KR20100060530A - 형광 라이다 수신 광학계, 상기 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치 및 방법 - Google Patents

형광 라이다 수신 광학계, 상기 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계는 망원경을 통해 입사되는 형광 빛을 평행광으로 변환시키는 오목거울; 상기 평행광에 포함된 제1 파장의 빛을 제1 방향으로 회절시키는 제1 회절판; 상기 제1 방향으로 회절된 빛 중, 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장의 빛을 상기 제1 방향과 직각 방향인 제2 방향으로 회절시키는 제2 회절판; 상기 제1 및 제2 방향으로 회절된 빛을 초점면에 이미징하는 렌즈계; 및 상기 이미징된 빛 중에서 원하는 파장들을 선택하고, 상기 선택된 각 파장별 빛의 세기를 전기적 세기로 변환시키는 센서를 포함한다.
형광, 생물입자, 원격측정, 고유벡터(eigenvector), 고유값(eigenvalue), 광섬유, 회절판

Description

형광 라이다 수신 광학계, 상기 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치 및 방법{FLUORESCENCE LIDAR OPTICAL RECEIVING SYSTEM, APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING FLUORESCENCE MATERIAL IN THE SAME}
본 발명의 실시예들은 형광 라이다 수신 광학계에 관련된 것이다.
대기 중에 부유한 생물입자들은 펄스형 레이저를 받으면, 생물입자의 종류에 따라 고유한 파장의 형광을 발한다. 그러므로 형광을 내는 생물학적 입자의 종류를 알기 위해서는 여러 가지 다른 종류의 필터를 사용하여 형광을 얻어야 하며, 얻어진 광 신호를 전기적 신호로 바꾸기 위하여 PMT(Photo Multiplier Tubes)와 같이 고이득의 센서를 이용하여 수신한다.
그리고 필터를 통하여 수신된 빛의 시간과 레이저를 조사한 시간의 차이를 이용하면 어느 위치에 형광물질이 있는지 알 수 있다. 이처럼 필터의 경우 하나의 필터는 그 필터의 투과 선폭에 해당하는 한 파장의 빛만 투과시키기 때문에 넓은 영역의 파장을 동시에 얻기 힘들다. 필터에서 투과되지 않고 반사된 빛을 다시 다른 종류의 필터를 이용하여 투과시킬 수 있으나, 여러 파장에서 신호를 얻기 위하여 여러 번 반사시키면 마지막으로 투과되는 파장은 그 효율이 첫 번째 그것보다 작아지게 된다. 또한 수직으로 입사시킬 경우 반사광을 사용할 수 없어서 일정한 각도를 가지고 입사시키면, 필터를 설계하는데 많은 어려움이 있다.
그러나 생물 입자는 대부분 넓은 영역에서 그 형광 스펙트럼이 존재하고 서로 다른 종류의 생물입자 이더라도 형광 스펙트럼은 많은 부분이 겹쳐서 존재한다. 그러기 때문에 형광물질의 종류에 대한 정보를 얻기 위해서는 넓은 영역의 스펙트럼을 얻어야 하기 때문에 필터를 이용하는 방식은 생물입자의 종류를 밝히는데 역부족이다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 많은 사람들은 필터 대신에 회절판과 CCD(Charge-Coupled Device)를 이용하여 CCD의 각 픽셀에 서로 다른 파장을 집속시켜 넓은 파장 영역의 형광 신호를 얻는다. 그리고 미세한 신호도 충분히 증폭할 수 있도록 감도가 높은 ICCD(Intensified CCD)를 사용한다. 그러나 이러한 ICCD를 사용할 경우, 한 번의 레이저 조사로 한 번의 화면, 즉 한번의 gate 동작으로 한 위치에서의 형광 신호만 얻을 수 있다.
이러한 점에서 회절판과 ICCD 를 사용하는 경우는 공간의 임의의 위치에 존재할 수도 있는 생물학적 입자의 존재 유무를 알 수 있는 방법으로는 적합하지 않다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 필터와 PMT를 사용하는 것과 같은 정도의 공간 분해능을 얻을 수 있으며, 또한 ICCD와 같이 입자의 종류를 알 수 있는 장치 및 방법에 대해 제안한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 한 번의 레이저 조사로 레이저가 조사된 방향의 모든 거리에서 형광 신호를 얻을 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 회절판과 광섬유를 적절히 배치하여 다양한 중요 파장 벡터만 추출함으로써, 비교적 적은 파장만으로도 형광물질의 종류를 판별할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 레이저 빛이 왕복하는 시간을 측정하여 측정하고자 하는 형광물질이 대기 공간 중에 어디에 있는지를 알 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계는 망원경을 통해 입사되는 형광 빛을 평행광으로 변환시키는 오목거울; 상기 평행광에 포함된 제1 파장의 빛을 제1 방향으로 회절시키는 제1 회절판; 상기 제1 방향으로 회절된 빛 중, 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장의 빛을 상기 제1 방향과 직각 방향인 제2 방향으로 회절시키는 제2 회절판; 상기 제1 및 제2 방향으로 회절된 빛을 초점면에 이미징하는 렌즈계; 및 상기 이미징된 빛 중에서 원하는 파장들을 선택하고, 상기 선택된 각 파장별 빛의 세기를 전기적 세기로 변환시키는 센서를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치는 복수의 형광물질 각각에 대한 형광 특성값을 기록하여 유지하는 데이터베이스; 측정 대상 형광물질에 매칭되는 형광 특성값을 상기 데이터베이스로부터 획득하는 획득부; 상기 획득된 형광 특성값을 이용하여 고유벡터 값을 계산하는 연산부; 상기 계산된 고유벡터 값을 이용하여 특정 파장을 선택하는 파장 선택부; 및 상기 선택된 특정 파장을 이용하여 상기 측정 대상 형광물질을 탐지하는 탐지부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 방법은 복수의 형광물질 각각에 대한 형광 특성값을 데이터베이스에 기록하여 유지하는 단계; 측정 대상 형광물질에 매칭되는 형광 특성값을 상기 데이터베이스로부터 획득하는 단계; 상기 획득된 형광 특성값을 이용하여 고유벡터 값을 계산하는 단계; 상기 계산된 고유벡터 값을 이용하여 특정 파장을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 특정 파장을 이용하여 상기 측정 대상 형광물질을 탐지하는 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형 태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 한 번의 레이저 조사로 레이저가 조사된 방향의 모든 거리에서 형광 신호를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 회절판과 광섬유를 적절히 배치하여 다양한 중요 파장 벡터만 추출함으로써, 비교적 적은 파장만으로도 형광물질의 종류를 판별할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 레이저 빛이 왕복하는 시간을 측정하여 측정하고자 하는 형광물질이 대기 공간 중에 어디에 있는지를 알 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 먼저 측정하고자 하는 물질의 형광 특성을 파악하여 데이터 베이스에 기록/유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 데이터베이스로부터 각 파장에 해당하는 각 물질들의 형광세기를 알 수 있고, 이로부터 공분산 행렬(하기 수학식 2 참조)을 얻을 수 있으며, 이 행렬에서 고유값(eigenvalue)과 고유벡터(eigenvector)를 계산할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 계산된 고유값으로부터 그 크기 순서로 고유벡터를 구성하고, 상기 구성된 고유벡터 중에서, 고유값이 큰 고유벡터를 N(자연수)개 선정한 후, 기여 도, 즉 가중치(weight)가 큰 것을 골라서 파장을 선택할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 여러 가지 형광물질의 형광 특성을 보여주기 위해 도시한 도면이다.
도 1에서, I1, I2,...는 빛의 세기를 나타낸다. I1, I2 의 1, 2,. 는 각각 형광 파장을 나타내고, I는 빛의 세기를 의미한다. N(자연수) 가지 물질의 형광을 측정하는 경우, I1 값은 N 가지의 종류로 나타나고, I2 역시 같은 수의 값이 존재하게 된다. 즉, I1 1 , I1 2 , ..., I1 N 값은 형광물질이 N 개이고 파장이 1인 경우 얻어지는 형광의 세기를 측정하여 얻을 수 있는 집합의 원소를 나타내고, 이에 대응하는 파장 2 에 해당하는 집합의 원소도 같은 방법으로 I2 1 , I2 2 , ..., I2 N 값과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008082039509-PAT00001
각 파장에서 얻어진 N개의 원소로 이루어진 집합들(I1, I2, ..., IK)은 상기 수학식 1을 통해 계산될 수 있으며, 상기 집합들(I1, I2, ..., IK) 상호간의 공분산 행렬 M은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008082039509-PAT00002
행렬 M으로부터 얻어지는 주요벡터는 수학식으로 쉽게 구할 수 있으며, 예컨대 하기 수학식 3과 같다고 가정한다.
Figure 112008082039509-PAT00003
이러한 경우, 상기 수학식 3의 고유벡터(eigenvector)에 대응하는 고유값(eigenvalue)들을 λ1, λ2, ..., λ3라 할 경우, 상기 고유값들의 크기는 λ1 > λ2 >, ..., > λ3일 수 있으며, 이때, 상기 고유값 크면 클수록 형광물질을 더 대표할 수 있다. 예를 들어, 고유값의 크기가 λ1 > λ2 >, ..., > λ3의 순위이고 그 값이 큰 두 개의 고유벡터는 아래의 수학식 4와 같다.
Figure 112008082039509-PAT00004
Figure 112008082039509-PAT00005
상기 수학식 4에서,
Figure 112008082039509-PAT00006
는 고유벡터의 방향을 결정하는 데 크게 중요하지 않은 값이며, 이에 따라 실제 측정 시
Figure 112008082039509-PAT00007
는 고려하지 않아도 된다. 즉, 파장 2에 해당하는 값은 두 개의 고유벡터에 같은 비율로 작용하기 때문에, 실제 형광물질을 구별하는 데 도움이 되지 않으므로, 실제 측정에서는 불필요한 파장일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는, 고유벡터에 영향을 주지 않는 파장을 버리고 영향이 큰 값의 파장만 택하는 것이 바람직하다. 즉, 고유벡터에 영향을 주지 않는 불필요한 파장을 제거하는 대신에, 고유벡터에 영향을 주는 필요한 파장을 택할 수 있다.
상기와 같은 절차를 거친 후, 이러한 파장(필요한 파장)을 얻을 수 있는 광학계를 아래와 같이 구축할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 광학 수신계의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 형광 라이다 광학 수신계는 UV 레이저(201), 이색성 거울(202), 망원경(203, 204), 오목거울(206), 제1 회절판(207), 제2 회절판(208), 렌즈계(209), 광섬유 다발(210), 및 센서(211)를 포함할 수 있다.
UV 레이저(201)는 대기 중으로 자외선 영역의 UV 레이저 빛을 조사한다.
이색성 거울(202)은 레이저 빛만 반사하고 그 보다 파장이 큰 영역의 빛을 투과한다.
망원경(203, 204)은 레이저 빛을 대기 중으로 확대해서 조사하고, 대기 중에서 산란된 빛을 포집한다. 이러한 망원경(203, 204)는 두 개의 거울로 구성된다.
오목거울(206)은 망원경(203, 204)으로 모은 빛을 다시 평행광으로 바꾼다. 이러한 오목거울(206)은 거울 수차가 보정된 렌즈로 구현될 수 있다.
제1 회절판(207)은 형광 빛을 파장에 따라 그 각도를 바꾼다. 즉, 제1 회절판(207)은 상기 평행광에 포함된 제1 파장의 빛을 제1 방향(y축 방향)으로 회절시킨다.
제2 회절판(208)은 상기 제1 방향으로 회절된 빛 중, 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장의 빛을 상기 제1 방향과 직각 방향인 제2 방향(x축 방향)으로 회절시킨다. 이때, 제2 회절판(208)은 상기 제1 파장의 빛과 FSR(Free Spectrum Range)만큼 차이가 있는, 상기 제2 파장의 빛을 상기 제2 방향으로 회절시킨다.
렌즈계(209)는 상기 제1 및 제2 방향으로 회절된 빛을 초점면에 이미징한다. 이때, 렌즈계(209)는 상기 초점면에 이미징된 빛을 2차원으로 배열한다. 즉, 렌즈계(209)는 제1 회절판(207)과 제2 회절판(208)에 의해서 서로 90도 각도로 분산된 서로 다른 파장의 빛을 다시 상기 초점면(2 차원 평면)에 모은 후, 2 차원으로 배열한다.
광섬유 다발(210)은 상기 초점면에 형성되어 상기 이미징된 빛을 각 파장별로 나누어 수집한다.
센서(211)는 광섬유 다발(210)을 통하여 얻어진 각각의 파장에 해당하는 빛의 세기를 전기적 세기로 바꾸어준다. 즉, 센서(211)는 광섬유 다발(210)에 포함 된 각 광섬유를 통하여 각각의 파장을 입력 받고, 상기 입력된 파장들 중 원하는 파장들을 선택하여 각 파장별 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. 이로써, 센서(211)는 상기 변환된 전기 에너지를 이용하여 각 파장에 따른 라이다 신호의 변화를 얻을 수 있다.
참고로, 도 2에서 미 설명된 참조번호 205는 대기 중에서 발생된 형광파장 빛을 가리킨다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계의 구성을 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 망원경(도 2의 203, 204 참조)에는 레이저에 해당하는 빛과 형광에 해당하는 빛, 그리고 대기 중에 있는 각종 산란 배경 신호들이 이 공통으로 입사되기 때문에, 상기 형광 라이다 수신 광학계는 불필요한 배경 신호와 과도한 레이저 빛을 차단할 수 있도록 망원경의 초점면에 작은 홀(301)을 형성한다. 즉, 상기 형광 라이다 수신 광학계는 홀(301)을 통해 망원경의 FOV(Field of View) 밖에 있는 대기의 배경신호들을 제거한다.
이때, 홀(301)을 통과한 빛 중에선 아직도 레이저 방향에서 후방 산란되어 되돌아오는 강한 탄성산란신호(Mie and Rayleigh)가 존재할 수 있다. 따라서, 상기 형광 라이다 수신 광학계는 홀(301)을 통과한 빛 중 레이저 파장에 해당하는 빛을 차단하고 그보다 긴 형광 파장만 투과시키는 너치필터(302)를 구비한다.
너치필터(302)는 작은 선폭의 간섭필터보다 입사 각도에 크게 민감하지 않도록 제작이 가능하므로, 이러한 너치필터(302)는 임의의 위치에 설치되어도 무방하 다.
오목거울의 일실시예인 수차가 보정된 렌즈(또는 포물경)(303)은 너치필터(302)를 통과한 빛을 평행광으로 바꾸어 제1 회절판(305)에 입사시킨다. 제1 회절판(305)에 입사되는 빛은 아직 여러 가지 종류의 형광파장을 포함하고 있으며, 같은 방향으로 입사된 빛(304)을 y축 방향(306)으로 회절시킨다.
제1 회절판(305)는 작은 각도에서 충분히 큰 분산을 얻기 위하여 입사각이 큰 에셀(Echelle) 회절판으로 구현될 수 있다. 상기 에셀 회절판은 동일 분산 방향으로 서로 다른 차수의 다른 파장의 빛을 회절시킨다.
제2 회절판(307)은 y축 방향(306)으로 회절된 빛 중에서, FSR 만큼 차이가 있는 다른 파장의 빛들을 분산시키기 위하여, y축 방향과 직각 방향, 즉 x축 방향(308)으로 상기 다른 파장의 빛들을 회절시킨다. 같은 방향으로 서로 다른 파장의 빛이 진행할 때 파장 차이를 FSR(Free Spectrum Range)라 하는데, 일반적으로 FSR는 원하는 파장의 분해능보다 수십-수백배 크다.
본 발명의 실시예에서는 같은 방향으로 진행하는 FSR 만큼 다른 파장의 빛을 분리하기 위하여, 비교적 파장 변화대 각도변화(dθ/dλ)가 작은 투과형 분산기(프리즘 혹은 투과형 회절판)를 처음 분산방향과 직각방향으로 분산되도록 설치할 수 있다. 여기서, 상기 투과형 분산기(프리즘 혹은 투과형 회절판)은 2 차 회절판의 일실시예에 포함될 수 있다. 상기 2 차 회절판은 1 차 회절판에 비하여 파장대 분산각이 적은 것을 사용하여도 무방하다.
이렇게 두 번 두 방향으로 회절된 빛(310)을 렌즈계(309)로 집광하여 초점 면(311)에 맺히게 하면서 그 위치에 광섬유(312)를 두면 서로 다른 파장의 빛은 다른 광섬유로 모여진 후, 다른 센서(313)로 입력되어 그 파장에 따른 라이다 신호의 변화를 얻을 수 있게 된다.
이때, 센서(313)는 각기 다른 광섬유(312)를 통해 입력되는 빛 중에서, 원하는(또는 필요한) 파장을 선택하여 결정할 수 있다. 센서(313)는 상기 결정된 각 파장에 대한 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. 센서(313)는 상기 각 파장에 대한 전기 에너지를 이용하여 각 파장에 따른 라이다 신호의 변화를 얻을 수 있게 된다.
각각의 센서(313)에서 얻어진 데이터를 통해
Figure 112008082039509-PAT00008
,
Figure 112008082039509-PAT00009
,
Figure 112008082039509-PAT00010
방향의 값을 얻을 수 있게 되며, 이 값을 총 신호의 적분 값으로 나누어 정규화(normalization) 하면 각 파장에 대한 가중치(w1, w2, w3)를 구할 수 있다. 그리고, 상기 가중치를 상기 수학식 3에서 사용된 계수가중치(a11, a12, a13)에 곱하여 고유벡터 값(벡터 V1))을 구할 수 있게 된다. 이와 마찬가지로, 계수가중치(a21, a22, a23)에 상기 가중치에 곱하면 고유벡터 값(벡터 V2)를 구할 수 있으며, 같은 방법으로 고유벡터 값(벡터 V3)도 구할 수 있다.
도면 4 는 본 발명의 실시예에 따른 최종 결과물을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 비록 유사한 형광 파장 특성을 보이는 물질이더라도, 물질의 종류에 따라 서로 다른 고유값을 가지게 되고 그 값으로 물질의 종류를 판별할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는, 한 번의 레이저 조사로 여러 파장의 신호를 얻고 동시에 각 파장에 해당하는 형광 빛을 연속적인 시간으로　얻어서 형광물질의　위치를 파악할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는, 레이저의 조사 시간과 형광 빛의 입사 시간 간의 시간 차이를 이용하여, 형광물질의 위치를 파악할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 상기 형광물질 탐지 장치는 데이터베이스(510), 획득부(520), 연산부(530), 파장 선택부(540), 탐지부(550), 및 제어부(560)를 포함한다.
데이터베이스(510)는 복수의 형광물질 각각에 대한 형광 특성값을 기록하여 유지한다. 여기서, 상기 형광 특성값은 상기 형광물질 각각에 대한 파장별 형광 빛의 세기를 포함할 수 있다.
획득부(520)는 측정 대상 형광물질에 매칭되는 형광 특성값을 상기 데이터베이스(510)로부터 획득한다. 즉, 획득부(520)는 상기 데이터베이스(510)에 기록된 형광 특성값 중에서, 상기 측정 대상 형광물질에 매칭되는 형광 특성값을 검색하여 획득할 수 있다.
연산부(530)는 상기 획득된 형광 특성값을 이용하여 고유벡터 값을 계산한다. 즉, 연산부(530)는 상기 획득된 형광 특성값을, 상기 측정 대상 형광물질로부터 발생되는 비탄성산란신호의 적분값으로 나눈 후 정규화하여, 상기 획득된 형광 특성값의 각 파장에 대한 가중치를 산출하고, 상기 산출된 가중치를 이용하여 상기 고유벡터 값을 계산한다.
또 달리, 연산부(530)는 상기 획득된 형광 특성값을 이용하여 공분산 행렬(상기 수학식 2 참조)을 생성하고, 상기 생성된 공분산 행렬을 이용하여 상기 고유벡터 값을 계산할 수 있다. 여기서, 상기 고유벡터 값은 고유벡터(eigenvector)에 대응하는 고유값(eigenvalue)을 의미한다.
파장 선택부(540)는 상기 계산된 고유벡터 값을 이용하여 특정 파장을 선택한다. 즉, 파장 선택부(540)는 상기 계산된 고유벡터 값이 큰 상위 N(자연수)개의 고유벡터를 가중치 벡터(weight vector)로서 결정하고, 상기 결정된 가중치 벡터를 이용하여 특정 파장을 선택한다.
탐지부(550)는 상기 선택된 특정 파장을 이용하여 상기 측정 대상 형광물질을 탐지한다. 즉, 탐지부(550)는 상기 선택된 특정 파장을 이용하여 상기 측정 대상 형광물질의 종류를 판별할 수 있다. 또한, 탐지부(550)는 상기 선택된 특정 파장에 해당하는 빛의 입사 시간과, 레이저의 조사 시간 사이의 시간 차이를 이용하여 상기 측정 대상 형광물질의 위치를 판별할 수 있다.
제어부(560)는 본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치를 전반적으로 제어한다. 즉, 제어부(560)는 데이터베이스(510), 획득부(520), 연산부(530), 파장 선택부(540), 탐지부(550) 등의 동작을 전반적으로 제어한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다. 여기서, 상기 형광물질 탐지 방법 은 도 5의 형광물질 탐지 장치에 의해 구현될 수 있다.
도 6을 참조하면, 단계(S610)에서 상기 형광물질 탐지 장치는 복수의 형광물질 각각에 대한 형광 특성값을 데이터베이스에 기록하여 유지한다. 여기서, 상기 형광 특성값은 상기 형광물질 각각에 대한 파장별 형광 빛의 세기를 포함할 수 있다.
단계(S620)에서, 상기 형광물질 탐지 장치는 측정 대상 형광물질에 매칭되는 형광 특성값을 상기 데이터베이스로부터 획득한다. 즉, 상기 형광물질 탐지 장치는 상기 데이터베이스에 기록된 형광 특성값 중에서, 상기 측정 대상 형광물질에 매칭되는 형광 특성값을 검색하여 획득할 수 있다.
단계(S630)에서, 상기 형광물질 탐지 장치는 상기 획득된 형광 특성값을 이용하여 고유벡터 값을 계산한다. 즉, 상기 형광물질 탐지 장치는 상기 획득된 형광 특성값을, 상기 측정 대상 형광물질로부터 발생되는 비탄성산란신호의 적분값으로 나눈 후 정규화하여, 상기 획득된 형광 특성값의 각 파장에 대한 가중치를 산출하고, 상기 산출된 가중치를 이용하여 상기 고유벡터 값을 계산한다.
또 달리, 상기 형광물질 탐지 장치는 상기 획득된 형광 특성값을 이용하여 공분산 행렬(상기 수학식 2 참조)을 생성하고, 상기 생성된 공분산 행렬을 이용하여 상기 고유벡터 값을 계산할 수 있다. 여기서, 상기 고유벡터 값은 고유벡터(eigenvector)에 대응하는 고유값(eigenvalue)을 의미한다.
단계(S640)에서, 상기 형광물질 탐지 장치는 상기 계산된 고유벡터 값을 이용하여 특정 파장을 선택한다. 즉, 상기 형광물질 탐지 장치는 상기 계산된 고유 벡터 값이 큰 상위 N(자연수)개의 고유벡터를 가중치 벡터(weight vector)로서 결정하고, 상기 결정된 가중치 벡터를 이용하여 특정 파장을 선택한다.
단계(S650)에서, 상기 형광물질 탐지 장치는 상기 선택된 특정 파장을 이용하여 상기 측정 대상 형광물질을 탐지한다. 즉, 상기 형광물질 탐지 장치는 상기 선택된 특정 파장을 이용하여 상기 측정 대상 형광물질의 종류를 판별할 수 있다. 또한, 상기 형광물질 탐지 장치는 상기 선택된 특정 파장에 해당하는 빛의 입사 시간과, 레이저의 조사 시간 사이의 시간 차이를 이용하여 상기 측정 대상 형광물질의 위치를 판별할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명 의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 여러 가지 형광물질의 형광 특성을 보여주기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 광학 수신계의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계의 구성을 구체적으로 도시한 도면이다.
도면 4 는 본 발명의 실시예에 따른 최종 결과물을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
510: 데이터베이스
520: 획득부
530: 연산부
540: 파장 선택부
550: 탐지부
560: 제어부

Claims (15)

  1. 망원경을 통해 입사되는 형광 빛을 평행광으로 변환시키는 오목거울;
    상기 평행광에 포함된 제1 파장의 빛을 제1 방향으로 회절시키는 제1 회절판;
    상기 제1 방향으로 회절된 빛 중, 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장의 빛을 상기 제1 방향과 직각 방향인 제2 방향으로 회절시키는 제2 회절판;
    상기 제1 및 제2 방향으로 회절된 빛을 초점면에 이미징하는 렌즈계; 및
    상기 이미징된 빛 중에서 원하는 파장들을 선택하고, 상기 선택된 각 파장별 빛의 세기를 전기적 세기로 변환시키는 센서
    를 포함하는 형광 라이다 수신 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초점면은,
    상기 이미징된 빛을 각 파장별로 나누어 수집하는 광섬유 다발을 포함하고,
    상기 센서는,
    상기 광섬유 다발을 통해 상기 각 파장별 빛을 입력 받아, 상기 각 파장별 빛의 세기를 상기 전기적 세기로 변환시키는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 회절판은,
    상기 제1 파장의 빛과 FSR(Free Spectrum Range)만큼 차이가 있는, 상기 제2 파장의 빛을 상기 제2 방향으로 회절시키는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈계는,
    상기 초점면에 이미징된 빛을 2차원으로 배열하는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 망원경의 초점면에는,
    상기 망원경의 FOV(Field Of View) 밖에 있는 대기의 배경신호를 제거하기 위한 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 망원경을 통해 포집된 빛 중, 레이저 빛은 차단하고 상기 레이저 빛보다 파장이 긴 상기 형광 빛은 투과시키는 너치필터
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계.
  7. 복수의 형광물질 각각에 대한 형광 특성값을 기록하여 유지하는 데이터베이스;
    측정 대상 형광물질에 매칭되는 형광 특성값을 상기 데이터베이스로부터 획득하는 획득부;
    상기 획득된 형광 특성값을 이용하여 고유벡터 값을 계산하는 연산부;
    상기 계산된 고유벡터 값을 이용하여 특정 파장을 선택하는 파장 선택부; 및
    상기 선택된 특정 파장을 이용하여 상기 측정 대상 형광물질을 탐지하는 탐지부
    를 포함하는 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 획득된 형광 특성값을, 상기 측정 대상 형광물질로부터 발생되는 비탄성산란신호의 적분값으로 나눈 후 정규화하여, 상기 획득된 형광 특성값의 각 파장에 대한 가중치를 산출하고,
    상기 산출된 가중치를 이용하여 상기 고유벡터 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 획득된 형광 특성값을 이용하여 공분산 행렬을 생성하고,
    상기 생성된 공분산 행렬을 이용하여 상기 고유벡터 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 파장 선택부는,
    상기 계산된 고유벡터 값이 큰 상위 N개의 고유벡터를 가중치 벡터로서 결정하고,
    상기 결정된 가중치 벡터를 이용하여 특정 파장을 선택하는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 장치.
  11. 복수의 형광물질 각각에 대한 형광 특성값을 데이터베이스에 기록하여 유지하는 단계;
    측정 대상 형광물질에 매칭되는 형광 특성값을 상기 데이터베이스로부터 획득하는 단계;
    상기 획득된 형광 특성값을 이용하여 고유벡터 값을 계산하는 단계;
    상기 계산된 고유벡터 값을 이용하여 특정 파장을 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 특정 파장을 이용하여 상기 측정 대상 형광물질을 탐지하는 단계
    를 포함하는 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고유벡터 값을 계산하는 단계는,
    상기 획득된 형광 특성값을, 상기 측정 대상 형광물질로부터 발생되는 비탄성산란신호의 적분값으로 나눈 후 정규화하여, 상기 획득된 형광 특성값의 각 파장에 대한 가중치를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 가중치를 이용하여 상기 고유벡터 값을 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 고유벡터 값을 계산하는 단계는,
    상기 획득된 형광 특성값을 이용하여 공분산 행렬을 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 공분산 행렬을 이용하여 상기 고유벡터 값을 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 계산된 고유벡터 값을 이용하여 특정 파장을 선택하는 단계는,
    상기 계산된 고유벡터 값이 큰 상위 N개의 고유벡터를 가중치 벡터로서 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 가중치 벡터를 이용하여 특정 파장을 선택하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 라이다 수신 광학계에서의 형광물질 탐지 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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