KR102652349B1 - 광학 센서들, 시스템들 및 그 사용 방법들 - Google Patents
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Abstract
광학 센서들, 시스템들 및 그 사용 방법들이 제공된다. 본 시스템들의 양태들은 감지 표면, 및 제1 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키고 제2 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 구성을 갖는 센서를 포함한다. 본 센서들, 시스템들 및 방법들은, 예컨대, 안구 건조증의 진단에서 사용된다.
Description
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2015년 9월 24일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/232,320호 - 이 출원의 개시내용은 참조에 의해 그 전체가 본 명세서에 원용됨 - 의 출원일의 우선권 이익을 주장한다. 본 출원은 또한 2015년 11월 11일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/254,099호 - 이 출원의 개시내용은 참조에 의해 그 전체가 본 명세서에 원용됨 - 의 출원일의 우선권 이익을 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 광학 센서들, 시스템들 및, 예컨대, 안구 건조증(dry eye disease)의 진단에서의 그 사용 방법들에 관한 것이다.
안구 건조증, 또는 건성 각결막염(Keratoconjunctivitis Sicca)(KCS)은 안과에서 가장 빈번히 확정되는 진단들 중 하나이다. 현재 미국에서 약 4천만 내지 6천만 명의 사람들이 건성안 증상(dry eye symptom)들을 나타내고 있는 것으로 추정된다. 건성안(dry eye)의 발생에 대한 정확한 통계 데이터가 없는 것은 주로 최신 진단 장비가 없는 것으로 인한 것이다. 그렇지만, 보다 우려되는 추세는 전적으로 건성안의 오진이나 건성안이 조기 발견(early detection)되지 않는 것인데, 그 이유는 증상을 나타내는 환자들이 항상 쉽게 식별될 수 있는 것은 아니기 때문이다.
보다 효과적인 진단을 추구하는 것은 안과 진료의 패러다임을 강화할 것이며, 제약 업계에서 인식되는 사실이다. 건성안을 치료하기 위한 최초의 처방 의약품들이 현재 시장에 나오고 있고 더 많은 것들이 진행 중이지만, 진단 및 치료 모니터링 방법들은 여전히 문제가 있다.
건성안을 진단하기도 하고 치료 노력의 유효성을 모니터링하기도 하는 "절대적 표준(gold standard)" 테스트가 없다. 하나의 인기있는 방법은 증상들의 주관적 관찰과 객관적 검사들(쉬르머 검사(Schirmer testing), 염색 기법들(staining techniques) 및 눈물막 파괴 시간(tear break-up time) 등)의 매트릭스이고, 이 중 어느 것도 건성안의 발견 또는 그의 중증도(severity)의 측정에 특정되어 있지 않다. 건성안의 치료를 목표로 한 최근의 의약품 발전들을 고려할 때, 진단 기술들의 적시의 병행하는 발전들이 필요하다.
눈물의 오스몰 농도(osmolarity) - 눈물 중에 용해된 고형물들의 정도 - 가 이 분야의 전문가들에 의해 건성안의 존재 및 중증도의 지표로서 널리 채택되고 있다. 눈물 오스몰 농도의 측정과 가장 흔히 연관된 기구는 삼투압계(osmometer)이지만; 기술적 한계점들로 인해 눈물 삼투압계들의 사용이 주로 연구 환경들로 제한되어 왔다.
삼투압계는 물과 같은 액체 중에 용해된 용질들의 농도를 측정하는 디바이스이다. 삼투압계가 다른 분야들에서 널리 사용되고 있지만, 삼투압계들은 의료계에서, 그 중에서도 특히, 중독 및 외상 환자들에서 오스몰 갭(osmol gap)을 결정하는 것, 만니톨 치료제 주사들(mannitol treatment infusions)을 모니터링하는 것, 및 외과적 처치들에서 관류액들(irrigation fluids)로 글리신 섭취에서의 흡수를 모니터링하는 것과 같은 적용분야들에서 사용된다.
눈물 오스몰 농도를 측정하는 것에 대한 이 기술의 적합성에도 불구하고, 현재의 디바이스들은 임상 환경에서 그들이 광범위하게 사용되는 것을 막는 특정 한계점들을 나타낸다. 가장 보편화된 문제는 샘플 크기와 관계가 있다.
거의 모든 상업적으로 이용가능한 삼투압계들은 밀리리터 크기의 샘플들을 측정하도록 설계(그리고 어쩌면 기술적으로 제한)되어 있다. 환자들로부터 추출된 눈물 샘플들은 나노리터 체적들로 되어 있는 경향이 있으며, 더욱 복잡한 문제들은 건성안 환자들이 일반적으로 보다 적은 눈물을 가져, 샘플들의 핸들링을 훨씬 더 어렵게 만든다는 것이다. 나노리터 샘플 크기들을 측정하도록 설계된 삼투압계들은 상업적으로 이용가능하지 않으며 임상 환경에서 실제 사용하기에는 너무 다루기 힘들다. 그 결과, 개업 안과 의사들은 이 보편화된 질환을 정확하게 발견하기 위해 위험한 방법 및 부적절한 도구들에 맡겨져 있다.
안구 건조증은 눈물막의 3개의 컴포넌트: 지질층, 수성층, 및 점액층 중 하나 이상의 감소된 생성에 의해 특징지워지는 복합 질환군이다. 눈물막 컴포넌트들 중 하나에서의 결핍은 눈물막 안정성의 상실을 가져올 수 있다. 정상 시력은 촉촉한 안구 표면에 의존하며, 충분한 눈물 품질, 눈물막의 정상적 구성, 규칙적인 깜박거림 및 정상적 눈감음(lid closure)을 전제조건들로서 요구한다. 치료받지 않은 채로 두는 경우, 건성안 증상은 결막 및 각막 상피에서의 진행성 병리학적 변화, 불편감, 각막 궤양을 유발할 수 있으며 심지어 궁극적으로는 실명을 초래할 수 있다.
표준 치료법은, 인간 눈물막을 모방하거나 눈물막의 보다 정교한 저삼투압 버전을 제시하려고 시도하는, 눈물 대체 요법이었다. 안타깝게도, 건성안 증상이 경증 단계(mild stage)를 넘어 진행됨에 따라, 이 통상의 요법은 덜 효과적이게 된다. 게다가, 이 치료법들은 건성안의 병인을 해결하지 못한다.
건성안을 유발하는 정확한 메커니즘들은 현재 알려져 있지 않으며 수년에 걸쳐 논쟁의 대상이었다. 최근에, 몇 가지 상이한 메커니즘이 건성안의 가능한 병인으로서 제안되었으며, 일반적인 공론은 건성안이 안구 표면을 윤활시키는 눈물막의 품질에서의 문제로 인해 보통 야기된다는 것이다. 보다 최근의 연구는 건성안이 노화에 따른 호르몬 상태의 감소(폐경후 여성에서 보다 두드러짐)의 결과일 수 있거나 안구 표면의 후천적 염증성 질환 및 면역 기초를 가질 수 있다고 제안하였다. 건성안 증상들의 다른 원인들은 특정 약물들(예컨대, 항히스타민제들, 베타 차단제(beta-blocker)들), 특정 전신성 염증성 질환들(예컨대, 류머티즘성 관절염)과의 연관성들, 메커니컬 원인들(mechanical causes)(예컨대, 눈꺼풀들의 불완전한 닫힘), 감염성 원인들(예컨대, 바이러스성 감염들) 및 특정 신경학적 원인들(예컨대, 라식 시술들)로부터 일어날 수 있다. 건성안의 가능한 병원성 인자들에 대한 지식의 최근의 증가에도 불구하고, 적절한 진단 기준들, 객관적 진단 검사의 구체적 목표들, 진단에서의 자각 증상들의 역할 및 결과들의 해석에 관한 합의가 부족하였다.
건성안의 증상들은 개인마다 상당히 다르다. 대부분의 환자는 이물감, 작열감 및 전반적 안구 불편감에 대해 불평한다. 불편감은 전형적으로 가려운, 건조한, 쓰라린, 모래가 든 것 같은, 따끔거리는 또는 화끈거리는 느낌으로 묘사된다. 불편감이 건성안의 홀마크(hallmark)인데, 그 이유는 각막에는 감각 신경 섬유들이 풍부하게 공급되어 있기 때문이다.
건성안의 높은 유병률(high prevalence)에도 불구하고, 건성안은 진단하기가 항상 용이한 것은 아니다. 대다수의 환자는 중증도가 경증(mild) 내지 중등증(moderate)인 증상들을 갖는다. 이 환자들이 진정으로 불편감을 겪고 있지만, 건성안의 타각 징후(objective sign)들이 간과될 수 있으며, 적절한 진단이 없다면, 환자들은 이 질환이 마땅히 받아야 하는 보살핌 및 치료를 받지 못할 수 있다. 건성안의 징후들 및 증상들은, 감염성, 알레르기성 또는 자극성 결막염과 같은, 다른 질환들의 증거로서 오인될 수 있다. 진단에서 이러한 복잡한 것들을 감안할 때, 건성안의 진단율이 대략 20%인 것으로 추정된다.
건성안의 진단은 전형적으로 임상 진찰로 시작된다. 여과지의 표준화된 스트립들이 아래 눈꺼풀의 중간 1/3과 외측 1/3의 교차점에 위치되는 쉬르머 검사가 보통 수행된다. 5분 후에 5 밀리미터 미만이 젖게 되는 경우, 수성 눈물 결핍(aqueous tear deficiency)이 존재하는 것으로 믿을 이유가 있다. 검사가 빠르고 저렴하며 결과들이 즉각 이용가능하지만, 이는 대략적인 추정만을 제공하고 중등증 건성안에서는 신뢰할 수 없다.
색소 염색법(dye staining)은 플루오레세인 또는 로즈 벵갈(Rose Bengal) 중 어느 하나를 사용해 건성안을 진단하는 다른 방법이며, 숙련된 의사는 슬릿 램프 관찰 하에서 건조도(dryness)를 나타내는 패턴들을 찾을 수 있다. 다른 검사인 눈물막 파괴 시간은 눈물막의 안정성의 척도이다. 정상 눈물막은 대략 10초 후에 파괴되기 시작하며, 건성안을 갖는 환자들에서는 이 시간이 감소된다.
눈물 오스몰 농도를 측정하는 데 일반적으로 사용되는 삼투압계는 1960년대에 개발된 Clifton Direct Reading Nanoliter Osmometer(Clifton Technical Physics, Hartford, N.Y.)이다. 원래 눈물을 측정하는 데 사용하기 위한 것으로 꼭 의도된 것은 아니지만, 이는 나노리터 체적의 용액을 측정할 수 있는 몇몇 기구 중 하나이며 안과에서 사용할 길을 찾았다.
Clifton Osmometer는 수년에 걸쳐 한정 수량만 생산되었고, 연구 실험실 밖에서는 일상적으로 사용되지 않는다. 이는 빙점 강하라고 불리는 공지된 측정 기법에 기초한다. Clifton Osmometer는 빙점 강하를 측정하는 것에 의해 샘플의 오스몰 농도를 측정한다. 빙점 강하 측정들에서, (보통 0℃에서 어는) 물이 용해된 용질들의 존재 하에서 그의 결빙 온도의 강하를 경험하고, 이의 수학적 관계는 라울의 법칙에 의해 정의된다.
검사가 정확할 수 있을지라도, 검사는 매우 숙련된 조작자가 측정을 할 것을 요구한다. 검사는 현미경 하에서 눈물 방울의 부분 체적(fractional volume)을 조사하는 것에 의해 결빙 온도의 강하를 모니터링한다. 그의 한계점들 및 이용가능성의 부족으로 인해, 이 분야에 몇 개의 유닛들만이 남아 있는 것 같다. 게다가, 각각의 측정은 15분 초과가 걸릴 수 있고, 이는, 작은 샘플 체적들과 함께, Clifton Osmometer의 사용을 매우 지루하고 불편한 프로세스로 만든다. 유닛들이 이용가능하더라도, 바쁜 진찰실 또는 진료소에는 요구된 양의 시간과 요청된 조작 실력이 용납되지 않는다.
안구 건조증을 진단하고 그에 대한 치료 노력을 모니터링할 수 있는 간단하고 정확한 센서들 및 시스템들이 필요하다.
광학 센서들, 시스템들 및 그 사용 방법들이 제공된다. 본 시스템들의 양태들은 감지 표면, 및 제1 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키고 제2 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 구성을 갖는 센서를 포함한다. 본 센서들, 시스템들 및 방법들은, 예컨대, 안구 건조증의 진단에서 사용된다.
본 발명의 양태들은 감지 표면을 포함하는 센서를 포함하고, 센서는: 제1 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키고; 제2 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 센서는 복수의 패싯(facet)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서는 절두원추형의 오목한 형상(frustoconical, concave shape)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 센서는 내부 표면 상에 복수의 패싯을 그리고 외부 표면 상에 복수의 패싯을 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서는 내부 표면 상에 2개의 패싯을 그리고 외부 표면 상에 4개의 패싯을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감지 표면은 센서의 중앙 부분에 위치된다. 일부 실시예들에서, 감지 표면은 코팅 영역 및 비코팅 영역을 포함한다. 일부 실시예들에서, 코팅 영역은 귀금속을 포함하는 반투명 막을 포함한다. 일부 실시예들에서, 귀금속은 금, 은, 알루미늄, 백금 또는 팔라듐이다. 일부 실시예들에서, 반투명 막은 약 0.5 nm 내지 약 200 nm의 범위에 있는 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 반투명 막은 약 45 nm 내지 약 50 nm의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 코팅 영역은 센서와 반투명 막 사이에 배치되는 접착 층을 포함한다. 일부 실시예들에서, 접착 층은 약 0.5 nm 내지 약 200 nm의 범위에 있는 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 접착 층은 약 45 nm 내지 약 50 nm의 범위에 있는 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 접착 층은 크롬, 티타늄 이산화물, 티타늄 일산화물, 실리콘 이산화물, 및 실리콘 일산화물로부터 선택된 재료를 포함한다. 일부 실시예들에서, 접착 층은 센서의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제1 입사각은 약 40 내지 약 70도의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 제1 입사각은 약 40 내지 약 45도의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 제1 입사각은 약 42도이다. 일부 실시예들에서, 제2 입사각은 약 40 내지 약 70도의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 제2 입사각은 약 62 내지 약 67도의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 제2 입사각은 약 64도이다. 일부 실시예들에서, 센서는 살균에 적합화되어 있다.
일부 실시예들에서, 센서는 광학 섀시를 추가로 포함하고, 광학 섀시는: 광학 신호 생성 컴포넌트; 검출 컴포넌트; 프로세서; 제어기; 및 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하고, 컴퓨터 판독가능 매체는, 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기로 하여금: 제1 임계각 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하고; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 임계각 신호의 이미지를 생성하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제1 임계각 신호의 최댓값의 픽셀 위치를 결정하게 하고; 제2 임계각 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며; 검출 컴포넌트를 사용하여 제2 임계각 신호의 이미지를 생성하게 하고; 생성된 이미지 상에서의 제2 임계각 신호의 최댓값의 픽셀 위치를 결정하게 하며; 제1 및 제2 임계각 신호들의 최댓값들의 픽셀 위치를 비교하여 임계각 델타 픽셀 값을 결정하게 하는 명령어들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감지 표면은 코팅 영역 및 비코팅 영역을 포함하고, 제1 및 제2 임계각 신호들은 비코팅 영역으로부터 생성된다.
일부 실시예들에서, 센서는 광학 섀시를 추가로 포함하고, 광학 섀시는: 광학 신호 생성 컴포넌트; 검출 컴포넌트; 프로세서; 제어기; 및 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하고, 컴퓨터 판독가능 매체는, 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기로 하여금: 제1 표면 플라스몬 공명(SPR) 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하고; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제1 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하고; 제2 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며; 검출 컴포넌트를 사용하여 제2 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하고; 생성된 이미지 상에서의 제2 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하며; 제1 및 제2 SPR 신호들의 최솟값들의 픽셀 위치를 비교하여 제1 SPR 델타 픽셀 값을 결정하게 하는 명령어들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 컴퓨터 판독가능 매체는, 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기로 하여금: 제3 SPR 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하고; 검출 컴포넌트를 사용하여 제3 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제3 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하고; 제4 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며; 검출 컴포넌트를 사용하여 제4 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하고; 생성된 이미지 상에서의 제4 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하며; 제3 및 제4 SPR 신호들의 최솟값들의 픽셀 위치를 비교하여 제2 SPR 델타 픽셀 값을 결정하게 하는 명령어들을 추가로 포함한다.
일부 실시예들에서, 감지 표면은 코팅 영역 및 비코팅 영역을 포함하고, SPR 신호들은 코팅 영역으로부터 생성된다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 판독가능 매체는, 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기로 하여금: 제1 표면 플라스몬 공명(SPR) 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면의 코팅 영역과 상호작용하도록 지향시키게 하고; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제1 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하고; 제2 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며; 검출 컴포넌트를 사용하여 제2 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하고; 생성된 이미지 상에서의 제2 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하며; 제1 및 제2 SPR 신호들의 최솟값들의 픽셀 위치를 비교하여 제1 SPR 델타 픽셀 값을 결정하게 하는 명령어들을 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 판독가능 매체는, 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기로 하여금: 제3 SPR 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하고; 검출 컴포넌트를 사용하여 제3 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제3 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하고; 제4 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며; 검출 컴포넌트를 사용하여 제4 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하고; 생성된 이미지 상에서의 제4 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하며; 제3 및 제4 SPR 신호들의 최솟값들의 픽셀 위치를 비교하여 제2 SPR 델타 픽셀 값을 결정하게 하는 명령어들을 추가로 포함한다.
일부 실시예들에서, 광학 신호 생성 컴포넌트는 레이저 또는 발광 다이오드(LED)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 레이저 또는 LED는 가시 또는 적외선 광을 방출한다. 일부 실시예들에서, 레이저 또는 LED는 약 400 내지 약 1,000 nm의 범위에 있는 파장을 갖는 광을 방출한다. 일부 실시예들에서, 레이저 또는 LED는 약 855 nm의 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 레이저 또는 LED는 약 950 nm의 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 광학 섀시는 하나 이상의 광학 신호 조작 컴포넌트를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 이미지 센서를 포함한다. 일부 실시예들에서, 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 카메라 또는 sCMOS(scientific complementary metal-oxide semiconductor) 카메라이다. 일부 실시예들에서, 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서(active pixel sensor)(APS)이다. 일부 실시예들에서, 센서는 센서를 광학 섀시에 분리가능하게 결합시키도록 구성되는 복수의 유지 고정구(retention fixture)를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서는 센서를 광학 섀시와 정렬시키도록 구성되는 정렬 컴포넌트를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 정렬 컴포넌트는 테이퍼링된 센터링 컴포넌트(tapered centering component)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서는 복수의 키네마틱 마운팅 컴포넌트(kinematic mounting component)들을 추가로 포함한다.
본 발명의 양태들은 시스템을 포함하고, 이 시스템은: (i) 비코팅 영역을 포함하는 감지 표면을 포함하는 센서 - 센서는: 제1 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키고; 제2 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키도록 구성됨 -; 및 (ii) 광학 섀시를 포함하고, 광학 섀시는: 광학 신호 생성 컴포넌트; 검출 컴포넌트; 프로세서; 제어기; 및 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하고, 컴퓨터 판독가능 매체는, 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기로 하여금: 제1 임계각 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하고; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 임계각 신호의 이미지를 생성하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제1 임계각 신호의 픽셀 위치를 결정하게 하고; 제2 임계각 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며; 검출 컴포넌트를 사용하여 제2 임계각 신호의 이미지를 생성하게 하고; 생성된 이미지 상에서의 제2 임계각 신호의 픽셀 위치를 결정하게 하며; 제1 및 제2 임계각 신호들의 픽셀 위치를 비교하여 임계각 델타 픽셀 값을 결정하게 하는 명령어들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감지 표면은 코팅 영역 및 비코팅 영역을 포함하고, 제1 및 제2 임계각 신호들은 비코팅 영역으로부터 생성된다.
본 발명의 양태들은 시스템을 포함하고, 이 시스템은: (i) 코팅 영역을 포함하는 감지 표면을 포함하는 센서 - 센서는: 제1 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키고; 제2 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키도록 구성됨 -; 및 (ii) 광학 섀시를 포함하고, 광학 섀시는: 광학 신호 생성 컴포넌트; 검출 컴포넌트; 프로세서; 제어기; 및 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하고, 컴퓨터 판독가능 매체는, 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기로 하여금: 제1 표면 플라스몬 공명(SPR) 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하고; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제1 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하고; 제2 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며; 검출 컴포넌트를 사용하여 제2 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하고; 생성된 이미지 상에서의 제2 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하며; 제1 및 제2 SPR 신호들의 최솟값들의 픽셀 위치를 비교하여 SPR 델타 픽셀 값을 결정하게 하는 명령어들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 컴퓨터 판독가능 매체는, 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기로 하여금: 제3 SPR 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하고; 검출 컴포넌트를 사용하여 제3 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제3 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하고; 제4 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며; 검출 컴포넌트를 사용하여 제4 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하고; 생성된 이미지 상에서의 제4 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하며; 제3 및 제4 SPR 신호들의 최솟값들의 픽셀 위치를 비교하여 제2 SPR 델타 픽셀 값을 결정하게 하는 명령어들을 추가로 포함한다.
일부 실시예들에서, 감지 표면은 코팅 영역 및 비코팅 영역을 포함하고, SPR 신호들은 코팅 영역으로부터 생성된다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 판독가능 매체는, 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기로 하여금: 제1 표면 플라스몬 공명(SPR) 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면의 코팅 영역과 상호작용하도록 지향시키게 하고; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제1 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하고; 제2 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며; 검출 컴포넌트를 사용하여 제2 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하고; 생성된 이미지 상에서의 제2 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제1 및 제2 SPR 신호들의 최솟값들의 픽셀 위치를 비교하여 제1 SPR 델타 픽셀 값을 결정하게 하는 명령어들을 추가로 포함한다.
일부 실시예들에서, 컴퓨터 판독가능 매체는, 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기로 하여금: 제3 SPR 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하고; 검출 컴포넌트를 사용하여 제3 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하며; 생성된 이미지 상에서의 제3 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하고; 제4 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며; 검출 컴포넌트를 사용하여 제4 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하고; 생성된 이미지 상에서의 제4 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하며; 제3 및 제4 SPR 신호들의 최솟값들의 픽셀 위치를 비교하여 제2 SPR 델타 픽셀 값을 결정하게 하는 명령어들을 추가로 포함한다.
일부 실시예들에서, 센서는 광학 섀시에 분리가능하게 결합되도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 시스템은 벤치톱 시스템(benchtop system)이다. 일부 실시예들에서, 시스템은 핸드헬드 시스템이다.
본 발명의 양태들은 샘플의 오스몰 농도를 결정하는 방법들을 포함하며, 이 방법들은: 시스템의 감지 표면을 기준 매체(reference medium)와 접촉시키는 단계; 제1 기준 표면 플라스몬 공명(SPR) 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 기준 SPR 신호의 이미지를 생성하는 단계; 생성된 이미지 상에서의 제1 기준 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하는 단계; 제2 기준 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계; 검출 컴포넌트를 사용하여 제2 기준 SPR 신호의 이미지를 생성하는 단계; 생성된 이미지 상에서의 제2 기준 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하는 단계; 제1 및 제2 기준 SPR 신호들의 최솟값들의 픽셀 위치를 비교하여 기준 매체 SPR 델타 픽셀 값을 결정하는 단계; 감지 표면을 샘플과 접촉시키는 단계; 제1 테스트 SPR 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 테스트 SPR 신호의 이미지를 생성하는 단계; 생성된 이미지 상에서의 제1 테스트 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하는 단계; 제2 테스트 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계; 생성된 이미지 상에서의 제2 테스트 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하는 단계; 제1 및 제2 테스트 SPR 신호들의 최솟값들의 픽셀 위치를 비교하여 테스트 매체 SPR 델타 픽셀 값을 결정하는 단계; 기준 매체 SPR 델타 픽셀 값을 테스트 매체 SPR 델타 픽셀 값과 비교하여 제1 보정된 델타 픽셀 값을 생성하는 단계; 및 제1 보정된 델타 픽셀 값을 교정 데이터 세트와 비교하여 샘플의 오스몰 농도를 결정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은: 감지 표면을 기준 매체와 접촉시키는 단계; 제1 임계각 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 임계각 신호의 이미지를 생성하는 단계; 생성된 이미지 상에서의 제1 임계각 신호의 최댓값의 픽셀 위치를 결정하는 단계; 제2 임계각 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계; 검출 컴포넌트를 사용하여 제2 임계각 신호의 이미지를 생성하는 단계; 생성된 이미지 상에서의 제2 임계각 신호의 최댓값의 픽셀 위치를 결정하는 단계; 제1 및 제2 임계각 신호들의 최댓값들의 픽셀 위치를 비교하여 임계각 델타 픽셀 값을 결정하는 단계; 제1 보정된 델타 픽셀 값을 임계각 델타 픽셀 값과 비교하여 제2 보정된 델타 픽셀 값을 결정하는 단계; 및 제2 보정된 델타 픽셀 값을 교정 데이터 세트와 비교하여 샘플의 오스몰 농도를 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 기준 SPR 신호들 및 제1 및 제2 임계각 신호들의 이미지들이 단일 이미지 프레임에서 캡처된다.
일부 실시예들에서, 방법은: 제1 또는 제2 보정된 델타 픽셀 값을 외부 환경 파라미터와 비교하여 외부 환경 보정된 델타 픽셀 값을 생성하는 단계; 및 외부 환경 보정된 델타 픽셀 값을 교정 데이터 세트와 비교하여 샘플의 오스몰 농도를 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 외부 환경 파라미터는 온도, 압력 및 습도를 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 양태들은 센서의 품질 파라미터를 검증하는 방법들을 포함하며, 이 방법은: 시스템의 감지 표면을 기준 매체와 접촉시키는 단계; 제1 기준 표면 플라스몬 공명(SPR) 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 기준 SPR 신호의 이미지를 생성하는 단계; 제1 기준 SPR 신호의 하나 이상의 특성을 결정하는 단계; 및 제1 기준 SPR 신호의 하나 이상의 특성을 교정 데이터 세트와 비교하여 센서의 품질 파라미터를 검증하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서의 품질 파라미터는 감지 표면 상에 배치된 반투명 막의 두께, 감지 표면 상에 배치된 접착 층의 두께, 감지 표면 상에 배치된 반투명 막 내의 재료의 순도, 및 감지 표면 상에 배치된 접착 층 내의 재료의 순도를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예들에서, 제1 기준 SPR 신호의 특성은 제1 기준 SPR 신호의 콘트라스트 값, 형상, 또는 치수를 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 양태들은 센서의 품질 파라미터를 검증하는 방법들을 포함하며, 이 방법들은: 시스템의 감지 표면을 기준 매체와 접촉시키는 단계; 제1 기준 임계각 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계; 검출 컴포넌트를 사용하여 제1 기준 임계각 신호의 이미지를 생성하는 단계; 제1 기준 임계각 신호의 하나 이상의 특성을 결정하는 단계; 및 제1 기준 임계각 신호의 하나 이상의 특성을 교정 데이터 세트와 비교하여 센서의 품질 파라미터를 검증하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 센서의 품질 파라미터는 감지 표면 상에 배치된 반투명 막의 두께, 감지 표면 상에 배치된 접착 층의 두께, 감지 표면 상에 배치된 반투명 막 내의 재료의 순도, 및 감지 표면 상에 배치된 접착 층 내의 재료의 순도를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예들에서, 제1 기준 임계각 신호의 특성은 제1 기준 임계각 신호의 콘트라스트 값, 형상, 또는 치수를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 파장을 갖는 광학 신호들이 동시에 감지 표면과 상호작용하도록 지향된다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 파장을 갖는 광학 신호들이 게이티드 방식으로(in a gated manner) 감지 표면과 상호작용하도록 지향된다. 일부 실시예들에서, 교정 데이터 세트는 시스템의 프로세서의 판독 전용 메모리에 저장된다. 일부 실시예들에서, 기준 매체는 공기이고 샘플은 눈물액(tear fluid)이다. 일부 실시예들에서, 방법이 수행되는 동안 눈물액은 피검자의 눈과 접촉된 채로 있다. 일부 실시예들에서, 제1 입사각은 약 40 내지 약 45도의 범위에 있고, 제2 입사각은 약 62 내지 약 67도의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 제1 입사각은 약 42도이고, 제2 입사각은 약 64도이다. 일부 실시예들에서, 제1 파장은 약 855 ㎚이고, 제2 파장은 약 950 ㎚이다.
도 1은 눈물 오스몰 농도와 정상안(normal eye)들 및 건성안들에 대한 확률 사이의 관계를 나타낸 그래프.
도 2의 패널 A는 눈물액의 오스몰 농도를 측정하기 위한 표면 플라스몬 공명(SPR) 기법을 설명하는 예시. 패널 B는 상대 응답(relative response)을 SPR 각도의 함수로서 나타낸 그래프.
도 3의 패널 A는 638 nm 파장 레이저를 사용하여 생성된 이미지이고, 패널 B는 632 nm 파장의 전통적인 LED를 사용하여 생성된 이미지. 패널 C는 레이저 다이오드 이미지로부터의 보다 많은 양의 잡음을 나타낸 그래프. 패널 D는 LED로부터의 보다 적은 양의 잡음을 나타낸 그래프. 패널 D에서의 그래프는 패널 C에서의 그래프보다 현저하게 더 매끄러움.
도 4는 상이한 파장들을 갖는 3개의 상이한 광학 신호에 대한 입사각의 함수로서의 % 반사율을 비교하는 그래프. 보다 긴 파장의 광학 신호들은 보다 좁은(보다 급격한) SPR 라인 폭들을 가짐.
도 5는 상이한 파장들을 갖는 상이한 광학 소스들에 대한 이미지 품질의 차이를 보여주는 3개의 상이한 이미지의 컬렉션. 보다 큰 파장을 갖는 광에 대해 SPR 라인의 폭이 보다 좁음.
도 6은 고굴절율 유리(SF10, 굴절률 ~ 1.72) 및 저굴절률 유리(BK7, 굴절률 ~ 1.52)에 대한 파장의 함수로서의 분해능을 나타낸 그래프. 그래프는 상이한 재료들 간에 거의 차이가 없다는 나타냄.
도 7은 SPR 곡선의 최솟값을 결정하기 위한 직선 피팅 접근법(straight line fit approach)을 설명하는 그래프.
도 8은 비디오 이미저(video imager)를 사용하여 취득된 SPR 라인 이미지. 이미지 내의 관심 영역은 표시된 사각형으로 윤곽 표시(outline)됨.
도 9는 도 8에 도시된 관심 영역에 대한 픽셀 위치의 함수로서의 그레이 스케일 값을 나타낸 그래프. X 방향을 따른 관심 영역에서의 수직 열 픽셀 강도의 평균에 대응하는 그래프는 생성되었음.
도 10은 도 9에 도시된 SPR 곡선(점선)은 물론 SPR 곡선의 도함수(실선)를 SPR 각도(픽셀들)의 함수로서 나타낸 그래프. SPR 곡선의 도함수의 제로 크로싱(zero crossing)은 원으로 표시되어 있음.
도 11은 도 10에 도시된 SPR 곡선의 도함수의 제로 크로싱의 위치를 픽셀 값의 수 분의 1까지(to a fraction of a pixel value) 나타낸 그래프.
도 12는 선형 보간 기법을 사용하여 제로 크로싱 지점의 정확한 좌표를 결정하는 것을 나타낸 그래프.
도 13은 대략 1.0초 간격들로 순차적으로 취득된 10개의 SPR 이미지에 대한 SPR 최솟값들의 위치를 나타낸 표.
도 14는 에탄올 및 탈이온수에 대한 상대 SPR 응답을 나타낸 그래프. 2개의 매체에 대한 픽셀 위치 차이는 대략 910 픽셀로서 나타내어져 있음.
도 15는 에탄올 용액에 대한 원시 SPR 데이터를 나타낸 이미지.
도 16는 탈이온수 용액에 대한 원시 SPR 데이터를 나타낸 이미지.
도 17은 도함수 신호 처리 기법을 사용하여 취득 및 분석된 SPR 각도(픽셀들)의 함수로서의 오스몰 농도를 나타낸 그래프.
도 18은 곡선 피팅 기법을 사용하여 생성된 픽셀 카운트의 함수로서의 상대 응답을 나타낸 그래프.
도 19은 3차 다항식을 SPR 곡선에 피팅하는 것에 의해 생성된 픽셀 카운트의 함수로서의 상대 응답을 나타낸 그래프.
도 20은 SPR 최솟값에 대응하는 픽셀 위치를 결정하는 데 사용될 수 있는 2차 및 3차 방정식 해들을 나타낸 도면.
도 21은 각종의 예시적인 재료들에 대한 온도에 따른 굴절률의 상대 변화를 나타낸 그래프.
도 22는 사출 성형 센서의 일 예의 예시. 센서와 감지 표면이 참조 표시되어 있음.
도 23은 사출 성형 센서의 다른 예의 예시.
도 24는 사출 성형 센서의 다른 예의 예시. 도시된 센서는 제1 광학 신호를 42.04도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록, 그리고 제2 광학 신호를 64.44도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성됨.
도 25는 사출 성형 센서의 다른 예의 예시. 도시된 센서는 제1 광학 신호를 42.04도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록, 그리고 제2 광학 신호를 64.44도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성됨.
도 26은 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 일 예시.
도 27은 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시.
도 28의 패널 A는 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시. 패널 B는, 코팅 영역 및 비코팅 영역을 보여주는, 감지 표면의 단부도. 패널 C는 센서의 감지 표면 및 다양한 패싯들과 상호작용하는 다양한 광 경로들의 클로즈업 예시.
도 29의 패널 A는 (공기와 접촉하는) 건조한 감지 표면으로부터 제1 LED 세트 중 하나의 LED를 사용하여 공기 SPR 라인(감지 표면의 코팅 영역으로부터 획득됨) 및 임계각 전이(critical angle transition)(감지 표면의 비코팅 영역으로부터 획득됨)를 시뮬레이션한 것을 나타냄. 패널 B는 감지 표면이 물 또는 눈물액과 접촉되었을 때 제2 LED 세트 중의 하나의 LED를 사용하여 획득된 SPR 라인을 예시함.
도 30은 스넬의 법칙(굴절 법칙)의 기하학적 표현(geometry) 및 기판의 임계각을 예시한 도면.
도 31은 상이한 두께들의 금 막을 갖는 복수의 감지 표면들에 대한 입사각의 함수로서의 반사율의 그래프. 임계각(θc)은 일정하게 유지되며, 금 막의 두께와 무관함.
도 32의 패널 A는 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시. 패널 B는 센서의 감지 표면 및 다양한 패싯들과 상호작용하는 다양한 광 경로들의 클로즈업 예시.
도 33의 패널 A는 눈물액 샘플로부터의 데이터를 보여주는 시뮬레이션된 이미지. 공기 SPR 라인 및 눈물 SPR 라인은 물론 임계각 라인이 나타내어져 있음. 패널 B는 패널 A에서의 이미지에 대한 픽셀 위치의 함수로서의 그레이 스케일 값을 나타낸 그래프. 공기 및 눈물 SPR 라인들에 대응하는 최소 그레이 스케일 값은 물론 임계각 라인에 대응하는 최대 그레이 스케일 값이 나타내어져 있음.
도 34는 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시.
도 35는 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시.
도 36은 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시. 도시된 광학 섀시의 전체 길이는 2.181 인치임.
도 37은 광학 섀시 및 센서의 측면도 예시. 도시된 광학 섀시의 전체 높이는 0.903 인치임. 도시된 센서의 직경은 0.765 인치임.
도 38은 광학 섀시 및 센서의 다른 측면도 예시.
도 39는 광학 섀시 및 센서의 다른 측면도 예시.
도 40은 광학 섀시 및 센서의 사시도 예시.
도 41은 광학 섀시 및 센서의 다른 측면도 예시.
도 42의 패널 A는 센서의 측면도 예시임. 패널 B는 센서의 저면도 예시임.
도 43은 센서의 사시도 예시.
도 44의 패널 A 및 패널 B는 센서의 측면도 예시.
도 45는 센서의 단부도 예시.
도 46은 센서 및 광학 섀시의 단부도 예시.
도 47은 센서의 투명 렌더링.
도 48은 다양한 컴포넌트들을 포함하는 광학 섀시 및 센서를 포함하는 벤치톱 시스템의 예시.
도 49는 벤치톱 시스템의 사시도 예시.
도 50은 벤치톱 시스템의 다른 사시도 예시.
도 51은 도 48 내지 도 50에 예시된 바와 같은 벤치톱 시스템과 관련하여 사용될 수 있는 외측 케이싱 컴포넌트의 이미지.
도 2의 패널 A는 눈물액의 오스몰 농도를 측정하기 위한 표면 플라스몬 공명(SPR) 기법을 설명하는 예시. 패널 B는 상대 응답(relative response)을 SPR 각도의 함수로서 나타낸 그래프.
도 3의 패널 A는 638 nm 파장 레이저를 사용하여 생성된 이미지이고, 패널 B는 632 nm 파장의 전통적인 LED를 사용하여 생성된 이미지. 패널 C는 레이저 다이오드 이미지로부터의 보다 많은 양의 잡음을 나타낸 그래프. 패널 D는 LED로부터의 보다 적은 양의 잡음을 나타낸 그래프. 패널 D에서의 그래프는 패널 C에서의 그래프보다 현저하게 더 매끄러움.
도 4는 상이한 파장들을 갖는 3개의 상이한 광학 신호에 대한 입사각의 함수로서의 % 반사율을 비교하는 그래프. 보다 긴 파장의 광학 신호들은 보다 좁은(보다 급격한) SPR 라인 폭들을 가짐.
도 5는 상이한 파장들을 갖는 상이한 광학 소스들에 대한 이미지 품질의 차이를 보여주는 3개의 상이한 이미지의 컬렉션. 보다 큰 파장을 갖는 광에 대해 SPR 라인의 폭이 보다 좁음.
도 6은 고굴절율 유리(SF10, 굴절률 ~ 1.72) 및 저굴절률 유리(BK7, 굴절률 ~ 1.52)에 대한 파장의 함수로서의 분해능을 나타낸 그래프. 그래프는 상이한 재료들 간에 거의 차이가 없다는 나타냄.
도 7은 SPR 곡선의 최솟값을 결정하기 위한 직선 피팅 접근법(straight line fit approach)을 설명하는 그래프.
도 8은 비디오 이미저(video imager)를 사용하여 취득된 SPR 라인 이미지. 이미지 내의 관심 영역은 표시된 사각형으로 윤곽 표시(outline)됨.
도 9는 도 8에 도시된 관심 영역에 대한 픽셀 위치의 함수로서의 그레이 스케일 값을 나타낸 그래프. X 방향을 따른 관심 영역에서의 수직 열 픽셀 강도의 평균에 대응하는 그래프는 생성되었음.
도 10은 도 9에 도시된 SPR 곡선(점선)은 물론 SPR 곡선의 도함수(실선)를 SPR 각도(픽셀들)의 함수로서 나타낸 그래프. SPR 곡선의 도함수의 제로 크로싱(zero crossing)은 원으로 표시되어 있음.
도 11은 도 10에 도시된 SPR 곡선의 도함수의 제로 크로싱의 위치를 픽셀 값의 수 분의 1까지(to a fraction of a pixel value) 나타낸 그래프.
도 12는 선형 보간 기법을 사용하여 제로 크로싱 지점의 정확한 좌표를 결정하는 것을 나타낸 그래프.
도 13은 대략 1.0초 간격들로 순차적으로 취득된 10개의 SPR 이미지에 대한 SPR 최솟값들의 위치를 나타낸 표.
도 14는 에탄올 및 탈이온수에 대한 상대 SPR 응답을 나타낸 그래프. 2개의 매체에 대한 픽셀 위치 차이는 대략 910 픽셀로서 나타내어져 있음.
도 15는 에탄올 용액에 대한 원시 SPR 데이터를 나타낸 이미지.
도 16는 탈이온수 용액에 대한 원시 SPR 데이터를 나타낸 이미지.
도 17은 도함수 신호 처리 기법을 사용하여 취득 및 분석된 SPR 각도(픽셀들)의 함수로서의 오스몰 농도를 나타낸 그래프.
도 18은 곡선 피팅 기법을 사용하여 생성된 픽셀 카운트의 함수로서의 상대 응답을 나타낸 그래프.
도 19은 3차 다항식을 SPR 곡선에 피팅하는 것에 의해 생성된 픽셀 카운트의 함수로서의 상대 응답을 나타낸 그래프.
도 20은 SPR 최솟값에 대응하는 픽셀 위치를 결정하는 데 사용될 수 있는 2차 및 3차 방정식 해들을 나타낸 도면.
도 21은 각종의 예시적인 재료들에 대한 온도에 따른 굴절률의 상대 변화를 나타낸 그래프.
도 22는 사출 성형 센서의 일 예의 예시. 센서와 감지 표면이 참조 표시되어 있음.
도 23은 사출 성형 센서의 다른 예의 예시.
도 24는 사출 성형 센서의 다른 예의 예시. 도시된 센서는 제1 광학 신호를 42.04도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록, 그리고 제2 광학 신호를 64.44도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성됨.
도 25는 사출 성형 센서의 다른 예의 예시. 도시된 센서는 제1 광학 신호를 42.04도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록, 그리고 제2 광학 신호를 64.44도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성됨.
도 26은 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 일 예시.
도 27은 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시.
도 28의 패널 A는 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시. 패널 B는, 코팅 영역 및 비코팅 영역을 보여주는, 감지 표면의 단부도. 패널 C는 센서의 감지 표면 및 다양한 패싯들과 상호작용하는 다양한 광 경로들의 클로즈업 예시.
도 29의 패널 A는 (공기와 접촉하는) 건조한 감지 표면으로부터 제1 LED 세트 중 하나의 LED를 사용하여 공기 SPR 라인(감지 표면의 코팅 영역으로부터 획득됨) 및 임계각 전이(critical angle transition)(감지 표면의 비코팅 영역으로부터 획득됨)를 시뮬레이션한 것을 나타냄. 패널 B는 감지 표면이 물 또는 눈물액과 접촉되었을 때 제2 LED 세트 중의 하나의 LED를 사용하여 획득된 SPR 라인을 예시함.
도 30은 스넬의 법칙(굴절 법칙)의 기하학적 표현(geometry) 및 기판의 임계각을 예시한 도면.
도 31은 상이한 두께들의 금 막을 갖는 복수의 감지 표면들에 대한 입사각의 함수로서의 반사율의 그래프. 임계각(θc)은 일정하게 유지되며, 금 막의 두께와 무관함.
도 32의 패널 A는 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시. 패널 B는 센서의 감지 표면 및 다양한 패싯들과 상호작용하는 다양한 광 경로들의 클로즈업 예시.
도 33의 패널 A는 눈물액 샘플로부터의 데이터를 보여주는 시뮬레이션된 이미지. 공기 SPR 라인 및 눈물 SPR 라인은 물론 임계각 라인이 나타내어져 있음. 패널 B는 패널 A에서의 이미지에 대한 픽셀 위치의 함수로서의 그레이 스케일 값을 나타낸 그래프. 공기 및 눈물 SPR 라인들에 대응하는 최소 그레이 스케일 값은 물론 임계각 라인에 대응하는 최대 그레이 스케일 값이 나타내어져 있음.
도 34는 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시.
도 35는 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시.
도 36은 복수의 광학 섀시 컴포넌트들 및 센서를 통해 진행하는 다양한 광 경로들을 나타낸 다른 예시. 도시된 광학 섀시의 전체 길이는 2.181 인치임.
도 37은 광학 섀시 및 센서의 측면도 예시. 도시된 광학 섀시의 전체 높이는 0.903 인치임. 도시된 센서의 직경은 0.765 인치임.
도 38은 광학 섀시 및 센서의 다른 측면도 예시.
도 39는 광학 섀시 및 센서의 다른 측면도 예시.
도 40은 광학 섀시 및 센서의 사시도 예시.
도 41은 광학 섀시 및 센서의 다른 측면도 예시.
도 42의 패널 A는 센서의 측면도 예시임. 패널 B는 센서의 저면도 예시임.
도 43은 센서의 사시도 예시.
도 44의 패널 A 및 패널 B는 센서의 측면도 예시.
도 45는 센서의 단부도 예시.
도 46은 센서 및 광학 섀시의 단부도 예시.
도 47은 센서의 투명 렌더링.
도 48은 다양한 컴포넌트들을 포함하는 광학 섀시 및 센서를 포함하는 벤치톱 시스템의 예시.
도 49는 벤치톱 시스템의 사시도 예시.
도 50은 벤치톱 시스템의 다른 사시도 예시.
도 51은 도 48 내지 도 50에 예시된 바와 같은 벤치톱 시스템과 관련하여 사용될 수 있는 외측 케이싱 컴포넌트의 이미지.
광학 센서들, 시스템들 및 그 사용 방법들이 제공된다. 본 시스템들의 양태들은 센서를 포함하고, 이 센서는 감지 표면 및 제1 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키고 제2 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 구성을 갖는다. 본 센서들, 시스템들 및 방법들은, 예컨대, 안구 건조증의 진단에서 사용된다.
본 발명이 보다 상세하게 기술되기 전에, 본 발명이 기술된 특정의 양태들로 제한되지 않고 그 자체로서 물론 다양할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 범주가 첨부된 청구항들에 의해서만 제한될 것이기 때문에, 본 명세서에서 사용되는 용어가 특정의 양태들을 기술하기 위한 것에 불과하고 제한하는 것으로 의도되어 있지 않다는 것이 또한 이해되어야 한다.
값들의 범위가 제공되는 경우, 그 범위의 상한 및 하한과 그 언급된 범위 내의 임의의 다른 언급된 또는 개재 값 사이에 있는, 문맥이 명확하게 달리 언급하지 않는 한 하한의 단위의 1/10까지의, 각각의 개재 값이 본 발명 내에 포괄된다는 것이 이해된다. 이러한 보다 작은 범위들의 상한 및 하한이 보다 작은 범위들에 독립적으로 포함될 수 있으며 또한, 언급된 범위에서의 임의의 특별히 배제된 한계에 따라, 본 발명 내에 포함된다. 언급된 범위가 한계들 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 경우, 그 포함된 한계들 중 어느 하나 또는 둘 다를 제외한 범위들이 또한 본 발명에 포함된다.
특정 범위들이 본원에서 "약(about)"이라는 용어가 선행되는 수치 값들로 제시된다. "약"이라는 용어는 그에 선행하는 정확한 숫자는 물론 그 용어가 선행하는 숫자와 가깝거나 근사적으로 그 숫자인 숫자에 대한 문자 그대로의 지원(literal support)을 제공하기 위해 본 명세서에서 사용된다. 어떤 숫자가 구체적으로 인용된 숫자에 가까운지 또는 근사적으로 그 인용된 숫자인지 여부를 결정함에 있어서, 가까운 또는 근사적인 미인용된 숫자는, 그 숫자가 제시되는 문맥에서, 구체적으로 인용된 숫자의 실질적 등가물을 제공하는 숫자일 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 기술된 것들과 유사한 또는 동등한 임의의 방법들 및 재료들이 또한 본 발명의 실시 또는 테스트에서 사용될 수 있지만, 대표적인 예시적인 방법들 및 재료들이 이제부터 기술된다.
본 명세서에 인용된 모든 간행물들 및 특허들은, 개개의 간행물 또는 특허 각각이 참조에 의해 원용되는 것으로 구체적으로 그리고 개별적으로 언급된 것처럼, 참조에 의해 본 명세서에 원용되고, 방법들 및/또는 재료들 - 이들과 관련하여 간행물들이 인용됨 - 을 개시 및 기술하기 위해 참조에 의해 본 명세서에 원용된다. 임의의 간행물의 인용은 출원일 이전의 그의 개시에 대한 것이며, 본 발명이 선행 발명에 의해 이러한 간행물보다 날짜가 앞설 자격이 없다는 인정으로서 해석되어서는 안된다. 게다가, 제공된 공개 일자들은 독립적으로 확인될 필요가 있을 수 있는 실제 공개 일자들과 상이할 수 있다.
본원에서 그리고 첨부된 청구항들에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들 "한(a)", "어떤(an)" 및 "그(the)"는, 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한, 복수의 지시 대상(referent)들을 포함한다는 것에 유의해야 한다. 청구항들이 어떠한 임의적 요소(optional element)도 배제하도록 작성될 수 있다는 것에 추가로 유의해야 한다. 이에 따라, 이러한 진술은 청구항 요소들의 열거 또는 "부정적" 한정의 사용과 관련하여 "오로지", "단지" 및 이와 유사한 것과 같은 배타적 용어의 사용을 위한 선행 근거(antecedent basis)로서 역할하도록 의도되어 있다.
본 개시내용을 읽을 때 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것인 바와 같이, 본원에서 기술 및 예시되는 개개의 양태들 각각은 개별 컴포넌트들 및 피처들을 가지며, 이 컴포넌트들 및 피처들은 본 발명의 범주 또는 사상을 벗어남이 없이 다른 몇 개의 양태 중 임의의 양태의 피처들로부터 용이하게 분리(separate)되거나 그와 조합될 수 있다. 임의의 열거된 방법은 열거된 이벤트들의 순서로 또는 논리적으로 가능한 임의의 다른 순서로 수행될 수 있다.
정의들
"감지 표면"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 외부 매체와 접촉하도록 구성된 센서의 표면을 지칭한다.
"입사각(incident angle)" 또는 "입사각(angle of incidence)"이라는 용어들은, 본원에서 서로 바꾸어 사용되는 바와 같이, 평면 표면 쪽으로 지향되는 광 빔과 동일한 평면 표면에 수직인 라인 사이에 형성되는 각도를 지칭한다.
"패싯"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 센서의 표면(예컨대, 내측 표면 또는 외측 표면)의 실질적으로 평면인 부분을 지칭한다.
"반투명 막"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 광에 부분적으로 투명하고 표면 플라스몬/폴라리톤 생성을 용이하게 하는 막을 지칭한다.
"반사 코팅" 및 "반사 막"이라는 용어들은, 본원에서 서로 바꾸어 사용되는 바와 같이, 각각, 광 또는 다른 방사를 반사시킬 수 있는 코팅 또는 막을 지칭한다. "반투명 막" 및 "반사 막" 또는 "반사 코팅"이라는 용어들은, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상호 배타적이지 않으며, 주어진 막은 반투명 막은 물론 반사 막 둘 다일 수 있다.
"귀금속"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 습한 공기 중에서 내식성이 있는 금속 원소를 지칭한다. 귀금속들의 비제한적인 예들은 구리(Cu), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 수은(Hg), 또는 이들의 조합들을 포함한다.
"접착 층"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 감지 표면 상에 또는 패싯 상에 형성되고 코팅 재료(예컨대, 반사 막 또는 반투명 막)를 감지 표면 또는 패싯에 접착시키는 것을 용이하게 하는 재료 층을 지칭한다.
"코팅 영역"이라는 용어는, 감지 표면 또는 패싯과 관련하여 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 코팅(예컨대, 반투명 막, 반사 코팅 및/또는 접착 층)으로 커버되는 감지 표면 또는 패싯의 영역을 의미한다. "비코팅 영역"이라는 용어는, 감지 표면 또는 패싯과 관련하여 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 코팅으로 커버되지 않은 감지 표면 또는 패싯의 영역을 의미한다.
"광학 섀시"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 광학 컴포넌트를 지지 및/또는 포함하는 구조물을 지칭한다.
"광학 신호"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 광자들을 포함하는 신호를 지칭한다.
"임계각"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 입사각 - 이 입사각 초과에서(예컨대, 임계각보다 더 큰 각도 값을 갖는 입사각에서) 내부 전반사(total internal reflection)가 일어남 - 을 지칭한다.
"픽셀 위치"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 예컨대, x, y 좌표 평면과 같은 좌표계 상에서의 픽셀의 위치를 지칭한다.
픽셀 위치들을 비교하는 것과 관련하여 "비교"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 좌표 평면 상에서의 2개 이상의 픽셀의 위치 차이를 측정하는 것을 지칭한다. 픽셀 위치들의 비교는 정성적 또는 정량적일 수 있다.
"델타 픽셀 위치"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 좌표계 상에서의 2개의 픽셀 간의 위치 차이를 나타내는 수치 값을 지칭한다.
"외부 환경 파라미터"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 본 센서 또는 시스템의 외부에 있는 환경의 특성을 지칭한다. 외부 환경 파라미터의 비제한적인 예는 센서가 작동되는 공간(room) 내의 온도이다.
델타 픽셀 값과 관련하여 "보정된"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 주어진 파라미터(예컨대, 외부 환경 파라미터)에 대한 델타 픽셀 값을 보정하기 위해 수학적 조작을 거친, 예컨대, 수치 값과 곱해지거나 수치 값에 의해 나누어진 델타 픽셀 값을 지칭한다.
"교정 데이터 세트"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 측정 표준과 본 센서 및/또는 시스템에 의해 측정되는 특성 간의 관계를 나타내는 하나 이상의 데이터 점의 컬렉션을 지칭한다.
"함수"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 모든 x 좌표 값에 독자의 y 좌표 값을 할당하는 수학적 연산을 지칭한다.
"최솟값"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 이미지 프레임 내에서의 그리고 주어진 좌표계 상에서의 함수의 최저 수치 값을 지칭한다.
"최댓값"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 이미지 프레임 내에서의 그리고 주어진 좌표계 상에서의 함수의 최고 수치 값을 지칭한다.
"품질 파라미터"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 본 센서 또는 시스템의 최적 기능을 위해 요구되는 본 센서 또는 시스템의 일 양태를 지칭한다.
"표면 플라스몬 공명" 또는 "SPR"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 입사광에 의해 자극되는 네거티브 유전율 재료와 포지티브 유전율 재료 사이의 계면에서의 전도 전자들의 공명 진동을 지칭한다.
"광학 신호 조작 컴포넌트"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 광학 신호의 하나 이상의 피처를 조작할 수 있는 컴포넌트를 지칭한다. 광학 신호 조작 컴포넌트는 임의의 수의 개별 컴포넌트들을 포함할 수 있으며, 이 개별 컴포넌트들은 광학 신호의 하나 이상의 특성을 조작하기 위해 병렬로 및/또는 직렬로 작동할 수 있다. 광학 신호 조작 컴포넌트들의 비제한적 예들은 빔 스플리터들, 공간 필터들, 외부 주변 광을 감소시키는 필터들, 렌즈들, 편광기들, 및 광학 도파로들을 포함한다.
"분리가능하게 결합"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 연결이 가역적이도록 그리고 컴포넌트들이 서로 분리될 수 있도록 2개 이상의 컴포넌트를 연결시키는 것을 지칭한다.
"유지 컴포넌트"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 컴포넌트를 다른 컴포넌트에 대해 고정 위치에 유지하도록 구성된 컴포넌트를 지칭한다.
"정렬 컴포넌트"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 동작가능하게 결합되는 2개 이상의 컴포넌트 사이에 기능적 및/또는 구조적 정렬을 제공하도록 구성된 컴포넌트를 지칭한다.
"키네마틱 마운팅 컴포넌트"라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 마운팅되는 컴포넌트에서의 자유도수(number of degrees of freedom)와 동일한 수의 구속조건(constraint)들을 제공하는 마운팅 컴포넌트를 지칭한다.
"벤치톱 시스템"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 동작 동안, 예컨대, 실험실 벤치톱 또는 다른 적당한 기판의 표면 상에 배치되도록 구성되는 시스템을 지칭한다.
"핸드헬드 시스템"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 동작 동안 사용자의 손에 파지되도록 구성되는 시스템 또는 그의 컴포넌트를 지칭한다.
센서들 및 시스템들
본 발명의 양태들은 본 방법들을 수행하도록, 예컨대, 샘플의 오스몰 농도를 결정하도록 구성된 센서들 및 시스템들을 포함한다. 특정 실시예들에서, 본 시스템은 광학 센서를 포함하고, 이 광학 센서는 적어도 하나의 감지 표면을 가지며 제1 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 그리고 제2 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 본 시스템들은 광학 신호 생성 컴포넌트 및 검출 컴포넌트를 포함하는 광학 섀시를 추가로 포함한다. 이 컴포넌트들 각각이 이제부터 보다 상세히 추가로 기술된다.
센서들
앞서 요약된 바와 같이, 본 발명의 양태들은 센서들을 포함하며, 이 센서들은 적어도 하나의 감지 표면을 포함하고 제1 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 그리고 제2 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성된다. 광학 신호들을 2개의 상이한 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것에 의해, 본 센서들은 2개 이상의 상이한 매체(예컨대, 공기 및 물)에 대한 감지 표면으로부터의 데이터를 생성할 수 있고, 동일한 검출 컴포넌트를 사용하여 데이터를 검출할 수 있다. 이에 따라, 상이한 매체들로부터 획득된 데이터가 검출 컴포넌트의 동일한 시야(field of view) 또는 이미지 프레임에서 캡처될 수 있고, 이어서 검출 컴포넌트에 의해 분석될 수 있다. 데이터의 분석은 이어서 매체들의 하나 이상의 특성을 결정하는 데 사용될 수 있다. 검출 컴포넌트의 동일한 시야 또는 이미지 프레임에서의 상이한 매체들에 대한 감지 표면으로부터의 데이터를 포함시키는 것은 분석에서 사용될 수 있는(예컨대, 센서의 교정에 그리고/또는 미지의 샘플을 분석하는 데 사용될 수 있는) 데이터 내의 내부 기준을 제공한다.
본 센서들은 반투명 막을 포함하는 적어도 하나의 감지 표면을 포함하며, 여기서 반투명 막은 귀금속을 포함한다. 반투명 막은 감지 표면과 접촉하는 매체의 표면 플라스몬 공명(SPR) 기반 분석을 용이하게 한다. SPR은, 반사 광이 소멸되도록, 광이 특정의 각도로 감지 표면에 입사할 때 일어나는 현상이다. 입사 광의 특정의 각도에서, 반사 광의 강도는, 수학 방정식들에 의해 잘 정의된, 감소하는 강도의 특성 곡선을 나타낸다. 곡선의 반사율 최솟값에 대응하는 입사 광의 각도는 반투명 막 및 이와 접촉하는 외부 매체의 특성들에 의해 영향을 받는다. 도 2의 패널 A는 눈물 오스몰 농도 측정을 위한 SPR 기법의 예시적인 개요를 제공한다. 도 2의 패널 B는 SPR 신호의 그래프(즉, SPR 신호 곡선 또는 함수) - SPR 곡선의 상대 최솟값을 나타내고, SPR 신호 곡선의 반사율 최솟값에 대응하는 위치를 표시함 - 를 제공한다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 양태들은 검출 컴포넌트(본원에서 추가로 기술됨)에 의해 생성되는 이미지 상에 표현된 SPR 신호 곡선의 반사율 최솟값에 대응하는 픽셀 위치를 결정하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 감지 표면 상의 반투명 막은 두께가 약 1 nm, 5 nm, 10 nm, 15 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 41 nm, 42 nm, 43 nm, 44 nm, 45 nm, 46 nm, 47 nm, 48 nm, 49 nm, 50 nm, 51 nm, 52 nm, 53 nm, 54 nm, 55 nm, 60 nm, 65 nm, 70 nm, 75 nm, 80 nm, 85 nm, 90 nm, 100 nm, 105 nm, 110 nm, 115 nm, 120 nm, 125nm, 130 nm, 135 nm, 140 nm, 145 nm, 150 nm, 155 nm, 160 nm, 165 nm, 170 nm, 175 nm, 180 nm, 185 nm, 190 nm, 또는 195 nm와 같은, 약 0.5 nm 내지 약 200 nm의 범위에 있을 수 있다. 반투명 막은, 임의의 적당한 기법, 예를 들어, 박막 퇴적 기법들(예컨대, 원자 층 퇴적(ALD), 화학적 기상 퇴적(CVD), 증발 퇴적(evaporative deposition), 금속 유기 화학적 기상 퇴적(MOCVD), 스퍼터링 등), 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 센서의 표면 상에 퇴적될 수 있다. 본 센서들의 실시예들에 따른 반투명 막에 사용될 수 있는 귀금속들의 비제한적인 예들은 구리(Cu), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 수은(Hg), 또는 이들의 임의의 조합들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감지 표면 상의 반투명 막은 복수의 개별 재료 층들로 이루어져 있을 수 있으며, 여기서 각각의 층에서의 재료는 앞서 기술된 귀금속들, 또는 이들의 임의의 조합(예컨대, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개 또는 그 이상의 상이한 귀금속의 합금들과 같은, 그의 합금들)로부터 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 감지 표면은 반투명 막으로 적어도 부분적으로 코팅된 한쪽 측면을 갖는, 예컨대, 현미경 슬라이드와 같은, 기판을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 기판은 감지 표면을 제공하기 위해 센서에 동작가능하게 결합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 센서는 센서(또는 기판)와 반투명 막 사이의 감지 표면 상에 퇴적되는 접착 층을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 접착 층은 감지 표면에 대한 반투명 막의 접착을 증진시키는 역할을 하고, 센서를 통과하는 광학 신호의 하나 이상의 특성을 변조시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 접착 층은 접착 층을 통과하는 광학 신호의 원하는 특성을 개선시키는 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 접착 층의 두께 및 재료 조성은 접착 층을 통과하는 광학 신호의 특성을 유리하게 조작하도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 원하는 굴절률(RI)을 갖는 재료가 접착 층을 통과하는 광학 신호의 특성을 변조시키도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 접착 층은 이를 통과하는 광학 신호의 특성을 변조시키는, 예컨대, 광학 신호 내의 잡음의 양을 감소시키는 재료를 포함한다.
일부 실시예들에서, 접착 층은 두께가, 약 1 nm, 1.5 nm, 2 nm, 2.5 nm, 3 nm, 3.5 nm, 4 nm, 4.5 nm, 5 nm, 5.5 nm, 6 nm, 6.5 nm, 7 nm, 7.5 nm, 8 nm, 8.5 nm, 9 nm, 9.5 nm, 10 nm, 15 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45 nm, 50 nm, 55 nm, 60 nm, 65 nm, 70 nm, 75 nm, 80 nm, 85 nm, 90 nm, 100 nm, 105 nm, 110 nm, 115 nm, 120 nm, 125nm, 130 nm, 135 nm, 140 nm, 145 nm, 150 nm, 155 nm, 160 nm, 165 nm, 170 nm, 175 nm, 180 nm, 185 nm, 190 nm, 또는 195 nm와 같은, 약 0.5nm 내지 약 200nm의 범위에 있을 수 있다. 접착 층은, 임의의 적당한 기법, 예를 들어, 박막 퇴적 기법들(예컨대, 원자 층 퇴적(ALD), 화학적 기상 퇴적(CVD), 증발 퇴적, 금속 유기 화학적 기상 퇴적(MOCVD), 스퍼터링 등), 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 센서의 표면 상에 퇴적될 수 있다. 본 센서들의 실시예들에 따른 접착 층에 사용될 수 있는 재료들의 비제한적인 예들은 크롬(Cr), TiO2, TOx, SiO2, SiOx, 또는 이들의 임의의 조합(예컨대, 이들의 혼합물들 또는 합금들)을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 감지 표면들은 임의의 적당한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 감지 표면은 형상이 정사각형, 직사각형, 사다리꼴, 팔각형, 타원형, 또는 원형, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 감지 표면의 표면적은 다양할 수 있고, 일부 실시예들에서, 약 2 mm2, 3 mm2, 4 mm2, 5 mm2, 6 mm2, 7 mm2, 8 mm2, 또는 9 mm2와 같은, 약 1 mm2 내지 약 10 mm2의 범위에 있을 수 있다.
특정 실시예들에서, 감지 표면은 코팅 영역 및 비코팅 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 영역은 감지 표면의 면적의 약 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%와 같은, 약 10% 내지 100%의 범위에 있는 감지 표면의 면적의 퍼센트를 포함한다. 특정 실시예들에서, 감지 표면 전체가 반투명 막으로 코팅된다.
본 발명의 실시예들에 따른 코팅 영역은 임의의 적당한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 감지 표면의 코팅 영역은 형상이 정사각형, 직사각형, 사다리꼴, 팔각형, 타원형, 또는 원형, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 일부 실시예들에서, 감지 표면은 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개 또는 10개의 개별 코팅 영역과 같은, 복수의 개별 코팅 영역들을 포함할 수 있다. 감지 표면의 코팅 영역은 감지 표면 상의 임의의 적절한 위치에 위치될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 코팅 영역은 감지 표면 상에 센터링될 수 있는 반면, 일부 실시예들에서, 코팅 영역은, 예컨대, 감지 표면의 하나의 특정 측면 상에 위치되거나, 감지 표면의 하나 이상의 측면을 따라 위치되거나, 이와 유사한 것일 수 있다. 일부 실시예들에서, 감지 표면의 대략 절반은 코팅 영역을 포함하는 반면, 감지 표면의 대략 절반은 비코팅 영역을 포함한다. 일부 실시예들에서, 감지 표면의 대략 2/3(대략 66%)는 코팅 영역을 포함하는 반면, 감지 표면의 대략 1/3(대략 33%)은 비코팅 영역을 포함한다. 특정 실시예들에서, 감지 표면의 표면 전체는 코팅 영역이다(즉, 감지 표면의 100%가 반투명 막으로 코팅되어 있다).
일부 실시예들에서, 감지 표면의 비코팅 영역은 센서와 연관된 임계각의 분석을 용이하게 한다. 임계각은 입사각 - 이 입사각 초과에서 내부 전반사가 일어남 - 이다. 임계각은 센서가 이루어져 있는 재료의 특성들에 의해 영향받고, 센서의 감지 표면과 접촉하는 외부 매체에 의해 영향받지 않는다. 이에 따라, 주어진 센서에 대한 임계각은 분석 동안 내부 기준으로 역할할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 양태들은 센서에 대한 임계각을 결정하는 것은 물론, 검출 컴포넌트(본원에서 추가로 기술됨)에 의해 생성된 이미지 상에서의 임계각에 대응하는 픽셀 위치를 결정하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 센서들은 임의의 적당한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는, 평면 표면 및 곡면 표면을 갖는, 반원통(hemi-cylinder) 형상을 가지며, 여기서 감지 표면은 평면 표면 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 센서는 원추형 또는 절두원추형 형상을 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서가 내측 표면(예컨대, 오목부(concavity) 내부의 표면) 및 외측 표면을 포함하도록, 센서는 오목한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는 절두원추형의 오목한 형상을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 센서는, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 8 cm, 10 cm, 12 cm, 14 cm, 16 cm, 또는 18 cm와 같은, 약 1 내지 약 20 cm의 범위에 있는 길이 치수(length dimension)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 8 cm, 10 cm, 12 cm, 14 cm, 16 cm, 또는 18 cm와 같은, 약 1 내지 약 20 cm의 범위에 있는 폭 치수(width dimension)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 8 cm, 10 cm, 12 cm, 14 cm, 16 cm, 또는 18 cm와 같은, 약 1 내지 약 20 cm의 범위에 있는 높이 치수(height dimension)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 8 cm, 10 cm, 12 cm, 14 cm, 16 cm, 또는 18 cm와 같은, 약 1 내지 약 20 cm의 범위에 있는 직경을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 센서는 광학 신호를 주어진 방향으로 지향시키도록(예컨대, 주어진 각도로 패싯으로부터 반사시키도록) 구성된 하나 이상의 패싯을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 패싯들은 임의의 적당한 면적을 가질 수 있고, 일부 실시예들에서, 면적이 약 5 mm2, 10 mm2, 15 mm2, 20 mm2, 25 mm2, 30 mm2, 35 mm2, 40 mm2, 45 mm2, 50 mm2, 55 mm2, 60 mm2, 65 mm2, 70 mm2, 75 mm2, 80 mm2, 85 mm2, 90 mm2, 또는 95 mm2와 같은, 약 1 mm2 내지 약 100 mm2의 범위에 있을 수 있다. 센서의 실시예들에 따른 패싯들은 임의의 적당한 형상을 가질 수 있고, 일부 실시예들에서, 형상이 정사각형, 직사각형, 사다리꼴, 팔각형, 타원형, 또는 원형, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 센서들은 센서의 주어진 표면 상에 임의의 적당한 수의 패싯을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 센서는 센서의 주어진 표면 상에, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 9개의 패싯과 같이, 1개 내지 10개의 범위에 있는 다수의 패싯들을 가질 수 있다. 특정 실시예들에서, 센서는, 내부 표면 상에 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개 또는 10개의 패싯과 같이, 내부 표면 상에 하나 이상의 패싯을 가질 수 있으며, 또한 외부 표면 상에 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개 또는 10개의 패싯과 같이, 외부 표면 상에 하나 이상의 패싯을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 패싯은 광학 신호를 반사시키는 패싯의 능력을 향상시키기 위해 광학적 반사 재료(optically reflective material)로 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 패싯들은 상이한 형상 및/또는 면적을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 패싯들은 동일한 형상 및/또는 면적을 가질 수 있다.
특정 실시예들에서, 하나 이상의 패싯은 반사 코팅(예컨대, 반사 막, 또는 광학적 반사 재료)으로 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서의 패싯들 전부가 반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 상의 특정 패싯들은 반사 코팅으로 코팅되는 반면, 동일한 센서 상의 다른 패싯들은 반사 코팅으로 코팅되지 않는다. 일부 실시예들에서, 선택된 패싯의 표면 전체가 반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 특정의 패싯의 표면의 한 부분 또는 섹션만이 반사 코팅으로 코팅된다. 바람직한 실시예에서, 복수의 "숄더(shoulder)" 패싯들이 반사 금 코팅(reflective gold coating)으로 코팅된다. 예를 들어, 하나의 바람직한 실시예에서, 도 43에 라벨링된 패싯들(은 물론 감지 표면의 양측 상에 대칭적으로 위치된 것들)은 반사 코팅(예컨대, 반사 금 코팅)으로 코팅된다.
일부 실시예들에서, 패싯의 표면 상의 반사 코팅은 두께가, 약 0.5 nm, 약 1 nm, 약 5 nm, 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm, 약 100 nm, 약 150 nm, 약 200 nm, 약 250 nm, 약 300 nm, 약 350 nm, 약 400 nm, 약 450 nm, 약 500 nm, 약 550 nm, 약 600 nm, 약 650 nm, 약 700 nm, 약 750 nm, 약 800 nm, 약 850 nm, 약 900 nm, 또는 약 950 nm 또는 그 이상과 같은, 약 0.1 nm 내지 약 1,000 nm(1 ㎛)의 범위에 있을 수 있다. 반사 코팅은, 예를 들어, 박막 퇴적 기법들(예컨대, 원자 층 퇴적(ALD), 화학적 기상 퇴적(CVD), 증발 퇴적, 금속 유기 화학적 기상 퇴적(MOCVD), 스퍼터링 등), 또는 이들의 임의의 조합과 같은, 임의의 적당한 기법을 사용하여 패싯의 표면 상에 퇴적될 수 있다. 본 센서들의 실시예들에 따른 반사 막에 사용될 수 있는 귀금속들의 비제한적인 예들은 구리(Cu), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 수은(Hg), 또는 이들의 임의의 조합들을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 반사 코팅은 금(Au)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 센서는, 하나 이상의 패싯 상에 배치되고 센서(또는 기판)와 패싯 상의 반사 코팅 사이의 위치되는, 접착 층을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 접착 층은 패싯에 대한 반사 코팅의 접착을 증진시키는 역할을 하고, 패싯으로부터 반사되는 광학 신호의 하나 이상의 특성을 변조시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 접착 층은 특정의 패싯으로부터 반사되는 광학 신호의 원하는 특성을 개선시키는 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 접착 층의 두께 및 재료 조성은 특정의 패싯으로부터 반사되는 광학 신호의 특성을 유리하게 조작하도록 선택된다.
일부 실시예들에서, 접착 층은 두께가, 약 1 nm, 1.5 nm, 2 nm, 2.5 nm, 3 nm, 3.5 nm, 4 nm, 4.5 nm, 5 nm, 5.5 nm, 6 nm, 6.5 nm, 7 nm, 7.5 nm, 8 nm, 8.5 nm, 9 nm, 9.5 nm, 10 nm, 15 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45 nm, 50 nm, 55 nm, 60 nm, 65 nm, 70 nm, 75 nm, 80 nm, 85 nm, 90 nm, 100 nm, 105 nm, 110 nm, 115 nm, 120 nm, 125nm, 130 nm, 135 nm, 140 nm, 145 nm, 150 nm, 155 nm, 160 nm, 165 nm, 170 nm, 175 nm, 180 nm, 185 nm, 190 nm, 또는 195 nm와 같은, 약 0.5nm 내지 약 200nm의 범위에 있을 수 있다. 접착 층은, 임의의 적당한 기법, 예를 들어, 박막 퇴적 기법들(예컨대, 원자 층 퇴적(ALD), 화학적 기상 퇴적(CVD), 증발 퇴적, 금속 유기 화학적 기상 퇴적(MOCVD), 스퍼터링 등), 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 센서의 표면 상에(예컨대, 센서의 패싯 상에) 퇴적될 수 있다. 본 센서들의 실시예들에 따른 접착 층에 사용될 수 있는 재료들의 비제한적인 예들은 크롬(Cr), TiO2, TOx, SiO2, SiOx, 또는 이들의 임의의 조합(예컨대, 이들의 혼합물들 또는 합금들)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 센서는 식별 정보를 시스템의 다른 컴포넌트에(예컨대, 광학 섀시의 컴포넌트에, 프로세서에, 기타에) 전달하도록 구성된 하나 이상의 식별 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 센서는, 예컨대, 센서의 감지 표면 상에 배치된 반투명 막의 유형, 센서의 감지 표면 상의 코팅 및 비코팅 영역들의 구성, 센서 내의 패싯들의 구성 등에 관한 정보를 광학 섀시에 제공하는 식별 컴포넌트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 센서에 의해 전달된 식별 정보에 응답하도록 구성된다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 시스템은 센서로부터 식별 정보를 수신하도록 구성될 수 있고, 이에 응답하여, 특정의 분석 방법을 수행하도록 시스템을 구성(예컨대, 특정의 파장 또는 파장들을 갖는 하나 이상의 광학 신호를 생성하도록 시스템을 구성)할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 식별 컴포넌트들은 임의의 적당한 구조를 가질 수 있고, 예를 들어, 바코드들, 자기 스트립들, 컴퓨터 판독가능 칩들, 및 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 시스템들은 센서 상의 식별 컴포넌트로부터의 식별 정보를 수신 및/또는 식별하도록 구성된 대응하는 식별 컴포넌트로 구성될 수 있다.
본 센서들의 양태들은 센서를 본 시스템의 다른 컴포넌트(예컨대, 본 명세서에 추가로 기술되는, 광학 섀시)에 대해 고정 위치에 유지하도록 구성된 유지 컴포넌트들을 포함한다. 본 발명의 실시예들에 따른 유지 컴포넌트들은 임의의 적당한 형상 및 치수를 가질 수 있고, 예컨대, 본 센서의 하나 이상의 부분으로부터 연장되는 탭(tab)들 또는 플랜지(flange)들의 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는 센서를, 예컨대, 광학 섀시와 같은, 다른 컴포넌트에 분리가능하게 결합시키도록 구성된 유지 컴포넌트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는 터치리스(touchless) 또는 무균(aseptic) 방식으로 광학 섀시에 분리가능하게 결합(couple) 및/또는 분리(de-couple)되도록 구성되며, 이는 조작자가 센서의 무균성(sterility)을 손상시키는 일 없이 센서를 광학 섀시에 결합시키는 것을 달성할 수 있고, 센서와 물리적으로 접촉할 필요 없이 센서를 광학 섀시로부터 분리시킬 수 있다는 것을 의미한다.
본 시스템들의 양태들은 센서의 무균 핸들링(aseptic handling)은 물론 센서를 광학 섀시에 결합시키는 것(예컨대, 분리가능한 결합)을 용이하게 하도록 구성되는 하나 이상의 센서 마운팅 컴포넌트를 포함한다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 센서 마운팅 컴포넌트는 센서를 무균 방식으로 유지하고, 사용자가 센서를 광학 섀시에 결합시키며 이어서 센서로부터 맞물림 해제(disengage)시킬 수 있게 하도록 구성되어, 센서를 광학 섀시에 무균 방식으로 결합된 채로 둔다. 본 발명의 실시예들에 따른 센서 마운팅 컴포넌트들은 임의의 적당한 치수를 가질 수 있고, 일부 실시예들에서, 센서의 적어도 일부분에 상보적인 표면을 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서 마운팅 컴포넌트는 센서 마운팅 컴포넌트가 센서로부터 맞물림 해제(disengage)될 때까지 센서의 커버된 부분이 외부 환경으로부터 접근가능하지 않도록 센서의 외부 표면의 적어도 일부분을 커버하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 센서 마운팅 컴포넌트는 임의의 적당한 기법을 통한 멸균에 적합화되어 있고, 멸균이 완료된 후에 그의 기능을 유지하도록 적합화되어 있다. 멸균 기법들은 본 기술분야에 널리 공지되어 있고, 예컨대, 가열 멸균, 감마 조사, 화학적 멸균(예컨대, 에틸렌 산화물 가스 멸균), 및 많은 다른 것들을 포함한다. 본 발명의 양태들은 센서 마운팅 컴포넌트들의 기능을 그다지 변경하지 않으면서 멸균에 적합화되어 있는 센서 마운팅 컴포넌트들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서 마운팅 컴포넌트는 센서 및 센서 마운팅 컴포넌트가 서로 결합되어 있는 동안 센서의 멸균을 가능하게 하도록 구성된다.
본 센서들의 양태들은 마운팅되는 컴포넌트의 자유도수와 동일한 수의 구속조건들을 제공하도록 구성된 하나 이상의 키네마틱 마운팅 컴포넌트를 포함한다. 예를 들어, 6 자유도를 갖는 3차원 객체에 대해, 6개의 구속조건을 제공하는 키네마틱 마운팅 컴포넌트들이 센서를 광학 섀시(이하에서 추가로 기술됨) 상에 마운팅하는 데 사용될 수 있다.
본 센서들의 양태들은 센서를 광학 섀시(이하에서 추가로 기술됨)의 하나 이상의 컴포넌트와 정렬시키도록 구성된 하나 이상의 정렬 컴포넌트를 포함한다. 일부 실시예들에서, 정렬 컴포넌트는 센서를 광학 섀시와 정렬시키도록 구성된 테이퍼링된 센터링 컴포넌트를 포함할 수 있다.
본 센서들은, 유리, 광학 등급 플라스틱들, 폴리머들, 이들의 조합들, 및 이와 유사한 것을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 각종의 적당한 재료들 중 임의의 것으로 제조될 수 있다. 적당한 재료들의 비제한적 예들은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 시클로-올레핀 폴리머들(예컨대, ZEONEX® E48R), 사파이어, 다이아몬드, 석영, 지르콘(지르코늄), 및 이와 유사한 것, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 센서를 제조하는 데 사용되는 재료는 1.21, 1.22, 1.23, 1.24, 1.25, 1.26, 1.27, 1.28, 1.29, 1.3, 1.31, 1.32, 1.33, 1.34, 1.35, 1.36, 1.37, 1.38, 1.39, 1.4, 1.41, 1.42, 1.43, 1.44, 1.45, 1.46, 1.47, 1.48, 1.49, 1.5, 1.51, 1.52, 1.53, 1.54, 1.55, 1.56, 1.57, 1.58, 1.59, 1.6, 1.61, 1.62, 1.63, 1.64, 1.65, 1.66, 1.67, 1.68, 1.69, 1.7, 1.71, 1.72, 1.73, 1.74, 1.75, 1.76, 1.77, 1.78, 1.79, 1.8, 1.81, 1.82, 1.83, 1.84, 1.85, 1.86, 1.87, 1.88, 1.89, 1.9, 1.91, 1.92, 1.93, 1.94, 1.95, 1.96, 1.97, 1.98, 또는 1.99와 같은, 약 1.2 내지 약 2.0의 범위에 있는 굴절률을 가질 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 적당한 광학 특성들을 갖는 임의의 재료가 본 센서들에 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 본 발명의 실시예들에 따른 센서들은, 머시닝, 3D 인쇄, 및/또는 성형(예컨대, 사출 성형)과 같은, 임의의 적당한 기법을 사용하여 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는 적절한 기법을 사용하여 제조될 수 있고, 이어서 센서의 표면 상에 하나 이상의 조성물(예컨대, 반투명 막, 접착 층, 또는 반사 코팅)을 퇴적시키기 위해 추가로 가공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는 일회용이고, 한 번 이상의 사용 이후에 폐기될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는 반복 사용에 적합화되어 있고, 예를 들어, 사용 이후에 세척 및 멸균되고 이어서 또다시 사용되도록 적합화되어 있다.
앞서 검토된 바와 같이, 본 발명의 양태들은, 2개의 상이한 테스트 매체(예컨대, 공기 및 물)에 대한 감지 표면으로부터의 데이터가 검출 컴포넌트의 동일한 시야 또는 이미지 프레임에서 캡처될 수 있도록, 제1 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 그리고 제2 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성된 센서들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서는, 앞서 검토된 바와 같이, 검출 컴포넌트의 동일한 시야 또는 이미지 프레임 내의 데이터를 생성하기 위해, 제1 광학 신호를 좁은 제1 입사각 범위에 걸쳐 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 그리고 제2 광학 신호를 좁은 제2 입사각 범위에 걸쳐 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 좁은 입사각 범위는, 약 3도, 4도, 5도, 6도, 7도, 8도 또는 9도와 같은, 약 2 내지 약 10도의 범위에 있는 도수(number of degrees)에 걸쳐 있다.
이론에 구속되지 않고, 센서에 대해 선택된 제1 및 제2 입사각들의 범위는 센서를 제조하는 데 사용되는 재료는 물론 센서에 의해 분석될 외부 매체의 광학적 특성들에 의존한다. 이에 따라, 제1 및 제2 입사각, 또는 좁은 제1 및 제2 입사각 범위는 상이한 재료들로 이루어진 센서들에 대해 상이할 수 있고, 주어진 센서에 대한 입사각 범위는 분석되는 매체의 예상 굴절률에 기초할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는 임상적 중요성을 갖는 동적 입사각 범위를 갖도록 구성되고, 여기서 센서는 샘플의 분석을 용이하게 하고 임상적 중요성을 갖는 데이터(예컨대, 안구 건조증의 진단을 용이하게 하는 데이터)를 제공하는 입사각 범위에 걸쳐 감지 표면과 상호작용하게 하나 이상의 광학 신호를 지향시키도록 구성된다. 본 기술분야의 통상의 기술자는, 검출 컴포넌트의 동일한 시야에서의 상이한 테스트 매체(예컨대, 공기 및 물, 공기 및 눈물액 등)에 대한 감지 표면으로부터의 데이터를 생성하기 위해, 상이한 제1 및 제2 입사각들 또는 그의 범위들이, 예컨대, 센서를 제조하는 데 사용되는 재료의 광학적 특성들, 감지 표면과 접촉하게 될 외부 매체의 특성들, 반투명 막의 특성들, 및/또는 접착 층(존재하는 경우)의 특성들에 기초하여 선택될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
일부 실시예들에서, 센서는, (이하에서 기술되는 바와 같은) 광학 섀시와 결합될 때, 실험실 환경에서, 예컨대, 임상 실험실 환경에서 사용하도록 구성된 벤치톱 시스템으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는, (이하에서 설명되는 바와 같은) 광학 섀시와 결합될 때, 핸드헬드 시스템으로 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 핸드헬드 시스템은 펜의 치수와 유사한 치수를 갖는다. 사용 중에, 핸드헬드 시스템은, 예컨대, 의사에 의해 파지될 수 있고 분석 중인 샘플과 접촉될 수 있다.
일부 실시예들에서, 센서는 임의의 적당한 기법을 통한 멸균에 적합화되어 있고, 멸균이 완료된 후에 그의 기능을 유지하도록 적합화되어 있다. 멸균 기법들은 본 기술분야에 널리 공지되어 있고, 예컨대, 가열 멸균, 감마 조사, 화학적 멸균(예컨대, 에틸렌 산화물 가스 멸균), 및 많은 다른 것들을 포함한다. 본 발명의 양태들은 센서들의 기능을 그다지 변경하지 않으면서 멸균에 적합화되어 있는 센서들을 포함한다.
본 발명의 양태들은 복수의 센서들을 포함하는 키트들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 키트는 복수의 동일한 센서들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 키트는 상이한 특성들을 갖는 2개 이상의 센서(예컨대, 복수의 제1 유형의 센서, 및 복수의 제2 유형의 센서)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 키트들은 임의의 적당한 패키징을 포함할 수 있고, 예를 들어, 기밀 패키징(예컨대, 기밀 밀봉된 패키징), 진공 밀봉된 패키징, 및 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 키트는 무균 상태일 수 있다(예컨대, 키트의 내용물은 무균 상태이고, 키트 패키징은 내용물의 무균성을 유지하도록 구성되어 있음). 일부 실시예들에서, 키트는 복수의 센서들을 포함할 수 있으며, 여기서 개개의 센서 각각은 무균 패키징으로 개별적으로 밀봉된다. 일부 실시예들에서, 키트는 무균 상태가 아니고, 사용 시점에서, 예컨대, 임상의의 사무실에서 또는 병원에서 키트가 멸균될 수 있도록 멸균에 적합화되어 있다. 일부 실시예들에서, 키트는, 본 명세서에 기술되는 바와 같이, 하나 이상의 센서 마운팅 컴포넌트를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 센서는 보관 안정성이 있고, 그의 기능을 유지하면서, 1년 내지 2년 이상과 같은, 오랜 기간 동안 보관될 수 있다. 특정 실시예들에서, 센서가 오랜 기간 동안 보관 안정성이 있는 채로 있도록 센서가 적절한 패키징을 갖는 키트 내에 제공될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 센서는 오랜 기간 동안 보관 안정성을 용이하게 하기 위해 기밀 패키징 또는 진공 밀봉된 패키징 내에 제공될 수 있다.
하나의 바람직한 실시예에서, 센서는 시클로-올레핀 폴리머로 제조되고, 내측 표면 및 외측 표면을 갖는, 절두원추형의 오목한 형상을 가지며, 여기서 센서는 내측 표면 상의 2개의 패싯 및 외측 표면 상의 4개의 패싯은 물론, 외측 표면 상에 위치된 감지 표면을 포함하고, 여기서 패싯들은 제1 광학 신호를 약 42도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록, 그리고 제2 광학 신호를 약 64도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성된다. 이 바람직한 실시예에서, 공기 및 물 둘 다로부터의, 또는 공기 및 눈물액 둘 다로부터의 데이터가 검출 컴포넌트의 동일한 시야 또는 이미지 프레임에서 수집될 수 있고, 그에 의해 분석에서 사용될 수 있는 이미지 내의 내부 기준을 제공할 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 센서는 시클로-올레핀 폴리머로 제조되고, 내측 표면 및 외측 표면을 갖는, 절두원추형의 오목한 형상을 가지며, 여기서 센서는 내측 표면 상의 2개의 패싯 및 외측 표면 상의 4개의 패싯은 물론, 센서의 외측 표면 상에 위치된 감지 표면을 포함하고, 여기서 패싯들은 제1 광학 신호를 약 40 내지 약 45도의 범위에 있는 좁은 입사각 범위에 걸쳐 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성되며, 제2 광학 신호를 약 62 내지 약 67도의 범위에 있는 좁은 입사각 범위에 걸쳐 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성된다.
이제 도 22를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 예시가 제공된다. 도시된 실시예는 금 막을 포함하는 감지 표면을 갖는 사출 성형 투명 플라스틱 센서(injection molded clear plastic sensor)이다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 다른 센서의 예시이다. 도시된 실시예에서, 센서는 금 막을 갖는 감지 표면을 포함한다. 도시된 센서의 상부 부분은 SPR 프리즘으로서 기능한다. 도시된 센서의 중간 부분은 스커트 부분(skirt portion)이고, 도시된 센서의 하부 부분은 광학 섀시(본 명세서에 추가로 기술됨)에 연결되는 베이스 부분(base portion)이다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 센서의 다른 예시이다. 도시된 실시예에서, 센서는 제1 광학 신호를 약 42.04도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성되고, 제2 광학 신호를 약 64.44도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성된다.
도 25는 본 발명의 실시예들에 따른 센서의 다른 예시이다. 도시된 실시예에서, 센서는 제1 광학 신호를 약 42.04도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성되고, 제2 광학 신호를 약 64.44도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성된다. 감지 표면 상의 금 코팅, 센서의 타원형 외측 표면, 센서의 임의적인 곡면 하부 표면, 점 광원 LED 및 빔 스플리터가 추가로 표시되어 있다.
도 42의 패널 A는 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 절두원추형의 오목한 형상을 갖는 본 발명의 실시예들에 따른 센서의 측면도이다. 도시된 실시예에서, 센서의 외측 표면은 4개의 반사 패싯 및 광학 섀시와 메이팅(mate)하는 테이퍼링된 센터링 컴포넌트를 갖는다. 패널 B는, 센서의 내부 표면 상의 2개의 패싯을 보여주는, 센서의 저면도이다. 유지 컴포넌트들 및 키네마틱 마운팅 컴포넌트들이 또한 도시되어 있다.
도 43은 도 42에 도시된 센서의 사시도이다. 복수의 유지 고정구들은 물론, 센서의 외부 표면 상의 감지 표면 및 4개의 반사 패싯이 보인다.
도 44의 패널 A는 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 절두원추형의 오목한 형상을 갖는 본 발명의 실시예들에 따른 센서의 측면도이다. 도시된 실시예에서, 센서의 외측 표면은 4개의 반사 패싯 및 광학 섀시와 메이팅하는 테이퍼링된 센터링 컴포넌트를 갖는다. 패널 B는, 센서를 제조하는 공정 동안 몰드를 통한 재료의 흐름을 표시하는 파선을 나타낸, 센서의 측면도이다. 키네마틱 마운팅 위치들이 또한 도시되어 있다.
도 45는 본 발명의 실시예들에 따른 센서의 상부 단부도이다. 도시된 센서는 코팅 영역 및 비코팅 영역을 포함하는 감지 표면을 포함한다. 센서를 광학 섀시에 분리가능하게 결합시키도록 구성된 3개의 유지 컴포넌트 또는 탭이 또한 도시되어 있다.
도 47은 본 발명의 실시예들에 따른 센서의 투명 사시도이다.
광학 섀시
앞서 요약된 바와 같이, 본 발명의 양태들은 광학 신호 생성 컴포넌트 및 검출 컴포넌트를 포함하는 광학 섀시를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학 섀시는 광학 신호 조작 컴포넌트를 포함할 수 있다. 이 양태들 각각이 이하에서 보다 상세히 기술된다.
본 발명의 양태들은 광학 신호를 생성하도록 구성된 하나 이상의 광학 신호 생성 컴포넌트를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학 신호 생성 컴포넌트는, 예컨대, 레이저, 발광 다이오드(LED), 점 광원 LED, 또는 스펙트럼 필터를 갖는 백색 광원과 같은, 광학 신호를 생성하는 광원을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 섀시는, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 9개의 광학 신호 생성 컴포넌트와 같은, 1개 내지 10개의 범위에 있는 다수의 광학 신호 생성 컴포넌트를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광학 신호 생성 컴포넌트들은, UV 광부터 가시 광, 적외선 광에 이르는, 임의의 적당한 파장을 갖는(예컨대, 임의의 적당한 방출 스펙트럼을 가질 수 있음) 광을 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 신호는, 약 325, 350, 375, 387, 393, 400, 425, 433, 445, 450, 467, 475, 488, 490, 492, 494, 495, 500, 502, 505, 510, 516, 517, 520, 525, 545, 550, 567, 573, 574, 575, 585, 596, 600, 603, 605, 611, 625, 633, 645, 650, 655, 667, 670, 673, 675, 690, 694, 700, 725, 750, 775, 800, 825, 850, 855, 875, 900, 925, 940, 950, 975, 1,000, 1,025, 1,033, 1,050, 1,060, 1,075, 1,100, 1,125, 1,150, 1,175, 1,200, 1,225, 1,250, 1,270, 1,275, 1,300, 1,325, 1,350, 1,375, 1,400, 1,425, 1,450, 또는 1,475 nm와 같은, 약 300 nm 내지 약 1,500 nm의 범위에 있는 파장을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 신호는 약 855 nm의 파장을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원은 약 950 nm의 파장을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광학 신호 생성 컴포넌트는 다양한 방식들로 광학 신호들을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 광학 신호 생성 컴포넌트는 연속적인 방식으로 광학 신호를 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 광학 신호 생성 컴포넌트는 2개의 상이한 파장을 갖는 광학 신호들을 동시에 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 신호 생성 컴포넌트는 게이티드 방식으로 측정될 수 있는 플래싱 광학 신호(flashing optical signal)들을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 광학 신호 생성 컴포넌트는 단일 파장을 갖는 광학 신호를 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 동일한 광학 신호 생성 컴포넌트가 2개 이상의 상이한 파장의 광학 신호들을 생성할 수 있도록, 광학 신호 생성 컴포넌트는 상이한 파장들을 갖는 복수의 광학 신호들을 생성하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 광학 섀시는 하나 이상의 광학 신호의 경로에 물리적 방해물을 위치시키도록 구성 또는 적합화된 광 기계 컴포넌트(opto-mechanical component)를 포함한다. 물리적 장애물은 검출 컴포넌트에 의해 검출 및 분석될 수 있는 하나 이상의 기준 신호를 생성한다. 일부 실시예들에서, 광 기계 컴포넌트는, 광학 신호의 수직 또는 수평 음영, 또는 차단 영역(blocked region)이 검출 컴포넌트에 의해 검출될 수 있도록, 하나 이상의 광학 신호 내에 수직 또는 수평 방해물을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 광 기계 컴포넌트는, 광학 신호의 수직 또는 수평 음영들, 또는 차단 영역들의 조합이 검출 컴포넌트에 의해 검출될 수 있도록, 하나 이상의 광학 신호 내에 수직 또는 수평 방해물들의 조합을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 광 기계 컴포넌트는, 광학 신호의 원형 또는 타원형 음영, 또는 차단 영역이 검출 컴포넌트에 의해 검출될 수 있도록, 하나 이상의 광학 신호 내에 원형 또는 타원형 방해물을 생성하도록 구성된다.
본 발명의 양태들은 본 센서들로부터 하나 이상의 광학 신호를 검출하도록 그리고 그로부터 데이터를 생성하도록 구성된 검출 컴포넌트를 포함한다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 본 센서로부터 하나 이상의 광학 신호를 검출하도록 그리고 분석을 위해 데이터의 이미지(예컨대, 디지털 이미지)를 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 하나 이상의 광학 신호로부터 복수의 이미지들을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는, 초당 10개, 20개, 30개, 40개, 50개, 60개, 70개, 80개, 90개 또는 100개 또는 그 이상의 이미지와 같은, 초당 복수의 이미지들을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 센서로부터 수신되는 하나 이상의 광학 신호의 비디오를 생성하도록 구성된 비디오 레코딩 컴포넌트(예컨대, 비디오 카메라)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 비디오의 하나 이상의 이미지 프레임을 캡처하도록, 그리고, 이하에서 추가로 기술되는 바와 같이, 하나 이상의 이미지 프레임을 추가 처리를 거치게 하도록 구성된다.
본 발명의 실시예들에 따른 검출 컴포넌트들은 입력으로서 광학 신호를 수신하도록 그리고 광학 신호를 분석을 위해 검출기로 지향시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 특정 파장의 또는 특정 파장 범위의 광만이 검출 컴포넌트에 진입할 수 있게 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 특정 파장 범위의 광만이 검출 컴포넌트에 진입할 수 있게 하도록 구성된 하나 이상의 광학 필터를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 포토다이오드를 포함하는 하나 이상의 검출기를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 포토다이오드들은 광의 광자들을 흡수하고 광을 측정될 수 있는 전류로 변환(convert)하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 포토다이오드는 하나 이상의 광학 필터, 렌즈, 또는 광 에너지를 측정을 위해 전류로 변환하는 데 사용될 수 있는 임의의 다른 적당한 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 하나 이상의 광전자 증배관(photomultiplier tube, PMT)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 PMT들은 입사 광 신호에 의해 생성된 전류를 증배(multiply)시키는 것에 의해 입사 광자들을 검출하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는, 가이거 모드 애벌란시 포토다이오드 또는 G-APD라고도 알려진, 하나 이상의 애벌란시 포토다이오드(APD) 또는 단일 광자 애벌란시 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 APD들 및 SPAD들은 입사 전자기 방사를 검출하기 위해 반도체 디바이스에서의 광자에 의해 트리거된 애벌란시 전류(photon-triggered avalanche current)를 이용하는 것에 의해 (저 강도 신호들과 같은) 광학 신호들을 단일 광자 레벨까지 검출할 수 있다.
일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 검출기에 걸쳐 광 펄스의 시변 편향을 야기함으로써 광 펄스의 시간 프로파일을 검출기 상의 공간 프로파일로 변환(transform)시키는 것에 의해 동작하는 하나 이상의 스트리크 카메라(streak camera)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 이미지 센서를 갖는 하나 이상의 검출기를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서들은 광학 이미지를 전자 신호로 변환하도록 구성된다. 이미지 센서들의 예들은 CCD(charge coupled device)들 및 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 또는 N형 금속 산화물 반도체 디바이스들을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서(APS)일 수 있다.
일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 하나 이상의 카메라를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라는 매우 낮은 잡음, 빠른 프레임 레이트들, 넓은 다이내믹 레인지, 높은 양자 효율(QE), 높은 분해능, 및 큰 시야를 제공하는 CCD 카메라 또는 sCMOS(scientific CMOS) 카메라이다. 이러한 카메라들은 과학 기술 벤더(scientific technology vendor)들로부터 상업적으로 이용가능하다.
일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 하나 이상의 선형 어레이 센서(linear array sensor, LAS)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 선형 어레이 센서들은, 정의된 노출 시간에 걸쳐 입사 광을 측정하도록 그리고 어레이 내의 각각의 픽셀의 광 노출을 나타내는 전압 또는 디지털 출력을 생성하도록 구성된, 집적 감광 픽셀들의 선형 어레이를 포함한다. LAS들은 본 기술분야에 공지되어 있고, 일반적으로 다양한 치수들 및 픽셀 분해능(DPI)들로 이용가능하다. 일부 실시예들에서, LAS의 아날로그 출력은 디지털 신호 처리를 수행하기 위해 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 직접 인터페이싱될 수 있다.
일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 본 센서로부터 수신된 하나 이상의 광학 신호의 이미지를 생성하도록 그리고 이미지를 이미징 어레이에서의 좌표계 상에 조직화된 복수의 픽셀들을 포함하는 디지털 이미지로 변환 또는 렌더링하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 디지털 이미지는 2차원 좌표계, 예컨대, 그와 연관된 x, y 좌표계를 가질 수 있고, 여기서 디지털 이미지에서의 각각의 픽셀은 x, y 좌표를 할당받는다. 특정 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 그레이 스케일 디지털 이미지를 생성할 수 있고, 여기서 디지털 이미지에서의 각각의 픽셀은 백색부터 흑색까지의 그레이 섀이드(gray shade) 범위에 대응하는 그레이 스케일 값을 할당받는다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 컬러 디지털 이미지를 생성할 수 있고, 여기서 디지털 이미지에서의 각각의 픽셀은 컬러를 할당받는다. 일부 실시예들에서, 이미징 어레이의 x 방향에서의 픽셀들의 개수는 약 1,000개, 1,500개, 2,000개, 2,500개, 3,000개 또는 3,500개 또는 그 이상과 같은, 약 500개 내지 약 4,000개 또는 그 이상의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 이미징 어레이의 y 방향에서의 픽셀들의 개수는 약 1,000개, 1,500개, 2,000개, 2,500개, 3,000개 또는 3,500개와 같은, 약 500개 내지 약 4,000개 또는 그 이상의 범위에 있다. 본 센서로부터 수신되는 하나 이상의 신호로부터 이미지를 생성할 수 있는 임의의 검출 컴포넌트는 본 시스템들 및 방법들에 따라 사용될 수 있다.
본 시스템들의 양태들은 광학 신호의 하나 이상의 특성을 조작하도록 구성된 광학 신호 조작 컴포넌트들을 포함한다. 광학 신호 조작 컴포넌트들의 예들은 거울들, 렌즈들(예컨대, 원통형 렌즈들, 더블릿 렌즈(doublet lens)들, 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)들), 빔 스플리터들, 프리즘들(예컨대, 빔 평행이동 프리즘(beam translating prism)들), 회절 격자들, 광전자 증배관들, 광학 필터들(예컨대, 주변 광을 감소시키거나 제거할 수 있는 롱패스 필터(long pass filter)들, 배플 컴포넌트(baffle component)들, 및 이와 유사한 것과 같은, 외부 주변 광을 감소시키는 광학 필터들), 빔 셰이핑 광학계, 광학 도파로들, 편광기들, 공간 필터들/공간 어퍼처(spatial aperture)들, 및 이와 유사한 것을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예들에 따른 광학 신호 조작 컴포넌트들은, 일부 실시예들에서, 복수의 동일한 개별 컴포넌트(예컨대, 복수의 광전자 증배관들, 복수의 편광기들 등)를 비롯한, 임의의 적당한 개수의 개별 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 시스템들의 양태들은 하나 이상의 공간 어퍼처를 포함한다. 본 발명의 실시예들에 따른 공간 어퍼처들(공간 필터들이라고도 알려짐)은 시스템의 하나 이상의 광학 컴포넌트에서의 결함들 또는 변동들로 인한 광 빔에서의 수차들을 제거하도록 구성된 컴포넌트들이다. 일부 실시예들에서, 공간 어퍼처는, 광학 신호의 광학 경로에 위치되고 광학 신호의 원하지 않는 부분 또는 구조에 대응하는 광은 차단(block)하면서 광학 신호의 원하는 부분은 어퍼처를 통과할 수 있게 하는, 어퍼처 또는 개구부를 포함한다. 본 발명의 실시예들에 따른 공간 어퍼처들은 광이 통과할 수 있게 하는 작은 원형 어퍼처 또는 "핀홀(pinhole)" 어퍼처를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공간 어퍼처는 직경이, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 또는 450 ㎛와 같은, 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위에 있는 어퍼처를 갖는다. 특정 실시예들에서, 공간 어퍼처는 크기가 가변적인 어퍼처를 포함할 수 있고, 본 방법들은 공간 어퍼처의 크기를 변화(예컨대, 직경을 변화)시키는 것을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 공간 어퍼처는 크기가, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 또는 450 ㎛와 같은, 50 ㎛부터 500 ㎛까지 변화될 수 있는 어퍼처를 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 광학 신호 조작 컴포넌트는 콜리메이트된 광학 신호를 생성하기 위해 광학 소스로부터의 광학 신호를 섀이핑하는 데 사용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 하나 이상의 광학 컴포넌트는 광학 신호를 콜리메이트된 광학 신호로 섀이핑하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 광학 콜리메이팅 렌즈 또는 렌즈들의 컬렉션은 광학 신호의 경로에 배치될 수 있고, 광학 소스로부터의 광학 신호를 콜리메이트된 광학 신호로 섀이핑하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 신호 조작 컴포넌트는 광학 신호를 편광시키도록 구성된 하나 이상의 편광기를 포함할 수 있다. 편광은 p-편광(즉, TM(transverse magnetic) 편광)일 수 있거나, s-편광(즉, TE(transverse electric) 편광)일 수 있거나, 이들의 임의의 조합일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 신호 조작 컴포넌트는 광학 신호를 편광시키도록 구성된 타원 편광기(elliptical polarizer) 및/또는 원 편광기(circular polarizer)를 포함할 수 있다.
본 발명의 양태들은 본 시스템들 또는 센서들의 하나 이상의 컴포넌트를 제어 및/또는 동작시키도록 구성되거나 적합화된 제어기, 프로세서 및 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 시스템은 제어기를 포함하고, 이 제어기는, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 본 시스템들 또는 센서들의 하나 이상의 컴포넌트와 통신하고, 예컨대, 본 명세서에 기술되는 하나 이상의 방법을 수행하기 위해, 시스템들의 양태들을 제어하고 그리고/또는 본 시스템들의 하나 이상의 동작 또는 기능을 실행하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 시스템은 프로세서 및 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하고, 이 컴퓨터 판독가능 매체는 메모리 매체들 및/또는 저장 매체들을 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독가능 메모리 상의 컴퓨터 판독가능 명령어들(또는 "펌웨어", 즉 판독 전용 메모리에 프로그래밍된 영구 소프트웨어)로서 구현된 애플리케이션들 및/또는 운영 체제들은, 본 명세서에 기술되는 방법 단계들 중 하나 이상을 수행하는 것, 본 센서들 및/또는 시스템들로부터 획득되는 데이터를 취득 및 처리하는 것, 및/또는 하나 이상의 알고리즘 또는 다른 조작을 분석을 위한 데이터에 적용하는 것을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 본 명세서에 기술되는 기능들의 일부 또는 전부를 제공하기 위해, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펌웨어는 감지 표면과 접촉하게 위치되는 매체의 하나 이상의 이미지를 캡처하는 하나 이상의 이미지 캡처 시퀀스를 실행하기 위한 명령어들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 하나 이상의 이미지를 처리하는 것, (예컨대, 테스트 샘플의 오스몰 농도를 결정하기 위해) 하나 이상의 이미지로부터의 데이터를 분석하는 것, 또는 이들의 임의의 조합을 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 알고리즘을 실행하기 위한 명령어들을 갖는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 하나 이상의 방법을 자동으로 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 시스템은 특정의 이벤트, 예컨대, 센서를 광학 섀시에 결합시키는 것, 사용자 입력의 수신(예컨대, 사용자로부터의 활성화 신호의 수신) 등에 응답하여 하나 이상의 이미지 캡처 시퀀스 및/또는 이미지 또는 데이터 처리 알고리즘을 자동으로 실행하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템은, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)와 같은, 사용자 인터페이스, 및/또는 사용자로부터 입력을 수신하도록 그리고 본 명세서에 기술되는 바와 같은 방법들 중 하나 이상을 실행하도록 적합화되거나 구성된 하나 이상의 사용자 입력 디바이스를 포함한다. 일부 실시예들에서, GUI는 데이터 또는 정보를 사용자에게 디스플레이하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 시스템은 센서의 하나 이상의 부분 및/또는 광학 섀시의 하나 이상의 컴포넌트의 온도를 제어하도록 구성된 하나 이상의 온도 제어 요소를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 시스템은 센서 또는 광학 섀시를 목표 온도 범위 내에서 유지하도록 구성된 온도 제어기를 포함한다. 시스템의 실시예들에 따른 온도 제어 요소들은 저항 히터들, 열전 히터들 또는 쿨러들, 팬들, 및 이와 유사한 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템은 외부 환경의 하나 이상의 특성을 측정하도록 구성된 하나 이상의 환경 분석 컴포넌트를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 시스템은 환경의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(예컨대, 온도계 또는 열전쌍)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 환경의 압력(예컨대, 기압)을 측정할 수 있는 압력 센서(예컨대, 기압계)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 외부 환경의 습도를 측정할 수 있는 습도 센서(예컨대, 습도계, 습도 센서)를 포함할 수 있다. 특정 양태들에서, 본 시스템들은 샘플을 분석할 때 외부 환경의 하나 이상의 특성을 고려하거나 보정하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 프로세서는 샘플을 분석할 때, 예컨대, 외부 온도를 고려하도록 구성된다.
본 시스템들의 양태들은 또한, 예컨대, USB 포트들, 이더넷 포트들, 또는 시스템의 2개 이상의 컴포넌트 사이에서 데이터를 교환/전송하는 데 사용될 수 있는 연결을 구축하도록 구성된 다른 데이터 포트들과 같은, 데이터 교환 피처들을 포함한다. 본 시스템들의 양태들은 또한 시스템의 2개 이상의 컴포넌트 사이에서 데이터를 무선으로 전송하도록 구성된, WiFi 컴포넌트들과 같은, 무선 전송 컴포넌트들을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 시스템은 센서로부터 획득된 데이터를 저장을 위해 데이터베이스 또는 리포지토리에게 전송할 수 있다.
본 시스템들의 양태들은 또한 본 시스템들에 의해 취득되는 데이터를 저장 및/또는 분석하는 데 사용될 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서, 데이터 스토리지, 및/또는 데이터베이스 컴포넌트를 포함할 수 있다. 이러한 컴포넌트들은, 예컨대, USB 연결을 통하는 것 등에 의해, 본 시스템들의 다른 컴포넌트들에 물리적으로 연결되거나, 예컨대, WiFi 연결을 통해, 또는 인터넷을 통해, 본 시스템들의 다른 컴포넌트들과 무선으로 통신하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 시스템들의 컴퓨터 프로세서들, 데이터 스토리지, 및/또는 데이터베이스 컴포넌트들은 멀리 떨어져 위치될 수 있으며, 예컨대, 센서의 물리적 위치와 상이한 물리적 위치에 위치될 수 있다.
본 시스템들의 양태들은 또한 전력을 본 시스템들에 제공하도록 구성된, 배터리들 및/또는 전력 케이블들과 같은, 하나 이상의 전력 컴포넌트를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 전력 컴포넌트들, 예를 들어, 본 시스템들 내에 삽입되거나 본 시스템들에 다른 방식으로 결합되도록 구성된 하나 이상의 배터리 또는 배터리 팩은 모듈식일 수 있고, 전력을 본 시스템들에 제공하기 위해 본 시스템들에 분리가능하게 결합되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 시스템들은 표준 전원 콘센트들과 전기 접촉을 구축하도록 구성된 전원 케이블들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 시스템은 시스템의 하나 이상의 컴포넌트(예컨대, 광학 섀시, 또는 그의 컴포넌트)를 재충전시키도록 구성된 베이스 유닛을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템은 시스템의 하나 이상의 컴포넌트를 위생처리하도록 구성된 하나 이상의 소독 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 시스템은 UV 광을 사용해 시스템의 하나 이상의 부분을 조명하도록 구성된 UV 광 소독 컴포넌트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 소독 컴포넌트는, 앞서 기술된 바와 같이, 시스템의 하나 이상의 컴포넌트를 재충전시키도록 구성된 베이스 유닛에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 시스템들의 다양한 피처들이, 플라스틱, 금속, 유리 또는 세라믹 재료들, 및 이들의 임의의 조합들과 같은, 적당한 재료들로 형성된 하우징을 포함하는 단일 디바이스로 형성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 센서 및 광학 섀시를 포함하는 시스템은, 본 명세서에 기술되는 바와 같이, 플라스틱 하우징으로 형성되고, 시스템의 다양한 부가 컴포넌트들이 하우징 내에 위치된다. 일부 실시예들에서, 시스템은, 이하에서 추가로 기술되는 바와 같이, 본 방법들을 수행하는 데 사용될 수 있는 단일 벤치톱 시스템으로 형성된다. 일부 실시예들에서, 시스템은 사용자에 의해 휴대될 수 있는 단일 핸드헬드 시스템으로 형성된다. 특정 실시예들에서, 핸드헬드 시스템은 무선이다. 특정 실시예들에서, 핸드헬드 시스템은 재충전가능 배터리 컴포넌트를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 시스템의 피처들은 본 명세서에 기술되는 방법들을 수행하는 데 사용될 수 있는 무선 재충전가능 펜-크기 디바이스로 형성된다.
하나의 바람직한 실시예에서, 광학 섀시는 광학 신호 생성 컴포넌트들로서 4개의 점 광원 LED를 포함하고, 여기서 점 광원 LED들 중 2개는 약 855 nm의 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성되며, 점 광원 LED들 중 2개는 약 950 nm의 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된다. 하나의 바람직한 실시예에서, 광학 섀시는, 약 2592 x 1944 능동 픽셀들을 갖는, 그리고 각각의 픽셀에서의 광의 강도 값을 결정하는 것 및 각각의 픽셀에 그레이 스케일 값을 할당하는 것에 의해 입사 광을 디지털 전자 신호로 변환하는, CMOS 디지털 이미지 센서를 포함한다.
본 발명의 양태들은 검출 컴포넌트로부터 획득된 데이터를 분석하도록 구성된 하나 이상의 신호 처리 컴포넌트를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 신호 처리 컴포넌트는 검출 컴포넌트에 의해 생성되는 이미지의 관심 영역(ROI)을 식별하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 신호 처리 컴포넌트는 이미지의 주어진 좌표 방향을 따른 평균 픽셀 강도에 대응하는 수학 함수를 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 신호 처리 컴포넌트는 이미지의 x 좌표를 따른 각각의 픽셀 위치에 대한 수직 열 픽셀 강도의 평균을 계산하도록 그리고 결과들을 표현하는 수학 함수를 생성하도록 구성된다. 일단 생성되면, 예컨대, 수학 함수의 상대 최솟값 또는 상대 최댓값에 대응하는 x 좌표를 결정하기 위해 수학 함수가 분석될 수 있다.
특정 실시예들에서, 신호 처리 컴포넌트는 신호로부터의 잡음을 감소시키거나 제거하는 역할을 하는 하나 이상의 잡음 감소 기법을 적용하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 신호 처리 컴포넌트는 신호에서의 잡음을 감소시키기 위해 가우시안 블러 알고리즘(Gaussian blur algorithm)을 적용하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 신호 처리 컴포넌트는 도함수 신호의 제로 크로싱 값을 정확하게 위치확인하기 위해 도함수 신호 처리를 사용하도록 구성된다.
이제 도 26을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 광학 섀시 및 센서가 도시되어 있다. 이 예시에서, LED에서 시작하여 시스템을 통해 진행하는 다양한 광 경로들이 도시되어 있다. 도시된 실시예는 855 nm 및 950 nm 파장 LED 광학 소스들 및 5 패싯 센서를 포함한다. 그에 부가하여, 도시된 광학 섀시는 더블릿 렌즈, 원통 렌즈, 빔 터닝 미러(beam turning mirror) 및 검출 컴포넌트를 포함한다.
도 27은 본 발명의 실시예들에 따른 다른 광학 섀시 및 센서를 도시하고 있다. 이 예시에서, LED에서 시작하여 시스템을 통해 진행하는 다양한 광 경로들이 도시되어 있다. 도시된 실시예는 855 nm 및 950 nm 파장 LED 광학 소스들 및 센서를 포함한다. 그에 부가하여, 도시된 광학 섀시는 원통 렌즈, 더블릿 렌즈 및 검출 컴포넌트를 포함한다.
도 28의 패널 A는 본 발명의 실시예들에 따른 다른 광학 섀시 및 센서를 도시하고 있다. 이 예시에서, LED에서 시작하여 시스템을 통해 진행하는 2개의 광 경로가 도시되어 있다. 도시된 실시예는 855 nm 및 950 nm 파장 광학 소스들(각각의 광학 소스는 2개의 LED들의 세트를 포함함) 그리고 복수의 내부 및 외부 패싯들은 물론 감지 표면을 갖는 센서를 포함한다. 그에 부가하여, 도시된 광학 섀시는 원통 렌즈, 콜리메이팅 렌즈 및 검출 컴포넌트를 포함한다. 패널 B는 도시된 센서의 감지 표면의 상부 단부도를 도시하고 있다. 감지 표면은 감지 표면의 중심선을 따라 직사각형 배향으로 배치된 금 코팅(예컨대, 금 반투명 막 코팅)을 갖는 코팅 영역을 포함한다. 코팅 영역의 양측에, 감지 표면은 비코팅 영역을 포함한다. 패널 C는 센서 및 그의 내부 패싯들(n=2)(원숫자들(1 및 7)로 라벨링됨), 그의 외부 패싯들(n=4)(원숫자들(2, 3, 5 및 6)로 라벨링됨)은 물론, 감지 표면(원숫자(4)로 라벨링됨)의 클로즈업 예시를 도시하고 있다.
도 32의 패널 A는 본 발명의 실시예들에 따른 다른 광학 섀시 및 센서를 도시하고 있다. 이 예시에서, LED에서 시작하여 시스템을 통해 진행하는 다양한 광 경로들이 도시되어 있다. 도시된 실시예는 855 nm 및 950 nm 파장 LED 광학 소스들 및 센서를 포함한다. 그에 부가하여, 도시된 광학 섀시는 원통 렌즈, 더블릿 렌즈 및 검출 컴포넌트를 포함한다. 패널 B는 센서의 내부 패싯들(n=2)(원숫자들(1 및 5)로 라벨링됨), 센서의 외부 패싯들(n=2)(원숫자들(2 및 4)로 라벨링됨), 및, 원숫자(3)으로 라벨링된, 감지 표면의 클로즈업 예시이다. 도시된 실시예에서, 패싯(2)은 코팅되지 않고, 패싯(4)은 반사 코팅으로 코팅되며, 감지 표면(3)은 반투명 막으로 코팅된다.
도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 다른 광학 섀시 및 센서를 도시하고 있다. 이 예시에서, LED에서 시작하여 시스템을 통해 진행하는 다양한 광 경로들이 도시되어 있다. 도시된 실시예는 855 nm 및 950 nm 파장 LED 광학 소스들 및 센서를 포함한다. 그에 부가하여, 이 예시는 원통 렌즈, 콜리메이팅 렌즈, 광학 웨지(optical wedge), 및 검출 컴포넌트(예컨대, XIMEA® 이미저)의 위치를 도시하고 있다.
도 35는 본 발명의 실시예들에 따른 광학 섀시 및 센서의 측면도를 도시하고 있다. 이 예시에서, LED에서 시작하여 시스템을 통해 진행하는 다양한 광 경로들이 도시되어 있다. 도시된 실시예는 855 nm 및 950 nm 파장 LED 광학 소스들 및 센서를 포함한다. 그에 부가하여, 이 예시는 원통 렌즈, 콜리메이팅 렌즈, 광학 웨지, 및 검출 컴포넌트(예컨대, XIMEA® 이미저)를 도시하고 있다. 이 도시된 실시예에서, 센서는 광학 섀시에 동작가능하게 결합된다.
도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 광학 섀시 및 센서의 측면도를 도시하고 있다. 이 도시된 실시예에서, 광학 섀시의 길이는 대략 2.181 인치이다.
도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 광학 섀시 및 센서의 측면도를 도시하고 있다. 이 도시된 실시예에서, 광학 섀시의 높이는 대략 0.903 인치이고, 센서의 직경은 대략 0.765 인치이다.
도 38은 도 37에 도시된 광학 섀시 및 센서의 측면도를 도시하고 있다. 도시된 실시예에서, 광학 섀시는 콜리메이팅 렌즈, 원통 렌즈, 광학 웨지 및 검출 컴포넌트(예컨대, XIMEA® 이미저)를 포함한다.
도 39는 본 발명의 실시예들에 따른 광학 섀시 및 센서의 측면도를 도시하고 있다. 도시된 실시예에서, 광학 섀시는 섀시 윈도(chassis window), 2개의 원통 렌즈, 빔 스플리터, 850 및 940 nm 파장 LED들, 광학 웨지, 및 검출 컴포넌트(예컨대, XIMEA® 이미저)를 포함한다.
도 40은 본 발명의 실시예들에 따른 광학 섀시 및 센서의 사시도 예시이다. 도시된 실시예에서, 광학 섀시는 850 및 940 nm 파장 LED들, 센서 캡 잠금 컴포넌트(sensor cap locking component), 편광기 및 배럴(barrel), 제어 보드 및 검출 컴포넌트(예컨대, XIMEA® 이미저 어셈블리)를 포함한다.
도 41은 본 발명의 실시예들에 따른 광학 섀시 및 센서의 측면도이다. 도시된 실시예에서, 광학 섀시는 850 및 940 nm 파장 LED들, 편광기 및 배럴, 제어 보드, 검출 컴포넌트(예컨대, XIMEA® 이미저 어셈블리) 및 광학 섀시 컴포넌트들을 둘러싸는 케이스(LacriPen 케이스)를 포함한다.
도 46은 광학 섀시에 분리가능하게 결합된 센서의 상부 단부도이다. 도시된 실시예에서, 코팅 표면(금 코팅 구역) 및 비코팅 표면(비코팅 프리즘 구역)을 포함하는, 센서의 감지 표면이 도시되어 있다. 도시된 센서는 또한 센서를 광학 섀시에 분리가능하게 결합시키도록 구성된 3개의 유지 컴포넌트 또는 유지 탭을 포함한다. 도시된 센서는 광학 섀시와 트위스트 로크(twist lock)하도록 구성된다.
도 48은 본 발명의 실시예들에 따른 벤치톱 시스템의 예시이다. 이 도시된 실시예에서, 시스템은 반원통 센서, 금 코팅 현미경 슬라이드, 이미지 센서, 빔 스플리터, 950 및 855 nm 파장 LED 광원들 및 콜리메이터들, 그리고 회로 보드를 포함한다. 도시된 실시예는 정사각형 하우징 내에 배치되고, 사용 동안, 예컨대, 실험실 벤치톱 상에 배치되도록 구성된다.
도 49는 도 48에 도시된 벤치톱 시스템의 사시도이다.
도 50은 도 48 및 도 49에 도시된 벤치톱 시스템의 라벨링된 사시도이다. 도시된 실시예는 반원통 센서, 금 코팅 현미경 슬라이드, 이미지 센서, 빔 스플리터, 950 및 855 nm 파장 LED들, 및 회로 보드를 도시하고 있다.
도 51은 도 48 내지 도 50에 기술된 바와 같은 벤치톱 시스템을 하우징하는 데 사용될 수 있는 하우징 및 부속 커버 플레이트의 이미지이다.
사용 방법들
본 발명의 양태들은, 예컨대, 샘플의 오스몰 농도를 결정하기 위해 본 센서 시스템들을 사용하여 샘플을 분석하는 방법들을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 정상안들에서의 눈물의 평균 오스몰 농도는 건성안들에서의 눈물의 평균 오스몰 농도와 상이하며, 이에 따라, 안구 건조증의 진단 예측자(diagnostic predictor)로서 역할할 수 있다. 본 방법들은 본 방법들 중 하나 이상을 수행하기에 충분한 기간 동안 센서의 감지 표면을 테스트될 매체(예컨대, 기준 매체, 또는 미지의 오스몰 농도를 갖는 샘플)과 접촉시키는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법은 80초, 70초, 60초, 50초, 40초, 30초, 20초, 10초, 5초, 4초, 3초, 2초와 같은, 90초 이하, 또는, 0.5초, 0.4초, 0.3초, 0.2초, 또는 0.1초 이하와 같은, 1초 이하인 시간 내에 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 환자의 체액(예컨대, 환자의 눈물막)에 대해 진단 분석을 수행하는 것, 및 분석의 결과들에 기초하여 질환 또는 장애(예컨대, 안구 건조증)을 갖는 환자를 진단하는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 환자의 눈물막이 특정의 범위에 있는 오스몰 농도 값을 갖는 것으로 결정되는 경우, 환자는 안구 건조증으로 진단받는다.
본 방법들의 양태들은 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 센서의 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키고 그에 응답하여 신호(예컨대, SPR 신호 또는 임계각 신호)를 생성하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 감지 표면이 샘플과 접촉하는 동안 상이한 파장들을 갖는 하나 이상의 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 감지 표면을 기준 매체와 접촉시키고 상이한 파장들을 갖는 제1 및 제2 광학 신호들을 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것, 및 이어서 감지 표면을 테스트 매체와 접촉시키고 상이한 파장들을 갖는 제1 및 제2 광학 신호들을 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것을 포함한다.
본 방법들의 양태들은 감지 표면으로부터 생성되는 임계각 신호들은 물론 SPR 신호들을 측정하는 것을 포함한다. SPR 신호는 광학 신호를 감지 표면의 코팅 영역과 상호작용하도록 지향시키는 것에 의해 생성된다. 임계각 신호는 광학 신호를 감지 표면의 비코팅 영역과 상호작용하도록 지향시키는 것에 의해 생성된다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 제1 및 제2 SPR 신호들을 생성하기 위해 상이한 파장들을 갖는 제1 및 제2 광학 신호들을 감지 표면의 코팅 영역과 상호작용하도록 지향시키는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 제1 및 제2 임계각 신호들을 생성하기 위해 상이한 파장들을 갖는 제1 및 제2 광학 신호들을 감지 표면의 비코팅 영역과 상호작용하도록 지향시키는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 방법들은 광학 신호를 하나 이상의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 본 방법들은 제1 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것, 및 제2 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 하나 이상의 광학 신호를, 감지 표면과 접촉하는 매체의 유형에 따라, 상이한 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 본 방법들은 감지 표면을 제1 매체(예컨대, 기준 매체)와 접촉시키고 하나 이상의 광학 신호를 제1 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것, 및 이어서 감지 표면을 제2 매체(예컨대, 테스트 매체)와 접촉시키고 하나 이상의 광학 신호를 제2 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것을 포함한다.
특정 실시예들에서, 본 방법들은 상이한 파장들의 광학 신호들을 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것을 포함한다. 앞서 검토된 바와 같이, 본 시스템들은 약 300 내지 약 1,500 nm의 범위에 있는 임의의 파장을 갖는 광학 신호들을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 약 855 nm의 파장을 갖는 제1 광학 신호를 생성하는 것, 및 약 950 nm의 파장을 갖는 제2 광학 신호를 생성하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 광학 신호들이 감지 표면과 동시에 상호작용하도록 지향될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 상이한 파장들을 갖는 2개 이상의 광학 신호가 동시에 감지 표면과 상호작용하도록 지향된다. 일부 실시예들에서, 복수의 광학 신호들이 게이티드 방식으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향될 수 있다.
본 방법들의 양태들은 감지 표면(예컨대, 하나 이상의 SPR 신호 및/또는 임계각 신호)으로부터 수신되는 하나 이상의 신호의 신호 처리를 포함한다. 일부 실시예들에서, 시스템은 분석 이전에 신호를 처리하도록 구성된 신호 처리 능력들을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 본 방법들은 분석 이전에 잡음을 감소시키기 위해 신호를 처리하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 신호에서의 잡음의 양을 감소시키기 위해 가우시안 블러 알고리즘을 신호에 적용하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 신호에서의 잡음의 양을 감소시키기 위해 저역 통과 필터링을 신호에 적용하는 것을 포함한다.
본 방법들의 양태들은 검출 컴포넌트를 사용하여 신호를 검출하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 감지 표면으로부터 수신된 신호에 기초하는 이미지를 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 이미징 컴포넌트에 의해 수신되는 하나 이상의 신호로부터 복수의 이미지들을 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 샘플(예컨대, 기준 매체 또는 테스트 매체)이 일단 센서의 감지 표면과 접촉하게 위치되면 초당 복수의 이미지들을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는, 초당 10개, 20개, 30개, 40개, 50개, 60개, 70개, 80개, 90개 또는 100개 또는 그 이상의 이미지와 같은, 초당 복수의 이미지들을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 센서로부터 수신되는 하나 이상의 광학 신호의 비디오를 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 비디오의 하나 이상의 이미지 프레임을 캡처하도록, 그리고, 이하에서 추가로 기술되는 바와 같이, 하나 이상의 이미지 프레임을 추가 처리를 거치게 하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 검출 컴포넌트는 시야를 가지며, 이미지는 시야 내의 관심 영역(ROI)으로부터 생성될 수 있다. 특정 실시예들에서, 본 방법들은 단일 이미지 프레임에서 감지 표면으로부터의 복수의 신호들로부터 데이터를 캡처하는 것을 포함한다. 단일 이미지 프레임에서 복수의 신호들로부터 데이터를 캡처하는 것은 샘플의 분석에서 사용될 수 있는 내부 기준을 제공한다.
본 방법들의 양태들은 검출 컴포넌트로부터 생성되는 이미지의 데이터 처리를 포함한다. 일부 실시예들에서, 데이터 처리는 좌표계(예컨대, x, y 좌표계)를 이미지에 적용하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 생성된 이미지 내의 각각의 픽셀 또는 그의 일부분은 특정 x, y 좌표 값을 할당받을 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 내의 각각의 픽셀은 픽셀에서의 광의 강도 또는 컬러에 관련된 수치 값을 할당받을 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이미지 내의 각각의 픽셀은 그레이 스케일 값을 할당받는다. 일부 실시예들에서, 이미지 내의 각각의 픽셀은 컬러 값을 할당받는다. 일부 실시예들에서, 데이터 처리는 복수의 픽셀들에 대해 수학적 연산을 수행하는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 데이터 처리는 복수의 픽셀들의 평균 그레이 스케일 값을 계산하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 데이터 처리는 이미지 상에서 특정의 x 좌표에 있는 픽셀들의 열의 평균 그레이 스케일 값을 계산하는 것을 포함한다.
본 방법들의 양태들은 검출 컴포넌트를 사용하여 이미지에서 캡처된 데이터에 기초하여 수학 함수들을 생성하는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이미지로부터의 데이터가 처리되고 표준 기법들을 사용하여 수학적으로 분석 및 조작될 수 있는 함수로 변환될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지가 각각의 x 좌표에 있는 픽셀들의 열의 평균 그레이 스케일 값을 결정하는 것에 의해 분석되고, 결과적인 데이터는 데이터가 획득된 신호를 수학적으로 표현하는 함수 또는 곡선으로 변환된다. 일단 생성되면, 함수의 특성들을 결정하기 위해 함수가 수학적으로 분석 또는 조작될 수 있다.
일부 실시예들에서, 표준 기법들을 사용하여 최솟값 또는 최댓값을 결정하기 위해 함수가 분석될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 함수의 상대 최솟값 또는 상대 최댓값을 계산하기 위해 함수의 도함수가 결정되고 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 함수가 표준 기법들을 사용하여 스무딩(smooth)될 수 있고, 그에 의해 데이터에서의 잡음을 감소시키거나 저감시킬 수 있다.
본 방법들의 양태들은 함수의 최솟값에 대응하는 픽셀 위치를 식별하기 위해 SPR 신호로부터 도출되는 함수를 분석하는 것을 포함한다. 함수의 최솟값은 SPR 신호의 반사율 최솟값에 대응하고, 샘플을 분석(예컨대, 샘플의 오스몰 농도를 결정)하는 데 사용될 수 있다.
본 방법들의 양태들은 함수의 최댓값에 대응하는 픽셀 위치를 식별하기 위해 임계각 신호로부터 도출되는 함수를 분석하는 것을 포함한다. 함수의 최댓값에 대응하는 픽셀 위치가 센서의 임계각을 결정하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 방법들의 양태들은 광 기계 컴포넌트에 의해 생생되는 기준 신호로부터 획득되는 데이터를 분석하는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, (앞서 기술된 바와 같은) 광 기계 컴포넌트는 샘플의 하나 이상의 파라미터를 결정하기 위해 분석될 수 있는 기준 신호를 생성한다. 특정 실시예들에서, 광 기계 컴포넌트에 의해 생성된 기준 신호는 고정 기준 신호로서 사용될 수 있으며, 센서의 감지 표면이 샘플과 접촉되거나, 복수의 상이한 샘플들(예컨대, 공기 샘플 및 물 샘플, 공기 샘플 및 눈물막 샘플 등)과 접촉될 때 SPR 최솟값의 변화들(예컨대, SPR 최솟값이 이동되거나 시프트된 픽셀들의 개수)가 고정 기준 신호와 대조하여 측정될 수 있다. 특정 실시예들에서, 광 기계 컴포넌트에 의해 생성된 기준 신호는 상이한 샘플 유형들(예컨대, 공기 및 물, 공기 및 눈물막, 물 및 눈물막 등)에 걸쳐 비교될 수 있는 고정 기준 신호로서 사용할 수 있다.
본 방법들의 양태들은 앞서 기술된 수학 함수들의 다양한 피처들에 대응하는 픽셀 위치들을 비교하는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 방법은 SPR 델타 픽셀 값을 결정하기 위해 제1 SPR 신호로부터 도출된 함수의 최솟값의 픽셀 위치를 제2 SPR 신호로부터 도출된 함수의 최솟값의 픽셀 위치와 비교하는 것을 포함한다. SPR 델타 픽셀 값은 제1 및 제2 SPR 신호들의 최솟값들 사이의 거리를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 임계각 델타 픽셀 값을 결정하기 위해 제1 임계각 신호로부터 도출된 함수의 최댓값의 픽셀 위치를 제2 임계각 신호로부터 도출된 함수의 최댓값의 픽셀 위치와 비교하는 것을 포함한다. 임계각 델타 픽셀 값은 제1 및 제2 임계각 신호들의 최댓값들 사이의 거리를 나타낸다.
일부 실시예들에서, 본 방법들은 본 센서의 동작에 영향을 줄 수 있는 하나 이상의 외부 조건을 고려하기 위해 델타 픽셀 값을 수학적으로 조작하는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 본 방법들은 외부 조건을 고려하기 위해 델타 픽셀 값을 보정 인자와 곱하거나 보정 인자로 나누는 것을 포함한다. 앞서 검토된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 본 시스템은 센서가 동작하고 있는 환경의 하나 이상의 특성을 측정하는 데 사용될 수 있는 환경 분석 컴포넌트를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 방법들은 센서의 품질 파라미터를 검증하는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 센서가 사용하기에 충분한 품질을 갖는지 여부를 결정하기 위해 센서에 의해 생성된 신호의 하나 이상의 특성이 평가된다. 일부 실시예들에서, 센서가 사용하기에 충분한 품질을 갖는지 여부를 결정하기 위해 SPR 신호의 하나 이상의 특성이 평가된다. 특정 실시예들에서, 센서가 사용하기에 충분한 품질을 갖는지를 결정하기 위해 SPR 신호(또는 그로부터 도출된 데이터 세트 또는 함수)의 콘트라스트 값, 형상 또는 치수(예컨대, 높이, 폭, 또는 깊이)가 평가된다. 일부 실시예들에서, 센서가 사용하기에 충분한 품질을 갖는지 여부를 결정하기 위해 임계각 신호의 하나 이상의 특성이 평가된다. 특정 실시예들에서, 센서가 사용하기에 충분한 품질을 갖는지를 결정하기 위해 임계각 신호(또는 그로부터 도출된 데이터 세트 또는 함수)의 콘트라스트 값, 형상 또는 치수(예컨대, 높이, 폭, 또는 깊이)가 평가된다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 센서가, 예컨대, 감지 표면 상에 충분한 두께의 반투명 막 및/또는 접착 층을 갖는지 여부, 또는 반투명 막 및/또는 접착 층에 충분한 순도의 재료를 갖는지 여부를 검증하는 데 사용될 수 있다.
본 방법들의 양태들은 샘플의 특성(예컨대, 샘플의 오스몰 농도)을 결정하기 위해 하나 이상의 델타 픽셀 값(예컨대, 하나 이상의 보정된 델타 픽셀 값)을 교정 데이터 세트와 비교하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 시스템은 상이한 목적들을 위해 사용될 수 있는 복수의 교정 데이터 세트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 델타 픽셀 값들의 함수인 오스몰 농도 값들을 포함하는 교정 데이터 세트를 포함하고, 본 방법들은 샘플의 오스몰 농도를 결정하기 위해 델타 픽셀 값을 교정 데이터 세트와 비교하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 시스템은 품질 파라미터 값들을 포함하는 교정 데이터 세트를 포함하고, 본 방법들은 센서가 사용하기에 충분한 품질을 갖는지 여부를 결정하기 위해 센서에 의해 생성된 신호의 하나 이상의 특성을 교정 데이터 세트와 비교하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 시스템은 다양한 외부 환경 파라미터들에 대한 보정 인자들을 포함하는 교정 데이터 세트를 포함하며, 본 방법들은 적절한 보정 인자를 결정하기 위해 측정된 외부 환경 파라미터를 교정 데이터 세트와 비교하는 것, 및 이어서 보정 인자를 적용하기 위해 델타 픽셀 값을 수학적으로 조작하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 센서를 광학 섀시에 동작가능하게 연결시키는 것을 포함한다. 특정 실시예들에서, 방법은 센서를 광학 섀시에 분리가능하게 결합시키는 것, 본 명세서에 기술되는 바와 같이, 분석 방법을 수행하는 것, 및 이어서 센서를 광학 섀시로부터 제거하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 센서를 광학 섀시에 무균적으로 결합시키는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 센서를 광학 섀시로부터 무균적으로 분리(de-coupling)시키는 것을 포함한다.
본 방법들의 양태들은 임의의 적당한 샘플의 분석을 포함한다. 일부 실시예들에서, 샘플은 기상(gaseous) 또는 액상(liquid) 매체이다. 특정 실시예들에서, 매체는 공지된 오스몰 농도 값을 갖는 교정 매체일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 본 방법들은 센서를 공지된 오스몰 농도를 갖는 매체와 접촉시키는 것, 하나 이상의 광학 신호를 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것, 및 그 결과 얻어진 하나 이상의 신호를 검출하는 것(예컨대, SPR 신호 또는 임계각 신호를 검출하는 것)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 샘플은 기준 매체(예컨대, 테스트 매체 또는 샘플과 비교될 매체)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기준 매체는 공기(예컨대, 센서가 사용되는 공간 내의 공기)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플은 액상 매체, 예컨대, 물이다. 일부 실시예들에서, 샘플은 체액(예컨대, 피검자의 눈으로부터의 눈물액)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 방법들은 센서의 감지 표면을 샘플과 접촉시키는 것, 및 방법 단계들 중 적어도 일부가 수행되는 동안 샘플과 감지 표면 사이의 접촉을 유지하는 것을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 방법은 센서의 감지 표면을 기준 매체인 공기와 접촉시키는 것 및 제1 SPR 신호를 생성하기 위해 약 855 nm의 파장을 갖는 제1 광학 신호를 약 42도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 것을 포함한다. 제1 SPR 신호는 신호로부터 이미지를 생성하는 검출 컴포넌트를 사용하여 검출된다. 제1 SPR 신호를 표현하는 수학 함수를 생성하기 위해 신호의 이미지가 처리된다. 함수의 최솟값에 대응하는 픽셀 위치가 결정된다.
다음에, 제2 SPR 신호를 생성하기 위해 약 950 nm의 파장을 갖는 제2 광학 신호가 약 42도의 동일한 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향된다. 제2 SPR 신호는 신호로부터 이미지를 생성하는 검출 컴포넌트를 사용하여 검출된다. 제2 SPR 신호를 표현하는 수학 함수를 생성하기 위해 신호의 이미지가 처리된다. 함수의 최솟값에 대응하는 픽셀 위치가 결정된다. 이어서 제1 및 제2 SPR 신호들의 최솟값들에 대응하는 픽셀 위치들을 비교하여 기준 매체 SPR 델타 픽셀 값을 결정한다.
다음에, 센서의 감지 표면이 피검자의 눈물막과 접촉하게 위치된다. 제3 SPR 신호를 생성하기 위해 약 855 nm의 파장을 갖는 제1 광학 신호가 약 64도의 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향된다. 제3 SPR 신호는 신호로부터 이미지를 생성하는 검출 컴포넌트를 사용하여 검출된다. 제3 SPR 신호를 표현하는 수학 함수를 생성하기 위해 신호의 이미지가 처리된다. 함수의 최솟값에 대응하는 픽셀 위치가 결정된다.
다음에, 제4 SPR 신호를 생성하기 위해 약 950 nm의 파장을 갖는 제2 광학 신호가 약 64도의 동일한 입사각으로 감지 표면과 상호작용하도록 지향된다. 제4 SPR 신호는 신호로부터 이미지를 생성하는 검출 컴포넌트를 사용하여 검출된다. 제4 SPR 신호를 표현하는 수학 함수를 생성하기 위해 신호의 이미지가 처리된다. 함수의 최솟값에 대응하는 픽셀 위치가 결정된다. 이어서 제3 및 제4 SPR 신호들의 최솟값들에 대응하는 픽셀 위치들을 비교하여 테스트 매체 SPR 델타 픽셀 값을 결정한다.
다음에, 기준 매체 SPR 델타 픽셀 값을 테스트 매체 SPR 델타 픽셀 값과 비교하여 보정된 델타 픽셀 값을 결정한다. 보정된 델타 픽셀 값이 오스몰 농도와 보정된 델타 픽셀 값 사이의 관계를 표현하는 복수의 데이터를 포함하는 교정 데이터 세트와 비교되고, 샘플의 오스몰 농도가 결정된다.
이하의 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되며, 본 발명의 진정한 범주는 첨부된 청구항들에 기재되어 있다. 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서, 기재된 절차들에 수정들이 행해질 수 있다는 것이 이해된다.
예들
예 1: 점 광원 LED를 사용한 센서에서의 광학 잡음의 감소
광학 잡음 감소가 시스템에서 점 광원 LED를 광학 신호 생성 컴포넌트로서 사용하여 달성되었다. 도 3은, 638 nm 레이저 다이오드가 적색 LED(632 nm 공칭 파장)보다 실질적으로 더 높은 광학 잡음을 갖는다는 것을, 그들의 대응하는 SPR 이미지들의 오른쪽에 있는 차트들 각각에 그래픽으로 묘사된 바와 같이, 명확히 예시하고 있다. 레이저 다이오드 대신에 점 광원 LED를 사용하는 것은 따라서 시스템에서의 광학 잡음을 감소시켰다.
예 2:
SPR
신호 측정의 분해능의 최적화
도 4에 도시된 바와 같이, 보다 긴 파장의 광학 신호들은 보다 좁은 SPR 라인 폭들을 생성한다. 도 5는 광학 테이블 상에서 간단한 SPR 설정(SPR set-up)을 사용하여 실험적으로 검증된 바와 같이 파장이 증가함에 따라 SPR 라인이 좁아지는 것을 예시하고 있다. 파장이 증가함에 따른 SPR 라인 폭의 감소는 육안으로 즉각 명백하다.
보다 긴 파장들에서의 보다 좁은 SPR 라인 폭이 본 시스템들에서 보다 높은 SPR 분해능을 제공하는지는 불분명했는데, 그 이유는 SPR 최솟값의 각도 시프트(angular shift)가 보다 긴 파장들에서 감소하기 때문이다. 결과적으로, 0.001 굴절률 단위(refractive index units)("RIU") 만큼의 굴절률 변화에 대한 SPR 최솟값의 각도 시프트(Δθ) 및 SPR 라인의 반치전폭(full width at half maximum)("FWHM")의 계산들은 [Research Group of Prof. Robert M. Corn at the Dept. of Chemistry, University of California, Irvine (http://unicorn.ps.uci.edu/calculations/fresnel/fcform.html)]에 의해 제공되는 온라인 SPR 계산기를 사용하여 수행되었다. 이 2개의 양의 비(즉, Δθ/FWHM)가 SPR 분해능으로서 정의되었다. 계산들의 결과는 950 nm의 파장에서의 분해능의 개선이 635 nm와 비교하여 4 내지 5배의 범위에 있다는 것이었다. 이 계산들은 또한 고굴절률 유리(SF10, n ~ 1.72) 또는 저굴절률 유리(BK7, n ~ 1.52) 중 어느 하나를 사용하여 획득된 분해능의 무시할 정도의 차이가 있다는 것을 보여 주었다(도 6을 참조).
이 계산들 이전에, 널리 계승된 과학적 유물(popular scientific folklore)은 고굴절률 프리즘이 저굴절률 프리즘보다 실질적으로 더 나은 SPR 성능을 제공한다는 것이었다. 그 결과, 이 확고부동한 과학적 유물은 사출 성형 광학 플라스틱들을 일회용 SPR 프리즘들로서 사용하는 것에 반하는 교시를 하였는데(teach away), 그 이유는 광학 플라스틱들이 일반적으로 비교적 낮은 굴절률들을 갖기 때문이다. 이와 같이, 상기 계산들에 기초하여, 사출 성형 광학 플라스틱들이 본 센서들 및 시스템들에서 일회용 SPR 프리즘들로서 사용될 수 있으며, 그에 의해 제품 비용을 감소시킨다.
예 3: 도함수 신호 처리
눈물 오스몰 농도를 1.0 mOsm까지 측정하는 것은 눈물 용액의 굴절률을 약 10-5에서의 1 파트 RIU(1 part in 10-5 RIU)까지 결정하는 것에 대응한다. 통상의 엔지니어링 경험칙은 측정의 정밀도가 목표 정밀도를 약 10배 초과해야 한다는 것이다. 결과적으로, 눈물 오스몰 농도 측정 디바이스에서 약 10-6에서의 1 파트 RIU(1 part in 10-6 RIU)의 최종 굴절률 정밀도를 갖는 것이 바람직하다.
SPR 라인 최솟값의 위치를 결정하기 위한 다양한 기법들이 본 기술분야에 공지되어 있다. 하나의 기법은 직선들을 SPR 라인의 하강 및 상승 에지들에 피팅하는 것이며, 도 7에 도시되어 있다. 이 기법에 대한 간단한 설명은 미국 특허 제7,395,103호 - 그의 개시내용은 참조에 의해 그 전체가 본 명세서에 원용됨 - 에서 발견된다. 센트로이드법(centroid method)이라고 하는, 다른 기법이 또한 미국 특허 제7,395,103호에 개시되어 있다.
함수의 도함수가 0인 점들이 함수의 극댓값들(local maxima) 또는 극솟값들(local minima) 중 어느 하나를 나타낸다는 것이 널리 공지되어 있다. 과학적 유물은 현실 세계 데이터의 최댓값들 또는 최솟값들 중 어느 하나를 찾아내기 위해 도함수들을 사용하는 것을 묵살하는데, 그 이유는 임의의 현실 세계 데이터가 잡음을 포함하기 때문이다. 통념(commonly held belief)은 잡음이 있는 데이터의 도함수를 취하면 도함수 데이터에 용납할 수 없는 잡음을 초래할 것이고, 따라서 도함수 제로 크로싱의 정확한 위치 결정을 방해한다는 것이다.
실제로, SPR 곡선의 최솟값의 정확한 위치를 찾아내기 위해 도함수 신호 처리의 잡음의 효과들을 상쇄할 수 있는 3가지 효과가 있다. 첫째는 매우 낮은 잡음의 SPR 라인 이미지로 시작하는 것이다. 여기서, 이것은 주의 깊은 광학 설계에 의해, 그리고 레이저들보다는 LED들을 광학 소스로서 사용하는 것에 의해 달성되었다. 둘째, 가시 광원들로부터 근적외선 광원들로 바꾸는 것은, SPR 최솟값 근방에서의 강도 변화율이 급격하여 신호에서의 임의의 잡음에 대해 큰 도함수 신호들을 초래하는, 상당히 보다 좁은 SPR 라인들을 초래한다. 마지막으로, 적당한 저역 통과 필터링에 의해 SPR 라인의 이미지에서의 임의의 잔류 잡음이 최소화될 수 있다. 여기서, 임의의 잔류 이미지 잡음을 허용가능 레벨들로 감소시키기 위해 가우스 블러 알고리즘이 사용되었다.
도 8은 855 ㎚ 점 광원 LED를 광원으로서 사용하여 획득된 전형적인 SPR 라인 이미지를 제시한다. 이 이미지는 640 x 480 비디오 이미저를 사용하여 취득되었다. 이 이미지는 미국 국립 보건원(U.S. National Institutes of Health)에서 개발된 애플리케이션 ImageJ 이미지 처리 소프트웨어에 임포트(import)되었다. 다음에, 25 픽셀의 가우시안 블러가 이미지에 적용되었고, 도 8에서 직사각형으로 표시된 바와 같이, 이미지에 대한 적절한 관심 영역이 정의되었다. 이 관심 영역("ROI") 내에서, X 방향을 따른 이미지에서의 수직 열 픽셀 강도의 평균에 대응하는 플롯 프로파일(plot profile)이 생성되었다. 이 동작들의 결과가, 관심 영역의 ImageJ 플롯 프로파일인, 도 9에 도시되어 있다. 마지막으로, 플롯 프로파일 곡선으로부터의 데이터가 (도 10에 도시된 바와 같이) SPR 라인의 최솟값의 위치를 정확하게 정의하는 도함수의 양의 방향으로 가는 제로 크로싱(positive going zero crossing)을 찾아내기 위해 널리 공지된 수학 기법들을 사용하여 수치 미분(differentiate numerically)될 수 있다. 도 10에 도시된 도함수 곡선이 도 8에서의 SPR 이미지로부터 도출된 실제 데이터라는 것에 유의한다. 도함수 곡선은 매우 매끄러우며 명백한 잡음 아티팩트들을 나타내지 않는다.
실제로, 도함수 데이터에서의 낮은 레벨의 잡음으로 인해, SPR 라인의 도함수의 제로 크로싱은 보간 기법들을 사용하여 픽셀의 수 분의 1 이내까지 위치확인될 수 있다. 도 11은 도 8에서의 SPR 이미지의 도함수의 상대 값을 예시하고 있다. 도함수에 잡음이 거의 없다는 것과 220 픽셀부터 230 픽셀까지의 제한된 범위에 걸쳐 도함수가 거의 선형이라는 것에 유의한다. 도함수의 제로 크로싱은 픽셀 224와 픽셀 225 사이에서 일어나고, 좌표들은 픽셀 224에서 (224, -0.2943)이고 픽셀 225에서 (225, 0.1922)이다. 이 값들로부터, 제로 크로싱의 정확한 좌표가, 도 12에 예시된 기하학적 표현에 도시된 바와 같이, 선형 보간에 의해 결정될 수 있다. 이 예에서, 제로 크로싱은 정확하게 좌표(244.6049, 0.0)에서 일어난다.
도 13은 대략 1.0초 간격으로 순차적으로 취득된 10개의 SPR 이미지에 대한 SPR 최솟값들의 위치를 제시하고 있다. SPR 최솟값들의 위치 변동들이 주로 각각의 취득된 이미지에 존재하는 랜덤한 광학 및 전자 잡음으로 인한 것이도록, 시간 이외에 각각의 이미지 취득 사이에 SPR 설정 또는 다른 테스트 조건들에 어떠한 변화들도 없었다. 이들 데이터에 의해 표현되는 이미지들은 2592 수평 x 1944 수직 2.2 ㎛ 정사각형 픽셀들로 이루어진 5 메가픽셀 그레이스케일 이미지 센서인 Aptina MT9P031 를 사용하여 취득되었다. 도 14에 예시된, 별도의 교정 단계는 대략 910 픽셀의 간격(separation)에 대응하는 에탄올 및 탈이온수에 대한 SPR 라인 최솟값들의 픽셀 위치들을 측정하는 것을 수반하였다. 이 2개의 액체 사이의 굴절률 차이는 Δn = 1.35713(에탄올) - 1.3288(탈이온수) = 0.02833이다. 결과는 픽셀당 Δn이 3.113 x 10-5 RIU이다(도 14). 이 교정에 사용된 에탄올 및 탈이온수 SPR 라인들의 원시 SPR 이미지들이, 각각, 도 15 및 도 16에 도시되어 있다.
도 13으로 돌아가서, 10개의 샘플에 대한 제로 크로싱 지점들의 전체 범위는 0.2662 픽셀 또는 평균 픽셀 값(mean pixel value)을 중심으로 ± 0.1331 픽셀 총 범위이다. 이것은 ±4.143 x 10-6 R의 굴절률의 전체 불확실성(overall uncertainty)에 대응한다.
도 17은 앞서 기술된 도함수 신호 처리를 사용하여 취득 및 분석된 SPR 오스몰 농도 데이터를 도시하고 있다. 일련의 5개의 정밀도 교정된 식염수 용액(precision calibrated saline solution)이 금 코팅 고굴절률 유리 SPR 프리즘, 855 nm 점 광원 LED 및 5 메가픽셀 이미지 센서인 Aptina MT9P031로 이루어진 소형 광학 브레드보드 SPR 기구를 사용해 측정되었다. 이 브레드보드를 사용해 캡처되고 도함수 신호 처리 기법을 사용하여 처리된 데이터는 295 mOsm 내지 348.5 mOsm의 오스몰 농도 범위에 걸쳐 ± 1.0 mOsm의 정밀도를 나타내었다. 식염수 용액들은 ± 1.0 mOsm의 언급된 정밀도를 역시 갖는 빙점 강하 오스몰 농도 측정 기법을 사용하여 독립적으로 교정되었다. 분명하게도, 빙점 강하법과 SPR 기법 사이의 일치(agreement)는 실험 에러의 한계 내에 있다.
도함수 신호 처리에서의 잡음 감소를 위해 저역 통과 필터링(예컨대, 가우시안 블러)을 사용하는 것에 대한 대안의 접근법은 SPR 이미지에서의 잡음을 평균화(average out)하기 위해 SPR 최솟값의 영역에서 곡선 피팅을 사용하는 것이다. 도 18은 도함수 신호 처리에 대한 이 접근법을 설명하기 위해 사용된 SPR 라인이다. 도 18에서의 SPR 라인 프로파일이 뚜렷하게 비대칭이며, SPR 최솟값의 좌측에서의 기울기가 최솟값의 우측에서의 기울기보다 실질적으로 더 작다(그리고 부호가 반대임)는 것에 유의해야 한다. SPR 라인 최솟값들의 최솟값들을 포물선에 피팅하는 것을 생각하는 것이 구미가 당기지만, 실제로 이것은 좋지 않은 피팅 및 낮은 R2 값을 초래한다. 그 결과 이러한 방식으로 발견된 제로 크로싱의 위치가 SPR 최솟값들의 실제 위치로부터 변위되어 있다. 보다 정확한 접근법은 도 19에 예시된 바와 같이 SPR 라인의 최솟값들 근방에서 3차 방정식(cubic)을 SPR 라인에 피팅하는 것이다. 일반적으로 이것은 1에 가까운 R2 값을 초래한다. 결과적인 3차 방정식이 이어서 미분되고, 0으로 설정되며, 도 20에서 추가로 기술되는 바와 같이, SPR 최솟값의 위치를 찾아내기 위해 2차 방정식을 사용하여 해가 구해진다.
예 4: 자기 교정 센서 이론
SPR 기반 분석은 SPR 프리즘의 외측 금 표면과 접촉하는 매체(예컨대, 가스 또는 액체)의 굴절률 변화의 매우 정밀한 측정들을 제공할 수 있다. 적당한 주의를 기울이면, 주의하여 제어된 실험실 조건들 하에서 10-6에서의 1 파트 RIU의 범위에 있는 굴절률 변화들이 획득될 수 있다(도 13을 참조). 눈물 오스몰 농도 측정들을 위해 SPR을 사용하는 것의 전제는 눈물 오스몰 농도 및 눈물 굴절률이 선형적으로 관련되어 있다는 것이다. 식염수 오스몰 농도는 SPR 라인의 각도 이동에 대해 꽤 선형적이며, ± 5.0 mOsm 내지 ± 1 mOsm의 범위에서 선형성을 나타내고 측정 정밀도는 ± 4 10-6 RIU의 범위에 있다. 몇 개의 정밀도 식염수 용액들에 대해 ± 1.0 mOsm 선형성을 나타내는 데이터가 도 17에 도시되어 있다.
라인을 일련의 정밀도 교정된 식염수 용액들에 정확하게 피팅하는 것이 미지의 식염수 용액의 염도(즉, 굴절률)를 정확하게 그리고 정밀하게 결정하는 문제보다 훨씬 더 쉬운 문제라는 것에 유의해야 한다. 첫 번째 경우는 단순히 교정 곡선의 기울기의 결정을 요구한다. 두 번째 경우는 기울기 및 y 절편 둘 다를 결정하는 것을 요구한다. 외부 기준 용액(external reference solution)들의 도움이 없으면, 이 두 번째 경우는 달성하기 매우 어렵다. 외부 기준 용액들이 실용적이지 않는데, 그 이유는 SPR 기구의 금 감지 표면의 오염이 발생할 가능성이 매우 높기 때문이다.
도 13은 픽셀당 RIU가 계산될 수 있는 데이터를 제공한다 - Δn = 1.35713 - 1.3288 = 0.02853 RIU는 910 픽셀에 대응하거나, Δn/픽셀 = 3.113 x 10-6 RIU/픽셀이다. 도 17에서의 오스몰 농도 대 픽셀 카운트 차트의 기울기는 0.7257 픽셀/mOsm이다. 이 2개의 인자를 서로 곱하면 1.0 mOsm = 2.25 x 10-5 RIU의 교정 상수를 산출한다. 전형적으로, 엔지니어링 경험칙은 임의의 측정의 교정 정확도가 단일 측정 내에서 요구되는 원하는 정확도보다 약 10배 더 양호해야만 한다는 것이다. 따라서 ± 1.0 mOsm 눈물 오스몰 농도를 정확하게 측정하기 위해 요구되는 절대 교정 정확도는 ± 2.25 x 10-6 RIU까지의 SPR 디바이스의 교정 정확도를 요구한다. 이것이 제어된 실험실 조건들 하에서 획득되는 바와 같은 도 13에서의 재현성 데이터에 의해 나타내어진 것보다 더 높은 교정 정확도라는 것에 유의해야 한다. 이것은 ± 1.0 mOsm의 정확도를 갖는 신뢰할 만한 눈물 오스몰 농도 측정들이 일상적인 실무에서 달성하기 어려울 수 있다는 것을 암시한다.
도 21은 몇 가지 통상의 광학 플라스틱들에 대한 온도에 따른 굴절률의 상대 변화(즉, Δn/Δt)를 예시하고 있다. 근적외선에서 1.523의 굴절률을 갖는, Zeon Corporation(일본)에 의해 제조된 저복굴절 광학 플라스틱인, ZEONEX® E48R("E48R")이 광학 SPR 프리즘들을 성형하는 데 아주 적합한 광학 폴리머라는 것에 유의한다. E48R이, 대략 1.269×10-4 RIU/℃이고 도 21에 예시된 다른 광학 플라스틱들의 Δn/Δt와 유사한, Δn/Δt를 갖는다는 것에 유의한다. 그 결과, 섭씨당 ZEONEX® E48R의 굴절률 변화는 오스몰 농도를 ± 1.0 mOsm까지 정확하게 그리고 반복적으로 측정하는 데 요구되는 분해능보다 대략 28배(즉, 1.269×10-4÷4.50×10-6) 더 크다. 실제로, 이것은 E48R SPR 프리즘의 온도가 약 0.036 ℃의 정확도 이내로 유지되거나 약 0.036 ℃의 정확도까지 측정되어야 한다는 것을 암시한다. 이 조건들 중 어느 하나는 보통의 임상 사무실 환경에서 달성하기 불가능하다. 결과적으로, 눈물 오스몰 농도 측정의 원하는 정확도를 달성하기 위해서는 매우 정밀한 온도 교정 수단이 요구된다.
예 5: 자기 교정 센서 개념 1
기본적인 자기 교정 SPR 센서 개념은 도 22 및 도 23에서의 예시들로부터 발전하였다. 도 22는 광학 등급 플라스틱으로 형성된 단일 피스 사출 성형 센서를 도시하고 있다. 이 단일 피스 센서 개념은 센서가 하나도 빠짐없이 시스템의 광학 섀시에 정확하게 그리고 반복적으로 정렬되도록 그를 6 자유도로 제약하기 위해 키네마틱 마운팅 피처들을 이용하도록 의도되었다. 도 23에 도시된 바와 같이, 이 개념은 3개의 세그먼트 - 광학 섀시에 정밀도 키네마틱 기계적 계면을 제공하는 베이스 부분, 눈물 오스몰 농도를 측정하기 위한 금(또는 보호 은(protected silver)) 코팅 SPR 감지 표면을 갖는 SPR 프리즘 부분, 및, 마지막으로, SPR 프리즘 부분과 베이스 부분 사이의 전이를 제공하는 "스커트"부분 - 로 이루어진 센서를 상상하였다. 프리즘 부분은, 바람직하게는 대략 850 nm 및 950 nm의 2개의 개별 파장에서의, 광학 임계각 전이 및 공기 SPR 라인 둘 다는 물론, SPR 프리즘의 금 코팅 센서 표면이 눈물액에 의해 젖게 되었을 때 나타나는 다른 별도의 SPR 라인을 획득하기 위한 수단을 구현하는 것에 의해 자기 교정을 제공한다.
도 24는 LED 소스로부터의 광을 감지 표면 상에 이미징하기 위해 타원체 표면들을 사용하는 SPR 센서의 개념을 예시하고 있다. 도 25에 도시된 바와 같이, 공기 SPR 라인과 눈물(또는 물) SPR 라인 둘 다를 생성할 수 있기 위해, 공기 SPR 라인을 생성하기 위해 약 42.0°로 그리고 눈물 SPR 라인을 생성하기 위해 대략 64.4°로 감지 표면에 입사하는 광이 있어야만 한다. 이것은 투명한 타원 형상의 반사체의 감지 표면(예컨대, 금 코팅 감지 표면) 상으로 LED의 이미지를 중계(relay)하기 위해 타원형 표면을 사용하여 점 광원 LED로부터의 광을 이미징하는 것에 의해 달성된다. 내부 타원 형상 표면에의 LED 광의 입사각들은 LED 광에 대해 내부 전반사가 일어나도록 되어 있다. 금 코팅 SPR 감지 표면에 의해 반사된 광은 이어서 왼쪽 타원 형상 내측 표면에 의해 점 광원 LED 쪽으로 역반사되고 복귀 광을 SPR 라인의 위치를 검출하는 이미지 센서 쪽으로 반사시키는 빔 스플리터에 의해 차단(intercept)된다. 회전 대칭 타원체 센서의 경우, SPR 라인은 실제로 타원체 표면의 회전 축에 중심을 둔 SPR 원이다
타원형 센서의 분석 이후에, 일련의 프리즘 캡 구성들이 ZEMAX® 광학 설계 소프트웨어를 사용하여 개발 및 분석되었다. 이 다양한 구성들이 도 26 및 도 27에 예시되어 있다. 일반적으로, 이 개념들 각각은 캡의 내부 상의 2개의 내부 투과 패싯 및 광을 캡의 프리즘 부분의 내부를 따라 내부 전반사시키는 역할을 하는 3개 또는 5개의 외부 패싯을 이용한다. 이 센서 개념들은 공기와 E48R(대략 1.5305의 굴절률을 갖는 ZEONEX® E48R 재료) 사이의 임계각, 공기 SPR 라인 및 눈물 SPR 라인의 이미지들을 제공할 수 있었다. 하나의 센서 개념에서, 임계각 및 공기 SPR 라인 둘 다는 하나의 이미지 프레임에서 캡처되고, 눈물 SPR 라인은 후속 이미지 프레임에서 캡처된다. 다른 센서 개념에서, 3개의 라인 모두가 단일 이미지 프레임에 캡처된다.
예 6: 자기 교정 센서의 분석
도 28은 ZEMAX® 광학 설계 소프트웨어로부터의 출력에 기초한 센서에 대한 레이아웃 스케치들의 세트를 포함한다. 도 28의 패널 C는 센서의 내부 표면 상에 배치된 2개의 굴절 패싯(적색 원숫자들(1 및 7)에 의해 표시됨), 코팅되지 않고 내부 전반사를 통해 광을 반사시키는 4개의 외부 패싯(표면들(2, 3, 5 및 6)로서 표시됨) 및 SPR 표면인 금 스트라이프로 부분적으로 코팅된 제5 표면(표면(5) 또는 감지 표면으로서 표시됨)으로 이루어진 바와 같은 센서 팁의 클로즈업 뷰를 도시하고 있다. 표면(5)의 금 코팅 부분은 공기 및 눈물 오스몰 농도 SPR 측정들 둘 다에 대한 SPR 라인을 제공하고, 표면(5)의 비코팅 부분은 공기 임계각 전이를 제공한다. 공기 임계각 전이 및 공기 SPR 라인 둘 다는 표면(5)이 눈물액에 의해 젖게 되기 전에 획득되어야만 한다.
도 28의 좌측 상부에 있는 스케치는 센서 및 시스템의 광학 레이아웃 전체를 도시하고 있다. 4개의 LED는 광학 소스들로서 역할하고, 2개는 공칭 855 nm에서 동작가능하고 2개는 공칭 950 nm에서 동작가능하다. LED 세트들 둘 다는 855 nm LED와 950 nm LED로 이루어져 있고, 이들 각각은 독립적으로 작동될 수 있다. 855 nm 및 950 nm LED들의 제1 세트로부터의 2개의 빔은, 제1 LED 세트로부터 시작되는 상부 광선 번들(upper ray bundle)들에 의해 예시된 바와 같이 공통 빔 경로를 따라 전파하기 위해, 작은 다이크로익 빔 스플리터(도시되지 않음)를 통해 단일 빔으로 결합된다. 제1 세트 내의 855 nm LED가 작동되는 경우를 먼저 고려하면, 상부 광선 번들로서 도시된 빔은 윈도 및 원통 렌즈를 통해 그리고 이어서 굴절 패싯(7)을 통해 패싯(6) 쪽으로 지향된다. 패싯(6)에서, 광 빔은 내부 전반사에 의해 센서 표면인 패싯(4) 쪽으로 반사된다. 원통 렌즈의 설계는 광 빔이 패싯(4) 상의 라인에 공칭 집속되도록 되어 있다. 센서 표면에 입사되는 광의 원추각(cone angle)의 중간 지점은 공칭 42도이며, 이는 단일 이미지 프레임에서 공기 임계각 전이 및 공기 SPR 최솟값들 둘 다의 취득을 가능하게 한다. 센서 표면에서, 상부(연한 회색) 광선 번들에 의해 묘사된 광 빔은 855 nm의 파장에 대한 공기 SPR 라인 및 공기 임계각 전이를 형성하도록 금 및 금과 접촉하는 공기와 상호작용한다.
광 빔이 감지 표면에서 상호작용한 후에, 연한 회색의 광선 번들 광 빔은 패싯(4)으로부터 패싯(2) 쪽으로 반사되고, 이 지점에서 광 빔은 굴절 패싯(1) 쪽으로 그리고 굴절 패싯(1)을 통해 내부 전반사되고 2D CMOS 이미징 어레이와 충돌하도록 진행한다. 도시된 실시예에서, 이미징 어레이는 2592 x 1944 능동 픽셀들로 이루어진 1/2.5-인치 5Mp CMOS 디지털 이미지 센서인 APTINA® MT9P031의 그레이스케일 버전이다. 이미저는 입사 광을 이미징 어레이 내의 2592 x 1944 능동 픽셀들 각각에서의 광의 강도를 나타내는 디지털 데이터로 이루어진 디지털 전자 신호로 변환한다. 이들 데이터는 이어서 공기 임계각 전이 및 공기 SPR 최솟값 각도의 정확한 위치를 찾아내기 위해 앞서 기술된 도함수 신호 처리 기법들을 사용하여 처리될 수 있다.
공기 임계각 전이 및 공기 SPR 최솟값 각도가 이미징 어레이 상에서 검출되면, 855 nm LED는 비활성화되고 950 nm LED는 활성화되며, 950 nm 파장에서의 공기 임계각 전이 및 공기 SPR 최솟값 각도의 세트를 취득하기 위해 유사한 프로세스가 뒤따른다. 이들 데이터의 조합은 시스템이 그의 "슬립" 모드로부터 빠져 나올 때마다 일어나는 자동 공기 교정 시퀀스를 구성한다.
유사한 방식으로, 855 nm 및 950 nm LED의 제2 세트로부터의 광이 결합되고 도 28에 도시된 광선의 진한 회색 광선 번들에 의해 예시된 경로를 따라 시스템을 통해 전파된다. 제1 LED 세트와 제2 세트 사이의 주된 차이점은, 제2 LED 세트로부터의 광이 센서 패싯에 충돌하기까지의 도중에 패싯(5)에 의해 내부 전반사되고, 이미저까지의 도중에 패싯(3)에 의해 내부 전반사된다는 것이다. 이 차이점의 효과는 제2 LED 세트로부터의 광 원추의 중간 지점이 대략 64.4°의 공칭 각도로 센서 표면에 입사한다는 것이다. 이 공칭 입사각은 물 및 눈물액과 같은 액체들에 대한 SPR 데이터의 생성을 가능하게 한다. 제1 LED 세트에 대해서와 같이, 855 nm 및 950 nm LED들의 작동을 단순히 교번하는 것에 의해 855 nm 및 950 nm에서 SPR 데이터를 획득하는 것이 가능하다.
도 29의 패널 A는 표면(5)이 물(또는 눈물액)로 젖기 전에 제1 LED 세트 중의 하나의 LED를 사용한 공기 SPR 라인 및 임계각 전이의 ZEMAX® 시뮬레이션을 예시하고 있다. 도 29의 패널 B는 표면(5)이 물(또는 눈물액)로 젖은 조건 하에서 제2 세트의 LED들 중 하나를 사용하여 획득된 SPR 라인을 예시하고 있다.
예 7:
스넬의
법칙 및 임계각 전이
정확하고 정밀한 임계각 데이터의 취득은 본 센서들 및 시스템들의 교정의 중요한 양태이다. 도 30은 스넬의 법칙(굴절 법칙)의 기하학적 표현 및 임계각을 예시하고 있다. 도 30은 스넬의 법칙의 간단한 경우 및 단일 계면에 대한 임계각을 도시하고 있다. 보다 복잡한 광학 박막 분석은, 입사 매체(incident media)가 n1의 굴절률을 갖고 출사 매체(emergent media)가 n2의 굴절률을 갖는 한, 입사 매체와 출사 매체 사이의 평면 평행 층들의 개수에 상관없이, 임계각이 항상 θC = Sin-1(n2/n1)에 의해 주어진다는 것을 보여준다. 따라서 임계각은 입사 매체와 출사 매체 사이의 재료들에 대해 불변이다 - 이는 n1 및 n2의 값들에만 의존한다. 그 결과, 임계각의 위치의 측정은 SPR 측정들에 대한 중요한 교정 인자를 제공한다.
도 31은 1.51의 굴절률을 갖는 입사 매체 상의 금 층에 대한 임계각의 위치를 예시하고 있다. 출사 매체는 1.00027477의 굴절률을 갖는 공기이다. 금 두께는 0 두께부터 75 nm의 두께까지 변화된다. 반사율 대 입사각의 차트에 도시된 바와 같이, 임계각은 이 금 두께 범위 전체에 걸쳐 41.4757°로 고정된(stationary) 채로 있다. 공기가 파장 및 온도에 대해 단지 약분산(weakly dispersive)이기 때문에(그리고 그의 굴절률이 파장 및 온도 둘 다에 대해 잘 특징지워져 있기 때문에), 임계각의 시프트에 대한 주된 요인(primary contributor)은 입사 매체의 굴절률일 것이다 - 본 시스템들의 경우에, 이것은 센서의 굴절률 및 광학 섀시에 대한 센서의 임의의 기계적 마운팅 허용오차들이다. 결과적으로, 855 nm와 950 nm에서 임계각 측정들을 행하는 것에 의해 그리고 ZEONEX® E48R 센서 재료의 공지되고 잘 특징지워진 파장 및 열 분산이 주어지면, 측정 시에 센서의 마운팅 각도 및 E48R의 굴절률을 특징지우기 위해 2개의 방정식과 2개의 미지수를 설정하는 것이 가능하다.
예 8: 자기 교정 센서 개념 2
도 32는 센서 개념 2의 광학 레이아웃을 도시하고 있다. 빔 스플리터(예시되지 않음)를 사용하여 단일 빔으로 결합되는 2개의 LED - 하나는 855 nm이고 하나는 950 nm임 -, 단일 콜리메이팅 렌즈, 광학 섀시에 대한 윈도로서의 역할도 하는 단일 원통 렌즈, 2개의 내부 패싯 및 3개의 외부 패싯으로 이루어진 센서, 및 이미지 검출기를 이용하는 이 개념은, 센서 개념 1보다 훨씬 더 간단하다. 855 nm LED 또는 950 nm LED 중 어느 하나로부터의 광은 본질적으로 동일한 광 경로를 따라간다. 동작 중에, 능동 855nm LED로부터의 광은 콜리메이팅 렌즈에 의해 콜리메이트되고 이어서 원통형 렌즈에 의해 센서 패싯(3) 상의 라인으로 집속된다. 원통형 렌즈를 통과한 후에, 빔은 센서의 중심 축을 가로지르게 패싯(5)에 의해 굴절되고 비코팅 패싯(2)에 의해 반사된다. 패싯(2)에의 빔의 입사각은, 이 표면에서 공기 임계각 전이가 야기되도록, 대략 42.0°이다. 패싯(2)으로부터의 반사 빔은 집속 광 원추(focused cone of light)의 중심 각도 근방에서 물 또는 눈물액 중 어느 하나에 대해 SPR 최솟값을 생성하도록 대략 64.4°의 입사각으로 금 코팅 센서 패싯(3)에 입사한다. 패싯들(3 및 4) 상의 금의 두께는 대략 45 내지 50 nm이다. 센서 표면(3)으로부터 반사한 후에, 빔은, 이 제4 패싯으로부터의 반사 시에 공기 SPR 최솟값을 생성하기 위해, 금 코팅 패싯(4)에 대략 42°의 입사각으로 입사한다. 마지막으로, 빔은 패싯(1)을 통한 굴절에 의해 센서를 빠져 나가고, 원통형 렌즈를 통과하는 것에 의해 시스템의 광학 축에 평행하게 재정렬되며, 이어서 이전에 기술된 2593 x 1944 픽셀 APTINA® 이미저에 입사한다.
유사한 방식으로, SPR 및 임계각 데이터는, 855nm LED를 비활성화시키고 950nm LED를 활성화시키는 것에 의해, 950 nm 파장에서 수집될 수 있다. 이 경우에, 950 nm 광에 의해 취해진 경로는 사실상 동일하다.
도 33은, 단일 이미지에 공기 임계각 전이, 눈물 SPR 라인 및 공기 SPR 라인을 생성할 수 있는 가능성을 묘사하는, 센서 개념 2의 성능에 대한 ZEMAX® 시뮬레이션을 예시하고 있다. 원칙적으로, 센서 개념 2는, 도 33에 도시된 바와 같이, 캡처된 단일 프레임 내에 공기 임계각 전이, 눈물 SPR 최솟값 및 공기 SPR 최솟값 데이터의 전체 세트를 생성할 수 있다.
예 9: 자기 교정 센서 개념 1의 분석
도 34는 센서 개념 1의 추가의 개발된 예시를 도시하고 있다. 도 34는 XIMEA®에 의한 지원 칩들과 함께 회로 보드 상에 마운팅되어 제공된 대로의 LED들 및 이미저 둘 다의 물리적 크기를 예시하고 있다. 도 28에서의 광학 레이아웃과 비교하여, 도 34에서의 레이아웃이, 오스몰 농도 측정을 행하는 의사가 센서의 감지 표면을 눈의 눈물막 상에 보다 쉽게 위치시킬 수 있도록, 센서의 팁으로의 시스템의 상단 위쪽에서의 보다 직접적인 시선을 제공하기 위해 거꾸로 뒤집혀 있다는 것에 유의해야 한다.
도 34를 여전히 참조하면, 센서의 일반적인 방향으로 방출되는 LED로부터의 광은 콜리메이팅 렌즈에 의해 콜리메이트되고 원통 렌즈에 의해 집속되며 센서의 내부 중공 부분에 진입한다. 센서 내부에서, 원통 렌즈에 의해 집속된 광은 센서의 상부 내측 패싯에 의해 굴절되고 이어서 센서의 5개의 외부 패싯 중 3개에 의해 내부적으로 반사된다. 3개의 패싯 중 두 번째 것은 원통형으로 집속된 광이 집속되어 감지 표면 금 코팅 및 금의 외부 표면과 접촉하는 매체와 상호작용하는 감지 표면이다. 센서 표면 이후의 표면에 의한 내부 반사 및 하부 내측 패싯에 의한 후속 굴절은 주로 센서를 빠져 나가는 광을 이미지 센서의 일반적인 방향으로 지향시키는 역할을 한다. 생략될 수 있는 광학 웨지는 시스템의 수직 프로파일을 낮추기 위해 출사 빔의 축을 시스템의 물리적 축에 보다 가깝게 지향시키는 역할을 한다.
도 35는 LED들, 광학 컴포넌트들 및 이미저를 SPR 라인들 및 임계각 전이들을 생성하고 이미징하기 위한 그들의 적절한 위치들에 지지하는 머시닝된 알루미늄 광학 섀시 상에 센서를 마운팅하기 위한 구조물을 보다 상세히 예시하고 있다. 도 36은 광학 섀시의 길이 치수를 예시하고 도 37 및 도 38은 섀시 수직 치수들을 예시하며, 또한 컴포넌트 콜아웃(call-out)들 및 센서를 광학 섀시에 결합시키는 마운팅 컴포넌트들에 관한 추가 상세를 제공한다.
도 39는 표면 마운트 LED들이 사용될 때의 광학 섀시의 구성을 예시하고 있다. 이 레이아웃은 또한 광학 섀시에 하우징된 광학 컴포넌트들의 체인에 오염물들이 들어가는 것을 방지하기 위한 윈도로서 역할하는 광학 유리의 평면 평행 디스크에 본딩된 원통 렌즈를 도시하고 있다. 원통 렌즈를 윈도에 본딩하는 것은 섀시 내의 다른 광학 컴포넌트들에 대한 원통 렌즈의 정렬을 영구적으로 설정하는 역할을 한다. 도 39는 또한 편광기 및 그의 배럴의 위치를 도시하고 있다. 편광기는 이미지 센서 상에 SPR 및 임계각 전이 이미지들을 형성하는 데 사용된다. 마지막으로, 시스템 내의 다양한 LED들로부터의 광을 결합시키는 빔 스플리터의 위치가 예시되어 있다. 도 40은 사시도로 되어 있는 섀시의 유사한 예시이다.
도 41은 광학 및 센서 섀시가 그의 외부 하우징에 마운팅된 것을 나타내고 또한, 스위치 닫기들을 검출하고 광학 섀시 내의 LED들을 적절한 순서로 활성화시키는 데 사용되는, 제어 보드의 위치를 나타낸다.
도 42 내지 도 47은 센서의 보다 상세한 예시들을 제공한다. 도 42 및 도 43은, 광학 섀시의 베이오넷 마운팅 피처(bayonet mounting feature)의 제1 내측 표면과 맞물리는 역할을 하는 3개의 작은 돌출부가 있고 120° 이격되어 위치된, 3개의 유지 컴포넌트를 예시하고 있다. 이 굴곡부들 및 돌출부들은, 도 44에 도시된 3개의 키네마틱 마운트 지점이 키네마틱 방식으로 베이오넷 마운팅 피처의 제2 내측 표면과 강제로 접촉하게 되도록, 센서를 바이어스시킨다. 도 45는 본 발명의 실시예들에 따른 센서의 외부 단부도이다. 이 예시에서, 유지 컴포넌트들은 (몰드 흐름 분석 소프트웨어 애플리케이션을 사용하여) 사출 성형 공정 동안 탭들을 완전히 채우는 데 어려움을 야기하는 것으로 밝혀진 슬롯을 더 이상 갖지 않는다. 도 46은 광학 섀시의 센서의 메이팅 베이오넷 피처에 있는 센서의 외부 단부도를 예시하고 있다. 도 47은 ZEONEX® E48R 광학 폴리머로 성형될 때 보이게 되는 것과 같은 센서의 외관을 시뮬레이션한 것이다. 감지 표면 및 복수의 패싯들이 식별된다.
예 10:
벤치톱
센서 시스템
도 48은 데스크톱 또는 벤치톱 시스템의 예시이다. 도 48에 도시된 바와 같이, 벤치톱 시스템은 2개의 LED 콜리메이터를 포함하며, 이 예에서, 하나는 855 nm의 공칭 파장에서 동작하고 다른 하나는 950 nm에서 동작한다. LED 콜리메이터들은 점 광원 LED, 그에 뒤이은 원형 시트 편광기 그리고 이어서 적절한 콜리메이팅 렌즈로 이루어져 있다. 도시된 컴포넌트들은 황동 하우징들에 하우징된다. 콜리메이터들의 파장들이 855 nm 및 950 nm일 필요는 없고, 센서 및 분석되는 테스트 매체에 적절한 임의의 파장 쌍일 수 있다는 것에 유의한다.
도 48에 도시된 바와 같이, 855 nm LED 콜리메이터로부터의 광은 90° 프리즘의 반사 빗변(reflective hypotenuse)에 입사되고 빔 스플리터 쪽으로 반사된다. 빔 스플리터에서, 855 nm 빔의 일부분은 빔 스플리터를 통해 그리고 이어서 원통 렌즈를 통해 SPR 반원통 형상 센서 내로 투과되고 최종적으로 반원통과 굴절률 매칭된 금 코팅 현미경 슬라이드의 금 코팅 외부 감지 표면 상에 집속된다. 855 nm 공기 임계각 전이 및 공기 SPR 라인이 생성될 수 있도록, 금의 표면에의 이 855 nm 빔의 입사각은 855 nm에서의 임계각의 범위에 있다. 유사한 방식으로, 950 nm 공기 임계각 전이 및 공기 SPR 라인이 생성될 수 있도록, 950 nm LED 콜리메이터로부터의 빔의 일부분은 빔 스플리터에 의해 반사되고, 원통 렌즈에 의해 집속되며, 반원통에 진입하여 금 코팅 감지 표면에, 또한 950 nm에서의 임계각의 범위에서의 각도로, 충돌할 수 있다.
유사한 방식으로, 빔 스플리터에 의해 반사된 855 nm 빔과 빔 스플리터를 통해 투과된 950 nm 빔이 결합되고, 90° 프리즘의 제2 반사 빗변으로부터 반사하며, 제2 원통 렌즈를 통과하고, 반원통에 진입하며 SPR 최솟값의 범위에 있는 각도들로 금 코팅 현미경 슬라이드에 입사하며, 따라서 수용액들, 눈물액들 등과 같은 유체들에 대한 855 nm 및 950 nm SPR 라인들을 생성한다.
금 코팅 현미경 슬라이드로부터 반사된 광은 이미지 검출기 쪽으로 일반적인 방향으로 반원통을 통과하여 빠져 나가고, 일반적으로 앞서 기술된 신호 처리 기법들을 사용하여 데스크톱 또는 랩톱 컴퓨터에 의해 분석된다.
도 49는 컴포넌트 라벨들을 갖지 않는 벤치톱 시스템의 사시도이고, 도 50은 컴포넌트 라벨들을 갖는 사시도이다. 도시된 벤치톱 시스템의 광학 섀시가 알루미늄의 중실 빌릿(solid billet)으로부터 그의 내부 및 외부 피처들을 머시닝하는 CNC(computer numerical control)에 의해 형성된다는 것에 유의해야 한다. 이것은 매우 안정되고 정밀한 광학 섀시를 제공하며, 정밀한 정렬을 요구하는 모든 중요한 컴포넌트들이 섀시 내에 머시닝된 키네마틱 마운팅 피처들을 통해 마운팅된다. 결과적으로, 광학 시스템을 정렬하기 위해 조절가능 광학 마운트들 또는 다른 유사한 조절부들이 필요하지 않다. 도 51은 단일 피스 광학 섀시 및 그의 단일 피스 CNC 머시닝된 커버의 사진이다.
전술한 발명이 이해의 명확함을 위해 예시 및 예로서 얼마간 상세히 기술되었지만, 본 발명의 교시내용들을 바탕으로 본 기술분야의 통상의 기술자에게는 첨부된 청구항들의 사상 또는 범주를 벗어남이 없이 그에 대해 특정 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 즉각 명백하다.
그에 따라, 이상의 내용은 본 발명의 원리들을 예시하는 것에 불과하다. 본 기술분야의 통상의 기술자가, 비록 본 명세서에 명시적으로 기술 또는 도시되지는 않았지만, 본 발명의 원리들을 구현하고 그의 사상 및 범주 내에 포함되는 다양한 배열들을 고안할 수 있을 것임이 인지될 것이다. 게다가, 본 명세서에 열거된 모든 예들 및 조건부 표현이 읽는 사람이 본 발명의 원리들 및 발명자들에 의해 기술을 발전시키는 데 기여된 개념들을 이해하는 데 도움을 주도록 주로 의도된 것이며, 이러한 특별히 열거된 예들 및 조건들로 제한되지 않는 것으로 해석되어야 한다. 더욱이, 본 발명의 원리들 및 양태들은 물론 그의 특정 예들을 열거하는 본원에서의 모든 진술들이 그의 구조적 및 기능적 등가물들 둘 다를 포함하도록 의도되어 있다. 그에 부가하여, 이러한 등가물들이 현재 공지된 등가물들 및 향후 개발되는 등가물들, 즉, 구조와 관계없이 동일한 기능을 수행하는 개발된 임의의 요소들 둘 다를 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명의 범주는 따라서 본 명세서에 도시되고 기술된 예시적인 양태들로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 본 발명의 범주 및 사상은 첨부된 청구항들에 의해 구현된다.
Claims (72)
- 감지 표면을 포함하는 센서로서,
상기 센서는 복수의 반사 패싯(facet)을 포함하고, 상기 센서는
제1 표면 플라스몬 공명 신호를 생성하기 위해 제1 광학 신호를 40 내지 45도에 걸쳐 있는 입사각의 제1 범위에 걸쳐 상기 감지 표면과 상호작용(interact)하게 지향(direct)시키고;
제2 표면 플라스몬 공명 신호를 생성하기 위해 제2 광학 신호를 62 내지 67도에 걸쳐 있는 입사각의 제2 범위에 걸쳐 상기 감지 표면과 상호작용하게 지향시키도록 구성되어 있는, 센서. - 삭제
- 제1항에 있어서, 하나 이상의 복수의 반사 패싯은 반사 코팅을 포함하는, 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 센서는 내부 표면 상에 복수의 반사 패싯을 그리고 외부 표면 상에 복수의 반사 패싯을 포함하는, 센서.
- 제4항에 있어서, 상기 센서는 상기 내부 표면 상에 2개의 패싯을 그리고 상기 외부 표면 상에 4개의 패싯을 포함하는, 센서.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 감지 표면은 코팅 영역 및 비코팅 영역을 포함하는, 센서.
- 제7항에 있어서, 상기 코팅 영역은 귀금속(noble metal)을 포함하는 반투명 막을 포함하는, 센서.
- 제8항에 있어서, 상기 귀금속은 금, 은, 알루미늄, 백금 또는 팔라듐인, 센서.
- 제8항에 있어서, 상기 반투명 막은 0.5 nm 내지 200 nm의 범위에 있는 두께를 갖는, 센서.
- 삭제
- 제8항에 있어서, 상기 코팅 영역은 상기 센서와 상기 반투명 막 사이에 배치되는 접착 층을 포함하는, 센서.
- 삭제
- 삭제
- 제12항에 있어서, 상기 접착 층은 크롬, 티타늄 이산화물, 티타늄 일산화물, 실리콘 이산화물, 및 실리콘 일산화물로부터 선택된 재료를 포함하는, 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 센서는 시클로-올레핀 폴리머를 포함하는, 센서.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 센서는 제1 광학 신호를 42도의 제1 입사각으로 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키도록 구성되는, 센서.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 센서는 제2 광학 신호를 64도의 제2 입사각으로 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키도록 구성되는, 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 센서는 살균에 적합화되어 있는, 센서.
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
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- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 시스템으로서,
(i) 코팅 영역을 포함하는 감지 표면을 포함하는 센서 - 상기 센서는:
제1 광학 신호를 40 내지 45도에 걸쳐 있는 입사각의 제1 범위에 걸쳐 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키고;
제2 광학 신호를 62 내지 67도에 걸쳐 있는 입사각의 제2 범위에 걸쳐 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키도록 구성됨 -; 및
(ii) 광학 섀시
를 포함하고, 상기 광학 섀시는:
광학 신호 생성 컴포넌트;
검출 컴포넌트;
프로세서;
제어기; 및
컴퓨터 판독가능 매체
를 포함하고, 상기 컴퓨터 판독가능 매체는, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어기로 하여금:
제1 표면 플라스몬 공명(SPR) 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 입사각의 제1 범위에 걸쳐 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하고;
상기 검출 컴포넌트를 사용하여 상기 제1 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하며;
상기 생성된 이미지 상에서의 상기 제1 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하고;
제2 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 입사각의 제1 범위에 걸쳐 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며;
상기 검출 컴포넌트를 사용하여 상기 제2 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하고;
상기 생성된 이미지 상에서의 상기 제2 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하며;
상기 제1 및 제2 SPR 신호들의 상기 최솟값들의 상기 픽셀 위치를 비교하여 제1 SPR 델타 픽셀 값을 결정하게 하고;
제3 SPR 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 입사각의 제2 범위에 걸쳐 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하고;
상기 검출 컴포넌트를 사용하여 상기 제3 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하며;
상기 생성된 이미지 상에서의 상기 제3 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하고;
제4 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 입사각의 제2 범위에 걸쳐 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키게 하며;
상기 검출 컴포넌트를 사용하여 상기 제4 SPR 신호의 이미지를 생성하게 하고;
상기 생성된 이미지 상에서의 상기 제4 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하게 하며;
상기 제3 및 제4 SPR 신호들의 상기 최솟값들의 상기 픽셀 위치를 비교하여 제2 SPR 델타 픽셀 값을 결정하게 하고;
상기 제1 및 제2 SPR 델타 픽셀 값을 비교하게 하는
명령어들을 포함하는, 시스템. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 샘플의 오스몰 농도(osmolarity)를 결정하는 방법으로서,
시스템의 감지 표면을 기준 매체와 접촉시키는 단계 - 상기 시스템은:
(i) 코팅 영역을 포함하는 감지 표면을 포함하는 센서 - 상기 센서는:
제1 광학 신호를 40 내지 45도에 걸쳐 있는 입사각의 제1 범위에 걸쳐 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키고;
제2 광학 신호를 62 내지 67도에 걸쳐 있는 입사각의 제2 범위에 걸쳐 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키도록 구성됨 -; 및
(ii) 광학 섀시
를 포함하고, 상기 광학 섀시는:
광학 신호 생성 컴포넌트;
검출 컴포넌트를 포함함 -;
제1 기준 표면 플라스몬 공명(SPR) 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제1 입사각으로 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계;
검출 컴포넌트를 사용하여 상기 제1 기준 SPR 신호의 이미지를 생성하는 단계;
상기 생성된 이미지 상에서의 상기 제1 기준 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하는 단계;
제2 기준 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 상기 제1 입사각으로 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계;
상기 검출 컴포넌트를 사용하여 상기 제2 기준 SPR 신호의 이미지를 생성하는 단계;
상기 생성된 이미지 상에서의 상기 제2 기준 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하는 단계;
상기 제1 및 제2 기준 SPR 신호들의 상기 최솟값들의 상기 픽셀 위치를 비교하여 기준 매체 SPR 델타 픽셀 값을 결정하는 단계;
상기 감지 표면을 상기 샘플과 접촉시키는 단계;
제1 테스트 SPR 신호를 생성하기 위해 제1 파장을 갖는 광학 신호를 제2 입사각으로 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계;
상기 검출 컴포넌트를 사용하여 상기 제1 테스트 SPR 신호의 이미지를 생성하는 단계;
상기 생성된 이미지 상에서의 상기 제1 테스트 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하는 단계;
제2 테스트 SPR 신호를 생성하기 위해 제2 파장을 갖는 광학 신호를 상기 제2 입사각으로 상기 감지 표면과 상호작용하도록 지향시키는 단계;
상기 생성된 이미지 상에서의 상기 제2 테스트 SPR 신호의 최솟값의 픽셀 위치를 결정하는 단계;
상기 제1 및 제2 테스트 SPR 신호들의 상기 최솟값들의 상기 픽셀 위치를 비교하여 테스트 매체 SPR 델타 픽셀 값을 결정하는 단계;
상기 기준 매체 SPR 델타 픽셀 값을 상기 테스트 매체 SPR 델타 픽셀 값과 비교하여 제1 보정된 델타 픽셀 값을 생성하는 단계; 및
상기 제1 보정된 델타 픽셀 값을 교정 데이터 세트(calibration data set)와 비교하여 상기 샘플의 오스몰 농도를 결정하는 단계
를 포함하는, 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
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- 삭제
- 삭제
- 제54항에 있어서, 상기 기준 매체는 공기이고 상기 샘플은 눈물액(tear fluid)인, 방법.
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
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