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KR20240123469A - Method for Irradiating Linear Laser, Device for Irradiating Linear Laser and Device for Analyzing Large Area Comprising Same - Google Patents

Method for Irradiating Linear Laser, Device for Irradiating Linear Laser and Device for Analyzing Large Area Comprising Same Download PDF

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KR20240123469A
KR20240123469A KR1020230015735A KR20230015735A KR20240123469A KR 20240123469 A KR20240123469 A KR 20240123469A KR 1020230015735 A KR1020230015735 A KR 1020230015735A KR 20230015735 A KR20230015735 A KR 20230015735A KR 20240123469 A KR20240123469 A KR 20240123469A
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KR
South Korea
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laser beam
image
linear laser
analysis device
area
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Application number
KR1020230015735A
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Korean (ko)
Inventor
김형민
송시원
심우석
Original Assignee
국민대학교산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 갈바노미러를 이용한 선형 레이저 조사방법, 선형 레이저 조사장치 및 이를 포함하는 대면적 분석장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 갈바노미터 및 실린더형 렌즈를 이용하여 선형 레이저 광학 시스템을 구현할 수 있으며, 이를 이용하여 분석물에 선형의 레이저를 조사하고 분석물 및 선형의 레이저 빔과의 상호작용을 통해 각 위치에서 발생되는 분광신호를 대면적 이미지 센서에 결상시킴으로써 한 번의 측정으로 각 위치에 따른 분광정보를 매우 빠른 속도로 획득할 수 있다. 따라서, 본 발명의 선형 레이저 광학 시스템을 이용한 대면적 분석장치를 이용할 경우, 라만, 형광, 흡광 등 다양한 분광법을 적용하여, 환경시료, 생체조직, 식품, 의약품 분석 등 대면적의 분석물에 존재하는 매우 작은 크기의 물질을 비파괴적으로 빠르고 정확하게 분석할 수 있다.The present invention relates to a linear laser irradiation method using a galvanometer mirror, a linear laser irradiation device, and a large-area analysis device including the same. According to the present invention, a linear laser optical system can be implemented using a galvanometer and a cylindrical lens, and by using the linear laser to irradiate an analyte, and by focusing the spectral signals generated at each location through the interaction between the analyte and the linear laser beam on a large-area image sensor, spectral information according to each location can be obtained at a very high speed with a single measurement. Therefore, when the large-area analysis device using the linear laser optical system of the present invention is used, various spectroscopy methods such as Raman, fluorescence, and absorption can be applied to quickly and accurately non-destructively analyze very small-sized substances existing in large-area analysis materials such as environmental samples, biological tissues, foods, and pharmaceuticals.

Description

선형 레이저 조사방법, 선형 레이저 조사장치 및 이를 포함하는 대면적 분석장치{Method for Irradiating Linear Laser, Device for Irradiating Linear Laser and Device for Analyzing Large Area Comprising Same}Method for Irradiating Linear Laser, Device for Irradiating Linear Laser and Device for Analyzing Large Area Comprising Same

본 발명은 선형 레이저 조사방법, 선형 레이저 조사장치 및 이를 포함하는 대면적 분석장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 갈바노미러 및 실린더형 렌즈를 포함하는 광학 시스템을 이용하여 선형의 레이저를 조사하는 방법, 선형의 레이저 광학 시스템이 구현된 레이저 조사장치 및 이를 포함하는 고속 대면적 분석장치에 관한 것이다.The present invention relates to a linear laser irradiation method, a linear laser irradiation device, and a large-area analysis device including the same, and more specifically, to a method for irradiating a linear laser using an optical system including a galvano mirror and a cylindrical lens, a laser irradiation device having a linear laser optical system implemented, and a high-speed large-area analysis device including the same.

플라스틱은 낮은 생산 비용, 다재성, 경량 및 내구성 등의 특성으로 인해 여러 산업 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 플라스틱의 생산, 산업 및 가정에서의 활용, 공정 혹은 활용 후 쓰레기 형태의 배출에 따라 플라스틱의 상당 부분이 환경에 남게 된다. 육지에서 배출된 플라스틱은 하천, 강 및 기타 경로를 통하여 해양으로 도달하게 되며, 이 과정에서 생물학적, 광학적, 기계적인 요인에 따라 미세플라스틱으로 분해된다. Plastics are widely used in various industries due to their characteristics such as low production cost, versatility, light weight, and durability. A significant portion of plastics remains in the environment due to their production, industrial and household use, and disposal in the form of waste after processing or use. Plastics discharged on land reach the ocean through rivers, streams, and other routes, and in the process, they are decomposed into microplastics by biological, optical, and mechanical factors.

이러한 미세플라스틱은 자연 환경에서 거의 생분해 되지 않아 오랜기간 환경에 잔존하며, 생명체의 세포로의 진입이 손쉬워 인체의 면역 체계와 세포 건강에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 미세플라스틱을 분석 및 검출하기 위한 다양한 방법이 개발되고 있다.These microplastics are hardly biodegradable in the natural environment, so they remain in the environment for a long time, and they can easily enter the cells of living organisms, which can affect the human immune system and cell health. Accordingly, various methods are being developed to analyze and detect microplastics.

관련하여, 문헌[Q. Qui et al., Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2016]에서는 해양 샘플에서 미세플라스틱을 추출 후 초분광 이미징 기법을 이용한 광학 현미경을 통해 미세플라스틱을 분석 및 검출하는 방법에 대해 기재하고 있다. 이러한 광학 현미경 분석법은 샘플에서부터 미세플라스틱을 직접 분석할 수 있기에 많은 양의 미세플라스틱을 저비용, 단시간에 분석 및 검출할 수 있지만, 낮은 분해능과 같은 광학적 특성으로 인해 정확도가 낮다는 한계가 있었다.In this regard, the literature [Q. Qui et al., Estuarine, Coastal and Shelf Science , 2016] describes a method for extracting microplastics from marine samples and then analyzing and detecting them using an optical microscope with a hyperspectral imaging technique. This optical microscopy analysis method can directly analyze microplastics from samples, so it can analyze and detect a large amount of microplastics at low cost and in a short time. However, it has limitations in accuracy due to optical characteristics such as low resolution.

이에 따라, 최근에는 현미경 분석법 대비 분해능이 좋은 분광법을 이용하여 미세플라스틱을 정량 및 정성분석하는 기술 또한 활발히 개발되고 있다. 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2022-0093623호에서는 근적외선 분광법을 이용하여 측정환경 및 측정기기의 측정조건의 변화에 따라 발생하는 정량분석의 오차를 최소화할 수 있는 미세플라스틱 정량분석시스템 및 그의 동작방법에 대해 기재하고 있다. 하지만, 이러한 분광법을 이용한 미세플라스틱의 분석 기술은 측정 지점의 수에 따라 측정 시간이 매우 길어진다는 문제점이 있어, 대면적 분석에 적합하지 않다는 한계가 있다.Accordingly, recently, technologies for quantitative and qualitative analysis of microplastics using spectroscopy with better resolution than microscopic analysis have also been actively developed. In this regard, Korean Patent Publication No. 10-2022-0093623 describes a microplastic quantitative analysis system and its operating method that can minimize quantitative analysis errors caused by changes in the measurement environment and measurement conditions of the measuring device using near-infrared spectroscopy. However, this microplastic analysis technology using spectroscopy has a limitation in that the measurement time becomes very long depending on the number of measurement points, making it unsuitable for large-area analysis.

따라서, 대면적의 시료에 존재하는 미세플라스틱을 빠르고 정확하게 분석 및 검출하기 위해서는 기존의 현미경 분석법 및 분광법의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 형태의 분석 기법 개발이 필요하다.Therefore, in order to quickly and accurately analyze and detect microplastics present in large-area samples, it is necessary to develop a new type of analysis technique that can solve the problems of existing microscopic analysis methods and spectroscopy methods.

이러한 상황에서, 본 발명의 발명자들은 갈바노미러 및 실린더형 렌즈를 이용한 선형 레이저 광학 시스템을 구현하여 넓은 면적에 존재하는 매우 작은 크기의 물질을 빠른 속도로 정확하게 분석할 수 있는 고속 대면적 분석장치를 개발하였고, 본 발명을 완성하였다.Under these circumstances, the inventors of the present invention developed a high-speed, large-area analysis device capable of accurately analyzing very small-sized substances existing over a wide area at a high speed by implementing a linear laser optical system using a galvano-mirror and a cylindrical lens, and completed the present invention.

본 발명의 목적은 갈바노미러 및 실린더형 렌즈를 포함하는 광학 시스템을 이용하여 선형의 레이저 빔을 조사하는, 선형 레이저 조사장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a linear laser irradiation device that irradiates a linear laser beam using an optical system including a galvano mirror and a cylindrical lens.

본 발명의 다른 목적은 갈바노미러 및 실린더형 렌즈를 포함하는 광학 시스템을 이용하여 선형의 레이저 빔을 조사하는, 선형 레이저 조사방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a linear laser irradiation method that irradiates a linear laser beam using an optical system including a galvano mirror and a cylindrical lens.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 레이저 조사장치를 포함하는 대면적 분석장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a large-area analysis device including the laser irradiation device.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광원부로부터 레이저 빔을 발생시키는 단계; 상기 광원부에 의해 발생된 레이저 빔을 갈바노미러를 이용하여 1차 선형화하는 단계; 및 상기 갈바노미러에 의해 1차 선형화된 레이저 빔을 실린더형 렌즈를 이용하여 2차 선형화하는 단계를 포함하는, 선형 레이저 조사 방법을 제공한다.In order to achieve the above-described purpose, the present invention provides a linear laser irradiation method, including the steps of generating a laser beam from a light source unit; the step of first linearizing the laser beam generated by the light source unit using a galvano mirror; and the step of second linearizing the laser beam linearized by the galvano mirror using a cylindrical lens.

본 발명에서, 상기 레이저 빔의 파장 영역은 적외선, 가시광선, 자외선 또는 X선일 수 있다.In the present invention, the wavelength range of the laser beam may be infrared, visible light, ultraviolet or X-ray.

본 발명에서, 상기 갈바노미러의 회전각은 10 내지 30°일 수 있다. In the present invention, the rotation angle of the galvano mirror can be 10 to 30°.

본 발명에서, 상기 갈바노미러의 주파수는 100 내지 250Hz일 수 있다.In the present invention, the frequency of the galvano mirror can be 100 to 250 Hz.

본 발명에서, 상기 갈바노미러의 파형은 사각파(square wave)일 수 있다.In the present invention, the waveform of the galvano mirror may be a square wave.

본 발명은 또한, 레이저 빔을 발생시키는 광원부; 상기 광원부로부터 발생된 레이저 빔을 1차 선형화하는 갈바노미러; 및 상기 갈바노미러에 의해 반사된 레이저 빔을 2차 선형화하는 실린더형 렌즈를 포함하는 선형 레이저 조사장치를 제공한다.The present invention also provides a linear laser irradiation device including a light source unit that generates a laser beam; a galvano mirror that first linearizes the laser beam generated from the light source unit; and a cylindrical lens that second linearizes the laser beam reflected by the galvano mirror.

본 발명의 장치는, 상기 광원부로부터 발생된 레이저 빔을 상기 갈바노미러의 입사부로 유도하기 위한 하나 이상의 미러를 더 포함할 수 있다.The device of the present invention may further include one or more mirrors for guiding a laser beam generated from the light source unit to an incident portion of the galvano mirror.

본 발명의 장치는, 상기 광원부 및 갈바노미러의 사이의 레이저 빔의 경로상에 구비되는 하나 이상의 필터를 더 포함할 수 있다. The device of the present invention may further include one or more filters provided on the path of the laser beam between the light source unit and the galvano mirror.

본 발명은 또한, 상기 선형 레이저 조사장치 및 분광 신호를 검출하기 위한 분광기 및 이미지센서 중 하나 이상을 포함하는, 대면적 분석장치를 제공한다.The present invention also provides a large-area analysis device including the linear laser irradiation device and at least one of a spectrometer and an image sensor for detecting a spectral signal.

본 발명에서, 상기 분광기는 프리즘 분광기, 회절격자 분광기, 간섭 분광기 및 필터 분광기로 이루어지는 군에서 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.In the present invention, the spectrometer may be at least one selected from the group consisting of a prism spectrometer, a diffraction grating spectrometer, an interference spectrometer, and a filter spectrometer.

본 발명에서, 상기 이미지센서는 CCD(charge coupled device), EMCCD(electron multiplying charge coupled device), ICCD(intensified charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)일 수 있다.In the present invention, the image sensor may be a CCD (charge coupled device), an EMCCD (electron multiplying charge coupled device), an ICCD (intensified charge coupled device), or a CMOS (complementary metal-oxide semiconductor).

본 발명의 대면적 분석장치는, 상기 레이저 빔을 증폭 또는 축소하기 위한 하나 이상의 렌즈를 더 포함할 수 있으며, 상기 렌즈의 구경이 1 내지 10인치일 수 있다. The large-area analysis device of the present invention may further include one or more lenses for amplifying or reducing the laser beam, and the diameter of the lenses may be 1 to 10 inches.

본 발명에서, 상기 대면적 분석장치의 스캔 속도는 3 내지 20mm2/min일 수 있다.In the present invention, the scan speed of the large-area analysis device can be 3 to 20 mm 2 /min.

본 발명에서, 상기 대면적 분석장치는 환경시료, 생체조직, 식품 또는 의약품 내 존재하는 미세물질 분석용일 수 있다.In the present invention, the large-area analysis device may be used for analyzing trace substances present in environmental samples, biological tissues, foods, or pharmaceuticals.

본 발명에서, 상기 미세 물질의 크기는 0.1μm 내지 1mm일 수 있다.In the present invention, the size of the fine material may be 0.1 μm to 1 mm.

본 발명의 대면적 분석장치는 분석영역의 촬영 이미지를 얻기 위한 카메라 모듈을 더 포함할 수 있다. The large-area analysis device of the present invention may further include a camera module for obtaining a photographed image of the analysis area.

본 발명은 또한, 분석영역의 촬영 이미지를 얻는 단계; 상기 촬영 이미지로부터 분석 대상 미세물질의 공간 이미지를 추출하여 마스킹 이미지를 생성하는 단계; 상기 대면적 분석장치를 이용하여 분석영역의 초분광 이미지를 얻는 단계; 및 상기 초분광 이미지에 마스킹 이미지를 적용하여 초분광 이미지를 재구성하는 단계를 포함하는, 초분광 이미지의 재구성 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for reconstructing a hyperspectral image, including the steps of: obtaining a photographed image of an analysis area; extracting a spatial image of a target micro-substance for analysis from the photographed image to generate a masking image; obtaining a hyperspectral image of the analysis area using the large-area analysis device; and applying the masking image to the hyperspectral image to reconstruct the hyperspectral image.

본 발명에 있어서, 상기 촬영 이미지는 RGB 이미지일 수 있다. In the present invention, the photographed image may be an RGB image.

본 발명에 있어서, 상기 마스킹 이미지 생성 단계는 촬영 이미지의 하얀색 바탕을 제거함으로써 수행될 수 있다. In the present invention, the masking image generation step can be performed by removing the white background of the photographed image.

본 발명에 따르면, 갈바노미터 및 실린더형 렌즈를 이용하여 선형 레이저 광학 시스템을 구현할 수 있으며, 이를 이용하여 분석물에 선형의 레이저를 조사하고 분석물 및 선형의 레이저 빔과의 상호작용을 통해 각 위치에서 발생되는 분광신호를 대면적 이미지 센서에 결상시킴으로써 한 번의 측정으로 각 위치에 따른 분광정보를 매우 빠른 속도로 획득할 수 있다. 따라서, 본 발명의 선형 레이저 광학 시스템을 이용한 대면적 분석장치를 이용할 경우, 라만, 형광, 흡광 등 다양한 분광법을 적용하여, 환경시료, 생체조직, 식품, 의약품 분석 등 대면적의 분석물에 존재하는 매우 작은 크기의 물질을 비파괴적으로 빠르고 정확하게 분석할 수 있다.According to the present invention, a linear laser optical system can be implemented using a galvanometer and a cylindrical lens, and by using the linear laser to irradiate an analyte, and by focusing the spectral signals generated at each location through the interaction between the analyte and the linear laser beam on a large-area image sensor, spectral information according to each location can be obtained at a very high speed with a single measurement. Therefore, when a large-area analysis device using the linear laser optical system of the present invention is used, various spectroscopy methods such as Raman, fluorescence, and absorption can be applied to quickly and accurately non-destructively analyze very small-sized substances existing in large-area analytes such as environmental samples, biological tissues, foods, and pharmaceuticals.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 형태의 선형 레이저 광학시스템을 포함하는 분석장치의 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 형태의 선형 레이저 광학시스템을 포함하는 분석장치의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 현미경 형태의 선형 레이저 광학시스템을 포함하는 분석장치를 사용하여 균일한 형태의 폴리스티렌을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 현미경 형태의 선형 레이저 광학시스템을 포함하는 분석장치를 사용하여 비균일한 형태의 폴리에틸렌을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 촬영 이미지로부터 공간 좌표 값을 나타내는 마스킹 이미지를 추출하기 위한 matlab 코드를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 촬영 이미지로부터 공간 좌표 값을 나타내는 마스킹 이미지를 추출한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 마스킹 이미지를 적용하기 전과 후의 초분광 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 분석장치의 개념도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 분석장치의 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 대면적 분석장치를 사용하여 미세플라스틱을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 고감도 EMCCD(electron multiplying charge coupled device) 검출기에 일정한 광원을 넣어주었을 때의 감도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 12(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 분석장치에서 다양한 주파수의 사각파 레이저 빔을 이용하여 측정한 감도를 나타낸 것이다.
도 12(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 분석장치에서 다양한 주파수의 사인파 레이저 빔을 이용하여 측정한 감도를 나타낸 것이다.
도 12(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 분석장치에서 다양한 주파수의 삼각파 레이저 빔을 이용하여 측정한 감도를 나타낸 것이다.
도 12(d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 분석장치에서 다양한 주파수의 톱니파 레이저 빔을 이용하여 측정한 감도를 나타낸 것이다.
FIG. 1 is a conceptual diagram of an analysis device including a linear laser optical system in the form of a microscope according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a photograph of an analysis device including a linear laser optical system in the form of a microscope according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows the results of analyzing polystyrene of a uniform shape using an analysis device including a linear laser optical system in the form of a microscope according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows the results of analyzing polyethylene of a non-uniform shape using an analysis device including a linear laser optical system in the form of a microscope according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 illustrates a MATLAB code for extracting a masking image representing spatial coordinate values from a photographed image according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 illustrates the result of extracting a masking image representing spatial coordinate values from a photographed image according to one embodiment of the present invention.
Figure 7 shows hyperspectral images before and after applying a masking image according to one embodiment of the present invention.
Figure 8 is a conceptual diagram of a large-area analysis device according to one embodiment of the present invention.
Figure 9 is a photograph of a large-area analysis device according to one embodiment of the present invention.
Figure 10 shows the results of analyzing microplastics using a large-area analysis device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 11 shows the results of measuring sensitivity when a constant light source is input to a high-sensitivity EMCCD (electron multiplying charge coupled device) detector according to one embodiment of the present invention.
Figure 12(a) shows the sensitivity measured using square wave laser beams of various frequencies in a large-area analysis device according to one embodiment of the present invention.
Figure 12(b) shows the sensitivity measured using sine wave laser beams of various frequencies in a large-area analysis device according to one embodiment of the present invention.
Figure 12(c) shows the sensitivity measured using a triangle wave laser beam of various frequencies in a large-area analysis device according to one embodiment of the present invention.
Figure 12(d) shows the sensitivity measured using sawtooth laser beams of various frequencies in a large-area analysis device according to one embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 구체적인 구현 형태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Hereinafter, specific implementation forms of the present invention will be described in more detail. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention belongs. In general, the nomenclature used in this specification is well known and commonly used in the art.

본 발명은 갈바노미러 및 실린더형 렌즈를 포함하는 광학 시스템을 이용하여 선형의 레이저 빔을 조사하는, 레이저 조사방법 및 레이저 조사장치에 관한 것이다. The present invention relates to a laser irradiation method and a laser irradiation device that irradiates a linear laser beam using an optical system including a galvano mirror and a cylindrical lens.

본 발명에 따르면, 갈바노미러 및 실린더형 렌즈를 포함하는 광학 시스템을 이용한 선형의 레이저 조사를 통해, 한번의 측정으로 분석물의 각 위치에 따른 분광정보를 대량으로 획득할 수 있으며, 이에 따라 일반적인 맵핑 분석보다 매우 빠른 속도로 물리화학적 분석이 가능하여 대량의 시료를 동시에 신속하게 측정할 수 있다.According to the present invention, by using an optical system including a galvano mirror and a cylindrical lens to perform linear laser irradiation, a large amount of spectral information according to each location of an analyte can be obtained with a single measurement, thereby enabling physicochemical analysis at a much faster speed than general mapping analysis, and allowing a large number of samples to be measured simultaneously and quickly.

종래의 현미경 분석법은 낮은 분해능과 같은 광학적 특성으로 인해 마이크로 크기 수준의 매우 작은 물질 분석의 종류 판별 및 성분 확인이 어렵다는 문제가 있었으며, 분광법을 이용한 분석의 경우, 분석물의 측정 지점의 수에 따라 측정 시간이 매우 길어진다는 문제점이 있어 대면적 분석에 적합하지 않다는 한계가 있었다. Conventional microscopic analysis methods have the problem that it is difficult to identify the type and components of very small substances at the microscopic level due to optical characteristics such as low resolution, and in the case of analysis using spectroscopy, there is a problem that the measurement time becomes very long depending on the number of measurement points of the analyte, so there is a limitation that it is not suitable for large-area analysis.

본 발명은 이러한 현미경 분석법 및 분광법을 이용한 분석의 한계를 극복하기 위한 것으로, 갈바노미러 및 실린더형 렌즈를 포함하는 레이저 조사장치를 이용하여 분석물에 선형의 레이저를 조사함으로써, 대상물 전체 공간 영역의 각 위치에 따른 분광정보를 매우 빠른 속도로 측정할 수 있으며, 라만, 형광, 흡광 등 다양한 분광법을 적용할 수 있어, 분석 대상 및 목적에 따라 적절한 분광법을 적용하여 분석 대상의 정량 및 정성적인 정보를 비파괴적으로 분석할 수 있다.The present invention is to overcome the limitations of analysis using such microscopic analysis and spectroscopy, and by irradiating a linear laser on an analyte using a laser irradiation device including a galvano mirror and a cylindrical lens, spectral information according to each position of the entire spatial area of the target can be measured at a very high speed, and various spectroscopy methods such as Raman, fluorescence, and absorption can be applied, so that quantitative and qualitative information of the analysis target can be non-destructively analyzed by applying an appropriate spectroscopy method depending on the analysis target and purpose.

구체적으로, 본 발명의 레이저 조사장치는, 레이저 빔을 발생시키는 광원부; 상기 광원부로부터 발생된 레이저 빔을 1차 선형화하는 갈바노미러; 및 상기 갈바노미러에 의해 반사된 레이저 빔을 2차 선형화하는 실린더형 렌즈를 포함한다.Specifically, the laser irradiation device of the present invention includes a light source unit that generates a laser beam; a galvano mirror that first linearizes the laser beam generated from the light source unit; and a cylindrical lens that second linearizes the laser beam reflected by the galvano mirror.

본 발명에 따르면, 갈바노미러를 이용한 1차 선형화와 실린더형 렌즈를 이용한 2차 선형화를 동시 활용하여 선폭이 좁고 매우 균일한 에너지 분포를 가진 선형 레이저를 조사할 수 있다. 특히, 검출단에서 분광 신호의 분포를 균일하게 조정할 수 있어 고감도의 검출 성능을 발휘할 수 있다. According to the present invention, by simultaneously utilizing the first linearization using a galvano mirror and the second linearization using a cylindrical lens, a linear laser having a narrow linewidth and very uniform energy distribution can be irradiated. In particular, since the distribution of the spectral signal can be uniformly adjusted at the detection end, high-sensitivity detection performance can be exhibited.

상기 광원부로는 선형 레이저 광학 시스템에 적용할 분광법에 따라 적절한 파장의 레이저 빔을 발생시킬 수 있는 레이저 발진기를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 연속파 레이저 발진기 또는 펄스 레이저 발진기가 사용될 수 있다.As the above light source unit, a laser generator capable of generating a laser beam of an appropriate wavelength according to the spectroscopy to be applied to the linear laser optical system can be used, and for example, a continuous wave laser generator or a pulse laser generator can be used.

구체적으로, 상기 연속파 레이저 발진기로는, 특별히 제한하지 않으나, Ar 레이저, Kr 레이저, CO2 레이저, YAG 레이저, YVO4 레이저, YLF 레이저, YAlO3 레이저, GdVO4 레이저, Y2O3 레이저, 루비 레이저, 알렉산드리이트 레이저, 티타늄 사파이어 레이저(Ti:sapphire laser), 헬륨-카드뮴 레이저, GaN 레이저, GaAs 레이저, InAs 레이저를 사용할 수 있으며, 상기 펄스 레이저 발진기로는, Ar 레이저, Kr 레이저, 엑시머 레이저, CO2 레이저, YAG 레이저, YVO4 레이저, YLF 레이저, YAlO3 레이저, GdVO4 레이저, Y2O3 레이저, 유리 레이저, 루비 레이저, 알렉산드리이트 레이저, 티타늄 사파이어 레이저, GaN 레이저, GaAs 레이저, InAs 레이저, 구리 증기 레이저(copper vapor laser), 금 증기 레이저 등을 사용할 수 있다.Specifically, as the continuous wave laser generator, an Ar laser, a Kr laser, a CO 2 laser, a YAG laser, a YVO 4 laser, a YLF laser, a YAlO 3 laser, a GdVO 4 laser, a Y 2 O 3 laser, a ruby laser, an alexandrite laser, a titanium sapphire laser, a helium-cadmium laser, a GaN laser, a GaAs laser, or an InAs laser can be used, and as the pulse laser generator, an Ar laser, a Kr laser, an excimer laser, a CO 2 laser, a YAG laser, a YVO 4 laser, a YLF laser, a YAlO 3 laser, a GdVO 4 laser, a Y 2 O 3 laser, a glass laser, a ruby laser, an alexandrite laser, a titanium sapphire laser, a GaN laser, a GaAs laser, an InAs laser, a copper vapor laser, a gold vapor laser, or the like can be used.

상기 레이저 빔의 파장 영역은 적외선, 가시광선, 자외선 또는 X선일 수 있으며, 선형 레이저 광학 시스템에 적용할 분광법에 따라 적절한 파장의 레이저 빔을 선택하여 이용할 수 있다. 예를 들어, 라만 분광법을 적용할 경우, 파장이 1,064nm인 근적외선 또는 파장이 270nm 이하인 자외선 영역의 레이저 빔을 이용 시 형광간섭이 감소하거나 형광영역이 라만 스펙트럼 영역 밖에서 분리되어 발생하여 순수한 라만 산란에 의한 스펙트럼 측정이 용이할 수 있다.The wavelength range of the above laser beam can be infrared, visible light, ultraviolet or X-ray, and a laser beam of an appropriate wavelength can be selected and used depending on the spectroscopy to be applied to the linear laser optical system. For example, when applying Raman spectroscopy, if a laser beam in the near infrared region with a wavelength of 1,064 nm or the ultraviolet region with a wavelength of 270 nm or less is used, fluorescence interference is reduced or the fluorescence region is separated and generated outside the Raman spectrum region, so that spectrum measurement by pure Raman scattering can be facilitated.

본 발명에서, 상기 갈바노미러는 갈바노미터 모터가 부착된 미러를 의미한다.In the present invention, the galvanometer mirror means a mirror to which a galvanometer motor is attached.

상기 갈바노미터 모터는 전압 인가에 따라 갈바노미러의 경사 각도를 변화시킴으로써, 갈바노미러에 의해 반사되는 레이저 빔을 선형 빔으로 전환할 수 있다.The above galvanometer motor can convert a laser beam reflected by a galvanometer mirror into a linear beam by changing the inclination angle of the galvanometer mirror according to the voltage applied.

구체적으로, 갈바노미러는 레이저 빔의 주사 방향을 바꿔줌으로써 하나의 레이저 빔으로 다점, 즉 선형의 레이저 스캐닝을 가능하게 한다.Specifically, the galvanometer mirror changes the scanning direction of the laser beam, thereby enabling multi-point, i.e. linear, laser scanning with a single laser beam.

예를 들어, n 개의 모드를 확인하기 위해 n+1의 계단함수(step function)를 생성하여 갈바노미터 모터에 입력하고 일정한 주파수로 회전시키면, 갈바노미러는 1, 2, ···, n+1의 순서대로 움직이게 된다. 움직이는 갈바노미러에 레이저 빔을 입사하면 갈바노미러에 반사되는 레이저 빔이 스캔하고자 하는 위치로 움직이면서 선형으로 샘플을 스캔하며 데이터를 취득한다. 계단함수의 특성으로 거울이 회전한 뒤 잠시 멈추게 되는데, 해당 위치의 데이터를 얻게 된다. 위 과정을 반복한 후 같은 위치의 데이터를 각각 분리하면 해당 위치에서의 시간영역 데이터를 취득할 수 있으며, 이 때 일정한 갈바노미러의 회전 주파수는 분리된 시간영역 데이터의 측정 주파수가 된다.For example, to check n modes, a step function of n+1 is generated and input to the galvanometer motor and when it is rotated at a constant frequency, the galvanometer mirror moves in the order of 1, 2, ..., n+1. When a laser beam is incident on the moving galvanometer mirror, the laser beam reflected by the galvanometer moves to the desired scan location, linearly scanning the sample and acquiring data. Due to the characteristic of the step function, the mirror rotates and then stops for a moment, and data at the corresponding position is acquired. After repeating the above process and separating the data at the same position, time-domain data at the corresponding position can be acquired, and at this time, a constant rotation frequency of the galvanometer mirror becomes the measurement frequency of the separated time-domain data.

본 발명은 상기 갈바노미러의 회전각, 주파수, 파형 등의 조건을 조절함으로써, 레이저 빔의 에너지 분포를 균일하게 조정하고 레이저 빔의 선형성을 향상시켜, 균일하고 깨끗한 가공부를 얻을 수 있다.The present invention adjusts the energy distribution of a laser beam uniformly and improves the linearity of the laser beam by controlling the conditions of the rotation angle, frequency, waveform, etc. of the galvano mirror, thereby obtaining a uniform and clean processed part.

구체적으로, 상기 갈바노미러의 회전각은 10 내지 30°, 바람직하게는 15 내지 25°, 더 바람직하게는 17 내지 22°일 수 있다. 상기 범위보다 회전각이 작을 경우, 레이저 빔의 크기가 너무 작아 바람직하지 않으며, 상기 범위보다 클 경우, 레이저 빔의 에너지 손실이 생길 수 있어 바람직하지 않다.Specifically, the rotation angle of the galvanometer mirror may be 10 to 30°, preferably 15 to 25°, and more preferably 17 to 22°. If the rotation angle is smaller than the above range, the size of the laser beam is too small, which is not preferable, and if it is larger than the above range, energy loss of the laser beam may occur, which is not preferable.

상기 갈바노미러의 주파수는 100 내지 250Hz, 바람직하게는 170 내지 230Hz, 더 바람직하게는 190 내지 210Hz일 수 있다. 주파수가 상기 범위를 벗어나는 경우, 레이저 빔의 에너지 분포가 균일하지 않아 스캔 영역의 중심부 및 외곽부에서 레이저 빔의 형상이 달라져 레이저 빔의 선형성이 감소할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.The frequency of the above galvano mirror may be 100 to 250 Hz, preferably 170 to 230 Hz, and more preferably 190 to 210 Hz. If the frequency is out of the above range, the energy distribution of the laser beam is not uniform, so that the shape of the laser beam may be different at the center and periphery of the scan area, thereby reducing the linearity of the laser beam, which is not preferable.

상기 갈바노미러에 의해 형성되는 레이저 빔의 파형은 사각파(square wave), 사인파(sign wave), 삼각파(triangle wave), 톱니파(sawtooth wave) 등 다양한 파형일 수 있으나, 스캔 영역 전체에서 동일한 형태로 레이저 빔을 균일하게 조절하기 위해, 사각파인 것이 바람직하다.The waveform of the laser beam formed by the above galvano mirror can be various waveforms such as a square wave, a sine wave, a triangle wave, a sawtooth wave, etc., but in order to uniformly control the laser beam in the same shape throughout the scan area, a square wave is preferable.

본 발명의 일 실시예에서는, 레이저 빔의 파형 및 주파수에 따른 선형성 실험을 통해 갈바노미러의 조절 신호파가 회전각 20°, 주파수 200Hz의 사각파일 때, 레이저 빔의 선형성이 가장 우수하다는 것을 확인하였다.In one embodiment of the present invention, through a linearity experiment according to the waveform and frequency of the laser beam, it was confirmed that the linearity of the laser beam was the best when the control signal wave of the galvano mirror was a square wave with a rotation angle of 20° and a frequency of 200 Hz.

본 발명에서, 상기 실린더형 렌즈는 입사각 또는 방출측 상에 볼록한 표면을 가지거나, 양 측들 상에 볼록한 표면을 가진 실린더형의 렌즈를 의미할 수 있으며, 낮은 수차 및 정확성 측면에서, 입사 표면상에 볼록한 표면을 가진 실린더형의 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the cylindrical lens may mean a cylindrical lens having a convex surface on the incident or emission side, or having convex surfaces on both sides, and in terms of low aberration and accuracy, it is preferable to use a cylindrical lens having a convex surface on the incident surface.

상기 실린더형 렌즈는 실린더형 렌즈에 입사되는 평행한 레이저 빔을 투과시킨 후, 수평방향으로 선형화시켜 선형의 레이저 빔을 생성할 수 있다. The above cylindrical lens can generate a linear laser beam by transmitting a parallel laser beam incident on the cylindrical lens and then linearizing the laser beam in the horizontal direction.

기존의 선형 레이저 빔 조사 시스템은 스폿 포커스의 레이저 빔을 라인 포커스의 레이저 빔으로 전환하여 스캔 속도는 높일 수는 있었지만, 레이저 빔을 선형화함에 따라 공간 분해능이 현저히 감소된다는 한계가 있었다. 본 발명에서는 선형 광학 시스템에 갈바노미러 및 실린더형렌즈를 함께 사용함으로써 보다 길고 좁은 선폭의 레이저 빔을 조사할 수 있으며, 동시에 갈바노미러의 파형, 주파수, 회전각 등을 조절함으로써 레이저 빔의 에너지 분포를 균일하게 조정하여 전체 스캔 영역에서 보다 더 높은 해상도의 초분광 이미지를 수득할 수 있다. Conventional linear laser beam irradiation systems could increase the scanning speed by converting a spot-focused laser beam into a line-focused laser beam, but had the limitation that the spatial resolution significantly decreased as the laser beam was linearized. In the present invention, by using a galvano-mirror and a cylindrical lens together in a linear optical system, a laser beam with a longer and narrower linewidth can be irradiated, and at the same time, by controlling the waveform, frequency, rotation angle, etc. of the galvano-mirror, the energy distribution of the laser beam can be uniformly adjusted, thereby obtaining a hyperspectral image with a higher resolution over the entire scan area.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서, 갈바노미터 컨트롤 소프트웨어를 통해 검출단에서 검출되는 레이저 빔의 에너지 분포를 보다 더 균일하게 조정할 수 있다.In addition, in one embodiment of the present invention, the energy distribution of the laser beam detected at the detection unit can be more uniformly adjusted through the galvanometer control software.

본 발명의 선형 레이저 조사장치는 상기 레이저 빔을 투과 또는 반사시키는 필터 및 미러를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 필터 및 미러는 상기 광원부에서 발생된 레이저 빔과 갈바노미러 사이에 위치하여, 발생된 레이저 빔의 파장, 진행 방향 등을 조절할 수 있으며, 레이저 빔이 갈바노미러의 입사부로 유입될 수 있도록 유도할 수 있다. The linear laser irradiation device of the present invention may further include a filter and a mirror that transmit or reflect the laser beam. Specifically, the filter and the mirror are positioned between the laser beam generated from the light source unit and the galvano mirror, and can adjust the wavelength, direction of travel, etc. of the generated laser beam, and can guide the laser beam to be introduced into the incident portion of the galvano mirror.

본 발명에서는 광원부로부터 레이저 빔을 발생시키고, 상기 광원부에 의해 발생된 레이저 빔을 갈바노미러를 이용하여 1차적으로 선형 레이저 빔으로 전환하고, 상기 갈바노미러에 의해 반사된 선형 레이저 빔을 실린더형 렌즈를 이용하여 2차적으로 선형화함으로써 보다 길고, 균일한 에너지 분포를 갖는 선형 레이저 빔을 생성함으로써, 훨씬 더 정밀하고 빠른 레이저 스캔이 가능하다.In the present invention, a laser beam is generated from a light source, the laser beam generated by the light source is primarily converted into a linear laser beam using a galvano mirror, and the linear laser beam reflected by the galvano mirror is secondarily linearized using a cylindrical lens, thereby generating a linear laser beam having a longer and more uniform energy distribution, thereby enabling much more precise and faster laser scanning.

상기 레이저 조사방법을 이용할 경우, 분석물에 선형의 레이저 빔을 조사함으로써 한 번의 측정으로 대량의 분광신호를 획득할 수 있어 대면적의 시료 분석 및 대량의 시료를 동시에 측정하기 용이하다.When the above laser irradiation method is used, a large number of spectral signals can be obtained in a single measurement by irradiating a linear laser beam on the analyte, making it easy to analyze a large area of a sample and measure a large number of samples simultaneously.

본 발명은 또한, 상기 레이저 조사장치를 포함하는 대면적 분석장치를 제공한다. 본 발명의 대면적 분석 장치는 대면적의 샘플내의 매우 작은 크기의 물질에 대한 분석이 요구되는 분야에 적용될 수 있다.The present invention also provides a large-area analysis device including the laser irradiation device. The large-area analysis device of the present invention can be applied to fields requiring analysis of very small-sized substances within a large-area sample.

본 발명의 대면적 분석장치는 높은 해상도 및 정확도를 위해 레이저 빔을 반사 또는 투과시키거나, 증폭 또는 축소하는 미러, 렌즈 및 필터를 추가로 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 미러로는, 유전체 거울, 색선별 거울 등을, 상기 렌즈로는 등측 렌즈, 편평 렌즈 등을, 상기 필터로는 밴드 패스 필터, 롱 패스 필터 등을 추가로 포함 수 있다.The large-area analysis device of the present invention may further include mirrors, lenses, and filters that reflect or transmit, or amplify or reduce, a laser beam for high resolution and accuracy. Specifically, the mirrors may further include a dielectric mirror, a chromatic mirror, or the like, the lenses may further include an isometric lens, a flat lens, or the like, and the filters may further include a band-pass filter, a long-pass filter, or the like.

상기 미러, 렌즈 및 필터는 분석 대상 및 목적에 따라 적절한 구경을 갖는 것을 선택할 수 있으며, 예를 들어, 대면적의 분석물을 측정하거나 다량의 분석물을 동시에 측정할 경우, 상기 미러, 렌즈 및 필터의 구경은 1 내지 10인치인 것이 바람직하다.The above mirrors, lenses, and filters can be selected to have appropriate apertures depending on the analysis target and purpose. For example, when measuring a large area of analyte or measuring a large amount of analytes simultaneously, it is preferable that the mirrors, lenses, and filters have apertures of 1 to 10 inches.

본 발명의 대면적 분석장치는 또한 분광 신호를 검출하기 위한 분광기 및 이미지센서 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The large-area analysis device of the present invention may also include one or more of a spectrometer and an image sensor for detecting a spectral signal.

상기 분광기는 분광 분해능을 고려하여 적용할 분광법에 따른 적절한 파장의 레이저 빔을 분산시킬 수 있는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 프리즘을 사용한 프리즘 분광기, 회절격자를 사용한 회절격자 분광기, 빛의 간섭을 이용한 간섭 분광기, 필터를 사용한 필터 분광기, 프리즘과 회절격자를 복합 사용한 분광기 등을 사용할 수 있다.The above spectrometer can be used to disperse a laser beam of an appropriate wavelength according to the applicable spectroscopy method, taking into account spectral resolution. For example, a prism spectrometer using a prism, a diffraction grating spectrometer using a diffraction grating, an interference spectrometer using interference of light, a filter spectrometer using a filter, a spectrometer using a combination of a prism and a diffraction grating, etc. can be used.

상기 이미지센서는 감도, 해상도 등을 고려하여 적용할 분광법에 따라 분산된 레이저 빔의 특정 범위의 파장을 검출할 수 있는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어, CCD(charge coupled device), EMCCD(electron multiplying charge coupled device), ICCD(intensified charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)를 사용할 수 있으며, 높은 해상도의 초분광 이미지를 얻기 위한 측면에서, EMCCD(electron multiplying charge coupled device)를 사용하는 것이 바람직하다.The above image sensor can be used to detect a specific range of wavelengths of a dispersed laser beam depending on the spectroscopy to be applied, taking into consideration sensitivity, resolution, etc., and for example, a CCD (charge coupled device), an EMCCD (electron multiplying charge coupled device), an ICCD (intensified charge coupled device), or a CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) can be used. In terms of obtaining a high-resolution hyperspectral image, it is preferable to use an EMCCD (electron multiplying charge coupled device).

상기 분광기 및 이미지센서를 통해 레이저 빔과 분석물의 상호작용으로 발생되는 분광신호를 검출함으로써 신뢰도가 높은 분석물의 초분광 이미지를 단시간에 획득할 수 있다.By detecting a spectral signal generated by the interaction between a laser beam and an analyte using the above spectrometer and image sensor, a highly reliable hyperspectral image of the analyte can be obtained in a short period of time.

본 발명의 대면적 분석장치는 mm2 수준 이상의 대면적의 샘플을 매우 빠른 속도로 스캔하여 고해상도의 초분광 이미지를 신속하게 얻을 수 있다. 구체적으로, 상기 대면적 분석장치의 스캔 속도는 3 내지 20mm2/min일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 15mm2/min, 더 바람직하게는 8 내지 12mm2/min 일 수 있다. The large-area analysis device of the present invention can quickly obtain a high-resolution hyperspectral image by scanning a large-area sample of the mm 2 level or more at a very high speed. Specifically, the scan speed of the large-area analysis device can be 3 to 20 mm 2 /min, preferably 5 to 15 mm 2 /min, and more preferably 8 to 12 mm 2 /min.

본 발명의 일 실시예에서는, 상기 분광기 및 이미지 센서를 통해 획득한 초분광 이미지를 통해 각 위치에서의 라만 스펙트럼을 통해 샘플 내 입자의 화학적 구조 및 성분을 예측할 수 있으며, 머신 러닝을 통해 샘플 내 입자의 종류를 99.7%의 정확도로 구분해 낼 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 9mm x 9mm 범위에서 약 105만개의 스펙트럼을 획득하기까지 소요 시간이 약 12분으로, 매우 빠른 속도로 대면적 분석이 가능한 것을 확인하였다. In one embodiment of the present invention, it was confirmed that the chemical structure and components of particles in a sample can be predicted through Raman spectra at each location through hyperspectral images acquired through the spectrometer and image sensor, and the types of particles in the sample can be distinguished with 99.7% accuracy through machine learning. In addition, it was confirmed that large-area analysis is possible at a very high speed, as it took about 12 minutes to acquire about 1.05 million spectra in a range of 9 mm x 9 mm.

본 발명에 있어서, 대면적 분석장치는 카메라 모듈을 더 포함할 수 있다. 초분광 이미지는 검출되는 신호가 강할 경우 이미지상에서 신호가 퍼지는 문제가 있었지만, 본 발명에서는 카메라 모듈을 이용한 촬영 이미지로부터 마스킹 이미지를 추출하고 이를 초분광 이미지에 적용함으로써 위치정보의 정확도를 높이고 신호의 번짐 현상 없이 깨끗하고 선명한 초분광 이미지를 획득할 수 있다. In the present invention, the large-area analysis device may further include a camera module. Hyperspectral images have a problem in that signals spread on the image when the detected signal is strong, but in the present invention, by extracting a masking image from an image captured using a camera module and applying it to a hyperspectral image, the accuracy of location information can be increased and a clean and clear hyperspectral image can be obtained without signal spreading.

구체적으로, 초분광 이미지를 재구성하기 위해서는, 분석영역의 촬영 이미지를 얻는 단계; 상기 촬영 이미지에서 분석할 미세 물질의 공간 이미지를 추출하여 마스킹 이미지를 생성하는 단계; 본 발명의 대면적 분석 장치를 이용하여 분석영역의 초분광 이미지를 얻는 단계; 및 상기 초분광 이미지에 마스킹 이미지를 적용하여 초분광 이미지를 재구성하는 단계를 포함하는 방법을 이용하여 정확한 위치 공간 정보를 담고 있는 고해상도의 초분광 이미지를 얻을 수 있다. Specifically, in order to reconstruct a hyperspectral image, a method including the steps of: obtaining a photographed image of an analysis area; extracting a spatial image of a fine material to be analyzed from the photographed image to generate a masking image; obtaining a hyperspectral image of the analysis area using the large-area analysis device of the present invention; and applying the masking image to the hyperspectral image to reconstruct the hyperspectral image can be used to obtain a high-resolution hyperspectral image containing accurate locational spatial information.

예를 들어, 상기 촬영 이미지는 8비트의 RGB 이미지일 수 있다. 8비트 RGB 이미지인 촬영 이미지는 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)의 각 요소 마다의 값을 가지고 있고, 해당 값의 합이 765(255+255+255)에 가까워질수록 흰색이 되는 것을 이용하여, 활영 이미지의 RGB 값을 모두 합친 후 수득한 데이터를 matlab 코드를 이용하여 특정 threshold를 걸어주어 하얀색 바탕을 모두 제거하여 검출하고자 하는 미세 물질이 존재하는 부분의 이미지만 남게 하고, 이를 공간 좌표로 사용하는 이미지 가공을 수행함으로써, 검출하고자 하는 미세 물질의 정확한 위치 공간 정보를 담고 있는 마스킹 이미지를 생성할 수 있다.For example, the above-described captured image may be an 8-bit RGB image. The captured image, which is an 8-bit RGB image, has values for each element of red (R), green (G), and blue (B), and the closer the sum of the corresponding values gets to 765 (255 + 255 + 255), the whiter it becomes. By combining all the RGB values of the captured image and then using Matlab code to apply a specific threshold to the obtained data to remove all white backgrounds, leaving only the image of the area where the fine material to be detected exists, and using this as spatial coordinates to perform image processing, a masking image containing the exact location and spatial information of the fine material to be detected can be generated.

본 발명의 대면적 분석 장치는 넓은 면적의 물리화학적 분석이 가능할 뿐만 아니라, 높은 분해능 및 정확도를 나타내기 때문에 정밀한 분석이 요구되는 분야에 적용되어 빠른 속도로 매우 작은 크기의 미세 물질을 검출 및 분석하는 데에 용이하게 사용될 수 있다.The large-area analysis device of the present invention not only enables physicochemical analysis of a wide area, but also exhibits high resolution and accuracy, so it can be applied to fields requiring precise analysis and can be easily used to detect and analyze very small-sized micro-substances at a high speed.

구체적으로, 본 발명의 대면적 분석장치는 환경시료, 생체조직, 식품 또는 의약품 내 존재하는 미세물질을 비파괴적으로 분석하는 데에 사용될 수 있다. Specifically, the large-area analysis device of the present invention can be used to non-destructively analyze trace substances present in environmental samples, biological tissues, foods, or pharmaceuticals.

예를 들어, 본 발명의 대면적 분석장치는 의료 분야에서, 암 조직과 같은 생체조직을 검출하는 데에 이용될 수 있다. For example, the large-area analysis device of the present invention can be used in the medical field to detect biological tissues such as cancer tissues.

종래의 암세포 검출을 위한 방법인 수술 중 냉동 부위 분석, 방사선법, 조영제 이용 등의 방법은 비용과 시간의 소모가 많다는 문제가 있었지만, 본 발명의 대면적 분석장치를 이용할 경우, 암세포와 같은 생체조직의 생리학, 형태 및 조성에 대한 정보를 나타내는 초분광 이미지를 빠르게 획득할 수 있으며, 과혈관성, 비정상적 신생혈관 형성, 기형적 혈관의 변이, 신생 혈관의 손상, 비침습적 혈관 내 산소포화도, 혈관 간의 산소이동, 혈관 치료효과 검증 등의 다양한 생체 신호의 신속하고 정확한 분석이 가능하다.Conventional methods for detecting cancer cells, such as intraoperative frozen area analysis, radiography, and use of contrast agents, have the problems of high cost and time consumption, but when the large-area analysis device of the present invention is used, hyperspectral images showing information on the physiology, morphology, and composition of biological tissues such as cancer cells can be quickly obtained, and various biological signals such as hypervascularity, abnormal neovascularization, mutation of malformed blood vessels, damage to neovascular vessels, noninvasive intravascular oxygen saturation, oxygen movement between blood vessels, and verification of vascular treatment effects can be quickly and accurately analyzed.

본 발명의 대면적 분석장치가 검출할 수 있는 미세 물질의 크기는 대면적 분석장치에 적용하는 분광법에 따라 조절이 가능하며, 예를 들어, 0.1μm 내지 1mm일 수 있다. 구체적으로, 상기 대면적 분석장치에 라만 분광법을 적용할 경우, 1 내지 100μm 크기의 미세물질을 높은 정확도로 분석 및 검출할 수 있다.The size of fine substances that can be detected by the large-area analysis device of the present invention can be controlled according to the spectroscopy applied to the large-area analysis device, and can be, for example, 0.1 μm to 1 mm. Specifically, when Raman spectroscopy is applied to the large-area analysis device, fine substances with a size of 1 to 100 μm can be analyzed and detected with high accuracy.

이에 따라, 본 발명의 대면적 분석장치를 이용할 경우, 환경, 의료, 식품, 공업, 농업 등 다양한 분야에서, 다양한 분광법의 적용을 통해, 대면적의 분석물에 존재하는 매우 작은 크기의 물질의 빠르고 정확한 분석이 가능하다.Accordingly, when the large-area analysis device of the present invention is used, in various fields such as environment, medicine, food, industry, and agriculture, it is possible to quickly and accurately analyze very small-sized substances existing in a large-area analyte through application of various spectroscopic methods.

실시예Example

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위하여 일부 실험방법과 구성을 나타낸 것으로, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail through the following examples. However, these examples are provided to illustrate some experimental methods and configurations in order to exemplify the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실험예 1: 선형 광학 시스템을 포함하는 분석장치를 이용한 미세플라스틱 분석Experimental Example 1: Analysis of microplastics using an analysis device including a linear optical system

2D 갈바노미터와 실린더형 렌즈를 포함하는 선형 광학 시스템에 현미경 시스템 및 CCD(charge coupled device) 검출기를 도입하고, 검출기에 검출되는 분광 신호의 분포를 균일하게 조정하는 갈바노미터 컨트롤 소프트웨어를 적용하여 균일한 초분광 이미지를 획득할 수 있는 분석장치를 구현하였으며, 이의 개념도 및 사진을 도 1 및 2에 각각 나타내었다. A microscope system and a CCD (charge coupled device) detector were introduced into a linear optical system including a 2D galvanometer and a cylindrical lens, and a galvanometer control software that uniformly adjusts the distribution of spectral signals detected by the detector was applied to implement an analysis device capable of obtaining uniform hyperspectral images. The conceptual diagram and photograph thereof are shown in Figures 1 and 2, respectively.

구체적으로, 대물렌즈 10x에서 시료에 조사되는 선형 레이저 빔의 크기는 450μm x 10μm로, 매우 작은 선폭을 가지는 빔을 구현하였으며, 2D 갈바노미터를 통한 레이저 에너지 분포는 상대표준편차 8.4%로 균일한 레이저 빔 분포를 나타내었다. 이미지 평면과 CCD 검출기 사이는 렌즈 광학계를 구축하여 2.5x의 배율로 설계하였으며, USAF 분해능 표준으로 계산한 결과, 공간적 분포의 분해능은 0.92μm으로 우수한 분해능을 나타내었다.Specifically, the size of the linear laser beam irradiated on the sample at a 10x objective lens was 450 μm x 10 μm, which implemented a beam with a very small linewidth, and the laser energy distribution through the 2D galvanometer showed a uniform laser beam distribution with a relative standard deviation of 8.4%. A lens optical system was built between the image plane and the CCD detector and designed with a magnification of 2.5x, and the resolution of the spatial distribution was 0.92 μm, which showed excellent resolution as a result of calculation using the USAF resolution standard.

상기 분석장치에 라만 분광법을 적용하여 미세플라스틱을 분석하였다. 이때 분석물로는 표준물질로 약 100μm 지름의 균일한 구 형태의 입자를 갖는 폴리스티렌으로 구성된 샘플 및 환경에서 채취된 것과 유사한 약 100μm 지름의 비균일한 형태의 입자를 갖는 폴리에틸렌으로 구성된 샘플을 이용하였으며, 상기 샘플들을 분석한 결과를 도 3 및 4에 각각 나타내었다.Raman spectroscopy was applied to the above-mentioned analysis device to analyze microplastics. At this time, as the analytes, a sample composed of polystyrene having uniform spherical particles with a diameter of about 100 μm as a standard material and a sample composed of polyethylene having non-uniform particles with a diameter of about 100 μm similar to those collected from the environment were used, and the results of analyzing the above-mentioned samples are shown in Figures 3 and 4, respectively.

도 3 및 4을 참조하면, 각 샘플을 분석하여 나타난 라만 스펙트럼의 피크를 이미지로 구현한 결과가 현미경으로 관찰한 이미지와 잘 매칭되며, 각 이미지 위치에서의 라만 스펙트럼을 통해 미세플라스틱의 화학적 구조 및 성분을 예측할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 368μm x 1000μm 범위에서 약 16만개의 스펙트럼을 획득하기까지 소요 시간이 약 20분으로, 매우 빠른 속도로 분석이 가능한 것을 알 수 있었다.Referring to Figs. 3 and 4, the results of implementing the peaks of the Raman spectra obtained by analyzing each sample into images match well with the images observed under a microscope, and it was confirmed that the chemical structure and components of microplastics can be predicted through the Raman spectra at each image location. In addition, it was found that analysis was possible at a very fast speed, as it took about 20 minutes to acquire about 160,000 spectra in the range of 368 μm x 1000 μm.

실험예 2: 마스킹 이미지를 적용한 초분광 이미지 생성Experimental Example 2: Hyperspectral Image Generation Using Masking Images

획득한 초분광 이미지에서, 강한 라만 신호로 인한 퍼짐 문제를 해결하고, 정확한 공간 정보를 나타내는 이미지를 얻기 위해, 도 5와 같은 matlab 코드를 이용하여 도 6과 같이 촬영 이미지로부터 공간 좌표 값을 나타내는 마스킹 이미지를 추출한 후, 이를 획득한 초분광 이미지에 적용하였다. In order to solve the spreading problem caused by the strong Raman signal in the acquired hyperspectral image and obtain an image representing accurate spatial information, a MATLAB code such as that in Fig. 5 was used to extract a masking image representing spatial coordinate values from the captured image, as in Fig. 6, and this was then applied to the acquired hyperspectral image.

마스킹 이미지를 적용하기 전과 후의 초분광 이미지를 도 7에 나타내었으며, 도 7을 통해, 마스킹 이미지를 적용함으로써 신호 퍼짐 현상 없이 정확한 공간 정보를 나타내는 초분광 이미지를 획득할 수 있다는 것을 확인하였다.Hyperspectral images before and after applying the masking image are shown in Fig. 7, and through Fig. 7, it was confirmed that a hyperspectral image showing accurate spatial information without signal spreading phenomenon can be obtained by applying the masking image.

실험예 3: 대면적 분석장치를 이용한 미세플라스틱 분석Experimental Example 3: Microplastic Analysis Using a Large-Area Analysis Device

실험예 1의 분석장치보다 더 넓은 범위의 영역을 한 번에 분석하기 위해, 갈바노미터 및 실린더형 렌즈를 포함하는 선형 광학 시스템에 2인치 대구경 렌즈 및 고감도 EMCCD(electron multiplying charge coupled device) 검출기를 도입하여, 대면적의 초분광 이미지를 획득할 수 있는 대면적 분석장치를 구현하였으며, 이의 개념도 및 사진을 도 8 및 9에 각각 나타내었다. In order to simultaneously analyze a wider range of areas than the analysis device of Experimental Example 1, a 2-inch large-diameter lens and a high-sensitivity EMCCD (electron multiplying charge coupled device) detector were introduced into a linear optical system including a galvanometer and a cylindrical lens, thereby implementing a large-area analysis device capable of acquiring large-area hyperspectral images, the conceptual diagram and photograph of which are shown in FIGS. 8 and 9, respectively.

상기 대면적 선형 광학 시스템에 라만 분광법을 적용하여 미세플라스틱을 분석하였다. 이때, 분석물로는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메타크릴레이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐알코올, 바다모래 및 먼지로 구성된 샘플을 이용하였으며, 상기 샘플을 분석한 결과를 도 10에 나타내었다.Raman spectroscopy was applied to the above large-area linear optical system to analyze microplastics. At this time, samples composed of polystyrene, polyethylene, polypropylene, polymethacrylate, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, sea sand, and dust were used as analytes, and the results of analyzing the samples are shown in Fig. 10.

도 10의 왼쪽 이미지는 상기 샘플을 촬영한 촬영 이미지며, 오른쪽 이미지는 실험예 1의 방법으로 마스킹 이미지를 적용한 초분광 이미지이다. 도 10을 통해, 각 이미지 위치에서의 라만 스펙트럼을 통해 샘플 내 입자의 화학적 구조 및 성분을 예측할 수 있으며, 머신 러닝을 통해 샘플 내 입자의 종류를 99.7%의 정확도로 구분해 낼 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 9mm x 9mm 범위에서 1,048,576개의 스펙트럼을 획득하기까지 소요 시간이 약 12분으로, 매우 빠른 속도로 대면적 분석이 가능한 것을 알 수 있었다.The left image of Fig. 10 is a photographed image of the sample, and the right image is a hyperspectral image to which a masking image has been applied using the method of Experimental Example 1. Through Fig. 10, it was confirmed that the chemical structure and components of the particles in the sample can be predicted through the Raman spectrum at each image location, and the types of particles in the sample can be distinguished with 99.7% accuracy through machine learning. In addition, it was found that large-area analysis is possible at a very fast speed, as it took about 12 minutes to acquire 1,048,576 spectra in a range of 9 mm x 9 mm.

실험예 4: 갈바노미러의 파형 및 주파수에 따른 선형성 실험Experimental Example 4: Linearity Experiment According to Waveform and Frequency of Galvano Mirror

갈바노미러의 파형 및 주파수에 따른 레이저 빔의 선형성을 판단하기 위해, 고감도 EMCCD(electron multiplying charge coupled device) 검출기에, 일정한 광원을 넣어주었을 때의 감도를 측정한 결과(도 11)와, 동일한 광원을 사용하되, 실험예 2의 대면적 분석장치를 이용하여, 레이저 빔의 회전각을 2로 고정시키고, 파형 및 주파수는 변화시키면서 발생시켜 감도를 측정한 결과(도 12(a) 내지 12(d))를 비교하였다. In order to judge the linearity of the laser beam according to the waveform and frequency of the galvano mirror, the sensitivity was measured when a constant light source was input to a high-sensitivity EMCCD (electron multiplying charge coupled device) detector (Fig. 11), and the sensitivity was measured using the same light source, but by fixing the rotation angle of the laser beam to 2 and changing the waveform and frequency using the large-area analysis device of Experimental Example 2 (Figs. 12(a) to 12(d)).

각각 주파수 100, 150, 200 및 250Hz에서, 도 12(a)는 사각파(square wave), 도 12(b)는 사인파(sine wave), 도 12(c)는 삼각파(triangle wave), 도 12(d)는 톱니파(sawtooth wave)의 파형 조건에서 측정한 감도를 나타낸 것이다. The sensitivity measured under the waveform conditions of Fig. 12(a) for a square wave, Fig. 12(b) for a sine wave, Fig. 12(c) for a triangle wave, and Fig. 12(d) for a sawtooth wave at frequencies of 100, 150, 200, and 250 Hz, respectively, is shown.

도 12를 참조하면, 사각파 및 200Hz의 갈바노미러 조건에서 감도를 측정한 결과(도 12(a))가 검출기에 일정한 광원을 넣어주었을 때의 감도를 측정한 결과(도 11)와 선형성(linearity), 평균값(mean) 및 표준편차(std)의 종합적인 측면에서 가장 유사한 것으로 나타났으며, 이를 통해 회전각 20°, 주파수 200Hz 및 사각파 조건의 갈바노미러를 이용할 때 도 11의 그래프와 가장 유사한 파장의 형태를 나타내어, 레이저 빔의 선형성이 가장 우수하다는 것을 알 수 있었다.Referring to Fig. 12, the result of measuring the sensitivity under the conditions of a square wave and a 200 Hz galvano-mirror (Fig. 12(a)) was most similar to the result of measuring the sensitivity when a constant light source was supplied to the detector (Fig. 11) in terms of the comprehensive aspects of linearity, mean, and standard deviation (std). Through this, it was found that when a galvano-mirror with a rotation angle of 20°, a frequency of 200 Hz, and a square wave was used, the wavelength shape most similar to the graph of Fig. 11 was exhibited, indicating that the linearity of the laser beam was the best.

이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential characteristics thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention should be interpreted as including all changes or modifications derived from the meaning and scope of the patent claims described below rather than the above detailed description and their equivalent concepts within the scope of the present invention.

Claims (20)

광원부로부터 레이저 빔을 발생시키는 단계;
상기 레이저 빔을 갈바노미러를 이용하여 1차 선형화하는 단계; 및
상기 갈바노미러에 의해 1차 선형화된 레이저 빔을 실린더형 렌즈를 이용하여 2차 선형화하는 단계
를 포함하는, 선형 레이저 조사 방법.
A step of generating a laser beam from a light source;
A step of first linearizing the laser beam using a galvano mirror; and
A step of linearizing a laser beam linearized first by the galvano mirror by a second linearization using a cylindrical lens.
A linear laser irradiation method comprising:
제 1 항에 있어서,
상기 레이저 빔의 파장 영역이 적외선, 가시광선, 자외선 또는 X선인, 선형 레이저 조사 방법.
In paragraph 1,
A linear laser irradiation method, wherein the wavelength range of the laser beam is infrared, visible light, ultraviolet or X-ray.
제 1 항에 있어서,
상기 갈바노미러의 회전각이 10 내지 30°인, 선형 레이저 조사 방법.
In paragraph 1,
A linear laser irradiation method, wherein the rotation angle of the galvano mirror is 10 to 30°.
제 1 항에 있어서,
상기 갈바노미러의 주파수가 100 내지 250Hz인, 선형 레이저 조사 방법.
In paragraph 1,
A linear laser irradiation method, wherein the frequency of the galvano mirror is 100 to 250 Hz.
제 1 항에 있어서,
상기 갈바노미러의 파형이 사각파(square wave)인, 선형 레이저 조사 방법.
In paragraph 1,
A linear laser irradiation method in which the waveform of the galvanometer mirror is a square wave.
레이저 빔을 발생시키는 광원부;
상기 광원부로부터 발생된 레이저 빔을 1차 선형화하는 갈바노미러; 및
상기 갈바노미러에 의해 반사된 레이저 빔을 2차 선형화하는 실린더형 렌즈
를 포함하는, 선형 레이저 조사장치.
A light source that generates a laser beam;
A galvanometer mirror that linearizes the laser beam generated from the light source; and
A cylindrical lens that linearizes the laser beam reflected by the above galvano mirror.
A linear laser irradiation device comprising:
제 6 항에 있어서,
상기 광원부로부터 발생된 레이저 빔을 상기 갈바노미러의 입사부로 유도하기 위한 하나 이상의 미러를 더 포함하는, 선형 레이저 조사장치.
In paragraph 6,
A linear laser irradiation device further comprising one or more mirrors for guiding a laser beam generated from the light source unit to an incident portion of the galvano mirror.
제 6 항에 있어서,
상기 광원부 및 갈바노미러의 사이의 레이저 빔의 경로상에 구비되는 하나 이상의 필터를 더 포함하는, 선형 레이저 조사장치.
In paragraph 6,
A linear laser irradiation device further comprising one or more filters provided on the path of the laser beam between the light source unit and the galvano mirror.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 선형 레이저 조사장치; 및
분광 신호를 검출하기 위한 분광기 및 이미지센서 중 하나 이상
을 포함하는, 대면적 분석장치.
A linear laser irradiation device according to any one of claims 6 to 8; and
One or more of a spectrometer and an image sensor for detecting a spectral signal
A large-area analysis device including:
제 9 항에 있어서,
상기 분광기가 프리즘 분광기, 회절격자 분광기, 간섭 분광기 및 필터 분광기로 이루어지는 군에서 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인, 대면적 분석장치.
In Article 9,
A large-area analysis device, wherein the spectrometer is at least one selected from the group consisting of a prism spectrometer, a diffraction grating spectrometer, an interference spectrometer, and a filter spectrometer.
제 9 항에 있어서,
상기 이미지센서가 CCD(charge coupled device), EMCCD(electron multiplying charge coupled device), ICCD(intensified charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)인, 대면적 분석장치.
In Article 9,
A large-area analysis device wherein the image sensor is a CCD (charge coupled device), an EMCCD (electron multiplying charge coupled device), an ICCD (intensified charge coupled device), or a CMOS (complementary metal-oxide semiconductor).
제 9 항에 있어서,
상기 레이저 빔을 증폭 또는 축소하기 위한 하나 이상의 렌즈를 더 포함하는, 대면적 분석장치.
In Article 9,
A large-area analysis device further comprising one or more lenses for amplifying or reducing the laser beam.
제 12 항에 있어서,
상기 렌즈의 구경이 1 내지 10인치인, 대면적 분석장치.
In Article 12,
A large-area analysis device having a lens diameter of 1 to 10 inches.
제 9 항에 있어서,
상기 대면적 분석장치의 스캔 속도가 3 내지 20mm2/min인, 대면적 분석장치.
In Article 9,
A large-area analysis device having a scan speed of 3 to 20 mm 2 /min.
제 9 항에 있어서,
상기 대면적 분석장치의 분석대상이 환경시료, 생체조직, 식품 또는 의약품 내 존재하는 미세물질인, 대면적 분석장치.
In Article 9,
A large-area analysis device, wherein the analysis target of the above large-area analysis device is a microscopic substance existing in an environmental sample, a biological tissue, a food, or a pharmaceutical.
제 15 항에 있어서,
상기 미세 물질의 크기가 0.1μm 내지 1mm인, 대면적 분석장치.
In Article 15,
A large-area analysis device, wherein the size of the above fine material is 0.1 μm to 1 mm.
제 9 항에 있어서,
분석영역의 촬영 이미지를 얻기 위한 카메라 모듈을 더 포함하는, 대면적 분석장치.
In Article 9,
A large-area analysis device further comprising a camera module for obtaining a photographed image of the analysis area.
분석영역의 촬영 이미지를 얻는 단계;
상기 촬영 이미지로부터 분석 대상 미세물질의 공간 이미지를 추출하여 마스킹 이미지를 생성하는 단계;
제 9 항의 대면적 분석장치를 이용하여 분석영역의 초분광 이미지를 얻는 단계; 및
상기 초분광 이미지에 마스킹 이미지를 적용하여 초분광 이미지를 재구성하는 단계
를 포함하는, 초분광 이미지의 재구성 방법.
Step of obtaining a photographed image of the analysis area;
A step of extracting a spatial image of a micro-substance to be analyzed from the above-mentioned photographed image and generating a masking image;
A step of obtaining a hyperspectral image of an analysis area using a large-area analysis device of Article 9; and
A step of reconstructing a hyperspectral image by applying a masking image to the above hyperspectral image.
A method for reconstructing a hyperspectral image, comprising:
제 18 항에 있어서,
상기 촬영 이미지가 RGB 이미지인, 초분광 이미지의 재구성 방법.
In Article 18,
A method for reconstructing a hyperspectral image, wherein the above-mentioned photographed image is an RGB image.
제 18 항에 있어서,
상기 마스킹 이미지 생성 단계가 촬영 이미지의 하얀색 바탕을 제거함으로써 수행되는, 초분광 이미지의 재구성 방법.
In Article 18,
A method for reconstructing a hyperspectral image, wherein the above masking image generation step is performed by removing a white background of a photographed image.
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