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문제 정의
- 본 시스템은 차량에 장착하여 차량 주행 중 사용하는 것을 목표로 한다. 주행 중 지표면의 높이가 변화하더라도 수광부에 의해 집광되는 광이 동일한 배율로 카세그레인 방식의 축대칭 반사망원경을 설계하였다.
- 본 연구에서는 라만 라이다 기술을 기반으로 지표면에 누출된 화학물질을 측정하기 위한 시스템을 구성하여 유해화학물질로 규정된 화학물질의 라만 스펙트럼을 측정하였다. 유도광원으로 중심파장 248.
- 본 연구에서는 라만분광법을 이용하여 지표면에 누출된 화학물질을 측정하는 시스템을 설계 제작하였다. 시스템은 라만 라이다(light detection and ranging: LIDAR)를 기반으로 구성하였고, 유도광원으로 자외선(ultraviolet: UV) 레이저를 적용하여 태양광•형광의 간섭 없이 야외측정이 가능하도록 하였다[7-8].
- 비구면렌즈에 의해 집속된 빔은 광섬유뭉치(optical fiber bundle)를 통해 분광부로 전달되므로 광섬유뭉치의 개구수(numerical aperture: NA)와 직경을 고려하여 NA 0.22, φ1 mm 안에 모든 광을 수광하도록 설계하였으며, 이미지 결상 광학계가 아니므로 변조전달함수(modulation transfer function: MTF) 보다 수광되는 광량을 늘리는 것을 목표로 설계하였다.
제안 방법
- 분광부는 라만 산란광을 파장별로 분해하여 최종적으로 라만 스펙트럼으로 나타낸다. 3600 gr/mm인 고밀도 회절격자를 사용하여 f/#=2인 체르니터너 방식의 분광계를 구성하였으며, 검출기로 미약한 라만 산란광을 증폭하고 형광을 배제하기 위해 증폭과 고속 게이트(gate)가 동시에 가능한 ICCD (Intensifier charge-coupled device)를 적용하였다. ICCD는 26×26 μm 크기의 픽셀(pixel)이 1024×255로 배열되어있으며, 수 ns까지 게이트가 가능하다.
- 지표면과 윈도우 간 거리 변화에 따른 수광효율을 확인하기 위해 고체 시료인 PTFE를 사용하여 실험하였다. PTFE를 측정 위치에 놓고 PTFE와 윈도우 사이의 거리를 450~650 mm까지 25 mm간격으로 변화시키며 PTFE의 라만 스펙트럼을 측정하였다. 이때 수광부의 초점은 주경 구동 장치에 의해 자동으로 제어되었으며, 레이저 펄스 100개에 대한 평균 라만 스펙트럼을 취득하였다.
- 축대칭 반사망원경은 모든 반사경이 하나의 축을 공유하는 형태로 만들어지므로 구조가 단순하다는 장점이 있는 반면 부경에 의한 차폐현상이 발생한다. 따라서 축대칭 구조로 반사망원경을 제작할 경우 부경에 의한 차폐율을 낮추는 설계를 하는 것이 중요하며, 본연구에서도 이를 고려하여 설계 제작하였다.
- 시스템은 라만 라이다(light detection and ranging: LIDAR)를 기반으로 구성하였고, 유도광원으로 자외선(ultraviolet: UV) 레이저를 적용하여 태양광•형광의 간섭 없이 야외측정이 가능하도록 하였다[7-8]. 또한 수광부는 줌 방식을 적용한 망원경을 설계 제작하였다. 망원경은 레이저 거리측정기로 측정된 지표면의 거리 정보를 받아 자동으로 초점을 보정하여, 지표면에 누출된 화학물질 측정 시 측정 거리가 변화하더라도 측정 가능하도록 제작하였다.
- 라만 산란광의 세기는 레이저 빔 밀도에 비례하므로 레이저 빔 밀도를 높이고 수광부 광학 설계 효율을 고려하여 측정면에서 φ3 mm의 평행광이 되도록 3장의 렌즈로 구성된 콜리메이터(collimator)를 설계 제작하였다.
- 구동성 및 차폐율을 고려하여 주경을 움직여 물체거리 변화에도 초점거리가 유지되도록 하였고, 주경 구동은 Equipment solution사의 LFA-2010 제품을 사용하였다. 라만필터의 효율을 높이기 위해 부경은 수광된 빔을 평행광으로 만들어주고 비구면렌즈 1장을 사용해 집속되도록 하였다. 비구면렌즈에 의해 집속된 빔은 광섬유뭉치(optical fiber bundle)를 통해 분광부로 전달되므로 광섬유뭉치의 개구수(numerical aperture: NA)와 직경을 고려하여 NA 0.
- 콜리메이터는 구면 렌즈 1장과 실린더 렌즈 2장이 서로 직교하도록 구성하였다. 레이저 빔은 직사각형의 형태를 가지고 발산하므로 구면 렌즈는 레이저 빔이 수렴하도록 하고, 실린더 렌즈는 레이저빔 단축과 장축의 배율을 각각 다르게 조정할 수 있도록 하며 단축의 경우 1 배율, 장축의 경우 0.5 배율로 구성하였다.
- 또한 수광부는 줌 방식을 적용한 망원경을 설계 제작하였다. 망원경은 레이저 거리측정기로 측정된 지표면의 거리 정보를 받아 자동으로 초점을 보정하여, 지표면에 누출된 화학물질 측정 시 측정 거리가 변화하더라도 측정 가능하도록 제작하였다. 제작된 시스템을 통해 유해화학물질로 지정된 화학물질의 라만 스펙트럼과 콘크리트 시편 위 화학물질에 대한 라만 스펙트럼도 측정하여 순수 화학물질과 지표면 위의 화학물질의 라만 스펙트럼 특성을 비교하였다.
- 본 시스템은 화학물질의 라만 산란을 유도하는 레이저와 레이저 빔을 지표면의 화학물질로 집속하는 송광부와 화학물질과 레이저 빔이 상호작용하여 발생한 라만 산란광을 집광하는 수광부, 수광된 광을 파장별로 분리해주는 분광부와 송수광부 제어 및 분광 신호를 분석해주는 신호처리부로 구성되며, 구성도는 그림 1과 같다.
- 본 연구에서 구성한 시스템을 통해 유해화학물질로 규정된 화학물질 중 Acrylic acid, Acrylonitrile, Allyl alcohol을 포함하여 총 12종의 라만 스펙트럼을 측정하였다. 측정 위치에 커버 글라스를 놓고 화학물질 1 μl를 각각 점적한 후 라만 스펙트럼을 측정하였다.
- 5%의 반사율을 갖는 거울 (mirror) 4개를 설치하였다. 송수광부가 장착되는 베이스플레 이트(baseplate)를 기준으로 레이저와 1차 조향경은 윗면에 장착되며, 2~4차 조향경은 아랫면에 장착하여 시스템 내부에서 무작위로 산란되는 레이저 빔이 수광부 잡광(noise)으로 기여하지 않도록 하고, 시스템이 소형화 되도록 하였다.
- 시스템은 라만 라이다(light detection and ranging: LIDAR)를 기반으로 구성하였고, 유도광원으로 자외선(ultraviolet: UV) 레이저를 적용하여 태양광•형광의 간섭 없이 야외측정이 가능하도록 하였다[7-8].
- 본 연구에서는 라만 라이다 기술을 기반으로 지표면에 누출된 화학물질을 측정하기 위한 시스템을 구성하여 유해화학물질로 규정된 화학물질의 라만 스펙트럼을 측정하였다. 유도광원으로 중심파장 248.35 nm의 자외선 펄스 레이저를 사용하여 지표면에서 발생할 수 있는 형광과 태양광의 영향을 줄였으며, 측정 거리가 변화하더라도 라만 산란광을 수광할 수 있도록 반사망원경을 설계하여 제작하였다. 유해화학 물질 중 총 12종에 대한 라만 스펙트럼 측정하였고, 화학물 질의 분자구조에 의해 각각 다른 라만 스펙트럼이 측정되었으며 공기 중에 존재하는 산소와 질소의 피크는 모든 스펙트럼에서 함께 측정되었다.
- 35 nm의 자외선 펄스 레이저를 사용하여 지표면에서 발생할 수 있는 형광과 태양광의 영향을 줄였으며, 측정 거리가 변화하더라도 라만 산란광을 수광할 수 있도록 반사망원경을 설계하여 제작하였다. 유해화학 물질 중 총 12종에 대한 라만 스펙트럼 측정하였고, 화학물 질의 분자구조에 의해 각각 다른 라만 스펙트럼이 측정되었으며 공기 중에 존재하는 산소와 질소의 피크는 모든 스펙트럼에서 함께 측정되었다.
- 망원경은 레이저 거리측정기로 측정된 지표면의 거리 정보를 받아 자동으로 초점을 보정하여, 지표면에 누출된 화학물질 측정 시 측정 거리가 변화하더라도 측정 가능하도록 제작하였다. 제작된 시스템을 통해 유해화학물질로 지정된 화학물질의 라만 스펙트럼과 콘크리트 시편 위 화학물질에 대한 라만 스펙트럼도 측정하여 순수 화학물질과 지표면 위의 화학물질의 라만 스펙트럼 특성을 비교하였다. 또한 측정 거리 변화에 따른 PTFE의 라만 스펙트럼을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교하였으며, 이를 통해 지표면의 높이 변화에도 화학물질의 라만 스펙트럼 측정이 가능함을 확인하였다.
- 본 시스템은 차량에 장착하여 차량 주행 중 사용하는 것을 목표로 한다. 주행 중 지표면의 높이가 변화하더라도 수광부에 의해 집광되는 광이 동일한 배율로 카세그레인 방식의 축대칭 반사망원경을 설계하였다. 축대칭 반사망원경은 모든 반사경이 하나의 축을 공유하는 형태로 만들어지므로 구조가 단순하다는 장점이 있는 반면 부경에 의한 차폐현상이 발생한다.
- 지표면의 경우 대부분 콘크리트로 이루어져 있으므로 콘크리트 시편 위에 화학물질을 점적한 후 라만 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과 글라스 위에서 화학물질을 측정한 것보다 광자수는 적지만 화학물질의 주요 특성 피크는 모두 측정되어 화학물질을 구별하는데 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
- 측정 위치에 커버 글라스를 놓고 화학물질 1 μl를 각각 점적한 후 라만 스펙트럼을 측정하였다.
대상 데이터
- 윈도우는 차량에 장착하였을 때 최하단 부분이며, 광학계 설계 시 지표면의 높이 변화는 지표면과 윈도우 간 거리를 기준으로 하였다. 구동성 및 차폐율을 고려하여 주경을 움직여 물체거리 변화에도 초점거리가 유지되도록 하였고, 주경 구동은 Equipment solution사의 LFA-2010 제품을 사용하였다. 라만필터의 효율을 높이기 위해 부경은 수광된 빔을 평행광으로 만들어주고 비구면렌즈 1장을 사용해 집속되도록 하였다.
- 레이저 빔이 수광부와 동축을 유지하면서 화학물질로 조사시키기 위해 248.35 nm에서 99.5%의 반사율을 갖는 거울 (mirror) 4개를 설치하였다. 송수광부가 장착되는 베이스플레 이트(baseplate)를 기준으로 레이저와 1차 조향경은 윗면에 장착되며, 2~4차 조향경은 아랫면에 장착하여 시스템 내부에서 무작위로 산란되는 레이저 빔이 수광부 잡광(noise)으로 기여하지 않도록 하고, 시스템이 소형화 되도록 하였다.
- 33이다. 수광되는 광량을 늘리기 위해 주경의 크기는 클수록 좋지만 주경을 구동하는 장치의 사양과 광 설계 사양인 Etendue를 고려하여 주경은 직경 6 inch의 알루미늄 재질로 된 반사경을 사용하였다. 기타 요구조건을 기준으로 설정된 줌 망원경 광학계의 설계사양은 표 2와 같다.
- 유도 광원인 레이저는 태양광과 지표면에서 발생하는 형광의 간섭없이 라만 산란광을 측정하기 위해 중심파장 248.35 nm인 GAM사 KrF 레이저를 적용하였으며, 상세 사양은 표 1과 같다.
- 지표면과 윈도우 간 거리 변화에 따른 수광효율을 확인하기 위해 고체 시료인 PTFE를 사용하여 실험하였다. PTFE를 측정 위치에 놓고 PTFE와 윈도우 사이의 거리를 450~650 mm까지 25 mm간격으로 변화시키며 PTFE의 라만 스펙트럼을 측정하였다.
이론/모형
- 광학계 설계는 Code V를 사용하였고 광량 분석은 조명 시뮬레이션 전문 프로그램인 LightTools를 사용하였다. 그림 3은 지표면과 윈도우 간 거리 변화에 따른 주경의 이동 거리를 나타내며, 총 이동량은 7.
성능/효과
- 이 거리 변화는 주경의 위치를 이동시켜 보정하였으며 거리 변화에 따른 라만 스펙트럼 측정 결과 각 거리별 수광된 광자수의 합은 수광효율을 시뮬레이션한 결과와 유사하게 나타났으며, 450~650 mm 구간에서 거리가 변화하더라도 라만 스펙트럼 측정이 가능함을 확인하였다. 575 mm에서 가장 많은 라만 산란광을 수광할 수 있으며, 450 mm에서 수광되는 광량이 가장 적었으며 최대값 대비 약 60%정도이었다.
- 그 결과 글라스 위에서 화학물질을 측정한 것보다 광자수는 적지만 화학물질의 주요 특성 피크는 모두 측정되어 화학물질을 구별하는데 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
- 제작된 시스템을 통해 유해화학물질로 지정된 화학물질의 라만 스펙트럼과 콘크리트 시편 위 화학물질에 대한 라만 스펙트럼도 측정하여 순수 화학물질과 지표면 위의 화학물질의 라만 스펙트럼 특성을 비교하였다. 또한 측정 거리 변화에 따른 PTFE의 라만 스펙트럼을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교하였으며, 이를 통해 지표면의 높이 변화에도 화학물질의 라만 스펙트럼 측정이 가능함을 확인하였다.
- 차량에 장착하여 지표면에 누출된 화학물질을 측정할 경우 지표면의 요철 때문에 시스템의 측정거리는 계속 변화하게 된다. 이 거리 변화는 주경의 위치를 이동시켜 보정하였으며 거리 변화에 따른 라만 스펙트럼 측정 결과 각 거리별 수광된 광자수의 합은 수광효율을 시뮬레이션한 결과와 유사하게 나타났으며, 450~650 mm 구간에서 거리가 변화하더라도 라만 스펙트럼 측정이 가능함을 확인하였다. 575 mm에서 가장 많은 라만 산란광을 수광할 수 있으며, 450 mm에서 수광되는 광량이 가장 적었으며 최대값 대비 약 60%정도이었다.
- 46%이었다. 최대 수광효율을 갖는 위치에 주경을 고정하고 지표면과 윈도우 간 거리 변화에 따른 수광효율을 분석한 결과 최대 수광효율은 주경을 제어하였을 때와 동일하나 지표면과 윈도우 간 거리 450 mm에서 수광효율은 0%로 라만 산란광을 수광할 수 없는 것을 확인할 수 있었다.
- 평균 라만 스펙트럼을 적분하여 수집된 총 광자수로 변환한 결과를 그림 7에 나타내었다. 측정 결과 수광부의 수광효율을 시뮬레이션한 결과 그래프와 유사한 것을 확인할 수 있었고, 450~650 mm 구간에서 측정 거리가 변화하더라도 자동으로 초점을 제어하여 라만 스펙트럼 측정이 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 차후 화학물질과 지표면 시편의 종류를 늘리고 각 화학물질 별 라만 스펙트럼 특성을 분석하여 구별하는 알고리즘에 대한 연구를 진행할 예정이다. 알고리즘 개발이 완료되면 실제 차량에 장착하여 실시간으로 다양한 지표면에 누출된 화학물질에 대한 탐지가 가능할 것이라 기대되며 차량뿐만 아니라 무인 로봇 등 다양한 응용이 가능할 것으로 예상된다.
- 차후 화학물질과 지표면 시편의 종류를 늘리고 각 화학물질 별 라만 스펙트럼 특성을 분석하여 구별하는 알고리즘에 대한 연구를 진행할 예정이다. 알고리즘 개발이 완료되면 실제 차량에 장착하여 실시간으로 다양한 지표면에 누출된 화학물질에 대한 탐지가 가능할 것이라 기대되며 차량뿐만 아니라 무인 로봇 등 다양한 응용이 가능할 것으로 예상된다.
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