KR101894798B1 - A Light Transceiver for Pollutant Detection Telescope - Google Patents

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Abstract

The present invention provides telescope technique for light to be transmitted and received with a spherical primary mirror, an optical component of a plane secondary mirror, and optical fiber instead of a complex optical component when transmitting and receiving light at a long distance and detecting a pollutant.

Description

망원경을 이용한 유해물질 검출용 광송수신부{A Light Transceiver for Pollutant Detection Telescope}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a light transmitting and receiving unit for detecting harmful substances using a telescope,

본 발명은 유해물질 검출을 위한 원거리 광송수신 기구의 광부품 구조에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a structure of an optical part of a remote optical transmitting / receiving mechanism for detecting harmful substances.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the present embodiment and do not constitute the prior art.

대기 중 유해물질을 원거리에서 광학방식으로 검출하는 기술인 차등흡수 분광법 (DOAS: Differential Optical Absorption Spectroscopy)기술은, 특허문헌1에 기재된 바와 같이, 수 내지 수십 km 거리를 통과한 광원의 흡수스펙트럼을 분석함으로써 유해물질의 종류 및 농도를 측정하는 기술이다. Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) technology, which is a technology for optically detecting harmful substances in the atmosphere at a long distance, analyzes the absorption spectrum of a light source that has passed through a distance of several to several tens of kilometers as described in Patent Document 1 It is a technique to measure the kind and concentration of harmful substances.

이러한 광원을 수 km 거리의 수신부에 전송하거나 수 km 거리의 반사부로부터 수신받기 위해서는 망원경 시스템이 필수적이다. 일반적으로 이러한 망원경 시스템은 기존의 화상 관측을 위한 광학계를 그대로 도입하여 사용하고 있다. 화상 관측용 광학계는 화상이 렌즈를 통해 굴절 및 반사되는 과정에서 유발되는 구면수차, 색수차 등을 저감하기 위해 비구면 반사경을 포함한 후단 렌즈 광학계 등 정밀 가공과 정렬을 요하는 복잡한 광학 부품들을 이용하고 있어 부품 자체가 고가일 뿐만 아니라 망원경 구축 시 조립 정렬이 어렵다. A telescope system is essential for transmitting such a light source to a receiving unit of several km distance or receiving it from a reflecting unit of several km distance. Generally, such a telescope system uses an optical system for observing an existing image as it is. The optical system for image observation uses complex optical components requiring precision machining and alignment, such as a rear-end lens optical system including an aspherical mirror, in order to reduce spherical aberration and chromatic aberration caused in the process of refraction and reflection of an image through a lens, In addition to being expensive, it is difficult to assemble the telescope.

또한, 차등흡수 분광법 장비는 장기간 실외에서 사용되기 때문에 계절별 온도 차 및 일교차에 의한 영향으로 광학계통의 정밀도를 확보하는 것이 까다롭다. In addition, since the differential absorption spectroscopy equipment is used outdoors for a long time, it is difficult to secure the precision of the optical system due to seasonal temperature difference and daylight difference.

국내특허 제10-1237514호 (2013.02.20)Korean Patent No. 10-1237514 (Feb. 20, 2013) 미국특허 제5,483,350호 (1996.01.09)U.S. Patent No. 5,483,350 (1996.01.09) 미국특허 제6,819,483호 (2004.11.16)U.S. Patent No. 6,819,483 (November 16, 2004) 미국특허 제8,773,659호 (2014.07.08)U.S. Patent No. 8,773,659 (Jul. 2014)

본 발명은 유해물질 검출을 위한 원거리 광송수신 망원경의 렌즈 기구부에 있어서 복잡한 광부품 대신 구면경, 평면 반사경, 광섬유를 이용하여 정밀도를 확보하면서 제작 비용을 크게 감축하는 망원경기술에 대한 것이다. The present invention relates to a telescope technology for reducing the manufacturing cost while ensuring accuracy by using a spherical mirror, a plane reflector, and an optical fiber in place of a complicated optical part in a lens mechanism part of a remote optical telescope for detecting harmful substances.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기중 유해물질을 검출하는 차등흡수 분광법(DOAS)에 사용되는 망원경에 있어서, 원거리 광송수신 기구는, 광축에 나란한 관통구멍이 형성되고 반사부가 오목한 구면인 주경; 광축과 동축이고, 반사부와 주경의 초점의 사이에 배치되는 평면인 제1부경; 및 원격지에 배치되어 주경에서 출사되는 송신광을 주경으로 반사하는 재귀반사경;을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a telescope for use in a differential absorption spectroscopy (DOAS) for detecting harmful substances in the atmosphere according to an embodiment of the present invention, A main mirror whose reflecting portion is a concave spherical surface; A first sub-mirror coaxial with the optical axis, the first sub-mirror being disposed between the reflective portion and the focus of the main mirror; And a retroreflector disposed at a remote place and reflecting the transmission light emitted from the main mirror with the main mirror.

또한, 원거리 광송수신 기구는 광축과 동축이고, 관통구멍에 배치되어 제1부경으로 송신광을 입사하는 제1광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The long distance optical transmitting and receiving mechanism may further include a first optical fiber that is coaxial with the optical axis and is disposed in the through hole and receives transmission light at a first minor diameter.

또한, 원거리 광송수신 기구는 광축과 동축이고, 주경의 초점 위치에 배치되어 재귀반사경에서 반사된 후 주경에서 반사 및 집광된 수신광이 입사되는 제2광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The long distance optical transmitting and receiving mechanism may further include a second optical fiber which is coaxial with the optical axis, is disposed at the focus position of the main mirror, and is reflected by the recursive reflector and then reflected and condensed by the main mirror.

또한, 송신광은 자외선 파장 대역 및 적외선 파장 대역을 포함하는 것을 특징으로 한다.Further, the transmission light includes an ultraviolet wavelength band and an infrared wavelength band.

또한, 원거리 광송수신 기구는 수신광의 일부를 수신하여 수신광을 위치를 기준으로 반사부와 광축을 정렬하는 정렬기구부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The remote optical transmitter / receiver further includes an aligning mechanism for receiving a part of the received light and aligning the optical axis with the reflector based on the position of the received light.

또한, 정렬기구부는 제1부경과 주경의 초점 사이에 배치되어 주경으로부터 반사된 수신광을 광축에 수직인 방향으로 출사하는 볼록한 구면인 제2부경; 수신광의 위치를 검출하는 PSD(position sensitive detector); 및 제2부경에서 반사된 광의 일부는 PSD로 반사하고, 나머지 광은 제2광섬유로 전달하도록 형성된 빔 스플리터;를 포함하되, 제2광섬유는 일단이 제2부경에서 반사된 광의 진행 방향에 놓이고, 빔 스플리터는 제2부경과 제2광섬유 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다. Also, the alignment mechanism may include a second sub-mirror disposed between the first sub-mirror and the focal point of the main mirror, the second sub-mirror being a convex spherical surface that emits the received light reflected from the main mirror in a direction perpendicular to the optical axis; A position sensitive detector (PSD) for detecting the position of the received light; And a beam splitter configured to reflect a portion of the light reflected by the second sub-mirror to the PSD and to transmit the remaining light to the second optical fiber, wherein the second optical fiber is positioned such that one end is in the traveling direction of the light reflected by the second sub- , And the beam splitter is disposed between the second optical fiber and the second optical fiber.

또한, 빔 스플리터는 다이클로익(dichroic) 빔 스플리터인 것을 특징으로 한다.Further, the beam splitter is characterized by being a dichroic beam splitter.

또한, 빔 스플리터에서 반사되어 PSD로 전달되는 광의 주파수 대역은 차등흡수 분광법으로 측정할 대상 유해물질의 흡수 파장 대역을 제외한 파장 대역 내에 포함되도록 형성된 다이클로익 빔 스플리터인 것을 특징으로 한다.The frequency band of the light reflected by the beam splitter and transmitted to the PSD is a dichroic beam splitter formed so as to be included in the wavelength band excluding the absorption wavelength band of the harmful substance to be measured by the differential absorption spectroscopy.

본 발명은 본 발명은 원거리 광송수신 및 유해물질 검출시 복잡한 광부품 대신 구면 주경, 평면 부경 구성의 광학부품, 광섬유를 이용한 광송수신이 이루어져 저비용으로도 정밀한 렌즈부를 구성할 수 있고, 광송수신 효율이 높은 효과가 있다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It has a high effect.

도 1은 일반적인 차등흡수 분광법 장비의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 일반적인 차등흡수 분광법에서 복수의 원격지에 설치된 반사경에 의해 넓은 지역의 대기질을 측정하는 개념을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구면 주경 및 평면 제1부경에서 광 경로 전산모사를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구면 주경의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 적용한 원격지의 재귀반사경이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구면경에서 출사되는 송신광을 나타내는 전산모사 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격지 반사경으로부터 구면경으로 입사되는 수신광의 전산모사 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신광을 구면경에서 분광기로 전달하는 제2광섬유에 입사되는 수신광의 전산모사 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2광섬유에 입사되는 수신광이 분광기로 전달되는 경로의 광에 대한 전산모사 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬기구부의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬기구부의 개념도에 대한 사시도이다. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a general differential absorption spectroscopy apparatus.
2 is a conceptual diagram showing a concept of measuring the air quality of a large area by a reflector installed at a plurality of remote sites in a general differential absorption spectroscopy.
FIG. 3 is a diagram showing a simulation of optical path computation in a spherical principal plane and a planar first sub-mirror according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a spherical main mirror according to an embodiment of the present invention.
5 is a remote retroreflector applied to an embodiment of the present invention.
6 is a computer simulation result showing transmission light emitted from a spherical mirror according to an embodiment of the present invention.
7 is a computer simulation result of the incoming light incident on the spherical mirror from the remote reflector according to an embodiment of the present invention.
8 is a computer simulation result of the incoming light incident on the second optical fiber for transmitting the received light according to an embodiment of the present invention from the spherical surface to the spectroscope.
FIG. 9 is a result of computer simulation on the light of a path where the incoming light incident on the second optical fiber according to the embodiment of the present invention is transmitted to the spectroscope.
10 is a conceptual diagram of a sorting mechanism according to an embodiment of the present invention.
11 is a perspective view illustrating a schematic view of a sorting mechanism according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. It should be noted that, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference symbols as possible even if they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. Throughout the specification, when an element is referred to as being "comprising" or "comprising", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise . In addition, '... Quot ;, " module ", and " module " refer to a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.

도 1은 일반적인 차등흡수 분광법 장비의 구성을 나타내는 개념도이다. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a general differential absorption spectroscopy apparatus.

도 2는 일반적인 차등흡수 분광법에서 복수의 원격지에 설치된 반사경에 의해 넓은 지역의 대기질을 측정하는 개념을 나타내는 개념도이다. 2 is a conceptual diagram showing a concept of measuring the air quality of a large area by a reflector installed at a plurality of remote sites in a general differential absorption spectroscopy.

도 1 및 도 2는 원격지(32)에 재귀반사경(30)을 설치하고 광송신부(10)와 광수신부(20)가 같은 장소에 구비되는 형태의 일반적인 차등흡수 분광법을 나타낸다. 원격지(32)에는 재귀반사경(30)만 설치되고, 고가인 광송신부(10)와 광수신부(20)는 한 곳에만 설치되므로 적은 비용으로 넓은 지역의 대기질을 측정하여 공간적 오염분포를 파악할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 원격지(32)에 광수신부(20)가 구비되는 경우에 비하여, 광송신부(10), 재귀반사경(30) 및 광수신부(20)의 정렬이 높은 수준으로 이루어져야 하고, 경로 증가에 따라 광송수신 효율이 감소한다는 단점이 있다. 비구면 반사경(30)을 채택하는 통상의 망원경은 높은 광학적 성능을 보이지만 렌즈부의 정렬이 까다롭고 제조 비용이 높다. 반사면 형상이 단일 곡률반경을 가지지 않아 열 변형 등 외부 환경 변화에 따른 형상 변형이 발생하면 송수광 특성에 오차가 발생하기 쉽다. 1 and 2 show a general differential absorption spectroscopy method in which a retroreflective mirror 30 is provided on a remote site 32 and the optical transmitter 10 and the optical receiver 20 are provided in the same place. Since only the recursive reflector 30 is installed in the remote site 32 and the expensive optical transmitter 10 and the optical receiver 20 are installed in only one place, the spatial contamination distribution can be grasped by measuring the air quality in a large area at a small cost There are advantages. However, the alignment of the optical transmitter 10, the retroreflector 30, and the light receiver 20 must be made at a high level compared with the case where the light reception portion 20 is provided in the remote site 32, There is a disadvantage that the transmission / reception efficiency is reduced. Conventional telescopes employing the aspheric reflector 30 show high optical performance, but the alignment of the lens portion is difficult and the manufacturing cost is high. Since the reflection surface shape does not have a single radius of curvature, errors in the transmission and reception characteristics are liable to occur when shape deformation occurs due to external environmental changes such as thermal deformation.

본 발명은 반사면(102)이 구면인 주경(100), 평면인 제1부경(110) 및 광섬유(130, 140)에 의한 송수광부로 차등흡수 분광법 장비를 구축함으로써 저비용으로 광학정밀도를 확보하는 구성을 개시한다. The present invention can be realized by constructing a differential absorption spectroscopy apparatus using a main mirror 100 having a spherical surface, a first sub-mirror 110 having a flat surface, and a transmission / reception unit using optical fibers 130 and 140 to secure optical precision at low cost Fig.

구면인 주경(100)을 사용함으로써 저비용으로도 높은 정밀도를 확보할 수 있으며, 온도 변화에 따른 형상 변형이 발생하여도 광 경로나 초점 위치의 변동에 미치는 영향이 비구면 반사경에 비해 감소한다. By using the spherical main mirror 100, high precision can be secured even at a low cost. Even if shape distortion occurs due to temperature change, the influence on the optical path or the focus position variation is reduced as compared with the aspherical mirror.

평면인 제1부경(110)을 사용함으로써 저비용으로 높은 정밀도가 확보될 뿐만 아니라 제1부경(110)의 정렬도 매우 용이해진다. 온도 변화에 따른 열변형도 최소화될 수 있다. By using the first sub-mirror 110 which is planar, not only high accuracy is ensured at a low cost, but also the alignment of the first sub-mirror 110 becomes very easy. Thermal deformation due to temperature changes can also be minimized.

야외 환경에서 효과적으로 다양한 미량기체를 차등흡수 분광법 장비에 의해 원격모니터링 하기 위해서는 외부환경으로부터의 영향을 최소화시켜 시스템의 내부 환경을 안정적으로 유지해야 된다. In order to effectively monitor various trace gases in an outdoor environment by means of differential absorption spectroscopy equipment, the internal environment of the system should be kept stable by minimizing the influence from the external environment.

차등흡수 분광법에서는 특히 수신광으로부터 세부적인 스펙트럼 분석이 수행되는 분광기(40)의 정밀도를 높은 수준으로 유지하여야 한다. 급격한 외부 온도 변화 및 높은 습도가 관측 시 시스템의 내부에 영향을 주면, 집광 미러, 그레이팅 및 편광 미러 등을 위치시키는 포스트 및 마운터를 비롯한 각종 광학 기구부에 영향을 주어, 분광된 산란광이 집광 반사경에 의해 CCD 검출기(50)에 집광될 때 심한 파장 왜곡을 일으킬 수 있다. In differential absorption spectroscopy, the precision of the spectroscope 40, in which detailed spectral analysis from the incoming light is performed, must be maintained at a high level. When sudden external temperature changes and high humidity affect the interior of the system at the time of observation, it affects various optical mechanisms such as post and mounter for positioning the condensing mirror, the grating and the polarizing mirror, and the scattered light is reflected by the condensing reflector And can cause severe wavelength distortion when condensed in the CCD detector 50. [

분광기(40)는 예컨대 0.7 nm 수준의 광파장 분해능이 요구되는 수준이다. 통상 분광기(40)는 내부 광학계의 정밀도를 확보하기 위해 일정 온도를 유지할 수 있는 시스템이 갖춰진다. 광섬유(140)를 통해 수광광을 망원 렌즈부에서 분광기(40)로 전달함으로써 분광기(40)와 렌즈부가 분리되고 분광기(40)를 소형화할 수 있어 온도 유지 시스템을 효율적으로 구성, 운영할 수 있다. The spectroscope 40 is required to have a wavelength resolution of 0.7 nm, for example. Normally, the spectroscope 40 is equipped with a system capable of maintaining a constant temperature in order to ensure the accuracy of the internal optical system. The spectroscope 40 and the lens unit can be separated and the spectroscope 40 can be downsized by transferring the light received from the telephoto lens unit to the spectroscope 40 through the optical fiber 140 so that the temperature maintenance system can be efficiently configured and operated .

분광된 스펙트럼은 CCD검출기(50)등 찰상소자에 의해 촬영 및 측정이 이루어진다. 통상 CCD검출기(50)는 파장 크기에 따른 다른 광자 효율(quantum efficiency) 특성을 가지며, 가시광 영역에서의 효율은 우수하나 파장이 큰 적외선 영역에서의 효율은 낮은 편이다. IR(Infra-Red) 용으로 제작된 CCD검출기(50)의 경우에도 가시광 영역 수준의 광자 효율을 확보하는 것은 쉽지 않다. The spectroscopic spectrum is photographed and measured by a scratch element such as the CCD detector 50. Generally, the CCD detector 50 has different quantum efficiency characteristics depending on the wavelength, and the efficiency in the visible light region is excellent, but the efficiency in the infrared region having a large wavelength is low. Even in the case of the CCD detector 50 designed for IR (Infra-Red), it is not easy to secure the photon efficiency at the visible light region level.

본 발명의 일 실시예에 따른 차등흡수 분광법은 송수신광에 자외선 대역의 광뿐만 아니라 적외선 대역의 광을 사용하여 계측하는 것을 전제로 한다. 이러한 적외선 대역에 대한 광자 효율을 높여 찰상소자의 측정 민감도를 확보하기 위해서는 일반적으로 CCD를 -70 내지 -100 ℃로 냉각하여 암전류(dark current)를 낮추고 찰상소자의 계측 노이즈(readout noise)를 최소화한다. 따라서 분광기(40)를 소형화하고 광섬유(140)를 통해 렌즈부와 분리함으로써 결과적으로 차등흡수 분광법 시스템의 성능을 높이고, 분광기(40)가 소형화됨으로써 온도 관리 및 유지에 소요되는 전력소모를 낮출 수 있다. The differential absorption spectroscopy according to an embodiment of the present invention is based on the premise that transmission and reception light is measured using light in the ultraviolet band as well as light in the ultraviolet band. In order to increase the photon efficiency of the infrared band and secure the measurement sensitivity of the scratch element, the dark current is generally lowered by cooling the CCD to -70 to -100 ° C. and the readout noise of the scratch element is minimized . Therefore, by downsizing the spectroscope 40 and separating it from the lens portion through the optical fiber 140, the performance of the differential absorption spectroscopy system can be improved as a result, and the power consumption for temperature management and maintenance can be lowered by downsizing the spectroscope 40 .

또한, 광섬유(130)를 통해 송신광을 제1부경(110)에 입사시킴으로써 광원(미도시)에서 발생하는 열이 렌즈부로 전달되는 것도 원천적으로 차단할 수 있다. In addition, by transmitting the transmitted light through the optical fiber 130 to the first sub-mirror 110, it is possible to prevent the heat generated in the light source (not shown) from being transmitted to the lens unit.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구면 주경 및 평면 제1부경에서 광 경로 전산모사를 나타내는 도면이다. FIG. 3 is a diagram showing a simulation of optical path computation in a spherical principal plane and a planar first sub-mirror according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계는 구면 주경(100), 평면 제1부경(110) 및 광의 입출사를 위한 광섬유(130, 140)를 포함한다. 3, an optical system according to an embodiment of the present invention includes a spherical main mirror 100, a first planar mirror 110, and optical fibers 130 and 140 for light incident and outgoing.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구면 주경의 단면도이다. 4 is a cross-sectional view of a spherical main mirror according to an embodiment of the present invention.

일 실시예에 따른 주경(100)은 반사면(102)이 구면이며 광 출사 방향이 오목한 형태로, 주경(100)은 외경 200 mm, 반사면(102) 곡률반경 780 mm로 설계하였다. 주경(100) 중앙에는 직경 20 mm의 관통구멍(104)이 형성되어 이를 통해 제1광섬유(130)로부터 출사되는 광을 제1부경(110)에 입사한다. 제1광섬유(130) 종단에는 제1부경(110)까지 적절한 팬아웃 각(fanout angle)을 가지고 광을 입사시키도록 빔 익스펜더(beam expander, 미도시)가 배치될 수 있다. The main mirror 100 according to the embodiment is designed such that the reflecting surface 102 is spherical and the light emitting direction is concave and the main mirror 100 has an outer diameter of 200 mm and a reflecting surface 102 having a radius of curvature of 780 mm. A through hole 104 having a diameter of 20 mm is formed at the center of the main mirror 100 so that light emitted from the first optical fiber 130 is incident on the first submirror 110. A beam expander (not shown) may be disposed at the end of the first optical fiber 130 to have a proper fan-out angle up to the first sub-mirror 110 to enter the optical fiber.

평면인 제1부경(110)은 주경(100)의 회전축(또는 광축)과 동축으로 배치되고, 주경(100)의 초점(120)과 반사면(102) 사이에 배치된다. 제1부경(110)에 입사된 광은 반사되어 구면인 주경(100)으로 입사된다. 주경(100)에 입사된 광은 반사면(102)에서 반사되어 환형의 단면을 가지는 광의 형태로 원격지(32)에 설치되는 재귀반사경(30)에 입사된다. The first spherical mirror 110 which is planar is disposed coaxially with the rotational axis (or optical axis) of the main mirror 100 and disposed between the focal point 120 of the main mirror 100 and the reflecting surface 102. The light incident on the first sub-mirror 110 is reflected and is incident on the main mirror 100 which is a spherical surface. The light incident on the main mirror 100 is reflected by the reflecting surface 102 and is incident on the retroreflective mirror 30 provided on the remote side 32 in the form of light having an annular cross section.

비구면 반사경의 경우 단일 초점을 가지며 초점으로부터 입사된 광은 반사면에서 반사되어 평행광을 형성하는 장점이 있으나, 열에 의해 변형이 균일하게 발생되도록 설계하는 것은 쉽지 않다. 반면 구면 반사경(100)의 경우 손쉽게 가공정밀도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 열에 의한 변형이 반사면(102) 프로파일에 최소한의 영향만 미치도록 설계하기가 용이하고, 따라서 광 경로의 오차가 매우 작을 수 있다. In case of aspheric reflector, light having a single focal point and incident from the focal point is reflected at the reflection surface to form parallel light, but it is difficult to design such that the light is uniformly deformed by heat. On the other hand, in the case of the spherical reflector 100, not only the processing accuracy can be secured easily, but also it is easy to design the deformation caused by heat to have a minimal effect on the reflection surface 102 profile, have.

원격지(32)에 설치된 재귀반사경(30)으로부터 반사된 수신광은 주경(100)으로 다시 입사되어 반사되고 주경(100)의 초점(120) 위치에는 제2광섬유(140)의 종단이 배치된다. 제2광섬유(140)의 종단의 일측면은 광축에 수직으로 배치되고 재귀반사경(30)으로부터 반사된 수신광이 주경(100)에서 집광되어 제2광섬유(140)를 통해 광을 분광기(40)로 전달한다. The incoming light reflected from the retroreflective mirror 30 installed on the remote site 32 is incident again on the main mirror 100 and is reflected and the end of the second optical fiber 140 is disposed on the focal point 120 of the main mirror 100. One side of the end of the second optical fiber 140 is disposed perpendicular to the optical axis and the incoming light reflected from the recursive reflector 30 is condensed in the main mirror 100 to transmit the light through the second optical fiber 140 to the spectroscope 40. [ .

도 5는 본 발명의 일 실시예에 적용한 원격지의 재귀반사경이다. 5 is a remote retroreflector applied to an embodiment of the present invention.

도 5의 (a)는 재귀반사경(30)을 나타내는 사진이며, (b)는 재귀반사경(30)의 구조를 나타내는 개념도이다. 도 5의 (b)에 환형으로 도시한 부분(36)은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈부에서 출사된 환형의 광이 재귀반사경(30)에 입사되는 영역을 나타낸다. 5 (a) is a photograph showing the retroreflective mirror 30, and FIG. 5 (b) is a conceptual view showing the structure of the retroreflective mirror 30. An annular portion 36 shown in FIG. 5 (b) represents an area where annular light emitted from the lens unit according to the embodiment of the present invention is incident on the retroreflector 30.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구면경에서 출사되는 송신광을 나타내는 전산모사 결과이다. 6 is a computer simulation result showing transmission light emitted from a spherical mirror according to an embodiment of the present invention.

도 6은 제1광섬유(130)에 의해 입사되어 확산된 후 제1부경(110) 및 주경(100)에 의해 반사되어 재귀반사경(30)을 향해 출사되는 광의 복사조도(irradiance) 분포를 나타낸다. 6 shows an irradiance distribution of light that is incident on the first optical fiber 130 and then diffused and then reflected by the first sub-mirror 110 and the main mirror 100 to be emitted toward the retroreflector 30. FIG.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격지 반사경으로부터 구면경으로 입사되는 수신광의 전산모사 결과이다. 7 is a computer simulation result of the incoming light incident on the spherical mirror from the remote reflector according to an embodiment of the present invention.

도 5를 다시 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재귀반사경(30)은 방사형으로 배치된 6개의 개별 재귀반사경(34)으로 구성되며, 환형 형태로 입사된 광을 반사하여 환형부(36) 외측으로 반사하며 각각의 재귀반사경(34)에서 뒤집어진 형태로 반사한다. 도 7은 이렇게 6개의 개별 재귀반사경(34)에서 반사되어 다시 주경(100)에 입사된 광의 복사조도 분포를 나타낸다. 5, the retroreflector 30 according to the embodiment of the present invention is composed of six individual retroreflectors 34 arranged radially, and reflects the light incident in an annular shape to form an annular portion 36 And is reflected in an inverted form in each of the recursive reflectors 34. In the present embodiment, FIG. 7 shows the distribution of the radiance of light reflected by the six individual retroreflectors 34 and incident on the main mirror 100 again.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신광을 구면경에서 분광기로 전달하는 제2광섬유에 입사되는 수신광의 전산모사 결과이다. 8 is a computer simulation result of the incoming light incident on the second optical fiber for transmitting the received light according to an embodiment of the present invention from the spherical surface to the spectroscope.

도 8은 제2광섬유(140)의 종단 일측면에 입사되는 수신광의 복사조도 분포를 나타낸다. 전산모사에 의하면 제1광섬유(130)에서 출사된 광이 제2광섬유(140)로 입사되는 광송수신 효율은 30% 수준으로 해석되었다. 본 설명에는 별도로 도시하지 않지만, 비구면 반사경을 사용하는 상용 망원렌즈의 광송수신 효율과 유사한 성능임을 확인하였다. FIG. 8 shows a radiant intensity distribution of incoming light incident on one longitudinal end of the second optical fiber 140. FIG. According to computer simulation, the optical transmission / reception efficiency in which the light emitted from the first optical fiber 130 is incident on the second optical fiber 140 is interpreted as about 30%. Although not shown in the drawing, it is confirmed that the performance is similar to that of a commercial telephoto lens using an aspherical reflector.

차등흡수 분광법 장비는 화상을 촬영하는 것이 목적이 아니며, 통상 화상 촬영을 위한 광학계의 구면수차, 색수차를 엄밀하게 보정하지 않아도 된다. 즉, 차등흡수 분광법은 송신된 광과 수신된 광의 통계적인 특성을 측정하는 것으로서, 파장의 왜곡 없이 광을 높은 효율로 수신하는 것이 중요하다. 광학계 부품을 최소화하여 송수신되는 광의 관심 파장 대역의 입출력 특성 왜곡이 최소화되는 것이 더 바람직하다. 자외선 파장 대역부터 적외선 파장 대역까지의 광 신호가 전달될 때, 예를 들어 굴절 광학계 부품이 사용되면 서로 다른 파장의 광은 굴절 특성이 달라져서 색수차가 발생하며, 초점 위치도 달라진다. 이에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈부는 구면 주경(100) 및 평면 제1부경(110)의 단순 구조로 이루어져 파장에 따른 광 특성의 변화가 없어 바람직하다. 반사에 의해서만 렌즈부가 구성되어 넓은 파장 대역의 광 신호를 다루더라도 초점이나 광 경로의 변화가 없고, 반사 회수가 적어 반사에 따른 광 손실도 최소화될 수 있다. Differential absorption spectroscopy equipment does not aim at capturing an image, and usually spherical aberration and chromatic aberration of an optical system for image photographing need not be strictly corrected. That is, the differential absorption spectroscopy measures the statistical characteristics of transmitted light and received light, and it is important to receive light with high efficiency without wavelength distortion. It is more preferable that the distortion of the input / output characteristic of the wavelength band of interest of the transmitted / received light is minimized by minimizing the optical system components. When an optical signal ranging from the ultraviolet wavelength band to the infrared wavelength band is transmitted, for example, when a refractive optical system component is used, the refractive characteristics of light of different wavelengths are different, chromatic aberration occurs, and the focus position is also changed. In contrast to this, the lens unit according to an embodiment of the present invention has a simple structure of the spherical main mirror 100 and the planar first sub-mirror 110, which is preferable because there is no change in optical characteristics according to wavelength. Even if the lens portion is formed only by the reflection and covers the optical signal of the wide wavelength band, there is no change of the focus or the optical path, and the number of reflection is small and the optical loss due to reflection can be minimized.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2광섬유에 입사되는 수신광이 분광기로 전달되는 경로의 광에 대한 전산모사 결과이다. FIG. 9 is a result of computer simulation on the light of a path where the incoming light incident on the second optical fiber according to the embodiment of the present invention is transmitted to the spectroscope.

본 발명의 일 실시예에 따른 제1, 제2광섬유(130, 140)는 단일 광섬유로 구성되나, 이에 한정하는 것은 아니며 다발 형태로 구성될 수 있다. 도 9를 참조하면, 제2광섬유(140)의 코어(core, 144), 클래딩(cladding, 146)을 실제와 같이 모사함을 나타낸다. 일 실시예에서 광섬유(130, 140)의 개구수(numerical aperture)는 0.3으로 넓은 범위의 수광각을 가져 많은 광속(beam flux)을 입사할 수 있는 사양을 선택한다. 일 실시예에 따른 전산 모사에서 코어(144), 클래딩(146)의 크기 및 굴절률뿐만 아니라 클래딩(146)을 감싸는 외피(148) 부분을 포함하여 모든 빛을 흡수하는 실제와 가장 유사한 상황을 가정하여 해석하였다. 이러한 조건에서 제2광섬유(140)에 입사된 수신광은 분광기(40)까지 거의 광손실 없이 광이 전달됨을 확인하였다. Although the first and second optical fibers 130 and 140 according to an embodiment of the present invention are composed of a single optical fiber, the present invention is not limited thereto and may be configured in a bundle shape. Referring to FIG. 9, a core 144 and a cladding 146 of the second optical fiber 140 are simulated as shown in FIG. In one embodiment, the numerical aperture of the optical fibers 130 and 140 is 0.3, so that a wide range of light receiving angles can be selected to select a beam flux. Assuming a situation similar to the actual absorbing of all the light including the size and the refractive index of the core 144 and the cladding 146 as well as the portion of the envelope 148 surrounding the cladding 146 in the computer simulation according to an embodiment Respectively. Under such a condition, it was confirmed that light received by the second optical fiber 140 is transmitted to the spectroscope 40 with almost no light loss.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬기구부의 개념도이다.10 is a conceptual diagram of a sorting mechanism according to an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬기구부의 개념도에 대한 사시도이다. 11 is a perspective view illustrating a schematic view of a sorting mechanism according to an embodiment of the present invention.

도 10 및 도 11을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계는 부가적으로 정렬기구부(미도시)를 구비할 수 있다. Referring to FIGS. 10 and 11, the optical system according to an embodiment of the present invention may additionally include an alignment mechanism (not shown).

본 발명의 일 실시예에 따른 부가적인 실시예에서 제2광섬유(140)는 렌즈부 외측에 배치된다. 주경(100)에서 반사되어 집광되는 수신광은 주경(100)의 초점(120) 위치 전에 45도 각도로 배치되는 볼록한 구면의 제2부경(112)에 의해 광축에 대해 수직으로 인출된다. 인출된 수신광은 빔 스플리터(610)에 의해 일부는 PSD(position sensitive detector, 620)로 보내지고, 대부분의 광은 렌즈부 외부에 배치되는 제2광섬유(140)로 입사되도록 한다. In an additional embodiment according to an embodiment of the present invention, the second optical fiber 140 is disposed outside the lens portion. The light reflected by the main mirror 100 and condensed is drawn perpendicular to the optical axis by the convex spherical second sub-mirror 112 disposed at an angle of 45 degrees before the focus 120 of the main mirror 100 is positioned. The drawn-out light is partially transmitted by a beam splitter 610 to a position sensitive detector (PSD) 620, and most of the light is incident on a second optical fiber 140 disposed outside the lens portion.

일 실시예에 따른 빔 스플리터(610)는 통상의 광량만 분배하는 형식의 것일 수도 있으나, 바람직하게는 다이클로익 빔 스플리터(dichroic beam splitter, 610)를 사용하고, PSD(620) 측으로 반사되는 광의 주파수 대역은 측정 대상이 되는 주요 유해물질의 흡수 파장 대역을 피해 선정한다. 다이클로익 빔 스플리터(610)를 사용함으로써 협소한 대역폭의 광 손실만 허용하고, 90% 이상의 광을 분광기(40)에 전달하여 광 전달 효율을 최대화할 수 있다. The beam splitter 610 according to one embodiment may be of a type that distributes only a normal amount of light, but it is preferable to use a dichroic beam splitter 610 and to reflect the light reflected toward the PSD 620 side The frequency band is selected from the absorption wavelength band of the major harmful substances to be measured. By using the dichroic beam splitter 610, light of a narrow bandwidth is allowed only, and light of 90% or more is transmitted to the spectroscope 40, thereby maximizing the light transmission efficiency.

도 11은 PSD(620)로부터 얻어지는 수광 축의 위치에 따라 렌즈부의 각도를 조정하여 광축을 정렬하는 개념을 나타내는 것으로, 세부적인 정렬기구부의 구성은 생략하였으나 통상의 기술자라면 다양한 형태로 미세 회전 기구부를 구성할 수 있을 것이다. 11 shows the concept of aligning the optical axis by adjusting the angle of the lens part according to the position of the light receiving axis obtained from the PSD 620. Although the detailed configuration of the alignment mechanism is omitted, You can do it.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and various modifications and changes may be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the embodiments. Therefore, the present embodiments are to be construed as illustrative rather than restrictive, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present embodiment should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (8)

대기중 유해물질을 검출하는 차등흡수 분광법(DOAS)에 사용되는 망원경에 있어서,
광축에 나란한 관통구멍이 형성되고 반사부가 오목한 구면인 주경;
상기 광축과 동축이고, 상기 반사부와 상기 주경의 초점의 사이에 배치되는 평면인 제1부경;
원격지에 배치되어 상기 주경에서 출사되는 송신광을 상기 주경으로 반사하는 재귀반사경;
상기 광축과 동축이고, 상기 주경의 초점 위치에 배치되어 상기 재귀반사경에서 반사된 후 상기 주경에서 반사 및 집광된 수신광이 입사되는 제2광섬유; 및
상기 수신광의 일부를 수신하여 상기 수신광의 위치를 기준으로 상기 반사부와 상기 광축을 정렬하는 정렬기구부;를 포함하고,
상기 정렬기구부는,
상기 제1부경과 상기 주경의 초점 사이에 배치되어 상기 주경으로부터 반사된 상기 수신광을 상기 광축에 수직인 방향으로 출사하는 볼록한 구면인 제2부경;
상기 수신광의 위치를 검출하는 PSD(position sensitive detector); 및
상기 제2부경에서 반사된 광의 일부는 PSD로 반사하고, 나머지 광은 상기 제2광섬유로 전달하도록 형성된 빔 스플리터;를 포함하되,
상기 제2광섬유는 일단이 상기 제2부경에서 반사된 광의 진행 방향에 놓이고, 상기 빔 스플리터는 상기 제2부경과 상기 제2광섬유 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 원거리 광송수신 기구.A telescope used in differential absorption spectroscopy (DOAS) for detecting harmful substances in the atmosphere,
A main mirror in which a through hole is formed in parallel with the optical axis and the reflecting portion is a concave spherical surface;
A first sub-mirror which is coaxial with the optical axis and is a plane disposed between the reflective portion and the focus of the main mirror;
A retroreflector disposed at a remote location and reflecting transmission light emitted from the main mirror with the main mirror;
A second optical fiber that is coaxial with the optical axis, is disposed at a focus position of the main mirror, is reflected by the retroreflector, and is reflected and condensed by the main mirror; And
And an alignment mechanism for receiving a part of the received light and aligning the reflector and the optical axis with respect to the position of the received light,
The alignment mechanism may include:
A second sub-diameter disposed between the first minor diameter and the focal point of the main mirror, the second minor diameter being a convex spherical surface that emits the received light reflected from the main mirror in a direction perpendicular to the optical axis;
A position sensitive detector (PSD) for detecting the position of the received light; And
And a beam splitter configured to reflect a portion of the light reflected by the second sub-mirror to the PSD and to transmit the remaining light to the second optical fiber,
Wherein the second optical fiber has one end in a traveling direction of light reflected by the second minor diameter, and the beam splitter is disposed between the second minor diameter and the second optical fiber. 제 1항에 있어서,
상기 광축과 동축이고, 상기 관통구멍에 배치되어 상기 제1부경으로 상기 송신광을 입사하는 제1광섬유를 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 원거리 광송수신 기구.The method according to claim 1,
And a first optical fiber which is coaxial with the optical axis and which is disposed in the through hole and into which the transmission light is incident at the first minor diameter
Wherein said optical transmission / reception device comprises: 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 송신광은,
자외선 파장 대역 및 적외선 파장 대역을 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리 광송수신 기구. The method according to claim 1,
The transmission light,
An ultraviolet wavelength band, and an infrared wavelength band. 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 빔 스플리터는 다이클로익(dichroic) 빔 스플리터인 것
을 특징으로 하는 원거리 광송수신 기구.The method according to claim 1,
The beam splitter is a dichroic beam splitter
Wherein said optical transmission / reception device comprises: 제 7항에 있어서,
상기 빔 스플리터에서 반사되어 상기 PSD로 전달되는 광의 주파수 대역은 상기 차등흡수 분광법으로 측정할 대상 유해물질의 흡수 파장 대역을 제외한 파장 대역 내에 포함되도록 형성된 다이클로익 빔 스플리터인 것
을 특징으로 하는 원거리 광송수신 기구.8. The method of claim 7,
The frequency band of the light reflected by the beam splitter and transmitted to the PSD is a dichroic beam splitter formed so as to be included in a wavelength band excluding an absorption wavelength band of a harmful substance to be measured by the differential absorption spectroscopy
Wherein said optical transmission / reception device comprises:
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