KR20070055130A - 기체 분자의 온도를 측정하기 위한 회전라만산란 신호분리용 광학장치 - Google Patents

기체 분자의 온도를 측정하기 위한 회전라만산란 신호분리용 광학장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기체 분자 또는 기타 물질의 온도를 측정하는 광학장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소정의 공간에 광신호를 조사하여 발생하는 산란 신호로부터 복수의 그레이팅 수단, 복수의 렌즈, 복수의 슬릿, 및 복수의 프리즘을 통해 스토크(stoke) 영역 및 안티 스토크(anti stoke) 영역에 존재하는 회전라만산란 신호를 동시에 추출하는 회전라만산란 신호 분리용 광학장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 기체의 온도를 측정하기 위하여 스토크(stoke) 영역 및 안티 스토크(anti stoke) 영역에 분포하는 다수의 회전라만산란 신호를 동시에 얻음으로써, 신호의 크기가 증가하며, 결국 광-통계(photon statics)에 따른 신호대 잡음비가 증가하여 온도 측정을 신속하고 정확하게 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 광학장치는 기체 분자 등에 조사된 광신호로부터 발생한 산란 신호를 복수의 그레이팅 수단을 사용하여 상기 산란 신호에 포함된 탄성라만산란 신호를 2회 이상 차단하여 상기 탄성라만산란 신호를 더 많이 없애 주기 때문에 차단율이 높아지고, 결국 종래의 측정 방법으로 측정이 불가능한 기체에서도 상기 기체의 온도를 측정할 수 있다.
온도, 공기, 측정, 회전라만산란, stoke, anti stoke, Lidar, 원격 센싱

Description

기체 분자의 온도를 측정하기 위한 회전라만산란 신호 분리용 광학장치{OPTICAL SYSTEM FOR MEASURING TEMPERATURE OF AIR MOLECULAR BY SPLITTING ROTATIONAL RAMAN-SCATTERED SIGNALS}
도 1은 온도의 변화에 따른 산란 신호의 크기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치를 도시한 도면이다.
도 3은 도2에서 중앙부분에 집광된 광신호, 화이버의 입력 및 출력 화이버를 Y축 방향에서 관찰한 도면이다.
도 4는 종래 간섭 필터를 통해 측정된 온도에 따른 신호 세기의 비율과 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치를 통해 측정된 온도에 따른 신호 세기의 비율을 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200: 회전라만산란 신호 분리용 광학장치 201: 광원 수단
202: 렌즈 203: 제1 렌즈
204: 제1 그레이팅 수단 205: 제1 슬릿
206: 제2 슬릿 207: 프리즘
208: 제2 렌즈 209: 제2 그레이팅 수단
210: 산란 물질 211: 산란 신호
212: 화이버 213: 각도
214, 215: 중앙부분 216: 각도
217, 218: 추출 화이버
본 발명은 기체 분자 또는 기타 물질의 온도를 측정하는 광학장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소정의 공간에 광신호를 조사하여 발생하는 산란 신호로부터 복수의 그레이팅 수단, 복수의 렌즈, 복수의 슬릿, 및 복수의 프리즘을 통해 스토크(stoke) 영역 및 안티 스토크(anti stoke) 영역에 존재하는 회전라만산란 신호를 동시에 추출하는 회전라만산란 신호 분리용 광학장치에 관한 것이다.
대기의 온도를 측정하는 것은 기상예보에 매우 중요하다. 또한, 공기나 기타 수증기 등의 온도를 원격으로 측정하는 기술은 기체의 누출 감시, 기타 오염물질의 확산 방향을 예측하거나, 직접 확인하는 매우 중요한 역할을 한다. 이러한 대기의 온도를 측정하거나, 공기 또는 수증기의 온도를 원격으로 측정하기 위하여, 종래에는 측정하려는 물질에 소정의 광신호를 조사하여 상기 물질에 대한 온도를 측정하였다. 상기 물질은 상기 광신호와 상호작용하여 소정의 산란신호를 만들어 낸다. 이러한 상기 산란신호는 탄성라만산란 신호, 회전라만산란 신호, 및 진동라만산란 신호가 존재한다. 상기 탄성라만산란 신호는 물질에 조사된 상기 광신호의 파장 정보를 포함하고, 회전라만산란 신호는 상기 물질의 온도에 대한 정보를 포함하며, 상기 진동라만산란 신호는 상기 물질을 구성하는 각각의 원소들 간 진동 정보를 포함한다. 이 중에서 상기 회전라만산란 신호는 상기 물질의 온도에 대한 정보를 가지고 있으며, 각각 다른 파장에서 다른 세기의 신호의 크기를 나타낸다.
상술한 종래 기술에서 상기 회전라만산란 신호는 상기 물질로부터 발생하는 산란신호를 간섭 필터를 통해 필터링함으로써, 추출이 가능하다. 그러나 이러한 간섭 필터는 일정한 대역의 파장만을 투과시키기 때문에 탄성라만산란 신호를 기준으로 스토크(stoke) 영역 및 안티 스토크(anti stoke) 영역에 존재하는 회전라만산란 신호를 동시에 얻는 것은 불가능하다.
도 1은 온도의 변화에 따른 산란 신호의 크기를 도시한 도면이다. 회전라만산란 신호는 물질의 온도에 따라, 각각 다른 파장에서 다른 세기의 산란신호를 내게 되는데, 도 1 은 온도에 따른 회전라만산란 신호의 크기를 나타낸 것이다. 도 1의 식별번호(101)는 300K에서 얻어지는 기체 분자에 있어서, 회전라만산란 신호의 모양을 나타낸 것이고, 식별번호(102)는 250K에서 얻어지는 기체 분자에 있어서, 회전라만산란 신호의 상대적 세기(strength)를 나타낸 것이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 일반적으로 양자수 J=-+10 보다 작은 양자수의 회전라만산란 신호는 온도가 높아지면 신호가 작아지고 큰 양자수는 온도가 높아지면 신호 크기가 커진다. 따라서, 양자수 J=-+10 보다 작은 양자수 및 양자수 J=-+10 보다 작은 양자수에 해당하는 두 부류의 신호를 얻으면 그 물질의 온도 변화를 측정할 수 있다. 도 1에서 양자수가 '+'인 것은 파장이 길어지고(Stokes), '-'인 것은 파장이 짧아진다 (anti-Stokes). 또한, 양자수가 큰 값은 파장 변화가 크다는 것을 의미하고 양자수가 작다는 것은 파장 변화가 작은 것을 의미한다. 온도 측정은 J=-+10인 양자수를 기준으로 두 신호를 얻어서 그 비를 구하면 된다. 이러한, J=-+10인 양자수는 탄성라만산란 신호의 양자수와 동일하며, 기존의 온도 측정 시스템은 주로 J=6인 양자수와 J=12인 양자수를 얻어서 그 비율을 산출하여 온도를 구하는 방법을 채택하고 있다.
여러 개의 회전라만산란 신호를 동시에 얻게 되는 경우, 얻어진 상기의 신호는 여러 신호의 합으로 나타나므로 하나의 양자수에 해당하는 회전라만산란 신호를 얻는 것보다 신호의 크기가 커진다. 즉, 신호의 크기가 커짐에 따라 신호의 신호대 잡음비가 커지고 결국 온도를 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있게 된다. 따라서, 상기 간섭 필터를 통해 J=6인 양자수와 J=12인 양자수에 해당하는 회전라만산란 신호만을 추출하는 종래의 발명은 스토크 영역 및 안티 스토크 영역에 존재하는 다양한 양자수의 신호를 동시에 얻을 수 없기 때문에 양자화 잡음(quantum noise)으로 인해 실제 온도와 측정된 온도의 오차가 커지게 된다.
또한, 탄성라만산란 신호의 파장에 근접한 부분에서는 상기 광신호의 파장이 존재하기 때문에 일반적으로 간섭 필터는 가능한 탄성라만산란 신호의 파장으로부터 파장차이가 많이 나는 영역에서 신호를 추출해야만 한다. 이를 위하여, 간섭 필터는 원하는 파장 이외의 파장을 차단하는 차단율(Blocking ratio)이 0.00001 이상이 되어야 한다. 일례로, 구름 등 공기 이외의 산란 물질이 더 많이 존재하는 곳에서는 더욱 더 높은 차단율을 요구한다.
종래 간섭 필터를 이용한 회전라만산란 신호의 추출은 주로 양자수 J=6와 J=12에 해당하는 회전라만산란 신호만을 추출하기 때문에, 비록 J=6 또는 J=12에 해당하는 간섭 필터를 사용하더라도, 일반적으로 탄성라만산란 신호가 강하게 되면 상기 간섭 필터를 차단율이 0.00001 이상 되도록 설계하는 것은 불가능하다. 이 경우에는 복수의 필터를 동시에 사용할 수 있는데, 이 또한 추출하려는 파장의 투과도가 떨어지는 심각한 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 소정의 물질의 온도를 측정하기 위하여, 스토크 및 안티 스토크 영역에 존재하는 다양한 파장의 회전라만산란 신호를 동시에 추출하기 위한 필요성이 대두되며, 이를 위한 보다 진보한 기술적 사상이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 기체의 온도를 측정하기 위하여 스토크(stoke) 영역 및 안티 스토크(anti stoke) 영역에 분포하는 다수의 회전라만산란 신호를 동시에 얻음으로써, 신호의 크기가 증가하며, 결국 광-통계(photon statics)에 따른 신호대 잡음비가 증가하여 온도 측정을 정확하게 수행하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 회전라만산란 신호를 생성하는 물질과 회전라만산란 신호를 생성하지 않는 기체가 같이 존재하는 경우, 복수의 그레이팅 수단을 사용하여 탄성라만산란 신호를 2회 이상 차단하여 정확한 온도 측정에 있어서 일정 잡음으로 작용할 수 있는 상기 탄성라만산란 신호를 더 많이 없애 주기 때문에 차단율이 높아지고, 결국 종래의 측정 방법으로 측정이 불가능한 기체에서도 온도를 측정하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 그레이팅 수단과 복수의 프리즘을 통해 광신호의 탄성라만산란 신호를 제거하고, 스토크 영역은 물론 안티 스토크 영역에 존재하는 다양한 회전라만산란 신호를 동시에 추출함으로써 기체 분자의 온도 측정에 있어서 정확성과 시간 단축을 제고하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하고, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 회전라만산란 신호의 분리용 광학장치는 소정의 공간에 광신호를 조사하는 광원 수단, 상기 공간에 포함된 산란 물질에 의한 산란 신호를 광섬유로 집광하는 산란 신호 수집부, 상기 광섬유의 말단에서 출력되는 상기 산란 신호를 평행 광으로 변환하는 제1 렌즈, 상기 제1 렌즈로부터 변환된 상기 평행 광을 파장에 따라 다르게 반사하는 제1 그레이팅(grating) 수단, 상기 제1 그레이팅(grating) 수단에서 회절된 상기 산란 신호 중에서 상기 조사된 광신호의 파장과 동일한 탄성라만산란 신호의 파장보다 긴 파장(stokes)을 갖는 제1 회전라만산란 신호를 집광하는 제1 슬릿(slit) 및 상기 탄성라만산란 신호의 파장보다 짧은 파장(anti stokes)의 회전라만산란 신호를 집광시키는 제2 슬릿(slit), 상기 제1 슬릿 및 상기 제2 슬릿에 집광된 상기 회전라만산란 신호 중 소정 양자수의 제1 회전라만산란 신호를 통과시키는 프리즘, 상기 제1 슬릿 및 상기 제2 슬릿에 집광된 상기 회전라만산란 신호 중 제1 회전라만산란 신호 및 상기 제2 회전라만산란 신호를 평행 광으로 변환하는 제2 렌즈, 및 상기 제2 렌즈로부터 변환된 상기 평행 광을 파장에 따라 다 르게 반사하는 제2 그레이팅(grating) 수단을 포함하고, 상기 제2 그레이팅(grating) 수단으로부터 반사되는 상기 제1 회전라만산란 신호 및 제2 회전라만산란 신호는 상기 제2 렌즈를 통해 스토크 영역 및 안티 스토크 영역에 대응되는 두 지점에 집광되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치를 도시한 도면이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치(200)는 광원 수단(201), 렌즈(202) 및 화이버(212)를 포함하는 산란 신호 수집부, 제1 렌즈(203), 제1 그레이팅 수단(204), 제1 슬릿(205), 제2 슬릿(206), 프리즘(207), 제2 렌즈(208), 및 제2 그레이팅 수단(209)을 포함한다.
광원 수단(201)은 소정의 공간에 광신호를 조사한다.
산란 신호 수집부는 상기 공간에 포함된 산란 물질(210)에 의한 산란 신호(211)를 광섬유로 집광하며, 제1 렌즈(203)는 상기 광섬유의 말단에서 출력되는 산란 신호(211)를 평행 광으로 변환한다.
제1 그레이팅(grating) 수단(204)은 제1 렌즈(203)로부터 변환된 상기 평행 광을 파장에 따라 다르게 반사시킨다.
또한, 제1 슬릿(205)은 제1 그레이팅(grating) 수단(204)에서 회절된 상기 산란 신호 중에서 상기 조사된 광신호의 파장과 동일한 탄성라만산란 신호의 파장 보다 긴 파장(stokes)을 갖는 제1 회전라만산란 신호를 집광하고, 제2 슬릿(206)은 상기 탄성라만산란 신호의 파장보다 짧은 파장(anti stokes)의 회전라만산란 신호를 집광시킨다.
프리즘(207)은 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)에 집광된 상기 회전라만산란 신호 중 소정 양자수의 제1 회전라만산란 신호를 통과시킨다. 즉, 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)을 통해 상기 광신호의 탄성라만산란 신호가 슬릿을 통과하지 못하여 슬릿 사이에서 제거되고, 프리즘(207)에 따라 스토크(stoke) 영역 또는 안티 스토크(anti stoke) 영역에 존재하는 회전라만산란 신호가 각각 분리된다.
제2 렌즈(208)는 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)에 집광된 상기 회전라만산란 신호 중 제1 회전라만산란 신호 및 상기 제2 회전라만산란 신호를 평행 광으로 변환한다.
제2 그레이팅 수단(209)은 제2 렌즈(208)로부터 변환된 상기 평행 광을 파장에 따라 다르게 반사한다.
이하, 상술한 회전라만산란 신호 분리용 광학장치(200)의 각 구성요소의 동작에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 광원 수단(201)은 측정하려는 소정의 산란 물질(210)에 광신호(211)를 조사하여 산란 신호(211)를 발생한다. 상기 산란 물질(210)을 통해 산란된 산란 신호는(211)는 렌즈(202)를 통하여 화이버(212)로 전송되고, 화이버(212)에 수집된 산란 신호(211)는 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치(200)의 제1 렌즈(203)로 입사된다. 화이버(212)를 통해 제1 렌즈(203)로 입 사된 산란 신호(211)는 여러 가지 종류의 파장을 포함하고 있고, 또한 화이버로 출력되어 나오는 산란 신호(211)는 일정한 각도로 퍼지기는 성질에 따라 제1 그레이팅 수단(204)에 입사시키기 위하여 제1 렌즈(203)를 통해 평행 광으로 변환된다. 평행 광으로 바뀐 산란 신호(211)는 제1 그레이팅 수단(204)에서 파장에 따라 다르게 반사되고, 반사된 산란 신호(211)는 파장에 따라 각기 다른 각도로 다시 제1 렌즈(203)를 투과한다. 이 때, 제1 그레이팅 수단(204)의 각도(213)는 제1 렌즈(203)를 투과하는 산란 신호(211)중에서 최초 광신호와 동일한 파장의 신호의 입사각 및 반사각이 동일하도록 설정된다. 즉, 최초 광신호와 동일한 파장인 탄성라만산란 신호는 제1 렌즈(203)를 통해 제1 그레이팅 수단(204)으로 입사하는 각도와 제1 그레이팅 수단(204)으로부터 회절되는 반사 각도가 동일하도록 제1 그레이팅 수단의 각도(213)가 설정된다. 이에 따라, 탄성라만산란 신호는 입력 측으로 회절되어 돌아가고, 상기 탄성라만산란 신호의 파장을 기준으로 짧은 파장의 산란 신호는 제1 슬릿(205)에 긴 파장의 산란 신호는 제2 슬릿(206)에 집광된다. 이때 제1 렌즈(203) 또는 제2 렌즈(208)의 광축보다 화이버(212)의 입력이 상 측에 위치하는 경우, 제1 그레이팅 수단(204)에서 회절된 다음 다시 제1 렌즈(203)로 입사되어 파장에 따라 제1 슬릿(205) 또는 제2 슬릿(206)에 집광되는 각각의 파장은 화이버(212)의 입력 보다 낮은 곳에 위치한다. 즉, 제1 렌즈(203) 또는 제2 렌즈(208)의 광축을 중심으로 대칭적으로 아랫부분에 각 파장이 일렬로 제1 슬릿(205) 또는 제2 슬릿(206)에 정렬된다.
광신호의 입사면보다 아래쪽에 1 차원적으로 정렬된 회전라만산란 신호는 제 1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)을 통과하게 되는데, 상기 탄성라만산란 신호는 도 2에서 보는 바와 같이 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)의 중앙부분에 슬릿이 없기 때문에 차단되고 다른 파장의 광신호는 투과된다. 각각 다른 파장의 투과된 광신호는 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)에서 각각 파장이 짧은 것부터 큰 순서로 정렬하며, 양자수가 적은 것은 도 1에서 상술한 바와 같이 적은 파장변화로 인해 탄성라만산란 신호에 근접하고, 양자수가 큰 것은 탄성라만산란 신호와 먼 거리에 집광된다. 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)을 통과한 광신호 중에서, 도 2와 같이 양자수가 J=-+2에서 J=-+9까지에 대응되는 파장의 광신호는 프리즘(207)을 통과하지 않는다. 양자수 J=-+11에서 J=-+20에 대응되는 파장의 광신호는 다시 프리즘(207)을 통과하며, 이를 구현하기 위해 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)의 중앙부분(J=-+10)을 중심으로 가장자리 부근에 프리즘(207)을 위치시킨다. 프리즘(207)을 통과한 파장과(J=11~20, J=-11~20) 통과하지 않는 파장은 (J=2~9,J=-2~-9) 다시 제2 렌즈(208)를 통해 평행 광으로 변환되고, 제2 그레이팅 수단(209)에 입사된다.
광신호를 평행 광으로 변환하기 위한 제2 렌즈(208)의 광축도 제1 렌즈(203)의 광축과 마찬가지로 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)보다 아래에 위치하고, 제2 그레이팅 수단(209)에서 회절 후 다시 제2 렌즈(208)로 입사된 광신호는 최초의 입사각과과 동일한 각도로 회절되기 때문에 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)보다 아래쪽 중앙부분(214, 215)에 집광된다.
즉, 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)보다 아래쪽 중앙부분(214, 215)에 집광되는 광신호는 정확하게 제1 그레이팅 수단(204)으로 되돌아가는 방향과 같은 방향 으로 입사되도록 제2 그레이팅 수단(209)의 각도를 제1 그레이팅 수단과 동일하게 설정하였기 때문이다. 따라서, 제2 그레이팅 수단(209)의 각도(216)는 제1 그레이팅 수단(204)의 각도(213)와 절대값이 동일하고, 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)을 기준으로 상호 대칭인 형태로 설정된다. 결국 프리즘(207)을 통과하지 않은 광신호는 제2 렌즈(208)의 광축을 중심으로 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)의 중앙부분(214)에 집광되고, 프리즘(207)을 통과한 광신호는 제2 렌즈(208)의 광축을 중심으로 중앙부분(214)에 집광된 광신호보다 아랫 방향의 중앙부분(215)에 집광된다. 따라서, 탄성라만산란 신호를 제외한 중앙부분(214, 215)의 두 점에 집광된 다양한 양자수의 광신호를 각각 다른 추출 화이버(217, 218)로 추출 가능하다. 중앙부분(214, 215)에 집광된 광신호는 도 3에서 상세히 설명한다.
도 3은 도2에서 중앙부분에 집광된 광신호, 화이버의 입력, 및 출력 화이버를 Y축 방향에서 관찰한 도면이다.
도 3을 참조하면, 렌즈(202)를 통해 집광된 산란 신호(211)는 화이버(212)를 통해 제1 렌즈(203)에 입사된다. 이에, 화이버(212)의 말단(301)을 통해 발산되는 산란 신호(211)는 제1 렌즈(203) 및 제1 그레이팅 수단(204)를 통해 파장에 따라 각각 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)에 집광되고, 최초 산란 물질(210)에 조사되는 광신호와 동일한 파장인 탄성라만산란 신호는 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)에 집광되지 아니한다. 결국, 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)에 집광된 회전라만산란 신호는 양자수에 따라 프리즘(207)의 통과여부가 결정되고, 프리즘(207)을 통과한 회전라만산란 신호 및 프리즘(207)을 통과하지 않은 회전라만산란 신호는 제2 렌즈(208) 및 제2 그레이팅 수단(209)을 통해 도 3의 식별번호(302) 및 식별번호(303)의 두 중앙부분에 집광된다. 결국 프리즘(207)을 통과하지 않는 파장의 회전라만산란 신호는 제2 렌즈(208)의 광축을 중심으로 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)의 위치와 대칭인 지점에 식별번호(302)에 대응되는 하나의 점으로 집광되고, 프리즘(207)을 통과한 파장의 회전라만산란 신호는 식별번호(303)에 대응되는 하나의 점에 집광된다.
본 발명에 따른 프리즘(207)은 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)에 집광된 회전라만산란 신호를 도 3의 X축에 평행한 방향으로 퍼지게하고, 제1 그레이팅 수단(204) 및 제2 그레이팅 수단(209)은 상기 회전라만산란 신호를 도 3의 Y축에 평행한 방향으로 퍼지게한다. 즉, 양자수 및 파장에 따라 상호 직교하는 신호로 분리되는 회전라만산란 신호는 스토크 영역 및 안티 스토크 영역의 회전라만산란 신호로 각각 다른 점(302, 303)에 집광된다.
도 2에서, 제1 슬릿(205)에서 탄성라만산란 신호는 차단되고, 제1 그레이팅 수단(204)에 의하여 회절 후 제1 렌즈(203)로 집광된 탄성라만산란 신호는 제1 슬릿(205) 및 제2 슬릿(206)에 의하여 차단되고, 길 잃은 광신호(stray light) 중에서 제1 슬릿(205) 또는 제2 슬릿(206)을 통과한 광신호는 제2 그레이팅 수단(209)에 의하여 회절되기 때문에 중앙부분(214, 215)에 집광되지 않고, 흩어지므로 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치(200)는 종래의 간섭 필터보다 높은 차단율을 제공한다. 집광된 광신호를 통해 산란 물질(210)의 온도를 측정하는 것은 종래의 주지된 관용 기술이며, 본 발명의 종래 기술에 따른 분야에 통상의 지 식을 가진 자가 용이하게 응용가능 하므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
결론적으로, 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치(200)는 기체의 온도를 측정하기 위하여 스토크(stoke) 영역 및 안티 스토크(anti stoke) 영역에 분포하는 다수의 회전라만산란 신호를 동시에 얻음으로써, 신호의 크기가 증가하고, 결국 광-통계(photon statics)에 따른 신호대 잡음비가 증가하여 산란 물질(210)의 온도 측정을 신속하고 정확하게 수행할 수 있다. 이와 더불어, 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치(200)는 회전라만산란 신호를 생성하는 물질과 회전라만산란 신호를 생성하는 기체가 같이 존재하는 경우에 복수의 그레이팅 수단을 사용하여 탄성라만산란 신호를 2회 이상 차단하여 상기 탄성라만산란 신호를 더 많이 없애 주기 때문에 종래 간섭 필터를 통한 온도의 측정방법으로 측정이 불가능한 기체에 대해서도 온도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치(200)는 종래의 간섭 필터보다 강한 신호 세기의 회전라만산란 신호를 측정하므로 상당 시간 동안 약한 회전라만산란 신호들을 적분할 필요가 없으며, 이에 따라 신속하게 기체 분자의 온도를 측정할 수 있다.
도 4는 종래 간섭 필터를 통해 측정된 온도에 따른 신호 세기의 비율과 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치를 통해 측정된 온도에 따른 신호 세기의 비율을 도시한 그래프이다.
도 4을 참조하면, 식별번호(401)는 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치를 통해 소정의 산란 물질에 광신호를 조사하여 동시에 추출한 스토크 (stoke) 영역 및 안티 스토크(anti stoke) 영역의 광신호를 온도의 변화에 따른 신호 세기의 비율을 도시한 것이다. 또한, 식별번호(402)는 종래 간섭 필터를 통해 양자수 J=6 및 J=12에 해당하는 회전라만산란 신호를 추출하여 온도의 변화에 따른 신호 세기의 비율을 도시한 것이다.
식별번호(401) 및 식별번호(402)는 기울기가 유사하다. 즉, 온도의 변화에 따른 신호 세기의 비율은 유사한 결과를 나타내고 있으나, 식별번호(401)은 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치를 통해 스토크 영역 및 안티 스토크 영역에 존재하는 다양한 파장의 광신호를 동시에 추출하였기 때문에 종래 간섭 필터를 통해 측정된 식별번호(402)에 비해 전체적으로 신호의 크기가 증가하였다. 신호의 크기 증가는 결국, 회전라만산란 신호를 이용하여 기체 등의 물질의 온도를 측정하는 도중 발생 가능한 양자적 잡음의 크기를 회전라만산란 신호에 비해 상대적으로 적게 함으로써, 신호대 잡음비를 증가시킬 수 있다. 이로 인해, 본 발명에 따른 회전라만산란 신호 분리용 광학장치를 이용하여 기체 등의 물질의 온도를 보다 신속하고, 정확하게 측정할 수 있다. 광-통계(photon statics)에 따르면 광신호로부터 측정되는 광자수는 포아손(Poisson) 분포를 하게 되고 얻어지는 광자수의 제곱근에 해당하는 수만큼 항상 오차를 동반하게 된다. 즉 도 4에서 알 수 있듯이 양자적 잡음에 의하여 발생하는 광자수의 오차는 온도의 오차로 나타나며 여러 개의 양자수를 이용하는 경우 그 오차가 적음을 알 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명에 따르면, 기체의 온도를 측정하기 위하여 stoke 및 anti stoke에 분포하는 다수의 회전라만산란 신호를 동시에 얻음으로써, 신호의 크기가 증가하며, 결국 광-통계(photon statics)에 따른 신호대 잡음비가 증가하여 온도 측정을 신속하고 정확하게 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 회전라만산란 신호를 생성하는 물질과 회전라만산란 신호를 생성하는 기체가 같이 존재하는 경우, 복수의 그레이팅 수단을 사용하여 탄성라만산란 신호를 2회 이상 차단하여 상기 탄성라만산란 신호를 더 많이 없애 주기 때문에 차단율이 높아지고, 결국 종래의 측정 방법으로는 측정이 불가능한 기체에 대한 온도를 측정하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 복수의 그레이팅 수단과 복수의 프리즘을 통해 광신호에 포함된 탄성라만산란 신호를 제거하고, 스토크 영역 및 안티 스토크 영역에 존재하는 다양한 회전라만산란 신호를 동시에 추출할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 회전라만산란 신호의 분리용 광학장치에 있어서,
    소정의 공간에 광신호를 조사하는 광원 수단;
    상기 공간에 포함된 산란 물질에 의한 산란 신호를 광섬유로 집광하는 산란 신호 수집부;
    상기 광섬유의 말단에서 출력되는 상기 산란 신호를 평행 광으로 변환하는 제1 렌즈;
    상기 제1 렌즈로부터 변환된 상기 평행 광을 파장에 따라 다르게 반사하는 제1 그레이팅(grating) 수단;
    상기 제1 그레이팅(grating) 수단에서 회절된 상기 산란 신호 중에서 상기 조사된 광신호의 파장과 동일한 탄성라만산란 신호의 파장보다 긴 파장(stokes)을 갖는 제1 회전라만산란 신호를 집광하는 제1 슬릿(slit) 및 상기 탄성라만산란 신호의 파장보다 짧은 파장(anti stokes)의 회전라만산란 신호를 집광시키는 제2 슬릿(slit);
    상기 제1 슬릿 및 상기 제2 슬릿에 집광된 상기 회전라만산란 신호 중 소정 양자수의 제1 회전라만산란 신호를 통과시키는 프리즘;
    상기 제1 슬릿 및 상기 제2 슬릿에 집광된 상기 회전라만산란 신호 중 제1 회전라만산란 신호 및 상기 제2 회전라만산란 신호를 평행 광으로 변환하는 제2 렌즈; 및
    상기 제2 렌즈로부터 변환된 상기 평행 광을 파장에 따라 다르게 반사하는 제2 그레이팅(grating) 수단
    을 포함하고,
    상기 제2 그레이팅(grating) 수단으로부터 반사되는 상기 제1 회전라만산란 신호 및 제2 회전라만산란 신호는 상기 제2 렌즈를 통해 스토크(stoke) 영역 및 안티 스토크(anti stoke) 영역에 대응되는 두 지점에 집광되는 것을 특징으로 하는 회전라만산란 신호 분리용 광학장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화이버는 상기 제1 렌즈의 광축보다 높은 위치에서 상기 제1 렌즈로 상기 산란 신호를 입사시키는 것을 특징으로 하는 회전라만산란 신호 분리용 광학장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회전라만산란 신호의 상기 양자수는 J = -20 내지 J = -11 또는 J = 11 내지 J = 20이고, 상기 제2 회전라만산란 신호의 상기 양자수는 J = -9 내지 J = -2 또는 J = 2 내지 J = 9인 것을 특징으로 하는 회전라만산란 신호 분리용 광학장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 그레이팅(grating) 수단의 각도는 상기 제1 그레이팅(grating) 수단에 의해 반사되는 상기 산란 신호 중에서 탄성라만산란 신호의 입사각 및 반사각이 동일하도록 설정되고, 상기 제1 그레이팅(grating) 수단에 의해 반사된 상기 탄성라만산란 신호는 상기 제1 슬릿 및 상기 제2 슬릿에 집광되지 아니하는 것을 특징으로 하는 회전라만산란 신호 분리용 광학장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄성라만산란 신호의 양자수는 J = -10 또는 J 10인 것을 특징으로 하는 회전라만산란 신호 분리용 광학장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 슬릿 및 상기 제2 슬릿은 동일한 수직선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 회전라만산란 신호 분리용 광학장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제1 슬릿, 및 상기 제2 슬릿은 평행하고, 상기 제2 그레이팅(grating)의 각도는 상기 제1 렌즈를 기준으로 상기 제1 그레이팅(grating)과 좌우 대칭인 것을 특징으로 하는 회전라만산란 신호 분리용 광학장치.
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