KR101820798B1 - Method and apparatus of Homodyne-based diffuse optical spectroscopic imaging - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생기,
신호발생장치에서 발생된 신호가 기준신호와 변조신호로 분배되는 신호분배기,
변조신호가 가변감쇄기와 레이저구동회로를 통해 전달되는 다파장 레이저다이오드 광원,
다파장 레이저다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 시료로 조사된 후, 시료 내에서 흡수와 산란이 반복된 과정을 거친 후 입사되어 전기신호로 변환되는 광 수신장치,
신호분배기를 통해 분배된 상기 기준신호가 제2증폭기의 출력신호와 비교되는 신호크기 및 위상 측정장치로 이루어지고,
광섬유, 광 수신장치, 자체 증폭기를 포함하여 측정용 프로브를 형성하는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광방법 및 시스템에 관한 발명이다.The present invention relates to a signal generator which is controlled by a signal processing section to generate a signal having a frequency,
A signal distributor in which a signal generated by the signal generator is distributed to a reference signal and a modulation signal,
A multi-wavelength laser diode light source in which a modulated signal is transmitted through a variable attenuator and a laser driving circuit,
An optical receiving apparatus in which an optical signal output from a multi-wavelength laser diode light source is irradiated to a sample through an optical fiber, and then absorbed and scattered in a sample are repeatedly input,
A signal magnitude and phase measurement device in which the reference signal distributed through the signal distributor is compared with the output signal of the second amplifier,
Wherein the optical fiber, the optical receiver, and the self-amplifier are formed to form a measurement probe, and the present invention relates to a homodyne diffused light spectroscopy method and system.
Description
본 발명은 근적외선 대역의 다수의 다파장 레이저 다이오드를 이용하여 측정 시간을 단축하고, 온도 변화를 감지하여 자동으로 광 수신 장치의 이득을 보상하는 기능을 가지며, 시스템의 단순화, 저가화, 저전력 소모 등 여러 이점을 지닌 호모다인 기술 기반의 확산 광 분광방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것이다.The present invention has a function of shortening the measurement time by using a plurality of multi-wavelength laser diodes in the near-infrared band and compensating the gain of the optical receiver automatically by sensing the temperature change. A homodyne technology based diffusion optical spectroscopy method and a system therefor.
생체조직에 빛을 조사하면 조직 내에서 흡수와 산란을 반복하면서 빛이 퍼져나가는 특징이 있다. 생체조직을 투과하여 나온 빛이나 생체 조직 내에서 반사되어 나온 빛을 측정하면 이 생체조직의 흡수계수와 산란계수와 같은 광학적 특성을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어낸 흡수계수는 생체조직의 성분 정보를 나타내며 산란계수는 생체조직의 구조적 정보를 나타낸다. 생체조직의 광학적 특성을 측정하는 방식에는 연속파 (CW: Continuous Wave)를 이용하여 광신호의 크기변화만 측정하는 방법, 광 송신 장치에 주파수 변조를 걸어 광신호의 크기변화와 위상변화를 측정하는 방법, 그리고 100피코세컨드 미만의 매우 짧은 펄스형 광원을 사용하여 측정되는 신호의 시간과 빛의 퍼짐 정도를 측정하는 방법 등이 있다. 이러한 기술을 확산 광 분광 시스템 또는 확산 광 단층촬영에 응용하여 의료용 첨단 광진단기기에 사용되고 있다. When light is irradiated on a living tissue, light is scattered while repeating absorption and scattering in the tissue. Optical properties such as the absorption coefficient and scattering coefficient of the living tissue can be obtained by measuring light emitted through the living tissue or reflected from the living tissue. The absorption coefficient thus obtained represents the constituent information of the living tissue and the scattering number represents the structural information of the living tissue. Methods for measuring the optical properties of biological tissues include a method of measuring the change in the size of the optical signal using a continuous wave (CW), a method of measuring the change in the size and phase of the optical signal by applying frequency modulation to the optical transmitter , And a method of measuring the time and light spread of a signal measured using a very short pulsed light source of less than 100 picoseconds. These techniques are applied to diffuse optical spectroscopy systems or diffuse optical tomography and are used in medical advanced light source short-period machines.
위 방법 중 가장 간단한 구조는 연속파 (CW: Continuous Wave)를 이용하여 빛의 크기의 변화만을 측정하는 방법이지만, 광신호의 크기 변화의 원인은 조직에 의한 빛의 흡수와 산란 모두가 영향을 미치지만, 본 연속파를 이용하는 구조는 흡수와 산란을 구분할 수 없기 때문에 정확한 생체조직의 성분에 대한 정보를 산출할 수 없고 단지 상대적인 값만을 도출할 수 있는 단점을 지닌다. 100 피코세컨드 (picosecond) 미만의 짧은 펄스형 광원을 사용하는 방식은 측정되는 신호의 시간과 빛의 퍼짐 정도를 가지고 흡수와 산란을 구분할 수 있기 때문에 생체 조직의 성분에 대한 절대값을 산출할 수 있는 장점이 있는 반면, 시스템의 구현이 고가라는 단점이 있다. 마지막으로 광 송신 장치에 주파수 변조를 시켜 생체 조직에 입사시킨 후 방출되는 신호의 크기 변화와 위상변화를 측정하는 방법이 있는데, 이는 비교적 저렴한 비용으로 생체조직의 흡수도와 산란도를 모두 측정할 수 있는 광진단 기기를 구현할 수 있는 장점이 있다. 주파수 변조를 이용하여 광신호의 크기 변화 및 위상 변화를 측정한 후, 이를 통해 생체조직의 흡수도와 산란도를 산출하는 기술을 일컬어 FDPM(Frequency Domain Photon Migration)이라고도 한다.The simplest structure of the above method is a method of measuring the change in the size of light using a continuous wave (CW), but the cause of the change in the size of the optical signal is both absorption and scattering of light by the tissue , The structure using this continuous wave can not distinguish between absorption and scattering, so that it can not obtain information on the components of the accurate biotissue, and has a disadvantage in that only relative values can be derived. A method using a short pulse light source of less than 100 picosecond can distinguish absorption and scattering with the time and light spread of a signal to be measured so that the absolute value of a component of a living tissue can be calculated On the other hand, there is a disadvantage that the implementation of the system is expensive. Finally, there is a method of measuring the change in the magnitude and the phase of the emitted signal after the frequency modulation is applied to the optical transmission apparatus, and the measurement of the absorption and scattering degree of the living tissue can be performed at a comparatively low cost. There is an advantage that an optical diagnostic apparatus can be implemented. It is also referred to as Frequency Domain Photon Migration (FDPM), which refers to the technique of measuring the change in the size and phase of an optical signal using frequency modulation and then calculating the absorption and scattering of the living tissue.
일반적으로 생체조직이라 하면 투명한 매질이 아닌 혼탁(turbid)한 매질이기 때문에 빛이 생체 내를 통과할 때 흡수와 더불어 많은 산란이 발생하게 된다. 따라서 생체 조직을 통과한 광신호의 진폭과 위상의 변이를 측정한다는 것의 의미는 생체 조직내의 흡수 및 산란과 같은 광학적 특성의 분석을 통해 조직에 대한 구성 성분 및 조직의 구조를 알아낼 수 있는 중요한 기술이라고 할 수 있다. In general, biological tissue is a turbid medium rather than a transparent medium. Therefore, when light passes through the living body, absorption occurs along with absorption. Therefore, the measurement of the amplitude and phase variation of the optical signal passing through the living tissue is an important technology for analyzing the optical characteristics such as absorption and scattering in the living tissue, can do.
종래의 확산 광 분광 및 영상화 (DOSI: Diffuse optical spectroscopic Imaging)를 위한 시스템의 경우, 일정 시간 동안 주파수를 변조하여 변조된 광신호를 생체 조직에 조사하여 통과 전·후의 진폭과 위상을 측정하는 방식으로 네트워크 분석기(Network Analyzer)라는 고가의 계측장비 기반으로 개발되었다. 하지만 네트워크 분석기 기반 DOSI 장비는 그 시스템 부피가 크고, 네트워크 분석기를 포함, 스펙트로미터, 할로겐 램프, 멀티트랙 광섬유 번들 등 확산 광 분광 및 영상화 시스템을 구성하고 있는 구성품들 자체가 상당히 고가인 관계로 이를 개선하고자, 헤테로다인 방식을 적용하여 진단 시스템 비용을 절감한 광진단장비가 개발되었다. 기존 네트워크 분석기 기반의 확산 광 분광 및 영상화를 위한 시스템 대비 시스템의 크기가 줄어들었으며, 구현 비용 또한 상당히 절감될 수 있었다. 하지만 변조된 광신호의 진폭과 위상의 변이를 측정하기 위해 시스템을 헤테로다인 방식으로 구현하였기에 시스템의 구성이 복잡하고, 또한 여전히 많은 전력 소모가 발생하는 단점이 있다. 그리고 할로겐 램프와 스펙트로미터를 이용한 정상-상태 조직 분광 방법이 지속적으로 적용되고 있기 때문에 장시간의 측정 및 진단 시간이 요구되며, 프로브 역시 아발란치 포토다이오드(APD: avalanche photo diode)의 온도 변화를 줄이기 위해 열전냉각기와 방열판을 사용하고 있어 진단 프로브의 크기 또한 상당히 큰 단점을 지니고 있다. In a conventional system for diffuse optical spectroscopic imaging (DOSI), a method of measuring amplitude and phase before and after passing a modulated optical signal by irradiating a modulated optical signal to a living tissue by modulating the frequency for a predetermined time It was developed on the basis of an expensive measuring instrument called Network Analyzer. However, the network analyzer-based DOSI equipment has a large system volume, and components including the network analyzer, the spectrometer, the halogen lamp, and the multitrack fiber bundle, such as the diffusion optical spectroscopy and imaging system itself, In order to reduce the diagnostic system cost by applying the heterodyne method, The size of the system compared to the system for diffuse optical spectroscopy and imaging based on the existing network analyzer has been reduced and the implementation cost has also been considerably reduced. However, since the system is implemented in a heterodyne manner in order to measure the variation of the amplitude and the phase of the modulated optical signal, the configuration of the system is complicated and still consumes a lot of power. Since the steady state tissue spectroscopy method using a halogen lamp and a spectrometer is continuously applied, a long measurement and diagnosis time is required, and a probe is also used to reduce the temperature change of the avalanche photo diode (APD) The use of a thermoelectric cooler and a heat sink is a major disadvantage of the size of the diagnostic probe.
본 발명에서는 종래 기술이 지닌 이러한 문제를 해결하여 임상친화적인 광진단 의료기기를 개발하고자 호모다인 기술을 적용한 새로운 확산 광 분광 및 영상화 방법 및 이에 대한 시스템을 제안하고자 한다. 특히 기존의 헤테로다인 기술이 아닌 호모다인의 기술이 광진단 시스템에 접목될 경우, 시스템 구현의 단순화 및 구성 부품 수 감소로 인해 소형화가 가능하며, 시스템 전력 소모량의 감소와 더불어 광진단기기의 다채널 구현이 용이해 지는 등 시스템 측면에서 여러 장점이 생겨나기 때문에 임상 친화적 시스템의 구현에 있어 무엇보다도 핵심이 되는 기술이라고 할 수 있다. 상기 여러 장점 중 시스템의 소형화는 여러 개의 확산 광 분광기를 집적하여 다채널 시스템으로 구현이 용이하며, 이를 기반으로 생체 조직의 다지점을 동시에 측정할 수 있기 때문에 측정 시간을 단축 할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 확산 광 분광 및 영상화 시스템에서 광송신단에 사용하고 있는 할로겐 램프와 스펙트로미터를 이용한 정상-상태 조직 분광 방법을 배제하고 이를 근적외선 대역의 FP (Fabry-Perot), VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) and DFB (Distributed Feedback) 형태의 레이저 다이오드 다이(Die)를 다수의 다파장을 방출할 수 있도록 TO 캔이나 Butterfly 구조안에 패키징을 하거나, OSA (Optical Sub-Assembly) 구조로 TO 형태의 단일 파장 레이저 다이오드를 빔합성기 형태로 패키징하여, 다파장 방출할 수 있는 레이저 다이오드형태로 적용한다면 종래의 확산 광 분광 및 영상화 시스템이 지닌 가장 큰 단점인 측정 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다. 따라서 본 발명은 임상 친화적인 의료장비의 개발에 있어 핵심적인 부분이며 궁극적으로는 첨단 광진단기기의 상용화에 지대한 기여를 할 수 있을 것이다. In the present invention, a new diffusion optical spectroscopy and imaging method using homodyne technology and a system therefor are proposed to solve such a problem of the prior art and to develop a clinical-friendly optical diagnostic medical device. In particular, when homodyne technology, which is not a conventional heterodyne technology, is applied to an optical diagnosis system, miniaturization can be achieved due to simplification of the system implementation and reduction of the number of constituent parts, reduction of system power consumption, It is a core technology in the implementation of clinical friendly system because it has various advantages in terms of system such as easy implementation. Among the various advantages, the miniaturization of the system can be realized by integrating a plurality of diffuse optical spectroscopes into a multi-channel system, and it is possible to simultaneously measure multi points of the living tissue based on the multi-channel system, In the conventional diffuse optical spectroscopy and imaging system, a normal-state tissue spectroscopic method using a halogen lamp and a spectrometer used in an optical transmitter is excluded, and the near-infrared band FP (Fabry-Perot), VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) and DFB (Distributed Feedback) laser diode die can be packaged in a TO can or a butterfly structure to emit multiple wavelengths, or a single wavelength laser diode (TO) type in an OSA (Optical Sub-Assembly) Are packaged in the form of a beam synthesizer and applied in the form of a laser diode capable of emitting multi-wavelength light, Acid light it is possible to significantly reduce the spectral and imaging The main disadvantage of the system is measuring time with. Therefore, the present invention is a key part in the development of clinically friendly medical equipment, and ultimately, it can contribute greatly to the commercialization of advanced optical diagnostic apparatuses.
확산 광 분광 시스템의 측정용 프로브의 광 수신장치에 있어 핵심 소자는 아발란치 포토다이오드 (APD: avalanche photo diode)라는 고 이득 광 소자이다. 아발란치 포토다이오드는 고 이득을 얻기 위해 수백 볼트의 높은 직류 전압의 전원을 사용하는데 이 직류 전압에 따라 아발란치 포토다이오드의 증폭률이 결정된다. 생체 조직 내에서의 광 신호의 크기 변화와 위상변화를 이용하여 생체 조직의 광학적 특성을 검출하는데 있어 아발란치 포토다이오드의 증폭률은 매우 중요한 역할을 한다. 만약 아발란치 포토다이오드의 증폭률이 외부환경에 따라 변경된다면 동일한 광신호가 아발란치 포토다이오드에 입사된다고 하더라도 그 출력 신호가 달라져 왜곡을 발생시킨다. 따라서 아발란치 포토다이오드의 전원은 매우 정밀하며 변동이 없어야 한다. 하지만 아발란치 포토다이오드의 전원이 일정하다고 하더라도 아발란치 포토다이오드의 증폭률은 온도에 따라 변화하는 특징을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 종래에는 열전냉각기와 써미스터라는 온도센서를 사용하고 열을 방출하기 위한 방열판을 사용하였다. 이로 인해 측정용 프로브의 크기가 한 채널만으로 구성되었음에도 불구하고 프로브의 크기가 상당히 큰 단점을 지니고 있으며, 광진단 시스템 전체의 부피가 커졌을 뿐만 아니라, 측정의 정확성을 위한 광수신장치의 핵심 소자인 아발란치 포토다이오드의 안정화를 위한 장치 온도 제어부의 구동을 위해 많은 전력이 소모가 되는 문제점을 지니고 있다. 따라서, 종래의 시스템은 임상 친화적인 시스템의 구현에 있어 많은 제약이 있었다. A key element in the optical receiver of the measurement probe of the diffuse optical spectroscopy system is a high gain optical element called avalanche photo diode (APD). Avalanche photodiodes use a high DC voltage supply of several hundred volts to achieve high gain, which determines the amplification factor of the avalanche photodiode. Amplification rate of avalanche photodiode plays a very important role in detecting the optical characteristics of biological tissue using the change in size and phase of optical signal in living tissue. If the amplification factor of the Avalanche photodiode is changed according to the external environment, even if the same optical signal is incident on the Avalanche photodiode, the output signal of the Avalanche photodiode varies to cause distortion. Therefore, the power supply of the Avalanche photodiode should be very precise and stable. However, even when the power of the Avalanche photodiode is constant, the amplification factor of the Avalanche photodiode varies depending on the temperature. In order to solve this problem, a thermoelectric cooler and a temperature sensor called a thermistor were used and a heat sink for releasing heat was used. Although the size of the probe is composed of only one channel, the size of the probe is considerably large. In addition, not only the volume of the entire optical diagnosis system is increased, but also a core element of the optical receiver There is a problem that much power is consumed for driving the device temperature control unit for stabilizing the balanci photodiode. Thus, conventional systems have had many limitations in implementing a clinically-friendly system.
본 발명에서는 아발란치 포토다이오드의 온도를 감지하고 이를 아발란치 포토다이오드의 공급 전압을 감지된 온도에 따라 변경하여 아발란치 포토다이오드의 온도가 변화한다 할지라도 이와 무관하게 동일한 증폭률을 가지도록 보상하는 자동 온도보상이 가능한 프로브를 개발하였다. 이 경우 온도 변화에 따라 자동으로 공급 전압을 변경하여 동일한 증폭률을 되도록 조절하여 아발란치 포토다이오드의 출력이 입력 광신호 대비 일정한 출력이 나타나게 되어, 기존의 온도 변화에 따른 왜곡 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 프로브의 소형화 및 인체공학적 설계 제작이 가능하며, 광진단 시스템 측면에서는 측정 채널의 다채널화가 가능하다. In the present invention, the temperature of the Avalanche photodiode is sensed, and the supply voltage of the Avalanche photodiode is changed according to the sensed temperature so that the same amplification factor is obtained irrespective of the temperature of the Avalanche photodiode We have developed a probe that can compensate for temperature compensation automatically. In this case, the supply voltage is automatically changed according to the temperature change so that the same amplification factor is adjusted so that the output of the avalanche photodiode exhibits a constant output relative to the input optical signal, thereby solving the distortion problem caused by the conventional temperature change However, it is possible to make the probe miniaturization and ergonomic design, and in the optical diagnosis system, it is possible to make the measurement channel multi-channel.
빛을 통하여 생체조직을 비절개식으로 영상화 및 진단하는 기술이 지속적으로 발달되고 있고, 빛을 이용한 영상화 및 진단하는 기술에 사용되는 빛의 파장 범위는 가시광선과 근적외선영역으로 600~1100nm대역이 주로 사용된다. 이러한 기술 중 생체조직을 빛이 통과할 때 흡수와 산란이 일어나게 되는데 동일한 생체조직을 통과하더라도 빛의 파장 성분에 따라 흡수와 산란이 다르게 일어나며, 이러한 정보를 바탕으로 생체 조직을 구성하고 있는 성분에 대한 분석을 기반으로 정상 조직과 비정상조직을 구분할 수 있는 의료용 광진단기기가 있다. Techniques for visualization and diagnosis of living tissues by light are continuously being developed, and the wavelength range of light used for imaging and diagnosis of light is in the range of 600 to 1100 nm in visible light and near infrared light . Among these techniques, absorption and scattering occur when light passes through a living tissue. Even though the same biological tissue passes through it, absorption and scattering occur differently depending on the wavelength component of light. Based on this information, Based on the analysis, there is a medical optical shortening machine which can distinguish normal tissue from abnormal tissue.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은, 기존의 복잡하고 시스템의 부피가 큰 헤테로다인 기반의 확산 광 분광 및 이미징을 위한 시스템 구조에서 저전력, 소형의 호모다인 기반의 확산 광 분광 시스템 구조로 변경하였다. 기존에 가시광선과 근적외선영역으로 600~1100nm 대역의 비교적 넓은 범위를 커버하기 위해 사용하였던 할로겐 램프와 스펙트로미터를 대체하기 위해서는 FP, VCSEL, DFP의 다수의 서로 다른 파장의 레이저 다이오드를 다이(Die)형태로 패키징하거나, 단일 패키징 형태의 서로 다른 파장 대역의 레이저 다이오드의 빔을 합성하여 (이하, 다파장 레이저 광원이라 한다.), 측정의 정확도에 대한 손실 없이 넓은 가시광선과 근적외선영역 대역을 커버할 수 있도록 하였으며, 자동 온도보상 알고리즘을 적용하여 생체조직을 측정하는 프로브의 크기를 소형화하였다. 궁극적으로는 종래의 시스템 부피가 크고, 장시간의 진단시간이 요구되어 실질적으로 임상현장에서 환자에 대한 진단장비로서 사용하기에는 지니고 있는 한계를 극복하여, 임상 친화적인 형태로 유연하게 변경한 호모다인 기반의 광진단용 확산 광 분광 및 이미징 시스템을 구현 및 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been changed to a low-power, compact homodyne-based diffuse optical spectroscopy system structure in a system structure for diffuse optical spectroscopy and imaging based on the existing complicated and bulky heterodyne system . In order to replace halogen lamps and spectrometers, which have been used to cover a relatively wide range of 600 to 1100 nm band in the visible and near infrared regions, a laser diode of many different wavelengths of FP, VCSEL, (Hereinafter, referred to as a multi-wavelength laser light source) by combining the laser beams of different wavelength bands in a single packaging form so as to cover the wide visible light and near infrared region bands without loss in accuracy of measurement And the size of the probe for measuring biotissue was reduced by applying the automatic temperature compensation algorithm. Ultimately, the conventional system has a large volume, a long time is required for diagnosis, and it is possible to overcome the limitations of practically used as a diagnostic device for a patient in a clinical field and to provide a homodyne-based It is an object of the present invention to provide a diffuse-light spectroscopy and imaging system for optical diagnosis.
*이러한 목적을 달성하기 위해, 주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생장치, 신호발생장치에서 발생된 신호를 기준신호와 변조신호로 분배하는 신호분배기, 변조신호가 제1증폭기를 거쳐 가변감쇄기와 레이저구동회로를 통해 전달되는 상기 언급된 다파장다파장 레이저다이오드 광원, 다파장파장 레이저다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 생체조직에 조사된 후, 시료 내에서 흡수와 산란이 반복되는 과정을 거친 후의 광 신호가 입사되어 전기신호로 변환되는 광수신장치 내의 아발란치 포토아이오드와 자체증폭기, 고정감쇄기를 통해 기준신호가 입력되는 신호크기 및 위상 측정장치, 광수신장치의 출력 신호를 증폭하는 제2증폭기, 기준신호와 제2증폭기의 신호를 비교하여 신호크기변화와 위상변화를 측정하는 신호크기 및 위상 측정장치 (혹은 이는 실수(real)와 허수(imaginary)를 측정하여 크기와 위상을 산출하는 장치가 될 수도 있다); 로 이루어져 호모다인 기반의 확산 광 분광방법 및 시스템을 구성하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, there is provided a signal generating apparatus comprising: a signal generating apparatus controlled by a signal processing unit to generate a signal having a frequency; a signal distributor for distributing a signal generated in the signal generating apparatus to a reference signal and a modulating signal; Wavelength multi-wavelength laser diode light source, the optical signal output from the multi-wavelength wavelength laser diode light source, which is transmitted through the variable attenuator and the laser driving circuit via the variable attenuator and the laser driving circuit, is irradiated to the living tissue through the optical fiber, A signal magnitude and phase measuring device in which a reference signal is inputted through a self-amplifier and a fixed attenuator in an optical receiver in which an optical signal after being repeated is converted into an electric signal, A second amplifier for amplifying an output signal of the first amplifier, a second amplifier for amplifying an output signal of the second amplifier, The signal magnitude and phase measuring device which measures the change (or which may be a device for calculating the amplitude and phase by measuring the real number (real) and an imaginary part (imaginary)); And a homodyne-based diffuse optical spectroscopy method and system.
이러한 본 발명은 기존의 시스템 구현 복잡도와 그 부피가 큰 헤테로다인 기반의 확산 광 분광 시스템에서 호모다인 기술을 적용한 새로운 확산 광 분광 시스템으로 변경하면서 시스템 소형화 및 전력 소모가 감소되며, 기존 시스템에서 사용하던 할로겐램프와 스펙트로미터를 FP, VCSEL, DFP의 다수의 다파장 레이저 다이오드를 다이(Die)형태로 패키징하거나, 단일 패키징 형태의 레이저 다이오드의 빔을 합성하여 구현된 다파장 레이저 다이오드로 광원만으로 대체하여 측정 시간을 획기적으로 줄일 뿐만 아니라, 비용과 크기 측면에서도 매우 큰 장점이 있다. 또한 확산 광 분광 시스템의 측정용 프로브에 자동 온도보상 알고리즘을 적용하여 인체공학적으로 구현함으로써 기존의 부피가 크고 의료용으로 사용하기에는 편리성이 떨어지는 프로브의 형태를, 보다 작고 사용자 친화적인 형태로 유연하게 변경할 수 있다. 특히 상기 언급된 다파장 광원을 사용하여 넓은 범위의 파장 대역을 할로겐 램프와 스펙트로미터 없이도 측정이 가능하기 때문에 상기에 언급된 측정 시간의 단축과 더불어 내시경이나 라파로스코프와도 연동하여 각 신체 내부 장기의 분석장비로도 활용이 가능하다.The present invention reduces system miniaturization and power consumption by changing the system complexity of the existing system and the bulky heterodyne-based diffuse optical spectroscopy system to a new diffuse optical spectroscopy system using homodyne technology, Halogen lamps and spectrometers can be packaged in the form of a multi-wavelength laser diode of FP, VCSEL or DFP, or a multi-wavelength laser diode implemented by synthesizing a beam of laser diode in a single packaging form. In addition to dramatically reducing measurement time, it also has great advantages in terms of cost and size. In addition, by applying an automatic temperature compensation algorithm to the measurement probe of the diffuse optical spectroscopy system, the probe can be flexibly changed into a smaller and user-friendly form by using the ergonomically implemented probe, which is bulky and not convenient for medical use . In particular, since the above-mentioned multi-wavelength light source can be used to measure a wide range of wavelength bands without a halogen lamp and a spectrometer, it is possible to shorten the measurement time described above, and to interoperate with an endoscope or a razoroscope, It can also be used as an analytical instrument.
도 1은 생체조직의 광학적 특성을 산출하여 생체 조직을 진단하는 호모다인 기술 기반의 확산 광 분광 시스템의 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 신호발생장치의 상세 내부 구조로서 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 확산 광 분광 시스템의 광원으로 사용이 가능한 다파장 레이저 다이오드로 구성된 소형 광원 중, OSA (Optical Sub-Assembly) 구조로 TO 형태의 단일 파장 레이저 다이오드를 빔합성기 형태의 실시 예이다.
도 4는 광수신장치 내의 아발란치 포토다이오드(APD)의 자동 온도 보상 이득 제어를 위한 일 실시 예이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a homodyne technology based diffusion optical spectroscopy system for diagnosing a living tissue by calculating optical characteristics of a living tissue.
Fig. 2 is a block diagram showing an embodiment of the signal generating apparatus of Fig. 1 as a detailed internal structure thereof.
FIG. 3 shows an embodiment of a TOA type single-wavelength laser diode as a beam synthesizer in an OSA (Optical Sub-Assembly) structure among a small-sized light source made up of a multi-wavelength laser diode usable as a light source of a diffused light spectroscopy system.
4 is an embodiment for automatic temperature compensation gain control of an Avalanche photodiode (APD) in a light receiving device.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which illustrate exemplary embodiments of the present invention. The present invention is not limited to these embodiments.
도 1은 확산 광 분광 시스템에 사용되는 측정용 프로브가 탑재된 확산 광 분광 시스템의 일 실시 예를 나타내며, 광원의 주파수를 변경하면서 광신호의 크기변화와 위상변화를 모두 측정하는 호모다인 방식의 측정용 프로브의 블록도이다. 호모다인 방식 시스템의 동작은 다음과 같은 순서로 이루어진다. 1 shows an embodiment of a diffused-light spectroscopy system equipped with a measurement probe used in a diffuse-light spectroscopy system. The diffused-light spectroscopy system includes a homodyne method for measuring both a magnitude change and a phase change of an optical signal while changing a frequency of a light source Fig. The operation of the homodyne system is performed in the following order.
신호처리부는 신호발생장치에서 주파수를 가진 전기 신호를 발생하도록 제어한다. 상기 주파수는 수십에서 수백 MHz 이내에서 가변이 가능하며, 단일 주파수 성분의 전기 신호이다. The signal processor controls the signal generator to generate an electric signal having a frequency. The frequency is variable within tens to hundreds of MHz and is an electrical signal of a single frequency component.
신호발생장치에서 발생된 신호가 신호분배기를 통해 두 개의 출력으로 나누어지게 되며, 그 중 하나의 신호는 제1증폭기와 가변감쇄기, 레이저 구동회로를 통해 레이저 다이오드 광원에 전달되어 광신호로 출력된다. 상기 가변감쇄기는 상기 레이저 다이오드 광원의 광출력 특성에 따라 신호의 크기를 가변 시킬 수 있으며, 각 레이저 다이오드 마다 전류를 빛으로 변환하는 효율이 다르므로 각 레이저 다이오드의 특성에 맞추어 신호의 크기를 조절하기 위해 사용된다. 신호분배기에서 출력되는 다른 하나의 신호는 고정감쇄기를 지난 후 신호크기 및 위상측정 장치에 입력되어 기준신호로 사용된다. 레이저 구동회로는 레이저 다이오드를 구동하기 위한 바이어스와 변조 전류를 레이저 다이오드에 인가해주기 위한 장치이며, 생체조직에 조사되는 빛의 양이 달라지게 되면 많은 오차를 발생시키므로 레이저 다이오드의 광출력을 일정하게 유지하도록 하는 자동 파워 조절기능이 구비되어 있다.A signal generated by the signal generating device is divided into two outputs through a signal distributor. One of the signals is transmitted to a laser diode light source through a first amplifier, a variable attenuator, and a laser driving circuit, and is output as an optical signal. The variable attenuator can vary the magnitude of the signal according to the optical output characteristics of the laser diode light source. Since the efficiency for converting current into light is different for each laser diode, the magnitude of the signal is adjusted according to the characteristic of each laser diode. . The other signal output from the signal distributor is input to the signal magnitude and phase measuring device after passing through the fixed attenuator, and is used as a reference signal. A laser driving circuit is a device for applying a bias and a modulation current to a laser diode for driving a laser diode. When the amount of light irradiated on the living tissue changes, many errors are generated. Therefore, the optical output of the laser diode is kept constant The automatic power control function is provided.
상기 레이저 다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 생체조직에 조사되고 상기 생체조직 내에서 흡수와 산란을 거친 후 보조광원에서 출력되는 광 세기와 더해진다. 상기 보조광원과 더해진 광 신호는 광수신장치 내의 아발란치 포토다이오드로 입사되어 전기신호로 변환되며, 상기 아발란치 포토다이오드의 동작을 위해 온도보상 특성을 위한 고전압 직류 전원 공급장치가 필요하다. 상기 고전압 직류 전원 공급장치에는 상기 아발란치 포토다이오드의 온도를 측정하고 상기 온도에 따라 자동으로 증폭률을 일정하게 제어하는 온도보상회로가 포함된다. The optical signal output from the laser diode light source is irradiated to the living tissue through the optical fiber and is added to the light intensity output from the auxiliary light source after being absorbed and scattered in the living tissue. The optical signal added to the auxiliary light source is incident on the Avalanche photodiode in the optical receiver and converted into an electrical signal. A high voltage DC power supply for temperature compensation is required for operation of the Avalanche photodiode. The high-voltage DC power supply includes a temperature compensation circuit that measures the temperature of the Avalanche photodiode and automatically controls the amplification factor according to the temperature.
상기 아발란치 포토다이오드에서 출력되는 전기신호는 자체증폭기를 통해 증폭된 후 제2 증폭기를 거쳐 신호크기 및 위상측정 장치에 입력되며, 상기 고정감쇄기를 지난 후 신호크기 및 위상측정 장치에 입력되는 기준신호와 비교함으로써 광수신장치에 입력되는 광신호의 크기변화 및 위상변화를 측정한다. The electrical signal output from the avalanche photodiode is amplified through a self amplifier and then input to a signal magnitude and phase measurement device via a second amplifier. After passing through the fixed attenuator, And measures the size change and the phase change of the optical signal inputted to the light receiving device.
아발란치 포토다이오드를 통해 얻어진 신호를 45MHz와 같이 특정 주파수로 변경하기 위해 믹서(Mixer)와 추가 신호 발생기 등 다수의 추가적인 능동소자를 필요로 하는 헤테로다인 방식에 비하여 매우 간단한 원리로 구성되어 있어 작게 구성할 수 있고 여러 개를 함께 구성하기에 적합하다.Compared to the heterodyne method, which requires a number of additional active elements such as a mixer and an additional signal generator to change the signal obtained through the Avalanche photodiode to a specific frequency such as 45 MHz, It is configurable and suitable for configuring several together.
종래의 확산 광 분광 시스템에 사용되었던 광원에는 신호발생장치 대신에 네트워크 분석기(Network Analyzer)를 사용하거나 헤테로다인 구조의 RF (Radio Frequency) 부품으로 시스템을 구성하였다. 네트워크 분석기를 사용한 경우에는 시스템의 크기가 크고 매우 높은 비용을 필요로 하며, 헤테로다인 시스템의 경우에는 그 구조가 복잡하여 소형화가 어렵고 많은 전력을 소모하는 문제가 있었다. 그러나, 호모다인 방식을 사용하는 경우에는 구조가 간단해지고 적은 수의 부품을 사용하기 때문에 전력 소모를 줄일 수 있고 저가의 시스템으로 개발할 수 있다. The light source used in the conventional diffuse optical spectroscopy system includes a network analyzer instead of the signal generating device or a heterodyne RF (radio frequency) component. When a network analyzer is used, the size of the system is large and the cost is very high. In the case of the heterodyne system, the structure is complicated, which makes miniaturization difficult and consumes a lot of power. However, when the homodyne method is used, since the structure is simplified and a small number of parts are used, power consumption can be reduced and a low-cost system can be developed.
신호크기 및 위상 측정장치는 광 수신단에서 입력된 신호된 아날로그 신호를 고성능의 아날로그-디지털변환기(ADC: Analogue to Digital Converter)를 사용하여 디지털 신호로 변환하게 되며, 필드 프로그램어블 게이트 어레이(FPGA: Field Programmable gate array)를 사용하여 구성할 수 있다.The signal size and phase measurement device converts the inputted analog signal inputted from the optical receiving end into a digital signal by using a high performance analogue to digital converter (ADC). A field programmable gate array (FPGA: Field Programmable gate array).
신호처리부는 신호발생장치의 주파수 제어, 가변감쇄기 제어, 측정된 신호의 크기변화와 위상변화를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환, 그리고 PC와 데이터를 주고 받을 수 있는 입출력 제어 등의 기능으로 구성될 수 있다.The signal processing section is composed of functions such as frequency control of the signal generating device, variable attenuator control, analog-to-digital conversion for converting the magnitude of the measured signal and the phase change to digital signal, and input / output control for exchanging data with the PC .
도 2는 신호 발생장치의 상세한 내부 구성의 일 실시 예이며, 하나의 단일 주파수 신호를 출력하기 위해서 제1신호발생기와 제2신호발생기를 사용한다. 각 신호발생기에서 출력되는 신호는 각각 저역통과 필터를 지나고 믹서를 통과한 후 단일 주파수 성분의 전기 신호가 출력된다. 이후 작은 입력 손실과 높은 차단 특성을 가지는 대역통과필터 또는 저역통과필터를 사용함으로써 고차 하모닉 성분을 상쇄시킬 수 있다. 상기 믹서(Mixer)는 높은 주파수의 하모닉 성분을 없애고 낮은 주파수로 변경시킬 때 일반적으로 사용되는 RF(Radio Frequency) 소자이다. 제1신호발생기는 기본 주파수로서 1700MHz에서 2150MHz 까지 가변 할 수 있으며, 제2신호 발생기는 2200MHz의 고정 주파수가 발생하도록 한다. 상기 저역통과 필터는 하모닉 성분의 주파수를 제거하기 위해 사용된다. 상기 제1신호발생기와 제2신호발생기에서 하모닉 성분이 제거된 두 개의 주파수 신호가 믹서(Mixer)에 입력되고, 믹서로부터 출력되는 신호는 제2신호발생기의 고정 주파수 2200MHz에서 제1신호발생기의 가변 주파수 1700MHz에서 2150MHz의 차에 해당하는 주파수인 50MHz에서 500MHz 대역의 신호가 된다. 2 is an embodiment of a detailed internal configuration of a signal generating apparatus, and uses a first signal generator and a second signal generator to output one single frequency signal. The signal output from each signal generator passes through a low pass filter, passes through a mixer, and then an electric signal of a single frequency component is output. Higher-order harmonic components can then be canceled by using a band-pass filter or a low-pass filter with small input loss and high blocking characteristics. The mixer is a RF (Radio Frequency) device generally used to remove a high frequency harmonic component and change it to a low frequency. The first signal generator may vary from 1700 MHz to 2150 MHz as a fundamental frequency and the second signal generator may generate a fixed frequency of 2200 MHz. The low-pass filter is used to remove the frequency of the harmonic component. The two frequency signals from which the harmonic components have been removed from the first signal generator and the second signal generator are input to a mixer and the signal output from the mixer is input to the first signal generator at a fixed frequency of 2200 MHz, A signal of 50 MHz to 500 MHz which is a frequency corresponding to a difference of 1700 MHz to 2150 MHz.
이외에 호모다인 시스템의 신호발생장치는 직접 디지털 신디사이저 (DDS: Direct Digital Synthesizer)를 이용하여 구현할 수도 있는데, 이를 이용하여 50MHz에서 500MHz까지 가변 되는 사인파 형태의 신호를 직접 생성할 수 있기 때문에 상기에 언급된 신호발생장치에 적용될 수 있다. 직접 디지털 신디사이저 (DDS: Direct Digital Synthesizer)를 신호발생장치에 사용할 경우 하나의 칩으로 구현할 수 있는 장점이 있지만, 직접 디지털 신디사이저 (DDS: Direct Digital Synthesizer)자체가 지닌 하모닉 성분을 제거하기 위해 정밀한 회로 구성이 필요하다는 단점이 있다.In addition, the signal generating device of the homodyne system may be implemented using a direct digital synthesizer (DDS). Since a sinusoidal signal varying from 50 MHz to 500 MHz can be directly generated using the direct digital synthesizer Signal generating apparatus. When using a direct digital synthesizer (DDS) as a signal generating device, it is advantageous to implement it as a single chip. However, in order to remove the harmonic component of a direct digital synthesizer (DDS) Is required.
도 3은 케이스(20)와 다수개의 레이저 다이오드(10)로 이루어진 다파장 소형 광원이다. 서로 다른 파장의 다수개의 레이저 다이오드로부터 출력되는 빛을 하나의 광섬유에 합성할 수 있는 상기 소형 광원을 사용할 경우 확산 광 분광 시스템에 사용되는 프로브의 크기를 작게 할 수 있으며, 8~12개 정도의 서로 다른 파장의 다수개의 레이저 다이오드를 사용함으로써 할로겐 램프와 분광기가 필요 없는 확산 광 분광 시스템 구성이 가능하다. 이는 할로겐 램프와 스펙트로미터의 비용이 절감되고 에너지 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 측정 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있다.3 is a multi-wavelength small-sized light source made up of a
도 4는 광 수신장치 내의 아발란치 포토다이오드에 입력되는 고전압 직류 전원을 공급하기 위한 전원장치의 제어방법에 대한 일 실시 예이다. 아발란치 포토다이오드의 온도를 측정하기 위한 온도센서, 제어 가능한 고전압 직류 전원장치로 구성된다. 온도보상 가변저항은 아발란치 포토다이오드의 온도에 따라 저항값이 변화되는 디지털 가변 저항이며, 아발란치 포토다이오드의 온도가 변하더라도 아발란치 포토다이오드의 증폭률이 동일하게 유지되도록 아발란치 포토다이오드의 직류 전원 장치의 출력 전압을 변경시킴으로써, 열전 소자 및 방열판 없이 간단한 고전압 제어회로로 구성되므로 회로 구조가 간단하고 전력소모를 크게 줄일 수 있으므로 프로브의 소형화를 가능하도록 한다.4 is an embodiment of a method of controlling a power supply device for supplying a high-voltage DC power input to an Avalanche photodiode in an optical receiver. A temperature sensor for measuring the temperature of the Avalanche photodiode, and a controllable high voltage DC power supply. The temperature-compensated variable resistor is a digital variable resistor whose resistance changes according to the temperature of the avalanche photodiode. The avalanche photodiode is a digital variable resistor that changes the temperature of the avalanche photodiode so that the amplification rate of the avalanche photodiode remains the same. By changing the output voltage of the DC power supply of the diode, the circuit structure is simple and power consumption can be greatly reduced since it is composed of a simple high voltage control circuit without a thermoelectric element and a heat sink.
호모다인 방식이란 신호를 측정하기 위해 별도의 신호발생기를 더 사용하여 주파수를 변경하는 과정을 없애고, 변조된 신호의 주파수 성분에 대해 그대로 크기변화와 위상변화 정보를 추출하는 방식이다. 예를 들면, 호모다인 방식은 광원의 변조신호가 50MHz이면 크기변화와 위상변화를 측정하는 주파수는 50MHz이고 광원의 변조신호가 500MHz이면 크기변화와 위상변화를 측정하는 주파수는 500MHz가 된다. 이와 반대로 헤테로다인 방식의 경우 수신된 신호를 특정한 중간 주파수로 낮춘 후 크기변화와 위상변화를 측정하게 된다. 예를 들면, 광원의 변조신호에 50MHz에서 500MHz 까지의 주파수를 사용한다 할지라도 중간 주파수로 정한 45MHz의 주파수로 낮추어 크기변화와 위상변화를 측정하는 특징이 있다.The homodyne method removes the process of changing the frequency by using a separate signal generator to measure the signal and extracts the magnitude change and phase change information as it is for the frequency component of the modulated signal. For example, in the homodyne method, if the modulated signal of the light source is 50 MHz, the frequency for measuring the size change and the phase change is 50 MHz, and if the modulated signal of the light source is 500 MHz, the frequency for measuring the size change and phase change is 500 MHz. On the contrary, in the heterodyne method, the received signal is lowered to a specific intermediate frequency, and then the size change and the phase change are measured. For example, even if a frequency of 50MHz to 500MHz is used for a modulated signal of a light source, it is characterized by measuring the size change and the phase change by lowering it to a frequency of 45MHz set as the intermediate frequency.
Claims (31)
주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생장치,
상기 신호발생장치에서 발생된 신호가 기준신호와 변조신호로 분배되는 신호분배기,
상기 변조신호가 가변감쇄기와 레이저구동회로를 통해 전달되는 다파장 레이저 다이오드 광원,
상기 다파장 레이저 다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 시료로 조사된 후, 상기 시료 내에서 흡수와 산란이 반복된 과정을 거친 후 입사되어 전기신호로 변환되는 광 수신장치,
상기 광 수신장치에서 수신된 광 신호를 증폭한 후, 기준 신호 대비 신호크기변화와 위상변화를 직접 측정하거나, 혹은 복조기(demodulator)를 이용하여 실수(real)와 허수(imaginary)를 산출한 후 진폭 및 크기를 측정하는 신호크기 및 위상 측정장치를 포함하되,
상기 신호발생장치는
기본 주파수를 가변할 수 있는 제1 신호발생기와 고정 주파수가 발생시키는 제2 신호발생기를 포함하며, 상기 제1 신호발생기에서 가변된 주파수 대역에서 상기 고정 주파수를 차감한 주파수 대역의 신호를 발생시키는 것인 호모다인 확산 광 분광 시스템.In a diffused light spectroscopy system,
A signal generator controlled by a signal processor to generate a signal having a frequency,
A signal distributor for distributing a signal generated by the signal generator to a reference signal and a modulation signal,
A multi-wavelength laser diode light source in which the modulated signal is transmitted through a variable attenuator and a laser driving circuit,
Wherein the optical signal output from the multi-wavelength laser diode light source is irradiated to a sample through an optical fiber, and then absorbed and scattered in the sample are repeatedly input and then converted into an electric signal,
After amplifying the optical signal received by the optical receiver, the signal amplitude and phase change relative to the reference signal are directly measured or a real and imaginary is calculated using a demodulator, And a signal magnitude and phase measuring device for measuring magnitude,
The signal generator
A first signal generator capable of varying a fundamental frequency and a second signal generator generating a fixed frequency, wherein the first signal generator generates a signal of a frequency band obtained by subtracting the fixed frequency from a variable frequency band Homodyne diffuse optical spectroscopy system.
상기 광섬유, 광수신장치, 자체 증폭기를 포함하여 측정용 프로브를 형성하는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광 시스템.The method according to claim 1,
And a probe for measurement including the optical fiber, the optical receiver, and the self-amplifier are formed.
상기 신호분배기와 상기 가변감쇄기 사이에 제1증폭기, 상기 측정용 프로브와 상기 신호크기 및 위상 측정장치 사이에 제2증폭기가 있는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광 시스템.3. The method of claim 2,
A first amplifier between the signal distributor and the variable attenuator, and a second amplifier between the measuring probe and the signal magnitude and phase measurement device.
상기 측정용 프로브에는 상기 광 수신장치를 구성하는 아발란치 포토다이오드의 온도를 측정하기 위한 온도센서 및 상기 온도에 따라 자동으로 상기 아발란치 포토다이오드의 출력을 일정하게 해주는 온도보상회로가 형성된 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광 시스템.The method of claim 3,
The measurement probe includes a temperature sensor for measuring the temperature of the avalanche photodiode constituting the optical receiver and a temperature compensation circuit for automatically setting the output of the avalanche photodiode according to the temperature Homodyne diffuse optical spectroscopy system.
상기 신호크기 및 위상 측정장치는 상기 기준신호와 제2증폭기의 출력 신호를 비교하여 크기변화와 위상변화를 측정 시, 상기 광원에 인가된 변조 주파수 및 상기 광 수신장치에 입력된 변조 주파수를 별도의 주파수 변환 없이 비교 측정하는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광 시스템.The method according to claim 1,
The signal magnitude and phase measuring apparatus compares the reference signal and the output signal of the second amplifier to measure a magnitude change and a phase change. The modulation frequency applied to the light source and the modulation frequency input to the optical receiver are separately Homodyne diffuse optical spectroscopy system characterized by comparative measurement without frequency conversion.
상기 신호크기 및 위상 측정장치는 위상검출기와 진폭측정기로 이루어진 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광 시스템.6. The method of claim 5,
Wherein the signal magnitude and phase measurement apparatus comprises a phase detector and an amplitude meter.
상기 위상검출기와 상기 진폭측정기는 복조기(demodulator)를 이용하여 산술적으로 측정하거나, 혹은 아날로그/디지털 변환기 (ADC: Analogue to Digital Converter)와 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA: Field Programmable Gate Array)를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광 시스템.The method according to claim 6,
The phase detector and the amplitude meter can be measured arithmetically using a demodulator or measured using an analog to digital converter (ADC) and a field programmable gate array (FPGA) Wherein the homodyne diffused light spectroscopy system is a homodyne diffused light spectroscopy system.
상기 가변감쇄기는 상기 다파장 레이저다이오드 광원의 전광효율에 맞추어 상기 변조신호의 크기를 가변시키는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the variable attenuator varies the magnitude of the modulated signal according to the light efficiency of the multi-wavelength laser diode light source.
상기 다파장 레이저 다이오드 광원을 이용해 시료를 측정하여 넓은 파장 범위의 광학적 특성을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the homodyne diffused light spectroscopy system is characterized in that a sample is measured using the multi-wavelength laser diode light source to obtain optical characteristics in a wide wavelength range.
상기 다파장 레이저 다이오드 광원을 구동하기 위해, 바이어스 전류와 상기 신호발생장치에서 발생된 신호를 사용한 변조 전류를 상기 레이저 다이오드에 인가해주는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광 시스템.10. The method of claim 9,
Wherein a modulation current using a bias current and a signal generated by the signal generator is applied to the laser diode to drive the multi-wavelength laser diode light source.
상기 제1 신호발생기 및 상기 제2 신호발생기는 하모닉 성분 없는 단일 주파수 성분의 신호를 만드는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the first signal generator and the second signal generator generate a signal of a single frequency component without a harmonic component.
주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생단계;
상기 신호발생단계에서 발생된 신호가 기준신호와 변조신호로 분배되는 신호분배단계;
상기 변조신호가 가변감쇄기와 레이저구동회로를 통해 전달되는 다파장 레이저 다이오드 광원에 의한 출력단계;
상기 다파장 레이저 다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 시료로 조사된 후, 상기 시료 내에서 흡수와 산란이 반복된 과정을 거친 후 광 수신장치로 입사되어 전기신호로 변환되는 광 수신단계; 및
신호분배기를 통해 상기 기준신호가 상기 전기신호와 비교되는 신호크기 및 위상 측정단계를 포함하되,
상기 신호발생단계는
제1 신호발생기가 기본 주파수를 가변하는 제1 신호발생단계;
제2 신호발생기가 고정 주파수를 발생시키는 제2 신호발생단계; 및
상기 제1 신호발생기에서 가변된 주파수 대역에서 상기 고정 주파수를 차감한 주파수 대역의 신호를 발생시키는 단계로 이루어진 호모다인 확산 광 분광방법.In the optical spectroscopy method,
A signal generating step of generating a signal having a frequency controlled by a signal processing unit;
A signal distribution step in which the signal generated in the signal generation step is distributed to a reference signal and a modulation signal;
An output step of the multi-wavelength laser diode light source in which the modulated signal is transmitted through a variable attenuator and a laser driving circuit;
A light receiving step in which an optical signal output from the multi-wavelength laser diode light source is irradiated to a sample through an optical fiber, and then absorbed and scattered in the sample are repeatedly input to a light receiving device and converted into an electric signal; And
And a signal magnitude and phase measurement step in which the reference signal is compared with the electrical signal via a signal distributor,
The signal generating step
A first signal generating step in which a first signal generator varies a fundamental frequency;
A second signal generation step in which the second signal generator generates a fixed frequency; And
And generating a signal in a frequency band that is obtained by subtracting the fixed frequency from a frequency band that is variable in the first signal generator.
상기 광섬유, 상기 광 수신장치, 자체 증폭기를 포함하여 측정용 프로브를 형성하는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광방법.17. The method of claim 16,
Wherein the optical fiber, the optical receiver, and the self-amplifier are used to form a measurement probe.
상기 신호분배단계와 상기 가변감쇄기 사이의 제1증폭기 및 상기 측정용 프로브와 상기 신호크기 및 위상 측정장치 사이의 제2증폭기에 의해 신호가 각각 증폭되는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광방법.18. The method of claim 17,
And a signal is amplified by a first amplifier between the signal distributing step and the variable attenuator, and a second amplifier between the measuring probe and the signal magnitude and phase measuring device, respectively.
상기 측정용 프로브에는 상기 광 수신장치를 구성하는 아발란치 포토다이오드의 온도를 측정하기 위한 온도센서 및 상기 온도에 따라 자동으로 상기 아발란치 포토다이오드의 출력을 일정하게 해주는 온도보상이 이루어 지는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광방법.18. The method of claim 17,
A temperature sensor for measuring the temperature of the avalanche photodiode constituting the optical receiver and a temperature compensation for automatically maintaining the output of the avalanche photodiode according to the temperature are performed Homodyne diffused light spectroscopic method.
상기 신호크기 및 위상 측정 단계는
상기 광원에 인가된 변조 주파수 및 상기 광 수신장치에 입력된 변조 주파수를 별도의 주파수 변환 없이 비교 측정하는 것을 특징으로 하는 이루어진 호모다인 확산 광 분광방법.17. The method of claim 16,
The signal magnitude and phase measurement step
Wherein the modulation frequency applied to the light source and the modulation frequency input to the optical receiver are compared and measured without a separate frequency conversion.
상기 신호크기 및 위상 측정 단계는
위상검출기와 진폭측정기에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광방법.21. The method of claim 20,
The signal magnitude and phase measurement step
Wherein the phase difference is performed by a phase detector and an amplitude meter.
상기 신호크기 및 위상 측정 단계는
복조기(demodulator)를 이용하여 산술적으로 측정하거나, 혹은 아날로그/디지털 변환기(Analogue to Digital Converter)와 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA: Field Programmable Gate Array)를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광방법.21. The method of claim 20,
The signal magnitude and phase measurement step
Characterized in that it is performed either by arithmetic using a demodulator or by using an analogue to digital converter and a field programmable gate array (FPGA) Way.
상기 가변감쇄기는 상기 다파장 레이저다이오드 광원의 전광효율에 맞추어 상기 변조신호의 크기를 가변시키는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광방법.17. The method of claim 16,
Wherein the variable attenuator varies the magnitude of the modulated signal according to the light efficiency of the multi-wavelength laser diode light source.
상기 다파장 레이저 다이오드 광원을 이용해 시료를 측정하여 넓은 파장 범위의 광학적 특성을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광방법.17. The method of claim 16,
Wherein the sample is measured using the multi-wavelength laser diode light source to obtain optical characteristics in a wide wavelength range.
상기 다파장 레이저 다이오드 광원을 구동하기 위해, 바이어스 전류와 상기 발생된 신호를 사용한 변조 전류를 상기 레이저 다이오드에 인가해주는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광방법.17. The method of claim 16,
Wherein a bias current and a modulation current using the generated signal are applied to the laser diode to drive the multi-wavelength laser diode light source.
상기 제1 신호발생단계 및 상기 제2 신호발생단계에서 하모닉 성분 없는 단일 주파수 성분의 신호를 만드는 것을 특징으로 하는 호모다인 확산 광 분광방법.17. The method of claim 16,
Wherein the first signal generating step and the second signal generating step generate a signal of a single frequency component without a harmonic component.
주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생장치,
상기 신호발생장치에서 발생된 신호가 기준신호와 변조신호로 분배되는 신호분배기,
상기 변조신호가 가변감쇄기와 레이저구동회로를 통해 전달되는 다파장 레이저다이오드 광원,
상기 다파장 레이저다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 시료로 조사된 후, 상기 시료 내에서 흡수와 산란이 반복된 과정을 거친 후 입사되어 전기신호로 변환되는 광 수신장치,
상기 광 수신장치에서 수신된 광 신호를 증폭한 후, 기준 신호 대비 신호크기변화와 위상변화를 직접 측정하거나, 혹은 복조기(demodulator)를 이용하여 실수(real)와 허수(imaginary)를 산출한 후 진폭 및 크기를 측정하는 신호크기 및 위상 측정장치를 포함하되,
상기 신호발생장치는
일정 주파수 대역으로 가변되는 사인파 형태의 신호를 생성하는 직접 디지털 신디사이저(direct digital synthesizer, DDS)를 포함하는 것인 호모다인 확산 광 분광 시스템.In a diffused light spectroscopy system,
A signal generator controlled by a signal processor to generate a signal having a frequency,
A signal distributor for distributing a signal generated by the signal generator to a reference signal and a modulation signal,
A multi-wavelength laser diode light source in which the modulated signal is transmitted through a variable attenuator and a laser driving circuit,
Wherein the optical signal output from the multi-wavelength laser diode light source is irradiated to a sample through an optical fiber, and then absorbed and scattered in the sample are repeatedly input and then converted into an electric signal,
After amplifying the optical signal received by the optical receiver, the signal amplitude and phase change relative to the reference signal are directly measured or a real and imaginary is calculated using a demodulator, And a signal magnitude and phase measuring device for measuring magnitude,
The signal generator
And a direct digital synthesizer (DDS) that generates a sinusoidal signal that varies in a predetermined frequency band.
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005300339A (en) | 2004-04-12 | 2005-10-27 | Hitachi Cable Ltd | Optical gas sensor |
| KR101448393B1 (en) * | 2013-06-27 | 2014-10-08 | 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 | An APD gain stabilization method of medical laser receiver |
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|---|---|---|---|---|
| JP2005300339A (en) | 2004-04-12 | 2005-10-27 | Hitachi Cable Ltd | Optical gas sensor |
| KR101448393B1 (en) * | 2013-06-27 | 2014-10-08 | 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 | An APD gain stabilization method of medical laser receiver |
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