KR20090118367A - Beam spectrometer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 분광분석기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존에 비하여 측정 속도 및 측정 정밀도가 향상된 분광분석기에 관한 것이다.The present invention relates to a spectrometer, and more particularly, to a spectrometer having improved measurement speed and measurement accuracy compared to the conventional art.
분광분석기는 측정대상물에 해당하는 시료에 광을 조사하여 초기의 광 에너지 대부 흡수 및 투과된 광의 세기 변화를 측정하는 장비이다. 이 경우, 흡수 및 투과된 광의 세기를 파장에 따라 측정한다면 시료의 정성 및 정량 분석에 이용할 수 있다. 어느 특정 파장의 광과 시료를 이루는 물질의 상호 작용에 따라 독특한 분광 스펙트럼이 얻어질 수 있기 때문이다.The spectroscopic analyzer is a device for measuring the change in the intensity of the initial light energy absorption and transmitted light by irradiating light to the sample corresponding to the measurement object. In this case, if the intensity of the absorbed and transmitted light is measured according to the wavelength, it can be used for qualitative and quantitative analysis of the sample. This is because a unique spectral spectrum can be obtained depending on the interaction of light of a certain wavelength with the sample material.
도 1은 일반적인 구조의 분광분석기를 나타내는 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도 2는 도 1의 모노크로메이터에서 출구 슬릿을 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 종래의 분광분석기는 광원(10), 모노크로메이터(monochromator, 11), 측정대상물(12), 광 검출기(13)를 갖추어 기능한다. 상기 모노크로메이터(11)는 입구 슬릿(S1)으로부터 입사 다 파장광을 단 파장광으로 변환하여 출구 슬릿(S2)으로 방출하며, 시간에 따라 다른 파장의 광을 방출한다. 이를 위해, 상기 모노크로메이 터(11)는 그 내부에 시간에 따라 회전하는 그레이팅부(14) 등을 구비하여 구성되며, 출구 슬릿(S1)의 형상은 도 2에 도시된 바와 같이 폭이 세로 방향으로 좁게 형성된다. 이 경우, 도 2에 도시된 출구 슬릿(S1)은 측정대상물(12)로부터 바로 본 형상에 해당한다. FIG. 1 is a schematic view showing a spectrometer of a general structure, and FIG. 2 shows an outlet slit in the monochromator of FIG. Referring to FIG. 1, the conventional spectrometer functions with a
상기 모노크로메이터(11)를 통과한 단색광은 측정대상물(12)을 투과한 후에 측정용 광(Lo)으로서 광 검출기(13)에 입사되며, 상기 광 검출기(13)는 시간에 따라 입사되는 측정용 광(Lo)의 세기를 검출한다. 즉, 상기 광 검출기(13)는 각각의 파장을 시간 차에 따라 검출하는 것이다. 이에 따라, 측정에 사용되는 모든 파장의 광이 입사해야만 측정이 완료될 수 있으므로, 분석 시간이 많이 소요되는 문제가 있다.The monochromatic light passing through the
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 종래에 비하여 측정 속도가 현저히 향상되며, 측정 오차가 최소화된 분광분석기를 제공하는 데에 있다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a spectroscopic analyzer that the measurement speed is significantly improved compared to the prior art, the measurement error is minimized.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention,
여러 파장 성분이 혼합된 광을 측정대상물에 조사하기 위한 광원과, 상기 광원으로부터 방출된 광을 스펙트럼 분산시키며, 상기 분산된 광을 출구 슬릿을 통하여 한번에 방출시키는 광 분산부와, 상기 광 분산부로부터 방출된 상기 분산된 광을 측정용 광 및 기준용 광으로 분할하며, 이들 중 상기 측정용 광만이 상기 측정대상물에 조사되도록 배치된 제1 광 분할기와, 상기 측정대상물을 투과한 상기 측정용 광과 상기 기준용 광을 동일한 경로로 유도하는 제2 광 분할기 및 상기 제2 광 분할기를 거친 상기 측정용 광 및 상기 기준용 광을 수광하여 각 광의 파장에 따른 세기를 측정하는 광 검출기를 포함하는 분광분석기를 제공한다.A light source for irradiating the measurement object with light mixed with various wavelength components, a light scattering unit for spectrally dispersing the light emitted from the light source, and emitting the scattered light through the outlet slit at once; A first light splitter arranged to divide the emitted light into measurement light and reference light, wherein only the measurement light is irradiated to the measurement object, and the measurement light transmitted through the measurement object; A spectrometer comprising a second light splitter for guiding the reference light in the same path, and a photo detector for receiving the measurement light passing through the second light splitter and the reference light and measuring the intensity according to the wavelength of each light. To provide.
본 실시 형태에서 채용된 상기 광 분산부는 상기 광 분산부 내에 고정 배치된 그레이팅부를 구비하며, 상기 그레이팅부는 입구 슬릿을 통하여 입사된 광을 파장에 따라 서로 다른 경로로 상기 출구 슬릿으로 반사시키는 구조를 가질 수 있다.The light dispersing part employed in the present embodiment includes a grating part fixedly disposed in the light dispersing part, and the grating part has a structure for reflecting light incident through the inlet slit to the outlet slit in a different path according to a wavelength. Can be.
상기 제1 광 분할기와 제2 광 분할기 사이의 상기 측정용 광의 경로 상에 배치되어 상기 측정용 광을 상기 제2 광분할기 방향으로 반사시키는 제1 반사미러를 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 제1 반사미러는 상기 측정용 광이 반사 후에 폭이 좁아지도록 오목한 형상을 갖는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 상기 제1 광 분할기와 상기 제2 광 분할기 사이의 상기 기준용 광의 경로 상에 배치되어 상기 기준용 광을 상기 제2 광 분할기 방향으로 반사시키는 제2 반사미러를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 반사미러는 상기 기준용 광이 반사 후에 폭이 좁아지도록 오목한 형상을 갖는 것이 바람직하다.And a first reflection mirror disposed on a path of the measurement light between the first light splitter and the second light splitter to reflect the measurement light in a direction of the second light splitter. It is preferable that the first reflection mirror has a concave shape so that the measurement light becomes narrow after reflection. Similarly, the second light splitter may further include a second reflection mirror disposed on a path of the reference light between the first light splitter and the second light splitter to reflect the reference light toward the second light splitter. It is preferable that the second reflection mirror has a concave shape so that the width of the reference light becomes narrow after reflection.
바람직하게는, 상기 광 분산부의 출구 슬릿은 그 폭이 상기 분산된 광의 폭보다 크거나 같은 것일 수 있다.Preferably, the outlet slit of the light scattering portion may have a width equal to or greater than the width of the scattered light.
한편, 상기 광 검출기는 서로 다른 파장의 광을 검출할 수 있도록 복수의 검출기 어레이 구조로서 채용될 수 있다. 또한, 상기 광 검출기는 상기 측정용 광과 상기 기준용 광을 동시에 수광할 수 있다.Meanwhile, the photo detector may be employed as a plurality of detector array structures to detect light having different wavelengths. The photo detector may simultaneously receive the measurement light and the reference light.
분석 정밀도 측면에서, 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 광 분할기는 투과광과 반사광의 세기가 서로 동일하도록 입사빔을 분할할 수 있다.In terms of analysis precision, preferably, the first and second light splitters may split the incident beam such that the intensity of the transmitted light and the reflected light is the same.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래에 비하여 측정 속도가 현저히 향상되며, 측정 오차가 최소화된 분광분석기를 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a spectrometer with a significantly improved measurement speed and a minimum measurement error compared with the conventional art.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 분광분석기의 구조를 개략적으로 나타내는 모식도이며, 도 4는 도 3의 광 분산부에서 출구 슬릿을 나타낸다. 이 경우, 도 4에 도시된 출구 슬릿(S3)은 측정대상물(12)로부터 바로 본 형상에 해당한다. 본 실시 형태에 따른 분광분석기는 광원(10), 광 분산부(101), 제1 및 제2 광 분할기(105a, 105b)제1 및 제2 반사미러(106a, 106b), 광 검출기(103)를 구비하여 구성된다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 측정대상물(12)은 상기 제1 반사미러(106a)와 상기 제2 광 분할기(105b) 사이에 배치되며, 이와 달리, 상기 제1 광 분할기(105a)와 상기 제1 반사미러(106a) 사이에 배치될 수도 있다.FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the structure of a spectrometer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows an outlet slit in the light scattering portion of FIG. 3. In this case, the outlet slit S3 shown in FIG. 4 corresponds to the shape seen directly from the
상기 광원(10)은 측정대상물(12)에 여러 파장 성분이 혼합된 광을 조사하여 분석에 사용하기 위한 것이며, 주로 자외선-가시광선 대역의 파장 광이 사용될 수 있다. 상기 광원(10)에서 방출된 광은 입구 슬릿(S1)을 통하여 광 분산기(101)에 들어간다. 상기 광 분산기(101)는 상기 광원(10)에서 방출된 다 파장광을 스펙트럼 분산시켜 출구 슬릿(S3)을 통하여 방출한다. 이를 위해, 상기 광 분산기(101)는 종래와 달리 고정된 그레이팅부(104)를 구비하며, 상기 그레이팅부(104)는 입사된 광이 파장에 따라 서로 다른 경로를 갖고, 출구 슬릿(S3)으로 반사되도록 한다. 종래에서 광 분산 수단으로 제공된 그레이팅부는 회전되어 단 파장광을 시간에 따라 방출하는 것을 특징으로 하지만, 본 발명에서 채용된 그레이팅부(104)는 측정에 사용되는 전 대역의 파장광을 한번에 외부로 방출시킨다. 따라서, 상기 광 분산기(101)는 종래와 달리 출구 슬릿(S3)의 폭이 좌우로 넓은 형상, 구체적으로, 상기 그레이팅부(104)에 의해 분산된 광보다 크거나 같은 폭을 갖는다.The
상기 광 분산기(101)에 의해 한번에 방출된 분산된 광은 후술할 바와 같이, 검출기들의 어레이에 의해 한번에 수광될 수 있으므로, 본 실시 형태에 따른 분광분석기는 그 측정 속도가 현저히 빨라질 수 있다. 한편, 본 실시 형태에서는 광 분산수단으로 그레이팅 구조를 가지고 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 유사한 기능을 수행할 수 있는 다른 구성 요소로 치환할 수 있다. 예컨대, 상기 그 레이팅부(104) 대신, 프리즘 등을 사용할 수도 있을 것이다.Since the scattered light emitted by the
상기 광 분산기(101)의 출구 슬릿(S3)으로부터 방출된 광은 제1 광 분할기(105a)에 의해 제1 및 제2 광(L1, L2)으로 분할되며, 측정대상물(12)이 배치된 위치에 따라 이하에서는, 상기 제1 광을 측정용 광(L1)으로, 상기 제2 광을 기준용 광(L2)이라 한다. 이 경우, 상기 측정용 광(L1)은 상기 제1 광 분할기(105a)에 의해 반사되며, 상기 기준용 광(L2)은 상기 제1 광 분할기(105a)를 투과한다.The light emitted from the exit slit S3 of the
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 측정용 광(L1)만이 측정대상물(12)을 투과한 후 광 검출기(103)에 의해 수광되며, 상기 기준용 광(L2)은 경로에 변화만 있을 뿐 초기 상태 그대로 상기 검출기(103)로 입사된다. 따라서, 상기 광 검출기(103)에 의해 동시에 수광되는 상기 측정용 광(L1) 및 상기 기준용 광(L2)과 비교하여 측정대상물(12)의 물성 등을 분석할 수 있다. 다만, 측정대상물(12)이 상기 제2 광의 경로에 배치된다면 측정용 광과 기준용 광은 서로 바뀔 것이다. 한편, 상기 광 분할기(105a)는 배치 각도, 코팅 물질 등에 따라 광 투과도가 변화될 수 있으며, 본 실시 형태에서는 상기 측정용 광(L1)과 상기 기준용 광(L2)의 크기가 동일하도록 분할하는 것이 분석 정확도를 높이기 위한 측면에서 유리할 수 있다.As shown in FIG. 3, only the measurement light L1 is received by the
제1 광 분할기(105a)에 의해 분할된 후, 상기 측정용 광(L1) 및 상기 기준용 광(L2)은 각각 제1 및 제2 반사미러(106a, 106b)에 의해 반사되어 제2 광 분할 기(105b) 방향으로 진행한다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 상기 제1 반사미러(106a)와 상기 제2 광 분할기(105b) 사이의 상기 측정용 광(L1) 경로에는 분석하고자하는 측정대상물(12)이 배치된다. 특히, 이에 제한되는 것은 아니지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 반사미러(106a, 106b)는 오목한 형상을 가짐으로써, 상기 측정용 광(L1)과 상기 기준용 광(L2)의 폭을 좁힐 수 있다.After being split by the
상술한 바와 같이, 상기 측정용 광(L1)과 상기 기준용 광(L2)은 파장에 따라 분산된 광으로서 공간적으로 퍼져있어 광 검출기(103)에 모두 수광되지 못할 수도 있다. 따라서, 분산된 광을 분석에 사용하는 대신 오목한 형상의 상기 제1 및 제2 반사미러(106a, 106b)를 사용함으로써 공간적인 퍼짐을 어느 정도 보상할 수 있는 것이다. 한편, 상기 측정용 광(L1)은 측정대상물(12)을 투과한 후 제2 광 분할기(105b)를 향한다. 상기 측정용 광(L1)은 측정대상물(12)을 투과한 후 입사 전과 특성, 구체적으로, 스펙트럼 특성이 달라지지만, 설명의 편의를 위해, 이하에서는 측정대상물(12)을 투과한 광도 측정용 광(Lo)으로 표현하기로 한다.As described above, the measurement light L1 and the reference light L2 may be spatially spread as light dispersed according to a wavelength, and thus may not be received by the
상기 제2 광 분할기(105b)에 의해 상기 측정용 광(Lo)은 반사되며, 상기 기준용 광(L1)은 투과되어 다시 서로 동일한 경로로 진행하여 검출용 광(L3)을 형성한다. 이 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 측정용 광(Lo)과 상기 기준용 광(L1)은 하나의 광 검출기(103)에 의해 동시에 수광될 수 있다. 도 5는 도 3의 실시 형태에서 채용된 광 검출기에서 측정용 광 및 기준용 광이 동시에 수광되는 모 습을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 6은 측정용 광 및 기준용 광의 파장별 세기를나타내는 그래프를 하나의 예로서 제시한 것이다.The measurement light Lo is reflected by the second
본 실시 형태의 경우, 광 검출기(103)를 서로 다른 파장의 광을 검출할 수 있는 복수의 검출기를 어레이 형태로 구성하여, 파장에 따라 분산된 상기 측정용 광(Lo) 및 기준용 광(L2)을 동시에 수광할 수 있다. 즉, 도 5에 볼 수 있듯이, 상기 광 검출기(103)에는 측정용 광에 의한 스펙트럼(D1)과 기준용 광에 의한 스펙트럼(D2)을 동시에 얻을 수 있다. In the present embodiment, the
다만, 도 5는 검출될 수 있는 스펙트럼의 한 가지 예를 나타낸 것일 뿐, 광원(10)에서 방출된 광의 파장이나 측정대상물(12)의 특성에 따라, 스펙트럼 영역은 얼마든지 달라질 수 있다. 이렇게 얻어진 스펙트럼을 파장에 따라 그 세기를 도시하면 도 6과 유사한 그래프를 얻을 수 있다. 도 6의 예시 그래프를 참조하면, 측정대상물(12)을 거친 측정용 광(Lo)은 그 세기가 전반적으로 기준용 광(L2)에 비해 작은 것을 볼 수 있다. 이에 따라, 측정대상물(12)이 어느 파장의 광을 얼마만큼 흡수했는지를 알 수 있으며, 이로부터 측정대상물(12)의 물성을 예측할 수 있는 것이다.However, FIG. 5 illustrates only one example of a spectrum that may be detected, and the spectral region may vary depending on the wavelength of the light emitted from the
상술한 바와 같이, 본 발명에서 제안된 분광분석기는 종래와 달리 시간 차에 따라 광을 분산시키기 않고, 스펙트럼 분산된 광이 동시에 측정대상물을 투과하도 록 한다. 또한, 광 검출기를 어레이 형태로 구성하여 측정용 광과 기준용 광을 동시에 수광함으로써 스펙트럼 정보를 거의 실시간으로 얻을 수 있다. 이에 따라, 분석 시간의 단축하여 분석의 효율성을 기할 수 있으며, 또한, 기준용 빔을 사용함으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.As described above, the spectrometer proposed in the present invention does not disperse the light according to the time difference unlike the conventional art, and allows the spectral dispersed light to simultaneously transmit the measurement object. In addition, the photodetector is configured in an array to simultaneously receive the measurement light and the reference light so that spectral information can be obtained in near real time. As a result, the analysis time can be shortened, the efficiency of the analysis can be improved, and the measurement accuracy can be improved by using the reference beam.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Accordingly, various forms of substitution, modification, and alteration may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, which are also within the scope of the present invention. something to do.
도 1은 일반적인 구조의 분광분석기를 나타내는 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도 2는 도 1의 모노크로메이터에서 출구 슬릿을 나타낸 것이다.FIG. 1 is a schematic view showing a spectrometer of a general structure, and FIG. 2 shows an outlet slit in the monochromator of FIG.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 분광분석기의 구조를 개략적으로 나타내는 모식도이며, 도 4는 도 3의 광 분산부에서 출구 슬릿을 나타낸다.FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the structure of a spectrometer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows an outlet slit in the light scattering portion of FIG. 3.
도 5는 도 3의 실시 형태에서 채용된 광 검출기에서 측정용 광 및 기준용 광이 동시에 수광되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 6은 측정용 광 및 기준용 광의 파장별 세기를나타내는 그래프를 하나의 예로서 제시한 것이다. FIG. 5 is a view schematically illustrating a state in which the measurement light and the reference light are simultaneously received by the optical detector employed in the embodiment of FIG. 3, and FIG. 6 is a graph showing the intensity for each wavelength of the measurement light and the reference light. It is presented as an example.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10: 광원 11: 모노크로메이터10: light source 11: monochromator
12: 측정대상물 13, 103: 광 검출기12: measuring
101: 광 분산부 105a, 105b: 제1 및 제2 광 분할기101:
106a, 106b: 제1 및 제2 반사미러 S1: 입구 슬릿106a and 106b: first and second reflecting mirrors S1: inlet slit
S2, S3: 출구 슬릿S2, S3: outlet slit
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