KR20180021956A - Optical wave guide using parabolic reflectors and an Infrared gas sensor containing the same - Google Patents

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KR20180021956A
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Abstract

The present invention relates to an optical waveguide having a long optical path length by geometrically arranging a reflector and having a high optical efficiency, comprising a first parabolic reflector including a first reflective surface, a second parabolic reflector including a second reflective surface, a third parabolic reflector including a third reflective surface, and at least one planar reflector positioned between the first parabolic reflector and the second parabolic reflector. The first parabolic reflector, the planar reflector, and the second parabolic reflector are disposed so that the first reflective surface, the reflective surface of the planar reflector, and the second reflective surface are opposed to the third reflective surface.

Description

포물 반사체를 이용한 광 도파관 및 이를 구비하는 적외선 가스 센서{Optical wave guide using parabolic reflectors and an Infrared gas sensor containing the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an optical waveguide using parabolic reflectors and an infrared gas sensor including the parabolic reflector and an infrared gas sensor,

본 발명은 포물 반사체를 이용한 광 도파관 및 이를 구비하는 적외선 가스 센서 에 관한 것이다.The present invention relates to an optical waveguide using a parabolic reflector and an infrared gas sensor having the optical waveguide.

광학식 가스 센서의 하나인 비분산 적외선(Nondispersive Infrared: NDIR) 가스 센서는 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용한다. 고감도의 비분산 적외선 가스 센서를 제작하기 위해서는 가스 분자의 광 흡수를 극대화하여야 하는데 이를 위해서는 광원에서 방출된 광이 광 검출기까지 도달하는 거리인 광 경로 길이를 길게 해야 한다. 그러나 광 경로 길이를 길게 하면 광 검출기에 도달하는 광량이 거리의 제곱에 비례하여 감소한다.Nondispersive infrared (NDIR) gas sensors, one of the optical gas sensors, use the property that gas molecules absorb light of a specific wavelength. In order to fabricate a highly sensitive non-dispersive infrared gas sensor, it is necessary to maximize the light absorption of gas molecules. To this end, the length of the optical path, which is the distance that the light emitted from the light source reaches the photodetector, must be lengthened. However, when the optical path length is increased, the amount of light reaching the photodetector decreases in proportion to the square of the distance.

일반적으로 광 경로는 광원에서 방출된 광이 반사체에 의해 반사되어 광 검출기로 도달하도록 반사체를 기하학적으로 설계 및 배치한 광 도파관으로 이루어진다.Generally, the optical path consists of an optical waveguide in which the reflector is geometrically designed and arranged so that the light emitted from the light source is reflected by the reflector and reaches the photodetector.

예컨대, 비분산 적외선 가스 검지는, 전술한 바와 같이, 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하는데, 광 흡수율은 가스 분자마다 다르다. 예를 들어 이산화탄소는 중심 파장대 4.26 ㎛ 부근에서 강한 광 흡수율(약 99%)을 가지며, 일산화탄소는 4.64 ㎛ 중심 파장대 부근에서 약한 광 흡수율(약 30%)을 갖는다. 더구나 이산화탄소 센서는 측정 영역이 상대적으로 고농도이나 일산화탄소 센서의 측정영역은 상대적으로 저농도 영역이다. 이러한 특성 때문에 비분산 적외선 방식의 일산화탄소 센서를 제작하기 위해서는 강한 방출능을 갖는 광원, 감도가 좋은 광 검출기, 및 장 광 경로 길이가 길고 높은 광 효율을 갖는 광 도파관이 필요하다.For example, as described above, the nondispersive infrared gas detection utilizes the property that the gas molecules absorb light of a specific wavelength, and the light absorption rate differs from one gas molecule to another. For example, carbon dioxide has a strong light absorptivity (about 99%) at a center wavelength of about 4.26 μm, and carbon monoxide has a weak light absorption rate (about 30%) at a center wavelength of about 4.64 μm. In addition, the CO2 sensor has a relatively high concentration of the measurement area, while the measurement area of the carbon monoxide sensor is a relatively low concentration area. Due to these characteristics, a non-dispersive IR type carbon monoxide sensor requires a light source with strong emittance, a sensitive photodetector, and an optical waveguide having a long optical path length and a high optical efficiency.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관을 제공하는데 목적이 있다.According to at least one embodiment of the present invention, there is an object to provide an optical waveguide having a long optical path length and high optical efficiency by geometrically arranging the reflector.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관을 구비하는 적외선 가스 센서를 제공하는데 목적이 있다.According to at least one embodiment of the present invention, there is an object to provide an infrared gas sensor comprising a reflector geometrically arranged to provide an optical waveguide having a long optical path length and high optical efficiency.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관은 제1 반사면을 포함하는 제1 포물 반사체, 제2 반사면을 포함하는 제2 포물 반사체, 제3 반사면을 포함하는 제3 포물 반사체, 및 제1 포물 반사체와 제2 포물 반사체 사이에 위치하는 최소한 하나의 평면 반사체를 구비한다. 제1 포물 반사체, 평면 반사체, 및 제2 포물 반사체는 제1 반사면, 평면 반사체의 반사면, 및 제2 반사면이 제3 반사면에 대향하도록 배치된다.A light pipe according to at least one embodiment of the present invention includes a first parabolic reflector including a first reflector, a second parabolic reflector comprising a second reflector, a third parabolic reflector comprising a third reflector, And at least one planar reflector positioned between the first parabolic reflector and the second parabolic reflector. The first parabolic reflector, the planar reflector, and the second parabolic reflector are arranged so that the first reflective surface, the reflective surface of the planar reflector, and the second reflective surface are opposed to the third reflective surface.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 제1 포물 반사체와 제2 포물 반사체는 각각 제1 광축과 제2 광축을 갖고, 제1 광축과 제2 광축은 서로 평행하다.According to at least one embodiment of the present invention, the first parabolic reflector and the second parabolic reflector each have a first optical axis and a second optical axis, wherein the first optical axis and the second optical axis are parallel to each other.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 평면 반사체는 제3 포물 반사체의 초점 위치에 평면 반사체의 반사면이 위치하도록 배치되고, 제1 영역으로 진행한 광이 제1 영역으로부터 반사되어 소정의 각도로 평면 반사체의 반사면으로 진행하도록 구성된다.According to at least one embodiment of the present invention, the planar reflector is arranged so that the reflective surface of the planar reflector is located at the focal position of the third parabolic reflector, and the light traveling to the first area is reflected from the first area, To the reflective surface of the planar reflector.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 제2 포물 반사체의 초점위치에는 광 검출기가 배치되고, 평면 반사체의 반사면으로 진행한 광이 평면 반사체의 반사면에서 반사되어 소정의 각도로 제3 반사면의 제2 영역으로 진행하고, 제2 영역으로 진행한 광이 제2 영역으로부터 반사되어 제2 광축을 따라 제2 반사면으로 진행하고, 제2 반사면으로 진행한 광이 제2 반사면으로부터 반사되어 광 검출기로 수렴하도록 구성된다.According to at least one embodiment of the present invention, a light detector is disposed at the focus position of the second parabolic reflector, and light traveling to the reflective surface of the planar reflector is reflected by the reflective surface of the planar reflector, Light proceeding to the second area is reflected from the second area and travels along the second optical axis to the second reflection surface, and light traveling to the second reflection surface is transmitted from the second reflection surface And converge to the photodetector.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 제1 반사면, 평면 반사체의 반사면, 및 제2 반사면은 공간적으로 동일한 면 상에 위치한다.According to at least one embodiment of the present invention, the first reflective surface, the reflective surface of the planar reflector, and the second reflective surface are located on the same spatially same plane.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 제1 반사면, 평면 반사체의 반사면, 및 제2 반사면은 공간적으로 서로 다른 면 상에 위치한다.According to at least one embodiment of the present invention, the first reflective surface, the reflective surface of the planar reflector, and the second reflective surface are located on different surfaces spatially.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 제1 광축의 길이와 제2 광축의 길이가 동일하다.According to at least one embodiment of the invention, the length of the first optical axis and the length of the second optical axis are the same.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 제1 광축의 길이와 제2 광축의 길이가 서로 다르다.According to at least one embodiment of the present invention, the length of the first optical axis and the length of the second optical axis are different.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 제1 포물 반사체, 평면 반사체, 및 제2 포물 반사체는 제1 반사면, 포물 반사체의 반사면, 및 제2 반사면이 연속하도록 형성된다.According to at least one embodiment of the present invention, the first parabolic reflector, the planar reflector, and the second parabolic reflector are formed so that the first reflective surface, the reflective surface of the parabolic reflector, and the second reflective surface are continuous.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 제1 포물 반사체, 평면 반사체, 및 제2 포물 반사체는 제1 반사면, 포물 반사체의 반사면, 및 제2 반사면 각각의 사이에 소정의 간격을 두고 형성된다.According to at least one embodiment of the present invention, the first parabolic reflector, the planar reflector, and the second parabolic reflector have a predetermined spacing between each of the first reflective surface, the reflective surface of the parabolic reflector, and the second reflective surface, .

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 적외선 가스 센서는 광을 방출하는 광원, 광을 도파하기 위한 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관, 및 광 도파관을 통해 도파된 광을 검출하기 위한 광 검출기를 구비한다.An infrared gas sensor in accordance with at least one embodiment of the invention includes a light source that emits light, an optical waveguide according to at least one embodiment of the present invention for directing light, and an optical waveguide for detecting light guided through the optical waveguide And a photodetector.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 적외선 가스 센서는 광 검출기로부터의 출력을 분석하여 광 도파관 내의 특정 가스의 농도를 산출하는 분석 장치를 더 구비한다.The infrared gas sensor according to at least one embodiment of the present invention further comprises an analyzer for analyzing the output from the photodetector to calculate the concentration of the specific gas in the optical waveguide.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 특정 가스는 일산화탄소(CO)를 포함한다.According to at least one embodiment of the present invention, the specific gas comprises carbon monoxide (CO).

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 광원은 백열광원을 포함하고, 백열광원으로부터의 광을 사용하여 비분산 방식으로 광 도파관 내의 특정 가스의 농도를 검출한다.According to at least one embodiment of the invention, the light source comprises an incandescent light source and detects the concentration of the specific gas in the light waveguide in a non-dispersive manner using light from the incandescent light source.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 광 검출기는 광전 소자, 초전 소자, 열전 소자 중 최소한 하나를 포함한다.According to at least one embodiment of the present invention, the photodetector comprises at least one of a photoelectric element, a superconducting element, and a thermoelectric element.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관을 제공할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to at least one embodiment of the present invention, the reflector is geometrically arranged to provide an optical waveguide having a long optical path length and high optical efficiency.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관의 광학계는 기존 렌즈에서 발생하는 색 수차, 광 경로 상의 구면 수차 문제를 해결할 수 있고, 기존 렌즈를 이용한 것보다 광 효율이 높으므로 광학계의 소형화를 구현할 수 있다.The optical system of the optical waveguide according to at least one embodiment of the present invention can solve the chromatic aberration and the spherical aberration problem on the optical path generated in the conventional lens and can realize the miniaturization of the optical system because the optical efficiency is higher than that using the conventional lens. .

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관의 광학계는 각각의 포물 반사체의 위치를 적절하게 조정함으로써 원하는 광 경로 길이의 광학계를 구성할 수 있다. 예를 들어 본 발명을 비분산 적외선 방식의 가스 센서에 적용한다면, 이산화탄소와 같이 광 흡수율이 높은 가스 검지 시에는 광 경로 길이를 짧게 하여 보다 소형화된 가스 센서를 구성할 수 있고 일산화탄소와 같이 광 흡수율이 낮은 가스 검지 시에는 광 경로 길이를 길게 구성하여 효율적인 가스 센서를 구성할 수 있다.The optical system of the optical waveguide according to at least one embodiment of the present invention can configure the optical system of the desired optical path length by appropriately adjusting the position of each parabolic reflector. For example, when the present invention is applied to a gas sensor of a non-dispersion infrared type, a gas sensor having a smaller optical path length can be constructed at the time of gas detection with a high light absorptivity such as carbon dioxide, An effective gas sensor can be constituted by configuring the optical path length to be long at the time of low gas detection.

도 1은 포물 함수의 기본적인 형태를 나타낸 그래프이다.
도 2는 포물 반사체를 이용한 집광의 예를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관의 제1 포물 반사체(광원측 포물 반사체)와 제2 포물 반사체(검출측 포물 반사체)의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관을 구비한 적외선 가스센서의 개념도이다.
1 is a graph showing a basic form of a parabolic function.
2 is a conceptual diagram showing an example of condensing using a parabolic reflector.
3 is a top view of an optical waveguide according to at least one embodiment of the present invention.
4 is an enlarged view of a first parabolic reflector (light source side parabolic reflector) and a second parabolic reflector (detection side parabolic reflector) of an optical waveguide according to at least one embodiment of the present invention.
5 is a conceptual diagram of an infrared gas sensor having an optical waveguide according to at least one embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 포물 반사체를 이용한 광 도파관 및 이를 구비하는 비분산 적외선 가스 센서를 상세하게 설명한다.Hereinafter, an optical waveguide using a parabolic reflector according to at least one embodiment of the present invention and a non-dispersion infrared gas sensor having the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

포괄적인 의미에서 반사체는 렌즈에 포함되며 투과형 렌즈와 달리 반사형 렌즈라고 할 수 있으나, 본 명세서에서는 통상적인 개념의 렌즈의 범위를 투과형 렌즈에 한정하고, 반사형 렌즈를 반사체라고 칭한다.In a broad sense, a reflector is included in a lens, and unlike a transmissive lens, it can be said to be a reflective lens. However, in the present specification, the scope of a lens of a conventional concept is limited to a transmissive lens, and a reflective lens is called a reflector.

본 발명은의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관은 복수의 포물 반사체를 기본 구성으로 하는 광학계이다. 포물 반사체는 하나의 초점을 가지며 초점에서 방출된 광은 포물 반사체의 반사면에서 반사되어 광축과 평행하게 진행하는 특성을 갖는다.The optical waveguide according to at least one embodiment of the present invention is an optical system having a plurality of parabolic reflectors as a basic constitution. The parabolic reflector has one focal point, and the light emitted from the focal point is reflected from the reflection surface of the parabolic reflector and travels parallel to the optical axis.

도 1은 포물 함수의 기본적인 형태를 나타낸 그래프이다. 광원은 원점(O)에 위치하며 원점을 포함한 x축을 광축으로 한다.1 is a graph showing a basic form of a parabolic function. The light source is located at the origin (O) and the x-axis including the origin is the optical axis.

광원에서 방출된 광은 포물 반사체의 임의의 반사면 A(x, y)에서 반사되어 광축인 x축과 평행하게 진행한다. 포물 반사체의 함수를

Figure pat00001
, 광원에서 방출된 광의 진행하는 방향의 단위 벡터를
Figure pat00002
, 포물 반사체의 반사면의 법선 단위 벡터를
Figure pat00003
, 광축인 x축과 평행한 벡터의 단위 벡터를
Figure pat00004
라 하면 각 벡터는 식(1)~식(4)와 같이 구해진다.The light emitted from the light source is reflected at an arbitrary reflection plane A (x, y) of the parabolic reflector and travels in parallel with the x-axis which is the optical axis. Function of the parabolic reflector
Figure pat00001
, The unit vector of the traveling direction of the light emitted from the light source
Figure pat00002
, The normal unit vector of the reflection surface of the parabolic reflector
Figure pat00003
, A unit vector of a vector parallel to the x axis which is an optical axis
Figure pat00004
(1) to (4), respectively.

Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
+
Figure pat00008
Figure pat00009
식(1)
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
+
Figure pat00008
Figure pat00009
Equation (1)

Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
식(2)
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Equation (2)

Figure pat00013
Figure pat00014
식(3)
Figure pat00013
Figure pat00014
Equation (3)

Figure pat00015
식(4)
Figure pat00015
Equation (4)

(식1)~(식3)에서 ∇은 미분연산자이며,

Figure pat00016
,
Figure pat00017
는 각각 x축, y축의 단위벡터이다. 도 1에서 각 벡터의 내적은 식(5) 및 식(6)과 같다.In Equations (1) - (3), ∇ is a differential operator,
Figure pat00016
,
Figure pat00017
Are unit vectors of the x-axis and the y-axis, respectively. In Fig. 1, the inner product of each vector is expressed by equations (5) and (6).

Figure pat00018
식(5)
Figure pat00018
Equation (5)

Figure pat00019
식(6)
Figure pat00019
Equation (6)

식(4)와 식(5)는 반사 법칙에 의한 것으로 이 둘 간에는 식(7)의 관계가 성립된다.Equations (4) and (5) are based on the law of reflection, and the relationship between Eq. (7) and Eq.

Figure pat00020
Figure pat00021
식(7)
Figure pat00020
Figure pat00021
Equation (7)

식(1)-식(4)를 이용하여 식(7)을 정리하면 식(8)이 도출된다.Equation (1) - Equation (4) is used to summarize Equation (7) to derive Equation (8).

Figure pat00022
Figure pat00023
식(8)
Figure pat00022
Figure pat00023
Equation (8)

도(1)에 보이는 바와 같이, 원점(O)에서 방출된 광 중에 포물 반사체에서 반사된 광은 광축과 평행하게 진행한다. 역으로 광축과 평행하게 진행되어 포물 반사체에서 입사한 광은 원점(O)에 수렴한다. 광학적인 관점에서 원점(O)을 초점이라 할 수 있으며, 초점과 포물 반사체와 가장 가까운 거리는 초점거리(f)로 그 값은 -q/p이다. 초점거리(f)를 사용하면 식(8)은 식(9)와 같이 정리된다.As shown in Fig. 1, the light reflected from the parabolic reflector in the light emitted from the origin O travels in parallel with the optical axis. Conversely, parallel to the optical axis, the light incident on the parabolic reflector converges to the origin (O). From the optical point of view, the origin (O) can be called the focal point. The closest distance between the focal point and the parabolic reflector is the focal length (f), which is -q / p. Using the focal length (f), Eq. (8) is summarized as Eq. (9).

Figure pat00024
식(9)
Figure pat00024
Equation (9)

식(9)는 포물 반사체를 해석하는 기준이 되는 함수이며 포물 반사체를 이용한 광학계를 설계할 때 초점거리(f)가 중요한 파라미터가 된다. 도 2는 포물 반사체를 이용한 집광의 예를 나타낸 개념도이다.Equation (9) is a function that serves as a reference for analyzing the parabolic reflector, and the focal length f is an important parameter when designing an optical system using the parabolic reflector. 2 is a conceptual diagram showing an example of condensing using a parabolic reflector.

광 도파로에서 광 경로 길이를 길게 하고 집광성을 높이기 위해서는 렌즈보다 반사체가 유리하다. 렌즈는 구면 수차와 색 수차로 인해 광 효율을 높이는데 한계가 있기 때문이다.A reflector is more advantageous than a lens in order to lengthen the optical path length and increase the light condensing property in the optical waveguide. This is because the lens has a limitation in increasing the light efficiency due to spherical aberration and chromatic aberration.

전술한 바와 같이 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관은 비분산 적외선 가스 센서에 적용할 수 있다. 비분산 적외선 가스 센서는 비어-램버트 이론(Beer-Lambert Theory)에 의해 해석 가능하다.As described above, the optical waveguide according to at least one embodiment of the present invention can be applied to a non-dispersion infrared gas sensor. Non-dispersive infrared gas sensors can be interpreted by the Beer-Lambert Theory.

가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하여 가스의 농도를 측정하기 위해 구성되는 가장 단순한 형태로 광원과 광 검출기를 기본 구성으로 한다. 광원에서 방출된 광은 광 검출기에 도달하며 광 검출기에 도달하는 광 효율을 높이기 위해 광 도파관을 사용한다. 이러한 광학계에서 가스 농도가 커질수록 가스 분자에 의해 흡수되는 광량이 많아지며 결과적으로 광 검출기에 도달하는 광량은 적어지게 되어 광 검출기에서 출력되는 전기 신호도 낮아지게 된다. 비어-램버트 이론은 이러한 상관관계를 식(10)과 같이 표시한다.The light source and the photodetector are basically configured in the simplest form configured to measure the concentration of the gas by using the characteristic that the gas molecule absorbs light of a specific wavelength. The light emitted from the light source reaches the photodetector and uses an optical waveguide to increase the light efficiency reaching the photodetector. In this optical system, as the gas concentration increases, the amount of light absorbed by the gas molecules increases. As a result, the amount of light reaching the photodetector decreases and the electrical signal output from the photodetector decreases. The Beer-Lambertian theory expresses this correlation as Eq. (10).

Figure pat00025
식(10)
Figure pat00025
Equation (10)

식(10)에서 I는 광 검출기에 도달하는 광량, I0는 가스 농도가 0일 때 광 검출기에 도달하는 광량으로 최대 광량, α는 가스 분자의 광 흡수율에 따른 비례 상수, L은 광 경로 길이이다.In the equation (10), I is the quantity of light reaching the photodetector, I 0 is the quantity of light reaching the photodetector when the gas concentration is 0, the maximum quantity of light, α is the proportionality constant according to the absorption rate of gas molecules, to be.

비어-램버트 이론에 의하면 동일한 가스 농도 변화에 대해 광 경로 길이 L을 크게 하면 I의 변화 폭이 커진다. 이는 광 경로 길이가 길수록 정밀한 가스 센서를 제작할 수 있음을 의미한다. 동일한 가스 농도 변화에 대해 가스 분자의 광 흡수율이 낮으면 I의 변화 폭은 작아 정밀한 가스 센서를 제작하기 어렵다. 결과적으로 광 흡수율이 낮은 가스를 검지하는 센서를 제작하기 위해서는 광 경로 길이를 최대한 늘려야 한다.According to the Beer-Lambertian theory, if the optical path length L is increased for the same gas concentration change, the variation width of I becomes larger. This means that the longer the optical path length, the more precise the gas sensor can be manufactured. If the light absorptance of gas molecules is low relative to the same gas concentration change, the change width of I is small and it is difficult to produce a precise gas sensor. As a result, in order to manufacture a sensor for detecting a gas having a low light absorptance, the optical path length should be maximized.

광원이 다파장 광인 경우 렌즈를 적용하여 광 효율을 극대화하기 위해서는 기본적으로 구면 수차와 색 수차 문제를 해결해야 한다. 특히 색 수차는 하나의 렌즈로 해결하는 것이 실질적으로 불가능하므로 결과적으로 하나의 렌즈를 이용하여 집광하는 경우 색 수차로 인한 일정부분의 광 손실이 발생할 수 있다.If the light source is multi-wavelength, it is necessary to solve the spherical aberration and chromatic aberration basically in order to maximize the light efficiency by applying the lens. In particular, chromatic aberration can not be solved with one lens, and consequently, when light is condensed using one lens, a certain amount of light loss due to chromatic aberration may occur.

구면 수차나 색 수차가 있음에도 불구하고 광 효율을 높이려면 렌즈의 초점 거리를 짧게 하고 렌즈의 크기를 크게 해야 한다. 그러나 초점 거리를 짧게 할 수록, 렌즈의 크기를 크게 할수록 구면 수차 문제는 더욱 커지게 되어 이러한 방법으로 광 효율을 높이는 것은 한계가 있다. 이에 반해 포물 반사체는 색 수차와 구면 수차 문제가 없어 초점 거리를 충분히 작게 하거나 반사체의 반사 면을 충분히 크게 할 수 있는 장점이 있다.Despite spherical aberration and chromatic aberration, the focal length of the lens should be shortened and the size of the lens should be increased to increase the light efficiency. However, as the focal length is shortened and the size of the lens is increased, the problem of spherical aberration becomes larger, so that there is a limit to increase the light efficiency in this way. On the other hand, the parabolic reflector does not have the problem of chromatic aberration and spherical aberration, so that the focal distance can be made sufficiently small or the reflective surface of the reflector can be made sufficiently large.

따라서, 렌즈의 입체각에 비해 포물 반사체의 입체각을 크게 할 수 있으므로, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 포물 반사체를 이용하여 높은 광 효율과 긴 광 경로 길이를 가지는 광 도파관을 실현할 수 있다.Therefore, according to at least one embodiment of the present invention, an optical waveguide having a high optical efficiency and a long optical path length can be realized by using a parabolic reflector since the solid angle of the parabolic reflector can be made larger than the solid angle of the lens.

도 3은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관(300)의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관의 제 1 포물 반사체(광원측 포물 반사체)(305)와 제2 포물 반사체(검출측 포물 반사체)(320) 부근의 확대도이다.FIG. 3 is a plan view of an optical waveguide 300 according to at least one embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a perspective view of a first parabolic reflector (light source side parabolic reflector) 305 ) And a second parabolic reflector (parabolic reflector on the detection side) 320. As shown in Fig.

도 3에 보이는 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관(300)은 제1 반사면(315)을 포함하는 제1 포물 반사체(310), 제2 반사면(325)을 포함하는 제2 포물 반사체(320), 제3 반사면(335)을 포함하는 제3 포물 반사체(330), 및 제1 포물 반사체(310)와 제2 포물 반사체(320) 사이에 위치하는 최소한 하나의 평면 반사체(340)를 구비한다. 본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 포물 반사체(310), 평면 반사체(340), 및 제2 포물 반사체(320)는, 도 3에 보이는 바와 같이, 제1 반사면(315), 평면 반사체의 반사면(345), 및 제2 반사면(325)이 제3 반사면(335)에 대향하도록 배치된다.3, the optical waveguide 300 according to at least one embodiment of the present invention includes a first parabolic reflector 310 that includes a first reflective surface 315, a second reflective surface 325 A third parabolic reflector 330 including a third parabolic reflector 320 and a third reflective surface 335 and at least one parabolic reflector 320 positioned between the first parabolic reflector 310 and the second parabolic reflector 320 And a flat reflector 340. In at least one embodiment of the present invention, the first parabolic reflector 310, the planar reflector 340, and the second parabolic reflector 320 comprise a first reflective surface 315, The reflecting surface 345 of the reflector, and the second reflecting surface 325 are disposed so as to face the third reflecting surface 335. [

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 포물 반사체(310)와 제2 포물 반사체(320)는 각각 제1 광축(311)과 제2 광축(321)을 갖고, 제1 광축(311)과 제2 광축(321)은 서로 평행하다.The first parabolic reflector 310 and the second parabolic reflector 320 each have a first optical axis 311 and a second optical axis 321 and have a first optical axis 311 and a second optical axis 321, The second optical axes 321 are parallel to each other.

제1 포물 반사체(310)의 초점에는 광원(501, 도 5 참조)이 위치하여 광원에서 방출된 광이 제1 반사면(315)에서 반사되어 제1 광축(311)을 따라 제3 반사면(325)의 제1 영역(325a)으로 진행한다.A light source 501 (see FIG. 5) is positioned at the focal point of the first parabolic reflector 310 so that the light emitted from the light source is reflected by the first reflection surface 315 and reflected by the third reflection surface 325 in the first area 325a.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 평면 반사체(340)는 제3 포물 반사체(330)의 초점 위치에 평면 반사체(340)의 반사면(345)이 위치하도록 배치되고, 제1 영역(335a)으로 진행한 광이 제1 영역(335a)으로부터 반사되어 소정의 각도로 평면 반사체(340)의 반사면(345)으로 진행하도록 구성된다.In at least one embodiment of the present invention, the planar reflector 340 is positioned such that the reflective surface 345 of the planar reflector 340 is located at the focal point of the third parabolic reflector 330, and the first area 335a, Is reflected from the first area 335a and advances to the reflecting surface 345 of the planar reflector 340 at a predetermined angle.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제2 포물 반사체(320)의 초점 위치에는 광 검출기(505, 도 5 참조)가 배치되고, 평면 반사체(340)의 반사면(345)으로 진행한 광이 평면 반사체(340)의 반사면(345)에서 반사되어 소정의 각도로 제3 반사면(335)의 제2 영역(335b)으로 진행하고, 제2 영역(335b)으로 진행한 광이 제2 영역(335b)으로부터 반사되어 제2 광축(321)을 따라 제2 반사면(325)으로 진행하고, 제2 반사면(325)으로 진행한 광이 제2 반사면(325)으로부터 반사되어 광 검출기(505, 도 5 참조)로 수렴하도록 구성된다.In at least one embodiment of the present invention, a light detector 505 (see FIG. 5) is disposed at the focus position of the second parabolic reflector 320 and light traveling to the reflective surface 345 of the planar reflector 340 The light reflected by the reflective surface 345 of the planar reflector 340 travels to the second area 335b of the third reflective surface 335 at a predetermined angle and light traveling to the second area 335b is reflected by the second area 335b, The light reflected from the second reflection surface 325 is reflected by the second reflection surface 335b and travels along the second optical axis 321 to the second reflection surface 325. The light that has propagated to the second reflection surface 325 is reflected from the second reflection surface 325, 505, see Fig. 5).

광원(501, 도 5 참조)이 분산광인 경우, 광원(501, 도 5 참조)으로부터 방출되는 광의 손실을 최소화하기 위해, 제1 포물 반사체(310)의 크기는 제1 반사면(315)에서의 광의 스폿 사이즈 이상이어야 한다.5) is the dispersed light, the size of the first parabolic reflector 310 is set such that the size of the first parabolic reflector 310 is smaller than that of the first reflective surface 315 in order to minimize the loss of light emitted from the light source 501 It should be not less than spot size of light.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 반사면(315), 평면 반사체(340)의 반사면(345), 및 제2 반사면(325)은 공간적으로 동일한 면 상에 위치한다.In at least one embodiment of the invention, the first reflective surface 315, the reflective surface 345 of the planar reflector 340, and the second reflective surface 325 are located on the same spatially same plane.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 반사면(315), 평면 반사체(340)의 반사면(345), 및 제2 반사면(325)은 공간적으로 서로 다른 면 상에 위치한다.In at least one embodiment of the invention, the first reflective surface 315, the reflective surface 345 of the planar reflector 340, and the second reflective surface 325 are spatially on different planes.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 광축(311)의 길이와 제2 광축(321)의 길이가 동일하다. 제1 광축(311)의 길이와 제2 광축(321)의 길이를 동일하게 구성함으로써 광 도파관을 제조하기 용이하도록 구조를 단순화할 수 있다.In at least one embodiment of the invention, the length of the first optical axis 311 and the length of the second optical axis 321 are the same. By structuring the length of the first optical axis 311 and the length of the second optical axis 321 the same, it is possible to simplify the structure so that the optical waveguide can be easily manufactured.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 광축(311)의 길이와 제2 광축(321)의 길이는 서로 다르다. 제1 광축(311)의 길이와 제2 광축(321)의 길이를 서로 다르게 구성함으로써 광 도파관 제조 시에 다양한 구조를 사용할 수 있으므로 제조 시의 자유도를 높일 수 있다.In at least one embodiment of the invention, the length of the first optical axis 311 and the length of the second optical axis 321 are different. By configuring the length of the first optical axis 311 and the length of the second optical axis 321 to be different from each other, various structures can be used at the time of manufacturing the optical waveguide, thereby increasing the degree of freedom in manufacturing.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 포물 반사체(310), 평면 반사체(340), 및 제2 포물 반사체(320)는 제1 반사면(315), 포물 반사체(340)의 반사면(345), 및 제2 반사면(325)이 연속하도록 형성된다.In at least one embodiment of the present invention, the first parabolic reflector 310, the planar reflector 340 and the second parabolic reflector 320 comprise a first reflective surface 315, a reflective surface 340 of the parabolic reflector 340 345, and the second reflecting surface 325 are formed to be continuous.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 포물 반사체(310), 평면 반사체(340), 및 제2 포물 반사체(320)는 제1 반사면(315), 포물 반사체(340)의 반사면(345), 및 제2 반사면(325) 각각의 사이에 소정의 간격을 두고 형성된다.In at least one embodiment of the present invention, the first parabolic reflector 310, the planar reflector 340 and the second parabolic reflector 320 comprise a first reflective surface 315, a reflective surface 340 of the parabolic reflector 340 345, and the second reflecting surface 325 with a predetermined gap therebetween.

광 도파관을 이용하여 광 경로 길이를 길게 하고 광 효율성을 높이기 위해 각각의 포물 반사체에는 내부에 금속 코팅이 이루어진다. 금속의 광택은 금속의 자유전자에 의한 것으로, 자유전자와 전자기파의 상호 작용에 의해 반사가 발생한다. 이 때, 금속 코팅된 반사면의 반사율은 금속의 전도율에 의해 결정된다. 즉, 전도율이 높은 금속이 일반적으로 광 반사율이 우수하다.In order to increase the light path length and increase the light efficiency by using the optical waveguide, each parabolic reflector has a metal coating inside. The luster of metal is caused by the free electrons of the metal, and reflection occurs by the interaction of free electrons and electromagnetic waves. At this time, the reflectance of the metal coated reflective surface is determined by the conductivity of the metal. That is, a metal having a high conductivity generally has excellent light reflectance.

금속 코팅에 사용되는 금속으로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 동(Cu) 등이 있으며 이들 금속의 4 ㎛ 파장대에서의 반사율은 각각 약 98.2%, 99.4%, 99.2%, 98.7%이다.The metals used for the metal coating are aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), etc. The reflectance of these metals is about 98.2%, 99.4%, 99.2% , 98.7%.

4 ㎛ 부근의 적외선에 대한 금속 코팅에서 반사율 다음으로 고려해야 할 사항은 금속 코팅의 견고성이다. 즉, 코팅 면의 변화가 발생하면 반사율이 변화하여 광량의 변화가 발생하므로 광량을 측정하여 농도로 환산할 때 측정값에 오차가 발생하게 된다. 부식이나 시간 경과에 따른 반사율의 변화를 고려했을 때 최적의 금속은 금이며, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에서는 금속 코팅에 금을 사용한다.Reflectivity in Metal Coatings for Infrared Near 4 μm The next thing to consider is the robustness of the metal coating. That is, when a change in the coated surface occurs, the reflectance changes and the amount of light changes. Therefore, when the light amount is measured and converted into the density, an error occurs in the measured value. Considering the corrosion and the change in reflectivity with time, the optimum metal is gold, and in at least one embodiment of the present invention, gold is used for the metal coating.

코팅 방법은 일반적으로 금속 코팅에 사용되는 증착이나 도금을 사용할 수 있다. 증착은 금속을 고온으로 증발시켜 기체 상태의 금속 원자를 기판에 부착시키는 방법이며, 도금은 금속이 포함된 화합물을 용융시켜 전기 분해를 통해 기판에 부착시키는 방법이다.The coating method is generally a vapor deposition or plating used for metal coating. The deposition is a method of depositing metal atoms in a gaseous state on a substrate by evaporating the metal to a high temperature, and the plating is a method of melting a compound containing metal and attaching it to the substrate through electrolysis.

전자기파인 광이 금속의 표면에서 반사할 때 금속의 표면에서 일정 깊이로 침투하게 되는데, 전자기파의 세기가 1/e까지 감소하기까지의 깊이를 표면 깊이라고 한다. 즉, 전자기파는 금속의 표면에서 반사하는 것이 아니라 금속의 일정 깊이까지 투과한 형태로 반사하게 되는데, 금속의 두께가 얇으면 일부의 전자기파가 투과되어 투과한 만큼의 반사 손실이 발생한다.When the electromagnetic wave is reflected from the surface of the metal, it penetrates to a certain depth from the surface of the metal. The depth until the intensity of the electromagnetic wave decreases to 1 / e is called the surface depth. That is, the electromagnetic wave is not reflected on the surface of the metal but is reflected in a form that penetrates to a certain depth of the metal. If the thickness of the metal is thin, a part of the electromagnetic wave is transmitted and the reflection loss as much as the transmitted is generated.

본 발명의 실시예에서는, 금의 표면 깊이(약 0.11 ㎛)를 고려하여, 금속 코팅을 사용하여 0.3 ㎛ 이상의 두께로 포물 반사체에 금을 코팅한다.In an embodiment of the present invention, gold is coated on the parabolic reflector with a thickness of 0.3 占 퐉 or more by using a metal coating in consideration of the surface depth of gold (about 0.11 占 퐉).

이와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 제1 반사면을 포함하는 제1 포물 반사체, 제2 반사면을 포함하는 제2 포물 반사체, 제3 반사면을 포함하는 제3 포물 반사체, 및 제1 포물 반사체와 제2 포물 반사체 사이에 위치하는 최소한 하나의 평면 반사체를 구비하고, 제1 포물 반사체, 평면 반사체, 및 제2 포물 반사체는 제1 반사면, 평면 반사체의 반사면, 및 제2 반사면이 제3 반사면에 대향하도록 배치된 광 도파로를 제공한다.Thus, in accordance with at least one embodiment of the present invention, there is provided a reflective optical system comprising a first parabolic reflector comprising a first reflector, a second parabolic reflector comprising a second reflector, a third parabolic reflector comprising a third reflector, And at least one planar reflector positioned between the first parabolic reflector and the second parabolic reflector, wherein the first parabolic reflector, the planar reflector, and the second parabolic reflector comprise a first reflector, a reflective surface of the planar reflector, And the second reflection surface is disposed so as to face the third reflection surface.

따라서, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관을 제공할 수 있다.Therefore, according to at least one embodiment of the present invention, the reflector can be geometrically arranged to provide an optical waveguide having a long optical path length and high optical efficiency.

또한, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 기존 렌즈에서 발생하는 색 수차, 광 경로 상의 구면 수차 문제를 해결할 수 있고, 기존 렌즈를 이용한 것보다 광 효율이 높으므로 광학계의 소형화를 구현할 수 있다.In addition, according to at least one embodiment of the present invention, chromatic aberration generated in a conventional lens and spherical aberration on an optical path can be solved, and optical efficiency is higher than that using a conventional lens, so that miniaturization of an optical system can be realized .

또한, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 각각의 포물 반사체의 위치를 적절하게 조정함으로써 원하는 광 경로 길이의 광학계를 구성할 수 있다. 예를 들어 본 발명을 비분산 적외선 방식의 가스 센서에 적용한다면, 이산화탄소와 같이 광 흡수율이 높은 가스 검지 시에는 광 경로 길이를 짧게 하여 보다 소형화된 가스 센서를 구성할 수 있고 일산화탄소와 같이 광 흡수율이 낮은 가스 검지 시에는 광 경로 길이를 길게 구성하여 효율적인 가스 센서를 구성할 수 있다.Further, according to at least one embodiment of the present invention, an optical system having a desired optical path length can be constructed by appropriately adjusting the position of each parabolic reflector. For example, when the present invention is applied to a gas sensor of a non-dispersion infrared type, a gas sensor having a smaller optical path length can be constructed at the time of gas detection with a high light absorptivity such as carbon dioxide, An effective gas sensor can be constituted by configuring the optical path length to be long at the time of low gas detection.

도 5는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관(300)을 구비한 적외선 가스 센서(500)의 개념도이다.5 is a conceptual diagram of an infrared gas sensor 500 having an optical waveguide 300 according to at least one embodiment of the present invention.

도 5에 보이는 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 적외선 가스 센서(500)는, 광을 방출하는 광원(501), 광을 도파하기 위한 광 도파관(300), 및 광 도파관(300)을 통해 도파된 광을 검출하기 위한 광 검출기(505)을 구비한다.5, an infrared gas sensor 500 according to at least one embodiment of the present invention includes a light source 501 for emitting light, an optical waveguide 300 for guiding light, And a photodetector 505 for detecting the light guided through the photodetector.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 적외선 가스 센서(500)는 광 검출기(505)로부터의 출력을 분석하여 광 도파관(300) 내의 특정 가스의 농도를 산출하는 분석 장치(510)를 더 구비한다.The infrared gas sensor 500 according to at least one embodiment of the present invention further comprises an analyzer 510 for analyzing the output from the photodetector 505 to calculate the concentration of a specific gas in the optical waveguide 300 .

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 광원(501)은 백열광원을 포함하고, 백열광원으로부터의 광을 사용하여 비분산 방식으로 광 도파관(300) 내의 특정 가스의 농도를 검지한다.In at least one embodiment of the present invention, the light source 501 includes an incandescent light source and uses the light from the incandescent light source to detect the concentration of a specific gas in the light pipe 300 in a non-dispersive manner.

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 특정 가스는 일산화탄소(CO)를 포함한다.In at least one embodiment of the present invention, the specific gas comprises carbon monoxide (CO).

본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 광 검출기(505)는 광전 소자, 초전 소자, 열전 소자 중 최소한 하나를 포함한다.In at least one embodiment of the present invention, the photodetector 505 includes at least one of a photoelectric element, a pyroelectric element, and a thermoelectric element.

일산화탄소는 흔히 화석연료의 불완전 연소에서 다량 발생하는 가스로 그 분자는 탄소 원자 1 개와 산소원자 개로 구성된 이원자 분자이다.Carbon monoxide (CO) is a gas that is often generated in incomplete combustion of fossil fuels. Its molecules are binary molecules composed of one carbon atom and one oxygen atom.

비분산 적외선 가스 센서는 가스 분자가 특정 파장의 광(적외선)을 흡수하는 특성을 이용하여 가스 농도에 대한 광 흡수율을 측정하여 농도를 구하는 방식의 가스 센서이다.The non-dispersive infrared gas sensor is a gas sensor that measures the light absorption rate with respect to the gas concentration by using the characteristic that the gas molecule absorbs the light of a specific wavelength (infrared ray) to obtain the concentration.

가스 분자는 특정 파장에 대해 광학적으로 반응하므로 이에 사용되는 광원은 단파장이어야 한다. 이를 위해 여러 파장이 포함된 광에서 프리즘 등의 분광 소자를 통해 하나의 파장을 선택해서 사용하거나 단파장의 광원을 사용한다. 특히, 분광 소자를 이용하는 방식을 분산 방식이라 한다. 반면에, 가스 분자가 특정 파장의 광만을 흡수하므로 여러 파장의 광을 가스 분자에 조사하여 이 중에서 가스 분자가 흡수하는 파장대의 광만을 광 필터로 필터링하는 방식을 비분산 방식이라 한다.Since the gas molecules react optically with respect to a specific wavelength, the light source used therein must be short wavelength. For this purpose, a single wavelength is selected through the use of a spectroscope such as a prism in a light having a plurality of wavelengths, or a light source of a short wavelength is used. Particularly, a method using a spectroscopic element is called a dispersion method. On the other hand, a gas molecule absorbs only light of a specific wavelength, so that light of various wavelengths is irradiated to gas molecules, and a method of filtering only light of a wavelength band absorbed by gas molecules by an optical filter is called a non-dispersion method.

단파장의 광원으로 레이저나 LED 등을 사용하거나 백색광에서 분산 장치를 구비하여 단파장의 광을 추출하는 경우, 레이저와 LED는 고가이거나 원하는 파장의 광원을 별도로 개발할 필요가 있으며 분산 장치도 별도로 구비되어야 한다. 이에 비해 비분산 적외선 방식은 광 검출기에 해당 파장만을 투과시키는 광 필터를 부착하기만 하면 되므로 시스템이 간단하고 비용이 적게 소요되는 장점이 있다.In case of using a laser or an LED as a light source of short wavelength or a light source of short wavelength by using a dispersing device in a white light, it is necessary to separately develop a light source having a high or low wavelength and a dispersing device. On the other hand, the non-dispersion infrared method has merits such that the system is simple and the cost is low because only the optical filter which transmits only the corresponding wavelength is attached to the photodetector.

따라서, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관을 사용하여, 광 경로 길이를 길게 구성하여 효율적인 가스 센서를 구성할 수 있다.Therefore, according to at least one embodiment of the present invention, an efficient gas sensor can be constituted by arranging the reflectors geometrically and using an optical waveguide having a long optical path length and a high optical efficiency to construct a long optical path length.

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.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and various modifications and changes may be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the embodiments. Therefore, the present embodiments are to be construed as illustrative rather than restrictive, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present embodiment should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

300: 광 도파관 301: 광원
310: 제1 포물 반사체 311: 제1 광축
315: 제1 반사면 320: 제2 포물 반사체
321: 제2 광축 325: 제2 반사면
330: 제3 포물 반사체 335: 제3 반사면
335a: 제1 영역 335b: 제2 영역
340: 평면 반사체 345: 반사면
370: 광 검출기 500: 적외선 가스 센서
510: 분석 장치
300: optical waveguide 301: light source
310: first parabolic reflector 311: first parabolic reflector
315: first reflection surface 320: second parabolic reflector
321: second optical axis 325: second reflection surface
330: Third parabolic reflector 335: Third reflective surface
335a: first region 335b: second region
340: plane reflector 345:
370: Photodetector 500: Infrared gas sensor
510: Analyzer

Claims (15)

제1 반사면을 포함하는 제1 포물 반사체;
제2 반사면을 포함하는 제2 포물 반사체;
제3 반사면을 포함하는 제3 포물 반사체; 및
상기 제1 포물 반사체와 상기 제2 포물 반사체 사이에 위치하는 최소한 하나의 평면 반사체
를 구비하고,
상기 제1 포물 반사체, 상기 평면 반사체, 및 상기 제2 포물 반사체는 상기 제1 반사면, 상기 평면 반사체의 반사면, 및 상기 제2 반사면이 상기 제3 반사면에 대향하도록 배치된,
광 도파관.
A first parabolic reflector comprising a first reflector;
A second parabolic reflector including a second reflective surface;
A third parabolic reflector including a third reflector; And
At least one planar reflector positioned between the first parabolic reflector and the second parabolic reflector
And,
Wherein the first parabolic reflector, the second parabolic reflector, and the second parabolic reflector are arranged so that the first reflective surface, the reflective surface of the planar reflector, and the second reflective surface are opposed to the third reflective surface,
Optical waveguide.
제 1항에 있어서,
상기 제1 포물 반사체와 상기 제2 포물 반사체는 각각 제1 광축과 제2 광축을 갖고,
상기 제1 광축과 상기 제2 광축은 서로 평행하며,
상기 제1 포물 반사체의 초점에는 광원이 위치하여 광원에서 방출된 광이 상기 제1 반사면에서 반사되어 상기 제1 광축을 따라 상기 제3 반사면의 제1 영역으로 진행하도록 구성된,
광 도파관.
The method according to claim 1,
The first parabolic reflector and the second parabolic reflector each having a first optical axis and a second optical axis,
Wherein the first optical axis and the second optical axis are parallel to each other,
Wherein a light source is located at the focus of the first parabolic reflector so that light emitted from the light source is reflected by the first reflection surface and proceeds to the first area of the third reflection surface along the first optical axis.
Optical waveguide.
제 2항에 있어서,
상기 평면 반사체는 상기 제3 포물 반사체의 초점 위치에 상기 평면 반사체의 반사면이 위치하도록 배치되고,
상기 제1 영역으로 진행한 광이 상기 제1 영역으로부터 반사되어 소정의 각도로 상기 평면 반사체의 반사면으로 진행하도록 구성된,
광 도파관.
3. The method of claim 2,
Wherein the planar reflector is disposed such that the reflective surface of the planar reflector is located at a focal position of the third parabolic reflector,
The light traveling to the first area is reflected from the first area and advances to the reflecting surface of the plane reflector at an angle.
Optical waveguide.
제 3항 에 있어서,
상기 제2 포물 반사체의 초점 위치에는 광 검출기가 배치되고,
상기 평면 반사체의 반사면으로 진행한 광이 상기 평면 반사체의 반사면에서 반사되어 상기 소정의 각도로 상기 제3 반사면의 제2 영역으로 진행하고,
상기 제2 영역으로 진행한 광이 상기 제2 영역으로부터 반사되어 제2 광축을 따라 제2 반사면으로 진행하고,
상기 제2 반사면으로 진행한 광이 상기 제2 반사면으로부터 반사되어 상기 광 검출기로 수렴하도록 구성된,
광 도파관.
The method of claim 3,
A photodetector is disposed at a focus position of the second parabolic reflector,
The light traveling to the reflection surface of the plane reflector is reflected by the reflection surface of the plane reflector and proceeds to the second region of the third reflection surface at the predetermined angle,
Wherein light traveling to the second region is reflected from the second region and travels to a second reflection surface along a second optical axis,
And the light reflected by the second reflecting surface is converged to the photodetector,
Optical waveguide.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 반사면, 상기 평면 반사체의 반사면, 및 상기 제2 반사면은 공간적으로 동일한 면 상에 위치하는,
광 도파관.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the first reflective surface, the reflective surface of the planar reflector, and the second reflective surface are located on a spatially identical plane,
Optical waveguide.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 반사면, 상기 평면 반사체의 반사면, 및 상기 제2 반사면은 공간적으로 서로 다른 면 상에 위치하는,
광 도파관.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the first reflective surface, the reflective surface of the planar reflector, and the second reflective surface are located on spatially different surfaces,
Optical waveguide.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 광축의 길이와 상기 제2 광축의 길이가 동일한,
광 도파관.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The length of the first optical axis is equal to the length of the second optical axis,
Optical waveguide.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 광축의 길이와 상기 제2 광축의 길이가 서로 다른,
광 도파관.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein a length of the first optical axis and a length of the second optical axis are different from each other,
Optical waveguide.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 포물 반사체, 상기 평면 반사체, 및 상기 제2 포물 반사체는 상기 제1 반사면, 상기 평면 반사체의 반사면, 및 상기 제2 반사면이 연속하도록 형성된,
광 도파관.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the first parabolic reflector, the second parabolic reflector, and the second parabolic reflector are formed so that the first reflective surface, the reflective surface of the planar reflector, and the second reflective surface are continuous,
Optical waveguide.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 포물 반사체, 상기 평면 반사체, 및 상기 제2 포물 반사체는 상기 제1 반사면, 상기 포물 반사체의 반사면, 및 상기 제2 반사면 각각의 사이에 소정의 간격을 두고 형성된,
광 도파관.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the first parabolic reflector, the second parabolic reflector, the second parabolic reflector, and the second parabolic reflector are formed at predetermined intervals between the first reflective surface, the reflective surface of the parabolic reflector,
Optical waveguide.
광을 방출하는 광원;
상기 광을 도파하기 위한 제 1항 내지 제 10항의 어느 한 항의 광 도파관; 및
상기 광 도파관을 통해 도파된 상기 광을 검출하기 위한 광 검출기를 구비하는,
적외선 가스 센서.
A light source for emitting light;
An optical waveguide according to any one of claims 1 to 10 for guiding the light; And
And a photodetector for detecting the light guided through the optical waveguide.
Infrared gas sensor.
제 11항에 있어서,
상기 광 검출기로부터의 출력을 분석하여 상기 광 도파관 내의 특정 가스의 농도를 산출하는 분석 장치를 더 구비하는,
적외선 가스 센서.
12. The method of claim 11,
Further comprising an analyzing device for analyzing an output from the photodetector to calculate a concentration of a specific gas in the optical waveguide,
Infrared gas sensor.
제 12항에 있어서,
상기 특정 가스는 일산화탄소(CO)를 포함하는,
적외선 가스 센서.
13. The method of claim 12,
Wherein the specific gas comprises carbon monoxide (CO)
Infrared gas sensor.
제 11항에 있어서,
상기 광원은 백열광원을 포함하고,
상기 백열광원으로부터의 광을 사용하여 비분산 방식으로 상기 광 도파관 내의 특정 가스의 농도를 검출하는,
적외선 가스 센서.
12. The method of claim 11,
Wherein the light source comprises an incandescent light source,
Detecting a concentration of a specific gas in the optical waveguide in a non-dispersion manner using light from the incandescent light source,
Infrared gas sensor.
제 11항에 있어서,
상기 광 검출기는 광전 소자, 초전 소자, 열전 소자 중 최소한 하나를 포함하는,
적외선 가스 센서.


12. The method of claim 11,
Wherein the photodetector comprises at least one of a photoelectric element, a pyroelectric element, and a thermoelectric element,
Infrared gas sensor.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190120499A (en) 2018-04-16 2019-10-24 주식회사 이엘티센서 Optical cavity for gas sensor and gas sensor having the same
WO2020171244A1 (en) * 2019-02-18 2020-08-27 (주)트루아이즈 Optical waveguide, optical system, and optical gas sensor
KR102641584B1 (en) * 2023-08-17 2024-02-28 주식회사 나라컨트롤 Apparatus for measuring gas

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110044837B (en) * 2019-04-11 2021-10-15 南京安控易创计算机科技有限公司 Differential absorption spectrum gas detection device based on optical fiber amplifier
SE543968C2 (en) * 2020-02-27 2021-10-12 Senseair Ab Gas sensor with long absorption path length
SE544494C2 (en) 2020-10-21 2022-06-21 Senseair Ab Temperature controller for a temperature control mechanism

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9616809D0 (en) * 1996-08-10 1996-09-25 Eev Ltd Gas monitors
KR100697057B1 (en) * 2005-04-27 2007-03-22 헵시바주식회사 NDIR type gas measuring apparatus
KR20090086766A (en) * 2008-02-11 2009-08-14 전자부품연구원 Optical gas sensors
JP6367571B2 (en) * 2014-02-14 2018-08-01 日本特殊陶業株式会社 Non-dispersive infrared analytical gas detector and non-dispersive infrared analytical gas detector
JP6257407B2 (en) * 2014-03-25 2018-01-10 大阪瓦斯株式会社 Infrared gas sensor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190120499A (en) 2018-04-16 2019-10-24 주식회사 이엘티센서 Optical cavity for gas sensor and gas sensor having the same
WO2020171244A1 (en) * 2019-02-18 2020-08-27 (주)트루아이즈 Optical waveguide, optical system, and optical gas sensor
KR102641584B1 (en) * 2023-08-17 2024-02-28 주식회사 나라컨트롤 Apparatus for measuring gas

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