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KR102697425B1 - 분광기 및 그 분광기가 적용된 성분 측정 장치 - Google Patents

분광기 및 그 분광기가 적용된 성분 측정 장치 Download PDF

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KR102697425B1
KR102697425B1 KR1020170015117A KR20170015117A KR102697425B1 KR 102697425 B1 KR102697425 B1 KR 102697425B1 KR 1020170015117 A KR1020170015117 A KR 1020170015117A KR 20170015117 A KR20170015117 A KR 20170015117A KR 102697425 B1 KR102697425 B1 KR 102697425B1
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클래스 톰
안성모
이우창
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삼성전자주식회사
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Abstract

분광기가 개시된다. 분광기는 픽셀 어레이로 형성되는 이미지 센서와 픽셀 어레이 상에 배치되며, 복수의 검출 영역으로 이루어지는 포토닉스 레이어를 포함하고, 각 검출 영역은 복수의 공진기와 복수의 공진기에 각각 에바네슨트(evanescent)하게 커플링되는 복수의 커플링부를 포함할 수 있다.

Description

분광기 및 그 분광기가 적용된 성분 측정 장치{SPECTROMETER AND APPARATUS FOR MEASURING SUBSTANCE IN BODY}
분광기 및 그 분광기가 적용되어 대상체 내의 성분을 측정하는 성분 측정 장치와 관련된다.
최근 라만 분광이나 근적외선 분광 기술을 이용하여 비침습적으로 혈당과 같은 생체 내 성분을 측정하는 방법이 연구되고 있다. 이러한 분광 기술이 적용된 기기들은 대상체의 피부로부터 되돌아오는 광학 신호를 수집하는 장치(collimator)와 이를 파장별로 분석하는 역할을 수행하는 분광기 및 이들 사이의 인터페이스 예컨대, 빔 세이퍼(beam shaper) 등으로 구성되어 있다. 분광기는 여러 개의 픽셀로 이루어진 이미지 센서와, 그 이미지 센서 위에 배치되는 포토닉스 레이어로 구성된다.
이미지 센서 위에 배치되는 포토닉스 레이어 요소들의 배열을 최적화함으로써 분광기의 해상도 및 광효율 등의 성능이 향상된 분광기 및 그 분광기기 적용된 성분 측정 장치가 제시된다.
일 양상에 따르면, 분광기는 픽셀 어레이로 형성되는 이미지 센서 및 픽셀 어레이 상에 배치되며, 복수의 검출 영역으로 이루어지는 포토닉스 레이어를 포함하고, 각 검출 영역은 복수의 공진기와 복수의 공진기에 각각 에바네슨트(evanescent)하게 커플링되는 복수의 커플링부를 포함할 수 있다.
이때, 각 커플링부는 광이 입력되는 인커플러 및 인커플러와 연결되며, 인커플러로부터 전달된 광을 이미지 센서의 픽셀에 출력하는 아웃커플러를 포함할 수 있다.
이때, 인커플러 및 아웃커플러는 그레이팅(grating) 커플러 및 금속 미러(metal mirror) 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 각 검출 영역은 픽셀 어레이의 각 행(row)마다 적어도 두 개의 커플링부가 연이어 배치되며, 적어도 두 개의 커플링부 각각의 아웃커플러의 열(column) 위치는 각 행마다 동일할 수 있다.
이때, 각 커플링부는 에바네슨트하게 커플링된 공진기와 별도로 형성될 수 있다.
이때, 각 공진기는 Fabry-Perot 공진기를 포함할 수 있다.
이때, 각 검출 영역은 적어도 두 개의 파장 특성을 갖는 적어도 두 종류의 공진기들이 배치되며, 검출 영역 상호 간에는 서로 다른 파장 특성을 갖는 서로 다른 종류의 공진기들이 배치될 수 있다.
이때, 각 검출 영역은 적어도 두 종류의 공진기들이 픽셀 어레이의 각 행마다 반복 배치될 수 있다.
이때, 적어도 두 종류의 공진기들은 픽셀 어레이의 각 행의 경계선상에 배치될 수 있다.
이때, 각 검출 영역은 적어도 두 개의 파장 특성을 갖는 적어도 두 종류의 공진기들이 배치되며, 검출 영역 상호 간에는 서로 동일한 파장 특성을 갖는 동일한 종류의 공진기들이 배치될 수 있다.
일 양상에 따르면, 생체 내 성분 측정 장치는 대상체에 광을 조사하는 광원 및 대상체로부터 되돌아 오는 광을 센싱하는 분광기를 포함하고, 분광기는 픽셀 어레이로 형성되는 이미지 센서 및 픽셀 어레이 상에 배치되며, 복수의 공진기와 복수의 공진기에 각각 에바네슨트(evanescent)하게 커플링되는 복수의 커플링부를 포함하는 복수의 검출 영역으로 이루어지는 포토닉스 레이어를 포함할 수 있다.
또한, 생체 내 성분 분석 장치는 광원 및 분광기가 장착되는 본체를 더 포함할 수 있다.
또한, 생체 내 성분 분석 장치는 본체에 연결되며, 대상체에 감싸지도록 플렉서블하게 형성되는 스트랩을 더 포함할 수 있다.
또한, 생체 내 성분 분석 장치는 분광기에 의해 센싱된 신호를 이용하여 상기 대상체의 성분을 분석하는 신호처리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 생체 내 성분 분석 장치는 신호처리부에서 분석된 결과를 디스플레이하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
또한, 생체 내 성분 분석 장치는 신호처리부에서 분석된 결과를 외부 장치에 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
이때, 광원은 근적외선 레이저 또는 가시광 레이저를 조사하도록 형성될 수 있다.
이때, 각 커플링부는 광이 입력되는 인커플러 및 인커플러와 연결되며, 인커플러로부터 전달된 광을 이미지 센서의 픽셀에 출력하는 아웃커플러를 포함할 수 있다.
이때, 각 검출 영역은 픽셀 어레이의 각 행마다 적어도 두 개의 커플링부가 픽셀 피치에 얼라인(align)되도록 배치될 수 있다.
이때, 각 검출 영역은 적어도 두 개의 파장 특성을 갖는 적어도 두 종류의 공진기들이 상기 픽셀 어레이의 각 행마다 반복 배치될 수 있다.
이미지 센서 위에 배치되는 포토닉스 레이어 요소들의 배열을 최적화함으로써 분광기의 해상도 및 광효율 등의 성능이 향상시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 분광기 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 분광기 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 분광기 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 일 실시예에 따른 스펙트럼 재건 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 분광기 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 일 실시예에 따른 스펙트럼 재건 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 생체 내 성분 측정 장치의 블록도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 생체 내 성분 측정 장치의 블록도이다.
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, 분광기 및 생체 내 성분 측정 장치의 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명하도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 분광기 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일반적으로 분광기(100)는 픽셀 어레이(111)로 형성된 이미지 센서(110)와 이미지 센서(110) 위에 배치되는 포토닉스 레이어를 포함한다. 이때, 포토닉스 레이어는 인커플러(120), 전송 시스템(140) 및 아웃커플러(130)가 일렬로 연속적으로 커플링된 디텍션 채널을 다수 포함할 수 있다.
인커플러(120)는 외부의 광을 커플링 한다. 예를 들어, 생체 내 성분을 측정하는 장치에서 광원이 대상체에 광을 조사하면, 대상체의 조직에 의해 광은 반사되거나 산란되어 되돌아온다. 인커플러(120)는 대상체로부터 되돌아오는 광을 수광하여 아웃커플러(130)로 전송한다. 이때, 인커플러(120)에 입력된 광은 전송 시스템(140)을 통해 분광되고, 분광된 광이 아웃커플러(130)로 전달된다. 아웃커플러(130)는 전달된 광을 이미지 센서(110)의 대응되는 픽셀로 출력하여 검출되도록 한다. 전송 시스템(140)은 다양한 파장 특성을 갖는 패브리-페롯(Fabry-Perot) 공진기(resonator)로 형성될 수 있다. 일반적인 간섭계 분광기에서 분광되는 파장 특성은 공진 길이에 따라 달라진다.
도 1b를 참조하면, 일반적인 분광기(100) 구조에서 포토닉스 레이어(120)에 두 개의 디텍션 채널이 배치된 것을 도시하고 있다. 제1 디텍션 채널은 인커플러(IC1), 전송 시스템(RE1) 및 아웃커플러(OC1)를 포함하고, 전송 시스템(RE1)의 양단은 인커플러(IC1)와 아웃커플러(OC1)에 연결된다. 제1 디텍션 채널의 아웃커플러(OC1)는 픽셀 어레이(111)의 픽셀(P1)에 대응되도록 배치되며, 인커플러(IC1)로 입력되는 광(LT)이 전송 시스템(RE1)을 통해 분광되어 특정 파장의 광이 아웃커플러(OC1)를 통해 이미지 센서의 픽셀(P1)에 출력된다.
제2 디텍션 채널은 인커플러(IC2), 전송 시스템(RE2) 및 아웃커플러(OC2)를 포함하고, 전송 시스템(RE2)의 양단은 인커플러(IC2)와 아웃커플러(OC2)에 연결된다. 제2 디텍션 채널의 아웃커플러(OC2)는 픽셀 어레이(111)의 픽셀(P2)에 대응되도록 배치되며, 인커플러(IC2)로 입력되어 전송 시스템(RE2)을 통해 분광된 광은 아웃커플러(OC2)를 통해 픽셀(P2)에 출력된다. 이때, 제2 디텍션 채널의 전송 시스템(RE2)은 제1 디텍션 채널의 전송 시스템(RE1)과 다른 분광 파장 특성을 갖도록 하기 위해 서로 다른 길이로 형성되어 있다.
일반적인 분광기(100) 구조에서는 광을 분광하는 전송 시스템(140)의 양단이 인커플러(120) 및 아웃커플러(130)에 직접 일렬로 커플링되므로, 다양한 파장 특성을 갖도록 하기 위해서는 전송 시스템(140)의 길이를 조절해야 한다. 이 경우, 전송 시스템의(140)의 길이가 조절됨에 따라 전송 시스템(140)과 직접 커플링되는 아웃커플러(130)의 위치가 변경되어 광을 검출하는 픽셀 상에 정확하게 얼라인(align) 되지 않을 수 있다. 이와 같이 아웃커플러(130)의 위치가 이미지 센서의 픽셀과 얼라인이 잘 되지 않은 경우 광손실이 발생하게 되며 이는 분광기의 해상도 및 광효율 성능의 저하를 가져오게 된다.
도 2는 일 실시예에 따른 분광기 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 일 실시예에 따른 분광기(200) 구조는 레이저 단일 광을 검출하여 흡수 스펙트럼을 분석하는 라만 분광기 구조의 일 실시예일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 분광기(200)는 광을 검출하는 이미지 센서(10)와 외부의 광을 분광하여 이미지 센서(10)로 출력하는 포토닉스 레이어(20)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일정한 크기를 갖는 이미지 센서(10)는 다수의 픽셀(210)들의 어레이로 형성되며, 이미지 센서(10)의 픽셀 어레이 상에 포토닉스 레이어(10)가 배치된다. 이때, 이미지 센서(10)는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CIS(Cmos Image Sensor)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
포토닉스 레이어(20)는 하나 이상의 검출 영역(DA)으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 2는 픽셀 어레이의 7행(R1 내지 R7) 19열(C1 내지 C19)로 이루어진 영역이 하나의 검출 영역으로 설정된 것이 예시되어 있으나, 행의 개수 및 검출 영역의 크기는 도시된 바에 한정되지 않으며 이미지 센서의 크기, 분광 해상도, 픽셀 피치의 크기 등의 다양한 기준에 따라 조절될 수 있다.
각 검출 영역(DA)에는 복수의 공진기(241,242) 및 복수의 커플링부(CG1,CG2)가 배열된다. 분광 파장 특성을 결정하는 공진기(241,242)의 길이에 따라 커플링부(CG1,CG2)의 위치가 변경되지 않도록 공진기(241,242)와 커플링부(CG1,CG2)는 별도로 형성되어 픽셀 어레이 상에 배치된다. 또한, 공진기(241,242)와 커플링부(CG1,CG2)는 도시된 바와 같이(EC 위치) 서로 에바네슨트(evanescent)하게 연결된다. 이때, 공진기(241,242)는 패브리-페롯(Fabry-Perot) 공진기일 수 있다.
각 커플링부(CG1,CG2)는 외부의 광을 입력되는 인커플러(221,222)와, 인커플러(221,222)에 각각 커플링되어 인커플러(221,222)에 입력된 광을 대응되는 픽셀에 출력하는 아웃커플러(231,232)를 포함한다. 이때, 인커플러(221,222) 및 아웃커플러(231,232)는 그레이팅(grating) 커플러 또는 금속 미러(metal mirror)일 수 있다. 예를 들어, 인커플러(221)에 입력된 광은 아웃커플러(231)로 이동하는 도중에 에바네슨트하게 커플링된 공진기(241)의 공진 모드에 해당하는 파장 특성의 광이 선택적으로 커플링되고 나머지 파장 특성의 광이 아웃커플러(231)를 통해 이미지 센서의 픽셀에 출력된다.
한편, 각 커플링부(CG1,CG2)는 이미지 센서(10)의 픽셀 어레이의 각 행마다 반복적으로 배열되며, 도시된 바와 같이 각 검출 영역(DA)에는 각 행에 적어도 두 개의 커플링부(CG1,CG2)가 연이어 배치될 수 있다. 이때, 각 행에 연이어 배치되는 제1 커플링부(CG1)과 제2 커플링부(CG2)는 동일한 크기를 갖도록 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 검출 영역의 크기나 에바네슨트하게 커플링되는 공진기(241,242)의 공진 길이에 따라 다른 크기를 갖도록 배치되는 것도 가능하다.
또한, 각 검출 영역(DA)에는 서로 다른 파장 특성을 갖는 적어도 두 종류의 공진기(241,242)가 이미지 센서(10)의 픽셀 어레이 상의 각 행마다 반복 배치될 수 있다. 이때, 파장 특성이 다른 제1 공진기(241)와 제2 공진기(242)는 이미지 센서(10)의 픽셀 어레이의 각 행의 경계선상에 연이어 반복 배치될 수 있다. 이때, 제1 공진기(241)과 제2 공진기(242)가 서로 다른 파장 특성을 갖도록 하기 위해 각 공진기(241,242)의 양단에 연결된 미러(251,252,253)의 위치를 조정하여 각각 서로 다른 공진 길이로 형성할 수 있다. 이때, 미러(251,252,253)의 위치는 인커플러(221,222) 및 아웃커플러(231,232)의 위치나 이미지 센서(10)의 픽셀과는 상관없이 제1 공진기(241) 및 제2 공진기(242)의 파장 특성에 따라 결정된다. 이때, 공진기들의 파장 특성은 분석 목적, 이미지 센서의 크기, 픽셀 피치의 크기 등에 따라 미리 결정될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 각 검출 영역(DA)은 두 종류의 다른 파장 특성을 갖는 공진기들이 반복적으로 배치될 수 있으며, 검출 영역(DA)들 상호 간에는 서로 다른 파장 특성을 갖는 공진기들을 배치하여 다양한 파장 특성을 갖는 광을 검출하는 것이 가능하도록 할 수 있다.
예를 들어, 하나의 픽셀 피치(pitch)가 5.5㎛인 이미지 센서(10) 위에 104.5um의 간격 즉, 19 픽셀(C1 내지 C19)을 하나의 검출 영역으로 설정한 경우, 두 개의 커플링부(CG1,CG2)가 연이어 각 행(R1 내지 R7)에 반복 배치될 수 있다. 이때, 제1 커플링부(CG1)의 인커플러(221) 및 아웃커플러(231)의 위치는 각각 이미지 센서(10)의 픽셀 어레이 상의 동일한 열의 픽셀에 얼라인 되도록 배열될 수 있다. 마찬가지로 제2 커플링부(CG2)의 인커플러(222) 및 아웃 커플러(232)의 위치 역시 이미지 센서(10)의 픽셀 어레이 상의 동일한 열의 픽셀에 얼라인 되도록 배열될 수 있다.
각각의 검출 영역이 서로 다른 파장 특성을 갖도록 하기 위해 최소 Lmin=10㎛에서 최대 Lmax=91.48㎛ 범위에서 ΔL=0.97㎛ 간격으로 85종류의 공진 길이를 갖는 공진기들을 모든 검출 영역에 골고루 배치할 수 있다. 각 공진기의 길이별로 8200개의 동일한 구조를 이미지 센서 픽셀 어레이에 반복적으로 배열할 수 있다. 다만, 이러한 예시들은 제한되는 것은 아니며 이미지 센서의 크기, 픽셀 피치의 크기, 검출 영역의 크기, 공진 길이의 범위, 공진 길이의 간격 등에 따라 변경될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 분광기 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 공진기(340)의 공진 길이에 상관없이 아웃 커플러(330)가 픽셀 어레이의 일정한 픽셀 위치(310)에 얼라인 되도록 배열되는 개념을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 인커플러(320) 및 아웃 커플러(330)는 공진기(340)와 에바네슨트하게 커플링됨으로써 일정 픽셀(310)에 배열되고, 이때, 공진기(340)의 공진 길이는 에바네슨트하게 커플링된 아웃 커플러(330)의 출력 파장에 따라 조절될 수 있다. 이와 같이, 아웃 커플러(330)가 공진기(340)의 공진 길이에 상관 없이 픽셀 어레이의 일정한 픽셀 위치(310)에 얼라인 되도록 배열되므로, 도시되지 않은 다양한 분광 요소(예: 금속 차단 레이어(metal blocking layer))를 포토닉스 레이어에 집적할 수 있다.
도 3b는 일정한 픽셀 위치에 배열되는 인커플러(321,322) 및 아웃 커플러(331,332) 쌍이 서로 다른 공진 길이를 갖는 공진기(341,342)에 에바네슨트하게 커플링된 분광기 구조를 간략하게 도시한 것이다. 설명의 편의상 두 개의 공진기(341,342) 및 인커플러(321,322) 및 아웃커플러(331,332)를 도시하고 있으나 개수에 있어 특별히 제한되는 것은 아니다. 도시된 바와 같이 공진기(341,342)는 분광 파장 특성에 따라 서로 다른 공진 길이를 갖도록 배치될 수 있다. 또한, 각 공진기(341,342)에 에바네슨트하게 커플링되는 인커플러(321,322) 및 아웃 커플러(331,332), 특히 아웃 커플러(331,332)는 각각 공진기(341,342)와 에바네슨트하게 커플링됨으로써 공진기(341,342)의 공진 길이에 상관없이 동일한 열의 픽셀(P1,P2)에 배열될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면 인커플러 및 아웃커플러를 이미지 센서의 픽셀에 얼라인 되도록 일정한 위치에 배열하고, 인커플러 및 아웃커플러와 공진기를 에바네슨트하게 연결함으로써 분광 해상도 및 스펙트럼 재건 성능에 영향을 미치는 요소인 다양한 공진 길이를 갖는 공진기의 집적이 가능해진다.
도 4a 내지 도 4c는 일 실시예에 따른 스펙트럼 재건 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a는 최소 10㎛에서 최대 90㎛ 범위의 공진 길이를 갖는 공진기들을 포토닉스 레이어에 집적한 경우 스펙트럼 재건 성능을 도시한 것으로, 재건 스펙트럼과 기준 스펙트럼 간의 코사인 유사도(cosine similarity)가 0.915를 나타낸다. 도 4b는 최소 30㎛에서 최대 70㎛ 범위의 공진 길이를 갖는 공진기들을 포토닉스 레이어에 집적한 경우 스펙트럼 재건 성능을 도시한 것으로, 재건 스펙트럼과 기준 스펙트럼 간의 코사인 유사도는 0.833을 나타낸다. 도 4c는 최소 40㎛에서 최대 60㎛ 범위의 공진 길이를 갖는 공진기들을 포토닉스 레이어에 집적한 경우 스펙트럼 재건 성능을 도시한 것으로 재건 스펙트럼과 기준 스펙트럼 간의 코사인 유사도는 0.807을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 더 넓은 범위의 공진 길이를 갖는 다양한 공진기들을 포토닉스 레이어에 배치할수록 분광 분해능이 더 높아지고 스펙트럼 재건 성능이 높아짐을 알 수 있다. 본 실시예에서는 전술한 바와 같이, 인커플러와 아웃커플러의 위치가 픽셀 상에 일정하게 유지되므로 넓은 범위의 다양한 공진 길이를 갖는 공진기들의 집적이 가능해져 분광 성능이 향상될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 분광기 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 분광기(500) 구조는 전술한 분광기(200) 구조와 마찬가지로 광을 검출하는 이미지 센서(10) 위에 다양한 분광 요소들이 배열된 포토닉스 레이어(20)가 배치된다. 이때, 포토닉스 레이어(20)는 하나 이상의 검출 영역(DA)로 구분되며, 각 검출 영역(DA)은 복수의 커플링부(CG1,CG2) 및 복수의 커플링부(CG1,CG2)와 에바네슨트하게 커플링된 복수의 공진기(540)가 별도로 형성되어 이미지 센서(10)의 픽셀(510)의 어레이 상에 배치된다.
본 실시예의 분광기(500) 구조는 도 2를 참조하여 설명한 일 실시예의 분광기(200) 구조와 달리 모든 검출 영역이 동일한 파장 특성을 갖도록 포토닉스 레이어(20)의 분광 요소들을 배치할 수 있다. 예를 들어, 각 검출 영역(DA)마다 복수의 커플링부(CG1,CG2)를 각 행마다 반복 배열하며, 커플링부(CG1,CG2)에 에바네슨트하게 커플링되는 공진기들을 전체 분광 파장 특성을 갖도록 다양한 공진 길이로 형성하여 배치할 수 있다. 이때, 미러(551,552,553)의 위치를 다양하게 조정함으로써 각 검출 영역(DA)에 복수의 다른 종류의 공진기들을 스크램블(scramble) 형태로 배열할 수 있다.
예를 들어, 하나의 픽셀 피치(pitch)가 5.5um인 이미지 센서(10) 위에 104.5um의 간격 즉, 19 픽셀이 하나의 검출 영역으로 설정된 경우, 도시된 바와 같이 각 검출 영역(DA)에는 두 개의 커플링부(CG1,CG2)가 연이어 각 행(R1 내지 R7)마다 반복적으로 배치될 수 있다. 이때, 각 커플링부(CG1,CG2)의 아웃커플러(231,232)의 위치는 각 행마다 동일한 열에 일정하게 유지되도록 배열될 수 있다. 또한, 각 검출 영역이 동일한 파장 특성을 갖도록 각 검출 영역마다 최소 Lmin=10㎛에서 최대 Lmax=91.48㎛ 범위에서 ΔL=0.97㎛ 간격으로 85종류의 공진 길이를 갖는 복수의 공진기들을 스크램블 형태로 배열할 수 있다. 이 경우, 하나의 검출 영역의 크기는 104.5㎛×5.5㎛×85=0.049㎟이 될 수 있으며, 전체 이미지 센서(10)의 크기에 따라 검출 영역의 개수가 결정될 수 있다.
이와 같이, 포토닉스 레이어(20)에 복수의 다른 종류의 공진기들을 임의의 스크램블 형태로 배열함으로써 전체 이미지 센서(10)에서 생길 수 있는 광불균일성의 영향을 최소화할 수 있으며 이로 인한 분광 성능 감소를 줄일 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 일 실시예에 따른 스펙트럼 재건 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 포토닉스 레이어에 배치될 공진기들의 공진 길이의 간격을 ΔL=0.97㎛로 설정하고, 해당하는 공진 길이를 갖는 공진기들을 포토닉스 레이어에 집적한 경우의 스펙트럼 재건 성능을 나타낸다. 이 경우 재건 스펙트럼과 기준 스펙트럼 간의 코사인 유사도는 0.994를 나타낸다. 도 6b는 공진 길이의 간격을 0.1㎛로 도 6a 비하여 상대적으로 짧은 간격으로 설정하고, 해당 간격의 공진 길이를 갖는 공진기들을 집적한 경우의 스펙트럼 재건 성능을 나타낸다. 이 경우 재건 스펙트럼과 기준 스펙트럼 간의 코사인 유사도는 1을 나타낸다.
도시된 바와 같이 본 실시예에 따르면 인커플러 및 아웃커플러의 위치를 일정하게 유지한 상태에서 공진기를 별도로 형성하여 인커플러 및 아웃커플러와 에바네슨트하게 커플링함으로써 공진기의 길이를 짧은 간격으로 다양하게 집적할 수 있어 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)가 증가하고 분광 해상도가 향상될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 생체 내 성분 측정 장치의 블록도이다.
도 7을 참조하면, 생체 내 성분 측정 장치(700)는 광원(710), 분광기(720) 및 신호 처리부(730)를 포함한다.
광원(710)은 신호 처리부(730)의 제어 신호에 따라 대상체(OBJ)에 광을 조사한다. 이때, 광원(710)은 라만 분광법 또는 근적외선 분광법에 의해 흡수 스펙트럼 분석이 가능하도록 가시광 레이저나 근적외선 레이저를 조사하도록 형성될 수 있다. 광원(710)은 할로겐 램프 및 LED 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
분광기(720)는 광원(710)에 의해 대상체(OBJ)에 조사된 빛이 생체 조직에 의해 산란 또는 반사되어 되돌아 오는 광을 검출한다. 이때, 대상체(OBJ)는 인체의 피부나 동물 등의 생체일 수 있다.
분광기(720)는 도 2 및 도 5를 참조하여 설명한 분광기(200,500)일 수 있다. 분광기(720)는 광을 검출하는 이미지 센서와 그 위에 적층되어 광을 분광시키는 포토닉스 레이어로 이루어질 수 있다.
포토닉스 레이어는 대상체(OBJ)로부터 되돌아오는 광을 수광하는 인커플러와, 인커플러에 커플링되어 수광된 광을 이미지 센서의 픽셀로 출력하는 아웃커플러를 포함한다. 이때, 아웃커플러는 광손실을 최소화하기 위해 이미지 센서의 픽셀에 얼라인되도록 일정한 위치에 배열된다.
또한, 포토닉스 레이어는 인커플러에 수광된 광이 아웃커플러로 전달될 때, 다양한 파장 특성으로 분광시키는 복수의 공진기를 포함하며, 복수의 공진기는 각각 인커플러 및 아웃커플러와 별도로 형성되어 에바네슨트하게 커플링된다. 이때, 공진기는 패브리-페롯(Fabry-Perot) 공진기일 수 있으며, 인커플러 및 아웃커플러는 그레이팅(grating) 커플러일 수 있다.
포토닉스 레이어는 복수의 검출 영역으로 이루어지며, 각 검출 영역에 배치되는 인커플러/아웃커플러 및 공진기는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 각 행마다 반복적으로 배치될 수 있다.
또한, 각 검출 영역은 서로 다른 파장 특성을 갖도록 다른 종류의 공진기들이 골고루 배치될 수 있다. 또는 각 검출 영역이 서로 동일한 파장 특성을 갖도록 하나의 검출 영역에 필요한 모든 파장 특성을 갖는 공진기들을 배열하고 이와 동일한 공진기의 종류를 각 검출 영역마다 반복하여 배치할 수 있다.
신호 처리부(730)는 이미지 센서의 픽셀에서 검출된 광신호를 수신하고, 수신된 광신호를 이용하여 생체 내 성분을 측정할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리부(730)는 이미지 센서로부터 수신된 라만광신호를 이용하여 라만스펙트럼을 재건하며, 재건된 라만스펙트럼을 분석하여 생체 내 성분을 구별하고, 각 성분의 농도에 관한 정보를 획득할 수 있다. 이때, 생체 내 성분은 혈당, 중성지방, 콜레스테롤, 칼로리, 단백질 및 요산 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 신호 처리부(730)는 미리 설정된 기준에 따라 측정된 생체 내 성분을 기초로 사용자에게 알람이나 경고 정보를 생성할 수 있다.
본 실시예에 따른 생체 성분 측정 장치(700)는 본체 및 스트랩을 구비하여 대상체(OBJ)에 착용 가능한 웨어러블 형태로 제작될 수 있다. 이때, 웨어러블 형태는 손목 시계형, 팔찌형, 손목 밴드형, 반지형, 안경형, 헤어밴드형 등 다양하며 그 형태나 사이즈 등에 있어서 특별히 제한되지 않는다.
광원(710), 분광기(720) 및 신호 처리부(730)는 본체에 탑재될 수 있다. 일 예로, 손목 시계형으로 제작되는 경우 광원(710) 및 분광기(720)는 사용자의 손목에 접촉되는 본체의 하부에 장착될 수 있으며, 신호 처리부(730)는 본체의 내부 기판에 장착되어 광원(710) 및 분광기(720)와 전기적으로 연결될 수 있다.
스트랩은 대상체를 감쌀 수 있도록 플렉서블하게 형성되며, 필요에 따라 스트랩의 내부에 본체에 전원을 공급하는 배터리가 내장될 수 있다.
또한, 생체 내 성분 측정 장치(700)는 본체에 장착되는 별도의 조작부를 포함할 수 있다. 조작부는 사용자의 명령을 수신하며, 수신된 명령을 신호 처리부(730)에 전달할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 생체 내 성분 측정 장치의 블록도이다.
도 8을 참조하면, 생체 내 성분 측정 장치(800)는 광원(710), 분광기(720), 신호 처리부(730), 표시부(810) 및 통신부(820)를 포함할 수 있다. 광원(710), 분광기(720) 및 신호 처리부(730)의 구성에 대하여는 도 7을 참조하여 설명하였으므로 이하 표시부(810) 및 통신부(820) 구성을 위주로 설명한다.
표시부(810)는 본체에 장착되며 신호 처리부(730)의 제어에 따라 각종 정보를 출력한다. 이때, 표시부(810)는 신호 처리부(730)에서 측정된 생체 내 성분 정보나 그와 관련된 건강 상태 정보, 경고나 알람 정보 등을 표시할 수 있으며, 이때 다양한 시각적 표시 방법으로 사용자에게 표시할 수 있다.
한편, 표시부(810)는 터치 입력이 가능한 터치 모듈로 제작될 수 있으며, 이 경우 사용자와 인터랙션을 수행하기 위한 인터페이스를 출력할 수 있으며, 사용자로부터 그 인터페이스를 통해 입력되는 명령을 수신하고, 수신된 명령을 신호 처리부(730)에 전달할 수 있다.
통신부(820)는 본체 내에 탑재되며, 신호 처리부(810)의 제어 신호에 따라 다양한 통신 기술을 이용하여 외부 장치와 데이터를 송수신할 수 있다. 이때, 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 wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, 3G, 4G 및 5G 통신 기술이 될 수 있으며 여기에 국한되지는 않는다.
예를 들어, 통신부(820)는 외부 장치와 통신 연결하여 측정된 센서 신호나, 생체 내 성분 정보 등을 전송할 수 있다. 이때, 외부 장치는 스마트폰, 스마트 패드, 데스크탑 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 및 그 밖의 정보처리가 가능한 기기들로서 생체 내 성분 측정 장치보다 상대적으로 컴퓨팅 성능이 뛰어난 장치일 수 있다. 하지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이를 통해, 생체 내 성분 측정 장치(800)는 소형으로 제작하여 생체 내 성분 정보를 측정하도록 할 수 있으며, 생체 내 성분 정보를 이용한 다양한 정보, 예컨대 사용자의 생체 내 성분 정보 측정 이력, 이에 따른 건강 상태 분석 및 변화 이력 정보 등의 통계 정보를 관리 및, 그래프 등과 같은 다양한 방식으로 정보를 제공하는 기능은 외부 장치가 수행하도록 하는 것이 가능하다.
또한, 통신부(820)는 외부 장치로부터 생체 내 성분 측정 장치(800)의 캘리브레이션을 위한 기준 정보 예컨대, 기준 혈당값 등을 수신하여 신호 처리부(730)에 전달할 수 있다.
한편, 본 실시 예들은 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, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 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.
200: 분광기 221,222: 인커플러
231,232: 아웃커플러 241,242: 공진기
251,252,253: 미러
500: 분광기 521,522: 인커플러
531,532: 아웃커플러 541,542: 공진기
551,552,553: 미러
700,800: 성분 측정 장치 710: 광원
720: 분광기 730: 신호처리부
810: 표시부 820: 통신부

Claims (20)

  1. 픽셀 어레이로 형성되는 이미지 센서; 및
    상기 픽셀 어레이 상에 배치되며, 복수의 검출 영역으로 이루어지는 포토닉스 레이어를 포함하고,
    상기 각 검출 영역은
    복수의 공진기와 상기 복수의 공진기에 각각 에바네슨트(evanescent)하게 커플링되는 복수의 커플링부를 포함하고, 상기 픽셀 어레이의 각 행(row)마다 적어도 두 개의 커플링부가 연이어 배치되며, 상기 적어도 두 개의 커플링부 각각의 아웃커플러의 열(column) 위치는 각 행마다 동일한, 분광기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 커플링부는
    광이 입력되는 인커플러; 및
    상기 인커플러와 연결되며, 상기 인커플러로부터 전달된 광을 상기 이미지 센서의 픽셀에 출력하는 아웃커플러를 포함하는 분광기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인커플러 및 아웃커플러는 그레이팅(grating) 커플러 및 금속 미러(metal mirror) 중의 적어도 하나를 포함하는 분광기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각 커플링부는 상기 에바네슨트하게 커플링된 공진기와 별도로 형성되는 분광기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각 공진기는 Fabry-Perot 공진기를 포함하는 분광기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 각 검출 영역은 적어도 두 개의 파장 특성을 갖는 적어도 두 종류의 공진기들이 배치되며, 상기 검출 영역 상호 간에는 서로 다른 파장 특성을 갖는 서로 다른 종류의 공진기들이 배치되는 분광기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 각 검출 영역은 상기 적어도 두 종류의 공진기들이 상기 픽셀 어레이의 각 행마다 반복 배치되는 분광기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 두 종류의 공진기들은 상기 픽셀 어레이의 각 행의 경계선상에 배치되는 분광기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 각 검출 영역은 적어도 두 개의 파장 특성을 갖는 적어도 두 종류의 공진기들이 배치되며, 상기 검출 영역 상호 간에는 서로 동일한 파장 특성을 갖는 동일한 종류의 공진기들이 배치되는 분광기.
  11. 대상체에 광을 조사하는 광원; 및
    상기 대상체로부터 되돌아 오는 광을 센싱하는 분광기를 포함하고,
    상기 분광기는
    픽셀 어레이로 형성되는 이미지 센서; 및
    상기 픽셀 어레이 상에 배치되며, 복수의 공진기와 상기 복수의 공진기에 각각 에바네슨트(evanescent)하게 커플링되는 복수의 커플링부를 포함하는 복수의 검출 영역으로 이루어지는 포토닉스 레이어를 포함하고,
    상기 각 검출 영역은
    상기 픽셀 어레이의 각 행마다 적어도 두 개의 커플링부가 픽셀 피치에 얼라인(align)되도록 배치되는, 성분 분석 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광원 및 분광기가 장착되는 본체를 더 포함하는 성분 분석 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 본체에 연결되며, 상기 대상체에 감싸지도록 플렉서블하게 형성되는 스트랩을 더 포함하는 성분 분석 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 분광기에 의해 센싱된 신호를 이용하여 상기 대상체의 성분을 분석하는 신호처리부를 더 포함하는 성분 분석 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 신호처리부에서 분석된 결과를 디스플레이하는 표시부를 더 포함하는 성분 분석 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 신호처리부에서 분석된 결과를 외부 장치에 전송하는 통신부를 더 포함하는 성분 분석 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 광원은 근적외선 레이저 또는 가시광 레이저를 조사하도록 형성되는 성분 분석 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 각 커플링부는
    상기 대상체로부터 되돌아오는 광이 입력되는 인커플러; 및
    상기 인커플러와 연결되며, 상기 인커플러로부터 전달된 광을 상기 이미지 센서의 픽셀에 출력하는 아웃커플러를 포함하는 성분 분석 장치.
  19. 삭제
  20. 제11항에 있어서,
    상기 각 검출 영역은 적어도 두 개의 파장 특성을 갖는 적어도 두 종류의 공진기들이 상기 픽셀 어레이의 각 행마다 반복 배치되는 성분 분석 장치.
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