KR20200045737A - 소형 분광 유닛 및 생체 신호 측정 장치 - Google Patents

소형 분광 유닛 및 생체 신호 측정 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20200045737A
KR20200045737A KR1020180126623A KR20180126623A KR20200045737A KR 20200045737 A KR20200045737 A KR 20200045737A KR 1020180126623 A KR1020180126623 A KR 1020180126623A KR 20180126623 A KR20180126623 A KR 20180126623A KR 20200045737 A KR20200045737 A KR 20200045737A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
filter
bio
array
lens
Prior art date
Application number
KR1020180126623A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102680471B1 (ko
Inventor
안성모
박진영
엄근선
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020180126623A priority Critical patent/KR102680471B1/ko
Priority claimed from KR1020180126623A external-priority patent/KR102680471B1/ko
Priority to US16/661,556 priority patent/US10883876B2/en
Publication of KR20200045737A publication Critical patent/KR20200045737A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102680471B1 publication Critical patent/KR102680471B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0229—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using masks, aperture plates, spatial light modulators or spatial filters, e.g. reflective filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0264—Electrical interface; User interface
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/30—Collimators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1213—Filters in general, e.g. dichroic, band
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G01J2003/2806—Array and filter array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0278—Control or determination of height or angle information for sensors or receivers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

일 양상에 따른 소형 분광 유닛은, 개구(aperture)가 형성된 광 블로킹 레이어와, 광 블로킹 레이어와 맞닿으며, 상기 개구를 통과한 광을 콜리메이션하는 마이크로 렌즈와, 상기 콜리메이션된 광을 필터링하는 필터 어레이와, 상기 필터링된 광을 검출하는 광 검출기 어레이를 포함할 수 있다.

Description

소형 분광 유닛 및 생체 신호 측정 장치{Compact spectrometer unit and bio-signal measurement apparatus}
분광기를 소형화하는 기술과 관련된다.
광학을 이용하여 생체 신호를 측정하는 기술은 비침습적이고 비파괴적이라는 장점이 있어 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 또한, 다양한 반도체 광소자 기술의 발전으로 디바이스의 소형화 및 고성능화가 가능해졌으며 이에 기반한 소형 광학 센서가 많이 개발되고 있다. 특히, 광의 파장별 정보를 활용하여 다양한 물질의 물리적, 화학적 특성을 알아내는 기술인 분광학이 다양한 연구분야에 적용되고 있으며, 현재는 이러한 분광학이 모바일 디바이스에 적용되어 다양한 응용분야로 확장해 나가는 추세이다.
소형 분광 유닛 및 생체 신호 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 소형 분광 유닛은, 개구(aperture)가 형성된 광 블로킹 레이어와, 광 블로킹 레이어와 맞닿으며, 상기 개구를 통과한 광을 콜리메이션하는 마이크로 렌즈와, 상기 콜리메이션된 광을 필터링하는 필터 어레이와, 상기 필터링된 광을 검출하는 광 검출기 어레이를 포함할 수 있다.
상기 개구의 중심은 상기 마이크로 렌즈의 광축과 일치할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈는, 평볼록 렌즈, 회절 렌즈(diffractive lens), 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens, GRIN lens) 중 하나로 구현될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈의 초점면은, 상기 광 블록킹 레이어가 맞닿는 면과 일치할 수 있다.
상기 필터 어레이는, 간섭 필터(interference filter), 산란 필터(diffusion filter), 플라스몬 필터(plasmonic filter), 메타표면 필터(metasurface filter) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
소형 분광 유닛은, 피검체에 광을 조사하는 광원 어레이를 더 포함할 수 있다.
상기 광원 어레이는, 상기 개구를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 광원 어레이는, 상기 개구와 동심원을 이루도록 배치될 수 있다.
다른 양상에 따른 생체 신호 측정 장치는, 소형 분광 유닛 어레이와, 상기 소형 분광 유닛 어레이에서 검출된 광을 기반으로 피검체의 위치별 스펙트럼을 획득하고, 획득된 위치별 스펙트럼을 분석하여 상기 피검체의 생체 정보를 추정하거나 상기 피검체의 깊이 정보를 획득하는 프로세서를 포함하고, 각 소형 분광 유닛은, 개구(aperture)가 형성된 광 블로킹 레이어와, 상기 광 블로킹 레이어와 맞닿으며, 상기 개구를 통과한 광을 콜리메이션하는 마이크로 렌즈와, 상기 콜리메이션된 광을 필터링하는 필터 어레이와, 상기 필터링된 광을 검출하는 광 검출기 어레이를 포함할 수 있다.
상기 생체 정보는 혈중 성분 정보 및 피부내 성분 정보 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 혈중 성분 정보는 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 피부내 성분 정보는 멜라닌, 콜라겐, 케라틴, 엘라스틴, 카르티노이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 개구의 중심은 상기 마이크로 렌즈의 광축과 일치할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈는, 평볼록 렌즈, 회절 렌즈(diffractive lens), 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens, GRIN lens) 중 하나로 구현될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈의 초점면은, 상기 광 블록킹 레이어가 맞닿는 면과 일치할 수 있다.
상기 필터 어레이는, 간섭 필터(interference filter), 산란 필터(diffusion filter), 플라스몬 필터(plasmonic filter), 메타표면 필터(metasurface filter) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
생체 신호 측정 장치는, 상기 피검체에 광을 조사하는 광원 어레이를 더 포함할 수 있다.
상기 광원 어레이는, 상기 개구를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 광원 어레이는, 상기 개구와 동심원을 이루도록 배치될 수 있다.
개구, 마이크로 렌즈, 필터 어레이 및 광 검출기 어레이를 적층 구조로 구현함으로써 소형 분광기를 구현하는 것이 가능하다.
도 1은 소형 분광 유닛의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 마이크로 렌즈의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 소형 분광 유닛의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 생체 신호 측정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 생체 신호 측정 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 생체 신호 측정 방법의 일 실시예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 설명이 실시예의 이해를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
한편, 각 단계들에 있어, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 수행될 수 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주 기능별로 구분한 것에 불과하다. 즉, 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있다. 각 구성부는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 소형 분광 유닛의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 1의 소형 분광 유닛(100)은 피검체로부터의 광을 분광할 수 있는 소형 장치로, 전자 장치에 탑재되거나, 하우징으로 감싸져 별개의 장치로 구현될 수 있다. 전자 장치는 휴대폰, 스마트폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등을 포함할 수 있고, 웨어러블 디바이스는 손목시계형, 손목 밴드형, 반지형, 벨트형, 목걸이형, 발목 밴드형, 허벅지 밴드형, 팔뚝 밴드형 등을 포함할 수 있다. 그러나 전자 장치는 상술한 예에 제한되지 않으며, 웨어러블 디바이스 역시 상술한 예에 제한되지 않는다.
도 1을 참조하면, 소형 분광 유닛(100)은 광 블록킹 레이어(110), 마이크로 렌즈(120), 필터 어레이(130) 및 광 검출기 어레이(140)를 포함할 수 있다.
광 블록킹 레이어(110)는 개구(aperture)가 형성되며, 피검체로부터 입사되는 광 중 불필요한 광을 블록킹할 수 있다. 광 블록킹 레이어(110)는 메탈 등과 같은 광 반사 물질 또는 검정색 폴리머 등과 같은 광 흡수 물질 등으로 형성되며, 마이크로 렌즈(120)의 일면과 맞닿을 수 있다. 개구는 개구의 중심이 마이크로 렌즈(120)의 광축과 일치하도록 형성될 수 있다.
마이크로 렌즈(120)는 광 블록킹 레이어(110)와 맞닿으며, 개구를 통과한 광을 콜리메이션할 수 있다. 마이크로 렌즈(120)는 유리 기판(121) 및 평볼록 렌즈(plane-convex lens)(122)로 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(120)의 초점면은 광 블록킹 레이어(110)에 맞닿는 유리 기판(121)의 일면과 일치할 수 있다.
필터 어레이(130)는 콜리메이션된 광을 필터링할 수 있다. 필터 어레이(130)는 콜리메이션된 광 중 소정 파장의 광을 통과시키는 복수의 필터를 포함할 수 있다. 복수의 필터는 서로 다른 파장의 광을 통과시킬 수도 있고 모두 동일한 파장의 광을 통과시킬 수 있다. 또한 복수의 필터 중 일부는 동일한 파장의 광을 통과시키고, 나머지는 서로 다른 파장의 광을 통과시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 필터 어레이는 간섭 필터(interference filter), 산란 필터(diffusion filter), 플라스몬 필터(plasmonic filter), 메타표면 필터(metasurface filter) 등으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
광 검출기 어레이(140)는 필터 어레이(130)에서 필티렁된 광을 검출할 수 있다. 광 검출기 어레이(140)는 필터 어레이(130)의 각 필터를 통과한 광을 검출할 수 있는 복수의 광 검출기를 포함할 수 있다. 각 광 검출기는 각 광 검출기에 대응하는 필터를 통과한 광을 검출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각 광 검출기는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 전자 결합 소자(charge-coupled device, CCD), 상보성 금속산화물 반도체(complementary metal-oxide semiconductor, COMS) 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 1은 마이크로 렌즈(120)가 유리 기판(121) 및 평볼록 렌즈(plane-convex lens)(122)로 형성되는 예를 도시하나 이에 한정되지 않는다. 즉, 마이크로 렌즈(120)는 회절 렌즈(diffractive lens), 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens, GRIN lens) 등으로 형성될 수도 있다.
도 2는 마이크로 렌즈의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 굴절률이 n(예컨대, 1.46)인 유리를 연마하여 유리 기판(121) 및 평볼록 렌즈(122)를 구현하는 예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 평볼록 렌즈(122)의 폭이 2a(예컨대, 250㎛)이고, 곡률 반경이 Rc(예컨대, 175㎛)인 경우, 유리 기판(121)의 두께 Gt는 n*RC/(n-1)(예컨대, 555.5㎛)이고, 평볼록 렌즈(122)의 SAG(sagittal height)는 RC - (RC 2 - a2)1/2(예컨대, 52.5㎛)이며, 마이크로 렌즈(120)의 전체 두께 Lt는 Gt+SAG(예컨대, 608㎛)일 수 있다.
이때, 마이크로 렌즈(120)의 초점면은 평볼록 렌즈(122)가 형성된 유리 기판(121) 일면의 반대면과 일치하며 마이크로 렌즈(120)의 초점면에 개구가 형성된 광 블록킹 레이어(110)가 배치될 수 있다.
한편, 콜리메이션의 cone angle은 마이크로 렌즈(120)의 초점 거리 및 개구의 크기에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 콜리메이션 cone angle은 대략 tan-1(개구 반경/초점거리)이며, 개구 반경이 약 50㎛로 형성되는 경우 콜리메이션 cone angle은 5도 내외가 될 수 있다.
도 3은 소형 분광 유닛의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 3의 소형 분광 유닛(300)은 광을 분광할 수 있는 소형 장치로, 전자 장치에 탑재되거나, 하우징으로 감싸져 별개의 장치로 구현될 수 있다. 전자 장치는 휴대폰, 스마트폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등을 포함할 수 있고, 웨어러블 디바이스는 손목시계형, 손목 밴드형, 반지형, 벨트형, 목걸이형, 발목 밴드형, 허벅지 밴드형, 팔뚝 밴드형 등을 포함할 수 있다. 그러나 전자 장치는 상술한 예에 제한되지 않으며, 웨어러블 디바이스 역시 상술한 예에 제한되지 않는다.
도 3을 참조하면, 소형 분광 유닛(300)은 광 블록킹 레이어(110), 마이크로 렌즈(120), 필터 어레이(130), 광 검출기 어레이(140), 및 광원 어레이(310)를 포함할 수 있다. 여기서 광 블록킹 레이어(110), 마이크로 렌즈(120), 필터 어레이(130), 및 광 검출기 어레이(140)는 도 1을 참조하여 전술한 바와 같으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
광원 어레이(310)는 피검체에 광을 조사하는 복수의 광원을 포함할 수 있다. 복수의 광원은 소정 파장의 광, 예컨대 가시광선 또는 근적외선을 피검체에 조사할 수 있다. 복수의 광원은 피검체에 서로 다른 파장의 광을 조사할 수도 있고, 모두 동일한 파장의 광을 조사할 수도 있다. 또한, 복수의 광원 중 일부는 동일한 파장의 광을 조사하고, 나머지는 서로 다른 파장의 광을 조사할 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 각 광원은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode, OLED), 양자점 발광 다이오드(Quantum dot light-emitting diodes, QLED), 레이저 다이오드(laser diode), 형광체 등으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광원 어레이(310)의 복수의 광원은 광 블록킹 레이어(110)에 형성된 개구를 중심으로 개구의 주위를 둘러싸도록 개구와 동심원 모양으로 배치될 수 있다. 예컨대, 광원 어레이(310)의 중심에 개구가 배치되고, 개구를 중심으로 개구와 동심원으로 n개의 광원이 배치될 수 있다. 각 광원은 λ1, λ2, λ3, …, λn의 서로 다른 피크 파장을 갖도록 미리 설정될 수 있다. 각 광원은 소정의 제어 신호에 따라 순차적으로 또는 동시에 구동하면서 설정된 피크 파장의 광을 피검체에 조사할 수 있다. 이 경우 피검체로부터 반사 또는 산란되어 되돌아오는 광의 일부는 개구, 마이크로 렌즈(120) 및 필터 어레이(130)를 순차적으로 통과하여 광 검출기 어레이(140)에 검출되며, 나머지 광은 광 블록킹 레이어(100)에 의해 반사 또는 흡수될 수 있다.
도 4는 생체 신호 측정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 4의 생체 신호 측정 장치(400)는 피검체의 위치별 스펙트럼을 획득할 수 있는 장치로, 전자 장치에 탑재되거나, 하우징으로 감싸져 별개의 장치로 구현될 수 있다. 전자 장치는 휴대폰, 스마트폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등을 포함할 수 있고, 웨어러블 디바이스는 손목시계형, 손목 밴드형, 반지형, 벨트형, 목걸이형, 발목 밴드형, 허벅지 밴드형, 팔뚝 밴드형 등을 포함할 수 있다. 그러나 전자 장치는 상술한 예에 제한되지 않으며, 웨어러블 디바이스 역시 상술한 예에 제한되지 않는다.
도 4를 참조하면 생체 신호 측정 장치(400)는 광원(410), 소형 분광 유닛 어레이(420) 및 프로세서(430)를 포함할 수 있다.
광원(410)은 피검체에 광을 조사할 수 있다. 예를 들어, 광원(410)은 소정 파장의 광, 예컨대 가시광선 또는 근적외선을 피검체에 조사할 수 있다. 그러나, 측정 목적이나 분석 물질의 종류에 따라서 광원(410)에서 조사되는 광의 파장은 달라질 수 있다. 그리고 광원(410)은 반드시 단일의 발광체로 구성될 필요는 없으며, 다수의 발광체의 집합으로 구성될 수도 있다. 광원(410)이 다수의 발광체의 집합으로 구성되는 경우, 다수의 발광체는 서로 다른 파장의 광을 방출할 수도 있고 모두 동일한 파장의 광을 방출할 수도 있다. 또한, 일부는 동일한 파장의 광을 방출하고, 나머지는 서로 다른 파장의 광을 방출할 수도 있다. 일 실시예에 따르면 광원(410)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode, OLED), 양자점 발광 다이오드(Quantum dot light-emitting diodes, QLED), 레이저 다이오드(laser diode), 형광체 등을 포함할 수 있으나 이는 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 소형 분광 유닛 어레이(420)가 별개의 광원을 포함하는 경우 광원(410)은 생략 가능하다.
소형 분광 유닛 어레이(420)는 복수의 소형 분광 유닛을 포함할 수 있으며, 소형 분광 유닛은 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 소형 분광 유닛(100, 300)과 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
프로세서(430)는 생체 신호 측정 장치(400)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
프로세서(430)는 소형 분광 유닛 어레이(420)에서 검출된 광을 기반으로 피검체의 위치별 스펙트럼을 획득할 수 있다. 예컨대, 소형 분광 유닛 어레이(420)가 2개의 소형 분광 유닛(제1 소형 분광 유닛 및 제2 소형 분광 유닛)을 포함하는 경우, 제1 소형 분광 유닛은 피검체의 제1 위치에 접촉하고 제2 소형 분광 유닛은 피검체의 제2 위치에 접촉할 수 있다. 제1 소형 분광 유닛은 피검체의 제1 위치로부터 입사되는 광을 검출하고, 제2 소형 분광 유닛은 피검체의 제2 위치로부터 입사되는 광을 검출할 수 있다. 프로세서(430)는 제1 소형 분광 유닛에서 검출된 광을 기반으로 피검체의 제1 위치에 대한 제1 스펙트럼을 획득하고, 제2 소형 분광 유닛에서 검출된 광을 기반으로 피검체의 제2 위치에 대한 제2 스펙트럼을 획득할 수 있다.
프로세서(430)는 획득된 위치별 스펙트럼을 기반으로 피검체의 생체 정보를 추정하거나, 피검체의 깊이 정보를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 프로세서(430)는 획득된 위치별 스펙트럼을 평균하여 평균 스펙트럼을 산출하고, 산출된 평균 스펙트럼을 분석하여 피검체의 생체 정보를 추정할 수 있다. 이때 생체 정보는 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 등을 포함하는 혈중 성분 정보, 및 멜라닌, 콜라겐, 케라틴 및 엘라스틴 등을 포함하는 피부내 성분 정보 등을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 프로세서(430)는 획득된 위치별 스펙트럼으로부터 피검체의 깊이 정보를 획득할 수 있다. 각 소형 분광 유닛은 피검체의 서로 다른 위치에 접촉하므로 피검체의 서로 다른 위치로부터 입사되는 광을 검출할 수 있고, 광원과 각 소형 분광 유닛의 거리에 따라 각 소형 분광 유닛에서 검출되는 광은 피검체의 서로 다른 깊이 정보를 포함할 수 있다. 따라서, 프로세서(430)는 획득된 위치별 스펙트럼으로부터 피검체의 깊이 정보를 획득하는 것이 가능하다.
도 5는 생체 신호 측정 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 5의 생체 신호 측정 장치(500)는 피검체의 위치별 스펙트럼을 획득할 수 있는 장치로, 전자 장치에 탑재되거나, 하우징으로 감싸져 별개의 장치로 구현될 수 있다. 전자 장치는 휴대폰, 스마트폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등을 포함할 수 있고, 웨어러블 디바이스는 손목시계형, 손목 밴드형, 반지형, 벨트형, 목걸이형, 발목 밴드형, 허벅지 밴드형, 팔뚝 밴드형 등을 포함할 수 있다. 그러나 전자 장치는 상술한 예에 제한되지 않으며, 웨어러블 디바이스 역시 상술한 예에 제한되지 않는다.
도 5를 참조하면 생체 신호 측정 장치(500)는 광원(410), 소형 분광 유닛 어레이(420), 프로세서(430), 입력부(510), 저장부(520), 통신부(530) 및 출력부(540)를 포함할 수 있다. 여기서, 광원(410), 소형 분광 유닛 어레이(420), 및 프로세서(430)는 도 4를 참조하여 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
입력부(510)는 사용자로부터 다양한 조작신호를 입력 받을 수 있다. 일 실시예에 따르면, 입력부(510)는 키 패드(key pad), 돔 스위치(dome switch), 터치 패드(touch pad)(정압/정전), 조그 휠(Jog wheel), 조그 스위치(Jog switch), H/W 버튼 등을 포함할 수 있다. 특히, 터치 패드가 디스플레이와 상호 레이어 구조를 이룰 경우, 이를 터치 스크린이라 부를 수 있다.
저장부(520)는 생체 신호 측정 장치(500)의 동작을 위한 프로그램 또는 명령들을 저장할 수 있고, 생체 신호 측정 장치(500)에 입력되는 데이터 및 생체 신호 측정 장치(500)로부터 출력되는 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 저장부(520)는 검출된 광 신호, 위치별 스펙트럼, 피검체의 생체 정보, 피검체의 깊이 정보 등을 저장할 수 있다.
저장부(520)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드 디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예컨대, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 등 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 생체 신호 측정 장치(500)는 인터넷 상에서 저장부(520)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage) 등 외부 저장 매체를 운영할 수도 있다.
통신부(530)는 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 예컨대, 통신부(530)는 생체 신호 측정 장치(500)에 입력된 데이터, 저장된 데이터, 처리된 데이터 등을 외부 장치로 전송하거나, 외부 장치로부터 위치별 스펙트럼 획득, 피검체의 생체 정보 추정, 피검체의 깊이 정보 획득에 도움이 되는 다양한 데이터를 수신할 수 있다.
이때, 외부 장치는 생체 신호 측정 장치(500)에 입력된 데이터, 저장된 데이터, 처리된 데이터 등을 사용하는 의료 장비, 결과물을 출력하기 위한 프린트 또는 디스플레이 장치일 수 있다. 이외에도 외부 장치는 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
통신부(530)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 그러나, 이는 일 예에 불과할 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
출력부(540)는 생체 신호 측정 장치(500)에 입력된 데이터, 저장된 데이터, 처리된 데이터 등을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 출력부(540)는 생체 신호 측정 장치(500)에 입력된 데이터, 저장된 데이터, 처리된 데이터 등을 청각적 방법, 시각적 방법 및 촉각적 방법 중 적어도 하나의 방법으로 출력할 수 있다. 이를 위해 출력부(540)는 디스플레이, 스피커, 진동기 등을 포함할 수 있다.
도 6은 생체 신호 측정 방법의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 6의 생체 신호 측정 방법은 도 4 또는 도 5의 생체 신호 측정 장치(400, 500)에 의해 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 생체 신호 측정 장치는 피검체에 광을 조사하고(610), 피검체의 서로 다른 위치에서 되돌아오는 광을 검출할 수 있다(620). 이때 생체 신호 측정 장치는 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 소형 분광 유닛을 복수 개 포함하는 소형 분광 유닛 어레이를 이용할 수 있다.
생체 신호 측정 장치는 검출된 광을 기반으로 피검체의 위치별 스펙트럼을 획득할 수 있다(630). 예컨대, 소형 분광 유닛 어레이가 2개의 소형 분광 유닛(제1 소형 분광 유닛 및 제2 소형 분광 유닛)을 포함하는 경우, 제1 소형 분광 유닛은 피검체의 제1 위치에 접촉하고 제2 소형 분광 유닛은 피검체의 제2 위치에 접촉할 수 있으며, 제1 소형 분광 유닛은 피검체의 제1 위치로부터 입사되는 광을 검출하고, 제2 소형 분광 유닛은 피검체의 제2 위치로부터 입사되는 광을 검출할 수 있다. 생체 신호 측정 장치는 제1 소형 분광 유닛에서 검출된 광을 기반으로 피검체의 제1 위치에 대한 제1 스펙트럼을 획득하고, 제2 소형 분광 유닛에서 검출된 광을 기반으로 피검체의 제2 위치에 대한 제2 스펙트럼을 획득할 수 있다.
생체 신호 측정 장치는 획득된 위치별 스펙트럼을 기반으로 피검체의 생체 정보를 추정하거나, 피검체의 깊이 정보를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 생체 신호 측정 장치는 획득된 위치별 스펙트럼을 평균하여 평균 스펙트럼을 산출하고, 산출된 평균 스펙트럼을 분석하여 피검체의 생체 정보를 추정할 수 있다. 이때 생체 정보는 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 등을 포함하는 혈중 성분 정보, 및 멜라닌, 콜라겐, 케라틴 및 엘라스틴, 카르티노이드 등을 포함하는 피부내 성분 정보 등을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 생체 신호 측정 장치는 획득된 위치별 스펙트럼으로부터 피검체의 깊이 정보를 획득할 수 있다. 각 소형 분광 유닛은 피검체의 서로 다른 위치에 접촉하므로 피검체의 서로 다른 위치로부터 입사되는 광을 검출할 수 있고, 광원과 각 소형 분광 유닛의 거리에 따라 각 소형 분광 유닛에서 검출되는 광은 피검체의 서로 다른 깊이 정보를 포함할 수 있다. 따라서, 생체 신호 측정 장치는 획득된 위치별 스펙트럼으로부터 피검체의 깊이 정보를 획득하는 것이 가능하다.
상술한 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 작성되고 실행될 수 있다.
100: 소형 분광 유닛
110: 광 블로킹 레이어
120: 마이크로 렌즈
121: 유리 기판
122: 평볼록 렌즈
130: 필터 어레이
140: 광 검출기 어레이

Claims (17)

  1. 개구(aperture)가 형성된 광 블로킹 레이어;
    광 블로킹 레이어와 맞닿으며, 상기 개구를 통과한 광을 콜리메이션하는 마이크로 렌즈;
    상기 콜리메이션된 광을 필터링하는 필터 어레이; 및
    상기 필터링된 광을 검출하는 광 검출기 어레이; 를 포함하는,
    소형 분광 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개구의 중심은 상기 마이크로 렌즈의 광축과 일치하는,
    소형 분광 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는,
    평볼록 렌즈, 회절 렌즈(diffractive lens), 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens, GRIN lens) 중 하나로 구현되는
    소형 분광 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈의 초점면은,
    상기 광 블록킹 레이어가 맞닿는 면과 일치하는,
    소형 분광 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 필터 어레이는,
    간섭 필터(interference filter), 산란 필터(diffusion filter), 플라스몬 필터(plasmonic filter), 메타표면 필터(metasurface filter) 중 적어도 하나를 포함하는,
    소형 분광 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    피검체에 광을 조사하는 광원 어레이; 를 더 포함하는,
    소형 분광 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광원 어레이는,
    상기 개구를 둘러싸도록 배치되는,
    소형 분광 유닛.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 광원 어레이는,
    상기 개구와 동심원을 이루도록 배치되는,
    소형 분광 유닛.
  9. 소형 분광 유닛 어레이; 및
    상기 소형 분광 유닛 어레이에서 검출된 광을 기반으로 피검체의 위치별 스펙트럼을 획득하고, 획득된 위치별 스펙트럼을 분석하여 상기 피검체의 생체 정보를 추정하거나 상기 피검체의 깊이 정보를 획득하는 프로세서; 를 포함하고,
    각 소형 분광 유닛은,
    개구(aperture)가 형성된 광 블로킹 레이어;
    광 블로킹 레이어와 맞닿으며, 상기 개구를 통과한 광을 콜리메이션하는 마이크로 렌즈;
    상기 콜리메이션된 광을 필터링하는 필터 어레이; 및
    상기 필터링된 광을 검출하는 광 검출기 어레이; 를 포함하는,
    생체 신호 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 생체 정보는 혈중 성분 정보 및 피부내 성분 정보 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 혈중 성분 정보는 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 피부내 성분 정보는 멜라닌, 콜라겐, 케라틴, 엘라스틴, 카르티노이드 중 적어도 하나를 포함하는,
    생체 신호 측정 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 개구의 중심은 상기 마이크로 렌즈의 광축과 일치하는,
    생체 신호 측정 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는,
    평볼록 렌즈, 회절 렌즈(diffractive lens), 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens, GRIN lens) 중 하나로 구현되는
    생체 신호 측정 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈의 초점면은,
    상기 광 블록킹 레이어가 맞닿는 면과 일치하는,
    생체 신호 측정 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 필터 어레이는,
    간섭 필터(interference filter), 산란 필터(diffusion filter), 플라스몬 필터(plasmonic filter), 메타표면 필터(metasurface filter) 중 적어도 하나를 포함하는,
    생체 신호 측정 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 피검체에 광을 조사하는 광원 어레이; 를 더 포함하는,
    생체 신호 측정 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광원 어레이는,
    상기 개구를 둘러싸도록 배치되는,
    생체 신호 측정 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 광원 어레이는,
    상기 개구와 동심원을 이루도록 배치되는,
    생체 신호 측정 장치.
KR1020180126623A 2018-10-23 2018-10-23 소형 분광 유닛 및 생체 신호 측정 장치 KR102680471B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180126623A KR102680471B1 (ko) 2018-10-23 소형 분광 유닛 및 생체 신호 측정 장치
US16/661,556 US10883876B2 (en) 2018-10-23 2019-10-23 Compact spectrometer unit and bio-signal measuring apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180126623A KR102680471B1 (ko) 2018-10-23 소형 분광 유닛 및 생체 신호 측정 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200045737A true KR20200045737A (ko) 2020-05-06
KR102680471B1 KR102680471B1 (ko) 2024-07-03

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11359965B2 (en) 2020-10-05 2022-06-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus and method for estimating target component

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11359965B2 (en) 2020-10-05 2022-06-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus and method for estimating target component

Also Published As

Publication number Publication date
US10883876B2 (en) 2021-01-05
US20200124471A1 (en) 2020-04-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109805889B (zh) 光谱学装置、光谱学方法以及生物信号测量装置
JP7338969B2 (ja) 光センサー、それを用いた吸光度測定装置及び方法
KR102461187B1 (ko) 라만 프로브, 라만 스펙트럼 획득 장치, 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법 및 표적 물질 분포 탐지 방법
KR102544670B1 (ko) 항산화 센서, 항산화 신호 측정 방법 및 항산화 레벨 판단 방법
US20230055190A1 (en) Compact raman sensor and apparatus for estimating bio-component
US20190277764A1 (en) Raman probe, raman spectrum obtaining apparatus, and method of obtaining raman spectrum and detecting distribution of target material using raman probe
US11317866B2 (en) Optical sensor, optical sensor array and apparatus and method for measuring bio-signal
US20190257761A1 (en) Raman probe and bio-component analyzing apparatus using the same
CN111351761A (zh) 抗氧化剂传感器和获得抗氧化剂信号的方法
US10883876B2 (en) Compact spectrometer unit and bio-signal measuring apparatus
KR102437776B1 (ko) 생체 성분 추정 장치 및 그의 동작 방법
KR102289043B1 (ko) 스펙트럼 측정 장치 및 방법
KR102564544B1 (ko) 생체 신호 측정 장치와, 혈압 측정 장치 및 방법
KR102680471B1 (ko) 소형 분광 유닛 및 생체 신호 측정 장치
US20140296719A1 (en) Biometric device, biometric method, program, and recording medium
US11439327B2 (en) Apparatus and method for measuring Raman spectrum
KR20200029908A (ko) 분석 물질의 혈중 농도 측정 장치 및 방법
KR102627145B1 (ko) 스펙트럼 측정 장치 및 방법
US11255729B2 (en) Apparatus and method for monitoring stability of spectrum
KR102592510B1 (ko) 라만 프로브 및 이를 이용한 생체 성분 분석 장치
KR20200095891A (ko) 심박 지표 판단 장치 및 방법
US11684267B2 (en) Lens, light source device with lens, and apparatus for estimating concentration of analyte
US20200315505A1 (en) Apparatus and method for estimating analyte concentration

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right