Bentham IDR300-PSL 펄스광원 측정법

이 가이드는 IDR300-PSL 시스템을 사용하여 펄스 광원을 측정하는 것을 돕기 위해 제공됩니다.

펄스 광원의 측정은 본래 IDR300-PSL의 사양 범위를 벗어나는 작업임을 유의해야 합니다. 하지만 많은 경우 성공적인 측정 결과를 얻을 수 있습니다. 단일 펄스 광원, 특히 카메라나 IPL 장치에 사용되는 플래시 램프와 같은 광원은 이 절차를 따라도 측정이 불가능할 수 있음을 미리 알려드립니다.

개요 (Overview)

펄스 광원의 광 방출 측정에는 일반적으로 필터 라디오미터(충분히 빠른 검출 전자 장치가 뒤따름)와 CCD 어레이 분광기, 두 가지 유형의 장비가 사용됩니다. 그러나 일반적으로 이 두 기술 모두 IEC/EN62471 맥락에서 광생물학적 안전성을 고려할 때 요구되는 스캐닝 분광방사계(scanning spectroradiometer) 수준의 정확도를 제공하지는 못합니다.

현재 Bentham에서는 펄스 검출 전자 장치를 갖춘 IDR300-PSL 분광방사계 기반의 측정 솔루션을 개발 중입니다. 그동안 이 문제에 대해 접수된 수많은 문의에 답하기 위해, 본 기술 노트에서는 펄스 광원의 방사조도(irradiance) 측정에 IDR300-PSL 시스템을 활용할 수 있는 가능성에 대해 논의합니다.

IDR300-PSL 검출 전자 장치 (Detection Electronics)

IDR300-PSL의 검출 전자 장치는 두 개의 듀얼 채널 트랜스 임피던스 증폭기(trans-impedance amplifiers)와 그 뒤를 잇는 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 구성됩니다. 펄스 광원 측정 시 고려해야 할 중요한 사항은 ADC의 **적분 시간(integration time)**입니다.

일반적인 작동 방식에서는 시스템 검출기에서 생성된 광전류가 트랜스 임피던스 증폭기로 전달되고, 그 전압 출력이 ADC에 의해 적분됩니다. 획득된 결과에 따라 측정값이 기록되거나 증폭기의 게인(gain) 범위가 수정되어 게인을 높이거나 낮춥니다.

IDR300-PSL로 펄스 광원을 측정할 때는 증폭기의 '오토 레인징(ranging behaviour)' 기능을 중지할 것을 권장하며, 절차의 이 부분에서 얻은 시간 평균 결과는 광원의 **상대 분광 분포(relative spectral distribution)**만 산출한다는 점을 유의해야 합니다. 절대값(absolute values)을 얻는 방법은 아래에서 설명하겠습니다.

상대 분광 분포 측정 (Relative Spectra Distribution Measurement)

ADC의 적분 시간이 100ms로 주어지면, 펄스 광원의 주파수와 듀티 사이클에 따라 펄스가 전혀 측정되지 않거나(적분 시간이 Off-time에 동기화됨), 전체 펄스 열(train)이 측정될 수도 있습니다. 적분 시간을 늘리면 대부분의 경우 데이터 세트를 더 잘 샘플링하여 보다 안정적인 결과를 제공합니다. 적분 시간은 Benwin+ 소프트웨어의 Instruments/ADC 1 (2) 메뉴 항목을 통해 수정할 수 있습니다. ADC 1은 200-1050nm 스펙트럼 범위에 사용되며, ADC 2는 InGaAs 검출기를 사용하는 더 긴 파장 대역에 사용됩니다.

위 설정 화면에서 **"Use Adaptive Integration(적응형 적분 사용)"**이 선택되지 않았는지 확인한 후, 판독 당 샘플(Samples per Reading) 수를 직접 수정할 수 있습니다. 낮은 ADC 판독 수로 시작하여 측정을 수행하고, 아래 그래프에서 볼 수 있듯이 노이즈 감소를 확인하면서 ADC 판독 수를 1에서 20까지 늘려가며 과정을 반복하는 것이 좋습니다.

(ADC 판독 수 증가에 따른 노이즈 감소 그래프)

고려되는 위험(hazards)에 따라 방사조도(irradiance) 및 방사휘도(radiance) 구성 모두에서 이 상대 분광 분포 측정을 수행하는 것이 좋습니다. 펄스 광원의 방사휘도 절대 측정은 1.7mrad FOV(시야각)로 수행해야 하므로 이 조건만 고려하면 됩니다. 펄스 광원 측정을 수행하기 전에 올바른 분광 결과를 제공하기 위해 CL6_H/CL7_H 또는 SRS12를 사용한 시스템 교정이 필요합니다.

증폭기 오토 레인징 기능 비활성화 (Disabling Amplifier Auto-Range Function)

경우에 따라 증폭기의 오토 레인징(auto-ranging) 기능을 중지해야 할 수도 있습니다. 그렇지 않으면 적분 시간 내에 펄스가 측정될 때 게인 범위 변경이 무한 반복되는 루프에 빠질 수 있습니다. 이는 Benwin+ 소프트웨어의 **Instruments menu/ amplifier 1 (2)**를 통해 구현할 수 있습니다.

(487 Amplifier 설정 화면)

사용 중인 검출기에 대해 스캔을 수행하기 전에 최소(Min), 최대(Max), 시작(Start) 범위를 동일한 숫자(최대 게인인 6부터 시작)로 변경하십시오. Benwin+에서 ADC 과부하(overload) 오류를 반환하면 게인 범위를 낮추고 스캔을 반복해야 합니다. 시행착오(trial and error) 외에는 최적의 게인 범위를 결정하는 쉬운 방법이 없습니다.

펄스 광원의 시간적 프로파일 및 절대 방사조도/방사휘도 결정

(Determination of Pulsed Source Temporal Profile and Absolute Irradiance/Radiance)

IDR300에 통합된 검출 전자 장치를 사용하는 대신, **477 전치 증폭기(AC 검출 전자 장치의 일부)**와 오실로스코프를 사용하면 테스트 중인 광원의 방사조도/방사휘도의 시간적 변화(temporal evolution)를 결정할 수 있습니다.

광원에서 방출된 빛은 두 가지 방법 중 하나로 검출할 수 있습니다.

IDR300-PSL을 광원이 빛을 방출하는 파장(상대 분광 분포 측정에서 결정됨)으로 설정할 수 있습니다(scan/signal setup 사용). 이 경우 해당 검출기의 신호 출력은 477 전치 증폭기 입력 1에 연결해야 합니다.
방사조도(Irradiance) 측정의 경우, 그리고 오직 "백색(white)" 광원을 방출하는 경우에만 DH400_VL 광도계 검출기를 사용하여 펄스 광원의 조도(illuminance)를 시간의 함수로 측정할 수 있습니다. 이 경우 이 검출기를 477 전치 증폭기 입력 1에 연결해야 합니다. 이 기술은 방사휘도(Radiance) 측정에도 사용할 수 있지만, TEL309 광도계 검출기 어셈블리는 SRS12에 대해 재교정되어야 합니다.

477 전치 증폭기의 출력은 오실로스코프에 연결해야 합니다.

테스트할 광원은 입력 광학계(D7 확산기, TEL309 또는 광도계 검출기)로부터 200mm 거리에 정상적으로 설치해야 합니다. 477 게인 범위는 적색 과부하(overload) 표시등이 켜지지 않는 최대 게인(10^8 V/A 범위를 향해)까지 수동으로 조정해야 합니다. 477의 출력은 오실로스코프에 연결하여 펄스 프로파일을 획득해야 합니다.

(477 Current Pre-Amplifier 하드웨어 사진)

오실로스코프의 피크 전압을 모니터링하고 정렬 광원-입력 광학계를 조정하여 최댓값을 얻어야 합니다.

IEC 62471의 펄스 광원 정의에 따르면 에너지가 단일 펄스 또는 펄스 열(각 펄스의 지속 시간은 0.25초 미만으로 가정) 형태로 전달되므로, 오실로스코프의 타임 베이스는 예를 들어 총 0.5초의 주기를 얻도록 조정해야 합니다. 이러한 방식으로 0.25초 동안 펄스의 시간적 분해능(temporal resolution)은 타협하지 않으면서 시간적 측정 결과를 저장해야 합니다.

상대 분광 분포 측정에서 얻은 시스템 교정 계수(또는 이 검출기가 사용된 경우 DH400_VL 인증서에 제공된 조도계 교정 계수), 선택한 477 전치 증폭기 게인 범위(V/A), 그리고 상대 분광 분포 결과를 고려하여, 적분을 0.25초로 제한하여 방사 노출(radiant exposure) 또는 **방사휘도 선량(radiance dose)**을 계산할 수 있습니다.

결과로 얻은 방사 노출 및 방사휘도 선량은 고려되는 각 위험(hazard)에 대한 노출 한계와 비교할 수 있습니다.

주어진 위험의 노출 한계를 초과하는 램프는 **RG3**로 분류됩니다.
방사 노출/방사휘도 선량이 주어진 위험의 노출 한계 미만인 단일 펄스 램프는 **면제(exempt)**로 분류됩니다.
반복적으로 펄스를 방출하는 램프의 경우, 방사 노출/방사휘도 선량이 위험의 노출 한계 미만이면 연속 파장(continuous wave) 램프 기준에 따라 분류해야 하며, 이는 시간 평균 펄스 방출을 기반으로 합니다.

첨부된 스프레드시트는 이 방법을 적용한 결과 분석을 위한 템플릿을 제공합니다.
Pulsed Source Evaluation.xlsx

출처 : Measurement Guides: Measurement of Pulsed Sources with the IDR300-PSL

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