KR20050052654A - 가변형 스펙트럼의 분해능 향상을 위한 분광 성분 분석방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
가변형 스펙트럼의 분해능 향상을 위한 분광 성분 분석 방법 및 그 장치가 개시된다. 본 발명의 분광 성분 분석 방법은 시료에 광원을 조사하는 단계와, 시료를 통과한 광 스펙트럼을 검출하는 단계와, 검출된 광 스펙트럼을 임의의 시간 간격으로 분할하는 단계와, 분할된 광 스펙트럼에 가중치 벡터와 이득 및 오프셋 벡터를 적용하여 분해능 벡터를 생성하는 단계와, 분해능 벡터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 양자화하는 단계와, 그리고 양자화된 스펙트럼을 광 스펙트럼의 크기로 복원하는 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 진폭의 차이가 큰 스펙트럼에 대하여 일정 시간 간격으로 분할한 후, 시간 간격별로 차등적으로 분해능을 적용시켜 스펙트럼을 분석하기 때문에, 관심 있는 영역의 스펙트럼의 분해능과 정밀도, 그리고 신호 대 잡음비가 향상된다.
Description
본 발명은 분광학적 성분 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 가변형 스펙트럼의 분해능 향상 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
분광학적 성분 분석 방법은 광원을 시료와 기준 물질에 각각 조사하고 검출된 각각의 스펙트럼 진폭을 비교하여 시료의 성분을 분석한다. 시료의 스펙트럼 전체 대역을 살펴보면, 시료의 주성분은 나머지 성분들과 구분할 수 있는 의미있는 스펙트럼을 갖는 데, 이 스펙트럼의 진폭을 분석하여 시료의 성분과 그 양을 추정한다.
분광학적 성분 분석 방법이 미국 특허 제3,828,173호와 제4,037,970호에 기재되어 있다. 상기 미국 특허 '173호는 램프에 의해 방사된 적외선이 선택된 필터를 통과하고, 방사의 특정 주파수가 시료에 충돌하여 반사되는 데, 이를 광전관(photocell)에서 검출한 후 하나의 증폭기를 사용하여 증폭시킨다. 증폭기에 의한 이득 오차는 샘플 앤드 홀드(sample and hold) 회로에 의해 해결된다. 그러나, 측정 채널의 수 만큼 샘플 앤드 홀드 회로를 구비해야 하기 때문에 제작 비용이 높아지는 단점을 지닌다.
상기 미국 특허 '970호는 다수개의 증폭기를 사용하여 스펙트럼을 검출하는 데, 다수개의 증폭기를 사용함에 따라 시스템이 복잡해지고 또 채널이 추가됨에 따라 시스템 제적 비용이 증가한다는 단점을 지닌다. 그리고, 각각의 증폭기마다 이득 오차를 가지기 때문에 분석 정확성이 떨어진다는 단점이 있다.
한편, 분석하고자하는 시료의 스펙트럼 진폭이 일정한 크기를 가진다면, 광 신호를 증폭기로 증폭하여 스펙트럼을 검출하기가 용이하다. 그러나, 시료의 스펙트럼 진폭이 상이하면, 스펙트럼을 분석할 만한 충분한 신호 대 잡음비를 확보할 수 없기 때문에, 시료 성분 분석을 포기하거나 다른 파장을 선정해야하는 어려움이 있다.
따라서, 검출되는 스펙트럼 중에서 그 진폭 차가 커서 분광학적으로 분석이 어려울 경우에 스펙트럼의 분해능을 적응적으로 향상시켜 스펙트럼 분석이 용이하게 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 스펙트럼의 분해능을 적응적으로 향상시키는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 스펙트럼 분해능을 향상시키는 분광 성분 분석 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 분광 성분 분석 방법은 시료에 광원을 조사하는 단계; 시료를 통과한 광 스펙트럼을 검출하는 단계; 검출된 광 스펙트럼을 임의의 시간 간격으로 분할하는 단게; 분할된 광 스펙트럼에 가중치 벡터와 이득 및 오프셋 벡터를 적용하여 분해능 벡터를 생성하는 단계; 분해능 벡터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 양자화하는 단계; 및 양자화된 스펙트럼을 상기 광 스펙트럼의 크기로 복원하는 단계를 포함한다.
바람직하기로, 가중치 벡터는 분할된 광 스펙트럼에서 분해능을 증가시킬 관심 영역을 선정하고, 이득 및 오프셋 벡터는 관심 영역의 스펙트럼을 증폭하여 동적 활성 영역으로 스펙트럼의 크기를 조절한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 면에 따른 분광 성분 분석 방법은 시료에 광원을 조사하는 단계; 시료를 통과한 광 스펙트럼을 검출하는 단계; 검출된 광 스펙트럼을 임의의 시간 간격으로 분할하는 단계; 분할된 광 스펙트럼에서 관심 영역을 표시하는 가중치 벡터를 생성하는 단계; 관심 영역의 스펙트럼 크기를 증폭하기 위한 이득 및 오프셋 벡터를 생성하는 단계; 검출된 광 스펙트럼의 크기대로 복원시키는 합성 벡터를 생성하는 단계; 검출된 광 스펙트럼에다가 가중치 벡터를 곱하여 관심 영역 벡터를 생성하는 단계; 관심 영역 벡터에다가 이득 및 오프셋 벡터를 곱하여 분해능 벡터를 생성하는 단계; 분해능 벡터를 합성 벡터와 곱하여 복원 벡터를 생성하는 단계; 및 복원 벡터를 합하여 검출된 광 스펙트럼 크기로 분해능이 향상된 스펙트럼을 얻는 단계를 포함한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 분광 성분 분석 장치는 광원; 시료; 광원을 시료에 조사하여 나타나는 광 스펙트럼을 검출하는 검출기; 광 스펙트럼의 관심 영역에 대해 소정의 가중치 벡터와 이득 및 오프셋 벡터를 조정하는 스펙트럼 웨이팅 블락; 가중치 벡터와 이득 및 오프셋 벡터에 응답하여 검출기에 의해 검출된 광 스펙트럼을 증폭하여 분해능 벡터를 생성하는 업-다운 분해능 블락; 업-다운 분해능 블락의 출력인 분해능 벡터를 수신하여 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환부; 및 아날로그-디지털 변환부의 출력을 광 스펙트럼의 크기로 복원하는 합성 벡터로 곱하여 복원 벡터를 생성하고 복원 벡터를 합하여 분해능이 향상된 스펙트럼을 출력하는 스펙트럼 합성 블락을 포함한다.
더욱 바람직하기로, 가중치 벡터는 일정 시간 간격으로 분할된 광 스펙트럼에서 그 진폭이 작아 분해능이 낮은 영역을 관심 영역으로 선정한다. 업-다운 분해능 블락은 스펙트럼 웨이팅 제어부로부터 이득 벡터를 수신하는 이득 제어부; 스펙트럼 웨이팅 블락으로부터 오프셋 벡터를 수신하는 오프셋 제어부; 및 이득 벡터와 오프셋 벡터에 응답하여 관심 영역의 스펙트럼을 증폭하는 증폭부를 포함한다.
따라서, 본 발명의 본 발명의 분광 성분 분석 방법 및 장치에 의하면, 진폭의 차이가 큰 스펙트럼에 대하여 일정 시간 간격으로 분할한 후, 시간 간격별로 차등적으로 분해능을 적용시켜 스펙트럼을 분석한다. 이에 따라 관심 있는 영역의 스펙트럼의 분해능과 정밀도, 그리고 신호 대 잡음비가 향상된다. 또한, 관심 영역의 갯수가 많을 경우, 종래의 분광 성분 분석기들에서 다수개의 증폭기나 샘플 앤드 홀더의 필요로 인해 시스템 구성이 커지고 비싸지는 것에 반하여, 작은 크기로 저렴하게 시스템을 구성할 수 있다. 그리고, 스펙트럼 측정 횟수를 감소시킴으로써 종래의 성분 분석 방법에 비해 드리프트에 의한 잡음 영향을 감소시킨다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분광적 성분 분석 장치를 설명하는 도면이다. 이를 참조하면, 분광적 성분 분석 장치(100)는 광원(110), 시료(120), 검출부(130), 업-다운 분해능(up/down resolution) 블락(140), 스펙트럼 관심 영역 웨이팅 블락(Spectral Region Of Interest weighting block, 150, 이하 "스펙트럼 ROI 웨이팅 블락"이라 칭한다), 아날로그-디지털 변환부(160), 그리고 스펙트럼 합성 블락(170)을 포함한다.
광원(110)에서 나온 빛은 시료(120)를 통과하여 검출부(130)로 전달된다. 검출부(140)는 광신호를 전기적 신호로 변환한다. 전기적 신호는 전류의 변화로 나타나는 데, 이 전류의 변화를 시간적으로 나타낸 것을 스펙트럼이라고 한다. 검출부(140) 전류의 변화량, 즉 스펙트럼은 그 크기가 미약하기 때문에 증폭기(142)를 통해 그 크기가 증폭된다.
업-다운 분해능 블락(140)은 증폭부(142)와 이득 제어부(144), 그리고 오프셋 제어부(144)를 포함한다. 증폭부(142)는 검출부(130)의 출력 스펙트럼 신호(x(n))를 증폭하고 동적 활성 영역에 맞게 스텍트럼의 크기를 조절한다. 증폭부(142)에서 증폭되는 스펙트럼 신호는 시간의 흐름에 따라 임의의 시간 간격으로 또는 임의의 시간 간격으로 분할될 수 있는 데, 이 때 분할된 시간 간격들에 분포되는 스펙트럼들은 이득 제어부(142)와 오프셋 제어부(144)로부터 제공되는 조절 신호인 이득값과 오프셋값에 의해 각기 다르게 증폭될 수 있다.
이득 제어부(142)와 오프셋 제어부(144)의 조절 신호는 스펙트럼 ROI 웨이팅 블락(150)에서 제공된다. 스펙트럼 ROI 웨이팅 블락(150)은 CPU(152)와 데이터 메모리 블락(154)으로 구성되어, 시료(120)의 스펙트럼 상에서 시료 분석에 유용하게 사용되어질 스펙트럼 파장 대역을 선정하고 이 선정된 파장 대역에 따라 스펙트럼을 시간의 흐름에 따라 분할하게 된다. 분할된 파장 대역에서의 스펙트럼은 그 진폭에 따라 분해능을 증가시킬 부분으로 선정된다. 분해능을 증가시킬 스펙트럼 부분은 스펙트럼 ROI 웨이팅 블락(150)에서 생성되는 가중치 벡터에 의해 결정된다. 이 가중치 벡터가 이득 제어부(142)와 오프셋 제어부(144)로 제공된다.
아날로그-디지털 변환부(160)는 증폭된 스펙트럼을 디지털 신호로 양자화하여 스펙트럼 합성 블락(170)으로 전달한다. 스펙트럼 합성 블락(170)은 업-다운 분해능 블락(140)에서 시간 간격별로 차등적으로 적용된 분해능을 가진 스펙트럼을 원래의 스펙트럼 크기로 합성한다.
이하, 스펙트럼의 분해능을 향상시키기 위하여 도 2의 플로우챠트에서 구해지는 벡터들을 도 3의 블락 다이어그램에 적용하여 관심 영역의 스펙트럼을 분해하는 방법이 구체적으로 설명된다.
도 2를 살펴보면, 검출부(130, 도 1)로부터 수신된 원래의 스펙트럼 x(n)에서 분해능을 향상시킬 부분을 선정한다(210). x(n) 스펙트럼을 임의의 시간 간격으로 나눈(220) 다음, 나누어진 시간 간격을 기준으로 가중치 벡터 W를 구성한다(230). 가중치 벡터 W와 시간 간격에 맞추어 x(n) 스펙트럼의 이득 및 오프셋을 변화시키는 벡터 R을 구성한다(240). 그리고 x(n) 스펙트럼의 크기로 복원시키는 벡터 S를 구성한다(250).
도 3을 참조하면, 스펙트럼 ROI 웨이팅 블락(150)이 검출부(130, 도 1)로부터 수신된 원래의 스펙트럼 x(n)에다가 가중치 벡터 W를 곱하여 관심 영역 벡터 v(n)을 생성시킨다. 가중치 벡터 W를 예시적으로 다음과 같이 나타낸다.
그리고, 관심 영역 벡터 v(n)을 다음과 같이 나타낸다.
도 4는 원래의 스펙트럼 x(n)에 대하여 가중치 벡터 W와 관심 영역 벡터 v(n)를 표시한 도면이다. 제2 관심 영역 벡터 의 분해능이 예컨대, 8로 나타 남에 대하여 제4 관심 영역 벡터 의 분해능이 3으로 나타난다. 이는 제4 관심 영역 벡터 의 크기가 상대적으로 작기 때문에 나타나는 현상이다.
다시, 도 3으로 돌아가서, 업-다운 분해능 블락(140)은 관심 영역 벡터 v(n)를 수신하여 이득 및 오프셋 벡터 R로 함수곱하여 분해능 벡터 r(n)를 생성한다. 이득 및 오프셋 벡터 R은 다음과 같이 정의된다.
분해능 벡터 r(n)는 관심 영역 벡터 v(n)와 이득 및 오프셋 벡터 R과의 함수 곱으로 나타내면 다음과 같다.
따라서,
...
으로 표현된다.
분해능 벡터 r(n)는 원래의 벡터 x(n) 크기로 복원시키기 위한 합성 벡터 S와 함수곱되어 복원 벡터 z(n)를 생성한다. 합성 벡터 S는 다음과 같이 정의된다.
복원 벡터 z(n)은 합성 벡터 S와 분해능 벡터 r(n)와의 함수곱으로 나타내면 다음과 같다.
따라서,
...
으로 표현된다.
도 5는 원래의 스펙트럼 x(n) 대비 분해능 벡터 r(n)와 복원 벡터 z(n)를 나타내는 것으로, 앞서 도 4에서 분해능이 3으로 나타난 제4 관심 영역 벡터 이 분해능 7의 제4 복원 벡터 로 분해능이 향상되었음을 나타낸다.
이 후, 복원 벡터 z(n)의 합으로 분해능이 향상된 스펙트럼 이 얻어진다.
따라서, 본 실시예의 분광 성분 분석기(100)를 이용하여 시간 간격별로 스펙트럼의 분해능을 향상시키는 방법을 정리하면 도 6과 같다. 이를 참조하면, 광원을 시료에 조사하여(610), 시료를 통과한 광을 검출부를 통해 검출한다(620). 정의된 가중치 벡터 W와 이득 및 오프셋 벡터 R에 의해 업-다운 분해능 블락에서 검출된 스펙트럼의 이득 및 오프셋을 조정한다(630). 업-다운 분해능 블락을 통과한 스펙트럼을 아날로그-디지털 변환부에서 양자화한(640) 후, 분해능이 향상된 양자화된 스펙트럼을 원래의 스펙트럼 크기로 복원한다(650). 이 때, 향상된 분해능은 그대로 유지하면서 복원된다. 결과적으로, 분해능이 향상된 스펙트럼이 산출된다(660).
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 본 발명의 분광 성분 분석 방법 및 장치에 의하면, 진폭의 차이가 큰 스펙트럼에 대하여 일정 시간 간격으로 분할한 후, 시간 간격별로 차등적으로 분해능을 적용시켜 스펙트럼을 분석한다. 이에 따라 관심 있는 영역의 스펙트럼의 분해능과 정밀도, 그리고 신호 대 잡음비가 향상된다.
또한, 관심 영역의 갯수가 많을 경우, 종래의 분광 성분 분석기들에서 다수개의 증폭기나 샘플 앤드 홀드 회로의 필요로 인해 시스템 구성이 커지고 비싸지는 것에 반하여, 작은 크기로 저렴하게 시스템을 구성할 수 있다.
더욱이, 스펙트럼 측정 횟수를 감소시킴으로써 종래의 성분 분석 방법에 비해 드리프트에 의한 잡음 영향을 감소시킨다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분광 성분 분석 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 분광 성분 분석 장치에 적용되는 벡터들의 생성 순서를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 분광 성분 분석 장치 내 벡터들의 흐름을 더욱 구체적으로 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5는 시료에서 검출된 원래의 스펙트럼 및 분해능이 향상된 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 분광 성분 분석 장치의 동작을 설명하는 플로우챠트이다.
Claims (15)
- 시료에 광원을 조사하는 단계;상기 시료를 통과한 광 스펙트럼을 검출하는 단계;상기 검출된 스펙트럼을 임의의 시간 간격으로 분할하는 단계;상기 분할된 스펙트럼에 가중치 벡터와 이득 및 오프셋 벡터를 적용하여 분해능 벡터를 생성하는 단계;상기 분해능 벡터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 양자화하는 단계; 및상기 양자화된 스펙트럼에 합성 벡터를 적용하여 상기 광 스펙트럼의 크기로 복원하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 가중치 벡터는상기 분할된 스펙트럼에서 분해능을 증가시킬 관심 영역을 선정하는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 이득 및 오프셋 벡터는상기 관심 영역의 스펙트럼을 증폭하여 동적 활성 영역으로 상기 스펙트럼의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 분해능 벡터는로 표시되고,여기에서, 이득 및 오프셋 벡터 R은로 표시되고, 는 상기 이득을, 그리고 는 상기 오프셋을 나타내는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 합성 벡터는로 나타내고, 는 상기 이득을, 그리고 는 상기 오프셋을 나타내는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 방법.
- 시료에 광원을 조사하는 단계;상기 시료를 통과한 광 스펙트럼을 검출하는 단계;상기 검출된 스펙트럼을 임의의 시간 간격으로 분할하는 단게;상기 분할된 스펙트럼에서 관심 영역을 표시하는 가중치 벡터를 생성하는 단계;상기 관심 영역의 스펙트럼 크기를 증폭하기 위한 이득 및 오프셋 벡터를 생성하는 단계;상기 광 스펙트럼의 크기대로 복원시키는 합성 벡터를 생성하는 단계;상기 광 스펙트럼에다가 상기 가중치 벡터를 곱하여 관심 영역 벡터를 생성하는 단계;상기 관심 영역 벡터에다가 상기 이득 및 오프셋 벡터를 곱하여 분해능 벡터를 생성하는 단계;상기 분해능 벡터를 상기 합성 벡터와 곱하여 복원 벡터를 생성하는 단계; 및상기 복원 벡터를 합하여 상기 광 스펙트럼 크기로 분해능이 향상된 스펙트럼을 얻는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 가중치 벡터는로 표시되는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 분해능 벡터는로 표시되고,여기에서, 이득 및 오프셋 벡터 R은로 표시되고, 는 상기 이득을, 그리고 는 상기 오프셋을 나타내는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 합성 벡터는로 나타내고, 는 상기 이득을, 그리고 는 상기 오프셋을 나타내는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 방법.
- 광원;시료;상기 광원을 상기 시료에 조사하여 나타나는 광 스펙트럼을 검출하는 검출기;상기 광 스펙트럼의 관심 영역에 대해 소정의 가중치 벡터와 이득 및 오프셋 벡터를 조정하는 스펙트럼 웨이팅 블락;상기 가중치 벡터와 이득 및 오프셋 벡터에 응답하여 상기 검출기에 의해 검출된 광 스펙트럼을 증폭하여 분해능 벡터를 생성하는 업-다운 분해능 블락;상기 업-다운 분해능 블락의 출력인 상기 분해능 벡터를 수신하여 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환부; 및상기 아날로그-디지털 변환부의 출력을 상기 광 스펙트럼의 크기로 복원하는 합성 벡터로 곱하여 복원 벡터를 생성하고 상기 복원 벡터를 합하여 분해능이 향상된 스펙트럼을 출력하는 스펙트럼 합성 블락을 구비하는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석기.
- 제10항에 있어서, 상기 가중치 벡터는일정 시간 간격으로 분할된 상기 광 스펙트럼에서 그 진폭이 작아 상기 분해능이 낮은 영역을 상기 관심 영역으로 선정하는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 업-다운 분해능 블락은상기 스펙트럼 웨이팅 제어부로부터 상기 이득 벡터를 수신하는 이득 제어부;상기 스펙트럼 웨이팅 블락으로부터 상기 오프셋 벡터를 수신하는 오프셋 제어부; 및상기 이득 벡터와 상기 오프셋 벡터에 응답하여 상기 관심 영역의 스펙트럼을 증폭하는 증폭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 가중치 벡터는로 표시되는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 분해능 벡터는로 표시되고,여기에서, 이득 및 오프셋 벡터 R은로 표시되고, 는 상기 이득을, 그리고 는 상기 오프셋을 나타내는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 합성 벡터는로 나타내고, 는 상기 이득을, 그리고 는 상기 오프셋을 나타내는 것을 특징으로 하는 분광 성분 분석 장치.
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