KR102088364B1 - 측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치 - Google Patents

측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 시료 수용 부재가 배치되는 공간이 형성되어 있는 바이오 진단 장치는, 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간의 일측에 위치하는 이미지 센서 패키지; 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간과 상기 이미지 센서 패키지의 사이에 배치되는 광 가이드 소자; 및 상기 광 가이드 소자로 광을 조사하는 광원 소자를 포함하고, 상기 광 가이드 소자는 상기 광원 소자의 조사광의 적어도 일부를 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간을 향하여 가이드한다.

Description

측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치{BIO DIAGNOSIS DEVICE BASED ON IMAGE SENSOR USING LIGHT FROM SIDE}
본 발명은 "반사형 렌즈 프리 방식(Lens-Free Type)"의 측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치에 관한 것이다.
바이오 진단 장치는 인체 및 동물 등으로부터 채취한 시료(혈액등의 바이오 유체 시료)를 분석하여 질병, 임신, 배란 및 약물 남용 여부 등을 진단할 수 있는 장치이다.
시료를 분석하기 위해 다양한 방식의 진단 장치가 사용되며, 이 중 광학식 바이오 진단 장치는 시료가 수용된 시료 수용 부재(스트립 타입, 웰 타입 등)에 광을 조사하고 카메라에서 이를 수광하여 시료에 함유된 각각의 구성 요소(일 예로, 적혈구와 백혈구 등과 같은 바이오 물질)에 대한 정밀한 광학 이미지나 스펙트럼을 구현하여 진단하는 장치이다.
여기서, 본 발명의 발명자가 개발하는 바이오 진단 장치는 분광학(spectroscopy) 기술을 이용하여 파장대별 광의 세기(intensity)를 확인하는 장치이다. 일 예로, 도 1에서 나타내는 바와 같이, 시료에 함유된 각각의 구성 요소(n1, n2, m1, p1)의 특성에 따라, 시료를 투과한 후 촬상 소자의 각각의 픽셀(Pixel)에서 출력되는 광의 신호의 세기(Sensor Output)가 달라지게 된다.
이 경우, 동일한 구성 요소를 투과한 광에 대한 신호를 캘리브레이션(Calibration)을 통해 동일 또는 일정한 값을 가지도록 구현할 수 있다.
그 결과, 촬상 소자의 복수의 픽셀(A, B, C, D) 각각의 거리 또는 위치(Pixel Distance or Pixel Location)에서 출력되는 신호의 세기를 통해, 시료에 함유된 각각의 구성 요소의 바이오 특성을 도출할 수 있고, 이를 통해, 시료를 분석할 수 있다.
한편, 기존의 "카메라 방식"의 바이오 진단 장치는 렌즈에 의해, 촬상 소자의 중앙과 가장자리로 입사되는 광의 입사각 등이 달라져 광량이 달라지고(Shading), 색수차가 발생하여 광학 이미지의 품질(분해능, 콘트라스트 등)이 떨어지고, 전장 길이의 증가로 제품 슬림화가 불가능하며 시료 수용 부재와 촬상 소자의 사이의 간격이 커져 이미지의 촬상 민감도가 떨어지는 문제가 있다(도 2의 (1) 참조, 기존 카메라 방식의 문제점).
이를 해결하기 위해, 렌즈를 생략하는 "렌즈 프리 방식"에 대한 연구가 진행되고 있지만, 기존의 "렌즈 프리 방식"은 촬상 소자가 시료 수용 부재의 일측에 배치되고 광원 소자가 시료 수용 부재의 타측에 배치되는 "투과형 렌즈 프리 방식"으로서, 광학 소자의 광이 시료 수용 부재를 투과하는 과정에서 광 손실이 발생하기 때문에, 촬상 소자의 신호 세기가 감소되어 정밀한 진단이 불가능한 문제가 있고, 상부에 위치한 시료 수용 부재 내의 시료에서 발생하는 광의 세기가 하부에서는 약화되는 단점이 있다(도 2의 (2) 참조, 기존 투과형 렌즈 프리 방식의 문제점).
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 "기존의 카메라 방식"과 "투과형 렌즈 프리 방식"의 문제점을 해결할 수 있는 "반사형 렌즈 프리 방식"의 바이오 진단 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 바이오 진단 장치는, 시료 수용 부재가 배치되는 공간이 형성되어 있는 바이오 진단 장치로서, 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간의 일측에 위치하는 이미지 센서 패키지; 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간과 상기 이미지 센서 패키지의 사이에 배치되는 광 가이드 소자; 및 상기 광 가이드 소자로 광을 조사하는 광원 소자를 포함하고, 상기 광 가이드 소자는 상기 광원 소자의 조사광의 적어도 일부를 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간을 향하여 가이드하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 렌즈를 이용하지 않는 렌즈 프리 방식을 사용하는 동시에 광원 소자와 광 가이드 소자가 모두 시료 수용 부재의 일측에 배치되어 광원 소자의 광이 광 가이드 소자에 의해 시료 수용 부재를 향하여 가이드됨으로써, 시료 수용 부재에서 반사된 광(형광 이미지를 구현하기 위해, 조영제 등과 같은 광 감수성 물질이 도포된 시료에서 방출된 광을 포함하는 개념)이 이미지 센서 패키지로 입사되는 "반사형 렌즈 프리 방식"의 바이오 진단 장치를 제공한다(즉, 기존의 투과형 렌즈 프리 방식과 달리, 광 가이드 소자가 추가하여 광원 소자와 이미지 센서 패키지가 동일측에 배치시킴).
그 결과, 본 발명에서는 렌즈를 사용하여 발생하는 이미지의 품질이 저하되는 문제가 발생하지 않는 동시에, 시료 수용 부재와 이미지 센서 패키지의 사이의 간격을 일정 수준(100μm) 이내로 유지시켜(이를 위해, 광 가이드 소자, 광원 소자 및 이미지 센서 패키지가 일체형 패키지를 형성할 수 있음) 제품 사이즈를 축소시켰으며 이미지의 해상도와 촬상 민감도를 향상시켰다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 시료에 함유된 각각의 구성 요소(n1, n2, n3, n4)의 바이오 특성에 따라, 시료를 투과한 후 촬상 소자의 각각의 픽셀(Pixel)에 입사되는 광의 세기가 달라지는 것을 나타낸 그래프이다.
도 2의 (1)은 "카메라 방식"의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이고, 도 2의 (2)는 "투과형 렌즈 프리 방식"의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치에 포함되는 일 실시예의 시료 수용 부재를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치에 포함되는 다른 실시예의 시료 수용 부재를 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 변형례의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에의 바이오 진단 장치에 포함되는 일 실시예의 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지가 일체로 패키지되어 형성되는 것을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역을 포함하고 광원 소자가 제1광원과 제2광원을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역과 비드 영역을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역과 비드 영역을 포함하고 광원 소자가 제1광원과 제2광원을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에서 광원과 광 가이드 소자 사이에 시준 영역의 배치를 나타낸 개념도이다.
도 15은 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 다이크로익 미러를 포함하는 개념도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "위(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성요소와 다른 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서, "수직 방향"은 도 3에 도시된 수직 방향(Vertical direction)으로 정의될 수 있다. 또한, "수직 방향"은 "상하 방향"과 혼용될 수 있다. 이 경우, "수직 방향"의 일측은 "상측"일 수 있고, "수직 방향"의 타측은 "하측"일 수 있다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예의 시료 분석 장치(1000)를 설명한다. 도 1은 시료에 함유된 각각의 구성 요소(n1, n2, n3, n4)의 바이오 특성에 따라, 시료를 투과한 후 촬상 소자의 각각의 픽셀(Pixel)에 입사되는 광의 세기가 달라지는 것을 나타낸 그래프이고, 도 2의 (1)은 "카메라 방식"의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이고, 도 2의 (2)는 "투과형 렌즈 프리 방식"의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치에 포함되는 일 실시예의 시료 수용 부재를 나타낸 개념도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치에 포함되는 다른 실시예의 시료 수용 부재를 나타낸 개념도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예의 변형례의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에의 바이오 진단 장치에 포함되는 일 실시예의 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에서 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지가 일체로 패키지되어 형성되는 것을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 일 실시예의 시료 분석 장치(1000)는 "반사형 렌즈 프리 방식"일 수 있다. 이 경우, "반사형"은 기존의 "투과형"과 비교하여, 광원 소자(200)와 이미지 센서 패키지(400)가 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 기준으로 모두 동일한 측에 위치한다는 의미하는 것으로 정의될 수 있다. 즉, 공간적인 소자의 배치를 기준으로 "반사형 렌즈 프리 방식"을 정의하고 있으므로, 광원 소자(200)와 이미지 센서 패키지(400)가 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 기준으로 모두 동일한 측에 위치하기만 한다면, 이미지 센서 패키지(400)에서 수신되는 광이 시료 수용 부재(10)에서 반사된 광이 아니더라도 무방하다. 예컨대, 본 발명의 제1실시예의 시료 분석 장치(1000)의 기술적 사상은 직접적인 광의 반사가 일어나지 않는 발색, 형광 등의 방식에도 적용될 수 있으며, 시료에 조영제 등과 같은 광 감수성 물질이 도포되어 광원 소자(200)의 여기광이 광 감수성 물질에서 흡수된 후 형광으로 방출(시료 수용 부재에서 반사되지 않음)되어, 형광 이미지를 구현하는 것도 포함하는 개념일 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 시료 분석 장치(1000)는 진단 시, 바이오 시료(일 예로, 혈액 등)를 수용하는 시료 수용 부재(10)가 배치될 수 있다. 이 경우, 시료 수용 부재(10)에는 스트립 타입과 웰 타입 등 다양한 종류의 부재가 사용될 수 있다. 한편, 시료 수용 부재(10)는 시료 분석 장치(1000)와 별도로 일회용으로 제작 및 판매될 수 있으며, 따라서 시료 수용 부재(10)는 시료 분석 장치(1000)의 필수 구성 요소는 아님을 유의하여야 한다.
도 4를 참조하여, 시료 수용 부재(10)를 구체적으로 설명한다. 예컨대 케이스(100)의 개방된 공간(예컨대, 상부, 하부 또는 측부 등)을 통해서 시료 수용 부재(10)가 케이스(100) 내로 삽입될 수 있다. 시료 수용 부재(10)는 시료가 투입되는 시료 투입부(10-1)와 시료가 시약 등과 반응하는 시료 반응부(10-2)를 포함할 수 있으며, 시료 투입부(10-1)와 시료 반응부(10-2)는 예컨대 다공성 채널 또는 마이크로 채널 등으로 연결될 수 있다. 여기서, 광 가이드 소자(300)로부터 방출되는 광이 시료 반응부(10-2)에 입사하고 시료 반응부(10-2)로부터 반사 또는 방출되는 광이 이미지 센서 패키지(400)까지 도달하여야 하기 때문에, 시료 반응부(10-2)는 광이 통과할 수 있는 재질로 덮일 수 있으며, 시료 반응부(10-2)는 광 가이드 소자(300)와 대면할 수 있다.
다만, 몇몇 실시예에서 시료 수용 부재(10)는 시료 투입부(10-1)를 포함하지 않을 수도 있다.
이어서, 도 5를 참조하여 웰 타입의 시료 반응부(10-2)를 설명한다. 시료 수용 부재(10)는 시료가 투입되는 시료 투입부(10-1)와 시료가 시약 등과 반응하는 시료 반응부(10-2)를 포함할 수 있으며, 시료 반응부(10-2)는 복수의 웰(10-3)을 포함할 수 있다. 복수의 웰(10-3)은 평면 상에서 행과 열을 가지는 매트릭스 배열로 배치될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 시료 분석 장치(1000)는 케이스(100), 광원 소자(200), 광 가이드 소자(300) 및 이미지 센서 패키지(400)를 포함할 수 있다.
케이스(100)는 시료 분석 장치(1000)의 외관을 형성하는 외장 부재일 수 있다. 케이스(100)의 재질은 플라스틱 재질을 포함할 수 있으며, 케이스(100)는 플라스틱 사출로 제작될 수 있다.
도 3을 참조하면, 케이스(100)에는 상부가 개방된 공간이 형성될 수 있고, 케이스(100)의 상부 공간에는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)이 형성될 수 있다. 또한, 케이스(100)에는 시료 수용 부재(10)를 지지하기 위한 지지대(110)가 마련될 수 있다. 케이스(100)의 내부에는 광원 소자(200), 광 가이드 소자(300) 및 이미지 센서 패키지(400)가 배치될 수 있다. 이 경우, 도 1에서 나타내는 바와 같이, 이미지 센서 패키지(400)와 광 가이드 소자(300)와 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)은 순차적으로 적층되어 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 이미지 센서 패키지(400)와 광 가이드 소자(300)와 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)은 역순으로 적층되어 배치될 수 있다. 한편, 시료 수용 부재(10)는 스트립 타입의 시료 수용 부재(10)가 사용되는 것으로 도시되었다.
도 6을 참조하여, 다른 실시예에 따른 케이스(100)를 설명한다. 본 발명의 일 실시예의 변형례에서는 케이스(100)에 하부가 개방된 공간이 형성될 수 있고, 케이스(100)의 하부 공간에는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)이 형성될 수 있고, 케이스(100)의 상부 공간에는 광 가이드 소자(300)와 이미지 센서 패키지(400)가 차례로 적층되어 배치될 수 있다. 이 경우, 도 3에 도시된 케이스(100)의 지지대(110)는 생략될 수 있다.
이어서, 도 3을 참조하면, 광원 소자(200)는 LED(Light Emitting Diode)일 수 있다. 광원 소자(200)는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)의 일측에 배치될 수 있다. 또한, 광원 소자(200)는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 기준으로 광 가이드 소자(300)와 동일한 측에 배치될 수 있다. 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)로 광을 조사할 수 있다.
구체적으로, 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)의 면 중, 이미지 센서 패키지(400)와 마주보는 면(302) 및 마주보는 면의 배면(301) 이외의 면(303)에 인접하도록 위치할 수 있다. 즉, 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(200)의 측면(303)에 위치할 수 있다. 이에 따라, 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)에 측면광을 제공할 수 있으며, 광원 소자(200)의 조사광(L1)은 광 가이드 소자(300)의 측면(제3면, 303)으로 조사될 수 있다.
광원 소자(200)는 적어도 하나일 수 있으며, 광원 소자(200)의 개수를 조절이 가능할 있다. 광원 소자(200)가 복수인 경우, 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)의 측면을 둘러싼 형태로 위치할 수 있다.
한편, 도면 상에는 예시적으로 광원 소자(200)가 광 가이드 소자(300)로부터 이격된 것으로 표시하였지만, 몇몇 실시예에서 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)와 접촉 결합하여 위치할 수도 있다.
광 가이드 소자(300)는 광이 투과할 수 있는 투명한 재질 또는 반투명한 재질로 형성될 수 있다.
광 가이드 소자(300)는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)의 일측에 위치할 수 있다. 또한, 광 가이드 소자(300)는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 기준으로 광원 소자(200)와 동일한 측에 배치될 수 있다. 나아가 광 가이드 소자(300)는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)과 이미지 센서 패키지(400)의 사이에 배치될 수 있다.
광 가이드 소자(300)는 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 적어도 일부를 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드할 수 있다. 즉, 광 가이드 소자(300)는 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 적어도 일부를 시료 수용 부재(10)를 향하여 가이드할 수 있다.
이를 위해, 광 가이드 소자(300)에는 적어도 일부가 시료 수용 부재(10)와 대향하는 제1면(301)과, 적어도 일부가 이미지 센서 패키지(400)의 주면과 대향하는 제2면(302)과, 제1면(301)과 제2면(302)의 사이에 배치되는 제3면(303)이 형성될 수 있다. 이 경우, 제1면(301)과 제2면(302)은 광 가이드 소자(300)의 상면 또는 하면을 형성할 수 있고, 제3면(303)은 광 가이드 소자(300)의 측면을 형성할 수 있다. 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 적어도 일부는 광 가이드 소자(300)의 제3면(303, 측면)으로 조사된 후, 대략적으로 90도로 꺾여 상승하거나 하강할 수 있다. 즉, 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 광축(Optical Axis)과 광 가이드 소자(300)에 의해 가이드된 광(L2)의 광축은 수직하게 배치될 수 있다. 그 결과, 본 발명의 제1실시예의 바이오 진단 장치(1000)는 광 가이드 소자(300)의 측면으로 조사되는 측면광을 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)으로 가이드하여, 시료 수용 부재(10)로 조사할 수 있다. 여기서, 도시되는 광 경로는 본 발명에서 목적에 부합하는 광 경로로서 광원 소자(200)로부터 조사되는 모든 광이 해당 광 경로만을 따라 이동하는 것은 아니며, 도시되지 않은 다양한 광 경로가 존재할 수 있다. 한편, 본 실시예에 따른 시료 분석 장치(1000)에서 광 가이드 소자(300)는 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 적어도 일부를 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드하는 기능을 수행하는 소자로서, 다양한 실시예를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 후술한다.
이어서, 도 3을 참조하면, 이미지 센서 패키지(400)는 촬상 소자로서, 시료에 대한 광학적 이미지나 광학적 스펙트럼을 구현하기 위해, 입사된 광의 광 신호를 전자 신호로 변환할 수 있다.
광 가이드 소자(300)에 의해 가이드된 광(L2)은 시료 수용 부재(10)를 경유할 수 있으며, 시료 수용 부재(10)를 경유한 광(L3)은 이미지 센서 패키지(400)에 입사할 수 있다. 이를 위해, 시료 수용 부재(10)는 광이 통과할 수 있는 재질로 덮인 시료 반응부(10-2)를 포함할 수 있으며, 광 가이드 소자(300)에 의해 가이드된 광(L2)이 시료 반응부(10-2)에 조사되어 반사, 발색, 형광 등을 통해 광(L3)이 나올 수 있다. 즉, 시료 수용 부재(10)를 경유한 광(L3)은 시료에 의해 반사된 광일 수도 있고, 형광 이미지를 구현하기 위해 시료에 도포된 광 감광성 물질(일 예로, 조영제)에 흡수된 후 방출된 광일 수도 있다.
여기서, 시료 수용 부재(10)를 경유한 광(L3)은 수직광 성분을 포함하기는 하지만 수직광으로 한정되지는 않으며, 도면에 도시되는 광 경로는 본 발명에서 목적에 부합하는 광 경로가 도시되었다.
이미지 센서 패키지(400)는 촬상 소자로서, 통상적으로 이용되는 다양한 구성을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 7을 참조하면, 이미지 센서 패키지(400)는 마이크로 렌즈 어레이(421), 컬러필터 어레이(422) 및 수광부 어레이(423) 등을 포함할 수 있다. 다만, 이미지 센서 패키지(400)의 구성은 이에 한정되지 않으며, 도 7에 포함된 구성 중 일부가 제외될 수도 있고, 보호층(글래스, 미도시) 등과 같은 추가적인 구성이 더 포함될 수도 있다.
마이크로 렌즈 어레이(421)는 예컨대 이미지 센서 패키지(400)의 최상부에 배치되며, 광을 집광하는 복수의 마이크로 렌즈(421a, 421b, 421c, 421d, 421e)를 포함한다. 컬러필터 어레이(422)는 수광부 어레이(423)에서 red, green, blue 중 하나의 색만 감지할 수 있도록 입사된 빛을 부분적으로 통과시키는 복수의 컬러필터(422a, 422b, 422c, 422d, 422e)를 포함한다. 수광부 어레이(423)는 컬러필터(422a, 422b, 422c, 422d, 422e)를 통과하는 광을 흡수하는 복수의 수광부(423a, 423b, 423c, 423d, 423e)를 포함한다.
이미지 센서 패키지(400)는 "반사형 렌즈 프리 방식"으로서 외부로 노출되어 있는 볼록렌즈를 포함하고 있지 않기 때문에 외부에서 들어오는 광이 마이크로 렌즈 어레이(421)까지 평행으로 입사하게 된다. 따라서 마이크로 렌즈 어레이(421)에 입사된 빛은 1번의 굴절만으로 집광되어 수광부 어레이(423)로 입사된다.
따라서 수광부 어레이(23)의 수광 효율을 높이기 위하여, 수광부 어레이(423)는 복수의 수광부(423a, 423b, 423c, 423d, 423e)를 포함하는 적어도 하나의 수광부 집합(미도시)을 포함하고, 수광부 집합(미도시)에 속하는 수광부(423a, 423b, 423c, 423d, 423e)는 인접 수광부로부터 동일한 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
이를 통해 각각의 수광부(423a, 423b, 423c, 423d)는 마이크로 렌즈 어레이(421)의 각 마이크로 렌즈(421a, 422b, 422c, 422d)로부터 광을 효과적으로 흡수할 수 있다.
몇몇 실시예에 따른 시료 분석 장치(1000)에서 이미지 센서 패키지(400)와 광 가이드 소자(300)의 적어도 일부분은 접촉 또는 직접 접촉(direct contact)할 수 있으며, 이미지 센서 패키지(400)와 광 가이드 소자(300)의 마주보는 면이 접할 수 있다. 몇몇 실시예에 따른 시료 분석 장치(1000)에서 이미지 센서 패키지(400)와 광 가이드 소자(300)의 적어도 일부분은 접착층에 의해 접착되어 접촉 또는 직접 접촉(direct contact)할 수 있다.
이러한 방식으로, 광 경로를 변경시키는 광 가이드 소자(300)에 이미지 센서 패키지(400)를 직접 접촉하여 일체화 시킴으로써 시료 분석 장치(1000)의 신호 왜곡이나 광신호의 측정 민감도를 개선시킬 수 있으며, 미세한 신호 차이를 정밀하게 읽음으로써 바이오 진단의 신뢰성을 높일 수 있다.
한편, 이미지 센서 패키지(400)는 다른 광학 부재와 일체형 패키지로 형성될 수 있다. 따라서 시료 수용 부재(10)와 이미지 센서 패키지(400)의 주면의 사이의 거리(l)는 일정 수준(100μm) 이내로 유지될 수 있다. 그 결과, 제품 사이즈가 축소될 수 있으며 광 경로가 짧아져 촬상 민감도가 향상될 수 있다.
도 8의 (1)을 참조하면, 광원 소자(200)와 광 가이드 소자(300)와 이미지 센서 패키지(400)는 패키지(P)에 의해 일체형 패키지로 형성될 수 있고, 광 가이드 소자(300)와 이미지 센서 패키지(400)의 적어도 일부분은 접촉될 수 있고, 광 가이드 소자(300)와 광원 소자(200)의 적어도 일부분은 접촉될 수 있다.
도 8의 (2)를 참조하면, 바이오 진단 장치(1000)는 광원 소자(200)와 광 가이드 소자(300)와 이미지 센서 패키지(400)는 일체형 패키지로 형성될 수 있고, 광 가이드 소자(300)와 이미지 센서 패키지(400)의 적어도 일부분은 접촉될 수 있고, 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)의 내부에 수용될 수 있다.
이하, 광 가이드 소자(300)의 다양한 실시예를 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역을 포함하고 광원 소자가 제1광원과 제2광원을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역과 비드 영역을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이고, 도 12는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역과 비드 영역을 포함하고 광원 소자가 제1광원과 제2광원을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이고, 도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에서 광원과 광 가이드 소자 사이에 시준 영역의 배치를 나타낸 개념도이고, 도 15는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 다이크로익 미러를 포함하는 개념도이다.
도 9를 참조하여, 광 가이드 소자(300)가 패턴 영역(310)을 포함하는 경우의 광 경로를 설명한다. 광 가이드 소자(300)는 복수의 패턴(311)이 형성된 패턴 영역(310)을 포함할 수 있다. 복수의 패턴(311)은 광 가이드 소자(300)의 제1면(301)에 행과 열을 이루며 등간격으로 배치될 수 있다(Matrix Array). 이 경우, 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 적어도 일부는 복수의 패턴(311)의 적어도 일부에서 반사되어, 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드될 수 있다.
한편, 복수의 패턴(311) 중 적어도 일부의 각각은 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 일측으로 경사진 제1반사면(311-1)과, 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 타측으로 경사진 제2반사면(311-2)을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1반사면(311-1)은 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 대략적으로 광원 소자(200)가 위치한 방향으로 경사질 수 있고, 제2반사면(311-2)은 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 대략적으로 광원 소자(200)가 위치한 방향의 반대 방향으로 경사질 수 있다.
나아가 광 가이드 소자(300)의 제3면(303, 측면)은 광원 소자(200)의 광이 조사되는 제1영역(P1, 광원 소자와 대향하는 영역)과, 제1영역(P1)과 평행하게 배치되는 제2영역(P2, 광원 소자와 대향하는 영역의 반대편에 위치한 영역)을 포함할 수 있다. 광 가이드 소자(300)의 제3면(303)의 제2영역(P2)에는 광 반사 소자(312)가 배치될 수 있다.
따라서 광 가이드 소자(300)의 제3면(303)의 제1영역(P1)으로 조사되는 광원 소자(200)의 조사광(L1) 중 일부는 광 가이드 소자(300)의 제1면(301)과 제2면(302) 중 적어도 하나에서 반사된 후, 제1반사면(311-1)에서 반사되어 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드될 수 있다.
또한, 광 가이드 소자(300)의 제3면(303)의 제1영역(P1)으로 조사되는 광원 소자(200)의 조사광(L1) 중 또 다른 일부는 광 가이드 소자(300)의 제1면(301)과 제2면(302) 중 적어도 하나와 광 반사 소자(312)에서 반사된 후, 제2반사면(311-2)에서 반사되어 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드될 수 있다.
즉, 본 발명의 광 가이드 소자(300)는 복수의 패턴(311)의 형태와 광 반사 소자(312)에 의해, 최대한 많은 양의 광을 90도로 꺾어 시료 수용 부재(10)로 가이드할 수 있다.
이하, 도 10을 참조하여, 광 가이드 소자(300)가 패턴 영역(310)을 포함하는 동시에 광원 소자(200)가 제1광원(210)과 제2광원(220)을 포함하는 경우의 광 경로를 설명한다. 이 경우, 제1반사면(311-1)은 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 대략적으로 제1광원(210)이 위치한 방향으로 경사질 수 있고, 제2반사면(311-2)은 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 대략적으로 제2광원(220)이 위치한 방향으로 경사질 수 있다.
나아가 광 가이드 소자(300)의 제3면(303, 측면)은 제1광원(210)의 조사광(L1-1)이 조사되는 제1영역(P1, 광원 소자와 대향하는 영역)과, 제2광원(220)의 조사광(L1-2)이 조사되는 제2영역(P2, 광원 소자와 대향하는 영역의 반대편에 위치한 영역)을 포함할 수 있다.
따라서 광 가이드 소자(300)의 제3면(303)의 제1영역(P1)으로 조사되는 제1광원(210)의 조사광(L1-1)과 광 가이드 소자(300)의 제3면(303)의 제2영역(P2)으로 조사되는 제2광원(220)의 조사광(L1-2) 중 적어도 일부는 광 가이드 소자(300)의 제1면(301)과 제2면(302) 중 적어도 하나에서 반사된 후, 제1반사면(311-1) 또는 제2반사면(311-2)에서 반사되어 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드될 수 있다.
이하, 도 11을 참조하여, 광 가이드 소자(300)가 패턴 영역(310)과 비드 영역(320)을 포함하는 경우의 광 경로를 설명한다. 즉, 본 발명의 제1실시예의 광 가이드 소자(300)는 패턴 영역(310)과 이웃하게 배치되는 비드 영역(320)을 더 포함할 수 있다.
비드 영역(320)에는 복수의 비드(321)가 배치될 수 있다. 비드 영역(320)은 복수의 비드(321)의 난반사에 의해, 광원 소자(200)의 조사광(L1)을 다양한 방향으로 분포시킨 후 패턴 영역(320)으로 진입하게 할 수 있다.
또한 비드 영역(320)에서 난반사된 빛이 광 가이드 소자(300)의 제2면 (302)에서 전반사를 용이하게 일으키기 위하여 비드 영역(320) 이후에 시준(collimation) 부위를 두거나 비드 영역(320)의 각도를 조절하여 조사각을 조절할 수 있다. 이를 위해, 바이오 진단 장치(1000)는 몇몇 실시예에서 비드 영역(320)과 광 가이드 소자(300) 사이에 위치하는 시준 영역(미도시)을 더 포함하거나, 비드 영역(320)과 광 가이드 소자(300)가 이루는 각도를 조절하는 각조 조절부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
따라서 비드 영역(320)은 이미지 센서 패키지(400)의 주면과 수직 방향으로 오버랩되지 않을 수 있다(후술하는 시료 수용 부재를 경유한 광이 비드 영역을 투과하는 것을 방지하기 위함). 즉, 비드 영역(320)의 제1면(301)은 이미지 센서 패키지(400)의 주면과 수직 방향으로 오버랩되지 않을 수 있으며, 비드 영역(320)의 제2면(302)은 이미지 센서 패키지(400)의 주면과 대향하지 않을 수 있다.
광원 소자(200)의 조사광(L1)은 비드 영역(320)의 제3면(303)으로 조사되어 복수의 비드(321)에 의해 반사되고, 패턴 영역(310)으로 이동하여 복수의 패턴(311)에 의해 반사된 후 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드될 수 있다. 한편, 패턴 영역(310)의 제3면(303)에는 광 반사 소자(312)가 배치되어 광 가이드 효율을 상승시킬 수 있다.
이하, 도 12를 참조하여, 광 가이드 소자(300)가 패턴 영역(310)과 비드 영역(320)을 포함하는 동시에 광학 소자(200)가 제1광원(210)과 제2광원(220)을 포함하는 경우의 광 경로를 설명한다. 이 경우, 제1광원(210)의 조사광(L1)과 제2광원(220)의 조사광(L2)은 비드 영역(320)의 제3면(303)으로 조사되어 가이드될 수 있다.
이하, 도 13 및 도 14를 참조하여, 광원 소자(200)와 광 가이드 소자(300) 사이에 시준 영역(320, collimator)이 배치된 실시예를 설명한다.
광원 소자(200)로부터 조사된 광은 시준 영역(320)을 거친 후 광 가이드 소자(300)에 입사되는데, 시준 영역(320)에 입사된 광은 평행하게 정렬된다. 따라서 시준 영역(320)을 추가 배치함으로써 본 실시예에 따른 바이오 진단 장치(1000)는 광 가이드 소자(300)에 입사하는 광의 각도를 조절할 수 있다.
더욱이, 도 14를 참조하면, 광원 소자(200)와 시준 영역(320)이 광 가이드 소자(300)와 이루는 각도를 조절할 수 있는데, 이를 통해 본 실시예에 따른 바이오 진단 장치(1000)는 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)에서의 전반사 성능을 높일 수 있다.
이하, 도 15를 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오 진단 장치(2000)는 광학 소자(500)로 다이크로익 미러가 사용되며 파라볼라 미러(600)를 더 포함하는 것 외에는 다른 실시예의 바이오 진단 장치(1000)와 실질적으로 동일한 기술적 사상을 가질 수 있다. 즉, 상술한 차이점 외에, 바이오 진단 장치(2000)에는 본 발명의 바이오 진단 장치(1000)가 유추 적용될 수 있다.
광 가이드 소자(500)는 제1파장 대역의 광은 90도로 반사시킬 수 있고, 제2파장 대역의 광은 투과시킬 수 있다. 이 경우, 광 가이드 소자(500)는 광원 소자(200)의 조사광(L1)은 90도로 반사시켜 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드할 수 있고, 시료 수용 부재(10)를 경유한 광(L3)을 투과시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 제1실시예의 광 가이드 소자(300)와 실질적으로 동일한 광 경로를 형성할 수 있으며, 노이즈를 발생시키는 파장 대역의 광을 제거하는 필터링 기능도 수행할 수 있다.
파라볼라 미러(600)는 평행광을 구현하기 위한 부재로, 광원 소자(200)에서 조사된 광(L1)은 파라볼라 미러(600)에서 반사된 후, 광 가이드 소자(500)로 조사될 수 있다. 이 경우, 파라볼라 미러(600)는 광원 소자(200)에서 조사된 광(L1)을 시료 수용 부재(10) 및 이미지 센서 패키지(400)의 주면과 평행하도록 반사시킬 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (12)

  1. 시료 수용 부재가 배치되는 공간이 형성되어 있는 바이오 진단 장치에 있어서,
    상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간의 일측에 위치하는 이미지 센서 패키지;
    상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간과 상기 이미지 센서 패키지의 사이에 배치되는 광 가이드 소자; 및
    상기 광 가이드 소자로 광을 조사하는 광원 소자를 포함하고,
    상기 광 가이드 소자는 상기 광원 소자의 조사광의 적어도 일부를 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간을 향하여 가이드하고,
    상기 광 가이드 소자에는 적어도 일부가 상기 시료 수용 부재와 대향하는 제1면과, 적어도 일부가 상기 이미지 센서 패키지의 주면과 대향하는 제2면과, 상기 제1면과 상기 제2면의 사이에 배치되는 제3면이 형성되어 있고,
    상기 광 가이드 소자는 상기 제1면에 복수의 패턴이 형성되어 있는 패턴 영역과, 상기 패턴 영역과 이웃하여 배치되고 상기 제1면과 상기 제2면의 사이에 복수의 비드가 배치되는 비드 영역을 포함하고,
    상기 광원 소자의 조사광의 적어도 일부는 상기 비드 영역으로 조사되어 상기 복수의 비드에 의해 반사되고, 상기 패턴 영역으로 이동하여 상기 복수의 패턴에 의해 반사되어 가이드되는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비드 영역과 상기 광 가이드 소자 사이에 배치되는 시준 영역을 더 포함하거나, 상기 비드 영역과 상기 광 가이드 소자가 이루는 각도를 조절하는 각도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 영역의 상기 제3면에는 광 반사 소자가 배치되고, 상기 비드 영역의 상기 제2면은 상기 이미지 센서 패키지의 주면과 대향하지 않는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  4. 시료 수용 부재가 배치되는 공간이 형성되어 있는 바이오 진단 장치에 있어서,
    상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간의 일측에 위치하는 이미지 센서 패키지;
    상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간과 상기 이미지 센서 패키지의 사이에 배치되는 광 가이드 소자; 및
    상기 광 가이드 소자로 광을 조사하는 광원 소자를 포함하고,
    상기 광 가이드 소자는 상기 광원 소자의 조사광의 적어도 일부를 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간을 향하여 가이드하고,
    상기 광 가이드 소자는 다이크로익 미러를 포함하고,
    상기 바이오 진단 장치는 파라볼라 미러를 더 포함하고,
    상기 광원 소자에서 조사된 광은 상기 파라볼라 미러에서 반사되어 상기 다이크로익 미러로 조사되는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광 가이드 소자와 상기 이미지 센서 패키지의 적어도 일부분은 접촉하는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광원 소자는,
    상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간의 상기 일측에 위치하고,
    상기 광 가이드 소자의 면 중, 상기 이미지 센서 패키지와 마주보는 면 및 상기 마주보는 면의 배면 이외의 면에 인접하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  7. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광원 소자의 조사광의 광축과 상기 광 가이드 소자에 의해 가이드된 광의 광축은 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  8. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광 가이드 소자와 상기 광원 소자와 상기 이미지 센서 패키지는 일체형 패키지로 형성되고, 상기 광 가이드 소자와 상기 이미지 센서 패키지의 적어도 일부분은 접촉될 수 있고, 상기 광 가이드 소자와 상기 광원 소자의 적어도 일부분은 접촉하는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  9. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 이미지 센서 패키지는,
    광이 입사되는 마이크로 렌즈 어레이; 및
    상기 렌즈 어레이를 통과하는 광을 흡수하는 수광부 어레이를 포함하고,
    상기 수광부 어레이는 복수의 수광부를 포함하는 적어도 하나의 수광부 집합을 포함하고, 상기 수광부 집합에 속하는 수광부는 인접 수광부로부터 동일한 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
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