KR100979991B1 - 멀티 가스 센서용 광 공동 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비분산 적외선(NDIR, Non-Dispersive Infrared) 방식의 가스 센서의 핵심 부분인 광 공동(optical cavity)에 관한 것으로서, 본 발명에서의 광 공동은 장 광경로와 단 광경로를 함께 구비하여 광 흡수율이 낮은 가스와 광 흡수율이 높은 가스를 동시에 측정할 수 있도록 한 것이다.

본 발명에서의 광 공동은 광축과 초점을 공유하나 초점거리가 다른 서로 마주보는 두 포물경인 제1포물경과 제2포물경, 두 포물경의 광축에 위치하는 제1평면경, 제1평면경과 마주보는 위치에 구비된 제2평면경으로 구성된다. 또한 부가적으로 방출광을 평행광으로 변환하기 위해 포물경이나 타원경으로 구성된 집광부를 포함한다.

광 공동, 광 경로, 비분산 적외선, 멀티 가스 센서

Description

멀티 가스 센서용 광 공동 {Optical cavity for a multi gas sensor}

본 발명은 비분산 적외선 방식의 멀티 가스 센서를 위한 광 공동에 관한 것으로서, 하나의 광 공동에 광 흡수율이 낮은 가스를 검출하기 위한 장 광 경로와 광 흡수율이 높은 가스를 검출하기 위한 단 광경로를 함께 구성함으로써 2종의 가스를 동시에 검출할 수 있는 소형 멀티 가스 센서의 제작을 가능하도록 한 것이다.

비분산 적외선 방식의 가스 센서 기술은, 2 이상의 서로 다른 원자로 구성된 가스(예 : CO, CO2, CH4 등)가 각 분자에 고유한 특정 파장대의 적외선을 흡수하는 특성을 가짐을 이용한 것으로서, 가스의 적외선 흡수율을 측정하여 이를 가스 농도로 환산함으로써 가스 농도를 측정하는 방식이다.

가스의 적외선 흡수율은 가스 농도에 비례할 것이므로 결국 가스의 적외선 흡수율을 정확히 측정하는 것이 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 주요 관건이다. 그러므로 비분산 적외선 방식의 가스 센서는 광원과 광 검출기를 기본적으로 포함하고 있으며 적외선 흡수율을 높이기 위해 광 도파관인 광 공동을 포함하는 구조를 가진다.

가스 분자가 적외선을 흡수하는 메커니즘은 다음과 같다. 일반적으로 가스분 자는 여러 에너지 준위를 구성하고 있으며 이러한 에너지 준위에 공명하는 에너지를 가진 광자(photon)를 흡수함으로써 가스 분자는 바닥상태(ground state)에서 들뜬 상태(excited state)로 전이한다. 이러한 광자의 흡수율은 가스 분자에 따라 다른데, 예를 들어 이산화탄소(Carbon Dioxide)는 온실 가스로 지목될 만큼 흡수율이 높으며 일산화탄소는 (Carbon Monoxide)는 흡수율이 낮다.

광자의 흡수율은 분자당 흡수율로 정의되는데 일반적으로 흡수율이 높은 가스를 검지하기 위한 가스 센서는 기술적으로 난이도가 낮으며 흡수율이 낮은 가스를 검지하기 위한 가스 센서는 기술적으로 난이도가 높다고 할 수 있다.

그러나 흡수율이 낮은 가스라도 광자와 가스 분자의 접촉할 수 있는 횟수를 증가시키면 흡수율은 증가한다. 예를 들어 분자당 흡수율이 0.5인 경우 2개의 광자와 접촉하면 흡수율은 0.75로 상승한다. 이와 유사하게 1개의 광자라 하더라도 접촉 횟수를 2회로 한다면 흡수율이 동일하게 0.75로 상승한다. 전자의 경우는 기술적으로 매우 단순하지만 고출력 광원을 필요로 하는 등 비용 상승이 수반되며, 후자의 경우는 비용은 낮으나 이를 구현하기 위한 기술적 난이도가 높아진다. 일반적으로 가스 센서 제조사들은 제조 비용 면에서 경쟁력있는 제품을 만들기 위해 후자의 방법을 택하고 있다.

동일한 광량(또는, 광자의 수)에 대해 가스 분자의 접촉 횟수를 증가시키는 방법 중의 하나가 광 공동 내에서의 광 경로 길이를 길게 하는 방법인데, 이는 비분산 적외선 방식의 가스 센서 해석 이론인 비어-램버트(Beer-Lambert) 이론으로부터 확인할 수 있다.

비어-램버트 이론은 가스 분자가 없는 상태에서 광검출기에 검지되는 광량을 Io, 가스의 농도를 X, 광원부터 광 검출기까지의 거리인 광 경로의 길이를 L, 가스 분자의 고유 흡수율을 b라 할 때 가스 농도와 광 검출기에 도달하는 광량인 I 간의 관계식인 식(1)을 제공한다.

I = Ioexp(-bLX) -----(1)

비어-램버트 이론으로부터 동일한 농도에 대해 광 경로 길이인 L이 클 수록 I 값이 작아지며, 동일한 농도 변화에 대해 광 경로 길인 L이 클 수록 I 값의 변화폭이 커져서 보다 정밀한 센서의 제작이 가능하게 됨을 알 수 있다.

한편, 효과적인 광 공동은 광 경로를 길게하는 것 외에 광 효율성을 높이는 구조를 가져야 한다. 일반적으로 광원에서 방출된 광은 사방으로 방사되기 때문에 상당량의 광이 가스 농도를 검출하는데 기여하지 못하고 낭비된다. 그러나 광 공동의 집광 특성을 높인다면 낭비되는 광량을 줄일 수 있어 광 효율성이 높아진다.

(1)식에서 알 수 있듯이 Io 값이 클 수록 광 효율이 높은 것이며, 동일한 농도의 변화에 대해 I 값의 변화폭이 크므로 역시 보다 정밀한 센서의 제작이 가능하다. 결론적으로 광 공동의 제작 시 광경로 길이를 길게 함과 동시에 광 효율성을 높이는 것이 중요한 관건이며 비분산 적외선 가스 센서의 경쟁력을 결정한다 할 수 있다.

이와 같은 제한 하에서 개발된 종래의 비분산 적외선 가스 센서는 1 종의 가스 농도만을 검지하기 위한 것이 대부분이었으며, 2 종 이상의 가스 농도를 검지하기 위한 소위 멀티 가스 센서의 경우에도 서로 다른 가스에 대해 동일한 광 경로를 구비한 광 공동 내에 복수의 광 검출기를 배치함으로써 복수의 가스 농도를 측정하는 것이었다.

이와 같은 종래의 비분산 적외선 방식의 멀티 가스 센서의 경우, 비록 복수의 가스 농도를 측정한다 하더라도 이는 가스 분자의 광 흡수율의 차이가 전혀 고려되지 않았기 때문에 센서의 성능이 제한될 수 밖에 없었다. 예를 들어 이산화탄소는 적외선 흡수율이 매우 높고 주요 측정농도 범위가 2,000ppm 정도이나, 일산화탄소의 경우 적외선 흡수율이 이산화탄소 대비 약 1/3.5배 정도에 불과하고 주요 측정 범위가 500ppm 정도이다.

이는 정밀도 1%의 센서를 제작한다면 동일한 광 효율성에 대해 일산화탄소 센서용 광 공동의 광 경로 길이가 이산화탄소 센서용 광 공동의 광 경로 길이의 약 14배가 되어야 함을 의미한다. 이는 광 흡수율이 높은 이산화탄소와 광 흡수율이 낮은 일산화탄소를 동시에 효과적으로 검지하기 위해서는 장 광경로 길이와 단 광경로 길이를 동시에 갖는 광 공동이 필요함을 의미한다.

이와 같은 필요성에 의해 장 광경로 길이를 갖는 광 공동과 단 광경로 길이를 갖는 광공동을 병렬로 적용(즉, 두 개의 광 공동을 단순 결합하는 방식)할 수 있겠으나, 이러한 경우 광원이 2개가 필요하며 각각의 광원을 구동하는 별도의 회로 설계와 부품이 소요될 것이며 전체 광 공동 및 가스 센서의 크기도 커지므로 제품의 단가 상승 및 부피가 커지게 되어 각각의 센서를 구입하는 것에 비해 실익이 없다.

광 흡수율과 측정 농도 영역이 서로 다른 2 종의 가스를 동시에 검지할 수 있는 비분산 적외산 방식의 멀티 가스 센서를 제작하기 위해서는 장 광경로와 단 광경로를 동시에 구비한 단일형 광 공동을 제작하는 것이 필요하지만, 종래에서는 이와 같은 형태의 광 공동이 제시된 바 없었으며, 특히 광경로 길이를 길게 함과 동시에 광 효율성을 높인 장 광경로와 단 광경로를 동시에 구비한 광 공동을 제시하여 소형이면서도 부품 단가를 높이지 않는 멀티 가스 센서를 제작할 수 있는 방안을 제안한 경우가 없었다.

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 광 흡수율과 측정 농도 영역이 다른 2 종의 가스를 동시에 검지할 수 있도록 장 광 경로와 단 광 경로를 동시에 포함하고 있는 광 공동 및 이를 이용한 멀티 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 광 경로의 길이를 길게 함과 동시에 광 효율성을 높인 장 광경로와 단 광경로를 동시에 구비한 광 공동을 제공하고, 이를 통해 소형이면서도 부품 단가를 높이지 않는 멀티 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 1 개의 광원, 1 개의 광 공동 및 2 개의 광 검출기를 포함하도록 구성되어 2 종의 가스를 동시에 검지할 수 있는 비분산 적외선 방식의 멀티 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 이산화탄소와 일산화탄소를 하나의 광 공동을 이용하여 동시에 검출할 수 있는 멀티 가스 센서 및 이를 위한 광 공동을 제공하는 것을 목적 으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 소정의 기하학적 구조를 가진 거울(즉, 반사경)들을 적절하게 배치하여 광 공동을 구성하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 가스 센서는 동일한 성능에 대해 크기가 작은 경우에 제품의 경쟁력이 크며, 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 크기는 광 공동의 크기에 의해 주로 결정된다. 따라서, 광 공동은 가능한 작은 크기로 제작하되 동일한 광학적 성능을 갖도록 하는 것이 본 발명의 광 공동 설계의 주요한 목표 중의 하나이며, 이러한 목표를 달성하기 위해 전술한 바와 같이 소정의 기하학적 구조의 거울을 적절하게 배치한다. 상기 소정의 기하학적 구조를 갖는 거울로는 타원경, 포물경, 원경, 평면경 등을 이용할 수 있으며, 이러한 도형은 수학적으로 잘 알려져 있어 광 공동에 적용될 경우 광 경로를 용이하게 예측할 수 있으며 또한 제어가 가능한 이점이 있다.

본 발명에 따른 멀티 가스 센서용 광 공동은 두 개의 포물경과 하나의 평면경을 이용하여 장 광경로를 형성하고, 상기 포물경 중 하나의 포물경과 다른 하나의 평면경을 이용하여 단 광경로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 멀티 가스 센서용 광 공동은 광축과 초점을 공유하나 초점 거리가 서로 다르며 서로 마주 보도록 배치되는 제1포물경과 제2포물경; 상기 제1포물경과 상기 제2포물경의 광축 상에 위치하는 제1평면경; 및 상기 제1평면경과 평행하도록 이격되어 위치하는 제2평면경을 포함하여 구성되며, 상기 제1포물경 과 제2포물경 및 상기 제1평면경은 장 광경로를 형성하고, 상기 제2평면경과 상기 제1포물경은 단 광경로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 멀티 가스 센서용 광 공동에서 상기 제1포물경의 초점 거리는 상기 제2포물경의 초점 거리보다 크며, 광원으로부터 방출된 광을 평행광의 형태로 상기 제1포물경으로 반사하는 집광부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 광 공동에서 상기 광원으로부터 방출된 광의 일부는 상기 제1포물경, 상기 제1평면경, 상기 제2포물경에 순차적 및 반복적으로 반사되어 상기 장 광경로를 형성하며, 상기 광원으로부터 방출된 광의 나머지 일부는 상기 제2평면경 및 상기 제1포물경에 각각 1회 반사되어 상기 단 광경로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 광 공동에서 상기 장 광경로와 상기 단 광경로는 상호 독립적인 것을 특징으로 한다.

상기 광 공동에서 제1포물경의 초점 거리를 p, 상기 제2포물경의 초점 거리를 q라 할때, 상기 장 광경로를 따라 상기 광 공동을 N회 순환한 광의 경로의 길이 L은 L=2N(p+q)로 근사되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 멀티 가스 센서는 상기 어느 하나의 광 공동을 포함하고, 추가로 상기 제2평면경으로 광을 반사없이 직접 방출할 수 있는 위치에 배치되는 광원; 상기 제1평면경에 가까운 상기 제1포물경의 단부에 배치되는 제1광검출기; 상기 제1포물경에 가까운 상기 제1평면경의 단부에 배치되는 제2광검출기; 및 상기 광원에 전원을 인가하고 상기 제1광검출기 및 상기 제2광검출기로부터의 검출 신호를 처리하기 위한 전기회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 광 흡수율과 측정 농도 영역이 다른 2 종의 가스를 동시에 검지할 수 있도록 장 광 경로와 단 광 경로를 동시에 포함하고 있는 광 공동 및 이를 이용한 멀티 가스 센서가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 광 경로의 길이를 길게 함과 동시에 광 효율성을 높인 장 광경로와 단 광경로를 동시에 구비한 광 공동을 제공하고, 이를 통해 소형이면서도 부품 단가를 높이지 않는 멀티 가스 센서가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 1 개의 광원, 1 개의 광 공동 및 2 개의 광 검출기를 포함하도록 구성되어 2 종의 가스를 동시에 검지할 수 있는 비분산 적외선 방식의 멀티 가스 센서가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 이산화탄소와 일산화탄소를 하나의 광 공동을 이용하여 동시에 검출할 수 있는 멀티 가스 센서 및 이를 위한 광 공동이 제공된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상술함으로써 본 발명에 대한 이해를 돕기로 한다.

광 흡수율이 낮은 가스를 비분산 적외선 방식으로 검지하기 위해서는 광 경로 길이가 길어야 하며 광 흡수율이 높은 가스에 대해서는 광 경로 길이가 짧아도 되므로, 결국 본 발명은 하나의 광 공동에서 광 흡수율이 낮은 가스와 높은 가스를 동시에 검지할 수 있도록 장 광경로와 단 광경로를 함께 구비하는 것을 특징으로 한다.

이를 위해, 본 발명에 따른 멀티 가스 센서용 광 공동은 두 개의 포물경과 하나의 평면경을 이용하여 장 광경로를 형성하고, 상기 포물경 중 하나의 포물경과 다른 하나의 평면경을 이용하여 단 광경로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 공동의 구조도이다.

도 1의 광 공동은 광축과 초점을 공유하나 초점거리가 다른 서로 마주보는 두 포물경인 제1포물경(M1)과 제2포물경(M2), 두 포물경의 광축에 위치하는 제1평면경(M3), 제1평면경과 마주보는 위치에 구비된 제2평면경(M4)으로 구성된다.

또한 상기 광 공동은 광원(S)으로부터의 방출광을 평행광으로 변환하기 위해 포물경이나 타원경으로 구성된 집광부(M5)를 포함한다. 상기 광 공동에 광원(S), 제1광검출기(D1) 및 제2광검출기(D2)가 구비되면 멀티 가스 센서(전기/전자 회로 부분 제외)를 구성할 수 있다.

도 1의 광 공동 구조에서, 제1포물경(M1)과 제2포물경(M2)은 초점(F)을 공유하나 초점거리는 서로 다르다. 제1포물경(M1)의 초점거리는 제2포물경(M2)의 초점 거리보다 크게 설정되었다. 또한 제1포물경(M1)과 제2포물경(M2)은 광축을 공유하며 광축 상에는 제1평면경(M3)이 배치된다. 제2평면경(M4)은 제1평면경(M3)과 마주보는 위치에 배치되며, 바람직하게는 제1평면경(M3)과 평행하도록 배치된다. 광원(S)은 집광부(M5)를 구성하는 포물경이나 타원경의 초점 위치에 배치되며, 집광부(M5)는 광원(S)에서 방출된 광을 광축과 평행하게 진행하도록 반사한다.

이와 같은 구조의 광 공동에서의 광 경로를 살펴보면, 광원(S)에서 방출된 광 중에 집광부(M5)에 도달한 광은 집광부(M5)에서 반사되어 제1포물경(M1) 및 제2포물경(M2)의 광축과 평행하게 진행하여 제1포물경(M1)에 도달하며, 제1포물경(M1)에서 반사되어 제1평면경(M3) 상에 위치하는 제1포물경(M1)과 제2포물경(M2)의 공통 초점(F)에 도달한다. 공통 초점(F)에서 반사된 광은 제2포물경(M2)에서 반사되어 다시 광축과 평행한 광으로 진행하여 제1포물경(M1)에 도달한다. 즉, 도 1에서 S→A0→A1→F→A2→A3→A4→A5→A6→A7→A8의 경로로 진행하며 결국 제1광검출기(D1)에 도달하는 장 광경로(P1)를 형성한다. 두 포물경(M1, M2)의 초점거리가 같다면 A1=A3의 관계가 성립하여 무한 순환을 하게되므로, 제1포물경(M1)의 초점거리가 제1포물경(M2)의 초점거리보다 크도록 설정함으로써 광 경로는 광축으로 수렴하게 된다.

광원(S)은 백열등, 적외선 램프와 같이 광의 퍼짐이 발생하는 광원이며, 따라서 광원(S)에서 방출된 광 중 일부는 직진하여 집광부(M5)에 도달하지만, 일부의 광은 방출 후 퍼져서 제2평면경(M4)에 도달하게 된다. 광원(S)에서 방출된 광 중에 제2평면경(M4)에 도달한 광은 제1포물경(M1)을 거쳐 제2광검출기(D2)에 도달하는 S→B0→B1→D2의 단 광경로(P2)를 형성한다.

이러한 두 광경로(P1, P2)는 서로 독립적인데 이의 의미는 예를 들어 제2포물경(M4)의 반사율이 0이라 하더라도 제1포물경(D1)에 도달하는 광량의 변화는 없음을 의미한다.

한편, 상기 실시예에서는 집광부(M5)가 구비되었지만, 광원(S)의 각도에 따 라 집광부(M5) 없이도 광 공동이 구성될 수 있음은 자명하다.

도 2와 도 3은 각각 장 광경로(P1)와 단 광경로(P2)에 대한 광학 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.

이하에서는 도 1에 도시된 광 공동에 적용된 광학적 원리 및 설계 방법을 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 이용된 포물경의 광학적 특성을 도시한 개념도이다.

포물경에는 초점을 지나는 광축이 존재하는데, 포물경의 광축과 평행하게 입사한 광은 포물경에서 반사되어 포물경의 초점을 지나고 반대로 포물경의 초점으로 입사한 광은 포물경에 반사되어 포물경의 광축과 평행하게 진행한다. 여기서 광축이라 함은 광학적으로 대칭인 가상의 선을 의미하여, 포물경의 경우 포물경을 수학적으로 표시하였을 경우 꼭지점의 접선과 수직인 선을 의미한다.

도 5는 본 발명에 따른 광 공동의 장 광경로 구성도이다.

본 발명에 따른 광 공동의 기본 구조는 도 5에서와 같이 광축과 초점(F)을 공유하나 초점거리가 다르며 서로 마주보는 두 포물경(M1, M2)과 반사면이 두 포물경의 광축과 일치하는 하나의 평면경(M3)로 구성된다. 제1포물경(M1)의 초점거리를 p, 제2포물경(M2)의 초점거리를 q라 하고(단, p > q), 편의상 좌표의 구성에서 광축을 x축, 초점을 원점으로 정한다.

포물경 M1과 M2는 각각 다음과 같은 함수로 표시할 수 있다.

M1의 함수 :

-----(1)

M2의 함수 :

-----(2)

광축과 평행한 임의의 광경로 P10가 M1으로 진행하는 경우 A0에서 반사 후 P11으로 진행한다. 포물경 M1의 특성에 따라 P11은 초점인 원점에 도달하며 평면경에서 반사되어 P12로 진행하며 마찬가지로 포물경 M2의 특성에 따라 M2에서 반사되어 광축과 평행한 P13로 진행한다. 결국 P10는 하나의 순환을 거쳐 A1에 도달한다. 이때 A0의 y 좌표인 b0와 A1의 y 좌표인 b1 간에는 다음과 같은 관계식을 갖는다.

-----(3)

만일 광 검출기에 도달할 때까지 N회 순환하였다면 N회 순환한 이후의 M1에서의 y 좌표는 (4)식과 같다.

-----(4)

그러므로 광 검출기에 도달할 때까지의 순환 횟수 N에 대해 bN > y0 의 조건으로부터 (5)식이 도출된다.

-----(5)

(5)식에 의해 광은 N+1번째의 순환에서 광 검출기에 도달한다.

A0→F→B1→A1를 1회 순환이라 하면 1회 순환의 길이 L1은 (6)식과 같이 정의된다.

-----(6)

(6)식에서

,

,

은 M1, M2의 함수와 (3)식으로부터 각각 (7)식, (8)식, (9)식으로 도출된다. 여기서 d1 = b1의 관계식을 이용한다.

-----(7)

-----(8)

-----(9)

(7)식, (8)식, (9)식으로부터 1회 순환 길이 L1은 (10)식으로 도출된다.

-----(10)

(10)식을 일반화시켜 k회 순환에서의 순환 길이 Lk는 (11)식으로 도출된다.

-----(11)

만일 광이 N회 순환하여 광검출기에 도달한다면 총 광 경로 길이 L은 (12)식과 같이 정의된다.

-----(12)

(12)식은 (11)식으로부터 (13)식으로 도출된다.

-----(13)

N회 순환하였다면 (3)식으로부터

이며, (1)식에서

이고,

이므로 aN는 (14)식으로 도출된다.

-----(14)

그러므로 N회 순환한 광 경로 길이는 (13)식과 (14)식으로부터 (15)식으로 도출된다. aN-a0 는 (14)식으로부터

이므로 (13)식은 (15)식과 같이 된다.

-----(15)

만일 순환 횟수가 충분히 크다면 (15)식에서 N회 순환 광 경로 길이 L은 최종적으로 (16)식으로 근사할 수 있다.

-----(16)

예를 들어, (15)식에서 p=20, q=14, b=30, 광원의 위치인 y0=bN=5이면, (5) 식으로부터 N > 5 이므로, N=6이 된다. 그러므로 (15)식에서 a0=8.75,

는 약 -0.06이 되어 2N(p+q)=408 에 비해 무시할 만큼 크기가 작다. 따라서, (16)식의 근사는 타당함을 알 수 있다.

(16)식을 통해, p, q 값의 선택에 의해 광 경로의 길이를 간단하게 결정할 수 있는 광 공동을 설계할 수 있음을 알 수 있으며 광 공동에 대해 완벽하게 수학적으로 분석할 수 있어 가스 종류(또는 가스의 광원(적외선) 흡수율)와 측정 범위에 따라 광 경로 길이를 도출하고 광 공동의 각 파라미터(p, q, a0, b0 등)를 가장 효율적인 값을 정할 수 있게 된다.

광 공동 설계시 다수의 광학 시뮬레이션을 통해 시행착오를 거쳐 최종적인 광 공동 구조를 도출하는 종래의 방법이 많은 시간과 비용을 소요할 뿐 아니라 도출된 결과도 최선이라고 장담할 수 없는 점에 수학적 분석의 실익이 있다. 본 발명에 적용된 수학적 분석은 특히 장 광경로의 광 공동을 설계하는데 시행착오를 줄임과 동시에 최선을 광 공동을 설계할 수 있도록 한다.

도 6은 본 발명에 따른 광 공동의 단 광경로 구성도이다.

광 흡수율이 높은 가스를 검지하기 위한 단 광경로는 오목한 곡면 경에 접선방향으로 광을 입사시키면 광 경로는 곡면을 따라 진행한다는 특징을 이용한다. 기본 설명을 위해 포물경을 이용하여 설명하기로 한다.

도 6은 입사광과 반사면의 접선에 대한 광 경로를 보여준다. 도 6에서 알 수 있듯이 입사광이 반사면에 대해 접선과 가까울수록 광은 곡면에 가깝게 진행한다. 본 발명은 이러한 원리를 이용하여 장 광 경로에 대해 독립인 단 광 경로를 형성하고자 한다.

이러한 단 광 경로에 대한 수학적 분석은 장 광경로와 달리 상당히 어려우며 또한 실익이 없다. 이에 광 시뮬레이션으로 적절한 광 경로를 찾는 방법을 제시한다. 도 3은 이러한 광 시뮬레이션의 결과이다. 광 시뮬레이션에서 중요하게 고려해야할 사항은 광원의 위치에 따른 광의 집광이다. 그러나 광원은 이미 장 광경로를 형성하는데 있어 이미 고정되어 있기 때문에 본 발명에서는 제2평면경(M4)의 위치를 조정함으로써 최적의 광 경로를 찾는 것이 바람직하다.

본 발명을 적용하여 광 흡수율이 낮은 가스와 높은 가스를 동시에 검지하는 비분산 적외선 방식의 센서를 제작한다면 먼저 광 흡수율이 낮은 가스를 기준으로 광 공동을 설계한다. 전술한 바와 같이 광 흡수율이 높은 가스는 광 공동 설계 시 큰 제약을 받지 않는다.

예를 들어 측정 범위 2000ppm의 이산화탄소 센서와 측정 범위 500ppm의 일산화탄소를 동시에 검지할 수 있는 비분산 적외선 방식의 멀티 가스 센서를 제작한다면, 이산화탄소의 경우 광 경로 길이를 50mm로 정하던 100mm로 정하던 가스 검지에 큰 문제가 되지 않는다. 즉, 광 흡수율이 높은 가스는 광 경로 길이가 광 공동 설계 시 중요한 고려사항이 아니다.

그러나 일산화탄소와 같이 광 흡수율이 낮은 가스는 광 경로 길이를 길게 광 공동을 설계하여야 한다. 즉, 일산화탄소의 광 흡수율을 고려하여 광 경로 길이는 "최소 OOmm 이상이어야 한다"는 기준이 도출되어야 한다. 그러므로 본 발명을 이용하여 멀티가스 센서를 제작 시 광 흡수율이 낮은 가스를 검지하기 위한 최소의 광 경로 길이를 산출하고 이에 (16)식과 (5)식으로부터 p, q 값을 도출하여 광 공동을 설계하여야 한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수가 있고, 상기 실시 예들을 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수가 있음이 명확하다. 따라서 상기 실시예의 기재 내용은 하기의 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 공동의 구조도.

도 2는 본 발명의 상기 실시예에 따른 광 공동의 장 광경로에 대한 광학 시뮬레이션 결과도.

도 3은 본 발명의 상기 실시예에 따른 광 공동의 단 광경로에 대한 광학 시뮬레이션 결과도.

도 4는 본 발명의 포물경의 광학적 특성을 도시한 개념도.

도 5는 본 발명의 상기 실시예에 따른 광 공동의 장 광경로 구성도.

도 6은 본 발명의 상기 실시예에 다른 광 공동의 단 광경로 구성도.

Claims (6)

1. 멀티 가스 센서용 광 공동에 있어서,

   광축과 초점을 공유하나 초점 거리가 서로 다르며 서로 마주 보도록 배치되는 제1포물경과 제2포물경;

   상기 제1포물경과 상기 제2포물경의 광축 상에 위치하는 제1평면경; 및

   상기 제1평면경과 평행하도록 이격되어 위치하는 제2평면경을 포함하여 구성되며,

   상기 제1포물경과 제2포물경 및 상기 제1평면경은 장 광경로를 형성하고, 상기 제2평면경과 상기 제1포물경은 단 광경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 멀티 가스 센서용 광 공동.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1포물경의 초점 거리는 상기 제2포물경의 초점 거리보다 크며, 광원으로부터 방출된 광을 평행광의 형태로 상기 제1포물경으로 반사하는 집광부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 가스 센서용 광 공동.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 광원으로부터 방출된 광의 일부는 상기 제1포물경, 상기 제1평면경, 상기 제2포물경에 순차적 및 반복적으로 반사되어 상기 장 광경로를 형성하며, 상기 광원으로부터 방출된 광의 나머지 일부는 상기 제2평면경 및 상기 제1포물경에 각각 1회 반사되어 상기 단 광경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 멀티 가스 센서용 광 공동.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 장 광경로와 상기 단 광경로는 상호 독립적인 것을 특징으로 하는 멀티 가스 센서용 광 공동.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제1포물경의 초점 거리를 p, 상기 제2포물경의 초점 거리를 q라 할때, 상기 장 광경로를 따라 상기 광 공동을 N회 순환한 광의 경로의 길이 L은 L=2N(p+q)로 근사되는 것을 특징으로 하는 멀티 가스 센서용 광 공동.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 광 공동;

   상기 제2평면경으로 광을 반사없이 직접 방출할 수 있는 위치에 배치되는 광원;

   상기 제1평면경에 가까운 상기 제1포물경의 단부에 배치되는 제1광검출기;

   상기 제1포물경에 가까운 상기 제1평면경의 단부에 배치되는 제2광검출기; 및

   상기 광원에 전원을 인가하고 상기 제1광검출기 및 상기 제2광검출기로부터 의 검출신호를 처리하기 위한 전기회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 가스 센서.

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