KR20230035804A - 수질 검사기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 본체, 상기 본체의 내부에 형성되는 유체 수용부, 상기 유체 수용부를 향하여 파동을 조사하는 파동원, 상기 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 시계열적으로 검출하는 검출부 및 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 이물질의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부를 포함하고, 상기 파동원을 지나가는 가상의 제1 면은 상기 검출부를 지나가는 가상의 제2 면과 평행한 수질 검사기를 제공한다.

Description

수질 검사기 {Device for water examination}
본 발명의 실시예들은 수질 검사기에 관한 것이다.
일반적으로, 물 또는 음료와 같은 유체는 여과 등의 다양한 처리를 통해 사용자에게 공급된다. 음용을 목적으로 하는 유체의 경우, 필요에 의해 유체 내 첨가된 첨가물을 제외한 다른 물질, 예를 들면 미생물 등은 제거된 후 사용자에게 공급되어야 한다. 그러나, 유체를 처리하는 과정에서 외기의 접촉과 같은 상황에 의해 의도치 않게 유체 내 미생물이 증식할 수 있다.
유체 내 미생물을 감지하여 수질을 검사하기 위해 종래 다양한 방법들이 제시되고 있지만, 유체 내에서 극소량의 미생물을 감지하는 것은 매우 어려운 실정이다.
상기한 문제 및/또는 한계를 해결하기 위하여, 본 발명은 혼돈파 센서를 이용하여 실시간으로 유체 내 미생물을 감지하여 수질을 검사하는 수질 검사기를 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는 본체, 상기 본체의 내부에 형성되는 유체 수용부, 상기 유체 수용부를 향하여 파동을 조사하는 파동원, 상기 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 시계열적으로 검출하는 검출부 및 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 이물질의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부를 포함하고, 상기 파동원을 지나가는 가상의 제1 면은 상기 검출부를 지나가는 가상의 제2 면과 평행한 수질 검사기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가상의 제1 면은 상기 파동원이 상기 파동을 조사하는 조사면을 지나가고, 상기 가상의 제2 면은 상기 검출부의 검출면을 지나갈 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 면과 상기 제2 면의 간격은 상기 파동원으로부터 조사되는 상기 파동의 직경보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유체 수용부는 상기 본체의 내부에 형성되는 바닥부 및 상기 바닥부에 대해 소정의 각도를 갖도록 형성되는 벽체부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 벽체부는 내부면 중 상기 파동이 조사되는 일정 영역이 광흡수 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 파동이 조사되는 일정 영역은 상기 파동의 직경보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 벽체부는 내부면 전체가 광흡수 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바닥부는 내부면 전체가 광흡수재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유체 수용부는 상기 파동원의 위치에 대응되고, 상기 파동이 지나가는 제1 관통홀 및 상기 검출부의 위치에 대응되는 제2 관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가상의 제1 면은 상기 제1 관통홀을 지나가되, 상기 제2 관통홀은 지나가지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 관통홀의 직경은 상기 제2 관통홀의 직경보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 상기 유체 내의 미생물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시간 상관 관계는 제1 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영상정보와 상기 제2 영상정보는 상기 레이저 스펙클의 패턴정보 및 상기 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 검출부에서 검출된 광학 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득하고, 상기 간섭 패턴의 공간 상관 관계의 시간에 따른 변화를 기초로 상기 유체 내 이물질의 존재여부를 판단할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 또는 공간 상관 관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 유체 내 미생물의 존재 여부 및/또는 농도를 추정하여 수질을 검사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 수질 모니터링 시스템의 수질 검사기를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2의 개념도가 실제 구현된 수질 검사기를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 A-A' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 파동원으로부터 유체 수용부 내부로 조사하기 위한 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 유체 내부로부터 출사되는 레이저 스펙클이 검출부로 제공되는 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 제1 관통홀과 제2 관통홀의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 유체 수용부 내에 컵이 배치되어 미생물을 검출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수질 검사기를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 4의 B-B' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 13은 도 4의 수질 검사기의 평면도이다.
도 15는 수질 검사기의 사용 예시도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기에 있어서, 파동원과 검출부의 이격 거리에 따른 시간 상관 관계 계수를 비교한 그래프이다.
도 17은 파동원과 검출부의 이격 거리에 따른 시간 상관 관계 계수를 농도별로 정리한 표이다.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기에 있어서 유체 내 박테리아 농도에 따른 시간 상관 관계 계수를 도시한 그래프이다.
도 19 내지 도 20은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기가 미생물을 검출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 22는 도 21의 S120 단계의 상세 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 실시예들의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 실시예들은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서 유닛, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 유닛, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서 연결하다 또는 결합하다 등의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 반드시 두 부재의 직접적 및/또는 고정적 연결 또는 결합을 의미하는 것은 아니며, 두 부재 사이에 다른 부재가 개재된 것을 배제하는 것이 아니다.
명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템(1)은 수질 검사기(100), 서버(200) 및 사용자 단말기(300)를 포함한다. 또한, 복수 개의 수질 검사기(100)들, 복수 개의 사용자 단말기(300)들과 서버(200)를 연결하는 네트워크(400)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 또는 공간 상관 관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 유체 내 미생물의 존재 여부 및/또는 농도를 추정하여 수질을 검사하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)에 대해서는 도 2 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서버(200)는 각각의 수질 검사기(100)에서 검사된 수질 데이터를 수집하고, 수집된 수질 데이터를 가공하고, 이와 같이 가공한 수질 데이터를 사용자 단말기(300)들에게 제공하는 서버일 수 있다. 도 1에는 하나의 서버(200)를 표시하였지만, 접속량 혹은 데이터 양에 따라 복수 개의 서버가 존재할 수 있음은 물론이다.
여기서, 서버(200)가 가공하여 사용자 단말기(300)에 제공하는 수질 데이터는, 전체 수질 평균 대비 해당 사용자 단말기(300)에서 측정한 유체의 수질 레벨, 전체 수질 평균 대비 해당 사용자 단말기(300)가 위치한 지역의 수질 레벨, 지역에 따른 수질의 편차, 시간에 따른 수질의 변화 등일 수 있다.
복수 개의 사용자 단말기(300)들은 유무선 통신 환경에서 웹 서비스를 이용할 수 있는 통신 단말기를 의미한다. 여기서 사용자 단말기(300)는 사용자의 퍼스널 컴퓨터일 수도 있고, 또는 사용자의 휴대용 단말기일 수도 있다. 도 1에서는 휴대용 단말기가 스마트폰(smart phone)으로 도시되었지만, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 디스플레이 및 통신이 가능한 애플리케이션을 탑재한 단말은 제한 없이 차용될 수 있다.
한편, 네트워크(400)는 복수 개의 수질 검사기(100)들, 복수 개의 사용자 단말기(300)들과 서버(200)를 연결하는 역할을 수행한다. 즉, 네트워크(400)는 수질 검사기(100)들과 사용자 단말기(300)들이 서버(200)에 접속한 후 데이터를 송수신할 수 있도록 접속 경로를 제공하는 통신망을 의미한다. 이와 같은 네트워크(400)는 유무선 이동통신망, 유무선 인터넷망뿐 아니라, 블루투스, NFC(Near Field Communication), 지그비(Zigbee), 블루투스(bluetooth), 와이파이(wifi) 등 다양한 근거리, 원거리 통신을 지원할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템(1)의 수질 검사기(100)의 일 실시예에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 수질 모니터링 시스템의 수질 검사기를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 파동원(110), 검출부(120), 제어부(130)를 포함할 수 있다. 또한, 도 2의 수질 검사기(100)는 경보유닛(140) 및 유체 수용부(도 5의 160 참조)를 더 포함할 수 있다. 그리고 이 유체 수용부(160)에는 검사 대상이 되는 유체(L)가 담긴 컵(190)이 수용될 수 있다. 또한, 도 2의 수질 검사기(100)는 디스플레이부(170) 및 보정부(calibration unit)(180)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 유체(L)는 액체 또는 기체일 수 있다. 유체(L)는 수질 검사 가능한 검사대상체일 수 있으며, 예를 들면, 사람이 음용할 수 있는 물일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 유체(L)는 수돗물이나 강물 등의 수질 검사가 가능한 어떠한 검사대상체든 적용될 수 있다.
파동원(110)은 유체 수용부(160)에 수용된 컵(190) 내부의 유체(L)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(110)은 파동(wave)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다.
검출부(120)는 파동을 이용하여 유체(L) 내의 이물질인 미생물(M)의 존재여부를 감지할 수 있다. 본 명세서에서 검출부(120)는 혼돈파 센서일 수 있다. 여기서, 이물질은 비용해성 부유물질일 수도 있다. 검출부(120)는 미생물(M)뿐만 아니라 유체(L) 내 포함된 이물질을 검출하는 기능도 수행할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 유체(L) 내 미생물(M)을 검출하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
이하에서는, 도 3을 참조하여, 본 발명의 혼돈파 센서의 원리에 대하여 설명한다.
유리와 같이 내부 굴절율이 균질한 물질의 경우에는 광을 조사했을 때에 일정한 방향으로 굴절이 일어난다. 하지만, 내부 굴절률이 불균질한 물체에 레이저와 같은 간섭광(Coherent Light)을 조사하면, 물질 내부에서 매우 복잡한 다중 산란(multiple scattering)이 발생하게 된다.
도 3을 참고하면, 파동원에서 조사한 빛 또는 파동(이하, 간략화를 위하여 파동이라 함) 중, 다중 산란을 통해 복잡한 경로로 산란된 파동의 일부는 검사 대상면을 통과하게 된다. 검사 대상면의 여러 지점을 통과하는 파동들이 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키게 되고, 이러한 파동들의 보강/상쇄 간섭은 낱알 모양의 무늬(스펙클; speckle)를 발생시키게 된다.
본 명세서에서는 이러한 복잡한 경로로 산란되는 파동들을 "혼돈파(Chaotic wave)"라고 명명하였으며, 혼돈파는 레이저 스펙클을 통해 검출할 수 있다.
다시, 도 3의 좌측 도면은 안정한 매질을 레이저로 조사하였을 때를 나타낸 도면이다. 내부 구성 물질의 움직임이 없는 안정한 매질을 간섭광(예를 들면 레이저)로 조사하였을 때에는 변화가 없는 안정한 스펙클 무늬를 관측할 수 있다.
그러나, 도 3의 우측 도면과 같이, 내부에 박테리아 등, 내부 구성 물질 중 움직임이 있는 불안정한 매질을 포함하고 있는 경우에는 스펙클 무늬가 변화하게 된다.
즉, 미생물의 미세한 생명활동(예컨대, 세포 내 움직임, 미생물의 이동 등)으로 인해 광경로가 시간에 따라 미세하게 변화할 수 있다. 스펙클 패턴은 파동의 간섭으로 인해 발생하는 현상이기 때문에, 미세한 광경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 생물의 움직임을 신속하게 측정할 수 있다. 이처럼, 스펙클 패턴의 시간에 따른 변화를 측정하는 경우, 미생물의 존재여부 및 농도를 알 수 있으며, 더 나아가서는 미생물의 종류 또한 알 수 있다.
본 명세서는 이러한 스펙클 패턴의 변화를 측정하는 구성을 혼돈파 센서부(Chaotic Wave Sensor)라 정의한다.
한편, 물과 같은 유체(L)는 전술한 바와 같이 내부에 산란을 발생시키는 균질한 물질을 포함하지 않기 때문에 미생물(M)이 존재하지 않는 경우 앞서 설명한 바와 같은 복잡한 다중 산란(multiple scattering)이 발생되지는 않는다. 다만, 물과 같은 유체(L)라 하더라도, 파동이 조사되면 유체(L) 내 분자 또는 원자들에 의해 유체(L)에서 미세한 산란이 발생할 수 있다.
유체(L) 내의 파동은 균질한 물질로 이루어지는 경우보다 다중산란되는 정도가 적을 수 있으나, 이러한 산란들로 인해 파동들이 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키게 되고, 검출부(120)를 통해 레이저 스펙클이 검출될 수 있다. 이때, 유체(L) 내에 이물질이 존재하지 않는 경우, 유체(L)의 원자 또는 분자들에 의해 파동이 산란되는 정도는 외부 자극이 없는 한 평균적으로 일정할 수 있다. 여기서 외부 자극은 진동이나 충격에 의한 유체(L) 내 버블 발생 등을 의미할 수 있다.
수질 검사기(100)는 컵(190)에 담긴 유체(L) 내에 미생물(M)이 존재하는 경우 미생물의 움직임에 의해 파동의 경로가 미세하게 변화할 수 있다. 미세한 파동경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 유체(L) 내에 미생물(M)의 존재여부를 신속하게 검출할 수 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 파동원(110), 검출부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
파동원(110)은 유체 수용부(160)에 수용된 컵(190) 내부의 유체(L)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(110)은 파동(wave)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다. 본 발명은 파동원 종류에 제한이 없으나, 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 레이저인 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
예를 들어, 유체(L)에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동원(110)으로 이용할 수 있다. 이때, 레이저 파동원의 간섭성을 결정하는 파동원의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 즉, 간섭길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 파동원의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 파동원(110)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 조건이 유지되도록 파동원의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 기준 시간마다 유체 내에 광을 조사 시에, 파동원(110)의 스펙트럴 대역폭은 5nm 미만을 유지될 수 있다.
검출부(120)는 조사된 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클을, 시계열적으로 검출할 수 있다. 일 실시예로서, 검출부(120)는 조사된 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 여기서, 시점(time)이란, 연속적인 시간의 흐름 가운데 어느 한 순간을 의미하며, 시점(time)들은 동일한 시간 간격으로 사전에 설정될 수 있으나 반드시 이에 제한되지 않으며, 임의의 시간 간격으로 사전에 설정될 수도 있다.
검출부(120)는 파동원(110) 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우에는 영상을 촬영하는 촬영장치인 CCD 카메라(camera)가 이용될 수 있다. 검출부(120)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(130)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(120)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
구체적으로, 유체(L)에 파동이 조사되면, 입사된 파동은 다중 산란에 의해 레이저 스펙클을 형성할 수 있다. 레이저 스펙클은 빛의 간섭 현상에 의해 발생하므로, 유체 내에 미생물이 없다면 시간에 따라 평균적으로 일정한 간섭 무늬를 나타낼 수 있다. 즉, 유동성을 갖는 유체(L)라 하더라도, 내부에 이물질이 존재하지 않는다면 레이저 스펙클은 유체(L)의 고유 특성에 의해 평균적으로 일정한 간섭 무늬를 나타낼 수 있다.
이와 비교하여, 유체(L) 내에 미생물이 존재하는 경우, 레이저 스펙클은 미생물(M)의 움직임에 의해 평균적으로 일정한 간섭 무늬에 대비하여 시간에 따라 변화할 수 있다. 검출부(120)는 이러한 시간에 따라 변화하는 레이저 스펙클을 시계열적으로 검출하여 제어부(130)로 제공할 수 있다. 검출부(120)는 미생물(M)의 움직임을 감지할 수 있을 정도의 속도로 레이저 스펙클을 검출할 수 있으며, 예를 들면, 초당 25 프레임 내지 30 프레임의 속도로 검출할 수 있다.
한편, 검출부(120)로 이미지 센서가 이용되는 경우, 이미지 센서 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size)보다 작거나 같아지도록 이미지 센서가 배치될 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 2의 조건을 만족하도록, 검출부(120)에 포함된 광학계에서 이미지 센서가 배치될 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2와 같이, 이미지 센서의 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size) 이하이어야 하나, 픽셀의 크기가 너무 작아지게 되면 언더샘플링(undersampling)이 발생해서 픽셀 해상도를 활용하는데 어려움이 존재할 수 있다. 이에 따라, 효과적인 SNR(Signal to Noise Ratio)를 달성하기 위해 스펙클 입자 크기(speckle grain size)에 최대 5개 이하의 픽셀이 위치하도록 이미지 센서가 배치될 수 있다.
제어부(130)는 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득할 수 있다. 제어부(130)는 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 유체(L) 내의 미생물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다. 본 명세서에서 실시간(real-time)이란 10초 이내 이물질(M)의 존재 여부를 추정하는 것을 의미하며, 바람직하게는 3초 이내 미생물(M)의 존재 여부를 추정하고, 더 바람직하게는 1초 내에 미생물(M)의 존재 여부를 추정할 수 있다.
일 실시예로서, 제어부(130)는 제1 시점에서 검출된 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 레이저 스펙클의 제2 영상정보 차이를 이용하여 미생물(M)의 존재여부를 추정할 수 있다. 여기서, 제1 영상정보 및 제2 영상정보는 레이저 스펙클의 패턴 정보 및 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예는, 제1 시점에서의 제1 영상정보와 제2 시점에서의 제2 영상정보의 차이만을 이용하는 것은 아니며, 이를 확장하여 복수의 시점에서 복수의 레이저 스펙클의 영상 정보를 이용할 수 있다. 제어부(130)는 사전에 설정된 복수의 시점마다 생성된 레이저 스펙클의 영상정보를 이용하여 영상들 간의 시간 상관 계수를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 유체(L) 내에 미생물(M)의 존재여부를 추정할 수 있다. 검출된 레이저 스펙클 영상의 시간 상관 관계는 아래의 수학식 3을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3에서
Figure pat00004
은 시간 상관 관계 계수,
Figure pat00005
은 표준화된 빛 세기, (x,y)는 카메라의 픽셀 좌표, t는 측정된 시간, T는 총 측정 시간,
Figure pat00006
는 타임래그(time lag)를 나타낸다.
수학식 3에 따라 시간 상관 관계 계수가 계산될 수 있으며, 일 실시예로서, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 기준값 이하로 떨어지는 분석을 통해 미생물의 존재여부를 추정할 수 있다. 구체적으로, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 오차 범위를 넘어 기준값 이하로 떨어지는 것으로 미생물이 존재한다고 추정할 수 있다.
또한, 검출부(120)는 컵(190)에 수용된 유체(L) 내의 이물질의 농도를 추정할 수 있다. 이때, 검출부(120)는 유체(L) 내 이물질의 농도를 추정하여 유체(L)의 탁도를 측정하는 기능도 수행할 수 있다. 일반적인 탁도 측정 장치는 105 cfu/ml 이하의 이물질 농도를 측정하는 것이 어렵다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부(120)는 하기와 같이 이물질의 농도를 판단하는 방법을 통해 105 cfu/ml 이하의 이물질 농도도 측정이 가능하다. 여기서 이물질은 미생물로 한정하지 않는다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 이물질이 미생물인 경우를 중심으로 제어부(130)에서, 레이저 스펙클을 이용하여 미생물의 농도를 판단하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
제어부(130)는 기준 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 대상으로, 레이저 스펙클의 빛 세기(intensity)의 표준 편차를 계산할 수 있다. 유체(L) 내 포함된 미생물들이 지속적으로 움직임에 따라 보강 간섭과 상쇄 간섭이 상기 움직임에 대응하여 변화할 수 있다. 이때, 보강 간섭과 상쇄 간섭이 변화함에 따라, 빛 세기의 정도가 크게 변화할 수 있다. 그러면, 제어부(130)는, 빛 세기의 변화 정도를 나타내는 표준 편차를 구하여 컵(190) 내의 미생물을 검출할 수 있으며, 이들의 분포도를 측정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(130)는 미리 정해진 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 합성하고, 합성된 영상에서 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차를 계산할 수 있다. 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차는 아래의 수학식 4에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure pat00007
수학식 4에서, S: 표준편차, (x,y): 카메라 픽셀 좌표, T: 총 측정 시간, t: 측정 시간, It: t 시간에 측정된 빛 세기,
Figure pat00008
: 시간에 따른 평균 빛 세기를 나타낼 수 있다.
미생물의 움직임에 따라 보강 및 상쇄 간섭 패턴이 달라지게 되고, 수학식 4에 기초하여 계산된 표준편차 값이 커지게 되기 때문에 이에 기초하여 미생물의 농도가 측정될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기한 수학식 4에 의해 미생물의 농도를 측정하는 방법이 제한되지 않으며, 검출된 레이저 스펙클의 차이를 이용한 어떠한 방법으로든 미생물의 농도를 측정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 레이저 스펙클의 빛 세기의 표준편차 값의 크기와 미생물 농도와 선형적인 관계에 기초하여 유체에 포함된 미생물의 분포도, 즉 농도를 추정할 수도 있다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 경보유닛(140) 및 디스플레이부(170)를 더 포함할 수 있다. 그리고 수질 검사기(100)는 외부의 사용자 단말기(도 1의 300 참조) 또는 서버(도 1의 200 참조)와 네트워크(도 1의 400 참조)를 통해 연결될 수 있다.
경보유닛(140)은 제어부(130)로부터 미생물이 존재한다는 신호가 입력되면, 이를 사용자에게 알릴 수 있다. 경보유닛(140)은 소리, 빛 중 적어도 어느 하나를 이용하여 미생물이 유체 내 존재함을 외부로 알릴 수 있다. 경보유닛(140)은 빛을 통해 경고신호를 생성하는 LED와 같은 조명수단 및 소리를 통해 경고신호를 생성하는 스피커(미도시)를 포함할 수 있으며, 빛과 소리는 동시에 생성될 수 있다.
또한, 수질 검사기(100)는 사용자 단말기(도 1의 300 참조)와 통신할 수 있는 통신수단(미도시)을 더 포함할 수 있다. 경보유닛(140)은 제어부(130)로부터 미생물이 존재한다는 신호가 입력되면, 무선 또는 유선의 통신수단(미도시)을 통해 사용자 단말기(도 1의 300 참조)로 미생물 감지 신호를 포함하는 정보를 제공할 수 있다. 또한, 경보유닛(140)은 서버(도 1의 200 참조)로도 상기한 정보를 제공할 수 있다.
수질 검사기(100)는 경보유닛(140)을 통해 미생물 감지 여부, 미생물이 감지된 시간, 미생물의 농도에 대한 정보를 업로드하면, 이를 서버(도 1의 300 참조)에 등록하며, 다른 사용자들이 서버(도 1의 300 참조)에 등록된 데이터를 조회할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 상기한 과정을 통해 미생물 발생 상황 등을 데이터베이스로 구축할 수 있다. 사용자 단말기(도 1의 200 참조)는 유무선 통신 환경에서 웹 서비스를 이용할 수 있는 퍼스널 컴퓨터 또는 휴대용 단말일 수 있다.
디스플레이부(170)는 검출부(120)에서 검출된 검출 결과를 시각(視覺)적 정보로 출력한다. 즉, 유체(L) 내 미생물의 존재 여부 및/또는 농도와, 이로부터 추정된 유체 내의 탁도 정보 등을 가공하여 다양한 데이터를 출력할 수 있다. 여기서, 수신된 영상이 디스플레이부(170)를 통해 화상 이미지로 출력되도록 하기 위한 영상 처리 프로세스가 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템(1)의 수질 검사기(100)는 보정부(180)를 더 구비하는 것을 일 특징으로 한다.
보정부(180)는, 파동원(110)에서 조사되어 유체(L) 내부를 거쳐 검출부(120)에서 측정되는 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록, 수질 검사기(100)를 제어하는 것을 일 특징으로 한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에서는 검출부(120)에서 측정된 광의 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록, 보정부(180)가 검출부(120)의 셔터 스피드를 제어할 수 있다. 이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
검출부(120)는 일종의 카메라와 유사한 구조로 형성되어서, 파동원(110)에서 조사되어 유체(L) 내부를 거친 광을 검출할 수 있다. 이와 같은 검출부(120)는 이미지 센서를 포함하는 센서부(121)와 셔터(122)를 구비할 수 있다. 기본적으로, 셔터(122)가 열리면 센서부(121)로 광이 들어오고, 셔터(122)가 닫히면 센서부(121)로 들어오는 광이 차단되는 것이다. 여기서 셔터(122)가 열렸다가 닫히는 속도를 셔터 스피드라고 할 수 있으며, 셔터 스피드가 느리면 센서부(121)에 들어오는 광량이 증가하고, 셔터 스피드가 빠르면 센서부(121)에 들어오는 광량이 감소하게 된다.
여기서, 보정(calibration)의 기준값은, 검출부(120)에서 검출된 이미지의 각 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균으로부터 결정할 수 있다.
상세히, 8 bits 이미지 센서의 경우 각 픽셀의 강도(intensity)는 0~255 사이의 값을 가지므로, 그 중간 값인 128을 기준 값으로 설정할 수 있다. 그리고, 여러 실험 데이터에 기초해서, 기준 값으로부터 ±5까지가 적정한 광량이라고 미리 설정해둘 수 있다. 그리고, 광량의 적합 범위의 최소값을 제1 기준값으로 설정하고, 광량의 적합 범위의 최대값을 제2 기준값으로 설정할 수 있다.
예를 들어, 강도(intensity)의 평균값이 123~133 이내일 경우를 적절한 광량이라고 설정해둘 수 있다. (이때 제1 기준값은 123, 제2 기준값은 133일 수 있다.) 그리고, 파동원(110)에서 조사되어 유체(L)을 거쳐서 검출부(120)에서 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균을 측정하여, 강도(intensity) 값의 평균이 123보다 작은 경우, 보정부(180)는 광량이 부족하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 증가시키기 위하여 셔터 스피드를 느리게 할 수 있다. 반대로 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균이 133보다 큰 경우, 보정부(180)는 광량이 과다하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 감소시키기 위하여 셔터 스피드를 빠르게 할 수 있다.
이와 같이 보정부(180)에 의해 검출부(120)에서 검출되는 광량이 소정 범위 이내로 조정됨으로써, 서로 다른 곳에 위치한 복수 개의 수질 검사기(100)들에 대해 측정되는 광량에 있어서 동일한 기준 값을 설정할 수 있게 된다.
이와 같이 일단 보정부(180)에 의해 검출부(120)에서 검출되는 광량이 소정 범위 이내로 조정된 이후에, 제어부(130)에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하기 때문에, 파동원(110)의 성능이 다소 저하되거나, 유체 샘플을 담는 용기에 편차가 있더라도, 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하는데 있어서 오차가 최소화될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템(1)을 이용하여 수질 모니터링을 수행하는 방법에 대해서는 도 21 및 도 22에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예는 검출부(120)에서 측정된 광의 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록 하기 위하여, 보정부(180)가 파동원(110)에서 조사되는 광량 자체를 제어하는 것을 특징으로 한다.
즉, 파동원(110)에서 조사되어 유체(L) 내부를 거쳐 검출부(120)에서 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균을 측정하여, 강도(intensity) 값의 평균이 123보다 작은 경우, 보정부(180)는 광량이 부족하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 증가시키기 위하여 파동원(110)의 전압을 상승시켜서 파동원(110)에서 조사되는 광량 자체를 증가시킬 수 있다. 반대로 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균이 133보다 큰 경우, 보정부(180)는 광량이 과다하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 감소시키기 위하여 파동원(110)의 전압을 하강시켜서 파동원(110)에서 조사되는 광량 자체를 감소시킬 수 있다.
도 4는 도 2의 개념도가 실제 구현된 수질 검사기를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4의 A-A' 선을 따라 취한 단면도이다. 도 6은 파동원으로부터 유체 수용부 내부로 조사하기 위한 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 유체 내부로부터 출사되는 레이저 스펙클이 검출부로 제공되는 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 제1 관통홀과 제2 관통홀의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 9는 유체 수용부 내에 컵이 배치되어 미생물을 검출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 파동원(110), 검출부(120), 본체(150), 유체 수용부(160)를 포함할 수 있다. 또한 도 4 내지 도 8에는 도시되지 않았지만, 수질 검사기(100)는 도 2에서 설명한 제어부(도 2의 130) 및 경보유닛(도 2의 140)을 더 포함할 수 있다. 여기서 파동원(110) 및 검출부(120)는 도 2 등에서 설명한 바 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
본체(150)는 수질 검사기(100)의 외형을 이루며, 그 내부에는 파동원(110), 검출부(120), 유체 수용부(160)가 구비될 수 있다. 도면에는 본체(150)가 전체적으로 편심된 유선형(내지는 위에서 보았을 때 계란형)을 이루며, 상부로부터 내측으로 컵(190)이 끼워질 수 있는 유체 수용부(160)가 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 본체(150)의 크기, 형상, 재질이나, 본체(150)에서 유체 수용부(160)가 형성되는 위치는 다양하게 변경 가능하다 할 것이다. 여기서, 유체 수용부(160)는 컵(190)이 수용될 수 있는 컵 수용부의 역할을 수행할 수 있다.
유체 수용부(160)는 본체(150)의 상부로부터 내측(즉, 중심부 측)으로 컵(190)이 끼워질 수 있도록 형성될 수 있다. 유체 수용부(160)는 바닥부(161) 및 벽체부(162)를 포함할 수 있다. 이를 다르게 표현하면, 바닥부(161)와 벽체부(162)에 의해, 컵(190)이 수용되어 안착될 수 있는 유체 수용부(160)가 형성된다고 표현할 수도 있을 것이다.
바닥부(161)는 유체 수용부(160)의 바닥면을 이루며, 대략 편평한 형상으로 형성된다.
벽체부(162)는 바닥부(161)로부터 대략 수직인 방향으로 형성되며, 바닥부(161)의 가장자리를 감싸는 구조로 형성되어 내부에 컵(190)을 수용하는 수용공간을 형성할 수 있다. 벽체부(162)는 원형의 컵(190)을 수용하기 위하 환형 구조로 바닥부(161)를 감쌀 수 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 않으며, 컵(190)의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다.
일 실시예로서, 파동원(110)과 검출부(120)는 유체 수용부(160)의 외부에 배치될 수 있다. 이때, 파동원(110)을 지나가는 가상의 제1 면(V1)은 검출부(120)를 지나가는 가상의 제2 면(V2)과 평행하게 배치될 수 있다. 여기서, 가상의 제1 면(V1)은 파동원(110)이 파동(w)을 조사하는 조사면을 수직하게 지나가고, 가상의 제2 면(V2)은 검출부(120)의 검출면을 수직하게 지나갈 수 있다.
구체적으로, 파동원(110)과 검출부(120)는 유체 수용부(160)의 바닥부(161)에서 상부로 향하는 z방향에 대하여 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 이를 통해, 파동원(110)과 검출부(120)는 z방향으로 일정한 이격 거리(g1)를 가질 수 있으며, 파동원(110)에서 조사되는 파동(w)은 검출부(120)로 직접 입사되지 않을 수 있다.
파동원(110)에서 조사되는 파동(w)이 검출부(120)로 직접 입사되는 경우, 파동(w)의 경로 상의 중심을 지나며 가장 큰 세기를 갖는 중심파동이 검출부(120)로 입사되기 때문에 검출부(120)는 미세한 산란에 의해 발생되는 레이저 스펙클을 검출할 수 없게 된다. 본 발명은 파동원(110)과 검출부(120)를 일정 거리 이격시킴으로써, 미세한 레이저 스펙클도 정확하게 검출할 수 있다.
이때, 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리(g1)는 미생물의 존재 여부를 검출하는 검출력에 영향을 줄 수 있다. 도 16을 통해 후술하겠지만, 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리(g1)가 짧을수록 미생물의 존재 여부를 검출하는 검출력이 향상될 수 있다. 구체적으로, 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리(g1)가 짧을수록 파동(w)이 지나가는 경로 상에서 발생되는 미세한 산란광들을 보다 효과적으로 감지할 수 있고, 검출되는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수의 변화폭은 커질 수 있다. 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 게수의 변화폭이 커지게 되면, 수질 검사기(100)는 미생물(M)의 서로 다른 농도를 보다 명확하게 구분할 수 있어 낮은 농도의 미생물(M)도 민감하게 감지할 수 있게 된다.
다만, 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리(g1), 즉 제1 면(V1)과 제2 면(V2)의 간격은 파동원(110)으로부터 조사되는 파동(w)의 직경(s1)보다 클 수 있다. 제1 면(V1)과 제2 면(V2)의 간격이 파동의 직경(s1)보다 작게 되면, 파동원(110)에서 조사되는 파동(w)의 일부가 직접적으로 검출부(120)에 입사되어 레이저 스펙클의 검출을 방해할 수 있다. 이를 방지하기 위해서, 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리(g1)는 파동(w)의 직경(s1)보다 크게 설계될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 벽체부(162)는 내부면 중 파동(w)이 조사되는 일정 영역(167)이 광흡수 재질로 이루어질 수 있다. 파동원(110)으로부터 조사되는 파동(w)이 벽체부(162)의 내부면에 닿아 반사되면서, 검출부(120)의 검출에 영향을 줄 수 있다. 본 발명은 내부면 중 적어도 파동(w)이 조사되는 일정 영역(167)을 광흡수 재질로 형성함으로써, 반사된 파동(w)이 검출부(120)에 입사되는 것을 최소화할 수 있다. 여기서, 파동(w)이 조사되는 일정 영역(167)의 넓이는 파동(w)의 직경(s1)보다 클 수 있다.
일 실시예로서, 벽체부(162)의 내부면 중 일정 영역(167)에는 검정색 접착성 필름이 부착될 수 있다. 또는 벽체부(162)의 내부면 중 일정 영역(167)에는 광흡수 층이 코팅될 수도 있고, 벽체부(162) 자체가 광흡수 물질을 포함하여 형성될 수도 있다. 광흡수 재질은 모든 파장 대역의 파동을 반사시키지 않고 흡수하는 재질일 수도 있고, 특정 파장 대역의 파동을 흡수하는 재질로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 광흡수 재질은 금속(메탈)에 산화 구리(CuOx), 산화 니켈(NiOx), 산화 몰리브덴(MoOx) 또는 구리/니켈/몰리브덴 중 둘 이상의 합금 산화물을 포함할 수 있다.
다른 실시예로서, 벽체부(162)는 내부면의 전(全) 영역이 광흡수 재질로 이루어질 수 있다. 또는 유체 수용부(160)는 벽체부(162) 뿐만 아니라 바닥부(161)의 내부면이 광흡수 재질로 이루어질 수도 있다. 즉, 유체 수용부(160)는 내부면 전체가 광흡수 재질로 이루어져, 파동원(110)으로부터 유체 수용부(160) 내부로 조사되는 파동들이 유체(L) 내 물질이 아닌 다른 요인으로 인해 산란이 거의 일어나지 않게 된다. 이로 인해 검출부(120)에서 검출되는 레이저 스펙클의 세기는 약해지나, 본 발명은 유체(L) 내 물질로 인해 발생되는 레이저 스펙클의 정보에 보다 집중하여 검출할 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7을 참조하면, 파동원(110)이 파동을 유체 수용부(160) 내부로 조사하기 위해서, 유체 수용부(160)의 파동원(110)에 대응되는 영역에는 제1 관통홀(h1)이 형성될 수 있다. 마찬가지로, 검출부(120)가 유체 수용부(160)로부터 출사되는 레이저 스펙클을 검출하기 위해, 유체 수용부(160)의 검출부(120)에 대응되는 영역에는 제2 관통홀(h2)이 형성될 수 있다.
여기서, 파동원(110)을 지나가는 가상의 제1 면(V1)은 가상의 제2 면(V2)과 평행하게 배치되므로, 가상의 제1 면(V1)은 제1 관통홀(h1)을 지나가되 제2 관통홀(h2)은 지나가지 않을 수 있다. 일 실시예로서, 제1 관통홀(h1)의 직경(r1)은 제2 관통홀(h2)의 직경(r2)보다 작을 수 있다.
검출부(120)와 파동원(110)의 이격 거리(g1)는 짧을수록 검출력이 증가하게 되나, 이격 거리(g1)는 파동(w)의 직경(s1)보다 커야 한다. 따라서, 파동원(110)의 파동(w)이 통과하는 제1 관통홀(h1)의 직경(r1)은 검출부(120)에 대응되는 제2 관통홀(h2)의 직경(r2)보다 작게 형성함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 파동(w)의 직경(s1)을 작게 할 수 있고, 이를 통해 설계 가능한 이격 거리(g1)의 범위를 확장시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 유체 수용부(160)는 제1 관통홀(h1)과 제2 관통홀(h2)이 벽체부(162)에 대향되는 위치에 형성될 수 있다. 다시 말해, 제1 관통홀(h1)과 제2 관통홀(h2)은 바닥부(161)의 중심을 지나는 제1 축(Ax1)을 기준으로 서로 마주보는 위치에 형성될 수 있다.
이때, 제1 관통홀(h1)은 벽체부(162)의 높이의 1/2를 지나는 하프 라인(HL)을 기준으로 벽체부(162)의 상부에 위치하고, 제2 관통홀(h2)은 하프 라인(HL)을 기준으로 벽체부(162)의 하부에 위치할 수 있다. 제2 관통홀(h2)이 제1 관통홀(h1)보다 하부에 위치함으로써, 유체 수용부(160)의 개방된 상부로 유입될 수 있는 외부의 빛이 검출부(120)로 입사되는 것을 방지할 수 있다. 다시 말해, 본 발명에 따른 수질 검사기(100)는 검출부(120)를 유체 수용부(160)의 하부에 위치시킴으로써, 노이즈를 최소화하여 검출 정확도를 높일 수 있다.
도 9를 참조하면, 유체 수용부(160)는 상부가 개방되어 있으며, 유체(L)를 직접 수용할 수도 있으나, 컵과 같이 유체(L)가 담긴 외부의 부재(190)를 이용하여 유체(L)를 수용할 수 있다. 사용자는 컵에 표시된 최소 수용라인 이상으로 유체(L)를 담고, 수질 검사기(100)의 유체 수용부(160)로 컵을 안착시킬 수 있다.
검사가 시작되면, 파동원(110)은 유체 수용부(160)를 향하여 파동(w)을 조사하게 되는데, 파동(w)이 지나가는 광 경로의 중심을 지나가는 중심광은 파동원(110)에 대향되는 위치로 조사되지만, 파동(w)의 일부는 유체(L)의 물질에 부딪혀 산란이 발생할 수 있다.
유체(L) 내부에 미생물과 같은 이물질(M)이 존재하지 않는 경우, 파동(w)의 산란은 평균적인 규칙성을 띌 수 있고, 레이저 스펙클의 시간에 따른 변화는 크지 않게 된다. 이와 달리, 유체(L) 내부에 미생물과 같은 이물질(M)이 존재하는 경우, 파동(w)의 일부는 이물질(M)에 부딪혀 이물질(M)이 존재하지 않는 경우와 다른 산란 패턴을 나타낼 수 있다. 이렇게 파동(w)의 다른 산란 패턴으로 인해 레이저 스펙클은 시간에 따른 변화가 발생하게 되고, 검출부(120)는 레이저 스펙클을 시계열적으로 검출하여 미생물의 존재 여부를 확인하고, 미생물의 농도를 추정할 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수질 검사기(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 둘 이상의 검출부(120)를 구비할 수 있다. 수질 검사기(100)는 둘 이상의 검출부(120)를 구비하고, 각 검출부(120)로부터 검출되는 레이저 스펙클의 시간에 따른 변화를 측정하여 미생물과 같은 이물질(M)을 검출할 수 있다.
검출부(120)가 둘 이상 구비되는 경우, 검출부(120)는 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 도 10에서와 같이, 검출부(120)가 두 개 구비되는 경우, 검출부(120-1, 120-2)는 유체 수용부(160)의 일정 영역(167)을 기준으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 검출부(120-1)는 파동원(110)과 마주보는 위치에 배치되고, 제2 검출부(120-2)는 파동원(110)으로부터 파동(w)이 조사되는 방향에 대해 수직하거나 일정 각도를 갖는 위치에 배치될 수도 있다. 또한, 제1 검출부(120-1)와 제2 검출부(120-2)는 z방향에 대하여 동일 선상에 위치할 수 있으며, 가상의 제2 면(V2)은 제1 검출부(120-1)와 제2 검출부(120-2)를 동시에 지나갈 수 있다.
다른 실시예로서, 도 11에 도시된 것과 같이, 검출부(120)가 둘 이상 구비되는 경우, 검출부(120-1, 120-2)는 z방향에 대하여 다른 위치에 배치될 수 있다. 다시 말해, 둘 이상으로 구비되는 검출부(120-1, 120-2)는 대칭적으로 배치되지 않으며, 레이저 스펙클을 검출할 수 있는 어떤 위치든 배치될 수 있다.
이물질(M)이 존재하더라도 유체(L)의 성질 상 그 위치가 항상 고정적이지 않기 때문에, 둘 이상의 검출부(120)를 구비함으로써, 각 위치에서 시계열적으로 레이저 스펙클을 검출할 수 있고, 이러한 데이터들을 활용하여 이물질(M)의 검출 정확도를 향상시킬 수 있다.
이때, 제1 검출부(120-1)를 지나가는 제2-1 면(V21)과 제2 검출부(120-2)를 지나가는 제2-2 면(V22)은 파동원(110)을 지나가는 제1 면(V1)과 평행할 수 있다. 이 경우, 제1 면(V1)과 제2-1 면(V21)은 제1 이격거리(g1)를 갖고, 제1 면(V1)과 제2-2 면(V22)은 제2 이격거리(g2)를 갖게 되는데, 제1 이격거리(g1) 및 제2 이격거리(g2) 중 짧은 거리는 적어도 파동(w)의 직경(s1)보다 클 수 있다. 이를 통해, 파동원(110)으로부터 조사되는 파동(w)은 제1 검출부(120-1) 또는 제2 검출부(120-2)로 직접적으로 조사되지 않을 수 있다.
도 12는 도 4의 B-B' 선을 따라 취한 단면도이고, 도 13은 도 4의 수질 검사기의 평면도이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 바닥부(161)에 세 개 이상의 지지부(161a)가 돌출 형성되어, 유체 수용부(160)에 수용되는 컵(190)을 안정적으로 지지하는 것을 일 특징으로 한다.
상세히, 유체를 담는 컵(190)은 그 생김새가 다양하며, 어떤 컵들은 그 바닥면이 평평하지 않을 수 있다. 이 경우, 유체 수용부(160)에 컵(190)을 안착시켰을 때 컵(190)이 정지하지 않고 미세하게 흔들려서 측정 값의 오차가 발생할 수 있다는 문제점이 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 바닥부(161)에 세 개 이상의 지지부(161a)가 돌출 형성되어, 유체 수용부(160)에 수용되는 컵(190)을 안정적으로 지지하는 것을 일 특징으로 한다.
이와 같이 바닥부(161)에 세 개 이상의 지지부(161a)가 돌출 형성되면, 바닥부(161)와 컵(190)의 바닥면이 면 접촉인 아닌 3점(또는 그 이상) 접촉하게 되며, 이와 같은 3점 접촉을 통해 컵(190) 바닥면이 평평하지 않을 경우에 발생할 수 있는 미세 흔들림을 최소화하여, 반복 측정 시의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 14는 유체 수용부의 벽체부와 바닥부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 벽체부(162)는 바닥부(161)로부터 대략 수직인 방향으로 형성되며, 내부에 컵(190)이 수용될 수 있도록 환형으로 형성된다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 벽체부(162)와 바닥부(161)가 이루는 각(α)이 정확히 직각이 아니라, 약간 정도 경사지게(즉, 비스듬하게) 형성되는 것을 일 특징으로 한다.
상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 컵(190)을 수용하기 위해, 유체 수용부(160)가 형성된 부분이 개방된 구조이다. 이와 같이 한 면(의 적어도 일부)이 개방된 구조에서 레이저의 반사에 의한 광산란 시, 산란된 빛의 일부가 개방된 구조 밖으로 나가 검출부(도 2의 120 참조)가 받아들이는 광량의 손실이 발생하여 광산란 분석을 통한 결과에 영향을 주게 된다는 문제점이 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 벽체부(162)와 바닥부(161)가 이루는 각(α)이 정확히 직각이 아니라, 약간 정도 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 벽체부(162)와 바닥부(161)가 이루는 각(α)이 대략 85°내지 88°가 되도록 벽체부(162)를 형성하여, 벽체부(162)에 반사된 레이저가 개방된 면의 반대쪽으로 향하게 하여 광량의 손실을 줄임으로써, 광산란 효과를 높일 수 있다.
다시 말하면, 벽체부(162)는 위로 갈수록(즉 +Z방향으로 갈수록) 입구가 좁아지도록 형성된다고 표현할 수도 있고, 또는 위로 갈수록 직경이 점점 작아진다고 표현할 수도 있을 것이다. 이와 같은 본 발명에 의해서, 파동원(110)에서 출사된 광이 외부로 빠져나가는 손실을 줄임으로써, 광산란 효과를 높일 수 있다.
보다 구체적으로, 벽체부(162)의 내부면(162-1)과 바닥부(161)의 내부면(161-1)이 이루는 각(α)이 대략 85°내지 88°가 되도록 벽체부(162)를 형성할 수 있으며, 벽체부(162)의 외부면(162-1)과 바닥부(161)의 내부면(161-1)이 이루는 각(β)은 수직하게 벽체부(162)를 형성할 수 있다. 다시 말해, 벽체부(162)는 바닥부(161)에 인접한 제1 가장자리(Edge1)의 단면두께보다 벽체부(162)의 개방부에 인접한 제2 가장자리(Edge2)의 단면두께가 더 두꺼울 수 있다. 이로 인해, 벽체부(162)의 외경은 z 방향에 대하여 동일하나, 벽체부(162)의 내경은 위로 갈수록(즉 +z방향으로 갈수록) 점점 작아질 수 있다.
도 15는 수질 검사기의 사용 예시도이다.
도 15를 참조하면, 사용자가 유체(L)를 담은 컵(190)을 수질 검사기(100)의 유체 수용부(160)에 안착시킨 후 사용자 인터페이스를 통해 검사를 시작하는 입력신호를 인가할 수 있다. 사용자 인터페이스는 수질 검사기(100)에 포함될 수도 있으며, 도면과 같이 사용자 단말기(300)에 구비되어 통신을 통해 수질 검사기(100)로 입력 신호를 전달할 수 있다.
이때, 컵(190)은 불투명부(191)를 포함할 수 있다. 상세히, 컵(190)의 전체면이 모두 투명하게 형성될 경우, 레이저가 외부로 노출이 되어서, 사용자에게 눈부심 현상이 발생할 수 있다. 또한, 수질 검사기(100)를 이용하여 컵(190)의 내의 유체의 수질을 검사하기 위해 필요한 최소한의 유체의 양을 표시해야 할 필요성도 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 컵(190)의 적어도 일부, 구체적으로는 컵(190)의 측면 하부의 소정의 높이까지 불투명부(191)를 형성하여, 사용자에게 유체의 수질을 검사하기 위해 필요한 최소한의 유체의 양을 표시해주는 동시에, 사용자가 레이저를 눈으로 직접 보지 않도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 수질 검사기(100)는 유체(L)의 수질 검사가 완료되면, 경보 유닛(140)을 통해 그 결과를 사용자에게 알릴 수 있다. 경보유닛(140)은 소리, 빛 중 적어도 어느 하나를 이용하여 미생물이 유체 내 존재함을 외부로 알릴 수 있다. 경보유닛(140)은 빛을 통해 경고신호를 생성하는 LED와 같은 조명수단 및 소리를 통해 경고신호를 생성하는 스피커(미도시)를 포함할 수 있으며, 빛과 소리는 동시에 생성될 수 있다. 그러나, 경보유닛(140)은 미생물이 유체 내 존재하지 않는 경우에는 유체(L)가 안전함을 알리는 표시를 외부로 할 수 있다.
예를 들어, 경보 유닛(140)은 유체 내 미생물의 농도가 사전에 설정된 기준값 이하인 경우, 초록색 점등을 할 수 있으며, 유체 내 미생물의 농도가 사전에 설정된 기준값을 넘되, 사전에 설정된 범위에 포함되는 경우에는 주황색 점등으로 사용자에게 알릴 수 있다. 또한, 경보 유닛(140)은 유체 내 미생물의 농도가 사전에 설정된 범위도 초과하는 경우에는 빨간색 점등으로 그 위험을 사용자에게 알릴 수 있다.
한편 수질 검사기(100)는 통신을 통해 사용자 단말기(300)로 결과 데이터를 전송할 수 있고, 사용자 단말기(300)의 디스플레이를 통해 미생물의 존재 여부, 미생물의 농도 정보 등을 표시할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기에 있어서, 파동원과 검출부의 이격 거리에 따른 시간 상관 관계 계수를 비교한 그래프이고, 도 17은 파동원과 검출부의 이격 거리에 따른 시간 상관 관계 계수를 농도별로 정리한 표이다.
도 16에서 C1은 이격 거리가 제1 값인 경우의 기준 그래프를 나타내며, C2는 이격 거리가 제1 값이되 유체 수용부(160)의 내부면이 광흡수재질로 이루어진 경우의 그래프를 나타내며, C3는 이격 거리가 제1 값의 1/2 값이고 유체 수용부(160)의 내부면이 광흡수재질로 이루어진 경우의 그래프를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리는 동일하되 유체 수용부(160)의 내부면이 광흡수 재질로 이루어진 경우(C2), 미생물의 농도에 따른 시간 상관 관계 계수의 변화율이 C1보다 더 커짐을 알 수 있다. 또한, 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리가 반으로 줄어든 경우(C3, 광흡수 재질은 동일), 미생물의 농도에 따른 시간 상관 관계 계수의 변화율이 C2보다 커짐을 확인할 수 있다.
미생물의 농도가 다른데 시간 상관 관계 계수의 변화가 크지 않는다면, 미생물의 농도가 다르더라도 이를 구분하는 것이 어렵게 된다. 따라서, 수질검사기(100)의 검출력은 시간 상관 관계 계수의 변화율이 클수록 향상될 수 있는데, 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리가 짧을수록 시간 상관 관계 계수의 변화율이 커짐을 확인할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 17을 참조하면, 비교 실시예는 이격 거리가 제1 값인 경우이고, 실시예 1은 유체 수용부의 내부면을 광흡수 재질로 형성하고 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리를 제1 값의 1/2인 경우, 실시예 2는 유체 수용부의 내부면을 광흡수 재질로 형성하고 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리를 제1 값의 1/4인 경우를 나타낸다.
비교 실시예의 경우 시간 상관 관계 계수는 미생물의 농도가 10^5 cfu/ml 내지 10^6 cfu/ml인 경우 그 변화가 발생하는데 반면, 실시예 1 또는 실시예 2의 경우에는 미생물의 농도가 10^3 cfu/ml 내지 10^4 cfu/ml인 경우에 그 변화가 발생함을 확인할 수 있다. 다시 말해, 파동원(110)과 검출부(120)의 이격 거리가 짧으면 더 낮은 농도의 미생물이라도 검출이 가능함을 확인할 수 있다.
한편, 도시하지 않았지만, 파동원(110)과 검출부(120)의 평면 거리(d1, 도 2 참조)가 길수록 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수의 변화율은 클 수 있다. 파동원(110)과 검출부(120)의 평면 거리(d1)가 길수록 유체(L) 내에서 파동(w)의 경로 길이가 길어지기 때문에 레이저 스펙클의 광산란도를 높여 검출력이 증대될 수 있다.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기에 있어서 유체 내 박테리아 농도에 따른 시간 상관 관계 계수를 도시한 그래프이다. 도 18a 내지 도 18c는 컵(190)에 담긴 유체 내에 인위적으로 미생물을 투입하였을 때 그 농도에 따른 시간 상관 관계 계수의 변화를 나타낸다.
도 18a 내지 도 18c의 그래프에 있어서, x축은 시간(t)에 관한 축이며, y축은 시간 상관 관계 계수(C(t))에 관한 축이다. 여기서, 점선(L2)은 검출부(120)에 사전에 설정된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수의 기준값을 나타낸다. 또한, 실선(L1)은 검출부(120)를 통해 시간에 따라 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수의 측정 데이터를 나타낸다.
도 18a의 실선(L1)은 유체 내 미생물을 투입하지 않은 경우에 있어서, 검출부(120)를 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수를 나타낸다. 도 9a를 참조하면, 유체 내 미생물이 존재하지 않는 경우, 유체 내 산란되어 발생되는 레이저 스펙클에 변화가 없기 때문에, 시간 상관 관계 계수 또한 시간에 따라 거의 일정하며, 사전에 설정된 기준값(L1)을 초과하지 않음을 알 수 있다.
도 18b의 실선(L1)은 유체 내에 10^0 cfu/ml 농도의 미생물을 4ml 투입한 경우에 있어서, 검출부(120)를 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수를 나타낸다. 또한, 도 18c의 실선(L1)은 유체 내에 10^1 cfu/ml 농도의 미생물을 4ml 투입한 경우에 있어서, 검출부(120)를 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수를 나타낸다.
도 18b 및 도 18c를 참조하면, 유체 내 미생물이 존재하는 경우, 유체 내 산란되어 발생되는 레이저 스펙클이 시간에 따라 변하기 때문에, 시간 상관 관계 계수는 미생물이 감지되는 시점에서 변하게 된다. 도 18b 및 도 18c의 음영처리된 영역(Bacteria Deteting Signal)은 이러한 미생물이 감지되는 시점에서의 시간 상관 관계 계수의 변화를 나타내며, 미생물의 농도가 높을수록 시간 상관 관계 계수의 피크치가 높아짐을 확인할 수 있다. 한편, 도 18b 및 도 18c의 음영처리된 영역에 있어서, 검출부(120)는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수(L1)가 사전에 설정된 기준값인 점선(L2)을 초과하는 경우 미생물이 존재한다고 판단할 수 있다. 이때, 미생물이 존재하는 경우, 검출부(120)가 미생물을 감지하는데 걸리는 측정 시간은 시간 상관 관계 계수가 급격히 변화하는 시점부터 기준값인 점선(L2)과 만나는 시점까지의 구간일 수 있으며, 도 18b 및 도 18c를 참조할 때, 약 0.2 초 이내임을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 0.2초 이내인 매우 빠른 시간, 다시 말해 실시간(real-time)으로 유체 내 이물질인 미생물을 감지함을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 시간 상관 관계 계수의 변화율 또는 피크치를 이용하여 미생물의 농도를 추정함을 확인할 수 있다. 또한, 수질 검사기는 미생물의 농도가 낮은 경우라도 검출이 가능함을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 유체 내 미생물의 존재 여부 또는 농도를 추정할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기의 미생물 검출 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기의 미생물 검출 방법은, 시간 상관 관계 대신 공간 상관 관계를 이용하여 유체 내의 미생물의 존재여부 또는 농도를 검출하는 것을 특징으로 한다. 이하에서는 이에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 19 내지 도 20은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기가 미생물을 검출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 19 내지 도 20을 참조하면, 제어부(130)는 검출부(120)로부터 시계열적으로 측정된 광학 이미지를 제공받고, 광학 이미지로부터 샘플 내의 미생물의 농도 정보를 판단할 수 있다.
제어부(130)는 간섭 패턴의 공간 상관 관계(spatial correlation)를 획득할 수 있다. 여기서, 하기의 식으로 주어지는 공간 상관 관계는 시간 t에 측정된 이미지 상에서, 임의의 픽셀과 그 픽셀로부터 거리 r만큼 떨어져 있는 픽셀이 얼마나 비슷한 밝기를 가지는지를 일정 범위의 숫자로 나타낼 수 있다(도 19의 (b) 참고). 일정 범위는 -1 내지 1의 범위일 수 있다. 즉, 공간 상관 관계는 임의의 픽셀과 다른 픽셀 사이의 상관 관계가 어느 정도인지를 나타내는 것으로서, 1이면 양의 상관 관계, -1이면 음의 상관 관계, 0이면 관계성이 없는 것을 나타낸다. 구체적으로, 간섭 패턴이 형성되기 전에는 밝기가 고르게 출사되므로, 샘플 이미지의 공간 상관 관계는 1에 가까운 양의 상관 관계를 나타내나, 간섭패턴이 형성되고 나면 0에 가까운 방향으로 상관 관계의 값이 떨어질 수 있다.
검출부(120)에서 r'=(x,y) 위치에 있는 픽셀에서 시간 t 에 측정된 밝기를 I(r',t)로 정의하고, r 만큼 떨어진 픽셀의 밝기는 I(r'+r, t)로 정의할 수 있다. 이를 이용하여 공간 상관 관계를 정의하면 다음 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
C0(t)는 수학식 5의 범위를 -1 내지 1로 맞추기 위해 사용되었다. 임의의 픽셀에서 시간 t에 측정된 밝기 I(r',t)와 거리 r만큼 떨어진 픽셀의 밝기 I(r'+r,t)가 동일하다면 공간 상관 관계는 1이 도출되고, 동일하지 않다면 1보다 작은 값을 갖게 된다.
일 실시예로서, 본 발명은 상기한 공간 상관 관계를 시간에 대한 함수로만 나타낼 수도 있다. 이를 위해, 제어부(130)는 임의의 픽셀로부터 같은 크기의 r을 갖는 픽셀에 대해 공간 상관 관계의 평균을 하기의 수학식 6과 같이 구할 수 있다(도 19의 (b) 참조).
Figure pat00010
일 실시예로서, 제어부(130)는 사전에 설정된 거리를 상기 수학식 6에 대입하여 시간에 대한 함수로 나타낼 수 있으며, 이 함수를 이용하여 간섭 패턴이 형성되는 정도를 일정 범위인 0 내지 1 사이의 값으로 확인할 수 있다(도 19의(d) 참조).
제어부(130)는 시간에 따른 샘플 이미지의 패턴 변화를 통해 샘플 내 이물질과 미생물을 구분할 수도 있다. 이물질의 경우, 시간이 지나도 이미지 상의 변화가 없으나, 미생물의 경우 시간에 따라 형상, 크기 등 이미지가 변화하기 때문에, 수질 검사기(100)는 이물질과 미생물을 구분할 수 있게 된다.
한편, 제어부(130)는 다음과 같이 공간 상관 관계를 이용하여 미생물의 농도 정보를 판단할 수도 있다. 공간 상관 관계는 하나의 이미지를 이용해 중첩된 2개의 동일한 이미지를 생성하고, 둘 중 하나의 이미지를 일방향으로 사전에 설정된 거리만큼 시프트(shift)시킨 후 시프트된 이미지와 시프트되지 않은 이미지 사이에서 인접한 두 픽셀이 얼마나 유사한가를 분석하는 것에 의해 획득될 수 있다. 여기서, 공간 상관 관계는 이미지가 얼마나 균일한지를 나타내는 척도가 되는데, 만약, 콜로니로 인해 간섭 패턴이 형성되는 경우, 자잘한 간섭 패턴으로 인해 인접한 두 픽셀들의 유사도가 떨어지므로 공간 상관 관계의 값 또한 떨어지게 된다.
이러한 공간 상관 관계 계수(spatial correlation coefficient)는 시프트되는 거리(r)에 따라 달라지게 되는데(도 19의 (b) 참조), 일정 거리범위 내에서는 시프트시키는 거리인 r이 증가할수록 그 값이 떨어지고, 일정 거리범위를 초과하는 경우에는 거의 일정한 값을 갖게 된다. 따라서, 좀 더 유의미한 공간 상관 관계를 획득하기 위해서, 제어부(130)는 사전에 설정된 일정 거리 이상으로 이미지를 시프트시켜 공간 상관 관계를 획득할 수 있다. 이때, 사전에 설정된 일정 거리 r은 스펙클 사이즈에 의존하게 되며, 제어부(130)는 픽셀 단위로 나타낼 때 스펙클 사이즈보다 큰 픽셀만큼 이미지를 시프트시켜 공간 상관 관계를 획득할 수 있다. 예를 들면, 상기 사전에 설정된 일정 거리는 최소 3픽셀 이상의 거리일 수 있다.
한편, 제어부(130)는 상기와 같은 공간 상관 관계뿐만 아니라, 측정된 샘플 이미지의 간섭 패턴의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하고, 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 미생물을 검출할 수도 있다. 제어부(130)는 시계열적으로 측정된 간섭 패턴의 이미지 정보를 이용하여 이미지들 간의 시간 상관 관계 계수(temporal correlation coefficient)를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 샘플 내 미생물 콜로니를 검출할 수 있다.
제어부(130)는 계산된 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 기준값 이하로 떨어지는 분석을 통해 미생물을 검출할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 방법에 대해 설명한다. 도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 방법은, 수질 검사기(100)에서 보정(calibration) 여부를 확인하는 단계(S110 단계), 수질 검사기(100)에서 보정(calibration)이 수행되는 단계(S120 단계), 보정(calibration) 이 수행된 수질 검사기(100)에서 수질 데이터가 검출되는 단계(S130 단계), 검출된 수질 데이터가 수질 검사기(100)에서 서버(200)로 전송되는 단계(S140 단계), 검출된 수질 데이터가 서버(200)에서 수집되는 단계(S150 단계), 서버(200)에서 위치 및/또는 시간 정보를 이용하여 수질 가공 데이터를 생성하는 단계(S160 단계), 생성된 수질 가공 데이터가 서버(200)에서 사용자 단말기(300)로 전송되는 단계(S170 단계), 사용자 단말기(300) 상에 수질 가공 데이터가 표시되는 단계(S180 단계)를 포함한다.
먼저, 수질 검사기(100)에서는 보정(calibration) 여부를 확인(S110 단계)한다. 즉, 수질 검사기(100)의 제어부(130)는 기 저장된 보정값(예를 들면 셔터 스피드 값 또는 파동원의 전압 등)이 존재하는지 여부 등으로부터, 수질 검사기(100)에서 보정(calibration)이 수행되었는지 여부를 확인한다.
다음으로, 수질 검사기(100)에서 보정이 수행되지 않았다면, 수질 검사기(100)에서 보정(calibration)이 수행(S120 단계)된다. 즉, 검출부(120)에서 측정된 광의 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록 하기 위하여, 보정부(180)가 수질 검사기(100)를 제어한다. 이에 대해서는 도 13에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
다음으로, 보정(calibration)이 수행된 수질 검사기(100)에서 수질 데이터가 검출(S130 단계)된다. 상세히, 검출부(120)는 조사된 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 검출부(120)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(130)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(120)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
다음으로, 검출된 수질 데이터가 네트워크(도 1의 400)를 통해 수질 검사기(100)에서 서버(200)로 전송(S140 단계)된다. 그리고 이 전송된 수질 데이터가 서버(200)에서 수집(S150 단계)된다.
다음으로, 서버(200)에서는 위치 및/또는 시간 정보를 이용하여 수질 가공 데이터를 생성(S160 단계)한다. 상세히, 서버(200)는 각각의 수질 검사기(100)에서 검사된 수질 데이터를 수집하고, 수집된 수질 데이터를 가공하고, 이와 같이 가공한 수질 데이터를 사용자 단말기(300)들에게 제공할 수 있다. 여기서, 서버(200)가 가공하여 사용자 단말기(300)에 제공하는 수질 데이터는, 전체 수질 평균 대비 해당 사용자 단말기(300)에서 측정한 유체의 수질 레벨, 전체 수질 평균 대비 해당 사용자 단말기(300)가 위치한 지역의 수질 레벨, 지역에 따른 수질의 편차, 시간에 따른 수질의 변화 등일 수 있다.
다음으로, 생성된 수질 가공 데이터가 네트워크(도 1의 400)를 통해 서버(200)에서 사용자 단말기(300)로 전송(S170 단계)된다. 그리고, 이와 같이 전송된 수질 가공 데이터가 사용자 단말기(300) 상에 표시(S180 단계)된다.
이하에서는 수질 검사기(100)에서 보정(calibration)이 수행되는 단계에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 22는 도 21의 S120 단계의 상세 흐름도이다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기의 미생물 검출 방법은, 파동원(110)에서 조사되어 유체(L)를 거친 광의 광량이 검출부(120)에서 측정되는 단계(S121 단계), 검출부(120)에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상인지 판단하는 단계(S122 단계), 검출부(120)에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상이 아닐 경우, 보정부(180)에 의해 셔터(122)의 셔터 스피드가 감소되도록 제어되는 단계(S123 단계), 검출부(120)에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상일 경우, 검출부(120)에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하인지 판단하는 단계(S124 단계), 검출부(120)에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하가 아닐 경우, 보정부(180)에 의해 셔터(122)의 셔터 스피드가 증가되도록 제어되는 단계(S125 단계), 검출부(120)에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하일 경우, 현재의 셔터 스피드가 저장되는 단계(S126 단계), 검출부(120)에서 검출된 이미지를 이용하여, 제어부(130)에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하는 단계(S127 단계)를 포함한다.
이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 파동원(110)에서 조사되어 유체(L)를 거친 광의 광량이 검출부(120)에서 측정(S121 단계)된다. 여기서, 파동원(110)에서 조사된 광이 검출부(120)에서 측정되는 과정은 위에서 상세히 설명하였으므로, 여기서는 그 상세한 설명은 생략한다.
다음으로, 검출부(120)에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상인지 판단(S122 단계)한다. 여기서, 보정(calibration)의 기준값은, 검출부(120)에서 검출된 이미지의 각 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균으로부터 결정할 수 있다.
상세히, 8 bits 이미지 센서의 경우 각 픽셀의 강도(intensity)는 0~255 사이의 값을 가지므로, 그 중간 값인 128을 기준 값으로 설정할 수 있다. 그리고, 여러 실험 데이터에 기초해서, 기준 값으로부터 ±5까지가 적정한 광량이라고 미리 설정해둘 수 있다. 그리고, 광량의 적합 범위의 최소값을 제1 기준값으로 설정하고, 광량의 적합 범위의 최대값을 제2 기준값으로 설정할 수 있다.
예를 들어, 강도(intensity)의 평균값이 123~133 이내일 경우를 적절한 광량이라고 설정해둘 수 있다. (이때 제1 기준값은 123, 제2 기준값은 133일 수 있다.) 그리고, 파동원(110)에서 조사되어 유체(L)를 거쳐서 검출부(120)에서 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균을 측정하여, 강도(intensity) 값의 평균이 제1 기준값인 123보다 작은 경우, 보정부(180)는 광량이 부족하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 증가시키기 위하여 셔터(122)의 셔터 스피드가 감소되도록 제어(S123 단계)한다.
한편, 검출부(120)에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상일 경우, 검출부(120)에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하인지 판단(S124 단계)한다.
판단 결과, 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균이 제2 기준값인 133보다 큰 경우, 보정부(180)는 광량이 과다하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 감소시키기 위하여, 셔터(122)의 셔터 스피드가 증가되도록 제어 (S125 단계)한다.
한편, 검출부(120)에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하일 경우, 현재의 셔터 스피드가 저장(S126 단계)된다.
마지막으로, 검출부(120)에서 검출된 이미지를 이용하여, 제어부(130)에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득(S127 단계)한다. 여기서, 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하는 과정은 위에서 상세히 설명하였으므로, 여기서는 그 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이 일단 보정부(180)에 의해 검출부(120)에서 검출되는 광량이 소정 범위 이내로 조정된 이후에, 제어부(130)에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하기 때문에, 파동원(110)의 성능이 다소 저하되거나, 검출부(120)에 이끼가 끼는 등의 노후화 또는 유체 샘플을 담는 용기에 편차가 있더라도, 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하는데 있어서 오차가 최소화될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
100 : 수질 검사기
110 : 파동원
120 : 검출부
130 : 제어부
140 : 경보유닛
150 : 본체
160 : 유체 수용부
170 : 디스플레이부
180 : 보정부

Claims (15)

  1. 본체;
    상기 본체의 내부에 형성되는 유체 수용부;
    상기 유체 수용부를 향하여 파동을 조사하는 파동원;
    상기 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 시계열적으로 검출하는 검출부; 및
    상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 이물질의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부;를 포함하고,
    상기 파동원을 지나가는 가상의 제1 면은 상기 검출부를 지나가는 가상의 제2 면과 평행한, 수질 검사기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 가상의 제1 면은 상기 파동원이 상기 파동을 조사하는 조사면을 지나가고,
    상기 가상의 제2 면은 상기 검출부의 검출면을 지나가는, 수질 검사기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 면과 상기 제2 면의 간격은 상기 파동원으로부터 조사되는 상기 파동의 직경보다 큰, 수질 검사기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 수용부는
    상기 본체의 내부에 형성되는 바닥부; 및
    상기 바닥부에 대해 소정의 각도를 갖도록 형성되는 벽체부;를 포함하는, 수질 검사기.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 벽체부는 내부면 중 상기 파동이 조사되는 일정 영역이 광흡수 재질로 이루어진, 수질 검사기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 파동이 조사되는 일정 영역은 상기 파동의 직경보다 큰, 수질 검사기.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 벽체부는 내부면 전체가 광흡수 재질로 이루어진, 수질 검사기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 바닥부는 내부면 전체가 광흡수 재질로 이루어진, 수질 검사기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 수용부는 상기 파동원의 위치에 대응되고, 상기 파동이 지나가는 제1 관통홀 및 상기 검출부의 위치에 대응되는 제2 관통홀을 포함하는, 수질 검사기.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 가상의 제1 면은 상기 제1 관통홀을 지나가되, 상기 제2 관통홀은 지나가지 않는, 수질 검사기.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 관통홀의 직경은 상기 제2 관통홀의 직경보다 작은, 수질 검사기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 상기 유체 내의 미생물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 시간 상관 관계는 제1 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함하는, 수질 검사기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 영상정보와 상기 제2 영상정보는 상기 레이저 스펙클의 패턴 정보 및 상기 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 수질 검사기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출부에서 검출된 광학 이미지의 간섭 패턴의 공간 상관 관계(spatial correlation)를 획득하고, 상기 간섭 패턴의 공간 상관 관계의 시간에 따른 변화를 기초로 상기 유체 내 이물질의 존재여부를 판단하는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.


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