KR101885125B1 - 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법 및 장치 - Google Patents

비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법 및 장치 Download PDF

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    • H01S5/0623—Modulation at ultra-high frequencies using the beating between two closely spaced optical frequencies, i.e. heterodyne mixing

Abstract

비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법은 서로 다른 파장을 갖는 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 기본입력레이저에 대하여, 소정 범위의 주파수 대역에서 신호의 강도를 측정하여 비팅(beating)이 발생한 기본주파수를 검출하는 단계; 상기 센서입력레이저가 소정의 바이오 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하려는 검사대상물을 통과한 후에 상기 참조입력레이저와 결합된 변경입력레이저에 대하여, 비팅이 발생한 변경주파수를 검출하는 단계; 및 상기 참조입력레이저의 주파수, 상기 기본주파수 및 상기 변경주파수에 기초하여, 상기 기본입력레이저와 상기 변경입력레이저 각각에 포함된 상기 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 단계를 포함한다.

Description

비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR HETERODYNE DETECTION USING LIGHT BEATING}
본 발명은 헤테로다인(heterodyne) 방식으로 구성된 레이저에 대한 비팅(beating)을 이용하여, 바이오 반응 또는 화학 반응을 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
기존의 바이러스 측정 및 진단 방법은 대체적으로 시간이 오래 걸리며, 복잡한 실험 과정과 많은 비용이 필요한 문제가 있었다. 이러한 문제를 극복하기 위해 전기 화학적 기반의 방법, 질량 감응 기반의 방법 및 광학적 기반의 방법에 관한 연구가 진행되어 왔다
위의 기술 중에서, 광학적 기반의 방법은 높은 선택도와 민감도를 가지고 있으며, 단분자의 실시간 검출이 가능한 측정기술로 평가되고 있다. 또한, 이러한 광학적 기반의 방법에는 광 섬유 기반의 바이오 센서, 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 이용한 바이오 센서, 광 공진기 및 레이저를 이용한 측정 센서가 있다. 그 중에서도 광 공진기 및 레이저를 이용한 측정 센서는 소형화와 대량 생산에 적합하며, 매우 높은 품위값을 갖고 있어 무표지 단분자 검출 바이오센서로 많은 관심을 받고 있다.
그러나, 광 공진기 및 레이저 소자와 분자가 결합 시에 외부 굴절률 변화로 인해 미세한 파장변화가 생기기 때문에, 이를 측정하기 위해서는 높은 민감도와 분해능을 갖는 측정 시스템이 필요하며(수 pm ~ fm), 미세한 파장 변화를 감지하기 위한 시스템을 구축하기 위해서는 전문적인 기술 및 고가의 측정 장비가 필요한 상황이다.
따라서, 마이크로 레이저를 헤테로다인 방식으로 구성하고, 비팅을 이용하여 미세한 파장의 변화를 측정하는 검출 방법 및 장치에 대한 관심이 대두되고 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1171362호(발명의 명칭: 위상검출수단이 개선된 헤테로다인 레이저 간섭계, 공개일자: 2011년 12월 7일)가 있다.
본 발명은 헤테로다인 방식으로 구성된 레이저에 대한 비팅을 이용하여 바이오 반응 또는 화학 반응을 검출하고, 그 검출된 반응의 반응량을 추정하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법은 서로 다른 파장을 갖는 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 기본입력레이저에 대하여, 소정 범위의 주파수 대역에서 신호의 강도를 측정하여 비팅(beating)이 발생한 기본주파수를 검출하는 단계; 상기 센서입력레이저가 소정의 바이오 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하려는 검사대상물을 통과한 후에 상기 참조입력레이저와 결합된 변경입력레이저에 대하여, 비팅이 발생한 변경주파수를 검출하는 단계; 및 상기 기본주파수 및 상기 변경주파수에 기초하여, 상기 기본입력레이저와 상기 변경입력레이저 각각에 포함된 상기 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 센서입력레이저의 파장의 차이에 기초하여, 상기 반응의 발생 여부를 판단하거나 상기 반응의 반응량을 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 반응의 반응량을 추정하는 단계는 상기 센서입력레이저의 파장의 차이에 따른 상기 반응의 반응량에 대한 정보를 포함하는 반응테이블에 더 기초하여, 상기 반응의 반응량을 추정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기본주파수를 검출하는 단계는 상기 기본입력레이저에 대하여, 상기 주파수 대역에서 소정의 주파수 단위별로 신호의 강도를 측정하는 단계; 상기 측정된 신호의 강도 중에서 가장 큰 값인 최대측정강도를 산출하는 단계; 및 상기 최대측정강도가 소정의 임계강도 이상이면, 상기 최대측정강도에 대응되는 주파수로 상기 기본주파수를 검출하고, 상기 임계강도 미만이면, 상기 센서입력레이저의 파장을 변경하여 상기 기본주파수를 다시 검출하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기본주파수를 다시 검출하는 단계는 상기 센서입력레이저를 출력하는 회로의 전류 또는 온도를 소정의 단위로 변경하여, 상기 센서입력레이저의 파장을 변경할 수 있다.
바람직하게는, 상기 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 단계는 상기 참조입력레이저의 주파수와 상기 기본주파수 간의 차이로부터 상기 센서입력레이저의 제1 주파수를 산출하는 단계; 상기 참조입력레이저의 주파수와 상기 변경주파수 간의 차이로부터 상기 센서입력레이저의 제2 주파수를 산출하는 단계; 및 상기 제2 주파수에 대응되는 제2 파장과 상기 제1 주파수에 대응되는 제1 파장의 차이로부터 상기 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 센서입력레이저 및 상기 참조입력레이저는 마이크로 레이저(micro laser)일 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치는 서로 다른 파장을 갖는 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 입력레이저를 출력하는 레이저부; 상기 센서입력레이저와 상기 참조입력레이저가 결합된 기본입력레이저에 대하여, 소정 범위의 주파수 대역에서 신호의 강도를 측정하여 비팅이 발생한 주파수인 기본주파수를 검출하고, 상기 센서입력레이저가 소정의 바이오 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하려는 검사대상물을 통과한 후에 상기 참조입력레이저와 결합된 변경입력레이저에 대하여, 비팅이 발생한 변경주파수를 검출하는 검출부; 및 상기 기본주파수 및 상기 변경주파수에 기초하여, 상기 기본입력레이저와 상기 변경입력레이저 각각에 포함된 상기 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 산출부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 센서입력레이저의 파장의 차이에 기초하여, 상기 반응의 발생 여부를 판단하거나 상기 반응의 반응량을 추정하는 반응판단부;를 더 포함할 수 있다
바람직하게는, 상기 반응판단부는 상기 센서입력레이저의 파장의 차이에 따른 상기 반응의 반응량에 대한 정보를 포함하는 반응테이블에 더 기초하여, 상기 반응의 반응량을 추정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 검출부는 상기 기본입력레이저에 대하여, 상기 주파수 대역에서 소정의 주파수 단위별로 신호의 강도를 측정하고, 상기 측정된 신호의 강도 중에서 가장 큰 값인 최대측정강도를 산출하고, 상기 최대측정강도가 소정의 임계강도 이상이면, 상기 최대측정강도에 대응되는 주파수로 상기 기본주파수를 검출하고, 상기 임계강도 미만이면, 상기 센서입력레이저의 파장을 변경하여 상기 기본주파수를 다시 검출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 검출부가 상기 기본주파수를 다시 검출할 때, 상기 센서입력레이저를 출력하는 회로의 전류 또는 온도를 소정의 단위로 변경하여, 상기 센서입력레이저의 파장을 변경할 수 있다.
바람직하게는, 상기 산출부는 상기 참조입력레이저의 주파수와 상기 기본주파수 간의 차이로부터 상기 센서입력레이저의 제1 주파수를 산출하고, 상기 참조입력레이저의 주파수와 상기 변경주파수 간의 차이로부터 상기 센서입력레이저의 제2 주파수를 산출하고, 상기 제2 주파수에 대응되는 제2 파장과 상기 제1 주파수에 대응되는 제1 파장의 차이로부터 상기 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 센서입력레이저 및 상기 참조입력레이저는 마이크로 레이저일 수 있다.
본 발명은 헤테로다인 방식으로 구성된 레이저에 대한 비팅을 이용함으로써, 바이오 반응 또는 화학 반응을 검출하거나 또는 그 검출된 반응의 반응량을 추정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기본주파수를 검출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8, 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 입출력 레이저 신호의 측정 결과를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S110에서는, 검출 장치가 서로 다른 파장을 갖는 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 기본입력레이저에 대하여, 소정 범위의 주파수 대역에서 신호의 강도를 측정하여 비팅(beating)이 발생한 기본주파수를 검출한다.
이때, 서로 다른 파장의 센서입력레이저와 참조입력레이저는 2x2 커플러(coupler)를 이용하여 결합될 수 있으며, 그 결합의 결과로 기본입력레이저가 생성될 수 있다.
한편, 비팅은 서로 다른 파장을 갖는 2개의 레이저가 결합되었을 때 발생하는 간섭현상이다. 이때, 결합된 레이저를 이용하여 그 2개의 레이저의 주파수의 합과 차를 산출할 수 있게 된다.
이러한 특징을 이용하여, 검출 장치가 참조입력레이저와 센서입력레이저가 결합된 기본입력레이저로부터 그 2개의 레이저의 주파수의 합과 차를 산출할 수 있다.
아래의 수학식 1 및 2는 각각 참조입력레이저와 센서입력레이저를 나타낸다.
[수학식 1]
Figure 112016126093383-pat00001
여기서, E1(t)는 참조입력레이저를 나타내고, f1는 참조입력레이저의 주파수이다.
[수학식 2]
Figure 112016126093383-pat00002
여기서, E2(t)는 센서입력레이저를 나타내고, f2는 센서입력레이저의 주파수이다.
만일, 참조입력레이저와 센서입력레이저가 결합된다면, I(t) = {E1(t) + E2(t)}2인 성질을 이용하여, 그 결합된 기본입력레이저의 강도(intensity)는 아래의 수학식 3과 같이 산출될 수 있다. 이때, 도 7을 참조하면, 검출 장치는 그 기본입력레이저의 강도를 주파수 분석기(spectrum analyser)를 이용하여 측정할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112016126093383-pat00003
여기서, I는 참조입력레이저와 센서입력레이저가 결합된 기본입력레이저의 강도를 나타내고, I1(t) 및 I2(t)는 각각 참조입력레이저와 센서입력레이저의 강도를 나타낸다.
즉, 검출 장치가 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 기본입력레이저에 대하여, 센서입력레이저와 참조입력레이저의 주파수의 차이(또는 합)에 해당하는 주파수에서, 비팅이 발생한 것을 검출하여 그 주파수를 기본주파수로 검출할 수 있다. 이때, 검출 장치는 기본주파수를 검출하기 위하여, 예를 들어, 0.1GHz 에서 10GHz까지의 주파수 대역에서 신호의 강도를 측정할 수 있다.
한편, 도 8을 참조하면, 참조입력레이저가 레퍼런스 레이저 신호이고 센서입력레이저가 센서 레이저 신호일 때, 그 2개의 레이저 신호의 주파수의 차이(Δf)가 검출되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 9a 및 9b를 참조하면, 참조입력레이저(reference laser)와 센서입력레이저(signal laser)를 이용하여, 그 센서입력레이저의 비팅 특성을 나타내는 결과(characteristics of signal laser)를 발견할 수 있다. 이때, 검출 장치는 참조입력레이저와 센서입력레이저의 비팅 특성을 이용하여 20pm 및 10pm의 미세한 파장 변화를 감지할 수 있다.
단계 S120에서는, 검출 장치가 센서입력레이저가 소정의 바이오 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하려는 검사대상물을 통과한 후에 참조입력레이저와 결합된 변경입력레이저에 대하여, 비팅이 발생한 변경주파수를 검출한다.
이때, 센서입력레이저는 바이오 반응 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하고자 하는 검사대상물을 거친 후에 참조입력레이저와 결합될 수 있다. 이는, 센서입력레이저가 검사대상물을 거치면서 검사대상물에 포함된 분자와 부딪힐 때, 굴절률의 변화로 인하여 레이저의 파장에 미세한 변화가 발생하는 현상을 이용하여, 그 반응의 발생 여부를 판단하기 위함이다.
예컨대, 특정한 항원-항체간의 반응이 발생한 경우와 항원-항체간의 반응이 발생하지 않은 경우를 각각 검사대상물로 할 때, 참조입력레이저와 결합되는 센서입력레이저의 파장에는 그 2개의 경우 간에 미세한 차이가 발생하여, 검출 장치가 그 반응의 발생 여부를 판단할 수 있다.
즉, 검출 장치가 검사대상물을 통과한 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 변경입력레이저에 대하여, 센서입력레이저와 참조입력레이저의 주파수의 차이에 해당하는 주파수에서, 비팅이 발생한 것을 검출하여 그 주파수를 변경주파수로 검출할 수 있다.
마지막으로 단계 S130에서는, 검출 장치가 기본주파수 및 변경주파수에 기초하여, 기본입력레이저와 변경입력레이저 각각에 포함된 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출한다.
예컨대, 센서입력레이저의 주파수가 f1이고, 참조입력레이저의 주파수가 f2라고 가정하면, 측정된 기본주파수는 f1-f2로 나타내고, 측정된 변경주파수는 f'1-f2로 나타낼 수 있다.
이때, 검출 장치가 f1과 f2의 주파수를 알고 있으므로, 변경주파수(f'1-f2)에 포함된 f'1를 산출할 수 있다. 그리고, 검출 장치가 f'1과 f1의 차이를 산출함으로써, 기본입력레이저와 변경입력레이저 각각에 포함된 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출할 수 있다.
다른 실시예에서는, 센서입력레이저 및 참조입력레이저는 마이크로 레이저(micro laser)일 수 있다.
즉, 검출 장치는 센서입력레이저와 참조입력레이저로 마이크로 레이저를 사용할 수 있으며, 이처럼 마이크로 레이저를 사용함으로 인하여, 검출 장치를 소형화하여 휴대성을 높일 수 있는 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법은 레이저의 헤테로다인 구성을 통해 비팅의 원리를 이용하여 바이오 반응 또는 화학 반응의 발생을 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S210에서는, 검출 장치가 서로 다른 파장을 갖는 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 기본입력레이저에 대하여, 소정 범위의 주파수 대역에서 신호의 강도를 측정하여 비팅이 발생한 기본주파수를 검출한다.
단계 S220에서는, 검출 장치가 센서입력레이저가 소정의 바이오 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하려는 검사대상물을 통과한 후에 참조입력레이저와 결합된 변경입력레이저에 대하여, 비팅이 발생한 변경주파수를 검출한다.
단계 S230에서는, 검출 장치가 기본주파수 및 변경주파수에 기초하여, 기본입력레이저와 변경입력레이저 각각에 포함된 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출한다.
마지막으로 단계 S240에서는, 검출 장치가 그 센서입력레이저의 파장의 차이에 기초하여, 그 반응의 발생 여부를 판단하거나 그 반응의 반응량을 추정한다.
예컨대, 검출 장치는 기본입력레이저에 포함된 센서입력레이저의 파장과 변경입력레이저에 포함된 센서입력레이저의 파장 간의 차이가 임계치 이상인 경우 그 바이오 반응 또는 화학 반응이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 또는, 검출 장치는 그 2개의 센서입력레이저의 파장 간의 차이가 커질수록 그 바이오 반응 또는 화학 반응의 반응량이 더 많은 것으로 판단할 수 있다.
다른 실시예에서는, 검출 장치가 그 반응의 반응량을 추정할 때, 센서입력레이저의 파장의 차이에 따른 그 반응의 반응량에 대한 정보를 포함하는 반응테이블에 더 기초하여, 반응량을 추정할 수 있다.
여기서, 반응테이블은 특정한 반응의 종류(예, A항원과 A항체의 반응)에 따라 별도로 존재할 수 있다. 그리고, 그 센서입력레이저의 파장의 차이에 따른 반응량의 정보(예, A항원과 A항체의 반응수)를 포함하고 있을 수 있다.
즉, 검출 장치가 반응테이블 상에서 그 센서입력레이저의 파장의 차이에 대응되는 반응량을 발견하여, 그 발견된 반응량을 그 바이오 반응의 반응량으로 추정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법은 레이저의 헤테로다인 구성을 통해 비팅의 원리를 이용하여 바이오 반응 또는 화학 반응의 반응량을 추정할 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기본주파수를 검출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S310에서, 검출 장치가 기본입력레이저에 대하여, 그 주파수 대역에서 소정의 주파수 단위별로 신호의 강도를 측정한다.
예컨대, 검출 장치가 0.1GHz 에서 10GHz까지의 주파수 대역에서, 100MHz의 단위별로 기본입력레이저 신호의 강도를 측정할 수 있다.
단계 S320에서, 검출 장치가 그 측정된 신호의 강도 중에서 가장 큰 값인 최대측정강도를 산출한다.
이때, 검출 장치가 그 100MHz의 단위별로 측정된 신호의 강도 중에서 가장 큰 값을 최대측정강도로 산출할 수 있다.
마지막으로 단계 S330에서, 검출 장치가 그 최대측정강도가 소정의 임계강도 이상이면, 그 최대측정강도에 대응되는 주파수로 기본주파수를 검출하고, 임계강도 미만이면, 센서입력레이저의 파장을 변경하여 기본주파수를 다시 검출한다.
즉, 검출 장치는 그 최대측정강도가 소정의 임계강도 이상인 경우, 그 최대측정강도가 측정된 주파수를 기본주파수로 검출할 수 있다.
예컨대, 도 9a 및 9b를 참조하면, 최대측정강도가 reference line으로 표시된 임계강도 이상인 경우에, 검출 장치가 그 최대측정강도에 대응되는 주파수로 기본주파수를 검출할 수 있다.
그러나, 만일 대측정강도가 reference line으로 표시된 임계강도 미만인 경우에, 검출 장치는 센서입력레이저의 파장을 변경하여 기본주파수를 다시 검출할 수 있다. 이는, 비팅 현상이 명확하게 관찰되지 않은 경우에, 기본주파수가 정확하게 검출되지 않아, 결과적으로 센서입력레이저의 파장 차이를 정확하게 산출해내기 어렵기 때문이다.
다른 실시예에서는, 검출 장치가 기본주파수를 다시 검출할 때, 센서입력레이저를 출력하는 회로의 전류 또는 온도를 소정의 단위로 변경하여, 센서입력레이저의 파장을 변경할 수 있다.
일반적으로, 레이저의 파장은 레이저 출력 회로의 전류 또는 온도의 함수이다. 따라서, 검출 장치는 기본주파수를 다시 검출하려고 할 때, 센서입력레이저의 출력 회로의 전류 또는 온도를 소정의 단위(예, 1mA 또는 0.1˚K)로 변경하여, 그 센서입력레이저의 파장을 변경할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S410에서, 검출 장치가 참조입력레이저의 주파수와 기본주파수 간의 차이로부터 센서입력레이저의 제1 주파수를 산출한다.
예컨대, 센서입력레이저의 주파수가 f1이고, 참조입력레이저의 주파수가 f2라고 가정하면, 기본주파수는 f1-f2로 나타낼 수 있다. 따라서, 검출 장치가 제1 주파수를 참조입력레이저의 주파수(f2)에서 기본주파수(f1-f2)를 뺀, f1으로 산출할 수 있다.
단계 S420에서, 검출 장치가 참조입력레이저의 주파수와 변경주파수 간의 차이로부터 센서입력레이저의 제2 주파수를 산출한다.
마찬가지로, 센서입력레이저의 주파수가 f1이고, 참조입력레이저의 주파수가 f2라고 가정하면, 변경주파수는 f'1-f2로 나타낼 수 있다. 따라서, 검출 장치가 제2 주파수를 참조입력레이저의 주파수(f2)에서 변경주파수(f1-f2)를 뺀, f'1으로 산출할 수 있다.
마지막으로 단계 S430에서, 검출 장치가 그 제2 주파수에 대응되는 제2 파장과 그 제1 주파수에 대응되는 제1 파장의 차이로부터 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출한다.
일반적으로, 빛의 주파수와 파장 간에는 다음과 같은 관계가 성립한다.
[수학식 4]
Figure 112016126093383-pat00004
여기서, λ는 빛의 파장이고, c는 빛의 속도이고, f는 빛의 주파수이다.
따라서, 검출 장치가 수학식 4를 이용하면, 산출된 제1 주파수(f1)를 이용하여 제1 파장(λ1)을 산출할 수 있다. 또한, 마찬가지로, 산출된 제2 주파수(f'1)를 이용하여 제2 파장(λ2)을 산출할 수 있다.
그리고, 검출 장치가 제2 파장(λ2)과 제1 파장(λ1)의 차이를 산출하여, 최종적으로 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치(500)는 레이저부(510), 검출부(520) 및 산출부(530)를 포함한다.
레이저부(510)는 서로 다른 파장을 갖는 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 입력레이저를 출력한다.
다른 실시예에서는, 센서입력레이저 및 참조입력레이저는 마이크로 레이저일 수 있다.
검출부(520)는 그 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 기본입력레이저에 대하여, 소정 범위의 주파수 대역에서 신호의 강도를 측정하여 비팅이 발생한 주파수인 기본주파수를 검출하고, 그 센서입력레이저가 소정의 바이오 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하려는 검사대상물을 통과한 후에 참조입력레이저와 결합된 변경입력레이저에 대하여, 비팅이 발생한 변경주파수를 검출한다.
다른 실시예에서는, 검출부(520)는 기본입력레이저에 대하여, 그 주파수 대역에서 소정의 주파수 단위별로 신호의 강도를 측정하고, 그 측정된 신호의 강도 중에서 가장 큰 값인 최대측정강도를 산출하고, 그 최대측정강도가 소정의 임계강도 이상이면, 그 최대측정강도에 대응되는 주파수로 기본주파수를 검출하고, 임계강도 미만이면, 센서입력레이저의 파장을 변경하여 기본주파수를 다시 검출할 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 검출부(520)가 기본주파수를 다시 검출할 때, 센서입력레이저를 출력하는 회로의 전류 또는 온도를 소정의 단위로 변경하여, 센서입력레이저의 파장을 변경할 수 있다.
산출부(530)는 그 기본주파수 및 변경주파수에 기초하여, 그 기본입력레이저와 변경입력레이저 각각에 포함된 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출한다.
다른 실시예에서는, 산출부(530)는 참조입력레이저의 주파수와 기본주파수 간의 차이로부터 센서입력레이저의 제1 주파수를 산출하고, 참조입력레이저의 주파수와 변경주파수 간의 차이로부터 센서입력레이저의 제2 주파수를 산출하고, 제2 주파수에 대응되는 제2 파장과 제1 주파수에 대응되는 제1 파장의 차이로부터 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치(500)는 레이저부(510), 검출부(520), 산출부(530) 및 반응판단부(540)를 포함한다.
레이저부(510)는 서로 다른 파장을 갖는 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 입력레이저를 출력한다.
검출부(520)는 그 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 기본입력레이저에 대하여, 소정 범위의 주파수 대역에서 신호의 강도를 측정하여 비팅이 발생한 주파수인 기본주파수를 검출하고, 그 센서입력레이저가 소정의 바이오 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하려는 검사대상물을 통과한 후에 참조입력레이저와 결합된 변경입력레이저에 대하여, 비팅이 발생한 변경주파수를 검출한다.
산출부(530)는 그 기본주파수 및 변경주파수에 기초하여, 그 기본입력레이저와 변경입력레이저 각각에 포함된 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출한다.
반응판단부(540)는 그 센서입력레이저의 파장의 차이에 기초하여, 그 바이오 반응 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하거나 그 반응의 반응량을 추정한다.
다른 실시예에서는, 반응판단부(540)는 센서입력레이저의 파장의 차이에 따른 그 반응의 반응량에 대한 정보를 포함하는 반응테이블에 더 기초하여, 그 반응의 반응량을 추정할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 서로 다른 파장을 갖는 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 기본입력레이저에 대하여, 소정 범위의 주파수 대역에서 신호의 강도를 측정하여 비팅(beating)이 발생한 기본주파수를 검출하는 단계;
    상기 센서입력레이저가 소정의 바이오 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하려는 검사대상물을 통과한 후에 상기 참조입력레이저와 결합된 변경입력레이저에 대하여, 비팅이 발생한 변경주파수를 검출하는 단계; 및
    상기 기본주파수 및 상기 변경주파수에 기초하여, 상기 기본입력레이저와 상기 변경입력레이저 각각에 포함된 상기 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 기본주파수를 검출하는 단계는
    상기 기본입력레이저에 대하여, 상기 주파수 대역에서 소정의 주파수 단위별로 신호의 강도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 신호의 강도 중에서 가장 큰 값인 최대측정강도를 산출하는 단계; 및
    상기 최대측정강도가 소정의 임계강도 이상이면, 상기 최대측정강도에 대응되는 주파수로 상기 기본주파수를 검출하고, 상기 임계강도 미만이면, 상기 센서입력레이저의 파장을 변경하여 상기 기본주파수를 다시 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서입력레이저의 파장의 차이에 기초하여, 상기 반응의 발생 여부를 판단하거나 상기 반응의 반응량을 추정하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응의 반응량을 추정하는 단계는
    상기 센서입력레이저의 파장의 차이에 따른 상기 반응의 반응량에 대한 정보를 포함하는 반응테이블에 더 기초하여, 상기 반응의 반응량을 추정하는 것을 특징으로 하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기본주파수를 다시 검출하는 단계는
    상기 센서입력레이저를 출력하는 회로의 전류 또는 온도를 소정의 단위로 변경하여, 상기 센서입력레이저의 파장을 변경하는 것을 특징으로 하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 단계는
    상기 참조입력레이저의 주파수와 상기 기본주파수 간의 차이로부터 상기 센서입력레이저의 제1 주파수를 산출하는 단계;
    상기 참조입력레이저의 주파수와 상기 변경주파수 간의 차이로부터 상기 센서입력레이저의 제2 주파수를 산출하는 단계; 및
    상기 제2 주파수에 대응되는 제2 파장과 상기 제1 주파수에 대응되는 제1 파장의 차이로부터 상기 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서입력레이저 및 상기 참조입력레이저는
    마이크로 레이저(micro laser)인 것을 특징으로 하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 방법.
  8. 서로 다른 파장을 갖는 센서입력레이저와 참조입력레이저가 결합된 입력레이저를 출력하는 레이저부;
    상기 센서입력레이저와 상기 참조입력레이저가 결합된 기본입력레이저에 대하여, 소정 범위의 주파수 대역에서 신호의 강도를 측정하여 비팅이 발생한 주파수인 기본주파수를 검출하고, 상기 센서입력레이저가 소정의 바이오 또는 화학 반응의 발생 여부를 판단하려는 검사대상물을 통과한 후에 상기 참조입력레이저와 결합된 변경입력레이저에 대하여, 비팅이 발생한 변경주파수를 검출하는 검출부; 및
    상기 기본주파수 및 상기 변경주파수에 기초하여, 상기 기본입력레이저와 상기 변경입력레이저 각각에 포함된 상기 센서입력레이저의 파장의 차이를 산출하는 산출부
    를 포함하고,
    상기 검출부가 상기 기본주파수를 검출할 때,
    상기 기본입력레이저에 대하여, 상기 주파수 대역에서 소정의 주파수 단위별로 신호의 강도를 측정하고,
    상기 측정된 신호의 강도 중에서 가장 큰 값인 최대측정강도를 산출하고,
    상기 최대측정강도가 소정의 임계강도 이상이면, 상기 최대측정강도에 대응되는 주파수로 상기 기본주파수를 검출하고, 상기 임계강도 미만이면, 상기 센서입력레이저의 파장을 변경하여 상기 기본주파수를 다시 검출하는 것을 특징으로 하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 센서입력레이저의 파장의 차이에 기초하여, 상기 반응의 발생 여부를 판단하거나 상기 반응의 반응량을 추정하는 반응판단부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반응판단부는
    상기 센서입력레이저의 파장의 차이에 따른 상기 반응의 반응량에 대한 정보를 포함하는 반응테이블에 더 기초하여, 상기 반응의 반응량을 추정하는 것을 특징으로 하는 비팅을 이용한 헤테로다인 방식의 검출 장치.
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