KR20200095939A - 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기는, 내부 물질을 감지할 타겟을 향해 광을 방출하기 위한 복수 개의 발광다이오드(light emitting diode, LED)와, 복수 개의 발광다이오드에서 방출되어 타겟에 반사된 광을 수신하기 위한 복수 개의 포토다이오드(photodiode, PD)가 소정의 간격으로 배열된 다이오드 어레이와, 복수 개의 발광다이오드가 온 또는 오프되도록 제어하고, 포토다이오드로부터 획득한 신호를 처리하기 위해 마련되는 제어부를 포함한다. 복수 개의 발광다이오드 및 복수 개의 포토다이오드는, 각각 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터 크기를 가지며, 서로 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터 간격으로 배열된다.

Description

비침습적인 광학식 내부 물질 감지기{NON-INVASIVE OPTICAL INTERNAL SUBSTANCE DETECTOR}
본 발명은 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기에 관한 것이다.
종래에 비침습적으로 생체 조직의 알코올 농도를 검출하기 위해 다양한 시도들이 있었다. 이러한 시스템들은 편광측정법(polarimetry), 중간 적외선 스펙트로스코피(mid-infrared spectroscopy), 라만분광법(raman spectroscopy), 크로모스코피(kromoscopy), 고주파 분광법(radio-frequency spectroscopy) 등을 이용하여 구성되기도 하였다. 이러한 방식을 광학 측정 방식이라고 한다.
최근에는 차량 내부에 알코올 감지 센서를 장착하여 음주 시 시동이 걸리지 않도록 함으로써 음주 운전을 미연에 방지하기 위한 시도들이 나타나고 있다. 이와 같이 차량에 적용 가능한 알코올 감지 센서로서 위와 같은 광학 측정 방식을 이용한 광학식 알코올 감지기를 이용하는 것을 고려해 볼 수 있다.
한편, 체내 알코올 농도를 측정하기 위한 방법으로 위와 같은 광학 측정 방식 이외에 호흡 측정 방식도 고려해볼 수 있지만, 호흡 측정 방식의 경우에는 대리 시동이 가능하다는 문제가 있다. 이와 비교할 때, 광학식 알코올 감지기는 차량의 운전자 인식 기능과의 통합이 용이하므로 보다 효과적으로 음주 시 시동 잠금을 구성할 수 있다.
하지만, 종래의 광학식 알코올 측정기는 발광소자와 수광소자 및 이들의 신호처리를 위한 회로 등을 포함하여 차량의 내부에 적용하기에는 큰 부피를 가지고 있다. 특히, 운전자의 시동 잠금 기능에 적용하기 위해서는 차량의 시동 버튼과 같은 곳에 설치 가능할 정도로 광학식 알코올 측정기의 소형화가 필요한데, 이를 위한 기술이 필요하였다.
본 발명은 구성을 집적화시킴으로써 소형화된 광학식 내부 물질(예를 들면, 알코올) 감지기를 제공하는 것에 주목적이 있다.
또한, 본 발명은 광학식 내부 물질 감지기가 집적화됨에 따라 발광소자와 수광소자와 같은 구성들이 서로 간섭되는 문제를 방지하기 위한 구조를 마련하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기는, 내부 물질을 감지할 타겟을 향해 광을 방출하기 위한 복수 개의 발광다이오드(light emitting diode, LED)와, 상기 복수 개의 발광다이오드에서 방출되어 상기 타겟에 반사된 광을 수신하기 위한 복수 개의 포토다이오드(photodiode, PD)가 소정의 간격으로 배열된 다이오드 어레이; 및 상기 복수 개의 발광다이오드가 온 또는 오프되도록 제어하고, 상기 포토다이오드로부터 획득한 신호를 처리하기 위해 마련되는 제어부를 포함한다.
상기 복수 개의 발광다이오드 및 상기 복수 개의 포토다이오드는, 각각 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터 크기를 가지며, 서로 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터 간격으로 배열된다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기는, 내부 물질을 감지할 타겟을 향해 광을 방출하기 위한 복수 개의 발광다이오드(light emitting diode, LED)와, 상기 복수 개의 발광다이오드에서 방출되어 상기 타겟에 반사된 광을 수신하기 위한 복수 개의 포토다이오드(photodiode, PD)가 소정의 간격으로 배열된 다이오드 어레이; 및 상기 복수 개의 발광다이오드에서 방출되는 광을 모아주고(converge) 상기 복수 개의 포토다이오드로 입사되는 광을 모아주기 위해, 상기 다이오드 어레이의 일측에 배치되는 렌즈 어레이를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 각각 마이크로 단위의 크기를 가지며 서로 마이크로 단위의 간격으로 배열된 복수 개의 발광다이오드 및 복수 개의 포토다이오드의 어레이를 포함함으로써, 광학식 내부 물질 감지기를 집적화시켜 소형화 시킬 수 있다.
둘째, 복수 개의 발광다이오드에서 방출되는 광을 모아주고(converge) 복수 개의 포토다이오드로 입사되는 광을 모아주기 위해, 다이오드 어레이의 일측에 배치되는 렌즈 어레이를 포함함으로써, 집적화된 발광다이오드와 포토다이오드 간에 간섭이 일어나는 것을 방지하고 내부 물질 감지기의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기가 버튼에 설치된 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 버튼의 상하 단면의 일부를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 도 3의 광학식 알코올 감지기의 상하 단면을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기의 회로를 설명하기 위한 것이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 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, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기가 버튼에 설치된 모습을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 버튼의 상하 단면의 일부를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 4는 도 3의 광학식 알코올 감지기의 상하 단면을 나타낸 것이다.
본 실시예에서 광학식 내부 물질 감지기는 광학식 알코올 감지기(100)인 경우로 예를 들어 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 아니한다. 예를 들면, 본 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기(100)에서 이용하는 광의 파장을 변경하는 등의 조정을 통해, 알코올이 아닌 체내의 글루코스(혈당)을 감지하는 용도로 이용될 수도 있다.
본 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기(100)는 다이오드 어레이(110)와 다이오드 어레이(110)를 제어하기 위한 제어부(130)를 포함한다.
다이오드 어레이(110)는 알코올을 감지할 타겟(F)을 향해 광을 방출하기 위한 복수 개의 발광다이오드(light emitting diode, LED)(111a, 111b)와, 상기 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)에서 방출되어 상기 타겟(F)에 반사된 광을 수신하기 위한 복수 개의 포토다이오드(photodiode, PD)(112)를 포함한다.
타겟(F)은 상기 발광다이오드(111a, 111b)에서 발광된 광이 반사되는 대상으로, 알코올을 포함하는 대상일 수 있다. 도 1을 참조하여 예를 들면, 타겟(F)은 사람의 손가락일 수 있다. 사람이 알코올을 섭취할 경우 혈중 알코올 농도가 높아지게 되고, 혈관을 따라 알코올을 포함하는 혈액이 손가락으로 유입되게 된다.
이 때, 손가락을 향해 소정의 광(예를 들면, 레이저)을 조사하면 혈중 알코올의 농도에 따라 광 흡수량이 달라지게 되는데, 손가락에서 반사된 광을 검사함으로써 혈중 알코올 농도를 검출할 수 있다. 본 발명의 비침습적인 광학식 알코올 감지기는 이러한 원리를 이용하는 것이다.
한편, 본 실시예에서, 제어부(130)는 상기 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)가 온(ON) 또는 오프(OFF)되도록 제어하고, 상기 포토다이오드(112)로부터 획득한 신호를 처리하기 위해 마련될 수 있다.
종래에 비침습적으로 생체 조직의 알코올 농도를 검출하기 위해 다양한 시도들이 있었다. 이러한 시스템들은 편광측정법(polarimetry), 중간 적외선 스펙트로스코피(mid-infrared spectroscopy), 라만분광법(raman spectroscopy), 크로모스코피(kromoscopy), 고주파 분광법(radio-frequency spectroscopy) 등을 이용하여 구성되기도 하였다. 이러한 방식을 광학 측정 방식이라고 한다.
최근에는 차량 내부에 알코올 감지 센서를 장착하여 음주시 시동이 걸리지 않도록 함으로써 음주 운전을 미연에 방지하기 위한 시도들이 나타나고 있다. 이와 같이 차량에 적용 가능한 알코올 감지 센서로서 위와 같은 광학 측정 방식을 이용한 광학식 알코올 감지기를 이용하는 것을 고려해 볼 수 있다.
한편, 체내 알코올 농도를 측정하기 위한 방법으로 위와 같은 광학 측정 방식 이외에 호흡 측정 방식도 고려해볼 수 있지만, 호흡 측정 방식의 경우에는 대리 시동이 가능하다는 문제가 있다. 이와 비교할 때, 광학식 알코올 감지기는 차량의 운전자 인식 기능과의 통합이 용이하므로 보다 효과적으로 음주시 시동 잠금을 구성할 수 있다.
하지만, 종래의 광학식 알코올 측정기는 발광소자와 수광소자 및 이들의 신호처리를 위한 회로 등을 포함하여 차량의 내부에 적용하기에는 큰 부피를 가지고 있다. 특히, 운전자의 시동 잠금 기능에 적용하기 위해서는 차량의 시동 버튼과 같은 곳에 설치 가능할 정도로 광학식 알코올 측정기의 소형화가 필요한데, 이를 위한 기술이 필요하였다.
본 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기(100)는 초소형 알코올 센서를 제공하기 위해, 마이크로 단위의 발광다이오드(111a, 111b)들과 포토다이오드(112)들을 하나의 칩에 어레이화하여 집적하고, 제어부(130) 또한 동일 칩에 집적하여, 하나의 칩으로 광 송신, 광 수신, 및 신호처리를 할 수 있는 멤스(microelectromechanical system, MEMS) 칩에 관한 것이다.
본 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기(100)의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기(100)는 차량의 시동 버튼(10)과 같이 사람이 터치하는 버튼에 설치되어, 사람이 버튼(10)을 터치할 때 알코올을 감지하도록 마련될 수 있다. 이를 위해, 버튼(10)의 사람이 터치하는 면에는 버튼윈도우(11)가 형성되어, 버튼윈도우(11)를 통해 광학식 알코올 감지기(100)에서 발광된 광이 타겟(F)에 조사되고, 타겟(F)에 반사된 광이 버튼윈도우(11)를 통해 광학식 알코올 감지기(100)로 입사될 수 있다.
광학식 알코올 감지기(100)는 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)에서 방출되는 광을 모아주고(converge) 상기 복수 개의 포토다이오드(112)로 입사되는 광을 모아주기 위해, 상기 다이오드 어레이(110)의 일측에 배치되는 렌즈 어레이(120)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기(100)의 다이오드 어레이(110)는 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)와 복수 개의 포토다이오드(112)를 포함하며, 상기 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b) 및 상기 복수 개의 포토다이오드(112)는, 각각 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터 크기를 가지고, 서로 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터 간격으로 배열된다.
예를 들면, 다이오드 어레이(110)는 단일 또는 다중 픽셀 아키텍처를 포함하는 소형 형광 센서(Miniature fluorescence sensors)와 같은 방식으로 제작될 수 있다. 이러한 센서는 LED나 레이저와 같은 광원, 상기 광원과 인접한 광검출기(photodetector), 및 형광 방출 필터(fluorescence emission filter)를 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들면, 다이오드 어레이(110)는 VCSEL(verticalcavity surface-emitting laser)을 포함하여 구성될 수 있다. VCSEL은 반도체 웨이퍼에 면직한 방향(예를 들면, 상측방향)으로 빛을 방출시킬 수 있고, 따라서 집적된 장치에 사용하기에 적합하다. LED에 비해 VCSEL은 더 높은 강도로 광을 방출시킬 수 있으며, 더 작은 크기의 센서로 구현 가능한 장점이 있다. 또한, VCSEL은 여러 광원을 통합하여 집적화된 장치를 구현하기에도 용이하다.
이때, 발광다이오드(111a, 111b)에서 발광된 광이 타겟(F)에 반사되지 않고 곧바로 포토다이오드(112)로 유입되게 되면 타겟(F)의 알코올 농도를 정확히 감지하기가 어렵다. 즉, 발광다이오드(111a, 111b)와 포토다이오드(112)가 마이크로 단위의 간격으로 배열되는 만큼, 이들 사이의 간섭을 최소화하기 위해 렌즈 어레이(120)를 이용하는 것이다.
한편, 다이오드 어레이(110)와 렌즈 어레이(120)는 하나의 패키지로서 구성될 수 있다. 다이오드 어레이(110)와 렌즈 어레이(120)를 포함하는 송수광 칩이 준비될 수 있고, 본 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기(100)는 송수광 칩을 포함할 수 있다. 이와 같이 다이오드 어레이(110)와 렌즈 어레이(120)를 하나의 패키지로 구성한 송수광 칩을 이용해 광학식 알코올 감지기(100)를 마련하게 되면, 광학식 알코올 감지기(100)의 제작이 간편해지고 광학식 알코올 감지기(100)의 제작과정에서 발광다이오드(111a, 111b)와 포토다이오드(112)의 배열이 어긋나는 것도 방지될 수 있다.
광학식 알코올 감지기(100)는 다이오드 어레이(110)와 제어부(130)가 배치되는 기판(140)을 더 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 기판(140)은 제1 영역(141)과 상기 제1 영역(141)보다 상대적으로 열전달율이 낮은 제2 영역(142)을 포함하여 구성될 수 있다.
다이오드 어레이(110)는 상기 기판(140)의 제1 영역(141)에 배치되고, 상기 제어부(130)는 상기 기판(140)의 제2 영역(142)에 배치될 수 있다. 다이오드 어레이(110)는 발광다이오드(111a, 111b)를 포함하는데, 발광다이오드(111a, 111b)에서 광을 방출할 때에는 열도 함께 생성될 수 있다. 다이오드 어레이(110)에서 생성되는 열로 인해 다이오드 어레이(110)의 온도가 상승하면, 다이오드 어레이(110)를 구성하는 발광다이오드(111a, 111b)나 포토다이오드(112) 또는 그를 전기적으로 연결하는 도선 등이 손상될 수 있기 때문에 다이오드 어레이(110)를 효과적으로 방열하는 것이 필요하다.
본 실시예에 따르면, 다이오드 어레이(110)가 기판(140)의 열전달율(또는 열전도성)이 높은 제1 영역(141)에 배치됨으로써, 기판(140)을 통해 다이오드 어레이(110)의 열이 효과적으로 배출될 수 있다.
본 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기(100)는 다이오드 어레이(110) 및 제어부(130)의 효과적인 방열을 위해, 쿨러(150)를 더 포함할 수 있다.
쿨러(150)는 상기 기판(140)을 냉각시키기 위해, 상기 기판(140)의, 상기 다이오드 어레이(110)와 상기 제어부(130)가 배치되는 일측의 반대측인 타측에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 쿨러(150)는 공냉식 또는 유냉식 쿨러로 구성될 수 있다. 예를 들면, 쿨러(150)는 금속과 같이 열전도성이 높인 재질로 형성되어, 공기에 의해 냉각되거나 또는, 기판(140)과 접촉된 일측의 반대측인 타측이 별도의 부재에 접촉됨으로써 열을 별도의 부재로 전달함으로써 냉각될 수도 있다.
이와 같이 구성되는 광학식 알코올 감지기(100)는 상하 방향 두께(T1)가 약 10mm 미만이 되도록 형성될 수 있다. 따라서, 차량 내부의 시동 버튼 이외에 운전석 근처의 어디든 적용이 용이할 수 있다.
도 3을 참조하면, 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)는, 제1 파장의 광(L1)을 방출하는 하나 이상의 제1 발광다이오드(111a)와, 상기 제1 파장보다 긴 제2 파장의 광(L2)을 방출하는 하나 이상의 제2 발광다이오드(111b)를 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 발광다이오드(111a)는, 소정의 열방향(D1)으로 배열되어 제1 발광다이오드 열을 이루는 복수 개의 제1 발광다이오드(111a)를 포함할 수 있다.
상기 제2 발광다이오드(111b)는, 상기 열방향(D1)으로 배열되어 제2 발광다이오드 열을 이루는 복수 개의 제2 발광다이오드(111b)를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 포토다이오드(112)는, 상기 열방향(D1)으로 배열되어 제1 포토다이오드 열을 이루는 복수 개의 포토다이오드(112)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 복수 개의 포토다이오드(112)는 복수 개의 열을 이루며 배열될 수 있다. 도 3을 참조하면, 복수 개의 포토다이오드(112)는 제1 포토다이오드 열, 제2 포토다이오드 열, 제3 포토다이오드 열이 행방향(D2)으로 배열될 수 있다.
상기 제1 발광다이오드 열, 상기 제1 포토다이오드 열, 및 상기 제2 발광다이오드 열은, 상기 제1 발광다이오드 열, 상기 제1 포토다이오드 열, 및 상기 제2 발광다이오드 열의 순으로 서로 나란하게 배열될 수 있다.
또는, 복수 개의 포토다이오드 열의 사이에 제1 발광다이오드 열과 제2 발광다이오드 열이 배치될 수 있다.
위와 같은 배열을 통해, 제1 발광다이오드(111a)에서 방출되어 타겟(F)에 반사된 광과 제2 발광다이오드(111b)에서 방출되어 타겟(F)에 반사된 광이 포토다이오드(112)에 의해 효과적으로 감지될 수 있다.
제1 발광다이오드(111a)와 제2 발광다이오드(111b)는 각각 제1 파장의 레이저와 제2 파장의 레이저를 방출하는 레이저 다이오드일 수 있다.
본 발명에 의하면, 각 파장의 레이저 다이오드를 번갈아 배치하고 사이사이에 포토다이오드를 위치시킴으로써, 각 레이저 다이오드의 위치 차이로 인한 파장별 송수광 감도 차이를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 알코올(농도) 감지 성능이 향상될 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)는 제1 파장과 제2 파장 이외에도 추가로 다른 파장을 발광하는 발광다이오드를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 지금까지 설명한 것과 마찬가지로 제1 발광다이오드 열, 제2 발광다이오드 열, 제3 발광다이오드 열이 행방향으로 나란히 배치되고, 그 사이사이에 포토다이오드 열이 배치되는 방식으로 배열될 수 있다.
상기 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b) 및 상기 복수 개의 포토다이오드(112)는, 각각 수 마이크로 미터(μm) 내지 수십 마이크로 미터(μm)의 크기를 가지는 것으로 준비될 수 있다.
상기 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b) 및 상기 복수 개의 포토다이오드(112)는, 서로 수 마이크로(μm) 미터 내지 수십 마이크로 미터(μm) 간격으로 이격되어 앞서 설명한 것과 같이 배열될 수 있다.
본 발명에 의하면, 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)에서 방출된 광이 타겟(F)을 향해 직접 조사되고, 타겟(F)에서 반사된 광이 복수 개의 포토다이오드(112)로 직접 유입될 수 있다. 따라서, 발광다이오드(111a, 111b)에서 방출된 광이 타겟(F)에 반사되어 포토다이오드(112)로 수광되는 과정에서 광손실이 최소화될 수 있고, 타겟(F)의 알코올(농도)을 보다 정확하게 감지할 수 있다.
한편, 기존에는 발광부에서 생성된 광이 광섬유 등을 통해 전달됨에 따라, 광 손실을 감안하여 발광부에서 보다 강한 광을 발생시키는 것이 필요하였으나, 본 발명에 의하면 그와 같은 광손실이 줄어듦에 따라 상대적으로 약한 광을 이용할 수 있다. 따라서, 발광소자에서 발생시키는 광의 세기를 기존보다 낮출 수 있고, 이로 인해 생성되는 열을 줄일 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 렌즈 어레이(120)는 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)와 상기 복수 개의 포토다이오드(112)의 수에 대응되는 수로 구비되어 상기 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)와 상기 복수 개의 포토다이오드(112)의 위치에 대응되게 배열되는 복수 개의 마이크로 렌즈(121)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 렌즈 어레이(120)는 복수 개의 마이크로 렌즈(121)와 복수 개의 마이크로 렌즈(121)를 고정하기 위한 플레이트를 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 렌즈 어레이(120)는 플레이트 형상의 베이스판의 일면에 볼록렌즈 형상의 돌출부가 복수 개 형성되어 마련될 수 있으며, 복수 개의 마이크로 렌즈(121)는 위의 돌출부에 해당될 수 있다. 이때, 플레이트 형상의 베이스판과 볼록렌즈 형상의 돌출부(즉, 마이크로 렌즈)는 광 투과성 재질로 형성될 수 있다.
상기 복수 개의 마이크로 렌즈(121)의 각각은, 상기 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b) 및 상기 복수 개의 포토다이오드(112)와 마주하는 일측의 반대측인 타측으로 볼록한 형상일 수 있다.
도 4를 참조하면, 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)에서 방출되는 광을 모아주고(converge) 상기 복수 개의 포토다이오드(112)로 입사되는 광을 모아주기 위해, 상하 방향을 기준으로, 복수 개의 마이크로 렌즈(121)는 상기 복수 개의 발광다이오드(111a, 111b)와 상기 복수 개의 포토다이오드(112)의 위치에 대응되게 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 발광다이오드(111a)와 제2 발광다이오드(111b)는 레이저를 일표면에서 방출하는 표면방출레이저 다이오드로 마련될 수 있다.
제1 발광다이오드(111a)에서 방출되는 제1 파장의 광(L1)과 제2 발광다이오드(111b)에서 방출되는 제2 파장의 광(L2)은 마이크로 렌즈(121)에 의해 굴절되어 타겟(F)을 향해 집중적으로 조사될 수 있다. 이를 위해, 제1 발광다이오드(111a)와 제2 발광다이오드(111b)에 대응되게 위치한 마이크로 렌즈(121)의 초점거리는 타겟(F)의 위치(예를 들면, 도 1에서 타겟(F)인 손가락이 버튼윈도우(11) 상에 접촉할 때의 위치)에 기초하여 결정될 수 있다.
타겟(F)에 반사되어 포토다이오드(112)로 입사되는 광은 마이크로 렌즈(121)에 의해 굴절되어 포토다이오드(112)로 집중될 수 있다. 이를 위해, 포토다이오드(112)에 대응되게 위치한 마이크로 렌즈(121)의 초점거리는 포토다이오드(112)와 렌즈 어레이(120)의 두께나 마이크로 렌즈(121)와 포토다이오드(112)의 감지부 사이의 거리에 기초하여 결정될 수 있다.
따라서, 제1 발광다이오드(111a)와 제2 발광다이오드(111b)에 대응되게 위치한 마이크로 렌즈(121)와 포토다이오드(112)에 대응되게 위치한 마이크로 렌즈(121)는 초점거리가 서로 같거나 또는 다르게 마련될 수 있으며, 이는 광학식 알코올 감지기(100)가 설치되는 곳(본 실시예에서는 버튼(10))의 구조에 따라 정해질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기의 회로를 설명하기 위한 것이다.
제어부(130)는 제1 발광다이오드(111a)와 제2 발광다이오드(111b)를 제어하기 위한 신호를 생성하는 발광다이오드 제어회로(131)와, 포토다이오드(112)에서 생성된 신호를 수신하는 포토다이오드 출력회로(132)를 포함할 수 있다.
제어부(130)는 상기 제1 발광다이오드(111a)가 온(ON) 되고 상기 제2 발광다이오드(111b)가 오프(OFF) 된 상태에서 상기 복수 개의 포토다이오드(112)에서 생성된 신호와, 상기 제1 발광다이오드(111a)가 오프(OFF) 되고 상기 제2 발광다이오드(111b)가 온(ON) 된 상태에서 상기 복수 개의 포토다이오드(112)에서 생성된 신호에 기초하여, 상기 타겟(F)에 대하여 알코올의 양(또는 알코올의 농도)을 감지할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(130)는 다음과 같은 과정에 의해 타겟(F)의 알코올의 양을 판단할 수 있다.
먼저, 제어부(130)는 타겟(F)으로 광을 조사하기 위해 제1 발광다이오드(111a)를 온(ON)시킨다. 제1 발광다이오드(111a)에서 방출되어 타겟(F)에 반사된 광을 포토다이오드(112)가 수신하면, 포토다이오드(112)에서는 광 신호에 따른 전류를 제어부(130)로 출력하게 된다.
제어부(130)는 포토다이오드(112)로부터 수신한 신호(예를 들면, 출력 전류)를 신호처리하여, 제1 파장의 광(L1)에 대한 알코올의 흡수율을 정량 계산한다. 즉, 제어부(130)는 타겟(F) 내부의 알코올에 의해 제1 파장의 광(L1)이 흡수된 양을 계산한다.
다음, 제어부(130)는 제1 발광다이오드(111a)는 오프(OFF)시킨 후, 타겟(F)으로 광을 조사하기 위해 제2 발광다이오드(111b)를 온(ON)시킨다. 제2 발광다이오드(111b)에서 방출되어 타겟(F)에 반사된 광을 포토다이오드(112)가 수신하면, 포토다이오드(112)에서는 광 신호에 따른 전류를 제어부(130)로 출력하게 된다.
제어부(130)는 포토다이오드(112)로부터 수신한 신호(예를 들면, 출력 전류)를 신호처리하여, 제2 파장의 광(L2)에 대한 알코올의 흡수율을 정량 계산한다. 즉, 제어부(130)는 타겟(F) 내부의 알코올에 의해 제2 파장의 광(L2)이 흡수된 양을 계산한다.
다음, 제어부(130)는 각각의 파장의 광에 대한 알코올의 흡수율의 변이를 추정하여, 타겟(F)의 알코올의 양 또는 타겟(F)의 알코올 농도를 판단한다.
이와 같이 마련되는 본 실시예에 따른 비침습적인 광학식 알코올 감지기는, 기존의 광학식 알코올 감지기와 비교할 때 크기를 초소형으로 만들 수 있어, 차량의 시동 버튼과 같이 차량 내부의 어느 부분에도 적용될 수 있다. 차량 내에 본 실시예에 따른 광학식 알코올 감지기를 설치함으로써, 음주 시동을 방지하여 음주 운전을 미연에 방지할 수 있게 되는 효과도 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
10 : 버튼
11 : 버튼윈도우
100 : 광학식 알코올 감지기
110 : 다이오드 어레이
111a, 111b : 제1, 제2 발광다이오드
112 : 포토다이오드
120 : 렌즈 어레이
121 : 마이크로 렌즈
130 : 제어부
131 : 발광다이오드 제어회로
132 : 포토다이오드 출력회로
140 : 기판
141 : 기판의 제1 영역
142 : 기판의 제2 영역
150 : 쿨러
F : 손가락
T1 : 제1 두께
D1 : 열방향
D2 : 행방향
L1, L2 : 제1, 제2 파장의 광

Claims (10)

  1. 내부 물질을 감지할 타겟을 향해 광을 방출하기 위한 복수 개의 발광다이오드(light emitting diode, LED)와, 상기 복수 개의 발광다이오드에서 방출되어 상기 타겟에 반사된 광을 수신하기 위한 복수 개의 포토다이오드(photodiode, PD)가 소정의 간격으로 배열된 다이오드 어레이; 및
    상기 복수 개의 발광다이오드가 온 또는 오프되도록 제어하고, 상기 포토다이오드로부터 획득한 신호를 처리하기 위해 마련되는 제어부를 포함하고,
    상기 복수 개의 발광다이오드 및 상기 복수 개의 포토다이오드는, 각각 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터 크기를 가지며, 서로 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터 간격으로 배열되는, 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 발광다이오드는, 제1 파장의 광을 방출하는 하나 이상의 제1 발광다이오드와, 상기 제1 파장보다 긴 제2 파장의 광을 방출하는 하나 이상의 제2 발광다이오드를 포함하는, 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 하나 이상의 제1 발광다이오드는, 소정의 열방향으로 배열되어 제1 발광다이오드 열을 이루는 복수 개의 제1 발광다이오드를 포함하고,
    상기 제2 발광다이오드는, 상기 열방향으로 배열되어 제2 발광다이오드 열을 이루는 복수 개의 제2 발광다이오드를 포함하고,
    상기 복수 개의 포토다이오드는, 상기 열방향으로 배열되어 제1 포토다이오드 열을 이루는 복수 개의 포토다이오드를 포함하고,
    상기 제1 발광다이오드 열, 상기 제1 포토다이오드 열, 및 상기 제2 발광다이오드 열은, 상기 제1 발광다이오드 열, 상기 제1 포토다이오드 열, 및 상기 제2 발광다이오드 열의 순으로 서로 나란하게 배열되는, 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 발광다이오드가 온(ON) 되고 상기 제2 발광다이오드가 오프(OFF) 된 상태에서 상기 복수 개의 포토다이오드에서 생성된 신호와, 상기 제1 발광다이오드가 오프(OFF) 되고 상기 제2 발광다이오드가 온(ON) 된 상태에서 상기 복수 개의 포토다이오드에서 생성된 신호에 기초하여, 상기 타겟에 대하여 상기 내부 물질의 양을 감지하는, 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 발광다이오드에서 방출되는 광을 모아주고(converge) 상기 복수 개의 포토다이오드로 입사되는 광을 모아주기 위해, 상기 다이오드 어레이의 일측에 배치되는 렌즈 어레이를 더 포함하는, 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 렌즈 어레이는, 상기 복수 개의 발광다이오드와 상기 복수 개의 포토다이오드의 수에 대응되는 수로 구비되어 상기 복수 개의 발광다이오드와 상기 복수 개의 포토다이오드의 위치에 대응되게 배열되는 복수 개의 마이크로 렌즈를 포함하는, 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수 개의 마이크로 렌즈의 각각은, 상기 복수 개의 발광다이오드 및 상기 복수 개의 포토다이오드와 마주하는 일측의 반대측인 타측으로 볼록한 형상인, 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 다이오드 어레이와 상기 제어부가 배치되는 기판을 더 포함하고,
    상기 기판은, 제1 영역과 상기 제1 영역보다 상대적으로 열전달율이 낮은 제2 영역을 포함하고,
    상기 다이오드 어레이는 상기 기판의 제1 영역에 배치되고, 상기 제어부는 상기 기판의 제2 영역에 배치되는, 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기판을 냉각시키기 위해, 상기 기판의, 상기 다이오드 어레이와 상기 제어부가 배치되는 일측의 반대측인 타측에 배치되는 쿨러를 더 포함하는, 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기.
  10. 내부 물질을 감지할 타겟을 향해 광을 방출하기 위한 복수 개의 발광다이오드(light emitting diode, LED)와, 상기 복수 개의 발광다이오드에서 방출되어 상기 타겟에 반사된 광을 수신하기 위한 복수 개의 포토다이오드(photodiode, PD)가 소정의 간격으로 배열된 다이오드 어레이; 및
    상기 복수 개의 발광다이오드에서 방출되는 광을 모아주고(converge) 상기 복수 개의 포토다이오드로 입사되는 광을 모아주기 위해, 상기 다이오드 어레이의 일측에 배치되는 렌즈 어레이를 포함하는, 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기.
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