KR102130418B1 - 다소자 분광분석기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분광분석 장치에서 나오는 광에 포함된 측정대상 물체 또는 물질의 흡광 또는 광 투과 특성 등을 스캔하지 않고 한번에 CCD를 이용하여 측정하는 수단과, 또 필요한 경우 전체 파장에 대하여 스캔을 통하여 PMT 센서에서 정밀하게 측정하는 2가지 방법의 측정 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 측정을 위하여 입구슬릿(300)으로 입사된 광은 평행광 반사경(310)에서 평행화하여 반사회절발(320)로 이동하며, 상기 이동된 광은 반사회절발(320)의 회전 각도에 따라 상기 광이 PMT집광반사경(330)으로 이동하는 경우, 출구슬릿(340)을 통하여 PMT 센서로 전달되거나, 상기 반사회절발(320)의 회전 각도에 따라 상기 광이 투과회절발(400)로 이동하는 경우, CCD집광반사경(410)에서 광을 모아 실린더렌즈(420)을 통과하여 CCD로 전달되는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.
본 발명은 상기의 구성에 의하여 PMT 센서와 CCD 센서를 이용하여 빠른 측정과 정확한 측정을 하나의 장비로 수행할 수 있는 방법을 제공하는 것으로 측정 속도를 빨리 할 수 있는 효과가 있다.
또 다른 측정 방법으로는 상기 CCD 센서의 위치에 PMT 센서2(미도시)를 설치하는 것이다. 상기 PMT 센서2는 상기 PMT 센서를 광경로를 변경화여 사용할 수도 있고, 새로 추가할 수도 있다. 또한, 상기 PMT 센서2는 수평으로 이동하는 수단을 구비하여 상기 CCD센서에서 전파장 대역의 신호를 한번에 받는 반면, 상기 PMT 센서2는 한번에 전파장 대역의 신호를 받을 수 없기 때문에 수평이동 수단을 구비하여 수평으로 이동하며 파장대역 별로 신호를 받을 수 있다.
이러한 구성에 의하여 한번에 신호를 측정하는 CCD 센서보다는 느리게 측정 가능하지만, 반사회절발을 사용하여 주파수를 스캔하는 것보다는 빠르게 PMT 센서2가 수평으로 이동하며 신호를 측정할 수 있고, 상기 CCD 센서보다는 신호를 증폭하고 잡음을 제거하는 능력이 좋은 PMT 센서를 사용함으로써 정밀한 측정이 가능한 장점이 있다.
본 발명에 사용된 용어를 정리하면 하기와 같다.
PMT 센서 : 광전 증폭관 (Photo Multiplier Tube: PMT) 는 빛을 측정하는 검출기의 한 종류이다. 일반적으로 포토캐소드 (Photocathode), 다이노드, 어노드로 구성되어 있다. 포토캐소드는 광전효과에 의해 일정 주파수 이상의 빛을 받으면 전자를 방출한다. 이 전자는 다이노드를 거치면서 증폭되고, 어노드에 이르러 외부 장비로 읽을 수 있는 정도의 전류 신호가 만들어지는 원리이다. 외부 장치를 거치지 않고 바로 신호가 증폭되기 때문에, 매우 약한 빛 신호를 감지하는데 널리 사용된다. 보통 광전효과는 가시광선 이상의 주파수에 대하여 발생하므로, 그 이하 주파수의 빛에 대해서는 사용할 수 없다.
CCD : 전하결합소자(Charge-Coupled Device)의 약자로 빛을 전하로 변환시켜 화상을 얻어내는 센서이다. 전하결합소자(電荷結合素子)라고도 부르며, 1969년 조지 E. 스미스와 윌러드 보일이 공동 개발하였다. CCD는 여러 개의 축전기(Condenser)가 쌍으로 상호 연결되어 있는 회로로 구성되어 있고, 회로 내의 각 축전기는 자신 주변의 축전지로 충적된 전하를 전달한다. CCD는 디지털 스틸 카메라, 광학 스캐너, 디지털 비디오 카메라와 같은 장치의 주요 부품으로 사용된다. CCD 칩은 많은 광다이오드 들이 모여있는 칩이다. 각각의 광다이오드에 빛이 비추어지면 빛의 알갱이 즉 광자의 양에 따라 전자가 생기고 해당 광다이오드의 전자 량이 각각 빛의 밝기를 뜻하게 되어 이 정보를 재구성함으로써 화면을 이루는 이미지 정보가 만들어진다.

Description

다소자 분광분석기{.}

본 발명은 형광 또는 분광을 측정하는 분석 장치에서, 샘플에서 발생하는 형광 또는 샘플을 통과한 광을 분광하여 측정하는 기술에 관한 것이다.

본 출원발명의 이전에 개시된 선행기술로는 형광 흡광 동시 측정용 분광 광도계가 있다. 상기 형광 흡광 동시 측정용 분광 광도계는 광도계 본체, 상기 본체 내에 장착되는 광원, 상기 광원에서 생성된 광의 진행 경로를 제어하는 광 이송부, 상기 광 이송부의 상측에 놓이는 시료 위에 배치되는 전반사 윈도우, 상기 전반사 윈도우에서 반사된 후 상기 광 이송부를 통과하여 출광된 광을 검출하는 멀티 채널 검출부를 구비하며, 상기 광 이송부는 진행 경로의 길이가 서로 다른 복수개의 광의 진행 경로를 형성하며, 상기 멀티 채널 검출부는 상기 광 이송부에서 서로 길이가 다른 진행 경로를 통과한 후에 유입되는 광을 서로 다른 독립된 광 경로를 사용하여 동시에 분광하는 기술을 개시하고 있다.

또 다른 선행기술로는 분광화오목렌즈에서 모아진 분광 중에 상기 형광측정을 위하여 PMT 측정에 사용하는 1차 오더 또는 -1차 오더의 분광 이외에 남는 다른 하나의 1차 오더 분광을 측정할 수 있는 CCD 측정부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기에 관한 기술이 개시되어 있다.

등록특허공보 10-1306930

본 발명은 분광분석 장치에서 나오는 광에 포함된 측정대상 물체 또는 물질의 흡광 또는 광 투과 특성 등을 스캔하지 않고 한번에 CCD를 이용하여 측정하는 수단과, 또 필요한 경우 전체 파장에 대하여 스캔을 통하여 PMT 센서에서 정밀하게 측정하는 2가지 방법의 측정 방법을 제공하고자 한다.

선행문헌에 PMT와 CCD를 이용하여 정밀한 측정과 정밀하지는 않지만 한번에 전체 파장의 데이터를 측정하는 방법이 개시되어 있으나, 작은 공간에 PMT 센서와 CCD 센서를 설치하여 측정하는 방법으로 실제 제품으로 상용화하기 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 투과 회절발과 반사 회절발을 구비하여 광의 이동 경로를 기존의 PMT 측정 경로에서 CCD 측정 경로로 이어줌으로써 넓은 공간을 사용하여 신호를 측정할 수 있는 수단을 제공하여, 보다 신뢰성있는 측정 장치를 발명하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 다음과 같은 수단을 제공한다.

본 발명은 측정을 위하여 입구슬릿(300)으로 입사된 광은 평행광 반사경(310)에서 평행화하여 반사회절발(320)로 이동하며,

상기 이동된 광은 반사회절발(320)의 회전 각도에 따라 상기 광이 PMT집광반사경(330)으로 이동하는 경우, 출구슬릿(340)을 통하여 PMT 센서로 전달되거나,

상기 반사회절발(320)의 회전 각도에 따라 상기 광이 투과회절발(400)로 이동하는 경우, CCD집광반사경(410)에서 광을 모아 실린더렌즈(420)을 통과하여 CCD로 전달되는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.

또한, 상기 반사회절발은 평면 반사경과 뭉치를 이루는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.

또한, 상기 반사회절발은 입사된 광을 반사시키면서 광 파장별로 분산시키는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.

또한, 상기 집광반사경은 상기 반사회절발에서 분광된 광 중 특정 파장의 빛을 집광하여 상기 출구슬릿을 통과한 후 측정을 위하여 상기 PMT 센서에 입사되는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.

또한, 상기 투과회절발(400)은 특정 파장을 회절시켜 상기 CCD집광반사경으로 광을 모으는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.

또한, 본 발명의 다소자 분광분석기를 이용한 측정방법에 있어서,

광이 입구슬릿으로 입사되는 입사단계(S1); 및

상기 입사단계에서 입사된 광을 평행광반사경을 이용하여 광을 평행화하는 광평행화단계(S2); 및

상기 광평행화단계에서 평행화된 광을 반사회절발에서 회절하며 광을 반사시켜, PMT집광반사경으로 광을 이동시켜 PMT센서로 측정하는 PMT측정단계(S3); 및

상기 광평행화단계에서 평행화된 광을 반사회절발에서 회절하며 광을 반사시켜, 투과회절발로 광을 이동시켜 CCD집광반사경에서 광을 모아 실린더렌즈에서 광을 일자로 분산시켜 CCD센서에서 측정하는 CCD측정단계(S4); 및

상기 투과회절발의 회전 각도는 상기 CCD에서 측정된 신호가 최대로 측정되는 각도로 결정하며, 이때 상기 반사회절발은 일정 각도록 고정되는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 이용한 분광측정방법을 제공한다.

본 발명은 간단한 구조에 의하여 PMT 센서와 CCD 센서를 이용하여 빠른 측정과 정확한 측정을 하나의 장비로 수행할 수 있는 방법을 제공하는 것으로 측정 속도를 빨리 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명 이전의 기술을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 전체 구성을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명을 이용하여 기존의 PMT 센서로 측정하는 광 경로를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명을 이용하여 CCD 센서로 측정하는 광 경로를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 실물배치도를 도시하고 있다.

본 발명은 기존의 PMT센서만을 이용하여 파장대별 분광을 측정하는 정밀측정의 경우 측정 시간이 오래 걸리는 단점이 있어 이를 극복하고자, 전체 측정 파장대역의 신호를 한번에 측정할 수 있는 CCD센서를 이용하여 빠른 측정과 정확한 측정을 하나의 장치에서 구현하고자 한다.

도1은 기존의 PMT센서를 이용한 분광분석장치의 개념도이다.

입구슬릿에서 입사된 광을 평행화하고 이를 반사회절발에서 분광하여 특정 파장만을 PMT집광반사경에서 집광하여 PMT센서에서 측정하게 된다.

도2는 본 발명의 다소자 분광분석장치에 관한 것으로 상기 반사회절발의 각도를 조절하여 반사회절발에서 반사된 광을 투과회절발을 통한 후 집광하여 점광원을 만들고 이를 실린터렌즈에서 직선광으로 만들어 CCD센서에서 전체 파장대역의 분광신호를 측정할 수 있도록 구성하였다.

도2에서 살펴본 바와 같이 PMT센서 측정의 광경로와 CCD센서의 측정 광경로가 겹치지 않고 광 경로가 확장된 구조여서 실제 제작에도 어려움이 없어 실용화 가능한 기술이다.

도3은 본 발명의 다소자 분광분석기를 이용하여 PMT센서에어 분광을 측정하는 광경로를 보여주고 있으며, 도4는 본 발명의 다소자 분광분석기를 이용하여 CCD센서에서 분광을 측정하는 광 경로를 보여주고 있다.

도5는 본 발명의 다소자 분광분석기의 실물 배치도 이다.

도 3을 참고하여 PMT측정을 부연 설명하면, 반사회절발과 평면반사경 뭉치를 회전 시키게 되면 입사된 광이 반사회절발의 작은 홈에서 반사될 때 각 파장별로 분산된다. 상기 분산된 빛 중 특정 파장의 빛을 PMT집광반사경에서 반사하여, 출구 슬릿을 통과한 후 광 증배관 (PMT ) 단 채널 센서에 의해 분광을 측정한다.

이 방법을 이용하여 전 파장 데이터를 측정하기 위해서는 상기 반사회절발을 모터를 이용하여 정밀하게 회전시켜 파장별로 스캔하게 된다. 상기 PMT센서의 특성상 정밀하게 측정하는 장점이 있으나 측정 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

도4를 참고하여 CCD측정을 부연설명하면, 반사회절발과 평면 반사경 뭉치를 회전시켜 특정 각도로 위치시키면 평행광반사경에 반사된 입사광이 평면 반사경에 정반사되어 모든 광이 회절 없이 모두 반사된다. 상기 정반사된 광은 투과회절발을 투과하며 상기 투과회절발의 작은 홈들을 통과할 때 회절하여 각 파장의 빛으로 분산된다. 이를 다시 집광 반사경으로 집광하여 실린더렌즈를 통과시키 선형으로 만들어진 광을 CCD 선형 다채널 센서에 집광 시켜 전 파장 빛을 한번에 측정할 수 있다. 전 파장을 한 번에 측정하므로 빠른 속도로 측정할 수 있는 장점이 있다.

상기와 같은 동작을 위하여 하기의 과제해결수단을 제공한다.

본 발명은 측정을 위하여 입구슬릿(300)으로 입사된 광은 평행광 반사경(310)에서 평행화하여 반사회절발(320)로 이동하며,

상기 이동된 광은 반사회절발(320)의 회전 각도에 따라 상기 광이 PMT집광반사경(330)으로 이동하는 경우, 출구슬릿(340)을 통하여 PMT 센서로 전달되거나,

상기 반사회절발(320)의 회전 각도에 따라 상기 광이 투과회절발(400)로 이동하는 경우, CCD집광반사경(410)에서 광을 모아 실린더렌즈(420)을 통과하여 CCD로 전달되는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.

또한, 상기 반사회절발은 평면 반사경과 뭉치를 이루는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.

또한, 상기 반사회절발은 입사된 광을 반사시키면서 광 파장별로 분산시키는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.

또한, 상기 집광반사경은 상기 반사회절발에서 분광된 광 중 특정 파장의 빛을 집광하여 상기 출구슬릿을 통과한 후 측정을 위하여 상기 PMT 센서에 입사되는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.

또한, 상기 투과회절발(400)은 특정 파장을 회절시켜 상기 CCD집광반사경으로 광을 모으는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 제공한다.

또한, 본 발명의 다소자 분광분석기를 이용한 측정방법에 있어서,

광이 입구슬릿으로 입사되는 입사단계(S1); 및

상기 입사단계에서 입사된 광을 평행광반사경을 이용하여 광을 평행화하는 광평행화단계(S2); 및

상기 광평행화단계에서 평행화된 광을 반사회절발에서 회절하며 광을 반사시켜, PMT집광반사경으로 광을 이동시켜 PMT센서로 측정하는 PMT측정단계(S3); 및

상기 광평행화단계에서 평행화된 광을 반사회절발에서 회절하며 광을 반사시켜, 투과회절발로 광을 이동시켜 CCD집광반사경에서 광을 모아 실린더렌즈에서 광을 일자로 분산시켜 CCD센서에서 측정하는 CCD측정단계(S4); 및

상기 투과회절발의 회전 각도는 상기 CCD에서 측정된 신호가 최대로 측정되는 각도로 결정하며, 이때 상기 반사회절발은 일정 각도록 고정되는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 이용한 분광측정방법을 제공한다.

300 : 입구슬릿
310 : 평행광반사경
320 : 반사회절발
330 : PMT집광반사경
340 : 출구슬릿
400 : 투과회절발
410 : CCD집광반사경
420 : 실린더 렌즈
500 : PMT 센서
600 : CCD 센서

Claims (4)

1. 입구슬릿(300)으로 입사된 광은 평행광 반사경(310)에서 평행화하여 반사회절발(320)로 이동하며,
   상기 이동된 광은 반사회절발(320)의 회전 각도에 따라 상기 광이 PMT집광반사경(330)으로 이동하는 경우, 출구슬릿(340)을 통하여 PMT 센서로 전달되거나,
   상기 반사회절발(320)의 회전 각도에 따라 상기 광이 투과회절발(400)로 이동하는 경우, CCD집광반사경(410)에서 광을 모아 실린더렌즈(420)을 통과하여 CCD로 전달되고,
   상기 반사회절발은 평면 반사경과 뭉치를 이루며,
   상기 반사회절발은 입사된 광을 반사시키면서 광 파장별로 분산시키고,
   상기 PMT집광반사경(330)은 상기 반사회절발에서 분광된 광 중 특정 파장의 빛을 집광하여 상기 출구슬릿을 통과한 후 측정을 위하여 상기 PMT 센서에 입사되며,
   상기 투과회절발(400)은 특정 파장을 회절시켜 상기 CCD집광반사경으로 광을 모으는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 이용한 분광측정방법에 있어서,
   광이 입구슬릿으로 입사되는 입사단계(S1); 및
   상기 입사단계에서 입사된 광을 평행광반사경을 이용하여 광을 평행화하는 광평행화단계(S2); 및
   상기 광평행화단계에서 평행화된 광을 반사회절발에서 회절하며 광을 반사시켜, PMT집광반사경으로 광을 이동시켜 PMT센서로 측정하는 PMT측정단계(S3); 및
   상기 광평행화단계에서 평행화된 광을 반사회절발에서 회절하며 광을 반사시켜, 투과회절발로 광을 이동시켜 CCD집광반사경에서 광을 모아 실린더렌즈에서 광을 일자로 분산시켜 CCD센서에서 측정하는 CCD측정단계(S4); 및
   상기 투과회절발의 회전 각도는 상기 CCD에서 측정된 신호가 최대로 측정되는 각도로 결정하며, 이때 상기 반사회절발은 일정 각도로 교정되는 것을 특징으로 하는 다소자 분광분석기를 이용한 분광측정방법.
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