KR20030069799A - 스펙트럼 측정 장치 - Google Patents

스펙트럼 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 스펙트럼 측정 장치에서, 검출기(13)의 검출 표면(13a)은 2차원 검출 표면이고, 분광기로부터 나오는 스펙트럼광은 검출 표면(13a)상의 영역(A)에 조사된다. 스펙트럼광이 조사되는 영역(A)과 다른 검출 표면(13a)상의 영역들에서의 신호 세기는 영역(A)상의 신호 세기로부터 감산된다. 결과적으로, 검출 장치의 표면에서 발생하는 회절과 반사에 의해 발생되는 원하지 않는 광과 스펙트럼 측정 장치 내에서 발생되는 산란광의 역효과들이 제거되는 방식으로, 검출 신호를 처리함으로써 정확한 스펙트럼 세기 신호를 얻는 것이 가능하다(도 4).

Description

스펙트럼 측정 장치{Spectrum measuring instrument}
분광 광도학(spectrophotometry)에서는, 어떤 광 조사도 없는 암 스펙트럼 (dark spectrum)이 실제의 측정 전에 측정된다. 따라서, 순 스펙트럼(net spectrum )은 광을 샘플에 조사하여 실제로 측정된 스펙트럼으로부터 암 스펙트럼의 검출 신호를 감산하여 발견된다.
그러나, 암 스펙트럼만을 측정하는 것은 검출기의 오프셋 신호만을 보상할 수 있다.
광 조사 상태동안, 측정하고자 하는 광과 다른 광이, 스펙트럼 측정 장치의 하우징(housing)내에 발생하는 난반사, 회절 격자의 표면상에 발생하는 확산-반사 (diffuse-reflection), 측정 차수와 다른 차수의 광 등의 영향하에 검출 장치에 또한 입사하고, 이것은 투과광의 스펙트럼의 전체 신호의 레벨을 변경하는 산란광 잡음(stray light noise)을 발생시킨다.
그와같은 원하지 않는 광의 역효과들을 제거하기 위해, 스펙트럼 측정 장치의 하우징의 내부는 검게 페인팅되고, 마스킹 슬릿(masking slit)은 측정 광 진행경로주위에 제공된다. 그러나, 세기 비율에서 10-3또는 그 미만의 차수인 산란광 전부가 이들 방법들에 의해 제거될 수 있는 것은 아니다.
또한, 검출 장치의 표면은 장치를 보호하기 위해 광 투과 윈도우로 일반적으로 덮인다. 그러므로, 검출 장치의 표면으로부터의 규칙적으로 반사된 광은 광 투과 윈도우의 내부 표면에 충돌하고 검출 장치에 다시 도달하여, 투과광의 스펙트럼의 측정 정확도를 열화시킨다. 특히, 검출 장치의 표면은 주기적 구조를 가지므로, 한 특정 방향을 향한 회절된 광은 나머지보다 더 강해진다. 이러한 회절된 광은 또한 광 투과 윈도우의 내부 표면에 충돌하고, 검출 장치에 다시 도달하여, 투과광의 스펙트럼의 측정 정확도를 열화시킨다.
본 발명은 분광기와 분광기로부터 나오는 스펙트럼광을 검출하는 검출기를 포함하는 스펙트럼 측정 장치에 관한 것이다.
도 1은 스펙트럼 측정 장치(1)의 내부의 배열을 도시한 평면도.
도 2는 스펙트럼 측정 장치(1)의 신호 처리 유닛 등의 기능 블록도.
도 3은 오목 회절 격자(2)로부터의 회절광의 행동들을 설명하는 사시도.
도 4는 CCD 검출기(13)를 도시하는 정면도.
도 5는 CCD 검출기(13)의 단면도.
도 6은 y방향을 따라 CCD 검출기(13)의 검출 표면(13a)상의 검출 세기(I)를 그래프로 도시한 도면.
도 7은 CCD 검출기(13)의 검출 표면(13a)이 직접광에 대한 광 수신 영역(A)과 산란광 등에 대한 광 수신 영역(B)으로 분할될 때의 예시적 패턴을 도시한 정면도.
도 8은 검출 표면(13a)에 대해 비스듬히 스펙트럼광이 조사될 때의 입사광을 설명하는 도면.
그러므로, 본 발명은 검출 장치로부터의 검출 신호를 처리하여 스펙트럼 측정 장치내에 발생되는 원하지 않는 광의 역효과들을 제거할 수 있는 스펙트럼 측정 장치를 제공하는 목적을 가진다.
본 발명은 검출 신호를 처리하여 검출 장치의 표면상에서 일어나는 회절과 반사에 의해 발생된 원하지 않는 광의 역효과들을 제거할 수 있는 스펙트럼 측정 장치를 제공하는 다른 목적을 가진다.
본 발명의 제 1 측면은, 검출기가 2차원 검출 표면을 갖고; 분광기로부터 나오는 스펙트럼광은 검출 표면상의 일부분에 조사되고; 신호 처리 유닛은, 스펙트럼광이 조사되는 상기 일부분과 다른, 검출 표면상의 일부분들에서의 신호 세기를 상기 일부분상의 신호 세기로부터 감산함으로써 산란광 등의 역효과들을 배제하는 스펙트럼 신호를 얻는데 이용하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는, 스펙트럼 측정 장치를 제공한다.
스펙트럼 측정 장치내에서 발생되는 산란광 등은 배경으로서 비교적 균일한 방식으로 검출 표면상에 입사된다. 그러므로, 상기 장치에 따라, 감산을 수행함으로써, 산란광 등의 역효과들을 배제하는 스펙트럼 신호를 얻는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명의 스펙트럼 측정 장치에 따라, 검출 장치의 표면에서 일어나는 회절 및 반사에 의해 발생되는 원하지 않는 광과 스펙트럼 측정 장치내에서 발생되는 산란광의 역효과들이 검출 신호를 처리하여 제거될 수 있어, 그에 의해 정확한 스펙트럼 세기 신호를 얻는 것을 가능하게 한다. 본 발명은 넓은 범위의 스펙트럼 세기를 갖는 샘플을 측정할 때 특히 효과적이다.
본 발명의 제 2 측면에 따라, 검출 표면에 광 투과 윈도우가 제공되는 경우에, 스펙트럼 광이 검출 표면에 대각선으로 또는 비스듬히 조사되는 것이 바람직하다. 이것은 비스듬한 입사가 검출 표면과 광 투과 윈도우 사이에 일어나는 규칙적 반사의 역효과들을 피할 수 있기 때문이다. 이러한 경우에, 회절 및 반사로 인해 검출 표면상에 입사하는 원하지 않는 광의 역효과들은 신호 처리 유닛에 의해 수행된 신호 세기의 감산을 통해 제거될 수 있다.
본 발명의 제 3 측면에 따라, 스펙트럼광이 조사되는 검출 표면상의 일부분은 긴 직사각형(elongate rectangle)인 것이 바람직하다. 이것은 분광기로부터 나오는 스펙트럼광이 일반적으로 1차원 스펙트럼이기 때문이며, 분광기의 구조적인이유로, 스펙트럼광은, 조사될 때, 긴 직사각형 모양으로 된다.
본 발명의 제 4 측면에 따라, 검출 표면에 광 투과 윈도우가 제공되는 경우에, 스펙트럼 광이 검출 표면에 대각선으로 또는 비스듬히 조사되는 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 도 8에 도시된 바와 같이, 입사각은, 1차원 스펙트럼이 연장되는 방향(x)과 직각으로 교차하는 방향(y)과 법선(z)에 의해 정의된 평면(y-z)에서, 검출 표면(13a)상에 직각으로 설정된 상기 법선(z)에 대한 각 α로서 정의된다.
이러한 비스듬한 입사는 검출 표면과 광 투과 윈도우사이에 일어나는 규칙적 반사의 역효과들을 피할 수 있다. 이러한 경우에, 회절 및 반사로 인해 검출 표면에 입사하며 방향성을 갖는 원하지 않는 광의 역효과들은 신호 처리 유닛에 의해 수행되는 신호 세기의 감산을 통해 제거될 수 있다.
본 발명의 제 5 측면에 따라, 감산을 위한 신호 세기를 얻는데 이용되는 검출 표면상의 일부분들은 직사각형의 길이의 외측에 위치될 수 있다. 이것은, 직사각형의 길이의 외측 임의의 장소상의 신호 세기로, 신호 처리 유닛에 의해 수행된 신호 세기의 감산을 통해 방향성을 갖는 원하지 않는 광의 역효과들을 제거하는 것이 가능하기 때문이다.
본 발명의 제 6 측면에 따라, 감산을 위한 신호 세기를 얻는데 이용되는 검출 표면상의 일부분들이 또한 직사각형의 길이 및 폭의 외측에 위치될 수 있다.
다음의 서술은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 서술할 것이다.
도 1은 스펙트럼 장치(1)의 내부의 배열을 도시한 평면도이다. 스펙트럼 측정 장치(1)는 흑색 내부 표면, 하우징(11)에 제공된 오목 회절 격자(12) 및 CCD 검출기(13)를 포함한다. CCD 검출기(13)의 검출 표면(13a)은 광 투과 윈도우(13b)로 덮인다. 또한, 홀 슬릿(14)이, 스펙트럼을 측정하고자 하는 (이후에, 측정광으로 불리는) 백색광을 도입하기 위해, 하우징(11)의 벽을 통해 제공된다. 숫자(15)는 CCD 검출기(13)상에서 입사광을 제한하기 위한 광 차폐판을 표기한다.
도 2는 스펙트럼 측정 장치(1)의 신호 처리 유닛 등의 기능 블록도이다. CCD검출기(13)로부터의 검출 신호는 개인용 컴퓨터 등으로 구성된 신호 처리 유닛(2)에 입력된다. 신호 처리 유닛(2)은 산란광 등의 역효과들을 배제하는 순 스펙트럼 세기를 계산한다. 계산의 처리 및 결과는 저장 유닛(4)에 저장되고 때때로 디스플레이 유닛(3)상에 디스플레이된다.
도 1을 참조하여 설명한다. 슬릿(14)을 통과한 측정광은 오목 회절 격자(12)에 조사되고, 그로부터 0차광, 1차광, 2차 또는 고차광이 반사되고 회절된다. 이것은, 각각의 차수들의 모든 광중에서, 단지 1차광이 CCD 검출기(13)에 도달하고, 0차광, 2차광 또는 고차광을 포함하는 다른 차수들의 광이 광 차폐판(15)에 의해 차단되고 하우징(11)의 내벽에 흡수되는 그러한 방식으로 배열된다. 그러나, 실제적으로, 다른 차수들의 모든 광이 흡수되지는 않으며, 흡수된 광의 일부분은 오목 회절 격자(12)에 충돌하고, 회절 격자(12)의 표면상에서 일어나는 난반사와 확산-반사에 의해 산란광으로서 CCD 검출기(13)에 입사한다. 또한, 슬릿(14)을 통과한 측정광 자체는 회절 격자(12)의 표면에서 일어나는 확산-반사와 난반사(그러나 회절에 의한 것은 아님)에 의해 CCD 검출기(13)에 입사하고, 이러한 입사광은 또한 산란광으로서 간주될 수 있다.
본 발명에서, CCD 검출기(13)에 입사하는 광은 CCD 검출기(13)의 검출 표면(13a)상의 넓은 영역에 걸쳐 분산되는 것으로 가정된다.
도 3은 오목 회절 격자(12)로부터의 회절된 광의 행동들을 설명하는 사시도이다. 오목 회절 격자(12)는 플랫 촛점형(flat focus type)으로 불리는 타입이며, 주어진 지점으로부터 조사된 광의 영상을 1차원 스펙트럼으로서 형성한다. 여기서,방향(x)은 1차원 스펙트럼의 방향으로서 주어지고, 방향(z')은 오목 회절 격자(12)의 중심(12a)을 향해 연장하는 방향으로서 주어진다. 또한, 방향(z)은 검출 표면(13a)의 법선 방향으로서 주어지고, 방향(y)은 방향들(x 및 y)과 직각으로 교차하는 방향으로서 주어진다. 방향(z')은 방향(z)에 대해 일정한 각 α만큼 기울어진다.
도 4는 CCD 검출기의 정면도이고, 도 5는 동일한 것의 단면도이다. 도 4에서, CCD 검출기(13)의 검출 표면(13a)은 2차원 x-y 평면상에서 확장한다.
오목 회절 격자(12)로부터의 광은 z'방향으로 CCD 검출기(13)에 입사하고, 이것은, 이전에 언급된 바와 같이, 검출 표면(13a)의 법선 방향(z)에 대해 각 α만큼 기울어진다. 그러므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 입사광은 검출 표면(13a)에 비스듬히 도달한다. 입사광의 일부분은 광 투과 윈도우(13b)를 직접 통과하고, 검출 표면(13a)에 도달한다. 이러한 광은 이후에 직접광으로 불린다. 나머지 광의 일부분은, 광 투과 윈도우(13b)내에서 반사들을 반복하면서, 광 투과 윈도우(13b)를 통과하고, 검출 표면(13a)에 도달한다.
검출 표면(13a)에 도달한 (직접광을 포함하는) 광은 규칙적으로 반사되고, 회절되거나, 또는 검출 표면(13a)으로부터 난반사되고, 광 투과 윈도우(13b)의 내부 표면에 충돌하고, 검출 표면(13a)에 다시 도달한다. 광은 검출 표면(13a)이 특정 방향으로 주기적 구조(픽셀 어레이)를 가지므로 회절된다. 광 투과 윈도우(13b)의 내부 표면에 충돌하고 검출 표면(13a)에 다시 도달하는 광은 제 2 입사광으로 불린다.
도 5에서, 제 2 입사광은 검출 표면(13a)상의 직접광으로부터 구별될 수 있도록 예시된다. 그러나, 실제적으로, 제 2 입사광은 다음 두가지 이유들 (1)과 (2)로 직접광의 광 수신 영역을 포함하는 넓은 영역에 걸쳐 분산되는 것으로 가정된다.
(1) 규칙적 반사뿐 아니라 회절도 검출 표면(13a)상에 일어나고, 난반사가 광 투과 윈도우(13b)의 내부 표면과 검출 표면(13a)상에서 일어나기 때문이며,
(2) 도 3에 도시된 바와 같이, 오목 회절 격자(12)로부터의 광의 입사각이 y-z 평면에서 볼 때 일정한 각 θ내에 속하기 때문이다.
그러므로, 직접광은 스펙트럼을 가장 정확하게 재생하는 광이며, 제 2 입사광을 산란광에서와 같이 잡음으로서 다루는 것이 적당하다.
도 4에서, 점선으로 둘러싸인 대문자 A로 표기된 부분은 직접광이 충돌하는 검출 표면(13a)상의 영역이다. 대문자 B로 표기된 빗금친 부분인 나머지는 산란광과 제 2 입사광(이후에, 산란광 등으로 집합적으로 불림)의 세기가 측정되는 영역이다.
숫자값들에 의해 더 특정하게 하면, 예를들어, 각각의 검출 장치(픽셀)의 크기는 25 ㎛ ×25 ㎛이다. 검출 표면(13a)은 1024 ×128 픽셀들을 갖고, 점선에 의해 둘러싸인 영역(A)의 폭(WA)은 20-픽셀 너비이다. 또한, 광 투과 윈도우(13b)의 두께(d1)는 0.6 mm이고, 광 투과 윈도우(13b)와 검출 표면(13a)사이의 거리(d2)는 2.3 mm이다.
도 6은 y 방향을 따라 CCD 검출기(13)의 검출 표면(13a)상의 검출 세기(I)를나타내는 그래프이다. 그래프의 피크는 직접광의 측정 스펙트럼의 세기를 나타낸다. 산란광의 세기(I0)와 제 2 입사광의 세기(I1)는 검출 표면(13a)에 걸쳐 관찰된다.
도 7은 CCD 검출기(13)의 검출 표면(13a)이 직접광 수신 영역(A)과 산란광 등의 수신 영역(B)으로 분할될 때의 예시적 패턴을 도시하는 정면도이다. 산란광 등의 수신 영역(B)은, 직접광 수신 영역(A)에 대해 +y 방향 및 -y 방향으로 각각 위치한 세그먼트들(B1 및 B2)과, 직접광 수신 영역(A)에 대해 +x 및 -x 방향으로 각각 위치한 세그먼트들(B3 및 B4)로 구성된다. 직접광 수신 영역(A)의 폭(WA)은 약 20-픽셀 너비이고, 산란광 등의 수신 세그먼트들(B1 내지 B4) 각각의 폭(WB)은 약 10-픽셀 너비이다. 직접광 수신 영역(A)과 산란광등의 수신 세그먼트들(B1 내지 B4) 각각의 사이의 공간(WC)은 약 10-픽셀 너비이다.
영역(A) 및 세그먼트들(B1 내지 B4)로부터의 신호들은, 전하 이동에 의해 연속적으로 CCD 검출기(13)의 검출 표면(13a)상에서 발생되는 전하들을 취출(take out)하고, 아날로그-디지털 변환기에 의해 동일한 것을 디지털적으로 처리하고, 소프트웨어로 처리함으로써 서로 구별될 수 있다.
신호 처리 유닛(2)(도 2 참조)은 산란광 등의 수신 세그먼트들(B1 내지 B4)상의 신호 세기들을 평균하고, 직접광 수신 영역(A)상의 신호 세기로부터 결과를 감산하고, 그에 의해 산란광 등의 역효과들을 배제하는 순 스펙트럼 신호 분배가 얻어질 수 있다.
상기 서술은 본 발명의 양호한 실시예를 서술하였다. 그러나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 상기 실시예는 플랫 초점 타입 오목 회절 격자(flat focus type convex diffraction grating)를 이용한다. 그러나, 본 발명은, 평면 회절 격자와 토로이드형 미러(toroidal mirror)를 이용하는 체르니-터너형 분광 광도계(Czerny-Turner type spectro photometer)와 같은 다중-채널 분광기, 에버트형 분광기(Ebert type spectroscope) 및 그 수정된 버전에 적용가능하다. 또한, 산란광 등의 수신 세그먼트들(B1 내지 B4)상의 신호 세기들은 평균되고, 결과는 상기에 논의된 처리에서 직접광 수신 영역(A)상의 신호 세기로부터 감산된다. 그러나, 산란광 등의 수신 세그먼트들(B1 및 B2)상의 신호 세기들이 평균될 수 있고, 결과가 대신에 직접광 수신 영역(A)상의 신호 세기로부터 감산된다. 또한, 가중치들(weights)이 평균시에 지정될 수 있다. 대안으로, 산란광 등의 수신 세그먼트들(B1 내지 B4)중 임의의 한 세그먼트상의 신호 세기만이 직접광 수신 영역(A)상의 신호 세기로부터 감산될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 특정 용어들을 이용하여 서술되었지만, 그와같은 서술은 예시적인 목적들을 위한 것이며, 변경들 및 변화들은 다음의 청구항들의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (6)

  1. 분광기와 상기 분광기로부터 나오는 스펙트럼광을 검출하는 검출기를 포함하는 스펙트럼 측정 장치로서,
    상기 검출기는 2차원 검출 표면을 갖고,
    상기 분광기로부터 나오는 스펙트럼 광은 상기 검출 표면상의 일부분에 조사되고,
    신호 처리 유닛은, 상기 스펙트럼 광이 조사되는 상기 일부분과 다른, 상기 검출 표면상의 일부분들에서의 신호 세기를 상기 일부분상의 신호 세기로부터 감산함으로써 산란광(stray light) 등의 역효과들을 배제하는 스펙트럼 신호를 얻는데 이용하기 위해 제공되는, 스펙트럼 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 표면에는 광 투과 윈도우가 제공되어, 상기 스펙트럼 광은 상기 검출 표면에 비스듬히 조사되는, 스펙트럼 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스펙트럼광이 조사되는 상기 검출 표면상의 상기 일부분은 긴 직사각형인, 스펙트럼 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 검출 표면에는 광 투과 윈도우가 제공되어, 상기 스펙트럼광은 상기 검출 표면에 비스듬히 조사되는, 스펙트럼 측정 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    감산을 위한 상기 신호 세기를 얻는데 이용되는 상기 검출 표면상의 상기 일부분들은 상기 직사각형의 길이의 외측에 위치되는, 스펙트럼 측정 장치.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    감산을 위한 상기 신호 세기를 얻는데 이용되는 상기 검출 표면상의 상기 일부분들은 상기 직사각형의 길이 및 폭의 외측에 위치되는, 스펙트럼 측정 장치.
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