KR100885537B1 - 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회절 격자의 교체나 관측 부분의 동작 없이도 인가되는 광의 파장에 대해 최상의 효율을 제공하도록 한 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 관측할 외부 광원의 파장에 대해 최적 효율을 제공하는 입사각을 제공하도록 투과형 회절판을 회전 가능하도록 구성하고, 투과형 회절판의 회전과 입사광의 파장에 따라 회절 각도가 변화되는 광을 회절판의 회전과 입사광의 파장 변화에 무관하게 항상 동일 출력 경로로 광을 제공하는 거울을 배치하도록 함으로써, 관측을 위한 카메라의 움직임이나 회절판의 교체 없이도 항상 입사광의 파장에 따른 최적 회절 효율로 입사광의 스펙트럼을 획득할 수 있어 분광계의 크기를 줄이고, 비용을 줄이며, 고장 가능성을 줄일 수 있는 효과가 있다.

투과형 회절판, 격자 배치 각도, 파장 가변, 분광계, 입사각, 회절 효율

Description

파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법{WAVELENGTH TUNABLE SPECTROMETER AND WAVELENGTH TUNING METHOD THEROF}

본 발명은 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법에 관한 것으로, 특히 회절 격자의 교체나 관측 부분의 동작 없이도 인가되는 광의 파장에 대해 최상의 효율을 제공하도록 한 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법에 관한 것이다.

광학 기술의 발전은 다양한 산업 전반에 영향을 주어 미세 가공에서부터 초고속 통신에 이르는 광범위한 차세대 기술의 기반이 되고 있다. 특히, 직진성이 강한 레이저를 이용하여 미세 가공이나 표면을 개질하는 기술, 의학용 메스나 특정 세포를 선별 제거하는 기술, 광학 매체를 이용하여 데이터를 재생하는 기술, 광섬유의 전반사를 활용한 초고속 통신 기술 및 나노 크기의 입체적 시료에 대한 구성을 파악하는 현미경 기술 등 산업 및 의료 기술에 접목된 광학 기술은 점차 그 중요성이 높아지고 있다.

특히, 분광계(spectrometer) 혹은 분광기(monochrometer)(이하, 분광계로 통 칭하여 설명)는 전자기파를 파장의 차이에 따라 분해하여 그 세기 분포를 특정하는 것으로, 일반적으로 전자기파 뿐만 아니라 전자선 등의 입자선 에너지 분석장치를 포괄하여 칭해진다. 특히, 이러한 분광계를 이용한 스펙트럼의 관측으로부터 물질 중의 전자와 원자핵의 배열, 그리고 운동에 관한 정보를 얻을 수 있기 때문에 이러한 분광계를 이용한 분광학은 물질의 연구 수단으로 중요하게 사용되고 있다. 이러한 분광계는 잘 알려져 있는 빛과 열 외에 x선, 감마선, 마이크로파 등이 사용될 수 있다.

이러한 분광계의 간단한 활용 방식은 소정 파장의 광원을 시료에 투사하고, 시료를 투과한 광을 슬릿을 통해 획득하여 해당 파장에 대해 관찰하는 것으로 시료가 방출하거나 흡수하는 빛의 스펙트럼을 계측하는 것으로 시료에 대한 정보를 파악하는 것이다.

도 1은 일반적인 회절판을 이용한 분광계의 구조를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 기 설정된 파장 대역의 광원(1)에 의한 광이 입사되는 입사 슬릿(input slit)(2)과, 상기 입사 슬릿(2)을 통과한 광을 평행광으로 변환하는 시준 렌즈(3)와, 상기 시준 렌즈(3)를 통과한 광을 해당 광의 파장에 따라 회절시키는 반사형 회절판(4)과, 상기 회절된 광의 경로 설정을 위해 회절광을 반사시키는 거울(5)과, 상기 거울에 반사된 광을 집광하는 집광 렌즈(6)와, 상기 집광 렌즈(6)에 의해 집광된 광을 시각적으로 분석하기 위한 영상을 획득하는 카메라(7)로 이루어진다. 여기서, 상기 시준 렌즈(3)나 집광 렌즈(6) 대신 반사식 오목 거울을 이용하여 구성(Czerny-Turner 구성)할 수도 있고, 카메라(7) 앞단에 선택 파장을 선별하기 위 한 출력 슬릿을 구성할 수도 있다.

상기 일반적인 회절형 분광계의 경우 반사형 회절판(4)을 이용하여 입사광의 스펙트럼을 제공하게 되는데, 이러한 반사형 회절판(4)의 경우 입사광의 파장 대역에 따라 고정된 회절각도를 가지게 되므로 단일 대역 파장에 대해서만 사용이 가능하다.

도 2는 상기 도 1의 분광계를 개량하여 복수의 파장에 대응할 수 있도록 구성한 파장 가변 분광계의 예로서, 도시한 바와 같이 입사 슬릿(2)과 시준 렌즈(13)를 통한 광이 거울(15)을 통해 회전 가능한 반사형 회절판(14)에 제공되고, 상기 반사형 회절판(14)에 의해 반사되는 광의 경로로 회전 이동하여 광을 집광하고 분석 영상을 획득하는 회전형 관측부(18)로 이루어진다. 상기 회전형 관측부(18)는 집광 렌즈(16)와 카메라(17)를 포함하며, 상기 집광 렌즈(16)와 카메라(17)가 상기 반사형 회절판(14)에 의해 변화되는 회절광의 경로로 이동하기 위해서 상기 회절판(14)의 회전 중심을 기준으로 상기 반사형 회절판(14)이 움직이는 각도의 두배로 회전한다. 이러한 구성은 광학적 특성은 좋지만 크기가 큰 분광계용 전문 카메라(17)와 집광 렌즈(16)가 넓은 영역을 회전 이동해야 하기 때문에 분광계의 크기가 커지고, 비용이 높으며 물리적 구동이 필요하여 사용에 따른 마모로 정밀도가 낮아지게 되므로 잘 사용되지 않는다.

한편, 상기 예로 든 분광계에 사용되는 반사형 회절판(4, 14)의 경우 도 3과 같은 비선형적인 회절 효율 프로파일을 가지며, 절대 효율의 최대값이 70% 정도에 불과하기 때문에 전체 분광계의 효율을 낮추는 원인이 된다.

최근, 투과형 회절판을 반사형 회절판 대신 사용하여 파장을 가변하고자 하는 연구가 있으나, 이러한 투과형 회절판을 이용하는 구성 역시 도 2에 도시한 구성을 이용하기 때문에 크기와 비용이 높은 문제는 여전히 유지되고 있다.

따라서, 부피가 큰 카메라를 고정하고, 구동부를 최소화하면서도 높은 회절 효율을 제공하는 분광계를 구성하여, 다양한 파장에 대해 대응하여 높은 성능의 스펙트럼 분석이 가능하도록 하는 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법에 대한 요구가 급증하고 있다.

상기와 같은 분광계의 파장 가변 방식의 문제점을 해결하기 위해 새롭게 제안하는 본 발명 실시예들의 목적은 선택 파장에 대해 최적 효율을 제공하는 입사각을 제공하도록 투과형 회절판을 회전 가능하도록 구성하고, 투과형 회절판의 회전과 입사광의 파장에 따라 회절 각도가 변화되는 광을 회절판의 회전과 입사광의 파장 변화에 무관하게 항상 동일 출력 경로로 광을 제공하는 거울을 배치하도록 함으로써, 입사광의 파장에 따른 최적 회절 효율을 제공하면서도 관찰을 위한 광경로가 유지되도록 한 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 다른 목적은 투과형 회절판의 회절 격자 배치 각도를 선택하는 것으로 최적 효율을 유지한 상태로 원하는 광 경로를 설계할 수 있어 분광계의 설계 자유도를 높이며 부피를 줄일 수 있도록 한 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 투과형 회절판과 거울을 일체형으로 구성하고 이를 입사광의 파장에 따른 단일 각도 조정만으로 넓은 파장 대역에서 선택한 입사광에 대한 회절 효율이 항상 최고 효율에 해당 되도록 자동 설정되도록 하는 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 넓은 파장 대역에 대한 투과 효율이 높은 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)에 입사한 광의 입사 각도와 회절 격자의 배치 각도를 고려한 투과 광의 회절 각도가 최고 효율 각도가 되 면서 고정된 출력 광경로에 수렴하도록 홀로그래픽 회절판과 거울을 고정 각도로 결합한 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명 실시예들은 복수의 파장이 혼합된 광원에서 특정 파장을 선택적으로 선별하기 위한 목적이 아니라 선택된 파장의 광을 입력으로 할 경우 해당 파장의 광에 대해 최적의 회절 효율로 광을 회절시켜 입사광의 스펙트럼 분석이 항상 최상의 정밀도를 유지할 수 있도록 함을 목적으로 하는 것이므로 정밀한 단파장 광원 생성과는 그 목적이 상이한 것이라는데 주의한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 분광계는 외부 입사광의 파장에 따른 최적 입사각으로 회전 배치되어 상기 입사광을 회절시키는 투과형 회절부와; 상기 투과형 회절부에 입사되는 각도와 동일한 각도로 투과회절되는 광을 기 설정된 광경로로 반사하는 상기 투과형 회절부와 고정각도로 결합 배치된 거울과; 상기 투과형 회절부와 상기 거울을 입사광의 파장에 따른 각도로 회전시키는 구동부와; 상기 거울을 통해 진행되는 광 출력을 집광하는 집광부와; 상기 집광부를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 관찰부를 포함하여 이루어진다.

상기 관찰부는 슬릿 또는 카메라가 사용된다.

상기 투과형 회절부는 격자 배치 각도에 따라 회절각이 변화되며, 상기 외부 입사각과 상기 투과회절되는 광의 회절각은 상기 격자 배치 각도를 기준으로 결정 된다. 여기서, 상기 최적 입사각(θ)은 θ=sin^-1(λ/2d) 의 식을 이용하여 구하고, 여기서, λ는 입사광의 파장이며, d는 격자의 간격인 것을 특징으로 한다.

상기 구동부는 상기 투과형 회절부의 회절축 연장선과 거울의 반사면 연장선이 만나는 지점을 중심으로 상기 투과형 회절부와 거울을 회전시킨다.

상기 투과형 회절부는 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 파장 가변 분광계는 외부 입사광을 반사시키는 거울과, 상기 거울이 반사시키는 광선이 상기 외부 입사광의 파장에 대한 격자 배치 기준 최적 입사각이 되도록 상기 거울과 고정 각도로 배치되어 입사광을 회절시키는 투과형 회절부로 이루어진 일체형 회절부와; 상기 일체형 회절부를 상기 입사광의 파장에 따라 상기 입사광이 상기 투과형 회절부에 최적 입사각으로 입사 되도록 회전시키는 구동부와; 상기 일체형 회절부를 통해 진행되는 고정 광경로 상에 배치된 슬릿 또는 카메라를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 가변 분광계의 파장 가변 방법은 입사광을 격자 배치 각도에 따라 투과 회절시키는 투과형 회절부를 광 경로 상에 배치하고, 상기 격자 배치 각도를 기준으로 상기 투과형 회절부에 대한 입사광의 입사각도에 대칭되는 회절 각도로 출력되는 광선이 출력 지점에 수렴하도록 광 경로를 결정하는 거울을 배치하는 단계와; 검사할 광원의 파장을 선택하여 해당 파장의 입사광이 상기 투과형 회절부에 최적 입사각으로 입사되도록 상기 투과형 회 절부와 상기 거울을 같은 각도로 회전시키는 파장 가변 단계와; 상기 선택 파장의 입사광을 상기 투과형 회절부와 거울을 통해 회절시켜 상기 출력 지점의 관측 수단을 통해 입사광의 스펙트럼을 관측 가능한 상태로 변환하는 관측 단계를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 가변 분광계의 파장 가변 방법은 입사광을 격자 배치 각도에 따라 투과 회절시키는 투과형 회절판과 상기 투과형 회절판을 통한 회절광을 반사시키는 거울을 고정 각도로 상기 투과형 회절판에 배치한 파장가변 회절부를 광 경로 상에 배치하는 회절부 배치 단계와; 상기 파장 가변 회절부가 최적 입사각으로 입사한 임의 파장의 광을 회절 반사시키는 출력 광경로에 스펙트럼 분석 수단을 배치하는 분석 수단 배치 단계와; 스펙트럼 분석을 위한 외부 광원의 파장 정보를 인터페이스를 통해 획득한 제어부가 상기 파장 정보와 상기 투과형 회절판의 격자 간격 정보를 이용하여 상기 투과형 회절판에 대한 외부 광원의 최적 입사각도를 구하는 연산 단계와; 상기 제어부가 구동부를 제어하여 상기 외부 광원이 상기 구해진 최적 입사각도로 상기 파장가변 회절부에 입사되도록 상기 파장가변 회절부를 회전시키는 구동 단계와; 상기 분석 수단을 통해 상기 외부 광원의 스펙트럼을 관측하는 관측 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법은 관측할 외부 광원의 파장에 대해 최적 효율을 제공하는 입사각을 제공하도록 투과형 회절 판을 회전 가능하도록 구성하고, 투과형 회절판의 회전과 입사광의 파장에 따라 회절 각도가 변화되는 광을 회절판의 회전과 입사광의 파장 변화에 무관하게 항상 동일 출력 경로로 광을 제공하는 거울을 배치하도록 함으로써, 관측을 위한 카메라의 움직임이나 회절판의 교체 없이도 항상 입사광의 파장에 따른 최적 회절 효율로 입사광의 스펙트럼을 획득할 수 있어 분광계의 크기를 줄이고, 비용을 줄이며, 고장 가능성을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법은 투과형 회절판의 회절 격자 배치 각도를 선택하는 것으로 최적 효율을 유지한 상태로 원하는 광 경로를 설계할 수 있어 분광계의 설계 자유도를 높이며 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법은 투과형 회절판과 거울을 일체형으로 구성하고 이를 입사광의 파장에 따른 단일 각도 조정만으로 넓은 파장 대역에서 선택한 입사광에 대한 회절 효율이 항상 최고 효율에 해당 되도록 자동 설정되기 때문에 별도의 보정이나 조작 없이도 항상 최상의 회절 효율로 입사광을 분석할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법은 넓은 파장 대역에 대한 투과 효율이 높은 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)에 입사한 광의 입사 각도와 회절 격자의 배치 각도를 고려한 투과 광의 회절 각도가 최고 효율 각도가 되면서 고정된 출력 광경로에 수렴하도록 홀로그래픽 회절판과 거울을 고정 각도로 결합하여 동작부의 크기와 수를 줄여 비용 및 부 피를 줄이면서도 효율과 정밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법은 복수의 파장이 혼합된 광원에서 특정 파장을 선택적으로 선별하기 위한 목적이 아니라 선택된 파장의 광을 입력으로 할 경우 해당 파장의 광에 대해 최적의 회절 효율로 광을 회절시켜 입사광의 스펙트럼 분석이 항상 최상의 정밀도를 유지할 수 있도록 하는 효과가 있는 것이므로 정밀한 단파장 광원 생성과는 그 효과가 상이한 것이라는데 주의한다.

본 발명은 동일 출원인 및 발명자에 의해 출원된 출원번호 제10-2008-0005828호, '파장 가변 장치 및 그 방법'을 기반으로 하는 새로운 구성 및 동작 원리의 어플리케이션에 관한 것으로, 해당 출원 내용은 복수의 파장이 혼합된 입력 레이저 광 중에서 특정한 파장을 선택하여 공진시키는 것으로 해당 선택 파장만 정밀하게 출력하기 위한 파장 가변 레이저 장치에 관한 것이다. 하지만, 본 발명은 특정한 파장의 입력광에 대한 스펙트럼을 분석하여 해당 입력광이 투과한 물질이나 특정한 파장을 발생시키는 물질에 대한 특성을 파악하기 위한 분광계에 관한 것으로, 넓은 범위의 파장 중에서 선택된 파장의 입력광을 그 파장에 관계없이 항상 최고의 회절 효율로 회절시켜 정밀한 스펙트럼 분석이 가능하도록 함과 아울러, 이러한 파장 선택을 위한 구성 및 구동을 최소화할 수 있도록 한 파장 가변 분광계 및 그 파장 가변 방법에 관한 것이므로, 과제 해결 수단 및 작동 원리가 상이하다는 것에 주의한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 4는 투과형 회절판의 구성을 보인 것으로, 도시된 회절판은 볼륨 위상 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating, 이하 VPHG)으로, 광학적으로 의미가 있는 대부분의 파장 대역에 대해 높은 투과성을 보이는 회절판이다.

도시된 회절판은 투명한 전후면 투과판(21) 사이에 특정 파장의 진행 방향을 회절시키는 격자(22)가 배치된 구성으로 이루어져 있다.

상기 회절판은 입사되는 광을 회절시켜 소정의 범위로 왜곡 투과시키는 특징이 있으나, 이러한 왜곡 투과되는 광 중에서 입사각과 동일한 반사각으로 출력되는 광의 효율이 가장 높다. 즉, 회절판의 입사 위치에 수직한 가상의 수직선(점선)(즉, 회절축에 수직한 수직선)에 대한 입사광의 입사 각도(θ_i)와 대칭되는 투과광의 회절 각도(θ_d)로 출력되는 광의 효율이 투과되는 광들 중 가장 높은데, 이러한 최적 효율의 입사 각도와 그에 대칭되는 투과광 각도는 원하는 파장과 격자의 간격(d)에 따라 상이하므로 최적의 효율로 투과되어 회절되는 광을 얻기 위해서는 파장(λ)에 따른 최적 입사각과 그에 따른 투과광의 각도를 얻을 필요가 있다. 이는 다음의 수학식 1을 통해 얻어질 수 있다.

λ=d(sinθ_i + sinθ_d )

즉, 원하는 파장에 대한 최적의 입사 각도(θ_i)와 투과광의 회절 각도(θ_d) 는 sin^-1(λ/2d)의 식을 이용하여 구할 수 있다. 여기서, 입사 각도와 투과광의 회절 각도는 동일하다. 한편, 상기 입사각과 회절 각도를 구하는 기준선은 격자(22)의 배치 각도를 기준으로 하며, 도시된 상태는 격자 배치 각도가 회절판에 수직한 상태이므로 수직선을 기준으로 하는 것임에 주의한다. 격자 배치 각도가 변하는 경우는 도 10을 참조하여 이후 설명한다.

도 5는 본 발명 실시예에 따른 파장 가변 분광계의 구성 예를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 관찰할 외부 광원을 선별하는 입사 슬릿(101)과, 상기 입사 슬릿(101)을 통과한 광을 평행하게 하는 시준 렌즈(102), 해당 시준 렌즈(102)를 통해 평행해진 광선을 투과형 회절판(105)과 광경로 설정을 위한 거울(104)로 이루어진 일체형 파장 가변 구조물 측으로 경로를 변경하기 위한 거울(103), 상기 일체형 파장 가변 구조물을 통해 회절된 광을 집광하는 집광 렌즈(106), 그리고, 상기 집광 렌즈(106)를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 카메라(107)로 이루어진다. 입사광의 스펙트럼을 관찰하기 위해서 카메라(107)를 이용하는 것이 일반적이지만, 슬릿을 통해 스펙트럼이 출력되도록 구성될 수도 있다.

한편, 상기 시준 렌즈(102)나 집광 렌즈(106) 대신 오목 거울이 동일한 광학적 변환을 위해 사용될 수 있고, 그 외의 광학 수단이 이용될 수도 있다. 따라서, 상기 시준 렌즈(102)는 광을 평행하게 변환시키는 수단으로 이루어진 시준부가 적용될 수 있고, 상기 집광 렌즈(106)는 광을 집광하는 수단으로 이루어진 집광부가 적용될 수 있다.

상기 분광계는 특정 파장의 입사광을 상기 투과형 회절판(105)에 제공하여 상기 회절판(105)에 의해 회절된 파장의 입사광 스펙트럼을 분석하는 것으로, 입사되는 광의 파장에 대한 회절 효율이 높아야 한다.

앞서, 도 4의 투과형 회절판(150)은 파장에 따라 회절 효율이 가장 높은 고유의 입사각을 가지며, 이러한 입사각으로 입사한 파장의 광을 상기 입사한 각도와 같은 각도로 회절시킨 경로 상의 광이 가장 회절 효율이 좋은 광이 된다. 따라서, 도 6과 같이 제 1 파장(λ1)을 가진 입사광의 경우 입사각도(θ1)에서 가장 회절 효율이 높으며, 그 회절광의 각도(θ2)는 입사각도와 같다. 한편, 상기 제 1 파장과 다른 제 2 파장(λ2)을 가진 입사광의 경우 입사각도(θ3)에서 가장 회절 효율이 높으며 그 회절광의 각도(θ4)는 입사각도와 같다.

이를 함께 표현해 보면, 우측과 같이 파장에 따라 투과형 회절판(120)의 각도가 변화되어야 하며, 각 경우 회절광의 경로가 달라지게 됨을 알 수 있다.

따라서, 해당 회절광을 관찰하기 위한 광의 출력 지점이 달라져 앞서 예로 든 도 2와 같은 관측부 구동수단이 필요하게 된다. 하지만, 도 5에 예시한 본 발명의 실시예에 따른 투과형 회절판(105)과 거울(104)의 일체형 구조는 도 7과 같은 특성을 보인다. 즉, 회절판(130)과 거울(140)의 일체형 구조에서, 투과형 회절판(130)과 거울(140)이 고정된 각도를 가짐에도 불구하고 입사광의 경로와 회절되어 반사되는 광의 경로는 파장이나 일체형 구조물의 회전에 무관하게 항상 동일하다.

즉, 제 1 파장(λ1) 입사광의 입사각도(θ1)와 회절 각도(θ2)가 제 2파장 (λ2) 입사광의 입사각도(θ3)와 회절 각도(θ4)와 달라 광의 경로가 다를 지라도 결국 거울(140)에 의해 반사되는 경로는 동일하게 되어 회절광이 출력되어 도달하는 지점은 같아지게 된다.

따라서, 도 5의 구성에서 거울(104)과 투과형 회절판(105)이 고정된 각도로 일체화된 구조물만 입사광의 파장에 대해 최적 입사각을 제공할 수 있도록 회전한다면 입력광 경로와 출력광 경로는 항상 고정되며, 이 경우 최적 입사각에 의해 최고 효율의 회절이 이루어지게 된다. 이때, 상기 거울(104)과 투과형 회절판(105)은 상기 투과형 회절판(105)의 회절축과 거울(104)의 반사면이 연장되어 교차되는 지점을 중심으로 회전하며, 도시된 구성과 같이 일측이 맞닿아 고정되지 않을 수도 있다.

한편, 상기 거울(104)과 투과형 회절판(105)의 각도는 입사되는 임의의 파장에 대한 최적 입사각과, 회절각의 광 경로를 원하는 출력 지점으로 전달하기 위해 결정하면 되고, 이렇게 거울(104)과 투과형 회절판(105)의 각도가 고정되면 임의의 다른 파장에 대해서도 동일한 광 경로를 유지하면서 최적의 회절 효율을 자동적으로 제공하게 된다.

따라서, 도 5의 구성을 이용할 경우 도 8에 예로 든 회절 효율과 같이 완만한 최적 효율 그래프를 자동적으로 추종하게 된다.

도 9는 도 5의 구성에서 투과형 회절판과 거울로 이루어진 파장 가변 회절부의 광 경로상 배치가 반대로 될 수도 있음을 보이기 위한 것으로, 입사광이 투과형 회절판(150)을 거쳐 거울(160)을 통해 진행하도록 구성할 수도 있음을 보인 것이 다.

도 10은 광 경로를 변화시킬 수 있는 투과형 회절판의 다른 구성을 보인 것으로, 도시한 바와 같이 회절판의 격자(202) 배치 각도가 기울어져 구성된 경우의 회절 상태를 보인 것이다.

앞서 설명한 투과형 회절판과 일체형으로 결합되는 거울의 배치 각도는 출력 지점으로 선택된 파장의 최적 효율 회절각 출력을 수렴시키기 위한 광 경로 설정을 위한 것이나, 거울의 반사 범위가 제한되어 있고 반사 각도에 따라 광의 형태가 변화되거나 상이한 파장들의 밀집도가 변화될 수 있기 때문에 실질적으로 원하는 경로를 선택하기 어려울 수 있다. 다시 말해서 분광계를 구성함에 있어, 다양한 광 경로 설정이 요구될 수 있으나 단순한 거울만으로는 경로 선택에 제한이 발생한다. 이를 해결하기 위해서 격자의 배치 각도를 조절한 투과형 회절판을 이용하면 광 경로 선택의 제한이 크게 완화될 수 있다.

도시된 바와 같이 격자를 회절판의 길이 방향 중심선(점선)을 기준으로 β만큼 기울여 배치할 경우 입사 각도(θ_i)와 회절 각도(θ_d)는 상기 격자의 배치 각도를 기준(기울어진 점선)으로 산출된다. 이러한 경우에도 앞서 설명한 수학식 1의 관계는 동일하게 유지되므로 격자의 기울어진 각도를 기준으로 고려해 주기만 하면 된다.

즉, 상기 회절 각도(θ_d)는 상기 입사 각도(θ_i)와 동일할 경우 최적 효율 회절각이 되므로, 격자 배치 각도를 기준으로 입사 각도에 대칭되는 회절 각도를 광 경로 설정을 위한 거울의 배치 각도를 결정하는데 활용하며, 파장 선택을 위한 입사각 선택은 기존의 공식을 그대로 활용한다.

도 11과 도 12는 투과형 회절판과 거울의 광 경로 설정 방식을 보인 것으로 도 11과 같은 구성은 투과형 회절판(210)과 거울(220) 사이의 각도(θ_f)를 둔각으로 설정할 수 있고, 도 12와 같은 구성은 투과형 회절판(230)과 거울(240) 사이의 각도를 예각으로 설정한 경우이다. 즉, 회절판의 격자 배치와 거울의 각도를 조절하여 회절판과 거울이 결합된 단일 구성 요소만으로 최적의 효율의 회절을 유지하면서도 넓은 범위에서 자유로운 광 경로 설계가 가능하다.

도 13은 투과형 회절판과 거울의 실질적인 배치와 구성의 예를 보인 것으로, 투과형 회절판(261)과 거울(262)을 단일 몸체의 결합부(263)에 고정시키고, 상기 결합부(263)를 회전부(264)를 통해 회전시키도록 구성한 것이다. 상기 결합부(263)에서 회전 축은 투과형 회절판(261)의 회절 축과 거울(262)의 반사면이 연장되어 만나는 점(도시된 구성에서는 접촉 지점)이 되며, 상기 회전부(264)는 정밀한 회전이 가능하도록 구성되어야 한다. 경우에 따라서, 상기 회전 축의 위치를 달리 설정(회절판의 입사 지점 등)할 수도 있음에 주의한다.

한편, 도 5에 구성된 외부 인터페이스(111)는 관측할 입사광의 파장을 선택하기 위한 사용자의 입력을 획득하는 부분으로, 상기 외부 인터페이스(111)를 통해 입력된 입사광의 파장 값을 얻으면, 해당 정보를 수신한 제어부(112)가 수학식 1을 통해서 최적 입사각도를 구한 후, 상기 투과형 회절부(105)와 거울(104)로 이루어 진 일체형 파장 가변 회절 부분을 구동부(113)를 제어하여 상기 구해진 최적 입사각도가 되도록 회전시킨다.

이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

도 1은 종래의 분광계 구성을 보인 개념도.

도 2는 종래의 파장 가변 분광계 구성을 보인 개념도.

도 3은 반사형 회절판의 회절 효율을 파장에 따라 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명 실시예에 적용되는 투과형 회절판의 구성도.

도 5는 본 발명 실시예에 따른 분광계의 구성도.

도 6 및 도 7은 본 발명 실시예에 따른 회절부 동작 방식을 설명하기 위한 개념도.

도 8은 본 발명 실시예에 따른 회절부의 회절 효율을 파장에 따라 나타낸 그래프.

도 9는 본 발명 실시예에 따른 분광계 구성도.

도 10은 투과형 회절판의 회절 특성을 설명하기 위한 구성도.

도 11 및 도 12는 광 경로 설정 방식의 예를 보인 구성도.

도 13은 본 발명 실시예에 따른 투과형 회절부 구조를 보인 예시도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

101: 입사 슬릿 102: 시준 렌즈

103: 거울 104: 거울

105: 투과형 회절판 106: 집광 렌즈

107: 카메라 111: 외부 인터페이스

112: 제어부 113: 구동부

Claims (21)

1. 외부 입사광의 파장에 따른 최적 입사각으로 회전 배치되어 상기 입사광을 회절시키는 투과형 회절부와;

   상기 투과형 회절부에 입사되는 각도와 동일한 각도로 투과 회절되는 광을 기 설정된 광 경로로 반사하는 상기 투과형 회절부와 고정각도로 결합 배치된 거울과;

   상기 투과형 회절부와 상기 거울을 입사광의 파장에 따른 각도로 회전시키는 구동부와;

   상기 거울을 통해 진행되는 광 출력을 집광하는 집광부와;

   상기 집광부를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 관찰부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 관찰부는 슬릿 또는 카메라인 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 투과형 회절부는 격자 배치 각도에 따라 회절각이 변화되며, 상기 최적 입사각과 상기 투과 회절되는 광의 회절각은 상기 격자 배치 각도를 기준으로 결정되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 최적 입사각(θ)은 θ=sin^-1(λ/2d) 의 식을 이용하여 구하며, 여기서, λ는 입사광의 파장이며, d는 격자의 간격인 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 외부 입사광을 선별 입사시키는 입사 슬릿과, 상기 입사 슬릿을 통한 입사광을 평행광으로 변환시키는 시준부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 구동부는 상기 투과형 회절부의 회절축 연장선과 거울의 반사면 연장선이 만나는 지점을 중심으로 상기 투과형 회절부와 거울을 회전시키는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 투과형 회절부는 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
8. 외부 입사광을 반사시키는 거울과, 상기 거울이 반사시키는 광선이 상기 외부 입사광의 파장에 대한 격자 배치 기준 최적 입사각이 되도록 상기 거울과 고정 각도로 배치되어 입사광을 회절시키는 투과형 회절부로 이루어진 일체형 회절부와;

   상기 일체형 회절부를 상기 입사광의 파장에 따라 상기 입사광이 상기 투과형 회절부에 최적 입사각으로 입사 되도록 회전시키는 구동부와;

   상기 일체형 회절부를 통해 진행되는 고정 광 경로 상에 배치된 슬릿 또는 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 외부 입사광을 선별 입사시키는 입사 슬릿과, 상기 입사 슬릿을 통한 입사광을 평행광으로 변환시키는 시준부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
10. 청구항 8에 있어서, 상기 투과형 회절부는 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
11. 청구항 8에 있어서, 상기 최적 입사각(θ)은 θ=sin^-1(λ/2d) 의 식을 이용하여 구하며, 여기서, λ는 입사광의 파장이고, d는 격자의 간격인 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
12. 청구항 8에 있어서, 외부 제어 신호에 따라 결정된 파장 및 그에 따른 각도로 상기 구동부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계.
13. 입사광을 격자 배치 각도에 따라 투과 회절시키는 투과형 회절부를 광 경로 상에 배치하고, 상기 격자 배치 각도를 기준으로 상기 투과형 회절부에 대한 입사광의 입사각도에 대칭되는 회절 각도로 출력되는 광선이 출력 지점에 수렴하도록 광 경로를 결정하는 거울을 배치하는 배치 단계와;

    검사할 광원의 파장을 선택하여 해당 파장의 입사광이 상기 투과형 회절부에 최적 입사각으로 입사되도록 상기 투과형 회절부와 상기 거울을 같은 각도로 회전시키는 파장 가변 단계와;

    상기 선택 파장의 입사광을 상기 투과형 회절부와 거울을 통해 회절시켜 상기 출력 지점의 관측 수단을 통해 입사광의 스펙트럼을 관측 가능한 상태로 변환하는 관측 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계의 파장 가변 방법.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 투과형 회절부는 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계의 파장 가변 방법.
15. 청구항 13에 있어서, 상기 파장 가변 단계는 상기 투과형 회절부의 회절축과 거울의 반사면이 연장되어 교차되는 지점을 중심으로 상기 투과형 회절부와 상기 거울을 일체로 회전시키는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계의 파장 가변 방법.
16. 청구항 13에 있어서, 상기 파장 가변 단계는 θ=sin^-1(λ/2d) 의 식을 이용하여 최적 입사각을 연산하며, 여기서, θ는 투과형 회절부에 대한 외부 광원의 입사각이고, λ는 외부 광원의 파장이며, d는 격자의 간격인 것을 특징으로 하는 파 장 가변 분광계의 파장 가변 방법.
17. 입사광을 격자 배치 각도에 따라 투과 회절시키는 투과형 회절판과 상기 투과형 회절판을 통한 회절광을 반사시키는 거울을 고정 각도로 상기 투과형 회절판에 인접 배치한 파장가변 회절부를 광 경로 상에 배치하는 회절부 배치 단계와;

    상기 파장가변 회절부가 최적 입사각으로 입사한 임의 파장의 광을 회절 반사시키는 출력 광경로에 스펙트럼 분석 수단을 배치하는 분석 수단 배치 단계와;

    스펙트럼 분석을 위한 외부 광원의 파장 정보를 인터페이스를 통해 획득한 제어부가 상기 파장 정보와 상기 투과형 회절판의 격자 간격 정보를 이용하여 상기 투과형 회절판에 대한 외부 광원의 최적 입사각도를 구하는 연산 단계와;

    상기 제어부가 구동부를 제어하여 상기 외부 광원이 상기 구해진 최적 입사각도로 상기 파장가변 회절부에 입사되도록 상기 파장가변 회절부를 회전시키는 구동 단계와;

    상기 분석 수단을 통해 상기 외부 광원의 스펙트럼을 관측하는 관측 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계의 파장 가변 방법.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 회절부 배치 단계는 광 경로를 기준으로 상기 투 과형 회절판과 거울을 역순으로 배치하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계의 파장 가변 방법.
19. 청구항 17에 있어서, 상기 분석 수단은 카메라인 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계의 파장 가변 방법.
20. 청구항 17에 있어서, 상기 연산 단계는 θ=sin^-1(λ/2d) 의 식을 이용하여 최적 입사 각도를 구하며, 여기서, θ는 최적 입사각이고, λ는 외부 광원의 파장이며, d는 격자의 간격인 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계의 파장 가변 방법.
21. 청구항 17에 있어서, 상기 투과형 회절판은 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 파장 가변 분광계의 파장 가변 방법.

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