KR20030007747A - 광자 상관계 - Google Patents

Abstract

본 발명의 광자 상관계는 게이트의 개방 시간이 다른 복수의 샘플링 게이트(11a 내지 11e)와, 샘플링 게이트(11a 내지 11e)에 대응하여 각각 설치되고, 광자 수에 상당하는 데이터를 축적하기 위한 복수의 메모리(12a 내지 12e)와, 상기 메모리(12a 내지 12e)에 축적된 데이터를 독출하며, 소프트웨어에 의한 상관 연산처리를 행하기 위한 연산 처리 제어부를 구비한다. 샘플링 게이트(11a 내지 11e)와 메모리(12a 내지 12e)와의 하드웨어 기구에 의해 데이터의 고속 기록과, 실시간의 독출을 행할 수 있고, 그것과 병행하여 소프트웨어에 의한 상관 연산 처리를 행하므로 다양한 조건 하에서, 입자의 크기나, 유체 중의 입자의 확산 계수를 고속으로 구할 수 있다.

Description

광자 상관계{Photon correlator}

광자 상관계는 광자의 시간 분포를 정량적 또한 통계적으로 처리하기 위해서, 샘플링 게이트가 개방되어 있는 시간(이하 「샘플링 시간」이라고 한다) 내에 검출기에 입사하는 광자 수와, 그것으로부터 시간(τ)만큼 떨어진 시각의 샘플링 시간 내에 검출기에 입사하는 광자 수를 카운트하여, 자기 상관 함수를 산출하고 있다.

도 5는 광자 수를 카운트하는 방법을 도시하는 도면이고, 횡축에 시간(t)을 취하고 있다. 샘플링 시간은 ts로 나타내고 있다. 어떤 시각(t)의 샘플링 시간 내에서 검출한 광자 수를 N(t), 시각(t+τ)의 샘플링 시간 내에서 검출한 광자 수를 N(t+τ)로 나타내고 있다. 자기 상관 함수(G(τ))는 N(t)과 N(t+τ)와의 곱을 취하여, 시간(t)으로 적분함으로써 구할 수 있다. 이 상관 시간(τ)은 일반적으로는 수마이크로초로부터 수십 밀리초로 대단히 넓은 범위에 걸쳐 있다.

이러한 자기 상관 연산을 하기 위해서, 종래, 하드웨어를 이용한 광자 상관계와, 소프트웨어를 이용한 광자 상관계의 어느 하나가 사용되고 있다.

하드웨어를 이용한 광자 상관계는 이 광자 수를 카운트하는 기구와, 그 카운트된 광자 수에 기초하여 자기 상관 연산하기 위한 누적 승산기(시프트 레지스터 등으로 실현된다)를 구비하고 있고, 고속이면서 또한 실시간으로 상관 연산을 실행할 수 있다는 특징을 가지고 있다.

한편, 소프트웨어를 이용한 광자 상관계는 샘플링된 광자 수를 메모리에 기록하고, 프로그램에 따라서 그 메모리에 기록한 카운트 데이터를 독출하여 연산 처리하기 때문에, 샘플링 시간이나, 연산 처리 방법을 유연하게 설정·변경할 수 있다.

이 하드웨어를 이용한 광자 상관계에서는 샘플링 시간(ts), 취하고자 하는 상관 시간(τ)의 범위, 그 범위 내에서 상관 시간(τ)을 물려 놓을 수 있는 간격, 규격화의 방법과 같은 자기 상관 연산의 각종 파라미터는 미리 고정된 것으로, 특정 범위의 상관 시간의 분해능을 올린다는 유연한 데이터 처리를 할 수 없는 문제가 있다. 또한, 돌발적으로 검출되는 시료 중의 먼지에 의한 산란광의 데이터 제거도 할 수 없다.

또한, 소프트웨어를 이용한 광자 상관계에서는 처리 시간이 하드웨어를 이용한 광자 상관계보다도 느리고, 긴 상관 시간을 얻기 위해서 대량의 광자 데이터를 넣는 경우, 데이터 처리에 시간이 걸리고, 그 동안 광자 측정을 중단하여 버리기 때문에, 데이터의 취득 효율이 나쁘다는 문제가 있다.

그래서, 본 발명은 하드웨어의 처리의 고속성과, 소프트웨어 처리의 유연성을 아울러 가지는 광자 상관계를 실현하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 유체 중의 입자에 레이저광 등의 위상이 일치되는 광을 조사하고, 입자로부터 펄스형으로 산란되는 산란광(이하 「광자(photon)」라고 한다)을 측정하는 광자 상관계(Photon Correlator)에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 광자 상관계(8)를 포함하는 측정 시스템의 전체 구성도.

도 2는 광자 수를 카운트하는 기능(10)을 실현하는 게이트, 메모리 등의 하드웨어의 구성도.

도 3은 DSP가 자기 상관 계산을 행하는 기능(20)을 설명하기 위한 블록도.

도 4는 상관 계산부(21a 내지 21e)에서 행하는 상관 계산의 순서를 설명하기 위한 흐름도.

도 5는 광자를 카운트하는 방법을 설명하기 위한 도면.

본 발명의 광자 상관계는 게이트를 개방하고 있는 시간이 다른 복수의 샘플링 게이트와, 복수의 샘플링 게이트에 대응하여 각각 설치되고, 광자 수에 상당하는 데이터를 축적하기 위한 복수의 메모리와, 이 메모리에 축적된 데이터를, 이 메모리로의 축적과 병행하여 독출하고, 소프트웨어에 의한 상관 연산 처리를 하기 위한 연산 처리 제어부를 구비하는 것이다. 이 샘플링 게이트가, 각 게이트를 개방하는 타이밍은 랜덤(random)이 아니고, 서로 동기가 취해져 있는 것으로 한다.

이 구성에 따르면, 샘플링 게이트와 메모리의 하드웨어로 이루어지는 기구에 의해, 데이터의 고속 기록, 실시간의 독출을 행할 수 있다. 그리고, 그것과 병행하여, 소프트웨어에 의한 상관 연산 처리를 할 수 있기 때문에, 다양한 조건하에서의, 입자의 크기나, 유체 중의 입자의 확산 계수 등의 데이터를, 고속으로 처리할 수 있다.

또한, 측정 중에, 측정과 병행하여 소프트웨어에 의한 상관 연산 처리를 하고 있기 때문에, 시료 중의 먼지 등에 의한 데이터 이상을 용이하게 찾아낼 수 있고, 이상 데이터를 간단하게 제거할 수 있다.

이 연산 처리 제어부는 데이터 처리 시간의 증대를 피하기 위해서, 상관 시간(τ)에 따라서, 복수의 메모리 중에서 데이터를 독출하는 메모리를 선정하는 것이 바람직하다.

이 연산 처리 제어부는 상관 연산 처리를 하기 위해서 이용하는 외부 메모리를 갖고, 이 외부 메모리는 광자 수 데이터를 격납하는 것이 바람직하다. 이 외부 메모리를 이용함으로써, 상당수의 광자 수 데이터를 격납할 수 있기 때문에, 상관 연산 처리의 상관 시간(τ)이 길어도, 상관 연산을 행하는 것이 가능해진다. 이 「상당수(相當數)」란 광자를 넣고 있는 시간에 검출할 수 있는 광자 수이다. 예를 들면 산란되는 광자가 매초 10,000이고, 이들의 광자를 2초간 검출한다면, 20,000이 된다.

이하, 본 발명의 실시예를, 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 광자 상관계(8)를 포함하는 측정 시스템의 전체 구성도이다. 레이저장치(1)로부터 조사되는 코히어런트 광은 렌즈(2)로 집중되고, 입사용 광파이버(4)에 입사된다. 입사용 광파이버(4)의 끝은 광산란 측정 프로브(3)에 결합되어 있다. 광산란 측정 프로브(3)는 시료 액체(h)를 채운 셀(5)에 삽입되고,광산란 측정 프로브(3)의 선단으로부터 레이저광이 시료에 조사된다.

시료 내의 산란 체적(V)으로부터의 산란광은 광산란 측정 프로브(3)에 설치된 산란 광측정용 광파이버(6)에 입사되고, 포토멀티 플레이어 등의 수광 소자(7)에 들어가고, 수광 소자(7)에 있어서 광자의 시계열 데이터가 측정된다. 그리고, 광자 상관계(8)에 있어서, 그 데이터의 자기 상관 계수가 계산된다. 9는 입자 사이즈 등이나, 유체 중의 입자의 확산 계수 등을 구하는 호스트 컴퓨터이다. 또한 호스트 컴퓨터(9)는 측정 시스템 전체를 제어한다.

또, 이 입사용 광파이버(4) 및 산란광 측정용 광파이버(6)는 싱글 모드 광파이버인 것이, 광의 코히어런스를 유지하는 점에서 바람직하다.

이 광자 상관계(8)는 광자 수를 카운트하는 기능(10) 및 자기 상관 계산을 행하는 기능(20)을 구비하고 있다. 광자 수를 카운트하는 기능(10)은 게이트 회로, 메모리 등의 하드웨어로 구성된다. 자기 상관 계산을 행하는 기능(20)은 프로그램 ROM 등의 기록 매체에 기록된 프로그램을, 내장 컴퓨터(이 컴퓨터를, 이하 “DSP(Digital Signal Processor)"라고 한다)가 실행됨으로써 실현된다.

도 2는 광자 수를 카운트하는 기능(10)을 실현하는 게이트, 메모리 등의 하드웨어의 구성도이다. 수광 소자(7)로부터 출력되는 광자 데이터(예를 들면 광자 수에 대응한 펄스형의 전압으로 나타난다)는 복수의 게이트 회로(11a 내지 11e)에 입력된다. 각 게이트 회로(11a 내지 11e)는 각각 다른 시간으로, 동기를 잡으면서 게이트를 개방한다. 도 2에서는 게이트를 개방하고 있는 시간이 1μsec의 게이트 회로(11a), 2μsec의 게이트 회로(11b), 4μsec의 게이트 회로(11c), 8μsec의 게이트 회로(11d), 16μsec의 게이트 회로(11e)의 5개의 게이트 회로를 구비하고 있다.

각 게이트 회로(11a 내지 11e)의 출력은 광자 수를 기억하는 SRAM 등의 고속의 메모리(12a 내지 12e)에 주어진다. 메모리(12a)는 1μsec의 게이트 회로(11a)에 대응하여, 광자 수의 데이터를 기억하는 4개의 에어리어를 가지고 있다. 메모리(12a)는 광자 수의 데이터를 이들 4개의 에어리어에 순차 기억해 간다. 4개의 에어리어가 가득차기 전에, 후술하는 바와 같이 데이터는 순차 독출되어 가기 때문에, 메모리(12a)는 일련의 광자 수의 데이터를 계속해서 기억해 갈 수 있다.

메모리(12b)는 2μsec의 게이트 회로(11b)에 대응하고, 광자 수의 데이터를 기억하는 2개의 에어리어를 가지고 있다. 메모리(12b)는 광자 수의 데이터를 이들 2개의 에어리어에 순차 기억해 간다. 2개의 에어리어가 가득차기 전에, 후술하는 바와 같이 데이터는 순차 독출되어 가기 때문에, 메모리(12b)는 일련의 광자 수의 데이터를 계속해서 기억하여 갈 수 있다.

메모리(12c)는 4μsec의 게이트 회로(11c)에 대응하여, 광자 수의 데이터를 기억하는 2개의 에어리어를 가지고 있다. 메모리(12d)는 8μsec의 게이트 회로(11d)에 대응하여, 광자 수의 데이터를 기억하는 2개의 에어리어를 가지고 있다. 메모리(12e)는 16μsec의 게이트 회로(11e)에 대응하여, 광자 수의 데이터를 기억하는 2개의 에어리어를 가지고 있다. 이들의 에어리어의 사용 방법은 메모리(12b)에 관련하여 상술한 방법과 동일하다.

이와 같이, 시간 간격이 1μsec 내지 16μsec인 다른 시계열 데이터를 수집하도록 한 것은 상관 계산할 때의 상관 시간(τ)에 따라서, 최적의 시간 간격의 시계열 데이터를 선택하고자 하기 때문이다.

예를 들면, 시간 간격이 1μsec인 데이터로 모든 계산을 수행하고자 하면, 상관 시간(τ)이 길어지면 과연, 데이터수가 방대하게 되고, 데이터 처리 시간이 증대한다. 시간 간격이 다른 시계열 데이터를 적절하게 선택하여 사용하면, 이러한 데이터 처리 시간의 증대를 피할 수 있다.

예를 들면, 상관 시간(τ)이 1-20μsec인 상관 계산을 위해서는 시간 간격이 1μsec의 시계열 데이터가 최적이다. 상관 시간(τ)이 20-80μsec의 상관 계산을 위해서는 시간 간격이 2μsec인 시계열 데이터를 사용한다, 상관 시간(τ)이 480-960μsec 이상의 상관 계산에는 시간 간격이 16μsec인 시계열 데이터를 사용하는 등이다. 상관 시간(τ)이 더 길어지면, 시간 간격이 16μsec인 시계열 데이터를 솎아내어(thinned) 사용한다. 단, 위에 예를 든 숫자는 일 예이고, 실제로는 시료나 산란 광량에 따라서, 최적의 관계가 결정된다.

또한, 독출 회로(13a 내지 13e)가 설치되어 있고, 독출 회로(13a)는 메모리(12a)에 기억된 광자 수의 데이터를, 광자 수의 데이터의 기록보다 일정 시간(매우 짧은 시간; 예를 들면 1μsec의 수분의 1) 지연되고, 순차 또는 교대로, 독출되어 간다. 독출 회로(13b 내지 13e)도 동일하게, 데이터의 기록보다 일정 시간(예를 들면 1μsec의 수분의 1) 지연되고, 각각 교대로, 독출되어 간다.

이상의 하드웨어의 구성에 의해, 독출 회로(13a)로부터, 1μsec마다의 광자 수의 데이터가, 거의 실시간으로 출력되게 된다. 독출 회로(13b)로부터는 2μsec마다의 광자 수의 데이터가 거의 실시간으로 출력되고, 독출 회로(13c)에서는, 4μsec 마다의 광자 수의 데이터가 거의 실시간으로 출력되고, 독출 회로(13d)로부터는 8μsec 마다의 광자 수의 데이터가 거의 실시간으로 출력되며, 독출 회로(13e)로부터는 16μsec마다의 광자 수의 데이터가 거의 실시간으로 출력되게 된다.

도 3은 DSP가 자기 상관 계산을 하는 기능(20)을 설명하기 위한 블록도이다. 각 독출 회로(13a 내지 13e)의 광자 수의 데이터는 각각 상관 계산부(21a 내지 21e)에 주어진다. 그리고, 상관 계산부(21a 내지 21e)에서, 광자 수의 데이터를 외부 메모리(DRAM, SRAM 등의 고속 메모리로 구성된다; 22a 내지 22e)에 기억하고, 이 외부 메모리(22a 내지 22e)에 기억된 데이터를 사용하여 상관 계산이 행해진다. 그 결과는 규격화부(23)에 주어지고, 여기에서, 규격화 연산이 행해진다.

도 4는 상관 계산부(21a 내지 21e)에서 행하는 상관 계산의 순서를 설명하기 위한 흐름도이다. 흐름도를 따라 설명하면, 우선, DSP는 독출하는 외부 메모리(22a 내지 22e)를 특정함으로써 데이터의 종류(몇 μsec 게이트를 통해서 수집된 데이터인지)를 특정하고, 계산 방법(예를 들면 상관 시간(τ)을 얼마로 잡을지, 적분 범위(데이터수)를 얼마만큼 잡을지 등)을 판단한다(단계 S1). 이 특정이나 판단은 DSP가 호스트 컴퓨터(9)로부터의 지령에 따라서 행한다.

그리고, 외부 메모리(22a 내지 22e)가 독출 가능한 상태에 있는지(즉, 필요한 수의 데이터가 축적되어 있는지)를 판단하여(단계 S2), 독출 가능한 상태로 되면, 데이터를 독출하고, 상관 계산을 행한다(단계 S3).

이 상관 계산 방법을 설명한다. 이하에서는 이산적인 취급을 하기 때문에, 기호, 첨자 등을 지금까지 사용한 것으로부터 변경한다. 데이터수를 M, 샘플링 시점을 j(j=1, 2, ..., M)로 나타내고, 상관 시간을 k로 나타낸다. 샘플링 시점(j)의 광자 수를 n_j로 나타낸다.

자기 상관 함수 G_k는

G_k=(1/M)Σn_jn_j-k(j는 1부터 M까지) (1)

로 계산된다.

상관 계산이 완료되면, 카운터를 1 늘리고(단계 S4), 카운터가 규정치가 되었는지의 여부를 판정한다(단계 S5). 이 규정치는 시간을 물려 놓으면서 상관 계산하고자 하는 회수에 상당한다.

규정치에 도달하면, 자기 상관 함수를 규격화한다(단계 S6). 규격화된 자기 상관 함수를 g_k로 나타낸다. g_k는 다음 형태로 나타낸다.

g_k= G_k/S₀ ²(standard normalization) (2)

또는

g_k=G_k/S₀S_k(symmetric normlalization) (3)

가 된다. 여기서, S_k=Σn_j(j는 1-k로부터 M-k까지)는 평균 광량이다.

상기한 바와 같이, 구해진 자기 상관 함수의 데이터는 호스트 컴퓨터(9)에보내지고, 여기서, 공지의 프로그램에 따라서, 입자의 입자 직경 분포, 확산 계수 등이 계산된다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명의 실시는 이 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 2의 실시예에서는 메모리(12a)는 4개의 메모리로 구성되고, 메모리(12b 내지 12e)는 각각 2개의 메모리로 구성되어 있지만, 메모리의 개수는 상기 숫자에 한정되는 것은 아니다. 그 외 본 발명의 범위 내에서 여러 가지 변경을 실시할 수 있다.

Claims (3)

1. 게이트를 개방하고 있는 시간이 다른 복수의 샘플링 게이트와,

   복수의 샘플링 게이트에 대응하여 각각 설치되고, 광자 수에 상당하는 데이터를 축적하는 복수의 메모리와,

   상기 메모리로의 축적과 병행하여, 상기 메모리에 축적된 데이터를 독출하고, 소프트웨어에 의한 상관 연산 처리를 행하기 위한 연산 처리 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 광자 상관계.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 연산 처리 제어부는 상관 시간(τ)에 따라서, 복수의 메모리 중에서 데이터를 독출하는 메모리를 선정하는 것을 특징으로 하는, 광자 상관계.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 연산 처리 제어부는 상관 연산 처리를 하기 위해서 이용하는 외부 메모리를 갖고, 이 외부 메모리는 광자 수 데이터를 격납하는 것을 특징으로 하는, 광자 상관계.