KR20240094368A - Method and device for laser absorption spectroscopy analysis - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 레이저 흡수 분광 분석 장치를 이용해 측정 공간에 존재하는 대상 가스를 분석하는 방법으로서, 광대역 광을 측정 공간에 조사하는 단계와, 측정 공간을 통과한 광대역 광의 파장 별 흡수 스펙트럼을 획득하는 단계와, 흡수 스펙트럼의 기준 파장을 기초로 온도 계수를 산출하는 단계와, 온도 계수를 온도 테이블에 적용하여 대상 가스의 온도를 추정하는 단계를 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 방법을 제공한다.The present invention is a method of analyzing a target gas existing in a measurement space using a laser absorption spectroscopic analysis device, comprising the steps of irradiating broadband light into the measurement space and obtaining an absorption spectrum for each wavelength of the broadband light that passed through the measurement space. It provides a laser absorption spectroscopy analysis method including calculating a temperature coefficient based on a reference wavelength of the absorption spectrum and estimating the temperature of the target gas by applying the temperature coefficient to a temperature table.

Figure P1020220176590
Figure P1020220176590

Description

레이저 흡수 분광 분석 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY ANALYSIS}Laser absorption spectroscopic analysis method and device {METHOD AND DEVICE FOR LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY ANALYSIS}

본 발명은 레이저 흡수 분광 분석 방법 및 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 광대역 광원 및 영상 분광기를 이용하여 가스의 온도 및 농도를 모두 측정할 수 있는 레이저 흡수 분광 분석 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser absorption spectroscopy analysis method and device, and more specifically, to a laser absorption spectroscopy analysis method and device that can measure both the temperature and concentration of a gas using a broadband light source and an imaging spectrometer.

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.Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) is a gas analysis technology that has recently received great attention in the energy and environmental fields. This type of analysis technology can measure the concentration of various types of gases using a light source containing light with an absorption wavelength determined depending on the type of gas to be analyzed, and can also be applied to large combustion systems in environments where measurement is difficult. It is applied in various forms.

TDLAS의 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.The basic principle of gas concentration measurement in TDLAS comes from the light absorption characteristics of gas according to the Beer-Lambert law. Specifically, all gases absorb light of a certain set of wavelengths. As a representative example, light with a wavelength of 760 nm passes through other gas species, but oxygen (O 2 ) absorbs it. In other words, if light with a wavelength around 760 nm is irradiated to a gas area containing oxygen and the light that passes through is analyzed using a photodetector, the light at that wavelength is not affected by other gas species but is only affected by oxygen. The principle is that the concentration of oxygen can be analyzed by analyzing the shape of the absorbed spectrum.

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 공해 물질이 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.As environmental issues have emerged as a social issue around the world, efforts to reduce pollutants such as greenhouse gases and fine dust are being actively pursued, and research and efforts on this matter are continuing in Korea as well. In the case of industrial reactors used in power plants, steel mills, etc., many pollutants are generated during the combustion process, which requires efforts to optimize the air-fuel ratio. Optimizing the air-fuel ratio is possible by analyzing the concentration of oxygen present in the combustion process in real time, and interest in TDLAS as an analysis technology required in this process is increasing.

그러나, TDLAS는 기본적으로 도 1과 같이 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.However, since TDLAS is basically a technology that analyzes gas by varying the very narrow wavelength of laser light as shown in Figure 1, a time delay occurs in the absorption spectrum for each wavelength, which has the disadvantage of lowering the accuracy of the analysis results. exist.

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.In addition, due to the harsh environment inside the measurement area, such as high temperature, gas flow, and vibration, thermal deformation (distortion), vibration, and dust (scattering) may occur, and as a result, the laser light passes through the measurement area and enters the photodetector. In the process, the size of the signal may become weak. As a result, when the laser light is received with the light receiver fixed, the optical axis of the laser light and the center of the light receiver are distorted, resulting in a weak signal, which makes it impossible to accurately analyze the gas.

또한, TDLAS는 기본적으로 레이저 광의 매우 좁은 파장을 가변하여 가스를 분석하는 기술이기 때문에, 가스의 농도만 측정할 수 있을 뿐 가스의 온도를 검출할 수 없다. 또한, 가스의 온도를 검출하기 위해서는 다른 가스를 이용해야 하는 문제점이 있다.In addition, since TDLAS is basically a technology that analyzes gas by varying the very narrow wavelength of laser light, it can only measure the concentration of the gas and cannot detect the temperature of the gas. Additionally, there is a problem in that another gas must be used to detect the temperature of the gas.

등록특허공보 제10-1767177호Registered Patent Publication No. 10-1767177

본 발명은 도 2와 같이 광대역 광원 및 분광기를 이용하여 실시간으로 정확하게 대상 가스의 농도 및 온도를 모두 정확히 분석할 수 있는 레이저 흡수 분광 분석 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a laser absorption spectroscopy analysis method and device that can accurately analyze both the concentration and temperature of a target gas in real time using a broadband light source and a spectrometer, as shown in FIG. 2.

또한, 본 발명은 영상분광기를 추가하여 대상 가스가 측정 공간 내에서 불균일하게 분포되어 있더라도 다수의 레이저 빔 경로를 구성하여 대상 가스를 정확히 분석할 수 있는 다채널 레이저 흡수 분광 분석 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a multi-channel laser absorption spectroscopy analysis method and device that can accurately analyze the target gas by configuring multiple laser beam paths even if the target gas is unevenly distributed in the measurement space by adding an imaging spectrometer. The purpose is to

또한, 본 발명은 영상분광기를 추가하여 가스를 분석하고자 하는 영역이 공간적으로 분리되어 있더라도 다수의 발광부와 광경로 및 수광부를 하나의 분광 장치를 이용하여 분석할 수 있는 다채널 레이저 흡수 분석 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a multi-channel laser absorption analysis method that can analyze multiple light emitting units, optical paths, and light receiving units using a single spectroscopic device even if the area to analyze gas is spatially separated by adding an imaging spectrometer, and The purpose is to provide a device.

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.The technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.

이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 레이저 흡수 분광 분석 장치를 이용해 측정 공간에 존재하는 대상 가스를 분석하는 방법으로서, 광대역 광을 측정 공간에 조사하는 단계와, 측정 공간을 통과한 광대역 광의 파장 별 흡수 스펙트럼을 획득하는 단계와, 흡수 스펙트럼의 기준 파장을 기초로 온도 계수를 산출하는 단계와, 온도 계수를 온도 테이블에 적용하여 대상 가스의 온도를 추정하는 단계를 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 방법을 제공한다.In order to solve this problem, the present invention is a method of analyzing a target gas existing in a measurement space using a laser absorption spectroscopic analysis device, comprising the steps of irradiating broadband light into the measurement space, and the wavelength of the broadband light passing through the measurement space. A laser absorption spectroscopy analysis method comprising the steps of acquiring a star absorption spectrum, calculating a temperature coefficient based on the reference wavelength of the absorption spectrum, and applying the temperature coefficient to a temperature table to estimate the temperature of the target gas. to provide.

여기서, 온도 계수를 산출하는 단계는, 기준 파장을 기준으로 일측에 위치한 파장들에서의 제1 흡수 단면적 합과 타측에 위치한 파장들에서의 제2 흡수 단면적 합을 기초로 온도 계수를 산출하는 단계일 수 있다.Here, the step of calculating the temperature coefficient is the step of calculating the temperature coefficient based on the sum of the first absorption cross-section at the wavelengths located on one side and the sum of the second absorption cross-section at the wavelengths located on the other side with respect to the reference wavelength. You can.

더 구체적으로, 온도 계수를 산출하는 단계는, 기준 파장을 기준으로 일측에 위치한 파장들에서의 제1 흡수 단면적 합 및 타측에 위치한 파장들에서의 제2 흡수 단면적 합의 차이값과 제1 흡수 단면적 합 및 제2 흡수 단면적 합의 합산값의 비율에 의해 온도 계수를 산출하는 단계일 수 있다.More specifically, the step of calculating the temperature coefficient includes the difference between the sum of the first absorption cross-sections at the wavelengths located on one side and the second absorption cross-section at the wavelengths located on the other side with respect to the reference wavelength and the sum of the first absorption cross-sections. And it may be a step of calculating the temperature coefficient based on the ratio of the sum of the sum of the second absorption cross-sectional areas.

또한, 기준 파장은 대상 가스의 종류에 따라 달라질 수 있다.Additionally, the reference wavelength may vary depending on the type of target gas.

또한, 온도 테이블은 대상 가스의 온도에 따라 선형적으로 변화되는 온도 계수를 정의한 테이블일 수 있다.Additionally, the temperature table may be a table defining a temperature coefficient that changes linearly depending on the temperature of the target gas.

또한, 본 발명의 레이저 흡수 분광 분석 방법은 추정된 대상 가스의 온도에서 흡수 스펙트럼의 흡수 단면적을 이용해 대상 가스의 농도를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the laser absorption spectroscopic analysis method of the present invention may further include measuring the concentration of the target gas using the absorption cross-section of the absorption spectrum at the estimated temperature of the target gas.

또한, 전술한 레이저 흡수 분광 분석 방법을 적용하여 측정 공간에 존재하는 대상 가스를 분석하는 분석부를 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 장치를 제공한다.In addition, a laser absorption spectroscopic analysis device is provided including an analysis unit that analyzes the target gas present in the measurement space by applying the above-described laser absorption spectroscopic analysis method.

여기서, 본 발명의 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 광대역 광을 조사하는 광원과, 광대역 광 중 적어도 일부를 집광하여 측정 공간에 도입하는 제1 광학부(발광부)와, 측정 공간을 통과한 광대역 광 중 적어도 일부를 집광하는 제2 광학부(수광부)와, 제2 광학부에 의해 집광된 광대역 광을 분광시키는 분광기와, 분광기에 의해 분광된 광대역 광을 결상하는 이미지 센서를 더 포함할 수 있다.Here, the laser absorption spectroscopic analysis device of the present invention includes a light source that irradiates broadband light, a first optical unit (light emitting unit) that condenses at least a portion of the broadband light and introduces it into the measurement space, and the broadband light that passes through the measurement space. It may further include a second optical unit (light receiver) that collects at least a portion of the light, a spectroscope that splits the broadband light collected by the second optical unit, and an image sensor that forms an image of the broadband light split by the spectrometer.

또한, 분석부는 이미지 센서에 결상된 광대역 광의 파장 별 흡수 스펙트럼을 생성할 수 있다.Additionally, the analysis unit may generate an absorption spectrum for each wavelength of the broadband light imaged on the image sensor.

또한, 본 발명의 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 제2 광학부에 의해 집광된 광대역 광을 통과시키는 적어도 하나의 광섬유를 포함하는 광섬유 블록을 더 포함할 수 있다.In addition, the laser absorption spectroscopic analysis device of the present invention may further include an optical fiber block including at least one optical fiber that passes the broadband light collected by the second optical unit.

또한, 본 발명의 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 제2 광학부에 의하여 집광된 단일 광을 분광하고 결상시키는 분광기 대신에 다수의 광섬유를 통하여 전달된 광대역 광을 이미지 센서에 동시에 분광 및 결상시킬 수 있는 영상 분광기를 더 포함할 수 있다.In addition, the laser absorption spectroscopic analysis device of the present invention is capable of simultaneously speculating and imaging broadband light transmitted through a plurality of optical fibers to an image sensor instead of a spectrometer that specifies and forms a single light collected by the second optical unit. It may further include an imaging spectrometer.

본 발명에 따르면, 광대역 광을 조사하는 광원 및 분광기를 이용하여 넓은 파장 영역의 여러 흡수 단면적을 기반으로 대상 가스의 농도 및 온도를 모두 정량화할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage in that both the concentration and temperature of the target gas can be quantified based on various absorption cross-sections in a wide wavelength range using a light source and a spectrometer that irradiates broadband light.

또한, 본 발명에 따르면, 광대역 광을 조사한 후 동시간에 파장 별 흡수 단면적을 분석하여 대상 가스의 종류 및 농도를 판단하기 때문에, 종래의 TDLAS 와 같이 파장 별 흡수 단면적에 시간 지연이 발생하지 않고, 넓은 파장 영역에 대한 흡수 단면적을 분석하기 때문에, 기존의 레이저 흡수 분광 장치(TDLS)에 비하여 빠르고 정확하게 대상 가스를 분석할 수 있다.In addition, according to the present invention, since the type and concentration of the target gas is determined by analyzing the absorption cross-section for each wavelength at the same time after irradiating broadband light, there is no time delay in the absorption cross-section for each wavelength like in the conventional TDLAS, Because the absorption cross-sectional area over a wide wavelength range is analyzed, the target gas can be analyzed faster and more accurately than the existing laser absorption spectroscopy (TDLS).

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.Additionally, according to the present invention, by three-dimensionally analyzing broadband light that passes through a plurality of directions with respect to the measurement space, the target gas can be accurately analyzed even if the target gas is unevenly distributed within the measurement space.

또한, 본 발명에 따르면, 측정 공간을 거치지 않는 광대역 광의 스펙트럼을 검출하고, 이 스펙트럼을 기준 스펙트럼으로 정의하고, 측정 공간을 통과한 광대역 광의 스펙트럼과 비교함으로써, 대상 가스의 종류 및 농도를 정확히 판단할 수 있다.In addition, according to the present invention, the type and concentration of the target gas can be accurately determined by detecting the spectrum of broadband light that does not pass through the measurement space, defining this spectrum as a reference spectrum, and comparing it with the spectrum of broadband light that passed through the measurement space. You can.

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.The effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.

도 1은 종래의 레이저 흡수 분광 장치(TDLS)의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영상 분광기의 구체적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 블록의 구체적인 구성도이다.
도 5는 다채널(1, …n번 채널) 광섬유 블럭을 통하여 전달된 광대역 광이 이미지 센서에 결상되는 과정을 예시한 도면이다.
도 6은 측정 공간을 아닌 산소가 존재하지 않는 배경 공간을 지나고 영상 분광기의 1번 채널을 통하여 이미지 센서에 결상된 기준 스펙트럼과 광대역 광원으로부터 광경로 없이 영상 분광기의 12번 채널을 통하여 이미지 센서에 결상된 보정 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 영상 면에 검출된 파장 별 스펙트럼과, 파장 별 광 강도를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 12채널의 광섬유 블럭을 이용하여 이미지 센서의 영상 면에 검출된 스펙트럼과, 시뮬레이션을 통하여 생성된 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분석부가 생성한 광대역 광의 파장 별 흡수 스펙트럼을 단순화시켜서 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 분석부가 생성한 산소(O2)의 온도 별 흡수 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 영상 분광기의 파장 분해능 별로 대상 가스 온도에 따라 변화하는 온도 계수를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 분석부가 대상 가스의 농도를 분석하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a schematic diagram of a conventional laser absorption spectroscopy (TDLS).
Figure 2 is a schematic configuration diagram of a laser absorption spectroscopic analysis device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a detailed configuration diagram of an imaging spectrometer according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a detailed configuration diagram of an optical fiber block according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram illustrating a process in which broadband light transmitted through a multi-channel (1,...n channel) optical fiber block is imaged on an image sensor.
Figure 6 shows the reference spectrum formed on the image sensor through the 1st channel of the imaging spectrometer after passing through the background space where oxygen does not exist, rather than the measurement space, and the image formed on the image sensor through the 12th channel of the imaging spectrometer without an optical path from a broadband light source. This is a diagram illustrating the corrected spectrum.
FIG. 7 is a diagram showing the spectrum for each wavelength and the light intensity for each wavelength detected on the image plane of the image sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram illustrating a spectrum detected on the image plane of an image sensor using a 12-channel optical fiber block according to an embodiment of the present invention and a spectrum generated through simulation.
Figure 9 is a simplified diagram showing the absorption spectrum for each wavelength of broadband light generated by the analysis unit according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a diagram showing the absorption spectrum of oxygen (O 2 ) generated by the analysis unit according to an embodiment of the present invention by temperature.
Figure 11 is a graph showing the temperature coefficient that changes depending on the target gas temperature for each wavelength resolution of the imaging spectrometer according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 is a diagram for explaining a method by which an analysis unit analyzes the concentration of a target gas according to an embodiment of the present invention.

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.Terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their common or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it is.

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.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent the entire technical idea of the present invention, so various equivalents can be substituted for them at the time of filing the present application. It should be understood that there may be variations.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention.

도 1은 기존의 레이저 흡수 분광 분석 장치의 개략적인 구성도이다.Figure 1 is a schematic diagram of a conventional laser absorption spectroscopic analysis device.

도 1을 참조하면, 기존의 레이저 흡수 분광 분석 장치에서 발광부(10)는 파장 가변 레이저(Tunable diode laser)로 구성되고, 수광부는 광검출기(Photo-detector)로 구성된다. Referring to FIG. 1, in a conventional laser absorption spectroscopic analysis device, the light emitting part 10 is composed of a tunable diode laser, and the light receiving part is composed of a photo-detector.

기존의 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 파장가변 레이저의 발진 파장을 시간에 따라 변화시키면서 광 검출기를 통하여 측정 공간을 통과한 레이저 빔의 흡수 스펙트럼을 측정한다. 여기서, 측정된 스펙트럼은 Beer-Lambert 법칙에 따라 분석되어 대상 가스의 농도를 추정할 수 있다.Existing laser absorption spectroscopic analysis devices measure the absorption spectrum of a laser beam passing through a measurement space through an optical detector while changing the oscillation wavelength of a tunable laser over time. Here, the measured spectrum can be analyzed according to the Beer-Lambert law to estimate the concentration of the target gas.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치의 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치의 구체적인 구성도이다. Figure 2 is a schematic configuration diagram of a laser absorption spectroscopic analysis device according to an embodiment of the present invention, and Figure 3 is a detailed configuration diagram of a laser absorption spectroscopic analysis device according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 도 1의 구성과 다르게, 광원(110)으로 넓은 범위의 레이저를 발진하는 광대역 레이저(Super luminescent laser)가 구비되고, 수광부에는 영상 분광기(170)가 구비되어 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, the laser absorption spectroscopic analysis device according to an embodiment of the present invention, unlike the configuration of FIG. 1, has a broadband laser (super luminescent laser) that oscillates laser in a wide range as a light source 110. and an image spectrometer 170 is provided in the light receiving unit.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는 영상 분광기(170)의 입력단에 광섬유 블록(160)이 추가로 구비된다. Referring to FIG. 3, the laser absorption spectroscopic analysis device according to an embodiment of the present invention is additionally provided with an optical fiber block 160 at the input end of the imaging spectrometer 170.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는 전체적으로 측정 셀(10) 내부의 측정 공간(11)에 존재하는 대상 가스를 분석하기 위하여, 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.The laser absorption spectroscopic analysis device according to an embodiment of the present invention includes a light source 110, a first optical unit 120, and a first optical unit 120 to analyze the target gas present in the measurement space 11 inside the measurement cell 10. 2 It may be configured to include an optical unit 140, an optical fiber block 160, an imaging spectrometer 170, an image sensor 180, and an analysis unit 190.

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.The light source 110 may be a broadband laser that irradiates broadband light, but is not limited thereto. Here, the broadband laser can overcome the limitations of the limited wavelength band of existing monochromatic lasers or tunable lasers, and can be used in various fields such as bio imaging, inspection of semiconductor wafers and optoelectronic devices, and environmental monitoring.

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.The first optical unit 120 may include at least one lens and is disposed outside the measurement cell 10 to collect at least a portion of the broadband light irradiated from the light source 110 and store it inside the measurement cell 10. It can be introduced into the measurement space (11). Here, the light collected by the first optical unit 120 may be reflected by the first mirror 131 and enter the measurement space 11.

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. 제2 광학부(140)에 입사된 광은 광섬유 블록(160)에 존재하는 다수의 광섬유(161, 163) 중에서 하나의 끝단에 입력되어 영상 분광기(170)에 전달된다. The second optical unit 140 may include at least one lens and is disposed outside the measurement cell 10 opposite the first optical unit 120 to select a portion of the broadband light passing through the measurement space 11. At least some of it can be concentrated. Here, the broadband light passing through the measurement space 11 may be reflected by the second mirror 132 and incident on the second optical unit 140. The light incident on the second optical unit 140 is input to one end of the plurality of optical fibers 161 and 163 present in the optical fiber block 160 and is transmitted to the imaging spectrometer 170.

여기서 광섬유 블록(160)은 다수의 광섬유(161~163)와 광섬유 정렬을 위한 V-grove array 및 덮개로 구성된다. 광섬유(161~163)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 최소화시키는데 있다.Here, the optical fiber block 160 consists of a plurality of optical fibers 161 to 163, a V-grove array for optical fiber alignment, and a cover. Optical fibers 161 to 163 are a type of thin glass or plastic fiber that transmits light. The principle of optical fiber is that the inside and outside of the optical fiber are made of glass fibers with different densities and refractive indices, so that once incident light is inside the optical fiber. The goal is to minimize light loss by performing total reflection.

광섬유블록(160)에 존재하는 다수의 광섬유는 입력되는 빛의 성격에 따라서 보정 광섬유(163), 기준 광섬유(162) 및 측정 광섬유(161)로 구분된다. 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.The plurality of optical fibers present in the optical fiber block 160 are divided into a correction optical fiber 163, a reference optical fiber 162, and a measurement optical fiber 161 according to the nature of the input light. The reference optical fiber 162 is connected to the light source 110 and can pass some of the broadband light emitted from the light source 110 without passing through the measurement space 11.

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.Although not shown in the drawing, the broadband light emitted from the light source 110 may be separated by a beam splitter. That is, some of the broadband light may be incident on the reference optical fiber 162 by the beam splitter, and the remainder may be incident on the first optical unit 120.

영상 분광기(170)는 측정 광섬유(161)와 기준 광섬유(163) 및 보정 광섬유(163)를 통과한 광대역 광을 각각 분광시키고, 이미지 센서(180)에 결상시킬 수 있다. 여기서, 영상 분광기(170)는 분산 소자(예컨대, 회절 격자)를 이용하여 빛을 분광시키고, 이미지 센서(180)에 결상시키는 광학 장치로서 각각의 파장에 대한 빛의 세기를 측정할 수 있다.The image spectrometer 170 can split the broadband light that has passed through the measurement optical fiber 161, the reference optical fiber 163, and the correction optical fiber 163, respectively, and form an image on the image sensor 180. Here, the image spectrometer 170 is an optical device that specifies light using a dispersion element (eg, a diffraction grating) and forms an image on the image sensor 180, and can measure the intensity of light for each wavelength.

이미지 센서(180)는 영상 분광기(170)에 의해 분광된 광대역 광의 스펙트럼을 이진화된 값으로 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.The image sensor 180 may detect the spectrum of broadband light split by the image spectrometer 170 as a binarized value. Here, the image sensor 180 may be a charge coupled device (CCD) camera or a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) camera, but is not limited thereto.

분석부(190)는 이미지 센서(180)가 검출한 광대역 광의 스펙트럼 데이터를 분석하여 대상 가스의 온도와 농도를 추정할 수 있다.The analysis unit 190 may estimate the temperature and concentration of the target gas by analyzing the spectrum data of the broadband light detected by the image sensor 180.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 방법은 분석부(190)에 적용되는 알고리즘 형태로 구현될 수 있다.The laser absorption spectroscopy analysis method according to an embodiment of the present invention may be implemented in the form of an algorithm applied to the analysis unit 190.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 블록의 구체적인 구성도이다. 여기서, (a)는 광섬유 블록의 측면을 나타낸 도면이고, (b)는 광섬유 블록의 정면을 나타낸 도면이다.Figure 4 is a detailed configuration diagram of an optical fiber block according to an embodiment of the present invention. Here, (a) is a diagram showing the side of the optical fiber block, and (b) is a diagram showing the front of the optical fiber block.

도 4를 참조하면, 광섬유 블록(160)은 n(여기서, n은 2 이상의 자연수)개의 측정 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.Referring to FIG. 4, the optical fiber block 160 may be configured to include n (where n is a natural number of 2 or more) measurement optical fibers 161_1 to 161_n. Correspondingly, the first optical unit 120 may be comprised of n first optical units 120_1 to 120_n, and the second optical unit 140 may be comprised of n second optical units 140_1 to 140_n. there is.

여기서, n개의 제1 광학부(120_1~120_n)는 측정 셀(10) 외부에 위치하고 있는 n개의 서로 다른 측정 셀에 배치될 수 있고, n개의 제2 광학부(140_1~140_n)는 n개의 제1 광학부(120_1~120_n)와 대향하여 각각의 측정 셀(10)의 외부에 배치될 수 있다.Here, n first optical units 120_1 to 120_n may be disposed in n different measurement cells located outside the measurement cell 10, and n second optical units 140_1 to 140_n may be disposed in n different measurement cells. 1 It may be disposed outside each measurement cell 10, opposite to the optical units 120_1 to 120_n.

또한, n개의 제1 광학부(120_1~120_n)는 n개의 광원(110)으로부터 광대역 광을 각각 입력 받거나, 하나의 광원을 n개로 분기하여 광대역 광을 받을 수 있다.Additionally, the n first optical units 120_1 to 120_n may each receive broadband light from n light sources 110, or may receive broadband light by branching one light source into n pieces.

n개의 측정 광섬유(161_1~161_n)는 n개의 제2 광학부(140)에 의해 집광된 광대역 광을 영상 분광기(170)의 입력단에 설치된 광섬유 블록(160)에 전달한다. 즉, n개의 측정 광섬유(161_1~161_n)는 서로 다른 n개의 측정 공간(11)을 통과한 광대역 광을 각각 입력 받을 수 있다.The n measurement optical fibers 161_1 to 161_n transmit the broadband light collected by the n second optical units 140 to the optical fiber block 160 installed at the input terminal of the imaging spectrometer 170. That is, n measurement optical fibers 161_1 to 161_n can each receive broadband light that has passed through n different measurement spaces 11.

도 4에는 하나의 기준 광섬유(162)만 도시하였지만, 기준 광섬유(162)는 측정 광섬유(161_1~161_n)와 한 쌍으로 동일한 광경로를 가지면서 동일한 개수로 구비될 수 있다.Although only one reference optical fiber 162 is shown in FIG. 4, the reference optical fibers 162 may be provided in the same number as a pair with the measurement optical fibers 161_1 to 161_n and have the same optical path.

도 5는 다채널(1, …n번 채널) 광섬유 블럭을 통하여 전달된 광대역 광이 이미지 센서에 결상되는 과정을 예시한 도면이다. Figure 5 is a diagram illustrating a process in which broadband light transmitted through a multi-channel (1,...n channel) optical fiber block is imaged on an image sensor.

도 5를 참조하면, 영상 분광기(170)는 슬릿(171) 및 분산 소자(172)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 5, the imaging spectrometer 170 may be configured to include a slit 171 and a dispersion element 172.

슬릿(171)은, 라인 형상의 투과 영역을 구비하며, 광섬유 블록(160)의 끝단과 일치하도록 설치됨으로써 n개의 광섬유(161_1~161_n)에서 출사되는 광대역 광을 영상 분광기(170)의 투과 영역으로 통과시킬 수 있다.The slit 171 has a line-shaped transmission area and is installed to match the end of the optical fiber block 160, so that the broadband light emitted from the n optical fibers 161_1 to 161_n is transmitted to the transmission area of the image spectrometer 170. It can be passed.

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.The dispersion element 172 can split the broadband light that has passed through the slit 171 by wavelength. Here, the dispersion element 172 may be a prism or a diffraction grating, but is not limited thereto.

이와 같이 영상 분광기(170)에 의해 분광된 광대역 광은 이미지 센서(180)의 영상 면에 파장 별 스펙트럼으로 검출될 수 있다.In this way, the broadband light split by the image spectrometer 170 can be detected as a spectrum for each wavelength on the image plane of the image sensor 180.

도 6은 측정 공간을 아닌 산소가 존재하지 않는 배경 공간을 지나고 영상 분광기의 1번 채널을 통하여 이미지 센서에 결상된 기준 스펙트럼과 광대역 광원으로부터 광경로없이 영상 분광기의 12번 채널을 통하여 이미지 센서에 결상된 보정 스펙트럼을 예시한 도면이다.Figure 6 shows the reference spectrum formed on the image sensor through the 1st channel of the imaging spectrometer after passing through the background space where oxygen does not exist, rather than the measurement space, and the image formed on the image sensor through the 12th channel of the imaging spectrometer without an optical path from a broadband light source. This is a diagram illustrating the corrected spectrum.

도 6을 참조하면, 측정 공간과 동일한 광 경로와 환경을 가지면서 분석하고자 하는 가스가 존재하지 않는 배경 공간을 통과한 기준 스펙트럼은 측정 광섬유(161)를 통과한 스펙트럼 데이터를 분석하는데 필요한 기준값()으로 활용 될 수 있고, 광대역 광원과 달리 보정 광원(Ar Lamp 등)에서 직접 보정 광섬유(163)를 통하여 얻어진 보정 스펙트럼은 이미지 센서(180)에서 보정 파장(예를 들면, 772. 38nm, 763.52nm, 750.39nm)의 수직 위치값을 측정하여 영상 분광기(170)의 주요 사양인 분산량과 반치폭 및 파장 분해능을 정의함으로써 영상분광기(170)의 정확한 파장 범위 및 파장값을 산출하는데 활용될 수 있다.Referring to FIG. 6, the reference spectrum passing through the background space, which has the same optical path and environment as the measurement space and does not contain the gas to be analyzed, is the reference value ( ), and unlike a broadband light source, the correction spectrum obtained directly from a correction light source (Ar Lamp, etc.) through the correction optical fiber 163 is used at a correction wavelength (e.g., 772.38 nm, 763.52 nm) in the image sensor 180. , 750.39nm) can be used to calculate the exact wavelength range and wavelength value of the image spectrometer 170 by measuring the vertical position value and defining the main specifications of the image spectrometer 170, such as dispersion amount, half width, and wavelength resolution.

먼저, 보정 파장에 대한 영상 처리를 통하여 영상 분광기(170)의 분산량(d=0.0152nm/pixel)과 슬릿에 대한 반치폭(w=10pixels)을 구하고, 이로부터 영상 분광기(170)의 파장 분해능(r=d×w=0.152nm)을 계산할 수 있다.First, through image processing for the correction wavelength, the dispersion amount (d = 0.0152 nm/pixel) and the half width (w = 10 pixels) of the image spectrometer 170 are obtained, and from this, the wavelength resolution of the image spectrometer 170 ( r=d×w=0.152nm) can be calculated.

그리고, 3개의 보정 파장을 이용하여 직선 맞춤 또는 포물선 방정식을 구하면 모든 픽셀 위치에 대한 샘플링된 파장값을 얻을 수 있고, 온도 분석을 위한 기준 파장(762.04nm)을 표시할 수 있다.Also, by finding a straight line fit or parabolic equation using the three correction wavelengths, sampled wavelength values for all pixel positions can be obtained and the reference wavelength (762.04nm) for temperature analysis can be displayed.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 영상 면에 검출된 파장 별 스펙트럼(a)과, 파장 별 광 강도(b)를 도시한 도면이다.Figure 7 is a diagram showing the spectrum (a) for each wavelength and the light intensity (b) for each wavelength detected on the image plane of the image sensor according to an embodiment of the present invention.

도 7에서 A는 대상 가스가 흡수한 흡수 파장이고, A-W 및 A+W는 광대역 광의 반치폭(Full width at half maximum; FWHM)을 의미한다.In FIG. 7, A is the absorption wavelength absorbed by the target gas, and A-W and A+W mean the full width at half maximum (FWHM) of broadband light.

도 7 (a)를 참조하면, n개의 측정 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 측정 광섬유(161_1~161_n)에 대응한 n개의 스펙트럼이 수평 방향으로 일정 간격을 두고 수직 라인으로 검출될 수 있다.Referring to FIG. 7 (a), broadband light emitted from n measurement optical fibers 161_1 to 161_n may pass through the image spectrometer 170 and be detected as a vertical line on the image plane of the image sensor 180. Specifically, n spectra corresponding to n measurement optical fibers 161_1 to 161_n may be detected as vertical lines at regular intervals in the horizontal direction.

도 7 (b)를 참조하면, n번째 측정 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.Referring to FIG. 7 (b), the broadband light passing through the n-th measurement optical fiber 161_n strongly absorbs light of a specific wavelength (Wavelength) by the target gas while passing through the measurement space 11, and the remaining wavelengths are absorbed by the target gas. can weakly absorb light. Here, the greater the degree of absorption, the lower the light intensity. Using this principle, the analysis unit 190 can derive the type and concentration of the target gas present in the measurement space 11.

예를 들어, 대상 가스가 산소(O2)인 경우, 산소는 760nm 파장의 빛을 주로 흡수하고, 나머지 파장대의 빛은 흡수하지 않는다. 따라서, 분석부(190)는 도 7 (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.For example, if the target gas is oxygen (O 2 ), oxygen mainly absorbs light with a wavelength of 760 nm and does not absorb light in the remaining wavelength ranges. Therefore, as shown in FIG. 7 (b), the analysis unit 190 confirms that the wavelength at which the light intensity decreases is 760 nm, and determines that the target gas present in the measurement space 11 is oxygen. You can. Additionally, the concentration of the target gas can be calculated according to the lowered light intensity.

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.As such, the laser absorption spectroscopic analysis device according to an embodiment of the present invention determines the type and concentration of the target gas by analyzing the absorption by wavelength at the same time after irradiating broadband light, so like the conventional TDLAS, There is no time delay in absorption, and thus the target gas can be accurately analyzed in real time.

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.Meanwhile, the target gas may be mostly unevenly distributed within the measurement space 11. Therefore, the target gas cannot be accurately analyzed only by analyzing the broadband light passing in one direction with respect to the measurement space 11.

따라서, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 장치는, 광원(110), 제1 광학부(120), 제2 광학부(140) 및 측정 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.Therefore, as described above, the laser absorption spectroscopic analysis device according to an embodiment of the present invention includes a light source 110, a first optical unit 120, a second optical unit 140, and a plurality of measurement optical fibers 161. By three-dimensionally analyzing the broadband light passing through the measurement space 11 in multiple directions, the target gas can be accurately analyzed even if the target gas is unevenly distributed within the measurement space 11.

또한, 도 3 및 도 5에 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 공간적으로 분리된 다수의 측정 공간(11)을 통과한 광대역 광 모두를 각각 분광시키고, 이미지 센서(180)의 영상면에 모두 결상시키기 때문에, 비용 절감의 효과가 있다.In addition, as shown in FIGS. 3 and 5, the laser absorption spectroscopic analysis device according to an embodiment of the present invention includes only one relatively expensive image spectrometer 170, but one image spectrometer 170 is spatially Since all of the broadband light passing through the plurality of separated measurement spaces 11 is split and formed into an image on the image plane of the image sensor 180, there is an effect of reducing costs.

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.Meanwhile, in order to accurately determine the type and concentration of the target gas by analyzing the absorption by wavelength of the broadband light that passed through the measurement space 11, a judgment standard is necessary. In other words, it is necessary to check the spectrum of the broadband light emitted by the light source 11.

이를 위해, 분석부(190)는 복수의 측정 광섬유(161)를 통과한 광대역 광의 스펙트럼과 기준 광섬유(162)를 통과한 광대역 광의 스펙트럼을 비교하여 대상 가스를 분석할 수 있다.To this end, the analysis unit 190 may analyze the target gas by comparing the spectrum of the broadband light passing through the plurality of measurement optical fibers 161 and the spectrum of the broadband light passing through the reference optical fiber 162.

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)을 거치지 않고 그대로 통과시키는 기준 광섬유(162)를 구비하여, 기준 광섬유(162)를 통과한 광대역 광의 스펙트럼을 검출할 수 있다. 그리고, 이 스펙트럼을 측정 광섬유(161)를 통과한 광대역 광의 스펙트럼과 비교함으로써, 대상 가스의 온도 및 농도를 정확히 판단할 수 있다.Specifically, as described above, the laser absorption spectroscopic analysis device according to an embodiment of the present invention passes at least a portion of the broadband light irradiated from the same light source 110 through the measurement space 11 and measures some of it. By providing a reference optical fiber 162 that passes through the space 11 without passing through it, the spectrum of broadband light passing through the reference optical fiber 162 can be detected. And, by comparing this spectrum with the spectrum of the broadband light that passed through the measurement optical fiber 161, the temperature and concentration of the target gas can be accurately determined.

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.Here, the image spectrometer 170 can split the broadband light that passed through the reference optical fiber 162, and the image sensor 180 can detect the spectrum of the broadband light split by the image spectrometer 170.

측정 광섬유(161)가 복수 개인 경우, 복수의 광원(110)이 조사하는 광대역 광 특성이 모두 상이할 수 있어, 이들 측정 광섬유(161)에 대응하여 동일한 개수의 기준 광섬유(162)가 구비되는 것이 바람직하다. 따라서, 다수의 측정 공간(11)을 통과한 광대역 광을 분석함에 있어, 그 판단 기준을 각각 제공할 수 있다.When there are a plurality of measurement optical fibers 161, the broadband light characteristics emitted by the plurality of light sources 110 may all be different, so the same number of reference optical fibers 162 are provided corresponding to these measurement optical fibers 161. desirable. Therefore, when analyzing the broadband light that has passed through the plurality of measurement spaces 11, it is possible to provide each judgment standard.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서에 의하여 획득된 다채널의 스펙트럼 영상을 보여주는 도면이다. 단일의 광섬유가 연결되는 일반적인 분광기는 한 개의 분석 공간을 분석하는 반면에 광섬유 블록(160)과 영상 분광기(170)를 결합한 도 5의 구성에서는 서로 다른 다수의 분석 공간을 측정할 수 있다. Figure 8 is a diagram showing a multi-channel spectral image acquired by an image sensor according to an embodiment of the present invention. While a typical spectrometer connected to a single optical fiber analyzes one analysis space, the configuration of FIG. 5 combining the optical fiber block 160 and the imaging spectrometer 170 can measure multiple different analysis spaces.

분석부(190)는 이미지 센서(180)로부터 대상 가스(예컨대, 산소(O2))의 흡수 스펙트럼을 일정 파장 범위(예컨대, 20nm 이상)에서 실시간으로 획득할 수 있다.The analysis unit 190 may acquire the absorption spectrum of the target gas (eg, oxygen (O 2 )) from the image sensor 180 in real time in a certain wavelength range (eg, 20 nm or more).

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분석부가 생성한 광대역 광의 파장 별 흡수 스펙트럼을 단순화시켜서 도시한 도면이다.Figure 9 is a simplified diagram showing the absorption spectrum for each wavelength of broadband light generated by the analysis unit according to an embodiment of the present invention.

도 9에 도시한 바와 같이, 흡수 스펙트럼은 일반적으로 크게 2개의 봉우리 형태로 나타나며, 2개의 봉우리 경계의 흡수 단면적이 가장 작은 파장을 기준 파장으로 정의할 수 있다.As shown in FIG. 9, the absorption spectrum generally appears in the form of two peaks, and the wavelength with the smallest absorption cross-section at the boundary of the two peaks can be defined as the reference wavelength.

여기서, 기준 파장은 동일한 대상 가스에 대해 일정한 값을 가지며, 대상 가스의 종류에 따라 상이하다. 따라서, 이와 같은 기준 파장을 파악하면 대상 가스의 종류를 판단할 수 있다.Here, the reference wavelength has a constant value for the same target gas and varies depending on the type of target gas. Therefore, by identifying this reference wavelength, the type of target gas can be determined.

분석부(190)는 가스 온도에 따라 변화하는 파장 별 흡수 단면적을 이용하여 대상 가스의 온도를 추정할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하겠다.The analysis unit 190 can estimate the temperature of the target gas using the absorption cross-sectional area for each wavelength that changes depending on the gas temperature. A detailed explanation of this will be provided later.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 분석부가 생성한 산소(O2)의 온도 별 흡수 스펙트럼을 도시한 도면이다. Figure 10 is a diagram showing the absorption spectrum of oxygen (O 2 ) generated by the analysis unit according to an embodiment of the present invention by temperature.

여기서, (a)는 가스 온도가 298K일 때 흡수 스펙트럼이고, (b)는 가스 온도가 998K일 때 흡수 스펙트럼이고, (c)는 가스 온도가 1508K일 때 흡수 스펙트럼이다.Here, (a) is the absorption spectrum when the gas temperature is 298K, (b) is the absorption spectrum when the gas temperature is 998K, and (c) is the absorption spectrum when the gas temperature is 1508K.

도 8에 도시한 바와 같이, 대상 가스가 산소(O2)로 동일하기 때문에 가스 온도가 달라지더라도 기준 파장(Q-branch, λq)은 762.04nm로 동일한 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 8, since the target gas is the same as oxygen (O 2 ), it can be confirmed that the reference wavelength (Q-branch, λ q ) is the same at 762.04 nm even if the gas temperature is different.

그러나, 가스 온도가 달라지게 되면 기준 파장(λq)을 기준으로 일측(예컨대, 좌측)에 위치한 파장들에서의 제1 흡수 단면적 합(σL)과 타측(예컨대, 우측)에 위치한 파장들에서의 제2 흡수 단면적 합(σR)이 상이한 것을 확인할 수 있다.However, when the gas temperature changes, the sum of the first absorption cross-sections (σ L ) at wavelengths located on one side (e.g., left) and the wavelengths located on the other side (e.g., right) based on the reference wavelength (λ q ). It can be confirmed that the second absorption cross-sectional area sum (σ R ) of is different.

이와 같이, 분석부(190)는 가스 온도에 따라 달라지는 제1 흡수 단면적 합(σL)과 제2 흡수 단면적 합(σR)을 이용하여 대상 가스의 온도를 추정할 수 있다.In this way, the analysis unit 190 can estimate the temperature of the target gas using the first absorption cross-sectional area sum (σ L ) and the second absorption cross-sectional area sum (σ R ) that vary depending on the gas temperature.

구체적으로, 분석부(190)는 흡수 스펙트럼의 기준 파장(λq)을 기초로 온도 계수(σC)를 산출하고, 산출된 온도 계수(σC)를 온도 테이블에 적용하여 대상 가스의 온도를 추정할 수 있다.Specifically, the analysis unit 190 calculates the temperature coefficient (σ C ) based on the reference wavelength (λ q ) of the absorption spectrum, and applies the calculated temperature coefficient (σ C ) to the temperature table to determine the temperature of the target gas. It can be estimated.

여기서, 온도 계수(σC)는 기준 파장(λq)을 기준으로 일측(예컨대, 좌측)에 위치한 파장들에서의 제1 흡수 단면적 합(σL)과 타측(예컨대, 우측)에 위치한 파장들에서의 제2 흡수 단면적 합(σR)을 기초로 산출될 수 있다.Here, the temperature coefficient (σ C ) is the sum of the first absorption cross-sections (σ L ) at wavelengths located on one side (e.g., left) and the wavelengths located on the other side (e.g., right) based on the reference wavelength (λ q ). It can be calculated based on the second absorption cross-sectional area sum (σ R ) in .

구체적으로, 온도 계수(σC)는 제1 흡수 단면적 합(σL) 및 제2 흡수 단면적 합(σR)의 차이값과 제1 흡수 단면적 합(σL) 및 제2 흡수 단면적 합(σR)의 합산값의 비율에 의해 산출될 수 있다.Specifically, the temperature coefficient (σ C ) is the difference between the first absorption cross-sectional area sum (σ L ) and the second absorption cross-sectional area sum (σ R ) and the first absorption cross-sectional area sum (σ L ) and the second absorption cross-sectional area sum (σ R ) can be calculated by the ratio of the sum of the values.

여기서, 제1 흡수 단면적 합(σL)과 제2 흡수 단면적 합(σR)은 아래의 수학식 1 및 수학식 2에 의해 각각 정의될 수 있다. Here, the first absorption cross-sectional area sum (σ L ) and the second absorption cross-sectional area sum (σ R ) may be defined by Equation 1 and Equation 2 below, respectively.

또한, 온도 계수(σC)는 아래의 수학식 3에 의해 정의될 수 있다. 그리고, 수학식3에 수학식 1 및 2를 적용하면 온도 계수(σC)를 산출할 수 있다.Additionally, the temperature coefficient (σ C ) can be defined by Equation 3 below. And, by applying Equations 1 and 2 to Equation 3, the temperature coefficient (σ C ) can be calculated.

[수학식 1][Equation 1]

[수학식 2][Equation 2]

[수학식 3][Equation 3]

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 영상 분광기의 파장 분해능 별로 대상 가스 온도에 따라 변화하는 온도 계수를 나타낸 그래프이다.Figure 11 is a graph showing the temperature coefficient that changes depending on the target gas temperature for each wavelength resolution of the imaging spectrometer according to an embodiment of the present invention.

도 11에 도시한 바와 같이, 일부 구간에서 불규칙한 구간이 있지만 전반적으로 가스 온도에 따라 온도 계수(σC)가 선형적으로 변화(증가)하는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 11, there are irregular sections in some sections, but overall, it can be seen that the temperature coefficient (σ C ) changes (increases) linearly depending on the gas temperature.

온도 테이블은, 도 10에 도시된 그래프를 반영한 것으로, 대상 가스의 온도 별로 산출한 온도 계수(σC)를 이용해 미리 설정될 수 있다.The temperature table reflects the graph shown in FIG. 10 and can be set in advance using the temperature coefficient (σ C ) calculated for each temperature of the target gas.

분석부(190)는, 메모리에 온도 테이블 또는 함수식을 저장하고, 대상 가스의 흡수 스펙트럼을 이용해 산출된 대상 가스의 온도 계수를 저장된 온도 테이블에 적용하여 대상 가스의 온도를 추정할 수 있다. 즉, 분석부(190)는 대상 가스의 온도 계수에 해당하는 가스 온도를 대상 가스의 온도로 추정할 수 있다.The analysis unit 190 may store a temperature table or function equation in memory and estimate the temperature of the target gas by applying the temperature coefficient of the target gas calculated using the absorption spectrum of the target gas to the stored temperature table. That is, the analysis unit 190 may estimate the gas temperature corresponding to the temperature coefficient of the target gas as the temperature of the target gas.

또한, 분석부(190)는, 추정된 대상 가스의 온도에서 흡수 스펙트럼의 흡수 단면적을 이용해 대상 가스의 농도를 측정할 수 있다.Additionally, the analysis unit 190 may measure the concentration of the target gas using the absorption cross-section of the absorption spectrum at the estimated temperature of the target gas.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 분석부가 대상 가스의 농도를 분석하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 12 is a diagram for explaining a method of analyzing the concentration of a target gas by an analysis unit according to an embodiment of the present invention.

대상 가스(예컨대, 산소)의 농도 분석을 위한 기본 분석 방안으로 배경광의 밝기 분포(Io)가 파장에 따라 변동 없이 일정한 것으로 간주하여 흡수 스펙트럼에 대한 최소 자승법을 도 12와 같이 적용하였다.As a basic analysis method for analyzing the concentration of a target gas (e.g., oxygen), the brightness distribution (I o ) of the background light was considered constant without change depending on the wavelength, and the least squares method for the absorption spectrum was applied as shown in FIG. 12.

온도 분석을 통하여 추정된 온도에서의 합성곱 흡수 단면적(Xi)과 흡수 스펙트럼(Yi), Column Density(A) 및 배경광의 자연로그 값(B)으로 구성되는 연립 방정식으로부터 대상 가스의 몰농도(C) 및 배경값을 계산할 수 있다.The molar concentration of the target gas is derived from a simultaneous equation consisting of the convolutional absorption cross-section (X i ), absorption spectrum (Y i ), column density (A), and natural logarithm of background light (B) at the temperature estimated through temperature analysis. (C) and background values can be calculated.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 흡수 분광 분석 방법 및 장치는, 광대역 광을 조사하는 광원(110) 및 영상 분광기(170)를 이용해 다 파장 영역의 여러 흡수 면적을 기반으로 대상 가스의 농도 및 온도를 모두 정량화할 수 있는 장점이 있으며, 종래의 기술과 같이 대상 가스의 온도를 추정하기 위해 다른 가스를 이용할 필요가 없다.As such, the laser absorption spectroscopy analysis method and device according to an embodiment of the present invention uses a light source 110 and an imaging spectrometer 170 that irradiate broadband light to determine the concentration of the target gas based on various absorption areas in a multi-wavelength region. It has the advantage of being able to quantify both temperature and temperature, and there is no need to use other gases to estimate the temperature of the target gas as in the prior art.

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.The above detailed description is illustrative of the present invention. Additionally, the foregoing merely shows and describes preferred embodiments of the present invention, and the present invention can be used in various other combinations, modifications, and environments. That is, changes or modifications are possible within the scope of the inventive concept disclosed in this specification, the scope equivalent to the written disclosure, and/or the skill or knowledge in the art. The above-described embodiments are intended to explain the best state for carrying out the present invention, and are used in other states known in the art to use other inventions such as the present invention, and are required in the specific application field and use of the invention. Various changes are also possible. Accordingly, the detailed description of the invention above is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. Additionally, the appended claims should be construed to include other embodiments as well.

110: 광원
120: 제1 광학부
140: 제2 광학부
160: 광섬유 블록
170: 영상 분광기
180: 이미지 센서
190: 분석부110: light source
120: first optical unit
140: second optical unit
160: optical fiber block
170: Imaging spectrometer
180: Image sensor
190: analysis department

Claims (7)

레이저 흡수 분광 분석 장치를 이용해 측정 공간에 존재하는 대상 가스를 분석하는 방법으로서,
광대역 광을 상기 측정 공간에 조사하는 단계;
상기 측정 공간을 통과한 상기 광대역 광의 파장 별 흡수 스펙트럼을 획득하는 단계;
상기 흡수 스펙트럼의 기준 파장을 기초로 온도 계수를 산출하는 단계; 및
상기 온도 계수를 온도 테이블에 적용하여 상기 대상 가스의 온도를 추정하는 단계
를 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 방법.
A method of analyzing a target gas existing in a measurement space using a laser absorption spectroscopic analysis device,
irradiating broadband light into the measurement space;
Obtaining an absorption spectrum for each wavelength of the broadband light passing through the measurement space;
calculating a temperature coefficient based on a reference wavelength of the absorption spectrum; and
Estimating the temperature of the target gas by applying the temperature coefficient to a temperature table
Laser absorption spectroscopic analysis method comprising.
 제 1 항에 있어서,
상기 온도 계수를 산출하는 단계는
상기 기준 파장을 기준으로 일측에 위치한 파장들에서의 제1 흡수 단면적 합 및 타측에 위치한 파장들에서의 제2 흡수 단면적 합의 차이값과 상기 제1 흡수 단면적 합 및 상기 제2 흡수 단면적 합의 합산값의 비율에 의해 상기 온도 계수를 산출하는 단계인
레이저 흡수 분광 분석 방법.
According to claim 1,
The step of calculating the temperature coefficient is
The difference between the sum of the first absorption cross-sections at the wavelengths located on one side and the second absorption cross-section at the wavelengths located on the other side with respect to the reference wavelength and the sum of the first absorption cross-sections and the sum of the second absorption cross-sections The step of calculating the temperature coefficient by the ratio
Laser absorption spectroscopy method.
 제 1 항에 있어서,
상기 기준 파장은
상기 대상 가스의 종류에 따라 달라지는
레이저 흡수 분광 분석 방법.
According to claim 1,
The reference wavelength is
Varies depending on the type of target gas
Laser absorption spectroscopy method.
 제 1 항에 있어서,
상기 온도 테이블은
상기 영상 분광기의 파장 분해능 별로 상기 대상 가스의 온도에 따라 선형적으로 변화되는 온도 계수값 또는 함수식으로 정의한 테이블인
레이저 흡수 분광 분석 방법.
According to claim 1,
The temperature table is
A table defined as a temperature coefficient value or function equation that changes linearly according to the temperature of the target gas for each wavelength resolution of the imaging spectrometer.
Laser absorption spectroscopy method.
 제 1 항에 있어서,
추정된 상기 대상 가스의 온도에서 상기 흡수 스펙트럼의 흡수 단면적을 이용해 상기 대상 가스의 농도를 측정하는 단계
를 더 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 방법.
According to claim 1,
Measuring the concentration of the target gas using the absorption cross-section of the absorption spectrum at the estimated temperature of the target gas.
A laser absorption spectroscopic analysis method further comprising:
 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 분광기의 입력단에 전달하는 광섬유;
상기 광섬유에 의해 전달된 상기 광대역 광을 분광시키고 이미지센서에 결상시키는 분광기; 및
상기 분광기에 의해 결상된 광대역 광을 스펙트럼 데이터로 변환하는 이미지 센서
를 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 장치.
A light source that irradiates broadband light;
a first optical unit that condenses at least a portion of the broadband light and introduces it into the measurement space;
a second optical unit that focuses at least a portion of the broadband light that has passed through the measurement space;
an optical fiber transmitting the broadband light collected by the second optical unit to an input terminal of a spectroscope;
a spectrometer that specifies the broadband light transmitted by the optical fiber and forms an image on an image sensor; and
An image sensor that converts the broadband light imaged by the spectrometer into spectral data
A laser absorption spectroscopic analysis device comprising a.
 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 광섬유블럭에 의해 전달된 상기 광대역 광을 분광시키고 이미지센서에 결상시키는 영상 분광기; 및
상기 영상 분광기에 의해 결상된 광대역 광을 스펙트럼 데이터로 변환하는 이미지 센서
를 포함하는 레이저 흡수 분광 분석 장치.A light source that irradiates broadband light;
a first optical unit that condenses at least a portion of the broadband light and introduces it into the measurement space;
a second optical unit that focuses at least a portion of the broadband light that has passed through the measurement space;
an optical fiber block including at least one optical fiber that passes the broadband light condensed by the second optical unit;
an imaging spectrometer that specifies the broadband light transmitted by the optical fiber block and forms an image on an image sensor; and
An image sensor that converts the broadband light imaged by the imaging spectrometer into spectral data
A laser absorption spectroscopic analysis device comprising a.
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