KR102526757B1 - 분광기용 집광 광학계 및 이를 포함하는 라만 분광 시스템 - Google Patents

분광기용 집광 광학계 및 이를 포함하는 라만 분광 시스템 Download PDF

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Abstract

대상물체로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호를 선택적으로 수집하는 분광기용 집광 광학계 및 이를 포함하는 라만 분광 시스템이 개시된다. 개시된 분광기용 집광 광학계는 상기 라만 신호를 수집하여 방출하는 것으로, 상기 산란광이 입사되는 입사면과 상기 라만 신호가 방출되는 출사면을 포함하는 비결상 집광 유닛; 및 상기 비결상 집광 유닛의 입사면의 일부 영역에 마련되어 형광 신호를 포함하는 상기 산란광을 차단하는 라만 필터;를 포함한다. 이에 따라, 상기 산란광 중 상기 형광 신호의 수신은 억제되고 상기 라만 신호를 선택적으로 수집할 수 있다.

Description

분광기용 집광 광학계 및 이를 포함하는 라만 분광 시스템{Collection optics system for spectrometer and Raman spectral system}
분광기에 관한 것으로, 상세하게는 분광기용 집광 광학계 및 이를 포함하는 라만 분광 시스템에 관한 것이다.
최근에는 모바일 헬스(mobile health) 향 진단 센서의 일환으로 생체 내의 혈당 등과 같은 성분을 분석하는 소형화된 라만 분광 시스템에 대한 개발이 진행되고 있다. 이러한 소형 라만 분광 시스템을 활용하여 피부와 같은 생체 시료를 측정하는 기술은 기존의 특정 위치나 영역에서만 측정이 가능했던 측정 범위나 횟수 등을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 다만, 생체에서 나오는 높은 형광 신호로 인해 혈당 등과 같이 생체 내에 있는 극소량의 성분으로부터 라만 신호만을 선택적으로 검출하여 분석하는 기술이 필요하다.
예시적인 실시예는 분광기용 집광 광학계 및 이를 포함하는 라만 분광 시스템을 제공한다.
일 측면에 있어서,
대상물체로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호를 선택적으로 수집하는 분광기용 집광 광학계(collection optics system)에 있어서,
상기 라만 신호를 수집하여 방출하는 것으로, 상기 산란광이 입사되는 입사면, 상기 라만 신호가 방출되는 출사면을 포함하는 비결상 집광 유닛(non-imaging collection unit); 및
상기 비결상 집광 유닛의 입사면의 일부 영역에 마련되어 형광 신호를 포함하는 상기 산란광을 차단하는 라만 필터;를 포함하여,
상기 산란광 중 상기 형광 신호의 수신은 억제하고 상기 라만 신호를 선택적으로 수집하는 분광기용 집광 광학계가 제공된다.
상기 대상물체는 탁도(turbidity)를 가지는 물질을 포함하며, 광원으로부터 방출되는 입사광의 조사에 의해 상기 형광 신호 및 상기 라만 신호를 포함하는 산란광을 방출할 수 있다. 예를 들면, 상기 대상물체는 피부를 포함하며, 상기 라만 신호를 혈당 라만 신호를 포함할 수 있다.
상기 라만 필터는 상기 형광 신호의 대부분이 입사되는 상기 입사면의 중심영역에 마련될 수 있다.
상기 비결상 광학 유닛의 입사면은 대략 1cm 이하의 크기를 가질 수 있다. 상기 라만 필터는 대략 1mm 이하의 크기를 가질 수 있다.
상기 라만 필터는 상기 대상물체에 조사되는 입사광의 파장 대역은 투과시키고, 상기 대상물체로부터 방출되는 산란광의 파장 대역은 차단할 수 있다.
상기 라만 필터는 상기 입사광의 하나의 특정 파장 대역만을 투과시킬 수 있다. 상기 라만 필터는 상기 입사광의 복수의 특정 파장 대역을 투과시키는 복수의 파장 필터를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 파장 필터는 예를 들면, 격자(grid) 형태 또는 동심원(concentric ring) 형태로 배치될 수 있다.
상기 라만 필터 주위의 상기 입사면에는 상기 라만 신호를 포함하는 상기 산란광을 투과시키는 투명 부재가 마련되거나 또는 특정 라만 파장만을 투과시키는 대역 필터(band filter)가 마련될 수 있다.
상기 비결상 집광 유닛은 예를 들면, 타원 쌍곡면 집광기(elliptical hyperboloid concentrator), 원형 쌍곡면 집광기(circular hyperboloid concentrator), 원 뿔 집광기(circular cone concentrator), 타원 뿔 집광기(elliptical cone concentrator) 또는 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator)를 포함할 수 있다.
상기 비결상 집광 유닛의 입사면은 상기 출사면보다 작은 면적을 가질 수 있다. 또한, 상기 비결상 집광 유닛의 입사면은 상기 출사면보다 큰 면적을 가질 수 있다.
다른 측면에 있어서,
대상물체에 입사광을 조사하는 광원;
상기 입사광에 의해 상기 대상물체로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호를 선택적으로 수집하는 집광 광학계; 및
상기 집광 광학계로부터 나오는 상기 라만 신호를 수신하는 분광기;를 포함하고,
상기 집광 광학계는, 상기 라만 신호를 수집하여 방출하는 것으로 상기 산란광이 입사되는 입사면과 상기 라만 신호가 출사되는 출사면을 포함하는 비결상 집광 유닛 및 상기 비결상 집광 유닛의 입사면의 일부 영역에 마련되어 형광 신호를 포함하는 상기 산란광을 차단하는 라만 필터를 포함하여, 상기 산란광 중 상기 형광 신호의 수신은 억제하고 상기 라만 신호를 선택적으로 수집하는 라만 분광 시스템이 제공된다.
상기 라만 필터는 상기 형광 신호의 대부분이 입사되는 상기 입사면의 중심영역에 마련될 수 있다.
상기 라만 필터는 상기 대상물체에 조사되는 입사광의 파장 대역은 투과시키고, 상기 대상물체로부터 방출되는 산란광의 파장 대역은 차단할 수 있다.
상기 라만 필터 주위의 상기 입사면에는 상기 라만 신호를 포함하는 상기 산란광을 투과시키는 투명 부재가 마련되거나 또는 특정 라만 파장만을 투과시키는 대역 필터(band filter)가 마련될 수 있다.
상기 비결상 집광 유닛은 예를 들면, 타원 쌍곡면 집광기(elliptical hyperboloid concentrator), 원형 쌍곡면 집광기(circular hyperboloid concentrator), 원 뿔 집광기(circular cone concentrator), 타원 뿔 집광기(elliptical cone concentrator) 또는 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator)를 포함할 수 있다.
상기 광원으로부터 출사되는 입사광은 상기 대상물체의 표면에 수직으로 조사되거나 또는 상기 대상물체의 표면에 대해 경사지게 조사될 수 있다.
상기 분광기는 온-칩(on-chip)형 분광기를 포함할 수 있다. 상기 분광기는 상기 라만 신호가 입사되는 슬릿(slit)이 형성된 분산형(dispersive type) 분광기를 포함하고, 상기 슬릿에는 상기 비결상 집광 유닛의 출사면이 삽입될 수 있다.
예시적인 실시예에 의하면, 비결상 집광 유닛 및 라만 필터를 이용하여 대상물체로부터 방출되는 산란광 중 형광 신호의 수신은 억제하고 라만 신호만을 선택적으로 수집할 수 있다. 구체적으로, 피부와 같이 탁도를 가지는 대상물체에 레이저 빔을 조사하게 되면 대상물체로부터 방출되는 산란광에는 라만 신호 뿐만 아니라 라만 신호의 수신을 방해하는 형광 신호도 포함되어 있으며, 이러한 형광 신호는 산란광의 중심부에 대부분에 포함되어 있다. 따라서, 비결상 집광 유닛의 입사면 중에서 산란광의 중심부에 대응하는 중심 영역에 형광 신호의 수신을 차단하는 라만 필터를 마련함으로써 형광 신호의 수신은 억제하고 라만 신호만을 선택적으로 수집할 수 있게 된다. 이러한 라만 분광 시스템을 이용하게 되면 피부 내에 포함되어 있는 혈당에 대한 라만 신호도 효과적으로 검출할 수 있다. 또한, 온-칩 형 분광기가 적용되면 모바일 헬스 향 진단 센서로 사용될 수 있는 초소형 라만 분광 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 측정 샘플에 레이저 광을 조사하여 측정 샘플로부터 방출되는 산란광을 측정하는 모습을 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 파이버들의 단면을 도시한 것이다.
도 3은 도 1에서 제1 실리콘 기판으로부터 방출된 산란광으로부터 파이버들에 수집된 라만 스펙트럼들을 도시한 것이다.
도 4a는 도 1에서 제2 실리콘 기판으로부터 방출된 산란광으로부터 파이버들에 수집된 라만 스펙트럼들을 도시한 것이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 라만 스펙트럼들을 확대하여 도시한 것이다.
도 5a는 도 1에서 제3 실리콘 기판으로부터 방출된 산란광으로부터 파이버들에 수집된 라만 스펙트럼들을 도시한 것이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 라만 스펙트럼들을 확대하여 도시한 것이다.
도 6은 도 3 내지 도 5b에서 파이버들의 위치에 따른 라만 신호, 노이즈 및 라만 신호대 잡음비(SNR)을 계산하여 도시한 것이다.
도 7a는 피부의 탁도(turbidity)를 가지는 측정 샘플로부터 방출되는 산란광으로부터 파이버들에 수집된 라만 스펙트럼들을 도시한 것이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 라만 스펙트럼들에서 계산된 형광 신호의 세기들을 도시한 것이다.
도 8a는 실제 피부로부터 방출되는 산란광으로부터 파이버들에 수집된 파이버들에 수집된 라만 스펙트럼들을 도시한 것이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 라만 스펙트럼들에서 형광 신호의 세기들을 도시한 것이다.
도 8c는 도 8a에 도시된 라만 스펙트럼들에서 라만 신호의 세기를 도시한 것이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 라만 분광 시스템을 도시한 것이다.
도 10은 도 9에 도시된 비결상 집광 유닛을 확대하여 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 비결상 집광 유닛의 입사면을 도시한 것이다.
도 12는 도 9에 도시된 라만 분광 시스템에서 대상물체로부터 나오는 산란광이 진행하는 경로를 도시한 것이다.
도 13a 내지 도 13d는 도 9에 도시된 라만 분광 시스템에 채용될 수 있는 비결상 집광 유닛의 변형예들을 도시한 것이다.
도 14a 및 도 14b는 도 9에 도시된 라만 분광 시스템에 채용될 수 있는 라만 필터의 변형예들을 도시한 것이다.
도 15a 및 도 15b는 도 9에 도시된 라만 분광 시스템에 채용될 수 있는 라만 필터의 다른 변형예들을 도시한 것이다.
도 16은 다른 예시적인 실시예에 따른 라만 분광 시스템을 도시한 것이다.
도 17은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 라만 분광 시스템을 도시한 것이다.
도 18은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 라만 분광 시스템을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
피부(skin)는 일반적인 반사 매질(reflective media)과는 달리 탁도(turbidity)를 가지는 매질이다. 탁도는 산란 계수(scattering coefficient)와 피부의 특징 중 하나인 비등방성 계수(anisotropic factor)를 고려한 리듀스드 산란 계수(reduced scattering coefficient)에 의해 표현될 수 있다. 피부의 리듀스드 산란 계수는 대략 1~3mm-1 정도가 될 수 있다. 탁도를 가지는 매질에서 라만 신호가 퍼지는 범위는 일반적인 반사 매질에 비해 매우 넓다. 또한, 피부의 표면에서 대략 100~400㎛ 정도의 깊이에 존재하는 표피(epidermis)에서 나오는 형광 신호 때문에 진피(dermis)에 집중적으로 존재하는 혈당(glucose) 라만 신호나 기타 다른 신호를 검출하는데 어려움이 있다.
도 1은 탁도를 가지는 측정 샘플에 입사광을 조사하여 측정 샘플로부터 방출되는 산란광을 파이버들을 통해 측정하는 모습을 도시한 것이다. 도 2에는 도 1에 도시된 파이버들의 단면이 도시되어 있다. 여기서, 측정 샘플(10)로는 일반적인 피부의 산란 계수 범위를 가지는 매질이 사용되었다. 구체적으로, 측정 샘플(10)의 산란 계수 및 리듀스드 산란 계수는 각각 755nm 파장에서 대략 2.4 mm-1 및 1.13 mm-1 이다. 그리고, 측정 샘플(10)에 조사하는 입사광(L)으로는 785nm 파장의 레이저 빔이 사용되었다.
도 1을 참조하면, 측정 샘플(10)의 표면으로부터 깊이 방향으로 제1, 제2 및 제3 실리콘 기판(21, 22, 23)이 마련되어 있다. 여기서, 제1 실리콘 기판(21)은 측정 샘플(10)의 표면에 마련되어 있다. 그리고, 제2 실리콘 기판(22)은 측정 샘플(10)의 표면으로부터 0.5mm의 깊이(d)에 마련되어 있고, 제3 실리콘 기판(23)은 측정 샘플(10)의 표면으로부터 1.0mm의 깊이에 마련되어 있다. 즉, 제1 실리콘 기판(21) 위에는 탁도를 가지는 매질이 존재하지 않으며, 제2 및 제3 실리콘 기판(22, 23) 위에는 탁도를 가지는 매질이 존재하게 된다.
광원(미도시)으로부터 방출된 레이저 빔의 입사광(L)은 측정 매질(10)에 조사되며, 측정 매질(10)로부터 방출되는 산란광(S)은 측정 매질(10)의 상부에 마련된 파이버 번들(fiber bundle)에 의해 수집될 수 있다.
구체적으로, 레이저 빔의 입사광(L)은 포커싱 렌즈(40)에 의해 집속되어 측정 샘플(10)에 있는 제1, 제2 및 제3 실리콘 기판(21, 22, 23)에 각각 조사될 수 있다. 여기서, 포커싱 렌즈(40)와 측정 샘플(10)의 표면 사이의 거리(f)는 4.5mm 이다. 이러한 입사광(L)의 조사에 의해 제1, 제2 및 제3 실리콘 기판(21, 22, 23) 각각으로부터 라만 신호를 포함하는 산란광(S)이 방출되며, 이러한 산란광(S)은 측정 매질(10)의 상부에 일렬로 배열된 9개의 파이버(F1 ~ F9)에 의해 수집될 수 있다. 이러한 파이버들(F1 ~ F9) 중에서 가운데 위치하는 5번째 파이버(F5)가 산란광의 중심에 대응되게 위치할 수 있다. 이러한 파이버들(F1 ~ F9) 각각은 코어(31)와 이 코어(31)를 둘러싸는 클래드층(32)을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 9개의 파이버(F1 ~ F9)에서 코어(31)의 지름은 200㎛ 이고, 인접한 파이버들(F1 ~ F9) 사이의 간격은 250㎛ 이다.
도 3은 도 1에서 제1 실리콘 기판으로부터 방출된 산란광으로부터 파이버들에 수집된 라만 스펙트럼들을 도시한 것이다. 도 3에는 레이저 빔의 입사광(L)이 제1 실리콘 기판(21)에 조사된 후, 제1 실리콘 기판(21)으로부터 방출되는 산란광(S) 중 9개의 파이버들(F1 ~ F9)에 수집된 라만 스텍트럼들이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 측정 샘플(10)의 표면에 마련되어 있어 그 위에 탁도를 가지는 매질이 존재하지 않는 제1 실리콘 기판(21)으로부터 방출되는 산란광의 라만 신호는 파이버들(F1 ~ F9)의 가운데 위치한 5번째 파이버(F5)에 집중적으로 수집되는 것을 알 수 있다.
도 4a는 도 1에서 제2 실리콘 기판으로부터 방출된 산란광으로부터 파이버들에 수집된 라만 스펙트럼들을 도시한 것이다. 그리고, 도 4b는 도 4a에 도시된 라만 스펙트럼들을 확대하여 도시한 것이다. 도 4a 및 도 4b에는 피부와 비슷한 탁도를 가지는 측정 샘플(10)의 표면으로부터 0.5mm의 깊이(d)에 마련되어 있는 제2 실리콘 기판(22)에 레이저 빔의 입사광(L)dl 조사된 후, 제2 실리콘 기판(22)으로부터 방출되는 산란광(S) 중 9개의 파이버들(F1 ~ F9)에 수집된 라만 스텍트럼들이 도시되어 있다.
도 5a는 도 1에서 제3 실리콘 기판으로부터 방출된 산란광으로부터 파이버들에 수집된 라만 스펙트럼들을 도시한 것이다. 그리고, 도 5b는 도 5a에 도시된 라만 스펙트럼들을 확대하여 도시한 것이다. 도 5a 및 도 5b에는 측정 샘플(10)의 표면으로부터 1.0mm의 깊이(d)에 마련되어 있는 제3 실리콘 기판(23)에 레이저 빔의 입사광(L)이 조사된 후, 제3 실리콘 기판(23)으로부터 방출되는 산란광(S) 중 9개의 파이버들에 수집된 라만 스텍트럼들이 도시되어 있다.
도 4a 및 도 4b와, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제2 실리콘 기판(22)이나 제3 실리콘 기판(23)과 같이 그 위에 탁도를 가지는 매질이 존재하는 경우에는 제2 실리콘 기판(22)이나 제3 실리콘 기판(23)으로부터 방출되는 산란광의 신호은 넓게 분산되어 9개의 파이버들(F1 ~ F9)에 수집되는 것을 알 수 있다. 또한, 파이버들(F1 ~ F9)의 가운데 위치한 5번째 파이버(F5)에서 멀어질수록 형광 신호의 세기는 약해지고, 라만 신호가 관찰되는 것을 알 수 있다.
도 6은 도 3 내지 도 5b에 도시된 라만 스펙트럼들에서 파이버들의 위치에 따른 라만 신호, 노이즈 및 라만 신호대 잡음비(SNR)을 계산하여 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 노이즈는 판독 노이즈(readout noise), 샷 노이즈(shot) 및 시스템 노이즈(systematic noise)로 구성될 수 있는데, 형광 신호가 큰 경우에는 샷 노이즈가 노이즈의 대부분을 차지할 수 있다. 따라서, 형광 신호를 선택적으로 줄이게 되면 샷 노이즈가 감소하여 라인 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 한편, 파이버들(F1 ~ F9)의 가운데 위치한 5번째 파이버(F5)에서는 라만 신호가 줄어들지만 형광 신호도 줄어들어 노이즈가 감소하기 때문에 5번째 파이버(F5)에서 대략 0.5mm 떨어진 위치에서 라만 신호대 잡음비가 높아질 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7a는 피부의 탁도(turbidity)를 가지는 측정 샘플로부터 방출되는 산란광으로부터 파이버들에 수집된 라만 스펙트럼들을 도시한 것이다. 도 7b는 도 7a에 도시된 라만 스펙트럼들로부터 계산된 형광 신호의 세기들을 도시한 것이다. 도 7b에서 형광 신호의 세기는 도 7a에 도시된 바와 같이 관심 피크 아래 부분의 크기로 정의된다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 파이버들(F1 ~ F9) 중 가운데 위치한 5번째 파이버(F5)에서 최외각 파이버(1번째 또는 9번째 파이버(F1, F9))로 갈 수록 형광 신호가 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 8a는 실제 피부로부터 방출되는 산란광에 의해 파이버들에 수집된 파이버들에 수집된 라만 스펙트럼을 도시한 것이다. 도 8b는 도 8a에 도시된 라만 스펙트럼들에서 형광 신호의 세기를 도시한 것이다. 도 8c는 도 8a에 도시된 라만 스펙트럼들에서 라만 신호의 세기를 도시한 것이다. 도 8c에서 A는 파이버들(F1 ~ F9) 중 가운데 위치한 5번째 파이버(F5)에서 수집된 라만 신호를 나타내며, B는 최외각 파이버(1번째 또는 9번째 파이버(F1, F9))에서 수집된 라만 신호를 나타낸다. 그리고, C는 B의 라만 신호를 10배 확대하여 표시한 것이다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 파이버들(F1 ~ F9) 중 가운데 위치한 5번째 파이버(F5)에서 최외각 파이버(1번째 또는 9번째 파이버(F1, F9))로 갈 수록 형광 신호가 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다. 구체적으로는 최외각 파이버(1번째 또는 9번째 파이버(F1, F9))에서 수집된 형광 신호는 5번째 파이버(F5)에서 수집한 형광 신호의 대략 1/3 정도 수준이 되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 8c에 도시된 바와 같이, 형광 신호가 감소됨으로써 라만 피크들의 해상도(resolution)가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 피부와 같은 탁도를 가지는 물질을 포함하는 측정 샘플(10)에 레이저 빔의 입사광(L)을 조사하게 되면, 측정 샘플(10)은 입사광(L)의 조사에 의해 산란광(S)을 방출하게 되며, 이 산란광(S)에는 라만 신호 뿐만 아니라 라만 신호의 수신을 방해하는 형광 신호도 함께 포함되어 있음을 알 수 있다. 하지만, 형광 신호는 측정 샘플(10)에서 방출되는 산란광(S)의 중심부에 집중적으로 포함되어 있으므로, 형광 신호의 대부분을 포함하는 산란광(S)의 중심부를 차단함으로써 라만 신호만을 선택적으로 수집할 수 있다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 라만 분광 시스템을 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 라만 분광 시스템(100)은 대상물체(50)에 입사광(L)을 조사하는 광원(110)과, 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호(S1)를 선택적으로 수집하는 집광 광학계와, 집광 광학계로부터 나오는 라만 신호(S1)를 수신하는 분광기(150)를 포함할 수 있다. 여기서, 측정하고자 하는 대상물체(50)는 소정 탁도(turbidity)를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 대상물체(50)는 인체의 피부(skin)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
광원(110)은 대상물체(50)에 조사되는 입사광(L)을 방출할 수 있다. 광원(110)으로부터 방출되는 입사광(L)으로는 예를 들면, 785nm 와 같은 파장 대역을 가지는 레이저 빔이 사용될 수 있다. 광원(110)으로부터 출사된 입사광(L)은 반사미러(115)에 의해 반사된 다음, 대상물체(50)의 원하는 측정 영역에 조사될 수 있다. 여기서, 입사광(L)의 광경로 상에는 입사광(L)을 포커싱하는 포커싱 렌즈(미도시)가 더 마련될 수 있다. 이 입사광(L)은 후술하는 바와 같이 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a)에 마련되어 있는 라만 필터(140)를 투과하여 대상물체(50)의 측정 영역에 조사될 수 있다. 이러한 입사광(L)은 대상물체(50)의 표면에 대해 수직으로 입사될 수 있다.
광원(110)으로부터 대상물체(50)의 측정 영역에 입사광(L)이 조사되면 대상물체(50)의 측정 영역으로부터 산란광이 방출될 수 있다. 여기서, 대상물체(50)는 탁도를 가지고 있기 때문에 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광에는 라만 신호(S1) 뿐만 아니라 라만 신호(S1)의 수신을 방해할 수 있는 형광 신호(S2)도 함께 포함되어 있다.
집광 광학계는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호(S1)를 선택적으로 수집할 수 있다. 이를 위해, 집광 광학계는 비결상 집광 유닛(non-imaging collection unit, 120) 및 라만 필터(Raman filter, 130)를 포함할 수 있다.
도 10은 도 9에 도시된 비결상 집광 유닛을 확대하여 도시한 사시도이다. 그리고, 도 11은 도 10에 도시된 비결상 집광 유닛의 입사면을 도시한 것이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광을 수집하기 위해 비결상 집광 유닛(120)이 사용될 수 있다. 비결상 집광 유닛(120)은 렌즈를 사용하지 않는 집광 시스템으로서, 광이 발생되는 지점과 최종 목적 지점 사이를 최적화된 방식으로 광을 전달하는 시스템을 의미한다. 이러한 비결상 집광 유닛(120)의 대표적인 적용 분야로는 태양 전지 분야나 조명 분야 등을 들 수 있다. 예를 들어, 태양 전지 분야에서는 태양 에너지 집광기(solar energy concentrator)가 태양 전지에 전달되는 태양 에너지를 극대화시키기 위해 사용될 수 있다.
도 10에는 비결상 집광 유닛(120)으로 복합 포물형 집광기(CPC; compound parabolic concentrator)가 사용된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 비결상 집광 유닛(120)은 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광이 입사되는 입사면(120a)과, 이 입사면(120a)의 반대쪽에 위치하는 것으로 라만 신호(S1)가 방출되는 출사면(120b)을 포함할 수 있다.
비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a)은 출사면(120b) 보다 작은 면적을 가질 수 있다. 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a)이 대상물체(50)의 표면에 접촉하여 측정 작업을 수행하는 경우, 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a)은 예를 들면 대략 1cm 이하의 직경(D1)을 가질 수 있다. 하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a) 중 일부 영역에는 형광 신호(S2)의 차단을 위한 라만 필터(130)가 마련되어 있다. 즉, 라만 필터(130)는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광 중 형광 신호(S2)를 차단하는 역할을 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 탁도를 가지는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광 중에서 형광 신호(S2)는 산란광(S)의 중심부에 대부분 포함되어 있다. 따라서, 대상물체(50)로부터 나오는 형광 신호(S2)의 수신을 억제하기 위해서 라만 필터(130)는 비결상 광학 유닛(120)의 입사면(120a) 중에서 형광 신호(S2)의 대부분이 입사되는 영역, 즉 입사면(120a)의 중심 영역에 마련될 수 있다. 또한, 비결상 광학 유닛(120)의 입사면(120a)에는 라만 필터(130)의 주위를 둘러싸는 투명 부재(140)가 더 마련될 수 있다. 이 투명 부재(140)는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광을 투과시킬 수 있으며, 라만 필터(130)를 지지하는 역할을 할 수 있다. 한편, 라만 필터(130)의 주위를 둘러싸는 비결상 광학 유닛(120)의 입사면(120a)에는 특정 라만 파장만을 투과시키는 대역 필터(band filter, 미도시)가 마련될 수도 있다.
도 10 및 도 11에서는 라만 필터(130)가 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a)의 중심 영역에 원형으로 마련되어 있는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a)이 대상물체(50)의 표면에 접촉하여 측정 작업을 수행하는 경우 라만 필터(130)는 대략 1mmm 이하의 직경(D2)을 가질 수 있다. 하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
라만 필터(130)는 광원(110)으로부터 방출되어 대상물체(50)에 조사되는 입사광(L)의 파장 대역은 투과시키고, 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광의 파장 대역은 차단할 수 있다. 즉, 입사광(L)의 조사에 의해 대상물체(50)의 측정 영역으로부터 산란광(S)이 방출되는데, 이러한 산란광은 라만 시프트(Raman shift)에 의해 입사광(L)과는 다른 파장 대역을 가질 수 있다. 이에 따라, 라만 필터(130)는 입사광(L)은 투과시킬 수 있지만, 입사광(L)과 다른 파장 대역을 가지는 산란광은 차단할 수 있다.
라만 필터(130)는 예를 들면, 특정 대역의 파장만을 투과시키는 밴드 패스 필터(band pass filter) 또는 특정 파장 이하의 파장만을 투과시키는 쇼트 패스 필터(short pass filter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 라만 필터(130)로 밴드 패스 필터를 사용하는 경우에는 스톡스 라만(Stokes Raman) 신호 및 안티-스톡스 라만(anti-Stokes Raman) 신호를 측정할 수 있다. 그리고, 라만 필터(130)로 쇼트 패스 필터를 사용하는 경우에는 스톡스 라만(Stokes Raman) 신호를 측정할 수 있다.
라만 필터(130)는 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a)의 중심 영역에 마련될 수 있다. 광원(50)의 입사광(L)은 도 9에 도시된 바와 같이 라만 필터(130)를 투과하여 대상물체(50)의 측정 영역에 조사될 수 있다. 그리고, 이러한 입사광(L)의 조사에 의해 대상물체(50)의 측정 영역으로부터 산란광이 방출하게 된다. 여기서, 산란광의 중심부, 즉 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a) 중심 영역으로 향하는 형광 신호(S2)를 포함하는 산란광은 라만 필터(130)에 의해 차단될 수 있다.
도 12에는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광이 진행하는 경로가 예시적으로 도시되어 있다. 도 12를 참조하면, 대상물체(50)로부터 나오는 산란광 중 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a) 중심 영역으로 향하는 형광 신호(S2)는 라만 필터(130)에 의해 차단되며, 비결상 광학 유닛(120)의 입사면(120a) 가장 자리 영역으로 향하는 라만 신호(S1)는 투명 부재(140)를 투과하여 비결상 집광 유닛(120)의 내부로 들어가게 된다. 그리고, 비결상 집광 유닛(120)은 입사된 라만 신호(S1)를 출사면(120b) 쪽으로 전달하게 된다.
대상물체(50)로부터 방출되는 산란광은 탁도로 인해 라만 신호(S1) 뿐만 아니라 라만 신호(S1)의 수신을 방해하는 형광 신호(S2)도 함께 포함되어 있다. 이러한 형광 신호(S2)는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광의 중심부에 집중적으로 존재하고 있으므로, 라만 필터(130)를 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a) 중심 영역에 마련하게 되면 형광 신호(S2)의 수신을 차단할 수 있으며, 이에 따라 비결상 집광 유닛(120)의 내부에는 라만 신호(S1)만이 수집될 수 있다.
입사광(L) 조사에 의해 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광의 각도는 랜덤(random)하기 때문에 산란광이 라만 필터(130)에 수직이 아닌 각도로 입사될 수도 있다. 시뮬레이션 실험 결과에 따르면, 790nm 이하의 파장만을 통과시키는 쇼트 통과 필터를 라만 필터로 사용하고, 라만 필터에 30도 및 60도로 경사지게 입사되는 800nm ~ 900nm의 파장은 거의 투과되지 않았다. 이에 따라, 라만 필터(130)에 경사지게 입사되는 산란광도 모두 차단할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이. 비결상 집광 유닛(120) 및 라만 필터(130)를 포함하는 집광 광학계는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광 중에서 라만 신호(S1)만을 선택적으로 수집하여 출사면(120b)을 통해 방출할 수 있다. 그리고, 이렇게 수집된 라만 신호(S1)는 분광기(150)에 수신되어 분석될 수 있다. 이에 따라, 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광 중 형광 신호(S2)의 수신은 억제되고 라만 신호(S2)만을 포함하는 라만 스펙트럼을 얻을 수 있다. 여기서, 분광기(150)로는 기판 상에 공진기들이나 필터들이 집적되어 소형화된 칩 형태로 제작된 온-칩(on-chip) 형 분광기가 사용될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예에 따른 라만 분광 시스템(100)에 따르면 비결상 집광 유닛(120) 및 라만 필터(130)를 이용하여 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광 중 형광 신호(S2)의 수신은 억제하고 라만 신호(S1)만을 선택적으로 수집할 수 있다. 즉, 피부와 같이 탁도를 가지는 대상물체(50)에 레이저 빔의 입사광(L)을 조사하게 되면 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광에는 라만 신호(S1) 뿐만 아니라 형광 신호(S2)도 포함되어 있으며, 이러한 형광 신호(S2)는 방출되는 산란광의 중심부에 대부분에 포함되어 있다. 따라서, 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a) 중에서 산란광의 중심부에 해당하는 영역, 즉 입사면(120a)의 중심 영역에 형광 신호(S2)의 수신을 차단하는 라만 필터(130)를 마련함으로써 비결상 집광 유닛(120)은 라만 신호(S1)만을 선택적으로 수집할 수 있다. 따라서, 이러한 라만 분광 시스템(100)을 이용하게 되면 예를 들어 피부 내에 포함되어 있는 혈당에 대한 라만 신호만을 효과적으로 검출할 수 있다. 또한, 분광기(150)로서 온-칩 형 분광기가 사용되는 경우 라만 분광 시스템(100)을 초소형으로 구현할 수 있다.
한편, 이상에서는 비결상 집광 유닛(120)으로 복합 포물형 집광기(CPC; compound parabolic concentrator)가 사용된 경우가 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 집광기가 비결상 집광 유닛(120)으로 사용될 수 있다.
도 13a 내지 도 13d는 도 9에 도시된 라만 분광 시스템에 채용될 수 있는 비결상 집광 유닛의 변형예들을 도시한 것이다. 도 13a에는 타원 쌍곡면 집광기(EHC: elliptical hyperboloid concentrator, 121)가 도시되어 있으며, 도 13b에는 원형 쌍곡면 집광기(CHC: circular hyperboloid concentrator. 122)가 도시되어 있다. 그리고, 도 13c에는 원 뿔 집광기(CCC; circular cone concentrator, 123)가 도시되어 있으며, 도 13d에는 타원 뿔 집광기(ECC; elliptical cone concentrator, 124)가 도시되어 있다. 한편, 이상에서 설명된 집광기들은 단지 예시적인 것으로 이외에도 다양한 형태의 집광기가 비결상 집광 유닛(120)으로 사용될 수 있다.
이상에서는 라만 필터(130)가 입사광의 하나의 파장 대역만을 투과시키는 경우가 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 광원(110)으로부터 방출되는 입사광은 복수의 파장 대역을 포함하고, 라만 필터가 이러한 복수의 파장 대역을 투과시키도록 마련될 수도 있다.
도 14a 및 도 14b는 도 9에 도시된 라만 분광 시스템에 채용될 수 있는 라만 필터의 변형예들을 도시한 것이다.
도 14a를 참조하면, 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a) 중심 영역에는 사각형의 라만 필터(131)가 마련될 수 있다. 라만 필터(131)는 적어도 하나의 제1 파장 필터(131a) 및 적어도 하나의 제2 파장 필터(132b)를 포함할 수 있다. 제1 파장 필터(131a)는 입사광(L)의 제1 파장 대역을 투과시킬 수 있으며, 제2 파장 필터(132)는 입사광(L)의 제2 파장 대역을 투과시킬 수 있다. 제1 및 제2 파장 필터(131,132)는 각각 사각 형태를 가질 수 있으며, 이러한 제1 및 제2 파장 필터(131,132)들은 격자(grid) 형태로 배치될 수 있다.
도 14b를 참조하면, 비결상 집광 유닛(120)의 입사면(120a) 중심 영역에는 원형의 라만 필터(132)가 마련될 수 있다. 라만 필터(132)는 입사광(L)의 제1 파장 대역을 투과시키는 적어도 하나의 제1 파장 필터(132a)와 입사광(L)의 제2 파장 대역을 투과시키는 적어도 하나의 제2 파장 필터(132b)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 파장 필터(132a, 132b)는 동심원((concentric ring) 형태로 배치될 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 도 9에 도시된 라만 분광 시스템에 채용될 수 있는 라만 필터의 다른 변형예들을 도시한 것이다.
도 15a를 참조하면, 사각형의 라만 필터(133)는 적어도 하나의 제1 파장 필터(133a), 적어도 하나의 제2 파장 필터(133b) 및 적어도 하나의 제3 파장 필터(133c)를 포함할 수 있다. 제1 파장 필터(133a)는 제1 파장 대역을 투과시킬 수 있고, 제2 파장 필터(133b)는 제2 파장 대역을 투과시킬 수 있으며, 제3 파장 필터(133c)는 제3 파장 대역을 투과시킬 수 있다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 파장 필터(133a, 133b, 133c)는 사각 형태를 가질 수 있으며, 이러한 제1, 제2 및 제3 파장 필터(133a, 133b, 133c)는 격자 형태로 배치될 수 있다.
도 15b를 참조하면, 원형의 라만 필터(134)는 제1 파장 대역을 투과시키는 적어도 하나의 제1 파장 필터(134a)와, 제2 파장 대역을 투과시키는 적어도 하나의 제2 파장 필터(134b)와, 제3 파장 대역을 투과시키는 적어도 하나의 제3 파장 필터(134c)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 파장 필터(134a, 134b, 134c)는 동심원 형태로 배치될 수 있다.
이상에서는 라만 필터(131, 132, 133, 134)가 2개 파장 대역 또는 3개의 파장 대역을 투과시키는 경우가 예시적으로 설명되었으며, 이외에도 4개 이상의 파장 대역을 투과시키는 라만 필터도 구현될 수 있다. 또한, 이상에서는 라만 필터(131, 132, 133, 134)의 형상이 사각형 또는 원형인 경우가 예시적으로 설명되었으나, 이외에도 라만 필터의 형상은 다양한 변형될 수 있다.
이와 같이, 복수의 파장 대역을 투과시키는 라만 필터(131, 132, 133, 134)는 SERDS(Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy) 분야에 사용될 수 있으며, 배경 추출(background subtraction)을 위해서도 사용될 수 있다. 또한, 입사광은 파장에 따라 피부에 침투하는 깊이가 다르기 때문에 복수의 파장 대역을 투과시키는 라만 필터(131, 132, 133, 134)를 사용하여 피부의 깊이에 따른 라만 정보들을 얻을 수 있다.
도 16은 다른 예시적인 실시예에 따른 라만 분광 시스템을 도시한 것이다.
도 16을 참조하면, 라만 분광 시스템(200)은 대상물체(50)에 입사광(L)을 조사하는 광원(210)과, 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호를 선택적으로 수집하는 집광 광학계와, 집광 광학계로부터 나오는 라만 신호를 수신하는 분광기(250)를 포함할 수 있다.
광원(210)으로부터 출사되는 입사광(L)은 반사 미러(215)에 의해 반사된 다음, 후술하는 라만 필터(2230)를 통하여 대상물체(50)의 측정 영역에 조사될 수 있다. 집광 광학계는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호를 선택적으로 수집할 수 있다. 집광 광학계는 비결상 집광 유닛(220) 및 라만 필터(230)를 포함할 수 있다. 비결상 집광 유닛(220)은 예를 들면, 복합 포물형 집광기(CPC), 타원 쌍곡면 집광기(EHC), 원형 쌍곡면 집광기(CHC), 원 뿔 집광기(CCC), 또는 타원 뿔 집광기(ECC)를 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
비결상 집광 유닛(220)은 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광이 입사되는 입사면(220a)과, 이 입사면(220a)의 반대쪽에 위치하는 것으로 라만 신호가 방출되는 출사면(220b)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 비결상 집광 유닛(220)의 입사면(220a)이 출사면(220b) 보다 큰 면적을 가질 수 있다.
비결상 집광 유닛(220)의 입사면(220a) 중 일부 영역에는 형광 신호의 차단을 위한 라만 필터(230)가 마련되어 있다. 구체적으로, 라만 필터(230)는 비결상 광학 유닛(220)의 입사면(220a) 중에서 형광 신호의 대부분이 입사되는 영역, 즉 입사면(220a)의 중심 영역에 마련될 수 있다. 이 라만 필터(230)는 하나의 파장 대역 또는 복수의 파장 대역이 투과하도록 마련될 수 있다. 한편, 비결상 광학 유닛(220)의 입사면(220a)에는 라만 필터(230)의 주위를 둘러싸는 투명 부재(미도시)가 더 마련될 수 있다. 또한, 라만 필터(230)의 주위를 둘러싸는 비결상 광학 유닛(220)의 입사면(220a)에는 특정 라만 파장만을 투과시키는 대역 필터(band filter, 미도시)가 마련될 수도 있다.
비결상 집광 유닛(220) 및 라만 필터(230)를 포함하는 집광 광학계는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광 중에서 라만 신호만을 선택적으로 수집할 수 있다. 그리고, 이렇게 수집된 라만 신호는 예를 들면 온-칩 형 분광기와 같은 분광기(250)에 수신되어 분석될 수 있다.
도 17은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 라만 분광 시스템을 도시한 것이다.
도 17을 참조하면, 라만 분광 시스템(300)은 광원(미도시)과, 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호를 선택적으로 수집하는 집광 광학계와, 집광 광학계로부터 나오는 라만 신호를 수신하는 분광기(350)를 포함할 수 있다. 여기서, 분광기(350)로는 슬릿(slit, 355)이 형성된 통상적인 분산형 분광기(dispersive spectrometer)가 사용될 수 있다.
집광 광학계는 비결상 집광 유닛(320) 및 라만 필터(330)를 포함할 수 있다. 비결상 집광 유닛(320)은 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광이 입사되는 입사면(320a)과, 이 입사면(320a)의 반대쪽에 위치하는 것으로 라만 신호가 방출되는 출사면(320b)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 비결상 집광 유닛(320)의 출사면(320b)이 분광기(350)의 슬릿(355)에 삽입되도록 마련될 수 있다. 따라서 비결상 집광 유닛(320)의 출사면(320b)은 분광기(350)의 슬릿(355)에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다.
라만 필터(330)는 비결상 광학 유닛(320)의 입사면(320a) 중에서 형광 신호의 대부분이 입사되는 영역, 즉 입사면(320a)의 중심 영역에 마련될 수 있다. 이 라만 필터(330)는 하나의 파장 대역 또는 복수의 파장 대역이 투과하도록 마련될 수 있다. 비결상 집광 유닛(320) 및 라만 필터(330)를 포함하는 집광 광학계는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광 중에서 라만 신호만을 선택적으로 수집할 수 있으며, 이렇게 수집된 라만 신호는 슬릿(355)을 통해 분광기(350) 내부로 수신되어 분석될 수 있다.
도 18은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 라만 분광 시스템을 도시한 것이다. 도 18을 참조하면, 라만 분광 시스템(400)은 대상물체(50)에 입사광(L)을 조사하는 광원(410)과, 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호를 선택적으로 수집하는 집광 광학계와, 집광 광학계로부터 나오는 라만 신호를 수신하는 분광기(450)를 포함할 수 있다.
광원(410)으로부터 출사되는 입사광(L)은 대상물체(50)의 표면에 경사지게 입사될 수 있다. 집광 광학계는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호를 선택적으로 수집할 수 있다. 집광 광학계는 비결상 집광 유닛(420) 및 라만 필터(430)를 포함할 수 있다. 비결상 집광 유닛(420)은 예를 들면, 복합 포물형 집광기(CPC), 타원 쌍곡면 집광기(EHC), 원형 쌍곡면 집광기(CHC), 원 뿔 집광기(CCC), 또는 타원 뿔 집광기(ECC)를 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
비결상 집광 유닛(420)은 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광이 입사되는 입사면과, 라만 신호가 방출되는 출사면을 포함할 수 있다. 여기서, 비결상 집광 유닛(420)의 입사면은 출사면 보다 작은 면적을 가질 수 있다. 또한, 비결상 집광 유닛(420)의 입사면은 출사면 보다 큰 면적을 가질 수도 있다.
라만 필터(430)는 비결상 광학 유닛(420)의 입사면 중에서 형광 신호의 대부분이 입사되는 영역, 즉 입사면의 중심 영역에 마련될 수 있다. 이러한 라만 필터(430)는 하나의 파장 대역 또는 복수의 파장 대역이 투과하도록 마련될 수 있다. 비결상 집광 유닛(420) 및 라만 필터(430)를 포함하는 집광 광학계는 대상물체(50)로부터 방출되는 산란광 중에서 라만 신호만을 선택적으로 수집할 수 있다. 그리고, 이렇게 수집된 라만 신호는 분광기(450)에 수신되어 분석될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 비결상 집광 유닛 및 라만 필터를 이용하여 대상물체로부터 방출되는 산란광 중 형광 신호의 수신은 억제하고 라만 신호만을 선택적으로 수집할 수 있다. 구체적으로, 피부와 같이 탁도를 가지는 대상물체에 레이저 빔을 조사하게 되면 대상물체로부터 방출되는 산란광에는 라만 신호 뿐만 아니라 라만 신호의 수신을 방해하는 형광 신호도 포함되어 있으며, 이러한 형광 신호는 산란광의 중심부에 대부분에 포함되어 있다. 따라서, 비결상 집광 유닛의 입사면 중에서 산란광의 중심부에 대응하는 중심 영역에 형광 신호의 수신을 차단하는 라만 필터를 마련함으로써 형광 신호의 수신은 억제하고 라만 신호만을 선택적으로 수집할 수 있게 된다. 이러한 라만 분광 시스템을 이용하게 되면 피부 내에 포함되어 있는 혈당에 대한 라만 신호도 효과적으로 검출할 수 있다. 또한, 온-칩 형 분광기가 적용되면 모바일 헬스 향 진단 센서로 사용될 수 있는 초소형 라만 분광 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 복수의 파장 대역을 투과시킬 수 있는 라만 필터를 채용한 라만 분광시스템은 SERDS 분야에 응용될 수 있으며, 배경 추출(background subtraction)을 위해서도 사용될 수 있다. 그리고, 광원으로부터 출사된 입사광은 파장에 따라 피부에 침투하는 깊이가 다르기 때문에 복수의 파장 대역을 투과시키는 라만 필터 사용하면 피부의 깊이에 따른 라만 정보들도 얻을 수 있다.
Fl ~ F9 : 파이버
L.. 입사광
S.. 산란광
S'.. 라만 신호를 포함하는 산란광
10.. 측정 샘플
21,22,23.. 제1 제2, 제3 실리콘 기판
31.. 코어
32.. 클래드층
40.. 포커싱 렌즈
50.. 대상물체
100,200,300,400.. 라만 분광 시스템
110,210,410.. 광원
115,215.. 반사미러
120,220,320,420.. 비결상 집광 유닛
120a,220a,320a.. 입사면
120b,220b,320b.. 출사면
130,131,132,133,134,230,330,430.. 라만 필터
131a,132a,133a,134a.. 제1 파장 필터
131b,132b,133b,134b.. 제2 파장 필터
133c,134c.. 제3 파장 필터
140.. 투명 부재
150,250,350,450.. 분광기
355.. 슬릿

Claims (22)

  1. 대상물체로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호를 선택적으로 수집하는 분광기용 집광 광학계(collection optics system)에 있어서,
    상기 라만 신호를 수집하여 방출하는 것으로, 상기 산란광이 입사되는 입사면과 상기 라만 신호가 방출되는 출사면을 포함하는 비결상 집광 유닛(non-imaging collection unit); 및
    상기 비결상 집광 유닛의 입사면의 일부 영역에 마련되어 형광 신호를 포함하는 상기 산란광을 차단하는 라만 필터;를 포함하여,
    상기 산란광 중 상기 형광 신호의 수신은 억제하고 상기 라만 신호를 선택적으로 수집하는 분광기용 집광 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대상물체는 탁도(turbidity)를 가지는 물질을 포함하며, 광원으로부터 방출되는 입사광의 조사에 의해 상기 형광 신호 및 상기 라만 신호를 포함하는 산란광을 방출하는 분광기용 집광 광학계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 대상물체는 피부를 포함하며, 상기 라만 신호는 혈당(glucose) 라만 신호를 포함하는 분광기용 집광 광학계.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 라만 필터는 상기 입사면의 중심 영역에 마련되는 분광기용 집광 광학계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 비결상 집광 유닛의 입사면은 1cm 이하의 크기를 가지는 분광기용 집광 광학계.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 라만 필터는 1mm 이하의 크기를 가지는 분광기용 집광 광학계.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 라만 필터는 상기 대상물체에 조사되는 입사광의 파장 대역은 투과시키고, 상기 대상물체로부터 방출되는 산란광의 파장 대역은 차단하는 분광기용 집광 광학계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 라만 필터는 상기 입사광의 하나의 특정 파장 대역만을 투과시키는 분광기용 집광 광학계.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 라만 필터는 상기 입사광의 복수의 특정 파장 대역을 투과시키는 복수의 파장 필터를 포함하는 분광기용 집광 광학계.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 파장 필터는 격자(grid) 형태 또는 동심원(concentric ring) 형태로 배치되는 분광기용 집광 광학계.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 라만 필터 주위의 상기 입사면에는 상기 라만 신호를 포함하는 상기 산란광을 투과시키는 투명 부재가 마련되거나 또는 특정 라만 파장만을 투과시키는 대역 필터(band filter)가 마련되는 분광기용 집광 광학계.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 비결상 집광 유닛은 타원 쌍곡면 집광기(elliptical hyperboloid concentrator), 원형 쌍곡면 집광기(circular hyperboloid concentrator), 원 뿔 집광기(circular cone concentrator), 타원 뿔 집광기(elliptical cone concentrator) 또는 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator)를 포함하는 분광기용 집광 광학계.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 비결상 집광 유닛의 입사면은 상기 출사면보다 작은 면적을 가지는 분광기용 집광 광학계.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 비결상 집광 유닛의 입사면은 상기 출사면보다 큰 면적을 가지는 분광기용 집광 광학계.
  15. 대상물체에 입사광을 조사하는 광원;
    상기 입사광에 의해 상기 대상물체로부터 방출되는 산란광으로부터 라만 신호를 선택적으로 수집하는 집광 광학계; 및
    상기 집광 광학계로부터 나오는 상기 라만 신호를 수신하는 분광기;를 포함하고,
    상기 집광 광학계는, 상기 라만 신호를 수집하여 방출하는 것으로 상기 산란광이 입사되는 입사면과 상기 라만 신호가 출사되는 출사면을 포함하는 비결상 집광 유닛 및 상기 비결상 집광 유닛의 입사면의 일부 영역에 마련되어 형광 신호를 포함하는 상기 산란광을 차단하는 라만 필터를 포함하여, 상기 산란광 중 형광 신호의 수신은 억제하고 상기 라만 신호를 선택적으로 수집하는 라만 분광 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 라만 필터는 상기 입사면의 중심 영역에 마련되는 라만 분광 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 라만 필터는 상기 대상물체에 조사되는 입사광의 파장 대역은 투과시키고, 상기 대상물체로부터 방출되는 산란광의 파장 대역은 차단하는 라만 분광 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 라만 필터 주위의 입사면에는 상기 라만 신호를 포함하는 상기 산란광을 투과시키는 투명 부재가 마련되거나 또는 특정 라만 파장만을 투과시키는 대역 필터(band filter)가 마련되는 라만 분광 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 비결상 집광 유닛은 타원 쌍곡면 집광기(elliptical hyperboloid concentrator), 원형 쌍곡면 집광기(circular hyperboloid concentrator), 원 뿔 집광기(circular cone concentrator), 타원 뿔 집광기(elliptical cone concentrator) 또는 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator)를 포함하는 라만 분광 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 출사되는 입사광은 상기 대상물체의 표면에 수직으로 조사되거나 또는 상기 대상물체의 표면에 대해 경사지게 조사되는 라만 분광 시스템.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 분광기는 온-칩(on-chip)형 분광기를 포함하는 라만 분광 시스템.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 분광기는 상기 라만 신호가 입사되는 슬릿(slit)이 형성된 분산형(dispersive type) 분광기를 포함하고, 상기 슬릿에는 상기 비결상 집광 유닛의 출사면이 삽입되는 라만 분광 시스템.
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