KR20230152678A - 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리 및 이를 구비한 멀티스펙트럼 센서 - Google Patents
멀티스펙트럼 발광용 어셈블리 및 이를 구비한 멀티스펙트럼 센서 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230152678A KR20230152678A KR1020237029254A KR20237029254A KR20230152678A KR 20230152678 A KR20230152678 A KR 20230152678A KR 1020237029254 A KR1020237029254 A KR 1020237029254A KR 20237029254 A KR20237029254 A KR 20237029254A KR 20230152678 A KR20230152678 A KR 20230152678A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- light
- filter array
- assembly
- array
- filters
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 85
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 74
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 43
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 34
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 7
- 238000003491 array Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 238000004867 photoacoustic spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 4
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 3
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000003891 environmental analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000796 flavoring agent Substances 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000000275 quality assurance Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 229940035637 spectrum-4 Drugs 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 210000002105 tongue Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3577—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing liquids, e.g. polluted water
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
- G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N2021/3129—Determining multicomponents by multiwavelength light
- G01N2021/3133—Determining multicomponents by multiwavelength light with selection of wavelengths before the sample
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/06—Illumination; Optics
- G01N2201/067—Electro-optic, magneto-optic, acousto-optic elements
- G01N2201/0675—SLM
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
본 발명은 적어도 하나의 광대역 광원(1), 다수의 스펙트럼 필터들로 구성된 필터 어레이(4), 및 상기 광원(1)에서 방출된 광이 상기 필터 어레이(4)를 통과하는 것을 제어하기 위한 광 스위치 장치(2)를 포함하는 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리에 관한 것이다. 일 실시예에서, 광 스위치 장치(2)는 마이크로 미러(16)들 또는 마이크로 다이어프램들로 구성된 어레이로 형성되고, 광원(1)에서 방출된 광을 필터 어레이(4)의 하나 이상의 임의 지정 가능한 스펙트럼 필터들을 통해서만 제어된 방식으로 안내할 수 있도록 설계 및 배치된다. 본 발명은 또한 멀티스펙트럼 발광용 그런 어셈블리를 포함하는 멀티스펙트럼 센서에 관한 것이다. 어셈블리는 멀티스펙트럼 센서가 다수의 스펙트럼 채널을 갖는 소형화된 디자인으로 저렴하게 제공될 수 있게 한다.
Description
본 발명은 스펙트럼 범위의 광을 방출하는 적어도 하나의 광대역 광원, 상기 광원의 스펙트럼 범위 내에 있는 스펙트럼 폭을 갖는 다수의 스펙트럼 필터들로 구성된 필터 어레이, 및 상기 광원에서 방출된 광이 상기 필터 어레이를 통과하는 것을 제어하기 위한 광 스위치 장치를 포함하는 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이 어셈블리를 구비한 멀티스펙트럼 센서에 관한 것이다.
예를 들어 액체 또는 기체 매체의 선택적 분석을 위한 수많은 응용 분야에서는 가변 파장 또는 파장 범위를 갖는 광학 방사선이 사용되어야 한다. 예로는 흡수 분광법 또는 광음향 분광법이 있다. 각각의 가스는 하나 이상의 흡수 피크(지문)들을 갖는 특징적인 흡수 스펙트럼을 갖는다. 광음향 분광법에서, 흡수 피크에서의 특정 광 흡수는 매체에서의 음파 또는 압력 변동을 일으키고, 이는 검출되어 전기 신호로 변환된다. 예를 들어 마이크가 검출기로 사용될 수 있다. 검출된 압력 변동은 해당 가스의 농도에 대한 척도이다. 광음향 가스 센서(PGS)를 사용하면 서로 다른 응집 상태의 많은 수의 물질들이 매우 낮은 농도에서 측정될 수 있다. 그러나 측정에는 측정 대상 가스에 대한 입사광의 파장 또는 파장 범위의 조정이 필요하다. 여기 파장은 예를 들어 스펙트럼 필터를 사용하거나 조정 가능한 레이저를 사용하여 조정될 수 있다. 광음향 가스 센서와 동시에 측정될 수 있는 가스들의 수는 이 가스 센서의 광학 스펙트럼 채널들의 수와 관련이 있다.
예를 들어, EP 3 508 836 B1은 광대역 IR 광원으로부터의 광이 대역 통과 필터를 통해 측정 대상 가스를 포함하는 측정 챔버로 안내되는 광음향 가스 센서를 도시한다. 광학 대역 통과 필터는 광 스펙트럼의 특정 부분만 통과시킨다. 필터의 중심 파장은 감지할 가스의 흡수 최대치에 따라 조정된다. 최대 100Hz의 IR 광원의 시간적 변조를 통해, 가스에서의 광 흡수에 의해 측정 챔버 내부에서 음파가 생성되며, 이 음파는 측정 챔버 상의 고감도 압력 센서에 의해 측정된다. 측정된 진폭은 흡수 가스의 농도에 비례한다. 많은 응용 분야에서, 간단한 구조로 인해 EP 3 508 836 B1에 설명된 센서로 실현될 수 있는 것처럼, 작은 체적을 갖는, 즉 소형화된 형태의 이러한 가스 센서가 필요하다. 그러나 이 문헌의 가스 센서는 하나의 스펙트럼 필터만을 구비하고 있어 해당 필터 파장에서 흡수가 최대인 가스만 감지할 수 있다.
원칙적으로 여기 광원과 측정 챔버 사이에 필터 휠을 사용하여 여기 파장을 변경할 수 있다. 동시에 측정될 수 있는 가스들의 수는 사용 가능한 광학 스펙트럼 채널들의 수, 즉 스펙트럼 필터들의 수와 관련이 있다. 그러나 필터 휠들에서 서로 다른 필터들의 수는 제한되어 있다. 기계적 크기로 인해 소형화는 매우 복잡하며, 설치된 필터들의 수에 따라 측정 시간이 증가한다. 필터 휠의 또 다른 단점은 동시에 하나의 필터만 사용될 수 있다는 것이다.
광원으로서 조정 가능한 레이저, 특히 QCL(양자 캐스케이드 레이저)을 사용하는 경우, 스펙트럼 필터들이 필요하지 않다. 파장은 레이저의 조정 범위 내에서 자유롭게 조정될 수 있다. 예를 들어, 다수의 양자 캐스케이드 레이저를 결합하면 넓은 스펙트럼 범위가 갭 없이 커버될 수 있고 많은 수의 가스들이 측정될 수 있다. 그러나 양자 캐스케이드 레이저는 상대적으로 비싸다. 넓은 스펙트럼 범위를 커버하기 위해 여러 개의 양자 캐스케이드 레이저가 필요하기 때문에 비용은 더 증가한다. 또한 이러한 레이저들로는 추가 소형화가 불가능하다.
이러한 이유로, 위에서 인용한 EP 3 508 836 B1에서와 같이 일반적으로 하나의 가스만 측정할 수 있는, 단일 대역 통과 필터만을 갖는 저렴한 광음향 센서가 현재 알려져 있다. 광음향 센서에 의해 가능해진 서브 ppb 범위에서도 복잡한 샘플의 선택적 분석을 위해, 소형 폼 팩터로 비용 효율적인 솔루션이 사용될 수 없다.
본 발명의 과제는 소형화된 디자인으로 비용 효율적으로 구현될 수 있는 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리 및 이를 기반으로 하는 멀티스펙트럼 센서를 제공하는 것이다. 상기 어셈블리는 특히 방출된 파장의 간단하고 신속한 조정 또는 변경을 가능하게 해야 한다.
상기 과제는 청구항 제 1 항 및 제 2 항의 어셈블리들과 청구항 제 11 항에 따른 멀티스펙트럼 센서에 의해 해결된다. 어셈블리 및 멀티스펙트럼 센서의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이거나 다음 설명 및 실시예들에 나타난다.
제안된 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리는 적어도 하나의 광대역 광원, 필터 어레이, 및 상기 광원에서 방출된 광의 적어도 일부가 필터 어레이를 통과하는 것을 제어하기 위한 스위치 장치를 포함한다. 광대역 광원은 특정 스펙트럼 범위의 광을 방출한다. 필터 어레이의 스펙트럼 필터들은 적어도 부분적으로 광원의 스펙트럼 범위 내에 있는, 상응하게 더 작은 스펙트럼 폭을 갖는다. 스펙트럼 필터의 스펙트럼 폭은 바람직하게는 1 ㎛미만이다.
제안된 어셈블리의 제 1 대안에서, 스위치 장치는 광 스위치 장치의 형태이고, 광원, 필터 어레이 및 광 스위치 장치는, 광원에서 방출된 광이 광 스위치 장치를 통해, 선택적으로 또한 편향 요소들 또는 렌즈들과 같은 추가 광학 요소들, 및 필터 어레이를 통해 어셈블리의 출력으로 안내되며 상기 출력에서 상응하게 필터링된 광이 어셈블리에서 방출되는 방식으로 배치된다. 광 스위치 장치는 마이크로 미러들 또는 마이크로 다이어프램들로 구성된 어레이를 가지며, 광원에서 방출된 광을 필터 어레이의 하나 이상의 임의 지정 가능한 스펙트럼 필터들을 통해서만 제어된 방식으로 어셈블리의 출력으로 안내할 수 있도록 설계 및 배치된다. 이를 위해 광 스위치 장치가 적절하게 제어될 수 있다.
제 2 대안에서, 광원은 스위치 장치를 통해 별도로 제어될 수 있는 발광기들의 어레이를 갖고, 스위치 장치를 통해 발광기를 제어함으로써 광원에서 방출된 광이 필터 어레이의 하나 이상의 임의 지정 가능한 스펙트럼 필터들을 통해서만 제어된 방식으로 안내될 수 있도록 설계 및 배치된다. 이 제 2 대안의 또 다른 실시예에서, 광원은 단일 발광기에 의해 형성되고, 스위치 장치는 이 단일 발광기 또는 필터 어레이를 위한 기계적 XY 조정 장치를 가지며, 상기 조정 장치에 의해 상기 단일 발광기가 필터 어레이의 상이한 필터들 아래 배치될 수 있어서 광원에서 방출된 광은 필터 어레이의 임의 지정 가능한 스펙트럼 필터를 통해서만 제어된 방식으로 안내될 수 있다. 어셈블리의 이러한 제 2 대안에서, 발광기의 발광면은 바람직하게는 필터 어레이의 개별 스펙트럼 필터의 측면 치수보다 크지 않다.
바람직한 실시예에서, 필터 어레이의 개별 스펙트럼 필터는 ≤ 10×10 mm의 작은 측면 치수를 갖는다. 필터 어레이는 스펙트럼 필터들이 필터 어레이의 행과 열에 배치되는 방식으로 설계되는 것이 바람직하다. 그러나 원칙적으로 필터 어레이 내의 개별 필터들의 다른 배치, 예를 들어 동심 배치, 순수 선형 배치 또는 완전 임의의 배치도 가능하다. 필터 어레이의 개별 스펙트럼 필터들의 배치는 바람직하게는 제 1 대안의 마이크로 미러들 또는 마이크로 다이어프램들의 배치 또는 제 2 대안의 발광기들로 구성된 어레이의 개별 발광기의 배치와 상관되어, 이들은 각각 같은 방식으로 배치된다. 즉, 예를 들어 행 및 열로 배치된다. 광 스위치 장치 또는 광원의 측에 존재하는 유닛(마이크로 미러, 마이크로 다이어프램, 발광기)들의 수는 바람직하게는 필터 어레이의 스펙트럼 필터들의 수에 상응하므로, 각각의 유닛에는 하나의 스펙트럼 필터가 할당되고, 상기 스펙트럼 필터를 통해, 관련 유닛으로부터 나오는 광만 안내될 수 있다. 필터들의 수를 이러한 유닛들의 수보다 크게 선택할 가능성도 있으며, 이 경우 각각의 유닛에는 서로 나란히 배치된 스펙트럼 필터들, 예를 들어 2개 또는 4개의 필터들의 그룹이 할당된다. 또한, 필터들의 수를 이러한 유닛들의 수보다 작게 선택할 가능성이 있으며, 이 경우 각각의 필터에는 서로 나란히 배치된 다수의 유닛들이 할당된다.
제안된 어셈블리는 필터 어레이의 서로 다른 필터들의 수와 특성에 따라 방출된 광학 방사선의 파장 또는 스펙트럼 분포를 조정 또는 변경할 수 있게 한다. 따라서, 방출된 광의 스펙트럼 분포가 각 응용 분야에 맞게 조정될 수 있다. 필터어레이와 광원은 광 스위치 장치와 같이 구조의 선택에 의해 소형화되어 구현될 수 있다. 어셈블리는 값비싼 광원을 필요로 하지 않는다.
서브 파장 구조에 기초한 필터들 또는 플라즈몬 필터들이 바람직하게는 필터 어레이에 사용된다. 결과적으로 가장 작은 공간에서 많은 수의 필터들이 비용 효율적으로 구현될 수 있다. 이것은 예를 들어 개별 광학 채널들 또는 필터들의 적절한 조합에 의해, 즉 다수의 스펙트럼 필터를 통해 광을 동시에 통과시킴으로써 거의 모든 물질에 대한 흡수 스펙트럼의 시뮬레이션을 가능하게 한다. 필터들은 간섭 필터의 형태일 수도 있고 편광 필터와 조합될 수도 있다. 원칙적으로 필터 어레이 내에서 이러한 필터 유형들의 조합도 가능하다.
제 1 대안에서 광 스위치 장치는 광원과 함께 하나의 모듈로 구현되거나 광원과는 별도로 구현될 수 있다. 제 2 대안에서 어레이형 광원은 필터 어레이와 함께 하나의 모듈로서 설계되거나 그것과 별도로 설계될 수 있다. 두 가지 대안 모두에서, 개별 광학 채널들 사이의 광 크로스토크를 방지하기 위한 장치는 예를 들어 적절하게 설계된 다이어프램 어레이 및/또는 렌즈 어레이의 형태로, 광원과 필터 어레이 사이의 빔 경로에 배치될 수 있다.
제안된 어셈블리에 의해, 멀티스펙트럼 센서는 어셈블리에서 방출된 광이 결합되는 측정 챔버 및 하나 이상의 검출기로 구현될 수 있고, 상기 검출기(들)은 측정 챔버로 결합된 광과 측정 챔버 내에 도입된 매체의 상호 작용의 결과를 검출할 수 있다. 멀티스펙트럼 센서는 예를 들어 검출기들 중 적어도 하나가 압력 센서, 예를 들어 마이크인, 광음향 가스 센서의 형태일 수 있다. 이 경우, 제안된 어셈블리의 광원은 측정 챔버 내로 결합된 광의 흡수를 통해 측정 대상 가스에서 음파를 생성하기 위해 측정 중에 적절하게 시간적으로 변조된다. 그런 다음 필터 어레이의 필터들의 수에 따라 더 많은 수의 가스들 또는 가스 성분들이 이 가스 센서로 측정될 수 있다. 광음향 분광법과 결합된 흡수 분광법과 같은 다른 응용 분야는 이러한 멀티스펙트럼 센서로 구현될 수 있다.
제안된 어셈블리 및 이를 구비한 멀티스펙트럼 센서는 예를 들어 의학, 환경 부문, 프로세스 엔지니어링 및 민간 보안과 같은 많은 응용 분야에서 사용될 수 있다. 여기에는 예를 들어 산업 프로세스 및 파라미터의 분석(프로세스 모니터링), 품질 보증, 조기 화재 감지, 아로마 분석, 이취 감지, 호흡 가스 분석, 안전 적용, 환경 분석, 반사 측정을 통한 비파괴 표면 검사, 전자 코 또는 전자 혀로 응용이 포함된다. 물론 이것이 완전한 열거는 아니다.
제안된 어셈블리 및 이를 구비한 멀티스펙트럼 센서는 도면을 참고로 하는 실시예를 사용하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 광 스위치 장치를 갖는 본 발명에 따른 멀티스펙트럼 센서의 개략도를 도시한다.
도 2는 측정 대상 가스의 흡수 스펙트럼에 대해 제안된 어셈블리로 광 스펙트럼의 유연한 조정의 예를 도시한다.
도 3은 어레이형 광원을 갖는 본 발명에 따른 멀티스펙트럼 센서의 개략도를 도시한다.
도 4는 어레이형 광원에 기초한 제안된 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 어레이형 광원에 기초한 제안된 어셈블리의 추가 실시예를 도시한다.
도 6은 광 스위치 장치로서 마이크로 다이어프램 어레이를 갖는 제안된 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 기계적 XY 조정 장치를 갖는 단일 발광기에 기초한 제안된 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 제안된 멀티스펙트럼 센서의 구조에 대한 제 1 예를 도시한다.
도 9는 광 스위치 장치로서 마이크로 미러 어레이를 갖는 제안된 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 10은 필터 어레이의 스펙트럼 필터들이 마이크로 미러에 적용된 마이크로 미러 어레이에 대한 예를 도시한다.
도 11은 제안된 멀티스펙트럼 센서의 구조에 대한 제 2 예를 도시한다.
도 12는 다수의 측정 챔버들을 갖는 제안된 멀티스펙트럼 센서의 일 실시예를 도시한다.
도 13은 제안된 어셈블리에 사용 가능한 필터 어레이에 대한 예를 도시한다.
도 14는 제안된 어셈블리에 사용 가능한, 편광 필터들을 갖는 필터 어레이의 스펙트럼 필터의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 측정 대상 가스의 흡수 스펙트럼에 대해 제안된 어셈블리로 광 스펙트럼의 유연한 조정의 예를 도시한다.
도 3은 어레이형 광원을 갖는 본 발명에 따른 멀티스펙트럼 센서의 개략도를 도시한다.
도 4는 어레이형 광원에 기초한 제안된 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 어레이형 광원에 기초한 제안된 어셈블리의 추가 실시예를 도시한다.
도 6은 광 스위치 장치로서 마이크로 다이어프램 어레이를 갖는 제안된 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 기계적 XY 조정 장치를 갖는 단일 발광기에 기초한 제안된 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 제안된 멀티스펙트럼 센서의 구조에 대한 제 1 예를 도시한다.
도 9는 광 스위치 장치로서 마이크로 미러 어레이를 갖는 제안된 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 10은 필터 어레이의 스펙트럼 필터들이 마이크로 미러에 적용된 마이크로 미러 어레이에 대한 예를 도시한다.
도 11은 제안된 멀티스펙트럼 센서의 구조에 대한 제 2 예를 도시한다.
도 12는 다수의 측정 챔버들을 갖는 제안된 멀티스펙트럼 센서의 일 실시예를 도시한다.
도 13은 제안된 어셈블리에 사용 가능한 필터 어레이에 대한 예를 도시한다.
도 14는 제안된 어셈블리에 사용 가능한, 편광 필터들을 갖는 필터 어레이의 스펙트럼 필터의 일 실시예를 도시한다.
도 1은 제안된 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리(14) 및 측정 장치(15)로 구성된 본 발명에 따른 멀티스펙트럼 센서의 구조를 매우 개략적으로 도시한다. 어셈블리(14)에 의해 생성된 소정 스펙트럼 분포의 광은 이 어셈블리의 출력에서 나와 도면에 표시된 바와 같이 측정 장치(15)로 들어간다. 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리(14)는 광대역 광원(1), 이하에서 광 스위치 어레이(2)라고 하는 장치, 및 필터 어레이(4)를 갖는다. 측정 장치(15)는 측정 챔버(5), 하나 이상의 수신기(6) 및 신호 처리 및 평가를 위한 전자 장치(7)를 갖는다. 광원(1)으로부터의 광은 광 스위치 어레이(2)(광 스위치 장치)를 통해 필터 어레이(4)로 안내된다. 광 스위치 어레이(2)는 광을 하나 이상의 선택된 필터들(4(A)), (4(B)), (4(C))로 안내하도록 설계된다.
전송 실시예에서, 광 스위치 어레이(2)는 각각의 요소(3(A)), (3(B)), (3(C))(이하 광 스위치라고도 함)가 개폐를 위해 다른 것과 독립적으로 제어될 수 있는 마이크로 다이어프램인, 마이크로 다이어프램 어레이로 실현된다. 바람직하게는 개구 직경(다이어프램 개구가 열린 상태에서)을 변경하기 위한 제어도 가능하다. 그런 다음, 광은 각각 선택된 마이크로 다이어프램을 통해 필터 어레이(4)의 하나 이상의 필터들로 안내된다. 나머지 다이어프램들은 폐쇄되어 있다.
반사 실시예에서, 광 스위치 어레이(2)는 마이크로 미러 어레이로서 설계된다. 스위치 어레이의 각각의 요소는 마이크로 미러이다. 미러들은 입사광이 필터 어레이(4)의 하나 이상의 필터(4(A)), (4(B)), (4(C))들로 향하도록 개별적으로 제어될 수 있다. 다른 미러들은 입사광이 필터 어레이(4)로 향하지 않도록 조정된다. 마이크로 미러(또는 위의 경우 마이크로 다이어프램)들 사이의 영역들은 광에 대해 투명하지 않다.
필터 어레이(4)는 다수의 스펙트럼 필터들로 구성된다. 도 1에 도시된 예에서, 필터들 또는 필터 요소(4(A)), (4(B)), (4(C))들만 노출되어 이 필터들의 필터 특성에 따라 특정 파장만 통과시켜 측정 챔버(5)로 유입시킨다. 각각의 측정 작업을 위한 최적의 스펙트럼을 생성하기 위해 광 스위치 어레이(2)에 의해 광이 필터 어레이(4)의 임의의 필터들을 차례로 또는 동시에 통과할 수 있다. 예를 들어 모노크로메이터를 사용한 측정에서와 같이 필요한 필터들이 차례로 제어되거나 노출될 수 있다. 예를 들어, 필터(4(A))가 상응하게 협대역으로 설계된 경우, 요소(3(A))만을 제어하여 필터(4(A))를 노출시킴으로써, 단일 파장의 광이 생성될 수 있다.
추가 실시예에서, 광원(1)은 도 3과 관련하여 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 발광기들로 구성된 어레이로 설계될 수 있다. 개별 발광기들은 광을 필터 어레이(4)의 하나 이상의 필터들로 제어된 방식으로 안내하기 위해 임의의 방식으로 제어될 수 있다. 광원 및 필터 어레이는 바람직하게 여기서 하나의 유닛을 형성한다. 이 실시예에서는 광 스위치 어레이(2)가 필요하지 않다.
측정할 샘플은 측정 챔버(5)에 있다. 샘플은 예를 들어 액체 또는 기체로서 서로 다른 응집 상태에 있을 수 있다. 측정은 반사 또는 투과로 이루어질 수 있다. 서로 다른 물리적 측정 원리들을 가진 서로 다른 센서들 또는 검출기들이 수신기(6)로 사용될 수 있다. 예로서, 흡수 분광법을 위한 IR 검출기 또는 광음향 분광법에서 예를 들어 하나 이상의 MEMS 마이크 형태의 압력 센서가 있다. 다수의 검출기들 또는 센서들의 조합도 가능하다. 예를 들어 측정 챔버 외부의 흡수 검출기와 함께 투명한 측정 챔버 내의 압력 센서가 사용될 수 있다.
측정에서, 필터 어레이(4)의 하나 이상의 필터는 스위치 어레이(2) 또는 발광기 어레이의 경우 발광기의 적절한 제어에 의해, 원하는 스펙트럼 분포, 예를 들어 단일 파장 또는 특정 파장들의 중첩을 생성하여 애플리케이션에 이용하기 위해 사용될 수 있다. 이 스펙트럼 분포의 변경은 다른 제어에 의해 언제든지 가능하다. 제어, 검출된 데이터의 출력, 신호 처리 및 평가는 전자 장치 및 소프트웨어를 통해 구현된다.
따라서 제안된 어셈블리에 의해 생성된 광 스펙트럼은 측정 챔버에 있는 샘플의 흡수 스펙트럼에 따라 유연하게 조정될 수 있다. 도 2는 이러한 유연한 조정의 예를 도시한다. 도 2a는 측정 대상 물질의 추상적 흡수 스펙트럼을 도시한다. 이 물질은 3개의 특징적인 흡수 피크(Al, A2, A3)를 갖는다. 이 흡수 스펙트럼은 광 스위치 어레이(2)와 필터 어레이(4)의 적절한 요소들의 조합을 사용하여 시뮬레이션될 수 있다. 본 예에서, 광 스위치(3(A)), (3(B)), (3(C))는 개방되어 있고 이에 따라 필터 어레이(4)로부터의 필터(4(A)), (4(B)) 및 (4(C))들이 노출된다. 특정 구성들에서는 개별 흡수 피크들의 위치들이 시뮬레이션될 수 있을 뿐만 아니라 피크들 사이의 진폭 비율도 조정될 수 있다. 도 2b는 필터(4(A)), (4(B)), (4(C))들의 3개의 개별 스펙트럼들을 도시한다. 필터 어레이(4)의 동시에 노출된 필터들은 도 2d에서 흰색으로 도시되어 있으며, 노출되지 않은 필터들은 검은색으로 도시되어 있다. 도 2c는 필터 어레이(4) 이후의 광의 전체 스펙트럼 4(A)+4(B)+4(C)을 도시한다. 이 광 스펙터럼은 도 2a에 도시된 측정 대상 물질의 흡수 스펙트럼에 대해 최적으로 조정되어 있다. 강도 조정은 광 스위치 어레이 없이 발광기 어레이를 사용할 때 개별 발광기의 전류와 같은 파라미터의 조정을 통해 또는 광 스위치 어레이의 투과율을 통해 조정될 수 있다. 후자는 특히 조정 가능한 다이어프램 개구를 갖는 마이크로 다이어프램 어레이의 사용 또는 투과율이 조절될 수 있는 액정 기반 마이크로 다이어프램 어레이의 사용에 적용된다.
도 3은 광원(1)이 다수의 개별 발광기(1(N))로 구성된 어레이로 형성되는 제안된 멀티스펙트럼 센서 및 이것에 사용되는 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리의 일 실시예를 도시한다. 멀티스펙트럼 센서의 구조는 좌측 부분 도면에 개략적으로 도시되어 있으며, 관련 어셈블리의 구조는 우측 부분 도면에 도시되어 있다. 이 실시예에서는 도 1에서와 같은 광 스위치 장치가 필요하지 않다. 어레이형 광원(1)의 개별 발광기들은 개별적으로 제어되거나 필요에 따라 스위치 온 및 오프될 수 있다. 이는 도 1 및 도 2와 관련하여 이미 설명한 것과 동일한 방식으로 측정 대상 샘플의 흡수 스펙트럼에 대한 어셈블리에서 방출된 광 스펙트럼의 유연한 조정을 가능하게 한다. 도 3의 예에서, 2개의 발광기(1(A)), (1(B))들은 스위치 온되고, 광원(1)의 다른 발광기들은 스위치 오프된다. 그 결과, 도면에 개략적으로 도시된 바와 같이, 그 위에 배치된 필터 어레이(4) 상에서 필터(4(A)) 및 (4(B))만 노출된다. 이 예에서, 발광기(1)의 발광면들은 도 3의 우측 부분 도면에 도시된 바와 같이, 필터 어레이(4)의 필터(4(N))들의 치수들보다 작은 범위를 갖는다. 필터 어레이(4)와 광원(1) 사이의 거리가 충분히 작기 때문에, 각각의 발광기 위에 정확히 위치한 필터 어레이(4)의 필터들만 개별 발광기(1(N))의 적절한 제어에 의해 노출될 수 있다.
1 ㎛ 내지 15 ㎛의 스펙트럼 범위의 광을 방출하는 IR 광원들로 구성된 어레이가 바람직하게는 여기서 광원(7)으로 사용된다. 이러한 방식으로, 예를 들어 측정 챔버(5) 내의 기체 샘플은 광음향 분광법에 의해 측정될 수 있다. 예를 들어 하나 이상의 마이크의 형태인 하나 이상의 압력 센서가 수신기(6)로 사용된다. 도 3에 따른 실시예에서, 예를 들어 L.D.Williams et al., "Design and characterization of a microheater array device fabricated with SwIFT-Lite™", J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 7(4), 043035(2008)에 설명된 바와 같은 소위 마이크로 히터들로 구성된 어레이가 어레이형 광원으로서 사용될 수 있다. 이러한 어레이는 MEMS 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
도 4는 어레이형 광원을 갖는 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리의 추가 예를 도시한다. 이러한 어셈블리는 도 3에 따른 멀티스펙트럼 센서에서도 사용될 수 있다. 이 예에서는 필터 어레이와 어레이형 광원이 하나의 유닛을 형성한다. 도 4는 모놀리식 스펙트럼 채널들로 구성된 어레이를 도시한다. 스펙트럼 채널은 광원 또는 발광기(9(1)), (9(2))... (9(n)) 및 필터 어레이의 필터(4(1)), (4(2)),... (4(n))의 조합이다. 도 4에 도시된 어레이는 반도체 기술을 사용하거나 후가공을 통해 제조될 수 있다. 이러한 방식으로, 원하는 수의 스펙트럼 채널들이 어레이로서 기판(20) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어 플라즈몬 필터 또는 서브 파장 구조에 기초한 필터로 구현될 수 있는 개별 필터와 예를 들어 MEMS 마이크로 히터 형태의 광원은 반도체 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 필터들은 하나 이상의 구조화된 금속층들 또는 유전체층들로 구성될 수 있다. 도 4는 그러한 유닛의 단면을 도시한다. 도면은 반도체 공정에서 자주 사용되는 바와 같이 비아(26)들을 갖는 기판(20) 상의 다수의 층(21-25)들로 이루어진 층상 구조를 명확하게 도시한다. 이 예에서, 층(22)은 발광기(9(1)), (9(2)) ... (9(n))들을 갖는 IR 광원 어레이이다. IR 광원들은 예를 들어 마이크로 스파이럴 또는 마이크로 히터로 구현될 수 있다. 필터(4(1)), (4(2)) ... (4(n))들을 갖는 필터 어레이는 최상층(25)에 구현된다. 각각의 필터는 하나 이상의 개별 층들로 구성될 수 있다. 필터 층들은 서브 파장 차원에서 구조화된 적어도 하나의 어레이형 금속층 또는 유전체층으로 구성될 수 있다. 필터 특성들은 각각의 스펙트럼 채널에 대해 자유롭게 정의될 수 있다. 필터의 광학 특성은 구조 크기, 구조 형상(예: 구멍 또는 섬) 및 주기성에 따라 달라지며 필터 설계를 통해 정의될 수 있다. 광 스위치 장치를 갖는 구성의 필터 어레이도 이러한 방식으로 구현될 수 있다. 층(21)은 반도체 공정에서 전형적인 층 구조의 층들 중 하나이며, 예를 들어 층(22)에서 광원에 대한 반사체 역할도 할 수 있다. 광의 통과를 위한 적절한 개구들이 층들(23, 24)에 형성되어 있다. 일반적으로 이러한 층들은 각각 금속 재료로 구성되며 유전체 층에 의해 서로 분리되어 있다. 비아(26)들은 광이 이 어레이의 개별 스펙트럼 채널들 사이를 통과하는 것을 방지한다.
적합한 적외선 광학 필터의 예는 I.J.H. McCrindle et al., "Infrared plasmonic filters integrated with an optical and terahertz multi-spectral material", Phys. Status Solidi A 212, No. 8, 1625 to 1633 (2015) 및 A. Wang et al., "Mid-infrared plasmonic multispectral filters", Scientific Reports (2018) 8: 11257에 나타난다. 이러한 간행물들에 제시된 필터들은 구조화된 금속층들을 기반으로 하고 FDTD(Finite-Difference Time-Domain)를 통해 모델링될 수 있다. 시뮬레이션은 원하는 스펙트럼 전송, 대역폭 및 중심 파장의 위치에 대한 필터 설계를 결정하는데 사용될 수 있다.
도 5는 도 3의 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리의 변형예를 도시한다. 이 어셈블리에서 광원(1)과 필터 어레이(4)는 별도로 제조되고 서로의 위에 배치되기 때문에 광원(1)과 필터 어레이(4) 사이에 자유 공간이 있다. 개별 광학 채널들 사이의 광 크로스토크를 방지하기 위해, 도 5의 예에서 적절하게 설계된 다이어프램 또는 렌즈 어레이(8)는 개별 광학 채널들 사이의 광 크로스토크를 방지하는 상기 자유 공간에 배치된다. 이 다이어프램 또는 렌즈 어레이(8)가 없으면, 발광기로부터의 광은 바로 위에 위치한 필터뿐만 아니라 인접한 필터에도 닿을 수 있다. 예를 들어, 이 다이어프램 또는 렌즈 어레이(8)의 사용에 의해, 발광기(1(B))로부터의 광은 위에 위치한 필터(4(B))에만 닿는다. 다이어프램 또는 렌즈 어레이(8)가 없으면, 발광기(1(B))의 큰 방출 각도로 인해 그 광은 예를 들어 필터(4(C))와 같은 인접한 필터에 닿을 것이다.
도 6은 광원(1) 위의 광 스위치 어레이(2)로서 마이크로 다이어프램 어레이가 사용되는 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리의 예를 도시한다. 이러한 마이크로 다이어프램 어레이는 예를 들어 M.J. Li et al., "Fabrication of Microshutter Arrays for Space Application", Proceedings of SPIE vol. 4407 (2001), 295 to 303에 알려져 있는 바와 같은 MEMS 기술로 제조될 수 있다. 도 6의 예에서는 셔터 또는 마이크로 다이어프램(2(A)) 및 (2(B))들이 개방되어 있고 필터(4(A)) 및 (4(B))가 노출된다. 나머지 마이크로 다이어프램들은 폐쇄되어 있고 관련 필터들은 노출되지 않는다. 다이어프램 어레이의 요소들은 개방 및 폐쇄를 위해 개별적으로 또는 그룹으로 제어될 수 있다. 그 결과, 어셈블리에서 방출되는 광 스펙트럼은 이전 예들에서와 같이 샘플의 흡수 스펙트럼에 따라 유연하게 조정될 수 있다. 마이크로 다이어프램 또는 광 스위치 어레이(2)와 그 아래 있는 광원(1)은 하나의 유닛으로 구현될 수 있다. 개별 채널들 사이의 크로스토크를 피하기 위해, 여기서도 추가 다이어프램 또는 렌즈 어레이(8)가 도 6의 좌측 부분 도면에 도시된 바와 같이, 광원(1)과 광 스위치 어레이(2) 사이 및 광 스위치 어레이(2)와 필터 어레이(4) 사이에 배치될 수 있다.
도 7은 제안된 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리의 가능한 구성에 대한 다른 예를 도시한다. 도 7의 예에서, 단일 발광기가 광원(1)으로 사용되며, 이는 기계적 XY 조정기(12)를 통해 필터 어레이(4) 아래로 이동될 수 있다. 여기서도, 다이어프램 또는 렌즈 어레이(8)가 이전 실시예들 중 일부에서와 같이, 광 크로스토크를 피하기 위해 추가로 통합될 수 있다. 결과적으로, 방출 각도가 제한되고 인접 필터가 바람직하지 않게 노출되지 않는다. 본 예에서, 필터 어레이(4)는 IR 광원의 경우 예를 들어 Si로 이루어진, 광원으로부터의 광에 대해 투명한 기판 상에 배치된다. 광원(1)은 XY 조정기(12) 상에 배치된다. 필터 어레이(4)는 원하는 필터 또는 그로부터 나타나는 스펙트럼 특성에 따라 광원(1)으로 스캔된다. 이러한 방식으로, 도 7의 좌측 부분 도면에 필터 어레이(4)의 평면도로 개략적으로 도시된 바와 같이, 상이한 스펙트럼 특성들이 차례로 생성될 수 있다. 필터 어레이(4)의 개별 필터의 측면 치수가 작은 경우 XY 조정기의 작은 조정 경로는 예를 들어 피에조 드라이브를 통해 구현될 수 있다. 대안적으로, 광원(1)은 고정될 수 있고 필터 어레이(4)는 광원 위로 이동될 수 있다. 도 7의 예에서, 필터 어레이(4)의 필터(F1) 내지 (Fx)는 차례로 스캔된다.
도 8은 본 발명에 따라 구현될 수 있는 광음향 가스 센서(PGS)의 예를 도시한다. 도 8에서 모듈(13)로 구현되는 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리는 원칙적으로 위에서 설명한 실시예들 중 하나에서와 같이 구현될 수 있으며, 이 예에서는 광 스위치 장치로서 마이크로 다이어프램 어레이(11)를 갖는다. 이 예에서, 렌즈 어레이(8)는 광원(1)과 마이크로 다이어프램 어레이(11) 사이에 배치되어 개별 스펙트럼 채널들 간의 크로스토크를 방지한다. 이 렌즈 어레이(8)의 렌즈들은 광원(1)에서 방출된 광을 각각의 마이크로 다이어프램 방향으로 시준하거나 포커싱한다. 이 예에서, 가스 센서의 전자 장치는 측정 챔버(5)로부터 분리된다. 측정 챔버는 여기 방사선을 결합하기 위한 광학 윈도우(10)를 갖는다. 이 예에서, 광학 필터 어레이(4)의 필터 기판은 광학 윈도우(10)로 사용된다. 필터 어레이의 필터들은 이 광학 윈도우 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 본 예에서, 필터는 광학 윈도우(10) 위에, 즉 측정 챔버(5) 내에 배치된다. 압력 센서는 예를 들어 MEMS 마이크 형태의 수신기(6)로서 측정 챔버(5) 내에 배치된다. 이 마이크의 출력 신호는 신호 처리 및 평가 장치(7)(전자 장치, 소프트웨어)에서 평가된다. 필터 어레이(4)의 평면도가 도 8의 좌측 부분 도면에 도시되어 있다. 필터 어레이에서, 예를 들어 필터(4(A))가 노출된다(스폿 42). 필터 어레이(4)의 다른 필터들은 노출되지 않는다. 앞선 실시예들에서 설명한 바와 같이, 다수의 필터들이 동시에 노출되는 것도 물론 가능하다. PGS 센서에서는 광원(1)으로서 일반적으로 IR 광원이 사용되며, 이 광원은 1~15 ㎛의 파장 범위의 광을 방출한다. 측정 챔버(5)는 샘플을 공급하기 위한 적어도 하나의 입구를 갖는다. 예를 들어 온도 및 습도에 대한 추가 센서들도 측정 챔버(5) 내에 배치될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리의 다른 예를 도시한다. 이 예에서, 마이크로 미러 어레이(16)는 광 스위치 어레이로 사용된다. 이 미러 어레이(16)는 예를 들어 DLP 모듈(MEMS)일 수 있다. 이 모듈에서 개별 미러 또는 미러 영역들, 즉 다수의 미러들이 있는 영역들이 스위치 온 및 오프되거나 그에 따라 기울어질 수 있다. 모듈의 개별 거울들은 매우 작게, 예를 들어 10×10 ㎛의 크기로 설계될 수 있다. 도 9의 예에서, 미러 어레이(16)의 개별 미러들은 방향 1 또는 방향 2로 광을 안내한다. 광원(1)으로부터의 광은 미러 어레이(16)를 조사한다. 방향 2로 편향 시, 각각의 광빔은 예를 들어, 오목 거울과 같은 광학 시스템(18)을 통해 광학 필터 어레이(4)로 안내되고, 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이 필터(4(A))를 노출시킨다. 광학 시스템(18)은 렌즈 광학 또는 미러 광학에 기초한다. 미러 광학은 미러 코팅이 매우 넓은 스펙트럼 범위에서 매우 낮은 흡수를 허용하기 때문에 바람직하다. 필터 어레이(4)의 개별 필터는 광학 미러 어레이의 스위치 온 영역을 통해 선택된다. 본 예에서, 미러 또는 미러 영역(16(A))이 스위치 온된다. 즉, 입사광을 방향 2로 편향시킨다. 미러 또는 미러 영역(16(B))은 스위치 오프된다. 즉, 관련 미러 또는 미러들이 광을 방향 1로, 편향된 광이 흡수되는 흡수체(17)로 편향시킨다. 따라서 필터 어레이(4)의 원하는 필터들이 미러 어레이의 개별 미러의 적절한 제어에 의해 노출될 수 있다.
대안적으로, 개별 필터들, 바람직하게는 플라즈몬 필터를 갖는 필터 어레이(4)는 도 10에 개략적으로 도시된 바와 같이 미러 어레이(16)의 미러들에 직접 적용될 수도 있다. 그러면 도 9의 좌측 부분에서와 같은 별도의 필터 어레이(4)는 필요하지 않다.
필터 어레이와 MEMS 미러 어레이는 반도체 기술을 사용하여 함께 구현될 수 있다. 각각의 필터는 하나 이상의 구조화된 금속층들 또는 유전체 층들로 구성될 수 있다. 도 10은 필터들이 적용된 마이크로 미러 어레이(16)의 예를 평면도로 도시한다. 이 예에서, 각각 4개의 미러들은 하나의 그룹 또는 하나의 미러 영역(16(A)), (16(B)) ... (16(n))으로 결합되며, 이들은 각각 동일한 필터로 코팅된다. 이것은 도 10에 각각의 패턴으로 도시되어 있다. 여기서는 서브 파장 구조에 기초한 필터 또는 플라즈몬 필터가 필터로서 바람직하게 사용된다. 따라서, 반사 스펙트럼은 서로 다른 미러 영역들(16(A)), (16(B)) ... (16(n))의 결합에 의해 거의 모든 측정 대상 물질에 대해 시뮬레이트될 수 있다. 이를 위해, 해당 미러들은 단지 스위치 온된다. 즉, 입사 방사선을 측정 챔버로 반사한다. 특정 파장에 최적화된 특정 필터가 각각의 미러 영역에 적용될 수 있다. 미러 영역은 하나 이상의 미러들로, 도 10의 예에서 4개의 미러들로 구성될 수 있다.
도 11은 도 9 또는 도 10에 도시된 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리를 갖는 광음향 가스 센서의 실시예를 도시한다. 이 예에서 전자 장치 및 광학 장치는 측정 챔버(5)로부터 분리된다. 측정 챔버는 이 예에서 광학 필터 어레이(4)의 필터 기판에 의해 형성되는 광학 윈도우(10)를 갖는다. 필터 어레이의 필터들은 광학 윈도우(10) 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 본 예에서, 필터는 광학 윈도우(10) 아래에 배치된다. 즉, 측정 챔버 외부에 있다. 예를 들어, MEMS 마이크로 설계될 수 있는 수신기(6)로서 적어도 하나의 압력 센서가 측정 챔버(5)에 배치된다. 이 압력 센서의 출력 신호는 신호 처리 및 평가 장치(7)(전자 장치, 소프트웨어)에서 평가된다. 필터 어레이(4)의 평면도가 도 11의 좌측 부분 도면에 도시되어 있다. 필터 어레이에서 예를 들어, 필터(4(A))가 노출된다(스폿 42). 어레이의 다른 필터들은 노출되지 않는다. 앞선 실시예들에서 도시된 바와 같이, 다수의 필터들이 동시에 노출되는 것도 물론 가능하다. PGS 센서에서 광원(1)으로서 일반적으로 1~15 ㎛의 넓은 범위에서 방출하는 IR 광원이 사용된다. 측정 챔버(5)는 샘플을 공급하기 위한 적어도 하나의 입구(19)를 갖는다. 예를 들어 온도 및 습도 측정을 위한 추가 센서들이 측정 챔버에 배치될 수도 있다.
도 12는 하나 이상의 측정 챔버가 사용되는 본 발명에 따른 멀티스펙트럼 센서의 구조에 대한 예를 도시한다. 이 예에서는 3개의 측정 챔버(5(A)), (5(B)), (5(C))들이 직렬로 설치된다. 이는 가스를 측정할 때 측정 챔버로 방사되는 여기광이 약한 가스 흡수로 인해 측정 챔버를 통과할 때 약간만 약해지기 때문에 가능하다. 측정 챔버들은 각각 광학 윈도우(35(A)), (35(B)), (35(C)), (35(D))를 갖는다. 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리에서 방출된 광선 다발(37)은 개별 챔버(5(A)), (5(B)), (5(C))들을 통해 전파된다. 방사선 수신기(27)는 마지막 챔버 뒤에 설치될 수 있다. 따라서, 광 출력의 변동이 측정될 수 있다. 다양한 샘플들이 측정 챔버들에 공급될 수 있다. 샘플은 알려지지 않은 가스 또는 교정 가스(calibration gas)일 수 있다. 교정 가스는 정의된 농도와 알려진 스펙트럼을 갖는다. 멀티포트 샘플러는 다수의 측정 챔버들을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어 IR 검출기 또는 포토다이오드가 방사선 수신기(27)로서 사용될 수 있다.
도 13은 제안된 어셈블리 및 제안된 멀티스펙트럼 센서에서 사용될 수 있는 필터 어레이의 예를 도시한다. 이러한 필터 어레이는 본 예에서 예를 들어 Vortex Optical Coatings Ltd에서 시판하는 것과 같은 "적외선 선형 가변 필터(Infrared Linear Variable Filter)" 형태로 박막 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 유형의 필터는 다수의 스펙트럼 채널(대역 통과 필터)들을 가지며 특정 스펙트럼 범위에 대해 최적화될 수 있다. 이전 실시예들의 필터 어레이(4)는 이러한 필터로 대체될 수 있다. 필터(F1), (F2), (Fn)들은 광 스위치를 통해 개별적으로 또는 그룹으로 노출될 수 있다.
제안된 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리 및 관련 멀티스펙트럼 센서의 경우 스펙트럼 필터는 편광 필터와 조합될 수 있다. 도 14는 스펙트럼 필터와 다수의 편광 필터의 조합을 도시한다. 물질의 흡수 및 산란 스펙트럼은 광의 편광 상태에 따라 달라질 수 있다. 이러한 이유로 편광된 스펙트럼 조명을 통해 물질에 대한 추가 정보가 얻어질 수 있다. 이전 실시예들에서, 각각 비편광 광이 사용되었다. 본 예에서, 스펙트럼 채널 또는 필터(4(A))는 다수의 편광 필터(40(A)), (40(B)), (40(C))들과 조합된다. 위치(41)에는 편광 필터가 없다. 이 위치는 비편광 광을 갖는 기준 채널을 나타낸다. 필터(40(A)), (40(B)), (40(C))들은 광 스위치 어레이를 통해 차례로 노출될 수 있다. 이 예에서, 스폿(42)은 편광 필터(40(A)) 상에 있다. 스펙트럼 필터(4(A)) 이후의 광은 항상 동일한 스펙트럼을 갖지만 국부적 노출에 따라 다르게 편광될 수 있다. 반도체 기술에서 이러한 필터 구조의 예가 우측 부분 도면에 도시되어 있다. 기본적인 구조는 도 4와 관련하여 이미 설명되었다. 이 예에서, 금속층(23)에서 격자형 구조들이 구현된다. 이 격자형 금속 바아는 각도에 따라 광을 편광시킨다. 본 예에서는 +90°, +45° 및 -45°의 각도가 사용된다. 이 위에 층(25)에 스펙트럼 필터(4(A))가 구성된다. 이것은 예를 들어 서브 파장 구조에 기초할 수 있다.
1: 광원
1(N): 발광기
2: 광 스위치 어레이
2(N): 마이크로 다이어프램
3(N): 스위치 어레이의 요소
4: 필터 어레이
4(N): 선택된 필터
5: 측정 챔버
6: 수신기
7: 신호 처리 및 평가 장치
8: 렌즈 또는 다이어프램 어레이
9(N): 발광기
10: 광학 윈도우
11: 마이크로 다이어프램 어레이
12: XY 조정기
13: 모듈
14: 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리
15: 측정 장치
16: 마이크로 미러 어레이
16(N): 마이크로 미러, 마이크로 미러 영역
17: 흡수체
18: 광학 시스템
19: 입구
20: 기판
21-25: 층
26: 비아(Via)
27: 방사선 수신기
35: 광학 윈도우
37: 광선 다발
40: 편광 필터
41: 스펙트럼 필터 상의 위치
42: 노출 스폿
1(N): 발광기
2: 광 스위치 어레이
2(N): 마이크로 다이어프램
3(N): 스위치 어레이의 요소
4: 필터 어레이
4(N): 선택된 필터
5: 측정 챔버
6: 수신기
7: 신호 처리 및 평가 장치
8: 렌즈 또는 다이어프램 어레이
9(N): 발광기
10: 광학 윈도우
11: 마이크로 다이어프램 어레이
12: XY 조정기
13: 모듈
14: 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리
15: 측정 장치
16: 마이크로 미러 어레이
16(N): 마이크로 미러, 마이크로 미러 영역
17: 흡수체
18: 광학 시스템
19: 입구
20: 기판
21-25: 층
26: 비아(Via)
27: 방사선 수신기
35: 광학 윈도우
37: 광선 다발
40: 편광 필터
41: 스펙트럼 필터 상의 위치
42: 노출 스폿
Claims (14)
- 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리로서, 적어도
- 스펙트럼 범위의 광을 방출하는 광대역 광원(1),
- 상기 광원(1)의 스펙트럼 범위 내에 적어도 부분적으로 있는 스펙트럼 폭을 갖는 다수의 스펙트럼 필터들로 구성된 필터 어레이(4), 및
- 상기 광원에서 방출된 광이 상기 필터 어레이(4)를 통과하는 것을 제어하기 위한 광 스위치 장치(2)로서, 상기 광원(1)에서 방출된 광을 상기 광 스위치 장치(2) 및 상기 필터 어레이(4)를 통해 상기 어셈블리의 출력으로 안내하도록 배치된, 상기 광 스위치 장치(2)를 포함하고,
- 상기 광 스위치 장치(2)는 마이크로 미러(16)들 또는 마이크로 다이어프램들로 구성된 어레이를 갖고, 상기 광원(1)에서 방출된 광을 상기 필터 어레이(4)의 하나 이상의 임의 지정 가능한 스펙트럼 필터들을 통해서만 제어된 방식으로 상기 어셈블리의 출력으로 안내할 수 있도록 설계 및 배치되는, 어셈블리. - 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리로서, 적어도
- 스펙트럼 범위의 광을 방출하는 광대역 광원(1),
- 상기 광원(1)의 스펙트럼 범위 내에 적어도 부분적으로 있는 스펙트럼 폭을 갖는 다수의 스펙트럼 필터들로 구성된 필터 어레이(4), 및
- 상기 광원(1)에서 방출된 광이 상기 필터 어레이(4)를 통과하는 것을 제어하기 위한 스위치 장치를 포함하고,
- 상기 광원(1)은
--- 상기 스위치 장치를 통해 별도로 제어 가능한 발광기들의 어레이를 갖고, 상기 스위치 장치를 통해 상기 발광기를 제어함으로써 상기 광원(1)에서 방출된 광을 상기 필터 어레이(4)의 하나 이상의 임의 지정 가능한 스펙트럼 필터들을 통해서만 제어된 방식으로 안내할 수 있도록 설계 및 배치되거나,
--- 또는 적어도 하나의 개별 발광기에 의해 형성되고, 상기 스위치 장치는 상기 개별 발광기 또는 상기 필터 어레이(4)에 대한 XY 조정 장치(21)를 가지며, 이를 통해 상기 개별 발광기는 상기 필터 어레이(4)의 서로 다른 필터 아래에 배치될 수 있어서, 상기 광원(1)에서 방출된 광은 상기 필터 어레이(4)의 임의 지정 가능한 스펙트럼 필터들을 통해서만 제어된 방식으로 안내될 수 있는, 어셈블리. - 제 2 항에 있어서,
상기 필터 어레이(4)는 상기 스위치 장치를 통해 별도로 제어 가능한 발광기들의 어레이 바로 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 어셈블리. - 제 3 항에 있어서,
하나 이상의 발광기와 바로 위에 배치된 상기 필터 어레이(4)의 스펙트럼 필터의 각 조합은 광학 채널을 나타내고, 상기 광학 채널들 사이의 광 크로스토크를 방지하기 위한 장치가 상기 스위치 장치를 통해 별도로 제어 가능한 발광기들의 어레이와 상기 필터 어레이(4) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 어셈블리. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 스위치 장치(2)의 하나 이상의 요소(3)와 상기 필터 어레이(4)의 관련 스펙트럼 필터의 각 조합은 광학 채널을 나타내고, 상기 광학 채널들 사이의 광 크로스토크를 방지하기 위한 장치(8)가 상기 광원(1)과 상기 필터 어레이(4) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 어셈블리. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터 어레이(4)의 개별 스펙트럼 필터들은 10x10 mm 이하의 작은 측면 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 어셈블리. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터 어레이(4)는 서브 파장 구조에 기초한 또는 플라즈몬 필터 어레이인 것을 특징으로 하는 어셈블리. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스펙트럼 필터들은 상기 필터 어레이(4)의 행과 열에 배치되는 것을 특징으로 하는 어셈블리. - 제 1 항 및 제 1 항과 관련된 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 스위치 장치(2)가 마이크로 미러(16)들로 구성된 어레이로 설계될 때 상기 필터 어레이(4)의 상기 필터들이 상기 마이크로 미러들에 직접 적용되는 것을 특징으로 하는 어셈블리. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터 어레이(4) 내의 상기 스펙트럼 필터들은 편광 필터(40)들과 조합되는 것을 특징으로 하는 어셈블리. - 멀티스펙트럼 센서로서,
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항 또는 다수 항에 따른 어셈블리,
- 상기 어셈블리로부터 나오는 광이 결합되는 측정 챔버(5), 및
- 상기 측정 챔버(5)에 결합된 광과 상기 측정 챔버(5)에 유입된 매체의 상호 작용의 결과를 검출할 수 있는 하나 이상의 검출기(6)를 포함하는, 멀티스펙트럼 센서. - 제 11 항에 있어서,
상기 측정 챔버(5)의 유입 윈도우(10)는 상기 어셈블리의 필터 어레이(4)의 캐리어 기판에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티스펙트럼 센서. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 멀티스펙트럼 센서는 광음향 센서, 특히 광음향 가스 센서로서 설계된 것을 특징으로 하는 멀티스펙트럼 센서.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 멀티스펙트럼 센서는 흡수 센서로서 또는 조합형 흡수 및 광음향 센서로서 설계된 것을 특징으로 하는 멀티스펙트럼 센서.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102021105369.2 | 2021-03-05 | ||
| DE102021105369 | 2021-03-05 | ||
| DE102021108745.7A DE102021108745A1 (de) | 2021-03-05 | 2021-04-08 | Anordnung zur multispektralen Lichtemission sowie damit ausgestatteter Multispektralsensor |
| DE102021108745.7 | 2021-04-08 | ||
| PCT/EP2022/055557 WO2022184895A1 (de) | 2021-03-05 | 2022-03-04 | Anordnung zur multispektralen lichtemission sowie damit ausgestatteter multispektralsensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230152678A true KR20230152678A (ko) | 2023-11-03 |
Family
ID=80775375
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020237029254A KR20230152678A (ko) | 2021-03-05 | 2022-03-04 | 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리 및 이를 구비한 멀티스펙트럼 센서 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4302074A1 (ko) |
| JP (1) | JP2024508147A (ko) |
| KR (1) | KR20230152678A (ko) |
| IL (1) | IL305637A (ko) |
| WO (1) | WO2022184895A1 (ko) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2378954A4 (en) * | 2008-12-24 | 2013-05-15 | Glusense Ltd | IMPLANTABLE OPTICAL GLOSS EQUIPMENT |
| JP5692988B2 (ja) * | 2009-10-19 | 2015-04-01 | キヤノン株式会社 | 音響波測定装置 |
| EP3458835B1 (en) * | 2016-05-18 | 2022-03-23 | MultiSensor Scientific, Inc. | Hydrocarbon leak imaging and quantification sensor |
| EP3508836B1 (en) | 2018-01-05 | 2020-07-29 | Infineon Technologies AG | Photoacoustic system and method for estimating a gas concentration |
-
2022
- 2022-03-04 WO PCT/EP2022/055557 patent/WO2022184895A1/de active Application Filing
- 2022-03-04 EP EP22710388.4A patent/EP4302074A1/de active Pending
- 2022-03-04 KR KR1020237029254A patent/KR20230152678A/ko unknown
- 2022-03-04 IL IL305637A patent/IL305637A/en unknown
- 2022-03-04 JP JP2023553300A patent/JP2024508147A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| IL305637A (en) | 2023-11-01 |
| JP2024508147A (ja) | 2024-02-22 |
| WO2022184895A1 (de) | 2022-09-09 |
| EP4302074A1 (de) | 2024-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101621903B1 (ko) | 가스 분석용 분광기 | |
| CN110621980B (zh) | 气体测量系统 | |
| KR100275422B1 (ko) | 공간 광 변조기 분광기 및 광 분석 방법 | |
| US8240189B2 (en) | Thermal selectivity multivariate optical computing | |
| KR101169067B1 (ko) | 분광을 위한 집적 회로, 집적 회로 형성 방법, 및 분광 방법 | |
| US7196789B2 (en) | Light processor providing wavelength control and method for same | |
| US20080273208A1 (en) | Interference Filter | |
| US6989549B2 (en) | Optical gas sensor | |
| KR20110043549A (ko) | 스펙트럼 분석용 장치 | |
| DE102021108745A1 (de) | Anordnung zur multispektralen Lichtemission sowie damit ausgestatteter Multispektralsensor | |
| KR101635656B1 (ko) | 고농도 기체의 스펙트럼 분석에 적합한 장치 | |
| US10036702B2 (en) | Method, device and sensor for determining an absorption behavior of a medium | |
| US6853449B2 (en) | Programmable diffraction grating sensor | |
| JPH01320440A (ja) | 強さ変動分析器械 | |
| WO2007121593A1 (en) | Method for measurement and determination of concentration within a mixed medium | |
| KR950008824B1 (ko) | 방사선 분석용 홀로그래픽 분광계 및 이의 분석 방법 | |
| US20210033457A1 (en) | Micro Wideband Spectroscopic Analysis Device | |
| KR20230152678A (ko) | 멀티스펙트럼 발광용 어셈블리 및 이를 구비한 멀티스펙트럼 센서 | |
| JP2006300674A (ja) | 分光光度計 | |
| CN117120825A (zh) | 用于多光谱的光发射的组件以及配备有该组件的多光谱传感器 | |
| US11892396B2 (en) | Gas sensor with two switchable filters and method for operating such a gas sensor | |
| JPH05281041A (ja) | 分光器 | |
| US6509968B1 (en) | Spectroscopic detection | |
| JP4453525B2 (ja) | 分光分析方法 | |
| JP2005321349A (ja) | 材質判断装置 |