WO2013105789A1 - 광도파관 및 이를 이용한 비분산 적외선 가스 센서 - Google Patents

광도파관 및 이를 이용한 비분산 적외선 가스 센서 Download PDF

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WO2013105789A1
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optical
optical waveguide
photodetector
light source
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박정익
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(주)트루아이즈
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    • 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
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    • G01N21/0303—Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/102—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type for infrared and ultraviolet radiation

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide manufactured to increase light absorption of gas molecules in a non-dispersive infrared (NDIR) type gas sensor and a non-dispersive infrared gas sensor using the same.
  • Optical waveguides are commonly referred to as optical cavities because they are usually manufactured in the form of a cavity.
  • the non-dispersive infrared gas sensor measures the light absorption rate according to the gas concentration by using the characteristic that gas molecules absorb light of a specific wavelength, and converts it into an electrical signal (for example, a voltage) and converts it into a gas concentration. Measure the gas concentration.
  • the physical characteristics and efficiency of the non-dispersed infrared gas sensor are the main technical key to increase the light absorption rate of the gas molecules, and the physical characteristics of the non-dispersed infrared gas sensor are interpreted by the Beer-Lambert Law. A concept of a non-dispersive infrared gas sensor is described with reference to FIG. 1.
  • light emitted from the light source 10 reaches the photodetector 30 via gas molecules 20.
  • the emitted light is partially absorbed by the gas molecules 20 in progress and the amount of light absorbed (ie, the intensity of light) is proportional to the concentration of the gas molecules.
  • the amount of light reaching the photodetector is inversely proportional to the concentration of gas molecules.
  • the initial amount of light emitted from the light source 10 is I o
  • the amount of light reaching the photodetector 30 is I
  • the distance from which the light emitted from the light source 10 reaches the photodetector 30 is measured. If the length is L and the concentration of gas molecules is X, the correlation between the gas concentration X and the measured light quantity I measured by the photodetector 30 according to the Beer Lambert law is given by Equation (1).
  • a is a constant value determined by the light absorption rate of each gas molecule, the light emission spectrum of the light source, the light detection spectrum of the photodetector, and the like (Note: a value usually set to a fixed value in the analysis of the non-dispersive infrared gas sensor).
  • Equation (1) is a basic function for the characteristics of the non-dispersive infrared gas sensor and a reference function for calibrating the non-dispersive infrared gas sensor.
  • Figure 2 shows the structure of a conventional optical waveguide according to the prior art.
  • the conventional optical waveguide 40 of the prior art as shown in FIG. 2 is the light emitted from the light source 10 is emitted in various directions and reflected by the reflecting surface of the optical waveguide 40 L 1 , L 2
  • the photodetector 30 is reached through various optical paths such as L 3 , and the lengths of the optical paths are different from each other.
  • Equation (2) The amount of light reaching the photodetector through the various light paths shown in FIG. 2 may be expressed as shown in Equation (2).
  • I 1 , I 2 , and I 3 are partial values for each light path among the initial amount of light I o emitted from the light source 10.
  • the lengths (L 1 , L 2 , L 3 , ...) of optical paths are different from each other in one optical waveguide 40 so that the correction is performed using Equation (2) as a calibration function.
  • Equation (2) the complexity is increased and the amount of error is increased.
  • the gas concentration when calibrating using Equation (1) is converted relatively simply as in Equation (3) with respect to the measured amount of light.
  • the gas concentration X is obtained by applying the average value of the lengths (L 1 , L 2 , L 3 , ...) of each light path, thereby avoiding the occurrence of an error. There will be no.
  • 3 is a calibration reference function (solid line) and a concentration measurement value of a standard gas (non-dispersed infrared carbon dioxide sensor) manufactured by applying an optical waveguide having a plurality of optical paths, which are set to Equation (1) according to Beer Lambert's law ( Dashed line), the actual measured concentration values do not match the calibration reference function. This means that when the gas sensor is calibrated using the calibration reference function equation (1), the accuracy of the gas sensor is lowered.
  • the calibration reference function equation (1) cannot be used to calibrate the gas sensor. Accordingly, in the related art, a calibration data table is generated and provided using a standard gas for each gas sensor. This complex, time-consuming and expensive problem did not provide a theoretical basis for calibration.
  • an optical waveguide design having an efficient structure is the core of the non-dispersive infrared gas sensor design. do.
  • optical waveguides have to be designed according to the assembly characteristics or assemblability of optical components having limited performance and structure. Maximization of the length and light efficiency of the furnace and assembly of optical components are incompatible conditions.
  • the light source and the photodetector have different physical structures such as size and length, when the light source and the photodetector are assembled on the same circuit board, the optical axes of the light source and the photodetector are aligned. Is difficult.
  • the optical axis of the light emitting point of the light source and the optical axis of the photodetecting point of the photodetector are different from each other. Will decrease.
  • FIG. 5 there is an example of attempting a method of aligning an optical axis by placing a photodetector on an auxiliary circuit board separate from the basic circuit board, but it is necessary to separately manufacture the auxiliary circuit board. And due to the necessity of the combination of the two substrates assembling at the time of production is lowered, the defect rate is high and the production cost increases.
  • an object of the present invention to provide an optical waveguide having the characteristics that the light emitted from the light source reaches the photodetector over the longest possible optical path without loss.
  • An object of the present invention is to provide an optical waveguide having a characteristic in which light emitted in various directions from a light source becomes a length L of a constant optical path regardless of the direction.
  • An object of the present invention is to provide a non-dispersive infrared gas sensor having excellent light efficiency by adopting an optical waveguide having a structure L having a constant optical path length.
  • An object of the present invention is to provide a non-dispersion infrared gas sensor that can be simple and accurate calibration based on Equation (1) according to Beer Lambert's law by applying an optical waveguide having a length L of a constant optical path.
  • An object of the present invention is to provide an optical waveguide that can be easily designed and manufactured by setting the length L of a constant optical path by selecting the minimum variable values (p, q, l) that determine the structure of the optical waveguide. .
  • An object of the present invention is to provide an optical waveguide for a non-dispersive infrared gas sensor that can be arranged on a single circuit board with a light source and a photodetector excellent in assembly and miniaturization.
  • An object of the present invention is to provide a non-dispersion infrared gas sensor that can be mass-produced using SMT (Surface Mount Technology).
  • a simple and accurate non-dispersion infrared gas sensor can be designed, calibrated, and manufactured by applying an optical waveguide having a simple structure, excellent assemblability, and a constant optical path length L. It aims at simplifying, correcting and reducing costs in the process.
  • the optical waveguide according to the present invention for achieving the above object is an optical waveguide for a non-dispersive infrared gas sensor comprising a light source, a photodetector, an optical waveguide and an electronic circuit, the optical path in the optical waveguide It is determined by a plurality of light reflecting mirrors constituting the optical waveguide, the plurality of light reflecting mirrors are characterized in that it comprises two parabolic mirrors facing each other with optical axes parallel to each other.
  • the length of the optical path of all the light emitted from the light source and reaching the photodetector is always constant.
  • the length of the optical path is characterized in that it is constant regardless of the distance between the optical axis of the two parabolas.
  • the focal length of the first parabola is p
  • the focal length of the second parabola is q
  • the optical axis coordinate value of the focal point F1 of the first parabolic diameter the optical axis coordinate value of the focal point F2 of the second parabolic diameter.
  • the difference is l
  • the first parabolic focal point F1 is located at the origin (0,0), and the focal point F2 of the second parabolic spot is located at a point (l, h) on any one quadrant of the first, second, third, and fourth quadrants.
  • the focal length of the two parabolic first parabolas is p and the focal length of the second parabola is q
  • the optical waveguide for a non-dispersion infrared gas sensor comprising a light source, a photodetector, an optical waveguide and an electronic circuit, in the optical waveguide
  • the optical path in is determined by a plurality of light reflection mirrors constituting the optical waveguide, and the plurality of light reflection mirrors include at least three parabolic mirrors facing each other with optical axes parallel to each other.
  • the parabolic diameter is a first parabolic diameter, a second parabolic diameter, and a third parabolic diameter, wherein the second parabolic diameter and the second parabolic diameter have an optical axis parallel to the optical axis of the first parabolic diameter and face the first parabolic diameter. It is characterized by.
  • the second parabolic diameter and the third parabolic diameter may have a mutually symmetrical structure with respect to the optical axis of the first parabolic diameter.
  • the focal length of the first parabolic mirror is p
  • the focal length of the second parabolic mirror and the second parabolic mirror is q
  • the optical axis coordinate value of the focal point F1 of the first parabolic mirror is p
  • the focal length F2 of the second parabolic mirror or the first parabolic mirror is p
  • the second parabolic diameter and the third parabolic diameter may have a relative asymmetrical structure with respect to the optical axis of the first parabolic diameter.
  • the focal length of the first parabola is p
  • the focal length of the second parabola is q2
  • the focal length of the third parabola is q3, the optical axis coordinate value of the focal point F1 of the first parabola, and the focal point of the second parabola.
  • the difference between the optical axis coordinate values of F2 is l2
  • the difference between the optical axis coordinate values of the focal point F1 of the first parabolic mirror and the optical axis coordinate values of the focal point F3 of the third parabolic mirror is l3, it is located at the focal point F1 of the first parabolic mirror.
  • the non-dispersion infrared gas sensor for achieving the above object, in the non-dispersion infrared gas sensor comprising a light source, a photodetector, an optical waveguide and a circuit board, the light source, the photodetector and the optical waveguide Is mounted on the same surface of the circuit board, and the optical path in the optical waveguide is determined by a plurality of light reflection mirrors constituting the light waveguide, and the plurality of light reflection mirrors have optical axes parallel to each other and face each other. It includes two paraboloids, characterized in that the light emitting point of the light source and the light detection point of the photodetector are located at the focal point of the parabolic mirror, respectively.
  • the gas sensor is characterized in that the length of the optical path of all the light emitted from the light source to reach the photodetector is always constant.
  • the gas sensor is characterized in that the length of the optical path is constant regardless of the distance between the optical axis of the two parabolas.
  • the gas sensor is characterized in that the length of the optical path is constant regardless of the physical structure of the light source and the photodetector.
  • the gas sensor the focal length of the first parabolic of the two parabolas p, the focal length of the second parabolic q q, the optical axis coordinate value of the focal point F 1 of the first parabolic diameter and the focus of the second parabolic diameter
  • the distance in the optical axis direction of F 2 is l
  • the manufacturing method of the non-dispersion infrared gas sensor according to the present invention for achieving the above object, in the manufacturing method of the non-dispersion infrared gas sensor comprising a light source, a photodetector and an optical waveguide mounted on one circuit board.
  • the step of providing the optical waveguide may include: the respective focal lengths p and q of the two parabolic diameters and the angles in the optical axis direction of the parabolic diameter to determine the length of the optical path in the optical waveguide. And setting the distance l between the focal points.
  • the calibration method of the non-dispersion infrared gas sensor according to the present invention for achieving the above object, in the calibration method of the non-dispersion infrared gas sensor is configured by mounting a light source, a photodetector and an optical waveguide on one circuit board.
  • an optical waveguide having a structure parallel to each other and comprising two parabolic mirrors facing each other; Providing the light source and the photodetector such that the light source and the photodetector are positioned at the focal points of the two parabolic mirrors, respectively; Mounting the light source, photodetector, and optical waveguide on the circuit board to complete the non-dispersive infrared gas sensor; And calibrating the non-dispersive infrared gas sensor using a calibration function of the following equation.
  • I o is the initial amount of light emitted from the light source
  • I is the amount of light reaching the photodetector
  • L is the length of the optical path in the optical waveguide
  • a is a constant
  • X is the concentration of gas molecules.
  • the calibration method of the non-dispersion infrared gas sensor for achieving the above object is a non-dispersion infrared gas sensor is configured by mounting a light source, a photodetector and an optical waveguide on one circuit board, The optical path in the optical waveguide is determined by a plurality of light reflecting mirrors constituting the optical waveguide, the plurality of light reflecting mirrors having two optical mirrors parallel to each other and facing each other;
  • the calibration method of the non-dispersion infrared gas sensor according to another feature of the present invention for achieving the above object is a non-dispersion infrared gas sensor is configured by mounting a light source, a photodetector and an optical waveguide on one circuit board.
  • the optical path in the optical waveguide is determined by a plurality of optical reflecting mirrors constituting the optical waveguide, the plurality of optical reflecting mirrors include two parabolic mirrors facing each other and having optical axes parallel to each other.
  • a method of calibrating the non-dispersion infrared gas sensor having a structure in which the light source and the photodetector are respectively positioned at the focal points of two parabolas comprising calibrating the non-dispersion infrared gas sensor using a single calibration function of the following equation. Characterized in that.
  • I o is the initial amount of light emitted from the light source
  • I is the amount of light reaching the photodetector
  • L is the length of the optical path in the optical waveguide
  • a is a constant
  • X is the concentration of gas molecules.
  • an optical waveguide having the characteristic that the light emitted from the light source in various directions becomes a length L of a constant optical path regardless of the direction.
  • an optical waveguide with which the length L of a constant optical path can be set by selecting the minimum variable values (p, q, l) for determining the structure of the optical waveguide can be easily designed and manufactured.
  • a non-dispersive infrared gas sensor having excellent light efficiency is provided by adopting an optical waveguide having a structure L having a constant optical path length.
  • a non-dispersive infrared gas sensor capable of simple and accurate calibration based on Equation (1) according to Beer Lambert's law is provided.
  • a calibration method for calibrating a simple and accurate non-dispersive infrared gas sensor using a single calibration reference function in accordance with the Beer Lambert law.
  • an optical waveguide having a characteristic that light emitted from a light source reaches a photodetector through a long optical path as long as possible without loss.
  • an optical waveguide for a non-dispersive infrared gas sensor that can be disposed on a single circuit board so that the light source and the photodetector can be excellent in assembly and miniaturized.
  • a method of designing and manufacturing an optical waveguide having a structure optimized for a given optical part without constraints on the physical structure of the optical part is provided.
  • a non-dispersive infrared gas sensor capable of mass production using SMT (Surface Mount Technology).
  • the design and calibration of the non-dispersion infrared gas sensor through the simple and accurate calibration method of the non-dispersion infrared gas sensor by applying an optical waveguide having a simple structure, excellent assemblability, and a constant optical path length L And simplification, accuracy, and cost reduction in the manufacturing process.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the concept of a non-dispersive infrared gas sensor.
  • FIG. 2 is a block diagram of a conventional optical waveguide according to the prior art.
  • Equation (3) is a calibration reference function (solid line) and a concentration measurement value of a standard gas (non-dispersed infrared carbon dioxide sensor) manufactured by applying an optical waveguide having a plurality of optical paths, which are set to Equation (1) according to Beer Lambert's law ( Dotted line).
  • FIG. 4 is a block diagram of another optical waveguide according to the prior art.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of another optical waveguide according to the prior art.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of an optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 10 and 11 are conceptual views of an optical waveguide having two optical paths according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram of an optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a non-dispersion infrared gas sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the optical path in the optical waveguide is determined by a plurality of optical reflection mirrors constituting the optical waveguide.
  • the optical reflecting mirror provides an optical waveguide comprising two parabolic mirrors having optical axes parallel to each other and facing each other.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of an optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • the optical waveguide of FIG. 6 is based on two parabolic mirrors having optical axes parallel to each other.
  • the photodetector placed at the focal point F 2 of the second parabolic mirror 200 travels along an optical path in which light emitted from a light source (not shown) positioned at the focal point F 1 of the first parabolic mirror 100 is dispersed in various directions ( A configuration that converges is shown.
  • the first parabola 100 and the second parabola 200 are represented by the following equations (4) and (5) in the coordinate system shown in FIG.
  • the first parabola is a parabolic mirror whose X axis is the optical axis and the focus F 1 is at the origin (0,0), the second parabola has an optical axis X 1 parallel to the X axis which is the optical axis of the first parabolic mirror, and the focus F 2 is the coordinate system. It is located at the point (l, h) on the first quadrant of and faces the first parabola.
  • the light source is located at focal point F 1 (0,0) of the first parabolic mirror 100 and the photodetector is located at focal point F 2 (l, h) of the second parabolic mirror 200.
  • the parabolic mirror proceeds in parallel with the X axis which is the optical axis of the first parabolic mirror 100.
  • the focal point F of the second parabolic mirror 200 is reflected. Proceed through 2
  • p, q, and l are all constants that can be set by the designer of the optical waveguide.
  • the length L of the light path from the placed light source to the photodetector in focus of the other parabola is determined by the difference l of the optical axis coordinates of each focal point of the two parabolas, and is independent of the distance h between the optical axes of the two parabolas.
  • the first parabolic focal point F 1 is located at the origin (0,0), and the focal point F 2 of the second parabolic point is located at a point (l, h) on one of the first, second, third, and fourth quadrants.
  • the focal length of the two parabolic first parabolas is p and the focal length of the second parabola is q
  • the light path length L is the difference between the optical axis coordinate values of each focal point of the two parabolas
  • the optical waveguides of the optical waveguides have a parallel optical axis and face two parabolic mirrors. Accordingly, the light emitted from the light source (not shown) positioned at the focus F 1 of the first parabolic mirrors 110, 120, and 130 travels along the optical paths dispersed in various directions, and thus the second parabolic mirrors 210, 220, and 230. Converges to a photodetector (not shown) located at focal point F 2 , and the length of each light path is constant. 7, 8, and 9 may be modified to design various types of optical waveguides.
  • the size of l which is the difference between the shape of the two parabolas facing each other and the optical axis coordinate values of the focal points, is the same as in FIG. 7, but only when the distance h between the optical axes is large.
  • the length of the optical path of the waveguide is the same as that of FIG.
  • FIG 10 and 11 are conceptual views of an optical waveguide having two optical paths according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows a second parabolic mirror 240 having an optical axis parallel to the first parabolic mirror 140, facing the first parabolic mirror 140, and having a mutually symmetrical structure with respect to the optical axis of the first parabolic mirror 140.
  • a third parabolic mirror (340). Since the second parabolic mirror 240 and the third parabolic mirror 340 are mutually symmetrical structures, all optical paths have the same length in the optical waveguide.
  • the focal length of the first parabolic 140 is p
  • the focal length of the second parabolic 240 and the third parabolic 340 is q
  • the optical axis coordinates of the focal point F 1 of the first parabolic 140 When the difference between the value and the optical axis coordinate value of the focal point F 2 of the second parabolic mirror 240 or the focal point F 3 of the third parabolic mirror 340 is l, it is located at the focal point F 1 of the first parabolic mirror 140.
  • FIG. 11 illustrates an optical waveguide having a second parabolic diameter 250 and a third parabolic diameter 350 positioned in opposite directions with respect to the optical axis of the first parabolic diameter 150 and having a mutually asymmetrical structure. Since the second parabolic 250 and the third parabolic 350 are asymmetrical to each other, the lengths of the optical paths of the light reflected from the second parabolic 250 and the light reflected from the third parabolic 350 are different from each other. Do.
  • the focal length of the first parabola 150 is p
  • the focal length of the second parabola 250 is q 2
  • the focal length of the third parabola 350 is q 3
  • the focal length of the first parabola 150 is focused.
  • the difference between the optical axis coordinate value of F 1 and the optical axis coordinate value of the focal point F 2 of the second parabola 250 is l 2
  • the optical axis coordinate value of the focal point F 1 of the first parabolic mirror 150 and the third parabola 350 ) focus F to the difference between the third optical axis coordinate value of l 3 la
  • the first port is emitted from a light source located in the focus F 1 of mulgyeong 150 is located in the focus F 2 of the second fabric mulgyeong 250 photodetectors
  • the second and third parabolic diameters 240, 250, 340, and 350 have optical axes parallel to the optical axes of the first parabolic diameters 140 and 150.
  • 140, 150 is a common construction of parabolic mirrors.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram of an optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • the optical waveguide of FIG. 12 is based on two parabolic mirrors having optical axes parallel to each other.
  • the photodetector placed at the focal point F 2 of the second parabolic mirror 200 travels along an optical path in which light emitted from a light source (not shown) positioned at the focal point F 1 of the first parabolic mirror 100 is dispersed in various directions ( A configuration that converges is shown.
  • the first parabolic mirror 100 and the second parabolic mirror 200 are represented by Equations (4) and (5), respectively, in the coordinate system shown in FIG.
  • the first parabola 100 is a parabolic mirror whose X axis is the optical axis and the focal point F 1 lies at the origin (0,0), and the second parabolic mirror 200 is an optical axis X parallel to the X axis which is the optical axis of the first parabolic mirror. It has 1 and the focal point F 2 is located at the point (l, -h) on the quadrant of the coordinate system to face the first parabolic mirror 100.
  • the light source is located at focal point F 1 (0,0) of the first parabola 100 and the photodetector is located at focal point F 2 (l, -h) of the second parabola 200.
  • the parabolic mirror proceeds in parallel with the X axis which is the optical axis of the first parabolic mirror 100.
  • the focal point F of the second parabolic mirror 200 is reflected. Proceed through 2
  • all light has a length L of a constant light path regardless of the direction of light emitted from the light source.
  • a point between F1 and the distance between the points the distance between A L 1, point A and point B L 2, point B and point F 2 The distance L 3 and the length L of the optical path may be obtained by using Equations (6) to (9).
  • L 2 (p + q) + l regardless of the light emission direction.
  • the length L of the light path from the placed light source to the photodetector in focus of the other parabola is determined by the difference l of the optical axis coordinates of each focal point of the two parabolas, and is independent of the distance h between the optical axes of the two parabolas.
  • the first parabolic focal point F 1 is located at the origin (0,0), and the focal point F 2 of the second parabolic point is at a point (l, -h) on any one of the first, second, third, and fourth quadrants.
  • the focal length of the two parabolic first parabolas is p and the focal length of the second parabola is q
  • the light path length L is the difference between the optical axis coordinate values of each focal point of the two parabolas
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a non-dispersive infrared gas sensor in accordance with one embodiment of the present invention, constructed in accordance with the design principles of the optical waveguide shown in FIG. 12.
  • the non-dispersive infrared gas sensor of FIG. 13 is configured to include a light source 300, a photodetector 400, an optical waveguide 500, and a circuit board 600.
  • a difference in height from a circuit board of a given light source 300 and a photodetector 400 that is, between a light emitting point of the light source 300 and the circuit board 600.
  • the difference between the vertical distance and the vertical distance between the photodetecting point of the photodetector 400 and the circuit board 600 is measured and set to a value h.
  • the configuration of the optical waveguide 500 is determined by setting the focal length p of the first parabolic diameter constituting the optical waveguide 500, the focal length q of the second parabolic diameter, and the optical axis direction distance l of each focal point of the two parabolic diameters. do.
  • the length L of the optical path is determined by the p, q, and l values, and the optimum L value can be determined by adjusting the p, q and l values according to physical specifications such as the measurement range of the non-dispersive infrared gas sensor.
  • the non-dispersive infrared gas sensor of FIG. 13 may arrange the light source 300 and the photodetector 400 on a single circuit board 600, and may have a physical structure of optical components such as the light source 300 or the photodetector 400. Irrespective of the value of h given by, a constant length L of light path can be obtained.
  • the light source 300, the photodetector 400, and the optical waveguide 500 are directly coupled to the single circuit board 600 so that the circuit board 600 and the optical waveguide 500 are combined to form one optical cavity. Because of the configuration, the number of parts required for the production of the non-dispersed gas sensor is reduced, the structure is simplified, the assembly is increased, and mass production using SMT (Surface Mount Technology) becomes possible.
  • SMT Surface Mount Technology
  • one side of the optical waveguide is formed in a plane, and a light source and a photodetector are coupled on one side thereof, and an optical waveguide includes a light source and a photodetector module. It may be mounted on a separate circuit board in the form.

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Abstract

본 발명은 비분산 적외선(Non-Dispersive InfraRed; NDIR) 방식의 가스 센서에서 가스 분자의 광 흡수율을 높이기 위해 제작되는 광 도파관 및 이를 이용한 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다. 광 도파관은 통상 공동의 형태로 제작되기 때문에 광 공동(Optical Cavity)이라고도 한다. 본 발명에 따른 광도파관은, 광원, 광검출기, 광도파관 및 전자회로를 포함하여 구성되는 비분산 적외선 가스 센서를 위한 광도파관에 있어서, 상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광도파관 및 이를 이용한 비분산 적외선 가스 센서
본 발명은 비분산 적외선(Non-Dispersive InfraRed; NDIR) 방식의 가스 센서에서 가스 분자의 광 흡수율을 높이기 위해 제작되는 광도파관 및 이를 이용한 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다. 광도파관은 통상 공동의 형태로 제작되기 때문에 광공동(Optical Cavity)이라고도 한다.
비분산 적외선 방식의 가스 센서는 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하여 가스 농도에 따른 광 흡수율을 측정하여 이를 전기적 신호(예컨대, 전압)로 나타내고 이를 다시 가스 농도로 환산하는 방식으로 가스 농도를 측정한다.
비분산 적외선 가스 센서의 물리적 특성 및 효율성은 가스 분자의 광 흡수율을 높이는 것이 주요 기술적 관건이 되며, 비분산 적외선 가스 센서의 물리적 특성은 비어 램버트 법칙(Beer-Lambert Law)에 의해 해석된다. 비분산 적외선 가스 센서의 개념을 도시한 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에서, 광원(10)에서 방출된 광은 가스 분자(20)를 거쳐 광검출기(30)에 도달한다. 방출된 광은 진행 중에 가스 분자(20)에 의해 일부 흡수되며 흡수되는 광량(즉, 광의 세기)은 가스 분자의 농도에 비례한다. 따라서, 광검출기에 도달하는 광량은 가스 분자의 농도에 반비례하게 된다.
광원(10)에서 방출되는 초기 광량을 Io, 광검출기(30)에 도달하는 광량을 I, 광원(10)에서 방출된 광이 광검출기(30)에 도달하기까지 진행하는 거리인 광경로의 길이를 L, 가스 분자의 농도를 X 라 하면, 비어 램버트 법칙에 따라 가스 농도 X와 광검출기(30)에서 측정되는 측정 광량 I의 상관관계는 수학식(1)로 주어진다.
수학식 1
Figure PCTKR2013000187-appb-M000001
단, a는 각 가스 분자의 광흡수율, 광원의 광방출 스펙트럼, 광검출기의 광감지 스펙트럼 등에 의해 결정되는 상수 값 (주: 비분산 적외선 가스 센서의 분석에서 통상 고정 값으로 설정되는 값)이다.
수학식(1)은 비분산 적외선 가스 센서의 특성에 관한 기본 함수인 동시에, 비분산 적외선 가스 센서를 교정하기 위한 기준 함수이다.
감도가 우수한 특성을 가진 비분산 적외선 가스 센서를 얻기 위해서는 가스 농도 X의 작은 변화에도 측정 광량 I의 변화량이 많아야 한다. 즉, 수학식(1)에서 Io, a, L 값이 커야 한다. 그러나 Io 값은 광원 자체의 물리적 성질로서 광원의 선택에 따른 값이며, a는 상수이므로, 결국 L 값이 큰 광도파관을 설계하는 것이 비분산 적외선 가스 센서의 특성 향상에 가장 큰 과제로 된다.
이를 위해 비분산 적외선 가스 센서의 설계자들은 광을 반사시킬 수 있는 거울 또는 광반사면들을 기하학적으로 배치하여 광원(10)에서 방출된 광이 손실 없이 가능한 긴 광경로를 거쳐서 광검출기(30)에 도달하도록 광도파관을 설계해야 한다.
도 2는 종래기술에 따른 통상적인 광도파관의 구조를 도시하고 있다.
광도파관의 특성을 극대화하기 위해서는 광원에서 방출된 광이 모두 동일한 광경로의 길이 L을 가지는 것이 바람직하다. 그러나 도 2에 도시된 바와 같은 종래기술상의 통상적인 광도파관(40)은 광원(10)에서 방출된 광이 여러 방향으로 방출되어 광도파관(40)의 반사면에 의해 반사되면서 L1, L2, L3 등과 같은 다양한 광경로를 거쳐 광검출기(30)에 도달하며, 이때 각 광경로의 길이는 서로 달라지게 된다.
도 2의 광도파관(40)의 경우, 수학식(1)에서 광경로의 길이 L 값을 상수로 고정할 수 없게 되므로 결국 측정 광량 I와 가스 농도 X의 상관관계가 복잡하게 되며, 이에 따라 가스 센서를 교정학 위한 교정함수도 복잡하게 된다. 교정 함수의 복잡화는 비분산 적외선 가스 센서의 제작에 상당한 곤란과 비용의 증가를 초래한다. 비분산 적외선 가스 센서 제작의 최종 단계에서 실시하는 '교정'은 가스 농도 X와 광흡수율 또는 측정 광량 I의 상관관계를 도출하는 작업이다. 교정을 위한 기준 함수는 비어 램버트 법칙에 따른 수학식(1)로 주어진다.
도 2에 도시된 다양한 광경로를 거쳐 광검출기에 도달하는 광량은 수학식(2)와 같이 표시할 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2013000187-appb-M000002
I1, I2, I3 는 광원(10)에서 방출되는 초기 광량 Io 중 각 광경로에 대한 부분 값이다.
도 2에서와 같이 하나의 광도파관(40) 내에서 광경로의 길이(L1, L2, L3, ...)가 서로 달라지게 되어 수학식(2)을 교정 함수로 하여 교정을 하게 되면, 단일 광경로에 대해서 수학식(1)을 교정 함수로 하여 교정하는 경우에 비해서 훨씬 복잡하고 오차 발생량도 커지게 된다.
예를 들어, 수학식(1)을 이용하여 교정할 때의 가스 농도는 측정된 광량에 대해 수학식(3)과 같이 비교적 간단하게 환산된다.
수학식 3
Figure PCTKR2013000187-appb-M000003
그러나 도 2에서와 같이 무한개의 광경로의 길이(L1, L2, L3, ...)를 갖는 경우에 대해 수학식(2)를 이용하여 교정한다면 가스 농도 X를 구하기는 매우 어렵거나 불가능해진다. 따라서, 실무적으로는 이러한 문제를 해결하기 위해 각 광경로의 길이(L1, L2, L3, ...)의 평균값을 적용하여 가스 농도 X를 구하게 되며, 이에 따라 오차의 발생을 피할 수 없게 된다.
한편, 이와 같이 교정 함수를 이용하지 않고, 각 가스 센서에 대해 표준 가스를 이용하여 교정 데이터 테이블을 생성하여 제공하는 방법도 있으나, 결국 가스 센서의 교정 과정이 복잡하고 시간과 비용이 많이 소모되면서도 교정에 대한 이론적 근거를 제시하지도 못하는 문제점이 존재한다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서는 광원에서 방출된 광이 모두 동일한 광경로의 길이 L을 가지는 혁신의 구조의 광도파관을 설계하는 것이 바람직하다.
도 3은 다수의 광경로를 갖는 광도파관을 적용하여 제작한 비분산 적외선 이산화탄소 센서에 대해, 비어 램버트 법칙에 따른 수학식(1)로 설정된 교정 기준 함수(실선)와 표준가스의 농도 측정값(점선)을 도시한 것으로서, 실제 측정된 농도 값이 교정 기준 함수와 일치하지 않는다. 이는 교정 기준 함수 수학식(1)을 이용하여 가스 센서를 교정할 경우 가스 센서의 정확도가 낮아지게 됨을 의미한다.
이 때문에 가스 센서의 교정시에 교정 기준 함수 수학식(1)을 이용하지 못하고, 이에 따라 종래에는 각 가스 센서에 대해 표준 가스를 이용하여 교정 데이터 테이블을 생성하여 제공하였으며, 결국 가스 센서의 교정 과정이 복잡하고 시간과 비용이 많이 소모되면서도 교정에 대한 이론적 근거를 제시하지도 못하는 문제점이 존재하였다.
한편, 제한된 성능을 가진 광학부품들(즉, 광원, 광검출기)을 이용하여 효율적이면서도 한정된 크기의 비분산 적외선 가스 센서를 제작하기 위해서는 효율적 구조의 광도파관 설계가 비분산 적외선 가스 센서 설계의 핵심이 된다. 비분산 적외선 가스 센서의 제작 단가를 낮추고 대량 생산을 하기 위해서는 저가, 저사양의 광부품들을 적용하더라도 가스 센서가 소정의 물리적 목표 효율을 달성할 수 있도록 해 주는 광도파관의 설계가 필수적이다.
일반적으로 비분산 적외선 방식의 가스 센서에 적용되는 광학 부품들은 가스 센서용으로 표준화되어 있지 않기 때문에, 제한된 성능과 구조를 가진 광학 부품들의 조립특성 또는 조립성에 맞추어 광도파관을 설계할 수밖에 없으며, 따라서 광경로의 길이 및 광효율의 극대화와 광학 부품의 조립성은 양립할 수 없는 조건이 된다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 통상 광원과 광검출기는 크기, 길이 등의 물리적 구조가 상이하기 때문에 광원과 광검출기를 동일한 회로기판에 조립하게 되면 광원과 광검출기의 광축을 일치시키기가 곤란하다.
생산시의 조립성을 우선시 하자면 도 4에서와 같이 회로기판상에 광원과 광검출기를 직접 결합하는 것이 바람직하지만, 광원의 발광점의 광축과 광검출기의 광검지점의 광축의 위치가 서로 달라 광효율이 감소하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 기본 회로기판과 별도의 보조회로기판상에 광검출기를 위치시켜 광축의 위치를 맞추는 방법을 시도한 예가 있으나, 보조회로기판의 별도 제작의 필요성 및 두 기판의 결합의 필요성으로 인해 생산시의 조립성이 낮아져서 불량율이 높아지고 생산 단가가 높아지는 문제점이 발생하게 된다.
소형의 비분산 적외선 가스 센서일수록 제품 경쟁력이 높기 때문에, 소형 비분산 적외선 가스 센서를 제작하기 위해서는 광도파관의 소형화 및 광경로의 구성에 유리하도록 광원과 광검출기를 동일 광축 상에 배치할 필요가 있으나 상기한 바와 같이 광효율성이 감소하는 문제가 발생한다.
따라서, 광경로의 구성이 용이하면서도 조립성이 우수하고 소형화가 가능한 새로운 광도파관 구조의 설계가 필요하다.
상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 소형임에도 불구하고 광원에서 방출된 광이 손실 없이 가능한 긴 광경로를 거쳐서 광검출기로 도달하는 특성을 가진 광도파관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 광원에서 여러 방향으로 방출된 광이 방향에 관계없이 일정한 광경로의 길이 L이 되는 특성을 가진 광도파관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 일정한 광경로의 길이 L을 갖는 구조의 광도파관을 채택하여 광효율성이 우수한 비분산 적외선 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 일정한 광경로의 길이 L을 가진 광도파관을 적용함으로써 비어 램버트 법칙에 따른 수학식(1)을 기반으로 간단하고 정확한 교정이 가능한 비분산 적외선 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 비어 램버트 법칙에 따른 단일의 교정 기준 함수를 이용하여 간단하고 정확하게 비분산 적외선 가스 센서를 교정하는 교정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 광도파관의 구조를 결정하는 최소한의 변수 값(p, q, l)을 선택함에 의해 일정한 광경로의 길이 L을 설정할 수 있어서 설계와 제조가 용이한 광도파관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 광원과 광검출기를 단일 회로기판상에 배치할 수 있어서 조립성이 우수하고 소형화가 가능한 비분산 적외선 가스 센서용 광도파관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 광학 부품들의 물리적 구조에 따른 제약 없이 주어진 광학 부품들에 최적화된 구조의 광도파관을 설계 및 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 SMT(표면실장기술)을 이용하여 대량 제조가 가능한 비분산 적외선 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 구조가 간단하고 조립성이 우수하며 일정한 광경로의 길이 L을 가진 광도파관을 적용함에 따라, 간단하고 정확한 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법을 통해 비분산 적외선 가스 센서 설계, 교정 및 제조 공정상의 단순화, 정확화 및 비용절감을 도모하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광도파관은, 광원, 광검출기, 광도파관 및 전자회로를 포함하여 구성되는 비분산 적외선 가스 센서를 위한 광도파관에 있어서, 상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원으로부터 방출되어 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이는 항상 일정한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광경로의 길이는 상기 2개의 포물경의 광축 간의 거리와 무관하게 일정한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2개의 포물경 중 제1 포물경의 초점거리를 p, 제2 포물경의 초점거리를 q, 상기 제1 포물경의 초점 F1의 광축 좌표값과 상기 제2 포물경의 초점 F2의 광축 좌표값의 차이를 l이라 할 때, 상기 제1 포물경의 초점에 위치한 상기 광원으로부터 방출되어 상기 제2 포물경의 초점에 위치한 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p + q) + l 로 일정한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 포물경 초점 F1이 원점(0,0)에 위치하고, 상기 제2 포물경의 초점 F2가 제 1, 2, 3, 4 사분면 중 어느 하나의 사분면 상의 점(l,h)에 위치할 때, 상기 2개의 포물경 제1 포물경의 초점거리를 p, 제2 포물경의 초점거리를 q라 하면, 상기 광원으로부터 방출되어 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p+q) + |l| , (단, |l|은 l의 절대값)인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양에 따른 광도파관은, 광원, 광검출기, 광도파관 및 전자회로를 포함하여 구성되는 비분산 적외선 가스 센서를 위한 광도파관에 있어서, 상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 적어도 3개의 포물경을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포물경은 제1 포물경, 제2 포물경 및 제3 포물경이며, 상기 제2포물경과 상기 제2포물경은 상기 제1 포물경의 광축에 평행하는 광축을 가지며 상기 제1 포물경과 마주보는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 포물경과 상기 제3 포물경은 상기 제1 포물경의 광축을 기준으로 상호 대칭 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 포물경의 초점거리를 p, 상기 제2 포물경 및 상기 제2 포물경의 초점거리를 q, 상기 제1 포물경의 초점 F1의 광축 좌표값과 상기 제2 포물경의 초점 F2 또는 상기 제3 포물경의 초점 F3의 광축 좌표값의 차이를 l이라 할 때, 상기 제1 포물경의 초점 F1에 위치한 상기 광원으로부터 방출되어 상기 제2 포물경의 초점 F2 및 상기 제3 포물경의 초점 F3에 위치한 각각의 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p + q) + l 로 일정한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 포물경과 제3 포물경은 상기 제1 포물경의 광축을 기준으로 상대 비대칭 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 포물경의 초점거리를 p, 상기 제2 포물경의 초점거리를 q2, 상기 제3 포물경의 초점거리를 q3, 상기 제1 포물경의 초점 F1의 광축 좌표값과 상기 제2 포물경의 초점 F2의 광축 좌표값의 차이를 l2, 상기 제1 포물경의 초점 F1의 광축 좌표값과 상기 제3 포물경의 초점 F3의 광축 좌표값의 차이를 l3라 할 때, 상기 제1 포물경의 초점 F1에 위치한 상기 광원으로부터 방출되어 상기 제2 포물경의 초점 F2에 위치한 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L2은, L2 = 2(p + q2) + l2 으로 일정하며, 상기 제1 포물경의 초점 F1에 위치한 상기 광원으로부터 방출되어 상기 제3 포물경의 초점 F3에 위치한 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L3는, L3 = 2(p + q3) + l3 으로 일정한 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 센서는, 광원, 광검출기, 광도파관 및 회로기판을 포함하여 구성되는 비분산 적외선 가스 센서에 있어서, 상기 광원, 광검출기 및 광도파관은 상기 회로기판의 동일면 상에 장착되며, 상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하며, 상기 광원의 발광점과 상기 광검출기의 광검지점은 상기 포물경의 초점에 각각 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 센서는 상기 광원으로부터 방출되어 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이가 항상 일정한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 센서는 상기 광경로의 길이가 상기 2개의 포물경의 광축 간의 거리와 무관하게 일정한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 센서는 상기 광경로의 길이가 상기 광원 및 상기 광검출기의 물리적 구조와 무관하게 일정한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 센서는, 상기 2개의 포물경 중 제1 포물경의 초점거리를 p, 제2 포물경의 초점거리를 q, 상기 제1 포물경의 초점 F1의 광축 좌표값과 상기 제2 포물경의 초점 F2의 광축 방향의 거리를 l이라 할 때, 상기 제1 포물경의 초점에 위치한 상기 광원으로부터 방출되어 상기 제2 포물경의 초점에 위치한 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p + q) + l 로 일정한 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 제조 방법은, 광원, 광검출기 및 광도파관이 하나의 회로기판상에 장착되어 구성되는 비분산 적외선 가스 센서의 제조 방법에 있어서, 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하는 구조의 광도파관을 제공하는 단계; 상기 2개의 포물경의 초점에 각각 상기 광원과 상기 광검출기가 위치하도록 상기 광원과 광검출기를 제공하는 단계; 및 상기 광원, 광검출기 및 광도파관을 상기 회로기판상에 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제조 방법에서 상기 광도파관을 제공하는 단계는, 상기 광도파관 내에서의 광경로의 길이를 결정하기 위해 상기 2개의 포물경의 각 초점거리 p, q 및 상기 포물경의 광축 방향으로의 상기 각 초점 간의 거리 l을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법은, 광원, 광검출기 및 광도파관이 하나의 회로기판상에 장착되어 구성되는 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법에 있어서, 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하는 구조의 광도파관을 제공하는 단계; 상기 2개의 포물경의 초점에 각각 상기 광원과 상기 광검출기가 위치하도록 상기 광원과 광검출기를 제공하는 단계; 상기 광원, 광검출기 및 광도파관을 상기 회로기판상에 장착하여 상기 비분산 적외선 가스 센서를 완성하는 단계; 및 하기 수식의 교정 함수를 이용하여 상기 비분산 적외선 가스 센서를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure PCTKR2013000187-appb-I000001
단, Io는 상기 광원에서 방출되는 초기 광량, I는 상기 광검출기에 도달하는 광량, L은 상기 광도파관 내에서의 광경로의 길이, a는 상수, X는 가스 분자의 농도.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법은, 광원, 광검출기 및 광도파관이 하나의 회로기판상에 장착되어 구성되는 비분산 적외선 가스 센서로서, 상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하며, 상기 2개의 포물경의 초점에 각각 상기 광원과 상기 광검출기가 위치하는 구조를 가지는 상기 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법으로서, 비어 램버트 법칙에 따른 단일 교정 함수를 이용하여 상기 비분산 적외선 가스 센서를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법은, 광원, 광검출기 및 광도파관이 하나의 회로기판상에 장착되어 구성되는 비분산 적외선 가스 센서로서, 상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하며, 상기 2개의 포물경의 초점에 각각 상기 광원과 상기 광검출기가 위치하는 구조를 가지는 상기 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법으로서, 하기 수식의 단일 교정 함수를 이용하여 상기 비분산 적외선 가스 센서를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure PCTKR2013000187-appb-I000002
단, Io는 상기 광원에서 방출되는 초기 광량, I는 상기 광검출기에 도달하는 광량, L은 상기 광도파관 내에서의 광경로의 길이, a는 상수, X는 가스 분자의 농도.
본 발명에 따르면, 광원에서 여러 방향으로 방출된 광이 방향에 관계없이 일정한 광경로의 길이 L이 되는 특성을 가진 광도파관이 제공된다.
본 발명에 따르면, 광도파관의 구조를 결정하는 최소한의 변수 값(p, q, l)을 선택함에 의해 일정한 광경로의 길이 L을 설정할 수 있어서 설계와 제조가 용이한 광도파관이 제공된다.
본 발명에 따르면, 일정한 광경로의 길이 L을 갖는 구조의 광도파관을 채택하여 광효율성이 우수한 비분산 적외선 가스 센서가 제공된다.
본 발명에 따르면, 일정한 광경로의 길이 L을 가진 광도파관을 적용함으로써 비어 램버트 법칙에 따른 수학식(1)을 기반으로 간단하고 정확한 교정이 가능한 비분산 적외선 가스 센서가 제공된다.
본 발명에 따르면, 비어 램버트 법칙에 따른 단일의 교정 기준 함수를 이용하여 간단하고 정확하게 비분산 적외선 가스 센서를 교정하는 교정 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 소형임에도 불구하고 광원에서 방출된 광이 손실 없이 가능한 긴 광경로를 거쳐서 광검출기로 도달하는 특성을 가진 광도파관이 제공된다.
본 발명에 따르면, 광원과 광검출기를 단일 회로기판상에 배치할 수 있어서 조립성이 우수하고 소형화가 가능한 비분산 적외선 가스 센서용 광도파관이 제공된다.
본 발명에 따르면, 광학 부품들의 물리적 구조에 따른 제약 없이 주어진 광학 부품들에 최적화된 구조의 광도파관을 설계 및 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, SMT(표면실장기술)을 이용하여 대량 제조가 가능한 비분산 적외선 가스 센서가 제공된다.
본 발명에 따르면, 구조가 간단하고 조립성이 우수하며 일정한 광경로의 길이 L을 가진 광도파관을 적용함에 따라, 간단하고 정확한 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법을 통해 비분산 적외선 가스 센서 설계, 교정 및 제조 공정상의 단순화, 정확화 및 비용절감을 도모할 수 있다.
도 1은 비분산 적외선 가스 센서의 개념을 도시한 개념도이다.
도 2는 종래기술에 따른 통상적인 광도파관의 구성도이다.
도 3은 다수의 광경로를 갖는 광도파관을 적용하여 제작한 비분산 적외선 이산화탄소 센서에 대해, 비어 램버트 법칙에 따른 수학식(1)로 설정된 교정 기준 함수(실선)와 표준가스의 농도 측정값(점선)을 도시한 그래프이다.
도 4는 종래기술에 따른 다른 광도파관의 구성도이다.
도 5는 종래기술에 따른 또 다른 광도파관의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파관의 개념도이다.
도 7, 8, 9는 본 발명의 각기 다른 실시예에 따라 초점의 위치가 서로 상이한 광도파관의 변형도이다.
도 10, 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 2개의 광경로를 구비한 광도파관의 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파관의 개념도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 단면도이다.
광원, 광검출기, 광도파관 및 전자회로를 포함하여 구성되는 비분산 적외선가스 센서를 위한 광도파관에 있어서, 상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로마주보는 2개의 포물경을 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파관을 제공한다.
이하, 첨부도면에 도시된 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파관의 개념도이다.
도 6의 광도파관은 서로 평행하는 광축을 가지며 마주보는 2개의 포물경을 기본 구성으로 한다. 제1 포물경(100)의 초점 F1에 놓인 광원(미도시)에서 방출된 광이 여러 방향으로 분산된 광경로를 따라 진행하여 제2 포물경(200)의 초점 F2에 놓인 광검출기(미도시)에 수렴되는 구성이 도시되어 있다.
제1 포물경(100)과 제2 포물경(200)은 도 6에 도시된 좌표계에서 아래의 수학식(4), 수학식(5)으로 각각 표시된다.
수학식 4
Figure PCTKR2013000187-appb-M000004
수학식 5
Figure PCTKR2013000187-appb-M000005
제1 포물경은 X축을 광축으로 하고 초점 F1이 원점(0,0)에 놓인 포물경이며, 제2 포물경은 제1 포물경의 광축인 X축에 평행한 광축 X1을 가지며 초점 F2가 좌표계의 1사분면 상의 점(l,h)에 위치하여 제1 포물경과 마주보는 형태이다.
광원은 제1 포물경(100)의 초점 F1(0,0)에 위치하며 광검출기는 제2 포물경(200)의 초점 F2(l, h)에 위치한다.
포물경의 원리에 따라, 제1 포물경(100)의 경우, 초점 F1을 지나는 광이 제1 포물경(100)에서 반사되면 제1 포물경(100)의 광축인 X축과 평행하게 진행한다. 동일한 포물경의 원리에 따라, 제2 포물경(200)의 경우에는, 제2 포물경의 광축인 X1축과 평행하게 입사한 광이 제2 포물경(200)에서 반사되면 제2 포물경의 초점 F2 를 통과하도록 진행한다.
따라서, 제1 포물경의 초점 F1(0,0)에 놓인 광원에서 방출된 모든 광은 제1 포물경(100)에 반사되어 X축과 평행하게 진행한 후 다시 제2 포물경(200)에서 반사되어 제2 포물경의 초점 F2(l,h)에 놓인 광검출기에 수렴한다.
여기서, 광원에서 방출된 광의 방향에 관계없이 모든 광은 일정한 광경로의 길이 L을 갖는다. 광원에서 방출된 임의의 광의 경로를 F1→A→B→F2 라 하면, 점 F1과 점 A 사이의 거리 L1, 점 A와 점 B 사이의 거리 L2, 점 B와 점 F2 사이의 거리 L3 및 광경로의 길이 L은 수학식(6) 내지 수학식(9)를 이용하여 구할 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2013000187-appb-M000006
수학식 7
Figure PCTKR2013000187-appb-M000007
수학식 8
Figure PCTKR2013000187-appb-M000008
수학식 9
Figure PCTKR2013000187-appb-M000009
여기서, p, q, l은 모두 광도파관의 설계자에 의해 설정가능한 상수이다.
광경로의 길이 L은 임의의 점 A(a1, b1), B(a2, b2)의 위치와 무관하다. 이때, 광원에서 방출된 광이 광검출기에 도달하기까지의 광경로의 길이는 광의 방출 방향에 무관하게 L = 2 (p + q) + l 로 일정하다.
정리하면, 각기 초점 거리 p 와 q 를 가지며(이때, p = q 및 p ≠ q 를 모두 포함함), 상호 평행하는 광축을 가지며, 서로 마주보는 형태의 두 포물경에 있어서, 한 포물경의 초점에 놓인 광원에서 다른 포물경의 초점에 놓인 광검출기까지의 광경로의 길이 L 는 두 포물경의 각 초점의 광축 좌표값의 차이 l 에 의해 하며, 두 포물경의 광축 간의 거리 h 에는 무관하다.
한편, 제1 포물경 초점 F1이 원점(0,0)에 위치하고, 제2 포물경의 초점 F2가 제 1, 2, 3, 4 사분면 중 어느 하나의 사분면 상의 점(l,h)에 위치할 때, 상기 2개의 포물경 제1 포물경의 초점거리를 p, 제2 포물경의 초점거리를 q라 하면, 상기 광원으로부터 방출되어 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p+q) + |l| 으로 결정되며, 광경로의 길이 L 는 두 포물경의 각 초점의 광축 좌표값의 차이 |l| 에 의해 하며, 두 포물경의 광축 간의 거리 |h| 에는 무관하다. 이때, 단, |l| 및 |h| 는 각각 l 과 h 의 크기 또는 절대값이다.
도 7, 8, 9는 본 발명의 각기 다른 실시예에 따라 초점의 위치가 서로 상이한 광도파관의 변형도이다.
도 7, 8, 9의 광도파관은 초점의 위치 및 초점 간의 거리가 서로 상이하지만, 평행하는 광축을 가지며 마주보는 2개의 포물경을 기본 구성으로 하는 점이 공통적이다. 따라서, 제1 포물경(110, 120, 130)의 초점 F1에 놓인 광원(미도시)에서 방출된 광은 여러 방향으로 분산된 광경로를 따라 진행하여 제2 포물경(210, 220, 230)의 초점 F2에 놓인 광검출기(미도시)에 수렴되며, 각 광경로의 길이는 일정하다. 도 7, 8, 9와 같은 변형된 실시예를 통해 다양한 형태의 광도파관을 설계할 수 있다.
도 8의 경우, 도 7에 비해 서로 마주보는 두 포물경의 형태는 동일하고 초점들의 광축 좌표값의 차이인 l 의 크기가 큰 경우이므로, 도 8의 광도파관의 광경로의 길이가 도 7의 경우보다 크다.
그러나, 도 9의 경우, 도 7에 비해 서로 마주보는 두 포물경의 형태와 초점들의 광축 좌표값의 차이인 l 의 크기가 동일하고, 다만 광축간의 거리 h 의 크기가 큰 경우이므로, 도 9의 광도파관의 광경로의 길이는 도 7의 경우와 동일하다.
도 10, 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 2개의 광경로를 구비한 광도파관의 개념도이다.
도 10은 제1 포물경(140)과 평행하는 광축을 가지며 제1 포물경(140)과 마주보며, 제1 포물경(140)의 광축을 기준으로 상호 대칭 구조를 갖는 제2 포물경(240)과 제3 포물경(340)을 구비한 광도파관이다. 제2 포물경(240)과 제3 포물경(340)이 상호 대칭 구조이므로, 광도파관 내에서 모든 광경로의 길이는 동일하다.
즉, 제1 포물경(140)의 초점거리를 p, 제2 포물경(240) 및 제3 포물경(340)의 초점거리를 q, 제1 포물경(140)의 초점 F1의 광축 좌표값과 제2 포물경(240)의 초점 F2 또는 제3 포물경(340)의 초점 F3의 광축 좌표값의 차이를 l이라 할 때, 제1 포물경(140)의 초점 F1에 위치한 광원으로부터 방출되어 제2 포물경(240)의 초점 F2 및 제3 포물경(340)의 초점 F3에 위치한 각각의 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p + q) + l 로 일정하며, 광축 간의 거리 h 에는 무관하다.
도 11은 제1 포물경(150)의 광축을 기준으로 반대 방향에 위치하되 상호 비대칭 구조를 갖는 제2 포물경(250)과 제3 포물경(350)을 구비한 광도파관을 도시하고 있다. 제2 포물경(250)과 제3 포물경(350)이 상호 비대칭 구조이므로, 제2 포물경(250)에서 반사되는 광과 제3 포물경(350)에서 반사되는 광의 광경로의 길이는 상이하다.
제1 포물경(150)의 초점거리를 p, 제2 포물경(250)의 초점거리를 q2, 제3 포물경(350)의 초점거리를 q3, 제1 포물경(150)의 초점 F1의 광축 좌표값과 제2 포물경(250)의 초점 F2의 광축 좌표값의 차이를 l2, 제1 포물경(150)의 초점 F1의 광축 좌표값과 제3 포물경(350)의 초점 F3의 광축 좌표값의 차이를 l3라 할 때, 제1 포물경(150)의 초점 F1에 위치한 광원으로부터 방출되어 제2 포물경(250)의 초점 F2에 위치한 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L2 는, L2 = 2(p + q2) + l2 으로 일정하며, 제1 포물경(150)의 초점 F1에 위치한 광원으로부터 방출되어 제3 포물경(350)의 초점 F3에 위치한 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L3 는, L3 = 2(p + q3) + l3 으로 일정하다.
도 10, 11의 광도파관의 경우, 제2, 제3의 포물경(240, 250, 340, 350)이 제1 포물경(140, 150)의 광축에 평행하는 광축을 가지며 제1 포물경(140, 150)과 마주보는 포물경이라는 기본 구성은 공통적이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파관의 개념도이다.
도 12의 광도파관은 서로 평행하는 광축을 가지며 마주보는 2개의 포물경을 기본 구성으로 한다. 제1 포물경(100)의 초점 F1에 놓인 광원(미도시)에서 방출된 광이 여러 방향으로 분산된 광경로를 따라 진행하여 제2 포물경(200)의 초점 F2에 놓인 광검출기(미도시)에 수렴되는 구성이 도시되어 있다.
제1 포물경(100)과 제2 포물경(200)은 도 5에 도시된 좌표계에서 상기 수학식(4), 수학식(5)로 각각 표시된다.
제1 포물경(100)은 X축을 광축으로 하고 초점 F1이 원점(0,0)에 놓인 포물경이며, 제2 포물경(200)은 제1 포물경의 광축인 X축에 평행한 광축 X1을 가지며 초점 F2가 좌표계의 4사분면 상의 점(l,-h)에 위치하여 제1 포물경(100)과 마주보는 형태이다. 광원은 제1 포물경(100)의 초점 F1(0,0)에 위치하며 광검출기는 제2 포물경(200)의 초점 F2(l, -h)에 위치한다.
포물경의 원리에 따라, 제1 포물경(100)의 경우, 초점 F1을 지나는 광이 제1 포물경(100)에서 반사되면 제1 포물경(100)의 광축인 X축과 평행하게 진행한다. 동일한 포물경의 원리에 따라, 제2 포물경(200)의 경우에는, 제2 포물경의 광축인 X1축과 평행하게 입사한 광이 제2 포물경(200)에서 반사되면 제2 포물경의 초점 F2 를 통과하도록 진행한다.
따라서, 제1 포물경의 초점 F1(0,0)에 놓인 광원에서 방출된 모든 광은 제1 포물경(100)에 반사되어 X축과 평행하게 진행한 후 다시 제2 포물경(200)에서 반사되어 제2 포물경의 초점 F2(l,h)에 놓인 광검출기에 수렴한다.
여기서, 광원에서 방출된 광의 방향에 관계없이 모든 광은 일정한 광경로의 길이 L을 갖는다. 광원에서 방출된 임의의 광의 경로를 F1→A→B→F2 라 하면, 점 F1과 점 A 사이의 거리 L1, 점 A와 점 B 사이의 거리 L2, 점 B와 점 F2 사이의 거리 L3 및 광경로의 길이 L은 상기 수학식(6) 내지 수학식 (9)를 이용하여 구할 수 있다.
여기서, p, q, l은 모두 광도파관의 설계자에 의해 설정가능한 상수이다. 광경로의 길이 L은 임의의 점 A(a1, b1), B(a2, b2)의 위치와 무관하다. 이때, 광원에서 방출된 광이 광검출기에 도달하기까지의 광경로의 길이는 광의 방출 방향에 무관하게 L = 2 (p + q) + l 로 일정하다.
정리하면, 각기 초점 거리 p 와 q 를 가지며(이때, p = q 및 p ≠ q 를 모두 포함함), 상호 평행하는 광축을 가지며, 서로 마주보는 형태의 두 포물경에 있어서, 한 포물경의 초점에 놓인 광원에서 다른 포물경의 초점에 놓인 광검출기까지의 광경로의 길이 L 는 두 포물경의 각 초점의 광축 좌표값의 차이 l 에 의해 하며, 두 포물경의 광축 간의 거리 h 에는 무관하다.
한편, 제1 포물경 초점 F1이 원점(0,0)에 위치하고, 제2 포물경의 초점 F2가 제 1, 2, 3, 4 사분면 중 어느 하나의 사분면 상의 점(l,-h)에 위치할 때, 상기 2개의 포물경 제1 포물경의 초점거리를 p, 제2 포물경의 초점거리를 q라 하면, 상기 광원으로부터 방출되어 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p+q) + |l| 으로 결정되며, 광경로의 길이 L 는 두 포물경의 각 초점의 광축 좌표값의 차이 |l| 에 의해 하며, 두 포물경의 광축 간의 거리 |h| 에는 무관하다. 이때, 단, |l| 및 |h| 는 각각 l 과 h 의 크기 또는 절대값이다.
도 13은 도 12에 도시된 광도파관의 설계 원리에 따라 구성된, 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 단면도이다.
도 13의 비분산 적외선 가스 센서는 광원(300), 광검출기(400), 광도파관(500) 및 회로기판(600)을 포함하도록 구성된다.
도 13의 비분산 적외선 가스 센서를 설계하기 위해서는, 먼저 주어진 광원(300)과 광검출기(400)의 회로기판으로부터의 높이의 차, 다시 말해 광원(300)의 발광점과 회로기판(600) 사이의 수직 거리와 광검출기(400)의 광검지점과 회로기판(600) 사이의 수직 거리의 차를 측정하여 이를 h 값으로 설정한다.
이어서, 광도파관(500)을 구성하는 제1 포물경의 초점거리 p, 제2 포물경의 초점거리 q, 및 두 포물경의 각 초점의 광축 방향 거리 l를 설정함에 의해 광도파관(500)의 구성을 결정한다.
광경로의 길이 L 은 p, q, l 값에 의해 결정되며, 비분산 적외선 가스 센서의 측정 범위와 같은 물리적 사양에 맞추어 p, q, l 값을 조정함에 의해 최적의 L 값을 결정할 수 있다.
도 13의 비분산 적외선 가스 센서는 광원(300)과 광검출기(400)를 단일 회로기판(600) 상에 배치할 수 있으며, 광원(300)이나 광검출기(400)와 같은 광학 부품들의 물리적 구조에 의해 주어지는 h 값에 상관없이 일정한 광경로의 길이 L을 얻을 수 있다.
도 13에서는 광원(300), 광검출기(400) 외에 광도파관(500)까지 단일 회로기판(600)에 직접 결합됨으로써 회로기판(600)과 광도파관(500)이 합해져 하나의 광공동을 형성하도록 구성되기 때문에, 비분산 가스 센서의 제작에 소요되는 부품의 수가 절감되고 구조가 간단해지며 조립성이 증대되며, SMT(표면실장기술)를 이용한 대량 제조가 가능하게 된다.
그러나 도 12에 따른 원리를 적용할 수 있다면, 도 13과 달리 광도파관의 일 측면이 평면으로 구성되고 그 일 측면 상에 광원과 광검출기가 결합하며, 광원과 광검출기를 포함하는 광도파관이 모듈 형태로 별도의 회로기판에 장착되어도 무방하다.
이상, 본 발명의 여러 실시예를 통해 본 발명의 특징을 상세하게 설명하였으나 본 발명에 의해 주어지는 권리의 범위가 상기 실시예들에 한정되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 첨부된 특허청구범위에 의해 주어지는 본 발명의 내에서 다양한 변형과 개량을 수행할 수 있을 것이며, 본 발명의 권리범위는 그러한 다양한 변형과 개량에도 미치는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (21)

  1. 광원, 광검출기, 광도파관 및 전자회로를 포함하여 구성되는 비분산 적외선 가스 센서를 위한 광도파관에 있어서,
    상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 방출되어 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이는 항상 일정한 것을 특징으로 하는 광도파관.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광경로의 길이는 상기 2개의 포물경의 광축 간의 거리와 무관하게 일정한 것을 특징으로 하는 광도파관.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 2개의 포물경 중 제1 포물경의 초점거리를 p, 제2 포물경의 초점거리를 q, 상기 제1 포물경의 초점 F1의 광축 좌표값과 상기 제2 포물경의 초점 F2의 광축 좌표값의 차이를 l이라 할 때, 상기 제1 포물경의 초점에 위치한 상기 광원으로부터 방출되어 상기 제2 포물경의 초점에 위치한 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p + q) + l 로 일정한 것을 특징으로 하는 광도파관.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 포물경 초점 F1이 원점(0,0)에 위치하고, 상기 제2 포물경의 초점 F2가 제 1, 2, 3, 4 사분면 중 어느 하나의 사분면 상의 점(l,h)에 위치할 때, 상기 2개의 포물경 제1 포물경의 초점거리를 p, 제2 포물경의 초점거리를 q라 하면, 상기 광원으로부터 방출되어 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p+q) + |l| , (단, |l|은 l의 절대값)인 것을 특징으로 하는 광도파관.
  6. 광원, 광검출기, 광도파관 및 전자회로를 포함하여 구성되는 비분산 적외선 가스 센서를 위한 광도파관에 있어서,
    상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 적어도 3개의 포물경을 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파관.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 포물경은 제1 포물경, 제2 포물경 및 제3 포물경이며, 상기 제2 포물경과 상기 제2포물경은 상기 제1 포물경의 광축에 평행하는 광축을 가지며 상기 제1 포물경과 마주보는 것을 특징으로 하는 광도파관.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 포물경과 상기 제3 포물경은 상기 제1 포물경의 광축을 기준으로 상호 대칭 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광도파관.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 포물경의 초점거리를 p, 상기 제2 포물경 및 상기 제2 포물경의 초점거리를 q, 상기 제1 포물경의 초점 F1의 광축 좌표값과 상기 제2 포물경의 초점 F2 또는 상기 제3 포물경의 초점 F3의 광축 좌표값의 차이를 l이라 할 때, 상기 제1 포물경의 초점 F1에 위치한 상기 광원으로부터 방출되어 상기 제2 포물경의 초점 F2 및 상기 제3 포물경의 초점 F3에 위치한 각각의 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p + q) + l 로 일정한 것을 특징으로 하는 광도파관.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 포물경(240)과 제3 포물경(340)은 상기 제1 포물경의 광축을 기준으로 상대 비대칭 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광도파관.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 포물경의 초점거리를 p, 상기 제2 포물경의 초점거리를 q2, 상기 제3 포물경의 초점거리를 q3, 상기 제1 포물경의 초점 F1의 광축 좌표값과 상기 제2 포물경의 초점 F2의 광축 좌표값의 차이를 l2, 상기 제1 포물경의 초점 F1의 광축 좌표값과 상기 제3 포물경의 초점 F3의 광축 좌표값의 차이를 l3라 할 때, 상기 제1 포물경의 초점 F1에 위치한 상기 광원으로부터 방출되어 상기 제2 포물경의 초점 F2에 위치한 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L2 는, L2 = 2(p + q2) + l2 으로 일정하며, 상기 제1 포물경의 초점 F1에 위치한 상기 광원으로부터 방출되어 상기 제3 포물경의 초점 F3에 위치한 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L3 는, L3 = 2(p + q3) + l3 으로 일정한 것을 특징으로 하는 광도파관.
  12. 광원, 광검출기, 광도파관 및 회로기판을 포함하여 구성되는 비분산 적외선 가스 센서에 있어서,
    상기 광원, 광검출기 및 광도파관은 상기 회로기판의 동일면 상에 장착되며, 상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하며, 상기 광원의 발광점과 상기 광검출기의 광검지점은 상기 포물경의 초점에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 방출되어 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이는 항상 일정한 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광경로의 길이는 상기 2개의 포물경의 광축 간의 거리와 무관하게 일정한 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 광경로의 길이는 상기 광원 및 상기 광검출기의 물리적 구조와 무관하게 일정한 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 2개의 포물경 중 제1 포물경의 초점거리를 p, 제2 포물경의 초점거리를 q, 상기 제1 포물경의 초점 F1의 광축 좌표값과 상기 제2 포물경의 초점 F2의 광축 방향의 거리를 l이라 할 때, 상기 제1 포물경의 초점에 위치한 상기 광원으로부터 방출되어 상기 제2 포물경의 초점에 위치한 상기 광검출기에 도달하는 모든 광의 광경로의 길이 L은, L = 2(p + q) + l 로 일정한 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
  17. 광원, 광검출기 및 광도파관이 하나의 회로기판상에 장착되어 구성되는 비분산 적외선 가스 센서의 제조 방법에 있어서,
    서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하는 구조의 광도파관을 제공하는 단계;
    상기 2개의 포물경의 초점에 각각 상기 광원과 상기 광검출기가 위치하도록 상기 광원과 광검출기를 제공하는 단계; 및
    상기 광원, 광검출기 및 광도파관을 상기 회로기판상에 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광도파관을 제공하는 단계는 상기 광도파관 내에서의 광경로의 길이를 결정하기 위해 상기 2개의 포물경의 각 초점거리 p, q 및 상기 포물경의 광축 방향으로의 상기 각 초점 간의 거리 l을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서 제조 방법.
  19. 광원, 광검출기 및 광도파관이 하나의 회로기판상에 장착되어 구성되는 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법에 있어서,
    서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하는 구조의 광도파관을 제공하는 단계;
    상기 2개의 포물경의 초점에 각각 상기 광원과 상기 광검출기가 위치하도록 상기 광원과 광검출기를 제공하는 단계;
    상기 광원, 광검출기 및 광도파관을 상기 회로기판상에 장착하여 상기 비분산 적외선 가스 센서를 완성하는 단계; 및
    하기 수식의 교정 함수를 이용하여 상기 비분산 적외선 가스 센서를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서 교정 방법.
    Figure PCTKR2013000187-appb-I000003
    단, Io는 상기 광원에서 방출되는 초기 광량, I는 상기 광검출기에 도달하는 광량, L은 상기 광도파관 내에서의 광경로의 길이, a는 상수, X는 가스 분자의 농도.
  20. 광원, 광검출기 및 광도파관이 하나의 회로기판상에 장착되어 구성되는 비분산 적외선 가스 센서로서, 상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하며, 상기 2개의 포물경의 초점에 각각 상기 광원과 상기 광검출기가 위치하는 구조를 가지는 상기 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법으로서,
    비어 램버트 법칙에 따른 단일 교정 함수를 이용하여 상기 비분산 적외선 가스 센서를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서 교정 방법.
  21. 광원, 광검출기 및 광도파관이 하나의 회로기판상에 장착되어 구성되는 비분산 적외선 가스 센서로서, 상기 광도파관 내에서의 광경로는 상기 광도파관을 구성하는 복수의 광반사경에 의해 결정되며, 상기 복수의 광반사경은 서로 평행하는 광축을 가지며 서로 마주보는 2개의 포물경을 포함하며, 상기 2개의 포물경의 초점에 각각 상기 광원과 상기 광검출기가 위치하는 구조를 가지는 상기 비분산 적외선 가스 센서의 교정 방법으로서,
    하기 수식의 단일 교정 함수를 이용하여 상기 비분산 적외선 가스 센서를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서 교정 방법.
    Figure PCTKR2013000187-appb-I000004
    단, Io는 상기 광원에서 방출되는 초기 광량, I는 상기 광검출기에 도달하는 광량, L은 상기 광도파관 내에서의 광경로의 길이, a는 상수, X는 가스 분자의 농도.
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