KR100273711B1

KR100273711B1 - 라만 분광계의 신호 수집장치

Info

Publication number: KR100273711B1
Application number: KR1019980013792A
Authority: KR
Inventors: 서정쌍; 정대홍
Original assignee: 서정쌍
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 2001-03-02
Also published as: KR19990080483A

Abstract

본 발명은 노치 필터(notch filter)를 이용하여 라만 산란광(Raman scattered light)을 수집, 분석하는 라만 분광장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노치 필터를 여기광의 경로밖에 배치함으로써, 노치 필터의 교체에 따른 장치정렬이 매우 간단한 라만 분광계의 신호 수집장치에 관한 것이다.

Description

라만 분광계의 신호 수집장치

단색화된 레이저 광을 시료에 조사하면 산란된 빛이 모든 방향으로 방사되는데, 파장 변화가 없는 레일레이 산란광(Rayleigh scattered light)과, 시료 분자의 진동수만큼의 차이가 나는 라만 산란광(Raman scattered light)이 섞여서 나온다. 즉, 라만 산란광을 분석하면 분자진동에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 이를 이용한 라만 분광장치를 물질의 구조 분석에 활용하고 있다. 라만 분광장치는 반응과정의 관찰, 환경오염 물질의 감지, 의약 물질의 분석 등 많은 실용적인 부분에서 잠재적인 응용력을 갖고 있다.

그런데, 산란광 중에서 레일레이 산란광은 라만 산란광보다 신호의 세기가 월등히 크기 때문에, 라만 산란광의 신호를 분석하기 전에 레일레이 산란광을 제거하여야 한다. 일반적으로 레일레이 산란광을 제거하기 위하여 2중 단색화 장치나 3중 단색화 장치를 사용하고 있는데, 이들은 2개 또는 3개의 회절발(diffraction grating)로 이루어져 있다. 그러나, 고가의 회절발의 사용은 전체 장비의 가격을 증가시키며, 뿐만 아니라 여러 개의 회절발을 거치면서 신호를 많이 잃게 되는 단점을 갖고 있다.

한편, 최근에 특정 파장 영역의 빛은 반사시키고, 그 영역 밖의 빛은 투과시키는 노치 필터(notch filter)가 개발되었다. 노치 필터는 특정 각도로 입사된 빛에 대해서만 최대의 효율을 갖도록 각각 특정 작업각(working angle)을 갖고 있다. 라만 분광장치에서는 노치 필터의 이러한 특성을, 레일레이 산란광만을 제거하고 라만 산란광을 수집하는데에 이용하고 있다. 이는 라만 분광장치에서 이용하고 있는 여기광이 단일 파장의 레이저 빔이고, 따라서 레일레이 산란광이 여기광과 동일한 단일 파장을 갖고 있기 때문이다. 라만 분광장치에서 노치 필터는 여기광의 진행 경로상에 배치된다. 이러한 배치에 의해 노치 필터는 여기광과 동일 축상에 있는 산란광을 처리하게 되며, 이는 여기광을 시료에 집중시키는데 사용되는 렌즈를 산란광을 모으는데 사용할 수 있는 잇점을 제공한다(Applied Spectroscopy, Vol. 4, No. 9, 1558-1561, 1990, Michael M. Carrabba et al.). 여기광의 진행 경로상에 배치된 노치 필터는, 여기광의 진행 경로에서 혼입될 수 있는 다른 파장의 빛들을 그대로 투과하여 제거하고, 특정 파장의 레이저 빔만을 반사시켜 시료로 유도하며; 여기광과 반대 방향으로 모아진 산란광을 받아 여기광과 동일한 단일 파장을 갖는 레일레이 산란광을 반사시켜 제거하고, 분자진동수만큼 파장에 있어서 차이를 나타내는 라만 산란광은 그대로 투과시키는 두가지 역할을 한다. 이러한 노치 필터의 배치 및 작용은 미국특허 5,442,438호 및 미국특허 5,661,557호에 예시되어 있다. 일례를 도 4 및 도 5에 도시하였다.

그러나, 노치 필터를 여기광의 경로상에 배치하여, 여기광을 반사시켜 시료로 유도하고, 모아진 산란광에서 라만 산란광을 투과시키는 두가지 기능을 동시에 수행하기 위해서는, 매우 정교하게 광학 장치들을 정렬시켜야 한다. 이는, 시료로부터 모아진 산란광이 노치 필터를 거쳐 단색화 장치로 유도되는 산란광의 경로가 고정되어 있어, 여기광을 노치 필터에 반사시켜서 시료로 보내는 여기광의 경로를 산란광의 경로 축과 일치시켜야 하기 때문이다.

실제로 실험에 따라 레이저 빔의 파장을 바꿔야 하는 경우가 종종 있는데, 이 경우 노치 필터도 파장에 맞는 것으로 교체하여야 한다. 작업각이 동일한 필터로 교체한다 할지라도, 여기광의 파장이 바뀌면 빛의 경로가 미세하게 달라지고, 뿐만아니라 교체 위치가 처음 위치와 정확히 일치하지 않기 때문에, 노치 필터에서 시료까지의 여기광의 경로를 맞추기 위해서는 필터를 교체할 때마다 광학장치들을 재조절해야 한다.

특히, 도 5에서 보는 바와 같이, 교체된 노치 필터의 작업각에 따라, 노치 필터(18A)의 위치와 여기광을 반사시켜 노치 필터로 유도하는 거울(18B)의 위치를 함께 상보적으로 조정하여야 한다. 이를 위해 각보정 장치(angle-compensating device)가 개발되어 있다(미국특허 5,661,557호 참조). 이 장치는 노치 필터와, 여기광을 노치 필터로 반사시키는 거울을 기계적으로 연결하여, 노치 필터의 작업각에 따라 산란광의 진행 축에 대한 각도는 변하더라도 노치 필터에 반사된 여기광이 시료로 향하는 경로는 일정하게 유지되도록 고안되었다.

그러나, 이 각보정 장치는 여기광을 노치 필터로 반사시키는 거울(도 5에서 18B)에 빛이 도달하기까지의 경로가 일정하다는 것을 전제로 하고 있다. 실제, 여기 광원으로 사용되는 레이저의 파장을 변경하거나 다른 광원으로부터 빛을 유도할 때, 이 전제가 충족되기는 힘든 일이며, 이를 만족시키기 위해서는 노치 필터 이전에 위치한 다른 광학 장치들의 조절이 불가피하다. 또, 노치 필터 하나를 조절하여 노치 필터의 작업각을 맞추는 것과 동시에 여기광을 시료로 정확하게 반사시켜야 한다. 이처럼 여기광의 경로가 달라짐으로 해서 노치 필터 이전의 여러 광학장치들과 노치 필터를 조절하는 일은 매우 불편하고 힘든 일이다.

이에, 본 발명자들은, 여기광의 경로 변화에 따른 이러한 복잡한 장치정렬이 노치 필터를 여기광의 경로상에 배치한 것에 기인함을 깨닫고, 노치 필터를 여기광의 경로밖에 배치하는 방법을 모색하게 되었다. 그 결과로서, 종래 장치에서 노치 필터의 위치에 핀홀을 구비한 거울을 배치하고, 노치 필터는 여기광의 경로밖에 배치하는 경우, 거울의 핀홀을 통하여 여기광이 시료로 유도되며, 여기된 시료로부터 모아진 산란광이 거울에 의해 반사되어 노치 필터로 유도됨으로써, 여기광의 파장 변화에 따라 노치 필터를 교체하여도 노치 필터의 배치가 여기광의 경로에 영향을 미치지 않게 되어 장치정렬의 복잡성을 피할 수 있음을 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 노치 필터를 이용한 라만 분광장치에 있어서, 여기광의 경로가 노치 필터의 영향을 받지 않으며, 이에 의해 노치 필터의 교체에 따른 복잡한 장치정렬이 필요하지 않고 쉽게 사용할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 라만 분광계의 신호 수집장치를 보여주는 모식도이다.

도 2는 여기광이 렌즈를 통해 시료로 집중되고 산란광이 동일한 렌즈에 의해서 수집되는 경로를 보여주는 모식도이다.

도 3은 도 1의 신호 수집장치에서 거울의 핀홀을 통과하는 여기광의 경로와, 이 거울에 의해 반사되는 산란광의 경로를 보여주는 모식도이다.

도 4는 종래의 라만 분광계의 신호 수집장치를 보여주는 모식도이다.

도 5는 도 4의 신호 수집장치에서 노치 필터에 의해 반사되는 여기광의 경로와, 노치 필터를 투과하는 산란광의 경로를 보여주는 모식도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

(1) ... 시료대 (2) ... 렌즈

(3) ... 3차원 이동장치 (4) ... 핀홀을 구비한 평면 거울

(5) ... 노치 필터 (6) ... 여기광

(7) ... 산란광

D ... 산란광의 단면 지름 d ... 거울의 핀홀의 단면 지름

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 라만 분광계의 신호 수집장치는, 노치 필터를 여기광의 경로밖에 배치하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 라만 분광계의 신호 수집장치는, 중앙에 광원으로부터의 여기광을 투과시키는 핀홀(pinhole)을 구비하고 있으며, 여기광의 경로에 대하여 경사져서 배치된 평면 거울(mirror)과; 상기한 핀홀을 통과한 여기광을 시료에 집중시키고, 여기된 시료로부터의 산란광을 모아서 상기한 거울로 유도하는 렌즈; 시료를 탑재한 시료대; 상기한 렌즈의 위치를 조정하기 위한, 렌즈에 부착된 3차원 이동장치; 및 여기광의 경로밖에 배치되며, 상기한 거울에 의해 반사된 산란광 중에서 단일 파장의 레일레이 산란광은 반사시켜 제거하고, 라만 산란광은 투과시키는 노치 필터를 구비함을 특징으로 한다.

상기한 구성에서, 여기광을 시료에 집중시키고 산란광을 모아서 거울로 유도하는 렌즈로서 현미경 대물렌즈를 사용하는 경우, 현미경 대물렌즈를 통해서 모아진 산란광의 단면 크기가 작아서 작은 노치 필터를 사용할 수 있어 경비절감을 할 수 있고, 뿐만 아니라 현미경 대물렌즈의 산란점이 작아 해상도가 높아지고 신호의 세기가 증가하는 잇점도 얻을 수 있다.

이상의 구성에서 보는 바와 같이, 본 발명에서는 광원 → 거울의 핀홀 → 렌즈 → 시료에 이르는 여기광의 진행경로가 구성되며, 노치 필터는 이러한 여기광의 경로밖에 배치된다. 즉, 노치 필터는 시료 → 렌즈 → 거울 → 노치 필터에 이르는 산란광의 진행경로에만 존재한다. 따라서, 노치 필터는 그의 작업각에 맞추어 독자적으로 배치할 수 있으며, 배치된 각도가 여기광이나 산란광의 진행경로에 영향을 주지 않는다. 환언하면, 레이저 빔의 파장 변화에 따라 여기광의 경로가 미세하게 바뀔 경우, 간단하게 렌즈의 위치만 조절함으로써 여기광을 최적의 상태로 시료에 집중시킬 수 있고, 산란광을 수집할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 시료에 여기광을 조사하고 산란광을 수집하는 장치에 대한 모식도로서, 단색화 장치로 빛을 보내기 전까지의 과정을 보여주고 있다. 도면에서 보는 바와 같이, 여기광(6)은 평면 거울(4)의 중앙에 있는 핀홀을 통과하여 렌즈(2)에 의해 시료대(1) 위의 시료에 집중된다.

거울(4)의 핀홀은 거울면에 작은 구멍을 내거나 반사면 박막을 제거하여 만들며, 그 크기는 여기광이 겨우 통과할 수 있을 정도이다. 이 핀홀을 통하여 여기광이 진행하기 때문에, 산란광의 방향을 조정하기 위하여 거울의 각도를 조절하더라도 여기광이 핀홀에 걸리지 않는 한, 여기광의 경로에 영향을 주지 않는다. 따라서, 레이저 빔의 파장 변경 등의 이유로 여기광의 경로에 변화가 생겼을 경우, 3차원 이동장치(3)로 렌즈(2)를 조절하여 빛의 경로 변화를 보정하기만 하면 된다.

시료로부터 산란된 빛은 렌즈(2)를 거쳐서 여기광의 방향에 대해서 180°방향으로 평행하게 진행하며, 거울(4)에 의해 반사되어 노치 필터(5)를 통과하게 된다. 노치 필터(5)는 산란광 중에서 레일레이 산란광을 제거하고 라만 산란광을 투과하여 단색화 장치로 보낸다. 노치 필터(5)는 그의 작업각에 맞추어 독자적으로 배치한다.

도 2는 평행하게 진행하는 여기광이 렌즈에 의해서 시료로 집중되고 여기된 시료로부터 나오는 산란광이 동일한 렌즈에 의해 수집되는 경로를 보여주는 모식도이다. 렌즈(2)에 의해 수집된 산란광은 핀홀을 구비한 거울(4)의 면에 의해 반사되어 단색화 장치로 보내진다.

이때, 핀홀의 크기에 해당하는 만큼의 빛이 핀홀을 통과하여 직진하므로 유실된다. 그러나, 핀홀의 크기는 여기광이 걸리지 않고 통과할 수 있도록 충분히 크게 한 경우에도 지름(d)이 약 2㎜ 정도에 불과하고, 산란광을 모으는데 현미경 대물렌즈를 사용하는 경우, 렌즈로부터 평행하게 나오는 산란광의 단면 지름(D)은 약 8㎜ 정도이다. 이러한 조건에서 핀홀을 통하여 유실되는 빛의 양을 수치적으로 계산해 보면, 모아진 빛의 양은 산란광의 단면적에 비례하고, 핀홀에 의해서 유실되는 빛의 양은 핀홀의 단면적에 비례하므로, 6% 정도에 불과하다.

도 3은 거울의 핀홀을 통과하는 여기광의 경로와, 이 거울에 의해 반사되는 산란광의 경로를 보여주는 모식도이다. 거울의 각도(α)을 조절하여 산란광의 방향을 변경할 수 있는데, 여기광의 경로에 영향을 주지 않으므로 핀홀에 여기광이 걸리지 않는 한 자유롭게 조절할 수 있다. 거울면에 의해 반사된 산란광(7)은 노치 필터(5)를 거쳐서 단색화 장치로 보내져 분석된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치에서는 노치 필터를 여기광의 진행경로밖에 배치함으로써, 노치 필터를 그의 작업각에 맞추어 독자적으로 배치할 수 있으며, 배치된 각도가 여기광이나 산란광의 진행경로에 영향을 미치지 않는다. 즉, 레이저 빔의 파장 변화에 따라 여기광의 경로가 미세하게 바뀔 경우, 간단하게 렌즈의 위치만 조절함으로써 여기광을 최적의 상태로 시료에 집중시킬 수 있고, 산란광을 수집할 수 있다.

산란광의 경로는 여기광의 경로에 대한 평면거울의 경사각(α)을 조절함으로써 변경할 수 있으며, 중앙의 핀홀에 여기광이 걸리지 않는 한 여기광의 경로에 영향을 주지 않으므로 자유롭게 조절할 수 있다.

결과적으로, 본 발명에 의하면, 여기광의 경로가 노치 필터의 배치에 영향을 받지 않으며, 따라서 노치 필터의 교체에 따른 복잡한 장치정렬이 필요하지 않고 쉽게 사용할 수 있다.

Claims

노치 필터를 이용한 라만 분광장치의 신호 수집장치로서,

중앙에 광원으로부터의 여기광을 투과시키는 핀홀(pinhole)을 구비하고 있으며, 여기광의 경로에 대하여 경사져서 배치된 평면 거울(mirror)과;

상기한 핀홀을 통과한 여기광을 시료에 집중시키고, 여기된 시료로부터의 산란광을 모아서 상기한 거울로 유도하는 렌즈;

시료를 탑재한 시료대;

상기한 렌즈의 위치를 조정하기 위한, 렌즈에 부착된 3차원 이동장치; 및

여기광의 경로밖에 배치되며, 상기한 거울에 의해 반사된 산란광 중에서 단일 파장의 레일레이 산란광은 반사시켜 제거하고, 라만 산란광은 투과시키는 노치 필터

를 구비함을 특징으로 하는 라만 분광계의 신호 수집장치.
제 1항에 있어서, 렌즈는 현미경 대물렌즈임을 특징으로 하는 라만 분광계의 신호 수집장치.