KR101176884B1 - 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가시광선 대역부터 자외선 대역의 파장을 측정하기 위해 소정의 렌즈 곡면과 렌즈 간 이격 거리를 갖는 최적의 렌즈 조합을 분광계에 적용함으로써 기존 렌즈에서 측정할 수 없는 광대역의 파장을 고해상도로 측정하도록 하여 해당 광대역에 속하는 파장에 대해 투과율을 양호하게 유지하면서도 탁월한 분광 효율을 보장하고, 측정 가능한 대역 중 일부 파장 대역들에 더욱 특화된 렌즈 조합을 적용함으로써 타 파장 대역 대에 비해 해당 파장 대역에서 해상도를 극대화하도록 하여 특정 파장 대역에서 더욱 높은 해상도를 요구하는 다양한 검사에 대해 월등한 활용성을 갖으며, 소구경,근거리 초점 렌즈를 이용하여 높은 분광 효율을 구현함으로써 동일한 성능을 구현하기 위해 대구경,원거리 렌즈를 이용하는 것과 비교하여 크기를 줄일 수 있어 분광 장비의 소형화가 가능한 효과가 있다.
Description
본 발명은 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계에 관한 것으로서, 특히 자외선의 대역부터 가시광선 대역을 포함하는 광대역의 측정이 가능한 구면 렌즈의 조합을 통해, 상기 광대역 중 복수의 파장 대역에서 해상도를 극대화하도록 한 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계에 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 통칭하여 설명)는 전자기파를 파장의 차이에 따라 분해하여 그 세기 분포를 특정하는 것으로, 일반적으로 전자기파뿐만 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. 다른 활용으로 광원 자체의 파장과 파워 특성을 측정하기 위해서도 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 회절형 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 위한 출력 슬릿을 구성할 수도 있다.
도 2는 도 1의 분광계를 개량하여 복수의 파장에 대응할 수 있도록 구성한 파장 가변 분광계의 예로서, 도시된 바와 같이 관찰할 외부 광원을 선별하는 입사 슬릿(11)과, 상기 입사 슬릿(11)을 통과한 광을 평행하게 하는 시준 렌즈(12)와, 해당 시준 렌즈(12)를 통해 평행해진 광선의 경로를 변경하는 거울(13)과, 상기 거울(13)에 반사된 광을 파장에 따른 고유 각도로 회절시키고 이를 고정된 각도의 광경로로 반사시키는 투과형 회절판(15)과 거울(14)이 일체화된 파장 가변 구조물과, 상기 거울(14)에 의해 반사된 광을 집광하는 집광 렌즈(16)와, 상기 집광 렌즈(16)를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 카메라(17)로 이루어진다.
상술한 바와 같은, 분광계의 효율은 주로 광경로의 정확한 조절 및 파장세기에 대한 장애 최소화 등과 같은 요소에 의해 결정된다. 이에 대한 요소를 결정하는 중요한 역할을 차지하는 것이 바로 광학계인 상기 시준렌즈와 집광렌즈이다.
현재 상기 시준렌즈와 집광렌즈는 일반 카메라용 대구경 렌즈를 이용하고 있으나 대구경 렌즈의 경우 광각 렌즈가 많아 왜곡에 의해 적용이 어렵고, 비교적 심도가 일정한 망원렌즈의 경우 광이 입사되는 전면은 대구경이지만 광이 출력되는 후면은 구경이 작아 분광계 용으로 적용이 어렵다. 따라서 제한된 렌즈 선택만 가능하며 그 용도가 파장의 균일한 정렬이라는 분광계용 광학계의 요구에 일치하지 않아 최상의 성능을 기대할 수 없다.
더불어 일반 카메라용 렌즈의 경우 광각을 위한 구면수차 보정을 위해 많은 매수의 렌즈를 이용하므로 투과성능이 낮고 비용이 높아지는 문제가 있을 뿐만 아니라 다른 대역에서는 적용할 수 없어 분광계의 적용 범위가 가시광 대역으로 한정되게 된다.
또한, 특정한 파장 대역들에서 높은 해상도로 정밀하게 비교해야하는 경우에, 일반 카메라용 렌즈는 전체 대역에서 균일한 해상도를 제공하므로 적용이 어렵다.
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시 예들의 목적은 가시광선 대역부터 자외선 대역의 파장을 측정하기 위해 소정의 렌즈 곡면과 렌즈 간 이격 거리를 갖는 최적의 렌즈 조합을 분광계에 적용함으로써 기존 렌즈에서 측정할 수 없는 광대역의 파장을 고해상도로 측정하도록 한 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계를 제공하는 것이다.
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시 예들의 다른 목적은 측정 가능한 대역 중 측정 파장 대역에 대한 해상력에 특화된 렌즈 조합을 적용함으로써 타 파장 대역에 비해 측정 파장 대역에서 해상도를 극대화하도록 한 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계를 제공하는 것이다.
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시 예들의 또 다른 목적은 소구경,근거리 초점 렌즈를 이용하여 높은 분광 효율을 구현함으로써 동일한 성능을 구현하기 위해 대구경,원거리 렌즈를 이용하는 것과 비교하여 크기를 줄이도록 한 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계는 회절판과 복수 광학계로 이루어진 분광계의 광로 상에 하나 이상 적용되어 자외선의 일부 대역과 가시광선 대역을 포함한 대역을 측정 대역으로 하는 분광계용 광학계로서, 평행 입출력에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 볼록하게 구성된 제 1렌즈부, 상기 제 1렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하도록 3매의 밀착된 렌즈로 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 작은 직경의 제 2렌즈부, 상기 제 2렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 2렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하게 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 큰 곡률반경을 가지는 제 3렌즈부, 상기 제 3렌즈부 이후에 밀착 배치되며, 상기 제 3렌즈부에 대향하는 일면이 오목하고, 타면이 볼록하게 구성되도록 2매의 밀착된 렌즈로 구성된 제 4렌즈부 및 상기 제 4렌즈부 이후에 이격 배치되며, 광을 집광하는 제 5렌즈부를 포함하되, 상기 제 1 내지 제 5렌즈부를 구성하는 모든 렌즈는 구면렌즈로 구성된다.
상기 제 2렌즈부 및 제 3렌즈부는 기설정된 거리로 이격 배치된다.
상기 제 2렌즈부는 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하며, 타면이 볼록한 제 2렌즈, 일면이 상기 제 2렌즈의 타면에 밀착되고, 타면이 오목한 제 3렌즈 및 일면이 상기 제 3렌즈의 타면에 밀착되며, 타면이 오목한 제 4렌즈의 결합으로 구성된다.
상기 제 4렌즈부는 양면이 오목한 오목렌즈로 구성된 제 6렌즈 및 상기 제 6렌즈 이후에 밀착 배치되어, 상기 제 6렌즈의 오목면에 일치되는 볼록면을 가진 볼록렌즈로 구성된 제 7렌즈의 결합으로 구성된다.
상기 제 6렌즈와 밀착된 상기 제 7렌즈의 볼록면은 상기 제 3렌즈부의 볼록면보다 더 작은 곡률반경으로 구성된다.
상기 제 4렌즈부는 상기 제 3렌즈부와 대향하는 끝단만 밀착 결합하도록 배치하며, 렌즈 중심을 기준으로 상기 제 4렌즈부와 상기 제3렌즈부의 대향하는 면 사이에 볼록렌즈 형상의 공간이 발생하도록 구성된다.
상기 공간을 구성하는 상기 제 3렌즈부와 상기 제 4렌즈부의 대향면은 모두 오목하며, 상기 제 3렌즈부의 대향면이 상기 제 4렌즈부의 대향면에 비해 더 오목하도록 구성된다.
상기 분광계용 광학계는 입사광을 평행광으로 변환하는 시준 광학계와 평행광을 집광하는 집광 광학계로 겸용 사용된다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 분광계용 광학계를 적용한 분광계는 관찰할 외부 입사광을 평행하게 변환하는 시준 렌즈부, 해당 시준 렌즈를 통해 평행해진 광을 파장에 따른 고유 각도로 회절시켜 고정된 광경로를 유지하는 투과형 회절판을 포함한 파장 가변 구조물, 상기 파장가변 구조물을 통해 제공되는 평행광을 집광하는 집광 렌즈부 및 상기 집광 렌즈부를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 카메라를 포함하며, 상기 집광렌즈부는 평행 입출력에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 볼록하게 구성된 제 1렌즈부, 상기 제 1렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하도록 3매의 밀착된 렌즈로 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 작은 직경의 제 2렌즈부, 상기 제 2렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 2렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하게 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 큰 곡률반경을 가지는 제 3렌즈부, 상기 제 3렌즈부 이후에 밀착 배치되며, 상기 제 3렌즈부에 대향하는 일면이 오목하고, 타면이 볼록하게 구성되도록 2매의 밀착된 렌즈로 구성된 제 4렌즈부 및 상기 제 4렌즈부 이후에 이격 배치되며, 광을 집광하는 제 5렌즈부로 구성되되, 상기 제 1 내지 제 5렌즈부를 구성하는 모든 렌즈는 구면렌즈로 구성되며, 상기 시준렌즈부는 상기 집광렌즈부의 제 1 내지 제 5렌즈부를 입사경로가 반대가 되도록 뒤집어 배치된다.
상기 제 2렌즈부 및 제 3렌즈부는 이격 배치된다.
상기 제 2렌즈부는 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하며, 타면이 볼록한 제 2렌즈, 일면이 상기 제 2렌즈의 타면에 밀착되고, 타면이 오목한 제 3렌즈 및 일면이 상기 제 3렌즈의 타면에 밀착되며, 타면이 오목한 제 4렌즈의 결합으로 구성된다.
상기 제 4렌즈부는 양면이 오목한 오목렌즈로 구성된 제 6렌즈 및 상기 제 6렌즈 이후에 밀착 배치되어, 상기 제 6렌즈의 오목면에 일치되는 볼록면을 가진 볼록렌즈로 구성된 제 7렌즈의 결합으로 구성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계는 가시광선 대역부터 자외선 대역의 파장을 측정하기 위해 소정의 렌즈 곡면과 렌즈 간 이격 거리를 갖는 최적의 렌즈 조합을 분광계에 적용함으로써 기존 렌즈에서 측정할 수 없는 광대역의 파장을 고해상도로 측정하도록 하여 해당 광대역에 속하는 파장에 대해 투과율을 양호하게 유지하면서도 탁월한 분광 효율을 보장하는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계는 측정 가능한 대역 중 측정 파장의 해상력에 더욱 특화된 렌즈 조합을 적용함으로써 타 파장 대역에 비해 측정 파장 대역에서 해상도를 극대화하도록 하여 특정 파장 대역에서 더욱 높은 해상도를 요구하는 다양한 검사에 대해 월등한 활용성을 갖는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계는 소구경,근거리 초점 렌즈를 이용하여 높은 분광 효율을 구현함으로써 동일한 성능을 구현하기 위해 대구경,원거리 렌즈를 이용하는 것과 비교하여 크기를 줄일 수 있어 분광 장비의 소형화가 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 분광계 구성을 보인 개념도.
도 2는 종래의 파장 가변 분광계 구성을 보인 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 집광렌즈부에 구성된 분광계용 광학계의 구성도.
도 5 내지 7은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 파장 대역별 집광 위치의 예시도.
도 8 내지 10은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 MTF 수치를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 전체 파장 대역의 MTF 수치를 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계가 적용된 분광계의 구성도.
도 2는 종래의 파장 가변 분광계 구성을 보인 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 집광렌즈부에 구성된 분광계용 광학계의 구성도.
도 5 내지 7은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 파장 대역별 집광 위치의 예시도.
도 8 내지 10은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 MTF 수치를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 전체 파장 대역의 MTF 수치를 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계가 적용된 분광계의 구성도.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시 예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 구성도로서, 상기 분광계용 광학계는 도시된 바와 같이 제 1렌즈부(110), 제 2렌즈부(120), 제 3렌즈부(130), 제 4렌즈부(140) 및 제 5렌즈부(150), 즉 8매의 렌즈로 이루어진 5개의 그룹(5군 8매)으로 구성된다.
상기 분광계용 광학계는 분광계에 구성되며, 입사광을 평행광으로 조정하는 시준렌즈부와 평행광을 수렴부로 집광하는 집광렌즈부에 모두 적용할 수 있는 것으로 입사광과 출력광 중 하나는 평행광이라는 특징이 있다.
또한, 상기 분광계용 광학계는 구면렌즈를 이용하여 조합하였으며, 도시한 바와 같은 렌즈 조합을 통해 측정 가능 대역 중 원하는 측정 파장에 대한 해상도 극대화를 달성한다. 즉, 카메라와 같이 일반적인 용도로 쓰이는 광학계의 경우 전체적인 파장 대역에 대해 균일한 수차 보정 및 일정한 해상도를 요구하나, 본 발명에 따른 광학계는 분광계에 적용되는 광학계로서, 분광계는 그 목적상 측정 파장 대역에 대해 더욱 높은 해상도를 요구하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 광학계는 해당 목적에 따른 최적의 렌즈 조합을 이용하여, 투과율을 양호하게 유지하고서 광대역의 측정이 가능하면서도 특정 파장 대역들에 대한 해상도의 극대화가 가능하도록 구성한다. 이를 위해 색수차 보정 대신 파장별 해상력 향상을 위한 설계를 함으로써 회절판을 통해 파장별 입사각이 고정되고 측정 대역 외의 파장 대역에 대한 관심도가 낮은 검사를 위주로 하는 분광계에 적합한 전용 광학계를 제공한다.
상기 분광계용 광학계를 적용한 분광계는 자외선의 일부 대역과 가시광선 전체 대역을 포함한 광대역의 파장을 동시에 측정 가능하며, 이러한 종류의 분광계를 일반적으로 UV-VIS(Ultra Violet - Visible) 분광계라 부른다. 일반적인 UV-VIS 분광계는 렌즈를 사용하지 않는 방식이어서 전체적인 해상도가 낮지만, 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 투과성이 좋은 구면 렌즈만으로 조합하여 구성하므로, 이를 적용하여 분광계를 구성하면 일반적인 방식의 UV-VIS 분광계에 비해 높은 해상도를 제공하는 장점이 있다.
도 4는 본 발명에 따른 집광렌즈부에 구성된 분광계용 광학계의 구성도로서, 상기 집광렌즈부를 기준으로 상기 분광계용 광학계의 배치를 상세히 살펴보면, 상기 분광계용 광학계는 평행 입출력에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 볼록하게 구성된 제 1렌즈부(110), 상기 제 1렌즈부(110) 이후에 배치되며, 상기 제 1렌즈부(110)에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하도록 3매의 밀착된 렌즈로 구성되면서 상기 제 1렌즈부(110)보다 작은 직경의 제 2렌즈부(120), 상기 제 2렌즈부(120) 이후에 배치되며, 상기 제 2렌즈부(120)에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하게 구성되면서 상기 제 1렌즈부(110)보다 큰 곡률반경을 가지는 제 3렌즈부(130), 상기 제 3렌즈부(130) 이후에 밀착 배치되며, 상기 제 3렌즈부(130)에 대향하는 일면이 오목하고, 타면이 볼록하게 구성되도록 2매의 밀착된 렌즈로 구성된 제 4렌즈부(140) 및 상기 제 4렌즈부(140) 이후에 이격 배치되며, 광을 집광하는 제 5렌즈부(150)를 포함한다.
이때, 상기 제 1 렌즈부(110) 내지 제 5렌즈부(150)를 구성하는 모든 렌즈는 구면 렌즈로 구성하여, 제조 단가를 절감하며 투과율을 높일 수 있다.
물론, 이와 같은 구성은 기존의 단일 렌즈나 렌즈를 이용하지 않는 방식에 비해 투과율은 다소 떨어지지만, 최대한 투과율을 양호하게 유지하도록 하면서 기존의 렌즈에서는 측정할 수 없는 높은 해상도로 광대역(380~780nm)의 파장을 측정할 수 있도록 한다.
또한, 분광계용 광학계라는 특성에 맞도록 색수차의 개선보다 측정 대역에서의 해상도를 최대화하도록 구성하여 높은 분광 효율을 보장하도록 한다.
상기 분광계용 광학계를 구성하는 구면 렌즈는 소구경, 근거리 초점 렌즈로서, 대구경, 원거리 렌즈의 사용으로 인한 분광 장비의 거대화를 피할 수 있으며, 또한, 기존의 소구경, 근거리 초점 렌즈(예를 들어, 950 렌즈)보다 F수(number)가 적어 기존에 비해 더욱 높은 분광 효율을 보장한다.
더불어, 본 발명에 따른 분광계용 광학계를 적용한 분광계는 렌즈를 이용하지 않는 기존의 반사형 UV-VIS 분광계와는 내부 구조가 완전히 상이하다. 즉, 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 투과형 회절격자를 이용하며, 그에 따른 파장별 입사각을 고려한 5군 8매의 광학계를 적용하여 복수의 대역들에 대해 높은 해상도를 제공하면서도 전체 측정 대역은 UV-VIS를 유지할 수 있도록 한다.
이처럼, 분광계용 광학계라는 목적에 맞도록 기존과 상이한 구조로 구성한 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 세부 구조를 아래에서 더욱 자세히 설명하기로 한다.
도시된 바와 같이, 상기 제 2렌즈부(120) 및 제 3렌즈부(130)는 이격 배치되며, 상기 제 2렌즈부(120)는 상기 제 1렌즈부(110)에 대향하는 일면이 볼록하며, 타면이 볼록한 제 2렌즈(121), 일면이 상기 제 2렌즈(121)의 타면에 밀착되고, 타면이 오목한 제 3렌즈(122) 및 일면이 상기 제 3렌즈(122)의 타면에 밀착되며, 타면이 오목한 제 4렌즈(123)의 결합으로 구성한다.
이와 같은 구성을 통해, 일반적인 목적의 렌즈는 사용 가능한 파장 대역에 대한 균일한 수차 보정 설계가 필요하여 전체적인 해상도 제한이 발생하지만, 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 현재 측정하고자 하는 파장대역 외의 파장 대역에 대한 MTF 특성을 일부 포기(색수차 보정 대신 파장별 입사각에 따른 해상도 최적화 방향으로 설계)하는 대신 측정 파장 대역에 대한 해상도를 특화할 수 있다.
이때, 상기 제 2렌즈부(120)는 굴절률이 다른 종류의 렌즈를 결합하여 구성하며, 상기 제 4렌즈(123)는 상기 제 2렌즈(121)에 비해 상기 제 1렌즈부(110)에 대향하는 일면을 더 볼록하도록 구성할 수 있다.
또한, 제 3렌즈부(130)는 상기 제 1렌즈부(110)에 대향하는 일면(45)이 타면(43)에 비해 덜 볼록하도록 구성할 수 있다.
상기 제 4렌즈부(140)는 양면이 오목한 오목렌즈로 구성된 제 6렌즈(141) 및 상기 제 6렌즈(141) 이후에 밀착 배치되어, 상기 제 6렌즈(141)의 오목면에 일치되는 볼록면을 가진 볼록렌즈로 구성된 제 7렌즈(142)의 결합으로 구성한다.
이러한 구성은 MTF(Modulation Transfer Function)의 경우, 색수차에 대한 효율을 일부 포기하는 반면, 백색광에 대해 25lp/mm(line pair per mm)일 때의 분광 효율을 최대화할 수 있는 구성이다.
이때, 상기 제 4렌즈부(140)는 상기 제 3렌즈부(130)와 대향하는 끝단만 밀착 결합하도록 배치하며, 렌즈 중심을 기준으로 상기 제 4렌즈부(140)와 상기 제3렌즈부(130)의 대향하는 면 사이에 볼록렌즈 형상의 공간(42)이 발생하도록 구성한다. 이때, 상기 공간(42)을 구성하는 상기 제 3렌즈부와 상기 제 4렌즈부의 대향면은 모두 오목하며, 상기 제 3렌즈부(130)의 대향면(43)이 상기 제 4렌즈부(140)의 대향면(44)에 비해 더 오목하도록 구성할 수 있다.
상기 공간(42)은 상기 분광계용 광학계로 입사되는 광로(41)가 상기 공간(42)의 양 끝단을 넘지 않도록 구성한다. 즉, 제 3렌즈부(130)의 끝단으로 입사되는 광은 상기 공간(42)의 끝단을 넘지 않도록 구성한다.
이러한 구성은 파장 별 회절율을 다르게 하므로, 상기 구면 렌즈로만 구성된 조합으로 비구면 렌즈의 효과 낼 수 있어, 특정 파장 대역에서의 해상도를 극대화할 수 있다. 따라서, 투과율을 양호하게 유지하면서도 해상도를 극대화할 수 있으며 제조 단가를 절감할 수 있다.
상기 제 6렌즈(141)와 밀착된 상기 제 7렌즈(142)의 볼록면(46)은 상기 제 3렌즈부(130)의 볼록면(45)보다 더 작은 곡률반경으로 구성할 수 있다.
또한, 입사되는 광로(40)에 따라 상기 제 1, 2렌즈부(110,120)에 비해 상기 제 3,4렌즈부(130,140)의 직경을 더 작게 구성할 수도 있다.
더불어, 상기 분광계용 광학계는 입사광을 평행광으로 변환하는 시준 광학계와 평행광을 집광하는 집광 광학계로 겸용 사용할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계는 가시광선 대역부터 자외선 대역의 파장을 측정하기 위해 소정의 렌즈 곡면과 렌즈 간 이격 거리를 갖는 최적의 렌즈 조합을 분광계에 적용하여, 기존 렌즈에서 측정할 수 없는 광대역의 파장을 고해상도로 측정하면서 해당 광대역에 속하는 파장 중 측정 파장 대역에 대해 투과율을 양호하게 유지하면서도 탁월한 분광 효율을 발휘할 수 있다.
도 5 내지 7은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 파장 대역별 집광 위치의 예시도로서, 상기 도 5는 720nm의 파장을 갖는 광의 경로 및 집광 위치를 도시한 것이며, 상기 도 6 및 도 7은 각각 600nm 및 400nm일 때의 광의 경로 및 집광 위치를 도시한 것이다.
분광계에서 파장 가변 구조물을 통과한 광은 파장에 따라 소정의 각도를 가지고 들어오며, 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 380nm에서 780nm까지의 광대역의 파장 중 어떠한 파장에서 소정 각도로 들어오더라도 특정한 해상도를 가지고 특정한 위치에 집광 되도록 배치한 구조이다.
더하여, 상기 분광계용 광학계는 이러한 광대역의 파장 대역 중 예시한 720nm, 600nm 및 400nm에서 해상도가 극대화 되도록 구성하여, 해당 파장 대역에서 높은 해상도를 요구하는 각종 분광계에 활용할 수 있다.
도 8 내지 10은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 MTF 수치를 나타낸 그래프로서, 상기 예시한 720nm, 600nm 및 400nm의 파장 대역에서 Spartial Frequency에 따른 MTF 그래프를 차례로 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 방사 방향의 MTF에서 25lp/mm를 기준으로 각각 720nm일 때 90.2% (81), 600nm일 때 90.5% (91), 400nm일 때 81.8% (101)의 높은 해상도를 보여 해당 대역에서 높은 해상도를 요구하는 특정한 용도로 사용할 수 있음을 보여준다.
도 11은 본 발명에 따른 분광계용 광학계를 통해 측정한 장파 대역(적색) 광원에 대한 MTF 수치를 나타낸 그래프로서, 380nm에서 780nm의 전체 파장 대역에서 25lp/mm를 기준으로 해상도의 MTF 수치를 도시한 것이다.
일반적인 기존의 카메라 렌즈 등을 이용하면 전체 파장 대역에서 측정 광원의 파장에 무관하게 균일한 해상도를 얻을 수 있으나 특정한 파장 대역의 광원을 측정하고자 할 경우 최적의 해상도를 얻기가 어렵다. 즉, 기존의 광학계는 넓은 대역에 대해서 가능한 균일한 특성을 가지도록 광학계를 구성하고 있다. 그 중에서 색수차 역시 발생하지 않도록 색지움 렌즈 등을 구성하여 색상이 번지는 특성을 억제하고 있다.
하지만 본 발명의 실시예에 따른 분광계용 광학계의 경우 주 측정 대상은 목표 파장 대역을 가지는 광원에 대한 정밀한 파장 측정이기 때문에 투과형 격자에 의해서 정해진 파장별 각도로 회절한 광선들이 분광계용 광학계를 투과하는 정확한 광경로를 기준으로 소정 파장대의 광원별 MTF 특성이 측정 파장 대역에서 최상이 되도록 설계한 것이다.
도시한 그래프는 장파 대역 광원(예를 들어 적색 광원)이 제공되는 경우의 MTF 특성을 나타낸 것으로, 장파 광원(해당 파장의 고정된 입사각 및 그에 따른 광로)을 기준으로 측정할 경우 단파 대역은 실제 관심이 없는 영역이 되므로 해당 대역의 경우 도시한 바와 같이 MTF 특성이 낮아지더라도 원하는 영역인 중파~장파 대역의 MTF 특성이 최상이 되도록 광학계를 설계한 결과이다.
도시되지는 않았지만 중파 대역 광원을 기준으로 측정하는 경우 장파나 단파 대역 부분의 MTF 특성이 낮아지더라도 해당 중파 대역의 MTF 특성이 최대가 되도록 하고, 단파 대역 광원을 기준으로 측정하는 경우 장파 대역 MTF 특성이 나빠지더라도 해당 장파 대역의 MTF 특성이 최대가 되도록 설계한다. 이는 본 발명 실시예의 광학계가 단독으로 이용되는 것이 아니라 투과형 격자를 포함하는 분광계 구조에 적용된다는 특성을 감안한 것으로, 파장별로 렌즈에 입사하는 각도 및 그에 따른 광학계 내부의 광 경로가 고정되기 때문에 이러한 설계가 가능하며, 그에 따른 특징을 최대한으로 활용할 수 있게 된다.
상기 방식으로 설계된 본 발명 실시예의 광학계는 파장을 측정하는 분광계가 아닌 복합적인 파장이 동시에 입사되는 일반 이미지 획득용 렌즈로 이용할 경우에는 색수차에 의해 이미지, 특히 경계 부분이 크게 번지는 현상이 발생할 수 있어 해당 용도로는 활용이 어렵다. 결국, 본 발명 실시예의 광학계는 여러 파장이 동시에 입사하는 경우 해당 파장들에 대한 굴절율 차이를 보상하는 설계 대신 파장별 광로나 입사각을 기준으로 해당 파장에 대해 최대 해상도를 제공하도록 설계함으로써 색수차 보정을 포기하고 파장별 해상도를 크게 높이도록 한 것이다.
이러한 특성을 보이는 본 발명 실시예에 따른 광학계는 예를 들어, LED 또는 UV-LED 검사 등과 같이 측정 대역에 대한 높은 해상도를 요구하는 분광계에 적용되어 최고의 효과를 제공할 수 있다.
덧붙여, 상기 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 렌즈를 많이 이용하는 경우 발생하는 투과율 저하를 최대한 방지하도록 최적의 소재 및 구경을 이용하여 기본적으로 90%에 가까운 투과율을 보인다. 또한, 일반적인 렌즈를 이용할 경우와 비교하여 약간의 투과율 하락을 감안하더라도, 상기와 같은 최적의 구성을 통한 해당 대역에서의 높은 해상도 특성으로 인하여 이러한 대역에서의 분광 검사가 필요한 다양한 업계의 요구를 만족할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계가 적용된 분광계의 구성도로서, 상기 분광계는 관찰할 외부 입사광을 평행하게 변환하는 시준 렌즈부(320), 해당 시준 렌즈(320)를 통해 평행해진 광을 파장에 따른 고유 각도로 회절시켜 고정된 광경로를 유지하는 투과형 회절판(330), 상기 투과형 회절판(330)을 통해 제공되는 평행광을 집광하는 집광 렌즈부(340) 및 상기 집광 렌즈부(340)를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 카메라(350)를 포함한다.
상기 시준렌즈부(320) 및 상기 집광렌즈부(340)는 상기 본 발명에 따른 분광계용 광학계를 이용하며, 상기 시준렌즈부(320)는 상기 집광렌즈부(340)의 제 1 내지 제 5렌즈부를 입사경로가 반대가 되도록 뒤집어 배치한다.
즉, 도시된 바와 같이 입사 슬릿(310)을 통과한 입사광은 시준렌즈부(320)를 통과하여 평행광으로 변환되는데, 상기 제 5렌즈부가 입사광에 대향되도록 상기 도 4의 분광계용 광학계를 뒤집어 구성함으로써 상기 시준렌즈부(320)를 구성할 수 있다.
이후, 상기 평행광은 투과형 회절판(330)을 통해 집광렌즈부(340)로 파장 정렬되어 유도되며, 상기 집광렌즈부(340)는 상기 도 4의 분광계용 광학계의 렌즈부 배열을 그대로 적용하여, 상기 제 1렌즈부가 평행광에 대향되게 배치함으로써 구성될 수 있다.
따라서, 상기 분광계용 광학계가 적용된 집광렌즈부(340)는 상술한 바와 같이 카메라의 CCD(350)에 평행광을 집광함으로써 파장별로 분해된 스펙트럼을 획득할 수 있다.
상기 분광계는 상기 본 발명에 따른 분광계용 광학계를 적용하여 LED검사와 같은 특수한 목적에 활용할 수 있고, 상기 분광계용 광학계는 소구경,근거리 초점 렌즈를 사용하여 분광 장비의 거대화를 피할 수 있어 간편하게 사용 가능하면서도, 높은 분광 정밀도를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시 예에 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.
110: 제 1렌즈부 120: 제 2렌즈부
130: 제 3렌즈부 140: 제 4렌즈부
150: 제 5렌즈부 170, 350: 카메라의 CCD
121: 제 2렌즈 122: 제 3렌즈
123: 제 4렌즈 141: 제 5렌즈
142: 제 6렌즈 310: 입사슬릿
320: 시준렌즈부 330: 투과형 회절판
340: 집광렌즈부
130: 제 3렌즈부 140: 제 4렌즈부
150: 제 5렌즈부 170, 350: 카메라의 CCD
121: 제 2렌즈 122: 제 3렌즈
123: 제 4렌즈 141: 제 5렌즈
142: 제 6렌즈 310: 입사슬릿
320: 시준렌즈부 330: 투과형 회절판
340: 집광렌즈부
Claims (12)
- 회절판과 복수 광학계로 이루어진 분광계의 광로 상에 하나 이상 적용되어 자외선의 일부 대역과 가시광선 대역을 포함한 대역을 측정 대역으로 하는 분광계용 광학계로서,
평행 입출력에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 볼록하게 구성된 제 1렌즈부;
상기 제 1렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하도록 3매의 밀착된 렌즈로 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 작은 직경의 제 2렌즈부;
상기 제 2렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 2렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하게 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 큰 곡률반경을 가지는 제 3렌즈부;
상기 제 3렌즈부 이후에 밀착 배치되며, 상기 제 3렌즈부에 대향하는 일면이 오목하고, 타면이 볼록하게 구성되도록 2매의 밀착된 렌즈로 구성된 제 4렌즈부; 및
상기 제 4렌즈부 이후에 이격 배치되며, 광을 집광하는 제 5렌즈부를 포함하되,
상기 제 1 내지 제 5렌즈부를 구성하는 모든 렌즈는 구면렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 2렌즈부 및 제 3렌즈부는 이격 배치된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 2렌즈부는
상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하며, 타면이 볼록한 제 2렌즈; 일면이 상기 제 2렌즈의 타면에 밀착되고, 타면이 오목한 제 3렌즈 및 일면이 상기 제 3렌즈의 타면에 밀착되며, 타면이 오목한 제 4렌즈
의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 4렌즈부는
양면이 오목한 오목렌즈로 구성된 제 6렌즈; 및
상기 제 6렌즈 이후에 밀착 배치되어, 상기 제 6렌즈의 오목면에 일치되는 볼록면을 가진 볼록렌즈로 구성된 제 7렌즈
의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 6렌즈와 밀착된 상기 제 7렌즈의 볼록면은 상기 제 3렌즈부의 볼록면보다 더 작은 곡률반경으로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 4렌즈부는 상기 제 3렌즈부와 대향하는 끝단만 밀착 결합하도록 배치하며, 렌즈 중심을 기준으로 상기 제 4렌즈부와 상기 제3렌즈부의 대향하는 면 사이에 볼록렌즈 형상의 공간이 발생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
- 청구항 6에 있어서,
상기 공간을 구성하는 상기 제 3렌즈부와 상기 제 4렌즈부의 대향면은 모두 오목하며, 상기 제 3렌즈부의 대향면이 상기 제 4렌즈부의 대향면에 비해 더 오목하도록 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
- 청구항 1에 있어서,
상기 분광계용 광학계는 입사광을 평행광으로 변환하는 시준 광학계와 평행광을 집광하는 집광 광학계로 겸용 사용되는 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
- 관찰할 외부 입사광을 평행하게 변환하는 시준 렌즈부;
해당 시준 렌즈를 통해 평행해진 광을 파장에 따른 고유 각도로 회절시켜 고정된 광경로를 유지하는 투과형 회절판을 포함한 파장 가변 구조물;
상기 파장가변 구조물을 통해 제공되는 평행광을 집광하는 집광 렌즈부; 및
상기 집광 렌즈부를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 카메라
를 포함하며,
상기 집광렌즈부는
평행 입출력에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 볼록하게 구성된 제 1렌즈부;
상기 제 1렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하도록 3매의 밀착된 렌즈로 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 작은 직경의 제 2렌즈부;
상기 제 2렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 2렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하게 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 큰 곡률반경을 가지는 제 3렌즈부;
상기 제 3렌즈부 이후에 밀착 배치되며, 상기 제 3렌즈부에 대향하는 일면이 오목하고, 타면이 볼록하게 구성되도록 2매의 밀착된 렌즈로 구성된 제 4렌즈부; 및
상기 제 4렌즈부 이후에 이격 배치되며, 광을 집광하는 제 5렌즈부로 구성되되,
상기 제 1 내지 제 5렌즈부를 구성하는 모든 렌즈는 구면렌즈로 구성된 것을 특징으로 하며,
상기 시준렌즈부는
상기 집광렌즈부의 제 1 내지 제 5렌즈부를 입사경로가 반대가 되도록 뒤집어 배치된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계를 적용한 분광계.
- 청구항 9에 있어서,
상기 제 2렌즈부 및 제 3렌즈부는 이격 배치된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계를 적용한 분광계.
- 청구항 9에 있어서,
상기 제 2렌즈부는
상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하며, 타면이 볼록한 제 2렌즈; 일면이 상기 제 2렌즈의 타면에 밀착되고, 타면이 오목한 제 3렌즈 및 일면이 상기 제 3렌즈의 타면에 밀착되며, 타면이 오목한 제 4렌즈
의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계를 적용한 분광계.
- 청구항 9에 있어서,
상기 제 4렌즈부는
양면이 오목한 오목렌즈로 구성된 제 6렌즈; 및
상기 제 6렌즈 이후에 밀착 배치되어, 상기 제 6렌즈의 오목면에 일치되는 볼록면을 가진 볼록렌즈로 구성된 제 7렌즈
의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계를 적용한 분광계.
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