KR20170117387A - 가스를 검출하기 위한 광학적 필터링 장치 - Google Patents

가스를 검출하기 위한 광학적 필터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적외선 파장들을 반사할 수 있는 복수의 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)를 수용하는 관형 통로를 포함하는 부재(22, 24, 26)를 포함하는, 특히 원격으로 가스를 검출하기 위한 광학적 필터링 장치(10)에 관한 것이며, 상기 반사 구조체들(34a, 34b, 34c, 34d)은 상기 관형 통로의 축을 따라 연장되고 상기 축을 중심으로 배열된다. 본 발명에 따르면, 상기 반사 구조체들(34a, 34b, 34c, 34d)은 적외선 스펙트럼 대역에 위치하는 상이한 파장들의 대역들을 흡수함으로써 필터링하는 필터링 수단을 포함한다.

Description

가스를 검출하기 위한 광학적 필터링 장치{OPTICAL FILTERING DEVICE FOR DETECTING GAS}
본 발명은 광학적 파장 필터링 장치, 및 상기 광학적 필터링 장치에 의한 원격 광학적 가스 검출을 위한 장치에 관한 것이며, 특히, 이러한 장치는 화학 공장, 정제소, 가스 저장 설비 등과 같은 산업 현장을 모니터링하는데 적용 가능하다. 본 발명은 명백하게 전술한 용도들로 국한되지 않으며, 예를 들어, 유해 가스가 사용될 수 있는 충돌 지역에서 군사 작전 시에 사용될 수도 있다.
문헌 EP-A-0544962 및 WO 03/044499는 광학적 측정 필터들 및 기준 필터들과 연관된 적외선 촬상기를 개시하며, 상기 측정 필터들 및 기준 필터들은 상기 적외선 촬상기의 광학 축 상에 연속적으로 배치되며, 상기 측정 필터들은 목표 가스의 흡수 라인을 포함하는 대역폭을 가지며 상기 기준 필터들은 이러한 흡수 라인에 대해 상보적이다. 관측된 영역의 바닥은 적외선 소스로서 사용되며, 목표 가스의 존재는 이러한 필터들을 통해 취해진 적외선 이미지들 차동 프로세싱을 적용함으로써 입증되며, 이로써 상기 차동 프로세싱은 검출된 가스의 농도가 계산되게 한다.
편리하게, 이러한 측정 필터 및 기준 필터들의 세트는 동력화된 회전 디스크에 의해 운반되며 이로써 필터들은 촬상기의 광학 축 상으로 연속적으로 배치되게된다. 필터들의 대역폭들에 대응하는 다양한 스펙트럼 대역들에서 관측된 영역의 이미지들은 순차적으로 수집되고, 필터 변화에 대응하는 시간 간격들만큼 서로 시간적으로 이격된다. 이러한 시간 간격들은 촬상기의 전체 민감도를 저하시키며, 이는 필터 변화 동안 "블라인드(blind)"가 된다. 또한, 동일한 스펙트럼 대역에서 관측된 영역의 두 개의 연속적인 이미지들은 필터 휠이 전체 회전을 완료하는데 걸리는 시간에 상응하는 비교적 긴 기간만큼 이격되며, 이는 프로세싱된 이미지의 시간적 코히어런스(temporal coherence)에 영향을 미치고 관측된 영역에서 빠른 움직임이 감지되는 경우에 문제가 일으킨다.
또한, 필터 휠을 동력화시키는 수단은 소음 및 진동의 원인이며, 촬상기의 전반적인 신뢰성을 저하시킨다. 또한, 가동 부재, 즉 휠의 사용은 장치에 전달되는 진동의 수준이, 이러한 진동이 회전 부재의 작동에 영향을 미치지 않도록, 제어되어야 함을 암시한다.
또한, 튜브의 축을 따르며 이 축을 중심으로 나란히 배열된 복수의 연장형 미러들을 수용하는 튜브를 포함하는 필터링 장치가 공지되어있다. 관측된 공간 영역에서 오는 광속(luminous flux)은 튜브 내에서 전파되어 미러들에서 반사되고, 이는 만화경의 잘 알려진 작동 원리에 따라서 미러들의 개수 및 배열의 함수인 개수 및 형상을 갖는 복수의 서브이미지(sub-image)들의 형성으로 이어진다. 광검출기들의 어레이는 다양한 이미지들을 수집하기 위해 튜브의 출구에 배치된다. 따라서, 각각이 상이한 주파수 대역을 흡수하도록 의도된 복수의 병치된 영역들을 포함하는 평면 필터를 배치하는 것이 제안되었다.
이러한 구성은 복수의 상이한 주파수 대역에서 시간 필터링이 수행되는 것을 가능하게 하지만, 필터링된 광선들을 검출기들의 어레이 상으로 포커싱시키는 포커싱 수단을 필터의 하류에 추가할 것을 요구하기 때문에 평면 필터의 사용은 용이하지 않다고 입증되었다.
본 발명은 특히 간단하고, 효과적이고 경제적인 방식으로 이러한 단점들을 피하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명은 적외선 파장들을 반사할 수 있는 복수의 반사 구조체를 수용하는 관형 통로(tubular passage)를 포함하는 부재를 포함하는, 특히 원격 가스 검출을 위한 광학적 필터링 장치를 제공하며, 상기 반사 구조체들은 상기 관형 통로의 축을 따라 연장되고 상기 축을 중심으로 배열되며, 상기 반사 구조체들은 적외선 스펙트럼 대역에 위치하는 상이한 파장들의 대역들을 흡수함으로써 필터링하는 필터링 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 복수의 필터링 영역을 포함하는 평면 필터의 사용이 불필요하게 되도록 반사 구조체들에 의해 지지되는 필터링 구조체들에 의해 필터링이 수행되는 것을 제안한다. 또한, 이러한 구성은 상기 필터링 수단이 반사 구조체들 내로 통합되기 때문에, 광학적 필터링 장치에 의해 요구되는 공간이 그의 광학 축 방향으로 감소되게 한다.
가동 필터 휠을 포함하는 장치와 비교하여, 장치의 진동 및 진동에 대한 민감성이 또한 제거된다. 따라서, 본 발명에 따른 필터링 장치는 가동 부품들이 없기 때문에, 예를 들어, 드론 또는 헬리콥터와 같은 상당한 진동에 노출된 환경에서 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 반사 구조체들은 적어도 적외선 파장들, 즉 0.78 ㎛ 내지 5 ㎜의 파장들을 반사할 수 있다. 실제로, 광학적 필터링 장치가 가스 검출 장치에 사용될 때, 검출될 가스의 존재를 나타내는 파장들은 적외선 범위에 위치한다. 보다 구체적으로, 흡수 대역의 파장들은 중간 적외선 범위, 즉 3 내지 50 ㎛, 근적외선 범위, 즉 0.78 ㎛ 내지 3 ㎛, 및 원적외선 범위, 즉 50 ㎛ 내지 5 mm 내에 위치할 것이다.
본 발명의 또 다른 특성에 따르면, 상기 반사 구조체들 중 적어도 하나는 상기 필터링 수단을 지지하는 지지체를 포함한다. 실제적인 실시예에서, 상기 필터링 수단은 표면 플라즈몬 구조체에 의해 형성된다.
표면 플라즈몬 구조체의 사용은 투과 시에 작동하는 대역-스톱 필터(band-stop filter)의 경우에 잘 알려져 있지만, 이러한 유형의 필터링 구조체는 반사 시에 사용된 적이 없으며, 사각 입사각(grazing angle), 즉 약 60°내지 80°(법선에 대해서 측정됨)의 구성에서는 더 덜 사용된다. 또한, 만화경 타입의 광학적 필터링 장치 내에 표면 플라즈몬 구조체를 통합하는 것이 결코 제안된 적이 없다. 마지막으로, 표면 플라즈몬 구조체는 소정의 주파수 대역의 반사/흡수 측면에서 특히 효과적이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 표면 플라즈몬 구조체들 중 적어도 하나는, 상기 지지체와 접촉하는 금속성 재료 층; 상기 금속성 재료 층을 피복하는 유전체 재료 층; 및 상기 유전체 재료 층에 의해서 지지되는 복수의 패드들(pads)을 포함하며, 상기 복수의 패드들은 소정의 반사 파장 대역들의 흡수를 구현하도록 치수를 가지며 서로 이격된다.
상기 각각의 표면 플라즈몬 구조체에 대해, 상기 패드들은 상기 패드들 사이에 일정한 간격을 갖는 2차원 어레이로 분포된다. 상기 패드들은 원통형 형상을 가지며, 상기 원통형 형상은 상기 금속성 재료 층 및 상기 유전체 재료 층에 실질적으로 수직인 회전축을 갖는다. 따라서, 상기 패드들은 디스크 형상의 단면을 갖는다. 다른 형상, 예를 들어, 정사각형 단면 형상을 갖는 패드들도 역시 가능하다.
본 발명의 다른 특성에 따라서, 본 광학적 필터링 장치는 2개씩 상이한 흡수 대역들을 갖는 3개 이상의 반사 구조체를 포함한다.
본 발명은 또한 원격 광학적 가스 검출 장치에 관한 것이며, 본 원격 광학적 가스 검출 장치는 상술한 바와 같은 광학적 필터링 장치, 광검출기 세트, 및 상기 광학적 필터링 장치를 통해서 관측될 공간 영역으로부터의 이미지들을 상기 광검출기 세트 상으로 포커싱하기 위한 광학적 포커싱 수단을 포함한다.
바람직하게는, 본 원격 광학적 가스 검출 장치는 상기 광학적 필터링 장치의 입구 렌즈와 상기 관형 통로의 입구 사이 또는 상기 관형 통로의 출구와 상기 감지 요소 세트 사이에 삽입된 조리개(diaphram)를 포함한다.
조리개의 개구의 직경에 따라서, 광검출기의 어레이 상의 이미지들 간에 블랙 중간 영역이 형성되며, 이는 인접하는 감지 요소들 사이의 임의의 결합 작용을 제거함으로써 이미지 프로세싱 작업을 용이하게 한다.
본 발명의 다른 세부 사항, 특성 및 이점은 첨부된 도면을 참조하면서 비한정적인 예로서 주어진 다음의 설명을 읽을 때 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광학적 필터링 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광학적 필터링 장치의 제 1 실시예에 따른 관형 통로의 개략적인 사시도이다.
도 3은 표면 플라즈몬 필터링을 위해 사용된 이중층 재료에 의해 운반된 패드의 개략적인 사시도이다.
도 4는 패드들의 개략적인 평면도이다.
도 5는 도 2에 따른 관형 통로를 사용하여 광검출기 어레이 상에서 획득된 서브이미지들의 개략도이다.
도 6은 도 5과 유사한 도면이며, 도 6은 조리개가 관형 통로의 입구에 배치된 경우에 대응한다.
도 7 및 도 8은 미러들을 수용하는 관형 통로에 대한 2 개의 다른 가능한 형상들의 도면들이다.
도 9는 4 개의 곡선을 포함하는 그래프를 나타내며, 각 곡선은 주어진 반사 구조에 대한 파장의 함수로서 반사 계수의 변화 과정을 나타낸다.
먼저 도 1을 참조하면, 도 1은 예를 들어, 본 발명에 따라서 관측된 공간 영역으로부터 나오는 전자기 플럭스를 수신하고 이를 필터링 장치(14)의 입력부로 향하게 하도록 구성된 하나 또는 수 개의 렌즈에 의해 형성된 대물렌즈와 같은 제 1 광학적 입력 수단(12), 및 상기 필터링 장치에 의해 출력된 전자기 플럭스를 계산 및 프로세싱 수단(20)에 연결된 광검출기와 같은 감지 요소 세트(18) 상에 포커싱시키는 제 2 광학적 출력 수단(16)을 포함하는, 본 발명에 따른 원격 광학 가스 검출 용 장치(10)를 개략적으로 도시한다.
광학적 필터링 장치(14)는 도 2에 도시된 바와 같은 튜브(22)를 포함하며, 상기 튜브는 관형 통로를 형성하는 정사각형 단면을 갖는다. 본 발명은 물론 이러한 실시예로 한정되지 않으며, 예를 들어, 튜브는 직사각형 단면, 삼각형 단면(24)(도 6) 또는 육각형 단면(26)(도 7)을 가질 수도 있다
이하에서, "튜브"라는 용어는 후술되는 바와 같은 복수의 반사 구조체를 수용할 수 있는 관형 통로를 포함하는 임의의 부분을 의미하기 위해 사용된다.
따라서, 튜브(22)는 가스 검출 장치의 광학 축(30)과 일치하는 축(28)을 따라 연장되고 내부에 다수의 평면 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)를 포함한다. 반사 구조체들은 광학 축(28)의 방향으로 연장된다. 튜브(22)의 각 내측 면은 관측된 공간 구역(36)으로부터 오는 방사 플럭스의 입구를 형성하는 제 1 단부로부터 상기 감지 요소들의 어레이(18)의 방향으로의 상기 플럭스의 출구를 형성하는 반대편 제 2 단부로 연장되는 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 각각의 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)는 기계적 지지 기능을 제공하도록 구성된 기판(38)을 포함한다. 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)는 평면형이고 입구(19) 및 출구(21)를 포함하는 관형 통로의 축(18)을 따라 연장된다. 각각의 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)는 관형 통로(22)의 내측을 향해서 배향되게 구성된 면(23)을 포함한다. 반사 구조체들(34a, 34b, 34c, 34d)은 둘레 방향으로 배열되도록 관형 통로(22)의 축(18)을 중심으로 분포되며, 즉 관형 통로의 축(18)을 중심으로 서로 둘레 방향으로 인접하게 배열된다. 따라서. 각 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)의 면(23)에 대한 법선(25)이 관형 통로(22)의 축(18)에 수직하도록 반사 구조체들은 배향된다.
각각의 기판 또는 지지체(38)는 금속 재료 층(40) 및 유전체 재료 층(42)으로 구성된 이중층 구조체를 지지하며, 상기 금속 재료 층(40)은 제 1 면을 통해 지지체(38)와 접촉하고 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 가지며, 상기 제 2 면은 유전체 재료 층(42)으로 피복되며, 상기 유전체 재료 층(42)은 상기 금속 재료 층(40)의 반대편에 있는 복수의 패드(44)를 지지한다(도 3 및 도 4 참조). 따라서, 각각의 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)는 금속 재료 층(40), 유전체 재료 층(42) 및 패드들의 배열을 포함한다.
따라서, 본 발명은 복수의 반사 구조체들을 사용하며, 각 반사 구조체는 예를 들어, 흡수된 파장 대역을 결정하는 치수 및 분포를 갖는 패드들(44)을 포함하는 플라즈몬성 구조체(plasmonic structure)(34a, 34b, 34c, 34d)를 갖는다. 보다 구체적으로, 패드들(44)은 유전체 층(42)의 표면 상에 규칙적인 방식으로 배열된다. 따라서, 각각의 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)는 광학 축(30)의 방향으로 정렬될 수 있는 패드들(44)의 몇 개의 열들(46)을 포함한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 각 패드(44)는 원통형 구조를 가지며, 이 원통형 구조는 금속 층(40) 및 유전체 층(42)에 실질적으로 수직인 회전 축을 갖는다.
각각의 플라즈몬성 구조체의 흡수 대역은 2 개의 패드들(44) 사이의 간격(d) 및 각각의 패드(44)의 직경(D)을 변화시킴으로써 간단히 변화될 수 있다(도 4 참조).
도 5는 도 2에 도시된 바와 같은 정방형 단면 튜브(22)를 통과한 후에 검출기 어레이(18)에 의해 기록된 관측된 공간 영역(36)의 이미지(48)를 도시한다. 또한, 도 6은 이미지(50)를 도시하며 이 이미지는 일련의 유사한 이미지들로 구성되며 그러나 제 1 광학 수단(12)과 튜브(22)의 입구 사이에 다이어프램(도시되지 않음)을 추가함으로써 얻어진 블랙 대역(black band)만큼 서로 분리된다.
도 5 및 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 각 이미지는 9개의 서브이미지(A1-A9)를 포함하며, 이로써 중앙 이미지(A1)는 공간 영역(36)의 필터링되지 않은 이미지에 대응하고, 상부 위치의 서브이미지(A2)는 관측된 공간 영역(36)의 방사 플럭스를 하부 플라즈몬성 미러(34c) 상으로 반사시킨 후에 획득되며, 하부 위치의 서브이미지(A3)는 관측된 공간 영역(36)의 방사 플럭스를 상부 플라즈몬성 미러(34a) 상으로 반사시킨 후에 획득되며, 좌측 위치의 서브이미지(A4)는 관측된 공간 영역(36)의 방사 플럭스를 그의 입구로부터 튜브(22)를 볼 때에 우측에 있는 우측 플라즈몬성 미러(34b) 상으로 반사시킨 후에 획득되며, 우측 위치의 서브이미지(A5)는 관측된 공간 영역(36)의 방사 플럭스를 그의 입구로부터 튜브(22)를 볼 때에 좍측에 있는 좌측 플라즈몬성 미러(34d) 상으로 반사시킨 후에 획득된다. 코너들에 위치한 서브이미지들(A6-A9)는 두 개의 인접한 미러들 상에서의 방사 플럭스의 반사 및, 이로써, 두 개의 상이한 적외선 파장 대역들에서의 두 개의 흡수에 대응한다.
따라서, 본 발명에 따른 가스 검출 장치는 적외선 파장을 반사할 수 있고 검출될 가스의 흡수 라인을 포함하는, 소정의 대역의 적외선 파장을 흡수할 수 있는 복수의 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)를 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 장치를 사용하여, 여러 유형의 가스가 동시에 검출될 수 있다. 또한, 필터링된 하부 서브이미지(A3), 필터링된 상부 서브이미지(A1), 필터링된 우측 서브이미지(A5) 및 필터링된 좌측 서브이미지(A4), 및 검출기 어레이 상의 중앙 서브이미지(A1)에 대응하는 관측된 공간 영역의 필터링되지 않은 이미지를 동시에 획득함으로써, 플라즈몬성 미러들의 흡수 대역들 중 하나에 위치한 적외선 흡수 대역을 갖는 검출된 가스의 존재 또는 부재를 감법 추론(deducing by subtraction)할 수 있다.
도 9는 횡축이 적외선 방사 대역에서의 마이크로미터 단위의 파장을 나타내고, 종축이 반사율을 나타내는 그래프를 나타낸다. 각 곡선(48a, 48b, 48c, 48d)은 도 2에 도시된 바와 같은 미러들 중 하나에 대한 반사율의 변화를 나타낸다.
실제적인 실시예에서, 지지체는 실리콘으로 제조되고, 금속 층은 크롬으로 만들어지고, 유전체 층은 실리콘으로 만들어지며, 패드는 크롬으로 만들어질 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 실시간 가스 검출을 위한 큰 각도의 개구(aperture)를 허용한다. 검출될 가스 및 그 농도의 분석을 개선하기 위해, 본 발명에 따른 장치(10)는 개구 각이 작지만 화합물들 및 그들의 각각의 농도가 분석된 공간 영역의 소정의 방향에서 정확하게 검출되게 하는 푸리에 변환 분광기와 결합 될 수 있다. 마이크로미러들의 어레이가 관측된 공간 영역으로부터 오는 방사 플럭스를 플라즈몬성 필터 가스 검출 장치 쪽으로 먼저 배향시키기 위해서 사용되고, 가스가 있는 것으로 검출되는 경우에, 마이크로미러들의 일부가 제 2 위치로 배향되어서 상기 방사 플럭스의 일부가 상기 푸리에 변환 분광기 쪽으로 배향될 수 있게 한다.
앞서 설명한 관형 통로의 단면은 그의 전체 길이에 걸쳐서 일정하다는 점이 주목되다. 그러나, 하류 방향으로 폭이 좁아지는(또는 폭이 커지는) 단면, 즉 광이 장치를 통해 센서 요소들의 방향으로 전파되는 방향으로, 폭이 좁아지는(또는 폭이 커지는) 단면을 갖는 튜브를 갖는 것이 고려될 수도 있다. 이로써 얻은 효과는 다이어프램이 추가된 경우인 도 6의 이미지를 참조하여 설명한 것과 유사하다.

Claims (8)

  1. 특히 원격 가스 검출을 위한, 광학적 필터링 장치(10)로서, 적외선 파장들을 반사할 수 있는 복수의 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)를 수용하는 관형 통로를 가지는 부재(22, 24, 26)를 포함하고, 상기 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)는 평면형이고 상기 관형 통로의 축을 따라 연장되어 상기 축 둘레에 배열되는, 광학적 필터링 장치에 있어서,
    상기 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d)는 적외선 스펙트럼 대역에 위치하는 상이한 파장들의 대역들을 흡수함으로써 필터링하는 필터링 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 필터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 구조체(34a, 34b, 34c, 34d) 중 적어도 하나는 표면 플라즈몬 구조체에 의해 형성되는 상기 필터링 수단을 지지하는 지지체(38)를 포함하는, 광학적 필터링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 구조체 중 적어도 하나는, 상기 지지체(38)와 접촉하는 금속성 재료 층(40)을 포함하고, 상기 금속성 재료 층(40)은 복수의 패드(44)를 구비하는 유전체 재료 층(42)에 의해 커버되며, 상기 복수의 패드는 소정의 반사 파장 대역들을 흡수할 수 있도록 치수가 정해지고 서로 이격되는, 광학적 필터링 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    각각의 표면 플라즈몬 구조체에 대해, 상기 패드(44)는 일정한 간격을 갖도록 2차원 배열로 분포되는, 광학적 필터링 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 패드(44)는, 상기 금속성 재료 층(40) 및 유전체 재료 층(42)에 실질적으로 수직인 회전축을 갖는 원통형 형상을 가지는, 광학적 필터링 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개씩 상이한 흡수 대역들을 갖는 3개 이상의 반사 구조체를 포함하는, 광학적 필터링 장치.
  7. 원격 광학적 가스 검출 장치로서,
    제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 광학적 필터링 장치(10)와, 감지 요소 세트(18), 및 상기 필터링 장치를 통해서 관측될 공간 영역으로부터의 이미지를 상기 감지 요소 세트(18) 상에 포커싱하기 위한 광학 수단(16)을 포함하는, 가스 검출 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 필터링 장치의 입구 렌즈(12)와 상기 관형 통로(22)의 입구 사이, 또는 상기 관형 통로(22)의 출구와 상기 감지 요소 세트(18) 사이에 삽입된 조리개(diaphram)를 포함하는, 가스 검출 장치.
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