KR102491854B1 - 분광기 - Google Patents

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KR102491854B1
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Abstract

개시된 분광기는, 광원에서 출력된 빛에 의해 타겟에서 산란된 산란 빛을 펴행 광속으로 정렬시키는 집광기나, 산란 빛의 각도를 제한하는 빔블록를 포함하며, 집광기나 빔블록을 경유한 산란 빛을 필터 어레이 및 검출기를 통해 검출함으로써, 분광특성을 유지한채로 펜타입이나 평판형태로 소형화할 수 있다.

Description

분광기{Spectrometer}
본 개시는 광학 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일체로 제작가능한 분광기에 관한 것이다.
분광기는 전자기 스펙트럼의 특정 부분의 빛의 특성을 조사하는 기구로서, 각종 화합물등의 성분 분석 혹은 생체의 다양한 화학적 생리적 상태를 측정할 수 있는 분야에 적용 가능하다. 예를 들어, 분광기 시스템은 혈당이나 콜레스테롤 같은 생리적 상태를 측정하는 건강상태 측정 장치 등으로 응용될 수 있거나 냉장고에서 식품의 상태 등을 측정하는 장치 등으로 응용될 수 있다. 이러한 분광기는 다양한 활용 가능성을 위해 소형화에 대한 요구가 증가하고 있다.
소형화를 하기에 적합한 분광기를 제공하고자 한다.
광원과 산란되는 빛을 정렬시키는 부분 등 전체 분광 시스템을 결합한 온칩형 분광기를 제공하고자 한다.
본 발명의 한 측면에 따르는 분광기는,
광원;
상기 광원에서 출력된 빛에 의해 타겟에서 산란된 산란 빛이 입사되는 측정 구멍과, 측정구멍에 입사된 산란 빛을 평행 광속으로 집광시키는 내부면과, 집광된 산란 빛을 출력시키는 출력 구멍을 포함하는 집광기;
상기 집광기에서 출력된 산란 빛을 검출하는 검출기; 및
상기 검출기의 검출면쪽에 배열되어 상기 집광기에서 출력된 산란 빛의 소정 파장대역을 투과시키는 필터들을 포함하는 필터 어레이;를 포함할 수 있다.
상기 집광기의 내부면은 쌍곡면 반사면일 수 있다. 이 경우, 상기 집광기의 출력 구멍 근방에 배치되는 렌즈가 더 마련될 수 있다.
상기 집광기의 내부면은 포물면 반사면일 수 있다.
상기 광원에서 출사된 빛을 상기 집광기의 상기 출력 구멍쪽으로 향하도록 하고 상기 집광기의 상기 출력 구멍에서 출력된 산란 빛을 상기 검출기쪽으로 향하게 하는 광분리기가 더 마련될 수 있다.
상기 광분리기는 이색미러 또는 이색프리즘일 수 있다.
상기 광원은 협대역의 파장 또는 광대역의 파장의 광원일 수 있다.
상기 필터 어레이는 나노구조물이 주기적으로 배열된 나노구조층과, 상기 나노구조층의 전면 및 배면에 각각 마련되는 제1 및 제2 반사층를 포함할 수 있다.
상기 검출기는 이미지 센서, 포토다이오드 어레이, 또는 포토트랜지스터 어레이일 수 있다.
상기 광원, 상기 검출기, 및 상기 필터 어레이를 실장하는 하우징이 더 마련되며, 상기 집광기는 상기 하우징에서 돌출되어 펜 타입의 외관을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 분광기는,
광원;
상기 광원에서 출력된 빛에 의해 타겟에서 전방향으로 산란되는 산란 빛의 각도를 제한하는 빔블록;
상기 빔블록에서 제한된 산란 빛을 검출하는 검출기셀들을 포함하는 검출기어레이; 및
상기 검출기 어레이의 검출면쪽에 배열되어 상기 빔블록에서 제한된 산란 빛의 소정 파장대역을 투과시키는 필터들을 포함하는 필터 어레이;를 포함할 수 있다.
상기 광원은 상기 검출기어레이의 배면에 위치하며, 상기 검출기셀들 및 필터들은 각각 관통구멍이 마련되어, 상기 광원에서 출사된 빛이 통과할 수 있다.
상기 빔블록은 개구를 규정하는 블록단부와, 상기 블록단부를 지지하는 지지대를 포함할 수 있다.
상기 블록단부에 의해 규정되는 개구는 상기 필터의 면적보다 작을 수 있다.
상기 지지대는 산란 빛이 이웃하는 검출기셀에 입사하지 않도록 격벽 구조를 가질 수 있다.
상기 광원, 상기 빔블록, 상기 검출기어레이, 및 상기 필터 어레이는 평판형으로 결합될 수 있다.
구동회로가 더 마련될 수 있다.
외부와의 무선 혹은 유선의 통신 모듈이 더 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 분광기 시스템은, 전술한 분광기; 및 상기 분광기로부터 수신되는 데이터를 수집하는 데이터 리시버를 포함할 수 있다.
상기 데이터 리시버는 분광 분석장치이거나, 클라우드 서버이거나, 모바일 폰, 랩탑 컴퓨터, 퍼스널 컴퓨터, 서버, 의료장비, 실험장비일 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 분광기는 측정되는 빛이 일정 각도로 정렬되어 정확한 측정이 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 분광기의 집광기, 렌즈 및 검출기를 확대한 도면이다.
도 3은 도 1의 분광기의 광원, 필터어레이 및 검출기를 확대한 도면이다.
도 4는 도 1의 분광기의 필터어레이의 단면 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 분광기의 집광기 및 검출기를 확대한 도면이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 도 11의 분광기를 전면에서 본 도면이다.
도 13은 도 11의 분광기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 도 14의 분광기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 분광기 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 분광기 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 분광기(100)를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2는 도 1의 분광기(100)의 집광기(150), 렌즈(140), 및 검출기(170)를 확대한 도면이며, 도 3은 도 1의 분광기(100)의 광원(120), 필터어레이(160) 및 검출기(170)를 확대한 도면이며, 도 4는 도 1의 분광기의 필터어레이(160)의 단면 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 분광기(100)는 광원(120), 광분리기(130), 렌즈(140), 집광기(150), 필터어레이(160) 및 검출기(170)를 포함한다.
광원(120), 광분리기(130), 필터어레이(160) 및 검출기(170)는 하우징(110)의 내부에 실장되어 있을 수 있다. 하우징(110)의 전면부(113)에는 개구(114)가 마련된다. 개구(114)에는 렌즈(140)가 배치될 수 있다. 개구(114)에 대향되는 하우징(110)의 내측면에는 필터어레이(160) 및 검출기(170)가 배치된다. 필터어레이(160)와 개구(114)의 사이에는 광분리기(130)가 배치된다. 하우징(110)의 내부의 일측에는 광원(120)이 배치된다. 개구(114)의 외측에는 집광기(150)가 배치된다.
광원(120)은 분광기(100)의 용도에 따라 특정 파장 또는 협대역의 파장의 빛(L1)을 출사하는 광원일 수 있다. 예를 들어, 광원(120)은 단파장 발광 다이오드, 단파장 레이저 다이오드, 또는 이들의 어레이거나 램프일 수 있다. 광원(120)에서 출사된 빛(L1)이 단일 파장을 갖는 경우, 분광기(100)는 라만 산란광을 측정할 수 있다.
광원(120)은 출사된 빛(L1)이 빔분리기(130)를 향하도록 배치된다. 광원(120)은 적절한 출사각도를 유지하기 위해 광원 지지대(112)에 의해 지지될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 광원(120)은 필터어레이(160) 및 검출기(170)은 하나의 칩(chip)상에 일체로 제조될 수도 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
광분리기(130)는 소정 파장대역의 빛은 반사시키고 상기 소정 파장대역 이외의 빛은 투과시키는 광학소자로서, 이색거울(dichroic mirror) 또는 이색프리즘(dichroic prism)일 수 있다. 상기 소정 파장대역은 광원(120)에서 출사된 빛(L1)의 파장대역으로 이해될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 타겟(10)에서 산란된 산란 빛(L2)의 적어도 일부는 산란전의 조사된 빛(L1)의 파장에서 변형된 라만산란광인바, 광분리기(130)는 광원(120)에서 출사된 빛(L1)은 반사시키고 타겟(10)에서 산란된 산란 빛(L2)의 적어도 일부, 즉 라만산란광은 투과시킬 수 있다. 광분리기(130)는, 광원(120)에서 출사된 빛(L1)이 광분리기(130)를 거쳐 타겟(10)으로 향하고, 타겟(10)에서 산란된 산란 빛(L2)이 검출기(170)쪽으로 향하도록 배치된다. 예를 들어, 광분리기(130)가 평판형 이색거울인 경우, 광원(120)에서 출사된 빛(L1)에 대해 45도 각도록 배치하여 빛(L1)이 타겟(10)에 실질적으로 수직으로 입사되도록 할 수 있다.
집광기(150)는 타겟(10)에서 산란된 산란 빛(L2)을 집속시키는 광학소자로서, 도 2를 참조하면, 쌍곡면 시준기(hyperboloidal collimator)일 수 있다. 집광기(150), 즉 쌍곡면 시준기는 속이 비어 있으며, 그 내부면(151)의 종단면이 쌍곡선 형상을 지닌다. 즉, 내부면(151)은 3차원 공간상의 쌍곡면에 의해 규정된다. 내부면(151)은 폴리싱(polishing) 가공되거나 반사코팅된 반사면일 수 있다. 집광기(150)는 측정 구멍(152)와 출력 구멍(153)을 포함할 수 있다. 측정 구멍(152)은 쌍곡면의 횡단축(trasverse axis)과 쌍곡면이 만나는 영역에 형성된다. 횡단축은 쌍곡선의 2개 초점을 통과하는 축이다. 출력 구멍(153)은 측정 구멍(152)의 반대쪽에 형성된다. 측정 구멍(152)은 타겟(10)에 접촉하던가 인접하게 위치하는 것이 예정된다. 집광기(150)는 측정 구멍(152)에서 입사된 산란 빛(L2)을 집속시켜 출력 구멍(153)으로 출사시킨다.
렌즈(140)는 광분리기(130)의 출력 구멍(153)과 광분리기(130) 사이에 위치한다. 렌즈(140)는 광원(120)에서 출사된 빛(L1)을 집속하며, 출력 구멍(153)을 통과한 산란 빛(L2)을 소정 각도 이내로 집속시킨다. 렌즈(140)는 쌍곡선 시준기 방식의 집광기(150)와 함께 산란 빛(L2)을 평행 광속으로 정렬시킨다고 이해될 수 있다.
이와 같이 렌즈(140)와 집광기(150)의 조합에 덕분에, 후술하는 실시예의 포물경 시준기 방식의 집광기(도 5의 250)와 비교하여, 동일 크기의 출력 구멍(153, 도 5의 153)을 가정할 경우, 쌍곡면 시준기 방식의 집광기(150)의 측정 구멍(152)의 크기는 포물경 시준기 방식의 집광기(250)의 측정 구멍(252)에 비해 좀 더 클 수 있으며, 이러한 점은 측정용 빛(L1)의 조사나, 산란 빛(L2)의 포획에 유리할 수 있다. 또한, 후술하는 포물경 시준기 방식의 집광기(250)과 비교하여, 동일 크기의 출력 구멍(153, 153) 대비 집광기(150)의 길이가 짧아질 수 있다.
산란 빛(L2)이 일정 각도 이내로 모아지지 않고 퍼지게 되면, 검출기(170)에서의 분광 특성이 사라져 신호대 잡음비가 나빠지게 되는데, 본 실시예의 렌즈(140) 및 집광기(150)는 산란 빛(L2)을 평행 광속으로 정렬시켜, 검출기(170)에서의 분광 특성을 향상시킨다.
검출기(170)는 이미지 센서, 포토다이오드 어레이, 또는 포토트랜지스터 어레이일 수 있다.
필터어레이(160)는 검출기(170)의 입사면상에 2차원 배열된 필터들(161a, 161b, 161c, 161d, …)을 포함할 수 있다. 필터들(161a, 161b, 161c, 161d, …) 각각은 소정 파장대역의 빛만 통과시키는 밴드패스필터(band-pass filter)일 수 있다. 필터들(161a, 161b, 161c, 161d, …) 중 적어도 일부는 서로 다른 파장의 통과대역을 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 필터어레이(160)의 각각의 필터(161)는, 나노구조층(162)과, 나노구조층(162)의 전면 및 배면에 각각 마련되는 제1 및 제2 반사층(163, 164)을 포함할 수 있다. 나노구조층(162)은 나노 사이즈의 나노구조물(162b)이 주기적인 간격(P)으로 배열된 층일 수 있다. 예를 들어, 나노구조물(162b)은 SiO2과 같은 Si 산화물이고, 나노구조물(162b)의 둘레를 채우는 이종물질(162a)은 TiO2와 같은 Ti 산화물일 수 있다. 나노구조물(162b)의 폭(W), 주기적인 간격(P), 및 높이에 따라, 투과대역을 조절할 수 있다. 제1 및 제2 반사층(163, 164)은 굴절률이 서로 다른 이종물질층이 교번하여 적층된 분산 브레그 반사층(Distributed Bragg Reflector; DBR)일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 반사층(163, 164)은 SiO2과 같은 Si 산화물과 TiO2와 같은 Ti 산화물이 교번하여 적층되어 형성될 수 있으며, 이때 적층되는 층의 두께, 층수, 굴절률 등을 조절하여 반사특성을 조절할 수 있다. 이와 같은, 나노구조층(162), 제1 및 제2 반사층(163, 164)으로 이루어진 필터는 나노구조, 층구조를 이용하여 공진 모드를 조절함으로써 관심영역의 파장만을 선택적으로 투과하여 분광되도록 할 수 있다.
필터어레이(160)는 검출기(170)와 함께 반도체 제조공정상에서 일체로 제조될 수 있다. 또는, 필터어레이(160)와 검출기(170)가 각각 제조된 후, 필터어레이(160)가 검출기(170)의 입사면에 부착될 수도 있다. 또한, 필터어레이(160) 및 검출기(170)은 광원(120)와 함께 하나의 칩상에 일체로 제조될 수도 있다.
본 실시예의 분광기(100)는 집광기(150)가 돌출된 외관을 가질 수 있으며, 손에 의해 쥐어질 수 있는 소형 크기가 될 수 있다. 나아가, 광원(120), 필터어레이(160) 및 검출기(170)가 하나의 칩상에 일체로 제조되는 경우, 분광기(100)는 펜(pen) 타입의 초소형 외관을 가질 수도 있다.
도 1 내지 4를 참조하여 설명한 실시예의 분광기(100)는 라만산란광을 측정하는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 광원(120)은 분광기(100)의 용도에 따라 다파장 혹은 광대역의 파장의 빛(L1)을 출사하는 광원일 수 있으며, 이 경우, 광원(120)은 다파장 발광 다이오드, 다파장 레이저 다이오드, 또는 이들의 어레이이거나 램프일 수 있다. 한편, 빔분리기(130)는 하프미러(half-mirror)일 수 있다. 이 경우, 광원(120)에서 출사된 빛(L1)의 일부는 빔분리기(130)에서 반사되어 타겟(10)에 조사되고, 타겟(10)으로부터 산란 빛(L2)의 일부는 빔분리기(130)를 투과하여 필터어레이(160)쪽으로 향하게 된다. 광원(120)이 다파장 혹은 광대역의 파장의 빛(L1)을 출사하는 광원인 경우, 분광기(100)는 흡수 스펙트럼을 측정하는 용도로 사용할 수 있다.
도 1을 참조한 설명에서 렌즈(140)는 개구(114)에 위치한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 렌즈(140)는 개구(114)의 내측 혹은 외측에 배치될 수도 있음은 물론이다.
또한, 도 3을 참조한 설명에서, 필터어레이(160)는 검출기(170)의 입사면에 부착된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 필터어레이(160)는 검출기(170)의 입사면에서 이격되어 위치할 수 있음은 물론이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 분광기(200)를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 6은 본 실시예의 분광기의 집광기 및 검출기를 확대한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예의 분광기(200)는 광원(220), 광분리기(230), 집광기(250), 필터어레이(260) 및 검출기(270)를 포함한다. 광원(220), 광분리기(230), 필터어레이(260) 및 검출기(270)는 하우징(210)의 내부에 실장되어 있을 수 있다. 광원(220), 광분리기(230), 필터어레이(260) 및 검출기(270)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 분광기(100)의 광원(120), 광분리기(130), 필터어레이(160) 및 검출기(170)와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
집광기(250)는 포물경 시준기(parabolic collimator)일 수 있다. 집광기(250), 즉 포물면 시준기는 속이 비어 있으며, 그 내부면(251)의 종단면이 포물선 형상을 지닌다. 즉, 내부면(251)은 포물면에 의해 규정된다. 내부면(251)은 폴리싱 가공되거나 반사코팅된 반사면일 수 있다. 집광기(250)는 측정 구멍(252)와 출력 구멍(253)을 포함할 수 있다. 측정 구멍(252)은 포물면의 주축(principal axis)과 포물면이 만나는 영역에 형성된다. 측정 구멍(252)은 타겟(10)에 접촉하던가 인접하게 위치하는 것이 예정된다. 이때, 타겟(10)의 빛(L1)이 조사되는 영역(달리 말하면, 조사된 빛(L1)에 의해 산란이 발생되는 산란원점)은 집광기(250)의 포물면의 초점 내지 그 근방에 위치할 수 있도록, 측정 구멍(252)을 형성한다. 출력 구멍(253)은 측정 구멍(252)의 반대쪽에 형성된다. 집광기(250)는 측정 구멍(252)에서 입사된 산란 빛(L2)을 평행 광속으로 정렬시켜 출력 구멍(253)으로 출사시킨다. 광원(120)에서 출사된 빛(L1)은 출력 구멍(253)을 통해 집광기(250)에 입사되고 측정 구멍(252)를 통해 출사되어 타겟(10)에 조사된다.
본 실시예의 분광기(200)는 포물경 시준기 방식의 집광기(250)를 사용함으로써, 산란 빛(L2)의 평행 광속 정렬에 유리하나, 일정 각도로 산란 빛(l2)을 집광하는 경우에 측정구멍(252)의 크기가 쌍곡면 시준기 방식의 집광기(도 1의 150)에 비해 상대적으로 제한된다. 즉, 동일 크기의 출력 구멍(253, 도 1의 153)을 가정할 경우, 쌍곡면 시준기 방식의 집광기(150)의 측정 구멍(152)에 비해 포물경 시준기 방식의 집광기(250)의 측정 구멍(252)의 크기가 좀 더 작게 된다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 분광기(300)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예의 분광기(300)는 광원(320), 광분리기(330), 렌즈(340), 필터어레이(360) 및 검출기(370)를 포함한다. 광원(320), 광분리기(330), 필터어레이(360) 및 검출기(370)는 하우징(310)의 내부에 실장되어 있을 수 있다. 하우징(310)의 전면부(313)에는 개구(314)가 마련된다. 개구(314)에는 렌즈(340)가 배치될 수 있다. 개구(314)에 대향되는 하우징(310)의 내측면에는 필터어레이(360) 및 검출기(370)가 배치된다. 필터어레이(360)와 개구(314)의 사이에는 광분리기(330)가 배치된다. 하우징(130)의 내부의 일측에는 광원(320)이 배치된다. 렌즈(340)는 광원(320)에서 출사된 빛(L1)을 집속하며, 타겟에서 산란된 산란 빛(L2)을 소정 각도 이내로 모아 평행 광속으로 정렬시킨다. 타겟의 표면특성등에 따라 산란 빛(L2)의 평행 광속으로의 정렬(즉, 콜리메이션)이 용이하거나, 평행 광속으로의 정렬에 다소 허용 공차가 큰 경우, 본 실시예와 같이 렌즈(340)만으로 광속을 정렬시킬 수 있다. 광원(320), 광분리기(330), 필터어레이(360) 및 검출기(370)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 분광기(100)의 광원(120), 광분리기(130), 필터어레이(160) 및 검출기(170)와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 분광기(400)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예의 분광기(400)는 광원(420), 필터어레이(460) 및 검출기(470)를 포함한다. 광원(420), 필터어레이(460) 및 검출기(470)는 하우징(410)의 내부에 실장되어 있을 수 있다. 하우징(410)의 전면부(413)에는 개구(414)가 마련된다. 개구(414)에는 투명창(미도시)이 배치될 수 있다. 개구(414)에 대향되는 하우징 (410)의 내측면에는 필터어레이(460) 및 검출기(470)가 배치된다. 하우징(430)의 내부의 일측에는 광원(420)이 배치된다. 광원(420)은 개구(414)쪽으로 빛(L1)이 향할 수 있도록 적절한 출사각도를 유지하기 위해 광원 지지대(412)에 의해 지지될 수 있다. 도면에서는 광원(420)이 개구(414)쪽으로 큰 각도로 비스듬히 조사되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐이고, 광원(420)은 필터어레이(460) 및 검출기(470)에 매우 인접하게 배치되어 수직에 가깝게 타겟에 조사되도록 할 수도 있다. 타겟의 표면특성등에 따라 산란 빛(L2)의 평행 광속으로의 정렬(즉, 콜리메이션)이 좀 더 용이하거나, 평행 광속으로의 정렬에 허용 공차가 충분히 큰 경우, 본 실시예와 같이 집광기나 렌즈를 없앨 수 있다. 광원(420), 필터어레이(460) 및 검출기(470)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 분광기(100)의 광원(120), 필터어레이(160) 및 검출기(170)와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 분광기(500)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하면, 본 실시예의 분광기(500)는 가늘고 길다란 펜타입의 외관을 가진 하우징(510)을 포함한다. 도 1 내지 도 8을 참조한 분광기의 광학장치는 하우징(510) 내에 실장될 수 있다. 나아가 분광기(500)는 광학장치를 구동하는 구동회로(520)까지 하우징(510) 내에 실장된 구조를 지닐 수도 있다. 분광기(500)는 유선 케이블(540)을 통해 외부의 분광 분석장치(미도시)에 연결되어, 분광기(500)에서 검출된 정보를 외부의 분광 분석장치로 전송시키거나, 외부의 분광분석장치로부터 제어명령을 전송받을 수 있다. 분광기(500)는 전원스위치나, 그밖의 사용자가 조작가능한 제어버튼을 포함할 수 있다. 또한, 분광기(500)에는 제어상태를 표시할 수 있는 디스플레이나 혹은 표시램프를 더 포함할 수도 있다. 분광기(500)에는 자체 내장배터리가 있거나, 혹은 없을 수 있다. 내장배터리가 없는 경우, 유선 케이블(540)을 통해 전원을 공급받음은 물론이다. 분광 분석장치는 모바일 장치, 랩탑 컴퓨터, 퍼스널 컴퓨터, 서버, 의료장비, 실험장비, 등일 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 분광기(501)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하면, 본 실시예의 분광기(501)는 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 분광기의 광학장치(511)와, 광학장치(511)를 구동 제어하는 구동회로장치(521)를 포함한다. 광학장치(511)는 가늘고 길다란 펜타입의 외관을 가질 수 있다. 도 9를 참조하여 설명한 실시예의 분광기(500)와 다르게, 본 실시예의 구동회로장치(521)는 광학장치(511)와 별도로 마련되어, 배선 케이블(530)을 통해 연결된다. 한편, 구동회로장치(521)는 유선 케이블(540)을 통해 외부의 분광 분석장치(미도시)에 연결되어, 광학장치(511)에서 검출된 정보를 외부의 분광 분석장치로 전송시키거나, 외부의 분광분석장치로부터 제어명령을 전송받을 수 있다. 광학장치(511) 및/또는 구동회로장치(521)에는 전원스위치나, 그밖의 사용자가 조작가능한 제어버튼이 마련될 수 있다. 또한, 광학장치(511) 및/또는 구동회로장치(521)에는 제어상태를 표시할 수 있는 디스플레이나 혹은 표시램프를 더 포함할 수도 있다. 구동회로장치(521)에는 자체 내장배터리가 있거나, 혹은 없을 수 있다. 내장배터리가 없는 경우, 유선 케이블(540)을 통해 전원을 공급받음은 물론이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 분광기(600)를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 12는 도 11의 분광기(600)를 전면에서 본 도면이며, 도 13은 도 11의 분광기(600)의 동작을 설명하는 도면이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 실시예의 분광기(600)는 광원(620), 빔블록(650), 필터어레이(660) 및 검출기어레이(670)를 포함한다.
빔블록(650), 필터어레이(660) 및 검출기어레이(670)는 지지부재(610)에 의해 지지된다. 지지부재(610)는 평판형 구조를 지닐 수 있다.
지지부재(610)의 배면(611)쪽에는 광원(620)이 배치된다. 광원(620)은 지지부재(610)의 배면(611)에 부착되거나 혹은 이격되어 있을 수 있다. 광원(620)은 지지부재(610)의 배면(611)으로 빛(L1)을 조사한다. 광원(620)은 그 자체적으로 혹은 도광판(미도시)과의 조합에 의해 지지부재(610)의 배면(611)에 대응되는 면광원일 수 있다. 광원(620)은 특정 파장, 협대역의 파장, 혹은 광대역의 파장의 빛(L1)을 출사하는 광원일 수 있다.
지지부재(610)의 전면쪽에는 필터어레이(660) 및 검출기어레이(670)가 배치된다. 검출기어레이(670)는 2차원 배열된 복수의 검출기셀들을 포함한다. 검출기셀들 각각은 이미지 센서, 포토다이오드 어레이, 또는 포토트랜지스터 어레이일 수 있다. 필터어레이(160)는 2차원 배열된 복수의 필터들을 포함한다. 필터어레이(660)의 필터들은 검출기어레이(670)의 검출기셀의 입사면에 배치된다. 필터어레이(660)의 필터들은 원형의 입사면을 가질 수 있다. 검출기어레이(670)의 검출기셀 역시 필터들은 원형의 입사면을 가질 수 있다. 필터어레이(660)의 필터들 및 검출기어레이(670)의 검출기셀들은 각각 그 중심에 관통구멍이 마련된다. 필터어레이(660)의 필터들 및 검출기 어레이(670)의 검출기셀들은 지지부재(610)상에 2차원으로 배열된다.
지지부재(610)에는 2차원으로 배열된 관통구멍들(614)이 형성된다. 관통구멍들(614)은 필터어레이(660)의 필터들 및 검출기어레이(670)의 검출기셀들에 형성된 관통구멍에 대응되도록 형성된다. 지지부재(610)의 배면(611)쪽에서 볼 때, 관통구멍들(614)의 근방에는 비스듬한 반사면(612)이 추가적으로 형성되어 입사된 빛(L1)이 관통구멍들(614)쪽으로 향하도록 할 수도 있다. 지지부재(610)의 배면(611)쪽을 통해 입사된 빛(L1)은 지지부재(610)의 관통구멍들(614), 검출기어레이(670)의 검출기셀들에 형성된 관통구멍들, 및 필터어레이(660)의 필터들에 형성된 관통구멍들을 통해 출사된다.
빔블록(650)은 지지부재(710)의 전면에 마련된다. 빔블록(650)은 블록단부(651)와, 블록단부(651)를 지지하는 지지대(653)를 포함한다. 블록단부(651)는 타겟(10)에 접촉하게 인접하게 위치할 것이 예정되는 부재로서, 소정 면적으로 개구들(652)을 규정한다. 개구(652)는 원형을 가질 수 있다. 개구들(652)은 필터어레이(660)의 필터들과 일대일 대응관계를 갖는다. 개구들(652) 각각의 면적은 필터어레이(660)의 필터들 각각의 면적에 비해 작을 수 있다. 개구(652)를 통해 광원(62)에서 출사된 빛(L1)이 타겟(10)에 조사되고, 타겟(10)에서 산란된 빛(L2)이 빔블록(650) 내부로 입사된다. 지지대(653)는 개구(652)를 통해 입사된 산란빛(L2)이 이웃한 (660)의 필터들 쪽으로 향하지 않도록 격벽 구조를 지닐 수 있다. 달리 말하면, 필터어레이(660)의 필터들과 개구들(652) 사이에는 지지대(653)의 격벽 구조에 의한 광통로들이 마련될 수 있다. 지지대(653)의 횡단면은 예를 들어 원형 또는 다각형 구멍의 어레이 형상을 지닐 수 있으며, 이때 원형 또는 다각형 구멍은 광통로에 해당된다.
도 13을 참조하면, 블록단부(651)는 개구(652)의 크기를 제한함으로써 전방향으로 산란되는 산란빛(L2)을 특정 각도(θc)에 한정할 수 있다. 빔블록(650)과 타겟(10) 사이의 간격(a), 빔블록(650)의 길이(b), 블록단부(651)의 폭(bh), 검출기(670)의 폭(w)에 대해, 산란 빛(L2)의 제한 각도(θc)는 다음과 같은 수학식 1로 구해질 수 있다.
Figure 112017096423893-pat00001
상기 수학식 1에서 알 수 있듯이, 빔블록(650)의 개구(652)의 크기를 제한함으로써, 검출기(670)에 입사되는 산란 빛(L2)은 제한 각도(θc) 이내의 빛들만으로 한정할 수 있다. 검출기(670)에서의 분광특성은, 산란 빛(L2)이 검출기(670)에 입사되는 각도에 크게 의존한다. 가령, 5도 범위내에서는 산란 빛(L2)이 수직 입사와 비슷한 분광특성을 가지나, 산란 빛(L2)이 20도 각도로 입사하는 경우, 측정 파장대가 달라져, 분광성능을 열화시킨다. 본 실시예의 분광기(600)는 빔블록(650)을 이용하여, 산란 빛(L2)이 검출기(670)에 입사되는 각도를 제한함으로써, 분광기(600)의 분광특성 열화를 방지할 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조한 실시예에서, 광원(620)은 지지부재(610)의 외부에 배치되어 있는 경우를 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로서, 광원(620)은 지지부재(610)의 내부에 위치할 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조한 실시예에서, 광원(620)은 지지부재(610)의 배면(611)에 조사되는 면광원인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 광원(620)은 복수의 점광원이고, 각각의 점광원은 검출기(670)의 구멍쪽에 위치할 수도 있음은 물론이다.
또한, 도 11 및 도 12를 참조한 실시예에서, 필터어레이(660)는 검출기(670)의 입사면에 부착된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 필터어레이(660)는 검출기(670)의 입사면에서 이격되어 위치할 수 있음은 물론이다.
도 11 및 도 12를 참조한 실시예에서, 빔블록(650)의 개구(652), 필터어레이(660)의 필터들의 입사면 및 검출기어레이(670)의 검출기셀의 입사면이 원형인 경우를 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로서, 빔블록(650)의 개구(652)만 원형이고, 필터어레이(660)의 필터들 및 검출기어레이(670)의 검출기셀은 정사각형, 삼각형, 육각형, 타원형 등의 입사면을 가질 수도 있다. 또는, 빔블록(650)의 개구(652) 역시 정사각형, 삼각형, 육각형, 타원형 등의 입사면을 가질 수도 있다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 분광기(700)를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 15는 도 14의 분광기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 본 실시예의 분광기(700)는 본 실시예의 분광기(700)는 광원(720), 렌즈(740), 빔블록(750), 필터어레이(760) 및 검출기어레이(770)를 포함한다.
렌즈(740), 빔블록(650), 필터어레이(660) 및 검출기어레이(670)는 지지부재(610)에 의해 지지된다. 광원(720), 빔블록(750), 필터어레이(760) 및 검출기어레이(770)는 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한 분광기(600)의 광원(620), 빔블록(650), 필터어레이(660) 및 검출기어레이(670)와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
빔블록(750)은 블록단부(751)와, 블록단부(751)를 지지하는 지지대(753)를 포함한다. 지지대(753)는 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한 것과 같이 광통로를 규정하는 격벽 구조를 지닐 수 있다. 이러한 지지대(753)에 의해 규정되는 광통로 상에는 렌즈(740)가 배치될 수 있다. 렌즈(740)는 광원(720)에서 출사된 빛(L1)을 집속하며, 타겟(10)에서 산란된 산란 빛(L2)을 평행 광속으로 정렬시킨다.
본 실시예의 분광기(700)와 같이 렌즈(740)를 채용하는 경우, 산란 빛(L2)이 검출기(670)에 입사되는 각도를 좀 더 제한시킬 수 있으므로, 분광기(600)의 분광특성을 좀 더 향상시킬 수 있다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 분광기(800)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 16을 참조하면, 본 실시예의 분광기(800)는 광학장치(810)와, 광학장치(810)를 구동하는 구동회로(820)를 포함할 수 있다. 광학장치(810)는 도 11 내지 도 15를 참조하여 설명한 실시예들의 분광기일 수 있다. 광학장치(810)와 구동회로(820)는 하나의 하우징(미도시) 내에 실장된 구조를 지닐 수도 있다. 전술한 바와 같이 도 11 내지 도 15를 참조하여 설명한 실시예들의 분광기는 평판 구조를 가질 수 있는바, 구동회로(820)는 광학장치(810)의 배면쪽에 배치하여, 컴팩트한 평판형의 외관을 가질 수 있다. 나아가, 본 실시예의 분광기(800)는 온칩 형태로 통합될 수 있다.
분광기(800)는 유선 혹은 무선 방식으로 외부의 분광 분석장치(미도시)에 연결되어, 분광기(800)에서 검출된 정보를 외부의 분광 분석장치로 전송시키거나, 외부의 분광분석장치로부터 제어명령을 전송받을 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 분광기 시스템(900)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 실시예의 분광기 시스템(900)은 분광기(910)를 포함하는 포터블 기기 혹은 모바일 기기일 수 있다. 분광기(810)는 도 11 내지 도 16을 참조하여 설명한 실시예들의 분광기일 수 있다. 전술한 바와 같이 분광기(910)는 얇은 평판 형상의 외관을 가질 수 있는바, 포터블 기기나 모바일 기기등의 소형 전자장치에 돌출되지 않거나 혹은 약간 돌출된 형태로 실장될 수 있다.
도 18은 또 다른 실시예에 따른 분광기 시스템(1000)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 18을 참조하면, 본 실시예의 분광기 시스템(1000)는 분광기(1010)와, 데이터 리시버(1020)을 포함한다. 도 18에는 도 16을 참조하여 설명한 실시예의 분광기가 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 분광기(1010)는 도 9 또는 도 10을 참조하여 설명한 실시예들의 분광기일 수 있다. 분광기(1010)는 구동회로와, 무선 통신모듈을 포함할 수 있다. 본 실시예의 분광기(1010)는 온칩 형태로 통합되어, 하나의 독립된 기기로 작동되거나, 외부로 무선으로 데이터를 전송하는 기기일 수 있다. 가령, 분광기(1010)는 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 기술이 접목될 수 있을 것이다. 데이터 리시버(1020)는 무선 방식으로 분광기(1010)에서 검출된 데이터를 수집한다. 데이터 리시버(1020)는 단순 데이터 수집 장치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 데이터 리시버(1020)는 분광 분석장치이거나, 클라우드 서버이거나, 모바일 폰, 랩탑 컴퓨터, 퍼스널 컴퓨터, 서버, 의료장비, 실험장비, 등일 수 있다.
전술한 본 발명인 분광기는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 501, 600, 700, 800, 910, 1010: 분광기
900, 1000: 분광기 시스템
110, 210: 하우징
112, 212: 광원 지지대
114, 214, 314, 414: 개구
120, 220, 320, 420, 620: 광원
130, 230, 330: 빔분리기
140, 340: 렌즈
150, 250, 510: 집광기
160, 260, 360, 460, 660, 760: 필터 어레이
170, 270, 370, 470, 670, 770: 검출기
520, 820: 구동회로
610, 710: 지지부재
650, 750: 빔블록
1020: 데이터 리시버

Claims (20)

  1. 광원;
    상기 광원에서 출력된 빛에 의해 타겟에서 산란된 산란 빛이 입사되는 측정 구멍과, 측정구멍에 입사된 산란 빛을 평행 광속으로 집광시키는 내부면과, 집광된 산란 빛을 출력시키는 출력 구멍을 포함하는 집광기;
    상기 집광기에서 출력된 산란 빛을 검출하는 검출기; 및
    상기 검출기의 검출면쪽에 배열되어 상기 집광기에서 출력된 산란 빛의 소정 파장대역을 투과시키는 필터들을 포함하는 필터 어레이;를 포함하는 분광기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 집광기의 내부면은 쌍곡면 반사면인 분광기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 집광기의 출력 구멍에 배치되는 렌즈를 더 포함하는 분광기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 집광기의 내부면은 포물면 반사면인 분광기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 광원에서 출사된 빛을 상기 집광기의 상기 출력 구멍쪽으로 향하도록 하고 상기 집광기의 상기 출력 구멍에서 출력된 산란 빛을 상기 검출기쪽으로 향하게 하는 광분리기를 더 포함하는 분광기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 광분리기는 이색미러 또는 이색프리즘인 분광기.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광원은 협대역의 파장 또는 광대역의 파장의 광원인 분광기.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 필터 어레이는 나노구조물이 주기적으로 배열된 나노구조층과, 상기 나노구조층의 전면 및 배면에 각각 마련되는 제1 및 제2 반사층를 포함하는 분광기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 검출기는 이미지 센서, 포토다이오드 어레이, 또는 포토트랜지스터 어레이인 분광기.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 광원, 상기 검출기, 및 상기 필터 어레이를 실장하는 하우징을 더 포함하며, 상기 집광기는 상기 하우징에서 돌출되어 펜 타입의 외관을 갖는 분광기,
  11. 광원;
    상기 광원에서 출력된 빛에 의해 타겟에서 전방향으로 산란되는 산란 빛의 각도를 제한하는 빔블록;
    상기 빔블록에서 제한된 산란 빛을 검출하는 검출기셀들을 포함하는 검출기어레이; 및
    상기 검출기 어레이의 검출면쪽에 배열되어 상기 빔블록에서 제한된 산란 빛의 소정 파장대역을 투과시키는 필터들을 포함하는 필터 어레이;를 포함하는 분광기.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 검출기어레이의 배면에 위치하며,
    상기 검출기셀들 및 필터들은 각각 관통구멍이 마련되어, 상기 광원에서 출사된 빛이 통과하는 분광기.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 빔블록은 개구를 규정하는 블록단부와, 상기 블록단부를 지지하는 지지대를 포함하는 분광기.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 블록단부에 의해 규정되는 개구는 상기 필터의 면적보다 작은 분광기.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 지지대는 산란 빛이 이웃하는 검출기셀에 입사하지 않도록 격벽 구조를 갖는 분광기.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 광원, 상기 빔블록, 상기 검출기어레이, 및 상기 필터어레이는 평판형으로 결합된 분광기.
  17. 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동회로를 더 포함하는 분광기.
  18. 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부와의 무선 혹은 유선의 통신 모듈을 더 포함하는 분광기.
  19. 제18 항의 분광기; 및
    상기 분광기로부터 수신되는 데이터를 수집하는 데이터 리시버를 포함하는 분광기 시스템.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 데이터 리시버는 분광 분석장치이거나, 클라우드 서버이거나, 모바일 폰, 랩탑 컴퓨터, 퍼스널 컴퓨터, 서버, 의료장비, 실험장비인 분광기 시스템.
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