KR102620882B1 - UV fluorescence measurement system to discriminate between water and oil - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기름 판별을 위해 출력하는 레이저의 ON/OFF 동작을 제어하여 출력하고 검출 영역에서 형광되어 수광되는 광을 분광기로 분석시 'ON' 상태와 'OFF' 상태의 스펙트럼을 각각 측정하여 'ON' 상태에서 'OFF' 상태를 제외한 스펙트럼을 기준으로 물과 기름을 판별함에 따라 ON/OFF 동작을 제어에 의해 출력되는 여기광 외의 주변광에 의한 노이즈를 최소화할 수 있어 물과 기름 판별의 정확도를 향상시킬 수 있는 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a UV fluorescence measurement system for distinguishing water and oil. More specifically, the ON/OFF operation of the laser output for oil discrimination is controlled and output, and the light fluorescently received in the detection area is used as a spectrometer. During analysis, the spectrum of the 'ON' state and the 'OFF' state are measured separately, and water and oil are determined based on the spectrum excluding the 'OFF' state from the 'ON' state, so the ON/OFF operation is controlled to control the excitation output. This relates to a UV fluorescence measurement system for distinguishing between water and oil, which can minimize noise caused by ambient light other than light, thereby improving the accuracy of water and oil discrimination.
Description
본 발명은 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기름 판별을 위해 출력하는 레이저의 ON/OFF 동작을 제어하여 출력하고 검출 영역에서 형광되어 수광되는 광을 분광기로 분석시 'ON' 상태와 'OFF' 상태의 스펙트럼을 각각 측정하여 'ON' 상태에서 'OFF' 상태를 제외한 스펙트럼을 기준으로 물과 기름을 판별함에 따라 ON/OFF 동작을 제어에 의해 출력되는 여기광 외의 주변광에 의한 노이즈를 최소화할 수 있어 물과 기름 판별의 정확도를 향상시킬 수 있는 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a UV fluorescence measurement system for distinguishing water and oil. More specifically, the ON/OFF operation of the laser output for oil discrimination is controlled and output, and the light fluorescently received in the detection area is used as a spectrometer. During analysis, the spectrum of the 'ON' state and the 'OFF' state are measured separately, and water and oil are determined based on the spectrum excluding the 'OFF' state from the 'ON' state, and the excitation output is controlled by the ON/OFF operation. This relates to a UV fluorescence measurement system for discriminating between water and oil, which can minimize noise caused by ambient light other than light, thereby improving the accuracy of discriminating between water and oil.
최근 해상에 선박 교통량이 증가함에 따라 선박의 충돌이나 기타 선박 좌초 등과 같은 해양 사고 발생률이 증가하고 있으며, 이러한 해양 사고는 각종 선박에 적재되어 있던 중유나 경유와 같은 연료유가 해상에 유출되거나 유조선에 화물로 적재되었던 원유나 각종 기름이 해상으로 유출되어 해양 환경 오염을 야기시킨다.Recently, as the volume of vessel traffic at sea has increased, the incidence of marine accidents such as ship collisions and other ship strandings has been increasing. These marine accidents occur when fuel oil such as heavy oil or light oil loaded on various ships is leaked into the sea or when cargo is transported on an oil tanker. Crude oil or various oils that were loaded onto the ship leak into the sea, causing marine environmental pollution.
특히, 사고로 인해 유출된 기름은 바람이나 파도, 조류 등의 영향을 받아 빠르게 확산되므로, 사고 초기에 인지하고 제거하여야 해양 환경 오염 피해를 최소화시킬수 있다.In particular, oil spilled due to an accident spreads quickly under the influence of wind, waves, and currents, so damage to marine environmental pollution can be minimized only when the accident is recognized and removed at an early stage.
이에, 종래에는 해양에 유출된 기름을 제거하기 위한 다양한 기술들을 연구 개발하여 제공하였으나, 최소한의 해양 환경 오염 피해를 위해서는 먼저 해상에 기름 유출 여부를 검출하여 해상에 확산되는 기름을 파악하는 기술이 필요하다.Accordingly, in the past, various technologies have been researched and developed to remove oil spilled in the sea, but in order to minimize damage to marine environment pollution, technology is needed to first detect oil spilled in the sea and identify the oil spreading in the sea. do.
해상에 기름 유출 여부를 검출하기 위한 방법에는 이온 전류량 측정, 전기 저항값 측정, 인공위성 자료 및 해수면 형광 분석 등이 사용되고 있으며, 그중에서도 검출 영역 형광 분석이 최소한의 비용으로 검출이 용이하여 최근까지 가장 널리 사용되고 있다.Methods for detecting oil spills at sea include ion current measurement, electrical resistance measurement, satellite data, and sea surface fluorescence analysis. Among them, detection area fluorescence analysis is the most widely used until recently as it is easy to detect at minimal cost. there is.
그러나, 종래의 해수면 형광 분석의 경우, 자연광, 광학렌즈계 내부에서 발생하는 산란광 등의 주변광이 분광기로 함께 수광될 수 있어 스펙트럼 측정시 노이즈가 발생하기 때문에 물과 기름을 판별하는 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.However, in the case of conventional sea surface fluorescence analysis, ambient light such as natural light and scattered light generated inside the optical lens system can be received together with the spectrometer, resulting in noise when measuring the spectrum, which is a problem in that the accuracy of distinguishing between water and oil is low. there is.
따라서, 물과 기름을 판별할 경우, 물과 기름 판별을 위해 출력한 광이 온전히 물 또는 기름에서 형광되는 광만을 수광하여 분석할 수 있어 물과 기름을 판별하는 정확도를 향상시킬 수 있는 물과 기름을 판별하기 위한 형광 측정 시스템이 필요하다.Therefore, when discriminating between water and oil, the light output for discriminating between water and oil can receive and analyze only the light that fluoresces in water or oil, which can improve the accuracy of discriminating between water and oil. A fluorescence measurement system is needed to determine .
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 물과 기름을 판별하기 위해 자연광 및 광학렌즈계 내부에서 발생하는 산란광 등의 주변광이 함께 수광되지 않고 물과 기름 판별을 위해 출력한 광이 온전히 물 또는 기름에서 형광되는 광만을 수광하여 분석할 수 있어 물과 기름을 판별하는 정확도를 향상시킬 수 있는 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템를 제공하는데 있다.The present invention was created to solve the above-mentioned problems, and the purpose of the present invention is to distinguish between water and oil without receiving ambient light such as natural light and scattered light generated inside the optical lens system. The goal is to provide a UV fluorescence measurement system for distinguishing between water and oil, which can improve the accuracy of distinguishing between water and oil by collecting and analyzing only the light that fluoresces in water or oil.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 광을 출력하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드로부터 출력된 광을 반사시켜 검출 영역으로 조사하고, 상기 검출 영역으로부터 형광되어 입사하는 광을 투과시키는 반투과거울; 및 상기 반투과거울을 투과한 광을 입력받아 형광 스펙트럼을 측정하는 분광기;를 포함하며, 상기 레이저 다이오드는 주파수 변조 및 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 통해 ON/OFF 동작을 제어함에 따라 여기광을 출력하고, 상기 분광기는 상기 레이저 다이오드의 동작이 'ON' 상태와 'OFF' 상태를 각각 구분하여 형광 스펙트럼을 측정하며, 상기 분광기에서 측정한 'ON' 상태에서 측정된 형광 스펙트럼(이하, 'ON 형광 스펙트럼', 이라함)과 'OFF' 상태에서 측정된 스펙트럼(이하, 'OFF 형광 스펙트럼', 이라함)을 수신받아 산출한 결과를 기반으로 물과 기름을 판별할 수 있는 판별부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템을 제공한다.In order to achieve the above-described object, the present invention includes a laser diode that outputs light; a semi-transmissive mirror that reflects the light output from the laser diode and radiates it to the detection area, and transmits the light incident and fluorescent from the detection area; And a spectrometer that receives the light transmitted through the transflective mirror and measures a fluorescence spectrum, wherein the laser diode controls ON/OFF operation through frequency modulation and pulse width modulation (PWM). Outputs excitation light, and the spectrometer measures the fluorescence spectrum by distinguishing the 'ON' state and 'OFF' state of the operation of the laser diode, and the fluorescence spectrum measured in the 'ON' state measured by the spectroscope (hereinafter referred to as , 'ON fluorescence spectrum') and a spectrum measured in the 'OFF' state (hereinafter referred to as 'OFF fluorescence spectrum') and a discrimination unit that can distinguish water and oil based on the calculated results. A UV fluorescence measurement system for determining water and oil is provided, further comprising:
바람직한 실시예에 있어서, 상기 레이저 다이오드와 상기 반투과거울 사이에는 상기 레이저 다이오드로부터 출력된 광의 장축 발산 각도를 줄일 수 있도록 광을 집속하는 광집속렌즈; 및 상기 광집속렌즈에서 집속된 광을 입사받아 광을 균일하게 확산시켜 투과시키는 광학 확산판;을 포함하는 균일광렌즈계를 더 포함한다.In a preferred embodiment, an optical focusing lens is provided between the laser diode and the transflective mirror to focus light to reduce the long-axis divergence angle of the light output from the laser diode; and an optical diffusion plate that receives the light focused from the optical focusing lens and transmits the light by uniformly diffusing it.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반투과거울에서 반사된 광이 검출 영역으로 조사되는 조사경로에는, 상기 반투과거울에서 반사된 광을 검출 영역검출 영역사시키는 제1 전반사거울; 상기 제1 전반사거울에서 반사된 광을 확산시키는 평오목렌즈; 및 상기 평오목렌즈를 투과한 광을 평행광으로 만들어 투과시키는 제1 평볼록렌즈;로 구성된 광조사렌즈계를 더 포함한다.In a preferred embodiment, the irradiation path through which the light reflected from the transflective mirror is irradiated to the detection area includes: a first total reflection mirror that reflects the light reflected from the transflective mirror into the detection area; a flat-concave lens that diffuses the light reflected from the first total reflection mirror; and a first plano-convex lens that converts the light transmitted through the plano-concave lens into parallel light and transmits it.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반투과거울을 투과한 광을 상기 분광기로 입력시키는 입사경로에는, 상기 반투과거울을 투과한 광을 반사시키는 제2 전반사거울; 및 상기 제2 전반사거울에서 반사된 광을 집속하여 상기 분광기로 전달하는 제2 평볼록렌즈;로 구성된 광입사렌즈계를 더 포함한다.In a preferred embodiment, the incident path through which the light transmitted through the semi-transparent mirror is input to the spectroscope includes: a second total reflection mirror that reflects the light transmitted through the semi-transparent mirror; and a second plano-convex lens that focuses the light reflected from the second total reflection mirror and transmits it to the spectrometer.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 반투과거울과 상기 분광기 사이에 위치하여 상기 반투과거울을 투과한 광에 포함된 자연광의 수평편광을 제거하는 선형편광자가 더 포함한다.In a preferred embodiment, a linear polarizer positioned between the transflective mirror and the spectroscope to remove horizontal polarization of natural light included in the light transmitted through the transflective mirror is further included.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 선형편광자는 상기 분광기와 상기 제2 평볼록렌즈 사이에 배치하거나 상기 반투과거울과 상기 제2 전반사거울 사이에 배치한다.In a preferred embodiment, the linear polarizer is disposed between the spectroscope and the second plano-convex lens or between the transflective mirror and the second total reflection mirror.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 판별부는 상기 분광기에서 측정된 상기 ON 형광 스펙트럼과 상기 OFF 형광 스펙트럼을 수신받는 단계; 수신받은 ON 형광 스펙트럼에서 상기 OFF 형광 스펙트럼을 뺀 감산 데이터를 획득하는 단계; 동일 방식으로 복수 회 획득한 감산 데이터를 산술 평균하여 형광 스펙트럼을 도출하는 단계; 도출된 형광 스펙트럼의 데이터를 최대값으로 규격화시키는 단계; 및 규격화된 형광 스펙트럼을 상기 물과 기름을 판별하기 위해 아래의 수학식 1을 계산하고 계산된 QL 값을 이용하여 상기 물과 기름을 판단하는 단계;를 통해 상기 물과 기름을 판단하며, 상기 수학식 1은 In a preferred embodiment, the determination unit receives the ON fluorescence spectrum and the OFF fluorescence spectrum measured by the spectrometer; Obtaining subtracted data by subtracting the OFF fluorescence spectrum from the received ON fluorescence spectrum; Deriving a fluorescence spectrum by arithmetic averaging subtracted data acquired multiple times in the same manner; Normalizing the derived fluorescence spectrum data to the maximum value; and calculating Equation 1 below to determine the water and oil using a standardized fluorescence spectrum and determining the water and oil using the calculated Q L value. Equation 1 is
[수학식 1][Equation 1]
(여기서, AreaLong은 물의 라만 영역과 적조에 의한 형광 영역이 제외된 영역이며, AreaRaman은 여기광에 의한 물의 라만 영역이다.)이다.(Here, Area Long is the area excluding the Raman area of water and the fluorescence area caused by red tide, and Area Raman is the Raman area of water caused by excitation light.)
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.The present invention has the following excellent effects.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템에 의하면, 레이저 다이오드의 ON/OFF 동작을 제어하여 'ON' 상태와 'OFF' 상태에서 각각 스펙트럼을 측정하고 'ON' 상태에서 'OFF' 상태를 제외한 스펙트럼을 기준으로 물과 기름을 판별하여 주변광에 의해 측정되는 노이즈를 최소화할 수 있기 때문에 물과 기름을 판별하는 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.First, according to the UV fluorescence measurement system for distinguishing water and oil according to an embodiment of the present invention, the ON/OFF operation of the laser diode is controlled to measure the spectrum in 'ON' and 'OFF' states, respectively. There is an advantage in improving the accuracy of distinguishing between water and oil because noise measured by ambient light can be minimized by distinguishing between water and oil based on the spectrum excluding the 'OFF' state from the 'ON' state.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템에 의하면, 검출 영역에서 발현된 형광이 수광되어 분광기로 입력되기 전, 수평편광자를 통해 자연광의 수평편광을 제거할 수 있어 분광기로 입력되는 광의 노이즈를 최소화할 수 있기 때문에 물과 기름을 판별하는 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the UV fluorescence measurement system for distinguishing water and oil according to an embodiment of the present invention, the horizontal polarization of natural light is removed through a horizontal polarizer before the fluorescence expressed in the detection area is received and input to the spectrometer. This has the advantage of improving the accuracy of distinguishing between water and oil because the noise of the light input to the spectrometer can be minimized.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템에 의하면, 수평편광자를 검출 영역에 조사되는 광이 투과되지 않도록 배치시켜 수평편광자로 인해 광량이 감소하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the UV fluorescence measurement system for distinguishing water and oil according to an embodiment of the present invention, the horizontal polarizer is arranged so that the light irradiated to the detection area does not transmit, thereby preventing the amount of light from decreasing due to the horizontal polarizer. There are advantages to this.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템을 설명하기 위한 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템에서 측정 방법을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템의 판별부에서 물과 기름을 판별하는 방법을 설명하는 순서도이다.1 is a diagram illustrating a UV fluorescence measurement system for distinguishing water and oil according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram illustrating a measurement method in a UV fluorescence measurement system for distinguishing water and oil according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram illustrating the configuration of a UV fluorescence measurement system for distinguishing water and oil according to an embodiment of the present invention;
Figure 4 is a flowchart explaining a method of discriminating between water and oil in the discriminating unit of the UV fluorescence measurement system for discriminating between water and oil according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.The terms used in the present invention are general terms that are currently widely used as much as possible. However, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning described or used in the detailed description of the invention rather than the simple name of the term is considered. Therefore, its meaning must be understood.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments shown in the attached drawings.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms, and like reference numerals indicate like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템을 설명하기 위한 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템에서 측정 방법을 설명하기 위한 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram illustrating a UV fluorescence measurement system for discriminating between water and oil according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a UV fluorescence measurement system for discriminating between water and oil according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram illustrating the configuration of a UV fluorescence measurement system for distinguishing water and oil according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템(100)은 검출 영역(10)에 광을 조사하고, 상기 검출 영역(10)에서 형광된 광을 수광하여 분석함으로써, 상기 검출 영역(10)에서의 물(1)과 기름(2)을 판별할 수 있는 시스템이다.Referring to FIGS. 1 to 3, the UV
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템(100)은 레이저 다이오드(110), 반투과거울(120), 분광기(130) 및 판별부(140)를 포함하여 이루어진다.In addition, the UV
상기 레이저 다이오드(110)는 상기 검출 영역(10)에 조사하기 위한 광을 출력한다.The
또한, 상기 레이저 다이오드(110)는 상기 검출 영역(10)에 직선광을 조사할 수 있는 다양한 종류의 발광체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 425nm ~ 475nm 파장 대역의 광을 출력할 수 있는 발광체를 사용할 수 있다.In addition, the
또한, 본 발명에서 상기 레이저 다이오드(110)는 ON/OFF 동작을 제어하여 광을 출력하며, 상세하게는 0.5Hz 변조 주파수 및 50% 듀티 사이클(Duty Cycle)의 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)에 의해 ON/OFF 동작을 제어하여 광을 출력한다.In addition, in the present invention, the
상기 반투과거울(120)은 상기 레이저 다이오드(110)에서 출력된 광을 반사시켜 상기 검출 영역(10)으로 조사하고 상기 검출 영역(10)에서 형광되어 입사된 광을 투과시킨다.The
여기서, 상기 반투과거울(120)은 레이어의 두께와 수를 조절하여 특정 파장 대역은 반사시키고 특정 파장 대역은 투과시킬 수 있는 특성을 가진다.Here, the
즉, 본 발명에서는 상기 레이저 다이오드(110)에서 출력된 광의 파장 대역은 반사시키며, 상기 검출 영역(10)에서 형광되어 입사된 광의 파장 대역은 투과시키는 특성을 갖는 반투과거울(120)을 사용하였다.That is, in the present invention, a
상기 분광기(130)는 상기 검출 영역(10)에 형광되어 상기 반투과거울(120)을 투과한 광을 입력받아 광의 형광 스펙트럼을 측정한다.The
상세하게는, 상기 분광기(130)는 상기 레이저 다이오드(110)의 동작이 'ON' 상태일 경우와 'OFF' 상태일 경우로 구분하여 입력된 광의 형광 스펙트럼을 각각 측정한다.In detail, the
이때, 이하에서는 상기 'ON' 상태일 경우 측정된 형광 스펙트럼을 'ON 형광 스펙트럼'이라하고 상기 'OFF' 상태일 경우 측정된 형광 스펙트럼을 'OFF 형광 스펙트럼'이라고 한다.At this time, hereinafter, the fluorescence spectrum measured in the 'ON' state is referred to as 'ON fluorescence spectrum', and the fluorescence spectrum measured in the 'OFF' state is referred to as 'OFF fluorescence spectrum'.
또한, 상기 분광기(130)는 광섬유에 의해 상기 검출 영역(10)에서 형광되어 수광된 광을 입력받을 수 있다.Additionally, the
상기 판별부(140)는 상기 분광기(130)에서 측정한 형광 스펙트럼을 기반으로 상기 검출 영역(10)에서 검출된 것이 상기 물(1)인지 상기 기름(2)인지 판별하며, 상세하게는, 상기 판별부(140)는 상기 분광기(130)에서 측정한 상기 ON 형광 스펙트럼과 상기 OFF 형광 스펙트럼을 각각 수신받아 검출된 것이 상기 물(1)인지 상기 기름(2)인지 판별한다.The
더 나아가, 상기 판별부(140)는 상기 수광된 광의 형광 스펙트럼이 상기 기름(2)의 형광 스펙트럼일 경우, 측정된 형광 스펙트럼을 기존에 분석되어 정의된 다양한 형광 강도를 갖는 유종들의 형광 스펙트럼과 비교 분석하여, 상기 기름(2)의 종류 또한 확인할 수 있다.Furthermore, when the fluorescence spectrum of the received light is the fluorescence spectrum of the
또한, 본 발명에서는 도시하지 않았으나, 상기 판별부(140)는 상기 분광기(130)에 구비되어 상기 분광기(130)에서 측정한 형광 스펙트럼을 바로 입력받거나, 별도의 서버(20)에 구비되어 무선 통신망을 통해 상기 분광기(130)에서 측정한 형광 스펙트럼을 수신받아 상기 물(1)과 상기 기름(2)을 판별한다.In addition, although not shown in the present invention, the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템의 판별부에서 물과 기름을 판별하는 방법을 설명하는 순서도로, 도 3을 참조하면, 본 발명은 상기 판별부(140)에서 상기 검출 영역(10)에서 검출된 것이 상기 물(1)인지 상기 기름(2)인지 판별하는 방법(S1000)에 대해서 자세히 설명한다.Figure 3 is a flowchart illustrating a method for discriminating between water and oil in the discriminating unit of the UV fluorescence measurement system for discriminating between water and oil according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 3, the present invention is a method for discriminating between water and oil. The method (S1000) of determining whether what is detected in the
상기 물과 기름을 판별하는 방법(S1000)은 컴퓨터에 의해 수행되며, 상기 컴퓨터에는 상기 컴퓨터를 기능시켜 상기 물과 기름을 판별하는 방법(S1000)을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된다.The method for distinguishing between water and oil (S1000) is performed by a computer, and the computer stores a computer program for performing the method for distinguishing between water and oil (S1000) by operating the computer.
한편, 본 발명은 상기 컴퓨터 프로그램이 저장된 서버(20)만을 별도로 제공할 수 있다.Meanwhile, the present invention can separately provide only the server 20 where the computer program is stored.
또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 서버(20) 외에도 상기 물과 기름을 판별하는 방법(S1000)을 수행할 수 있는 컴퓨터에 저장되어 제공될 수 있다.Additionally, the computer program may be stored and provided on a computer capable of performing the method (S1000) for determining water and oil in addition to the server 20.
여기서, 상기 컴퓨터는 일반적인 퍼스널 컴퓨터뿐만 아니라, 통신망을 통해 접속 가능한 서버 컴퓨터, 클라우드 시스템, 스마트폰, 태블릿과 같은 스마트 기기, 임베디드 시스템을 포함하는 광의의 컴퓨터이다.Here, the computer is a computer in a broad sense, including not only a general personal computer, but also a server computer accessible through a communication network, a cloud system, smart devices such as smartphones and tablets, and embedded systems.
또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 별도의 기록 매체에 저장되어 제공될 수 있으며, 상기 기록 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다.In addition, the computer program may be stored and provided in a separate recording medium, and the recording medium may be one specifically designed and configured for the present invention or may be known and available to those skilled in the art of computer software. .
예를 들면, 상기 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD, DVD와 같은 광 기록 매체, 자기 및 광 기록을 겸할 수 있는 자기-광 기록 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등 단독 또는 조합에 의해 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치일 수 있다.For example, the recording medium includes magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical recording media such as CDs and DVDs, magneto-optical recording media capable of both magnetic and optical recording, ROM, RAM, and flash memory. It may be a hardware device specially configured to store and execute program instructions, either alone or in combination.
또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등이 단독 또는 조합으로 구성된 프로그램일 수 있고, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드로 짜여진 프로그램일 수 있다.In addition, the computer program may be a program composed of program instructions, local data files, local data structures, etc., singly or in combination, and may be executed by a computer using not only machine code such as that created by a compiler, but also an interpreter, etc. It may be a program written with high-level language code.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템의 판별부에서 물과 기름을 판별하는 방법에 대하여 자세히 설명한다.Hereinafter, a method for discriminating between water and oil in the discriminating unit of the UV fluorescence measurement system for discriminating between water and oil according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
먼저, 상기 판별부(140)는 상기 분광기(130)에서 측정한 형광 스펙트럼을 수신받는다(S1100).First, the
상세하게는, 상기 판별부(140)는 상기 분광기(130)에서 측정한 상기 ON 형광 스펙트럼과 상기 OFF 형광 스펙트럼을 각각 구분하여 수신받는다.In detail, the
다음, 수신받은 ON 형광 스펙트럼에서 상기 OFF 형광 스펙트럼을 감산하고 감산한 데이터를 획득한다(S1200).Next, the OFF fluorescence spectrum is subtracted from the received ON fluorescence spectrum and the subtracted data is acquired (S1200).
여기서, 상기 감산한 데이터는 'ON 형광 스펙트럼' - 'OFF 형광 스펙트럼'을 수행한 형광 스펙트럼을 의미한다.Here, the subtracted data refers to the fluorescence spectrum obtained by 'ON fluorescence spectrum' - 'OFF fluorescence spectrum'.
다음, 동일한 방법으로 복수 회 수행하여 복수 개의 감산 데이터를 수집한 후, 수집한 복수 개의 감산 데이터를 산술 평균하여 최종 형광 스펙트럼을 도출한다(S1300).Next, the same method is performed multiple times to collect a plurality of subtracted data, and then the final fluorescence spectrum is derived by arithmetic averaging the plurality of collected subtracted data (S1300).
다음, 도출된 최종 형광 스펙트럼의 데이터를 최대값으로 규격화시킨다(S1400).Next, the data of the derived final fluorescence spectrum is normalized to the maximum value (S1400).
다음, 규격화된 형광 스펙트럼을 상기 물(1)과 상기 기름(2)을 판별하기 위해 정의한 수학식(QL)에 입력하여 계산하고, 계산된 QL 값을 이용하여 상기 물(1)과 상기 기름(2)을 판별한다(S1500).Next, the standardized fluorescence spectrum is calculated by inputting it into the equation (Q L ) defined to distinguish between the water (1) and the oil (2), and the calculated Q L value is used to calculate the water (1) and the oil (2). Determine oil (2) (S1500).
여기서, 상기 수학식(QL)은 아래의 수학식 1과 같이 정의한다.Here, the equation (Q L ) is defined as equation 1 below.
(여기서, AreaLong은 물의 라만 영역과 적조에 의한 형광 영역이 제외된 영역이며, AreaRaman은 여기광에 의한 물의 라만 영역이다.)(Here, Area Long is the area excluding the Raman area of water and the fluorescence area caused by red tide, and Area Raman is the Raman area of water caused by excitation light.)
또한, 상기 수학식(QL)은 물의 라만 신호 영역을 기준으로 물의 라만 신호와 적조 영역 사이의 장파장 영역에 대한 적분비를 정의한 식이다.In addition, the above equation (Q L ) is an equation that defines the integration ratio for the long wavelength region between the Raman signal of water and the red tide region based on the Raman signal region of water.
여기서, 상기 수학식(QL)은 물의 오염도 분석에 사용되는 라만 신호 세기와 기름에 분포하는 탄화수소 분석에 활용되고 있는 QF535 정의를 참고하여 정의한 식이다.Here, the above equation (Q L ) is an equation defined with reference to the Raman signal intensity used in water contamination analysis and the QF535 definition used in the analysis of hydrocarbons distributed in oil.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템(100)은 상기 검출 영역(10)에 상기 레이저 다이오드(110)에서 출력된 여기광의 광 모드 및 광축의 수직면에 대한 광학 세기를 균일하게 만들어 조사할 수 있는 균일광렌즈계(150)를 더 포함하여 이루어진다.Meanwhile, the UV
상기 균일광렌즈계(150)는 광집속렌즈(151) 및 광학 확산판(152)를 포함하여 이루어진다.The uniform
상기 광집속렌즈(151)는 일면은 볼록하고 타면은 평평한 반원통형 형상으로 형성된 렌즈로서, 상기 일면이 상기 반투과거울(120)을 향하도록 배치되며, 상기 레이저 다이오드(110)에서 출력되어 입사한 광을 집속시켜 상기 광의 장축 발산 각도를 줄일 수 있다.The
그러나, 일반적으로 상기 레이저 다이오드(110)로부터 출력된 여기광이 중심으로 갈수록 광의 강도가 강한 분포를 나타내기 때문에 단위 면적에 대한 광 밀집도의 균일성이 낮고 광학 에너지 손실이 발생하는데, 이러한 광학 에너지 손실을 보상하기 위해서는 광 출력을 높여야 하기 때문에 소비 전력이 증가하는 문제가 발생한다.However, since the excitation light output from the
이에 따라, 위의 문제를 해소하고 광 밀집도를 균일하게 만들어 출력할 수 있는 광학 확산판(152)을 상기 광집속렌즈(151)와 상기 반투과거울(120) 사이에 배치하여 상기 검출 영역(10)으로 조사되는 광의 밀집도를 균일하게 만드는 기능을 수행한다.Accordingly, the
또한, 본 발명의 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템(100)은 상기 레이저 다이오드(110)에서 출력된 광이 상기 검출 영역(10)에 조사하는 조사 경로(a)에 상기 반투과거울(120)에서 반사된 광을 확산하여 상기 검출 영역(10)을 향해 조사할 수 있는 광조사렌즈계(160)를 더 포함할 수 있으며, 상기 광조사렌즈계(150)는 제1 전반사거울(161), 평오목렌즈(162), 제1 평볼록렌즈(163)를 포함하여 이루어진다.In addition, the UV
상기 제1 전반사거울(161)은 상기 반투과거울(120)에서 반사되어 입사한 광을 상기 검출 영역(10)을 향해 반사시켜 조사하는 역할을 수행한다.The first
상기 평오목렌즈(162)는 일면은 오목하고 타면은 평면으로 형성된 렌즈로서, 본 발명에서는 오목한 오목부가 상기 제1 전반사거울(161)을 향하도록 배치되며, 상기 제1 전반사거울(161)로부터 입사되는 광을 확산시킨다.The plano-
본 발명에서, 상기 평오목렌즈(162)는 상기 레이저 다이오드(110)로부터 출력되는 1.2W의 광을 600mW의 광으로 확대시켜 방출한다.In the present invention, the plano-
상기 제1 평볼록렌즈(163)는 일면은 볼록하고 타면은 평면으로 형성된 렌즈로서, 볼록한 볼록부가 상기 검출 영역(10)을 향하도록 배치된다.The first flat convex lens 163 is a lens formed with one side convex and the other side flat, and the convex portion is disposed to face the
또한, 상기 제1 평볼록렌즈(163)는 상기 평오목렌즈(162)를 투과하여 확산된 광을 평행광으로 만들어 상기 검출 영역(10)으로 조사한다.In addition, the first plano-convex lens 163 converts the diffused light passing through the plano-
한편, 상기 검출 영역(10)에서 형광된 광은 상기 제1 평볼록렌즈(163), 상기 평오목렌즈(162), 상기 제1 전반사거울(161)을 차례로 거쳐 상기 반투과거울(120)로 입사된다.Meanwhile, the light fluorescent in the
또한, 본 발명의 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템(100)는 상기 반투과거울(120)과 상기 분광기(130) 사이인 상기 검출 영역(10)에서 형광된 광이 수광되어 입사되는 입사경로(b)에 상기 반투과거울(120)에서 투과된 광을 집속하여 상기 분광기(130)에 입사할 수 있도록 하는 광입사렌즈계(170)를 더 포함할 수 있으며, 상기 광입사렌즈계(170)는 제2 전반사거울(171), 제2 평볼록렌즈(172)를 포함하여 이루어진다.In addition, the UV
상기 제2 전반사거울(171)은 상기 반투과거울(120)에서 투과한 광을 상기 분광기(130)를 향해 반사시켜 전달하는 역할을 한다.The second total reflection mirror 171 serves to transmit the light transmitted from the
상기 제2 평볼록렌즈(172)는 일면은 볼록하고 타면은 평면으로 형성된 렌즈로서, 상기 일면이 상기 제2 전반사거울(171)을 향하도록 배치된다.The second flat convex lens 172 is a lens formed with one side convex and the other side flat, and the one side is disposed to face the second total reflection mirror 171.
또한, 상기 제2 평볼록렌즈(172)는 상기 제2 전반사거울(171)에서 반사되어 입사한 광을 집속시켜 상기 분광기(130)로 전달한다.In addition, the second plano-convex lens 172 focuses the incident light reflected from the second total reflection mirror 171 and transmits it to the
한편, 본 발명의 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템(100)의 분광기(130)에서 수광한 광에는 상기 레이저 다이오드(110)에서 상기 검출 영역(10)에 조사하여 형광된 광 외에도 태양광과 같은 자연광이 검출 영역(10)에 반사되는 반사광도 포함되기 때문에 상기 분광기(130)에서 측정한 형광 스펙트럼의 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다.Meanwhile, the light received by the
여기서, 상기 자연광은 수직편광(v)과 수평편광(h)을 가지며, 상기 검출 영역(10)과 같은 매질을 만날 경우, 상기 수직편광(v)은 굴절 투과되며, 상기 수평편광(h)은 반사된다.Here, the natural light has vertical polarization (v) and horizontal polarization (h), and when it encounters a medium such as the
이에, 본 발명에서는, 상기 검출 영역(10)에서 상기 자연광이 반사되어 수광된 수평편광(h)을 제거하기 위해 상기 검출 영역(10)에서 반사된 광이 입사되는 입사경로(b)에 선형편광자(180)를 배치한다.Therefore, in the present invention, in order to remove the horizontal polarization (h) received by reflecting the natural light in the
상기 선형편광자(180)는 상기 수평편광(h)을 차단하고 그 외의 광은 투과시키는 광학소자로, 상기 분광기(130)의 전방에 배치되어 상기 수광된 광이 상기 분광기(130)에 입력되기 전, 상기 수광된 광에 포함된 수평편광(h)을 제거하여 전달할 수 있다.The linear polarizer 180 is an optical element that blocks the horizontal polarization (h) and transmits other light, and is disposed in front of the
상세하게는, 상기 선형편광자(180)는 상기 반투과거울(120)과 상기 분광기(130) 사이에 배치한다. 즉, 상기 선형편광자(180)는 상기 레이저 다이오드(110)에서 출력된 광의 조사경로(a)와 겹치지 않는 입사경로(b)에 배치되어 상기 선형편광자(140)로 인한 광량 감소가 발생하지 않게 하면서도, 상기 수평편광(h)을 제거할 수 있다.In detail, the linear polarizer 180 is disposed between the
따라서, 본 발명의 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템(100)은 상기 레이저 다이오드(110)의 ON/OFF 동작을 제어하여 'ON' 상태와 'OFF' 상태에서 각각 스펙트럼을 측정하고 'ON' 상태에서 'OFF' 상태를 제외한 스펙트럼을 기준으로 물과 기름을 판별할 수 있어 상기 분광기(130)로 입사될 수 있는 주변광에 의해 측정되는 노이즈를 최소화할 수 있기 때문에 물과 기름을 판별하는 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.Therefore, the UV
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.As discussed above, the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments, but it is not limited to the above-described embodiments and is intended to be used by those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. Various changes and modifications will be possible.
1 : 물 2 : 기름
10 : 검출 영역 100 : 해수면 오일 검출 장치
110 : 레이저 다이오드 120 : 반투과거울
130 : 분광기 140 : 판별부
150 : 균일광렌즈계 151 : 광집속렌즈
152 : 광학 확산판 160 : 광조사렌즈계
161 : 제1 전반사거울 162 : 평오목렌즈
163 : 제1 평볼록렌즈 170 : 광입사렌즈계
171 : 제2 전반사거울 172 : 제2 평볼록렌즈
a : 조사 경로 b : 입사 경로
h : 수평편광 v : 수직편광1: water 2: oil
10: Detection area 100: Sea surface oil detection device
110: Laser diode 120: Transflective mirror
130: spectroscope 140: discrimination unit
150: Uniform light lens system 151: Light focusing lens
152: Optical diffusion plate 160: Light irradiation lens system
161: first total reflection mirror 162: plano-concave lens
163: First plano-convex lens 170: Optical incidence lens system
171: second total reflection mirror 172: second plano-convex lens
a: investigation route b: employment route
h: horizontal polarization v: vertical polarization
Claims (7)
상기 레이저 다이오드로부터 출력된 광을 반사시켜 검출 영역으로 조사하고, 상기 검출 영역으로부터 형광되어 입사하는 광을 투과시키는 반투과거울; 및
상기 반투과거울을 투과한 광을 입력받아 형광 스펙트럼을 측정하는 분광기;를 포함하며,
상기 레이저 다이오드는 주파수 변조 및 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 통해 ON/OFF 동작을 제어함에 따라 여기광을 출력하고,
상기 분광기는 상기 레이저 다이오드의 동작이 'ON' 상태와 'OFF' 상태를 각각 구분하여 형광 스펙트럼을 측정하며,
상기 분광기에서 측정한 'ON' 상태에서 측정된 형광 스펙트럼(이하, 'ON 형광 스펙트럼', 이라함)과 'OFF' 상태에서 측정된 스펙트럼(이하, 'OFF 형광 스펙트럼', 이라함)을 수신받아 산출한 결과를 기반으로 물과 기름을 판별할 수 있는 판별부를 더 포함하고,
상기 판별부는
상기 분광기에서 측정된 상기 ON 형광 스펙트럼과 상기 OFF 형광 스펙트럼을 수신받는 단계;
수신받은 ON 형광 스펙트럼에서 상기 OFF 형광 스펙트럼을 뺀 감산 데이터를 획득하는 단계;
동일 방식으로 복수 회 획득한 감산 데이터를 산술 평균하여 형광 스펙트럼을 도출하는 단계;
도출된 형광 스펙트럼의 데이터를 최대값으로 규격화시키는 단계; 및
규격화된 형광 스펙트럼을 상기 물과 기름을 판별하기 위해 아래의 수학식 1을 계산하고 계산된 QL 값을 이용하여 상기 물과 기름을 판단하는 단계;를 포함하여 이루어지는 물과 기름을 판단하는 방법을 통해 상기 물과 기름을 판단하며,
상기 수학식 1은
[수학식 1]
(여기서, AreaLong은 물의 라만 영역과 적조에 의한 형광 영역이 제외된 영역이며, AreaRaman은 여기광에 의한 물의 라만 영역이다.)
인 것을 특징으로 하는 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템.
A laser diode that outputs light;
a semi-transmissive mirror that reflects the light output from the laser diode and radiates it to the detection area, and transmits the light incident and fluorescent from the detection area; and
It includes a spectrometer that receives the light transmitted through the semi-transparent mirror and measures a fluorescence spectrum,
The laser diode outputs excitation light by controlling ON/OFF operation through frequency modulation and pulse width modulation (PWM),
The spectrometer measures the fluorescence spectrum by distinguishing between 'ON' and 'OFF' states of operation of the laser diode,
Receive the fluorescence spectrum measured in the 'ON' state (hereinafter referred to as 'ON fluorescence spectrum') and the spectrum measured in 'OFF' state (hereinafter referred to as 'OFF fluorescence spectrum') measured by the spectrometer. It further includes a determination unit capable of distinguishing between water and oil based on the calculated results,
The determination unit
Receiving the ON fluorescence spectrum and the OFF fluorescence spectrum measured by the spectrometer;
Obtaining subtracted data by subtracting the OFF fluorescence spectrum from the received ON fluorescence spectrum;
Deriving a fluorescence spectrum by arithmetic averaging subtracted data acquired multiple times in the same manner;
Normalizing the data of the derived fluorescence spectrum to the maximum value; and
Calculating Equation 1 below to determine the water and oil using a standardized fluorescence spectrum and determining the water and oil using the calculated Q L value. A method for determining water and oil, including: By judging the water and oil,
Equation 1 above is
[Equation 1]
(Here, Area Long is the area excluding the Raman area of water and the fluorescence area caused by red tide, and Area Raman is the Raman area of water caused by excitation light.)
A UV fluorescence measurement system for distinguishing between water and oil.
상기 레이저 다이오드와 상기 반투과거울 사이에는
상기 레이저 다이오드로부터 출력된 광의 장축 발산 각도를 줄일 수 있도록 광을 집속하는 광집속렌즈; 및
상기 광집속렌즈에서 집속된 광을 입사받아 광을 균일하게 확산시켜 투과시키는 광학 확산판;을 포함하는 균일광렌즈계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템.
According to claim 1,
Between the laser diode and the transflective mirror
An optical focusing lens that focuses light to reduce the long-axis divergence angle of the light output from the laser diode; and
A UV fluorescence measurement system for distinguishing between water and oil, further comprising an optical diffusion plate that receives the light focused from the optical focusing lens and uniformly diffuses and transmits the light.
상기 반투과거울에서 반사된 광이 검출 영역으로 조사되는 조사경로에는,
상기 반투과거울에서 반사된 광을 검출 영역검출 영역사시키는 제1 전반사거울;
상기 제1 전반사거울에서 반사된 광을 확산시키는 평오목렌즈; 및
상기 평오목렌즈를 투과한 광을 평행광으로 만들어 투과시키는 제1 평볼록렌즈;로 구성된 광조사렌즈계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템.
According to claim 1,
In the irradiation path where the light reflected from the semi-transparent mirror is irradiated to the detection area,
a first total reflection mirror that reflects the light reflected from the semi-transmissive mirror into a detection area;
a flat-concave lens that diffuses the light reflected from the first total reflection mirror; and
A UV fluorescence measurement system for distinguishing between water and oil, further comprising a light irradiation lens system consisting of a first plano-convex lens that converts the light transmitted through the plano-concave lens into parallel light and transmits it.
상기 반투과거울을 투과한 광을 상기 분광기로 입력시키는 입사경로에는,
상기 반투과거울을 투과한 광을 반사시키는 제2 전반사거울; 및
상기 제2 전반사거울에서 반사된 광을 집속하여 상기 분광기로 전달하는 제2 평볼록렌즈;로 구성된 광입사렌즈계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템.
According to claim 1,
In the incident path through which the light transmitted through the semi-transmissive mirror is input to the spectroscope,
a second total reflection mirror that reflects the light transmitted through the semi-transmissive mirror; and
A UV fluorescence measurement system for distinguishing between water and oil, further comprising a light incident lens system consisting of a second plano-convex lens that focuses the light reflected from the second total reflection mirror and transmits it to the spectroscope.
상기 반투과거울과 상기 분광기 사이에 위치하여 상기 반투과거울을 투과한 광에 포함된 자연광의 수평편광을 제거하는 선형편광자가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템.
According to claim 4,
A UV fluorescence measurement system for discriminating between water and oil, further comprising a linear polarizer located between the semi-transparent mirror and the spectrometer to remove horizontal polarization of natural light included in the light transmitted through the semi-transparent mirror. .
상기 선형편광자는 상기 분광기와 상기 제2 평볼록렌즈 사이에 배치하거나 상기 반투과거울과 상기 제2 전반사거울 사이에 배치하는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 판별하기 위한 UV 형광 측정 시스템.
According to claim 5,
A UV fluorescence measurement system for discriminating between water and oil, wherein the linear polarizer is disposed between the spectrometer and the second plano-convex lens or between the semi-transmissive mirror and the second total reflection mirror.
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