KR20200141786A - 듀얼 포토다이오드 복사계 - Google Patents

듀얼 포토다이오드 복사계 Download PDF

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KR20200141786A
KR20200141786A KR1020190068766A KR20190068766A KR20200141786A KR 20200141786 A KR20200141786 A KR 20200141786A KR 1020190068766 A KR1020190068766 A KR 1020190068766A KR 20190068766 A KR20190068766 A KR 20190068766A KR 20200141786 A KR20200141786 A KR 20200141786A
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light
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신동주
박성종
이동훈
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한국표준과학연구원
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Abstract

실시예에 의한 듀얼 포토다이오드 복사계가 개시된다. 상기 듀얼 포토다이오드 복사계는 일측부에 형성된 하나의 입력 개구와 타측부에 형성된 두 개의 출력 개구를 갖는 케이스; 상기 입력 개구에 배치된 확산기; 상기 케이스의 내부 중심에 배치되고, 상기 확산기를 통해 입사된 광을 서로 다른 경로로 전달하는 빔 스플리터; 상기 하나의 출력 개구에 배치되고, 상기 빔 스플리터에 의해 반사된 광이 입사되는 제1 포토다이오드; 및 상기 다른 하나의 출력 개구에 배치되고, 상기 빔 스플리터를 통과한 광이 입사되는 제2 포토다이오드를 포함한다.

Description

듀얼 포토다이오드 복사계{DUAL PHOTODIODE RADIOMETER}
실시예는 복사계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 듀얼 포토다이오드 복사계에 관한 것이다.
복사계(radiometer)는 가장 일반적인 의미에서 광학 복사(optical radiation)를 측정하는 장치를 말한다. 복사계의 주요 용도는 복사원에서 방출되는 광학 복사를 측정하거나 모니터링하여 복사원을 특성화하는 것이다.
포토 다이오드 기반의 복사계는 고감도(high sensitivity), 빠른 응답(fast response) 및 간단한 구조라는 장점 때문에 응용 분야에서 널리 사용된다. 그러나, 포토 다이오드 기반 복사계는 그 교정 소스의 스펙트럼 분포와 다른 스펙트럼 분포를 갖는 광원에 사용될 필요가 있는 경우, 광원들의 측정된 스펙트럼 분포 및 복사계의 측정된 분광 감응도에 기초하여 스펙트럼 불일치 보정을 수행할 필요가 있다.
공개특허공보 제10-2016-0120269호 공개특허공보 제10-2017-0093867호
실시예는, 스펙트럼 불일치 보정을 필요로 하지 않으면서 광원의 중심 파장과 복사 조도를 동시에 측정할 수 있는 듀얼 포토다이오드 복사계를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 포토다이오드 복사계는 일측부에 형성된 하나의 입력 개구와 타측부에 형성된 두 개의 출력 개구를 갖는 케이스; 상기 입력 개구에 배치된 확산기; 상기 케이스의 내부 중심에 배치되고, 상기 확산기를 통해 입사된 광을 서로 다른 경로로 전달하는 빔 스플리터; 상기 하나의 출력 개구에 배치되고, 상기 빔 스플리터에 의해 반사된 광이 입사되는 제1 포토다이오드; 및 상기 다른 하나의 출력 개구에 배치되고, 상기 빔 스플리터를 통과한 광이 입사되는 제2 포토다이오드를 포함할 수 있다.
상기 빔 스플리터의 분광 투과율과 분광 반사율은 다르게 설계될 수 있다.
상기 듀얼 포토다이오드 복사계는 상기 확산기와 상기 빔 스플리터 사이에 배치되는 제1 배플; 상기 빔 스플리터와 상기 제1 포토다이오드 사이에 배치되는 제2 배플; 및 상기 빔 스플리터와 상기 제2 포토다이오드 사이에 배치되는 제3 배플을 더 포함할 수 있다.
상기 듀얼 포토다이오드 복사계는 상기 빔 스플리터를 기준으로 광이 반사되는 방향과 반대 방향에 배치되는 라이트 트랩을 더 포함할 수 있다.
상기 두 개의 출력 개구는 서로 다른 타측부에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 포토다이오드 복사계는 일측부에 형성된 하나의 입력 개구와 타측부에 형성된 두 개의 출력 개구를 갖는 적분구; 상기 하나의 출력 개구에 배치되고, 상기 적분구의 내부 벽의 다중 반사를 통해 광이 입사되는 제1 포토다이오드; 상기 다른 하나의 출력 개구에 배치되고, 상기 적분구의 내부 벽의 다중 반사를 통해 광이 입사되는 제2 포토다이오드; 및 상기 제2 포토다이오드의 입력측에 배치되는 필터를 포함할 수 있다.
상기 필터의 분광 투과율과 분광 반사율은 서로 다르게 설계될 수 있다.
상기 듀얼 포토다이오드 복사계는 상기 입력 개구와 상기 제1 포토다이오드 사이의 내주면에 배치되는 제1 배플; 및 상기 입력 개구와 상기 제2 포토다이오드 사이의 내주면에 배치되는 제2 배플을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드는 상기 입력 개구로부터 직선 방향으로 입사되는 광에 수직한 방향에 배치되되, 대향되는 위치에 배치될 수 있다.
상기 적분구의 내주면에는 광을 반사시키기 위한 코팅층이 형성될 수 있다.
상기 두 개의 출력 개구는 서로 다른 타측부에 형성될 수 있다.
실시예에 따르면, 스펙트럼 불일치 보정을 필요로 하지 않으면서 광원의 중심 파장과 복사 조도를 동시에 측정할 수 있다.
실시예에 따르면, 광원의 중심 파장과 복사 조도를 동시에 측정 가능하기 때문에, 다른 색상의 LED와 OLED와 같은 광원을 테스트하고 비교하는데 효과적일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 포토다이오드 복사계를 나타내는 도면이다.
도 2는 Si 포토 다이오드의 전형적인 분광 전력 감응도를 나타내는 도면이다.
도 3은 유리에 은 필름이 코팅된 빔 스플리터의 분광 투과율과 반사율을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2와 도 3의 데이터로부터 계산된 분광 감응도를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 포토다이오드 복사계를 나타내는 도면이다.
도 6은 시뮬레이션에 사용된 스펙트럼 필터링된 광원의 분광 복사조도를 나타내는 도면이다.
도 7은 중심 파장의 차이를 보여주는 도면이다.
도 8은 복사 조도의 상대적 차이를 보여주는 도면이다.
도 9는 시뮬레이션에 사용된 컬러 LED와 컬러 OLED의 분광 복사조도를 보여주는 도면이다.
도 10은 시뮬레이션에 사용된 백색 LED와 백색 OLED의 분광 복사조도를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예에서는, 두 개의 포토 다이오드와 하나의 빔 스플리터로 구성된 구조 또는 적분구 기반의 구조로 두 개의 포토 다이오드와 하나의 필터로 구성된 구조를 구현하여 중심 파장과 복사 조도를 동시에 측정할 수 있는, 새로운 방안을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 포토다이오드 복사계를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 포토다이오드 복사계는 케이스(110), 확산기(diffuser)(120), 빔 스플리터(beam splitter)(130), 제1 포토 다이오드(photodiode)(140), 제2 포토 다이오드(150), 제1 배플(baffle)(160), 제2 배플(170), 제3 배플(180), 라이트 트랩(light trap)(190)을 포함할 수 있다.
케이스(110)는 하나의 입력 개구(110a)와 두 개의 출력 개구(110b, 110c)를 포함할 수 있다. 이때, 입력 개구는 광이 입사되는 개구로 케이스(110)의 일측부에 형성되고, 출력 개구는 광이 출력되는 개구로 케이스(110)의 서로 다른 타측부에 각각 형성될 수 있다.
예컨대, 케이스(110)는 육면체 형태로 형성될 수 있다.
확산기(120)는 입력 개구의 출력측에 형성되어, 입사되는 광을 확산시킬 수 있다.
빔 스플리터(130)는 케이스(110)의 내부 중심에 배치되고, 확산기(120)를 통해 입사된 광을 서로 다른 경로로 전달할 수 있다. 즉, 빔 스플리터(130)는 입사되는 광의 일부를 반사시키고, 나머지를 통과시킬 수 있다. 이때, 빔 스플리터(130)의 반사율과 투과율은 동일하게 설계되지 않고 서로 다르게 설계될 수 있다.
제1 포토 다이오드(140)는 제1 출력 개구에 배치되고, 입력 개구(110a)를 통해 전송되는 광의 일부 즉, 빔 스플리터(130)에 의해 반사된 광이 입사될 수 있다. 따라서, 제1 포토 다이오드(140)는 광을 감지함으로써 광 전류 신호를 출력할 수 있다.
제2 포토 다이오드(150)는 제2 출력 개구에 배치되고, 입력 개구(110a)를 통해 전송되는 광의 일부 즉, 빔 스플리터(130)를 통과한 광이 입사될 수 있다. 따라서, 제2 포토 다이오드(150)는 광을 감지함으로써 광 전류 신호를 출력할 수 있다.
이렇게 케이스(110)의 서로 다른 출력 개구에 배치된 제1 포토 다이오드(140)와 제2 포토 다이오드(150)에 의해 입력 개구를 통해 전송되는 광을 감지함으로써, 출력되는 광 전류 신호를 기초로 중심 파장과 복사 조도를 동시에 측정할 수 있다.
제1 배플(160)은 확산기(120)와 빔 스플리터(130) 사이에 배치되고, 제2 배플(170)은 빔 스플리터(130)와 제1 포토다이오드(140) 사이에 배치되고, 제3 배플(180)은 빔 스플리터(130)와 제2 포토다이오드(150) 사이에 배치될 수 있다.
라이트 트랩(190)은 빔 스플리터(130)를 기준으로 제1 포토다이오드(140)의 반대 방향 즉, 빔 스플리터(130)를 기준으로 광이 반사되는 방향과 반대 방향에 배치될 수 있다.
제1 배플(160), 제2 배플(170), 제3 배플(180), 라이트 트랩(190)은 케이스(110) 내부의 다중 반사로 인한 미광(stray light)을 방지하기 위해 배치될 수 있다.
이때, 제1 포토 다이오드(140)와 제2 포토 다이오드(150)를 통해 감지된 광을 기초로 광원의 중심 파장과 복사 조도를 측정하기 위한 측정 방정식(measurement equation)을 설명한다.
입력 개구의 위치에서 측정하고자 하는 복사 조도 E는 광원의 스펙트럼 대역폭(spectral bandwidth) Δλ 내 파장 λ에 대한 분광 복사조도 Eλ(λ)의 적분으로 표현할 수 있는데, 다음의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서
Figure pat00002
는
Figure pat00003
에 포함된 중심파장을 의미한다. 제1 포토 다이오드(140)와 제2 포토 다이오드(150)로부터의 광 전류(photocurrent)
Figure pat00004
,
Figure pat00005
는 분광 복사조도
Figure pat00006
에 대해 제1 포토 다이오드(140)와 제2 포토 다이오드(150)의 각 분광 감응도
Figure pat00007
,
Figure pat00008
를 도입하여 모델링할 수 있는데, 다음의 [수학식 2]와 같다.
[수학식 2]
Figure pat00009
Figure pat00010
여기서, 분광 감응도
Figure pat00011
,
Figure pat00012
는 포토 다이오드 자체의 스펙트럼 감응도에 의해 결정될 뿐 아니라 확산기의 분광 투과율, 빔 스플리터의 분광 반사율/분광 투과율 및 모든 구성 요소의 기하학적 배치와 같은 다른 인자들에 의해 결정될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 새로운 복사계 설계의 주요 개념은 분광 감응도
Figure pat00013
,
Figure pat00014
가 파장에 대해 선형 함수가 되는 방식으로 포토 다이오드와 빔 스플리터를 구성하는 것이다. 이때, 분광 감응도
Figure pat00015
,
Figure pat00016
는 다음의 [수학식 3]과 같다.
[수학식 3]
Figure pat00017
Figure pat00018
여기서,
Figure pat00019
,
Figure pat00020
,
Figure pat00021
,
Figure pat00022
은 복사계의 교정 측정으로부터 결정될 수 있는 상수를 나타낸다.
또한, 다음의 [수학식 4]와 같이 정의된 두 함수의 비율은 파장에 대해 모노토닉(monotonic) 해야 한다.
[수학식 4]
Figure pat00023
상기 [수학식 3]의 선형 모델이 측정될 광원의 스펙트럼 대역폭
Figure pat00024
보다 더 넓어야 하는
Figure pat00025
과
Figure pat00026
사이의 특정 파장 범위에서 유효하다고 가정하면, 다음의 [수학식 5]와 같다.
[수학식 5]
Figure pat00027
상기 [수학식 3]을 [수학식 2]에 대입하면, 광 전류 신호는 다음의 [수학식 6]과 같다.
[수학식 6]
Figure pat00028
Figure pat00029
광원의 중심 파장
Figure pat00030
를 도입하면 다음의 [수학식 7]과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00031
상기 [수학식 1]과 [수학식 6]으로부터 광 전류 신호를 위한 간단한 관계를 구할 수 있는데, 다음의 [수학식 8]과 같다.
[수학식 8]
Figure pat00032
Figure pat00033
Figure pat00034
중심 파장은 다음의 [수학식 9]를 기초로 측정된 광 신호와 보정된 분광 감응도로부터 결정된다.
[수학식 9]
Figure pat00035
여기서, 함수
Figure pat00036
는 상기 [수학식 4]에서 정의된 두 분광 감응도의 비율이고, 복사계의 교정 결과로부터 즉시 결정될 수 있다.
중심 파장이 결정되면, 복사 조도는 상기 [수학식 8]로부터 유도된 다음의 [수학식 10]에 의해 분광 감응도
Figure pat00037
또는
Figure pat00038
로부터 쉽게 계산될 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00039
상기 [수학식 9]와 [수학식 10]은 두개의 포토다이오드의 광 전류로부터 중심 파장과 복사 조도를 동시에 측정할 수 있는 듀얼 포토다이오드 복사계의 측정 방정식이다.
듀얼 포토 다이오드 복사계를 구현하기 위해, 가장 중요한 이슈는 이론적 모델의 두 조건이 충족될 수 있는지의 여부이다. 첫째로, 입력 개구에서 복사 조도에 대한 두 포토 다이오드의 분광 감응도
Figure pat00040
,
Figure pat00041
는 상기 [수학식 3]에 기술된 파장에 대해 선형이라는 것이다. 둘째는 상기 [수학식 4]에서 정의된 감응도의 비율
Figure pat00042
은 파장에 대해 모노토닉 함수(monotonic function)라는 것이다. 이 조건은 광원의 스펙트럼 대역폭
Figure pat00043
보다 더 넓어야 하는
Figure pat00044
과
Figure pat00045
사이의 특정 파장 범위에서만 중요하다.
분광 감응도
Figure pat00046
,
Figure pat00047
는 다른 컴포넌트들의 속성의 곱으로 모델링될 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00048
Figure pat00049
여기서,
Figure pat00050
는 입력 개구에서 확산기의 분광 투과율이다.
Figure pat00051
와
Figure pat00052
는 각각 빔 스플리터의 분광 반사율과 분광 투과율이다.
Figure pat00053
와
Figure pat00054
는 각각 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드의 분광 출력 감응도(spectral power responsivity)이다.
Figure pat00055
과
Figure pat00056
는 각각 입력 개구 영역에 대해 통합된 확산기를 통해 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드까지 전달된 광의 기하학 포집 효율(geometrical collection efficiency)을 나타낸다.
Figure pat00057
과
Figure pat00058
는 파장 독립적이라 간주한다.
분광 감응도
Figure pat00059
,
Figure pat00060
의 다양한 변형은 컴포넌트들의 선택에 달려있다. 분광 감응도
Figure pat00061
,
Figure pat00062
의 스펙트럼 의존성은 주로 포토 다이오드와 빔 스플리터에 의해 결정된다.
도 2는 Si 포토 다이오드의 전형적인 분광 출력 감응도를 나타내는 도면이고, 도 3은 유리에 은 필름이 코팅된 빔 스플리터의 분광 투과율과 반사율을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 2와 도 3의 데이터로부터 계산된 분광 감응도를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 동일한 모델의 포토 다이오드가 사용된다고 가정하면
Figure pat00063
이고, 400 nm부터 900 nm까지 분광 출력 감응도
Figure pat00064
는 선형 함수(linear function)에 가깝다는 것을 알 수 있다.
도 3을 참조하면, 유리에 은 필름이 코팅되었다고 가정하면, 45˚ 각도로 편광되지 않은 광 입력의 조건 하에 10 nm의 두께로 Ag 코팅에 대한 분광 반사율과 투과율의 계산 결과를 보여주고 있다. 도 2와 유사하게,
Figure pat00065
와
Figure pat00066
의 스펙트럼 형태는 400 nm에서 900 nm까지의 범위에서 선형 함수에 가깝다.
도 4를 참조하면, 상기 도 2와 도 3의 조합하여 복사계의 분광 감응도
Figure pat00067
,
Figure pat00068
뿐 아니라 분광 감응도
Figure pat00069
,
Figure pat00070
의 비율
Figure pat00071
을 얻을 수 있다.
(a)에서, 제1 포토 다이오드의 분광 감응도
Figure pat00072
는 400 nm에서 900 nm까지의 범위에서 선형 함수에 가깝지만, 제2 포토 다이오드의 분광 감응도
Figure pat00073
는 선형 함수로부터 천천히 변화하는 편차를 보여주고 있다.
(b)에서, 분광 감응도
Figure pat00074
,
Figure pat00075
의 비율
Figure pat00076
은 400 nm에서 900 nm까지의 범위에서 계속해서 증가함을 보여주고 있다.
결론적으로, 듀얼 포토다이오드 복사계의 이론적 모델의 조건은 일반적으로 간단히 구현된 모델을 만족하지만 [수학식 3]의 이론적 요구사항으로부터 실제 구현의 편차가 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 포토다이오드 복사계를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 포토다이오드 복사계는 적분구(510), 제1 포토 다이오드(520), 제2 포토 다이오드(530), 필터(540), 제1 배플(550), 제2 배플(560)을 포함할 수 있다.
이렇게 구성된 듀얼 포토 다이오드 복사계는 도 1의 구성과 다르게 빔 스플리터 없이도 구성될 수 있다. 즉, 빔 스플리터 대신에 적분구의 내주면이 다중 반사를 통해 균일한 공간 분포를 만들어서 두 개의 포토 다이오드에 동일한 비율의 입사광을 전달할 수 있다.
적분구(510)는 하나의 입력 개구(510a)와 두 개의 출력 개구(510b, 510c)를 포함할 수 있다. 적분구(510)는 구 형태이기 때문에 그 내주면이 구면일 수 있다. 이러한 적분구(510)의 내주면에는 광을 반사시키기 위한 코팅층이 형성될 수 있다.
제1 포토 다이오드(520)는 제1 출력 개구(510b)에 배치되고, 입력 개구(510a)를 통해 전송되는 광의 일부 즉, 적분구의 내주면의 다중 반사를 통해 광이 입사될 수 있다.
제2 포토 다이오드(530)는 제1 출력 개구(510c)에 배치되고, 입력 개구(510a)를 통해 전송되는 광의 일부 즉, 적분구의 내주면의 다중 반사를 통해 광이 입사될 수 있다.
필터(540)는 제2 포토다이오드(530)의 입력측에 배치될 수 있다.
이때, 제1 포토 다이오드(520)와 제2 포토 다이오드(530) 사이의 분광 감응도 차이는 제2 포토 다이오드(530)에 배치된 필터(540)에 의해 생성될 수 있다. 필터(540)의 분광 투과율과 분광 반사율은 동일하게 설계되지 않고 서로 다르게 설계될 수 있다.
제1 배플(550)은 입력 개구(510a)와 제1 포토다이오드(520) 사이의 내주면에 배치될 수 있다. 제1 배플(550)은 입력 개구(510a)로 입사된 광이 제1 포토다이오드(520)로 직접 입사되는 것을 방지할 수 있다.
제2 배플(560)은 입력 개구(510a)와 제2 포토다이오드(530) 사이의 내주면에 배치될 수 있다. 제2 배플(560)은 입력 개구(510a)로 입사된 광이 제2 포토다이오드(530)로 직접 입사되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 적분구 기반의 구조를 위해, 상기 [수학식 11]의 인자
Figure pat00077
및
Figure pat00078
는 적분구의 스펙트럼 스루풋(spectral throughput)으로 대체된다. 적분구 기반 장치를 위한 분광 감응도는 도 4와 다르지만 측정 방정식은 동일하게 유지된다.
실시예에 따른 듀얼 포토다이오드 복사계의 개념 타당성을 검증하기 위해 도 1의 구조를 기반으로 한 도 4의 스펙트럼 감응도를 사용하여 테스트 장치에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였고 그 수치 시뮬레이션을 수행한 결과를 설명하기로 한다.
공지된 분광 복사조도를 갖는 상이한 유형의 광원들이 검증 장치에 조사한다고 가정하면, 중심 파장과 복사 조도는 측정 방정식 [수학식 9], [수학식 10]에 따라 도 4의 장치 데이터를 기초로 계산된다. 수치 시뮬레이션은 0.05 nm의 파장 분해능을 갖는 자체 개발 소프트웨어 코드를 이용하여 수행되고, 그 결과 즉, 중심 파장
Figure pat00079
와 복사 조도
Figure pat00080
는 광원의 미리 설정된 복사 조도로부터 계산된 값과 비교된다.
도 6은 시뮬레이션에 사용된 스펙트럼 필터링된 광원의 분광 복사조도를 나타내는 도면이고, 도 7은 중심 파장의 차이를 보여주는 도면이고, 도 8은 복사 조도의 상대적 차이를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 첫번째 광원으로 가우시안 프로파일로 분광 복사조도를 제공하는 스펙트럼 필터링된 광원(spectrally filtered source)이 사용되는데, 1 W/m2로 정규화된 피크 값을 갖는 미리 설정된 중심 파장에서 가우시안 함수를 사용하여 분광 복사조도를 생성하였다. 상기 가우시안 함수의 FWHM(Full Width at Half Maximum)에서 스펙트럼 대역폭은 5 nm 단위로 5 nm에서 25 nm까지 변화된다.
도 7을 참조하면,
Figure pat00081
로 정의된 중심 파장의 기준 값과 테스트 값 간의 파장 차이는 FWHM의 다른 스펙트럼 대역폭에서 기준 중심 파장의 함수로 표시된다.
도 8을 참조하면,
Figure pat00082
로 정의된 기준 복사 조도과 테스트 복사 조도 간의 상대적 차이는 FWHM의 다른 스펙트럼 대역폭에서 기준 중심 파장의 함수로 표시된다.
상기 함수를 통해, 10 nm 미만의 스펙트럼 대역폭을 갖는 스펙트럼 필터링된 광원의 경우 듀얼 포토다이오드 복사계는 400 nm ~ 900 nm의 파장 범위에서 각각 0.6 nm, 0.3 % 미만의 오차를 갖는 중심 파장과 복사 조도를 측정할 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 시뮬레이션에 사용된 컬러 LED와 컬러 OLED의 분광 복사조도를 보여주는 도면이다.
도 9를 참조하면, 분광 복사조도
Figure pat00083
를 갖는 레드(red), 그린(green), 블루(blue), 옐로우(yellow)를 포함한 다양한 색상을 갖는 LED와 OLED를 이용하는 경우, (a)에서는 컬러 LED의 분광 복사조도를 보여주고 (b)에서는 컬러 OLED의 분광 복사조도를 보여주고 있다.
컬러 LED와 컬러 OLED를 이용하여 수치 시뮬레이션을 수행한 결과는 다음의 [표 1]과 같다.
Figure pat00084
상기 [표 1]과 같이 시뮬레이션에 사용된 컬러 LED와 컬러 OLED에 대한 중심 파장 및 복사 조도의 최대 상대 오차는 각각 0.5 %와 1 %를 초과하지 않음을 알 수 있다.
도 10은 시뮬레이션에 사용된 백색 LED와 백색 OLED의 분광 복사조도를 보여주는 도면이다.
도 10을 참조하면, 분광 복사조도
Figure pat00085
를 갖는 3000 K, 6500 K의 CCT(Correlated Color Temperature)를 갖는 두 가지 종류의 백색 LED와 3000 K, 4000 K, 5500 K의 CCT를 갖는 세 가지 종류의 백색 OLED를 이용하는 경우, (a)에서는 백색 LED의 분광 복사조도를 보여주고, (b)에서는 백색 OLED의 분광 복사조도를 보여주고 있다.
백색 LED와 백색 OLED를 이용하여 수치 시뮬레이션을 수행한 결과는 다음의 [표 2]와 같다.
Figure pat00086
상기 [표 2]와 같이, 시뮬레이션에 사용된 백색 LED와 백색 OLED에 대한 중심 파장 및 복사 조도의 최대 상대 오차는 여전히 2 %와 3 %를 초과하지 않음을 알 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 케이스
120: 확산기
130: 빔 스플리터
140, 520: 제1 포토 다이오드
150, 530: 제2 포토 다이오드
160, 550: 제1 배플
170, 560: 제2 배플
180: 제3 배플
190: 라이트 트랩
510: 적분구
540: 필터

Claims (11)

  1. 일측부에 형성된 하나의 입력 개구와 타측부에 형성된 두 개의 출력 개구를 갖는 케이스;
    상기 입력 개구에 배치된 확산기;
    상기 케이스의 내부 중심에 배치되고, 상기 확산기를 통해 입사된 광을 서로 다른 경로로 전달하는 빔 스플리터;
    상기 하나의 출력 개구에 배치되고, 상기 빔 스플리터에 의해 반사된 광이 입사되는 제1 포토다이오드; 및
    상기 다른 하나의 출력 개구에 배치되고, 상기 빔 스플리터를 통과한 광이 입사되는 제2 포토다이오드를 포함하는, 듀얼 포토다이오드 복사계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스플리터의 분광 투과율과 분광 반사율은 다르게 설계된, 듀얼 포토다이오드 복사계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 확산기와 상기 빔 스플리터 사이에 배치되는 제1 배플;
    상기 빔 스플리터와 상기 제1 포토다이오드 사이에 배치되는 제2 배플; 및
    상기 빔 스플리터와 상기 제2 포토다이오드 사이에 배치되는 제3 배플을 더 포함하는, 듀얼 포토다이오드 복사계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스플리터를 기준으로 광이 반사되는 방향과 반대 방향에 배치되는 라이트 트랩을 더 포함하는, 듀얼 포토다이오드 복사계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 출력 개구는 서로 다른 타측부에 형성되는, 듀얼 포토다이오드 복사계.
  6. 일측부에 형성된 하나의 입력 개구와 타측부에 형성된 두 개의 출력 개구를 갖는 적분구;
    상기 하나의 출력 개구에 배치되고, 상기 적분구의 내부 벽의 다중 반사를 통해 광이 입사되는 제1 포토다이오드;
    상기 다른 하나의 출력 개구에 배치되고, 상기 적분구의 내부 벽의 다중 반사를 통해 광이 입사되는 제2 포토다이오드; 및
    상기 제2 포토다이오드의 입력측에 배치되는 필터를 포함하는, 듀얼 포토다이오드 복사계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 필터의 분광 투과율과 분광 반사율은 서로 다르게 설계된, 듀얼 포토다이오드 복사계.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 입력 개구와 상기 제1 포토다이오드 사이의 내주면에 배치되는 제1 배플; 및
    상기 입력 개구와 상기 제2 포토다이오드 사이의 내주면에 배치되는 제2 배플을 더 포함하는, 듀얼 포토다이오드 복사계.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드는 상기 입력 개구로부터 직선 방향으로 입사되는 광에 수직한 방향에 배치되되, 대향되는 위치에 배치되는, 듀얼 포토다이오드 복사계.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 적분구의 내주면에는 광을 반사시키기 위한 코팅층이 형성된, 듀얼 포토다이오드 복사계.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 두 개의 출력 개구는 서로 다른 타측부에 형성되는, 듀얼 포토다이오드 복사계.
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