WO2018038491A1 - 포물 반사체를 이용한 광 도파관 및 이를 구비하는 적외선 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관에 관한 것으로, 제1 반사면을 포함하는 제1 포물 반사체, 제2 반사면을 포함하는 제2 포물 반사체, 제3 반사면을 포함하는 제3 포물 반사체, 및 제1 포물 반사체와 제2 포물 반사체 사이에 위치하는 최소한 하나의 평면 반사체를 구비한다. 제1 포물 반사체, 평면 반사체, 및 제2 포물 반사체는 제1 반사면, 평면 반사체의 반사면, 및 제2 반사면이 제3 반사면에 대향하도록 배치된다.
Description
본 발명은 포물 반사체를 이용한 광 도파관 및 이를 구비하는 적외선 가스 센서 에 관한 것이다.
광학식 가스 센서의 하나인 비분산 적외선(Nondispersive Infrared: NDIR) 가스 센서는 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용한다. 고감도의 비분산 적외선 가스 센서를 제작하기 위해서는 가스 분자의 광 흡수를 극대화하여야 하는데 이를 위해서는 광원에서 방출된 광이 광 검출기까지 도달하는 거리인 광 경로 길이를 길게 해야 한다. 그러나 광 경로 길이를 길게 하면 광 검출기에 도달하는 광량이 거리의 제곱에 비례하여 감소한다.
일반적으로 광 경로는 광원에서 방출된 광이 반사체에 의해 반사되어 광 검출기로 도달하도록 반사체를 기하학적으로 설계 및 배치한 광 도파관으로 이루어진다.
예컨대, 비분산 적외선 가스 검지는, 전술한 바와 같이, 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하는데, 광 흡수율은 가스 분자마다 다르다. 예를 들어 이산화탄소는 중심 파장대 4.26 ㎛ 부근에서 강한 광 흡수율(약 99%)을 가지며, 일산화탄소는 4.64 ㎛ 중심 파장대 부근에서 약한 광 흡수율(약 30%)을 갖는다. 더구나 이산화탄소 센서는 측정 영역이 상대적으로 고농도이나 일산화탄소 센서의 측정영역은 상대적으로 저농도 영역이다. 이러한 특성 때문에 비분산 적외선 방식의 일산화탄소 센서를 제작하기 위해서는 강한 방출능을 갖는 광원, 감도가 좋은 광 검출기, 및 장 광 경로 길이가 길고 높은 광 효율을 갖는 광 도파관이 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 배경에서 제안된 것으로, 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관을 구비하는 적외선 가스 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광 도파관은 제1 반사면을 포함하는 제1 포물 반사체, 제2 반사면을 포함하는 제2 포물 반사체, 제3 반사면을 포함하는 제3 포물 반사체, 및 제1 포물 반사체와 제2 포물 반사체 사이에 위치하는 최소한 하나의 평면 반사체를 구비한다. 제1 포물 반사체, 평면 반사체, 및 제2 포물 반사체는 제1 반사면, 평면 반사체의 반사면, 및 제2 반사면이 제3 반사면에 대향하도록 배치된다.
본 발명에 따른 광 도파관의 제1 포물 반사체와 제2 포물 반사체는 각각 제1 광축과 제2 광축을 갖고, 제1 광축과 제2 광축은 서로 평행하다.
본 발명에 따른 광 도파관의 평면 반사체는 제3 포물 반사체의 초점 위치에 평면 반사체의 반사면이 위치하도록 배치되고, 제1 영역으로 진행한 광이 제1 영역으로부터 반사되어 소정의 각도로 평면 반사체의 반사면으로 진행하도록 구성된다.
본 발명에 따른 광 도파관의 제2 포물 반사체의 초점위치에는 광 검출기가 배치되고, 평면 반사체의 반사면으로 진행한 광이 평면 반사체의 반사면에서 반사되어 소정의 각도로 제3 반사면의 제2 영역으로 진행하고, 제2 영역으로 진행한 광이 제2 영역으로부터 반사되어 제2 광축을 따라 제2 반사면으로 진행하고, 제2 반사면으로 진행한 광이 제2 반사면으로부터 반사되어 광 검출기로 수렴하도록 구성된다.
본 발명에 따른 광 도파관의 제1 반사면, 평면 반사체의 반사면, 및 제2 반사면은 공간적으로 동일한 면 상에 위치한다.
본 발명에 따른 광 도파관의 제1 반사면, 평면 반사체의 반사면, 및 제2 반사면은 공간적으로 서로 다른 면 상에 위치한다.
본 발명에 따른 광 도파관의 제1 광축의 길이와 제2 광축의 길이가 동일하다.
본 발명에 따른 광 도파관의 제1 광축의 길이와 제2 광축의 길이가 서로 다르다.
본 발명에 따른 광 도파관의 제1 포물 반사체, 평면 반사체, 및 제2 포물 반사체는 제1 반사면, 포물 반사체의 반사면, 및 제2 반사면이 연속하도록 형성된다.
본 발명에 따른 광 도파관의 제1 포물 반사체, 평면 반사체, 및 제2 포물 반사체는 제1 반사면, 포물 반사체의 반사면, 및 제2 반사면 각각의 사이에 소정의 간격을 두고 형성된다.
본 발명에 따른 적외선 가스 센서는 광을 방출하는 광원, 광을 도파하기 위한 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관, 및 광 도파관을 통해 도파된 광을 검출하기 위한 광 검출기를 구비한다.
본 발명에 따른 적외선 가스 센서는 광 검출기로부터의 출력을 분석하여 광 도파관 내의 특정 가스의 농도를 산출하는 분석 장치를 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 특정 가스는 일산화탄소(CO)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 광원은 백열광원을 포함하고, 백열광원으로부터의 광을 사용하여 비분산 방식으로 광 도파관 내의 특정 가스의 농도를 검출한다.
본 발명에 따르면, 광 검출기는 광전 소자, 초전 소자, 열전 소자 중 최소한 하나를 포함한다.
본 발명에 따르면, 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 광 도파관의 광학계는 기존 렌즈에서 발생하는 색 수차, 광 경로 상의 구면 수차 문제를 해결할 수 있고, 기존 렌즈를 이용한 것보다 광 효율이 높으므로 광학계의 소형화를 구현할 수 있다.
또한, 광 도파관의 광학계는 각각의 포물 반사체의 위치를 적절하게 조정함으로써 원하는 광 경로 길이의 광학계를 구성할 수 있다. 예를 들어 본 발명을 비분산 적외선 방식의 가스 센서에 적용한다면, 일산화탄소(CO2)와 같이 광 흡수율이 높은 가스 검지 시에는 광 경로 길이를 짧게 하여 더욱 소형화된 가스 센서를 구성할 수 있고 일산화탄소(CO)와 같이 광 흡수율이 낮은 가스 검지 시에는 광 경로 길이를 길게 구성하여 효율적인 가스 센서를 구성할 수 있다.
도 1은 포물 함수의 기본적인 형태를 나타낸 그래프이다.
도 2는 포물 반사체를 이용한 집광의 예를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관의 제1 포물 반사체(광원측 포물 반사체)와 제2 포물 반사체(검출측 포물 반사체)의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관을 구비한 적외선 가스센서의 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 포물 반사체를 이용한 광 도파관 및 이를 구비하는 비분산 적외선 가스 센서를 상세하게 설명한다.
포괄적인 의미에서 반사체는 렌즈에 포함되며 투과형 렌즈와 달리 반사형 렌즈라고 할 수 있으나, 본 명세서에서는 통상적인 개념의 렌즈의 범위를 투과형 렌즈에 한정하고, 반사형 렌즈를 반사체라고 칭한다.
본 발명은의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관은 복수의 포물 반사체를 기본 구성으로 하는 광학계이다. 포물 반사체는 하나의 초점을 가지며 초점에서 방출된 광은 포물 반사체의 반사면에서 반사되어 광축과 평행하게 진행하는 특성을 갖는다.
도 1은 포물 함수의 기본적인 형태를 나타낸 그래프이다. 광원은 원점(O)에 위치하며 원점을 포함한 x축을 광축으로 한다.
광원에서 방출된 광은 포물 반사체의 임의의 반사면 A(x, y)에서 반사되어 광축인 x축과 평행하게 진행한다. 포물 반사체의 함수를 
, 광원에서 방출된 광의 진행하는 방향의 단위 벡터를 
, 포물 반사체의 반사면의 법선 단위 벡터를 
, 광축인 x축과 평행한 벡터의 단위 벡터를 
라 하면 각 벡터는 식(1)~식(4)와 같이 구해진다.
(식1)~(식3)에서 ∇은 미분연산자이며, 
, 
는 각각 x축, y축의 단위벡터이다. 도 1에서 각 벡터의 내적은 식(5) 및 식(6)과 같다.
식(4)와 식(5)는 반사 법칙에 의한 것으로 이 둘 간에는 식(7)의 관계가 성립된다.
식(1)-식(4)를 이용하여 식(7)을 정리하면 식(8)이 도출된다.
도(1)에 보이는 바와 같이, 원점(O)에서 방출된 광 중에 포물 반사체에서 반사된 광은 광축과 평행하게 진행한다. 역으로 광축과 평행하게 진행되어 포물 반사체에서 입사한 광은 원점(O)에 수렴한다. 광학적인 관점에서 원점(O)을 초점이라 할 수 있으며, 초점과 포물 반사체와 가장 가까운 거리는 초점거리(f)로 그 값은 -q/p이다. 초점거리(f)를 사용하면 식(8)은 식(9)와 같이 정리된다.
식(9)는 포물 반사체를 해석하는 기준이 되는 함수이며 포물 반사체를 이용한 광학계를 설계할 때 초점거리(f)가 중요한 파라미터가 된다. 도 2는 포물 반사체를 이용한 집광의 예를 나타낸 개념도이다.
광 도파로에서 광 경로 길이를 길게 하고 집광성을 높이기 위해서는 렌즈보다 반사체가 유리하다. 렌즈는 구면 수차와 색 수차로 인해 광 효율을 높이는데 한계가 있기 때문이다.
전술한 바와 같이 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관은 비분산 적외선 가스 센서에 적용할 수 있다. 비분산 적외선 가스 센서는 비어-램버트 이론(Beer-Lambert Theory)에 의해 해석 가능하다.
가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하여 가스의 농도를 측정하기 위해 구성되는 가장 단순한 형태로 광원과 광 검출기를 기본 구성으로 한다. 광원에서 방출된 광은 광 검출기에 도달하며 광 검출기에 도달하는 광 효율을 높이기 위해 광 도파관을 사용한다. 이러한 광학계에서 가스 농도가 커질수록 가스 분자에 의해 흡수되는 광량이 많아지며 결과적으로 광 검출기에 도달하는 광량은 적어지게 되어 광 검출기에서 출력되는 전기 신호도 낮아지게 된다. 비어-램버트 이론은 이러한 상관관계를 식(10)과 같이 표시한다.
식(10)에서 I는 광 검출기에 도달하는 광량, I0는 가스 농도가 0일 때 광 검출기에 도달하는 광량으로 최대 광량, α는 가스 분자의 광 흡수율에 따른 비례 상수, L은 광 경로 길이이다.
비어-램버트 이론에 의하면 동일한 가스 농도 변화에 대해 광 경로 길이 L을 크게 하면 I의 변화 폭이 커진다. 이는 광 경로 길이가 길수록 정밀한 가스 센서를 제작할 수 있음을 의미한다. 동일한 가스 농도 변화에 대해 가스 분자의 광 흡수율이 낮으면 I의 변화 폭은 작아 정밀한 가스 센서를 제작하기 어렵다. 결과적으로 광 흡수율이 낮은 가스를 검지하는 센서를 제작하기 위해서는 광 경로 길이를 최대한 늘려야 한다.
광원이 다파장 광인 경우 렌즈를 적용하여 광 효율을 극대화하기 위해서는 기본적으로 구면 수차와 색 수차 문제를 해결해야 한다. 특히 색 수차는 하나의 렌즈로 해결하는 것이 실질적으로 불가능하므로 결과적으로 하나의 렌즈를 이용하여 집광하는 경우 색 수차로 인한 일정부분의 광 손실이 발생할 수 있다.
구면 수차나 색 수차가 있음에도 불구하고 광 효율을 높이려면 렌즈의 초점 거리를 짧게 하고 렌즈의 크기를 크게 해야 한다. 그러나 초점 거리를 짧게 할 수록, 렌즈의 크기를 크게 할수록 구면 수차 문제는 더욱 커지게 되어 이러한 방법으로 광 효율을 높이는 것은 한계가 있다. 이에 반해 포물 반사체는 색 수차와 구면 수차 문제가 없어 초점 거리를 충분히 작게 하거나 반사체의 반사 면을 충분히 크게 할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 렌즈의 입체각에 비해 포물 반사체의 입체각을 크게 할 수 있으므로, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 포물 반사체를 이용하여 높은 광 효율과 긴 광 경로 길이를 가지는 광 도파관을 실현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관(300)의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관의 제 1 포물 반사체(광원측 포물 반사체)(305)와 제2 포물 반사체(검출측 포물 반사체)(320) 부근의 확대도이다.
도 3에 보이는 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관(300)은 제1 반사면(315)을 포함하는 제1 포물 반사체(310), 제2 반사면(325)을 포함하는 제2 포물 반사체(320), 제3 반사면(335)을 포함하는 제3 포물 반사체(330), 및 제1 포물 반사체(310)와 제2 포물 반사체(320) 사이에 위치하는 최소한 하나의 평면 반사체(340)를 구비한다. 본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 포물 반사체(310), 평면 반사체(340), 및 제2 포물 반사체(320)는, 도 3에 보이는 바와 같이, 제1 반사면(315), 평면 반사체의 반사면(345), 및 제2 반사면(325)이 제3 반사면(335)에 대향하도록 배치된다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 포물 반사체(310)와 제2 포물 반사체(320)는 각각 제1 광축(311)과 제2 광축(321)을 갖고, 제1 광축(311)과 제2 광축(321)은 서로 평행하다.
제1 포물 반사체(310)의 초점에는 광원(501, 도 5 참조)이 위치하여 광원에서 방출된 광이 제1 반사면(315)에서 반사되어 제1 광축(311)을 따라 제3 반사면(325)의 제1 영역(325a)으로 진행한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 평면 반사체(340)는 제3 포물 반사체(330)의 초점 위치에 평면 반사체(340)의 반사면(345)이 위치하도록 배치되고, 제1 영역(335a)으로 진행한 광이 제1 영역(335a)으로부터 반사되어 소정의 각도로 평면 반사체(340)의 반사면(345)으로 진행하도록 구성된다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제2 포물 반사체(320)의 초점 위치에는 광 검출기(505, 도 5 참조)가 배치되고, 평면 반사체(340)의 반사면(345)으로 진행한 광이 평면 반사체(340)의 반사면(345)에서 반사되어 소정의 각도로 제3 반사면(335)의 제2 영역(335b)으로 진행하고, 제2 영역(335b)으로 진행한 광이 제2 영역(335b)으로부터 반사되어 제2 광축(321)을 따라 제2 반사면(325)으로 진행하고, 제2 반사면(325)으로 진행한 광이 제2 반사면(325)으로부터 반사되어 광 검출기(505, 도 5 참조)로 수렴하도록 구성된다.
광원(501, 도 5 참조)이 분산광인 경우, 광원(501, 도 5 참조)으로부터 방출되는 광의 손실을 최소화하기 위해, 제1 포물 반사체(310)의 크기는 제1 반사면(315)에서의 광의 스폿 사이즈 이상이어야 한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 반사면(315), 평면 반사체(340)의 반사면(345), 및 제2 반사면(325)은 공간적으로 동일한 면 상에 위치한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 반사면(315), 평면 반사체(340)의 반사면(345), 및 제2 반사면(325)은 공간적으로 서로 다른 면 상에 위치한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 광축(311)의 길이와 제2 광축(321)의 길이가 동일하다. 제1 광축(311)의 길이와 제2 광축(321)의 길이를 동일하게 구성함으로써 광 도파관을 제조하기 용이하도록 구조를 단순화할 수 있다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 광축(311)의 길이와 제2 광축(321)의 길이는 서로 다르다. 제1 광축(311)의 길이와 제2 광축(321)의 길이를 서로 다르게 구성함으로써 광 도파관 제조 시에 다양한 구조를 사용할 수 있으므로 제조 시의 자유도를 높일 수 있다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 포물 반사체(310), 평면 반사체(340), 및 제2 포물 반사체(320)는 제1 반사면(315), 포물 반사체(340)의 반사면(345), 및 제2 반사면(325)이 연속하도록 형성된다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 제1 포물 반사체(310), 평면 반사체(340), 및 제2 포물 반사체(320)는 제1 반사면(315), 포물 반사체(340)의 반사면(345), 및 제2 반사면(325) 각각의 사이에 소정의 간격을 두고 형성된다.
광 도파관을 이용하여 광 경로 길이를 길게 하고 광 효율성을 높이기 위해 각각의 포물 반사체에는 내부에 금속 코팅이 이루어진다. 금속의 광택은 금속의 자유전자에 의한 것으로, 자유전자와 전자기파의 상호 작용에 의해 반사가 발생한다. 이 때, 금속 코팅된 반사면의 반사율은 금속의 전도율에 의해 결정된다. 즉, 전도율이 높은 금속이 일반적으로 광 반사율이 우수하다.
금속 코팅에 사용되는 금속으로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 동(Cu) 등이 있으며 이들 금속의 4 ㎛ 파장대에서의 반사율은 각각 약 98.2%, 99.4%, 99.2%, 98.7%이다.
4 ㎛ 부근의 적외선에 대한 금속 코팅에서 반사율 다음으로 고려해야 할 사항은 금속 코팅의 견고성이다. 즉, 코팅 면의 변화가 발생하면 반사율이 변화하여 광량의 변화가 발생하므로 광량을 측정하여 농도로 환산할 때 측정값에 오차가 발생하게 된다. 부식이나 시간 경과에 따른 반사율의 변화를 고려했을 때 최적의 금속은 금이며, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에서는 금속 코팅에 금을 사용한다.
코팅 방법은 일반적으로 금속 코팅에 사용되는 증착이나 도금을 사용할 수 있다. 증착은 금속을 고온으로 증발시켜 기체 상태의 금속 원자를 기판에 부착시키는 방법이며, 도금은 금속이 포함된 화합물을 용융시켜 전기 분해를 통해 기판에 부착시키는 방법이다.
전자기파인 광이 금속의 표면에서 반사할 때 금속의 표면에서 일정 깊이로 침투하게 되는데, 전자기파의 세기가 1/e까지 감소하기까지의 깊이를 표면 깊이라고 한다. 즉, 전자기파는 금속의 표면에서 반사하는 것이 아니라 금속의 일정 깊이까지 투과한 형태로 반사하게 되는데, 금속의 두께가 얇으면 일부의 전자기파가 투과되어 투과한 만큼의 반사 손실이 발생한다.
본 발명의 실시예에서는, 금의 표면 깊이(약 0.11 ㎛)를 고려하여, 금속 코팅을 사용하여 0.3 ㎛ 이상의 두께로 포물 반사체에 금을 코팅한다.
이와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따르면, 제1 반사면을 포함하는 제1 포물 반사체, 제2 반사면을 포함하는 제2 포물 반사체, 제3 반사면을 포함하는 제3 포물 반사체, 및 제1 포물 반사체와 제2 포물 반사체 사이에 위치하는 최소한 하나의 평면 반사체를 구비하고, 제1 포물 반사체, 평면 반사체, 및 제2 포물 반사체는 제1 반사면, 평면 반사체의 반사면, 및 제2 반사면이 제3 반사면에 대향하도록 배치된 광 도파로를 제공한다.
따라서, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 기존 렌즈에서 발생하는 색 수차, 광 경로 상의 구면 수차 문제를 해결할 수 있고, 기존 렌즈를 이용한 것보다 광 효율이 높으므로 광학계의 소형화를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 각각의 포물 반사체의 위치를 적절하게 조정함으로써 원하는 광 경로 길이의 광학계를 구성할 수 있다. 예를 들어 본 발명을 비분산 적외선 방식의 가스 센서에 적용한다면, 이산화탄소와 같이 광 흡수율이 높은 가스 검지 시에는 광 경로 길이를 짧게 하여 보다 소형화된 가스 센서를 구성할 수 있고 일산화탄소와 같이 광 흡수율이 낮은 가스 검지 시에는 광 경로 길이를 길게 구성하여 효율적인 가스 센서를 구성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 광 도파관(300)을 구비한 적외선 가스 센서(500)의 개념도이다.
도 5에 보이는 바와 같이, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 적외선 가스 센서(500)는, 광을 방출하는 광원(501), 광을 도파하기 위한 광 도파관(300), 및 광 도파관(300)을 통해 도파된 광을 검출하기 위한 광 검출기(505)을 구비한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에 따른 적외선 가스 센서(500)는 광 검출기(505)로부터의 출력을 분석하여 광 도파관(300) 내의 특정 가스의 농도를 산출하는 분석 장치(510)를 더 구비한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 광원(501)은 백열광원을 포함하고, 백열광원으로부터의 광을 사용하여 비분산 방식으로 광 도파관(300) 내의 특정 가스의 농도를 검지한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 특정 가스는 일산화탄소(CO)를 포함한다.
본 발명의 최소한 하나의 실시예에서, 광 검출기(505)는 광전 소자, 초전 소자, 열전 소자 중 최소한 하나를 포함한다.
일산화탄소는 흔히 화석연료의 불완전 연소에서 다량 발생하는 가스로 그 분자는 탄소 원자 1 개와 산소원자 개로 구성된 이원자 분자이다.
비분산 적외선 가스 센서는 가스 분자가 특정 파장의 광(적외선)을 흡수하는 특성을 이용하여 가스 농도에 대한 광 흡수율을 측정하여 농도를 구하는 방식의 가스 센서이다.
가스 분자는 특정 파장에 대해 광학적으로 반응하므로 이에 사용되는 광원은 단파장이어야 한다. 이를 위해 여러 파장이 포함된 광에서 프리즘 등의 분광 소자를 통해 하나의 파장을 선택해서 사용하거나 단파장의 광원을 사용한다. 특히, 분광 소자를 이용하는 방식을 분산 방식이라 한다. 반면에, 가스 분자가 특정 파장의 광만을 흡수하므로 여러 파장의 광을 가스 분자에 조사하여 이 중에서 가스 분자가 흡수하는 파장대의 광만을 광 필터로 필터링하는 방식을 비분산 방식이라 한다.
단파장의 광원으로 레이저나 LED 등을 사용하거나 백색광에서 분산 장치를 구비하여 단파장의 광을 추출하는 경우, 레이저와 LED는 고가이거나 원하는 파장의 광원을 별도로 개발할 필요가 있으며 분산 장치도 별도로 구비되어야 한다. 이에 비해 비분산 적외선 방식은 광 검출기에 해당 파장만을 투과시키는 광 필터를 부착하기만 하면 되므로 시스템이 간단하고 비용이 적게 소요되는 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 최소한 하나의 실시예에 의하면, 반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이가 길고 광 효율이 높은 광 도파관을 사용하여, 광 경로 길이를 길게 구성하여 효율적인 가스 센서를 구성할 수 있다.
<부호의 설명>
300: 광 도파관 301: 광원
310: 제1 포물 반사체 311: 제1 광축
315: 제1 반사면 320: 제2 포물 반사체
321: 제2 광축 325: 제2 반사면
330: 제3 포물 반사체 335: 제3 반사면
335a: 제1 영역 335b: 제2 영역
340: 평면 반사체 345: 반사면
370: 광 검출기 500: 적외선 가스 센서
510: 분석 장치
발명의 실시를 위한 형태는 전술한 바와 같이, 발명의 실시를 위한 최선의 형태로 상술되었다.
본 명세서에 따른 기술은 가스 센서에서 이용 가능하다.
Claims (15)
- 제1 반사면을 포함하는 제1 포물 반사체;제2 반사면을 포함하는 제2 포물 반사체;제3 반사면을 포함하는 제3 포물 반사체; 및상기 제1 포물 반사체와 상기 제2 포물 반사체 사이에 위치하는 최소한 하나의 평면 반사체를 구비하고,상기 제1 포물 반사체, 상기 평면 반사체, 및 상기 제2 포물 반사체는 상기 제1 반사면, 상기 평면 반사체의 반사면, 및 상기 제2 반사면이 상기 제3 반사면에 대향하도록 배치된,광 도파관.
- 제1항에 있어서,상기 제1 포물 반사체와 상기 제2 포물 반사체는 각각 제1 광축과 제2 광축을 갖고,상기 제1 광축과 상기 제2 광축은 서로 평행하며,상기 제1 포물 반사체의 초점에는 광원이 위치하여 광원에서 방출된 광이 상기 제1 반사면에서 반사되어 상기 제1 광축을 따라 상기 제3 반사면의 제1 영역으로 진행하도록 구성된,광 도파관.
- 제2항에 있어서,상기 평면 반사체는 상기 제3 포물 반사체의 초점 위치에 상기 평면 반사체의 반사면이 위치하도록 배치되고,상기 제1 영역으로 진행한 광이 상기 제1 영역으로부터 반사되어 소정의 각도로 상기 평면 반사체의 반사면으로 진행하도록 구성된,광 도파관.
- 제3항에 있어서,상기 제2 포물 반사체의 초점 위치에는 광 검출기가 배치되고,상기 평면 반사체의 반사면으로 진행한 광이 상기 평면 반사체의 반사면에서 반사되어 상기 소정의 각도로 상기 제3 반사면의 제2 영역으로 진행하고,상기 제2 영역으로 진행한 광이 상기 제2 영역으로부터 반사되어 제2 광축을 따라 제2 반사면으로 진행하고,상기 제2 반사면으로 진행한 광이 상기 제2 반사면으로부터 반사되어 상기 광 검출기로 수렴하도록 구성된,광 도파관.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 반사면, 상기 평면 반사체의 반사면, 및 상기 제2 반사면은 공간적으로 동일한 면 상에 위치하는,광 도파관.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 반사면, 상기 평면 반사체의 반사면, 및 상기 제2 반사면은 공간적으로 서로 다른 면 상에 위치하는,광 도파관.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 광축의 길이와 상기 제2 광축의 길이가 동일한,광 도파관.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 광축의 길이와 상기 제2 광축의 길이가 서로 다른,광 도파관.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 포물 반사체, 상기 평면 반사체, 및 상기 제2 포물 반사체는 상기 제1 반사면, 상기 평면 반사체의 반사면, 및 상기 제2 반사면이 연속하도록 형성된,광 도파관.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 포물 반사체, 상기 평면 반사체, 및 상기 제2 포물 반사체는 상기 제1 반사면, 상기 포물 반사체의 반사면, 및 상기 제2 반사면 각각의 사이에 소정의 간격을 두고 형성된,광 도파관.
- 광을 방출하는 광원;상기 광을 도파하기 위한 제 1항 내지 제 10항의 어느 한 항의 광 도파관; 및상기 광 도파관을 통해 도파된 상기 광을 검출하기 위한 광 검출기를 구비하는,적외선 가스 센서.
- 제 11항에 있어서,상기 광 검출기로부터의 출력을 분석하여 상기 광 도파관 내의 특정 가스의 농도를 산출하는 분석 장치를 더 구비하는,적외선 가스 센서.
- 제 12항에 있어서,상기 특정 가스는 일산화탄소(CO)를 포함하는,적외선 가스 센서.
- 제 11항에 있어서,상기 광원은 백열광원을 포함하고,상기 백열광원으로부터의 광을 사용하여 비분산 방식으로 상기 광 도파관 내의 특정 가스의 농도를 검출하는,적외선 가스 센서.
- 제 11항에 있어서,상기 광 검출기는 광전 소자, 초전 소자, 열전 소자 중 최소한 하나를 포함하는,적외선 가스 센서.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110044837A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-07-23 | 南京安控易创计算机科技有限公司 | 一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置 |
| CN115568285A (zh) * | 2020-02-27 | 2023-01-03 | 森尔公司 | 具有长吸收路径长度的气体传感器 |
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Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190120499A (ko) | 2018-04-16 | 2019-10-24 | 주식회사 이엘티센서 | 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서 |
| WO2020171244A1 (ko) * | 2019-02-18 | 2020-08-27 | (주)트루아이즈 | 광 도파관과 광학계 및 광학식 가스센서 |
| KR102641584B1 (ko) * | 2023-08-17 | 2024-02-28 | 주식회사 나라컨트롤 | 가스 측정장치 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0825430A2 (en) * | 1996-08-10 | 1998-02-25 | Eev Limited | Gas monitors |
| KR20060112510A (ko) * | 2005-04-27 | 2006-11-01 | 헵시바주식회사 | 비분산적외선 가스측정장치 |
| KR20090086766A (ko) * | 2008-02-11 | 2009-08-14 | 전자부품연구원 | 광학식 가스센서 |
| JP2015152438A (ja) * | 2014-02-14 | 2015-08-24 | 日本特殊陶業株式会社 | 非分散型赤外線分析式ガス検知器および非分散型赤外線分析式ガス検知装置 |
| JP2015184211A (ja) * | 2014-03-25 | 2015-10-22 | 大阪瓦斯株式会社 | 赤外線式ガスセンサ |
-
2016
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-
2017
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0825430A2 (en) * | 1996-08-10 | 1998-02-25 | Eev Limited | Gas monitors |
| KR20060112510A (ko) * | 2005-04-27 | 2006-11-01 | 헵시바주식회사 | 비분산적외선 가스측정장치 |
| KR20090086766A (ko) * | 2008-02-11 | 2009-08-14 | 전자부품연구원 | 광학식 가스센서 |
| JP2015152438A (ja) * | 2014-02-14 | 2015-08-24 | 日本特殊陶業株式会社 | 非分散型赤外線分析式ガス検知器および非分散型赤外線分析式ガス検知装置 |
| JP2015184211A (ja) * | 2014-03-25 | 2015-10-22 | 大阪瓦斯株式会社 | 赤外線式ガスセンサ |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110044837A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-07-23 | 南京安控易创计算机科技有限公司 | 一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置 |
| CN110044837B (zh) * | 2019-04-11 | 2021-10-15 | 南京安控易创计算机科技有限公司 | 一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置 |
| CN115568285A (zh) * | 2020-02-27 | 2023-01-03 | 森尔公司 | 具有长吸收路径长度的气体传感器 |
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| CN115568285B (zh) * | 2020-02-27 | 2023-10-13 | 森尔公司 | 具有长吸收路径长度的气体传感器 |
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