KR102525421B1 - 단일 광자 검출기 기반의 양자 고정밀 가스 센싱 장치 - Google Patents
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Abstract
단일 광자 검출기 기반의 양자 고정밀 가스 센싱 장치를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 센싱영역 내 검출하고자 하는 가스성분을 센싱하는 가스 센싱장치에 있어서, 상기 가스성분이 흡수하는 제1 파장대역의 광을 조사하는 제1 광원과 상기 가스 성분이 흡수하지 않는 제2 파장대역의 광을 조사하는 제2 광원과 상기 광원에서의 출력광과 출력된 광이 산란되어 되돌아오는 산란광의 경로를 조정하는 서큘레이터와 크기가 순차적으로 조정되는 바이어스 전압을 인가받으며, 센싱영역에서 산란되어 자신으로 입사하는 광을 센싱하는 검출기 및 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 동작을 제어하고, 상기 검출기로 인가되는 바이어스 전압을 조정하며, 상기 검출기가 검출한 센싱값을 토대로 센싱영역 내 검출성분이 존재하는지를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치를 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 센싱영역 내 검출하고자 하는 가스성분을 센싱하는 가스 센싱장치에 있어서, 상기 가스성분이 흡수하는 제1 파장대역의 광을 조사하는 제1 광원과 상기 가스 성분이 흡수하지 않는 제2 파장대역의 광을 조사하는 제2 광원과 상기 광원에서의 출력광과 출력된 광이 산란되어 되돌아오는 산란광의 경로를 조정하는 서큘레이터와 크기가 순차적으로 조정되는 바이어스 전압을 인가받으며, 센싱영역에서 산란되어 자신으로 입사하는 광을 센싱하는 검출기 및 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 동작을 제어하고, 상기 검출기로 인가되는 바이어스 전압을 조정하며, 상기 검출기가 검출한 센싱값을 토대로 센싱영역 내 검출성분이 존재하는지를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치를 제공한다.
Description
본 실시예는 단일 광자 검출기 기반의 양자 고정밀 가스 센싱 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
가스 센싱장치는 대기 중 특정 기체 성분을 검출한다. 특정 기체 성분은 주로 인체에 유해한 기체 성분으로서, 메탄(CH4), VOC(Volatile Organic Compounds), 포름 알데히드 또는 톨루엔 등이 포함된다.
이러한 기체 성분을 검출하기 위한 가스 센싱장치는 통상적으로 다음과 같이 동작한다. 가스 센싱장치는 검출하고자 하는 성분의 가스가 흡수하는 파장대역의 광을 조사하며, 조사 후 산란되어 되돌아오는 광의 세기를 측정하여 해당 성분의 존부를 센싱한다. 검출하고자 하는 성분의 가스가 존재할 경우, 출력광의 상당부분이 가스 성분에 흡수되기 때문에 산란광의 세기는 상당히 작아진다. 가스 센싱장치는 산란되어 되돌아오는 신호의 세기가 상당히 약하기 때문에, 산란광을 센싱하기 위해 단일광자 검출기를 사용한다.
이때, 가스 센싱장치가 측정 범위를 확장하기 위해, 상대적으로 강한 세기로 광을 출력할 경우, 검출하고자 하는 성분의 가스의 존부와 무관하게 근거리에서 산란되어 되돌아오는 광의 세기가 단일광자 검출기의 감도와 대비하여 상대적으로 커지는 문제가 발생한다. 이에 따라, 검출하고자 하는 성분의 존부와 무관하게 단일광자 검출기의 계수율이 포화상태가 되는 문제가 발생하며, 검출하고자 하는 기체 성분의 검출율이 불완전해지는 데드존(Dead Zone)이 형성된다.
본 발명의 일 실시예는, 데드존 형성을 최소화하여 검출율을 향상시킨 가스 센싱장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 센싱영역 내 검출하고자 하는 가스성분을 센싱하는 가스 센싱장치에 있어서, 상기 가스성분이 흡수하는 제1 파장대역의 광을 조사하는 제1 광원과 상기 가스 성분이 흡수하지 않는 제2 파장대역의 광을 조사하는 제2 광원과 상기 광원에서의 출력광과 출력된 광이 산란되어 되돌아오는 산란광의 경로를 조정하는 서큘레이터와 크기가 순차적으로 조정되는 바이어스 전압을 인가받으며, 센싱영역에서 산란되어 자신으로 입사하는 광을 센싱하는 검출기 및 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 동작을 제어하고, 상기 검출기로 인가되는 바이어스 전압을 조정하며, 상기 검출기가 검출한 센싱값을 토대로 센싱영역 내 검출성분이 존재하는지를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치를 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 가스 센싱장치는 각 광원에서 조사되어 상기 서큘레이터를 거쳐 상기 센싱영역으로 조사될 광을 평행광으로 변이시키는 콜리메이터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 가스 센싱장치는 상기 서큘레이터를 거쳐 상기 검출기로 반사광이 진행하는 경로 상에서 양 구성의 사이에 배치되어, 상기 검출기로 반사광 이외의 잡광이 입사되는 것을 필터링하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 검출기는 단일광자 검출장치(SPD)인 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 센싱영역 내 검출하고자 하는 가스성분을 센싱하는 가스 센싱장치에 있어서, 상기 가스성분이 흡수하는 제1 파장대역의 광을 조사하는 제1 광원과 상기 가스 성분이 흡수하지 않는 제2 파장대역의 광을 조사하는 제2 광원과 상기 광원에서의 출력광과 출력된 광이 산란되어 되돌아오는 산란광의 경로를 조정하는 서큘레이터와 센싱영역에서 산란되어 자신으로 입사하는 광을 센싱하되, 자신으로 입사하는 광을 기 설정된 비율로 분기하여 분기된 광을 각각 센싱하는 검출기 및 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 동작을 제어하고, 상기 검출기가 검출한 센싱값을 토대로 센싱영역 내 검출성분이 존재하는지를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치를 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 검출기는 자신으로 입사하는 광을 기 설정된 비율로 분기하는 빔 스플리터와 상기 빔 스플리터에서 분기된 광 중 어느 하나를 센싱하는 제1 단일광자 검출장치 및 상기 빔 스플리터에서 분기된 광 중 다른 하나를 센싱하는 제2 단일광자 검출장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 비율은 9:1을 기준으로 기 설정된 오차범위 내의 비율인 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 센싱영역 내 검출하고자 하는 가스성분을 센싱하는 가스 센싱장치에 있어서, 상기 가스성분이 흡수하는 제1 파장대역의 광을 조사하는 제1 광원과 상기 가스 성분이 흡수하지 않는 제2 파장대역의 광을 조사하는 제2 광원과 상기 광원에서의 출력광과 출력된 광이 산란되어 되돌아오는 산란광의 경로를 조정하는 서큘레이터와 센싱영역에서 산란되어 자신으로 입사하는 광을 센싱하되, 자신으로 입사하는 광을 분기하여 분기된 광을 각각 기 설정된 효율로 센싱하는 검출기 및 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 동작을 제어하고, 상기 검출기가 검출한 센싱값을 토대로 센싱영역 내 검출성분이 존재하는지를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치를 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 검출기는 자신으로 입사하는 광을 분기하는 빔 스플리터와 상기 빔 스플리터에서 분기된 광 중 어느 하나를 상대적으로 고효율로 센싱하는 제1 단일광자 검출장치 및 상기 빔 스플리터에서 분기된 광 중 다른 하나를 상대적으로 저효율로 센싱하는 제2 단일광자 검출장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 비율은 5:5를 기준으로 기 설정된 오차범위 내의 비율인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예의 일 측면에 따르면, 데드존 형성을 최소화하여 검출하고자 하는 가스성분의 검출율을 향상시킨 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치의 구성을 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치의 동작에 대한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 검출기의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기의 입력 전압 대비 출력전류 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 검출기의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 검출기의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치의 동작에 대한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 검출기의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기의 입력 전압 대비 출력전류 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 검출기의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 검출기의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치의 구성을 도시한 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치의 동작에 대한 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치(100)는 제1 광원(110), 제2 광원(115), 서큘레이터(120), 필터(130), 검출기(140), 콜리메이터(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
가스 센싱장치(100)는 검출하고자 하는 가스 성분(이하에서, '검출성분'이라 약칭함)이 흡수하는 파장대역의 광을 조사하고, 그로 인해 산란되어 되돌아오는 광의 세기를 토대로 검출성분의 존부나 농도를 센싱한다. 가스 센싱장치(100)는 종래의 장치에 비해 상대적으로 원거리까지 검출성분을 센싱할 수 있으면서도, 출력광의 세기 증가에 따라 센싱이 온전히 진행되지 못하는 데드 존(Dead Zone)의 발생도 최소화한다.
제1 광원(110)은 검출성분이 흡수하는 제1 파장대역의 광을 조사한다. 검출성분이 존재할 경우, 제1 광원(110)은 검출성분이 이를 흡수할 수 있도록 제1 파장대역의 광을 조사한다.
제2 광원(115)은 검출성분이 흡수하지 않는 제2 파장대역의 광을 조사한다. 제2 광원(115)에서 조사되는 제2 파장대역의 광은 기준광으로서의 역할을 수행할 수 있다. 검출기(140)에 의해 제2 파장대역의 광에 의한 산란광의 세기보다 제1 파장대역의 광에 의한 산란광의 세기가 줄어든 것으로 검출될 경우, 검출성분에 의해 제1 파장대역의 광의 흡수가 발생한 것임을 알 수 있다. 즉, 제1 파장대역의 산란광의 세기와 제2 파장대역의 산란광의 세기를 비교함으로써, 제어부(160)는 검출성분의 존부와 농도를 파악할 수 있다.
서큘레이터(120)는 각 광원(110)에서의 출력광과 센싱영역(검출성분이 존재하는지 센싱하고자 하는 영역)에서의 산란광의 경로를 조정한다. 서큘레이터(120)는 각 광원(110)에서 출력되는 광은 콜리메이터(150)를 거쳐 센싱영역으로 조사되도록 하고, 센싱영역에서 산란되어 돌아오는 광은 검출기(140)로 입사되도록 진행시킨다.
필터(130)는 서큘레이터(120)에서 검출기(140)로 산란광이 진행하는 경로 상에 배치되어, 검출기(140)로 산란광 이외의 잡광이 입사되는 것을 필터링한다. 필터(130)는 산란광의 파장대역 외의 파장대역의 광은 필터링함으로써, 광원(110, 115)으로부터 조사된 후 센싱영역에서 산란되어 되돌아오는 광 이외의 잡광은 필터링한다.
검출기(140)는 센싱영역에서 산란되어 자신으로 입사하는 광을 센싱한다. 다만, 검출성분이 센싱영역에 존재할 경우, 제1 파장대역의 광으로부터 산란되어 되돌아오는 광의 세기는 굉장히 작다. 이에 따라, 검출기(140)는 아주 작은 세기의 광도 검출할 수 있어야 하기에, 단일광자 검출기(SPAD) 또는 단일광자 검출기와 대등한 성능을 갖는 검출기(SSPM: Solid-Sate Photomultipliers 등)로 구현된다.
다만, 검출기(140)가 이처럼 아주 작은 세기의 광도 검출할 수 있는 단일광자 검출기 등으로 구현될 경우, 센싱영역에 존재하는 검출성분에 의해 산란광의 세기가 약해지더라도, 데드존에서 산란되는 광의 세기가 커서 검출성분이 존재하는지 여부와 무관하계 검출기(140)의 검출률(Count Rate)을 포화(Saturation)시키는 경우가 발생할 수 있다. 이에, 실제 센싱영역에 검출성분이 존재하더라도 제어부(160)가 이를 감지하지 못하는 발생하게 된다. 이에 따라, 가스 센싱장치의 검출 신뢰도가 현저히 떨어지는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해소하고자, 검출기(140)는 도 3에 도시된 바와 같은 구조를 가지며 제어부(160)의 제어를 받아 동작하거나, 도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같은 구조를 가짐으로써, 데드존에서 산란되어 오는 광에 의한 방해없이 온전히 센싱영역에서 검출성분에 의해 산란되어 오는 광을 검출할 수 있다. 이는 도 3 내지 6을 참조하여 후술한다.
콜리메이터(150)는 자신으로 입사되는 광의 경로를 평행광으로 변이시킨다. 콜리메이터(150)는 각 광원(110, 115)에서 조사되어 서큘레이터(120)를 거친 광을 평행광으로 변이시킴으로써, 분산되지 않고 센싱영역으로 진행할 수 있도록 한다.
제어부(160)는 가스 센싱장치 내 각 구성의 동작을 제어한다.
제어부(160)는 각 광원(110, 115)이 광을 조사하도록 제어한다. 다만, 양 광원(110, 115)이 동시에 광을 조사할 경우, 검출기(140)로 입사한 광은 제1 광원(110)에서 조사한 광에 의한 산란광인지, 제2 광원(115)에서 조사한 광에 의한 산란광인지 구분이 곤란할 수 있다. 이에, 제어부(160)는 각 광원(110, 115)이 순차적으로 동작하도록 제어할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제어부(160)는 검출기(140)가 검출한 센싱값을 토대로 센싱영역 내 검출성분이 존재하는지를 판단한다. 제어부(160)는 제1 파장대역의 광에 의한 산란광의 세기와 제2 파장대역의 광에 의한 산란광의 세기를 비교한다. 양자의 차이가 현저히 날 경우, 제1 파장대역의 광은 센싱영역 내 검출성분에 의해 흡수가 진행된 것이기에, 제어부(160)는 센싱영역 내 검출성분이 존재함을 확인할 수 있다. 특히, 양자의 차이가 클수록 흡수량이 많은 것이기에, 제어부(160)는 센싱영역 내 검출성분의 농도도 개략적으로 확인할 수 있다.
한편, 제어부(160)는 경우에 따라, 검출기(140)의 동작을 제어할 수 있다. 이는 도 3을 참조하여 후술한다.
도 1에는 가스 센싱장치(100)가 제1 광원(110) 및 제2 광원(115)을 포함하고 있는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 가스 센싱장치(100)는 파장을 가변할 수 있는 하나의 광원만을 포함할 수 있으며, 제어부(160)는 해당 광원의 출력 파장을 조정함으로써, 제1 광원(110) 및 제2 광원(115)이 포함된 성능을 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 검출기의 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기의 입력 전압 대비 출력전류 특성을 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 검출기(140)는 단일의 SPAD(310)로 구현될 수 있다.
SPAD(310)는 제어부(160)의 제어에 따라, 단일의 바이어스 전압을 인가받는 형태가 아닌 주기적으로 변화하는 바이어스 전압을 인가받는다. 도 4에 도시된 바와 같이, SPAD에 항복전압(VBD)보다 높은 역전압이 인가될 경우, SPAD는 가이거모드로 동작하게 된다. 여기서, 가이거 모드는, SPAD(310)가 항복 전압(VBD)보다 큰 역바이어스 조건에서 광검출을 수행하는 동작을 의미한다. 즉, SPAD(310)가 바이어스 전압에 의해 가이거 모드로 동작하며 외부로부터 광자를 수신함에 따라, SPAD(310)의 내부에서는 캐리어가 증폭되는 아발란치 현상(또는, 증폭)이 발생한다. 이에 따라, SPAD(310) 내부에서는 수신된 광자가 전류로 증폭되는 전자 눈사태 현상(Avalanche Breakdown)이 발생한다.
SPAD(310)가 가이거모드로 동작하는 경우, 원거리에서 산란되는 광을 검출할 때에는 문제가 되지 않는다. 다만, 근거리에서 산란되는 광이 존재하는 경우, 검출성분에 의한 흡수로 인해 산란광의 세기가 작아지더라도, 높은 광자 검출효율에 의해 계수율의 포화가 발생할 수 있다
이러한 문제를 방지하고자, 제어부(160)는 지속적으로 SPAD(310)가 가이거 모드로 동작하도록 제어하는 것이 아니라, 가이거 모드(410)와 리니어 모드(420)를 번갈아 동작할 수 있도록 한다. 리니어 모드(420)는 SPAD(310)로 항복전압 내의 전압이 바이어스 전압으로 인가되는 상태를 의미하며, 증폭률이 가이거 모드일 때보다 현저히 낮은 특성을 갖는다. SPAD(310)가 리니어 모드로 동작할 경우, 원거리에서 산란된 광(광자)의 검출은 곤란해질 수 있으나, 근거리에서 산란되어 되돌아오는 광은 검출률의 포화없이 정확히 측정할 수 있다.
이에 따라, 제어부(160)는 SPAD(310)가 가이거 모드(410) 및 리니어 모드(420)로 동작할 수 있도록 다양한 레벨로 바이어스 전압을 구분해두어 이들을 순차적으로 인가한다. SPAD(310)가 리니어 모드(420)로 동작하도록 하여, 제어부(160)는 근거리에서 산란되어 되돌아오는 광신호의 세기를 정확히 파악할 수 있다,
이처럼 제어부(160)는 SPAD(310)로 구현된 검출부(140)의 바이어스 전압의 크기를 순차적으로 달리해가며 인가함에 따라, 광원(110, 115)에서 조사되는 광의 세기가 세지더라도 근거리에 존재하는 검출성분에 의한 산란광 신호 세기의 차이를 감지함으로써 데드존을 없앨 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 검출기의 구성을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 검출기(140)는 빔 스플리터(510), 제1 SPAD(520) 및 제2 SPAD(525)를 포함한다.
빔 스플리터(510)는 필터(130)를 거쳐 자신으로 입사하는 광을 기 설정된 비율만큼 분리하여 각 SPAD(520, 525)로 진행시킨다. 이때, 기 설정된 비율은 일측으로 분리되는 광의 세기가 현저히 다른 측으로 분리되는 광의 세기보다 상대적으로 현저히 크도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 기 설정된 비율은 9:1을 기준으로 기 설정된 오차범위 내의 비율로 설정될 수 있다. 이와 같이, 빔 스플리터(510)는 각 SPAD(520, 525)로 입사광을 기 설정된 비율로 분리한다.
각 SPAD(520, 525)는 변하지 않는 동일한 세기의 바이어스 전압을 인가받아 가이거 모드로 동작하여, 입사되는 광(광자)을 검출한다. 상대적으로 강한 세기의 (산란)광을 입사받는 SPAD(520)는 센싱영역 내 검출성분에 의해 산란된 광(광자)을 검출할 수 있다. 다만, SPAD(520)는 가이거모드로 동작하기에, 근거리에서 산란되어 되돌아오는 광신호의 세기가 큰(기 설정된 기준치 이상) 경우, 검출성분의 존부와 무관하게 검출률의 포화가 발생할 수 있다.
이를 보완하고자, 상대적으로 약한 세기의 (산란)광을 입사받는 SPAD(525)가 추가로 존재한다. SPAD(525)는 상대적으로 약한 세기의 (산란)광을 입사받기 때문에, 근거리에서 산란되어 되돌아오는 광신호의 세기가 큰 경우에도 검출률의 포화가 잘 발생하지 않는다. 이에 따라, 근거리에 검출성분이 존재할 경우, SPAD(525)는 이를 명확히 검출할 수 있다.
이처럼, 광 경로 상에서 입사광(산란광)을 빔 스플리터(510)가 우선하여 빔 스플리팅하여 각 SPAD(520, 525)로 입사광을 진행시킴에 따라, SPAD(520)로는 검출성분으로부터 산란되어 되돌아오는 광의 센싱을, SPAD(525)로는 근거리에서 산란되어 되돌아오는 광의 센싱을 구분하여 진행할 수 있다. 이에 따라, 제어부(160)는 각 SPAD(520, 525)의 센싱값을 이용하여 광원(110, 115)에서 조사되는 광의 세기가 세지더라도 데드존에서 발생하는 노이즈 여부를 명확히 구분하며 검출성분을 검출하도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 검출기의 구성을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 검출기(140)는 빔 스플리터(610), 제1 SPAD(620) 및 제2 SPAD(625)를 포함한다.
빔 스플리터(610)는 필터(130)를 거쳐 자신으로 입사하는 광을 기 설정된 비율만큼 분리하여 각 SPAD(620, 625)로 진행시킨다. 이때, 기 설정된 비율은 5:5를 기준으로 기 설정된 오차범위 내의 비율일 수 있다. 빔 스플리터(510)와 달리, 빔 스플리터(610)는 균일한 세기의 광이 각 SPAD(620, 625)로 분리될 수 있도록 한다.
각 SPAD(620, 625)는 변하지 않는 바이어스 전압을 인가받아 각각 가이거 모드로 동작하여, 입사되는 광(광자)을 검출한다. 다만, 각 SPAD(620, 625)는 서로 상이한 세기의 바이어스 전압을 인가받으며 서로 상이한 효율을 갖는다. 어느 하나의 SPAD(620)는 상대적으로 증폭비율이 높아 고효율로 광(자)을 검출할 수 있는 반면, 다른 하나의 SPAD(625)는 상대적으로 증폭비율이 낮아 저효율로 광(자)을 검출한다. 이에 따라, 상대적으로 고효율로 동작하는 SPAD(620)는 센싱영역 내 원거리에서 산란된 광(광자)을 검출할 수 있다. 한편, 상대적으로 저효율로 동작하는 SPAD(625)는 검출률의 포화없이 근거리에서 산란되어 되돌아오는 광을 검출할 수 있다.
이처럼, 광 경로 상에서 입사광(산란광)을 빔 스플리터(610)가 우선하여 빔 스플리팅하여 각 SPAD(620, 625)로 입사광을 진행시킴에 따라, SPAD(620)로는 원거리에서 산란되어 되돌아오는 광의 센싱을, SPAD(625)로는 근거리에서 산란되어 되돌아오는 광의 센싱을 구분하여 진행할 수 있다. 이에 따라, 제어부(160)는 각 SPAD(620, 625)의 센싱값을 이용하여 광원(110, 115)에서 조사되는 광의 세기가 세지더라도 데드존에서 발생하는 노이즈 여부를 명확히 구분하며 검출성분을 검출하도록 할 수 있다.
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.
100: 가스 센싱장치
110: 제1 광원
115: 제2 광원
120: 서큘레이터
130: 필터
140: 검출기
150: 콜리메이터
160: 제어부
210: 데드존
220: 센싱영역
310, 520, 525, 620, 625: SPAD
510, 610: 빔 스플리터
110: 제1 광원
115: 제2 광원
120: 서큘레이터
130: 필터
140: 검출기
150: 콜리메이터
160: 제어부
210: 데드존
220: 센싱영역
310, 520, 525, 620, 625: SPAD
510, 610: 빔 스플리터
Claims (10)
- 센싱영역 내 검출하고자 하는 가스성분을 센싱하는 가스 센싱장치에 있어서,
상기 가스성분이 흡수하는 제1 파장대역의 광을 조사하는 제1 광원;
상기 가스 성분이 흡수하지 않는 제2 파장대역의 광을 조사하는 제2 광원;
상기 광원에서의 출력광과 출력된 광이 산란되어 되돌아오는 산란광의 경로를 조정하는 서큘레이터;
크기가 순차적으로 조정되는 바이어스 전압을 인가받으며, 센싱영역에서 산란되어 자신으로 입사하는 광을 센싱하는 단일광자 검출기(SPAD); 및
상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 동작을 제어하고, 상기 검출기로 인가되는 바이어스 전압을 조정하며, 상기 검출기가 검출한 센싱값을 토대로 센싱영역 내 검출성분이 존재하는지를 판단하는 제어부를 포함하며,
상기 제어부는,
상기 제2 광원에서 조사되는 제2 파장대역의 광을 기준광으로 하여 상기 제1 파장대역의 산란광의 세기와 상기 제2 파장대역의 산란광의 세기를 비교함으로써 검출성분의 존부와 농도를 판단하고,
상기 단일광자 검출기(SPAD)가 가이거 모드와 리니어 모드로 번갈아 가며 동작할 수 있도록, 바이어스 전압의 크기를 구분하여 순차적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치. - 제1항에 있어서,
각 광원에서 조사되어 상기 서큘레이터를 거쳐 상기 센싱영역으로 조사될 광을 평행광으로 변이시키는 콜리메이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치. - 제1항에 있어서,
상기 서큘레이터를 거쳐 상기 검출기로 산란광이 진행하는 경로 상에서 양 구성의 사이에 배치되어, 상기 검출기로 산란광 이외의 잡광이 입사되는 것을 필터링하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치. - 삭제
- 센싱영역 내 검출하고자 하는 가스성분을 센싱하는 가스 센싱장치에 있어서,
상기 가스성분이 흡수하는 제1 파장대역의 광을 조사하는 제1 광원;
상기 가스 성분이 흡수하지 않는 제2 파장대역의 광을 조사하는 제2 광원;
상기 광원에서의 출력광과 출력된 광이 산란되어 되돌아오는 산란광의 경로를 조정하는 서큘레이터;
센싱영역에서 산란되어 자신으로 입사하는 광을 센싱하되, 자신으로 입사하는 광을 기 설정된 비율로 분기하여 분기된 광을 각각 센싱하는 검출기; 및
상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 동작을 제어하고, 상기 검출기가 검출한 센싱값을 토대로 센싱영역 내 검출성분이 존재하는지를 판단하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 제2 광원에서 조사되는 제2 파장대역의 광을 기준광으로 하여 상기 제1 파장대역의 산란광의 세기와 상기 제2 파장대역의 산란광의 세기를 비교함으로써 검출성분의 존부와 농도를 판단하고,
상기 검출기는,
자신으로 입사하는 광을 기 설정된 비율로 분기하는 빔 스플리터, 상기 빔 스플리터에서 분기된 광 중 어느 하나를 센싱하는 제1 단일광자 검출장치 및 상기 빔 스플리터에서 분기된 광 중 다른 하나를 센싱하는 제2 단일광자 검출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치. - 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 기 설정된 비율은,
9:1을 기준으로 기 설정된 오차범위 내의 비율인 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치. - 센싱영역 내 검출하고자 하는 가스성분을 센싱하는 가스 센싱장치에 있어서,
상기 가스성분이 흡수하는 제1 파장대역의 광을 조사하는 제1 광원;
상기 가스 성분이 흡수하지 않는 제2 파장대역의 광을 조사하는 제2 광원;
상기 광원에서의 출력광과 출력된 광이 산란되어 되돌아오는 산란광의 경로를 조정하는 서큘레이터;
센싱영역에서 산란되어 자신으로 입사하는 광을 센싱하되, 자신으로 입사하는 광을 기 설정된 비율로 분기하여 분기된 광을 각각 기 설정된 효율로 센싱하는 검출기; 및
상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 동작을 제어하고, 상기 검출기가 검출한 센싱값을 토대로 센싱영역 내 검출성분이 존재하는지를 판단하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 제2 광원에서 조사되는 제2 파장대역의 광을 기준광으로 하여 상기 제1 파장대역의 산란광의 세기와 상기 제2 파장대역의 산란광의 세기를 비교함으로써 검출성분의 존부와 농도를 판단하고,
상기 검출기는,
자신으로 입사하는 광을 분기하는 빔 스플리터, 상기 빔 스플리터에서 분기된 광 중 어느 하나를 상대적으로 고효율로 센싱하는 제1 단일광자 검출장치 및 상기 빔 스플리터에서 분기된 광 중 다른 하나를 상대적으로 저효율로 센싱하는 제2 단일광자 검출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치. - 삭제
- 제8항에 있어서,
상기 기 설정된 비율은,
5:5를 기준으로 기 설정된 오차범위 내의 비율인 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |