Regression)을 이용하며 그러한 분석방법은 기초측정데이터에 대한 상수와 목적변수를 반복적인 실험으로 구한 중회귀값인 통상적인 방법이다.
즉, 여기에서의 중 회귀 분석이란 실측당도인 목적변수 Y를 n개의 광센서(40)에서의 측정당도인 설명변수 X1, X2, X3,. . Xn의 1차 식으로 나타낸 것으로서 Y= a + b1X1 + b2X2 + b3X3 + . .. + bnXn 로 표현되며, Y와 X1, X2, ..., Xn 사이의 관계식을 구하는 회귀분석법임이 널리 알려져 있다.
여기에서 a 는 상수, X1, X2, ... Xn 는 광센서(40)에 측정된 당도, b1, b2,..., bn는 회귀계수이며 측정한 온도값에 따라 당도 값을 보정한 후 디지털디스플레이(11)에 브릭스값으로 표시한다.
상기에서 상수 a와 b1, b2,..., bn는 실험에 의하여 얻어지는 값이며 많은 당도대 측정광의 스펙트럼의 실험값을 통계적으로 구하여 얻어지는 값이 됨은 물론이며 본 발명의 실험을 위하여 수행된 도 12는 사과의 경우의 당도에 따른 스펙트럼을 반복적으로 실시하여 얻은 그래프이며, 도 13은 사과의 경우의 당도예측모델의 정립을 위하여 시행한 것으로서 측정 대상광의 캘리브레이션을 수행하여 얻은 광센서(40)를 통하여 측정된 값으로서 측정당도와 실제 과일(F)이 가지는 실제당도 간의 상관그래프도이다.
이상과 같은 본 발명의 비파괴 당도측정기는 과일의 샘플링 또는 전수검사 시에 과일의 파괴없이 간단한 광 조사작업만으로 정확한 당도를 수치로서 파악하게 하여 최적의 출하시기와 판매시기를 판단할 수 있게 하여 영농생산성을 제고하고 유통과정에서의 최적화된 상품의 판매가 가능하게 한다.
1: 전면하프체
10: 패널부
11: 디지털디스플레이
20: 후면하프체
100: 당도측정기

Claims (2)

  1. 광원으로부터 광이, 당도측정 대상의 과일(F)의 과육(FB)을 통하여 반사된 체반사광에서 근적외선을 수광하는 분광센서로서의 광센서의 전기적 신호를 처리하고 통계적인 분석기법에 의하여 당도를 예측하기 위하여 LED(32-1,32-2,32-3. .)를 원형상으로 배설하여 가지는 LED광원(32)과, 상기 과일(F)의 과육을 통하여 반사된 체반사광을 수광하는 광센서(40) 및 온도센서(61)를 포함하는 측정센서부(30)를 가지고,
    상기 측정센서부(30)가 돌출형성되는 후면하프체(20) 및 상기 후면하프체(20)와 결합하여 당도측정기(100)의 케이싱을 구성하는 전면하프체(1)에는 당도치(Brix값)을 디지털값으로서 표시하기 위한 디지털디스플레이(11)를 전면에 장착하여 가지는 패널부(10) 및 조작스위치를 배설하여 가지고,
    상기 케이싱 내방에는 상기 광센서(40)로부터의 전기적인 신호를 처리하고 연산 및 판단을 수행하는 중앙처리장치(60), 상기 온도센서(61)로부터의 온도데이터값과 LED광원(32)으로의 광원데이터값을 연산을 위하여 보관되는 EPROM(62), 충전이 가능한 전원부(70)를 포함하는 주회로기판(PB)을 내장하고,
    상기 중앙처리장치(60)는 상기 광센서(40)로부터의 전기적인 처리신호인 파장데이터, 상기 온도센서(61)로부터의 온도데이터, LED광원(32)으로부터의 광원데이터에 기초하여 측정된 광 파형을 통계학적인 분석방법으로 상기 디지털디스플레이(11)에 수치값으로 당도를 표시하게 하는 당도측정기(100)에 있어서;
    상기 광센서(40)는 상기 주회로기판(PB)과 별도의 회로기판(UB) 상에 구성되는 센서유니트(U) 상의 하나의 소자로서 CIS(CMOS Image Sensor) 웨이퍼 상에 광학적식각(Optical Lithography)의 반도체공정을 이용하여 700nm ∼ 900nm의 분광 특성을 갖는 나노필터 어레이를 제작하여 모노리틱하게 일체로 집적화된 분광필터(41)와 CIS(42)를 가지는 센서체이고,
    상기 광센서(40)로부터의 전기적인 신호를 처리하여 상기 중앙처리장치(60)로 보내기 위한 전처리수단으로서의 센서신호처리마이컴(SC)이 상기 광센서(40)와 동일한 회로기판에 구성되어 독립된 센서유니트(U)로 제공되며,
    상기 측정센서부(30)에서 상기 LED광원(32)에 인접하여 상기 광센서(40)가 노출되도록 배설되는 것을 특징으로 하는 비파괴당도측정기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광센서(40)와 협동하는 센서유니트(U) 상의 상기 센서신호처리마이컴(SC)은;
    그 발생하는 구동 펄스에 따라 상기 CIS(CMOS Image Sensor)(42)상의 픽셀어레이를 구동시키는 트랜스퍼게이트(TG:Transfer Gate)(50),
    상기 과일(F)의 체반사광에 의한 상기 광센서(40)로부터의 신호를 샘플링하여 임시로 저장하는 샘플링홀딩부(S/H:Sample & Hold)(51),
    상기 CIS(42)로부터의 신호를 전달받기 전과, 전달받은 후의 두 번의 신호를 샘플링해서 서로 빼주어 신호를 전달받기 전에 발생한 노이즈(잡음)와 CIS(42)의 픽셀들의 고유의 불균일성을 제거하는 복수연관처리부(CDS:Correlated Double Device)(52),
    상기 처리된 신호의 게인(Gain) 조정과 오프셋값을 보정하는 조정부(Adjust)(53),
    상기 처리된 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 아날로그디지털컨버터(ADC:Analog Digital Converter)(54),
    상기 디지털 값으로 변환된 이미지 신호를 처리하여 보다 정확한 이미지데이터의 전기적 신호로 만들어 상기 주회로기판(PB)의 주마이컴(Micom)인 상기 중앙처리장치(60)로 보내는 이미지감응프로세서(ISP:Image Sensor Processor)(55)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴당도측정기.
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