KR101783656B1 - 적분구에 의한 광 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적분구에 의한 광 측정장치를 개시한다. 본 발명에 따른 적분구에 의한 광 측정장치는 광검출소자의 유효 검출 영역에 균일한 광도를 모두 입사 가능한 적분구를 이용하여 광검출소자의 초점거리 세팅에 따른 광 측정 편차를 방지하고, 입사된 형광의 단위 면적의 단위 시간당 광도의 균일하지 않은 분포와 입사 광원의 반사에 의한 누수로 인하여 발생 가능한 측정 에러를 방지할 수 있다.

Description

적분구에 의한 광 측정장치{OPTICAL APPARATUS USING INTEGRATING SPHERE}

본 발명은 적분구에 의한 광 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광검출소자의 유효 검출 영역에 균일한 광도를 모두 입사 가능한 적분구를 이용하여 광검출소자의 초점거리 세팅에 따른 광 측정 편차를 방지하고, 적분구 내의 시료에 대한 형광 발생을 교정할 수 있도록 하기 위한 적분구에 의한 광 측정장치에 관한 것이다.

광학 기술의 발전은 다양한 산업 전반에 영향을 주어 미세 가공에서부터 초고속 통신에 이르는 광범위한 차세대 기술의 기반이 되고 있다.

특히, 직진성이 강한 광원(예: 레이저)을 이용하여 미세 가공이나 표면을 개질하는 기술, 의학용 메스나 특정 세포를 선별 및 제거하는 기술, 광학 매체를 이용하여 데이터를 재생하는 기술, 광섬유의 전반사를 활용한 초고속 통신 기술 및 나노 크기의 입체적 시료에 대한 구성을 파악하는 현미경 기술 등 산업 및 의료 기술에 접목된 분광/광학 기술은 점차 그 중요성이 높아지고 있다.

특히, 광 측정장치는 빛의 파장에 대한 그 광세기 분포를 이용하는 것으로, 일반적으로 전자기파뿐만 아니라, 전자선 등의 입자선 에너지 분석장치를 포괄하여 칭해진다.

이러한 광 측정장치를 이용한 파장에 대한 광세기의 관측으로부터 물질의 상태와 변화에 관한 정보를 얻을 수 있기 때문에 이러한 광 측정장치를 이용한 광 측정법은 물질의 연구를 위한 수단으로 중요하게 사용되고 있다.

또한, 광 측정장치는 잘 알려져 있는 빛과 열 이외에 X선, 감마선, 마이크로파 등이 사용될 수 있다. 이와 같은 광 측정장치의 활용 방식은 소정 파장의 광원을 시료에 투사하고, 시료에 의하여 변화된 광을 광검출소자를 통해 획득하여 해당 파장에 대한 그 광의 세기를 관찰하는 것으로 시료가 방출하거나 흡수하는 빛의 스펙트럼 또는 세기를 계측함에 따라, 해당 시료에 대한 정보를 파악하는 것이 가능하다.

또 다른 활용으로, 광원 자체의 파장과 세기 특성을 측정하기 위해서도 사용되고 있다.

즉, 광 측정장치는 물리적이거나 화학적인 현상을 연구하는 데 사용되는 과학적인 도구로서 빛의 형광 또는 발광 원리를 이용하여 물질 분석을 수행할 수 있는 장비로 정의 가능하다.

이와 같은 광 측정장치에 대한 종래 기술은 광원부에서 발생된 광이 광학계를 거쳐 시료에 조사될 경우, 시료로부터 형광이 발생하게 된다.

여기된 형광이 다시 광학계를 경유하여 광검출부가 설치된 암실 영역으로 입사되면, 광검출소자의 유효 검출 영역에 동일하지 않은 광도의 분포로 형성될 수 있다.

이때 입사된 형광은 초점거리에 따라 광도의 분포를 형성하여, 광검출소자의 정전용량에 충전되는 전하의 분포로 형상화된다.

이러한 현상으로 인해, 장치별 광검출소자의 초점거리 세팅에 따라 광 측정 편차가 발생한다.

또한, 추가적인 측정 에러의 요인은 유효 검출 영역으로 전부 광자가 수광되어지지 않고, 반사가 되어 광원의 누수가 일어난다는 점이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2008-0096406

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 광검출소자의 유효 검출 영역에 균일한 광도를 모두 입사 가능한 적분구를 이용하여 광검출소자의 초점거리 세팅에 따른 광 측정 편차를 방지하고, 적분구 내의 시료에 대한 형광 발생을 교정할 수 있도록 하기 위한 적분구에 의한 광 측정장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 적분구에 의한 광 측정장치는 시료로부터 발생한 형광을 균일한 광도로서 난반사하기 위한 적분구, 상기 적분구에 의한 형광 측정을 제어하는 제어부, 상기 형광 측정을 위한 제어 신호를 토대로 상기 적분구 내의 시료에 형광 발생을 위한 여기 에너지를 인가하는 광원부, 상기 형광 발생을 교정하기 위한 교정광원부 및 상기 적분구로부터 난반사되어 제공되는 균일한 광도의 형광을 검출하고, 검출한 결과 값을 상기 제어부에 제공하는 광검출부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 적분구에 의한 광 측정장치는 상기 적분구의 외부에서 내부로 상기 시료를 정밀하게 이송하기 위한 이송구조물을 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 이송구조물의 끝단 면은 상기 적분구의 내부 벽에 대한 일부 영역을 포함하는 형상이다.

바람직하게는, 상기 적분구에 의한 광 측정장치는 상기 광검출부의 암전류 발생을 줄이기 위한 냉각소자 및 온도센서를 포함하는 검출제어회로부를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 광원부에 포함되는 여기 필터와 상기 광검출부에 포함되는 검출 필터는 여기광원 파장과 형광발광 파장이 상호 중첩되지 않는 조합으로 구비되거나, 여기광원 파장과 형광발광 파장이 상호 중첩되는 조합으로 구비된다.

그리고, 상기 적분구에 의한 광 측정장치는 상기 시료의 측정 범위를 결정하기 위한 게인 선택자;를 더 포함한다.

따라서, 본 발명에서는 광검출소자의 유효 검출 영역에 균일한 광도를 모두 입사 가능한 적분구를 이용하여 광검출소자의 초점거리 세팅에 따른 광 측정 편차를 방지하고, 입사된 형광의 단위 면적의 단위 시간당 광도의 균일하지 않은 분포와 입사 광원의 반사에 의한 누수로 인하여 발생 가능한 측정 에러를 방지할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에서는 적분구 내의 시료로 여기 에너지를 제공하는 광원부 외에 별도로 적분구 내의 시료에 대한 형광 발생을 교정할 수 있는 교정 광원부를 더 포함함으로써, 시료의 형광 발생에 대한 교정을 보다 용이하게 수행할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 적분구에 의한 광 측정장치를 일실시 예로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 적분구의 여러 형태를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 광원부의 광 특성을 일실시 예로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 광 측정장치의 동작 과정을 일실시 예로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 광 측정장치의 광학필터 조합을 일실시 예로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 적분구를 두 개의 서브 적분구를 조합한 구조로 나타내는 도면이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 다음과 같이 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 광 측정장치(100)는 광검출소자의 유효 검출 영역에 균일한 광도를 모두 입사 가능한 적분구(110)를 이용하여 광검출소자의 초점거리 세팅에 따른 광 측정 편차를 방지하고, 입사된 형광의 단위 면적의 단위 시간당 광도의 균일하지 않은 분포와 입사 광원의 반사에 의한 누수로 인하여 발생 가능한 측정 에러를 방지할 수 있는 구성을 갖춘다.

더 나아가, 본 발명의 광 측정장치(100)는 적분구(110) 내의 시료로 여기 에너지를 제공하는 광원부(130) 외에 별도로 적분구(110) 내의 시료에 대한 형광 발생을 교정할 수 있는 구성 또한 갖춘다.

이를 위해, 본 발명의 광 측정장치(100)는 적분구(110), 제어부(120), 광원부(130), 교정광원부(140) 및 광검출부(150)를 포함할 수 있다. 이러한 광 측정장치(100)에 대한 구체적 구성은 이하 도면들을 참조하여 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 적분구(110)에 의한 광 측정장치(100)를 일실시 예로 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 적분구(110)에 의한 광 측정장치(100)는 측정 대상체인 시료로부터 발생한 형광을 균일한 광도로서 난반사하는 적분구(110), 상기 적분구(110)에 의한 형광 측정을 제어하기 위한 제어부(120), 상기 형광 측정을 위한 제어 신호를 토대로 상기 적분구(110) 내의 시료에 형광 발생을 위한 여기 에너지를 인가하는 광원부(130), 상기 형광 발생을 교정하기 위한 교정광원부(140) 및 적분구(110)로부터 난반사되어 제공되는 균일한 광도의 형광을 검출하는 광검출부(150)를 포함할 수 있다.

또한, 제어부(120)는 광검출부(150)를 통해 검출된 형광을 측정한 후 측정된 결과를 연산하는 제어를 수행하며, 형광 측정 결과를 소정의 데이터로 출력하는 제어를 할 수 있다.

이에, 광 측정장치(100)는 제어부(120)로부터 출력 제어된 데이터를 출력하기 위한 화면 표시부를 더 포함할 수 있다.

또한, 적분구(110) 내부에 놓여지는 시료는 사용자에 의해 수동으로 놓쳐지거나, 시료를 탑재하여 적분구(110) 내부로 이송하기 위한 이송자를 통해 자동으로 시료를 위치시키는 것이 가능하다.

이를 위해, 광 측정장치(100)는 적분구(110) 외부에서 적분구(110) 내부의 정확한 위치에 시료를 이송하기 위한 이송구조물을 더 포함하는 것이 바람직하다.

이러한 이송구조물은 이송구조물의 추가로 인해 적분구(110) 내부의 반사 손실이 발생하는 것을 최소화하기 위하여, 적분구(110) 외부에서 적분구(110) 내부로 이동 가능한 이송자의 끝단 면에 적분구(110) 내부 벽의 일부 영역을 포함하는 형상이 가능하다.

예를 들면, 이송자의 상측에 시료를 놓인 후 적분구(110) 외부에서 적분구(110) 내부로 이송자가 이동하여 적분구(110) 내 목표 지점에 시료를 위치시키고, 이후 이송자가 원 위치로 복귀 완료하면 이송자의 끝단 면이 적분구(110)의 내부 벽의 일부 영역으로서 적분구(110)와 결합할 수 있다.

광원부(130)는 광원발생소자, 시준렌즈 및 여기 필터(excitation filter)를 포함하며, 적분구(110) 표면 근처에 결합한다.

광원발생소자는 제어부(120)로부터 보내진 제어 신호를 전류제어 구성을 통해 전기적인 신호로서 받은 후, 받은 전기적인 신호를 기초로 광원에 대한 광 발생을 수행하고, 발생한 광이 시준렌즈를 통해 평행광으로 적분구(110) 내부로 출력하도록 한다.

여기 필터(excitation filter)는 도 3에 도시된 바와 같은 광학적 특성을 가지며, 이를 통해 특정 대역의 파장을 적분구(110) 내부로 조사시켜서 완전 반사를 일으킨다.

이에, 적분구(110) 내부 공간 내의 모든 영역에서 동일한 광도값을 갖게 되며, 시료가 놓인 시료 영역에서도 동일한 광도값을 갖게 된다. 이후, 시료에서는 광 에너지를 받아서 생물학적 또는 화학적으로 형광 또는 발광 현상을 일으킨다.

광검출부(150)는 광검출소자, 검출 필터(emission filter)를 포함하며, 적분구(110) 표면 근처에 결합한다.

또한, 검출 필터(emission filter)도 도 3에 도시된 바와 같은 광학적 특성을 가지며, 이를 통해 형광 또는 발광 현상이 일어난 특정 파장의 대역을 선택하여 광검출소자의 유효 검출 영역에 단위 면적의 단위 시간당 동일한 광도값의 형태로서 입사되도록 한다.

아울러, 광 측정장치(100)는 광검출부(150)를 통해 측정된 광자를 전류 대 전압으로 변환해주기 위한 검출제어회로부를 더 포함할 수 있다.

이러한 검출제어회로부는 자동온도제어회로, 냉각소자, 온도센서 및 증폭검출회로를 포함할 수 있으며, 이는 광검출부(150)의 암전류(dark current) 발생을 최소화하기 위한 구성을 포함한 것이다.

즉, 광검출부(150)로 입사된 광자는 증폭검출회로를 통해 전류 대 전압의 전기적인 신호로 변환되어 제어부(120)로 입력된다. 이후, 제어부(120)로 입력된 전기적인 신호는 화면 표시부를 통해 그래프 등의 형태로 출력된다.

광검출소자는 온도의 변화에 따라 암전류(dark current)가 증가 또는 감소하는 현상을 나타내며, 이러한 암전류(dark current)를 최소화하기 위하여 광검출소자를 일정한 온도로 냉각시켜 주기 위한 냉각소자와 온도센서를 구비하는 것이 바람직하다.

도 2는 도 1에 도시된 적분구(110)의 여러 형태를 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 적분구(110)는 구형 또는 반구형 모양일 수 있으며, Lambertian Surface로 적분구(110) 내의 모든 영역에서 단위 면적의 단위 시간 동안 동일한 광도 값을 갖도록 구현되는 것이 바람직하다.

이러한 적분구(110) 내부 면에는 완전 반사를 위해 반사물질(황산 바륨 등)의 도료가 코딩된다.

도 4는 도 1에 도시된 광 측정장치(100)의 동작 과정을 일실시 예로 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(120)는 교정 모드를 통해 미리 정해진 게인 선택 회로에 의해 복수 개의 게인 중 특정 게인을 선택하여 증폭검출회로를 활성화하는 것도 가능하다. 아울러, 복수 개의 증폭 게인은 자동으로 선택되어 증폭검출회로의 검출 영역을 기 교정하거나, 사용자가 원하는 시점에 교정 연산을 수행하는 것이 가능하다.

또한, 교정광원부(140)는 제어부(120)로부터 발생한 제어 신호를 전류 제어 구성을 거쳐 선형적으로 변화하는 전류 값을 인가받으며, 인가된 전류 값에 대응하는 교정 광원 출력을 수행함에 따라 적분구(110) 내 시료에 인가되는 광도 값을 변화시킨다.

위 언급된 교정 과정이 종료된 후, 실제 광 측정에서는 이송자가 게인 선택자의 위치까지 수동 또는 자동으로 이동된다.

여기서, 게인 선택자에 의해서 측정하고자 하는 시료의 측정범위를 결정하는 것이 가능하다.

제어부(120)에서 광원부(130)를 켜기 위한 전기적인 신호를 주어 게인 선택자에 광을 조사한다. 조사된 광에 의해서 형광이 나타나게 되면 광검출부(150)에 형광이 입사하게 되고, 증폭검출회로의 전류 대 전압 변환 과정을 거쳐서 제어부(120)로 측정된 값이 전달된다.

이후, 이송자의 시료가 놓여 진 위치까지 수동 또는 자동으로 들어가면 제어부(120)에서 광원부(130)를 켜기 위한 전기적인 신호를 다시 주어 시료에 광을 조사한다. 조사된 광에 의해서 형광이 나타나게 되면 광검출부(150)에 형광이 입사하게 되고, 증폭검출회로의 전류 대 전압 변환과정을 거쳐서 제어부(120)로 측정된 값이 전달되어 회면 표시부에 시료의 측정 값이 표시된다.

또한, 본 발명의 광검출부(150) 및 교정광원부(140)를 한 쌍으로서 광 측정장치(100)에 구비할 수 있으며, 더 나아가 광 측정장치(100)에 상기 광검출부(150) 및 교정광원부(140)를 복수의 쌍으로 구비하는 것도 가능하다.

도 5는 도 1에 도시된 광 측정장치(100)의 광학필터 조합을 일실시 예로 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 여기 필터(excitation filter) 및 검출 필터(emission filter)는 다양한 광학필터 조합으로 이루어질 수 있으며, 여기광원 파장과 형광발광 파장이 상호 중첩되지 않는 필터로서 조합될 수 있다.

하지만, 경우에 따라서 여기광원 파장과 형광발광 파장이 중첩되는 광학필터 조합으로도 구성될 수도 있다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 적분구(110)는 제1 적분구(110)와 제2 적분구(110)를 조합하여 제1 적분구(110)에서 제1 시료를 측정하고, 소정의 광 전달 구성을 이용하여 제2 적분구(110)에서 제2 시료를 측정하는 방식으로 구비되는 것 또한 가능하다.

또한, 상기 적분구(110)는 반구형 모양의 제1 적분구(110) 및 제2 적분구(110)를 조합하는 형태로 가능하다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

또한, 본 발명은 광검출소자의 유효 검출 영역에 균일한 광도를 모두 입사 가능한 적분구를 이용하여 광검출소자의 초점거리 세팅에 따른 광 측정 편차를 방지하고, 적분구 내의 시료에 대한 형광 발생을 교정할 수 있도록 하기 위한 것임에 따라, 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

100: 광 측정장치 110: 적분구
120: 제어부 130: 광원부
140: 교정광원부 150: 광검출부

Claims (6)

1. 시료로부터 발생한 형광을 균일한 광도로서 난반사하기 위한 적분구;
   상기 적분구에 의한 형광 측정을 제어하는 제어부;
   상기 형광 측정을 위한 제어 신호를 토대로 상기 적분구 내의 시료에 형광 발생을 위한 여기 에너지를 인가하는 광원부;
   상기 형광 발생을 교정하기 위한 교정광원부;
   상기 적분구로부터 난반사되어 제공되는 균일한 광도의 형광을 검출하고, 검출한 결과 값을 상기 제어부에 제공하는 광검출부; 및
   상기 적분구의 외부에서 내부로 상기 시료를 정밀하게 이송하기 위한 이송구조물를 포함하며,
   상기 이송구조물의 끝단 면은 상기 적분구의 내부 벽에 대한 일부 영역을 포함하는 형상인 적분구에 의한 광 측정장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. [청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

   제1 항에 있어서,
   상기 적분구에 의한 광 측정장치는 상기 광검출부의 암전류 발생을 줄이기 위한 냉각소자 및 온도센서를 포함하는 검출제어회로부;를 더 포함하는 적분구에 의한 광 측정장치.
5. [청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

   제1 항에 있어서,
   상기 광원부에 포함되는 여기 필터와 상기 광검출부에 포함되는 검출 필터는 여기광원 파장과 형광발광 파장이 상호 중첩되지 않는 조합으로 구비되거나, 여기광원 파장과 형광발광 파장이 상호 중첩되는 조합으로 구비되는 적분구에 의한 광 측정장치.
6. [청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

   제1 항에 있어서,
   상기 적분구에 의한 광 측정장치는 상기 시료의 측정 범위를 결정하기 위한 게인 선택자;를 더 포함하는 적분구에 의한 광 측정장치.
   

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