KR101158738B1 - 무게균형을 개선한 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체 - Google Patents

무게균형을 개선한 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체 Download PDF

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박병황
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Abstract

본 발명은 광선분할기에 의해 투과된 적외선(IR)을 광검출기로 전달하기 위한 회전판의 무게균형(weight balancing)을 맞추어 진동과 소음을 최소화하면서 회전판의 안정적인 고속 회전을 확보하고 이를 통해 고속 스캔 상태에서 고품질의 스펙트럼을 얻을 수 있는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체를 제공한다.
고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체는 전후면에 형성된 광통과부(112a, 112b)와, 하면에 형성된 개방부(116)를 구비하는 하우징(110); 하우징(110) 내에 수용되어 구동모터(150)의 회전축을 중심으로 회전 가능하고 회전판(140)을 고정 지지하는 사각함체 형상의 프레임(121)과, 프레임(121) 상하에 각각 돌출 형성된 상?하부 베어링 장착부(122a)(122b)에 장착된 상?하부 베어링(124a)(124b)을 구비하는 회전판 장치대(120); 하우징(110) 내에 수용된 회전판 장치대(120)의 하부를 지지하면서 하우징(110)의 하부와 체결되는 하부지지대(130); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무게균형을 개선한 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체{rotating plate assembly for rapid scan rotary interferometer with the improved weight balancing}
본 발명은 무게균형을 개선한 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고속 스캔 회전형 간섭계에 있어서 회전판의 무게균형(weight balancing)을 맞추어 진동과 소음을 최소화하면서 회전판의 안정적인 고속 회전을 확보하고 이를 통해 고속 스캔 상태에서 고품질의 스펙트럼을 얻을 수 있도록 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체에 관한 것이다.
적외선을 이용한 분광법은 다양한 분야에 적용되고 있으며, 정성분석에서 정량분석으로 그 영역을 넓혀가고 있다. 특히 적외선 분광기는 미지시료를 판별하는데 아주 유용한 도구로 사용된다. 적외선 분광기는 분자의 작용기에 의한 특성적 스펙트럼을 비교적 쉽게 얻을 수 있고, 광학 이성질체를 제외한 모든 물질의 스펙트럼이 서로 차이가 있어서 분자 구조를 확인하는데 결정적인 정보를 제공해 준다. 따라서 적외선은 무기/유기화학은 물론 화학의 모든 분야에서 널리 이용되고 있으며, 빠르고 정확한 분석법으로 R&D는 물론 산업현장의 QC/QA 등 그 응용분야가 빠르게 확대되고 있다.
이러한 적외선 분광기의 형태는 기기의 구조에 따라 필터형, 분산형, 푸리에변환형 등 다양하다. 여기서, 푸리에 변환 적외선 분광기(Fourier-Transform Infrared Spectrometer, 이하, 'FTIR' 이라고 함)는 분산형 적외선 분광기의 장점을 유지하면서 광학배출(optical throughput)이 큰 장점으로 인하여 적외선 분광기 중 매우 효과적인 분석기법으로 널리 이용되고 있다.
이러한 FTIR은 광원, 시료부, 간섭계, 검출기의 주요 부분으로 구성되어 있어, 광학 센서부에 의하여 광신호를 간섭무늬의 형태로 변환하고, 그 간섭무늬를 푸리에 변환에 의하여 스펙트럼을 얻는 원리에 의한 것이다. 여기서 사용되는 간섭계는 일반적으로 마이켈슨 간섭계라 일컫는 두 빔 간섭계(two beam interferometer)이다. 마이켈슨 간섭계는 입사하는 빔을 두 개의 빔으로 분할하여 두 개의 광경로를 생성시킨 다음 각각의 경로에서 고정경과 이동경으로부터 반사되어온 빔을 다시 광선분할기에서 결합하여 간섭무늬를 얻는 원리이다. 이때 분할된 빔은 인위적으로 공간변조를 함으로써 광검출기에서 변조에 의한 간섭무늬를 얻을 수 있게 된다. 간섭무늬는 시간 또는 공간 단위를 가지기 때문에 푸리에 변환에 의하여 파수 또는 주파수 단위의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이처럼 FTIR은 기체의 정성 및 정량분석, 가스 모니터링, 미지의 성분 분석 등의 화학분석에 사용될 뿐 아니라 야외에서 대기 모니터링, 유독/유해 가스 탐지, 광물 탐사 등에 활용되고 있다.
그런데, 두 빔 간섭계에 사용되는 고전적인 마이켈슨 간섭계는 구조가 단순하고 감도가 높은 장점이 있지만, 환경에 매우 취약하여 잘 준비된 환경에서만 동작이 가능하다는 단점이 있다. 이것은 FTIR 분광기의 사용을 제한하는 중요한 요소가 되고 있다.
이러한 한계를 극복하기 위하여, 미국특허 제4,654,530호, 미국특허 제5,898,495호, 국제특허 WO 2008/083492 등에는 간섭계의 구조를 견고하고 신뢰성 있는 형태로 고안된 형태가 제시되었다.
이 중, 일례로 미국 특허 제4,654,530호를 살펴보면, 미국 특허 제4,654,530호에 제시된 간섭계는 고전적인 마이켈슨 간섭계에서 사용되는 이동경 대신에 적외선 회전판(이하, 간단히 '회전판' 이라고 함)을 사용하여 회전판의 회전에 따라 광경로차를 발생시키는 회전형 간섭계라는 것이 특징이다. 고전적인 마이켈슨 간섭계는 이동경을 구동부에 의해 전후로 이동시키면서 그 이동경의 변위에 의해 광경로차를 생성하는 방식이기 때문에, 이동경이 이동하는 동안에 광경로를 유지하기가 쉽지 않아 간섭계의 안정성을 떨어뜨리는 단점이 있었지만, 미국 특허 제4,654,530호는 이러한 단점을 보완하기 위해 구동부에 의해 회전축을 중심으로 회전되는 회전판으로서 굴절율이 큰 광학유리, 즉 평행도가 우수한 적외선 투과 유리를 사용함으로써 구동부의 외란에 의한 영향을 최대한 배제한 것이 장점이다. 이 회전형 간섭계는 회전판이 두 개의 광경로에 대해 대칭적인 위치에 배열되어 있기 때문에 실내뿐 아니라 실외에서 유용한 안정된 구조의 간섭계 구성이 가능하다.
이러한 회전형 간섭계의 성능은 고투과율의 회전판에 크게 의존하며, 회전판이 구동부의 구동에 의해 회전하면서 대칭성을 벗어나는 순간부터 교차하는 두 개의 광경로에서 경로차가 발생한다. 즉, 회전판이 두 개의 광경로에 대해 대칭적인 위치에서는 동일한 광경로를 갖지만 회전판의 회전에 따라 회전각이 커지면 대칭성이 깨지면서 두 개의 광경로 사이에 경로차가 발생한다. 최대 광경로차는 간섭계의 분해능을 결정하는 중요한 파라미터이다.
이와 같은 회전형 간섭계는 회전판의 고속 회전이 가능하여 미지시료를 고속으로 스캔하여 스펙트럼을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 일반적으로 고속 스캔을 하는 이유는 야외에서 탐지하는 경우 기체의 속성상 확산 문제로 인해 측정간 시간을 단축하는 것이 필요하기 때문이며, 이러한 고속 스캔은 신호 대 잡음비를 개선하는 데에도 도움이 된다.
그래서 고속으로 안정적이고 일관성 있는 스펙트럼을 얻기 위해서는 회전판의 안정적인 회전이 매우 중요하다.
그러나 상기한 선행기술에 의한 회전판은 넓은 직사각형의 판형상으로 이루어져 있고 회전축이 회전판의 하부에 장착된 모터의 구동축에 의해 축결합된 구조로 되어 있기 때문에, 회전 시에 큰 관성모멘트를 필요로 하는 문제가 있다. 이와 같이 관성모멘트가 크게 되면 회전을 위한 에너지가 증가하게 되어 모터에 무리가 가게 된다. 또한 이와 같이 회전판이 회전축에 의해 하부만 지지되어 있기 때문에, 회전판의 무게균형이 안 맞아서 미세 편심 중량에 의해 팽이와 같은 세차운동이 발생하여 진동과 소음을 유발시킨다는 문제가 있다. 따라서, 상기한 선행기술은 이와 같은 문제들로 인하여 회전판의 안정적인 고속 회전을 할 수 없어 고속 스캔 상태에서 스펙트럼을 안정적으로 확보할 수 없게 된다.
따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 고속 스캔 회전형 간섭계에 있어서 광선분할기에 의해 투과된 적외선(IR)을 광검출기로 전달하기 위한 회전판의 무게균형(weight balancing)을 맞추어 진동과 소음을 최소화하면서 회전판의 안정적인 고속 회전을 확보하고 이를 통해 고속 스캔 상태에서 고품질의 스펙트럼을 얻을 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 입력창을 통해 입사된 빔을 두 개의 빔으로 분할하는 광선분할기, 광선분할기의 투과되는 빔 경로상에 광선분할기와 평행하게 설치된 보상판, 광선분할기와 보상판의 양 측면에 대칭적으로 배치된 한 쌍의 제1 및 제2 측면 반사경을 통해 반사된 두 개의 빔의 경로 교차점에 회전 가능하게 배치되어 광경로차를 발생시키는 회전판, 회전판의 후면 양 측면에 대칭적으로 배치된 한 쌍의 제1 및 제2 후면 반사경, 및 한 쌍의 제1 및 제2 후면 반사경에 의해 반사된 빔을 같은 경로를 통해 복귀되어 광검출기로 전달하기 위한 광검출렌즈를 포함하는 고속 스캔 회전형 간섭계에 있어서,
상기 회전판은 조립체 형태로 장착되어 있고,
상기 조립체는 내부공간을 갖는 돔형 또는 원통형의 본체와, 본체의 전후면을 통해 개방 형성된 광통과부와, 본체의 하면에 형성된 개방부를 구비하는 하우징;
상기 하우징의 개방부를 통해 상기 하우징 내에 수용되어 구동모터의 회전축을 중심으로 회전 가능하고 전후면이 개방된 공간을 갖는 사각함체 형상의 프레임과, 프레임 내에 고정된 회전판과, 프레임 상하에 각각 돌출 형성된 상?하부 베어링 장착부에 장착된 상?하부 베어링을 구비하며, 상기 상부 베어링이 상기 하우징의 상부에 형성된 베어링 삽입구멍에 삽입되어 지지되는 회전판 장치대;
상기 회전판 장치대의 하부 베어링을 수용하여 지지하기 위해 원통형상으로 상향 돌출된 베어링 수용부와, 베어링 수용부의 하단에 형성되어 상기 하우징의 하단에 형성된 플랜지부와 맞대어 체결되는 플랜지를 갖는 하부지지대;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 회전판은 적외선 투과 유리로 이루어진 사각형 판 구조로서, 회전판 장치대의 프레임의 정면과 후면 중 적어도 어느 하나의 각 모서리에 형성된 접착제 주입홈을 통하여 접착제를 주입함으로써 회전판의 외면이 상기 프레임 내측면에 접착되어 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 구동모터의 회전축은 상기 하부 베어링 장착부의 내부에 형성된 요홈에 고정 수직 설치된 회전축 연결부에 연결 장착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 회전판 장치대의 무게 균형을 조정하기 위한 무게중심조정부를 더 포함하고, 상기 무게중심조정부는 회전판 장치대의 회전축 방향을 z축, 회전축 방향에 직교하는 회전판 장치대의 전후 방향을 x축, 회전축 방향에 직교하는 회전판 장치대의 좌우 방향을 y축이라고 할 때, x축 방향에 해당하는 회전판 장치대의 하부 베어링 장착대의 정면에 형성된 1개의 관통탭 또는 미관통탭과, y축 방향에 해당하는 회전판 장치대의 프레임의 양측면 각각에 상하 일정 간격을 두고 형성된 복수개의 관통탭 또는 미관통탭과, 각 관통탭 또는 미관통탭에 삽입되어 전후로 위치 이동 가능한 무두 볼트 또는 무두 스크류로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 y축 방향의 복수개의 관통탭은 회전판 장치대를 하우징에 조립할 때 하우징의 대향하는 양측면에 형성된 복수개의 관통슬롯에 대응하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부지지대는 상기 베어링 수용부와 플랜지 사이에 하우징의 내경에 상응하는 직경을 갖고 상면 일측에 요홈이 형성된 단차부를 갖고, 상기 회전판 장치대의 프레임의 하부 양측면 가장자리에는, 대향하는 한 쌍의 아치형 날개부가 상기 단차부와 일정 거리 이격되는 상태로 하향 설치되어 있고, 상기 요홈에는 유효 신호를 발생시키는 회전범위를 측정하기 위한 광스위치가 수납 설치됨으로써, 상기 광스위치는 구동모터의 구동에 의해 회전판 장치대가 회전될 때, 상기 한 쌍의 날개부 중 어느 하나의 날개부가 광스위치에 근접되었을 때 이를 감지하여 ± 30도의 회전각도 범위에서만 입사되는 빔을 유효 신호광으로 인식하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부지지대의 베어링 수용부의 상단에는, 베어링 수용부에 수용된 상기 하부 베어링의 이탈을 방지하기 위한 이탈방지링이 분리가능하게 고정 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 이탈방지링은 2개로 분할 형성된 반원형 분할체로 이루어져 있고, 상기 베어링 수용부의 상단면에 체결수단에 의해 고정 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 회전판 장치대의 프레임은 관성모멘트를 최소화하기 위해 알루미늄 합금 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 광선분할기에 의해 투과된 적외선을 광검출기로 전달하기 위한 회전판의 무게균형을 맞추어 진동과 소음을 최소화하면서 회전판의 안정적인 고속 회전을 확보하고 이를 통해 고속 스캔 상태에서 안정적이고 고품질의 스펙트럼을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 회전판 조립체가 적용된 고속 스캔 회전형 간섭계의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체의 사진.
도 4(a)는 본 발명에 따른 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체의 정면도, 도 4(b)는 도 4(a)에서의 A-A선 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체의 분해 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체의 회전판 장치대를 나타낸 것으로, (a)는 사시도, (b)는 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체의 적용 전과 적용 후의 간섭무늬를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체의 적용 전과 적용 후의 스펙트럼을 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체의 적용 전과 적용 후의 간섭무늬를 나타내는 그래프.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 회전판 조립체가 적용된 고속 스캔 회전형 간섭계의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 회전판 조립체의 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 고속 스캔 회전형 간섭계는 적외선 광원(도시하지 않음)에서 방출된 적외선 빔(이하, 간단히 '빔' 이라고 함)이 통과하는 입력창(11), 입력창(11)을 통해 입사된 빔을 두 개의 빔으로 분할하는 광선분할기(beam splitter)(12), 광선분할기(12)의 투과되는 빔 경로상에 위치되어 빔의 파장에 따른 분산효과를 보상하는 보상판(compensator)(13), 광선분할기(12)의 양 측면에 광선분할기(12)에 대하여 대칭적으로 배치된 한 쌍의 제1 및 제2 측면 반사경(14)(15), 상기 두 개의 빔의 경로 교차점에 배치되어 회전 가능하도록 회전판이 장착된 회전판 조립체(100), 회전판 조립체(100)의 후면 양 측면에 회전판 조립체(100)에 대하여 대칭적으로 배치된 한 쌍의 제1 및 제2 후면 반사경(16)(17), 및 반사된 빔을 광검출기(도시하지 않음)로 전달하기 위한 광검출렌즈(18)를 포함하는 구조로 이루어져 있다. 여기서, 광선분할기(12)는 적외선 투과 유리기판 상에 부분적인 반사코팅면을 갖는 구조로서 입사광에 45도로 설치되며, 보상판(13)은 광선분할기(12)와 평행하게 배열되어 광선분할기(12)와 수～수십 mm 정도의 좁은 간격을 일정하게 유지하도록 장착된다. 광선분할기(12)와 보상판(13)은 조립체로서 견고하게 장착될 수도 있다.
이러한 간섭계의 구조에 의해, 적외선 광원으로부터 방출된 빔은 입력창(11)을 통하여 광선분할기(12)에 입사되어 두 개의 빔으로 분할된다. 이 때 분할되는 두 개의 빔 중 일부는 광선분할기(12)와 보상판(13)을 통해 제1 측면 반사경(14)으로 투과되고, 나머지 일부는 제2 측면 반사경(15)으로 반사된 후 일정 각도 범위에서 회전하는 회전판(140, 도 5 참조)을 통과한다. 이렇게 회전판(140)을 통과한 두 개의 빔은 제1 및 제2 후면 반사경(16)(17)에 의해 반사되어 같은 경로로 복귀하게 되고, 복귀된 빔은 다시 광선분할기(12)에서 만나 광검출렌즈(18)를 통과한 후 최종적으로 광검출기로 입사된다. 광검출기에 입사되는 빔은 이러한 경로를 통해 발생되는 광경로차에 의해 간섭무늬를 만들게 된다.
상기 광경로차는 회전판(140)이 회전함에 따라 입사각이 달라짐으로써 발생된다. 즉, 회전판(140)이 회전하게 되면, 도 1에 도시한 바와 같은 광경로가 회전판(140)에서 비대칭적인 경로를 통과하게 되는데, 하나는 짧은 경로를 다른 하나는 긴 경로를 통과하게 됨으로써 광경로차가 발생하게 된다. 이러한 광경로차는 회전하는 위치에 따라 크기가 달라지게 되며 180도를 주기로 동일한 경로차가 발생하게 된다.
광검출기는 이러한 광경로차에 의한 간섭무늬의 크기를 기록하고, 이러한 간섭무늬는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 통해 스펙트럼으로 변환된다. 따라서, 안정적인 스펙트럼을 얻기 위해서는 회전판의 기능이 매우 중요하며, 이를 위해서 회전판의 동적특성이 안정되는 것이 필요하다.
본 발명은 이러한 점에 초점을 두고 회전판(140)이 안정적으로 고속 회전될 수 있도록 회전판(140)을 조립체로서 구성한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 회전판 조립체(100)의 구성을 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
도 2 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전판 조립체(100)는 하우징(110)과, 하우징(110)에 수용되는 회전판 장치대(120)와, 회전판 장치대(120)의 하부를 지지하는 하부지지대(130)로 구성되어 있다.
먼저, 하우징(110)은 회전판 장치대(120)를 수용하기 위한 수용공간을 갖는 본체(111)와, 빔의 진행 경로가 방해되지 않도록 본체(111)의 전면과 전면에 대향하는 후면에 개방 형성되어 빔이 통과되게 하는 광통과부(112a, 112b)를 포함하여 구성된다. 여기서, 광통과부(112a)는 내부에 설치되는 각 광학부품의 정렬상태를 들여다 볼 수 있도록 넓은 사각형상으로 개방되어 있으며, 반대쪽의 광통과부(112b)는 입사되는 빔의 최소한의 간섭을 피하기 위해 타원 형상으로 개방되어 있다.
본체(111)는 본체(111) 내에 수용되는 회전판 장치대(120)의 회전 동작시 간섭되지 않도록 회전판 장치대(120)보다 폭이 넓은 돔형 또는 원통형 구조로 이루어져 있다. 그리고, 본체(111)의 하단에는 바깥쪽으로 돌출된 플랜지부(113)가 일체로 형성되어 있고, 이 플랜지부(113)는 후술하는 하부지지대(130)의 플랜지(133)의 형상 및 외경과 동일하며, 하부지지대(130)의 플랜지(133)와의 체결을 위해 둘레를 따라 다수개의 체결구멍(113a)을 갖는다.
본체(111)의 상면에는, 후술하는 회전판 장치대(120)의 상부 베어링(124a)이 삽입되는 베어링 삽입구멍(114)이 형성되어 있고, 본체(110)의 하면에는, 후술하는 하부지지대(130)의 외측 단차부(132)의 크기에 상응하는 개방부(116)가 형성되어 있다.
또한, 본체(111)의 일측면에는, 상부와 하부에 일정 간격을 두고 관통슬롯(117)이 한 쌍 형성되어 있고, 그 일측면에 대향하는 타측면에도 마찬가지로 한 쌍의 관통슬롯(117)이 형성되어 있다.
한편, 회전판 장치대(120)는 내부에 회전판(140)을 설치하기 위해 전후면이 개방된 사각함체 형상으로 이루어져 있고 회전축(도시하지 않음)을 중심으로 회전 가능한 구조로 된 프레임(121)과, 프레임(121) 상하에 각각 돌출 형성된 상?하부 베어링 장착부(122a)(122b)와, 프레임(121)의 하부 양측면에 대향하여 수직 설치된 한 쌍의 아치형 날개부(123a)(123b)를 포함하여 구성되어 있다.
프레임(121)은 관성모멘트를 최소화하기 위해 금속소재, 바람직하게는 알루미늄 합금과 같은 경량소재로 만들어져 있다. 관성모멘트는 회전에 대한 관성의 크기를 나타내므로, 고속 회전을 위해서는 관성모멘트를 최소화하는 것이 중요하다. 그래서 본 발명에서, 회전판 장치대(120)는 관성 모멘트를 최소화하기 위하여 회전축을 중심으로 대칭적인 구조를 갖고 또한 회전판(140)을 장착하기 위한 경량 구조를 갖도록 강도가 허락하는 최소의 두께로 설계함으로써, 회전축을 중심으로 고속 회전할 수 있도록 관성모멘트를 최소화한 것이다.
회전판(140)은 평행도가 우수한 적외선 투과 유리로 이루어진 사각형 판 구조로서, 회전판 장치대(120)의 프레임(121) 내에 접착제에 의해 접착 고정된다. 즉, 회전판(140)을 프레임(121) 내에 배치한 후, 프레임(121)의 정면과 후면 중 적어도 어느 하나의 각 모서리 4곳에 형성된 접착제 주입홈(121a)을 통하여 접착제를 주입함으로써 회전판(140)의 외면이 프레임(121) 내측면 견고하게 접착되어 고정된다. 본 발명에서는 접착제를 이용하여 회전판(140)을 프레임(121)에 고정하였지만, 그 고정수단으로 반드시 접착제에 한정되지 않으며, 클램프를 이용할 수도 있다.
이와 같이 회전판(140)이 고정 설치된 회전판 장치대(120)의 안정적인 고속 회전을 위하여, 프레임(121)의 상?하부 베어링 장착부(122a)(122b)의 외주면에 각각 상?하부 베어링(124a)(124b)을 장착하여 상?하부 베어링(124a)(124b)에 의해 회전판 장치대(120)의 상?하부를 하우징(110)과 하부지지대(130)를 통하여 지지하도록 하였다. 즉, 상부 베어링(124a)은 상기한 하우징(110)의 베어링 삽입구멍(114)에, 하부 베어링(124b)은 후술하는 하부지지대(130)의 베어링 삽입구멍(131a)에 삽입 연결하여 지지하도록 함으로써, 회전판 장치대(120)는 하우징(110)과 하부지지대(130)에 의해 상하 지지되는 상태로 조립됨으로써, 회전판 장치대(120)를 하부측만 지지하는 경우에 발생되는 진동 및 동적 안정성이 대폭 개선되어 회전판 장치대(120)의 안정적인 고속 회전을 확보할 수 있다. 여기서, 상부 베어링(124a)과 하부 베어링(124b)의 회전축을 일치시키기 위해서는 하우징(110)의 흔들림 공차가 5/1000 이내가 되도록 하여야 한다.
회전판 장치대(120)의 고속 회전을 위해 구동모터(150, 도 3 참조)의 회전축은 하부 베어링 장착부(122b)의 내부에 형성된 요홈(125)에 고정 수직 설치된 회전축 연결부(151)와 연결된다.
그런데, 회전판(140)을 회전판 장치대(120)에 고정 설치하고 나서, 회전판 장치대(120)의 무게 균형이 맞지 않는 경우, 회전판 장치대(120)의 미세한 편심 중량이 발생할 수 있고, 이에 의해 예컨대, 팽이와 같은 세차운동이 발생하여 진동과 소음을 유발시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 경량소재의 회전판 장치대(120)의 무게 균형을 조정하기 위한 수단을 강구하였다. 즉, 회전판(140)이 회전판 장치대(120)에 조립된 상태에서 무게 중심이 회전 중심과 일치하도록 무게중심조정부를 구비하고 있다.
무게중심조정부는 도 6에 도시한 바와 같이, 회전판 장치대(120)의 회전축 방향을 z축, 회전축 방향에 직교하는 회전판 장치대(120)의 전후 방향을 x축, 회전축 방향에 직교하는 회전판 장치대(120)의 좌우 방향을 y축이라고 할 때, x축 방향과 y축 방향 5곳에 형성되어 있다. 보다 구체적으로는, 무게중심조정부는 x축 방향에 해당하는 회전판 장치대(120)의 하부 베어링 장착대(122b)의 정면에 형성된 1개의 관통탭(127)과, y축 방향에 해당하는 회전판 장치대(120)의 프레임(121)의 양측면 각각에 상하 일정 간격을 두고 형성된 4개의 관통탭(128)과, 각 관통탭(127)(128)에 삽입되는 무두 볼트(129)로 이루어져 있다. y축 방향의 4개의 관통탭(128)은 회전판 장치대(120)를 하우징(110)에 조립할 때 하우징(110)의 측면에 형성된 관통슬롯(117)의 형성 위치에 대응하는 위치에 형성된다. 여기서, 관통탭(127)(128)은 무두 볼트(129)의 출몰이 가능하도록 관통홀 내에 탭으로 가공 처리된 것이며, 무두 볼트(129)는 회전판 장치대(120)의 외측으로 돌출되지 않게 하여 하우징(110)과의 간섭을 피하도록 관통탭(127)(128) 깊이의 1/2 정도의 길이를 갖는 것이 바람직하다.
이와 같은 무게중심조정부에 의하면, 각 관통탭(127)(128)에 무두 볼트(129)를 삽입하여 전후로 위치를 이동하면서 회전판 장치대(120)의 무게 중심이 회전축 상에 놓이도록 조정하여, 회전판 장치대(120)의 무게 균형을 맞출 수 있다. 관통탭(127)(128) 대신에 미관통탭도 사용가능하며, 무두 볼트(129) 대신에 무두 스크류도 사용가능하다.
한편, 하부지지대(130)는 회전판 장치대(120)의 하부 베어링(124b)을 수용하기 위한 공간을 갖도록 대략 원통형상으로 상향 돌출된 베어링 수용부(131)와, 베어링 수용부(131)의 직경보다 크고 상기 하우징(110)의 플랜지(113)의 직경에 상응하는 직경을 갖는 플랜지(133)와, 베어링 수용부(131)와 플랜지(113) 사이에 하우징(110)의 내경에 상응하는 직경을 갖는 단차부(132)를 포함하여 구성되어 있다.
베어링 수용부(131)의 상단에는 회전판 장치대(120)의 하부 베어링(124b)을 베어링 수용부(131)의 내부 공간에 수용한 후, 베어링 수용부(131)의 내경을 좁혀 하부 베어링(124b)의 이탈을 방지하기 위한 이탈방지링(134a, 134b)이 분리가능하게 고정 설치되어 있다. 이탈방지링(134a, 134b)은 2개로 분할 형성된 반원형 분할체로 이루어져 있고, 베어링 수용부(131)의 상단면에 나사 등의 체결수단에 의해 고정 설치된다.
그리고 단차부(132) 내부에는 빈 공간(S)이 형성되어 있고, 그 공간(S)에는 단차부(132)의 내부 상면에 형성되어 하향 수직 돌출된 모터고정부(136)가 위치되어 있어, 구동모터(150) 일부가 이 공간(S)에 수용되는 상태로 모터고정부(136)에 고정된다. 본 발명에서 사용되는 구동모터(150)로서는 정속모터가 바람직하다.
이와 같은 하부지지대(130)는 회전판 장치대(120)를 하우징(110)에 조립한 후, 하우징(110)의 플랜지(113)와 하부지지대(130)의 플랜지(133)를 스터드 볼트 (135) 등에 의해 체결함으로써 본 발명에 따른 회전판 조립체를 구성하게 된다.
한편 단차부(132)의 상면 일측에는 요홈(132a)이 형성되어 있는데, 이 요홈(132a)에는 유효 신호 범위를 결정하기 위한 광스위치(도시하지 않음)가 수납 설치되어 있다.
회전판 장치대(120)는 구동모터(150)에 의해 360도 회전하므로 회전판(140)은 회전을 반복하면서 2개의 광경로를 따라 입사되는 빔에 의해 주기적으로 스펙트럼을 생성할 수 있게 한다. 그러나 스펙트럼 생성을 위한 광신호에 실제적으로 기여하는 회전각도의 유효범위는 0～60도 사이의 구간이다. 이것은 회전판(140)의 표면에 광학손실을 줄이기 위해 광학 코팅을 하는데, 광학코팅이 이 유효범위를 넘어서는 순간 손실이 급격하게 증가하여 스펙트럼 생성에 거의 기여하지 못하기 때문이다.
그래서, 본 발명에서는, 이러한 유효한 회전각도 구간에서만 신호처리 기판에서 스펙트럼 생성에 기여하는 광신호를 처리하도록 상기 광스위치를 설치한 것이다. 즉, 광스위치는 구동모터(150)의 구동에 의해 회전판 장치대(120)가 회전될 때, 회전판 장치대(120)의 프레임(121)의 하부 가장자리에 설치되어 하부지지대(130)의 단차부(132)와 일정 거리 이격된 한 쌍의 날개부(123a, 123b) 중 어느 하나의 날개부가 광스위치에 근접되었을 때 광스위치가 이를 감지하여 ± 30도의 회전각도 범위에서만 입사되는 빔을 유효 신호광으로 인식하도록 제어한다. 이러한 광스위치로는 광센서가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 회전판 장치대(120)의 날개부(123a, 123b)에 광학적, 전기적으로 동작하는 센서이면 좋다.
이와 같이, 회전판 장치대(120)를 하우징(110)과 하부지지대(130)에 조립한 상태에서, 하우징(110)의 베어링 삽입구멍(114)을 통하여 하우징(110)의 외측으로 노출된 상부 베어링(124a)은 도 3과 같이 캡(160)에 의해 덮여진다. 이 캡(160)은 하우징(110)의 상부 베어링 삽입구멍(114)에 상부 베어링 삽입구멍(114)보다 외경이 큰 구멍(115)에 끼워진 상태에서 체결구멍(118)을 통해 체결수단에 의해 체결된다.
한편, 도 6에서 회전판(140)의 상단과 회전판 장치대(120)의 상부 하측 사이에 형성된 공간(121b)은 소형의 참조광 회전판(도시하지 않음)을 조립하여 설치하기 위한 자리를 나타낸 것이다. 참조광 회전판은 회전하면서 스펙트럼의 분광 보정을 위한 간섭무늬를 발생시키는 역할을 한다. 일반적으로 마이켈슨 간섭계는 신호광을 분석하기 위한 주간섭계와 분광 보정을 위한 참조간섭계로 구성된다. 간섭계를 통과한 신호광은 간섭무늬(I(δ))로 기록되며 FFT를 통하여 스펙트럼(B(ν))으로 변환됩니다. 이때 푸리에 변환 시에 분광단위(ν)에 대응되는 단위가 경로차(retardation, δ)이다. 이는 수식으로 다음의 관계를 갖는다.
Figure 112012007072182-pat00001
상기 수식에서 간섭무늬(I(δ))로부터 정확한 스펙트럼을 연산하기 위해서는 (등시간이 아닌) 등경로간격(dδ)의 간섭무늬 정보가 필요하다. 신호광이 단색광이라면, 간섭무늬는 cos(2πνδ)의 함수가 되어 경로차가 λ/2(λ=참조광 파장)일 때마다 0점(상쇄간섭)이 발생한다. 이는 참조광의 간섭무늬가 0인 위치의 간격은 정확하게 광경로차가 dδ=λ/2가 되는 점이며 위에서 신호광의 스펙트럼을 연산하기 위한 등경로간격을 제공하게 된다. 실제로 분광기에서도 참조광 간섭무늬가 0이 되는 위치의 신호광 간섭무늬를 기록한 다음 위의 식에 의하여 FFT를 수행하여 스펙트럼을 얻게 된다. 위와 같은 과정을 분광 보정(spectrometric calibration)이라고 하며, 분광 보정의 목적으로 등경로간격의 간섭무늬를 얻기 위하여 참조간섭계를 사용한다. 이러한 참조간섭계는 단색광의 레이저를 광원으로 사용하여 구성된 간섭계이다. 레이저를 사용하기 때문에 광학부품의 작은 공간만 있어도 되며, 주간섭계와 동일한 경로를 가져야 하기 때문에 주간섭계의 한쪽 귀퉁이에 걸치도록 구성한다. 본 발명에서는 주간섭계의 중심에서 20mm 정도 높이를 지나도록 참조간섭계를 설계하였고, 본 발명이 적용된 간섭계는 회전판을 제외하고 주간섭계의 광학부품을 공유하며, 회전판의 경우에는 신호용 회전판(140)의 상단에 상기한 소형의 참조광 회전판을 조립하여 사용한 것이다.
이와 같은 구성을 갖는 회전판 조립체(100)에 의하면, 구동모터(150)의 구동에 의해 고속으로 회전하는 회전판(140)의 흔들림을 최소화시킬 수 있어, 고속으로 스캔하는 간섭계의 스펙트럼을 안정적이고 고품질의 상태로 유지시킬 수 있다.
이하는 본 발명에 따른 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체의 적용 전후의 간섭무늬 및 스펙트럼에 대한 실시예를 설명한 것이나, 이 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예에 불과한 것이며 이와 관련하여 제한하는 것으로 이해되지 않아야 한다.
여기서, 간섭무늬는 간섭계의 광출기에서 측정한 데이터이며, 스펙트럼은 간섭계의 광검출기를 통과한 데이터를 푸리에 변환하여 x축을 파수 단위로 환산하여 표시한 것이다.
도 7은 본 발명을 적용하기 전(도 7(a))과 후(도 7(b))의 간섭무늬 데이터를 20회 중첩하여 나타낸 것이다. 도 7(a)는 간섭무늬의 위치가 측정할 때마다 변위가 발생하고 있다. 그러나 본 발명을 적용하고 나서 도 7(b)와 같이 간섭무늬는 위치 변화가 거의 없이 일정하게 나타나고 있다. 본 발명을 적용하기 전의 회전판 조립체는 자체 진동에 의하여 간섭무늬가 흔들림을 알 수 있고 본 발명에 의하여 무게 균형 및 진동을 개선하고 나서 간섭무늬가 안정화됨을 알 수 있다.
도 8과 도 9는 본 발명을 적용하기 전(도 8(a), 도 9(a))과 후(도 8(b), 도 9(b))의 분광 스펙트럼 일부를 나타낸 것이다. 도 8과 도 9의 스펙트럼은 수증기의 흡수 스펙트럼이 나타나는 대역을 확대하여 표시한 것이다. 데이터를 20개 중첩한 결과에서 본 발명을 적용하기 전과 후를 비교하면 본 발명을 적용하고 나서 수증기 흡수선의 위치 변화가 크게 개선되었다. 즉, 본 발명을 적용함으로써 도 7(B)와 같이 간섭무늬가 안정화된 결과, 도 8(b)로부터 스펙트럼에서도 동일한 효과를 볼 수 있었다.
그리고 도 9와 같이 8개 평균한 스펙트럼에서도 동일한 결과를 확인할 수 있다. 도 9(a)를 보면 수증기의 흡수선 위치가 흔들리고 있음을 볼 수 있고, 회전의 불안정을 인하여 흡수선폭이 넓어진 것을 확인할 수 있지만, 도 9(b)와 같이 본 발명을 적용한 경우 수증기 본래의 흡수선 모양으로 스펙트럼이 복원됨을 확인할 수 있었다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 회전판 조립체
110 : 하우징
111: 본체
112a, 112b: 광통과부
113 : 플랜지
114 : 베어링 삽입구멍
116 : 개방부
117 : 관통슬롯
120 : 회전판 장치대
121 : 프레임
121a : 접착제 주입홈
122a : 상부 베어링 장착부
122b : 하부 베어링 장착부
123a, 123b : 날개부
124a : 상부 베어링
124b : 하부 베어링
125 : 요홈
126, 128 : 관통탭
130 : 하부지지대
131 : 베어링 수용부
132 : 단차부
132a : 요홈
133 : 플랜지
140 : 회전판

Claims (9)

  1. 입력창(11)을 통해 입사된 빔을 두 개의 빔으로 분할하는 광선분할기(12), 광선분할기(12)의 투과되는 빔 경로상에 광선분할기(12)와 평행하게 설치된 보상판(13), 광선분할기(12)와 보상판(13)의 양 측면에 대칭적으로 배치된 한 쌍의 제1 및 제2 측면 반사경(14)(15)을 통해 반사된 두 개의 빔의 경로 교차점에 회전 가능하게 배치되어 회전 범위 내에서 광경로차를 발생시키는 회전판(140), 회전판(140)의 후면 양 측면에 대칭적으로 배치된 한 쌍의 제1 및 제2 후면 반사경(16)(17), 및 한 쌍의 제1 및 제2 후면 반사경(16)(17)에 의해 반사된 빔을 같은 경로를 통해 복귀되어 광검출기로 전달하기 위한 광검출렌즈(18)를 포함하는 고속 스캔 회전형 간섭계에 있어서,
    상기 회전판(140)은 조립체 형태로 장착되어 있고,
    상기 조립체는 내부공간을 갖는 돔형 또는 원통형의 본체(111)와, 본체(111)의 전후면을 통해 개방 형성된 광통과부(112a, 112b)와, 본체(110)의 하면에 형성된 개방부(116)를 구비하는 하우징(110);
    상기 하우징의 개방부(110)를 통해 상기 하우징(110) 내에 수용되어 구동모터(150)의 회전축을 중심으로 회전 가능하고 전후면이 개방된 공간을 갖는 사각함체 형상의 프레임(121)과, 프레임(121) 내에 고정된 회전판(140)과, 프레임(121) 상하에 각각 돌출 형성된 상?하부 베어링 장착부(122a)(122b)에 장착된 상?하부 베어링(124a)(124b)을 구비하며, 상기 상부 베어링(124a)이 상기 하우징(110)의 상부에 형성된 베어링 삽입구멍(114)에 삽입되어 지지되는 회전판 장치대(120);
    상기 회전판 장치대(120)의 하부 베어링(124b)을 수용하여 지지하기 위해 원통형상으로 상향 돌출된 베어링 수용부(131)와, 베어링 수용부(131)의 하단에 형성되어 상기 하우징(110)의 하단에 형성된 플랜지부(113)와 맞대어 체결되는 플랜지(133)를 갖는 하부지지대(130);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전판(140)은 적외선 투과 유리로 이루어진 사각형 판 구조로서, 회전판 장치대(120)의 프레임(121)의 정면과 후면 중 적어도 어느 하나의 각 모서리에 형성된 접착제 주입홈(121a)을 통하여 접착제를 주입함으로써 회전판(140)의 외면이 상기 프레임(121) 내측면에 접착되어 고정되는 것을 특징으로 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동모터(150)의 회전축은 상기 하부 베어링 장착부(122b)의 내부에 형성된 요홈(125)에 고정 수직 설치된 회전축 연결부(151)에 연결 장착되는 것을 특징으로 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전판 장치대(120)의 무게 균형을 조정하기 위한 무게중심조정부를 더 포함하고,
    상기 무게중심조정부는 회전판 장치대(120)의 회전축 방향을 z축, 회전축 방향에 직교하는 회전판 장치대(120)의 전후 방향을 x축, 회전축 방향에 직교하는 회전판 장치대(120)의 좌우 방향을 y축이라고 할 때, x축 방향에 해당하는 회전판 장치대(120)의 하부 베어링 장착대(122b)의 정면에 형성된 1개의 관통탭(127) 또는 미관통탭과, y축 방향에 해당하는 회전판 장치대(120)의 프레임(121)의 양측면 각각에 상하 일정 간격을 두고 형성된 복수개의 관통탭(128) 또는 미관통탭과, 각 관통탭(127)(128) 또는 미관통탭에 삽입되어 전후로 위치 이동 가능한 무두 볼트(129) 또는 무두 스크류로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 y축 방향의 복수개의 관통탭(128)은 회전판 장치대(120)를 하우징(110)에 조립할 때 하우징(110)의 대향하는 양측면에 형성된 복수개의 관통슬롯(117)에 대응하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 하부지지대(130)는 상기 베어링 수용부(131)와 플랜지(113) 사이에 하우징(110)의 내경에 상응하는 직경을 갖고 상면 일측에 요홈(132a)이 형성된 단차부(132)를 갖고,
    상기 회전판 장치대(120)의 프레임(121)의 하부 양측면 가장자리에는, 대향하는 한 쌍의 아치형 날개부(123a)(123b)가 상기 단차부(132)와 일정 거리 이격되는 상태로 하향 설치되어 있고,
    상기 요홈(132a)에는 광검출기를 통과한 광신호의 처리를 위한 광스위치가 수납 설치됨으로써, 상기 광스위치는 구동모터(150)의 구동에 의해 회전판 장치대(120)가 회전될 때, 상기 한 쌍의 날개부(123a, 123b) 중 어느 하나의 날개부가 광스위치에 근접되었을 때 이를 감지하여 ± 30도의 회전각도 범위에서만 입사되는 빔을 유효 신호광으로 받아들이도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하부지지대(130)의 베어링 수용부(131)의 상단에는, 베어링 수용부(131)에 수용된 상기 하부 베어링(124b)의 이탈을 방지하기 위한 이탈방지링(134a, 134b)이 분리가능하게 고정 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이탈방지링(134a, 134b)은 2개로 분할 형성된 반원형 분할체로 이루어져 있고, 상기 베어링 수용부(131)의 상단면에 체결수단에 의해 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전판 장치대(120)의 프레임(121)은 관성모멘트를 최소화하기 위해 알루미늄 합금 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체.
KR1020120008470A 2012-01-27 2012-01-27 무게균형을 개선한 고속 스캔 회전형 간섭계용 회전판 조립체 KR101158738B1 (ko)

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