KR102488298B1 - 파장 선택 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파장 선택 필터에 관한 것으로, 더 상세하게는 원통형 케이싱 내부에 투과형 회절격자를 구비하고, 투입광섬유-투과형 회절격자-출력광섬유 간 각도를 조절할 수 있도록 구성함으로써, 파장 선택 필터의 크기를 최소화할 수 있는 파장 선택 필터에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 내부에 소정의 공간이 구비되고, 어느 한 밑면이 개방된 원통형으로 형성되는 제1케이싱; 상기 제1케이싱과 결합되되, ① 제1케이싱의 외경보다 큰 내경을 가지거나 제1케이싱의 내경보다 작은 외경을 가지고, ② 어느 한 밑면이 개방된 원통형으로 형성되어, 제1케이싱의 외측 또는 내측에서 결합되도록 구비되는 제2케이싱; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱에 결합되는 커넥터; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱의 옆면 일측에 커넥터가 결합되도록 형성되되 결합부위를 통해 내외부간 빛의 이동이 가능하도록 형성되는 광섬유결합부; 상기 커넥터에 연결되며 빛의 이동 경로를 제공하는 광섬유 및; 상기 제1케이싱 또는 제2케이싱의 내부에 구비되어, 광섬유를 통해 투입된 빛을 회절시키는 투과형 회절격자를 포함하고; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱에 연결된 커넥터가 슬롯 내부에 위치되며, 제1케이싱과 제2케이싱이 결합되도록, 제1케이싱 및 제2케이싱의 옆면 타측에는 소정의 길이 및 커넥터의 외경 이상의 폭을 가지는 슬롯이 형성되어; 상기 제1케이싱에 연결된 광섬유(투입광섬유)로부터 빛을 투입받아 투과형 회절격자에서 회절시키고, 제1케이싱 및 제2케이싱 사이의 결합각도를 조절함으로써 회절된 빛 성분 중 특정한 빛 성분을 제2케이싱에 연결된 광섬유(출력광섬유)를 통해 출력하는, 파장 선택 필터를 제공한다.

Description

파장 선택 필터{Wavelength selection filter}
본 발명은 파장 선택 필터에 관한 것으로, 더 상세하게는 원통형 케이싱 내부에 투과형 회절격자를 구비하고, 투입광섬유-투과형 회절격자-출력광섬유 간 각도를 조절할 수 있도록 구성함으로써, 파장 선택 필터의 크기를 최소화할 수 있는 파장 선택 필터에 관한 것이다.
최근 전염성이 매우 강한 코로나 바이러스로 인해 전 세계적으로 위기를 겪고 있다. 이로 인해 바이러스의 감염 여부를 진단할 수 있는 진단기기들이 많이 개발 되었으며, 이러한 진단기기에 사용되는 분석 방법 중 많이 사용되고 있는 것은 Lateral Flow Test를 이용한 면역 크로마토그래피 분석방법이다.
상기 분석방법은 항원 항체 반응을 이용해서 바이러스를 진단하는 기기로, 비싼 장치들 없이도 원하는 분석물질의 존재여부를 빠른 시간 내에 알 수 있기 때문에 현장 진단기기에 많이 응용되고 있는 분석 방법이다.
Lateral flow test는 Fluorescence Immunoassay를 이용하는데, Covid-19 항원이 포함되어 있는 샘플을 기기에 넣어주면 항원이 이동하게 되고, Pad에 붙어있는 형광물질로 표지된 항체와 결합하게 되고, 여기에 형광을 내보낼 수 있는 정도의 에너지를 가진 파장의 빛을 투사하게 되면 항원의 양에 비례하여 형광이 나오게 되며, 이를 이용하여 항원을 정량적으로 검출할 수 있게 된다.
상기와 같은 진단기기/방법의 항원에 대한 정확한 신호 검출을 위해서 단색광을 가변적으로 관측할 수 있는 장치가 필요하다. 이를 위하여, 국내등록특허 제10-1884118호, 제10-1039627호 및 제10-0885537호가 개시되어 있다. 상기 특허문헌에 개시된 분광기들은, 분광을 위해 복수개의 거울과 조절장치 등을 구비해야 하며, 상기 거울 및 장치를 암실 내에 구비해야 하므로 장치의 크기가 매우 커지고, 광 경로가 복잡해져 장치 설계가 난해해지는 한계점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광 경로를 단순화하면서도 회절된 빛을 선택적으로 출력시킬 수 있는 초소형 파장 선택 필터를 제공하는 것이다.
본 발명은 종래 파장 선택 필터의 문제점을 해결하기 위해, 내부에 소정의 공간이 구비되고, 어느 한 밑면이 개방된 원통형으로 형성되는 제1케이싱; 상기 제1케이싱과 결합되되, ① 제1케이싱의 외경보다 큰 내경을 가지거나 제1케이싱의 내경보다 작은 외경을 가지고, ② 어느 한 밑면이 개방된 원통형으로 형성되어, 제1케이싱의 외측 또는 내측에서 결합되도록 구비되는 제2케이싱; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱에 결합되는 커넥터; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱의 옆면 일측에 커넥터가 결합되도록 형성되되, 결합부위를 통해 내외부간 빛의 이동이 가능하도록 형성되는 광섬유결합부; 상기 커넥터에 연결되며 빛의 이동 경로를 제공하는 광섬유 및; 상기 제1케이싱 또는 제2케이싱의 내부에 구비되어, 광섬유를 통해 투입된 빛을 회절시키는 투과형 회절격자를 포함하고; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱에 연결된 커넥터가 슬롯 내부에 위치되며, 제1케이싱과 제2케이싱이 결합되도록, 제1케이싱 및 제2케이싱의 옆면 타측에는 소정의 길이 및 커넥터의 외경 이상의 폭을 가지는 슬롯이 형성되어; 상기 제1케이싱에 연결된 광섬유(투입광섬유)로부터 빛을 투입받아 투과형 회절격자에서 회절시키고, 제1케이싱 및 제2케이싱 사이의 결합각도를 조절함으로써 회절된 빛 성분 중 특정한 빛 성분을 제2케이싱에 연결된 광섬유(출력광섬유)를 통해 출력하는, 파장 선택 필터를 제공한다.
또한, 상기 슬롯의 길이(호의 길이)는, 제1케이싱 및 제2케이싱의 원형단면 중심점을 기준으로 31도 미만의 각도에 따른 길이로 형성되고, 상기 제1케이싱 또는 제2케이싱의 개방되지 않은 밑면에는, 밑면으로부터 돌출되어 외부로부터 힘을 전달받을 수 있도록 구비되는 동력전달부가 구비되도록 구성할 수 있다.
그리고, 상기 동력전달부에 연결되어, 제1케이싱 또는 제2케이싱에 회전력을 전달하는 종동축; 상기 종동축과 연결되는 원동축; 상기 원동축을 회전시키는 모터; 상기 종동축 및 원동축 사이에서, 종동축 및 원동축 간 동력전달비를 변경하여 모터의 회전수에 대해 종동축의 회전수가 작아지도록 기능하는 동력변환부 및; 상기 제2케이싱 또는 제1케이싱을 고정시키는 고정부를 포함하여; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱 사이의 결합각도를 모터를 통해 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 스펙트럼 중 출력할 파장 영역대를 조절(변경)할 수 있으므로(파장을 가변적으로 검출), 530nm 파장대 이외의 다른 파장 영역대에서도 신호를 검출할 수 있다.
또한, 두 개의 원통형 케이싱을 겹쳐 구성함으로써, 광섬유를 회전(각도 조절)시키면서도 케이싱 내에 암막 유지(암실 형성)가 가능하다. 암실로 인해 외부 신호에 따른 노이즈를 최소화하여, 신호 대 잡음비를 개선시킬 수 있다.
그리고, 파장 검출 장치의 크기를 소형화하여, 종래 장치에 비해 매우 작은 크기의 진단기기를 구성할 수 있다.
도 1 (a) 는 광원의 이동경로를 나타낸 모식도, 도 1 (b) 는 입사각에 따른 광섬유 회전가능 각도 그래프이다.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 의한 파장 선택 필터의 개요도이다.
도 3 는 본 발명의 실시 예에 의한 파장 선택 필터의 분해사시도이다.
본 발명의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
최근 Covid-19 Detection과 관련된 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 진단기기에 사용되는 LOC(Lab on a chip) 기술이 중요하게 다루어지고 있다.
가로 세로 약 1cm 정도의 칩(Lateral flow test를 이용한 Lab on a chip으로 구성됨)에 혈액 한 방울을 흘려주고, 칩 속의 나노기둥과 결합된 DNA dye와 Covid 유전자가 붙게 된 상태에서 형광 에너지를 방출할 수 있을 정도의 에너지를 주기 위해 칩 아래에 특정 파장의 LED를 비춰주면 DNA Dye의 형광 신호를 방출하게 되는데, 이 형광 신호가 나타나는 파장대는 약 530nm로, 이러한 신호들을 구분하기 위해 특정 파장 범위만을 투과하는 광학 기기가 필요하다.
일반적으로 사용하는 해결방법은 필터를 사용하는 것으로, 필터의 종류에는 노치 필터(Notch Filter)와 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)가 있다. 노치 필터는 특정한 파장만 통과시키지 않는 필터 방식이며, 밴드 패스 필터는 특정한 파장영역만 통과 시키는 필터 방식이다.
필터를 사용하기 위해서는 필터 셋(Filter set)이 필요한데, 필터를 여러 개를 사용하기 때문에 장치의 부피가 커진다는 단점과 특정한 파장(Wave length)에서 세기(Intensity)만 알 수 있다는 단점이 있다. 즉, 노치 필터나 밴드 패스 필터를 사용할 경우 스펙트럼(Spectrum)의 모양은 알 수 없기 때문에 얻어낸 신호가 진짜 신호인지(원하는 신호인지) 판단할 수 없다.
본 발명의 실시 예에 따른 파장 선택 필터(투과형 회절격자를 이용하는)를 사용할 경우에는, 단순한 파장의 세기(Intensity)가 아닌 스펙트럼의 모양을 볼 수 있기 때문에, 얻은 신호가 진짜 신호인지(원하는 신호인지) 확인할 수 있다.
투과형 회절격자와 함께 신호를 CCD로 이동시키기 위해 광섬유를 이용하면, Slit의 역할을 수행할 뿐만 아니라 광섬유가 가진 장점인 신호의 손실이 매우 적다는 점을 활용할 수 있다.
본 발명은 종래 파장 선택 필터의 문제점을 해결하기 위해, 내부에 소정의 공간이 구비되고, 어느 한 밑면이 개방된 원통형으로 형성되는 제1케이싱; 상기 제1케이싱과 결합되되, ① 제1케이싱의 외경보다 큰 내경을 가지거나 제1케이싱의 내경보다 작은 외경을 가지고, ② 어느 한 밑면이 개방된 원통형으로 형성되어, 제1케이싱의 외측 또는 내측에서 결합되도록 구비되는 제2케이싱; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱에 결합되는 커넥터; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱의 옆면 일측에 커넥터가 결합되도록 형성되되, 결합부위를 통해 내외부간 빛의 이동이 가능하도록 형성되는 광섬유결합부; 상기 커넥터에 연결되며 빛의 이동 경로를 제공하는 광섬유 및; 상기 제1케이싱 또는 제2케이싱의 내부에 구비되어, 광섬유를 통해 투입된 빛을 회절시키는 투과형 회절격자를 포함하고; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱에 연결된 커넥터가 슬롯 내부에 위치되며, 제1케이싱과 제2케이싱이 결합되도록, 제1케이싱 및 제2케이싱의 옆면 타측에는 소정의 길이 및 커넥터의 외경 이상의 폭을 가지는 슬롯이 형성되어; 상기 제1케이싱에 연결된 광섬유(투입광섬유)로부터 빛을 투입받아 투과형 회절격자에서 회절시키고, 제1케이싱 및 제2케이싱 사이의 결합각도를 조절함으로써 회절된 빛 성분 중 특정한 빛 성분을 제2케이싱에 연결된 광섬유(출력광섬유)를 통해 출력하는, 파장 선택 필터를 제공한다.
또한, 상기 슬롯의 길이(호의 길이)는, 제1케이싱 및 제2케이싱의 원형단면 중심점을 기준으로 31도 미만의 각도에 따른 길이로 형성되고, 상기 제1케이싱 또는 제2케이싱의 개방되지 않은 밑면에는, 밑면으로부터 돌출되어 외부로부터 힘을 전달받을 수 있도록 구비되는 동력전달부가 구비되도록 구성할 수 있다.
그리고, 상기 동력전달부에 연결되어, 제1케이싱 또는 제2케이싱에 회전력을 전달하는 종동축; 상기 종동축과 연결되는 원동축; 상기 원동축을 회전시키는 모터; 상기 종동축 및 원동축 사이에서, 종동축 및 원동축 간 동력전달비를 변경하여 모터의 회전수에 대해 종동축의 회전수가 작아지도록 기능하는 동력변환부 및; 상기 제2케이싱 또는 제1케이싱을 고정시키는 고정부를 포함하여; 상기 제1케이싱 및 제2케이싱 사이의 결합각도를 모터를 통해 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 동력전달부에 관한 기재는, 종동축이 제1케이싱에 회전력을 전달하도록 구성되는 경우에는 고정부가 제2케이싱을 고정시키도록 구성되고, 종동축이 제2케이싱에 회전력을 전달하도록 구성되는 경우에는 고정부가 제1케이싱을 고정시키도록 구성되는 것을 의미할 수 있다.
도 1 (a)에는 광원의 이동경로를 나타낸 모식도가, 도 1 (b)에는 입사각에 따른 광섬유 회전가능 각도 그래프가 도시되어 있다.
투과형 회절격자의 입사각과 파장에 따른 관계식(수학식 1)에 따라 투과형 회절격자를 배치할 수 있다.
Figure 112020087989625-pat00001
a : 격자 상수로 이웃하는 격자 사이의 간격
λ : 회절된 빛의 파장
Θi : 격자에 수직한 방향으로부터 측정한 입사각
m : 간섭 무늬의 차수
Θm : 격자에 수직한 방향으로부터 측정한 회절된 빛의 방향
600 groove/mm의 투과형 회절격자에서, 입사되는 빛의 입사각(Θi)이 33도일 때 광섬유가 회전 가능한(각도의 조절이 가능한) 최대의 각도범위(ΔΘm)를 가지므로, 투입광섬유로부터 투과경 회절격자로 향하는 빛의 입사각은 27도 내지 34도 범위 내의 각도로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 300 groove/mm의 투과형 회절격자에서는, 입사되는 빛의 입사각(Θi)이 51도일 때 최대의 각도범위(ΔΘm)가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 600 groove/mm의 투과형 회절격자를 사용하였고, 원의 반경(R)이 25mm가 되도록 설계하였으며, 이에 따른 회전 가능한 호의 길이(ΔL = 2ΠR * ΘiΔΘm/360)를 계산할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 실시 예에 의한 파장 선택 필터의 개요도가 도시되어 있다.
커넥터(SMA Connector)에 구비되는 렌즈(Collimation Lens)를 통해 빛이 평행하게 주사되며, 투과형 회절격자(Monochromator)를 통해 입사된 빛이 파장에 따라 회절되어 스펙트럼으로 나타난다. 본 발명의 실시 예에 따른 파장 선택 필터에 의해 특정한 파장의 빛이 출력광섬유(Optical Fiber)를 통해 검출장치(CCD)로 이동되며, CCD(Detector)에서는 빛을 전하로 변화시킨 화상이 출력된다.
원하는 파장에 맞추어 각도를 조절하도록 케이싱의 밑면 일측에 눈금이 표시되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 파장 선택 필터에 투입되는 입력광은 백색광이 사용될 수 있다.
SMA 커넥터로는 SMA905 커넥터를 사용할 수 있다.
상기 투과형 회절격자는, 프리즘으로 대체되어 광효율을 높일 수 있다.
또한, 필요에 따라 검출기(출력광섬유) 쪽의 SMA 커넥터 앞에 슬릿(Slit)이나 조리개를 추가하여, 검출하는 파장 영역대를 조절할 수 있다.
투과형 회절격자는 상기 제1케이싱 또는 제2케이싱의 내측에서 원기둥의 밑면 형상에 고정결합될 수 있으며, 투입광섬유가 투과형 회절격자에 입사되는 각도를 고정할 수 있도록 투입광섬유가 고정되어 있는 쪽의 케이싱(제1케이싱)에 결합되는 것이 바람직하다.
1 : 제1케이싱
2 : 제2케이싱
3 : SMA 커넥터
4 : 투과형 회절격자
5 : 슬롯
6 : 투입광섬유
7 : 출력광섬유

Claims (3)

  1. 내부에 소정의 공간이 구비되고, 어느 한 밑면이 개방된 원통형으로 형성되는 제1케이싱;
    상기 제1케이싱과 결합되되, ① 제1케이싱의 외경보다 큰 내경을 가지거나 제1케이싱의 내경보다 작은 외경을 가지고, ② 어느 한 밑면이 개방된 원통형으로 형성되어, 제1케이싱의 외측 또는 내측에서 결합되도록 구비되는 제2케이싱;
    상기 제1케이싱 및 제2케이싱 각각에 결합되는 커넥터;
    상기 제1케이싱 및 제2케이싱의 옆면 일측에 커넥터가 결합되도록 형성되되, 결합부위를 통해 내외부간 빛의 이동이 가능하도록 형성되는 광섬유결합부;
    상기 커넥터에 연결되며 빛의 이동 경로를 제공하는 광섬유 및;
    상기 제1케이싱 또는 제2케이싱의 내부에 구비되어, 광섬유를 통해 투입된 빛을 회절시키는 투과형 회절격자를 포함하고;
    상기 제1케이싱 및 제2케이싱에 연결된 커넥터가 슬롯 내부에 위치되도록 제1케이싱과 제2케이싱이 결합되며, 제1케이싱 및 제2케이싱의 옆면 타측에는 소정의 길이 및 커넥터의 외경 이상의 폭을 가지는 슬롯이 형성되어;
    상기 제1케이싱에 연결된 광섬유(투입광섬유)로부터 빛을 투입받아 투과형 회절격자에서 회절시키고, 제2케이싱에 결합된 커넥터가 제1케이싱에 형성된 슬롯 내부에서 좌우로 움직일 수 있도록 제1케이싱 및 제2케이싱을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시켜 사용자가 원하는 파장에 맞추어 결합각도를 조절함으로써 회절된 빛 성분 중 특정한 빛 성분을 제2케이싱에 연결된 광섬유(출력광섬유)를 통해 출력하는, 파장 선택 필터
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 슬롯의 길이(호의 길이)는, 제1케이싱 및 제2케이싱의 원형단면 중심점을 기준으로 31도 미만의 각도에 따른 길이로 형성되고,
    상기 제1케이싱 또는 제2케이싱의 개방되지 않은 밑면에는, 밑면으로부터 돌출되어 외부로부터 힘을 전달받을 수 있도록 케이싱 내부에 구비되는 동력전달부;를 포함하는, 파장 선택 필터
  3. 청구항 2항에 있어서,
    상기 동력전달부에 연결되어, 제1케이싱 또는 제2케이싱에 회전력을 전달하는 종동축;
    상기 종동축과 연결되는 원동축;
    상기 원동축을 회전시키는 모터;
    상기 종동축 및 원동축 사이에서, 종동축 및 원동축 간 동력전달비를 변경하여 모터의 회전수에 대해 종동축의 회전수가 작아지도록 기능하는 동력변환부 및;
    상기 제2케이싱 또는 제1케이싱을 고정시키는 고정부를 포함하여;
    상기 제1케이싱 및 제2케이싱 사이의 결합각도를 모터를 통해 제어하는, 파장 선택 필터
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