KR101542894B1 - 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법 - Google Patents

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박도현
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
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Abstract

본 발명은 회전형 간섭계에 관한 것으로서, 더 상세하게는 적외선 영역의 기체 스펙트럼을 고속으로 측정할 수 있으며 진동/충격 등의 외란으로부터 안정적인 성능을 구현할 수 있는 푸리에 변환 적외선(Fourier Transform Infra-Red, FTIR) 분광용 회전형 분광간섭계의 최적화 설계를 위한 최적화 방법에 대한 것이다.

Description

적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법{Optimized Method of Rotary Interferometer for Infrared Spectrometry}
본 발명은 회전형 간섭계에 관한 것으로서, 더 상세하게는 적외선 영역의 기체 스펙트럼을 고속으로 측정할 수 있으며 진동/충격 등의 외란으로부터 안정적인 성능을 구현할 수 있는 푸리에 변환 적외선(Fourier Transform Infra-Red, FTIR) 분광용 회전형 분광간섭계의 최적화 설계를 위한 최적화 방법에 대한 것이다.
푸리에 변환 적외선(이하 FTIR) 분광기법은 수 백 종 이상의 기체상 물질에 대하여 스펙트럼을 획득하고 정량 또는 정성 분석할 수 있는 기술로 널리 활용되고 있다.
대부분의 다원자 분자들은 적외선 대역에서 고유한 흡수 또는 방출 스펙트럼을 갖고 있으며, 이로 인해 분자 지문(molecular fingerprint)이라고 하는 고유한 특성을 갖는다.
이러한 분자 지문을 측정하기 위해서 다양한 분광 기법들이 개발되고 사용되고 있다. 고전적으로 그레이팅을 사용한 분산 적외선 분광방식이 사용되어 왔으며 이러한 분산 적외선 분광기법은 입사 광량이 작은 경우에는 검출이 어려운 단점이 있다.
반면에 FTIR 적외선 분광기법은 분산 적외선 분광방식의 장점을 유지하면서 광학배출(optical throughput)이 큰 장점으로 인하여 적외선 분광기법 가운데 매우 효과적인 방법으로 널리 이용되고 있다. FTIR 분광은 간섭계라는 광학 센서부에 의하여 광신호를 간섭무늬의 형태로 변환하고, 간섭무늬를 푸리에 변환에 의하여 스펙트럼을 얻는 원리이다.
여기에 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 반사되어온 빔을 다시 광선 분할기에서 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. 푸리에 분광기는 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.
두 빔 간섭계에 사용되는 고전적인 마이켈슨 간섭계는 구조가 단순하고 감도가 높은 장점에 비하여 환경에 매우 취약하여 잘 준비된 환경에서만 동작이 가능한 단점을 안고 있다.
이것은 FTIR 분광기의 사용을 제한하는 중요한 요소가 되고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 간섭계의 구조를 견고하고 신뢰성 있는 형태로 고안된 형태가 제시되어 왔다. 이에 대한 예로서 미국등록특허번호 제4,654,530호(발명의 명칭: refractive scanned interferometer), 미국등록특허번호 제5,898,495호(발명의 명칭: tilt-compensated interferometer), 국제특허공개번호 제WO 2008/083492호(발명의 명칭: TWO-BEAM INTERFEROMETER FOR FOURIER TRANSFORM SPECTROSCOPY WITH DOUBLE PIVOT SCANNING MECHANISM) 등을 들 수 있다.
이중 미국등록특허번호 제4,654,530호에서 제시된 회전형 간섭계를 보여주는 도면이 도 1이다. 도 1을 참조하면, 광선 분할기(110), 회전판(120), 측면 반사경(130-1,130-2),후면 반사경(140-1,140-2), 광검출 렌즈(150), 검출기(160) 등으로 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 두 빔이 분할되는 위치를 기준으로 대칭형으로 배치된 것이 특징이다. 또한, 스펙트럼의 획득 속도(acquisition rate)를 획기적으로 높이고 기계적 안정성을 개선하여 야외환경에서도 안정적으로 동작할 수 있게 고안된 것이 특징이다.
또한, 도 1에 도시된 회전형 간섭계는 가장 기본적인 구조로서 성능 및/또는 구성요소들의 크기에 대한 최적화가 이루어지지 않은 상태이다.
또한, 사용하는 빔의 크기가 커질수록 크기의 최적화에 대한 요구도 커지게 되었다.
1. 미국등록특허번호 제4,654,530호 2. 미국등록특허번호 제5,898,495호 3. 국제특허공개번호 제WO 2008/083492호 4. 한국등록특허번호 제10-1236350호
1. 박도현외, "수동형 퓨리에변환 적외선 분광기의 잡음등가온도지수"한국군사과학기술학회지 제14권 제2호 통권 제51호 (2011년 4월) pp.161-166
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 회전형 간섭계의 분광 분해능 및/또는 크기, 잡음 특성에 기인한 성능을 최적화하는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 이러한 최적화의 결과물로서 여러 간섭계의 형태를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 회전형 간섭계의 분광 분해능 및/또는 크기, 잡음 특성에 기인한 성능을 최적화하는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법을 제공한다.
상기 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법은,
광선 분할기, 회전판, 및 다수의 측면 반사경을 갖는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법에 있어서,
상기 간섭계의 형상을 결정하는 특성 변수를 도입하는 단계;
상기 회전판의 회전각과 특성 변수의 상관 관계를 그래프상으로 나타내는 단계;
상기 다수의 측면 반사경 중 하나의 측면 반사경로부터 상기 회전판으로 빔이 입사하는 빔 입사 각도에 따른 회전각과 상기 특성 변수의 상관 관계를 제 1 곡선으로 나타내는 단계;
상기 회전판의 두께와 분광 분해능에 따른 회전각과 상기 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00001
의 상관 관계를 제 2 곡선으로 나타내는 단계; 및
상기 제 1 곡선과 제 2 곡선이 만나는 점을 상기 간섭계의 설계점으로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 특성 변수는 빔의 크기에 따른 회전판의 크기의 비인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회전판의 크기는 수학식
Figure 112014037035984-pat00002
(여기서
Figure 112014037035984-pat00003
는 회전판으로 입사하는 빔의 크기이고,
Figure 112014037035984-pat00004
은 측면 반사경에서 회전판으로 빔이 입사하는 빔 입사 각도이다)로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 특성 변수는 회전판의 회전각 및 회전판의 빔 입사각도의 함수인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분광 분해능은 수학식
Figure 112014037035984-pat00005
(여기서, xmax는 최대 광로차를 의미한다)로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 간섭계의 신호 대 잡음비를 기반으로 상기 간섭계의 설계점이 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 신호 대 잡음비는 스펙트럼을 획득하는데 소요되는 신호 획득 시간의 제곱근에 비례하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 간섭계는 FTIR(Fourier Transform Infra-Red) 분광용 간섭계인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 간섭계의 공간배치 및 크기의 최적화를 위해서는 상기 특성 변수가 최소화되는 위치를 선정하고 신호 대 잡음비를 최적화하기 위해서는 상기 회전판의 회전각이 최대가 되는 위치가 선정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 일반적인 회전형 간섭계의 구조로부터 분광 분해능 및/또는 회전판의 조건에 따른 간섭계의 형상 및 배치를 최적화할 수 있게 되어 간섭계의 효율적인 설계 및 제작이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 간섭계의 핵심부품인 회전판의 크기를 최소화할 수 있는 설계점을 찾을 수 있어 고가이며 성능에 중요한 회전판의 설계를 최적화할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 회전형 간섭계의 기본 구조를 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 회전판(220)을 통과하는 빔에 대한 광경로 해석을 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 회전각과 특성변수
Figure 112014037035984-pat00006
의 상관관계 곡선 및/또는 설계점을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 간섭계 최적화 구성을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 간섭계 최적화 구성을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 간섭계 최적화 구성을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 간섭계 최적화 구성을 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 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.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 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.
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 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예는 회전형 간섭계의 구조를 최적화하기 위한 것이다. 보다 자세하게는 간섭계의 형상을 결정하는 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00007
을 도입하고 간섭계 회전판의 회전각
Figure 112014037035984-pat00008
의 상관 관계를 그래프로 도식하고 측면 반사경
Figure 112014037035984-pat00009
으로부터 회전판으로 빔이 입사하는 입사각
Figure 112014037035984-pat00010
에 따른 회전각
Figure 112014037035984-pat00011
과 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00012
의 상관 관계를 곡선으로 나타낸다. 그리고 회전판의 두께
Figure 112014037035984-pat00013
와 분광분해능
Figure 112014037035984-pat00014
의 값에 따른 회전각
Figure 112014037035984-pat00015
과 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00016
의 상관 관계를 곡선으로 도식하여 설계 최적값을 찾아 간다.
보다 자세하게는 다음의 절차를 따른다.
광선 분할기를 통과한 두 빔이 생성하는 광경로차
Figure 112014037035984-pat00017
는 다음의 식으로 표현된다.
Figure 112014037035984-pat00018
여기서
Figure 112014037035984-pat00019
는 회전판
Figure 112014037035984-pat00020
의 두께,
Figure 112014037035984-pat00021
은 회전판의 굴절률,
Figure 112014037035984-pat00022
(
Figure 112014037035984-pat00023
)는
Figure 112014037035984-pat00024
의 각속도로 회전하는 회전판의 각도,
Figure 112014037035984-pat00025
은 반사경
Figure 112014037035984-pat00026
(또는
Figure 112014037035984-pat00027
)에서 회전판으로 빔이 입사하는 각도이다.
간섭계에서 중요한 성능 변수가 분광 분해능
Figure 112014037035984-pat00028
이다. 분광 분해능은 최대 광로차에 의해 결정되며 다음의 관계를 갖는다.
Figure 112014037035984-pat00029
회전형 간섭계를 설계함에 있어 크기를 결정하는 중요한 요소는 분광 분해능, 빔의 크기(
Figure 112014037035984-pat00030
)와 회전판의 크기(
Figure 112014037035984-pat00031
)의 상관관계이다. 그리고 신호 대 잡음비를 결정하는 요소는 신호 획득 시간(
Figure 112014037035984-pat00032
)이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 회전판(220)을 통과하는 빔에 대한 광경로 해석을 보여주는 개념도이다. 부연하면, 도 2는 임의의 각도(
Figure 112014037035984-pat00033
)(224)로 회전 중인 회전판(220)을 통과하는 빔을 도식화한 것이다. 직경
Figure 112014037035984-pat00034
의 빔이 두께
Figure 112014037035984-pat00035
(223)의 회전판(220)을 통과할 때 요구되는 회전판(220)의 크기(
Figure 112014037035984-pat00036
)(즉, 직경이 됨)은 다음의 관계식에 의해 표현된다.
Figure 112014037035984-pat00037
여기서
Figure 112014037035984-pat00038
는 회전판(220)으로 입사하는 빔의 크기(222)이다.
Figure 112014037035984-pat00039
는 빔이 회전판(220)에서 굴절되면서 입사면과 출사면에서 발생하는 축 이동량(offset)(226)이며 굴절률이 높을수록 그 양은 작아진다.
Figure 112014037035984-pat00040
은 반사경
Figure 112014037035984-pat00041
(또는
Figure 112014037035984-pat00042
)에서 회전판으로 빔이 입사하는 회전판 빔 입사각도(221)이다.
회전형 간섭계를 설계함에 있어 간섭계를 소형화하기 위한 최적화가 매우 중요하다. 간섭계의 크기는 입사광인 빔의 크기(222)에 따른 회전판(220)의 크기의 비
Figure 112014037035984-pat00043
을 통해서 비교가능하다. 축 이동량
Figure 112014037035984-pat00044
는 빔의 크기
Figure 112014037035984-pat00045
와 회전판의 크기
Figure 112014037035984-pat00046
보다는 매우 작기 때문에 이를 무시한다면 다음과 같이 수학식 1을 다시 쓸 수 있다.
Figure 112014037035984-pat00047
따라서 간섭계의 크기를 최적화하기 위해서는
Figure 112014037035984-pat00048
을 최소화하는 것이 중요하다.
아래의 표 1은 회전판 빔 입사각도
Figure 112014037035984-pat00049
가 0도, 15도, 30도, 45도, 60도인 경우에 대하여 회전각
Figure 112014037035984-pat00050
의 위치에 따른
Figure 112014037035984-pat00051
과 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00052
을 계산한 값이다. 슬래시 뒤에 표현된 값이
Figure 112014037035984-pat00053
이다.
0 15 30 45 60
Cos (60 +
Figure 112014037035984-pat00054
)		 0.5/2 0.26/3.85 0
Cos (45 +
Figure 112014037035984-pat00055
)		 0.71/1.41 0.5/2 0.26/3.85 0
Cos (30 +
Figure 112014037035984-pat00056
)		 0.87/1.15 0.71/1.41 0.5/2 0.26/3.85 0
Cos (15 +
Figure 112014037035984-pat00057
)		 0.97/1.03 0.87/1.15 0.71/1.41 0.5/2 0.26/3.85
도 3은 표 1을 도식한 것으로 주어진 회전판 빔 입사각도
Figure 112014037035984-pat00058
값에 따른 회전각
Figure 112014037035984-pat00059
와 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00060
(328)의 값을 그래프로 나타낸 것이다. 부연하면, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 회전각과 특성변수
Figure 112014037035984-pat00061
의 상관관계 곡선 및/또는 설계점(327)을 보여주는 그래프이다.
보다 자세하게는 간섭계의 형상을 결정하는 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00062
(328)을 도입하고 간섭계 회전판의 회전각
Figure 112014037035984-pat00063
(도 2의 224)의 상관 관계를 그래프로 도식(도 3)하고 측면 반사경
Figure 112014037035984-pat00064
으로부터 회전판(220)으로 빔이 입사하는 입사각
Figure 112014037035984-pat00065
(도 2의 221)에 따른 회전각
Figure 112014037035984-pat00066
(224)와 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00067
(328)의 상관 관계를 곡선으로 그리고 회전판의 두께
Figure 112014037035984-pat00068
(도 2의 223)과 분광 분해능
Figure 112014037035984-pat00069
의 값에 따른 회전각
Figure 112014037035984-pat00070
(224)와 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00071
(328)의 상관 관계를 곡선으로 도식하여 설계 최적값을 찾아가도록 하는 그래프이다.
Figure 112014037035984-pat00072
(28)값과 함께 고려하여야 하는 것이 분광 분해능이다. 모든 FTIR 분광용 간섭계는 분광 분해능에 요구를 갖는다. 간섭계의 분광 분해능은 수학식 2로 표현되며 회전형 간섭계의 광경로차에 대한 식으로부터 계산할 수 있다.
예를 들어 분광분해능
Figure 112014037035984-pat00073
=1
Figure 112014037035984-pat00074
이고 회전판의 두께
Figure 112014037035984-pat00075
=1.5
Figure 112014037035984-pat00076
인 경우
Figure 112014037035984-pat00077
을 가져야 하며, 이 조건에 따라 분광 분해능
Figure 112014037035984-pat00078
=1
Figure 112014037035984-pat00079
은 동일할 때 회전판의 두께(223)에 따른 곡선을 도 3에 나타내었다.
따라서 최적의 설계값은 회전판 빔 입사각도
Figure 112014037035984-pat00080
을 변수로 한 회전판 빔 입사각도 곡선(312)과 분광 분해능
Figure 112014037035984-pat00081
을 변수로 한 분광 분해능 곡선(311)이 만나는 점에서 형성된다. 분광 분해능
Figure 112014037035984-pat00082
=1
Figure 112014037035984-pat00083
이고 회전판의 두께
Figure 112014037035984-pat00084
=1.5
Figure 112014037035984-pat00085
인 경우 설계값은
Figure 112014037035984-pat00086
=60도일 때
Figure 112014037035984-pat00087
=14.5도,
Figure 112014037035984-pat00088
=45도일 때
Figure 112014037035984-pat00089
=19도,
Figure 112014037035984-pat00090
=30도일 때
Figure 112014037035984-pat00091
=29도,
Figure 112014037035984-pat00092
=15도일 때
Figure 112014037035984-pat00093
=57도이다. 그래프에서
Figure 112014037035984-pat00094
(328) 값은
Figure 112014037035984-pat00095
=30도일 때이며 약 2.0의 값을 갖는다.
부연하면, 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00096
(328)은 회전판의 회전각
Figure 112014037035984-pat00097
(도 224), 회전판의 빔 입사각도
Figure 112014037035984-pat00098
함수로써 빔 입사각도
Figure 112014037035984-pat00099
에 따른 곡선과 분광 분해능
Figure 112014037035984-pat00100
, 회전판의 두께
Figure 112014037035984-pat00101
(도 2의 223) 조건으로 그려지는 곡선이 만나는 점을 간섭계의 설계점으로 선정한다. 이때 공간배치 및 크기의 최적화를 위해서는 특성 변수
Figure 112014037035984-pat00102
(328)이 최소화되는 위치를 선정하고 신호 대 잡음비를 최적화하기 위해서는 회전판의 회전각
Figure 112014037035984-pat00103
(도 2의 224)가 최대가 되는 위치를 선정한다.
여기에서 주의할 것은 회전형 간섭계는 회전판(220)이 90도 회전할 때마다 대칭성을 갖기 때문에
Figure 112014037035984-pat00104
±
Figure 112014037035984-pat00105
의 각도에서 간섭계는 차이를 알 수가 없다는 것이다.
Figure 112014037035984-pat00106
는 (0,90) 사이의 값을 가질 수 있기 때문에
Figure 112014037035984-pat00107
와 90-
Figure 112014037035984-pat00108
가 이에 해당한다.
또한, 분광 간섭계에서 중요한 성능 변수의 하나가 신호 대 잡음비(SNR, Signal-to-Noise Ratio)이다. 신호 대 잡음비는 스펙트럼을 획득하는데 소요되는 시간(integration time,
Figure 112014037035984-pat00109
)의 제곱근에 비례한다.
Figure 112014037035984-pat00110
가 크기 위해서는 동작점에서 회전각의 크기가 커야 한다. 따라서 빔 입사 각고가 작을수록 신호 대 잡음비를 개선하는데 유리하다.
상기의 결과를 토대로 실제 간섭계의 설계를 비교한 것이 도4 내지 도7이다.
물론, 보다 다양한 회전판 빔 입사각도
Figure 112014037035984-pat00111
(도 2의 221)의 값에 따른 간섭계의 형상이 나올 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 간섭계 최적화 구성을 보여주는 도면이다. 특히, 도 4는 기본형에 대한 간섭계 최적화 형상으로서,
Figure 112014037035984-pat00112
=1
Figure 112014037035984-pat00113
,
Figure 112014037035984-pat00114
=1.5
Figure 112014037035984-pat00115
,
Figure 112014037035984-pat00116
=45,
Figure 112014037035984-pat00117
=19도,
Figure 112014037035984-pat00118
=75mm 일 때 배치된 설계이다. 즉, 광선 분할기(410), 회전판(220), 제 1 측면 반사경(430-1), 제 2 측면 반사경(430-2), 제 1 후면 반사경(440-1), 제 2 후면 반사경(440-2) 등의 배치가 일반적인 배치와 유사한 형태를 띠게 된다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 간섭계 최적화 구성을 보여주는 도면이다.
Figure 112014037035984-pat00119
=1
Figure 112014037035984-pat00120
,
Figure 112014037035984-pat00121
=1.5
Figure 112014037035984-pat00122
,
Figure 112014037035984-pat00123
=60,
Figure 112014037035984-pat00124
=29도,
Figure 112014037035984-pat00125
=65mm일 때 배치된 설계이다. 즉, 광선 분할기(410), 회전판(220), 제 1 후면 반사경(440-1), 제 2 후면 반사경(440-2) 등은 일반적인 배치 형상을 띠고, 제 1 측면 반사경(430-1), 제 2 측면 반사경(430-2)은 특정 각도 방향으로 배치되어 제 1 후면 반사경(440-1)과 제 2 후면 반사경(440-2)과 가깝게 배치된다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 간섭계 최적화 구성을 보여주는 도면이다. 도 6은 간섭계의 공간을 최적화하여 배치된 설계이다.
Figure 112014037035984-pat00126
=1
Figure 112014037035984-pat00127
,
Figure 112014037035984-pat00128
=1.5
Figure 112014037035984-pat00129
,
Figure 112014037035984-pat00130
=60,
Figure 112014037035984-pat00131
=29도,
Figure 112014037035984-pat00132
=65mm일 때 배치된 설계이다. 회전판의 빔 입사각은 60도이며, 회전판(220)의
Figure 112014037035984-pat00133
(328) 값의 설계값은 2.0이며 광학유효구경을 고려하여 2.6으로 선택한다. 빔 입사각은 25도~40도 사이의 값을 가질 수 있으며
Figure 112014037035984-pat00134
(328) 값은 2.0~3.0사이의 값을 가질 수 있다. 도 6의 경우, 제 1 측면 반사경(430-1), 제 2 측면 반사경(430-2)은 간격을 좁혀 광선 분할기(410)측에 가깝게 배치되고, 제 1 후면 반사경(440-1)과 제 2 후면 반사경(440-2)은 이러한 제 1 측면 반사경(430-1), 제 2 측면 반사경(430-2)과 멀어지게 배치된다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 간섭계 최적화 구성을 보여주는 도면이다. 도 7은 신호 대 잡음비를 최적화하여 배치된 설계이다.
Figure 112014037035984-pat00135
=1
Figure 112014037035984-pat00136
,
Figure 112014037035984-pat00137
=1.5
Figure 112014037035984-pat00138
,
Figure 112014037035984-pat00139
=15,
Figure 112014037035984-pat00140
=57도,
Figure 112014037035984-pat00141
=100mm일 때 배치된 설계이다.
회전판의 빔 입사각도는 15도이며, 회전판의
Figure 112014037035984-pat00142
(328) 값의 설계값은 2.5이며, 광학유효구경을 고려하여 4로 선택한다. 빔 입사각은 20도 이하의 값을 가질 수 있으며
Figure 112014037035984-pat00143
(328) 값은 3.0~4.0사이의 값을 가질 수 있다. 이 경우 제 1 측면 반사경(730-1), 제 2 측면 반사경(730-2)만이 존재하고, 후면 반사경들은 배치되지 않는 형태를 띠게 된다.
210 : 광선분할기
220 : 회전판
221 : 회전판 빔 입사각도
222 : 빔의 크기
223 : 회전판의 두께
224 : 회전판의 회전각
225 : 회전판의 크기
226 : 축 이동량
227 : 설계점(동작점)
328: 특성 변수

Claims (9)

  1. 광선 분할기, 회전판, 및 다수의 측면 반사경을 갖는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법에 있어서,
    상기 간섭계의 형상을 결정하는 특성 변수를 도입하는 단계;
    상기 회전판의 회전각과 특성 변수의 상관 관계를 그래프상으로 나타내는 단계;
    상기 다수의 측면 반사경 중 하나의 측면 반사경로부터 상기 회전판으로 빔이 입사하는 빔 입사 각도에 따른 회전각과 상기 특성 변수의 상관 관계를 제 1 곡선으로 나타내는 단계;
    상기 회전판의 두께와 분광 분해능에 따른 회전각과 상기 특성 변수
    Figure 112015040152282-pat00156
    (여기서 D는 빔의 크기이고, DR 는 회전판의 크기를 나타낸다)의 상관 관계를 제 2 곡선으로 나타내는 단계; 및
    상기 제 1 곡선과 제 2 곡선이 만나는 점을 상기 간섭계의 설계점으로 결정하는 단계;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전판의 크기는 수학식
    Figure 112015040152282-pat00157
    (여기서
    Figure 112015040152282-pat00158
    는 회전판으로 입사하는 빔의 크기이고,
    Figure 112015040152282-pat00159
    은 측면 반사경에서 회전판으로 빔이 입사하는 빔 입사 각도이고, φω 는 회전판의 회전각을 나타낸다)로 정의되는 것을 특징으로 하는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 특성 변수는 회전판의 회전각 및 회전판의 빔 입사각도의 함수인 것을 특징으로 하는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분광 분해능은 수학식
    Figure 112014037035984-pat00148
    (여기서, xmax는 최대 광로차를 의미한다)로 정의되는 것을 특징으로 하는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭계의 신호 대 잡음비를 기반으로 상기 간섭계의 설계점이 결정되는 것을 특징으로 하는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 신호 대 잡음비는 스펙트럼을 획득하는데 소요되는 신호 획득 시간의 제곱근에 비례하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭계는 FTIR(Fourier Transform Infra-Red) 분광용 간섭계인 것을 특징으로 하는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 간섭계의 공간배치 및 크기의 최적화를 위해서는 상기 특성 변수가 최소화되는 위치를 선정하고 신호 대 잡음비를 최적화하기 위해서는 상기 회전판의 회전각이 최대가 되는 위치가 선정되는 것을 특징으로 하는 적외선 분광용 회전형 간섭계 최적화 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109297600A (zh) * 2018-10-22 2019-02-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置
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