KR101529148B1 - 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 투-빔 간섭계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상당히 감소된 물리적 스트로크 내에서 거의 마찰이 없는 스캐닝과 보다 스무스한 스캐닝과 마찬가지로 보다 컴팩트하고 플랫한 구조로 인해 내부 매체 터뷸런스 및 환경적 진동들에 대한 개선된 면역성을 갖는 투-빔 간섭계를 제공한다. 게다가, 간섭계의 레퍼런스 및 측정 채널들의 통합된 디자인은 광대역 중적외선 스펙트럼 범위 내에서 보다 효율적인 모션 제어를 허용한다. 간섭계는 상업적 퓨리에 변환 분광계들의 디자인에 의해 요구되는 일반적인 요구사항들을 만족시킨다.
Description
본 발명은 적외선을 위한 간섭계와 관련되었고, 보다 상사하게는, 개선된 환경 섭동(perturbations)을 갖는 환경적이고 산업적인 응용들을 위한 저 스펙트럼의(low spectral) 해상도의 중-적외선 휴대용 퓨리에 변환 분광계에 관한 것이다.
퓨리에 변환 분광학은 고전적인(classical) 분산(dispersion) 또는 회절 접근법을 통해 여러 중요한 이점을 갖는다. 이러한 이점은:
a) 단일 적외선 검출기를 사용하여, 모든 파장들이 하나의 스캔(scan)에 대해 동시에 측정되고, 이는 Felgett 이점으로 알려져있다;
b) 간섭계는 서로 다른 파장들을 구분하기 위해 상대적으로 좁은 물리적 슬릿(slit)을 요구하지 않고, 따라서, Jacquinot 이점으로 일반적으로 알려진 광학적 쓰루풋 이점을 갖는다;
c) 파장 캘리브레이션(calibration)은 스캐닝 반사체의 정밀 모션 제어에 의해 결정되고, 이는 간섭계의 레퍼런스 채널들 및 측정 모두에 공통되며, 레퍼런스 채널은 레퍼런스 하일리 단색광(reference highly mionochromatic light)의 주파수 및 강도가 안정화된 소스(stabilized source)를 가지고 광학적으로 공액결합된다. 이는 Connes 이점으로 알려져있다.
그들의 구별되는 이점들에도 불구하고, 적외선 퓨리에 변환 분광계들의 단점은 여전히 남아있게 하는 환경적 진동들 및 온도 드리프트들(drifts)과 같은 다양한 섭동들에 대한 민감도가 존재한다. 겉보기에는, 대부분의 온도 변화들은 그들 둘 모두 광학적-기계적 구성들의 거의 동일한 물리적 수차(distortions)를 야기하기 때문에, 매우 느린 기계적 진동들의 종류로써 외형적으로 고려될 수 있다. 그러므로, 이후 나오는 단순함을 위한 이러한 섭동들은 "환경적 진동들"로 부른다.
다양한 설계의 접근은 상술한 바와 같은 문제점을 상쇄시키기 위해 종래 기술 내에서 제안된다.
예컨대, 간섭하는 파면(wavefront) 사이의 원하지 않는 수평 이동(lateral shift)를 의미하는 빔 시어(beam shear)라고 불리는 것과 각도적 틸트(angular tilt)에 민감하지 않은(insensitive) 역반사체들의 사용과 간섭계의 일체식(monolithic)과 보다 컴팩트한 지지 바디를 구성함으로써 부분적으로 해결될 수 있다. 이러한 이점들 둘 모두 인터페로그램(interferograms)의 퀄리티를 악화시킨다.
다른 접근법은 기능적인 광학 부분들의 최소화된 수를 가지면서 빔 시어(shear) 및 각도적 틸트에 민감하지 않은 역반사체들을 갖는 구성에 또한, 기반한다. 게다가, 환경적 진동들에 대한 민감도를 줄이기 위한 매우 유용한 해결책은 요구되는 스펠트럼 해상도를 결정하는 관련 광학 경로 차이와 연관하여 가능한 짧은 기계적 스트로크(strokes)를 갖는 이러한 구성들을 디자인하는 것이다.
어쨋든, 심지어 매우 좋은 간섭계도, 이동가능한 반사체의 모션이 고정밀도를 가지고 제어될 수 있는 동일한 방향 내에서, 우선적으로 환경적 진동들에 다소 민감한 채로 유지할 수 있다. 그러므로, 레퍼런스 간섭계는 이러한 정밀 제어를 제공하는 데에 있어서, 매우 중요함을 갖는다.
Gasmet Technologies Oy(핀란드)에 양도된 US 특허 7,242,508는 다양한 온도들 및 진동들의 문제적 조건들 내에서의 사용에 적합한 저해상도 퓨리에 변환 분광계의 복사(radiation)를 변조하는 기구로써 의도된 변조기로써, 관련 분야에서 알려진 간섭계를 설명한다. 이는, 제 1 및 제 2 굴절 플랫 미러들(deflecting flat mirrors) 및 빔 스플리터가 균일한 물질의 모놀리식(monolithic) 부분에 의해 형성된 동일한 지지 구조에 의해 지지되는 것이 특징인 장치의 대칭적이고 컴팩트한 구조에 기인하여 달성된다. 이러한 모놀리식 구조는 빔 시어 및 각도적 틸트까지 굴절 플랫 미러들의 민감도를 감소시킨다. 간섭계의 광학은 빔 스플리터와 보상기(compensator)가, 각도적 틸트와 빔 시어를 보상하고 밀접하게 백-투-백(back-to-back)으로 배열되는 큐브 코너(cube corners)들의 잘 알려진 쌍인 역반사체들에 즉각 근접하여 배열되도록 실행된다. 이러한 디자인 해결책은 간섭계를 휴대용 디바이스들 내에서 사용되어지도록 충분히 안정적으로 만든다. 빔 스플리터 상에서 빔의 입사(incidence)의 각의 증가에도 불구하고 크기에서의 감소는 해당 분야에서 알려진 바와 같이, 빔 스플리터 내에서 사용되는 메탈 코팅의 편광 특성들에 의해 제한된다.
이러한 간섭계는 Gasmet Technologies Oy에 의해 제조되고 개발되는 산업적 가스 분석기들의 휴대용 및 캐비넷 옵션들(options)의 상업적 시리즈에서 실행된다.
상대적으로 안정적이고 컴팩트한 디자인에 의해 제공되는 고성능에 덧붙여, Gasmet™ 퓨리에 변환 분광계들은 측정된 데이터의 유니크한 Chemonetric 해석을 함께 갖는 저해상도(>1㎝-1) 분광학의 효과적인 기술을 사용한다. 이러한 컨셉(concept)은 Peter R. Griffith(9th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, 1993. 8. 23)에 의해 증명되고 퓨리에 변환 적외선 분광학으로 소개되었다. 한편, 저 스팩트럼 해상도는 높은 SNR(signal-to-noise ratio)을 달성하도록 허용하고, 따라서 측정된 혼합물들의 더 넒은 농도 범위를 제공하는 것을 허용한다. 대부분의 산업적 응용들을 위한 고품질 농도 측정들을 제공하기 위해 적합한 것보다 2, 4, 8 또는 16 ㎝-1의 해상도의 기구를 취하는 것을 지시하는 공표된 문헌 내에서 충분한 기술적 정당화(justifications)가 존재한다.
Bruker Analytische Messtechnik(독일)에 양도된 US 특허 5,309,217은 두 암들을 갖는 정밀 이중 진자(rigid double pendulum) 상에 장착된 큐브 코너 역반사체들을 갖는 간섭계 디자인을 개시한다. 광학축에 수직인 다른 것에 관련된 하나의 큐브 코너의 차분 변환은, 두 큐브 코너들이 정밀 이중 진자 구조 상에 장착된 때 제거되고, 따라서 둘 모두 스캐닝 때 동일한 원형 아크(circular arc)를 설명한다. 이는 이중 진자 구조의 회전 단일 축을 정의함으로써 가장 단순하게 달성된다. 이러한 경우에 있어서, 간섭계는 빔 시어를 위해 기계적으로 보상된다. 간섭계의 각 암들 내의 굴절 플랫 반사체를 삽입함으로써 큐브 코너 역반사체들에 도달하는 빔들은 서로 평행하게 배열될 수 있고, 서로 가깝게 배열될 수 있다. 이는 더 짧은 광학 암들을 갖는 보다 컴팩트하고 강인한 간섭계를 허용하고, 이에따라 간섭계 하우징 내부의 에어 터뷸런스(air turbulence)에 덜 종속된다. 그럼에도 불구하고, 조립 절차(assmbling procedure)는 간섭계의 주요 기능적 구성요소들의 광축들이 동일 평면이 아니고, 보다 정밀한 배열을 필요로 하기 때문에, 보다 복잡해진다. 추가되는 굴절 플랫 반사체들 및 이중 경로 접근법들 내의 역반사체들 둘 모두 최소 틸트 에러를 보장하기 위해 정밀 장착 및 정확한 배향(orientation)을 요구한다. 환경적 진동들에 대한 면역성을 위해, 간섭계 디자인 애에서 플랫 굴절 미러들을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 간섭계는 Sick AG(독일)에 의해 활용되는 산업적 캐비넷 시스템들을 위한 가스 분석기의 상업적 시리즈 내에서 실행된다.
ABB Bomem Inc.(캐나다)에 양도된 US 특허 7,480,055는 이중 피봇 스캐닝 메카니즘 및 이중 진자를 갖는 퓨리에 변환 분광계에 대한 투-빔 간섭계를 개시하다. 간섭계는 회전의 구분되는 축들 중 연관된 하나 주위를 스윙(swing)하기 위해 각각 회전가능한 두 개의 정밀 진자들을 갖는다. 간섭계 실시예들 중 하나에 있어서, 해당 분야에서 알려진 어떠한 다른 액츄에이터들 또는 선형 보이스 코일 액츄에이터에 의해 구동되는 이중 진자는 보다 스무드한(smooth) 스캐닝 스트로크를 제공하기 위해, 평형추에 의해 회전축에 대하여 밸런싱된다. 연결(linkage)은 서로에게 두 개의 정밀 진자들을 링크시키고, 서로에게 연관된 그들의 회전을 강요한다. 간섭계는 진자들 중 연관된 하나로 레버(lever)를 링크시키는 제 1 및 제 2 베어링과 회전의 구별되는 축들 중 연관된 하나에 대하여 스윙하기 위한 두 개의 진자들을 회전가능하게 장착시키기 위한 베어링들(플렉서(flexure) 베어링들일 수 있음)을 갖는다.
두 개의 정밀 진자들, 레버 및 베어링들은 모놀리식 구조일 수 있다. 그러나, 구별되는 매개 베어링들 및 레버들의 증가된 수는 백래시(backlash) 및 마찰을 감소시키기 위한 고정밀 제조 및 조립과 보다 정교한 디자인을 필요로 한다. 또한, 이러한 스캐닝 메카니즘에 사용되는 레버리지의 원리는 스캐닝 스트로크의 크기에 대한 광학 경로 차분의 비율 내의 게인(gain)과 컴팩트니스(compactness) 사이의 트레이드-오프(trade-off)를 암시한다. 이러한 간섭계는 ABB Bomem Inc.에 의해 개발되고 제조되는 산업적 캐비넷 시스템들에 대한 가스 분석기들의 상업적 시리즈에서 실행된다.
본 분야에 있어서, 수많은 방법들이 측정 간섭계로 통합되는 레퍼런스 간섭계에 의해 증가되는, 전형적으로 He-Ne 레이저인, 단색 소스(monochromatic source)로부터 간섭 프린지(fringes)들을 카운팅함으로써 고 정밀도를 갖는 이동가능한 반사체의 모션 제어를 촉진하기 위해 사용되어왔다. Foss Electric A/C(덴마크)에 의해 양도된 US 특허 5M933,792는 플랫 이동가능한 반사체를 갖는 단순한 간섭계 구조의 예시를 설명한다. 단색 레이저 빔은 적외선 빔에 삽입되는 반투과의 틸팅된 플레이트(plate)를 통해 간섭계로 입사된다. 동일한 빔 스플리터가 레퍼런스 및 측정 간섭 빔들 둘 모두를 형성하기 위해 사용된다. 이러한 디자인의 사용에서의 주요 복잡성은, 레퍼런스 파장 및 측정 중적외선 범위 둘 모두를 커버할 수 있는 오히려 광대역 반투과 및 반사방지(antireflection) 광학 코팅들을 위한 적절한 스플리팅 비율을 갖는 단일 빔 스플리터를 비용-효율적인 제조의 문제와 관련된다.
퓨리에 변환 분광계들을 위한 빔 스플리터들의 개선된 디자인은 Tydex Ltd. 회사에 의해 개발되고, 회사의 온라인 카탈로그에 설명된다. 이러한 디자인에 있어서, 광학 코팅들의 조합된 패턴은 빔 스플리터 및 보상기의 표면들 상에 적용된다. 이러한 접근법에 따르면, 레퍼런스 레이저 빔을 위한 광학 코팅을 갖는 작은 윈도우들은 적외선 측정 빔의 섭동을 최소화하기 위한 보상기 및 빔 스플리터의 명확한 개구의 주변 상에 만들어진다. 해당 분야에 당업자들에게 잘 알려진 바와 같이, 기판들은 주요빔(principal beam)에 대한 간섭으로부터 기생 반사들(parasitic reflectors)을 방지하기 위해 슬라이트하게(slightly) 공통적으로 끼어든다(wedged).
오늘날 상업적 적외선 퓨리에 변환 분광계들 내의 대부분의 간섭계들은 작동시 열이 발생되며 간섭계 내부의 열적 균형을 제공하기 위해 효율적인 열 전송기를 요구하는 보이스 코일 액츄에이터들에 기반한 스캐닝 메카니즘들을 사용한다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 상당히 감소된 물리적 스트로크 내에서 거의 마찰이 없는 스캐닝과 보다 스무스한 스캐닝과 마찬가지로 보다 컴팩트하고 플랫한 구조로 인해 내부 매체 터뷸런스 및 환경적 진동들에 대한 개선된 면역성을 갖는 투(two)-빔 간섭계를 제공하는 것이다.
더욱이, 본 발명의 다른 목적은 상기 간섭계의 레퍼런스 및 측정 채널들의 통합된 디자인을 통해 광대역 중적외선 스펙트럼 범위 내에서 보다 효율적인 모션 제어를 허용하는 것이다.
여기서, 간섭계는 상기 퓨리에 변환 분광계를 위한 간섭계를 형성하기 위해 적절한 방법으로 광학적으로 공액결합된(conjugated) 두 개의 동기적으로(synchronously) 움직이는 역반사체(retroreflectors) 및 빔 스플리터를 포함한다.
간섭계는 증가하는 진동 및 온도 변화들에 의해 일반적으로 특징지어지는 환경 조건하에서, 빔 스플레터의 변화없이 넓은 중-적외선 스펙트럼의 범위 내의 멀티-컴포넌트(multicomponent) 혼합물들(compounds)의 동시 측정을 위해 특히 의도되고, 바람직하게 구성된다.
또한, 앞서 설명한 종래 기술과 반대로, 본 발명의 간섭계는 상당히 감소된 물리적 스트로크 내에서 보다 스무스하고 거의 마찰이 없는(friction-free) 스캐닝과 마찬가지로, 보다 컴팩트하고 플랫한 구조로 인해 내부 매체 터뷸런스 및 환경적 진동들에 대한 개선된 면역성을 제공한다. 게다가, 간섭계의 레퍼런스 및 측정 채널들의 통합 디자인은 광대역 중적외선 스펙트럼 범위 내에서 보다 효율적인 모션 제어를 허용한다.
산업적 응용을 위한 중적외선 범위 내의 휴대용 퓨리에 변환 분광계를 위한 컴팩트 간섭계를 개시한다. 간섭계는 다음을 포함한다:
두 개의 할로우(hollow) 코너 큐브 역반사체들;
빔 시어에 대해 기계적으로 보상되고 각도적 틸트에 광학적으로 보상되는 역반사체 배열;
동기화된 모션의 가능성을 함께 갖으며 정밀하게 결합된 두 개의 역반사체들;
스무스하고, 백래시-프리(backlash-free)하며, 자기이력 현상이 없는(hysteresis-free), 저마찰 모션을 갖는 플랫한 회전 액츄에이터;
가상의 회전축에 대해 기계적으로 밸런싱된 관성(inertia)의 모멘트를 갖는 구성;
물리적 스트로크에 대한 광학적 경로 차분의 높은 비율을 갖는 구성;
광학적으로 공핵 복소의 레퍼런스 및 측정 채널들을 갖는 혼합 빔 스플리터;
내부 에어 터뷸런스의 영향을 줄이기 위해 회전 보이스 코일로부터 열 전송을 강화하는 플랫한 열 파이프(flatten heat pipe);
측정 채널 내에서 적외선 빔의 섭동 없이 간섭계로 통합된 레퍼런스 레이저 채널.
본 발명의 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 투-빔 간섭계에 따르면, (a) 물리적 스트로크에 대한 광학적 경로 차분의 높은 비율을 갖는 구성을 제공하고, (b) 중력 및 관성의 감소된 모멘트를 갖는 컴팩트한 구성을 제공하며, (c) 감소된 각도적 스트로크 내의 스캐닝 메카니즘의 스무스한 모션을 제공하고, (d) 환경적 진동들에 대한 감소된 감도를 제공하며, (e) 회전 보이스 코일 액츄에이터로부터의 개선된 열 전송 및 (f) 레퍼런스 빔의 진보된 광원을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 빔 스플리터, 백-투-백으로 결합된 두 개의 할로우 코너 큐브 역반사체들 및 두 개의 플랫 굴절 반사체들의 대칭적인 배열을 갖는 간섭계의 종래 기술의 실시예을 나타낸 도면,
도 2는 이중 진자 스캐닝 메카니즘을 갖는 틸트 및 시어(shear) 보상을 갖는 간섭계의 종래 기수르이 실시예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따라 디자인된 중간 위치에서의 정지(rest)에서의 스캐닝 간섭계의 상부 시점도(top view),
도 4는 본 발명에 따른 작은 스윙에 종속되는 할로우 코너 큐브 역반사체 내에서 트레이싱하는(tracing) 확대된 이차원 광선(ray)을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 광학적 코팅들을 갖는 빔 스플리터/보상기 쌍을 나타낸 도면,
도 6은 할로우 코너 큐브 역반사체로부터 입사하고 출사하는 레퍼런스 레이저 빔의 세 가지 가능한 배열들을 도시한 도면이다.
도 2는 이중 진자 스캐닝 메카니즘을 갖는 틸트 및 시어(shear) 보상을 갖는 간섭계의 종래 기수르이 실시예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따라 디자인된 중간 위치에서의 정지(rest)에서의 스캐닝 간섭계의 상부 시점도(top view),
도 4는 본 발명에 따른 작은 스윙에 종속되는 할로우 코너 큐브 역반사체 내에서 트레이싱하는(tracing) 확대된 이차원 광선(ray)을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 광학적 코팅들을 갖는 빔 스플리터/보상기 쌍을 나타낸 도면,
도 6은 할로우 코너 큐브 역반사체로부터 입사하고 출사하는 레퍼런스 레이저 빔의 세 가지 가능한 배열들을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 적외선 분광계를 위한 변조기와 관련되고 US 특허 7,242,508에 설명되는 투-빔 스캐닝 간섭계를 도시한다. 간섭계는 정지하는 상태를 도시하며, 즉, 중심 대칭적인 위치를 도시한다. 상기 특허에 따르면, 간섭계는 제 1 할로우 큐브 코너 역반사체(10) 및 제 2 할로우 큐브 코너 역반사체(11), 입사 빔(B1)을 두 개의 빔들로 분할(스플리팅)하고, 분할된 빔들을 간섭 빔(B2)으로 조합하는 빔 스플리터(12), 제 1 할로우 큐브 코너 역반사체(10)와 빔 스플리터(12) 사이에서 반대 방향으로 제 1 분할된 빔을 조향하기 위한(steering) 제 1 플랫 굴절 반사체(M1), 제 2 할로우 큐브 코너 역반사체(11)와 빔 스플리터(12) 사이에서 반대 방향으로 제 2 분할된 빔을 조향하기 위한(steering) 제 2 플랫 굴절 반사체(M2)를 포함한다.
제 1 및 제 2 할로우 큐브 코너 역반사체들(10, 11)은 선형 스트로크(13) 내의 광축의 방향으로 전방 및 후방으로 이동가능하고, 반대 방향으로 반사하기 위해 공통 광축 상에 배열되며, 백-투-백으로 타이트하게 결합된다. 상기 특허 내에 개시된 발명에 따르면, 빔 스플리터(12) 및 제 1 및 제 2 플랫 굴절 반사체들(M1, M2)은 하나의 균일한 재료 부분에 의해 형성되는 동일한 컴팩트 구조에 의해 지지되며, 이에 따라 환경적 진동들에 의해 야기되는 각도적 틸트들까지 간섭계의 감도를 기계적으로 감소시킨다. 결합된 할로우 큐브 코너 반사체들(10, 11)의 동기화 선형 스트로크(13) 및 간섭계의 높은 구조적 대칭성은 빔 시어를 선택적으로 보상하고 선형 스트로크(13)의 크기 대비 광학적 경로 차분의 비율 내에서 4배의(fourfold) 게인을 제공한다.
도 2는 이중 진자 이중 피봇 스캐닝 메카니즘을 갖는 퓨리에 변환 분광을 위한 투-빔 간섭계를 개시하는 US 특허 7,480,055에 따른 간섭계의 종래 기술 실시예를 도시한다. 도 2에 있어서, 간섭계는 정지 중에, 즉 중간 대칭적 위치 내에 도시된다.
제 1 진자는 제 1 공통 피봇 축(16a)를 갖는 제 2 레버(14b)와 정밀하게 연결된 제 1 레버(14a) 둘 모두에 의해 구성된다. 제 2 진자는 제 2 공통 피봇 축(16d)를 갖는 제 4 레버(14d)와 정밀하게 연결된 제 3 레버(14e) 둘 모두에 의해 구성된다. 두 개의 할로우 큐브 코너 역반사체들(10 및 11)은 각각 피봇 축들(16a 및 16d)에 반대의 엔드들 상의 레버들(14a 및 14e) 상에 장착된다. 두 개의 진자들은 결합 기계적 연결(14c)에 의해 베어링들(16b 및 16c)에서 서로에 연결된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 두 개의 진자들 모두 각각 모놀리식 기계적 부분이고, 따라서, 진자들이 그들의 각각의 회전 축들(16a 및 16d)에 대해 회전 가능할 때, 제 1 진자의 두 레버들(14a 및 14b)와 제 2 진자의 두 레버들(14e 및 14d)는 동기적으로 회전가능하다. 선형 스트로크(13) 내의 스캐닝은 피봇 축들(16a 및 16d)에 대한 간섭계의 회전을 밸런싱하기 위해 바람직하게는 평형추를 서브(serve)하는 선형 보이스 코일 액츄에이터에 의해 제공된다.
피봇 축들(16a 및 16d)와 마찬가지로 베어링들(16b 및 16c)은 해당 분야에서 알려진 다른 타입의 베어링등 또는 블레이드들을 갖는 플렉서(flexure) 베어링드에 의해 바람직하게 실행될 수 있다. 제 1 진자의 두 레버들(14a 및 14b)은 제 2 진자의 두 레버들(14e 및 14d)와 동일하다.
이러한 스캐닝 메카니즘에 사용되는 레버리지의 원리에 따르면, 스캐닝 스트로브(13)의 크기 대비 공학적 경로 차분의 비율은 레버(14b)(또는 14d)의 길이 대비 레버(14a)(또는 14e)의 길이의 비율에 의해 정의된다. 도 2에 도시된 특정 실시예는 스캐닝 선형 스트로크(13)의 크기 대비 광학적 경로 차분의 비율 내에서 약 4배의 게인을 갖는 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도식적으로 나타낸다. 간섭계는 정지 중에, 즉 중간 대칭적 위치 내에 도시된다. 본 발명에 따르면, 간섭계는 제 1 할로우 큐브 코너 역반사체(10) 및 제 2 할로우 큐브 코너 역반사체(11), 입사 적외선 빔(B1)을 두 개의 분할된 빈들로 스플리팅하고 분할된 빔들을 간섭 빔(B2)으로 재조합하기 위한 빔 스플리터(12)를 포함한다. 할로우 큐브 코너 역반사체들(10 및 11)은 해당 분야에서 알려진 것들에 의해 바람직하게 실시될 수 있고, 광범위 중적외선 스펙트럼 범위 내에서 보호 코팅을 가지고 제공되고, 더 적은 중력을 갖는 하드-마운티드(hard-mounted) 할로우 큐브 코너들 또는 복제된 할로우 큐브 코너들일 수 있다.
제 1 할로우 큐브 코너 역반사체(10)는 제 1 광축(10a)를 가지며, 제 1 홀더(10b) 상에 보다 정밀하게 고정하고 정렬 목적들을 위한 제 1 광축(10a)에 대해 회전 가능성을 갖는 제 1 홀더(10b)에 결합된다. 제 2 할로우 큐브 코너 역반사체(11)는 제 2 홀더(11b) 상에 보다 정밀하게 고정하고 정렬 목적들을 위한 제 2 광축(11a)에 대해 회전 가능성을 갖는 제 2 홀더(11b)에 결합된다. 제 1 홀더(10b)는 회전 보이스 코일 액츄에이터의 회전가능한 쉘(13: shell)의 제 1 엔드(end) 상에 정밀하게 장착된다. 회전가능한 쉘(13)은 각도적 스트로크(13a) 내에서 스윙하는 것을 허용한다. 제 2 홀더(11b)는 회전 보이스 코일 액츄에이터의 회전가능한 쉘(13)의 제 2 엔드 상에 정밀하게 장착된다. 회전가능한 쉘(13)의 제 1 및 제 2 엔드는 제 1 평형추(10c) 및 제 2 평형추(11c)에 각각, 회전의 이미지너리(imaginery) 축(14)에 대해 회전가능한 쉘(13)의 회전을 밸런싱하기 위해 제공된다. 감소된 마찰을 갖는 서브-밀리미터 에어 갭(sub-millimeter air gap)을 통해, 회전가능한 쉘(13)은 간섭계 내부의 온도적 균형을 지원하기 위한 히트 싱크(14a: heat sink)와 정밀하게 결합된 보이스 코일 헤드(13b)로의 전자기적 결합을 갖는다. 히트 싱크(14a)는 보이스 코일 헤드(13b)로부터 열 전달을 강화하기 위해 히트 파이프와 조합될 수 있다. 히트 싱크(14a)는 도 3에 도시되지 않았지만, 간섭계 프레임워크(framework)로 정밀하게 내장된다.
홀더들(10b 및 11b)은 바람직하게, 인바르(Invar), 티타늄(Titanium), 티타늄 합금과 같은 낮은 온도 전도성을 갖는 하드 재료들로 이루어진다. 간섭계의 중간 대칭적 위치에 있어서, 광축들(10a 및 11a)은 각각, 입사 적외선 빔(B1) 및 간섭 빔(B2)의 광축들과 일치한다. 모놀리식 광원으로부터 충분히 좁은 레퍼런스 빔(15)(바람직하게는, 단일 주파수 솔리드-스테이트(solid-state) 레이저)은 해당 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 간섭계에 의해 형성되는 간섭 프린지들을 빔(16) 내에서 카운팅함으로써 할로우 큐브 코너 역반사체들(10 및 11)의 동기화 모션의 정밀 제어를 허용한다.
회전가능한 쉘(13) 및 보이스 코일 헤드(13b)를 통합하는 어셈블리는 스트로크(13a)의 제한된 각도적 범위 내에서 회전의 이미지너리 축(14)에 대해 정밀하게 결합된 할로우 큐브 코너 역반사체들(10 및 11) 중 전부로써 직접 스무스 모션을 제공한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 어떠한 회전 샤프트들의 부존재가 간섭계의 보다 컴팩트한 구조를 제공하고, 다른 기능적 컴포넌트들(본 발명의 이러한 특정 실시예에 있어서, 바람직하게는 히트 싱크(14a))을 위한 더 많은 공간을 허용한다. 종래 기술에 반해, 회전의 이미지너리 축(14)으로부터 제 1 평형추(10c) 및 제 2 평형추(11c)로의 감소된 거리들은 관성 모멘트 내에서 거리 제곱 감소를 허용하고, 따라서 보다 스무스한 스트로크(13a)를 제공한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 회전의 이미지너리 축(14)의 떨어진 배열은 간섭계의 풋프린트(footprint) 내의 어떠한 증가 없이 할로우 큐브 코너 역반사체들(10 및 11)에 대해 모션 궤적의 충분히 큰 반지름을 사용하는 것을 허용한다. 상기 충분히 큰 반지름은 도 4에 도시된 바와 같이, 스트로크(13a)의 절반 중 물리적 길이(S)에 대한 광학적 광선들(18 및 19: rays) 사이의 광학적 경로 차분의 비율 내에사 추가적인 게인을 제공한다.
본 발명에 따르면, 도 4는 도 3에 도시된 회전의 이미지너리 축(14)의 주의에 선을 그어진 모션 아크 궤적(17: motion arc trajectory)을 따라 할로우 큐브 코너 역반사체(11)의 선단(apex)에 의해 이동되는 물리적 길이(S)에 대응하는 위치(11*) 내에서 및 간섭계의 중간 대칭적인 위치 내에서 할로우 큐브 코너 역반사체(11)이 확대된 도식적 도면을 나타낸다. 명확성을 위해, 도면은 광선 트레이싱(ray tracing)의 2차원적 프로젝션(projection)으로 도시된다. 도 3에 도시된 본 발명에 따르면, 할로우 큐브 코너 역반사체들(11 및 10)의 광축들(11a 및 10a)은 각각, 모션 아크 궤적(17)에 접선들(tangents)과 같이 배열된다.
스트로크(13a)의 제한된 각도적 범위에 있어서, R이 모션 아크 궤적(17)의 반지금이고 α가 간섭계의 중간 대칭적 위치로부터의 라디안(radians)에서 측정된 스트로크(13a)의 각도라면, 작은-각도(small-angle)에서의 단술한 삼각 계산들, 즉, 선형적인, 근사화는 크기 S = 물리적 길이(S)의 αR로 주어진다.
해당 분야의 통상의 기술자들에 대해, 광선(18) 및 광선(19)가 위치(11*) 내 및 위치(11) 내에서 서로 다른 광 경로들로 가고, 이에 따라 광선(19a)이 광선(18a)의 앞선다면 상기 작은-각도 근사화는 +4αR 내인 광학적 경로 차분을 획득한다는 것은 도 4로부터 명백해질 것이다.
도 3 및 도 4로부터, 할로우 큐브 코너 역반사체들(10 및 11)은 공통 모션 아크 궤적(17)을 따라 동기적으로 이동하기 때문에, 할로우 큐브 코너 역반사체들(10 및 11)의 광선 트레이싱들은 빔 스플리터(12)에 관련하여 반사되고(mirrored), 이에 따라 할로우 큐브 코너 역반사체(10) 내에서 획득된 광학적 경로 차분은 반대 부호를 가지며 -4αR이라는 것은 해당 분야의 기술자들에 대해 역시 명백해질 것이다. 명백하게, 보통 OPD로 해당 분야에서 약어로 쓰는, 간섭 빔(B2)에 의해 획득되는 최종 광학적 경로 차분은 다음의 단순한 수학식에 의해 정의된다: OPD = +4αR-(-4αR) = 8αR. 그것은 S에 대한 OPD의 비윤 내에서 8배의 게인이고, 즉, 고전적인 Michelson Interferometer 내에서보다 4배나 더 높다.
도 3에 도시된 실시예에 대하여, 값 R=10.7 cm는 예시로써 취해지며, 해당 분야에서 사용되는 상업적 회전 보이스 코일 액츄에이터들 및 할로우 큐브 코너 역반사체들의 전형적인 크기들과 잘 호환 가능하다. 작은-각도 근사화에 있어서, 스트로크(13a)의 절반의 1 디그리(degree)는 라디안으로 값 α=0.017에 대응한다. 이에 따라, 상기 수학식은 OPD=8 x 0.017 x 10.7 = 1.45 cm를 제공한다. 해당 분야에서 알려진 바와 같이, 파수(wave numbers)로 표현되는 간섭계의 디자인 해상도는 센티미터들로 표현되는 획득된 OPD에 역으로 비례적이다.
따라서, 본 발명은 저-해상도 퓨리에 변환 분광계들을 위해 필요한 2, 4, 8 또는 16 cm-1의 기구적 스펙트럼 해상도(instrumental spectral resolution)보다 수배이상 더 높은 디자인 스펙트럼 해상도 1/(1.45 cm) 
0.7cm-1을 획득하는 것을 허용한다. 그것은 실제 기구적 해상도가 전자장비, 환경적 진동, 및 간섭계의 디지털 신호 프로세싱에 의해 추가되는 노이즈로 인해 불가피하게 감소되기 때문에, 좋은 예비책이다(good reserve). 또한, 스트로크(13a)의 필요한 값에서의 감소는 보다 스무스한 모션을 허용하고, 따라서, 환경적 진동들에 대한 간섭계의 감도를 감소시킨다.
도 5a는 본 발명에 따른 빔 스플리터(12)의 제 1 바람직한 실시예를 도시한다. 빔 스플리터(12)는 해당 분야에서 알려진 보상기(20)의 광학 플레이트(plate), 및 광범위 중적외선 범위 내에서 반-반사(semireflecting)하고 반-투과(semitransparent)하며, 빔 스플리팅 플레인 A-A 상에 배치되는 광학적 코팅(C1)을 갖는 광학적 플레이트(21)를 포함한다. 광학적 코팅(C1)의 영역은 도 3에 도시된 바와 같이, 광학적 코팅(C1) 상의 입사 적외선 빔(B1)의 단면의 최대 축과 적어도 동일한 지름을 갖는다. 보상기(20)와 광학적 플레이트(21) 둘 모두 에어 갭을 가지고 조립된다. 광학적 플레이트(21)는 도 2에 도시된 빔(15)의 파장에서 반투과(semitransparent) 및 반반사(semireflecting)하고, 빔 스플리팅 플레인 A-A 상에 배치되는 광학적 코팅(C2)의 링 영역을 가지고 제공되며, 광학적 코팅(C1)과 공간적인 중첩이 전혀 없고, 이에 따라, 빔(15)과 입사 적외선 빔(B1)은 중첩이 없으며, 간섭 빔(B2)도 또한 도 3에 도시된 빔(16)과 어떠한 중첩도 갖지 않는다.
도 5b는 도 5a에 도시된 것과 유사한 빔 스플리터(12)의 제 2 실시예를 도시하지만, 여기서, 보상기(20)의 광학 플레이트와 광학 플레이트(21)는 입사 적외선 빔(B1)과 간섭 빔(B2)에 대한 간섭으로부터 기생 반사들을 회피하기 위한 웨징(wedging)을 갖는다.
도 3 및 도 6은 본 발명에 따른 빔들(15 및 16)에 대한 강한 위치적 관계를 갖는 바람직한 실시예들을 도시한다. 빔(15)은 할로우 큐브 코너 역반사체(11)로 빔(15a)으로써 입사되고, 빔(15b)로써 그것으로부터 출사되며, 빔 스플리터(12)로부터의 반사 이후, 빔(16)으로써 간섭계로부터 최종 출사된다. 도 6은 할로우 큐브 코너 역반사체(11)의 동일한 축 배향이 빔들(15a 및 15b) 사이의 다양한 위치적 관계들을 허용하는 것을 도시한다. 따라서, 상기 빔들 간의 임의의 위치적 관계에 대해서, 할로우 큐브 코너 역반사체들(10 및 11)의 최적 배향은 각각, 상기 할로우 큐브 코너 역반사체들(10 및 11)의 추가적인 최종 고정(fixing)을 갖는 공장 조정의 단계 상에서, 축들(10a 및 11a)에 대한 그들의 회전의 가능성에 의해 제공된다. 광학적 코팅(C2)의 링 영역은 광학적 소자들의 상기 광학적 배향을 획득하는 것을 허용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 충분히 좁고 잘 팽행화된(well collimated) 모놀리식 광원은 빔(15)을 형상화하고(shape) 전달하기 위한 섬유 광학에 추가되는 컴팩트한 단일-주파수 솔리드-스테이트 레이저이다. 플렉서블한 섬유 광학의 사용은 본 발명에 따른 실시예의 간섭계를 사용하는 분광계의 조립을 단순화한다. 상기 레이저는 일반적으로 사용되는 He-Ne 가스 레이저들보다 더 적은 열 생성 및 차원들을 갖고, 이에 따라, 내부 온도 균형을 개선하고 분광계의 일반적인 크기를 줄인다.
요약컨대, 본 발명의 여러 이점들은 다음과 같다: (a) 물리적 스트로크에 대한 광학적 경로 차분의 높은 비율을 갖는 구성; (b) 중력 및 관성의 감소된 모멘트를 갖는 컴팩트한 구성; (c) 감소된 각도적 스트로크 내의 스캐닝 메카니즘의 스무스한 모션; (d) 환경적 진동들에 대한 감소된 감도; (e) 회전 보이스 코일 액츄에이터로부터의 개선된 열 전송; (f) 레퍼런스 빔의 진보된 광원.
이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (9)
- 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계에 있어서,
제 1 광축을 갖는 제 1 역반사체;
제 2 광축을 갖는 제 2 역반사체;
회전의 이미지너리(imaginery) 축 및 제 1 및 제 2 엔드(end)를 갖는 회전가능한 쉘;
광 빔을 두 개의 빔들로 스플리팅하되, 상기 두 개의 빔들 중 하나는 상기 제 1 역반사체를 향하고, 상기 두 개의 빔들 중 다른 하나는 상기 제 2 역반사체로 향하며, 간섭 프린지들(fringes)을 형성하기 위해 상기 역반사체들로부터의 빔 컴포넌트들(components)을 재조합하기 위해 상기 광 빔의 경로 내에 배열된 빔 스플리터; 및
고정된 보이스 코일 헤드(fixed voice coil head)를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계. - 제 1 항에 있어서, 상기 빔 스플리터는
제 1 스플리팅 영역 및 제 2 스플리팅 영역을 가지며, 상기 회전의 이미지너리 축을 포함하는 빔 스플리팅 플레인(plane)을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 역반사체는 상기 간섭계의 정지 중에 상기 스플리팅 플레인에 대하여 반사되는(mirrored) 복제된 할로우 큐브 코너들 또는 하드-마운티드(hard-mounted) 할로우 큐브 코너들인 것을 특징으로 하는 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계. - 제 2 항에 있어서, 상기 빔 스플리팅 플레인은
중적외선 스펙트럼 범위 내에서 상기 광 빔을 스플리팅하기 위해 상기 빔 스플리터의 중심부 상에 위치하는 둥근 모양의 상기 제 1 스플리팅 영역; 및
단일-주파수 솔리드-스테이트 레이저로부터 상기 광 빔을 스플리팅하기 위해 상기 빔 스플리터의 주변에 링 모양으로 위치하는 상기 제 2 스플리팅 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 역반사체는 상기 회전가능한 쉘의 상기 제 1 엔드에 장착되고, 상기 제 2 역반사체는 상기 회전가능한 쉘의 상기 제 2 엔드에 장착되며,
상기 제 1 역반사체는 추가적인 고정(fixing) 및 광학적 정렬을 위해 상기 제 1 광축에 대해 회전의 가능성을 가지고, 상기 제 2 역반사체는 추가적인 고정(fixing) 및 광학적 정렬을 위해 상기 제 2 광축에 대해 회전의 가능성을 갖는 것을 특징으로 하는 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계. - 제 1 항에 있어서,
상기 회전가능한 쉘은 제한된 각도적 스트로크 내에서 상기 회전가능한 쉘을 스윙하기 위해(swing) 상기 고정된 보이스 코일 헤드에 전자기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계. - 제 6 항에 있어서,
상기 회전가능한 보이스 코일 헤드에 장착되는 히트 싱크(heat sink)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 역반사체의 상기 제 1 광축 및 상기 제 2 역반사체의 상기 제 2 광축은 상기 회전의 이미지너리 축 주변을 에워싸는 원에 대한 접선들인 것을 특징으로 하는 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계. - 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계의 동작 방법에 있어서,
제 1 광축을 갖는 제 1 역반사체 및 제 2 광축을 갖는 제 2 역반사체로 입사 광 빔을 입사시키는 단계;
빔 스플리터를 상기 광 빔의 경로 내에 배열하여, 간섭 프린지들(fringes)을 형성하기 위해 상기 역반사체들로부터의 빔 컴포넌트들(components)을 재조합하여, 하나는 상기 제 1 역반사체를 향하고, 다른 하나는 상기 제 2 역반사체로 향하도록, 상기 광 빔을 두 개의 빔들로 스플리팅하는 단계; 및
회전의 이미지너리(imaginery) 축 및 제 1 엔드 및 제 2 엔드를 갖는 회전가능한 쉘과 고정된 보이스 코일 헤드(fixed voice coil head)를 이용하여 상기 제 1 및 제 2 역반사체의 회전을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 이중-빔 간섭계의 동작 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140120175A KR101529148B1 (ko) | 2014-09-11 | 2014-09-11 | 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 투-빔 간섭계 |
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| KR1020140120175A KR101529148B1 (ko) | 2014-09-11 | 2014-09-11 | 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 투-빔 간섭계 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101529148B1 true KR101529148B1 (ko) | 2015-06-17 |
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ID=53519098
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| KR1020140120175A KR101529148B1 (ko) | 2014-09-11 | 2014-09-11 | 휴대용 중적외선 퓨리에 변환 분광계를 위한 투-빔 간섭계 |
Country Status (1)
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|---|---|
| KR (1) | KR101529148B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109781650A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-05-21 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种基于ftir光谱仪的数据采集装置 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1062250A (ja) * | 1996-08-26 | 1998-03-06 | Shimadzu Corp | フーリエ変換赤外分光光度計 |
-
2014
- 2014-09-11 KR KR1020140120175A patent/KR101529148B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1062250A (ja) * | 1996-08-26 | 1998-03-06 | Shimadzu Corp | フーリエ変換赤外分光光度計 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109781650A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-05-21 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种基于ftir光谱仪的数据采集装置 |
| CN109781650B (zh) * | 2019-02-01 | 2024-04-05 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种基于ftir光谱仪的数据采集装置 |
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