KR20010032817A - 다중기체센서 - Google Patents

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KR20010032817A
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optical
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KR1020007006135A
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글렌윌리엄 세이츠
리앙구오 왕
피터조셉 르벨
토미커티스 스틸
마우로 라나
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미항공우주국에의하여대표되는미합중국
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
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    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
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Abstract

교차직교편광성분 사이의 파장의 광대역을 넘어서 편광된 광빔을 변조하는 다중기체센서가 제공된다. 편광변조빔의 2개의 직교편광성분은 2개의 별개의 광로를 따라 간다. 적어도 하나의 광로는, 각 분광판별수단이 측정되는 관심있는 1 또는 그 이상의 기체의 분광흡수특성을 가지는 1 또는 그 이상의 분광판별수단을 포함한다. 결합된 편광변조빔은 관심있는 1 또는 그 이상의 기체가 흡수대역을 가지는 관심있는 1 또는 그 보다 작은 분광영역으로 분배된다. 2개의 직교편광성분 사이의 세기에서의 차이는 관심있는 기체의 농도의 측정로에서 관심있는 기체에 의한 광빔의 분광방출/흡수의 표시로서 관심있는 각 분배분광영역 내에서 결정된다.

Description

다중기체센서{MULTI-GAS SENSOR}
[발명의 출처]
본 명세서에서 설명된 발명은 NASA계약하의 업무를 수행하는 동안 그리고 미합중국정부의 근무자들에 의해 공동으로 이루어졌고, 개정된 1958년 국가항공우주법 제305조, 공법 85-568(72 Stat. 435: 42 USC 2457), 및 35 USC 202의 규정에 각각 구속된다. 35 USC 202에 따라 계약자는 권리를 보유하지 않도록 선택되었다.
광로 스위칭은 특히 이중빔 분광기 영역에서, 많은 잠재적인 응용성을 가진다. 이중빔 분광기에서, 방사선원에서 나온 광은 측정로를 가로질러 2개의 광로 사이에서 분할된다. 각 광로는 일반적으로 그것을 통하여 방사선이 투과되어서 일부 흡수 및/또는 반사되는 어떤 매체를 포함한다. 이러한 형태의 분광기의 요소측정은 이들 두 광로를 가지는 방사선의 세기차이에 관련된다. 설명을 위하여, 이중빔 분광기의 한 예인 기체필터상관복사계(gas filter correlation radiometer, GFCR)를 상세하게 설명한다.
기체필터상관복사계(이하 "GFCR"라 함)는 GFCR에 대하여 외부 또는 내부 중 어느 한 곳의 일부 측정로를 따라 기체종의 농도를 추정할 수 있다. 많은 GFCRs에서 기체감지는 측정로를 따른 기체분자의 방출/흡수를 2개의 광학용기를 통하여 선택적으로 관찰함으로써 행해진다. 흔히 상관 및 진공용기라 불리는 이들 두 광학용기는 이중빔 분광기의 2개의 광로에서 발견되는 매체의 한 예이다. 상관용기는 기체종(i)의 고광학깊이를 포함하여 특정기체의 분자전이파장에서 방사선을 강하게 흡수한다. 실제로, 상관용기는 인입방사선에 대한 분광 '노치필터'로서 작용하고, 분광노치는 기체종(i)의 대역구조와 일치한다. 진공용기에는 일반적으로 진공이거나 예를 들면 질소, 불활성기체, 또는 제진건조공기와 같은 광학깊이를 가지지 않거나 무시할 수 있는 광학깊이를 나타내는 기체 또는 기체혼합물을 들어있다. 관심있는 분광영역 내의 기체종(i)을 방출/흡수하는 이들 2가지 뷰(view) 사이의 신호 차이와 이들 2가지 뷰의 신호의 총계와의 합 또는 결합은 측정로를 따른 이 기체의 농도에 관련될 수 있다.
세이츠(Sachse) 등에게 발행되어 미항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)에 양도되고, 그 명세서가 본 명세서에 인용에 의해 삽입된, 미합중국특허 제5,128,797호에 개시된 특정량 내의 단일기체농도를 측정하기 위한 하나의 공지된 GFCR에서, 비기계적 광로 스위치는 편광자, 편광변조기 및 편광빔분할기를 포함하여 구성된다. 편광자는 광원으로부터의 광을 편광변조기에 의해 교대로 수직 또는 수평으로 편광된 성분으로 빨리 변조되는 단일, 예를 들면 수직으로 편광된, 성분으로 편광시킨다. 편광변조기는 광학파판(optical waveplate)과 함께 사용될 수 있다. 그 다음에 편광변조빔은 예를 들면 수평으로 편광된, 하나의 직교성분의 광을 투과시키고, 예를 들면 수직으로 편광된, 직각을 이루는 성분의 광을 반사하는 편광빔분할기에 입사된다.
기체필터상관복사계 적용에서, 투과된 수평편광빔은 반사경에 의해 반사되고, 기체상관용기를 통과하며, 제2빔분할기를 통해 투과된다. 반사된 수직편광빔은 진공용기를 통과하여 반사경에 의해 반사된 후 제2빔분할기에 의해 반사된다. 빔결합기는 수평 및 수직성분을 종래의 검출기에 의해 판독되는 단일빔으로 재결합시킨다. 이러한 접근방식은 상관 및 진공용기를 통과한 검출기의 뷰를 교체하는데 기계적 수단이 요구되지 않는다는 것, 빠른 응답 등과 같은 많은 장점들을 가진다.
많은 응용분야에서, 광로 스위치를 이용한 단일장치를 가지고, 독립적이거나 비독립적으로, 동시에 2 또는 그 이상의 기체농도를 측정할 수 있는 것이 바람직할 것이다. 또한 최적의 광학평형으로 그러한 측정을 하는 것이 바람직할 것이다.
[발명의 목적]
따라서 본 발명의 목적은 관심있는 2 또는 그 이상의 기체를 동시에, 그러나 독립적이지 않게, 측정하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분광간섭을 무시할 수 있거나 분광간섭이 없는 관심있는 2 또는 그 이상의 기체를 동시에, 그러나 독립적이지 않게, 측정하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 2 또는 그 이상의 기체를 동시에 독립적으로 측정하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분광간섭을 무시할 수 있거나 분광간섭이 없는 관심있는 2 또는 그 이상의 기체를 동시에 독립적으로 측정하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 2개의 광분석로를 필요로 하는 다양한 응용분야에 대하여 2 또는 그 이상의 기체를 동시에 측정하기 위하여 광학 스위치를 사용하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 차이 및 총계신호들이 관심있는 각 기체파장영역에 대하여 단 하나의 검출기로부터 얻어질 수 있는 2 또는 그 이상의 기체를 측정하기 위하여 단일기계를 사용하는 기체필터상관복사계와 같은 이중빔분광기를 얻는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 최소의 광학성분을 사용하여 2 또는 그 이상의 기체를 동시에 독립적으로 측정하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 최소의 광학성분을 사용하여 2 또는 그 이상의 기체를 동시에 독립적이지 않게 측정하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일기계를 사용하여 2 또는 그 이상의 기체의 혼합물의 총장입량을 감지하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일기계를 사용하여 여러 가지 기체들 중 하나 또는 그 조합에 존재하는 어떤 역치수준을 검출하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 관심있는 2 또는 그 이상의 기체를 동시에 측정하고 광학평형을 최적화하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 관심있는 2 또는 그 이상의 기체를 동시에 측정하고 광학평형을 광학적으로 최적화하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 관심있는 2 또는 그 이상의 기체를 동시에 측정하고 광학평형을 전기적으로 최적화하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적과 장점들은 다음의 명세서와 도면으로부터 명백하다.
본 발명은 광로 스위칭을 이용한 2 또는 그 이상의 기체의 동시측정에 관련된 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 기체필터상관방사측정을 포함하는, 이중빔분광기를 사용한 그러한 측정에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 2개의 기체용기를 사용하여 2가지 기체를 측정하기 위한 GFCR 구조의 개략도이다.
도 2는 도 1의 실시형태에 의해 생성된 2개의 광로를 따라 시간에 따른 일부 광파장에서 방사선세기의 대략적인 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 NO와 CO를 동시에 측정하는 동안 CO의 GFCR 측정에 대한 NO의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 GFCR 구조 데이터 획득 및 제어시스템의 개략도이다.
도 5는 디지털 신호처리장치를 사용한 전기평형의 개략도이다.
도 6은 이득변조증폭기를 사용한 전기평형의 개략도이다.
도 7은 아날로그 A/B 증폭기를 사용한 전기평형의 개략도이다.
도 8은 아날로그 AXB 증폭기를 사용한 전기평형의 개략도이다.
도 9는 3기체/3기체용기 GFCR 실시형태의 개략도이다.
도 10은 3기체/2기체용기 GFCR 실시형태의 개략도이다.
도 11은 총 탄화수소측정을 하기 위한 GFCR 구조의 개략도이다.
상기 및 추가적인 목적은 2개의 교차하는 직교편광성분 사이의 광대역의 파장을 넘어서 편광광빔을 변조함으로써 얻어진다. 편광변조빔의 한 직교편광성분은 제1광로를 따라 가고 다른 직교편광성분은 제2광로를 따라 간다. 적어도 하나의 광로는 1 또는 그 이상의 분광판별수단을 포함하고, 각 분광판별수단은 측정되는 관심있는 1 또는 그 이상의 기체의 분광흡수특성을 가진다. 그 다음에 2개의 광로는 교차하고, 교차성분의 한 직교성분은 투과되고 다른 직교성분은 반사된다. 이것은 교차된 순서로 2개의 직교성분을 포함하는 결합된 편광변조빔을 형성한다.
결합된 편광변조빔은 관심있는 1 또는 그 이상의 기체가 흡수대역을 가지는 관심있는 1 또는 그 보다 작은 분광영역으로 분배된다. 관심있는 각 분배분광영역에서 2개의 직교하는 편광성분 사이의 세기차이는 측정로를 따른 광빔의 분광방출/흡수의 표시에 따라 측정된다. 분광방출/흡수는 측정로 내의 관심있는 하나 또는 그 이상의 기체의 농도를 표시한다.
보다 명확하게, 본 발명의 한 실시형태는 편광자, 편광변조기, 편광빔분할기, 빔결합기, 파장분배수단 및 검출수단을 포함하는 기체필터상관복사계이다. 편광자는 광원으로부터의 광을 그 다음에 편광변조기에 의해 교대로 수직 또는 수평으로 편광된 성분으로 빨리 변조되는 단일, 예를 들면 수직으로 편광된, 성분으로 편광시킨다. 편광변조기는 광학파판과 함께 사용될 수 있다. 편광변조빔은 예를 들면 수평으로 편광된, 하나의 직교성분의 빛을 투과시키고 예를 들면 수직으로 편광된, 직교하는 성분의 광을 반사하는 편광빔분할기 상에 입사된다.
2가지 기체를 측정하기 위하여 2개의 기체용기를 사용하는 GFCR 실시형태(이하 "2기체/2기체용기 실시형태"라 함)에서, 반사된 수직편광빔은 관심있는 제1기체를 포함하는 제1기체상관용기를 통과하고, 반사경에 의해 반사된 후 빔결합기를 통해 투과되거나 반사된다. 투과된 수평편광빔은 관심있는 제2기체를 포함하는 제2기체상관용기를 통과하여, 반사경에 의해 반사되어, 빔결합기에 의해 반사되거나 투과된다. 빔결합기는 편광이 시변인 단일빔으로 수평 및 수직성분을 재결합시킨다. 결합된 광에너지는 각 기체흡수대역에 대응하는 파장영역으로 분배된다. 제1광학통과대역필터는 한 기체대역에 집중된 방사선을 투과시킨다. 그 후 이 방사선은 제1검출기 상에 집중된다. 제1광학통과대역필터로부터 반사된 방사선은 제2광학통과대역필터 상에 입사된다. 제2기체의 흡수대역상에 집중된, 제2필터의 통과대역 내의 방사선은 투과되어 제2검출기 상에 집중된다. 분배는 광학필터, 회절격자 및 프리즘의 사용을 포함하는 많은 방법으로 수행될 수 있다. 제1기체가 제2기체의 통과대역필터에 의해 규정된 분광영역 내의 흡수특성을 가지지 않는다면, 제1기체상관용기는 제2기체에 대한 진공용기로 작용하며, 반대도 동일하다. 어떤 경우에, 제1 및 제2기체, 예를 들면 화학적으로 상호작용하지 않는 기체들을 동일한 상관용기 내에 넣을 수 있다. 양 기체의 측정은 동시에, 독립적으로 간섭없이 행해진다. 또한 2개의 광로 사이의 광학세기의 평형을 맞추기 위하여 광학 또는 전기적 수단이 제공된다.
3가지 또는 그 이상의 기체를 측정하기 위하여 유사한 구조가 사용되는데, 2개의 기체용기를 사용하여 3가지 기체를 측정하는 GFCR 실시형태(이하 "3기체/2기체용기 실시형태"라 함)와 3개의 기체용기를 사용하여 3가지 기체를 측정하는 GFCR 실시형태(이하 "3기체/3기체용기 실시형태"라 함)가 포함된다. 여러 가지 기체의 존재는 예를 들면, 개별적으로 각각의 농도를 알 필요없이 2 또는 그 이상의 기체의 혼합물의 총장입량을 감지하기 위하여 또는 여러 가지 기체들 중 어느 하나 또는 한 결합의 존재의 어떤 역치수준을 검출하기 위하여, 동시에 그러나 독립적이지 않게 검출될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 기체필터상관복사계(GFCR)(10)가 본 발명에 따라 도시되어 있다. 예를 들면 망원경이나 다른 렌즈/반사경시스템과 같은 광학시스템(12)은, GFCR(10)이 위성 또는 항공기에 설치되어 있을 때 지구 및 대기와 같은 방사선원으로부터, GFCR(10)이 실험용 또는 원위치장치, 태양, 레이저 등으로 사용될 때 흑체로부터 광을 모은다. 이 광빔은 일반적으로, 수직편광성분(V)과 수평편광성분(H)으로 구성된다. 광학편광자(14)는 광학시스템(12) 다음에 설치되어 원하는 방향의 성분으로, 예를 들면 도 1에서의 설명된 실시형태에서 수직으로, 인입방사선을 편광시키기 위하여 정렬된다. 그 다음에 편광변조기(18)는 입사수직편광빔을 수용하여 수직 및 수평편광 사이의 출력빔을 빨리 변조한다. 사용된 편광변조기의 종류와 측정적용에 따라, 편광변조주파수는 DC 근처에서부터 무선주파수(radio frequencies, RF)까지의 범위를 가질 수 있다. 편광변조기는 광학파판(16)과 함께 사용될 수 있다.
편광빔분할기(20)는 도 1 실시형태에서, 수직으로 편광될 때 광로(OPi)를 따라 빔을 반사하고 수평으로 편광될 때 광로(OPj)를 따라 빔을 투과시킴으로써 2개의 광로 사이에서 편광변조출력빔을 비기계적으로 전환한다. 선택적으로 빔분할기(20)는 수직편광광을 투과시키고 수평편광광을 반사시키도록 방향이 설정될 수 있다. 2개의 광로(OPi, OPj)에 대한 특정 광파장에서의 방사선세기의 대략적인 일시변화는 도 1에 도시된 특정 실시형태에서 편광이 수직에서 수평으로 전환되는 것으로 도 2에 도시된다.
편광빔분할기(20)는 빔이 선택적으로 제1 및 제2광로를 따라가게 한다. 도 1에 도시된 특정실시형태에서, 빔분할기(20)는 관심있는 제1기체(i)의 고광학깊이를 포함하는 제1기체(i)상관용기(22)를 통과할 수 있도록 수직편광광을 반사하기 위하여 방향이 설정된다. 그 다음에 배출광은 빔결합기(26)를 가로질러 가기 위하여 반사경(24)에 의해 반사된다. 제1빔분할기(20)로부터 제1기체(i)상관용기(22)를 거쳐 빔결합기(26)에 이르는 광로는 제1기체(i)상관광로(OPi)라 한다.
제1빔분할기(20)는 수평편광광을 투과시키고, 투과된 수평편광광은 그 다음에 고광학깊이의 관심있는 제2기체종(j)이 들어있는 제2기체(j)상관용기(28)를 통과한다. 그 다음에 배출광은 빔결합기(26)를 가로질러 가기 위하여 반사경(30)에 의해 반사된다. 일부 경우에, 상관용기(22)(28)는 그 분광투과가 관심있는 기체종(i)(j)의 흡수특성을 대략 복제하도록 디자인된 광학간섭으로 대체될 수 있다. 그러나 그러한 간섭요소는 측정로를 따라 어떤 분광간섭기체종으로부터의 간섭을 허용하는 더 넓은 분광노치와 강한 각도의존성과 같은 단점을 가진다.
빔결합기(26)는, 2개의 직교편광을 나타내는, 2개의 GFCR 빔을 편광상태가 편광변조기(18)의 기본주파수와 이 주파수의 고조파(harmonics)에서 시간에 따라 변하는 단일빔으로 효과적으로 결합시키기 위한 제2편광빔분할기일 수 있다. 선택적으로 빔결합기(26)는 단순광대역빔분할기, 예를 들면 50/50일 수 있다. 50/50 광대역빔분할기를 사용하여, 2개의 빔은 여전히 결합되지만, 실질적 광에너지는 손실된다. 시스템수행이 전원에 제한되지 않는 응용분야에서는, 제2접근방식이 충분하고 구성요소비용을 절약할 수 있다. 제1빔분할기(20)로부터 제2기체(j)상관용기(28)를 통해 빔결합기(26)까지의 광로는 제2기체(j)상관광로(OPj)라 불리고, 제1기체(i)상관광로(OPi)에 대하여 예를 들면 길이가, 광학적으로 더 작을 수 있다. 이 광학적 유사성은 요구되는 것이 아니라 우수한 광학실행이다.
제1기체(i)상관용기(22)에서 제1기체(i)는 기체(i)가 기체(j)측정의 광학통과대역 내에서 무시할 수 있는 광학특성, 또는 광학깊이를 가지는 것으로 추정되기 때문에 제2기체(j)의 측정에 대해 광학적으로 진공으로 작용한다. 이와 유사하게, 제2기체(j)상관용기(28) 내의 제2기체(j)는 제1기체(i)의 측정에 대해 진공으로 작용한다. 양 기체(i)(j)의 측정은 동시에, 독립적으로 간섭없이 행해진다. 2가지 기체(i)(j)는 2가지 기체측정의 각 광학통과대역 내에서 분광적으로 중첩되지 않아야 한다; 즉 기체(i)의 분광흡수특성은 기체(j)의 측정광학통과대역 내에 놓이지 않아야 하며, 반대도 같다. CO와 NO는 그러한 두가지 기체의 예이다.
빔결합기(26)는 제1빔분할기(20)로서 동일하거나 반대인 투과 및 반사특성을 가지도록 선택될 수 있다. 도 1에서 도시된 실시형태에서는, 제1기체상관(i)광로(OPi)로부터 수직편광광을 투과시키고 제2기체상관(j)광로(OPj)로부터의 수평편광광을 반사하는 반대특성을 가진다. 제1빔분할기(20)와 반사경(24)(30)의 방향은 2개의 광로가 빔결합기(26)에서 교차하도록 한다.
빔결합기(26) 다음에 광파장의, 광학성분의 투과 및 반사분광특성과 근원스펙트럼에 의해서만 제한되는, 광대역이 존재하고, 그들의 각 편광상태는 편광변조기(18)의 기본 및 고조파주파수에서 시간에 따라 변한다; 즉 빔은 빨리 교체하는 수직 및 수평성분을 가진다. 이 점에서부터, 광학(optics)은 관심있는 기체(i)(j) 각각이 흡수대역을 가지는 더 작은 분광영역 내로 광파장의 광대역을 분배하는데 사용된다. 이 분배는 광학필터, 회절격자 및 프리즘의 사용을 포함하는 많은 방법으로 행해질 수 있다.
도 1에서 도시된 실시형태에서, 광학통과대역필터(32)는 기체(i)대역에 집중된 방사선을 투과시킨다. 이 방사선은 그 다음에 집중반사경 또는 굴절렌즈(36)에 의해 제1검출기(34)에 집중된다. 이 집중광학요소(36)는 더 높은 측정수행을 하기 위하여 검출기(34) 상의 방사선의 집중이 필요하지 않다면 제거할 수 있다. 기체(i)농도에 관한 정보는 변조기(18)의 기본 주파수 및 고조파에 대응하는 전기적 주파수에서 그리고 기저대역에서 검출기(34)출력 내에 포함된다; 즉 기저대역 "DC"신호는 검출기(34)에 입사하는 총전원을 나타내고 차이신호를 일반화하는데 사용될 수 있다.
빔결합기(26)는 수평성분은 통과시키고 수직성분은 오른쪽으로 반사하여 제1빔분할기(20)에 대한 반대감지범위 내로 방향이 설정될 수 있고, 도 1에서 빔결합기(26) 아래에 광학통과대역필터(32)를 위치시킬 것을 필요로 한다.
광학통과대역필터(32)는 다른 파장의 방사선은 반사시키지만, 기체(i)분광영역에 대응하는 소량의 방사선은 이 반사된 방사선 내에 또한 존재한다. 광학통과대역필터(38)는 기체(j)대역에 대하여 집중된 파장만을 투과시키고 이 방사선은 집중반사경 또는 굴절렌즈(42)에 의해 제2검출기(40) 상에 집중될 수 있다. 또한 검출기(40)의 전기적 출력은 편광변조기(18)의 기본주파수 및 고조파에서 그리고 기저대역에서의 기체(j)집중정보를 포함한다.
파장의 이러한 분배는 다른 방법에 의해 행해질 수도 있다. 하나의 선택적 방법은 광학통과대역필터(32) 대신에 광대역 빔분할기를 사용하는 것이다. 그러나 이것이 행해진다면, 통과대역필터는 통과대역필터(38)로서 집중광학(36)의 앞에 배치되어야만 한다. 다른 조합으로는 통과대역필터와 함께 장파 및/또는 단파통과필터를 사용하는 것이 포함될 수 있다. 회절격자 또는 프리즘은 다양한 파장들을 분리하는데도 사용될 수 있다.
검출기(34)(40)의 DC출력(I)은 기체종(i)(j)의 통과대역 내의 입사광학세기에 각각 비례하는 한편, 편광변조기(18)의 기본주파수 및/또는 고조파에 대응하는 주파수에서의 AC 출력의 증폭은 기체종(i)(j)의 통과대역 내에 수용된 수평 및 수직으로 편광된 방사선 사이의 세기차(△I)에 관련된다. 평균입사세기신호와 차이신호의 크기는, (1)방사선원의 방사특성; (2) 측정로를 따른 관심있는 기체의 농도와 분포 및 기체종의 분광간섭; (3) 측정로를 따른 압력과 온도분포; (4) 측정로길이; (5) 상관용기 내의 기체의 양과 용기길이 등을 포함하는, 많은 인자들에 관련된다. 방사선전이알고리즘은 측정로를 따라 관심있는 기체의 총칼럼양을 추측하기 위하여 관심있는 각각의 기체에 대한 △I와 I 신호로부터의 정보에 따라 사용될 수 있다. 또한 어떤 다른 종래의 방법들이 검출기(34)(40)에 의해 감지된 데이터를 조작하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 한 장치는 측정로를 따른 관심있는 기체의 공지농도에 대한 GFCR의 △I/I 응답을 보정하기 위하여 사용될 수 있다.
도 1 실시형태를 이용하여 실시된 2기체/2기체용기기계의 한 실시예는 4.7㎛에서 CO를 측정하고 5.2㎛에서 NO를 측정하는 장치이다. 그 결과는 CO가 NO측정에 간섭을 일으키지 않고 NO가 CO측정에 간섭을 일으키지 않음을 나타내었다. 도 3은 CO의 GFCR 측정에 NO가 간섭하지 않는다는 것을 나타낸다.
따라서 본 발명은 관심있는 각 기체가 차이(△I)와 총계(I)신호에 도달하도록 하는데 단일검출기가 사용되도록 하고, 그것에 의해 단일기체종을 검출하기 위하여 2개의 검출기를 필요로 하는 CFCR과 관련된 검출기표면이질성과 평형요건문제를 감소시킨다. 도 1에서 구체화된 바와 같이, 본 발명의 요소성분은 편광자(14), 편광빔분할기(16), 편광변조기(18), 빔결합기(26), 광학통과대역필터(32) 및 통과대역필터(38)이다. 모두 상업적으로 입수할 수 있고 다양한 응용을 위하여 그들을 선택할 때 사용을 위한 일부 기본매개변수는 다음에서 설명한다. 성분특성들 중 많은 것들이 파장의존적이기 때문에, 원하는 응용을 위한 분광영역은 성분선택에서 중요하다.
편광자(14)는 편광레이저와 같은 편광광원이 사용된다면 제거할 수 있다. 필요하다면, 편광자(14)는 편광변조기(18) 상에 입사되기 전에 인입방사선을 직선으로 편광시킨다. 중요한 편광자 매개변수에는 흡광율, 투과 및 각수용이 포함된다. 일반적인 편광자형태에는 프리즘, 반사, 2색 및 와이어그리드편광자가 포함된다. 프리즘 및 반사편광자는 높은 흡광율을 나타내지만, 그들의 불충분한 각수용은 그들의 응용을 제한할 수 있다. 한편 2색 및 와이어그리드편광자는 넓은 각수용을 가진다. 또한 2색 편광자는 높은 흡광율을 가지고 가시영역 및 적외선근처영역에 대하여 상업적으로 이용가능하다. 와이어드리드 편광자는 적절하게 우수한 흡광율을 나타내고 적외선적용을 위하여 이용할 수 있다.
편광빔분할기(20)의 목적은 편광변조기(18) 다음에 방사선의 직교편광성분을 분리하는 것이다. 따라서 각수용뿐 아니라 투과 및 반사된 방사선 모두에 대한 손실 및 흡광율이 고려되어야만 한다. 동일한 사항들이 GFCR 응용에서 2개의 직교편광을 결합시키는 빔결합기(26)에도 동일하게 고려되어야만 한다. 2색 편광자는 편광성분 중 하나를 강하게 흡수하기 때문에 빔결합기로 허용될 수 없다. 프리즘 및 반사편광빔분할기는 각수용이 주된 관심사가 아닌 곳에서의 적용에 사용될 수만 있다. 투과와 반사 모두에 대하여 적절히 우수한 흡광율과 큰 수용각을 가진 와이어그리드 편광자는 적외선에서 우수한 빔결합기후보이다.
파판(16)과 함께 사용될 수도 있는 편광변조기(18)는 2개의 직교직선편광(H)(V) 사이의 편광의 상태를 선택적으로 변조한다. 중요한 매개편수에는 투과손실과 각수용이 포함된다; 그리고 변조기는 전류가 가해지는 장치이기 때문에, 에너지소비와 가열효과도 중요하다. 전기광학 및 편광탄성변조기는 UV, 가시광선 및 적외선을 포함하는 넓은 분광영역에 대하여 작동하도록 상업적으로 입수할 수 있다. 양 변조기 형태 모두 광학결정의 복굴절을 변조함으로써 편광변화를 만들 수 있다. 전기광학변조기에서 강한 전기장이 원하는 복굴절변화를 일으키기 위하여 적용되는 반면, 편광탄성변조기에서 광학결정에 부착된 변환기에 의해 도입된 기계적응력은 복굴절변화를 일으킨다. 주어진 복굴절변조에 대하여 전기광학변조기에 인가된 전압의 크기는 광파장이 증가함에 따라 증가한다. 이러한 이유 때문에, 전기광학효과를 이용한 변조기는 더 짧은 파장적용, 즉 UV, 가시광선 및 인접한 적외선에 대하여 일반적으로 더 적합하다.
전기광학변조기의 장점은 다양한 전기적 파형에 따라 그들이 변조될 수 있도록 하는 그들의 넓은 전기적 대역폭이다. 구형파 또는 다른 편광파형은 기계적 전환에 의해 달성되는 전환 또는 삼각파(chopping)에 가까운 일부 GFCR 응용분야에서 사용될 수 있다. 편광탄성변조기의 구동전원요건을 감소시키기 위하여 이들 장치는 일반적으로 편광탄성 결정의 공명주파수에서 자극된다. 따라서 편광탄성변조기는 사인모양 전기적 파형으로 자극되어야만 한다. 결과적인 편광변조는 편광변조기(18)의 기본 및 고조파주파수에 대응하는 주파수를 실질적으로 포함하는 준사인파특성을 가질 것이다. 편광탄성변조기는 UV, 가시광선 및 적외선적용을 위하여 상업적으로 입수할 수 있다. 결정가열, 결정의 기계적 강도 및 광투과의 손실은 더 긴 파장적용을 제한하는 인자들이다. 다른 잠재적인 편광변조기에는 패러디(Faraday) 또는 커어(Kerr)효과를 적용할 수 있는 자기광학장치, 액정장치(LCDs) 등이 포함된다.
일반적으로, 단일주파수의 검출기(34)(40) △I 출력만이 동기복조되고 추가로 처리된다. 파판(16)의 상지연특성과 편광변조기(18)의 상지연의 크기에 따라, 복조하기 위한 최적주파수는 편광변조기(18)의 기본 또는 편광변조기(18)의 특정고조파 중 하나일 수 있다.
고주파(electronics)(44)(46)는 GFCR의 작동을 제어한다. GFCR(50)의 작동은 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같은 PC에 근거한 데이터획득 및 제어시스템에 의하여 제어될 수 있는데, 이것은 단일검출기로부터의 입력을 나타낸다. 광학검출기의 사전증폭된 출력은 2개의 가변성 이득증폭기(52)(54)에 의해 더 증폭되는데, 이들 증폭기 중 하나는 변조기(18)의 기본 및/또는 고조파주파수에서의 신호의 AC 부분에 대한 것이고, 다른 하나는 신호의 DC 부분에 대한 것이다.
동기복조기(56)는 편광변조기(18)로부터의 주파수대조신호를 이용하여 편광변조기(18)의 기본 및/또는 고조파주파수에서의 신호의 크기를 추출한다. AC 및 DC 신호는 전기적 통과대역을 좁히기 위하여 2개의 조화된 저통과필터(58)(60)를 통과하고, 그것에 의하여 소음을 억제한다. 신호는 퍼스널컴퓨터(PC)(64)에 의해 처리되도록 A/D 컨버터(62)에 의해 디지털표시로 전환된다. 제어기(66)는 GFCR(50) 내의 열전기적으로 냉각된 검출기의 작동온도를 제어한다. 제어기(68)는 일부 주파수에서(편광탄성변조기의 경우, 그것의 공명주파수에서) 및 원하는 광학상지연수준에서 편광변조기(18)를 자극시키고, 동기복조를 위한 대조주파수를 제공한다.
검출기 중 어떤 하나의 △I 출력은 (1) 기체가 기계의 시야 내에 있지 않을 때 각 기체에 대하여 독립적으로 기계출력을 0에 맞추기 위하여(즉 △I=0); 또는 (2) 특정기체의 일부 배경값, 예를 들면 1800 ppbv CH4의 전형적인 배경수준에 대한 기계출력을 0에 맞추기 위하여 평형이 맞추어질 수 있다. 사실 검출기 중 어느 하나에서 수행되는 이러한 평형기능은 그 검출기에 의해 관찰되는 광학통과대역 내의 광로(OPi)(OPj)의 투과를 균등하게 한다. △I 출력의 평형을 맞춤으로써, 어떤 기계소음, 예를 들면 기계의 시야의 파동과 관련된 소음과 시스템적 방사선원 소음을 강하게 억제할 수 있고, 따라서 특정 기체종들에 대한 측정감도를 증가시킬 수 있다. 평형이 맞추어진 측정상황에서, 동일한 근원 및 해로운 소음은 GFCR 광로를 통하여 교대로 그러나 신속하게 관찰될 수 있고 결국 △I 신호로부터 거부되는 일반형식이다.
이러한 2개의 광로 사이의 광학세기의 평형은 다양한 수단에 의해 달성될 수 있다. 그러한 수단의 예로는 (1) 검출기 앞에 편광의존광학을 추가하는 것, 및 (2)두개의 광로 사이에 교대로 광학빔의 통과와 동기하는 고주파이득을 변화시키는 검출기 출력의 전기적 평형을 이루는 것이다. 도 1은 검출기(34)(40) 앞에 편광의존광학(33)(39)을 각각 추가한 것을 나타낸다. 각 광학(33)(39)은 박막, 예를 들면 관심있는 분광영역 내에서 투과시키는 수미크론두께의 플라스틱막일 수 있다. 박막물질, 두께 및 입사각은 최적의 광로평형수행을 위하여 선택될 수 있다. 다른 광학성분은 더 두꺼운 적외선투과결정 또는 비결정질 윈도우를 포함할 수 있다. 이들 윈도우의 표면은 그들의 편광선택성을 증진시키기 위하여 박막으로 코팅될 수도 있다. 적외선편광자, 예를 들면 와이어그리드 편광자는 광학적 평형을 수행하는데 사용될 수도 있다. 이 경우, 편광자는 다른 것보다 한 편광이 유리하도록 회전된다. 단순화시키기 위하여, 편광의존광학은 도 9 내지 11에 도시되지 않았다.
상기에서 설명된 바와 같은 광학장치는 특정평형상황을 위하여 설치되어 설정될 수 있고 결코 재설정되지 못한다. 그러나 주어진 적용을 위한 최대감도를 얻기 위하여 거의 완전한 평형이 필요하다면, 예를 들면 박막의, 각도, 또는 예를 들면 와이어 그리드 편광자의, 회전에서의 작은 변화들이 필요하다. 이것은 조작자에 의해 수동으로 이루어질 수 있고 또는 전동장치를 통하여 제어되는 컴퓨터일 수 있다.
평형을 달성하기 위한 하나의 선택적인 기술은 전기적 방법의 사용에 의하는 것이다. 전기적 방법은 전체 평형을 달성하기 위하여 사용될 수 있고 또는 평형을 달성하기 위하여 광학적 방법과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 광학기술은 평형을 개략적으로 사전설정된 평형으로 얻을 수 있는 반면 전기적 방법은 정밀하게 맞추고, 컴퓨터제어를 통하여, 가까이에서 측정작업에 대한 평형을 지속적으로 최적화하는데 사용될 수 있다.
전기적 평형은 다음의 방법에서 디지털방식으로 충족될 수 있다. 증폭기(52)로부터의 출력 V(t)는 도 5에서 디지털신호처리장치(DSP)(82)에 의해 디지털화된다. 도 5 내지 도 8에서의 구성요소들은 도 4에서의 유사한 구성요소들에 대하여 동일한 번호를 붙인다. 이 V(t) 신호는 편광변조기(18)의 기본 및 고조파주파수에서 차이신호 △I(t)뿐 아니라 통과대역신호를 포함한다. 특정편광변조기(18) 주파수(f), 즉 기본 또는 그것의 고조파 중 하나에서의 차이신호를 0으로, 즉 △I=0으로, 맞추기 위하여 디지털화된 V(T) 신호는, 실시간에, 평형함수 β(t)에 의해 분할된다. β(t)=1+αsin(2πft+φ)이고, 상φ는 주파수 f에서 △I(t)신호와 위상이 같도록 선택되고, α는 흔히 원하는 수준의 평형을 얻기 위하여 컴퓨터(64)에 의해 조절된다. 그리고 나서 DSP(82)는 주파수 f에서 함수 V(t)/β(t)를 동기복조한다. 복조된 신호는 다음에 더 높은 감도를 얻도록 고주파대역폭을 감소시키기 위하여 DSP(82) 내에서 디지털적으로 저통과여과된다. 이 복조신호의 크기는 광로(OPi)(OPj)를 통과하는 빔세기에서의 차이 △I에 관련된다.
이러한 디지털복조신호는 센서작업을 최적화하도록 α의 값을 조절하기 위하여 일부 프로그램된 방식에서 차례로 이 정보를 사용할 수 있도록 컴퓨터(64)로 보내진다. DSP(82)는 상기 필터에 대한 특징이 동일한 디지털 저통과필터를 사용함으로써 V(t)/β(t)신호를 평균할 수도 있다. 이 필터 V(t)/β(t) 함수는 검출기의 평균전원입사, 즉 I 신호에 관련된다. 이 디지털 신호는 또한 컴퓨터(64)로 전송된다. 컴퓨터(64)는 측정로를 따른 관심있는 종의 방출/흡수에 관련된 비 △I/I를 계산할 수 있다.
DSP(82)는 단순히 β(t)의 역인 함수 Y(t)에 의해 신호 V(t)를 증폭시킴으로써 평형기능을 수행할 수도 있다. 즉 Y(t)=1/β(t)이다. 따라서 Y(t)는 1/β(t)의 기하급수이다. 작은 α에 대해, Y(t)=1-αsin(2πft+φ)이다.
도 6 내지 8은 전기적 평형이 아날로그기술을 이용하여 달성될 수 있는 다른 방법을 나타낸다. 예를 들면, 도 6에서, A/B 증폭기(102)는 A 입력이 아날로그함수 V(t)이고 B가 β(t)에 대한 아날로그파형등가물인 경우에 사용된다. 선택적으로 AXB 증폭기(104)는 도 7에 도시된 바와 같이, 다시 A가 아날로그 V(t)신호지만 B는 Y(t)신호의 아날로그등가물인 경우에 사용될 수 있다. 도 8에 도시된 다른 접근방식에서, 검출기증폭기(52)의 이득은 증폭기의 피드백저항기(84)의 저항을 변조함으로써 변조된다. 예를 들면, 이것은 피드백저항기(84)가 아날로그함수 Y(t)로 변조되는 광저항기라면 수행될 수 있다. 상기와 같은 아날로그 경우에는, 추가적 고주파는 β(t) 또는 Y(t)를 닮은 파형을 생성하기 위해 추가되어야만 한다. 다시 말하면 도 7과 8에 도시된 Y(t)파형발생기(90) 및 도 6에 도시된 β(t) 파형발생기(100)가 추가되어야만 한다. 아날로그 동기복조가 사용된 상기 아날로그 경우에서도 사실이라고 생각된다. 평형을 변화시키거나 조절하기 위하여, 컴퓨터(64)는 아날로그파형 발생기(90)(100) 내의 α의 크기를 제어하여야만 한다.
편광의존 광학을 사용하는 것의 결점은 평형을 변화시키거나 가능하다면 유지하기 위하여 기계적으로 기울어지거나 회전되어야만 한다는 것이다. 그러나 전기적 평형설계와 함께 사용된다면, 평형의존 광학은 어떤 개략적인 평형을 기계적으로 사전설정할 수 있다. 전기적 평형회로는 어떤 자동 또는 프로그램된 방식으로 평형을 소수변경하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식에서, 최고 측정감도가 일관성있게 얻어질 수 있다.
3기체/3기체용기 GFCR 실시형태는 도 9에 도시되어 있다. 도 9 내지 11의 구성요소들은 도 1에서의 유사한 구성요소들과 일관성있게 번호를 매겼다. 2기체측정과 유사하게, 동시에 독립적으로 측정되는 3기체는 각 기체가 무시할 수 있는 간섭으로 독립적으로 측정된다는 것을 보증하기 위하여 다양한 표적기체 광학통과대역 내에서 분광적으로 중첩되지 않아야만 한다. 이들 3기체측정구조는 제2광학통과대역필터(82)와 검출성분의 제3세트를 포함한다.
도 9의 3기체실시형태에서 보다 명확하게 보여지는 바와 같이, 편광변조빔은 하나의 직교성분의, 즉 수평으로 편광된, 광을 투과시키고 수평성분, 즉 직각을 이룬 성분의, 즉 수직으로 편광된, 광을 반사하는 편광빔분할기(20) 상에 입사된다. 반사된 수직편광빔은 제1기체(i)를 포함하는 제1기체(i)상관용기(22)를 통과하고, 반사경(24)에 의해 반사되어, 제3기체(k)를 포함하는 제3기체(k)상관용기(72)를 통과하고, 그 다음에 빔결합기(26)를 통과하여 투과된다. 투과된 수평편광빔은 제2기체(j)를 포함하는 제2기체(j)상관용기(28)를 통과하고, 반사경(30)에 의해 반사되어, 빔결합기(26)에 의해 반사된다. 빔결합기(26)는 수평 및 수직성분을 단일빔으로 재결합시킨다. 제1기체(i)상관용기(22) 내의 제1기체(i)는 제2기체(j)와 제3기체(k)의 측정에 대해 진공용기로 작용한다. 이와 유사하게 제2기체(j)상관용기(28) 내의 제2기체(j)는 제1기체(i)와 제3기체(k)의 측정에 대해 진공으로 작용하고, 제3기체(k)상관용기(72) 내의 제3기체(k)는 제1기체(i)와 제2기체(j)의 측정에 대해 진공으로 작용한다. 기체들(i, j 및 k)의 측정은 동시에 독립적으로, 간섭이 없거나 무시할 수 있도록 수행된다.
광학통과대역필터(32)는 기체(i)의 흡수대역에 집중된 방사선을 투과시킨다. 이 방사선은 그 다음에 집중반사경 또는 굴절렌즈(36)에 의해 제1검출기(34) 상에 집중된다. 기체(i)농도에 관한 정보는 변조기(18)의 기본주파수 및 고주파에 대응하는 주파수에서 그리고 기저대역에서 검출기(34)출력 내에 포함된다.
광학통과대역필터(32)로부터 반사된 방사선은 모든 추가적 파장에 더하여 기체(i)대역에 집중된 소량의 방사선을 포함한다. 그 다음에 광학통과대역필터(70)는 기체(j)대역 주위에 집중된 방사선만 투과시키고 이 빔은 다음에 집중반사경 또는 굴절렌즈(42)에 의해 집중된 후 검출기(40)에 입사된다. 다시, 이 검출기(40)의 전기적 출력은 편광변조기(18)의 기본주파수 및 고주파에서 그리고 기저대역에서의 기체(j)농도정보를 포함한다.
광학통과대역필터(70)에 의해 반사된 방사선은 모든 다른 파장에 더하여 소량의 기체(i) 및 기체(j) 대역방사선을 포함한다. 통과대역필터(74)는 기체(k)대역에 집중된 파장만 투과시키고 이 방사선은 집중반사경 또는 굴절렌즈(76)에 의해 검출기(78) 상에 집중된다. 또다시, 검출기(78)의 출력은 편광변조기(18)의 기본주파수 및 고주파에서 그리고 기저대역에서의 기체(k)농도정보를 포함한다.
도 1 실시형태의 교체적인 구성에 관련된 이전의 설명은 이 3기체/3기체용기 실시형태에도 적용된다.
도 10에 도시된 3기체/2기체용기 실시형태에서, 2가지 기체는 제2기체용기(28) 내에 담겨진다. 두가지 기체는 서로 반응하지 않는 것이어야 한다. 그러한 실시형태의 한 예로서, 5.2㎛ NO 대역, 4.7㎛ CO 대역, 및 4.4㎛ C13O2 16대역 주위의 파장영역을 측정하는 GFCR를 설명한다. 광학통과대역필터(32)는 5.2㎛ 대역에 집중된 방사선을 투과시킨다. 이 방사선은 그 다음에 검출기(34) 상에 집중된다. NO 농도에 대한 정보는 편광변조기(18)의 기본주파수 및 고주파에서 그리고 기저대역에서의 검출기 출력 내에 포함된다.
광학통과대역필터(32)에서 반사된 방사선은, 이는 광학통과대역필터가 완전하기 않아서 이 방사선 중 일부를 반사하기 때문에, 모든 다른 추가적인 파장에 더하여 5.2㎛에서 집중된 소량의 방사선을 포함한다. 그 다음에 광학대역투과필터(70)는 4.7㎛ CO 대역 주위에 집중된 방사선만을 투과시키고 이 빔은 그 다음에 검출기(40) 상에 입사된다. 또다시 이 검출기의 전기적 출력은 편광변조기(18)의 기본주파수 및 고주파에서 그리고 기저대역에서의 CO 농도정보를 포함한다.
광학통과대역필터(70)에서 반사된 방사선은 모든 다른 파장에 더하여 소량의 5.2㎛ 및 4.7㎛ 방사선을 포함한다. 광학투과필터(74)는 4.4㎛ C13O2 16대역에 대하여 집중된 파장만 투과시키고 이 방사선은 검출기(78)상에 집중된다. 또다시 검출기(40)의 출력은 편광변조기(18)의 기본주파수 및 고주파에서 그리고 기저대역에서의 C13O2 16농도정보를 포함한다.
실시형태 1과 2에 대한 상기 설명은 이 제3실시형태에도 적용된다. 4 또는 그 이상의 기체가 상기에서 설명한 실시형태와 유사한 방식으로 동시에 측정될 수 있다.
일부 적용에서, 여러 가지 기체의 존재를 동시에 그러나 독립적이지 않게 측정하는 것이 중요할 수 있다. 그러한 적용은 (1) 개별적으로 각각의 농도를 알 필요없이 2 또는 그 이상의 기체혼합물의 총장입량을 감지하거나 (2) 여러 가지 기체들 중 하나 또는 그 조합의 존재의 어떤 역치수준을 검출할 수 있다. 제1적용의 한 예는 자동차, 트럭 등과 같은 운송수단의 배기가스에서 "총탄화수소"측정을 하기 위하여 실행하는 것이다. 모든 탄화수소는 그들의 유사한 C-H(탄소-수소) 대역과 관련된 회전-진동전이에 기인하여 3㎛ 파장영역에서 흡수특성을 가지기 때문에, 예를 들면 간섭필터를 가진, 종래의 측정방법으로는 이러한 넓은 분광영역 내의 흡수변화를 단순히 찾기만 할 뿐 개별적인 탄화수소 종들 사이를 판별하지 못한다. 따라서 이러한 종래의 기술로, "총탄화수소" 측정은 할 수 있다; 그러나 예를 들면 수증기와 같은 다른 비탄화수소 종들로부터 측정에 대한 실질적 분광간섭도 존재할 수 있어서 측정에 대한 불확실성이 증가된다.
본 발명에 따른 GFCR 측정은 단일 상관용기 내에 배기가스 내에 있을 것으로 예상되는 2 또는 그 이상의 현저한 탄화수소를 배치하는 것 또는 일련의 용기 내에 탄화수소를 개별적으로 배치하는 것, 또는 그들의 조합에 의해 행해질 수 있다. 그러한 배열에서는 이 영역에서 흡수되는 비탄화수소종으로부터의 분광간섭의 강한 억제가 있기 때문에 "총탄화수소" 측정을 대략적으로 할 수 있다.
도 7은 그러한 한 실시형태를 나타낸다. 기체용기(28)는 2 또는 그 이상의 탄화수소를 포함한다. 진공용기(22)는 없거나 무시할 수 있는 광학깊이를 나타내는 진공 또는 기체 또는 기체혼합물을 포함한다. 광학통과대역필터(32)는 3㎛ 파장영역에 집중된 방사선을 투과시킨다. 그 다음에 이 방사선은 검출기(34)에 집중된다. 총탄화수소농도에 관한 정보는 변조기(18)의 기본주파수 및 고주파에 대응하는 주파수에서 그리고 기저대역에서 검출기(34)출력 내에 포함된다.
제2적용의 실시예는 가능하다면 1 또는 그 이상의 독성기체의 어떤 저수준(역치)양을 검출하기 위하여 영역을 감시하는 것이다. 또한 이것은 각 기체를 확인할 필요가 없을 수도 있지만, 검출가능성의 어떤 한계에서, 그 기계는 독성기체 중 하나 또는 조합의 존재의 경고를 제공해야만 한다. 이전의 적용에서처럼, 관심있는 모든 독성기체는 하나의 상관용기 내에 포함되어야 하거나 또는 일련의 용기 또는 그들의 어떤 조합에 개별적으로 배치되어야 한다.
당해 기술분야에서의 숙련된 자가 본 명세서에서 설명되고 다음의 청구항에서 정의된 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 많은 변형, 치환 및 개량을 할 수 있음은 명백하다.

Claims (29)

  1. 측정로를 통과하는 편광된 광빔을, 2개의 교차하는 직교 편광성분 사이의 파장의 광대역을 넘어서 변조하는 단계;
    편광변조빔의 하나의 직교편광성분을 제1광로를 따르게 하고 다른 직교편광성분을 제2광로를 따르게 하며, 적어도 하나의 광로는 1 또는 그 이상의 분광판별수단을 포함하고, 각 분광판별수단은 관심있는 1 또는 그 이상의 분광흡수특성을 가지는 단계;
    상기 2개의 광로를 교차점에서 교차시키는 단계;
    교차점에서 교차된 성분의 한 직교성분을 투과시키고 다른 직교성분을 반사하며, 그것에 의해 결합된 편광변조빔이 교차된 순서로 2개의 직교성분을 포함하여 형성되는 단계;
    관심있는 1 또는 그 이상의 기체가 흡수대역을 가지는 관심있는 1 또는 더 작은 분광영역으로, 결합된 편광변조빔을 분배하는 단계; 및
    측정로에서 관심있는 기체에 의한 광빔의 분광방출/흡수의 표시로서 관심있는 각 분배분광영역 내의 2개의 직교 편광성분 사이에서 세기의 차이를 결정하고, 상기 분광방출/흡수는 측정로 내의 1 또는 그 이상의 기체의 농도를 표시하는 단계를 포함하는,
    측정로 내에서 관심있는 2 또는 그 이상의 기체의 농도를 감지하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    변조 전에 비편광광빔을 편광시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감지방법.
  3. 제1항에 있어서,
    1 또는 그 이상의 분광판별수단은 1 또는 그 이상의 기체용기이고, 각 기체용기는 관심있는 1 또는 그 이상의 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 감지방법.
  4. 제1항에 있어서,
    1 또는 그 이상의 분광판별수단은 1 또는 그 이상의 광학관섭요소이고, 각 광학간섭요소는 관심있는 1 또는 그 이상의 기체의 흡수특성을 대략 복제하는 분광투과를 가지는 것을 특징으로 하는 감지방법.
  5. 제1항에 있어서,
    관심있는 1 또는 그 이상의 분배분광영역을 위한 2개의 광로 사이의 광학세기의 평형을 맞추는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감지방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 평형은, 관심있는 대응하는 분배분광영역 내에서 광학적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 감지방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 평형은, 전기적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 감지방법.
  8. 2개의 교차하는 직교편광성분 사이의 파장의 광대역을 넘어서, 측정로를 통과한 편광광빔을 변조하기 위한 편광변조기;
    편광변조광빔의 한 직교편광성분을 제1광로를 따라 투과시키고 편광변조광빔의 다른 직교편광성분을 제2광로를 따라 반사함으로써 편광변조빔을 전환하기 위한 편광빔분할기;
    제1 및 제2광로 중 적어도 하나 내에 위치하고, 각각 관심있는 1 또는 그 이상의 기체의 분광흡수특성을 가지는 적어도 하나의 분광판별수단;
    교차점에서 2개의 광로를 교차시키기 위한 수단;
    제1 및 제2광로의 교차점에 위치하고, 교차성분의 한 직교성분을 투과시키고 다른 직교성분을 반사시키며, 그것에 의해 결합된 편광변조빔이 교차된 순서의 2가지 직교성분을 포함하여 형성되는 광결합기;
    관심있는 기체에 대한 흡수대역에 대응하는 관심있는 각 파장영역에 대한 검출로 내로 결합된 편광변조빔을 분배하기 위한 수단;
    측정로 내의 관심있는 기체에 의해 광빔의 분광방출/흡수의 표시로서 입사분배빔의 2개의 직교편광성분 사이의 세기의 차를 감지하고 관심있는 대응파장영역 내의 입사분배빔을 수용하기 위한 것으로, 분광방출/흡수는 측정로 내의 관심있는 1 또는 그 이상의 기체의 농도를 표시하는, 각 검출로 내의 검출기; 및
    편광변조기를 자극하고, 각 검출기의 온도를 제어하고, 각 검출기의 출력을 처리하기 위한 제어 및 데이터획득수단을 포함하는,
    측정로 내에서 관심있는 2 또는 그 이상의 기체의 농도를 동시에 측정하기 위한 다중기체센서.
  9. 제8항에 있어서,
    각 분광판별수단은 기체상관용기를 포함하고, 각 기체상관용기는 관심있는 적어도 1가지 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  10. 제8항에 있어서,
    각 분광판별수단은 관심있는 파장영역의 흡수특성을 대략 복제하는 분광투과를 가지는 광학간섭요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  11. 제8항에 있어서,
    편광변조기에 의한 변조 전에 인입광빔을 편광시키기 위한 광학편광자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  12. 제8항에 있어서,
    편광변조기 앞에 배치된 광학파판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  13. 제8항에 있어서, 편광변조기는,
    전기광학, 자기광학 및 편광탄성변조기 및 액정장치로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 다중기체센서.
  14. 제8항에 있어서, 편광빔분할기는,
    프리즘, 반사기, 및 와이어그리드빔분할기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 다중기체센서.
  15. 제8항에 있어서, 교차수단은,
    2개의 광로 중 각각 내에 배치된 각 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  16. 제8항에 있어서, 교차수단은,
    편광빔분할기로부터 교차점까지의 2개의 광로가 광학적으로 유사하도록 위치한 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  17. 제8항에 있어서, 빔결합기는,
    편광 빔분할기와 광대역 빔분할기로 구성된 그룹에서 선택된 것임을 특징으로 하는 다중기체센서.
  18. 제8항에 있어서,
    분배수단은 각 검출기에 대하여 독특한 파장을 통과하도록 작동가능하게 배치된 1 또는 그 이상의 광학필터를 포함하고,
    각 독특한 파장은 관심있는 1 또는 그 이상의 흡수대역에 대응하는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  19. 제8항에 있어서,
    분배수단은 빔분할기와 1 또는 그 이상의 하류 광학필터를 포함하고,
    빔분할기와 광학필터는 각 검출기에 대하여 독특한 파장을 통과하도록 작동가능하게 배치되고,
    각 독특한 파장은 관심있는 1 또는 그 이상의 기체의 흡수대역에 대응하는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  20. 제18항에 있어서,
    각 검출기 상에 입사빔을 집중시키기 위하여 각 검출기 앞에 배치된 집중수단을 더 포함하고,
    상기 집중수단은 집중반사경과 굴절렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  21. 제19항에 있어서,
    각 검출기 상에 입사빔을 집중시키기 위하여 각 검출로 내에 집중수단을 더 포함하고,
    상기 집중수단은 집중반사경과 굴절렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  22. 제8항에 있어서,
    관심있는 2 또는 그 이상의 기체는 공통의 파장영역에서의 흡수특성을 가지고 동시에 그러나 독립적이지 않게 측정되는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  23. 제8항에 있어서,
    관심있는 기체들은 관심있는 1 또는 그 이상의 파장영역 내에 분광적으로 중첩되지 않고 동시에 독립적으로 측정되는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  24. 제8항에 있어서, 광학편광자는,
    프리즘, 반사, 이색 및 와이어그리드편광자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 다중기체센서.
  25. 제8항에 있어서,
    제1 및 제2광로 중 하나 내에 위치한 진공용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  26. 제8항에 있어서, 상기 제어 및 데이터획득수단은,
    검출기의 신호의 AC 부분을 증폭시키기 위하여 각 검출기에 대응하는 가변성 이득증폭기;
    검출기의 신호의 DC 부분을 증폭시키기 위하여 각 검출기에 대응하는 가변성 이득증폭기;
    증폭된 AC 신호를 수용하고 편광변조기로부터 주파수대조신호를 사용하여 그것의 크기를 추출하기 위하여 각 검출기에 대응하는 동기복조기;
    증폭된 DC 신호를 수용하고 그것의 전기적 통과대역을 좁히기 위하여 각 검출기에 대응하는 저통과필터;
    복조된 AC 신호를 수용하고 그것의 전기적 통과대역을 좁히기 위하여 각 검출기에 대응하는 저통과필터;
    여과된 AC 및 DC 신호를 컴퓨터에 의해 처리하기 위하여 디지털표시로 전환하기 위한 A/D 전환기;
    대응하는 검출기의 작동온도를 제어하기 위하여 각 검출기에 대응하는 제어기; 및
    편광변조기를 자극하고 복조기에 대조주파수를 제공하기 위한 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  27. 제8항에 있어서,
    2개의 광로 사이에 대응하는 광세기의 평형을 맞추기 위하여 적어도 한 검출기 앞에 작동가능하게 배치된 편광의존광학을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
  28. 제27항에 있어서,
    편광의존광학은 박막, 적외선투과결정, 비결정질 윈도우 및 적외선 편광자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 다중기체센서.
  29. 제8항에 있어서,
    제어 및 데이터획득수단은 관심있는 1 또는 그 이상의 분배분광영역을 위하여 2개의 광로 사이의 광세기의 평형을 맞추는 것을 특징으로 하는 다중기체센서.
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