KR100454263B1 - 음향광학가변필터를 이용한 다채널 근적외선 분광광도계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한 대의 분광광도계로 여러 측정점의 근적외선 분광 정보를 동시에 얻을 수 있는 측정 장비에 대한 것이다. 한 대의 분광광도계로 여러곳의 측정점을 측정하기 위해서 멀티플렉서 (Multiplexer)라는 것이 일부 사용되고 있으나 이는 여러 측정점을 한번에 측정하는 것이 아니라,

순차적으로 한번에 하나의 측정점만을 측정할 수 있으며, 측정 결과도 다소 불안정한 문제점이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서 한번에 여러 측정점을 측정할 수 있는 다채널 광파이버 프로브(Optical fiber probe)를 고안하였고 이를 근적외선 대역의 음향광학가변필터(Acousto-optic tunable filter)로 분광시킴으로서 다채널 근적외선 분광광도계를 구현하였다.

Description

음향광학가변필터를 이용한 다채널 근적외선 분광광도계{Multichannel Near Infrared Ray(NIR) SpectroPhotometer(SP) using Acousto-Optic Tunable Filter(AOTF)}

본 발명은 근적외선 대역의 음향광학가변필터(AOTF: Acousto-Optic Tunable Filter)와 고안된 다채널 광파이버 프로브 (Optical fiber probe)를 이용하여 한대의 장비로 여러 측정점을 동시에 측정할 수 있는 근적외선 분광광도계에 대한 것이다.

분광 광도계란 액체 또는 고체 상태의 시료에 빛을 조사하여 투과(transmittance), 흡수(absorbance) 또는 반사(reflectance)되는 빛을 측정하여 그 스펙트럼을 얻음으로써 정성, 정량 분석을 할 수 있는 측정 장비이다.

초기의 응용분야는 주로 실험실 차원에서 미지 시료의 판별에 많이 사용되었으나, 하드웨어와 소프트웨어의 지속적인 발달에 힘입어 최근에는 농업(과일의 당도 측정, 벼의 수분 측정), 식품(고기의 지방 및 수분 측정), 의료(황달 측정), 제약(알약등에 함유된 성분 측정), 환경(물의 오염 측정), 화학(화합물의 성분 분석) 그밖에도 인삼의 원산지 판별이나, 가짜 휘발유의 판별 등 여러 분야로 응용범위가 확대되고 있다.

이러한 시도는 특히 근적외선(near infrared) 빛의 파장 780 nm 에서 2500 nm 영역에서 매우 활발하게 이루어지고 있으며, 세계적으로 미국이나 유럽의 일부 국가에서 대부분의 제품이 생산 되고 있다. 국내의 경우에는 자외선-가시광선(UV-VIS)영역의 제품은 이미 몇몇 회사에서 상품화되어 판매되고 있으나, 응용범위가 넓은 근적외선 영역의 제품은 거의 한 개 정도의 회사에서만 생산되고 있는 실정이다.

일반적인 분광 광도계 시스템의 구성은 크게 다음과 같이 세 부분으로 되어 있다. 첫째로 빛을 생성하는 광원(light source)이 있고, 둘째로 시료를 통과 또는 반사한 빛을 분광 시켜주는 단색 분광기(monochromator)가 있고, 마지막으로 분광된 빛을 측정하는 센서로 되어 있다.

사용되는 빛의 파장 영역에 따라서 자외선-가시광선(UV-VIS), 근적외선(near infrared), 원적외선(far infrared)으로 나뉘었다면, 단색 분광기의 원리에 따라서 필터(filter) 방식, 회절 격자(grating) 방식, 퓨리에 변환(fourier transform, FT) 방식, 음향광학가변필터(AOTF) 방식으로 나뉘어 진다. 필터방식은 1세대에 해당되며 특정한 용도 외에는 현재에는 거의 쓰이지 않는다.

회절 격자 방식은 2세대에 해당되는데 현재에도 많이 사용되고 있다. 3세대에 해당되는 FT-NIR 과 AOTF 방식 중에 AOTF NIR 방식을 이용한 장비는 몇몇 회사에서 만들고 있기는 하지만, FT-NIR 방식이 2세대인 회절격자 방식과 함께 현재 대부분의 시장을 차지하고 있다.

그러나 이러한 회절격자 방식이나, FT-NIR 방식은 일반적으로 내부에 기계적인 구동부를 가지고 있기 때문에 외부의 충격에 매우 민감하고, 정기적인 유지 보수가 필요하다. 회절격자 방식 중에는 어레이(array) 센서를 사용하여 기계적인 구동부 없이 구현한 제품이 있는데, 센서의 길이가 충분히 길지 못하기 때문에 분해능에 한계가 있다.

여러 측정점을 측정할 필요가 있을 때 기존에는 여러 대의 분광광도계를 사용하거나 한대의 분광광도계에 분배기(multiplexer)를 달아서 사용한다. 그러나 여러대의 분광광도계를 사용하는 것은 비용측면에서 매우 불리하고, 분배기를 사용하는 경우에도 한번에 여러 측정점을 측정하는 것이 아니라, 한번에 하나의 측정점을 측정하고 끝난 다음에 다음 측정점을 측정하는 순차적인 측정방식이다. 또한 분배기가 기계적인 방식으로 구동되기 때문에 측정 결과가 불안정하다는 단점이 있고, 시간적인 면에서도 큰 이점이 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 한대의 분광광도계로 여러 측정점의 근적외선 대역 분광 정보를 동시에 안정적으로 얻을 수 있도록 하는 것이 목적이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 근적외선 광원;

상기 광원에서 각 측정점으로 빛을 공급하고 반사된 빛을 다시 모아주는 다채널 광파이버 프로브;

상기 다채널 광파이버 프로브에 의해서 전달된 빛을 동시에 분광시켜 주는 음향광학가변필터;

상기 음향광학가변필터를 전기적인 방법으로 고속 제어해 주는 주파수 제어기;

상기 음향광학가변필터로부터 분광된 빛을 동시에 측정할 수 있는 근적외선센서 및 증폭기;로 구성되는 것을 특징으로 하는 분광광도계에 의해서 달성된다.

여기서, 상기 다채널 광파이버 프로브의 채널 수는 음향광학가변필터의 최대 입사각과 기하학적인 제한 조건내에서 확장하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 다채널 근적외선 분광광도계 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 다채널 광파이버 프로브의 전체 개념도.

도 3은 도 2의 광파이버 프로브의 구조와 측정 방법을 나타내는 구성도

도 4는 음향광학가변필터의 작동 원리를 나타내는 개념도.

도 5는 3채널 파이버 프로브를 사용하여 세 측정점의 신호를 동시에 측정할 수 있음을 보여주는 측정도.

＜ 도면의 주요 부분에 관한 기호의 설명 ＞

10: 광원 20: 다채널 파이버 프로브

22: 파이버 프로브 측정단 30: 반사면

40: 광학 렌즈 50: 음향광학가변필터

60: 회절광 70: 센서

80: 차단막 90: 분광광도계 시스템

100: 프로브 시스템

다음으로는 본 발명에 따른 근적외선 대역의 다채널 분광광도계의 구성과 작동 원리에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.

도 1은 음향광학가변필터를 이용한 다채널 근적외선 분광광도계의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구성은 근적외선 대역의 빛을 발생시키는 광원(10)과 광원에서 나온 빛을 여러 측정점으로 분배하고 측정물의 투과, 흡광정보를 분광광도계 시스템(90)으로 전달시켜주는 다채널 광파이버 프로브(20)와 광파이버 프로브에 의해서 분광광도계 시스템(90)으로 전달된 여러 측정점의 빛을 동시에 분광시키는 음향광학가변필터(50)와 분광된 빛을 측정하는 센서(70)로 구성되어 있다.

여기서, 상기 광원은 근적외선 대역 전 파장 범위에 걸쳐 연속 스펙트럼을 나타내는 텅스텐-할로겐 램프가 사용되었고, 다채널 광파이버 프로브에 높은 효율로 빛을 전달하기 위하여 SMA 커넥터(21)로 연결하였다.

아울러, 상기 분광광도계 시스템을 구성하는 음향광학가변필터(50)와 센서(70)는 각각 주파수 제어기와 센서 증폭 회로에 의해서 구동되며, 제어신호 및 센서의 측정 결과는 컴퓨터상에서 개발된 소프트웨어에 의해 이루어진다.

여기서, 상기 다채널 광파이버 프로브(20)는 근적외선 대역의 빛을 효율적으로 전달할 수 있도록 -OH기가 제거된 석영재질의 직경 400 μm 광파이버 다발로 구성되어 있다.

도 2는 다채널 파이버 프로브의 전체 개념도를 보여주며, 도 3은 프로브의 내부 파이버 다발 구조와 반사면을 사용한 측정 방법을 나타낸다.

도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같이, 본 발명은 하나의 광원(10)과 하나의 분광광도계 시스템(90)으로 여러 측정점(22)의 분광 정보를 얻을 수 있도록 하는데, 우선 도 2에서와 같이 광원(10)에서 나온 빛이 SMA 커넥터(21)를 통해서 다채널 광파이버 프로브에 전달된다.

여기서, 상기 다채널 광파이버 프로브 내부의 파이버 다발(24)은 채널의 수만큼 분배되어 프로브 시스템(100)을 구성한다.

그리고, 상기 프로브 시스템(100)에서 각 채널의 프로브 내부에는 한개씩의 수광 파이버(25)가 측정 대상의 분광 정보를 SMA 커넥터(23)를 통해 분광광도계 시스템(90)으로 한꺼번에 전송한다.

이 때, 상기 각 채널에서 전송된 빛은 도 4의 음향광학가변필터(50)에 의해서 동시에 분광된 뒤 센서(70)에 의해서 수광되는 것이다.

다음으로 도 4에서와 같이, 음향광학가변필터(50)는 단결정 크리스탈(51)내부에 음파(52)를 발생시키는 피에조 전극(53)이 부착되어 있어서, 주파수 제어기에 의해서 특정 주파수의 조화파가 인가되면, 크리스탈(51)내부에 음파(52)가 발생된다.

여기에, 상기 음향광학가변필터로 입사되는 빛은 크리스탈(51)내부의 음파(52)와 만나서 음향 광학 효과에 의해 +방향으로 회절되는 빛(60)과 -방향으로 회절되는 빛(62) 그리고 그대로 투과하는 빛(61)으로 나뉘어 진다.

한편, 상기의 -방향으로 회절된 빛(62)과 투과하는 빛(61)은 차단막(80)으로 차폐시키고, +방향으로 회절된 빛(60)만을 측정하여 분광 정보를 얻는다.

도 5는 3채널 광파이버 프로브를 사용하여 세 곳의 분광정보를 한번에 얻을 수 있음을 보여주는 측정도이고, 표 1은 측정결과와 계산 결과를 비교한 것이다.

이 때, 상기 측정 결과에서 사용된 센서(70)는 1차원 어레이 센서이고 한 픽셀(pixel)의 가로, 세로 길이는 50 μm, 250 μm 이다.

[표 1]

본 측정 결과로부터 3채널에 대해서 음향광학가변필터를 이용한 근적외선 분광 정보를 얻을 수 있음을 확인하였다.

이상에서와 같이 본 발명에 따라 근적외선 대역의 다채널 광파이버 프로브와 음향광학가변필터를 이용한 분광광도계를 구성한다면, 한대의 분광광도계를 가지고 여러 측정점의 분광정보를 순차적인 방식이 아니고 동시에 얻을 수 있기 때문에 시간과 비용측면에서 상당한 이득을 얻을 수 있을 것이라고 생각된다.

Claims (2)

1. 근적외선 대역의 빛을 발생시키는 근적외선 광원과;

   상기 광원에서 나온 빛을 파이버 다발을 이용하여 각 측정점으로 분배하고, 상기 파이버 다발에 배치된 각 수광 파이버를 이용하여 각 측정점으로부터 반사된 빛을 다시 모아 전달하는 다채널 광파이버 프로브와;

   단결정 크리스탈과, 상기 단결정 크리스탈 내부에 부착되어 음파를 발생시키는 피에조 전극으로 이루어지고, 상기 다채널 광파이버 프로브에 의해서 전달된 빛을 크리스탈 내부의 음파에 회절시키면서 통과시켜 각 측정점의 분광정보를 동시에 출력하는 음향광학가변필터와;

   상기 음향광학 가변필터의 피에조 전극과 연결되어, 상기 피에조 전극에 특정 주파수의 조화파를 인가하여 크리스탈 내부에 특정 음파를 발생시키는 주파수 제어기와;

   상기 음향광학 가변필터로부터 분광된 각 측정점의 빛을 동시에 수광하는 근적외선 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향광학 가변필터를 이용한 다채널 근적외선 분광광도계.
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