KR102684802B1 - 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템 - Google Patents

라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 라만 초분광을 측정하는데 있어서, 광원 소스의 파장에 따라 노이즈로 작용하는 기설정 구간의 신호를 추가적인 광학필터를 사용하지 않고, 그레이팅 각도에 따른 광학소자들의 배치를 통해 제거함으로써 분광 감도를 높이는 것이 가능한 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템을 제공한다.

Description

라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템{SPECTROSCOPIC DEVICE WITH IMPROVED SPECTRAL SENSITIVITY FOR RAMAN HYPERSPECTROSCOPY AND RAMAN HYPERSPECTRAL SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 라만 초분광을 측정하는데 있어서, 광원 소스의 파장에 따라 노이즈로 작용하는 기설정 구간의 신호를 추가적인 광학필터를 사용하지 않고, 그레이팅 각도에 따른 광학소자들의 배치를 통해 제거함으로써 분광 감도를 높이는 것이 가능한 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템에 관한 것이다.
라만 분광법은 단색광의 비탄성 또는 라만 산란을 사용하는 기술이다. 종래, 상기 단색광 공급원은 가시광 또는 근적외선 ("NIR") 범위 내의 레이저이다. 산란된 광자들의 에너지가 상기 광자들의 파장을 변화시키는, 발광 물질 내의 진동 모드 또는 여기(excitations)와의 상호작용에 대한 응답에서 위 또는 아래로 바뀐다(shifted). 따라서, 상기 산란된 광으로부터의 스펙트럼들이 상기 산란하는 물질에 관한 정보를 제공할 수 있다
종래의 라만 분광기는, 광원에서 방출된 빛살을 현미경 대물렌즈에 의해 시료의 국부적인 영역에 조사하게 되며, 국부영역에 입사된 빛은 상호작용에 의해 입사된 빛과 다른 빛을 재방출하게 된다. 이 재방출된 빛은 다시 현미경의 대물렌즈를 통과한 후 분광기 앞에 놓인 핀홀에서 초점을 형성하게 된다. 핀홀로 인해 현미경 대물 렌즈에 의해 형성된 초점 영역의 빛만을 통과시키고, 초점 영역외의 빛은 차단하게 된다.
분광기에 도달한 빛살은 격자(Grating)를 이용하여 소정 파장의 빛만을 분리하게 된다. 이와 같이, 시료에 입사하는 빛살과 시료 사이에 상호작용으로 인하여 시료에서 재방출되는 빛살에 라만 신호가 혼합되어 존재하게 된다. 라만 신호는 통상 여기 신호의 10^-6 이하의 매우 약한 신호이므로, 주변 빛살 및 시료에서 발생하는 형광 빛살 등에 의한 잡음에 많은 영향을 받게 된다. 이러한 잡음의 영향을 줄이기 위해 여러 개의 값비싼 광학필터와 격자를 사용하는 방법 등이 있으나 이러한 경우 검사 시간이 증가하게 된다.
한편, 초분광 영상(hyperspectral imaging) 기술은 기존의 스팟(spot) 분광 대비, 여러 개의 스팟(spot)들 또는 선(line)을 렌즈를 이용하여 동시에 분광을 하는 방법으로, 대상물의 각 부분에 대한 스펙트럼을 빠른 시간 내에 측정할 수 있다.
초분광 영상 기술은 영상 내의 각 화소가 스펙트럼 정보를 포함하고 있으므로 이미지를 촬영하여 대상물의 성질 및 특성을 측정하는 여러 가지 응용이 가능하다. 예를 들어, 드론 및 인공위성, 항공기 등에서 지상 촬영을 하여 농업 현장 상태 분석, 광물 분포, 지표면 식생, 오염 정도 등을 분석하는 데 초분광 영상 기술이 적용될 수 있으며, 식품 안전, 피부/얼굴 분석, 생체 조직 분석, 그리고 미세 혈관내 혈당 측정과 같이 생체 조직 내 특정하기 어려운 지점을 스캐닝 하는 방법 등의 다양한 분야에서도 응용이 가능하다.
생체 조직의 광학 흡수 및 산란 특성은 조직의 화학적 및 구조적 특성과 상호 작용하는 광의 파장 모두에 의존한다. 그것은 종종 조직(조직의 스펙트럼)에서 화학적 또는 구조적으로 특별하기 때문에, 광의 기능으로서 조직 변화의 이들 흡수 및 산란 특성이 특히 유용할 수 있다.
초분광 영상(Hyperspectral image)내의 물질로부터 공간적 스펙트럼 정보(i.e. x축)와 각 공간에 대한 넓은 범위의 파장대 정보(i.e. y축)를 동시에 제공한다. 그래서 각 픽셀은 픽셀에 있는 물질을 식별하는데 사용되는 연속적인 스펙트럼을 모두 포함한다. 즉, 2-D 의 면적 스캔을 한 초분광 영상(Hyperspectral image)은 두 개의 공간적 차원과 하나의 스펙트럼 크기로 구성된 3차원(x, y ,z)으로 나타낸다.
x와 y는 초분광 영상(Hyperspectral image)의 공간적 2차원을 나타내고 z는 스펙트럼의 크기를 나타낸다.
2차원 검출기에서 각 화소에 스펙트럼 정보를 수집하여 초분광 영상(Hyperspectral image) 큐브의 공간 및 스펙트럼 정보인 3차원 데이터를 형성한다. 이렇게 사람의 눈은 오직 세개의 밴드(RGB)를 보지만 초분광 센서는 초분광 영상(Hyperspectral image)을 만들어 내며 눈으로 보지 못하는 영역의 정보까지 모두 얻을 수 있다.
그런데, 라만 측정법에서 분자결합신호를 높게 얻기 위해서는, 소스 광원의 강도(intensity)를 높게 하거나 측정시간(integration time)을 길게 해야 하는데, 소스 광원 파장 근처의 기설정된 스펙트럼 영역(예: 소스 광원 파장 ± 20nm)에 높은 노이즈가 있어 증폭시 검출기 전체가 saturation 되어 얻고자 하는 스펙트럼 영역의 신호를 더 이상 증폭할 수 없는 단점이 있다.
한편, 종래에는 해당 노이즈를 제거하기 위해 광학 필터(optical filter)가 필요하므로 비용이 높아진다. 또한, 광학 필터를 사용한다 하더라도, 상기 소스 광원 파장 근처의 기설정된 스펙트럼 영역의 노이즈를 완전히 제거하지 못하는 실정이다.
한국공개특허 [10-2021-0112566]에서는 초분광 센서가 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-2424799]에서는 초분광 이미징 계측을 위한 시스템 및 방법이 개시되어 있다.
한국공개특허 [10-2022-0101344]에서는 초분광 이미징 기술 기반 광학계측 시스템 및 광학계측 시스템의 보정 방법이 개시되어 있다.
한국공개특허 [10-2022-0114292]에서는 초분광 이미징 공간 분해능 향상이 가능한 광학 시스템 및 이를 이용한 광정렬 방법이 개시되어 있다.
한국공개특허 [10-2021-0112566](공개일자: 2021. 09. 15) 한국등록특허 [10-2424799](등록일자: 2022. 07. 20) 한국공개특허 [10-2022-0101344](공개일자: 2022. 07. 19) 한국공개특허 [10-2022-0114292](공개일자: 2022. 08. 17)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 라만 초분광을 측정하는데 있어서, 광원 소스의 파장에 따라 노이즈로 작용하는 기설정 구간의 신호를 광학필터를 사용하지 않고, 그레이팅 각도에 따른 광학소자들의 배치를 통해 제거함으로써 분광 감도를 높이는 것이 가능한 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부에 있어서, 1D 라인 광이 인가되는 슬릿(31); 상기 슬릿과 자신의 초점 거리인 제1 초점 거리(f1)만큼 이격되어 상기 슬릿을 통해 인가되는 상기 1D 라인 광이 기설정된 입사각으로 그레이팅에 인가되도록 구성된 제1 광학소자(32); 상기 제1 광학소자와 상기 제1 초점 거리(f1)만큼 이격되어 인가되는 상기 1D 라인 광을 반사 또는 투과시키면서 회절시켜 분산시키토록 구성된 상기 그레이팅(33); 상기 그레이팅과 자신의 초점 거리인 제2 초점 거리(f2)만큼 이격되어 상기 그레이팅으로부터 분산된 광을 집광하기 위한 제2 광학소자(34); 및 상기 제2 광학소자와 상기 제2 초점 거리(f2)만큼 이격되어 상기 제2 광학소자에서 집광된 광을 촬상하기 위한 2D 이미지 센서(35)를 포함하되, 상기 제2 광학소자 및 상기 2D 이미지 센서는 상기 그레이팅으로부터 이격된 각각의 거리를 유지하면서 기설정된 각도만큼 이동된 것을 특징으로 한다.
상기 슬릿의 중심과 상기 제1 광학소자는 상기 슬릿의 중심으로부터 상기 그레이팅으로 인가되는 입사광의 제1 경로 상에 위치하고, 상기 제2 광학소자와 상기 2D 이미지 센서의 중심은 상기 그레이팅으로부터 상기 2D 이미지 센서의 중심으로 인가되는 반사광의 제2 경로 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 광학소자(32)는, 볼록 렌즈 또는 오목 거울인 것을 특징으로 하고, 상기 제2 광학소자(34)는, 볼록 렌즈 또는 오목 거울인 것을 특징으로 하고, 상기 그레이팅(33)은, 반사형 또는 투과형 회절격자인 것을 특징으로 한다.
상기 2D 이미지 센서가 배치되는 중심각(θ)은, 상기 그레이팅을 기준으로 하기 [수학식 3]에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3]
(여기서, m은 회절 차수(diffraction order)이고, λ는 제거하고자 하는 노이즈 영역에서 최대 파장값이고, d는 격자주기(1/groove, groove는 mm당 격자 개수)이고, α는 입사각(degree)이고, k는 2D 이미지 센서의 가로 길이(mm)이고, f는 상기 제2 광학소자의 초점 거리(mm)이다.)
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 감도를 개선한 분광부를 포함하는 라만 초분광 시스템에 있어서, 단일 파장을 갖는 라인 광을 조사하기 위한 광원부(20); 상기 광원부로부터 인가되는 입사광을 다이크로익 미러를 통해 객체에 인가 후 반사되는 1D 라인 광 신호를 획득하기 위한 탐침부(10); 상기 탐침부로부터 전달받은 상기 1D 라인 광 신호로부터 2D 스펙트럼 신호를 초분광 방식으로 획득하되, 광원 소스의 파장에 따라 노이즈로 작용하는 기설정 구간의 신호가 제거된 분광부(30); 및 상기 광원부, 상기 탐침부 및 상기 분광부의 동작을 제어하며, 상기 스펙트럼 신호로부터 초분광 이미지를 생성하고, 상기 생성된 초분광 이미지를 분석하여 상기 객체의 성분을 측정하기 위한 제어부(40)를 포함한다.
상기 탐침부(10)는, 상기 광원부로부터 출력되는 광을 평행광으로 만들기 위한 콜리메이션 소자(11); 상기 콜리메이션 소자를 통해 인가되는 광을 상기 객체에 집속하기 위한 대물 렌즈(12); 상기 탐침부(10)의 1D 라인 광 출력을 중계하여 상기 분광부로 인가하는 중계 광학소자(14); 상기 콜리메이션 소자를 통해 인가되는 광을 상기 대물 렌즈로 지향시키고, 상기 객체로부터 반사되는 반사광 및 산란광을 상기 중계 광학소자로 지향시키기 위한 다이크로익 미러(13); 및 상기 객체에 접촉하되 라인 형 슬릿을 가지며 상기 객체와의 초점 거리를 잡아주기 위한 접촉프로브(15)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분광부(30)는, 1D 라인 광이 인가되는 슬릿(31); 상기 슬릿과 자신의 초점 거리인 제1 초점 거리(f1)만큼 이격되어 상기 슬릿을 통해 인가되는 상기 1D 라인 광이 기설정된 입사각으로 그레이팅에 인가되도록 구성된 제1 광학소자(32); 상기 제1 광학소자와 상기 제1 초점 거리(f1)만큼 이격되어 인가되는 상기 1D 라인 광을 반사 또는 투과시키면서 회절시켜 분산시키토록 구성된 상기 그레이팅(33); 상기 그레이팅과 자신의 초점 거리인 제2 초점 거리(f2)만큼 이격되어 상기 그레이팅으로부터 분산된 광을 집광하기 위한 제2 광학소자(34); 및 상기 제2 광학소자와 상기 제2 초점 거리(f2)만큼 이격되어 상기 제2 광학소자에서 집광된 광을 촬상하기 위한 2D 이미지 센서(35)를 포함하되, 상기 제2 광학소자 및 상기 2D 이미지 센서는 상기 그레이팅으로부터 이격된 각각의 거리를 유지하면서 기설정된 각도만큼 이동된 것을 특징으로 한다.
상기 슬릿의 중심과 상기 제1 광학소자는 상기 슬릿의 중심으로부터 상기 그레이팅으로 인가되는 입사광의 제1 경로 상에 순서대로 위치하고, 상기 제2 광학소자와 상기 2D 이미지 센서의 중심은 상기 그레이팅으로부터 상기 2D 이미지 센서로 인가되는 반사광의 제2 경로 상에 순서대로 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 광학소자(32)는, 볼록 렌즈 또는 오목 거울인 것을 특징으로 하고, 상기 제2 광학소자(34)는, 볼록 렌즈 또는 오목 거울인 것을 특징으로 하고, 상기 그레이팅(33)은, 반사형 또는 투과형 회절격자인 것을 특징으로 한다.
상기 2D 이미지 센서가 배치되는 중심각(θ)은, 상기 그레이팅을 기준으로 하기 [수학식 3]에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3]
(여기서, m은 회절 차수(diffraction order)이고, λ는 제거하고자 하는 노이즈 영역에서 최대 파장값이고, d는 격자주기(1/groove, groove는 mm당 격자 개수)이고, α는 입사각(degree)이고, k는 2D 이미지 센서의 가로 길이(mm)이고, f는 상기 제2 광학소자의 초점 거리(mm)이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템에 의하면, 라만 초분광을 측정하는데 있어서, 광원 소스의 파장에 따라 노이즈로 작용하는 기설정 구간의 신호를 추가적인 광학필터를 사용하지 않고, 그레이팅 각도에 따른 광학소자들의 배치를 통해 제거함으로써 간단히 분광 감도를 높이는 것이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템에 의하면, 분광부에 포함된 광학소자들의 배치만으로 노이즈로 작용하는 기설정 구간의 신호를 제거할 수 있으므로, 추가적인 광학 필터가 필요치 않으므로, 라만 초분광을 이용한 피부(생체물지) 성분 측정 장치의 소형화가 가능하며 비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템에 의하면, 간단하고 용이하게 노이즈 없이 감도 높게 라만 초분광을 검출함으로써, 피부 등을 포함하는 생체 조직의 화학 결합 성분을 측정하는 것이 가능하여, 성분 변화를 알 수 있어 사용자의 헬스케어에 도움을 줄 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부를 구비한 라만 초분광 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부의 구성도.
도 3는 슬릿을 통해 인가된 광을 라만 현미경으로 측정한 스펙트럼을 도시한 도면.
도 4는 도 2의 그레이팅(회절격자)를 설명하기 위한 도면.
도 5는 그레이팅 수식에 기반하여 2D 이미지 센서에서 획득되는 파장의 분리각을 설명하기 위한 도면.
도 6은 파장에 따른 분리각을 도시한 그래프.
도 7은 입사각에 따른 파장별 분리각을 도시한 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부의 일실시예 배치를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부에서 그레이팅을 기준으로 한 2D 이미지 센서의 중심각의 이동을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부의 다른 실시예 배치를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부를 구비한 라만 초분광 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부를 구비한 라만 초분광 시스템은, 광원부(20), 탐침부(10), 분광부(30), 및 제어부(40)를 포함한다.
상기 광원부(20)는, 단일 파장을 갖는 라인 광을 조사한다. 상기 광원부(20)에서 조사되는 광의 파장은 상기 제어부(40)에 의해 조절될 수 있다.
상기 탐침부(10)는 상기 광원부(20)로부터 인가되는 입사광을 다이크로익 미러를 통해 객체(피부)에 인가 후 상기 객체로부터 산란되어 나오는 1D 라인 광신호를 다이크로익 미러의 선택적 투과로 최초 광신호를 일부 제거하고 1D신호를 분광부(30)로 전달한다.
상기 탐침부(10)는 콜리메이션 소자(11), 대물 렌즈(12), 중계 광학소자(14), 다이크로익 미러(13) 및 접촉프로브(15)를 포함한다.
상기 콜리메이션 소자(11)는 상기 광원부(20)로부터 출력되는 광을 평행광으로 변형하여 상기 다이크로익 미러(13)로 인가한다. 상기 콜리메이션 소자(11)는 콜리메이션 렌즈라고 할 수 있다.
상기 대물 렌즈(12)는 상기 다이크로익 미러(13)에 반사되어 상기 콜리메이션 소자로부터 인가되는 광을 객체(예: 피부)에 집속한다.
상기 중계 광학소자(14)는 1D 라인 광 출력을 중계하여 상기 분광부(30)로 인가한다.
상기 다이크로익 미러(13)는 상기 콜리메이션 소자(11)를 통해 인가되는 광을 상기 대물 렌즈(12)로 지향시키고, 상기 객체로부터 반사되는 반사광 및 산란광을 상기 중계 광학소자(14)로 지향시킨다.
상기 다이크로익 미러(13)는, 다이크로익 필터(Dichroic Filter)의 한 종류로, 빛을 기설정된 파장보다 긴 파장을 투과(long pass), 짧은 파장을 반사, 또는 짧은 파장(short pass)을 투과, 긴 파장을 반사하도록 분리한다. 즉, 빛을 선택적으로 투과하며, 한 파장은 필터를 통과하나 다른 파장은 반사하는 원리를 이용한다.
상기 접촉프로브(15)는 상기 객체에 접촉하되 접촉한 피부에 초점이 잡히도록 하며, 라인 형 슬릿을 가져 상기 라인형 슬릿을 통해 객체에 광이 집속된다.
상기 분광부(30)는 상기 탐침부(10)로부터 전달받은 상기 1D 라인 광 신호로부터 2D 스펙트럼 신호를 초분광 방식으로 획득한다.
상기 제어부(40)는 상기 광원부(20), 상기 탐침부(10) 및 상기 분광부(30)의 동작을 제어하며, 상기 스펙트럼 신호로부터 초분광 이미지를 생성하고, 상기 생성된 초분광 이미지를 분석하여 객체(예: 피부)의 성분을 분석 및 측정한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부를 구비한 라만 초분광 시스템은, 상기 제어부(40)가 생성한 초분광 이미지 및 객체(피부)의 이미지를 화면에 출력하기 위한 표시부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
한편, 초점 거리와 관련하여, 상기 분광부(30) 내에서 각 구성요소 간의 거리는 각 광학소자의 초점거리(f1, f2)로 정의된다. 즉, 상기 슬릿(31)에서 제1 광학소자(32)까지의 초점 거리 및 상기 제1 광학소자(32)에서 그레이팅(33)까지의 초점 거리는 제1 초점 거리(f1)이고, 상기 그레이팅(33)에서 상기 제2 광학소자(34)까지의 초점 거리 및 상기 제2 광학소자(34)에서 2D 이미지 센서(35)까지의 초점 거리는 제2 초점 거리(f2)이다.
또한, 상기 콜리메이션 소자(11)에서 상기 다이크로익 미러(13)까지의 초점 거리는 제 3 초점 거리(f3)이고, 상기 다이크로익 미러(13)에서 상기 대물 렌즈(12)까지의 초점 거리 및 상기 대물렌즈(12)에서 상기 접촉프로브(15)까지의 초점 거리는 제4 초점 거리(f4)이다.
또한, 상기 다이크로익 미러(13)에서 상기 중계 광학소자(14)까지의 초점 거리 및 상기 중계 광학소자(14)에서 슬릿(31)까지의 초점 거리는 제5 초점 거리(f5)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부는, 슬릿(31), 제1 광학소자(32), 그레이팅(Grating, 격자)(33), 제2 광학소자(34) 및 2D 이미지 센서(35)를 포함한다.
상기 슬릿(31)은 상기 탐침부(10)로부터 1D 라인 광이 인가된다.
상기 슬릿(31)은 탐침부(10)를 통과한 검출광으로부터 필요한 부분을 추출하기 위해 사용된다.
상기 제1 광학소자(32)는 상기 슬릿(31)과 제1 광학소자의 초점 거리(focal length)인 제1 초점 거리(f1)만큼 이격되어 상기 슬릿(31)을 통해 인가되는 상기 1D 라인 광이 기설정된 입사각으로 그레이팅(33)에 인가되도록 배치된다. 상기 제1 광학소자(32)는, 볼록 렌즈 또는 오목 거울로 구성될 수 있다.
상기 그레이팅(33)은 상기 제1 광학소자(32)와 상기 제1 초점 거리(f1)만큼 이격되어 인가되는 상기 1D 라인 광을 투과 또는 반사시키면서 회절시켜 분산시키토록 구성된다.
상기 그레이팅(33)은, 브레이즈 격자(blazed gating), 회절격자(diffraction grating) 등을 포함한다. 회절격자는 표면에 아주 가느다란 다수의 평행선(홈)이 등간격으로 새겨진 판이며, 다색광을 구성된 파장(색상)으로 분리(분산)하는 광학 요소이다. 회절격자의 종류에는 괘선 격자(ruled grating), 홀로그램 격자 (holographic grating), 투과형 격자(transmission grating), 반사형 회절격자(reflection grating)가 있는데, 본 발명의 실시예에서는 반사형 회절격자를 사용한 것으로 도시하였으나, 다른 형태의 격자도 사용이 가능하다.
상기 제2 광학소자(34)는 상기 그레이팅(33)과 제2 광학소자의 초점 거리인 제2 초점 거리(f2)만큼 이격되어 상기 그레이팅(33)으로부터 분산된 광을 집광한다. 상기 제2 광학소자(34)는, 볼록 렌즈 또는 오목 거울로 구성될 수 있다.
상기 2D 이미지 센서(35)는 상기 제2 광학소자(34)와 상기 제2 초점 거리(f2)만큼 이격되어 상기 제2 광학소자(34)에서 집광된 광을 촬상한다.
상기 2D 이미지 센서(35) 집광된 광의 스펙트럼 신호를 제어부(40)로 제공한다.
상기 제어부(40)는 상기 스펙트럼 신호에 기초하여 객체의 초분광 이미지를 생성할 수 있다. 객체의 초분광 이미지는 객체의 위치별 스펙트럼 분포 정보를 병합하여 생성될 수 있다. 다시 말해, 객체의 초분광 이미지는 객체의 위치별 스펙트럼 분포의 집합일 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(40)는 각각의 서브 초분광 이미지에서 오프셋(offset)을 제거하고, 오프셋이 제거된 서브 초분광 이미지들을 합산(summation)함으로써, 객체에 대한 초분광 이미지를 생성할 수 있다. 다만, 본 발명에서 초분광 이미지의 생성 방법은 이에 제한되지 않고, 공지된 초분광 이미지 생성 방법이 사용될 수도 있다.
또한, 상기 제어부(40)는 초분광 스텍트럼 신호 및 초분광 이미지로부터 객체(피부)의 성분을 측정 및 분석할 수 있다.
상기 제2 광학소자(34) 및 상기 2D 이미지 센서(35)는 상기 그레이팅(33)으로부터 이격된 각각의 거리를 유지하면서 기설정된 각도만큼 이동하여 상기 광원부(20)의 소스 파장에 따른 노이즈 영역을 제거한다.
상기 슬릿(31)의 중심과 상기 제1 광학소자(32)는 상기 슬릿(31)의 중심으로부터 상기 그레이팅(33)으로 인가되는 입사광의 제1 경로 상에 위치하고, 상기 제2 광학소자(34)와 상기 2D 이미지 센서(35)의 중심은 상기 그레이팅(33)으로부터 상기 2D 이미지 센서(35)의 중심으로 인가되는 반사광의 제2 경로 상에 위치한다.
도 3는 슬릿을 통해 인가된 광을 라만 현미경으로 측정한 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 785 mn의 광원 소스를 인가했을 때, 라만 현미경으로 측정한 스펙트럼을 살펴보면, 785 nm (0 cm-1)부터 250 cm-1인 약 801nm까지의 노이즈 영역이 크게 발생하는데, 이는 스펙트럼 신호를 전체적으로 증폭하는데 있어 saturation 되는 문제를 발생시킨다. 이 영역을 선택적으로 없앨 수 있다면, 801 nm 보다 높은 신호들에 대해서는 saturation되기 전에 더 높은 이득으로 증폭시킬 수 있다.
즉, 800 nm 이상의 파장에 대한 스펙트럼 신호는 증폭을 크게 할 수 있으므로, 분광 감도가 높아지는 효과가 있다.
상기 광원부(20)의 소스 파장에 따른 노이즈 영역은, 소스 파장 ± 20 nm 가 된다. 예를 들어, 소스 파장이 785nm 이면, 765 nm부터 805 nm 사이의 구간이 광원 소스에 의해 높은 스펙트럼 값을 가지며, 객체(피부)의 성분을 분석하는데 필요없는 스펙트럼 구간이 되어 노이즈로 작용한다.
따라서, 본 발명에서는, 상기 제2 광학소자(34) 및 상기 2D 이미지 센서(35)를 상기 그레이팅(33)으로부터 이격된 각각의 거리를 유지하면서 기설정된 각도만큼 이동하여, 해당 부분의 스펙트럼이 상기 2D 이미지 센서(35)에 의해 촬상되지 않도록 하는 것이다.
이하, 기설정된 각도를 어떻게 도출하는지 도 4 내지 도 9를 들어 설명하기로 한다.
도 4는 도 2의 그레이팅(회절격자)을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, α는 입사광과 그레이팅(33)의 법선 사이의 각도(입사각)이고, β는 회절광(반사광)과 그레이팅(33)의 법선 사이의 각도(회절각 또는 반사각)일 때, 그레이팅 수식은 하기 [수학식 1]을 만족한다.
[수학식 1]
여기서, d는 격자주기(1/groove) 이고, m은 회절 차수(diffraction order)이다. m은, 0, ±1, ±2 등을 포함하는데, 일반적으로 1을 사용한다. λ는 파장이고, α는 입사각(degree), β는 회절각(반사각)이다.
상기 [수학식 1]을 파장에 따른 회절각(반사각)에 대하여 정리하면 하기 [수학식 2]와 같다.
[수학식 2]
여기서, d는 격자주기(1/groove) 이고, m은 회절 차수(diffraction order)이다. m은, 0, ±1, ±2 등을 포함하는데, 일반적으로 1을 사용한다. λ는 파장이고, α는 입사각(degree), β는 회절각(반사각)이다.
즉, 파장별로 회절각이 다르므로 각 파장별로 분리된다.
도 5는 그레이팅 수식에 기반하여 2D 이미지 센서에서 획득되는 파장의 분리각을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 파장에 따른 분리각을 도시한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 입사각이 35도 이고, 초점거리가 50mm이고, 600 grooves/mm 인 그레이팅인 경우, 740nm, 800nm, 840 nm, 900nm, 940nm 의 파장을 가지는 광을 인가시키면, 상기 [수학식 2]에 의해, 740nm는 -7.4°, 940nm는 -0.5°로 계산되며, 이를 그래프로 그리면 도 6과 같이 됨을 알 수 있다.
도 7은 입사각에 따른 파장별 분리각을 도시한 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 초점거리가 50mm이고, 1200 grooves/mm 인 그레이팅인 경우, 780nm, 800 nm, 840nm, 900nm, 940nm 의 파장을 가지는 광에 대하여 입사각을 49°, 52°, 및 55°로 변경하면서 인가시키면, 상기 [수학식 2]에 의해, 각 입사각의 각 파장에 따라 분리각이 계산되며, 이를 그래프로 그리면 도 7과 같이 그려진다.
노이즈로 작용하는 800 nm 이하의 파장이 검출되지 않도록 2D 이미지 센서가 측정할 영역을 800nm에서 940nm 사이로 결정할 수 있다.
이때, 55°인 경우가 가장 적절함을 알 수 있으며, 그에 따라 2D 이미지 센서의 중심을 반사광의 경로와 일치하도록 맞춘다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부의 일실시예 배치를 도시한 도면이다.
도 8은 초점거리가 50mm이고, 1200 grooves/mm 인 그레이팅인 경우, 입사각이 55°일 때, 반사각이 12.4°가 되며, 800nm 파장은 8.1°, 922nm 파장은 16.7°로 2D 이미지 센서가 측정하는 영역이 된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부에서 그레이팅을 기준으로 한 2D 이미지 센서의 중심각의 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 9룰 참고하면, 2D 이미지 센서를 배치할 중심 각도는 상기 [수학식 2]를 이용하여 800nm 파장에 대한 분리각과 arctan 함수(tan 역함수)로 이동해야할 각도를 구하여 더해주면 된다. 즉, 2D 이미지 센서가 배치되는 중심각(θ)은 그레이팅을 기준으로 하기 [수학식 3]에 의해 결정된다.
[수학식 3]
여기서, m은 회절 차수(diffraction order)이고, m은 0, ±1, ±2 ..을 포함하나 일반적으로 1을 사용하고, λ는 제거하고자 하는 노이즈 영역에서 최대 파장값이고, 여기서는, 예를 들어, 800nm이고, d는 격자주기(1/groove)이고, groove는 mm당 격자 개수이고, α는 입사각(degree)이고, k는 2D 이미지 센서의 가로 길이(mm)이고(예를 들어, 7.5mm), f는 상기 제2 광학소자의 초점 거리(mm)(예를 들어 50mm)이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부의 다른 실시예 배치를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부의 다른 실시예 배치를 도시하였으며, 도 8과 달리 제1 광학소자(32) 및 도 2광학소자(34)가 오목거울인 경우이다. 물론 두 광학소자 중 어느 하나가 오목거울인 경우도 가능하다.
광의 진행 방향은 (1)슬릿 → (2)볼록렌즈 또는 오목거울 → (3)그레이팅 → (4)볼록렌즈 또는 오목거울 → (5)2D 이미지 센서 순서가 되며, 도 8의 분광부와 같다.
슬릿(31)의 중심과 상기 제1 광학소자(32)는 상기 슬릿(31)의 중심으로부터 그레이팅(33)으로 인가되는 입사광의 제1 경로 상에 위치하고, 상기 제2 광학소자(34)와 상기 2D 이미지 센서(35)의 중심은 상기 그레이팅(33)으로부터 상기 2D 이미지 센서(35)의 중심으로 인가되는 반사광의 제2 경로 상에 위치한다.
이 경우도, 입사각이 55°인 경우, 반사각도 동일하게 12.4°로 계산된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10: 탐침부 20: 광원부
30: 분광부 40: 제어부
11: 콜리메이션 소자 12: 대물렌즈
13: 다이크로익 미러 14: 중계 광학소자
15: 접촉프로브
31: 슬릿 32: 제1 광학소자
33: 그레이팅 34; 제2 광학소자
35: 2D 이미지 센서

Claims (10)

  1. 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부에 있어서,
    1D 라인 광이 인가되는 슬릿(31);
    상기 슬릿과 자신의 초점 거리인 제1 초점 거리(f1)만큼 이격되어 상기 슬릿을 통해 인가되는 상기 1D 라인 광이 기설정된 입사각으로 그레이팅에 인가되도록 구성된 제1 광학소자(32);
    상기 제1 광학소자와 상기 제1 초점 거리(f1)만큼 이격되어 인가되는 상기 1D 라인 광을 반사 또는 투과시키면서 회절시켜 분산시키토록 구성된 상기 그레이팅(33);
    상기 그레이팅과 자신의 초점 거리인 제2 초점 거리(f2)만큼 이격되어 상기 그레이팅으로부터 분산된 광을 집광하기 위한 제2 광학소자(34); 및
    상기 제2 광학소자와 상기 제2 초점 거리(f2)만큼 이격되어 상기 제2 광학소자에서 집광된 광을 촬상하기 위한 2D 이미지 센서(35)
    를 포함하되,
    상기 제2 광학소자 및 상기 2D 이미지 센서는 상기 그레이팅으로부터 이격된 각각의 거리를 유지하면서 기설정된 각도만큼 이동된 것을 특징으로 하고,
    상기 2D 이미지 센서가 배치되는 중심각(θ)은,
    상기 그레이팅을 기준으로 하기 [수학식 3]에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부.
    [수학식 3]

    (여기서, m은 회절 차수(diffraction order)이고, λ는 제거하고자 하는 노이즈 영역에서 최대 파장값이고, d는 격자주기(1/groove, groove는 mm당 격자 개수)이고, α는 입사각(degree)이고, k는 2D 이미지 센서의 가로 길이(mm)이고, f는 상기 제2 광학소자의 초점 거리(mm)이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿의 중심과 상기 제1 광학소자는 상기 슬릿의 중심으로부터 상기 그레이팅으로 인가되는 입사광의 제1 경로 상에 위치하고,
    상기 제2 광학소자와 상기 2D 이미지 센서의 중심은 상기 그레이팅으로부터 상기 2D 이미지 센서의 중심으로 인가되는 반사광의 제2 경로 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 광학소자(32)는,
    볼록 렌즈 또는 오목 거울인 것을 특징으로 하고,
    상기 제2 광학소자(34)는,
    볼록 렌즈 또는 오목 거울인 것을 특징으로 하고,
    상기 그레이팅(33)은,
    반사형 또는 투과형 회절격자인 것을 특징으로 하는 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부.
  4. 삭제
  5. 분광 감도를 개선한 분광부를 포함하는 라만 초분광 시스템에 있어서,
    단일 파장을 갖는 라인 광을 조사하기 위한 광원부(20);
    상기 광원부로부터 인가되는 입사광을 다이크로익 미러를 통해 객체에 인가 후 반사되는 1D 라인 광 신호를 획득하기 위한 탐침부(10);
    상기 탐침부로부터 전달받은 상기 1D 라인 광 신호로부터 2D 스펙트럼 신호를 초분광 방식으로 획득하되, 광원 소스의 파장에 따라 노이즈로 작용하는 기설정 구간의 신호가 제거된 분광부(30); 및
    상기 광원부, 상기 탐침부 및 상기 분광부의 동작을 제어하며, 상기 스펙트럼 신호로부터 초분광 이미지를 생성하고, 상기 생성된 초분광 이미지를 분석하여 상기 객체의 성분을 측정하기 위한 제어부(40)
    를 포함하고,
    상기 분광부(30)는,
    1D 라인 광이 인가되는 슬릿(31);
    상기 슬릿과 자신의 초점 거리인 제1 초점 거리(f1)만큼 이격되어 상기 슬릿을 통해 인가되는 상기 1D 라인 광이 기설정된 입사각으로 그레이팅에 인가되도록 구성된 제1 광학소자(32);
    상기 제1 광학소자와 상기 제1 초점 거리(f1)만큼 이격되어 인가되는 상기 1D 라인 광을 반사 또는 투과시키면서 회절시켜 분산시키토록 구성된 상기 그레이팅(33);
    상기 그레이팅과 자신의 초점 거리인 제2 초점 거리(f2)만큼 이격되어 상기 그레이팅으로부터 분산된 광을 집광하기 위한 제2 광학소자(34); 및
    상기 제2 광학소자와 상기 제2 초점 거리(f2)만큼 이격되어 상기 제2 광학소자에서 집광된 광을 촬상하기 위한 2D 이미지 센서(35)
    를 포함하되,
    상기 제2 광학소자 및 상기 2D 이미지 센서는 상기 그레이팅으로부터 이격된 각각의 거리를 유지하면서 기설정된 각도만큼 이동된 것을 특징으로 하고,
    상기 2D 이미지 센서가 배치되는 중심각(θ)은,
    상기 그레이팅을 기준으로 하기 [수학식 3]에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 분광 감도를 개선한 분광부를 구비한 라만 초분광 시스템.
    [수학식 3]

    (여기서, m은 회절 차수(diffraction order)이고, λ는 제거하고자 하는 노이즈 영역에서 최대 파장값이고, d는 격자주기(1/groove, groove는 mm당 격자 개수)이고, α는 입사각(degree)이고, k는 2D 이미지 센서의 가로 길이(mm)이고, f는 상기 제2 광학소자의 초점 거리(mm)이다.)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탐침부(10)는,
    상기 광원부로부터 출력되는 광을 평행광으로 만들기 위한 콜리메이션 소자(11);
    상기 콜리메이션 소자를 통해 인가되는 광을 상기 객체에 집속하기 위한 대물 렌즈(12);
    상기 탐침부(10)의 1D 라인 광 출력을 중계하여 상기 분광부로 인가하는 중계 광학소자(14);
    상기 콜리메이션 소자를 통해 인가되는 광을 상기 대물 렌즈로 지향시키고, 상기 객체로부터 반사되는 반사광 및 산란광을 상기 중계 광학소자로 지향시키기 위한 다이크로익 미러(13); 및
    상기 객체에 접촉하되 라인 형 슬릿을 가지며 상기 객체와의 초점 거리를 잡아주기 위한 접촉프로브(15)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 감도를 개선한 분광부를 구비한 라만 초분광 시스템.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 슬릿의 중심과 상기 제1 광학소자는 상기 슬릿의 중심으로부터 상기 그레이팅으로 인가되는 입사광의 제1 경로 상에 순서대로 위치하고,
    상기 제2 광학소자와 상기 2D 이미지 센서의 중심은 상기 그레이팅으로부터 상기 2D 이미지 센서로 인가되는 반사광의 제2 경로 상에 순서대로 위치하는 것을 특징으로 하는 분광 감도를 개선한 분광부를 구비한 라만 초분광 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 광학소자(32)는,
    볼록 렌즈 또는 오목 거울인 것을 특징으로 하고,
    상기 제2 광학소자(34)는,
    볼록 렌즈 또는 오목 거울인 것을 특징으로 하고,
    상기 그레이팅(33)은,
    반사형 또는 투과형 회절격자인 것을 특징으로 하는 분광 감도를 개선한 분광부를 구비한 라만 초분광 시스템.
  10. 삭제
KR1020240018149A 2024-02-06 라만 초분광의 분광 감도를 개선한 분광부 및 이를 구비한 라만 초분광 시스템 KR102684802B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019055569A1 (en) * 2017-09-12 2019-03-21 Sonendo, Inc. OPTICAL SYSTEMS AND METHODS FOR EXAMINING A TOOTH

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