KR20220163113A - 레이저 흡수 분광 분석 장치 - Google Patents

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KR20220163113A KR1020210071623A KR20210071623A KR20220163113A KR 20220163113 A KR20220163113 A KR 20220163113A KR 1020210071623 A KR1020210071623 A KR 1020210071623A KR 20210071623 A KR20210071623 A KR 20210071623A KR 20220163113 A KR20220163113 A KR 20220163113A
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Abstract

본 발명은, 측정 공간에 존재하는 대상 가스를 분석하는 레이저 흡수 분광 분석 장치로서, 광대역 광을 조사하는 광원과, 광대역 광 중 적어도 일부를 집광하여 측정 공간에 도입하는 제1 광학부와, 측정 공간을 통과한 광대역 광 중 적어도 일부를 집광하는 제2 광학부와, 제2 광학부에 의해 집광된 광대역 광을 통과시키는 복수의 광섬유를 포함하는 광섬유 블록과, 복수의 광섬유를 통과한 광대역 광을 분광시키는 영상 분광기와, 영상 분광기에 의해 분광된 광대역 광의 스펙트럼을 검출하는 이미지 센서와, 스펙트럼에서 대상 가스가 흡수한 파장을 검출하여 대상 가스를 분석하는 분석부를 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 장치를 제공한다.

Description

레이저 흡수 분광 분석 장치{DEVICE FOR LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY ANALYSIS}
본 발명은 레이저 흡수 분광 분석 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 광대역 광원 및 영상 분광기를 이용한 레이저 흡수 분광 분석 장치에 관한 것이다.
파장 가변형 다이오드 레이저 흡수 분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy; TDLAS)은, 최근 에너지, 환경 분야에서 크게 각광받고 있는 가스 분석 기술이다. 이와 같은 분석 기술은 분석하고자 하는 가스의 종류에 따라 결정되는 흡수 파장의 빛을 포함하는 광원을 이용하여 다양한 종류의 가스 농도를 측정할 수 있으며, 측정이 어려운 환경의 대형 연소 시스템에도 적용이 가능하여 다양한 형태로 응용 되고 있다.
TLDAS의 가스 농도 측정 기본 원리는 Beer-Lambert 법칙에 따라 가스의 광 흡수 특성에서 기인한다. 구체적으로, 모든 가스는 정해져 있는 특정한 몇 가지 파장의 빛을 흡수한다. 대표적인 예로 760㎚ 파장의 빛을 다른 가스 종은 통과시키지만, 산소(O2)는 이를 흡수한다. 즉, 산소가 포함된 가스 영역에 파장이 760nm 근방의 빛을 조사하고 통과된 빛을 광검출기를 이용하여 분석하면, 그 파장의 빛은 다른 가스 종의 영향을 받지 않고 산소의 영향만 받으므로, 흡수된 스펙트럼의 모양을 분석하면 산소의 농도를 분석해 낼 수 있는 원리이다.
전 세계적으로 환경 문제가 사회적 이슈로 크게 부각됨에 따라 온실 가스와 미세 먼지와 같은 공해 물질의 저감 노력이 활발히 진행되고 있는 가운데, 국내에서도 마찬가지로 이에 대한 연구와 노력이 계속되고 있다. 발전소, 제철소 등에서 이용되는 공업로의 경우에는 연소과정에서 많은 공해물질이 발생하고 있고, 이로 인하여 공연비 최적화에 대한 노력이 필요한 상황이다. 공연비 최적화는 연소과정에서 존재하는 산소의 농도를 실시간으로 분석함으로써 가능하며, 이 과정에서 요구되는 분석기술로서 TDLAS에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다.
그러나, TDLAS는 기본적으로 레이저 광의 매우 좁은 파장을 가변하여 가스를 분석하는 기술이기 때문에, 파장 별 흡수 스펙트럼에 시간 지연이 발생하게 되고, 이에 따라, 분석 결과에 대한 정확도가 떨어지는 단점이 존재한다.
또한, 고온, 가스 유동 및 진동 등 측정 영역 내부의 열악한 환경으로 인해, 열변형(뒤틀림), 진동 및 분진(산란) 등이 발생할 수 있고, 이에 따라 레이저 광이 측정 영역을 통과하여 광검출기로 입사되는 과정에서 신호의 크기가 미약해질 수 있다. 결과적으로 수광부가 고정된 상태에서 레이저 광을 수신할 경우, 레이저 광의 광축과 수광부의 중심이 틀어져 신호가 미약하게 되고, 이로 인하여 가스를 정확하게 분석할 수 없는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-1767177호
본 발명은 광대역 광원 및 영상 분광기를 이용하여 실시간으로 정확하게 대상 가스를 정확히 분석할 수 있는 레이저 흡수 분광 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 대상 가스가 측정 공간 내에서 불균일하게 분포되어 있더라도 다수의 레이저 빔 경로를 구성하여 대상 가스를 정확히 분석할 수 있는 다채널 레이저 흡수 분광 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가스를 분석하고자 하는 영역이 공간적으로 분리되어 있더라도 다수의 발광부와 광경로 및 수광부를 하나의 분광 장치를 이용하여 분석할 수 있는 다채널 레이저 흡수 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 광대역 광이 측정 공간을 통과하는 과정에서 그 위치가 변화되더라도, 정확하게 대상 가스를 분석할 수 있는 레이저 흡수 분광 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 측정 공간에 존재하는 대상 가스를 분석하는 레이저 흡수 분광 분석 장치로서, 광대역 광을 조사하는 광원과, 광대역 광 중 적어도 일부를 집광하여 측정 공간에 도입하는 제1 광학부와, 측정 공간을 통과한 광대역 광 중 적어도 일부를 집광하는 제2 광학부와, 제2 광학부에 의해 집광된 광대역 광을 통과시키는 복수의 광섬유를 포함하는 광섬유 블록과, 복수의 광섬유를 통과한 광대역 광을 분광시키는 영상 분광기와, 영상 분광기에 의해 분광된 광대역 광의 스펙트럼을 검출하는 이미지 센서와, 스펙트럼에서 대상 가스가 흡수한 파장을 검출하여 대상 가스를 분석하는 분석부를 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 장치를 제공한다.
여기서, 광섬유 블록은 광원에서 조사된 광대역 광 중 일부를 그대로 통과시키는 기준 광섬유를 더 포함할 수 있다.
또한, 영상 분광기는 기준 광섬유를 통과한 광대역 광을 분광시킬 수 있다.
또한, 분석부는 복수의 광섬유를 통과한 광대역 광과 기준 광섬유를 통과한 광대역 광의 스펙트럼을 비교하여 대상 가스를 분석할 수 있다.
또한, 복수의 광섬유는 측정 공간에 대해 복수의 방향으로 통과한 광대역 광을 광섬유 블록을 통하여 하나의 영상 분광기로 입력 받을 수 있다.
또한, 복수의 광섬유는 공간적으로 분리된 서로 다른 영역을 통과한 광대역 광을 광섬유 블록을 통하여 하나의 영상분광기로 입력 받을 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 측정 공간을 통과한 광대역 광의 위치를 검출하는 위치 검출부와, 광대역 광의 위치를 기초로 제2 광학부의 위치를 정렬하는 위치 정렬부를 더 포함할 수 있다.
또한, 위치 검출부는, 측정 공간을 통과한 광대역 광의 일부를 수신하는 수광부와, 수광부에 입력된 레이저 빔의 위치에 따라 전압 신호로 발생시키는 전압 발생부를 포함할 수 있다.
여기서, 위치 검출부는 수광부에 수신된 레이저 빔의 위치에 따라 달라지는 전압 발생부의 전압을 기초로 상기 광대역 광의 위치를 검출할 수 있다.
또한, 전압 발생부는, 수광부의 중심에서 제1 방향으로 서로 마주보는 지점의 제1 및 제2 전압을 측정하고, 수광부의 중심에서 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 서로 마주보는 지점의 제3 및 제4 전압을 측정할 수 있다.
또한, 위치 검출부는, 제1 및 제2 전압의 차이와 제3 및 제4 전압의 차이를 기초로 제2 광학부의 위치를 정렬하기 위한 제어 신호를 생성하고, 제어 신호를 위치 정렬부에 송신할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광대역 광을 조사한 후 동시간에 파장 별 흡수도를 분석하여 대상 가스의 종류 및 농도를 판단하기 때문에, 종래의 TDLAS 와 같이 파장 별 흡수도에 시간 지연이 발생하지 않고 넓은 파장 영역에 대한 흡수도를 분석하기 때문에, 실시간으로 정확하게 대상 가스를 분석할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 측정 공간에 대해 복수의 방향으로 통과한 광대역 광을 입체적으로 분석함으로써, 대상 가스가 측정 공간 내에서 불균일하게 분포되어 있더라도, 대상 가스를 정확히 분석할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 측정 공간을 거치지 않는 광대역 광의 스펙트럼을 검출하고, 이 스펙트럼을 측정 공간을 통과한 광대역 광의 스펙트럼과 비교함으로써, 대상 가스의 종류 및 농도를 정확히 판단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고온, 가스 유동 및 진동 등 측정 셀 내부의 열악한 환경으로 인해, 광대역 광이 측정 공간을 통과하는 과정에서 그 위치가 변화되더라도, 정확하게 대상 가스를 분석할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 블록의 구체적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영상 분광기의 구체적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 영상 면에 검출된 파장 별 스펙트럼과, 파장 별 광 강도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제2 광학부를 위치를 정렬시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 위치 검출부를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 위치 검출부가 광대역 광원의 위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치의 전체 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 측정 셀(10) 내부의 측정 공간(11)에 존재하는 대상 가스를 분석하는 장치로서, 광원(110), 제1 광학부(120), 제2 광학부(140), 광섬유 블록(160), 영상 분광기(170), 이미지 센서(180) 및 분석부(190)를 포함하여 구성될 수 있다.
광원(110)은 광대역 광을 조사하는 광대역 레이저일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 광대역 레이저는 기존의 단색광 레이저나 파장 가변 레이저의 제한된 파장대역의 한계를 극복할 수 있어, 바이오 이미징, 반도체 웨이퍼 및 광전자 소자의 검사 및 한경 모니터링 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
제1 광학부(120)는, 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있으며, 측정 셀(10) 외부에 배치되어 광원(110)에서 조사된 광대역 광 중 적어도 일부를 집광하여 측정 셀(10) 내부의 측정 공간(11)에 도입할 수 있다. 여기서, 제1 광학부(120)에 의해 집광된 광은 제1 미러(131)에 의해 반사되어 측정 공간(11)으로 입사될 수 있다.
제2 광학부(140)는, 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있으며, 제1 광학부(120)와 대향하는 측정 셀(10)의 외부에 배치되어 측정 공간(11)을 통과한 광대역 광 중 적어도 일부를 집광할 수 있다. 여기서, 측정 공간(11)을 통과한 광대역 광은 제2 미러(132)에 의해 반사되어 제2 광학부(140)로 입사될 수 있다.
광섬유 블록(160)은 광섬유(161) 및 기준 광섬유(162)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 광섬유(161, 162)는 광을 전달하는 가느다란 유리 또는 플라스틱 섬유의 일종으로서, 광섬유의 원리는 광섬유 내부와 외부를 서로 다른 밀도와 굴절률을 가지는 유리 섬유로 제작하여, 한번 입사된 광이 광섬유 내부에서 전반사를 하며 진행하도록 하여 광 손실을 최소화시키데 있다.
광섬유(161)는 제2 광학부(140)에 연결되어 제2 광학부(140)에 의해 집광된 광대역 광을 통과시킨다. 그리고, 기준 광섬유(162)는 광원(110)에 연결되어 광원(110)에서 조사된 광대역 광 중 일부를 측정 공간(11)을 거치지 않고 그대로 통과시킬 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 광원(110)에서 조사된 광대역 광은 빔 스플리터에 의해 분리될 수 있다. 즉, 빔 스플리터에 의해 광대역 광 중 일부는 기준 광섬유(162)로 입사되고, 나머지는 제1 광학부(120)로 입사될 수 있다.
영상 분광기(170)는 광섬유(161) 및 기준 광섬유(162)를 통과한 광대역 광을 각각 분광시킬 수 있다. 여기서, 영상 분광기(170)는 분산 소자(예컨대, 회절 격자)를 이용하여 빛을 분광시켜 빛의 파장을 측정하거나 임의의 파장의 빛을 가려낼 수 있도록 만든 장치이다.
이미지 센서(180)는 영상 분광기(170)에 의해 분광된 광대역 광의 스펙트럼을 각각 검출할 수 있다. 여기서, 이미지 센서(180)는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 카메라가 적용될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
분석부(190)는 이미지 센서(180)가 검출한 광대역 광의 스펙트럼에서 대상 가스가 흡수한 파장을 검출하여 대상 가스를 분석할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 블록의 구체적인 구성도이다. 여기서, (a)는 광섬유 블록의 측면을 나타낸 도면이고, (b)는 광섬유 블록의 정면을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 광섬유 블록(160)은 n(여기서, n은 2 이상의 자연수)개의 광섬유(161_1~161_n)를 포함하여 구성될 수 있다. 이와 대응하여, 제1 광학부(120)는 n개의 제1 광학부(120_1~120_n)로 구성되고, 제2 광학부(140)는 n개의 제2 광학부(140_1~140_n)로 구성될 수 있다.
여기서, n개의 제1 광학부(120_1~120_n)는 측정 셀(10) 외부에 등간격으로 배치될 수 있고, n개의 제2 광학부(140_1~140_n)는 n개의 제1 광학부(120_1~120_n)와 대향하여 측정 셀(10)의 외부에 등간격으로 배치될 수 있다.
또한, n개의 제1 광학부(120_1~120_n)는 n개의 광원(110)으로부터 광대역 광을 각각 입력 받을 수 있다.
n개의 광섬유(161_1~161_n)는 n개의 제2 광학부(140)에 의해 집광된 광대역 광을 각각 통과시킬 수 있다. 즉, n개의 광섬유(161_1~161_n)는 측정 공간(11)에 대해 복수의 방향으로 통과한 광대역 광을 각각 입력 받을 수 있다.
도 2에는 하나의 기준 광섬유(162)만 도시하였지만, 기준 광섬유(162)는 n개의 광섬유(161_1~161_n)와 동일한 개수로 구비될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영상 분광기의 구체적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 영상 분광기(170)는 슬릿(171) 및 분산 소자(172)를 포함하여 구성될 수 있다.
슬릿(171)은, 라인 형상의 투과 영역을 구비하며, n개의 광섬유(161_1~161_n)에서 출사되는 광대역 광을 투과 영역으로 통과시킬 수 있다.
분산 소자(172)는 슬릿(171)을 통과한 광대역 광을 파장 별로 분광시킬 수 있다. 여기서, 분산 소자(172)는 프리즘 또는 회절 격자일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
이와 같이 영상 분광기(170)에 의해 분광된 광대역 광은 이미지 센서(18)의 영상 면에 파장 별 스펙트럼으로 검출될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 영상 면에 검출된 파장 별 스펙트럼(a)과, 파장 별 광 강도(b)를 도시한 도면이다.
도 4에서 A는 대상 가스가 흡수한 흡수 파장이고, A-W 및 A+W는 광대역 광의 반치폭(Full width at half maximum; FWHM)을 의미한다.
도 4 (a)를 참조하면, n개의 광섬유(161_1~161_n)에서 출사되는 광대역 광은 영상 분광기(170)를 거쳐 이미지 센서(180)의 영상 면에 수직 라인으로 검출될 수 있다. 구체적으로, n개의 광섬유(161_1~161_n)에 대응한 n개의 스펙트럼이 수평 방향으로 일정 간격을 두고 수직 라인으로 검출될 수 있다.
도 4 (b)를 참조하면, n번째 광섬유(161_n)을 통과한 광대역 광은 측정 공간(11)을 통과하는 과정에서 대상 가스에 의해 특정 파장(Wavelength)의 빛을 강하게 흡수하고, 나머지 파장의 빛을 약하게 흡수할 수 있다. 여기서, 흡수 정도가 클수록 광 강도(Intensity)는 낮아지게 된다. 이와 같은 원리를 이용해, 분석부(190)는 측정 공간(11) 내에 존재하는 대상 가스의 종류 및 농도를 도출할 수 있다.
예를 들어, 대상 가스가 산소(O2)인 경우, 산소는 760nm 파장의 빛을 주로 흡수하고, 나머지 파장대의 빛은 흡수하지 않는다. 따라서, 분석부(190)는 도 4 (b)에 도시한 바와 같이, 광 강도(Intensity)가 낮아지는 파장이 760nm인 것을 확인하여, 측정 공간(11)에 존재하는 대상 가스를 산소로 판단할 수 있다. 또한, 낮아진 광 강도(Intensity) 정도에 따라 대상 가스의 농도를 산출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 광대역 광을 조사한 후 동시간에 파장 별 흡수도를 분석하여 대상 가스의 종류 및 농도를 판단하기 때문에, 종래의 TDLAS 와 같이 파장 별 흡수도에 시간 지연이 발생하지 않게 되고, 이에 따라, 실시간으로 정확하게 대상 가스를 분석할 수 있다.
한편, 대상 가스는 측정 공간(11) 내에서 대부분 불균일하게 분포되어 있을 수 있다. 따라서, 측정 공간(11)에 대해 어느 한 방향으로 통과한 광대역 광에 대한 분석만으로는 대상 가스를 정확히 분석할 수 없다.
따라서, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 광원(110), 제1 광학부(120), 제2 광학부(140) 및 광섬유(161)를 복수 개로 구비하여, 측정 공간(11)에 대해 복수의 방향으로 통과한 광대역 광을 입체적으로 분석함으로써, 대상 가스가 측정 공간(11) 내에서 불균일하게 분포되어 있더라도, 대상 가스를 정확히 분석할 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 비교적 고가인 영상 분광기(170)를 하나만 구비하더라도, 하나의 영상 분광기(170)가 측정 공간(11)에 대해 복수의 방향으로 통과한 광대역 광 모두를 각각 분광시키고, 이미지 센서(18)의 영상면에 모두 결상시키기 때문에, 비용 절감의 효과가 있다.
한편, 측정 공간(11)을 통과한 광대역 광의 파장 별 흡수도를 분석하여 대상 가스의 종류 및 농도를 정확히 판단하기 위해서는, 그 판단 기준이 필요하다. 즉, 광원(11)이 조사하는 광대역 광의 스펙트럼 확인이 필요하다.
이를 위해, 분석부(190)는 복수의 광섬유(161)를 통과한 광대역 광의 스펙트럼과 기준 광섬유(162)를 통과한 광대역 광의 스펙트럼을 비교하여 대상 가스를 분석할 수 있다.
구체적으로, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 동일한 광원(110)에서 조사된 광대역 광 중 적어도 일부를 측정 공간(11)에 통과시키되, 그 중 일부를 측정 공간(11) 거치지 않고 그대로 통과시키는 기준 광섬유(162)를 구비하여, 기준 광섬유(162)를 통과한 광대역 광의 스펙트럼을 검출할 수 있다. 그리고, 이 스펙트럼을 광섬유(161)를 통과한 광대역 광의 스펙트럼과 비교함으로써, 대상 가스의 종류 및 농도를 정확히 판단할 수 있다.
여기서, 영상 분광기(170)는 기준 광섬유(162)를 통과한 광대역 광을 각각 분광시킬 수 있고, 이미지 센서(180)는 영상 분광기(170)에 의해 분광된 광대역 광의 스펙트럼을 각각 검출할 수 있다.
광섬유(161)가 복수 개인 경우, 복수의 광원(110)이 조사하는 광대역 광 특성이 모두 상이할 수 있어, 이들 광섬유(161)에 대응하여 동일한 개수의 기준 광섬유(162)가 구비되는 것이 바람직하다. 따라서, 측정 공간(11)에 대해 복수의 방향으로 통과한 광대역 광을 입체적으로 분석함에 있어, 그 판단 기준을 각각 제공할 수 있다.
한편, 고온, 가스 유동 및 진동 등 측정 셀(10) 내부의 열악한 환경으로 인해, 열변형(뒤틀림), 진동 및 분진(산란) 등이 발생할 수 있고, 이에 따라 광대역 광이 측정 공간(11)을 통과하는 과정에서 그 위치가 변화될 수 있다.
이 때, 제2 광학부(140)가 고정된 위치에서 광대역 광을 수신할 경우, 광대역 광의 광축과 제2 광학부(140)의 중심이 틀어져 정확하게 대상 가스를 분석할 수 없는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는 광대역 광의 위치를 검출하여 광대역 광의 위치에 따라 제2 광학부(40)의 위치를 정렬하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제2 광학부를 위치를 정렬시키는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 위치 검출부를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 위치 검출부가 광대역 광원의 위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 위치 검출부(150) 및 위치 정렬부(155)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
위치 검출부(150)는 측정 공간(11)을 통과한 광대역 광의 위치를 검출할 수 있다.
측정 공간(11)을 통과한 광대역 광은 빔스플리터(133)에 의해 분리될 수 있다. 즉, 빔스플리터(133)에 의해 광대역 광 중 일부(예컨대, 10%)는 위치 검출부(150)로 입사되고, 나머지(예컨대, 90%)는 제2 광학부(140)로 입사될 수 있다.
여기서, 위치 검출부(150)는 입사된 일부의 광대역 광을 이용해 광대역 광의 위치를 검출하고, 위치 정렬부(155)는 검출된 광대역 광의 위치를 기초로 제2 광학부(140)의 위치를 정렬시킬 수 있다. 즉, 제2 광학부(140)의 중심이 광대역 광의 광축에 위치되도록 제2 광학부(140)의 위치를 정렬시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 위치 검출부(150)는, 측정 공간(11)을 통과한 광대역 광의 일부를 수신하는 수광부(151)와, 수광부(151)의 전압을 측정하여 전압 신호를 발생하는 전압 발생부(미도시)를 포함할 수 있다.
위치 검출부(150)는 수광부(151)에 수신된 광대역 광의 위치에 따라 달라지는 수광부(151)의 전압을 기초로 광대역 광의 위치를 검출할 수 있다.
전압 발생부(미도시)는, 수광부(151)의 중심에서 제1 방향(수직 방향)으로 서로 마주보는 제1 및 제2 지점(P1, P2)의 제1 및 제2 전압(V1, V2)을 측정하고, 수광부(151)의 중심에서 제1 방향과 수직인 제2 방향(수평 방향)으로 서로 마주보는 제3 및 제4 지점(P3, P4)의 제3 및 제4 전압(V3, V4)을 측정할 수 있다.
여기서, 광대역 광과 가까운 지점일 수록 전압은 높게 측정되고, 광대역 광과 먼 지점일수록 전압은 낮게 측정될 수 있다.
위치 검출부(150)는, 제1 및 제2 전압(V1, V2)의 차이와 제3 및 제4 전압(V3, V4)의 차이를 기초로 제2 광학부(140)의 위치를 정렬하기 위한 제어 신호를 생성하고, 제어 신호를 위치 정렬부(155)에 송신할 수 있다.
구체적으로, 도 7을 참조하면, 광대역 광의 위치(laser spot)가 수광부(151)의 중심에 위치되는 경우(a), 광대역 광의 위치에서 제1 및 제2 지점(P1, P2) 위치까지 거리는 동일하고, 광대역 광의 위치에서 제3 및 제4 지점(P3, P4) 위치까지 거리는 동일하기 때문에, 제1 및 제2 전압(V1, V2)은 동일하고, 제3 및 제4 전압(V3, V4)은 동일하다.
이와 달리, 광대역 광의 위치(laser spot)가 제1 및 제3 지점(P1, P3)에 치우친 경우(b), 광대역 광의 위치에서 제1 지점(P1) 위치까지 거리는 광대역 광의 위치에서 제2 지점(P2) 위치까지 거리 보다 짧고, 광대역 광의 위치에서 제3 지점(P3) 위치까지 거리는 광대역 광의 위치에서 제4 지점(P4) 위치까지 거리 보다 짧기 때문에, 제1 전압(V1)은 제2 전압(V2) 보다 높고, 제3 전압(V3)은 제4 전압(V4) 보다 높다.
이와 같은 원리를 이용해, 위치 검출부(150)는 제1 및 제2 전압의 차이가 0이 되고, 제3 및 제4 전압의 차이가 0이 되도록 하는 제어 신호를 생성하고, 이를 위치 정렬부(155)에 전송하여 제2 광학부(140)의 위치를 조정할 수 있다.
또한, 위치 검출부(150)는 제1 내지 제4 전압(V1~V4)의 합신호를 이용해 광대역 광의 강도를 추정할 수 있고, 이를 통해 측정 셀(10) 내부의 분진으로 인한 신호 차단 여부를 감지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 광대역 광이 측정 공간(11)을 통과하는 과정에서 그 위치가 변화되더라도, 정확하게 대상 가스를 분석할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
110: 광원
120: 제1 광학부
140: 제2 광학부
150: 위치 검출부
160: 광섬유 블록
170: 영상 분광기
180: 이미지 센서
190: 분석부

Claims (10)

  1. 측정 공간에 존재하는 대상 가스를 분석하는 레이저 흡수 분광 분석 장치로서,
    광대역 광을 조사하는 광원;
    상기 광대역 광 중 적어도 일부를 집광하여 상기 측정 공간에 도입하는 제1 광학부;
    상기 측정 공간을 통과한 상기 광대역 광 중 적어도 일부를 집광하는 제2 광학부;
    상기 제2 광학부에 의해 집광된 상기 광대역 광을 통과시키는 적어도 하나의 광섬유를 포함하는 광섬유 블록;
    상기 광섬유를 통과한 상기 광대역 광을 분광시키는 영상 분광기;
    상기 영상 분광기에 의해 분광된 상기 광대역 광의 스펙트럼을 검출하는 이미지 센서; 및
    상기 스펙트럼에서 상기 대상 가스가 흡수한 파장을 검출하여 상기 대상 가스를 분석하는 분석부
    를 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 블록은
    상기 광원에서 조사된 상기 광대역 광 중 일부를 그대로 통과시키는 기준 광섬유를 더 포함하는
    레이저 흡수 분광 분석 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 영상 분광기는
    상기 기준 광섬유를 통과한 상기 광대역 광을 분광시키는
    레이저 흡수 분광 분석 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 분석부는
    상기 광섬유를 통과한 상기 광대역 광과 상기 기준 광섬유를 통과한 상기 광대역 광의 스펙트럼을 비교하여 상기 대상 가스를 분석하는
    레이저 흡수 분광 분석 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는
    복수 개로 구비되어, 상기 측정 공간에 대해 복수의 방향으로 통과하거나, 서로 다른 가스 공간에 배치된 상기 광대역 광을 입력 받는
    레이저 흡수 분광 분석 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 공간을 통과한 상기 광대역 광의 위치를 검출하는 위치 검출부; 및
    상기 광대역 광의 위치를 기초로 상기 제2 광학부의 위치를 정렬하는 위치 정렬부
    를 더 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 위치 검출부는
    상기 측정 공간을 통과한 상기 광대역 광의 일부를 수신하는 수광부; 및
    상기 수광부의 전압을 측정하여 전압 신호를 발생하는 전압 발생부를 포함하는
    레이저 흡수 분광 분석 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 위치 검출부는
    상기 수광부에 수신된 상기 광대역 광의 위치에 따라 달라지는 상기 수광부의 전압을 기초로 상기 광대역 광의 위치를 검출하는
    레이저 흡수 분광 분석 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전압 발생부는
    상기 수광부의 중심에서 제1 방향으로 서로 마주보는 지점의 제1 및 제2 전압을 측정하고, 상기 수광부의 중심에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 서로 마주보는 지점의 제3 및 제4 전압을 측정하는
    레이저 흡수 분광 분석 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 위치 검출부는
    상기 제1 및 제2 전압의 차이와 상기 제3 및 제4 전압의 차이를 기초로 상기 제2 광학부의 위치를 정렬하기 위한 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호를 상기 위치 정렬부에 송신하는
    레이저 흡수 분광 분석 장치.
















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