KR102014482B1

KR102014482B1 - 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치

Info

Publication number: KR102014482B1
Application number: KR1020170161664A
Authority: KR
Inventors: 문상준
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2019-08-26
Also published as: KR20190062960A

Abstract

본 발명에 의한 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치는, 분석할 식품의 시료를 지지하는 샘플 홀더(sample holder); 상기 샘플 홀더에 설치되어 상기 시료의 형상 정보를 획득하는 시료 형상 정보 획득부; 상기 샘플 홀더의 일측에 설치되어 상기 시료에 대한 스펙트럼 생성을 위한 광원을 발생시키는 스펙트럼 생성부; 상기 샘플 홀더로부터 상기 스펙트럼 생성부보다 이격 설치되어, 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛의 스펙트럼을 검출하는 스펙트럼 검출부; 상기 스펙트럼 검출부에서 검출한 스펙트럼에 의해 상기 시료의 성분을 분석하는 분석부; 상기 샘플 홀더를 중심으로 상기 샘플 홀더의 타측에 입사되는 광원에 의해 상기 시료 형상 정보획득부의 위치 및 상기 스펙트럼 생성부에 의한 광학 초점을 포함하는 광학 세팅 정보를 탐지하여 조절하는 광학 드라이브;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명에 의한 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치를 이용하면, 현장 진단 등을 위해 휴대이 가능토록 소형이며 경제적이고, 정밀하고 신뢰도 높은 정량적 자료를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치{Food component analysis appratus using an optical drive}

본 발명은 비파괴 방식의 식품 성분 분석장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 식품의 당도를 비롯하여 단백질, 지방 등 화학적 분자 구성 정보를 현장에서 분석할 수 있는 휴대형 식품 성분 분석장치에 관한 것이다.

비파괴 방식의 식품 성분 분석장치는 VIS/IR 스펙트럼을 측정하는 분광계를 이용하여 분석할 식품의 시료의 물성 특징을 분석하는 장치이다. 주로 레이저를 광원으로 사용한다.

도 1은 종래 비파괴 방식의 식품 성분 분석장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 분석장치는 레이저 광원(10)으로부터 출발하는 광원은 공간 필터(11 : Spatial filter)와 미러(12 : mirror) 및 다이크로익 미러(13 : dichroic mirror)로 구성되는 광경로를 거쳐 X축 미러(14), 이와 수직한 Y축 미러(15)에 순차적으로 도착하며, 대물렌즈(20)를 통해 스테이지(29) 상의 시료(21)에 입사된다.

상기 광경로는 상기 시료의 스팟(spot) 별로 이동할 수 있다. 상기 X축 미러(14) 및 Y축 미러(15)는 보이스 코일 모터(16,17 : voice coil motor) 및 그 구동을 제어하는 드라이버(18,19 : driver)에 의해 미세 조정이 가능하다. 상기 대물렌즈(20)를 통해 입사한 광원은 시료(21)와 부딪쳐 산란하게 되는데, 대부분은 입사광과 같은 에너지를 가지고 산란하나, 일부는 고유한 정도로 시료(21)와 에너지를 주고받아 산란하게 된다. 이때 시료(21)의 물성 특성에 따라 광원이 고유한 형태로 산란되어 나타난다. 분광계(50)는 밴드패스 필터(28 : band-pass filter)를 통해 이를 수집하여 고유한 형태의 스펙트럼으로 표시할 수 있으며, 스팟 별 스펙트럼 영상을 카메라(40)로 반복적으로 촬영한 후 컴퓨터(30)로 분석하여 시료(21)의 특성을 파악한다. 상기 분광계(50)는 외부 산란 등의 미광(謎光)을 충분히 제거할 필요가 있어서 더블 모노크로메이터를 2개 및 3개를 사용하는 방법이 사용되었으며, 최근에는 우수한 광특성을 갖는 간섭필터를 사용하고 1개의 모노크로메이터 필터를 사용하는 것이 보편화되었다.

그러나 종래의 비파괴 방식 식품 성분 분석장치는 다음과 같은 문제점이 지적될 수 있다. 즉 종래의 비파괴 방식 식품 성분 분석장치는 상술한 바와 같이 상기 광경로를 시료의 스팟 별로 미세 조정하며 스펙트럼 영상을 얻기 위해서 복잡한 광학계에 의해 3차원 정보를 취득하는 방식으로서, 고도의 정밀도가 요구되는 고가의 여러 부속품으로 구성되며, 그 부피 또한 커 휴대가 불가한 대형 장비이기 때문에 경제성 측면에서 불리하고, 현장 진단용으로 이용할 수 없는 한계를 가지고 있는 문제점이 있다.

한편 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0052252호를 참조하면, 휴대용 분석장치로서, 당도 측정 대상물체인 감귤로부터 빛을 검출하여 그 검출한 스펙트럼을 분석함으로써 당도를 측정할 수 있다. 이는 휴대가 용이한 소형 구조이지만, 단일 파장을 이용하여 식품의 성분 중 당도 한가지만 단일 분석할 수 있는 것으로, 식품 성분에 대하여 전반적으로 정밀한 정량적 자료를 제공할 수 없는 한계가 있는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0052252호(공개일자; 2014년5월7일) 대한민국 등록특허공보 제10-1535494호(등록일자; 2015년7월3일)

본 발명의 목적은, 비파괴 방식으로 현장 진단을 위해 휴대이 가능토록 소형이면서 경제성 측면에서 경쟁력을 구비할 수 있고, 나아가 식품의 여러 성분을 한번에 분석하여 신뢰성 있고 정량적인 자료를 제공할 수 있는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치를 제공하다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치는, 분석할 식품의 시료를 지지하는 샘플 홀더(sample holder); 상기 샘플 홀더에 설치되어 상기 시료의 형상 정보를 획득하는 시료 형상 정보 획득부; 상기 샘플 홀더의 일측에 설치되어 상기 시료에 대한 스펙트럼 생성을 위한 광원을 발생시키는 스펙트럼 생성부; 상기 샘플 홀더로부터 상기 스펙트럼 생성부보다 이격 설치되어, 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛의 스펙트럼을 검출하는 스펙트럼 검출부; 상기 스펙트럼 검출부에서 검출한 스펙트럼에 의해 상기 시료의 성분을 분석하는 분석부; 상기 샘플 홀더를 중심으로 상기 샘플 홀더의 타측에 입사되는 광원에 의해 상기 시료 형상 정보획득부의 위치 및 상기 스펙트럼 생성부에 의한 광학 초점을 포함하는 광학 세팅 정보를 탐지하여 조절하는 광학 드라이브;을 포함한다.

본 발명의 분석장치는 벤치-탑(bench-top) 구조로서, 스펙트럼 생성부 및 상기 스펙트럼 검출부는 상기 샘플 홀더의 하측에 설치될 수 있다.

상기 시료 형상 정보 획득부는 근접장 광학 현미경(OPD)를 포함할 수 있다.

상기 스펙트럼 생성부는, 상기 시료와 일렬로 세팅되는 광학 렌즈와, 상기 시료와 광학 렌즈 간 광경로를 횡단하는 방향으로 빛을 입사하는 광원과, 상기 광원의 빛을 산란시키는 필터와, 상기 광학 렌즈와 일렬로 설치되어 상기 필터에서 산란된 빛을 상기 광학 렌즈로 반사시키고 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛을 상기 스펙트럼 검출부로 투과시키는 가이드 미러(mirror)를 포함할 수 있다. 상기 스펙트럼 생성부의 필터는 상기 시료에 따른 산란을 야기하기 위한 협대역 레이저 클리닝 필터(narrow band laser cleaning filter)와 대역 필터(Band-pass filter) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 스펙트럼 검출부는, 상기 광학 렌즈와 일렬로 설치되어 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛의 스펙트럼 신호를 외란으로부터 분리하는 필터(filter)와, 상기 필터에 의해 분리된 스펙트럼 신호를 상기 필터와 일렬로 설치된 가이드 미러로부터 반사받아 검출하는 스펙트로미터(spectrometer)를 포함할 수 있다. 상기 스펙트럼 검출부의 필터는 롱-패스 필터(long-pass filter)를 포함할 수 있다. 상기 스펙트로미터는, 임베딩 유닛(embedding unit) 및 CCD센서를 포함할 수 있다.

상기 광학 드라이브는, 상기 샘플 홀더를 중심으로 상기 샘플 홀더의 타측에 설치되어, 상기 시료를 향하는 광원에 의해 상기 광학 세팅 정보를 탐지하는 광픽업부와, 상기 광학 세팅 정보에 따라 상기 광픽업부의 광원 위치를 포함하는 광학 세팅 상태를 조절하는 광학 드라이브 구동부를 포함할 수 있다. 상기 광픽업부는 복수의 레이저 광원의 조합 또는 하나의 레이저 광원과 LED 광원의 조합으로 이루어는 광원과, 상기 광픽업부의 광원을 상기 시료의 일측에 집중시키는 광픽업 렌즈와, 상기 광픽업부의 광원 에너지를 조절, 구동하는 광픽업 구동부를 포함할 수 있다. 상기 광픽업부의 광원, 상기 광픽업 렌즈 그리고 상기 샘플 홀더 순으로 일렬로 설치될 수 있다. 상기 광픽업 구동부는, 상기 광픽업부의 광원 측에 설치되는 광원 모니터링 센서와, 상기 광원 모니터링 센서에 의한 데이터를 포함하는 광픽업 제어 정보에 따라 상기 광픽업부의 광원을 구동하는 펄스폭 변조 방식의 광픽업 드라이브를 포함할 수 있다. 상기 광픽업 구동부는 상기 스펙트럼 생성부와 공유하는 광학 드라이브를 이용할 수 있다. 상기 광학 드라이브 구동부는, 상기 광픽업부의 광원과 광픽업 렌즈 사이에 설치되어 상기 광픽업부의 광원의 빛을 상기 광픽업 렌즈를 향해 투과시키면서 일부를 옆으로 반사시키는 광픽업 가이드; 상기 광픽업부의 광원과 상기 광픽업 렌즈 사이에 설치되어 상기 광픽업 가이드로부터 반사된 빛에 의해 상기 광픽업부의 광원의 위치 및/또는 상기 광픽업 렌즈의 위치를 검출하는 위치검출센서;를 포함할 수 있다. 상기 광픽업 가이드는 상기 광픽업부의 광원과 상기 광픽업 렌즈 사이에 일렬로 설치되어 상기 광픽업부의 광원을 투과시키면서 그 일부를 상기 위치검출센서를 향해 반사시키는 제1,제2하프 미러를 포함할 수 있다. 상기 위치검출센서는, 상기 광픽업부의 광원에서 상기 광픽업 렌즈를 향해 일렬로 설치되는 CMOS센서와 레이저 광원 센서를 포함할 수 있다. 상기 광학 드라이브 구동부는, 상기 스펙트럼 생성부 측에 설치되어 상기 광픽업부, 상기 스펙트럼 생성부의 상기 샘플 홀더에 대한 평면적 위치(X-Y축)를 마이크로(micro) 또는 나노(nano) 단위로 조절하는 스텝 모터(step-motor) 방식의 제1,제2스텝 모터부와, 상기 광픽업부, 상기 스펙트럼 생성부의 광원을 상기 시료에 집광시키는 광픽업 렌즈, 광학 렌즈에 설치되며 펄스폭 변조 방식으로 구동되는 제1,제2렌즈 포커싱 코일(light pick-up lens focusing coil)과, 상기 광픽업 렌즈, 상기 광학 렌즈 및 상기 근접장 광학 현미경의 팁의 높이(Z축)와 상기 시료의 경사 위치를 마이크로 또는 나노 단위로 조정하는 3축 리니어 모터(XYZ linear-motor) 방식의 3축 리니어 모터부를 포함할 수 있다. 상기 3축 리니어 모터부는 피에조디스크(piezodisk) 또는 부저(buzzer)를 이용할 수 있다. 상기 샘플 홀더의 일측에는 상기 샘플 홀더를 지지하는 댐퍼(damper)가 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치에 따르면 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

첫째, 상대적으로 단순한 광학계에 의해 드라이브를 이용하여 휴대가 용이하도록 소형화할 수 있고, 경제성을 향상시킬 수 있다. 따라서 실험실은 물론 현장 등에서도 식품유해성분(E.coil,0157)진단이나 식품의 화학 성분 분석 등을 실시할 수 있어 현장 진단성, 활용성이 우수하다.

둘째, 다양한 광원을 조합하여 시료에 따라 특이 스펙트럼을 검출할 수 있기때문에 식품의 당도는 물론 지방, 단백질 등 다양한 화학 성분에 대한 분석이 한번에 이루어질 수 있고 다양한 시료를 분석할 수 있는 바, 활용성을 높일 수 있다.

셋째, 광학 드라이브를 이용하여 실시간으로 광학 상태 정보를 탐지하고 초점 등을 조절함으로써 시료를 마이크로 내지 나노 단위로 스팟별 분석이 가능하여 정밀하고 신뢰도 높은 정량적 자료를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 스펙트럼 분석장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치의 구성도이다.
도 3은 도 2의 구체적인 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 구체적인 실시예의 외관을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2의 분석장치의 작동원리를 나타내는 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능, 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 2 내지 도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치는, 샘플 홀더(200)(sample holder)와, 시료 형상 정보획득부(10)와, 스펙트럼 생성부(20)와, 스펙트럼 검출부(30)와, 분석부(40)와, 광학 드라이브(50)와, 컴퓨터(700)를 포함한다. 특히 본 발명의 분석장치는 휴대가 용이하면서 안정적으로 식품 성분의 분석이 이루어질 수 있도록 벤치나 책상 등에 올려 놓고 사용할 수 있는 벤치-탑(bench-top) 구조로 설계,구성되며, 이를 위해 상기 샘플 홀더(200)는 평면으로 배치되며, 상기 스펙트럼 생성부(20)와 상기 스펙트럼 검출부(30)는 상기 샘플 홀더(200)의 하측에 설치되고, 상기 샘플 홀더(200)의 상측에 상기 광학 드라이브(50)가 설치될 수 있다.

상기 샘플 홀더(200)는 분석할 식품의 시료를 지지하는 것으로서, 상기 시료를 지지할 수 있다면 어떠한 구조이든 무방하며, 예컨대 평판 구조로 이루어지며 그 가운데에 시료가 안착되며 빛이 투과될 수 있는 안착부가 구성될 수 있다. 상기 샘플 홀더(200)는 상기 시료 형상 정보획득부(10)에 의해 시료 형상을 용이하게 스캔할 수 있도록, 상기 시료 형상 정보획득부(10)와 함께 구성되는 스캐너(scanner)로 이루어질 수 있다.

한편 상기 샘플 홀더(200) 중 상기 근접장 광학 현미경(100) 및/또는 시료가 위치되는 부분, 즉 안착부의 표면을 금속으로 코팅하여 시료 현상 분석과 시료에 대한 특이 스펙트럼 신호를 증대시킬 수 잇다.

상기 시료 형상 정보 획득부(10)는 상기 샘플 홀더(200) 측에 설치되어 상기 시료의 형상 정보를 획득한다. 상기 시료 형상 정보획득부(10)는 상기 시료의 평면 형상뿐만 아니라 3차원의 깊이 방향 정보까지 획득하기 위해 광경로의 차이(OPD:Optical Path Difference)로 인한 위상차이를 이용하는 회절형 3차원 형상 정보획득장치로 근접장 광학 현미경(100)을 포함할 수 있다. 이는 상기 근접장 광학 현미경(100)의 고 분해능에 의해 마이크로(micro) 또는 나노(nano) 단위로 상기 시료의 형상에 대한 정밀한 정보를 획득할 수 있으며, 광학계를 보다 단순화하고 경제성 강화할 수 있다.

상기 스펙트럼 생성부(20)는 상기 스펙트럼 검출부(30)에 의해 상기 시료의 화학적 성분을 분석할 수 있는 스펙트럼을 생성하기 위한 것이다. 상기 스펙트럼 생성부(20)는 상기 샘플 홀더(200)의 일측에 설치되되, 상술한 벤치-탑 구조 설계를 위해 상기 샘플 홀더(200)의 하측에 설치될 수 있다. 상기 스펙트럼 생성부(20)는 광원(410)과, 필터(420)와, 가이드 미러(430)와, 광학 렌즈(440)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410)은 상기 시료의 분석을 위한 특정 스펙트럼을 갖는 빛을 발생시킬 수 있도록, 둘 이상의 복수의 레이저 광원으로 조합되거나 하나의 레이저 광원과 LED 광원의 조합으로 이루어져 단일 파장 레이저를 통해 빛을 생성시킬 수 있다. 상기 레이저 광원은 예컨대 근적외선(Near Infrared Ray), Red, Violet 등 블루레이 광픽업 중 분석할 식품에 따라 선택적으로 조합될 수 있다. 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410)의 광도 내지 빛 에너지는 광원 제어부에 의해 제어될 수 있다. 상기 광원 제어부는 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410) 측, 예컨데 단일 파장 레이저 측에 설치되어 그 생성된 빛을 탐지하는 모니터링 센서(미도시 : monitoring sensor)와, 상기 모니터링 센서에 의한 탐지 신호에 따라 상기 광원의 강도를 조절하는 펄스 폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation) 방식의 레이저 드라이브(미도시 : laser drive)를 포함할 수 있다. 상기 레이저 드라이브는 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410) 측에 구성되거나 상기 컴퓨터(700)에 구성될 수 있다. 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410)은 상기 광학 렌즈(440)가 상술한 벤치-탑 구조에 바람직하게 상기 샘플 홀더(200)의 하측에 상기 시료에 대해 상하(Z축)로 일렬로 배치된 경우에 대하여 평면 배치, 즉 X축 또는 Y축을 따라 설치되어 조밀한 설계 구조로 구비될 수 있다. 이에 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410)은 상기 광학 렌즈(440)와 상기 시료 간 광경로를 횡단하는 방향, 보다 바람직하게는 수직 방향으로 빛을 생성할 수 있으며, 이는 상기 시료로부터 투과, 반사되어 상기 스펙트럼 검출부(30)로 투과되는 빛과의 간섭을 방지할 수 있다.

상기 스펙트럼 생성부(20)의 필터(420)는 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410)에 의해 생성된 빛을 상기 시료의 화학적 구성 분자에 따른 산란을 야기시키는 것으로, 협대역 레이저 클리닝 필터(narrow band laser cleaning filter)와 대역 필터(Band-pass filter) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 스펙트럼 생성부(20)의 필터(420)는 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410) 앞에 대향되게 구성될 수 있다.

상기 가이드 미러(430 : guide mirror)는 상기 스펙트럼 생성부(20)의 필터(420)에서 산란된 빛을 상기 광학 렌즈(440)로 반사시키고 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛을 상기 스펙트럼 검출부(30)로 투과시킨다. 상기 가이드 미러(430)는 바람직하게는 상기 광학 렌즈(440)의 하측에 상기 광학 렌즈(440)와 일렬로 구성될 수 있다.

상기 광학 렌즈(440)는 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410)에 의해 생성된 빛이 상기 시료에 입사될 수 있도록 집광하며, 또한 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛이 상기 스펙트럼 검출부(30)를 향해 투과될 수 있도록 대물렌즈로 이루어질 수 있으며, 상기 샘플 홀더(200)의 하측에 상기 시료에 대하여 일렬로 배치되어 상하, 즉 Z축 방향으로 설치될 수 있다.

상기 스펙트럼 검출부(30)는 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛의 스펙트럼을 검출한다. 상기 스펙트럼 검출부(30)는 상술한 벤치-탑 구조 설계에 바람직하게 상기 샘플 홀더(200)로부터 상기 스펙트럼 생성부(20)보다 이격 설치, 즉 상기 스펙트럼 생성부(20) 하측에 배치될 수 있다. 상기 스펙트럼 검출부(30)는 필터(460)와, 스펙트로미터(spectrometer)와, 가이드 미러(470)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 스펙트럼 검출부(30)의 필터(460)는 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛의 스펙트럼 신호를 외란으로부터 분리하는 것으로, 바람직하게는 롱-패스 필터(long-pass filter)를 포함할 수 있다. 상기 스펙트럼 검출부(30)의 필터(460)는 상기 광학 렌즈(440)의 하측에 상기 광학 렌즈(440)와 일렬로 설치되며, 상하(Z축)방향으로 배치될 수 있다.

상기 스펙트로미터는 상기 스펙트럼 생성부(20)의 필터(420)에 의해 분리된 스펙트럼 신호를 상기 가이드 미러(470)로부터 반사받아 검출하는 것으로, 임베딩 유닛(embedding unit)과 CCD센서(480)를 포함할 수 있다. 상기 임베딩 유닛은 내장형 마이크로 컨트롤러로서, 인터넷 연결을 위한 기기인 Mbed와, 센서 등이 부착될 수 있는 기판인 아두이노(arduino)를 구비하여 구성될 수 있다. 상기 CCD센서(480)는 빛을 전하로 변한시켜 화상을 얻어내는 센서로 상기 시료에 대한 특정 스펙트럼 데이터를 추출할 수 있게 한다. 상기 스펙트로미터 또한 상술한 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410)과 같이 상기 스펙트럼 검출부(30)의 필터(460) 밑에 설치되되, X축 또는 Y축을 따라 배치될 수 있다.

상기 스펙트럼 검출부(30)의 가이드 미러(470)는 상기 스펙트럼 검출부(30)의 필터(460)를 투과한 빛의 광경로상에 설치되어 그 전부를 상기 스펙트로미터로 반사시키는 것으로 상기 스펙트럼 검출부(30)의 필터(460) 아래에 일렬로 설치될 수 있다. 상기 스펙트럼 검출부(30)의 가이드 미러(470)는 바람직하게는 빛을 그 입사방향에 대하여 수직방향으로 반사시킬 수 있다.

상기 분석부(40)는 상기 스펙트럼 검출부(30)에서 검출한 스펙트럼 및 상기 근접장 광학 현미경(100)에 검출한 시료 형상 정보 등을 제어하기 위한 신호처리기술과 실시간 분석을 위한 소프트웨어 기술을 구비하여 이루어질 수 있다. 예컨대 상기 분석부(40)는 상기 근접장 광학 현미경(100)에서 검출한 시료 형상 이미지를 처리하고 마이크로 또는 나노미터 단위로 해상도의 깊이를 분석할 수 있는 이미지처리부와, 상기 스펙트럼 검출부(30)으로부터 상기 시료에 대한 스펙트럼을 획득하여 기 설정한 라이브러리(library)와 비교함으로써 검출한 스펙트럼 신호의 특이성(형광, 레일리(rayleigh) 산란, 미광(stray light) 등)을 신호 분석을 통해 검증하는 검증부와, 상기 이미지처리부 및 상기 검증부의 처리 결과에 따라 상기 식품의 다양한 화학적 성분에 대한 결과를 정량적으로 도출하는 결과 도출부를 포함할 수 있다. 상기 분석부(40)는 상기 컴퓨터(700)에 내장될 수 있다.

상기 광학 드라이브(50)는 광학을 이용하여 본 발명 분석장치의 광학 세팅 상태에 대한 정보, 즉 광학 세팅 정보를 탐지한다. 상기 광학 세팅 정보로는 광경로 등와 관련된 구성요소의 세팅 상태에 관한 정보로서, 상기 시료 형상 정보획득부(10), 즉 근접장 광학 현미경(100)의 위치 내지 초점, 팁 높이, 그리고 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광학렌즈의 초점 및 후술할 상기 광학 드라이브(50)의 광픽업 렌즈(340)의 초점, 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광워 위치, 상기 광학 드라이브(50)의 광원 위치 등을 포함할 수 잇다. 상기 광학 드라이브(50)는 상기 스펙트럼 생성부(20) 등과의 설계를 고려하여 상기 샘플 홀더(200)의 타측, 바람직하게는 상기 샘플 홀더(200)의 상측에 설치될 수 있다.

상기 광학 드라이브(50)는 광픽업부(60)와, 광학 드라이브구동부(70)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 광픽업부(60)는 상기 시료를 향하는 광원에 의해 상기 광학 세팅 정보를 탐지할 수 있도록 상기 샘플 홀더(200)의 상측에 설치되며, 광원과, 광픽업 렌즈(340)와, 광픽업 구동부를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 광픽업부(60)의 광원(310)은 상술한 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410)과 마찬가지로 복수의 레이저 광원의 조합 또는 하나의 레이저 광원과 LED 광원의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 광픽업부(60)의 광원(310)은 상기 샘플 홀더(200)의 시료와 Z축을 따라 일렬로 배치되어 상기 시료에 대하여 직진으로 빛을 입사시킬 수 있다. 상기 광픽업 렌즈(340)는 상기 광픽업부(60)의 광원(310)을 상기 시료에 집중, 집광시키는 대물렌즈이다. 상기 광픽업 렌즈(340)는 상기 광픽업부(60)의 광원(310), 상기 광픽업 렌즈(340) 그리고 상기 샘플 홀더(200) 순으로 일렬로 설치되며, Z축을 따라 배치되어 상기 광픽업부(60)의 광원(310)을 상기 시료에 직진으로 입사되게 할 수 있다. 상기 광픽업 구동부는 상기 광픽업부(60)의 광원(310) 에너지를 조절, 구동하는 것으로, 상술한 스펙트럼 생성부(20)에서와 마찬가지로 광원 모니터링 센서와, 광픽업 드라이브를 포함하여 구성될 수 있다. 바람직하게는 상기 광픽업 구동부는 상술한 스펙트럼 생성부(20)의 광픽업 구동부를 이용하여 공유할 수 있다.

상기 광픽업부(60)는, 광픽업 가이드와, 위치검출센서를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 광픽업 가이드는 상기 광픽업부(60)의 광원(310)과 광픽업 렌즈(340) 사이 광경로 상에 설치되어 상기 광픽업부(60)의 광원(310)의 빛을 상기 광픽업 렌즈(340)를 향해 Z축을 따라 투과시키면서 일부를 옆으로, 즉 그 투과 광경로를 횡단하는 방향으로 반사시킨다. 상기 광픽업 가이드는 바람직하게는 Z축에 대한 수직방향, 즉 X축 또는 Y축을 따라 반사시킬 수 있다. 상기 광픽업 가이드는 하프 미러(half mirror) 방식으로 구성될 수 있으며, 상기 위치검출센서의 개수 등에 상응하여 Z축을 따라 일렬로 설치되는 제1,제2하프미러(330,350)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 위치검출센서는 상기 광픽업부(60)의 광원(310)과 상기 광픽업 렌즈(340) 사이에 설치되어 상기 광픽업 가이드로부터 반사된 빛에 의해 상기 광학 세팅 정보를 검출한다. 상기 위치검출센서는 상기 광픽업부(60)의 광원(310)으로부터 시료로 직진 입사하는 광경로 상에 일렬로 설치되지 않고, 그로부터 X축 또는 Y축을 따라 이격 설치됨으로써 상기 광픽업부(60)의 직진 입사 광경로와의 간섭되지 않으면서 전체적으로 조밀한 배치 구조를 구현할 수 있다. 바람직하게는 상기 위치검출센서는 Z축에 대한 수직방향, 즉 X축 또는 Y축을 따라 배치될 수 있다. 상기 위치검출센서는 필요한 광학 세팅 정보에 따라 그 종류나 개수가 결정될 수 있으며, 바람직하게는 상기 광픽업부(60)의 광원(310)의 위치 및/또는 상기 광픽업 렌즈(340)의 위치를 검출할 수 있도록, 상기 광픽업부(60)의 광원(310)의 광 형상 정보를 전기신호로 전환할 수 있는 CMOS센서(320)와 레이저 광원 센서(360)를 포함할 수 있다. 상기 광픽업부(60)의 광원(310)에서 상기 광픽업 렌즈(340)를 향해 상기 CMOS센서(320), 상기 레이저 광원 센서(360) 순으로 일렬로 설치될 수 있다. 상기 CMOS센서(320)와 상기 레이저 광원 센서(360)는 바람직하게는 각각 X축, Y축을 따라 상기 제1,제2하프미러(330,350)와 일렬로 배열될 수 있다.

상기 광학 드라이브구동부(70)는 상기 광학 세팅 정보에 따라 광경로 등과 관련된 구성요소의 광학 세팅 상태를 조절한다. 즉 상기 광학 드라이브구동부(70)는 상기 근접장 광학 현미경(100)의 위치 내지 초점, 팁 높이, 그리고 상기 광학 렌즈(440)의 초점, 상기 광픽업 렌즈(340)의 초점, 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410) 위치, 상기 광픽업부(60)의 광원(310) 위치 등을 마이크로 또는 나노 단위로 정밀 조정한다.

상기 광학 드라이브구동부(70)는 스펙트럼 분석의 공간 분해능을 마이크로 또는 나노 미터 단위로 제어할 수 있으며, 시료의 마이크로 또는 나노 단위 위치를 제어할 수 있는 멀티 스케일 스캐너(multi scale sacnner)이라면 어떠한 것이든 가능하며, 다만 소형화 및 경제성을 고려하여 다음과 같이 구성함이 보다 바람직하다 할 수 있다.

즉 상기 광학 드라이브구동부(70)는 제1,제2스텝모터부(510)를 포함할 수 있다. 상기 제1,제2스텝모터부(510)는 각각 스텝 모터(step-motor)를 이용하여 상기 광픽업 렌즈(340)와 상기 광학 렌즈(440)의 상기 샘플 홀더(200)에 대한 평면적 위치(X-Y축)를 마이크로 또는 나노 단위로 조절할 수 있다. 상기 제1,제2스텝모터부(510)는 각각 상기 광픽업 렌즈(340)를 지지하는 지지체, 상기 광학 렌즈(440)를 지지하는 지지체에 설치될 수 있다. 상기 근접장 광학 현미경(100)을 이용하여 시료의 마이크로 또는 나노 단위 위치를 탐색하기 위해 상기 제1,제2스텝모터부(510)에 의해 상기 광픽업 렌즈(340)의 초점, 상기 광학 렌즈(440)의 초점을 조절할 수 있다.

상기 광학 드라이브구동부(70)는 펄스폭 변조 방식으로 구동되는 제1,제2렌즈 포커싱 코일(370,450)(light pick-up lens focusing coil)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1,제2렌즈 포커싱 코일(370,450)은 각각 상기 광픽업 렌즈(340), 광학 렌즈(440)에 설치될 수 있다. 상기 제1,제2렌즈 포커싱 코일(370,450)에 의해 상기 시료에 빛이 발게 비춰지는 부분에서의 상기 근접장 광학 현미경(100)의 초점을 조절하기 위해 상기 광픽업 렌즈(340)의 초점, 상기 광학 렌즈(440)의 초점을 실시간으로 조절할 수 있다.

상기 광학 드라이브구동부(70)는 3축 리니어 모터부를 더 포함할 수 있다. 상기 3축 리니어 모터부는 하나 또는 둘 이상의 3축 리니어 모터(XYZ linear-motor)를 이용하여 상기 광픽업 렌즈(340), 상기 광학 렌즈(440) 및 상기 근접장 광학 현미경(100)의 팁의 높이(Z축)와 상기 시료의 경사 위치를 마이크로 또는 나노 단위로 조정할 수 있다. 상기 3축 리니어 모터부는 3축 제어를 위해 피에조디스크(piezodisk), 부저(buzzer)를 이용할 수 있다. 예컨대 상기 피에조디스크의 길이 변동 범위는 수십 나노미터 범위로 지렛대와 같은 원리로 작용할 수 있는 바, 상기 피에조디스크를 상기 샘플 홀더(200)를 지지하는 기둥이나 상기 광학 드라이브(50)를 지지하는 지지체 등에 구비함으로써 수십 마이크로 미터로 상기 샘플 홀더(200)나 상기 광픽업 렌즈(340) 등의 움직임이 가능하다. 또한 X축과 Y축의 구동을 위해 각각 2개씩 한조의 부저가 수축과 팽창을 주기적으로 반복함으로써 상기 샘플 홀더(200)를 마이크로 미터 면적 단위로 스캔할 수 있다.

상기한 광학 드라이브(50)는 인터페이스 회로(600)를 통해 컴퓨터(700)와 연결될 수 있다.

한편 상기 샘플 홀더(200)의 하측에는 진동을 흡수할 수 있도록 상기 샘플 홀더(200)를 탄성 지지할 수 있는 댐퍼(800)(damper)가 설치될 수 있다. 상기 댐퍼(800)는 스프링 등으로 구성될 수 있으며, 상기 광학 드라이브구동부(70)의 동작시 발생되는 저주파 진동을 감쇠함으로써 보다 정밀하고 안정적으로 상기 광학 세팅 상태를 조절할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 드라이브(50)를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치의 작용을 설명하면, 다음과 같다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 상기 샘플 홀더(200)에 시료를 올려놓고 상기 시료에 대한 성분 분석을 시작하면, 상기 근접장 광학 현미경(100)에 의해 상기 시료의 형상 정보를 검출한다. 그리고 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410) 및/또는 상기 광픽업부(60)의 광원(310)이 상기 시료에 입사되어 투과,반사됨으로써 상기 스펙트럼 검출부(30)에 의해 상기 시료에 대한 특이 스펙트럼이 검출될 수 있다. 이때 상기 스펙트럼 생성부(20)의 광원(410), 상기 광픽업부(60)의 광원(310) 종류는 상기 시료에 따라 선택될 수 있는데, 이는 상기 컴퓨터(700)를 통해 분석할 식품군 등을 입력,선택하면 상기 컴퓨터(700)에 기 설정한 라이브러리를 기반으로 상기 광원 구동부에 의해 선택될 수 있다. 상기한 과정에 의해 획득한 시료 형상 정보 및 상기 시료에 대한 특이 스펙트럼 정보에 기반하여 상기 분석부(40)는 상기 식품의 화학적 분자 구성 정보에 대한 정량적인 자료를 제공할 수 있다. 한편 상기 광학 드라이브(50)에 의해 상기 광학 세팅 정보를 탐지하여 상기 광학 세팅 상태를 실시간으로 마이크로 또는 나노미터 단위로 조절함으로써 현장에서도 마이크로 내지 나노미터 단위의 정밀하고 신뢰성 높은 분석을 할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

2; 시료 10; 시료 형상 정보획득부
20: 스펙트럼 생성부 30: 스펙트럼 검출부
40: 분석부 50: 광학 드라이브
60: 광픽업부 70: 광학 드라이브 구동부
100: 근접장 광학 현미경 200: 샘플 홀더
310: 광학 드라이브의 광원 320: CMOS센서
330: 제1하프 미러 340: 광픽업 렌즈
350: 제2하프 미러 360: 레이저 광원 센서
370: 제1렌즈 포커싱 코일 410: 스펙트럼 생성부의 광원
420: 스펙트럼 생성부의 코일 430: 스펙트럼 생성부의 가이드 미러
440: 광학 렌즈 450: 제2렌즈 포커싱 코일
460: 롱 패스 필터 470: 스펙트럼 검출부의 가이드 미러
480: CCD센서 510: 제1스텝 모터부
550: 3축 리니어 모터부 600: 인터페이스 회로
700: 컴퓨터 800: 댐퍼

Claims

분석할 식품의 시료를 지지하는 샘플 홀더(sample holder);
상기 샘플 홀더에 설치되어 상기 시료의 형상 정보를 획득하는 시료 형상 정보 획득부;
상기 샘플 홀더의 일측에 설치되어 상기 시료에 대한 스펙트럼 생성을 위한 광원을 발생시키는 스펙트럼 생성부;
상기 샘플 홀더로부터 상기 스펙트럼 생성부보다 이격 설치되어, 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛의 스펙트럼을 검출하는 스펙트럼 검출부;
상기 스펙트럼 검출부에서 검출한 스펙트럼에 의해 상기 시료의 성분을 분석하는 분석부; 및
상기 샘플 홀더를 중심으로 상기 샘플 홀더의 타측에 입사되는 광원에 의해 상기 시료 형상 정보획득부의 위치 및 상기 스펙트럼 생성부에 의한 광학 초점을 포함하는 광학 세팅 정보를 탐지하여 조절하는 광학 드라이브;를 포함하며,
상기 광학 드라이브는,
상기 샘플 홀더를 중심으로 상기 샘플 홀더의 타측에 설치되어, 상기 시료를 향하는 광원에 의해 상기 광학 세팅 정보를 탐지하는 광픽업부와,
상기 광학 세팅 정보에 따라 상기 광픽업부의 광원 위치를 포함하는 광학 세팅 상태를 조절하는 광학 드라이브 구동부
를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 1에 있어서,
상기 스펙트럼 생성부 및 상기 스펙트럼 검출부는 상기 샘플 홀더의 하측에 설치되는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 시료 형상 정보 획득부는 근접장 광학 현미경(OPD)를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 스펙트럼 생성부는,
상기 시료와 일렬로 세팅되는 광학 렌즈와,
상기 시료와 광학 렌즈 간 광경로를 횡단하는 방향으로 빛을 입사하는 광원과,
상기 광원의 빛을 산란시키는 필터와,
상기 광학 렌즈와 일렬로 설치되어 상기 필터에서 산란된 빛을 상기 광학 렌즈로 반사시키고 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛을 상기 스펙트럼 검출부로 투과시키는 가이드 미러(mirror)
를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 4에 있어서,
상기 스펙트럼 생성부의 필터는 상기 시료에 따른 산란을 야기하기 위한 협대역 레이저 클리닝 필터(narrow band laser cleaning filter)와 대역 필터(Band-pass filter) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 4에 있어서,
상기 스펙트럼 검출부는,
상기 광학 렌즈와 일렬로 설치되어 상기 시료로부터 투과, 반사된 빛의 스펙트럼 신호를 외란으로부터 분리하는 필터(filter)와,
상기 필터에 의해 분리된 스펙트럼 신호를 상기 필터와 일렬로 설치된 가이드 미러로부터 반사받아 검출하는 스펙트로미터(spectrometer)
를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 6에 있어서,
상기 스펙트럼 검출부의 필터는 롱-패스 필터(long-pass filter)를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 6에 있어서,
상기 스펙트로미터는, 임베딩 유닛(embedding unit) 및 CCD센서를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 광픽업부는
복수의 레이저 광원의 조합 또는 하나의 레이저 광원과 LED 광원의 조합으로 이루어는 광원과,
상기 광픽업부의 광원을 상기 시료의 일측에 집중시키는 광픽업 렌즈와,
상기 광픽업부의 광원 에너지를 조절, 구동하는 광픽업 구동부
를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 10에 있어서,
상기 광픽업부의 광원, 상기 광픽업 렌즈 그리고 상기 샘플 홀더 순으로 일렬로 설치되는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 10에 있어서,
상기 광픽업 구동부는,
상기 광픽업부의 광원 측에 설치되는 광원 모니터링 센서와,
상기 광원 모니터링 센서에 의한 데이터를 포함하는 광픽업 제어 정보에 따라 상기 광픽업부의 광원을 구동하는 펄스폭 변조 방식의 광픽업 드라이브
를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 10에 있어서,
상기 광픽업 구동부는 상기 스펙트럼 생성부와 공유하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 10에 있어서,
상기 광픽업부는,
상기 광픽업부의 광원과 광픽업 렌즈 사이에 설치되어 상기 광픽업부의 광원의 빛을 상기 광픽업 렌즈를 향해 투과시키면서 일부를 옆으로 반사시키는 광픽업 가이드;
상기 광픽업부의 광원과 상기 광픽업 렌즈 사이에 설치되어 상기 광픽업 가이드로부터 반사된 빛에 의해 상기 광픽업부의 광원의 위치와 상기 광픽업 렌즈의 위치를 각각 또는 함께 검출하는 위치검출센서;
를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 14에 있어서,
상기 광픽업 가이드는 상기 광픽업부의 광원과 상기 광픽업 렌즈 사이에 일렬로 설치되어 상기 광픽업부의 광원을 투과시키면서 그 일부를 상기 위치검출센서를 향해 반사시키는 제1,제2하프 미러를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 14에 있어서,
상기 위치검출센서는,
상기 광픽업부의 광원에서 상기 광픽업 렌즈를 향해 일렬로 설치되는 CMOS센서와 레이저 광원 센서를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석장치.
청구항 1에 있어서,
상기 시료 형상 정보 획득부는 근접장 광학 현미경(OPD)를 포함하며,
상기 광학 드라이브 구동부는,
상기 광픽업부, 상기 스펙트럼 생성부 측에 설치되어 상기 광픽업부, 상기 스펙트럼 생성부의 상기 샘플 홀더에 대한 평면적 위치(X-Y축)를 마이크로(micro) 또는 나노(nano) 단위로 조절하는 스텝 모터(step-motor) 방식의 제1,제2스텝 모터부와,
상기 광픽업부, 상기 스펙트럼 생성부의 광원을 상기 시료에 집광시키는 광픽업 렌즈, 광학 렌즈에 설치되며 펄스폭 변조 방식으로 구동되는 제1,제2렌즈 포커싱 코일(light pick-up lens focusing coil)과,
상기 광픽업 렌즈, 상기 광학 렌즈 및 상기 근접장 광학 현미경의 팁의 높이(Z축)와 상기 시료의 경사 위치를 마이크로 또는 나노 단위로 조정하는 3축 리니어 모터(XYZ linear-motor) 방식의 3축 리니어 모터부
를 포함하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석 장치.
청구항 17에 있어서,
상기 3축 리니어 모터부는 피에조디스크(piezodisk) 또는 부저(buzzer)를 이용하는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 샘플 홀더의 일측에는 상기 샘플 홀더를 지지하는 댐퍼(damper)가 설치되는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
벤치-탑(bench-top) 구조로 이루어지는 광학 드라이브를 이용한 휴대형 식품 성분 분석 장치.