KR20190013541A - 표적 물질 농도 측정 장치 - Google Patents

표적 물질 농도 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특정 물질에 반응하는 감지 키트를 미묘한 반응을 확인하기 위해 광원에 의해 산란, 간섭되는 레이저 스펙클의 특성을 이용한 것으로, 표적물질이 분포된 시료(12)에 측정광을 조사하는 측정광원(20)과 상기 표적물질을 가열하기 위한 자극광을 상기 시료에 조사하는 자극광원(30) 및 상기 시료(12)에서 산란되는 상기 측정광의 스펙클 영상을 취득하고, 상기 시료(12)의 표적 물질 분포 부위의 스펙클 패턴 변화를 감지하는 감지부(40)를 포함한다.

Description

표적 물질 농도 측정 장치{SPECKLES ON IMAGE ABSORPTIOMETE}
본 발명은 특정 물질에 반응하는 감지 키트를 미묘한 반응을 확인하기 위해 광원에 의해 산란, 간섭되는 레이저 스펙클의 특성을 이용한 것으로, 반응하는 정도를 정량적으로 파악할 수 있도록 하는 표적 물질 농도 측정 장치에 관한 것이다.
특정 물질에만 반응하는 진단 키트는 혈액이나 소변을 통해 현재 몸 상태나 질병의 유무를 신속하게 진단할 수 있다. 진단 키트에 마련된 시트에 혈액이나 소변이 흡수되면 혈액이나 소변에 포함된 호르몬, 단백질 또는 그 밖에 다른 물질이 시트와 반응하여 진단 여부를 확인할 수 있게 된다.
특정 물질에 접촉되면 붉은색의 띠가 형성되는 식으로 육안으로 쉽게 확인할 수 있도록 시트에 표시가 되기 때문에 혈액 또는 소변이 진단 키트와 반응하는 것을 보고 건강상태를 파악한다.
진단 키트로는 가정용 임신 진단 키트, 혈당 진단 키트 및 응급실용 에이즈 진단 키트 등이 있으며, 이밖에도 각종 암이나 다른 질병에도 반응하는 진단 키트가 지속적으로 개발 및 출시되고 있는 실정이다.
예를 들어, 한국 등록특허공보 제10-1416475호(등록일자: 2014.07.01)은 암 환자에서 정상인과 차별적으로 발현되는 혈청 단백질을 포함하는 암 마커 폴리펩티드, 상기 암 마커 폴리펩티드를 항원으로 하여 제조되는 항체, 이를 이용하는 암 진단방법 및 암 진단 키트에 관한 것이다.
그러나 이러한 진단 키트는 특정 물질의 양이 극소량이거나 다수의 물질이 섞여있는 경우에는 반응이 제대로 일어나지 않아 육안으로 구별하기 어려운 미묘한 변화가 발생하기도 한다.
한국 등록특허공보 제10-1416475호(등록일자:2014.07.01.)
본 발명은 극소량의 특정 물질을 검출하는 장치를 제작하고자 한다.
본 발명은 검출장치에 반응하는 극소량의 물질을 정량적으로 파악하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 특정 물질에 반응하는 감지 키트를 미묘한 반응을 확인하기 위해 광원에 의해 산란, 간섭되는 레이저 스펙클의 특성을 이용한 것으로, 표적물질이 분포된 시료에 측정광을 조사하는 측정광원과 상기 표적물질을 가열하기 위한 자극광을 상기 시료에 조사하는 자극광원 및 상기 시료에서 산란되는 상기 측정광의 스펙클 영상을 취득하고, 상기 시료의 표적 물질 분포 부위의 스펙클 패턴 변화를 감지하는 감지부를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 측정광원은 상기 시료에 레이저를 조사하여 상기 시료의 표면 또는 내부 구조에서 산란을 일으키고, 상기 감지부는 상기 시료의 표적 물질 분포 부위의 레이저 스펙클 패턴 변화를 감지한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 측정광이 상기 시료의 측정 영역에 고르게 조사할 수 있도록 상기 측정광의 크기를 조절하는 측정광 조절부를 더 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 측정광원은 상기 측정광을 산란시키는 측정광 산란부를 더 구비하고, 상기 측정광 산란부에 의하여 형성된 스펙클 패턴을 상기 시료에 조사한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 측정광 산란부는 그라운드 글라스 디퓨저, 홀로그래픽 디퓨저, 스카치 테이프, 반사형 디퓨저(Diffuser reflector), 샌드블라스트 디퓨저(Sandblasted diffuser) 가운데 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 자극광원은 상기 측정광원의 조사 부위와 같은 영역에 자극광을 조사하고, 상기 자극광은 상기 표적물질의 흡수 파장에 해당한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 자극광원은 상기 시료에 자극광을 조사하여 상기 자극광이 조사되는 부위를 발열시킨다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 자극광원에서 조사되는 자극광은 상기 측정광원에서 조사되는 측정광과 파장이 서로 다른 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 자극광은 레이저, LED, 적외선, 전파, 초음파 가운데 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 자극광원은 자극광의 크기 조절을 통하여 상기 시료의 측정 영역에 상기 자극광을 고르게 조사하거나, 선초점 자극광을 상기 측정 영역에 걸쳐 스캔하는 방식으로 조사한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 자극광원은 명멸 또는 스캔하는 방식으로 자극광을 상기 시료에 조사한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 자극광원의 명멸 주기는 일정하거나 또는 불규칙적이다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 감지부는 시료에 조사되는 상기 측정광원 외의 빛 감지를 차단하는 광학필터를 더 구비한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 측정광이 상기 시료에 조사되고 있는 상태에서, 상기 자극광을 일정한 명멸 주기로 명멸하는 방식으로 상기 시료에 조사하고, 상기 감지부에서 감지된 신호 가운데 상기 명멸 주파수에 해당하는 신호를 검출한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 명멸 주파수에 해당하는 신호는 상기 감지부로 들어오는 빛의 밝기 신호의 푸리에 변환에 의하여 검출되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 측정광이 상기 시료에 조사되고 있는 상태에서, 상기 자극광을 불규칙적인 명멸 주기로 명멸하는 방식으로 상기 시료에 조사하고, 시간에 따른 상기 자극광의 명멸 신호 패턴과 스펙클 패턴 변화를 상관관계 (Correlation)를 취함으로써 출력 신호를 획득한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 감지부에서 감지된 신호의 크기가 큰 경우 상기 표적물질의 농도가 높은 것으로 판단한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 표적물질이 분포된 시료에 레이저를 조사하여 상기 시료에서 레이저의 산란을 일으키는 측정광원과 상기 표적물질의 흡수파장에 해당하는 자극광을 상기 시료에 조사하는 자극광을 조사하는 자극광원 및 상기 시료의 레이저 스펙클 영상을 취득하고, 상기 시료의 표적 물질 분포 부위의 레이저 스펙클 패턴 변화를 감지하는 감지부를 포함하며, 상기 레이저 스펙클 패턴 변화를 이용하여 상기 표적물질의 농도 및 분포를 측정한다.
본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치는 특정 물질이 산란, 간섭하도록 광원을 조사하여 측정하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치는 특정 물질이 산란, 간섭되는 현상을 스펙클 영상으로 변환시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치는 스펙클 패턴 변화를 감지, 처리하여 감지 물질의 농도를 정량적으로 측정하는 효과가 있다
도 1은 본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치 전면도,
도 2는 본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치의 또 다른 실시예,
도 3은 본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치가 자극광 조사 시 신호의 모습,
도 4는 본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치가 취득한 영상,
도 5는 본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치가 광열 신호를 추출하는 과정.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치 전면도를 보여주고 있다.
본 발명에 의한 표적 물질 농도 측정 장치(100)(이하 '농도 측정 장치'라 함)는 측정 광원(20)과 자극 광원(30), 및 두 개의 광원으로 인해 시료(12)에서의 광학적 특성의 변화를 감지하는 감지부(40)를 포함한다.
측정 광원(20)은 표적물질이 분포된 시료(12)에 측정광을 조사하며, 자극 광원(30)은 시료를 자극광으로 조사하여 표적물질을 가열한다. 그리고 감지부(40)는 시료(12)에서 산란되는 측정광의 스펙클 영상을 취득하고, 시료(12)의 표적 물질 분포 부위에 대한 스펙클 패턴 변화를 감지하게 된다.
농도 측정 장치(100)에는 시료(12)를 위치시키는 플레이트(10)와 측정 광원(20)의 광량을 조절하는 측정광 조절부(22)와 자극 광원(30)의 광량을 조절하는 자극광 조절부(32) 및 자극 광원(30)의 광원을 변화시키는 광 변조기(34)가 더 구비될 수 있을 것이다.
한편, 시료(12)를 조사하는 자극 광원(30)의 상태에 따라 조사 모드가 구분되며, 본 도면은 자극 광원(30)이 시료(12)의 전체를 자극 광원(30)으로 조사하는 전체 조사 모드에 관한 것이다.
시료(12)의 반응 물질 농도의 정도를 측정하기 위해서 반응 물질이 분포하는 시료(12)를 플레이트(10)의 상단에 고정되도록 위치시킨다. 이때 시료(12)의 표면 및 내부 구조가 무작위로 산란이 이루어지는 구조일 경우, 시료에 별 다른 가공을 하지 않고 사용하면 된다.
측정광 조절부(22)를 이용하여 측정 광원(20)이 시료(12)의 측정 영역에 맞춰 조사할 수 있도록 광원의 크기를 조절한 다음 광원을 조사한다. 측정광 조절부(22)는 광원의 빛 반사나 굴절을 이용하여 물체의 상 또는 빛 에너지를 전송하는 광학계의 한 종류로, 측정 광원(20)의 빛이 시료(12)을 잘 조사할 수 있도록 빛 에너지를 전송하여 감지부(40)가 이를 감지할 수 있도록 한다. 측정광 조절부(22)에 사용되는 종류로는 광학 렌즈, 거울, 단모드 광섬유, 프리즘 등을 사용하면 될 것이다.
그 다음 자극 광원(30)이 측정 광원(20)의 조사 부위와 같은 영역인 시료(12)의 전체 또는 분석하고자 하는 영역에 조사하게 된다. 특히 분석하고자 하는 영역에 맞춰 조사할 경우, 그 영역의 형태에 따라 자극광원(30)의 빔의 형상을 변형할 수 있는 기구를 사용할 수 있다. 그 예로 광학 렌즈, 파웰 렌즈(powell lens), 원주 렌즈(Cylindrical lens), 위상 필터, 공간 변조기(Digital mirror device, Spatial light modulator) 등이 있다.
이때 자극 광원(30)은 측정 광원(20)과 다른 파장을 사용하되, 시료(12)의 반응 물질 흡수 파장에 해당하는 광원을 사용하여, 시료(12)의 표적물질이 발열되도록 한다. 자극 광원의 종류로는 레이저, LED, 적외선, 전파, 초음파 가운데 하나를 사용하면 될 것이다.
자극광 조절부(32)은 자극 광원(30)의 조사 영역을 시료(12)의 크기에 맞춰 조절할 수 있도록 한다. 자극광 조절부(32)은 시료(12)에 자극 광원(30)의 광원을 제대로 전달해 줄 수 있는 광학계라면 어느 것이라도 족할 것이다.
자극 광원(30)에 구비된 광 변조기(34)는 감지부(40)가 자극 광원(30)을 검출하여 패턴의 변화 정도를 나타내기 위해 시료(12)를 특정 주파수로 명멸하면서 조사하게 된다. 즉, 자극 광원(30)에서 오는 입사광을 전기 신호로 변조를 가하는 것으로, 진폭 변조, 위상 변조 등을 통해 빛의 주파수를 유효하게 이용할 수 있도록 한다. 이와 같이, 자극 광원(30)을 특정 주파수로 명멸하면서 조사하는 것은 자극 광원(30)을 계속 조사하는 경우 노이즈에 의한 오차가 발생할 수 있으며, 광열 효과만을 분리하여 노이즈를 줄이고 오차의 발생을 줄이기 위함이다.
자극 광원(30)의 명멸 주기는 일정한 경우와 불규칙한 경우 모두 가능하다. 명멸 주기가 일정할 경우 시간에 따른 스펙클 변화를 퓨리에 변환하여 명멸 주파수에 해당하는 신호로 표적 물질의 농도를 측정할 수 있다.
자극 광원(30)의 명멸 주기가 불규칙 할 경우, 시간에 따른 자극광의 명멸 신호 패턴과 스펙클 변화를 상관관계(Correlation)를 취함으로써 출력 신호를 얻을 수 있다. 명멸 주파수가 일정한 경우 명멸 주파수와 유사한 외란에 따라 그 결과 값이 영향을 많이 받을 수 있지만 명멸 주기를 불규칙하게 한 경우 이러한 외란으로부터의 영향을 최소화 할 수 있다.
자극 광원(30)의 명멸 주기가 일정한 경우와, 불규칙적인 경우의 구체적인 신호 분석 방법은 후술하도록 한다.
한편, 시료(12)의 내부 구조가 산란하기 어려운 구조일 경우, 측정 광원(20)과 자극 광원(30)이 아무리 시료(12)를 향해 광원을 조사하더라도 빛이 산란되지 않아 감지부(40)가 이를 감지하여 측정하지 못하는 경우가 발생하게 된다.
따라서 이러한 경우를 방지하기 위해 산란부(14) 를 이용하여 측정 광원(20)의 광원을 산란시키게 한다. 산란부(14)를 측정 광원(12) 부위에 위치시킨 다음, 측정 광원(20)을 조사하면 산란부(14)에 의해 빛이 산란되어 감지부(40)가 스펙클 패턴을 감지하여 농도를 측정하게 된다. 산란부(14)는 측정 광원(20)의 바로 앞에 위치할 수 있을 것이며, 측정 광원(20)의 광원이 통과하는 측정광 조절부(22)의 전단부 또는 하단부에 위치할 수도 있을 것이다.
이때 사용되는 산란부(14)는 그라운드 글라스 디퓨저, 홀로그래픽 디퓨저, 스카치 테이프, 반사형 디퓨저(Diffuser reflector), 샌드블라스트 디퓨저(Sandblasted diffuser) 등으로, 일정 수준 이상의 투과도를 갖고 있으면서 무작위적으로 산란하는 물질로 이루어진 것이라면 어느 것을 사용하더라도 좋을 것이다.
감지부에 구비된 광센서(미도시)는 시료(12)가 산란 또는 간섭하는 광원을 감지하여 2차원 형태의 영상으로 출력하여 모니터링하게 되며, 영상을 통해 시료(12)에 흡수된 표적 물질의 농도를 정략적으로 측정하게 된다.
영상은 시료(12)의 형태 위에 스펙클 패턴이 덧씌워지는 것처럼 보이게 되며, 광센서는 CCD, CMOS 등 영상을 출력하는 광센서는 모두 사용이 가능하다.
렌즈(42)에는 필터(44)가 더 구비되어, 광센서가 인식하는 측정광원(20) 이외의 다른 빛의 감지를 차단하며, 필터(44)의 종류로는 광학 필터, 편광판 등의 광학 부품을 사용할 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치 의 또 다른 실시예를 보여주고 있다.
시료(12)을 조사하는 자극 광원(30)에 마련된 빔 스캐너(36)가 스캔하는 스캔 모드에 관한 것으로, 상기에서 언급한 전체 조사 모드와 다소 유사하게 구성되어 있다.
스캔 모드는 자극 광원(30)의 일부 구성에서 차이가 있지만, 측정 광원(20)과 시료(12)를 고정시키기 위한 플레이트(10) 및 스펙클 영상을 분석하는 감지부(40)가 전체 조사 모드와 동일하게 구비되어 있다.
스캔 모드에서 빔 스캐너(36)는 폴리곤 거울(Polygon mirror)이나 갈바노미터 스캐너(Galvanometer scanner), Acoustic optical modulator(AOM), Acousto-optics deflector(AOD) 등을 사용할 수 있으며, 그 외에도 빔을 스캔할 수 있는 모든 기구의 사용이 가능하다.
자극 광원(30)은 자극광원 조절부(32), 빔 스캐너(36)의 순서대로 배치되어, 자극광원 조절부(32)가 자극 광원(30)은 광선의 크기를 조절하게 된다. 그리고 자극광원 조절부(32)를 통과한 빛이 빔 스캐너(36)에 도달하여 선초점 자극광으로 변환하여 시료(12)의 측정 영역을 스캔하는 방식으로 조사하게 된다.
감지부(40)는 측정 광원이 시료에 조사되고 있는 상태에서, 자극 광원을 기설정된 명멸 주파수로 명멸하는 방식으로, 시료에 조사하게 되면, 감지부에서 감지된 신호 가운데 명멸 주파수에 해당하는 신호를 검출하게 된다.
즉, 시료(12)에 산란되는 측정 광원(20)을 감지하여 2차원 영상의 형태로 출력하게 된다. 그리고 빔 스캐너(36)가 시료(12)을 스캔하는 동안 생성되는 주사선이 시료(12)이 흡수한 반응 물질과 반응하여 발생하는 광학적 특성을 감지부(40)가 감지한다.
따라서 감지부(40)는 측정 광원(20)에 감지된 영상과 빔 스캐너(36)의 주사선에 해당하는 신호를 추출하여 영상으로 표현하게 되며, 이를 통해 시료(12)에 흡수된 반응 물질의 농도를 정략적으로 측정할 수 있게 된다. 그리고 감지부(40)에서 감지된 신호의 크기가 큰 경우, 표적물질의 농도가 높은 것으로 판단하면 될 것이다.
한편, 측정 광원(20)과 자극 광원(30)에 사용되는 광원의 종류로는 LED와 레이저 다이오드(LD), 초발광다이오드(SLD)를 사용할 수 있을 것이며, 이밖에도 시료(12)을 조사할 때 산란을 일으키는 광원이라면 어느 것이라도 족할 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치가 광원을 조사하여 이를 영상화한 모습이다.
(a)는 감지부(40)가 시료(12)에서 산란하는 측정 광원(20)을 감지하여 시간 별로 반응 물질 분포 영역과 부재 영역을 각각 구분하여 광 세기를 그래프로 보여주는 것이다.
감지부(40)는 측정 광원(20)과 자극 광원(30)이 시료(12)를 조사하여 산란되는 빛을 감지하여 이를 영상화 하게 된다.
이때 시료(12)를 측정하는 측정 영역에서 반응 물질이 포함되어 있으면, 반응 물질이 구비된 영역에서 자극 광원(30)을 흡수하게 된다. 자극 광원(30)을 흡수하는 측정 영역에서는 온도가 상승하게 되며, 온도 상승이 일어난 반응 물질 분포 영역에는 광학적 특성이 변화하게 된다.
시료(12)의 측정 영역에서 광학적 특성이 변화하게 되면 해당 영역을 측정하는 감지부(40)에서 스펙클 패턴의 변화를 감지하게 되며, 패턴의 변화 정도는 자극 광원(30)에 의한 온도 변화 정도와 상관 관계가 있다. 따라서 감지부(40)를 통해 시료(12)에 흡수된 반응 물질의 농도 및 분포를 정략적으로 측정할 수 있게 된다.
하지만 시료(12)에 흡수된 반응 물질은 자극 광원(30)에 의한 반응 이외에도 주변의 진동 등 외부 조건에 의해 언제든지 반응이 일어날 수 있다. 따라서 광열 효과만 분리하여 자극 광원(30)을 조사하기 위해 자극 광원(30)에 특정 주파수로 명멸하는 광 변조기(34) 또는 스캔하는 방식의 빔 스캐너(36)를 더 설치하게 된다.
(b)는 (a)를 신호처리하여 주파수에 따른 신호 세기를 그래프로 변화한 것으로, 감지부(40)가 감지한 반응 물질 분포 영역은 자극 광원(30)의 명멸에 따라 밝기 정도가 크게 변화하며, 반응 물질 부재 영역에서는 거의 변화가 일어나지 않는다.
따라서 신호의 정량적 측정을 위하여, 명멸 주파수에 해당하는 신호를 추출하여 신호의 세기를 검출하게 된다.
명멸 주기가 일정할 경우에는 상술한 바와 같이 시간에 따른 스펙클 변화를 푸리에 변환하여 명멸 주파수에 해당하는 신호로 표적 물질의 농도를 측정할 수 있다.
이와 달리, 명멸 주기가 불규칙 할 경우, 시간에 따른 자극 광원(30)의 명멸 신호 패턴과 스펙클 변화의 상관관계(Correlation)를 취함으로써 출력 신호를 얻을 수 있으며, 명멸주기가 불규칙한 신호 분석 방법은 다음과 같다.
시간에 대하여 자극 광원(30) 세기의 함수를 F(t), 광열 현상에 의한 전달 함수를 T(t), 시스템의 외란을 N(t)라 할 때, 스팩클 변화 함수 G(t)는 하기와 같이 표현할 수 있다.
G(t) = T(t)*F(t)+N(t) (단, *는 Convolution 연산자)
자극광원(30)에 의한 스팩클 패턴 변화만을 분석하기 위해서는 N(t)가 제거된 신호를 취득해야한다. F(t)와 G(t)을 상호 상관관계(Cross-correlation)를 취함으로써, 외란 N(t)를 최소화하여 분석할 수 있다.
F(t)ⓧG(t) = F(t)ⓧ{T(t)*F(t)+N(t)}
= F(t)ⓧT(t)*F(t)+F(t)ⓧN(t) (단, ⓧ는 Correlation 연산자)
여기서, F(t)와 N(t)는 모두 랜덤(random)함수로, 서로 상관관계가 없으면 0으로 수렴한다.
따라서, F(t)ⓧN(t)
Figure pat00001
0
이라고 가정할 수 있다.
또한, F(t)ⓧG(t) = {F(t)ⓧF(t)}*T(t)
으로 정리할 수 있다.
즉, 자극광원(30)의 함수와 스팩클 변화 함수의 연관성(Correlation)을 취하게 되면, 자극광원(30)의 자기상관(Auto-correlation)과 광열 현상에 의한 전달함수와의 콘벌루션(Convolution)으로 표현된다. 따라서, 상기와 같은 연산을 통해 오로지 자극광원(30)과 광열 현상의 반응 함수로만 이루어진 함수를 얻음으로써, 시스템 외란을 배제한 출력값을 산출할 수 있다.
명멸 주파수가 일정한 경우에는 명멸 주파수와 유사한 외란에 따라 그 결과 값이 많은 영향을 받을 수 있지만, 명멸 주파수의 주기가 불규칙한 경우에는 이러한 외란으로부터 받는 영향을 최소화 할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치가 취득한 영상이다.
(a), (b), (c)는 각각 시료(12)을 조사하는 측정 광원(20)과 자극 광원(30)이 순차적으로 작동할 때, 산란되는 빛을 감지부(40)가 감지한 영상이다.
(a)는 측정 광원(20)과 자극 광원(30)이 모두 꺼져 있을 때 시료(12)을 감지부(40)가 검출한 영상의 모습으로, 영상에 아무것도 감지되지 않는 것을 알 수 있다.
(b)는 측정 광원(20)이 작동 중이나, 자극 광원(30)이 작동하지 않았을 때의 영상이다. 측정 광원(20)의 광원이 시료(12)을 조사하여 산란되는 상태를 감지부(40)가 검출한 영상으로, 검출한 영상을 보면 자극 광원(30)의 신호가 전혀 나타나지 않는 모습이다.
(c)는 측정 광원(20)과 자극 광원(30)이 모두 작동했을 때의 영상이다. 측정 광원과 자극 광원(30)이 시료(12)을 조사하여 산란되는 상태를 감지부(40)가 감지한 것으로, 자극광이 검출된 영상을 볼 수 있다. (b)의 영상을 바탕으로 감지부(40)가 자극 광원(30)이 명멸하는 상태를 검출하게 된다.
즉, 자극 광원(30)이 꺼져 있을 때는 (b)와 같은 영상이 출력되지만, 자극 광원(30)이 켜지면, 시료(12)에 흡수된 반응 물질이 분포하는 부위가 자극 광원(30)의 광원에 반응하여 스펙클 형상으로 보다 밝게 출력된다.
도 5는 본 발명에 따른 광열 레이저 스펙클 영상 기반 물질 농도 측정 장치가 광열 신호를 추출하는 과정에 관한 것이다.
감지부(40)가 검출한 신호를 처리하는 방법을 나타내는 것으로, 광열 신호를 추출하는 과정을 순차적으로 보여주고 있다. 아래는 자극 광원(30)의 명멸 주기가 일정한 경우의 신호 처리 방법을 설명한 예이다.
감지부(40)는 자극 광원(30) 명멸 조사 조건에서 측정 광원(20)의 측정광을 감지하여 자극 광원(30)의 자극광 명멸 주파수에 해당하는 신호를 검출해야 하며, 신호 검출은 푸리에 변환을 기반으로 하여 진행하게 된다.
M(x,y)=|F(x,y,vpump)|(a)
감지부(40)에 구비된 광 센서의 각 픽셀은 시간에 따른 밝기 f(x,y,t)가 있을 때, 밝기 신호의 푸리에 변환을 F(x,y,v)라 하고, 각 픽셀에서 자극 광원(30) 주파수 vpump에 해당하는 신호를 M(x,y)라고 할 때, 식 (a)를 통해 검출이 가능하다.
한편, 자극 광원(40) 신호의 크기인 M(x,y)는 각 픽셀에 해당하는 시료 영역의 광열 발생량이 클수록 증가하므로, M(x,y)로 이루어진 광열 신호 영상을 분석함으로서, 시료(12)에 흡수된 반응 물질 분포 및 농도를 알 수 있게 된다.
우선, M(x,y)를 알아내기 위해서 F(x,y,v)를 계산해야 한다. F(x,y,v)를 계산하는 방법으로는 각 픽셀에서 f(x,y,t)의 푸리에 변환을 구하고, 그 다음 vpump의 값을 읽는 방법이 있다.
또 다른 방법으로는 vpump의 주파수를 알고 있는 경우, 식 (b)를 통해 F(x,y,vpump)를 알아낼 수 있다.
Figure pat00002
(b)
식 (b)는 각 픽셀의 시간에 따른 밝기 값으로 1차원 배열 데이터를 만든 후, 푸리에 변환을 하고, 해당 배열에서 에 해당하는 값을 선택해 M(x,y)를 얻을 수 있다.
감지부(40)에서 검출된 영상의 픽셀 크기가 MxN개라고 할 때, MxN개의 1차원 배열 형성 후 푸리에 변환을 수행해야 하는 방법이 있으며, 이 방법은 계산을 처리 시간은 느리나 전체 주파수 영역의 신호를 획득할 수 있다는 장점이 있다.
또 다른 방법인 영상의 각 프레임에 대해
Figure pat00003
(t는 각 프레임의 시간)를 곱하고, 시간 증분 값인 dt(프레임 간 시간 차)를 곱해 전부 가산함으로서, M(x,y)를 구하는 방법이 있다. 이 방법은 앞에서 언급한 방법에 비하여 MxN배 빠르게 광열 신호 값을 얻을 수 있으며, 처리 과정이 짧고 단순하여 센서 장비의 소형화 시 유용한 처리 방식이 될 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 플레이트 12 : 시료
14 : 산란부 20 : 측정 광원
22 : 측정광 조절부 30 : 자극 광원
32 : 자극광 조절부 34 : 광 변조기
36 : 빔 스캐너 40 : 감지부
42 : 렌즈 44 : 필터
100 : 농도 측정 장치

Claims (19)

  1. 표적물질이 분포된 시료에 측정광을 조사하는 측정광원;
    상기 표적물질을 가열하기 위한 자극광을 상기 시료에 조사하는 자극광원; 및
    상기 시료에서 산란되는 상기 측정광의 스펙클 영상을 취득하고, 상기 시료의 표적 물질 분포 부위의 스펙클 패턴 변화를 감지하는 감지부;
    를 포함하는 표적물질 농도 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정광원은 상기 시료에 레이저를 조사하여 상기 시료의 표면 또는 내부 구조에서 산란을 일으키고,
    상기 감지부는 상기 시료의 표적 물질 분포 부위의 레이저 스펙클 패턴 변화를 감지하는 표적물질 농도 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정광이 상기 시료의 측정 영역에 고르게 조사할 수 있도록 상기 측정광의 크기를 조절하는 측정광 조절부를 더 포함하는 표적물질 농도 측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 측정광 조절부는 광학렌즈, 거울, 단모드 광섬유 가운데 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표적물질 농도 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 측정광원은 상기 측정광을 산란시키는 측정광 산란부를 더 구비하고, 상기 측정광 산란부에 의하여 형성된 스펙클 패턴을 상기 시료에 조사하는 표적물질 농도 측정장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 측정광 산란부는 그라운드 글라스 디퓨저, 홀로그래픽 디퓨저, 스카치 테이프, 반사형 디퓨저(Diffuser reflector), 샌드블라스트 디퓨저(Sandblasted diffuser) 가운데 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표적물질 농도 측정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자극광원은 상기 측정광원의 조사 부위와 같은 영역에 자극광을 조사하고, 상기 자극광은 상기 표적물질의 흡수 파장에 해당하는 표적물질 농도 측정장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 자극광원은 상기 시료에 자극광을 조사하여 상기 자극광이 조사되는 부위를 발열시키는 표적물질 농도 측정장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 자극광원에서 조사되는 자극광은 상기 측정광원에서 조사되는 측정광과 파장이 서로 다른 것을 특징으로 하는 표적물질 농도 측정장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 자극광은 레이저, LED, 적외선, 전파, 초음파 가운데 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 표적물질 농도 측정장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 자극광원은 자극광의 크기 조절을 통하여 상기 시료의 측정 영역에 상기 자극광을 고르게 조사하거나, 선초점 자극광을 상기 측정 영역에 걸쳐 스캔하는 방식으로 조사하는 표적물질 농도 측정장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자극광원은 명멸 또는 스캔하는 방식으로 자극광을 상기 시료에 조사하는 표적물질 농도 측정장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 자극광원의 명멸 주기는 일정하거나 또는 불규칙적인 표적물질 농도 측정장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 감지부는 시료에 조사되는 상기 측정광원 외의 빛 감지를 차단하는 광학필터를 더 구비하는 표적물질 농도 측정장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 측정광이 상기 시료에 조사되고 있는 상태에서, 상기 자극광을 일정한 명멸 주기로 명멸하는 방식으로 상기 시료에 조사하고, 상기 감지부에서 감지된 신호 가운데 상기 명멸 주파수에 해당하는 신호를 검출하는 표적물질 농도 측정장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 명멸 주파수에 해당하는 신호는 상기 감지부로 들어오는 빛의 밝기 신호의 푸리에 변환에 의하여 검출되는 것을 특징으로 하는 표적물질 농도 측정장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 측정광이 상기 시료에 조사되고 있는 상태에서, 상기 자극광을 불규칙적인 명멸 주기로 명멸하는 방식으로 상기 시료에 조사하고,
    시간에 따른 상기 자극광의 명멸 신호 패턴과 스펙클 패턴 변화를 상관관계 (Correlation)를 취함으로써 출력 신호를 획득하는 표적물질 농도 측정장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 감지부에서 감지된 신호의 크기가 큰 경우 상기 표적물질의 농도가 높은 것으로 판단하는 표적물질 농도 측정장치.
  19. 표적물질이 분포된 시료에 레이저를 조사하여 상기 시료에서 레이저의 산란을 일으키는 측정광원;
    상기 표적물질의 흡수파장에 해당하는 자극광을 상기 시료에 조사하는 자극광을 조사하는 자극광원; 및
    상기 시료의 레이저 스펙클 영상을 취득하고, 상기 시료의 표적 물질 분포 부위의 레이저 스펙클 패턴 변화를 감지하는 감지부;
    를 포함하며,
    상기 레이저 스펙클 패턴 변화를 이용하여 상기 표적물질의 농도 및 분포를 측정하는 표적물질 농도 측정장치.
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