KR101598347B1 - 링 필드의 기하학적 분석에 기초한 오프너 영상 분광기 - Google Patents

Abstract

링 필드의 기하학적 분석에 기초한 오프너 영상 분광기가 개시된다. 외부의 입사광을 반사하는 오목 거울(concave primary mirror); 상기 오목 거울에 의해 반사되는 입사광을 회절시키는 구경 조리개(aperture stop)를 구비하는 볼록 회절 격자(convex grating); 상기 볼록 회절 격자에 의해 회절된 광을 반사하는 오목 3차거울(concave tertiary mirror); 상기 오목 3차거울에 의해 반사되는 회절광에 의해 형성된 이미지를 감지하는 CCD 감지기(charge-coupled device detector)를 포함하는 수차 분석기(aberration analyzer)를 구성한다. 상술한 볼록 격자를 구비한 분광기를 이용한 링필드 분석 장치에 의하면, 하나의 볼록 격자와 2개의 오목 거울로 구성되는 오프너 영상 분광기로 구성되며, 광 차단(ray obstruction)을 배제할 수 있는 오프너 영상 분광기의 설계를 구현하는 효과가 있다.

Description

링 필드의 기하학적 분석에 기초한 오프너 영상 분광기{OFFNER IMAGING SPECTROMETER BASED ON GEOMETRICAL ANALYSIS OF RING FIELDS}

본 발명은 영상 분광기(imaging spectrometer)에 관한 것으로서, 구체적으로는 오프너 영상 분광기(Offner imaging spectrometer)에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 링 필드의 기하학적 분석에 기초한 오프너 영상 분광기에 관한 것이다.

영상 분광기(imaging spectrometer)는 물질이 방출 또는 흡수하는 빛의 분광 스펙트럼과 2차원 영상을 제공하는 장비이다. 따라서, 일반 분광기와 달리 한 점에 대한 분광 스펙트럼이 아니라 특정 시계에 대한 모든 분광 영상을 제공하기 때문에 분광기의 슬릿(slit)이 10-20 mm로 긴 것이 특징이다.

분광기는 스펙트럼 분리의 원리에 따라 프리즘 분광기, 간섭 분광기, 격자 분광기 등이 있으며, 그 중 격자 분광기는 회절 격자를 이용한 분광기로서 긴 슬릿을 사용해야 하는 영상분광기에서 수차보정이 용이하면서도 컴팩트한 구성이 가능하다.

또한, 반사형 회절 격자를 사용하는 경우, 프리즘 분광기와 달리 유리에 의한 빛의 흡수가 없기 때문에 광효율이 좋으며, 가시광뿐만 아니라 적외선이나 자외선의 분광에도 적합하다.

격자 분광기에는 주로 평면 격자, 오목면 격자, 계단 격자 등이 사용되며, 볼록면 격자는 거의 이용되고 있지 않다.

볼록면 격자의 경우 이를 설계(design)하기 위한 기본적인 함수가 개시되어 있지 않은 실정이다.

한편, 오프너 영상 분광기(Offner image spectrometer)는 높은 분광분해능 (spectral resolution)을 가지기 때문에 변칙 탐지(anomaly detection), 표적 인지(target recognition), 배경 특성화(background characterization)과 같은 응용 분야에 매우 적합하다.

오프너 영상 분광기는 일종의 공심 격자 분광기(concentric grating spectrometer)로서 제로 수차 링(ring of zero aberration)을 사용하면, 수차도 적고 분광분해능도 우수하다.

그런데, 오프너 영상 분광기에서는 구경(aperture)의 크기가 늘어남에 따라 심각한 광 차단(ray obstruction)이 증가되는 문제점이 있다. 이에, 오프너 영상 분광기에서 기존에 사용되던 제로 수차 링(ring of zero aberration)을 수정할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 링 필드의 기하학적 분석에 기초한 오프너 영상 분광기를 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 목적에 따른 링 필드의 기하학적 분석에 기초한 오프너 영상 분광기는, 물체(슬릿)에서 입사되는 입사광을 반사하는 오목 거울(concave primary mirror); 상기 오목 거울에 의해 반사되는 입사광을 회절시키는 구경 조리개(aperture stop)를 구비하는 볼록 회절 격자(convex grating); 상기 볼록 회절 격자에 의해 회절된 광을 반사하는 오목 3차거울(concave tertiary mirror); 상기 오목 3차거울에 의해 반사되는 회절광에 의해 형성된 이미지를 감지하는 CCD 감지기(charge-coupled device detector)를 포함하는 수차 분석기(aberration analyzer)를 포함하도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 볼록 격자는, 100 라인/밀리미터(lines/mm)의 격자 홈(grating groove)이 형성되도록 구성될 수 있다.

그리고 상기 오목 주거울은, -299.6 mm의 반경, -138.7 mm의 상기 볼록 회절 격자까지의 거리(간격), 49 mm의 반구경(Sem-Dia)으로 구성되고, 상기 볼록 회절 격자는, -151.2 mm의 반경, 138.7 mm의 상기 오목 거울까지의 거리(간격), 21.5 mm의 반구경(Sem-Dia)으로 구성되고, 상기 오목 3차거울은, -296.6 mm의 반경, -285.3 mm의 상거리, 51 mm의 반구경(Sem-Dia)으로 구성될 수 있다.

상술한 볼록 격자를 구비한 분광기의 링 필드 분석 장치에 의하면, 하나의 볼록 격자와 2개의 오목 거울로 구성되는 오프너 영상 분광기로 구성되며, 광 차단(ray obstruction)을 배제할 수 있는 오프너 영상 분광기의 설계 방안을 제시한다. 곡률반경, 회절 격자 간격, 회절 차수, 곡률 반경 등의 변수를 입력하면, 시스템의 필드 위치가 바로 계산되는 식을 하나로 유도하여, 시스템 변수가 변하더라도 최단 시간에 모든 파장에서 광선의 차폐 없이 초기 설계가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼록 격자를 구비한 분광기를 이용한 수차 분석 장치의 개략 구성도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 유효 F수(working f-number)를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 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 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 링 필드의 기하학적 분석에 기초한 오프너 영상 분광기의 개략 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 링 필드의 기하학적 분석에 기초한 오프너 영상 분광기(이하, '오프너 영상 분광기'라 함)(100)는 오목 주거울(concave primary mirror)(110), 볼록 격자(convex grating)(120);, 오목 3차거울(concave tertiary mirror)(130), CCD 감지기(charge-coupled device detector)(140)를 포함하도록 구성될 수 있다.

본 발명에서는 오프너 영상 분광기(Offner imaging spectrometer)에서 발생되는 광 차단(ray obstruction)이 생기지 않도록 하는 물체 높이(object height)를 산출하여 오프너 영상 분광기(100)를 설계함으로써, 수차가 적으면서도 광차단이 없도록 한다.

이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.

오목 주거울(110)은 물체(슬릿)에서 입사되는 입사광을 반사하도록 구성된다.

볼록 회절 격자(120)는 오목 주거울(110)에 의해 반사되는 입사광을 회절시키는 구경 조리개(aperture stop)를 구비하도록 구성된다.

볼록 회절 격자(120)는 100 라인/밀리미터(lines/mm)의 격자 홈(grating groove)이 형성된다.

오목 3차거울(130)은 볼록 회절 격자(120)에 의해 회절된 광을 반사하도록 구성된다.

수차 분석기(140)는 오목 3차거울(130)에 의해 반사되는 회절광에 의해 형성된 이미지를 감지하도록 구성된다.

오프너 영상 분석기(100)의 상세 구성은 다음과 같다.

오목 주거울(110)은 -299.6 mm의 반경, -138.7 mm의 볼록 회절 격자(120)까지의 거리(간격), 49 mm의 반구경(Sem-Dia)으로 구성될 수 있다.

그리고 볼록 회절 격자(120)는 -151.2 mm의 반경, 138.7 mm의 오목 주거울(110)까지의 거리(간격), 21.5 mm의 반구경(Sem-Dia)으로 구성될 수 있다.

그리고 오목 3차거울(130)은 -296.6 mm의 반경, -285.3 mm의 상거리, 51 mm의 반구경(Sem-Dia)으로 구성될 수 있다.

오프너 영상 분광기에서 잘 알려진 기존의 제로 수차 링(ring of zero aberration)은 다음과 같이 도출될 수 있다.

여기서,

는 제로 수차 링에 해당하는 물체 영역(object field)이며, 수학식 1은 이 높이

를 산출하는 데 이용된다. 그러나, 구경(aperture)이 늘어날수록 광 차단이 심해지며, 수차도 심하게 발생하게 된다. 이에, 수학식 1에 좀 더 물체 높이 조건을 더 가미하여 수차를 제거하는 과정이 요구된다.

광 차단없는 링(ring without ray obstruction)은 다음 수학식 2와 같이 도출될 수 있다.

여기서,

은 1보다는 약간 크다. 음의

은 양의 f 수로 변환된다. 수학식 2는 물체 높이

로부터의 광이 주어진 수의 개구의 격자로부터 방해되어서는 안된다는 조건으로부터 도출된다. 이는 쉴딩 기하학(shielding geometry)을 분석하여 얻어질 수 있다. 수차는 개구의 숫자에 기인하여 영(zero)보다는 약간 크게 증가하나 이는 오프너 영상 분광기의 최소 수차이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 유효 F수(working f-number)를 나타내는 그래프이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 제로 수차 링(ring of zero aberration)과 광 차단없는 링(ring without obstruction)을 f-수 함수로서 나타내고 있다. 여기서, 회절 차수

은 도 2a에서는 +1, 도 2b에서는 -1이다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 물체로부터 슬릿을 통해 입사되는 입사광을 반사하는 오목 주거울(concave primary mirror);
   상기 오목 주거울에 의해 반사되는 입사광을 회절시키는 구경 조리개(aperture stop)를 구비하는 볼록 회절 격자(convex grating);
   상기 볼록 회절 격자에 의해 회절된 광을 반사하는 오목 3차거울(concave tertiary mirror);
   상기 오목 3차거울에 의해 반사되는 회절광에 의해 형성된 이미지를 감지하는 CCD 감지기(charge-coupled device detector)를 포함하는 수차 분석기(aberration analyzer)를 포함하고,
   상기 볼록 회절 격자는,
   100 라인/밀리미터(lines/mm)의 격자 홈(grating groove)이 형성되고,
   상기 오목 주거울은,
   -299.6 mm의 반경, -138.7 mm의 상기 볼록 회절 격자까지의 거리(간격), 49 mm의 반구경(Sem-Dia)으로 구성되고,
   상기 볼록 회절 격자는,
   -151.2 mm의 반경, 138.7 mm의 상기 오목 주거울까지의 거리(간격), 21.5 mm의 반구경(Sem-Dia)으로 구성되고,
   상기 오목 3차거울은,
   -296.6 mm의 반경, -285.3 mm의 상거리, 51 mm의 반구경(Sem-Dia)으로 구성되며,
   광 차단(ray obstruction)이 없는 링(ring)은 하기 수학식과 같이 도출되며,
   [수학식]
   

   

   
   여기서,

   

   는 링 필드의 크기,

   

   은 오목 거울의 곡률 반경, r_g는 볼록 회절 격자면의 곡률 반경,

   

   은 회절 차수,

   

   는 파장,

   

   는 회절 격자(grating)의 격자 간격,

   

   은 상면으로 도달하는 최외곽 광선(marginal ray)의 광축(optic axis)과의 각도,

   

   (f-number)는 영상 장비의 광량을 표현하는 수치이며,

   

   은 1보다는 크고 1.5보다 작으며, 음의

   

   은 양의 f 수로 변환되는 것을 특징으로 하는 링 필드의 기하학적 분석에 기초한 오프너 영상 분광기.
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