KR20210040729A

KR20210040729A - 지시제를 이용하여 유해 물질을 검출하기 위한 분광 장치

Info

Publication number: KR20210040729A
Application number: KR1020190123449A
Authority: KR
Inventors: 피도연
Original assignee: 주식회사 파이퀀트
Priority date: 2019-10-05
Filing date: 2019-10-05
Publication date: 2021-04-14

Abstract

유해 물질의 검출을 위한 분광 장치가 제공된다. 상기 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치는 하우징, 샘플을 수용하는 컨테이너, 상기 샘플에 유해 물질의 포함 여부를 확인하기 위해 특정 파장의 광신호를 샘플에 제공하는 광원, 상기 샘플로부터 방출되는 상기 특정 파장의 검출 신호를 검출하는 검출기 및 상기 샘플이 유해 물질을 포함하지 않을 때의 정상 신호를 미리 저장하여, 상기 검출기로부터 검출되는 검출 신호와 상기 정상 신호를 비교하여 상기 샘플의 유해 물질 포함 여부를 판단하는 마이크로 컨트롤러를 포함하고, 상기 샘플이 유해 물질을 포함하는 경우, 상기 검출 신호는 상기 특정 파장에서 피크 값을 갖고, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 정상 신호와 상기 검출 신호를 비교했을 때, 특정 파장에서 피크 값이 나타나는 경우 상기 샘플에 상기 유해 물질이 포함된 것으로 판단하고, 상기 컨테이너에 상기 대상 물질 이외에 상기 유해 물질과 반응성을 가지며 상기 유해 물질의 검출에 이용되는 지시제가 수용되는 것을 특징으로 한다.

Description

지시제를 이용하여 유해 물질을 검출하기 위한 분광 장치{SPECTROSCOPIC APPARATUS FOR DETECTING HAZARDOUS SUBSTANCE USING INDICATOR}

본 발명은 지시제를 이용하여 유해 물질을 검출하기 위한 분광 장치에 관한 것이고, 더욱 자세하게는 박테리아나 농약과 같은 유해 물질이 대상 물질 내에 포함되었는지 여부를 지시제를 이용하여 검출을 하는 분광 장치에 관한 것이다.

분광 기술은 빛의 흡수, 발산, 산란 등을 측정하여 샘플의 분자 구조 및 변화 등을 연구하는 기술이다. IR(infrared) 분광기나 라만(raman) 분광기와 같은 분광기는 샘플 분자에 의한 흡수, 발산, 산란 세기를 주파수나 파장에 대한 스펙트럼으로 측정함으로써 주로 유기물과 생화학 종의 구조를 측정하고 분석한다.

비어-람버트 법칙(Bear-Lambert law)을 이용하는 자외선-가시광선 분광법(UV-VIS Spectroscopy)과 같은 분광법은 입자의 크기, 파장 별 흡광도, 및 투과도 측정을 통해 생화학 물질을 비롯한 다양한 샘플의 특성을 분석하고 그리고 파장 선택성을 고려하여 샘플을 판별할 수 있다. 그러나, 기존의 분광기 및 분광법은 입사광의 신호 세기 변화, 슛 잡음(shot noise)을 포함한 다양한 시스템 잡음으로 인해 흡수 또는 투과 신호의 변화가 크다. 또한, 이러한 잡음은 정확하고 안정적인 측정을 방해한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 분광기 및 분광법에 있어서, 잡음을 제거하고, 분자 진동을 향상시키며, 유효 신호의 감도를 효율적으로 향상시키는 기술이 요구된다.

최근에 분광 장치의 소형화하고 휴대 가능하도록 제작하는 것이 추세이다. 이러한 휴대용 분광 장치를 이용하여 사용자는 실시간으로 대상 물질 내에 유해 물질이 포함되었는지 확인해볼 수 있다. 예컨대, 휴대용 분광 장치를 통해 대상 물질 내에 박테리아나 농약과 같이 건강에 유해한 유해 물질이 포함되었는지 확인할 수 있다. 다만, 현장에서 휴대용 분광 장치를 이용하다보니 다양한 노이즈로 인하여 검출의 정확도가 저하된다는 문제점이 있다.

한국등록특허공보 제10-1690073호, 2016. 12. 21.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 지시제를 이용하여 유해 물질의 검출 정확도를 높일 수 있는유해 물질 분광 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치는 하우징, 특정 물질인 샘플을 수용하는 컨테이너, 상기 샘플에 유해 물질의 포함 여부를 확인하기 위해 특정 파장의 광신호를 샘플에 제공하는 광원, 상기 샘플로부터 방출되는 상기 특정 파장의 검출 신호를 검출하는 검출기 및 상기 검출 신호로부터 유효 신호를 추출하고, 상기 샘플이 유해 물질을 포함하지 않을 때의 정상 신호를 미리 저장하여, 상기 유효 신호와 상기 정상 신호를 비교하여 상기 샘플의 유해 물질 포함 여부를 판단하는 마이크로 컨트롤러를 포함하고, 상기 샘플이 유해 물질을 포함하는 경우, 상기 검출 신호는 상기 특정 파장에서 피크 값을 갖고, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 정상 신호와 상기 유효 신호를 비교했을 때, 특정 파장에서 피크 값이 나타나는 경우 상기 샘플에 상기 유해 물질이 포함된 것으로 판단하고, 상기 컨테이너에 상기 대상 물질 이외에 상기 유해 물질과 반응성을 가지며 상기 유해 물질의 검출에 이용되는 지시제가 수용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마이크로 컨트롤러는, 직교 코드를 생성하여 상기 광신호를 직교 코드에 대응하는 패턴으로 부호화하는 부호화기 및 상기 부호화기와 상기 직교 코드를 공유하고, 상기 직교 코드와 상기 검출 신호 간의 상관관계에 기초하여 상기 검출 신호를 복호화하는 복호화기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 복호화기는 상기 직교 코드를 기반으로 상기 검출 신호에 포함된 잡음을 제거하여 유효 신호를 추출할 수 있다.

또한, 상기 직교 코드는 이진 시퀀스이고, 상기 광신호의 펄스 파형은 상기 직교 코드에 따른 선로 부호화에 의하여 부호화될 수 있다.

또한, 사용자 장치와 통신하는 통신부를 더 포함하며, 상기 통신부는 상기 마이크로 컨트롤러에 의해 상기 샘플이 유해 물질을 포함하는지의 여부가 확인되면, 해당 결과 데이터를 상기 사용자 장치로 전송할 수 있다.

또한, 상기 통신부가 상기 사용자 장치로부터 분석하려는 샘플 정보를 수신하면, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 샘플 정보에 기반하여, 유해 물질 확인을 위해 요구되는 광원의 파장 및 광원의 개수를 결정할 수 있다.

또한, 상기 광원의 개수가 복수 개인 경우, 상기 복수개의 광원에 의해 제공되는 각각의 광신호는 순차적으로 상기 샘플에 제공되고, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 각각의 광신호를 상이한 직교 코드에 대응하는 패턴으로 각각 부호화하는 것일 수 있다.

또한, 상기 광원의 개수가 복수 개인 경우, 상기 검출기는 상기 샘플로부터 방출되는 각각의 검출 신호를 검출하고, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 각각의 검출 신호를 각각 복호화하고, 복호화된 각각의 검출 신호를 합산하여 유효 신호를 획득하고, 획득된 유효 신호를 정상 신호와 비교하는 것일 수 있다.

또한, 상기 검출 신호는 상기 광신호의 전부 또는 일부가 상기 샘플에서 흡수, 산란, 투과 또는 반사됨으로써 발생될 수 있다.

또한, 상기 하우징 또는 상기 컨테이너의 상단에 결합되어 개폐 가능하도록 형성되어 외부로부터의 빛을 차단하는 커버를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 컨테이너는 상기 하우징에 탈착 가능하게 형성되는 것일 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상술한 본 발명에 따르면, 지시제를 이용함으로써 대상 물질 내에 유해 물질이 포함되었는지 여부에 대한 검출 정확도를 높일 수 있다.

또한, 직교 코드를 이용하여 검출 신호로부터 잡음을 효율적으로 제거함으로써, 보다 신뢰도 높은 분석 결과를 추출할 수 있고, 이를 통해 특정 물질 내에 유해 물질이 포함되었는지의 여부를 보다 정확하게 확인할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치를 더욱 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 6의 광원에 포함되는 채널을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 블록도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10는 시간 영역에서 도 9의 분광 방법을 좀 더 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 도 10의 S240 단계를 더욱 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12는 주파수 영역에서 도 9의 분광 방법을 좀 더 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13은 도 12의 S340 단계를 더욱 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 14은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 방법의 순서도이다.
도 15는 도 14의 S440 및 S450 단계를 더욱 구체적으로 나타내는 흐름도이다.

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 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성요소와 다른 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치의 개략적인 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치의 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치의 개념도이다.

본 발명의 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치(100)(이하, 분광 장치)는 대상 물질 내에서 유해 물질을 검출하도록 제작되거나 설정된다. 유해 물질 예컨대, 본 발명의 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치(100)를 이용하여 대상 물질 내에 박테리아나 농약과 같은 유해 물질이 포함되었는지 여부를 확인할 수 있고, 이를 통해 대상 물질의 섭취 가능 여부를 판별할 수 있다.

도 1을 참조하면 분광 장치(100)는 하우징(110), 컨테이너(120), 광원(130), 검출기(140), 마이크로 컨트롤러(150) 및 통신부(160)를 포함한다.

하우징(110)은 분광 장치(100)의 외관을 형성한다.

하우징(110)은 분광 장치(100)의 다른 구성요소들이 실장되는 공간을 형성한다.

하우징(100)은 외부로부터 하우징(100) 내부로 빛이 투과할 수 없도록 형성될 수 있다.

컨테이너(120)는 샘플(10)을 수용하여 광원(130) 및 검출기(140)에 의해 측정이 이루어지는 공간을 의미한다.

이때, 샘플(10)은 분광 장치(100)의 분석 대상일 수 있다. 샘플(10)은 분석을 위한 대상 물질의 일부일 수 있다. 샘플(10)은 광원(130)으로부터 제공되는 광신호의 전부 또는 일부를 흡수할 수 있다. 또한, 샘플(10)은 광신호의 전부 또는 일부를 투과하거나 반사할 수 있다. 여기서, 광신호의 전부 또는 일부는 전부 또는 일부의 파장, 전부 또는 일부의 주파수, 및 전부 또는 일부의 패턴을 의미할 수 있다. 광신호를 제공받은 샘플(10)은 광신호에 응답하는 광을 방출할 수 있다. 여기서, 광은 검출 신호로 지칭될 수도 있다. 샘플(10)은 광원에서 제공받은 광신호에 의해 발생하는 내부의 분자 진동에 따른 검출 신호를 발생시킬 수 있다.

컨테이너(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(10) 내에 삽입되도록 형성되며, 하우징(110) 내외로 탈착 가능하도록 형성된다.

컨테이너(120)는 광원(130)으로부터 조사되는 빛이 투과할 수 있도록 투명한 물질로 이루어질 수 있다.

반복된 측정 과정에서 컨테이너(120)는 샘플(10)에 의해 오염될 수 있다. 컨테이너(120)가 오염되게 되면, 즉 컨테이너(120) 내부에 샘플(10) 잔여물이 존재하게 되면, 분석 결과에 있어서 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 상황이 발생하는 것을 방지하기 위해, 컨테이너(120)는 교체 또는 세척이 가능하도록 형성될 수 있다.

또한, 분광 장치(100)는 외부로부터의 빛을 차단하는 커버(미도시)를 포함할 수도 있다. 이때, 하우징(110) 또는 컨테이너(120)의 상단에 결합되어 개폐 가능하도록 형성된다.

광원(130)은 샘플(10)로 특정 파장의 광신호를 제공한다.

광원(130)의 개수가 복수 개인 경우, 복수개의 광원에 의해 제공되는 각각의 광신호는 순차적으로 샘플(10)에 제공된다.

도 2(a)에 도시된 바와 같이, 광원(130)은 컨테이너(120)의 아래에 위치하도록 하우징(110)의 하면에 고정되며, 컨테이너(120)를 통과하여 샘플(10)에 빛을 조사한다.

도 2(b)에 도시된 바와 같이, 광원(130)은 컨테이너(120)의 맞은편에 위치하도록 하우징(110)의 한쪽 내측면에 고정되며, 컨테이너(120)를 통과하여 샘플(10)에 빛을 조사한다.

광원(130)은 레이저 및 레이저 다이오드와 같은 단일 파장을 갖는 적어도 하나 이상의 광원 또는 백색 램프를 포함할 수 있다. 또한, 광원(130)은 적색 LED(light-emitting diode), 청색 LED, 녹색 LED, 및 NIR(near-infrared) LED와 같은 넓은 스펙트럼을 갖는 적어도 하나 이상의 광원을 포함할 수도 있다. 이에 더하여, 광원(120)은 단일 파장을 갖는 편광 상태로 분리된(예를 들어, 0, 45, 또는 90도) 적어도 하나 이상의 광원을 포함할 수 있다.

광원(130)은 분석 대상인 대상 물질에 따라 개수와 종류가 결정될 수 있다. 즉, 대상 물질에 유해 물질이 포함되어 있는지를 확인하기 위해 필요한 파장 대역을 파악하고, 해당 파장 대역의 빛을 조사하는 광원(130)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 샘플(10)의 분석을 위해 필요한 파장 대역이 a 파장 대역이라 가정하면, a 파장 대역의 빛을 조사하는 광원(130)이 사용될 수 있다. 또는 모든 파장 대역을 조사하는 백색 램프가 광원(130)인 경우에는, 사용자 장치에 의해 백색 램프가 a 파장 대역만을 조사할 수 있도록 설정될 수 있다.

이때, 대상 물질의 분석을 위해 복수의 파장 대역(예를 들어, a 파장 대역, b 파장 대역, c 파장 대역)이 필요한 경우, 각각 a 파장 대역, b 파장 대역, c 파장 대역을 조사하는 세 개의 광원(130)이 사용될 수 있고, 또는 사용자 장치에 의해 백색 램프가 a 파장 대역, b 파장 대역, c 파장 대역만을 조사하도록 설정될 수 있다.

따라서, 분광 장치(100)가 대상 물질의 분석만을 위해 제작되거나 설정되기 때문에, 분광 장치(100)가 소형화될 수 있으며, 이에 따라 분광 장치(100)의 단가를 현저하게 낮출 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 검출기(140)는 샘플(10)로부터 방출되는 특정 파장의 검출 신호를 검출한다.

검출기(140)는 샘플(10)로부터 검출 신호를 검출하거나 수신할 수 있다. 검출기(140)는 파장 대역별로 검출 신호를 분리함으로써 검출할 수 있다. 검출기(130)는 검출 신호의 주파수 혹은 파장에 대한 스펙트럼을 측정할 수 있다.

도 2(a)에 도시된 바와 같이, 검출기(140)는 컨테이너(120)의 아래에 위치하도록 하우징(110)의 하면에 고정되며, 컨테이너(120)를 통과하여 샘플(10)에 방출되는 검출 신호를 제공받는다.

도 2(b)에 도시된 바와 같이, 검출기(140)는 컨테이너(120)의 맞은편에 위치하도록 하우징(110)의 한쪽 내측면에 고정되되, 컨테이너(120)를 사이에 두고 광원(130)과 대향되는 위치에 고정된다. 검출기(140)는 컨테이너(120)를 통과하여 샘플(10)에 방출되는 검출 신호를 제공받는다.

광원(130)의 개수가 복수 개인 경우, 검출기(130)는 샘플(10)로부터 방출되는 복수의 검출 신호 순차적으로 검출할 수 있고, 또는 하나의 검출 신호를 복수의 파장 대역별로 분리하여 검출할 수도 있다.

도1 내지 도 4에 도시되지는 않았으나, 분광 장치(100)는 샘플(10)과 검출기(140) 사이에 광학 소자를 포함할 수 있다. 광학 소자는 검출 신호를 회절시키는 회절 소자 및 검출 신호를 분산시키는 분산 소자를 포함할 수 있다. 광학 소자는 검출 신호를 분산시키거나 회절시킴으로써 샘플(10)로부터 검출기(140)로 검출 신호를 효과적으로 수집할 수 있다.

마이크로 컨트롤러(150)는 샘플(10)이 유해 물질을 포함하지는지의 여부를 판단한다.

구체적으로, 마이크로 컨트롤러(150)는 샘플(10)이 유해 물질을 포함하지 않을 때의 정상 신호를 미리 저장하여, 검출기(140)로부터 검출되는 검출 신호와 상기 정상 신호를 비교하여 상기 샘플의 유해 물질 포함 여부를 판단할 수 있다.

한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질을 검출하기 위한 분광 장치(100)에서 박테리아나 농약과 같은 유해 물질 검출의 정확도를 높이기 위해 지시제(15)가 이용될 수 있고, 지시제(15)는 컨테이너(120) 내에 수용될 수 있다. 여기서, 지시제(15)는 유해 물질과 반응성을 갖는 것으로, 대상 물질 내에 유해 물질이 포함되어 있는 경우 지시제(15)와 유해 물질 사이에 반응이 일어나게 되면, 분광 장치(100)를 통해 해당 반응 결과를 확인함으로써 대상 물질인 샘플(10) 내에 유해 물질이 포함되었는지 여부를 높은 정확도로 확인할 수 있다.

도 3(a)를 참조하면, 지시제(15)는 컨테이너(120) 내부에 골드 코팅이 되는 방식으로 수용될 수 있다. 이를 위해, 검출하고자 하는 유해 물질에 따라 각각의 지시제(15)가 골드 코팅된 컨테이너(120)가 마련될 수 있다.

도 3(b)를 참조하면, 지시제(15)는 용액으로서 컨테이너(120) 내부에 수용될 수 있다. 이를 위해, 샘플(10)을 컨테이너(120)에 수용하기 전 또는 후에 용액 형태의 지시제(15)를 컨테이너(120)에 넣을 수 있다.

도 3(c)을 참조하면, 샘플(10)이 수용된 컨테이너(120)에 유해 물질과 반응할 수 있는 지시제(15)를 넣을 수 있으며, 여기서 지시제(15)는 단백질 물질일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.

도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로 컨트롤러(150)는 부호화기(152) 및 복호화기(154)를 포함한다.

부호화기(152)는 광신호를 부호화하기 위한 직교 코드를 생성할 수 있다. 부호화기(152)는 직교 코드를 생성하여 광신호를 직교 코드의 패턴으로 변조할 수 있다.

이때, 광신호는 특정 파장 대역의 신호이다. 즉, 분광 장치(100)는 샘플(10) 분석을 위해 필요한 파장 대역만을 사용할 수 있도록 미리 설정되어, 샘플(10) 분석 시, 특정 파장 대역에 대해서만 분석을 수행할 수 있다.

일 실시예에서, 광원(130)은 부호화기(152)로부터 직교 코드를 수신할 수 있다. 광원(130)은 부호화기(152)로부터 수신된 직교 코드에 따라 변조될 수 있다. 샘플(10) 분석에 필요한 광원(130)이 하나인 경우, 부호화기(152)는 하나의 직교 코드를 생성하여, 특정 파장 대역에 대한 광신호를 하나의 직교 코드에 대응하는 패턴으로 부호화하여 변조한다.

샘플(10) 분석에 필요한 광원(130)이 복수개인 경우, 부호화기(152)는 복수의 직교 코드를 생성하여, 복수의 파장 대역에 대한 각각의 광신호를 상이한 직교 코드에 대응하는 패턴으로 각각 부호화하여 변조한다.

직교 코드로 광원(130)을 변조하는 방법에는 광학적 변조 방법, 전기적 변조 방법, 및 기계적 변조 방법이 모두 포함될 수 있다. 각각의 변조 방법은 도 6 내지 도 8에서 구체적으로 후술한다.

복호화기(154)는 검출기(140)로부터 검출 신호를 수신하여, 검출 신호를 복호화한다. 이때, 검출 신호 역시 특정 파장 대역의 신호이다.

복호화기(154)는 검출 신호로부터 유효 신호를 추출하거나 획득할 수 있다. 즉, 복호화기(154)는 검출 신호를 직교 코드와 컨벌루션을 수행함으로써 유효 신호를 추출할 수 있다.

이때, 복호화기(152)는 클럭 동기화에 의해 부호화기(152)와 타이밍을 정합할 수 있다. 복호화기(154)는 부호화기(152)로부터 직교 코드를 동기화할 수 있다. 부호화기(152)는 복호화기(154)로 데이터 및 신호를 전송할 수 있고 그리고 복호화기(154)는 부호화기(152)로부터 데이터 및 신호를 수신할 수 있다. 데이터 및 신호는 직교 코드에 대한 정보를 포함할 수 있다. 즉, 복호화기(154)는 부호화기(152)와 직교 코드를 공유할 수 있다.

따라서, 복호화기(154)는 광신호가 부호화될 때 사용되었던 직교 코드와 동일한 직교 코드를 이용하여 검출 신호화의 컨벌루션을 수행하고, 이를 통해 유효 신호를 획득할 수 있게 된다.

직교 코드에 기초한 유효 신호를 이용하여 분석을 수행하는 본 발명에 따른 분광 장치(100)는 식품 및 유기 분자 등과 같은 샘플(10)의 분자에 대한 신호의 세기 및 감도를 높일 수 있다. 본 발명에 따른 분광 장치(100)는 샘플(10)에 대한 센싱(sensing) 및 이미징(imaging) 기술의 성능을 향상시킬 수 있다.

마이크로 컨트롤러(150)는 복호화된 검출 신호로부터 추출된 유효 신호에 기초하여 샘플(10)을 분석할 수 있다. 즉, 마이크로 컨트롤러(150)는 유효 신호와 정상 신호를 비교하여 샘플(10) 내에 유해 물질 포함 여부를 확인할 수 있다.

구체적으로, 샘플(10)이 유해 물질을 포함하는 경우, 검출 신호는 특정 파장에서 피크 값을 갖는다. 따라서, 마이크로 컨트롤러(150)는 정상 신호와 검출 신호(유효 신호)를 비교했을 때, 정상 신호와 달리 유효 신호가 특정 파장에서 피크 값을 가지면, 마이크로 컨트롤러(150)는 샘플(10) 내에 유해 물질이 포함되어 있는 것으로 판단할 수 있다.

여기서, 정상 신호는 분광 장치(100)의 저장부(미도시)에 미리 저장되어 있는 데이터로서, 분석 대상인 샘플(10)이 정상 상태일때의(유해 물질을 포함하지 않을때의) 신호를 나타내는 데이터이다. 따라서, 마이크로 컨트롤러(150)는 미리 저장된 정상 신호를 추출된 검출 신호(유효 신호)와 비교하여 불일치하면 샘플(10)이 정상적이지 않은 것으로 판단할 수 있다.

통신부(160)는 외부 장치(예를 들어, 사용자 장치)와 통신한다.

여기서, 사용자는 분광 장치(100)를 이용하여 대상 물질의 분석을 수행하는 사람이다. 사용자는 프로그램(어플리케이션)을 사용자 장치에 설치하여, 분석을 수행할 수 있다. 이때, 프로그램은 분광 장치(100)를 이용하여 대상 물질 분석 서비스를 제공하는 회사가 제공하는 프로그램을 나타낸다.

일 실시예에서, 분광 장치(100)는 대상 물질 분석용으로 제작되기 때문에, 대상 물질에 따라 광원(130)의 개수 및 파장 대역이 설정된 상태로 제작된다. 따라서, 사용자가 사용자 장치를 통해 분석 요청을 하면, 분광 장치(100)는 샘플(10)의 분석을 수행하고, 샘플(10) 내에 유해 물질이 포함되었는지에 대한 결과 데이터를 사용자 장치의 어플리케이션을 통해 제공한다.

다른 일 실시예에서, 분광 장치(100)는 사용자 장치의 설정에 따라 광원(130)의 개수 및 파장 대역이 결정될 수 있다. 사용자는 사용자 장치에 설치된 어플리케이션을 통해 분석하려는 샘플 정보를 입력하면, 분광 장치(100)(구체적으로, 마이크로 컨트롤러(150)는 샘플 정보에 기반하여 광원(130)의 파장 및 개수를 결정한다. 즉, 샘플을 분석하기 위해 필요한 파장 대역과 해당 파장 대역의 빛을 조사하기 위한 광원(130)의 개수 결정하고, 분석을 수행할 수 있다.

이하에서 도 5 내지 도 13를 참조하여, 직교 코드를 이용하여 광신호를 부호화하고, 동일한 직교 코드를 검출 신호와 컨벌루션을 수행하여 검출 신호로부터 유효 신호를 추출하는 것에 대해 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치를 더욱 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 도 4을 참조하여 설명될 것이다. 부호화기(152)는 코드 생성기(미도시)를 포함할 수 있다. 광원(130)은 제1 내지 제3 채널들(131-133)을 포함할 수 있다. 검출기(140)는 배열 센서(141)를 포함할 수 있다. 복호화기(154)는 신호 처리기(미도시)를 포함할 수 있다.

코드 생성기(미도시)는 광신호를 부호화하기 위한 직교 코드를 생성할 수 있다. 직교 코드는 직교성에 기초하는 코드일 수 있다. 구체적으로, 서로 다른 복수의 직교 코드들은 서로 직교할 수 있다. 즉, 서로 다른 복수의 직교 코드들 사이의 상호 상관 값들은 0일 수 있다. 예를 들어, 직교 코드는 PN(pseudo-noise) 코드 또는 골드(gold) 코드일 수 있다. 직교 코드는 이진 시퀀스일 수 있다. 코드 생성기(미도시)는 복수의 직교 코드들을 생성할 수 있다. 코드 생성기(미도시)는 복수의 직교 코드들을 분리하여 출력할 수 있다. 코드 생성기(미도시)는 복수의 직교 코드들을 동시에 출력할 수 있다.

광원(130)은 하나 이상의 채널을 포함한다. 샘플(10)을 분석하기 위해 필요한 파장에 따라 광원(130)이 포함하는 채널의 개수가 결정될 수 있다. 즉, 특정 샘플(10)을 분석하기 위해 하나의 파장이 사용되면 광원(130)은 하나의 채널을 포함할 수 있고, 특정 샘플을 분석하기 위해 세개의 파장이 사용되면 광원(130)은 세개의 채널을 포함할 수 있다.

제 1 채널(131)은 샘플(10)을 향하여 광신호를 출력할 수 있다. 광신호를 출력하기 이전에, 제 1 채널(131)은 광신호의 파장을 결정할 수 있다. 제 1 채널(131)은 결정된 파장을 갖는 광신호를 출력할 수 있다. 제 1 내지 제 3 채널들 (131-133)에 의하여 출력되는 광신호들의 파장들은 서로 상이하다.

일 실시예에서, 제 1 채널(131)은 코드 생성기(미도시)에 의하여 생성된 제 1 직교 코드를 수신할 수 있고 그리고 제 1 직교 코드에 기초하여 제 1 광신호를 생성할 수 있다. 제 1 직교 코드는 제 1 채널(131)을 통하여 제 1 광신호로 변조될 수 있다. 제 1 채널(131)은 제 1 직교 코드에 대응하는 패턴으로 제 1 광신호를 부호화할 수 있다. 제 1 채널(131)은 제 1 직교 코드의 이진 시퀀스에 대응하는 패턴으로 제 1 광신호의 펄스 파형을 부호화할 수 있다. 제 1 채널(131)은 제 1 직교 코드에 따른 선로 부호화에 의하여 제 1 광신호의 펄스 파형을 부호화할 수 있다.

도 5를 참조하면, 예를 들어, 제 1 직교 코드가 1110100인 이진 시퀀스인 경우, 제 1 광신호의 펄스 파형의 크기는 순차적으로 제 1 직교 코드의 비트 값들에 대응할 수 있다. 제 2 및 제 3 채널들(132, 133)은 제 1 채널(131)과 서로 동일한 원리에 의해 구현될 수 있고 그리고 제 1 채널(131)과 마찬가지로, 제 2 및 제 3 채널들(132, 133)은 제 1 채널과 동일한 원리에 의해 제 2 직교 코드(예컨대, 1001011) 및 제 2 직교 코드(예컨대, 1101011)에 기초하여 제 2 및 제 3 광신호들을 부호화할 수 있다. 즉, 제 2 및 제 3 직교 코드는 각각 제 2 및 제 3 채널들(132, 133)을 통해 제 2 및 제 3 광신호들로 변조될 수 있다. 도 5에서, 제 1 내지 제 3 채널들(131-133)만이 도시되었으나, 광원(130)이 포함하는 채널들의 개수는 세 개로 한정되지 않는다.

배열 센서(141)는 샘플(10)로부터 검출 신호를 검출하거나 수신할 수 있다. 배열 센서(141)는 복수의 검출 신호들을 검출할 수 있다. 여기서, 복수의 검출 신호들 각각은 제 1 내지 제 3 채널들(131-133)에 대응할 수 있다. 배열 센서(141)는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있고 그리고 복수의 픽셀들은 복수의 검출 신호들에 각각 대응할 수 있다. 배열 센서(141)는 복수의 검출 신호들을 동시에 수신하거나 순차적으로 수신할 수 있다.

신호 처리기(미도시)는 검출기(140)로부터 검출 신호를 수신할 수 있고 그리고 검출 신호로부터 유효 신호를 추출할 수 있다. 신호 처리기(미도시)는 복수의 검출 신호들을 수신할 수 있고 복수의 검출 신호들에 기초하여 유효 신호를 획득할 수 있다.

신호 처리기(미도시)는 코드 생성기(미도시)와 복수의 직교 코드들을 동기화할 수 있다. 신호 처리기(미도시)는 코드 생성기(미도시)로부터 직교 코드에 대한 정보를 포함하는 데이터 및 신호를 수신할 수 있다. 신호 처리기(미도시)는 코드 생성기(미도시)와 직교 코드를 공유할 수 있다. 신호 처리기(미도시)는 배열 센서(141)로부터 복수의 직교 코드들에 각각 대응하는 복수의 검출 신호들을 수신할 수 있고 그리고 복수의 직교 코드들에 기초하여 복수의 검출 신호들로부터 유효 신호를 추출할 수 있다. 일 실시예에서, 신호 처리기(미도시)는 복수의 직교 코드들 중에서 제 1 직교 코드에 대응하는 검출 신호를 수신할 수 있다. 신호 처리기(미도시)는 제 1 직교 코드와 제 1 직교 코드에 대응하는 검출 신호 간의 상관 관계를 기반으로 하는 연산 결과를 획득할 수 있다. 반복적으로, 신호 처리기(미도시)는 복수의 직교 코드들 및 복수의 검출 신호들로부터 상관 관계를 기반으로 하는 복수의 연산 결과들을 획득할 수 있다. 신호 처리기(미도시)는 복수의 연산 결과들을 합산함으로써 유효 신호를 획득할 수 있다.

도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 5의 광원에 포함되는 채널을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 블록도이다.

도 6를 참조하면, 채널(131a)은 구동기(131a_1) 및 광신호 생성기(131a_2)를 포함할 수 있다. 채널(131a)은 도 5의 제 1 내지 제 3 채널들(131-133)과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 6은 도 5를 참조하여 설명될 것이다.

구동기(131a_1)는 전기적 변조 방법에 의해 광신호를 생성하기 위한 장치일 수 있다. 구동기(131a_1)는 채널(131a)에 의해 코드 생성기(미도시)로부터 수신된 직교 코드에 기초하여 구동 신호를 생성할 수 있다. 구동 신호는 직교 코드에 대한 정보를 포함할 수 있다. 구동 신호는 전기적 제어 신호일 수 있다.

광신호 생성기(131a_2)는 샘플(10)로 제공되는 광신호를 생성할 수 있다. 광신호 생성기(131a_2)는 부호화 과정과 함께 광신호를 생성할 수 있다. 광신호 생성기(131a_2)는 LED, 레이저 다이오드 등을 포함하는 다양한 장치로 구현될 수 있다.

구동기(131a_1)는 광신호 생성기(131a_2)로 구동 신호를 전송할 수 있고 광신호 생성기(131a_2)는 구동 신호를 수신할 수 있다. 광신호 생성기(131a_2)는 구동 신호에 의해 제어될 수 있다. 광신호 생성기(131a_2)는 직교 코드를 포함하는 구동 신호에 기초하여 직교 코드에 대응하는 패턴으로 부호화된 광신호를 생성할 수 있다.

도 7을 참조하면, 채널(131b)은 연속파 생성기(131b_1) 및 광학 변조기(131b_2)를 포함할 수 있다. 채널(131b)은 도 5의 제 1 내지 제 3 채널들(131-133)과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 7은 도 5를 참조하여 설명될 것이다.

연속파 생성기(131b_1)는 연속된 파형의 빛을 출력할 수 있다. 여기서, 연속된 파형은 정현파 및 구형파를 포함하는 다양한 파형일 수 있다. 연속파를 출력하기 이전에, 연속파 생성기(131b_1)는 연속파의 파장, 위상, 및 진폭을 결정할 수 있다.

광학 변조기(131b_2)는 광학적 변조 방법에 의해 광신호를 생성하기 위한 장치일 수 있다. 광학 변조기(131b_2)는 동작 전압에 따라 작동될 수 있다. 광학 변조기(131b_2)의 동작 전압은 채널(131b)에 의해 코드 생성기(미도시)로부터 수신된 직교 코드에 따라 조정될 수 있다. 광학 변조기(131b_2)는 동작 전압에 따라 빛의 위상 및 진폭을 변조할 수 있다.

연속파 생성기(131b_1)는 광학 변조기(131b_2)를 향하여 연속파를 출력할 수 있다. 연속파 생성기(131b_1)는 광학 변조기(131b_2)에 연속파를 제공할 수 있고 광학 변조기(131b_2)는 연속파의 진폭 및 위상을 변조할 수 있다. 광학 변조기(131b_2)는 채널(131b)에 의해 코드 생성기(미도시)로부터 수신된 직교 코드에 기초하여 연속파의 진폭 및 위상을 변조할 수 있다. 광학 변조기(131b_2)는 직교 코드에 따라 연속파의 진폭 및 위상을 변조함으로써 직교 코드에 대응하는 패턴으로 부호화된 광신호를 생성할 수 있다. 광학 변조기(131b_2)의 동작 전압은 직교 코드에 의해 조정될 수 있다. 광학 변조기(131b_2)는 조정된 동작 전압에 기초하여 직교 코드에 대응하는 패턴으로 부호화된 광신호로 연속파를 변조할 수 있다.

도 8을 참조하면, 채널(131c)은 연속파 생성기(131c_1), 적어도 하나 이상의 슬릿(131c_2), 및 슬릿 제어기(131c_3)를 포함할 수 있다. 채널(131c)은 도 5의 제 1 내지 제 3 채널들(131-133)과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 8은 도 5 및 도 7 참조하여 설명될 것이다.

연속파 생성기(131c_1)는 도 7의 연속파 생성기(131b_1)와 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 도 8에서 연속파 생성기(131c_1)에 대한 구체적인 설명은 생략된다.

적어도 하나 이상의 슬릿(131c_2)은 연속파 생성기(131c_1)로부터 출력된 연속파를 투과시킬 수 있다. 적어도 하나 이상의 슬릿(131c_2)은 연속파의 투과도를 조정할 수 있다. 적어도 하나 이상의 슬릿(131c_2)은 투과하는 연속파를 회절시킬 수 있다.

슬릿 제어기(131c_3)는 적어도 하나 이상의 슬릿(131c_2)을 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 슬릿 제어기(131c_3)의 제어 신호는 채널(131c)에 의해 코드 생성기(미도시)로부터 수신된 직교 코드에 기초하여 생성될 수 있다. 슬릿 제어기(131c_3)는 적어도 하나 이상의 슬릿(131c_2)에 제어 신호를 전송할 수 있다.

일 실시예에서, 슬릿 제어기(131c_3)는 적어도 하나 이상의 슬릿(131c_2)에 제어 신호를 전송할 수 있고 적어도 하나 이상의 슬릿은 제어 신호를 수신할 수 있다. 슬릿 제어기(131c_3)는 제어 신호에 의해 적어도 하나 이상의 슬릿(131c_2)의 개폐 동작을 제어할 수 있다. 슬릿 제어기(131c_3)는 적어도 하나 이상의 슬릿(131c_2)의 개폐 동작을 직교 코드에 대응하는 패턴과 동일하게 되도록 조정할 수 있다. 적어도 하나 이상의 슬릿(131c_2)은 제어 신호에 응답하는 개폐 동작에 기초하여 직교 코드에 대응하는 패턴으로 부호화된 광신호로 연속파를 변조할 수 있다.

도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 9을 도 4을 참조하여 설명될 것이다.

S110 단계에서, 광원(130)은 직교 코드(OC)와 연속파 신호(CW)에 기초하여 직교 코드(OC)에 대응하는 패턴으로 부호화된 광신호(ENC)를 생성할 수 있다. 광원(130)은 직교 코드(OC)와 연속파 신호(CW)의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 광원(130)은 컨벌루션의 결과에 기초하여 광신호(ENC)를 생성할 수 있다.

S120 단계에서, 광원(130)은 샘플(10)에 광신호(ENC)를 제공할 수 있다. S130 단계에서, 검출기(140)는 샘플(10)로부터 검출 신호(DET)를 검출할 수 있다. 광신호(ENC)의 전부 또는 일부는 샘플(10)에서 흡수, 투과, 산란, 및 반사될 수 있다. 검출 신호(DET)는 샘플(10)에서 흡수, 투과, 산란, 및 반사된 광신호(ENC)의 결과물일 수 있다. 또한, 검출 신호(DET)는 광신호(ENC)의 변형(deformation)일 수 있다. 검출 신호(DET)는 샘플(10)의 분석을 위한 유효 신호 (EFF) 및 잡음을 포함할 수 있다. 검출 신호(DET)는 그 자체로 샘플(10)의 분석에 유용하지 않을 수 있다. 예를 들어, 검출 신호(DET)는 그 자체로 샘플(10)의 화학적 구성(예컨대, 분자의 구조, 분자의 변화, 및 분자량 등)을 결정하지 못할 수 있다.

S140 단계에서, 복호화기(154)는 검출 신호(DET)로부터 잡음을 제거하여 유효 신호(EFF)를 추출할 수 있다. 복호화기(154)는 검출 신호(DET)를 복호화할 수 있다. 복호화기(154)는 부호화기(152)로부터 수신된 직교 코드(OC)와 검출 신호(DET)의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 복호화기(154)는 컨벌루션의 결과에 기초하여 유효 신호(EFF)를 획득할 수 있다. 유효 신호(EFF)는 샘플(10)의 분석을 위한 정확도가 높을 수 있다. 분광 장치(100)는 유효 신호(EFF)에 기초하여 샘플(10)의 화학적 구성(예컨대, 분자의 구조, 분자의 변화, 및 분자량 등)을 결정할 수 있다.

도 10는 시간 영역에서 도 9의 분광 방법을 좀 더 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다. 도 10는 도 4 및 도 9을 참조하여 설명될 것이다. S210 단계는 도 9의 S110 단계에 대응할 수 있고, S220 단계는 도 9의 S120 단계에 대응할 수 있고, S230 단계는 도 9의 S130 단계에 대응할 수 있고, S240 단계는 도 9의 S140 단계에 대응할 수 있다. 도 10를 참조하면, 연속파 신호(T10), 광신호(T20), 검출 신호(T30), 및 유효 신호(T40)는 시간에 따른 크기 그래프로 표현될 수 있다.

S210 단계에서, 광원(130)은 연속파 신호(T10)를 광신호(T20)로 부호화할 수 있다. 연속파 신호(T10)는 도 9의 연속파 신호(CW)에 대응할 수 있고, 그리고 광신호(T20)는 도 9의 광신호(ENC)에 대응할 수 있다. 부호화기(152)는 클럭 동기화에 의해 광원(130)과 타이밍을 정합(match)할 수 있다. 부호화기(152)는 타이밍에 기초하여 광원(130)에 직교 코드(OC)를 제공할 수 있다.

광원(130)은 부호화기(152)와 동기화된 타이밍에 기초하여 연속파 신호(T10)로부터 직교 코드(OC)에 대응하는 패턴으로 부호화된 광신호(T20)를 생성할 수 있다. 광원(130)은 부호화기(152)와 동기화된 타이밍에 기초하여 직교 코드(OC)와 연속파 신호(T10)의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 광원(130)은 컨벌루션의 결과에 기초하여 광신호(T20)를 생성할 수 있다.

S220 단계에서, 광원(130)은 샘플(10)에 광신호(T20)를 제공할 수 있다. S230 단계에서, 검출기(140)는 샘플(10)로부터 검출 신호(T30)를 검출할 수 있다. 검출 신호(T30)는 도 9의 검출 신호(DET)에 대응할 수 있다. 샘플(10)에서의 광신호(T20)는 시간이 지남에 따라 샘플(10)의 분자 진동을 발생시킬 수 있다. 샘플(10)의 분자 진동에 기초하여 흡수, 산란, 투과, 및 반사 등의 검출 신호(T30)가 샘플(10)로부터 방출될 수 있다.

S240 단계에서, 복호화기(154)는 검출 신호(T30)로부터 유효 신호(T40)를 추출할 수 있다. 유효 신호(T40)는 도 9의 유효 신호(EFF)에 대응할 수 있다. 복호화기(154)는 클럭 동기화에 의해 부호화기(152)와 타이밍을 정합할 수 있다. 복호화기(154)는 타이밍에 기초하여 부호화기(152)로부터 직교 코드(OC)를 수신할 수 있다. 복호화기(154)는 부호화기(152)와 동기화된 타이밍에 기초하여 직교 코드(OC)와 검출 신호(T30)의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 복호화기(154)는 컨벌루션의 결과에 기초하여 유효 신호(T40)를 획득할 수 있다. 유효 신호(T40)의 신호 대비 잡음비(signal-to-noise ratio; SNR)는 향상될 수 있다.

도 11은 도 10의 S240 단계를 더욱 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다. 도 11은 도 4 및 도 10를 참조하여 설명될 것이다.

검출 신호(T30)는 유효 성분(T31) 및 잡음 성분(T32)을 포함할 수 있다. 유효 성분(T31)은 시간에 따른 샘플(10)의 분자 진동으로부터 생성될 수 있다. 잡음 성분(T32)은 시간에 따른 샘플(10)의 분자 진동 이외의 요인들로부터 생성될 수 있다. 도 11에서, 유효 성분(T31) 및 잡음 성분(T32)은 나누어져 있으나, 본 발명의 일 실시예에서, 유효 성분(T31) 및 잡음 성분(T32)은 검출 신호(T30)로부터 분리되지 않을 수 있다.

S241 단계에서, 복호화기(154)는 부호화기(152)와 동기화된 타이밍에 기초하여 부호화기(152)로부터 수신된 직교 코드(OC)와 유효 성분(T31)의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 직교 코드(OC)와 유효 성분(T31)의 상관 값은 1이 될 수 있다. 따라서, 유효 성분(T31)은 복호화된 유효 성분(T41)으로 변환될 수 있다. 여기서, 복호화된 유효 성분(T41)은 변조되거나 부호화되기 전의 광신호(T20)에 대응하는 상태일 수 있다. 즉, 유효 성분(T31)은 직교 코드(OC)에 의해 복원될 수 있다.

S242 단계에서, 복호화기(154)는 부호화기(152)와 동기화된 타이밍에 기초하여 부호화기(152)로부터 수신된 직교 코드(OC)와 잡음 성분(T32)의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 잡음 성분(T32)과 유효 성분(T31)은 서로 동일한 직교 코드(OC)와 컨벌루션이 수행될 수 있다. 직교 코드(OC)와 잡음 성분(T32)의 상관 값은 0이 될 수 있다. 따라서, 잡음 성분(T32)은 복호화된 잡음 성분(T42)으로 변환될 수 있다. 여기서, 복호화된 잡음 성분(T42)은 직교 코드(OC)에 의해 잡음이 약화되거나 잡음이 일부 혹은 전부 제거된 신호일 수 있다. 결국, 유효 신호(T40)는 복호화된 유효 성분(T41) 및 복호화된 잡음 성분(T42)을 포함할 수 있다. 유효 신호(T40)의 신호 대비 잡음비는 향상될 수 있다.

도 12는 주파수 영역에서 도 9의 분광 방법을 좀 더 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다. 도 12는 도 5 및 도 9을 참조하여 설명될 것이다. S310 단계는 도 9의 S110 단계에 대응할 수 있고, S320 단계는 도 9의 S120 단계에 대응할 수 있고, S330 단계는 도 9의 S130 단계에 대응할 수 있고, S340 단계는 도 9의 S140 단계에 대응할 수 있다. 도 12을 참조하면, 연속파 신호(F10), 광신호(F20), 검출 신호(F30), 및 유효 신호(F40)는 파장에 따른 강도의 스펙트럼 그래프로 표현될 수 있다.

S310 단계에서, 광원(130)은 연속파 신호(F10)를 광신호(F20)로 부호화할 수 있다. 연속파 신호(F10)는 도 9의 연속파 신호(CW)에 대응할 수 있고, 그리고 광신호(F20)는 도 9의 광신호(ENC)에 대응할 수 있다. 부호화기(152)는 광원(130)에 대역폭을 확산(spread)시키는 직교 코드(OC)를 제공할 수 있다. 광원(130)은 직교 코드(OC)와 연속파 신호(F10)의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 스펙트럼 확산(spectrum-spreading) 및 컨벌루션에 의해, 광신호(F20)의 대역폭은 연속파 신호(F10)의 대역폭에 비해 넓을 수 있다. 광원(130)은 컨벌루션의 결과에 기초하여 직교 코드(OC)에 의해 확산된 광신호(F20)를 생성할 수 있다. 광신호(F20)의 에너지는 연속파 신호(F10)의 에너지와 서로 동일할 수 있다.

S320 단계에서, 광원(130)은 샘플(10)에 광신호(F20)를 제공할 수 있다. S330 단계에서, 검출기(140)는 샘플(10)로부터 검출 신호(F30)를 검출할 수 있다. 검출 신호(F30)는 도 9의 검출 신호(DET)에 대응할 수 있다. 샘플(10)은 특정 파장 영역에서 광신호(F20)를 흡수, 산란, 투과 및 반사시킬 수 있다. 광신호(F20)에 의하여, 샘플(10)의 분자 진동이 발생할 수 있다. 흡수, 산란, 투과 등의 검출 신호(F30)는 특정 파장 영역에 대한 샘플(10)의 분자 진동에 기초하여 샘플(10)로부터 방출될 수 있다.

S340 단계에서, 복호화기(154)는 검출 신호(F30)로부터 유효 신호(F40)를 추출할 수 있다. 유효 신호(F40)는 도 9의 유효 신호(EFF)에 대응할 수 있다. 복호화기(154)는 부호화기(152)로부터 수신된 직교 코드(OC)와 검출 신호(F30)의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 스펙트럼 역확산(spectrum-despreading) 및 컨벌루션에 의해, 검출 신호(F30)의 대역폭은 복원될 수 있다. 복호화기(154)는 컨벌루션의 결과에 기초하여 검출 신호(F30)로부터 유효 신호(F40)를 획득할 수 있다.

도 13은 도 12의 S340 단계를 더욱 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다. 도 13는 도 5 및 11을 참조하여 설명될 것이다.

시간 도메인에서와 마찬가지로, 검출 신호(F30)는 유효 성분(F31) 및 잡음 성분(F32)을 포함할 수 있다. 유효 성분(F31)은 광신호(F20)의 전부 혹은 일부 파장 영역에 대한 샘플(10)의 분자 진동으로부터 생성될 수 있다. 잡음 성분(F32)은 광신호(F20)의 전부 혹은 일부 파장 영역에 대한 샘플(10)의 분자 진동 이외의 요인들로부터 생성될 수 있다. 도 13에서, 유효 성분(F31) 및 잡음 성분(F32)은 나누어져 있으나, 본 발명의 일 실시예에서, 유효 성분(F31) 및 잡음 성분(F32)은 검출 신호(F30)로부터 분리되지 않을 수 있다.

S341 단계에서, 복호화기(154)는 부호화기(152)로부터 수신된 직교 코드(OC)와 유효 성분(F31)의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 직교 코드(OC)와 유효 성분(F31)의 상관 값은 1이 될 수 있다. 따라서, 유효 성분(F31)은 복호화된 유효 성분(F41)으로 변환될 수 있다. 여기서, 복호화된 유효 성분(F41)은 변조되거나 부호화되기 전의 광신호(F20)에 대응하는 상태일 수 있다. 즉, 유효 성분(F31)은 직교 코드(OC)에 의해 복원될 수 있다.

S342 단계에서, 복호화기(154)는 부호화기(152)와 동기화된 타이밍에 기초하여 부호화기(152)로부터 수신된 직교 코드(OC)와 잡음 성분(F32)의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 잡음 성분(F32)과 유효 성분(F31)은 서로 동일한 직교 코드(OC)와 컨벌루션이 수행될 수 있다. 직교 코드(OC)와 잡음 성분(F32)의 상관 값은 0이 될 수 있다. 따라서, 잡음 성분(F32)은 복호화된 잡음 성분(F42)으로 변환될 수 있다. 여기서, 복호화된 잡음 성분(F42)은 직교 코드(OC)에 의해 잡음이 약화되거나 잡음이 일부 혹은 전부 제거된 신호일 수 있다. 결국, 유효 신호(F40)는 복호화된 유효 성분(F41) 및 복호화된 잡음 성분(F42)을 포함할 수 있다. 유효 신호(F40)의 신호 대비 잡음비는 향상될 수 있다.

도 14은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유해 물질의 검출을 위한 분광 방법의 순서도이다. 도 14은 도 5를 참조하여 설명될 것이다.

본 발명의 유해 물질의 검출을 위한 분광 방법의 아래 단계들(S410 내지 S460)은 대상 물질을 분석하기 위한 분광 장치(100)에 의해 수행된다. 대상 물질이 샘플(10)로 미리 결정되기 때문에, 분광 방법을 수행하기 위해 사용되는 광원(130)은 대상 물질에 따라 개수와 파장 등이 결정된다. 즉, 대상 물질인 샘플(10)의 종류에 따라, 분석에 사용되는 파장이 하나일 수도 있고 복수개일 수도 있으며, 이에 따라 요구되는 광원(130)의 개수도 하나일 수도 있고 복수개일 수도 있다. 구체적으로, 사용되는 파장이 하나이면 하나의 광원(130)이 사용될 수 있고, 사용되는 파장이 복수개인 경우에도 하나의 광원(130)이 사용될 수 있으며, 또는 사용되는 파장에 따라 광원(130)이 각각 사용될 수도 있다.

S410 단계에서, 광원(130)은 하나 이상의 직교 코드에 기초하여 하나 이상의 광신호를 생성할 수 있다. 코드 생성기(미도시)는 하나 이상의 직교 코드를 생성할 수 있다. 하나 이상의 직교 코드는 모두 서로 상이하거나 모두 서로 동일할 수 있다. 하나 이상의 직교 코드가 모두 서로 상이한 경우, 하나 이상의 직교 코드는 서로 직교하는 코드들일 수 있다. 즉, 서로 다른 하나 이상의 직교 코드 사이의 상호 상관 값들은 0일 수 있다. 코드 생성기(미도시)는 광원(130)에 포함된 복수의 채널들 각각에 직교 코드를 제공할 수 있다. 코드 생성기(미도시)에 의하여 생성된 하나 이상의 직교 코드 각각은 하나 이상의 채널 각각에 일대일로 대응할 수 있다.

S420 단계에서, 광원(130)은 샘플(10)에 코드 생성기(미도시)로부터 수신된 하나 이상의 직교 코드에 기초하여 생성된 하나 이상의 광신호를 제공할 수 있다. 하나 이상의 채널 각각은 코드 생성기(미도시)로부터 수신된 직교 코드에 대응하는 패턴으로 부호화된 광신호를 생성할 수 있다. 광원(130)에 포함된 하나 이상의 채널 각각은 샘플(10)을 향하여 광신호를 출력할 수 있다. 하나 이상의 광신호의 파장은 서로 상이할 수 있다.

S430 단계에서, 검출기(140)는 샘플(10)로부터 하나 이상의 광신호에 각각 대응하는 하나 이상의 검출 신호를 검출할 수 있다. 광원(130)으로부터 샘플(10)을 향하여 출력된 하나 이상의 광신호는 샘플(10)에 의하여 흡수, 투과, 산란, 및 반사될 수 있다. 샘플(10)은, 샘플(10)에서 흡수, 투과, 산란, 및 반사된 하나 이상의 광신호에 기초하여, 하나 이상의 검출 신호를 방출할 수 있다. 하나 이상의 검출 신호는 하나 이상의 광신호의 변형일 수 있다. 검출기(140)는 하나 이상의 검출 신호를 동시에 수신하거나 순차적으로 수신할 수 있다.

S440 단계에서, 복호화기(154)는 하나 이상의 검출 신호와 하나 이상의 직교 코드의 컨벌루션을 수행할 수 있다. 복호화기(154)는 하나 이상의 검출 신호 중 하나의 검출 신호와 하나 이상의 직교 코드 전부에 대한 컨벌루션을 수행할 수 있다. 반복적으로, 복호화기(154)는 하나 이상의 직교 코드와 하나 이상의 검출 신호 전부에 대한 컨벌루션들을 수행할 수 있다. 또는, 복호화기(154)는 하나 이상의 검출 신호 중 하나의 검출 신호에 대해서 하나의 검출 신호에 대응하는 오직 하나의 직교 코드와만 컨벌루션을 수행할 수도 있다. 복호화기(154)는 여러 차례 컨벌루션들을 수행할 수 있고 그리고 동시에 또는 순차적으로 컨벌루션들을 수행할 수 있다. 복호화기(154)는 하나 이상의 직교 코드 및 하나 이상의 검출 신호에 대한 컨벌루션의 결과를 획득할 수 있다.

S450 단계에서, 복호화기(154)는 컨벌루션들의 결과에 기초하여 유효 신호를 획득할 수 있다.

직교 코드 및 검출 신호가 복수개인 경우(광원이 복수개인 경우), 복호화기(154)는 복수의 직교 코드들 및 복수의 검출 신호들에 대한 컨벌루션들의 결과들을 합산함으로써 유효 신호를 획득할 수 있다. 복수의 직교 코드들 및 복수의 검출 신호들에 대한 컨벌루션들의 결과들을 합산함으로써 유효 신호를 획득하는 것에 대해서는 도 14에서 좀 더 구체적으로 설명될 것이다.

S460 단계에서, 마이크로 컨트롤러(150)는 유효 신호와 정상 신호를 비교하여 샘플(10)의 유해 물질 포함 여부를 확인한다.

정상 신호는 샘플(10)이 정상 상태일 때, 즉 유해 물질이 포함되지 않은 상태를 나타내는 신호이다. 따라서, 샘플(10)의 분석을 통해 획득된 유효 신호를 기 저장된 정상 신호와 비교함으로써, 유효 신호와 정상 신호가 불일치하면 해당 샘플(10)은 유해 물질을 포함하고 있는 것이다.

구체적으로, 샘플(10)에 유해 물질이 포함되었을 경우, 샘플(10)을 통해 방출되는 검출 신호에는 특정 파장에서 피크값을 가지게 된다. 따라서, 마이크로 컨트롤러(150)는 검출 신호로부터 추출된 유효 신호가 해당 파장에서 피크값을 가져 정상 신호와 불일치하는 것으로 확인하면, 통신부(160)는 해당 샘플(10)에 유해 물질이 포함되었다는 결과 데이터를 사용자 장치로 전송한다.

도 15는 도 14의 S440 및 S450 단계를 더욱 구체적으로 나타내는 흐름도이다. 도 15는 도 5 및 도 14을 참조하여 설명될 것이다. 도 15에서, 광원(130)은 세 개의 채널들, 즉 제 1 및 제 3 채널들(131-133)만을 포함하는 것으로 가정한다. 즉, 대상 물질의 분석을 위해 세 개의 파장 대역이 필요하기 때문에, 세 개의 채널을 포함하는 광원(130)이 사용될 수 있다. 따라서, 광원(130)은 샘플(10)로 제 1 내지 제 3 직교 코드들에 기초하여 서로 다른 파장들 또는 서로 다른 직교 코드들을 갖는 제 1 내지 제 3 광신호들을 제공할 수 있다.

검출기(140)는 샘플(10)로부터 제 1 내지 제 3 광신호들에 대응하는 제 1 내지 제 3 검출 신호들(SP11, SP12, SP13)을 검출할 수 있다. 제1 내지 제 3 검출 신호들(SP11, SP12, SP13)은 각각 특정한 파장(W1, W2, W3)에서 나타나는 신호이다. 제 1 내지 제 3의 복호화된 검출 신호들(SP21, SP22, SP23) 및 유효 신호(SP30)는 제 1 내지 제 3 검출 신호들(SP11, SP12, SP13)에 기초한다. 도 15에서, 제 1 내지 제 3 검출 신호들(SP11, SP12, SP13), 제 1 내지 제 3의 복호화된 검출 신호들(SP21, SP22, SP23), 및 유효 신호(SP30)는 파장에 따른 세기의 스펙트럼 그래프로 표현될 수 있다.

S511 내지 S513 단계에서, 복호화기(154)는 제 1 내지 제 3 직교 코드들에 기초하여 제 1 내지 제 3 검출 신호들(SP11, SP12, SP13)을 복호화하기 위해 제 1 내지 제 3 검출 신호들(SP11, SP12, SP13)과 제 1 내지 제 3 직교 코드들의 컨벌루션들을 수행할 수 있다. S511 내지 S513 단계에서는, 복호화기(154)는 제 1 내지 제 3 검출 신호들(SP11, SP12, SP13) 중 하나의 검출 신호에 대해서 하나의 검출 신호에 대응하는 오직 하나의 직교 코드와만 컨벌루션을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 복호화기(154)는 제 1 검출 신호(SP11)와 제 1 직교 코드의 제 1 컨벌루션을 수행할 수 있고, 복호화기(154)는 제 2 검출 신호(SP12)와 제 2 직교 코드의 제 2 컨벌루션을 수행할 수 있고, 그리고 복호화기(154)는 제 3 검출 신호(SP13)와 제 3 직교 코드의 제 3 컨벌루션을 수행할 수 있다.

복호화기(154)는 제 1 내지 제 3 컨벌루션들에 기초하여 제 1 내지 제 3의 복호화된 검출 신호들(SP21, SP22, SP23)을 생성할 수 있다.

S520 단계에서, 복호화기(154)는 제 1 내지 제 3의 복호화된 검출 신호들(SP21, SP22, SP23)을 합산함으로써 유효 신호(SP30)를 획득할 수 있다. 도 15를 참조하면, 유효 신호(SP30)는 제 1 내지 제 3 파장들(W1, W2, W3)에서의 세기를 나타내는 신호이다.

따라서, 분광 장치(100)는 해당 파장(W1, W2, W3)에 대해서만 정상 신호와 유효 신호를 비교하여 유해 물질 포함 여부를 판단할 수 있다. 즉, 제 1 내지 제3 파장들(W1, W2, W3) 중 적어도 하나의 파장에서 정상 신호보다 유효 신호의 세기가 더 큰 경우(피크 값을 갖는 경우), 해당 샘플(10)은 유해 물질을 포함하는 것으로 판단될 수 있다.

이때, 제 1 내지 제3 파장들(W1, W2, W3)은 제 1 내지 제 3 광신호들의 파장들에 각각 대응하므로, 유효 신호(SP30)는 재현성 및 정확도가 높을 수 있다.

본 발명의 실시 예들이 광학적, 전기적, 및 기계적으로 직교 코드 신호로 광원을 변조하는 방법에 관하여 본원에서 설명되었지만, 이외의 다른 변조 방법이 사용될 수도 있다.

본 발명의 실시예와 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 하드웨어에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로 구현되거나, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 플래시 메모리(Flash Memory), 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 잘 알려진 임의의 형태의 컴퓨터 판독가능 기록매체에 상주할 수도 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10 : 샘플
100 : 분광 장치
110 : 하우징
120 : 컨테이너
130 : 광원
131 : 제 1 채널
132 : 제 2 채널
133 : 제 3 채널
140 : 검출기
141 : 배열 센서
150 : 마이크로 컨트롤러
152 : 부호화기
154 : 복호화기
160 : 통신부

Claims

하우징;
대상 물질인 샘플을 수용하는 컨테이너;
상기 샘플에 유해 물질의 포함 여부를 확인하기 위해 특정 파장의 광신호를 샘플에 제공하는 광원;
상기 샘플로부터 방출되는 상기 특정 파장의 검출 신호를 검출하는 검출기; 및
상기 검출 신호로부터 유효 신호를 추출하고, 상기 샘플이 유해 물질을 포함하지 않을 때의 정상 신호를 미리 저장하여, 상기 유효 신호와 상기 정상 신호를 비교하여 상기 샘플의 유해 물질 포함 여부를 판단하는 마이크로 컨트롤러를 포함하고,
상기 샘플이 유해 물질을 포함하는 경우, 상기 검출 신호는 상기 특정 파장에서 피크 값을 갖고,
상기 마이크로 컨트롤러는 상기 정상 신호와 상기 유효 신호를 비교했을 때, 특정 파장에서 피크 값이 나타나는 경우 상기 샘플에 상기 유해 물질이 포함된 것으로 판단하고,
상기 컨테이너에 상기 대상 물질 이외에 상기 유해 물질과 반응성을 가지며 상기 유해 물질의 검출에 이용되는 지시제가 수용되는 것을 특징으로 하는, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.
제1항에 있어서,
상기 마이크로 컨트롤러는,
직교 코드를 생성하여 상기 광신호를 직교 코드에 대응하는 패턴으로 부호화하는 부호화기; 및
상기 부호화기와 상기 직교 코드를 공유하고, 상기 직교 코드와 상기 검출 신호 간의 상관관계에 기초하여 상기 검출 신호를 복호화하는 복호화기를 포함하는, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.
제2항에 있어서,
상기 복호화기는 상기 직교 코드를 기반으로 상기 검출 신호에 포함된 잡음을 제거하여 유효 신호를 추출하는, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.
제3항에 있어서,
상기 직교 코드는 이진 시퀀스이고, 상기 광신호의 펄스 파형은 상기 직교 코드에 따른 선로 부호화에 의하여 부호화되는, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.
제1항에 있어서,
사용자 장치와 통신하는 통신부를 더 포함하며,
상기 통신부는 상기 마이크로 컨트롤러에 의해 상기 샘플이 유해 물질을 포함하는지의 여부가 확인되면, 해당 결과 데이터를 상기 사용자 장치로 전송하는, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.
제5항에 있어서,
상기 통신부가 상기 사용자 장치로부터 분석하려는 샘플 정보를 수신하면,
상기 마이크로 컨트롤러는 상기 샘플 정보에 기반하여, 유해 물질 확인을 위해 요구되는 광원의 파장 및 광원의 개수를 결정하는, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.
제6항에 있어서,
상기 광원의 개수가 복수 개인 경우,
상기 복수개의 광원에 의해 제공되는 각각의 광신호는 순차적으로 상기 샘플에 제공되고,
상기 마이크로 컨트롤러는 상기 각각의 광신호를 상이한 직교 코드에 대응하는 패턴으로 각각 부호화하는 것인, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.
제7항에 있어서,
상기 광원의 개수가 복수 개인 경우,
상기 검출기는 상기 샘플로부터 방출되는 각각의 검출 신호를 검출하고,
상기 마이크로 컨트롤러는 상기 각각의 검출 신호를 각각 복호화하고, 복호화된 각각의 검출 신호를 합산하여 유효 신호를 획득하고, 획득된 유효 신호를 정상 신호와 비교하는 것인, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.
제1항에 있어서,
상기 검출 신호는 상기 광신호의 전부 또는 일부가 상기 샘플에서 흡수, 산란, 투과 또는 반사됨으로써 발생되는, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.
제1항에 있어서,
상기 하우징 또는 상기 컨테이너의 상단에 결합되어 개폐 가능하도록 형성되어 외부로부터의 빛을 차단하는 커버를 더 포함하는, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.
제1항에 있어서,
상기 컨테이너는 상기 하우징에 탈착 가능하게 형성되는 것인, 유해 물질의 검출을 위한 분광 장치.