KR101456273B1 - Optical system for measurement gas - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 적외선 광학방식으로 가스 측정을 가능하게 하는 가스 측정 광학계에 관한 것이다.The present invention relates to a gas measuring optical system that enables gas measurement by an infrared optical method.
현재 적외선 광학방식을 이용하여 가스를 측정할 수 있도록 하는 가스 측정 광학계가 개발 및 사용되고 있으며, 이러한 종래의 가스 측정 광학계는 미국등록특허 US7432508호와 US513436호에 그 일 예가 제시되어 있다. Now, a gas measuring optical system capable of measuring a gas using an infrared optical system has been developed and used. An example of such a conventional gas measuring optical system is shown in US Pat. Nos. US7432508 and US513436.
구체적으로, 미국등록특허 US7432508호와 US513436호를 포함하는 종래의 가스 측정 광학계를 간략히 도시하면 도 1에 도시된 바와 같은 구성으로 이루어져 있다. 도 1은 종래의 실시 예에 따른 적외선을 이용한 가스 측정 광학계의 구성도이다.More specifically, the conventional gas measuring optical system including the US Pat. No. 7,432,508 and US Pat. No. 5,134,363 is schematically shown in FIG. 1 is a configuration diagram of a gas measuring optical system using infrared rays according to a conventional example.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 적외선을 이용한 가스 측정 광학계는 적외선 방사를 위한 적외선 광원(1), 적외선 광원에서 방사되는 적외선을 평행광(L1)으로 변환하기 위한 평행광 렌즈(2), 적외선 투과 원도우(3a)가 포함된 측정 가스가 채워질 수 있는 가스셀(3), 가스셀을 통과한 적외선을 적외선 광센서에 집광할 수 있는 구면 회전 대칭 형상의 집광렌즈(4), 적외선을 측정광(L2)과 참조광(L3)으로 분리시키는 있는 광 분리기(5), 특정한 파장대역만을 투과시킬 수 있는 측정광 필터(6)와 참조광 필터(8), 각 필터들(6 또는 8)을 통과한 투과광의 세기 변화를 측정하는 측정광 센서(7)와 참조광 센서(9)로 구성된다. As shown in FIG. 1, a conventional gas measuring optical system using infrared rays includes an infrared light source 1 for infrared radiation, a
이와 같은 종래의 적외선을 이용한 가스측정 광학계는 측정광과 참조광으로 분리하여 측정하기 위해서 광 분리기(5)가 사용되고, 그에 따라 참조광(L3)의 경로는 평행광(L1)의 광축(즉, 적외선 광원에서 조사한 적외선의 광축)에서 벗어나 별도의 광축을 형성한다. 상기 광축은 도 1에 표시된 좌표를 기준으로 하면 z축이다.In the conventional gas measuring optical system using infrared rays, the
즉, 참조광(L3)을 측정하기 위하여 참조광 필터(9)와 참조광 센서(9)는 참조광(3)의 광축상에 설치된다.That is, the
이와 같이 구성된 종래의 적외선을 이용한 가스 측정 광학계는 (a)에 도시된 바와 같이 적외선을 확장한 형태로서 일정한 크기를 갖는 단면이 원형인 평행광(L1)을 만들고, (b)에 도시된 바와 같이 평행광(L1)을 축소시킨 측정광(L2)과 참조광(L3)이 만들어 각 센서(7, 9)에 제공한다. 즉, 측정광(L2)과 참조광(L3)은 평행광(L1) 보다 직경이 작고 단면이 원형인 형태를 가진다.As shown in (a), the conventional gas measuring optical system having the above-described structure is configured to form a parallel light L1 having a circular cross section and having a predetermined size as an extension of infrared rays. As shown in (b) The measurement light L2 and the reference light L3 which are obtained by reducing the parallel light L1 are produced and provided to the
그런데, 종래의 적외선을 이용한 가스 측정 광학계는 측정광(L2)과 참조광(L3)에 대해서 각각의 광학 소자들(6과 7 및, 8과 9)의 서로 다른 광축 정렬이 각각 이루어져야 하기 때문에 각각의 광 센서의 정렬을 별도로 해주어야 하는 어려움이 발생한다. In the conventional gas measuring optical system using infrared rays, since the optical axes of the
또한 종래의 적외선을 이용한 가스 측정 광학계는 측정광(L2)과 참조광(L3)의 형성 방향이 상이하기 때문에 하나의 회로 기판에 광 센서들을 배치하여 광축 정렬을 하지 못하고 각각의 별도의 회로 기판에 광 센서들을 배치하여 각각 광축에 정렬을 해야 하는 문제가 있다.Further, since the conventional gas measuring optical system using infrared rays differs in the direction in which the measurement light L2 and the reference light L3 are formed, the optical sensors are arranged on one circuit board and the optical axis alignment can not be performed. There is a problem that the sensors must be arranged and aligned on the respective optical axes.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광 분리기를 사용하지 않고 실린더형(cylindrical) 집광렌즈를 사용하여 평행광의 축 방향에서 측정광과 참조광을 측정할 수 있도록 하는 가스 측정 광학계를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a gas measuring optical system capable of measuring measurement light and reference light in the axial direction of parallel light by using a cylindrical condensing lens without using an optical isolator.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 일렬로 배열된 광센서 위치에서 광센서 배열 방향으로는 광세기가 퍼지도록 하고 다른 수직 방향으로는 집속되도록 하여 집속된 타원형 광세기 분포를 갖도록 하여 측정광과 참조광을 동일한 광분포를 가지고 동시에 측정할 수 있게 하는 가스 측정 광학계를 제공하는 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical sensor comprising: a plurality of optical sensors arranged in a row; And to measure the reference light with the same light distribution at the same time.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 일 특징에 따른 본 발명은 가스 측정 광학계를 제공한다. 이 가스 측정 광학계는 특정 파장대역의 제1 적외선을 방사하는 적외선 광원부, 상기 적외선을 평행광으로 변환시키는 평행광 렌즈, 상기 평행광을 투과시키는 적외선 투과 원도우가 형성된 가스셀, 상기 가스셀을 통과한 상기 평행광을 집속 타원광으로 변환시키는 실린더형 집속광렌즈, 상기 집속 타원광의 범위내에 위치하여 측정광을 측정하는 측정광 측정부, 그리고 상기 집속 타원광의 범위내에 위치하고 상기 측정광 측정부에 대해 상기 제1 적외선의 광축에 수직인 방향으로 나란하게 배치되며, 참조광을 측정하는 참조광 측정부를 포함하고, 상기 적외선 광원부, 상기 평행광 렌즈, 상기 가스셀, 상기 실린더형 집속광렌즈는 상기 제1 적외선의 광축 상에 위치한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a gas measuring optical system. The gas measuring optical system includes an infrared light source section for emitting a first infrared ray in a specific wavelength band, a parallel optical lens for converting the infrared ray into parallel light, a gas cell having an infrared ray transmitting window for transmitting the parallel light, A cylindrical condensing optical lens for converting the collimated light into focused differentiated light, a measurement light measurement unit for measuring measurement light positioned within the range of the focused atmospheric light, and a measurement light measurement unit positioned within the range of the focused, Wherein the infrared light source unit, the parallel light lens, the gas cell, and the cylindrical condensing optical lens are arranged in parallel in a direction perpendicular to the optical axis of the first infrared light, and the reference light measurement unit measures the reference light, It is located on the optical axis of infrared rays.
상기에서 실린더형 집속광렌즈는 상기 적외선 광원부를 바라보는 일면이 평면이고, 상기 일면의 반대편 면이 상기 제1 적외선의 광축 방향으로 볼록한 형상을 갖는 실린더형 렌즈와, 상기 적외선 광원부를 바라보는 일면이 평면이고 일면의 반대편 면이 상기 제1 적외선의 광축 방향에 대해서 한쪽 축 방향과 다른 수직 축 방향에 대해 서로 다른 곡률 반경을 갖는 실린더형 볼록 렌즈와, 상기 적외선 광원부를 바라보는 일면과 일면의 반대편 면에 상기 제1 적외선의 광축 방향에 대해서 서로 수직한 다른 축방향으로 서로 다른 곡률 반경을 갖는 실린더형 볼록 렌즈 중 하나이다.The cylindrical condensing optical lens includes a cylindrical lens having a flat surface facing the infrared light source portion and a surface opposite to the one surface of the cylindrical lens having a convex shape in the optical axis direction of the first infrared ray and a cylindrical surface facing the infrared light source portion, A cylindrical convex lens having a plane and an opposite surface on one side having different curvature radii with respect to a direction of an optical axis of the first infrared ray and a direction of a vertical axis different from one axial direction; And a cylindrical convex lens having different radii of curvature in different axial directions perpendicular to each other with respect to the optical axis direction of the first infrared ray.
상기에서 집속 타원광은 상기 평형광에 비해 상기 광축에 수직인 제1 축 방향의 길이가 동일하고, 상기 광축 및 상기 제1 축과 수직인 제2 축 방향의 길이가 짧은 타원형의 광이거나, 상기 평형광에 비해 상기 광축에 수직인 제1 축 방향의 길이와, 상기 광축 및 상기 제1 축과 수직인 제2 축 방향의 길이가 모두 짧은 타원형의 광이다.Wherein the convergent tangential light is an elliptical light having the same length in the first axial direction perpendicular to the optical axis and shorter in the second axial direction perpendicular to the optical axis and the first axis than the balanced light, A length in a first axial direction perpendicular to the optical axis and a length in a second axial direction perpendicular to the optical axis and the first axis are both shorter than the equilibrium light.
상기 평행광 렌즈는 구면 또는 비구면의 회전대칭 볼록렌즈 형상이거나 반구형 볼록 렌즈 형상인 것을 특징으로 한다.And the parallel optical lens is a spherical or aspherical rotationally symmetric convex lens or hemispherical convex lens.
상기 평행광 렌즈와 상기 실린더형 집속광렌즈의 재료는 적외선 대역에서 사용할 수 있는 실리콘(Si), 저마늄(Ge), CaF2, 사파이어(Al2O3) 중 하나인 것을 특징으로 한다.The material of the parallel optical lens and the cylindrical focusing optical lens is one of silicon (Si), germanium (Ge), CaF2, and sapphire (Al2O3) which can be used in the infrared band.
상기 평행광 렌즈와 상기 실린더형 집속광렌즈의 재료가 실리콘인 경우에, 상기 평행광 렌즈와 상기 실린더형 집속광렌즈의 표면에 무반사 코팅을 하여 투과도를 높이는 것을 특징으로 한다.Wherein when the material of the parallel optical lens and the cylindrical focusing optical lens is silicon, the surface of the parallel optical lens and the cylindrical focusing optical lens is coated with anti-reflective coating to increase the transmittance.
상기 측정광 측정부에 포함된 측정광 센서와 상기 참조광 측정부에 포함된 참조광 센서는 하나의 회로 기판에 형성된다.The measurement light sensor included in the measurement light measurement unit and the reference light sensor included in the reference light measurement unit are formed on one circuit board.
본 발명의 실시 예에 따르면, 실린더형 집광렌즈를 사용하여 일렬로 배치된 측정광 센서와 참조광 센서와 일치하는 집속된 타원광을 형성하기 때문에 측정광과 참조광을 만들기 위한 광 분리기가 필요하지 않으며, 이에 따라 광학계 구성을 단순화시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, since the measurement optical sensor arranged in a line using the cylindrical condensing lens and the focused focused light corresponding to the reference light sensor are formed, a light separator for making the measurement light and the reference light is not required, Accordingly, the optical system configuration can be simplified.
또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 집속된 타원광 내에 측정광 센서와 참조광 센서를 배치함으로써 동시에 측정광과 참조광을 측정할 수 있으며, 광-전기 변환효율을 높일 수 있다.Also, according to the embodiment of the present invention, the measurement light and the reference light can be measured simultaneously by arranging the measurement light sensor and the reference light sensor in the focused other light, and the photo-electric conversion efficiency can be increased.
또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 측정광 센서와 참조광 센서를 일렬로 배치할 수 있기 때문에 종래기술과 비교하여 광축 정렬이 용이하며, 단일 회로기판에 광센서를 일렬로 배치할 수 있기 때문에 광학계 기구와 회로 기구의 조립 용이하다. In addition, according to the embodiment of the present invention, since the measurement optical sensor and the reference light sensor can be arranged in a line, the optical axis alignment is easy compared with the conventional technology, and since the optical sensors can be arranged in a line on a single circuit board, And circuit assemblies are easy to assemble.
도 1은 종래의 실시 예에 따른 적외선을 이용한 가스 측정 광학계의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계를 yz 평면 방향에서 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계를 xz 평면 방향에서 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계에서 평행광 및 집속광을 보인 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계에서 실린더형 집속광렌즈의 변형 예를 보인 도면이다.1 is a configuration diagram of a gas measuring optical system using infrared rays according to a conventional example.
2 is a configuration diagram of a gas measuring optical system according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing the gas measuring optical system according to the embodiment of the present invention in the yz plane direction.
4 is a view showing the gas measurement optical system according to the embodiment of the present invention in the xz plane direction.
5 is a view showing parallel light and condensed light in the gas measuring optical system according to the embodiment of the present invention.
6 to 8 are views showing a modification of the cylindrical focusing optical lens in the gas measuring optical system according to the embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
이제, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Now, a gas measuring optical system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계는 적외선 광원부(10), 평행광 렌즈(20), 가스셀(30), 실린더형 집속광렌즈(40), 측정광 측정부(50)와 참조광 측정부(60)를 포함한다.2 is a configuration diagram of a gas measuring optical system according to an embodiment of the present invention. 2, the gas measuring optical system according to the embodiment of the present invention includes an infrared
적외선 광원부(10)는 측정 대상인 가스(gas)의 흡수 파장대역의 적외선을 방사한다. 평행광 렌즈(20)는 적외선 광원부(10)에서 방사한 적외선의 광축에 위치하며, 적외선 광원부(10)에서 방사된 적외선을 적외선 광축에 평행한 적외선 즉, 평행광(L10)으로 변환시킨다.The infrared
여기서 평행광 렌즈(20)의 재료는 적외선 대역에서 사용할 수 있는 실리콘(Si), 저마늄(Ge), CaF2, 사파이어(Al2O3) 등이 사용되며, 실리콘(Si) 재료의 렌즈의 경우 렌즈 표면에 무반사 코팅을 하여 투과도를 높인다. Here, the material of the parallel
평행광 렌즈는 구면 또는 비구면의 회전대칭 볼록렌즈 형상이거나 반구형 볼록 렌즈 형상을 할 수 있다.The parallel optical lens may have a spherical or aspheric rotationally symmetrical convex lens shape or a hemispherical convex lens shape.
가스셀(30)은 적외선 광원부(10)에서 방사한 적외선의 광축에 위치하며, 평행광 렌즈(20)에 의해 변환된 평행광(L10)을 투과한다. 가스셀(30)은 측정 대상인 가스가 내부에 밀봉되어 있으며, 평행광(L10)의 광축에 위치한 2개의 측면(마주보는 측면)에는 평행광(L10)이 투과될 수 있게 하는 적외선 투과 원도우(30a)가 형성되어 있다.The
실린더형 집속광렌즈(40)는 실린더형 렌즈로서, 적외선 광원부(10)에서 방사한 적외선의 광축에 위치하며, 가스셀(30)을 통과한 평행광(L10)을 집속된 형태의 타원광(이하 "집속 타원광"이라 함)으로 변환시킨다. 이를 위해 실린더형 집속광렌즈(40)는 평행광의 광축에 위치한 마주보는 2면 중에서 적어도 측정부(50, 60)에 가까운 일측면이 볼록한 형상을 나타낸다.The cylindrical condensing
여기서 실린더형 집속광렌즈(40)의 재료는 적외선 대역에서 사용할 수 있는 실리콘(Si), 저마늄(Ge), CaF2, 사파이어(Al2O3) 등이 사용되며, 실리콘(Si) 재료의 렌즈의 경우 렌즈 표면에 무반사 코팅을 하여 투과도를 높인다. As the material of the cylindrical focusing
측정광 측정부(50)는 적외선 광원부(10)에서 방사한 적외선의 광축에 평행하게 위치하며, 실린더형 집속광렌즈(40)에 의해 집속된 집속 타원광에서 측정하고자 하는 특정 파장대역의 적외선(즉, 측정광)을 수신하고, 수신한 측정광(L20)의 세기 변화를 측정한다.The measuring
구체적으로, 측정광 측정부(50)는 특정 파장대역의 적외선만을 투과시키는 측정광 필터(51)와, 측정광 필터(51)에 의해 필터링된 측정광(L20)의 세기를 측정하는 측정광 센서(52)로 구성된다. More specifically, the measurement
여기서 측정광 필터(51)는 예컨대 적외선 밴드패스 측정 필터이며, 필터(51)의 밴드패스 적외선 투과 대역의 중심파장은 측정 가스의 흡수 적외선 파장과 일치하도록 한다.Here, the
참조광 측정부(60)는 적외선 광원부(10)에서 방사한 적외선의 광축에 평행하게 위치한다. 이때 참조광 측정부(60)는 적외선의 광축에 수직인 방향으로 측정광 측정부(50)에 나란하게 위치한다.The reference
참조광 측정부(60)는 실린더형 집속광렌즈(40)에 의해 집속된 집속광(즉, 집속 타원광)에서 참고하고자 하는 특정 파장대역의 적외선(즉, 참조광)을 수신하고, 수신한 참조광(L30)의 세기 변화를 측정한다. 여기서 참조광(L30)은 광원의 세기 변화 등의 변화 요인들을 측정하여 측정광(L20) 측정시 보상을 위해 사용된다.The reference
구체적으로, 참조광 측정부(60)는 특정 파장대역의 적외선만을 투과시키는 참조광 필터(61)와, 참조광 필터(61)에 의해 필터링된 참조광(L30)의 세기를 측정하는 참조광 센서(62)로 구성된다. More specifically, the reference
여기서 참조광 필터(61)는 예컨대 적외선 밴드패스 필터이며, 필터(61)의 밴드패스 적외선 투과 대역은 측정 필터의 투과대역과 겹치지 않는 적외선 대역을 선정하여 사용한다. 그리고 측정광 센서(52)와 참조광 센서(62)로는 써머파일(thermopile), 볼로미터 적외센서, PbSe 등을 사용한다.Here, the
참조광 센서(62)는 적외선 광원의 세기 변화 등의 변화 요인을 측정하여 측정광 센서(52)에서 측정되는 신호의 보정을 위해 참조 신호 발생으로 사용된다. The
많은 가스들은 특정 적외선 대역에서 흡수 스펙트럼을 갖고 있다. 따라서 가스셀 내에 존재하는 가스에 적외선 대역의 광을 통과시키면 특정 적외선 파장대역은 흡수가 일어나고 다른 대역의 적외선은 흡수되지 않고 통과된다. Many gases have absorption spectra in certain infrared bands. Therefore, when the infrared ray band light is passed through the gas existing in the gas cell, the specific infrared ray wavelength band is absorbed and the infrared ray of the other band is passed without being absorbed.
그러므로 가스에 흡수되는 적외선 대역과 흡수되는 세기 정도를 측정하면 가스셀(30)에 존재하는 가스 종류와 가스 농도를 측정할 수 있다. 즉, 측정광 센서(52)에서 측정한 광의 세기와 적외선 광원부(10)에서 방사한 적외선의 세기를 비교하여 광 세기 변화를 파악하고 가스에 흡수되는 적외선 대역을 파악하면 가스셀(30)에 존재하는 가스의 종류와 각 종류별 가스의 농도를 파악할 수 있다.Therefore, it is possible to measure the gas type and the gas concentration existing in the
한편, 평행광의 광축에 나란하게 측정광 측정부(50)와 참조광 측정(60)가 위치하게 되므로, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계는 측정광 측정부(50)와 참조광 측정부(60)를 하나의 회로 기판에 형성하는 것이 가능하다. 물론 측정광 측정부(50)의 측정광 센서(52)와 참조광 측정부(60)의 참조광 센서(62)만을 하나의 회로 기판에 형성할 수도 있다.
Since the measuring
이하에서는 도 3과 도 4를 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계의 동작을 설명한다. Hereinafter, the operation of the gas measuring optical system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계를 yz 평면 방향에서 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계를 xz 평면 방향에서 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a view showing a gas measurement optical system according to an embodiment of the present invention in the yz plane direction, and FIG. 4 is a view showing a gas measurement optical system according to an embodiment of the present invention in the xz plane direction.
적외선 광원부(10)에서 측정 대상인 가스(gas)의 흡수 파장대역의 적외선을 방사하며, 방사된 적외선은 평행광 렌즈(20)에 의해 평행광(L10)으로 변환된다.The infrared
평행광(L10)은 가스셀(30)의 측면에 형성된 적외선 투과 윈도우(30a)를 통해 가스셀(30)을 투과한다. 이때 가스셀(30) 내에서는 측정 대상 가스가 농도에 비례하여 평행광(L10)이 흡수된다.The parallel light L10 passes through the
가스셀(30)을 투과한 평행광(L10)은 실린더형 집속광렌즈(40)에 입사되고, 실린더형 집속광렌즈(40)는 평행광(L10)을 측정광 측정부(50)와 참조광 측정부(60)에 집속시킨다.The parallel light L10 transmitted through the
이때 실린더형 집속광렌즈(40)에 의해 집속된 집속광을 yz 평면에서 바라보면, 집속광은 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 측정광 센서(52)와 참조광 센서(62)에서 y축 방향에 대해서 집속된 형태를 나타내고 또한 동일한 광세기 분포를 나타낸다. 이렇게 집속된 광세기는 각 광센서(52, 62)의 전기신호 변환 효율을 높이게 한다.When the focused light focused by the cylindrical focusing
그리고 실린더형 집속광렌즈(40)에 의해 집속된 집속광을 xz 평면에서 바라보면, 집속광은 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 측정광 센서(52)와 참조광 센서(62)의 위치에서 센서 배열 방향인 x축 방향 대해서 집속되지 않고 일정한 크기로 퍼져있는 광세기 분포를 나타낸다. 도 4의 (a)에서 a1은 참조광 센서(62)에서 x축 방향 광세기 분포이고, a2는 측정광 센서(52)에서 x축 방향 광세기 분포이다.
When the focused light focused by the cylindrical focusing
이하에서는 도 5를 참조로 하여 도 3의 (a)와 도 4의 (a)를 통해 설명한 실린더형 집속광렌즈(40)에 의해 집속되는 광의 세기 분포 및 형태를 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 5, the intensity distribution and the shape of light focused by the cylindrical focusing
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계에서 평행광 및 집속광을 보인 도면이다. 평행광 렌즈(20)에 의해 형성된 평행광(L10)은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 적외선 광원부(10))에서 발산되는 적외선이 확장되어 일정한 크기를 갖는 형태를 나타낸다.5 is a view showing parallel light and condensed light in the gas measuring optical system according to the embodiment of the present invention. The parallel light L10 formed by the parallel
이러한 평행광(L10)은 실린더형 집속광렌즈(40)에 의해 집속되면, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 y축 방향에 대해서 집속된 형태(즉, 평행광과 비교하여 y축 방향의 반경이 줄어든 형태)를 나타내고, x축 방향에 대해서 집속되지 않은 형태(즉, 평행광과 비교하여 x축 방향의 반경이 동일한 형태)를 나타낸다. 즉, 집속광은 x축 방향의 길이가 긴 타원형태를 나타낸다. 이에 따라 본 발명에 따른 집속광을 집속 타원광이라 명명하였다.When the collimated light L10 is converged by the cylindrical focusing
이렇게 형성된 집속 타원광 범위 내에는 일렬로 측정광 센서(52)와 참조광 센서(62)가 위치하게 되며, 그에 따라 측정광 센서(52)와 참조광 센서(62)는 동일한 광세기 분포를 가진 측정광(L20)과 참조광(L30)을 측정할 수 있게 된다.The
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계는 실린더형 집속광렌즈(40)를 변형하여 도 5의 (c)와 같은 집속 타원광을 만들 수 있다. 도 5의 (c)에 도시된 집속 타원광은 도 5의 (b)에 도시된 집속 타원광에 비해 x축 방향의 길이가 짧다. 즉, 도 5의 (c)에 도시된 집속 타원광은 평행광(L10)에 비해 x축 방향과 y축 방향 모두 집속된 형태를 나타낸다.Meanwhile, the gas measuring optical system according to the embodiment of the present invention can modify the cylindrical focusing
결국, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계는 사용되는 실린더형 집속광렌즈(40)에 따라 한쪽 축 방향(y축 방향 또는 x축 방향 중 하나)만 집속된 타원형 집속광을 형성하거나, 다른 수직한 축 방향에 대해서는 집속 비율이 다른 타원 집속광을 형성하는 것이 가능하다.
As a result, the gas measuring optical system according to the embodiment of the present invention forms elliptical focusing light converged only in one axial direction (one of the y axis direction or the x axis direction) according to the cylindrical condensing
이하에서는 도 6 내지 도 8을 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계에서 실린더형 집속렌즈의 변형 예를 설명한다. 도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 측정 광학계에서 실린더형 집속광렌즈의 변형 예를 보인 도면이다.Hereinafter, a variation of the cylindrical focusing lens in the gas measuring optical system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 8. FIG. 6 to 8 are views showing a modification of the cylindrical focusing optical lens in the gas measuring optical system according to the embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 실린더형 집속광렌즈는 적외선 광원부(10)를 바라보는 일면이 평면이고, 일면의 반대편 면이 광축 방향(z축 방향)으로 볼록한 형상을 갖는 실린더형 볼록 렌즈이다. 이러한, 일면이 광축 방향으로 볼록한 실린더형 집속광렌즈는 도 5의 (b)에 도시된 한쪽 방향으로만 집속된 형태의 집속 타원광을 형성한다.The cylindrical condensing optical lens shown in Fig. 6 is a cylindrical convex lens having one surface that faces the infrared
도 7에 도시된 실린더형 집속광렌즈는 적외선 광원부(10)를 바라보는 일면이 평면이고 일면의 반대편 면이 광축 방향(z축 방향)에 대해서 한쪽 축 방향과 다른 수직 축 방향에 대해 서로 다른 곡률 반경을 갖는 실린더형 볼록 렌즈이다. 이러한 실린더형 볼록 렌즈는 도 5의 (c)에 도시된 한쪽 방향과 다른 수직방향으로 집속되는 정도가 다른 타원 집속광을 형성한다.The cylindrical condensing optical lens shown in Fig. 7 has a planar surface facing the infrared
도 8에 도시된 실린더형 집속광렌즈는 적외선 광원부(10)를 바라보는 일면과 일면의 반대편 면에 광축 방향(z축 방향)에 대해서 서로 수직한 다른 축방향으로 서로 다른 곡률 반경을 갖는 실린더형 볼록 렌즈이다. 이러한 실린더형 볼록 렌즈는 도 7에 도시된 실린더형 볼록 렌즈와 마찬가지로, 도 5의 (c)에 도시된 한쪽 방향과 다른 수직방향으로 집속되는 정도가 다른 타원 집속광을 형성한다.The cylindrical condensing optical lens shown in Fig. 8 has a cylindrical shape having a different radius of curvature in the other axial direction perpendicular to the optical axis direction (z-axis direction) on one surface facing the infrared
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다. The embodiments of the present invention described above are not only implemented by the apparatus and method but may be implemented through a program for realizing the function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium on which the program is recorded, The embodiments can be easily implemented by those skilled in the art from the description of the embodiments described above.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.
10 : 적외선 광원부 20 : 평행광 렌즈
30 : 가스셀 40 : 실린더형 집속광렌즈
50 : 측정광 측정부 60 : 참조광 측정부
51 : 측정광 필터 52 : 측정광 센서
61 : 참조광 필터 62 : 참조광 센서10: Infrared light source part 20: Parallel optical lens
30: gas cell 40: cylindrical condensing optical lens
50: measuring light measuring unit 60: reference light measuring unit
51: Measuring light filter 52: Measuring light sensor
61: reference light filter 62: reference light sensor
Claims (7)
상기 적외선을 평행광으로 변환시키는 평행광 렌즈,
상기 평행광을 투과시키는 적외선 투과 원도우가 형성된 가스셀,
상기 가스셀을 통과한 상기 평행광을 집속 타원광으로 변환시키는 실린더형 집속광렌즈,
상기 집속 타원광의 범위내에 위치하여 측정광을 측정하는 측정광 측정부, 그리고
상기 집속 타원광의 범위내에 위치하고 상기 측정광 측정부에 대해 상기 제1 적외선의 광축에 수직인 방향으로 나란하게 배치되며, 참조광을 측정하는 참조광 측정부를 포함하고,
상기 적외선 광원부, 상기 평행광 렌즈, 상기 가스셀, 상기 실린더형 집속광렌즈는 상기 제1 적외선의 광축 상에 위치하고,
상기 집속 타원광은 상기 평행광에 비해 상기 광축에 수직인 제1 축 방향의 길이가 동일하고, 상기 광축 및 상기 제1 축과 수직인 제2 축 방향의 길이가 짧은 타원형의 광이거나, 상기 평행광에 비해 상기 광축에 수직인 제1 축 방향의 길이와, 상기 광축 및 상기 제1 축과 수직인 제2 축 방향의 길이가 모두 짧은 타원형의 광인 것을 특징으로 하는 가스 측정 광학계.An infrared light source unit for emitting a first infrared ray of a specific wavelength band,
A parallel optical lens for converting the infrared rays into parallel rays,
A gas cell in which an infrared ray transmitting window for transmitting the parallel light is formed,
A cylindrical condensing optical lens for converting the parallel light that has passed through the gas cell into focused different light,
A measuring light measuring unit positioned within the range of the focused other-focused light and measuring the measuring light, and
And a reference light measuring unit which is located within the range of the focused heterochromatic light and which is arranged in a direction perpendicular to the optical axis of the first infrared ray with respect to the measuring light measuring unit and measures the reference light,
Wherein the infrared light source unit, the parallel light lens, the gas cell, and the cylindrical condensing optical lens are located on the optical axis of the first infrared ray,
The collimated tungsten light is elliptical light having the same length in a first axis direction perpendicular to the optical axis as compared with the parallel light and having a shorter length in the second axis direction perpendicular to the optical axis and the first axis, Wherein the optical axis is a elliptical light having a length in a first axis direction perpendicular to the optical axis and a length in a second axis direction perpendicular to the optical axis and the first axis.
상기 실린더형 집속광렌즈는 상기 적외선 광원부를 바라보는 일면이 평면이고, 상기 일면의 반대편 면이 상기 제1 적외선의 광축 방향으로 볼록한 형상을 갖는 실린더형 볼록 렌즈와, 상기 적외선 광원부를 바라보는 일면이 평면이고 일면의 반대편 면이 상기 제1 적외선의 광축 방향에 대해서 한쪽 축 방향과 다른 수직 축 방향에 대해 서로 다른 곡률 반경을 갖는 실린더형 볼록 렌즈와, 상기 적외선 광원부를 바라보는 일면과 일면의 반대편 면에 상기 제1 적외선의 광축 방향에 대해서 서로 수직한 다른 축방향으로 서로 다른 곡률 반경을 갖는 실린더형 볼록 렌즈 중 하나인 것을 특징으로 하는 가스 측정 광학계.The method of claim 1,
Wherein the cylindrical focusing optical lens has a cylindrical convex lens having a flat surface facing the infrared light source portion and a surface opposite to the one surface having a convex shape in the optical axis direction of the first infrared ray and a cylindrical convex lens having a surface facing the infrared light source portion A cylindrical convex lens having a plane and an opposite surface on one side having different curvature radii with respect to a direction of an optical axis of the first infrared ray and a direction of a vertical axis different from one axial direction; Is a cylindrical convex lens having different radii of curvature in different axial directions perpendicular to each other with respect to the optical axis direction of the first infrared ray.
상기 평행광 렌즈는 구면 또는 비구면의 회전대칭 볼록렌즈 형상이거나 반구형 볼록 렌즈 형상인 것을 특징으로 하는 가스 측정 광학계.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the parallel optical lens has a spherical or aspherical rotationally symmetric convex lens shape or a hemispherical convex lens shape.
상기 평행광 렌즈와 상기 실린더형 집속광렌즈의 재료는 적외선 대역에서 사용할 수 있는 실리콘(Si), 저마늄(Ge), CaF2, 사파이어(Al2O3) 중 하나인 것을 특징으로 하는 가스 측정 광학계.5. The method of claim 4,
Wherein the material of the parallel optical lens and the cylindrical focusing optical lens is one of silicon (Si), germanium (Ge), CaF2, and sapphire (Al2O3) that can be used in the infrared band.
상기 평행광 렌즈와 상기 실린더형 집속광렌즈의 재료가 실리콘인 경우에, 상기 평행광 렌즈와 상기 실린더형 집속광렌즈의 표면에 무반사 코팅을 하여 투과도를 높이는 것을 특징으로 하는 가스 측정 광학계.The method of claim 5,
Wherein when the material of the parallel optical lens and the cylindrical condensing optical lens is silicon, an anti-reflective coating is applied to the surfaces of the parallel optical lens and the cylindrical condensing optical lens to increase the transmittance.
상기 측정광 측정부에 포함된 측정광 센서와 상기 참조광 측정부에 포함된 참조광 센서는 하나의 회로 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 측정 광학계.The method of claim 1,
Wherein the measurement light sensor included in the measurement light measurement unit and the reference light sensor included in the reference light measurement unit are formed on one circuit board.
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KR20130046353A KR101456273B1 (en) | 2013-04-25 | 2013-04-25 | Optical system for measurement gas |
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JP2007192761A (en) | 2006-01-23 | 2007-08-02 | Kankyo Semiconductors:Kk | Absorption gas analyzer |
JP2009180517A (en) | 2008-01-29 | 2009-08-13 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Infrared detection type gas analyzer |
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- 2013-04-25 KR KR20130046353A patent/KR101456273B1/en not_active IP Right Cessation
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