KR100961138B1 - 분광분석기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분광분석기에 관한 것으로서, 여러 파장 성분이 혼합된 광을 측정대상물에 조사하기 위한 광원과, 상기 광원으로부터 방출된 광을 스펙트럼 분산시키며, 상기 분산된 광을 출구 슬릿을 통하여 한번에 방출시키는 광 분산부와, 상기 광 분산부로부터 방출된 상기 분산된 광을 측정용 광 및 기준용 광으로 분할하며, 이들 중 상기 측정용 광만이 상기 측정대상물에 조사되도록 배치된 제1 광 분할기와, 상기 측정대상물을 투과한 상기 측정용 광과 상기 기준용 광을 동일한 경로로 유도하는 제2 광 분할기 및 상기 제2 광 분할기를 거친 상기 측정용 광 및 상기 기준용 광을 수광하여 각 광의 파장에 따른 세기를 측정하는 광 검출기를 포함하고, 상기 광 분산부는 상기 광 분산부 내에 고정 배치된 그레이팅부를 구비하며, 상기 그레이팅부는 입구 슬릿을 통하여 입사된 광을 파장에 따라 서로 다른 경로로 상기 출구 슬릿으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 분광분석기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 종래에 비하여 측정 속도가 현저히 향상되며, 측정 오차가 최소화된 분광분석기를 얻을 수 있다.

분광분석기, 스펙트럼, spectrometer, 그레이팅

Description

분광분석기 {Beam Spectrometer}

본 발명은 분광분석기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존에 비하여 측정 속도 및 측정 정밀도가 향상된 분광분석기에 관한 것이다.

분광분석기는 측정대상물에 해당하는 시료에 광을 조사하여 초기의 광 에너지 대부 흡수 및 투과된 광의 세기 변화를 측정하는 장비이다. 이 경우, 흡수 및 투과된 광의 세기를 파장에 따라 측정한다면 시료의 정성 및 정량 분석에 이용할 수 있다. 어느 특정 파장의 광과 시료를 이루는 물질의 상호 작용에 따라 독특한 분광 스펙트럼이 얻어질 수 있기 때문이다.

도 1은 일반적인 구조의 분광분석기를 나타내는 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도 2는 도 1의 모노크로메이터에서 출구 슬릿을 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 종래의 분광분석기는 광원(10), 모노크로메이터(monochromator, 11), 측정대상물(12), 광 검출기(13)를 갖추어 기능한다. 상기 모노크로메이터(11)는 입구 슬릿(S1)으로부터 입사 다 파장광을 단 파장광으로 변환하여 출구 슬릿(S2)으로 방출하며, 시간에 따라 다른 파장의 광을 방출한다. 이를 위해, 상기 모노크로메이 터(11)는 그 내부에 시간에 따라 회전하는 그레이팅부(14) 등을 구비하여 구성되며, 출구 슬릿(S1)의 형상은 도 2에 도시된 바와 같이 폭이 세로 방향으로 좁게 형성된다. 이 경우, 도 2에 도시된 출구 슬릿(S1)은 측정대상물(12)로부터 바로 본 형상에 해당한다.

상기 모노크로메이터(11)를 통과한 단색광은 측정대상물(12)을 투과한 후에 측정용 광(Lo)으로서 광 검출기(13)에 입사되며, 상기 광 검출기(13)는 시간에 따라 입사되는 측정용 광(Lo)의 세기를 검출한다. 즉, 상기 광 검출기(13)는 각각의 파장을 시간 차에 따라 검출하는 것이다. 이에 따라, 측정에 사용되는 모든 파장의 광이 입사해야만 측정이 완료될 수 있으므로, 분석 시간이 많이 소요되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 종래에 비하여 측정 속도가 현저히 향상되며, 측정 오차가 최소화된 분광분석기를 제공하는 데에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,

여러 파장 성분이 혼합된 광을 측정대상물에 조사하기 위한 광원과, 상기 광원으로부터 방출된 광을 스펙트럼 분산시키며, 상기 분산된 광을 출구 슬릿을 통하여 한번에 방출시키는 광 분산부와, 상기 광 분산부로부터 방출된 상기 분산된 광을 측정용 광 및 기준용 광으로 분할하며, 이들 중 상기 측정용 광만이 상기 측정대상물에 조사되도록 배치된 제1 광 분할기와, 상기 측정대상물을 투과한 상기 측정용 광과 상기 기준용 광을 동일한 경로로 유도하는 제2 광 분할기 및 상기 제2 광 분할기를 거친 상기 측정용 광 및 상기 기준용 광을 수광하여 각 광의 파장에 따른 세기를 측정하는 광 검출기를 포함하고, 상기 광 분산부는 상기 광 분산부 내에 고정 배치된 그레이팅부를 구비하며, 상기 그레이팅부는 입구 슬릿을 통하여 입사된 광을 파장에 따라 서로 다른 경로로 상기 출구 슬릿으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 분광분석기를 제공한다.

상기 제1 광 분할기와 제2 광 분할기 사이의 상기 측정용 광의 경로 상에 배치되어 상기 측정용 광을 상기 제2 광분할기 방향으로 반사시키는 제1 반사미러를 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 제1 반사미러는 상기 측정용 광이 반사 후에 폭이 좁아지도록 오목한 형상을 갖는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 상기 제1 광 분할기와 상기 제2 광 분할기 사이의 상기 기준용 광의 경로 상에 배치되어 상기 기준용 광을 상기 제2 광 분할기 방향으로 반사시키는 제2 반사미러를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 반사미러는 상기 기준용 광이 반사 후에 폭이 좁아지도록 오목한 형상을 갖는 것이 바람직하다.

삭제

바람직하게는, 상기 광 분산부의 출구 슬릿은 그 폭이 상기 분산된 광의 폭보다 크거나 같은 것일 수 있다.

한편, 상기 광 검출기는 서로 다른 파장의 광을 검출할 수 있도록 복수의 검출기 어레이 구조로서 채용될 수 있다. 또한, 상기 광 검출기는 상기 측정용 광과 상기 기준용 광을 동시에 수광할 수 있다.

분석 정밀도 측면에서, 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 광 분할기는 투과광과 반사광의 세기가 서로 동일하도록 입사빔을 분할할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래에 비하여 측정 속도가 현저히 향상되며, 측정 오차가 최소화된 분광분석기를 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 분광분석기의 구조를 개략적으로 나타내는 모식도이며, 도 4는 도 3의 광 분산부에서 출구 슬릿을 나타낸다. 이 경우, 도 4에 도시된 출구 슬릿(S3)은 측정대상물(12)로부터 바로 본 형상에 해당한다. 본 실시 형태에 따른 분광분석기는 광원(10), 광 분산부(101), 제1 및 제2 광 분할기(105a, 105b)제1 및 제2 반사미러(106a, 106b), 광 검출기(103)를 구비하여 구성된다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 측정대상물(12)은 상기 제1 반사미러(106a)와 상기 제2 광 분할기(105b) 사이에 배치되며, 이와 달리, 상기 제1 광 분할기(105a)와 상기 제1 반사미러(106a) 사이에 배치될 수도 있다.

상기 광원(10)은 측정대상물(12)에 여러 파장 성분이 혼합된 광을 조사하여 분석에 사용하기 위한 것이며, 주로 자외선-가시광선 대역의 파장 광이 사용될 수 있다. 상기 광원(10)에서 방출된 광은 입구 슬릿(S1)을 통하여 광 분산기(101)에 들어간다. 상기 광 분산기(101)는 상기 광원(10)에서 방출된 다 파장광을 스펙트럼 분산시켜 출구 슬릿(S3)을 통하여 방출한다. 이를 위해, 상기 광 분산기(101)는 종래와 달리 고정된 그레이팅부(104)를 구비하며, 상기 그레이팅부(104)는 입사된 광이 파장에 따라 서로 다른 경로를 갖고, 출구 슬릿(S3)으로 반사되도록 한다. 종래에서 광 분산 수단으로 제공된 그레이팅부는 회전되어 단 파장광을 시간에 따라 방출하는 것을 특징으로 하지만, 본 발명에서 채용된 그레이팅부(104)는 측정에 사용되는 전 대역의 파장광을 한번에 외부로 방출시킨다. 따라서, 상기 광 분산기(101)는 종래와 달리 출구 슬릿(S3)의 폭이 좌우로 넓은 형상, 구체적으로, 상기 그레이팅부(104)에 의해 분산된 광보다 크거나 같은 폭을 갖는다.

상기 광 분산기(101)에 의해 한번에 방출된 분산된 광은 후술할 바와 같이, 검출기들의 어레이에 의해 한번에 수광될 수 있으므로, 본 실시 형태에 따른 분광분석기는 그 측정 속도가 현저히 빨라질 수 있다. 한편, 본 실시 형태에서는 광 분산수단으로 그레이팅 구조를 가지고 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 유사한 기능을 수행할 수 있는 다른 구성 요소로 치환할 수 있다. 예컨대, 상기 그 레이팅부(104) 대신, 프리즘 등을 사용할 수도 있을 것이다.

상기 광 분산기(101)의 출구 슬릿(S3)으로부터 방출된 광은 제1 광 분할기(105a)에 의해 제1 및 제2 광(L1, L2)으로 분할되며, 측정대상물(12)이 배치된 위치에 따라 이하에서는, 상기 제1 광을 측정용 광(L1)으로, 상기 제2 광을 기준용 광(L2)이라 한다. 이 경우, 상기 측정용 광(L1)은 상기 제1 광 분할기(105a)에 의해 반사되며, 상기 기준용 광(L2)은 상기 제1 광 분할기(105a)를 투과한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 측정용 광(L1)만이 측정대상물(12)을 투과한 후 광 검출기(103)에 의해 수광되며, 상기 기준용 광(L2)은 경로에 변화만 있을 뿐 초기 상태 그대로 상기 검출기(103)로 입사된다. 따라서, 상기 광 검출기(103)에 의해 동시에 수광되는 상기 측정용 광(L1) 및 상기 기준용 광(L2)과 비교하여 측정대상물(12)의 물성 등을 분석할 수 있다. 다만, 측정대상물(12)이 상기 제2 광의 경로에 배치된다면 측정용 광과 기준용 광은 서로 바뀔 것이다. 한편, 상기 광 분할기(105a)는 배치 각도, 코팅 물질 등에 따라 광 투과도가 변화될 수 있으며, 본 실시 형태에서는 상기 측정용 광(L1)과 상기 기준용 광(L2)의 크기가 동일하도록 분할하는 것이 분석 정확도를 높이기 위한 측면에서 유리할 수 있다.

제1 광 분할기(105a)에 의해 분할된 후, 상기 측정용 광(L1) 및 상기 기준용 광(L2)은 각각 제1 및 제2 반사미러(106a, 106b)에 의해 반사되어 제2 광 분할 기(105b) 방향으로 진행한다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 상기 제1 반사미러(106a)와 상기 제2 광 분할기(105b) 사이의 상기 측정용 광(L1) 경로에는 분석하고자하는 측정대상물(12)이 배치된다. 특히, 이에 제한되는 것은 아니지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 반사미러(106a, 106b)는 오목한 형상을 가짐으로써, 상기 측정용 광(L1)과 상기 기준용 광(L2)의 폭을 좁힐 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 측정용 광(L1)과 상기 기준용 광(L2)은 파장에 따라 분산된 광으로서 공간적으로 퍼져있어 광 검출기(103)에 모두 수광되지 못할 수도 있다. 따라서, 분산된 광을 분석에 사용하는 대신 오목한 형상의 상기 제1 및 제2 반사미러(106a, 106b)를 사용함으로써 공간적인 퍼짐을 어느 정도 보상할 수 있는 것이다. 한편, 상기 측정용 광(L1)은 측정대상물(12)을 투과한 후 제2 광 분할기(105b)를 향한다. 상기 측정용 광(L1)은 측정대상물(12)을 투과한 후 입사 전과 특성, 구체적으로, 스펙트럼 특성이 달라지지만, 설명의 편의를 위해, 이하에서는 측정대상물(12)을 투과한 광도 측정용 광(Lo)으로 표현하기로 한다.

상기 제2 광 분할기(105b)에 의해 상기 측정용 광(Lo)은 반사되며, 상기 기준용 광(L1)은 투과되어 다시 서로 동일한 경로로 진행하여 검출용 광(L3)을 형성한다. 이 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 측정용 광(Lo)과 상기 기준용 광(L1)은 하나의 광 검출기(103)에 의해 동시에 수광될 수 있다. 도 5는 도 3의 실시 형태에서 채용된 광 검출기에서 측정용 광 및 기준용 광이 동시에 수광되는 모 습을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 6은 측정용 광 및 기준용 광의 파장별 세기를나타내는 그래프를 하나의 예로서 제시한 것이다.

본 실시 형태의 경우, 광 검출기(103)를 서로 다른 파장의 광을 검출할 수 있는 복수의 검출기를 어레이 형태로 구성하여, 파장에 따라 분산된 상기 측정용 광(Lo) 및 기준용 광(L2)을 동시에 수광할 수 있다. 즉, 도 5에 볼 수 있듯이, 상기 광 검출기(103)에는 측정용 광에 의한 스펙트럼(D1)과 기준용 광에 의한 스펙트럼(D2)을 동시에 얻을 수 있다.

다만, 도 5는 검출될 수 있는 스펙트럼의 한 가지 예를 나타낸 것일 뿐, 광원(10)에서 방출된 광의 파장이나 측정대상물(12)의 특성에 따라, 스펙트럼 영역은 얼마든지 달라질 수 있다. 이렇게 얻어진 스펙트럼을 파장에 따라 그 세기를 도시하면 도 6과 유사한 그래프를 얻을 수 있다. 도 6의 예시 그래프를 참조하면, 측정대상물(12)을 거친 측정용 광(Lo)은 그 세기가 전반적으로 기준용 광(L2)에 비해 작은 것을 볼 수 있다. 이에 따라, 측정대상물(12)이 어느 파장의 광을 얼마만큼 흡수했는지를 알 수 있으며, 이로부터 측정대상물(12)의 물성을 예측할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서 제안된 분광분석기는 종래와 달리 시간 차에 따라 광을 분산시키기 않고, 스펙트럼 분산된 광이 동시에 측정대상물을 투과하도 록 한다. 또한, 광 검출기를 어레이 형태로 구성하여 측정용 광과 기준용 광을 동시에 수광함으로써 스펙트럼 정보를 거의 실시간으로 얻을 수 있다. 이에 따라, 분석 시간의 단축하여 분석의 효율성을 기할 수 있으며, 또한, 기준용 빔을 사용함으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

도 1은 일반적인 구조의 분광분석기를 나타내는 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도 2는 도 1의 모노크로메이터에서 출구 슬릿을 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 분광분석기의 구조를 개략적으로 나타내는 모식도이며, 도 4는 도 3의 광 분산부에서 출구 슬릿을 나타낸다.

도 5는 도 3의 실시 형태에서 채용된 광 검출기에서 측정용 광 및 기준용 광이 동시에 수광되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 6은 측정용 광 및 기준용 광의 파장별 세기를나타내는 그래프를 하나의 예로서 제시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 광원 11: 모노크로메이터

12: 측정대상물 13, 103: 광 검출기

101: 광 분산부 105a, 105b: 제1 및 제2 광 분할기

106a, 106b: 제1 및 제2 반사미러 S1: 입구 슬릿

S2, S3: 출구 슬릿

Claims (10)

1. 여러 파장 성분이 혼합된 광을 측정대상물에 조사하기 위한 광원;

   상기 광원으로부터 방출된 광을 스펙트럼 분산시키며, 상기 분산된 광을 출구 슬릿을 통하여 한번에 방출시키는 광 분산부;

   상기 광 분산부로부터 방출된 상기 분산된 광을 측정용 광 및 기준용 광으로 분할하며, 이들 중 상기 측정용 광만이 상기 측정대상물에 조사되도록 배치된 제1 광 분할기;

   상기 측정대상물을 투과한 상기 측정용 광과 상기 기준용 광을 동일한 경로로 유도하는 제2 광 분할기; 및

   상기 제2 광 분할기를 거친 상기 측정용 광 및 상기 기준용 광을 수광하여 각 광의 파장에 따른 세기를 측정하는 광 검출기; 를 포함하고,

   상기 광 분산부는 상기 광 분산부 내에 고정 배치된 그레이팅부를 구비하며, 상기 그레이팅부는 입구 슬릿을 통하여 입사된 광을 파장에 따라 서로 다른 경로로 상기 출구 슬릿으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 분광분석기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 광 분할기와 제2 광 분할기 사이의 상기 측정용 광의 경로 상에 배치되어 상기 측정용 광을 상기 제2 광분할기 방향으로 반사시키는 제1 반사미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분광분석기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1 반사미러는 상기 측정용 광이 반사 후에 폭이 좁아지도록 오목한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 분광분석기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 광 분할기와 상기 제2 광 분할기 사이의 상기 기준용 광의 경로 상에 배치되어 상기 기준용 광을 상기 제2 광 분할기 방향으로 반사시키는 제2 반사미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분광분석기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2 반사미러는 상기 기준용 광이 반사 후에 폭이 좁아지도록 오목한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 분광분석기.
7. 제1항에 있어서,

   상기 광 분산부의 출구 슬릿은 그 폭이 상기 분산된 광의 폭보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 분광분석기.
8. 제1항에 있어서,

   상기 광 검출기는 서로 다른 파장의 광을 검출할 수 있도록 복수의 검출기 어레이 구조인 것을 특징으로 하는 분광분석기.
9. 제1항에 있어서,

   상기 광 검출기는 상기 측정용 광과 상기 기준용 광을 동시에 수광하는 것을 특징으로 하는 분광분석기.
10. 제1항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 광 분할기는 투과광과 반사광의 세기가 서로 동일하도록 입사빔을 분할하는 것을 특징으로 하는 분광분석기.

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