KR101557769B1

KR101557769B1 - 복사조도 측정장치 및 그 측정방법

Info

Publication number: KR101557769B1
Application number: KR1020140167214A
Authority: KR
Inventors: 박철웅; 박성종; 이동훈
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-10-19

Abstract

본 발명은 복사조도 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전면에 형성된 개구부를 통해 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 세기에 따른 전류신호를 생성하는 실리콘 복사계와, 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정하는 분광기를 일체로 구비하여, 제어부를 통해 입사광의 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도에 기반한 연산과정을 통해 측정대상 광원의 복사조도를 측정하도록 구성함으로써, 단색기를 이용한 분광복사계 등과 같은 고가의 장비를 사용하지 않고도 LED(Light Emitting Diode)나 OLED(Organic Light Emitting Diode) 또는 레이저 램프(Laser Lamp) 등과 같이 통상의 백열등이나 형광등에 비해 상대적으로 파장폭이 좁은 광원에 대해서도 저가(低價)의 장비로 간편하고 정밀하게 복사조도를 측정할 수 있는 복사조도 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.

Description

복사조도 측정장치 및 그 측정방법{A spectral irradiance measurement apparatus and the measurement method using the same}

일반적으로 광원의 조도를 측정하는 장비로는 광도계(photometer, 한국등록특허 제1,144,653호)가 가장 널리 이용되고 있다.

이와 같은 통상의 광도계는 눈의 감응특성을 이용한 V(λ)-필터를 이용하여 광원에서 방출되는 빛의 조도를 측정하고 있는데, 이때 눈의 시감효율은 입사광의 파장에 따라 상당히 다른 패턴을 갖고 변화되기 때문에 이를 정확하게 반영하는 V(λ)-필터를 제작하는 데는 많은 어려움이 따르게 된다.

이에 따라, 현재 사용되고 있는 통상의 광도계의 경우, 형광등이나 백열등 등과 같이 비교적 파장폭이 넓은 일반 광원의 조도를 측정하는데 있어서는 어느 정도 효과를 보이고 있으나, 근본적으로 파장 대역에 따른 정확한 시감효율 패턴을 반영하고 있지 못하다는 한계를 가지고 있으며, 특히, 최근 그 사용이 증가되고 있는 LED, OLED 또는 레이저 램프 등과 같이 상대적으로 파장폭이 좁은 광원의 조도를 측정하게 되는 경우에는 그 오차범위가 더욱 커지게 되어 정확한 측정값을 기대하기 어렵다는 문제점이 있다.

이러한 이유로 인해, LED, OLED 또는 레이저 램프 등과 같이 상대적으로 파장폭이 좁은 광원에 대해 복사조도를 정확하게 측정하기 위해서는, 주로 단색기를 이용한 분광복사계(Spectroradiometer) 등과 같은 고가(高價)의 장비를 사용하고 있는 실정이나, 이 경우에도 분석효율이 상대적으로 좋은 분광복사계의 경우 상당히 고가이고, 반면에 가격이 저렴한 분광복사계의 경우에는 상대적으로 분석효율이 떨어져 정확한 복사조도 측정이 어려운 문제점이 있다.

한국등록특허 제1,144,653호(등록일: 2012.05.03) "적분구 광도계 및 그 측정 방법"

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전면에 형성된 개구부를 통해 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 세기에 따른 전류신호를 생성하는 실리콘 복사계와, 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정하는 분광기를 일체로 구비하여, 제어부를 통해 입사광의 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도에 기반한 연산과정을 통해 측정대상 광원의 복사조도를 측정하도록 구성함으로써, 단색기를 이용한 분광복사계 등과 같은 고가의 장비를 사용하지 않고도 LED(Light Emitting Diode)나 OLED(Organic Light Emitting Diode) 또는 레이저 램프(Laser Lamp) 등과 같이 통상의 백열등이나 형광등에 비해 상대적으로 파장폭이 좁은 광원에 대해서도 저가(低價)의 장비로 간편하고 정밀하게 복사조도를 측정할 수 있는 복사조도 측정장치 및 그 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광원의 복사조도를 측정하기 위한 복사조도 측정장치에 있어서, 전면에 개구부가 형성되어 측정대상 광원으로부터 상기 개구부를 통과하여 입사되는 빛의 광량을 측정하여 빛의 세기에 따른 전류신호를 생성하는 실리콘 복사계와; 상기 실리콘 복사계의 전면 일측에 일체로 구비되어 상기 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정하는 분광기와; 상기 실리콘 복사계에서 생성된 전류신호와 상기 분광기를 통해 측정된 파장을 전달받아, 입사광의 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도(spectral responsivity)에 기반한 연산과정을 통해 상기 측정대상 광원의 복사조도를 산출하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 복사조도 측정장치는, 전면에 형성된 개구부를 통해 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 세기에 따른 전류신호를 생성하는 실리콘 복사계와, 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정하는 분광기를 일체로 구비하여, 제어부를 통해 입사광의 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도에 기반한 연산과정을 통해 측정대상 광원의 복사조도를 측정하도록 구성함으로써, 단색기를 이용한 분광복사계 등과 같은 고가의 장비를 사용하지 않고도 LED(Light Emitting Diode)나 OLED(Organic Light Emitting Diode) 또는 레이저 램프(Laser Lamp) 등과 같이 통상의 백열등이나 형광등에 비해 상대적으로 파장폭이 좁은 광원에 대해서도 저가(低價)의 장비로 간편하고 정밀하게 복사조도를 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복사조도 측정장치의 구성을 보여주는 블럭도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복사조도 측정장치의 개략적인 구조를 보여주는 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 실리콘 복사계의 입사광 파장에 따른 감응도(A/W) 특성을 보여주고 있는 도면

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복사조도 측정장치의 구성을 보여주는 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복사조도 측정장치의 개략적인 구조를 보여주는 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 복사조도 측정장치(100)는, 전면에 개구부(11)가 형성되어 측정대상 광원으로부터 상기 개구부(11)를 통과하여 입사되는 빛의 광량을 측정하여 빛의 세기에 따른 전류신호를 생성하는 실리콘 복사계(10)와; 상기 실리콘 복사계(10)의 전면 일측에 일체로 구비되어 상기 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정하는 분광기(20)와; 상기 실리콘 복사계(10)에서 생성된 전류신호와 상기 분광기(20)를 통해 측정된 파장을 전달받아, 입사광의 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도(spectral responsivity)에 기반한 연산과정을 통해 상기 측정대상 광원의 복사조도를 산출하는 제어부(30);를 포함하여 구성된다.

즉, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 복사조도 측정장치는, 측정대상 광원의 복사조도를 정밀하게 측정하기 위한 복사조도 측정장치로서, 전면에 형성된 개구부를 통해 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 세기에 따른 전류신호를 생성하는 실리콘 복사계와, 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정하는 분광기를 일체로 구비하여, 제어부를 통해 입사광의 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도에 기반한 연산과정을 통해 측정대상 광원의 복사조도를 측정하도록 구성함으로써, 단색기를 이용한 분광복사계 등과 같은 고가의 장비를 사용하지 않고도 LED(Light Emitting Diode)나 OLED(Organic Light Emitting Diode) 또는 레이저 램프(Laser Lamp) 등과 같이 통상의 백열등이나 형광등에 비해 상대적으로 파장폭이 좁은 광원에 대해서도 저가(低價)의 장비로 간편하고 정밀하게 복사조도를 측정할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 복사조도 측정장치(100)의 각 구성을 보다 상세하게 설명하면, 실리콘 복사계(10)는 측정대상 광원을 향하여 배치되며, 측정대상 광원을 향하는 전면에 개구부(11)가 형성되어 있어, 측정대상 광원으로부터 개구부(11)를 통과하여 입사되는 빛의 광량을 측정하여 빛의 세기에 따른 전류신호를 생성한다.

이때, 입사되는 빛의 세기(W, Watt)에 따라 실리콘 복사계(10)에서 생성되는 전류신호의 크기(A, ampere)는 실리콘 복사계의 감응도(A/W)에 의해 결정되는데, 이와 같은 실리콘 복사계의 감응도(A/W)는 입사광의 파장에 따라 달라지게 되며, 이와 관련하여서는 후술할 도 3을 통해 상세히 설명하기로 한다.

실리콘 복사계(10)에 형성된 개구부(11)는 통상 원형의 홀(hole)로 형성되며, 이때 상기 홀의 크기는 광량 측정에 적당한 크기로 형성될 수 있는데, 바람직하게는 홀의 직경을 3mm 내지 8mm 정도로 형성하는 것이 좋다.

여기서, 입사광의 복사조도를 정확하게 측정하기 위해서는 상술한 개구부(11)의 홀 개구면에 대한 정밀 가공이 요구되며, 이에 따라 다이아몬드 선삭 가공 등의 정밀 가공 방법을 통해 0.3% 이내의 개구 면적 불확도를 갖는 정밀 개구부(11)를 형성하는 것이 바람직하다.

분광기(20)는 상기 개구부가 형성된 실리콘 복사계(10)의 전면 일측에 일체로 구비되어, 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정한다.

이때, 상기 분광기(20)는 입사되는 빛의 파장을 측정할 수 있는 다양한 타입의 분광기(20)가 적용될 수 있음은 물론이며, 바람직하게는 전면에 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛을 수집하기 위한 개구홀이 형성되고, 내부에는 상기 개구홀을 통과하여 입사되는 빛을 파장별로 분리시키는 회절격자와, 상기 회절격자를 통해 파장별로 분리된 빛의 파장을 측정하기 위한 센서부를 구비하여 구성되는 회절격자 타입의 분광기와 같은 소형 구조의 분광기를 적용하여 실리콘 복사계(10)에 일체로 구비하는 것이 좋다.

한편, 제어부(30)는 실리콘 복사계(10)에서 생성된 전류신호와 분광기(20)를 통해 측정된 파장을 전달받아, 입사광의 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도에 기반한 연산과정을 통해 측정대상 광원의 복사조도를 산출하게 된다.

여기서, 상술한 실리콘 복사계(10)의 감응도는 실리콘 복사계(10)의 특성 인자로서, 입사되는 빛의 파장에 따라 변화되는데, 그에 따라, 미리 정확한 광량을 알고 있는 다양한 파장의 광원을 이용한 사전 반복 실험을 통해 입사광의 파장대별 감응도값을 특성곡선 또는 특성테이블 형태로 획득할 수 있다.

도 3은, 상술한 실리콘 복사계(10)의 입사광 파장에 따른 감응도 특성 변화를 보여주고 있는 한 예로써, 본 발명의 일 실시예에 적용되고 있는 실리콘 복사계에서 [300nm ~ 1000nm] 구간에서 입사광 파장에 따라 실리콘 복사계의 감응도값이 변화되는 특성을 보여주고 있는 도면이다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 복사조도 측정장치에는, 상술한 도 3에 도시된 바와 같은, 입사광 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도값이 사전 입력되어 저장되며, 이때 이러한 감응도값은 일정 간격의 파장 대역별로 그에 해당하는 감응도값이 매칭되어 저장되는 감응도 특성테이블 등의 형태로 저장될 수 있다.

이를 통해, 본 발명에 따른 복사조도 측정장치를 이용하여 측정대상 광원의 복사조도를 측정하는 과정을 일 예로써 설명하기 위해, 레이저 램프로부터 3m 떨어진 위치에서 직경 6mm의 개구부를 갖는 실리콘 복사계가 구비된 복사조도 측정장치를 통해 상기 레이저 램프의 복사조도를 측정하는 경우에 대해 설명하기로 한다.

이때, 레이저 램프로부터 실리콘 복사계의 전면 개구부를 통해 입사되는 빛의 광량을 측정하여 생성된 전류신호값이 0.08447mA로 검출되고, 분광기를 통해 측정된 입사광의 파장이 532nm로 검출된다고 가정하면, 제어부에서는 먼저 상술한 감응도 특성테이블을 통해 532nm에 해당되는 실리콘 복사계의 감응도값을 추출하게 된다.

아래의 [표 1]은 도 3에 도시된 감응도 특성곡선의 [520nm ~ 550nm] 구간에서의 입사광 파장별 감응도값이 저장된 감응도 특성테이블을 보여주고 있다.

파장(nm)	감응도(A/W)
520nm	0.28982
525nm	0.29305
530nm	0.29610
535nm	0.29952
540nm	0.30270
545nm	0.30587
550nm	0.30906

상기 [표 1]에 나타나고 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 복사계는, 입사광의 파장이 530nm인 경우에는 0.29610의 감응도값을 보여주고 있으며, 535nm인 경우에는 0.29952nm의 감응도값을 보여주고 있는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 상술한 특성테이블에 저장된 감응도값에 기반하여 비례연산을 통해 입사광의 파장이 532nm인 경우의 감응도값 0.29747(A/W)을 얻을 수 있다.

이후, 제어부는 상기와 같이 추출된 감응도값(A/W)과 실리콘 복사계에서 생성된 전류신호값(A)을 이용하여 하기의 [수학식 1]을 통해 상기 레이저 램프의 복사조도(W/㎠)를 산출한다.

즉, 본 실시예에서와 같이, 전류신호값이 0.08447mA로 검출되고, 입사광의 파장이 532nm로 검출되는 경우, 그에 해당하는 감응도값은 0.29747(A/W)로 추출될 수 있으며, 이때 직경 6mm의 개구부 경우 개구부의 면적은 0.28395㎠으로 산출되므로, 상기의 [수학식 1]의 복사조도 산출식을 이용하여 측정대상 레이저 램프의 복사조도를 산출하면 1.0000(mW/㎠)으로 계산됨을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 복사조도 측정장치는, 전면에 형성된 개구부를 통해 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 세기에 따른 전류신호를 생성하는 실리콘 복사계와, 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정하는 분광기를 일체로 구비하여, 제어부를 통해 입사광의 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도에 기반한 연산과정을 통해 측정대상 광원의 복사조도를 측정하도록 구성함으로써, 단색기를 이용한 분광복사계 등과 같은 고가의 장비를 사용하지 않고도 LED(Light Emitting Diode)나 OLED(Organic Light Emitting Diode) 또는 레이저 램프(Laser Lamp) 등과 같이 통상의 백열등이나 형광등에 비해 상대적으로 파장폭이 좁은 광원에 대해서도 저가(低價)의 장비로 간편하고 정밀하게 복사조도를 측정할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

10 : 실리콘 복사계 11 : 개구부
20 : 분광기 30 : 제어부
100 : 복사조도 측정장치

Claims

광원의 복사조도를 측정하기 위한 복사조도 측정장치에 있어서,
전면에 개구부가 형성되어 측정대상 광원으로부터 상기 개구부를 통과하여 입사되는 빛의 광량을 측정하여 빛의 세기에 따른 전류신호를 생성하는 실리콘 복사계와;
상기 실리콘 복사계의 전면 일측에 일체로 구비되어 상기 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정하는 분광기와;
상기 실리콘 복사계에서 생성된 전류신호와 상기 분광기를 통해 측정된 파장을 전달받아, 입사광의 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도(spectral responsivity)에 기반한 연산과정을 통해 상기 측정대상 광원의 복사조도를 산출하는 제어부;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복사조도 측정장치.
제 1항에 있어서,
상기 복사조도 측정장치에는,
입사광의 파장에 따른 상기 실리콘 복사계의 감응도값이 일정 간격의 파장 대역별로 매칭되어 감응도 특성테이블 형태로 저장되고,
상기 제어부는,
상기 감응도 특성테이블에 수록된 파장 대역별 감응도값에 기반하여, 비례연산을 통해 상기 분광기를 통해 측정된 파장에 따른 측정대상 광원의 감응도값을 추출하고, 상기 추출된 감응도값과 상기 실리콘 복사계에서 생성된 전류신호값을 이용하여 상기 측정대상 광원의 복사조도를 산출하는 것을 특징으로 하는 복사조도 측정장치.
제 1항에 있어서,
상기 실리콘 복사계의 개구부는,
3mm 내지 8mm 직경의 원형홀로 형성되는 것을 특징으로 하는 복사조도 측정장치.
제 1항에 있어서,
상기 분광기는,
전면에 상기 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛을 수집하기 위한 개구홀이 형성되고, 내부에는 상기 개구홀을 통과하여 입사되는 빛을 파장별로 분리시키는 회절격자와, 상기 회절격자를 통해 파장별로 분리된 빛의 파장을 측정하기 위한 센서부를 포함하여 구성되는 회절격자 타입의 분광기인 것을 특징으로 하는 복사조도 측정장치.
실리콘 복사계와 분광기가 일체로 구비된 복사조도 측정장치를 이용하여 광원의 복사조도를 측정하는 방법에 있어서,
실리콘 복사계를 통해 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 세기에 따른 전류신호를 생성하는 단계와;
분광기를 통해 상기 측정대상 광원으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정하는 단계와;
상기 실리콘 복사계에서 생성된 전류신호와 상기 분광기를 통해 측정된 파장을 이용하여, 입사광의 파장에 따른 실리콘 복사계의 감응도(spectral responsivity)에 기반한 연산과정을 통해 상기 측정대상 광원의 복사조도를 산출하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복사조도 측정 방법.
제 5항에 있어서,
상기 복사조도 측정장치에는,
입사광의 파장에 따른 상기 실리콘 복사계의 감응도값이 일정 간격의 파장 대역별로 매칭되어 감응도 특성테이블 형태로 저장되어,
상기 감응도 특성테이블에 수록된 파장 대역별 감응도값에 기반하여, 상기 분광기를 통해 측정된 파장에 따른 측정대상 광원의 감응도값을 추출하고, 상기 추출된 감응도값과 상기 실리콘 복사계에서 생성된 전류신호값을 이용하여 상기 측정대상 광원의 복사조도를 산출하는 것을 특징으로 하는 복사조도 측정 방법.
제 6항에 있어서,
상기 측정대상 광원의 감응도값은,
상기 감응도 특성테이블에 수록된 파장 대역별 감응도값에 기반한 비례연산을 통해 추출되는 것을 특징으로 하는 복사조도 측정 방법.
제 5항에 있어서,
상기 복사조도는.
하기의 [수학식]을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 복사조도 측정 방법.
[수학식]