KR102491852B1 - 광 센서 및 그 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

광 센서 및 그 동작 방법을 제공한다. 본 광 센서는 광원, 광의 진행 경로를 조절하는 경로 조절부 및 제1 시간에 경로 조절부를 반사한 광 중 기준이 되는 기준광을 수광하고, 제2 시간에 경로 조절부를 투과한 광 중 타겟 물질과 관련된 측정광을 수광하는 수광부를 포함한다.

Description

광 센서 및 그 동작 방법{OPTICAL SENSOR AND METHOD OF OPERATING OF THE OPTICAL SENSOR}
본 개시는 광 센서 및 광 센서의 동작 방법에 관한 것이다.
의학 발달 및 평균 수명의 연장과 함께 건강 관리에 대한 관심이 증가하고 있다. 이와 관련해서, 의료기기에 대한 관심도 높아지고 있다. 이는 병원이나 검사 기관에서 사용되는 다양한 의료기기뿐 아니라, 공공기관 등에 비치되는 중소형 의료기기나, 개인이 소장 또는 휴대할 수 있는 소형 의료기기 및 헬스케어(health care) 장치까지 그 범위가 확대되고 있다.
의료기기나 의학적 검사에서는 침습적 측정 방법이 많이 사용된다. 대상체에 대한 침습적 측정 방법은, 예컨대, 대상체의 혈액을 채취하고 채취된 혈액에 대한 측정 및 분석을 수행하는 방식으로 이루어질 수 있다. 혈액내 특정 물질의 농도를 측정함으로써, 그와 관련된 건강 상태를 알 수 있다. 그런데 이러한 침습적 측정 방법에서는 혈액 채취시 대상체의 고통이 수반되고, 혈액 분석시 혈액의 특정 물질과 반응하는 시약 및 비색분석법(color imetric assay)을 사용해야 하는 등 불편이 따른다.
현재 비침습 방식으로 생체 정보를 검출하는 방법이 연구되고 있다. 그러나, 비침습 방식은 침습 방식에 비해 오류가 발생 확률이 높다.
본 개시는 휴대용 광 센서 및 그 동작 방법을 제공한다.
본 개시는 기준광과 측정광을 수시로 수광할 수 있는 광 센서를 제공한다.
일 유형에 따르는 광 센서는, 광원; 광의 진행 경로를 조절하는 경로 조절부; 및 제1 시간에 상기 경로 조절부를 반사한 광 중 기준이 되는 기준광을 수광하고, 제2 시간에 상기 경로 조절부를 투과한 광 중 타겟 물질과 관련된 측정광을 수광하는 수광부;를 포함한다.
그리고, 상기 기준광은, 상기 광원에서 방출된 광 중 상기 경로 조절부에서 반사된 광일 수 있다.
또한, 상기 측정광은, 상기 광원에서 방출된 광 중 상기 경로 조절부를 투과한 후 상기 타겟 물질에서 반사된 광일 수 있다.
그리고, 상기 측정광은, 상기 광원에서 방출된 광 중 상기 경로 조절부를 투과한 후 상기 타겟 물질을 투과한 광일 수 있다.
또한, 상기 측정광은, 상기 광원에서 방출된 광에 의해 타겟 물질과 결합한 마커에서 방출된 광일 수 있다.
그리고, 상기 마커에서 방출된 광의 중심 파장은 상기 광원에서 방출된 광의 중심 파장과 다를 수 있다.
또한, 상기 기준광과 상기 측정광을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 프로세서;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 프로세서는, 기준광을 이용하여 상기 측정광을 정규화할 수 있다.
또한, 상기 정규화된 측정광은 상기 기준광의 세기에 대한 상기 측정광의 세기의 비를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 시간과 상기 제2 시간은 적어도 일부 시간이 중첩되지 않을 수 있다.
또한, 상기 수광부는, 상기 기준광과 상기 측정광을 교번적으로 수광할 수 있다.
그리고, 상기 경로 조절부는 전기적 신호에 의해 반사율 및 투과율 중 적어도 하나를 조절될 수 있다.
또한, 상기 경로 조절부는 제1 전기적 신호에 대응하여 상기 반사율이 상기 투과율보다 크고, 상기 제1 전기적 신호와 다른 제2 전기적 신호에 대응하여 상기 반사율이 상기 투과율보다 작을 수 있다.
그리고, 상기 경로 조절부는, 이격 배치되는 제1 및 제2 전극과 상기 제1 및 제2 전극사이에 인가된 전기적 신호에 따라 광을 투과 또는 반사시키는 반응부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응부는, 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC), TN(Twisted Nematic) 액정, VA(Vertical Alignment) 액정, ECB(Electrically Controlled Birefringence) 액정, 전기 변색 소자, 반사판을 포함한 반사 입자, 전기습윤 현상에 의해 유동하는 극성 액체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 경로 조절부는, 입사된 광의 일부를 반사시키고, 상기 입사된 광의 다른 일부를 투과시킬 수 있다.
또한, 상기 수광부는, 상기 기준광을 수광하는 제1 수광부와 상기 측정광을 수광하는 제2 수광부를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 타겟 물질은, 상기 대상체의 피부 또는 혈액에 포함된 물질일 수 있다.
또한, 상기 광 센서는, 휴대용일 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 광의 진행 경로를 조절하는 경로 조절부를 포함하는 광 센서의 동작 방법에 있어서, 제1 시간에 상기 경로 조절부를 반사한 광 중 기준이 되는 기준광을 수광하는 단계: 및 제2 시간에 상기 경로 조절부를 투과한 광 중 타겟 물질과 관련된 측정광을 수광하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 경로 조절부에 광을 방출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기준광은, 상기 방출된 광 중 상기 경로 조절부에서 반사된 광일 수 있다.
그리고, 상기 측정광은, 상기 방출된 광 중 상기 경로 조절부를 투과한 후 상기 타겟 물질에서 반사된 광일 수 있다.
또한, 상기 측정광은, 상기 방출된 광 중 상기 경로 조절부를 투과한 후 상기 타겟 물질을 투과한 광일 수 있다.
그리고, 상기 측정광은, 상기 방출된 광에 의해 타겟 물질과 결합한 마커에서 방출된 광일 수 있다.
또한, 상기 마커에서 방출된 광의 중심 파장은 상기 경로 조절부를 투과한 광의 중심 파장과 다를 수 있다.
그리고, 상기 기준광과 상기 측정광을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 단계는, 상기 기준광을 이용하여 상기 측정광을 정규화하는 단계; 및 정규화된 측정광을 이용하여 상기 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 정규화된 측정광은, 상기 기준광에 대한 상기 측정광의 비를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 시간과 상기 제2 시간은 적어도 일부 시간이 중첩되지 않을 수 있다.
그리고, 상기 기준광을 수광하는 단계와 상기 측정광을 수광하는 단계는 교번적으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 기준광을 수광할 때, 상기 경로 조절부의 반사율은 투과율보다 클 수 있다.
그리고, 상기 측정광을 수광할 때, 상기 경로 조절부의 투과율은 반사율보다 클 수 있다.
일 실시예에 따른 광 센서는 광의 진행 경로를 조절할 수 있는 경로 조절부를 포함하고 있어, 기준광과 측정광을 수시로 수광할 수 있다.
일 실시예에 따른 광 센서는 기준광과 측정광을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 검출할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 광 센서가 기준광을 수광하는 예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 광 센서가 측정광을 수광하는 예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 적용되는 경로 조절부에 대한 구체적인 예를 도시한 도면이다.
도 5a는 도 4의 경로 조절부가 기준 모드일 때의 상태를 도시한 도면이다.
도 5b는 도 4의 경로 조절부가 측정 모드일 때의 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 경로 조절부에 적용될 수 있는 반사 입자의 예를 도시한 도면이다.
도 7a는 도 6의 반사 입자를 포함한 경로 조절부가 기준 모드일 때의 상태를 도시한 도면이다.
도 7b는 도 6의 반사 입자를 포함한 경로 조절부가 측정 모드일 때의 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 전기 습윤 현상에 의해 동작하는 경로 조절부를 도시한 도면이다.
도 9a는 도 8의 경로 조절부가 기준 모드일 때의 상태를 도시한 도면이다.
도 9b는 도 8의 경로 조절부가 측정 모드일 때 의 상태를 도시한 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 기계적 움직임에 의해 광의 진행 경로를 조절하는 경로 조절부의 예를 도시한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 광을 분할함으로써 광의 진행 경로를 조절하는 경로 조절부를 도시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 복수 개의 수광부를 포함하는 광 센서를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 광 센서를 나타내는 블록도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 1회 수광된 기준광을 이용하여 흡광도를 획득한 결과를 도시한 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 매회 수광된 기준광과 측정광을 이용하여 흡광도를 획득한 결과를 도시한 도면이다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 광 센서를 도시한 블록도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 광 센서의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
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.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 발명을 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
비침습 방식으로 생체정보를 검출하는 경우, 분광기가 사용될 수 있다. 분광기는 특정 파장 대역의 신호를 생체정보를 검출하려는 대상체에 조사한 후, 반사된 신호의 파장 또는 신호의 피크를 검출하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 파장이 검출되는 경우, 특정 파장과 매칭되는 성분이 대상체에 포함된 것이 식별될 수 있다. 또는 특정 파장의 피크 값을 이용하여 매칭되는 성분의 양이 추정될 수 있다.
일 예로, 기존의 대형 사이즈 분광기를 휴대형으로 소형화하는 과정에서, 분광기 내부의 열 발생으로 인하여 기준광을 이용하여 측정광을 캘리브레이션 할 필요가 있다. 일 실시예에 따른 광 센서는 기준광과 측정광을 하나의 디바이스에서 용이하게 측정함으로써, 측정광을 필요에 따라 간편하게 캘리브레이션 하는 목적으로 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 광 센서는 사용자가 휴대할 수 있는 장치, 예를 들어, 웨어러블 장치일 수 있다. 광 센서는 통신 기능 및 데이터 프로세싱 기능을 구비한 손목시계 타입, 팔찌 타입, 반지 타입 또는 헤어밴드 타입 등의 장치 중 어느 하나일 수 있고, 다른 예로 둘 이상의 조합으로 구성될 수도 있다.
또한, 광 센서는 하나의 하우징으로 구현될 수도 있고, 복수 개의 하우징으로 구현될 수도 있다. 광 센서가 복수 개의 하우징으로 구현되는 경우, 복수 개의 구성 요소들은 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 사용자의 손목 등에 착용되어 타겟 물질과 관련된 광을 수광하는 제1 장치와 수광된 광을 처리하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 제2 장치로 구분될 수도 있다. 상기한 광 센서는 다른 기능을 수행하는 장치, 예를 들어, 모바일 단말기의 일부 구성으로도 구현될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 센서(100a)를 나타내는 블록도이다. 도 1를 참조하면, 광 센서(100a)는 광원(110), 광의 진행 경로를 조절하는 경로 조절부(120) 및 경로 조절부(120)를 반사한 광 중 기준이 되는 기준광을 수광하고, 경로 조절부(120)를 투과한 광 중 타겟 물질(11)과 관련된 측정광을 수광하는 수광부(130)를 포함할 수 있다.
광원(110) 및 수광부(130)는 경로 조절부(120)를 기준으로 대상체(10)와 다른 영역에 배치될 수 있다. 개시된 일 실시예에서는 경로 조절부(120)를 기준으로 제1 공간에는 대상체(10)가 배치되고, 제2 공간에는 광원(110), 수광부(130)가 배치될 수 있다.
광원(110)은 소정의 주파수로 광을 점멸하면서 방출할 수 있다. 광원(110)은 LED(light emitting diode), LD(Laser Diode)와 같은 반도체 발광소자와 할로겐 램프나 제논 램프 같은 가스 방전 램프를 포함할 수 있다. 또는 대상체(10)의 일정 영역에 광을 조사할 수 있도록 발광면적이 넓고 균일한 광을 조사할 수 있는 면광원일 수도 있다. 예를 들면, 백라이트 유닛(Back Light Unit)이 광원(110)으로 사용될 수 있다.
광원(110)에서 방출되는 광은 대상체(10), 타겟 물질(11)의 종류 등에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 대상체(10)가 사람이고, 타겟 물질(11)이 대상체(10)의 피부내의 물질인 경우, 광원(110)은 적색광 또는 근적외선 영역의 파장, 예를 들어, 700㎛ 내지 1400㎛의 중심 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 전술한 파장 범위는 예시적인 것에 불과하며, 타겟 물질(11) 등에 따라 광원(110)은 다른 파장을 가지는 광을 방출할 수도 있다.
여기서 대상체(10)는 사람, 동물일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 대상체(10)는 대상체(10)에 포함된 일부일 수도 있다. 예를 들어, 대상체(10)는 혈액, 간질액 (interstitial fluid), 타액 (saliva), 수정체 분비물 (ocularlens fluid), 뇌척수액 (cerebral spinal fluid), 땀 (sweat), 소변 (urine), 우유 (milk), 복수 (ascites fluid), 라우코우스 (raucous), 활액 (synovial fluid), 복막액 (peritoneal fluid), 질액 (vaginal fluid), 양수(amniotic fluid) 이와 유사한 것을 포함하는 생리적 체액 (physioLsgical fluid)과 같은, 생물학적 소스일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 대상체(10)는 수질 관리 또는 토양 관리를 위한 환경 시료일 수 있으며, 시료의 종류에 제한을 두지 않는다.
그리고, 타겟 물질(11)은 대상체(10)에 포함되어 있으며, 고유한 광학적 특성을 갖는 물질일 수 있다. 타겟 물질(11)은 대상체(10)에 포함된 고유한 물질일 수도 있고, 대상체(10)에 포함된 물질이 형광체 등과 결합한 물질일 수 도 있다. 예를 들어, 타겟 물질(11)은 hsCRP(high sensitivity C-reactive protein), MicroCRP, HbA1c(당화혈색소), microalbumin, PSA(prostate specific antigen), AFP(Alpha-fetoprotein), cTnI (Cardiac Troponin I), PSA(prostate specific antigen), 포도당, CRP(c-reactive protein) 등이 있을 수 있으며, 타겟 물질(11)의 종류에 제한을 두지 않는다.
타겟 물질(11)은 분자의 결합 구조, 분자의 모양, PES(potential energy surface), 원자들의 질량(masses of atoms), vibration coupling 등에 따라, 특정 파장의 광에 대한 흡수, 투과 및 반사 등이 다를 수 있다. 그리하여, 타겟 물질(11)에서 반사 또는 투과된 광의 특성을 파악함으로써 타겟 물질(11)에 대한 정보를 획득할 수 있다.
광원(110)을 광을 경로 조절부(120)에 방출 또는 조사할 수 있다. 경로 조절부(120)에 조사된 광은 경로 조절부(120)에서 반사되거나 경로 조절부(120)를 투과할 수 있다.
경로 조절부(120)는 광의 진행 경로를 조절할 수 있다. 경로 조절부(120)는 전기적 신호에 따라 광의 반사율 및 투과율 중 적어도 하나를 조절할 수 있다. 예를 들어, 경로 조절부(120)는, 제1 전기적 신호가 인가되면 반사율이 투과율보다 크게 조절되고, 제1 전기적 신호와 다른 제2 전기적 신호가 인가되면 반사율이 투과율보다 작게 조절될 수 있다. 다른 예로, 경로 조절부(120)는 제1 전기적 신호가 인가되면 입사되는 광을 반사시킬 수 있고, 제2 전기적 신호가 인가되면 입사되는 광을 투과시킬 수 있다. 경로 조절부(120)는 스위쳐블 윈도우(switchable window)처럼 동작할 수 있다. 스위쳐블 윈도우는 인가되는 전기적 신호에 따라 입사되는 광을 반사 또는 투과시킬 수 있다. 일 예로, 스위쳐블 윈도우는 전기적으로 반사특성 또는 투과특성이 조절되는 물질로 구성될 수 있다. 다른 예로, 스위쳐블 윈도우는 기계적으로 반사특성 또는 투과특성이 조절될 수 있다.(i.e 셔터)
경로 조절부(120)는 이격 배치된 제1 및 제2 전극(411, 412)과 전기적 신호에 따라 광을 반사 또는 투과시키는 반응부(420)를 포함할 수 있다. 반응부(420)는 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC), TN(Twisted Nematic) 액정, VA(Vertical Alignment) 액정, ECB(Electrically Controlled Birefringence) 액정, 전기 변색 소자, 반사판(521)을 포함한 반사 입자(520), 전기습윤 현상에 의해 유동하는 극성 액체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 경로 조절부(120)의 구체적인 구조는 후술하기로 한다.
수광부(130)는 경로 조절부(120)를 반사한 광 중 기준광을 수광하고, 경로 조절부(120)를 투과한 광 중 측정광을 수광할 수 있다. 수광부(130)는 공핍층 포토 다이오드(depletion layer photo diode), 애벌런치 포토 다이오드(avalanche photo diode), 광전자 증배관(photomultiplier tube) 등을 포함할 수 있다. 또는 수광부(130)는 CMOS 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서로 구현될 수도 있다. 수광부(130)는 복수 개의 단위 수광 유닛을 포함할 수 있고, 각 단위 수광 유닛에 소정의 파장에 대응하는 광 필터를 더 포함할 수 있다.
기준광은 타겟 물질(11)에 대한 정보를 획득하기 위해 기준이 될 수 있는 광으로, 광원(110)에서 방출된 광 중 경로 조절부(120)에서 반사된 광일 수 있다. 도 2는 도 1의 광 센서(100)가 기준광을 수광하는 예를 도시한 도면이다. 예를 들어, 경로 조절부(120)에 제1 전기적 신호(예를 들어, V1 전압)가 인가되면, 경로 조절부(120)는 입사된 광(Ls)을 반사시킨다. 경로 조절부(120)에서 반사된 광이 기준광(Lr)이 될 수 있다. 경로 조절부(120)의 반사율은 50%일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 경로 조절부(120)의 반사율이 50%이하라 하더라도, 수광부(130)는 경로 조절부(120)에서 반사된 광을 수광할 수 있다. 광 센서(100)가 기준광을 수광할 때, 경로 조절부(120)의 상태를 기준 모드라고 칭할 수 있다.
측정광은 타겟 물질(11)과 관련된 광으로서, 타겟 물질(11)에서 반사된 광, 타겟 물질(11)을 투과한 광, 타겟 물질(11)과 결합한 마커에서 방출된 광일 수 있다. 예를 들어, 측정광은 광원(110)에서 방출된 광 중 경로 조절부(120)를 투과한 후 타겟 물질(11)에서 반사한 광일 수 있다. 또는 광원(110)에서 방출된 광 중 경로 조절부(120)를 투과한 후 타겟 물질(11)를 투과한 광일 수 있다. 또는 측정광은 광원(110)에서 방출된 광에 의해 타겟 물질(11)과 결합한 마커에서 방출된 광일 수 있다. 여기서 마커는 형광 물질을 포함할 수 있으며, 마커에서 방출된 광과 광원(110)에서 방출된 광의 중심 파장은 서로 다를 수 있다. 상기한 측정광은 경로 조절부(120)를 투과하여 수광부(130)에 수광될 수 있다.
도 3은 도 1의 광 센서(100a)가 측정광을 수광하는 예를 도시한 도면이다. 예를 들어, 경로 조절부(120)에 제2 전기적 신호(예를 들어, V2 전압)가 인가되면, 경로 조절부(120)는 입사된 광(Ls)을 투과시킨다. 경로 조절부(120)의 투과율은 50%일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
경로 조절부(120)를 투과한 광은 대상체(10) 내부로 입사되고, 대상체(10) 내부로 입사한 광은 대상체(10) 내부의 타겟 물질(11)에서 반사할 수 있다. 타겟 물질(11)에서 반사된 광이 측정광(Lm)이 될 수 있다. 도면에서는 설명의 편의를 도모하기 위해 측정광(Lm)으로서 타겟 물질(11)에서 반사된 광이 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다. 광 센서(100)가 측정광을 수광할 때, 경로 조절부(120)의 상태를 측정 모드라고 칭할 수 있다.
한편, 경로 조절부(120)의 투과율 또는 반사율이 100%가 아닌 경우, 수광부(130)는 수광 시간을 달리함으로써 기준광(Lr)과 측정광(Lm)을 수광할 수 있다. 예를 들어, 수광부(130)는 제1 시간에 기준광(Lr)을 수광하고, 제2 시간에 측정광(Lm)을 수광할 수 있다. 제1 시간과 제2 시간은 적어도 일부 시간이 중첩되지 않을 수 있다. 수광 시간을 다르게 함으로써, 기준광(Lr) 수광시 측정광(Lm)에 따른 노이즈를 줄일 수 있고, 측정광(Lm) 수광시 기준광(Lr)에 따른 노이즈를 줄일 수 있다. 수광부(130)는 기준광(Lr)을 수광한 후 측정광(Lm)을 수광할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 수광부(130)는 측정광(Lm)을 수광한 후 기준광(Lr)을 수광할 수도 있다.
또한, 수광부(130)는 복수 개의 서브 수광부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수광부(130)는 제1 수광부와 제2 수광부를 포함할 수 있으며, 제1 수광부는 기준광을 수광하고, 제2 수광부는 측정광을 수광할 수 있다. 이때, 제1 수광부와 제2 수광부는 각각 독립적으로 기준광과 측정광을 수광할 수 있다. 다만, 측정광과 기준광은 광 진행 경로의 길이가 다르기 때문에 측정광과 기준광의 수광 시점에 차이가 발생할 수 있다.
일 실시예에 따른 광 센서(100a)는 타겟 물질(11)에 대한 정보를 획득하기 위해 측정광 뿐만 아니라 기준광을 수광할 수 있다.
광 센서(100)가 소형화됨에 따라 광 센서(100)는 다양한 환경 변화에 노출될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 광 센서(100)를 이용하여 신체내 포도당에 대한 정보를 측정하고자 할 때, 측정 장소가 실내 또는 야외이냐에 따라 온도, 습도 등의 환경이 달라질 수 있고, 측정 시간이 오전, 오후이냐에 따른 환경 차이가 발생할 수 있다.
또한, 광 센서(100)가 소형화됨에 따라 광원(110)과 수광부(130)의 상대적 위치가 가까워질 수 있다. 그리하여, 수광부(130)는 광원(110)에서 발생된 열의 영향을 받을 수 있다.
일 실시예에 따른 광 센서(100)는 환경 변화에 따른 노이즈를 줄여 검출 결과의 정확도를 향상시킬 필요가 있다. 일 실시예에 따른 광 센서(100a)는 측정광 뿐만 아니라 환경 변화를 반영한 기준광도 함께 수광하고, 기준광과 측정광을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득할 수 있다.
도 4은 도 1에 적용되는 경로 조절부(400a)에 대한 구체적인 예를 도시한 도면이고, 도 5a는 도 4의 경로 조절부(400a)가 기준 모드일 때의 상태를 도시한 도면이며, 도 5b는 도 4의 경로 조절부(400b)가 측정 모드일 때의 상태를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 경로 조절부(400a)는, 이격 배치되는 제1 및 제2 전극(411, 412), 제1 및 제2 전극(411, 412) 사이에 배치되며 투과율 또는 반사율이 조절되는 반응부(420)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 전극(411, 412)은 투명한 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극(411, 412)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide)등의 금속산화물, Au, Ag등의 금속 나노입자 분산 박막, CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole(PPy), poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 등의 전도성 고분자 등을 포함할 수 있다.
반응부(420)는 광에 대한 투과율 및 반사율이 전기적으로 제어되는 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)(510)을 포함할 수 있다. PDLC(510)는 전기장이 인가되지 않은 상태에서는 폴리머와 액정의 유전율 차이에 의해 입사된 광을 산란시키며, 전기장이 인가된 상태에서는 전기장에 따라 정렬된 액정과 폴리머 사이의 유전율 차이가 줄어들어 투명하게 되어 광을 투과시키는 성질을 갖는다. 그리하여, 제1 및 제2 전극(411, 412)에 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 반응부(420)의 투과율 또는 반사율이 조절될 수 있다.
예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극(411, 412)이 전압이 인가되지 않는 상태에서 반응부(420)에 입사된 광은 폴리머와 액정의 유전율 차에 의해 산란되어 반사율이 커질 수 있다. 반면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극(411, 412)이 전압이 인가되면 반응부(420)에 전기장이 형성된다. 전기장에 따라 액정이 정렬됨으로써 액정과 폴리머 사이의 유전율의 차이가 줄어듬에 따라 반응부(420)가 투명해진다. 그리하여, 반응부(420)의 투과율이 커질 수 있다.
반응부(420)는 고분자 분산형 액정(510)뿐만 아니라, TN(Twisted Nematic) 액정, VA(Vertical Alignment) 액정, 또는 ECB(Electrically Controlled Birefringence) 액정 등을 포함할 수 있으며, 상기한 액정들은 고분자 분산형 액정과 유사하게 동작하기 때문에 반응부(420)의 투과율 또는 반사율이 조절될 수 있다.
또는, 반응부(420)는, 전기 변색 소자와 전해질을 포함할 수 있다. 전기 변색 소자는 전자 또는 정공에 의해 색상이 변색되는 물질이다. 즉, 전기 변색 소자를 전해질에 혼합하여 전기장을 인가하면, 전자 또는 정공이 변색 물질에 결합함으로써 색상이 나타나거나 또는 색상이 없어지는 현상이 나타난다. 상기한 현상을 이용하여 제1 및 제2 전극(411, 412)이 인가되는 전기적 신호에 따라 투과율 및 반사율 중 적어도 하나가 조절될 수 있다.
또는, 반응부(420)는, 광을 반사하는 반사판(521)과 전하를 띄는 투명 물질(522, 523)로 구성된 복수 개의 반사 입자(520)를 포함할 수 있다. 전기적 신호에 따라 반사 입자(520)가 회전하면서 투과율 또는 반사율이 조절될 수 있다. 도 6은 도 1의 경로 조절부에 적용될 수 있는 반사 입자(520)의 예를 도시한 도면이고, 도 7a는 도 6의 반사 입자(520)를 포함한 경로 조절부(400b)가 기준 모드일 때의 상태를 도시한 도면이고, 도 7b는 도 6의 반사 입자(520)를 포함한 경로 조절부(400b)가 측정 모드일 때의 상태를 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 반사 입자(520)는 광을 반사하는 반사판(521)과 전하를 띄는 투명 물질(522, 523)로 구성될 수 있다. 반사판(521)은 입사된 광을 반사하는 물질로 구성될 수 있고, 투명 물질(522, 523)은 입사된 광을 투과시키는 물질로 구성될 수 있다. 그리고, 투명 물질(522, 523)은 반사판(521)을 기준으로 서로 반대되는 전하를 띄는 제1 및 제2 투명 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 투명 물질(522, 523)은 반구 형상일 수 있고, 반사판(521)은 제1 및 제2 투명 물질(522, 523) 사이에 얇은 원형의 판 형상일 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 경로 조절부(400b)는 반응부(420)를 감싸는 제1 내지 제4 전극(411, 412, 413, 414)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(411, 412)은 반응부(420)를 사이에 두고 대면하며, 제3 및 제4 전극(413, 414)도 반응부(420)를 사이에 두고 대면할 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 전극(411, 412) 각각은 제3 및 제4 전극(413, 414)과 인접하게 배치될 수 있다. 그리고, 상기한 반응부(420) 내에는 복수 개의 반사 입자(520)들이 배치되어 있으며, 반응부(420)내 공간은 투명 물질(522, 523)의 굴절률과 같은 물질로 채워질 수 있다.
제1 및 제2 전극(411, 412)에 전기적 신호, 예를 들어, 전압이 인가되면, 도 7a에 도시된 바와 같이, 반사 입자(520)의 반사판(521)은 제1 및 제2 전극(411, 412)의 표면과 평행하게 배치될 수 있다. 그리하여, 도 7a의 경로 조절부(120)에 입사된 광은 반사판(521)에 의해 반사하게 된다.
그리고, 제3 및 제4 전극(413, 414)에 전기적 신호, 예를 들어, 전압이 인가되면, 반사 입자(520)는 회전하여, 도 7b에 도시된 바와 같이, 반사 입자(520)의 반사판(521)은 제3 및 제4 전극(413, 414)의 표면과 평행하게 배치될 수 있다. 그리하여, 도 7b의 경로 조절부(120)에 입사된 광은 투명 물질(522, 523)을 투과하게 된다.
또는, 반응부(420)는 전기 습윤 현상에 의해 유동하는 극성 액체를 포함할 수 있다. 전기 습윤 현상은 절연 물질로 코팅된 전극 상의 극성 유체에 전압을 가하면 극성 유체의 접촉각이 변하는 현상을 의미한다.
도 8은 일 실시예에 따른 전기 습윤 현상에 의해 동작하는 경로 조절부(400c)를 도시한 도면이고, 도 9a는 도 8의 경로 조절부(400c)가 기준 모드일 때의 상태를 도시한 도면이고, 도 9b는 도 8의 경로 조절부(400c)가 측정 모드일 때 의 상태를 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 경로 조절부(400c)는 이격 배치된 제1 및 제2 전극(411, 412)과 굴절률이 서로 상이하고 서로 혼합되지 않는 제1 및 제2 유체(530, 540)를 포함한 반응부(420)를 포함할 수 있다. 그리고, 제2 전극(412)에는 소수성 절연층(430)이 코팅되어 있을 수 있다.
제1 유체(530)와 제2 유체(540) 중 어느 하나는 극성, 다른 하나는 비극성일 수 있다. 예를 들어, 제1 유체(530)는 광이 투과하지 않는 비투과 유체로, 액체 금속 또는 극성 액체일 수 있다. 제2 유체(540)는 제1 유체(530)와 혼합되지 않는 투광성의 유체로, 예를 들어, 기체, 또는 비극성 액체가 채용될 수 있다.
제1 및 제2 전극(411, 412)에 전기적 신호, 예를 들어 전압이 인가되면, 소수성 절연층(430)의 표면에서 유전율이 증가하게 되고, 제1 유체(530)의 액적이 제1 전극상에 퍼지게 된다. 제1 유체(530)는 비투과성 물질로 형성되어 있기 때문에 경로 조절부(120)에 입사된 광은 반사될 수 있다.
반면, 제1 및 제2 전극(411, 412)에 전기적 신호, 예를 들어 전압의 인가가 중단되면, 도 9b에 도시된 바와 같이, 제1 유체(530)는 소수성 절연층(430)상에 수축되어 있을 수 있다. 그리하여, 경로 조절부(120)에 입사된 광은 투과성의 제2 유체(540)를 투과할 수 있다.
경로 조절부(400a, 400b, 400c)는 액체, 분자, 또는 입자들의 정렬에 의해 투과율 또는 반사율을 조절할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다.
경로 조절부(120)는 기계적 움직임에 의해 광의 투과율 또는 반사율을 조절할 수 있다. 도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 기계적 움직임에 의해 광의 진행 경로를 조절하는 경로 조절부(400d)의 예를 도시한 도면이다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 경로 조절부(400d)는, 힌지(612)에 의해 회전 가능한 반사판(610) 및 상기한 반사판(610)을 회전시키는 액츄에이터(620)를 포함할 수 있다. 반사판(610)은 반사율인 높은 금속 필름일 수 있으며, 엑츄에이터(620)는 전기적 신호에 의해 전자기력을 발생시키는 솔레노이드 등을 포함할 수 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 엑츄에이터(620)에 전기적 신호에 인가되지 않는 상태에서, 반사판(610)은 제1 위치에 배치될 수 있다. 반사판(610)이 제1 위치에 배치된 경우, 경로 조절부(400d)에 입사된 광은 경로 조절부(400d)를 투과하게 된다.
반면, 엑츄에이터(620)에 전기적 신호가 인가되면, 도 10b에 도시된 바와 같이, 반사판(610)은 전자기력에 의해 제2 위치로 이동할 수 있다. 반사판(521)이 제2 위치에 배치되면, 경로 조절부(400d)에 입사된 광은 경로 조절부(400d)에서 반사하게 된다.
지금까지 설명한 경로 조절부(400a, 400b, 400c, 400d)는 전기적 신호에 의해 투과율 및 반사율 중 적어도 하나가 조절되었다. 앞서 기술한 경로 조절부(400a, 400b, 400c, 400d)의 구조는 예시적인 구조일 뿐 이에 한정되지 않는다. 투과율 및 반사율 중 적어도 하나를 조절할 수 있는 소자이면 일 실시예에 따른 광 센서의 경로 조절부로 이용될 수 있음은 물론이다.
경로 조절부(120)는 반사율 또는 투과율을 조절하지 않고, 입사된 광의 진행 경로를 분할할 수도 있다. 도 11은 일 실시예에 따른 광을 분할함으로써 광의 진행 경로를 조절하는 경로 조절부(400e)를 도시한 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 경로 조절부(400e)는 입사된 광의 일부는 반사시키고 다른 일부는 투과시킬 수 있다. 경로 조절부(400e)는 반투과판 등일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 앞서 기술한 경로 조절부 중 적어도 하나는 인가된 전기적 신호에 의해 일부 광을 투과시키고 또 다른 일부 광을 반사시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 광 센서의 수광부(130)는 복수 개의 수광부를 포함할 수 있다. 도 12 및 도 13은 복수 개의 수광부(132, 134)를 포함하는 광 센서(100b, 100c)를 예시적으로 도시한 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 측정광(Lm)이 타겟 물질(11)을 투과한 광인 경우, 광 센서(100)는 경로 조절부(120)에서 반사된 광 중 기준광(Lr)을 수광하는 제1 수광부(132)와 타겟 물질(11)을 투과한 광 중 측정광(Lm)을 수신하는 제2 수광부(134)를 포함할 수 있다. 기준광(Lr)과 측정광(Lm)의 진행 경로의 길이가 다르기 때문에 제1 수광부(132)와 제2 수광부(134)의 수광 시점은 다를 수 있다.
또는, 도 13에 도시된 바와 같이, 경로 조절부(120)는 입사된 광의 일부를 반사시키고, 입사된 광의 다른 일부를 투과시킨다. 광 센서(100)는 경로 조절부(120)에서 반사된 광 중 기준광(Lr)을 수광하는 제1 수광부(132)와 경로 조절부(120)를 투과한 광 중 측정광(Lm), 즉, 경로 조절부(120)를 투과한 후 타겟 물질(11)에서 반사되고 다시 경로 조절부(120)를 투과한 광,을 수광하는 제2 수광부(134)를 포함할 수 있다. 도면에는 타겟 물질(11)에서 반사된 광을 측정광(Lm)이라고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 타겟 물질(11)을 투과한 광이 측정광이 될 수도 있다.
광 센서는 기준광과 측정광을 이용하여 측정광을 정규화(normalize)할 수 있다. 그리고, 광 센서는 정규화된 측정광을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 정규화는 규칙적 또는 사용자의 요구에 따라 불규칙적으로 기준광을 측정하여 광 센서에 미치는 온도 등의 영향을 보정하는 것을 의미할 수 있다. 도 14는 다른 실시예에 따른 광 센서(100)를 나타내는 블록도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 광 센서(100d)는 기준광과 측정광을 이용하여 타겟 물질(11)에 대한 정보를 획득하는 프로세서(140)를 더 포함할 수 있다.
프로세서(140)는 타겟 물질(11)에 대한 정보를 획득하기 위해 측정광을 정규화할 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이, 광 센서(100)는 환경 변화(예를 들어, 온도, 습도 변화), 광원(110), 수광부(130)의 성능 변화 등에 따라 노이즈가 발생할 수 있다. 상기한 노이즈를 줄이기 위해 일 실시예에 따른 광 센서(100)는 측정광을 정규화함으로써 검출 결과에 대한 신뢰도를 높일 수 있다.
예를 들어, 프로세서(140)는, 하기 수학식 1과 같이, 기준광의 세기에 대한 측정광의 세기의 비로 정규화된 측정광을 획득할 수 있다.
['수학식 1]
I=I1/I0
여기서, I0은 기준광의 세기를 의미하고, I1는 측정광의 세기를 의미하며, I'는 정규화된 측정광의 세기를 의미한다. 수학식 1과 같이, 정규화된 측정광은 노이즈가 줄어든다. 예를 들어, 광원(110)의 광 방출 강도가 약해지더라도 측정광의 세기뿐만 아니라 기준광의 세기도 줄어들기 때문에 정규화된 측정광은 일정할 수 있다. 측정광을 정규화하는 방법은 수학식 1에 한정되지 않는다. 예를 들어, 경로 조절부(120)의 투과율 또는 반사율에 따라 정규화하는 방법이 달라질 수 있다.
측정광을 정규화하기 위해, 프로세서(140)는 측정광이 수광된 시점을 기준으로 인접한 시점에 수광된 기준광을 이용할 수 있다. 예를 들어, 측정광을 수광하기 직전에 수광된 기준광 또는 측정광을 수광하기 직후에 수광된 기준광을 이용할 수 있다.
프로세서(140)는 정규화된 측정광을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보, 예를 들어, 타겟 물질의 종류, 타겟 물질의 농도 변화 등을 획득할 수 있다. 프로세서(140)는, 타겟 물질에 대한 정보를 획득하기 위해, 광 정보에 따른 타겟 물질에 대한 정보가 매칭된 데이터베이스를 이용할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(140)는 기준광과 측정광을 이용하여 흡광도 데이터를 산출할 수 있고, 흡광도 데이터는 시간에 따른 흡광도 변화를 나타낼 수 있다. 그리고, 미리 저장된 흡광도와 타겟 물질의 농도에 관한 정보를 이용하여 타겟 물질의 농도를 결정할 수 있다. 일 예로, 흡광도와 타겟 물질의 농도에 관한 정보는 캘리브레이션 곡선의 형태로 저장될 수 있다.
다음은 정규화된 측정광을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득한 실험 결과를 설명한다.
-실시예 1-
경로 조절부의 반응부로 PDLC를 이용하고, 빛의 99%를 반사시키는 Spectralon (Labsphere, Inc.)를 이용하여 경로 조절부의 효과를 검증하였다. 경로 조절부에 전압이 인가되지 않은 상태에서 광 센서는 기준광을 수광하고, 경로 조절부에 전압이 인가된 상태에서 광센서는 측정광을 수광하였다. 광 센서(100)는 한번 수광한 기준광을 이용하여 복수 회 수광한 측정광에 대한 흡광도를 산출하였다.
프로세서는 하기 수학식 2와 같은 흡광도를 이용하였다.
[수학식 2]
A=-log(I1/I0)
여기서, A는 타겟 물질에 대한 흡광도이고, I0는 입사광의 세기로서 기준광으로부터 획득될 수 있다. I1는 반사광의 세기로서 측정광으로부터 획득될 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 1회 수광된 기준광을 이용하여 흡광도를 획득한 결과를 도시한 도면이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 하나의 기준광을 이용하여 흡광도를 산출하면, 타겟 물질이 동일하다 하더라도 수광 시점 또는 광의 파장에 따라 편차가 큼을 확인할 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 매회 수광된 기준광과 측정광을 이용하여 흡광도를 획득한 결과를 도시한 도면이다. 매회 수광된 기준광과 측정광을 이용하여 흡광도를 획득하였다. 여기서, 매회 수광된 기준광과 측정광을 이용하였다 함은 측정광을 인접한 시점에 수광된 기준광으로 나눈 값, 즉, 정규화된 측정광을 이용하였다는 것을 의미한다. 그 결과, 도 16에 도시된 바와 같이, 수광 시점 또는 광의 파장에 관계없이 편차가 줄어들었음을 확인할 수 있다.
광 센서는 앞서 기술한 구성 요소 이외에도 다양한 구성 요소를 포함할 수 있다. 도 17은 또 다른 실시예에 따른 광 센서(100e)를 도시한 블록도이다. 도 17에 도시된 바와 같이, 광 센서(100e)는 디스플레이(150), 메모리(160), 사용자 인터페이스(170) 및 제어부(180) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
디스플레이(150)은 광 센서(100e)에서 처리되는 정보를 표시할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(150e)는 광을 이용하여 획득된 타겟 물질에 대한 정보 등을 표시하기 위한 UI, GUI 등을 표시할 수 있다. 또한, 디스플레이(150)는 광 센서(100e)의 프로토콜 등을 사용자에게 제공할 수 있다.
디스플레이(150)는 액정 디스플레이(liquid crystal display), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 광 센서(100e)의 구현 형태에 따라 디스플레이가 2개 이상 존재할 수도 있다.
디스플레이(150)는 사용자의 입력을 수신하기 위한 터치 패드와 함께 상호 레이어 구조를 이루어 터치 스크린을 구성할 수 있다. 디스플레이(150)와 터치패드가 상호 레이어 구조를 이루어 터치 스크린으로 구성되는 경우, 디스플레이(150)는 출력 장치 이외에 입력 장치로도 사용될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 터치 스크린으로 구성된 디스플레이(150)는 사용자의 터치 입력을 소정 영역에서 감지함에 따라 타겟 물질의 측정을 자동으로 개시할 수 있다.
메모리(160)는 광 센서(100e)의 동작을 수행하는 중에 발생하는 데이터가 저장될 수 있다. 일 실시예에 따른 메모리(160)는 통상적인 저장매체로서 본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 메모리(160)는 하드디스크드라이브(Hard Disk Drive, HDD), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 플래쉬메모리(Flash Memory) 및 메모리카드(Memory Card)를 모두 포함함을 알 수 있다.
사용자 인터페이스(170)는 사용자로부터 광 센서(100e)를 조작하기 위한 입력을 수신할 수도 있고, 광 센서(100e)가 획득한 타겟 물질에 대한 종류, 타겟 물질의 농도 변화 등을 출력할 수 있다. 사용자 인터페이스(170)는 사용자가 직접 광 센서(100e)를 조작하기 위한 버튼, 키 패드, 스위치, 다이얼 또는 터치 인터페이스를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(170)는 영상을 디스플레이하기 위한 디스플레이를 포함할 수 있으며, 터치스크린으로 구현될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 사용자 인터페이스(170)는 HID(Human Interface Device) 들을 연결하기 위한 I/O 포트를 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스(170)는 영상의 입/출력을 위한 I/O 포트를 구비할 수 있다.
제어부(180)는 광 센서(100e)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(180)는 타겟 물질에 대한 정보를 획득하기 위해, 광원(110), 경로 조절부(120), 수광부(130) 및 프로세서(140) 등을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(180)는 투과율 또는 반사율을 조절할 수 있도록 경로 조절부(120)에 전기적 신호를 제공할 수 있다. 제어부(180)는 반사율이 투과율보다 크도록 경로 조절부(120)를 제어하고, 기준광을 수광하도록 광원(110) 및 수광부(130)를 제어할 수 있다. 제어부(180)는 투과율이 반사율보다 크도록 경로 조절부(120)를 제어하고, 측정광을 수광하도록 광원(110) 및 수광부(130)를 제어할 수 있다.
제어부(180)는 기준광 및 측정광을 교번적으로 수광할 있도록 광원(110), 경로 조절부(120) 및 수광부(130)를 제어할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않는다. 제어부(180)는 일정 시간 간격으로 기준광을 1회 수광하고, 측정광을 복수 회 수광하도록, 광 센서(100)의 구성요소들을 제어할 수 있다. 또는, 제어부(180)는 주기적으로 기준광을 수광하도록 제어하고, 사용자의 명령이 있는 경우에 한하여 측정광을 수광하도록 광 센서(100)의 구성요소들을 제어할 수도 있다.
또한, 프로세서(140)는 정규화된 측정광을 획득할 때, 수광된 측정광과 인접한 시간에 수광된 기준광을 이용할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 기수광된 기준광들의 평균을 이용할 수도 있다. 또는 복수 회 숭광된 측정광의 평균과 복수회 수광된 기준광들의 평균을 이용하여 정규화된 측정광을 획득할 수도 있다. 그리고, 정규화된 측정광을 이용하여 타겟 물질(11)에 대한 정보를 획득할 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 광 센서(100e)는 복수 개의 장치로도 구현될 수 있다. 예를 들어, 광 센서(100)는, 기준광 및 측정광을 수광하기 위한 광원(110), 경로 조절부(120) 및 수광부(130)를 포함한 제1 장치와 수광된 기준광과 측정광을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득하고, 획득된 타겟 물질(11)에 대한 정보를 제공하는 제2 장치로 구현될 수 있다. 제1 장치와 제2 장치는 유선 또는 무선 통신으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 장치와 제2 장치는 블루투스, 와이 파이 등과 같이 근거리 통신을 하거나, 이동 통신망을 통해 통신할 수 있다.
제1 장치는 사용자에 의해 착용될 수 있는 장치(wearable device)일 수 있다. 예를 들어, 제1 장치는 사용자의 손목에 탈부착 가능한 손목형 기기일 수 있다. 제2 장치는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 데스크톱 컴퓨터, 노트북 컴퓨터(laptop computer), 태블릿 PC, 전자북 단말기, 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), IPTV(Internet Protocol Television), DTV(Digital Television), 건강 관리를 할 수 있는 서버 등이 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 프로세서의 처리 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 본 발명의 실시예에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
도 18은 일 실시예에 따른 광 센서의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 18을 참조하면, 광원(110)을 광을 방출할 수 있다(S1810). 광원(110)은 소정의 주파수로 광을 점멸하면서 방출할 수 있다. 또는 대상체(10)의 일정 영역에 광을 조사할 수 있도록 발광면적이 넓고 균일한 광을 조사할 수 있는 면광원일 수도 있다. 광원(110)에서 방출되는 광은 대상체, 타겟 물질의 종류 등에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 대상체가 사람이고, 타겟 물질이 대상체의 피부내에 물질인 경우, 광원은 적색광 또는 근적외선 영역의 파장, 예를 들어, 700㎛ 내지 1400㎛의 중심 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다.
수광부(130)는 기준광을 수광할 수 있다(S1820). 기준광은 경로 조절부(120)에서 반사된 광 중 기준이 되는 광일 수 있다. 예를 들어, 경로 조절부(120)가 반사 모드일 때 수광부(130)는 기준광을 수광할 수 있다.
또한 수광부(130)는 측정광을 수광할 수 있다(S1830). 측정광은 경로 조절부(120)를 투과한 광 중 타겟 물질(11)과 관련된 광일 수 있다. 측정광은 타겟 물질에서 반사된 광 또는 투과된 광, 또는 타겟 물질과 결합한 마커가 방출한 광일 수 있다. 경로 조절부(120)가 투과 모드일 때 수광부(130)는 측정광을 수광할 수 있다.
기준광을 수광하는 시간과 측정광을 수광하는 시간은 적어도 일부 시간이 중첩되지 않을 수 있다. 수광부(130)는 기준광과 측정광을 일대일 교번적으로 수광할 수도 있고, 기준광과 측정광을 일대다 또는 다대일 교번적으로 수광할 수도 있다. 또는 기준광은 일정 시간 간격으로 수광할 수 있고, 측정광은 사용자 명령에 한하여 수광할 수도 있다. 또한, 수광부(130)는 기준광을 수광하는 제1 수광부와 타겟광을 수광하는 제2 수광부로 구분될 수도 있다.
그리고, 프로세서(140)는 기준광과 측정광을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득할 수 있다(S1840). 프로세서(140)는 기준광을 이용하여 측정광을 정규화하고, 정규화된 측정광을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득할 수 있다. 정규화된 측정광을 이용함으로써 광 센서는 타겟 물질에 대한 정보 획득의 신뢰도를 높일 수 있다.
이제까지 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.
100a, 100b, 100c, 100d, 100e: 광 센서
110: 광원
120, 400a, 400b, 400c, 400d, 400c: 경로 조절부,
130: 수광부
140: 프로세서
180: 제어부
411: 제1 전극
412: 제2 전극
420: 반응부

Claims (25)

  1. 광원;
    대상체의 피부와 상기 광원 사이에 배치되며, 광의 진행 경로를 조절하는 경로 조절부; 및
    제1 시간에 상기 광원에서 방출되어 상기 경로 조절부에서 반사된 광을 기준광으로서 수광하고, 상기 제1 시간과 다른 제2 시간에 상기 광원에서 방출되어 상기 경로 조절부를 투과한 후 상기 대상체에 포함된 타겟 물질에서 반사되거나 투과된 광을 측정광으로서 수광하는 수광부;를 포함하고,
    상기 경로 조절부는,
    이격 배치되는 제1 및 제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극사이에 인가된 전기적 신호에 따라 광을 투과 또는 반사시키는 반응부;를 포함하는 광 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 기준광을 이용하여 상기 측정광을 정규화함으로서 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 프로세서;를 더 포함하는 광 센서.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 정규화된 측정광은
    상기 기준광의 세기에 대한 상기 측정광의 세기의 비를 포함하는 광 센서.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 시간과 상기 제2 시간은 적어도 일부 시간 구간이 다른 광 센서.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 수광부는,
    상기 기준광과 상기 측정광을 교번적으로 수신하는 광 센서.
  12. 삭제
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 반응부는
    제1 전기적 신호에 대응하여 상기 광에 대한 반사율이 상기 광에 대한 투과율보다 크고,
    상기 제1 전기적 신호와 다른 제2 전기적 신호에 대응하여 상기 광에 대한 반사율이 상기 광에 대한 투과율보다 작은 광 센서.
  14. 삭제
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 반응부는,
    고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC), TN(Twisted Nematic) 액정, VA(Vertical Alignment) 액정, ECB(Electrically Controlled Birefringence) 액정, 전기 변색 소자, 반사판을 포함한 반사 입자, 전기습윤 현상에 의해 유동하는 극성 액체 중 적어도 하나를 포함하는 광 센서.
  16. 삭제
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 수광부는,
    상기 기준광을 수광하는 제1 수광부와 상기 측정광을 수광하는 제2 수광부를 포함하는 광 센서.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 타겟 물질은,
    상기 대상체의 피부 또는 혈액에 포함된 물질인 광 센서.
  19. 광의 진행 경로를 조절하는 경로 조절부를 포함하는 광 센서의 동작 방법에 있어서,
    상기 경로 조절부에 광을 방출하는 단계;
    제1 시간에 상기 광 중 상기 경로 조절부를 반사한 광을 기준광으로서 수광하는 단계: 및
    상기 제1 시간과 다른 제2 시간에 상기 광 중 상기 경로 조절부를 투과한 후 대상체에 포함된 타겟 물질에서 반사되거나 투과된 광을 측정광으로서 수광하는 단계;를 포함하고,
    상기 경로 조절부는,
    이격 배치되는 제1 및 제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극사이에 인가된 전기적 신호에 따라 광을 투과 또는 반사시키는 반응부;를 포함하는 광 센서의 동작 방법.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 제 19항에 있어서,
    상기 기준광을 이용하여 상기 측정광을 정규화하는 단계; 및
    정규화된 측정광을 이용하여 상기 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 단계;를 더 포함하는 광 센서의 동작 방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 정규화된 측정광은,
    상기 기준광에 대한 상기 측정광의 비를 포함하는 광 센서의 동작 방법.
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