KR102500960B1 - 미립자 측정 방법 및 미립자 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미립자 측정 방법 및 상기 측정 방법을 이용한 미립자 측정 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 미립자 측정 방법은 파장 폭이 넓은 파장을 가지는 하나의 초단 펄스 레이저 광을 입자에 대해 조사하는 단계; 상기 입자로부터 산란된 산란광을 복수의 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)를 포함하는 BPF 세트 내의 각 BPF를 통과시켜 대응되는 주파수 대역의 산란광만 통과시키는 단계; 및 통과된 각 산란광을 하나의 광검출기에 의해 검출하여 산란광 데이터를 획득하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

미립자 측정 방법 및 미립자 측정 장치{PARTICULATES MEASURING METHOD AND PARTICULATES MEASURING DEVICE}
본 발명은 미립자 측정 방법 및 상기 측정 방법을 이용한 미립자 측정 장치에 관한 것이다.
미립자, 그 중에서 예를 들어 미세먼지는 크기에 따라 PM2.5, PM10 등으로 구별되는데, 종래에는 공기 중에 필터를 설치하여 미세먼지를 포집한 후, 포집된 미세먼지를 크기에 따라 분류하여 미세먼지 크기 및 양을 구별하는 방법을 사용하였다.
그러나, 종래의 미립자 측정 방법은 필터가 설치되어있는 특정 위치에서만 미립자를 측정할 수 있었으며, 처리 시간이 많이 소요되는 단점이 있었다. 따라서, 최근 레이저를 사용하여 빠르고 간편하면서도, 원거리 측정이 가능하여 미립자의 공간분포를 측정할 수 있는 방법들이 개발되고 있다. 레이저를 사용한 미립자 측정법의 주요원리는 두 파장 이상의 레이저빔을 사용하며, 입자에서 산란되는 비율을 측정하여 “파장에 따른 산란공식”에 맞춤하여, 입자 크기를 구하는 방법이다.
그러나, 파장에 따른 산란 공식에 맞춤하기 위해서 2파장 이상의 레이저광을 사용하는데, 이에 따라, 기기의 크기도 커질 뿐만 아니라, 여러 개의 파장을 분리해주는 광학계와 별도의 광검출기(또는 PMT, photon counter)를 사용하고 있으며, 시스템의 구조도 복잡하다.
특히, 데이터의 개수가 많을수록 파장에 따른 산란공식의 정확도가 높아지는 바 종래에는 3개 내지 4개의 파장을 사용하여 산란신호를 획득하고 미립자의 입자 크기를 계산하였으나 각 파장 범위에 따라 광을 출력하기 위해 복수의 레이저 광원을 사용하고, 상기 파장의 개수만큼 별도의 광검출기를 사용하면서 장치 또는 시스템이 복잡해짐에 따라 상기 오차 범위가 더 커지게 된다.
(특허문헌 1) JP2642632 B2
종래의 문제점을 해결하기 위하여, 파장폭이 넓은 펄스 초단 펄스 레이저 광을 하나의 광검출기 및 복수의 BPF를 사용하여 측정함으로써 각 주파수대역에 따른 복수의 산란광 데이터를 한번에 추출할 수 있는, 미립자 측정 방법 및 미립자 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미립자 측정 방법은 BPF 필터 개수와 주파수 간격에 따라 결정된 파장 폭 보다 파장 폭이 넓은 파장을 가지는 초단 펄스 레이저 광을 입자에 대해 조사하는 단계; 상기 입자로부터 산란된 산란광을 복수의 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)를 포함하는 BPF 세트 내의 각 BPF를 통과시켜 대응되는 주파수 대역의 산란광만 통과시키는 단계; 및 통과된 각 산란광을 하나의 광검출기에 의해 검출하여 적어도 하나의 입자에 대해 각 주파수 대역의 파장 별로 산란된 복수의 산란광 데이터를 획득하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 획득한 상기 산란광 데이터를 이용하여, 상기 각 BPF에 대응하는 주파수 대역의 산란광의 산란 단면적을 측정하고, 각 주파수 대역의 파장에 따른 RCS(Radar Cross Section)/산란 단면적 그래프를 획득하여 추출한 각 데이터에 대응되는 입자의 크기를 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 초단 펄스 레이저 광은 피코초 또는 팸토초 펄스폭을 가지는 펄스레이저일 수 있다.
더하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 복수의 BPF의 개수는, 주파수 대역에 따른 산란광 데이터의 개수와 동일하며, 상기 BPF의 개수는 조절 가능하다.
본 발명은 다른 양태인 미립자 측정 장치를 제공하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 미립자 측정 장치는 BPF 필터 개수와 주파수 간격에 따라 결정된 파장 폭 보다 파장 폭이 넓은 파장을 가지는 하나의 초단 펄스 레이저를 발생시키는 하나의 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 광에 의해 입자를 조사하는 광조사수단; 상기 레이저 광의 조사에 의해 발생하는 상기 입자로부터의 산란광에서 설정된 각 주파수 대역의 산란광만 통과시키는 복수의 대역통과필터(BPF)를 포함하는 BPF 세트; 및 상기 BPF 세트로부터 산란광이 나오는 방향에 배치되어 상기 복수의 BPF를 통과한 산란광을 검출하는 하나의 광검출기;를 포함하며, 상기 광검출기는 적어도 하나의 입자에 대해 각 주파수 대역의 파장 별로 산란된 복수의 산란광 데이터를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 BPF 세트는 산란광이 상기 BPF 세트 중 적어도 하나의 BPF를 통과하여 광검출기에 입력되는 위치로 상기 BPF 세트 중 적어도 하나의 BPF를 이동시키는 회전체에 설치될 수 있다.
또는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 상기 BPF 세트는 BPF가 통과시킬 주파수 대역을 설정하고, 설정된 각 주파수 대역의 산란광만 통과되도록 상기 BPF의 설정된 주파수 대역을 일정 시간 간격으로 변경하는 BPF 제어부를 포함할 수 있다. 즉, 기계적으로 구현하거나 전자적으로 신호 제어하여 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 복수의 BPF의 개수는 각 주파수 대역에 대한 산란광 데이터의 개수와 동일하며, 상기 복수의 산란광 데이터를 이용하여 상기 입자 크기를 연산할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 광은 피코초 또는 팸토초 펄스폭을 가지는 펄스레이저일 수 있다.
더하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 파장 폭이 넓은 파장을 가지는 하나의 초단 펄스 레이저로부터 획득한 파장 범위가 상이한 복수의 산란광 데이터를 저장하는 메모리; 및 상기 메모리에 저장된 복수의 산란광 데이터를 이용하여 각 주파수 대역의 파장에 따른 RCS(Radar Cross Section)/산란 단면적 관계를 연산하여 미립자의 입자 크기를 출력하는 연산 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 1개의 레이저 광원과 복수의 BPF를 사용하여 입자 측정을 위한 복수의 데이터를 획득하고, 정확한 미립자 크기 측정에 관한 것으로, 하나의 레이저 광원 및 하나의 광검출기를 포함하는 장치로 구조가 간단하여 오차 발생이 적고 비용이 저렴하며, 여러 파장 범위를 가지는 복수의 산란광 데이터를 추출할 수 있어 다수의 데이터를 산란식에 맞춤하여 정확한 입자 크기를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미립자 측정 방법의 플로우 차트를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 미립자 측정 장치의 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 브로드밴드(broadband) 레이저 및 상기 레이저에서 BPF에 대응되는 주파수 대역을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피코초 또는 초단 펄스레이저의 시간 특성을 도시한 것이다.
도 5는 각 대역통과필터(BPF)에 대한 산란 신호 그래프 및 산란광 데이터를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리 미립자 측정 장치의 구성을 간략하게 도시한 것이다.
이하, 미립자의 입자 크기 측정에 대해 구체적인 실시예에 따라 설명하며, 미립자는 미세먼지나 공기 중에 떠다니는 부유물 등을 의미할 수 있고, 아래의 실시예에 의해 미립자의 대상이 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미립자 측정 방법의 플로우 차트를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 미립자 측정 방법(100)은 BPF 필터 개수와 주파수 간격에 따라 결정된 파장 폭 보다 파장 폭이 넓은 파장을 가지는 초단 펄스 레이저 광을 입자에 대해 조사하는 단계(S110), 상기 입자로부터 산란된 산란광을 복수의 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)를 포함하는 BPF 세트 내의 각 BPF를 통과시켜 대응되는 주파수 대역의 산란광만 통과시키는 단계(S120) 및 통과된 각 산란광을 하나의 광검출기에 의해 검출하여 적어도 하나의 입자에 대해 각 주파수 대역의 파장 별로 산란된 복수의 산란광 데이터를 획득하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 획득한 상기 산란광 데이터를 이용하여, 상기 각 BPF에 대응하는 주파수 대역의 산란광의 산란 단면적을 측정하고, 각 주파수 대역의 파장에 따른 RCS(Radar Cross Section)/산란 단면적 그래프를 획득하여 추출한 각 데이터에 대응되는 입자의 크기를 연산하는 단계(S140)를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 미립자 측정 장치의 구성을 간략하게 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 브로드밴드 레이저 및 상기 레이저에서 BPF에 대응되는 주파수 대역을 도시한 것으로, 도 1의 미립자 측정 방법이 어떻게 수행되는지 도 2 및 도 3과 함께 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 광원(200)으로부터 생성된 레이저를 광 조사수단에 의해 입자, 예를 들어 미세 먼지와 같은 미립자에 대해 조사할 수 있다.
이때, 상기 레이저 광은, 도 3에 도시된 바와 같이, 파장 폭이 넓은 하나의 레이저일 수 있다. 레이저빔이라는 하나의 전송 매체에 여러 채널의 데이터를 실어 전송하는 브로드밴드로서, 파장 폭이 넓어 BPF를 통해 복수의 파장을 가지도록 추출할 수 있다. 레이저의 시작 파장을 λ1, 끝나는 파장을 λ2 라고 하여 λ1 내지 λ2의 선폭을 가지는 레이저를 출력할 수 있으며, 이 파장 폭은 제어 장치에 의해 미리 설정되거나 입력 받을 수 있다.
상기 파장 폭은 BPF 세트(300) 내의 BPF(310, 320, 330 등)의 대역폭 및 생성될 산란광 데이터 개수에 따라 결정될 수 있다. 상기 파장 폭은 생성될 산란광 데이터 개수 * BPF 대역폭에 대응하는 폭을 최소 파장 폭으로 하여 설정될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, BPF의 대역폭들이 간격이나 폭 없이 밀접하거나 중첩될 경우에는 산란광 데이터 개수* BPF 대역폭에 대응하는 폭으로 설정할 수 있으며, BPF의 대역폭들 간에 간격이나 폭을 둘 경우 상기 간격 및 폭만큼의 파장 폭을 추가하여 설정될 수 있다.
또한, S110에서 상기 초단 펄스 레이저 광은 피코초 또는 팸토초 펄스폭을 가지는 펄스레이저일 수 있다. 스펙트럼 폭이 넓은 레이저를 광원으로 하기 위함이다. 상기 펄스 레이저 광의 일 실시예로서 피코초 또는 팸토초 펄스폭을 예시하였으나 이는 예시적인 실시예일뿐이며, 다른 초단 펄스 레이저도 본 발명의 청구범위에 포함될 수 있다.
도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 근거리에 위치한 입자에 대해 레이저를 조사하는 경우, 펄스폭의 변형 없이 레이저 광이 전달될 수 있어 팸토초 펄스폭의 레이저 광원을 사용할 수 있다. 그러나, 후술할 도 5에 도시된 바와 같이 원거리에 위치한 입자에 대해 레이저를 조사할 경우 공기 중에 장거리를 이동하면서 분산에 의해 펄스폭이 길어지는 현상이 발생할 수 있어 이를 보완하기 위해 피코초 레이저를 사용할 수 있다.
따라서, 레이저 광원(200)은 도 4에 도시된 바와 같이 반복적인 펄스광을 출력하고 이때 펄스광은 펄스폭이 매우 좁고 일정한 주기로 반복하여 출력되며, 광 조사 수단에 의해 타겟 입자에 광을 조사함으로써 상기 펄스레이저가 상기 타겟 입자와 상호작용하며 산란이 발생할 수 있다. 즉, 타겟 미립자에 의해 산란됨으로써 산란광이 여러 방면으로 흩어지게 된다.
즉, 출력되는 레이저는 펄스폭이 매우 작은 피코초 또는 팸토초의 초단 펄스 레이저이면서 파장 폭이 넓어 이후 복수의 데이터를 추출할 대역폭을 충분히 제공하여야 한다.
한편, 도면에 자세히 도시하지는 않았으나 레이저 광원(200)에서 발생하는 레이저 광을 반사하는 반사경, 반사경의 반사광은 투광하고 레이저 광원에서 발생하는 레이저 광은 반사시키는 다이크로익 미러, 레이저 광을 입자에 조사하는 집광 렌즈 등을 더 포함할 수 있으며, 검출기에서 검출되는 신호의 증폭을 위한 증폭기 등을 더 포함할 수 있다.
이후, S120에서 상기 산란광이 BPF를 통과하여 각 주파수 대역에 해당하는 산란광만이 투과될 수 있다.
이때, 하나의 BPF 세트(300) 및 브로드밴드 파장에 대해 복수의 산란광 데이터를 추출하기 위해 브로드밴드 파장에서 임의의 폭 단위로 설정된 상이한 대역을 통과시키는 BPF를 BPF 세트(300) 내에 설치할 수 있다.
조사되는 레이저 광은 넓은 파장을 가지는 짧은 펄스폭 레이저이지만 각 BPF(310, 320, 330 등)를 통과함으로써 여러 개의 파장에 대한 산란광 데이터를 한꺼번에 얻을 수 있어 입자 크기를 구하는 산란식 맞춤 정확도를 더 높일 수 있다.
구체적인 일 실시예로서, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 레이저 광의 파장이 λ1 내지 λ2일 때, 일정 간격으로 F1, F2, F3, …, Fn-1, Fn의 대역폭을 설정할 수 있으며, BPF 세트(300) 내에, F1에 대응하는 주파수 대역을 통과시키는 BPF(310), F2에 대응하는 주파수 대역을 통과시키는 BPF(320), F3에 대응하는 주파수 대역을 통과시키는 BPF(330)을 포함할 수 있다. 또한, Fn-1에 대응하는 주파수 대역을 통과시키는 BPF, Fn에 대응하는 주파수 대역을 통과시키는 BPF까지 배치하여 총 n개의 파장을 가지는 산란광을 통과시키고 이를 이용하여 n개의 산란광 데이터를 획득할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 복수의 BPF의 개수는, 주파수 대역에 따른 산란광 데이터의 개수와 동일하며, 상기 BPF의 개수는 조절 가능하다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, n 개의 주파수 대역으로 나누고 n개의 BPF를 BPF 세트(300)에 배치하여 n개의 산란광 데이터를 얻을 수 있다. 이는 나누는 주파수 대역(F1, F2, F3,…,Fn-1,Fn)의 폭을 조절하거나 주파수 대역 간 간격을 떨어트려 간격의 폭을 조절하는 등으로 다르게 설정할 수 있고, 이를 통해 BPF의 개수를 조절하고 그에 따라 획득하는 산란광 데이터 개수도 조절할 수 있다.
또한, S130에서 하나의 광 검출기(400)로 다른 파장 범위를 자니는 산란광을 모두 검출하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 BPF 세트(300)는 산란광이 상기 BPF 세트(300) 중 적어도 하나의 BPF(310, 320, 330)를 통과하여 광검출기(400)에 입력되는 위치로 상기 BPF 세트(300) 중 적어도 하나의 BPF를 이동시키는 회전체에 설치될 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, BPF 세트(300)는 산란광이 통과되는 홀과 광 검출기(400) 사이에 배치될 수 있으며, 산란광이 이동하는 방향 중 산란광이 통과되는 홀과 광 검출기 (400) 사이에 BPF 세트(300) 중 적어도 하나의 BPF(310, 320, 330 등)가 위치하도록 BPF 세트(300)를 회전체, 예를 들어 기구적 회전자(mechanical rotor)에 설치하여 회전시킬 수 있다.
지속적인 회전을 통하여 상술한 위치에 BPF(310)이 위치하여 F1 에 해당하는 산란광이 광 검출기(400)에 검출되고, BPF 세트(300)를 더 회전시켜 BPF(310)이 지나가고 다음 BPF(320)이 상술한 위치에 위치하여 F2에 해당하는 산란광이 광 검출기(400)에 검출되도록 할 수 있다. 다음 BPF(320)이 지나가고 BPF(330)이 상술한 위치에 위치하여 F3에 해당하는 산란관이 광 검출기(400)에 검출되도록 할 수 있다.
기계적인 회전체에 BPF 세트(300)를 설치하여 복수의 BPF가 정해진 위치에 이동하도록 회전하여 하나의 광 검출기가 F1 내지 Fn에 해당하는 복수의 산란광을 모두 검출할 수 있다.
또는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 상기 BPF 세트(300)는 BPF가 통과시킬 주파수 대역을 설정하고, 설정된 각 주파수 대역의 산란광만 통과되도록 상기 BPF의 설정된 주파수 대역을 일정 시간 간격으로 변경하는 BPF 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 즉, 위에서 설명하였듯이 기계적으로 구현하거나 전자적으로 신호 제어하여 복수의 BPF를 포함하는 BPF 세트(300)를 구현할 수 있다.
예를 들어, 대략 1500nm 되는 광통신 영역에서와 같이 밴드를 갖는 광섬유 필터를 이용하여 스위칭을 함으로써 기설정된 주파수 대역만을 통과시키는 BPF를 구현하여 하나의 위치에서 복수의 BPF 기능을 수행하는 BPF 세트(300)를 구현하고, 하나의 광 검출기(400)로 복수의 산란광을 검출할 수 있다.
따라서, S130에서 광검출기가 검출한 산란광 데이터, 구체적으로 BPF에 대응하는 파장에 대한 산란 단면적 정보를 이용하여 파장에 대한 산란빔의 효율에 대한 그래프를 산출할 수 있다.
도 5는 각 대역통과필터(BPF)에 대한 산란 신호 그래프 및 산란광 데이터를 도시한 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 산란광 데이터에 따라 BPF에 대응하는 파장에 대한 산란 단면적 정보를 이용하여, 각 주파수 대역의 파장에 따른 단정적 RCS/산란 단면적 관계를 그래프화할 수 있다.
도 5에 도시된 그래프에서 X축은 상대적 주파수로서 상대적 주파수 = 원주(circumference)/파장(wavelength)을 의미하고, Y축은 모노스태틱 RCS(monostatic Radar Cross Section)/산란 단면적의 값을 나타낸 것으로, 모노스태틱 RCS는 레이더의 송신, 수신 부분이 함께 배치된 모노스태틱 레이더에 대한 RCS로 레이더 반사 면적이며, 산란 단면적은 두 입자 사이의 산란 과정에서 입자의 유효한 크기를 나타내는 것이다. RCS는 단면적이 큰 물체와 파장이 긴 레이더 사이의 관계식을 나타내지만, 파장이 짧은 레이저와 단면적이 작은 미립자에도 동일하게 적용될 수 있어 미립자 크기 측정에 상기 공식 또는 그래프가 적용될 수 있다. 또한, 원주는 입자 크기를 의미하는 것이다.
광 검출기(400)를 통해 획득한 산란광 데이터에서 대역 통과한 주파수 대역, RCS, 산란 단면적을 이용하여 대응되는 주파수 대역에서의 데이터 값 S1, S2, S3, …, Sn을 추출할 수 있으며, S1, S2, S3, …,Sn를 이어 그려 전체적인 파장에 따른 산란빔의 효율을 나타내는 그래프를 그릴 수 있다.
데이터 개수가 많을수록 하나의 점근선으로 수렴하는 전체적인 그래프 형태를 정확하게 추출할 수 있어 파장에 대한 산란빔 데이터 개수가 많을수록 데이터 맞춤 정확도가 증가될 수 있다.
산란광 데이터에 따라 입자에서 산란되는 비율을 측정하고, 전체적인 파장에 따른 산란 공식을 맞춤하여 획득한 데이터 S1, S2, S3 등에 해당하는 입자 크기를 산출할 수 있다.
따라서, 하나의 레이저 광원(200), 하나의 광검출기(400)를 이용하여 간단한 구조에 비용도 저렴한 미립자 측정 장치를 이용하면서도 BPF 세트(300)를 이용하여 복수의 산란광 데이터를 획득할 수 있으며 많은 데이터 획득에 따라 발생 오차를 줄여 산출한 입자 크기 정확도를 높일 수 있다. 즉, 미세먼지 등을 대상으로 정확한 미립자의 크기를 산출할 수 있다.
본 발명은 다른 양태인 미립자 측정 장치를 제공하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 미립자 측정 장치는 BPF 필터 개수와 주파수 간격에 따라 결정된 파장 폭 보다 파장 폭이 넓은 파장을 가지는 펄스 레이저를 발생시키는 하나의 레이저 광원(200), 상기 레이저 광원(200)으로부터 출력된 레이저 광에 의해 입자를 조사하는 광조사수단(미도시), 상기 레이저 광의 조사에 의해 발생하는 상기 입자로부터의 산란광에서 설정된 각 주파수 대역의 산란광만 통과시키는 복수의 대역통과필터(BPF, 310, 320, 330)를 포함하는 BPF 세트(300) 및 상기 BPF 세트(300)로부터 산란광이 나오는 방향에 배치되어 상기 복수의 BPF(310, 320, 330 등)를 통과한 산란광을 검출하는 하나의 광검출기(400)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 미립자 측정 장치는 구체적인 일 예시로서 미세먼지 측정 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 복수의 BPF의 개수는 각 주파수 대역에 대한 산란광 데이터의 개수와 동일하며, 상기 복수의 산란광 데이터를 이용하여 상기 입자 크기를 연산할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 광은 피코초 또는 팸토초 펄스폭을 가지는 펄스레이저일 수 있다.
더하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 파장 폭이 넓은 파장을 가지는 초단 펄스 레이저로부터 획득한 파장 범위가 상이한 복수의 산란광 데이터를 저장하는 메모리 및 상기 메모리에 저장된 복수의 산란광 데이터를 이용하여 각 주파수 대역의 파장에 따른 RCS(Radar Cross Section)/산란 단면적 관계를 연산하여 미립자의 입자 크기를 출력하는 연산 모듈을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 광 검출기(400)에서 획득한 복수의 산란광 데이터로부터 RCS, 산란 단면적, 상대적 주파수 값을 추출하여 메모리에 저장하고, 연산 모듈은 메모리에 저장된 상기 정보를 이용하여 데이터 S1, S2, S3,…,Sn 및 그래프를 산출하여, 미립자의 입자 크기를 연산할 수 있다.
내용의 중복을 피하기 위해 상술한 내용과 중복되는 내용은 생략하기로 한다.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리 미립자 측정 장치의 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 장거리 미세 먼지 측정의 경우, 선폭이 넓은 피코초 레이저를 조사하여 미립자에 의한 산란광을, F1~Fn의 BPF를 회전체에 설치하거나 전자적으로 빠르게 제어하는 BPF 세트(300)에 통과시켜 하나의 광검출기(400)로 측정할 수 있으며, 이후 각 BPF에 대응하는 파장에 대한 산란광 단면적을 이용하여 파장에 대한 산란광 효율을 연산하여 미립자 크기를 얻을 수 있다.
근거리 미립자 측정 장치는 각 기관이나 학교 등의 건물에서 미립자를 측정하는 고가의 센서 대신 설치될 수 있으며, 근거리에서 산란되는 산란광을 홀을 통해 입력 받아 파장의 범위 등에 크게 차이가 발생하지 않는다.
반면, 도 6에 도시된 바와 같은 원거리 미립자 측정 장치는 피코초 레이저를 사용하여 장거리 이동에 따른 레이저의 펄스폭이 길어지는 현상을 보완할 수 있으며, 입자에 조사되어 산란되는 복수의 산란광이 원거리 이동 후 광 검출기(400)를 통해 검출되게 되어 마치 다파장 광원을 사용하는 것과 같은 효과를 가질 수 있다. 이로 인해 입자 크기 연산에 대한 정밀도를 더 개선할 수 있다. 다만, 다른 초단 레이저를 사용할 수 있으며 본 발명의 청구범위는 상기 피코초 레이저로 한정되지 않는다.
한편, 상술한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 미립자 측정 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, '~ 모듈'은 다양한 방식, 예를 들면 프로세서, 프로세서에 의해 수행되는 프로그램 명령들, 소프트웨어 모듈, 마이크로 코드, 컴퓨터 프로그램 생성물, 로직 회로, 애플리케이션 전용 집적 회로, 펌웨어 등에 의해 구현될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
200: 레이저 광원
300: BPF 세트
310. 320. 330: BPF
400: 광검출기

Claims (10)

  1. BPF 필터 개수와 주파수 간격에 따라 결정된 파장 폭 보다 파장 폭이 넓은 파장을 가지는 초단 펄스 레이저 광을 입자에 대해 조사하는 단계;
    상기 입자로부터 산란된 산란광을 복수의 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)를 포함하는 BPF 세트 내의 각 BPF를 통과시켜 대응되는 주파수 대역의 산란광만 통과시키는 단계; 및
    통과된 각 산란광을 하나의 광검출기에 의해 검출하여 적어도 하나의 입자에 대해 각 주파수 대역의 파장 별로 산란된 복수의 산란광 데이터를 획득하는 단계;를 포함하는,
    미립자 측정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    획득한 상기 산란광 데이터를 이용하여, 상기 각 BPF에 대응하는 주파수 대역의 산란광의 산란 단면적을 측정하고, 각 주파수 대역의 파장에 따른 RCS(Radar Cross Section)/산란 단면적 그래프를 획득하여 추출한 각 데이터에 대응되는 입자의 크기를 연산하는 단계를 포함하는,
    미립자 측정 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 초단 펄스 레이저 광은 피코초 또는 팸토초 펄스폭을 가지는 펄스레이저인,
    미립자 측정 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 BPF의 개수는, 주파수 대역에 따른 산란광 데이터의 개수와 동일하며, 상기 BPF의 개수는 조절 가능한,
    미립자 측정 방법.
  5. BPF 필터 개수와 주파수 간격에 따라 결정된 파장 폭 보다 파장 폭이 넓은 파장을 가지는 초단 펄스 레이저를 발생시키는 하나의 레이저 광원;
    상기 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 광에 의해 입자를 조사하는 광조사수단;
    상기 레이저 광의 조사에 의해 발생하는 상기 입자로부터의 산란광에서 설정된 각 주파수 대역의 산란광만 통과시키는 복수의 대역통과필터(BPF)를 포함하는 BPF 세트; 및
    상기 BPF 세트로부터 산란광이 나오는 방향에 배치되어 상기 복수의 BPF를 통과한 산란광을 검출하는 하나의 광검출기;를 포함하며,
    상기 광검출기는 적어도 하나의 입자에 대해 각 주파수 대역의 파장 별로 산란된 복수의 산란광 데이터를 검출하는
    미립자 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 BPF 세트는,
    산란광이 상기 BPF 세트 중 적어도 하나의 BPF를 통과하여 광검출기에 입력되는 위치로 상기 BPF 세트 중 적어도 하나의 BPF를 이동시키는 회전체에 설치되는,
    미립자 측정 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 BPF 세트는,
    BPF가 통과시킬 주파수 대역을 설정하고, 설정된 각 주파수 대역의 산란광만 통과되도록 상기 BPF의 설정된 주파수 대역을 일정 시간 간격으로 변경하는 BPF 제어부를 포함하는,
    미립자 측정 장치.
  8. 제5 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 BPF의 개수는 각 주파수 대역에 대한 산란광 데이터의 개수와 동일하며, 상기 복수의 산란광 데이터를 이용하여 상기 입자 크기를 연산하는,
    미립자 측정 장치.
  9. 제5 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광은 피코초 또는 팸토초 펄스폭을 가지는 펄스레이저인,
    미립자 측정 장치.
  10. 제5 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 폭이 넓은 파장을 가지는 하나의 펄스 레이저로부터 획득한 파장 범위가 상이한 복수의 산란광 데이터를 저장하는 메모리; 및
    상기 메모리에 저장된 복수의 산란광 데이터를 이용하여 각 주파수 대역의 파장에 따른 RCS(Radar Cross Section)/산란 단면적 관계를 연산하여 미립자의 입자 크기를 출력하는 연산 모듈을 더 포함하는,
    미립자 측정 장치
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002048714A (ja) 2000-08-04 2002-02-15 Kurabo Ind Ltd 濁度測定装置
JP2002513151A (ja) 1998-04-29 2002-05-08 パーティクル、メジュアリング、システムズ、インコーポレーテッド 化学機械的平坦化（ｃｍｐ）スラリーの品質管理プロセスおよび粒子サイズ分布測定システム
JP2002156452A (ja) 2000-11-20 2002-05-31 Hioki Ee Corp レーザレーダシステム
US20080117421A1 (en) 2005-07-15 2008-05-22 Olympus Corporation Optical measurement apparatus
JP2009162650A (ja) 2008-01-08 2009-07-23 Sony Corp 光学的測定装置
JP2009258071A (ja) * 2008-03-28 2009-11-05 Fujifilm Corp 粒子分析装置および粒子分析方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4245909A (en) * 1978-06-26 1981-01-20 Loos Hendricus G Optical instrument for measurement of particle size distributions

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002513151A (ja) 1998-04-29 2002-05-08 パーティクル、メジュアリング、システムズ、インコーポレーテッド 化学機械的平坦化（ｃｍｐ）スラリーの品質管理プロセスおよび粒子サイズ分布測定システム
JP2002048714A (ja) 2000-08-04 2002-02-15 Kurabo Ind Ltd 濁度測定装置
JP2002156452A (ja) 2000-11-20 2002-05-31 Hioki Ee Corp レーザレーダシステム
US20080117421A1 (en) 2005-07-15 2008-05-22 Olympus Corporation Optical measurement apparatus
JP2009162650A (ja) 2008-01-08 2009-07-23 Sony Corp 光学的測定装置
JP2009258071A (ja) * 2008-03-28 2009-11-05 Fujifilm Corp 粒子分析装置および粒子分析方法

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