KR102436763B1 - 초분광 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입사광을 파장 별로 각도를 변환하도록 구성된 파장 별 각도 변환부, 입사 각도와 파장에 따라 상기 입사광을 선택적으로 회절시키도록 구성된 회절부, 적어도 하나의 렌즈를 포함하며, 상기 회절부를 통과한 회절광을 집속시키도록 구성된 포커싱 광학계, 및 상기 포커싱 광학계를 통과하여 초점 면에 형성된 이미지를 획득하도록 구성되는 이미지 센서를 포함하되, 상기 회절부는 내부에 주기적인 굴절률 분포를 갖는 볼륨 브래그 격자를 포함하는 초분광 센서를 제공한다.

Description

초분광 센서{Hyperspectral sensor}
본 발명은 초분광 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 볼륨 브래그 격자(Volume Bragg grating)를 포함하는 초분광 센서에 관한 것이다.
위험물, 농업 작물의 생육 상태 및 호소의 녹조 번성 등을 넓은 영역에서 탐지하기 위해서 공간적인 분포 외에 해당 물체의 분광학적 특성을 파악할 수 있는 초분광 센서가 사용되고 있다. 이러한 초분광 센서는 유인 항공기 및 소형 무인 비행체에 탑재되고 있다. 소형 무인 이동체에 탑재되는 경우에 활용 범위가 매우 넓어지는 장점이 있어 이를 실현하기 위하여 초분광 센서의 크기와 무게를 줄이려는 많은 노력이 이루어지고 있다.
본 발명은 소형화, 간소화된 초분광 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 초분광 센서는 입사광을 파장 별로 각도를 변환하도록 구성된 파장 별 각도 변환부, 입사 각도와 파장에 따라 상기 입사광을 선택적으로 회절시키도록 구성된 회절부, 적어도 하나의 렌즈를 포함하며, 상기 회절부를 통과한 회절광을 집속시키도록 구성된 포커싱 광학계, 및 상기 포커싱 광학계를 통과하여 초점 면에 형성된 이미지를 획득하도록 구성되는 이미지 센서를 포함하되, 상기 회절부는 내부에 주기적인 굴절률 분포를 갖는 볼륨 브래그 격자를 포함할 수 있다.
상기 파장 별 각도 변환부는 적어도 하나 이상의 프리즘을 포함할 수 있다.
상기 파장 별 각도 변환부는 회절 격자를 포함하고, 상기 회절 격자는 내부에 주기적인 굴절률 분포를 가질 수 있다.
상기 회절 격자는 막 형태의 제1 부분들 및 상기 제1 부분들 사이의 제2 부분들을 포함하되, 상기 제1 부분들 및 상기 제2 부분들은 교대로 반복되고, 상기 제1 부분들의 평균 굴절률은 상기 제2 부분들의 평균 굴절률보다 크고, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 굴절률 차이는 0.01 이상이고, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 각각의 길이는 50 μm 이하일 수 있다.
상기 볼륨 브래그 격자는 막 형태의 제1 부분들 및 상기 제1 부분들 사이의 제2 부분들을 포함하되, 상기 제1 부분들 및 상기 제2 부분들은 교대로 반복되고, 상기 제1 부분들의 평균 굴절률은 상기 제2 부분들의 평균 굴절률보다 클 수 있다.
상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 굴절률 차이는 10-3 이하이고, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 각각의 길이는 0.5 mm 이상일 수 있다.
상기 파장 별 각도 변환부는 회절 격자를 포함하고, 상기 회절 격자 및 상기 볼륨 브래그 격자가 나란하게 제공될 수 있다.
상기 회절 격자는 표면에 주기적인 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 초분광 센서는 일 방향으로 진행하며 공간의 이미지를 스캔하고,
상기 초분광 센서에서 발생하는 파장 별 조준 각도 오차는 스캔 이후 보정될 수 있다.
상기 파장 별 각도 변환부는 회절 격자를 포함하고, 상기 입사광이 입사되는 상기 회절 격자의 일 측면을 덮는 중공형 육면체 형태의 덕트를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서는 프리즘 또는 회절 격자 중 적어도 어느 하나를 포함하는 파장 별 각도 변환부, 상기 파장 별 각도 변환부와 이격되는 이미지 센서, 상기 파장 별 각도 변환부 및 상기 이미지 센서 사이에 제공되며, 볼륨 브래그 격자를 포함하는 회절부, 및 상기 회절부 및 상기 이미지 센서 사이에 제공되며, 렌즈 또는 반사경을 포함하는 포커싱 광학계를 포함하되, 상기 볼륨 브래그 격자는 내부에 주기적인 굴절률 분포를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초분광 센서는 초점 거리를 갖는 구성을 하나만 포함하여, 센서가 소형화, 간소화되고, 제작 및 정렬이 용이할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 센서는 격자 및 프리즘을 포함하는 파장 별 각도 변환부를 통해 파장 별 조준 각도 오차를 최소화할 수 있다.
도 1a는 종래 기술에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 평면도이다.
도 1b는 종래 기술에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도이다.
도 1c 및 도 1d는 종래 기술에 따른 초분광 센서를 사용하여 측정된 이미지를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 1e는 종래 기술에 따른 초분광 센서의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도이다.
도 2c는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3, 도 8a, 도 8b, 도 10, 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도들이다.
도 4는 도 3에 따른 초분광 센서의 볼륨 브래그 격자를 설명하기 위한 확대도로, 도 3의 Ⅰ 부분에 대응된다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서에 사용될 수 있는 회절 격자들의 파장 및 각도에 따른 회절 효율을 비교하기 위한 그래프들이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서를 사용하여 측정된 이미지를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 7a는 초분광 센서의 파장 별 조준 각도 오차(wavelength dependent aiming angle error)의 원인을 설명하기 위한 정면도이다.
도 7b는 도 7a에 따른 초분광 센서를 사용하여 측정된 이미지를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서에서 프리즘의 개수에 따른 파장 별 조준 각도 오차를 비교하기 위한 그래프들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 '상(上)에' 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초분광 센서의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.
도 1a는 종래 기술에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 평면도(spatial diagram)이다. 도 1b는 종래 기술에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도(spectral diagram)이다. 도 1a에서 서로 다른 종류의 선들은 서로 다른 각도로 입사되는 광들을 의미하고, 도 1b에서 서로 다른 종류의 선들은 서로 다른 파장의 광들을 의미한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 초분광 센서는 전방 광학계(fore optics, 11), 슬릿(12), 시준기(collimator, 13), 회절 격자(diffraction grating, 14), 포커싱 광학계(focusing optics, 15) 및 이미지 센서(16)를 포함한다. 전방 광학계(11)의 초점 면은 슬릿(12) 상에 위치하고, 포커싱 광학계(15)의 초점 면은 이미지 센서(16) 상에 위치한다. 슬릿(12)은 수평 방향(horizontal direction, HD)으로 연장되는 띠 형태이다. 구체적으로, 슬릿(12)은 수평 방향(HD)으로 연장되고, 수직 방향(vertical direction, VD)으로 얇은 폭을 가지는 형태이다. 도 1b를 참조하면, 슬릿(12)은 수직 방향(VD)과 서로 다른 각도를 가지고 입사되는 광들 중에서 슬릿(12)에서 초점이 맺히는 광들만을 투과시킨다. 이에 따라, 슬릿(12)은 띠 형태의 이미지를 투과시키고, 이외의 광들을 필터링한다.
슬릿(12)을 통과한 광들은 시준기(13)에 의해 회절 격자(14)를 향해 평행하게 진행하게 된다. 회절 격자(14)는 입사되는 광들을 파장에 따라 다른 각도로 분산시킨다. 분산된 광들은 포커싱 광학계(15)에 의해 이미지 센서(16) 상에 초점이 맺히게 된다. 이미지 센서(16)에 도달한 광들은 파장에 따라 이미지 센서(16) 상에서 수직 방향(VD)으로 서로 다른 위치에 초점이 맺혀서, 파장 정보를 나타낸다.
종래 기술에 따른 초분광 센서는 이미지 센서(16) 상에 생성된 상의 좌표로부터 파장 정보 및 공간 정보를 알 수 있다. 종래 기술에 따른 초분광 센서는 수직 방향(VD)으로 진행하면서 공간의 전체 이미지를 스캔하는 푸시 브룸(push broom) 방식을 사용한다.
도 1c 및 도 1d는 종래 기술에 따른 초분광 센서를 사용하여 측정된 이미지를 설명하기 위한 개념도들이다. 보다 구체적으로, 도 1c는 전방 광학계(11)를 통과하여 슬릿(12)에 맺히는 이미지를 도시한 것이고, 도 1d는 전방 광학계(11), 슬릿(12), 시준기(13), 회절 격자(14) 및 포커싱 광학계(15)를 통과하여 이미지 센서(16)에 맺히는 이미지를 도시한 것이다. 이하에서, 수평 방향(HD) 및 수직 방향(VD)과 수직한 방향에서 입사되는 광을 기준 각도 0도에서 입사되는 것으로 정의한다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 제1 이미지(X1')는 수평 방향(HD)으로 약 -16도 내지 -8도, 수직 방향(VD)으로 약 +4도 내지 +12도의 범위에서 입사되는 광의 이미지일 수 있다. 또한, 제1 이미지(X1')는 약 700nm의 파장을 갖는 입사광의 이미지일 수 있다. 제2 이미지(X2')는 수평 방향(HD)으로 약 -4도 내지 +4도, 수직 방향(VD)으로 약 -4도 내지 +4도의 범위에서 입사되는 광의 이미지일 수 있다. 또한, 제2 이미지(X2')는 약 600nm 및 약 650nm의 파장을 갖는 입사광들의 이미지일 수 있다. 제3 이미지(X3')는 수평 방향(HD)으로 약 +8도 내지 +16도, 수직 방향(VD)으로 약 -8도 내지 +8도의 범위에서 입사되는 광의 이미지일 수 있다. 또한, 제3 이미지(X3')는 약 500nm의 파장을 갖는 입사광의 이미지일 수 있다. 초분광 센서 전체가 수직 방향(VD)으로 이동하면서 공간 전체를 스캔할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 수직 방향(VD)으로 약 0도의 범위(BR)에서 입사되는 광들이 슬릿(12)을 통과하여 이미지 센서(16)에 도달할 수 있다. 이에 따라, 제2 이미지(X2')에 해당하는 입사각과 약 650nm의 파장을 갖는 입사광은 슬릿(12)을 통과하여 이미지 센서(16)에서 제1 스캔 이미지(X21')를 형성할 수 있다. 또한, 제2 이미지(X2')에 해당하는 입사각과 약 600nm의 파장을 갖는 입사광은 슬릿(12)을 통과하여 이미지 센서(16)에서 제2 스캔 이미지(X22')를 형성할 수 있다. 또한, 제3 이미지(X3')에 해당하는 입사각과 약 500nm의 파장을 갖는 입사광은 슬릿(12)을 통과하여 이미지 센서(16)에서 제3 스캔 이미지(X31')를 형성할 수 있다. 제1 이미지(X1')에 해당하는 입사각과 약 700nm의 파장을 갖는 입사광은 슬릿(12)을 통과하지 않을 수 있다. 제1 이미지(X1')에 해당하는 입사각을 갖는 입사광은 이미지 센서(16)에 도달하지 않을 수 있다.
도 1e는 종래 기술에 따른 초분광 센서의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1e를 참조하면, 탐지 대상(Object)으로부터 방출되는 광은 탐지 대상의 좌표 정보(F10)를 포함한다. 탐지 대상의 좌표 정보(F10)는 x좌표 및 y좌표로 표현된다. 탐지 대상으로부터 방출되는 광의 정보는 전방 광학계(11)로 입사되면서, 좌표 정보(F10)를 변수로 하는 각도 정보들(F20)로 변환된다. 이후, 전방 광학계(11)를 통과한 광은 각각 각도 정보들(F20) 중 하나와 전방 광학계(11)의 초점 거리(f1)를 변수로 하는 좌표 정보들(F30)로 표현된다. 이후, 슬릿(12)을 통과한 광은 전방 광학계(11)의 초점 거리(f1)를 변수로 하는 x좌표 정보(F40)만으로 표현된다. 슬릿(12)을 통과하면서 좌표 정보들(F30) 중 y좌표는 0으로 고정된다. 이후, 시준기(13)를 통과한 광은 시준기(13)의 초점 거리(f2) 및 슬릿(12)을 통과한 광의 x좌표 정보(F40)를 변수로 하는 각도 정보(F50)로 표현된다. 이후, 회절 격자(14)를 통과한 광은 각각 시준기(13)를 통과한 광의 x좌표 정보(F50) 및 광의 파장 정보(λ)를 변수로 하는 각도 정보들(F60)로 표현된다. 최종적으로, 포커싱 광학계(15)를 통과하여 이미지 센서(image sensor, 16)에 도달하는 광은 각각 각도 정보들(F60) 중 하나와 및 포커싱 광학계(15)의 초점 거리(f3)를 변수로 하는 좌표 정보들(F70)로 표현된다. 즉, 이미지 센서(16)에 나타나는 이미지는 세 개의 초점 거리(f1, f2, f3)에 대한 정보를 포함할 수 있다.
종래 기술에 따른 초분광 센서는 상술하듯 초점 거리를 갖는 구성들이 많아 센서 전체의 크기가 크고, 초점 거리를 갖는 구성들 각각에서 발생하는 수차를 보정하기 위해 구조가 복잡하며, 제작이 어렵다는 문제가 있었다.
도 2a는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 평면도이다. 도 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도이다. 도 2a에서 서로 다른 종류의 선들은 서로 다른 각도로 입사되는 광들을 의미하고, 도 2b에서 서로 다른 종류의 선들은 서로 다른 파장의 광들을 의미한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초분광 센서(10)는 파장 별 각도 변환부(spectral angle converting part, 200), 제1 회절 격자(first diffraction grating, 300), 포커싱 광학계(focusing optics, 400) 및 이미지 센서(500)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 파장 별 각도 변환부(200)는 파장에 따라 광의 진행 각도를 변화시키는 정도가 다른 광학 소자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 파장 별 각도 변환부(200)는 제2 회절 격자(second diffraction grating, 210) 및 프리즘(220) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 파장 별 각도 변환부(200)는 광이 파장 별로 브래그 조건(Bragg condition)을 만족시키는 각도로 진행하도록 변환할 수 있다. 제2 회절 격자(210)는, 일 예로, 표면에 주기적인 돌출부를 포함하는 표면 회절 격자(surface diffraction grating)일 수 있다. 다른 일 예로, 제2 회절 격자(210)는 후술하는 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating)일 수 있다. 도시된 바와 달리 제2 회절 격자(210)는 생략될 수 있다.
프리즘(220)은 제2 회절 격자(210) 및 제1 회절 격자(300) 사이에 제공될 수 있다. 프리즘(220)은 세부적으로 제1 서브 프리즘(221) 및 제2 서브 프리즘(222)을 포함할 수 있다. 제1 서브 프리즘(221) 및 제2 서브 프리즘(222)은 서로 접촉할 수 있다. 도시된 바와 달리, 프리즘(220)은 2개 이상의 서브 프리즘들을 포함할 수 있다. 또한, 도시된 바와 달리, 서브 프리즘들 각각은 서로 이격될 수 있다.
제1 회절 격자(300)는 프리즘(220) 및 포커싱 광학계(400) 사이에 제공될 수 있다. 제1 회절 격자(300)는, 일 예로, 볼륨 브래그 격자일 수 있다. 브래그 격자(Bragg grating)란 주기적인 굴절률 분포를 갖는 회절 격자이고, 볼륨 브래그 격자란 투명한 물질 내부에(inside) 주기적인 굴절률 분포를 갖는 브래그 격자이다. 볼륨 브래그 격자는 벌크 브래그 격자(bulk Bragg grating) 또는 볼륨 홀로그래픽 격자(volume holographic grating)로 불릴 수 있다. 제1 회절 격자(300)의 상세한 구성에 대하여 도 4를 참조하여 후술한다.
포커싱 광학계(400)는 제1 회절 격자(300) 및 이미지 센서(500) 사이에 제공될 수 있다. 포커싱 광학계(400)는 제1 내지 제5 렌즈들(410, 420, 430, 440, 450)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제5 렌즈들(410, 420, 430, 440, 450)은 도시된 형상 및 도시된 측면의 곡률에 한정되지 않고 다양한 형상 및 가변적인 곡률을 가질 수 있다. 또한, 포커싱 광학계(400)를 구성하는 렌즈들의 수는 5개보다 많거나 적을 수 있다. 다만 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 아니하며, 포커싱 광학계(400)는 도시된 바와 달리 복수 개의 반사경들 또는 반사경들과 렌즈들의 조합으로 구성될 수 있다.
이미지 센서(500)는 포커싱 광학계(400)의 초점 면이 위치하는 곳에 제공될 수 있다. 이미지 센서(500)의 중심축은 포커싱 광학계(400)의 중심축과 실질적으로 동일할 수 있다. 이미지 센서(500)는 포커싱 광학계(400)와 이격될 수 있다. 이미지 센서(500)는, 일 예로, 수평 방향(HD) 및 수직 방향(VD)으로 연장되는 사각형 평판 형태일 수 있다. 이미지 센서(500)는, 예를 들어, CCD, CMOS 등의 반도체 광센서 또는 나노 광전자 소자를 포함할 수 있다.
도 2c는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 탐지 대상으로부터 방출되는 광은 탐지 대상의 좌표 정보(F100)를 포함할 수 있다. 탐지 대상의 좌표 정보(F100)는 x좌표 및 y좌표로 표현될 수 있다. 탐지 대상으로부터 방출되는 광의 정보는 파장 별 각도 변환부(200)로 입사되면서, 좌표 정보(F100)를 변수로 하는 각도 정보들(F200)로 변환될 수 있다. 이후, 파장 별 각도 변환부(200)를 통과한 광은 파장 별 각도 변환부(200)로 입사되는 광의 각도 정보들(F200) 및 광의 파장 정보(λ)를 변수로 하는 각도 정보들(F300)로 표현될 수 있다. 파장 별 각도 변환부(200)를 통과한 광의 각도 정보들(F300) 중에서 y좌표에 대한 정보를 포함하는 성분만이 광의 파장 정보(λ)를 변수로 포함할 수 있다. 이후, 제1 회절 격자(300)는 특정한 y좌표 값을 갖는 광만을 필터링할 수 있다. 즉, 종래 기술에 따른 초분광 센서의 슬릿(12, 도 1a 및 도 1b 참조)과 실질적으로 동일한 역할을 수행할 수 있다. 최종적으로, 포커싱 광학계(400)를 통과하여 이미지 센서(500)에 도달하는 광은 제1 회절 격자(300)를 통과한 광의 각도 정보들(F400) 및 포커싱 광학계(400)의 초점 거리(f3)를 변수로 하는 좌표 정보들(F500)로 표현될 수 있다. 이미지 센서(500)에 나타나는 이미지의 y좌표는 광의 파장 정보(λ)를 포함할 수 있다. 또한, 종래 기술에 따른 초분광 센서와 달리 이미지 센서(500)에 나타나는 이미지는 하나의 초점 거리(f3)에 대한 정보만을 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 센서는 센서 전체의 크기가 작고, 수차를 보정하기 용이하며, 제작이 용이할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도이다.
도 3을 참조하면, 제1 광(L1), 제2 광(L2) 및 제3 광(L3)은 파장 별 각도 변환부(200)를 향해 입사될 수 있다. 제1 광(L1), 제2 광(L2) 및 제3 광(L3)은 수직 방향(VD)과 서로 다른 각도를 가지고 입사될 수 있다. 제1 광(L1), 제2 광(L2) 및 제3 광(L3)은 각각 동일 파장을 갖는 평행광들을 포함할 수 있고, 도 3은 설명의 편의를 위해 평행광들 중 중심 광선만을 도시한 것이다. 파장 별 각도 변환부(200)를 통해 제1 광(L1), 제2 광(L2) 및 제3 광(L3)은 각각 제1 회절 격자(300)에 서로 다른 각도로 입사될 수 있다. 제1 회절 격자(300)로 입사되는 광 성분들 중 일부는 회절되고, 다른 일부는 제1 회절 격자(300)를 투과할 수 있다. 일 예로, 제1 회절 격자(300)로 입사된 제2 광(L2)의 일부는 제2 회절광(L2d)으로 회절되고, 제2 광(L2)의 다른 일부는 제2 투과광(L2t)으로 투과될 수 있다. 반면, 제1 광(L1) 및 제3 광(L3)은 회절되는 광 성분없이 각각 제1 투과광(L1t) 및 제3 투과광(L3t)으로 투과될 수 있다. 회절되는 광 성분의 유무는 제1 회절 격자(300)으로 입사되는 각도에 기인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 초분광 센서(10)는 슬릿(12, 도 1a 및 도 1b 참조) 없이 입사광을 필터링할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초분광 센서(10)는 슬릿(12, 도 1a 및 도 1b 참조) 및 빛의 경로를 조절하는 시준기(13, 도 1a 및 도 1b 참조) 등의 복잡한 구성들 없이 작은 크기로 간단하게 구성될 수 있다.
제1 회절 격자(300)에서 회절된 제2 회절광(L2d)은 포커싱 광학계(400)를 통과할 수 있다. 포커싱 광학계(400)를 통과한 제2 회절광(L2d)은 이미지 센서(500)에 도달할 수 있다. 이미지 센서(500)의 상면(500s)에 도달한 제2 회절광(L2d)은 파장 정보 및 공간 정보를 포함하는 이미지를 형성할 수 있다.
도 4는 도 3에 따른 초분광 센서의 볼륨 브래그 격자를 설명하기 위한 확대도로, 도 3의 Ⅰ 부분에 대응된다.
도 4를 참조하면, 제1 회절 격자(300)는, 일 예로, 제1 방향(D1) 및 제1 방향(D1)과 교차하는 제2 방향(D2)으로 연장되는 직육면체 형상일 수 있다. 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)은, 일 예로, 서로 수직할 수 있다. 제1 회절 격자(300)의 제1 방향(D1)으로의 길이(d)는 제1 회절 격자(300)의 제2 방향(D2)으로의 길이보다 작을 수 있다. 제1 회절 격자(300)의 내부는 주기적인 굴절률 분포를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 회절 격자(300)는 교대로 반복되는 제1 부분들(P1) 및 제2 부분들(P2)을 포함할 수 있다. 제1 부분들(P1) 및 제2 부분들(P2)은 막 형태(평면적 관점으로는 띠 형태)를 가질 수 있다. 일 예로, 제1 부분들(P1) 및 제2 부분들(P2)은 각각 연속적인 굴절률 분포를 가질 수 있다. 제1 부분들(P1)의 굴절률은 제2 부분들(P2)의 굴절률보다 클 수 있다. 일 예로, 제1 부분들(P1)의 굴절률 및 제2 부분들(P2)의 굴절률은 각 부분들의 평균 굴절률을 의미할 수 있다. 제1 부분들(P1) 및 제2 부분들(P2)은 제1 회절 격자(300)의 내부에서 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 제3 방향(D3)은 제1 방향(D1)과 일정한 각도를 이루며 교차하는 방향일 수 있다.
제1 방향(D1)으로 연장되는 제1 기준선(SL1)과 제2 광(L2)이 이루는 각도는 제1 각도(A1)로 정의될 수 있고, 제1 기준선(SL1)과 제2 회절광(L2d)이 이루는 각도는 제2 각도(A2)로 정의될 수 있다. 또한, 제2 방향(D2)과 교차하는 제4 방향(D4)으로 연장되는 제2 기준선(SL2)과 제1 기준선(SL1)이 이루는 각도는 제3 각도(A3)로 정의될 수 있다. 제4 방향(D4)은 제2 방향(D2)과 일정한 각도를 이루며 교차하는 방향일 수 있다. 제4 방향(D4)은, 일 예로, 제1 부분들(P1) 및 제2 부분들(P2)이 연장되는 제3 방향(D3)에 수직한 방향일 수 있다. 또한, 서로 인접하는 제2 부분들(P2)의 중심선들의 제4 방향(D4)으로의 거리는 격자 주기(GP)로 정의될 수 있다. 제2 부분들(P2)의 중심선들은 인접하는 제1 부분들(P1)까지의 거리가 같고, 제3 방향(D3)으로 연장되는 선들일 수 있다.
일 예로, 도 3의 제2 광(L2)이 제1 회절 격자(300)로 입사될 수 있다. 제2 광(L2)은 제1 회절 격자(300)를 통과하면서 일부는 제2 회절광(L2d)으로 진행하고, 다른 일부는 제2 투과광(L2t)으로 진행할 수 있다. 이하에서, 설명의 편의를 위하여 제3 각도(A3)는 직각인 것으로 가정한다. 즉, 제3 방향(D3)은 제1 방향(D1)과 실질적으로 동일한 방향이고, 제4 방향(D4)은 제2 방향(D2)과 실질적으로 동일한 방향인 경우를 가정한다. 제1 각도(A1) 및 제2 각도(A2)가 같을 때를 브래그 조건이라고 하면 회절 효율(diffraction efficiency)이 최대가 될 수 있다. 이러한 브래그 조건을 [수학식 1]과 같은 일반적인 격자 방정식(grating equation)에 대입하면, 브래그 조건을 만족하는 제1 각도(A1)를 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020023588260-pat00001
m은 회절 차수(diffraction order), λ는 제2 광(L2)의 파장, Λ는 격자 주기(GP), α는 제1 각도(A1), 그리고 β는 제2 각도(A2)이다. 제2 광(L2)의 파장, 격자 주기(GP)가 정해지면, 제1 각도(A1) 및 제2 각도(A2)가 같다는 조건 아래에서 제1 각도(A1)를 계산할 수 있다.
한편, 회절 효율은 제1 부분들(P1)의 굴절률과 제2 부분들(P2)의 굴절률의 차이 및 제1 회절 격자(300)의 제1 방향(D1)으로의 길이(d)를 인자로 갖는 sin 함수의 제곱에 비례할 수 있다. 즉, 제1 부분들(P1)의 굴절률과 제2 부분들(P2)의 굴절률의 차이 및 제1 회절 격자(300)의 제1 방향(D1)으로의 길이(d)를 조절하여 최대의 회절 효율을 얻는 제1 회절 격자(300)를 설계할 수 있다. 이하에서, Δn은 제1 부분들(P1)의 굴절률과 제2 부분들(P2)의 굴절률의 차이를 의미한다.
일 예로, 제1 회절 격자(300)가 중크롬산 젤라틴(dichromated gelatin, DCG)으로 이루어진 경우, Δn은 약 0.01 이상이고, 제1 회절 격자(300)의 제1 방향(D1)으로의 길이(d)는 약 50μm 이하일 때, 제1 회절 격자(300)가 최대의 회절 효율을 얻을 수 있다. 보다 바람직하게는, Δn은 약 0.02 내지 0.1이고, 제1 회절 격자(300)의 제1 방향(D1)으로의 길이(d)는 약 4μm 내지 20μm일 때, 제1 회절 격자(300)가 최대의 회절 효율을 얻을 수 있다.
다른 일 예로, 제1 회절 격자(300)가 광열 굴절 유리(photo-thermo-refractive glass, PTR glass)로 이루어진 경우, Δn은 약 10-3이하이고, 제1 회절 격자(300)의 제1 방향(D1)으로의 길이(d)는 약 0.5mm 이상일 때, 제1 회절 격자(300)의 회절 효율을 높일 수 있다. 보다 바람직하게는, Δn은 약 10-3 내지 10-5이고, 제1 회절 격자(300)의 제1 방향(D1)으로의 길이(d)는 약 0.5mm 내지 5mm일 때, 제1 회절 격자(300)의 회절 효율이 높아질 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서에서 파장 및 각도에 따른 볼륨 브래그 격자의 회절 효율을 비교하기 위한 그래프들이다.
도 5a를 참조하면, 그래프의 곡선들은 볼륨 브래그 격자의 두께가 수 μm 내지 수백 μm인 경우에 입사광의 파장 및 입사 각도에 따른 회절 효율의 상대적인 크기를 나타낸다. 보다 구체적으로, 그래프의 곡선들은 각각 입사광의 파장이 약 500nm(d1a), 550nm(d2a), 600nm(d3a), 650nm(d4a) 및 700nm(d5a)인 경우의 회절 효율의 상대적인 크기를 의미할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 그래프의 곡선들은 볼륨 브래그 격자의 두께가 수 mm인 경우에 입사광의 파장 및 입사 각도에 따른 회절 효율의 상대적인 크기를 나타낸다. 보다 구체적으로, 그래프의 곡선들은 각각 입사광의 파장이 약 500nm(d1b), 550nm(d2b), 600nm(d3b), 650nm(d4b) 및 700nm(d5b)인 경우의 회절 효율의 상대적인 크기를 의미할 수 있다.
도 5b의 곡선들은 도 5a의 곡선들보다 좁고 날카로운 피크를 가질 수 있다. 볼륨 브래그 격자는 두께가 클수록, 입사광을 회절시키는 입사 각도의 선택성이 높을 수 있다. 예를 들어, 도 5b와 같이 두께가 수 mm인 볼륨 브래그 격자는 제1 회절 격자(300, 도 3 및 도 4 참조)로 이용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 도 5a와 같이 두께가 수 μm 내지 수백 μm인 볼륨 브래그 격자는 제2 회절 격자(210, 도 3 참조)로 이용될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서를 사용하여 측정된 이미지를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도 6a는 포커싱 광학계(400)만을 사용하고, 포커싱 광학계(400)의 광축을 기준 각도와 일치시킨 경우의 이미지를 설명하기 위한 개념도이고, 도 6b는 제1 회절 격자(300) 및 포커싱 광학계(400)를 통과하여 이미지 센서(500)에 도달한 이미지를 설명하기 위한 개념도이다. 초분광 센서는 포커싱 광학계(400)의 중심축이 이미지 센서(500)의 상면(500s)의 중심과 만나도록 구성될 수 있다. 기준 각도는 수평 방향(HD) 및 수직 방향(VD)과 수직한 방향에서 입사되는 광의 입사 각도로 정의될 수 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 6a를 참조하면, 제1 이미지(X1)는 수평 방향(HD)으로 약 -4도 내지 -2도, 수직 방향(VD)으로 약 +2도 내지 +3도의 범위에서 입사되는 광의 이미지일 수 있다. 또한, 제1 이미지(X1)는 약 700nm의 파장을 갖는 입사광의 이미지일 수 있다. 제2 이미지(X2)는 수평 방향(HD)으로 약 -1도 내지 +1도, 수직 방향(VD)으로 약 -1도 내지 +1도의 범위에서 입사되는 광의 이미지일 수 있다. 또한, 제2 이미지(X2)는 약 600nm 및 약 650nm의 파장을 갖는 입사광들의 이미지일 수 있다. 제3 이미지(X3)는 수평 방향(HD)으로 약 +2도 내지 +4도, 수직 방향(VD)으로 약 -2도 내지 +2도의 범위에서 입사되는 광의 이미지일 수 있다. 또한, 제3 이미지(X3)는 약 500nm의 파장을 갖는 입사광의 이미지일 수 있다. 본 발명에 따른 초분광 센서 전체가 수직 방향(VD)으로 이동하면서 공간 전체를 스캔할 수 있다.
도 2a, 도 2b, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 수직 방향(VD)으로 약 0도의 범위(BR)에서 입사되는 광만이 회절되어 이미지 센서(500)에 도달할 수 있다. 이에 따라, 제2 이미지(X2)에 해당하는 입사각과 약 650nm의 파장을 갖는 입사광은 제1 회절 격자(300)에서 회절되어, 이미지 센서(500)에서 제1 회절 이미지(X21)를 형성할 수 있다. 또한, 제2 이미지(X2)에 해당하는 입사각과 약 600nm의 파장을 갖는 입사광은 제1 회절 격자(300)에서 회절되어, 이미지 센서(500)에서 제2 회절 이미지(X22)를 형성할 수 있다. 또한, 제3 이미지(X3)에 해당하는 입사각과 약 500nm의 파장을 갖는 입사광은 제1 회절 격자(300)에서 회절되어, 이미지 센서(500)에서 제3 회절 이미지(X31)를 형성할 수 있다. 한편, 제1 이미지(X1)에 해당하는 입사각과 약 700nm의 파장을 갖는 입사광은 제1 회절 격자(300)에서 회절되지 않을 수 있다. 이에 따라, 제1 이미지(X1)에 해당하는 입사각을 갖는 입사광은 이미지 센서(500)에 도달하지 않을 수 있다. 도 1c 및 도 1d과 비교하면, 본 발명에 따른 초분광 센서는 슬릿(12, 도 1a 및 도 1b 참조)을 포함하는 경우와 실질적으로 동일한 결과를 얻을 수 있다.
도 7a는 초분광 센서의 파장 별 조준 각도 오차(wavelength dependent aiming angle error)의 원인을 설명하기 위한 정면도이다. 도 7b는 도 7a에 따른 초분광 센서를 사용하여 측정된 이미지를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7a를 참조하여 두 개의 프리즘(220)을 포함하는 초분광 센서를 사용하여 파장 별 조준 각도 오차의 원인을 설명한다. 일 예로, 제1 광(L1') 및 제2 광(L2')은 약 600nm의 파장을 가질 수 있고, 제3 광(L3') 및 제4 광(L4')은 약 700nm의 파장을 가질 수 있다. 제1 광(L1') 및 제3 광(L3')은 기준 각도로 입사될 수 있고, 제2 광(L2') 및 제4 광(L4')은 기준 각도에서 약 2.3도 벗어난 각도로 입사될 수 있다.
제1 광(L1') 및 제4 광(L4')은 두 개의 프리즘(220)을 통과하여 제1 회절 격자(300)에서 브래그 조건을 만족시킬 수 있다. 브래그 조건을 만족시켜서 제1 회절 격자(300)에서 회절되는 제1 광(L1') 및 제4 광(L4')은 포커싱 광학계(400)를 통과하여 이미지 센서(500)에 도달할 수 있다. 기준 각도로 입사되지 않은 제4 광(L4')이 이미지 센서(500)에 도달하는 것으로 인한 오차가 파장 별 조준 각도 오차로 정의될 수 있다. 파장 별 조준 각도 오차로 인하여 초분광 센서는 파장에 따라 서로 다른 위치의 이미지를 얻게 된다. 즉, 파장 별 조준 각도 오차로 인하여 이미지의 왜곡이 발생할 수 있다. 허용될 수 있는 파장 별 조준 각도 오차의 크기는 초분광 센서가 스캔하는 방향에서 요구되는 공간 분해능에 의해 결정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 허용될 수 있는 파장 별 조준 각도 오차는 초분광 센서의 스캔 이후 보정될 수 있다.
도 6a, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제1 이미지(X1)에 해당하는 입사각과 약 700nm의 파장을 갖는 입사광은 제1 회절 격자(300)에서 회절되어, 이미지 센서(500)에서 제1 회절 이미지(X11'')를 형성할 수 있다. 제2 이미지(X2)에 해당하는 입사각과 약 600nm의 파장을 갖는 입사광은 제1 회절 격자(300)에서 회절되어, 이미지 센서(500)에서 제2 회절 이미지(X21'')를 형성할 수 있다. 또한, 제3 이미지(X3)에 해당하는 입사각과 약 500nm의 파장을 갖는 입사광은 제1 회절 격자(300)에서 회절되어, 이미지 센서(500)에서 제3 회절 이미지(X31'')를 형성할 수 있다.
도 6b와 도 7b를 비교하면, 기준 각도로 입사되지 않아서 도 6b에서 나타나지 않는 약 700nm의 파장을 갖는 입사광이 형성하는 제1 회절 이미지(X11'')가 나타날 수 있다. 제1 회절 이미지(X11'')는 도 7a의 구조로 인한 파장 별 조준 각도 오차에 기인할 수 있다.
초분광 센서의 파장 별 조준 각도 오차의 크기가 측정되면, 이를 보정하여 초분광 센서를 이용할 수 있다. 일 예로, 푸시 브룸 방식의 초분광 센서는 공간을 스캔하면서 다수의 이미지들을 얻을 수 있다. 도 6a 및 도 7a를 참조하면, 초분광 센서가 수직 방향(VD)으로 약 +2.3도 이동하면 0도의 범위(BR)는 약 +2.3도 이동하여 제1 이미지(X1)의 중심에 위치할 수 있다. 초분광 센서가 이동하기 전의 초분광 센서의 이미지를 제1 프레임이라고 하고, 약 +2.3도 이동한 이후를 제2 프레임이라고 하면, 제1 프레임에서는 도 7b와 같이 제3 회절 이미지(X31'')가 형성되고, 제2 프레임에서는 제3 회절 이미지(X31")가 형성되지 않을 수 있다. 파장 별 조준 각도 오차가 없다면, 제3 회절 이미지(X31")은 제2 프레임에 형성되고, 제1 프레임에 형성되지 않을 수 있다. 약 700nm 파장에서 약 2.3도의 조준 각도 오차가 있음을 알고 있다면, 약 700nm 파장 대역의 이미지는 약 2.3도 이동한 제2 프레임으로 이동시키고 제1 프레임에서는 삭제함으로써 파장 별 조준 각도 오차를 보정할 수 있다. 다른 파장 대역에 대해서도 해당되는 파장 별 조준 각도 오차만큼 프레임을 이동 시켜 이미지들을 보정할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도들이다. 도 8a 및 도 8b에서 서로 다른 종류의 선들은 서로 다른 파장의 광들을 의미한다. 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서에서 프리즘의 개수에 따른 파장 별 조준 각도 오차를 비교하기 위한 그래프들이다. 이하, 설명의 편의를 위하여 앞서 설명한 것과 중복되는 내용은 생략한다.
도 8a를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 초분광 센서(20)는 제2 회절 격자(210) 및 제1 회절 격자(300) 사이의 프리즘을 포함하지 않을 수 있다. 즉, 제2 회절 격자(210)를 통해 분산된 입사광(IL)은 바로 제1 회절 격자(300)로 입사될 수 있다. 또한, 도 8b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 초분광 센서(30)는 제2 회절 격자(210) 및 제1 회절 격자(300) 사이에 제1 서브 프리즘(221)을 포함할 수 있다. 즉, 제2 회절 격자(210) 및 제1 서브 프리즘(221)을 통해 분산된 입사광(IL)이 제1 회절 격자(300)로 입사될 수 있다.
도 7a에 따른 초분광 센서와 같이, 제2 회절 격자(210)가 생략되고 제1 회절 격자(300)와 탐지 대상 사이에 프리즘만 배치하여 초분광 광학계가 구성될 수 있다. 도 9a를 참조하면, 제1 내지 제4 곡선들(C1-C4)은 제1 회절 격자(300)와 탐지 대상 사이의 프리즘의 개수가 각각 1개 내지 4개인 경우의 파장 별 조준 각도 오차(wavelength dependent aiming angle error)를 나타낸다. 보다 구체적으로, 제1 내지 제4 곡선들(C1-C4)은 기준 파장을 약 600nm로 결정하면, 파장이 약 600nm보다 작아지거나 커질수록 각도 오차 값의 절댓값이 커질 수 있다. 입사광의 파장이 같을 때, 제1 곡선(C1)에서 제4 곡선(C4)으로 갈수록, 즉 프리즘의 개수가 많아질수록 각도 오차의 절댓값이 작을 수 있다.
도 8a, 도 8b 및 도 9b를 참조하면, 제5 내지 제7 곡선들(C5-C7)은 제2 회절 격자(210)를 포함하고 제2 회절 격자(210)와 제1 회절 격자(300) 사이의 프리즘의 개수가 각각 0개, 1개 및 2개인 경우 약 400nm 내지 800nm의 파장 범위에서의 파장 별 조준 각도 오차(wavelength dependent aiming angle error)를 나타낸다. 보다 구체적으로, 제5 곡선(C5)은 프리즘없이 제2 회절 격자(210)만을 포함하는 경우이고, 대략 -4.0×10-2도 내지 +4.0×10-2도의 각도 오차를 나타낼 수 있다. 또한, 제6 곡선(C6)은 프리즘 1개와 제2 회절 격자(210)를 포함하는 경우이고, 대략 -8.0×10-4도 내지 +8.0×10-4도의 각도 오차를 나타낼 수 있다. 또한, 제7 곡선(C7)은 프리즘 2개와 제2 회절 격자(210)를 포함하는 경우이고, 대략 -5.0×10-5도 내지 +5.0×10-5도의 각도 오차를 나타낼 수 있다. 도 9b와 도 9a를 비교하면, 제2 회절 격자(210)를 포함하는 경우의 각도 오차가 제2 회절 격자(210)가 생략된 경우의 각도 오차보다 작을 수 있다. 또한, 도 9b의 제5 내지 제7 곡선들(C5-C7)을 비교하면, 제2 회절 격자(210)만을 포함하는 경우의 각도 오차보다 1개 또는 2개의 프리즘을 더 포함하는 경우의 각도 오차가 작을 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도이다. 도 10에서 서로 다른 종류의 선들은 서로 다른 파장의 광들을 의미한다. 이하, 설명의 편의를 위하여 앞서 설명한 것과 중복되는 내용은 생략한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초분광 센서(40)는 수직 입사형 격자(230)를 포함할 수 있다. 수직 입사형 격자(230)는 제1 회절 격자(300)와 이격될 수 있다. 또한, 수직 입사형 격자(230)는 제1 회절 격자(300)와 실질적으로 나란하게 제공될 수 있다. 수직 입사형 격자(230)는, 일 예로, 톱니 형태의 프로파일을 가질 수 있다. 일 예로, 수직 입사형 격자(230)가 제1 회절 격자(300)와 나란하게 제공되는 경우, 수직 입사형 격자(230)의 주기가 제1 회절 격자(300)의 격자 주기(GP, 도 4 참조)의 2배가 되어야 브래그 조건을 만족시킬 수 있다. 수직 입사형 격자(230)의 주기가 제1 회절 격자(300)의 격자 주기(GP, 도 4 참조)의 2배가 되는 경우, 수직 입사형 격자(230)에 수직으로 입사되는 모든 파장의 빛들은 제1 회절 격자(300)에서 브래그 조건을 만족시킬 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 초분광 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도들이다. 이하, 설명의 편의를 위하여 앞서 설명한 것과 중복되는 내용은 생략한다.
도 11a를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초분광 센서(50)는 도 3의 초분광 센서(10)와 비교할 때 파장 별 각도 변환부(200)와 제1 회절 격자(300) 사이의 거리(D23)가 클 수 있다. 보다 구체적으로, 파장 별 각도 변환부(200)와 제1 회절 격자(300) 사이의 거리(D23)는 제1 회절 격자(300)와 포커싱 광학계(400) 사이의 거리(D34)보다 크거나 같을 수 있다. 또한, 제2 회절 격자(210)와 제1 회절 격자(300) 사이의 거리는 제1 회절 격자(300)와 포커싱 광학계(400) 사이의 거리(D34)보다 클 수 있다. 이에 따라, 제2 입사광(IL2)은 파장 별 각도 변환부(200)를 통과하더라도 이미지 센서(500)에 도달하지 않을 수 있다. 제2 입사광(IL2)은 제1 입사광(IL1)에 대하여 기울어진 각도로 입사되는 광일 수 있다.
도 11b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초분광 센서(60)의 파장 별 각도 변환부(200)는 제2 회절 격자(210) 및 프리즘(220)에 더해 제2 회절 격자(210)를 덮는 덕트(240)를 포함할 수 있다. 덕트(240)는 제1 입사광(IL1)의 진행 경로가 뚫려 있는 중공형 육면체 형태일 수 있다. 덕트(240)는 입사광들의 일부를 차단하여 시야각을 축소시킬 수 있다. 일 예로, 덕트(240)의 측벽(240a)은 제1 입사광(IL1)에 대하여 기울어진 각도로 입사되는 제2 입사광(IL2)을 차단할 수 있다.
도 11a 또는 도 11b에 따른 초분광 센서(50, 60)는 공통적으로 제1 회절 격자(300)를 통해 회절되지 않는 광 성분들이 이미지 센서(500)의 상면(500s)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제1 회절 격자(300)를 통해 회절되지 않는 0차(zeroth order) 회절광 성분들이 이미지 센서(500)의 상면(500s)에 도달하는 것을 방지하여, 보다 선명한 이미지가 획득될 수 있다.
도시된 바와 달리 도 11b의 초분광 센서(60)의 파장 별 각도 변환부(200)는 덕트(240) 대신 두 개 이상의 렌즈 또는 미러로 구성된 어포컬 시스템(afocal system)을 갖는 망원경(telescope)을 포함할 수 있다. 망원경의 어포컬 시스템은 입사광들의 작은 각도 차이를 증폭시킬 수 있다. 따라서 망원경을 파장 별 각도 변환부(200)의 일 측면에 배치하면 시야각을 축소시키고, 0차 회절광 성분들을 차단할 수 있다. 일 예로, 망원경은 수직 방향의 곡률을 갖는 원통형 렌즈(cylindrical lens) 또는 미러를 포함하는 아나모픽 광학계(anamorphic optics)를 가질 수 있다. 수직 방향의 곡률을 갖고, 수평 방향의 곡률을 갖지 않는 아나모픽 광학계는 수직 방향의 시야각만을 축소시킬 수 있다.
덕트(240) 대신 두 개 이상의 렌즈 또는 미러로 구성된 어포컬 시스템(afocal system)을 갖는 망원경을 시야각을 축소시키는 배치와 반대로 배치하면 시야각을 확장할 수 있다. 일 예로, 수평 방향으로만 곡률을 갖는 아나모픽 광학계를 갖는 망원경을 시야각을 축소시키는 배치와 반대로 배치하면, 초분광 센서의 수평 방향의 시야각을 확장할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10, 20, 30, 40, 50, 60: 초분광 센서
200: 파장 별 각도 변환부
210: 제2 회절 격자
220: 프리즘
300: 제1 회절 격자
400: 포커싱 광학계
500: 이미지 센서

Claims (13)

  1. 입사광을 파장 별로 각도를 변환하도록 구성된 파장 별 각도 변환부;
    입사 각도와 파장에 따라 상기 입사광을 선택적으로 회절시키도록 구성된 회절부;
    적어도 하나의 렌즈를 포함하며, 상기 회절부를 통과한 회절광을 집속시키도록 구성된 포커싱 광학계; 및
    상기 포커싱 광학계를 통과하여 초점 면에 형성된 이미지를 획득하도록 구성되는 이미지 센서를 포함하되,
    상기 회절부는 내부에 주기적인 굴절률 분포를 갖는 볼륨 브래그 격자를 포함하는 초분광 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 별 각도 변환부는 적어도 하나 이상의 프리즘을 포함하는 초분광 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 별 각도 변환부는 회절 격자를 포함하고,
    상기 회절 격자는 내부에 주기적인 굴절률 분포를 갖는 초분광 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 회절 격자는 막 형태의 제1 부분들 및 상기 제1 부분들 사이의 제2 부분들을 포함하되,
    상기 제1 부분들 및 상기 제2 부분들은 교대로 반복되고,
    상기 제1 부분들의 평균 굴절률은 상기 제2 부분들의 평균 굴절률보다 크고,
    상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 굴절률 차이는 0.01 이상이고,
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 각각의 길이는 50 μm 이하인 초분광 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 볼륨 브래그 격자는 막 형태의 제1 부분들 및 상기 제1 부분들 사이의 제2 부분들을 포함하되,
    상기 제1 부분들 및 상기 제2 부분들은 교대로 반복되고,
    상기 제1 부분들의 평균 굴절률은 상기 제2 부분들의 평균 굴절률보다 큰 초분광 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 굴절률 차이는 10-3 이하이고,
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 각각의 길이는 0.5 mm 이상인 초분광 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 별 각도 변환부는 회절 격자를 포함하고,
    상기 회절 격자 및 상기 볼륨 브래그 격자가 나란하게 제공되는 초분광 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 회절 격자는 표면에 주기적인 돌출부를 포함하는 초분광 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초분광 센서는 일 방향으로 진행하며 공간의 이미지를 스캔하고,
    상기 초분광 센서에서 발생하는 파장 별 조준 각도 오차는 스캔 이후 보정되는 초분광 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 별 각도 변환부의 일 측면을 덮는 중공형 육면체 형태의 덕트를 더 포함하는 초분광 센서.
  11. 프리즘 또는 회절 격자 중 적어도 어느 하나를 포함하는 파장 별 각도 변환부;
    상기 파장 별 각도 변환부와 이격되는 이미지 센서;
    상기 파장 별 각도 변환부 및 상기 이미지 센서 사이에 제공되며, 볼륨 브래그 격자를 포함하는 회절부; 및
    상기 회절부 및 상기 이미지 센서 사이에 제공되며, 렌즈 또는 반사경을 포함하는 포커싱 광학계를 포함하되,
    상기 볼륨 브래그 격자는 내부에 주기적인 굴절률 분포를 갖는 초분광 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 회절 격자 및 상기 볼륨 브래그 격자가 나란하게 제공되고,
    상기 회절 격자는 표면에 주기적인 돌출부를 포함하는 초분광 센서.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 파장 별 각도 변환부의 일 측면을 덮는 중공형 육면체 형태의 덕트를 더 포함하는 초분광 센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004013080A (ja) 2002-06-11 2004-01-15 Inst Of Physical & Chemical Res グリズム
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Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4727981B2 (ja) * 2004-12-22 2011-07-20 独立行政法人理化学研究所 回折格子装置
FI20106141A0 (fi) 2010-11-01 2010-11-01 Specim Spectral Imaging Oy Ltd Kuvantava spektrometri
US9435689B2 (en) 2012-10-31 2016-09-06 Corning Incorporated Hyperspectral imaging system, monolithic spectrometer and methods for manufacturing the monolithic spectrometer
US9494567B2 (en) 2012-12-31 2016-11-15 Omni Medsci, Inc. Near-infrared lasers for non-invasive monitoring of glucose, ketones, HBA1C, and other blood constituents
US9395293B1 (en) 2015-01-12 2016-07-19 Verily Life Sciences Llc High-throughput hyperspectral imaging with superior resolution and optical sectioning
KR102302604B1 (ko) 2017-11-01 2021-09-16 한국전자통신연구원 분광 장치
KR102453813B1 (ko) 2018-03-07 2022-10-17 한국전자통신연구원 광 빗살 발생 장치 및 이를 포함하는 분광기

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004013080A (ja) 2002-06-11 2004-01-15 Inst Of Physical & Chemical Res グリズム
US20050195484A1 (en) 2004-02-20 2005-09-08 Sebastien Blais-Ouellette Method and apparatus for a bragg grating tunable filter

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