KR101465694B1 - 자외선 지수 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자외선 지수 측정 장치 및 그 방법을 제공한다. 이 자외선 지수 측정 방법은 파장 250 nm 내지 298 nm의 제1 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제1 광 센서, 파장 298 nm 내지 328nm의 제2 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제2 광 센서, 및 상기 파장 328 nm 내지 400 nm의 제3 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제3 광 센서를 준비하는 단계; 기준 태양광의 분광복사조도를 이용하여 상기 제1 광센서의 출력신호, 상기 제2 광센서의 출력 신호, 및 상기 제3 광센서의 출력 신호를 교정하는 단계; 측정 환경에서, 상기 제1 광센서의 제1 광전류, 상기 제2 광센서의 제2 광 전류, 및 상기 제3 광센서의 제3 광 전류를 측정하는 단계; 및 측정 환경에서, 상기 제1 광 전류, 상기 제2 광전류, 및 상기 제3 광전류를 이용하여 자외선 지수를 산출하는 단계를 포함한다.

Description

자외선 지수 측정 장치{UltraViolet Index Measuring Apparatus}
본 발명의 자외선 지수 측정 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 다른 분광 감응도를 가지는 3 채널의 자외선 지수 측정 장치에 관한 것이다.
자외선지수(UV index)는 태양광의 분광복사조도와 대략 285 nm 내지 385 nm의 파장별 피부의 피해 정도를 나타내는 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)을 가중 함수(weithing function)로 파장에 따라 적분하여 하나의 숫자로 나타낸 지수이다. 상기 자외선 지수는 태양 자외선의 피부에 대한 영향을 나타낸다.
현재 시중에 유통되고 있는 자외선지수 측정 센서는 고가의 장비를 이용하여 분광식으로 측정한다. 또는 자외선지수 측정 센서는 센서의 분광감응도를 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)에 근사하도록 제작된다. 상기 자외선지수 측정 센서는 다층 박막 코팅을 통하여 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)를 가지도록 제작된 자외선 포토다이오드를 사용한다. 하지만, 자외선지수 측정 센서의 분광감응도를 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)에 정확하게 맞추는 것은 어려운 일이다. 또한, 특수한 코팅이 필요하므로, 상기 자외선 측정 센서의 가격이 비싸다.
본 발명은 저렴한 자외선 지수 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 지수 측정 방법은 파장 250 nm 내지 298 nm의 제1 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제1 광 센서, 파장 298 nm 내지 328nm의 제2 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제2 광 센서, 및 상기 파장 328 nm 내지 400 nm의 제3 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제3 광 센서를 준비하는 단계; 기준 태양광의 분광복사조도를 이용하여 상기 제1 광센서의 출력신호, 상기 제2 광센서의 출력 신호, 및 상기 제3 광센서의 출력 신호를 교정하는 단계; 측정 환경에서, 상기 제1 광센서의 제1 광전류, 상기 제2 광센서의 제2 광 전류, 및 상기 제3 광센서의 제3 광 전류를 측정하는 단계; 및 측정 환경에서, 상기 제1 광 전류, 상기 제2 광전류, 및 상기 제3 광전류를 이용하여 자외선 지수를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기준 태양광의 분광복사조도 E(λ)를 이용하여 상기 제1 광센서의 출력신호, 상기 제2 광센서의 출력 신호, 및 상기 제3 광센서의 출력 신호를 교정하는 단계는 기준 태양광의 분광복사조도를 측정하는 단계; 상기 제1 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제1 기여분을 산출하는 단계; 상기 제2 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제2 기여분을 산출하는 단계; 상기 제3 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제3 기여분을 산출하는 단계; 기준 태양광의 분광복사조도에서 상기 제1 광센서의 교정용 제1 광 전류를 측정하는 단계; 기준 태양광의 분광복사조도에서 제2 광센서의 교정용 제2 광 전류를 측정하는 단계; 기준 태양광의 분광복사조도에서 제3 광센서의 교정용 제3 광 전류를 측정하는 단계; 교정용 제1 기여분을 교정용 제1 광전류로 나누어 제1 이득을 산출하는 단계; 교정용 제2 기여분을 교정용 제2 광전류로 나누어 제2 이득을 산출하는 단계; 및 교정용 제3 기여분을 교정용 제3 광전류로 나누어 제3 이득을 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정 환경에서, 상기 제1 광전류, 상기 제2 광전류, 및 상기 제3 광전류를 이용하여 자외선 지수를 산출하는 단계는 측정 환경에서 상기 제1 광전류와 상기 제1 이득을 곱하여 제1 교정 신호를 산출하는 단계; 측정 환경에서 상기 제2 광전류와 상기 제2 이득을 곱하여 제2 교정 신호를 산출하는 단계; 측정 환경에서 상기 제3 광전류와 상기 제3 이득을 곱하여 제3 교정 신호를 산출하는 단계; 및 상기 제1 교정 신호, 상기 제2 교정 신호, 및 상기 제3 교정 신호를 합산하여 자외선 지수를 구하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제3 광센서는 서로 다른 자외선 발광 다이오드(UV LED)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 지수 측정 장치는 250 nm 내지 298 nm의 제1 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제1 광센서; 298 nm 내지 328nm의 제2 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제2 광센서; 328 nm 내지 400 nm의 제3 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제3 광 센서; 및 태양광 아래에서 상기 제1 내지 제3 광센서의 출력 신호를 제공받아 자외선 지수를 산출하는 처리부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 내지 제3 광센서는 자외선 발광 다이오드이고, 상기 제1 광센서의 발광 스펙트럼의 중심 파장은 250 nm 내지 298 nm이고, 상기 제2 광센서의 발광 스펙트럼의 중심 파장은 298 nm 내지 328nm이고, 상기 제3 광센서의 발광 스펙트럼의 중심 파장은 328 nm 내지 400 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 처리부는 상기 제1 광센서, 상기 제2 광센서, 및 상기 제3 광센서의 출력신호를 증폭하고 이득을 조절하는 증폭 회로; 상기 증폭 회로의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기; 및 상기 AD 변환기의 출력신호를 합산하여 자외선 지수를 산출하는 연산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 처리부는 상기 제1 광센서, 상기 제2 광센서, 및 상기 제3 광센서의 출력신호를 증폭하는 증폭기; 및 상기 증폭기의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기; 상기 AD 변환기의 출력신호를 처리하여 그 세기를 조절하는 교정부; 및 상기 제1 내지 제3 광센서의 교정된 신호를 합산하는 자외선 지수를 산출하는 연산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 3 광센서 앞에 배치되는 산란기(diffuer)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 지수 측정 장치는 250 nm 내지 298 nm의 제1 구간, 298 nm 내지 328nm의 제2 구간, 및 328 nm 내지 400 nm의 제3 구간 중에서 적어도 하나에서 분광 감응도를 가지는 광센서; 및 태양광 아래에서 상기 광센서의 출력 신호를 제공받아 자외선 지수를 산출하는 처리부를 포함하고, 상기 광센서는 수광소자로 기능하는 자외선 발광 다이오드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광센서는 질화알루미늄(AlGaN, Aluminium gallium nitride)계 자외선 발광 다이오드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 이동 통신 단말은 자외선 지수 측정 장치를 포함한다. 상기 자외선 지수 측정 장치는 250 nm 내지 298 nm의 제1 구간, 298 nm 내지 328nm의 제2 구간, 및 328 nm 내지 400 nm의 제3 구간 중에서 적어도 하나에서 분광 감응도를 가지는 광센서; 및 태양광 아래에서 상기 광센서의 출력 신호를 제공받아 자외선 지수를 산출하는 처리부를 포함하고, 상기 광센서는 수광소자로 기능하는 자외선 발광 다이오드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 생산 판매되고 있는 UV LED를 광센서로 활용하여, 간단하게 자외선 지수를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 LED의 분광 감응도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 2는 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)을 나타내는 도면이다.
도 3은 광 센서들의 분광감응도와 교정된 분광감응도를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 지수 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 4의 처리부를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 자외선 지수 측정 장치를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시에 따르면, 자외선 광센서는 자외선 발광다이오(UV light emitting diode; UV LED)를 사용한다. 이에 따라, 경제적이면서도 정확한 자외선 지수 측정 장치가 제공될 수 있다.
매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)는 3 구간으로 나뉜다.
(1) 250 nm < 제1 구간 < 298 nm,
(2) 298 nm < 제2 구간 < 328 nm,
(3) 328 nm < 제3 구간 < 400 nm.
제1 구간에서, 상기 커브는 일정한 상수값을 가진다. 제2 구간에서, 상기 커브는 급격한 기울기를 가지며 감소한다. 제3 구간에서, 상기 커브는 완만한 기울기를 가지며 감소한다.
제1 광 센서는 상기 제1 구간에서만 분광 감응도를 가질 수 있다. 제2 광선는 상기 제2 구간에서만 분광 감응도를 가질 수 있다. 또한, 상기 제3 광센서는 상기 제3 구간에서만 분광 감응도를 가질 수 있다.
최근, 질화알루미늄(AlGaN, Aluminium gallium nitride)계 LED는 200 nm 내지 360 nm 부근의 심적외선(deep UV)을 높은 효율로 발광시킬 수 있다.
LED는 통상적으로 발광소자로서 기능하나, 상기 LED는 수광 소자로서 기능할수 있다. 그러나, 수광 소자로서 기능하는 상기 LED의 효율은 저하된다. 따라서, LED는 발광소자로 사용하고 수광 소자로 사용하지 않는다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 지수 측정 장치에 따르면, 태양광 하에서 동작하므로 UV LED는 수광 소자로 사용된다.
구체적으로, 상기 제1 광 센서는 상기 제1 구간에서 첨두 피크를 가지는 제1 UV LED일 수 잇다. 상기 제1 UV LED가 발광소자로 기능하는 경우, 상기 첨두 피크는 상기 제1 구간에 존재할 수 있다.
상기 제2 광 센서는 상기 제2 구간에서 첨두 피크를 가지는 제2 UV LED일 수 있다. 상기 제2 UV LED가 발광소자로 기능하는 경우, 상기 첨두 피크는 상기 제2 구간에 존재할 수 있다.
상기 제3 광센서는 상기 제3 구간에서 첨두 피크를 가지는 제3 UV LED일 수 있다. 상기 제3 UV LED가 발광소자로 기능하는 경우, 상기 첨두 피크는 상기 제3 구간에 존재할 수 있다.
상기 제1 UV LED, 상기 제2 UV LED, 및 상기 제3 UV LED는 수광 소자로 사용된다. 이에 따라, 상기 제1 UV LED, 상기 제2 UV LED, 및 상기 제3 UV LED의 광전류가 측정된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 LED의 분광 감응도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 실험에 사용된 자외선 LED가 발광 소자로 기능하는 경우, 중심 파장은 340 nm이다. 상기 자외선 LED는 태양광 조사 조건에서 수광 소자로 기능할 수 있다. 340 nm 내지 320 nm 영역에서 분광 감응도가 발생한다. 따라서, 상기 자외선 LED 소자는 제2 구역에서 수광 소자로 동작할 수 있다.
이하, 본 발명의 동작 원리가 설명된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 지수 측정 방법은 광 센서를 준비하는 단계, 상기 광 센서를 교정하는 단계, 측정 환경에서 상기 광센서의 광전류를 측정하는 단계, 및 상기 자외선 지수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광 센서를 준비하는 단계는 파장 250 nm 내지 298 nm의 제1 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제1 광센서, 파장 298 nm 내지 328nm의 제2 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제2 광센서, 및 상기 파장 328 nm 내지 400 nm의 제3 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제3 광센서를 준비할 수 있다.
상기 광 센서를 교정하는 단계는 기준 태양광의 분광복사조도를 이용하여 상기 제1 광센서의 출력신호, 상기 제2 광센서의 출력 신호, 및 상기 제3 광센서의 출력 신호를 교정할 수 있다.
측정 환경에서 상기 광 센서의 광 전류를 측정하는 단계는 측정 환경에서, 상기 제1 광센서의 제1 광전류, 상기 제2 광센서의 제2 광 전류, 및 상기 제3 광센서의 제3 광 전류를 측정할 수 있다.
자외선 지수를 산출하는 단계는 측정 환경에서, 상기 제1 광 전류, 상기 제2 광전류, 및 상기 제3 광전류를 이용하여 자외선 지수를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자외선지수 측정 장치는 감응하는 파장영역이 서로 다른 세 개의 광센서들을 사용하여 각각의 신호를 독립적으로 증폭한 후 더하여 자외선지수를 산출할 수 있다. 상기 자외선지수 측정 장치는 교정 과정을 거친다. 상기 교정 과정은 각 광센서의 최종 신호의 합이 자외선지수(UVI)와 같도록 각 광센서 채널의 이득(G1, G2, G3)를 결정하여 주는 절차이다.
제1 광센서의 분광감응도(S1), 제2 광센서의 분광 감응도(S2), 및 제3 광센서의 분광 감응도(S3)에 요구되는 조건은 다음과 같다.
Figure 112013074701636-pat00001
제1 내지 제3 광 센서가 기준 태양광에 노출되면, 1차적으로 발생하는 광전류 신호(i1, i2, i3)는 다음 식과 같다.
Figure 112013074701636-pat00002
여기서, E(λ)는 기준 태양광의 분광복사조도(단위 W/m2)이며, A는 각 광센서의 수광 면적이다. 상기 수광 면적은 모두 동일하다고 가정한다.
자외선 지수(UVI)는 세 구간의 기여분들의 합으로 다음과 표시된다.
Figure 112013074701636-pat00003
여기서, w(λ)는 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)이다. y1는 제1 구간에서 자외선지수(UVI)의 기여분이고, y2는 제2 구간에서 자외선지수(UVI)의 기여분이고, y3는 제3 구간에서 자외선지수(UVI)의 기여분이다. α는 상수로 α = 1/(25 mW/m2)이다. λ는 파장이다.
교정의 목표는 y1 + y2 + y3 = UVI가 되도록 하는 것이다. 수학식 1 내지 3를 참조하면, 교정을 통해 설정해야 하는 제1 내지 제3 광센서의 광전류 신호(i1, i2, i3)의 이득(G1, G2, G3)을 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112013074701636-pat00004
교정을 위하여 알아야 할 정보는 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)와 상기 기준 태양광에 대한 제1 내지 제3 광 센서의 광전류(iref1, iref2, iref3)이다. 교정은 광센서의 분광 감응도의 세기를 조절하여, 각 광센서의 분광 감응도의 최대값들이 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)을 일치하는 것을 제공할 수 있다.
도 2는 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)을 나타내는 도면이다.
도 3은 광 센서들의 분광감응도와 교정된 분광감응도를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 광센서의 분광감응도(S1)의 중심 파장은 상기 제1 구역 내에 존재한다. 교정을 통하여, 교정된 분광감응도(S1 x G1)의 세기는 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)의 특성을 따라가도록 증가할 수 있다.
한편, 제3 광센서의 분광감응도(S3)의 중심 파장은 상기 제3 구역 내에 존재한다. 교정을 통하여, 교정된 분광감응도(S3 x G3)의 세기는 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)의 특성을 따라가도록 감소될 수 있다. 이에 따라, 제3 이득 G3는 제2 이득 G2 보다 수십 배 작고, 제2 이득 G2은 제1 이득 G1보다 수십 배 작을 수 있다. G1 > G2 > G3의 조건을 충족할 수 있다.
기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)가 측정된다. 상기 제1 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제1 기여분(yref1)이 산출된다.
상기 제2 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제2 기여분(yref2)이 산출된다.
상기 제3 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제3 기여분(yref3)이 산출된다.
이어서, 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)에서 상기 제1 광센서의 교정용 제1 광전류(iref1)를 측정한다. 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)에서 제2 광센서의 교정용 제2 광전류(iref2)를 측정된다. 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)에서 제3 광센서의 교정용 제3 광전류(iref3)를 측정한다.
교정용 제1 기여분(yref1)을 교정용 제1 광전류(iref1)로 나누어 제1 이득(G1)을 산출한다. 교정용 제2 기여분(yref2)을 교정용 제2 광전류(iref2)로 나누어 제2 이득(G2)을 산출한다. 그리고 교정용 제3 기여분(yref3)을 교정용 제3 광전류(iref3)로 나누어 제3 이득(G3)을 산출한다.
정리하면, 교정에서는 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)를 제1 구간 내지 제3 구간에 대하여 기준 분광복사계로 측정한다. 이어서, 수학식 3에 따라 기여분(yref1, yref2, yref3)를 각각 산출한다. 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)에서, 자외선 지수(UVI)는 yref1 + yref2 + yref3로 주어진다. 또한, 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)에서, 제1 광 센서의 교정용 제1 광전류(iref1), 제2 광센서의 교정용 제2 광전류(iref2), 및 제3 광센서의 교정용 제3 광전류(iref3)가 측정된다. 이어서, 수학식 4를 이용하여, 이득(G1, G2, G3)을 각각 산출한다. 교정 후, 상기 제1 내지 제3 센서의 교정된 출력 신호의 합(iref1 x G1 + iref1 x G1 + iref1 x G1)은 자외선 지수와 일치한다.
교정이 완료된 후, 기준 태광광의 분광복사조도와 다른 세기 및 다른 프로파일을 가진 분광복사조도가 상기 광 센서들에 조사될 수 있다. 이 경우, 제1 광센서의 제1 광전류(I1)는 교정된 제1 이득(G1)에 의하여, 제1 교정 신호(i1 x G1 )로 변환될 수 있다. 제2 광센서의 제2 광전류(I2)는 교정된 제2 이득(G2)에 의하여, 제2 교정 신호(i2 x G2 )로 변환될 수 있다. 제3 광센서의 제3 광전류(I3)는 교정된 제3 이득(G3)에 의하여, 제3 교정 신호(i3 x G3 )로 변환될 수 있다.
임의의 환경에서, 태양광의 분광복사조도 E(λ)는 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)와 다른 프로파일을 가질 수 있다. 그러나, 태양광의 분광복사조도 E(λ)는 기준 태양광의 분광복사조도 Eref(λ)보다 세기는 증가 또는 감소할 수 있다. 태양광의 분광복사조도 E(λ)는 태양의 위도, 측정 고도, 또는 날씨에 의존할 수 있다.
측정 환경에서, 상기 제1 광전류, 상기 제2 광전류, 및 상기 제3 광전류를 이용하여 자외선 지수를 산출하는 단계는 측정 환경에서 상기 제1 광전류(I1)와 상기 제1 이득(G1)을 곱하여 제1 교정 신호(Y1 = G1 x I1)를 산출하는 단계, 측정 환경에서 상기 제2 광전류(I2)와 상기 제2 이득(G2)을 곱하여 제2 교정 신호(Y2 = G2 x I2)를 산출하는 단계, 측정 환경에서 상기 제3 광전류(I3)와 상기 제3 이득(G3)을 곱하여 제3 교정 신호(Y3 = G3 x I3)를 산출하는 단계, 및 상기 제1 교정 신호, 상기 제2 교정 신호, 및 상기 제3 교정 신호를 합산하여 자외선 지수를 구하는 단계를 포함한다.
임의의 태양광의 분광복사조도 E(λ)에서, 자외선 지수를 측정하기 위하여, 제1 내지 제3 광센서의 광전류(I1, I2, I3)를 각각 측정한다. 이어서, 이미 교정된 증폭률(G1, G2, G3)를 이용하여, 제1 내지 제3 교정 신호( Y1 = G1 x I1, Y2 = G2 x I2, Y3 = G3 x I3)이 산출된다. 자외선 지수는 증폭률과 광 전류의 곱셈을 합산하여 구해진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 교정을 위하여 광센서의 분광감응도(S1), 제2 광센서의 분광 감응도(S2), 및 제3 광센서의 분광 감응도(S3)의 측정이 요구되지 않을 수 있다. 구체적으로, 제1 광센서가 자외선 LED이면, 상기 자외선 LED의 중심 파장만 알면, 상기 제1 광센서의 분광감응도의 선폭은 결정될 수 있다. 실험 결과에 의하면, 자외선 LED의 경우 분광감응도의 선폭은 20 nm 정도이다.
위의 교정 모델이 유효하기 위하여 가장 중요한 전제 조건은 각 광센서의 분광감응도에 요구되는 수학식 1의 조건이다. 수학식 1의 조건만 만족한다면, 각 광 센서의 분광감응도의 최고값, 상기 최고값의 위치, 또는 분광감응도의 분광폭(bandwidth) 등은 교정에 영향을 미치지 않는다.
상기 광 센서의 이득은 증폭회로의 이득을 통하여 조절될 수 있다. 또는 상기 광 센서의 이득은 상기 광 센서의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하고 변환된 신호를 처리하여 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 지수 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 4의 처리부를 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 자외선 지수 측정 장치(100)는 250 nm 내지 298 nm의 제1 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제1 광센서(112a), 298 nm 내지 328nm의 제2 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제2 광센서(112b), 328 nm 내지 400 nm의 제3 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제3 광센서(112c), 및 태양광 아래에서 상기 제1 내지 제3 광센서의 출력 신호를 제공받아 자외선 지수를 산출하는 처리부(120)를 포함한다.
제1 내지 제3 광센서(112a~112c)는 자외선 발광 다이오드일 수 있다. 상기 제1 광센서(112a)의 발광 스펙트럼의 중심 파장은 250 nm 내지 298 nm이고, 상기 제2 광센서(112b)의 발광 스펙트럼의 중심 파장은 298 nm 내지 328nm이고, 상기 제3 광센서(112c)의 발광 스펙트럼의 중심 파장은 328 nm 내지 400 nm일 수 있다.
질화알루미늄(AlGaN, Aluminium gallium nitride)계 LED는 200nm 내지 360 nm부근의 심자외선(deep UV)을 높은 효율로 발광시킬 수 있다. UV LED의 파장은 도핑 농도에 따라 변경될 수 있다.
LED는 통상적으로 발광소자로서 기능하나, 상기 LED는 수광 소자로서 기능할수 있다. 그러나, 수광 소자로서 기능하는 상기 LED의 효율은 저하된다. 따라서, LED는 발광소자로 사용하고 수광 소자로 사용하지 않는다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광센서로서 UV LED가 사용된다.
구체적으로, 제1 광센서(112a)는 상기 제1 구간에서 첨두 피크를 가지는 제1 UV LED일 수 있다. 상기 제1 UV LED가 발광소자로 기능하는 경우, 상기 첨두 피크는 상기 제1 구간에 존재할 수 있다.
제2 광센서(112b)는 상기 제2 구간에서 첨두 피크를 가지는 제2 UV LED일 수 있다. 상기 제2 UV LED가 발광소자로 기능하는 경우, 상기 첨두 피크는 상기 제2 구간에 존재할 수 있다.
제3 광센서(112c)는 상기 제3 구간에서 첨두 피크를 가지는 제3 UV LED일 수 있다. 상기 제3 UV LED가 발광소자로 기능하는 경우, 상기 첨두 피크는 상기 제3 구간에 존재할 수 있다.
상기 제1 광센서(112a), 상기 제2 광센서(112b), 및 상기 제3 광센서(112c)의 광전류(I1,I2,I3)가 측정된다. 상기 교정 신호는 광전류(I1,I2,I3)에 각각의 이득(G1,G2.G3)을 곱하여 얻어질 수 있다. 상기 교정신호(Y1,Y2,Y3)는 합산되어 자외선 지수를 제공할 수 있다.
산란기(diffuser,111)는 상기 제1 내지 3 광센서(112a~112c) 앞에 배치되는 배치될 수 있다. 상기 산란기(111)는 동일한 태양광의 분광복사조도 E(λ)를 상기 제1 내지 3 광센서(112a~112c)에 제공할 수 있다.
상기 처리부(120)는 상기 제1 광센서(112a), 상기 제2 광센서(112b), 및 상기 제3 광센서(112c)의 출력신호를 증폭하고 이득을 조절하는 증폭 회로(122), 및 상기 증폭 회로(122)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기(124), 상기 AD 변환기(124)의 출력신호를 합산하여 자외선 지수를 산출하는 연산부(126)를 포함할 수 있다.
증폭 회로(122)는 전류-전압 변환회로를 포함할 수 있다. 상기 전류-전압 변환회로는 연산증폭기(123a)와 이득 저항(123b)을 포함할 수 있다. 상기 연산 증폭기(123a)의 양의 입력단은 접지되고, 음의 입력단은 상기 제1 광센서(112a)의 음극 및 상기 연산 증폭기(123a)의 출력단에 연결될 수 있다. 상기 제1 광 센서(112a)의 양극은 접지될 수 있다.
상기 증폭회로(122)는 제1 광센서(112a)에 연결된 제1 증폭회로(122a), 제2 광센서에 연결된 제2 증폭회로(122b), 및 제3 광 센서에 연결된 제3 증폭회로(122c)를 포함할 수 있다. 상기 제1 증폭회로(122a)의 제1 이득은 교정과정에서 조절될 수 있다. 상기 제2 증폭회로(122b)의 제2 이득은 교정과정에서 조절될 수 있다. 또한, 상기 제3 증폭회로(122c)의 제3 이득은 교정과정에서 조절될 수 있다.
AD 변환기(124)는 상기 제1 증폭회로(122a)의 출력을 디지털 신호로 변환한 제1 교정 신호(Y1)를 출력하고, 상기 제2 증폭회로(122b)의 출력을 디지털 신호로 변환한 제2 교정 신호(Y2)를 출력하고, 그리고 상기 제3 증폭회로(122c)의 출력을 디지털 신호로 변환한 제3 교정 신호(Y3)를 출력할 수 있다.
연산부는 상기 제1 교정 신호(Y1), 제2 교정 신호(Y2), 및 제3 교정 신호(Y3)를 합산하여 자외선 지수를 출력할 수 있다.
표시부(130)는 상기 연산부(226)의 자외선 지수를 입력받아 표시할 수 있다.
도 6은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 자외선 지수 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 처리부(220)는 상기 제1 광센서(112a), 상기 제2 광센서(112b), 및 상기 제3 광센서(112c)의 출력신호를 증폭하는 증폭 회로(222), 상기 증폭 회로(222)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기(224), 상기 AD 변환기(224)의 출력신호를 처리하여 그 세기를 조절하는 교정부(225), 및 상기 제1 내지 제3 광센서의 교정된 신호를 합산하는 자외선 지수를 산출하는 연산부(226)를 포함한다.
상기 증폭회로(222)는 제1 광센서(112a)에 연결된 제1 증폭회로(222a), 제2 광센서(112b)에 연결된 제2 증폭회로(222b), 및 제3 광 센서(112c)에 연결된 제3 증폭회로(222c)를 포함할 수 있다. 상기 증폭 회로(222)는 전류-전압 변환회로를 포함할 수 있다. 상기 전류-전압 변환회로는 연산증폭기와 이득 저항을 포함할 수 있다. 상기 연산 증폭기의 양의 입력단은 접지되고, 음의 입력단은 상기 제1 광센서의 음극 및 상기 연산 증폭기의 출력단에 연결될 수 있다. 상기 광 센서의 양극은 접지될 수 있다. 상기 증폭회로(222)의 이득은 고정될 수 있다.
AD 변환기(224)는 제1 광센서(112a)의 출력을 디지털 신호로 변환한 제1 광전류 신호, 제2 광센서의 출력을 디지털 신호로 변환한 제 2 광전류 신호, 및 제3 광센서의 출력을 디지털 신호로 변환한 제3 광전류 신호를 출력할 수 있다.
교정부(225)는 상기 AD 변환기(224)의 출력신호를 처리하여 그 세기를 조절할 수 있다. 교정부(225)는 제1 교정부(225a), 제2 교정부(225b), 및 제3 교정부(225c)를 포함할 수 있다. 상기 제1 교정부(225a)는 상기 제1 광전류 신호와 제1 이득을 곱하여 제1 교정 신호(Y1)를 출력할 수 있다. 상기 제2 교정부(225b)는 상기 제2 광전류 신호와 제2 이득을 곱하여 제2 교정 신호(Y2)를 출력할 수 있다. 상기 제3 교정부(2225)는 상기 제3 광전류 신호와 제3 이득을 곱하여 제3 교정 신호(Y3)를 출력할 수 있다.
연산부(226)는 상기 제1 교정 신호(Y1), 제2 교정 신호(Y2), 및 제3 교정 신호(Y3)를 합산하여 자외선 지수(UVI)를 출력할 수 있다.
표시부(130)는 상기 연산부(226)의 자외선 지수를 입력받아 표시할 수 있다.
최근, 이동 통신 단말은 다양한 기능을 수행하도록 다양한 센서를 장착하고 있다. 구체적으로, 이동 통신 단말은 지자기 센서, 가속도 센서, GPS 센서, 또는 온도 센서 등을 구비한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자외선지수 측정 장치는 상기 이동 통신 단말에 장착될 수 있다. 구체적으로, 상기 자외선 지수 측정 장치는 이동 통신 단말의 카메라 모듈과 함께 또는 카메라 모듈과 별도로 장착될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
111: 산란부
112a,112b,112c: 광센서
122: 증폭회로
124: AD 변환기
126: 연산부

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 파장 250 nm 내지 298 nm의 제1 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제1 광 센서, 파장 298 nm 내지 328nm의 제2 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제2 광 센서, 및 상기 파장 328 nm 내지 400 nm의 제3 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제3 광 센서를 준비하는 단계;
    기준 태양광의 분광복사조도를 이용하여 상기 제1 광센서의 출력신호, 상기 제2 광센서의 출력 신호, 및 상기 제3 광센서의 출력 신호를 교정하는 단계;
    측정 환경에서, 상기 제1 광센서의 제1 광전류, 상기 제2 광센서의 제2 광 전류, 및 상기 제3 광센서의 제3 광 전류를 측정하는 단계; 및
    측정 환경에서, 상기 제1 광 전류, 상기 제2 광전류, 및 상기 제3 광전류를 이용하여 자외선 지수를 산출하는 단계를 포함하고,
    기준 태양광의 분광복사조도 E(λ)를 이용하여 상기 제1 광센서의 출력신호, 상기 제2 광센서의 출력 신호, 및 상기 제3 광센서의 출력 신호를 교정하는 단계는:
    기준 태양광의 분광복사조도를 측정하는 단계;
    상기 제1 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제1 기여분을 산출하는 단계;
    상기 제2 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제2 기여분을 산출하는 단계;
    상기 제3 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제3 기여분을 산출하는 단계;
    기준 태양광의 분광복사조도에서 상기 제1 광센서의 교정용 제1 광 전류를 측정하는 단계;
    기준 태양광의 분광복사조도에서 제2 광센서의 교정용 제2 광 전류를 측정하는 단계;
    기준 태양광의 분광복사조도에서 제3 광센서의 교정용 제3 광 전류를 측정하는 단계;
    교정용 제1 기여분을 교정용 제1 광전류로 나누어 제1 이득을 산출하는 단계;
    교정용 제2 기여분을 교정용 제2 광전류로 나누어 제2 이득을 산출하는 단계; 및
    교정용 제3 기여분을 교정용 제3 광전류로 나누어 제3 이득을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 지수 측정 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    측정 환경에서, 상기 제1 광전류, 상기 제2 광전류, 및 상기 제3 광전류를 이용하여 자외선 지수를 산출하는 단계는:
    측정 환경에서 상기 제1 광전류와 상기 제1 이득을 곱하여 제1 교정 신호를 산출하는 단계;
    측정 환경에서 상기 제2 광전류와 상기 제2 이득을 곱하여 제2 교정 신호를 산출하는 단계;
    측정 환경에서 상기 제3 광전류와 상기 제3 이득을 곱하여 제3 교정 신호를 산출하는 단계; 및
    상기 제1 교정 신호, 상기 제2 교정 신호, 및 상기 제3 교정 신호를 합산하여 자외선 지수를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 지수 측정 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 광센서는 서로 다른 자외선 발광 다이오드(UV LED)인 것을 특징으로 하는 자외선 지수 측정 방법.
  5. 250 nm 내지 298 nm의 제1 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제1 광센서;
    298 nm 내지 328nm의 제2 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제2 광센서;
    328 nm 내지 400 nm의 제3 구간에서만 분광 감응도를 가지는 제3 광 센서; 및
    태양광 아래에서 상기 제1 내지 제3 광센서의 출력 신호를 제공받아 자외선 지수를 산출하는 처리부를 포함하고,
    상기 처리부는 기준 태양광의 분광복사조도를 이용하여 상기 제1 광센서의 출력신호, 상기 제2 광센서의 출력 신호, 및 상기 제3 광센서의 출력 신호를 교정하고,
    상기 처리부는
    상기 제1 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제1 기여분을 저장하고,
    상기 제2 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제2 기여분을 저장하고,
    상기 제3 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제3 기여분을 저장하고,
    교정용 제1 기여분을 기준 태양광의 분광복사조도에서 상기 제1 광센서의 교정용 제1 광 전류로 나누어 제1 이득을 저장하고,
    교정용 제2 기여분을 기준 태양광의 분광복사조도에서 제2 광센서의 교정용 제2 광 전류로 나누어 제2 이득을 저장하고, 그리고
    교정용 제3 기여분을 기준 태양광의 분광복사조도에서 제3 광센서의 교정용 제3 광 전류로 나누어 제3 이득을 저장하는 것을 특징으로 하는 자외선 지수 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    제1 내지 제3 광센서는 자외선 발광 다이오드이고,
    상기 제1 광센서의 발광 스펙트럼의 중심 파장은 250 nm 내지 298 nm이고,
    상기 제2 광센서의 발광 스펙트럼의 중심 파장은 298 nm 내지 328nm이고
    상기 제3 광센서의 발광 스펙트럼의 중심 파장은 328 nm 내지 400 nm인 것을 특징인 것을 특징으로 하는 자외선 지수 측정 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    상기 제1 광센서, 상기 제2 광센서, 및 상기 제3 광센서의 출력신호를 증폭하고 이득을 조절하는 증폭 회로;
    상기 증폭 회로의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기; 및
    상기 AD 변환기의 출력신호를 합산하여 자외선 지수를 산출하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 지수 측정 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    상기 제1 광센서, 상기 제2 광센서, 및 상기 제3 광센서의 출력신호를 증폭하는 증폭기; 및
    상기 증폭기의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기;
    상기 AD 변환기의 출력신호를 처리하여 그 세기를 조절하는 교정부; 및
    상기 제1 내지 제3 광센서의 교정된 신호를 합산하는 자외선 지수를 산출하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 지수 측정 장치.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 내지 3 광센서 앞에 배치되는 산란기(diffuer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 지수 측정 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 자외선 지수 측정 장치를 포함하는 휴대용 이동 통신 단말에 있어서,
    상기 자외선 지수 측정 장치는:
    250 nm 내지 298 nm의 제1 구간, 298 nm 내지 328nm의 제2 구간, 및 328 nm 내지 400 nm의 제3 구간 중에서 적어도 하나에서 분광 감응도를 가지는 광센서; 및
    태양광 아래에서 상기 광센서의 출력 신호를 제공받아 자외선 지수를 산출하는 처리부를 포함하고,
    상기 처리부는 기준 태양광의 분광복사조도를 이용하여 상기 제1 광센서의 출력신호, 상기 제2 광센서의 출력 신호, 및 상기 제3 광센서의 출력 신호를 교정하고,
    상기 처리부는
    상기 제1 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제1 기여분을 저장하고,
    상기 제2 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제2 기여분을 저장하고,
    상기 제3 구간에서 매킨리-디페이 홍반 작용 스펙트럼 커브(McKinlay-Diffey erythemal action spectrum curve)와 상기 기준 태양광의 분광복사조도를 적분하여 자외선 지수의 교정용 제3 기여분을 저장하고,
    교정용 제1 기여분을 기준 태양광의 분광복사조도에서 상기 제1 광센서의 교정용 제1 광 전류로 나누어 제1 이득을 저장하고,
    교정용 제2 기여분을 기준 태양광의 분광복사조도에서 제2 광센서의 교정용 제2 광 전류로 나누어 제2 이득을 저장하고, 그리고
    교정용 제3 기여분을 기준 태양광의 분광복사조도에서 제3 광센서의 교정용 제3 광 전류로 나누어 제3 이득을 저장하는 것을 특징으로 하는 휴대용 이동 통신 단말.
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