미세한 광신호 추출을 위한 소형 Lock-in 증폭기 개발

Abstract

[한글]본 논문에서는 미세한 광 신호를 추출하기 위한 소형 Lock-in 증폭기를 개발하고 간단한 광학계를 구성하여 제작한 Lock-in 증폭기를 평가하였다. Lock-in 증폭기를 사용하는 목적은 검출해야 하는 광 신호의 세기가 매우 미약할 때 광원을 일정 주파수의 펄스로 변조시켜서 이 신호를 적절히 신호 처리하여 해당주파수 신호만을 선택적으로 추출해 내는 데 목적이 있다.

본 연구를 통해 제작된 Lock-in 증폭기는 크게 Signal channel과 Reference channel, Phase sensitive detector 그리고 주파수를 제어하는 마이크로프로세서로 구성되어 있다. Signal channel은 노이즈가 섞인 신호에 적절히 필터를 취하여주고 증폭하여서 Lock-in 증폭기로 신호를 전달해주는 역할을 한다. Reference channel에서는 Lock-in 증폭기의 기준신호를 만들어주고 이 신호를 기준으로 Phase sensitive detector는 연산을 수행하여 노이즈가 섞인 신호에서 노이즈를 제거한 직류 전압값을 얻게 된다. 제작한 Lock-in 증폭기의 Dynamic reserve는 추정치 86dB이상으로 일반 사용 Lock-in 증폭기와 비슷한 감도 특성을 나타내었다. 제작한 Lock-in 증폭기의 성능을 평가 및 적용하기 위해서 혈류량 측정을 위한 광학계를 구성하고 인체에 적용해 보았다. 혈류량 측정방법은 반도체 레이저로부터 발생된 빔을 낮은 주파수로 펄스 변조시켜 광섬유로 전달하고 생체조직을 투과하였을 때 혈류량에 따라 변화하는 빛의 투과 정도를 측정하도록 구성하였다.

개발된 Lock-in 증폭기는 상용 Lock-in 증폭기에 비해 가격이 저렴하고 크기가 작아서 여러 의료기기에 다양하게 접목시킬 수 있을 것으로 사료된다.

[영문]In this study, we developed a small-sized lock-in amplifier that can extract weak signals that contain strong noise. This amplifier was successfully applied to a simple optical system that measure blood perfusion change in human skin. Lock-in amplifier is often used in an optical system in which the lightsource is modulated at certain frequency, transmitted through media, and collected by a photodetector with strong noise. The transmitted signal is processed by a lock-in amplifier and the signal modulated at the same frequency as the original source frequency is selectively collected. /The lock-in amplifier is composed of four main components: a signal channel, a reference channel, a phase sensitive detector and a microprocessor that controls the process. First, the signal channel filters out the noise, amplifies, and transfers the signal to the phase sensitive detector. At the referencechannel, the frequency at which the source light is modulated is generated. The phase sensitive detector receives both signals from the signal and reference channels and performs the appropriate calculation which produces the final DC signal. The dynamic reserve of the designed lock-in amplifier was approximately 86dB which is comparable to a commercially available product. /The lock-in amplifier was applied to an optical blood perfusion detection system. The light from a semiconductor laser was modulated at low frequency. After transmitted through biological tissue, the optical signal contains information regarding blood perfusion of human skin which is detected using the lock-in amplifier. The lock-in amplifier developed during this study is cheap to build and small-sized which make it useful for various biomedical applications.