KR102207041B1 - 광학 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 파동원, 상기 파동원에서 생성된 파동을 제1 파동과 제2 파동으로 분할하는 광학유닛, 상기 제1 파동의 경로 상에 배치되며, 고정된 산란 매체(static scattering medium)를 포함하여 입사되는 상기 제1 파동을 산란시켜 제1 스펙클을 생성하는 제1 스펙클 생성유닛, 상기 제1 스펙클을 시계열 순으로 검출하는 제1 영상 센서, 상기 제2 파동의 경로 상에 배치되며, 측정하고자 하는 시료를 포함하여 측정하는 시계열 순으로 시료를 분석 혹은 측정하는 제2 영상 센서 및 상기 검출된 제1 스펙클을 이용하여 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 제1 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 제2 영상 센서의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 광학 측정 장치를 제공한다.

Description

광학 측정 장치{OPTICAL MEASURING APPARATUS}
본 발명의 실시예들은 광학 측정 장치에 관한 것이다.
인간은 다양한 생물들과 같은 공간에서 생활하고 있다. 눈에 보이는 생물부터 눈에 보이지 않는 생물들까지 인간의 주변에서 함께 생활하면서, 인간에게 직간접적으로 영향을 주고 있다. 그 중 인간의 건강에 영향을 주는 미생물 또는 작은 생물들은 눈에는 잘 보이지 않지만 인간의 주변에 존재하여 다양한 질병들을 유발하고 있다.
눈에 보이지 않는 미생물을 측정하기 위해서, 종래에는 미생물 배양법, 질량분석법(mass spectrometry), 핵자기공명(unclear magnetic resonance) 기법 등을 이용하였다. 미생물 배양법, 질량분석법, 핵자기공명 기법의 경우, 특정 종류의 세균을 정밀하게 측정할 수 있으나, 세균을 배양시키는 준비 시간이 오래 걸리고, 고비용의 정밀하고 복잡한 장비를 필요로 한다.
이외에, 광학적 기법을 이용하여 미생물을 측정하는 기법이 있다. 예를 들어, 광학적 기법으로 라만 분광법(Raman spectrometry), 및 다중분광영상(Multispectral imaging)이 이용되나, 복잡한 광학계가 필요하여, 복잡한 광학계를 다룰 수 있는 전문적인 지식과 연구실 수준의 설비를 요구하며, 오랜 측정 시간이 필요하므로, 일반적인 대중이 사용하는데 문제점이 있다. 특히, 레이저를 이용하여 측정하는 광학적 기법의 경우, 외부 환경 요인에 의해 레이저의 파장(wavelength)이 변화되어 정확한 측정이 어렵다는 문제점이 있다.
상기한 문제 및/또는 한계를 해결하기 위하여, 간단하게 레이저의 파장 및 파워 안정성을 실시간으로 모니터링하는 광학 측정 장치를 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는 파동원, 상기 파동원에서 생성된 파동을 제1 경로 또는 제2 경로로 전달하는 광학유닛, 상기 제1 경로 상에 배치되며, 고정된 산란 매체(static scattering medium)를 포함하여 상기 제1 경로를 따라 입사되는 제1 파동을 산란시켜 제1 스펙클을 생성하는 제1 스펙클 생성유닛, 상기 제1 스펙클을 시계열 순으로 검출하는 제1 영상 센서, 상기 제2 경로 상에 배치되며, 측정하고자 하는 시료를 포함하는 시료 수용 유닛, 상기 시료에서 발생되는 광학적 신호를 시계열 순으로 검출하는 제2 영상 센서 및 상기 검출된 제1 스펙클을 이용하여 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 제1 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 제2 영상 센서의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 광학 측정 장치을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시료 수용 유닛은 상기 제2 경로를 따라 입사되는 제2 파동을 산란시켜 제2 스펙클을 생성하는 제2 스펙클 생성유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 검출된 제2 스펙클을 이용하여 상기 검출된 제2 스펙클의 시간 상관관계를 획득하고, 상기 획득된 제2 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 시료 내의 미생물 존재여부 또는 상기 미생물의 농도를 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 제1 파동 성질의 변화 여부를 판단하고, 상기 제1 파동 성질의 변화 여부에 따라 상기 제2 영상 센서의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 스펙클의 시간 상관 계수를 계산하고, 상기 제1 스펙클의 시간 상관 계수가 사전에 설정된 범위에 해당하는 경우에만 상기 제2 영상 센서를 동작시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 스펙클의 시간 상관 계수를 계산하고, 상기 제1 스펙클의 시간 상관 계수를 이용하여 상기 제2 영상 센서에서의 검출 신호를 보정(calibration)할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 스펙클 생성유닛과 상기 제2 스펙클 생성유닛은 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 스펙클 생성유닛은 상기 시료 내에서의 상기 제2 파동의 다중 산란 횟수를 증폭시키기 위해 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함하는 다중산란증폭부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 파동원, 상기 파동원에서 생성된 파동을 제1 경로 또는 제2 경로로 전달하는 제1 광학유닛, 상기 제1 경로 상에 배치되며, 고정된 산란 매체(static scattering medium)를 포함하여 상기 제1 경로를 따라 입사되는 제1 파동을 산란시켜 제1 스펙클을 생성하는 제1 스펙클 생성유닛, 상기 제2 경로 상에 배치되며, 측정하고자 하는 시료를 포함하여 상기 제2 경로를 따라 입사되는 제2 파동을 산란시켜 제2 스펙클을 생성하는 제2 스펙클 생성유닛, 상기 제1 광학유닛과 상기 제2 스펙클 생성유닛 사이에 배치되는 제2 셔터, 상기 제1 스펙클 또는 상기 제2 스펙클을 시계열 순으로 검출하는 영상 센서 및 상기 영상 센서에 의해 상기 검출된 제1 스펙클을 이용하여 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계(temporal correation)를 획득하고, 상기 획득된 제1 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 제2 셔터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는, 광학 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 검출된 제2 스펙클을 이용하여 상기 검출된 제2 스펙클의 시간 상관관계를 획득하고, 상기 획득된 제2 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 시료 내의 미생물 존재여부 또는 상기 미생물의 농도를 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 제1 파동 성질의 변화 여부를 판단하고, 상기 제1 파동 성질의 변화 여부에 따라 상기 제2 셔터의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 스펙클의 시간 상관 계수를 계산하고, 상기 시간 상관 계수가 사전에 설정된 범위에 해당하는 경우에만 상기 제2 스펙클을 검출하도록 상기 제2 셔터를 개방시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광학유닛과 상기 제1 스펙클 생성유닛 사이에 배치되는 제1 셔터를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제2 셔터가 개방되는 동안 상기 제1 셔터가 폐쇄되도록 상기 제1 셔터를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 스펙클 생성유닛은 상기 시료 내에서의 상기 제2 파동의 다중 산란 횟수를 증폭시키기 위해 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함하는 다중산란증폭부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 파동원, 상기 파동원에서 생성된 파동을 제1 경로 또는 제2 경로로 전달하는 광학유닛, 상기 제1 경로 상에 배치되며, 대조군 시료를 포함하여 상기 제1 경로를 따라 입사되는 제1 파동을 산란시켜 제1 스펙클을 생성하는 제1 스펙클 생성유닛, 상기 제1 스펙클을 시계열 순으로 검출하는 제1 영상 센서, 상기 제2 경로 상에 배치되며, 측정군 시료 및 배지를 포함하여 상기 제2 경로를 따라 입사되는 제2 파동을 산란시켜 제2 스펙클을 생성하는 제2 스펙클 생성유닛, 상기 제2 스펙클을 시계열 순으로 검출하는 제2 영상 센서 및 상기 검출된 제1 스펙클 및 상기 검출된 제2 스펙클을 이용하여 상기 대조군 시료의 제1 농도 및 상기 측정군 시료의 제2 농도를 추정하고, 상기 제1 농도와 상기 제2 농도를 이용하여 상기 측정군 시료 내 생균 존재 여부를 판단하는 제어부를 포함하는 광학 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는,상기 검출된 제1 스펙클을 이용하여 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득한 후 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계를 이용하여 상기 대조군 시료의 제1 농도를 추정하고, 상기 검출된 제2 스펙클을 이용하여 상기 제2 스펙클의 시간 상관관계를 획득한 후 상기 제2 스펙클의 시간 상관관계를 이용하여 상기 측정군 시료의 제2 농도를 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정군 시료는 상기 대조군 시료를 m배로 희석한 시료이며, 상기 제어부는, 상기 제2 농도가 상기 제1 농도와 동일해지는 성장시간을 획득한 후, 상기 성장시간을 이용하여 상기 측정군 시료 내의 생균과 사균의 비율을 도출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 스펙클 생성유닛은 상기 시료 내에서의 상기 제2 파동의 다중 산란 횟수를 증폭시키기 위해 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함하는 다중산란증폭부를 더 구비할 수 있다. 전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 광학 측정 장치는 파동원으로부터 생성된 파동을 분할하고 분할된 제1 파동을 고정된 산란 매체에 조사하여 기준 신호인 제1 스펙클을 생성한 후, 제1 스펙클의 시간 상관관계를 계산함으로써, 제1 파동 성질의 변화 여부를 정확하게 판단할 수 있다. 이를 이용하여 광학 측정 장치는 별도의 보정 장치 없이도 주변 환경에 의한 노이즈를 확인하고 이를 보정할 수 있어, 정밀 광학기기의 안정성을 실시간으로 검출할 수 있고, 특히 박테리아 검출을 위한 스펙클 센서 어플리케이션에 있어, 측정하고자 하는 시료 내의 미생물을 보다 정확하게 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 제1 스펙클 생성유닛에서 제1 스펙클을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 제2 스펙클 생성유닛에서 제2 스펙클을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제어부에서 제1 스펙클에 기인하여 제2 영상 센서의 동작을 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 다른 실시형태의 광학 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 광학 측정 장치를 이용하여 측정 시료 내 생균 존재 여부를 확인하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 실시예들의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 실시예들은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서 유닛, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 유닛, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서 연결하다 또는 결합하다 등의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 반드시 두 부재의 직접적 및/또는 고정적 연결 또는 결합을 의미하는 것은 아니며, 두 부재 사이에 다른 부재가 개재된 것을 배제하는 것이 아니다.
명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치(1)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 제1 스펙클 생성유닛(310)에서 제1 스펙클(LS1)을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 3 및 도 4는 제2 스펙클 생성유닛(410)에서 제2 스펙클(LS2)을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치(1)는 파동원(100), 광학 유닛(200), 제1 스펙클 생성부(300), 시료측정부(400) 및 제어부(500)를 구비할 수 있다.
파동원(100)은 파동(L)을 생성할 수 있다. 파동원(100)은 파동(wave, L)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다. 본 발명은 파동원의 종류에 제한이 없으나, 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 레이저인 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
예를 들어, 측정하고자 하는 시료(sample)에 스펙클(speckle)을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동원(100)으로 이용할 수 있다. 이때, 레이저 파동원의 간섭성을 결정하는 파동원의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 즉, 간섭 길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 파동원(100)의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 파동원(100)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 조건이 유지되도록 파동원(100)의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019050379536-pat00001
수학식 1에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 기준 시간마다 시료(sample)에 광 조사 시 파동원(100)의 스펙트럴 대역폭은 5 nm 미만을 유지할 수 있다.
그러나, 실제 측정 환경은 온도와 같은 다양한 환경 변수들이 존재하며, 미세한 진동이나 외부 요인들로 인하여 파동원(100)으로부터 생성되는 파동(L)의 성질(properties)이 변화될 수 있다. 하나의 예로써, 파동(L)은 주변 온도에 의해 파장(wavelength)이 변화될 수 있다. 파동(L)의 변화는 시료(sample)로부터 출력되는 측정 데이터의 변화를 초래할 수 있다. 특히, 본 발명과 같이, 스펙클의 시간에 따른 변화를 검출하여 이를 이용해 미생물의 미세한 생명활동을 감지하는 경우에는, 파동(L)의 작은 변화에도 민감할 수 밖에 없다.
본 발명의 기술적 사상은 외부 환경 요인으로 인한 파동(L) 성질 변화를 정확히 감지하고, 감지 결과를 이용하여 안정적인 경우에만 측정하거나, 측정 데이터를 보정함으로써, 미생물 검출의 정확성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들은 이를 위해, 광학 유닛(200)을 이용하여 파동원(100)으로부터 생성된 하나의 파동(L)을 제1 경로 또는 제2 경로로 경로를 변경하여 제공하거나, 제1 파동(L1)과 제2 파동(L2)으로 분할하여 제공할 수 있다.
이때, 광학 측정 장치(1)는 제1 파동(L1)과 제2 파동(L2)을 광학 유닛(200)에 의해 분할하거나 경로를 변경할 뿐 동일한 환경조건을 제공하므로, 제1 파동(L1)과 제2 파동(L2)의 성질은 동일하다. 제1 파동(L1)은 기준 신호(reference signal) 생성을 위한 입사 파동으로 사용하고, 제2 파동(L2)은 측정 신호 생성을 위한 입사 파동으로 사용할 수 있다.
광학유닛(200)은 파동원(100)에서 생성된 파동(L)을 제1 경로 또는 제2 경로로 전달하는 기능을 수행하도록 하나 이상의 광학 소자를 구비할 수 있다. 일 실시예로서, 광학유닛(200)은 파동(L)을 제1 경로로 제공하다가 제2 경로로 변경하여 제공하는 광경로변경수단을 포함할 수 있다. 이때, 광경로변경수단은 일반적으로 알려진 멤스(micro electromechanical system; MEMS) 미러, 디지털 마이크로미러 디바이스(digital micromirror device, DMD) 소자 등이 채용될 수 있다. 다른 실시예로서, 광학유닛(200)은 제1 파동(L1)과 제2 파동(L2)으로 분할하는 기능을 수행하는 광학소자를 구비할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 광학유닛(200)은 입사되는 파동(L)을 서로 다른 경로인 제1 경로 및 제2 경로로 제1 파동(L1)과 제2 파동(L2)을 분할하는 빔 스플리터(beam splitter)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
또 다른 실시예로서, 광학유닛(200)은 다중 빔 리플렉터(Multiple beam reflector)를 더 포함할 수도 있다. 다중 빔 리플렉터는 파동원(100)으로부터 입사된 파동을 분할시켜 복수의 파동 경로로 제공할 수 있다. 다중 빔 리플렉터는 전면과 후면에서 각각 파동을 반사시켜, 평행하면서 분할된 제1 파동(L1)과 제2 파동(L2)을 제공할 수 있다. 이때, 빔 스플리터는 다중 빔 리플렉터로부터 제공되는 복수의 파동 경로 상에 배치되고, 제1 파동(L1) 및 제2 파동(L2)을 각각 제1 스펙클 생성유닛(310)과 시료측정부(400), 보다 구체적으로 제2 스펙클 생성유닛(410)으로 제공할 수 있다.
또한, 광학유닛(200)은 파동원(100)으로부터 제공된 파동 경로를 변경하기 위한 미러(mirror)를 더 포함할 수도 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 광학유닛(200)이 파동(L)을 제1 파동(L1)과 제2 파동(L2)으로 분할하여 제공하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 스펙클 생성부(300)는 제1 파동(L1)을 이용하여 생성된 기준 신호인 제1 스펙클(LS1)을 검출할 수 있다. 제1 스펙클 생성부(300)는 제1 스펙클 생성유닛(310)과 제1 영상 센서(330)를 포함할 수 있다.
제1 스펙클 생성유닛(310)은 제1 파동(L1)의 경로 상에 배치될 수 있다. 제1 스펙클 생성유닛(310)은 고정된 산란 매체(static scattering medium, 311)를 포함하여 제1 파동(L1)이 입사되면 산란시켜 제1 스펙클(LS1)을 생성할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 스펙클 생성유닛(310)에 포함된 산란 매체(311)는 공간적으로 일정한 위치에 배치되는 산란물질(scattering material)들을 포함할 수 있다. 산란물질들은 서로 이격되는 간격이나 위치에 대한 제한없이 배치될 수 있으나 배치된 상태에서 움직이지 않고 고정된 상태를 유지하게 된다. 이때, 산란물질(311)의 종류에 대한 제한은 없으며, 예를 들면, 산란물질로서 산화티타늄(TiO2)을 사용할 수 있다.
제1 파동(L1)은 제1 스펙클 생성유닛(310)에 입사되면, 고정된 상태를 유지하는 산란 매체(311)에 의해 다중 산란될 수 있으며, 다중 산란을 통해 복잡한 경로로 산란된 파동의 일부가 제1 스펙클 생성유닛(310)으로부터 출사될 수 있다. 제1 스펙클 생성유닛(310)의 여러 지점을 통과하면서 출사되는 파동들은 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키게 되고, 이러한 파동들의 보강/상쇄 간섭은 낱알 모양의 무늬(스펙클; speckle)를 발생시키게 된다.
이때, 제1 파동(L1)이 시간에 따라 성질 변화없이 일정한 특성을 갖는 경우, 제1 스펙클 생성유닛(310)에 의해 생성된 제1 스펙클(LS1) 또한, 고정된 산란 매체(311)에 의해 시간에 따라 일정한 무늬 또는 패턴을 형성할 수 있다. 그러나, 파동원(100)으로부터 생성되는 파동(L), 다시 말해, 제1 파동(L1)이 주변 환경에 의해 성질이 변화되면, 이로 인해 제1 스펙클(LS1)의 무늬 또는 패턴이 변하게 된다.
제1 영상 센서(330)는 제1 스펙클(LS1)이 출사되는 경로 상에 배치되어, 제1 스펙클(LS1)을 시계열 순으로 검출할 수 있다. 제1 영상 센서(330)는 파동원(100)의 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우에는 영상을 촬영하는 촬영장치인 CCD 카메라(camera)가 이용될 수 있다. 제1 영상 센서(330)가 CCD 카메라인 경우, 제1 영상 센서(330)는 제1 스펙클(LS1)을 시계열 순으로 촬영하여 복수의 영상을 획득할 수 있다.
여기서, 복수의 영상 각각은 제1 스펙클 생성유닛(310)으로 입사되는 제1 파동(L1)에 기인하여 산란매체(311)에 다중산란(multiple scattering)되어 발생되는 제1 스펙클(speckle) 정보를 포함하게 된다. 다시 말해, 제1 영상 센서(330)는 조사된 제1 파동(L1)이 산란매체(311) 내에서 다중산란되어 발생되는 제1 스펙클을 사전에 설정된 시점에 검출할 수 있다. 여기서, 시점(time)이란, 연속적인 시간의 흐름 가운데 어느 한 순간을 의미하며, 시점(time)들은 동일한 시간 간격으로 사전에 설정될 수 있으나 반드시 이에 제한되지 않으며 임의의 시간 간격으로 사전에 설정될 수도 있다.
제1 영상 센서(330)는 적어도 제1 시점에서 제1 영상을 검출하고, 제2 시점에서 제2 영상을 촬영하여 제어부(500)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 제1 영상 센서(330)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 복수의 영상들을 촬영할 수 있다.
제1 영상 센서(330)는 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자(grain size)보다 작거나 같아지도록 제1 스펙클 생성유닛(310)으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치될 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 2의 조건을 만족하도록 제1 영상 센서(330)는 제1 스펙클(LS1)이 지나가는 경로 상에 배치될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019050379536-pat00002
수학식 2와 같이, 제1 영상 센서(330)의 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size) 이하여야 하나, 픽셀의 크기가 너무 작아지면 언더샘플링(undersampling)이 발생해서 픽셀 해상도를 활용하는데 어려움이 존재할 수 있다. 이에 따라, 효과적인 SNR(signal to noise ratio)를 달성하기 위해 스펙클 입자 크기(speckle grain size)에 최대 5개 이하의 픽셀이 위치하도록 제1 영상 센서(330)가 배치될 수 있다.
한편, 다시 도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 시료측정부(400)는 제2 파동(L2)을 이용하여 생성된 측정 신호를 검출할 수 있다. 여기서, 측정 신호는 제2 파동(L2)을 이용하여 생성될 수 있는 어떠한 종류의 측정신호든 적용가능할 수 있다. 일 실시예로서, 측정신호는 출사되는 파동의 세기(intensity)와 같은 신호일 수 있다. 다른 실시예로서, 측정신호는 스펙클 정보를 포함하는 신호일 수 있다. 다시 말해, 시료측정부(400)는 제2 파동(L2)을 이용하여 생성된 측정 신호인 제2 스펙클(LS2)을 검출할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 시료측정부(400)가 제2 스펙클(LS2)을 검출하기 위한 제2 스펙클 생성부인 경우를 중심으로 설명하기로 하며, 시료측정부와 제2 스펙클 생성부는 동일한 부호를 부여하기로 한다.
제2 스펙클 생성부(400)는 제2 스펙클 생성유닛(410)과 제2 영상 센서(430)를 포함할 수 있다. 제2 스펙클 생성유닛(410)은 제2 파동(L2)의 경로 상에 배치될 수 있다. 제2 스펙클 생성유닛(410)은 측정하고자 하는 시료(sample)를 포함하여 입사되는 제2 파동(L2)을 산란시켜 제2 스펙클(LS2)을 생성할 수 있다. 시료(sample)는 미생물 또는 불순물 검출을 위한 어떠한 시료든 가능하다. 예를 들면, 측정하고자 하는 개체로부터 채취된 타액, 혈액, 조직과 같은 시료일 수 있고, 개체의 외부로 배출되는 대변, 소변, 각질과 같은 시료일 수도 있다. 또는 음식물과 같은 개체로부터 채취된 유기 시료 등을 포함할 수 있다. 한편, 시료(sample)는 측정하고자 하는 개체 그 자체를 의미할 수도 있다. 다시 말해, 음식물이 개체이고 음식물을 훼손하지 않으면서 미생물의 존재 여부를 측정하고자 하는 경우에는 음식물 그 자체가 시료(sample)가 될 수 있다. 예를 들면, 판매를 위해 포장된 고기(meat)와 같은 개체가 시료(sample)가 될 수 있다.
제2 스펙클 생성유닛(410)은 상기한 시료(sample)만을 수용할 수도 있고, 아가 플레이트(agar plate)와 같이 미생물을 배양시키는 물질을 포함하여 수용할 수도 있다. 또는 제2 스펙클 생성유닛(410)은 시료(sample)의 채취수단을 함께 수용할 수도 있다. 예를 들면, 채취수단은 테이프, 생체막(membrane) 등과 같이 미생물이 옮겨갈 수 있는 수단을 이용하여 준비될 수도 있다.
다른 실시예로서, 제2 스펙클 생성유닛(410)은 유체와 같은 시료(sample)를 수용할 수도 있다. 이때, 제2 스펙클 생성유닛(410)은 유체를 수용하는 용기일 수도 있으나, 유체가 흐를 수 있는 파이프 유닛일 수도 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 시료(sample)에서 미생물 또는 불순물을 검출하는 원리를 설명하기로 한다.
유리와 같이 내부 굴절율이 균질한 물질의 경우에는 광을 조사했을 때에 일정한 방향으로 굴절이 일어난다. 하지만, 내부 굴절률이 불균질한 물체에 레이저와 같은 간섭광(coherent light)를 조사하면, 물질 내부에서 매우 복잡한 다중 산란이 발생하게 된다. 앞서 산란매체에 의해 제1 스펙클 생성부(300)에서 제1 스펙클(LS1)을 생성한 원리와 마찬가지로, 제2 스펙클 생성유닛(410)에 제2 파동(L2)이 입사되면, 제2 스펙클 생성유닛(410)에 포함된 물질들로 인하여 매우 복잡한 다중 산란이 발생하게 된다.
이때, 제2 스펙클 생성유닛(410)에 포함된 시료(sample)가 안정한 매질인 경우 도 4의 좌측도면과 같이 간섭광인 제2 파동(L2)을 조사하였을 때에는 변화가 없는 안정한 스펙클 무늬를 생성할 수 있다.
그러나, 도 4의 우측도면과 같이 내부에 박테리아 등, 제2 스펙클 생성유닛(410)에 포함된 시료(sample)가 내부 구성 물질 중 움직임이 있는 불안정한 매질을 포함하는 경우, 스펙클 무늬가 변화하게 된다. 즉, 생물의 미세한 생명활동(예컨대, 세포 내 움직임, 미생물의 이동, 진드기의 움직임 등)으로 인해 광경로가 실시간으로 변화할 수 있다. 또는, 유체 내에 미세한 불순물이 지나가는 경우에도 광경로가 실시간으로 변화할 수 있다. 스펙클 패턴은 파동의 간섭으로 인해 발생하는 현상이기 때문에, 미세한 광경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있다. 특히, 미세한 광경로의 변화는 본 발명의 실시예들에 의해 측정된 데이터의 특성으로 인해 높은 신호대 잡음비로 표현되는데, 이는 좁은 대역폭의 파동이 간섭한 이미지이며 다중 산란으로 인해 신호가 미생물에 의해 여러 번 영향을 받기 때문이다. 이에 따라, 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 미생물의 움직임을 신속하게 측정할 수 있게 된다. 이처럼 스펙클 패턴의 시간에 따른 변화를 측정하는 경우, 미생물의 존재여부 및 농도를 알 수 있으며, 더 나아가서는 생물의 종류 또한 알 수도 있다.
한편, 제2 스펙클 생성유닛(410)은 입사된 제2 파동이 시료(sample) 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함할 수 있다. 예를 들면, 다중산란증폭영역은 제2 파동이 입사되는 일부 영역 및 제2 파동이 출사되는 일부영역에 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 다중산란물질은 산화티타늄(TiO2)을 포함하며, 제2 파동이 입사되거나 출사되는 일부 영역의 제2 스펙클 생성유닛(410)의 일부 영역에 코팅(coating)되는 것에 의해 형성될 수 있다. 다중산란증폭영역은 시료(sample)를 통과하여 출사되는 제2 파동의 적어도 일부를 반사시킬 수 있다.
다른 실시예로서, 제2 스펙클 생성유닛(410)은 상기 제2 스펙클 생성유닛(410)의 표면에 코팅되어 일체화된 다중산란증폭영역이 아닌 별도의 다중산란증폭부(401)를 더 구비할 수도 있다. 다중산란증폭부(401)는 파동원(100)과 제2 스펙클 생성유닛(410) 사이 및/또는 제2 스펙클 생성유닛(410)과 제2 영상 센서(430) 사이의 제2 파동(L2) 이동경로 상에 구비되어 다중 산란 횟수를 증폭시킬 수 있다. 다중산란증폭부(410)는 시료(sample)로부터 출사되는 제2 파동(L2)이 시료(sample)로 재입사되도록 적어도 일부를 반사시킴으로써, 제2 파동(L2)이 시료(sample)와 다중산란증폭부(401) 사이의 공간을 적어도 1회 이상 왕복할 수 있게 하며, 이를 통해 시료(sample) 내 제2 파동(L2)의 다중 산란 횟수를 효과적으로 증폭시킬 수 있다.
또한, 다른 실시예로서, 상기한 기능을 수행하는 다중산란증폭영역 또는 다중산란증폭부는 제2 스펙클 생성유닛(410)에만 구비되는 것이 아니며, 제1 스펙클 생성유닛(310)에도 동일하게 구비되어 제1 스펙클 생성과 제2 스펙클 생성에 있어 동일한 산란조건을 부여할 수 있음은 물론이다.
한편, 제2 영상 센서(430)는 제2 스펙클(LS2)이 출사되는 경로 상에 배치되어, 제2 스펙클(LS2)을 시계열 순으로 검출할 수 있다. 제2 영상 센서(430)는 파동원(100)의 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 제1 파동(L1)과 동일한 제2 파동(L2)을 이용하여 스펙클을 검출해야 하는바, 제1 영상 센서(330)와 동일한 종류의 감지 수단일 수 있다. 제2 영상 센서(430)는 CCD 카메라일 수 있으며, 제2 스펙클(LS2)을 시계열 순으로 촬영하여 복수의 영상을 획득할 수 있다. 이때, 제2 영상 센서(430)가 복수의 영상을 획득하는 원리는 제1 영상 센서(330)와 동일한 바 설명의 편의를 위하여 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
제2 영상 센서(430)는 제2 파동(L2)에 기인한 제2 스펙클(LS2)을 검출하고, 제1 영상 센서(330)는 제1 파동(L1)에 기인한 제1 스펙클(LS1)을 검출하게 된다. 여기서, 제1 파동(L1)과 제2 파동(L2)은 하나의 파동원(100)으로부터 조사되는 파동(L)이 분할된 것으로서 주변 환경이 동일한 경우 동일한 파동 성질을 가질 수 있다. 따라서, 제1 파동(L1)의 파장이 변화하게 되면, 제2 파동(L2)의 파장 또한 변화하게 되므로, 본 발명은 제1 파동(L1) 성질의 변화 여부를 판단하고, 안정적인 상태에서만 제 2 파동을 활용하여 측정을 진행할 수 있다. 특히 본 발명은 스펙클을 활용한 박테리아 검출 센서에 있어서, 제1 파동(L1)이 안정적인 상태에서만 제2 스펙클(LS2)을 검출하여 정확한 측정이 가능해질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제어부(500)에서 제1 스펙클(LS1)에 기인하여 제2 영상 센서(430)의 동작을 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제어부(500)는 검출된 제1 스펙클(LS1)을 이용하여 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 획득된 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관관계에 기초하여 제2 영상 센서(430)의 동작을 제어할 수 있다. 좀 더 구체적으로, 제어부(500)는 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관관계에 기초하여 제1 파동(L1)의 성질 변화 여부를 판단하고, 제1 파동(L1) 성질의 변화 여부에 따라 제2 영상 센서(430)의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(500)는 제1 영상 센서(330)로부터 획득한 복수의 영상들을 이용하여 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관관계를 획득할 수 있는데, 이때, 제1 시점에서 획득한 제1 영상과 제2 시점에서 획득한 제2 영상은 스펙클 패턴 정보 및 파동의 세기 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예는 제1 시점에서의 제1 영상과 제2 시점에서의 제2 영상의 차이만을 이용하는 것이 아니며, 이를 확장하여 복수의 시점에서 검출된 복수의 레이저 스펙클의 영상정보를 이용할 수 있다.
제어부(500)는 사전에 설정된 복수의 시점마다 생성된 복수의 영상들을 이용하여 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 계수를 계산할 수 있다. 만약, 제1 파동(L1)이 변화가 없이 안정된 경우라면, 제1 스펙클 생성유닛(310)에 포함된 고정된 산란 매체(311)에 의해 생성되는 제1 스펙클(LS1)이 일정한 무늬를 가지므로, 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 계수는 일정한 제1 값을 가질 수 있다. 그러나, 제1 파동(L1)이 주변 환경에 의해 변화하여 불안정한 경우, 제1 스펙클(LS1)도 변화하게 되므로 시간 상관 계수는 상기 제1 값과 다른 제2 값으로 변화하게 된다. 제어부(500)는 이러한 시간 상관 계수의 변화를 이용하여 제1 파동(L1) 성질의 변화 여부를 판단할 수 있다.
일 실시예로서, 검출된 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 관계는 아래의 수학식 3을 이용하여 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112019050379536-pat00003
수학식 3에서
Figure 112019050379536-pat00004
은 시간 상관 관계 계수,
Figure 112019050379536-pat00005
은 표준화된 빛 세기, (x,y)는 카메라의 픽셀 좌표, t는 측정된 시간, T는 총 측정 시간,
Figure 112019050379536-pat00006
는 타임래그(time lag)를 나타낸다.
수학식 3에 따라 시간 상관 계수가 계산될 수 있으며, 일 실시예로서, 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 계수는 도 5와 같이 시간에 따른 그래프로 표현될 수 있다. 상기한 바와 같이, 제1 파동(L1)이 안정된 경우, 예를 들면, 제1 시간(t1)까지 의 그래프와 같이, 시간 상관 계수는 사전에 설정된 범위(P1 내지 P2)를 유지하게 된다. 이와 달리, 제1 파동(L1)이 불안정한 경우, 예를 들면, 제1 시간(t1) 내지 제4 시간(t4)의 그래프와 같이, 시간 상관 계수는 사전에 설정된 범위를 벗어날 수 있다.
제어부(500)는 시간 상관 계수가 사전에 설정된 범위에 해당하는 경우에만 제2 스펙클(LS2)을 검출하도록 제2 영상 센서(430)를 동작시킬 수 있다. 다시 말해, 제어부(500)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 계수가 사전에 설정된 범위(P1 내지 P2)를 벗어난 제1 시간(t1) 내지 제4 시간(t4) 동안 제2 영상 센서(430)가 동작하지 않도록 제어할 수 있다. 한편, 시간 상관 계수는 제1 파동(L1)이 불안정한 상태에 있을 때, 도 5의 제2 시간(t2) 내지 제3 시간(t3)과 같이 사전에 설정된 범위 내에 포함될 수도 있다.
이렇게 일시적으로 시간 상관 계수가 사전에 설정된 범위에 포함되더라도 실제로는 제1 파동(L1)이 불안정한 경우에 해당하므로, 이 경우에 제어부(500)는 제2 영상 센서(430)를 동작시키지 않도록 시간 상관 계수가 일정 시간 내에 사전에 설정된 범위를 벗어나는 비율로 계산하여 제1 파동(L1) 성질의 변화 여부를 판단할 수도 있다.
다른 실시예로서, 제어부(500)는 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 관계 계수를 계산하고, 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 관계 계수를 이용하여 제2 영상 센서(430)에서의 검출 신호를 보정(calibration)할 수 있다. 예를 들면, 제어부(500)는 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 관계 계수를 계산하고, 제2 영상 센서(430)로부터 제공되는 검출 신호에서 상기한 시간 상관 관계 계수를 빼거나, 나누는 등의 수학식 수식을 통해 검출 신호를 보정할 수 있다. 제어부(500)는 보정된 검출 신호, 즉 보정된 제2 스펙클(LS2)을 이용하여 보다 정확하게 미생물을 검출할 수 있다.
제어부(500)는 제2 영상 센서(430)로부터 검출된 제2 스펙클(LS2)을 이용하여 검출된 제2 스펙클(LS2)의 시간 상관관계를 획득하고, 획득된 제2 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 시료(sample) 내의 미생물 존재여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다.
제2 스펙클(LS2)의 시간 상관 관계를 이용하여 미생물의 존재여부 또는 농도를 추정하는 원리 또한, 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 관계를 이용하여 제1 파동(L1) 성질 변화 여부를 판단하는 원리와 동일할 수 있다.
구체적으로, 수학식 3에 따라 제2 스펙클(LS2)의 시간 상관 관계 계수가 계산될 수 있으며, 일 실시예로서, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 기준값 이하로 떨어지는 분석을 통해 미생물의 존재여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다. 구체적으로, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 오차 범위를 넘어 기준값 이하로 떨어지는 것으로 미생물이 존재한다고 추정할 수 있다. 또한, 미생물의 농도가 증가할수록 시간 상관 관계 계수가 기준값 이하로 떨어지는 시간이 짧아지므로, 이를 이용하여 시간 상관 관계 계수를 나타내는 그래프의 기울기 값을 통해 미생물의 농도를 추정할 수 있다. 기준값은 미생물의 종류에 따라 달라질 수 있다.
도 6은 다른 실시형태의 광학 측정 장치(2)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 광학 측정 장치(2)는 파동원(100), 제1 광학 유닛(200), 제1 스펙클 생성유닛(310), 제2 스펙클 생성유닛(410), 제1 영상 센서(330), 제2 영상 센서(430) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 광학 측정 장치(2)의 제1 스펙클 생성유닛(310)은 제2 스펙클 생성유닛(410)과 일체(一體)로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제2 스펙클 생성유닛(410)은 측정하고자 하는 시료를 수용하는 수용용기일 수 있으며, 제1 스펙클 생성유닛(310)은 상기한 수용용기의 일측에 구비될 수 있다. 예를 들면, 제1 스펙클 생성유닛(310)은 고정된 산란 매체(static scattering medium)를 포함하는 일정한 형상의 용기로 형성되어, 상기 제2 스펙클 생성유닛(310)의 일측에 장착될 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 실시형태로서, 제1 스펙클 생성유닛(410)은 제2 스펙클 생성유닛(310)의 일측에 고정된 산란매체를 코팅하는 것에 의해 형성될 수도 있다.
광학 측정 장치(2)는 제1 스펙클 생성유닛(310)과 제2 스펙클 생성유닛(410)이 일체로 형성되기 때문에, 제1 스펙클 생성유닛(310)을 통해 측정되는 제1 스펙클(LS1)은 일체로 형성된 제2 스펙클 생성유닛(410)의 기계적인 진동에 대한 정보까지 포함할 수 있다. 따라서, 광학 측정 장치(2)는 제1 스펙클(LS1)에 의한 기준 신호를 통해 제2 스펙클 생성유닛(410)의 기계적 진동에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 측정 장치(3)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 측정 장치(3)는 파동원(100), 제1 광학 유닛(200), 제1 스펙클 생성유닛(310), 제2 스펙클 생성유닛(410), 영상 센서(30) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 측정 장치(3)는 제1 셔터(350) 및 제2 셔터(450)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 측정 장치(3)는 제2 셔터(450)를 이용하여 제2 스펙클(LS2)의 검출을 제어한다는 점을 제외하고, 일 실시예에 따른 광학 측정 장치(1)와 나머지 구성요소들이 동일한바, 설명의 편의를 위해 동일한 도면 부호를 부여하고 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
파동원(100)은 파동(L)을 생성할 수 있다. 파동원(100)은 파동(wave, L)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다.
제1 광학유닛(200)은 파동원(100)에서 생성된 파동(L)을 제1 파동(L1)과 제2 파동(L2)으로 분할하는 기능을 수행하도록, 하나 이상의 광학소자를 구비할 수 있다. 일 실시예로서, 도면에 도시된 바와 같이, 광학유닛(200)은 입사되는 파동(L)을 서로 다른 경로로 제1 파동(L1)과 제2 파동(L2)을 분할하는 빔 스플리터(beam splitter)를 포함할 수 있다.
제1 광학유닛(200)으로부터 제공된 제1 파동(L1)은 제1 미러(320)를 통해 제1 스펙클 생성유닛(310)으로 경로가 변경될 수 있다. 또한, 제1 광학유닛(200)으로부터 제공된 제2 파동(L2)은 제2 미러(420)를 통해 제2 스펙클 생성유닛(410)으로 경로가 변경될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 광경로를 변경할 수 있는 어떠한 수단이든 사용할 수 있음은 물론이다.
제1 스펙클 생성유닛(310)은 제1 파동(L1)의 경로 상에 배치될 수 있다. 제1 스펙클 생성유닛(310)은 고정된 산란 매체(static scattering medium, 311)를 포함하여 제1 파동(L1)이 입사되면 산란시켜 제1 스펙클(LS1)을 생성할 수 있다.
제2 스펙클 생성유닛(410)은 제2 파동(L2)의 경로 상에 배치될 수 있다. 제2 스펙클 생성유닛(410)은 측정하고자 하는 시료(sample)를 포함하여 입사되는 제2 파동(L2)을 산란시켜 제2 스펙클(LS2)을 생성할 수 있다.
영상 센서(30)는 제1 스펙클 생성유닛(310)으로부터 생성된 제1 스펙클(LS1) 또는 제2 스펙클 생성유닛(410)으로부터 생성된 제2 스펙클(LS2)을 시계열 순으로 검출할 수 있다. 영상 센서(30)는 일 실시예에 따른 광학 측정 장치(1)와 마찬가지로 독립적으로 구동되는 구성으로 구비될 수 있으나, 하나를 이용하여 제1 스펙클(LS1) 또는 제2 스펙클(LS2)을 검출할 수 있다. 이를 위해, 다른 실시예에 따른 광학 측정 장치(2)는 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 스펙클(LS1) 및 제2 스펙클(LS2)의 경로를 변경하여 영상 센서(30)로 제공하는 제2 광학 유닛(210)을 더 포함할 수 있다.
한편, 제2 셔터(450)는 제1 광학유닛(200)과 제2 스펙클 생성유닛(410) 사이에 배치되어, 제어부(500)의 제어에 의해 동작할 수 있다.
제어부(500)는 영상 센서(30)에 의해 검출된 제1 스펙클(LS1)을 이용하여 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관관계를 획득하고, 획득된 제1 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 제2 셔터(450)의 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(500)는 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 관계 계수를 계산하고, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 범위에 해당하는 경우에만 제2 스펙클(LS2)을 검출하도록 제2 셔터(450)를 개방할 수 있다. 즉, 제어부(500)는 제1 파동(L1)이 안정적이라고 판단한 경우에만 제2 셔터(450)를 개방하여 제2 스펙클(LS2)을 검출할 수 있다.
이때, 광학 측정 장치(2)는 제1 광학 유닛(200)과 제1 스펙클 생성유닛(310) 사이에 배치되는 제1 셔터(350)를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따른 광학 측정 장치(2)는 하나의 영상 센서(30)를 이용하여 제1 스펙클(LS1) 또는 제2 스펙클(LS2)을 검출하기 때문에, 제어부(500)는 영상 센서(30)가 제2 스펙클(LS2)을 검출하는 동안에는 제1 스펙클(LS1)이 검출되지 않도록 제1 셔터(350)가 폐쇄시킬 수 있다.
제어부(500)는 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관 계수를 계산하고, 이를 이용하여 제2 셔터(450)를 개방하여 일정 시간 동안 제2 스펙클(LS2)을 검출한 후, 다시 제2 셔터(450)를 폐쇄하고 제1 셔터(350)를 개방시켜 제1 파동(L1)의 변화 여부를 주기적으로 모니터링할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 광학 측정 장치를 이용하여 측정 시료 내 생균 존재 여부를 확인하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치는 제1 스펙클 생성유닛(310')에 대조군 시료를 배치시키고, 제2 스펙클 생성유닛(410')에 측정군 시료를 배치시켜, 검출되는 스펙클 정보를 이용하여 시료 내의 생균 존재 여부 또는 생균과 사균의 비율을 도출할 수 있다.
구체적으로, 제1 스펙클 생성유닛(310')은 대조군 시료를 포함할 수 있다. 여기서, 대조군 시료는 측정하고자 하는 시료를 인산완충용액(PBS)에 투입하여 준비된 시료일 수 있다. 대조군 시료는 제1 농도를 갖는 미생물을 포함할 수 있으며, 인산완충용액(PBS)에 투입되었기 때문에, 시간이 지나도 미생물 내의 생균 및 사균 모두 성장하지 않게 된다.
제2 스펙클 생성유닛(410')은 측정군 시료 및 배지를 포함할 수 있다. 여기서 배지는 미생물 배양을 위한 배양물질을 포함할 수 있으며, 배양물질은 확인하고자 하는 미생물의 종류에 대응되어, 해당 미생물을 효과적으로 배양시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다.
배양에 사용되는 배양물질을 포함하는 배지는 특정한 미생물의 요구조건을 적절하게 만족시켜야 한다. 다양한 미생물 배양 배지들은 예를 들어 문헌 ("Manual of Methods for General Bacteriology" by the American Society for Bacteriology, Washington D.C., USA, 1981.)에 기재되어 있다. 이들 배지는 다양한 탄소원, 질소원 및 미량원소 성분들을 포함한다. 탄소원은 포도당, 유당, 자당, 과당, 맥아당, 전분 및 섬유소와 같은 탄수화물; 대두유, 해바라기 오일, 피마자유(castor oil) 및 코코넛 오일(coconut oil)과 같은 지방; 팔미트산, 스테아르산(stearic acid) 및 리놀레산(linoleic acid)과 같은 지방산; 글리세롤 및 에탄올과 같은 알코올과 아세트산과 같은 유기산을 포함할 수 있으며, 이들 탄소원은 단독으로 또는 조합되어 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 질소원으로는 펩톤(peptone), 효모추출액(yeast extract), 육즙(gravy), 맥아추출액(malt extract), 옥수수침출액(corn steep liquor (CSL)) 및 콩가루(bean flour)와 같은 유기 질소원 및 요소, 암모늄 설페이트, 암모늄 클로라이드, 암모늄 포스페이트, 암모늄 카보네이트 및 암모늄 니트레이트와 같은 무기 질소원을 포함할 수 있으며, 이들 질소원은 단독으로 또는 조합되어 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 배지에는 인산원으로서 추가적으로 포타슘 디히드로겐 포스페이트(potassium dihydrogen phosphate), 포타슘 디히드로겐 포스페이트(dipotassium hydrogen phosphate) 및 상응하는 소듐 포함 염(sodium-containing salts)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한 배지는 마그네슘 설페이트(magnesium sulfate) 또는 황산철(iron sulfate)와 같은 금속을 포함할 수 있고, 아미노산, 비타민 및 적합한 전구체 등이 첨가될 수 있다.
일 실시예로서, 측정군 시료는 대조군 시료와 동일한 시료이며, 대조군 시료와 동일한 농도를 갖는 시료일 수 있다. 이때, 측정군 시료는 배양물질을 포함하는 배지에 투입되므로, 시간이 지나면 배양물질로 인해 생균의 개체수가 증가할 수 있다. 다시 말해, 시간이 흐름에 따라, 대조군 시료는 인산완충용액에 투입되므로 생균 및 사균의 개체수가 일정하게 유지되는 반면, 측정군 시료는 배지에 투입되어 생균의 개체수가 증가하므로 대조군 시료의 농도보다 더 커지게 된다.
제어부(500)는 제1 스펙클 생성유닛(310') 및 제2 스펙클 생성유닛(410')으로부터 검출된 제1 스펙클(LS1) 및 제2 스펙클(LS2)을 이용하여 대조군 시료의 제1 농도 및 측정 시료의 제2 농도를 추정하고, 제1 농도와 제2 농도를 이용하여 측정군 시료 내의 생균 존재 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로 제어부(500)는 검출된 제1 스펙클(LS1)을 이용하여 제1 스펙클(LS1)의 시간 상관관계를 획득한 후 제1 스펙클의 시간상관관계를 이용하여 대조군 시료의 제1 농도를 추정할 수 있다. 또한, 제어부(500)는 검출된 제2 스펙클(LS2)을 이용하여 제2 스펙클(LS2)의 시간 상관관계를 획득한 후 제2 스펙클의 시간 상관관계를 이용하여 측정 시료의 제2 농도를 추정할 수 있다. 제어부(500)는 이렇게 추정된 제1 농도와 제2 농도를 비교하여 측정군 시료 내의 생균 존재 여부를 판단할 수 있다.
한편, 다른 실시예로서, 측정군 시료는 대조군 시료를 m배로 희석한 시료일 수 있다. 다시 말해, 측정군 시료는 최초 투입될 당시 대조군 시료의 1/m 농도를 가질 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 대조군 시료는 인산완충용액에 포함되어 있어, 일정 시간이 흘러도 대조군 시료의 생균(b) 및 사균(a)의 개체수는 변함이 없다. 그러나, 배지에 포함된 측정군 시료는 도 8b에 도시된 바와 같이, 일정 시간이 흐르게 되면 측정군 시료의 사균(a)의 개체수는 변함이 없으나 생균(b)의 개체수는 증가하게 된다.
제어부(500)는 연속적으로 검출된 제1 스펙클(LS1)을 이용하여 대조군 시료의 제1 농도를 추정하고, 검출된 제2 스펙클(LS2)을 이용하여 측정군 시료의 제2 농도를 추정하다가, 제2 농도가 제1 농도와 동일해지는 성장시간(t)을 획득할 수 있다. 제어부(500)는 상기 성장시간(t)을 이용하여 측정군 시료 내의 생균(b)과 사균(a)의 비율을 도출할 수 있다.
다시 말해, 도 8a와 같이 대조군 시료 내에 생균(b)과 사균(a)이 제1 농도로 존재하는 경우, 이를 m배로 희석한 측정군 시료 내에는 생균(b)과 사균(a)이 1/m의 농도로 존재하게 되고, 이후 성장시간(t)이 지난 후에는 하기의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112019050379536-pat00007
여기서, α는 해당 미생물의 성장률(growth rate)이며 사전에 알고 있는 값일 수 있다.
제어부(500)는 대조군 시료의 제1 농도와 측정군 시료의 제2 농도가 같아지는 성장시간(t)을 획득할 수 있으므로, 하기와 같은 수학식 5의 과정을 통해 생균(b)과 사균(a)의 비율(b/a)이 도출될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112019050379536-pat00008
Figure 112019050379536-pat00009
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 광학 측정 장치는 파동원으로부터 생성된 파동을 분할하고 분할된 제1 파동을 고정된 산란 매체에 조사하여 기준 신호인 제1 스펙클을 생성한 후, 제1 스펙클의 시간 상관관계를 계산함으로써, 제1 파동 성질의 변화 여부를 정확하게 판단할 수 있다. 이를 이용하여 광학 측정 장치는 주변 환경에 의한 노이즈를 확인하고 이를 보정할 수 있어, 측정하고자 하는 시료 내의 미생물을 보다 정확하게 검출할 수 있다. 또한, 광학 측정 장치는 대조군 시료와 측정군 시료의 농도 비교를 통해, 생균의 존재여부 또는 시료 내 생균과 사균의 비율을 도출할 수 있는 장점을 갖는다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 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 한다.
1,2: 광학 측정 장치
100: 파동원
200: 광학유닛
300: 제1 스펙클 생성부
310: 제1 스펙클 생성유닛
311: 산란매체
330: 제1 영상 센서
350: 제1 셔터
400: 제2 스펙클 생성부
410: 제2 스펙클 생성유닛
420: 제2 미러
430: 제2 영상 센서
450: 제2 셔터
500: 제어부

Claims (18)

  1. 파동원;
    상기 파동원에서 생성된 파동을 제1 경로 또는 제2 경로로 전달하는 광학유닛;
    상기 제1 경로 상에 배치되며, 고정된 산란 매체(static scattering medium)를 포함하여 상기 제1 경로를 따라 입사되는 제1 파동을 산란시켜 제1 스펙클을 생성하는 제1 스펙클 생성유닛;
    상기 제1 스펙클을 시계열 순으로 검출하는 제1 영상 센서;
    상기 제2 경로 상에 배치되며, 측정하고자 하는 시료를 포함하는 시료 수용 유닛;
    상기 시료에서 발생되는 광학적 신호를 시계열 순으로 검출하는 제2 영상 센서; 및
    상기 검출된 제1 스펙클을 이용하여 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 제1 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 제2 영상 센서의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 제1 파동 성질의 변화 여부를 판단하고, 상기 제1 파동 성질의 변화 여부에 따라 상기 제2 영상 센서의 동작을 제어하는 광학 측정 장치
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 시료 수용 유닛은 상기 제2 경로를 따라 입사되는 제2 파동을 산란시켜 제2 스펙클을 생성하는 제2 스펙클 생성유닛을 포함하는 광학 측정 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출된 제2 스펙클을 이용하여 상기 검출된 제2 스펙클의 시간 상관관계를 획득하고, 상기 획득된 제2 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 시료 내의 미생물 존재여부 또는 상기 미생물의 농도를 추정하는, 광학 측정 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 스펙클의 시간 상관 계수를 계산하고, 상기 제1 스펙클의 시간 상관 계수가 사전에 설정된 범위에 해당하는 경우에만 상기 제2 영상 센서를 동작시키는, 광학 측정 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 스펙클의 시간 상관 계수를 계산하고, 상기 제1 스펙클의 시간 상관 계수를 이용하여 상기 제2 영상 센서에서의 검출 신호를 보정(calibration)하는, 광학 측정 장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 스펙클 생성유닛과 상기 제2 스펙클 생성유닛은 일체로 형성되는, 광학 측정 장치.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 스펙클 생성유닛은 상기 시료 내에서의 상기 제2 파동의 다중 산란 횟수를 증폭시키기 위해 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함하는 다중산란증폭부를 더 구비하는, 광학 측정 장치.
  9. 파동원;
    상기 파동원에서 생성된 파동을 제1 경로 또는 제2 경로로 전달하는 제1 광학유닛;
    상기 제1 경로 상에 배치되며, 고정된 산란 매체(static scattering medium)를 포함하여 상기 제1 경로를 따라 입사되는 제1 파동을 산란시켜 제1 스펙클을 생성하는 제1 스펙클 생성유닛;
    상기 제2 경로 상에 배치되며, 측정하고자 하는 시료를 포함하여 상기 제2 경로를 따라 입사되는 제2 파동을 산란시켜 제2 스펙클을 생성하는 제2 스펙클 생성유닛;
    상기 제1 광학유닛과 상기 제2 스펙클 생성유닛 사이에 배치되는 제2 셔터;
    상기 제1 스펙클 또는 상기 제2 스펙클을 시계열 순으로 검출하는 영상 센서; 및
    상기 영상 센서에 의해 상기 검출된 제1 스펙클을 이용하여 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계(temporal correation)를 획득하고, 상기 획득된 제1 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 제2 셔터의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는, 광학 측정 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출된 제2 스펙클을 이용하여 상기 검출된 제2 스펙클의 시간 상관관계를 획득하고, 상기 획득된 제2 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 시료 내의 미생물 존재여부 또는 상기 미생물의 농도를 추정하는, 광학 측정 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 제1 파동 성질의 변화 여부를 판단하고, 상기 제1 파동 성질의 변화 여부에 따라 상기 제2 셔터의 동작을 제어하는, 광학 측정 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 스펙클의 시간 상관 계수를 계산하고, 상기 시간 상관 계수가 사전에 설정된 범위에 해당하는 경우에만 상기 제2 스펙클을 검출하도록 상기 제2 셔터를 개방시키는, 광학 측정 장치
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 광학유닛과 상기 제1 스펙클 생성유닛 사이에 배치되는 제1 셔터;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제2 셔터가 개방되는 동안 상기 제1 셔터가 폐쇄되도록 상기 제1 셔터를 제어하는, 광학 측정 장치.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 스펙클 생성유닛은 상기 시료 내에서의 상기 제2 파동의 다중 산란 횟수를 증폭시키기 위해 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함하는 다중산란증폭부를 더 구비하는, 광학 측정 장치.
  15. 파동원;
    상기 파동원에서 생성된 파동을 제1 경로 또는 제2 경로로 전달하는 광학유닛;
    상기 제1 경로 상에 배치되며, 대조군 시료를 포함하여 상기 제1 경로를 따라 입사되는 제1 파동을 산란시켜 제1 스펙클을 생성하는 제1 스펙클 생성유닛;
    상기 제1 스펙클을 시계열 순으로 검출하는 제1 영상 센서;
    상기 제2 경로 상에 배치되며, 측정군 시료 및 배지를 포함하여 상기 제2 경로를 따라 입사되는 제2 파동을 산란시켜 제2 스펙클을 생성하는 제2 스펙클 생성유닛;
    상기 제2 스펙클을 시계열 순으로 검출하는 제2 영상 센서; 및
    상기 검출된 제1 스펙클 및 상기 검출된 제2 스펙클을 이용하여 상기 대조군 시료의 제1 농도 및 상기 측정군 시료의 제2 농도를 추정하고, 상기 제1 농도와 상기 제2 농도를 이용하여 상기 측정군 시료 내 생균 존재 여부를 판단하는 제어부;를 포함하는, 광학 측정 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출된 제1 스펙클을 이용하여 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득한 후 상기 제1 스펙클의 시간 상관관계를 이용하여 상기 대조군 시료의 제1 농도를 추정하고, 상기 검출된 제2 스펙클을 이용하여 상기 제2 스펙클의 시간 상관관계를 획득한 후 상기 제2 스펙클의 시간 상관관계를 이용하여 상기 측정군 시료의 제2 농도를 추정하는, 광학 측정 장치.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 측정군 시료는 상기 대조군 시료를 m배로 희석한 시료이며,
    상기 제어부는, 상기 제2 농도가 상기 제1 농도와 동일해지는 성장시간을 획득한 후, 상기 성장시간을 이용하여 상기 측정군 시료 내의 생균과 사균의 비율을 도출하는, 광학 측정 장치.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 스펙클 생성유닛은 상기 시료 내에서의 상기 제2 파동의 다중 산란 횟수를 증폭시키기 위해 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함하는 다중산란증폭부를 더 구비하는, 광학 측정 장치.
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