광학 시스템 개발

2.3 휴대용 레이저형광검출기 시제품 개발

2.3.1 광학 시스템 개발

지나 분광기의 광파이버에 집속되어진다. 저역대 통과 필터는 레이 저 다이오드에서 나오는 광이 샘플에 반사되거나 산란되어서 수광 부로 들어가게 되는 것을 막는 역할을 한다. 이러한 반사나 산란에 의한 광의 세기는 일반적으로 샘플에서 발생되는 형광의 세기보다 매우 커서 센서에 노이즈로 작용을 하게 된다.

그림 2.3.2 광학시스템의 전면부

가. 광학 시스템의 테스트

첫 번째로 개발한 기름 센서는 그림 2.3.3과 같이 테스트 하였 다. 측정 거리와 실제로 측정되는 환경과 비슷하게 만들기 위해 미 러를 설치하여 샘플에 레이저가 조사되게끔 하였다. 샘플에서 발생

되는 형광은 미러로 반사되어 다시 형광센서로 들어가 신호로 측 정되어진다. 샘플은 형광이 발생되지 않는 용기에 물을 넣은 후, 그 위에 테스트하기 위한 유류를 떨어뜨려 형광을 측정하였다. 첫 번째 기름 센서 시스템을 테스트한 결과, 레이저에서 나오는 광원 은 콜리메이션이 되어있지 않아서 측정 거리에 멀어짐에 따라 빔 사이즈가 커지게 되는 단점이 있으나, 이 시스템의 장점은 수광부 에 상대적으로 많은 옵틱, 즉 렌즈와 미러가 필요하지 않다는 것이 다. 그렇지만, 광원의 빔 사이즈에 따라 수광부에 초점이 맺히는 크기가 달라지므로 측정 효율이 상당히 달라진다는 단점을 가지고 있는 것으로 판명되었다. 측정거리가 일정한 경우, 이러한 단점은 문제가 되지 않지만, 실제로 사용하는 경우 측정거리가 충분히 확 보되지 않은 경우도 있고, 측정거리가 일정하지 않을 경우가 많을 것으로 판단되어 측정거리에 상대적으로 덜 민감한 광학 시스템의 개발이 필요하다는 결론을 얻게 됐다.

그림 2.3.3 원유 광학 센서 테스트 개략도

나. 테스트 프로그램 개발과 결과

그림 2.3.4는 랩뷰어로 개발된 데이터 수집 프로그램이다. 이 프 로그램은 형광 신호를 측정하는 분광기로부터 나오는 형광 스펙트 럼 데이터를 컴퓨터로 불러들여서 컴퓨터 모니터로 샘플로부터 나 오는 형광 스펙트럼을 실시간으로 확인할 수 있도록 해 주고, 또한 실시간으로 스펙트럼을 저장이 가능한 프로그램이다.

그림 2.3.4 랩뷰어로 개발한 실시간 형광 스펙트럼 모니터링 프로그램의 첫 번째 버전

그림 2.3.5는 랩뷰어로 개발된 프로그램을 사용하여 얻은 유류 샘플로부터 측정된 분광 스펙트럼이다. 레이저가 꺼졌을 때(laser off)도 주변광이 측정되어졌다. 실험실에서 측정한 것이므로 태양광 과 형광등에 의한 신호가 측정되어졌고, 그 크기가 무시하지 못할 정도의 크기이다. 레이저가 켜졌을 때(laser on) 샘플에서 발생된 형광의 분광신호는 주간에 육안으로만 봐도 분간이 될 정도로 밝 은 형광을 확인할 수 있었다. 그러나 그림 1.3.5에서 보는 바와 같 이 주변광에 의한 신호가 포함되어 있다는 것을 알 수 있으며, 이 러한 주변광에 의한 신호는 샘플의 유종을 구별하는데 있어서 반 드시 제거되어야 할 노이즈로 판단되어졌다. 이는 광학시스템을 설 계할 때 주변광이 수광부에 들어가지 않도록 줄일 수 있도록 반드 시 고려되어져야 한다.

그림 2.3.5 레이저가 켜졌을 때와 꺼졌을 때의 샘플로부터 나오는 형광 스펙트럼

다. 케이스 제작

주변광이나 외부 광을 차단하기 위해 광학 시스템의 케이스를 제작하였다. 그림 2.3.6은 제작된 센서의 케이스를 보여준다. 외부 광을 효율적으로 차단하는지 테스트를 하였으며, 실험실 주변에서 발생되는 광과 실험실 벽면에서 발생되는 형광 등도 광학 시스템 의 수광부에서 측정되었다. 제작된 케이스를 사용하여 테스트를 했 을 때, 외부 광을 효과적으로 차단된다는 것을 확인하였다.

그림 2.3.6 첫 번째 광학 시스템 케이스 설계도(위)와 제작된 케이스(아래)

라. 광학 시스템 수정

첫 번째로 개발된 광학 시스템을 바탕으로 두 번째 광학 시스 템을 개발하였다. 아래 그림 2.3.7은 개선된 광학 시스템의 개략도 를 보여준다. 첫 번째 개발된 광학 시스템에서 나타난 단점을 보완 하여 개발하였다. 레이저의 빔 사이즈가 측정 거리에 따라 크게 변 하지 않도록 레이저를 콜리메이션 하는데 중점을 두었다. 레이저는 450 ㎚의 레이저 다이오드를 사용하였으며, 레이저 출력이 올라감 에 따라 많은 열이 발생하여 레이저 작동에 영향을 주게 되므로 레이저에서 발생되는 열을 잘 발산할 수 있도록 레이저 케이스를 만들고 방열판을 부착시켰다. 그리고 케이스에 팬을 달아서 케이스 내부의 뜨거운 공기가 외부로 나갈 수 있도록 하였다. 레이저 빔 사이즈를 크게 하기 위해서, 두 개의 볼록렌즈를 사용하여 빔 확장 기를 만들었다. 확장비는 두 번째 렌즈 크기에 맞도록 6배로 하였 다. 이 때 빔 사이즈는 10미터 거리에서 측정 시 직경이 약 4 ㎝ 였다. 샘플에서 발생된 형광은 같은 렌즈를 통하여 집속되어지고, dichroic mirror를 통과하게 된다. Dichroic mirror는 기준 파장을 중 심으로 짧은 파장은 반사를 시키고, 긴 파장은 투과시키는 역할을 한다. 그래서 샘플에서 반사되거나 산란된 광이 집속되어져서 시스 템 내부로 들어오게 되더라도 dichroic mirror에 의해 반사되어져서 수광부로 들어가는 것을 막을 수가 있다. Dichroic mirror를 투과한 형광은 두 번째 렌즈에 의해 다시 집속되어져서 분광기의 광파이 버에 입사하게 되고, 그림에는 나와 있지 않지만 광파이버는 소형 분광기에 연결되어져 있다. 소형 분광기는 입사된 형광을 파장별로

분광하여 형광 스펙트럼을 측정한다. 1차 케이스와 다른 점은 레이 저가 나가는 부분과 형광이 들어오는 부분이 나뉘어져 있던 부분 을 하나로 합쳐서 거리에 따른 변화를 적게 하고 또한 효율적으로 형광 신호를 측정할 수 있다는 점이다.

그림 2.3.7 두 번째로 개발된 광학 시스템 (시점:위)

그림 2.3.8은 휴대용 유지문 광학 센서의 제어와 데이터 흐름을 나타내는 개략도이다. 랩뷰어로 작성된 프로그램에서 레이저를

on/off 하는 주기적 신호를 발생시켜 DAQ(data acquisition)을 통해 레이저 콘트롤러에 전달된다. 이때, 주기적 신호는 사각파로 하였 으며, 신호가 high일 때 레이저가 켜지며, 신호가 low일 때 레이저 가 꺼지도록 설정했다. 레이저가 on/off 됨에 따라 분광기가 각각 작동하여 레이저가 켜졌을 때와 꺼졌을 때의 데이터를 각각 측정 하여 컴퓨터에 전달되어진다. 컴퓨터에 입력된 데이터는 랩뷰어에 의해 신호처리 되어져서 컴퓨터 모니터에서 실시간으로 모니터링 할 수 있다.

그림 2.3.8 광학 센서의 제어 시스템 개략도

마. 광학계 케이스 수정

그림 2.3.9는 두 번째로 제작한 광학 시스템 케이스를 보여준다.

1차 케이스와 다른 점은 광원부와 수광부가 합쳐져서 광원이 나가 는 부분이 좀 더 단순해졌으며, 뒷부분에 쿨링팬을 설치하여 레이 저가 과열되는 것을 방지하였다. 휴대용으로 케이스를 제작 시 광 원과 수광부가 케이스 내부에서 완벽하게 나뉘어져 있어서 내부에 서 산란되는 광이 수광부로 들어가지 않도록 하는 방안이 다음 케 이스를 개발할 때 반영되도록 해야 한다. 현재는 임시로 검은색의 두꺼운 종이로 수광부를 감싸놓았다.

그림 2.3.9 두 번째로 제작한 광학 시스템의 케이스. 오른쪽 사진의 빨간색 원은 쿨링팬을 가리킴