기기분석 7장 광학기기의 부분장치

 

7장. 광학기기의 부분장치

 

 

7E 복사선 변환기

 

7E - 3 다중채널 변환기 Multichannel Photon Transducers

 

 

 

1. 광 다이오드 배열 Photodiode arrays(PDAs)

2. 전하-주입 장치 Charge-injection devices (CIDs)

Charge-transfer devices (CTDs)

3. 전하-쌍 장치 Charge-coupled devices (CCDs)

 

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1. 광 다이오드 배열 Photodiode arrays(PDAs)

개개의 광 감응요소들은 작은 규소 광 다이오드

이들은 나란히 배열, 광 다이오드 배열의 표면 이룸

전체 스펙트럼을 연속적인 방식으로가 아니라 별개의 요소에 동시에 모음

광전 증배관(photomultiplier) 의 성능에 못 미친다.

 

2. 전하 이동 장치 Charge-transfer Devices (CTDs): CIDs & CCDs

Multichannel다중채널의 장점, photomultiplier 광전 증배관의 장점 가진다

개개의 변환기 요소들이 열과 줄로, 즉 2차원적으로 배열

복사선이 도핑된 규소에 들어올 때 생기는 전하를 저장하는 금속산화물 반도체 커페시터가 된다

Potential well: 주위 픽셀로 넘쳐 흐르기 전에 10의 5-6승 개의 전하 저장

한 전극은 다른 전극보다 더 음의 값 가짐, 이런 전극 아래에 전하 더 효과적으로 모은다.

 

3. 전하-주입 장치 Charge injection device (CID)

한 전극 아래의 영역에서 다른 전극 아래의 영역으로 전하가 이동하면서 생긴 전압변화를 측정

비파괴 출력방식, 연속적으로 측정 가능

a) 두 전극에 음의 전위 걸어 n층에서 생긴 hole 을 모으고 저장하는 Potential well 만듦. 오른쪽이 더 음전위 가져서 모든 hole은 더 음전위 가진 전극 아래 모임

b) 왼쪽에 있는 커페시터의 전위(V1)는 걸어준 전위 제거 후 측정

c) 오른쪽의 전극 전위를 음에서 양으로 바꾸어서 축적된 hole은 왼쪽 전극 아래에 Potential well로 이동

그 다음 새로운 전극 전위 (V2) 측정, 축적된 전하 크기는 전위차 (V2- V1)

d) 두 전극에 양전위 걸어서 hole을 기질로 이동하게 하여 검출기가 원래대로 돌아가게 함

 

4. 전하-쌍 장치 Charge coupled device (CCD)

p-형 반도체

커페시터는 양의 전압

전하가 측정을 하기 위한 전하 감응 증폭기로 이동

빛 흡수로 인해 생긴 전자들은 전극 아래 우물에 모이고 구멍들은 p형 층에서 기질 쪽으로 움직인다.

각 픽셀은 3개의 전극으로 이루어짐

축적된 전하를 측정하기 위하여 three-phase clock회로를 사용

전하를 고속 이동 레지스터까지 순차적으로 오른쪽으로 이동 -> 전하들은 아래에 있는 예비증폭기로 이동되고 출력됨

전하-주입장치 CID 와 비교해 볼 때 이 경우에 출력은 축적된 전하를 중화하는 것

전하-결합장치는 낮은 세기의 빛살에도 큰 감도를 갖는 장점

그러나 출력과정의 파괴방식이 단점

7E-4 광 전도 검출기 Photoconductivity Transducers

근적외선 영역의 빛 검출

가장 예민한 검출기는 이 영역 빛 흡수하면 전기저항 감소하는 반도체 이용

광 전도체는 냉각시킴으로써 매우 인접한 에너지 준위 사이에서 열적으로 유발되는 전이로 인해 생기는 잡음 감소

원적외선까지 측정

푸리에 변환 적외선 기기장치에 응용

광 전도 물질: PbS, 실온에서 사용

 

7E-5 열 변환기 Thermal Transducers

(지금까지 광 변환기 일반적으로 적외선에 사용 못한다. 왜나 하면 광자들이 전자를 광 방출 시킬 만큼 에너지가 충분히 크지 않아서)

따라서 광전도 검출기는 열변환기 사용- 그러나 광자 변환기보다는 못함

열변환기에 빛이 들어오면 작은 흑체에 의해서 흡수됨-> 온도 증가

적외선 빔에서 나오는 빛의 세기는 작아서 검출 가능한 온도 변화가 일어나려면

1) 흡수물질의 열용량 적어야 함

2) 흡수물질 크기, 두께 작아야 함

3) 전체 적외선 빔이 그 표면에 집중되도록

문제점 – 주위로부터 오는 열적 잡음

따라서 진공 상자 안에 설치, 다른 인접 물체로부터 방출되는 열 복사선 차단

광원에서 오는 빔을 토막 낸다.

시간에 따라 서서히 변하는 외부 잡음 신호로부터 전자공학적으로 쉽게 분리

 

1) 열전기쌍 Thermocouples

구리와 같은 한 금속의 두 조각을 콘스탄탄과 같은 다른 금속의 각 끝에 용접하여 만들어지는 한 쌍의 접촉으로 이루어짐

두 개의 접촉 사이의 전위차는 두 접촉의 온도 차에 따라 변한다.

2) 볼로 미터 Bolometers

백금이나 니켈 같은 금속조각이나 반도체로 만들어진 저항 온도계의 한 종류

온도변화에 따라 큰 저항변화

3) 파이로 일렉트릭 검출기 Pyroelectric Transducers

열적 및 전기적 성질을 가진 절연체(유전물질)인 파이로전기물질의 wafer(단결정 박편)으로 만든다.

황산트라이글리신

파이로전기 물질은 센 온도의존성 편극strong temperature-dependent polarization이 유지된다. 파이로전기 결정을 2개의 전극 사이에 끼워 넣으면 온도의존성 커페시터를 형성한다. 이것에 적외선을 쪼여주어 그 온도를 변화시키면 결정 내의 전하분포가 변화하고 측정할 수 있는 전류를 만들어낸다.

SMALL

 

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7F 신호처리장치와 판독장치

 

1) 검출기에서 나오는 전기신호 증폭

2) dc를 ac로 또는 그 반대로

3) 위상 변화

4) 원하지 않는 성분 제거

5) 미분, 적분 등으로 수학적 연산

 

7F-1 광자계수

광전 증배관 출력은 검출기 표면에 닿은 광자마다 생긴 전자들의 펄스로 이루어져 있다.

교류 전압이나 전류로 측정

만약 빛 세기 너무 낮아 신호대잡음비가 잘 나오지 않으면 아날로그 신호를 디지털 펄스로 변환

빛 세기는 평균 전류나 전위보다 시간당 펄스의 수의 비례 – photon counting

 

photon counting

장점

1) 신호대잡음비 개선

2) 약한 빛 감도 증가

3) 정밀도 향상

4) 광전증배관 전압과 온도 요동에 대한 낮은 감도 변화

단점

1) 비싸다

2) 자외선, 가시선 영역에서 이용 불가

3) 그러나 빛 세기 낮은 형광, 화학발광, 라만 분광법에서 검출기고 사용

 

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7H 광학기기의 형태

① Spectroscope 원자 방출선을 사람의 눈으로 확인

단색화 장치, 출구슬릿이 초점면 따라 움직이는 대안렌즈로 대체

② Colorimeter 사람의 눈이 검출기로서 작동하는 흡수측정기

③ Photometer 광원, 필터, 광전변환기, 신호처리장치, 판독장치

④ Fluorometers 형광측정

⑤ Spectrometer 파장이나 주파수 함수로서 빛 세기 정보

분산장치가 다중채널이기 때문에 두 개 이상의 빔 세기의 비 결정

⑥ Spectrophotometer 흡수분광법처럼 파장의 함수에 대해 2개의 빔 세기 비 결정

하나 이상의 출구슬릿과 광전변환기 가짐

⑦ Spectrofluorometer: 형광분석

위 기기들은 스펙트럼의 일부 분리하는데 단색화 장치, 필터 사용

다중형 기기는 빛 분산하거나 거르지 않고 스펙트럼 얻음

대부분의 다중형 기기는 푸리에 변환법 이용

 

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7I 푸리에 변환 광학 측정의 원리 – 다중형기기 이용

 

7I - 1 Inherent Advantages of Transform Spectrometry

① Throughput advantage (처리량 이점)

빛 세기 감소시키는 광학부분장치와 슬릿을 거의 가지고 있지 않음

검출기에 도달하는 빛 세기는 분산기기에서 오는 것보다 더 커서 신호대잡음비 커짐

② 매우 높은 분해능, 파장 재현성 reproducibility 으로 매우 많은 좁은 선들의 겹친다. 따라서 복잡한 스펙트럼 분석

③ Multiplex advantage

광원의 모든 파장이 검출기에 동시에 도달하므로 전체스펙트럼 한번에 얻음

스펙트럼의 질, 즉 상세구조의 정도는 분해요소가 증가할수록 또는 측정하는 주파수 간격이 작을수록 증가한다. 따라서 스펙트럼 질 높이기 위해 m 증가. 분해요소 수가 증가할수록 스펙트럼 얻는 시간도 증가

푸리에 변환 분광법은 스펙트럼의 모든 분해요소를 동시에 측정하므로 필요한 시간 감소

푸리에 변환기는 자외선, 가시광선, 근적외선 영역에서 사용하지 않음

신호대잡음비 제한하는 것은 검출기 잡음이 아니라 광원과 관련된 산탄잡음과 깜빡이 잡음 떄문

산탄잡음과 깜빡이 잡음은 신호세기 증가함에 따라 증가

Flicker Noise 깜빡이 잡음: 원인은 완벽하게 알려져 있지 않지만, 어디에서나 존재하며 주파수의 의존성을 통해서 알 수 있다. 특징은 측정되는 신호의 주파수에 반비례하는 크기를 가진다. 따라서 1/f 잡음으로도 불린다. 플리커 잡음은 약 100Hz 이하의 저주파에서 크게 나타난다. 직류 증폭기, 광원, 전원 공급장치, 전압계, 전류계 등에서 관찰되는 것이 플리커 잡음의 예가 된다.

 

7I - 2 Time-Domain Spectroscopy

frequency-domain spectroscopy : 주파수 또는 파장의 함수로 기록

time-domain spectroscopy: 시간에 따라 빛 세기 변화

P(t) = kcos(2πν1t) + kcos(2πν2t)

여러 파장의 위상차이가 시간이 지남에 따라 더 커지므로 신호 세기 시간에 따라 줄어듦

 

7I - 3 Michelson Interferometer 이용하여 Time-Domain Spectra 얻기. -> 주파수 감소하도록

매우 큰 주파수의 세기변화에 응답하는 변환기가 존재 하지 않기 떄문

시간함수 스펙트럼을 얻으려면 신호를 나르는 시간 관계를 일그러뜨리지 않고 큰 주파수 신호를 측정 가능한 주파수로 변환하는 방법 사용

광학영역의 빛 변화시키는데 Michelson 간섭계 사용

Michelson Interferometer 통과한 후 검출기에 도달하는 빛의 주파수는 광원의 주파수보다 매우 작을 것이다.

거울이 반파장에 해당하는 거리를 움직일 떄 한 주기의 신호가 나타남

거울이 vM의 일정한 속도로 움직이고 거울이 파장/2 cm만큼 움직이는데 걸리는 시간t

vM t= λ/2

f = 1/t

f = 2vM /λ

 

- Fourier Transformation of Interferogram 푸리에 변환

시간의 함'(time domain)를 주파수 영역'(frequency domain)의 함수(다른 주파수, phases, 진폭을 갖는 사이 파의 함수)로 decomposed하게 변환하는 수학적인 기술이다