WO2022059829A1 - 수질 검사기 - Google Patents

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WO2022059829A1
WO2022059829A1 PCT/KR2020/012995 KR2020012995W WO2022059829A1 WO 2022059829 A1 WO2022059829 A1 WO 2022059829A1 KR 2020012995 W KR2020012995 W KR 2020012995W WO 2022059829 A1 WO2022059829 A1 WO 2022059829A1
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water quality
cup
wave
laser speckle
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PCT/KR2020/012995
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김영덕
조경만
남국현
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Wave Talk Inc
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    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/51—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid inside a container, e.g. in an ampoule
    • G01N2021/513—Cuvettes for scattering measurements

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a water quality tester.
  • a fluid such as water or beverage is supplied to a user through various treatments such as filtration.
  • substances other than additives added in the fluid for example, microorganisms, etc., should be removed and then supplied to the user.
  • microorganisms in the fluid may unintentionally proliferate due to circumstances such as contact with external air.
  • an object of the present invention is to provide a water quality tester that detects microorganisms in a fluid in real time using a chaotic wave sensor and inspects the water quality.
  • One embodiment of the present invention is a body, a cup accommodating part that is formed inward from one surface of the body, a cup containing a fluid can be accommodated, a wave source irradiating a wave toward the cup accommodating part, the irradiated wave
  • a detection unit that detects laser speckle generated by multiple scattering in the fluid at a preset time point and the presence of impurities in the fluid using the detected laser speckle in real-time
  • a control unit that estimates as; provides a water quality tester, including.
  • the water quality tester can test the water quality by estimating the presence and/or concentration of microorganisms in a fluid quickly at a low cost by using a change in the temporal correlation or spatial correlation of laser speckle.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram schematically illustrating a water quality tester according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of a chaos wave sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a water quality tester in which the conceptual diagram of FIG. 1 is actually implemented.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. 3 , and is a view showing a state in which the cup is accommodated in the cup receiving unit.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line B-B of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is a plan view of the water quality tester of FIG. 3 .
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a state in which the cup is mounted on the cup receiving part of FIG. 3 .
  • 8A to 8C are graphs illustrating a time correlation coefficient according to the concentration of bacteria in a fluid in a water quality tester according to an embodiment of the present invention.
  • 9 to 10 are diagrams for explaining the principle of the water quality tester determining the concentration information of the high concentration sample according to another embodiment of the present invention.
  • One embodiment of the present invention is a body, a cup accommodating part that is formed inward from one surface of the body, a cup containing a fluid can be accommodated, a wave source irradiating a wave toward the cup accommodating part, the irradiated wave
  • a detection unit that detects laser speckle generated by multiple scattering in the fluid at a preset time point and the presence of impurities in the fluid using the detected laser speckle in real-time
  • a control unit that estimates as; provides a water quality tester, including.
  • the cup receiving portion, the bottom portion formed in the interior of the body; and a wall portion extending from the bottom portion to the one surface side of the body and formed to surround at least a portion of a side surface of the cup accommodated in the cup receiving portion.
  • the angle formed by the floor portion and the wall portion may not be perpendicular.
  • the angle may be 85° or more and 88° or less.
  • the wall portion is formed in an annular shape, it may be formed to become narrower toward the one surface of the main body.
  • three or more supporting parts may be formed to protrude from the bottom part.
  • each of the support parts and the cup may be in point contact, respectively.
  • the floor or wall portion may include a multiple scattering amplification region for amplifying the number of times that the wave irradiated from the wave source is multiple scattering in the fluid.
  • the multiple scattering amplification region may reflect at least a portion of the wave emitted from the fluid to the fluid to amplify the number of multiple scattering within the fluid.
  • a temporal correlation of the detected laser speckle is obtained by using the detected laser speckle, and based on the obtained temporal correlation, Existence can be estimated in real-time.
  • the temporal correlation includes first image information of the laser speckle detected at a first time point, and second image information of the laser speckle detected at a second time point different from the first time point. Differences in image information may be included.
  • the first image information and the second image information may include at least one of the laser speckle pattern information and the wave intensity information.
  • control unit obtains a spatial correlation of an interference pattern of the optical image detected by the detection unit, and based on a change with time of the spatial correlation of the interference pattern The presence or absence of microorganisms in the fluid may be determined.
  • Another embodiment of the present invention the step of inserting a cup in which the fluid can be accommodated in the cup receiving portion; irradiating a wave having coherence to the cup receiving portion in which the cup is accommodated by the wave source; detecting, by a detector, a laser speckle generated by multiple scattering of the wave irradiated from the wave source in the fluid at each preset time point; and estimating, by a control unit, the presence or absence of impurities in the fluid in real-time using the detected laser speckle.
  • a part such as a unit, region, or component
  • a part is on or on another part, not only when it is directly on the other part, but also other units, regions, components, etc. are interposed therebetween. cases are included.
  • connect or couple do not necessarily mean direct and/or fixed connection or coupling of two members unless the context clearly indicates otherwise, and does not necessarily mean that another member is interposed between two members. It's not about exclusion.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram schematically illustrating a water quality tester 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of a chaotic wave sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a perspective view showing a water quality tester in which the conceptual diagram of FIG. 1 is actually implemented
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB
  • FIG. 6 is a plan view of the water quality tester of FIG. 3
  • FIG. 7 is a perspective view showing a state in which the cup is mounted in the cup receiving part of FIG.
  • the water quality tester 100 may include a wave source 110 , a detector 120 , and a controller 130 .
  • the water quality tester 100 of FIG. 1 may further include an alarm unit 140 and a cup receiving unit (see 160 of FIG. 4 ).
  • the cup 200 containing the fluid L to be inspected may be accommodated in the cup accommodating part 160 .
  • the cup receiving unit 160 may include a multiple scattering amplification region 165 for amplifying the number of times that the wave irradiated from the wave source 110 is multiple scattering in the fluid L.
  • the fluid L may be a liquid or a gas.
  • the fluid L may be a material in which microorganisms can grow, for example, water that does not contain a scattering material therein.
  • the present invention is not limited thereto, and as another embodiment, the fluid L may be a material such as milk having a scattering material therein.
  • the scattering material is not included in the fluid L will be first described, and the fluid L including the scattering material will be described later.
  • the wave source 110 may irradiate a wave toward the fluid L in the cup 200 accommodated in the cup accommodating part 160 .
  • All types of source devices capable of generating a wave may be applied to the wave source 110 , and may be, for example, a laser capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the detector 120 may detect the presence or absence of the microorganism M, which is an impurity, in the fluid L by using the wave.
  • the detection unit 120 may be a chaotic wave sensor.
  • the impurities may be insoluble suspended solids.
  • the detection unit 120 may also perform a function of detecting impurities contained in the fluid L as well as the microorganism M.
  • the case of detecting the microorganism (M) in the fluid (L) will be mainly described.
  • a part of a wave scattered through a complex path through multiple scattering passes through an inspection target surface.
  • Waves passing through several points on the surface to be inspected cause constructive interference or destructive interference with each other, and constructive/destructive interference of these waves causes grain-shaped patterns (speckle) to occur. do.
  • the waves scattered by such a complicated path are called “chaotic waves”, and the chaotic waves can be detected through laser speckle.
  • the left view of FIG. 2 is a view showing when a stable medium is irradiated with a laser.
  • interference light eg, laser
  • the optical path may change minutely with time.
  • the speckle pattern is a phenomenon that occurs due to wave interference, a slight change in the optical path may cause a change in the speckle pattern. Accordingly, by measuring the temporal change of the speckle pattern, the movement of the organism can be quickly measured. As such, when the change of the speckle pattern with time is measured, the existence and concentration of the organism can be known, and furthermore, the type of the organism can also be known.
  • a configuration for measuring a change in such a speckle pattern is defined as a chaotic wave sensor.
  • the water quality tester 100 may generate a stable laser speckle pattern by multi-scattering waves through a multi-scattering amplification region 165 to be described later.
  • the path of the wave may be minutely changed by the movement of the microorganism. A change in the minute wave path may cause a change in the speckle pattern, and accordingly, by measuring the temporal change of the speckle pattern, the presence or absence of the microorganism M in the fluid L can be quickly detected.
  • the water quality tester 100 may include a wave source 110 , a detector 120 , and a controller 130 .
  • the wave source 110 may irradiate a wave toward the fluid L in the cup 200 accommodated in the cup accommodating part 160 .
  • All types of source devices capable of generating a wave may be applied to the wave source 110 , and may be, for example, a laser capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the present invention is not limited in the type of the wave source, however, hereinafter, for convenience of description, the laser will be mainly described.
  • a laser having good coherence may be used as the wave source 110 .
  • the measurement accuracy may increase. That is, as the coherence length increases, the measurement accuracy may increase.
  • laser light having a spectral bandwidth of the wave source less than a predefined reference bandwidth may be used as the wave source 110 , and measurement accuracy may increase as the spectral bandwidth of the wave source is shorter than the reference bandwidth.
  • the spectral bandwidth of the wave source may be set so that the condition of Equation 1 below is maintained.
  • the spectral bandwidth of the wave source 110 may be maintained to be less than 5 nm.
  • the detector 120 may detect a laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated wave in the fluid L at preset time points.
  • the time refers to any one moment in the continuous flow of time, and the time points may be set in advance at the same time interval, but are not necessarily limited thereto, and are set in advance at an arbitrary time interval.
  • the detection unit 120 may include a detection means corresponding to the type of the wave source 110, and for example, when a light source of a visible light wavelength band is used, a CCD camera, which is a photographing device for capturing an image, is used.
  • the detector 120 may detect the laser speckle at least at the first time point, detect the laser speckle at the second time point, and provide it to the controller 130 .
  • the first time point and the second time point are only examples selected for convenience of description, and the detector 120 may detect the laser speckle at a plurality of time points greater than the first time point and the second time point.
  • the incident wave may form a laser speckle by multiple scattering. Since the laser speckle is generated by the interference of light, if there are no microorganisms in the fluid, a constant interference pattern can always be displayed over time by the multiple scattering amplification region. In comparison with this, when microorganisms exist in the fluid L, the laser speckle may change with time due to the movement of the microorganism M.
  • the detector 120 may detect the laser speckle that changes according to time at each preset time point and provide it to the controller 130 .
  • the detector 120 may detect the laser speckle at a speed sufficient to detect the movement of the microorganism M, for example, at a speed of 25 to 30 frames per second.
  • the image sensor when used as the detector 120 , the image sensor may be disposed such that the size d of one pixel of the image sensor is smaller than or equal to the grain size of the speckle pattern.
  • an image sensor may be disposed in the optical system included in the detector 120 to satisfy the condition of Equation 2 below.
  • the size d of one pixel of the image sensor should be less than or equal to the grain size of the speckle pattern, but if the size of the pixel becomes too small, undersampling occurs and the pixel resolution There may be difficulties in using Accordingly, the image sensor may be disposed such that a maximum of 5 pixels or less are located at a speckle grain size in order to achieve an effective signal to noise ratio (SNR).
  • SNR signal to noise ratio
  • the controller 130 may obtain a temporal correlation of the detected laser speckle by using the detected laser speckle.
  • the controller 130 may estimate in real-time whether or not the microorganisms are present in the fluid L based on the obtained temporal correlation.
  • real-time means estimating the presence or absence of the microorganism (M) within 3 seconds, and preferably, it is possible to estimate the presence or absence of the microorganism (M) within 1 second.
  • the controller 130 uses the difference between the first image information of the laser speckle detected at the first time point and the second image information of the laser speckle detected at the second time point different from the first time point to control microorganisms.
  • the existence of (M) can be estimated.
  • the first image information and the second image information may be at least one of laser speckle pattern information and wave intensity information.
  • an embodiment of the present invention does not use only the difference between the first image information at the first viewpoint and the second image information at the second viewpoint, and expands this to obtain images of a plurality of laser speckles from a plurality of viewpoints.
  • the control unit 130 may calculate a temporal correlation coefficient between images using image information of laser speckle generated at each preset plurality of time points, and based on the temporal correlation coefficient, the microorganism (M) in the fluid (L). existence can be inferred.
  • the temporal correlation of the detected laser speckle image may be calculated using Equation 3 below.
  • Equation 3 is the time correlation coefficient, is the normalized light intensity, (x,y) is the pixel coordinates of the camera, t is the measured time, T is the total measurement time, denotes a time lag.
  • a time correlation coefficient may be calculated according to Equation 3, and as an embodiment, the existence of a microorganism may be estimated through analysis in which the time correlation coefficient falls below a preset reference value. Specifically, the existence of microorganisms can be estimated when the time correlation coefficient falls below a reference value beyond a preset error range.
  • the detection unit 120 may estimate the concentration of impurities in the fluid L accommodated in the cup 200 . At this time, the detection unit 120 may also perform a function of measuring the turbidity of the fluid (L) by estimating the concentration of impurities in the fluid (L). A typical turbidity measurement device is difficult to measure the impurity concentration of 105 cfu/ml or less. However, the detection unit 120 according to an embodiment of the present invention can measure an impurity concentration of 106 cfu/ml or less through a method of determining the concentration of the impurity as follows.
  • impurities are not limited to microorganisms.
  • a method of determining the concentration of microorganisms by using the laser speckle in the control unit 130 mainly when the impurities are microorganisms will be described in detail.
  • the controller 130 may calculate a standard deviation of the light intensity of the laser speckle with respect to the laser speckle image measured for each reference time. As the microorganisms included in the fluid L continuously move, constructive interference and destructive interference may change in response to the movement. In this case, as constructive interference and destructive interference change, the degree of light intensity may change significantly. Then, the controller 130 may detect the microorganisms in the cup 200 by obtaining a standard deviation indicating the degree of change in light intensity, and measure their distribution.
  • the controller 130 may synthesize laser speckle images measured at predetermined times, and calculate the standard deviation of light intensity according to time of the laser speckle from the synthesized image.
  • the standard deviation of the light intensity over time of the laser speckle may be calculated based on Equation 4 below.
  • Equation 4 S: standard deviation, (x,y): camera pixel coordinates, T: total measurement time, t: measurement time, It: light intensity measured at time t, : It can represent the average light intensity over time.
  • the concentration of the microorganisms can be measured based on this.
  • the present invention is not limited to the method of measuring the concentration of microorganisms by Equation 4 above, and the concentration of microorganisms can be measured by any method using a difference in the detected laser speckle.
  • controller 130 may estimate the distribution of microorganisms included in the fluid, that is, the concentration, based on a linear relationship between the standard deviation value of the light intensity of the laser speckle and the microbial concentration.
  • the multiple scattering amplification region 165 may amplify the number of multiple scattering in the fluid L by reflecting at least a portion of the wave emitted from the fluid L back into the fluid L.
  • the multiple scattering amplification region 165 may include a multiple scattering material.
  • the multi-scattering material may include particles having a diameter of a micrometer or less having a large refractive index, for example, titanium oxide (TiO 2 ) nanoparticles.
  • the multi-scattering amplification region 165 may be formed by coating a multi-scattering material on the surface of the bottom portion (see 161 of FIG. 4 ) and the wall portion (see 163 of FIG. 4 ) of the cup receiving unit 160 .
  • the multi-scattering amplification region 165 is formed by including the multi-scattering material in the floor (see 161 in FIG. 4) and the wall (see 163 in FIG. 4) itself. may be formed.
  • the multi-scattering amplification region 165 may be formed of a reflection region 167 that reflects all of the waves emitted from the fluid L to the fluid L.
  • the reflection region 167 may minimize the wave emission from the fluid L to the outside of the water quality tester 100 to amplify the detection rate of the microorganisms of the detection unit 120 .
  • the reflective region 167 may be disposed to face an incident region where a wave is incident from the wave source 110 .
  • the reflection region 167 reflects all of the waves irradiated from the wave source 110 into the fluid L, thereby increasing the amount of waves capable of multiple scattering in the fluid L, and through this, the microorganisms in the detection unit 120
  • the detection rate can be amplified.
  • the entire area of the multi-scattering amplification region 165 excluding the movement path of the wave emitted to the detector 120 may be a reflection region.
  • the water quality tester 100 may further include an alarm unit 140 .
  • the water quality tester 100 may be connected to an external terminal 20 or a server (not shown) through a network.
  • the alarm unit 140 may notify the user of this.
  • the alarm unit 140 may notify the outside of the presence of microorganisms in the fluid using at least one of sound and light.
  • the alarm unit 140 may include a lighting means such as an LED for generating a warning signal through light and a speaker (not shown) for generating a warning signal through sound, and the light and sound may be generated at the same time.
  • the water quality tester 100 may further include a communication means (not shown) capable of communicating with the user's terminal 20 .
  • a communication means capable of communicating with the user's terminal 20 .
  • the alarm unit 140 provides information including a microorganism detection signal to the terminal 20 through a wireless or wired communication means (not shown).
  • the alert unit 140 may provide the above information to a server (not shown).
  • the water quality tester 100 uploads information on whether or not microorganisms are detected, the time when microorganisms are detected, and the concentration of microorganisms through the alarm unit 140, it is registered in the server (not shown), and other users can use the server (not shown). ) provides an interface to search the registered data.
  • the water quality tester 100 may build a database of the microbial occurrence status and the like through the above-described process.
  • the terminal 20 may be a personal computer or a portable terminal capable of using a web service in a wired/wireless communication environment.
  • the water quality tester 100 may include a wave source 110 , a detection unit 120 , a body 150 , and a cup receiving unit 160 . .
  • the water quality tester 100 may further include the controller ( 130 in FIG. 1 ) and the alarm unit ( 140 in FIG. 1 ) described in FIG. 1 .
  • the wave source 110 and the detection unit 120 have been described in FIG. 1 and the like, a detailed description thereof will be omitted.
  • the body 150 forms the outer shape of the water quality tester 100 , and a wave source 110 , a detection unit 120 , and a cup receiving unit 160 may be formed therein.
  • the main body 150 forms an eccentric streamline (or an oval shape when viewed from above) as a whole, and the cup receiving part 160 into which the cup 200 can be fitted is formed from the top to the inside, but the present invention The idea of is not limited thereto, and the size, shape, and material of the body 150, or the position at which the cup receiving part 160 is formed in the body 150, may be variously changed.
  • the cup receiving part 160 may be formed so that the cup 200 can be fitted from the top of the main body 150 to the inside (ie, the center side).
  • the cup receiving part 160 may include a bottom part 161 and a wall part 162 .
  • the cup accommodating part 160 in which the cup 200 can be accommodated and seated is formed by the bottom part 161 and the wall part 162 .
  • the bottom part 161 forms the bottom surface of the cup receiving part 160, and is formed in a substantially flat shape.
  • the above-described multiple scattering amplification region 165 may be formed on at least a portion of the bottom portion 161 .
  • three or more support parts 161a are protruded from the bottom part 161 to stably hold the cup 200 accommodated in the cup receiving part 160 . It is characterized in that it is supported.
  • the cup 200 containing the fluid has various shapes, and some cups may not have a flat bottom surface. In this case, when the cup 200 is seated in the cup accommodating part 160, the cup 200 does not stop and is slightly shaken, so there is a problem that an error in the measurement value may occur.
  • three or more support parts 161a are formed to protrude from the bottom part 161 to stably support the cup 200 accommodated in the cup receiving part 160 . It is characterized by a job.
  • the bottom part 161 and the bottom surface of the cup 200 come into contact with three points (or more) rather than face-to-face contact. Through the same three-point contact, fine shaking that may occur when the bottom surface of the cup 200 is not flat can be minimized, thereby improving the precision in repeated measurement.
  • the wall portion 162 is formed in an approximately vertical direction from the bottom portion 161, it is formed in an annular shape so that the cup 200 can be accommodated therein.
  • the above-described multi-scattering amplification region 165 and/or the reflection region 167 may be formed in at least a portion of the wall portion 162 .
  • the angle ⁇ between the wall portion 162 and the floor portion 161 is not exactly a right angle, but is formed to be slightly inclined (ie, obliquely). It is characterized by one thing.
  • the water quality tester 100 has an open structure in which the cup receiving part 160 is formed to accommodate the cup 200 .
  • the cup receiving part 160 is formed to accommodate the cup 200 .
  • a part of the scattered light goes out of the open structure and the amount of light received by the detector (see 120 in FIG. 1) is lost.
  • the results of light scattering analysis were affected.
  • an embodiment of the present invention is characterized in that the angle ⁇ between the wall portion 162 and the bottom portion 161 is not exactly a right angle, but is formed to be slightly inclined. That is, the wall portion 162 is formed so that the angle ⁇ between the wall portion 162 and the floor portion 161 is approximately 85° to 88°, so that the laser reflected by the wall portion 162 is open.
  • the light scattering effect can be enhanced by reducing the loss of light quantity by directing it to the opposite side of .
  • the wall portion 162 is formed to have a narrow entrance as it goes upward (ie, in the +Z axis direction), or it may be expressed that its diameter decreases as it goes upward. According to the present invention as described above, by reducing the loss of the light emitted from the wave source 110 to the outside, it is possible to increase the light loss effect.
  • the cup 200 may include an opaque part 210 .
  • the entire surface of the cup 200 is formed to be transparent, the laser is exposed to the outside, and glare may occur to the user.
  • the opaque portion 210 is formed up to a predetermined height under the side of the cup 200, which is necessary for the user to check the water quality of the fluid. While displaying the minimum amount of fluid, it is possible to obtain the effect of preventing the user from looking directly at the laser.
  • 8A to 8C are graphs illustrating a time correlation coefficient according to the concentration of bacteria in a fluid in a water quality tester according to an embodiment of the present invention. 8A to 8C show the change in the time correlation coefficient according to the concentration when the microorganism is artificially introduced into the fluid contained in the cup 200 .
  • the x-axis is an axis related to time t
  • the y-axis is an axis related to the time correlation coefficient C(t).
  • the dotted line L2 indicates a reference value of the time correlation coefficient of the laser speckle preset in the detection unit 120 .
  • the solid line L1 represents measurement data of the time correlation coefficient of the laser speckle acquired over time through the detector 120 .
  • a solid line L1 of FIG. 8A indicates a time correlation coefficient of the laser speckle obtained through the detection unit 120 when no microorganisms in the fluid are added.
  • the time correlation coefficient is also almost constant with time, and the preset reference value L1 is It can be seen that there is no excess.
  • the solid line L1 of FIG. 8B indicates the time correlation coefficient of the laser speckle obtained through the detection unit 120 when 4 ml of a microorganism having a concentration of 10 ⁇ 0 cfu/ml is introduced into the fluid.
  • the solid line L1 of FIG. 8C represents the time correlation coefficient of the laser speckle obtained through the detection unit 120 when 4 ml of a microorganism having a concentration of 10 ⁇ 1 cfu/ml is introduced into the fluid.
  • FIGS. 8B and 8C when a microorganism is present in a fluid, since laser speckle generated by scattering in the fluid changes with time, the time correlation coefficient changes when the microorganism is detected.
  • the shaded areas (Bacteria Deteting Signal) in FIGS. 8B and 8C indicate the change in the time correlation coefficient at the time when these microorganisms are detected, and it can be confirmed that the higher the concentration of the microorganism, the higher the peak value of the time correlation coefficient. there is.
  • the detector 120 determines that microorganisms are present when the time correlation coefficient L1 of the laser speckle exceeds the dotted line L2, which is a preset reference value.
  • the measurement time required for the detection unit 120 to detect the microorganisms may be a section from a time point at which the time correlation coefficient rapidly changes to a time point at which it meets the dotted line L2, which is a reference value, as shown in Fig. 8b and Referring to FIG. 8C , it can be confirmed that the time is within about 0.2 seconds.
  • the water quality tester according to the embodiments of the present invention detects microorganisms that are impurities in a fluid in a very fast time of 0.2 seconds or less, that is, in real-time.
  • the water quality tester according to the embodiments of the present invention estimates the concentration of microorganisms using the change rate or peak value of the time correlation coefficient.
  • the water quality tester can detect even when the concentration of microorganisms is low (10 ⁇ 0 cfu/ml).
  • the water quality tester can quickly estimate the presence or concentration of microorganisms in a fluid at a low cost by using a change in the temporal correlation of laser speckle.
  • the method for detecting microorganisms in a water quality tester according to another embodiment of the present invention is characterized in that the presence or concentration of microorganisms in a fluid is detected using spatial correlation instead of temporal correlation.
  • spatial correlation instead of temporal correlation
  • 9 to 10 are diagrams for explaining the principle of detecting microorganisms by a water quality tester according to another embodiment of the present invention.
  • the controller 130 may receive the optical images measured in time series from the detector 120 , and determine the concentration information of microorganisms in the sample from the optical images.
  • the controller 130 may obtain a spatial correlation of the interference pattern.
  • the spatial correlation given by the following equation can be expressed as a number within a certain range of how similarly a certain pixel and a pixel separated by a distance r from the pixel have similar brightness on the image measured at time t (FIG. 10) of (b)).
  • the range may be in the range of -1 to 1. That is, the spatial correlation indicates the degree of correlation between an arbitrary pixel and other pixels. If it is 1, it indicates a positive correlation, if it is -1, it indicates a negative correlation, and if it is 0, it indicates no relation.
  • the spatial correlation of the sample image shows a positive correlation close to 1, but after the interference pattern is formed, the correlation value decreases in a direction close to 0. can
  • C 0 ( t ) was used to adjust the range of Equation 5 to -1 to 1. If the brightness I(r',t) measured at time t at any pixel is equal to the brightness I(r'+r,t) of a pixel separated by a distance r, then the spatial correlation is 1, otherwise 1 will have a smaller value.
  • the present invention may express the above-described spatial correlation only as a function of time.
  • the control unit 130 may obtain the average of the spatial correlation for pixels having the same size of r from any pixel as in Equation 6 below (refer to FIG. 10(b) ).
  • control unit 130 may represent a function of time by substituting a preset distance into Equation 6, and using this function, the degree of formation of the interference pattern is within a certain range of 0 to 1 It can be confirmed by the value of (refer to FIG. 10(d)).
  • the controller 130 may distinguish foreign substances and microorganisms in the sample through a change in the pattern of the sample image according to time. In the case of foreign substances, there is no change in the image over time, but in the case of microorganisms, since images such as shape and size change according to time, the water quality tester 100 can distinguish foreign substances from microorganisms.
  • the controller 130 may determine the concentration information of the microorganisms using the spatial correlation as follows.
  • Spatial correlation uses one image to generate two identical superimposed images, shifts one of the two images in one direction by a preset distance, and then places two adjacent images between the shifted and unshifted images. It can be obtained by analyzing how similar the pixels are.
  • the spatial correlation is a measure of how uniform the image is. If an interference pattern is formed due to a colony, the similarity of two adjacent pixels decreases due to the small interference pattern, so the value of the spatial correlation also decreases. .
  • the controller 130 may acquire the spatial correlation by shifting the image by a predetermined distance or more in advance.
  • the preset distance r depends on the speckle size, and when expressed in units of pixels, the controller 130 may obtain a spatial correlation by shifting the image by a pixel larger than the speckle size.
  • the predetermined distance may be at least 3 pixels or more.
  • the controller 130 may acquire temporal correlation of the interference pattern of the measured sample image as well as the spatial correlation as described above, and detect the microorganism based on the acquired temporal correlation.
  • the controller 130 may calculate a temporal correlation coefficient between images by using the image information of the interference pattern measured in time series, and may detect microbial colonies in the sample based on the temporal correlation coefficient. there is.
  • the controller 130 may detect the microorganism through analysis in which the calculated time correlation coefficient falls below a preset reference value.
  • the water quality tester 100 further includes a multiple scattering amplifying member for amplifying the number of times that the light incident on the cup 200 is multiple scattering within the sample.
  • a multiple scattering amplifying member (not shown) is provided on the movement path of light between the wave source 110 and the cup 200 or between the cup 200 and the detector 120 to amplify the number of multiple scattering of light. can do it
  • the multiple scattering amplification member (not shown) is formed in a structure that can be mounted or detached from the water quality tester 100 and may be used as necessary.
  • a water quality tester there is provided a water quality tester.
  • embodiments of the present invention can be applied to an apparatus for measuring impurities in a fluid used in industry.

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 본체, 상기 본체의 일 면으로부터 내측 방향으로 형성되며, 유체가 담긴 컵이 수용될 수 있는 컵 수용부, 상기 컵 수용부를 향하여 파동을 조사하는 파동원, 상기 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출부 및 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부;를 포함하는, 수질 검사기를 제공한다.

Description

수질 검사기
본 발명의 실시예들은 수질 검사기에 관한 것이다.
일반적으로, 물 또는 음료와 같은 유체는 여과 등의 다양한 처리를 통해 사용자에게 공급된다. 음용을 목적으로 하는 유체의 경우, 필요에 의해 유체 내 첨가된 첨가물을 제외한 다른 물질, 예를 들면 미생물 등은 제거된 후 사용자에게 공급되어야 한다. 그러나, 유체를 처리하는 과정에서 외기의 접촉과 같은 상황에 의해 의도치 않게 유체 내 미생물이 증식할 수 있다.
유체 내 미생물을 감지하여 수질을 검사하기 위해 종래 다양한 방법들이 제시되고 있지만, 유체 내에서 극소량의 미생물을 감지하는 것은 매우 어려운 실정이다.
상기한 문제 및/또는 한계를 해결하기 위하여, 본 발명은 혼돈파 센서를 이용하여 실시간으로 유체 내 미생물을 감지하여 수질을 검사하는 수질 검사기를 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는 본체, 상기 본체의 일 면으로부터 내측 방향으로 형성되며, 유체가 담긴 컵이 수용될 수 있는 컵 수용부, 상기 컵 수용부를 향하여 파동을 조사하는 파동원, 상기 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출부 및 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부;를 포함하는, 수질 검사기를 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 또는 공간 상관 관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 유체 내 미생물의 존재 여부 및/또는 농도를 추정하여 수질을 검사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 개념도가 실제 구현된 수질 검사기를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A 선을 따라 취한 단면도로써, 컵 수용부에 컵이 수용된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3의 B-B 선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 도 3의 수질 검사기의 평면도이다.
도 7은 도 3의 컵 수용부에 컵이 장착된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기에 있어서 유체 내 박테리아 농도에 따른 시간 상관 관계 계수를 도시한 그래프이다.
도 9 내지 도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기가 고농도의 샘플의 농도 정보를 판단하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예는 본체, 상기 본체의 일 면으로부터 내측 방향으로 형성되며, 유체가 담긴 컵이 수용될 수 있는 컵 수용부, 상기 컵 수용부를 향하여 파동을 조사하는 파동원, 상기 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출부 및 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부;를 포함하는, 수질 검사기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 컵 수용부는, 상기 본체의 내부에 형성되는 바닥부; 및 상기 바닥부로부터 상기 본체의 상기 일 면 측으로 연장 형성되며, 상기 컵 수용부에 수용되는 상기 컵의 측면의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 벽체부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바닥부와 상기 벽체부가 이루는 각도는 수직이 아닐 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 각도는 85°이상, 88°이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 벽체부는 환형으로 형성되며, 상기 본체의 상기 일 면으로 갈수록 좁아지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바닥부에는, 세 개 이상의 지지부들이 돌출 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 각 지지부들과 상기 컵이 각각 점 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바닥부 또는 벽체부는, 상기 파동원에서 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다중산란증폭영역은 상기 유체로부터 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 유체로 반사시켜 상기 유체 내에서의 다중 산란 횟수를 증폭시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 상기 유체 내의 미생물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시간 상관 관계는 제1 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영상정보와 상기 제2 영상정보는 상기 레이저 스펙클의 패턴정보 및 상기 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 검출부에서 검출된 광학 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득하고, 상기 간섭 패턴의 공간 상관 관계의 시간에 따른 변화를 기초로 상기 유체 내 미생물의 존재여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는, 유체가 수용될 수 있는 컵이 컵 수용부에 삽입되는 단계; 파동원에 의해, 상기 컵이 수용된 컵 수용부로 간섭성을 갖는 파동이 조사되는 단계; 검출부에 의해, 상기 파동원에서 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)이, 사전에 설정된 시점마다 검출되는 단계; 및 제어부에 의해, 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부가 실시간(real-time)으로 추정되는 단계;를 포함하는 수질 검사 방법을 제공한다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 실시예들의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 실시예들은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서 유닛, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 유닛, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서 연결하다 또는 결합하다 등의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 반드시 두 부재의 직접적 및/또는 고정적 연결 또는 결합을 의미하는 것은 아니며, 두 부재 사이에 다른 부재가 개재된 것을 배제하는 것이 아니다.
명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 3은 도 1의 개념도가 실제 구현된 수질 검사기를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A 선을 따라 취한 단면도로써, 컵 수용부에 컵이 수용된 상태를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 3의 B-B 선을 따라 취한 단면도이고, 도 6은 도 3의 수질 검사기의 평면도이고, 도 7은 도 3의 컵 수용부에 컵이 장착된 모습을 나타내는 사시도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 파동원(110), 검출부(120), 제어부(130)를 포함할 수 있다. 또한, 도 1의 수질 검사기(100)는 경보유닛(140) 및 컵 수용부(도 4의 160 참조)를 더 포함할 수 있다. 그리고 이 컵 수용부(160)에는 검사 대상이 되는 유체(L)가 담긴 컵(200)이 수용될 수 있다. 또한, 컵 수용부(160)는 파동원(110)로부터 조사된 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역(165)을 포함할 수 있다.
여기서, 유체(L)는 액체 또는 기체일 수 있다. 또한, 유체(L)는 미생물이 증식될 수 있는 물질일 수 있으며, 예를 들면, 내부에 산란물질이 포함되지 않은 물일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 실시예로서, 유체(L)는 내부에 산란물질이 포함된 우유와 같은 물질일 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 유체(L) 내부에 산란물질이 포함되지 않는 경우를 먼저 설명하고, 산란물질이 포함된 유체(L)에 대하여는 후술하기로 한다.
파동원(110)은 컵 수용부(160)에 수용된 컵(200) 내부의 유체(L)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(110)은 파동(wave)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다.
검출부(120)는 파동을 이용하여 유체(L) 내의 불순물인 미생물(M)의 존재여부를 감지할 수 있다. 본 명세서에서 검출부(120)는 혼돈파 센서일 수 있다. 여기서, 불순물은 비용해성 부유물질일 수도 있다. 검출부(120)는 미생물(M) 뿐만 아니라 유체(L) 내 포함된 불순물을 검출하는 기능도 수행할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 유체(L) 내 미생물(M)을 검출하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
이하에서는, 도 2를 참조하여, 본 발명의 혼돈파 센서의 원리에 대하여 설명한다.
유리와 같이 내부 굴절율이 균질한 물질의 경우에는 광을 조사했을 때에 일정한 방향으로 굴절이 일어난다. 하지만, 내부 굴절률이 불균질한 물체에 레이저와 같은 간섭광(Coherent Light)을 조사하면, 물질 내부에서 매우 복잡한 다중 산란(multiple scattering)이 발생하게 된다.
도 2를 참고하면, 파동원에서 조사한 빛 또는 파동(이하, 간략화를 위하여 파동이라 함) 중, 다중 산란을 통해 복잡한 경로로 산란된 파동의 일부는 검사 대상면을 통과하게 된다. 검사 대상면의 여러 지점을 통과하는 파동들이 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키게 되고, 이러한 파동들의 보강/상쇄 간섭은 낱알 모양의 무늬(스펙클; speckle)를 발생시키게 된다.
본 명세서에서는 이러한 복잡한 경로로 산란되는 파동들을 "혼돈파(Chaotic wave)"라고 명명하였으며, 혼돈파는 레이저 스펙클을 통해 검출할 수 있다.
다시, 도 2의 좌측 도면은 안정한 매질을 레이저로 조사하였을 때를 나타낸 도면이다. 내부 구성 물질의 움직임이 없는 안정한 매질을 간섭광(예를 들면 레이저)로 조사하였을 때에는 변화가 없는 안정한 스펙클 무늬를 관측할 수 있다.
그러나, 도 2의 우측 도면과 같이, 내부에 박테리아 등, 내부 구성 물질 중 움직임이 있는 불안정한 매질을 포함하고 있는 경우에는 스펙클 무늬가 변화하게 된다.
즉, 생물의 미세한 생명활동(예컨대, 세포 내 움직임, 미생물의 이동, 진드기의 움직임 등)으로 인해 광경로가 시간에 따라 미세하게 변화할 수 있다. 스펙클 패턴은 파동의 간섭으로 인해 발생하는 현상이기 때문에, 미세한 광경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 생물의 움직임을 신속하게 측정할 수 있다. 이처럼, 스펙클 패턴의 시간에 따른 변화를 측정하는 경우, 생물의 존재여부 및 농도를 알 수 있으며, 더 나아가서는 생물의 종류 또한 알 수 있다.
본 명세서는 이러한 스펙클 패턴의 변화를 측정하는 구성을 혼돈파 센서(Chaotic Wave Sensor)라 정의한다.
한편, 물과 같은 유체(L)는 전술한 바와 같이 내부에 산란을 발생시키는 균질한 물질을 포함하지 않기 때문에 미생물(M)이 존재하지 않는 경우 레이저 스펙클을 발생시킬 수 없다. 다만, 본 발명의 일 실시예예 따른 수질 검사기(100)는 후술할 다중산란증폭영역(165)을 통해 파동을 다중산란시켜 안정한 레이저 스펙클 무늬를 발생시킬 수 있다. 수질 검사기(100)는 컵(200)에 담긴 유체(L) 내에 미생물(M)이 존재하는 경우 미생물의 움직임에 의해 파동의 경로가 미세하게 변화할 수 있다. 미세한 파동경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 유체(L) 내에 미생물(M)의 존재여부를 신속하게 검출할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 파동원(110), 검출부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
파동원(110)은 컵 수용부(160)에 수용된 컵(200) 내부의 유체(L)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(110)은 파동(wave)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다. 본 발명은 파동원 종류에 제한이 없으나, 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 레이저인 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
예를 들어, 유체(L)에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동원(110)으로 이용할 수 있다. 이때, 레이저 파동원의 간섭성을 결정하는 파동원의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 즉, 간섭길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 파동원의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 파동원(110)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 조건이 유지되도록 파동원의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.
Figure PCTKR2020012995-appb-M000001
수학식 1에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 기준 시간마다 유체 내에 광을 조사 시에, 파동원(110)의 스펙트럴 대역폭은 5nm 미만을 유지될 수 있다.
검출부(120)는 조사된 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 여기서, 시점(time)이란, 연속적인 시간의 흐름 가운데 어느 한 순간을 의미하며, 시점(time)들은 동일한 시간 간격으로 사전에 설정될 수 있으나 반드시 이에 제한되지 않으며, 임의의 시간 간격으로 사전에 설정될 수도 있다. 검출부(120)는 파동원(110) 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우에는 영상을 촬영하는 촬영장치인 CCD 카메라(camera)가 이용될 수 있다. 검출부(120)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(130)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(120)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
구체적으로, 유체(L)에 파동이 조사되면, 입사된 파동은 다중 산란에 의해 레이저 스펙클을 형성할 수 있다. 레이저 스펙클은 빛의 간섭 현상에 의해 발생하므로, 유체 내에 미생물이 없다면 다중산란증폭영역에 의해 시간에 따라 항상 일정한 간섭 무늬를 나타낼 수 있다. 이와 비교하여, 유체(L) 내에 미생물이 존재하는 경우, 레이저 스펙클은 미생물(M)의 움직임에 의해 시간에 따라 변화할 수 있다. 검출부(120)는 이러한 시간에 따라 변화하는 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하여 제어부(130)로 제공할 수 있다. 검출부(120)는 미생물(M)의 움직임을 감지할 수 있을 정도의 속도로 레이저 스펙클을 검출할 수 있으며, 예를 들면, 초당 25 프레임 내지 30 프레임의 속도로 검출할 수 있다.
한편, 검출부(120)로 이미지 센서가 이용되는 경우, 이미지 센서 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size)보다 작거나 같아지도록 이미지 센서가 배치될 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 2의 조건을 만족하도록, 검출부(120)에 포함된 광학계에서 이미지 센서가 배치될 수 있다.
Figure PCTKR2020012995-appb-M000002
수학식 2와 같이, 이미지 센서의 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size) 이하이어야 하나, 픽셀의 크기가 너무 작아지게 되면 언더샘플링(undersampling)이 발생해서 픽셀 해상도를 활용하는데 어려움이 존재할 수 있다. 이에 따라, 효과적인 SNR(Signal to Noise Ratio)를 달성하기 위해 스펙클 입자 크기(speckle grain size)에 최대 5개 이하의 픽셀이 위치하도록 이미지 센서가 배치될 수 있다.
제어부(130)는 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득할 수 있다. 제어부(130)는 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 유체(L) 내의 미생물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다. 본 명세서에서 실시간(real-time)이란 3초 이내 미생물(M)의 존재 여부를 추정하는 것을 의미하며, 바람직하게는 1초 내에 미생물(M)의 존재 여부를 추정할 수 있다.
일 실시예로서, 제어부(130)는 제1 시점에서 검출된 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 레이저 스펙클의 제2 영상정보 차이를 이용하여 미생물(M)의 존재여부를 추정할 수 있다. 여기서, 제1 영상정보 및 제2 영상정보는 레이저 스펙클의 패턴 정보 및 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예는, 제1 시점에서의 제1 영상정보와 제2 시점에서의 제2 영상정보의 차이만을 이용하는 것은 아니며, 이를 확장하여 복수의 시점에서 복수의 레이저 스펙클의 영상 정보를 이용할 수 있다. 제어부(130)는 사전에 설정된 복수의 시점마다 생성된 레이저 스펙클의 영상정보를 이용하여 영상들 간의 시간 상관 계수를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 유체(L) 내에 미생물(M)의 존재여부를 추정할 수 있다. 검출된 레이저 스펙클 영상의 시간 상관 관계는 아래의 수학식 3을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2020012995-appb-M000003
수학식 3에서
Figure PCTKR2020012995-appb-I000001
은 시간 상관 관계 계수,
Figure PCTKR2020012995-appb-I000002
은 표준화된 빛 세기, (x,y)는 카메라의 픽셀 좌표, t는 측정된 시간, T는 총 측정 시간,
Figure PCTKR2020012995-appb-I000003
는 타임래그(time lag)를 나타낸다.
수학식 3에 따라 시간 상관 관계 계수가 계산될 수 있으며, 일 실시예로서, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 기준값 이하로 떨어지는 분석을 통해 미생물의 존재여부를 추정할 수 있다. 구체적으로, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 오차 범위를 넘어 기준값 이하로 떨어지는 것으로 미생물이 존재한다고 추정할 수 있다.
또한, 검출부(120)는 컵(200)에 수용된 유체(L) 내의 불순물의 농도를 추정할 수 있다. 이때, 검출부(120)는 유체(L) 내 불순물의 농도를 추정하여 유체(L)의 탁도를 측정하는 기능도 수행할 수 있다. 일반적인 탁도 측정 장치는 105 cfu/ml 이하의 불순물 농도를 측정하는 것이 어렵다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부(120)는 하기와 같이 불순물의 농도를 판단하는 방법을 통해 106 cfu/ml 이하의 불순물 농도도 측정이 가능하다. 여기서 불순물은 미생물로 한정하지 않는다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 불순물이 미생물인 경우를 중심으로 제어부(130)에서, 레이저 스펙클을 이용하여 미생물의 농도를 판단하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
제어부(130)는 기준 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 대상으로, 레이저 스펙클의 빛 세기(intensity)의 표준 편차를 계산할 수 있다. 유체(L) 내 포함된 미생물들이 지속적으로 움직임에 따라 보강 간섭과 상쇄 간섭이 상기 움직임에 대응하여 변화할 수 있다. 이때, 보강 간섭과 상쇄 간섭이 변화함에 따라, 빛 세기의 정도가 크게 변화할 수 있다. 그러면, 제어부(130)는, 빛 세기의 변화 정도를 나타내는 표준 편차를 구하여 컵(200) 내의 미생물을 검출할 수 있으며, 이들의 분포도를 측정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(130)는 미리 정해진 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 합성하고, 합성된 영상에서 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차를 계산할 수 있다. 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차는 아래의 수학식 4에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2020012995-appb-M000004
수학식 4에서, S: 표준편차, (x,y): 카메라 픽셀 좌표, T: 총 측정 시간, t: 측정 시간, It: t 시간에 측정된 빛 세기,
Figure PCTKR2020012995-appb-I000004
: 시간에 따른 평균 빛 세기를 나타낼 수 있다.
미생물의 움직임에 따라 보강 및 상쇄 간섭 패턴이 달라지게 되고, 수학식 4에 기초하여 계산된 표준편차 값이 커지게 되기 때문에 이에 기초하여 미생물의 농도가 측정될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기한 수학식 4에 의해 미생물의 농도를 측정하는 방법이 제한되지 않으며, 검출된 레이저 스펙클의 차이를 이용한 어떠한 방법으로든 미생물의 농도를 측정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 레이저 스펙클의 빛 세기의 표준편차 값의 크기와 미생물 농도와 선형적인 관계에 기초하여 유체에 포함된 미생물의 분포도, 즉 농도를 추정할 수도 있다.
한편, 다중산란증폭영역(165)은 유체(L)로부터 출사되는 파동의 적어도 일부를 다시 유체(L) 내로 반사시켜 유체(L)에서의 다중산란 횟수를 증폭시킬 수 있다. 다중산란증폭영역(165)은 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 다중산란물질은 굴절률이 큰 마이크로 미터 크기 이하의 지름을 가지는 입자, 예를 들면 산화티타늄(TiO2) 나노 입자를 포함할 수 있다. 이때, 다중산란증폭영역(165)은 컵 수용부(160)의 바닥부(도 4의 161 참조)와 벽체부(도 4의 163 참조)의 표면에 다중산란물질을 코팅하여 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 실시예로서, 바닥부(도 4의 161 참조)와 벽체부(도 4의 163 참조) 자체에 다중산란물질을 포함시킴으로써 다중산란증폭영역(165)이 형성될 수도 있다.
한편, 다중산란증폭영역(165)의 적어도 일부는 유체(L)로부터 출사되는 파동의 전부를 유체(L)로 반사시키는 반사영역(167)으로 이루어질 수 있다. 반사영역(167)은 유체(L)로부터 수질 검사기(100)의 외부로 파동이 출사되는 것을 최소화하여 검출부(120)의 미생물 감지율을 증폭시킬 수 있다. 반사영역(167)은 파동원(110)으로부터 파동이 입사되는 입사영역에 대하여 대향되도록 배치될 수 있다. 반사영역(167)은 파동원(110)으로부터 조사된 파동의 전부를 유체(L) 내로 반사시킴으로써, 유체(L)에서 다중산란가능한 파동량을 증가시킬 수 있고 이를 통해 검출부(120)에서의 미생물 감지율을 증폭시킬 수 있다. 다른 실시예로서, 검출부(120)로 출사되는 파동의 이동 경로를 제외한 다중산란증폭영역(165)의 전체 영역이 반사영역으로 이루어질 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 경보유닛(140)을 더 포함할 수 있다. 그리고 수질 검사기(100)는 외부의 단말기(20) 또는 서버(미도시)와 네트워크를 통해 연결될 수 있다.
경보유닛(140)은 제어부(130)로부터 미생물이 존재한다는 신호(t1)가 입력되면, 이를 사용자에게 알릴 수 있다. 경보유닛(140)은 소리, 빛 중 적어도 어느 하나를 이용하여 미생물이 유체 내 존재함을 외부로 알릴 수 있다. 경보유닛(140)은 빛을 통해 경고신호를 생성하는 LED와 같은 조명수단 및 소리를 통해 경고신호를 생성하는 스피커(미도시)를 포함할 수 있으며, 빛과 소리는 동시에 생성될 수 있다.
또한, 수질 검사기(100)는 사용자의 단말기(20)와 통신할 수 있는 통신수단(미도시)을 더 포함할 수 있다. 경보유닛(140)은 제어부(130)로부터 미생물이 존재한다는 신호(t1)가 입력되면, 무선 또는 유선의 통신수단(미도시)을 통해 단말기(20)로 미생물 감지 신호를 포함하는 정보를 제공할 수 있다. 또한, 경보유닛(140)은 도시하지 않았지만 서버(미도시)로도 상기한 정보를 제공할 수 있다. 수질 검사기(100)는 경보유닛(140)을 통해 미생물 감지 여부, 미생물이 감지된 시간, 미생물의 농도에 대한 정보를 업로드하면, 이를 서버(미도시)에 등록하며, 다른 사용자들이 서버(미도시)에 등록된 데이터를 조회할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 상기한 과정을 통해 미생물 발생 상황 등을 데이터베이스로 구축할 수 있다. 단말기(20)는 유무선 통신 환경에서 웹 서비스를 이용할 수 있는 퍼스널 컴퓨터 또는 휴대용 단말일 수 있다.
도 3 내지 도 7을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 파동원(110), 검출부(120), 본체(150), 컵 수용부(160)를 포함할 수 있다. 또한 도 3 내지 도 7에는 도시되지 않았지만, 수질 검사기(100)는 도 1에서 설명한 제어부(도 1의 130) 및 경보유닛(도 1의 140)을 더 포함할 수 있다. 여기서 파동원(110) 및 검출부(120)는 도 1 등에서 설명한 바 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
본체(150)는 수질 검사기(100)의 외형을 이루며, 그 내부에는 파동원(110), 검출부(120), 컵 수용부(160)가 형성될 수 있다. 도면에는 본체(150)가 전체적으로 편심된 유선형(내지는 위에서 보았을 때 계란형)을 이루며, 상부로부터 내측으로 컵(200)이 끼워질 수 있는 컵 수용부(160)가 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 본체(150)의 크기, 형상, 재질이나, 본체(150)에서 컵 수용부(160)가 형성되는 위치는 다양하게 변경 가능하다 할 것이다.
컵 수용부(160)는 본체(150)의 상부로부터 내측(즉, 중심부 측)으로 컵(200)이 끼워질 수 있도록 형성될 수 있다. 컵 수용부(160)는 바닥부(161) 및 벽체부(162)를 포함할 수 있다. 이를 다르게 표현하면, 바닥부(161)와 벽체부(162)에 의해, 컵(200)이 수용되어 안착될 수 있는 컵 수용부(160)가 형성된다고 표현할 수도 있을 것이다.
바닥부(161)는 컵 수용부(160)의 바닥면을 이루며, 대략 편평한 형상으로 형성된다. 이와 같은 바닥부(161)의 적어도 일부에는 상술한 다중산란증폭영역(165)이 형성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 바닥부(161)에 세 개 이상의 지지부(161a)가 돌출 형성되어, 컵 수용부(160)에 수용되는 컵(200)을 안정적으로 지지하는 것을 일 특징으로 한다.
상세히, 유체를 담는 컵(200)은 그 생김새가 다양하며, 어떤 컵들은 그 바닥면이 평평하지 않을 수 있다. 이 경우, 컵 수용부(160)에 컵(200)을 안착시켰을 때 컵(200)이 정지하지 않고 미세하게 흔들려서 측정 값의 오차가 발생할 수 있다는 문제점이 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 바닥부(161)에 세 개 이상의 지지부(161a)가 돌출 형성되어, 컵 수용부(160)에 수용되는 컵(200)을 안정적으로 지지하는 것을 일 특징으로 한다.
이와 같이 바닥부(161)에 세 개 이상의 지지부(161a)가 돌출 형성되면, 바닥부(161)와 컵(200)의 바닥면이 면 접촉인 아닌 3점(또는 그 이상) 접촉하게 되며, 이와 같은 3점 접촉을 통해 컵(200) 바닥면이 평평하지 않을 경우에 발생할 수 있는 미세 흔들림을 최소화하여, 반복 측정 시의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 벽체부(162)는 바닥부(161)로부터 대략 수직인 방향으로 형성되며, 내부에 컵(200)이 수용될 수 있도록 환형으로 형성된다. 이와 같은 벽체부(162)의 적어도 일부에는 상술한 다중산란증폭영역(165) 및/또는 반사영역(167)이 형성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 벽체부(162)와 바닥부(161)가 이루는 각(α)이 정확히 직각이 아니라, 약간 정도 경사지게(즉, 비스듬하게) 형성되는 것을 일 특징으로 한다.
상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 컵(200)을 수용하기 위해, 컵 수용부(160)가 형성된 부분이 개방된 구조이다. 이와 같이 한 면(의 적어도 일부)이 개방된 구조에서 레이저의 반사에 의한 광산란 시, 산란된 빛의 일부가 개방된 구조 밖으로 나가 검출부(도 1의 120 참조)가 받아들이는 광량의 손실이 발생하여 광산란 분석을 통한 결과에 영향을 주게 된다는 문제점이 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 벽체부(162)와 바닥부(161)가 이루는 각(α)이 정확히 직각이 아니라, 약간 정도 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 벽체부(162)와 바닥부(161)가 이루는 각(α)이 대략 85°내지 88°가 되도록 벽체부(162)를 형성하여, 벽체부(162)에 반사된 레이저가 개방된 면의 반대쪽으로 향하게 하여 광량의 손실을 줄임으로써, 광산란 효과를 높일 수 있다.
다시 말하면, 벽체부(162)는 위로 갈수록(즉 +Z축 방향으로 갈수록) 입구가 좁아지도록 형성된다고 표현할 수도 있고, 또는 위로 갈수록 직경이 점점 작아진다고 표현할 수도 있을 것이다. 이와 같은 본 발명에 의해서, 파동원(110)에서 출사된 광이 외부로 빠져나가는 손실을 줄임으로써, 광산한 효과를 높일 수 있다.
한편, 컵(200)은 불투명부(210)를 포함할 수 있다. 상세히, 컵(200)의 전체면이 모두 투명하게 형성될 경우, 레이저가 외부로 노출이 되어서, 사용자에게 눈부심 현상이 발생할 수 있다. 또한, 수질 검사기(100)를 이용하여 컵(200)의 내의 유체의 수질을 검사하기 위해 필요한 최소한의 유체의 양을 표시해야 할 필요성도 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 컵(200)의 적어도 일부, 구체적으로는 컵(200)의 측면 하부의 소정의 높이까지 불투명부(210)를 형성하여, 사용자에게 유체의 수질을 검사하기 위해 필요한 최소한의 유체의 양을 표시해주는 동시에, 사용자가 레이저를 눈으로 직접 보지 않도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기에 있어서 유체 내 박테리아 농도에 따른 시간 상관 관계 계수를 도시한 그래프이다. 도 8a 내지 도 8c는 컵(200)에 담긴 유체 내에 인위적으로 미생물을 투입하였을 때 그 농도에 따른 시간 상관 관계 계수의 변화를 나타낸다.
도 8a 내지 도 8c의 그래프에 있어서, x축은 시간(t)에 관한 축이며, y축은 시간 상관 관계 계수(C(t))에 관한 축이다. 여기서, 점선(L2)은 검출부(120)에 사전에 설정된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수의 기준값을 나타낸다. 또한, 실선(L1)은 검출부(120)를 통해 시간에 따라 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수의 측정 데이터를 나타낸다.
도 8a의 실선(L1)은 유체 내 미생물을 투입하지 않은 경우에 있어서, 검출부(120)를 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수를 나타낸다. 도 8a를 참조하면, 유체 내 미생물이 존재하지 않는 경우, 유체 내 산란되어 발생되는 레이저 스펙클에 변화가 없기 때문에, 시간 상관 관계 계수 또한 시간에 따라 거의 일정하며, 사전에 설정된 기준값(L1)을 초과하지 않음을 알 수 있다.
도 8b의 실선(L1)은 유체 내에 10^0 cfu/ml 농도의 미생물을 4ml 투입한 경우에 있어서, 검출부(120)를 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수를 나타낸다. 또한, 도 8c의 실선(L1)은 유체 내에 10^1 cfu/ml 농도의 미생물을 4ml 투입한 경우에 있어서, 검출부(120)를 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수를 나타낸다.
도 8b 및 도 8c를 참조하면, 유체 내 미생물이 존재하는 경우, 유체 내 산란되어 발생되는 레이저 스펙클이 시간에 따라 변하기 때문에, 시간 상관 관계 계수는 미생물이 감지되는 시점에서 변하게 된다. 도 8b 및 도 8c의 음영처리된 영역(Bacteria Deteting Signal)은 이러한 미생물이 감지되는 시점에서의 시간 상관 관계 계수의 변화를 나타내며, 미생물의 농도가 높을수록 시간 상관 관계 계수의 피크치가 높아짐을 확인할 수 있다. 한편, 도 8b 및 도 8c의 음영처리된 영역에 있어서, 검출부(120)는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수(L1)가 사전에 설정된 기준값인 점선(L2)을 초과하는 경우 미생물이 존재한다고 판단할 수 있다. 이때, 미생물이 존재하는 경우, 검출부(120)가 미생물을 감지하는데 걸리는 측정 시간은 시간 상관 관계 계수가 급격히 변화하는 시점부터 기준값인 점선(L2)과 만나는 시점까지의 구간일 수 있으며, 도 8b 및 도 8c를 참조할 때, 약 0.2 초 이내임을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 0.2초 이내인 매우 빠른 시간, 다시 말해 실시간(real-time)으로 유체 내 불순물인 미생물을 감지함을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 시간 상관 관계 계수의 변화율 또는 피크치를 이용하여 미생물의 농도를 추정함을 확인할 수 있다. 또한, 수질 검사기는 미생물의 농도가 낮은 경우(10^0 cfu/ml)라도 검출이 가능함을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 유체 내 미생물의 존재 여부 또는 농도를 추정할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기의 미생물 검출 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기의 미생물 검출 방법은, 시간 상관 관계 대신 공간 상관 관계를 이용하여 유체 내의 미생물의 존재여부 또는 농도를 검출하는 것을 특징으로 한다. 이하에서는 이에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 9 내지 도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기가 미생물을 검출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 10을 참조하면, 제어부(130)는 검출부(120)로부터 시계열적으로 측정된 광학 이미지를 제공받고, 광학 이미지로부터 샘플 내의 미생물의 농도 정보를 판단할 수 있다.
제어부(130)는 간섭 패턴의 공간 상관 관계(spatial correlation)를 획득할 수 있다. 여기서, 하기의 식으로 주어지는 공간 상관 관계는 시간 t에 측정된 이미지 상에서, 임의의 픽셀과 그 픽셀로부터 거리 r만큼 떨어져 있는 픽셀이 얼마나 비슷한 밝기를 가지는지를 일정 범위의 숫자로 나타낼 수 있다(도 10의 (b) 참고). 일정 범위는 -1 내지 1의 범위일 수 있다. 즉, 공간 상관 관계는 임의의 픽셀과 다른 픽셀 사이의 상관 관계가 어느 정도인지를 나타내는 것으로서, 1이면 양의 상관 관계, -1이면 음의 상관 관계, 0이면 관계성이 없는 것을 나타낸다. 구체적으로, 간섭 패턴이 형성되기 전에는 밝기가 고르게 출사되므로, 샘플 이미지의 공간 상관 관계는 1에 가까운 양의 상관 관계를 나타내나, 간섭패턴이 형성되고 나면 0에 가까운 방향으로 상관 관계의 값이 떨어질 수 있다.
검출부(120)에서 r'=(x,y) 위치에 있는 픽셀에서 시간 t 에 측정된 밝기를 I(r',t)로 정의하고, r 만큼 떨어진 픽셀의 밝기는 I(r'+r, t)로 정의할 수 있다. 이를 이용하여 공간 상관 관계를 정의하면 다음 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020012995-appb-M000005
C 0(t)는 수학식 5의 범위를 -1 내지 1로 맞추기 위해 사용되었다. 임의의 픽셀에서 시간 t에 측정된 밝기 I(r',t)와 거리 r만큼 떨어진 픽셀의 밝기 I(r'+r,t)가 동일하다면 공간상관관계는 1이 도출되고, 동일하지 않다면 1보다 작은 값을 갖게 된다.
일 실시예로서, 본 발명은 상기한 공간 상관 관계를 시간에 대한 함수로만 나타낼 수도 있다. 이를 위해, 제어부(130)는 임의의 픽셀로부터 같은 크기의 r을 갖는 픽셀에 대해 공간 상관 관계의 평균을 하기의 수학식 6과 같이 구할 수 있다(도 10의 (b) 참조).
Figure PCTKR2020012995-appb-M000006
일 실시예로서, 제어부(130)는 사전에 설정된 거리를 상기 수학식 6에 대입하여 시간에 대한 함수로 나타낼 수 있으며, 이 함수를 이용하여 간섭 패턴이 형성되는 정도를 일정 범위인 0 내지 1 사이의 값으로 확인할 수 있다(도 10의(d) 참조).
제어부(130)는 시간에 따른 샘플 이미지의 패턴 변화를 통해 샘플 내 이물질과 미생물을 구분할 수도 있다. 이물질의 경우, 시간이 지나도 이미지 상의 변화가 없으나, 미생물의 경우 시간에 따라 형상, 크기 등 이미지가 변화하기 때문에, 수질 검사기(100)는 이물질과 미생물을 구분할 수 있게 된다.
한편, 제어부(130)는 다음과 같이 공간 상관 관계를 이용하여 미생물의 농도 정보를 판단할 수도 있다. 공간 상관 관계는 하나의 이미지를 이용해 중첩된 2개의 동일한 이미지를 생성하고, 둘 중 하나의 이미지를 일방향으로 사전에 설정된 거리만큼 시프트(shift)시킨 후 시프트된 이미지와 시프트되지 않은 이미지 사이에서 인접한 두 픽셀이 얼마나 유사한가를 분석하는 것에 의해 획득될 수 있다. 여기서, 공간 상관 관계는 이미지가 얼마나 균일한지를 나타내는 척도가 되는데, 만약, 콜로니로 인해 간섭 패턴이 형성되는 경우, 자잘한 간섭 패턴으로 인해 인접한 두 픽셀들의 유사도가 떨어지므로 공간 상관 관계의 값 또한 떨어지게 된다.
이러한 공간 상관 관계 계수(spatial correlation coefficient)는 시프트되는 거리(r)에 따라 달라지게 되는데(도 9의 (b) 참조), 일정 거리범위 내에서는 시프트시키는 거리인 r이 증가할수록 그 값이 떨어지고, 일정 거리범위를 초과하는 경우에는 거의 일정한 값을 갖게 된다. 따라서, 좀 더 유의미한 공간 상관 관계를 획득하기 위해서, 제어부(130)는 사전에 설정된 일정 거리 이상으로 이미지를 시프트시켜 공간 상관 관계를 획득할 수 있다. 이때, 사전에 설정된 일정 거리 r은 스펙클 사이즈에 의존하게 되며, 제어부(130)는 픽셀 단위로 나타낼 때 스펙클 사이즈보다 큰 픽셀만큼 이미지를 시프트시켜 공간 상관 관계를 획득할 수 있다. 예를 들면, 상기 사전에 설정된 일정 거리는 최소 3픽셀 이상의 거리일 수 있다.
한편, 제어부(130)는 상기와 같은 공간 상관 관계 뿐만 아니라, 측정된 샘플 이미지의 간섭 패턴의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하고, 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 미생물을 검출할 수도 있다. 제어부(130)는 시계열적으로 측정된 간섭 패턴의 이미지 정보를 이용하여 이미지들 간의 시간 상관 관계 계수(temporal correlation coefficient)를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 샘플 내 미생물 콜로니를 검출할 수 있다.
제어부(130)는 계산된 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 기준값 이하로 떨어지는 분석을 통해 미생물을 검출할 수 있다.
상기한 분석을 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 컵(200)에 입사된 광이 샘플 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭부재를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 다중산란증폭부재(미도시)는 파동원(110)과 컵(200) 사이 또는 컵(200)과 검출부(120) 사이의 광의 이동경로 상에 구비되어, 광의 다중산란횟수를 증폭시킬 수 있다. 다중산란증폭부재(미도시)는 수질 검사기(100)에 장착 또는 탈착이 가능한 구조로 형성되어, 필요에 따라 사용할 수도 있다. 전술한 구성을 통해 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 빠른 시간 내에 컵(200) 내의 유체의 미생물을 검출할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 수질검사기를 제공한다. 또한, 산업상 이용하는 유체 내 불순물 측정장치 등에 본 발명의 실시예들을 적용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 본체;
    상기 본체의 일 면으로부터 내측 방향으로 형성되며, 유체가 담긴 컵이 수용될 수 있는 컵 수용부;
    상기 컵 수용부를 향하여 파동을 조사하는 파동원;
    상기 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출부; 및
    상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부;를 포함하는, 수질 검사기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컵 수용부는,
    상기 본체의 내부에 형성되는 바닥부; 및
    상기 바닥부로부터 상기 본체의 상기 일 면 측으로 연장 형성되며, 상기 컵 수용부에 수용되는 상기 컵의 측면의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 벽체부;를 포함하는, 수질 검사기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 바닥부와 상기 벽체부가 이루는 각도는 수직이 아닌 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 각도는 85°이상, 88°이하인 것을 특징으로 하는 수질 검사기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 벽체부는 환형으로 형성되며, 상기 본체의 상기 일 면으로 갈수록 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 바닥부에는, 세 개 이상의 지지부들이 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 지지부들과 상기 컵이 각각 점 접촉하는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 바닥부 또는 벽체부는, 상기 파동원에서 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 다중산란증폭영역은 상기 유체로부터 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 유체로 반사시켜 상기 유체 내에서의 다중 산란 횟수를 증폭시키는, 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 상기 유체 내의 미생물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 시간 상관 관계는 제1 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함하는, 수질 검사기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 영상정보와 상기 제2 영상정보는 상기 레이저 스펙클의 패턴정보 및 상기 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 수질 검사기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출부에서 검출된 광학 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득하고, 상기 간섭 패턴의 공간 상관 관계의 시간에 따른 변화를 기초로 상기 유체 내 미생물의 존재여부를 판단하는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  14. 유체가 수용될 수 있는 컵이 컵 수용부에 삽입되는 단계;
    파동원에 의해, 상기 컵이 수용된 컵 수용부로 간섭성을 갖는 파동이 조사되는 단계;
    검출부에 의해, 상기 파동원에서 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)이, 사전에 설정된 시점마다 검출되는 단계; 및
    제어부에 의해, 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 미생물의 존재여부가 실시간(real-time)으로 추정되는 단계;를 포함하는 수질 검사 방법.
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