KR101539005B1 - 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정장치 및 그 방법 - Google Patents
이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정장치 및 그 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101539005B1 KR101539005B1 KR1020130142326A KR20130142326A KR101539005B1 KR 101539005 B1 KR101539005 B1 KR 101539005B1 KR 1020130142326 A KR1020130142326 A KR 1020130142326A KR 20130142326 A KR20130142326 A KR 20130142326A KR 101539005 B1 KR101539005 B1 KR 101539005B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- plasma
- light
- wavelength
- image
- optical filter
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 69
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 23
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 42
- 230000001788 irregular Effects 0.000 claims description 21
- 238000003705 background correction Methods 0.000 claims description 19
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 14
- 239000003086 colorant Substances 0.000 claims description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 5
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000008030 elimination Effects 0.000 claims description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 7
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 abstract 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical group [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 25
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 17
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 13
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 6
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 206010065042 Immune reconstitution inflammatory syndrome Diseases 0.000 description 1
- 235000012745 brilliant blue FCF Nutrition 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011022 opal Substances 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/48—Thermography; Techniques using wholly visual means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
본 발명은 플라즈마의 전자와 중성원자의 상호작용에 의해 발생되는 중성 제동복사(neutral bremsstrahlung) 방출광을 이미지 센서로 측정하여 플라즈마의 전자온도의 2차원 측정을 수행할 수 있도록 하는 이미지 센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정장치 및 그 방법에 관한 것으로,
상기 플라즈마 전자온도 측정장치는, 두 개 이상의 서로 다른 파장의 플라즈마 광 중 어느 하나의 파장의 플라즈마광을 투과시키는 광학필터부와 상기 광학필터부를 투과한 특정 파장의 플라즈마광을 촬영하는 이미지센서를 구비하여 선택된 파장별 플라즈마 영상을 각각 촬영하는 촬영부;와, 상기 촬영부로부터 상기 각각의 파장별로 촬영된 각각의 플라즈마 영상의 로우(raw) 데이터를 수신하여, 상기 광학필터부의 투과 파장에 대응하는 색의 픽셀들을 각각 추출한 후, 동일 픽셀에서의 각각의 파장별 광강도의 비를 구하는 것에 의해 전자온도분포를 산출하는 전자온도측정기;를 포함하여 구성되어,
전자여기온도가 아닌 전자온도를 기사광선 파장 영역을 감지하는 이미센서를 이용하여 저비용으로 신속하고 정확하게 측정할 수 있도록 한다.
상기 플라즈마 전자온도 측정장치는, 두 개 이상의 서로 다른 파장의 플라즈마 광 중 어느 하나의 파장의 플라즈마광을 투과시키는 광학필터부와 상기 광학필터부를 투과한 특정 파장의 플라즈마광을 촬영하는 이미지센서를 구비하여 선택된 파장별 플라즈마 영상을 각각 촬영하는 촬영부;와, 상기 촬영부로부터 상기 각각의 파장별로 촬영된 각각의 플라즈마 영상의 로우(raw) 데이터를 수신하여, 상기 광학필터부의 투과 파장에 대응하는 색의 픽셀들을 각각 추출한 후, 동일 픽셀에서의 각각의 파장별 광강도의 비를 구하는 것에 의해 전자온도분포를 산출하는 전자온도측정기;를 포함하여 구성되어,
전자여기온도가 아닌 전자온도를 기사광선 파장 영역을 감지하는 이미센서를 이용하여 저비용으로 신속하고 정확하게 측정할 수 있도록 한다.
Description
본 발명은 이미지센서를 이용한 플라즈마의 전자온도 측정에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 플라즈마 내에서 전자와 중성원자의 상호작용에 의해 발생되는 중성 제동복사(neutral bremsstrahlung) 방출광을 이미지 센서로 측정하여 플라즈마의 전자온도의 2차원 측정을 수행할 수 있도록 하는 이미지 센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다
기존의 저압 플라즈마에 비해 여러 가지 장점을 가지는 중간압력 플라즈마(moderate pressure plasma) 및 대기압 플라즈마는 수년 전부터 많은 관심을 받고 있으며, 'Heesoo Jung et al., Nanoscale 5, 7825 (2013)', '[2] Hyun Jung Lee et al., Food Microbiology 28, 1468 (2011)' 및 Bomi Gweon et al., Appl. Phys. Lett. 96, 101501 (2010).' 등과 같이, 플라즈마 진단을 통한 기초적인 연구뿐만 아니라 생/의학 응용, 정수, 표면처리 등과 같은 여러 응용분야에 대한 연구도 많이 진행되고 있다.
일반적인 제동복사 방출의 이론을 살펴보면, 일반적으로 불완전 전리된 플라즈마(weakly-ionized plasma)에서는 전자-이온의 상호작용에 의한 제동복사 방출광보다 중성원자와 전자간의 작용에 의한 연속 방출광이 자외선 및 가시광 영역에서 큰 비중을 차지한다. 중성 제동복사 방사도는 'K. T. A. L. Burm, Plasma Sources Sci. Technol. 13, 387 (2004)'와 'M. M. Popovi
et al., Fizika 6 29 (1974).'에 언급된 바와 같이, [수학식 1] 내지 [수학식 3]으로 나타날 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
상기 [수학식 1] 내지 [수학식3]에서, [수학식 1]은 중성제동복사 방사도, [수학식 2]는 제동복사 단면적이며, [수학식 3]은 운동량 단면적을 나타내는 식이고, hυ, υ, E, c, na, λ, Te는 각각 광자의 에너지, 입사 전잔의 속력, 전자의 초기 에너지, 빛의 속도, 중성원자 밀도, 빛의 파장, 전자온도를 나타낸다.
[수학식 1]과 같이, 방사도는 전자밀도 및 중성원자 밀도에 비례하며 전자온도에 대한 함수로 나타난다. 제동복사 단면적(cross section)(
)은 [수학식 2]와 같이 운동량 단면적(momentum cross section)(
)에 비례하며 실험적으로 얻어진 아르곤 원자의 운동량 단면적은 [수학식 3]에 표현된 것과 같이 초기 전자의 에너지값에 의해 결정된다. 여기서, 수학식 3은 아르곤 가스의 원자의 운동량 단면적을 나타내는 식으로, 헬륨 가스 등 다른 가스가 사용되는 경우, 사용되는 가스에 따라 가변된다. 이때 전자의 에너지는 Maxwellian distribution를 이루고 있다는 가정을 하는데, 이는 입자간의 충분히 많은 충돌이 일어나는 중간압력이나 그 이상의 높은 압력(high pressure)에서는 적합하다 할 수 있다.
도 1은 각각의 표시된 전자온도에서 계산되어 400nm 파장에서 정규화된 파장별 방사도이다.
결론적으로 방출되는 빛의 파장 및 초기전자의 에너지와 전자온도에 의해 방사도 값이 결정되기 때문에 파장에 따른 방사도의 비(ratio), 즉, 도 1과 같이, 분광분포(spectral distribution)가 전자온도에 따라 다르게 나타난다.
거의 모든 플라즈마 응용 연구의 결과들은 플라즈마가 가지고 있는 기본적인 특성에 따라서 좌우되고 나타나므로 예전부터 플라즈마 진단은 필수적으로 진행되어 왔고, 현재까지도 플라즈마 연구에 있어서 중요한 부분을 차지하고 있다. 일반적으로 이온, 전자, 중성종 및 라디칼 등에 의해 여러 화학적 반응 및 물리적 반응들이 일어나는 플라즈마 내에서 모든 반응은 전자로부터 시작되기 때문에 전자의 밀도와 온도가 아주 중요한 역할을 한다. 이러한 이유로 랑뮤어(Langmuir) 탐침법, 컷오프(cutoff) 탐침법과 같은 침투식 기법 및 톰슨 산란(Thomson scattering), 밀리미터 웨이브, 마이크로 웨이브 간섭계과 같은 비침투식 방법으로 여러 가지 다양한 측정 방법들이 제시되어 있다.
이러한 측정방법들의 예로 일본특허공개공보 2003-315159호의 '방사선측정장치'가 개시되어 있다. 일본특허공개공보 2003-315159호의 '방사선 측정장치'는 특정 광학필터를 이용하여 측정되는 전자가 여기 상태 (excited states)에서 기저 상태 (ground states)로 돌아오면서 발생하는 원자라인의 방출광을 바탕으로 전자의 여기온도 (Texc, excitation temperature)를 계산하는 기술이 개시하고 있다. 그러나, 광학 필터의 특성을 고려하지 않아 필터를 지나는 빛의 입사각에 따라 정확하지 않은 (전혀 다른) 결과를 도출할 가능성이 크며, 유한한 원자의 에너지 레벨에 따라 선택할 수 있는 빛의 파장이 유한하며 제한적인 문제점을 가진다. 또한 근본적으로 전자의 여기온도와 전자온도는 다른 값이다.
또한, 종래기술의 진단 방식으로는 저압 또는 대기압 플라즈마에 적용하기에 많은 제한이 존재하며, 진단이 가능하다 해도 아주 복잡하고 비싼 장비들이 필요하거나 혹은 여러 가지 가정이나 복잡한 평형모델이 수반되어야 하는 경우가 많다.
따라서 좀 더 정확하고 간단한 진단 방법의 제시가 필요하며, 저렴하고 보급화된 장비를 이용한 측정장치 및 방법의 제시가 요구된다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이미지센서와 광학필터를 이용하여 중성 제동복사 방출광 기반의 플라즈마 전자온도의 2차원 측정을 저비용으로 높은 신광뢰성을 가지고 수행할 수 있도록 하는 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정장치 및 그 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정장치는, 두 개 이상의 서로 다른 파장의 플라즈마 광 중 어느 하나의 파장의 플라즈마광을 투과시키는 광학필터부와 상기 광학필터부를 투과한 특정 파장의 플라즈마광을 촬영하는 이미지센서를 구비하여 선택된 파장별 플라즈마 영상을 각각 촬영하는 촬영부;와, 상기 촬영부로부터 상기 각각의 파장별로 촬영된 각각의 플라즈마 영상의 로우(raw) 데이터를 수신하여, 상기 광학필터부의 투과 파장에 대응하는 색의 픽셀들을 각각 추출한 후, 동일 픽셀에서의 각각의 파장별 광강도의 비를 구하는 것에 의해 전자온도분포를 산출하는 전자온도측정기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 광학필터부는, 하나 이상의 필드스토퍼를 포함하는 필드스토퍼부;와, 상기 필드스토퍼의 광경로 하류 측에 위치하여 상기 선택된 파장의 빛을 투과시키는 광학필터;의 배열로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 광학필터는, 선택된 파장의 빛을 투과하기 위한 광학밀도를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 필드스토퍼부는 상기 광학필터로 입사되는 선택된 파장의 빛을 평행광으로 변환하기 위한 렌즈 배열을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전자온도측정기는, 상기 촬영부로부터 상기 각각의 파장별로 촬영된 각각의 플라즈마 영상 로우(raw) 데이터를 수신하여, 상기 광학필터부의 투과 파장에 대응하는 색의 픽셀들을 각각 추출하는 픽셀추출부;와, 다수의 촬영된 플라즈마 영상데이터의 각각의 픽셀값의 평균 값으로 대체하는 것에 의해 불규칙 잡음을 제거하는 불규칙잡음제거부;와, 암실에서 촬영된 영상 데이터를 이용하여 촬상소자의 전류 노이즈에 의한 암전류 영상을 제거하는 암전류영상제거부;와, 균일 면광원 영상을 이용하여 촬상소자배열의 영역별 촬상신호를 균일하게 보정하는 플랫필드보정부; 중 하나 이상을 포함하는 보정부;와, 상기 픽셀추출부에서 추출된 픽셀들 중 동일한 픽셀의 서로 다른 파장의 광세기의 비를 산출하여 2차원 전자온도 분포 데이터를 생성하는 전자온도산출부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 촬영부의 이미지센서는 CCD (charge-coupled device) 센서, CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 센서 등의 광감지 센서로 구성될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정방법은, 두 개 이상의 파장을 선택하여 각각의 파장에 대응하는 필터를 구비한 광학필터부를 적용하여 두 개 이상의 파장 영역에서 대기압 플라즈마 광을 촬영하는 플라즈마 촬영과정;과, 상기 서로 다른 파장별로 촬영된 각각의 플라즈마 영상의 로우데이터에서 상기 각각의 필터에 대응하는 색을 가지는 픽셀들을 추출하는 픽셀추출과정;과, 상기 추출된 픽셀 중 동일 픽셀에서 상기 서로 다른 각각의 파장에 대응하는 색의 광세기의 비를 연산하여 전자온도를 산출하는 전자온도산출과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정방법은, 불규칙잡음제거부에 의해 다수의 촬영된 플라즈마 영상데이터의 각각의 픽셀값의 평균 값으로 대체하는 것에 의해 불규칙 잡음을 제거하는 불규칙잡음제거과정;과, 암전류영상제거부에 의해 암실에서 촬영된 영상 데이터를 이용하여 촬상소자의 전류 노이즈에 의한 암전류 영상을 제거하는 암전류영상제거과정;과, 플랫필드보정부에 의해 균일한 면광원 영상을 이용하여 촬상소자배열의 영역별 촬상신호를 균일하게 보정하는 플랫필드보정과정; 중 하나 이상의 보정을 포함하는 보정과정;을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전자온도 측정장치 및 방법에서 상기 두 개 이상의 서로 다른 파장은, 제동복사 연속스펙트럼만이 존재하는 파장영역에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
상기 제동복사 연속스펙트럼만이 존재하는 파장영역은 상기 촬영부가 가시광선을 촬영하는 이미지센서를 구비한 경우에는 가시광선의 파장영역이되고, 상기 촬영부가 적외선 또는 자외선 영역을 촬영하는 이미지센서를 구비한 경우에는 적외선 또는 자외선 영역으로 선택되는 이미지 센서에 따라 달라질 수 있다.
상술한 본원 발명은 특정 파장의 방출광을 좀 더 정확하게 측정하는 추가장치를 제시하고, 간소하고 저가의 계측장비를 이용하여 전자의 여기온도가 아닌 전자들의 평균 에너지인 전자온도 (Te, electron temperature)를 높은 해상도로 측정할 수 있도록 하며, 연속 스펙트럼을 사용하기 때문에 파장의 선택범위가 넓어 2개의 필터 이상을 사용할 수 있도록 하여 플라즈마 전자온도를 더욱 정확하게 측정할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 상술한 본원 발명은, 일반적인 이미지 센서를 이용하여 플라즈마의 전자온도를 측정할 수 있도록 하는 것에 의해, 플라즈마 전자온도 측정장치의 제작 비용을 절감하고, 플자즈마 전자온도 측정과정에 드는 비용을 절감시키는 효과를 제공한다.
도 1은 각각의 표시된 전자온도에서 계산되어 400nm 파장에서 정규화된 파장별 방사도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 전자온도측정장치(100)의 개략적인 구성도,
도 3은 촬영부(30)의 일 실시예로서의 렌즈배열열과 필드스토퍼(field stopper) 및 광학필터를 구비한 촬영부(30a) 구성을 나타내는 도면,
도 4는 촬영부(30)의 다른 실시예로서의 필드스토퍼배열과 광학필터 및 디지털 카메라(C)로 구성되는 촬영부(30b)의 구성을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 전자온도 측정방법의 처리과정을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 전자온도 측정의 실시예를 도식화한 도면,
도 7은 도 6의 실시예의 처리과정 중 전자온도 측정을 위한 플라즈마 광 필터링을 위한 두 개의 파장 선택을 도식화한 도면,
도 8은 암전류영상제거과정(S30)을 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 전자온도 측정방법의 처리과정 중 플랫필드보정과정(S40))을 나타내는 도면,
도 10은 전자온도측정장치(100)와 분광기를 이용하여 측정한 플라즈마 생성을 위한 인가 전력(Power)대비 검출된 광세기의 비교 그래프,
도 11은 전자온도 측정에서 515nm와 632.8nm 필터를 사용하여 얻어진 대기압 아르곤 축전결합방식의 플라즈마 광을 각각의 파장에서 촬영한 방출광의 비율의 추가적인 처리를 거치지 않은 순수 전자온도 측정결과와, 픽셀들의 평균값을 취해 평활화된 결과를 나타내는 도면,
도 12는 본 발명의 전자온도 측정장치(100)에 의한 515nm와 632.8nm 두 파장의 방사도 비율에 따른 전자온도 값을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 전자온도측정장치(100)의 개략적인 구성도,
도 3은 촬영부(30)의 일 실시예로서의 렌즈배열열과 필드스토퍼(field stopper) 및 광학필터를 구비한 촬영부(30a) 구성을 나타내는 도면,
도 4는 촬영부(30)의 다른 실시예로서의 필드스토퍼배열과 광학필터 및 디지털 카메라(C)로 구성되는 촬영부(30b)의 구성을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 전자온도 측정방법의 처리과정을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 전자온도 측정의 실시예를 도식화한 도면,
도 7은 도 6의 실시예의 처리과정 중 전자온도 측정을 위한 플라즈마 광 필터링을 위한 두 개의 파장 선택을 도식화한 도면,
도 8은 암전류영상제거과정(S30)을 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 전자온도 측정방법의 처리과정 중 플랫필드보정과정(S40))을 나타내는 도면,
도 10은 전자온도측정장치(100)와 분광기를 이용하여 측정한 플라즈마 생성을 위한 인가 전력(Power)대비 검출된 광세기의 비교 그래프,
도 11은 전자온도 측정에서 515nm와 632.8nm 필터를 사용하여 얻어진 대기압 아르곤 축전결합방식의 플라즈마 광을 각각의 파장에서 촬영한 방출광의 비율의 추가적인 처리를 거치지 않은 순수 전자온도 측정결과와, 픽셀들의 평균값을 취해 평활화된 결과를 나타내는 도면,
도 12는 본 발명의 전자온도 측정장치(100)에 의한 515nm와 632.8nm 두 파장의 방사도 비율에 따른 전자온도 값을 나타내는 그래프이다.
이하, 본원 발명의 대기압 아르곤 가스를 적용한 축전결합방식의 플라즈마 발생 장치를 이용한 전자온도 측정 장치 및 방법의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본원 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 전자온도측정장치(100)의 개략적인 구성도이고, 도 3은 평행광 생성을 위한 렌즈(2a, 2b) 배열과 과도한 입사각을 가지는 광을 차폐하기 위한 필드스토퍼(field stopper) 및 광학필터를 구비한 도 2의 촬영부(30)의 일 실시예의 촬영부(30a)의 구성을 나타내는 도면이며, 도 4는 평행광 생성을 위해 과도한 입사각을 가지는 광을 차폐하기 위해 한 필드스토퍼배열과 광학필터 및 디지털 카메라(C)로 구성되는 도 2의 촬영부(30)의 다른 실시예로서의 촬영부(30b)를 나타내는 도면이다.
도 2에서 플라즈마 장치는 파형발생기와 고주파증폭기와 임피던스 정합을 위한 매칭 회로를 구비하여 13.56MHz의 고주파 전원을 공급하는 전원부(11), 플라즈마 가스로 아르곤가스를 공급하는 가스챔버(13), 유량계(15) 및 하나는 접지되고 다른 하나는 고주판 전원이 인가되며 수냉식이고 지름이 60mm인 한 쌍의 전극(19)이 3mm 간격으로 고정 구비된 반응챔버(17)를 포함하는 축전결합방전 방식의 플라즈마장치(10)를 예로 도시하였다.
상기 전자온도측정장치(100)는, 플라즈마를 촬영하는 촬영부(30)와 촬영부(30)에 의해 촬영된 플라즈마 영상의 로우(Raw) 데이터를 이용하여 전자온도를 측정하는 전자온도측정기(101)로 구성된다.
상기 촬영부(30)는 서로 다른 파장의 광원을 촬영할 수 있는 광학필터를 구비한다. 이는 제동복사 연속스펙트럼만 존재하는 파장 영역에서 두 개 이상의 서로 다른 파장의 빛을 투과시켜 촬상하도록 구성된다. 이때, 플라즈마 광은 가능한 수직으로 광학필터(4, 도 3 및 도 4 참조)로 입사되는 경우 가장 정확한 전자온도 측정을 가능하게 한다. 따라서, 상기 촬영부(30)는 플라즈마 광을 광학필터(4)에 대하여 수직으로 입사되도록 평행광으로 형성하기 위한 렌즈 및 필드스토퍼 배열 구조와 광학필터(4)를 포함하여 구성된다.
상기 구성의 촬영부(30)의 구성 중 광학필터의 역할이 매우 중요하다, 따라서, 보다 정확한 필터의 사용이 요구되는데, 요구사항은 다음과 같다. 먼저 본 발명에 적용되는 광학필터(4)는 간섭 필터(interference filter)로, 입사광의 입사각은 항상 90도를 유지하는 것이 바람직하다. 간섭 필터(Interference filter)는 유전물질 (dielectric material)의 복층으로 이루어져 있기 때문에 만약 기울어진 상태로 빛이 입사한다면 투과되는 투과율의 중심파장은 낮은 파장쪽으로 항상 이동된다. 이에 따라 515nm 필터를 이용할 경우 515nm에 해당하는 빛만 투과돼야 하지만 만약 80도의 입사각을 갖게 되면 515nm의 빛이 아닌 다른 파장의 빛이 투과하게 된다. 이에 따라, 노이즈로 작용하는 선택되지 않은 파장의 플라즈마 광이 촬영되는 것을 방지하기 위하여 촬영부(30) 내에서 광학필터(4)로 입사되는 플라즈마 광은 거의 평행광을 이루도록 제어하는 것이 필요하다.
일반적으로, 플라즈마의 국소지점에서 발생하는 방출광은 모든 방향으로 발생되기 때문에 필터에 입사하는 빛의 입사각도 제 각각이다. 이에 입사광의 입사각을 90도에 근접하도록 유지하는 것이 중요하다. 그렇기 때문에 광학필터와 함께 렌즈와 필드스토퍼(field stopper)로 이루어진 광학계가 추가적으로 사용되어야 정확히 특정 파장의 빛을 측정할 수 있게 된다.
이러한 요구사항에 따른 촬영부(30)의 실시예로 도 3 및 도 4의 촬영부(30a, 30b)를 예로 도시하였다.
도 2의 촬영부(30)의 일 실시예로서의 도 3의 촬영부(30a)는, 제 1 광학필터부(F1)와 이미지센서(5)로 구성된다.
상기 제 1 광학필터부(F1)는 반응챔버(17)의 석영창(21)을 통과한 다양한 방향의 플라즈마 광(7)을 집속하는 평면볼록렌즈 형의 제1렌즈(2a)와, 제1 렌즈(2a)를 통과한 광 중 집속되지 않은 광을 차폐하고 집속된 광만을 투과시키는 조리개 또는 슬릿 등의 좁은 구멍을 가지는 필드스토퍼(field stopper)(3)와, 필드스토퍼(3)를 통과하면서 확산되는 플라즈마 광을 평행광으로 변환하는 평면볼록렌즈 형의 제2렌즈(2b)와, 특정 파장의 플라즈마 광을 투과시키는 광학필터(4)를 포함하여 구성된다.
상기 이미지센서(5)는 CCD 도는 COMS 광감지센서 배열로 구성되는 이미제 센서로서, 광학필터(4)를 통과한 특정 파장의 플라즈마 광을 촬상하여 특정 파장의 플라자마 광 영상 이미지 신호를 출력하도록 구성된다. 상기 이미지센서(5)에 의해 촬영된 플라즈마 영상의 로우(Raw) 데이터는 도 2의 전자온도측정기(101)로 입력된다.
상술한 구성의 도 3 의 촬영부(30a)는 광축에 각도가 크게 다르지 않은 평행광 및 평행광 유사 광만이 필드스토퍼(3)를 통과하게 되어, 광학필터(4)로 입사되는 플라즈마 광은 대부분 광학필터(4)에 수직에 근접하게 입사된다.
도 2의 촬영부(30)의 다른 실시예로서의 도 4의 촬영부(30b)는 제 2 광학필터부(F2)와 렌즈(6)와 이미지센서(5)를 포함하는 디지털 카메라(C)로 구성된다.
상기 제 2 광학필터부(F2)는 플라즈마 반응챔버(17)로부터 조사되는 플라즈마 광 중 광학필터(4) 면의 수직 방향에서 일정 각도 범위 내의 플라즈마 광만을 통과시키는 제 1 필드스토퍼(3a)와 제 1 필드스토퍼(3a)를 통과한 플라즈마 광 중 특정 파장의 빛만을 통과시키는 광학필터(4)와 광학필터(4)를 통과한 특정 파장의 플라즈마 광 중에 포함되는 특정 입사각을 벗어나는 플라즈마 광을 2차로 차폐하는 제 2 필드스토퍼(3b)를 포함하여 구성된다.
즉, 도 2의 촬영부(30)에서 광학필터부는 도 3 및 도 4와 같이, 플라즈마 광이 광학필터(4) 또는 이미지센서(5)에 가능한 수직방향으로 입사되도록 평행광을 형성하도록 하는 다양한 구조를 가질 수 있다. 그리고 도 2의 촬영부(30)에서 플라즈마 영상을 생성하는 광감지부로서의 이미지센서(5)는 도 3과 같이 CCD 또는 CMOS 센서 배열을 가지는 단일이미지센서 또는 도 4와 같이, 디지털 카메라(C) 등으로 플라즈마 영상의 로우 데이터를 얻을 수 있도록 하는 다양한 구조를 가질 수 있다.
광학필터(4)의 광학밀도 (optical density, O.D.)가 높을수록 본 발명에서 제시하는 측정의 정확도는 높아진다. 상기 광학밀도는 선택된 투과파장 외의 다른 파장의 빛을 얼마나 잘 차단하는가에 대한 수치이며 로그수로 나타낸다. 상기 광학밀도가 높은 수록 선택된 파장을 포함하는 투과파장 영역이 좁아지고, 이외의 파장 영역의 빛은 차폐되어, 특정 파장에 대한 광학밀도가 높은 수록 선택된 파장 이외의 파장영역이 더욱 차폐된다. 따라서 플라즈마에서 발생되는 연속적인 방출광 중 선택된 파장에 따라 적절한 광학밀도를 갖는 필터가 선택되어야 한다. 그렇지 않으면 투과파장 이외의 파장의 빛이 약하게 같이 측정되기 때문에 정확하지 않은 전자온도가 측정된다.
보통 광학필터의 가장자리는 수분이나 이물질로부터 보호하여 수명을 늘리기 위해 잘려져(scribed) 에폭시로 봉해진 상태로 제공된다. 이에 따라 필터를 이용할 때 필터의 클리어 어퍼처(clear aperture)를 통해서 측정하는 것이 가장 정확한 측정을 수행할 수 있게 된다. 또한 제조 불량으로 인한 필터 표면의 편평도(flatness) 혹은 기울어짐(wedge)에 의해 전혀 다른 측정결과가 얻어질 수 있기 때문에 유의해야 한다.
다시, 도 2를 참조하면 상기 전자온도측정기(101)는 촬영부(30, 30a, 30b)에서 촬영된 선택된 서로 다른 파장별로 촬영된 플라즈마 영상의 로우 데이터를 입력받아서 선택된 파장에 대응하는 색을 가지는 픽셀들을 추출한 후, 보정을 수행한다. 이후 보정이 수행된 동일 픽셀의 서로 다른 파장의 광세기의 비를 구하여 2차원 전자온도 분포를 산출한다.
이를 위해 상기 전자온도측정기(101)는 촬영부(30, 30a, 30b)로부터 플라즈마 영상의 로우 데이터를 입력받는 통신부(110), 입력된 플라즈마 영상의 로우 데이터에서 각각의 파장에 대응하는 색값을 가지는 픽셀을 추출하는 픽셀추출부(115), 픽셀추출부에서 추출된 서로 다른 파장대의 픽셀들의 플라즈마 영상의 로우 데이터에 대한 보정을 수행하는 암전류영상제거부(121)와 플랫필드보정부(123)와 불규칙잡음제거부(125)를 포함하는 보정부(120), 보정부(120)에 의해 보정된 플라즈마 영상의 각 픽셀에 대응하는 서로 다른 파장에서의 광세기 비를 연산하는 것에 의해 2차원 전자온도를 산출하는 전자온도산출부(130), 제어명령의 입력 또는 외부 기록매체에 의한 영상 로우 데이터 등의 데이터 입력을 위한 입력부(150), 측정결과를 표시하는 표시부(140) 및 플라즈마 영상의 보정을 위한 보정정보와 촬영된 플라즈마 영상 데이터 및 연산처리 결과를 저장하는 저장부(160) 등을 포함하여 구성된다.
상기 암전류영상제거부(121)는 암실에서 측정한 영상에서 각각의 픽셀별로 발생하는 색강도 정보를 저장한 후, 플라즈마 영상에서 각각의 픽셀에서의 암전류에 의한 광세기 변화를 보정하는 암전류제거(dark frame subtraction) 기능을 수행한다.
상기 플랫필드보보정부(flat field correction part)(123)는 각 픽셀마다의 민감도, 비네팅(Vignetting) 현상, 여러 수차 등의 보정을 수행하는 기능을 수행한다.
상기 불규칙잡음제거부(125)는 이미지센서(5)의 잡음에 의한 불규칙잡음을 줄이는 보정을 수행하는 구성으로, 불규칙잡음을 줄이기 위해 50회 등의 다수 촬영을 수행한 후 해당 촬영 영상의 픽셀들의 값을 평균하여 보정하는 것에 의해 불규칙잡음(random noise)을 제거한다.
이때 암전류영상제거, 플랫필드보정, 불규칙잡음제거를 위한 각각의 보정정보들은 상술한 바와 같이 저장부(160)에 저장된다.
상술한 전자온도측정기(101)의 각 구성 중 픽셀추출부(115), 암전류영상제거부(121)와 플랫필드 보정부(123)와 불규칙잡음제거부(125)를 포함하는 보정부(120), 전자온도산출부(130)는 각각 독립된 하드웨어장치로 구성되거나 컴퓨터에서 실행되는 프로그램 코드 모듈들로 구현될 수 있으며, 프로그램으로 구현되는 경우 상기 전자온도측정기(101)는 촬영부(30)와 통신을 수행하고 전자온도측정 및 보정을 위한 프로그램이 설치되는 컴퓨터 장치에 설치되는 것에 의해 구현될 수 있다.
상술한 구성의 전자온도측정장치(100)는, 촬영부(30)를 이용하여 광학필터부(F1, F2)에 의해 제동복사 연속스펙트럼만 존재하는 파장 영역에서 두 개 이상의 파장을 선택한 후 각각의 파장별로 플라즈마 광을 촬영한다. 이때 선택된 두 개 이상의 파장에서의 플라즈마 광의 촬영은 광학필터를 교체하거나, 선택된 파장 각각에 대응하는 광학필터가 장착된 촬영부(30) 전체를 교체하여 촬영하는 등 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 이 후 전자온도측정기(101)는 촬영부(30)로부터 각각의 선택된 파장에 대응하는 플라즈마 광 영상 이미즈의 로우 데이터를 입력받아서, 각각의 파장에 대응하는 색을 가지는 픽셀들을 추출한다. 각 픽셀별로 서로 다른 파장 각각에 대응하는 색깔들의 광세기 비를 연산하여 산출하는 것에 의해 고가의 장비를 구비함이 없이, 일반적인 CCD, CMOS 등의 광감지센서를 구비한 촬영부(30)를 이용한 플라즈마의 전자온도를 손쉽고 정확하게 측정할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 전자온도 측정방법의 처리과정을 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본원 발명의 전자온도 측정방법은 플라즈마 촬영과정(S10), 픽셀추출과정(S20), 암전류영상제거과정(S30)과 플랫필드보정과정(S40)과 불규칙잡음제거과정(S50)을 포함하는 보정과정과, 전자온도를 산출하는 전자온도산출과정(S60)을 포함하여 이루어진다.
상기 플라즈마촬영과정(S10)은 촬영부(30)에 의해 수행되는 과정으로, 제동복사 연속스펙트럼만 존재하는 파장영역에서 선택된 두 개 이상의 파장을 각각 통과시키는 광학필터(4)가 구비된 광학필터부(F1, F2)를 가지는 각각의 촬영부(30)를 통해 선택된 파장별로 플라즈마 광을 촬영한다. 각각의 파장별로 촬영된 플라즈마 영상의 로우 데이터는 전자온도측정기(101)로 전송되어 저장부(60)에 저장된다. 이와 같이 두 개 이상의 파장을 선택하는 이유는, 광섬유와 분광기를 이용하여 측정한 결과는 국지적 정보일 뿐 전자온도의 2차원 분포에 대한 정보를 제공하지 못한다. 따라서 2차원 공간적 광분포를 통해 전자온도의 분포를 측정하기 위해서는 대기압 아르곤 축전결합방전에서 발생되는 빛을 중심파장이 515nm, 632.8 nm인 광학 대역필터와 DSLR 카메라 등의 디지털 카메라(C) 또는 이미지센서(5)를 이용하여 빛의 세기를 측정하여 비를 구하는 것과 같이 두 개의 이상의 파장에서 플라즈마 광을 촬영하고 동일 픽셀에서 얻어진 각각의 파장에 대응하는 색의 광 세기의 비를 구하는 것에 의해 2차원 전자온도 분포를 구할 수 있기 때문이다.
상기 픽셀추출과정(S20)은 픽셀추출부(115)에 의해 수행되는 과정으로, 상기 저장부에 저장된 각각의 파장별로 촬영된 플라즈마 영상 로우 데이터에서 각각의 파장에 대응하는 색의 픽셀을 추출한다.
상기 암전류영상제거과정(S30)은 암전류영상제거부(121)에 의해 수행되는 보정과정으로, 촬영부(30)를 이용하여 암실에서 촬영한 영상 로우 데이터를 저장부에 저장한 후, 차후 플라즈마 광 촬영 시 각각의 파장별로 촬영된 플라즈마 영상의 로우 데이터 또는 상기 추출된 픽셀별 신호에서 암전류에 의한 영상 신호 값을 감산하여 암전류에 의한 노이즈 영상을 제거한다.
상기 플랫필드보정과정(S40)은 플랫필드보정부(123)에 의해 수행되는 과정으로, 민감도, 비네팅(Vignetting) 현상, 수차 보정 등을 위하여 균일한 면광원을 촬영한 영상 신호의 세기 변화를 픽셀별로 검출한 후 이를 균일하게 하는 보정값들을 픽셀별로 산출하여 저장한 후, 플라즈마 영상의 로우 데이터 또는 상기 추출된 픽셀별 신호에서 면광원에 대한 픽셀별 반응도를 보정하여 주는 것에 의해 플랫필드 보정을 수행한다.
상기 불규칙잡음제거과정(S50)은 불규칙잡음제거부(125)에 의해 수행되는 과정으로, 이미지센서의 촬영 시마다 발생하는 광감지 신호의 불규칙성을 제거하기 위하여 동일한 영상을 다수 반복 수행하여 저장부에 촬영된 이미지들을 저장한 후, 각각의 픽셀별로 평균값을 산출하여 이미지를 보정하는 것에 의해 불규칙 잡음에 의한 잡음을 제거하는 보정을 수행한다. 상기 불규칙잡음제거과정(S50)은 플라즈마 촬영과정(S10)과 픽셀추출과정(S20)을 반복 수행한 후 픽셀별로 평균값을 적용하는 것에 의해 수행된다.
상기 전자온도산출과정(S60)은 전자온도산출부(130)에 의해 수행되는 과정으로, 보정과정까지 수행된 동일 픽셀에 대응하는 각 파장별 플라즈마 영상의 광세기의 비를 구하는 것에 의해 2차원 전자온도분포를 구하는 과정이다.
다음으로, 본원 발명에 의한 전자온도 측정과정의 실시예를 설명한다.
도 6 내지 도 12는 대기압 아르곤 가스 플라즈마를 제동복사 연속스펙트럼만 존재하는 파장 영역 중 515nm와 632.8nm의 두 개의 파장을 선택하여 해당 파장의 플라즈마 광만을 각각 촬영하여 전자온도를 측정하였다. 그리고 측정된 전자온도의 신뢰성을 확인하기 위하여 분광기에 의해 측정된 전자온도 값과 비교를 수행하여 전자온도측정의 정확성을 확인한 실시예를 나타내는 도면이다.
각각의 도면을 상세히 설명하면, 도 6은 본 발명의 전자온도 측정의 실시예를 도식화한 도면이다. 도 7은 도 6의 실시예의 처리과정 중 전자온도 측정을 위한 플라즈마 광 필터링을 위한 두 개의 파장 선택을 도식화한 도면이다. 도 8은 암전류영상제거과정(S30)을 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명의 전자온도 측정방법의 처리과정 중 플랫필드 보정과정(S40))을 나타내는 도면이다. 도 10은 전자온도측정장치(100)와 분광기를 이용하여 측정한 플라즈마 생성을 위한 인가 전력(Power)대비 검출된 광세기의 비교 그래프이고, 도 11은 전자온도 측정에서 515nm와 632.8nm 필터를 사용하여 얻어진 대기압 아르곤 축전결합방식의 각각의 파장에서의 방출광의 비율의 추가적인 처리를 거치지 않은 순수 전자온도 측정결과와, 픽셀들의 평균값을 취해 평활화된 결과를 나타내는 도면이다. 도 12는 본 발명의 전자온도 측정장치(100)에 의한 515nm와 632.8nm 두 파장의 방사도 비율에 따른 전자온도 분포를 나타내는 그래프이다.
실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 대기압 아르곤 가스의 축전결합방전에 의해 생성된 플라즈마 광을 515nm 투과 광학필터와 632.8nm 투과 광학필터를 적용하여 각각 촬영하였다. 이때 불규칙 잡음을 제거하기 위해 0.3초 노출시간으로 50번을 측정하여 평균하였다.
그리고 각각의 파장에서 측정된 플라즈마 영상의 로우 데이터에서 각각의 파장에 대응하는 파란색(Blue)과 붉은색(Red)을 가지는 픽셀을 각각 추출하였다. 색상으로 R, G, B가 사용되었으나, 상기 색은 마젠타(magenta)·옐로(yellow)·시안(cyan) 등의 색을 사용하는 것과 같이 다양한 방식의 색상 시스템이 적용될 수 있다.
이후, 암전류영상제거(dark subtraction)와 플랫필드보정(flat field correction) 및 불규칙잡음제거를 포함하는 보정을 수행하였다. 그리고 각각의 보정된 픽셀 이미지들로부터 동일 픽셀 내에서 서로 다른 파장에서 촬영된 플라즈마 광의 세기의 비를 연산하여 산출하는 것에 의해 2차원 전자온도 분포를 측정하였다.
이때, 플라즈마 반응챔버(17)의 한 쪽 포트를 통해 DSLR 카메라 등의 이미센서를 포함하는 촬영부(30)를 이용하여 플라즈마 광을 촬영하여 전자온도(emissivity ratio)를 측정함과 동시에, 다른 한 쪽 포트를 통해 양면이 볼록한 렌즈(bi-convex lens), 광섬유와 분광기(Ocean Optics, MAYA2000 Pro)를 이용하여 전극의 정 중앙에 발생되는 플라즈마의 빛을 측정하였다.
상기 두 개의 선택된 파장은 도 7에서와 같이, 제동복사 연속스펙트럼만 존재하는 파장 영역에서 선택되었다. 측정에 사용하고자 하는 파장의 선택은 반드시 제동복사 연속 스펙트럼만 존재하는 파장 영역이어야 하며, 다른 원자나 분자, 혹은 또 다른 연속 스펙트럼이 섞이지 않은 파장영역을 선택해야 한다.
도 7은 분광기로 측정된 아르곤 축전결합방전(CCP: Capacitively coupled plasma) 방출광의 분포를 나타낸다. 자외선 영역에 OH(hydroxyl) 분자라인과 질소 분자들이 있으며, 680nm 이상에서 아르곤과 산소 원자에서 발생하는 빛의 세기가 크게 측정되었다. 반면에 가시광 영역인 400 - 650 nm에서는 다른 원자나 분자 스펙트럼이 나타나지 않아 순수 전자-원자의 작용에 의한 제동복사 방출광이 측정되는 것을 알 수 있다. 그렇기 때문에 이 영역에서 두 파장을 선택하는 것이 적절하며, 본 실시예에서는 상술한 바와 같이 515 nm 와 632.8nm에 파장을 선택하고 해당 파장의 광을 투과시키는 광학필터(광학 대역필터)를 사용하였다. 두 필터를 사용하여 측정된 플라즈마 방출광은 각 파장에 따라 파란색, 빨간색 선으로 나타내었다. 위에서 언급하였듯이 특정 두 파장에서의 방사도 비율은 전자온도를 나타낸다. 도면 7과 같이 필터를 사용하여 측정된 결과와 Te =2.5eV, ne= 2.2 X 1011CM-3의 전자온도 및 전자밀도를 이용하여 이론적으로 계산된 제동복사 방출광 결과와 비교하여 전자온도를 추정할 수 있다. 본 실시예에서 사용된 두 필터의 투과율의 최대값과 반치폭이 거의 같기 때문에 이미지 센서가 구비된 DSLR 카메라 등을 이용한 2차원 측정에 적용하기에 적당하다.
도 8은 암전류영상제거과정(S30)을 나타내는 도면으로, 다른 이미지 센서들과 마찬가지로 실제 광자가 입사하지 않아도 센서 자체의 열로 인해 발생하는 암전류(dark current)가 존재하기 때문에 이를 실제 측정 이미지에서 제거하였다. 즉, 암실에서 촬영한 영상 이미지의 각 픽셀에서의 암전류에 의한 광신호를 저장한 후, 촬영된 플라즈마 영상에서 각 픽셀별로 이를 제거하는 보정을 수행하였다.
도 9는 플랫필드보정과정(S40)을 나타내는 도면으로, 각 픽셀마다의 민감도, 비네팅(Vignetting) 현상, 여러 수차 등을 보정하는 것을 플랫필드보정(Flat-field correction)이라 한다. 플랫필드보정을 위해 카메라 렌즈 앞 단에 오팔 유리 디퓨저(Opal glass diffuser)를 부착하여 균일한 광원으로 생각할 수 있는 CRT 모니터를 플라즈마 측정 옵션과 같은 옵션으로 측정하고, 촬상된 영상에 대한 픽셀별 불균일 차이를 검출하여 플랫필드보정을 위한 보정 정보로 저장하였다. 전자온도의 정확한 2차원 측정을 위해 위에서 언급한 암전류영상제거(dark frame subtraction)와 플랫필드보정(Flat-field correction)을 수행한 후에 515nm와 632.8nm 필터를 이용하여 측정된 두 이미지의 비를 계산하여 최종적으로 각 픽셀에서 얻어진 비의 값들을 이론적으로 계산된 값과 비교하여 전자온도를 측정하였다.
도 10은 이미지센서를 구비한 촬영부(30)를 이용하여 측정된 특정 픽셀의 각 파장별 세기 변화와 분광기를 사용하여 얻어진 세기 변화 그래프이다. 13.56 MHz 아르곤 축전결합방전의 인가전력이 증가할수록 촬영부(30)와 전자온도측정기(101)로 측정된 빛의 세기와 분광기로 측정된 절대조도(absolute irradiance)가 선형적으로 증가하는 것이 확인되었다. 이미지센서를 구비한 도 3 또는 도 4의 촬영부(30a, 30b)의 측정옵션을 동일하게 유지한 상태에서는 빛의 세기가 변화하여도 정확한 측정이 가능하며 분광기 결과와 비교하여 아주 정확히 측정되는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 515 nm와 632.8 nm 필터를 사용하여 최종적으로 얻어진 대기압 아르곤 축전결합방전의 515nm와 632.8nm 방출광의 비율과 시간 적분된 2차원 전자온도 결과이다. 위의 오른쪽 그림은 방출광 비율에서 추가적인 처리과정을 거치지 않은 순수 전자온도의 결과이다. 아래쪽 두 그림은 각각 (1 x 10), (1 x 50) 픽셀의 평균값을 취해 평활화(smoothing)한 결과를 나타낸다.
도 12는 515nm와 632.8nm, 두 파장의 방사도 비율에 따른 전자온도 값을 나타낸 그래프이다.
본 발명에서 촬영부(30)로 DSLR 카메라를 이용하는 경우, CCD 혹은 CMOS 같은 반도체 센서는 빛의 강약을 표현해 주며 빛의 색상 표현을 하지 못하기 때문에 빛의 삼원색인 빨강, 파랑, 초록색에 해당하는 필터를 이용하여 색상을 구현한다. 본 실시예에서 촬영부로 사용된 DSLR 카메라의 경우 빨강 1개, 파랑 1개, 초록 2개의 필터가 한 조로 배열되어 있는 색필터(Bayer filter)가 이용되며, 각 필터들은 파장에 따른 양자효율이 다르기 때문에 각기 다른 빛의 세기가 측정된다. 예를 들어 632.8 nm의 빨간색 빛이 입사하여 필터를 통과해 이미지 센서에 기록이 되면 빨간색 필터가 다른 필터들보다 더 많은 광자를 통과시키기 때문에 빨간색 필터 뒷부분의 픽셀에 기록되는 빛의 세기가 더 크다. 전자온도 측정은 각 파장에 해당하는 빛의 세기(방사도)의 비율을 이용하기 때문에 위에서 언급하였듯이 렌즈를 포함한 모든 광학기계와 이미지 센서가 픽셀마다 상대보정이 되어있어야 하며 색필터의 경우 그 양자효율이 비슷한 값을 가지는 것이 좋다. 그러한 이유로 본 실험에서는 515 nm의 빛을 측정하였을 때는 파란색 필터부분의 픽셀, 632.8 nm의 빛을 측정할 때는 빨간색 필터부분의 픽셀의 값들만 추출하여 계산을 하였다. IRIS 공개 소프트웨어를 이용하여 RAW파일을 불러들이며, 각 색필터의 값들을 분리하여 Tagged image file format (tiff) 포맷으로 저장하여 각 픽셀에 기록된 빛의 세기를 얻을 수 있다.
10: 플라즈마 장치 11: 전원부
13: 가스챔버 15: 유량계
16: 플라즈마 17: 반응챔버
19: 전극 21: 석영창
100: 전자온도측정장치 30. 30a, 30b: 촬영부
F1, F2: 광학필터부 2a, 2b: 렌즈
3: 필드스토퍼 4: 광학필터
5: 이미지센서 7: 플라즈마 광
C: 디지털 카메라
101: 전자온도측정기
13: 가스챔버 15: 유량계
16: 플라즈마 17: 반응챔버
19: 전극 21: 석영창
100: 전자온도측정장치 30. 30a, 30b: 촬영부
F1, F2: 광학필터부 2a, 2b: 렌즈
3: 필드스토퍼 4: 광학필터
5: 이미지센서 7: 플라즈마 광
C: 디지털 카메라
101: 전자온도측정기
Claims (12)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 두 개 이상의 파장을 선택하여 각각의 파장에 대응하는 필터를 구비한 광학필터부를 적용하여 두 개 이상의 파장 영역에서 대기압 플라즈마 광을 촬영하는 플라즈마 촬영과정;
서로 다른 파장별로 촬영된 각각의 플라즈마 영상의 로우데이터에서 상기 각각의 필터에 대응하는 색을 가지는 픽셀들을 추출하는 픽셀추출과정;
암전류영상제거부에 의해 암실에서 촬영된 영상 데이터를 이용하여 촬상소자의 전류 노이즈에 의한 암전류 영상을 제거하는 암전류영상제거과정;
불규칙잡음제거부에 의해 다수의 촬영된 플라즈마 영상데이터의 각각의 픽셀값의 평균 값으로 대체하는 것에 의해 불규칙 잡음을 제거하는 불규칙잡음제거과정;
플랫필드보정부에 의해 균일한 면광원 영상을 이용하여 촬상소자배열의 영역별 촬상신호를 균일하게 보정하는 플랫필드보정과정;
추출된 픽셀 중 동일 픽셀에서 서로 다른 각각의 파장에 대응하는 색의 광세기의 비를 연산하여 전자온도를 산출하는 전자온도산출과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 두 개 이상의 파장은,
제동복사 연속스펙트럼만이 존재하는 파장영역에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 제동복사 연속스펙트럼만이 존재하는 파장영역은 가시광선의 파장영역인 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정방법.
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130142326A KR101539005B1 (ko) | 2013-11-21 | 2013-11-21 | 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정장치 및 그 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130142326A KR101539005B1 (ko) | 2013-11-21 | 2013-11-21 | 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정장치 및 그 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150058946A KR20150058946A (ko) | 2015-05-29 |
| KR101539005B1 true KR101539005B1 (ko) | 2015-07-24 |
Family
ID=53393042
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130142326A KR101539005B1 (ko) | 2013-11-21 | 2013-11-21 | 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정장치 및 그 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101539005B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114509166B (zh) * | 2022-01-27 | 2024-02-23 | 重庆大学 | 一种高瞬态高温等离子体测温系统 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06243991A (ja) * | 1993-02-18 | 1994-09-02 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | プラズマ計測装置 |
-
2013
- 2013-11-21 KR KR1020130142326A patent/KR101539005B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06243991A (ja) * | 1993-02-18 | 1994-09-02 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | プラズマ計測装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20150058946A (ko) | 2015-05-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Downes et al. | Full-field terahertz imaging at kilohertz frame rates using atomic vapor | |
| US9960198B2 (en) | Solid-state image sensor, and imaging system | |
| US9538098B2 (en) | Hyperspectral camera and method for acquiring hyperspectral data | |
| US10101206B2 (en) | Spectral imaging method and system | |
| Mei et al. | Noise modeling, evaluation and reduction for the atmospheric lidar technique employing an image sensor | |
| JP6606231B2 (ja) | 色画像を生成するカメラおよび方法 | |
| CN109116197B (zh) | 日盲紫外相机及紫外光子计数方法 | |
| CN110753950B (zh) | 利用模拟接口的高速二维事件检测和成像 | |
| CN103575753A (zh) | 用于x射线检测器的电子可变增益 | |
| JP2018513964A (ja) | スナップショット型偏光ハイパースペクトルカメラ及び結像方法 | |
| KR101539005B1 (ko) | 이미지센서를 이용한 플라즈마 전자온도 측정장치 및 그 방법 | |
| JP6564025B2 (ja) | 画像取得装置、および画像形成方法 | |
| US8686346B2 (en) | Frequency selective imaging system | |
| CN108507674A (zh) | 一种光场光谱成像光谱仪的标定数据处理方法 | |
| JP6355598B2 (ja) | Ｘ線データ処理装置、その方法およびプログラム | |
| De la Cal et al. | The Visible Intensified Cameras for Plasma Imaging in the TJ‐II Stellarator | |
| CN107917892B (zh) | 太赫兹波的高分辨成像装置 | |
| Dittrich et al. | Extended characterization of multispectral resolving filter-on-chip snapshot-mosaic CMOS cameras | |
| TWI819133B (zh) | 用於空間解析光學度量離子束之系統與方法 | |
| Downes et al. | Ultra-high-speed terahertz imaging using atomic vapour | |
| Su et al. | Spectrum reconstruction of the light-field multimodal imager | |
| Yang et al. | Fixed pattern noise pixel-wise linear correction for crime scene imaging CMOS sensor | |
| Atkinson et al. | Operation and performance of new NIR detectors from SELEX | |
| CN108700462B (zh) | 无移动部件的双光谱成像器及其漂移纠正方法 | |
| JP5929338B2 (ja) | 撮像装置、分光情報作成方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180626 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190814 Year of fee payment: 5 |