KR101176884B1 - Optical system for spectrometer and spectrometer using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가시광선 대역부터 자외선 대역의 파장을 측정하기 위해 소정의 렌즈 곡면과 렌즈 간 이격 거리를 갖는 최적의 렌즈 조합을 분광계에 적용함으로써 기존 렌즈에서 측정할 수 없는 광대역의 파장을 고해상도로 측정하도록 하여 해당 광대역에 속하는 파장에 대해 투과율을 양호하게 유지하면서도 탁월한 분광 효율을 보장하고, 측정 가능한 대역 중 일부 파장 대역들에 더욱 특화된 렌즈 조합을 적용함으로써 타 파장 대역 대에 비해 해당 파장 대역에서 해상도를 극대화하도록 하여 특정 파장 대역에서 더욱 높은 해상도를 요구하는 다양한 검사에 대해 월등한 활용성을 갖으며, 소구경,근거리 초점 렌즈를 이용하여 높은 분광 효율을 구현함으로써 동일한 성능을 구현하기 위해 대구경,원거리 렌즈를 이용하는 것과 비교하여 크기를 줄일 수 있어 분광 장비의 소형화가 가능한 효과가 있다.The present invention relates to an optical system for a spectrometer and a spectrometer to which the same is applied, and more particularly, by applying an optimal lens combination having a predetermined distance between a predetermined curved surface and a lens to a spectrometer in order to measure wavelengths in a visible light band to an ultraviolet band. By measuring high-resolution wavelengths that cannot be measured by conventional lenses at high resolution, it ensures excellent spectral efficiency while maintaining good transmittance for wavelengths belonging to the wide-band, and provides a lens combination that is more specific to some wavelength bands of the measurable bands. By maximizing the resolution in the wavelength band compared to other wavelength bands, it has excellent utility for various inspections requiring higher resolution in a specific wavelength band. Achieve the same performance by implementing efficiency Compared to using a large aperture, a wide lens to reduce the size to an effect as possible to reduce the size of the spectral equipment.
Description
본 발명은 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계에 관한 것으로서, 특히 자외선의 대역부터 가시광선 대역을 포함하는 광대역의 측정이 가능한 구면 렌즈의 조합을 통해, 상기 광대역 중 복수의 파장 대역에서 해상도를 극대화하도록 한 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계에 관한 것이다.
The present invention relates to an optical system for a spectrometer and a spectrometer to which the same is applied, in particular through a combination of spherical lenses capable of measuring a broadband including a visible light band from the ultraviolet band, to maximize the resolution in a plurality of wavelength bands of the broadband An optical system for a spectrometer and a spectrometer to which the same is applied.
광학 기술의 발전은 다양한 산업 전반에 영향을 주어 미세 가공에서부터 초고속 통신에 이르는 광범위한 차세대 기술의 기반이 되고 있다. 특히, 직진성이 강한 레이저를 이용하여 미세 가공이나 표면을 개질하는 기술, 의학용 메스나 특정 세포를 선별 제거하는 기술, 광학 매체를 이용하여 데이터를 재생하는 기술, 광섬유의 전반사를 활용한 초고속 통신 기술 및 나노 크기의 입체적 시료에 대한 구성을 파악하는 현미경 기술 등 산업 및 의료 기술에 접목된 광학 기술은 점차 그 중요성이 높아지고 있다. Advances in optical technology have impacted a wide range of industries, laying the foundation for a wide range of next-generation technologies, from micromachining to high-speed communications. Particularly, the technology for fine processing or surface modification using a laser with strong straightness, the technology for screening and removing medical scalpels or specific cells, the technology for reproducing data using optical media, and the high-speed communication technology using total reflection of optical fiber And optical technologies combined with industrial and medical technologies, such as microscopic techniques for determining the composition of nano-sized three-dimensional samples, are increasingly important.
특히, 분광계(spectrometer) 혹은 분광기(monochrometer)(이하, 분광계로 통칭하여 설명)는 전자기파를 파장의 차이에 따라 분해하여 그 세기 분포를 특정하는 것으로, 일반적으로 전자기파뿐만 아니라 전자선 등의 입자선 에너지 분석장치를 포괄하여 칭해진다. 특히, 이러한 분광계를 이용한 스펙트럼의 관측으로부터 물질 중의 전자와 원자핵의 배열, 그리고 운동에 관한 정보를 얻을 수 있기 때문에 이러한 분광계를 이용한 분광학은 물질의 연구 수단으로 중요하게 사용되고 있다. 이러한 분광계는 잘 알려져 있는 빛과 열 외에 x선, 감마선, 마이크로파 등이 사용될 수 있다.In particular, a spectrometer or a monochrometer (hereinafter, referred to collectively as a spectrometer) is to decompose an electromagnetic wave according to a difference in wavelength to specify its intensity distribution. Generally, not only electromagnetic waves but also particle beam energy analysis such as electron beams It is called comprehensively. In particular, spectroscopy using these spectrometers is important as a means of researching materials because information on the arrangement and motion of electrons and atomic nuclei in materials can be obtained from observation of the spectra using such spectrometers. Such spectrometers may be used with x-rays, gamma rays, microwaves, etc. in addition to well-known light and heat.
이러한 분광계의 간단한 활용 방식은 소정 파장의 광원을 시료에 투사하고, 시료를 투과한 광을 슬릿을 통해 획득하여 해당 파장에 대해 관찰하는 것으로 시료가 방출하거나 흡수하는 빛의 스펙트럼을 계측하는 것으로 시료에 대한 정보를 파악하는 것이다. 다른 활용으로 광원 자체의 파장과 파워 특성을 측정하기 위해서도 사용되고 있다.A simple application of such a spectrometer is to project a light source of a predetermined wavelength onto a sample, acquire light transmitted through the sample through a slit, and observe the wavelength, and measure the spectrum of light emitted or absorbed by the sample. It is about figuring out the information. Another application is to measure the wavelength and power characteristics of the light source itself.
도 1은 일반적인 회절형 분광계의 구조를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 기 설정된 파장 대역의 광원(1)에 의한 광이 입사되는 입사 슬릿(input slit)(2)과, 상기 입사 슬릿(2)을 통과한 광을 평행광으로 변환하는 시준 렌즈(3)와, 상기 시준 렌즈(3)를 통과한 광을 해당 광의 파장에 따라 회절시키는 반사형 회절판(4)과, 상기 회절된 광의 경로 설정을 위해 회절광을 반사시키는 거울(5)과, 상기 거울에 반사된 광을 집광하는 집광 렌즈(6)와, 상기 집광 렌즈(6)에 의해 집광된 광을 시각적으로 분석하기 위한 영상을 획득하는 카메라(7)로 이루어진다. 여기서, 상기 시준 렌즈(3)나 집광 렌즈(6) 대신 반사식 오목 거울을 이용하여 구성(Czerny-Turner 구성)할 수도 있고, 카메라(7) 앞단에 선택 파장을 선별하기 위한 출력 슬릿을 구성할 수도 있다.1 shows a structure of a general diffraction type spectrometer. As shown in FIG. 1, an incident slit 2 into which light from a
도 2는 도 1의 분광계를 개량하여 복수의 파장에 대응할 수 있도록 구성한 파장 가변 분광계의 예로서, 도시된 바와 같이 관찰할 외부 광원을 선별하는 입사 슬릿(11)과, 상기 입사 슬릿(11)을 통과한 광을 평행하게 하는 시준 렌즈(12)와, 해당 시준 렌즈(12)를 통해 평행해진 광선의 경로를 변경하는 거울(13)과, 상기 거울(13)에 반사된 광을 파장에 따른 고유 각도로 회절시키고 이를 고정된 각도의 광경로로 반사시키는 투과형 회절판(15)과 거울(14)이 일체화된 파장 가변 구조물과, 상기 거울(14)에 의해 반사된 광을 집광하는 집광 렌즈(16)와, 상기 집광 렌즈(16)를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 카메라(17)로 이루어진다.FIG. 2 is an example of a tunable spectrometer configured to cope with a plurality of wavelengths by improving the spectrometer of FIG. 1. The incident slit 11 for selecting an external light source to be observed as shown in FIG. A
상술한 바와 같은, 분광계의 효율은 주로 광경로의 정확한 조절 및 파장세기에 대한 장애 최소화 등과 같은 요소에 의해 결정된다. 이에 대한 요소를 결정하는 중요한 역할을 차지하는 것이 바로 광학계인 상기 시준렌즈와 집광렌즈이다.As mentioned above, the efficiency of the spectrometer is mainly determined by factors such as precise control of the optical path and minimization of disturbances to wavelength intensity. It is the optical collimation lens and the condenser lens that play an important role in determining the factor for this.
현재 상기 시준렌즈와 집광렌즈는 일반 카메라용 대구경 렌즈를 이용하고 있으나 대구경 렌즈의 경우 광각 렌즈가 많아 왜곡에 의해 적용이 어렵고, 비교적 심도가 일정한 망원렌즈의 경우 광이 입사되는 전면은 대구경이지만 광이 출력되는 후면은 구경이 작아 분광계 용으로 적용이 어렵다. 따라서 제한된 렌즈 선택만 가능하며 그 용도가 파장의 균일한 정렬이라는 분광계용 광학계의 요구에 일치하지 않아 최상의 성능을 기대할 수 없다.Currently, the collimating lens and the condenser lens use a large-diameter lens for a general camera, but a large-diameter lens has a wide-angle lens, which is difficult to apply due to distortion. The output back has a small aperture, making it difficult to apply for the spectrometer. Therefore, only limited lens selection is possible, and its use does not meet the requirements of spectrometer optics for uniform alignment of wavelengths, so the best performance cannot be expected.
더불어 일반 카메라용 렌즈의 경우 광각을 위한 구면수차 보정을 위해 많은 매수의 렌즈를 이용하므로 투과성능이 낮고 비용이 높아지는 문제가 있을 뿐만 아니라 다른 대역에서는 적용할 수 없어 분광계의 적용 범위가 가시광 대역으로 한정되게 된다.In addition, in the case of a general camera lens, a large number of lenses are used to correct spherical aberration for wide angle, so that there is a problem of low transmission performance and high cost, and the range of the spectrometer is limited to the visible light band because it cannot be applied to other bands. Will be.
또한, 특정한 파장 대역들에서 높은 해상도로 정밀하게 비교해야하는 경우에, 일반 카메라용 렌즈는 전체 대역에서 균일한 해상도를 제공하므로 적용이 어렵다.
In addition, when it is necessary to compare precisely with high resolution in specific wavelength bands, the lens for general cameras is difficult to apply because it provides uniform resolution in the entire band.
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시 예들의 목적은 가시광선 대역부터 자외선 대역의 파장을 측정하기 위해 소정의 렌즈 곡면과 렌즈 간 이격 거리를 갖는 최적의 렌즈 조합을 분광계에 적용함으로써 기존 렌즈에서 측정할 수 없는 광대역의 파장을 고해상도로 측정하도록 한 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계를 제공하는 것이다.An object of the embodiments of the present invention for improving the above-mentioned problem is to measure in an existing lens by applying an optimal lens combination having a predetermined lens curved surface and a separation distance between the lenses to the spectrometer to measure the wavelength of the visible band from the ultraviolet band The present invention provides an optical system for a spectrometer and a spectrometer to which the same is applied so as to measure a wavelength of a broadband that cannot be achieved at high resolution.
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시 예들의 다른 목적은 측정 가능한 대역 중 측정 파장 대역에 대한 해상력에 특화된 렌즈 조합을 적용함으로써 타 파장 대역에 비해 측정 파장 대역에서 해상도를 극대화하도록 한 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계를 제공하는 것이다.Another object of the embodiments of the present invention for improving the above-mentioned problem is to provide a spectrometer optical system to maximize the resolution in the measurement wavelength band compared to other wavelength band by applying a lens combination specialized in the resolution of the measurement wavelength band of the measurable band and It is to provide a spectrometer applying this.
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시 예들의 또 다른 목적은 소구경,근거리 초점 렌즈를 이용하여 높은 분광 효율을 구현함으로써 동일한 성능을 구현하기 위해 대구경,원거리 렌즈를 이용하는 것과 비교하여 크기를 줄이도록 한 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계를 제공하는 것이다.
Another object of the embodiments of the present invention to improve the above-mentioned problems is to reduce the size compared to using a large-diameter, long-distance lens to achieve the same performance by implementing a high spectral efficiency using a small-diameter, near-focus lens. It is to provide an optical system for one spectrometer and a spectrometer to which the same is applied.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계는 회절판과 복수 광학계로 이루어진 분광계의 광로 상에 하나 이상 적용되어 자외선의 일부 대역과 가시광선 대역을 포함한 대역을 측정 대역으로 하는 분광계용 광학계로서, 평행 입출력에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 볼록하게 구성된 제 1렌즈부, 상기 제 1렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하도록 3매의 밀착된 렌즈로 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 작은 직경의 제 2렌즈부, 상기 제 2렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 2렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하게 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 큰 곡률반경을 가지는 제 3렌즈부, 상기 제 3렌즈부 이후에 밀착 배치되며, 상기 제 3렌즈부에 대향하는 일면이 오목하고, 타면이 볼록하게 구성되도록 2매의 밀착된 렌즈로 구성된 제 4렌즈부 및 상기 제 4렌즈부 이후에 이격 배치되며, 광을 집광하는 제 5렌즈부를 포함하되, 상기 제 1 내지 제 5렌즈부를 구성하는 모든 렌즈는 구면렌즈로 구성된다.Optical system for a spectrometer according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is applied to at least one optical path of the spectrometer consisting of a diffraction plate and a plurality of optical systems to a band including a portion of the ultraviolet band and the visible light band as a measurement band An optical system for a spectrometer, wherein a surface opposing parallel input / output is arranged after the first lens portion and the first lens portion, which are convex and the other surface is convex, and one surface facing the first lens portion is convex, and the other surface is convex. It is composed of three contact lenses so as to be concave, and is disposed after the second lens portion and the second lens portion having a smaller diameter than the first lens portion, and one surface facing the second lens portion is convex, and the other surface is The concave structure is arranged in close contact with the third lens portion having a radius of curvature larger than the first lens portion, and after the third lens portion, one surface facing the third lens portion is And a fourth lens unit consisting of two close lenses so that the other surface is convex, and a fifth lens unit spaced apart from the fourth lens unit and condensing light, wherein the first to fifth All the lenses constituting the lens portion are composed of spherical lenses.
상기 제 2렌즈부 및 제 3렌즈부는 기설정된 거리로 이격 배치된다.The second lens unit and the third lens unit are spaced apart at a predetermined distance.
상기 제 2렌즈부는 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하며, 타면이 볼록한 제 2렌즈, 일면이 상기 제 2렌즈의 타면에 밀착되고, 타면이 오목한 제 3렌즈 및 일면이 상기 제 3렌즈의 타면에 밀착되며, 타면이 오목한 제 4렌즈의 결합으로 구성된다.One side of the second lens unit facing the first lens unit is convex, a second lens having the other surface convex, one surface of the second lens being in close contact with the other surface of the second lens, and one surface of the third lens being concave. It is in close contact with the other surface of the, the other surface is composed of a combination of the concave fourth lens.
상기 제 4렌즈부는 양면이 오목한 오목렌즈로 구성된 제 6렌즈 및 상기 제 6렌즈 이후에 밀착 배치되어, 상기 제 6렌즈의 오목면에 일치되는 볼록면을 가진 볼록렌즈로 구성된 제 7렌즈의 결합으로 구성된다.The fourth lens unit is a combination of a sixth lens composed of a concave lens having concave surfaces on both sides thereof and a seventh lens composed of a convex lens having a convex surface coinciding with the concave surface of the sixth lens. It is composed.
상기 제 6렌즈와 밀착된 상기 제 7렌즈의 볼록면은 상기 제 3렌즈부의 볼록면보다 더 작은 곡률반경으로 구성된다.The convex surface of the seventh lens in close contact with the sixth lens has a smaller radius of curvature than the convex surface of the third lens portion.
상기 제 4렌즈부는 상기 제 3렌즈부와 대향하는 끝단만 밀착 결합하도록 배치하며, 렌즈 중심을 기준으로 상기 제 4렌즈부와 상기 제3렌즈부의 대향하는 면 사이에 볼록렌즈 형상의 공간이 발생하도록 구성된다.The fourth lens unit is disposed to be in close contact with only the end facing the third lens unit, and a convex lens-shaped space is generated between the fourth lens unit and the opposing surface of the third lens unit with respect to the lens center. It is composed.
상기 공간을 구성하는 상기 제 3렌즈부와 상기 제 4렌즈부의 대향면은 모두 오목하며, 상기 제 3렌즈부의 대향면이 상기 제 4렌즈부의 대향면에 비해 더 오목하도록 구성된다.Both opposing surfaces of the third lens portion and the fourth lens portion constituting the space are concave, and the opposing surfaces of the third lens portion are more concave than the opposing surfaces of the fourth lens portion.
상기 분광계용 광학계는 입사광을 평행광으로 변환하는 시준 광학계와 평행광을 집광하는 집광 광학계로 겸용 사용된다.
The spectrometer optical system is used as a collimation optical system for converting incident light into parallel light and a condensing optical system for condensing parallel light.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 분광계용 광학계를 적용한 분광계는 관찰할 외부 입사광을 평행하게 변환하는 시준 렌즈부, 해당 시준 렌즈를 통해 평행해진 광을 파장에 따른 고유 각도로 회절시켜 고정된 광경로를 유지하는 투과형 회절판을 포함한 파장 가변 구조물, 상기 파장가변 구조물을 통해 제공되는 평행광을 집광하는 집광 렌즈부 및 상기 집광 렌즈부를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 카메라를 포함하며, 상기 집광렌즈부는 평행 입출력에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 볼록하게 구성된 제 1렌즈부, 상기 제 1렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하도록 3매의 밀착된 렌즈로 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 작은 직경의 제 2렌즈부, 상기 제 2렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 2렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하게 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 큰 곡률반경을 가지는 제 3렌즈부, 상기 제 3렌즈부 이후에 밀착 배치되며, 상기 제 3렌즈부에 대향하는 일면이 오목하고, 타면이 볼록하게 구성되도록 2매의 밀착된 렌즈로 구성된 제 4렌즈부 및 상기 제 4렌즈부 이후에 이격 배치되며, 광을 집광하는 제 5렌즈부로 구성되되, 상기 제 1 내지 제 5렌즈부를 구성하는 모든 렌즈는 구면렌즈로 구성되며, 상기 시준렌즈부는 상기 집광렌즈부의 제 1 내지 제 5렌즈부를 입사경로가 반대가 되도록 뒤집어 배치된다.In addition, the spectrometer to which the spectrometer optical system according to another embodiment of the present invention for achieving the above object is a collimating lens unit for converting the external incident light to be observed in parallel, intrinsic to the light parallelized through the collimating lens according to the wavelength A wavelength variable structure including a transmission diffraction plate diffraction at an angle to maintain a fixed optical path, a condensing lens unit for condensing parallel light provided through the wavelength variable structure, and for observing the spectrum of light condensed through the condensing lens unit And a camera, wherein the condensing lens part is convex on one surface facing the parallel input / output, and the other surface is convex, disposed after the first lens part, and one surface facing the first lens part is convex. And a second lens portion having a diameter smaller than that of the first lens portion, wherein the second lens portion is formed of three closely-contacted lenses so that the other surface is concave. A third lens portion disposed after the second lens portion, the one surface facing the second lens portion is convex and the other surface is concave, and having a radius of curvature greater than that of the first lens portion, after the third lens portion; The fourth lens unit and the fourth lens unit, which are arranged in close contact with each other so that one surface facing the third lens unit is concave and the other surface is convex, and spaced apart after the fourth lens unit, and collects light. And a fifth lens unit, wherein all the lenses constituting the first to fifth lens units are spherical lenses, and the collimating lens unit is disposed so that the incidence paths are reversed. do.
상기 제 2렌즈부 및 제 3렌즈부는 이격 배치된다.The second lens unit and the third lens unit are spaced apart.
상기 제 2렌즈부는 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하며, 타면이 볼록한 제 2렌즈, 일면이 상기 제 2렌즈의 타면에 밀착되고, 타면이 오목한 제 3렌즈 및 일면이 상기 제 3렌즈의 타면에 밀착되며, 타면이 오목한 제 4렌즈의 결합으로 구성된다.One side of the second lens unit facing the first lens unit is convex, a second lens having the other surface convex, one surface of the second lens being in close contact with the other surface of the second lens, and one surface of the third lens being concave. It is in close contact with the other surface of the, the other surface is composed of a combination of the concave fourth lens.
상기 제 4렌즈부는 양면이 오목한 오목렌즈로 구성된 제 6렌즈 및 상기 제 6렌즈 이후에 밀착 배치되어, 상기 제 6렌즈의 오목면에 일치되는 볼록면을 가진 볼록렌즈로 구성된 제 7렌즈의 결합으로 구성된다.
The fourth lens unit is a combination of a sixth lens composed of a concave lens having concave surfaces on both sides thereof and a seventh lens composed of a convex lens having a convex surface coinciding with the concave surface of the sixth lens. It is composed.
본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계는 가시광선 대역부터 자외선 대역의 파장을 측정하기 위해 소정의 렌즈 곡면과 렌즈 간 이격 거리를 갖는 최적의 렌즈 조합을 분광계에 적용함으로써 기존 렌즈에서 측정할 수 없는 광대역의 파장을 고해상도로 측정하도록 하여 해당 광대역에 속하는 파장에 대해 투과율을 양호하게 유지하면서도 탁월한 분광 효율을 보장하는 효과가 있다.The spectrometer optical system and the spectrometer using the same according to an embodiment of the present invention is applied to the spectrometer by applying an optimal lens combination having a predetermined distance between the lens curved surface and the lens to the spectrometer to measure the wavelength of the visible light band from the ultraviolet band By measuring the wavelength of the broadband that cannot be measured in high resolution, it has the effect of ensuring excellent spectral efficiency while maintaining a good transmittance for the wavelength belonging to the broadband.
본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계는 측정 가능한 대역 중 측정 파장의 해상력에 더욱 특화된 렌즈 조합을 적용함으로써 타 파장 대역에 비해 측정 파장 대역에서 해상도를 극대화하도록 하여 특정 파장 대역에서 더욱 높은 해상도를 요구하는 다양한 검사에 대해 월등한 활용성을 갖는 효과가 있다.The spectrometer optical system and the spectrometer to which the same is applied according to an embodiment of the present invention further maximize the resolution in the measurement wavelength band compared to other wavelength bands by applying a lens combination that is more specific to the resolution of the measurement wavelength in the measurable band. It has the effect of superior usability for various inspections requiring high resolution.
본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계는 소구경,근거리 초점 렌즈를 이용하여 높은 분광 효율을 구현함으로써 동일한 성능을 구현하기 위해 대구경,원거리 렌즈를 이용하는 것과 비교하여 크기를 줄일 수 있어 분광 장비의 소형화가 가능한 효과가 있다.
The spectrometer optical system and the spectrometer using the same according to an embodiment of the present invention can be reduced in size compared to using a large-diameter, long-distance lens to achieve the same performance by implementing a high spectral efficiency using a small-diameter, near-focus lens The miniaturization of spectroscopic equipment is possible.
도 1은 종래의 분광계 구성을 보인 개념도.
도 2는 종래의 파장 가변 분광계 구성을 보인 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 집광렌즈부에 구성된 분광계용 광학계의 구성도.
도 5 내지 7은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 파장 대역별 집광 위치의 예시도.
도 8 내지 10은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 MTF 수치를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 전체 파장 대역의 MTF 수치를 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계가 적용된 분광계의 구성도.1 is a conceptual diagram showing a conventional spectrometer configuration.
2 is a conceptual diagram showing a conventional tunable spectrometer configuration.
3 is a block diagram of an optical system for a spectrometer according to the present invention.
4 is a configuration diagram of an optical system for a spectrometer configured in a condenser lens unit according to the present invention.
5 to 7 are exemplary views of condensing positions for each wavelength band of an optical system for a spectrometer according to the present invention.
8 to 10 is a graph showing the MTF value of the spectrometer optical system according to the present invention.
11 is a graph showing the MTF value of the entire wavelength band of the spectrometer optical system according to the present invention.
12 is a block diagram of a spectrometer to which an optical system for a spectrometer according to an embodiment of the present invention is applied.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시 예들을 통해 상세히 설명하도록 한다. The present invention as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings and embodiments.
도 3은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 구성도로서, 상기 분광계용 광학계는 도시된 바와 같이 제 1렌즈부(110), 제 2렌즈부(120), 제 3렌즈부(130), 제 4렌즈부(140) 및 제 5렌즈부(150), 즉 8매의 렌즈로 이루어진 5개의 그룹(5군 8매)으로 구성된다.3 is a configuration diagram of an optical system for a spectrometer according to the present invention, wherein the optical system for the spectrometer is a
상기 분광계용 광학계는 분광계에 구성되며, 입사광을 평행광으로 조정하는 시준렌즈부와 평행광을 수렴부로 집광하는 집광렌즈부에 모두 적용할 수 있는 것으로 입사광과 출력광 중 하나는 평행광이라는 특징이 있다.The optical system for the spectrometer is configured in the spectrometer, and can be applied to both the collimating lens unit for adjusting the incident light to parallel light and the condensing lens unit for condensing parallel light to the converging unit. One of the incident light and the output light is parallel light. have.
또한, 상기 분광계용 광학계는 구면렌즈를 이용하여 조합하였으며, 도시한 바와 같은 렌즈 조합을 통해 측정 가능 대역 중 원하는 측정 파장에 대한 해상도 극대화를 달성한다. 즉, 카메라와 같이 일반적인 용도로 쓰이는 광학계의 경우 전체적인 파장 대역에 대해 균일한 수차 보정 및 일정한 해상도를 요구하나, 본 발명에 따른 광학계는 분광계에 적용되는 광학계로서, 분광계는 그 목적상 측정 파장 대역에 대해 더욱 높은 해상도를 요구하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 광학계는 해당 목적에 따른 최적의 렌즈 조합을 이용하여, 투과율을 양호하게 유지하고서 광대역의 측정이 가능하면서도 특정 파장 대역들에 대한 해상도의 극대화가 가능하도록 구성한다. 이를 위해 색수차 보정 대신 파장별 해상력 향상을 위한 설계를 함으로써 회절판을 통해 파장별 입사각이 고정되고 측정 대역 외의 파장 대역에 대한 관심도가 낮은 검사를 위주로 하는 분광계에 적합한 전용 광학계를 제공한다.In addition, the spectrometer optical system is combined using a spherical lens, and through the lens combination as shown to maximize the resolution of the desired measurement wavelength of the measurable band. That is, in the case of an optical system used for general purposes such as a camera requires uniform aberration correction and a constant resolution for the entire wavelength band, the optical system according to the present invention is an optical system applied to the spectrometer, the spectrometer is measured in the measurement wavelength band for that purpose For higher resolution. Therefore, the optical system according to the present invention is configured to enable the measurement of a wide band while maintaining a good transmittance while optimizing a resolution for specific wavelength bands by using an optimal lens combination according to the object. To this end, instead of chromatic aberration correction, a design for improving resolution by wavelength provides a dedicated optical system suitable for spectrometers, which focuses on inspections with fixed angles of incidence through wavelengths and low interest in wavelength bands outside the measurement band.
상기 분광계용 광학계를 적용한 분광계는 자외선의 일부 대역과 가시광선 전체 대역을 포함한 광대역의 파장을 동시에 측정 가능하며, 이러한 종류의 분광계를 일반적으로 UV-VIS(Ultra Violet - Visible) 분광계라 부른다. 일반적인 UV-VIS 분광계는 렌즈를 사용하지 않는 방식이어서 전체적인 해상도가 낮지만, 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 투과성이 좋은 구면 렌즈만으로 조합하여 구성하므로, 이를 적용하여 분광계를 구성하면 일반적인 방식의 UV-VIS 분광계에 비해 높은 해상도를 제공하는 장점이 있다.
The spectrometer to which the optical system for spectrometer is applied can simultaneously measure a wavelength of a wide band including a part of ultraviolet rays and an entire band of visible light, and this type of spectrometer is generally called a UV-VIS (Ultra Violet-Visible) spectrometer. The general UV-VIS spectrometer is a method that does not use a lens, so the overall resolution is low, but the optical system for spectrometer according to the present invention is configured by combining only a spherical lens with good transmittance, so if the spectrometer is configured by applying a general UV- It has the advantage of providing higher resolution compared to VIS spectrometers.
도 4는 본 발명에 따른 집광렌즈부에 구성된 분광계용 광학계의 구성도로서, 상기 집광렌즈부를 기준으로 상기 분광계용 광학계의 배치를 상세히 살펴보면, 상기 분광계용 광학계는 평행 입출력에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 볼록하게 구성된 제 1렌즈부(110), 상기 제 1렌즈부(110) 이후에 배치되며, 상기 제 1렌즈부(110)에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하도록 3매의 밀착된 렌즈로 구성되면서 상기 제 1렌즈부(110)보다 작은 직경의 제 2렌즈부(120), 상기 제 2렌즈부(120) 이후에 배치되며, 상기 제 2렌즈부(120)에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하게 구성되면서 상기 제 1렌즈부(110)보다 큰 곡률반경을 가지는 제 3렌즈부(130), 상기 제 3렌즈부(130) 이후에 밀착 배치되며, 상기 제 3렌즈부(130)에 대향하는 일면이 오목하고, 타면이 볼록하게 구성되도록 2매의 밀착된 렌즈로 구성된 제 4렌즈부(140) 및 상기 제 4렌즈부(140) 이후에 이격 배치되며, 광을 집광하는 제 5렌즈부(150)를 포함한다.4 is a configuration diagram of the spectrometer optical system configured in the condenser lens unit according to the present invention. Looking at the arrangement of the spectrometer optical system based on the condenser lens unit in detail, the spectrometer optical system is convex on one surface facing parallel input / output. The
이때, 상기 제 1 렌즈부(110) 내지 제 5렌즈부(150)를 구성하는 모든 렌즈는 구면 렌즈로 구성하여, 제조 단가를 절감하며 투과율을 높일 수 있다. In this case, all the lenses constituting the
물론, 이와 같은 구성은 기존의 단일 렌즈나 렌즈를 이용하지 않는 방식에 비해 투과율은 다소 떨어지지만, 최대한 투과율을 양호하게 유지하도록 하면서 기존의 렌즈에서는 측정할 수 없는 높은 해상도로 광대역(380~780nm)의 파장을 측정할 수 있도록 한다.Of course, such a configuration has a slightly lower transmittance than a conventional single lens or a non-lens type method, but the broadband (380-780 nm) at a high resolution that cannot be measured with a conventional lens while maintaining a good transmittance as much as possible. Allow to measure the wavelength of
또한, 분광계용 광학계라는 특성에 맞도록 색수차의 개선보다 측정 대역에서의 해상도를 최대화하도록 구성하여 높은 분광 효율을 보장하도록 한다.In addition, it is configured to maximize the resolution in the measurement band rather than the improvement of chromatic aberration to meet the characteristics of the spectrometer optical system to ensure high spectral efficiency.
상기 분광계용 광학계를 구성하는 구면 렌즈는 소구경, 근거리 초점 렌즈로서, 대구경, 원거리 렌즈의 사용으로 인한 분광 장비의 거대화를 피할 수 있으며, 또한, 기존의 소구경, 근거리 초점 렌즈(예를 들어, 950 렌즈)보다 F수(number)가 적어 기존에 비해 더욱 높은 분광 효율을 보장한다.The spherical lens constituting the spectrometer optical system is a small-diameter, near-focus lens, it is possible to avoid the enlargement of the spectroscopic equipment due to the use of a large-diameter, long-range lens, and also, the existing small-diameter, near-focus lens (for example, The number of F is smaller than that of the 950 lens, which ensures higher spectral efficiency.
더불어, 본 발명에 따른 분광계용 광학계를 적용한 분광계는 렌즈를 이용하지 않는 기존의 반사형 UV-VIS 분광계와는 내부 구조가 완전히 상이하다. 즉, 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 투과형 회절격자를 이용하며, 그에 따른 파장별 입사각을 고려한 5군 8매의 광학계를 적용하여 복수의 대역들에 대해 높은 해상도를 제공하면서도 전체 측정 대역은 UV-VIS를 유지할 수 있도록 한다.In addition, the spectrometer to which the optical system for spectrometer according to the present invention is applied, the internal structure is completely different from the conventional reflective UV-VIS spectrometer that does not use a lens. That is, the optical system for spectrometer according to the present invention uses a transmission diffraction grating, and by applying an optical system of eight groups in five groups considering the incident angle for each wavelength according to the wavelength of the spectrometer, the entire measurement band is UV- while providing high resolution for a plurality of bands. Keep your VIS.
이처럼, 분광계용 광학계라는 목적에 맞도록 기존과 상이한 구조로 구성한 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 세부 구조를 아래에서 더욱 자세히 설명하기로 한다.As such, the detailed structure of the spectrometer optical system according to the present invention having a structure different from the conventional one for the purpose of the spectrometer optical system will be described in more detail below.
도시된 바와 같이, 상기 제 2렌즈부(120) 및 제 3렌즈부(130)는 이격 배치되며, 상기 제 2렌즈부(120)는 상기 제 1렌즈부(110)에 대향하는 일면이 볼록하며, 타면이 볼록한 제 2렌즈(121), 일면이 상기 제 2렌즈(121)의 타면에 밀착되고, 타면이 오목한 제 3렌즈(122) 및 일면이 상기 제 3렌즈(122)의 타면에 밀착되며, 타면이 오목한 제 4렌즈(123)의 결합으로 구성한다.As shown in the drawing, the
이와 같은 구성을 통해, 일반적인 목적의 렌즈는 사용 가능한 파장 대역에 대한 균일한 수차 보정 설계가 필요하여 전체적인 해상도 제한이 발생하지만, 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 현재 측정하고자 하는 파장대역 외의 파장 대역에 대한 MTF 특성을 일부 포기(색수차 보정 대신 파장별 입사각에 따른 해상도 최적화 방향으로 설계)하는 대신 측정 파장 대역에 대한 해상도를 특화할 수 있다.Through such a configuration, the general purpose lens requires a uniform aberration correction design for the usable wavelength band, so that the overall resolution is limited. However, the optical system for spectrometer according to the present invention has a wavelength band outside the wavelength band to be measured. Instead of giving up some of the MTF characteristics (designed in the direction of resolution optimization according to incident angle of wavelength instead of chromatic aberration correction), the resolution for the measurement wavelength band can be specialized.
이때, 상기 제 2렌즈부(120)는 굴절률이 다른 종류의 렌즈를 결합하여 구성하며, 상기 제 4렌즈(123)는 상기 제 2렌즈(121)에 비해 상기 제 1렌즈부(110)에 대향하는 일면을 더 볼록하도록 구성할 수 있다.In this case, the
또한, 제 3렌즈부(130)는 상기 제 1렌즈부(110)에 대향하는 일면(45)이 타면(43)에 비해 덜 볼록하도록 구성할 수 있다.In addition, the
상기 제 4렌즈부(140)는 양면이 오목한 오목렌즈로 구성된 제 6렌즈(141) 및 상기 제 6렌즈(141) 이후에 밀착 배치되어, 상기 제 6렌즈(141)의 오목면에 일치되는 볼록면을 가진 볼록렌즈로 구성된 제 7렌즈(142)의 결합으로 구성한다.The
이러한 구성은 MTF(Modulation Transfer Function)의 경우, 색수차에 대한 효율을 일부 포기하는 반면, 백색광에 대해 25lp/mm(line pair per mm)일 때의 분광 효율을 최대화할 수 있는 구성이다.This configuration, in the case of MTF (Modulation Transfer Function), gives up some efficiency of chromatic aberration, while maximizing spectral efficiency at 25 lp / mm (line pair per mm) for white light.
이때, 상기 제 4렌즈부(140)는 상기 제 3렌즈부(130)와 대향하는 끝단만 밀착 결합하도록 배치하며, 렌즈 중심을 기준으로 상기 제 4렌즈부(140)와 상기 제3렌즈부(130)의 대향하는 면 사이에 볼록렌즈 형상의 공간(42)이 발생하도록 구성한다. 이때, 상기 공간(42)을 구성하는 상기 제 3렌즈부와 상기 제 4렌즈부의 대향면은 모두 오목하며, 상기 제 3렌즈부(130)의 대향면(43)이 상기 제 4렌즈부(140)의 대향면(44)에 비해 더 오목하도록 구성할 수 있다.At this time, the
상기 공간(42)은 상기 분광계용 광학계로 입사되는 광로(41)가 상기 공간(42)의 양 끝단을 넘지 않도록 구성한다. 즉, 제 3렌즈부(130)의 끝단으로 입사되는 광은 상기 공간(42)의 끝단을 넘지 않도록 구성한다.The
이러한 구성은 파장 별 회절율을 다르게 하므로, 상기 구면 렌즈로만 구성된 조합으로 비구면 렌즈의 효과 낼 수 있어, 특정 파장 대역에서의 해상도를 극대화할 수 있다. 따라서, 투과율을 양호하게 유지하면서도 해상도를 극대화할 수 있으며 제조 단가를 절감할 수 있다.Since such a configuration varies the diffraction rate for each wavelength, the combination of only the spherical lens can produce the effect of the aspherical lens, thereby maximizing the resolution in a specific wavelength band. Therefore, the resolution can be maximized while maintaining good transmittance and the manufacturing cost can be reduced.
상기 제 6렌즈(141)와 밀착된 상기 제 7렌즈(142)의 볼록면(46)은 상기 제 3렌즈부(130)의 볼록면(45)보다 더 작은 곡률반경으로 구성할 수 있다.The
또한, 입사되는 광로(40)에 따라 상기 제 1, 2렌즈부(110,120)에 비해 상기 제 3,4렌즈부(130,140)의 직경을 더 작게 구성할 수도 있다.In addition, the diameters of the third and
더불어, 상기 분광계용 광학계는 입사광을 평행광으로 변환하는 시준 광학계와 평행광을 집광하는 집광 광학계로 겸용 사용할 수 있다.In addition, the spectrometer optical system may be used as a collimation optical system for converting incident light into parallel light and a condensing optical system for condensing parallel light.
이처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계는 가시광선 대역부터 자외선 대역의 파장을 측정하기 위해 소정의 렌즈 곡면과 렌즈 간 이격 거리를 갖는 최적의 렌즈 조합을 분광계에 적용하여, 기존 렌즈에서 측정할 수 없는 광대역의 파장을 고해상도로 측정하면서 해당 광대역에 속하는 파장 중 측정 파장 대역에 대해 투과율을 양호하게 유지하면서도 탁월한 분광 효율을 발휘할 수 있다.
As such, the spectrometer optical system and the spectrometer using the same according to the embodiment of the present invention apply an optimal lens combination having a predetermined distance between the lens curved surface and the lens to the spectrometer in order to measure the wavelength of the visible light band from the ultraviolet band, While measuring the wavelength of a broadband that cannot be measured with a conventional lens in high resolution, it is possible to exhibit excellent spectral efficiency while maintaining a good transmittance for the measured wavelength band among the wavelength belonging to the broadband.
도 5 내지 7은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 파장 대역별 집광 위치의 예시도로서, 상기 도 5는 720nm의 파장을 갖는 광의 경로 및 집광 위치를 도시한 것이며, 상기 도 6 및 도 7은 각각 600nm 및 400nm일 때의 광의 경로 및 집광 위치를 도시한 것이다.5 to 7 are exemplary views of condensing positions for each wavelength band of an optical system for a spectrometer according to the present invention, and FIG. 5 shows paths and condensing positions of light having a wavelength of 720 nm, and FIGS. 6 and 7 respectively. The path and condensing position of the light at 600 nm and 400 nm are shown.
분광계에서 파장 가변 구조물을 통과한 광은 파장에 따라 소정의 각도를 가지고 들어오며, 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 380nm에서 780nm까지의 광대역의 파장 중 어떠한 파장에서 소정 각도로 들어오더라도 특정한 해상도를 가지고 특정한 위치에 집광 되도록 배치한 구조이다.The light passing through the tunable structure in the spectrometer has a predetermined angle according to the wavelength, and the spectrometer optical system according to the present invention has a specific resolution no matter which wavelength comes in at any of wavelengths from 380 nm to 780 nm. It is arranged to be condensed at a specific location.
더하여, 상기 분광계용 광학계는 이러한 광대역의 파장 대역 중 예시한 720nm, 600nm 및 400nm에서 해상도가 극대화 되도록 구성하여, 해당 파장 대역에서 높은 해상도를 요구하는 각종 분광계에 활용할 수 있다.
In addition, the optical system for the spectrometer is configured to maximize the resolution in the 720nm, 600nm and 400nm exemplified of such a wide band of wavelength band, it can be utilized in various spectrometers that require high resolution in the wavelength band.
도 8 내지 10은 본 발명에 따른 분광계용 광학계의 MTF 수치를 나타낸 그래프로서, 상기 예시한 720nm, 600nm 및 400nm의 파장 대역에서 Spartial Frequency에 따른 MTF 그래프를 차례로 도시한 것이다.8 to 10 are graphs showing the MTF values of the spectrometer optical system according to the present invention, and show the MTF graphs according to the Spartial Frequency in the wavelength bands of 720 nm, 600 nm, and 400 nm.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 방사 방향의 MTF에서 25lp/mm를 기준으로 각각 720nm일 때 90.2% (81), 600nm일 때 90.5% (91), 400nm일 때 81.8% (101)의 높은 해상도를 보여 해당 대역에서 높은 해상도를 요구하는 특정한 용도로 사용할 수 있음을 보여준다.
As shown, the optical system for spectrometer according to the present invention is 90.2% (81) at 720nm, 90.5% (91) at 600nm, 81.8% (101) at 720nm based on 25lp / mm in the MTF in the radial direction, respectively. ), Which indicates that the device can be used for specific purposes that require high resolution in the band.
도 11은 본 발명에 따른 분광계용 광학계를 통해 측정한 장파 대역(적색) 광원에 대한 MTF 수치를 나타낸 그래프로서, 380nm에서 780nm의 전체 파장 대역에서 25lp/mm를 기준으로 해상도의 MTF 수치를 도시한 것이다.11 is a graph showing the MTF value for the long-wave band (red) light source measured by the spectrometer optical system according to the present invention, showing the MTF value of the resolution based on 25lp / mm in the entire wavelength band of 380nm to 780nm will be.
일반적인 기존의 카메라 렌즈 등을 이용하면 전체 파장 대역에서 측정 광원의 파장에 무관하게 균일한 해상도를 얻을 수 있으나 특정한 파장 대역의 광원을 측정하고자 할 경우 최적의 해상도를 얻기가 어렵다. 즉, 기존의 광학계는 넓은 대역에 대해서 가능한 균일한 특성을 가지도록 광학계를 구성하고 있다. 그 중에서 색수차 역시 발생하지 않도록 색지움 렌즈 등을 구성하여 색상이 번지는 특성을 억제하고 있다.When using a conventional camera lens or the like, a uniform resolution can be obtained regardless of the wavelength of the measurement light source in the entire wavelength band, but it is difficult to obtain an optimal resolution when a light source having a specific wavelength band is to be measured. In other words, the existing optical system is configured to have as uniform characteristics as possible over a wide band. Among them, color shading lenses are constructed so that chromatic aberration does not occur.
하지만 본 발명의 실시예에 따른 분광계용 광학계의 경우 주 측정 대상은 목표 파장 대역을 가지는 광원에 대한 정밀한 파장 측정이기 때문에 투과형 격자에 의해서 정해진 파장별 각도로 회절한 광선들이 분광계용 광학계를 투과하는 정확한 광경로를 기준으로 소정 파장대의 광원별 MTF 특성이 측정 파장 대역에서 최상이 되도록 설계한 것이다. However, in the optical system for spectrometer according to the embodiment of the present invention, since the main measurement target is precise wavelength measurement for a light source having a target wavelength band, the light beams diffracted at an angle for each wavelength determined by the transmission grating transmit the spectrometer optical system accurately. Based on the optical path, the MTF characteristic of each light source in the predetermined wavelength band is designed to be the best in the measurement wavelength band.
도시한 그래프는 장파 대역 광원(예를 들어 적색 광원)이 제공되는 경우의 MTF 특성을 나타낸 것으로, 장파 광원(해당 파장의 고정된 입사각 및 그에 따른 광로)을 기준으로 측정할 경우 단파 대역은 실제 관심이 없는 영역이 되므로 해당 대역의 경우 도시한 바와 같이 MTF 특성이 낮아지더라도 원하는 영역인 중파~장파 대역의 MTF 특성이 최상이 되도록 광학계를 설계한 결과이다. The graph shows the MTF characteristics when a long wave band light source (for example, a red light source) is provided, and when measured based on the long wave light source (fixed angle of incidence and corresponding optical path), the short wave band is of real interest. This is a result of designing the optical system so that the MTF characteristics of the medium-to-longwave bands, which are desired regions, are the best even if the MTF characteristic is lowered as shown in the case of the corresponding band.
도시되지는 않았지만 중파 대역 광원을 기준으로 측정하는 경우 장파나 단파 대역 부분의 MTF 특성이 낮아지더라도 해당 중파 대역의 MTF 특성이 최대가 되도록 하고, 단파 대역 광원을 기준으로 측정하는 경우 장파 대역 MTF 특성이 나빠지더라도 해당 장파 대역의 MTF 특성이 최대가 되도록 설계한다. 이는 본 발명 실시예의 광학계가 단독으로 이용되는 것이 아니라 투과형 격자를 포함하는 분광계 구조에 적용된다는 특성을 감안한 것으로, 파장별로 렌즈에 입사하는 각도 및 그에 따른 광학계 내부의 광 경로가 고정되기 때문에 이러한 설계가 가능하며, 그에 따른 특징을 최대한으로 활용할 수 있게 된다.Although not shown, the MTF characteristic of the medium wave band is maximized even when the MTF characteristic of the long wave or short wave band is reduced when measured based on the medium wave band light source, and the long wave band MTF characteristic when measured based on the short wave band light source. Even if this worsens, the MTF characteristic of the corresponding long wave band is designed to be maximum. This is in consideration of the characteristic that the optical system of the embodiment of the present invention is not used alone but is applied to a spectrometer structure including a transmissive grating. It is possible to take full advantage of its features.
상기 방식으로 설계된 본 발명 실시예의 광학계는 파장을 측정하는 분광계가 아닌 복합적인 파장이 동시에 입사되는 일반 이미지 획득용 렌즈로 이용할 경우에는 색수차에 의해 이미지, 특히 경계 부분이 크게 번지는 현상이 발생할 수 있어 해당 용도로는 활용이 어렵다. 결국, 본 발명 실시예의 광학계는 여러 파장이 동시에 입사하는 경우 해당 파장들에 대한 굴절율 차이를 보상하는 설계 대신 파장별 광로나 입사각을 기준으로 해당 파장에 대해 최대 해상도를 제공하도록 설계함으로써 색수차 보정을 포기하고 파장별 해상도를 크게 높이도록 한 것이다. In the optical system of the embodiment of the present invention designed in this manner, when the lens is used as a general image acquisition lens in which complex wavelengths are incident at the same time, a phenomenon in which an image, especially a boundary part, may be greatly spread may occur due to chromatic aberration. It is difficult to use for that purpose. As a result, the optical system of the embodiment of the present invention gives up the chromatic aberration correction by designing to provide the maximum resolution for the wavelength based on the optical path or the incident angle for each wavelength instead of the design for compensating the refractive index difference for the corresponding wavelength when multiple wavelengths are incident simultaneously. And the resolution for each wavelength is greatly increased.
이러한 특성을 보이는 본 발명 실시예에 따른 광학계는 예를 들어, LED 또는 UV-LED 검사 등과 같이 측정 대역에 대한 높은 해상도를 요구하는 분광계에 적용되어 최고의 효과를 제공할 수 있다.The optical system according to the embodiment of the present invention exhibiting such characteristics can be applied to a spectrometer requiring a high resolution for a measurement band, such as, for example, LED or UV-LED inspection, to provide the best effect.
덧붙여, 상기 본 발명에 따른 분광계용 광학계는 렌즈를 많이 이용하는 경우 발생하는 투과율 저하를 최대한 방지하도록 최적의 소재 및 구경을 이용하여 기본적으로 90%에 가까운 투과율을 보인다. 또한, 일반적인 렌즈를 이용할 경우와 비교하여 약간의 투과율 하락을 감안하더라도, 상기와 같은 최적의 구성을 통한 해당 대역에서의 높은 해상도 특성으로 인하여 이러한 대역에서의 분광 검사가 필요한 다양한 업계의 요구를 만족할 수 있다.
In addition, the spectrometer optical system according to the present invention basically shows a transmittance close to 90% using an optimal material and aperture so as to prevent a decrease in transmittance caused when a large number of lenses are used. In addition, even when considering a slight decrease in transmittance compared with the case of using a general lens, the high resolution characteristics in the corresponding band through the optimal configuration as described above can meet the needs of various industries that require spectroscopic inspection in this band. have.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 분광계용 광학계가 적용된 분광계의 구성도로서, 상기 분광계는 관찰할 외부 입사광을 평행하게 변환하는 시준 렌즈부(320), 해당 시준 렌즈(320)를 통해 평행해진 광을 파장에 따른 고유 각도로 회절시켜 고정된 광경로를 유지하는 투과형 회절판(330), 상기 투과형 회절판(330)을 통해 제공되는 평행광을 집광하는 집광 렌즈부(340) 및 상기 집광 렌즈부(340)를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 카메라(350)를 포함한다.12 is a block diagram of a spectrometer to which an optical system for spectrometer according to an embodiment of the present invention is applied, wherein the spectrometer is paralleled through a
상기 시준렌즈부(320) 및 상기 집광렌즈부(340)는 상기 본 발명에 따른 분광계용 광학계를 이용하며, 상기 시준렌즈부(320)는 상기 집광렌즈부(340)의 제 1 내지 제 5렌즈부를 입사경로가 반대가 되도록 뒤집어 배치한다.The
즉, 도시된 바와 같이 입사 슬릿(310)을 통과한 입사광은 시준렌즈부(320)를 통과하여 평행광으로 변환되는데, 상기 제 5렌즈부가 입사광에 대향되도록 상기 도 4의 분광계용 광학계를 뒤집어 구성함으로써 상기 시준렌즈부(320)를 구성할 수 있다.That is, as shown, the incident light passing through the incident slit 310 is converted into parallel light through the
이후, 상기 평행광은 투과형 회절판(330)을 통해 집광렌즈부(340)로 파장 정렬되어 유도되며, 상기 집광렌즈부(340)는 상기 도 4의 분광계용 광학계의 렌즈부 배열을 그대로 적용하여, 상기 제 1렌즈부가 평행광에 대향되게 배치함으로써 구성될 수 있다.Subsequently, the parallel light is guided by wavelength alignment through the
따라서, 상기 분광계용 광학계가 적용된 집광렌즈부(340)는 상술한 바와 같이 카메라의 CCD(350)에 평행광을 집광함으로써 파장별로 분해된 스펙트럼을 획득할 수 있다.Accordingly, the
상기 분광계는 상기 본 발명에 따른 분광계용 광학계를 적용하여 LED검사와 같은 특수한 목적에 활용할 수 있고, 상기 분광계용 광학계는 소구경,근거리 초점 렌즈를 사용하여 분광 장비의 거대화를 피할 수 있어 간편하게 사용 가능하면서도, 높은 분광 정밀도를 제공할 수 있다.
The spectrometer can be used for a special purpose, such as LED inspection by applying the spectrometer optical system according to the present invention, the spectrometer optical system can be easily used because it can avoid the enlargement of the spectroscopic equipment by using a small diameter, near focus lens At the same time, it can provide high spectral precision.
이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.
The foregoing embodiments and advantages are merely exemplary and are not to be construed as limiting the present invention. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. .
110: 제 1렌즈부 120: 제 2렌즈부
130: 제 3렌즈부 140: 제 4렌즈부
150: 제 5렌즈부 170, 350: 카메라의 CCD
121: 제 2렌즈 122: 제 3렌즈
123: 제 4렌즈 141: 제 5렌즈
142: 제 6렌즈 310: 입사슬릿
320: 시준렌즈부 330: 투과형 회절판
340: 집광렌즈부110: first lens unit 120: second lens unit
130: third lens unit 140: fourth lens unit
150: fifth lens unit 170, 350: camera CCD
121: second lens 122: third lens
123: fourth lens 141: fifth lens
142: sixth lens 310: incident slit
320: collimating lens unit 330: transmission diffraction plate
340: condensing lens unit
Claims (12)
평행 입출력에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 볼록하게 구성된 제 1렌즈부;
상기 제 1렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하도록 3매의 밀착된 렌즈로 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 작은 직경의 제 2렌즈부;
상기 제 2렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 2렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하게 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 큰 곡률반경을 가지는 제 3렌즈부;
상기 제 3렌즈부 이후에 밀착 배치되며, 상기 제 3렌즈부에 대향하는 일면이 오목하고, 타면이 볼록하게 구성되도록 2매의 밀착된 렌즈로 구성된 제 4렌즈부; 및
상기 제 4렌즈부 이후에 이격 배치되며, 광을 집광하는 제 5렌즈부를 포함하되,
상기 제 1 내지 제 5렌즈부를 구성하는 모든 렌즈는 구면렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
An optical system for spectrometers, which is applied to at least one optical path of a spectrometer consisting of a diffraction plate and a plurality of optical systems and uses a band including a partial band of ultraviolet rays and a visible light band as a measurement band,
A first lens unit having one surface convex facing the parallel input / output and the other surface convex;
A second lens part disposed after the first lens part, the second lens part having a smaller diameter than the first lens part while being composed of three close contact lenses such that one surface facing the first lens part is convex and the other surface is concave;
A third lens part disposed after the second lens part, the one surface facing the second lens part being convex and the other surface being concave and having a radius of curvature greater than that of the first lens part;
A fourth lens unit disposed closely after the third lens unit, the fourth lens unit including two contact lenses such that one surface of the third lens unit is concave and the other surface is convex; And
A fifth lens part spaced apart from the fourth lens part and condensing light;
All lenses constituting the first to fifth lens units are composed of spherical lenses.
상기 제 2렌즈부 및 제 3렌즈부는 이격 배치된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
The method according to claim 1,
The optical system for spectrometer, characterized in that the second lens unit and the third lens unit are spaced apart.
상기 제 2렌즈부는
상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하며, 타면이 볼록한 제 2렌즈; 일면이 상기 제 2렌즈의 타면에 밀착되고, 타면이 오목한 제 3렌즈 및 일면이 상기 제 3렌즈의 타면에 밀착되며, 타면이 오목한 제 4렌즈
의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
The method according to claim 1,
The second lens unit
A second lens in which one surface facing the first lens unit is convex and the other surface is convex; A third lens in which one surface is in close contact with the other surface of the second lens, and a third lens in which the other surface is concave and one surface is in close contact with the other surface of the third lens, and the fourth lens in which the other surface is concave.
Optical system for a spectrometer, characterized in that consisting of a combination of.
상기 제 4렌즈부는
양면이 오목한 오목렌즈로 구성된 제 6렌즈; 및
상기 제 6렌즈 이후에 밀착 배치되어, 상기 제 6렌즈의 오목면에 일치되는 볼록면을 가진 볼록렌즈로 구성된 제 7렌즈
의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
The method according to claim 1,
The fourth lens unit
A sixth lens composed of a concave lens having both surfaces concave; And
A seventh lens arranged closely after the sixth lens, the seventh lens having a convex lens having a convex surface that matches the concave surface of the sixth lens;
Optical system for a spectrometer, characterized in that consisting of a combination of.
상기 제 6렌즈와 밀착된 상기 제 7렌즈의 볼록면은 상기 제 3렌즈부의 볼록면보다 더 작은 곡률반경으로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
The method according to claim 1,
The convex surface of the seventh lens in close contact with the sixth lens has a curvature radius smaller than that of the convex surface of the third lens unit.
상기 제 4렌즈부는 상기 제 3렌즈부와 대향하는 끝단만 밀착 결합하도록 배치하며, 렌즈 중심을 기준으로 상기 제 4렌즈부와 상기 제3렌즈부의 대향하는 면 사이에 볼록렌즈 형상의 공간이 발생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
The method according to claim 1,
The fourth lens unit is disposed to be in close contact with only the end facing the third lens unit, and a convex lens-shaped space is generated between the fourth lens unit and the opposing surface of the third lens unit with respect to the lens center. Optical system for a spectrometer, characterized in that configured.
상기 공간을 구성하는 상기 제 3렌즈부와 상기 제 4렌즈부의 대향면은 모두 오목하며, 상기 제 3렌즈부의 대향면이 상기 제 4렌즈부의 대향면에 비해 더 오목하도록 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
The method of claim 6,
Both opposing surfaces of the third lens portion and the fourth lens portion constituting the space are concave, and the opposing surface of the third lens portion is more concave than the opposing surface of the fourth lens portion. Optical system.
상기 분광계용 광학계는 입사광을 평행광으로 변환하는 시준 광학계와 평행광을 집광하는 집광 광학계로 겸용 사용되는 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계.
The method according to claim 1,
The spectrometer optical system is used as a collimation optical system for converting incident light into parallel light and a condensing optical system for condensing parallel light.
해당 시준 렌즈를 통해 평행해진 광을 파장에 따른 고유 각도로 회절시켜 고정된 광경로를 유지하는 투과형 회절판을 포함한 파장 가변 구조물;
상기 파장가변 구조물을 통해 제공되는 평행광을 집광하는 집광 렌즈부; 및
상기 집광 렌즈부를 통해 집광된 광의 스펙트럼을 관찰하기 위한 카메라
를 포함하며,
상기 집광렌즈부는
평행 입출력에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 볼록하게 구성된 제 1렌즈부;
상기 제 1렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하도록 3매의 밀착된 렌즈로 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 작은 직경의 제 2렌즈부;
상기 제 2렌즈부 이후에 배치되며, 상기 제 2렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하고, 타면이 오목하게 구성되면서 상기 제 1렌즈부보다 큰 곡률반경을 가지는 제 3렌즈부;
상기 제 3렌즈부 이후에 밀착 배치되며, 상기 제 3렌즈부에 대향하는 일면이 오목하고, 타면이 볼록하게 구성되도록 2매의 밀착된 렌즈로 구성된 제 4렌즈부; 및
상기 제 4렌즈부 이후에 이격 배치되며, 광을 집광하는 제 5렌즈부로 구성되되,
상기 제 1 내지 제 5렌즈부를 구성하는 모든 렌즈는 구면렌즈로 구성된 것을 특징으로 하며,
상기 시준렌즈부는
상기 집광렌즈부의 제 1 내지 제 5렌즈부를 입사경로가 반대가 되도록 뒤집어 배치된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계를 적용한 분광계.
A collimating lens unit converting the external incident light to be observed in parallel;
A wavelength tunable structure including a transmissive diffraction plate which diffracts light paralleled through the collimating lens at an intrinsic angle according to the wavelength to maintain a fixed optical path;
A condenser lens unit condensing parallel light provided through the wavelength variable structure; And
Camera for observing the spectrum of the light collected through the condensing lens unit
Including;
The condenser lens unit
A first lens unit having one surface convex facing the parallel input / output and the other surface convex;
A second lens part disposed after the first lens part, the second lens part having a smaller diameter than the first lens part while being composed of three close contact lenses such that one surface facing the first lens part is convex and the other surface is concave;
A third lens part disposed after the second lens part, the one surface facing the second lens part being convex and the other surface being concave and having a radius of curvature greater than that of the first lens part;
A fourth lens unit disposed closely after the third lens unit, the fourth lens unit including two contact lenses such that one surface of the third lens unit is concave and the other surface is convex; And
It is disposed after the fourth lens unit, and consists of a fifth lens unit for condensing light,
All the lenses constituting the first to the fifth lens unit is characterized in that composed of a spherical lens,
The collimating lens unit
The spectrometer to which the spectrometer optical system is applied, wherein the first to fifth lens parts are disposed to be inverted so that the incident paths are reversed.
상기 제 2렌즈부 및 제 3렌즈부는 이격 배치된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계를 적용한 분광계.
The method according to claim 9,
The spectrometer to which the optical system for a spectrometer is disposed, wherein the second lens unit and the third lens unit are spaced apart from each other.
상기 제 2렌즈부는
상기 제 1렌즈부에 대향하는 일면이 볼록하며, 타면이 볼록한 제 2렌즈; 일면이 상기 제 2렌즈의 타면에 밀착되고, 타면이 오목한 제 3렌즈 및 일면이 상기 제 3렌즈의 타면에 밀착되며, 타면이 오목한 제 4렌즈
의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계를 적용한 분광계.
The method according to claim 9,
The second lens unit
A second lens in which one surface facing the first lens unit is convex and the other surface is convex; A third lens in which one surface is in close contact with the other surface of the second lens, and a third lens in which the other surface is concave and one surface is in close contact with the other surface of the third lens, and the fourth lens in which the other surface is concave.
Spectrometer applying the spectrometer optical system, characterized in that consisting of a combination of.
상기 제 4렌즈부는
양면이 오목한 오목렌즈로 구성된 제 6렌즈; 및
상기 제 6렌즈 이후에 밀착 배치되어, 상기 제 6렌즈의 오목면에 일치되는 볼록면을 가진 볼록렌즈로 구성된 제 7렌즈
의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하는 분광계용 광학계를 적용한 분광계.The method according to claim 9,
The fourth lens unit
A sixth lens composed of a concave lens having both surfaces concave; And
A seventh lens arranged closely after the sixth lens, the seventh lens having a convex lens having a convex surface that matches the concave surface of the sixth lens;
Spectrometer applying the spectrometer optical system, characterized in that consisting of a combination of.
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