KR20100063112A - 운동하는 표본물질을 측정하는 분광기와 방법 - Google Patents

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요우코 말리넨
카리 카타야
시니 키비
하누 바사마
레이조 쿠셀라
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발티온 테크닐리넨 투트키무스케스쿠스
허니웰 오와이
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Abstract

본 발명은 산업, 농업, 산지, 상업 그리고 다른 유사한 응용을 위한 원격 측정에 적합한 광학 또는 적외선(IR) 분광기에 관한 것이다. 광학 분광기는 다양한 분석적 측정에 매우 유용하다. 원격 조작은 실시간 정보를 얻기 위해 필요한데, 이는 예를 들어 공정 자동화 및 품질 관리가 필요한 경우 유용하다. 더욱 상세하게 본 발명은 원거리에서 운동하는 표본물질(3)을 측정하는 데에 최적화된 광학적 설계에 기초하며, 광균일화를 위한 도광체(6), 복수의 측정 파장을 정의하는 선형가변필터(11) 및 서로 다른 파장에 대응하는 광학 신호를 검출하는 선형검출기배열(12)을 포함한다. 상기 분광기가 다양한 환경조건에서 동작하는 동안 상기 선형가변필터(11)와 상기 선형검출기배열(12)을 냉각하고 작동온도를 안정시키는 온도조절부(13)가 있다. 검출기에서의 복사조도를 최대화하도록 설계된 광학신호체계에 의해 본 발명에 따른 분광기는 높은 신호대잡음비 및 빠른 속도를 제공할 수 있다.

Description

운동하는 표본물질을 측정하는 분광기와 방법{SPECTROMETER FOR MEASURING MOVING SAMPLE MATERIAL AND THE METHOD}
본 발명은 산업, 농업, 산지, 상업 그리고 다른 유사한 응용을 위한 원격 측정에 적합한 광학 또는 적외선(IR) 분광기에 관한 것이다. 광학 분광기는 다양한 분석적 측정에 매우 유용하다. 원격 조작은 실시간 정보를 얻기 위해 필요한데, 이는 예를 들어 공정 자동화 및 품질 관리가 필요한 경우 유용하다.
더욱 상세하게 본 발명은 원거리에서 운동하는 표본물질을 측정하는 데에 최적화된 광학적 설계에 기초하며, 신호 균일화를 위한 도광체, 복수의 측정 파장을 정의하는 선형가변필터 및 서로 다른 파장에 대응하는 광학 신호를 검출하는 선형검출기배열을 포함한다.
최근 발전에 따라 소형분광기가 이용가능하게 되었는데, 이는 회절격자와 함께 빛을 분광기로 공급하고 선형검출기배열에 신호를 전달하는 광섬유 입력결선을 기초로 한다. 이러한 분광기 모듈의 한 예가 U.S. Pat. No. 5,159,404호에 제시되어 있다. 이러한 분광기는 파장의 병렬탐지로 인해 실시간 분석적 측정에 널리 쓰이게 되었다. 그러나 이 방식은 고성능 선형검출기배열이 이용가능하거나(Si-검출기 λ＜1100㎚, InGaAs-검출기 λ＜1600㎚)이나 고품질광섬유가 이용가능한(quartz λ＜2300㎚) 경우에 적합한 짧은 파장에 한한다. 반면에 근적외선(NIR, 2500㎚까지)이나 적외선 파장(＞2500㎚) 등 장파장 범위에도 많은 양의 분석적 정보가 존재하고, 이는 고효율, 비용효과적인 수단이 이용가능하게 되는 경우인 실시간 공정 제어와 품질 모니터링에 활용할 수 있다. 광섬유를 이용한 방식의 분광기는 적외선 영역에서도 제시되었으나, 사용가능한 적외선 광섬유는 가격이 비싸고 기계적으로 파손되기 쉽다.
선형가변필터(LVF : Linear Variable Filter)는 분광광학을 구현하는 또 다른 방법으로, 선형검출기배열에 기초한 분광기로 파장을 나누어주는 기능을 한다. U.S. Pat. No. 5,166,755호에는 이미지를 전송하는 광학장치, 또는 렌즈시스템, 셔터, 감광소자로 된 광전자배열 및 배열을 덮는 관계에 있도록 위치하는 연속선형가변필터를 포함하는 분광장치가 개시되어 있다. 감광소자배열의 선형 또는 면형 배열이 선택적 사항으로 제시된다. 후자를 택할 경우 배열의 두 차원은 파장축과 공간축으로 불리고, 해당 발명은 우주응용을 위한 영상 분광복사계로 사용될 수 있다. 또 다른 응용방법으로는 구분된 광원으로부터 조사되도록 함으로써 분광반사계로 사용할 수도 있다. 그러나 이러한 시스템은 모니터링을 요하는 빠르게 움직이고 균일화되지 않은 물질의 원격 측정에는 적합하지 않다. 이 경우 파장축의 다양한 픽셀들이 운동하는 표본물질의 서로 다른 점들에 결상될 수 있다. 이러한 현상은 사용자에게 측정된 스펙트럼의 현저히 증가된 잡음으로 관측된다. 더구나 해당 발명에서도 역시 냉각된 저잡음 감광소자배열이 사용하는 등의 적외선 파장에서와 같이 고속 원격 응용에 중요한 해결책은 제시하고 있지 않다.
WO 01/31304 는 농산물의 퍼센트 농도는 물론 벽과 같은 표본의 색채계 분석 과 같이 대면적 표본의 스펙트럼을 측정하는 방법에 관한 분광분석에 사용되는 광학탐침에 대해 개시하고 있다. 해당 장치는 넓은 광조사범위를 갖고 표본을 조사하도록 제1챔버에 배열된 다색광원과, 전달된 빛을 서로 다른 파장으로 나누도록 제2챔버에 배치된 파장분리기 및 넓은 조리개를 갖고 역시 제2챔버에 배치되어 파장분리기로부터 빛을 받아 선택된 복수개의 파장에서의 세기를 측정하는 검출기를 포함한다. 파장분리기로는 선형가변필터가, 검출장치로는 선형검출기배열이 제시되어 있다. 바람직한 실시예에는 표본측정시 램프부터 나온 미광(stray light)이 검출장치 내부로부터 검출기에 도달하지 않도록 하는 구조로서 광조사챔버와 검출챔버 모두에 구분된 창을 구현하였다. 뿐만 아니라, 표본의 이미지가 아닌 스펙트럼 정보만을 얻기 위해 표본으로부터의 복사광경로상의 검출챔버에는 확산기가 설치된다. 해당 발명은 높은 공간분해능, 빠른 측정속도와 동시에 높은 신호대잡음비를 요하는 원격 측정에는 적합하지 않다. 표본의 넓은영역을 조사함으로써 표본상에서의 반짝임을 줄여 결국 신호대잡음비를 감소시킨다. 또한 검출챔버에서도 광학적 손실이 발생하는데, 표본물질로부터 반사된 빛 중 일부만이 파장분리기와 검출장치로 들어가기 때문이다. 확산기의 사용으로 검출신호의 손실을 발생할 수 있고, 이러한 모든 특징은 특히 공정자동화를 위한 원격 측정으로 빠른 속도가 요구되는 경우에 신호대잡음비를 제약한다.
U.S. Pat. No. 6,505,755호에는 생산물 체크아웃장치에 연결되어 바코드가 붙지 않은 생산물을 판별할 수 있는 개량된 LVF 분광기를 갖는 생산데이터수집기가 개시되어 있다. 해당 발명에 의한 전형적인 분광기는 입사광을 서로 다른 파장을 갖는 영역으로 나누는 선형가변필터와, 선형가변필터에 인접하도록 설치되고 광 영역을 추출하여 정보를 포함한 전기신호를 생성하는 광감지기와, 선형가변필터의 내면에 의한 산란을 최소화시키기에 충분한 너비를 갖는 광슬릿부, 광슬릿부의 위에서 작동 파장영역 밖의 빛을 제거하는 필터로 구성된다. 해당 발명에는 몇 가지 문제점이 있는데, 원거리에서 운동하는 얇은 막이나 끈형 표본에 대해 원격으로 분광하는 경우 측정된 복사선을 효과적으로 균일화시키는 수단이 없어 표본움직임과 거리변화가 측정된 스펙트럼의 가공물(artifact)를 야기시킬 수 있다. 또한, 선형가변필터와 선형검출기 배열의 열적 여기 변화에 대해 파장축과 측정신호레벨을 안정화하는 수단이 없다. 그리고 신호레벨과 신호대잡음비가 감소하는데, 표본상에 나타나는 조사 복사선이 선형가변필터와 선형검출기배열에 직접적으로 결상되지 못함에 따라 광학적 손실이 발생하기 때문이다.
EP 1,498,708 A1호에는 과일, 야채, 식물의 잎, 어류, 육류 등을 조사하기 위해 물체의 내부품질(영양소를 포함하는) 비파괴검사에 사용되는 소형 센서유닛결합체가 개시되어 있다. 센서유닛은 광섬유다발을 통해 광원으로부터 방사되고 검사대상 물체에서 확산-투과된 빛을 받아 스펙트럼으로 나누어 물체의 내부품질을 조사하는 배열 형식의 센서에 의해 스펙트럼을 검사하는데, 여기서 광섬유다발을 거친 이후 광확산기, 연속가변간섭필터, 광전자변환소자가 마련된다. 뿐만 아니라, 광섬유다발의 섬유는 서로 꼬아져 전달받은 빛의 불규칙성을 고르게 한다. 바람직한 실시예에서는 광섬유다발의 광조사부 끝단으로부터 나온 빛을 확산-반사하여 맞은편의 연속가변간섭필터로 조사되도록 하는 광학유리로 구성된 광확산기가 구비된다. 그러나 해당 발명은 원격 이용, 즉 원거리 측정에 적합하지 않은데, 광섬유다발로 전달받은 빛은 측정거리가 멀어짐에 따라 빠르게 쇠하기 때문이다. 원격 이용은 분석결과가 표본의 경로를 통과하는 거리변화에 영향받지 않을 것을 요한다. 뿐만 아니라, 광섬유를 기초로 한 설계로 인하여 센서는 석영 광섬유를 투과하는 단파장 영역에 적합하나 적외선 광섬유를 요하는 장파장 영역(＞2300㎚)에는 적합하지 않다.
U.S. Pat. No. 6,420,708 B2에는 감쇠전반사(ATR : Attenuated Total Reflection) 기술을 이용하는 측정에 사용될 검출기 배열을 사용하는 분광분석기가 개시되어 있다. 본 발명의 전형적인 실시예에서 ART 결정이 표본 장착대의 역할을 하고, 선형가변필터가 스펙트럼 생성장치의 역할을 한다. ART 기술은 적외선 파장 영역에서도 측정이 가능하게 하지만 ART 결정에 접촉될 수 있는 표본, 즉 액체의 경우에만 측정이 가능하도록 한정된다. 따라서 해당 발명은 얇은 막이나 끈형 표본으로부터 원거리에서 원격 측정을 하는 데에는 적합하지 않다.
WO 2004/013621에는 고체, 액체, 기체 매질의 IR 분광 분석 장치가 개시되어 있다. 해당 발명에 따르면 프로세스 탐측기는 적어도 하나의 광원과, 표본과 연결된 적어도 하나의 광파 가이드와, 선형가변필터와, 적어도 하나의 검출기 및 제어/분석 장비를 포함한다. 측정 동작 중에 빛은 선형가변필터 소정 영역으로 입사하고 그 후 검출기가 선형가변필터와 다른 위치로 이동되며, 제어/분석 장비가 검출소자에 의해 측정된 값에 의해 매질의 스펙트럼을 결정한다. 작동원리에 따르면 해당 발명에 따른 분광기는 스캐닝 동작을 통해 일정 시간 동안 스펙트럼을 기록한다. 따라서 이는 빠르게 운동하는 비균일화된 물질의 측정에는 적합하지 않은데, 서로 다른 파장이 표본물질의 서로 다른 위치에 기록되어 측정된 스펙트럼에는 운동물체노이즈(moving-sample noise)가 형성되기 때문이다.
상기 요약된 종래기술들은 자동화공정에 이용되는 전형적 원격 측정에는 적합하지 않다. 본 발명에 따른 분광기는 운동하는 표본 막이나 표본 수송으로부터 원거리에서 사용할 수 있고 표본의 운동과 거리 변화로 인한 가공물 생성을 막을 수 있고, 양호한 공간분해능, 즉 좁은 측정영역을 가지며, 빠른 측정속도로 높은 신호대잡음비를 유지하고, 저잡음검출이 가능하도록 열전기적으로 냉각된 검출기를 사용할 수 있으며, 광섬유를 이용한 분광기의 파장제한이 없고, 작동 온도 변화로 인한 신호와 파장의 변화를 막을 수 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 운동하는 표본물질의 원격 스펙트럼 측정에 적합한 방법 및 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 방법은 광대역 광원을 이용하여 원거리에서 운동하는 표본물질의 좁은영역을 조사하는 단계, 표본물질로부터 투과, 산란, 반사된 복사선 일부를 집광하는 단계, 도광체의 입력단으로 복사선을 받는 단계, 도광체 내부에서 복수회의 반사에 의해 복사선을 균일화하는 단계, 복사선을 도광체의 출력단으로부터 센서모듈을 향해 투과시키는 단계, 선형가변필터를 이용하여 복사선을 서로 다른 파장으로 나누는 단계, 선형검출기배열을 이용하여 광복사선을 측정가능한 전기신호로 변환하는 단계, 픽셀의 전기신호를 분광정보로 처리하고 스펙트럼값과 파장을 포함하는 분광정보를 유지하는 단계, 분광기가 다양한 환경조건에서 동작하는 동안 선형검출기배열과 선형가변필터를 냉각하고 작동온도를 안정화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치는 원거리에서 운동하는 표본물질의 좁은영역을 조사하는 광대역 광원과, 입력단과 출력단을 구비하고 표본물질로부터 역반사, 산란, 또는 투과된 복사선을 입력단으로 받아 내부에서 복수회의 반사 후 공간적으로 균일화하여 출력단으로 내보내는 도광체와, 출력단으로부터 공간적으로 균일화된 복사선을 받아 광대역 빛을 파장성분에 따라 나누는 선형가변필터와, 배열의 각 픽셀이 서로 다른 파장성분을 받아 광복사선을 측정가능한 전기신호로 변환하는 선형검출기배열과, 픽셀의 전기신호를 분광정보로 처리하는 연산처리부와, 선형가변필터, 선형검출기배열 및 분광기가 다양한 환경조건에서 동작하는 동안 선형가변필터와 선형검출기배열을 냉각하고 작동온도를 안정시키는 온도조절부를 구비한 센서모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에서 선형가변필터는 선형검출기배열에 가깝게 연결되어 지지되고, 필터와 검출기배열은 모두 센서 패키지 내부에서 냉각되고 온도가 조절된다. 선형검출기배열은 냉각장치와 함께 신호대잡음 성능을 최적화하는데 널리 사용되고, 선형가변필터는 온도조절체에 결합될 수 있다. 예를 들어, 광전도 HdCdTe(또는 MCT : Mercury Cadmium Telluride) 배열이 선형검출기배열로 사용되고, 최적의 성능을 위해 작동온도로 냉각될 수 있다. 본 발명에 따른 분광기에서 사용된 냉각장치는 전형적으로 검출기배열에 부착된 온도센서의 피드백에 의해 제어된다. 이러한 피드백은 온도조절기에 의해 이루어지는데 온도안정화장치의 냉각(또는 가열) 기능을 조절하기 위함이다. 냉각 및 안정화 특성이 갖는 장점에 대하여 보다 자세히 후술하기로 한다.
본 발명의 성능을 향상시키기 위한 또 다른 사항으로는 다음과 같은 것이 있다. 도광체는 직사각형의 단면을 갖는데, 이는 공간 필터링 및 균일화 효과를 극대화하고, 직사각형 출력단과 역시 직사각형 면적을 갖는 선형검출기배열을 연결하는 과정에서 일어나는 손실을 최소화하기 위함이다. 더욱이 도광체의 단면의 적어도 하나의 차원이 출력단으로 갈수록 감소하도록 설계하는데, 이는 복사선을 집광시키고 확산각을 증가시킴으로써 선형검출기배열에서의 신호레벨을 증가시키기 위함이다.
본 발명의 더욱 바람직한 실시예에서는 표본물질과 도광체 사이에 원거리에 위치한 표본물질로부터 역반사, 산란, 또는 투과된 복사선을 집광하여 도광체의 입력단에 결상하는 제1광학장치를 포함할 수 있다. 비슷한 방법으로 도광체와 센서모듈 사이에 출력단에 나타나는 복사선을 센서모듈에 확대 및 결상하는 제2광학장치를 포함할 수 있다. 제2광학장치는 복사선을 냉각 또는 온도 안정화된 검출기 배열에 연결하는 데 아주 유용한데, 이때, 배열의 전면에 단열을 위한 공기나 진공 간극을 요하며, 그렇지 않으면 커다란 광학적 손실을 초래한다. 본 발명에 따른 분광기는 이러한 광학장치들을 포함함으로써 선형검출기배열에서 신호를 최대화할 수 있으며 자세한 내용은 후술한다.
또 다른 실시예에서는 센서 패키지 내부에 판독회로가 결합 될 수 있다. 판독회로는 각 픽셀을 대상으로 하는 구분된 전치 증폭기뿐 아니라 하나 이상의 픽셀 증폭기의 신호를 결합하여 하나의 출력선으로 보내는 멀티플렉서를 포함할 수 있고, 이 경우 센서 패키지로부터 발생 된 전기적 저점의 수를 효과적으로 감소시킨다. 이는 다수의 픽셀을 가진 센서 모듈을 생성하는 데에 도움이 된다. 뿐만 아니라, 결합 된 판독회로는 증폭기 입력부에서의 잡음발생 역시 줄여준다.
또 다른 실시예에서는 광원은 적어도 하나의 주파수 성분으로 구성되는 시변조 복사선을 형성하는 초퍼 휠(chopper wheel)과 같은 변조기를 포함하고, 상기 분광기는 상기 선형검출기배열의 각 픽셀에 존재하는 신호 진폭을 복구하는 신호 잠금 검출(lock-in detection), 즉, 위상감별검출(phase sensitive detection) 수단을 포함한다. 신호 잠금 검출이 형광조명을 포함하는 다양한 잡음원으로부터의 간섭을 피하는 데에 효과적이라는 사실은 잘 알려져 있고, 이는 주어진 노출시간 동안 최적에 가까운 신호대잡음 성능을 유지하도록 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 운동하는 표본물질을 측정하는 분광기는 원거리에서 운동하는 표본물질의 좁은영역을 조사하는 광대역 광원과, 입력단과 출력단을 구비하고, 상기 표본물질로부터 역반사, 산란, 또는 투과된 복사선을 상기 입력단으로 받아 내부에서 복수회의 반사 후 공간적으로 균일화하여 상기 출력단으로 내보내는 도광체와, 상기 출력단으로부터 공간적으로 균일화된 복사선을 받아 광대역 빛을 파장성분으로 나누는 선형가변필터와, 서로 다른 파장성분을 받는 픽셀을 구비하고, 광복사선을 측정가능한 전기신호로 변환하는 선형검출기배열과, 상기 픽셀의 전기신호를 분광정보로 처리하는 연산처리부와, 상기 분광기가 다양한 환경조건에서 동작하는 동안 상기 선형가변필터와 상기 선형검출기배열을 냉각하고 작동온도를 안정시키는 온도조절부, 상기 선형가변필터 및 상기 선형검출기배열을 구비한 센서모듈을 포함한다.
또한, 상기 표본물질과 상기 도광체 사이에 원거리에 위치한 상기 표본물질로부터 역반사, 산란, 또는 투과된 복사선을 집광하여 상기 도광체의 입력단에 결상하는 제1광학장치를 포함할 수 있고, 여기서, 상기 제1광학장치는 하나의 반사형 소자 또는 반사형 소자 복합체로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 도광체와 상기 센서모듈 사이에 상기 출력단에 나타나는 복사선을 상기 센서모듈에 확대 및 결상하는 제2광학장치를 포함할 수 있고, 여기서 상기 제2광학장치는 하나의 반사형 소자 또는 반사형 소자 복합체로 이루어질 수 있으며, 상기 제2광학장치의 배율은 상기 선형검출기배열 전체가 조사되고 상기 선형가변필터의 단부는 조사되지 않도록 선택될 수 있다.
또한, 상기 도광체의 내부단면이 직사각형일 수 있고, 상기 출력단의 모양은 상기 선형검출기배열의 감광영역의 모양과 동일할 수 있으며, 상기 도광체는 내면이 고반사소재로 덮힌 적어도 두 개 이상의 구분된 영역으로 이루어진 중공 구조를 가질 수 있고, 상기 도광체의 단면의 적어도 하나의 차원은 복사선을 집광하기 위하여 상기 출력단으로 갈수록 줄어들 수 있다.
또한, 상기 센서모듈에는 상기 선형검출기배열의 각 픽셀을 대상으로 하는 구분된 증폭기와, 복수개의 픽셀을 하나의 출력선에 연결시키는 멀티플렉서가 마련된 판독회로가 구비될 수 있다.
또한, 상기 광원은 적어도 하나의 주파수 성분으로 구성되는 시변조 복사선을 형성하는 변조기를 포함하고, 상기 분광기는 상기 선형검출기배열의 각 픽셀에 존재하는 신호 진폭을 복구하는 신호 잠금 검출 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 운동하는 표본물질을 측정하는 방법은 광대역 광원으로부터 원거리에서 운동하는 표본물질의 좁은영역을 조사하는 단계와, 상기 표본물질로부터 역반사, 산란, 또는 투과된 복사선을 도광체의 입력단으로 받아 내부에서 복수회의 반사 후 공간적으로 균일화하여 상기 도광체의 출력단으로 내보내는 단계와, 선형가변필터에서 상기 출력단으로부터 공간적으로 균일화된 복사선을 받아 광대역 빛을 파장성분에 따라 나누는 단계와, 선형검출기배열에서 배열의 각 픽셀이 서로 다른 파장성분을 받아 광복사선을 측정가능한 전기신호로 변환하는 단계와, 상기 픽셀의 전기신호를 분광정보로 처리하는 단계와, 상기 분광기가 다양한 환경조건에서 동작하는 동안 상기 선형검출기배열과 상기 선형가변필터를 냉각하고 작동온도를 안정시킴으로써 스펙트럼값과 파장을 포함하는 분광정보를 안정적으로 유지하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 표본물질과 상기 도광체 사이에 마련된 제1광학장치에서 상기 표본물질로부터 역반사, 산란, 투과된 복사선을 집광하여 상기 입력단에 결상하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 도광체와 상기 센서모듈 사이에 마련된 제2광학장치에서 상기 출력단에 나타나는 복사선을 상기 센서모듈에 확대 및 결상하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2광학장치의 배율은 상기 선형검출기배열 전체가 조사되고 상기 선형가변필터의 단부는 조사되지 않도록 선택될 수 있다.
아울러, 상기 도광체의 단면의 적어도 하나의 차원을 상기 입력단에 비해 작게 함으로써 상기 도광체 내에서 진행하는 복사선이 상기 출력단으로 갈수록 집광되게 할 수 있다.
또한, 상기 센서모듈에 구비된 판독회로에서 각 픽셀의 신호가 증폭되고, 복수개의 픽셀의 신호는 하나의 출력선으로 다중송신될 수 있다.
또한, 상기 광원으로부터 조사되는 복사선은 적어도 하나의 주파수 성분으로 변조되고, 상기 선형검출기배열의 각 픽셀에 존재하는 신호 진폭을 복구하기 위해 신호 잠금 검출 기법이 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면 광원으로부터의 복사선이 표본물질의 좁은영역에 직접 조사되어 표본물질상에 높은 복사조도(W/m2)를 생성한다. 투과 또는 반사 후에 표본물질은 전형적으로 복사선을 반구형으로 분산시키는데, 이는 본 발명에 따른 분광기에서는 제1광학장치에 의해 복사휘도(W/m2·sr)로서 관측된다. 또한, 복사선이 제1광학장치, 도광체, 제2광학장치에서 작은 투과손실 및 반사손실만이 일어난 채 결국 선형가변필터와 검출기배열로 순차적으로 결상되고 투과된다(분산되기보다는). 뿐만 아니라, 선형가변필터에서 시스템의 f-넘버 또는 개구수(numerical aperture)가 대상 해상도(분광 대역폭)가 허용하는 한계치까지 최대화된다. 결론적으로 본 발명에 따른 분광기는 선택된 광원, 주어진 표본물질, 선택된 검출기배열 및 대상의 분광 해상도에 의해 실제적으로 얻을 수 있는 최대값에 가까운 신호를 제공한다. 검출기에서 복사휘도를 최대화하도록 설계된 광학신호체인에 의해 본 발명에 따른 분광기는 높은 신호대잡음비 및 빠른 속도를 제공할 수 있다.
시스템의 두 번째 장점은 복수회의 반사 후에 도광체가 표본물질로부터 받은 라인이미지(line image)를 거의 완벽하게 균일화할 수 있다는 점이다. 그리하여 도광체의 출력단에 존재하고 그 후 선형가변필터에 결상된 광학적 복사선은 본질적으로 선형가변필터의 길이에 따라 일정하다. 이는 운동하는 표본물질의 어떠한 공간상 차이도 측정된 스펙트럼에는 나타나지 않음을 의미한다. 두 번째로, 운동하는 표본까지의 거리의 변화(통과선의 변화) 역시 측정된 스펙트럼에 가공물을 야기시키지 않는다. 결론적으로 광학적 "운동하는 표본물질의 잡음" 은 아주 효과적으로 최소화된다.
세 번째 장점은 분광기가 다양한 환경조건에서 동작하더라도 신호축과 파장축의 온도가 센서모듈의 차원에서 안정화되어 있다는 것이다. 선형가변필터를 포함한 모든 간섭필터의 파장 특성은 광학물질의 열팽창 및 굴절률의 온도의존성에 의해 동작 온도에 따라 요동한다. 선형가변필터를 온도 안정화된 공간에 결합시킴으로써 이러한 문제점을 해소할 수 있다. 뿐만 아니라, 선형가변필터를 냉각시키는 것은 필터로부터 방사되는 배경복사를 줄일 수 있고, 결국 이러한 검출기 픽셀에 의해 관측되는 배경복사를 줄이게 됨으로써 배열에서의 잡음을 감소시키고 분광기의 신호대잡음비를 개선할 수 있다. 아울러 검출기 배열을 냉각시키는 것은 배열의 신호대잡음비 성능을 최적화한다. 또한, 작동온도의 피드백 조절은 선형검출기배열의 안정된 온도를 유지하고 픽셀의 전자광학적 반응을 최소화한다. 신호축과 파장축 모두를 안정화시키는 것은 분광기가 다양한 환경조건에서 동작하도록 설계하는 데 아주 유용하다. 실제로, 알려진 분광기 기술 중 온도에 대해 안정화된 파장범위 및 파장축을 제공하는 것은 거의 없다.
도 1은 본 발명에 따른 분광기의 바람직한 실시예를 나타낸 개요도이다.
도 2는 광경로상의 서로 다른 지점에서의 복사조도 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 중공을 갖는 반사형 도광체의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 분광기의 바람직한 실시예를 나타낸 도면이다. 표본물질(3)상에 시변조 광조사를 생성하는 광원(1)과 변조기(2)가 제시되어 있다. 전형적으로 광원(1)으로 할로겐램프와, 복수개의 날 또는 구멍으로 이루어져 순차적으로 빛을 차단하고 변조주기에서 시변조 광조사를 생성함으로써 선형검출기배열(12)과 연산처리부(14)에 대해 최적화될 수 있는 모터구동 초퍼휠이 사용된다. 또한, 표본물질의 조사영역(3) 내에 실제 측정 영역(4)으로부터 역반사 또는 투과된 복사선을 집광하는 제1광학장치(5)가 있다. 본질적으로 제1광학장치(5)는 표본물질상에 나타나는 복사선을 도광체(6)의 입력단으로 보냄으로써 복사선의 손실을 최소화시킨다(가시광선과 유사한). 제1광학장치(5)는 적절한 하나의 렌즈 또는 렌즈 복합체로 구현될 수 있다. 보다 바람직하게 제1광학장치(5)는 하나의 거울이나 거울 복합체로 구현가능한데, 이 경우 금코팅과 같이 적합한 반사코팅이 이루어진다면 넓은 파장 범위에 걸쳐 동일한 광학기기를 사용할 수 있기 때문이다. 순차적으로 광학신호가 도광체(6)를 통과하는 동안 도광체(6)는 측정된 스펙트럼에 소위 운동물체노이즈(moving-sample noise)를 생성할 수 있는 표본물질의 공간상 이미지의 특징을 제거하는 역할을 한다. 도광체를 통과하는 복사선은 벽에 복수회 부딪치도록 설계됨으로써 도광체의 구조에 따라 반사 또는 굴절된다. 상기 도광체는 전술했듯 단면이 직사각형 형상을 나타내도록 설계된다. 도광체의 출력단에 나타나는 복사선은 제2광학장치(7)에 의해 집광되고, 확대된 이미지로 투과하여 센서모듈(9)상에 나타난다. 센서모듈에서 복사선은 창(10), 선형가변필터(11)을 통과하고, 마지막으로 필터링 된 복사선이 선형검출기배열(12)의 여러 픽셀에 의해 검출되어, 측정표본물질의 스펙트럼의 전기적 정보를 제공한다. 센서모듈은 검출기배열 및 선형가변필터를 냉각시키고 온도를 안정화시키는 온도조절부(13)를 포함한다. 전술했듯 PI 제어기와 같은 제어회로가 센서모듈에 연결되나, 도면상에는 도시되지 않았다. 최적의 성능을 나타내기 위해 제2광학장치(7)의 배율은 반각(8)에 의해 한정되는 원뿔 내에서 선형가변필터(11)가 조사되도록 조절된다. 반각은 요구되는 스펙트럼 분해능 및 신호대잡음비에 기초하여 선택되는데, 각도를 증가시키면 신호 및 신호대잡음비가 개선되는 반면, 각도를 감소시키면 파장 분해능이 향상되기 때문이다. 결과적으로 선형검출기배열에서 검출된 전기신호가 증폭되고, 전기적으로 필터링되어 연산처리부(14)에서 디지털화된다. 센서 패키지 내부에는 판독회로가 마련될 수 있는데, 도면상에는 도시되지 않았다. 연산처리부는 전술했듯 신호 잠금(위상 감별) 검출기를 포함하는 것이 바람직한데, 이는 각 픽셀의 신호진폭을 시변조 광조사 주파수에 해당하도록 출력한다.
도 2는 분광기의 광경도상의 서로 다른 지점에서 복사조도의 단면을 나타냄으로써 제시된 장치의 광학적 결상 특성을 명확히 한다. A 에는 광대역 광원으로부터 조사되는 넓은 조사영역(3)이 존재한다. 이 중 직사각형 영역(4)으로 표시되는 일부만이 제1광학장치(3)에 의해 관측된다. 도광체(6)의 차원을 최소화시키기 위해서는 도광체(6)로 입사되기 전에 복사조도 단면의 크기를 줄이는 것이 바람직하다. 이것이 B 에서 관측되는데, A 에서의 단면과 모양은 같으나 더 작은 크기를 지닌다. 단면의 면적을 줄임으로써 광선의 각도확산이 증가함을 고려하는 것이 바람직하다. 이는 복사 측정과 관련하여 잘 알려진 원리인데, 이에 의하면 너비 또는 처리량 φ는 광학계에서 불변이며, 다음과 같이 정의된다.
Figure pct00001
A1, A2는 각각 광학계의 두 상의 면적을 나타내고, Ω1,Ω2는 각각 같은 지점에서 광복사의 입체각을 나타낸다. 신호경로를 더 따라가면, C는 도광체의 출력단에서의 복사조도 단면을 나타낸다. 도 2에서는 단면의 길이가 동일하게 유지되는 한편, 단면의 너비가 줄어든다(B에서의 단면과 비교하여). 즉, 도광체의 단면의 면적은 출력단으로 갈수록 점차 단면의 적어도 하나의 차원이 줄어들도록 변화하는 것으로 설계된다. 이는 출력단, 그리고 순차적으로 선형검출기배열을 향할수록 광복사선을 집광시키는 효과를 발생시키는 장점이 있다. 상기 수식을 참조하면 이러한 공간적 집중효과가 광각의 증가로 인해 얻어진다는 것이 명백하다. 따라서 이러한 장점은 최대각(8)을 초과하지 않는 한 달성된다. 마지막 단면 D는 선형가변필터(11)가 선형검출기배열(12)의 상단에 정렬된 센서모듈에서의 모습을 나타낸다. 센서모듈로 전달된 복사선 이미지가 검출기 영역보다 크고(모든 픽셀을 조사할 수 있도록), 선형가변필터의 면적보다 작다는 것(필터의 단부를 조사함으로써 미광(stray light)을 생성할 여지가 생기지 않도록)은 장점이다. 본 발명에 따르면 D에서의 광조사는 제2광학장치(7)가 적합한 배율을 갖도록 설계함으로써 최적화될 수 있다.
도 3은 적외선 복사조도를 균일화시키는 데 적합한 도광체의 디자인을 나타낸다. 도광체의 비용은 사파이어와 같이 적외선(IR) 영역에서 좋은 투과 속성을 갖는 유리재질 대신 금속거울성분을 사용함으로써 줄일 수 있다. 가장 중요한 특성은 도광체의 형상 정확도와 면 1의 표면 거칠기이다. 차원 2, 3, 4는 도광체의 모양을 고정시킨다. 단계 4의 중요성은 광택을 위해 더 넓은 조사영역(3)을 얻음으로써 연마공정을 용이하게 하기 위함이다. 형상 정확도는 기판을 정밀한 CNC 가공을 함으로써 쉽게 얻을 수 있다. 연마시 도광체를 따라 형성된 모서리 5만을 둥글게 하면 된다. 이 역시 이 부분이 가장 먼저(각 부분들은 거울, 금속, 또는 유리일 수 있다.) 연마되고 올바른 모양으로 가공됨으로써 생략할 수 있다. 결국 6에서 보여지는 중공구조를 갖는 도광체는 네 개의 서로 다른 부분으로 제작된다.
1 : 광원 2 : 변조기
3 : 표본물질의 조사영역 4 : 실제 측정 영역
5 : 제1광학장치 6 : 도광체
7 : 제2광학장치 8 : 반각
9 : 센서모듈 10 : 창
11 : 선형가변필터 12 : 선형검출기배열
13 : 온도조절부 14 : 연산처리부

Claims (19)

  1. 원거리에서 운동하는 표본물질의 좁은영역을 조사하는 광대역 광원과;
    입력단과 출력단을 구비하고, 상기 표본물질로부터 역반사, 산란, 또는 투과된 복사선을 상기 입력단으로 받아 내부에서 복수회의 반사 후 공간적으로 균일화하여 상기 출력단으로 내보내는 도광체와;
    상기 출력단으로부터 공간적으로 균일화된 복사선을 받아 광대역 빛을 파장성분으로 나누는 선형가변필터와;
    서로 다른 파장성분을 받는 픽셀을 구비하고, 광복사선을 측정가능한 전기신호로 변환하는 선형검출기배열과;
    상기 픽셀의 전기신호를 분광정보로 처리하는 연산처리부와;
    상기 분광기가 다양한 환경조건에서 동작하는 동안 상기 선형가변필터와 상기 선형검출기배열을 냉각하고 작동온도를 안정시키는 온도조절부, 상기 선형가변필터 및 상기 선형검출기배열을 구비한 센서모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표본물질과 상기 도광체 사이에 원거리에 위치한 상기 표본물질로부터 역반사, 산란, 또는 투과된 복사선을 집광하여 상기 도광체의 입력단에 결상하는 제1광학장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1광학장치는 하나의 반사형 소자 또는 반사형 소자 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도광체와 상기 센서모듈 사이에 상기 출력단에 나타나는 복사선을 상기 센서모듈에 확대 및 결상하는 제2광학장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제2광학장치는 하나의 반사형 소자 또는 반사형 소자 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도광체의 내부단면이 직사각형인 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 출력단의 모양은 상기 선형검출기배열의 감광영역의 모양과 동일한 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  8. 제1항, 제4항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2광학장치의 배율은 상기 선형검출기배열 전체가 조사되고 상기 선형가변필터의 단부는 조사되지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 도광체는 내면이 고반사소재로 덮힌 적어도 두 개 이상의 구분된 영역으로 이루어진 중공 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 도광체의 단면의 적어도 하나의 차원은 복사선을 집광하기 위하여 상기 출력단으로 갈수록 줄어드는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 센서모듈에는 상기 선형검출기배열의 각 픽셀을 대상으로 하는 구분된 증폭기와, 복수개의 픽셀을 하나의 출력선에 연결시키는 멀티플렉서가 마련된 판독회로가 구비된 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 적어도 하나의 주파수 성분으로 구성되는 시변조 복사선을 형성하는 변조기를 포함하고, 상기 분광기는 상기 선형검출기배열의 각 픽셀에 존재하는 신호 진폭을 복구하는 신호 잠금 검출 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 정보를 측정하는 분광기.
  13. 광대역 광원으로부터 원거리에서 운동하는 표본물질의 좁은영역을 조사하는 단계와;
    상기 표본물질로부터 역반사, 산란, 또는 투과된 복사선을 도광체의 입력단으로 받아 내부에서 복수회의 반사 후 공간적으로 균일화하여 상기 도광체의 출력단으로 내보내는 단계와;
    선형가변필터에서 상기 출력단으로부터 공간적으로 균일화된 복사선을 받아 광대역 빛을 파장성분에 따라 나누는 단계와;
    선형검출기배열에서 배열의 각 픽셀이 서로 다른 파장성분을 받아 광복사선을 측정가능한 전기신호로 변환하는 단계와;
    상기 픽셀의 전기신호를 분광정보로 처리하는 단계와;
    상기 분광기가 다양한 환경조건에서 동작하는 동안 상기 선형검출기배열과 상기 선형가변필터를 냉각하고 작동온도를 안정시킴으로써 스펙트럼값과 파장을 포함하는 분광정보를 안정적으로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 분광정보 측정방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 표본물질과 상기 도광체 사이에 마련된 제1광학장치에서 상기 표본물질로부터 역반사, 산란, 투과된 복사선을 집광하여 상기 입력단에 결상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 분광정보 측정방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 도광체와 상기 센서모듈 사이에 마련된 제2광학장치에서 상기 출력단에 나타나는 복사선을 상기 센서모듈에 확대 및 결상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 분광정보 측정방법.
  16. 제13항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제2광학장치의 배율은 상기 선형검출기배열 전체가 조사되고 상기 선형가변필터의 단부는 조사되지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 분광정보 측정방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 도광체의 단면의 적어도 하나의 차원을 상기 입력단에 비해 작게 함으로써 상기 도광체 내에서 진행하는 복사선이 상기 출력단으로 갈수록 집광되는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 분광정보 측정방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 센서모듈에 구비된 판독회로에서 각 픽셀의 신호가 증폭되고, 복수개의 픽셀의 신호는 하나의 출력선으로 다중송신되는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 분광정보 측정방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 광원으로부터 조사되는 복사선은 적어도 하나의 주파수 성분으로 변조되고, 상기 선형검출기배열의 각 픽셀에 존재하는 신호 진폭을 복구하기 위해 신호 잠금 검출 기법이 사용되는 것을 특징으로 하는 원거리에서 운동하는 표본물질의 분광정보 측정방법.
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