KR101215362B1 - 광열 효과 검출 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광열 효과 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 측정 대상체를 향하여 탐침 빛을 조사하는 제 1 광원; 측정 대상체를 향하여 일정한 주기로 여기 빛을 조사하는 제 2 광원; 상기 측정 대상체의 조사된 영역의 영상을 측정하는 카메라; 및 상기 카메라를 통해 측정된 영상신호를 분석하는 분석장치를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 광열 효과 검출 장치 및 방법은 측정 대상체에 접근이 어렵거나 측정 범위가 광범위한 경우에도 광열 효과에 의한 신호를 검출하여 측정 대상체의 내부 결함, 열적 성질 또는 농도 변화를 분석할 수 있다.

광열 효과, 탐침 빛, 여기 빛, 카메라, 영상 표시부

Description

광열 효과 검출 장치 및 방법{Apparatus and method for detecting photothermal effect}

본 발명은 광열 효과 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 측정 대상체에 접근이 어렵거나 측정 범위가 광범위한 경우에도 광열 효과에 의한 신호를 검출하여 측정 대상체의 내부 결함, 열적 성질 또는 농도 변화를 분석할 수 있는 광열 효과 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.

광열 효과는 빛의 흡수에 기인한 열적 변화에 기초를 두고 있고 이와 같은 효과를 대표하는 방법인 광음향 (optoacoustic 또는 photoacoustic) 분광학은 어떤 물질이 빛 에너지를 흡수함으로써 압력파가 발생되는 일련의 과정을 말한다.

이러한 광음향 분광학은 기존의 일반적인 분광법과 다르게 빛과 물질의 상호작용에 의하여 물질에 흡수되는 에너지를 직접 측정함으로써 광흡수가 적은 물질에 적용 되는 경우에도 좋은 검출 감도를 갖는 방법이다.

이때, 검출 신호는 시료가 흡수하는 흡수율에 비례하며 시료의 형태가 기체, 고체, 또는 액체인 경우에도 모두 적용이 가능할 뿐만 아니라 전처리 과정도 필요하지 않는 비파괴 측정 방법으로서 매우 큰 장점을 가지고 있다.

한편 광음향 효과는 시료의 광학적 성질 및 열적 성질뿐만 아니라 그 기하학적인 구조, 또는 탄성 성질에까지 의존하는 경향을 보여준다.

즉, 빛이 시료에 조사될 때 물성과 기하학적 구조에 따라 그 지점에서의 흡수 또는 반사 특성이 변하기 때문에 광음향 신호가 변하게 되는 것이다.

따라서 분석 시료의 표면이나 그 내부에 결함이 존재하는 경우에는 국소적인 열파가 변하게 되고 이는 광음향 신호의 변화로 이어져 그 결함들을 감지할 수 있으며, 각 미시적인 지점에서 어떤 불순물이 존재하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 광음향법은 깊이 영상 분석(depth-profiling analysis)을 가능하게 한다. 먼저 일시적인 빛이 파장 변화에 의해 광투과 깊이가 결정되면 광음향 신호가 생성되며 그 빛의 조사주기를 변화시키면 열파의 투과 깊이가 변화하게 된다. 즉, 열확산 길이가 빛의 조사주기에 의존함을 보여주게 되므로 여러 주파수에서의 깊이 영상 분석 실험이 가능하게 된다.

이러한 광음향 효과는 고감도 검출 방법으로서 다양한 시료 측정에 응용되어 왔으나 그 음향파 측정 방법에 있어서 분석 시료와 검출기가 근접해야 한다는 문제점이 있었다. 이러한 문제점은 광음향 효과가 산업 전반에 응용될 때 단점으로 작용할 수 있다.

또한 종래에는 광음향 효과에 의해 발생된 음향파를 마이크로폰 또는 초음파 센서 등으로 직접 검출하거나 반사되어 돌아오는 탐침 빛을 센서로 분석하기 때문 에 대상 시료가 멀리 떨어져 있거나 그 적용 범위가 광범위할 경우에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 측정 대상체에 접근이 어렵거나 측정 범위가 광범위한 경우에도 광열 효과에 의한 신호를 검출하여 측정 대상체의 내부 결함, 열적 성질 또는 농도 변화를 분석할 수 있는 광열 효과 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 측정 대상체를 향하여 탐침 빛을 조사하는 제 1 광원; 측정 대상체를 향하여 일정한 주기로 여기 빛을 조사하는 제 2 광원; 상기 측정 대상체에 형성되거나 통과한 탐침 빛의 영상을 측정하는 카메라; 및 상기 카메라를 통해 측정된 영상신호를 분석하는 분석장치를 포함하는 광열 효과 검출 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 유체인 측정 대상체를 향하여 탐침 빛을 조사하는 제 1 광원; 유체인 측정 대상체를 향하여 일정한 주기로 여기 빛을 조사하는 제 2 광원; 유체인 측정 대상체를 통과한 각 빛이 조사되는 스크린; 상기 스크린에 형성된 탐침 빛의 영상을 측정하는 카메라; 및 상기 카메라를 통해 측정된 영상신호를 분석하는 분석장치를 포함하는 광열 효과 검출 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 (a)측정 대상체를 향하여 탐침 빛을 조사하는 단계; (b)측정 대상체를 향하여 일정한 주기로 여기 빛을 조사하는 단계; 및 (c)측정 대상체에 형성되거나 통과한 탐침 빛의 영상을 측정하여 영상신호를 분석하는 단계를 포함하는 광열 효과 검출 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 (a)유체인 측정 대상체를 향하여 탐침 빛을 조사하는 단계; (b)유체인 측정 대상체를 향하여 일정한 주기로 여기 빛을 조사하는 단계; 및 (c)유체인 측정 대상체를 통과한 탐침 빛이 조사된 스크린의 영상을 측정하여 영상신호를 분석하는 단계를 포함하는 광열 효과 검출 방법을 제공한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 광열 효과 검출 장치 및 방법은 측정 대상체에 접근이 어렵거나 측정 범위가 광범위한 경우에도 광열 효과에 의한 신호를 검출하여 측정 대상체의 내부 결함, 열적 성질 또는 농도 변화를 분석할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치의 구성도이고, 도 2 는 측정 대상체가 고체인 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치의 구성도이며, 도 3 은 측정 대상체가 유체(액체 또는 기체)인 경우에 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치의 구성도이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치(1)는 측정 대상체(6)를 향하여 탐침 빛(8)을 조사하는 제 1 광원(3) 및 측정 대상체(6)를 향하여 여기 빛(7a, 7b)을 조사하는 제 2 광원(2)을 포함한다.

이때, 제 1 광원(3)으로부터 조사되는 탐침 빛(8)은 직진성을 갖는 빛이면, 다양한 종류의 빛을 사용할 수 있으며, 측정 대상체의 종류에 따라 적절한 광원을 선택하는 것이 바람직하다.

한편, 제 2 광원(2)으로부터 조사되는 여기 빛(7a, 7b)은 측정 대상체가 흡수할 수 있는 파장의 빛이면, 다양한 종류의 빛을 사용할 수 있으며, 레이저를 포함할 수 있다.

또한, 광열 효과 검출 장치(1)는 상기 제 2 광원(2)과 측정 대상체(6) 사이에 배치되어, 제 2 광원으로부터 조사된 여기 빛(7a)의 주파수를 변조하는 초퍼(chopper)를 포함한다.

아울러, 광열 효과 검출 장치(1)는 상기 측정 대상체(6)의 조사된 영역을 측정하는 카메라(4) 및 상기 카메라를 통해 측정된 영상 신호를 분석하는 분석 장치(9)를 포함한다.

이때, 상기 분석 장치(9)는 카메라(4)로부터 측정된 영상 신호를 퓨리에 변환하는 계산부와 상기 계산부로부터 계산된 결과를 모니터 상에 표시하는 영상 표시부를 포함한다.

한편, 측정 대상체(6)가 고체인 경우에는 도 1 및 2 에 도시된 바와 같으나, 도 3 에 도시된 바와 같이 측정 대상체(6)가 유체(액체 또는 기체)인 경우에는 액체 또는 기체(6)를 통과한 각 빛이 조사되는 스크린(11)을 더 포함하게 되며, 이때 카메라(4)는 상기 스크린에 조사된 영역의 영상을 측정한다.

이하, 이와 같이 구성된 광열 효과 검출 장치(1)를 통하여 측정 대상체의 정보를 분석하는 과정을 도 1 과 2를 통하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치(1)는 광음향(photoacoustic spectroscopy) 효과의 일종인 광열효과 (photothermal effect)에 그 기초를 두고 있다.

광열 효과에 의해 일정한 밝기 변조주파수f 를 가지는 여기 빛을 일정 거리에 떨어진 측정 대상체에 조사하면 그 f 주파수에 해당하는 열적 압력파가 시료 주변에서 발생하게 된다.

분석하고자 하는 측정 대상체(6)가 흡수 할 수 있는 강한 여기 빛(7a, 7b)이 제 2 광원(2)으로부터 측정 대상체(6)에 조사되면, 측정 대상체(6)의 조사된 영역에서는 열이 발생되게 되며, 이러한 열은 측정 대상체의 조사된 영역 주변을 가열하게 된다.

이때 여기 빛(7a, 7b)을 일정한 주기를 가지고 빛의 조사와 차단을 반복하면 조사된 지점 주변에서는 일정한 주기를 가지고 가열과 냉각이 반복되며, 온도 변화가 발생하게 된다.

한편, 측정 대상체(6)로의 여기 빛(7a, 7b)의 조사와 차단은 전술한 초퍼(5)에 의하여 수행되며, 상기 초퍼(5)를 조절하여 여기 빛(7a, 7b)의 조사와 차단을 조절할 수 있다.

이러한 온도 변화는 측정 대상체(6)의 주변 영역에 압력 변화와 밀도 변화를 일으키며, 조사영역 부근에서 굴절율의 변화가 일어난다.

이때 제 1 광원(3)에서 탐침 빛(8)이 측정 대상체(6)로 조사하면 측정 대상체(6)의 조사 영역 부근에서 변화된 굴절율에 의해 탐침 빛(8)의 크기, 모양 또는 조사된 위치가 변화하게 된다.

여기 빛(7b)의 조사 지점이나 측정 대상체(6) 주변에서 압력파나 굴절율 변화가 주기적으로 발생되기 때문에 탐침 빛(8)의 모양이나 위치 변화도 주기성을 갖게 된다.

이러한 탐침 빛(8)의 영상 변화를 카메라(4)로 얻을 수 있으며 카메라(4)가 연결된 컴퓨터와 같은 분석 장비(9)에서 상기 영상 변화를 실시간으로 분석하여 측정 대상체(6)에 대한 정보를 얻는다.

한편 탐침 빛(8)의 주기적인 영상 신호는 여기 빛(7b)의 조사에 의하여 형성된 압력파(10)에 의존하며, 이러한 압력파(10)는 측정 대상체(6)의 농도나 상태에 따라 변하게 된다.

따라서 탐침 빛(8)의 영상 변화를 통해 측정 대상체(6)에 대한 정보를 얻을 수 있는 것이다.

한편 전술한 바와 같이 광음향 분광법에서는 생성된 열이 맞닿아 있는 기체층을 주기적으로 가열함에 따라 이 영역의 기체가 일종의 음향 진동판 역할을 하게 되어 음향 신호가 발생되게 된다.

따라서 측정 대상체 고유의 전도도, 열용량 및 열적 이동 성질(열전도도, 열확산도) 등에 의해 결정되는 음향파가 발생된다. 이러한 광음향 신호는 측정 대상체의 농도뿐만 아니라 그 분석 대상의 내부 결함까지 알아 낼 수 있는 매우 강력한 분석법으로서 본 발명은 전술한 광음향 분광법의 원리와 유사한 광열 효과를 기본 원리로 하기 때문에 동일한 장점을 갖는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치(1)는 이와 같은 원리에 의한 탐침 빛의 영상 분석으로 매우 좋은 감도를 가짐과 동시에 매우 간단하게 검출 장치가 구성된다는 장점이 있으며, 본 발명에 따른 광열 효과 검출 장치(1)로 측정 대상체의 분석을 하는 경우에는 분석 범위가 매우 광범위 하거나 접근하기 어려울 경우에도 간편하게 분석을 수행할 수 있다.

[실시예 1]

측정 대상체로서 알루미늄 호일을 사용하였고, 상기 측정 대상체에 압력파를 발생시키기 위한 여기 빛으로서 아르곤 이온 (Ar ion, 459.9 ~ 514.5 nm 파장) 레이저가 사용되었으며 탐침 빛으로서 헬륨-네온 (He-Ne) 레이저를 사용하였다.

이때 측정 대상체에 형성된 탐침 빛을 카메라로 관찰하기 위해서 앞 부분에 줌 렌즈가 사용된 CMOS 센서 카메라가 사용되었고 카메라에서 얻은 영상은 컴퓨터를 사용해 분석되었다.

영상의 변화 신호는 아르곤 이온 레이저의 초퍼에 의한 조사주기인 3 Hz 로 변하게 되며, 이 주파수는 영상 신호를 퓨리에 변환(Fourier transform) 하여 그 세기가 분석되었다. 이를 통해 대상 시료에 대한 농도 및 내부 상태의 정보를 얻을 수 있다.

도 4 는 본 실시예 1에서 여기 빛의 흡수 정도에 따른 탐침 빛의 영상 변화 정도를 나타내는 그래프이다.

깨끗한 알루미늄 표면은 대부분의 여기 빛이 반사되기 때문에 압력파 발생이 적으며 붉은 칠이 된 부분은 흡수가 일어나서 보다 강한 탐침 빛의 영상 크기 변화를 일으킨다. 또한 검은 칠이 된 부분은 더욱 높은 흡수로 인해 더욱 강한 신호가 분석된다.

도 5 는 본 실시예 1의 분석 장치에서의 퓨리에 변환을 통한 영상 변화 주기를 나타내는 그래프이다.

퓨리에 변환을 통해 여기 빛의 조사 주기인 3 Hz의 영상 변화 주기가 분석 되었으며, 이 피크의 높이로 분석 대상에 대한 정보를 얻을 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치의 구성도이다.

도 2 는 측정 대상체가 고체인 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치의 구성도이다.

도 3 은 측정 대상체가 액체 또는 기체인 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치의 구성도이다.

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치에서 여기 빛의 흡수 정도에 따른 탐침 빛의 영상 변화 정도를 나타내는 그래프이다.

도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 효과 검출 장치를 구성하는 분석 장치에서의 퓨리에 변환을 통한 영상 변화 주기를 나타내는 그래프이다.

Claims (20)

1. 측정 대상체를 향하여 탐침 빛을 조사하고, 직진성 있는 빛을 방출하는 제 1 광원;

   측정 대상체를 향하여 일정한 주기로 여기 빛을 조사하고, 측정 대상체가 흡수할 수 있는 파장을 방출하는 제 2 광원;

   상기 측정 대상체에 형성되거나 통과한 탐침 빛의 영상을 측정하는 카메라;

   상기 카메라를 통해 측정된 영상신호를 분석하는 분석장치; 및

   상기 제 2 광원과 측정 대상체 사이에 배치되어, 제 2 광원으로부터 조사된 여기 빛의 주파수를 변조하는 초퍼(chopper)를 포함하고,

   상기 분석장치는,

   카메라로부터 측정된 영상신호를 퓨리에 변환하는 계산부; 및

   상기 계산부로부터 계산된 결과를 모니터 상에 표시하는 영상 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광열 효과 검출 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 유체인 측정 대상체를 향하여 탐침 빛을 조사하고, 직진성 있는 빛을 방출하는 제 1 광원;

   유체인 측정 대상체를 향하여 일정한 주기로 여기 빛을 조사하고, 측정 대상체가 흡수할 수 있는 파장을 방출하는 제 2 광원;

   유체인 측정 대상체를 통과한 각 빛이 조사되는 스크린;

   상기 스크린에 형성된 탐침 빛의 영상을 측정하는 카메라;

   상기 카메라를 통해 측정된 영상신호를 분석하는 분석장치; 및

   상기 제 2 광원과 측정 대상체 사이에 배치되어, 제 2 광원으로부터 조사된 여기 빛의 주파수를 변조하는 초퍼(chopper)를 포함하고,

   상기 분석장치는,

   카메라로부터 측정된 영상신호를 퓨리에 변환하는 계산부; 및

   상기 계산부로부터 계산된 결과를 모니터 상에 표시하는 영상 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광열 효과 검출 장치.
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