KR101683465B1

KR101683465B1 - 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법

Info

Publication number: KR101683465B1
Application number: KR1020150166135A
Authority: KR
Inventors: 고진석; 정진일
Original assignee: 한국기초과학지원연구원
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-12-07

Abstract

다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법에 있어서,
상기 램프와 측정대상 광원의 광이 슬릿을 통해 상기 분광기에 조사되어 분광되고, 분광된 광이 멀티트랙으로 구성된 CCD 어레이에 각 트랙별로 입사되는 단계와, 상기 CCD 어레이에 소정 간격의 레퍼런스 트랙별로 보정용 파장성분(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)이 표시되고, 표시된 상기 보정용 파장성분의 피크신호에 대한 픽셀 위치(x₁, x₂, x₃, x₄)를 획득하는 단계와, 상기 레퍼런스 트랙별 보정용 파장성분에 대한 다항식 보간을 이용하여 관계식 f(x)를 산출하는 단계; 및 상기 CCD 어레이의 각 픽셀(x_i)에 대하여 상기 멀티트랙의 각 트랙별 관계식 f(x_i)를 이용한 보간을 수행하여 각 픽셀의 보정값(f_j(x_i))을 산출하는 단계;를 포함한다.

Description

다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법{IN-SITU CALIBRATION METHOD OF SPECTROSCOPY USING MULTIPLE EMISSION SOURCES}

본 발명은 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법에 관한 것이다.

분광기는 입사된 빛을 회절격자에 반사시켜 파장에 따라 분해시키는 광학장치로서, 분광기에서 분해된 빛을 전기신호로 변환시켜주는 전하결합소자(CCD : Charge-Coupled Divice)의 배열판에 파장에 따라 다른 위치로 입사되어 그 결과가 스펙트럼 분포로 표현된다.

도 1은 통상적인 분광기 및 전하결합소자를 이용한 스펙트럼의 측정 원리를 도식화한 도면으로 도 1에 도시된 바와같이, 세로로 정렬된 복수의 광섬유로부터 분광기로 입사되는 빛은 광섬유 위치에 따라 전하결합소자 배열판의 가로축에 분광 결과가 스펙트럼 분포를 가지며 나타나게 된다.

여기서, 전하결합소자 배열판의 가로축은 파장을 나타내고, 세로축은 입사되는 광섬유의 수직 위치 또는 광섬유의 개수를 나타낸다. 또한 복수의 광섬유로부터 조사된 빛에 의한 신호들이 전하결합소자 배열판에 스펙트럼이 형성되는 과정이 도 2에 도시되어 있는 데, 도 2와 같은 전하결합소자를 이용한 측정 방식을 멀티트랙(multi track) 측정 방식은 측정 대상이 다른 공간에 위치하고 있을 때, 다수의 광섬유들을 이용하여 측정 대상의 스펙트럼을 측정하거나 측정 대상으로 복수의 광원을 동시에 측정하고자 할 때 유용하게 사용될 수 있다.

대한민국공개특허공보 제2000-0051127호

본 발명에 따른 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법은 통상적인 분광기의 멀티트랙 측정방식에서 제기되고 있는 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전하결합소자(CCD)의 멀티트랙 모드와 다중 선방출원을 이용하여 분광기와 전하결합소자의 파장-픽셀 보정이 스펙트럼 측정과 동시에 이루어지도록 한 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법이 제공됨에 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 적분구에 수용된 램프와 측정대상 광원의 광을 분광하는 분광기와, 상기 분광기에 의해 분광된 분광신호들을 픽셀 위치에 따라 전기신호의 세기로 표현하는 CCD 어레이를 포함하고, 상기 적분구에 수용된 램프에 인가된 선방출원을 이용한 분광기 보정방법에 있어서, 상기 램프와 측정대상 광원의 광이 슬릿을 통해 상기 분광기에 조사되어 분광되고, 분광된 광이 멀티트랙으로 구성된 CCD 어레이에 각 트랙별로 입사되는 단계와, 상기 CCD 어레이에 소정 간격의 레퍼런스 트랙별로 보정용 파장성분(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)이 표시되고, 표시된 상기 보정용 파장성분의 피크신호에 대한 픽셀 위치(x₁, x₂, x₃, x₄)를 획득하는 단계와, 상기 레퍼런스 트랙별 보정용 파장성분에 대한 다항식 보간을 이용하여 관계식 f(x)를 산출하는 단계; 및 상기 CCD 어레이의 각 픽셀(x_i)에 대하여 상기 멀티트랙의 각 트랙별 관계식 f(x_i)를 이용한 보간을 수행하여 각 픽셀의 보정값(f_j(x_i))을 산출하는 단계를 포함하는 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법이 제공됨에 의해서 달성된다.

이때, 상기 보정용 파장성분의 픽셀 위치는, 상기 보정용 파장성분의 피크신호에 대하여 가우시안 보간을 적용하여 산출될 수 있다.

또한, 상기 관계식 f(x)를 도출하는 단계에서, 상기 레퍼런스 트랙별 보정용 파장성분의 다항식 보간은 상기 픽셀 위치(x)와, 상기 픽셀 위치에서의 픽셀과 보정용 파장성분의 실제 파장 차이(x - λ)를 통해 수행되는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 각 픽셀의 보정값을 산출하는 단계에서, 상기 CCD 어레이의 임의 픽셀(i)과 임의 트랙(j)에서 최종적으로 보정된 상기 측정대상 광원의 보정된 파장값은 다음의 수학식에 의해서 산출될 수 있다.

수학식

λ_i = x_i + f_j(x_i)

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법은 멀티트랙의 CCD 어레이의 각 픽셀에 분포된 측정대상 광원의 파장을 기알려진 다중 선방출원을 이용하여 동시에 실시간으로 보정함으로써, 정밀하고 복잡한 분광 신호 해석을 요구하는 분야에서 별도의 파장 보정 실험없이 정확하고 신속한 분석 및 보정 결과 획득이 가능한 장점이 있다.

또한, 다중 선방출원을 응용 분야에 적합하게 모듈화 경량화하여 상품화가 가능하며, 해석 및 분석 코드를 표준화하여 다양한 소프트웨어로 개발이 가능할 수 있다.

그리고, 분광기 및 CCD 제작 분야, 정밀 광학 대역 필터 제조분야 등의 분광 신호를 이용하는 이공학 연구개발 및 산업체에서 널리 이용될 수 있다.

도 1은 통상적인 분광기 및 전하결합소자를 이용한 스펙트럼의 측정 원리를 도식화한 도면.
도 2는 전하결합소자를 이용한 측정 방식을 멀티트랙(multi track) 측정 방식이 도식화된 도면.
도 3은 본 발명에 따른 다중 선방출원을 이용한 멀티트랙 분광기의 구성도.
도 4에 본 발명에 채용되는 CCD 어레이에서 각 레퍼런스 트랙에서의 각 픽셀 위치별 관계식 (f(x)) 그래프.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

부가적으로, 각 도면에 걸쳐 표시된 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 본 발명의 설명된 실시예의 논의를 불필요하게 불명료하도록 하는 것을 피하기 위해 공지된 특징 및 기술의 상세한 설명은 생략될 수 있다. 본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 도 3은 본 발명에 따른 다중 선방출원을 이용한 멀티트랙 분광기의 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티트랙 분광기의 보정방법은 선방출원 램프를 수용할 수 있는 적분구(100)와, 적분구(100)에 수용된 램프와 측정대상 광원(light source)의 광을 전달 및 조사하는 광파이버(110)와, 광파이버(110)에서 조사된 광을 분광하는 분광기(도면 미도시, 도 1 참조) 및 상기 분광기(10)에 의해 분광된 분광신호들을 픽셀 위치에 따라 전기신호의 세기로 표현하는 전하결합소자 배열판(120, 이하, 'CCD 어레이'라 함)을 포함하여 수행될 수 있다.

상기 복수의 광파이버(110)들은 슬릿(111)을 통해 일렬로 배열되고, 적분구(100)에 수용된 램프 및 측정대상 광원으로부터 전달되는 광을 분광기(10)에 조사한다.

상기 적분구(100)는 복수의 램프들이 수용 가능하도록 개조되어 각 램프에 다중의 선방출원 신호가 동시에 받아들일 수 있도록 하며, 램프의 수와 각 램프에 인가되는 선방출원의 수는 분광기(10)의 측정 범위와 측정대상 광원의 수에 따라 가변될 수 있다.

상기 적분구(100)에 수용된 램프들과 측정대상 광원이 조사되는 분광기(10)는 콜리메이팅 미러(11)와, 회절격자(12, diffraction grating)와, 포커싱 미러(13)로 구성된다. 상기 분광기(10)는 슬릿(111)을 통해 광이 조사되는 광파이버(110)와 CCD 어레이(120) 사이에 광을 파장별로 분해하여 CCD 어레이(120)에 입사되고, CCD 어레이(120)는 파장별 분광 신호를 픽셀 위치에 따른 전기신호의 세기로 표현할 수 있다.

이때, 상기 분광기(10)는 광파이버(110)와 CCD 어레이(120) 사이에 위치하는 구성요소 중 하나로 도 1에 구체적으로 도시되어 있으며, 광을 분광하는 구성과 그 역할이 본 실시예에 동일하게 적용되는 것이어서 도면의 구체적인 도시는 생략하고, 도 1에 도시된 분광기와 동일한 역할을 하는 분광기의 각 구성요소에 대하여 간략히 설명하기로 한다.

상기 분광기(10)의 콜리메이팅 미러(11)는 광파이버(110)에서 조사된 광을 평행광으로 변환하여 반사시키는 미러로 본 실시예에서는 입사된 광이 반사될 때 평행광으로 변환되어 회절격자(12)에서 광의 성분 또는 파장별로 분광된다. 회절격자(12)에서 분광되는 광은 크게 적외선, 자외선, 가시광선 등의 성분별로 분해될 수 있으며, 본 실시예에서는 파장 영역별로 분해되는 데, 예를 들어 가시광 영역에서 수소, 중수소, 탄소 및 네온 등의 선방출원으로 분해될 수 있다. 회절격자(12)에서 분해된 광은 포커싱 미러(13)로 입사, 반사되어 CCD 어레이(120)의 가로축 임의 픽셀에 각 파장별로 입사되고, 각 파장의 분광 신호가 CCD 어레이(120)에서 전기신호의 세기로 표현된다.

상기 CCD 어레이에서 측정된 파장, 즉 스펙트럼은 정확한 해석을 위해서 CCD 어레이의 픽셀과 실측된 파장의 상관관계에 따른 분산식을 정확히 알아야 한다. 통상적으로 CCD 어레이에서 실측된 각 픽셀에서의 측정대상 광원의 파장에 대한 보정은 별도의 분산식 보정 실험을 통해 파장과 CCD 어레이의 픽셀간의 대응 관계식을 산출하는 데, 파장이 정확히 알려져 있는 선방출원의 파장(스펙트럼)을 이용하게 된다.

이때, CCD 어레이의 감도는 주변 온도에 따라 불규칙하게 가변될 수 있기 때문에 이와 같은 분산식 보정 방법은 측정 환경에 따라 수시로 수행될 수 밖에 없어 정확한 측정대상 광원의 보정이 어려웠었다.

또한, 분광기를 구성하는 미러 또는 렌즈와 같은 광학적 구성요소들이 미세한 배열 오차를 가질 수 있고, 분광기 출구와 CCD 어레이 입구와의 배열 오차 등으로 인해 실제 파장과 CCD 어레이 픽셀간의 관계가 비선형으로 구성될 수 있어 통상의 보정 방법은 파장의 측정 범위를 조절하기 위해 분광기를 구성하는 회절격자를 보정시마다 회전시키는 경우가 발생될 수 있다.

상기 CCD 어레이(120)는 세로축이 복수로 분광기(10)에서 분광된 분광 신호들이 구분되어 수광될 수 있는 멀티트랙 형태로 구성될 수 있다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예는 3개의 보정용 멀티트랙인 레퍼런스 트랙(a, b, c)으로 구분되고, 각 레퍼런스 트랙 사이에 측정대상 광원의 파장별 전기신호의 세기가 임의 픽셀 위치에 색상별로 표시된다. 또한, 3개의 레퍼런스 트랙에 입사되어 보정 기준, 즉 레퍼런스로 이용되는 광원은 4개의 선방출원으로 구성될 수 있다. 이때, 4개의 선방출원은 655 ~ 663㎚의 가시광선 영역에서 그 측정 범위가 이미 알려진 수소(656.101㎚), 중수소(656.281㎚), 탄소(657.805㎚ 및 658.288㎚) 및 네온(653.288㎚ 및 659.895㎚) 등의 선방출원으로 구성될 수 있다.

이와 같이 3개의 레퍼런스 트랙에 표시된 4개의 선방출원은 크기가 일정한 보정용 파장성분(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)으로 구분되며, 이러한 보정용 파장성분(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)을 기준으로 레퍼런스 트랙(a, b, c) 사이의 트랙에 검출된 측정대상 광원의 파장별 보정이 CCD 어레이의 각 픽셀 위치에서 수행될 수 있다.

상기 측정대상 광원이 CCD 어레이의 각 픽셀 위치에서 파장별로 보정하는 방법에 대하여 자세하게 살펴보면 다음과 같다.

본 실시예에 따른 분광기 보정방법은 적분구(100)에 수용된 복수의 램프에 4개의 다중 선방출원이 적용되고, 적분구(100)에 수용된 램프의 분광된 광이 3개의 레퍼런스 트랙으로 구분된 CCD 어레이(120)에 표시되어 측정대상 광원(130)의 파장별 보정이 수행될 수 있다.

먼저, 적분구(110)에 수용된 램프와 측정대상 광원의 광이 분광기에 입사되면, 각 광들은 분광기를 통해 분광되어 CCD 어레이에 입사되고, CCD 어레이의 각 레퍼런스 트랙(a, b, c)별로 표시된 보정용 파장성분(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)의 피크신호에 대해 선펙트럼의 유한한 폭확장(line broadening)을 고려하며 선스펙트럼 라인 위치를 찾기에 적합한 가우시안(gaussian) 보간을 적용하여 CCD 어레이에서 보정용 파장성분(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)의 픽셀 위치(x₁, x₂, x₃, x₄)를 획득한다.

다음, 각 레퍼런스 트랙(a, b, c)의 보정용 파장성분(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)과 픽셀 위치(x₁, x₂, x₃, x₄)를 통해 도 4에 도시된 바와 같은 형태의 각 레퍼런스 트랙에서의 각 픽셀 위치별 관계식(f(x)) 그래프가 산출될 수 있는 바, 도 4에 도시된 그래프에서 X축은 CCD 어레이의 픽셀 위치(x)이고, Y축은 픽셀-파장의 차이(Δλ), 즉 픽셀과 보정용 파장성분의 실측된 파장과의 차이(x - λ)이다.

이와 같이, 도 4에 도시된 X축과 Y축의 산출된 측정 데이터를 통한 다항식 보간을 이용하여 관계식(f(x))을 도출하고, CCD 어레이의 각 래퍼런스 트랙(a, b, c)별로 보정용 파장성분(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)의 관계식인 f_a(x), f_b(x), f_c(x)를 산출한다.

이 후에, 도 4에 도시된 그래프에서 CCD 어레이의 각 픽셀(x)별로 멀티트랙의 트랙별 데이터를 이용하여 Δλ의 보간을 수행한다. 예를 들어, CCD 어레이의 멀티트랙 중 b의 레퍼런스 트랙과 c의 레퍼런스 트랙 사이에 위치한다고 가정된 j번째 신호트랙의 i번째 픽셀인 x_i에 대한 보정값을 획득하고자 한다면, CCD 어레이의 멀티트랙 데이터 세트인 [a, b, j, c]와 x_i 픽셀에서의 픽셀-파장의 차이값으로 Δλ 데이터 세트인 [f_a(x_i), f_b(x_i), f_j(x_i) f_c(x_i)]를 이용한 다항식 보간에 의해 j번째 신호트랙의 i번째 픽셀의 보정된 f_j(x_i)를 산출할 수 있다.

이때, 상기와 같이 각 레퍼런스 트랙(a, b, c)의 보정용 파장성분(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)을 이용하여 CCD 어레이의 임의 트랙, 즉 j번째 신호트랙의 i번째 픽셀에 대하여 최종적으로 보정된 파장값은 아래의 수학식 1에 의해서 구할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 분광기를 이용한 실시간 분광기 보정방법은 멀티트랙을 구성하는 CCD 어레이에 조사된 측정대상 광원의 분광 성분에 대하여 이미 알려진 선방출원의 파장과 분광기를 거쳐 분광된 광의 실측된 파장 및 가우시안 보간의 적용에 의해 획득된 픽셀 위치를 이용하여 CCD 어레이의 각 픽셀에 분포된 측정대상 광원의 파장을 실시간으로 동시에 보정할 수 있다.

또한, 본 실시예는 앞에서 언급한 분광기 및 CCD 어레이 내부의 배열과 광학적 구성요소들의 오차 뿐만 아니라 분광기 입구의 슬릿에서의 광파이버 거치 오차 및 광파이버의 수직 배열시 발생될 수 있는 오차들도 보정이 가능할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10. 분광기
100. 적분구
110. 선방출원 신호가 전송되는 광파이버
111. 슬릿
120. CCD 어레이
130. 측정대상 광원과 연결된 광파이버

Claims

적분구에 수용된 램프와 측정대상 광원의 광을 분광하는 분광기와, 상기 분광기에 의해 분광된 분광신호들을 픽셀 위치에 따라 전기신호의 세기로 표현하는 CCD 어레이를 포함하고, 상기 적분구에 수용된 램프에 인가된 선방출원을 이용한 분광기 보정방법에 있어서,
상기 램프와 측정대상 광원의 광이 슬릿을 통해 상기 분광기에 조사되어 분광되고, 분광된 광이 멀티트랙으로 구성된 CCD 어레이에 각 트랙별로 입사되는 단계;
상기 CCD 어레이에 소정 간격의 레퍼런스 트랙별로 보정용 파장성분(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)이 표시되고, 표시된 상기 보정용 파장성분의 피크신호에 대한 픽셀 위치(x₁, x₂, x₃, x₄)를 획득하는 단계;
상기 레퍼런스 트랙별 보정용 파장성분에 대한 다항식 보간을 이용하여 관계식 f(x)를 산출하는 단계; 및
상기 CCD 어레이의 각 픽셀(x_i)에 대하여 상기 멀티트랙의 각 트랙별 관계식 f(x_i)를 이용한 보간을 수행하여 각 픽셀의 보정값(f_j(x_i))을 산출하는 단계;를 포함하는 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법.
제1항에 있어서,
상기 선방출원은 가시광선 영역에서 파장이 규정된 수소, 중수소, 탄소 및 네온을 포함하는 다중 선방출원으로 구성된 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법.
제2항에 있어서,
상기 보정용 파장성분의 픽셀 위치는, 상기 보정용 파장성분의 피크신호에 대하여 가우시안 보간을 적용하여 산출되는 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법.
제1항에 있어서,
상기 관계식 f(x)를 도출하는 단계에서,
상기 레퍼런스 트랙별 보정용 파장성분의 다항식 보간은 상기 픽셀 위치(x)와, 상기 픽셀 위치에서의 픽셀과 보정용 파장성분의 실제 파장 차이(x - λ)를 통해 수행되는 단계를 더 포함하는 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법.
제1항에 있어서,
상기 각 픽셀의 보정값을 산출하는 단계에서,
상기 CCD 어레이의 임의 픽셀(i)과 임의 트랙(j)에서 최종적으로 보정된 상기 측정대상 광원의 보정된 파장값은 다음의 수학식에 의해서 산출되는 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법.
수학식
λ_i = x_i + f_j(x_i)
제2항에 있어서,
상기 레퍼런스 트랙의 보정용 파장성분은 상기 다중 선방출원의 알려진 파장 성분을 기준으로 실제로 실측된 파장값이 각 픽셀의 보간에 적용되는 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법.
제2항에 있어서,
상기 적분구는 다중 선방출원의 램프가 동시에 수용 가능하게 구성되고, 상기 다중 선방출원은 상기 분광기와 CCD 어레이의 측정범위와 멀티트랙의 트랙수에 따라 가변되는 다중 선방출원을 이용한 실시간 분광기 보정방법.