WO2019164265A1 - 광 굴절계 및 이를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치 - Google Patents

광 굴절계 및 이를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치 Download PDF

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WO2019164265A1
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prism
light
optical
optical cable
refractometer
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이상신
주상의
이용건
이우빈
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광운대학교 산학협력단
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating

Definitions

  • the present invention relates to an optical refractometer and a real time monitoring analysis apparatus having the same. More particularly, the present invention relates to an optical refractometer including a prism and a real-time monitoring analysis apparatus having the same.
  • refractometry using an optical refractometer As a method of measuring components, purity, and the like of a specific material, refractometry using an optical refractometer is used.
  • a refractometer method is used for component analysis of drugs, salinity and specific gravity of seawater, or protein measurement of protein solutions.
  • Refractometer method is an analysis method which measures the refractive index of a measurement material (for example, sample liquid) using an optical refractometer.
  • the refractive index has a property of varying depending on the temperature and the wavelength of light, but under certain conditions, the refractive index becomes a constant inherent in a specific medium. Therefore, the refractive index can be used for purity test or concentration measurement of a material.
  • the conventional optical refractometer is a method of taking a small amount of the measurement material and analyzing it by putting it in the optical refractometer, there are many restrictions on its use and use method. In addition, the cost is expensive and has been limited to use in various applications.
  • An embodiment of the present invention is to provide an optical refractometer and a real-time monitoring analysis apparatus having the same by directly contacting the measurement material to be analyzed without removing the sample.
  • the first surface is incident light
  • the second surface in contact with the measurement material is refracted the incident light
  • the third surface reflecting the light refracted from the second surface is emitted to the first surface
  • the branch includes a prism, a light source for injecting light toward the second surface of the prism, and a sensor unit for receiving light reflected from the third surface and exiting from the first surface.
  • An optical refractometer is provided having an optical path that is refracted at one surface by one surface and reflected at a third surface to exit and focus on the first surface.
  • the prism may have an acute angle where the first surface and the second surface meet at one side, and have a wedge shape in which the third surface of the curved shape connects the first surface and the second surface on the other side. have.
  • a light reflecting layer is formed on the third surface of the prism, and the light reflecting layer may block contact between the measurement material and the third surface.
  • the light source may further include a first optical cable connecting the first surface of the prism and a second optical cable connecting the sensor unit and the first surface of the prism.
  • the measurement material is a liquid
  • the prism, the first optical cable and the second optical cable may be configured as one unit so as to be immersed in the liquid measurement material.
  • the first surface is incident light
  • the second surface in contact with the measurement material is refracted by the incident light
  • the third reflecting the light refracted from the second surface is emitted to the first surface
  • a prism having a surface, a light source for injecting light toward the second surface to the first surface of the prism, a sensor unit for receiving light reflected from the third surface and emitted from the first surface, and connected to the photodetector
  • a display unit connected to the signal analyzer and the signal analyzer to display the analyzed result, wherein the light projected from the light source is refracted at the second surface through the first surface of the prism
  • a real-time monitoring analysis apparatus having an optical refractometer having an optical path that is reflected from three surfaces and exits and is focused on the first surface.
  • the sensor unit may include a photo detector or a charge coupled device (CCD).
  • CCD charge coupled device
  • the apparatus may further include a control unit connected to and controlling the light source and the sensor unit, and the light source, the sensor unit, and the control unit may form one transmission / reception unit.
  • the measurement of the measurement material can be facilitated without sampling by directly placing or contacting the prism of the optical refractometer to the measurement material such as a solution.
  • FIG. 1 illustrates an optical refractometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the prism shape of the optical refractometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view for explaining a real-time monitoring analysis device having an optical refractometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 and 5 illustrate another embodiment of a real-time monitoring analysis apparatus having an optical refractometer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a graph showing the light output for the refractive index of the solution according to the angle formed by the first surface and the second surface in the wedge-shaped prism.
  • FIG. 7 is a graph showing optical power versus refractive index of a solution according to the numerical aperture of a first optical cable connected to a wedge shaped prism.
  • FIG. 8 and 9 illustrate a prism shape of an optical refractometer according to an embodiment of the present invention.
  • the coupling does not only mean the case where the physical contact is directly between the components in the contact relationship between the components, other components are interposed between the components, the components in the other components Use it as a comprehensive concept until each contact.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • Figure 1 is a view illustrating an optical refractometer according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view illustrating a prism shape of the optical refractometer according to an embodiment of the present invention.
  • An optical refractometer includes a prism 110, a light source 210, and a sensor unit 220 such that the light P I projected from the light source 210 is formed of the prism 110.
  • the first surface 112 has an optical path of light P R that is refracted by the second surface 114 and reflected by the third surface 116 and collected by the sensor unit 220.
  • the light source 210 is a part that generates light for analyzing a measurement material in an optical refractometer.
  • light generated from the light source 210 may be directed toward the prism 110 to project light onto the first surface 112 of the prism 110.
  • the sensor unit 220 is a part that receives the light emitted from the prism 110.
  • the amount of light refracted at the interface between the prism 110 and the measurement material varies according to the refractive index of the measurement material, and the sensor unit 220 may measure the change to analyze / measure the component or concentration of the measurement material. .
  • the light refracted and reflected along the inner light path of the prism 110 is returned to the first surface 112 of the prism 110, and the sensor unit 220 is connected to the first surface of the prism 110. It may be disposed to face the surface 112 to receive light.
  • the prism 110 serves to pass the light projected from the light source 210 and to refract the light at the interface in contact with the measurement material.
  • the prism 110 is made of a material through which light is transmitted, and may be made of a material having a higher refractive index than the measurement material. Light passing through the prism 110 having a refractive index higher than that of the measurement material may be refracted at the interface between the prism 110 and the measurement material (ie, the second surface 114). At this time, by comparing the change in the amount of light refracted, it is possible to analyze / measure the component or concentration of the measurement material.
  • the prism 110 of this embodiment has a structure such that light is refracted at the second surface 114 and reflected at the third surface 116 past the first surface 112.
  • the second surface 114 of the prism 110 has a structure in direct contact with the measurement material.
  • the prism 110 reflects the light refracted by the first surface 112 through which light is incident, the second surface 114 in contact with the measurement material, and the incident light is refracted, and the second surface 114. And a third surface 116 to exit 112.
  • the prism 110 has an acute angle between the first surface 112 and the second surface 114 having a planar shape on one side thereof, and a third surface 116 having a curved or aspherical shape on the other side thereof. It may have a wedge shape connecting the first surface 112 and the second surface 114.
  • the angle ⁇ P formed by the material of the prism 110 and the first surface 112 and the second surface 114 may be changed (optimized) according to the object to be measured, the degree, and the like.
  • the light reflection layer 117 may be formed on the third surface 116 of the prism 110.
  • the light reflecting layer 117 reflects the light refracted by the second surface 114 of the prism 110 with a small loss and simultaneously sends the light to the first surface 112 to condense the light.
  • the collected light may be collected by the second optical cable 140 which will be described later.
  • the light reflecting layer 117 blocks the contact between the measurement material and the third surface 116 through which light passes, so that the interface between the prism 110 and the measurement material may not be formed on the third surface 116. have.
  • the sensitivity of the optical power to a predetermined refractive index may be set by adjusting an angle formed by the first surface 112 and the second surface 114 meeting each other.
  • FIG. 6 is a graph showing the light output of the refractive index of the solution according to the angle formed by the first surface and the second surface in the wedge-shaped prism.
  • FIG. 8 and 9 illustrate a prism shape of an optical refractometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows the 57 degree wedge shaped prism of FIG. 6, and
  • FIG. 9 shows the 60 degree wedge shaped prism of FIG. 6.
  • the 57-degree wedge-shaped prism 110 is made of polycarbonate, and the angle formed by the first surface 112 and the second surface 114 to meet is selected to 57 degrees, x
  • the radius of curvature Rx in the axial direction is 6.05 mm and the radius of curvature Ry in the y-axis direction can be set to 8.38 mm.
  • the 60-degree wedge-shaped prism 110 is made of polycarbonate, and the angle formed by the first surface 112 and the second surface 114 to meet is selected at 60 degrees, and the x-axis direction
  • the radius of curvature Rx is 6.75 mm and the radius of curvature Ry in the y-axis direction can be set to 9.05 mm.
  • the 57-degree wedge-shaped prism 110 has a high sensitivity at a refractive index of 1.316 to 1.33 of the solution as the measurement material, and the 60-degree wedge-shaped prism 110 has a refractive index of 1.347 as the measurement material. It can be seen that the sensitivity is high in the ⁇ 1.37 section. That is, in order to set the sensitivity of the light output to the refractive index of the specific section in the wedge-shaped prism 110, it can be seen that the angle formed by the first and second surfaces 112 and 114 can be adjusted.
  • the refractive index of deionized water (DI water), which is the purest water, is about 1.316 in the 1550 nm wavelength band. Therefore, by measuring the light output using the aforementioned 57-degree wedge-shaped prism 110, it is possible to optimally set the sensitivity of the deionized water and the refractive index of the solution thereto.
  • a first optical cable 130 connected to the light source 210 and a second optical cable 140 connected to the sensor unit 220 may be coupled to the first surface 112 of the prism 110.
  • the first optical cable 130 and the second optical cable 140 are directly coupled to the prism 110 to prevent the light from being lost or changed by being exposed to the outside.
  • the prism 110, the first optical cable 130 and the second optical cable 140 may be configured as one unit to be immersed in the liquid measurement material. Therefore, the prism 110 of the optical refractometer is directly put into or in contact with a measurement material such as a solution to facilitate analysis of the measurement material without sampling.
  • a single mode optical fiber is used as the first optical cable 130 connected to the light source 210 to inject light into the prism 110, and is connected to the sensor unit 220 to the prism 110.
  • the second optical cable 140 that receives the light may be a multi-mode optical fiber.
  • the optical fiber connected to the light source 210 has a smaller core and the optical fiber connected to the sensor unit 220 is advantageous because the larger the core.
  • the core of the single mode optical cable may be 9 um in size
  • the core of the multi mode optical cable may be 50, 57, 62.5 or 105 um in size.
  • a block member may be further included to precisely and firmly align the first optical cable 130, the second optical cable 140, and the prism 110.
  • the block member may be disposed on the first surface 112 of the prism 110 to be coupled to the prism 110, and may have a structure in which a V-shaped groove toward the first surface 112 is formed.
  • the first optical cable 130 and the second optical cable 140 may be inserted and aligned in the V-shaped groove.
  • sensitivity and linearity of optical power for a predetermined refractive index may be set.
  • FIG. 7 is a graph illustrating optical power versus refractive index of a solution according to a numerical aperture of a first optical cable connected to a wedge-shaped prism.
  • FIG. 7 illustrates a 57-degree wedge-shaped prism 110 which is incident on the first surface 112 and reflected on the second surface 114 and the third surface 116 according to the refractive index of the measurement material.
  • the light output according to the numerical aperture of the first optical cable 130 with respect to the light entering 112.
  • the sensitivity of the wedge-shaped prism 110 may be increased or decreased at a specific section of the light output.
  • the numerical aperture of the first optical cable 130 it may be confirmed that the linearity between the refractive index and the light output of the solution to be measured is increased or decreased. Since the linearity between the refractive index of the solution and the light output and the high sensitivity of a specific section show a trade-off relationship with each other, it is preferable to set it according to the measurement object and the purpose.
  • the optical refractometer of the present embodiment has a structure using a prism 110 that is easy to mass-produce, which is easy to manufacture according to the measurement material, and has an advantage of lowering the production cost.
  • FIG 3 is a view illustrating a real-time monitoring analysis device having an optical refractometer according to an embodiment of the present invention.
  • a real-time monitoring analysis apparatus having an optical refractometer includes a prism 110, a light source 210, a photo detector, a signal analyzer 300, and a display. And a portion 400, and the light projected from the light source 210 passes through the first surface 112 of the prism 110, is refracted by the second surface 114, and reflected by the third surface 116. It has an optical path exiting to one side.
  • the light source 210 is a part that generates light for analyzing a measurement material in an optical refractometer.
  • Light generated by the light source 210 may be directed toward the prism 110 to project light onto the first surface 112 of the prism 110.
  • the sensor unit 220 is a part that receives the light emitted from the prism 110.
  • the amount of light refracted at the interface between the prism 110 and the measurement material varies according to the refractive index of the measurement material, and the sensor unit 220 may measure the change to analyze / measure the component or concentration of the measurement material.
  • the light refracted and reflected along the inner light path of the prism 110 comes back to the first surface 112 of the prism 110, and the sensor unit 220 faces the first surface 112 of the prism 110. It can be placed to receive light.
  • a photo detector or a CCD may be used as the sensor unit 220.
  • the photodetector is a device that detects an optical signal and converts it into an electrical signal.
  • Examples of the photodetector include a photodetector and a photoconductor photodetector according to the type of optical signal to be detected.
  • CCD is a sensor that converts light into electric charge and obtains an image.
  • CCD chips are chips that have many photodiodes. When light is emitted to each photodiode, electrons are generated according to the amount of light, and the amount of electrons of the photodiode respectively represents the brightness of the light, thereby reconstructing the information, thereby forming image information forming a screen.
  • the prism 110 serves to pass the light projected from the light source 210 and to refract the light at the interface in contact with the measurement material.
  • the prism 110 is made of a material through which light is transmitted, and may be made of a material having a higher refractive index than the measurement material. Light passing through the prism 110 having a refractive index higher than that of the measurement material may be refracted at the interface between the prism 110 and the measurement material (ie, the second surface 114). At this time, by comparing the change in the amount of light refracted, it is possible to analyze / measure the component or concentration of the measurement material.
  • the prism 110 of this embodiment has a structure such that light is refracted at the second surface 114 and reflected at the third surface 116 past the first surface 112.
  • the second surface 114 of the prism 110 has a structure in direct contact with the measurement material.
  • the prism 110 reflects the light refracted by the first surface 112 through which light is incident, the second surface 114 in contact with the measurement material, and the incident light is refracted, and the second surface 114. And a third surface 116 to exit 112.
  • the prism 110 has an acute angle between the first surface 112 and the second surface 114 having a planar shape on one side thereof, and a third surface 116 having a curved or aspherical shape on the other side thereof. It may have a wedge shape connecting the first surface 112 and the second surface 114. At this time, the angle formed by the material of the prism 110 and the first surface 112 and the second surface 114 may be changed (optimized) according to the object to be measured, the degree, and the like.
  • the light reflection layer 117 may be formed on the third surface 116 of the prism 110.
  • the light reflecting layer 117 reflects the light refracted by the second surface 114 of the prism 110 with a small loss and simultaneously sends the light to the first surface 112 to condense the light.
  • the collected light may be collected by the second optical cable 140 which will be described later.
  • the light reflecting layer 117 blocks the contact between the measurement material and the third surface 116 through which light passes, so that the interface between the prism 110 and the measurement material may not be formed on the third surface 116. have.
  • the sensitivity of the optical power to a predetermined refractive index may be set by adjusting an angle formed by the first surface 112 and the second surface 114 meeting each other.
  • FIG. 6 is a graph showing the light output of the refractive index of the solution according to the angle formed by the first surface and the second surface in the wedge-shaped prism.
  • FIG. 8 and 9 illustrate a prism shape of an optical refractometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows the 57 degree wedge shaped prism of FIG. 6, and
  • FIG. 9 shows the 60 degree wedge shaped prism of FIG. 6.
  • the 57-degree wedge-shaped prism 110 is made of polycarbonate, and the angle formed by the first surface 112 and the second surface 114 to meet is selected to 57 degrees, x
  • the radius of curvature Rx in the axial direction is 6.05 mm and the radius of curvature Ry in the y-axis direction can be set to 8.38 mm.
  • the 60-degree wedge-shaped prism 110 is made of polycarbonate, and the angle formed by the first surface 112 and the second surface 114 to meet is selected at 60 degrees, and the x-axis direction
  • the radius of curvature Rx is 6.75 mm and the radius of curvature Ry in the y-axis direction can be set to 9.05 mm.
  • the 57-degree wedge-shaped prism 110 has a high sensitivity at a refractive index of 1.316 to 1.33 of the solution as the measurement material, and the 60-degree wedge-shaped prism 110 has a refractive index of 1.347 as the measurement material. It can be seen that the sensitivity is high in the ⁇ 1.37 section. That is, in order to set the sensitivity of the light output to the refractive index of the specific section in the wedge-shaped prism 110, it can be seen that the angle formed by the first and second surfaces 112 and 114 can be adjusted.
  • the refractive index of deionized water (DI water), which is the purest water, is about 1.316 in the 1550 nm wavelength band. Therefore, by measuring the light output using the aforementioned 57-degree wedge-shaped prism 110, it is possible to optimally set the sensitivity of the deionized water and the refractive index of the solution thereto.
  • a first optical cable 130 connected to the light source 210 and a second optical cable 140 connected to the sensor unit 220 may be coupled to the first surface 112 of the prism 110.
  • the first optical cable 130 and the second optical cable 140 are directly coupled to the prism 110 to prevent the light from being lost or changed by being exposed to the outside.
  • the prism 110, the first optical cable 130 and the second optical cable 140 is composed of one unit 100 to the measurement material (S) in the liquid state Can be soaked Therefore, the prism 110 of the optical refractometer is directly put into or in contact with the measurement material S, such as a solution, to facilitate analysis of the measurement material without sampling.
  • a single mode optical fiber is used as the first optical cable 130 connected to the light source 210 to inject light into the prism 110, and is connected to the sensor unit 220 to the prism 110.
  • the second optical cable 140 that receives the light may be a multi-mode optical fiber.
  • the optical fiber connected to the light source 210 has a smaller core and the optical fiber connected to the sensor unit 220 is advantageous because the larger the core.
  • the core of the single mode optical cable may be 9 um in size
  • the core of the multi mode optical cable may be 50, 57, 62.5 or 105 um in size.
  • a block member may be further included to precisely and firmly align the first optical cable 130, the second optical cable 140, and the prism 110.
  • the block member may be disposed on the first surface 112 of the prism 110 to be coupled to the prism 110, and may have a structure in which a V-shaped groove toward the first surface 112 is formed.
  • the first optical cable 130 and the second optical cable 140 may be inserted and aligned in the V-shaped groove.
  • sensitivity and linearity of optical power for a predetermined refractive index may be set.
  • FIG. 7 is a graph illustrating optical power versus refractive index of a solution according to a numerical aperture of a first optical cable connected to a wedge-shaped prism.
  • FIG. 7 illustrates a 57-degree wedge-shaped prism 110 which is incident on the first surface 112 and reflected on the second surface 114 and the third surface 116 according to the refractive index of the measurement material.
  • the light output according to the numerical aperture of the first optical cable 130 with respect to the light entering 112.
  • the sensitivity of the wedge-shaped prism 110 may be increased or decreased at a specific section of the light output.
  • the numerical aperture of the first optical cable 130 it may be confirmed that the linearity between the refractive index and the light output of the solution to be measured is increased or decreased. Since the linearity between the refractive index of the solution and the light output and the high sensitivity of a specific section show a trade-off relationship with each other, it is preferable to set it according to the measurement object and the purpose.
  • the signal analyzer 300 is connected to the sensor unit 220 to receive and analyze an electrical signal sent by the sensor unit 220. Since the photodetector or CCD of the sensor unit 220 converts the received light change into an electrical signal, the signal analyzer 300 electrically connected to the sensor unit 220 may be connected to an electrical signal sent by the sensor unit 220. Analyze changes in light. In particular, by analyzing the change in refractive index can be analyzed the component or concentration of the measurement material.
  • the display unit 400 is connected to the signal analyzer 300 to display the analyzed result.
  • the display unit 400 visually shows the result of the signal analyzer 300 so that the user can check the component or concentration of the measurement material in real time.
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams illustrating another embodiment of a real-time monitoring analysis apparatus having an optical refractometer according to an embodiment of the present invention.
  • the analyzing apparatus of the present exemplary embodiment may further include a controller 230 connected to and controlling the light source 210 and the sensor unit 220.
  • the light source 210, the sensor unit 220, and the control unit 230 may form one transmission / reception unit 200. Therefore, the light source 210 and the sensor unit 220 may be controlled through the control unit 230 by wire / wireless.
  • the controller 230 may include a communication module that can exchange signals with the outside.
  • the controller 230 may process the output of the sensor unit 220 and send an output signal O to the external terminal 240.

Abstract

광 굴절계가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 빛이 입사되는 제1면, 측정물질에 접하며 입사된 빛이 굴절되는 제2면, 제2면에서 굴절된 빛을 반사시켜 제1면으로 출사시키는 제3면을 가지는 프리즘, 프리즘의 제1면에 제2면을 향해서 빛을 입사시키는 광원 및 제3면에서 반사되어 제1면에서 출사되는 빛을 수광하는 센서부를 포함하고, 광원에서 투사된 빛은 프리즘의 제1면을 지나서 제2면에서 굴절되고 제3면에서 반사되어 제1 면으로 출사되고 집광되는 광로(optical path)를 가질 수 있다.

Description

광 굴절계 및 이를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치
본 발명은 광 굴절계 및 이를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치에 관한 것이다. 보다 상세히, 프리즘을 포함하는 광 굴절계 및 이를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치에 관한 것이다.
특정한 물질의 성분, 순도 등을 측정하는 방법으로 광 굴절계를 이용한 굴절계법(refractometry)이 이용되고 있다. 예를 들어, 약의 성분 분석, 바닷물의 염도 및 비중 측정 또는 단백용액의 단백측정 등에 굴절계법이 사용되고 있다.
굴절계법은 광 굴절계를 사용하여 측정물질(예를 들어, 시료 액체)의 굴절률을 측정하는 분석법이다. 굴절률은, 빛이 광학적으로 어떤 매질로부터 다른 매질로 향하여 비스듬히 입사할 때 그 방향을 바꾸는 현상으로서, 입사각을 i, 굴절각을 r로 하면 굴절률 n은 n＝ sin i/sin r로 나타내진다. 굴절률은 온도, 광선의 파장에 의해서 변화하는 성질이 있으나, 일정한 조건하에서는 굴절률이 특정한 매질에 고유의 정수가 되기 때문에 물질의 순도시험 또는 농도측정에 이용할 수 있다.
그런데, 종래의 광 굴절계는 소량의 측정물질을 덜어서 광 굴절계에 넣어서 분석하는 방식이므로, 그 용도 및 이용 방법에 제약이 많았다. 또한, 비용도 비싸서 다양한 용도에 활용함에 제약이 되어 왔다.
본 발명의 실시예는, 시료를 덜어내지 않고도 분석대상이 되는 측정물질에 직접 접촉하여 측정물질을 분석할 수 있는 광 굴절계 및 이를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 빛이 입사되는 제1면, 측정물질에 접하며 입사된 빛이 굴절되는 제2면, 제2면에서 굴절된 빛을 반사시켜 제1면으로 출사시키는 제3면을 가지는 프리즘, 프리즘의 제1면에 제2면을 향해서 빛을 입사시키는 광원 및 제3면에서 반사되어 제1면에서 출사되는 빛을 수광하는 센서부를 포함하고, 광원에서 투사된 빛은 프리즘의 제1면을 지나서 제2면에서 굴절되고 제3면에서 반사되어 제1 면으로 출사되고 집광되는 광로(optical path)를 가지는 광 굴절계가 제공된다.
이 때, 프리즘은, 일측에서 상기 제1면과 상기 제2면이 만나서 예각을 이루고, 타측에서 곡면 형상의 제3면이 제1면과 제2면을 연결시키는 쐐기(wedge) 형상을 가질 수 있다.
또한, 프리즘의 제3면에 빛 반사층이 형성되며, 빛 반사층은 측정물질과 제3면의 접촉을 차단할 수 있다.
이 때, 광원과 프리즘의 제1면을 연결시키는 제1 광케이블 및 센서부와 프리즘의 제1면을 연결시키는 제2 광케이블을 더 포함할 수 있다.
이 때, 측정물질은 액체이며, 프리즘, 제1 광케이블 및 제2 광케이블은 하나의 유닛으로 구성되어서 액체 상태의 측정물질에 담가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 빛이 입사되는 제1면, 측정물질에 접하며 입사된 빛이 굴절되는 제2면, 상기 제2면에서 굴절된 빛을 반사시켜 상기 제1면으로 출사시키는 제3면을 가지는 프리즘, 상기 프리즘의 제1면에 상기 제2면을 향해서 빛을 입사시키는 광원, 상기 제3면에서 반사되어 상기 제1면에서 출사되는 빛을 수광하는 센서부, 상기 광검출기와 연결된 신호 분석부 및 상기 신호 분석부와 연결되어 분석된 결과를 표시하는 디스플레이부를 포함하고, 상기 광원에서 투사된 빛은, 상기 프리즘의 상기 제1면을 지나서, 상기 제2면에서 굴절되고, 상기 제3면에서 반사되어 상기 제1 면으로 출사되고 집광되는 광로(optical path)를 가지는 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치가 제공된다.
이 때, 센서부는, 광검출기(Photo detector) 또는 CCD(Charge Coupled Device)를 포함할 수 있다.
또한, 광원 및 센서부와 연결되고 제어하는 제어부를 더 포함하고, 광원, 센서부 및 제어부는 하나의 송수신 유닛을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 용액과 같은 측정물질에 광 굴절계의 프리즘을 직접 넣거나 접촉하여 시료 채취 없이도 측정물질 분석을 용이하게 할 수 있다.
또한, 대량 생산이 용이한 구조를 가짐으로써, 생산 단가로 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계를 설명하는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계의 프리즘 형상을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치를 설명하는 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치의 다른 실시예를 설명하는 도면.
도 6은 쐐기 형상의 프리즘에서 제1면과 제2면이 만나서 이루는 각도에 따라 용액의 굴절률에 대한 광출력을 나타낸 그래프.
도 7은 쐐기 형상의 프리즘에 연결된 제1 광케이블의 개구수에 따라 용액의 굴절률에 대한 광출력을 나타낸 그래프.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계의 프리즘 형상을 예시하는 도면.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 발전장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
광 굴절계
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계를 설명하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계의 프리즘 형상을 설명하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계는, 프리즘(110), 광원(210) 및 센서부(220)를 포함하여, 광원(210)에서 투사된 빛(P I)이 프리즘(110)의 제1면(112)을 지나서, 제2면(114)에서 굴절되고 제3면(116)에서 반사되어 센서부(220)로 집광되어 들어오는 빛(P R)의 광로(optical path)를 가진다.
광원(210)은 광 굴절계에서 측정물질 분석에 필요한 빛을 발생시키는 부분이다.
도 1을 참조하면, 광원(210)에서 발생된 빛은 프리즘(110)을 향하게 하여, 프리즘(110)의 제1면(112)으로 빛을 투사할 수 있다.
센서부(220)는 프리즘(110)에서 나오는 빛을 받는 부분이다. 측정물질의 굴절률에 따라 프리즘(110)과 측정물질의 경계면에서 굴절되는 빛의 양이 달라지고, 센서부(220)에서 이 변화를 측정하여 측정물질의 성분 또는 농도 등을 분석/측정할 수 있다.
도 1을 참조하면, 프리즘(110)의 내부 광로를 따라 굴절 및 반사된 빛은, 프리즘(110)의 제1면(112)으로 다시 나오고, 센서부(220)는 프리즘(110)의 제1면(112)을 향하게 배치되어서 빛을 수광 할 수 있다.
프리즘(110)은, 광원(210)에서 투사된 빛을 통과시키고 측정물질과 접한 경계면에서 빛을 굴절시키는 역할을 한다. 이를 위해, 프리즘(110)은 빛이 투과되는 재질로 이루어지고, 측정물질보다 높은 굴절율을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 측정물질보다 높은 굴절율을 가지는 프리즘(110)을 통과하는 빛은 프리즘(110)과 측정물질의 경계면(즉, 제2면(114))에서 굴절될 수 있다. 이 때, 빛이 굴절되는 양의 변화를 비교하면, 측정물질의 성분 또는 농도 등을 분석/측정할 수 있다.
본 실시예의 프리즘(110)은, 빛이 제1면(112)을 지나서 제2면(114)에서 굴절되고 제3면(116)에서 반사되게 하는 구조를 가진다. 특히, 프리즘(110)의 제2면(114)은 측정물질과 직접 접하는 구조를 가진다. 프리즘(110)은, 빛이 입사되는 제1면(112), 측정물질에 접하며 입사된 빛이 굴절되는 제2면(114), 제2면(114)에서 굴절된 빛을 반사시켜 제1면(112)으로 출사시키는 제3면(116)을 구비한다.
도 2를 참조하면, 프리즘(110)은 일측에서 평면 형태인 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 예각을 이루고, 타측에서 곡면 또는 비구면 형상의 제3면(116)이 제1면(112)과 제2면(114)을 연결시키는 쐐기(wedge) 형상이 될 수 있다. 이 때, 프리즘(110)의 재질과 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 이루는 각도(θ P)는, 측정하는 대상, 정도 등에 맞추어 변화(최적화)될 수 있다.
프리즘(110)의 제3면(116)에는 빛 반사층(117)이 형성될 수 있다. 빛 반사층(117)은 프리즘(110)의 제2면(114)에서 굴절된 빛을 적은 손실로 반사시키고 동시에 제1면(112)으로 보내면서 빛을 집광시키는 역할을 한다. 집광된 빛은 후술할 제2 광케이블(140)로 모아질 수 있다. 이 때, 빛 반사층(117)은 측정물질과 빛이 지나는 제3면(116)이 접촉되는 것을 차단하여, 제3면(116)에서는 프리즘(110)과 측정물질이 만나는 경계면이 형성되지 않을 수 있다.
상술한 쐐기 형상의 프리즘은, 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 이루는 각도를 조절하여, 소정의 굴절률에 대한 광출력(optic power)의 민감도가 설정될 수 있다.
도 6은 쐐기 형상의 프리즘에서 제1면과 제2면이 만나서 이루는 각도에 따라 용액의 굴절률에 대한 광출력을 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계의 프리즘 형상을 예시하는 도면이다. 도 8은 도 6의 57도 쐐기 형상의 프리즘을 나타내고, 도 9는 도 6의 60도 쐐기 형상의 프리즘을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 57도 쐐기 형상의 프리즘(110)은 폴리카보네이트(Polycarbonate) 재질로 이루어지고, 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 이루는 각도가 57도로 선택되고, x축 방향의 곡률 반지름(Rx)은 6.05 mm 이고 y축 방향의 곡률 반지름(Ry)은 8.38 mm로 정해질 수 있다.
도 9를 참조하면, 60도 쐐기 형상의 프리즘(110)은 폴리카보네이트 재질로 이루어지고, 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 이루는 각도가 60도로 선택되고, x축 방향의 곡률 반지름(Rx)은 6.75 mm 이고 y축 방향의 곡률 반지름(Ry)은 9.05 mm로 정해질 수 있다.
도 6은, 개구수(numerical aperture)가 0.14인 광케이블에서 제1면(112)으로 입사되고 측정물질의 굴절률에 따라서 제2면(114)과 제3면(116)에 반사되어 다시 제1면(112)으로 들어오는 빛에 대하여, 쐐기 형상의 각도에 따라 광출력을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 57도 쐐기 형상의 프리즘(110)은 측정물질인 용액의 굴절률이 1.316 ~ 1.33 구간에서 민감도가 높고, 60도 쐐기 형상의 프리즘(110)은 측정물질인 용액의 굴절률이 1.347 ~ 1.37 구간에서 민감도가 높은 것을 확인할 수 있다. 즉, 쐐기 형상의 프리즘(110)에서 특정 구간의 굴절률에 대한 광출력의 민감도가 설정하기 위해 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 이루는 각도를 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
예를 들어, 가장 순수한 물인 탈이온수(deionized water, DI water)의 굴절률이 1550 nm 파장대역에서 약 1.316이다. 그러므로 상술한 57도 쐐기 형상의 프리즘(110)을 사용하여 광출력을 측정하면 탈이온수 및 이에 대한 용액의 굴절률의 민감도를 최적으로 설정할 수 있다.
한편, 프리즘(110)의 제1면(112)에는, 광원(210)과 연결된 제1 광케이블(130) 및 센서부(220)와 연결된 제2 광케이블(140)이 결합될 수 있다. 제1 광케이블(130) 및 제2 광케이블(140)은 프리즘(110)에 직접 결합되어, 빛이 외부로 노출되어 손실되거나 변화되는 것을 방지한다. 특히, 측정물질이 용액과 같은 액체인 경우에, 프리즘(110), 제1 광케이블(130) 및 제2 광케이블(140)이 하나의 유닛으로 구성되어서 액체 상태의 측정물질에 담가질 수 있다. 따라서, 용액과 같은 측정물질에 광 굴절계의 프리즘(110)을 직접 넣거나 접촉하여 시료 채취 없이도 측정물질 분석을 용이하게 할 수 있다.
이 때, 광원(210)과 연결되어 빛을 프리즘(110)에 입사시키는 제1 광케이블(130)로 싱글 모드 광케이블(Single mode Optical Fiber)이 이용되고, 센서부(220)와 연결되어 프리즘(110)에서 빛을 받는 제2 광케이블(140)은 멀티 모드 광케이블(Multi-mode Optical Fiber)이 이용될 수 있다. 빛이 새는 것을 최대한 방지하기 위하여, 광원(210)과 연결되는 광섬유는 코어가 작을수록 좋고 센서부(220)와 연결되는 광섬유는 코어가 클수록 유리하기 때문이다. 예를 들어, 싱글 모드 광케이블의 코어는 9um 크기이고, 멀티 모드 광케이블의 코어는 50, 57, 62.5 또는 105um 크기일 수 있다.
또한, 제1 광케이블(130) 및 제2 광케이블(140)과 프리즘(110)의 정렬을 정밀하고 견고하게 하기 위하여, 블록(Block) 부재를 더 포함할 수 있다. 블록 부재는 프리즘(110)의 제1면(112)에 배치되어 프리즘(110)과 결합되며, 제1면(112)을 향하는 V자형 홈이 형성된 구조를 가질 수 있다. 그리고 V자형 홈에는 제1 광케이블(130) 및 제2 광케이블(140)이 삽입되어 정렬될 수 있다.
또한, 제2 광케이블(130)의 개구수(numerical aperture)를 조절하여, 소정의 굴절률에 대한 광출력(optic power)의 민감도와 선형성이 설정될 수 있다.
도 7은 쐐기 형상의 프리즘에 연결된 제1 광케이블의 개구수에 따라 용액의 굴절률에 대한 광출력을 나타낸 그래프이다.
도 7은 57도 쐐기 형상의 프리즘(110)에서, 제1면(112)으로 입사되고 측정물질의 굴절률에 따라서 제2면(114)과 제3면(116)에 반사되어 다시 제1면(112)으로 들어오는 빛에 대하여, 제1 광케이블(130)의 개구수에 따른 광출력을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 제1 광케이블(130)의 개구수가 변화되면, 쐐기 형상의 프리즘(110)에서 광출력의 특정 구간에서 민감도가 높아지거나 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제1 광케이블(130)의 개구수가 변화되면, 측정대상인 용액의 굴절률과 광출력 사이의 선형성이 증가되거나 감소하는 것도 확인할 수 있다. 용액의 굴절률과 광출력 사이의 선형성과 특정 구간의 높은 민감도는 서로 트레이드 오프 관계를 보이므로, 측정대상 및 목적에 따라 설정함이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 광 굴절계는 대량 생산이 용이한 프리즘(110)을 이용한 구조를 가짐으로써, 측정물질에 맞게 제작이 용이하고 생산 단가로 낮출 수 있는 장점이 있다.
분석 장치
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치는, 프리즘(110), 광원(210), 광검출기(Photo detector), 신호 분석부(300) 및 디스플레이부(400)를 포함하고, 광원(210)에서 투사된 빛은 프리즘(110)의 제1면(112)을 지나서, 제2면(114)에서 굴절되고 제3면(116)에서 반사되어 제1 면으로 출사되는 광로(optical path)를 가진다.
광원(210)은 광 굴절계에서 측정물질 분석에 필요한 빛을 발생시키는 부분이다.
광원(210)에서 발생된 빛은 프리즘(110)을 향하게 하여, 프리즘(110)의 제1면(112)으로 빛을 투사할 수 있다.
센서부(220)는 프리즘(110)에서 나오는 빛을 받는 부분이다. 측정물질의 굴절률에 따라 프리즘(110)과 측정물질의 경계면에서 굴절되는 빛의 양이 달라지고, 센서부(220)에서 이 변화를 측정하여 측정물질의 성분 또는 농도 등을 분석/측정할 수 있다. 프리즘(110)의 내부 광로를 따라 굴절 및 반사된 빛은, 프리즘(110)의 제1면(112)으로 다시 나오고, 센서부(220)는 프리즘(110)의 제1면(112)을 향하게 배치되어서 빛을 수광 할 수 있다.
이 때, 센서부(220)로 광검출기 또는 CCD가 사용될 수 있다.
광검출기는 광신호를 검출하여 전기적인 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자이다. 광검출기로는 광검출 소자나 검출하는 광신호의 종류에 따라 다이오드형 광검출소자, 광전도체형 광검출소자 등이 있다.
CCD는 빛을 전하로 변환시켜 화상을 얻어내는 센서이다. CCD 칩은 많은 광다이오드들이 모여 있는 칩이다. 각각의 광다이오드에 빛이 비추어지면 빛의 양에 따라 전자가 생기고 해당 광다이오드의 전자량이 각각 빛의 밝기를 뜻하게 되어 이 정보를 재구성함으로써 화면을 이루는 이미지 정보가 만들어진다.
프리즘(110)은, 광원(210)에서 투사된 빛을 통과시키고 측정물질과 접한 경계면에서 빛을 굴절시키는 역할을 한다. 이를 위해, 프리즘(110)은 빛이 투과되는 재질로 이루어지고, 측정물질보다 높은 굴절율을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 측정물질보다 높은 굴절율을 가지는 프리즘(110)을 통과하는 빛은 프리즘(110)과 측정물질의 경계면(즉, 제2면(114))에서 굴절될 수 있다. 이 때, 빛이 굴절되는 양의 변화를 비교하면, 측정물질의 성분 또는 농도 등을 분석/측정할 수 있다.
본 실시예의 프리즘(110)은, 빛이 제1면(112)을 지나서 제2면(114)에서 굴절되고 제3면(116)에서 반사되게 하는 구조를 가진다. 특히, 프리즘(110)의 제2면(114)은 측정물질과 직접 접하는 구조를 가진다. 프리즘(110)은, 빛이 입사되는 제1면(112), 측정물질에 접하며 입사된 빛이 굴절되는 제2면(114), 제2면(114)에서 굴절된 빛을 반사시켜 제1면(112)으로 출사시키는 제3면(116)을 구비한다.
도 2를 참조하면, 프리즘(110)은 일측에서 평면 형태인 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 예각을 이루고, 타측에서 곡면 또는 비구면 형상의 제3면(116)이 제1면(112)과 제2면(114)을 연결시키는 쐐기(wedge) 형상이 될 수 있다. 이 때, 프리즘(110)의 재질과 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 이루는 각도는, 측정하는 대상, 정도 등에 맞추어 변화(최적화)될 수 있다.
프리즘(110)의 제3면(116)에는 빛 반사층(117)이 형성될 수 있다. 빛 반사층(117)은 프리즘(110)의 제2면(114)에서 굴절된 빛을 적은 손실로 반사시키고 동시에 제1면(112)으로 보내면서 빛을 집광시키는 역할을 한다. 집광된 빛은 후술할 제2 광케이블(140)로 모아질 수 있다. 이 때, 빛 반사층(117)은 측정물질과 빛이 지나는 제3면(116)이 접촉되는 것을 차단하여, 제3면(116)에서는 프리즘(110)과 측정물질이 만나는 경계면이 형성되지 않을 수 있다.
상술한 쐐기 형상의 프리즘은, 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 이루는 각도를 조절하여, 소정의 굴절률에 대한 광출력(optic power)의 민감도가 설정될 수 있다.
도 6은 쐐기 형상의 프리즘에서 제1면과 제2면이 만나서 이루는 각도에 따라 용액의 굴절률에 대한 광출력을 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계의 프리즘 형상을 예시하는 도면이다. 도 8은 도 6의 57도 쐐기 형상의 프리즘을 나타내고, 도 9는 도 6의 60도 쐐기 형상의 프리즘을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 57도 쐐기 형상의 프리즘(110)은 폴리카보네이트(Polycarbonate) 재질로 이루어지고, 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 이루는 각도가 57도로 선택되고, x축 방향의 곡률 반지름(Rx)은 6.05 mm 이고 y축 방향의 곡률 반지름(Ry)은 8.38 mm로 정해질 수 있다.
도 9를 참조하면, 60도 쐐기 형상의 프리즘(110)은 폴리카보네이트 재질로 이루어지고, 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 이루는 각도가 60도로 선택되고, x축 방향의 곡률 반지름(Rx)은 6.75 mm 이고 y축 방향의 곡률 반지름(Ry)은 9.05 mm로 정해질 수 있다.
도 6은, 개구수(numerical aperture)가 0.14인 광케이블에서 제1면(112)으로 입사되고 측정물질의 굴절률에 따라서 제2면(114)과 제3면(116)에 반사되어 다시 제1면(112)으로 들어오는 빛에 대하여, 쐐기 형상의 각도에 따라 광출력을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 57도 쐐기 형상의 프리즘(110)은 측정물질인 용액의 굴절률이 1.316 ~ 1.33 구간에서 민감도가 높고, 60도 쐐기 형상의 프리즘(110)은 측정물질인 용액의 굴절률이 1.347 ~ 1.37 구간에서 민감도가 높은 것을 확인할 수 있다. 즉, 쐐기 형상의 프리즘(110)에서 특정 구간의 굴절률에 대한 광출력의 민감도가 설정하기 위해 제1면(112)과 제2면(114)이 만나서 이루는 각도를 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
예를 들어, 가장 순수한 물인 탈이온수(deionized water, DI water)의 굴절률이 1550 nm 파장대역에서 약 1.316이다. 그러므로 상술한 57도 쐐기 형상의 프리즘(110)을 사용하여 광출력을 측정하면 탈이온수 및 이에 대한 용액의 굴절률의 민감도를 최적으로 설정할 수 있다.
한편, 프리즘(110)의 제1면(112)에는, 광원(210)과 연결된 제1 광케이블(130) 및 센서부(220)와 연결된 제2 광케이블(140)이 결합될 수 있다. 제1 광케이블(130) 및 제2 광케이블(140)은 프리즘(110)에 직접 결합되어, 빛이 외부로 노출되어 손실되거나 변화되는 것을 방지한다. 특히, 측정물질이 용액과 같은 액체인 경우에, 프리즘(110), 제1 광케이블(130) 및 제2 광케이블(140)이 하나의 유닛(100)으로 구성되어서 액체 상태의 측정물질(S)에 담가질 수 있다. 따라서, 용액과 같은 측정물질(S)에 광 굴절계의 프리즘(110)을 직접 넣거나 접촉하여 시료 채취 없이도 측정물질 분석을 용이하게 할 수 있다.
이 때, 광원(210)과 연결되어 빛을 프리즘(110)에 입사시키는 제1 광케이블(130)로 싱글 모드 광케이블(Single mode Optical Fiber)이 이용되고, 센서부(220)와 연결되어 프리즘(110)에서 빛을 받는 제2 광케이블(140)은 멀티 모드 광케이블(Multi-mode Optical Fiber)이 이용될 수 있다. 빛이 새는 것을 최대한 방지하기 위하여, 광원(210)과 연결되는 광섬유는 코어가 작을수록 좋고 센서부(220)와 연결되는 광섬유는 코어가 클수록 유리하기 때문이다. 예를 들어, 싱글 모드 광케이블의 코어는 9um 크기이고, 멀티 모드 광케이블의 코어는 50, 57, 62.5 또는 105um 크기일 수 있다.
또한, 제1 광케이블(130) 및 제2 광케이블(140)과 프리즘(110)의 정렬을 정밀하고 견고하게 하기 위하여, 블록(Block) 부재를 더 포함할 수 있다. 블록 부재는 프리즘(110)의 제1면(112)에 배치되어 프리즘(110)과 결합되며, 제1면(112)을 향하는 V자형 홈이 형성된 구조를 가질 수 있다. 그리고 V자형 홈에는 제1 광케이블(130) 및 제2 광케이블(140)이 삽입되어 정렬될 수 있다.
또한, 제2 광케이블(130)의 개구수(numerical aperture)를 조절하여, 소정의 굴절률에 대한 광출력(optic power)의 민감도와 선형성이 설정될 수 있다.
도 7은 쐐기 형상의 프리즘에 연결된 제1 광케이블의 개구수에 따라 용액의 굴절률에 대한 광출력을 나타낸 그래프이다.
도 7은 57도 쐐기 형상의 프리즘(110)에서, 제1면(112)으로 입사되고 측정물질의 굴절률에 따라서 제2면(114)과 제3면(116)에 반사되어 다시 제1면(112)으로 들어오는 빛에 대하여, 제1 광케이블(130)의 개구수에 따른 광출력을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 제1 광케이블(130)의 개구수가 변화되면, 쐐기 형상의 프리즘(110)에서 광출력의 특정 구간에서 민감도가 높아지거나 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제1 광케이블(130)의 개구수가 변화되면, 측정대상인 용액의 굴절률과 광출력 사이의 선형성이 증가되거나 감소하는 것도 확인할 수 있다. 용액의 굴절률과 광출력 사이의 선형성과 특정 구간의 높은 민감도는 서로 트레이드 오프 관계를 보이므로, 측정대상 및 목적에 따라 설정함이 바람직하다.
신호 분석부(300)는 센서부(220)와 연결되어, 센서부(220)가 보낸 전기적 신호를 받고 이를 분석하는 부분이다. 센서부(220)의 광검출기 또는 CCD는 수광된 빛의 변화를 전기적 신호로 변환하므로, 센서부(220)와 전기적으로 연결된 신호 분석부(300)는 센서부(220)가 보낸 전기적 신호를 통하여 빛의 변화를 분석할 수 있다. 특히, 굴절률 변화를 분석하여 측정물질의 성분 또는 농도 등을 분석할 수 있다.
디스플레이부(400)는 신호 분석부(300)와 연결되어 분석된 결과를 표시하는 부분이다. 디스플레이부(400)는 신호 분석부(300)의 결과를 시각적으로 보여줌으로써, 사용자는 측정물질의 성분 또는 농도 등을 실시간으로 확인할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치의 다른 실시예를 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예의 분석장치는 광원(210) 및 센서부(220)와 연결되고 이들을 제어하는 제어부(230)를 더 포함할 수 있다. 특히, 광원(210), 센서부(220) 및 제어부(230)는 하나의 송수신 유닛(200)을 형성할 수 있다. 따라서, 제어부(230)를 통하여 유/무선으로 광원(210) 및 센서부(220)를 제어할 수 있다. 제어부(230)는 외부와 신호를 주고 받을 수 있는 통신 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 제어부(230)는 센서부(220)의 출력을 처리하여 외부 단자(240)로 출력 신호(O)를 보낼 수도 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
한편, 본 발명은 아래와 같이 기재된 국가연구개발사업에 의해 지원을 받는다.
과제 1)
[과제고유번호] 2016R1A2B2010170
[정부 부처명] 미래창조과학부
[연구관리전문기관] 한국연구재단
[연구사업명] 이공분야기초연구사업 - 중견연구자지원사업 - 중견연구(총연구비3억초과~5억이하)
[연구과제명] 나노구조 실리콘 메타표면 기반의 위상 및 대역폭 조절이 가능한 고효율 가시광/근적외선 파장필터
[기여율] 1/2
[주관기관] 광운대학교 산학협력단
[연구기간] 2016.06.01 ~ 2019.05.31
과제 2)
[과제고유번호] 2018R1A6A1A03025242
[정부 부처명] 교육부
[연구관리전문기관] 한국연구재단
[연구사업명] 이공분야기초연구사업 - 기초연구기반구축사업 - 대학중점연구소지원사업 - 중점연구소지원(이공계분야)
[연구과제명] 나노 소자 응용 연구소
[기여율]
[주관기관] 광운대학교 산학협력단
[연구기간] 2018.06.01 ~ 2027.02.28
[부호의 설명]
110: 프리즘
112: 제1면
114: 제2면
116: 제3면
117: 빛 반사층
130: 제1 광케이블
140: 제2 광케이블
210: 광원
220: 센서부
230: 제어부
300: 신호 분석부
400: 디스플레이부

Claims (14)

  1. 빛이 입사되는 제1면, 측정물질에 접하며 입사된 빛이 굴절되는 제2면, 상기 제2면에서 굴절된 빛을 반사시켜 상기 제1면으로 출사시키는 제3면을 가지는 프리즘;
    상기 프리즘의 제1면에, 상기 제2면을 향해서 빛을 입사시키는 광원; 및
    상기 제3면에서 반사되어 상기 제1면에서 출사되는 빛을 수광하는 센서부를 포함하고,
    상기 광원에서 투사된 빛은, 상기 프리즘의 상기 제1면을 지나서, 상기 제2면에서 굴절되고, 상기 제3면에서 반사되어 상기 제1 면으로 출사되고 집광되는 광로(optical path)를 가지는 광 굴절계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘은,
    일측에서 상기 제1면과 상기 제2면이 만나서 예각을 이루고,
    타측에서 곡면 또는 비구면 형상의 상기 제3면이 상기 제1면과 상기 제2면을 연결시키는 쐐기(wedge) 형상을 가지는 광 굴절계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘의 상기 제3면에 빛 반사층이 형성되며,
    상기 빛 반사층은 상기 측정물질과 상기 제3면의 접촉을 차단하는 광 굴절계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광원과 상기 프리즘의 상기 제1면을 연결시키는 제1 광케이블; 및
    상기 센서부와 상기 프리즘의 상기 제1면을 연결시키는 제2 광케이블을 더 포함하는 광 굴절계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 측정물질은 액체이며,
    상기 프리즘, 상기 제1 광케이블 및 상기 제2 광케이블은 하나의 유닛으로 구성되어서 액체 상태의 상기 측정물질에 담가지는 광 굴절계.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 프리즘은, 상기 제1면과 상기 제2면이 만나서 이루는 각도를 조절하여, 소정의 굴절률에 대한 광출력(optic power)의 민감도가 설정되는 광 굴절계.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 광케이블의 개구수(numerical aperture)를 조절하여,
    소정의 굴절률에 대한 광출력(optic power)의 민감도와 선형성이 설정되는 광 굴절계.
  8. 빛이 입사되는 제1면, 측정물질에 접하며 입사된 빛이 굴절되는 제2면, 상기 제2면에서 굴절된 빛을 반사시켜 상기 제1면으로 출사시키는 제3면을 가지는 프리즘;
    상기 프리즘의 제1면에, 상기 제2면을 향해서 빛을 입사시키는 광원;
    상기 제3면에서 반사되어 상기 제1면에서 출사되는 빛을 수광하는 센서부;
    상기 광검출기와 연결된 신호 분석부; 및
    상기 신호 분석부와 연결되어 분석된 결과를 표시하는 디스플레이부를 포함하고,
    상기 광원에서 투사된 빛은, 상기 프리즘의 상기 제1면을 지나서, 상기 제2면에서 굴절되고, 상기 제3면에서 반사되어 상기 제1 면으로 출사되고 집광되는 광로(optical path)를 가지는 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 프리즘은,
    일측에서 상기 제1면과 상기 제2면이 만나서 예각을 이루고,
    타측에서 곡면 또는 비구면 형상의 상기 제3면이 상기 제1면과 상기 제2면을 연결시키는 쐐기(wedge) 형상을 가지는 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 광원과 상기 프리즘의 상기 제1면을 연결시키는 제1 광케이블; 및
    상기 광검출기와 상기 프리즘의 상기 제3면을 연결시키는 제2 광케이블을 더 포함하는 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 센서부는, 광검출기(Photo detector) 또는 CCD(Charge Coupled Device)를 포함하는 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 광원 및 상기 센서부와 연결되고 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 광원, 상기 센서부 및 상기 제어부는 하나의 송수신 유닛을 형성하는 광 굴절계를 구비한 실시간 모니터링 분석 장치.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 프리즘은, 상기 제1면과 상기 제2면이 만나서 이루는 각도를 조절하여, 소정의 굴절률에 대한 광출력(optic power)의 민감도가 설정되는 광 굴절계.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 제1 광케이블의 개구수(numerical aperture)를 조절하여,
    소정의 굴절률에 대한 광출력(optic power)의 민감도와 선형성이 설정되는 광 굴절계.
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