KR20200095547A - 분광계 장치 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
특히 적외선(IR) 스펙트럼 영역에서 조사 또는 모니터링에 그리고 열, 화염, 화재 또는 연기의 검출에 적합한 분광계 시스템(110) 및 분광계 장치(112)가 개시된다. 여기에서, 분광계 장치(112)는, - 물체(116)로부터 입사광(114)을 수신하고, 상기 입사광(114)을 길이 가변 필터(118)로 전달하도록 설계된 광학 요소(122) ― 상기 광학 요소(122)는 입사광(114)이 분광계 장치(112)의 광 축선(123)에 대해서 비대칭인 광 경로를 따라서 길이 가변 필터(118)로 전달되는 방식으로 배열되며, 상기 광학 요소(122)는 비대칭 형상을 나타냄; ―; - 입사광(114)을 구성 파장 신호의 스펙트럼으로 분리하도록 지정된 상기 길이 가변 필터(118); 및 - 복수의 픽셀화된 센서(144)를 포함하는 검출기 어레이(120) ― 상기 픽셀화된 센서(144) 각각은 구성 파장 신호 중 하나의 적어도 일부를 수신하도록 구성되며, 상기 구성 파장 신호 각각은 각 구성 파장의 강도와 관련됨 ―를 포함한다. 분광계 장치(112)는 물체(116)로부터 입사광(114)을 포착하고 특히 고집광 효율로 입사광(114)을 길이 가변 필터(118)로 전달할 수 있게 한다. 분광계 장치(112)와 별도로, 분광계 시스템(110)은 분광계 장치(112)에 의해 제공된 검출기 신호(172, 172', 172")를 평가함으로써 물체(116)의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 평가 유닛(150)을 더 포함한다.
Description
본 발명은 분광계 장치, 분광계 장치를 포함하는 분광계 시스템, 및 분광계 장치와 분광계 시스템의 다양한 용도에 관한 것이다. 이러한 장치 및 시스템은 일반적으로 특히 적외선(infrared: IR) 스펙트럼 영역, 특히 근적외선(near-infrared: NIR) 및 중적외선(mid infrared: MidIR) 스펙트럼 영역에서의 조사 또는 모니터링 목적으로, 그리고 열, 화염, 화재 또는 연기의 탐지를 위해 채용될 수 있다. 그러나, 다른 종류의 응용이 가능하다.
종래 기술
적외선(IR) 스펙트럼 영역, 특히 근적외선(NIR) 스펙트럼 영역에서의 조사를 위한 다양한 분광계 장치 및 시스템이 공지되어 있다. 특히, 선형 가변 필터(linearly variable filter: LVF) 및 검출기 어레이(detector array)의 조합을 포함하는 분광계 장치가 이미 제안되어 있다. 여기에서, LVF는 물체로부터 포착된 광을 구성 파장 신호의 스펙트럼으로 분리하기 위해 지정되며, 검출기 어레이는 복수의 픽셀을 포함하고, 복수의 픽셀 각각은 각 구성 파장에 대한 전력 판독값을 제공하는 복수의 구성 파장 신호의 적어도 일부를 수용하도록 배치된다. 통상적으로, 입사광이 LVF의 수신 표면에 수직인 방식으로 LVF에 충돌할 수 있게 하기 위해, 배플(baffle)이 이러한 목적으로 사용되지만, 이는 일반적으로 낮은 광 처리량(light throughput) 및 불량한 신호 대 잡음비를 초래한다.
미국 특허 공개 제 US 2014/131578 A1 호는 샘플을 지향하기 위한 조명원 뿐만 아니라 샘플과 상호 작용하는 광을 제 1 초점비로 포착하고 제 1 초점비보다 낮은 제 2 초점비로 광을 LVF에 전달하기 위한 테이퍼형 광 파이프(tapered light pipe: TLP)를 포함하는 휴대용 분광계 장치를 개시하고 있다. 바람직하게, TLP는 일단에 렌즈가 형성되고, 계단형 내부 벽을 갖는 보호 부트(protective boot)에서 오목하게 되어 있다. 또한, TLP와 LVF 사이의 갭이 최소화되어 해상도와 견고성이 더욱 향상된다. 여기에서, 본원에 개시된 TLP가 또한 용어 "광학 집광기 장치(optical concentrator device)"로 표시될 수 있고, 광학 집광기 장치는 포착된 광을 확산시키고 포착된 광의 각도 확산을 감소시키기 위해 반대 방향으로 작동되며, 광학 집광기 장치는 원뿔 형상을 포함하는 것이 강조되어 있다.
그러나, 예컨대 S. Madala 및 R.F. Boehm의 고정식 유전체-충전 비-이미징(non-imaging) 집광기에 대한 반사 손실의 영향(J. Photonics for Energy 6(4), 047002, 2016)에 기술된 바와 같이, 원뿔 형상을 포함하는 광학 집광기 장치는 낮은 집광 효율을 겪는다. S. Madala 등에 의해 추가로 기술된 바와 같이, 굴절-타입 비-이미징 태양 집광기에서의 성능 파라미터에 대한 프레넬 반사(Fresnel reflection) 및 전체 내부 반사(total internal reflection: TIR) 손실의 영향은 성능 파라미터, 및 그에 따른 에너지 수집에 영향을 미친다. 이러한 목적으로, S. Madala 등은 원뿔형 집광기(V-스루 집광기), 복합 포물형 집광기(compound parabolic concentrator; CPC), 복합 타원형 집광기(compound elliptical concentrator; CEC) 및 복합 쌍곡선 집광기(compound hyperbolic concentrator; CHC)를 포함하여 4개의 상이한 타입의 고정식 유전체-충전 비-이미징 집광기에서의 프레넬 반사 및 TIR 손실의 영향을 설명하기 위해 광선추적 분석을 수행했다. 그들의 발견에 따르면, 유전체 충전 재료의 굴절률(refractive index: RI)은 고체 비-이미징 집광기의 수광 각도를 결정한다. 굴절률이 클수록 더 큰 수광 각도가 만들어지며, 따라서 더 큰 에너지 수집을 야기하지만, 프레넬 반사 손실도 증가시킨다.
Lun J. 및 R. Winston의 복합 타원형 집광기(CEC)를 위한 비대칭 설계 및 그 기하학적 플럭스 영향(SPIE의 회의록, 9572, 2015)은 추가 비-이미징 광학 요소로서 비대칭 복합 타원형 집광기(CEC)에 대한 이론적 논문을 제공한다. 여기에서, 이들은 이상적인 집광기를 이해하는 종래의 방법은 균일화된 수광 각도에 기초하여 집광 비율을 최대화하는 것에 기초한다고 설명했다. CEC의 경우 그러한 각도가 존재하지 않지만, 열역학 법칙은 여전히 유효하며, 집광기는 이러한 일반적인 문제를 해결하기 위해 스트링 방법(string method)을 사용함으로써 집광기에 의해 허용되는 최대 집광 비율로 검토되었다. 그 결과, 기하학적 플럭스 필드 또는 유동선(flowline) 방법을 사용하는 이상적인 집광기 그룹이 얻어졌다.
미국 특허 공개 제 US 2013/120754 A1 호는 피지아우(Fizeau) 웨지 간섭 필터가 초점 평면 어레이(FPA: focal plane array)와 스캔 방향에 따라 변화하는 웨지 필터 치수가 증가하는 가시적 장면 사이에 배치되는 장치 및 방법을 개시하고 있다. 여기에서, 상이한 웨지 필터 두께를 통해 상이한 FPA 센서 요소를 사용하여 상이한 시간에 주어진 장면 위치의 광 강도 측정을 얻기 위해 FPA를 따라 장면이 스캔된다. 장치는 입사광이 장치의 광 축선에 대해 비대칭인 광 경로를 따라 FPA 센서 요소로 전달되는 방식으로 배열될 수 있다. 여기에서, 광학 요소는 렌즈이다.
미국 특허 공개 제 US 2006/065833 A1 호는 필터의 길이를 따라 가변 방식으로 광을 선택적으로 투과시키기 위해 광의 빔의 경로에 배치된 선형 가변 필터(LVF)와, 투과된 광의 스펙트럼 특성을 측정하기 위해 LVF를 통해 투과된 광의 경로에 위치된 광검출기 어레이와, 광의 빔을 시준하기 위해 입력 포트와 LVF 사이에 배치된 시준 수단을 이용하는 광 채널 모니터링 장치를 개시하고 있다. 장치는 입사광이 장치의 광 축선에 대해 비대칭인 광 경로를 따라 광검출기 어레이로 전달되는 방식으로 배열될 수 있다. 여기에서, 광학 요소는 원통형 렌즈를 포함한다.
미국 특허 공개 제 US 2008/156969 A1 호는 비대칭으로 배열된 광 편향기 요소, 대역통과 필터 어레이 및 검출기 어레이를 개시한다. 여기에서, 광학 요소로서 기능하는 광 편향기 요소는, 모든 대역통과 필터의 유효 대역통과 곡선이 상이한 스펙트럼 위치를 갖도록 하나를 제외한 모든 필터 그룹의 대역통과 필터의 유효 대역통과 곡선을 스펙트럼적으로 이동시킨다. 결과적으로, 몇 가지 다른 대역통과 필터만을 사용함으로써 필터 채널의 증가를 성취할 수 있다.
일본 특허 공개 제 JP H04-326028 A 호는 시준 수단에 의해 평행 플럭스로 회전되고, 빔 직경 변환 수단 및 2차원 강도 분포 측정 수단을 갖는 복합 간섭 필터 장치에 의해 확산되는 슬릿으로 1차원 방향으로 제한된 영역으로부터 방출되는 광속으로 구성되는 측정 수단을 개시하고 있다. 광학 요소는 렌즈를 포함한다. 장치의 비대칭성은 검출기의 특정 배열에 의해 도입된다.
미국 특허 제 US 5,615,673 A 호는 관심 영역으로부터 되돌아오는 라만(Raman) 산란광을 광학적으로 수집하는데 사용되는 복합 포물형 집광기(CPC)를 개시한다. 여기에서, CPC는 일반적인 구성에서는 전체 반구에 걸쳐서 방사된 광을, 광섬유 및 렌즈를 포함한 종래의 광학장치에 의해 수집될 수 있는 좁은 원뿔 형태로 변환하는데 사용되는 비-이미징 광학 요소이다.
따라서, 본 발명에 의해 해결되는 과제는 특히 적외선(IR) 스펙트럼 영역, 특히 근적외선(NIR) 스펙트럼 영역에서의 조사에 적합할 수 있으며 이러한 타입의 공지의 장치 및 시스템의 단점을 적어도 실질적으로 회피할 수 있는 분광계 장치 및 분광계 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 물체로부터의 광을 포착하고 포착된 광을 현재 활용 가능한 보다 높은 집광 효율로 선형 가변 필터에 전달하도록 설계된 광학 요소를 갖는 단순하고, 비용 효율적이며 여전히 신뢰 가능한 개량된 분광계 장치를 갖는 것이 바람직할 것이다.
이 문제는 특허청구범위의 독립항의 특징들을 갖는 본 발명에 의해 해결된다. 개별적으로 또는 조합하여 구현될 수 있는 본 발명의 유리한 개량은 종속항 및/또는 하기의 명세서 및 상세한 실시예에 제시되어 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "갖는다(have)", "포함하다(comprise)" 및 "함유하다(contain)"의 표현 뿐만 아니라 이들의 문법적 변형은 비배타적 방식으로 사용된다. 따라서, "A는 B를 갖는다"는 표현 뿐만 아니라 "A는 B를 포함한다" 또는 "A는 B를 함유한다"는 표현은 A가 B 이외에 하나 이상의 추가의 구성요소 및/또는 성분을 함유한다는 사실, 및 B 외에 어떠한 다른 구성요소, 성분 또는 요소도 A 내에 존재하지 않는 경우 모두를 표현할 수 있다.
본 발명의 제 1 양태에서는, 분광계 장치가 개시된다. 그에 따라, 분광계 장치는,
- 물체로부터 입사광을 수신하고, 상기 입사광을 길이 가변 필터로 전달하도록 설계된 광학 요소 ― 상기 광학 요소는 입사광이 분광계 장치의 광 축선에 대해서 비대칭인 광 경로를 따라서 길이 가변 필터로 전달되는 방식으로 배열됨; ―;
- 입사광을 구성 파장 신호의 스펙트럼으로 분리하도록 지정된 상기 길이 가변 필터; 및
- 복수의 픽셀화된 센서를 포함하는 검출기 어레이 ― 상기 픽셀화된 센서 각각은 구성 파장 신호 중 하나의 적어도 일부를 수신하도록 구성되며, 상기 구성 파장 신호 각각은 각 구성 파장의 강도와 관련됨 ―를 포함한다.
"물체"는 일반적으로 살아있는 물체 및 살아있지 않은 물체로부터 선택된 임의의 물체일 수 있다. 따라서, 일 예로서, 적어도 하나의 물체는 하나 이상의 물품 및/또는 물품의 하나의 이상의 부분을 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 물품 또는 그 적어도 하나의 부분은 조사에 적합한 스펙트럼을 제공할 수 있는 적어도 하나의 구성요소를 포함할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 물체는 예컨대 사용자와 같은 인간의 하나 이상의 신체 부분, 및/또는 동물과 같은 하나 이상의 생물 및/또는 그 하나 이상의 부분이거나 이를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "광(light)"은, 통상적으로 "광학 스펙트럼 범위"로 지칭되고 그리고 가시 광선 스펙트럼 범위, 자외선 스펙트럼 범위 및 적외선 스펙트럼 범위 중 하나 이상을 포함하는 전자기 방사선의 격벽을 일반적으로 지칭한다. 본 명세서에서, 용어 "자외선 스펙트럼 범위"는 일반적으로 1 ㎚ 내지 380 ㎚, 바람직하게 100 ㎚ 내지 380 ㎚의 파장을 갖는 전자기 방사선을 지칭한다. 또한, 본 문서의 날짜에 유효한 버전의 표준 ISO-21348에 부분적으로 따르면, "가시 스펙트럼 범위"라는 용어는 일반적으로 380 ㎚ 내지 760 ㎚의 스펙트럼 범위를 지칭한다. 용어 "적외선 스펙트럼 범위(IR)"는 일반적으로 760 ㎚ 내지 1000 ㎛의 전자기 방사선을 지칭하며, 여기서 760 ㎚ 내지 1.5 ㎛의 범위는 일반적으로 "근적외선 스펙트럼 범위(NIR)"로 표시되는 반면에, 1.5 ㎛ 내지 15 ㎛의 범위는 "중적외선 스펙트럼 범위(MidIR)"로 표시되고, 15 ㎛ 내지 1000 ㎛의 범위는 "원적외선 스펙트럼 범위(FIR)"로 표시된다. 바람직하게, 본 발명의 전형적인 목적에 사용되는 광은 적외선(IR) 스펙트럼 범위, 보다 바람직하게 근적외선(NIR) 스펙트럼 범위 및 중적외선 스펙트럼 범위(MidIR)에서의 광이며, 특히 광은 1 ㎛ 내지 5 ㎛, 바람직하게 1 ㎛ 내지 3 ㎛의 파장을 갖는다.
물체에서 나오는 광은 물체 자체에서 비롯될 수 있지만, 선택적으로 상이한 원점을 가질 수 있으며, 이 원점에서 물체로 그리고 그 후 분광계 장치로 전파될 수 있다. 분광계 장치는 특히 사용되는 적어도 하나의 조명원에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 물체로부터 분광계 장치로 전파되는 광은 물체 및 또는 물체에 연결된 반사 장치에 의해 반사될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 광은 물체를 통해 적어도 부분적으로 투과할 수 있다.
조명원은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 따라서, 조명원은 예컨대 하우징 내의 분광계 장치의 일부일 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 추가적으로, 적어도 하나의 조명원은 또한 예컨대 별개의 광원으로서 하우징 외부에 배치될 수 있다. 조명원은 물체와 별개로 배치될 수 있고, 일정 거리에서 물체를 조명할 수 있다. 상술한 바와 같이, 대안적으로 또는 추가적으로 조명원은 또한 물체에 연결되거나 물체의 일부일 수 있으며, 그 결과 예컨대 물체로부터 나오는 전자기 방사선은 또한 조명원에 의해 직접 생성될 수 있다. 예로서, 적어도 하나의 조명원은 물체 상에 및/또는 물체 내에 배열될 수 있고, 전자기 방사선을 직접 생성할 수 있다.
바람직하게, 조명원은 적외선(IR) 스펙트럼 범위, 특히 근적외선(NIR) 스펙트럼 범위에서 충분한 방출을 제공하는 것으로 알려진 한 종류의 조명원, 특히 백열 램프를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 조명원은 다음 조명원 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다: 화염원; 열원; 다른 타입의 레이저가 또한 사용될 수 있을지라도, 레이저, 특히 레이저 다이오드; 발광 다이오드; 유기 광원, 특히 유기 발광 다이오드; 네온 광; 구조화된 광원. 대안적으로 또는 추가로, 다른 조명원이 사용될 수 있다. 여기에서, 물체에 의해 및/또는 조명원에 의해 방출된 광이, 특히 각각의 조명원에 의해 조명될 수 있는 검출기 어레이가 높은 강도를 갖는 검출기 신호를 제공할 수 있는 것을 보장하는 방식으로 검출기 어레이의 스펙트럼 감도와 밀접하게 관련될 수 있는 스펙트럼 범위를 나타낼 수 있는 경우에 특히 바람직하며, 그에 따라 충분한 신호 대 잡음비 및 동시에 고 해상도로 검출기 신호의 평가를 가능하게 한다.
일반적으로 사용되는 용어 "스펙트럼"은 광학 스펙트럼 범위, 특히 적외선(IR) 스펙트럼 범위, 특히 근적외선(NIR) 스펙트럼 범위의 격벽을 의미한다. 여기에서, 스펙트럼의 각 부분은 신호 파장 및 대응하는 신호 강도에 의해 정의되는 광학 신호에 의해 구성된다. 또한, "분광계 장치"라는 용어는 파장 간격과 같은 스펙트럼 또는 그 격벽의 대응 파장에 대한 신호 강도를 기록할 수 있는 장치에 관한 것이며, 여기서 신호 강도는 추가 평가를 위해 사용될 수 있는 전기 신호로서 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 분광계 장치에서, 길이 가변 필터는 입사광을 구성 파장 신호의 스펙트럼으로 분리하기 위해 사용되며, 상기 신호의 각 강도는 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 검출기 어레이를 사용함으로써 결정된다. 또한, 물체로부터의 입사광을 수신하고, 입사광을 길이 가변 필터로 전달하도록 설계된 광학 요소가 적용된다. 본 명세서에서 추가로 사용되는 바와 같이, "분광계 시스템"은, 분광계 장치 이외에, 본 명세서에 개시된 바와 같은 분광계 장치에 의해 제공된 검출기 신호를 평가함으로써 물체의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 평가 유닛을 포함하는 장치를 지칭할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 분광계 장치는 입사광을 구성 파장 신호의 스펙트럼으로 분리하도록 지정된 길이 가변 필터를 포함한다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, 용어 "길이 가변 필터"는 특히 필터의 연속적인 배열로 제공될 수 있는 복수의 필터, 바람직하게 복수의 간섭 필터를 포함하는 광학 필터를 지칭한다. 여기에서, 각각의 필터는 바람직하게 단일 치수를 따라 연속적으로 필터 상의 각각의 공간 위치에 대해 가변 중심 파장을 갖는 대역통과를 형성할 수 있는데, 이는 일반적으로 길이 가변 필터의 수신 표면 상에 일반적으로 용어 "길이"로 표시된다. 바람직한 실시예에서, 가변 중심 파장은 필터 상의 공간 위치의 선형 함수일 수 있으며, 이 경우 길이 가변 필터는 일반적으로 "선형 가변 필터" 또는 그 약어 "LVF"로 지칭된다. 그러나, 가변 중심 파장과 필터 상의 공간 위치 사이의 관계에 다른 종류의 기능이 적용될 수 있다. 여기에서, 필터는, 적외선(IR) 스펙트럼 범위 내에서, 특히 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 근적외선(NIR) 스펙트럼 범위 내에서 높은 정도의 광학 투명도를 나타낼 수 있는 적어도 하나의 재료를 특히 포함할 수 있는 투명 기판 상에 위치될 수 있으며, 이에 의해 필터의 길이를 따라서 필터의 다양한 스펙트럼 특성, 특히 연속적으로 변화하는 스펙트럼 특성이 달성될 수 있다. 특히, 길이 가변 필터는 투명 기판 상에 적어도 하나의 응답 코팅을 수행하도록 구성될 수 있는 웨지 필터일 수 있으며, 여기에서 응답 코팅은 공간 가변 특성, 특히 공간 가변 두께를 나타낼 수 있다. 그러나, 다른 재료를 포함할 수 있거나 또는 추가의 공간 가변 특성을 나타낼 수 있는 다른 종류의 길이 가변 필터가 또한 가능할 수 있다. 입사광 빔의 수직 입사 각도에서, 길이 가변 필터에 의해 구성되는 각각의 필터는 특정 필터의 중심 파장의 일부, 전형적으로 수 퍼센트에 달할 수 있는 대역통과 폭을 가질 수 있다. 예컨대, 1400 ㎚ 내지 1700 ㎚의 파장 범위 및 1 %의 대역통과 폭을 갖는 길이 가변 필터의 경우, 수직 입사각에서의 대역통과 폭은 14 ㎚ 내지 17 ㎚에서 변할 수 있다. 그러나, 다른 실시예도 가능할 수 있다.
길이 가변 필터의 이러한 특정 설정의 결과로서, 대역통과 폭으로 표시되는 허용오차 내에서, 필터 상의 특정 공간 위치에 할당된 중심 파장과 동일할 수 있는 파장을 갖는 단지 입사광이 특정 공간 위치에서 길이 가변 필터를 통과할 수 있다. 따라서, 대역통과 폭의 중심 파장 ±½과 동일할 수 있는 "투과 파장"은 길이 가변 필터 상의 각 공간 위치에 대해 정의될 수 있다. 환언하면, 투과 파장에서 길이 가변 필터를 통과할 수 없을 수 있는 모든 광은 길이 가변 필터의 수신 표면에 의해 흡수되거나 대부분 반사될 수 있다. 결과적으로, 길이 가변 필터는 투과율을 변화시켜서 입사광을 스펙트럼으로 분리할 수 있게 한다.
따라서, 길이 가변 필터 상의 특정 공간 위치에서 길이 가변 필터를 통과할 수 있는 광은 계속해서 검출기 어레이에 충돌할 수 있다. 환언하면, 검출기 어레이는 바람직하게, 광이 먼저 길이 가변 필터에 충돌할 수 있고 그리고 그후에 길이 가변 필터 상의 특정 공간 위치를 통과할 수 있는 광의 격벽만이 검출기 어레이 상의 대응하는 공간 위치에 충돌할 수 있는 방식으로 위치될 수 있다. 결과적으로, 그에 따라 길이 가변 필터는 그 관련 파장 또는 파장들에 의해 입사광을 적어도 하나의 대응하는 공간 위치로 분리하기 위해 사용될 수 있는 한편, 결과적으로 검출기 어레이에 의해 포함된 특정 광학 센서는, 그 특정 파장으로 인해, 대응하는 공간 위치에서 길이 가변 필터를 통과할 수 있는 입사광의 강도를 측정하기 위해 사용될 수 있고, 따라서 특정 파장에서 입사광의 강도를 결정하기 위해 제공된 특정 광학 센서에 충돌을 일으킨다. 특히 바람직한 실시예에서, 따라서 검출기 어레이는 하나가 다른 하나에 이어지는 일련의 광학 센서의 형태로 위치될 수 있는 광학 센서의 시퀀스를 포함할 수 있으며, 여기에서 광학 센서의 시퀀스는 길이 가변 필터의 길이를 따른 간섭 필터의 연속적인 배치에 관하여 병렬 방식으로 배치될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 검출기 어레이는 바람직하게 투명 갭에 의해 길이 가변 필터로부터 분리될 수 있다. 여기에서, 투명 갭은, 예를 들어, 2개의 대향 측면을 갖는 연장된 투명 본체를 사용하여 얻어질 수 있으며, 여기에서 길이 가변 필터를 구성할 수 있는 복수의 간섭 필터는 제 1 측면 상에 배치될 수 있는 반면에, 검출기 어레이를 구성하는 일련의 광학 센서는 제 1 측면에 대향하는 제 2 측면 상에 배치될 수 있다. 결과적으로, 투명 갭에 적합한 폭을 선택함으로써, 길이 가변 필터에 대한 검출기 어레이의 보다 정밀한 조정이 성취될 수 있다.
따라서, 바람직하게 검출기 어레이는, 특히 가능한 입사광의 세기를 최대한 수용하기 위해, 길이 가변 필터의 길이를 따라 1차원 매트릭스로서 단일 라인으로, 또는 2차원 매트릭스 형태에서 하나 이상의 라인, 특히 2개, 3개, 또는 4개 라인의 평행 라인으로 배열될 수 있는 일련의 광학 센서를 포함할 수 있다. 따라서, 일 방향의 픽셀 수 N은 추가의 방향의 픽셀 수 M과 비교하여 많을 수 있어서, 1차원 1 x N 매트릭스 또는 직사각형 2차원 M x N 매트릭스가 얻어질 수 있으며, 여기에서 M<10 및 N>10, 바람직하게 N>20, 더욱 바람직하게 N>50이다. 또한, 본원에 사용된 매트릭스는 또한 엇갈린 배열로 배치될 수 있다. 여기에서, 본원에 사용된 각각의 광학 센서는 특히 일련의 광학 센서를 제조하기 쉽도록 동일하거나 허용오차 레벨 내에서 유사한 광 감도를 가질 수 있다. 대안적으로, 일련의 광학 센서에 사용되는 각각의 광학 센서는, 예를 들어 일련의 광학 센서의 파장을 갖는 광 감도의 증가 변화 또는 감소 변화를 제공함으로써, 길이 변화 필터의 변화하는 투과율 특성에 따라서 변화될 수 있는 변화 광 감도를 나타낼 수 있다. 그러나, 다른 종류의 배치도 또한 가능할 수 있다.
특히, 분광계 장치의 고 해상도를 성취하기 위해, 그에 따라 각각의 광학 센서는 작은 공간 각도를 통해서만 입사광을 수신하도록 구성될 수 있다. 이러한 배열은 특히 필터의 길이를 따라 입사광의 충돌의 공간 위치에 따라 좌우되는 원하는 스펙트럼을 생성하도록 설계된 길이 가변 필터의 설정을 반영한다. 본 발명에 따르면, 이러한 특정 배열은 그에 따라 복수의 픽셀화된 센서를 포함하는 검출기 어레이에 의해 성취되며, 여기에서 각각의 픽셀화된 센서는 길이 가변 필터에 의해 제공된 바와 같이 구성 파장 신호 중 하나의 적어도 일부분을 수신하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 이에 의해 각 구성 파장 신호는 구성 파장의 각각의 강도와 관련이 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, 용어 "픽셀화된 광학 센서" 또는 간단히 "픽셀화된 센서"는 개별 픽셀 센서의 어레이를 포함하는 광학 센서를 지칭하며, 여기서 각각의 개별 픽셀 센서는 입사광의 강도에 따라 좌우되는 전기 신호를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 감광 영역을 가지며, 특히 전기 신호는 추가 평가를 위해 외부 평가 유닛에 제공될 수 있다. 여기에서, 개별 픽셀 센서의 각각에 의해 구성되는 바와 같이 감광 영역은 특히 개별 픽셀 센서에 충돌하는 입사광을 수신하도록 구성된 단일의 균일한 감광 영역일 수 있다. 그러나, 픽셀화된 센서의 다른 배열이 또한 고려될 수 있다.
픽셀화된 센서는 개별 픽셀화된 센서에 충돌하는 입사광의 강도와 관련된 신호, 바람직하게 전자 신호를 생성하도록 설계된다. 신호는 아날로그 및/또는 디지털 신호일 수 있다. 따라서, 인접한 픽셀화된 센서에 대한 전자 신호는 동시에 또는 그 이외에 시간적으로 연속적인 방식으로 생성될 수 있다. 예컨대, 행(row) 스캔 또는 라인 스캔 동안에, 라인으로 배열된 일련의 개별 픽셀 센서에 대응하는 전자 신호의 시퀀스를 생성할 수 있다. 또한, 바람직하게 개별 픽셀 센서는 외부 평가 유닛에 전자 신호를 제공하기 전에 전자 신호를 증폭시키도록 구성될 수 있는 능동 픽셀 센서일 수 있다. 이를 위해, 픽셀화된 센서는 전자 신호를 처리 및/또는 사전처리하기 위한 하나 이상의 필터 및/또는 아날로그-디지털 변환기와 같은 하나 이상의 신호 처리 장치를 포함할 수 있다.
픽셀화된 센서는 임의의 공지된 픽셀 센서로부터, 특히 픽셀화된 유기 카메라 요소, 바람직하게 픽셀화된 유기 카메라 칩으로부터, 또는 픽셀화된 무기 카메라 요소, 바람직하게 픽셀화된 무기 카메라 칩, 보다 바람직하게 오늘날 다양한 카메라에 일반적으로 사용되는 CCD 칩 또는 CMOS 칩으로부터 선택될 수 있다. 대안적으로, 픽셀화된 센서는 광전도체, 특히 무기 광전도체, 특히 PbS, PbSe, Ge, InGaAs, 특히 InGaAs, InSb 또는 HgCdTe일 수 있거나 포함할 수 있다. 다른 대안으로서, 그것은 초전, 볼로미터 또는 서모파일 검출기 요소를 포함할 수 있다. 따라서, 1xN 픽셀 또는 MxN 픽셀의 매트릭스를 갖는 카메라 칩이 여기서 사용될 수 있으며, 여기서 M<10 및 N>10, 바람직하게 N>20, 보다 바람직하게 N>50이다. 또한, 모노크롬 카메라 요소, 바람직하게 모노크롬 카메라 칩이 사용될 수 있으며, 여기서 모노크롬 카메라 요소는 특히 일련의 광학 센서를 따른 변화하는 파장에 따라 각각의 픽셀 센서에 대해 상이하게 선택될 수 있다.
다른 대안으로서, 픽셀화된 센서는 국제 공개 팜플렛 제 WO 2012/110924 A1 호, 제 WO 2014/097181 A1 호 또는 제 WO 2016/120392 A1 호에 개시된 추가 문헌들 중 FiP 센서를 기초로 할 수 있다. 여기에서, "FiP 센서"라는 용어는, 조명의 동일한 총 파워가 주어진 센서 신호가, 소위 "FiP 효과"에 따라서, 감광 영역의 조명의 기하학적 구조, 특히 "스폿 크기"로도 표시되는 감광 영역 상의 조명의 빔 단면에 따라 좌우되는 센서를 지칭한다. 결과적으로, 감광 영역의 전기적 특성이 입사광에 의한 감광 영역의 조명의 정도에 의존한다는 관찰 가능한 특성은, 특히 동일한 총 전력을 포함하지만 감광 영역 상에 상이한 스폿 크기를 생성하는 2개의 입사광 빔이 감광 영역의 전기 특성에 대한 상이한 값을 제공하며, 그에 따라 서로에 대해서 구별 가능하게 하는 것을 성취한다. 바람직하게, 각각의 FiP 센서의 감광 영역은 특히 PbS, PbSe 또는 HgCdTe로부터 선택된 광도전성 물질, 또는 고체 염료 감응 태양 전지(solid dye sensitized solar cell: sDSC)를 포함할 수 있다. 또한, 국제 공개 팜플렛 제 WO 2014/198625 A1 호는 FiP 센서의 MxN 매트릭스를 사용하는 검출기 어레이의 특정 실시예를 개시하고 있다. 대안적으로, 다른 종류의 픽셀화된 센서가 또한 가능할 수 있다.
따라서, 검출기 어레이는 검출기 어레이에 의해 구성되는 픽셀화된 센서의 감광 영역에 의해 생성될 수 있는 복수의 전기 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 분광계 장치의 검출기 어레이에 의해 제공되는 바와 같은 전기 신호는 이후에 외부 평가 유닛, 특히 이하에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 대응하는 분광계 시스템에 의해 구성될 수 있는 평가 유닛으로 전달될 수 있다. 본 명세서에서, "평가 유닛"이라는 용어는 특히 본 명세서에 기술된 바와 같은 분광계 장치를 사용하여 스펙트럼이 기록된 물체의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 장치를 지칭하며, 여기서 정보는 분광계 장치의 검출기 어레이에 의해 제공된 바와 같은 검출기 신호를 평가함으로써 획득 가능하다. 정보는 예컨대 전자적으로, 시각적으로, 음향적으로 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다. 또한, 정보는 분광계 장치, 바람직하게 분광계 시스템 또는 별도의 저장 장치의 데이터 저장 장치에 저장될 수 있고 및/또는 무선 인터페이스 및/또는 유선 인터페이스와 같은 적어도 하나의 인터페이스를 통해 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 분광계 장치는 물체로부터 입사광을 수신하고 동시에 입사광을 길이 가변 필터로 전달하도록 지정된 광학 요소를 더 포함하며, 광학 요소는 포착된 광이 분광계 장치의 광 축선에 대해 비대칭인 광 경로를 따라 길이 가변 필터로 전달되는 방식으로 배열된다. 본원에서 사용되는 용어 "광 축선"은 광학 요소, 특히 길이 가변 필터 및 검출기 어레이와는 별도로 분광계 장치의 다른 소자들이 반사 또는 분광계 시스템에 의해 포함된 대칭 광학 요소의 회전에 대해 불변일 수 있는 가상의 대칭 선을 지칭한다. 따라서, 포착된 광을 길이 가변 필터로 전달하는 것은 적어도 하나의 광학 요소를 사용함으로써 성취될 수 있으며, 여기서 광학 요소의 적어도 하나의 특성, 특히 광학 요소의 형상, 또는 분광계 장치의 광 축선에 대한 광학 요소의 배열 중 적어도 하나는 분광계 장치의 광 축선에 대해 비대칭 코스를 나타낼 수 있는 광 경로를 초래할 수 있다.
본체 또는 이의 적어도 하나의 요소와 관련하여, 용어 "대칭" 또는 "대칭적"은 일반적으로 사용되는 바와 같이, 특히 반사, 회전, 병진 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있는, 일반적으로 "기하학적 변환(geometric transformation)"으로 표시되는 적어도 하나의 조작의 적용에 불변일 수 있는 형상 또는 이의 적어도 하나의 요소를 갖는 본체의 기하학적 특성을 지칭한다. 그러나, 이 경우, 바람직한 기하학적 변환은 반사 및 회전일 수 있다. 특히, 축선 및/또는 미러 평면이 각각 본체 및 그 요소의 형상을 서로의 미러 이미지를 취하는 2개의 격벽으로 분할할 수 있다면, 본체 또는 그 요소는 축선에 대해 및/또는 미러 평면에 대해 반사 대칭을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 예로서, 본체는, 이들이 반사 축선에 대해서 서로의 미러 이미지로서 간주될 수 있는 방식으로 배열된 2개의 동일한 미러 세그먼트를 포함하는 경우에 대칭으로서 간주될 수 있다. 유사하게, 본체는, 본체 또는 그 요소의 형상이 변하지 않는 방식으로 각각 고정 지점 또는 미러 평면을 중심으로 회전될 수 있는 경우 본체 또는 그 요소의 회전 축선을 포함하는 적어도 하나의 고정 지점 및/또는 미러 평면에 대해 회전 대칭을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 이와 대조적으로, "비대칭" 또는 "비대칭적"이라는 용어는 고려되는 본체의 기하학적 특성 중 적어도 하나가 이러한 본체에 적용 가능할 수 있는 기하학적 변환 중 적어도 하나에 불변일 수 있음을 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로, 다음 대칭 그룹 중 하나가 광학 요소에 적용될 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "대칭 그룹"이라는 용어는 본체 또는 그 요소에 어떤 종류의 기하학적 변환이 적용 가능한지를 표시함으로써 본체 또는 그 요소의 특정 대칭을 설명한다. 이러한 고려를 위해, 특정 대칭 그룹은 특히 소위 "쇼엔플라이스(Schoenfliess) 표기법"을 사용하여 표시될 수 있다. 여기에서, 다음과 같이 규정되는 다음의 용어는 바람직하게 그 요소의 본체의 형상에 적용 가능할 수 있다:
- C∞는 절두원추형 원뿔체의 대칭을 의미하며, 여기서 절두원추형 원뿔체의 형상은 절두원추형 원뿔체의 회전 축선을 포함하는 미러 평면에 대한 임의의 각도에 대한 회전 하에서 유지된다;
- C4v는 사각 피라미드 트렁크를 지칭하며, 여기에서 사각 피라미드 트렁크의 형상은 사각 피라미드 트렁크의 회전 축선을 포함하는 미러 평면에 대해 360°/4=90°의 각도에 대한 회전 하에서만 유지된다;
- C2v는 사각 피라미드 트렁크와 떨어져 있는 직사각형 피라미드 트렁크를 지칭하며, 여기에서 직사각형 피라미드 트렁크의 형상은 직사각형 피라미드 트렁크의 회전 축선을 포함하는 미러 평면에 대해 360°/2=180°의 각도에 대한 회전 하에서만 유지된다;
- Cs는 반사 대칭만을 지칭하며, 여기에서 본체 또는 그 요소의 형상은 미러 평면에서의 반사에 의해서만 유지된다;
- C2는 2-접힘 대칭만을 지칭하며, 여기서 본체 또는 그 요소의 형상은 본체 또는 그 요소의 특정 회전 축선에 대해 360°/2=180°의 각도에 대한 회전 하에서만 유지될 수 있다; 또는
- C1은 임의의 대칭 요소가 없음을 지칭한다.
쇼엔플라이스(Schoenfliess) 표기법에 대한 추가 정보는 Morton Hamermesh, Group Theory 및 물리적 문제에 대한 적용, Dover Publications, Mineola, N.Y. 1989, 2장, Symmetry Groups, 32-67 페이지를 참조할 수 있다.
특히, 본 발명과 관련하여, 광학 요소는 그에 따라, 특히 대칭 그룹 Cs, C2 또는 C1 중 적어도 하나를 갖는 쇼엔플라이스(Schoenfliess) 표기법에 따라 대칭 그룹 C2v에 의해 기술된 바와 같이 광학 요소의 형상이 덜 대칭적인 요소를 나타낼 수 있는 경우에 비대칭 형상을 갖는 것으로 표시될 수 있다. 그러나, 이와 관련하여, 광학 요소의 대칭성을 고려하기 위해, 광학 요소의 그러한 격벽만이 입사광의 빔 경로, 특히 광학 요소의 입력부와 출력부 사이에 위치된 광학 안내 구조체에 영향을 주는 관련이 있다는 것이 강조될 수 있다. 특히, 외부 형상과 같은 광학 요소의 다른 형상은 그에 따라 고려되지 않을 수 있다. 또한, 광학 요소의 대칭성을 결정하기 위해, 제조 허용오차가 고려된다.
유사하게, 광학 장치 내의, 특히 분광계 장치 내의 광 경로는, 광 경로의 코스가 기하학적 변환으로서 분광계 장치의 광 축선에 대한 반사의 적용에 불변일 수 있는 방식으로 광 경로의 코스가 광학 장치의 광 축선을 따르는 경우에 "대칭" 또는 "대칭적"이라는 용어 중 하나로 표시될 수 있다. 특히, 광 경로가 미러 이미지를 가정할 수 있는 방식으로 광 축선이 광 경로의 코스를 반사할 수 있다면 광 경로의 코스는 분광계 장치의 광 축선에 대해 반사 대칭을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 이와 대조적으로, 용어 "비대칭" 또는 "비대칭적"은 광 경로의 코스가 광 경로의 코스에 적용될 수 있는 분광계 장치의 광 축선에 대해 적어도 하나의 반사에 불변이 아닐 수 있음을 나타낼 수 있다.
따라서, 적어도 하나의 광학 요소를 통해 물체로부터 길이 가변 필터로 전달되는 포착된 광의 광 경로는 분광계 장치의 광 축선에 대해 비대칭 코스를 가정한다. 바람직하게, 광 경로의 비대칭 코스는 적어도 하나의 비대칭 특성을 갖는 적어도 하나의 광학 요소, 특히,
- 비대칭 형상을 갖는 광학 요소, 특히 쇼엔플라이스(Schoenfliess) 표기법에 따라 대칭 그룹 C2v, 특히 대칭 그룹 Cs, C2 또는 C1 중 적어도 하나를 갖는 상술한 바와 같이 덜 대칭적인 요소를 나타내는 광학 요소; 및/또는
- 분광계 장치의 광 축선에 대하여 비대칭으로 배열된 광학 요소 ― 상기 광학 요소의 형상은 대칭 형상 또는 비대칭 형상 중 하나 일 수 있음 ―
를 이용함으로써 성취될 수 있다.
다양한 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 광학 요소는:
- 비대칭 특성을 갖는 전달 요소; 또는
- 비대칭 특성을 갖는 배플 필터; 또는
- 비대칭을 갖는 반대 방향으로 작동되는 광학 집광기 장치
를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
이에 의해, 본 발명에 따른 광학 장치의 대칭성이 파괴되어, 이에 의해, 놀랍게도 더 적은 광이 버려질 수 있고, 더 많은 광이 길이 가변 필터를 통해 광학 요소를 통해 검출기 어레이로 안내될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 그에 따라 광학 요소는 전달 요소이거나 전달 요소를 포함할 수 있으며, 여기에서 전달 요소는 단일 렌즈, 또는 일반적으로 공통 축선을 따라 배열된 적어도 2개의 단일 렌즈를 갖는 복합 렌즈를 포함할 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, 용어 "렌즈"는 굴절을 이용하여 광 빔을 집속시키거나 분산시키도록 구성된 투과성 광학 장치를 지칭한다. 본 발명에 따르면, 전달 요소는 비대칭 특성을 가질 수 있으며, 전달 요소의 비대칭 특성은 비대칭 렌즈 형상, 비대칭 복합 렌즈, 또는 분광계 장치의 광 축선에 대한 단일 렌즈 또는 복합 렌즈의 비대칭 배열 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 경사 렌즈(tilted lens)는 경사 광 원뿔체를 생성하는데 사용될 수 있으며, 모든 들어오는 광 빔은 검출기 어레이의 평면에 최대 직교할 수 있는 방식으로 배열될 수 있거나, 대안적으로 더 긴 파장을 수신하도록 구성될 수 있는 길이 가변 필터 상의 공간 위치를 향해 지향될 수 있다.
추가의 바람직한 실시예에서, 광학 요소는 비대칭 특성을 갖는 배플 필터이거나 이를 포함할 수 있다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 용어 "배플 필터"는 특히 미광(stray light)을 최소화하기 위해 특정 방향으로의 광 확산을 억제하는데 사용될 수 있는 장치를 지칭한다. 따라서, 배플 필터는 특히 배플 필터의 표면에 직교하는 광 빔만이 통과하게 하고, 그에 따라 평행한 광 빔이 분광계 장치 내의 빔 방향에서 배플 필터 뒤에 위치된 길이 가변 필터와 충동하는 것을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 이 효과는 서로에 대해서 평행한 방식으로 배열된 다수의 평면 배플 플레이트를 제공함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 대칭 배플 필터를 사용하면, 그에 따라 입사광이 매우 좁은 광 빔으로 제한될 수 있고, 그에 따라 광 처리량이 낮고 분광계의 신호 대 잡음비가 빈약하게 되는 효과를 갖는, 입사광 빔의 입사각에 대한 필터의 투과 파장의 의존성인 길이 가변 필터의 주요 설계 한계를 극복할 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 장치의 대칭성을 깨뜨리는 것은 놀랍게도, 더 적은 광을 버리고 길이 가변 필터를 통해 검출기 어레이로 더 많은 광을 가져올 수 있게 한다. 이를 위해, 비대칭 특성을 갖는 배플 필터가 사용된다. 여기에서, 배플 필터의 비대칭 특성은 분광계 시스템의 광 축선에 대한 배플 필터의 비대칭 형상 또는 배플 필터의 비대칭 배열 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 특히, 배플 필터의 비대칭 배열은 아래의 실시예에서 예시적으로 설명된 바와 같이 경사 배플과 같은 경사 배플 배열을 사용함으로써 달성될 수 있다. 또한, 배플 필터의 비대칭 형상은 배플 플레이트의 표면의 하나의 측면 상에 선택적으로 코팅된 격벽을 사용함으로써 얻어질 수 있으며, 이에 의해 원하는 대칭 파괴가 성취될 수 있다. 다시, 비대칭 형상의 배플 필터의 바람직한 실시예가 이하의 실시예에서 설명된다.
다른 바람직한 실시예에서, 광학 요소는 비대칭 특성을 갖는 반대 방향으로 작동되는 광학 집광기를 포함할 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, 용어 "광학 집광기"는 "입구 동공" 또는 "입구 개구"라고도 하는 입력부와, 입력부에 반대로 위치되며 용어 "출구 동공" 또는 "출구 개구"로도 지칭되는 출력부와, 입력부와 출력부 사이에 위치된 광학 안내 구조체를 갖는 비-이미징 광학 요소를 지칭하며, 여기서 광학 집광기는, 정상 작동 방향에서, 큰 각도 확산에서 입력부에서 광을 포착하고, 포착된 광을 광학 안내 구조체 내에 집광시키고, 출력부에 집광된 광을 방출하도록 구성되어 있다. 예컨대, 따라서 광학 집광기는 가능한 큰 입사각 하에서 높은 태양광 집광을 허용하기 위해 집광된 광전지에 사용될 수 있다.
이와 반대로, 광 집광기 장치는 반대 방향에서 사용되며, 광학 집광기 장치의 이전 출력은 이제 입사광을 수신하기 위한 입력부로서 기능하는 반면에, 반대 방향의 광학 안내 구조체는 바람직하게 입사광을 확산시키는 역할을 하며, 이에 반해 이전 입력부는 이제 확산 광을 방출하기 위한 출력부로서 역할을 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 반대 작동식 광학 집광기 장치의 입구 동공은 바람직하게 90° 미만, 보다 바람직하게 70° 미만, 특히 50° 미만의 입력 각도를 포함한다. 또한 이러한 바람직한 실시예에서, 반대 작동식 광학 집광기 장치의 출구 동공은 바람직하게 30° 이하, 보다 바람직하게 15° 이하, 특히 10° 이하의 출구 각도를 포함한다. 이에 의해, 출력부에서의 방출된 광 빔의 각도 확산은 동시에 입사광에 비해 감소될 수 있다. 결과적으로, 광학 집광기 장치를 반대 방향으로 적용함으로써, 반대 작동식 광학 집광기 장치의 출력부에서 방출되는 광이 감소된 각도 확산을 나타내는 방식으로 물체에 의해 방출되거나 반사되거나 물체를 통과하는 입사광을 포착할 수 있으며, 여기에서 감소된 각도 확산은 바람직하게 최대 ±20°, 바람직하게 최대 ±10°, 가장 바람직하게 최대 ±5°의 각도 범위로 제한될 수 있다.
결과적으로, 그에 따라 반대 방향으로 작동되는 광학 집광기 장치는, 방출된 광 빔이 제한된 각도 범위 내에서 그리고 그에 따라 주로 길이 가변 필터의 수신 표면에 수직인 방향, 즉 길이 가변 필터의 수신 표면에 대해서 수직 방식으로 길이 가변 필터에 충돌할 수 있게 되는 형태로 선택되고 배열될 수 있다. 전술한 바와 같이, 길이 가변 필터에 의해 포함된 각각의 간섭 필터는, 이러한 정상적인 광 입사각에서, 특정 간섭 필터의 중심 파장의 일부에 불과할 수 있는 대역통과 폭을 가질 수 있다. 결과적으로, 입사광은 상당히 보다 높은 집광 효율로 길이 가변 필터로 들어갈 수 있다.
전술한 바와 같이, 정상 방향으로 작동되는 광학 집광기 장치의 형상은 이전에 제시되었다. 여기에서, 광학 집광기 장치는 "복합 포물형 집광기" 또는 "CPC" 또는 "복합 타원형 집광기" 또는 "CEC"로 지칭될 수 있는 방식으로 원뿔 형상 또는 비원뿔 형상을 가질 수 있는 반면에, 추가 형상, 특히 "복합 쌍곡선 집광기" 또는 "CHC"는 본 발명의 목적에 덜 적합할 수 있다. 여기에서, 일반적으로 사용되는 바와 같이, 원뿔형 광학 집광기는 선형 방식으로 서로에 대해 개방된 2개의 평면 미러 세그먼트에 의해 규정될 수 있다. 또한, 복합 포물형 집광기는 포물형 미러 세그먼트 중 하나에 각각 놓인 2개의 상이한 초점을 포함할 수 있는 2개의 포물형 미러 세그먼트에 의해 규정될 수 있다. 이에 의해, 2개의 포물형 미러 세그먼트의 표면은 복합 포물형 집광기의 축선을 통한 반사에 대하여 대칭 방식으로 배열될 수 있다. 유사하게, 복합 타원형 집광기는 그에 따라 2개의 타원형 미러 세그먼트에 의해 규정될 수 있고, 여기에서 2개의 타원형 미러 세그먼트의 표면은 복합 타원형 집광기의 축선을 통한 반사에 대해 대칭 방식으로 배열될 수 있다.
따라서, 반대 방향으로 작동되는 광학 집광기 장치, 특히 광학 요소의 입력부와 출력부 사이에 위치된 광학 안내 구조체는 원뿔 형상 또는 바람직하게 비원뿔 형상을 포함할 수 있다. 여기에서, 원뿔 형상을 갖는 광학 집광기 장치는 보다 용이하게 제조될 수 있다. 그러나, 비원뿔 형상의 결과로서, 반대 작동식 광학 집광기 장치의 출력부에서의 효율이 증가되는 방식으로 광 빔이 집광기를 통해 안내될 수 있다. 특히 이러한 효과는, 특히 원뿔 형상 반대 작동식 광학 집광기 장치와 대조적으로, 반대 작동식 집광기 장치의 측벽에 의해 더 적은 광이 흡수될 수 있는 방식으로, 입사광을 비원뿔 형상 반대 작동식 광학 집광기 장치를 통해 광 빔의 형태로 안내할 수 있게 하는 반대 작동식 광학 집광기 장치의 비-원뿔 형상에 기초한 것이다. 결과적으로, 광 빔은 광 빔에 의해 포함되는 바와 같이 특정 파장을 갖는 광 빔을 수신하도록 구성되어 있는 길이 가변 필터 상의 공간 위치에서 길이 가변 필터에 도달할 수 있다. 또한, 비원뿔 형상의 전달 함수는 반대 작동식 광학 집광기 장치 내로의 입사각에 대한 광 투과의 보다 가파른 시작을 보여주며, 복합 포물형 집광기에 있어서 광 투과가 없음으로부터 완전 광 투과로 완전히 이원 전이(completely binary transition)의 이론적 최대값을 나타낸다. 따라서, 전달 함수의 이러한 종류의 가파름은 주어진 광 처리량에 대한 분광 샘플링의 영역을 최소화함으로써 유리할 수 있고, 이에 의해 샘플링 스폿에 대한 명확한 정의를 제공하고, 샘플링 스폿으로부터의 응답을 균질화하는 것을 지원한다.
보다 구체적으로, 본 기술의 상태에 따른 광학 요소와 관련하여 "원뿔형"이라는 용어는 C2v, C4v, 또는 C∞, 특히 절두원추형 원뿔(truncated cone) 또는 피라미드 트렁크(pyramidal trunk)와 같은 쇼엔플라이스(Schoenfliess) 표기법에 따라 대칭 그룹 C2v 이상에 의해 기술될 수 있는 광학 요소의 형상을 지칭하며, 여기에서 상술한 바와 같이, 그러나 제조 허용오차가 고려된다. 이와 대조적으로, 본 발명에 따른 광학 요소에 관한 용어 "비원뿔형"이라는 용어는 상술한 바와 같이 Cs, C2 또는 C1과 같은 쇼엔플라이스(Schoenfliess) 표기법에 따라 C2v 미만의 대칭 그룹에 의해 기술될 수 있는 광학 요소의 형상을 지칭하며, 여기에서 그러나 다시 제조 허용오차가 고려된다. 환언하면, 본 발명에 따른 광학 요소의 입력부와 출력부 사이에 위치된 광학 안내 구조체는 바람직하게 광학 요소의 입력부와 출력부 사이의 절반 거리에서 직경을 나타낼 수 있는 형상을 포함할 수 있으며, 이 직경은, 원뿔 형상의 경우, 광학 요소의 입력부의 제 1 직경 및 광학 요소의 출력부의 제 2 직경의 산술 평균에 대응할 수 있는 반면, 제 1 직경 및 제 2 직경의 산술 평균으로부터 비원뿔 형상에 대해 적어도 10 %, 바람직하게 적어도 5 %, 가장 바람직하게 적어도 2 %, 특히 적어도 1 % 벗어날 수 있다.
특정 실시예에서, 그에 따라 반대 방향에서 작동되는 광학 집광기 장치의 비원뿔 형상은 바람직하게 포물형 형상 또는 타원형 형상으로부터 선택될 수 있다. 결과적으로, 광학 집광기 장치는 특히 복합 포물형 집광기 및 복합 타원형 집광기를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 그러나, 비원뿔 형상을 갖는 다른 종류의 광학 집광기 장치가 또한 가능할 수 있다.
특히, 광학 요소, 특히 광학 요소의 입력부와 출력부 사이에 위치된 광학 안내 구조체의 포물형 형상은 제조 허용오차를 제외하고, 다음의 수식 (1)에 의해 설명될 수 있다:
여기에서, 용어 x는 광학 요소, 특히 반대 작동식 광학 집광기 장치의 광학 안내 구조체의 광 축선을 따른 값을 지칭하는 반면, 용어 y는 광 축선에 수직인 값을 지칭하며, 여기서, 용어 y0 및 α는 광학 요소에 대하여 포물형 형상을 조정할 기회를 제공한다.
유사하게, 광학 요소, 특히 광학 요소의 입력부와 출력부 사이에 위치된 광학 안내 구조체의 타원형 형상은 제조 허용오차를 제외하고, 다음의 수식 (2)에 의해 설명될 수 있다:
여기에서, 용어 x는 광학 요소, 특히 반대 작동식 광학 집광기 장치의 광학 안내 구조체의 광 축선을 따른 값을 지칭하는 반면, 용어 y는 광 축선에 수직인 값을 지칭하며, 여기서, 다시 타원형 형상의 세미 축선을 지칭하는 용어 a 및 b는 광학 요소에 대하여 포물형 형상을 조정할 기회를 제공한다.
반대 작동식 광학 집광기 장치는 완전 또는 부분적으로 광학적으로 투명한 재료의 전체 본체이거나 이를 포함할 수 있거나, 또는 대안으로서, 가스 및/또는 유체 및/또는 고체 광학적으로 투명한 재료로 바람직하게 완전하게 및/또는 균일하게 충전될 수 있고 그리고 원하는 원뿔형 또는 비원뿔 형상을 취할 수 있는 적어도 2개의 개별 측벽을 포함하는 중공 본체이거나 이를 포함할 수 있다. 여기에서, 적외선(IR) 스펙트럼 범위 내에서, 특히 근적외선(NIR) 및 중적외선(MidIR) 스펙트럼 범위 내에서 높은 정도의 광학 투명도를 나타낼 수 있고 그리고 광학 집광기 장치의 전체 본체에 대해서 선택될 수 있는 적어도 하나의 물질은 바람직하게, 불화 칼슘(CaF2), 용융 실리카, 게르마늄, 불화 마그네슘(MgF), 브롬화 칼륨(KBr), 사파이어, 실리콘, 염화물(NaCl), 아연 셀레나이드(ZnSe), 아연 설파이드(ZnS), 붕규산-크라운 유리, 투명 전도성 산화물(TCO) 및 투명 유기 중합체로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있으며, 여기에서, 특히 높은 반사 지수를 갖는 실리콘 및 게르마늄은, 이들이 전체 본체의 측벽에서 발생할 수 있는 전체 반사를 지지할 수 있기 때문에 바람직하다. 대안으로서, 원하는 원뿔형 또는 비원뿔 형상을 나타내는 적어도 2개의 측벽을 갖는 중공 본체를 충전하기 위해 선택될 수 있는 가스 광학적으로 투명한 재료는 대기, 질소 가스 또는 이산화탄소로부터 선택될 수 있는 반면에, 이러한 목적을 위한 유체 광학적으로 투명한 재료는 침지 오일 또는 캐나다 발삼(Canada balsam), 즉 발삼 전나무 나무의 수지, 특히 아비스 발삼아(abies balsamea)로부터 제조된 터펜틴(turpentine)으로부터 선택될 수 있다. 다른 대안으로서, 중공 본체 내에 진공이 존재할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 분광계 장치의 효율은 입사광을 반사시키도록 구성된 적어도 2개의 개별 측벽을 포함하는 반대 작동식 광학 집광기 장치를 적용함으로써 더욱 증가될 수 있으며, 광학 집광기 장치의 측벽은 광학 집광기 장치의 종축에 대해 대향하는 측면 위치에 위치된다. 2개의 대향하는 개별 측벽들에 추가하여, 광학 집광기 장치는 베이스 플레이트 및 커버 플레이트를 더 포함할 수 있으며, 그 결과 폐쇄된 형상은 광학 집광기 장치에 대해 제공될 수 있고, 따라서 준 2차원 외관을 취할 수 있다. 결과적으로, 광학 집광기 장치의 형상은 임의의 하나의 측벽과, 광학 집광기의 베이스 플레이트 또는 커버 플레이트 중 하나 사이의 교차 라인에 적어도 4개의 코너 라인을 포함할 수 있다. 그러나, 추가 코너 라인이 고려될 수 있다. 이러한 실시예는 특히, 광 빔이 광 빔에 의해 포함되는 바와 같이 특정 파장을 갖는 광 빔을 수신하도록 구성되지 않을 수 있는 길이 가변 필터 상의 공간 위치에서 길이 가변 필터에 도달할 수 있는 것을 모든 가능한 상황 하에서 회피하기 위해서 비반사의 흡수성 표면을 이용하는 공지된 반대 작동식 광학 집광기 장치와 대조적이다. 이에 반하여, 이러한 추가의 바람직한 실시예의 결과로서, 반대 작동식 광학 집광기 장치는 일부 광 빔이 반사되어 여전히 길이 가변 필터로 안내될 수 있다.
추가의 바람직한 실시예에서, 분광계 장치의 효율은 둥근 측벽으로서 설계된 적어도 2개의 개별 측벽을 포함하는 반대 작동식 광학 집광기 장치를 적용함으로써 더욱 더 증가될 수 있으며, 여기서 둥근 측벽들 중 적어도 하나는 유리하게는 포물형 프로파일 또는 타원형 프로파일로부터 선택될 수 있는 프로파일을 포함할 수 있다. 여기에서, 프로파일은 특히 각각 포물형 형상 또는 타원형 형상이거나 이를 포함할 수 있는 광학 집광기 장치의 측방향 위치에서 측벽의 단면의 형태를 지칭한다. 전술한 바와 같이, 반대 작동식 광학 집광기는 원하는 원뿔형 또는 비원뿔 형태를 갖는 전체 본체이거나 이를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 측벽들 중 적어도 하나는 바람직하게 광학 집광기 장치의 표면으로부터 돌출될 수 있는 방식으로 배열될 수 있는 프로파일을 가정할 수 있다. 추가 상술한 대안에서, 반대 작동식 광학 집광기 장치는 원하는 원뿔형 또는 비원뿔 형태를 가정하는 적어도 2개의 측벽을 갖는 중공 본체이거나 이를 포함할 수 있고, 여기에서, 이러한 대안에서, 측벽 중 적어도 하나는 바람직하게 중공 본체의 표면으로 침입할 수 있는 방식으로 배열될 수 있는 프로파일을 가정할 수 있다. 이 추가의 바람직한 실시예의 결과로서, 반대 작동식 광학 집광기 장치의 측벽의 특정 형상은 또한, 더 많은 광 빔이 길이 가변 필터 상의 원하는 공간 위치에서 길이 가변 필터에 도달할 수 있는 방식으로 안내되도록 보장할 수 있으며, 이에 의해 본원에 설명된 바와 같이 분광계 장치의 효율이 추가로 증가될 수 있다.
따라서, 특히 미국 특허 공개 제 US 2014/131578 A1 호와 대조적으로, 광학 요소는 포착된 광이 분광계 장치의 공통 광 축선에 대해 비대칭인 광 경로를 따라 길이 가변 필터로 전달되는 방식으로 배열된다. 위에서 이미 정의된 바와 같이, 용어 "광 축선"은 가상선을 지칭하며, 분광계 장치, 특히 반대 작동식 광학 집광기 장치, 길이 가변 필터 및 검출기 어레이의 설정은 상기 가상선을 따라서 분광계 시스템에 의해 포함된 대칭 광학 요소들의 회전과 관련하여 불변일 수 있다. 결과적으로, 광학 요소, 길이 가변 필터, 검출기 어레이, 및 선택적으로 분광계 장치의 추가 광학 요소의 조합은, 특히 대응 쇼엔플라이스(Schoenfliess) 표기법을 사용함으로써, 상기와 유사한 방식으로 설명될 수 있는 대칭 파괴를 나타낼 수 있다. 이를 위해, 쇼엔플라이스(Schoenfliess) 표기법은 특히 회전 축선을 포함하는 미러 평면에 대해 360°/4=90°의 각도에 대한 회전이 유지되는 배열을 지칭하는 대칭 그룹 C4v를 제공한다. 따라서, 이러한 종류의 대칭성을 파괴하면, 그에 따라 본 발명에 따른 바람직한 구성이 될 수 있다. 그러나, 광학 요소, 길이 가변 필터, 검출기 어레이, 및 선택적으로 분광계 장치 내의 추가 광학 요소의 각각의 배열의 추가 대칭 파괴의 결과로서 다른 종류의 비대칭 배열이 또한 실현 가능할 수 있다. 반대 작동식 광학 집광기 장치의 비대칭 배열 및 더 상세하게 설명된 바와 같이 길이 가변 필터의 설정의 결과로서, 검출기 어레이의 파장 범위에 대해 분광계 장치의 비대칭 응답이 예상될 수 있다.
광학 요소가 분광계 장치의 광 축선에 대해 비대칭 방식으로 배열될 수 있기 때문에, 분광계 장치의 응답은 검출기 어레이의 일 측면에서 검출 가능한 작은 파장, 및 검출기 어레이의 대향 측면에서 검출 가능한 기다란 파장에 대해 더 이상 동일할 것으로 예상될 수 없다. 그러나, 이러한 관찰은 특히 백열 램프가 조명원으로서 사용될 수 있는 경우 분광계 장치에 대해 특별한 이점을 나타낼 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, 용어 "백열 램프"는 광, 특히 적외선을 방출할 수 있는 온도로 가열될 수 있는, 가열된 와이어 필라멘트와 같은 가열 가능한 요소를 갖는 전기 광을 지칭한다. 따라서, 백열 램프는 적외선 스펙트럼 범위 내에서 열적 방출기로 간주될 수 있기 때문에, 백열 램프의 방출 전력은 파장이 증가함에 따라 감소한다. 또한, 전형적으로 적외선 스펙트럼 범위 내에서 흡수에 사용될 수 있는 공지된 재료는 일반적으로 파장이 증가함에 따라 증가된 흡수의 경향을 나타낸다. 또한, 전술한 바와 같이, 길이 가변 필터, 특히 선형 가변 필터의 대역통과 폭은 길이 가변 필터의 스펙트럼 범위에 걸쳐 전형적으로 1 %와 같은 일정한 값을 가정할 수 있기 때문에, 대역통과 폭에 반비례하는 길이 가변 필터의 해상도는 파장이 증가함에 따라 또한 감소한다. 또한, 길이 가변 필터의 해상도는 일반적으로 길이 가변 필터의 중심 파장에 의존한다. 언급된 모든 효과를 조합하여, 대칭 분광계 장치에서 분광계 장치의 응답은 파장이 증가함에 따라 감소하는 것으로 보인다.
그러나, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 분광계 장치의 광 축선에 대해서 비대칭 방식으로 배열된 광학 요소를 사용하면, 광 빔이 광학 요소를 통한 광학 요소로의 입구로부터 광학 요소의 출구까지 이동할 수 있는 경로의 길이를 조정하는 것을 허용할 수 있다. 결과적으로, 광학 요소의 배열의 비대칭성은 더 짧은 파장을 갖는 광 빔에 비해 더 기다란 파장을 갖는 광 빔, 그리고 추가적으로 또는 대안적으로, 길이 가변 필터를 수직 입사에 더 가깝게 충돌시키기 위한 광 빔에 대해 더 짧은 경로를 제공할 수 있고, 이에 의해 효율은 더욱 증가될 수 있다. 결과적으로, 추가의 바람직한 실시예는 특히 더 긴 파장에서 더 높은 효율을 허용하도록 구성될 수 있는 분광계 장치를 제공하는 것을 용이하게 할 수 있다. 또한, 그에 따라 더 짧은 파장에서의 효율은, 특히, 더 기다란 파장을 갖는 광 빔에 비해, 더 짧은 파장을 갖는 광 빔에 대해 더 기다란 경로로 인해서 감소될 수 있는 것으로 나타날 수 있을지라도, 이 효과는, 이러한 종류의 배열에서, 일반적으로 상기 언급된 백열 램프의 더 높은 방출 전력 및 더 짧은 파장에서 더 낮은 대역통과 폭에 의해 보다 중요하다. 따라서, 이러한 종류의 배열은 공지된 분광계 장치와 비교하여, 특히 적외선 스펙트럼 범위에서 본 발명에 따른 분광계 장치의 파장 범위에 걸쳐 보다 균등하게 분포될 수 있는 효율을 분광계 장치에 갖게 하는데 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 비대칭 배열의 이러한 추가의 바람직한 실시예에서, 그에 따라 광학 요소는 상술한 바와 같이 길이 가변 필터의 수신 표면에 수직인 평면에 대해서 경사질 수 있다, 일반적으로 사용되는 바와 같이, "경사진(tilted)"이라는 용어는 수직 방식으로 길이 가변 필터의 수신 표면에 수직인 평면에 대한 광학 요소의 대칭 축선의 경사를 지칭한다. 광학 요소의 경사 배열의 결과로서, 광학 요소의 입구 축선 및 출구 동공 축선은: 서로에 대해 시프트되고 및 평행한 것, 서로에 대해 시프트되지만 평행하지 않은 것, 또는 서로에 대해 시프트되지 않고 평행하지 않은 것 중 하나일 수 있다. 더욱 바람직하게, 광학 요소는, 입사광의 특정 파장을 수용하도록 지정된, 길이 가변 필터 상의 공간 위치에서 길이 가변 필터의 수신 표면에 수직인 길이 가변 필터와 광 빔이 충돌할 수 있는 방식으로, 길이 가변 필터의 수신 표면에 수직인 이러한 평면에 대해서 경사질 수 있다. 대안으로서, 광학 요소는 추가 광이 추가의 특정 파장을 수신하도록 지정된 길이 가변 필터 상의 추가 공간 위치에 추가 광 빔이 충돌할 수 있는 추가의 방식으로 이러한 평면에 대해서 경사질 수 있으며, 여기에서 추가의 특정 파장은 입사광 빔의 파장을 초과하고, 즉 길이 가변 필터의 표면에 충돌하도록 지향될 수 있는 입사광보다 더 긴 파장을 나타낸다.
따라서, 입사광 빔은 그 고유 파장과 비교하여 더 긴 파장으로 길이 가변 필터를 통과할 수 있지만, 본 명세서의 다른 곳에서 보다 상세하게 기재하는 바와 같이 갭에 의해 분리될 수 있는 길이 가변 필터와 검출기 어레이 사이의 상대적인 배열로 인해서, 입사광 빔은 여전히 입사광 빔의 특정 파장에서 입사광의 강도를 결정하기 위해 제공되는 특정 광학 센서와 충돌할 수 있다. 결과적으로, 이러한 목적을 위해 지정된 길이 가변 필터 상의 공간 위치에서 길이 가변 필터의 수신 표면에 수직인 길이 가변 필터와 충돌하는 광 빔 뿐만 아니라, 입사광 빔의 파장보다 더 긴 파장을 수신하도록 지정된 추가 공간 위치에서 길이 가변 필터와 충돌하지만, 여전히 입사광 빔의 특정 파장을 수신하도록 설계된 특정 광학 센서와 충돌할 수 있는 광 빔은 특정 개별 픽셀 센서의 감광 영역에 의해 생성된 전기 신호에 기여할 수 있다. 결과적으로, 이러한 방식으로 분광계 장치의 효율이 더욱 증가될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 분광계 장치는, 특히 광학 요소와 길이 가변 필터 사이에 배열될 수 있는 적어도 하나의 전달 장치를 더 포함할 수 있다. 가장 바람직하게, 물체로부터 나오는 광 빔은 그에 따라 1차적으로 광학 요소를 통해 이동하고, 그 후에 그 결과 최종적으로 검출기 어레이에 충돌할 때까지 길이 가변 필터를 통과할 때까지 전달 장치에서 또는 전달 장치를 통해 이동한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 그에 따라 용어 "전달 장치"는 광학 요소로부터 나오는 광 빔을 검출기 어레이로 전달하도록 구성될 수 있는 광학 구성요소를 지칭할 수 있다. 특정 실시예에서, 그에 따라 전달 장치는 길이 가변 필터로 안내되기 전에 광 빔을 형상화하도록 설계될 수 있다.
특히, 전달 장치는 광학 렌즈, 곡면 미러, 격자, 및 회절 광학 요소로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 보다 구체적으로, 광학 렌즈는 특히 이중볼록 렌즈, 평면볼록 렌즈, 이중오목 렌즈, 평면오목 렌즈, 비구면 렌즈, 원통형 렌즈 및 메니스커스 렌즈로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 이에 의해, 전달 장치는 바람직하게 위에서 설명한 바와 같이 길이 가변 필터의 전체 파장 범위에 걸쳐서 적어도 부분적으로 투명할 수 있는 재료를 포함할 수 있다. 이를 위해, 이와 관련하여 언급된 것과 동일하거나 유사한 광학적으로 투명한 재료가 또한 사용될 수 있다. 그러나, 추가의 광학 요소가 또한 가능할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 분광계 시스템이 개시된다. 따라서, 분광계 시스템은,
- 상술한 바와 같이 및/또는 하기에 보다 상세하게 설명된 분광계 장치; 및
- 분광계 장치에 의해 제공된 검출기 신호를 평가함으로써 물체의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 평가 유닛을 포함한다.
여기에서, 상기 열거된 분광계 시스템의 구성요소는 개별 구성요소일 수 있다. 대안적으로, 분광계 시스템의 2개 이상의 구성요소는 단일 통합 구성요소로 통합될 수 있다. 또한, 평가 유닛은 분광계 장치와 독립적인 개별 평가 유닛으로서 형성될 수 있지만, 특히 분광계 장치에 의해 생성된 바와 같은 검출기 신호를 수신하기 위해 검출기 어레이에 연결되는 것이 바람직할 수 있다. 대안적으로, 적어도 하나의 평가 유닛은 적어도 하나의 분광계 장치에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 분광계 시스템은 분광계 장치 및 평가 유닛을 포함한다. 분광계 장치와 관련하여, 본 명세서의 다른 곳의 설명을 참조할 수 있다. 본 명세서에서 추가로 사용되는 바와 같이, 용어 "평가 유닛"은 일반적으로 원하는 정보 아이템, 즉 물체의 스펙트럼과 관련된 적어도 하나의 정보 아이템을 생성하도록 설계된 임의의 장치를 지칭한다. 예로서, 평가 유닛은 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASICs)와 같은 하나 이상의 집적 회로 및/또는 컴퓨터, 디지털 신호 프로세서(DSP), 현장 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array: FPGA), 바람직하게 하나 이상의 마이크로컴퓨터 및/또는 마이크로 컨트롤러 중 하나 이상과 같은 하나 이상의 데이터 처리 장치일 수 있다. 하나 이상의 AD-변환기 및/또는 하나 이상의 필터와 같은 검출기 신호의 수신 및/또는 사전처리를 위한 하나 이상의 장치와 같은 하나 이상의 사전처리 장치 및/또는 데이터 획득 장치와 같은 추가 구성요소가 포함될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 검출기 신호는 분광계 장치, 특히 분광계 장치의 검출기 어레이에 의해 제공된다. 또한, 평가 유닛은 하나 이상의 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다. 또한, 평가 유닛은 하나 이상의 무선 인터페이스 및/또는 하나 이상의 유선 인터페이스와 같은 하나 이상의 인터페이스를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 평가 유닛은 정보 아이템을 생성하는 단계를 수행하거나 지원하는 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램과 같은 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램을 수행하도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 센서 신호를 입력 변수로서 사용함으로써, 물체의 위치로 사전결정된 변환을 수행할 수 있는 하나 이상의 알고리즘이 구현될 수 있다. 이를 위해, 평가 유닛은 특히 검출기 신호를 평가함으로써 정보 아이템을 생성하도록 설계될 수 있는 적어도 하나의 데이터 처리 장치, 특히 전자 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 평가 유닛은 검출기 신호를 입력 변수로서 사용하고, 이들 입력 변수를 처리함으로써 물체의 스펙트럼과 관련된 정보 아이템을 생성하도록 설계된다. 프로세싱은 병렬로, 후속적으로 또는 심지어 조합된 방식으로 수행될 수 있다. 평가 유닛은 계산에 의해 및/또는 적어도 하나의 저장 및/또는 공지된 관계를 사용하는 등의 이들 정보 아이템을 생성하기 위한 임의의 프로세스를 사용할 수 있다. 검출기 신호 이외에, 하나 또는 복수의 추가 파라미터 및/또는 정보 아이템은 상기 관계, 예컨대 분광계 장치에 의해 포함되는 바와 같이 광학 요소, 길이 가변 필터 및 검출기 어레이의 상대 배열에 관한 적어도 하나의 정보 아이템에 영향을 줄 수 있다. 관계는 경험적으로, 분석적으로 또는 그 이외의 반-경험적으로 결정될 수 있거나 결정 가능하다. 특히 바람직하게, 관계는 적어도 하나의 교정 곡선, 교정 곡선의 적어도 하나의 세트, 적어도 하나의 기능 또는 언급된 가능성의 조합을 포함한다. 하나 또는 복수의 교정 곡선은 예컨대 데이터 장치 및/또는 테이블에 예컨대 한 세트의 값 및 그 관련 기능 값의 형태로 저장될 수 있다. 그러나 대안적으로 또는 추가로, 적어도 하나의 교정 곡선은 또한 예컨대 파라미터화된 형태로 및/또는 기능 방정식으로서 저장될 수 있다. 검출기 신호를 정보 아이템으로 처리하기 위한 별도의 관계가 사용될 수 있다. 대안적으로, 검출기 신호를 처리하기 위한 적어도 하나의 결합된 관계가 가능하다. 다양한 가능성이 고려될 수 있고 또한 조합될 수 있다.
예로서, 평가 유닛은 정보 아이템을 결정의 목적을 위해 프로그래밍의 관점에서 설계될 수 있다. 평가 유닛은 특히 하나 이상의 컴퓨터, 예컨대 하나 이상의 마이크로컴퓨터를 포함할 수 있다. 또한, 평가 유닛은 하나 또는 복수의 휘발성 또는 비휘발성 데이터 메모리를 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 데이터 처리 장치, 특히 적어도 하나의 컴퓨터에 부가하여, 평가 유닛은 정보 아이템, 예를 들어 전자 테이블 및 특히 적어도 하나의 룩업 테이블 및/또는 적어도 하나의 적용-특정 집적 회로(ASIC)를 결정하도록 설계된 하나 또는 복수의 추가 전자 구성요소를 포함할 수 있다.
더욱이, 평가 유닛은 또한 예컨대 적어도 하나의 조명원을 제어하고 및/또는 분광계의 광학 요소를 제어하고 및/또는 검출기의 적어도 하나의 변조 장치를 제어하도록 설계된 평가 유닛에 의해 분광계 장치 또는 그 일부를 완전히 또는 부분적으로 제어 또는 구동하도록 설계될 수 있다. 평가 유닛은 특히, 복수의 검출기 신호, 특히 검출기 어레이의 길이를 따라 및/또는 조명의 상이한 변조 주파수에서 연속적으로 배열된 개별 픽셀화된 센서의 검출기 신호가 픽업되는 적어도 하나의 측정 사이클을 수행하도록 설계될 수 있다. 여기에서, 검출기 신호의 획득은 특히 행 스캔 및/또는 라인 스캔을 사용하여 순차적으로 수행될 수 있다. 그러나, 다른 실시예, 예컨대 특히 선택된 개별 픽셀 센서가 동시에 기록되는 실시예도 또한 가능하다.
특정 실시예에서, 그에 따라 검출기는 바람직하게 주기적 변조를 위해 조명을 변조하기 위한 적어도 하나의 변조 장치, 특히 주기적 빔 차단 장치를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, 조명의 변조는 조명의 총 전력이 바람직하게 주기적으로, 특히 하나 또는 복수의 변조 주파수에 의해 주기적으로 변화되는 프로세스를 포함한다. 특히, 주기적 변조는 조명의 총 전력의 최대 값과 최소 값 사이에서 수행될 수 있다. 최소 값은 0일 수 있지만, 또한 >0일 수 있으며, 그 결과 예컨대 완전한 변조가 수행될 필요는 없다. 변조는 예컨대 물체와 검출기 어레이 사이의 빔 경로에서, 예컨대 상기 빔 경로에 배열된 변조 장치에 의해 수행될 수 있다. 그러나 대안적으로 또는 부가적으로, 변조는 또한 예컨대 상기 빔 경로에 배열된 변조 장치에 의해 물체를 조명하기 위한 선택적 조명원과 물체 사이의 빔 경로에서 수행될 수 있다. 이들 가능성의 조합도 생각할 수 있다. 예컨대, 변조 장치는 빔 초퍼 또는 일부 다른 유형의 주기적 빔 차단 장치를 포함할 수 있으며, 예컨대 일정한 속도로 회전하여 조명을 주기적으로 차단할 수 있는 적어도 하나의 차단기 블레이드 또는 차단기 휠을 포함할 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 부가적으로, 하나 또는 복수의 상이한 타입의 변조 장치, 예컨대 전기 광학 효과 및/또는 음향 광학 효과에 기초한 변조 장치를 사용하는 것이 또한 가능하다. 다시 한번 대안적으로 또는 부가적으로, 선택적인 조명원 자체는 또한, 예를 들어 변조된 강도 및/또는 예컨대 주기적으로 조절된 총 전력과 같은 총 전력을 갖는 상기 조명원 자체에 의해, 및/또는 펄스형 조명원으로서, 예컨대 펄스형 레이저로서 구현된 상기 조명원에 의해 변조된 조명을 발생시키도록 설계될 수 있다. 따라서, 예로서, 변조 장치는 또한 조명원에 전체적으로 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 다양한 가능성이 고려될 수 있다. 따라서, 검출기 어레이는 상이한 변조 주파수를 갖는 상이한 변조의 경우에 적어도 2개의 검출기 신호를 검출하도록 설계될 수 있다. 평가 장치는 2개 이상 검출기 신호로부터 스펙트럼과 관련된 정보를 생성하도록 설계될 수 있다. 예로서, 검출기는 0.1 ㎐ 내지 10 ㎑와 같은 0.05 ㎐ 내지 1 ㎒의 주파수를 갖는 물체의 조명의 변조를 가져오도록 설계될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 본 발명에 따른 분광계 장치 및 분광계 시스템의 사용이 개시된다. 여기에서, 물체의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하는 목적을 위해 분광계 장치 및 분광계 시스템의 사용이 제안된다. 여기에서, 분광계 장치 및 분광계 시스템은 바람직하게: 적외선 검출 응용; 열-검출 적용; 온도계 적용; 열 추구 응용; 화염 감지 적용; 화재 감지 적용; 연기 검출 적용; 온도 감지 적용; 및 분광학 적용으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 사용 목적을 위해 이용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 분광계 장치 및 분광계 시스템은 바람직하게 배기 가스를 모니터링하고, 연소 공정을 모니터링하고, 오염을 모니터링하고, 산업 공정을 모니터링하고, 화학 공정을 모니터링하고, 식품 가공 공정을 모니터링하고, 수질을 평가하고 및/또는 대기질을 평가하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 분광계 장치 및 분광계 시스템은 품질 제어, 온도 제어, 모션 제어, 배기 제어, 가스 감지, 가스 분석, 모션 감지 및/또는 화학 감지에 사용될 수 있다. 추가 적용이 가능하다.
전술한 분광계 장치, 분광계 시스템 및 제안된 용도는 종래 기술에 비해 상당한 이점을 갖는다. 따라서, 물체의 스펙트럼과 관련된 정보의 정확한 결정을 위한 일반적이며, 단순하며 및 또한 효율적인 분광계 장치 및 분광계 시스템이 제공될 수 있다. 여기에서, 일 예로서, 적외선 스펙트럼 범위의 격벽을 커버하는 물체의 적외선 스펙트럼이 빠르고 효율적인 방법으로 획득될 수 있다. 당 업계에 공지된 장치와 비교하여, 본 명세서에서 제안된 분광계 장치 및 분광계 시스템은 특히 분광계 장치의 광학 설정과 관련하여 고도의 단순성을 제공한다. 여기에서, 분광계 장치에 의해 구성되는 바와 같이 광학 요소, 길이 가변 필터 및 검출기 어레이의 비대칭 형상 및/또는 배열은, 물체로부터 입사광을 포착하고, 현재 이용 가능한 바와 같이 입사광을 더 높은 집광 효율을 갖는 더 높은 길이 가변 필터로 전달하는데 유리할 수 있다. 이러한 높은 정도의 단순성은 고해상도 측정의 가능성과 결합하여 적외선(IR) 스펙트럼 영역, 특히 근적외선(NIR) 및 중적외선(MidIR) 스펙트럼 영역을 감지, 검출 및/또는 모니터링하는데 특히 적합하며, 특히 열, 화염, 화재 또는 연기를 감지 또는 검출할 뿐만 아니라 배기 가스, 연소 공정, 오염, 산업 공정, 화학 공정, 식품 가공 공정, 수질 또는 대기질을 모니터링하는데 적합하다. 추가 적용이 또한 가능하다.
요약하면, 본 발명의 맥락에서, 다음의 실시예가 특히 바람직한 것으로 간주된다:
실시예 1: 분광계 장치에 있어서,
- 물체로부터 입사광을 수신하고, 상기 입사광을 길이 가변 필터로 전달하도록 설계된 광학 요소 ― 상기 광학 요소는 입사광이 분광계 장치의 광 축선에 대해서 비대칭인 광 경로를 따라서 길이 가변 필터로 전달되는 방식으로 배열됨; ―;
- 입사광을 구성 파장 신호의 스펙트럼으로 분리하도록 지정된 상기 길이 가변 필터; 및
- 복수의 픽셀화된 센서를 포함하는 검출기 어레이 ― 상기 픽셀화된 센서 각각은 구성 파장 신호 중 하나의 적어도 일부를 수신하도록 구성되며, 상기 구성 파장 신호 각각은 각 구성 파장의 강도와 관련됨 ―를 포함한다.
실시예 2: 상기 실시예 1에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 요소가 반대 방향으로 작동되는 광학 집광기, 전달 요소 또는 배플 필터 중 적어도 하나로부터 선택되고, 상기 광학 요소가 비대칭 형상을 나타내며, 또는 분광계 장치의 광 축선에 대하여 비대칭 방식으로 배열된다.
실시예 3: 상기 실시예 2에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치는 입사광을 확산시키고 동시에 광 빔의 각도 확산을 감소시키기 위해 반대 방향으로 작동된다.
실시예 4: 상기 실시예 2 또는 실시예 3에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광 집광기 장치가 원뿔 형상 또는 비원뿔 형상을 포함한다.
실시예 5: 상기 실시예 4에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치의 비원뿔 형상은 포물형 형상 또는 타원형 형상으로부터 선택된 형상을 포함한다.
실시예 6: 상기 실시예 5에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치는 복합 포물형 집광기 및 복합 타원형 집광기를 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
실시예 7: 상기 실시예 2 내지 실시예 6 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치는 상기 분광계 장치의 광 축선에 대하여 비대칭 설계를 갖는다.
실시예 8: 상기 실시예 7에 따른 분광계 장치에 있어서, 반대 방향으로 작동되는 광학 집광기 장치는 입구 동공 및 출구 동공을 포함하며, 여기서 입구 동공에 의해 규정된 입구 평면과 출구 동공에 의해 규정된 출구 평면은 평행이 아니다.
실시예 9: 상기 실시예 7 또는 실시예 8에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 집광기 장치는 반전 대칭 및 단지 2-접힘 회전 축선을 포함한다.
실시예 10: 상기 실시예 7 내지 실시예 9 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 집광기 장치는 회전 대칭을 나타내지 않는다.
실시예 11: 상기 실시예 7 내지 실시예 10 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 집광기 장치는 단지 하나의 단일 미러 평면을 포함하거나 미러 평면을 포함하지 않는다.
실시예 12: 상기 실시예 2 내지 실시예 11 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치는 상기 분광계 장치의 광 축선에 대하여 비대칭 방식으로 배열된다.
실시예 13: 상기 실시예 12에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치의 비원뿔 형상은 길이 가변 필터에 대하여 비대칭 방식으로 배열된다.
실시예 14: 상기 실시예 13에 따른 분광계 장치에 있어서, 반대 방향으로 작동되는 광학 집광기 장치, 및 길이 가변 필터의 각각의 배열은 단지 하나의 단일 미러 평면을 포함하거나 미러 평면을 포함하지 않는다.
실시예 15: 상기 실시예 13 또는 실시예 14에 따른 분광계 장치에 있어서, 반대 방향으로 작동되는 광학 집광기 장치, 및 길이 가변 필터의 각각의 배열은 회전 대칭을 나타내지 않는다.
실시예 16: 상기 실시예 13 내지 실시예 15 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치는 상기 길이 가변 필터의 수신 표면에 수직인 평면에 대해 경사져 있다.
실시예 17: 상기 실시예 16에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치는, 상기 길이 가변 필터로 전달되는 입사광을, 길이 가변 필터의 수신 표면에 수직인 길이 가변 필터를 입사광의 파장을 수신하도록 설계된 길이 가변 필터의 공간 위치에 충돌시키고 및/또는 입사광의 파장을 초과하는 추가 파장을 수신하도록 설계된 길이 가변 필터 상의 추가 공간 위치에 충돌시키는 방식으로 길이 가변 필터의 수신 표면에 수직인 평면에 대해 경사져 있다.
실시예 18: 상기 실시예 2 내지 실시예 17 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치는 광학적으로 투명한 재료의 전체 본체이거나 이를 포함한다.
실시예 19: 상기 실시예 18에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학적 투명 재료가 불화 칼슘(CaF2), 용융 실리카, 게르마늄, 불화 마그네슘(MgF), 브롬화 칼륨(KBr), 사파이어, 실리콘, 염화나트륨(NaCl), 셀렌화 아연(ZnSe), 황화 아연(ZnS), 붕규산-크라운 유리, 투명 전도성 산화물(TCO) 및 투명 유기 중합체로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
실시예 20: 상기 실시예 2 내지 실시예 19 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치는 중공 본체이거나 이를 포함한다.
실시예 21: 상기 실시예 1 내지 실시예 20 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 중공 본체 내에 진공이 존재한다.
실시예 22: 상기 실시예 20에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 중공 본체는 가스 및/또는 유체 광학적으로 투명한 재료로 충전된다.
실시예 23: 상기 실시예 22에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 중공 본체가 가스 및/또는 유체 광학적으로 투명한 재료로 완전하게 및/또는 균일하게 충전된다.
실시예 24: 상기 실시예 22 또는 실시예 23에 따른 분광계 장치에 있어서, 가스 광학적으로 투명한 재료는 대기, 질소 가스 또는 이산화탄소로부터 선택된다.
실시예 25: 상기 실시예 22 내지 실시예 24 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 유체 광학적으로 투명한 유체가 침지 오일 또는 캐나다 발삼(Canada balsam)으로부터 선택된다.
실시예 26: 상기 실시예 2 내지 실시예 25 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치는 적어도 2개의 개별 측벽을 갖는다.
실시예 27: 상기 실시예 26에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 측벽은 입사광을 반사시키도록 구성된다.
실시예 28: 상기 실시예 26 또는 실시예 27에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치는 상기 광학 집광기 장치에 폐쇄된 형상을 제공하도록 구성된 베이스 플레이트 및 커버 플레이트를 더 포함한다.
실시예 29: 상기 실시예 28에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 폐쇄된 형상은 측벽들 중 임의의 하나와, 상기 광학 집광기 장치의 베이스 플레이트 또는 커버 플레이트 중 하나 사이의 교차 라인에서 적어도 4개의 코너 라인을 포함한다.
실시예 30: 상기 실시예 26 내지 실시예 29 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치의 측벽 중 적어도 하나는 둥근 측벽으로서 설계된다.
실시예 31: 상기 실시예 30에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광학 집광기 장치의 둥근 측벽들 중 적어도 하나는 포물형 프로파일 또는 타원형 프로파일로부터 선택된 프로파일을 포함한다.
실시예 32: 상기 실시예 30 또는 실시예 31에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 측벽들 중 적어도 하나는 광학적으로 투명한 재료의 전체 본체이거나 이를 포함하는 광학 집광기 장치의 표면으로부터 돌출되는 프로파일을 가정하거나, 또는 상기 측벽들 중 적어도 하나는 광학 집광기 장치의 중공 본체의 표면으로 도입되는 프로파일을 가정한다.
실시예 33: 상기 실시예 4 내지 실시예 32 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 전달 요소가 단일 렌즈, 또는 적어도 2개의 단일 렌즈를 갖는 복합 렌즈를 포함하고, 상기 전달 요소가 비대칭 특성을 나타낸다.
실시예 34: 상기 실시예 33에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 전달 요소의 비대칭 특성은 비대칭 렌즈 형상, 비대칭 복합 렌즈, 또는 분광계 장치의 광 축선에 대한 단일 렌즈 또는 복합 렌즈의 비대칭 배열 중 적어도 하나로부터 선택된다.
실시예 35: 상기 실시예 6 내지 실시예 34 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 단일 렌즈는 대칭 형상을 갖는 굴절 렌즈이고, 굴절 렌즈는 분광계의 광 축선에 대해 각도 α만큼 경사져 있다.
실시예 36: 상기 실시예 4 내지 실시예 35 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 배플 필터의 비대칭 특성이 분광계 시스템의 광 축선에 대한 배플 필터의 비대칭 형상 또는 배플 필터의 비대칭 배열 중 적어도 하나로부터 선택된다.
실시예 37: 상기 실시예 36에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 배플 필터의 비대칭 배열은 분광계 시스템의 광 축선에 대한 배플 필터의 경사 배열을 포함한다.
실시예 38: 상기 실시예 36 또는 실시예 37에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 배플 필터의 비대칭 배열은 배플 평면의 표면 상에 선택적으로 코팅된 격벽을 포함하는 배플 필터를 포함하고, 상기 배플 필터는 서로에 대해서 평행 배열로 위치된 다수의 배플 평면에 의해 구성되어 있다.
실시예 39: 상기 실시예 1 내지 실시예 38 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 검출기 어레이가 투명 갭에 의해 길이 가변 필터로부터 분리되어 있다.
실시예 40: 상기 실시예 39에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 투명 갭은 2개의 대향 측면을 갖는 연장된 투명한 본체에 의해 얻어질 수 있고, 상기 길이 가변 필터를 구성하는 복수의 간섭 필터는 제 1 측면 상에 배치되는 반면에, 상기 검출기 어레이를 구성하는 일련의 픽셀화된 센서는 제 1 측면에 대향하는 제 2 측면 상에 배치된다.
실시예 41: 상기 실시예 1 내지 실시예 40 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 픽셀화된 센서는 픽셀화된 유기 카메라 요소, 바람직하게 픽셀화된 유기 카메라 칩; 광전도체 어레이, 특히 무기 광전도체 어레이, 상세하게 PbS, PbSe, Ge, InGaAs, 특히 InGaAs, InSb 또는 HgCdTe 광전도체 어레이; 초전, 볼로미터 또는 서모파일 어레이; 픽셀화된 무기 카메라 요소, 바람직하게 픽셀화된 무기 카메라 칩, 더욱 바람직하게 CCD 칩 또는 CMOS 칩; 단색 카메라 요소, 바람직하게 단색 카메라 칩; FiP 센서 중 적어도 하나로부터 선택된다.
실시예 42: 상기 실시예 1 내지 실시예 41 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 입사광은 760 ㎚ 내지 1000 ㎛의 전자기 방사선(적외선 스펙트럼 범위)을 포함한다.
실시예 43: 상기 실시예 42에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 입사광은 1 ㎛ 내지 5 ㎛의 전자기 방사선을 포함한다.
실시예 44: 상기 실시예 43에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 입사광은 1 ㎛ 내지 3 ㎛의 전자기 방사선을 포함한다.
실시예 45: 상기 실시예 1 내지 실시예 44 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 물체를 조명하도록 구성된 조명원을 더 포함한다.
실시예 46: 상기 실시예 45에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 조명원은 분광계 장치에 통합되거나 부착된다.
실시예 47: 상기 실시예 45 또는 실시예 46에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 조명원은, 상기 물체에 적어도 부분적으로 연결되고 및/또는 상기 물체와 적어도 부분적으로 동일한 조명원; 1차 방사선으로 물체를 적어도 부분적으로 조명하도록 설계된 조명원으로부터 선택된다.
실시예 48: 상기 실시예 47에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 광 빔은 물체 상의 1차 방사선의 반사에 의해 및/또는 1차 방사선에 의해 자극된 물체 자체에 의한 광 방출에 의해 생성된다.
실시예 49: 상기 실시예 48에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 검출기 어레이의 스펙트럼 감도가 조명원의 스펙트럼 범위에 의해 커버된다.
실시예 50: 상기 실시예 46 내지 실시예 49 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 조명원은 백열 램프; 화염원; 열원; 레이저, 특히 레이저 다이오드; 발광 다이오드; 유기 광원, 특히 유기 발광 다이오드; 네온 광; 구조화된 광원 중 적어도 하나로부터 선택된다.
실시예 51: 상기 실시예 1 내지 실시예 50 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 전달 장치를 추가로 포함한다.
실시예 52: 상기 실시예 51에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 전달 장치는 수렴 광학 요소를 구성하거나 포함하며, 상기 수렴 광학 요소는 입사광의 파장 범위의 적어도 하나의 격벽에 대해서 적어도 부분적으로 광학적으로 투명하다.
실시예 53: 상기 실시예 52에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 수렴 광학 요소는 수렴 광학 렌즈, 수렴 회절 광학 요소 및 수렴 곡면 미러로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
실시예 54: 상기 실시예 51 내지 실시예 53 중 어느 하나에 따른 분광계 장치에 있어서, 상기 전달 장치는 상기 광학 집광기 장치와 상기 길이 가변 필터 사이에 위치된다.
실시예 55: 분광계 시스템에 있어서,
- 상기 실시예 1 내지 실시예 54 중 어느 하나에 따른 분광계 장치; 및
- 상기 분광계 장치에 의해 제공된 검출기 신호를 평가함으로써 물체의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 평가 유닛을 포함한다.
실시예 56: 상기 실시예 55에 따른 분광계 시스템에 있어서, 상기 평가 장치는 검출기 어레이에서 픽셀화된 센서의 위치, 입사광의 파장 및 픽셀화된 센서의 신호 사이의 적어도 하나의 사전규정된 관계로부터 물체의 스펙트럼에 관한 정보를 생성하도록 설계된다.
실시예 57: 상기 실시예 56에 따른 분광계 시스템에 있어서, 상기 검출기 신호는 적어도 하나의 전류-전압 측정 및/또는 적어도 하나의 전압-전류 측정을 수행함으로써 생성된다.
실시예 58: 상기 분광계 시스템과 관련된 상기 실시예 55 내지 실시예 57 중 어느 하나에 따른 분광계 시스템에 있어서, 물체를 조명하도록 구성된 조명원을 더 포함한다.
실시예 59: 상기 실시예 58에 따른 분광계 시스템에 있어서, 상기 조명원은 백열 램프; 화염원; 열원; 레이저, 특히 레이저 다이오드; 발광 다이오드; 유기 광원, 특히 유기 발광 다이오드; 네온 광; 구조화된 광원 중 적어도 하나로부터 선택된다.
실시예 60: 상기 실시예 1 내지 실시예 59 중 어느 하나에 따른 분광계 장치 또는 분광계 시스템의 용도에 있어서, 적외선 검출 적용; 열 검출 적용; 온도계 적용; 열 추적 적용; 화염 감지 적용; 화재 감지 적용; 연기 검출 적용; 온도 감지 적용; 분광학 적용; 배기 가스 모니터링 적용; 연소 공정 모니터링 적용; 오염 모니터링 적용; 산업 공정 모니터링 적용; 화학 공정 모니터링 적용; 식품 가공 공정 모니터링 적용; 수질 모니터링 적용; 대기질 모니터링 적용; 품질 제어 적용; 온도 제어 적용; 모션 제어 적용; 배기 제어 적용; 가스 감지 적용; 가스 분석 적용; 모션 감지 적용; 화학물질 감지 적용을 포함한다.
본 발명의 추가의 선택적 세부사항 및 특징은 종속항과 함께 바람직한 예시적인 실시예의 설명으로부터 명백하다. 이와 관련하여, 특정 특징들은 단독으로 또는 특징들을 조합하여 구현될 수 있다. 본 발명은 예시적인 실시예로 제한되지 않는다. 예시적인 실시예가 도면에 개략적으로 도시되어 있다. 개별 도면에서 동일한 도면부호는 동일한 요소들 또는 동일한 기능을 갖는 요소들, 또는 그 기능과 관련하여 서로 대응하는 요소들을 지칭한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명에 따른 분광계 장치를 포함하는 분광계 시스템의 예시적인 실시예(도 1a) 및 광학 집광기 장치의 비대칭 배열의 이점(도 1b)을 도시하는 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 광학 집광기 장치의 바람직한 비원뿔 형상의 2개의 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 광학 집광기 장치의 측벽의 바람직한 프로파일의 예시적인 실시예의 측면도를 도시한다.
도 4는 비대칭 렌즈 배열을 사용하는 분광계 장치의 다른 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 비대칭 배플 배열을 사용하는 분광계 장치의 다른 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명에 따른 분광계 장치를 포함하는 분광계 시스템의 예시적인 실시예(도 1a) 및 광학 집광기 장치의 비대칭 배열의 이점(도 1b)을 도시하는 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 광학 집광기 장치의 바람직한 비원뿔 형상의 2개의 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 광학 집광기 장치의 측벽의 바람직한 프로파일의 예시적인 실시예의 측면도를 도시한다.
도 4는 비대칭 렌즈 배열을 사용하는 분광계 장치의 다른 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 비대칭 배플 배열을 사용하는 분광계 장치의 다른 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다.
도 1a는 본 발명에 따른 분광계 장치(112)를 포함하는 분광계 시스템(110)의 예시적인 실시예를 매우 개략적인 방식으로 도시한다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, 분광계 장치(112)는 스펙트럼 또는 그 격벽으로 표시되는 파장의 범위에 걸쳐서 입사광(114)의 대응 파장 또는 파장 간격에 대해서 입사광(114)의 신호 강도를 기록할 수 있는 장치이다. 본 발명에 따르면, 분광계 장치(112)는 특히 적외선(IR) 스펙트럼 영역, 바람직하게 근적외선(NIR) 및 중적외선(MidIR) 스펙트럼 범위에서 스펙트럼을 기록하도록 구성될 수 있으며, 특히, 입사광은 1 ㎛ 내지 5 ㎛, 바람직하게 1 ㎛ 내지 3 ㎛의 파장을 가질 수 있으며, 그에 따라 열, 화염, 화재 또는 연기의 검출에 적용 가능할 수 있으며, 추가의 적용이 가능하다. 여기에서, 입사광(114)은 하나 이상의 물품 및/또는 물품의 하나 이상의 부분을 포함하는 것과 같은 살아있는 물체 및 살아있지 않은 물체일 수 있는 물체(116)에 의해 생성 및/또는 반사될 수 있으며, 적어도 하나의 물품 또는 이의 적어도 부분은 IR, 특히 NIR 스펙트럼 영역에서의 조사에 적합할 수 있는 스펙트럼을 제공할 수 있는 적어도 하나의 구성요소를 포함할 수 있다.
도 1a에 개략적으로 도시된 예시적인 분광계 장치(112)는 길이 가변 필터의 바람직한 실시예로서 선형 가변 필터(118)를 포함한다. 여기에서, 선형 가변 필터(118)는 입사광(114)을 구성 파장 신호의 스펙트럼으로 분리하도록 지정되며, 검출기 어레이(120)는 수신된 파장 신호의 각각의 강도를 결정하도록 설계되며, 광학 요소(122)는 물체(116)로부터의 입사광(114)을 수신하고, 입사광(114)을 선형 가변 필터(118)로 전달하도록 지정된다.
본 발명에 따르면, 광학 요소(122)는, 입사광(114)이 분광계 장치(112)의 광 축선(123)에 대해서 비대칭인 광 경로를 따라 선형 가변 필터(118)로 전달되는 방식으로 배열되어 있다. 도 1a의 바람직한 예시적인 실시예에서, 광학 요소(122)는 광학 집광기 장치(124)를 포함하며, 여기서 광학 집광기 장치는 반대 방향(126)으로 작동되며, 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)는 단일 원형 측벽(128)을 포함한다. 여기에서, 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)는 입력부(130), 광학 안내 구조체(132) 및 출력부(134)를 포함한다. 결과적으로, 물체(116)에 의해 방출되거나 또는 반사될 수 있거나, 또는 물체(116)를 통과할 수 있는 입사광(114)은 입사광(114)을 수신하도록 설계된 입력부(130)에서 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)로 진입한다. 그 후에, 입력부(130)에 의해 포착된 입사광(114)은 바람직하게 입사광(114)을 확산시키도록 설계된 광학 안내 구조체(132)를 통과한다. 마지막으로, 이러한 방식으로 확산된 입사광(114)은 이러한 목적을 위해 지정된 출력부(134)에 의해 방출된다.
결과적으로, 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)의 출력부(134)에 의해 제공되는 광 빔의 우세한 비율(predominant share)은 선형 가변 필터(118)를, 평행 방식으로, 특히 수직 방식에서 선형 가변 필터(118)의 수신 표면(136)에 수직으로 충돌시킨다. 이 예시적인 실시예에서 사용되는 바와 같이, 선형 가변 필터(118)는 바람직하게 간섭 필터의 연속 배열로 제공되어 있는 복수의 간섭 필터를 갖는 광학 필터이거나 광학 필터를 포함한다. 여기에서, 간섭 필터들 각각은 가변 중심 파장이 공간 위치(138)의 선형 함수일 수 있는 방식으로 선형 가변 필터(118)의 수신 표면(136) 상의 각각의 공간 위치(138)에 대해 가변 중심 파장을 갖는 대역통과를 형성할 수 있다. 도 1a에 도시된 실시예에서와 같이, 그에 따라 선형 가변 필터(118)는 통상적으로 선형 가변 필터(118)의 "길이"로서 단일 치수를 따라 바람직하게 연속적으로 배열될 수 있다. 예로서, 선형 가변 필터(118)는 투명 기판(142) 상에 적어도 하나의 응답 코팅(140)을 운반할 수 있는 웨지 필터일 수 있으며, 응답 코팅(140)은 공간적으로 가변 특성, 특히 공간적으로 가변 두께(여기에 표시되지 않음)를 나타낼 수 있다. 여기에서, 투명 기판(142)은 바람직하게, 불화 칼슘(CaF2), 용융 실리카, 게르마늄, 불화 마그네슘(MgF), 브롬화 칼륨(KBr), 사파이어, 실리콘, 염화나트륨(NaCl), 아연 셀레나이드(ZnSe), 아연 황화물(ZnS), 붕규산-크라운 유리, 투명 전도성 산화물(TCO) 및 투명 유기 중합체로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있는 IR 스펙트럼 범위에서 높은 정도의 광학 투명도를 나타낼 수 있는 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있으며, 여기에서 CaF2, 용융 실리카, MgF, KBr, 사파이어, NaCl, ZnSe, ZnS, 붕규산-크라운 유리, 투명 전도성 산화물 및 선택된 투명 유기 중합체가 특히 NIR 스펙트럼 범위에 적용될 수 있다. 그러나 선형 가변 필터(118)의 다른 실시예도 또한 가능할 수 있다. 그러나, 다른 종류의 길이 가변 필터가 또한 본 발명의 목적에 적합할 수 있다.
선형 가변 필터(118)는 입사광(114)을 구성 파장 신호의 스펙트럼으로 분리하기 위해 지정된다. 이를 위해, 입사광(114)은 바람직하게 입사광(114)의 파장과 관련된 특정 공간 위치(138)에서 선형 가변 필터(118)를 통과할 수 있다. 입사광(114)이 입사광(114)의 파장과 관련된 특정 공간 위치(138)에서 선형 가변 필터(118)를 통과한 후, 검출기 어레이(120), 특히 검출기 어레이(120)에 의해 구성된 바와 같이 복수의 픽셀화된 센서(144) 중 하나에 충돌한다. 따라서, 픽셀화된 센서들(144) 각각은 전술한 바와 같이 선형 가변 필터(118)를 통과한 후에 입사광(114)에 의해 제공되는 구성 파장 신호들 중 하나의 적어도 일부를 수신한다. 또한, 픽셀화된 센서(144) 각각은 각각의 구성 파장의 강도와 관련된 검출기 신호를 제공하도록 구성된다. 다시 말해, 그에 따라 분광계 장치(112)는 구성 파장 신호에 기초하여 복수의 검출기 신호를 생성하도록 지정되며, 여기에서 검출기 신호 각각은 스펙트럼의 각 구성 파장의 강도와 관련된다.
도 1a에 추가로 도시된 바와 같이, 검출기 어레이(120)는 바람직하게 투명 갭(146)에 의해 선형 가변 필터(118)로부터 분리될 수 있고, 여기서 투명 갭(146)은 예로서 투명 기판(142)을 사용함으로써 얻어질 수 있다. 결과적으로, 투명 갭(146)에 적합한 폭을 선택함으로써 선형 가변 필터(118)에 대한 검출기 어레이(120)의 보다 정밀한 조정이 성취될 수 있다. 아래에 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 투명 갭(146)을 조정하면 분광계 장치(112)의 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
도 1a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 복수의 검출기 신호는 신호 리드(148)를 통해 분광계 장치(112)에 추가하여 분광계 시스템(110)에 의해 포함될 수 있는 평가 유닛(150)으로 전송될 수 있다. 여기에서, 평가 유닛(150)은 일반적으로 분광계 장치(112)의 검출기 어레이(120)에 의해 제공된 바와 같이 복수의 검출기 신호를 평가함으로써 물체(116)의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된다. 이를 위해, 평가 유닛(150)은 복수의 검출기 신호를 평가하기 위해 하나 이상의 전자 장치 및/또는 하나 이상의 소프트웨어 구성요소를 포함하며, 이들은 신호 평가 유닛(152)으로 상징적으로 표시되어 있다. 여기에서, 평가 유닛(150)은 하나 이상의 검출기 신호를 비교함으로써 물체(116)의 스펙트럼과 관련된 적어도 하나의 정보 아이템을 결정하도록 구성될 수 있다.
분광계 장치(112)의 광학 요소(122)에 의해 수신되는 입사광(114)은 발광 물체(116)에 의해 생성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 조명원(154)에 의해 생성된 광의 적어도 일부가 물체(116)를 통해 통과할 수 있는(여기에 도시되지 않음) 방식으로 및/또는 물체(116)는 입사광(114)이 광학 요소(122)에 의해 수신되도록 구성될 수 있도록 조명원(154)에 의해 생성된 광의 적어도 일부를 반사할 수 있는 방식으로, 입사광 (114)은, 주변 광원 및/또는 인공 광원, 특히 물체(116)를 조명하도록 지정될 수 있는 백열 램프(156)를 포함할 수 있는 별도의 조명원(154)에 의해 생성될 수 있다. 여기에서, 조명원(154)은 연속적으로 방출되는 광원 및/또는 변조된 광원이거나 이를 포함할 수 있다. 도 1a에 더 도시된 바와 같이, 조명원(154)은 필요한 경우 변조된 광을 제공하도록 구성될 수 있는 적어도 하나의 조명 제어 유닛(158)에 의해 제어될 수 있다. 여기에서, 조명 제어 유닛(158)은 추가적으로 조명에 대한 정보를 신호 평가 유닛(152)에 제공할 수 있으며 및/또는 도 1a에서 조명 제어 유닛(158)과 신호 평가 유닛(152) 사이의 연결부에 의해 상징적으로 표시된 신호 평가 유닛(152)에 의해 제어될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 물체(116)의 조명을 제어하는 것은 조명원(154)과 물체(116) 사이의 및/또는 물체(116)와 광학 요소(122) 사이의 빔 경로에서 수행될 수 있다. 추가 가능성이 고려될 수 있다.
일반적으로, 평가 유닛(150)은 데이터 처리 장치(160)의 일부일 수 있고 및/또는 하나 이상의 데이터 처리 장치(160)를 포함할 수 있다. 평가 유닛(150)은 적어도 분광계 장치(112)를 포함하는 하우징(162)에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있고 및/또는 무선 또는 유선 형태로 분광계 장치(112)에 전기적으로 연결될 수 있는 별도의 장치로서 완전히 또는 부분적으로 구현될 수 있다. 또한, 광학 요소(122), 선형 가변 필터(118), 및 검출기 어레이(120)는 적어도 분광계 장치(112)를 포함하는 하우징(162) 내측에 위치되는 것이 바람직하다. 평가 유닛(150)은 하나 이상의 전자 하드웨어 구성요소와 같은 하나 이상의 추가 구성요소, 및/또는 하나 이상의 측정 유닛 및/또는 하나 이상의 평가 유닛 및/또는 하나 이상의 제어 유닛(여기에는 도시되지 않음)과 같은 하나 이상의 소프트웨어 구성요소를 더 포함할 수 있다.
도 1a의 예시적인 실시예에서 추가로 도시된 바와 같이, 분광계 장치(112)는 광학 요소(122), 선형 가변 필터(118) 및 검출기 어레이(120)를 포함하고, 여기에서 선형 가변 필터(118) 및 검출기 어레이(120)는 분광계 장치(112)의 광 축선(123)을 따라 배치되는 반면에, 광학 요소(122)는 광 축선(123)에 대해서 비대칭 방식으로 배열되며, 그 결과 입사광(114)은 광 축선(123)에 비대칭인 광 경로를 따라 선형 가변 필터(118)로 전달된다. 구체적으로, 광 축선(123)은 선형 가변 필터(118) 및 검출기 어레이(120) 중 적어도 하나의 설정의 대칭 축선 및/또는 회전 축선일 수 있다. 특히, 그에 따라 광 축선(123)은 선형 가변 필터(118)의 수신 표면(136)에 직교하는 평면에 평행할 수 있다. 따라서, 광학 요소(122)의 대칭 축선(164)은 분광계 장치(112)의 광 축선(123)에 대해, 바람직하게는 선형 가변 필터(118)의 수신 표면(136)에 수직인 평면에 평행한 각도 α만큼 경사질 수 있다.
여기에서, 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)는 광학 집광기 장치(124)의 반사율을 향상시키기 위해 IR 스펙트럼 범위에서 높은 광 투과율을 갖는 투명한 광학 재료의 전체 본체(여기에서 도시되지 않음)의 형태로 제공될 수 있다. 특히, 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)는, 바람직하게 불화 칼슘(CaF2), 용융 실리카, 게르마늄, 불화 마그네슘(MgF), 브롬화 칼륨(KBr), 사파이어, 실리콘, 염화나트륨(NaCl), 아연 셀레나이드(ZnSe), 황화 아연(ZnS), 붕규산-크라운 유리, 투명 전도성 산화물(TCO) 및 투명 유기 중합체로부터 선택될 수 있는 IR 스펙트럼 범위에서 높은 정도의 광학 투명도를 갖는 적어도 부분적으로 광학적으로 투명한 재료의 전체 본체의 형태로 제공될 수 있으며, 여기서 CaF2, 용융 실리카, MgF, KBr, 사파이어, NaCl, ZnSe, ZnS, 붕규산-크라운 유리, 투명 전도성 산화물 및 선택된 투명 유기 중합체는 특히 NIR 스펙트럼 범위에 적용 가능하며, 높은 굴절률을 갖는 실리콘 및 게르마늄은 이들이 전체 본체의 측벽에서 발생할 수 있는 전체 반사를 지지할 수 있기 때문에 특히 바람직하다.
그러나, 도 1a에 추가로 도시된 바와 같이, 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)는 대안으로서, 광학 집광기 장치(124)의 종축에 대해 측방향 방식으로 배열될 수 있는 2개의 대향하는 개별 측벽(166)을 갖는 중공 본체(165)의 형태로 제공될 수 있으며, 이들 개별 측벽들은 원하는 원뿔 형상(128)을 구성한다. 2개의 대향하는 개별 측벽들(166)이 측방향 위치에 위치되는 것에 더하여, 광학 집광기 장치(124)는 광학 집광기 장치(124)에 폐쇄된 형상을 제공하기 위해 베이스 플레이트 및 커버 플레이트(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 결과적으로, 광학 집광기 장치(124)의 형상은 측벽(166) 중 임의의 하나와, 광학 집광기 장치(124)의 베이스 플레이트 또는 커버 플레이트 중 하나 사이의 교차 라인에 적어도 4개의 코너 라인을 포함한다. 이를 위해, 원하는 원뿔 형상(128)을 나타내는 베이스 플레이트, 커버 플레이트 및 2개의 개별 측벽(166)을 갖는 중공 본체(165)는 진공을 포함할 수 있거나, 반대 방향(126)에서 작동되는 광학 집광기 장치(124)로서 적용될 수 있도록, 특히 대기, 질소 가스, 이산화탄소, 침지 오일, 또는 캐나다 발삼(Canada balsam)으로부터 선택된 가스 및/또는 유체 광학적으로 투명한 재료로 바람직하게 완전하게 및/또는 균일하게 충전될 수 있다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 전달 장치(도시되지 않음), 특히 굴절 렌즈가 광학 요소(122)와 선형 가변 필터(118) 사이에 추가로 배치될 수 있다. 그러나, 광학 요소(122)는 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)의 형태로 도 1a, 도 1b, 도 2a 및 도 2b의 특정 실시예에서 구현되기 때문에, 전달 장치, 특히 굴절 렌즈의 사용은, 광학 요소(122)의 이러한 구현이 특히 수직 방식으로 선형 가변 필터(118)의 수신 표면(136)에 수직인 선형 가변 필터(118)에 충돌할 수 있는 평행 광 빔의 우세한 비율을 제공하는 것과 관련하여, 전달 장치, 특히 굴절 렌즈의 기능을 동시에 수행할 수 있기 때문에 필수적인 것으로 보인다.
다양한 실시예에서, 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)를 구성하는 중공 본체(165)의 측벽(166)은, 주로 평행한 방식으로 선형 가변 필터(118)에 충돌하도록 궁극적으로 입사광을 안내할 수 있는 경로로부터 높은 정도로 벗어날 수 있는 입사광(114)의 그러한 파장을 흡수하도록 구성된 측벽(도시하지 않음)으로 설계될 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 중공 본체(165)의 이러한 종류의 측벽은, 입사광(114)의 흡수 비율이 선형 가변 필터(118)를 통과하고 궁극적으로 검출기 어레이(120)에 도달하는 것을 방지하고, 그에 따라 검출기 신호에 기여할 수 없기 때문에 분광계 장치(112)의 효율을 감소시킬 수 있다.
따라서, 도 1a에 도시된 바와 같이 특히 바람직한 실시예에서, 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)를 구성하는 중공 본체(165)의 측벽(166) 중 적어도 하나는 입사광(114)을 반사하도록 구성될 수 있는 반사성 측벽(168)으로 지정될 수 있다. 결과적으로, 그에 따라 반사 측벽(168)은 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이 추가의 광 빔(170)이 반사 측벽(168)에서의 반사에 의해 선형 가변 필터(118)로 안내되고, 그리고 그에 따라 또한 검출기 신호에 기여할 수 있는 검출기 어레이(120)로 안내되도록 함으로써 분광계 장치(112)의 효율을 증가시킬 있다. 결과적으로, 그에 따라 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)를 구현하는 중공 본체(165)를 규정할 수 있는 반사 측벽(168)을 제공함으로써 특히 신호 대 잡음비를 감소시킴으로써 분광계 장치(112)의 효율을 추가로 증가시킬 수 있다.
도 1b에 평면도에 개략적으로 도시된 바와 같이, 도 1a에 도시된 바와 같이 분광계 장치(112) 내의 광학 요소(122)의 비대칭 배열(200)은 추가적인 이점을 제공할 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 3개의 상이한 파장을 갖는 3개의 상이한 광 빔(170, 170', 170") 각각은 정의된 허용오차 레벨 내에서 그들 파장에 관계없이 동일한 강도를 갖는 검출기 어레이(120)의 대응하는 픽셀화된 센서(144)에서 검출기 신호(172, 172', 172")를 생성할 수 있다. 심지어 이러한 장점은 IR 스펙트럼 범위 내에서 열 방출기로 간주될 수 있고 그리고 따라서 파장이 증가함에 따라 감소하는 방출 전력을 나타내는 조명원(158)으로서 백열 램프(156)를 사용할 때 달성될 수 있다. 그러나, 이 효과는 광학 요소(122)의 비대칭 배열에 의해 보다 중요할 수 있으며, 더 긴 파장을 갖는 광 빔(170")에 비해 더 짧은 파장을 갖는 광 빔(170)에 대한 더 긴 경로가 제공될 수 있다.
또한, 픽셀화된 센서(144)에서 광 빔(170, 170', 170")의 강도에 영향을 줄 수 있는 추가 효과는 이러한 방식으로 보다 중요할 수 있다. 특히, 공지된 IR 흡수 재료는 파장이 증가함에 따라 증가된 흡수의 경향을 나타낸다. 또한, 선형 가변 필터(118)의 대역통과 폭은 전형적으로 선형 가변 필터(118)의 스펙트럼 범위에 걸쳐서 1 %와 같은 일정한 값을 가정하므로, 대역통과에 반비례하는 선형 가변 필터(118)의 해상도는 또한 파장이 증가함에 따라 감소한다. 또한, 선형 가변 필터(118)의 해상도는 일반적으로 선형 가변 필터의 중심 파장에 좌우된다. 그러나, 광학 요소(122)의 비대칭 배열은 분광계 장치(112)가 더 긴 파장에 대해 더 잘 수신될 수 있게 하는 반면, 백열 램프(158)의 더 높은 방출 전력 및 더 짧은 파장에서 더 낮은 대역통과 폭은 분광계 장치(112)의 효율이 그의 파장 범위에 걸쳐서 보다 균등하게 분배될 수 있게 한다.
반대 작동식 광학 집광기 장치의 측벽(168) 중 적어도 하나가 반사 측벽(168)으로서 설계되기 때문에 분광계 장치(112)의 효율은 더욱 증가될 수 있다. 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 반사 측벽(168)은 추가 광 빔(170*)이 반사 측벽(168) 상에서의 반사에 의해 선형 가변 필터(118)로 안내되고, 이어서 검출기 어레이(120)로 안내될 수 있고, 또한 이들은 검출기 신호에 기여할 수 있다. 그러나, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 분광계 장치(112)의 예시적인 실시예는 흡수성 측벽(도시하지 않음)으로 또한 구현될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 반대 작동식 광학 집광기(124)의 바람직한 비원뿔 형상(174)의 2개의 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다. 도 2a는 광학 집광기 장치(124)의 비원뿔 형상(174)이 포물형 형상(178)을 포함하는 복합 포물형 집광기(176)를 개략적으로 도시하는 반면에, 도 2b는 광학 집광기 장치(124)의 비원뿔 형상(174)이 타원형 형상(182)을 포함하는 복합 타원형 집광기(180)를 개략적으로 도시한다. 그러나, 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)는 또한 비원뿔형인 다른 형상이라고 가정할 수 있다. 도 2a 및 도 2b의 비원뿔형 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)의 추가적인 세부사항에 대해서는, 도 1a의 원뿔 형상 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)의 설명을 참조할 수 있다.
또한, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)의 종축에 대해 측방향 위치에 위치되는 개별 측벽(166)의 바람직한 프로파일(183)의 예시적인 실시예의 측면도를 도시한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 개별 측벽(166), 특히 반사 측벽(168)은 특히 분광계 장치(112)의 효율을 더 증가시키기 위해 둥근 측벽이다. 이에 의해, 개별 측벽(166) 각각의 프로파일(183)은 바람직하게 도 3a 및 도 3c에 도시된 포물형 프로파일(184)로부터 또는 도 3b 및 도 3d에 도시된 타원형 프로파일로부터 선택될 수 있다. 여기에서, 둥근 측벽은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)를 구성할 수 있는 중공 본체(178)의 표면으로 침입될 수 있는 침입 프로파일(188)을 가정할 수 있다. 도 3c 및 도 3d에 개략적으로 도시된 대안으로서, 둥근 측벽은 광학 집광기 장치(124)가 다른 부분에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 광학적으로 투명한 재료의 전체 본체(192)이거나 이를 포함하는 경우 광학 집광기 장치(124)의 표면으로부터 돌출될 수 있는 돌출 프로파일(190)을 가정할 수 있다. 그러나, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같은 추가의 대안은 본 발명에 따른 반대 작동식 광학 집광기 장치(124)의 측벽(176)에도 적용될 수 있다. 여기에서, 광학 집광기 장치(124)의 측벽(166)은 균일한 형상일 수 있거나, 상이한 위치에서 상이한 타입의 형상을 포함할 수 있다. 특히, 광학 집광기 장치(124)의 대향 측벽은 동일한 방식으로, 또는 대안으로서 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 예로서, 광학 집광기 장치(124)의 측벽(166) 중 하나는 제 1 종류의 프로파일을 포함할 수 있는 반면, 광학 집광기 장치(124)의 대향 측벽(166)은 제 1 종류의 프로파일과 상이한 제 2 종류의 프로파일을 포함할 수 있다.
도 4는, 특히 굴절 렌즈(202)이거나 이를 포함할 수 있는 전달 요소(200)가 바람직하게 물체(112)와 선형 가변 필터(118) 사이에 광학 요소(122)로서 배열될 수 있는 추가 실시예의 평면도를 도시한다. 바람직하게, 굴절 렌즈(202)는 특히 이중볼록 렌즈(204), 평면볼록 렌즈, 이중오목 렌즈, 평면오목 렌즈, 비구면 렌즈, 원통형 렌즈 및 메니스커스 렌즈로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있고, 이중 볼록 렌즈(204)가 특히 바람직할 수 있다. 그러나 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이, 굴절 렌즈(202)는 바람직하게 입사광(114)이 광 축선(123)에 비대칭인 광 경로를 따라 선형 가변 필터로 전달되도록 광 축선(123)에 대해 비대칭 방식으로 배열될 수 있는 대칭 본체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 굴절 렌즈(202)의 대칭 축선(164)은 분광계 장치(112)의 광 축선(123)에 대해, 바람직하게 선형 가변 필터(118)의 수신 표면(136)에 수직인 평면에 평행한 각도 α만큼 경사질 수 있다. 그러나, 다른 종류의 전달 요소(200), 특히 복합 렌즈(여기에서는 도시되지 않음) 및 추가의 종류의 배열이 또한 가능할 수 있다. 결과적으로, 경사진 굴절 렌즈(202)는 여기서 경사진 광 원뿔을 생성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 모든 들어오는 광 빔은 더 긴 파장을 수신하도록 구성될 수 있는 선형 가변 필터(118) 상의 공간 위치(138)를 지향될 수 있는 방식으로 배열될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 적어도 하나의 배플(204)이 비대칭 배열로 사용되는 분광계 장치(112)의 다른 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다. 그러나, 다른 종류의 비대칭 배플 배열이 또한 고려될 수 있다.
도 5a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 다수의 평면 배플 플레이트(206)를 포함하는 배플(204)은 서로에 대해 평행하게 배열된다. 여기에서, 입사광 빔은 바람직하게 2개의 인접한 배플 플레이트(206) 사이를 통과하여 배플 플레이트(206)의 배열과 평행한 광 빔이 배플(204)을 통과할 수 있는 반면, 배플(204) 내로의 상이한 입사각을 나타내는 광 빔은 배플 플레이트(206)의 표면의 설계에 따라 반사되거나 흡수될 가능성이 있다. 본 발명에 따른 원하는 비대칭 배열을 성취하기 위해서, 도 5a의 예시적인 실시예에서 배플(204)은 분광계 장치(112)의 광 축선(123)에 대해, 바람직하게 선형 가변 필터(118)의 수신 표면(136)에 수직인 평면에 평행한 각도 α만큼 경사져 있다. 결과적으로, 경사진 배플(204)은 모든 들어오는 광 빔이 더 긴 파장을 수신하도록 구성될 수 있는 선형 가변 필터(118) 상의 공간 위치를 향할 수 있게 하는 방식으로 모든 입사광 빔을 안내하기 위해 사용될 수 있다.
도 5b는 배플(204)의 비대칭 배열이 분광계 장치(112)의 광 축선(123)에 대해 평행한 방식으로 배플(204)을 배열함으로써 성취되는 분광계 장치(112)의 다른 예시적인 실시예를 도시하지만, 배플 플레이트(206)의 한 종류의 표면의 선택된 격벽(208)은 코팅된다. 여기에서, 코팅은 공지된 코팅 방법, 특히 경사진 진공 증착을 사용하여 성취될 수 있다. 그러나, 다른 종류의 코팅 방법이 또한 적용될 수 있다. 결과적으로, 입사광 빔은 바람직하게 2개의 인접한 배플 플레이트(206) 사이를 통과하여 배플 플레이트(206)의 배열과 평행한 광 빔이 배플(204)을 통과할 수 있는 반면, 배플(204) 내로의 상이한 입사각을 나타내는 광 빔은 이들이 배플 플레이트(206)의 표면의 일 측면의 선택적으로 코팅된 격벽(208)에 충돌할 수 있는지 여부에 따라 반사되거나 흡수될 수 있다.
110: 분광계 시스템
112: 분광계 장치
114: 입사광
116: 물체
118: 가변 길이 필터의 바람직한 예로서 선형 가변 필터
120: 검출기 어레이
122: 광학 요소
123: 광 축선
124: 반대 작동식 광학 집광기 장치
126: 반대 방향
128: 원뿔 형상
130: 입력부
132: 안내 구조체
134: 출력부
136: 수신 표면
138,138': 공간 위치
140: 응답 코팅
142: 투명 기판
144: 픽셀화된 센서
146: 투명 갭
148: 신호 리드
150: 평가 유닛
152: 신호 평가 유닛
154: 조명원
156: 백열 램프
158: 조명 제어 유닛
160: 데이터 처리 장치
162: 하우징
164: 대칭 축선
165: 중공 본체
166: 개별 측벽
168: 반사 측벽
170, 170', 170", 170*: 광 빔
172: 검출기 신호
174: 비원뿔 형상
176: 복합 포물형 집광기
178: 포물형 형상
180: 복합 타원형 집광기
182: 타원형 형상
183: 프로파일
184: 포물형 프로파일
186: 타원형 프로파일
188: 침입 프로파일
190: 돌출 프로파일
192: 전체 본체
200: 전달 요소
202: 굴절 렌즈
204: 배플
206: 배플 플레이트
208: 선택적으로 코팅된 격벽
112: 분광계 장치
114: 입사광
116: 물체
118: 가변 길이 필터의 바람직한 예로서 선형 가변 필터
120: 검출기 어레이
122: 광학 요소
123: 광 축선
124: 반대 작동식 광학 집광기 장치
126: 반대 방향
128: 원뿔 형상
130: 입력부
132: 안내 구조체
134: 출력부
136: 수신 표면
138,138': 공간 위치
140: 응답 코팅
142: 투명 기판
144: 픽셀화된 센서
146: 투명 갭
148: 신호 리드
150: 평가 유닛
152: 신호 평가 유닛
154: 조명원
156: 백열 램프
158: 조명 제어 유닛
160: 데이터 처리 장치
162: 하우징
164: 대칭 축선
165: 중공 본체
166: 개별 측벽
168: 반사 측벽
170, 170', 170", 170*: 광 빔
172: 검출기 신호
174: 비원뿔 형상
176: 복합 포물형 집광기
178: 포물형 형상
180: 복합 타원형 집광기
182: 타원형 형상
183: 프로파일
184: 포물형 프로파일
186: 타원형 프로파일
188: 침입 프로파일
190: 돌출 프로파일
192: 전체 본체
200: 전달 요소
202: 굴절 렌즈
204: 배플
206: 배플 플레이트
208: 선택적으로 코팅된 격벽
Claims (15)
- 분광계 장치(112)에 있어서,
- 물체(116)로부터 입사광(114)을 수신하고, 상기 입사광(114)을 길이 가변 필터(118)로 전달하도록 설계된 광학 요소(122) ― 상기 광학 요소(122)는 입사광(114)이 분광계 장치(112)의 광 축선(123)에 대해서 비대칭인 광 경로를 따라서 길이 가변 필터(118)로 전달되는 방식으로 배열되며, 상기 광학 요소(122)는 비대칭 형상을 나타냄; ―;
- 입사광(114)을 구성 파장 신호의 스펙트럼으로 분리하도록 지정된 상기 길이 가변 필터(118); 및
- 복수의 픽셀화된 센서(144)를 포함하는 검출기 어레이(120) ― 상기 픽셀화된 센서(144) 각각은 구성 파장 신호 중 하나의 적어도 일부를 수신하도록 구성되며, 상기 구성 파장 신호 각각은 각 구성 파장의 강도와 관련됨 ―를 포함하는
분광계 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광학 요소(122)는 반대 방향(126)에서 작동되는 광학 집광기 장치(124), 전달 요소(200), 또는 배플 필터(204) 중 적어도 하나로부터 선택되는
분광계 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 광학 집광기 장치(124)는 원뿔 형상(128) 또는 비원뿔 형상(174)을 포함하며, 상기 광학 집광기 장치(124)의 비원뿔 형상(174)은 포물형 형상(168) 또는 타원형 형상(182)으로부터 선택된 형상을 포함하는
분광계 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 집광기 장치(124)는 길이 가변 필터(118)에 대해 비대칭 방식으로 배열되고, 상기 광학 집광기 장치(124)는 길이 가변 필터(118)의 수신 표면(136)에 수직인 평면에 대해 경사져 있는
분광계 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 광학 집광기 장치(124)는, 상기 길이 가변 필터(118)로 전달되는 입사광(114)을, 입사광(114)의 파장을 수신하도록 설계된 길이 가변 필터(118) 상의 공간 위치(138)에서 길이 가변 필터(118)의 수신 표면(136)에 수직인 길이 가변 필터(118)에 충돌시키거나 또는 입사광(114)의 파장을 초과하는 추가 파장을 수신하도록 설계된 길이 가변 필터(118) 상의 추가 공간 위치(138')에 충돌시키는 방식으로 길이 가변 필터(118)의 수신 표면(136)에 수직인 평면에 대해 경사져 있는
분광계 장치. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 집광기 장치(124)는 입사광(114)을 반사시키도록 구성된 적어도 2개의 측벽(166)을 구비하는
분광계 장치. - 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전달 요소(200)는 단일 렌즈, 또는 적어도 2개의 단일 렌즈를 갖는 복합 렌즈를 포함하며, 상기 전달 요소(200)는 비대칭 특성을 나타내고, 상기 전달 요소(200)의 비대칭 특성은 비대칭 렌즈 형상, 비대칭 복합 렌즈, 또는 분광계 장치(112)의 광 축선(123)에 대한 단일 렌즈 또는 복합 렌즈의 비대칭 배열 중 적어도 하나로부터 선택되는
분광계 장치. - 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배플 필터(204)의 비대칭 특성은 배플 필터(204)의 비대칭 형상 또는 분광계 시스템(112)의 광 축선(123)에 대한 배플 필터(204)의 비대칭 배열 중 적어도 하나로부터 선택되는
분광계 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 배플 필터(204)의 비대칭 배열은 분광계 시스템(112)의 광 축선(123)에 대한 배플 필터(204) 및/또는 배플 평면(206)의 표면 상의 선택적으로 코팅된 격벽(208)을 포함하는 배플 필터(204)의 경사진 배열을 포함하는
분광계 장치. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출기 어레이(120)는 투명 갭(146)에 의해 상기 길이 가변 필터(110)로부터 분리되는
분광계 장치. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
물체(116)를 조명하도록 구성된 조명원(154)을 추가로 포함하는
분광계 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 조명원(154)은 백열 램프(156)를 포함하는
분광계 장치. - 분광계 시스템(110)에 있어서,
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 분광계 장치(112); 및
- 상기 분광계 장치(112)에 의해 제공된 검출기 신호(172, 172', 172")를 평가함으로써 물체(116)의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 평가 유닛(150)을 포함하는
분광계 시스템. - 제 13 항에 있어서,
물체(116)를 조명하도록 구성된 조명원(154)을 추가로 포함하는
분광계 시스템. - 분광계 장치(112)로 언급하는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 분광계 장치(112) 또는 분광계 시스템(110)으로 언급하는 제 13 항 또는 제 14 항에 기재된 분광계 시스템(110)의 용도에 있어서,
사용 목적을 위해, 적외선 검출 적용; 열 검출 적용; 온도계 적용; 열 추적 적용; 화염 감지 적용; 화재 감지 적용; 연기 검출 적용; 온도 감지 적용; 분광학 적용; 배기 가스 모니터링 적용; 연소 공정 모니터링 적용; 오염 모니터링 적용; 산업 공정 모니터링 적용; 화학 공정 모니터링 적용; 식품 가공 공정 모니터링 적용; 수질 모니터링 적용; 대기질 모니터링 적용; 품질 제어 적용; 온도 제어 적용; 모션 제어 적용; 배기 제어 적용; 가스 감지 적용; 가스 분석 적용; 모션 감지 적용; 화학물질 감지 적용으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는
용도.
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