KR20110111970A - 과일당도측정 집적광센서 및 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 과일의 당도측정을 위하여 비파괴적이고, 휴대용 구조가 가능한 소형, 경량화 및 저가격구조의 측정기기에 적용하는 집적화된 광센서이다. 광원은 과일의 당도와 관련 파장을 갖는 발광다이오드 칩을 여러 중심파장으로 사용하였고, 광신호의 검출은 포토다이오드 칩을 사용하여 단일기판에 2중으로 배열하여 집적화하였다. 과일로부터 직접표면반사를 차단하고, 과일내부의 확산 반사광을 효율적으로 집광하는 기능을 구현하기 위한 광섬유다발로 구성한다. 이와 같은 광소자들은 단일기판에 집적화된 패키징을 통해 구현되어 과일당도 측정기기에 효과적으로 적용할 수 있게 하였다. 또한, 구현된 집적광센서를 이용한 과일당도 측정방법을 발명하였다.
Description
본 발명은 과일의 내부품질에서 중요한 품질인자중 하나인 단 맛을 결정하는 과일의 당도를 파괴하여 착즙하지 않고 비파괴적으로 신속하게 측정하는 기술로서, 빛을 과일에 비추어 확산반사된 빛으로부터 파장별 신호를 감지하여, 과일의 당도를 예측하는 기술이다. 종래의 기술로는 근적외선 분광분석기술과 과일을 착즙하여 측정하는 굴절당도계 등이 있다.
과실류의 내부품질 요인 중 하나인 과일당도는 과일즙을 이용하여 빛의 굴절률을 이용한 굴절당도계를 사용한다. 이는 과일을 파괴하여 전수조사가 아닌 표본조사에 의존하고 있으므로 대표성에 대한 의문이 제기되고 있다.
과일을 착즙하지 않으며, 비파괴 전수검사가 가능한 기술로써, 근적외선 분광분석기술이 개발되어 사용되고 있다. 근적외선 분광분석기술은 과일시료에 빛을 조사하여 확산반사하는 빛의 파장을 분석하여 과일의 당도를 예측하는 기술이다. 또한 분광분석기술을 활용한 휴대용 당도측정기기는 동일한 광학구조이면서 크기를 최소화하고 가격을 낮추기 위한 방향으로 개발되어 왔다. 그러나 측정기기의 구성에는 광대역파장 광원인 할로겐 램프와 광학렌즈 및 분광기를 사용해야 하고, 도1에서는 종래의 측정방식에 따른 구성을 나타내고 있다. 이와 같은 구성부품은 외형이 크고 전력소비가 커서 휴대용 측정기기 구성에는 한계가 있다. 따라서 휴대용 당도측정기기가 갖추어야 할 소형, 경량화의 한계, 고 소비전력 등의 개선을 위한 기술이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안되는 것으로서, 종래의 할로겐 램프와 분광기를 사용하지 않으면서도, 과일당도를 측정할 수 있는 새로운 광학구조의 제안에 있으며, 새로운 광학구조의 구성에 따른 광학특성과 과일의 당도관련 공통인자를 연계하여 일관된 측정검량식으로 동작할 수 있도록 구현하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 과일당도측정용 집적광센서는 광원으로 여러 파장의 발광다이오드 칩과 빛을 검출하는 포토다이오드 칩을 단일기판에 집적화하여 구성한다. 집적화된 광소자들의 제반 광학적인 특성을 보호하고, 과일 접촉부위의 물리적 특성을 고려하여 패키징을 구성한다. 집적광센서는 인쇄회로기판에 표면실장이 가능한 반도체 소자와 비슷한 구조로 신호단자를 구성하였으며, 실리콘 레진으로 밀폐하여 공기 중의 습도가 침투하지 않도록 제작하였다. 발광다이오드 칩에서 발산된 빛을 과일에 조사하고 과일내부에서 확산반사된 빛을 왜곡 없이 포토다이오드 칩에 전달하기 위해서는 광섬유다발로 제작된 투명한 윈도우를 집적광센서 상부에 부착하여 구성한다. 각 파장별로 측정된 신호는 과일의 당도와 연계하여 측정검량식에 따른 과일의 당도값을 예측할 수 있게 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 집적광센서는 종래의 광원과 분광기를 사용한 측정기기의 구성과 비교하여 단일소자로 집적화되어 구성되어, 측정기기 구성이 매우 간단하고 소형, 경량화가 가능하며, 궁극적으로 당도측정기기의 휴대용 구성이 가능하고, 제작비용이 현격히 줄어들어 과일당도측정기기의 보급화, 대중화가 가능하다. 또한, 일반 저울이나 전자기기, 단말기 등에 부착하여 사용할 수 있어, 응용제품의 개발 및 확대가 가능하다.
또한, 당도측정용 집적광센서는 과일 뿐 만 아니라 미생물, 생물자원, 포장공학 등 다양한 분야에 기술개발의 파급효과와 활용도가 매우 높다. 향후 집적광센서를 이용한 휴대용 과일당도측정기기는 과일의 경쟁력 제고 및 품질 유지를 위하여 적극 활용될 것으로 보이며, 과일 등급 표준화 작업 시 필수품으로 사용될 것으로 전망된다.
도 1은 종래의 과일당도측정기기의 구성도이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 집적광센서 분해 사시도이다.
도 3은 본 실시형태에 따른 집적광센서를 이용한 측정기기의 구성블록도이다.
도 4는 본 실시형태에 따른 집적광센서 구성 발광다이오드의 파장별 분포 스펙트럼이다.
도 5는 본 실시형태에 따른 광섬유다발(Face Plate)형태와 확대된 내부구조이다.
도 6은 본 실시형태에 따른 발광다이오드와 포토다이오드의 배치도이다.
도 7은 본 실시형태에 따른 과일에서 파장별 광 확산경로를 나타낸다.
도 8은 본 실시형태에 따른 집적광센서의 조립 공정도이다.
도 9는 본 실시형태에 따른 과일의 당도 측정검량식 생성 순서도이다.
도 10은 본 실시형태에 따른 측정신호의 흡광도이다.
도 11은 본 실시형태에 따른 집적광센서를 이용한 측정검량식의 예측결과이다.
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도 5는 본 실시형태에 따른 광섬유다발(Face Plate)형태와 확대된 내부구조이다.
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도 9는 본 실시형태에 따른 과일의 당도 측정검량식 생성 순서도이다.
도 10은 본 실시형태에 따른 측정신호의 흡광도이다.
도 11은 본 실시형태에 따른 집적광센서를 이용한 측정검량식의 예측결과이다.
도2는 실제로 제작된 집적광센서의 분해사시도이다. 광원은 발광다이오드 칩(12)을 배열 하였고, 빛의 검출은 실리콘 포토다이오드 칩(Si photodiode)(13)을 배열 하였다(도8의 51).
도8은 상기 집적광센서(10)의 조립 및 패기징 공정도를 나타낸 것이다.
기판(substrate)(11 또는 도8의 51)은 제작이 간편하고 가격이 싼 에폭시기판을 사용하였다. 발광다이오드와 포토다이오드에서의 빛의 산란과 간섭을 차폐시키고, 습도침투를 방지하기 위한 하우징은 로드셀(Road Cell)(14)을 Al anodizing하여 구성하였다(도8의 53).
과일과 접촉하는 윈도우(window)는 광섬유코어로 제작된 광섬유다발(Face Plate)(15)을 사용하여 발광다이오드(12)와 포토다이오드(13)사이의 빛을 수직방향으로만 전달되게 하였으며, 실리콘 레진(resin)으로 밀폐하여 공기 중의 습도가 침투하지 않도록 제작되었다(도8의 54).
제작된 집적광센서는 인쇄회로기판에 쉽게 표면실장이 가능한 형태로 회로단자가 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
도3은 집적광센서(10)를 이용한 측정기기의 구성블록도이다. 발광다이오드에 안정된 전류를 공급하고, 파장별로 순차적인 스위칭을 하는 광원구동 회로와 포토다이오드로부터 측정된 광전류를 선택적으로 증폭하는 광검출 및 증폭회로가 사용된다. 이와 같은 집적광센서 구동 및 증폭회로는 마이크로프로세서의 입출력단자를 통해서 제어될 수 있으며, 검출된 신호는 아날로그-디지탈 변환기를 거쳐서 측정검량식에 의한 연산으로 과일의 당도를 예측할 수 있다.
제작된 집적광센서(10)를 구성하는 광원인 발광다이오드 칩(12)은 과일의 당도성분에 고유흡수파장인 700nm~900nm 파장영역에서 중심파장을 갖는 근적외선 파장영역의 발광다이오드를 사용하는 것이 바람직하다.
도4에서와 같이, 이러한 넓은 영역의 파장을 포함한 발광다이오드 칩(12)의 중심파장은 각각 730, 765, 810, 850, 870, 900nm의 스펙트럼을 갖는 것을 특징으로 한다.
제작된 집적광센서(10)를 구성하는 포토다이오드 칩(13)은 사용하는 발광다이오드 칩(12)의 발광 파장영역에서 동작하는 실리콘 포토다이오드 칩을 사용한 것을 특징으로 한다.
집적광센서(10)는 12개의 발광다이오드 칩(12)과 2개의 포토다이오드 칩(13)으로 구성되고, 순차적인 발광다이오드 칩의 발광에 따른 포토다이오드 칩의 광검출 신호를 획득하는 시퀀스를 효과적으로 구성하여 전체적인 측정시간을 줄일 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
도5는 제작된 광섬유다발(Face Plate)(15)의 형태와 확대된 내부 구조이다.
과일 시료 표면과 접촉하는 집적광센서의 윈도우(window)는 가장 중요한 요소이다. 과일의 당도와 광원의 빛이 파장별, 위치별 상관관계를 갖도록 하기 위해서는, 발광된 빛을 과일표면에 동일한 위치에서 입사시키고, 확산 반사된 경로차에 따라서 지정된 위치에서 빛을 수광 할 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 광소자와 과일 표면과의 공간에서 빛의 산란, 확산에 따른 간섭과 과일표면의 불규칙한 상태에 따른 빛의 산란에 따른 영향을 최소화 할 수 있는 특징을 갖기 위하여 다수의 광섬유코어로 제작된 광섬유다발(Face Plate)(15)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
광섬유다발(15)은 도5와 같이 광섬유코어를 융착 및 압축하여 제작된 것으로서, 접촉면의 이미지를 왜곡 없이 동일하게 전달하며, 투과손실도 최소화 하는 것을 특징으로 한다.
도6에서와 같이 집적광센서(10)의 기판(11)에는 12개의 발광다이오드 칩(12) 과 2개의 포토다이오드 칩(13)이 구성될 수 있도록 회로패턴이 이루어져 있다. 포토다이오드 칩(13)으로부터 가까운 곳에 6개의 중심파장을 갖는 발광다이오드 칩을 배치하였고, 먼 곳에 동일한 6개의 발광다이오드 칩(12)을 배치하였다. 따라서 도6의 포토다이오드 칩에는 동일한 파장으로부터 서로 다른 광경로를 통해서 들어오는 광신호를 측정할 수 있게 하는 대칭적으로 구성이 되도록 설계한 것을 특징으로 한다.
위치별 발광다이오드 칩(12)의 배열에 따른 파장(λ)은 아래와 같다.
또한 측정 과일에 따라 발광다이오드 칩(12)의 중심파장과 배열방식은 변경될 수 있는 것을 특징으로 한다.
λ1 = λ'1 = 730nm , λ2 = λ'2 = 765nm λ3 = λ'3 = 810nm
λ4 = λ'4 = 850nm , λ5 = λ'5 = 870nm λ6 = λ'6 = 900nm
도7은 빛의 과일내의 확산경로를 나타낸 것이다. 일정한 세기의 광파장(λi) 이 과일(16) 내부를 통과하고 나온 광신호는 R1(λi)과 R2(λi)로 나눌 수 있다.
R1(λi)의 광특성은 R2(λi)보다 광신호가 크지만 빛의 침투깊이가 작다. 반면 R2(λi)는 R1(λi)보다 빛의 침투깊이가 크지만, 상대적으로 작은 광신호가 측정된다.
이러한 구조의 특성은 동일한 파장(λi)이라 하더라도 과일의 당도에 따라 광파장(λi)의 확산경로는 각각 다르게 나타나는 것을 특징으로 한다.
이하 과일당도 측정방법을 상술하겠다.
집적광센서(10)는 상기에서 서술한 바와 같이 포토다이오드 칩(13) 2개와, 발광다이오드 칩(12) 12개를 6개의 파장으로 2열로 배열하여 구성되었으며, 각각의발광다이오드와 포토다이오드가 독립적으로 구동 할 수 있어, 총 24개의 광신호를 획득할 수 있도록 설계 한 것을 특징으로 한다.
도9는 집적광센서(10)를 이용한 과일의 당도 측정검량식 생성 순서도이다. 집적광센서(10)의 초기화를 Reference 측정(110)을 통해 집적광센서에서 나오는 Reference Value(120)의 이상 유무를 확인할 수 있는 것을 특징으로 한다.
Reference value(120)가 정상인 것을 확인 후 과일시료를 측정한다. Reference value(120)와 과일시료에서 측정한 값을 비교하여 순수한 과일의 흡광도를 측정(130)한다.
순수한 과일의 흡광도를 측정(130)하는 방법은 아래 식1에 의하여 마이크로프로세서에서 자동 연산한다.
여기서
Abs. = 과일시료의 흡광도(absorbance)
R = Reference Value
dark = dark Value.(발광다이오드를 OFF한 상태에서 측정한 값)
Sam = Sample Value
이때, 측정된 흡광신호는 도10에서와 같이 24개의 각각의 발광다이오드 동작에 따른 신호를 흡광도로 계산한 그래프이다.
상기와 같이 흡광도를 산출한 후 과일의 측정된 부위를 도려 내여 착즙한 후 굴절당도계를 이용하여 과일의 실제당도를 측정한다.
과일시료별 흡광도와 그에 해당하는 과일의 실제당도를 대치시켜 중회귀분석(Multiple Linear Regression)을 이용하여 과일의 당도측정을 위한 측정검량식을 생성(150)하는 과정을 수행한다.
측정검량식을 만들기 위해 통계 분석방법중 하나인 중회귀분석(Multiple Linear Regression, 이하 MLR)을 이용한다.중회귀분석이란 목적변수(종속변수) y를 p개의 설명변수 x1, x2, x3, …,xp 의 1차식으로 나타내는 것이다. 즉,
로 표현되며, y와 x1, x2, …, xp 사이의 관계식을 구하는 회귀분석법이다.
b0를 절편 또는 상수항이라고 부르고, x1, x2, x3, …,xp 는 도10 에서와 같이 위치에 따른 발광다이오드에서 측정된 흡광도이다. 또한, b1, b2, b3, … bp 회귀계수라고 한다.
상기와 같은 과정을 통하여 과일의 완성된 측정검량식은 아래와 같다.
여기서, P1L3, P1L4, P1L5…등은 발광다이오드별 측정 흡광도로써 위치정보를 나타낸 것이다.
상기와 같이 구현된 최종 측정검량식을 이용하여 미지의 과일시료를 측정하여 예측한 결과값은 상관계수,R2 와 표준평균오차(Standard Error of Prediction), SEP로 측정결과의 성능을 나타낸다.
도11은 집적광센서를 이용한 측정검량식의 예측 결과 그래프이다.
본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위는 상기 실시예에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 특허 청구범위에 의해서 정해지는 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형들이 가능하다. 또한 본 발명자는 본 발명의 청구범위 및 상세한 설명에 기재된 발명의 모든 조합이 가능하며, 청구범위에 기재된 발명을 보호받고자 하는 권리로 청구한다.
10 : 집적광센서 11 : 기판(Substrate) 12 : 발광다이오드칩 13 : 포토다이오드칩
14 : Road Cell 15 : 광섬유다발(Face Plate) 16 : 과일시료
51 : 회로기판 52 : 칩본딩 공정 53 : Road Cell 하우징 공정
54 : Face Plate 본딩 공정.
14 : Road Cell 15 : 광섬유다발(Face Plate) 16 : 과일시료
51 : 회로기판 52 : 칩본딩 공정 53 : Road Cell 하우징 공정
54 : Face Plate 본딩 공정.
Claims (4)
- 과일당도측정용 집적광센서에 있어서,
도2의 집적화된 광센서모듈(10)은 과일조직에 침투 가능한 파장을 가진 광을 방출하는 발광다이오드와, 상기 과일조직 내에서 반사되는 광을 검출하는 포토다이오드로 구성되어 과일의 당도를 비파괴적으로 측정할 수 있는 과일당도측정용 집적광센서모듈에 있어서,
상기 발광다이오드 및 포토다이오드 상단에 과일표면과 직접 접촉하는 광섬유다발(Face Plate) (15);
상기 광섬유다발(Face Plate) 하단에 부착되어 고정된 Road cell(14)부;
상기 Road cell(14), 발광다이오드 칩(12), 포토다이오드 칩(13) 하단에 기판(substrate)(11);
을 포함하는 과일당도 측정용 집적광센서. - 제 1항에 있어서,
상기 집적광센서모듈을 구성하는 광원에 있어서,
발광다이오드 칩의 중심파장이 가시광 영역인 400-750nm와 근적외선 영역인 750-1500nm 를 갖는 것을 포함하는 과일당도측정용 집적광센서. - 제 1항에 있어,
과일당도측정용 집적광센서(10)의 구성에 있어,
도6의 구조에 있어 12개 또는 그 이상의 발광다이오드(12)와, 적어도 2개 이상의 포토다이오드(PD)(13)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하며, 포토다이오드로부터 가까운 곳에 6개 또는 그 이상의 발광다이오드를 배치하고, 먼 곳에 동일한 6개 또는 그 이상의 발광다이오드를 배치하여 포토다이오드 측에서는 대칭적으로 구성된 것을 특징으로 하는 과일당도측정용 집적광센서. - 제 1항에 있어,
포토다이오드(13)에서 받은 측정신호를 중회귀분석으로 측정검량식을 계산하고, 과일의 당도를 측정하는 측정방법을 포함하여 이루어지는 과일 당도측정용 집적광센서모듈
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100031316A KR20110111970A (ko) | 2010-04-06 | 2010-04-06 | 과일당도측정 집적광센서 및 측정방법 |
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| KR20110111970A true KR20110111970A (ko) | 2011-10-12 |
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ID=45027895
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| KR (1) | KR20110111970A (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101348563B1 (ko) * | 2013-07-22 | 2014-01-17 | 주식회사 대성텍 | 비파괴 당도측정기 |
| KR101397158B1 (ko) * | 2012-10-23 | 2014-05-20 | (주)해아림 | 감귤용 휴대용 비파괴 당도측정기 |
| CN109115708A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-01-01 | 西北农林科技大学 | 一种苹果内部多品质一体化无损检测系统及方法 |
| KR20200077713A (ko) | 2018-12-21 | 2020-07-01 | (주) 부성하이테크 | 기상정보를 이용한 감귤 당도 예측 방법, 이를 수행하기 위한 장치 및 기록매체 |
-
2010
- 2010-04-06 KR KR1020100031316A patent/KR20110111970A/ko not_active Application Discontinuation
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