光學셀 形象 變化가 生物粒子探知機 性能에 미치는 影響
저자
발행사항
서울 : 성균관대학교 일반대학원, 2016
학위논문사항
학위논문(석사)-- 성균관대학교 일반대학원 : 기계공학과 2016. 8
발행연도
2016
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
Effects of the configuration of collection optics on the performance of bio-fluorescence sensor
형태사항
xi, 89 p. : 삽화, 표 ; 30 cm
일반주기명
지도교수: 김윤제
참고문헌 : p. 83-87
DOI식별코드
소장기관
A bio-fluorescence sensor is used to detect biological agents such as bacillus anthracis, variola virus, vegetative cell which attack human, animals and plants. When biological particles are exposed by UV (Ultra Violet), the scattering and fluorescence phenomena that distinguish between biological and non-biological particles are commonly induced. The UV-LED (Light Emitting Diode) as excitation source equipped in bio-fluorescence sensor have advantage of low cost, light weight, and low power consumption. In order to investigate the effects of the configuration of collection optics on the performance of a bio-fluorescence sensor, numerical study was performed with various types of optical lens and configurations of collection optics, using the commercial software, LightTools, to analyze illumination characteristics. The trajectory of light rays and the distributions of the irradiance were graphically depicted.
In order to minimize and improve the performance of a bio-fluorescence sensor, numerical study was performed with LED, lens, and collection optics equipped with bio-fluorescence sensor. Optical lens such as ball, bi-objective, aspherical shapes are designed to enhance the LED efficiency. As a result, decrease rate of the divergence angle, loss of irradiance, and beam size using bi-objective lens are 64%, 20%, and 97.8%. The collection optics designs were considered with magnifications, screen, and reflectance. In case of the magnification of 4, screen of circle-circle, and reflectance of 100% of collection optics, maximum irradiance was calculated in the receiver.
The experiments were performed with beam profiler and PMT (photomultiplier tube) and confirmed that the collection optics focus the light.
생물학 작용제는 군사작전에 사용되어 인체 및 동·식물에 질병과 환경오염을 유발시키는 무차별 살상무기이므로 조기에 탐지하지 못하면 큰 피해가 발생하게 된다. 이에 대한 대비를 위해 생물학 작용제가 살포된 지역에 투입되어 대기 중에 부유하는 생물입자를 단시간에 정확한 탐지와 분류를 할 수 있는 고성능장비 개발이 요구되고 있는 실정이다. 생물입자 탐지기는 직접접촉하거나 전기화학적으로 또는 광학적인 탐지방식으로 분류할 수 있다. 본 연구에서는 소형화를 통한 탐지기의 휴대성이 양호하고 제작에 유리한 빛 파장의 흡수 원리를 이용하는 광학적인 방법에 대해 연구하였다. 광학셀을 이용한 생물입자 탐지기 원리는 광학셀 내부로 광원에서 나온 자외선과 대기 중에 부유하는 생물입자가 서로 직교방향으로 유입되는 구조인데, 자외선이 조사된 생물입자는 고유한 영역대를 발산하는 형광파장을 발산한다. 형광파장은 광학셀 내부표면에 반사되어 광전자 증배관에 도달하여 생물입자를 탐지하여 물성을 파악하게 된다. 생물입자 탐지기에서 광원은 일반적으로 자외선 영역대의 레이저가 사용되어 왔지만, 최근 상대적으로 크기가 작고 저렴한 가격과 낮은 소비전력으로 구동되는 UV-LED (Ultra Violet-Light Emitting Diode)를 적용하였다.
생물입자 탐지기의 소형화와 탐지 성능 향상을 위해, 탐지기에 장착되는 LED 광원, 렌즈, 광학셀 (collection optics) 형상에 따른 광학적 특성을 분석을 위한 수치해석을 수행하였다. LED 광원은 레이저 광원에 비해 출력 (power)이 작고 발산각이 크며 탐지영역에 도달하는 빛의 초점이 수렴되지 않기 때문에 본 연구에서는 광원의 효율을 향상시키기 위해 LED 광원 전면에 렌즈 배치를 고려하였다. 볼 렌즈 (ball lens), 이중대물 렌즈 (bi-objective lens), 비구면 렌즈 (aspherical lens)를 모델링하여 수치해석을 수행한 결과 UV-LED광원에 비해 이중대물 렌즈의 발산각은 64%, 광량손실은 20%, 빔사이즈는 97.8% 감소하여 3 가지 렌즈 중 가장 우수한 렌즈로 평가되었다. 광학셀 형상은 배율, 스크린 형상, 반사율 변화를 설계변수로 적용하여 각각 5 가지 case를 설정하였다. 광학셀 배율이 4일 때, 스크린 형상이 circle-circle인 경우, 반사율이 100%일 때 수용기에서 최대광량을 나타내었다.
수치해석 결과를 토대로 배율이 4 인 광학셀을 제작하여 빔 프로파일러와 광전자 증배관을 이용하여 실험을 수행한 결과 광학셀을 통해 초점이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
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