KR101026206B1 - 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 광 도파관 - Google Patents

비분산 적외선 방식의 가스 센서의 광 도파관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 타원경(elliptic mirror)과 두 개의 포물경(parabolic mirror)로 구성된 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 핵심 부분인 광 도파관(optical wave guide)에 관한 것이다. 본 발명은 광원에서 방출된 광이 확산 후 하나의 점에 대부분 집광되는 특성을 가지고 있어서 광 경로가 짧더라도 광이 가스 분자와 충분히 반응하므로 효율적인 가스 센서를 제작할 수 있으므로 소형의 가스 센서 제작에 강점을 가진다.
포물선, 타원, NDIR, 센서, 도파관

Description

비분산 적외선 방식의 가스 센서의 광 도파관 {Optical wave guide for an NDIR gas sensor}
도 1은 동일한 광 경로 길이에 대해 광 도파관의 두께에 따른 상하 반사를 도시하고 있다.
도 2는 상하 반사에 의한 광 손실을 줄일 수 있는 방안으로 광원에 타원 내지 포물선 형태의 집광부를 부가한 광 도파관을 도시하고 있다.
도 3은 광원의 크기에 대한 집광부의 예시를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 기본 구성을 도시하고 있다.
도 5는 타원을 경유한 광 경로(광 경로A)를 도시하고 있다.
도 6은 포물선을 경유한 광 경로(광 경로B)를 도시하고 있다.
도 7은 두포물선이 대칭적으로 동일한 예의 광 경로 길이 산출 방식을 도시하고 있다.
도 8은 광 경로 A와 광 경로 B가 결합된 형태를 도시하고 있다.
도 9 광 모의 시험 결과를 도시하고 있다.
도 10은 종래의 광 도파관의 구조를 도시하고 있다.
도 11은 본 발명의 광 도파관의 구조를 도시하고 있다.
본 발명은 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 핵심 부분인 광 도파관에 관한 것으로 광 경로를 짧게 하는 대신 광을 충분히 확산시키고 이를 다시 한 점에 수렴하도록 하여 광 효율성을 높게 하는데 그 목적이 있다. 이러한 경우 광 도파관을 작은 크기로 설계가 가능하여 결과적으로 작은 크기의 가스 센서를 제작할 수 있도록 한다.
비분산 적외선 방식의 가스 센서는 가스 분자가 특정 파장의 적외선을 흡수하는 특성을 이용하여 가스 분자의 흡수율을 측정하여 가스 농도로 환산하는 기술이 적용된 가스 센서이다. 농도 변화는 광량의 변화이며 이러한 광량은 일반적으로 전기 신호로 출력된다.
우수한 특성을 갖는 비분산 적외선 가스 센서를 제작하기 위해서는 핵심 부분인 광 도파관의 광 효율성이 우수해야 한다. 우수한 광 효율성이라 함은 다음의 3가지 특성을 만족해야 한다.
- 광 경로(optical path) 길이가 길어야 한다.
- 광이 충분히 확산되어야 한다.
- 광이 광 검출기에 집중(focusing)되어야 한다.
상기의 조건을 고려하여 제작되는 광 도파관은 원, 타원, 포물선, 기타 형태의 거울을 배치하여 광 경로를 제어한다. 그러나 이러한 조건을 모두 충족시키는 것은 매우 어려운 것으로 특히 광원의 크기에 의해 크기를 작게 설계하는 데는 한 계가 있다. 즉, 광 도파관을 작게 설계할수록 광원은 더 이상 점광원이 될 수 없으므로 설계된 의도와 달리 광 경로는 원하지 않는 방향으로 진행하며 결국 광 손실이 발생하여 광 효율성을 떨어뜨리게 된다. 예를 들어 광 경로를 길게 설계하면 광원의 크기에 의한 초기의 오차가 광 도파관에서 반사를 거듭할수록 의도된 광 경로에서 크게 벗어난다. 이러한 이유에 의해 광 도파관을 작게 만드는데 한계가 있어 결과적으로 가스 센서의 크기를 작게 하는데 제약사항이 된다.
일반적으로 동일한 크기의 광 도파관인 경우 광 경로를 길게 하면 광 도파관 내부에서 광의 반사 횟수는 많아진다. 그러나 반사 횟수가 커질수록 반사에 의한 광 손실 또한 크다. 반사에 의한 광 손실을 줄이기 위해서는 광 도파관 반사면의 반사율을 높여야 한다. 일반적으로 광 도파관은 금속 코팅하며 그 방식으로는 금속 도금 내지 증착 방법이 이용된다. 궁극적인 목적인 제품으로 생산하기 위해서는 생산 단가 측면도 고려해야 하는 중요한 사항임으로 고려하면 반사율을 높이기 위한 코팅 비용 또한 고려하지 않을 수 없다. 즉, 동일한 크기의 광 도파관에 대해 광 경로를 길게하는 것은 비용적인 측면에서도 한계가 있다.
비분산 적외선 방식은 전술한 바와 같이 가스 분자가 갖는 특정 파장의 적외선을 흡수하는 특성을 이용하므로 적외선 흡수율이 결과적으로 가스 센서의 성능의 매우 중요한 포인트이다. 즉, 흡수율이 높으면 적은 농도 변화에 대해서 출력 신호의 변화가 크므로 우수한 성능의 가스 센서를 제작할 수 있다.
일반적으로 가스 분자의 적외선 흡수율을 높이기 위해서 광원에서 방출된 광이 광 검출기까지 도달하는데 까지의 거리인 광 경로 길이를 증가시키는 방법을 이 용한다. 즉, 적외선이 가능한 많은 수의 가스 분자와 반응할 수 있도록 함으로써 전체 적외선 흡수율을 높인다. 광 경로를 증가시키기 위해 제작되는 것이 광 도파관(wave guide)으로 다양한 형태의 거울(mirror)과 렌즈(lens) 등을 이용한다. 이러한 광 도파관은 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 성능 및 경쟁력을 결정할 정도로 중요한 부분이다.
기존의 접촉식 가스센서에 비해 비분산 적외선 가스 센서는 측정의 정확성, 가스 선택성, 수명 등에서 많은 장점을 가지고 있으나 크기가 상대적으로 커서 사업적으로 제약사항이 되기도 한다. 이러한 이유는 광 경로를 증가시킬 목적으로 제작되는 광 도파관의 크기가 커서 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 크기가 커질 수밖에 없는 문제점이 있다.
광 도파관의 크기를 작게 하면 광원과 광 검출기는 더 이상 점광원(point light source)이 될 수 없으므로 설계가 매우 복잡해질 수 있으며 이로 인한 광 손실이 발생하는 문제점이 있다.
광 경로가 길면 광 흡수율을 높일 수 있겠으나 여러 번의 반사가 이루어지므로 반사에 의한 광 손실이 발생한다. 광 도파관의 두께가 얇을수록 상하 반사판에서의 반사가 보다 더 빈번하므로 두꺼운 광 도파관에 비해 광 손실이 크다.
도 1은 동일한 광 경로 길이에 대해 광 도파관의 두께에 따른 상하 반사를 보여준다. 동일한 광 경로 길이에 대해 도파관의 두께가 얇을수록 반사가 많이 일어나 반사에 의한 광 손실이 크다.(S:광원, D:광검출기)
도 1에서 알 수 있듯이 광 도파관의 두께가 얇을수록 동일한 광 경로 길이에 대해 상하 반사가 빈번하므로 이에 따른 광 손실이 클 것은 자명하다. 광 도파관의 평균 광 반사율을 R이라 하고 광원의 세기를 Io라 하면 반사 횟수 N에 대해 광 검출기에 도달하는 광 I는 (1)식과 같다.
I = I0 RN, (0<R<1) -----(1)
도 1에서 알 수 있듯이 광 도파관의 두께가 1/2로 줄어들면 반사 횟수는 2배로 증가하므로 (1)식으로부터 광 손실은 제곱이 됨을 알 수 있다. 즉, 예를 들어 두께 10mm의 광 도파관에서 광 손실에 의한 광의 세기가 1/3로 줄었다면 두께 5mm의 광 도파관은 1/9로 줄어든다. 그러므로 광 도파관의 두께를 얇게 하면 광 손실은 지수적으로 커지므로 광 도파관의 두께를 얇게 하는 것이 경우에 따라 실익이 없을 수도 있다.
상하 반사에 의한 광 손실을 줄일 수 있는 방안으로 광원에 타원 내지 포물선 형태의 집광부를 부가하는 방안이 있다. 도 2는 이러한 집광부에 대한 예시이다.
도 2와 같이 광원에 집광부를 부가한 경우 상하 반사 회수를 줄일 수 있으므로 광 손실을 줄일 수 있다.
집광부가 부가된 광 도파관은 집광부의 크기에 의해 광 도파관을 얇게 만드는데 또한 제약이 있다. 예를 들어 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 광원으로 널리 사용되고 있는 미국의 길웨이(Gilway)사의 미니어쳐 형태의 백열등은 가장 작은 크기가 전구 지름이 약 2.5mm 정도이며 필라멘트 길이는 약 2mm 정도이다. 이러한 전구의 크기를 고려하여 포물선 형태의 집광부를 부가하는 경우 집광부의 높이가 최소 약 5mm 정도 되어야 한다. 도 3은 이러한 예시이다.
도 3은 포물선 형태의 집광부에 백열등의 필라멘트가 포물선의 초점에 위치하도록 구성된 것이다. 집광부가 최소한 백열등의 전구부분을 모두 덮는다고 한다면 길웨이사의 백열등이 적용된 경우 집광부는 약 5mm 정도 되어야 한다. 이러한 경우 광 도파관의 두께는 집광부 이하로 할 수 없으므로 결국 광 도파관 내부의 최소 두께는 5mm가 될 것이며 일반적으로 광 도파관 벽의 두께를 약 1.5mm 정도라 하면 광 도파관의 두께는 8mm 정도가 된다. 이에 전자 부품의 두께 및 회로기판(PCB: Printed Circuit Board)의 두께까지 고려한다면 센서의 두께는 약 14mm 이상이 된다. 만일 보다 얇은 가스센서가 요구되어진다면 광 도파관의 광원에 집광부를 적용할 수 없게 됨으로 전술한 바와 같이 광 도파관 내부에서 상하로 광 반사에 의한 손실은 감수해야 하는 문제가 있다.
또한 집광부의 초점에 필라멘트가 위치해야 하나 (도3)에서 알 수 있듯이 집광부가 최소 크기가 되면 필라멘트는 더 이상 점광원(point light source)이 될 수 없으므로 집광부의 적용에 큰 실익이 있다 할 수 없을 것이다.
이렇듯 반사에 의한 광 손실을 고려한다면 긴 광 경로와 광 도파관의 두께는 서로 양립할 수 없는 조건이 되므로 작은 크기의 광 도파관을 설계하는데 많은 제약사항이 되어 결국 비분산 적외선 방식의 가스 센서를 작게 하는 것에 제약으로 귀결되는 문제가 있다.
본 발명은 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 광 도파관을 설계하는데 있어서 광 도파관 상하 반사에 의한 광 손실을 줄이기 위해 광 경로를 짧게 하는 대신 광을 충분히 확산시키고 이를 다시 하나의 점으로 수렴하도록 함으로써 가스 분자의 광 흡수율이 광 경로를 길게하는 것과 동일한 효과를 갖도록 하는데 있다.
즉, 광이 확산되는 범위가 넓으면 다수의 가스 분자와 반응하게 되므로 결국 광 경로를 길게하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
광 도파관 내부에서 광의 확산과 집중의 효과를 얻기 위해서는 타원과 포물선 거울을 이용한다. 타원은 하나의 초점에서 방사된 광은 다른 초점에 집중된다. 포물선은 초점에서 방사된 광은 포물 거울 표면에서 반사되어 포물경의 대칭축과 평행하게 진행하며 대칭축과 평행하게 진행되어 포물 거울 표면에서 반사되면 초점에 집중된다.
본 발명은 이러한 타원경과 포물경의 특성을 이용하여 두 개의 초점을 정하고 각각의 초점에 광원과 광 검출기를 배치하여 광원에서 방사된 광은 광 도파관 내부에 골고루 퍼진 후 광 검출기에 집중되도록 설계된 광 도파관을 제시한다.
1. 발명의 기본 구성
본 발명은 하나의 타원경(elliptic mirror)과 두 개의 포물경(parabolic mirror)으로 구성되어 있다. (도4)는 본 발명의 기본 구성을 보여준다.
포물선의 꼭지점과 초점을 잇는 선을 광축(optic axis)으로 정의하며 (도4)에서와 같이 x-y좌표를 도입하여 기술하는 경우 x축으로 한다. 포물선1과 포물선2 는 광축을 공유한다. 포물선 1의 초점은 F1이며 초점거리는
Figure 112006059566685-pat00001
이며 포물선2의 초점은 원점인 F2이며 초점거리는
Figure 112006059566685-pat00002
이다. 타원은 두 포물선의 초점을 자신의 두 초점으로 한다. 다시 말해 타원은 포물선1과 포물선2와 초점을 공유하도록 한다. 광축과 포물선1, 포물선2가 만나는 점을 각각 A, B라 하고 타원과 포물선1, 포물선2가 만나는 점을 각각 C와 D라 한다.
도 4의 포물선과 타원을 함수로 표시하면 다음과 같다.
가. 선분(또는 호)AC는 초점 거리가 P1이며 F를 초점으로 하는 포물선1로 (2)식과 같은 관계식을 갖는다.
Figure 112006059566685-pat00003
-----(2)
나.
Figure 112006059566685-pat00004
는 초점거리가 P2이며 O를 초점으로 하는 포물선2로 (3)식과 같은 관계식을 갖는다.
Figure 112006059566685-pat00005
-----(3)
다.
Figure 112006059566685-pat00006
는 O와 F를 두 초점으로 하는 타원으로 (4)식과 같은 관계식을 갖는다.
Figure 112006059566685-pat00007
-----(4)
a: 타원의 장축 길이
k: 타원의 초점 길이
라.
Figure 112006059566685-pat00008
는 세 도형의 공통 광축이며 좌표상 x 축으로 한다.
마. 세 도형과 광 축이 만나 구성하는 폐곡선이 본 발명에서 제시하는 광 도파관의 기본 형태이다.
두 점 F1과 F2는 타원
Figure 112006059566685-pat00009
의 두 초점이며 또한 F1은 포물선
Figure 112006059566685-pat00010
의 초점이며, F2는 포물선
Figure 112006059566685-pat00011
의 초점이다.
광원은 F1 또는 F2에 위치하며 이때 광 검출기는 광원이 F1에 위치한 경우 F2에 위치하며 광원이 F2에 위치한 경우 광 검출기는 F1에 위치한다.
2. 발명의 특성
본 발명은 두 개의 광경로를 가지며 그 광 경로를 각각 광 경로A, 광경로B라 명한다. 광 경로 A는 타원을 경유한 것으로 타원면에서 1회 반사하고 광 검출기에 도달한다. 광 경로 B는 2개의 포물선에서 반사되어 광 검출기에 도달한다. 그 도시는 도 5와 도 6에 제시한다.
도 5에서, 광 경로 A는 타원 면에서 1회 반사 후 광 검출기에 도달한다. 이러한 경우 광 경로 길이는 타원의 장축의 두배인 2a가 된다.
도 6에서, 광 경로 B는 서로 마주보는 포물선을 각각 1회 반사하고 광 검출기에 도달한다. 이러한 경우 광 경로 길이는 P1과 P2의 조건에 따라 달라질 수 있으며, 예시로써 P1=P2=P인 경우 다음과 같은 과정에 의해 4P-2k이다.
F2에 위치한 광원에서 광이 방출되어 F2→D'→C'→F1의 광 경로를 갖는다면 각각 구간 별 거리는 다음과 같다.
Figure 112006059566685-pat00012
-----(5)
Figure 112006059566685-pat00013
-----(6)
Figure 112006059566685-pat00014
-----(7)
따라서, 광 경로 길이 L은,
Figure 112006059566685-pat00015
-----(8)
(2)식 또는 (3)식에 (α, β)를 대입하여 정리하면
Figure 112006059566685-pat00016
-----(9)
도 8은 광 경로 A와 광 경로 B의 결합된 형태를 보여준다. 광원에서 방사된 광은 타원 또는 포물선에 도달하면 공통으로 광 검출기에 집중된다. 이러한 과정에서 광은 광 도파관에 골고루 퍼져 진행하며 광 검출기가 위치한 점으로 수렴한다.
전술한 바와 같이 상기 식(2)~(9)에 의해 광 경로A의 길이는 2a이며 광 경로B의 길이는 4P-2k이다. 이로부터 본 실시 예는 광 경로A와 광 경로B의 길이가 같은 광 도파관을 제시한다. 광 경로A와 광 경로B를 같게 함으로써 본 실시 예가 적용된 광 도파관으로부터 도출되는 비분산 적외선 방식의 가스 센서에 대해 농도와 출력 전기 신호와의 관계(센서의 교정: calibration)를 분석하는데 용이하게 할 수 있 다.
광 경로A와 광 경로B의 길이가 같다는 조건 2a=4P-2k로부터 (10)식의 조건이 도출된다.
Figure 112006059566685-pat00017
-----(10)
(10)식의 조건은 본 발명이 적용된 광 도파관의 설계의 중요한 지표가 된다. 즉, 광 도파관 설계 시 가스 센서가 갖을 성능으로부터 광 경로 길이를 산출하고 주어진 광 경로 길이에 대해 (10)식을 적용하여 적절한 값을 정한다. 값은 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 크기와 이에 수반되는 광 도파관의 크기를 고려하여 결정한다.
(10)식의 조건이 적용되어 설계된 광 도파관에 광원과 광 검출기를 부가하여 가스 센서가 설계되는 경우 광원이 등방적(isotropic) 또는 균일(homogeneous)하게 된 광이 광 도파관 내부를 진행한다면 광원에서 방출되어 광 검출기에 도달하는 광의 밀도(density)는 일정하다. 이는 가스 센서의 교정(calibration)에 상당한 실익을 제공한다. 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 교정의 근거가 되는 이론은 비어-램버트(Beer-Lambert) 법칙인데 (11)식과 같다.
I = I0 exp(-bN) -----(11)
I: 광 검출기에 검출되는 광량
I0 : 광원에서 방출된 광량
N : 가스 농도
b : 가스 분자의 광 흡수율
(11)식에서의 b값에 주목해야 하는데 b는 일반적으로 광 경로와 온도에 대한 함수이다. b값이 온도의 함수임에 대해서는 본 발명의 취지에 포함되지 않으므로 논외로 한다. 광원에서 방출된 광의 진행 방향에 따라 광 경로가 다르다면 b는 광 경로 길이에 대한 대단히 복잡한 함수가 될 것이며 결국 비분산 적외선 가스 센서의 교정 과정이 용이하지 않을 수 있어 교정 과정에 상당한 비용이 소요될 수 있으며 결국 제품으로써의 경쟁력을 저하시킬 수 있다. 그러나 본 발명은 (10)식을 적용하게 되면 b는 광 경로에 대해 일정한 값을 갖게 되므로 교정과정이 단순해 지며 또한 제품으로써의 경쟁력을 향상시키는 중요한 실익이 있다.
본 발명이 적용된 광 도파관에 대하여 광학 시뮬레이션(모의 시험) 프로그램을 이용한 광 모의 시험 결과를 도 9에 제시한다. 광원에서 방출된 광은 광 도파관에 골고루 퍼져 광 검출기로 수렴함을 보여준다. 비록 광원에서 방출된 광이 도 4의
Figure 112006059566685-pat00018
부분에 도달한 경우에는 광 검출기에 도달하지 않을 수 있지만 일반적으로 광에서 방출된 광을 모두 광 검출기에 도달하도록 설계하는 것은 불가능하므로 본 발명의 취지를 훼손한다 할 수 없다.
본 발명이 적용된 광 도파관으로부터 제작되는 비분산 적외선 가스 센서는 광원으로부터 방출된 광이 광 도파관 전체에 확산되었다가 광 검출기에 수렴하므로써 광 경로가 짧더라도 가스 분자의 광 흡수율을 높여 결과적으로 가스 센서의 성 능을 향상시키는 효과가 있다.
또한 광원에 별도의 집광부를 부가하지 않음으로써 광 도파관의 두께를 얇게 제작할 수 있어 작은 크기의 광 도파관의 설계를 가능하게 하여 결과적으로 작은 크기의 비분산 적외선 가스센서의 제작이 가능하게 한다. 센서의 경우 동일한 성능을 갖는다면 그 크기가 작아야 상품으로써 경쟁력을 가짐은 자명한 것으로 본 발명이 적용된 비분산 적외선 방식의 가스 센서는 이러한 측면에서 매우 적절하다 할 수 있다.
다음의 실시 예는 본 발명이 적용된 비분산 적외선 방식의 가스센서가 갖는 광 흡수율 및 크기에 대해 미국의 텔에어 사의 광 도파관과의 대략적인 크기의 비교이다.
미국의 텔에어(Telaire) 사에서 상품화한 비분산 적외선 방식의 가스 센서에 적용된 도파관은 도 10과 같다.
도 11은 텔에어사의 광 도파관과 이와 동일한 성능을 가질 것을 전제로 하여 본 발명의 의해 제작되는 광 도파관을 그림 프로그램으로 도시한 것이다. 본 발명이 적용된 본 발명에 의해 제작되는 광 도파관은 텔에어사의 광 도파관에 비해 두께가 현저히 얇을 뿐만 아니라 크기도 비교적 작다. 본 발명에 의한 광 도파관의 두께는 광원으로 사용되는 백열등의 크기에 의해서만 결정되며 현재 시판되고 있는 길웨이사의 최소형 광원의 크기인 전구 지름이 2.4mm인 백열등에 대해 산출한 것이며 광 도파관의 벽면의 두께는 2mm로 동일하게 적용하였다.
본 발명이 적용된 광 도파관을 이용하여 비분산 적외선 방식의 가스 센서를 제작하는 경우 회로의 크기를 광 도파관 정도의 크기로 구성하게 되면 가스 센서의 크기를 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.
전술한 바와 같이 (10)식의 조건으로부터 도출되는 광 도파관은 비어-램버트 법칙에서의 광 흡수율이 광 경로에 대한 복잡한 함수가 아니므로 교정 과정이 매우 용이하다. 가스 센서의 교정은 센서의 생산 과정에서 매우 중요한 부분이다. 또한 정확한 교정은 가스 센서의 최종 단계에서의 성능을 결정짓는 것으로 그 중요성은 이론의 여지가 없다.
가스 센서의 교정 방식은 크게 두 가지가 있는데 하나는 정확한 이론적 예측으로 이론에서 제시하는 농도와 출력 신호 간의 함수를 구하는 방식(이하 함수 방식이라 함.)이며 다른 하나는 농도에 대한 출력 신호를 데이터 테이블 형태로 구하는 방식(이하 테이블 방식이라 함.)이다. 함수 방식은 교정 과정의 소요 시간이 짧고 비용이 저렴하며 넓은 측정 범위를 갖는 장점이 있으나 정확한 이론에 대한 이해가 부족하면 측정오차가 클 수 있으며 테이블 방식은 측정 오차가 작으나 교정과정에 소요되는 시간이 길고 고 비용이 소요되며 측정 범위를 넓히는 것이 곧 생산 비용의 증가를 초래한다. 그러므로 제품으로써 경쟁력을 갖기 위해서는 함수 방식으로 교정 생산하는 것이 유리하나 광 도파관의 시스템이 복잡하여 다양한 광 경로를 갖게 되면 자칫 이론적 예측이 부정확하여 결국 제품의 경쟁력을 잃게 될 것이다.
전술한 본 발명에서 제시한 실시 예를 적용하여 광 도파관을 설계하면 광원에서 방출되어 광 검출기에 도달하는 광의 경로 길이는 모두 같으므로 교정 함수가 단순해지므로 교정이 용이해져 성능과 가격에서 뛰어난 경쟁력을 가질 수 있다.
한편, 이상에서는 2개의 포물경과 상부에 하나의 타원경 그리고, 광축상에 하나의 평면경을 구비한 형태의 실시예를 들어 설명하였으나, 포물경이 광축의 아래로 확장되어 광축의 반대편에도 타원경이 제공되는 형태(즉, 평면경이 제거되는 형태)의 실시예도 가능하다. 이 경우 광원과 광검출기는 광 도파관의 측면(즉, 평면경)이 아닌 상면 또는 하면에 위치될 수 있을 것이다. 또한, 광원과 광검출기에 방향성이 있거나 방향성을 가지도록 배치될 경우, 광효율성이 최대로 되는 위치에 광원과 광검출기를 배치하거나 타원 및 포물선의 위치, 각도, 길이 등을 조절할 수 있다. 한편, 본 발명의 경우에도 광원으로부터의 광을 집광하기 위한 반사경이 부착될 수도 있으나, 소형 광 도파관의 제작을 위해서는 생략하는 것이 바람직하다.

Claims (7)

  1. 가스 센서를 위한 광 도파관에 있어서,
    동일한 광축 상에 각각 초점을 가지고 서로 마주 보도록 배치되는 제1 포물경과 제2 포물경; 및
    상기 제1 포물경과 상기 제2 포물경 사이에 배치되며, 상기 광축 상의 초점들을 자신의 초점으로 공유하는 타원경을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 센서를 위한 광 도파관.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광축 상에 위치하는 평면경을 더 포함하고,
    상기 타원경과 상기 평면경은 제1 광경로를 형성하고,
    상기 제1 포물경과 상기 제2 포물경과 상기 평면경은 제2 광경로를 형성하는 것을 특징으로 하는, 가스 센서를 위한 광 도파관.
  3. 제 2항에 있어서,
    광원으로부터 방출된 광의 일부는 상기 타원경으로 입사되어 1회 반사되면서 상기 평면경으로 입사하는 상기 제1 광경로를 형성하고,
    상기 광원으로부터 방출된 광의 나머지 일부는 상기 제1 포물경과 상기 제2 포물경에 순차적으로 1회 반사된 후 상기 평면경으로 입사하는 상기 제2 광경로를 형성하는 것을 특징으로 하는, 가스 센서를 위한 광 도파관.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 광경로와 상기 제2 광경로는 상호 독립적인 것을 특징으로 하는, 가스 센서를 위한 광 도파관.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 광경로와 상기 제2 광경로를 거친 광은 하나의 광 검출기에 공통으로 검출되는 것을 특징으로 하는, 가스 센서를 위한 광 도파관.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 포물경의 초점 거리를 p1, 상기 제2 포물경의 초점 거리를 p2, 상기 타원경의 장축의 길이를 a, 상기 타원경의 초점 길이를 k라 정의하고, p1=p2=p라 할 때, 상기 제1 광경로와 상기 제2 광경로의 길이가 같다는 조건식인 2a=4p-2k로부터, 상기 광 도파관은 2p=a+k 를 만족하는 것을 특징으로 하는, 가스 센서를 위한 광 도파관.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광축 상의 제1 초점에 위치하여 광을 입사시키기 위한 광원; 및
    상기 광축 상의 제2 초점에 위치하여 상기 제1 광경로 또는 상기 제2 광경로를 거친 광을 검출하 위한 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 센서를 위한 광 도파관.
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