KR20090083960A - 분석 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저광의 조사(irradiation)에 의해 만들어진 플라즈마(plasma)로부터 얻은 형광에 기초하여 성분을 분석하는 분석 장치에 관한 것이다.
본 발명의 분석장치는 레이저광을 출력하는 레이저광 출사면을 갖고, 상기 레이저광을 전송하여 상기 레이저광 출사면으로부터 출력하는 레이저광 전송용 광파이버; 형광을 입사하는 형광 입사면을 갖고, 상기 형광 입사면으로부터 상기 형광을 입사하여 상기 형광을 전송하는 형광전송용 광파이버; 상기 레이저광 전송용 광파이버의 상기 레이저광 출사면으로부터 출력되는 상기 레이저광을 환형으로 정형 및 집광하여 분석대상물에 조사시키고 또한 상기 레이저광 조사에 의해 상기 분석대상물로부터 방출되는 상기 형광을 집광하여 상기 형광전송용 광파이버의 상기 형광 입사면으로 유도하는 집광조사수단을 구비하는 광학시스템 유닛; 및 상기 형광전송용 광파이버로 전송되는 상기 형광에 기초하여 상기 분석대상물에 함유된 성분의 양을 측정하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
형광, 레이저광, 분석, 광파이버

Description

분석 장치{ANALYSIS APPARATUS}
본 발명은 레이저광의 조사(irradiation)에 의해 만들어진 플라즈마(plasma)로부터 얻은 형광에 기초하여 성분을 분석하는 분석 장치에 관한 것이다.
하나의 알려진 분석장치는 분석대상물에 레이저광을 조사하고 레이저광의 조사에 의해 만들어진 형광량을 측정하여, 분석대상물의 성분을 전처리 없이 대략 100 밀리 초의 짧은 분석 시간 안에 분석하는 것을 가능하게 하여, 실시간 분석(예를 들면, 일본특허공개번호 제2000-310596호의 6페이지의 도 4 및 5를 참조)이 가능하게 한다.
분석장치는 레이저광 집광 광학시스템을 가지고 레이저광을 집광하고 집광된 레이저광을 분석대상물의 표면에 조사하여, 분석대상물의 표면의 성분을 플라즈마로 바꾼다. 레이저광의 조사가 끝남과 동시에, 분석대상물의 성분이 들뜬-상태 원자로 바뀐 결과, 상기 플라즈마는 수 마이크로초 내지 수십 마이크로초 내에 재결합하기 시작한다. 들뜬-상태 원자가 낮은 레벨로 변화될 때, 원자 수에 비례하는 양을 가진 형광이 원자 고유의 파장으로 방출된다. 이후에, 분석대상물로부터 방출된 형광의 일부는 레이저광 집광 광학시스템의 측면으로부터 형광 집광 광학시스템에 의해 집광된다. 상기 형광은 형광측정기구에 의해 분광적으로 분석되고, 이에 의해 상기 기구는 형광을 방출한 물질 에 포함된 성분을 분석한다.
또한, 레이저광의 전송 및 형광의 전송 모두를 위한 광파이버의 사용은 분석의 유연성을 향상시키고, 이것은 예를 들면, 형광 X-선 분석장치보다 우수한 특성을 구비한 분석장치를 제공한다. 전송되는 레이저광 에너지가 과도할 경우 광파이버가 손상될 수 있기 때문에 전송 가능한 레이저광 에너지는 제한되고, 또한 시험 결과에 의하면 레이저광의 조사로 플라즈마를 생산하기 위해 약 25 mJ/mm2 이상의 에너지 밀도가 요구되므로 레이저광이 광파이버를 통해 전송될 때, 레이저광의 조사 영역(또는 분석 영역)이 제한된다. 그러나, 레이저광 조사 영역의 제한은 분석의 유연성을 보장한다는 이점을 제공한다.
상기한 바와 같이, 분석장치에서, 레이저광의 전송 및 형광의 전송 모두를 위한 광파이버의 사용은 분석의 유연성을 보장한다. 그러나, 형광이 레이저광 집광 광학시스템의 측면으로부터 형광 집광 광학시스템에 의해 집광되고 광파이버를 통해 전달되는 경우, 형광집광이 방해받지 않도록 분석대상물의 표면은 평평해야 한다. 분석대상물의 표면이 울퉁불퉁하거나 굴곡이 있다면, 레이저광 집광 광학시스템의 측면으로부터 형광을 집광하는 형광 집광 광학시스템은 형광을 충분하게 집광할 수 없고, 이것은 분석이 어렵게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 분석대상물의 모양의 영향으로 인한 감 도(sensitivity)의 적은 감소만을 허용하고, 분석 정확성을 향상시킬 수 있고, 시스템을 더욱 콤팩트하게 하도록 레이저광 집광 광학시스템과 형광 집광 광학시스템을 서로 통합하는 것을 가능하게 하고, 추가로 형광의 집광을 쉽게 조정할 수 있는 분석장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라서, 레이저광을 출력하는 레이저광 출사면을 갖고, 상기 레이저광을 전송하여 상기 레이저광 출사면으로부터 출력하는 레이저광 전송용 광파이버; 형광을 입사하는 형광 입사면을 갖고, 상기 형광 입사면으로부터 상기 형광을 입사하여 상기 형광을 전송하는 형광전송용 광파이버; 상기 레이저광 전송용 광파이버의 상기 레이저광 출사면으로부터 출력되는 상기 레이저광을 환형으로 정형 및 집광하여 분석대상물에 조사시키고 또한 상기 레이저광 조사에 의해 상기 분석대상물로부터 방출되는 상기 형광을 집광하여 상기 형광전송용 광파이버의 상기 형광 입사면으로 유도하는 집광조사수단을 구비하는 광학시스템 유닛; 및 상기 형광전송용 광파이버로 전송되는 상기 형광에 기초하여 상기 분석대상물에 함유된 성분의 양을 측정하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석장치가 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따라서, 레이저광을 출력하는 레이저광 출사면을 갖고, 상기 레이저광을 전송하여 상기 레이저광 출사면으로부터 출력하는 레이저광 전송용 광파이버; 형광을 입사하는 형광 입사면을 갖고, 상기 형광 입사면으로부터 상기 형광을 입사하여 상기 형광을 전송하는 형광전송용 광파이버; 상기 레이저광 전송용 광파이버의 상기 레이저광 출사면으로부터 출력되는 상기 레이저광을 선형으로 정형 및 집 광하여 분석대상물에 조사시키고 또한 상기 레이저광 조사에 의해 상기 분석대상물로부터 방출되는 상기 형광을 집광하여 상기 형광전송용 광파이버의 상기 형광 입사면으로 유도하는 집광조사수단을 구비하는 광학시스템 유닛; 및 상기 형광전송용 광파이버로 전송되는 상기 형광에 기초하여 상기 분석대상물에 함유된 성분의 양을 측정하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 광학시스템 유닛에 의해 레이저광 전송용 광파이버로 전송되는 레이저광을 집광하여 분석대상물에 조사하고 동시에 레이저광의 조사에 의해 방출되는 형광을 집광하여 형광 전송용 광파이버로 분석수단에 전송하고, 이 분석수단으로 형광으로부터 분석대상물에 함유되어 있는 원소의 양을 측정할 수 있기 때문에 분석대상물의 형상의 영향에 의한 감도의 저하가 적고, 분석정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 광학시스템 유닛은 레이저광과 형광의 집광으로 집광조사수단을 공용하여 소형화가 가능하고, 레이저광의 집광조정을 하면 형광의 집광조정도 자동적으로 가능해진다.
아래에, 본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 기술된다. 도 1-3은 본 발명의 제 1 실시예를 도시한다. 도 2에 도시된 것과 같이, 분석장치(11)는 광학시스템 유닛(13)으로 하여금 분석대상물(12) 상에 레이저광으로서 펄스 레이저광(L)을 조사하도록 하고, 분석대상물(12)의 표면의 플라즈마 변형 결과물로서 생성된 형광(F)을 집광하도록 하고, 형광(F)의 파장과 세기로부터 분석대상물 내에 포함된 성분의 양을 측정하도록 한다.
분석장치(11)는 YAG(Yttrium·Aluminium·Garnet) 레이저광과 같은 펄스 레이저광(L)을 발진하는 레이저 오실레이터로서, YAG 레이저 오실레이터(14)를 포함한다. YAG 레이저 오실레이터(14)는 제어 수단(도시 안 됨)으로서 주 제어 유닛에 의하여 특정 타이밍으로 생성된 구동 펄스에 기초하여 특정 펄스폭을 갖는 펄스 레이저광(L)을 출력한다.
YAG 레이저 오실레이터(14)에는, 발진된 펄스 레이저광(L)을 집광하는 광학시스템으로서 광파이버 입사 시스템(15)이 제공된다. 광파이버 입사 시스템(15)에 의해 집광된 펄스 레이저광(L)은 레이저광 전송용 광파이버(16)의 일단으로 입사된다.
광학시스템 유닛(13)에 연결된 것은 레이저광 전송용 광파이버(16)의 타단뿐만 아니라 형광전송용 광파이버(17)의 일단에도 연결되어 있다. 상기 레이저광 전송용 광파이버(16)는 펄스 레이저광(L)을 광학시스템 유닛(13)에 전송하고, 상기 형광전송용 광파이버(17)는 광학시스템 유닛(13)에 의해 집광된 형광(F)이 들어가고 전송된 형광이 상기 형광전송용 광파이버를 통해 전송한다.
상기 형광전송용 광파이버(17)의 타단에 연결된 것은 형광전송용 광파이버(17)를 통해 전송된 형광(F)에 기초하여 분석대상물(12)에 포함된 성분의 양을 측정하는 분석수단(18)이다. 상기 분석수단(18)에 연결된 것은 형광측정기구(19)와 컴퓨터(20)이다. 상기 형광측정기구는 형광전송용 광파이버(17)를 통해 전송된 형광(F)을 분산시키고 모든 파장과 세기를 측정하며, 상기 컴퓨터는 분석대상물(12)에 포함된 성분과 형광측정기구(19)에서 얻은, 측정된 값에서 그들의 양을 측정한다. 분석 결과 등을 표시하는 디스플레이 유닛(21)이 컴퓨터(20)에 연결된다. 형광측정기구(19) 및 컴퓨터(20)의 각각의 오퍼레이션 타이밍은 타이밍 조절 메커니즘(도시되지 않음)에 의해 제어된다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 광학시스템 유닛(13)은 축선으로서 펄스 레이저광(L)의 광축을 갖는 원통형 바디 튜브를 포함한다. 상기 바디 튜브(25)의 측면에는, 펄스 레이저광(L)의 광축을 교차하는 방향, 특히 광축에 수직 방향으로 축선을 갖는 형광 가이드 튜브(26)가 연통상태를 제공하도록 설치된다.
레이저광 전송용 광파이버(16)의 타단은 상기 바디 튜브(25)의 일단의 후위 앵커에 연결된다. 레이저광 전송용 광파이버(16)의 타단의 레이저광 출사면(16a)으로부터, 펄스 레이저광(L)은 바디 튜브(25)의 내부에 출력된다. 펄스 레이저광(L)의 광축은 바디 튜브(25)의 축선과 동일하게 만들어진다.
바디 튜브(25) 내부의, 펄스 레이저광(L)의 광 경로의 형광 가이드 튜브(26)와 접한 위치에는 분배 반사경(27)이 제공되며, 이는 분배수단으로서 펄스 레이저광(L)이 바디 튜브(25)의 반대 종단이나 끝 부분을 통과하도록 하며 바디 튜브(25)의 끝 부분으로부터 집광된 형광(F)을 형광 가이드 튜브(26)를 향해 반사한다. 평평한 판으로 만들어진 분배 반사경(27)은 펄스 레이저광(L)의 광축에 대해 예를 들면 45의 각도로, 기울인 상태로 설치된다. 레이저광 전송용 광파이버(16)의 레이저광 출사면(16a)에 접한 표면에 대해 반대편이고 바디 튜브(25)의 끝 부분을 향하는 분배 반사경(27)의 한 표면은 가시광선 및 자외선을 포함하는 형광(L)을 반사하는 형광 반사면(28)이 되도록 설정된다. 도 3은 펄스 레이저광(L)과 형광(F)을 분배하는 분배 반사경(27)의 파장, 투과율, 반사율 간의 관계를 도시한다.
바디 튜브(25)에는, 레이저광 전송용 광파이버(16)를 통해 전송된 펄스 레이저 광(L)을 집광하여 그 펄스 레이저광을 상기 분석대상물(12) 상에 조사할 뿐만 아니라 분석대상물의 표면에 포함된 원자에서 방출된 형광(F)을 집광하여 그 형광을 상기 형광전송용 광파이버(17)로 유도하는 집광조사수단(29)이 제공된다. 분배 반사경(27)을 통과한 펄스 레이저광(L)의 광축 상의 바디 튜브(25)의 끝에 위치한 집광조사수단(29)은, 펄스 레이저광(L)을 집광하여 분석대상물(12)에 상기 광(L)을 조사하는 집광 도구로서 집광 조사 광학시스템인, 집광렌즈 그룹(30)을 포함한다.
집광렌즈 그룹(30)은 볼록렌즈인 제 1 렌즈(31), 오목렌즈인 제 2 렌즈(32), 볼록렌즈인 제 3 렌즈(33), 볼록렌즈인 제 4 렌즈(34)를 포함하며, 상기 제 1 렌즈의 레이저광 입사면은 평평하고 레이저광 출사면은 볼록하게 돌출되었고, 상기 제 2 렌즈의 레이저광 입사면은 볼록하게 돌출되었고 레이저광 출사면은 오목하게 들어갔고, 상기 제 3 렌즈의 레이저광 입사면 및 레이저광 출사면 각각은 볼록하게 돌출되었고, 상기 제 4 렌즈의 레이저광 입사면은 볼록하게 돌출되었고 레이저광 출사면은 평평하다.
분석대상물(12)에 펄스 레이저광(L)을 조사한 결과로써 방출된 형광(F)은 집광렌즈 그룹(30)에 들어간다. 형광(F)은 집광되어 형광 가이드 튜브(26)를 향해 형광을 반사하는 분배 반사경의 형광 반사면(28)으로 유도된다. 따라서, 집광렌즈 그룹(30)은 또한, 펄스 레이저광이 조사된 분석대상물(12)의 표면에 포함된 원자로부터 방출된 형광(F)을 집광하기 위한 형광 집광 수단으로서 형광 집광 광 시스템이다.
형광전송용 광파이버(17)의 일단은 형광 가이드 튜브(26)의 끝 부분에 연결유지되고, 형광전송용 광파이버(17)의 일단의 형광 입사면(17a)은, 형광 가이드 튜브(26)의 축선인, 형광(F)의 광축의 위치와 일치하도록 설치된다. 형광 가이드 튜브(26) 내 에는, 분배 반사경(27)의 형광 반사면(28)에 의해 반사되고 형광 가이드 튜브(26) 내에 유도된 형광(F)을 집광하며, 집광된 광을 형광전송용 광파이버(17)의 형광 입사면(17a)에 유도하기 위한 광 가이드 수단으로서 형광 집광렌즈(35)가 제공된다.
다음으로, 제 1 실시예의 분석장치(11)로 분석대상물(12)의 성분을 분석하는 시험 방법이 기술된다. 분석대상물(12)이 특정 위치에 놓인 후, YAG 레이저 오실레이터(14)는 펄스 레이저광(L)을 출력한다. 출력 펄스 레이저광(L)은 광파이버 입사 시스템(15)에 의해 집광되고, 이후에 레이저광 전송용 광파이버(16)를 통해 광학시스템 유닛(13)에 전송된다.
광학시스템 유닛(13)에 전송된 펄스 레이저광(L)은 분배 반사경(27)을 통과하고, 집광된 펄스 레이저광을 분석대상물(12)의 표면상에 조사하는 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광된다.
분석대상물(12)의 표면은 펄스 레이저광(L)을 조사한 결과에 의해 순간적으로 고온으로 가열되고 플라즈마로 변환된다. 따라서, 플라즈마는 분석대상물(12)의 표면에 생기게 된다.
이후에, YAG 레이저 오실레이터(14)로부터의 펄스 레이저광(L)의 조사가 중단된다.
펄스 레이저광(L)의 조사가 중단되자마자, 분석대상물(12)의 표면에 생성된 플라즈마는 재결합되기 시작하고 수 마이크로 초에서 수십 마이크로초 간의 들뜬 상태 동안, 분석대상물(12) 내의 성분은 원자가 된다. 이후에, 들뜬 상태의 원자가 낮은 레벨로 전이할 때, 원자는 원자의 수에 비례하는 형광(F)을 방출한다.
방출된 형광(F)은 집광렌즈 그룹(30)으로 들어간다. 집광렌즈 그룹(30)은 형광(F)을 집광한다. 이후에, 형광(F)은 분배 반사경(27)의 형광 반사면(28)에 의해 반사되고, 형광 가이드 튜브(26)로 유도된다. 형광 가이드 튜브(26)로 유도된 형광(F)은 형광 집광렌즈(35)에 의해 집광되고, 이후에 형광전송용 광파이버(17)의 형광 입사면(17a)으로 유도된다.
형광전송용 광파이버(17)를 통해 가이드 된 형광(F)은 형광 측정기구(19)에 전송된다. 형광 측정기구(19)는 형광(F)을 분산시켜 모든 파장과 세기를 측정한다. 형광 측정기구(19)에서 얻어진 측정값으로부터, 컴퓨터(20)는 분석대상물(12)에 포함된 성분들과 그것들의 양을 검출하고 그 분석 결과 등을 디스플레이 유닛(21)에 표시한다.
상기한 바와 같이, 집광조사수단(29)의 집광렌즈 그룹(30)은 레이저광 전송용 광파이버(16)를 통해 전송되는 펄스 레이저광(L)을 집광하여 분석대상물(12)에 상기 집광된 레이저광을 조사할 뿐만 아니라 상기 펄스 레이저광(L)의 조사의 결과로서 분석대상물(12)의 표면에 포함된 원자들로부터 방출된 형광(F)을 집광하여 상기 집광된 형광(F)을 형광전송용 광파이버(17)에 전송할 수 있기 때문에, 분석대상물(12)의 모양의 영향으로 인해 감도가 적게 감소하며, 이것은 분석의 정밀성이 개선될 수 있도록 한다.
상기 펄스 레이저광(L)의 집광과 상기 형광(F)의 집광 모두에서 집광렌즈 그룹(30)을 사용하는 것은 집광렌즈그룹(30)이 광학시스템 유닛(13)으로 통합되는 것을 가능하게 하며, 이것은 상기 광학시스템 유닛을 더욱 콤팩트하게 한다. 또한, 펄스 레이저광(L)의 초점 위치를 조정하는 것은 형광(F)의 초점 조정이 자동으로 조정될 수 있도록 하며, 이는 분석시에 조정을 용이하게 한다.
다음, 도 4 및 5는 본 발명의 제 2 실시 예를 도시한다. 집광조사수단(29)은 펄스 레이저광(L)을 환형으로 정형(整形)하는 정형수단(41)으로서 원뿔형(conical) 렌즈(42)와 이 원뿔형 렌즈(42)에 의해 환형으로 정형된 펄스 레이저광(L)을 집광하는 집광 수단으로서 집광렌즈 그룹(30)을 포함한다.
원뿔형 렌즈(42)는 광학시스템 유닛(13)의 바디 튜브(25)의 후위 앵커 측에 설치된다. 집광렌즈 그룹(30)은 광학시스템 유닛(13)의 바디 튜브(25)의 종단에 설치된다. 분배 반사경(27)이 광학시스템 유닛(13)의 바디 튜브(25)의 종단에 더 가깝도록 원뿔형 렌즈(42)와 집광렌즈 그룹(30) 사이에 설치된다.
집광렌즈 그룹(30)은 레이저광 입사면과 레이저광 출사면이 볼록하게 돌출되는 볼록 렌즈인 제 1 렌즈(31)와, 레이저광 입사면이 오목하게 들어가고 레이저광 출사면이 볼록하게 돌출되는 오목렌즈인 제 2 렌즈(32)와, 레이저광 입사면이 볼록하게 돌출되고 레이저광 출사면이 평평한 볼록 렌즈인 제 3 렌즈(33)와, 레이저광 입사면이 볼록하게 돌출되고 레이저광 출사면이 오목하게 들어가는 오목렌즈인 제 4 렌즈(34)를 포함한다.
그 다음, 레이저광 전송용 광파이버를 통해 전송된 펄스 레이저광(L)은 원뿔형 렌즈(42)에 의해 균일한 환형으로 정형되어 분배 반사경(27)을 통과한다. 그 다음에, 상기 환형 펄스 레이저광은 집광렌즈 그룹(30)에 의해 모아지고, 상기 렌즈 그룹(30)은 상기 집광된 레이저광을 분석대상물(12)의 표면상에 조사한다. 도 5는 분석대상물(12)의 표면상에 조사된 예컨대 1 mm 이상 5 mm 이하의 외경을 가진 환형 펄스 레이저광(L)을 도시한다.
예를 들면, 분석대상물(12)이 동전 모양의 리튬 코인 배터리라고 가정하자. 상기 리튬 코인 배터리로부터의 리튬 전해질의 누출이 펄스 레이저광(L)을 조사함으로써 검사될 때, 검사의 효율성을 개선하기 위해 펄스 레이저광(L)의 1회 조사에 의한 상기 리튬 전해질의 누출의 존재 여부를 검사하는 것이 필요하다. 또한, 큰 에너지를 갖는 펄스 레이저광(L)이 레이저광 전송용 광파이버(16)를 통해 전송되는 경우, 상기 레이저광 전송용 광파이버(16)는 손상될 수 있다. 그러므로 큰 에너지를 갖는 펄스 레이저광(L)은 레이저광 전송용 광파이버(16)를 통해 전송될 수 없다. 따라서, 전송된 펄스 레이저광(L)의 레이저 에너지는 레이저광 전송용 광파이버(16)에 의해 제한되기 때문에, 상기 펄스 레이저광 조사 영역은 제한된다. 시험의 결과는 펄스 레이저광(L)의 조사에 의한 플라즈마의 생성은 약 25 mJ/mm2의 에너지 밀도를 요구한다는 것을 보여주었다. 그러므로, 상기 리튬 코인 배터리 위에 원형 펄스 레이저광(L)을 1회 조사하여 검사하는 것은 어려운 일이다. 이러한 어려움을 극복하기 위해서, 펄스 레이저광(L)을 환형으로 집광하는 것이 플라즈마가 펄스 레이저광(L)의 조사에 의해 생성되는 약 25 mJ/mm2의 에너지 밀도를 만족시키고 환형 펄스 레이저광(L)의 1회 조사에 의해 검사를 수행하는 것을 가능하게 한다는 것이 확인되었다.
그러나, 환형으로 집광된 펄스 레이저광(L)이 리튬 코인 배터리 위에 조사될 때, 환형 플라즈마가 상기 리튬 코인 배터리로부터 생성된다. 환형 형광(F)은 상기 환형 플라즈마로부터 생성된다. 그러므로, 상기 환형 형광(F)은 균일한 감도로 측정되어야 한다. 상기 환형 형광(F)을 균일하게 측정하는 것이 쉽지는 않다. 특히, 레이저 조사 광학시스템과 형광 집광 광학시스템이 별도로 제공되는 종래의 일반적인 분석장치에서, 특히 직경 1 mm 이상의 범위의 펄스 레이저광(L)을 조사하여 측정이 이루어질 때, 감도가 너무 크게 변화하여 정밀한 측정이 이루어질 수 없다.
이 문제를 극복하기 위해서, 상기 레이저광 전송용 광파이버를 통해 전송된 펄스 레이저광(L)이 원뿔형 렌즈(42)에 의해 균일한 환형으로 정형된 후, 상기 정형된 레이저광은 분배 반사경(27)을 통과하게 된다. 그 다음에, 상기 환형 레이저광은 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광되며, 이것은 집광된 레이저광을 분석대상물(12)의 표면에 조사한다. 또한, 상기 리튬 코인 배터리 위에 펄스 레이저광(L)을 조사한 결과로 상기 리튬 코인 배터리로부터 방출된 형광(F)은 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광된다. 상기 형광(F)은 분배 반사경(27)의 형광 반사면(28)에 의해 반사되고 형광 집광렌즈(35)를 통해 형광전송용 광파이버(17)로 유도된다.
그 결과, 상기 리튬 코인 배터리 위의 환형 펄스 레이저광(L)의 조사 범위가 더 넓어지지만, 상기 리튬 코인 배터리 위의 넓은 범위로부터 방출된 형광(F)은 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광되고 분배 반사경(27)에 의해 반사된 다음 형광전송용 광파이버(17)로 유도되며, 이것은 상기 레이저광 조사의 모든 범위에 포함된 성분의 양을 효율적으로 측정하는 것을 가능하게 한다. 동시에, 상기 리튬 코인 배터리의 넓은 범위로부터 방출된 형광(F)은 거의 같은 감도로 측정될 수 있다. 즉, 상기 환형 펄스 레이저광(L)의 조사의 결과로서 방출된 환형 형광(F)은 균일한 감도로 측정될 수 있기 때문에, 상기 리튬 코인 배터리의 레이저 조사의 전 범위에서 리튬 전해질의 누출이 측정될 수 있다. 따라서, 상기 리튬 코인 배터리는 넓은 범위에 걸쳐 매우 정확히 분석될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예를 도시한다.
집광조사수단(29)은 펄스 레이저광(L)을 라인(線)으로 정형하는 정형수단(41)으로서 도넛형(toroidal) 렌즈 그룹(45)과 상기 도넛형 렌즈 그룹(45)에 의해 라인으로 정형된 펄스 레이저광(L)을 집광하는 집광수단으로서 집광렌즈 그룹(30)을 포함한다.
도넛형 렌즈 그룹(45)은 광학시스템 유닛(13)의 바디 튜브(25)의 후위 앵커 측부에 제공된다. 집광렌즈 그룹(30)은 광학시스템 유닛(13)의 바디 튜브(25)의 종단에 제공된다.
분배 반사경(27)은 광학시스템 유닛(13)의 바디 튜브(25)의 종단에 근접하도록 집광렌즈 그룹(30)과 도넛형 렌즈 그룹(45) 사이에 설치된다.
제 1 도넛형 렌즈(46)와 제 2 도넛형 렌즈(47)를 구비한 도넛형 렌즈 그룹(45)은 펄스 레이저광(L)을 세로 방향 길이가 예컨대 1 mm 이상 5 mm 이하인 라인으로, 구체적으로는 길고, 가늘고, 평평한 타원으로 정형한다.
집광렌즈 그룹(30)은, 레이저광 입사면이 거의 평평한 볼록면이 되도록 돌출하고 레이저광 출사면은 오목한 면이 되도록 움푹 들어간 오목 렌즈인 제 1 렌즈(31)와, 레이저광 입사면이 돌출하여 거의 평평한 볼록면이고 레이저광 출사면은 돌출하여 볼록면을 이루는 볼록 렌즈인 제 2 렌즈와, 레이저광 입사면이 돌출하여 볼록면을 이루고 레이저광 출사면이 돌출하여 거의 평평한 볼록 렌즈인 제 3 렌즈(33)와 레이저광 입사면이 돌출하여 볼록면을 이루고 레이저광 출사면이 평평한 제 3 도넛형 렌즈인 제 4 렌즈(34)를 포함한다.
그 다음에, 레이저광 전송용 광파이버(16)를 통해 전송된 펄스 레이저광(L)은 상기 도넛형 렌즈 그룹(45)에 의해 라인으로 정형되고 분배 반사경(27)을 통과한다. 그 다음에, 상기 라인형 펄스 레이저광은 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광되며, 상기 집광렌즈 그룹은 상기 집광된 레이저광을 분석대상물(12)의 표면 위에 조사한다.
상기한 바와 같이, 분석대상물(12) 위에 상기 라인형 펄스 레이저광(L)을 조사하는 것은 분석대상물(12)로부터 라인으로 방출된 형광(L)이 균일한 감도로 측정될 수 있도록 하기 때문에, 상기 제 2 실시예와 같은 작용상의 효과를 생성하는 것이 가능하다.
도 7과 8은 본 발명의 제 4 실시예를 도시한다. 광학시스템 유닛(13)의 집광렌즈 그룹(30)은 펄스 레이저광(L)을 직경(φ)이 1 mm 이상 2.5 mm 이하인 원형 펄스 레이저광(L)으로 집광하여 상기 원형 펄스 레이저광을 분석대상물(12) 위에 조사한다.
광학시스템 유닛(13)의 분배 반사경(27)보다 종단에 더 근접한 바디 튜브(25)에는, 상기 분배 반사경(27)을 통과한 펄스 레이저광(L)을 편광시켜 평행 빔으로 정형하는 정형수단(41)으로서 렌즈 그룹(50)이 제공된다. 상기 렌즈 그룹(50)은, 상부면이 평평하고 하부면이 돌출하여 볼록면을 이루는 제 1 렌즈와, 상부면이 돌출하여 볼록면을 이루고 하부면이 움푹 들어가서 오목면인 제 2 렌즈를 구비한다.
렌즈 그룹(50)을 통과한 원형 평행 펄스 레이저광(L)의 광 경로 상에는, 상기 원형 평행 펄스 레이저광(L)을 원(circle) 즉, 직경(φ)이 예를 들면 1 mm 이상 2.5 mm 이하인 조사 애퍼처(aperture)로 집광하고 상기 집광된 펄스 레이저광(L)을 분석대상물(12) 위에 조사하는 집광렌즈 그룹(30)이 제공된다. 상기 집광렌즈 그룹(30)은 상부 면과 하부면이 각각 돌출하여 볼록면을 이루는 볼록 렌즈인 제 3 렌즈와, 상면이 돌출하여 볼록면을 이루고 하부면이 평평한 제 4 렌즈(54)를 구비한다.
그 다음에, 레이저광 전송용 광파이버(16)를 통해 전송된 펄스 레이저광(L)은 제 1 렌즈 그룹(50)에 의해 원으로 정형되고 분배 반사경(27)을 통과한다. 그 다음에, 상기 원형 펄스 레이저광은 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광되며, 집광렌즈 그룹은 상기 집광된 레이저광을 분석대상물(12)의 표면 위에 조사한다. 도 8은 분석대상물(12)의 표면 위에 조사된 직경(φ)이 1 mm 이상 2.5 mm 이하인 원형 펄스 레이저광(L)을 도시한다.
상기한 바와 같이, 원형의 포인트로 집광된 펄스 레이저광(L)을 분석대상물(12) 위로 조사하는 것은 분석대상물(12)로부터 원으로 방출된 형광(L)이 균일한 감도로 측정될 수 있도록 하기 때문에, 제 2 실시예와 같은 작용 효과를 생성하는 것이 가능하다.
다음에, 도 9는 본 발명의 제 5 실시예를 도시한다. 광학시스템 유닛(13)에는, 형광 가이드 튜브(26)가 그 축선이 바디 튜브(25)의 축선과 평행이 되도록 바디 튜브(25)의 측면에 설치된다. 형광 가이드 튜브(26)의 후위 앵커 또는 일단은 바디 튜브(25)의 후위 앵커의 위치와 거의 같은 위치에 설치된다. 형광 가이트 튜브(26)의 타단(tip)은 바디 튜브(25)의 매개부와 연결되어 개방된다.
형광전송용 광파이버(17)의 일단은 형광 가이드 튜브(26)의 후위 앵커에 연결되어 유지된다. 상기 형광전송용 광파이버(17)의 일단의 형광 입사면(17a)은 형광 가이드 튜브(26)의 축선 상의 한 위치에 대응하도록 설치된다.
형광 가이드 튜브(26)의 종단에는, 분배 반사경(27)의 형광 반사면(28)에 의해 반사되어 형광 가이드 튜브(26) 안으로 유도된 형광(F)을, 형광전송용 광파이버(17)의 형광 입사면(17a)을 향해 반사하는 반사수단으로서 반사경(57)이 제공되며, 여기서 상기 형광(F)은 형광 가이드 튜브(26)의 축선과, 반사경(57)에 의해 반사된 형광(F)을 집광하고 상기 집광된 형광(F)을 형광전송용 광파이버(17)의 형광입사면(17a)으로 유도하는 형광 집광렌즈(35)를 따라 진행한다.
형광 가이드 튜브(26)와 반사경(57) 등의 구성 이외의 구성은 제 1 실시예와 동일하다.
그 다음에, 레이저광 전송용 광파이버(16)를 통해 전송된 펄스 레이저광(L)은 분배 반사경(27)을 통과하고 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광되어 분석대상물(12)의 표면 위에 조사된다.
분석대상물(12)의 표면에 포함된 원자들로부터 방출된 형광(F)은 집광렌즈 그룹(30)으로 들어간다. 집광렌즈 그룹(30)은 형광(F)을 집광한다. 집광된 형광(L)은 분배 반사경(27)의 형광 반사면(28)에 의해 반사되고 형광 가이드 튜브(26)로 유도된다. 형광 가이드 튜브(26)로 유도된 형광(F)은 반사경(57)에 의해 반사되고 형광 집광렌즈(35)에 의해 집광된다. 상기 집광된 형광은 상기 형광전송용 광파이버(17)의 형광 입사면(17a)으로 유도된다.
상기한 바와 같이, 분배 반사경(27)의 형광 반사면(28)에 의해 반사되어 형광 가이드 튜브(26)에 유도된 형광(F)은 반사경(57)에 의해 반사되며, 이에 의해 광학시스템 유닛(13)의 바디 튜브(25)를 형광 가이드 튜브(26)와 평행하게 정렬할 수 있을 뿐만 아니라 광학시스템 유닛(13) 대한 광파이버(16)의 연결 방향을 광파이버(17)의 방향과 같게 할 수 있으며, 이것은 광학시스템 유닛(13)이 더욱 콤팩트하게 만들어질 수 있도록 한다.
다음에, 도 10은 본 발명의 제 6 실시예를 도시한다. 광학시스템 유닛(13)은 바디 튜브(25)를 구비한다. 바디 튜브(25)의 후위 앵커에는, 레이저광 전송용 광파이버(16)와 형광전송용 광파이버(17)가 설치된다. 바디 튜브(25)의 종단에는 집광렌즈 그룹(30)이 설치된다.
레이저광 전송용 광파이버(16)는 바디 튜브(25)의 축선의 위치에 대응하도록 설치된다. 형광전송용 광파이버(17)는, 그것의 형광 입사면(17a)이 레이저광 전송용 광파이버(16)의 레이저광 출사면(16a) 보다는 오히려 집광렌즈 그룹(30)을 향해서 돌출하도록 레이저광 전송용 광파이버(16)의 측면에 설치된다.
집광렌즈 그룹(30)은 제 1 실시예와 같은 방법으로 구성된다. 레이저광 전송용 광파이버(16)를 통해서 전송되고 레이저광 출사면(16a)으로부터 출력된 펄스 레이저광(L)은 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광되어 분석대상물(12)의 표면 위에 조사된다.
분석대상물(12)의 표면에 포함된 원자들로부터 방출된 형광(F)은 집광렌즈 그룹(30)으로 진입한다. 상기 집광렌즈 그룹(30)은 상기 형광을 집광하고 그것을 형광전송용 광파이버(17)의 형광 입사면(17a)으로 유도한다.
상기한 바와 같이, 분석대상물(12)의 표면에 포함된 원자들로부터 방출된 형광(F)은 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광되어 형광전송용 광파이버(17)의 형광 입사면(17a)으로 유도될 수 있다. 따라서, 형광(F)의 집광률이 다소 감소하더라도 충분한 성능을 얻을 수 있고 광학시스템 유닛(13)을 콤팩트하게 하는 것이 가능하다.
형광전송용 광파이버(17)의 형광 입사면(17a)이 레이저광 전송용 광파이버(16)의 레이저광 출사면(16a) 보다 오히려 집광렌즈 그룹(30)을 향해서 돌출하도록 정렬하면 펄스 레이저광(L)이 형광전송용 광파이버(17)의 형광 입사면(17a)에 진입하는 것을 방지하여 상기 형광(F)의 집광률을 향상시키는 것이 가능하다.
다음에, 도 11과 12는 본 발명의 제 7 실시예를 도시한다. 광학시스템 유닛(13)은 바디 튜브(25)를 구비한다. 바디 튜브(25)의 후위 앵커에는, 레이저광 전송용 광파이버(16)와 복수의 형광전송용 광파이버(17)가 설치된다. 바디 튜브(25)의 종단에는 집광렌즈 그룹(30)이 설치된다.
상기 레이저광 전송용 광파이버(16)는 바디 튜브(25)의 축선의 위치에 대응하도록 설치된다. 형광전송용 광파이버(17) 각각은, 레이저광 전송용 광파이버(16)의 직경보다 더 작은 직경을 갖도록 형성된다. 형광전송용 광파이버(17)는 형광전송용 광파이버(17) 각각의 형광 입사면(17a)이 레이저광 전송용 광파이버(16)의 레이저광 출사면(16a) 보다는 오히려 집광렌즈 그룹(30)을 향해서 돌출하도록 레이저광 전송용 광파이버(16)의 주위에 설치된다.
집광렌즈 그룹(30)은 제 1 실시예와 같은 방법으로 구성된다. 형광측정기구(19)는 상기 복수의 형광전송용 광파이버(17)를 통해 전송된 형광(F)의 파장과 세기를 측정한다. 레이저광 전송용 광파이버(16)를 통해서 전송되어 레이저광 출사면(16a)으로부터 출력된 펄스 레이저광(L)은 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광되어 분석대상물(12)의 표면 위에 조사된다.
분석대상물(12)의 표면에 포함된 원자들로부터 방출된 형광(F)은 집광렌즈 그룹(30)으로 진입한다. 상기 집광렌즈 그룹(30)은 상기 형광을 집광하고 그것을 복수의 형광전송용 광파이버(17)의 형광 입사면(17a)으로 유도한다.
상기한 바와 같이, 분석대상물(12)의 표면에 포함된 원자들로부터 방출된 형광(F)은 집광렌즈 그룹(30)에 의해 집광되어 상기 복수의 형광전송용 광파이버(17)의 형광 입사면(17a)으로 유도될 수 있다. 따라서, 형광(F)의 집광률이 다소 감소하더라도 충분한 성능을 얻을 수 있고 광학시스템 유닛(13)을 콤팩트하게 하는 것이 가능하다.
형광전송용 광파이버(17) 각각의 형광 입사면(17a)이 레이저광 전송용 광파이버(16)의 레이저광 출사면(16a)보다 오히려 집광렌즈 그룹(30)을 향해서 돌출하도록 정렬하면 상기 펄스 레이저광(L)이 형광전송용 광파이버(17) 각각의 형광 입사면(17a)에 진입하는 것을 방지하여 상기 형광(F)의 집광률을 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명이 실시되는 경우, 성분들은 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 수정될 수 있다.
또한, 상기 실시예들의 성분들을 적절히 결합함으로써 다양한 발명이 이루어질 수 있을 것이다.
각 실시예의 일부 성분들은 생략될 수 있으며, 다른 실시예의 성분들이 적절히 결합될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분석장치의 광학시스템 유닛의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분석장치의 구성도이고,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분석장치 내의 분배 거울의 파장, 투과율 및 반사율 사이의 관계를 도시한 그래프이고,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 분석장치의 광학시스템 유닛의 단면도이고,
도 5는 제 2 실시예의 분석장치에 의해 조사된 레이저광의 설명도이고,
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 분석장치의 광학시스템 유닛의 단면도이고,
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 분석장치의 광학시스템 유닛의 단면도이고,
도 8은 제 4 실시예의 분석장치에 의해 조사된 레이저광의 설명도이고,
도 9는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 분석장치의 광학시스템 유닛의 단면도이고,
도 10은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 분석장치의 광학시스템 유닛의 단면도이고,
도 11은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 분석장치의 광학시스템 유닛의 단면도이고,
도 12는 제 7 실시예의 분석장치 내의 형광전송용 광파이버와 레이저광 전송용 광파이버 사이의 위치 관계도이다.

Claims (5)

  1. 분석장치에 있어서,
    레이저광을 출력하는 레이저광 출사면을 갖고, 상기 레이저광을 전송하여 상기 레이저광 출사면으로부터 출력하는 레이저광 전송용 광파이버;
    형광을 입사하는 형광 입사면을 갖고, 상기 형광 입사면으로부터 상기 형광을 입사하여 상기 형광을 전송하는 형광전송용 광파이버;
    상기 레이저광 전송용 광파이버의 상기 레이저광 출사면으로부터 출력되는 상기 레이저광을 환형으로 정형 및 집광하여 분석대상물에 조사시키고 또한 상기 레이저광 조사에 의해 상기 분석대상물로부터 방출되는 상기 형광을 집광하여 상기 형광전송용 광파이버의 상기 형광 입사면으로 유도하는 집광조사수단을 구비하는 광학시스템 유닛; 및
    상기 형광전송용 광파이버로 전송되는 상기 형광에 기초하여 상기 분석대상물에 함유된 성분의 양을 측정하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석장치.
  2. 분석장치에 있어서,
    레이저광을 출력하는 레이저광 출사면을 갖고, 상기 레이저광을 전송하여 상기 레이저광 출사면으로부터 출력하는 레이저광 전송용 광파이버;
    형광을 입사하는 형광 입사면을 갖고, 상기 형광 입사면으로부터 상기 형광을 입사하여 상기 형광을 전송하는 형광전송용 광파이버;
    상기 레이저광 전송용 광파이버의 상기 레이저광 출사면으로부터 출력되는 상기 레이저광을 선형으로 정형 및 집광하여 분석대상물에 조사시키고 또한 상기 레이저광 조사에 의해 상기 분석대상물로부터 방출되는 상기 형광을 집광하여 상기 형광전송용 광파이버의 상기 형광 입사면으로 유도하는 집광조사수단을 구비하는 광학시스템 유닛; 및
    상기 형광전송용 광파이버로 전송되는 상기 형광에 기초하여 상기 분석대상물에 함유된 성분의 양을 측정하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 형광전송용 광파이버는 복수이고, 상기 레이저광 전송용 광파이버의 둘레에 설치되는 것을 특징으로 하는 분석장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 집광조사수단은 상기 레이저광을 정형하는 정형수단, 및 상기 정형수단에 의해 정형된 상기 레이저광을 집광하는 집광수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 집광조사수단은 상기 레이저광을 정형하는 정형수단, 및 상기 정형수단에 의해 정형된 상기 레이저광을 집광하는 집광수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
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