WO2020171244A1 - 광 도파관과 광학계 및 광학식 가스센서 - Google Patents

광 도파관과 광학계 및 광학식 가스센서 Download PDF

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WO2020171244A1
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parabolic reflector
optical
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light source
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박정익
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(주)트루아이즈
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
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    • G01N21/37—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using pneumatic detection
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide using a parabolic reflector, an optical system, and an optical gas sensor, and more particularly, by arranging a parabolic reflector geometrically, the length of the optical waveguide is short, the thickness is thin, and the optical path length ( Optical path length) relates to an optical waveguide, an optical system, and an optical gas sensor that can increase product productivity while improving light absorption of gas molecules by making it long.
  • NDIR non-dispersive infrared
  • the optical gas sensor uses the characteristic that gas molecules absorb light in a specific wavelength range. For example, carbon dioxide (CO 2 ) absorbs infrared rays near the center wavelength band of 4.26 ⁇ m, carbon monoxide (CO) absorbs infrared rays near the center wavelength band of 4.64 ⁇ m, and methane (CH 4 ) absorbs infrared rays around the center wavelength band of 3.3 ⁇ m.
  • CO 2 carbon dioxide
  • CO carbon monoxide
  • CH 4 methane
  • the non-dispersive infrared (NDIR) gas sensor irradiates light in multiple wavelength bands that are not dispersed to gas molecules present in the optical waveguide.
  • the non-dispersive infrared (NDIR) gas sensor uses an optical filter that transmits light in the wavelength band absorbed by the gas molecules, and converts the gas concentration in the optical waveguide from the correlation between the amount of light reaching the photodetector and the gas concentration. It is a gas sensor with technology applied.
  • the amount of light reaching the photodetector is exponentially inversely proportional to the optical absorbance of the gas molecules and the optical path length from the light source to the photodetector.
  • Equation 1 I is the amount of light reaching the photodetector, I 0 is the amount of light reaching the photodetector when the gas concentration is 0, ⁇ is the light absorption rate of gas molecules, L is the optical path length, and X is the gas concentration. Represents.
  • a change in the amount of light reaching the photodetector must be large for a small change in gas concentration.
  • the value of ⁇ which is the light absorption rate of the gas molecules, must be very large or the optical path length L must be large.
  • the change in the electrical signal output from the photodetector is also large, so that the S/N ratio, which is a signal-to-noise ratio, is large, so that an excellent gas sensor can be manufactured.
  • the output of the light source must be very large or the sensitivity of the photodetector must be very good.
  • a light source with high output or a photodetector with good sensitivity is generally very expensive, the cost of a non-dispersive infrared type gas sensor to which it is applied increases.
  • a way to solve this problem is to use an optical waveguide with high optical efficiency.
  • the excellent light efficiency must satisfy the following three characteristics.
  • the optical path length must be long.
  • the light should be focused on the photodetector.
  • the optical waveguide manufactured in consideration of the above conditions is manufactured so that the light emitted from the light source reaches the photodetector as much as possible by geometrically arranging a circle, an ellipse, a parabolic, and other types of reflectors.
  • it is very difficult to satisfy all of these conditions and there is a limitation in designing a size to be small, especially by the size of the light source.
  • the optical waveguide is designed smaller, the light source can no longer become a point light source, and thus the optical path proceeds in an undesired direction, contrary to the designed intention, resulting in loss of light, thereby lowering the optical efficiency.
  • the optical path is designed to be long, the initial error due to the size of the light source deviates from the intended optical path as the reflection from the optical waveguide increases. For this reason, there is a limitation in making the optical waveguide small, and as a result, it becomes a limitation in reducing the size of the gas sensor.
  • the optical waveguide In general, in the case of an optical waveguide of the same size, if the optical path is lengthened, the number of times of reflection of light inside the optical waveguide increases. However, as the number of reflections increases, the light loss due to reflection also increases. In order to reduce light loss due to reflection, it is necessary to increase the reflectivity of the reflective surface of the optical waveguide.
  • the optical waveguide is coated with metal, and a metal plating or deposition method is used as the method.
  • metal plating is much cheaper than deposition, but the reflectivity is lower than deposition because the thickness of the metal coating on the reflective surface of the metal plating cannot be sufficiently thick.
  • the coating cost In order to produce the product as the ultimate purpose, if you consider the production cost aspect as an important factor, you must also consider the coating cost to increase the reflectance. That is, lengthening the optical path for an optical waveguide of the same size is limited in terms of cost.
  • carbon monoxide (CO) has a relatively low light absorption rate compared to carbon dioxide (CO2).
  • the maximum light absorption rate of carbon monoxide (CO) molecules is about 0.35 times the maximum light absorption rate of carbon dioxide (CO2) molecules.
  • the gas concentration of carbon dioxide (CO2) in the optical waveguide is up to 2000 ppm, but the gas concentration of carbon monoxide (CO) is up to 200 ppm, which is relatively low. Therefore, it is very difficult to design an optical gas sensor capable of measuring both the gas concentrations of carbon dioxide (CO2) and carbon monoxide (CO) having different light absorption rates and gas concentrations.
  • the present invention is proposed in the background as described above, in designing an optical waveguide of a non-dispersive infrared type gas sensor, minimizing the number of light reflections in the process of light while reducing the size, and It is to maximize the light efficiency by minimizing the zone and finally converging to one point.
  • the present invention provides a gas sensor with high measurement accuracy even if the light absorption rate of gas molecules to be measured is low and the concentration of gas molecules present in the optical waveguide is small.
  • an optical waveguide includes: a light source side parabolic reflector for reflecting light emitted from a first focal point in a direction parallel to a first optical axis; A light detection-side parabolic reflector for reflecting light incident parallel to a second optical axis parallel to the first optical axis toward a second focal point; It is provided between the light source-side parabolic reflector and the light detection-side parabolic reflector, and includes a path expansion unit extending the optical path length L from the light source-side parabolic reflector to the light-detecting-side parabolic reflector.
  • the path expansion unit includes at least one n-th path expansion parabolic reflector disposed to form a predetermined angle with the first optical axis and reflecting light incident parallel to the first optical axis to an m+2th focal point; A bottom reflector having an m+2th focal point and reflecting light incident on the m+2th focal point after being reflected from the nth path expansion parabolic reflector; At least one that is disposed opposite to the nth path expansion parabolic reflector, shares the m+2th focal point, and reflects the incident light reflected from the m+2th focal point of the bottom reflector in a direction parallel to the first optical axis It includes the above-described n+1th path extension parabolic reflector.
  • n is an odd number starting from 1
  • m is an integer starting from 1.
  • the optical system includes a light emitting unit including a light source installed at a first focal point and a light source side parabolic reflector reflecting light emitted from the light source in a direction parallel to a first optical axis;
  • a light-receiving unit including a photodetector installed at a second focal point and a photodetector side parabolic reflector for reflecting light incident parallel to a second optical axis parallel to the first optical axis toward the photodetector; It is provided between the light emitting unit and the light receiving unit, and includes a path extending unit extending the optical path length (L) from the light source to the photodetector.
  • the path extension unit may include at least one n-th path extension parabolic reflector disposed to form a predetermined angle with a first optical axis and reflecting light incident parallel to the first optical axis to an m+2th focal point; A bottom reflector having the m+2th focal point and reflecting light incident on the m+2th focal point after being reflected from the nth path expansion parabolic reflector; Arranged to face the nth path extension parabolic reflector, shares the m+2th focal point, and reflects light reflected from the m+2th focal point of the bottom reflector in a direction parallel to the first optical axis It includes at least one parabolic reflector for extending the n+1 th path.
  • n is an odd number starting from 1
  • m is an integer starting from 1.
  • An optical gas sensor includes a light source for emitting light; An optical waveguide through which light emitted from the light source passes; A photodetector for detecting light passing through the optical waveguide; An optical filter disposed in front of the photodetector and transmitting light in a wavelength band absorbed by gas molecules; And a gas concentration calculator configured to calculate a concentration of the gas molecule by measuring a light absorption rate of gas molecules that absorb light of a specific wavelength using the amount of light reaching the photodetector.
  • the optical waveguide, the optical system, and the optical gas sensor according to the present invention have the following effects.
  • the optical waveguide when the optical path length is extended, can be designed and manufactured very easily by additionally arranging the parabolic reflectors facing each other.
  • 1 is an exemplary view for explaining the light absorption rate of carbon dioxide (CO2) and carbon monoxide (CO).
  • FIG 2 is an exemplary view for explaining the configuration of the optical gas sensor of the present invention.
  • 3 is an exemplary diagram for explaining optical characteristics of a parabolic reflector.
  • FIG 4 is an exemplary view for explaining the optical characteristics of the light emitting unit according to the present invention.
  • FIG. 5 is an exemplary view for explaining optical characteristics of a light receiving unit according to the present invention.
  • 6 to 8 are exemplary diagrams for explaining a path expansion unit of an optical waveguide according to the present invention.
  • 9 is an exemplary view for explaining a calculation formula for obtaining the optical path length L using a parabolic reflector.
  • FIG. 10 is an exemplary view for explaining a calculation formula for obtaining the optical path length L from a light source to a photodetector in an optical waveguide according to the present invention.
  • FIG. 11 is an exemplary diagram of an optical waveguide design for a carbon monoxide sensor of a non-dispersive infrared type.
  • first focus 412 first optical axis
  • parabolic reflector for first path extension parabolic reflector for second path extension
  • parabolic reflector for the fifth path extension parabolic reflector for the sixth path extension
  • the optical gas sensor 200 of the present invention includes a light source 210 that irradiates light, an optical waveguide 220 through which light irradiated from the light source 210 passes, and an optical waveguide 220, as shown in FIG.
  • the photodetector 240 that detects the passed light
  • the optical filter 230 that is disposed on the front of the photodetector 240 and transmits the light in the wavelength band absorbed by the gas molecules, and the amount of light reaching the photodetector 240 It may be implemented by including a gas concentration calculator 250 that calculates the concentration of gas molecules by measuring the light absorption rate of gas molecules that absorb light of a specific wavelength.
  • the light source 210 includes an incandescent light source, and the photodetector 240 may be implemented as one of a photoelectric device, a pyroelectric device, and a thermoelectric device.
  • the optical gas sensor 200 of the present invention can be used in homes, buildings, home appliances, automobiles, and medical fields. For example, it can be used for carbon dioxide, yellow dust/gas/smoke/fire detection, cameras, infrared sound, portable smartphones, tablet PCs, and wearable PCs.
  • the optical waveguide 220 of the present invention is implemented as an optical waveguide that improves light absorption of gas molecules by increasing the optical path length by geometrically arranging parabolic reflectors.
  • the parabolic reflector has a reflective surface in the form of a parabolic curve, and optical characteristics of the parabolic reflector used in the present invention will be described with reference to FIG. 3.
  • Parabolic curves geometrically have one focal point.
  • the optical properties of the parabolic reflector proceed in parallel with the optical axis when light emitted from a light source positioned at the focal point is reflected on the reflective surface of the parabolic reflector.
  • the optical axis is a linear axis passing through the apex and focal point of the parabolic reflector.
  • Light reflected from an arbitrary point A(x,y) has the same angle of incidence and reflection with respect to the normal vector of F by the law of reflection. Therefore, the normal vector is given as
  • the unit vector up to the point A(x,y) where the light emitted from the light source is reflected from the parabolic reflector A unit vector that is reflected from point A(x,y) and proceeds parallel to the optical axis (x axis) Each is obtained as follows. However, here, , Is the unit vector of the x and y axis, respectively.
  • Equation (9) is a function representing the parabolic reflector, and the p value is the focal length of the parabolic reflector.
  • the optical waveguide of the present invention is composed of a plurality of parabolic reflectors. In this case, equation (9) is used as a basic function to position the parabolic reflectors in consideration of the optical path.
  • FIG. 4 is an exemplary view for explaining optical characteristics of a light-emitting unit according to the present invention
  • FIG. 5 is an exemplary view for explaining the optical characteristics of a light-receiving unit according to the present invention.
  • light for detecting gas uses infrared rays in a wavelength band of 4.26 ⁇ m for detecting carbon dioxide, 4.64 ⁇ m for detecting carbon monoxide, and 3.3 ⁇ m for detecting methane.
  • an incandescent lamp or LED is used as a light source in such a wavelength range.
  • such a light source has no directionality. If the light source has no directionality, as the distance between the light source and the photodetector increases, the light efficiency decreases in inverse proportion to the square of the distance. For this reason, in order to increase light efficiency, light emitted from a light source must have a directionality, and a parabolic reflector is used for this.
  • the size of the light detection part of the photodetector is very small, and it also improves light efficiency by condensing light using a parabolic reflector.
  • the light emitted from the light source located at the first focal point 411 of the light source side parabolic reflector 41 is reflected on the reflective surface of the light source side parabolic reflector 41 and is reflected in a direction parallel to the first optical axis 412. This proceeds.
  • the directionality of light is formed.
  • the photodetector is located at the second focal point 511 of the parabolic reflector 51 on the photodetector side, and light incident parallel to the second optical axis 512 is reflected from the reflective surface of the parabolic reflector 51 on the photodetector side. Then, it converges to a photodetector located at the second focal point 511.
  • the light emitted from the light source is condensed by a photodetector. That is, as shown in FIG. 4, the light emitted from the light source located at the first focal point 411 of the light source side parabolic reflector 41 is reflected from the reflective surface of the light source side parabolic reflector 41 and is parallel to the first optical axis 412.
  • the second focus 511 of the light-detection-side parabolic reflector 51 It converges to the photodetector located at ).
  • 6 to 8 are exemplary diagrams for explaining a path expansion unit of the optical waveguide 200 according to the present invention.
  • the path expansion units 61, 62, and 63 of the optical waveguide 200 according to the present invention are installed between the light source side parabolic reflector 41 and the light detection side parabolic reflector 51 And, the optical path length L from the light source to the photodetector is extended.
  • the path expansion units 61, 62, and 63 include a first path expansion parabolic reflector 61, a floor reflection unit 71, and a second path expansion parabolic reflector 62. ).
  • the first path extension parabolic reflector 61 is disposed at a position facing the light source side parabolic reflector 41 so as to form an R angle with the first optical axis 412.
  • R is an acute angle of 0 or more and 90 or less.
  • the first path extension parabolic reflector 61 reflects light incident parallel to the first optical axis 412 to the third focal point 611.
  • the bottom reflector 71 has a third focal point 611 and reflects light incident on the third focal point 611 after being reflected by the first path expansion parabolic reflector 61.
  • the bottom reflector 71 may be implemented to have a third focal point 611 on one plane including a first focal point of the parabolic reflector 41 on the light source side and a second focal point of the parabolic reflector 51 on the light detection side. have.
  • the second path extension parabolic reflector 62 is disposed at a position facing the first path extension parabolic reflector 61, shares a third focal point 611, and a third focal point of the bottom reflector 71 ( The light reflected from 611 and incident thereon is reflected in a direction parallel to the second optical axis 512.
  • the light source side parabolic reflector 41 and the second path expansion parabolic reflector 62 may be integrally formed with a continuous surface.
  • the light detection side parabolic reflector 51 and the first path expansion parabolic reflector 61 may be integrally formed with a continuous surface.
  • the size of the light source side parabolic reflector 41 is implemented to be greater than or equal to the size of the light spot on the reflective surface of the light source side parabolic reflector 41.
  • the size of the light detection-side parabolic reflector 51 is implemented to be greater than or equal to the size of a light spot on the reflective surface of the light-detection-side parabolic reflector 51.
  • the path expansion units 61, 62, 63, 64, and 71 of the optical waveguide 200 include a light source side parabolic reflector 41 and a light detection side parabolic reflector 51 ), and extends the optical path length (L) from the light source to the photodetector.
  • the path expansion units 61, 62, 63, 64, 71 are for a first path expansion parabolic reflector 61, a floor reflection unit 71, and a second path expansion unit. It includes a parabolic reflector 62, a parabolic reflector 63 for a third path extension, and a parabolic reflector 64 for a fourth path extension.
  • the first path extension parabolic reflector 61 is disposed at a position facing the light source side parabolic reflector 41 so as to form an R angle with the first optical axis 412.
  • R is an acute angle of 0 or more and 90 or less.
  • the first path extension parabolic reflector 61 reflects light incident parallel to the first optical axis 412 to the third focal point 611.
  • the second path extension parabolic reflector 62 is disposed at a position facing the first path extension parabolic reflector 61, shares a third focal point 611, and a third focal point of the bottom reflector 71 ( Light reflected from 611 and incident thereon is reflected in the direction of the optical axis 414 parallel to the first optical axis 412.
  • the third path extension parabolic reflector 63 is disposed to form a Q angle with an optical axis 414 parallel to the first optical axis 412.
  • Q is an acute angle of 0 or more and 90 or less.
  • the third path extension parabolic reflector 63 reflects light incident parallel to the optical axis 414 to the fourth focal point 612.
  • the fourth path extension parabolic reflector 64 is disposed at a position facing the third path extension parabolic reflector 63, shares a fourth focal point 612, and a fourth focal point of the bottom reflector 71 ( The light reflected from 612 and incident thereon is reflected in the direction of the second optical axis 512.
  • the bottom reflector 71 includes a third focal point 611 and a fourth focal point on one plane including the first focal point of the parabolic reflector 41 on the light source side and the second focal point of the parabolic reflector 51 on the light detection side. 612).
  • the path expansion unit (61, 62, 63, 64, 65, 66, 71) of the optical waveguide 200 according to the present invention is the light source side parabolic reflector 41 and the light detection side It is installed between the parabolic reflectors 51 and extends the optical path length (L) from the light source to the photodetector.
  • the path extension unit (61, 62, 63, 64, 65, 66, 71) is a parabolic reflector for a first path extension 61 and a parabolic reflector for the second path extension ( 62) and the third path extension parabolic reflector (63), the fourth path extension parabolic reflector (64), the fifth path extension parabolic reflector (65) and the sixth path extension parabolic reflector (66) and the floor reflector Including (71).
  • the path expansion unit (61, 62, 63, 64, 71) is a parabolic reflector 61 for the first path extension, the bottom reflector 71 and the second path extension It includes a parabolic reflector 62, a parabolic reflector 63 for a third path extension, and a parabolic reflector 64 for a fourth path extension.
  • the first path extension parabolic reflector 61 is disposed at a position facing the light source side parabolic reflector 41 so as to form an R angle with the first optical axis 412.
  • R is an acute angle of 0 or more and 90 or less.
  • the first path extension parabolic reflector 61 reflects light incident parallel to the first optical axis 412 to the third focal point 611.
  • the second path extension parabolic reflector 62 is disposed at a position facing the first path extension parabolic reflector 61, shares a third focal point 611, and a third focal point of the bottom reflector 71 ( Light reflected from 611 and incident thereon is reflected in the direction of the optical axis 414 parallel to the first optical axis 412.
  • the third path extension parabolic reflector 63 is disposed to form a Q angle with an optical axis 414 parallel to the first optical axis 412.
  • Q is an acute angle of 0 or more and 90 or less.
  • the third path extension parabolic reflector 63 reflects light incident parallel to the optical axis 414 to the fourth focal point 612.
  • the fourth path extension parabolic reflector 64 is disposed at a position facing the third path extension parabolic reflector 63, shares a fourth focal point 612, and a fourth focal point of the bottom reflector 71 ( The light reflected from 612 and incident thereon is reflected in the direction of the optical axis 416 parallel to the first optical axis 412.
  • the fifth path extension parabolic reflector 65 is disposed to form an S angle with an optical axis 416 parallel to the first optical axis 412.
  • S is an acute angle of 0 or more and 90 or less.
  • the fifth path extension parabolic reflector 65 reflects light incident parallel to the optical axis 416 to the fifth focal point 613.
  • the sixth path extension parabolic reflector 66 is disposed at a position facing the fifth path extension parabolic reflector 65, shares the fifth focal point 613, and the fifth focal point of the bottom reflector 71 ( Light reflected and incident from 613) is reflected in the direction of the second optical axis 512 parallel to the first optical axis 412.
  • the bottom reflector 71 includes a third focal point 611 and a fourth focal point on one plane including the first focal point of the parabolic reflector 41 on the light source side and the second focal point of the parabolic reflector 51 on the light detection side. 612 and the fifth focal point 613 may be implemented.
  • 9 is an exemplary view for explaining a calculation formula for obtaining the optical path length L using a parabolic reflector.
  • the optical path length of the optical waveguide When the light absorption rate of gas molecules is low, the optical path length of the optical waveguide must be lengthened. In other words, in order to manufacture a non-dispersive infrared type gas sensor, the optical path length must be determined in consideration of the light absorption rate of gas molecules. For example, when the light absorption rate is high, such as carbon dioxide (CO2), and the measurement range is relatively high, the optical waveguide may be manufactured by shortening the optical path length. However, if the light absorption rate is low such as carbon monoxide (CO) and the measurement range is relatively low concentration, the optical path length must be lengthened.
  • the optical path length of the optical waveguide provided by the present invention can be calculated from Equation (9), which is a function of the parabolic reflector.
  • the first light emitted from the light source located at the origin O(0,0) for the parabolic reflector having the function of equation (9) passes through the points A(-a1, b1) to the point C(c,b1).
  • Optical path lengths are obtained for the path and the second optical path in which the light emitted from the light source proceeds to E(c, b2) through D(a2, b2).
  • the length of the first optical path is Therefore, the first optical path length can be obtained as follows.
  • FIG. 10 is an exemplary view for explaining a calculation formula for obtaining the optical path length L from a light source to a photodetector in an optical waveguide according to the present invention.
  • the same configuration as in Fig. 8 uses the same reference numerals.
  • the light source side parabolic reflector in the light path that is emitted from the light source located at the first focus and reflected from the reflective surface of the light source side parabolic reflector 41 is reflected from the reflective surface of the photodetector side parabolic reflector 51 and converges to the photodetector
  • the focal length of (41) is P1
  • the focal length of the parabolic reflector 51 on the light detection side is P2
  • the focal length of the first path expansion parabolic reflector 61 is P2-1
  • Focal length is P1-1
  • the focal length of the 3rd path extension parabolic reflector 63 is P2-2
  • the focal length of the 4th path extension parabolic reflector 64 is P1-2
  • the 5th path extension If the focal length of the parabolic reflector 65 is P2-3 and the focal length of the parabolic reflector 66 for path expansion is P1-3, the light emitted from the light source proceeds from the focal point of the parabolic
  • FIG. 11 is an exemplary diagram of an optical waveguide design for a carbon monoxide sensor of a non-dispersive infrared type.
  • the light absorption rate of the carbon monoxide (CO) molecule is about 0.35 times that of the carbon dioxide (CO) molecule.
  • the measurement range of the carbon dioxide (CO2) gas sensor is usually about 0 to 2,000 ppm, but the carbon monoxide (CO) gas sensor is about 0 to 200 ppm. From this, the optical path length of the optical waveguide for detecting carbon monoxide (C0) must satisfy the following conditions from Equation (1).
  • Is the light absorption rate of carbon dioxide (CO2) Is the optical path length for detecting carbon dioxide (CO2) in a non-dispersive infrared method
  • Is the light absorption rate of carbon monoxide (CO) Denotes the optical path length for detecting carbon monoxide (CO) in a non-dispersive infrared method.
  • the length of the optical waveguide of the non-dispersive infrared type carbon dioxide (CO2) sensor with a measurement range of 0 to 2000 ppm is at least about 20 mm. Based on this, the optical path length L of an optical waveguide for manufacturing a non-dispersive infrared type carbon monoxide (CO) sensor can be calculated as follows from Equation (13).
  • FIG. 11 is an exemplary diagram of an optical waveguide used for a carbon monoxide (CO) sensor of a non-dispersive infrared type designed based on Equation (14).
  • CO carbon monoxide

Abstract

본 발명은 포물반사체를 기하학적으로 배치하여 광 도파관의 길이는 짧게, 두께는 얇게, 그리고 광 경로 길이(optical path length)는 길게 제작함으로써 가스 분자의 광 흡수성을 향상시키면서 제품 생산성을 높일 수 있는 광 도파관과 광학계 및 광학식 가스센서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광원에서 광검출기까지의 광 경로 길이(L)를 확장하는 경로확장부는 제1 광축과 소정 각도를 이루도록 배치되고, 상기 제1 광축에 평행하게 입사되는 광을 제m+2 초점로 반사하는 적어도 1 이상의 제n 경로확장용 포물반사체와, 제m+2 초점을 가지며 제n 경로확장용 포물반사체에서 반사된 후 상기 제m+2 초점에 입사되는 광을 반사하는 바닥 반사부와, 제n 경로확장용 포물반사체와 대향해서 배치되고 제m+2 초점을 공유하며 바닥 반사부의 제m+2 초점에서 반사되어 입사되는 광을 제1 광축에 평행한 방향으로 반사하는 적어도 1 이상의 제n+1 경로확장용 포물반사체를 포함한다.

Description

광 도파관과 광학계 및 광학식 가스센서
본 발명은 포물반사체(parabolic reflector)를 이용한 광 도파관과 광학계 및 광학식 가스센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포물반사체를 기하학적으로 배치하여 광 도파관의 길이는 짧게, 두께는 얇게, 그리고 광 경로 길이(optical path length)는 길게 제작함으로써 가스 분자의 광 흡수성을 향상시키면서 제품 생산성을 높일 수 있는 광 도파관과 광학계 및 광학식 가스센서에 관한 것이다.
일반적으로 가스센서는 광학식과 접촉식으로 분류된다. 광학식 가스센서는 접촉식 가스센서보다 수명이 길고 측정 정확도가 높은 반면 제품 단가가 고가이다. 광학식 센서로써 가장 대표적인 것이 비분산 적외선 방식(NDIR : Non-Dispersive Infrared)의 가스 센서이다. 최근들어 광 부품 단가의 하락과 우수한 광학기술이 적용되어 NDIR 가스 센서의 가격이 하락하여 그 수요가 크게 증가하고 있다. 최근 환경부에서는 실내 공기질 관리를 위해 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)와 같은 가스를 비분산 적외선 방식(NDIR)의 가스센서로 측정하도록 ‘다중 이용시설 등의 실내 공기질 관리법’에 규정하고 있다.
광학식 가스센서는 가스 분자가 특정한 파장대의 광을 흡수하는 특성을 이용한다. 예를 들어, 이산화탄소(CO2)는 중심 파장대 4.26㎛ 부근에서, 일산화탄소(CO)는 중심 파장대 4.64㎛ 부근에서, 메탄(CH4)은 중심 파장대 3.3㎛ 부근에서 적외선을 흡수한다. 광학식 가스센서는 가스농도에 따른 가스 분자의 광 흡수율을 검출하며, 가스농도 측정기는 광학식 가스센서에서 검출한 광 흡수율을 가스 농도로 환산한다.
비분산 적외선 방식(NDIR)의 가스센서는 분산(dispersion)하지 않은 여러 파장대의 광을 광 도파관에 존재하는 가스 분자에 조사한다. 비분산 적외선 방식(NDIR)의 가스센서는 가스 분자가 흡수하는 파장대의 광을 투과시키는 광 필터(optical filter)를 이용해 광검출기에 도달하는 광량과 가스농도 상호관계로부터 광 도파관 내의 가스농도를 환산하는 기술이 적용된 가스센서이다.
비어-램버트(Beer-Lambert) 이론에 의하면, 광검출기에 도달하는 광량은 가스 분자의 광 흡수율(optical absorbance)과 광원에서 광검출기까지의 광 경로 길이(optical path length)에 지수적으로 반비례한다.
Figure PCTKR2019001920-appb-I000001
----- (식 1)
식 1에서 I 는 광검출기에 도달하는 광량을, I0는 가스 농도가 0일 때 광검출기에 도달하는 광량을, α는 가스 분자의 광 흡수율을, L은 광 경로 길이를, X는 가스 농도를 나타낸다.
비분산 적외선 방식을 포함한 광학식으로 우수한 가스센서를 제작하기 위해서는 적은 가스농도 변화에 대해 광검출기에 도달하는 광량의 변화가 커야 한다. 이러한 경우는 가스 분자의 광 흡수율인 α값이 매우 크거나 광 경로 길이 L이 커야 한다. 다시 말해 적은 가스 농도 변화에 대해 광검출기에 도달하는 광량의 변화가 크다면 광검출기에서 출력되는 전기 신호의 변화 또한 크므로 신호 대비 잡음 비율인 S/N 비율이 커서 우수한 가스센서를 제작할 수 있다.
상기의 조건을 충족시키기 위해서는 광학적으로 광원의 출력이 매우 크거나 광검출기의 감도가 매우 좋아야 한다. 그러나 출력이 큰 광원 또는 감도가 좋은 광검출기는 일반적으로 매우 고가이므로 이를 적용한 비분산 적외선 방식의 가스센서의 단가는 높아지게 된다.
이러한 문제를 해결하는 방법은 광 효율성이 높은 광 도파관을 사용하는 것이다. 우수한 광 효율성이라 함은 다음의 3가지 특성을 만족해야 한다.
― 광 경로(optical path) 길이가 길어야 한다.
― 광이 충분히 확산되어야 한다.
― 광이 광검출기에 집중(focusing)되어야 한다.
상기의 조건을 고려하여 제작되는 광 도파관은 원, 타원, 포물선, 기타 형태의 반사체를 기하학적으로 배치하여 광원에서 방출된 광이 광검출기에 가능한 한 많이 도달되도록 제작된다. 그러나 이러한 조건을 모두 충족시키는 것은 매우 어려운 것으로 특히 광원의 크기에 의해 크기를 작게 설계하는 데는 한계가 있다. 즉, 광 도파관을 작게 설계할수록 광원은 더 이상 점광원이 될 수 없으므로 설계된 의도와 달리 광 경로는 원하지 않는 방향으로 진행하며 결국 광 손실이 발생하여 광 효율성을 떨어뜨리게 된다. 예를 들어 광 경로를 길게 설계하면 광원의 크기에 의한 초기의 오차가 광 도파관에서 반사를 거듭할수록 의도된 광 경로에서 크게 벗어난다. 이러한 이유에 의해 광 도파관을 작게 만드는데 한계가 있어 결과적으로 가스센서의 크기를 작게 하는데 제약사항이 된다.
일반적으로 동일한 크기의 광 도파관인 경우 광 경로를 길게 하면 광 도파관 내부에서 광의 반사 횟수는 많아진다. 그러나 반사 횟수가 커질수록 반사에 의한 광 손실 또한 크다. 반사에 의한 광 손실을 줄이기 위해서는 광 도파관 반사면의 반사율을 높여야 한다. 일반적으로 광 도파관은 금속 코팅하며 그 방식으로는 금속 도금 내지 증착 방법이 이용된다. 일반적으로 금속 도금이 증착에 비해 단가가 훨씬 저렴하나 금속 도금의 반사면의 금속 코팅의 두께를 충분히 두껍게 할 수 없어 반사율이 증착에 비해 낮다. 궁극적인 목적인 제품으로 생산하기 위해서는 생산 단가 측면도 고려해야 하는 중요한 사항으로 고려하면 반사율을 높이기 위한 코팅 비용 또한 고려하지 않을 수 없다. 즉, 동일한 크기의 광 도파관에 대해 광 경로를 길게 하는 것은 비용적인 측면에서도 한계가 있다.
이렇듯 반사에 의한 광 손실을 고려한다면 광 도파관의 긴 광경로 길이를 가지며 크기를 작게하는 것은 서로 양립할 수 없는 조건이 되므로 작은 크기의 광 도파관을 설계하는데 많은 제약사항이 되어 결국 비분산 적외선 방식의 가스 센서를 작게 하는 것에 제약으로 귀결되는 문제가 있다.
한편, 도 1과 같이 일산화탄소(CO)는 이산화탄소(CO2)에 비해 광 흡수율이 상대적으로 낮다. 일산화탄소(CO) 분자의 최대 광 흡수율은 이산화탄소(CO2) 분자의 최대 광흡수율의 약 0.35 배 정도이다. 또한, 일반적으로 광 도파관 내의 이산화탄소(CO2)의 가스 농도는 최대 2000ppm 정도이나 일산화탄소(CO)의 가스 농도는 최대 200ppm으로 상대적으로 저농도이다. 따라서, 광 흡수율과 가스농도가 다른 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)의 가스농도를 모두 측정할 수 있는 광학식 가스센서를 설계하는 것은 매우 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 제안된 것으로, 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 광 도파관을 설계하는 데 있어서 크기를 작게 하면서 광의 진행 과정에서 광 반사 횟수를 최소화하며, 광 도파관 내부에서 광 진행의 사각 지대를 최소화하며, 최종적으로 한 점에 수렴하도록 함으로써 광 효율을 최대화하는 것이다.
그러므로 결과적으로, 본 발명은 측정하고자 하는 가스 분자의 광 흡수율이 낮고, 광 도파관 내의 존재하는 가스 분자의 농도가 적더라도 측정 정확도가 높은 가스센서를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광 도파관은, 제1 초점에서 방출되는 광을 제1 광축에 평행한 방향으로 반사하는 광원측 포물반사체와; 상기 제1 광축에 평행한 제2 광축에 평행하게 입사되는 광을 제2 초점을 향하도록 반사하는 광검출측 포물반사체와; 상기 광원측 포물반사체와 광검출측 포물반사체 사이에 설치되며, 광원측 포물반사체에서 광검출측 포물반사체까지의 광 경로 길이(L)를 확장하는 경로확장부를 포함한다.
상기 경로확장부는, 제1 광축과 소정 각도를 이루도록 배치되고 제1 광축에 평행하게 입사되는 광을 제m+2 초점로 반사하는 적어도 1 이상의 제n 경로확장용 포물반사체와; 제m+2 초점을 가지며 상기 제n 경로확장용 포물반사체에서 반사된 후 상기 제m+2 초점에 입사되는 광을 반사하는 바닥 반사부와; 상기 제n 경로확장용 포물반사체와 대향해서 배치되고 상기 제m+2 초점을 공유하며 상기 바닥 반사부의 제m+2 초점에서 반사되어 입사되는 광을 제1 광축에 평행한 방향으로 반사하는 적어도 1 이상의 제n+1 경로확장용 포물반사체를 포함한다. 여기서, 상기 n은 1부터 시작하는 홀수이고, 상기 m은 1부터 시작하는 정수이다.
본 발명에 따른 광학계는, 제1 초점에 설치되는 광원과 상기 광원에서 방출되는 광을 제1 광축에 평행한 방향으로 반사하는 광원측 포물반사체를 포함하는 발광부와; 제2 초점에 설치되는 광검출기와 상기 제1 광축에 평행한 제2 광축에 평행하게 입사되는 광을 상기 광검출기를 향하도록 반사하는 광검출측 포물반사체 포함하는 수광부와; 상기 발광부와 수광부 사이에 설치되며, 상기 광원에서 광검출기까지의 광 경로 길이(L)를 확장하는 경로확장부를 포함한다.
상기 경로확장부는, 제1 광축과 소정 각도를 이루도록 배치되고, 상기 제1 광축에 평행하게 입사되는 광을 제m+2 초점로 반사하는 적어도 1 이상의 제n 경로확장용 포물반사체와; 상기 제m+2 초점을 가지며, 상기 제n 경로확장용 포물반사체에서 반사된 후 상기 제m+2 초점에 입사되는 광을 반사하는 바닥 반사부와; 상기 제n 경로확장용 포물반사체와 대향해서 배치되고, 상기 제m+2 초점을 공유하며, 상기 바닥 반사부의 제m+2 초점에서 반사되어 입사되는 광을 제1 광축에 평행한 방향으로 반사하는 적어도 1 이상의 제n+1 경로확장용 포물반사체를 포함한다. 여기서, 상기 n은 1부터 시작하는 홀수이고, 상기 m은 1부터 시작하는 정수이다.
본 발명에 따른 광학식 가스센서는, 광을 방출하는 광원과; 상기 광원에서 방출되는 광이 통과하는 광 도파관과; 상기 광 도파관을 통과한 광을 검출하는 광검출기와; 상기 광검출기 전면에 배치되며 가스 분자가 흡수하는 파장대의 광을 투과시키는 광 필터와; 상기 광검출기에 도달하는 광량을 이용하여 특정한 파장의 광을 흡수하는 가스 분자의 광 흡수율을 측정하여 상기 가스 분자의 농도를 산출하는 가스농도 산출부를 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광 도파관과 광학계 및 광학식 가스센서는, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 광원에서 방출된 광이 광 검출기에 도달하는 과정에서 반사의 횟수를 최소화 함으로써 광 손실을 최소화할 수 있다.
둘째, 광 경로 길이를 확장하는 경우 서로 대향하는 포물 반사체를 추가로 배치함으로써 매우 용이하게 광 도파관을 설계, 제작할 수 있다.
셋째, 서로 대향하는 포물 반사체의 크기를 조정함으로써 크기를 작게하고 광 경로 길이가 긴 광 도파관을 설계, 제작할 수 있다.
넷째, 결론적으로 상기의 효과로부터 크기는 작고 광 경로 길이가 긴 광 도파관을 설계, 제작할 수 있으므로 일산화탄소와 같이 같은 광 흡수율이 낮고 측정 농도 영역이 상대적으로 저농도인 가스 센서를 기존의 제품에 비해 상당히 작은 크기의 센서를 제작할 수 있다.
도 1 은 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)의 광 흡수율을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2 는 본 발명의 광학식 가스센서의 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 은 포물반사체의 광학적 특성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 발광부의 광학적 특성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 수광부의 광학적 특성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6 내지 도 8 은 본 발명에 따른 광 도파관의 경로확장부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 9 는 포물반사체를 이용한 광 경로 길이(L)를 구하는 산출식을 설명하기 위한 예시도이다.
도 10 은 본 발명에 따른 광 도파관에서 광원에서 광검출기까지의 광 경로 길이(L)를 구하는 산출식을 설명하기 위한 예시도이다.
도 11 은 비분산 적외선 방식의 일산화탄소 센서를 위한 광 도파관 설계 예시도이다.
도면 부호
41 : 광원측 포물반사체
411 : 제1 초점 412 : 제1 광축
51 : 광검출측 포물반사체
511 : 제2 초점 512 : 제2 광축
61 : 제1 경로확장용 포물반사체 62 : 제2 경로확장용 포물반사체
63 : 제3 경로확장용 포물반사체 64 : 제4 경로확장용 포물반사체
65 : 제5 경로확장용 포물반사체 66 : 제6 경로확장용 포물반사체
611 : 제3 초점 612 : 제4 초점
613 : 제5 초점
71 : 바닥 반사부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 광학식 가스센서(200)는 도 2에 도시한 바와 같이, 광을 조사하는 광원(210), 광원(210)에서 조사된 광이 통과하는 광 도파관(220), 광 도파관(220)을 통과한 광을 검출하는 광검출기(240), 광검출기(240) 전면에 배치되며 가스 분자가 흡수하는 파장대의 광을 투과시키는 광 필터(230), 광검출기(240)에 도달하는 광량을 이용하여 특정한 파장의 광을 흡수하는 가스 분자의 광 흡수율을 측정하여 가스 분자의 농도를 산출하는 가스농도 산출부(250)를 포함하여 구현될 수 있다. 광원(210)은 백열광원을 포함하고, 광검출기(240)는 광전 소자, 초전 소자, 열전 소자 중 하나로 구현될 수 있다.
본 발명의 광학식 가스센서(200)는 가정, 빌딩, 가전제품, 자동차, 의료 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소, 황사/가스/연기/화재 감지, 카메라, 적외선 음향, 휴대용 스마트폰, 태블릿 PC, 웨어러블 PC에 사용될 수 있다. 본 발명의 광 도파관(220)은 포물반사체를 기하학적으로 배치하여 광 경로 길이(optical path length)를 길게 함으로써 가스 분자의 광 흡수를 향상시키는 광 도파관으로 구현된다.
포물반사체는 반사면이 포물 곡선의 형태를 갖는 것으로, 본 발명에 사용되는 포물반사체의 광학적 특성을 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 포물 곡선은 기하학적으로 1개의 초점을 가진다. 포물반사체의 광학적 특성은 초점에 위치한 광원에서 방출된 광이 포물반사체의 반사면에 반사되면 광축(optic axis)과 평행하게 진행한다. 여기서 광축은 포물반사체의 꼭지점(apex)과 초점(focal point)을 지나는 직선 축이다.
도 3에서 광원은 원점인 O(0,0)에 있으며 광원에서 방출된 광은 포물반사체 F(x,y)= y2 + px + q 상의 임의의 점 A(x,y)에서 반사되며 광축(optic axis)과 평행하게 진행한다. 임의의 점 A(x,y)에서 반사된 광은 반사 법칙에 의해 F의 법선 벡터에 대해 입사각과 반사각이 같다. 이에 법선 벡터는 다음과 같이 주어진다.
Figure PCTKR2019001920-appb-I000002
--- 식 (2)
법선벡터의 단위 벡터인
Figure PCTKR2019001920-appb-I000003
은 다음과 같다.
Figure PCTKR2019001920-appb-I000004
--- 식 (3)
여기서
Figure PCTKR2019001920-appb-I000005
와
Figure PCTKR2019001920-appb-I000006
는 각각 x 축과 y 축의 단위 벡터이다.
광원에서 방출된 광이 포물반사체에서 반사되는 점 A(x,y)까지의 단위 벡터를
Figure PCTKR2019001920-appb-I000007
, 점 A(x,y)에서 반사되어 광축(x 축)과 평행하게 진행하는 단위 벡터를
Figure PCTKR2019001920-appb-I000008
이라 하면 각각은 다음과 같이 구해진다. 단, 여기서,
Figure PCTKR2019001920-appb-I000009
,
Figure PCTKR2019001920-appb-I000010
는 각각 x축, y축의 단위벡터이다.
Figure PCTKR2019001920-appb-I000011
--- 식 (4)
Figure PCTKR2019001920-appb-I000012
--- 식 (5)
Figure PCTKR2019001920-appb-I000013
--- 식 (6)
Figure PCTKR2019001920-appb-I000014
--- 식 (7)
Figure PCTKR2019001920-appb-I000015
--- 식 (8)
Figure PCTKR2019001920-appb-I000016
--- 식 (9)
식 (9)는 포물반사체를 나타내는 함수로써 p 값은 포물반사체의 초점 거리이다. 본 발명의 광 도파관은 다수의 포물반사체로 구성되는데 이때 광 경로를 고려하여 포물반사체를 위치시키는데 기본 함수로 식 (9)를 이용한다.
도 4 는 본 발명에 따른 발광부의 광학적 특성을 설명하기 위한 예시도이고, 도 5 는 본 발명에 따른 수광부의 광학적 특성을 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명에서 가스를 검지하기 위한 광은 예를 들어, 이산화탄소 검지를 위해 4.26㎛, 일산화탄소 검지를 위해 4.64㎛, 메탄 검지를 위해 3.3㎛ 파장대의 적외선을 이용한다. 일반적으로 이러한 파장대의 광원으로 백열등 또는 엘이디(LED) 등을 이용하는데 특수한 경우를 제외하고 이러한 광원은 방향성을 갖지 않는다. 광원이 방향성을 갖지 않으면 광원과 광검출기 간의 거리가 멀어지면 광 효율을 거리의 제곱에 반비례하여 낮아진다. 이러한 이유로 광 효율을 높이기 위해서는 광원에서 방출된 광이 방향성을 가져야 하며 이를 위해 포물반사체를 이용한다. 광검출기의 광 검지 부분의 크기는 매우 작아 이 또한 포물반사체를 이용하여 집광시킴으로써 광 효율을 높인다.
도 4에서 광원측 포물반사체(41)의 제1 초점(411)에 위치한 광원에서 방출된 광은 광원측 포물반사체(41)의 반사면에 반사되어 제1 광축(412)과 평행한 방향으로 광이 진행한다. 다시 말해 광원에서 방향성이 없이 방출된 광에 광원측 포물반사체(41)를 적용함으로써 광의 방향성을 형성하도록 한다.
도 5에서 광검출측 포물반사체(51)의 제2 초점(511)에 광검출기가 위치하며 제2 광축(512)과 평행하게 입사되는 광이 광검출측 포물반사체(51)의 반사면에서 반사되면 제2 초점(511)에 위치한 광검출기로 수렴하도록 한다.
도 4와 도 5 과정을 통해 결론적으로 광원에서 방출된 광은 광검출기로 집광시키는 효과가 있다. 즉 도 4에서와 같이 광원측 포물반사체(41)의 제1 초점(411)에 위치한 광원에서 방출된 광은 광원측 포물반사체(41)의 반사면에서 반사되어 제1 광축(412)과 평행한 평행광을 형성하여 진행하며 제1 광축(412)과 평행한 제2 광축(512)과 평행하게 광검출측 포물반사체(51)에 도달하면 광검출측 포물반사체(51)의 제2 초점(511)에 위치한 광검출기에 수렴한다.
이하, 상기의 진행과정을 충족시키는 광 경로 상에 복수의 경로확장용 포물반사체를 배치시켜 광 경로 길이를 길게 한 광 도파관을 설명한다.
도 6 내지 도 8 은 본 발명에 따른 광 도파관(200)의 경로확장부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 광 도파관(200)의 경로확장부(61, 62, 63)는 광원측 포물반사체(41)와 광검출측 포물반사체(51) 사이에 설치되며, 광원에서 광검출기까지의 광 경로 길이(L)를 확장한다. 또한, 도 6의 (b)를 참조하면, 경로확장부(61, 62, 63)는 제1 경로확장용 포물반사체(61)와 바닥 반사부(71)와 제2 경로확장용 포물반사체(62)를 포함한다.
제1 경로확장용 포물반사체(61)는 광원측 포물반사체(41)와 마주하는 위치에 제1 광축(412)과 R 각도를 이루도록 배치된다. 여기서, R은 0 이상 90 이하의 예각이다. 제1 경로확장용 포물반사체(61)는 제1 광축(412)에 평행하게 입사되는 광을 제3 초점(611)로 반사한다.
바닥 반사부(71)는 제3 초점(611)를 가지며 제1 경로확장용 포물반사체(61)에서 반사된 후 제3 초점(611)에 입사되는 광을 반사한다. 바닥 반사부(71)는 광원측 포물반사체(41)의 제1 초점과 광검출측 포물반사체(51)의 제2 초점을 포함하는 하나의 평면상에 제3 초점(611)를 갖도록 구현될 수 있다.
제2 경로확장용 포물반사체(62)는 제1 경로확장용 포물반사체(61)와 마주하는 위치에 배치되고, 제3 초점(611)를 공유하며, 바닥 반사부(71)의 제3 초점(611)에서 반사되어 입사되는 광을 제2 광축(512)에 평행한 방향으로 반사한다.
광원측 포물반사체(41)와 제2 경로확장용 포물반사체(62)는 연속하는 면으로 일체형으로 형성될 수 있다. 광검출측 포물반사체(51)와 제1 경로확장용 포물반사체(61)는 연속하는 면으로 일체형으로 형성될 수 있다.
광원측 포물반사체(41)의 크기는 광원측 포물반사체(41)의 반사면에서의 광 스폿 사이즈 이상으로 구현된다. 광검출측 포물반사체(51)의 크기는 광검출측 포물반사체(51)의 반사면에서의 광 스폿 사이즈 이상으로 구현된다.
도 7의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 광 도파관(200)의 경로확장부(61, 62, 63, 64, 71)는 광원측 포물반사체(41)와 광검출측 포물반사체(51) 사이에 설치되며, 광원에서 광검출기까지의 광 경로 길이(L)를 확장한다. 또한, 도 6의 (b)를 참조하면, 경로확장부(61, 62, 63, 64, 71)는 제1 경로확장용 포물반사체(61)와 바닥 반사부(71)와 제2 경로확장용 포물반사체(62)와 제3 경로확장용 포물반사체(63)와 제4 경로확장용 포물반사체(64)를 포함한다.
제1 경로확장용 포물반사체(61)는 광원측 포물반사체(41)와 마주하는 위치에 제1 광축(412)과 R 각도를 이루도록 배치된다. 여기서, R은 0 이상 90 이하의 예각이다. 제1 경로확장용 포물반사체(61)는 제1 광축(412)에 평행하게 입사되는 광을 제3 초점(611)로 반사한다.
제2 경로확장용 포물반사체(62)는 제1 경로확장용 포물반사체(61)와 마주하는 위치에 배치되고, 제3 초점(611)를 공유하며, 바닥 반사부(71)의 제3 초점(611)에서 반사되어 입사되는 광을 제1 광축(412)에 평행한 광축(414) 방향으로 반사한다.
제3 경로확장용 포물반사체(63)는 제1 광축(412)과 평행한 광축(414)과 Q 각도를 이루도록 배치된다. 여기서, Q는 0 이상 90 이하의 예각이다. 제3 경로확장용 포물반사체(63)는 광축(414)에 평행하게 입사되는 광을 제4 초점(612)로 반사한다.
제4 경로확장용 포물반사체(64)는 제3 경로확장용 포물반사체(63)와 마주하는 위치에 배치되고, 제4 초점(612)를 공유하며, 바닥 반사부(71)의 제4 초점(612)에서 반사되어 입사되는 광을 제2 광축(512) 방향으로 반사한다.
바닥 반사부(71)는 광원측 포물반사체(41)의 제1 초점과 광검출측 포물반사체(51)의 제2 초점을 포함하는 하나의 평면상에 제3 초점(611)와 제4 초점(612)를 갖도록 구현될 수 있다.
도 8의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 광 도파관(200)의 경로확장부(61, 62, 63, 64, 65, 66, 71)는 광원측 포물반사체(41)와 광검출측 포물반사체(51) 사이에 설치되며, 광원에서 광검출기까지의 광 경로 길이(L)를 확장한다. 또한, 도 8의 (b)를 참조하면, 경로확장부(61, 62, 63, 64, 65, 66, 71)는 제1 경로확장용 포물반사체(61)와 제2 경로확장용 포물반사체(62)와 제3 경로확장용 포물반사체(63)와 제4 경로확장용 포물반사체(64)와 제5 경로확장용 포물반사체(65)와 제6 경로확장용 포물반사체(66)와 바닥 반사부(71)를 포함한다.
또한, 도 7의 (b)를 참조하면, 경로확장부(61, 62, 63, 64, 71)는 제1 경로확장용 포물반사체(61)와 바닥 반사부(71)와 제2 경로확장용 포물반사체(62)와 제3 경로확장용 포물반사체(63)와 제4 경로확장용 포물반사체(64)를 포함한다.
제1 경로확장용 포물반사체(61)는 광원측 포물반사체(41)와 마주하는 위치에 제1 광축(412)과 R 각도를 이루도록 배치된다. 여기서, R은 0 이상 90 이하의 예각이다. 제1 경로확장용 포물반사체(61)는 제1 광축(412)에 평행하게 입사되는 광을 제3 초점(611)로 반사한다.
제2 경로확장용 포물반사체(62)는 제1 경로확장용 포물반사체(61)와 마주하는 위치에 배치되고, 제3 초점(611)를 공유하며, 바닥 반사부(71)의 제3 초점(611)에서 반사되어 입사되는 광을 제1 광축(412)에 평행한 광축(414) 방향으로 반사한다.
제3 경로확장용 포물반사체(63)는 제1 광축(412)과 평행한 광축(414)과 Q 각도를 이루도록 배치된다. 여기서, Q는 0 이상 90 이하의 예각이다. 제3 경로확장용 포물반사체(63)는 광축(414)에 평행하게 입사되는 광을 제4 초점(612)로 반사한다.
제4 경로확장용 포물반사체(64)는 제3 경로확장용 포물반사체(63)와 마주하는 위치에 배치되고, 제4 초점(612)를 공유하며, 바닥 반사부(71)의 제4 초점(612)에서 반사되어 입사되는 광을 제1 광축(412)과 평행한 광축(416) 방향으로 반사한다.
제5 경로확장용 포물반사체(65)는 제1 광축(412)과 평행한 광축(416)과 S 각도를 이루도록 배치된다. 여기서, S는 0 이상 90 이하의 예각이다. 제5 경로확장용 포물반사체(65)는 광축(416)에 평행하게 입사되는 광을 제5 초점(613)로 반사한다.
제6 경로확장용 포물반사체(66)는 제5 경로확장용 포물반사체(65)와 마주하는 위치에 배치되고, 제5 초점(613)를 공유하며, 바닥 반사부(71)의 제5 초점(613)에서 반사되어 입사되는 광을 제1 광축(412)과 평행한 제2 광축(512) 방향으로 반사한다.
바닥 반사부(71)는 광원측 포물반사체(41)의 제1 초점과 광검출측 포물반사체(51)의 제2 초점을 포함하는 하나의 평면상에 제3 초점(611)와 제4 초점(612)와 제5 초점(613)를 갖도록 구현될 수 있다.
도 9 는 포물반사체를 이용한 광 경로 길이(L)를 구하는 산출식을 설명하기 위한 예시도이다.
가스 분자의 광 흡수율이 낮으면 광 도파관의 광 경로 길이를 길게 해야 한다. 다시 말해 비분산 적외선 방식의 가스 센서를 제작하기 위해서 가스 분자의 광 흡수율을 고려하여 광 경로 길이를 결정해야 한다. 예를 들어 이산화탄소(CO2)와 같이 광 흡수율이 높고 측정 범위가 상대적으로 고농도인 경우 광 경로 길이를 짧게 정하여 광 도파관을 제작할 수 있다. 그러나 일산화탄소(CO)와 같이 광 흡수율이 낮고 측정 범위가 상대적으로 저농도인 경우 광 경로 길이를 길게 해야 한다. 본 발명에서 제공하는 광 도파관의 광 경로 길이는 포물반사체의 함수인 식 (9)로부터 계산할 수 있다.
식 (9)의 함수를 갖는 포물반사체에 대해 원점Ｏ(0,0)에 위치한 광원으로부터 방출된 광이 점A(-a1, b1)을 거쳐 점C(c,b1)으로 진행하는 제1 광 경로와 광원에서 방출된 광이 D(a2, b2)를 거쳐 E(c, b2)로 진행하는 제2 광 경로에 대해 각각 광 경로 길이를 구한다. 제1 광 경로의 길이는
Figure PCTKR2019001920-appb-I000017
이므로 제1 광 경로 길이는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure PCTKR2019001920-appb-I000018
--- 식 (10)
Figure PCTKR2019001920-appb-I000019
--- 식 (11)
식 (10)와 식 (11)로부터 광원에서 방출된 광은 포물반사체의 반사의 위치에 상관없이 광 경로 길이는 일정함을 알 수 있다.
도 10 은 본 발명에 따른 광 도파관에서 광원에서 광검출기까지의 광 경로 길이(L)를 구하는 산출식을 설명하기 위한 예시도이다. 도 8과 동일한 구성은 동일한 참조부호를 사용한다.
제1 초점에 위치한 광원에서 방출되어 광원측 포물반사체(41)의 반사면에서 반사된 광이 광검출측 포물반사체(51)의 반사면에서 반사되어 광검출기에 수렴하는 광 경로에서 광원측 포물반사체(41)의 초점거리를 P1, 광검출측 포물반사체(51)의 초점거리를 P2, 제1 경로확장용 포물반사체(61)의 초점거리를 P2-1, 제2 경로확장용 포물반사체(62)의 초점거리를 P1-1, 제3 경로확장용 포물반사체(63)의 초점거리를 P2-2, 제4 경로확장용 포물반사체(64)의 초점거리를 P1-2, 제5 경로확장용 포물반사체(65)의 초점거리를 P2-3, 제6 경로확장용 포물반사체(66)의 초점거리를 P1-3이라 하면, 광원에서 방출된 광이 광원측 포물반사체(41)의 초점에서 진행한 거리를 C1, 제6 경로확장용 포물반사체(66)의 반사면에서 반사되어 진행 과정에서 광검출측 포물반사체(51)의 초점까지 도달하는 과정에서 C2만큼 진행하였다면 전체 광 경로 길이(L)는 식 (11)로부터 다음과 같이 용이하게 도출된다.
Figure PCTKR2019001920-appb-I000020
--- 식 (12)
도 11 은 비분산 적외선 방식의 일산화탄소 센서를 위한 광 도파관 설계 예시도이다.
도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 일산화탄소(CO) 분자의 광 흡수율은 이산화탄소(CO) 분자의 광 흡수율의 약 0.35 배 정도이다. 또한, 이산화탄소(CO2) 가스 센서의 측정 범위는 대개 0 ∼ 2,000ppm 정도이나 일산화탄소(CO) 가스 센서는 0 ∼ 200ppm 정도이다. 이로부터 일산화탄소(C0)를 검지하기 위한 광 도파관의 광 경로 길이는 식 (1)로부터 다음과 같은 조건을 충족해야 한다.
Figure PCTKR2019001920-appb-I000021
--- 식 (13)
여기서
Figure PCTKR2019001920-appb-I000022
는 이산화탄소(CO2)의 광 흡수율을,
Figure PCTKR2019001920-appb-I000023
는 비분산 적외선 방식으로 이산화탄소(CO2)를 검지하기 위한 광 경로 길이를,
Figure PCTKR2019001920-appb-I000024
는 일산화탄소(CO)의 광 흡수율을,
Figure PCTKR2019001920-appb-I000025
는 비분산 적외선 방식으로 일산화탄소(CO)를 검지하기 위한 광 경로 길이를 나타낸다. 측정범위 0 ∼ 2000ppm를 갖는 비분산 적외선 방식의 이산화탄소(CO2) 센서의 광 도파관의 길이는 최소 20mm 정도이다. 이를 기준으로 비분산 적외선 방식의 일산화탄소(CO) 센서를 제작하기 위한 광 도파관의 광 경로 길이(L)는 식 (13)로부터 다음과 같이 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2019001920-appb-I000026
--- 식 (14)
도 11은 식 (14)를 근거로 하여 설계된 비분산 적외선 방식의 일산화탄소(CO) 센서에 사용되는 광 도파관의 예시도이다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 초점에서 방출되는 광을 제1 광축에 평행한 방향으로 반사하는 광원측 포물반사체와;
    상기 제1 광축에 평행한 제2 광축에 평행하게 입사되는 광을 제2 초점을 향하도록 반사하는 광검출측 포물반사체와;
    상기 광원측 포물반사체와 광검출측 포물반사체 사이에 설치되며, 광원측 포물반사체에서 광검출측 포물반사체까지의 광 경로 길이(L)를 확장하는 경로확장부를 포함하되,
    상기 경로확장부는,
    상기 제1 광축과 소정 각도를 이루도록 배치되고, 상기 제1 광축에 평행하게 입사되는 광을 제m+2 초점로 반사하는 적어도 1 이상의 제n 경로확장용 포물반사체와;
    상기 제m+2 초점을 가지며, 상기 제n 경로확장용 포물반사체에서 반사된 후 상기 제m+2 초점에 입사되는 광을 반사하는 바닥 반사부와;
    상기 제n 경로확장용 포물반사체와 대향해서 배치되고, 상기 제m+2 초점을 공유하며, 상기 바닥 반사부의 제m+2 초점에서 반사되어 입사되는 광을 제1 광축에 평행한 방향으로 반사하는 적어도 1 이상의 제n+1 경로확장용 포물반사체를 포함하며,
    상기 n은 1부터 시작하는 홀수이고,
    상기 m은 1부터 시작하는 정수인,
    광 도파관.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 바닥 반사부는,
    상기 제1 초점과 제2 초점을 포함하는 하나의 평면상에 상기 제m+2 초점을 갖는 것을 특징으로 하는,
    광 도파관.
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 광원측 포물반사체와 적어도 1 이상의 제n+1 경로확장용 포물반사체는 연속하는 면으로 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    광 도파관.
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 광검출측 포물반사체와 적어도 1 이상의 제n 경로확장용 포물반사체는 연속하는 면으로 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    광 도파관.
  5. 청구항 1 에 있어서,
    상기 광원측 포물반사체의 크기는 상기 광원측 포물반사체의 반사면에서의 광 스폿 사이즈 이상이고,
    상기 광검출측 포물반사체의 크기는 상기 광검출측 포물반사체의 반사면에서의 광 스폿 사이즈 이상인,
    광 도파관.
  6. 제1 초점에 설치되는 광원과 상기 광원에서 방출되는 광을 제1 광축에 평행한 방향으로 반사하는 광원측 포물반사체를 포함하는 발광부와;
    제2 초점에 설치되는 광검출기와 상기 제1 광축에 평행한 제2 광축에 평행하게 입사되는 광을 상기 광검출기를 향하도록 반사하는 광검출측 포물반사체 포함하는 수광부와;
    상기 발광부와 수광부 사이에 설치되며, 상기 광원에서 광검출기까지의 광 경로 길이(L)를 확장하는 경로확장부를 포함하되,
    상기 경로확장부는,
    상기 제1 광축과 소정 각도를 이루도록 배치되고, 상기 제1 광축에 평행하게 입사되는 광을 제m+2 초점로 반사하는 적어도 1 이상의 제n 경로확장용 포물반사체와;
    상기 제m+2 초점을 가지며, 상기 제n 경로확장용 포물반사체에서 반사된 후 상기 제m+2 초점에 입사되는 광을 반사하는 바닥 반사부와;
    상기 제n 경로확장용 포물반사체와 대향해서 배치되고, 상기 제m+2 초점을 공유하며, 상기 바닥 반사부의 제m+2 초점에서 반사되어 입사되는 광을 제1 광축에 평행한 방향으로 반사하는 적어도 1 이상의 제n+1 경로확장용 포물반사체를 포함하며,
    상기 n은 1부터 시작하는 홀수이고,
    상기 m은 1부터 시작하는 정수인,
    광학계.
  7. 청구항 6 에 있어서,
    상기 바닥 반사부는,
    상기 제1 초점과 제2 초점을 포함하는 하나의 평면상에 상기 제m+2 초점을 갖는 것을 특징으로 하는,
    광학계.
  8. 청구항 6 에 있어서,
    상기 광원측 포물반사체의 크기는 상기 광원측 포물반사체의 반사면에서의 광 스폿 사이즈 이상이고,
    상기 광검출측 포물반사체의 크기는 상기 광원측 포물반사체의 반사면에서의 광 스폿 사이즈 이상인,
    광학계.
  9. 광을 방출하는 광원과;
    상기 광원에서 방출되는 광이 통과하는 광 도파관과;
    상기 광 도파관을 통과한 광을 검출하는 광검출기와;
    상기 광검출기 전면에 배치되며, 가스 분자가 흡수하는 파장대의 광을 투과시키는 광 필터와;
    상기 광검출기에 도달하는 광량을 이용하여 특정한 파장의 광을 흡수하는 가스 분자의 광 흡수율을 측정하여 상기 가스 분자의 농도를 산출하는 가스농도 산출부를 포함하되,
    상기 광 도파관은 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 광 도파관으로 구현되는 것을 특징으로 하는,
    광학식 가스센서.
  10. 청구항 9 에 있어서,
    상기 특정한 파장의 광을 흡수하는 가스 분자는 일산화탄소(CO)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광학식 가스센서.
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