KR100612531B1 - 실시간 ｉｒ 분광기용 장치와 방법 - Google Patents

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Abstract

IR 흡착현상을 이용하여 IR 분광정보를 제공할 수 있는 장치와 방법은 작동동안 어떠한 이동부 또는 Fourier 변환이 요구되지 않는다. 기능적 그룹을 포함하는 샘플내의 샘플에 대한 IR 분광정보와 화학적 분석은 IR 소스(310), 샘플부피를 구비하기 위한 샘플 악세사리(330), 광학적 분산요소(350), 상기 분산된 광선을 검출하도록 배열된 FPA(초점 평면배열), 및 상기 FPA를 제어하고 IR 분광그래프를 디스플레이하는 프로세스(380)과 디스플레이(390)를 이용하여 결정된다. 광학섬유 결합은 원거리 센싱(sencing), 휴대가능성, 신뢰도, 및 강건성이 상기 비이동부 구조에 의해 강화되도록 한다. 상기 장치와 방법은 다양한 막의 두께 및 화학 조성물의 측정, 코팅, 및 액체를 포함하여 폭넓은 산업과 환경에 적용될 수 있으며, 또한 화학전 약품 및 세균전 약품을 포함하는 해로운 물질을 실시간으로 센서하는데 사용된다.
IR 소스, 샘플 악세사리, 광학적 분산요소, 촛점면 배열, 디스플레이

Description

실시간 ＩＲ 분광기용 장치와 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REAL-TIME IR SPECTROSCOPY}
미국정부는 국가과학재단(NSF) 승인번호 0076017에 의해 제공된 바와 같이 본 발명에 대한 권리를 갖는다.
본 발명은 샘플재료에 대한 IR 스펙트럼을 결정하는 장치와 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 실시간으로 작동하는 장치와 방법을 이용하여 샘플의 IR 스펙트럼을 분광학적으로 결정하는 것에 관한 것으로, 어떠한 이동부의 사용도 요하지 않는다. 더우기, 본 발명의 장치와 방법은 상기 샘플재료의 조성물을 분석하는데 상기 검출된 분광정보의 광범위한 수학적 변형을 필요로 하지 않는다.
본 발명은 예를들면, 제조 프로세스를 모니터하는데 실시간 방법을 사용하는 산업에 적용된다. 상기의 프로세스에는 두께, 화학적구조, 및 표면위의 코팅의 방향성(고체, 액체, 화학적으로 결합되고 물리적으로 흡착된)의 측정등을 포함한다. 이들 측정들에는 생물학적 재료, 폴리머, 초전도체, 반도체, 금속, 유전체, 및 광물등에서 측정된 것도 포함된다. 본 발명은 임의의 기체상태, 액체상태, 또는 고체상태의 재료를 다양하게 프로세스 하는 것을 포함하는 화학반응에 존재하는 화학종을 측정하고 검출하는 실시간 장치와 방법에 더 응용됨을 알 수 있다.
산업이 핵심기술에서 있어서 비용절감 방향으로 계속 나아감에 따라, 프로세스와 성능에 대한 활용도가 더 강조된다. 이러한 비용절감은 휴대가능하고, 강건하며, 신뢰할 수 있고, 및 활발한 산업 또는 다른 비실험용 환경에서 오랜시간에 걸쳐 작동할 수 있는 새로운 전 종류의 복잡한 수단의 전개와 도입을 필요로 한다.
분광기 기술은 종종 재료분석하는데 사용된다. 종래에, 분광기은 재료에 의한 고유 컬러 빛(에너지)의 선택적 흡수, 방출, 또는 산란을 측정하는 것이다. 예를들면, 가시 백색광은 프리즘에 의해 그 성분컬러, 또는 스펙트럼으로 분리될 수 있다. 분광기에 의한 측정의 주요목적은 대개 미지 물질의 화학조성물을 밝히거나, 또는 "알려진" 물질이나 대상의 구조, 운동, 또는 환경적특성(예를들면, 내부온도, 압력, 자계강도 등)의 세부사항을 명확하게 하는 것이다. 다양한 분야의 과학과 산업에서 분광기의 광범위한 기술적 중요성은 천연염료와 인공염료를 구별하고 별들의 구성원소를 결정하는 것과 같은 19C 성공과 궤를 같이 한다.
분광기의 현대적 응용은 "빛"의 의미를 전자기복사의 전범위 또는 스펙트럼을 포함하도록 일반화 하였으며, 이것은 감마선 및 X선으로 부터 자외선, 가시광선, 및 적외선을 통해 마이크로파 및 라디오파에 이른다. 이들 다양한 형태(또는 파장범위)의 모든 전자기복사는 모두 고유의 측정방법을 가지고 있다. 이들 다른 방법이 외적으로 서로 전혀 다른 다양한 타입의 분광장치 및 기술을 야기하며, 이들은 종종 재료특성을 측정하는데 다른 물리적 현상에 의존한다. 더우기, 다양한 전문가와 이들 각 분야의 다른 연구원들은 이들 전문영역 사이의 기술적 경계를 넘지 않으며, 이것은 다르면서 어느정도 구분되어 있는 지식의 근거와 "경험칙(rules of thumb)"이 사용되기 때문이다.
IR(적외선)사용은 물질의 화학적 성질을 분석하는 많은 분광기기술 중 하나이다. 모든 경우에, 분광분석은 시료샘플에 의해 흡착되거나 반사된 양 또는 적절하게 에너지화 될 때 상기 샘플로 부터 방출되는 양에 의해 빛에너지의 고유파장을 측정하는 것을 의미한다.
IR 경우에, 분광분석의 흡수형태에 의존한다. IR복사는 예를들면, UV(자외선)에서 보여주는 것과 같은, 다른 전자상태 즉, 분자궤도 사이에서 전이를 유도할 만큼의 충분한 에너지를 가지고 있지 않다. 원자흡착와 다르게, IR 분광기는 한 분자의 단일전자 상태에서 진동전이를 검사하며, Pb, Cu 등과 같은 고유원소에 관심을 두지 않는다. 상기 진동들은 3개의 주요 카테고리에 해당한다: 즉, 상기 결합축을 따라 원자간 거리의 변화에 따른 스트레칭; 두 결합사이의 각도의 변함에 따른 벤딩; 및 두 원자그룹 사이의 각도 및 분리거리의 변화에 관계된 비틀림 결합. 거의 모든 물질은, 동일핵 2원자 분자인 O2, H2, N2, Cl2, F2 , 또는 희가스(noble gases)를 제외하고는 IR 복사를 흡수한다.
IR은 보통 0.78 내지 1000㎛의 전자기 스펙트럼의 범위를 커버한다. IR 분광기내에서, 시간주파수는 "파수(cm-1)"로 측정되며, 이것은 상기 복사파장(cm)의 역수를 취함으로써 계산된다. 정확하게 규정되지는 않을지라도, 상기 IR범위는 때때로 상기 파장을 가지며 나타낸 파수범위에 대응하는 3개의 영역에 의해 더 서술된다:
"IR 근방" 0.78-2.5㎛ 12800-4000cm-1
"IR 중간" 2.5-50㎛ 4000-200cm-1; 및
"IR에서 멀리 떨어진" 50-1000㎛ 200-10cm-1
IR을 흡수하는 분자에 대해, 상기 분자내에서의 진동 또는 회전은 상기 분자의 다이폴모멘트의 순변화를 야기한다. 입사된 IR 복사의 교류전계는 상기 분자의 다이폴모멘트의 요동(fluctuations)과 상호작용하며, 만약 상기 복사주파수가 상기 분자의 진동주파수와 매치된다면, 그때 복사는 흡수되어 상기 분자의 진동에 의해 상기 IR 대역강도내에서 감축(reduction)이 야기된다.
분자함수 그룹의 전자상태는 다수의 조합 진동상태를 가지며, 각 상태는 다른 에너지 레벨에 있다. 결과적으로, IR 분광기는 "함수그룹(functional groups)" 또는 분자종으로 알려진 것을 형성하는 고유의 화학결합내의 원자그룹핑과 관련된다. 이들 다양한 함수그룹은 조합된 타입의 화학결합의 흡착특성에 의해 물질의 성질이나 기대되는 거동(behavior)을 결정할 수 있게 한다. 이들 화학결합은 진동하는 동안 다이폴 모멘트에 변화가 생긴다. 상기와 같은 함수그룹과 그들의 각 에너지대역의 실시예는 예를들어, 수산기(O-H)(3610-3640cm-1), 아민기(N-H)(3300-3500cm-1), 방향링(C-H)(3000-3100cm-1), 알킨기(C-H)(3020-3080cm-1), 알칸기(C-H)(2850-2960cm-1), 니트릴기(C=-N)(2210-2260cm-1), 카르보닐기(C=O)(1650-1750
cm-1), 또는 아민기(C-N)(1180-1360cm-1)을 포함한다. 이들 함수그룹 각각에 관련된 상기 IR흡수대역은 조성물 분석, 특히 유기체 및 유기금속분자의 동일성에 매우 유용한 "지문"타입으로 작용한다.
어떠한 파장이 관심있는 각 함수그룹에 의해 흡수되는 가를 인지함으로써, 적절한 파장이 분석될 샘플에 직접 조사되며, 상기 샘플에 의해 흡수된 에너지양이 측정될 수 있다. 흡수강도는 상기 조성물의 농도에 관계된다. 에너지가 더 많이 흡수될수록 상기 샘플내에는 고유함수그룹이 더 많이 존재한다. 그러므로 결과는 통계적으로 풍부하게 된다. 더우기, 샘플내에 흡수대역의 결핍은 종종 동등하게 유용한 정보를 제공활 수 있다.
샘플흡수의 강도와 주파수는 스펙트럼이라는 2차도면내에 묘사될 수 있다. 강도는 일반적으로 샘플에 의해 흡수된 광량인 흡수도, 또는 샘플을 관통하는 광량인 %투과도에 의해 기록된다. IR 분광기에서, 주파수는 대개 상기에서 규정된 바와 같이 파수로 기록된다.
적외선 분광계는 광원(예를들면, 태양), 프리즘과 같은 파장 판별장치나 선택적 분산요소, 및 IR센서 검출기를 사용하여 설계된다. 상기 선택적 분산요소를 스캔하므로서, 분광정보는 다른 파장들에서 얻어질 수 있다. 그러나, 이러한 근사의 단점은 필요한 스캔작동과 관련된 이동부이다. 상기의 이동부는 예를들어 상기 장치의 강건성과 휴대가능성을 제한한다.
더 최근에는, Michelson 간섭계가 상기 IR 스펙트럼내에 간섭도(interferogram)를 발생시키는데 사용되었으며, 이후에 빠른 Fourier변환(FFT)과 같은 Fourier 변환과정을 거쳐 상기 최종 스펙트럼을 산출한다. 상기 IR범위에서, 그러한 분광계는 FTIR 간섭계라 불리며, 1960년대 중반에 처음으로 상업적으로 이용되었다. FTIR 간섭계는 도1에 나타나 있다.
FTIR 간섭계(100)의 주요 구성요소는 IR소스(110), 간섭계(130,140,150), 및 IR 검출기(160)이다. FTIR 간섭계(100)는 상기 분광계가 동시에 샘플(120)을 통해 투과되는 모든 광학주파수를 측정하고, 검출기(160)가 상기 시그널을 감지하기 전에 개개의 복사주파수를 조정하는 수단을 제공한다. 보통, 이동미러 배열(150)은 2개의 (초기) 동일한 광선빔간의 이동경로차를 얻는데 사용된다. 기준 빔과 다른 거리를 이동한 후에, 상기 2번째 빔과 상기 기준빔은 재결합하여 간섭패턴이 생긴다. IR 검출기(160)는 이러한 간섭패턴을 검출하는데 사용된다.
상기 검출된 간섭패턴, 또는 간섭도는 미러위치에 대한 강도의 구성도이다. 상기 간섭도는 상기 샘플에 의해 방출된 모든 파장의 집합체이며, 모든 실제적인 목적을 위하여 상기 간섭도는 원래 형태내에서 투광될 수 없다. Fourier 변환(FT)이라는 수학적 과정을 이용하여, 컴퓨터 또는 전용 프로세서가 상기 간섭도를 샘플(120)을 통해 흡수되거나 투과되는 빛의 특성인 스펙트럼으로 전환한다.
FT 분광기의 발명은 20C 에서의 현대기계 발전에서 가장 중요한 진보중의 하나이다. 빛의 간섭을 이용하는 광학분광기는 FT 기계에 의해 제공되는 큰 작업처리량과 복합적인 장점에 의해 분자진동/회전을 빠르고 민감하게 검출할 수 있도록 했다. 고해상도 스펙트럼이 요구되는 핵자기공명(NMR) 및 질량분광기에서, FT 기계화 는 최신식기술로써 우위를 점한다.
그러나, 일세대의 분광학자들이 선택한 FT 기계를 만든 동일한 기술적 혁신은 FT기계들을 그 작동환경에 매우 민감하게 만들었다. 이러한 이유로, FT 간섭계는 진동을 방지하기 위해 광학벤치 사용이 요구되며, 열적으로 경로차를 유도함으로서 상기 간섭도에 역효과를 주는 온도변화를 제어하기 위해 엄격한 환경제어가 요구되는 실험실 조건에 주로 제한되었다. 이러한 타입의 스캐닝 근사가 작동가능하므로, 획득가능한 시그널-대-소음비(SNR)는 종종 다중 간섭도의 실질적인 평균 시그널을 요하며, 그럼으로서 FTIR 시스템을 감소된 속도로 고유적으로 느리게 하여 더 낮은 신뢰도가 결과적으로 이들 시스템의 다수의 이동부로 부터 생긴다.
열적안정성, 기계적 진동차단, 엄격한 광학 얼라이먼트에 대한 필요성은 어디서 어떻게 FT 장치가 이용되게 할 수 있는지, 특히 장치의 휴대성 제한에 대하여 강하게 제기되고 있다. 이러한 문제가 FTIR 간섭계에 제한이 있다면, 특정 기술에 의한 시험이 몇몇 결점이 발견되게 현재 이용할 수 있는 장치에서 이루어져야 한다. 표1은 광학 간섭계의 작동을 위해 이용되는 네가지 공통기술과 그의 한계이다.
동작기술 한계
에어베어링 청정, 건조공기 및 가동미러에 있어서 긴밀한 레벨의 이동평면의 안정공급의 필요성
마그네틱 코일 높게 조정된 전원공급의 필요성 진동에 있어서의 낮은 허용오차
피에조 스택 이동범위의 한계. 피에조요소를 동작하는데 필요한 높은 전원공급.
기계적인/피에조하이브리드 큰 기계적구조와 피에조요소동작을 위한 복잡한 피드백시스템의 필요성
일반적인 FTIR 간섭계 설계 및 한계
FTIR은 산업, 정부 및 학교실험실에서 다양한 연구에 적용되고, 다양한 샘플에서 분석을 수행하여 종래 방법과 비교하여 보다 진보한 결과물이 도출되고 있다. 그러나, 종래 갖섭계 내에서 가동미러구조는 설계 및 보다 컴팩트하고 휴대할 수 있는 FTIR의 구조에 한계를 가지고 있는 것이 명백해지고 있다. Stezle, Tuchtenhagen 및 Rabolt("Novel All-fibre-optic Fourier-transform Spectometer with Thermally Scanned Interferometer")에 의해 시도된 하나의 가능한 해결방법은 광섬유 FT 분광계 구조로서, 가동부분이 없고 적외선 분광학을 수행할 수 있는 것이다.
이러한 가능성연구에서, 시도는 광섬유를 이용한 근거리-IR(10000-5000 ㎝-1)범위 내의 간섭계를 제작하는 것을 가능하게 한다. 두개가 주의깊게 측정되고 격리된 광섬유는 두개의 광채널 또는 다른 광섬유가 반복적으로 가열/냉각되는 동안에 주위온도를 갖는 하나의 광섬유를 갖는 광로로서 이용된다. 파장과 광섬유의 가열/냉각된 광섬유의 굴절율 사이에 변화로 인해 두개의 광채널 사이의 광로차(OPD)는 조합된 채널 내의 간섭의 원인이 된다. 상기 가열/냉각주기는 3㎝의 OPD 를 발생하는데 이용되고 따라서 계산된 파워스펙트럼을 갖는 인터페로그램을 생성한다.
그러나, 열과 기계적 상태 차이 하이에 광섬유 내의 두개광빔의 간섭은 매우 복잡하다고 알려져 있다. 대조적으로 종래 미첼슨(Michelson) 간섭계는, 광경로 길이차의 원인은 가동미러로부터 초래한 기하학적 경로 길이로부터 이루어지고, 광섬유 간섭계는 작동환경에서의 기계 또는 열의 변화에 반응하는 것으로, 스크램블 또는 발생한 간섭계으로 인해 필요한 위상정보의 손실을 일으킨다. 이것은 광섬유 개념은 좋은 개념이지만, IR 장치의 부동부분을 위해서는 보다 세심한 계획이 발전되어야 하는 것을 결론으로 할 수 있다.
문헌조사에서, 가시광선, 근거리-IR, 또는 IR의 대역에 대하여 고려하지 않고, 부동부분을 갖는 FT의 구조에 대한 또 다른 접근이 시도된 것을 도2에 도시된 바와 같이 알 수 있다. 상기와 같은 접은은 선형 어레이 검출기 또는 인터페로그램을 모으는 촛점면 어레이(FPA)를 이용한 것이다. 상기한 같은 접근방법의 설계는 검출기 상의 인터페로그램의 중심부의 프로젝션을 포함할 수 있고, 이 때 푸리에급수 프로세싱 후에 파워스펙트럼을 계산하기 위한 "이미지" 인터페로그램을 이용한다. 이러한 종래 기술의 어려운점 중의 하나는 어레이 검출기 크기, 검출기의 동적범위 및 어레이 검출기에 의해 캡쳐될 수 있는 한정된 인터페로그램의 범위의 한정된 스펙트럼 응답의 범위이다.
또한, 오히려 가동부분이 없는 접근은 파워스펙트럼을 이끌어 내는 철저한 푸리에 급수 연산에 여전히 의존한다. 따라서 중거리-IR 범위 내에서 튼튼하고, 비간섭적이고 부동부분이 있는 분광계가 필요하다.
종래의 푸리에 급수 분광계외에, 분산에 근거하는 분광계는 가능한 실행을 제공한다. 이러한 접근에서, 프리즘 또는 회절격자와 같은 광학적으로 분산된 요소는 빛 방사에 존재하는 스펙트럼 주파수를 분리하는데 이용된다. 상기 분산요소는 검출된 투사 빛에 존재하는 여러가지 파장을 허용하도록 회전된다.
분산에 의존하는 IR 분광계는 느린 스캔율 및 보다 낮은 감도로 인해 1960년대 말에는 가장 분석적인 분야에서 고루한 장치가 되었다. 이것은 튼튼함과 광학 출력에 한계가 있는 가동프리즘과 같은 분산 분광계의 스캐닝구조로 잘 알려져 있다. 스캐닝을 위해 필요한 것은 광자의 포인트 검출이 스캔시에만 이용할 수 있는 방법이라는 사실로부터 도출되고 이것은 스펙트럼의 IR 범위 내에서 특히 사실이다. 오늘날 그러나 가시광선 및 근거리 IR 범위 내의 어레이 검출기는 광자의 면적검출을 위해 광범위하게 이용된다. 가시광선 범위 내에서 80%의 양자효율(QE) 보다 큰 CCD(CHARGED-COUPLED-DEVICE)가 만들어져 많은 분야에서 이용되고 있다. 이러한 진보의 결과로, 가시광선 및 근거리-적외선 범위 내의 CCD 기반의 고성능 분광기시스템은 상업적인 공급으로 구입할 수 있다. 상기와 같은 시스템은 종래의 FT 간섭계에 선택적으로 공급된다.
그러나, IR 연구로부터 이득이 되는 과학적인 문제의 범위는 현저하게 증가되고, 레코드되는 동안의 빔(진동 또는 동요)내의 위치를 변화하는 샘플을 포함하는 적용분야는 종래의 FTIR 장치를 이용하여 루틴하게 어드레스 될 수 없다. 상기 FTIR 장치의 스캔닝구조 및 서로 다른 광학주파수요소의 변조결과는 위치가 흔들리는 샘플에 의해 더 변화되고 이로인해 유용하지 않은 스펙트럼 정보만을 랜더링한다.
그러므로, IR 방사의 종래 전달 및 검출을 갖는 비스캐닝 장치의 필요성은 보다 강해질 수 없다. 예를 들면, 프로세스 중에 폴리머 박막 필름 내의 미세한 기계적 변형에 대한 온라인 연구의 필요성이 적용되는 분야, LED 세대의 구조연구 및 탄력적인 폴리머 기판상의 무기물(Si,SiN)박막필름의 생산의 모니터링은 시퀀스에 따라 부동부분을 갖는 IR 장치로부터 모든 잇점이 있고, 보다 강인성이 있고 휴대성이 있을 것이다. 상기와 같은 휴대성있는 장치는 박막필름연구 특히 변형할 수 있는 샘플링의 기하학적인 구조 또는 리모트샘플의 위치를 갖는 박막필름연구 동안에 강력한 새로운 툴을 제공하여 재료연구를 촉진할 것이다.
상기와 같은 비스캐닝 동안의 부가적인 이득은 IR 범위 내의 리얼타일 장치는 환경적인 모니터링에 기초될 수 있고, 근처 군대를 모니터링하거나 가능한 화학적 또는 생물학적 전쟁공격 동안의 시민을 모니터링하는 것을 포함한다. 어떠한 약품 내에서의 복합적인 화학조성물은 강한 IR 흡수를 보여주고 쉽게 증명될 수 있다.
가시광선 및 근거리 적외선 범위 내에서 분광기에 의한 분광학에서 침습이 만들어지나, 기본적으로 이전에 기술된 CCD 검출기 내의 진행과정으로 인해 FT 장치는 원거리 적왼선 범위의 중간에서 분광기 사용의 우수성이 있고, 그러므로 상기의 범위 내에서 장치는 여전히 간섭계의 작동환경에 의해 매우 제한될 것이다.
그때, 샘플요동이 종래의 FTIR 스펙트럼에서 상기 S/N의 상당한 퇴보를 야기하는 특수 응용을 처리하도록 상기 IR 범위에서 강건하고, 소형이며, 휴대가능한 기계가 요구된다.
이동부를 구비하지 않은 휴대가능하고 신뢰할 수 있는 IR 분광기가 더 요구되며, 이것은 IR 초점면 배열(FPA)기술에 근거한다.
더 요구되는 것은, 실시간으로 센서할 수 있는 비교적 고해상도 장치 및 IR 분광물질 분석방법이며, 이것은 간섭적인 또는 계산집약적인(calculation-intensive) Fourier 변환근사에 의존하지 않으며, 또한 이것은 높은 진동과 넓은 온도변화를 포함하는 외부환경에 비교적 덜 민감하다.
[발명의 개요]
본 발명은 이동부 또는 Fourier 변환 간섭기술을 사용하지 않고, 샘플재료의 IR 스펙트럼을 결정하기 위해 강건하고 고해상도의 감광성 장치 및 방법을 제공하는 상기의 많은 문제를 해결한다.
본 발명의 제1 실시예는 스캐닝 메카니즘 또는 임의의 이동부를 이용하지 않고, 또한 Fourier 변환 시그널 프로세싱을 사용하지 않고 상기 IR 스펙트럼정보를 알아내기 위해 IR FPA기술에 근거한 샘플재료의 IR 스펙트럼을 결정하는 장치를 포함한다.
IR소스는 샘플체적를 관통하며, 상기 IR 에너지 중 적어도 일부는 상기 샘플체적내에 흡수된다. 출력된 IR시그널은 상기 IR빛을 각 파장성분별로 흩어지도록 광학적으로 분산되며, 다수의 검출요소를 구비한 IR 검출기에 투사된다. 상기 검출 기 결과는 간섭기술 없이 디스플레이 및 분석을 위해 더 프로세스된다.
제2 실시예에서, 하나 이상의 광섬유가 샘플체적을 관통하여, 광학적으로 분산요소내로, 또한 IR 검출기내로 상기 IR소스를 결합시키는데 사용된다. 상기의 실시예는 예를들면, 원거리 센서장치내에 사용될 것이며, 평가되는 상기 현상은 상기 장치, 특히 상기 IR 검출기로 부터 원거리에 위치될 것이다. 굴뚝에서의 방출량을 모니터하는 환경적 장치에서, 예를들면 분석되는 상기 샘플체적은 대기내에서 수백미터가 될 것이다. 상기 실험을 상기 센서로 가져오는데 압축광학이 사용될 수 있는 것과 같이, 광섬유 케이블이 사용될 수 있다.
상기 제1 실시예의 일태양에서, InSb 초점면배열(FPA)이 3-5㎛ 범위내에서의 흡수를 검출하는데 사용되며, 상기 제1 실시예의 두번째 태양에서, 마이크로 볼로미터에 근거한 FPA는 7-13㎛ 범위에서 이용될 것이다. 상기 제1 실시예의 또 다른 태양에서, 더 넓거나 다른 스펙트럼 반응을 구비한 HgCdTd(MCT)배열, 또는 다른 InSb 배열이 사용된다.
상기 샘플로부터의 시그널은 두 방법 어느것으로도 수집될 수 있다. 직접 렌즈결합에 의한 시그널콜렉션은 상기 시그널을 애퍼처를 통해 상기 분광계에 결합시키는데 사용된다. 선택적으로, 상기 결합은 또한 중간-IR 광섬유의 사용을 통해 완수된다.
광섬유의 사용은 상기 장치 배치에 유연성을 제공하며, 예를들면 굴뚝의 원거리감지를 가능하게 하며, 또한 다중 채널 검출 및 화학분석의 실행을 더 쉽게 하도록 한다.
본 발명의 상기 장치와 방법은 스펙트럼 정보를 결정하는데 이동부를 필요로 하지 않는다. 결과적으로, 상기 장치와 방법은 예를들면, 제조공장내의 높은 진동환경등과 같은 비교적 열악한 환경에 잘 적응된다.
상기 방법은 또한 투과 또는 반사모드로 상기 두께, 상기 화학적구조 및 물, 오일 및 다른 솔벤트등을 포함하는 액체표면위의 코팅/막(고체, 액체, 화학적으로 결합된, 물리적으로 흡착된)의 방향을 측정하고 검출하며, 금속이나 반도체등을 포함하는 고체기판위에 전기화학적으로 용착된 막의 두께, 방향성 및 화학구조를 측정하는 다양한 산업부문에서 사용될 수 있다.
제1 실시예가 도3을 참조하여 설명된다. 장치(300)는 IR 광원(310)을 포함하며, 이것은 예를들면, 텅스텐 램프, Nernst 발광체, 또는 글로우바(glowbars)를 포함하는 임의의 공통 IR 광원이 될 것이며, 몇몇 응용례에서는 태양으로 부터의 IR복사가 이용될 것이다. 바람직한 실시예에서, 상기 IR소스는 예를들면, Cal-Sensors에 의해 제조된 ZnSe 윈도우를 가진 IR 방사기가 될 것이다. 이상적으로, IR소스(310)는 상기 IR 스펙트럼, 또는 상기 IR 스펙트럼의 적어도 일부를 가로질러 "평평한" 또는 균등한 강도를 구비한다. 그러나, 만약 IR소스(310)가 균등하지 않다면, 그러한 비균등성은 상기 분석프로세스 동안 설명될 것이다.
조절가능한 애퍼처(320)가 상기 장치의 해상도를 높이기 위해 적어도 부분적으로 사용되며, 즉, 더 작은 개구부가 더 높은 해상도를 제공한다. 조절가능한 애퍼처(320)는 원형 아이리스(iris)가 되며, 바람직한 실시예에서는 길이치수가 대략 1cm이고, 조절가능한 너비가 0-2mm인 조절가능한 직사각형 슬릿이 될 수 있다. 그러한 슬릿은 모델 WH-01로써, RIIC에 의해 제조된다.
샘플 악세사리(330)는 분석될 샘플을 포함하고 있는 상기 샘플체적을 상기 광경로내에 구비한다. 바람직한 실시예에서, 샘플 악세사리(330)는 IR소스(310) 근처에 폴리머 막과 같은 샘플로 되는 작은 샘플체적 물질을 구비한 단순 샘플홀더가 될 것이며, 또는 샘플기체에 대해 사용되고 잘 알려져 있는 더욱 정교한 샘플체적 배열을 포함할 것이다.
고체나 액체보다 작은 밀도를 가진 기체는 상기 샘플체적을 관통하는 상기 IR소스의 다중 경로를 제공하도록 미러세트나 다른 적절한 배열(미도시)을 구비한 더욱 정교한 샘플 악세사리가 요구된다. 상기의 다중경로는 적절하게 측정되는 상기 IR흡착현상이 충분한 광학밀도를 얻을 수 있도록 하는데 유용하다. 다른 실시예에서, 다중경로 어레이는 굴뚝방출을 모니터 하고, 또는 실험실, 군대시설, 또는 산업환경에서 해로운 화학연기나 증기를 모니터하는데 사용된다.
샘플 악세사리(330)는 또한 망원경 또는 현미경배열을 포함하는 광학, 또는 단일 광섬유 또는 광섬유다발에 결합하는 광학을 포함한다.
더우기, 장치(300)는 적절한 빔 스플리팅광학에 따라, IR소스(310)로 부터의 방출량 일부가 다수의 샘플 악세사리 각각을 관통하는데 사용되는 다수의 샘플 악세사리(미도시)를 포함할 수 있다. 그리고 각각 다수의 샘플링 악세사리는 결합된 샘플체적을 포함할 수 있다.
광학적 분산요소(350)는 상기 샘플체적을 관통하는 IR 광원(310)으로 부터 방출량 일부를 받는다. IR 광원(310)를 나타내는 상기 전체 IR스펙트럼은 샘플악세사리(330)내에 상기 샘플체적의 하나 이상의 IR 파장의 흡수로 인해 상기 샘플체적을 관통하지 않을 것이다. 상기 흡착되지 않은 IR 파장은 광학 분산요소(350)와 상호작용하여 샘플 악세사리(330)를 벗어난 상기 IR광내에 존재하는 파장을 한 방향으로 분리하거나 분산하는 분산된 광빔을 형성한다.
광학적 분산요소(350)는 일 실시예에서, 300 lines/mm 을 구비한 규칙적인 회절격자가 될 것이다. 상기 격자는 예를들면, SPEX에 의해 모델 300g/mm 홀로그래픽 격자로써 제조될 것이다.
또 다른 실시예에서, 상기 광학 분산요소는 도4에서 보여주는 바와 같은 프리즘이 될 것이다. 더욱 바람직한 실시예에서, Pellin-Broca 프리즘(450)은 사용될 것이다. IR파장에서, 상기 Pellin-Broca 프리즘은 이러한 IR스펙트럼 범위내에서 물질흡수를 최소화 하고, 파장의 함수로써 적절한 광학분산을 보증하기 위해 ZnSe로 제조된다. 도5는 ZnSe의 굴절율 분산그래프와 도4의 Pellin-Broca 프리즘의 기준 실시에에 대한 광굴절 그래프를 제공한다. 장치(400)는 도3의 장치(300)와 유사하게 작동하나, 구성성분에서의 변화가 선택적으로 존재한다. 예를들면, 광결합수단은 IR섬유(410)를 포함하며, 또한 다중섬유 다발; 오프축 포물선 거울(440); 오목거울(442); 및 볼록거울(444)을 포함한다. IR섬유(410)에 의해 투사된 빛은 설명되는 상기 샘플체적으로 부터 나온 빛을 포함하며, 또는 상기 IR 섬유는 상기 샘플체적을 설명하는데 사용된다. 촛점광학(370)은 상기 실시예에서, 프리즘(450)으로 부터 발산하는 빛을 IR 검출기(370)로 적절히 투사하는데 사용되는 게르마늄(Ge) 압축렌즈가 된다. 상기 포물선 모양의 거울은 상기 콘모양의 섬유에서 출력된 광선을 평행하게 하는데 IR섬유를 사용할 때 바람직하다. 상기 Pellin-Broca 프리즘은 또한 상기 섬유광학 실행 뿐만아니라 도3의 IR소스와 광결합에 사용된다. 역으로, 상기 규칙적인 회절격자는 상기 섬유로 부터 발산되는 원뿔형빔을 평행하게 하고, 상기 빛을 상기 시스템내로 그리고 광학적 분산요소(350)로서 사용될때, 상기 회절격자위로 결합하도록 하는 적절한 측정이 취해진다고 가정한다면, 섬유광학에 사용된다.
비록 회절격자가 많은 산업부문에서 적절한 해상도를 제공할 수 있을지라도, 상기 Pellin-Broca 기하는 3개의 장점을 제공한다: (1)광학분산은 다른 파장에서의 굴절률의 함수일 뿐이며, 따라서 상기 광학설계를 단순화시킨다; (2)상기 2-인-1(two-in-one)프리즘설계는 매우 높은 각도분산 효능을 구비하며, 유용한 대략 90°빔폴딩(folding)이 상기 광학시스템의 소형화를 얻을 수 있도록 한다; 및 (3)Brewster 입사각 형상은 주변/ZnSe 경계면에서 광투과를 최대화 시키기 위해 이용된다. 후자는 반사손실이 ZnSe(~2.4)의 높은 굴절률에 의해 주요 관심사인 IR범위내에서 결정적 요소이다.
상기 Pellin-Broca 프리즘 설계이외에, 만약 프리즘 접근보다 더 양호한 재료처리량 및 분산이 없다면, 중간-IR성능에 대해 최적인 고유 회절격자가 이론적으로 유사하게 제공될 수 있다. 그러나, 상기 그루브수와 격자사이즈에 대한 해상도의 의존도는 격자를 사용하는 광학설계에 더 많은 제한이 될 것이다. 그러므로, 격자사용은 낮은 그루브수를 가진 저가의 재고품 격자가 프리즘으로 얻을 수 있는 것보다 더 높은 해상도가 요구되는 상황에서 특별히 적용되기에 충분하다고 고려될 것이다.
프리즘이나 회절격자를 사용하는 경우에, 광학적 분산요소(350)는 그 표면과 표면에 입사된 입사광 사이의 입사각에 관해 조절가능하다. 상기 각도조정은 아래에서 설명되는 IR 검출기(370)에 나타나 있는 파장범위 또는 스펙트럼 대역을 제어하는데 사용된다. 또한 샘플들은 다른 샘플들과 일치하는 각각의 다수 분산광빔을 형성하는 광학적 분산요소의 이용에 의해 분석될 수 있다.
촛점광학(360)은 광학적 분산요소(350)로 부터의 빛을 상기 분산된 광빔의 방향에 대응하는 분산방향을 따라 적어도 배열되는 다수의 검출요소를 구비한 IR 검출기(370)로 결합시킨다. 즉, 촛점평면 어레이를 따르는 열방향은 분산된 광빔의 분산방향과 일직선으로 맞추어진다. 보통, 입사광은 하나 이상의 픽셀열, 즉 다수의 열로 투사되며, 상기 광학적 분산요소로부터 투사된 빛은 20개의 픽셀을 커버한다. IR 검출기(370)는 광학적 분산요소(350)로 부터 분산된 광빔을 검출하여 샘플 악세사리(330)내에 포함된 상기 샘플체적내의 상기 샘플의 IR 스펙트럽 정보를 결정하는데 실질적으로 사용되는 출력을 제공한다.
일 실시예에서, IR 검출기(370)는 예를들면 Indigo Systems에 의해 제조된 Merlin Mid 모델인 3-5㎛ 파장범위내에서 감지하는 InSb 카메라를 구비한다. 상기 검출기는 30 마이크론 픽셀 피치(micron pixel pitch)를 구비한 320 ×256 픽셀 InSb 검출기; 3.0-5.0 마이크론 가변냉각필터; 15, 30 또는 60 frame/sec(fps)(최소)의 사용자가 선택가능한 프레임속도; 4시간의 최소유지시간을 구비한 액화질소 냉각듀어(dewar); 노이즈 동등 온도차 NE ΔT < 20mK; 10㎲ 내지 16.6㎳의 사용자가 선택가능한 적분시간; 및 수정된 비균등성 < 0.1% 을 포함한다. 이러한 범위에서 InSb 검출기는 또한 열전기적으로 휴대가능성을 강화하도록 냉각될 것이다.
이러한 고유의 InSb 카메라는 카메라제어에 의해 또는 Graphical User 인터페이스가 공급된 벤더, 또는 표준 윈도우 단말기 통신프로그램, 또는 Universial Serial Bus(USB) 또는 IEEE 1394 표준 인터페이스와 같은 상업적으로 유용한 인터페이스를 구비한 RS-232 인터페이스에 의해 제어된다. 부가적으로, 이러한 카메라는 자동 이득제어 알고리즘, 높고 낮은 밝기화면을 볼 수 있도록 하는 조절가능한 검출기 이득및 바이아스, 및 NTSC, S-Video, 및 12비트 수정된 디지탈 비디오를 포함하는 데이타 출력을 제공한다. 또한, 촛점광학(360)은 IR 검출기(370)을 따라 제공되며; 상기의 InSb 검출기는 25mm 중간-IR 렌즈를 구비하여 상업적으로 유용하다.
또 다른 실시예에서, IR검출기(370)는 모델 Merlin Uncooled로써 Indigo Systems에 의해 제조된 마이크로 볼로미터 카메라가 된다. 이러한 특수 카메라는 7.5-13.5 마이크론 스펙트럼 범위내의 51 마이크로 픽셀피치를 구비한 320 ×240 픽셀 마이크로 볼로미터 검출기를 포함한다. 사용자가 선택가능한 15, 30 또는 60 fps(최소) 프레임속도가 유용하다. 상기 InSb 카메라와 반대로, 이러한 장치는 313°K에서 열전기적(TE)으로 안정화되며; 노이즈 동등 온도차 NE ΔT < 100mK를 구비하며; 1-48 ㎲의 사용자가 선택가능한 적분시간을 구비한다.
상기 검출기어레이는 상기에서 설명된 바와 같이, 상기 InSb 어레이에 대한 것과 같은 방법으로 제어된다. 유사한 검출기 이득제어와 데이타 출력이 상기 InSb 모델에서와 같이 유용하다.
더우기, 수은-카드뮴-텔루르화물 HgCdTe(MCT) 어레이는 IR검출기(370)로써 사용되는데 큰 가능성을 보이며, 상기 InSb 및 마이크로 볼로미터장치에 비해 개선된 감지능력과 대역폭을 구비한다. 현재, 상기와 같은 어레이는 제조하기가 다소 어려우며, 다른 유용한 IR검출기보다 비용이 더 비싸다.
비록 InSb와 마이크로 볼로미터 타입의 검출기가 열전기적으로 냉각될지라도, 상기 InSb FPA 의 감지도는 상기 마이크로 볼로미터 FPA의 감지도 보다 훨씬 더 높다. 사실상, 상기에서 증명된 상기 InSb FPA에 대한 감지도는 종래의 FTIR에서 주로 사용된 액화질소로 냉각된 MCT 검출기보다 훨씬 더 양호하다. 다른 한편으로, 최신식 마이크로 볼로미터에 근거한 FPA의 감지도는 액화질소로 냉각된 MCT 검출기의 감지도 보다 낮은 대략 1정도(one order)의 크기이다. 그러나, 액화질소로 냉각된 MCT검출기의 성능레벨에서의 감지도는 언제나 필요로 되는 것은 아니며, 많은 응용에서 상기 마이크로 볼로미터 FPA의 낮은 감지도가 상기 장치내에 중요한 효능상의 문제를 야기하지 않는다는 것은 가능하다. 또한, FPA를 사용하는 중요한 잇점은 단일요소 검출기에 비교할때, 수직비닝(vertical binning) 또는 인접한 컬럼 픽셀로부터 합산된 출력을 이용하는 가능성이다. 다수의 열과 함께 유한한 높이의 픽셀로부터 상기 시그널을 부가함으로서, SNR은 상당히 개선될 수 있다. 예를 들어 각각 다수의 열에서 하나의 픽셀로부터의 출력은 SNR 을 개선하기 위한 촛점면 어레이의 하나의 컬럼을 따라 부가될 것이다.
비록 IR검출기(370)가 촛점면 어레이(FPA)형상에 의해 설명될지라도, 선형 어레이 검출기도 IR검출기(370)로써 사용될 것이다. 그러나, 상기에서 설명한 바와 같이, 일차원 어레이내에 다수의 검출기 요소를 구비한 선형어레이 검출기는 2차원 검출기 어레이가 제공하는 다양한 특성을 이용할 수 없다. 예를들면, 상기의 잇점은 시그널 대 노이즈(SNR)의 비율과 다중 샘플분석을 위한 FPA의 다른 영역을 이용하는 다중 채널검출능력을 증가시키기 위한 수직 "비닝" 또는 검출기 어레이 픽셀의 공동출력의 공동부가(co-adding)이다. 즉 각 다수의 열에서 하나의 픽셀로부터의 출력은 촛점평면 어레이의 하나의 컬럼을 따라 같이 부가되고 짝수 픽셀출력은 촛점평면 어레이의 다수의 컬럼을 따라 같이 부가될 수 있다. 이러한 부가적인 특성은 선형어레이로 유용화 되지 않는다.
장치(300)내의 다양한 요소들 간의 광경로와 광결합수단은 일 실시예에서, 다양한 형상의 표준 IR거울(340,342)을 포함하여 샘플링 악세사리(320)내의 샘플체적을 통해서 IR소스(310)로 부터의 빛을 광분산요소(330) 위에 또는 그것을 통해서 결합하게 하거나, 및 촛점광학(360)을 통해서 IR검출기(370)위에 결합하도록 한다. 예를들면, 상기의 거울은 Newport Corporation에 의해 제조된, 직경 3-inch(~7.6cm)인 전면이 알루미늄인 거울이다. 상기 IR대역에 사용될 수 있는 다른 거울코팅은 구리나 금이 될 수 있다.
도5에서 설명된 다른 실시예에서, 상기 광경로는 단일 광섬유 또는 광섬유다발, 특히 예를들어 Amorphous Material, Inc.에 의해 제조된 섬유모델 C1-500과 같은 다중모드 IR 광섬유의 사용을 포함한다. 다른 샘플타입과 샘플링하는 중간-IR광섬유가 상기 소스와 분산요소 사이에 합병되도록 하여, 상기 IR소스를 상기 샘플체적으로 전달하고 상기 샘플체적내에 흡수된 후 상기 IR광원에 대해 상기 분산요소까지 광경로를 제공하는 잇점이 있다.
중간-IR범위(3-5 또는 7-13 ㎛ 범위를 포함)에서 1dB/m 미만의 손실이 있는 광섬유는 상업적으로 유용하다. 이러한 다중모드 섬유는 가시광선 범위 및 IR근처 범위내의 그들의 섬유대응부에서 발견되는 것과 같은 유연성 및 사용의 용이성등의 특성을 제공한다. 이러한 광학물질의 열적 역학적 특성은 과거 수십년에 걸쳐서 극 적으로 개선되어 왔다.
FPA 검출기와 다중채널 섬유다발을 결합할때, 다양한 샘플, 또는 다른 위치에 구비된 동일샘플의 동시측정이 가능하다. 이것은 소개된 분광계가 단일 장치를 구비한 다중 검출채널을 제공할 수 있으며, 그럼으로서 일 채널 베이시스(basis)당 소유원가를 줄일 수 있다. 도4에서 보여주는 일반적인 설계 개략도에서, 오프축 포물선 거울(440)은 Ir섬유(410)나 섬유다발의 입구애퍼처 또는 출력말단으로 부터 상기 시그널을 수집하고 평행하게 하는데 이용된다. 조절가능한 애퍼처(420)는 상기 평행빔의 사이즈를 제어하는데 사용되며, 결과적인 압축광학(442,444)은 상기 시그널을 상기 프리즘에 결합시키는데 사용된다. 상기 빔 압축광학과 애퍼처 사이즈의 결합은 상기 분광계의 f수, 결과적으로 분광 해상도를 결정한다.
프로세서(380)는 특히 IR분광 프로세싱에 적용되는 고유목적의 컴퓨터이며, 소위 "펌웨어(firmware)" 또는 커스톰 애플리케이션 고유 집적회로(ASIC)와 같은 집적회로에서 실행되거나, 또는 공통 퍼스날 컴퓨터(PC)가 될 수 있다. 프로세서(380)는 바람직하게도 IR 검출기(370)에 제어 소프트웨어/하드웨어를 제공한다.
상기에서 설명된 FPAs 중 어느 하나를 사용하는 바람직한 실시예에서, Indigo Systems에 의해 제조된 "탈룬 울트라(Talon Ultra)" 데이타 획득시스템이 사용된다. 프로세서(380)는 500 MHz 펜티엄?Ⅲ PC, 256 MB RAM, 12 GB 하드드라이브, 윈도우? NT 4.0작동시스템, IR 카메라 디지털 인터페이스 케이블(10ft, 또는 ~3m), 고속 16비트 프레임 그래버, 카메라 인터페이스 소프트웨어, 및 Image Pro? 4.0 등에 근거한 이미지 분석 소프트웨어를 포함하는 전용 IR 이미지 획득스테이션으로써 실행된다. 상기의 기준 패키지는 상기 IR 카메라로 부터 이미지와 데이타를 포착하고, 연구하며, 조작하고, 및 저장하기 위해 이미지를 프로세싱하고, 측정하며, 분석하고, 및 출력하는데 전범위 이용도를 제공한다.
디스플레이장치(390)는 CRT나 LCD 디스플레이와 같은 기준 컴퓨터 모니터, 또는 프린팅장치가 될 수 있다.
비록 이러한 특별 표준실시예가 데이타획득을 위해 상기 PC시스템 메모리를 사용할 지라도, 특수목적인 전용고속 메모리도 이용될 것이다(미도시). 휴대가능성을 첨부하기 위해, 프로세서(380)는 일체의 LCD 디스플레이를 구비한 랩탑 또는 노트북컴퓨터에 합병될 수 있다.
표준 실시예에서, 프로세서(380)에서 작동하는 소프트웨어는 실시간 히스토그램; 실시간 디지털 필터링; 사용자가 관심영역(ROI)을 한정할 수 있는, 실시간 프레임 에버리징; 세부적으로 특징지어진 데이타 디스플레이, 감축, 분석능력; 및 데이타 수집과, 분석과, 기록을 자동화하기 위한 비쥬얼 베이직-컴퍼터블 매크로 랭귀지와 같은 광범위한 특성을 제공한다.
이러한 응용타입에서, "실시간"은 샘플링과 분석을 통해 초기화로 부터 바람직하게도 1sec보다 작게 된다고 고려되며, 더 바람직하게는 500msec 보다 작게 된다고 고려되며, 더욱 바람직하게는 20msec 보다 작게된다고 고려된다. 이러한 타입 의 반응시간은 종래의 스캐닝과 간섭기술에 유용한 결과를 제공한다. 더우기, "실시간" 검출은 더욱 바람직하게도 발생되는 대로 프로세스를 연속적으로 모니터하는 능력을 의미하며, 일반적으로 수집된 데이타세트 사이의 시간도메인, 또는 듀티(duty)사이클은 5-100㎲ 범위이다.
부가적인 분석 소프트웨어는 상기 IR 스펙트럼 정보를 분석하고, 화학전 및 세균전 약품에서 발견되는 것과 같이, 상기 샘플체적내에서 발견된 하나 이상의 고유함수 그룹, 예를들면 플루오르화탄소, 탄화수소, 또는 복합분자결합이나 "시그너처(signature)" 함수그룹을 결정하기 위해 프로세서(380)내에서 작동할 것이다. 더우기, 듣거나 볼 수 있는, 또는 듣고 볼 수 있는 경보기(alarm)도 특별한 시그너처 함수그룹이나 화학조성물이 상기 샘플내에 존재한다고 결정된다면 작동될 것이다.
비록 장치(300)의 몇몇 구성성분이 설치하는 것을 용이하게 하고 또는 최상의 데이타 수집을 제공하도록 조절가능할 지라도, 장치(300)는 작동되는 동안 어떠한 이동부를 사용하지 않고 IR스펙트럼 정보를 결정할 수 있다.
상기 제1 실시예의 비간섭계 장치는 IR소스를 제공하고; 상기 광경로에 상기 샘플체적을 구비하며; 상기 IR소스 방출량의 적어도 일부가 상기 샘플체적을 관통해 상기 광경로로 지나가며; 상기 IR소스 방출량의 적어도 일부가 분산된 IR광빔을 형성하도록 광학적으로 분산되며; 상기 분산된 IR광빔을 다수의 검출기를 사용하여 검출하며; 및 상기 다수의 검출기로 부터 출력을 계산하므로서 상기 샘플의 IR스펙트럼을 비간섭적으로 결정하므로서 샘플체적내의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하도록 작동된다. 더 바람직한 방법에서, 예를들어, FPA와 같은 2차원 검출기 어레이가 작 동되며, 검출기의 각 컬럼은 상기 분산된 IR광빔내에 포함된 파장을 나타내며, 검출기 요소의 적어도 2개열은 상기 검출된 시그널의 SNR을 개선시키는데 사용된다.
상기 장치가 확실하게 사용되기 전에, IR소스(310)는 계산되어져야 하며, 또는 바람직하게는 가능한 비균등 소스강도를 보충하기 위해, 상기 관심영역을 가로질러 적어도 스펙트럼 강도가 알려져야 한다.
상기 소스계산 프로세스는 상기 광학기계내에 샘플체적 없이 기본(background) 파워스펙트럼을 수집하고; 상기 샘플 파워스펙트럼을 수집한 다음에; 상기 샘플 파워스펙트럼을 상기 기본 파워스펙트럼으로 나누는 것(또는 비)을 포함하여, 상기 장치에 의해 기록되는 모든 주파수에 대해 샘플강도/기본강도, 또는 투과도를 결정한다. 관습적으로, 상기 데이타는 로그계산에 의해 더 프로세스되며, 즉 다음과 같이 흡수스펙트럼(ABS)을 결정한다:
ABS = -log10(샘플/기본).
흡수스펙트럼이 한번 결정되고 나면, 상기 소개된 장치와 방법은 고체나 액체막의 두께 또는 또 다른 고체나 액체의 코팅두께를 측정하기 위해 산업적 또는 환경적 프로세스 모니터링내에서 사용된다.
상기에서 설명된 일반적인 작동결과물을 근거로, 샘플의 흡수스펙트럼이 본 발명에 의해 얻어진다. 흡수량은 일반적으로 다음과 같이 표현될 수 있다:
ABS = A ×B ×C,
여기서, A는 상기 샘플내에 존재하는 흡수함수 그룹의 흡수계수; B는 상기 샘플(두께)내의 광경로, 및 C는 상기 함수 그룹의 농도이다. 상기 관계식은 "Beer's Law"로써 널리 알려져 있다.
농도와 두께측정은 샘플에서 보여주는 임의의 진동대역에 대해 흡수계수 A를 계산하기 위해, 알려진 농도 C와 알려진 두께B의 표준 샘플을 사용하여 실행될 수 있다. A가 상기 흡수대역에 대해 알려져 있다면, 상기 농도나 두께를 측정하는데 Beer's Law를 이용할 수 있다.
예를들면, 막 프로세싱 라인에서, 만약 재료공식이 일정하게 유지된다면, 대응되는 C와 A값도 일정하다. 이러한 경우에, 본 발명은 상기 막두께를 모니터하는데 사용할 수 있으며, 상기 흡수레벨은 B에 직접 비례한다. 다른 한편으로, 반도체 화학증착(CVD) 프로세싱 챔버에서, 기체종(gaseous species)의 농도는 A(기지종)와 B(고정된 챔버 사이즈)가 일정하게 유지되고, 상기 농도가 상기 측정된 흡수에 직접 비례하는 것으로 결정되기 때문에 본 발명에서 측정될 수 있다.
방향성 측정은 다음의 방법으로 실행된다. 비편광 IR광이 IR측정에 사용될 때, 매치하는 진동주파수를 구비한 모든 함수그룹은 흡수를 야기한다. 그러나, 상기 입사IR광이 특별한 방향으로 진동하는 전자기파만이 통과되도록 선형 편광될때, 상기 편광된 빛과 같은 방향으로 매칭 주파수와 다이폴모멘트 변화를 구비한 함수그룹만이 상기 입사광을 흡수할 수 있다.
방향이 무작위로 분포된 샘플에 대해, 모든 다이폴방향은 동등하게 샘플되며, 결과적으로 상기 편광방향에 대한 의존도는 관측되지 않는다. 다른 한편으로, 프로세싱 단계에 의해 선택된 방향을 구비한 샘플에 대해, 상기 편광방향이 상기 샘플 다이폴변화 방향과 매치될 때 훨씬 더 강한 흡착가 존재한다. 편광된 IR광과 비편광된 IR광의 흡착스펙트럼을 비교함으로써, 연구하고 있는 샘플이 어느정도 및 어떤 방향성을 가지는 가를 추론할 수 있다.
IR광의 편광은 종종 골드와이어(gold wire) 편광자를 사용하여 완수된다. 이러한 광학장치는 예를들면, ZnS과 같은 IR 투명기판위에 평행하게 배열되어 있는 유한하게 분리된 골드와이어로 구성된다.
편광방향과 샘플의 다이폴방향간의 관계는 다음과 같이 묘사된다:
ABS관측 ∝ cos(Θ),
Θ는 진동하는 동안 상기 샘플의 다이폴모멘트 변화방향과 입사IR광의 편광방향 사이의 각도이다. 상기 관계식에서, Θ= 90°일때, 진동주파수 조건이 만족될지라도 흡수가 없음을 알 수 있다.
본 발명의 특성과 잇점은 첨부한 도면을 참조한 발명의 상세한 설명을 통해 훨씬 더 쉽게 이해된다.
도1은 종래의 FTIR 간섭계.
도2는 Fourier 변환에 근거하며, 광거리차를 발생시키는데 이동부를 필요로 하지 않는 종래의 간섭계에 대해 사용된 2개의 다른 도면.
도3은 비간섭 IR분광기가 어떠한 이동부도 사용하지 않고 완수됨을 보이는 본 발명에 따른 일 실시예.
도4는 광학적 분산요소로서 Pellin-Broca 프리즘을 사용하는 또 다른 실시예로서, IR 광섬유가 빛을 상기 장치에 결합시키는데 사용됨을 보여준다.
도5는 도4의 상기 Pellin-Broca 프리즘의 표준 실시예에 대한 ZnSe의 굴절률분산 및 광학굴절의 그래프.
도6은 본 발명에 의해 평균적으로 얻을 수 있는 대표적인 노이즈와 시그널의 그래프.
도7은 종래의 FTIR 간섭계와 본 발명품의 결과 비교도.
도5에 나타나 있는 굴절율 정보에 의한 임시의 광선궤적 계산에 근거하여, 대략 Brewster각(ZnSe의 θB ~67°)에서 "숏사이드 엔트란스(short-side entrance)"기하로 작동하는 ZnSe로 만들어진 67.5°Pellin-Broca 프리즘은 3 과 13㎛ 파장빔 사이에 대략 6°각분산을 줄 것이다. 다른 파장 사이의 칩상 공간분리는 사용된 촛점광학, 상기 Pellin-Broca 프리즘의 사이즈, 및 상기 시스템의 f수에 의해 결정된다. 상기 스펙트럼 범위 중 500 에서 1000cm-1 구간은 상기 FPA(256, 320 등의 픽셀)위에 수직으로 촛점이 맞춰진다. 상기 광학빔의 분산방향을 따라 상기 FPA 내의 픽셀개수가 주어질때, 최대 해상도는 대략 5cm-1 이다. 그러나, 더 미세하게 홈이 파인 격자와 같은 다른 광학성분을 사용함으로써, 예를들어 5cm보다 더 양호한 해상도가 상기 분광계에 대해 얻어질 수 있다.
상기 FPA-IR분광그래프의 성능을 억세스(ASSESS)하기 위해, 헥사디칸(C16H34)의 스펙트럼이 10㎲의 상기 CH 스트레칭 영역에서 얻어질 수 있으며, 이것은 도6에서 보여준다. 이 실시예에서 3-5㎛ FPA가 300 groove/mm IR 격자와 결합되어 사용된다. 도6의 다양한 부분인 "A", "B", 및 "C"는 다양한 레벨의 시그널 적분, 다중열을 사용함으로서 유용한 SNR에서의 개선, 및 다중 이득 프레임, 또는 주기를 보여준다. 도6의 우측은 이들 다양한 접근과 관련된 노이즈 레벨을 나타낸다.
도7의 우측에 나타난 바와 같이, 헥사디칸의 IR 스펙트럼도 16cm-1, 8cm-1, 및 4cm-1 해상도를 사용하는 종래의 FTIR 장치를 사용하여 얻어진다. 상기 3개의 스펙트럼에서 관측된 2875cm-1에서의 메틸 스트레치는 상기 장치의 해상도를 나타내는데 사용된다. 상기 약대역은 2875cm-1에서 훨씬 더 강한 대칭 CH2 스트레치의 높은 주파수 영역에서 발견된다. 상기 FPA-IR 스펙트럼에서 메틸 스트레치는 상기 4cm-1 해상도 FTIR 스펙트럼에서 보다 적게 분해되나, 8cm-1 해상도 FTIR 스펙트럼에서 보다는 더 잘 분해된다.
그래서 소개된 FPA-IR 분광계의 설계는 4-8cm-1 범위의 해상도에서 작동한다. 수집시간(유사한 SNR에 대해)을 min에서 ㎲까지 상당히 개선시키며, 동력 프로세스가 연구되도록 한다. 더우기, 시스템 해상도 및 작업처리량의 개선은 다양한 구성요소를 최적화시키므로서 얻을 수 있는 반면에, 상기 검출기의 수직픽셀의 비 닝은 약한 흡수시스템내에서 상기 SNR을 개선시킨다.
비록 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 검토가 IR 스펙트럼 정보를 결정하도록 할 지라도, 본 발명의 방법과 시스템은 단지 상기의 협소한 실행에만 제한되는 것은 아니다. 예를들면, 본 발명은 또한 상기에서 언급된 산업적 환경적 프로세스에 적용가능하며, 더우기 폴리머 막두께와 같은, 또는 반도체 프로세싱에서 하나 이상의 물리적 기여를 제어하도록 배치생산라인의 제어시스템내에 합병된다.
본 발명은 다양한 방법으로 변형될 수 있음은 명백하다. 예를들면, 동일한 체적에 대한 그들의 고유위치와 같은, 상기 고유 광학구성성분은 변형될 수 있다. 상기의 변형은 본 발명의 기술사상 및 발명 범위내이며, 그러한 모든 변형이 본 기술분야의 당업자에게는 본 특허청구범위내에서 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위와 그 등가물에 제한되는 것이 아니다.
소개된 발명의 장치와 방법은 다양한 산업적 환경적 프로세스에 폭넓게 적용된다.
몇몇 응용례는 반도체, 금속 및 유전체등을 포함한 고체의 표면위의 코팅(화학적으로 결합되고 물리적으로 흡착되는 고체, 액체)의 두께, 화학구조 및 방향성을 측정하는 방법을 포함한다.
예를들면, 장치제조에 이용되는 최신물질 프로세스에서, 분자레벨위의 프로세스된 물질내의 미묘한 차이는 고유 결과물의 성공이나 실패를 결정할 수 있다. 결정체 질서도(order), 체인방향성, 및 수소결합강도와 같은 분자매개변수는 상기 최종장치의 기능성에 중요한 영향을 줄 수 있다. 예를들면, 노트북컴퓨터에 사용되는 액정 디스플레이는 경변조기로써 작용하는 상기 액정분자의 "오프" 방향성을 한정하기 위해 상기 유리주형판위에 사용되는 상기 폴리머코팅의 체인방향에 의존한다. 그러나, 상기 폴리머체인의 방향성은 "버핑(buffing)" 프로세스에 의해 발생되며, 상기 프로세스 동안 한 조각의 벨루아천이 상기 폴리머로 코팅된 유리를 주어진 방향으로 문질러 체인방향을 유도한다. 비록 평패널 디스플레이 제조라인의 산출이 전적으로 성공적인 버핑프로세스에 의존할지라도, 최종 어셈블리 이전에 버핑에 의해 유도되는 체인방향성이 완수되도록 억세스 할 수 있는 다양한 제조단계동안 사용되는 어떠한 모니터링 프로세스도 없다. 그러므로 열악한(poor) LC 정렬특성을 구비한 유리주형판은 상기 제조 프로세스가 완수되기 까지는 상기 어셈블리 라인으로부터 제거되지 않는다. 실패한 충분히 어셈블리된 디스플레이를 폐기하는 비용은 열악한 정렬특성을 가진 폴리머로 코팅되고 버프된 유리판을 제거하는 비용보다 몇배 더 높다. 이러한 더 효율적인 특성제어 프로세스를 실현하는데 있어서 주요 어려움은 제조공장내에서 발견되는 활동적인 작동조건에서 생존할 수 있는 어떠한 믿을만한 검출방법도 없다는 것이다.
예를들면, 스캐닝 검침 현미경 및 X-선 회절과 같은 프로세스 방법은 본래 파괴적일 수 있으며, 긴 데이타 수집시간과 상기 생산라인으로부터 샘플제거를 필요로 한다. 결과적으로, 성공적인 온라인 프로세스 모니터링 방법에 요구되는 실시간 통계는 이러한 기술로 얻어질 수 없다. 여기에 소개된 장치와 방법은 실시간으로 프로세스를 비파괴적으로 모니터 할 수 있으며, 예를들면 큰 영역 샘플의 체인 방향에 대한 정보는 상기 버핑 프로세스가 완수된 후에 바로 그 상화에서 얻을 수 있다.
본 발명자는 다른 유기체, 비유기체 및 폴리머 표면을 사용하는 액정배열연구에 참여하고 있으며, 상기 주형판 표면의 질서도, 방향성, 형태학(morphology), 및 국소형태학(topography)이 상기 최종 LC 방향성에서 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 이러한 정보는 여기에 소개된 휴대가능한 IR분광계의 사용으로 상기 평패널 디스플레이산업에 쉽게 접근할 수 있게 한다.
호수, 강, 또는 바다와 같은 수중환경에서 IR분광기의 환경적 적용은 특수함수 그룹의 존재유무를 결정하는데 반사된 IR에너지를 사용하여 오일이나 상기 표면위의 오염물을 검출하고 측정할 수 있다.
또한, 상기 IR 분광계가 매우 유동적이므로, 상기에서 설명된 바와 같이 상기 분야에서 작동할 수 있는 물오염 모니터로써 사용될 수 있다. 소개된 분광계에서 제공된 스펙트럼 범위는 대부분의 방향오염물질에 대한 지문영역에서 상기 스펙트럼 특성을 커버한다. 물에 할당되는 상기 IR대역(1600-1750cm-1)가 이러한 스펙트럼 범위에서 상기 오염물질 시그널과 간섭하지 않기 때문에, 상기 분야에서 폐수의 부피분석도 사익 장치로 가능하다.
또 다른 응용례는 박막위의 IR 분광기이다. 폴리머의 다양한 광학적, 역학적 및 에이징(aging)특성은 상기 질서도, 방향성, 및 프로세스 동안 발생하는 형태학적 전개의 직접함수이다. 아이러니 하게도, 폴리머가 박막으로 형성될때 방향성과 질서도의 구조적 전개에 대한 이해가 거의 없다. 실시간 IR분광방법에 의해 폴리머 체인조직의 특성을 구조적으로 특징짓는 능력은 미세역학적 변형의 방향에 대해 필요한 결정화 및 방향성의 양을 궁극적으로 제어하는 프로세싱 프로토콜의 최적화를 허용한다. 많은 경우에, 이것은 완전결합이나 불완전한 결합, 및 결정물질이나 비정형물질에 기여할 수 있는 고유 IR대역에 의해 명백하게 된다. 박막의 프로세싱(가열, 스트레치, 냉각)에 따라 IR대역의 강도 및 주파수에 따르는 것은 그것이 발생함에 따라 방향성과 결정형태의 분자전개를 따르도록 한다.
비록 폴리(에틸렌)(PE)막과 섬유에 관한 많은 연구가 행해졌을 지라도, 제공된 정보는 프로세싱전과 변형후에 대개 얻어지며, 가열등이 완수된다. 다른 스펙트럼영역에서 실시간으로 분광정보를 제공하는 것은 상기의 광섬유 IR장치로 가능하다. 선택된 상기 촛점면 어레이의 스펙트럼 범위에 의존할때, 사방정계 단위세포의 특성을 가진 1460-1470cm-1(이중) CH2 시저(scissors)진동, 및 720-730cm-1(이중) CH2 라킹(rocking)진동을 사용하여 결정도 전개를 연구하는 것이 가능하다. 더우기, 730 및 720cm-1에서 상기 CH2 라킹성분의 전이모멘트가 상기 단위세포의 "a" 및 "b"축에 평행하기 때문에, 프로세싱 동안 상기 편광된 IR빔내의 730 및 720cm-1 대역의 상대강도를 따름으로써 설계과정에 도입된 2축방향 범위를 결정하는 것도 가능하다.
또한, 2세트의 대역(라킹 및 시져)가 상기 폴리머 체인축에 수직으로 편광되 므로, 그들의 강도는 상기 역학적 변형방향에 관한 축방향에 관한 정보를 제공하는데 사용될 수 있다. 이와 유사하게 2920cm-1(비대칭 CH2 스트레치)및 2850cm-1 (대칭 CH2 스트레치)에 구비된 상기 CH 스트레칭 진동은 상기 탄소 백본(backbone)의 평면내외로 각각 강하게 편광된다. 그러므로 이들 진동도 2축 방향성 막에서 "a" 및 "b"축의 범위를 결정하는데 사용도리 수 있다.
강도가 편광성의 변화에 의존하는 Raman 분광기와 다르게, 유도방향의 투광을 직접적으로 하지 않는다면, IR강도는 다이폴모멘트(특수 진동모드에 대해)내의 변화에 의존하며, 다이폴모멘트의 변화의 방향성이 알려진다면 상기 폴리머 체인축에 관하여 체인방향성의 더 직접적인 부과를 제공한다. PE경우에, 이들은 잘 알려져 있으며, PE는 IR 분광기를 유도하는 적절한 폴리머이다.
또 다른 응용례는 일련의 폴리(에스터) 박막을 측정하는 것이다. 비록 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET)막 전후프로세싱에 관한 수 많은 연구가 문헌상에 나타날지라도, 프로세싱 동안 PET에 관한 어떠한 연구도 기록되지 않는다. 더우기, 구조적으로 상관있는 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN)에 관한 연구가 나타나지 않는다. 지금은 PEN 에 관한 주요 상업시장이 특히, (PET에 비해) 개선된 열적 유전체적 특성으로 인해 막(films)에 관한 것이므로, 다양한 프로세싱 변수가 특성들에 미치는 효과에 대한 이해는 근본적으로 중요할 뿐만아니라 시기 적절하다.
스트레칭후 PET에 관한 종래의 연구에서, 종래에 -OCH2CH2O-그룹의 완전 및 불완전형상에 할당된, 973 및 1041cm-1에서 대역이 스트레스가 적용된 후 강도(973cm-1 주파수 천이)면에서 상당한 변화가 있음을 보여준다. 이것은 비록 이러한 증거만으로 전체샘플의 결정성이 증가하였음을 나타내지는 않는다 하더라도, 스트레스가 불완전결합을 완전결합으로 변형한다는 것을 의미한다. 이것은 스트레스의 함수이며 상기 973cm-1 완전대역이 증가함에 따라 증가하는 것으로 알려진 결정영역내에 완전형상의 특성인 848cm-1 CH2 라킹진동의 사용이 요구된다.
유사거동이 PET결정영역에서 완전결합의 특성이 된다고 관측되는 1386cm-1 CH2 웨깅(wagging)모드에 대해 관측된다. 상기 -OCH2CH2O-그룹이 양쪽 폴리에스터 체인의 방향그룹 사이에 공통결합이므로, PET 및 PEN 막의 방향성, 모든 완전내용물 및 결정도의 전개에 프로세싱 변수가 미치는 효과를 이해할 수 있도록 상기 973, 1041, 848 및 1386 cm-1의 강도와 주파수변화를 모니터링 한다. 또한, PET 및 PEN의 결정화 및 방향성에서의 변화는 2870 및 2850cm-1 에서 수행되는 상기 CH 스트레칭 모드에 의해 증명될 수 있으며, 반면에 방향성만은 3200cm-1에서 C=O 상음(overtone)진동을 사용하여 수행될 수 있다.
소개된 장치의 산업적 응용은 다음을 포함한다: 물, 오일 및 다른 용매등을 포함하는 액체표면위의 코팅/막(화학적으로 결합되고 물리적으로 흡착된 고체, 액 체)의, 투과 또는 반사시 상기 두께, 화학구조 및 방향성을 측정하고 검출하는 방법;
오일누출, 오염된 호수, 개울, 강 등의 환경을 포함하는, 물위 오일의, 투과 또는 반사시 두께, 화학구조 및 방향성을 측정하고 검출하는 방법;
고체 및 액체표면위의 막, 흡착된 가스, 코팅을 포함하는, 플루오르화탄소 물질의 두께, 방향 및 화학구조를 측정하는 방법;
금속 및 반도체등을 포함하는 고체기판위에 전기적으로 용착된 막의 두께, 방향성 및 화학구조를 측정하는 방법;
열, 복사 또는 빛에 의해 화학적 또는 물리적으로 분해되는, 독립되어 있거나 고체나 액체기판위에 지지되어 있는 막의 두께, 방향성 및 화학구조에 있어서의 변화를 측정하는 방법;
프로세스됨(스트레치되고, 결정화되며, 정렬되는 것등을 나타낸다)에 따라, 고정적 또는 "실시간"으로 막에 있어서의 방향성을 검출하는 방법;
독립되어 있거나 고체나 액체기판위에 지지되어 있는 막의 두께, 방향성, 화학구조 및 결정화를 측정하는 실시간 방법;
기체, 액체 또는 고체상태에서 화학반응이 발생할 때 존재하는 화학종을 측정하고 검출하는 실시간 방법;
공장, 실험실, 광산터널, 창고 및 전쟁터등에서의 연기 등을 포함하는, 기체상태의 유해물질을 측정하고 검출하는 실시간 방법;
방향성, 결정화, 융해, 분해, 용착 및 승화에 수반되는 것등을 포함하는 프 로세스를 모니터하는 실시간 방법;
공장, 광산, 자동차, 항공기 또는 우주선등을 포함하는, 높은 기계소음을 구비한 환경에서 전개될 수 있는 모니터링 방법;
적외선 망원경광학으로 전개될 수 있으며 원거리 감지 플랫홈으로 기여할 수 있는 모니터링 방법;
적외선 현미경광학으로 전개될 수 있으며 적외선 현미경 샘플링을 실시간으로 실행할 수 있는 모니터링 방법;
의료 내시경 진단을 실행할 수 있도록 적외선 광섬유로 전개될 수 있는 모니터링 방법.

Claims (94)

  1. 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치에 있어서,
    IR광원;
    광경로내에 상기 샘플체적을 구비시키기 위한 샘플링 악세사리;
    상기 광경로내의 조절가능한 애퍼처;
    상기 IR 광원으로부터 방출량 중 적어도 일부가 상기 광경로를 따라 상기 샘플을 관통하며, 상기 적어도 일부의 방출량이 분산된 광빔을 형성하기 위해 상호작용하는, 상기 광경로내의 광분산요소; 및
    상기 분산된 광빔의 분산방향을 따라 적어도 배열되는 다수의 검출요소를 구비한 IR 검출기를 포함하며,
    상기 IR검출기는 상기 분산된 광빔을 검출하여 상기 샘플의 상기 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 출력을 제공하며,
    상기 장치는 작동동안에 어떠한 이동부도 사용하지 않고 상기 IR 스펙트럼정보를 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광분산요소가 회절격자인 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광분산요소가 프리즘인 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광분산요소가 Pellin-Broca 프리즘인 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 프리즘이 IR 파장을 실질적으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 프리즘이 ZnSe를 포함하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  7. 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치에 있어서,
    IR광원;
    광경로내에 상기 샘플체적을 구비시키기 위한 샘플링 악세사리;
    상기 IR 광원으로부터 방출량 중 적어도 일부가 상기 광경로를 따라 상기 샘플을 관통하며, 상기 적어도 일부의 방출량이 분산된 광빔을 형성하기 위해 상호작용하는, 상기 광경로내의 광분산요소; 및
    상기 분산된 광빔의 분산방향을 따라 적어도 배열되는 다수의 검출요소를 구비한 IR 검출기를 포함하며,
    상기 IR검출기는 상기 분산된 광빔을 검출하여 상기 샘플의 상기 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 출력을 제공하며,
    상기 장치는 작동동안에 어떠한 이동부도 사용하지 않고 상기 IR 스펙트럼정보를 결정할 수 있으며,
    상기 광분산요소는 조절가능하고, 상기 IR 검출기에 투사된 상기 분산된 광빔의 파장범위는 상기 IR 광원의 적어도 일부의 방출량과 상기 광분산요소의 표면 사이의 입사각을 조절하므로서 결정되는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광경로내에 조절가능한 애퍼처(aperture)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 조절가능한 애퍼처가 적어도 조절가능한 너비를 구비한 슬릿인 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 조절가능한 애퍼처가 조절가능한 아이리스(iris)인 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 IR 검출기는 다수의 열로 정렬된 다수의 검출요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 IR 검출기는 촛점면 어레이(array)인 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 촛점면 어레이가 InSb를 포함하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 촛점면 어레이가 마이크로볼로미터 촛점면 어레이인 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 촛점면 어레이가 MCT를 포함하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 분산된 광빔내에 포함된 다수의 파장 중 적어도 하나에 대응하는 다수의 촛점면 어레이 픽셀출력은 다수의 파장 중 적어도 하나의 진폭을 나타내는 시그 널의 시그널 대 노이즈의 비율을 개선시키도록 함께 합산되는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 분산된 광빔은 상기 촛점면 어레이에 투사되어 상기 촛점면 어레이를 따르는 열방향이 본질적으로 상기 분산된 광빔의 분산방향과 정렬되도록 하며, 상기 촛점면 어레이의 각 컬럼이 상기 분산된 광빔내의 결합된 광파장에 대응하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    다수의 열(rows)이 상기 분산된 광빔에 의해 투광되도록 상기 분산된 광빔이 상기 촛점면 어레이에 투사되는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 다수의 열 각각의 하나의 픽셀로부터의 출력은 상기 결합된 광파장의 진폭을 나타내는 시그널의 시그널 대 노이즈 비율을 개선시키도록 상기 촛점면 어레이의 하나의 컬럼을 따라 함께 합산되는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    픽셀출력은 상기 촛점면 어레이의 다수의 컬럼 각각을 따라 함께 합하여 지는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 IR 검출기에서의 출력은 상기 분산된 광빔내에 포함된 다수 파장 각각에 다수의 합산된 검출기 출력을 포함하며,
    상기 다수의 합산된 검출기 출력은 상기 다수 파장 각각의 결합된 진폭을 나타내는 시그널의 시그널 대 노이즈 비율을 개선시키는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 IR 검출기는 적어도 중간-IR 대역내의 파장을 구비한 빛을 검출하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플링 악세사리는 샘플홀더인 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내 의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 광경로는 적어도 하나의 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 다중모드 섬유인 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 중간-IR 대역내의 빛을 전파하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  27. 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치에 있어서,
    IR광원;
    광경로내에 상기 샘플체적을 구비시키기 위한 샘플링 악세사리;
    상기 IR 광원으로부터 방출량 중 적어도 일부가 상기 광경로를 따라 상기 샘플을 관통하며, 상기 적어도 일부의 방출량이 분산된 광빔을 형성하기 위해 상호작용하는, 상기 광경로내의 광분산요소; 및
    상기 분산된 광빔의 분산방향을 따라 적어도 배열되는 다수의 검출요소를 구비한 IR 검출기를 포함하며,
    상기 IR검출기는 상기 분산된 광빔을 검출하여 상기 샘플의 상기 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 출력을 제공하며,
    상기 장치는 작동동안에 어떠한 이동부도 사용하지 않고 상기 IR 스펙트럼정보를 결정할 수 있으며, 및
    적어도 하나의 다른 샘플체적을 각각 구비한 다수의 샘플링 악세사리를 더 포함하며,
    상기 장치가 상기 적어도 하나의 다른 샘플체적 각각의 IR 스펙트럼 정보를 동시에 결정하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  28. 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치에 있어서,
    IR광원;
    광경로내에 상기 샘플체적을 구비시키기 위한 샘플링 악세사리;
    상기 IR 광원으로부터 방출량 중 적어도 일부가 상기 광경로를 따라 상기 샘플을 관통하며, 상기 적어도 일부의 방출량이 분산된 광빔을 형성하기 위해 상호작용하는, 상기 광경로내의 광분산요소; 및
    상기 분산된 광빔의 분산방향을 따라 적어도 배열되는 다수의 검출요소를 구비한 IR 검출기를 포함하며,
    상기 IR검출기는 상기 분산된 광빔을 검출하여 상기 샘플의 상기 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 출력을 제공하며,
    상기 장치는 작동동안에 어떠한 이동부도 사용하지 않고 상기 IR 스펙트럼정보를 결정할 수 있으며,
    상기 샘플링 악세사리가 상기 샘플체적내의 IR 흡수현상 검출에 적절한 상기 샘플의 광밀도를 제공하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  29. 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치에 있어서,
    IR광원;
    광경로내에 상기 샘플체적을 구비시키기 위한 샘플링 악세사리;
    상기 IR 광원으로부터 방출량 중 적어도 일부가 상기 광경로를 따라 상기 샘플을 관통하며, 상기 적어도 일부의 방출량이 분산된 광빔을 형성하기 위해 상호작용하는, 상기 광경로내의 광분산요소; 및
    상기 분산된 광빔의 분산방향을 따라 적어도 배열되는 다수의 검출요소를 구비한 IR 검출기를 포함하며,
    상기 IR검출기는 상기 분산된 광빔을 검출하여 상기 샘플의 상기 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 출력을 제공하며,
    상기 장치는 작동동안에 어떠한 이동부도 사용하지 않고 상기 IR 스펙트럼정보를 결정할 수 있으며,
    다른 샘플에 대응하는 다수의 분산된 광빔 각각을 형성하기 위해 다수의 광분산요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  30. 제 1 항에 있어서,
    IR 분광그래프를 디스플레이하기 위한 디스플레이; 및
    상기 IR 검출기와 상기 디스플레이를 제어하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 IR 검출기와 상기 디스플레이를 제어하는 수단이 퍼스널 컴퓨터인 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  32. 제 1 항에 있어서,
    IR 검출기가 IR 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  33. 제 1 항에 있어서,
    상기 IR 검출기에 연결되어 작동하는 퍼스널 컴퓨터를 더 포함하며,
    상기 퍼스널 컴퓨터는 상기 IR 검출기 출력이 상기 샘플의 하나 이상의 화학함수그룹을 인식하도록 프로세스 되는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 샘플의 하나 이상의 시그너처(signature) 화학함수그룹의 검출에 근거하여 구동되는 경보기(alarm)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
  35. 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치에 있어서,
    상기 장치는
    광대역의 광원과;
    상기 광대역 광원에서 방출된 빛의 적어도 일부가 상기 하나 이상의 샘플체적 각각을 관통하도록 상기 하나 이상의 샘플체적을 구비시키기 위한 적어도 하나의 샘플링 악세사리와;
    하나 이상의 대응하는 분산된 샘플빔을 얻도록 상기 하나 이상의 샘플체적 각각을 관통하는 빛 중 적어도 일부를 광분산하기 위한 조절가능한 수단과;
    횡렬로 정렬된 다수의 검출기요소를 구비한 2차원 IR 검출기 어레이와;
    상기 2차원 IR 검출기 어레이에 상기 하나 이상의 대응하는 분산된 샘플빔을 결합시키기 위한 광결합수단; 및
    상기 2차원 IR 검출기 어레이를 제어하고 하나 이상의 고유파장 영역의 IR 흡수스펙트럼을 근거로 상기 하나 이상의 샘플의 비간섭적 화학분석을 제공하는 프로세서 수단을 포함하며,
    상기 하나 이상의 대응하는 분산된 샘플빔 각각은 상기 2차원 IR 검출기 어레이의 다른 영역내의 다중 열(rows)에 투사되며, 상기 각 다중열내의 대응하는 컬럼(column) 검출기요소는 고유파장에서 IR 스펙트럼 성분의 강도를 실시간으로 결정하도록 상기 2차원 IR 검출기 어레이의 각각의 다른 영역내에 함께 합해지며,
    상기 고유파장에서 IR 스펙트럼 성분의 강도를 나타내는 시그널의 시그널 대 노이즈 비율은 상기 다중열 각각의 상기 대응하는 컬럼 검출기요소를 합하므로서 증가되는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작 동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 샘플 각각을 관통한 빛 중 적어도 일부를 광분산하기 위한 조절가능한 수단이 입사광에 대해 조절가능한 입사각을 구비한 회절격자인 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 샘플 각각을 관통한 빛 중 적어도 일부를 광분산하기 위한 조절가능한 수단이 입사광에 대해 조절가능한 입사각을 구비한 Pellin-Broca 프리즘인 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 광결합수단이 직접렌즈 결합을 포함하는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  39. 제 35 항에 있어서,
    상기 광결합수단이 하나 이상의 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  40. 제 35 항에 있어서,
    상기 2차원 IR 검출기 어레이는 InSb 촛점면 어레이인 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  41. 제 35 항에 있어서,
    상기 2차원 IR 검출기 어레이는 마이크로 볼로미터 촛점면 어레이인 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  42. 제 35 항에 있어서,
    상기 2차원 IR 검출기 어레이가 MCT를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  43. 제 35 항에 있어서,
    상기 프로세서 수단이 퍼스널 컴퓨터인 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  44. 제 35 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 샘플 각각을 관통한 빛 중 적어도 일부를 광분산하기 위한 조절가능한 수단이 상기 하나 이상의 대응하는 분산된 샘플빔의 파장범위를 맞추도록 조정되는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  45. 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법에 있어서,
    IR소스를 제공하는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 광경로내에 구비시키는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 통해 상기 광경로로 상기 IR소스의 적어도 일부의 방출량을 통과시키는 단계와;
    분산된 IR 광빔을 형성하도록 상기 IR소스의 적어도 일부의 방출량을 광분산하는 단계와;
    상기 분산된 IR 광빔의 각 스펙트럼 성분을 횡렬로 2차원적으로 정렬된 다수의 검출기를 사용하여 동시에 검출하는 단계;
    검출기의 각 컬럼은 상기 분산된 IR광빔내에 포함된 파장을 나타내며, 적어도 2열의 검출기내의 각 검출기로 부터 출력을 계산함으로서 상기 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 비간섭적으로 결정하는 단계; 및
    상기 분산된 IR 광빔의 각 스펙트럼 성분을 동시에 검출하는 단계동안은 적어도 상기 비간섭계장치의 모든 구성요소들의 상대적 위치를 고정시켜 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  46. 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법에 있어서,
    IR소스를 제공하는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 광경로내에 구비시키는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 통해 상기 광경로로 상기 IR소스의 적어도 일부의 방출량을 통과시키는 단계와;
    분산된 IR 광빔을 형성하도록 상기 IR소스의 적어도 일부의 방출량을 광분산하는 단계와;
    상기 분산된 IR 광빔을 횡렬로 2차원적으로 정렬된 다수의 검출기를 사용하여 검출하는 단계;
    검출기의 각 컬럼은 상기 분산된 IR광빔내에 포함된 파장을 나타내며, 적어도 2열의 검출기내의 각 검출기로 부터 출력을 계산함으로서 상기 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 비간섭적으로 결정하는 단계; 및
    상기 분산된 IR광빔내의 일정범위 파장을 제어하기 위해 상기 IR 소스의 방출량의 적어도 일부의 광분산을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  47. 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법에 있어서,
    IR소스를 제공하는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 광경로내에 구비시키는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 통해 상기 광경로로 상기 IR소스의 적어도 일부의 방출량을 통과시키는 단계와;
    분산된 IR 광빔을 형성하도록 상기 IR소스의 적어도 일부의 방출량을 광분산하는 단계와;
    상기 분산된 IR 광빔을 횡렬로 2차원적으로 정렬된 다수의 검출기를 사용하여 검출하는 단계;
    검출기의 각 컬럼은 상기 분산된 IR광빔내에 포함된 파장을 나타내며, 적어도 2열의 검출기내의 각 검출기로 부터 출력을 계산함으로서 상기 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 비간섭적으로 결정하는 단계; 및
    적어도 2개의 샘플체적내의 다중 샘플을 동시에 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  48. 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법에 있어서,
    IR소스를 제공하는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 광경로내에 구비시키는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 통해 상기 광경로로 상기 IR소스의 적어도 일부의 방출량을 통과시키는 단계와;
    분산된 IR 광빔을 형성하도록 상기 IR소스의 적어도 일부의 방출량을 광분산하는 단계와;
    상기 분산된 IR 광빔을 횡렬로 2차원적으로 정렬된 다수의 검출기를 사용하여 검출하는 단계;
    검출기의 각 컬럼은 상기 분산된 IR광빔내에 포함된 파장을 나타내며, 적어도 2열의 검출기내의 각 검출기로 부터 출력을 계산함으로서 상기 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 비간섭적으로 결정하는 단계; 및
    상기 다수의 검출기 출력에 다수의 스펙트럼 이미지를 동시에 나타내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  49. 제 45 항에 있어서,
    상기 각 컬럼에 다수의 검출기 출력을 공동 합산하므로서 시그널 대 노이즈 비율을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  50. 제 45 항에 있어서,
    상기 다수 검출기의 하나 이상의 획득주기 동안 얻은 다수의 검출기 출력을 공동 합산하므로서 시그널 대 노이즈 비율을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  51. 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법에 있어서,
    IR소스를 제공하는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 광경로내에 구비시키는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 통해 상기 광경로로 상기 IR소스의 적어도 일부의 방출량을 통과시키는 단계와;
    분산된 IR 광빔을 형성하도록 상기 IR소스의 적어도 일부의 방출량을 광분산하는 단계와;
    상기 분산된 IR 광빔을 횡렬로 2차원적으로 정렬된 다수의 검출기를 사용하여 검출하는 단계;
    검출기의 각 컬럼은 상기 분산된 IR광빔내에 포함된 파장을 나타내며, 적어도 2열의 검출기내의 각 검출기로 부터 출력을 계산함으로서 상기 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 비간섭적으로 결정하는 단계;
    상기 IR 광원의 스펙트럼을 평가하는 단계; 및
    상기 IR 광원의 스펙트럼을 설명하기 위해 상기 다수 검출기의 다수 출력의 일부를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  52. 제 45 항에 있어서,
    상기 장치의 모든 구성요소들을 적어도 상기의 통과시키고, 분산시키며, 검출하고, 및 결정하는 단계 동안 서로 상대적으로 고정된 위치에 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  53. 제 45 항에 있어서,
    상기 비간섭계장치의 해상도를 조절하도록 상기 IR 소스와 적어도 하나의 샘플 사이에 구비된 적어도 1차원의 광개구부를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  54. 제 45 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 샘플의 하나 이상의 분자함수그룹을 인식하도록 상기 결정된 IR 스펙트럼을 프로세싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  55. 제 45 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 샘플의 하나 이상의 시그너처 함수그룹을 인식하도록 상기 결정된 IR 스펙트럼을 프로세싱하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 시그너처 함수그룹 중 하나 이상이 상기 적어도 하나의 샘플내에서 발견되는지 여부를 경보(alarm)할 수 있는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  56. 광대역의 광원과; 상기 적어도 하나의 샘플체적을 구비시키기 위한 적어도 하나의 샘플링 악세사리와; 광분산요소와; 및 횡렬로 정렬된 다수의 검출기요소를 구비한 2차원 IR 검출기 어레이를 포함하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법에 있어서,
    상기 광대역 IR소스 방출량의 적어도 일부를 상기 적어도 하나의 샘플체적에 투사하는 단계와;
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 통해 투과된 광빔을 상기 광분산요소에 결합하는 단계와;
    분산된 IR 광빔을 형성하는 단계와;
    상기 분산된 IR 광빔을 상기 2차원 IR 검출기를 이용하여 검출하는 단계; 및
    다수 열의 검출기내의 각 검출기로 부터 출력을 계산함으로서 상기 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 비간섭적으로 결정하는 단계를 포함하며,
    검출기의 각 컬럼은 상기 분산된 IR광빔내에 포함된 파장을 나타내는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  57. 제 56 항에 있어서,
    광대역의 IR소스와, 광분산요소, 및 2차원 IR 검출기를 상기의 통과시키고, 분산시키며, 검출하고, 결정하는 단계 동안 서로에 대해 적어도 움직임이 없도록 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  58. 제 56 항에 있어서,
    상기 각 컬럼의 다수의 검출기 출력을 공동 합산하므로서 시그널 대 노이즈 비율을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  59. 제 56 항에 있어서,
    상기 2차원 IR 검출기의 하나 이상의 획득주기 동안 얻은 다수의 검출기 출력을 공동 합산하므로서 시그널 대 노이즈 비율을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  60. 제 56 항에 있어서,
    상기 결합단계가 직접 렌즈결합을 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  61. 제 56 항에 있어서,
    상기 결합단계가 광섬유결합을 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 광섬유결합이 적어도 상기 분산된 IR광빔을 상기 2차원 IR검출기와 상기 비간섭계장치로 부터 원거리에 이격되어 있는 상기 적어도 하나의 샘플체적으로 부터 상기 2차원 IR검출기에 결합하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  63. 제 62 항에 있어서,
    상기 광대역 IR 소스 방출량 중 적어도 일부를 상기 적어도 하나의 샘플체적에 광섬유 결합하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  64. 제 56 항에 있어서,
    다중 스펙트럼 이미지를 상기 2차원 IR 검출기에 동시에 투사하는 단계를 더 포함하며,
    상기 다중 스펙트럼 이미지 각각은 상기 2차원 IR 검출기의 다른 영역에 투사되며,
    상기 다중 스펙트럼 이미지 각각은 대응하는 샘플의 IR 스펙트럼을 나타내는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  65. 제 56 항에 있어서,
    하나 이상의 분자함수 그룹의 존재를 검출하기 위해 상기 결정된 IR 스펙트럼을 프로세싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  66. 제 56 항에 있어서,
    상기 결정된 IR 스펙트럼이 하나 이상의 시그너처 함수그룹을 포함하는지 여부를 경보할 수 있는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  67. 제 56 항에 있어서,
    상기 IR 스펙트럼으로 부터, 임의의 기체상태, 액체상태 및 고체상태의 화학종을 실시간으로 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  68. 제 67 항에 있어서,
    실시간으로 화학종을 검출하는 상기 단계는 화학약품 또는 세균전 약품을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  69. 제 67 항에 있어서,
    실시간으로 화학종을 검출하는 상기 단계는 기체상태의 해로운 물질을 측정 하고 검출하는 단계를 포함하며, 상기 기체상태의 해로운 물질은 해로운 연기 또는 증기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  70. 제 56 항에 있어서,
    상기 IR 스펙트럼으로 부터 상기 적어도 하나의 샘플의 적어도 하나의 물리적 특성을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  71. 제 70 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 물리적 특성은 본질상 실시간으로 연속적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  72. 제 70 항에 있어서,
    적어도 하나의 물리적 특성을 결정하는 상기 단계는 고체표면위 코팅의 적어도 하나의 두께, 화학구조, 및 방향성을 측정하는 것을 포함하며, 상기 고체표면은 적어도 하나의 반도체, 금속, 및 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  73. 제 70 항에 있어서,
    적어도 하나의 물리적 특성을 결정하는 상기 단계는 액체표면위 막의 두께를 투과모드나 반사모드로 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  74. 제 73 항에 있어서,
    물표면위 오일막의 두께를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  75. 제 70 항에 있어서,
    적어도 하나의 물리적 특성을 결정하는 상기 단계는 플루오르화탄소 물질의 적어도 하나의 두께, 농도, 및 화학구조를 검출하고 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  76. 제 70 항에 있어서,
    적어도 하나의 물리적 특성을 결정하는 상기 단계는 고체기판위 막의 적어도 하나의 두께, 방향성, 및 화학구조를 측정하고 검출하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  77. 제 70 항에 있어서,
    적어도 하나의 물리적 특성을 결정하는 상기 단계는 반도체를 포함한 고체기판위에 전기화학적으로 용착된 막의 적어도 하나의 두께, 방향성, 및 화학구조를 측정하고 검출하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  78. 제 56 항에 있어서,
    적어도 하나의 물리적 특성을 결정하는 상기 단계는 열, 복사 또는 빛에 의해 화학적 물리적으로 저하된 막의 적어도 하나의 두께, 방향성, 및 화학구조를 측정하고 검출하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  79. 제 70 항에 있어서,
    적어도 하나의 물리적 특성을 결정하는 상기 단계는 막 두께를 실시간으로 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하 여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  80. 제 70 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 물리적 특성을 기초로, 적어도 하나의 스트레칭하고, 결정화하며, 정렬하는 프로세스를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  81. 제 70 항에 있어서,
    적어도 하나의 물리적 특성을 결정하는 상기 단계는 임의 막(film)의 적어도 하나의 두께, 방향성, 화학구조, 및 결정화를 측정하고 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  82. 제 56 항에 있어서,
    상기 결합단계는 IR 망원경을 통해 상기 적어도 하나의 샘플체적을 통해 투과된 광빔을 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  83. 제 56 항에 있어서,
    상기 결합단계는 IR 현미경을 통해 상기 적어도 하나의 샘플체적을 통해 투과된 광빔을 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  84. 제 56 항에 있어서,
    상기 결합단계는 내시경을 통해 상기 적어도 하나의 샘플체적을 통해 투과된 광빔을 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  85. IR 광원으로 설명되는 물질의 IR 스펙트럼 정보를 수집하고, 프로세스하며, 디스플레이하는 장치에 있어서,
    광분산요소와;
    IR 촛점면 어레이; 및
    상기 설명된 물질내의 IR 흡수작용의 결과인 IR 시그널을 상기 IR 촛점면 어레이에 결합하기 위한 광결합수단과;
    상기 IR 촛점면 어레이의 출력을 프로세스하고 상기 IR 스펙트럼 정보의 각 스펙트럼성분을 동시에 결정하기 위한 프로세싱 수단; 및
    상기 IR 스펙트럼 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 IR 광원으로 설명되는 물질의 IR 스펙트럼 정보를 수집하고, 프로세스하며, 디스플레이하는 장치.
  86. IR 광원으로 설명되는 물질의 IR 스펙트럼 정보를 수집하고, 프로세스하며, 디스플레이하는 장치에 있어서,
    광분산요소와;
    IR 촛점면 어레이; 및
    상기 설명된 물질내의 IR 흡수작용의 결과인 IR 시그널을 상기 IR 촛점면 어레이에 결합하기 위한 광결합수단과;
    상기 IR 촛점면 어레이의 출력을 프로세스하고 상기 IR 스펙트럼 정보를 결정하기 위한 프로세싱 수단; 및
    상기 IR 스펙트럼 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이 수단을 포함하며,
    상기 광결합수단이 편광요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 IR 광원으로 설명되는 물질의 IR 스펙트럼 정보를 수집하고, 프로세스하며, 디스플레이하는 장치.
  87. 제 85 항에 있어서,
    상기 설명된 물질내의 IR 흡수작용의 결과인 상기 IR 시그널이 상기 물질로 부터 반사되는 것을 특징으로 하는 IR 광원으로 설명되는 물질의 IR 스펙트럼 정보를 수집하고, 프로세스하며, 디스플레이하는 장치.
  88. 제 85 항에 있어서,
    상기 설명된 물질내의 IR 흡수작용의 결과인 상기 IR 시그널이 상기 물질을 통해 투과되는 것을 특징으로 하는 IR 광원으로 설명되는 물질의 IR 스펙트럼 정보를 수집하고, 프로세스하며, 디스플레이하는 장치.
  89. 제 85 항에 있어서,
    상기 광결합수단이 광섬유결합을 포함하는 것을 특징으로 하는 IR 광원으로 설명되는 물질의 IR 스펙트럼 정보를 수집하고, 프로세스하며, 디스플레이하는 장치.
  90. 제 85 항에 있어서,
    상기 프로세싱 수단은 상기 IR 촛점면 출력을 분석하며, 하나 이상의 고유함수 그룹이 검출되는지 여부를 경보할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 IR 광원으로 설명되는 물질의 IR 스펙트럼 정보를 수집하고, 프로세스하며, 디스플레이하는 장치.
  91. 제 35 항에 있어서,
    상기 고정된 광결합수단은 광경로내에 조절가능한 애퍼처를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 샘플체적내에서 화학분석을 완수하는 작동동안 어떠한 이동부도 이용하지 않고 IR 흡수현상을 이용하는 실시간, 비간섭계장치.
  92. 제 45 항에 있어서,
    상기 광경로내에 조절가능한 애퍼처를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치를 이용하여 임의의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  93. 제 56 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 샘플체적을 통해 투과된 광빔을 상기 광분산요소에 결합시키는 상기 단계가 광경로내에 가변적인 애퍼처를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비간섭계장치에서 IR 흡수를 이용하여 적어도 하나의 샘플체적내의 적어도 하나의 샘플의 IR 스펙트럼을 결정하는 방법.
  94. 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치에 있어서,
    IR광원;
    광경로내에 상기 샘플체적을 구비시키기 위한 샘플링 악세사리;
    상기 IR 광원으로부터 방출량 중 적어도 일부가 상기 광경로를 따라 상기 샘플을 관통하며, 상기 적어도 일부의 방출량이 분산된 광빔을 형성하기 위해 상호작용하는, 상기 광경로내의 광분산요소; 및
    상기 분산된 광빔의 분산방향을 따라 적어도 배열되는 다수의 검출요소를 구비한 IR 검출기; 및
    상기 IR검출기로 부터 실시간 출력을 수신하여 상기 실시간 출력을 완전히 주파수나 파장영역내에 프로세스하는 프로세서 수단을 포함하며,
    상기 프로세서 수단은 상기 샘플의 상기 IR 스펙트럼 정보의 각 스펙트럼성분을 동시에 결정하며,
    상기 장치는 작동동안에 어떠한 이동부도 사용하지 않고 상기 IR 스펙트럼정보를 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 임의의 샘플체적내의 임의 샘플에 관한 IR 스펙트럼 정보를 결정하는 장치.
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