KR102340037B1 - 가스 식별 장치 및 식별 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미지의 가스를 보다 효율적으로 식별하기 위한 장치에 대한 것으로, 복수의 서로 다른 주파수를 포함하는 주파수 빗(Frequency Comb) 방식의 레이저 광을 생성하는 광 생성부와, 서로 마주보는 제1 및 제2 반사 거울 사이에 형성되며 시료 기체가 주입될 수 있도록 형성되는 공동과, 상기 제2 반사 거울을 투과하여 분산 출력되는 레이저 광들을 집광 할 수 있도록 형성되는 집광 렌즈를 포함하는 공진부와, 상기 광 생성부에서 생성된 레이저 광을, 상기 공동의 축 방향과 다른 방향으로 상기 제1 반사 거울을 투과하여 상기 공동 내에 조사하는 광 조사부 및, 상기 집광 렌즈를 통해 집광된 레이저 광을 분광 분석하고, 분광 분석 결과에 따른 상기 레이저 광의 흡수 스펙트럼으로부터 상기 시료 기체에 포함된 적어도 하나의 가스를 식별하는 식별부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 가스를 식별하기 위한 장치 및 방법에 대한 것으로, 보다 자세하게는 미지의 가스를 보다 효율적으로 식별하기 위한 장치 및 방법에 대한 것이다.
통상적으로 가스를 탐지하는 방법은, 가스를 구성하는 기체 분자가 흡수하는 광의 파장이 서로 다르다는 점을 이용하는 것으로, 탐지하고자 하는 가스 시료에 특정 파장을 가지는 광을 조사하여 시료에 의해 흡수되는 광을 측정하는 방법이다. 그러나 이러한 종래의 가스 탐지 방법의 경우, 시료에 포함된 가스가 미량인 경우 광의 흡수율이 낮아 민감도가 낮다는 문제가 있었다.
한편 민감도의 해결을 위해서는 장시간 광을 조사시키거나, 가스 샘플을 지나는 길이를 길게 하여야 한다. 그러나 가스 샘플을 지나는 길이를 늘리는 방법은 기기의 크기와 기하학적인 문제로 한계가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 기기의 크기를 증대시키지 않으면서 시료에 흡수되는 광의 양, 즉 광의 흡수율을 증폭시키고자 하는 연구가 시도되었다. 그리고 이러한 연구의 일환으로 서로 마주보는 두 개의 고 반사율 거울로 형성되는 공동에, 탐지하고자 하는 가스를 포함하는 기체, 즉 시료를 주입하고, 상기 공동에 탐지하고자 하는 가스에 대응하는 파장의 레이저를 조사하는 공동 링 다운 분광법(Cavity ring-down spectroscopy , CRDS)이 등장하였다.
이러한 CRDS 법은 반사 거울의 축방향으로 공동에 레이저를 조사하여, 조사된 레이저가 공동 양측에 형성된 반사 거울쌍 사이에서 수없이 반사되도록 함으로써, 상기 반사 거울쌍 사이의 거리를 수없이 왕복하도록 하는 방법 중 대표적인 방법이다. 이러한 CRDS 법에 따라 조사된 레이저는 공동 내에서 수없이 왕복 운동을 하면서 시료에 포함된 가스 분자에 의해 흡수되고, 축적 및 보강 간섭을 일으키며 강도가 약해지게 되는데, 이러한 광의 감쇠 시간에 근거하여 가스의 흡수 계수를 산출하고, 산출된 흡수 계수에 근거하여 시료 내의 가스를 식별하는 방법이다.
그런데 이러한 CRDS 방식은 서로 다른 가스 분자가 흡수하는 광의 파장이 서로 다르다는 특징을 이용하는 것으로, 탐지하려는 기체가 흡수하는 광의 파장을 미리 알아야 한다는 문제가 있다. 즉 탐지하려는 기체를 미리 알고 해당 기체가 가지는 파장을 가지는 광을 조사하는 경우 시료 내의 가스가 명확하게 탐지될 수 있으나, 시료 내의 가스가 미지의 가스인 경우 이러한 CRDS 방식을 사용하기 어렵다는 문제가 있다.
한편 이처럼 미리 알지 못하는 미지의 가스를 식별하기 위해서는, 서로 다른 복수의 주파수, 즉 복수의 주파수 모드를 가지는 주파수 빗(Frequency Comb) 방식의 레이저 광을 사용하는 방법이 있다. 이러한 주파수 빗 방식의 레이저 광은 서로 이웃하는 모드들의 위상을 같게 만들어 서로 다른 주파수 모드들을 결합함으로써 주파수 영역에서 넓은 스펙트럼을 가질 수 있도록 하는 레이저 광을 의미할 수 있다. 이러한 주파수 빗 방식의 레이저 광은 복수의 서로 다른 주파수 모드를 가지며, 각 주파수 모드 별로 서로 다른 기체의 탐지가 가능하므로, 시료 내에 미리 알지 못하는 가스가 있는 경우에도, 이러한 가스가 어떤 가스인지의 탐지가 가능하다는 장점이 있다.
그러나 이처럼 주파수 빗 레이저 광을 이용하는 방식은, 넓은 스펙트럼 영역의 분자선을 측정 분석하는 것으로, 검출기 신호의 주파수 분석으로 분자선들을 측정하는 기술이다. 이 기술은 단일통과 흡수 구조를 기본으로 하기에 탐지 민감도가 CRDS 방식에 비하여 낮다는 문제가 있다.
이러한 문제의 해결을 위하여, 주파수 빗 레이저 광을 이용하는 방식과 CRDS 방식을 결합하는 방안이 연구되었다. 즉 CRDS 방식에 따른 공동에 주파수 빗 레이저 광을 조사하여 주파수 빗 레이저 광에 따라 복수의 가스 탐지가 가능하도록 하면서도, 반사 거울쌍을 포함하는 공동에 의한 빛의 공진을 통해 흡수 결과를 증폭시킬 수 있도록 하는 방안이 연구되었다.
그런데 상기 CRDS 방식에 따른 공동의 경우 반사 거울 사이의 거리(L)에 따른 공진 주파수 모드의 간격(c/2nL, c는 광속, n은 진공 내에서 1, L은 반사 거울 사이의 거리)을 가지게 된다. 따라서 서로 공진되는 주파수가 일치하고, 각 주파수 빗 방식의 레이저 광의 주파수 모드 간격이 상기 공동의 공진 주파수 모드 간격에 일치하거나 또는 배수로 일치하는 경우에 한하여 진행하는 빛과 반사되는 빛의 경로 중첩에 의한 간섭이 발생하지 않을 수 있으며, 주파수 빗 레이저 광의 각 주파수 모드들 각각에 대하여 공동에 의한 광의 공진이 이루어질 수 있다.
그러나 공진 주파수의 간격은 반사 거울 사이의 거리에 따라 결정되므로, 주파수 빗 레이저 광의 주파수 모드 간격이 달라지면 반사 거울 사이의 거리 자체가 달라져야 한다. 따라서 반사 거울 사이의 거리에 따라 주파수 빗 레이저 광의 주파수 모드 간격을 결정하여야 하는 등 한계가 있으며, 이러한 한계로 인해 실질적으로 적용이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 미리 알지 못하는 가스를 식별하기에 적합하도록, 복수의 가스의 탐지가 가능하면서도 탐지 민감도가 높은 가스 식별 장치 및 식별 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 공동의 공진 주파수에 따른 간섭 없이 공동에 의한 광의 공진이 이루어질 수 있도록 함으로써, 시료에 의한 주파수 빛 레이저 광의 흡수 결과를 증폭할 수 있는 가스 식별 장치 및 식별 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치는, 복수의 서로 다른 주파수를 포함하는 주파수 빗(Frequency Comb) 방식의 레이저 광을 생성하는 광 생성부와, 서로 마주보는 제1 및 제2 반사 거울 사이에 형성되며 시료 기체가 주입될 수 있도록 형성되는 공동과, 상기 제2 반사 거울을 투과하여 분산 출력되는 레이저 광들을 집광 할 수 있도록 형성되는 집광 렌즈를 포함하는 공진부와, 상기 광 생성부에서 생성된 레이저 광을, 상기 공동의 축 방향과 다른 방향으로 상기 제1 반사 거울을 투과하여 상기 공동 내에 조사하는 광 조사부 및, 상기 집광 렌즈를 통해 집광된 레이저 광을 분광 분석하고, 분광 분석 결과에 따른 상기 레이저 광의 흡수 스펙트럼으로부터 상기 시료 기체에 포함된 적어도 하나의 가스를 식별하는 식별부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 식별부는, 상기 분광 분석을 위한 분광기(Spectrometer) 또는 회절 분광기(Grating Spectrometer)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 분광 분석 결과에 따른 상기 레이저 광의 흡수 스펙트럼은, 상기 주파수 빗 방식의 레이저 광에 포함된 주파수들 각각에 대응하는 파장들에 대한 투과광의 세기들에 대한 스펙트럼이며, 상기 식별부는, 투과광 세기가 기 설정된 수준 이상 감소된 적어도 하나의 파장에 근거하여 상기 시료에 포함된 적어도 하나의 가스를 식별하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 식별부는, 서로 다른 가스들 각각이 흡수하는 서로 다른 레이저 파장들의 정보를 포함하는 메모리를 포함하고, 상기 메모리에 포함된 정보에 근거하여 상기 시료에 포함된 적어도 하나의 가스를 식별하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 식별부는, 비디오 정보 또는 오디오 정보의 출력이 가능한 출력부 및, 기 설정된 다른 기기와 통신 연결을 위한 통신부 중 적어도 하나를 더 포함하고, 상기 출력부 또는 상기 기 설정된 다른 기기를 통해 상기 식별된 적어도 하나의 가스에 대한 정보를 출력하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 공진부는, OA-ICOS (Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy) 방식에서 사용되는 공진부임을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 식별 장치는, 복수의 서로 다른 주파수를 포함하는 주파수 빗(Frequency Comb) 방식에 따른 제1 및 제2 레이저 광을 생성하는 광 생성부와, 서로 마주보는 제1 및 제2 반사 거울 사이에 형성되며 시료 기체가 주입될 수 있도록 형성되는 공동과, 상기 제2 반사 거울을 투과하여 분산 출력되는 제1 레이저 광을 집광 할 수 있도록 형성되는 집광 렌즈를 포함하는 공진부와, 상기 제1 레이저 광을, 상기 공동의 축 방향과 다른 방향으로 상기 제1 반사 거울을 투과하여 상기 공동 내에 조사하는 광 조사부와, 상기 집광 렌즈를 통해 집광된 제1 레이저 광이 진행하는 경로인 제1 경로와, 상기 제2 레이저 광의 진행하는 경로인 제2 경로를 중첩시키는 중첩부와, 상기 제1 경로와 제2 경로의 중첩에 따라 발생하는 간섭 신호를 상기 제1 및 제2 레이저 광에 포함된 주파수 별로 검출하고, 검출된 각 주파수 별 간섭 신호에 근거하여 상기 시료 기체에 포함된 적어도 하나의 가스를 식별하는 식별부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저 광은, 각 주파수 사이의 간격이 서로 다른 주파수 빗 방식의 레이저 광들임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 중첩부는, 입사되는 광을 투과시키는 투과면과, 입사되는 광을 반사시키는 반사면을 포함하며, 상기 투과면으로 입사된 광의 진행 경로와 상기 반사면으로 입사된 광의 진행 경로를 하나의 경로로 중첩시키는 광로 결합 유닛광, 상기 집광 렌즈를 통해 집광된 제1 레이저 광을 수렴 및, 수렴된 제1 레이저 광을, 상기 투과면으로 입사되는 경로로 조사하는 수렴 렌즈 및, 상기 제2 레이저 광이 진행하는 경로를 상기 반사면으로 향하도록 상기 제2 레이저 광의 진행 경로를 변경시키는 적어도 하나의 반사 거울을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 식별부는, 상기 제1 경로와 제2 경로의 중첩에 따라 상기 수렴된 제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 중첩에 따른 간섭 신호를, 상기 수렴된 제1 레이저 광과 제2 레이저 광에 포함된 각 주파수 별로 검출하는 광 검출부 및, 광 검출부에서 검출된 간섭 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 푸리에(Fourier) 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 식별부는, 비디오 정보 또는 오디오 정보의 출력이 가능한 출력부 및, 기 설정된 다른 기기와 통신 연결을 위한 통신부 중 적어도 하나를 더 포함하고, 상기 출력부 또는 상기 기 설정된 다른 기기를 통해 상기 식별된 적어도 하나의 가스에 대한 정보를 출력하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 공진부는, OA-ICOS (Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy) 방식에서 사용되는 공진부임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가스 식별 장치 및 식별 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 서로 마주보는 두 개의 반사 거울로 형성되는 공동에, 축외(Off-Axis) 방식으로 주파수 빗 방식의 레이저 광을 조사하여, 공동에 조사된 레이저 광이 고차 공간 모드를 형성하여 광의 공진이 이루어질 수 있도록 한다. 이처럼 본 발명은 공동 내에서 광의 경로들이 일치되지 않도록 함으로써, 공진기 내에서 간섭 구조가 발생하지 않도록 하므로, 공진 주파수의 간격에 상관없이 주파수 빗 레이저 광의 주파수 모드들 각각에 대하여 공진기에 의한 흡수 증강효과를 이룰 수 있으며, 이에 따라 주파수 빗 레이저 광에 따라 복수의 가스 탐지가 가능하도록 하면서도, 공동에 의한 빛의 공진을 통해 흡수 결과를 증폭시킴으로서 복수의 가스 각각에 대한 탐지 민감도를 대폭 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치의 구조를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치의 공진부에 조사되는 주파수 빗 방식의 레이저 광을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치의 공진부와, 공진부에 축외 방식으로 조사되는 레이저 광을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 시료 내의 가스를 탐지하는 예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 시료 내의 가스를 탐지하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 식별 장치의 구조를 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 시료 내의 가스를 탐지하는 예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 시료 내의 가스를 탐지하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 간섭에 의해 발생하는 비팅 신호의 예를 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치의 공진부에 조사되는 주파수 빗 방식의 레이저 광을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치의 공진부와, 공진부에 축외 방식으로 조사되는 레이저 광을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 시료 내의 가스를 탐지하는 예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 시료 내의 가스를 탐지하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 식별 장치의 구조를 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 시료 내의 가스를 탐지하는 예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 시료 내의 가스를 탐지하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 간섭에 의해 발생하는 비팅 신호의 예를 도시한 예시도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이하에서 설명되는 각각의 실시 예들 뿐만 아니라, 실시 예들의 조합은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물 내지 대체물로서, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 해당될 수 있음은 물론이다.
먼저 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치(10)의 구조를 도시한 블록도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치(10)의 공진부(120)에 조사되는 주파수 빗 방식의 레이저 광을 설명하기 위한 개념도이다. 그리고 도 3은, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치(10)의 공진부(120)와, 상기 공진부(120)에 축외(Off-Axis) 방식으로 조사되는 레이저 광을 설명하기 위한 개념도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치(10)에서 시료 내의 가스를 탐지하는 예를 설명하기 위한 개념도이다.
먼저 도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치(10)는 레이저 광을 생성하는 광 생성부(100), 한 쌍의 반사 거울을 구비하며, 상기 반사 거울 쌍 사이에 형성되는 공동을 구비하는 공진부(120), 상기 광 생성부(100)에서 생성된 레이저 광을 상기 공진부(120)에 조사하는 광 조사부(110) 및, 상기 공진부(120)를 통해 공진된 광을 검출하고, 검출된 광으로부터 시료에 포함된 가스를 식별하는 식별부(130)를 포함할 수 있다.
먼저 광 생성부(100)는 서로 다른 복수의 주파수를 가지는 레이저 광을 생성할 수 있다. 이를 위해 광 생성부(100)는 도 2의 (a)에서 보이고 있는 바와 같이 서로 이웃하는 서로 다른 주파수들(210, 220, 230), 즉 모드들(210, 220, 230)의 위상을 같게 만들어 각 모드들을 결합할 수 있으며, 이에 따라 시간 영역에서는 매우 짧은 펄스 광이지만, 주파수 영역에서는 매우 넓은 스펙트럼을 형성하는 레이저 광(250)을 생성할 수 있다.
한편 이처럼 광을 짧은 다발, 즉 펄스(pulse)로 만들고, 복수의 서로 다른 주파수의 파형들을 결합하게 되면, 일정한 주파수 간격을 가지는 일련의 펄스들을 가지는 레이저 광이 생성될 수 있다. 이 경우 생성된 레이저 광은 도 2의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이 주파수 영역에서 다수의 빗살을 가지는 빗(Comb) 형태를 가질 수 있으며, 이처럼 일정한 주파수 간격을 가지는 일련의 펄스들을 가지는 레이저 광을 주파수 빗(Frequency Comb) 방식의 레이저 광이라고 한다. 광 생성부(100)는 이처럼 주파수 빗 방식에 따라 서로 다른 복수의 주파수(모드)를 가지는 레이저 광, 즉 주파수 빗 방식의 레이저 광을 생성할 수 있다.
이러한 주파수 빗 방식의 레이저 광의 경우, 주파수 영역에서 연속되는 광원은 아니지만, 모든 주파수 대역을 가짐으로서 단위 스펙트럴 광밀도가 낮은 광원(광대역(Broadband) 광원)과 달리, 특정 주파수에서는 단위 스펙트럴 밀도가 높으므로, 가스에 따른 광의 흡수율 변화 검출이 용이하며, 공진기를 통한 광의 공진이 가능하다는 이점이 있다.
한편 공진부(120)는 도 3에서 보이고 있는 바와 같이, 높은 반사율을 가지며 서로 마주보도록 형성되는 한 쌍의 반사 거울(제1 반사 거울(310), 제2 반사 거울(320))과, 상기 한 쌍의 반사 거울 사이에 형성되는 공동(300)을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 공동에는 미지의 가스를 포함하는 기체, 즉 시료가 주입되도록 형성될 수 있으며, 공동에 주입된 시료를 공동 내에 가두기 위한 밸브를 포함할 수 있다. 그리고 상기 제2 반사 거울(320)을 투과하여 분산 출력되는 레이저 광들을 모아주는 집광 렌즈(330)를 포함하여 형성될 수 있다.
한편 광 조사부(110)는 상기 광 생성부(100)에서 생성되는 주파수 빗 방식의 레이저 광을 상기 제1 반사 거울(310)을 투과하여 상기 공동(300) 내부로 조사할 수 있다. 여기서 상기 광 조사부(110)는 도 3에서 보이고 있는 바와 같이, 반사 거울(310, 320)의 축(350), 또는 공동(300)의 축(350) 방향과 다른 방향으로 상기 공동(300) 내부에 레이저 광(360)을 조사함으로써, 상기 한 쌍의 반사 거울들을 통해 반사되는 레이저 광들이 고차 공간 모드를 형성하도록 할 수 있다.
이처럼 반사 거울들을 통해 반사되는 레이저 광들이 고차 공간 모드를 형성하는 경우 각 반사 거울에서 반사되는 레이저 광들의 경로가 서로 일치하지 않게 되므로, 이론적으로 반사 거울의 사이가 무한대인 공진기 내에서 광의 공진이 이루어지는 것과 같은 효과를 가지므로, 공진기에서 발생하는 간섭 현상이 제거될 수 있다.
그리고 이처럼 공진기에 의한 간섭이 없어지므로, 본 발명의 실시 예에 따른 공진부(120)는 공진 주파수 모드 간격에 따라 주파수 빗 방식의 레이저 광의 주파수 모드 간격을 일치시킬 필요가 없다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치(10)의 공진부(120)는 반사 거울 쌍 사이의 거리에 상관없이 주파수 빗 방식 레이저 광의 모든 주파수 각각에 대한 흡수 효과를 증가시킬 수 있다.
이에 따라 주파수 빗 레이저 광에 포함되는 각각의 주파수에 따라 다양한 종류의 가스 탐지가 가능하면서도, 상기 공진부(120)에 의한 광 공진을 통해 흡수 결과가 증폭됨으로써, 탐지 민감도를 대폭 향상시킬 수 있다.
한편 식별부(130)는 상기 공진부(120)의 집광 렌즈(330)로부터 모아진 광을 검출 및 광 검출 결과에 근거하여 상기 시료에 포함된 가스를 식별할 수 있다. 여기서 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치(10)는 상술한 바와 같이 주파수 간격이 일정하게 형성된 주파수 빗 방식의 레이저 광(400)이 공진부(120)에 조사되므로, 상기 공진부(120)에서 투과된 광원 자체가 흡수 스펙트럼 정보를 포함할 수 있다.
한편 상술한 반사 거울 쌍을 포함하는 공동을 통해 광을 공진하는 널리 알려진 방법으로서 OA-ICOS(Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy) 방식이 있을 수 있다. 상기 OA-ICOS 방식은, 단일 연속 발진 광원을 입사하는 것으로, 광원의 주파수를 스캔하면서 투과하는 광세기를 측정하여 흡수가 증강된 스펙트럼을 획득하는 방식이다.
상기 OA-ICOS 방식과 달리 본 발명은 상술한 바와 같이 주파수 간격이 일정하게 형성된 주파수 빗 방식의 레이저 광(400)이 공진부(120)에 조사된다. 따라서 공진부(120)에서 투과된 광원 자체가 흡수 스펙트럼 정보를 포함한다. 그러므로 본 발명은 OA-ICOS 방식과 달리 레이저 주파수를 스캔할 필요가 없으며, 상기 투과된 광원 자체에 대한 분광 분석을 통해 공진부(120)에서 투과된 광원의 흡수선을 측정할 수 있다.
이를 위해 식별부(130)는 분광기(spectrometer) 또는 회절 분광기(grating spectrometer)를 구비할 수 있다. 그리고 상기 분광기 또는 회절 분광기를 통해 상기 공진부(120)에서 투과된 광원의 흡수선을 측정할 수 있다.
여기서 상기 공진부(120)에서 투과된 광원에 대한 분광 분석 결과, 즉 흡수선 측정 결과는 도 4에서 보이고 있는 바와 같이 각 파장의 레이저에 대한 투과광의 세기(410)로 나타날 수 있다. 이 경우 공진부(120)의 공동(300) 내 시료에서 특정 파장의 레이저 광이 흡수되는 경우, 도 4에서 보이고 있는 바와 같이 특정 레이저 파장의 투과광 세기가 감소되어 나타날 수 있다.
그러면 식별부(130)는 투과광 세기가 감소된 레이저 파장에 근거하여 상기 시료 내의 미지의 가스를 식별할 수 있다. 이를 위해 식별부(130)는 서로 다른 가스들 각각에 대응하는 서로 다른 레이저 파장의 정보를 포함하는 메모리(도시되지 않음)를 구비할 수 있다. 그리고 메모리에 저장된 정보를 통해, 기 설정된 수준 이상 투과광 세기가 감소된 적어도 하나의 광 파장에 대응하는 적어도 하나의 가스를 식별 및, 식별된 가스의 정보를 출력할 수 있다.
이를 위해 상기 식별부(130)는 비디오 정보 또는 오디오 정보의 출력이 가능한 출력부를 더 포함할 수 있다. 또는 기 설정된 다른 기기와의 통신 연결을 통해 상기 가스 식별 결과를 출력할 수 있도록 기 설정된 적어도 하나의 다른 기기와의 통신이 가능한 통신부를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
한편 도 5는, 도 1 및 도 4에서 도시한 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치(10)에서 시료 내의 가스를 탐지하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하여 살펴보면, 먼저 본 발명의 실시 예에 따른 가스 식별 장치(10)는 광 생성부(100)를 통해 주파수 빗 방식의 레이저 광을 생성할 수 있다(S500). 여기서 상기 주파수 빗 방식의 레이저 광은 복수의 서로 다른 주파수(모드)가 결합된 광으로, 일정한 주파수 간격을 가지는 일련의 펄스들을 가지는 레이저 광을 의미할 수 있다.
광 생성부(100)에서 주파수 빗 방식의 레이저 광이 생성되면, 광 조사부(110)는 상기 생성된 레이저 광을 공진부(120)의 공동에 조사할 수 있다(S502). 여기서 상기 광 조사부(110)는 상기 조사된 레이저 광이 상기 공진부(120)의 공동을 형성하는 반사 거울들 사이에서 고차 공간 모드를 형성하며 반사될 수 있도록, 상기 생성된 레이저 광을 공동의 축과 다른 방향으로 공동에 조사할 수 있다.
여기서 상기 공동의 축 방향은, 상기 공동 또는 상기 공동을 형성하는 서로 마주보는 반사 거울의 중심에 수직한 방향을 의미하며, 상기 공동의 축과 다른 방향, 즉 축외(Off Axis) 방향이라 함은, 상기 반사 거울의 중심에 수직한 방향을 제외한 다른 방향을 의미할 수 있다.
상기 축외 방식으로 공동에 조사된 주파수 빗 방식의 레이저 광은, 고차 공간 모드를 형성하며 상기 공동의 양 반사 거울 사이에서 반사될 수 있다. 그리고 일측의 반사 거울을 통해 투과되어 분산 출력될 수 있다. 이처럼 분산 출력된 레이저 광들은 공진부(120)의 집광 렌즈를 통해 집광될 수 있으며, 식별부(130)를 통해 집광된 광으로부터 흡수 스펙트럼이 획득될 수 있다(S504).
한편 식별부(130)는 획득된 흡수 스펙트럼에 근거하여 시료, 즉 시료에 포함된 가스에 흡수된 레이저 광의 파장을 검출할 수 있다. 그리고 검출된 레이저 광의 파장에 근거하여 상기 시료에 포함된 가스를 식별할 수 있다(S506).
한편 상술한 바와 같이, 복수의 서로 다른 주파수(모드)가 결합된 주파수 빗 방식의 레이저 광을 축외 방식으로 반사 거울 쌍으로 형성되는 공동을 포함하는 공진부(120)에 조사하는 경우, 상기 공진부(120)에서 출력되는 광은 그 자체로서 흡수 스펙트럼의 정보를 가진다. 따라서 상술한 설명에서는 식별부(130)가 분광기 또는 회절 분광기를 통해 상기 공진부(120)에서 출력되는 광을 분광 분석하고, 분광 분석된 결과에 근거하여 시료에 포함된 가스를 식별하는 구성을 설명하였다.
그런데 분광기 또는 회절 분광기의 경우, 일반적으로 큰 부피를 가지므로, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치의 크기가 커질 수 있다는 문제가 있다.
이에 본 발명은 발진되는 파장 사이의 간격이 서로 다른 두 개 파장의 광원들 간에 간섭이 발생하는 경우, 상기 두 개 파장의 광원들 사이에 가진 주파수가 공진 주파수에 근접하여 발생하는 간섭 신호인 비팅(beating) 신호를 이용하여 시료에 포함된 가스를 식별할 수도 있다. 이 경우 식별부(130)는 분광기 또는 회절 분광기 대신에, 광 세기를 측정하는 광 검출기만으로 상기 시료에 포함된 가스를 식별할 수 있으므로, 가스 탐지 장치의 크기 및 부피를 크게 줄일 수 있다.
이처럼 비팅 신호를 이용하여 광 검출기를 이용하여 시료 내 가스를 식별하는 가스 식별 장치를, 분광기 또는 회절 분광기를 이용하여 가스를 식별하는 상술한 가스 식별 장치와 구분하기 위하여, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 식별 장치라고 하기로 한다. 이 경우 상기 분광기를 이용하는 가스 식별 장치는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스 식별 장치로 명명될 수 있다.
먼저 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 식별 장치(20)의 구조를 도시한 블록도이다. 그리고 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 식별 장치(20)에서 시료 내의 가스를 탐지하는 예를 설명하기 위한 개념도이다.
우선 상기 비팅 신호의 경우 발진되는 파장 사이의 간격이 서로 다른 두 개 파장의 광원들 간에 생성되는 간섭 신호일 수 있다. 이를 위해 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 식별 장치(20)의 광 생성부(600)는 도 6에서 보이고 있는 바와 같이, 제1 레이저 광을 생성하는 제1 생성부(601)와 제2 레이저 광을 생성하는 제2 생성부(602)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제1 레이저 광(710)은 서로 다른 복수의 모드(주파수)가 결합되어 일정한 주파수 간격을 가지는 일련의 펄스들을 가지는 레이저 광일 수 있다. 여기서 상기 복수의 모드는 각각의 차수에 따라 구분될 수 있으며(예 : 1차, 2차, 3차 ... n차), 각각의 차수에 대응하는 주파수는 각각 서로 다를 수 있다. 여기서 상기 제1 레이저 광(710)은 광 조사부(610)에 의해 공진부(620)에 조사되는 레이저 광일 수 있다.
한편 상기 제2 레이저 광(720)은 상기 제1 레이저 광과 각 차수별 주파수(모드) 간의 간격이 서로 다르게 형성되는 레이저 광일 수 있다. 즉, 제1 레이저 광(710)의 모드별 주파수 간격(△V1)은, 제2 레이저 광(720)의 모드별 주파수 간격(△V2)와 서로 다를 수 있다. 또한 상기 제2 레이저 광(720)은 상기 비팅 신호의 생성을 위해 상기 제1 레이저 광(710)과의 간섭을 발생시키기 위한 레이저 광일 수 있다.
한편 광 생성부(600)에서 제1 및 제2 레이저 광들(710, 720)이 생성되면, 광 조사부(610)는 상기 제1 레이저 광(710)을 공진부(620)에 조사할 수 있다. 여기서 상기 광 조사부(620)는, 공진부(610)의 공동 내에서 고차 공간 모드를 형성하며 반사되도록, 상기 제1 레이저 광(710)을 축외 방식으로 공진부(610)에 조사할 수 있다.
그러면 공진부(610)에서 상기 제1 레이저 광(710)은 고차 공간 모드를 형성하며 공진부(610) 공동의 반사 거울 쌍 내에서 반사될 수 있다. 그리고 일측의 반사 거울을 투과하여 분산 출력될 수 있다. 그러면 분산 출력된 제1 레이저 광들은 집광 렌즈를 통해 집광될 수 있다.
한편 식별부(630)는 상기 공진부(620)의 집광 렌즈를 통해 집광된 제1 레이저 광들과 상기 제2 레이저 광의 간섭이 발생할 수 있도록, 상기 제1 레이저 광들의 경로와 상기 제2 레이저 광의 경로를 중첩시키는 중첩부(631)를 포함할 수 있다. 그리고 중첩된 제1 레이저 광과 제2 레이저 광으로부터 광의 주파수를 스캔하면서 광 세기를 검출하는 광 검출부(632), 그리고 광 검출부(632)를 통해 측정되는 간섭 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하기 위한 푸리에(Fourier) 변환부(633)를 포함할 수 있다.
먼저 중첩부(631)는 상기 공진부(620)의 집광 렌즈를 통해 집광된 제1 레이저 광들을 하나의 경로, 즉 제1 경로로 수렴시키기 위한 수렴 렌즈(751)를 구비할 수 있다. 그리고 상기 제2 레이저 광(720)이 진행하는 경로, 즉 제2 경로를, 상기 제1 경로와 중첩시키기 위한 광로 결합 유닛(752)을 포함할 수 있다. 또한 제2 레이저 광(720)을 상기 광로 결합 유닛(752)으로 조사시키기 위해 상기 제2 레이저 광(720)의 진행 경로를 변경할 수 있는 적어도 하나의 반사 거울(753)을 포함할 수 있다.
상기 광로 결합 유닛(752)은 특정 면에만 레이저 광이 반사되도록 코팅면이 형성된 광학 소자일 수 있다. 즉, 제1 면으로 입사되는 레이저 광은 광로 결합 유닛(752)을 그대로 투과하지만, 제2 면으로 입사되는 레이저 광의 경우 반사되도록 형성될 수 있다.
이 경우 상기 수렴 렌즈(751)를 통해 제1 경로로 수렴된 빛은, 상기 광로 결합 유닛(752)의 제1 면으로 입사될 수 있다. 반면 제2 레이저 광은 제2 경로를 통하여 중첩부(631)의 광로 결합 유닛(752) 제2 면으로 입사될 수 있다. 따라서 광로 결합 유닛(752)을 통해 제1 경로의 집광된 제1 레이저 광과, 제2 경로의 제2 레이저 광이 서로 경로가 중첩될 수 있으며, 경로의 중첩에 따른 간섭이 발생할 수 있다.
한편 광 검출부(632)는 제1 레이저 광(710)과 제2 레이저 광(720)의 각 차수 별 모드(주파수)에 따른 간섭 신호(간섭 신호의 크기)를 검출할 수 있다. 그리고 검출된 간섭 신호의 획득된 간섭 신호를 푸리에 변환부(633)를 통해 주파수 영역의 신호로 변환할 수 있다.
그러면 식별부(630)는 도 7의 비팅 신호 주파수에 따른 투과광 세기(730)와 같은 분석 결과를 획득할 수 있다. 여기서 분석 결과(730)의 X축은 간섭 신호(비트 신호)의 주파수 성분이지만, 입사된 레이저 광의 각 주파수별 파장에 대응하며, 이에 따라 상기 공진부(620)의 공동 내의 시료에 의하여 일부 파장의 광이 흡수되는 경우, 상기 푸리에 분석 결과 흡수된 파장에 대응하는 투과광의 세기가 다른 파장의 투과광 세기보다 낮게 검출될 수 있다. 그러면 식별부(630)는 서로 다른 가스들 각각에 대응하는 서로 다른 레이저 파장의 정보를 포함하는 메모리(도시되지 않음)에 저장된 정보를 통해, 기 설정된 수준 이상 투과광 세기가 감소된 적어도 하나의 광 파장에 대응하는 적어도 하나의 가스를 식별 및, 식별된 가스의 정보를 출력할 수 있다.
또한 상기 식별부(630)는 상기 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스 식별 장치(10)와 마찬가지로 비디오 정보 또는 오디오 정보의 출력이 가능한 출력부를 더 포함할 수 있다. 또는 기 설정된 적어도 하나의 다른 기기와의 통신이 가능한 통신부를 더 포함할 수도 있다.
한편 도 8은 이러한 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 식별 장치(20)에서 시료 내의 가스를 탐지하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다. 그리고 도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 식별 장치에서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 간섭에 의해 발생하는 비팅 신호의 예를 도시한 예시도이다.
먼저 도 8을 참조하여 살펴보면, 먼저 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 식별 장치(20)는 광 생성부(600)를 통해 두 개의 주파수 빗 방식의 레이저 광을 생성할 수 있다(S800). 여기서 상기 두 개의 주파수 빗 방식의 레이저 광(제1 및 제2 레이저 광)은, 도 9의 (a) 및 (b)에서 보이고 있는 바와 같이 각 모드 사이의 간격이 서로 다른 주파수 빗 방식의 레이저 광들일 수 있다.
상기 S800 단계에서, 상기 두 개의 주파수 빗 방식의 레이저 광들이 생성되면, 광 조사부(610)는 어느 하나의 레이저 광을 공진부(620)의 공동에 조사할 수 있다(S802). 이하 광 조사부(610)에 의해 상기 공진부(620)의 공동에 조사되는 레이저 광을 제1 레이저 광이라고 하기로 하고, 공진부(620)의 공동에 조사되지 않는 레이저 광을 제2 레이저 광이라고 하기로 한다.
여기서 광 조사부(620)는 상기 조사된 제1 레이저 광이 상기 공진부(620)의 공동을 형성하는 반사 거울들 사이에서 고차 공간 모드를 형성하며 반사될 수 있도록, 상기 제1 레이저 광을 공동의 축과 다른 방향으로 공동에 조사할 수 있다. 여기서 상기 공동의 축 방향은, 상기 공동 또는 상기 공동을 형성하는 서로 마주보는 반사 거울의 중심에 수직한 방향을 의미하며, 상기 공동의 축과 다른 방향, 즉 축외(Off Axis) 방향이라 함은, 상기 반사 거울의 중심에 수직한 방향을 제외한 다른 방향을 의미할 수 있다.
그러면 상기 축외 방식으로 공동에 조사된 제1 레이저 광은, 고차 공간 모드를 형성하며 공동의 양 반사 거울 사이에서 반사될 수 있다. 그리고 상기 공동 일측의 반사 거울을 통해 투과되어 분산 출력될 수 있다. 그리고 분산 출력된 레이저 광들은 공진부(620)의 집광 렌즈를 통해 집광될 수 있으며, 집광 렌즈에서 집광된 제1 레이저 광들은 중첩부(631)의 수렴 렌즈(751)를 통해 하나의 경로(제1 경로)로 수렴될 수 있다. 그리고 제1 경로로 수렴된 제1 레이저 광은 광로 결합 유닛(752)의 투과면에 입사되어, 상기 광로 결합 유닛(752)을 투과하여 진행할 수 있다.
한편 제2 레이저 광은 중첩부(631)의 적어도 하나의 반사 거울(753)에 의해 경로가 변경될 수 있으며, 상기 중첩부(631)의 광로 결합 유닛(752)의 반사면에 조사될 수 있다. 따라서 상기 제2 레이저 광은 광로 결합 유닛(752)의 반사면에 의해 반사되어, 상기 광로 결합 유닛(752)을 투과한 제1 레이저 광과 경로가 중첩될 수 있다. 그리고 상기 제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 경로 중첩에 따라 상기 제1 레이저 광에 대한 제2 레이저 광의 간섭이 발생할 수 있다(S804).
제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 경로를 중첩시킴으로서 간섭 신호가 생성되면, 식별부(130)는 광 검출부(632)를 통해 상기 제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 각 주파수(모드)에 대하여 차수 별로 간섭 신호를 검출할 수 있다(S806). 즉, 광 검출부(632)를 통해 차수별로 제1 및 제2 레이저 광의 각 주파수(모드)에 따른 간섭 신호들의 크기를 측정할 수 있다.
한편 광 검출부(632)를 통해 간섭 신호가 측정되면, 식별부(630)는 푸리에 변환부를 통해 상기 측정된 간섭 신호를 푸리에 변환하여 주파수 영역의 신호로 변환할 수 있다(S808). 따라서 식별부(630)는 비팅 신호(간섭 신호)의 주파수 별 투과광 세기들의 스펙트럼을 획득할 수 있다. 도 9의 (c)는 이와 같이 푸리에 변환을 통해 상기 측정된 간섭 신호들, 즉 비팅 신호들이 주파수 영역의 신호들로 변환된 예를 보이고 있는 것이다.
여기서 비팅 신호의 주파수는, 공동으로 조사된 제1 레이저 광의 각 주파수(모드)별 파장에 대응하며, 이에 따라 상기 공진부(620)의 공동 내의 시료에 의하여 일부 파장의 광이 흡수되는 경우, 흡수된 파장에 대응하는 투과광의 세기가 다른 파장의 투과광 세기보다 낮게 검출될 수 있다. 그러면 식별부(630)는 서로 다른 가스들 각각에 대응하는 서로 다른 레이저 파장의 정보를 포함하는 메모리(도시되지 않음)에 저장된 정보에 근거하여 공동 내의 시료에 포함된 가스를 식별할 수 있다(S810).
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 특히 본 발명의 실시 예에서는 마주보는 반사 거울 쌍을 구비하고 상기 반사 거울들 사이에 시료가 주입되는 공동이 형성되는 공진부를 언급하였고, 상기 공동의 축과 다른 방향으로 주파수 빗 방식의 레이저 광을 조사하는 구성을 언급하였다.
한편 공동을 포함하는 공진부를 구비하며, 공동의 축과 다른 방향으로 레이저 광을 조사하는 방식으로 OA-ICOS (Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy) 방식이 있을 수 있다. 상기 OA-ICOS 방식은 광원의 주파수를 스캔하면서 투과하는 광세기를 측정하여 흡수가 증강된 스펙트럼을 획득하는 방식으로서, 단일 연속 발진 광원을 공동에 조사한다는 점에서 본 발명과 차이가 있으나, 본원발명과 같이, 공진부가 공동을 포함하며, 공동의 축과 다른 방향으로 레이저 광이 조사될 수 있도록 형성될 수 있으므로, 상기 OA-ICOS 방식에 따른 공진부는 본 발명의 공진부(120 또는 620)로서 사용될 수도 있음은 물론이다.
한편 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 가스 식별 장치
100 : 광 생성부 110 : 광 조사부
120 : 공진부 130 : 식별부
100 : 광 생성부 110 : 광 조사부
120 : 공진부 130 : 식별부
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- 복수의 서로 다른 주파수 모드를 포함하는 주파수 빗(Frequency Comb) 방식에 따른 제1 및 제2 레이저 광을 생성하는 광 생성부;
서로 마주보는 제1 및 제2 반사 거울 사이에 형성되며 시료 기체가 주입될 수 있도록 형성되는 공동과, 상기 제2 반사 거울을 투과하여 분산 출력되는 제1 레이저 광을 집광 할 수 있도록 형성되는 집광 렌즈를 포함하는 공진부;
상기 제1 레이저 광을, 상기 공동의 축 방향과 다른 방향으로 상기 제1 반사 거울을 투과하여 상기 공동 내에 조사하는 광 조사부;
상기 집광 렌즈를 통해 집광된 제1 레이저 광이 진행하는 경로인 제1 경로와, 상기 제2 레이저 광의 진행하는 경로인 제2 경로를 중첩시키는 중첩부;
상기 제1 경로와 제2 경로의 중첩에 따라 발생하는 간섭 신호인 비팅 신호를 상기 제1 및 제2 레이저 광에 포함된 주파수 모드별로 검출하고, 각 주파수 모드별 비팅 신호에 근거하여 상기 시료 기체에 포함된 적어도 하나의 가스를 식별하는 식별부를 포함하며,
상기 식별부는,
상기 제1 레이저 광에 포함된 각 차수의 주파수들에 대응하는 상기 제2 레이저 광의 각 차수별 주파수들을, 상기 제1 레이저 광의 주파수들을 기준으로 비교하고, 비교 결과에 따른 각 차수별 주파수 차이들을 상기 각 주파수별 간섭 신호에 대응하는 상기 비팅 신호로 생성하며,
광 세기를 검출하는 광 검출부를 구비하여, 상기 광 검출부에서 검출되는 각 주파수별 간섭 신호의 크기에 근거하여 상기 시료 기체에 포함된 적어도 하나의 가스를 식별하는 것을 특징으로 하는 가스 식별 장치. - 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저 광은,
각 주파수 사이의 간격이 서로 다른 주파수 빗 방식의 레이저 광들임을 특징으로 하는 가스 식별 장치. - 제7항에 있어서, 상기 중첩부는,
입사되는 광을 투과시키는 투과면과, 입사되는 광을 반사시키는 반사면을 포함하며, 상기 투과면으로 입사된 광의 진행 경로와 상기 반사면으로 입사된 광의 진행 경로를 하나의 경로로 중첩시키는 광로 결합 유닛;
상기 집광 렌즈를 통해 집광된 제1 레이저 광을 수렴 및, 수렴된 제1 레이저 광을, 상기 투과면으로 입사되는 경로로 조사하는 수렴 렌즈; 및,
상기 제2 레이저 광이 진행하는 경로를 상기 반사면으로 향하도록 상기 제2 레이저 광의 진행 경로를 변경시키는 적어도 하나의 반사 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 식별 장치. - 제9항에 있어서, 상기 식별부는,
상기 광 검출부에서 검출된 간섭 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 푸리에(Fourier) 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 식별 장치. - 제7항에 있어서, 상기 식별부는,
비디오 정보 또는 오디오 정보의 출력이 가능한 출력부 및, 기 설정된 다른 기기와 통신 연결을 위한 통신부 중 적어도 하나를 더 포함하고, 상기 출력부 또는 상기 기 설정된 다른 기기를 통해 상기 식별된 적어도 하나의 가스에 대한 정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 가스 식별 장치. - 제7항에 있어서, 상기 공진부는,
OA-ICOS (Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy) 방식에서 사용되는 공진부임을 특징으로 하는 가스 식별 장치.
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2020
- 2020-09-03 KR KR1020200112410A patent/KR102340037B1/ko active IP Right Grant
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