KR102138607B1 - 임계각 광학 센서 장치 - Google Patents

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크리스토퍼 와신스키
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인테그리스 - 제탈론 솔루션즈, 인크.
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Abstract

본 발명은 광학 센서 장치에 관한 것으로서, 광학 센서 장치는 평면형 제1, 제2 및 제3 표면을 갖는 광 전달 구조체와, 제1 표면에 인접하여 광 전달 구조체 외부에 위치되는 광원과, 제1 표면에 인접하여 프리즘 외부에 위치되는 광검출기 어레이를 포함한다. 제2 표면에 근접하여 광 전달 구조체 외부에 있는 샘플과 프리즘 사이의 광학적 인터페이스에서 전반사되는 광원으로부터의 광이 제3 표면에서 반사되고 그리고 샘플의 굴절률에 따라 광검출기 어레이의 일부분으로 입사되도록 광 전달 구조체, 광원 및 광검출기 어레이가 구성된다. 각각의 광원으로부터의 전반사된 광이 샘플의 상이한 굴절률 범위에 대응되고 그리고 광검출기 어레이의 대응하는 부분에 매핑되도록 광원이 도광 구조체 및 광검출기 어레이에 대해 위치설정된다.

Description

임계각 광학 센서 장치{CRITICAL ANGLE OPTICAL SENSOR APPARATUS}
본 발명은 광학 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광학 물질과 샘플 사이의 인터페이스에서 전반사를 감지함으로써 샘플의 굴절률을 측정하는 광학 센서에 관한 것이다.
임계각을 이용하여 샘플의 굴절률을 측정하기 위한 시스템은 매체의 굴절률을 결정하기 위해 임계각을 측정하는 방법의 기초가 되는 물리학의 원리로서 당해 기술분야에 공지되어 있다. 높은 굴절률의 매체로부터 이동되는 광이 높은 굴절률의 매체와 더 낮은 굴절률의 다른 매체 사이의 인터페이스에 임계 입사각보다 큰 입사각으로 입사되는 경우, 전반사가 관측될 수 있다. 임계각은 양쪽 매체의 굴절률의 함수이다. 그러나, 하나의 매체의 굴절률이 공지되어 있는 경우, 다른 매체의 굴절률은 이하의 주지되어 있는 공식을 이용하여 임계각 θc를 측정함으로써 결정될 수 있다:
Figure 112014086870424-pct00001
여기서, n1은 높은 굴절률을 갖는 매체의 굴절률이며, n2는 낮은 굴절률을 갖는 매체이 굴절률이다. 통상, 임계 입사각은 2개의 매체 사이의 인터페이스에 수직인 라인에 대해 측정된다.
미국 특허 제6,097,479호에는 광원과 광검출기가 높은 굴절률 매체로서 기능하는 광투과성 하우징 내에 캡슐화되어 있는 임계각 측정용 센서가 개시되어 있다. 하우징은 샘플과 접촉되는 하나의 표면을 갖는 프리즘을 형성하는데, 이 프리즘은 저굴절률 매체로서 기능한다. 광원으로부터의 광은 입사각의 범위에 걸쳐 샘플과 프리즘 사이의 인터페이스에 입사된다. 임계각보다 큰 각도로 인터페이스에 입사되는 광의 일부가 전반사되어 광검출기 어레이에 의해 검출된다. 따라서, 광검출기 어레이의 다른 부분은 프리즘의 굴절률과 샘플의 굴절률에 따라 결정되는 임계각에 따라 전반사된 광에 의해 조사된다. 광검출기 어레이의 조사 패턴이 샘플의 굴절률을 결정하도록 분석될 수 있다.
이런 내용은 본 발명의 실시예에 포함되어 있다.
본 발명의 목적은 광학 물질과 샘플 사이의 인터페이스에서 전반사를 감지함으로써 샘플의 굴절률을 측정할 수 있는 개선된 광학 센서를 제공하는 것이다.
상술된 목적은 첨부된 특허청구범위에 개시된 본원 발명의 광학 센서에 의해 충족된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서 장치의 3차원 개략도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서 장치의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치의 광검출기 어레이 신호를 도시하는 3차원 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 센서 장치의 개략적인 측면도이다.
도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 센서 장치의 개략적인 측면도이다.
본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
이하의 상세한 설명은 예시를 목적으로 많은 구체적인 상세 사항을 포함하고 있지만, 본 발명의 범주 내에서 이하의 상세한 설명에 대한 다양한 변형예 및 변경예가 이루어질 수 있음을 당업자들은 알 것이다. 따라서, 이하에 기술된 본 발명의 예시적인 실시예는 청구된 발명의 포괄적인 사항에 대한 감축 및 제한 없이 기재되어 있다.
이하의 상세한 설명에서는, 본 발명의 실시될 수 있는 특정한 실시예를 예시하는 본 발명의 일부인 첨부 도면을 참조한다. 이와 관련하여, "상부" "하부" "전방" "후방" "선단" 및 "후단" 등과 같이 방향을 나타내는 용어들은 도시된 도면(들)의 배향과 관련되어 사용될 수도 있다. 본 발명의 실시예의 구성요소들은 복수의 상이한 배향으로 위치설정될 수 있기 때문에, 방향을 나타내는 용어들은 예시만을 위한 것으로서, 제한적인 의미가 아니다. 본 발명의 범주 내에서 다른 실시예들도 이용될 수 있으며, 구조적 또는 논리적 변경도 이루어질 수 있다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적인 것이 아니며, 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된다.
용어 해설
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 이하의 용어들은 다음과 같은 의미이다.
열팽창 계수란 온도의 변화에 따라 물질의 하나 이상의 물리적 치수의 변화를 수량화하는 물질의 성질을 나타낸다.
CTE-매칭(CTE-matched)이란 유사한 열팽창 계수(CTE)를 갖는 물질을 나타낸다. 본 출원을 위해, 2개의 물질의 열팽창 계수가 서로에 대해 약 2의 팩터 내에 있으면 2개의 물질은 CTE-매칭된다고 칭해질 수 있다.
분산(또는 광 분산)(optical dispersion)이란 파동이 물질 내에서 이동될 때 파동의 주파수에 대한 파동의 속도의 상관성(dependence)으로 인해 파동이 상이한 주파수를 갖는 스펙트럼 성분들로 분리되는 현상을 나타낸다. 광학에서 분산이란 광의 진공 파장에 대한 물질의 굴절률의 상관성으로 표현될 수 있다.
굴절률이란 진공(또는 다른 기준 매체)에서의 광의 속도 대 물질에서의 광의 속도의 비율로 통상 정의되는 물질의 광학적 성질을 나타낸다.
적외선이란 약 700 나노미터(nm) 내지 약 100,000 nm의 진공 파장을 특징으로 하는 전자기 방사선을 나타낸다.
광(light)이란 약 1 나노미터(10-9 미터) 내지 약 100 미크론의 진공 파장의 범위에 대략 대응하는 적외선 주파수와 자외선의 주파수 사이의 범위에 있는 전자기 방사선을 통상 나타낸다.
사파이어란 산화알루미늄(Al2O3)의 비등방성 능면체 결정 형태를 통상 나타낸다.
전반사(Total Internal Reflection)란 더 낮은 굴절률을 갖는 매체와의 인터페이스에 임계각보다 큰 각도로 입사되는 소정의 매체에서의 전자기 방사선이 경계부로부터 완전히 반사되는 현상을 나타낸다. 통상, 임계 입사각은 2개의 매체 사이의 인터페이스에 수직인 라인에 대해 측정된다. 입사각이 인터페이스에 접하는 라인에 대해 측정되는 경우, 전반사는 임계가보다 작은 입사각에 대해 유발된다.
자외선(UV)이란 가시 영역의 진공 파장보다는 짧지만 연질 X선의 진공 파장보단 긴 진공 파장을 특징으로 하는 전자기 방사선을 나타낸다. 자외선은 다음과 같은 파장 범위로 세분화될 수 있다: 약 380 nm 내지 약 200 nm의 근 자외선, 약 200 nm 내지약 10 nm의 원자외선 또는 진공 자외선(FUV 또는 VUV), 및 약 1 nm 내지 약 31 nm의 극자외선(EUV 또는 XUV).
진공 파장(Vacuum Wavelength)이란 방사선이 진공을 통해 전파되는 경우 소정의 주파수를 갖는 전자기 방사선의 파장을 나타내는 것으로서, 진공에서의 광의 속도 나누기 주파수로 주어진다.
가시광이란 적외선의 진공 파장보다는 짧지만 자외선의 진공 파장보단 긴 지공 파장을 특징으로 하는 전자기 방사선을 나타내는 것으로서, 가시 범위는 통상 약 400 nm 내지 약 700 nm의 범위이다.
도입부
임계각 측정에 기초하는 수많은 종래 기술의 굴절률 센서는 프리즘을 형성하는 물질, 예컨대 투명 에폭시 내에 광원 및 광검출기 어레이가 캡슐화된다. 종래 기술의 굴절률 센서의 하나의 단점은 굴절률 측정에 사용되는 하나의 파장의 광을 제공하는 유일한 광원을 통상 사용한다는 점이다. 이런 방식에는 몇몇 단점이 존재한다. 첫째, 단일 광원은 입사각의 범위를 제한함으로써 측정될 수 있는 굴절률의 범위를 제한할 수 있다. 둘째, 단일 광원은 센서의 해상도를 제한할 수 있다.
종래 기술의 굴절률 센서의 다른 단점은 광원과 광검출기 어레이 양자 모두가 광학적 에폭시 내에 캡슐화되는 통합적 디자인으로 광원과 광검출기 어레이가 프리즘과 결합된다는 점이다. 에폭시 캡슐화를 이용하는 디자인은 약 85℃의 온도에서부터 에폭시의 열화를 겪는데, 이는 측정될 수 있는 프로세스의 범위를 제한한다. 임의의 종래 센서 디자인은 많은 유체 또는 케미컬과 화학적으로 양립할 수 없는 굴절률 매칭 플라스틱 프리즘을 이용한다. 이런 디자인은 측정 인터페이스에 화학적으로 양립가능한 개재 물질을 필요로 한다. 또한, 플라스틱 프리즘은 단파장 광을 이용할 수가 없다.
또 다른 단점은 샘플과의 인터페이스가 통상 프리즘의 하나의 표면이 아니라 프리즘의 표면들 중 하나의 표면에 접착되는 유리 또는 광학적으로 조밀한 다른 물질로 제조된 "윈도우(window)"라는 사실로부터 야기된다. 그러나, 종래의 굴절률 센서의 프리즘에 사용되는 광학적 에폭시와 윈도우용으로 사용되는 전형적인 물질(예컨대, 붕규산염 유리) 사이의 열팽창 계수(CTE)에는 상당한 미스매치가 존재한다. 예컨대, 전형적인 광학적 에폭시는 약 50 섭씨 온도당 피피엠(50 ppm/℃)의 CTE를 갖는다. 붕규산염 유리는 대략 7배 정도 작은 약 7 ppm/℃의 CTE를 갖는다. 통상적인 광학 등급의 붕규산염 유리는 Schott BK-7이라는 상표명으로 상업적으로 판매되고 있다.
윈도우와 광학적 에폭시 사이의 CTE 미스매치는 샘플링되는 유체가 상온보다 상당히 높거나 또는 낮은 온도로 존재하는 경우에 문제를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광학적 센서 장치는 종래 기술의 굴절률 센서의 단점들을 극복할 수 있는 구성요소를 포함한다.
광학 센서 장치
본 발명의 일 실시예에 따르면, 신규한 디자인의 광학 센서 장치는, 정밀 기계가공된 일체형의 투광성 물질로 제조되는 동시에 측정 인터페이스를 형성하며 광원과 광검출기 어레이와 인터페이스 결합되는, 광도파관 구조체를 이용한다.
정밀 기계가공된 투광성 물질로 제조된 도광 구조체(light guiding structure)를 사용함으로써 플라스틱 프리즘에 의해 가능해지는 광범위한 파장을 이용할 수가 있다. 정밀 기계가공된 투광성 고체 물질로 인해 반사 물질을 도광 구조체 상에 직접 적층할 수가 있어서 미러를 프리즘 상에 기계적으로 배치시킬 필요가 없어진다. 이는 디자인 복잡성을 감소시키고 광신호를 향상시킨다.
2개의 공통 파장(common-wavelength) 광원(예컨대, 옐로우 LED)은 종래의 IR 센서 디자인에 비해 측정될 수 있는 RI 범위를 상당히 증가시킨다. 2개의 공통 파장 광원으로부터의 광은 RI 범위의 중간부에서 중첩되어, 신호 대 잡음 비율을 증가시킨다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 광학 센서 장치(100)의 예를 도시한다. 광학 센서 장치(100)는 반사 구조에 기초한다. 광학 센서 장치(100)는 통상 붕규산염 유리 또는 사파이어와 같은 광학적으로 조밀한 물질로 제조되는 도광 구조체(102)를 포함한다. 대안으로서, 도광 구조체(102)는 석영, 다이아몬드, 도핑되지 않은 이트륨 알루미늄 가넷(YAG), 탄산칼슘, 또는 다른 투광성 물질로 제조될 수도 있다. 도광 구조체는 적어도 3개의 표면(F1, F2, F3)을 갖는다. 도광 구조체(102)는 임의의 적절한 수단, 예컨대 기계적 부착부, 에폭시, 퓨징 등에 의해 인쇄 회로 기판(104)에 부착될 수 있다. 2개 이상의 광원(106A, 106B, 106C, 106D) 및 광검출기 어레이(108)가 인쇄 회로 기판(104)에 부착된다. 비제한적인 예로서, 각각의 광원은 발광 다이오드(LED)일 수 있다. 광원의 다른 비제한적인 예는 고체 레이저 및 반도체 레이저를 포함한다. 비제한적인 예로서, 도광 구조체(102)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 광 전달 매체 또는 물질로 제조된 프리즘의 형태일 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 소정의 도광 기능을 제공하기 위해 프리즘을 이용하는 실시예에 제한되지 않는다. 다른 구조들과 구성요소들이 광학 센서 장치(100)를 위한 소정의 반사 구조를 제공하는데 이용될 수 있다.
통상, 광검출기 어레이(108)는 어느 정도의 광이 광검출기 어레이의 상이한 부분들에 수신되는지에 따라 변화되는 신호를 임의의 광 감지 소자 어레이가 생성할 수 있는 위치 감지형 검출기이다. 신호는 아날로그 또는 디지털 전기 신호일 수 있다. 비제한적인 예로서, 광검출기 어레이는 포토다이오드 어레이일 수 있다. 대안으로서, 전하 결합 소자의 어레이, 포토레지스터, 및 다른 유형의 광 감지 소자의 어레이가 광검출기 어레이에 사용될 수도 있다. 통상, 어레이 내의 각각의 광 감지 소자는 광 감지 소자에서 방사 조도(단위 면적 당 광출력)에 대응하는 신호를 제공할 수 있다. 따라서, 각각의 광 감지 소자는 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이 대응하는 "픽셀(pixel)"에 대한 방사 조도 신호를 제공한다. 예컨대 집적 회로의 형태인 선택적인 메모리(110)가 광검출기 어레이에 의해 생성된 픽셀 신호를 일시적으로 저장하기 위해 광검출기 어레이(108))에 결합될 수 있다. 비제한적인 예로서, 메모리(110)는 플래시 메모리이거나, 전기적 소거 및 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EEPROM)일 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 광원으로부터의 광은 임의의 각도 범위에 걸쳐 방출된다. 광원으로부터 방출된 광은 제1 표면(F1)을 통과한다. 제1 표면(F1)을 통과하는 광의 적어도 일부는 제2 표면(F2)에 근접한 샘플(11)과의 인터페이스에서 전반사된다. 제1 표면(F1)은 반사방지(AR) 코팅으로 코팅될 수 있다. 또한, 인터페이스에서 전반사되는 광은 본 명세서에서 "전반사된 광"이라고 지칭한다. 도 1a에 도시된 예에서, 윈도우(112)가 제2 표면(F2)에 부착되며, 인터페이스는 샘플과 접촉되는 윈도우의 측부이다. 윈도우(112)는 선택 사항이다. 윈도우가 제외된 경우에는, 도 1b에 도시된 예에서와 같이 샘플(111)과의 인터페이스(113)는 제1 표면(F2)에 위치될 수 있다.
샘플과의 인터페이스로부터의 전반사된 광은 제2 표면(F3)에서 반사되어, 제1 표면(F1)을 통해 광검출기 어레이(108)로 다시 진행된다. 따라서, 프리즘(102)은 각각의 광원(106A, 106B, 106C, 106D)으로부터의 광원뿔의 일부를 광검출기 어레이(108) 상에 매핑한다. 샘플의 굴절률 및 광원들 사이의 오프셋이 각각의 광원뿔의 어느 부분이 샘플과의 인터페이스에서 전반사될지를 결정한다.
몇몇 실시예에서, 프리즘(102)의 재료는 전반사가 제3 표면(F3)에서 유발되도록 선택될 수 있다. 대안으로서, 제3 표면(F3)은 프리즘(102)의 내부로부터 제3 표면(F3)으로 입사된 광의 반사를 용이하게 하기 위해 금속 또는 유전체 반사 코팅으로 코팅될 수도 있다.
굴절률의 계산을 용이하게 하기 위해, 광학 센서 장치(100)는 광검출기 어레이(108) 및/또는 메모리(110)에 결합되는 프로세서(114)를 더 포함할 수 있다. 또한, 프로세서(114)는 광원(106A, 106B, 106C, 106D)에 결합될 수 있으며, 어느 광원이 턴온될지 어느 광원이 턴오프될지를 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 프로세서(114)는, 광검출기 어레이에 의해 측정되는 방사 조도 패턴을 분석하고 그리고 샘플과의 인터페이스에서의 임계각 및 대응하는 굴절률을 결정하기 위해, 예컨대 적절한 실행가능 명령(115)으로 프로그래밍함으로써 구성될 수 있다. 구체적으로는, 프로세서는 샘플(111)과의 인터페이스에서 임계각으로 반사된 광을 나타내는 패턴의 텔테일 특징부의 픽셀 위치를 결정하기 위해 방사 조도 패턴을 분석할 수 있다. 또한, 텔테일 특징부의 픽셀 위치는, 광학 센서 장치(100)의 구성요소의 물질 성질 및 공지된 구조에 기초하는 제1 원리에 따른 분석에 의해 또는 공지된 굴절률을 갖는 하나 이상의 물질의 측정값을 이용하는 단순 보정(simple calibration)에 의해, 굴절률에 대해 상관될 수 있다.
임계각은 다음과 같이 방사 조도 패턴으로부터 결정될 수 있다. 임계각 이하의 입사각에 대해, 광의 일부는 샘플(111)과의 인터페이스에서 굴절되어 샘플 내로 굴절될 것이며, 광의 일부는 광검출기 어레이(108)으로 굴절될 것이다. 임계각에서, 굴절된 광은 인터페이스를 따라 굴절된다. 임계각보다 큰 각도에서, 모든 광은 샘플(111)과의 인터페이스에서 반사된다. 임계각에서 반사된 광에 대응하는 광선은 광검출기 어레이에서 방사 조도의 패턴의 저강도 및 고강도 사이의 전이부에 의해 확인될 수 있다. 전이부의 픽셀 위치는 도광 구조체(102) 및 윈도우(112)의 굴절률과 공지된 구조로부터 그리고 광원(들) 및 광검출기 어레이(108)의 공지된 위치로부터 임계각에 상관될 수 있다. 대안으로서, 전이부의 픽셀 위치는 공지된 굴절률을 갖는 몇몇 샘플을 이용하여 굴절률에 대해 상관될 수도 있다. 광원(106A, 106B, 106C, 106D)은 공통 파장에서 광을 방출하는 2개 이상의 광원(본 명세서에선 "공통 파장 광원"이라고 지칭함) 및/또는 상이한 파장에서 광을 방출하는 2개 이상의 광원을 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서, 광학 센서 장치(100)는 4개의 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 2개의 LED는 공통 파장의 광을 방출하도록 구성되고 2개의 다른 LED는 상이한 파장의 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
동일한 파장에서 광을 방출하는 2개의 광원을 사용함으로써, 광검출기 어레이(108)가 과충전될 수 있도록, 즉 단일 광원으로 가능한 범위를 넘어 전반사된 광으로 충전될 수 있도록 스케일을 변경할 수 있다. 공통 파장 광원은 상이한 파장의 광원으로부터의 전반사된 광원뿔이 광검출기 어레이에서 어느 정도 중첩되도록 구성될 수 있다. 2개의 공통 파장 광원을 이용함으로써 더 넓은 굴절률 범위를 제공할 수 있다. 추가의 공통 파장 광원은 검출될 수 있는 더 많은 수의 분해가능 굴절률을 제공하는데, 이는 공통 파장 광원이 광검출기 어레이를 충전하도록 구성되는 방식에 따라 더 넓은 굴절률 범위 또는 더 양호한 분해능을 제공하거나, 더 넓은 굴절률 범위와 더 양호한 분해능 양자 모두를 제공할 수 있다.
예로서 도 1b에 도시된 바와 같이, 광원(106B, 106C)가 공통 파장 광원이라고 가정한다. 인터페이스에서 전반사되는 광원(106B)으로부터의 광원뿔은 파선으로 표시되어 있다. 인터페이스에서 전반사되는 광원(106C)으로부터의 광원뿔은 점선으로 표시되어 있다. 이 예에서, 2개의 광원(106B, 106C)으로부터의 전반사된 광원뿔은 RB 및 RC로 표식된 광검출기 어레이의 2개의 대응하는 구역에 매핑된다. 광원(106B, 106C)의 상이한 위치로 인해, 이들 2개의 광원으로부터의 광은 상이한 입사각의 범위에 걸쳐 샘플(111)과의 인터페이스에서 전반사된다. 이런 상이한 입사각의 범위는 광검출기 어레이에서 상이한 방사 조도의 패턴으로 변형된다. 광원(106B, 106C)의 위치, 프리즘(102)의 구조 및 굴절률이 공지된 경우, 상술된 바와 같이 광검출기 어레이(108)에서 방사 조도 패턴을 분석함으로써 샘플(111)에 대한 굴절률을 결정할 수 있다.
도 1b에 도시된 광학 센서 장치(100)에서, 광원(106A, 106D)은 공통 파장 광원(106B, 106C)에 의해 방출된 광의 진공 파장과 다를뿐만 아니라 서로 상이한 진공 파장에서 광을 방출할 수 있다. 특정한 비제한적인 일 실시예에서, 2개의 공통 파장 LED 양자 모두는 약 589 nm의 진공 파장에 대응하는 옐로우 광을 방출할 수 있다. 하나의 비공통 파장 LED는 예컨대 약 375 nm의 진공 파장에서 자외선을 바출하고, 다른 비공통 파장 LED는 예컨대 약 940 nm의 진공 파장에서 적외선을 방출할 수 있다.
2개 이상의 다른 파장에서 광을 방출하는 2개 이상의 광원을 포함함으로써, 광학 센서 장치(100)는 샘플의 광 분산을 추산하는데 이용될 수 있다. 물질의 분산은 물질의 유형에 대해 특유한 성질이기 때문에, 분산 측정은 물질들을 서로 구별하는데 이용될 수 있다. 예로서, 프로세서(114)는 광원(106A, 106D)으로부터의 광이 샘플(111)과의 인터페이스에서 전반사될 때 광검출기 어레이(108)에 의해 획득되는 방사 조도 측정값을 분석함으로써 샘플(111)의 광 분산을 결정하기 위해 예컨대 적절한 프로그래밍에 의해 구성될 수 있다. 광원(106A, 106D)은 동시에 턴온되거나, 순차적인 측정을 위해 하나씩 턴온될 수 있다. 다른 파장에서 방출되는 복수의 광을 이용함으로써, 광학 센서 장치(100)는 단일 광원으로부터 상이한 파장을 획득하기 위해 광학 필터를 사용해야 하는 필요성을 제거할 수 있다. 광학 필터에 대한 필요성을 제거함으로써, 디자인 및 기계적 복잡성을 감소시키고 출력 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 더 소형의 디자인은 광학 필터를 제거함으로써도 가능하다. 또한, 신호 대 잡음 비율(SNR)은 복수의 광원을 사용함으로써 향상될 수 있다. 단일 광원의 (파장) 범위는 제한적일 수 있기 때문에 더 넓은 파장 범위가 복수의 광원에 의해 가능하다.
광학 센서 장치(100)에 의해 달성된 광 분산 측정이 이용될 수 있는 다양한 방식이 존재한다. 비제한적인 예로서, 광학 센서 장치(100)가 공지된 용매[예컨대, 물(H2O)]와 공지된 용질[예컨대, 과산화수소(H2O2)]을 갖는 용액의 굴절률를 측정하는데 사용되는 경우, 굴절률(n) 대 진공 파장(λ)의 측정이 용질의 농도를 추산하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 임의의 실시예에서, 광원(106A, 106B, 106C, 106D)과 프리즘(102) 사이에, 또는 프리즘(102)과 광검출기 어레이(108) 사이에, 또는 광원(106A, 106B, 106C, 106D)과 프리즘(102) 사이에 그리고 프리즘(102)과 광검출기 어레이(108) 사이에 자유 공간 갭이 존재할 수 있다. 자유 공간 갭은 광학 센서 장치의 디자인에 있어서 어느 정도의 유연성을 허용하는데, 그 이유는 광검출기 어레이와 광원 양자 모두가 프리즘 물질에 의해 캡슐화되지 않기 때문이다. 또한, 자유 공간 갭은 복수의 광원을 위해 광검출기 어레이에서 방사 조도 충전 패턴을 최적화하는데 있어서도 어느 정도의 유연성을 허용한다. 또한, 자유 공간 갭(예컨대, 공기 갭)은 에폭시보다 덜 열화된다.
도광 구조체(102)는 예컨대 사파이어, BK7, 또는 도핑되지 않은 이트륨 알루미늄 가넷(YAG)과 같은 도핑되지 않은 가넷일 수 있는 고체 광학 물질로 제조될 수 있다. 윈도우(112) 없이 사용되는 경우, 도광 구조체(102)의 굴절률은 대체로 광학 센서 장치(100)가 측정할 것으로 예상되는 가장 높은 굴절률보다 커야한다. 대안으로서, 윈도가 사용되는 경우, 윈도우의 굴절률은 프리즘과 윈도우 사이의 인터페이스에서의 전반사를 방지하기 위해 도광 구조체(102)의 굴절률보다 큰 것이 바람직하다. 그러나, 이것이 항상 그렇지는 않다. 예컨대, 광학 센서 장치(100)가 표면 플라즈몬 공명 센서가 되도록 자유 전자 금속이 인터페이스(111)에 배치될 수 있는데, 이 표면 플라즈몬 공명 센서는 실제로 굴절률 센서로서 기능할 수 있다. 또한, 윈도우(112)를 도광 구조체(102)에 부착시키는데 이용되는 접착제는 도광 구조체(102)의 물질보다는 높은 굴절률을 갖지만 윈도우(112)의 물질보다는 낮은 굴절률을 갖는 접착제일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 접착제는 광학 센서 장치(100)가 측정할 것으로 예상되는 가장 높은 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 것이 바람직할 수도 있다.
윈도우(112)는 선택사항이지만, 많은 어플리케이션에서 윈도우는 바람직한 구성요소이다. 도광 구조체(102)는 적절한 광학 접착제를 사용하여 윈도우(112)에 직접 접착될 수 있으며, 그 반대로도 가능하다. 대안으로서, 윈도우는 굴절률 매칭된 겔 또는 오일을 갖는 기계적 시일을 사용하여 도광 구조체에 부착될 수도 있다(그 반대로도 가능하다). 대안으로서, 도광 구조체는 윈도우에 퓨징될 수도 있다. 도광 구조체(102)의 물질은 윈도우(112)의 물질에 CTE-매칭되도록 선택될 수 있다. 비제한적이 예로서, 프리즘은 7.1 ppm/℃의 CTE를 갖는 붕규산염 유리 및 4.5 ppm/℃의 c-평면(c-축에 수직인 평면)에서의 CTE를 갖는 사파이어로 제조될 수 있다. 이런 경우, 프리즘의 CTE는 윈도우의 CTE보다 대략 1.6배 정도 클 것인데, 이는 프리즘과 윈도우가 CTE 매칭되었다고 할 수 있을 만큼 충분히 작은 것이다.
또한, 윈도우를 프리즘에 부착시키는데 사용되는 접착제는 프리즘과 윈도우 물질 사이의 CTE 차이를 충분히 수용할 수 있어야 한다. 비제한적인 예로서, 붕규산염 유리로 제조된 프리즘과 사파이어 윈도우에 대해, 적절한 UV 경화 폴리머 접착제는 Norland 광학 접착제 61(또는 NOA 61)이라는 상표명으로 상업적으로 판매되고 있으며, 뉴저지 소재의 Norland Products of Cranbury로부터 입수할 수 있다. 또한, NOA 61은 붕규산염 유리 굴절률과 사파이어 굴절률 사이의 굴절률을 갖는다.
또한, 프리즘 물질은 인쇄 회로 기판(104)의 물질에 CTE-매칭되는 것이 바람직하다. 예로서, 인쇄 회로 기판은 약 11 ppm/℃의 CTE를 갖는 FR4와 같은 유리 강화 에폭시 복합 물질로 제조될 수 있는데, 이 물질은 본 발명의 실시예를 위해 CTE-매칭된 것을 간주되도록 붕규산염 유리의 CTE와 충분히 비슷한 상태이다.
상술된 실시예에 대한 수많은 변경예가 가능하다. 그 중에서도 가능한 2개의 변경예가 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 도 3a에 도시된 바와 같은 광학 센서 장치(300)에서, 광원(306A, 306B) 및 광검출기 어레이(308)는 대형 도광 구조체(302)의 제1 표면(F1)에 근접하여 대략 동일 평면 구성으로 위치될 수 있다. 제1 평면(F1)은 반사 방지(AR) 코팅으로 코팅될 수 있다. 광원(306A, 306B)으로부터의 광은 제1 표면(F1)을 통해 제2 표면(F2)에 부착된 윈도우(312)를 향해 진행된다. 각각의 광원(306A, 306B)에 대한 대응하는 입사각의 범위에 걸쳐 윈도우(312)와 샘플(311) 사이의 인터페이스(313)에서 전반사가 발생된다. 전반사된 광의 일부는 제3 표면(F3)에서 반사되어 제1 표면(F1)을 통해 광검출기(308)로 다시 진행된다. 프리즘(312)이 예컨대 약 1.7 이상의 비교적 높은 굴절률을 갖는 물질로 제조되는 경우, 인터페이스(313)에서 전반사된 광은 또한 제3 표면(F3)에서 전반산될 수 있다. 대안으로서, 금속성 또는 유전체 반사 코팅이 제3 표면(F3)에 형성될 수도 있다.
프리즘(302)은 높은 굴절률을 갖는 복수의 상이한 물질로 제조될 수 있다. 비제한적인 예로서, 프리즘(302)은 사파이어 와이퍼로부터 대략 삼각형 형상부로 절단될 수 있으며, 삼각형 형상부의 에지는 표면(F1, F2, F3)을 제공하기 위해 연마될 수 있다. 복굴절로 인해 각각의 광원으로부터의 2개의 중첩 응답을 방지하기 위해, 사파이어의 광축(c-축이라고 지칭됨)이 프리즘이 형성되는 재료인 웨이퍼의 평면에 대해 수직으로 배향되도록 사파이어를 배향시키는 것이 바람직하다.
더 큰 크기의 프리즘(302)은 광원들(306A, 306B) 사이의 더 큰 측방향 간격(D1)과, 광원(306B)과 광검출기 어레이(308) 사이의 큰 측방향 간격(D2)을 수용한다. 더 큰 크기의 프리즘(302)과 큰 간격(D1)으로 인해, 광원(306A, 306B)으로부터의 광이 인터페이스(313)에서 전반사되는 입사각의 범위에 있어서의 비교적 적은 양의 중첩을 허용하면서, 각각의 입사각의 범위에서 광검출기 어레이(308)를 충전시킬 수 있게 한다. 전체 광검출기 어레이에 대한 각각의 광원의 입사각의 범위를 확장시킴으로써 더 양호한 분해능의 굴절률이 가능한데, 그 이유는 인터페이스(313)에서의 전반사를 위한 입사각과 대응하는 굴절률이 더 많은 수의 픽셀에서 가능하기 때문이다. 도 3a에 도시된 특정한 구조는 이런 향상된 분해능을 가능케하면서, 광원(306A, 306B)과 광검출기 어레이가 (도시 안 된)공통 지지체의 평면에 대해 대략 동일한 높이에 위치되는 것을 허용한다. 예로서, 공통 지지체는 도 1a 및 도 1b의 PCB(104)와 같은 인쇄 회로 기판일 수 있다. 몇몇 어플리케이션에 있어서는, 더 작은 도광 구조체를 사용하는 동시에, 광원들(306A, 306B) 사이의 비교적 큰 측방향 간격(D1)과 광원(306B)가 광검출기 어레이 사이의 큰 측방향 간격(D2)을 유지하는 것이 바람직할 수도 있다. 광검출기 어레이(308)의 크기가 도 3a에 도시된 크기와 동일하게 유지되고 그리고 광검출기 어레이와 광원(306A, 306B)이 동일한 높이에 위치되는 경우에는 더 열악한 분해능의 굴절률을 야기하는데, 그 이유는 인터페이스(313)에서의 전반사를 위한 각각의 입사각의 범위가 더 적은 수의 픽셀에서 가능하기 때문이다. 그러나, 이런 문제점은 광원(306A, 306B)의 높이에 대해 소정의 갭(g) 만큼 광검출기 어레이(308)의 상대 높이를 오프셋시킴으로써 해결될 수 있다. 이런 구성으로 인해, 광검출기 어레이(308)는 도 3b에 도시된 광학 센서 장치(300')에 도시된 바와 같이 프리즘(302)의 제1 표면(F1)으로부터 더 이격되어 있다. 이 경우, 광원과 광검출기 어레이를 동일한 상대 높이에 위치시킬 필요 없이 그리고 분해능의 손실 없이 소정 범위의 굴절률이 측정될 수 있다.
도 3a에 도시된 광학 센서 장치(300) 및 도 3b에 도시된 광학 센서 장치(300')는 추가의 광원, 메모리, 프로세서 및 소프트웨어와 같은 상술된 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 이런 구성요소들은 명료함을 위해 도면에는 생략되어 있다. 또한, 2개의 광원(306A, 306B)이 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있지만, 2개 이상의 광원이 사용될 수 있음을 당업자들은 알 것이다. 또한, 광원은 2개 이상의 공통 파장 광원을 포함하거나, 상이한 진공 파장에서 광을 방출하는 2개 이상의 광원을 포함하거나, 이런 구성의 광원의 몇몇 조합도 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 유형의 광학 센서는 광 흡수와 같은 경쟁적인 농도 감지 기술에 비해 많은 이점이 있다. 예컨대, 광은 전달되기보다는 반사되기 때문에, 불투명 유체 샘플에 대한 굴절률을 측정하는데 있어 문제가 없다. 또한, 광학 센서 장치는 윈도우를 위해 임의의 재료와 함께 이용될 수 있다. 예컨대, 의약품 제와와 같은 임의의 어플리케이션에서는 투명 플라스틱으로 제조된 일회용 백이 윈도우를 제공하도록 사용될 수도 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 유형의 센서 장치의 보정은 흡수 분광 센서보다 훨씬 용이하다. 테스트 중인 샘플이 비교적 단순한 경우, 종분화를 측정할 필요가 없다. 관심 종의 보정은 관심 종의 자동 적정(auto-titration)을 수행하는 동안 센서를 이용하여 자동 적정에 의해 결정된 종의 농도의 함수로서 굴절률을 측정함으로써 수행될 수 있다. 보정 샘플에 대한 방사 조도 대 픽셀 위치의 도함수를 취함으로써, 보정 샘플의 굴절률을 픽섹 위치의 작은 부분 내로 결정할 수 있다. 연속적인 굴절률 측정값 대 픽셀 위치가 공지된 농도의 일련의 샘플에 대해 수행될 수 있으며, 최종 보정은 메모리(110)에 저장될 수 있다. 보정의 오프셋은 탈염수와 같은 기준 샘플에 대한 방사 조도 대 픽셀 위치의 연속적인 측정을 수행하고 그리고 보정값을 다시 제로잉(re-zeroing)함으로써 시프팅될 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 유형의 센서 장치는 근적외선 또는 자외선 가시파장 범위에서 흡수 분광분석법과 경쟁할 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예의 반사 구조는 전달 구조를 이용하는 센서에 비해 상당한 이점을 제공한다. 예컨대, 회절 및 흡수 효과가 제거될 수 있으며, 불투명 액체의 굴절률이 측정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 전체적으로 상술되었지만, 다양한 변형예, 변경예 및 등가예를 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는 상술된 바에 기초하여 결정되어서는 안되며, 전체 범주의 등가물과 함께 첨부된 특허청구범위에 기초하여 결정되어야 한다. 바람직한 또는 바람직하지 않은 임의의 구성요소는 바람직한 또는 바람직하지 않은 임의의 다른 구성요소와 결합될 수도 있다. 첨부된 특허청구범위에서, 부정관사는 달리 명시되지 않는 한 부정관사 다음의 복수의 하나 이상의 항목을 나타낸다. 첨부된 특허청구범위는 임의의 한정구가 "를(을) 위한 수단"이란 문구를 이용하여 특정한 청구항에 명시되지 않는 한 기능식 한정구를 포함하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 특정 기능을 수행하는 "를(을) 위한 수단"을 명시하지 않은 청구항 내의 임의의 구성은 35 USC §112, ¶6에 명기된 바와 같이 "수단" 또는 "단계" 조항으로서 해석되어서는 안 된다.
100 : 광학 센서 장치 102 : 도광 구조체
104 : 인쇄 회로 기판 106A, 106B, 106C, 106D : 광원
108 : 광검출기 어레이 110 : 메모리
111 : 샘플 113 : 인터페이스
114 : 프로세서 115 : 실행가능 명령

Claims (15)

  1. 광학 센서 장치로서,
    평면형 제1, 제2 및 제3 표면을 갖는 광 전달 도광 구조체와,
    상기 제1 표면에 인접하여 도광 구조체 외부에 위치되는 복수의 광원과,
    상기 제1 표면에 인접하여 도광 구조체 외부에 위치되는 광검출기 어레이를 포함하고,
    상기 제2 표면에 근접하여 도광 구조체 외부에 위치된 샘플과 상기 도광 구조체 사이의 광학적 인터페이스에서 내부 전반사되는 상기 복수의 광원으로부터의 광이 제3 표면에서 반사되어 샘플의 굴절률에 따라 광검출기 어레이의 일부분에 입사되도록 상기 도광 구조체, 광원 및 광검출기 어레이가 구성되며,
    상기 인터페이스에서 내부 전반사되어 제3 표면에서 반사되는 상기 복수의 광원 각각으로부터의 광이 상이한 굴절률 범위의 샘플에 대응되고 그리고 광검출기 어레이의 대응하는 부분에 매핑되도록 상기 복수의 광원이 도광 구조체와 광검출기 어레이에 대해 위치설정되고, 상기 복수의 광원은 공통 진공 파장의 광을 방출하도록 구성되는 2개 이상의 공통 파장 광원 및 대응하는 상이한 진공 파장의 광을 방출하도록 구성되는 2개 이상의 광원을 포함하는 것인 광학 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 광원은 자유 공간 갭에 의해 도광 구조체로부터 분리되는 것인 광학 센서 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광검출기 어레이는 자유 공간 갭에 의해 도광 구조체로부터 분리되는 것인 광학 센서 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스에서 내부 전반사되는 복수의 광원으로부터의 광이 상기 복수의 광원으로부터의 방출과 상기 인터페이스에서의 내부 전반사 사이의 제1 시간에 상기 제1 표면을 통과하고 그리고 상기 인터페이스에서의 내부 전반사와 광검출기 어레이으로의 도착 사이의 제2 시간에 공통 표면을 통과하도록 상기 복수의 광원, 프리즘 및 광검출기 어레이가 구성되는 것인 광학 센서 장치.
  8. 제1항에 있어서, 프리즘의 표면에 부착되는 광학적 윈도우를 더 포함하며, 상기 광학적 윈도우는 도광 구조체의 굴절률보다 큰 굴절률을 특징으로 하는 것인 광학 센서 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 도광 구조체는 광학적 윈도우의 재료에 CTE-매칭되는 재료로 제조되는 것인 광학 센서 장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 광학적 인터페이스에서 내부 전반사되는 상기 복수의 광원으로부터의 광이 제3 표면에서 내부 전반사되도록 상기 도광 구조체가 구성되는 것인 광학 센서 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 복수의 광원 및 광검출기 어레이는 지지 구조체에 대해 사실상 동일한 높이에 위치되는 것인 광학 센서 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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