WO2020022713A1 - 측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치 및 일체화된 카트리지 - Google Patents

측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치 및 일체화된 카트리지 Download PDF

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WO2020022713A1
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WO
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light
sample
image sensor
guide element
light guide
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PCT/KR2019/008974
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이종묵
신희찬
안정준
이강욱
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(주) 솔
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    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G—PHYSICS
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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material

Definitions

  • the present invention relates to an image sensor-based bio-diagnostic apparatus utilizing side light of a "lens-free type" and a cartridge in which at least a part of a correction unit, an image sensor package and a filter are integrated.
  • the bio diagnostic apparatus is a device capable of diagnosing diseases, pregnancy, ovulation, drug abuse, etc. by analyzing samples (bio fluid samples such as blood) collected from humans and animals.
  • an optical bio-diagnostic apparatus irradiates light on a sample receiving member (strip type, well type, etc.) in which a sample is accommodated, and receives the light from a camera to store each of the samples contained in the sample. It is a device that implements and diagnoses a precise optical image or spectrum of components (for example, biomaterials such as red blood cells and white blood cells).
  • the bio diagnostic apparatus developed by the inventor of the present invention is a device for checking the intensity of light for each wavelength band by using a spectroscopy technique. For example, as shown in FIG. 1, the light output from each pixel of the imaging device after passing through the sample is determined according to the characteristics of each of the components n1, n2, m1, and p1 contained in the sample. The sensor output will be different.
  • the signal for the light transmitted through the same component may be implemented to have the same or constant value through calibration.
  • the biocharacteristic of each component contained in the sample through the intensity of the signal output from the distance or pixel location of each of the plurality of pixels A, B, C, and D of the imaging device. Can be derived, through which the sample can be analyzed.
  • the angle of incidence of light incident on the center and the edge of the image pickup device is changed by the lens, and thus the amount of light is changed (shading), and chromatic aberration occurs, so that the quality (resolution, Contrast, etc.), the product is not slimmer due to the increase in the overall length, and the distance between the sample accommodating member and the image pickup device is increased, thereby reducing the image pickup sensitivity (see FIG. 2A). problem).
  • the cartridge can be largely classified into a microscope cartridge and an in vitro diagnostic cartridge. Microscopic cartridges do not have strips and can be used for cell counts, hemocytometers, live cell monitoring, and the like.
  • the in vitro diagnostic cartridge has a strip and uses immunochromatography to analyze samples (biofluid samples such as pathogens or blood) through luminescence / fluorescence / coloration to diagnose disease, pregnancy, ovulation and drug abuse. It is also used when analyzing DNA patterns formed on the bottom plate or when electrophoresis is used.
  • a cartridge for a microscope is illustrated, and a cartridge 1a is generally manufactured by injection molding plastic, and a sample (for example, to be measured into the cartridge 1a through the sample inlet 10a). And a biofluid sample such as pathogens or blood) can be flown and a sample in the cartridge 1a can be observed using a high-magnification optical microscope.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a bio-diagnostic apparatus of the "reflective lens-free method” that can solve the problems of the "existing camera method” and "transmissive lens-free method.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a cartridge that can be diagnosed in vitro in the field without having to prepare a high-magnification optical microscope by integrating and modularizing at least a portion of the correction unit, the image sensor package and the filter in the cartridge.
  • a biodiagnostic apparatus in which a space in which a sample accommodating member is disposed is formed, and an image sensor located at one side of a space in which the sample accommodating member is disposed. package; A light guide element disposed between the space in which the sample accommodating member is disposed and the image sensor package; And a light source element for irradiating light to the light guide element, wherein the light guide element guides at least a portion of the irradiation light of the light source element toward a space where the sample accommodating member is disposed.
  • a cartridge according to another aspect of the present invention for solving the above problems includes a first surface and a second surface facing the first surface formed with a sample receiving portion is located, the sample injected through the sample input unit,
  • the lower surface of the sample accommodating part of the first surface is a flat surface, and an insertion hole into which the image sensor package can be inserted is formed in the second surface, and the sample is viewed in a direction from the first surface toward the second surface.
  • the receiving portion and the insertion hole include an overlapping cartridge body, and the cartridge body is integrally molded from the same material.
  • both the light source element and the light guide element are disposed on one side of the sample accommodating member while using a lens-free method without using a lens so that the light of the light source element is moved by the light guide element.
  • Guided toward the surface of the " reflective lens-free where the light reflected from the sample receiving member (the concept comprising light emitted from a sample coated with a photosensitive material such as contrast agent, etc.) is incident on the image sensor package to produce a fluorescence image.
  • Method (i.e., unlike a conventional transmissive lens-free method, a light guide element is added so that the light source element and the image sensor package are disposed on the same side).
  • the problem of deterioration of the image quality generated by using the lens does not occur, and the distance between the sample receiving member and the image sensor package is kept within a predetermined level (100 ⁇ m) (for this, The guide element, the light source element and the image sensor package can form an integrated package.)
  • the product size has been reduced and the image resolution and image sensitivity have been improved.
  • the cartridge of the present invention since the components (lens portion (compensation part), image sensor package and filter, etc.) necessary for observing a sample are combined and integrated, even if a high magnification optical microscope is not prepared, If you have a reader that can read the measurement results, it can be easily diagnosed in vitro.
  • the lens unit (compensation unit) is integrally molded to the cartridge body and the filter is located on the upper or lower surface of the correction unit, specific pathogens are removed using the cartridge according to the embodiments of the present invention. Observe.
  • the image sensor package can be integrated on the bottom surface of the cartridge by providing an insertion hole into which the image sensor package can be inserted into the cartridge body and inserting and coupling the image sensor package into the insertion groove.
  • 1 is a graph showing that the intensity of light incident on each pixel of an imaging device after passing through a sample varies according to the bio characteristics of each of the components n1, n2, n3, and n4 contained in the sample. to be.
  • FIG. 2A is a conceptual diagram illustrating a biodiagnostic apparatus of a "camera type”
  • FIG. 2B is a conceptual diagram illustrating a biodiagnostic apparatus of a "transmissive lens free type”.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a bio diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual view illustrating a sample accommodating member of an embodiment included in a bio diagnostic apparatus of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual view illustrating a sample accommodating member of another embodiment included in a bio diagnostic apparatus of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a bio diagnostic apparatus according to a modification of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating an image sensor package according to an embodiment included in a bio diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a conceptual view illustrating that the light source element, the light guide element, and the image sensor package are integrally packaged and formed in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual view illustrating a light source device, a light guide device, and an image sensor package when the light guide device includes a pattern region in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating a light source element, a light guide element, and an image sensor package when the light guide element includes a pattern region and the light source element includes a first light source and a second light source in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a light source element, a light guide element, and an image sensor package when the light guide element includes a pattern region and a bead region in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram illustrating a light source element, a light guide element, and an image sensor package when the light guide element includes a pattern region and a bead region and the light source element includes a first light source and a second light source in an embodiment of the present invention. to be.
  • FIG. 13 and 14 are conceptual views illustrating an arrangement of a collimation region between a light source and a light guide element in an embodiment of the present invention.
  • an optical guide element includes a dichroic mirror in an embodiment of the present invention.
  • 16 is a plan view of a conventional cartridge.
  • Fig. 17 is a sectional view of the cartridge according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a view of use of the cartridge of FIG. 17.
  • FIG. 19 is a view of using the cartridge of FIG. 17 by using a reader.
  • FIG. 20 is a sectional view of the cartridge according to the second embodiment of the present invention.
  • Figure 21 is a sectional view of the cartridge according to the third embodiment of the present invention.
  • Figure 22 is a sectional view of the cartridge according to the fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 23 is a sectional view of the cartridge according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of the cartridge according to the sixth embodiment of the present invention.
  • 25 is a sectional view of the cartridge according to the seventh embodiment of the present invention.
  • Figure 26 is a sectional view of the cartridge according to the eighth embodiment of the present invention.
  • Figure 27 is a sectional view of the cartridge according to the ninth embodiment of the present invention.
  • Figure 28 is a sectional view of the cartridge according to the tenth embodiment of the present invention.
  • 29 is a sectional view of the cartridge according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • FIG. The spatially relative terms “below”, “beneath”, “lower”, “above”, “upper” and the like are shown in FIG. It can be used to easily describe a component and its correlation with other components. Spatially relative terms are to be understood as including terms in different directions of components in use or operation in addition to the directions shown in the figures. For example, when flipping a component shown in the drawing, a component described as “below” or “beneath” of another component may be placed “above” the other component. Can be. Thus, the exemplary term “below” can encompass both an orientation of above and below. Components may be oriented in other directions as well, so spatially relative terms may be interpreted according to orientation.
  • the “vertical direction” may be defined as the vertical direction shown in FIG. 3.
  • the “vertical direction” may be mixed with the “vertical direction”.
  • one side of the “vertical direction” may be “upper”, and the other side of the “vertical direction” may be “lower”.
  • FIG. 1 is a graph showing that the intensity of light incident on each pixel of an imaging device after passing through a sample varies according to the bio characteristics of each of the components n1, n2, n3, and n4 contained in the sample.
  • 2 (a) is a conceptual diagram showing a bio-diagnostic apparatus of "camera type”
  • Figure 2 (b) is a conceptual diagram showing a bio-diagnostic apparatus of "transmission lens-free type”
  • Figure 3 is 4 is a conceptual diagram illustrating a bio diagnostic apparatus according to an embodiment
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a sample accommodating member included in the bio diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a bio diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention
  • 6 is a conceptual view illustrating a sample accommodating member according to another embodiment
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a biodiagnostic apparatus according to a modification of one embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a biogene according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic diagram showing that the light source element and the light guide element and the image sensor package is formed integrally with the package according to the embodiment of the present invention.
  • the sample analyzing apparatus 1 of one embodiment of the present invention may be a "reflective lens-free method".
  • "reflective type” means that the light source element 200 and the image sensor package 400 are all on the same side with respect to the space s in which the sample accommodating member 10 is disposed, as compared with the conventional "transmissive type". It can be defined as meaning to be located. That is, since the "reflective lens-free method" is defined based on the spatial arrangement of the elements, the light source element 200 and the image sensor package 400 refer to the space s in which the sample receiving member 10 is disposed. As long as they are all positioned on the same side, the light received from the image sensor package 400 may not be the light reflected from the sample receiving member 10.
  • the technical idea of the sample analyzing apparatus 1 of the first embodiment of the present invention may be applied to a method such as color development, fluorescence, etc., in which no direct light reflection occurs, and a photosensitive material such as a contrast agent is coated on a light source device (The excitation light 200 may be absorbed by the photosensitive material and then emitted as fluorescence (not reflected by the sample accommodating member) to implement a fluorescence image.
  • a sample accommodating member 10 may be disposed to receive a bio sample (eg, blood or the like) during diagnosis.
  • a bio sample eg, blood or the like
  • various types of members such as a strip type and a well type may be used for the sample accommodating member 10.
  • the sample receiving member 10 may be manufactured and sold separately from the sample analyzing apparatus 1 and thus the sample receiving member 10 is not an essential component of the sample analyzing apparatus 1. .
  • the sample accommodating member 10 is demonstrated concretely.
  • the sample receiving member 10 may be inserted into the case 100 through an open space (eg, top, bottom, or side) of the case 100.
  • the sample accommodating member 10 may include a sample inlet 10-1 into which a sample (injected sample) is introduced and a sample reaction unit 10-2 in which a sample (react sample) reacts with a reagent, and the like.
  • the unit 10-1 and the sample reaction unit 10-2 may be connected to, for example, a porous channel or a micro channel.
  • the sample reaction unit 10-2 may be covered with a material through which light may pass, and the sample reaction unit 10-2 may face the light guide element 300.
  • the sample receiving member 10 may not include the sample inserting unit 10-1.
  • the sample accommodating member 10 may include a sample inlet 10-1 into which a sample (injected sample) is introduced and a sample reaction unit 10-2 in which a sample (react sample) reacts with a reagent, and the like, and reacts a sample.
  • the unit 10-2 may include a plurality of wells 10-3.
  • the plurality of wells 10-3 may be arranged in a matrix arrangement having rows and columns on a plane.
  • the sample analyzing apparatus 1 may include a case 100, a light source element 200, a light guide element 300, and an image sensor package 400.
  • the case 100 may be an exterior member that forms an exterior of the sample analysis device 1.
  • the material of the case 100 may include a plastic material, and the case 100 may be manufactured by plastic injection.
  • a case 100 may have a space having an open upper portion, and a space s at which the sample accommodating member 10 is disposed may be formed in the upper space of the case 100.
  • the case 100 may be provided with a support 110 for supporting the sample receiving member 10.
  • the light source device 200, the light guide device 300, and the image sensor package 400 may be disposed in the case 100.
  • the space s in which the image sensor package 400, the light guide element 300, and the sample accommodating member 10 are disposed may be sequentially stacked.
  • the present invention is not limited thereto, and the space s in which the image sensor package 400, the light guide element 300, and the sample accommodating member 10 are disposed may be stacked in a reverse order.
  • the sample receiving member 10 is shown that the strip type sample receiving member 10 is used.
  • a case 100 according to another embodiment will be described.
  • a space in which the lower part is opened may be formed in the case 100, and a space s in which the sample accommodating member 10 is disposed may be formed in the lower space of the case 100.
  • the light guide element 300 and the image sensor package 400 may be sequentially stacked in the upper space of the case 100.
  • the support 110 of the case 100 shown in FIG. 3 may be omitted.
  • the light source element 200 may be a light emitting diode (LED).
  • the light source element 200 may be disposed at one side of the space s in which the sample accommodating member 10 is disposed.
  • the light source element 200 may be disposed on the same side as the light guide element 300 based on the space s in which the sample accommodating member 10 is disposed.
  • the light source element 200 may irradiate light to the light guide element 300.
  • the light source element 200 is adjacent to the surface 303 of the light guide element 300, which is opposite to the surface 302 facing the image sensor package 400 and the rear surface 301 of the facing surface. Can be located. That is, the light source element 200 may be located on the side surface 303 of the light guide element 200. Accordingly, the light source element 200 may provide side light to the light guide element 300, and the irradiation light L1 of the light source element 200 may be a side surface (third surface, 303) of the light guide element 300. ) Can be investigated.
  • the light source element 200 may be at least one, and the number of the light source elements 200 may be adjusted. When there are a plurality of light source elements 200, the light source element 200 may be positioned to surround the side surface of the light guide element 300.
  • the light source device 200 is shown as being spaced apart from the light guide device 300 by way of example, in some embodiments, the light source device 200 may be positioned in contact with the light guide device 300. .
  • the light guide element 300 may be formed of a transparent material or a translucent material through which light can pass.
  • the light guide element 300 may be located at one side of the space s in which the sample accommodating member 10 is disposed. In addition, the light guide element 300 may be disposed on the same side as the light source element 200 based on the space s in which the sample accommodating member 10 is disposed. Furthermore, the light guide element 300 may be disposed between the space s in which the sample accommodating member 10 is disposed and the image sensor package 400.
  • the light guide element 300 may guide at least a part of the irradiation light L1 of the light source element 200 toward the space s in which the sample accommodating member 10 is disposed. That is, the light guide element 300 may guide at least a portion of the irradiation light L1 of the light source element 200 toward the sample accommodating member 10.
  • the light guide element 300 includes a first surface 301 at least partially opposed to the sample receiving member 10 and a second surface 302 at least partially opposite to the main surface of the image sensor package 400. And a third surface 303 disposed between the first surface 301 and the second surface 302.
  • the first surface 301 and the second surface 302 may form an upper surface or a lower surface of the light guide element 300
  • the third surface 303 may form a side surface of the light guide element 300. can do.
  • At least a portion of the irradiation light L1 of the light source device 200 may be radiated to the third surface 303 (side surface) of the light guide element 300, and then may be turned up or down by being approximately 90 degrees.
  • the optical axis of the irradiation light L1 of the light source element 200 and the optical axis of the light L2 guided by the light guide element 300 may be vertically disposed.
  • the biodiagnostic apparatus 1 of 1st Example of this invention guides the side light irradiated to the side surface of the light guide element 300 to the space s where the sample accommodating member 10 is arrange
  • the light path shown is a light path that satisfies the purpose in the present invention, not all the light irradiated from the light source element 200 moves along the corresponding light path, and there may be various light paths not shown.
  • the light guide element 300 includes a space s in which at least a part of the irradiation light L1 of the light source element 200 is disposed.
  • a device may have various embodiments, which will be described later.
  • the image sensor package 400 may be an imaging device, and may convert an optical signal of incident light into an electronic signal to implement an optical image or an optical spectrum of a sample.
  • the light L2 guided by the light guide element 300 may pass through the sample receiving member 10, and the light L3 through the sample receiving member 10 may enter the image sensor package 400.
  • the sample accommodating member 10 may include a sample reaction part 10-2 covered with a material through which light can pass, and the light L2 guided by the light guide element 300 reacts with the sample.
  • the light 10 may be irradiated to the unit 10-2 to emit light L3 through reflection, color development, fluorescence, and the like. That is, the light L3 through the sample accommodating member 10 may be light reflected by the sample or may be emitted after being absorbed by a photosensitive material (for example, a contrast agent) applied to the sample to implement a fluorescence image. It may be light.
  • a photosensitive material for example, a contrast agent
  • the light L3 via the sample receiving member 10 includes a vertical light component but is not limited to the vertical light, and the optical path shown in the drawing shows an optical path meeting the purpose in the present invention. It became.
  • the image sensor package 400 as an imaging device may include various components commonly used.
  • the image sensor package 400 may include a micro lens array 421, a color filter array 422, a light receiver array 423, and the like.
  • the configuration of the image sensor package 400 is not limited thereto, and some of the configurations included in FIG. 7 may be excluded, or an additional configuration such as a protective layer (glass, not shown) may be further included.
  • the micro lens array 421 is disposed at the top of the image sensor package 400, for example, and includes a plurality of micro lenses 421a, 421b, 421c, 421d, and 421e for condensing light.
  • the color filter array 422 includes a plurality of color filters 422a, 422b, 422c, 422d, and 422e that partially pass incident light so that the light receiving unit array 423 can detect only one of red, green, and blue colors. Include.
  • the light receiver array 423 includes a plurality of light receivers 423a, 423b, 423c, 423d, and 423e that absorb light passing through the color filters 422a, 422b, 422c, 422d, and 422e.
  • the image sensor package 400 does not include a convex lens that is exposed to the outside as a "reflective lens free method"
  • light from the outside is incident in parallel to the micro lens array 421. Therefore, light incident on the microlens array 421 is collected by only one refraction and is incident on the light receiver array 423.
  • the light receiving unit array 423 includes at least one light receiving unit set (not shown) including a plurality of light receiving units 423a, 423b, 423c, 423d, and 423e.
  • the light receiving units 423a, 423b, 423c, 423d, and 423e belonging to the set (not shown) may be spaced apart from the adjacent light receiving units at equal intervals.
  • each of the light receivers 423a, 423b, 423c, and 423d may effectively absorb light from each of the microlenses 421a, 422b, 422c, and 422d of the microlens array 421.
  • At least a portion of the image sensor package 400 and the light guide element 300 may be in contact or direct contact, and the image sensor package 400 and the light guide may be in contact with each other. Opposite surfaces of the device 300 may be in contact. In the sample analyzing apparatus 1 according to some embodiments, at least a portion of the image sensor package 400 and the light guide element 300 may be adhered by an adhesive layer to be in contact or direct contact.
  • the signal distortion of the sample analysis device 1 or the measurement sensitivity of the optical signal may be improved. Accurately reading signal differences can increase the reliability of biodiagnostics.
  • the image sensor package 400 may be formed as an integrated package with another optical member. Therefore, the distance l between the sample receiving member 10 and the main surface of the image sensor package 400 may be maintained within a predetermined level (100 ⁇ m). As a result, the product size can be reduced and the optical path can be shortened to improve the imaging sensitivity.
  • the light source element 200, the light guide element 300, and the image sensor package 400 may be formed as an integrated package by a package (P, Package), and the light guide element ( At least a portion of the image sensor package 400 and 300 may be in contact, and at least a portion of the light guide element 300 and the light source element 200 may be in contact.
  • the bio diagnostic apparatus 1 may include the light source device 200, the light guide device 300, and the image sensor package 400 as an integrated package, and the light guide device 300. ) May be in contact with at least a portion of the image sensor package 400, and the light source element 200 may be accommodated in the light guide element 300.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating a light source device, a light guide device, and an image sensor package when the light guide device includes a pattern region in an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a light guide device pattern according to an embodiment of the present invention.
  • the light source device includes a region and the light source element includes a first light source and a second light source
  • a conceptual diagram illustrating the light source element, the light guide element, and the image sensor package is shown in FIG. 11. Is a conceptual view showing a light source element, a light guide element, and an image sensor package in the case of including a bead region
  • FIG. 11 Is a conceptual view showing a light source element, a light guide element, and an image sensor package in the case of including a bead region
  • the light guide element includes a pattern region and a bead region
  • FIGS. 13 and 14 are seals of the present invention.
  • Figure 15 is a conceptual diagram of the light guide element comprises a dichroic mirror in the embodiment of the present invention.
  • the light guide element 300 may include a pattern region 310 in which a plurality of patterns 311 are formed.
  • the plurality of patterns 311 may be arranged at equal intervals in rows and columns on the first surface 301 of the light guide element 300 (Matrix Array).
  • at least a part of the irradiation light L1 of the light source element 200 may be reflected by at least a part of the plurality of patterns 311 and guided toward the space s in which the sample accommodating member 10 is disposed. .
  • each of at least some of the plurality of patterns 311 may include a first reflection surface 311-1 inclined to one side toward the second surface 302 of the light guide element 300, and the light guide element 300. It may include a second reflecting surface 311-2 inclined to the other side toward the second surface 302 of the.
  • the first reflecting surface 311-1 may be inclined toward the second surface 302 of the light guide element 300 in the direction in which the light source element 200 is positioned
  • the second reflecting surface 311 ⁇ 2 may be inclined toward the second surface 302 of the light guide element 300 in a direction substantially opposite to the direction in which the light source element 200 is located.
  • the third surface 303 (side surface) of the light guide element 300 may be parallel to the first region P1 (the region facing the light source element) to which the light of the light source element 200 is irradiated, and parallel to the first region P1. It may include a second region (P2, the region located opposite to the region facing the light source element) arranged to be.
  • the light reflection element 312 may be disposed in the second region P2 of the third surface 303 of the light guide element 300.
  • a part of the irradiation light L1 of the light source device 200 irradiated to the first region P1 of the third surface 303 of the light guide element 300 may be the first surface 301 of the light guide element 300.
  • the first reflection surface 311-1 After being reflected from at least one of the second surface 302 and the second surface 302, the first reflection surface 311-1 may be guided toward the space s in which the sample accommodating member 10 is disposed.
  • Another part of the irradiation light L1 of the light source element 200 irradiated to the first region P1 of the third surface 303 of the light guide element 300 is the first portion of the light guide element 300.
  • a space in which at least one of the surface 301 and the second surface 302 is reflected by the light reflection element 312 and then reflected by the second reflection surface 311-2 to place the sample receiving member 10 in the space s Can be guided toward
  • the light guide element 300 of the present invention can be guided to the sample receiving member 10 by bending the maximum amount of light by 90 degrees by the shape of the plurality of patterns 311 and the light reflecting element 312. .
  • the first reflection surface 311-1 may be inclined toward the second surface 302 of the light guide element 300 in the direction in which the first light source 210 is positioned
  • the second reflection surface ( 311-2 may be inclined toward the second surface 302 of the light guide element 300 in the direction in which the second light source 220 is positioned.
  • the third surface 303 (side surface) of the light guide element 300 may include a first region P1 (a region facing the light source element) to which the irradiation light L1-1 of the first light source 210 is irradiated, and
  • the second light source 220 may include a second region P2 to which the irradiation light L1-2 of the two light sources 220 is irradiated, a region opposite to a region facing the light source element.
  • the irradiation light L1-1 of the first light source 210 irradiated to the first region P1 of the third surface 303 of the light guide element 300 and the third surface of the light guide element 300 ( At least a part of the irradiation light L1-2 of the second light source 220 irradiated to the second region P2 of the 303 is the first surface 301 and the second surface 302 of the light guide element 300. After being reflected by at least one of the first reflection surface 311-1 or the second reflection surface 311-2 may be guided toward the space (s) in which the sample receiving member 10 is disposed.
  • the light guide element 300 of the first exemplary embodiment of the present invention may further include a bead region 320 disposed adjacent to the pattern region 310.
  • a plurality of beads 321 may be disposed in the bead region 320.
  • the bead region 320 may enter the pattern region 320 after distributing the irradiation light L1 of the light source element 200 in various directions by the diffuse reflection of the plurality of beads 321.
  • the light diffused in the bead region 320 may have a collimation region after the bead region 320 or the bead region 320.
  • the bio diagnostic apparatus 1 may further include a collimation region (not shown) positioned between the bead region 320 and the light guide element 300 in some embodiments, or the bead region 320 and the light guide element. It may further include a leg control (not shown) for adjusting the angle formed by (300).
  • the bead region 320 may not overlap with the main surface of the image sensor package 400 in the vertical direction (to prevent light passing through the bead region through the sample receiving member described later). That is, the first surface 301 of the bead region 320 may not overlap with the main surface of the image sensor package 400 in a vertical direction, and the second surface 302 of the bead region 320 may be an image sensor package ( It may not face the main surface of 400).
  • the irradiation light L1 of the light source element 200 is irradiated onto the third surface 303 of the bead region 320 and reflected by the plurality of beads 321, and moves to the pattern region 310 to form a plurality of patterns ( After being reflected by 311, it may be guided toward the space s in which the sample receiving member 10 is disposed.
  • the light reflection element 312 may be disposed on the third surface 303 of the pattern region 310 to increase the light guide efficiency.
  • the light guide element 300 includes the pattern region 310 and the bead region 320 while the optical element 200 uses the first light source 210 and the second light source 220.
  • the optical path in the case of inclusion is demonstrated.
  • the irradiation light L1 of the first light source 210 and the irradiation light L2 of the second light source 220 may be irradiated and guided to the third surface 303 of the bead region 320.
  • the bio diagnostic apparatus 1 may adjust the angle of light incident on the light guide element 300.
  • the angle between the light source element 200 and the collimation region 320 with the light guide element 300 may be adjusted.
  • the biodiagnostic apparatus 1 according to the present embodiment may have a light guide.
  • the total reflection performance at the second surface 302 of the device 300 may be improved.
  • the biodiagnostic apparatus 2 uses a dichroic mirror as the optical element 500 and further includes a parabola mirror 600. It may have the same technical idea as (1). That is, in addition to the above-described differences, the bio diagnostic apparatus 1 of the present invention may be analogically applied to the bio diagnostic apparatus 2.
  • the light guide element 500 may reflect light of the first wavelength band by 90 degrees and transmit light of the second wavelength band.
  • the light guide element 500 may reflect the irradiation light L1 of the light source element 200 to 90 degrees and guide the light guide element 500 toward the space s in which the sample accommodating member 10 is disposed. It is possible to transmit the light L3 via 10).
  • the parabola mirror 600 is a member for implementing parallel light, and the light L1 irradiated from the light source element 200 may be reflected by the parabola mirror 600 and then irradiated to the light guide element 500.
  • the parabola mirror 600 may reflect the light L1 irradiated from the light source element 200 to be parallel to the main surfaces of the sample accommodating member 10 and the image sensor package 400.
  • the microscope cartridge differs from the in vitro diagnostic cartridge in that it does not include the strip 1150, but other features of the in vitro diagnostic cartridge may be applied to the microscope cartridge.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the cartridge 1100 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 18 is a use diagram of the cartridge 1100 of FIG. 17
  • FIG. 19 is a view of FIG. 17 using a reader 1200. It is also used to read the cartridge (1100, Cartridge).
  • the cartridge 1100 may include a cartridge body 1110, a sample accommodating portion 1113 cover 1120, an image sensor package 1130, and a substrate 1140. However, in some embodiments, the cartridge 1100 may include more or less components than those shown in FIG. 17.
  • the cartridge body 1110 is formed integrally molded with the same material.
  • the cartridge body 1110 shown in FIG. 17 may be formed by injection molding the plastic, and at least a portion of the cartridge body 1110 should transmit light, so that the plastic used for molding the cartridge body 1110 may be formed.
  • Silver may be a plastic having transparent properties or light transmission. That is, the cartridge body 1110 is integrally molded with a light-transmissive material so that the light from the sample contained in the sample accommodating part 1113 passes through the correcting part 1116 to the image sensor package 1130 of the insertion hole 1115. Can be received.
  • the cartridge body 1110 may face the first surface 1111 and the first surface 1111 having the sample receiving portion 1113 on which the sample injected through the sample inserting portion 1114 is located. It includes a second face 1112.
  • a sample accommodating part 1113 is formed in which a sample to be observed is accommodated.
  • a lower surface 1113 a of the sample accommodating part 1113 is a flat surface among the first surfaces 1111.
  • the strip 1150 may be located in the sample accommodating part 1113 for checking the reactivity of the sample.
  • the lower surface 1113 a of the sample accommodating part 1113 functions as a strip support part, so Should be
  • the sample may be injected into the sample accommodating part 1113 through the sample inlet 1114 formed on the first surface 1111.
  • the sample may be, for example, a biofluid sample such as pathogens or blood, but is not limited thereto.
  • An insertion hole 1115 into which the image sensor package 1130 may be inserted is formed on the second surface 1112.
  • the insertion hole 1115 may be a recessed area recessed inward on the second surface 1112 and may be surrounded by an upper surface 1115a in the insertion hole 1115 and a side surface 1115b in the insertion hole 1115.
  • the shape of the insertion hole 1115 may be related to the type of the correction unit 1116, which will be described later.
  • the image sensor package 1130 may be inserted into the insertion hole 1115.
  • the image sensor package 1130 may be coupled to the cartridge 1100. Can be simplified.
  • the separation distance between the sample and the image sensor package 1130 is determined. Minimization can increase imaging sensitivity.
  • the sample accommodating portion 1113 and the insertion hole 1115 overlap. Therefore, analysis of the result of the sample injected into the sample accommodating part 1113 and the strip 1150 by the image sensor package 1130 may be performed by imaging.
  • the cartridge body 1110 may include a correction unit 1116 formed between the lower surface 1113a of the sample accommodating portion 1113 and the insertion hole 1115.
  • the correction unit 1116 is formed integrally with the cartridge body 1110 and is formed of the same material as the cartridge body 1110.
  • one surface of the correction unit 1116 is a lower surface 1113a of the sample receiving unit 1113 which is a plane, and the other surface of the correction unit 1116 is an upper surface 1115a in the insertion hole 1115.
  • the role of the corrector 1116 is to allow light to be received in the effective pixel region of the sensor package 1130.
  • Adjusting the light path The upper surface 1115a of the lower surface 1113a of the sample accommodating portion 1113, which is one surface of the correcting portion 1116, and the insertion hole 1115, which is the other surface of the correcting portion 1116, according to the cartridge 1100. Any one of the shapes may be different, or the thickness of the corrector 1116, which is a distance between the lower surface 1113 a of the sample accommodating part 1113 and the upper surface 1115 a in the insertion hole 1115, may vary.
  • the lower surface 1113a of the sample accommodating part 1113 which is one surface of the correcting unit 1116
  • the upper surface 1115a of the insertion hole 1115 which is the other surface of the correcting unit 1116
  • the correction unit 1116 may have a shape of a concave lens or a convex lens as a lens unit, which will be described later.
  • the correction unit 1116 is formed integrally with the cartridge 1100, rather than using the correction unit 1116 that is separate from the cartridge 1100.
  • the light incident on the image sensor package 1130 may be concentrated using the corrector 1116, thereby increasing the reliability of the analysis result.
  • the sample accommodating part 1113 cover 1120 may be positioned on the cartridge body 1110 and coupled to the cartridge body 1110.
  • the sample accommodating part 1113 may be spaced apart from the lid 1120 and the cartridge body 1110 at a predetermined interval, and the sample accommodating part may be spaced apart from the sample accommodating part 1113 and the cartridge body 1110.
  • 1113 may be formed.
  • the cover 1120 of the sample accommodating part 1113 covers the sample accommodating part 1113 so that at least a part of the sample accommodating part 1113 is exposed.
  • the sample inlet 1114 is formed in the region of the sample accommodating part 1113 which is not covered by the cover 1120 of the sample accommodating part 1113, and the sample is transferred to the sample accommodating part 1113 through the sample inlet 1114. ) Can be injected.
  • the image sensor package 1130 may be an imaging device, and may convert an optical signal of incident light into an electronic signal in order to implement an optical image or an optical spectrum of a sample.
  • the image sensor package 1130 may include various components that are commonly used as the image pickup device.
  • the image sensor package 1130 may include a micro lens array (not shown), a filter array (not shown), a light receiving unit array (not shown), and the like.
  • the image sensor package 1130 may not include a micro lens array or a filter array.
  • the image sensor package 1130 may have conductive particles 1131 formed on one surface thereof to enable flip chip bonding.
  • the conductive particles 1131 may be an anisotropic conductive film (ACF), but is not limited thereto.
  • ACF anisotropic conductive film
  • the image sensor package 1130 may be coupled in the insertion hole 1115 to expose the conductive particles 1131 to the outside.
  • the conductive particles 1131 of the image sensor package 1130 may be electrically connected to the substrate 1140, and an imaging signal of the image sensor package 1130 may be transmitted to the substrate 1140 through the conductive particles 1131.
  • a wiring pattern (conductor pattern, not shown) may be formed on one surface of the substrate 1140 to be electrically connected to the image sensor package 1130. Therefore, the conductive particles 1131 of the image sensor package 1130 may be electrically connected to a wiring pattern (not shown) of the substrate 1140.
  • the substrate 1140 includes a reader connection part 1141, and when the cartridge 1100 is connected to the reader 1200 through the reader connection part 1141, the diagnosis result of the cartridge 1100 is through the reader 1200. You can check.
  • the strip 1150 may be accommodated in the sample accommodating part 1113 and may exhibit characteristics of the sample through reaction with the sample injected.
  • FIG. 18 when a sample is injected through the sample input unit 1114 in a state in which the strip 1150 is disposed in the sample receiving unit 1113 of the cartridge 1100, the sample reacts on the strip 1150. do. Light irradiated from the light source may pass through the strip 1150 and enter the image sensor package 1130 to be imaged.
  • an imaging signal is transmitted to the reader 1200 through the substrate 1140, and a user may check a diagnostic analysis result of the cartridge 1100.
  • the cartridge 1100 is an image sensor package (from the strip 1150 in the sample receiving portion 1113, where the reaction of the sample (Sample) to be implemented in a lens-free manner)
  • the distance between 1130 may be narrow, for example 1 mm or less, preferably 500 ⁇ m or less.
  • a cartridge 1101 according to a second embodiment of the present invention will be described. However, the differences from the cartridge 1100 according to the first embodiment of the present invention will be mainly described. 20 is a sectional view of the cartridge 1101 according to the second embodiment of the present invention.
  • the cartridge 1101 may further include a filter 1117 inserted into the insertion hole 1115 and formed between the upper surface 1115a of the insertion hole 1115 and the image sensor package 1130. .
  • the filter 1117 since the filter 1117 is positioned on the lower surface of the correction unit 1116, specific pathogens may be observed using the cartridge 1101 according to the embodiment of the present invention. Can be.
  • 21 is a sectional view of the cartridge 1102 according to the third embodiment of the present invention.
  • the cartridge 1102 may further include a filter 1117 formed on the bottom surface 1113a of the sample accommodating portion 1113.
  • the filter 1117 since the filter 1117 is positioned on the upper surface of the correction unit 1116, the specific pathogen may be observed using the cartridge 1100 according to the embodiment of the present invention. Can be.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view of the cartridge 1103 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the cartridge 1103 may further include a filter 1117 formed on the image sensor package 1130.
  • the filter 1117 is positioned on the upper surface of the image sensor package 1130, the specific pathogen is observed using the cartridge 1103 according to the embodiment of the present invention. can do.
  • FIG. 23 is a sectional view of a cartridge 1104 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the correction unit 1116 may be, for example, a convex lens, through which light incident through a sample may be dispersed in the image sensor package 1130.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of the cartridge 1100 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the corrector 1116 may be, for example, a convex lens.
  • the width of the image sensor package 1130 may be relatively wider than the width of the convex lens, and the insertion hole 1115 may have a shape in which a lower portion thereof is extended to accommodate the image sensor package 1130 having a relatively wider width. have. Therefore, when the cartridge 1105 according to the present exemplary embodiment is used, the light incident through the sample may be dispersed by the correcting unit 1116 to uniformly enter the image sensor package 1130.
  • FIG. 25 is a sectional view of a cartridge 1106 according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the compensator 1116 may be, for example, a concave lens, through which the light incident through the sample is incident on the image sensor package 1130. You can focus on
  • the correction unit 1116 is formed integrally with the cartridge 1106, rather than using the correction unit 1116 which is separate from the cartridge 1106, the cartridge 1106 is used.
  • the light incident on the image sensor package 1130 may be concentrated using the corrector 1116, thereby increasing the reliability of the analysis result.
  • FIG. 26 is a sectional view of the cartridge 1107 according to the eighth embodiment of the present invention.
  • a light blocking member 1118 may be formed on the side surface 1115b of the insertion hole 1115.
  • the light incident into the insertion hole 1115 may be shielded by the light blocking member 1118 so that the light may not be unnecessarily escaped to the cartridge body 1110. Therefore, since the amount of light received by the image sensor package 1130 may increase, the imaging sensitivity may be increased by using the cartridge 1107 according to the eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a sectional view of the cartridge 1108 according to the ninth embodiment of the present invention.
  • the lower surface 1113 a of the sample accommodating part 1113 which is one surface of the correcting part 1116, and the insertion hole 1115 that is the other surface of the correcting part 1116 are provided.
  • the upper surface 1115a is designed to be all planar.
  • the cartridge 1108 according to the present exemplary embodiment may further include an external lens 1119.
  • the external lens 1119 may be inserted into the insertion hole 1115 and positioned to be in contact with the upper surface 1115a of the insertion hole 1115.
  • the external lens 1119 is shown as a concave lens in FIG. 27, the present invention is not limited thereto, and the external lens 1119 may be a convex lens.
  • the external lens 1119 may be a lens formed of a single layer, or may be a lens formed by stacking a plurality of layers.
  • a desired effect can be obtained by inserting the external lens 1119 necessary for light reception in the effective pixel region to the insertion hole 1115.
  • the correction unit 1116 may be a convex lens or a concave lens, and the external lens 1119 may be inserted into the insertion hole 1115 while the correction unit 1116 is a convex lens or a concave lens. .
  • a cartridge 1109 according to the tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. However, the differences from the cartridge 1100 according to the first embodiment of the present invention will be mainly described.
  • Fig. 28 is a sectional view of the cartridge 1109 according to the tenth embodiment of the present invention.
  • an insertion hole 1115 which is a lower surface 1113 a of the sample accommodating part 1113, which is one surface of the compensating part 1116, and the other surface of the compensating part 1116, is used.
  • the upper surface 1115a is designed to be all planar.
  • the cartridge 1109 according to the present embodiment may further include an autofocusing module 1160.
  • the auto focusing module 1160 may be inserted into and positioned in the insertion hole 1115, and may be inserted to contact the upper surface 1115a of the insertion hole 1115, for example.
  • the liquid lens technology may be applied to the autofocusing module 1160.
  • the focus may be changed by changing the shape of the liquid lens formed at the boundary between oil and water using an electric charge.
  • a desired effect can be obtained by changing the variable lens included in the autofocusing module 1160 in order to receive light in the effective pixel region.
  • a cartridge 2100 according to an eleventh embodiment of the present invention will now be described with reference to FIG. 29. However, the differences from the cartridge 1100 according to the first embodiment of the present invention will be mainly described. 29 is a sectional view of the cartridge 2100 according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • the cartridge 2100 according to the eleventh embodiment of the present invention is different from the in vitro diagnostic cartridge described with reference to FIGS. 15 to 28 in that it does not include the strip 1150 as a cartridge for a microscope.
  • Other features of the in vitro diagnostic cartridge except for the portion associated with the strip 1150 may be applied to the microscope cartridge.
  • the contents described in the cartridges according to the first to tenth embodiments of the present invention may be applied to the cartridge 2100 according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • deformation of the correction unit 1116, the adoption of the filter 1117, the adoption of the external lens 1119, the adoption of the autofocusing module 1160, etc. may be applied to the cartridge 2100 according to the eleventh embodiment of the present invention. In this case, a detailed description thereof will be omitted.
  • the cartridge 2100 has a distance between the image receiving package 1130 and the sample accommodating part 1113 in which the sample is positioned to be implemented in a lens-free manner. It may be narrow, for example 1 mm or less, preferably 500 ⁇ m or less.

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Abstract

본 발명은 측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치 및 일체화된 카트리지에 관한 것으로, 상기 측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치는, 시료 수용 부재가 배치되는 공간이 형성되어 있는 바이오 진단 장치에 있어서, 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간의 일측에 위치하는 이미지 센서 패키지; 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간과 상기 이미지 센서 패키지의 사이에 배치되는 광 가이드 소자; 및 상기 광 가이드 소자로 광을 조사하는 광원 소자를 포함하고, 상기 광 가이드 소자는 상기 광원 소자의 조사광의 적어도 일부를 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간을 향하여 가이드한다.

Description

측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치 및 일체화된 카트리지
본 발명은 "반사형 렌즈 프리 방식(Lens-Free Type)"의 측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치, 및 보정부, 이미지 센서 패키지 및 필터 중 적어도 일부가 일체화된 카트리지에 관한 것이다.
바이오 진단 장치는 인체 및 동물 등으로부터 채취한 시료(혈액등의 바이오 유체 시료)를 분석하여 질병, 임신, 배란 및 약물 남용 여부 등을 진단할 수 있는 장치이다.
시료를 분석하기 위해 다양한 방식의 진단 장치가 사용되며, 이 중 광학식 바이오 진단 장치는 시료가 수용된 시료 수용 부재(스트립 타입, 웰 타입 등)에 광을 조사하고 카메라에서 이를 수광하여 시료에 함유된 각각의 구성 요소(일 예로, 적혈구와 백혈구 등과 같은 바이오 물질)에 대한 정밀한 광학 이미지나 스펙트럼을 구현하여 진단하는 장치이다.
여기서, 본 발명의 발명자가 개발하는 바이오 진단 장치는 분광학(spectroscopy) 기술을 이용하여 파장대별 광의 세기(intensity)를 확인하는 장치이다. 일 예로, 도 1에서 나타내는 바와 같이, 시료에 함유된 각각의 구성 요소(n1, n2, m1, p1)의 특성에 따라, 시료를 투과한 후 촬상 소자의 각각의 픽셀(Pixel)에서 출력되는 광의 신호의 세기(Sensor Output)가 달라지게 된다.
이 경우, 동일한 구성 요소를 투과한 광에 대한 신호를 캘리브레이션(Calibration)을 통해 동일 또는 일정한 값을 가지도록 구현할 수 있다.
그 결과, 촬상 소자의 복수의 픽셀(A, B, C, D) 각각의 거리 또는 위치(Pixel Distance or Pixel Location)에서 출력되는 신호의 세기를 통해, 시료에 함유된 각각의 구성 요소의 바이오 특성을 도출할 수 있고, 이를 통해, 시료를 분석할 수 있다.
한편, 기존의 "카메라 방식"의 바이오 진단 장치는 렌즈에 의해, 촬상 소자의 중앙과 가장자리로 입사되는 광의 입사각 등이 달라져 광량이 달라지고(Shading), 색수차가 발생하여 광학 이미지의 품질(분해능, 콘트라스트 등)이 떨어지고, 전장 길이의 증가로 제품 슬림화가 불가능하며 시료 수용 부재와 촬상 소자의 사이의 간격이 커져 이미지의 촬상 민감도가 떨어지는 문제가 있다(도 2의 (a) 참조, 기존 카메라 방식의 문제점).
이를 해결하기 위해, 렌즈를 생략하는 "렌즈 프리 방식"에 대한 연구가 진행되고 있지만, 기존의 "렌즈 프리 방식"은 촬상 소자가 시료 수용 부재의 일측에 배치되고 광원 소자가 시료 수용 부재의 타측에 배치되는 "투과형 렌즈 프리 방식"으로서, 광학 소자의 광이 시료 수용 부재를 투과하는 과정에서 광 손실이 발생하기 때문에, 촬상 소자의 신호 세기가 감소되어 정밀한 진단이 불가능한 문제가 있고, 상부에 위치한 시료 수용 부재 내의 시료에서 발생하는 광의 세기가 하부에서는 약화되는 단점이 있다(도 2의 (b) 참조, 기존 투과형 렌즈 프리 방식의 문제점).
또한, 카트리지는 크게 현미경용 카트리지와 체외 진단용 카트리지로 구분할 수 있다. 현미경용 카트리지는 스트립을 가지고 있지 않으며, 세포계수, 혈구계수, 라이브 셀(live cell) 모니터링 등에 이용될 수 있다. 체외 진단용 카트리지는 스트립을 가지고 있으며, 면역크로마토그래피(immunochromatography)로서 발광/형광/발색 등을 통해 시료(병원균 또는 혈액 등의 바이오 유체 시료)를 분석하여 질병, 임신, 배란 및 약물 남용 여부 등을 진단할 때 이용되거나 하판에 형성된 DNA 패턴을 분석할 때 이용되기도 하며, 전기영동(electrophoresis) 시에도 이용되기도 한다.
예컨대, 도 16을 참조하면 현미경용 카트리지가 도시되어 있으며, 카트리지(1a)는 일반적으로 플라스틱을 사출 성형하여 제조되며, 시료 투입부(10a)를 통해 카트리지(1a) 내부로 측정하고자 하는 시료(예컨대, 병원균 또는 혈액 등의 바이오 유체 시료)를 흘려보내고 고배율의 광학 현미경을 이용하여 카트리지(1a) 내의 시료를 관찰할 수 있다.
다만, 고배율의 광학 현미경이 갖춰진 실험실에서는 시료를 관찰하는 것에 문제가 없지만, 실험실 밖의 야외 현장에서 카트리지(1a) 내의 시료를 관찰하기 위해서는 상대적으로 부피가 큰 고배율의 광학 현미경을 준비해야 하는 번거로움이 따른다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 "기존의 카메라 방식"과 "투과형 렌즈 프리 방식"의 문제점을 해결할 수 있는 "반사형 렌즈 프리 방식"의 바이오 진단 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 카트리지에 보정부, 이미지 센서 패키지 및 필터 중 적어도 일부를 일체화시켜 모듈화시킴으로써 고배율의 광학 현미경을 준비하지 않더라도 야외 현장에서 체외 진단이 가능한 카트리지를 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 바이오 진단 장치는, 시료 수용 부재가 배치되는 공간이 형성되어 있는 바이오 진단 장치로서, 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간의 일측에 위치하는 이미지 센서 패키지; 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간과 상기 이미지 센서 패키지의 사이에 배치되는 광 가이드 소자; 및 상기 광 가이드 소자로 광을 조사하는 광원 소자를 포함하고, 상기 광 가이드 소자는 상기 광원 소자의 조사광의 적어도 일부를 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간을 향하여 가이드하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 면에 따른 카트리지는, 시료 투입부를 통해 주입된 시료가 위치하는 시료 수용부가 형성된 제1 면과, 상기 제1 면과 마주보는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면 중 상기 시료 수용부의 하면은 평면이고, 상기 제2 면에는 이미지 센서 패키지가 삽입될 수 있는 삽입홀이 형성되고, 상기 제1 면에서 상기 제2 면을 향하는 방향에서 볼 때 상기 시료 수용부와 상기 삽입홀은 오버랩되는 카트리지 본체를 포함하고, 상기 카트리지 본체는 동일한 재료로 일체화 성형된 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 렌즈를 이용하지 않는 렌즈 프리 방식을 사용하는 동시에 광원 소자와 광 가이드 소자가 모두 시료 수용 부재의 일측에 배치되어 광원 소자의 광이 광 가이드 소자에 의해 시료 수용 부재를 향하여 가이드됨으로써, 시료 수용 부재에서 반사된 광(형광 이미지를 구현하기 위해, 조영제 등과 같은 광 감수성 물질이 도포된 시료에서 방출된 광을 포함하는 개념)이 이미지 센서 패키지로 입사되는 "반사형 렌즈 프리 방식"의 바이오 진단 장치를 제공한다(즉, 기존의 투과형 렌즈 프리 방식과 달리, 광 가이드 소자가 추가하여 광원 소자와 이미지 센서 패키지가 동일측에 배치시킴).
그 결과, 본 발명에서는 렌즈를 사용하여 발생하는 이미지의 품질이 저하되는 문제가 발생하지 않는 동시에, 시료 수용 부재와 이미지 센서 패키지의 사이의 간격을 일정 수준(100μm) 이내로 유지시켜(이를 위해, 광 가이드 소자, 광원 소자 및 이미지 센서 패키지가 일체형 패키지를 형성할 수 있음) 제품 사이즈를 축소시켰으며 이미지의 해상도와 촬상 민감도를 향상시켰다.
또한, 본 발명의 카트리지에 따르면, 시료의 관찰을 위해 필요한 구성요소(렌즈부(보정부), 이미지 센서 패키지 및 필터 등)가 결합되어 일체화되어 있기 때문에, 고배율의 광학 현미경을 준비하지 않더라도 카트리지의 측정 결과를 읽을 수 있는 리더기만 있다면 야외 현장에서도 손쉽게 체외 진단이 가능하다.
또한, 본 발명의 카트리지에 따르면, 렌즈부(보정부)가 카트리지 본체에 일체화 성형되고 보정부의 상면 또는 하면에 필터가 위치하기 때문에, 본 발명의 실시예들에 따른 카트리지를 이용하여 특정 병원균을 관찰할 수 있다.
또한, 본 발명의 카트리지에 따르면, 카트리지 본체에 이미지 센서 패키지를 삽입할 수 있는 삽입홀을 마련하고 해당 삽입홈에 이미지 센서 패키지를 삽입하여 결합시킴으로써 카트리지의 하면에 이미지 센서 패키지를 일체화시킬 수 있다. 이를 통해, 구성이 간소화된 모듈 상태의 카트리지를 이용하여 병원균, 세균 및 세포 등의 관찰이 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 시료에 함유된 각각의 구성 요소(n1, n2, n3, n4)의 바이오 특성에 따라, 시료를 투과한 후 촬상 소자의 각각의 픽셀(Pixel)에 입사되는 광의 세기가 달라지는 것을 나타낸 그래프이다.
도 2의 (a)는 "카메라 방식"의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이고, 도 2의 (b)는 "투과형 렌즈 프리 방식"의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치에 포함되는 일 실시예의 시료 수용 부재를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치에 포함되는 다른 실시예의 시료 수용 부재를 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 변형례의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에의 바이오 진단 장치에 포함되는 일 실시예의 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지가 일체로 패키지되어 형성되는 것을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역을 포함하고 광원 소자가 제1광원과 제2광원을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역과 비드 영역을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역과 비드 영역을 포함하고 광원 소자가 제1광원과 제2광원을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에서 광원과 광 가이드 소자 사이에 시준 영역의 배치를 나타낸 개념도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 다이크로익 미러를 포함하는 개념도이다.
도 16은 종래의 카트리지의 평면도이다.
도 17은 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
도 18은 도 17의 카트리지의 사용도이다.
도 19는 리더기를 이용하여 도 17의 카트리지를 읽는 사용도이다.
도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
도 21은 본 발명의 제3 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
도 22는 본 발명의 제4 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
도 23은 본 발명의 제5 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
도 24는 본 발명의 제6 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
도 25는 본 발명의 제7 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
도 26은 본 발명의 제8 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
도 27은 본 발명의 제9 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
도 28은 본 발명의 제10 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
도 29는 본 발명의 제11 실시예에 따른 카트리지의 단면도이다.
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)", "위(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, 본 발명을 설명함에 있어서, "수직 방향"은 도 3에 도시된 수직 방향(Vertical direction)으로 정의될 수 있다. 또한, "수직 방향"은 "상하 방향"과 혼용될 수 있다. 이 경우, "수직 방향"의 일측은 "상측"일 수 있고, "수직 방향"의 타측은 "하측"일 수 있다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예의 시료 분석 장치(1)를 설명한다. 도 1은 시료에 함유된 각각의 구성 요소(n1, n2, n3, n4)의 바이오 특성에 따라, 시료를 투과한 후 촬상 소자의 각각의 픽셀(Pixel)에 입사되는 광의 세기가 달라지는 것을 나타낸 그래프이고, 도 2의 (a)는 "카메라 방식"의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이고, 도 2의 (b)는 "투과형 렌즈 프리 방식"의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치에 포함되는 일 실시예의 시료 수용 부재를 나타낸 개념도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예의 바이오 진단 장치에 포함되는 다른 실시예의 시료 수용 부재를 나타낸 개념도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예의 변형례의 바이오 진단 장치를 나타낸 개념도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에의 바이오 진단 장치에 포함되는 일 실시예의 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에서 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지가 일체로 패키지되어 형성되는 것을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 일 실시예의 시료 분석 장치(1)는 "반사형 렌즈 프리 방식"일 수 있다. 이 경우, "반사형"은 기존의 "투과형"과 비교하여, 광원 소자(200)와 이미지 센서 패키지(400)가 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 기준으로 모두 동일한 측에 위치한다는 의미하는 것으로 정의될 수 있다. 즉, 공간적인 소자의 배치를 기준으로 "반사형 렌즈 프리 방식"을 정의하고 있으므로, 광원 소자(200)와 이미지 센서 패키지(400)가 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 기준으로 모두 동일한 측에 위치하기만 한다면, 이미지 센서 패키지(400)에서 수신되는 광이 시료 수용 부재(10)에서 반사된 광이 아니더라도 무방하다. 예컨대, 본 발명의 제1실시예의 시료 분석 장치(1)의 기술적 사상은 직접적인 광의 반사가 일어나지 않는 발색, 형광 등의 방식에도 적용될 수 있으며, 시료에 조영제 등과 같은 광 감수성 물질이 도포되어 광원 소자(200)의 여기광이 광 감수성 물질에서 흡수된 후 형광으로 방출(시료 수용 부재에서 반사되지 않음)되어, 형광 이미지를 구현하는 것도 포함하는 개념일 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 시료 분석 장치(1)는 진단 시, 바이오 시료(일 예로, 혈액 등)를 수용하는 시료 수용 부재(10)가 배치될 수 있다. 이 경우, 시료 수용 부재(10)에는 스트립 타입과 웰 타입 등 다양한 종류의 부재가 사용될 수 있다. 한편, 시료 수용 부재(10)는 시료 분석 장치(1)와 별도로 일회용으로 제작 및 판매될 수 있으며, 따라서 시료 수용 부재(10)는 시료 분석 장치(1)의 필수 구성 요소는 아님을 유의하여야 한다.
도 4를 참조하여, 시료 수용 부재(10)를 구체적으로 설명한다. 예컨대 케이스(100)의 개방된 공간(예컨대, 상부, 하부 또는 측부 등)을 통해서 시료 수용 부재(10)가 케이스(100) 내로 삽입될 수 있다. 시료 수용 부재(10)는 시료(투입 시료)가 투입되는 시료 투입부(10-1)와 시료(반응 시료)가 시약 등과 반응하는 시료 반응부(10-2)를 포함할 수 있으며, 시료 투입부(10-1)와 시료 반응부(10-2)는 예컨대 다공성 채널 또는 마이크로 채널 등으로 연결될 수 있다. 여기서, 광 가이드 소자(300)로부터 방출되는 광이 시료 반응부(10-2)에 입사하고 시료 반응부(10-2)로부터 반사 또는 방출되는 광이 이미지 센서 패키지(400)까지 도달하여야 하기 때문에, 시료 반응부(10-2)는 광이 통과할 수 있는 재질로 덮일 수 있으며, 시료 반응부(10-2)는 광 가이드 소자(300)와 대면할 수 있다.
다만, 몇몇 실시예에서 시료 수용 부재(10)는 시료 투입부(10-1)를 포함하지 않을 수도 있다.
이어서, 도 5를 참조하여 웰 타입의 시료 반응부(10-2)를 설명한다. 시료 수용 부재(10)는 시료(투입 시료)가 투입되는 시료 투입부(10-1)와 시료(반응 시료)가 시약 등과 반응하는 시료 반응부(10-2)를 포함할 수 있으며, 시료 반응부(10-2)는 복수의 웰(10-3)을 포함할 수 있다. 복수의 웰(10-3)은 평면 상에서 행과 열을 가지는 매트릭스 배열로 배치될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 시료 분석 장치(1)는 케이스(100), 광원 소자(200), 광 가이드 소자(300) 및 이미지 센서 패키지(400)를 포함할 수 있다.
케이스(100)는 시료 분석 장치(1)의 외관을 형성하는 외장 부재일 수 있다. 케이스(100)의 재질은 플라스틱 재질을 포함할 수 있으며, 케이스(100)는 플라스틱 사출로 제작될 수 있다.
도 3을 참조하면, 케이스(100)에는 상부가 개방된 공간이 형성될 수 있고, 케이스(100)의 상부 공간에는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)이 형성될 수 있다. 또한, 케이스(100)에는 시료 수용 부재(10)를 지지하기 위한 지지대(110)가 마련될 수 있다. 케이스(100)의 내부에는 광원 소자(200), 광 가이드 소자(300) 및 이미지 센서 패키지(400)가 배치될 수 있다. 이 경우, 도 1에서 나타내는 바와 같이, 이미지 센서 패키지(400)와 광 가이드 소자(300)와 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)은 순차적으로 적층되어 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 이미지 센서 패키지(400)와 광 가이드 소자(300)와 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)은 역순으로 적층되어 배치될 수 있다. 한편, 시료 수용 부재(10)는 스트립 타입의 시료 수용 부재(10)가 사용되는 것으로 도시되었다.
도 6을 참조하여, 다른 실시예에 따른 케이스(100)를 설명한다. 본 발명의 일 실시예의 변형례에서는 케이스(100)에 하부가 개방된 공간이 형성될 수 있고, 케이스(100)의 하부 공간에는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)이 형성될 수 있고, 케이스(100)의 상부 공간에는 광 가이드 소자(300)와 이미지 센서 패키지(400)가 차례로 적층되어 배치될 수 있다. 이 경우, 도 3에 도시된 케이스(100)의 지지대(110)는 생략될 수 있다.
이어서, 도 3을 참조하면, 광원 소자(200)는 LED(Light Emitting Diode)일 수 있다. 광원 소자(200)는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)의 일측에 배치될 수 있다. 또한, 광원 소자(200)는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 기준으로 광 가이드 소자(300)와 동일한 측에 배치될 수 있다. 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)로 광을 조사할 수 있다.
구체적으로, 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)의 면 중, 이미지 센서 패키지(400)와 마주보는 면(302) 및 마주보는 면의 배면(301) 이외의 면(303)에 인접하도록 위치할 수 있다. 즉, 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(200)의 측면(303)에 위치할 수 있다. 이에 따라, 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)에 측면광을 제공할 수 있으며, 광원 소자(200)의 조사광(L1)은 광 가이드 소자(300)의 측면(제3면, 303)으로 조사될 수 있다.
광원 소자(200)는 적어도 하나일 수 있으며, 광원 소자(200)의 개수를 조절이 가능할 있다. 광원 소자(200)가 복수인 경우, 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)의 측면을 둘러싼 형태로 위치할 수 있다.
한편, 도면 상에는 예시적으로 광원 소자(200)가 광 가이드 소자(300)로부터 이격된 것으로 표시하였지만, 몇몇 실시예에서 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)와 접촉 결합하여 위치할 수도 있다.
광 가이드 소자(300)는 광이 투과할 수 있는 투명한 재질 또는 반투명한 재질로 형성될 수 있다.
광 가이드 소자(300)는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)의 일측에 위치할 수 있다. 또한, 광 가이드 소자(300)는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 기준으로 광원 소자(200)와 동일한 측에 배치될 수 있다. 나아가 광 가이드 소자(300)는 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)과 이미지 센서 패키지(400)의 사이에 배치될 수 있다.
광 가이드 소자(300)는 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 적어도 일부를 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드할 수 있다. 즉, 광 가이드 소자(300)는 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 적어도 일부를 시료 수용 부재(10)를 향하여 가이드할 수 있다.
이를 위해, 광 가이드 소자(300)에는 적어도 일부가 시료 수용 부재(10)와 대향하는 제1면(301)과, 적어도 일부가 이미지 센서 패키지(400)의 주면과 대향하는 제2면(302)과, 제1면(301)과 제2면(302)의 사이에 배치되는 제3면(303)이 형성될 수 있다. 이 경우, 제1면(301)과 제2면(302)은 광 가이드 소자(300)의 상면 또는 하면을 형성할 수 있고, 제3면(303)은 광 가이드 소자(300)의 측면을 형성할 수 있다. 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 적어도 일부는 광 가이드 소자(300)의 제3면(303, 측면)으로 조사된 후, 대략적으로 90도로 꺾여 상승하거나 하강할 수 있다. 즉, 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 광축(Optical Axis)과 광 가이드 소자(300)에 의해 가이드된 광(L2)의 광축은 수직하게 배치될 수 있다. 그 결과, 본 발명의 제1실시예의 바이오 진단 장치(1)는 광 가이드 소자(300)의 측면으로 조사되는 측면광을 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)으로 가이드하여, 시료 수용 부재(10)로 조사할 수 있다. 여기서, 도시되는 광 경로는 본 발명에서 목적에 부합하는 광 경로로서 광원 소자(200)로부터 조사되는 모든 광이 해당 광 경로만을 따라 이동하는 것은 아니며, 도시되지 않은 다양한 광 경로가 존재할 수 있다. 한편, 본 실시예에 따른 시료 분석 장치(1)에서 광 가이드 소자(300)는 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 적어도 일부를 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드하는 기능을 수행하는 소자로서, 다양한 실시예를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 후술한다.
이어서, 도 3을 참조하면, 이미지 센서 패키지(400)는 촬상 소자로서, 시료에 대한 광학적 이미지나 광학적 스펙트럼을 구현하기 위해, 입사된 광의 광 신호를 전자 신호로 변환할 수 있다.
광 가이드 소자(300)에 의해 가이드된 광(L2)은 시료 수용 부재(10)를 경유할 수 있으며, 시료 수용 부재(10)를 경유한 광(L3)은 이미지 센서 패키지(400)에 입사할 수 있다. 이를 위해, 시료 수용 부재(10)는 광이 통과할 수 있는 재질로 덮인 시료 반응부(10-2)를 포함할 수 있으며, 광 가이드 소자(300)에 의해 가이드된 광(L2)이 시료 반응부(10-2)에 조사되어 반사, 발색, 형광 등을 통해 광(L3)이 나올 수 있다. 즉, 시료 수용 부재(10)를 경유한 광(L3)은 시료에 의해 반사된 광일 수도 있고, 형광 이미지를 구현하기 위해 시료에 도포된 광 감광성 물질(일 예로, 조영제)에 흡수된 후 방출된 광일 수도 있다.
여기서, 시료 수용 부재(10)를 경유한 광(L3)은 수직광 성분을 포함하기는 하지만 수직광으로 한정되지는 않으며, 도면에 도시되는 광 경로는 본 발명에서 목적에 부합하는 광 경로가 도시되었다.
이미지 센서 패키지(400)는 촬상 소자로서, 통상적으로 이용되는 다양한 구성을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 7을 참조하면, 이미지 센서 패키지(400)는 마이크로 렌즈 어레이(421), 컬러필터 어레이(422) 및 수광부 어레이(423) 등을 포함할 수 있다. 다만, 이미지 센서 패키지(400)의 구성은 이에 한정되지 않으며, 도 7에 포함된 구성 중 일부가 제외될 수도 있고, 보호층(글래스, 미도시) 등과 같은 추가적인 구성이 더 포함될 수도 있다.
마이크로 렌즈 어레이(421)는 예컨대 이미지 센서 패키지(400)의 최상부에 배치되며, 광을 집광하는 복수의 마이크로 렌즈(421a, 421b, 421c, 421d, 421e)를 포함한다. 컬러필터 어레이(422)는 수광부 어레이(423)에서 red, green, blue 중 하나의 색만 감지할 수 있도록 입사된 빛을 부분적으로 통과시키는 복수의 컬러필터(422a, 422b, 422c, 422d, 422e)를 포함한다. 수광부 어레이(423)는 컬러필터(422a, 422b, 422c, 422d, 422e)를 통과하는 광을 흡수하는 복수의 수광부(423a, 423b, 423c, 423d, 423e)를 포함한다.
이미지 센서 패키지(400)는 "반사형 렌즈 프리 방식"으로서 외부로 노출되어 있는 볼록렌즈를 포함하고 있지 않기 때문에 외부에서 들어오는 광이 마이크로 렌즈 어레이(421)까지 평행으로 입사하게 된다. 따라서 마이크로 렌즈 어레이(421)에 입사된 빛은 1번의 굴절만으로 집광되어 수광부 어레이(423)로 입사된다.
따라서 수광부 어레이(23)의 수광 효율을 높이기 위하여, 수광부 어레이(423)는 복수의 수광부(423a, 423b, 423c, 423d, 423e)를 포함하는 적어도 하나의 수광부 집합(미도시)을 포함하고, 수광부 집합(미도시)에 속하는 수광부(423a, 423b, 423c, 423d, 423e)는 인접 수광부로부터 동일한 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
이를 통해 각각의 수광부(423a, 423b, 423c, 423d)는 마이크로 렌즈 어레이(421)의 각 마이크로 렌즈(421a, 422b, 422c, 422d)로부터 광을 효과적으로 흡수할 수 있다.
몇몇 실시예에 따른 시료 분석 장치(1)에서 이미지 센서 패키지(400)와 광 가이드 소자(300)의 적어도 일부분은 접촉 또는 직접 접촉(direct contact)할 수 있으며, 이미지 센서 패키지(400)와 광 가이드 소자(300)의 마주보는 면이 접할 수 있다. 몇몇 실시예에 따른 시료 분석 장치(1)에서 이미지 센서 패키지(400)와 광 가이드 소자(300)의 적어도 일부분은 접착층에 의해 접착되어 접촉 또는 직접 접촉(direct contact)할 수 있다.
이러한 방식으로, 광 경로를 변경시키는 광 가이드 소자(300)에 이미지 센서 패키지(400)를 직접 접촉하여 일체화 시킴으로써 시료 분석 장치(1)의 신호 왜곡이나 광신호의 측정 민감도를 개선시킬 수 있으며, 미세한 신호 차이를 정밀하게 읽음으로써 바이오 진단의 신뢰성을 높일 수 있다.
한편, 이미지 센서 패키지(400)는 다른 광학 부재와 일체형 패키지로 형성될 수 있다. 따라서 시료 수용 부재(10)와 이미지 센서 패키지(400)의 주면의 사이의 거리(l)는 일정 수준(100μm) 이내로 유지될 수 있다. 그 결과, 제품 사이즈가 축소될 수 있으며 광 경로가 짧아져 촬상 민감도가 향상될 수 있다.
도 8의 (a)을 참조하면, 광원 소자(200)와 광 가이드 소자(300)와 이미지 센서 패키지(400)는 패키지(P, Package)에 의해 일체형 패키지로 형성될 수 있고, 광 가이드 소자(300)와 이미지 센서 패키지(400)의 적어도 일부분은 접촉될 수 있고, 광 가이드 소자(300)와 광원 소자(200)의 적어도 일부분은 접촉될 수 있다.
도 8의 (b)를 참조하면, 바이오 진단 장치(1)는 광원 소자(200)와 광 가이드 소자(300)와 이미지 센서 패키지(400)는 일체형 패키지로 형성될 수 있고, 광 가이드 소자(300)와 이미지 센서 패키지(400)의 적어도 일부분은 접촉될 수 있고, 광원 소자(200)는 광 가이드 소자(300)의 내부에 수용될 수 있다.
이하, 광 가이드 소자(300)의 다양한 실시예를 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역을 포함하고 광원 소자가 제1광원과 제2광원을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역과 비드 영역을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이고, 도 12는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 패턴 영역과 비드 영역을 포함하고 광원 소자가 제1광원과 제2광원을 포함하는 경우에, 광원 소자와 광 가이드 소자와 이미지 센서 패키지를 나타낸 개념도이고, 도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에서 광원과 광 가이드 소자 사이에 시준 영역의 배치를 나타낸 개념도이고, 도 15는 본 발명의 실시예에서 광 가이드 소자가 다이크로익 미러를 포함하는 개념도이다.
도 9를 참조하여, 광 가이드 소자(300)가 패턴 영역(310)을 포함하는 경우의 광 경로를 설명한다. 광 가이드 소자(300)는 복수의 패턴(311)이 형성된 패턴 영역(310)을 포함할 수 있다. 복수의 패턴(311)은 광 가이드 소자(300)의 제1면(301)에 행과 열을 이루며 등간격으로 배치될 수 있다(Matrix Array). 이 경우, 광원 소자(200)의 조사광(L1)의 적어도 일부는 복수의 패턴(311)의 적어도 일부에서 반사되어, 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드될 수 있다.
한편, 복수의 패턴(311) 중 적어도 일부의 각각은 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 일측으로 경사진 제1반사면(311-1)과, 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 타측으로 경사진 제2반사면(311-2)을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1반사면(311-1)은 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 대략적으로 광원 소자(200)가 위치한 방향으로 경사질 수 있고, 제2반사면(311-2)은 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 대략적으로 광원 소자(200)가 위치한 방향의 반대 방향으로 경사질 수 있다.
나아가 광 가이드 소자(300)의 제3면(303, 측면)은 광원 소자(200)의 광이 조사되는 제1영역(P1, 광원 소자와 대향하는 영역)과, 제1영역(P1)과 평행하게 배치되는 제2영역(P2, 광원 소자와 대향하는 영역의 반대편에 위치한 영역)을 포함할 수 있다. 광 가이드 소자(300)의 제3면(303)의 제2영역(P2)에는 광 반사 소자(312)가 배치될 수 있다.
따라서 광 가이드 소자(300)의 제3면(303)의 제1영역(P1)으로 조사되는 광원 소자(200)의 조사광(L1) 중 일부는 광 가이드 소자(300)의 제1면(301)과 제2면(302) 중 적어도 하나에서 반사된 후, 제1반사면(311-1)에서 반사되어 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드될 수 있다.
또한, 광 가이드 소자(300)의 제3면(303)의 제1영역(P1)으로 조사되는 광원 소자(200)의 조사광(L1) 중 또 다른 일부는 광 가이드 소자(300)의 제1면(301)과 제2면(302) 중 적어도 하나와 광 반사 소자(312)에서 반사된 후, 제2반사면(311-2)에서 반사되어 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드될 수 있다.
즉, 본 발명의 광 가이드 소자(300)는 복수의 패턴(311)의 형태와 광 반사 소자(312)에 의해, 최대한 많은 양의 광을 90도로 꺾어 시료 수용 부재(10)로 가이드할 수 있다.
이하, 도 10을 참조하여, 광 가이드 소자(300)가 패턴 영역(310)을 포함하는 동시에 광원 소자(200)가 제1광원(210)과 제2광원(220)을 포함하는 경우의 광 경로를 설명한다. 이 경우, 제1반사면(311-1)은 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 대략적으로 제1광원(210)이 위치한 방향으로 경사질 수 있고, 제2반사면(311-2)은 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)을 향하여 대략적으로 제2광원(220)이 위치한 방향으로 경사질 수 있다.
나아가 광 가이드 소자(300)의 제3면(303, 측면)은 제1광원(210)의 조사광(L1-1)이 조사되는 제1영역(P1, 광원 소자와 대향하는 영역)과, 제2광원(220)의 조사광(L1-2)이 조사되는 제2영역(P2, 광원 소자와 대향하는 영역의 반대편에 위치한 영역)을 포함할 수 있다.
따라서 광 가이드 소자(300)의 제3면(303)의 제1영역(P1)으로 조사되는 제1광원(210)의 조사광(L1-1)과 광 가이드 소자(300)의 제3면(303)의 제2영역(P2)으로 조사되는 제2광원(220)의 조사광(L1-2) 중 적어도 일부는 광 가이드 소자(300)의 제1면(301)과 제2면(302) 중 적어도 하나에서 반사된 후, 제1반사면(311-1) 또는 제2반사면(311-2)에서 반사되어 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드될 수 있다.
이하, 도 11을 참조하여, 광 가이드 소자(300)가 패턴 영역(310)과 비드 영역(320)을 포함하는 경우의 광 경로를 설명한다. 즉, 본 발명의 제1실시예의 광 가이드 소자(300)는 패턴 영역(310)과 이웃하게 배치되는 비드 영역(320)을 더 포함할 수 있다.
비드 영역(320)에는 복수의 비드(321)가 배치될 수 있다. 비드 영역(320)은 복수의 비드(321)의 난반사에 의해, 광원 소자(200)의 조사광(L1)을 다양한 방향으로 분포시킨 후 패턴 영역(320)으로 진입하게 할 수 있다.
또한 비드 영역(320)에서 난반사된 빛이 광 가이드 소자(300)의 제2면 (302)에서 전반사를 용이하게 일으키기 위하여 비드 영역(320) 이후에 시준(collimation) 부위를 두거나 비드 영역(320)의 각도를 조절하여 조사각을 조절할 수 있다. 이를 위해, 바이오 진단 장치(1)는 몇몇 실시예에서 비드 영역(320)과 광 가이드 소자(300) 사이에 위치하는 시준 영역(미도시)을 더 포함하거나, 비드 영역(320)과 광 가이드 소자(300)가 이루는 각도를 조절하는 각조 조절부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
따라서 비드 영역(320)은 이미지 센서 패키지(400)의 주면과 수직 방향으로 오버랩되지 않을 수 있다(후술하는 시료 수용 부재를 경유한 광이 비드 영역을 투과하는 것을 방지하기 위함). 즉, 비드 영역(320)의 제1면(301)은 이미지 센서 패키지(400)의 주면과 수직 방향으로 오버랩되지 않을 수 있으며, 비드 영역(320)의 제2면(302)은 이미지 센서 패키지(400)의 주면과 대향하지 않을 수 있다.
광원 소자(200)의 조사광(L1)은 비드 영역(320)의 제3면(303)으로 조사되어 복수의 비드(321)에 의해 반사되고, 패턴 영역(310)으로 이동하여 복수의 패턴(311)에 의해 반사된 후 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드될 수 있다. 한편, 패턴 영역(310)의 제3면(303)에는 광 반사 소자(312)가 배치되어 광 가이드 효율을 상승시킬 수 있다.
이하, 도 12를 참조하여, 광 가이드 소자(300)가 패턴 영역(310)과 비드 영역(320)을 포함하는 동시에 광학 소자(200)가 제1광원(210)과 제2광원(220)을 포함하는 경우의 광 경로를 설명한다. 이 경우, 제1광원(210)의 조사광(L1)과 제2광원(220)의 조사광(L2)은 비드 영역(320)의 제3면(303)으로 조사되어 가이드될 수 있다.
이하, 도 13 및 도 14를 참조하여, 광원 소자(200)와 광 가이드 소자(300) 사이에 시준 영역(320, collimator)이 배치된 실시예를 설명한다.
광원 소자(200)로부터 조사된 광은 시준 영역(320)을 거친 후 광 가이드 소자(300)에 입사되는데, 시준 영역(320)에 입사된 광은 평행하게 정렬된다. 따라서 시준 영역(320)을 추가 배치함으로써 본 실시예에 따른 바이오 진단 장치(1)는 광 가이드 소자(300)에 입사하는 광의 각도를 조절할 수 있다.
더욱이, 도 14를 참조하면, 광원 소자(200)와 시준 영역(320)이 광 가이드 소자(300)와 이루는 각도를 조절할 수 있는데, 이를 통해 본 실시예에 따른 바이오 진단 장치(1)는 광 가이드 소자(300)의 제2면(302)에서의 전반사 성능을 높일 수 있다.
이하, 도 15를 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오 진단 장치(2)는 광학 소자(500)로 다이크로익 미러가 사용되며 파라볼라 미러(600)를 더 포함하는 것 외에는 다른 실시예의 바이오 진단 장치(1)와 실질적으로 동일한 기술적 사상을 가질 수 있다. 즉, 상술한 차이점 외에, 바이오 진단 장치(2)에는 본 발명의 바이오 진단 장치(1)가 유추 적용될 수 있다.
광 가이드 소자(500)는 제1파장 대역의 광은 90도로 반사시킬 수 있고, 제2파장 대역의 광은 투과시킬 수 있다. 이 경우, 광 가이드 소자(500)는 광원 소자(200)의 조사광(L1)은 90도로 반사시켜 시료 수용 부재(10)가 배치되는 공간(s)을 향하여 가이드할 수 있고, 시료 수용 부재(10)를 경유한 광(L3)을 투과시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 제1실시예의 광 가이드 소자(300)와 실질적으로 동일한 광 경로를 형성할 수 있으며, 노이즈를 발생시키는 파장 대역의 광을 제거하는 필터링 기능도 수행할 수 있다.
파라볼라 미러(600)는 평행광을 구현하기 위한 부재로, 광원 소자(200)에서 조사된 광(L1)은 파라볼라 미러(600)에서 반사된 후, 광 가이드 소자(500)로 조사될 수 있다. 이 경우, 파라볼라 미러(600)는 광원 소자(200)에서 조사된 광(L1)을 시료 수용 부재(10) 및 이미지 센서 패키지(400)의 주면과 평행하도록 반사시킬 수 있다.
다음으로, 체외 진단용 카트리지에 대하여 먼저 설명을 한다. 현미경용 카트리지는 스트립(1150)을 포함하지 않는다는 점에서 체외 진단용 카트리지와 차이가 있지만, 체외 진단용 카트리지의 다른 특징에 대해서는 현미경용 카트리지에 그대로 적용될 수 있다.
이하, 도 17 내지 도 19를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)를 설명한다. 도 17은 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)의 단면도이고, 도 18은 도 17의 카트리지(1100)의 사용도이고, 도 19는 리더기(1200, Reader)를 이용하여 도 17의 카트리지(1100, Cartridge)를 읽는 사용도이다.
도 17을 참조하면, 카트리지(1100)는 카트리지 본체(1110), 시료 수용부(1113) 덮개(1120), 이미지 센서 패키지(1130) 및 기판(1140)을 포함할 수 있다. 다만, 몇몇 실시예에서 카트리지(1100)는 도 17에 도시된 구성요소보다 상대적으로 많거나 적은 구성요소를 포함할 수도 있다.
우선, 카트리지 본체(1110)는 동일한 재료로 일체화 성형되어 형성된다. 예컨대, 플라스틱을 사출 성형하여 도 17에 도시된 카트리지 본체(1110)가 형성될 수 있으며, 카트리지 본체(1110)의 적어도 일부분은 광을 투과시켜야 하기 때문에, 카트리지 본체(1110)의 성형에 이용되는 플라스틱은 투명한 특성 또는 광투과성을 갖는 플라스틱일 수 있다. 즉, 카트리지 본체(1110)는 투광성 재료로 일체화 성형되어, 시료 수용부(1113)에 수용된 시료(Sample)로부터 나온 광이 보정부(1116)를 거쳐서 삽입홀(1115)의 이미지 센서 패키지(1130)로 수광되도록 할 수 있다.
구체적으로, 카트리지 본체(1110)는 시료 투입부(1114)를 통해 주입된 시료(Sample)가 위치하는 시료 수용부(1113)가 형성된 제1 면(1111)과, 제1 면(1111)과 마주보는 제2 면(1112)을 포함한다.
카트리지 본체(1110) 내에는 관찰 대상이 되는 시료(Sample)가 수용되는 시료 수용부(1113)가 형성되는데, 제1 면(1111) 중 시료 수용부(1113)의 하면(1113a)은 평면이다. 여기서, 시료 수용부(1113) 내에는 시료(Sample)의 반응성을 확인하기 위한 스트립(1150)이 위치할 수 있는데, 시료 수용부(1113)의 하면(1113a)은 스트립 지지부로서 기능을 하기 때문에 평면이어야 한다.
시료(Sample)는 제1 면(1111) 상에 형성된 시료 투입부(1114)를 통해 시료 수용부(1113) 내로 주입될 수 있다. 여기서, 시료(Sample)는 예컨대 병원균 또는 혈액 등의 바이오 유체 시료일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
제2 면(1112)에는 이미지 센서 패키지(1130)가 삽입될 수 있는 삽입홀(1115)이 형성된다. 삽입홀(1115)은 제2 면(1112) 상에서 내측으로 파여진 리세스(recess) 영역으로 삽입홀(1115) 내 상면(1115a)과 삽입홀(1115) 내 측면(1115b)으로 둘러싸일 수 있다. 삽입홀(1115)의 형상은 보정부(1116)의 종류와 연관이 있을 수 있으며, 이와 관련해서는 후술한다.
전술한 바와 같이 삽입홀(1115)에는 이미지 센서 패키지(1130)가 삽입될 수 있는데, 본 실시예에 따른 카트리지(1100)에 따르면 카트리지(1100)에 이미지 센서 패키지(1130)를 결합시킬 수 있어서 구성을 간소화할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 카트리지(1100)에 따르면, 카트리지(1100)에 구멍을 만들고 그 안에 이미지 센서 패키지(1130)를 삽입하기 때문에 시료(Sample)와 이미지 센서 패키지(1130) 사이의 이격 거리를 최소화할 수 있어 촬상 민감도를 높일 수 있다.
한편, 제1 면(1111)에서 제2 면(1112)을 향하는 방향(예컨대, z방향)에서 볼 때 시료 수용부(1113)와 삽입홀(1115)은 오버랩된다. 따라서, 시료 수용부(1113)에 주입된 시료(Sample)가 스트립(1150)과 반응한 결과에 대하여 이미지 센서 패키지(1130)를 이용하여 촬상을 통한 분석이 가능하다.
그리고, 카트리지 본체(1110)는 시료 수용부(1113)의 하면(1113a)과 삽입홀(1115) 사이에 형성된 보정부(1116)를 포함할 수 있다. 보정부(1116)는 카트리지 본체(1110)와 일체화 성형되어 형성된 것이며, 카트리지 본체(1110)와 동일한 재료로 형성된 것이다. 여기서, 보정부(1116)의 일면은 평면인 시료 수용부(1113)의 하면(1113a)이고 보정부(1116)의 타면은 삽입홀(1115) 내 상면(1115a)이다. 보정부(1116)의 역할은 센서 패키지(1130)의 유효픽셀 영역에 빛이 수광되도록 하는 것이다. 빛의 경로를 조정하기 카트리지(1100)에 따라 보정부(1116)의 일면인 시료 수용부(1113)의 하면(1113a)과 보정부(1116)의 타면인 삽입홀(1115) 내 상면(1115a) 중 어느 하나의 형상이 달라지거나, 시료 수용부(1113)의 하면(1113a)과 삽입홀(1115) 내 상면(1115a) 사이의 거리인 보정부(1116)의 두께가 달라질 수 있다.
도 17의 경우에는 보정부(1116)의 일면인 시료 수용부(1113)의 하면(1113a)과 보정부(1116)의 타면인 삽입홀(1115) 내 상면(1115a)이 모두 평면인 것으로 설계되었다. 다만, 몇몇 실시예에서 보정부(1116)는 렌즈부로서 오목렌즈 또는 볼록렌즈의 형상을 가질 수 있는데, 이와 관련하여 후술한다.
본 실시예에 따른 카트리지(1100)에 따르면 카트리지(1100)와 별도로 존재하는 보정부(1116)를 이용하는 것이 아니라 보정부(1116)가 카트리지(1100)에 일체화되어 형성되기 때문에, 카트리지(1100)의 구성을 간소화함과 동시에 보정부(1116)를 이용하여 이미지 센서 패키지(1130)에 입사하는 광을 집중시킬 수 있으므로 분석 결과값의 신뢰도를 높일 수 있다.
이어서, 시료 수용부(1113) 덮개(1120)를 설명한다. 시료 수용부(1113) 덮개(1120)는 카트리지 본체(1110) 상에 위치하여 카트리지 본체(1110)에 결합될 수 있다. 시료 수용부(1113) 덮개(1120)와 카트리지 본체(1110) 사이는 일정 간격 이격될 수 있으며, 시료 수용부(1113) 덮개(1120)와 카트리지 본체(1110) 사이의 이격된 영역에 시료 수용부(1113)가 형성될 수 있다. 그리고 시료 수용부(1113) 덮개(1120)는 시료 수용부(1113)를 전부 덮지는 않고 시료 수용부(1113)의 적어도 일부가 노출되도록 덮는다. 따라서 시료 수용부(1113) 덮개(1120)가 덮지 않는 시료 수용부(1113)의 영역에 시료 투입부(1114)가 형성되고 시료 투입부(1114)를 통해 시료(Sample)를 시료 수용부(1113)에 주입할 수 있다.
이어서, 이미지 센서 패키지(1130)를 설명한다. 이미지 센서 패키지(1130)는 촬상 소자로서, 시료(Sample)에 대한 광학적 이미지나 광학적 스펙트럼을 구현하기 위해, 입사된 광의 광 신호를 전자 신호로 변환할 수 있다. 그리고 이미지 센서 패키지(1130)는 촬상 소자로서, 통상적으로 이용되는 다양한 구성을 포함할 수 있다. 예컨대, 이미지 센서 패키지(1130)는 마이크로 렌즈 어레이(미도시), 필터 어레이(미도시) 및 수광부 어레이(미도시) 등을 포함할 수 있지만, 본 실시예에 따른 카트리지(1100)에 보정부(1116) 또는 필터(1117)가 포함되는 경우 이미지 센서 패키지(1130)는 마이크로 렌즈 어레이 또는 필터 어레이 등을 포함하지 않을 수 있다.
한편, 이미지 센서 패키지(1130)는 플립 칩 본딩이 가능하도록 일면에 도전 입자(1131)가 형성될 수 있다. 예컨대, 도전 입자(1131)는 이방 도전성 필름(ACF)일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 도 17을 참조하면, 이미지 센서 패키지(1130)는 도전 입자(1131)가 외부로 노출되도록 삽입홀(1115) 내에 결합할 수 있다. 그리고 이미지 센서 패키지(1130)의 도전 입자(1131)는 기판(1140)에 전기적으로 연결될 수 있고, 이미지 센서 패키지(1130)의 촬상 신호가 도전 입자(1131)를 통해 기판(1140)에 전해질 수 있다.
이어서, 기판(1140)을 설명한다. 이미지 센서 패키지(1130)와 전기적으로 연결될 수 있도록 기판(1140)의 일면에는 배선 패턴(도체 패턴, 미도시)이 형성될 수 있다. 따라서 이미지 센서 패키지(1130)의 도전 입자(1131)가 기판(1140)의 배선 패턴(미도시)에 전기적으로 접속될 수 있다.
한편, 기판(1140)은 리더기 연결부(1141)를 포함하고 있으며, 리더기 연결부(1141)를 통해 카트리지(1100)를 리더기(1200)에 연결시키면, 리더기(1200)를 통해 카트리지(1100)의 진단 결과를 확인할 수 있다.
이어서, 스트립(1150)을 설명한다. 스트립(1150)은 시료 수용부(1113)에 수용될 수 있으며, 주입되는 시료(Sample)와의 반응을 통해 시료(Sample)의 특성을 나타낼 수 있다.
이어서, 도 18 및 도 19를 참조하여 본 실시예에 따른 카트리지(1100)의 작동을 설명한다. 도 18을 참조하여 카트리지(1100)의 시료 수용부(1113)에 스트립(1150)이 배치된 상태에서 시료 투입부(1114)를 통해 시료(Sample)를 주입시키면 시료가 스트립(1150) 상에서 반응을 한다. 광원으로부터 조사된 광(Light)이 스트립(1150)을 투과하여 이미지 센서 패키지(1130)에 입사하여 촬상될 수 있다. 그리고 카트리지(1100)를 리더기(1200)에 결합시키면, 기판(1140)을 통해 촬상 신호가 리더기(1200)에 전달되고 사용자가 카트리지(1100)의 진단 분석 결과를 확인할 수 있다.
한편, 도 18을 참조하면, 본 실시예에 따른 카트리지(1100)는 렌즈-프리 방식으로 구현되기 위해 시료(Sample)의 반응이 일어나는 시료 수용부(1113) 내의 스트립(1150)으로부터 이미지 센서 패키지(1130) 사이의 거리가 좁을 수 있으며, 예컨대 1mm 이하이며, 바람직하게는 500㎛ 이하일 수 있다.
이하, 도 20을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 카트리지(1101)를 설명한다. 다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 카트리지(1101)의 단면도이다.
도 20을 참조하면, 카트리지(1101)는 삽입홀(1115) 내에 삽입되어 삽입홀(1115) 내 상면(1115a)과 이미지 센서 패키지(1130) 사이에 형성되는 필터(1117)를 더 포함할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 카트리지(1101)에 따르면 보정부(1116)의 하면에 필터(1117)가 위치하기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 카트리지(1101)를 이용하여 특정 병원균을 관찰할 수 있다.
이하, 도 21을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 카트리지(1102)를 설명한다. 다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 21은 본 발명의 제3 실시예에 따른 카트리지(1102)의 단면도이다.
도 21을 참조하면, 카트리지(1102)는 시료 수용부(1113)의 하면(1113a) 상에 형성된 필터(1117)를 더 포함할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 카트리지(1102)에 따르면 보정부(1116)의 상면에 필터(1117)가 위치하기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 카트리지(1100)를 이용하여 특정 병원균을 관찰할 수 있다.
이하, 도 22를 참조하여, 본 발명의 제4 실시예에 따른 카트리지(1103)를 설명한다. 다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 22는 본 발명의 제4 실시예에 따른 카트리지(1103)의 단면도이다.
도 22를 참조하면, 카트리지(1103)는 이미지 센서 패키지(1130) 상에 형성된 필터(1117)를 더 포함할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 카트리지(1103)에 따르면 이미지 센서 패키지(1130)의 상면에 필터(1117)가 위치하기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 카트리지(1103)를 이용하여 특정 병원균을 관찰할 수 있다.
이하, 도 23을 참조하여, 본 발명의 제5 실시예에 따른 카트리지(1104)를 설명한다. 다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 23은 본 발명의 제5 실시예에 따른 카트리지(1104)의 단면도이다.
도 23을 참조하면, 보정부(1116)는 예컨대 볼록렌즈일 수 있는데 이를 통해 시료(Sample)를 거쳐 입사하는 광을 이미지 센서 패키지(1130)에 분산시킬 수 있다.
이하, 도 24를 참조하여, 본 발명의 제6 실시예에 따른 카트리지(1100)를 설명한다. 다만, 본 발명의 제5 실시예에 따른 카트리지(1100)와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 24는 본 발명의 제6 실시예에 따른 카트리지(1100)의 단면도이다.
도 24를 참조하면, 보정부(1116)는 예컨대 볼록렌즈일 수 있다. 그리고 이미지 센서 패키지(1130)의 너비는 볼록렌즈의 너비보다 상대적으로 넓을 수 있으며, 상대적으로 너비가 넓어진 이미지 센서 패키지(1130)의 수용을 위해 삽입홀(1115)은 하부가 확장되는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 카트리지(1105)를 이용하면 시료(Sample)를 거쳐 입사하는 광이 보정부(1116)에 의해 분산되어 이미지 센서 패키지(1130)에 고르게 입사할 수 있다.
이하, 도 25를 참조하여, 본 발명의 제7 실시예에 따른 카트리지(1106)를 설명한다. 다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 25는 본 발명의 제7 실시예에 따른 카트리지(1106)의 단면도이다.
도 25를 참조하면, 본 발명의 제7 실시예에 따른 카트리지(1106)에서 보정부(1116)는 예컨대 오목렌즈일 수 있는데 이를 통해 시료(Sample)를 거쳐 입사하는 광을 이미지 센서 패키지(1130)에 집중시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 카트리지(1100)에 따르면 카트리지(1106)와 별도로 존재하는 보정부(1116)를 이용하는 것이 아니라 보정부(1116)가 카트리지(1106)에 일체화되어 형성되기 때문에, 카트리지(1106)의 구성을 간소화함과 동시에 보정부(1116)를 이용하여 이미지 센서 패키지(1130)에 입사하는 광을 집중시킬 수 있으므로 분석 결과값의 신뢰도를 높일 수 있다.
이하, 도 26을 참조하여, 본 발명의 제8 실시예에 따른 카트리지(1107)를 설명한다. 다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 26은 본 발명의 제8 실시예에 따른 카트리지(1107)의 단면도이다.
도 26을 참조하면, 삽입홀(1115) 내 측면(1115b) 상에 광을 차폐하는 차광 부재(1118)가 형성될 수 있다. 이를 통해 삽입홀(1115) 내로 입사한 광이 차광 부재(1118)에 의해 차폐됨으로써 불필요하게 카트리지 본체(1110)로 빠져나가지 않도록 할 수 있다. 따라서 이미지 센서 패키지(1130)로 수광되는 광량이 늘어날 수 있기 때문에, 본 발명의 제8 실시예에 따른 카트리지(1107)를 이용하면 촬상 민감도를 높일 수 있다.
이하, 도 27을 참조하여, 본 발명의 제9 실시예에 따른 카트리지(1108)를 설명한다. 다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 27은 본 발명의 제9 실시예에 따른 카트리지(1108)의 단면도이다.
도 27을 참조하면, 본 실시예에 따른 카트리지(1108)에서 보정부(1116)의 일면인 시료 수용부(1113)의 하면(1113a)과 보정부(1116)의 타면인 삽입홀(1115) 내 상면(1115a)이 모두 평면인 것으로 설계되었다. 다만, 센서 패키지(1130)의 유효픽셀 영역에 빛이 수광되도록 하기 위해서, 본 실시예에 따른 카트리지(1108)는 외부 렌즈(1119)를 더 포함할 수 있다. 외부 렌즈(1119)는 삽입홀(1115) 내에 삽입되어 위치할 수 있으며, 예컨대 삽입홀(1115) 내 상면(1115a)에 접하도록 삽입될 수 있다.
한편, 도 27에는 외부 렌즈(1119)가 오목 렌즈인 것으로 도시되었으나 이에 제한되지 않고 외부 렌즈(1119)는 볼록 렌즈일 수도 있다. 그리고 외부 렌즈(1119)는 단일층으로 형성된 렌즈일 수도 있고, 복수층으로 적층되어 형성된 렌즈일 수도 있다.
본 실시예에 따른 카트리지(1108)를 이용하면, 유효픽셀 영역에 빛이 수광되도록 하기 위해서 필요한 외부 렌즈(1119)를 삽입홀(1115)에 삽입시킴으로써 원하는 효과를 얻을 수 있다.
몇몇 실시예에서, 보정부(1116)는 볼록 렌즈이거나 오목 렌즈일 수 있으며, 보정부(1116)가 볼록 렌즈이거나 오목 렌즈인 상태에서 외부 렌즈(1119)가 삽입홀(1115) 내에 삽입될 수도 있다.
이하, 도 28을 참조하여, 본 발명의 제10 실시예에 따른 카트리지(1109)를 설명한다. 다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 28은 본 발명의 제10 실시예에 따른 카트리지(1109)의 단면도이다.
도 28을 참조하면, 본 실시예에 따른 카트리지(1109)에서 보정부(1116)의 일면인 시료 수용부(1113)의 하면(1113a)과 보정부(1116)의 타면인 삽입홀(1115) 내 상면(1115a)이 모두 평면인 것으로 설계되었다. 다만, 센서 패키지(1130)의 유효픽셀 영역에 빛이 수광되도록 하기 위해서, 본 실시예에 따른 카트리지(1109)는 오토포커싱 모듈(1160)를 더 포함할 수 있다. 오토포커싱 모듈(1160)은 삽입홀(1115) 내에 삽입되어 위치할 수 있으며, 예컨대 삽입홀(1115) 내 상면(1115a)에 접하도록 삽입될 수 있다. 여기서, 오토포커싱 모듈(1160)에는 리퀴드(liquid) 렌즈 기술이 적용될 수 있으며, 예컨대 전기 전하를 이용하여 오일과 물의 경계로 형성되는 리퀴드 렌즈의 형태를 변화시켜 초점에 변화를 줄 수 있다.
본 실시예에 따른 카트리지(1109)를 이용하면, 유효픽셀 영역에 빛이 수광되도록 하기 위해서 오토포커싱 모듈(1160)에 포함된 가변 렌즈를 변경시킴으로써 원하는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 도 29를 참조하여, 본 발명의 제11 실시예에 따른 카트리지(2100)를 설명한다. 다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지(1100)와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 29는 본 발명의 제11 실시예에 따른 카트리지(2100)의 단면도이다.
도 29를 참조하면, 본 발명의 제11 실시예에 따른 카트리지(2100)는 현미경용 카트리지로서 스트립(1150)을 포함하지 않는다는 점에서 도 15 내지 도 28을 통해 설명된 체외 진단용 카트리지와 차이가 있지만, 스트립(1150)과 관련된 부분을 제외하고 체외 진단용 카트리지의 다른 특징에 대해서는 현미경용 카트리지에 그대로 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 내지 제10 실시예에 따른 카트리지에서 설명된 내용이 본 발명의 제11 실시예에 따른 카트리지(2100)에 그대로 적용될 수 있다. 예컨대, 보정부(1116)의 변형이나 필터(1117)의 채용, 외부 렌즈(1119)의 채용, 오토포커싱 모듈(1160)의 채용 등이 본 발명의 제11 실시예에 따른 카트리지(2100)에 적용될 수 있으며, 이와 관련된 부분에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 도 29를 참조하면, 본 실시예에 따른 카트리지(2100)는 렌즈-프리 방식으로 구현되기 위해 시료(Sample)가 위치하는 시료 수용부(1113)로부터 이미지 센서 패키지(1130) 사이의 거리가 좁을 수 있으며, 예컨대 1mm 이하이며, 바람직하게는 500㎛ 이하일 수 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.

Claims (18)

  1. 시료 수용 부재가 배치되는 공간이 형성되어 있는 바이오 진단 장치에 있어서,
    상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간의 일측에 위치하는 이미지 센서 패키지;
    상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간과 상기 이미지 센서 패키지의 사이에 배치되는 광 가이드 소자; 및
    상기 광 가이드 소자로 광을 조사하는 광원 소자를 포함하고,
    상기 광 가이드 소자는 상기 광원 소자의 조사광의 적어도 일부를 상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간을 향하여 가이드하는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 가이드 소자와 상기 이미지 센서 패키지의 적어도 일부분은 접촉하는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원 소자는,
    상기 시료 수용 부재가 배치되는 공간의 상기 일측에 위치하고,
    상기 광 가이드 소자의 면 중, 상기 이미지 센서 패키지와 마주보는 면 및 상기 마주보는 면의 배면 이외의 면에 인접하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광원 소자와 상기 광 가이드 소자 사이에 위치하는 시준 영역을 더 포함하고, 상기 시준 영역과 상기 광 가이드 소자가 이루는 각도는 조절 가능한 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원 소자의 조사광의 광축과 상기 광 가이드 소자에 의해 가이드된 광의 광축은 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  6. 제제1항에 있어서,
    상기 광 가이드 소자와 상기 광원 소자와 상기 이미지 센서 패키지는 일체형 패키지로 형성되고, 상기 광 가이드 소자와 상기 이미지 센서 패키지의 적어도 일부분은 접촉될 수 있고, 상기 광 가이드 소자와 상기 광원 소자의 적어도 일부분은 접촉하는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 패키지는,
    광이 입사되는 마이크로 렌즈 어레이; 및
    상기 렌즈 어레이를 통과하는 광을 흡수하는 수광부 어레이를 포함하고,
    상기 수광부 어레이는 복수의 수광부를 포함하는 적어도 하나의 수광부 집합을 포함하고, 상기 수광부 집합에 속하는 수광부는 인접 수광부로부터 동일한 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광 가이드 소자에는 적어도 일부가 상기 시료 수용 부재와 대향하는 제1면과, 적어도 일부가 상기 이미지 센서 패키지의 주면과 대향하는 제2면과, 상기 제1면과 상기 제2면의 사이에 배치되는 제3면이 형성되어 있고,
    상기 광 가이드 소자는 상기 제1면에 복수의 패턴이 형성되어 있는 패턴 영역과, 상기 패턴 영역과 이웃하여 배치되고 상기 제1면과 상기 제2면의 사이에 복수의 비드가 배치되는 비드 영역을 포함하고,
    상기 광원 소자의 조사광의 적어도 일부는 상기 비드 영역으로 조사되어 상기 복수의 비드에 의해 반사되고, 상기 패턴 영역으로 이동하여 상기 복수의 패턴에 의해 반사되어 가이드되는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비드 영역과 상기 광 가이드 소자 사이에 배치되는 시준 영역을 더 포함하거나, 상기 비드 영역과 상기 광 가이드 소자가 이루는 각도를 조절하는 각도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  10. 제제8항에 있어서,
    상기 패턴 영역의 상기 제3면에는 광 반사 소자가 배치되고, 상기 비드 영역의 상기 제2면은 상기 이미지 센서 패키지의 주면과 대향하지 않는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 가이드 소자는 다이크로익 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 바이오 진단 장치는 파라볼라 미러를 더 포함하고,
    상기 광원 소자에서 조사된 광은 상기 파라볼라 미러에서 반사되어 상기 광학 소자로 조사되는 것을 특징으로 하는 바이오 진단 장치.
  13. 시료 투입부를 통해 주입된 시료가 위치하는 시료 수용부가 형성된 제1 면과, 상기 제1 면과 마주보는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면 중 상기 시료 수용부의 하면은 평면이고, 상기 제2 면에는 이미지 센서 패키지가 삽입될 수 있는 삽입홀이 형성되고, 상기 제1 면에서 상기 제2 면을 향하는 방향에서 볼 때 상기 시료 수용부와 상기 삽입홀은 오버랩되는 카트리지 본체;를 포함하고,
    상기 카트리지 본체는 동일한 재료로 일체화 성형된 것인, 카트리지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 카트리지 본체는 상기 시료 수용부의 하면과 상기 삽입홀 사이에 형성된 보정부를 더 포함하고,
    상기 보정부의 일면은 평면인 상기 시료 수용부의 하면이고 상기 보정부의 타면은 곡면인 상기 삽입홀 내 상면인 것인, 카트리지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 보정부는 오목렌즈인 것인, 카트리지.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 카트리지는 상기 삽입홀 내에 삽입되어 상기 삽입홀 내 상면과 상기 이미지 센서 패키지 사이에 형성되는 필터;를 더 포함하는 것인, 카트리지.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 카트리지 본체는 투광성 재료로 일체화 성형되어, 상기 시료 수용부에 수용된 시료로부터 나온 광이 상기 보정부를 거쳐서 상기 삽입홀의 상기 이미지 센서 패키지로 수광되는 것인, 카트리지.
  18. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 카트리지는 상기 시료 수용부의 하면 상에 형성된 필터;를 더 포함하는 것인, 카트리지.
PCT/KR2019/008974 2018-07-26 2019-07-19 측면광을 활용한 이미지 센서 기반의 바이오 진단 장치 및 일체화된 카트리지 WO2020022713A1 (ko)

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