KR102498122B1 - 분광 장치와, 분광 방법, 및 생체신호 측정장치 - Google Patents
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Abstract
분광 장치와, 분광 방법, 및 생체신호 측정장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 분광 장치는 입사광을 1차 분광하는 분산 요소(dispersive element)와, 분산 요소에 의해 분광된 광을 2차 분광하되 분산 요소보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하여 디텍터로 제공하는 필터 어레이(filter array)를 포함할 수 있다.
Description
물질이 방출 또는 흡수하는 스펙트럼을 측정하는 분광 기술과 관련된다.
분광 장치(spectrometer)는 물질이 방출 또는 흡수하는 스펙트럼을 측정하여 물질의 정성 분석, 정량 분석, 상태 분석을 하는데 사용된다. 이러한 분광 장치에 의하면, 생체로부터 비침습적으로 혈당, 콜레스테롤 등과 관련한 생체신호를 측정할 수 있다. 분광 장치가 웨어러블 기기, 모바일 기기 등에 장착된다면, 비침습적으로 다양한 생체신호를 측정하여 모바일 헬스케어 분야에 활용될 수 있다. 이를 위해, 분광 장치의 소형화가 요구된다.
소형화를 구현하면서 분광 분해능을 높일 수 있는 분광 장치, 분광 방법, 및 생체신호 측정장치가 제시된다.
일 양상에 따른 분광 장치는 입사광을 1차 분광하는 분산 요소(dispersive element)와, 분산 요소에 의해 분광된 광을 2차 분광하되 분산 요소보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하여 디텍터로 제공하는 필터 어레이(filter array)를 포함할 수 있다.
필터 어레이는 투과형 필터들 또는 반사형 필터들을 포함하여 파장대별로 디텍터에 집적될 수 있다. 분광 장치는 입사광을 콜리메이팅시켜 분산 요소로 전달하는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)를 더 포함할 수 있다. 분산 요소는 콜리메이팅을 거친 입사광을 분광시키면서 투과시키는 투과형 회절 격자(diffraction grating)를 포함할 수 있다. 또는, 분산 요소는 프리즘을 포함할 수 있다. 분광 장치는 분산 요소에 의해 분광된 광을 집속시켜 필터 어레이로 전달하는 초점 렌즈(focal lens)를 더 포함할 수 있다.
다른 양상에 따른 분광 장치의 분산 요소는 입사광을 분광시키면서 반사시키는 반사형 회절 격자를 포함할 수 있다. 여기서, 반사형 회절 격자는 필터 어레이의 광 입사면에 대해 경사진 반사 평면에 그레이팅이 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
분광 장치는 라만 산란광을 포함한 입사광으로부터 라만 산란광 이외의 성분을 제거해서 필터 어레이로 전달하는 제거 필터(rejection filter)를 더 포함할 수 있다.
분광 장치는 라만 산란광을 포함한 입사광을 반사형 회절 격자로 콜리메이팅시키는 포물면 집광기(Parabolic Concentrator)를 더 포함할 수 있다.
다른 양상에 따른 분광 장치의 반사형 회절 격자는 필터 어레이의 광 입사면을 향해 오목하게 굽어진 반사 곡면에 그레이팅이 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
다른 양상에 따른 분광 장치의 분산 요소는 간섭 필터(interference filter)를 포함할 수 있다. 여기서, 필터 어레이는 필터들이 동심으로 파장대별로 배열될 수 있다.
일 양상에 따른 분광 방법은 입사광을 1차 분광하는 단계와, 1차 분광을 거친 광을 1차 분광보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 1차 분광하는 단계 전에 입사광을 콜리메이팅시킬 수 있다. 입사광을 투과형 회절 격자 또는 프리즘에 의해 1차 분광할 수 있다. 2차 분광하기 단계 전에 1차 분광된 광을 집속시킬 수 있다.
다른 양상에 따른 분광 방법은 입사광을 반사형 회절 격자에 의해 1차 분광하는 과정을 포함할 수 있다.
다른 양상에 따른 분광 방법은 입사광을 간섭 필터에 의해 1차 분광하는 과정을 포함할 수 있다. 여기서, 2차 분광하는 단계는 1차 분광된 광을 동심으로 파장대별로 배열된 필터들에 의해 2차 분광하는 과정을 포함할 수 있다.
일 양상에 따른 생체신호 측정장치는 피측정체에 단색광을 조사하여 라만 산란을 발생시키는 광원과, 피측정체로부터 라만 산란되어 입사되는 광을 1차 분광한 후 1차 분광보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하는 분광 장치, 및 필터 어레이에 의해 2차 분광된 광을 검출하는 디텍터를 포함할 수 있다.
분광 장치는 입사광을 1차 분광하는 분산 요소와, 분산 요소에 의해 분광된 광을 2차 분광하되 분산 요소보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하는 필터 어레이를 포함할 수 있다.
분산 요소는 필터 어레이의 광 입사면에 대해 경사진 반사 평면에 그레이팅이 형성된 반사형 회절 격자를 포함할 수 있다. 생체신호 측정장치는 입사광으로부터 라만 산란광 이외의 성분을 제거해서 필터 어레이로 전달하는 제거 필터를 더 포함할 수 있다. 생체신호 측정장치는 입사광을 반사형 회절 격자로 콜리메이팅시키는 포물면 집광기를 더 포함할 수 있다.
다른 양상에 따른 생체신호 측정장치는 피측정체에 적외선 광을 조사하는 광원과, 피측정체로부터 반사되어 입사되는 광을 1차 분광한 후 1차 분광보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하는 분광 장치, 및 필터 어레이에 의해 2차 분광된 광을 검출하는 디텍터를 포함할 수 있다.
분광 장치의 사이즈를 작게 유지하면서 입사광을 고해상도로 측정할 수 있다. 따라서, 생체신호 측정장치의 소형화를 구현할 수 있다. 또한, 광손실도 최소화할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 있어서, 1차 분광된 광을 필터들에 의해 2차 분광하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 있어서, 필터 어레이의 일부를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3에 있어서, 필터의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 3에 있어서, 필터의 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 1에 있어서, 분산 요소의 다른 예를 도시한 구성도이다.
도 7은 제2 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 8은 제3 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 9는 제4 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 10은 도 9에 있어서, 간섭 필터의 일 예에 대한 단면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 간섭 필터의 작용을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 도 9에 있어서, 필터들이 파장대별로 배열된 예를 도시한 도면이다.
도 13은 제1 실시예에 따른 생체신호 측정장치의 구성도이다.
도 14는 도 13에 도시된 생체신호 측정장치에 대한 제어 블록도이다.
도 15는 도 14에 있어서, 표시부와 통신부가 더 포함된 예를 도시한 제어 블록도이다.
도 16은 제2 실시예에 따른 생체신호 측정장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 있어서, 1차 분광된 광을 필터들에 의해 2차 분광하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 있어서, 필터 어레이의 일부를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3에 있어서, 필터의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 3에 있어서, 필터의 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 1에 있어서, 분산 요소의 다른 예를 도시한 구성도이다.
도 7은 제2 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 8은 제3 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 9는 제4 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 10은 도 9에 있어서, 간섭 필터의 일 예에 대한 단면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 간섭 필터의 작용을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 도 9에 있어서, 필터들이 파장대별로 배열된 예를 도시한 도면이다.
도 13은 제1 실시예에 따른 생체신호 측정장치의 구성도이다.
도 14는 도 13에 도시된 생체신호 측정장치에 대한 제어 블록도이다.
도 15는 도 14에 있어서, 표시부와 통신부가 더 포함된 예를 도시한 제어 블록도이다.
도 16은 제2 실시예에 따른 생체신호 측정장치의 구성도이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 기재된 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 분광 장치, 생체신호 측정장치의 실시예들에 대해 도면들을 참조하여 자세히 설명하도록 한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다. 도 2는 도 1에 있어서, 1차 분광된 광을 2차 분광하는 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 도 1에 있어서, 필터 어레이의 일부를 분해하여 도시한 사시도이다. 도 4는 도 3에 있어서, 필터의 일 예를 도시한 단면도이다. 도 5는 도 3에 있어서, 필터의 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 제1 실시예에 따른 분광 장치(100)는 분산 요소(dispersive element, 110)와, 필터 어레이(filter array, 120)를 포함한다.
분산 요소(110)는 입사광을 1차 분광한다. 즉, 분산 요소(110)는 입사되는 광을 파장에 따라 다른 각도로 분해하여 배열한다. 필터 어레이(120)는 분산 요소(110)에 의해 분광된 광을 2차 분광하되, 분산 요소(110)보다 높은 분광 분해능(spectral resolution)으로 2차 분광하여 디텍터(detector, 130)로 제공한다. 즉, 필터 어레이(120)는 분산 요소(110)를 거쳐 분해된 광을 파장에 따라 분산 요소(110)보다 세분화하여 디텍터(130)로 제공한다.
따라서, 디텍터(130)가 분광 장치(100)의 소형화를 위해 분산 요소(110)로부터 짧은 초점 거리(focal length)로 위치되어 분산 요소(110)의 분광 분해능을 낮추더라도, 비교적 작은 공간을 차지하는 필터 어레이(120)에 의해 분산 요소(110)의 분광 분해능보다 높은 분광 분해능을 확보할 수 있다. 따라서, 분광 장치(100)는 사이즈를 작게 유지하면서 입사광을 고해상도로 측정할 수 있게 한다. 또한, 입사광은 분산 요소(110)에 의해 파장에 따라 다른 각도로 분해되어 필터 어레이(120)의 각 해당 분광 영역으로 전달되므로, 필터 어레이(120)의 분광 분해능을 높이더라도, 분산 요소(110)가 구비되지 않은 경우에 비해 광손실이 줄어들 수 있다.
본 실시예에서, 분산 요소(110)는 회절 격자를 포함할 수 있다. 회절 격자는 광의 회절 및 간섭 현상을 이용하여 광의 스펙트럼을 파장에 따라 분리하는 소자이다. 회절 격자는 광의 성분을 파장의 순서대로 배열할 수 있다. 회절 격자는 콜리메이팅(collimating)을 거친 입사광을 분광시키면서 투과시키는 투과형 회절 격자일 수 있다.
콜리메이팅 렌즈(140)는 광이 입사되는 기준으로 투과형 회절 격자의 전방에 배치될 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(140)는 입사광을 콜리메이팅시켜 투과형 회절 격자로 전달할 수 있다. 즉, 콜리메이팅 렌즈(140)는 입사광을 평행광으로 만들어 투과형 회절 격자로 전달한다. 콜리메이팅 렌즈(140)는 전술한 기능을 수행하는 범주에서, 단순 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈 등과 같이 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
일 예로서, 투과형 회절 격자는 복수의 슬릿(slit)이 등간격으로 배열된 형태로 이루어질 수 있다. 물론, 다른 형태의 투과형 회절격자가 사용될 수도 있다. 투과형 회절 격자가 복수의 슬릿으로 구성되는 경우 다음과 같이 작용할 수 있다.
투과형 회절 격자의 슬릿을 통과한 광은 그대로 직진하지 않고 호이겐스의 원리에 의하여 회절되어 원 기둥 형태로 퍼져 나간다. 이 광과 이웃하는 슬릿으로 통과한 광의 광로(optical path) 차이가 파장의 정수배가 되는 조건이라면, 서로 보강 간섭이 일어나 광이 강해지지만, 광로 차이가 파장의 정수배가 아닐 때에는 광이 소멸한다. 보강 간섭이 일어나는 조건은 광의 파장에 따라 달라지기 때문에, 여러 파장으로 섞여 있는 광은 투과형 회절 격자에 의해 파장대별로 분리될 수 있다.
분산 요소(110), 예컨대 투과형 회절 격자에 의해 분광된 광은 초점 렌즈(focal lens, 150)를 거쳐 필터 어레이(120)로 전달될 수 있다. 초점 렌즈는 투과형 회절 격자를 거쳐 분광된 광을 집속시켜 필터 어레이(120)로 전달한다. 투과형 회절 격자를 거쳐 분광된 광은 초점 렌즈(150)에 의해 필터 어레이(120)의 필터링 면에 모일 수 있다. 초점 렌즈(150)는 단초점 렌즈(short focal length lens)로 이루어져 분광 장치(100)의 소형화에 더욱 기여할 수 있다. 물론, 초점 렌즈(150)는 전술한 기능을 수행하는 범주에서 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
필터 어레이(120)는 필터(121)들을 포함하여 파장대별로 디텍터(130)에 집적될 수 있다. 투과형 회절 격자를 거쳐 분광되는 광의 성분이 파장의 순서대로 배열되어 필터 어레이(120)로 전달되는 경우, 필터(121)들은 투과형 회절 격자에 의한 광 성분의 파장 순서와 동일한 순서로 파장대별로 배열될 수 있다. 필터(121)들은 파장대별로 1열로 배열될 수 있다. 필터(121)들은 복수의 열로 배열되어 행마다 동일 파장대로 배열될 수도 있다.
필터(121)들은 투과형 회절 격자에 의해 분광된 광을 파장에 따라 회절 격자보다 세분화한다. 예컨대, 필터(121)들은 투과형 회절 격자에 의해 10nm의 분광 분해능으로 분광된 광을 전달받아, 2nm의 분광 분해능으로 분광하도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 필터 어레이(120)의 필터(121)들 중 투과형 회절 격자에 의한 1차 분광 결과 중 860~870nm 파장(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5)의 광을 필터들(121a, 121b, 121c, 121d, 121e)이 전달받을 경우, 필터들(121a, 121b, 121c, 121d, 121e)은 전달 받은 광에 대해 2nm 간격으로 2차 분광을 각각 수행할 수 있다. 이 경우, 필터들(121a, 121b, 121c, 121d, 121e)은 입력되는 860~870nm의 광을 각각 860~862nm 파장(λ1), 862~864nm 파장(λ2), 864~866nm 파장(λ3), 866~868nm 파장(λ4), 868~870nm 파장(λ5)의 광으로 분광하도록 구성될 수 있다.
투과형 회절 격자에 의해 10nm의 분광 분해능으로 분광된 다른 파장대의 광을 전달받는 필터(121)들도 전술한 예와 같이 2nm의 분광 분해능으로 분광하도록 구성될 수 있다. 이에 한정되지 않고, 필터(121)들은 2nm의 분광 분해능보다 크거나 작은 분광 분해능으로 분광할 수 있음은 물론이다.
일 예로, 필터(121)는 투과형 필터일 수 있다. 투과형 필터들은 각각 특정 파장대의 광을 투과시키도록 구성된다. 투과형 필터는 투과형 간섭 필터(122)로 이루어질 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 투과형 간섭 필터(122)는 투명막(122a)의 양쪽에 반투명의 반사막(122b)들을 붙인 구성으로 이루어질 수 있다.
투과형 간섭 필터(122)는 간섭에 의해 투명막(122a)의 광학적 두께(optical thickness)로 결정되는 특정 파장의 광만을 투과시키고 나머지 파장의 광을 반사시킬 수 있다. 투명막(122a)의 광학적 두께는 굴절률에 두께(D)를 곱한 것이다. 투명막(122a)의 광학적 두께는 투과시키고자 하는 파장의 1/2로 설정될 수 있다. 이러한 투과형 간섭 필터(122)들은 파장대별로 투명막(122a)의 광학적 두께가 다르게 설정되어 디텍터(130) 상에 배열될 수 있다. 투과형 간섭 필터(122)는 고굴절률 박막과 저굴절률 박막을 교대로 겹친 구성으로 이루어질 수도 있다.
다른 예로, 필터 어레이(120)는 반사형 필터들을 포함하여 파장대별로 디텍터에 집적될 수 있다. 반사형 필터는 반사형 간섭 필터(123)로 이루어질 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 반사형 간섭 필터(123)는 금속 거울(123a) 위에 투명막(123b)과 금속의 반투명막(123c)을 겹친 구성으로 이루어질 수 있다. 반사형 간섭 필터(123)는 투명막(123b)의 광학적 두께에 따라 특정 파장의 광만을 반사시키고 나머지 파장의 광을 통과시킬 수 있다.
디텍터(130)는 필터 어레이(120)에 의해 파장대별로 분광된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환할 수 있다. 디텍터(130)는 포토 다이오드(photo diode), CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 등의 어느 하나의 소자들이 어레이 형태로 구현되어 디텍터 픽셀(131)들을 이룰 수 있다. 일 예로, 필터(121)들은 디텍터 픽셀(131)들과 일대일 대응되도록 구성될 수 있다. 다른 예로, 하나의 필터(121)는 서로 인접해 있는 복수 개의 디텍터 픽셀(131)들과 대응되도록 구성될 수도 있다.
디텍터 픽셀(131)들은 해당 필터(121)를 통과한 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하여 신호 처리부로 제공할 수 있다. 신호 처리부는 디텍터 픽셀(131)들로부터 제공되는 전기적 신호를 처리한다. 신호 처리부는 필터(121)들의 파장대별 위치 데이터를 기초로, 필터(121)들과 대응되는 디텍터 픽셀(131)들이 위치한 데이터 어드레스들을 찾아 식별번호를 부여하고, 식별번호들을 필터(121)들의 위치번호들과 매칭하여 어드레스 맵들을 각각 만들 수 있다. 어드레스 맵들은 메모리에 저장될 수 있다.
신호 처리부는 메모리에 저장된 어드레스 맵들에 의해 필터(121)들을 각각 통과한 광량을 획득할 수 있다. 필터(121)가 투과형 필터로 이루어진 경우, 신호 처리부는 필터(121)들을 각각 통과한 광량을 파장대별 광량으로 획득할 수 있다. 필터(121)가 반사형 필터로 이루어진 경우, 신호 처리부는 필터(121)들을 각각 통과한 광량을 기초로 각 필터(121)로부터 반사되는 광량을 연산함으로써, 파장대별 광량을 획득할 수 있다.
예컨대, 파장을 λ, 광량을 Q로 나타내면, 신호 처리부는 필터(121)들을 각각 통과한 광량을 기초로, λ2+λ3+λ4+…λN=Q1, λ1+λ3+λ4+…λN=Q2,…, λ1+λ2+λ3…λN-1=QN의 연립 방정식들을 이용하여 각 필터(121)로부터 반사되는 광량을 연산함으로써, 파장대별 광량을 산출할 수 있다.
다른 예로, 도 6에 도시된 바와 같이, 분산 요소(110')는 프리즘을 포함할 수 있다. 프리즘은 콜리메이팅 렌즈(140)에 의해 콜리메이팅된 입사광을 파장에 따라 다른 각도로 분해하여 배열한다. 프리즘은 광을 굴절시킬 수 있는 광학적 평면을 2개 이상 가진 투명체로서 적어도 한 쌍의 면이 평행하지 않은 모양으로 이루어진다. 프리즘은 삼각주 모양으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 광을 프리즘에 통과시키면, 파장에 따른 굴절률이 달라 분산이 이루어지므로, 스펙트럼이 얻어질 수 있다.
프리즘에 의해 분광된 광은 초점 렌즈(150)를 거쳐 필터 어레이(120)로 전달될 수 있다. 프리즘을 거쳐 분광된 광은 초점 렌즈(150)에 의해 필터 어레이(120)의 필터링 면에 모일 수 있다. 초점 렌즈(150)는 단초점 렌즈로 이루어져 분광 장치(100)의 소형화에 더욱 기여할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
전술한 예와 같이, 필터 어레이(120)는 필터(121)들을 포함하여 파장대별로 디텍터(130)에 집적될 수 있다. 프리즘을 거쳐 분광되는 광의 성분이 파장의 순서대로 배열되어 필터 어레이(120)로 전달되는 경우, 필터(121)들은 프리즘에 의한 광 성분의 파장 순서와 동일한 순서로 파장대별로 배열될 수 있다. 필터(121)들은 파장대별로 1열로 배열될 수 있다. 필터(121)들은 복수의 열로 배열되어 행마다 동일 파장대로 배열될 수도 있다. 필터(121)들은 프리즘에 의해 분광된 광을 파장에 따라 프리즘보다 세분화한다. 필터(121)는 투과형 필터 또는 반사형 필터로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 제1 실시예의 분광 장치(100)는 입사광을 각 파장에 따라 다른 각도로 분산시키기 위해 분산 요소(110)의 투과형 회절 격자 또는 분산 요소(110')의 프리즘이 구비되고, 소형화를 위해 디텍터(130)가 분산 요소(110, 110')로부터 비교적 짧은 초점 거리로 위치되며, 디텍터(130)에 분산 요소(110, 110')보다 높은 분광 분해능으로 분광하는 필터 어레이(120)가 디텍터(130)에 집적된다. 따라서, 분광 장치(100)의 사이즈를 작게 유지하면서 입사광을 고해상도로 측정할 수 있으며, 광손실도 최소화할 수 있게 된다.
전술한 제1 실시예의 분광 장치(100)에 의한 분광 방법을 설명하면 다음과 같다.
입사광을 1차 분광한다. 이때, 입사광을 분산 요소(110)의 투과형 회절 격자 또는 분산 요소(110')의 프리즘에 의해 1차 분광할 수 있다. 따라서, 입사광은 분산 요소(110, 110')를 거치면서 파장에 따라 분해되어 배열될 수 있다. 1차 분광하기 전에 입사광을 콜리메이팅 렌즈(140)에 의해 콜리메이팅시킬 수 있다.
생체신호 측정을 위해 적외선 분광법을 사용하는 경우, 입사광은 적외선 광이 피측정체로 조사되어 피측정체로부터 반사되는 광을 포함할 수 있다. 생체신호 측정을 위해 라만 분광법을 사용하는 경우, 입사광은 단색광이 피측정체에 조사되어 피측정체로부터 라만 산란된 광을 포함할 수 있다. 피측정체는 인체의 피부나 동물 등의 생체일 수 있다.
그 다음, 1차 분광을 거친 광을 1차 분광보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광한다. 이때, 1차 분광을 거친 광을 필터 어레이(120)에 의해 2차 분광할 수 있다. 필터 어레이(120)는 분산 요소(110, 110')를 거쳐 1차 분광된 광을 파장에 따라 1차 분광보다 세분화할 수 있다.
2차 분광하기 전에 1차 분광된 광을 초점 렌즈(150)에 의해 집속시킬 수 있다. 따라서, 1차 분광된 광은 초점 렌즈(150)에 의해 필터 어레이(120)의 필터링 면에 모이며, 필터 어레이(120)에 의해 2차 분광되어 디텍터(130)로 제공될 수 있다. 디텍터(130)는 필터 어레이(120)에 의해 파장대별로 분광된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환할 수 있다. 신호 처리부는 디텍터(130)로부터 전기적 신호를 제공받아 파장대별 광량을 획득할 수 있다.
도 7은 제2 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 7을 참조하면, 제2 실시예에 따른 분광 장치(200)는 분산 요소(210)와, 필터 어레이(220)를 포함한다.
분산 요소(210)는 입사광을 분광시키면서 반사시키는 반사형 회절 격자를 포함한다. 반사형 회절 격자는 필터 어레이(220)의 광 입사면에 대해 경사진 반사 평면에 그레이팅이 형성된다. 즉, 반사형 회절 격자는 반사 평면에 다수의 홈이 평행하게 등간격으로 새겨진 형태로 이루어짐으로써, 각 홈에서의 회절광끼리의 간섭으로 스펙트럼을 얻을 수 있게 한다. 따라서, 반사형 회절 격자는 입사광을 파장에 따라 다른 각도로 분해해서 필터 어레이(220)로 반사시킬 수 있다.
입사광은 단색광이 피측정체에 조사되어 피측정체로부터 라만 산란되는 광을 포함하는 경우, 포물면 집광기(Parabolic Concentrator, 240)는 라만 산란광을 포함한 입사광을 반사형 회절 격자로 콜리메이팅시킬 수 있다. 포물면 집광기(240)는 정점 부위가 피측정체를 향해 배치되며, 정점 부위에 입사광을 진입시키는 홀을 갖는다. 포물면 집광기(240)는 반사 내면을 갖고 반사형 회절 격자를 향한 부위가 개구됨으로써, 내부로 진입되어 반사 내면에 의해 반사되는 입사광을 반사형 회절 격자로 콜리메이팅시켜 전달할 수 있다.
또한, 제거 필터(rejection filter, 250)는 라만 산란광을 포함한 입사광으로부터 라만 산란광 이외의 성분을 제거해서 필터 어레이(220)로 전달할 수 있다. 예컨대, 레이저 광선이 피측정체에 조사되어 피측정체로부터 라만 산란되면, 레이저 광선이 라만 산란광에 혼입되어 반사형 회절 격자를 거쳐 필터 어레이(220)로 진행한다. 이때, 제거 필터(250)는 반사형 회절 격자와 필터 어레이(220) 사이에서 레이저 광선을 차단함으로써, 고강도의 레이저 광선이 필터 어레이(220)로 유입되지 않게 한다. 제거 필터는 레이저 파장을 제거하도록 구성된다.
필터 어레이(220)는 전술한 예의 필터(121)들을 포함하여 파장대별로 디텍터(230)에 집적될 수 있다. 디텍터(230)도 전술한 예의 디텍터(130)와 같이 구성될 수 있다. 반사형 회절 격자를 거쳐 분광되는 광의 성분이 파장의 순서대로 배열되어 필터 어레이(220)로 전달되는 경우, 필터(121)들은 반사형 회절 격자에 의한 광 성분의 파장 순서와 동일한 순서로 파장대별로 배열될 수 있다. 필터(121)들은 파장대별로 1열로 배열될 수 있다. 필터(121)들은 복수의 열로 배열되어 행마다 동일 파장대로 배열될 수도 있다. 필터(121)들은 반사형 회절 격자에 의해 분광된 광을 파장에 따라 반사형 회절 격자보다 세분화한다. 필터(121)는 투과형 필터 또는 반사형 필터로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 제2 실시예의 분광 장치(200)는 입사광을 각 파장에 따라 다른 각도로 분산시키기 위해 분산 요소(210)의 반사형 회절 격자가 구비되고, 소형화를 위해 디텍터(230)가 분산 요소(210)로부터 비교적 짧은 초점 거리로 위치되며, 분산 요소(210)보다 높은 분광 분해능으로 분광하는 필터 어레이(220)가 디텍터(230)에 집적된다. 따라서, 분광 장치(200)의 사이즈를 작게 유지하면서 입사광을 고해상도로 측정할 수 있으며, 광손실도 최소화할 수 있게 된다.
전술한 제2 실시예의 분광 장치(200)에 의한 분광 방법을 설명하면 다음과 같다.
입사광을 분산 요소(210)의 반사형 회절 격자에 의해 1차 분광한다. 이때, 입사광은 분산 요소(210)를 거치면서 파장에 따라 분해되어 배열될 수 있다. 1차 분광하기 전에 입사광을 포물면 집광기(240)에 의해 분산 요소(210)로 콜리메이팅시킬 수 있다.
그 다음, 1차 분광을 거친 광을 1차 분광보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광한다. 이때, 1차 분광을 거친 광을 필터 어레이(220)에 의해 2차 분광할 수 있다. 필터 어레이(220)는 분산 요소(210)를 거쳐 1차 분광된 광을 파장에 따라 1차 분광보다 세분화할 수 있다.
생체신호 측정을 위해 라만 분광법을 사용하는 경우, 2차 분광하기 전에 1차 분광된 광으로부터 제거 필터(250)에 의해 라만 산란광 이외의 레이저 광선을 제거할 수 있다. 레이저 광선이 제거된 라만 산란광은 필터 어레이(220)에 의해 2차 분광되어 디텍터(230)로 제공될 수 있다. 디텍터(230)는 필터 어레이(220)에 의해 파장대별로 분광된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환할 수 있다. 신호 처리부는 디텍터(230)로부터 전기적 신호를 제공받아 파장대별 광량을 획득할 수 있다.
도 8은 제3 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다.
도 8을 참조하면, 제3 실시예에 따른 분광 장치(300)는 분산 요소(310)와, 필터 어레이(320)를 포함한다.
분산 요소(310)는 필터 어레이(320)의 광 입사면을 향해 오목하게 굽어진 반사 곡면에 그레이팅이 형성된 반사형 회절 격자를 포함한다. 반사형 회절 격자는 반사 곡면에 다수의 홈이 평행하게 등간격으로 새겨진 형태로 이루어짐으로써, 각 홈에서의 회절광끼리의 간섭으로 스펙트럼을 얻을 수 있게 한다. 따라서, 반사형 회절 격자는 입사광을 파장에 따라 다른 각도로 분해해서 필터 어레이(320)로 반사시킬 수 있다.
예컨대, 반사형 회절 격자는 렌즈(340)의 바깥 면에 형성될 수 있다. 렌즈(340)는 반구형으로 이루어질 수 있다. 반사형 회절 격자는 렌즈(340)의 정점 부위에 배치될 수 있다. 렌즈(340)는 광투과성을 갖는 재질로 형성된다. 렌즈(340)는 슬릿(350)을 통해 입사되는 광을 반사형 회절 격자로 전달하며, 반사형 회절 격자에 의해 분광된 광을 필터 어레이(320)로 집속시킨다.
반사형 회절 격자는 렌즈(340)의 바깥 면에 형성되는 회절층(diffraction layer, 310a)과, 회절층(310a)의 바깥 면에 형성되는 반사층(reflection layrer, 311b)을 포함할 수 있다. 회절층(310a)은 나노 임프린트(nano imprint) 등의 방식에 의해 다수의 그레이팅 홈들을 갖도록 형성될 수 있다. 반사층(310b)은 알루미늄, 금 등의 재질로 형성될 수 있다.
필터 어레이(320)는 전술한 예의 필터(121)들을 포함하여 파장대별로 디텍터(330)에 집적될 수 있다. 디텍터(330)도 전술한 예의 디텍터(130)와 같이 구성될 수 있다. 반사형 회절 격자를 거쳐 분광되는 광의 성분이 파장의 순서대로 배열되어 필터 어레이(320)로 전달되는 경우, 필터(121)들은 반사형 회절 격자에 의한 광 성분의 파장 순서와 동일한 순서로 파장대별로 배열될 수 있다. 필터(121)들은 파장대별로 1열로 배열될 수 있다. 필터(121)들은 복수의 열로 배열되어 행마다 동일 파장대로 배열될 수도 있다. 필터(121)들은 반사형 회절 격자에 의해 분광된 광을 파장에 따라 반사형 회절 격자보다 세분화한다. 필터(121)는 투과형 필터 또는 반사형 필터로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 제3 실시예의 분광 장치(300)는 입사광을 각 파장에 따라 다른 각도로 분산시키기 위해 분산 요소(310)의 반사형 회절 격자가 구비되고, 소형화를 위해 디텍터(330)가 분산 요소(310)로부터 비교적 짧은 초점 거리로 위치되며, 분산 요소(310)보다 높은 분광 분해능으로 분광하는 필터 어레이(320)가 디텍터(330)에 집적된다. 따라서, 분광 장치(300)의 사이즈를 작게 유지하면서 입사광을 고해상도로 측정할 수 있으며, 광손실도 최소화할 수 있게 된다.
전술한 제3 실시예의 분광 장치(300)에 의한 분광 방법을 설명하면 다음과 같다.
입사광을 분산 요소(310)의 반사형 회절 격자에 의해 1차 분광한다. 이때, 입사광은 슬릿(350)을 통해 분산 요소(310)로 입사되며, 분산 요소(310)를 거치면서 파장에 따라 분해되어 배열될 수 있다. 이때, 렌즈(340)는 슬릿(350)을 통해 입사되는 광을 분산 요소(310)로 전달하며, 분산 요소(310)에 의해 분광된 광을 필터 어레이(320)로 집속시킬 수 있다.
그 다음, 1차 분광을 거친 광을 1차 분광보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광한다. 이때, 1차 분광을 거친 광을 필터 어레이(320)에 의해 2차 분광할 수 있다. 필터 어레이(320)는 분산 요소(310)를 거쳐 1차 분광된 광을 파장에 따라 1차 분광보다 세분화할 수 있다. 필터 어레이(320)에 의해 2차 분광된 광은 디텍터(330)로 제공될 수 있다. 디텍터(330)는 필터 어레이(320)에 의해 파장대별로 분광된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환할 수 있다. 신호 처리부는 디텍터(330)로부터 전기적 신호를 제공받아 파장대별 광량을 획득할 수 있다.
도 9는 제4 실시예에 따른 분광 장치의 구성도이다. 도 10은 도 9에 있어서, 간섭 필터의 일 예에 대한 단면도이다. 도 11은 도 10에 도시된 간섭 필터의 작용을 설명하기 위한 그래프이다. 도 12는 도 9에 있어서, 필터들이 파장대별로 배열된 예를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 제4 실시예에 따른 분광 장치(400)는 분산 요소(410), 및 필터 어레이(420)를 포함한다.
분산 요소(410)는 간섭 필터(interference filter)를 포함할 수 있다. 간섭 필터는 입사광이 산란광(diffuse light)으로 입사되면, 파장에 따라 동심으로 분해해서 배열한다. 일 예로, 간섭 필터는 캐비티(410a)를 사이에 두고 일정 간격으로 배치된 반투명의 반사막들(410b)을 포함한 구성으로 이루어질 수 있다.
산란광이 간섭 필터로 입사되는 각도에 따라 캐비티(410a)를 통과하는 광로 길이(optical path length)가 달라지게 된다. 광로 길이는 광이 매질을 통과하는 거리를 매질의 굴절률과 곱한 것이다. 산란광이 캐비티(410a)를 통과하는 광로 길이는 산란광이 캐비티(410a)를 통과하는 거리를 캐비티(410a)의 굴절률과 곱한 값에 해당한다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 간섭 필터로 입사되는 산란광 중에서 광로 길이가 파장의 1/2이 되는 각도로 입사되는 광은 간섭 필터를 투과하게 된다. 따라서, 간섭 필터는 산란광을 파장에 따라 동심으로 분해해서 배열할 수 있게 된다. 간섭 필터는 캐비티(410a) 대신 투명막을 포함할 수도 있다.
간섭 필터에 의해 분광된 광은 초점 렌즈(440)를 거쳐 필터 어레이(420)로 전달될 수 있다. 간섭 필터를 거쳐 분광된 광은 초점 렌즈(440)에 의해 필터 어레이(420)의 필터링 면에 모일 수 있다. 초점 렌즈(440)는 단초점 렌즈로 이루어져 분광 장치(400)의 소형화에 더욱 기여할 수 있다. 물론, 초점 렌즈(440)는 전술한 기능을 수행하는 범주에서 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
필터 어레이(420)는 필터(421)들이 동심으로 파장대별로 배열된다. 여기서, 필터(421)들은 간섭 필터에 의한 광 성분의 파장 순서와 동일한 순서로 파장대별로 동심을 이루게 배열될 수 있다.
필터(421)들은 디텍터(430)의 디텍터 픽셀들과 일대일 대응되도록 구성될 수 있다. 디텍터(430)의 디텍터 픽셀들은 전술한 예의 디텍터(130)의 디텍터 픽셀(131)들과 동일하게 구성될 수 있다. 다른 예로, 하나의 필터(421)는 서로 인접해 있는 복수 개의 디텍터 픽셀들과 대응되도록 구성될 수도 있다. 필터(421)들은 간섭 필터에 의해 분광된 광을 파장에 따라 간섭 필터보다 세분화한다. 필터(421)는 투과형 필터 또는 반사형 필터로 이루어져 디텍터(430)에 집적될 수 있다.
예컨대, 필터(421)들은 간섭 필터에 의해 10nm의 분광 분해능으로 분광된 광을 전달받아, 2nm의 분광 분해능으로 분광하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 필터 어레이(420)의 필터(421)들 중 간섭 필터에 의해 분광된 860~870nm 파장(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5)의 광을 전달받는 필터들(421a, 421b, 421c, 421d, 421e)은 860~862nm 파장(λ1), 862~864nm 파장(λ2), 864~866nm 파장(λ3), 866~868nm 파장(λ4), 868~870nm 파장(λ5)의 광으로 분광하도록 구성될 수 있다.
간섭 필터에 의해 10nm의 분광 분해능으로 분광된 다른 파장대의 광을 전달받는 필터(421)들도 전술한 예와 같이 2nm의 분광 분해능으로 분광하도록 구성될 수 있다. 이에 한정되지 않고, 필터(421)들은 2nm의 분광 분해능보다 크거나 작은 분광 분해능으로 분광할 수 있음은 물론이다.
이와 같이, 제4 실시예의 분광 장치(400)는 입사광을 각 파장에 따라 다른 각도로 분산시키기 위해 분산 요소(410)의 간섭 필터가 구비되고, 소형화를 위해 디텍터(430)가 분산 요소(410)로부터 비교적 짧은 초점 거리로 위치되며, 분산 요소(410)보다 높은 분광 분해능으로 분광하는 필터 어레이(420)가 디텍터(430)에 집적된다. 따라서, 분광 장치(400)의 사이즈를 작게 유지하면서 입사광을 고해상도로 측정할 수 있으며, 광손실도 최소화할 수 있게 된다.
전술한 제4 실시예의 분광 장치(400)에 의한 분광 방법을 설명하면 다음과 같다.
입사광을 분산 요소(410)의 간섭 필터에 의해 1차 분광한다. 이때, 입사광은 산란광으로 분산 요소(410)로 입사되며, 분산 요소(410)를 거치면서 파장에 따라 분해되어 동심으로 배열될 수 있다.
그 다음, 1차 분광을 거친 광을 필터 어레이(420)에 의해 1차 분광보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광한다. 이때, 1차 분광을 거친 광을 동심으로 파장대별로 배열된 필터(421)들에 의해 2차 분광할 수 있다. 필터(421)들은 분산 요소(410)를 거쳐 1차 분광된 광을 파장에 따라 1차 분광보다 세분화할 수 있다.
2차 분광하기 전에 1차 분광된 광을 초점 렌즈(440)에 의해 집속시킬 수 있다. 따라서, 1차 분광된 광은 초점 렌즈(440)에 의해 필터 어레이(420)의 필터링 면에 모이며, 필터 어레이(420)에 의해 2차 분광되어 디텍터(430)로 제공될 수 있다. 디텍터(430)는 필터 어레이(420)에 의해 파장대별로 분광된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환할 수 있다. 신호 처리부는 디텍터(430)로부터 전기적 신호를 제공받아 파장대별 광량을 획득할 수 있다.
도 13은 제1 실시예에 따른 생체신호 측정장치에 대한 구성도이다. 도 14는 도 13에 도시된 생체신호 측정장치에 대한 제어 블록도이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 제1 실시예에 따른 생체신호 측정장치(1000)는 피측정체(OBJ)에 단색광을 조사하여 라만 산란을 발생시키는 광원(1100)을 포함한다.
광원(1100)은 단색광 레이저를 출력하는 레이저 광원 등으로 이루어질 수 있다. 광원(1100)으로부터 조사된 광은 적어도 하나의 광학요소에 의해 피측정체(OBJ)의 필요한 위치를 향할 수 있다. 광원(1100)은 신호 처리부(1200)의 제어 신호에 따라 피측정체(OBJ)에 광을 조사할 수 있다.
광원(1100)은 라만 분광법에 의해 생체신호를 측정할 수 있게 한다. 라만 분광법은 피측정체에 레이저를 조사한 후, 피측정체로부터 방출된 광의 파장 분석을 통한 라만 쉬프트(Raman shift)를 얻어내어 혈당 등을 분석하는 방법이다.
구체적으로, 라만 분광법은 피측정체 내에 입사된 광이 피측정체 내의 원자 또는 분자와 충돌하여 여러 방향으로 흩어지는 산란(scattering), 특히 비탄성 산란(inelastic scattering)을 이용한다. 이러한 산란은 원자 또는 분자의 표면에서 단순히 반사되는 것이 아닌, 원자 또는 분자에 흡수되었다가 방출되는 산란으로, 산란광은 입사광의 파장보다 긴 파장을 갖게 된다. 산란광과 입사광의 파장 차이는 대략 200nm 이하일 수 있다. 이러한 산란광의 스펙트럼을 분석함으로써, 피측정체 내의 분자의 진동, 분자의 구조 등 다양한 물성을 알아낼 수 있다.
생체신호 측정장치(1000)는 전술한 제1 내지 제4 실시예에 따른 분광 장치(100, 200, 300, 400) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 분광 장치(100, 200, 300, 400)는 피측정체(OBJ)로부터 라만 산란되어 입사되는 광을 1차 분광한 후, 1차 분광보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광한다.
일 예로, 생체신호 측정장치(1000)가 제2 실시예에 따른 분광 장치(200)를 포함하는 경우, 분산 요소(210)는 입사광을 분광시키면서 반사시키는 반사형 회절 격자를 포함한다. 반사형 회절 격자는 필터 어레이(220)의 광 입사면에 대해 경사지게 배치된다. 반사형 회절 격자는 입사광을 파장에 따라 다른 각도로 분해해서 필터 어레이(220)로 반사시킬 수 있다. 포물면 집광기(240)는 라만 산란광을 포함한 입사광을 반사형 회절 격자로 콜리메이팅시킬 수 있다. 또한, 제거 필터(250)는 라만 산란광을 포함한 입사광으로부터 라만 산란광 이외의 레이저 광선을 차단하여 필터 어레이(220)로 전달할 수 있다.
필터 어레이(220)는 반사형 회절 격자에 의해 분광된 광을 2차 분광하되, 반사형 회절 격자보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하여 디텍터(230)로 제공한다.
디텍터(230)는 필터 어레이(220)에 의해 2차 분광된 광을 검출한다. 디텍터(230)는 필터 어레이(220)에 의해 파장대별로 분광된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환한 후, 신호 처리부(1200)로 제공할 수 있다.
신호 처리부(1200)는 디텍터(230)로부터 수신된 라만광 신호를 이용하여 라만 스펙트럼을 재건하며, 재건된 라만 스펙트럼을 분석하여 생체 내 성분을 구별하고, 각 성분의 농도 등에 관한 정보를 획득할 수 있다. 이때, 생체 내 성분은 혈당, 중성지방, 콜레스테롤, 칼로리, 단백질 및 요산 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 15에 도시된 바와 같이, 생체신호 측정장치(1000)는 표시부(1300) 및 통신부(1400)를 더 포함할 수 있다. 표시부(1300) 및 통신부(1400)는 생체신호 측정장치(1000)의 본체에 장착될 수 있다.
표시부(1300)는 신호 처리부(1200)의 제어에 따라 각종 정보를 출력한다. 이때, 표시부(1300)는 신호 처리부(1200)에서 측정된 생체신호 정보나 그와 관련된 건강 상태 정보, 경고나 알람 정보 등을 표시할 수 있으며, 다양한 시각적 표시 방법으로 사용자에게 표시할 수 있다.
표시부(1300)는 터치 입력이 가능한 터치 모듈을 포함하여 구성될 수 있으며, 이 경우 사용자 인터페이스(user interface)를 출력할 수 있으며, 사용자 인터페이스를 통해 사용자로부터 입력되는 명령을 수신하고, 수신된 명령을 신호 처리부(1200)에 전달할 수 있다. 물론, 생체신호 측정장치(1000)는 사용자의 제어명령을 수신하여 신호 처리부(1200)로 전달하기 위한 별도의 조작부를 포함할 수 있다. 조작부는 생체신호 측정장치(1000)의 전원을 온/오프시키는 명령을 입력하기 위한 전원 버튼 등을 포함할 수 있다.
통신부(1400)는 신호 처리부(1200)의 제어 신호에 따라 통신 기술을 활용하여 통신망에 접속하고, 동일 통신망에 접속되어 있는 외부 장치와 연결하여 필요한 데이터를 송수신할 수 있다. 신호 처리부(1200)는 통신부(1400)를 제어하여 외부 장치와 연결하고, 연결된 외부 장치와 협업을 통해 다양한 동작을 처리할 수 있다. 이때, 신호 처리부(1200)는 연계된 외부 장치가 탑재하고 있는 생체신호 처리 기능의 정도에 따라 필요한 생체신호 정보 등을 외부 장치로 제공할 수 있다.
통신 기술은 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication unit), WLAN(와이파이) 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(IrDA, infrared Data Association) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra wide band) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, 3G, 4G 및 5G 통신 기술이 될 수 있으며 여기에 국한되지는 않는다.
예컨대, 통신부(1400)는 외부 장치와 통신 연결하여, 측정 생체신호 등의 정보를 외부 장치로 전송할 수 있다. 또한, 통신부(1400)는 외부 장치로부터 생체신호 측정장치의 캘리브레이션(calibration)을 위한 기준 정보 예컨대, 기준 혈당값 등을 수신하여 신호 처리부(1200)에 전달할 수 있다.
이때, 외부 장치는 스마트폰, 스마트 패드, 데스크탑 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 및 그 밖의 정보처리가 가능한 기기들로서 생체신호 측정장치(1000)보다 상대적으로 컴퓨팅 성능이 뛰어난 장치일 수 있다. 하지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
이를 통해, 생체신호 측정장치(1000)는 소형으로 제조하여 생체신호를 측정하도록 할 수 있으며, 생체신호를 이용한 다양한 정보, 예컨대 사용자의 생체신호 측정 이력, 이에 따른 건강 상태 분석 및 변화 이력 정보 등의 통계 정보를 관리하고, 그래프 등과 같은 다양한 방식으로 정보를 제공하는 기능은 외부 장치가 수행하도록 하는 것이 가능하다.
도 16은 제2 실시예에 따른 생체신호 측정장치에 대한 구성도이다.
도 16을 참조하면, 제2 실시예에 따른 생체신호 측정장치(2000)는 피측정체(OBJ)에 적외선 광을 조사하는 광원(2100)을 포함한다. 광원(2100)은 적외선 광을 출력하는 LED(light emitting diode) 또는 할로겐 램프(halogen lamp) 등으로 이루어질 수 있다. 광원(2100)으로부터 조사된 광은 적어도 하나의 광학요소에 의해 피측정체(OBJ)의 필요한 위치를 향할 수 있다. 광원(2100)은 신호 처리부(2200)의 제어 신호에 따라 피측정체(OBJ)로 광을 조사할 수 있다.
광원(2100)은 적외선 분광법에 의해 생체신호를 측정할 수 있게 한다. 적외선 분광법은 피측정체에 적외선을 조사한 후, 피부 밖으로 확산 반사(diffused reflection)을 통해 다시 방출되는 광을 분석하여, 피부 내 혈당 분자가 흡수한 광량을 계산하여 혈당을 예측하는 방법이다. 적외선 분광법은 750~2000nm의 파장을 갖는 근적외선(near infrared spectroscopy)과, 2500~10000nm의 파장을 갖는 중적외선(mid infrared)을 이용할 수 있다.
생체신호 측정장치(1000)는 전술한 제1,3 및 4 실시예에 따른 분광 장치(100, 300, 400) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 분광 장치(100, 300, 400)는 피측정체로부터 반사되어 입사되는 광을 1차 분광한다.
일 예로, 생체신호 측정장치(2000)가 제1 실시예에 따른 분광 장치(100)를 포함하는 경우, 분산 요소(110, 110')는 콜리메이팅 렌즈(140)에 의해 콜리메이팅을 거친 입사광을 분광시키면서 투과시키는 투과형 회절 격자 또는 프리즘일 수 있다. 투과형 회절 격자 또는 프리즘에 의해 분광된 광은 초점 렌즈(150)를 거쳐 필터 어레이(120)로 전달될 수 있다.
필터 어레이(120)는 투과형 회절 격자 또는 프리즘에 의해 분광된 광을 2차 분광하되, 투과형 회절 격자 또는 프리즘보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하여 디텍터(130)로 제공한다.
디텍터(130)는 필터 어레이(120)에 의해 2차 분광된 광을 검출한다. 디텍터(130)는 필터 어레이(120)에 의해 파장대별로 분광된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환한 후, 신호 처리부(2200)로 제공할 수 있다.
신호 처리부(2200)는 디텍터(130)로부터 수신된 신호를 이용하여 적외선 스펙트럼을 재건하며, 재건된 적외선 스펙트럼을 분석하여 생체 내 성분을 구별하고, 각 성분의 농도 등에 관한 정보를 획득할 수 있다. 본 실시예에 따른 생체신호 측정장치(2000)도 전술한 실시예에 따른 생체신호 측정장치(2000)의 표시부(1300) 및 통신부(1400)를 더 포함할 수 있다.
한편, 전술한 실시예들의 생체신호 측정장치(1000, 2000)는 웨어러블 기기나, 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 PC 등의 모바일 기기, 데스크탑 PC 등의 단말기, 의료기기 등에 탑재될 수 있다. 또는, 생체신호 측정장치(1000, 2000)는 독립적인 하드웨어 장치로 구현되는 등 다양한 변형 예로 실시될 수 있다. 이러한 생체신호 측정장치(1000, 2000)는 비침습적으로 다양한 생체신호를 측정하여 헬스케어 분야에 활용될 수 있다. 특히, 생체신호 측정장치(1000, 2000)는 웨어러블 기기, 모바일 기기 등에 장착된다면, 모바일 헬스케어 분야에 활용될 수 있다.
예컨대, 생체신호 측정장치(1000, 2000)는 본체 및 스트랩을 구비하여 피측정체에 착용 가능한 웨어러블 형태로 제작될 수 있다. 여기서, 웨어러블 형태는 손목 시계형, 팔찌형, 손목 밴드형, 반지형, 안경형, 헤어밴드형 등 다양하며, 그 형태나 사이즈 등에 있어서 특별히 제한되지 않는다.
광원(1100, 2100), 분광 장치(100, 200, 300, 400), 및 신호 처리부(1200, 2200)는 생체신호 측정장치(1000, 2000)의 본체에 탑재될 수 있다. 손목 시계형으로 제작되는 경우, 광원(1100, 2100) 및 분광 장치(100, 200, 300, 400)는 사용자의 손목에 접촉되는 본체의 하부에 장착될 수 있으며, 신호 처리부(1200, 2200)는 본체의 내부 기판에 장착되어 (1100, 2100) 및 분광 장치(100, 200, 300, 400)와 전기적으로 연결될 수 있다. 스트랩은 피측정체를 감쌀 수 있도록 플렉서블하게 형성되며, 필요에 따라 스트랩의 내부에 본체에 전원을 공급하는 배터리가 내장될 수 있다.
본 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 캐리어 웨이브, 예컨대 인터넷을 통한 전송의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 실시예들을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 개시된 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 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100,200,300,400..분광 장치
110,110',210,310,410..분산 요소
120,220,320,420..필터 어레이
121,421..필터
130,230,330,430..디텍터
1000,2000..생체신호 측정장치
1100,2100..광원
1200, 2200..신호 처리부
110,110',210,310,410..분산 요소
120,220,320,420..필터 어레이
121,421..필터
130,230,330,430..디텍터
1000,2000..생체신호 측정장치
1100,2100..광원
1200, 2200..신호 처리부
Claims (27)
- 입사광을 1차 분광하는 분산 요소(dispersive element); 및
상기 분산 요소에 의해 분광된 광을 2차 분광하되 상기 분산 요소보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하여 디텍터로 제공하는 필터들을 구비하는 필터 어레이(filter array);를 포함하며,
상기 필터들은 상기 분산 요소에 의해 분광된 광 성분의 파장 순서와 동일한 순서로 파장대별로 배열된 상태로 상기 디텍터에 집적된 분광 장치. - 제1항에 있어서,
입사광을 콜리메이팅시켜 상기 분산 요소로 전달하는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)를 더 포함하는 분광 장치. - 제2항에 있어서,
상기 분산 요소는 콜리메이팅을 거친 입사광을 분광시키면서 투과시키는 투과형 회절 격자(diffraction grating)를 포함하는 분광 장치. - 제2항에 있어서,
상기 분산 요소는 프리즘을 포함하는 분광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 분산 요소는 입사광을 분광시키면서 반사시키는 반사형 회절 격자를 포함하는 분광 장치. - 제5항에 있어서,
상기 반사형 회절 격자는 상기 필터 어레이의 광 입사면에 대해 경사진 반사 평면에 그레이팅이 형성된 분광 장치. - 제6항에 있어서,
라만 산란광을 포함한 입사광으로부터 라만 산란광 이외의 성분을 제거해서 상기 필터 어레이로 전달하는 제거 필터(rejection filter)를 더 포함하는 분광 장치. - 제6항에 있어서,
라만 산란광을 포함한 입사광을 상기 반사형 회절 격자로 콜리메이팅시키는 포물면 집광기(Parabolic Concentrator)를 더 포함하는 분광 장치. - 제5항에 있어서,
상기 반사형 회절 격자는 상기 필터 어레이의 광 입사면을 향해 오목하게 굽어진 반사 곡면에 그레이팅이 형성된 분광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 분산 요소에 의해 분광된 광을 집속시켜 상기 필터 어레이로 전달하는 초점 렌즈(focal lens)를 더 포함하는 분광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 분산 요소는 간섭 필터(interference filter)를 포함하는 분광 장치. - 제11항에 있어서,
상기 필터 어레이는 필터들이 동심으로 파장대별로 배열된 분광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 필터 어레이는 투과형 필터들 또는 반사형 필터들을 포함하여 파장대별로 상기 디텍터에 집적된 분광 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 피측정체에 단색광을 조사하여 라만 산란을 발생시키는 광원;
상기 피측정체로부터 라만 산란되어 입사되는 광을 1차 분광한 후, 1차 분광보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하는 분광 장치; 및
상기 분광 장치에 의해 2차 분광된 광을 검출하는 디텍터;를 포함하며,
상기 분광 장치는,
입사광을 1차 분광하는 분산 요소(dispersive element)와,
상기 분산 요소에 의해 분광된 광을 2차 분광하되 상기 분산 요소보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하는 필터들을 구비하는 필터 어레이(filter array)를 포함하며,
상기 필터들은 상기 분산 요소에 의해 분광된 광 성분의 파장 순서와 동일한 순서로 파장대별로 배열된 상태로 상기 디텍터에 집적된 생체신호 측정장치. - 삭제
- 제21항에 있어서,
상기 분산 요소는 상기 필터 어레이의 광 입사면에 대해 경사진 반사 평면에 그레이팅이 형성된 반사형 회절 격자를 포함하는 생체신호 측정장치. - 제23항에 있어서,
입사광으로부터 라만 산란광 이외의 성분을 제거해서 상기 필터 어레이로 전달하는 제거 필터(rejection filter)를 더 포함하는 생체신호 측정장치. - 제23항에 있어서,
입사광을 상기 반사형 회절 격자로 콜리메이팅시키는 포물면 집광기(Parabolic Concentrator)를 더 포함하는 생체신호 측정장치. - 피측정체에 적외선 광을 조사하는 광원;
상기 피측정체로부터 반사되어 입사되는 광을 1차 분광한 후, 1차 분광보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하는 분광 장치; 및
상기 분광 장치에 의해 2차 분광된 광을 검출하는 디텍터;를 포함하며,
상기 분광 장치는,
입사광을 1차 분광하는 분산 요소(dispersive element)와,
상기 분산 요소에 의해 분광된 광을 2차 분광하되 상기 분산 요소보다 높은 분광 분해능으로 2차 분광하는 필터들을 구비하는 필터 어레이(filter array)를 포함하며,
상기 필터들은 상기 분산 요소에 의해 분광된 광 성분의 파장 순서와 동일한 순서로 파장대별로 배열된 상태로 상기 디텍터에 집적된 생체신호 측정장치.
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