KR100221683B1 - 탁도 및 색온도 측정용 이중 광선 분광계 - Google Patents

탁도 및 색온도 측정용 이중 광선 분광계 Download PDF

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Abstract

탁도 및 색온도 측정용 이중 광선 분광계는 광원을 갖는 하우징을 포함한다. 또 하우징은 광원에서 나오는 빛을 샘플 광선과 기준 광선으로 만드는 광원 출구를 포함한다. 측정해야할 샘플 물질을 담는 샘플 카트리지는 하우징내에서 샘플 광선의 경로상에 배치된다. 또한 분광계는 샘플 광선과 기준 광선을 감지하는 감지부를 포함한다. 감지부는 샘플 광선을 감지하는 제1감지기와, 기준 광선을 감지하는 제2감지기를 포함한다. 샘플 광선 감지관은 하우징내에서 샘플 카트리지와 제1감지기 사이에 위치한다. 유사하게, 기준 광선 감지관은 샘플 카트리지와 제2감지기 사이에 위치한다.

Description

탁도 및 색온도 측정용 이중 광선 분광계
제1도는 본 발명에 의해 제작된 분광계의 광원부 및 감지부의 부분 절단 입면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 이중 광선 분광계 12 : 감지부
14 : 광원부 20 : 하우징
22 : 조준 공간 필터 28 : 대역 필터
34 : 샘플 카트리지 38 : 광선 출구
40 : 광원부 홀더 46 : 제1감지기
48 : 제2감지기
본 발명은 일반적으로 신규한 이중 광선 분광계에 관한 것으로서, 특히 탁도(濁度) 및 색온도를 모두 측정할 수 있는 신규한 이중 광선 분광계에 관한 것이다.
정상 전달 광학기기는 색온도 측정에 가장 일반적으로 사용되는 반면, 확산 전달 광학기기는 탁도 측정에 일반적으로 사용된다. 이렇게 다른 광학성 때문에, 단일 분광계로는 색온도 및 탁도를 모두 측정할 수는 없다. 더구나 종래의 정상 전달 광학기기가 샘플의 탁도측정에 사용된다면 정확도 문제가 발생한다. 이러한 정확도 문제는 기기간의 광역학적(opto-mechanical) 편차로 인한 커다란 기기 대 기기의 바이어스(bias)로서 나타난다. 통상적으로 종래 광학기기는 탁도가 알려진 샘플을 이용하여 각 기기를 수정함으로써 부정확도를 제거한다. 공지된 레벨과 기기 렌즈간의 상호관계는 바이어스를 수정하는데 사용되는 고정곡선을 만든다. 부정확도를 제거하는 다른 방법은 제작 과정에서 각각의 광학 시스템을 정밀하게 정렬시켜 광역학적 편차를 제거하는 방법이다. 두가지 교정 방법이 현재 이용되고 있지만, 다수의 제작할 때에는 받아들이기 어려운 방법이다.
종래 기술에서는 여러가지 시스템이 공지되어 있으나, 이들 어느 시스템도 탁도 및 색온도 측정 분석법을 동시에 수행할 수 있는 이중 광선 분광계를 포함하지는 않는다. 예를들어, 미합중국 특허 제4,457,893호는 항체가 흡수할 수 있는 광선의 파장을 이용하여 응집반응 전후에 항체가 들어있는 액체 배지의 광선 흡수율을 측정하는 시스템을 기술하고 있다. 일본 특허 제1,112,162호에 공지된 다른 시스템은 응집 샘플의 정상 및 확산 전달도를 측정할 수 있는 2개의 광측정 시스템을 포함한다. 또한 두가지 시스템을 필요로 한다. 일본 특허출원 제63-191, 962호는 라텍스(latex) 응집반응을 사용하여 면역 분석법을 자동적으로 수행하는 시스템 또는 기기를 설명하고 있다. 미합중국 특허 제4,766,083호는 확산 전달도를 감지하기 위해 광원용으로 레이저를 이용하는 시스템을 설명하고 있다. 본 발명에서는 이러한 레이저를 필요로 하지 않는다. 미합중국 특허 제4,429,040호는 현장에서 피비린 단량체의 감지 및 편향에 사용되는 분석법을 설명하고 있다. 영국 특허 제1,598,129호는 라텍스 응집반응을 이용하여 면역분석법을 자동적으로 수행하는 시스템 또는 기기를 설명하고 있다.
소련 특허 제1186958호에서는 정상 전달 광도계의 구경을 수정하는 수정 시스템이 제안되어 있다. 광학 샘플 세포에 대한 특허는 소련 특허 제883714호에 기술되어 있다. 유사한 것으로서, 정상 전달 분광계의 교정 필터를 조정하는 방법이 소련 특허 제3,436,187호는 샘플로써 폴리스티렌 라텍스 현탁액을 이용하여 탁도를 측정하는 방법을 제안하고 있다. 또한 미합중국 특허 제4,495,293호는 형광기의 발광성을 변경시키는 반응제가 갖는 반응에 의한 배위자(ligand)의 형광 분석법을 제안하고 있다.
본 발명은 동일한 광학 시스템을 가지고 탁도 및 색온도를 측정할 수 있는 신규하고 개량된 이중 광선 분광계에 관한 것이다. 분광계는 내부에 단일 광원이 장착된 하우징을 포함한다. 광원에서 멀리 떨어져서 하우징내에 설치된 광선 출구는 광원에서부터 발산하는 빛을 샘플 광선과 기준 광선으로 만드는 위치에 놓여 있다. 샘플을 담고있는 샘플 카트리지는 하우징에서 기준 광선의 경로에서 떨어져 있는 샘플 광선의 경로상에 장착된다.
분광계는 샘플 광선과 기준 광선을 감지하는 감지부를 포함한다. 감지부는 제1감지기 및 제2감지기로 구성된다. 제1감지기는 샘플 광선을 감지하는 위치에 놓인다. 샘플 광선 감지관은 하우징에서 샘플 카트리지와 제1감지기 사이에 장착된다. 유사하게도 제2감지기는 기준 광선을 감지할 수 있는 위치에 놓이고, 기준 광선 감지관은 하우징에서 샘플 카트리지와 제2감지기 사이에 장착된다. 감지관은 광선의 확산 성분에 대하여 제1 및 제2감지기의 민감도를 줄이고, 이에따라 고도로 응집된 라텍스 샘플간의 해상도를 증가시킨다.
본 발명의 상기 목적과 다른 목적 및 신규한 특징은 첨부한 도면을 참고하여 양호한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다.
청구범위에 나타난 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명을 여러가지로 변경이 가능하며 이러한 변경은 본 발명의 보호범위에 속할 것이다.
제1도에는 이중 광선 분광계(10) (이하 '분광계'로함)가 도시되어 있다. 분광계(10)는 동일한 광학 시스템을 사용하여 정상 전달 탁도와 색온도를 고도로 정확하게 측정한다. 분광계(10)는 헤모글로빈 A1c 분석법을 수행하는 기기에서 사용된 형식일 수도 있다.
분광계(10)는 교정이나 특별한 광역학적 정렬을 함이 없이 고도로 정확한 탁도 및 색온도를 측정한다. 게다가 분광계(10)는 1,0000T 내지 0.0100T(전달율)의 범위내에서 탁도 측정에 대해 기기간 편차계수를 1.5% 이하에서 달성할 수 있다. 이것은 종래 공지된 탐색 분광계보다 정확도가 4배나 높은 수치이다. 분광계의 이러한 높은 정확도는 광원과 샘플 광학기기와 감지 광학기기 사이에서 광선조준 및 광역학적 정렬을 제어하는 설계에 의해 달성되고 있다.
공지된 정상 전달 분광계는 대부분의 투사 플럭스를 분산시키는 샘플간의 빈약한 전달 해상도를 가진다. 이러한 빈약한 전달 해상도는 탁한 샘플내에서 빛이 분산됨에 의해 생겨난 확산 성분을 제거하도록 제작된 감지 렌즈의 결핍으로 인하여 초래된다. 그러나, 본 발명의 분광계(10)는 다량의 탁도를 갖는 샘플을 측정할 때 정확도를 증가시키는 확산성분을 제거하는 감지부(12)를 가짐으로써 전달 해상도를 향상시킨 것이다. 감지부(12)는 빛의 확산성분에 대한 민감도를 감소시키는 반면, 빛의 정상적인 반사성분에 대한 민감도를 증가시키도록 설계되어 있다. 민감도 및 해상도의 증가는 매우 탁한 샘플을 측정함에 있어서 정확도를 개선하는데 기여하고, 이에 의하여 제작과정에서 특별한 교정 또는 특별한 광역학적 정렬에 대한 필요성을 제거한다. 정확한 탁도 측정이 분광계(10)의 정상 전달 광학기기로 수행될 수 있기 때문에, 또한 색온도 측정도 동일한 광학기기로 용이하게 수행될 수 있다.
분광계(10)의 감지부(12)에 부가하여, 직경 70내지 110㎛(마이크로미터)를 가지는 고도로 응집된 폴리스티렌 입자의 탁도를 측정할 때 고도의 정확도를 유지하는데 기여하는 광학적 설계에는 두가지 특징이 있다. 하나의 특징은 광원부(14)이다. 광원부(14)는 램프홀더(18)에 장착된 할로겐 광원의 램프(16)를 포함한다. 할로겐 램프(16)는 서리화된 광휘로 형성된 렌즈를 가진다. 서리는 렌즈가 출력을 응축하도록 허용하는 동안에도 필라멘트의 영상을 파괴한다. 덧붙여, 램프 출력의 정렬은 램프의 기계적 기부에 관하여 ±5° 내에서 유지된다. 이러한 특징을 갖는 램프를 조합한 결과, 샘플과 기준 채널과의 신호 처리량 차이가 종래 램프로는 95%인 것에 비해 40%를 초래하였다. 처리량 차이의 이러한 감소는 기기의 제작 과정중에 램프 정렬의 필요성을 제거하고 있다. 조준 공간 필터(12)는 램프(16)부근에 장착되어서 램프(16)에서 투사하는 빛을 여과한다. 여과 광선(24)은 하우징(20)에 장착된 조준렌즈(26)를 통과한다. 여과광선(24)은 스펙트럼 대역 필터(28)로 향한다. 램프(16)와, 공간 필터(22)와 조준 렌즈(26)는 빛이 대역필터(28)로 들어가기 전에 빛을 조준하는 단순한 광학 콜리메이터(collimator)를 형성한다. 콜리메이션(collimation)의 양은 감지기 면에서 공칭상의 또는 완전히 조준한 광선 직경에 대하여 광선 직경의 증가를 백분율로 계산함으로써 측정될 수 있다. 콜리메이션은 조준 공간 필터(22)의 직경에 정비례한다. 조준 공간 필터(22)의 직경이 증가할 때, 광선 조준은 감지부(12)에서 떨어지지만, 신호 레벨은 증가한다.
분광계(10)에 대해 가장 높은 신호 처리량을 제공하는 공칭 콜리메이션은 콜리메이션 효과를 시스템 성능에 특별히 부여함으로써 결정하였다. 헤모글로빈과 응집 라텍스 샘플의 흡광도 대 콜리메이션은 0.010인치내지 0.050인치(0.025 내지 0.013cm) 범위에 속하는 직경을 갖는 조준 공간 필터로 측정하였다. 순수하게 정정한 헤모글로빈 샘플의 흡광도는 콜리메이션에 민감하지 않는 반면에, 다만 응집 라텍스의 흡광도가 필터 직경이 0.030인치(0.076cm)를 넘을 때 콜리메이션에 민감한 것으로 나타났다. 34%의 콜리메이션 한계는 시스템 정확도를 떨어뜨리지 않고 최고도의 단일 처리량을 제공하도록 설정되었다. 직접 콜리메이션에 영향을 끼친 모든 기계공차는 여러 가지 기계공차 연구에 따라 그 특징이 나타났다. 각 성분에 주어지는 기계공차는 하나의 공차나 공차들의 조합이 광선발산이 34%보다 크지 않도록 배당하였다. 분광계(10)의 하우징(20)내에서 기계공차에 의해 초래된 탁도 측정에 관한 정확도 에러는 콜리메이션의 특정범위를 유지함으로써 제로까지 효과적으로 줄어들었다.
분광계(10)의 세 번째 특징은 샘플부위(30)이다. 샘플부위(30)는 분광계 하우징(20)내에 장착된 카트리지 홀더(32)와, 이 카트리지 홀더(32)내에 위치하며 측정해야 할 샘플을 담고 있는 샘플 카트리지(34)로 구성된다. 본 발명의 중요한 특징은 광원부(14)와, 샘플부위(30)와 감지부(12)의 광역학적 정렬에 있다. 양호한 실시예로서, 531㎚(나노미터)의 단색광(36)은 광원 홀더(40)내에 형성된 광선 출구(38)를 통과한다. 광선 출구는 단색광(36)을 샘플 광선(42)과 기준 광선(44)으로 만든다. 이러한 배치에 따라 샘플 광선(42)은 샘플 카트리지(34)내에 담겨 있는 샘플을 통과하고, 기준 광선(44)은 샘플 카트리지(34) 아래를 통과한다.
샘플 광선(42)은 제1감지기(46)에 의해 감지되고, 기준 광선(44)은 제2감지기(48)에 의해 감지된다. 두 개의 감지기(46,48)는 텍사스 인스트루먼트 사의 부품번호 28934P로 명명된 감광기와 같은 종류의 감광기를 사용할 수 있다. 제1감지기(46)는 샘플 광선(42)에 수직인 위치에서 광원부 홀더(40)내에 장착된다. 유사한 방식으로, 제2감지기(48)는 광원부 홀더(40)내에서 기준 광선(44)에 수직인 위치에 장착된다. 제1감지기(46)에 도달하기 위하여, 샘플 광선(42)은 감지구멍(50)을 통과한다. 또한 기준 광선(44)은 감지구멍(50)을 통과하여 제2감지기(48)에 도달한다. 정확도 에러를 줄이기 위하여, 광선 출구(38)와 감지구멍(50)간의 기계적 정렬은 정밀한 공차를 보유해야만 한다. 이러한 공차는 광선 출구(38)와 감지구멍(50)을 수용하는 단일체로 성형된 광원부 홀더(40)를 단일체로 성형함으로써 달성될 수 있다. 광선 출구(38)와 감지구멍(50)의 정렬은 단일체의 광원부 홀더(40)를 형성하는 성형 과정중에 요구 공차내에서 확고하게 보유된다. 비록 탁도 측정의 정확도 에러가 광원(16)과, 샘플 카트리지(34)와 감지기 간의 기계적 정렬의 잘못으로 인하여 잠재적으로 증가하지만, 이러한 정확도 에러는 광원(16)과 감지부(12)를 수용하는 단일체의 광원부 홀더(40)에 의해 1%이하로 제한된다. 광원부 홀더(40)의 단일체 구조는 광선 출구(38)와 감지구멍(50)을 교정상태로서 유지한다. 이들 광선 출구와 감지구멍은 성형과정중에 요구 기계 공차내에서 확게 유지되고, 따라서 광학 조립체간의 정렬에 영향을 미치는 기계오차를 줄이게 된다.
일반적으로 종래의 정상 전달 분광계는 다량의 확산된 전달을 감지하기 때문에 탁도가 높은 샘플간에 빈약한 전달 해상도를 갖는다. 이중 광선 분광계(10)는 샘플 광선 감지관(52)와 기준 광선 감지관(54)을 사용하여 확산 성분에 대한 감지기의 민감도를 줄임으로써 고도로 응집된 라텍스 샘플간의 해상도를 증가시킨다. 두 감지관(52,54)은 검은 ABS 관일수 있고, 광원부 홀더(40)내에서 샘플 카트리지(34)와 각각의 감지기(46,48)와의 사이에 장착된다. 각각의 감지관(52,54)은 4/40 암나사의 검은 벽을 가지며 길이가 0.600인치(1.52cm)이다. 각 감지관(52,54)의 내경은 0.065인치(0.165cm)이다. 나사(56)는 탁한 샘플을 측정할 때 나타나는 확산 광선(확산성분)의 대부분을 차단한다.
감지관(52,54)의 길이 및 직경의 조합은 샘플 부위에서 제한되는 감지기 도달부위를 만든다. 감지관(52,54)으로 들어가는 확산된 빛이 5°를 초과하면 감지관(52,54)을 통해 각각의 감지기(46,48)로 가지 못하게 된다. 고도로 흥집된 샘플의 상대 흡광도가 증가함으로써 흡광도의 해상도를 높이고, 이 해상도는 분광계의 정확도를 개선하는데 기여하는 인자이다.
이중 광선 분광계(10)는 제작과정에서 특별한 교정이나 싫증나는 광학 정렬을 하지 않고도 탁한 샘플의 정상 전달 측정의 정확도를 높인다. 탁도 측정을 정상 전달 광학기기로 행하기 때문에, 색온도 측정도 동일한 광학기기를 갖는 본 발명의 분광계(10)로써 용이하게 수행된다.

Claims (12)

  1. 탁도 및 색온도 측정용 이중 광선 분광계에 있어서, 하우징과, 이 하우징내에 장착된 광원과, 하우징에서 상기 광원에서 나오는 빛을 샘플 광선과 기준 광선으로 만드는 광원 출구와, 하우징에 장착되어 샘플 광선을 위한 샘플을 담고 있는 샘플 카트리지와, 샘플 광선 및 기준 광선을 감지하는 감지부를 구비하고, 상기 감지부는 제1감지기와, 샘플 카트리지와 상기 제1감지기 사이에 있는 샘플 광선 감지관과, 제2감지기와, 샘플 카트리지의 제2감지기 사이에 있는 기준 광선 감지관을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  2. 제1항에 있어서, 하우징은 성형된 단일체 홀더이고, 광선 출구는 상기 성형된 단일체 홀더에 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  3. 제1항에 있어서, 조준 공간 필터와, 조준 렌즈와, 상기 광원과 광선 출구 사이에서 하우징에 장착된 스펙트럼 대역 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  4. 제1항에 있어서, 샘플 광선 감지관과 기준 광선 감지관은 길이가 0.600인치(1.52cm)이고, 내경이 0.065인치(0.165cm)이고, 4/40나사식의 검은 내벽을 가지는 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  5. 하우징, 상기 하우징에 장착된 광원, 하우징내에서 광원 부근에 장착된 광학 콜리메이터, 하우징에서 적어도 하나의 광선출구, 샘플 광선이 샘플을 통과하도록 하우징내에 장착된 샘플용 홀더, 하우징에서 적어도 하나의 감지구멍, 및 적어도 하나의 감지기를 포함하는 이중 광선 분광계에 있어서, 하우징내에서 감지구멍과 적어도 하나의 감지기 사이에 장착되어 빛을 상기 감지기로 인도하는 제1감지관을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  6. 제5항에 있어서, 제2감지기와, 하우징내에서 상기 제2감지기와 감지구멍 사이에 장착된 제2감지관을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  7. 제5항에 있어서, 제1감지관의 길이는 0.600인치(1.52cm)인 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  8. 제5항에 있어서, 제1감지관의 내경은 0.065인치(0.165cm)인 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  9. 제5항에 있어서, 제1감지관은 4/40 나사식의 검은 내벽을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  10. 제5항에 있어서, 제2감지기와, 하우징에서 제2감지기와 감지구멍 사이에 장착된 제2감지관을 구비하고, 상기 제2감지관의 길이는 0.600인치(1.52cm)인 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  11. 제5항에 있어서, 제2감지기와, 하우징에서 제2감지기와 감지구멍 사이에 장착된 제2감지관을 구비하고, 상기 제2감지관의 내경은 0.065인치(0.165cm)인 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
  12. 제5항에 있어서, 제2감지기와, 하우징에서 제2감지기와 감지구멍 사이에 장착된 제2감지관을 구비하고, 상기 제2감지관을 내부에 4/40 나사식의 검은 벽을 가지는 것을 특징으로 하는 이중 광선 분광계.
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