KR101413998B1 - Phase change detecting method between the polarized light using liquid crystal retarder - Google Patents

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Abstract

A method of detecting a phase change between polarized lights using a liquid crystal retarder is disclosed. A method of detecting a phase change between polarized lights according to an embodiment of the present invention includes a light generation unit; a first polarizer to control a polarized state of an incident light from the light generation unit; an optical waveguide to generate phase change between two polarized lights of a light passing through the first polarizer by changing a surface material; a liquid crystal retarder to control a phase delay of the polarized light outputted from the optical waveguide by an electrical signal; a second polarizer to filter the light passing through the liquid crystal retarder; and a light detection unit to convert an intensity of the light passing through the second polarizer into an electrical signal. The method of detecting a phase change between polarized lights using the polarized interference surface detection apparatus includes a first step of setting the liquid crystal retarder so that an applied voltage is increased to a predetermined value in a unit of a first time; a second step of operating the light generation unit for a second time by driving the light generation unit, and measuring a detection signal generated during the second time in the unit of the first time by the light detection unit; a third step of calculating an average value after removing a maximum value and a minimum value of the detection signal of the light detection unit; a fourth step of reverse tracking the applied voltage value of the liquid crystal retarder when the average value of the detected signal is maximum; and a fifth step of calculating an amount of a phase transition of a liquid crystal of the liquid crystal retarder by calculating and processing the applied voltage of the liquid crystal retarder and the average value of the detected signal of the light detection unit.

Description

액정 위상지연기를 이용한 편광간 위상변화 검출방법{PHASE CHANGE DETECTING METHOD BETWEEN THE POLARIZED LIGHT USING LIQUID CRYSTAL RETARDER}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a phase change detection method, and more particularly, to a phase change detection method using a liquid crystal phase retarder,

본 발명은 편광간 위상변화 검출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액정 위상지연기(LC retarder)를 이용한 편광간 위상변화 검출방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for detecting an inter-polarization phase change, and more particularly, to a method for detecting an inter-polarization phase change using a liquid crystal phase retarder.

근래 집적형 광학을 이용한 화학 센서, 바이오 센서 등이 보고되고 있다. 집적형 광학 방식의 센서는 높은 분해능을 갖고 있고, 소형화가 가능하다는 장점을 가지고 있으며 표면 플라즈몬 공명 센서, 브레그격자 센서, 마흐젠더 간섭계 센서 등이 그 주를 이루고 있다. 이러한 센서들 중에서 편광 간섭(polarimetric interference)을 이용한 센서는 광섬유, 광도파로를 구비한 형태로 구성된다. Recently, chemical sensors and biosensors using integrated optics have been reported. Integrated optical sensors have the advantage of high resolution and miniaturization, and surface plasmon resonance sensors, bragg grating sensors, and Mach-Zehnder interferometer sensors are the main products. Among these sensors, a sensor using polarimetric interference is configured in the form of an optical fiber and an optical waveguide.

편광 간섭을 이용한 센서는 제작이 용이하고 표면 변화에 대한 감도가 탁월하므로 주목을 받고 있다. 이러한 편광간선 표면 검출장치(센서)는 광도파를 표면에 노출시켜 구성되는데, 원리는 표면물질의 굴절률 변화에 따른 도파광의 위상변화를 감지하는 것이다. 즉, 두 편극에 대한 도파광의 진행속도가 다른 현상을 이용한 것이 편광간섭형 표면 검출장치이다. Sensors using polarization interference are attracting attention because they are easy to manufacture and have excellent sensitivity to surface changes. This polarized light line surface detecting device (sensor) is constituted by exposing a light wave to the surface, and the principle is to detect the phase change of the waveguide light according to the refractive index change of the surface material. That is, a polarization interference type surface detection apparatus uses a phenomenon in which propagation velocities of the two polarized beams differ from each other.

구체적으로 도파로에 기준이 되는 두 편광을 동시에 입사시킨 후에 출력되는 편광 성분을 분석하게 되는데, 도파로 표면의 물질 변화에 대한 두 기준 편광의 위상변화량이 달라 출력되는 두 기준편광간의 위상차가 발생하게 된다. 따라서, 출력광에서 기준 편광간의 위상차 변화가 표면물질의 굴절률 변화와 비례하므로 출력편광의 분석을 통해 표면 물질의 변화량을 검출할 수 있게 되는 것이다. Specifically, the polarized light component output after two polarized lights incident on the waveguide at the same time are analyzed. The phase difference between the two reference polarized lights in which the phase change amounts of the two reference polarized lights are different with respect to the material change of the waveguide surface is generated. Therefore, since the change in the phase difference between the reference polarized light in the output light is proportional to the change in the refractive index of the surface material, the amount of change in the surface material can be detected through analysis of the output polarized light.

도 1은 종래 편광간섭 표면 검출장치(10)를 개략적으로 도시한 도면이다. Fig. 1 is a view schematically showing a conventional polarization interference surface detecting apparatus 10. Fig.

도 1을 참조하면, 종래 편광간섭 표면 검출장치(10)는 광 발생부(11), 제1 편광자(12), 제1 집광렌즈(13), 광도파로(14), 제2 집광렌즈(15), 1/4 위상지연기(16), 제2 편광자(17), 편광자 구동 모터(18), 광 검출부(19) 및 분석기(20)를 포함하여 구성될 수 있다. 1, the conventional polarization interference surface detecting apparatus 10 includes a light generating unit 11, a first polarizer 12, a first condenser lens 13, an optical waveguide 14, a second condenser lens 15 A quarter-wave retarder 16, a second polarizer 17, a polarizer driving motor 18, a photodetector 19, and an analyzer 20.

상기 검출장치를 간략하게 설명하면 광 발생부(11)로부터 입사되는 광이 제1 편광자(12)를 거쳐 편광이 1차적으로 조정되고 제1 집광렌즈(13)에서 집광되어 광도파로(14)로 입사한다. 광도파로(14)에서는 표면 물질의 변화에 의해 두 편광간의 위상변화가 발생하고 광도파로(14)의 출력부에 위치하는 1/4 위상지연기(16)에서 출력된 광의 위상이 지연된 후에 편광자 구동 모터(18)를 통해 연속 해서 회전하는 제2 편광자(17)에 의해 광이 필터링된다. 그리고 제2 편광자(17)를 통과한 광의 광세기가 광 검출부(19)에서 전기적 신호로 변환되고 다시 분석기(20)에서 상기 신호를 분석하게 된다. The detection device will be briefly described as follows. The light incident from the light generating portion 11 is primarily adjusted in polarization through the first polarizer 12 and condensed in the first condenser lens 13 to be incident on the optical waveguide 14 I will join. In the optical waveguide 14, a phase change occurs between the two polarized light due to the change of the surface material, and after the phase of the light output from the 1/4 phase retarder 16 located at the output portion of the optical waveguide 14 is delayed, The light is filtered by the second polarizer 17 which continuously rotates through the motor 18. [ Then, the light intensity of the light passing through the second polarizer 17 is converted into an electrical signal in the photodetector 19, and the signal is analyzed in the analyzer 20 again.

이와 같이 구성되는 편광간섭 표면 검출장치(10)는 바이오 센서 등으로 기능할 수 있으며, 예컨대 혈당 측정 센서로 이용될 수 있다. 상기와 같이 구성되는 혈당 측정 센서에서는 혈당과 관련된 물질(예컨대 글루코스)이 센서에 주입되면 편광 위상차가 변화하여 그 양을 검출하고 신호를 분석할 수 있다. The polarized interference surface detecting apparatus 10 configured as described above can function as a biosensor or the like, and can be used, for example, as a blood sugar measuring sensor. In the blood glucose measurement sensor configured as described above, when a substance related to blood glucose (for example, glucose) is injected into the sensor, the polarization phase difference is changed, and the amount thereof can be detected and the signal can be analyzed.

그런데 상기와 같이 구성되는 종래 편광간섭 표면 검출장치(10)에서는 제2 편광자(17)를 편광자 구동 모터(18)를 통해 연속해서 회전을 가해야 하는데(회전수를 감지하여 전체 회전수 및 편광 신호를 검출함), 편광자 구동 모터(18)의 구동으로 인해 장치 전체의 소음과 진동이 심할뿐더러 전원 소모량이 크다는 문제가 있었다. 따라서 센서를 휴대용을 위한 소형 크기로 제작하기 힘들고, 전원 소모상의 문제로 연속 측정이 어렵다는 문제점이 있었다.However, in the conventional polarization interference surface detecting apparatus 10 configured as described above, the second polarizer 17 must be continuously rotated through the polarizer driving motor 18 (by detecting the number of revolutions, ), And driving of the polarizer driving motor 18 causes a problem that the overall noise and vibration of the apparatus are large and the power consumption is large. Therefore, it is difficult to manufacture the sensor in a small size for portable use, and there is a problem in that continuous measurement is difficult due to power consumption problems.

본 발명의 실시예들에서는 편광자 구동 모터 및 1/4 위상지연기를 액정 위상지연기로 대체함으로써 전체 장치의 소형화가 가능하고, 소음 및 진동이 크게 저감되는 편광간섭 표면 검출장치를 이용한 편광간 위상변화 검출방법을 제공하고자 한다.In the embodiments of the present invention, the polarizer driving motor and the 1/4 phase retarder are replaced by the liquid crystal phase retarder, thereby making it possible to reduce the size of the entire apparatus and reduce the noise and vibration greatly. Method.

본 발명의 일 측면에 따르면, 광 발생부; 상기 광 발생부로부터 입사되는 광의 편광 상태를 조정하는 제1 편광자; 상기 제1 편광자를 통과한 광을 표면 물질 변화에 의해 두 편광간의 위상 변화가 발생하도록 하는 광도파로; 상기 광도파로로부터 출력된 편광의 위상 지연을 전기 신호로 제어하는 액정 위상지연기(Liquid Crystal Retarder); 상기 액정 위상지연기를 통과한 광을 필터링하는 제2 편광자;및 상기 제2 편광자를 통과한 광의 세기를 전기적 신호로 변환하는 광 검출부를 포함하는 편광간섭 표면 검출장치를 이용한 편광간 위상변화 검출방법에 있어서, 상기 액정 위상지연기를 제1 시간 단위로 인가 전압이 일정 수치만큼 상승되도록 설정하는 1단계; 광 발생부를 구동시켜 제2 시간 동안 동작시키고, 광 검출부에서는 상기 제2 시간 동안 발생한 검출신호를 상기 제1 시간 단위로 측정하는 2단계; 상기 광 검출부에서의 상기 검출신호의 최대값과 최소값을 제거한 후에 평균값을 산출하는 3단계; 상기 검출신호의 평균값이 최대로 나타날 때의 상기 액정 위상지연기의 인가 전압값을 역추적하는 4단계; 및 상기 액정 위상지연기의 인가 전압값과 상기 광 검출부에서의 검출신호의 평균값을 연산 처리하여 상기 액정 위상지연기의 액정의 상전이 정도를 산출하는 5단계를 포함하는 편광간 위상변화 검출방법이 제공될 수 있다. According to an aspect of the present invention, A first polarizer for adjusting a polarization state of light incident from the light generating unit; An optical waveguide for causing a phase change between the two polarized light by a surface material change of the light passing through the first polarizer; A liquid crystal phase retarder (Liquid Crystal Retarder) for controlling the phase delay of the polarized light output from the optical waveguide by an electric signal; A second polarizer for filtering light having passed through the liquid crystal phase retarder and an optical detector for converting the intensity of light passing through the second polarizer into an electrical signal, A first step of setting the liquid crystal phase retarder such that an applied voltage is increased by a predetermined value in a first time unit; A second step of driving the light generating unit to operate for a second time, and the light detecting unit measuring the detection signal generated during the second time in the first time unit; Calculating a mean value after removing a maximum value and a minimum value of the detection signal in the optical detection unit; A step of back-tracking an applied voltage value of the liquid crystal phase retarder when an average value of the detection signals appears at a maximum; And calculating the degree of phase transition of the liquid crystal of the liquid crystal phase retarder by calculating a voltage value of the liquid crystal phase retarder and an average value of the detection signal in the optical detection unit .

또한, 상기 5단계 이후에, 기준값에서의 액정 상전이 특성과 상기 5단계에서 산출된 액정의 상전이 특성을 비교하여 검출물질의 양을 산출하는 6단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include a sixth step of calculating the amount of the detection substance by comparing the liquid crystal phase transition characteristic at the reference value with the phase transition property of the liquid crystal calculated at the fifth step after the fifth step.

한편, 상기 액정 위상지연기는 구형파(square wave)전압이 인가되고, 상기 구형파 전압은 0 내지 20V의 1KHz 제로 오프셋 신호일 수 있다. Meanwhile, the liquid crystal phase retarder may be applied with a square wave voltage, and the rectangular wave voltage may be a 1KHz zero offset signal of 0 to 20V.

또한, 상기 1단계에서 상기 제1 시간 단위는 100msec이고, 상기 일정 수치는 0.1V일 수 있고, 상기 2단계에서 상기 제2 시간은 30초일 수 있다. In addition, in the first step, the first time unit may be 100 msec, the predetermined value may be 0.1 V, and the second time may be 30 seconds.

또한, 상기 2단계에서 상기 광 발생부의 구동은 초기 10초 동안 시험동작되고, 상기 시험동작 종료 후 30초 동안 동작될 수 있다.Also, in the second step, the driving of the light generating unit is tested for the initial 10 seconds, and may be operated for 30 seconds after the testing operation is completed.

본 발명의 실시예들은 종래 편광간섭 표면 검출장치의 편광자 구동 모터 및 1/4 위상지연기를 액정 위상지연기로 대체함으로써, 편광자 구동 모터나 1/4 위상지연기 없이도 동일한 수준의 성능을 구현할 수 있는 편광간섭 표면 검출장치를 이용한 편광간 위상변화 검출방법을 제공할 수 있다.Embodiments of the present invention replace polarizer drive motor and 1/4 phase retarder of a conventional polarization interference surface detecting apparatus with liquid crystal phase retarder, thereby achieving the same level of performance without polarizer drive motor or 1/4 phase retarder It is possible to provide a method for detecting the phase change between polarized lights using the interference surface detecting apparatus.

도 1은 종래 편광간섭 표면 검출장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 편광간섭 표면 검출장치의 주요 구성을 나열한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광간섭 표면 검출장치의 주요 구성을 나열한 도면이다.
도 4는 도 3의 액정 위상지연기에서의 인가 전압의 파형을 개략적으로 도시한 그래프이다.1 is a view schematically showing a conventional polarization interference surface detecting apparatus.
Fig. 2 is a diagram showing a main configuration of the polarization interference surface detecting apparatus of Fig. 1; Fig.
FIG. 3 is a diagram illustrating a main configuration of a polarization interference surface detecting apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph schematically showing a waveform of an applied voltage in the liquid crystal phase retarder of FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예들에 따른 편광간 위상변화 검출방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광간섭 표면 검출장치를 이용하는 것으로, 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광간섭 표면 검출장치에 대하여 우선적으로 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The polarized interference surface detecting apparatus according to an embodiment of the present invention uses a polarized interference surface detecting apparatus according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a polarized interference surface detecting apparatus according to an embodiment of the present invention, .

도 2는 도 1의 편광간섭 표면 검출장치(10)의 주요 구성을 나열한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광간섭 표면 검출장치(100)의 주요 구성을 나열한 도면이다. FIG. 2 is a diagram showing a main configuration of the polarization interference surface detecting apparatus 10 of FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram showing a main configuration of a polarization interference surface detecting apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광간섭 표면 검출장치(100)는 광 발생부(110)와, 광 발생부(110)로부터 입사되는 광의 편광 상태를 조정하는 제1 편광자(120)와, 제1 편광자(120)를 통과한 광의 표면 물질 변화에 의해 두 편광간의 위상변화가 발생하도록 하는 광도파로(130)와, 광도파로부터 출력된 편광의 위상 지연을 전기 신호로 제어하는 액정 위상지연기(140, Liquid Crystal Retarder)와, 액정 위상지연기(140)를 통과한 광을 필터링하는 제2 편광자(150)와, 그리고 제2 편광자(150)를 통과한 광의 세기를 전기적 신호로 변환하는 광 검출부(160)를 포함할 수 있다. 2 and 3, a polarization interference surface detecting apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a light generating unit 110, a light adjusting unit 110 for adjusting the polarization state of light incident from the light generating unit 110, An optical waveguide 130 for causing a phase change between two polarized light due to a change in the surface material of light passing through the first polarizer 120 and an optical waveguide 130 for converting the phase delay of the polarized light output from the optical waveguide into an electrical signal A second polarizer 150 for filtering light passing through the liquid crystal phase retarder 140 and a second polarizer 150 for controlling the intensity of light passing through the second polarizer 150, And an optical detector 160 for converting the optical signal into an electrical signal.

도 2에 도시된 종래 편광간섭 표면 검출장치(10)와 비교하여 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광간섭 표면 검출장치(100)는 첫째, 종래 편광간섭 표면 검출장치(10)에서 1/4 위상지연기(16)가 액정 위상지연기(140)로 대체되었으며, 둘째, 종래 편광간섭 표면 검출장치(10)에서 제2 편광자(17)를 회전시키는 편광자 구동 모터(18)가 제거된 것을 특징으로 한다. 따라서, 종래보다 부품수가 줄어들 뿐 아니라, 장치 전체의 크기 및 부피에 큰 영향을 미치는 편광자 구동 모터(18)가 불필요하므로 장치 전체의 소형화를 달성할 수 있다. 2, the polarization interference surface detecting apparatus 100 according to an embodiment of the present invention firstly includes a polarization interference surface detecting apparatus 10 of a conventional polarization interference surface detecting apparatus 10, The fourth phase retarder 16 has been replaced by the liquid crystal phase retarder 140 and secondly the polarizer driving motor 18 for rotating the second polarizer 17 in the conventional polarization interference surface detecting apparatus 10 has been removed . Therefore, the number of parts is reduced as compared with the conventional one, and the polarizer driving motor 18, which greatly affects the size and the volume of the entire device, is not required, so that miniaturization of the entire device can be achieved.

이하, 각 구성에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다. Hereinafter, each configuration will be described in detail.

광 발생부(110)는 광원을 생성하는 것으로, 예컨대 레이저 다이오드(LD, Laser Diode)가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. The light generating unit 110 generates a light source. For example, a laser diode (LD) may be used, but the present invention is not limited thereto.

제1 편광자(120)는 광 발생부(110)로부터 입사되는 광의 편광 상태를 조정하는 기능을 하는 것으로, 구체적으로는 광 발생부(110)로부터 입사되는 광의 입사각도를 광도파로(130)에 대해 45°편극 각도로 조정하므로써, 상기 광의 수직편광과 수평편광의 크기가 같도록 하는 기능을 한다. The first polarizer 120 functions to adjust the polarization state of the light incident from the light generating unit 110. Specifically, the first polarizer 120 adjusts the incident angle of the light incident from the light generating unit 110 to the optical waveguide 130 Polarized light, the polarized light has a function of making the vertical polarization and the horizontal polarization of the light equal to each other.

광도파로(130)는 제1 편광자(120)를 통과한 광이 입사하고 출력하는 곳으로, 표면 물질 변화에 의해 두 편광간의 위상 변화를 발생시키는 기능을 한다. 광도파로(130)에는 측정하고자 하는 검출물질이 유입하는 유입부(미도시)와 상기 검출물질이 유출되는 유출부(미도시)가 형성될 수 있다. 광도파로(130) 표면에 상기 검출물질이 유입되면 광도파로(130)의 표면 물질(TiO2, Ta2O5, Si3N4와 같은 고굴절률 물질)의 변화가 일어난다. 이러한 표면 물질의 변화에 따라 광도파로(130)로 입사된 광은 광도파로(130)를 거쳐 두 편광간에 위상변화(위상차)가 발생한다. 이로 인해 출력되는 광세기가 변화할 수 있다. 이와 같은 광도파로(130)는 본 기술분야에서 공지의 구성에 해당되므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다. 한편, 제1 편광자(120)와 광도파로(130) 사이에는 광을 집광하는 제1 집광렌즈(미도시)가 추가적으로 배치될 수 있다. The optical waveguide 130 functions to generate a phase change between two polarized light due to a change in the surface material, where light passing through the first polarizer 120 is incident and output. The optical waveguide 130 may include an inlet (not shown) through which the detection substance to be measured flows and an outlet (not shown) through which the detection substance flows. When the detection material flows into the surface of the optical waveguide 130, the surface material (high refractive index material such as TiO 2 , Ta 2 O 5 and Si 3 N 4 ) of the optical waveguide 130 changes. The phase difference (phase difference) occurs between the two polarized lights through the optical waveguide 130 according to the change of the surface material. As a result, the intensity of light output may vary. Since the optical waveguide 130 corresponds to a known structure in the art, a detailed description thereof will be omitted. Meanwhile, a first condenser lens (not shown) for condensing light may additionally be disposed between the first polarizer 120 and the optical waveguide 130.

광도파로(130)에서 출력된 편광은 액정 위상지연기(140)에서 위상 지연이 일어나게 된다. 액정 위상지연기(140)는 액정의 배향성을 이용하여 특정한 광을 투과 시키거나 차단할 수 있다는 점에서 착안된 것으로, 전기적인 신호를 가할 때에 액정의 상전이(phase transition)가 발생되고 분극이 발생되는 현상을 이용한 것이다. The polarized light output from the optical waveguide 130 is phase delayed by the liquid crystal phase retarder 140. The liquid crystal phase retarder 140 is designed to transmit or block a specific light by using the orientation of the liquid crystal. In the liquid crystal phase retarder 140, a phase transition of liquid crystal occurs when an electrical signal is applied, .

액정 위상지연기(140)는 한 쌍의 유리기판과, 상기 유리기판의 내측면에 각각 코팅되는 투명 전극과, 상기 유리기판 사이에 충진되는 액정을 포함하여 구성될 수 있다. The liquid crystal phase retarder 140 may include a pair of glass substrates, a transparent electrode coated on the inner surface of the glass substrate, and a liquid crystal filled between the glass substrates.

이 때, 상기 투명 전극을 통해 전압이 인가되지 않은 경우에 액정은 유리기판을 따라 일렬로 배열되며 입사광의 위상 지연은 최대가 된다. 그리고 상기 투명 전극을 통해 인가되는 전압이 높아짐에 따라 액정은 유리기판과 비스듬한 각을 이루면서 전기장 방향과 액정의 길이 방향이 이루는 각이 점점 작아지고, 이에 따라 입사광의 위상 지연은 점점 작아진다. 또한, 상기 투명 전극을 통해 특정 임계값 이상의 전압이 가해지면 전기장 방향과 액정의 길이 방향은 서로 평행하게 되며, 이 때 입사광의 위상 지연은 최소가 된다. 상술한 것과 같이 액정 위상지연기(140)는 전기 신호 또는 전압을 제어함으로써 광도파로(130)로부터 출력된 편광의 위상 지연을 측정할 수 있다.  In this case, when no voltage is applied through the transparent electrode, the liquid crystal is arranged in a line along the glass substrate, and the phase retardation of the incident light is maximized. As the voltage applied through the transparent electrode increases, the angle of the liquid crystal with the glass substrate becomes an oblique angle, and the angle formed by the electric field direction and the longitudinal direction of the liquid crystal becomes smaller, and the phase delay of the incident light becomes smaller. In addition, when a voltage exceeding a certain threshold value is applied through the transparent electrode, the electric field direction and the longitudinal direction of the liquid crystal are parallel to each other, and the phase delay of the incident light is minimized. As described above, the liquid crystal phase retarder 140 can measure the phase delay of the polarized light output from the optical waveguide 130 by controlling an electric signal or a voltage.

한편, 액상 위상지연기(140)에 인가되는 전압은 구형파(square wave) 전압일 수 있다. 예를 들어, 상기 구형파 전압은 0 내지 20V의 1KHz 제로 오프셋 신호일 수 있으며, 100msec마다 0.1V씩 구동전압이 상승하도록 설정할 수 있다. 이 경우에 액정 위상지연기(140)의 구동이 펄스(pulse) 구동하므로, 전원 소모량이 연속적인 구동보다 상대적으로 적으므로 편광간섭 표면 검출장치(100)의 사용 시간 및 기간을 크게 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 액정 위상지연기(140)는 인가전압에 의해 위상지연값을 조절할 수 있으므로 편광자 구동 모터(18, 도 1 참조)를 이용하여 회전을 통해 편광을 조절하는 경우와 동일 수준의 효과를 얻을 수 있다. Meanwhile, the voltage applied to the liquid phase retarder 140 may be a square wave voltage. For example, the square wave voltage may be a 1KHz zero offset signal of 0 to 20V, and the driving voltage may be set to increase by 0.1V every 100msec. In this case, since the driving of the liquid crystal phase retarder 140 is pulse-driven, the amount of power consumption is relatively smaller than the continuous driving, so that the use time and period of the polarization interference surface detecting apparatus 100 can be greatly increased There are advantages. Also, since the liquid crystal phase retarder 140 can adjust the phase delay value by the applied voltage, the same level of effect as in the case of controlling the polarization through rotation using the polarizer driving motor 18 (see FIG. 1) have.

한편, 광도파로(130)와 액정 위상지연기(140) 사이에는 광을 집광하는 제2 집광렌즈(미도시)가 추가적으로 배치될 수 있다.A second condenser lens (not shown) for condensing the light may further be disposed between the optical waveguide 130 and the liquid crystal phase retarder 140.

제2 편광자(150)는 액정 위상지연기(140)를 통과한 광을 ?터링하는 기능을 수행하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광간섭 표면 검출장치(100)에서는 제2 편광자(150)를 회전시키는 편광자 구동 모터(18, 도 2 참조)가 존재하지 않는 바, 제2 편광자(150)는 회전하지 않는다. 이 때, 제2 편광자(150)는 액정 위상지연기(140)를 통과한 광을 -45°의 편극 각도(45°의 축각도)로 입사시키고, 제2 편광자(150)를 통과한 광의 편광 상태를 광 검출부(160)에서 광 강도로써 검출할 수 있도록 한다. The second polarizer 150 performs a function of interfering the light that has passed through the liquid crystal phase retarder 140. In the polarized interference surface detecting apparatus 100 according to an embodiment of the present invention, There is no polarizer drive motor 18 (see Fig. 2) for rotating the second polarizer 150, so that the second polarizer 150 does not rotate. At this time, the second polarizer 150 causes the light having passed through the liquid crystal phase retarder 140 to enter at a polarization angle of -45 degrees (an axial angle of 45 degrees), and the polarization of the light passing through the second polarizer 150 So that the state of the light can be detected by the light detecting unit 160 as light intensity.

마지막으로 광 검출부(160)는 통상의 포토다이오드(photo diode), CCD(Charge Coupled Device)일 수 있고, 검출된 광 강도를 전기적 신호로 변환하여 분석기(미도시)로 전달하게 된다. Finally, the optical detector 160 may be a conventional photo diode or a CCD (Charge Coupled Device), converts the detected light intensity into an electrical signal, and transmits the electrical signal to an analyzer (not shown).

상술한 바와 같이 구성되는 편광간섭 표면 검출장치(100)는 종래 편광간섭 표면 검출장치의 편광자 구동 모터 및 1/4 위상지연기를 액정 위상지연기(140)로 대체함으로써, 편광자 구동 모터나 1/4 위상지연기 없이도 동일한 수준의 성능을 구현할 수 있는 편광간섭 표면 검출장치를 제공할 수 있다. The polarization interference surface detecting apparatus 100 constructed as described above can be replaced by a polarizer driving motor or a 1/4 phase retarder 140 by replacing the polarizer driving motor and the 1/4 phase retarder of the conventional polarization interference surface detecting apparatus with the liquid crystal phase retarder 140. [ It is possible to provide a polarization interference surface detecting apparatus capable of realizing the same level of performance without a phase delay.

또한, 장치 두께 및 부피에 크게 영향을 미치는 편광자 구동 모터를 사용하지 않음으로써, 장치의 소형화가 가능하여 장치의 휴대성을 크게 향상시킬 수 있다(구체적으로 종래 편광간섭 표면 검출장치의 전력 소모량은 수백 mW인데, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광간섭 표면 검출장치의 전력 소모량은 수mW 수준이며, 두께는 약 1/5수준에 해당함). 또한, 편광자 구동 모터를 사용할 때보다 전력 소모량 및 소음을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다. In addition, by not using a polarizer driving motor which greatly affects the thickness and the volume of the apparatus, it is possible to miniaturize the apparatus and greatly improve the portability of the apparatus (specifically, the power consumption of the conventional polarized interference surface detecting apparatus is several hundred mW, the power consumption of the polarization interference surface detecting apparatus according to an embodiment of the present invention is several mW, and the thickness corresponds to about 1/5 level). In addition, there is an advantage in that the power consumption and noise can be significantly reduced compared to when using a polarizer driving motor.

상술한 것과 같은 편광간섭 표면 검출장치는 휴대용 혈당 측정 센서와 같은 바이오 센서 등에 적용 가능하다.The polarization interference surface detecting apparatus as described above can be applied to a biosensor such as a portable blood glucose measurement sensor.

이하에서는 상술한 편광간섭 표면 검출장치(100)를 이용한 편광간 위상변화 검출방법에 대하여 설명하도록 한다. 또한, 편광간섭 표면 검출장치(100)에 대해서는 전술한 도면부호를 병기하여 표기하도록 한다. Hereinafter, a method of detecting the polarization phase change using polarization interference surface detecting apparatus 100 will be described. In addition, the polarized interference surface detecting apparatus 100 is described with reference to the above-mentioned reference numerals.

본 발명의 일 실시예에 따른 편광간 위상변화 검출방법은 편광간섭 표면 검출장치(100)를 이용하는 것으로, 액정 위상지연기(140)를 제1 시간 단위로 인가 전압이 일정 수치만큼 상승되도록 설정하는 1단계; 광 발생부(110)를 구동시켜 제2 시간 동안 동작시키고, 광 검출부(160)에서는 상기 제2 시간 동안 발생한 검출신호를 상기 제1 시간 단위로 측정하는 2단계; 광 검출부(160)에서의 상기 검출신호의 최대값과 최소값을 제거한 후에 평균값을 산출하는 3단계; 검출신호의 평균값이 최대로 나타날 때의 액정 위상지연기(140)의 인가 전압값을 역추적하는 4단계; 및 액정 위상지연기(140)의 인가 전압값과 상기 광 검출부(160)에서의 검출신호의 평균값을 연산 처리하여 액정 위상지연기(140)의 액정의 상전이 정도를 산출하는 5단계를 포함할 수 있다. The method for detecting polarization phase change according to an exemplary embodiment of the present invention uses the polarization interference surface detecting apparatus 100 to set the liquid crystal phase retarder 140 such that the applied voltage is raised by a predetermined value in a first time unit Stage 1; A second step of driving the light generating unit 110 to operate for a second time and the light detecting unit 160 measuring the detection signal generated during the second time in the first time unit; A third step of calculating an average value after removing the maximum value and the minimum value of the detection signal in the optical detection unit 160; A step 4 of back-tracking the applied voltage value of the liquid crystal phase retarder 140 when the average value of the detection signals appears at the maximum; And calculating the degree of phase transition of the liquid crystal of the liquid crystal phase retarder 140 by calculating a voltage value of the liquid crystal phase retarder 140 and an average value of the detection signal of the light detecting unit 160 have.

또한, 상기 5단계 이후에, 기준값에서의 액정 상전이 특성과 상기 5단계에서 산출된 액정의 상전이 특성을 비교하여 검출물질의 양을 산출하는 6단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include a sixth step of calculating the amount of the detection substance by comparing the liquid crystal phase transition characteristic at the reference value with the phase transition property of the liquid crystal calculated at the fifth step after the fifth step.

보다 구체적으로 일 예시를 들어 설명하면, 우선 액정 위상지연기(140)는 제1 시간 단위로 인가 전압이 일정 수치만큼 상승되도록 설정한다. 예컨대, 상기 제1 시간 단위는 100msec이고 상기 일정 수치는 0.1V일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 다양하게 설정 가능하다. 한편, 액정 위상지연기(140)에 인가되는 전압은 구형파(square wave)전압이고, 상기 구형파 전압은 0 내지 20V의 1KHz 제로 오프셋 신호일 수 있다(이상 1단계).More specifically, for example, the liquid crystal phase retarder 140 sets the applied voltage to rise by a predetermined value in the first time unit. For example, the first time unit may be 100 msec, and the predetermined value may be 0.1 V, but is not limited thereto and may be variously set. Meanwhile, the voltage applied to the liquid crystal phase retarder 140 may be a square wave voltage, and the square wave voltage may be a 1KHz zero offset signal of 0 to 20V (step 1).

다음으로, 광 발생부(110)를 구동시켜 제2 시간 동안 동작시키고, 광 검출부(160)에서는 상기 제2 시간 동안 발생한 검출신호를 상기 제1 시간 단위로 측정한다. 예컨대, 상기 제2 시간은 30초일 수 있으며 광 발생부(110)의 구동은 초기 10초 동안 시험동작되고(소위, 워밍업), 상기 시험동작 종료 후 30초 동안 동작되도록 할 수 있다. 즉, 광 발생부(110) 초기 10초 동안 워밍업(warm-up) 시간을 가지고 이후 30초 동안 연속적으로 동작할 수 있다. 한편, 광 발생부(110)의 구동 전류는 예컨대 70mA 내지 93mA 범위 내에서 제어 가능하다(이상 2단계).Next, the light generating unit 110 is driven to operate for a second time, and the light detecting unit 160 measures the detection signal generated during the second time in the first time unit. For example, the second time may be 30 seconds, and the driving of the light generating unit 110 may be operated for the initial 10 seconds (so-called warm-up) and for 30 seconds after the test operation is completed. That is, the light generating unit 110 can operate continuously for 30 seconds after the initial 10 seconds with a warm-up time. On the other hand, the driving current of the light generating unit 110 can be controlled within a range of 70 mA to 93 mA (second stage).

다음으로, 광 검출부(160)에서의 검출신호의 최대값과 최소값을 제거한 후에 평균값을 산출하고(이상 3단계), 상기 검출신호의 평균값이 최대로 나타날 때의 액정 위상지연기(140)의 인가 전압값을 역추적할 수 있다(이상 4단계). 여기에서 상기 검출신호의 측정값은 상대 값으로 예를 들면 0 내지 999 사이의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 총 동작시간이 30초 이므로 상기 검출신호의 평균값이 최대로 나타날 때의 시간을 토대로 액정 위상지연기(140)의 인가 전압을 산출할 수 있다. Next, the average value is calculated after removing the maximum value and the minimum value of the detection signal from the photodetector 160 (step 3 above), and the application of the liquid crystal phase retarder 140 when the average value of the detection signal appears at the maximum The voltage value can be traced back (step 4 above). Here, the measured value of the detection signal may have a value between 0 and 999, for example, as a relative value. For example, since the total operation time is 30 seconds, the applied voltage of the liquid crystal phase retarder 140 can be calculated on the basis of the time when the average value of the detection signals is maximum.

그리고 액정 위상지연기(140)의 인가 전압을 알게 되면, 액상 위상지연기(140)의 신호값(인가 전압)과 광 검출부(160)에서의 신호값(광 신호 세기)을 연산 처리하여 액정 위상지연기(140)의 액정의 상전이(phase transition) 정도를 산출 가능하다(이상 5단계). 예를 들어 도 4는 도 3의 액정 위상지연기(140)에서의 인가 전압의 파형을 개략적으로 도시한 그래프이다. 도 4에서 Vpp=Vo 값일 때 100ms 이상 인가 후 광 검출부(160)에서의 신호를 체크하고, Vpp'=Vo+2△V값일 때 100ms 이상 인가 후 광 검출부(160)에서의 신호를 체크한다. 그리고 위 두 과정이 Vpp값이 20V가 될 때까지 연속으로 진행하면 Vpp(X축), 광 검출부 신호(Y축)로 Plot할 수 있다. When the applied voltage of the liquid crystal phase retarder 140 is known, the signal value (applied voltage) of the liquid phase retarder 140 and the signal value (optical signal intensity) The degree of phase transition of the liquid crystal of the retarder 140 can be calculated (step 5 above). For example, FIG. 4 is a graph schematically showing a waveform of an applied voltage in the liquid crystal phase retarder 140 of FIG. In FIG. 4, when V pp = V o , the signal in the photodetector 160 is checked after 100 ms or longer, and when the signal V pp '= V o + 2ΔV, the signal in the photodetector 160 . Then, if the above two processes are continuously performed until the V pp value becomes 20V, it is possible to plot the V pp (X axis) and the photodetector signal (Y axis).

다음으로, 기준값(reference)에서의 상전이 특성과 측정된 상전이 특성과의 비교를 통하여 측정하고자 하는 검출물질의 양을 산출할 수 있다(이상 6단계). Next, the amount of the detection substance to be measured can be calculated through comparison between the phase transition characteristic at the reference value and the measured phase transition characteristic (step 6 above).

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, many modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, many modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.

10: 종래 편광간섭 표면 검출장치 11: 광 발생부
12: 제1 편광자 13: 제1 집광렌즈
14: 광도파로 15: 제2 집광렌즈
16: 1/4 위상지연기 17: 제2 편광자
18: 편광자 구동 모터 19: 광 검출부
20: 분석기
100: 편광간섭 표면 검출장치 110: 광 발생부
120: 제1 편광자 130: 광도파로
140: 액정 위상지연기 150: 제2 편광자
160: 광 검출부10: Conventional polarization interference surface detecting apparatus 11:
12: first polarizer 13: first condenser lens
14: optical waveguide 15: second condenser lens
16: 1/4 phase retarder 17: second polarizer
18: Polarizer driving motor 19:
20: Analyzer
100: Polarization interference surface detecting device 110: Light generating part
120: first polarizer 130: optical waveguide
140: liquid crystal phase retarder 150: second polarizer
160:

Claims (6)

광 발생부; 상기 광 발생부로부터 입사되는 광의 편광 상태를 조정하는 제1 편광자; 상기 제1 편광자를 통과한 광을 표면 물질 변화에 의해 두 편광간의 위상 변화가 발생하도록 하는 광도파로; 상기 광도파로로부터 출력된 편광의 위상 지연을 전기 신호로 제어하는 액정 위상지연기(Liquid Crystal Retarder); 상기 액정 위상지연기를 통과한 광을 필터링하는 제2 편광자;및 상기 제2 편광자를 통과한 광의 세기를 전기적 신호로 변환하는 광 검출부를 포함하는 편광간섭 표면 검출장치를 이용한 편광간 위상변화 검출방법에 있어서,
상기 액정 위상지연기를 제1 시간 단위로 인가 전압이 일정 수치만큼 상승되도록 설정하는 1단계;
광 발생부를 구동시켜 제2 시간 동안 동작시키고, 광 검출부에서는 상기 제2 시간 동안 발생한 검출신호를 상기 제1 시간 단위로 측정하는 2단계;
상기 광 검출부에서의 상기 검출신호의 최대값과 최소값을 제거한 후에 평균값을 산출하는 3단계;
상기 검출신호의 평균값이 최대로 나타날 때의 상기 액정 위상지연기의 인가 전압값을 역추적하는 4단계; 및
상기 액정 위상지연기의 인가 전압값과 상기 광 검출부에서의 검출신호의 평균값을 연산 처리하여 상기 액정 위상지연기의 액정의 상전이 정도를 산출하는 5단계를 포함하는 편광간 위상변화 검출방법.A light generator; A first polarizer for adjusting a polarization state of light incident from the light generating unit; An optical waveguide for causing a phase change between the two polarized light by a surface material change of the light passing through the first polarizer; A liquid crystal phase retarder (Liquid Crystal Retarder) for controlling the phase delay of the polarized light output from the optical waveguide by an electric signal; A second polarizer for filtering light having passed through the liquid crystal phase retarder and an optical detector for converting the intensity of light passing through the second polarizer into an electrical signal, As a result,
A step of setting the liquid crystal phase retarder such that an applied voltage is increased by a predetermined value in a first time unit;
A second step of driving the light generating unit to operate for a second time, and the light detecting unit measuring the detection signal generated during the second time in the first time unit;
Calculating a mean value after removing a maximum value and a minimum value of the detection signal in the optical detection unit;
A step of back-tracking an applied voltage value of the liquid crystal phase retarder when an average value of the detection signals appears at a maximum; And
And calculating the phase transition degree of the liquid crystal of the liquid crystal phase retarder by performing an arithmetic processing on an applied voltage value of the liquid crystal phase retarder and an average value of the detection signal in the optical detection section. 청구항 1에 있어서,
상기 5단계 이후에,
기준값에서의 액정 상전이 특성과 상기 5단계에서 산출된 액정의 상전이 특성을 비교하여 검출물질의 양을 산출하는 6단계를 더 포함하는 편광간 위상변화 검출방법.The method according to claim 1,
After step 5,
And comparing the liquid crystal phase transition characteristic at the reference value with the phase transition characteristic of the liquid crystal calculated at the step 5 to calculate the amount of the detected substance. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 액정 위상지연기는 구형파(square wave)전압이 인가되고, 상기 구형파 전압은 0 내지 20V의 1KHz 제로 오프셋 신호인 편광간 위상변화 검출방법.The method according to claim 1 or 2,
Wherein the liquid crystal phase retarder is a square wave voltage, and the square wave voltage is a 1KHz zero offset signal of 0 to 20V. 청구항 3에 있어서,
상기 1단계에서 상기 제1 시간 단위는 100msec이고, 상기 일정 수치는 0.1V인 편광간 위상변화 검출방법.The method of claim 3,
Wherein the first time unit is 100 msec, and the predetermined value is 0.1V. 청구항 4에 있어서,
상기 2단계에서 상기 제2 시간은 30초인 편광간 위상변화 검출방법.The method of claim 4,
And the second time in the second step is 30 seconds. 청구항 5에 있어서,
상기 2단계에서 상기 광 발생부의 구동은 초기 10초 동안 시험동작되고,상기 시험동작 종료 후 30초 동안 동작되는 편광간 위상변화 검출방법.The method of claim 5,
Wherein the driving of the light generating unit in the second step is tested for the initial 10 seconds and is operated for 30 seconds after the end of the test operation.
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