KR20090127377A

KR20090127377A - 분광 광도계 및 측정 방법

Info

Publication number: KR20090127377A
Application number: KR1020097022993A
Authority: KR
Inventors: 크리스 브라운; 브라이언 티 프리드햄; 존 피터 코티스
Original assignee: 무토 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2009-12-10
Also published as: WO2008124542A8; JP2013040952A; EP2132542A4; US8279441B2; HK1142673A1; CN102494776A; JP2010523984A; EP2811273A1; HK1168894A1; CN102494776B; US20100148083A1; CN101680804B; WO2008124542A1; CN101680804A; EP2132542A1

Abstract

분광 광도계는 원형상 어레이에 배열된 복수의 LED를 포함하고 있고, 각각의 LED는 펄스폭 변조를 사용하여 결정되는 교정 파워 입력을 가지고 있고 독특한 형광 인광체 코팅 또는 렌즈를 이용하여 결정되는 특유의 파장 밴드를 가지고 있다. LED 중의 적어도 하나는 인광체가 없는 고에너지 UV LED이다. 분광 광도계로 반사되는 빛은 리니어 가변 필터 및 광검출기의 사용을 통해서 소정의 파장 범위로 분할되며, 광검출기로부터의 아날로그 신호는 자동 범위 조정 게인 기술의 사용을 통해서 디지털 값으로 변환된다.

분광 광도계, LED, 펄스폭 변조, 스펙트럼, 백색광, 광로

Description

분광 광도계 및 측정 방법{SPECTROPHOTOMETER AND METHOD}

본 발명은 색의 측정에 관한 것이며, 구체적으로는 빛의 파장을 이에 상응하는 디지털 데이터 표시로 변환함으로써 색의 분광 광도 측정법에 의한 색의 검출 및 평가에 관한 것이다.

농도계 및 대부분의 색채계와 같은 광대역의 스펙트럼 기기는, 비록 기기의 유용성이 특정 목적을 위한 전용의 출력 또는 적은 수의 출력 세트로 제한되지만, 여러 응용분야에 유용하게 사용된다. 단지 RGB 밀도의 측정만이 필요할 때, 농도계는 어떠한 형태의 중간 데이터도 필요없이 직접적이며 적절한 결과를 제공할 것이다. 마찬가지로, 만약 샘플이나 샘플 그룹의 CIELab 값만 필요하거나 이들 샘플의 XYZ 삼자극치 값만 필요하다면, 저렴한 색채계가 그러한 결과들을 제공할 수 있다. 이 장치들은 측정되는 색의 최종적인 스펙트럼 내용을 사용하며 정보를 단지 몇개의 값, 일반적으로 3개의 값으로 줄인다. 그와 같은 3개의 값만 필요한 경우, 이 장치들은 그 목적을 충족시켰다.

비교해보면, 분광 분석 장치(예를 들면, 분광 광도계 및 분광 복사계)는 양 극단에서의 데이터를 나타낸다. 단지 하나의 수치로 구체적인 최종 결과를 제공하는 대신에, 분광 분석 장치들은 샘플의 색, 즉 샘플의 스펙트럼 내용에 대한 가장 기본적인 계량을 제공한다. 일단 수집되고 기록된 스펙트럼 정보는 색을 정량화하는데 사용되는 거의 모든 다른 계량, 예컨대 XYZ, CIELuv와 같은 색채 유닛 및 분석 밀도 등을 계산하기 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 스펙트럼 측정과 더불어 필요한 계산을 실행하기 위하여 색소와 관련된 데이터와 같은 다른 데이터가 필요할 수 있다. 스펙트럼 데이터를 수집하는 것과 관련한 다양한 이점 외에, 조건 등색 및 형광과 같은 스펙트럼 현상을 특성화하는 능력을 가지고 있는 부가적인 이점이 있다.

종래의 분광 광도계는 광원, 검출기, 그리고 샘플로부터 반사되거나 샘플을 투과한 빛을 분산 또는 회절시키기 위하여 사용되는 장치를 사용하고 있으며, 이에의해 스펙트럼 성분을 검출하고 정량화할 수 있다. 일반적으로 사용되는 구성요소는 프리즘 및 회절 격자를 포함한다. 광원을 스펙트럼 성분으로 분산시키고 그 다음에 샘플로부터 반사되거나 또는 샘플을 투과한 빛의 양을 측정하는 장치는 단색화 장치(monochromator)라고 알려져 있다.

프리즘은 일반적으로 유리 또는 플라스틱과 같은 투명한 재료로 만들어지며, 빛을 스펙트럼 성분으로 분산시킨다. 프리즘을 만드는 재료는 공기의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지고 있다. 빛이 하나의 물질로부터 다른 물질로 통과할 때, 빛은 굴절된다. 즉, 빛의 방향이 두 물질의 굴절률간의 차이에 의존하는 양에 의해서 변경된다. 게다가, 굴절각은 파장에 따라 변하므로, 빛을 포함하는 스펙트럼 성분은 공간에서 분산된다. 단일의 센서가 각각의 스펙트럼 성분의 양을 측정하기 위하여 이러한 분산 공간에 걸쳐서 병진 이동되거나, 또는 고정 리니어 센서가 한 번에 스펙트럼 성분 전부를 측정하도록 위치될 수 있다.

비록 메커니즘은 아주 다르지만, 프리즘처럼 회절 격자도 또한 빛을 스펙트럼 성분으로 분산시킨다. 회절 격자는 재료 표면에 미세하고, 평행하며, 동일 간격으로 이격된 일련의 슬릿 또는 선(홈)을 구비한 반사 요소 또는 투과 요소이다. 빛이 이와 같은 요소를 통과할 때, 프라운호퍼 회절에 의해서 패턴이 만들어진다. 프리즘을 능가하는 회절 격자의 장점은 높은 분해능을 제공한다는 것이다.

단일 파장으로 이루어진 빛 즉 단색광이 회절 격자를 통과한 경우, 빛의 파장을 측정하기 위하여 홈 사이의 간격에 관한 정보와 함께 최종적인 회절 패턴을 분석하는 방법이 사용될 수 있다. 만약 빛이 두개의 상이한 파장으로 이루어졌다면, 두개의 패턴이 형성되러 것이며 결과적으로 두개의 별개의 파장이 측정될 수 있을 것이다. 만약 백색광이 회절 격자를 통하여 통과되었다면, 회절 방정식에 의해 정의되는 바와 같이 각각의 파장은 다른 방향으로 보내지며 스펙트럼으로 패턴이 나타날 것이다. 각각의 파장에서의 에너지의 양은 홈의 간격에 의해서 제한되는 스펙트럼 분해능에서 측정될 수 있다. 이러한 간격은 격자 간격(d)으로 지칭된다. 이러한 간격이 좁을수록 스펙트럼은 더욱 넓게 퍼진다.

투과 격자를 만들기 위하여 평면 유리 표면에 또는 반사 격자를 만들기 위하여 폴리싱 연마한 금속 미러에 뾰족한 다이아몬드 끝으로 미세한 홈을 새김으로써 고품질 회절 격자가 제조된다. 홈은 빛을 산란시키고 효과적으로 빛을 통과시키지 않는 반면에 표면의 가공되지 않은 부분은 규칙적으로 빛을 투과 또는 반사하며 슬릿처럼 작용한다. 우수한 회절 격자의 가장 기본적인 요건은 격자의 전체 표면에 걸쳐서 홈이 가능한 동일한 간격으로 되어야 한다는 것이다. 격자의 표면은 그 폭이 최대 25cm가 될 수 있다. 각각의 홈이 새겨진 이후에, 뾰족한 다이아몬드 끝은 올려져서 다음 홈의 위치로 이동되어야만 하며, 이와 같이 어려운 요건을 충족시키는 홈 새김 장치는 거의 존재하지 않는다. 따라서, 고품질 괘선 회절 격자는 매우 고가일 수 있다. 격자가 홀로그래픽 간섭 패턴으로부터 생성되도록 허용하는 포토리소그래픽 기술이 개발되었다. 홀로그래픽 격자는 사인 곡선 홈을 가지고 있으며, 비록 홀로그래픽 격자는 제조 비용이 매우 낮지만 괘선 격자만큼 효율적이지 못하다.

빛을 스펙트럼 성분으로 분산시키기 위하여 사용될 수 있는 세번째 타입의 장치는 패브리 패로 간섭계 또는 패브리 패로 에탈론이다. 비록 두 용어가 종종 같은 것을 의미하는 것으로 사용되지만, 구체적으로 간섭계는 반사율이 높은 두개의 평행한 거울을 사용하는 장치를 지칭하는 것인 반면에 에탈론은 두개의 반사면을 갖춘 투명한 플레이트이다. 이 장치는 찰스 패브리와 알프레드 패로의 이름을 따서 명명된 것이다. 에탈론은 "측정 게이지" 또는 "표준"을 의미하는 불어 etalon에서 유래한 것이다.

일반적으로 말하면, 간섭 측정법은 두개 이상의 입력파를 중첩시키거나 또는 간섭시킴으로써 다른 출력파를 생성하고, 결과적으로 이 출력파를 입력파 사이의 차이에 대한 정보를 얻기 위하여 사용하는 과학적인 연구 방법이다. 간섭 측정법은 두개의 파가 동일한 진폭을 가질 때 같은 위상으로 일치하는 두개의 파는 서로 더해지는 반면에 반대 위상을 갖는 두개의 파는 서로 상쇄되는 원리에 기초한 것이 다. 에탈론의 투과 기능의 변화는 두개의 반사 표면 사이에서 빛의 다중 반사간의 간섭에 의해 야기된다. 투과파의 위상이 같아서 높은 투과가 일어날 때 양의 간섭이 발생한다. 투과파의 위상이 달라서 낮은 투과가 일어날 때 음의 간섭이 발생한다. 다중 반사파가 같은 위상에 존재하는지 여부는 빛의 파장(λ), 에탈론을 통하여 진행하는 빛의 각도(θ), 에탈론의 두께(l), 및 반사 표면 사이의 물질의 굴절률(n)에 의존한다.

빛의 파장과 에탈론 내부로 빛이 진행하는 각도 사이의 관계는 각각의 최대값(m)에 대하여 아래의 식으로 주어진다:

2nlcosθ = mλ

소형 웨지 에탈론이 리니어 센서의 상부에 장착되고, 각각의 파장에서의 상대적인 에너지 양을 측정하기 위하여 센서의 개별적인 포토세트로부터의 신호가 이용된다. 전체 길이와 센서의 포토세트 사이의 거리의 관계 및 웨지 에탈론의 스펙트럼 범위가 이러한 스펙트럼 센서가 실행할 수 있는 스펙트럼 분해능(파장 간격)을 결정할 것이다. 400nm 내지 700nm의 범위 및 128-픽셀 센서에 대해서, 분해능은 대략 3nm이다.

비용이 낮고, 속도가 빠르며, 컴팩트한 분광 광도계를 구성하기 위하여 충분한 백색 광원 및 적절하게 형성된 광학 경로와 더불어 이러한 스펙트럼 센서가 사용될 수 있다. 빠른 속도는 광원으로부터의 단일 백색광 노출 및 단일 포착으로 스펙트럼 데이타를 전부 획득하는데 기여한다. 상응하게 작은 크기의 스펙트럼 센서 및 광학 경로 요건에 의하여 컴팩트한 사이즈가 가능하다. 낮은 비용은 대량으로 저렴하게 제조될 수 있는 소형 웨지 에탈론을 포함한 저렴한 재료를 사용함으로써 달성된다.

광원의 기본적인 요건은 스펙트럼의 가시 부분의 모든 파장에서 거의 같은 에너지 출력을 방사할 수 있어야 한다는 것이다. 고려해야만 하는 다른 특성은 전력 소모량, 열 발생, 자외선 방사와 관련한 안전 문제, 출력의 일관성 및 수명을 포함한다.

텅스텐-할로겐 광원이 상업적인 분광 광도계에 보편적으로 사용되고 있지만, 이러한 광원은 약 450nm 미만의 가시 스펙트럼의 청색 부분에서 에너지가 부족해지는 경향이 있다. 또한 이러한 광원은 상당한 양의 적외선 에너지를 생성하는 경향이 있으며 센서에 집중되는 것을 회피하기 위하여 IR 흡수 또는 차단 광학 요소의 사용을 요구한다. 텅스텐 할로겐 광원의 열에 대한 빛의 효율(빛과 열 사이의 효율)은 단지 약 20%에 불과하며, 발생하는 열은 일반적으로 냉각 시스템 및 환기 시스템으로 처리되어야만 한다.

텅스텐-할로켄 광원의 대안은 크세논 아크 램프이다. 이들 광원은 자외선 및 적외선을 포함하는 약 200nm 내지 2000nm의 범위에서 폭이 넓은 에너지 출력을 생성한다. 이들 광원은 높은 전압을 필요로 하며 소형화하기 어렵다. 크세논 광원의 스펙트럼 출력 또는 스펙트럼 파워 분포는 텅스텐 광원 및 다른 흑체 복사체에 대한 것처럼 완전히 매끄럽지 않고, 오히려 가시 스펙트럼에 걸쳐 많은 스파이크(spikes)를 나타내는 경향이 있으며, 이들 산발적인 에너지 스파이크는 문제를 야기할 수 있다.

색 측정 장치에 점차 보편적으로 사용되고 있는 다른 광원은 발광 다이오드, 즉 LED이다. LED는 전류가 인가될 때 빛의 밴드를 방사하는 반도체 디바이스이며 이러한 효과는 전계 발광으로 알려져 있다. 방사광의 색은 사용된 반도체 재료의 조성에 의존하며 적외선 및 근자외선 뿐만 아니라 스펙트럼의 가시 부분에 해당될 수 있다. LED의 스펙트럼은 아주 좁은 것부터 매우 넓은 것까지 분포한다. 백색광 LED는 단일 LED에 두개 이상의 반도체 재료를 조합하여 제조되었다. 이들 대부분은 청색광 및 황색광을 방출하는 재료로 구성된다. 이들 LED에 의해 방사되는 빛은 주로 백색광이지만, 일반적으로 이것은 매우 차갑거나(푸른빛) 또는 매우 따뜻한(붉은빛) 쪽중 어느 하나인 뚜렷한 바이어스를 가지고 있다. LED의 몇가지 장점은 효율, 낮은 전력 소모, 적외선과 같은 바람직하지 않은 파장을 배제시키는 능력, 및 장기간의 안정적인 수명이다.

다양한 LED가 대부분의 가시 스펙트럼 범위를 포괄하면서 서로 다른 스펙트럼 파워 분포들을 나타내며 사용될 수 있지만, LED에 의해 포괄되는 몇개의 스펙트럼의 구역이 존재한다. LED에 의해 가장 포괄되지 않는 구역은 약 420nm, 485nm, 580nm 및 680nm에 중심을 두는 대역이다. 만약 스펙트럼의 전체 가시 구역을 포괄하는 각각의 LED가 한번에 모두 켜지고 만약 발생하는 빛이 혼합되거나 또는 통합된다면, 혼합된 빛은 색 측정의 목적을 위하여 반사 샘플을 조명하도록 사용될 수 있는 백색광으로 이루어질 것이다.

모든 LED로부터의 빛을 혼합하는 방법 이외의 하나의 대안은 각각 하나의 LED를 개별적으로 켜고 각각의 개별적인 LED에 해당하는 하나의 수치를 취하는 것이다. 이러한 방안은 측정 시간이 상당히 길어지기 때문에 다수의 LED를 구비한 장치에 대해서는 비현실적이다.

도 1 은 선택된 형광 물질의 방출 스펙트럼을 나타낸 그래프.

도 2 는 표준 인광의 방출 스펙트럼의 그래프.

도 3 은 본 발명에 따라 구성된 분광 광도계의 일부에 대한 분해도.

도 4 는 다양한 부분의 공간적인 관계를 설명하는데 유용한 도 3의 분광 광도계의 일부의 단면도.

도 5 는 본 발명의 시스템에서의 펄스폭 변조의 작동을 설명하는데 유용한 로직 흐름도.

도 6 은 본 발명의 시스템에 사용된 것과 같은 펄스폭 변조의 설명에 유용한 기능적인 블록선도.

도 7 은 멀티 LED 시스템에서 펄스폭 변조의 이용을 나타내는 기능적인 블록선도.

도 8 은 둥근 형태의 원통 렌즈에서 기하학적 광로 컨버터를 도시한 도면.

도 9 는 광섬유 형태의 광전송 장치에서 기하학적 광로 컨버터를 도시한 도면.

도 10 은 본 발명에 통합된 스펙트럼 센서 조립체를 개략적으로 도시한 도면.

도 11 은 도 10의 시준 면판에서 광섬유 어레이 또는 모세관 어레이의 선택적인 패턴을 도시한 도면.

도 12 는 본 발명에 사용된 면판의 시준을 설명하는데 유용한, 글라스 기판과 접촉하고 있는 도 10 및 11의 시준 면판(E)의 부분 단면도.

도 13 은 간섭 필터 웨지 코팅의 개략도.

도 14 는 리니어 광검출기 어레이의 개략도.

도 15 광검출기 에레이에서 광검출기의 어긋난 배열을 도시한 개략도.

도 16 은 126 픽셀 어레이를 위한 실제 치수를 나타낸 리니어 광검출기 어레이의 개략도.

도 17 은 본 발명에 따라 구성된 분광 광도계의 하나의 실시예를 개략적으로 도시한 분해도.

도 18 은 본 발명에 따라 구성된 분광 광도계의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 분해도.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 상세하게 본 발명을 설명한다.

광원으로서 LED를 사용하며 한번에 모든 LED를 활성화하는 색 측정 장치를 만들기 위하여, 최종적인 혼합 광이 가시 스펙트럼의 모든 파장에서 거의 동등한 에너지를 갖도록 하는 LED가 선택되어야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 앞서 언급한 스펙트럼 갭이 채워져야 한다. 만약 그렇지 못하고 분실된 에너지의 포켓이 있으면, 혼합 광의 스펙트럼은 매우 불규칙하게 되고 장치의 정확성이 손상 될 가능성이 있다. 이러한 스펙트럼 범위에 걸쳐 LED를 이용할 수 없음에도 불구하고, 추가적인 에너지를 제공하기 위하여 LED와 조합될 수 있는 형광 물질이 이용될 수 있다.

형광은 냉광 또는 콜드 보디 방사의 형태이다. 광자의 물질 분자 흡수가 일반적으로 더 긴 파장의 다른 광자의 방출을 유발할 때 형광이 일어난다. 일반적으로 흡수된 광자의 파장은 자외선 내지 청색 범위에 있고, 방출된 광자의 파장은 형광 물질의 분자 특성에 따라 가시 스펙트럼의 더욱 긴 파장에 들어갈 수 있다. 분말 형태의 형광 물질이 LED를 대체하기 위하여 사용될 수 있는 광학적으로 투명한 에폭시 수지와 혼합되거나 또는 LED로부터 방출된 빛의 광학 경로에 배치될 수 있는 투명한 표면에 코팅될 수 있다. 만약 코팅되지 않은 LED가 적절한 파장을 갖는 방사선을 방출한다면, 코팅했을 때 결과적인 스펙트럼 파워 분포는 원래의 파장을 갖는 감소된 양의 방사선 및 형광 물질과 관련한 더욱 긴 파장을 갖는 가시 광선으로 이루어질 것이다. 상업적으로 이용가능한 여러 개의 형광 물질의 방사 스펙트럼이 도 1에 도시되어 있다.

분광 광도계와 같은 색 측정 장치에 광원으로서 LED 및 형광 물질을 사용하는 것은 다른 종류의 광원을 능가하는 몇가지 이점을 제공한다. 첫째, LED를 포함하고 있는 광원은 전력 소비량 대비 광 출력량에서 매우 높은 효율을 갖고 있다. 예를 들면, LED 및 형광 물질을 사용하는 분광 광도계는 대략 3.5V로 180mA 미만의 전력을 소모하는 것으로 만들어질 수 있어서 일반적인 랩탑 컴퓨터의 USB 포트에서 기기에 전원을 공급할 수 있다. 이러한 종류의 광원에 의해 제공되는 다른 이점은 그 수명이 길어서 교체할 필요가 없다는 것이다. 다른 이점은 원치 않는 적외선 방사가 전혀 없고 현저하게 열이 발생하지 않도록 광원을 구성할 수 있다는 것이며, 따라서 원치 않는 에너지를 제거하기 위해 비용이 많이 드는 서브시스템이 필요 없다.

다양한 LED를 광원으로 사용하는 분광 광도계는 종래의 광원을 사용하여 획득할 수 없는 새로운 특징을 제공할 수 있다. 광원에서 적어도 하나의 LED가 자외 방사선을 방사하는 것일 때, 분광 광도계는 인쇄 매질 및 색소와 같은 다른 물질에서의 형광 조건을 테스트하기 위하여 사용될 수 있다. 잉크젯 프린트, 전자 사진 프린트, 염료 승화 프린트 및 전형적인 은염 프린트를 포함하는 화상 처리에 사용되는 매질은 형광 증백제(FWA : Fluorescent Whitening Agent) 또는 광학 증백제(OBA : Optical Brightening Agent)로 알려져 있는 특수한 증백제를 포함할 수 있다. 이러한 작용제는 정상적으로 반사된 빛에 자외선 방사의 결과인 형광의 일부 빛을 부가함으로써 매질의 밝기를 증가시키기 위하여 사용된다. 이것은 화상에 매우 유용한 것이 될 수 있지만, 매질의 스펙트럼 반사율에 스파이크를 부가함으로써 색 측정을 또한 혼란시킬 수 있다. 자외선 내지 청색 스펙트럼 내용에 부족함이 있는 광원을 사용하는 분광 광도계는 이들 스파이크를 검출할 수 없다.

형광 증백제 및 광학 증백제 외에 또한 잉크젯 프린트에 사용된 잉크, 사진 프린트 및 염료 승화 프린트에 사용된 염료 및 전자 사진 프린트에 사용된 토너가 형광을 나타낼 수 있다. 이것은 원치않는 색 변화를 일으킬 수 있고, 어쩌면 발광 조건 등색의 바람직하지 않은 현상을 일으킬 수 있다. 자외선 LED는 자외선으로 그리고 자외선 없이 샘플을 테스트하는 것을 가능하게 하므로 형광의 존재가 테스트 될 수 있다.

광원으로 LED를 사용하는 것에 부가하여, 각각의 LED로의 전원 공급이 펄스폭 변조(PWM)를 이용하여 제어되어서 LED 밝기를 제어하게 된다. 본 발명의 시스템은 LED를 주요한 조명원으로 사용하는 것이 아니라, 다중층의 형광 인광체를 작동시키는데 필요한 빛 에너지를 제공하는데 사용되며, 상기 형광 인광체는 LED 렌즈 상에 또는 디퓨져 칼라(diffuser collar)로 절개되어 형성된 LED 챔버의 내측 상에 설치되어 있거나, LED로부터의 조명 경로에 설치되어 있다. 이것은 "전기발광" 조명이라 지칭된다. LED 자체는 기본적으로 청색, 보라색 및 자외선이며, 인광체 층을 여기시키기 위하여 100 ㎽ 이상의 자외선 에너지가 LED에 의해서 생성된다. 설명을 위해 선택된 실시예에서, 8개의 LED 각각은 50 ㎃까지 각각의 LED를 구동시킬 수 있는 그 자체의 PWM 회로를 통하여 구동된다. PWM 펄스 주파수를 조정함으로써, 임의 조합의 LED의 밝기를 각각 독립적으로 증가시키거나 또는 감소시킬 수 있다. LED를 구동시키고 저주파수 플리커를 감소시키기 위하여 LED 마다 하나인 8개의 증폭 트랜지스터가 사용된다.

이러한 구성은 펌웨어에서 복수의 밝기 레벨을 미리 세팅하는 것을 허용하며, 단일의 백색점 교정 사이클 동안에 각각을 교정한다. 어두운 샘플에 대해서는 더 높은 밝기 레벨을 선택하고, 밝은 샘플에 대해서는 더 낮은 밝기 레벨을 선택한다(적절하게 배치한 포토다이오드로 측정된 전체 반사광 에너지에 의존하여 선택). 최적에 근접한 밝기 레벨이 선택되며 샘플링 간격은 적절하게 조정된다.

UV LED 및 청색 LED의 빛 에너지 출력을 변화시키기 위하여 형광 인광체 코팅이 사용되었다. 제조 회사는 청색 LED에 황색 형광 인광체를 도포함으로써 "백색" LED를 제조한다. 황색 인광체는 480㎚ 내지 720㎚ 사이의 형광을 내며, LED로부터의 청색광과 조합될 때 만들어지는 최종적인 빛은 460㎚의 피크 파장을 갖는 푸르스름한 백색광이다.

도 1 및 2 는 상업적으로 이용가능한 다양한 인광체의 방출 스펙트럼을 도시하고 있다. 도 1은 여러가지 불연속적인 인광을 나타내는 그래프이며, 도 2의 그래프는 백색광을 만들기 위하여 460㎚ 청색 LED에 도포된 표준적인 황색 인광체의 방출 스펙트럼을 나타내고 있다. 이들 방출 스펙트럼 그래프가 보여주는 것은 짧은 파장의 자외선 에너지 및 청색 에너지는 인광체 분자에 의해서 흡수되고, 긴 파장의 빛 에너지는 방출된다는 것이다. 인광체의 화학적 성질을 미세하게 조정함으로써, 주요한 재방출 파장은 변경될 수 있다. 하지만, 모든 경우에 짧은 파장 에너지는 흡수되고 긴 파장 에너지는 방출된다. 도 1 및 2에 도시된 일련의 인광체는 약 400㎚에서 470㎚까지의 UV LED 및 청색 LED 모두와 양호하게 작동하며, 주황색 및 적색과 같은 더욱 긴 파장의 일부 인광체가 460㎚ 내지 470㎚ 범위에서 청색 LED와 더욱 양호하게 작동하는 것으로 밝혀졌다(청색 LED는 UV LED보다 저렴하다).

일부 인광체가 360㎚ 내지 390㎚ 범위에서 UV-C 에너지에 대하여 최적화되었으며 약 395㎚를 초과해서는 양호하게 작동하지 않는 반면에, 상업적으로 이용가능한 자외선 계열 인광체는 오직 UV LED와만 작동한다. 또한, 인광체 코팅의 밀도를 변경함으로써, 인광체 층을 통과하여 입력되는 원래의 LED 빛의 양이 제어될 수 있 다. 백색 LED의 경우, 밀도가 높은 인광체 층은 원래의 청색빛을 더욱 많이 흡수하게 되고, 백열 전구와 유사한 더욱 따뜻한 노란빛을 띠는 백색광을 산출한다. 마찬가지로, 얇은 인광체 층은 청색광을 더욱 많이 통과시키게 되고, 텅스텐-할로켄 자동차 헤드램프에 충전되는 청색 여과된 크세논 가스와 유사한 푸른빛을 띠는 백색광을 산출한다.

본원 발명자는 종래의 고효율 UV LED 및 청색 LED와 특수한 형광 인광체를 조합하면, 주요 구역에서 포토다이오드 어레이의 감소된 응답도를 보상하기에 충분한 청색/자주색/보라색 에너지와 더불어 표준 CIE D65 일광 발광체에 매우 근접한 것을 얻을 수 있다는 것을 알게 되었다. 게다가, 펄스 크세논 섬광 램프 또는 크세논 충전된 텅스텐 할로겐 램프와 달리, 본원의 전기형광 발광체는 외래적인 가시 에너지를 전혀 생성하기 않으며 실질적으로 적외선도 전혀 생성하지 않는다. 따라서, 매우 낮은 전원으로 매우 높은 효율을 달성한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 분광 광도계의 단순화한 분해도가 도시되어 있다. 인쇄회로기판(10)은 빛 에너지의 검출 및 측정에 의해서 산출되는 신호를 신호처리하기 위해 필요한 구성요소들을 지지한다. 복수의 LED(11)가 인쇄회로기판에 고정되어 있으며 인쇄회로기판으로부터 디퓨져 칼라(15)에 구비된 공동(12)내로 뻗어 있다. 디퓨져 칼라(15)의 공동(12)에 위치된 LED로부터 방사된 빛 에너지는 조리개 원뿔체(18)를 통과하여 반사 특성이 측정되는 시편쪽으로 아래쪽으로 향하게 된다. 렌즈 홀더(20)는 렌즈(21) 및 베이스 디퓨져(23)를 지지한다. 반사광은 디퓨져 칼라의 개구(25) 그리고 렌즈(21) 및 베이스 디퓨져(23)를 통과하여, 이하에 설명하는 방식으로 검출되고 신호를 발생시킨다.

도 4는 여러 부품의 관계를 설명하는데 유용한, 도 3에 도시된 구성요소가 조립된 상태의 단면도이다. LED(11)는 화살표(30)로 도시된 바와 같이 조리개 원뿔체(18)에 구비된 구멍(31)의 밖으로 빛을 향하게 한다. 디퓨져 칼라(15) 각각의 LED용 공동(12)을 제공할 뿐만 아니라 각각의 LED로부터 방사된 빛을 확산시킨다. 반사광은 화살표(32)로 도시된 바와 같이 광학 챔버(34), 렌즈(21) 및 베이스 디퓨져(23)를 통하여 진행된다. 빛은 이하에 설명하는 방식으로 광검출기 상의 트림 필터를 통하여 진행된다. LED(11)는 원형상 어레이로 배열되며 펄스폭 변조를 통합한 조정가능한 전원 인가 기술에 의해서 개별적으로 전원을 공급받는다. 각각의 LED는 각각의 개별적인 LED마다 독특한 인광체를 구비하고 있으며, 상기 인광체는 LED 렌즈에 코팅되거나, 공동(12)내에 코팅으로 사용되거나, 혹은 각각의 LED와 함께 사용되는 특정한 인광체가 결정되는 것에 따라 각각의 LED로부터의 방사를 차단하여 일반적으로 더욱 긴 파장을 발생시키도록 위치될 수 있다.

전기형광 조명의 다른 중요한 이점은 UV 에너지 출력을 제어하는 능력이며, 잉크 및 매질 코팅에서의 형광성에 대한 테스트를 할 수 있다. 잉크, 특히 안료 기반의 잉크는 의도하지 않은 형광을 생성하는 화합물을 포함할 수 있다. 이들 화합물은 자연적으로 발생하는 UV 에너지(예를 들면, 일광)를 흡수할 수 있으며 가시 스펙트럼에서의 다른 곳보다 더욱 긴 파장 에너지를 재방출한다. 이런 현상은 조건 등색 및 색 일관성에 대한 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 현재의 상업적인 프린트 업계에 사용되는 거의 모든 분광 광도계는 UV 에너지를 발생시키거나 또는 UV 에너지를 발생시키지 않는 단일 광원을 사용하고 있다. 그러나, 광 어레이에 적어도 하나의 "인광체가 없는" 395㎚ 고에너지(30 ㎽) UV LED를 추가함으로써 측정 사이클 동안에 생성되는 UV 에너지의 양은 조정가능하며, 잉크 또는 매질 백색제 또는 표면 코팅에서 형광의 영향을 측정하기 위하여 사용될 수 있는 가변 디지털 UV 필터를 생성한다. 단일 샘플의 스펙트럼 반사율은, 매회 UV-C 에너지(350㎚ 내지 400㎚)의 수준을 0%에서 100%까지의 임의의 비율로 다양하게 변경하면서, 복수회 측정될 수 있다. 그런 다음, 실제 조명 및 관측 조건에 맞추어 보상하는데 사용될 수 있는 색 프로파일에 데이터를 통합하거나 또는 분석하기 위하여 결과가 사용자를 위하여 표시될 수 있다.

디지털 펄스폭 변조(PWM)는 부하에 공급되는 파워의 양을 제어하기 위하여 전원의 듀티 사이클를 조절하는 방법이며, 상기 부하는 발광 다이오드(LED), 발광 폴리머 또는 그와 유사한 화합물, 또는 순간 점등 성능 또는 순간 점등에 가까운 성능을 갖는 유사한 종류의 고체상태 발광 장치 등을 들 수 있다. LED 또는 이와 유사한 장치에 제공되는 파워를 제어함으로써, 장치의 겉보기 밝기 또는 출력 강도(방사된 전체 광자 에너지)가 적절한 정밀도로 제어될 수 있다. 따라서, 발광 장치에 제공되는 평균 파워는 PWM 출력의 조절된 듀티 사이클에 직접 비례한다.

LED 또는 이와 유사한 장치가 시각적으로 명멸하는 것을 방지하기 위하여, 펄스의 주파수는 깜박거림이 전혀 없거나 또는 거의 깜박거리지 않고 작동하기에 충분한 적절하게 높은 값으로 설정되어야 한다. 선택된 주파수는 PWM 회로가 출력하게되는 시간 간격(예를 들면, 초)당 펄스 수를 정의한다. 다음에 듀티 사이클은 시간 간격당 펄스 수에 대한 각각의 펄스의 폭으로 정의된다. 예를 들면, 초당 일만번 펄스의 주파수(10 KHz)는 100 마이크로초(㎲)의 최대 펄스폭을 허용한다. 그러므로, 10 KHz 펄스 주파수에서 10 ㎲는 10%의 듀티 사이클을 나타내는 반면에, 동일한 펄스 주파수에서 50 ㎲는 50%의 듀티 사이클을 나타낸다.

마이크로프로세서 제어 디지털 PWM에 있어서, 펄스폭 주기값은 PWM 콤퍼레이터(비교기)를 위한 기준값을 나타낸다. 펄스 발생을 제어하기 위하여 고분해능 타이머/카운터가 사용된다. 카운터 값이 콤퍼레이터 기준값을 초과할 때, PWM 출력은 상태를 전환하며, 펄스 사이클의 끝에서 카운터는 리셋된다. 소정의 펄스 주파수 및 마이크로프로세서의 클록 속도와 상관관계가 있는 타이머/카운터의 분해능은 펄스폭의 가변에 영향을 주는 정밀도를 정의한다. 예를 들면, 1 MHz 클록으로 구동되는 16비트 타이머/카운터는 대략 66 밀리초(㎳)에 0에서 65535까지 증가하게 된다. 따라서 각각의 카운트는 대략 1 ㎲ 간격과 같게 된다.

펄스 주파수가 상술한 바와 같이 정의되므로, 각각의 펄스폭은 거의 1%와 동등한 증가분으로 0에서 100% 듀티 사이클까지 정의될 수 있다. 10 MHz 클록에 대해서, 펄스 주파수는 동일한 펄스폭 제어 정밀도를 갖고 100 KHz로 증가되거나 또는 0.1%의 펄스폭 증가 분해능을 갖고 10 KHz에 유지될 수 있다. 전자의 경우에, 펄스 사이클은 100 ㎲이고 펄스폭은 0 내지 100의 값인 반면에, 후자의 경우에 펄스 사이클 10 ㎲ 이고 펄스폭 범위는 0에서 10이다.

카운터 값이 기준값을 넘어서 증가할 때 PWM 출력은 하이(on)에서 로우(off)로 상태를 변경한다. 그러나, 회로의 기본적인 기능을 변경하는 일없이, 기준값을 초과할 때 로우에서 하이로 전환되도록 회로가 설계될 수 있다. 마찬가지로, 유사한 결과를 갖는 다수의 PWM 방법들이 사용될 수 있다. 펄스폭을 확장하거나 압축하기 위하여 펄스의 중앙 지점이 고정되고 펄스의 양쪽 에지가 이동될 수 있고; 펄스폭을 변화시키기 위하여 펄스의 리딩 에지가 고정되고 트레일링 에지가 이동되거나; 또는 펄스폭을 변화시키기 위하여 펄스의 트레일링 에지가 고정되고 리딩 에지가 이동될 수 있다. 모든 경우에, 동일한 조절 듀티 사이클이 얻어진다.

도 5는 PWM 펄스 발생을 제어하기 위하여 사용된 두개의 타이머/카운터를 도시하고 있다. 타이머 1은 펄스 사이클을 제어하고, 시간 간격당 펄스의 수 또는 펄스 주파수를 정의한다. 이 타이머/카운터가 펄스 사이클 값을 초과할 때, 타이머 1 및 타이머 2는 모두 리셋되고 PWM 출력은 하이로 설정된다. 타이머 2는 펄스폭을 제어하며, 이 타이머/카운터가 펄스폭 (기준)값을 초과할 때 PWM 출력은 로우로 설정되며 두개의 타이머/카운터가 모두 리셋될 때까지 로우를 유지한다.

마이크로프로세서 제어 디지털 PWM에 있어서, PWM 출력은 마이크로프로세서의 출력 핀이 될 수 있다. PWM 출력은 LED 또는 이와 유사한 장치와 같은 발광 장치를 직접 구동하기에 충분하지 않은 파워가 될 수 있다. 그러한 경우에, 추가적인 회로가 사용될 수 있으며, PWM 출력은 직접 구동할 수 있는 것보다 높은 파워의 장치를 제어하도록 허용한다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 통합된 펄스폭 변조의 작동을 설명하는데 유용한 기능적인 블록선도가 도시되어 있다. PWM 출력(35)이 고속 트랜지스터 스위칭 회로(36)를 통하여 대응하는 발광 장치(38)에 인가된다. 펄스폭 변조기(35)가 LED를 적절하게 작동시키는데 충분한 파워를 갖고 있지 않을 경우, 외부 전원(37)이 LED(38)를 구동하기 위한 충분한 파워를 공급한다.

상술한 LED의 어레이와 같이 복수의 발광 장치가 사용될 때, 개별적인 장치 또는 장치의 클러스터 혹은 장치의 그룹을 개별적으로 제어할 수 있는 복수의 PWM 회로 또는 하나 이상의 멀티 채널 PWM이 사용될 수 있다. 유사하게, LED, 유기 LED 또는 다양한 색의 발광 폴리머의 조합과 같이 넓은 스펙트럼 출력을 만들기 위하여 복수의 좁은 밴드의 발광 장치가 사용되는 상황에서, 복수의 PWM 혹은 하나 이상의 멀티 채널 PWM가 사용됨으로써, 조합된 넓은 스펙트럼 출력을 위한 최적의 색 혼합을 얻기 위해 각각의 색 소스의 밝기 또는 강도를 제어할 뿐만 아니라 복합 색을 변경하는 일없이 조합된 출력의 전체 밝기를 제어할 수 있다. 도 7을 참조하면, 외부 전원(40)이 복수의 고속 트랜지스터 스위칭 회로(42, 43, 44)를 통하여 개개의 발광 장치(45, 46, 47)에 파워를 제공하는 간략화된 기능적인 블록선도가 도시되어 있다. 개개의 LED에 대한 전원(40)의 인가는 펄스폭 채널(50, 51, 52)의 대응하는 변조기 채널을 통하여 각각 제어된다. 펄스폭 변조 기술은 널리 알려져 있고 결과적인 신호의 변조 및 이용을 위한 회로는 보편적인 회로 설계 기술이다. 특별한 변조 기술이 본 발명의 일부를 형성하는 것은 아니지만, 선택된 LED에 전원을 공급하고 개별적인 LED에 공급되는 파워를 조절하는 PWM를 실행하는 것은 분광 광도 측정법에 있어서 펄스 변조가 독창적으로 응용되는 경우이다.

발광 장치의 광 출력의 밝기 또는 강도는 일반적으로 주위 온도에 반비례한다는 점에서 대부분의 발광 장치는 온도에 의해 영향을 받기 때문에, 장치의 정상적인 작동 범위를 넘어서는 온도 변화를 보상하기 위하여 온도 센서가 PMW 회로와 함께 사용된다. 온도 센서는 주위 온도를 감지하기 위하여 임의의 편리한 위치에 위치될 수 있다. 예를 들면, 만약 펄스폭에서 각각의 증가분이 밝기에서의 1% 증가를 산출하도록 교정되었고 온도 1℃ 증가는 장치 밝기에서 0.5% 감소를 나타내었다면, 밝기에서의 3% 감소를 야기하는 온도에서의 6℃ 감소는 PWM 펄스 출력의 폭에서 3 증가분에 의해서 옵셋된다. 펄스폭 변조 회로의 사용은 광범위한 작동 온도에 걸쳐서 더욱 안정적인 밝기 수준을 제공할 수 있다.

다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 광학 챔버(34)로 들어간 빛은 기하학적 광 경로 컨버터 또는 광 집중 장치를 통과하며, 상기 컨버터 또는 광 집중 장치는 분광계의 원형 입력 구멍(31)으로 들어온 빛을 스펙트럼 센서의 표면적과 일치하는 좁은 라인으로 인도하고 집중시키도록 설계되어 있다. 광선의 모양을 형성하기 위하여 두가지 기술이 사용될 수 있다. 첫번째 기술은 도 8에 도시된 바와 같은 스펙트럼 센서의 길이와 대략 같은 직경을 갖는 둥근 원통 렌즈를 이용한다. 원통 렌즈(60)는 단지 하나의 축선상에 빛을 모으므로, 렌즈에 입사된 빛은 렌즈의 직경과 대략 같은 길이의 라인을 형성하게 되고 폭은 렌즈의 초점 바로 뒤에 센서를 위치시킴으로써 스펙트럼 센서(61)의 폭과 동일하게 될 수 있다.

도 9를 참조하면, 두번째 기술은 고정물에 끼워져서 에폭시 또는 다른 수단으로 제위치에 고정되는 플라스틱 또는 유사한 가요성(피복되거나 또는 피복되지 않은)의 광섬유 스트랜드로 만들어지는 기하학적 광섬유 컨버터(65)를 사용하는 것이다. 다시 말해, 입력 단부(66)는 대략 길이와 폭이 거의 같은 형태(전체적으로 둥근, 정사각형, 육각형 또는 이와 유사한 기하학적 형태)이고 출력 단부(67)의 폭 과 길이는 스펙트럼 센서(61)의 길이 및 폭과 대략 같게 만들어진 형태를 형성하도록 융합된 광학 등급의 유리 섬유로 만들어진 기하학적 광섬유 컨버터(65)를 사용하는 것이다. 입력 단부 및 출력 단부는 대략 동일한 면적을 가져야 하므로, 대략 2.1 ㎜ x 9.5 ㎜ 또는 면적으로 대략 20 제곱밀리미터인 출력 단부는 대략 동일한 면적의 입력 단부를 갖게 될 것이며, 입력 단부는 한변이 대략 4.5 ㎜인 정사각형 또는 직경이 대략 5 ㎜인 원이 될 수 있다. 파이버 자체는 충분한 광 투과 및 굽힘 지점에서 현저한 광 손실을 방지하도록 파이버 코어내에서 빛 폐쇄를 허용하는 적절한 조리개 수치를 가져야만 한다. 비록 여분의 벽 흡수 재료의 추가 또는 제거, 조리개 수치의 차이 또는 파이버 원재료의 선택(설명한 바와 같이 기본적인 설계와 현저하게 차이가 나지 않게 제공)이 이러한 용도의 컨버터 도관의 기본적인 기능을 현저하게 변화시키지는 않지만, 명암 대비를 향상시키기 위하여 융합된 광학 등급의 유리로 만들어진 컨버터에 상대적으로 작은 비율로 색유리와 같은 여분의 벽 흡수 재료가 첨가될 수 있다.

원통 렌즈와 광섬유 컨버터 도관간의 선택은 빛을 모으는 능력과 구멍 크기간의 선택이며, 양자는 기하학적 광학 컨버터로서 작동한다. 그러나, 렌즈 직경(및 입력 개구)이 스펙트럼 센서의 길이와 대략 동일해야 하기 때문에, 원통 렌즈 구성은 빛을 최대한 모으도록 허용한다. 이 경우, 렌즈는 스펙트럼 센서의 활동적인 면적 외부에 들어갈 수 있는 빛을 센서 면으로 인도하는 빛 집중 장치로서 작동하며, 실제 활동적인 센서 면적보다 몇배 큰 면적으로부터 모아지는 빛을 집중시킨다. 광섬유 도관의 방식에 의할 때, 광섬유 컨버터 도관의 입력 및 출력이 대략 동일할 때 입력 구멍 직경은 더욱 작다. 이러한 방안은 전체적인 빛 수집 능력을 감소시키지만, 더욱 작은 샘플링 면적을 허용하며 광섬유 케이블 및 화상 도관에 대한 직접적인 인터페이스를 더욱 용이하게 한다.

광섬유 케이블과 광학적인 화상 도관(전자는 일반적으로 가요성 플라스틱 파이버로 만들어지고 주로 가시 광선의 투과를 위해서 사용되며, 후자는 일반적으로 가시 광선 및 근적외선 투과 양자에 적합한 광학 등급의 유리 섬유로 만들어진다)에 대한 인터페이스와 관련하여, 기하학적 광섬유 컨버터의 입력 단부는 소정 거리(사용된 재료에 의존) 확장될 수 있으므로 분광계 모듈이 샘플링 구역에 근접되어 있을 필요가 없다. 이것은 샘플링이 어려운 상황 또는 샘플 구역에 인접한 공간이 제한되어 분광계 자체가 사용가능한 크기로 맞춰질 수 없는 경우에 유용할 수 있다.

만약 기하학적 컨버터를 위해 플라스틱 파이버가 사용되면, 파이버 자체는 분광계 개구 밖으로 확장될 수 있고, 길이가 수 센티미터 내지 수 미터가 될 수 있는 가요성 케이블을 형성하기 위하여 다발로 묶음되거나 피복될 수 있다. 만약 유리 섬유가 사용되면, 파이버 묶음은 분광계 개구를 지나 소정 거리 유리 도관으로서 확장될 수 있고, 파이버 묶음은 가요성 광섬유 케이블과 접속되거나 샘플 구역 위에 위치될 수 있다. 이러한 경우에, 유리 도관은 분광계 모듈에 대해 추가적인 광학 구성요소를 인터페이스 하기 적합한 광학적인 돌출부를 형성한다.

본 발명에 통합된 스펙트럼 센서는 다색광 또는 백색광을 350㎚ 내지 750㎚ 파장의 가시 스펙트럼 백색광, 750㎚ 내지 1500㎚ 파장의 근적외선, 1500㎚ 파장 이상의 원적외선 및 350㎚ 미만의 자외선을 포함하는 스펙트럼으로 변환하는 "디지털 프리즘"으로서 작동한다. 스펙트럼 센서 조립체는 세개의 주요한 서브 컴포넌트를 통합한다. 첫째, 관련 파장 영역과 일치하는 포토다이오드, 포토트랜지스터 또는 다른 유사한 광검출 회로를 포함할 수 있으며, 리니어 어레이 또는 장축을 구성하는 포토 사이트의 열과 장축을 구성하는 컬럼이 있는 대략 직사각형의 그룹으로 배열된 복수의 포토 사이트로 구성되는 광 검출 광검출기 사이트의 어레이; 둘째, 광검출기 어레이의 장축을 따라 서브 마이크론 스케일로 웨지 형상을 형성하기 위하여 복합 간섭 코팅층 두께가 에지 대 에지로 변화하는 방식으로 도포된 다중 밴드패스 필터 코팅층으로 형성된 웨지 에탈론 또는 간섭 필터 웨지, 여기에서 각각의 패스 밴드의 중심 파장(CWL : center wavelength)은 코팅 두께의 함수이므로 임의의 지점에서 필터를 통하여 전달된 피크 파장은 필터 코팅 웨지의 방향(센서의 장축의 방향)에서 대략 선형적인 형태로 변화할 것이며; 셋째, 5 내지 100 마이크론 스케일의 직경 및 이와 유사한 중심 대 중심 간격 그리고 일부 비율의 여분의 벽 흡수 재료와 조합된 낮은 조리개 수치를 갖는 광학적으로 투명한 플라스틱이나 유리섬유 광학 요소 어레이를 포함하고 있는 시준 면판(collimating faceplate), 또는 여분의 벽 흡수 타입 재료와 같은 광흡수 재료로 이루어진 유사한 모놀리식 플레이트, 여기에서 5 내지 100 마이크론 스케일의 직경 및 이와 유사한 중심 대 중심 간격을 갖는 구멍 또는 모세관의 어레이가 광흡수 플레이트에 에칭, 드릴링 또는 커팅되었으며 광섬유 또는 모세관 배열 설계로 되어 있는 면판의 목적은 코팅의 평면에 대해 20°보다 큰 입사각을 갖는 광을 받아들이지 않고, 20°미만의 절 반 각도를 갖고 있으며 광검출기의 어레이를 덮는 코팅층의 전체 면적에 대체로 균일한 조사를 제공하기에 충분한 중첩 면적을 구비한 일련의 중첩 발생 콘을 형성하도록 간섭 필터 코팅에 입사되는 광을 시준하는 것이다. 도 10을 참조하면, 본 발명에 통합된 스펙트럼 센서 조립체의 개략적인 예가 도시되어 있다. 이 조립체는 A 내지 E의 층을 예시하고 있는데, 개별적인 층은 아래와 같이 설명될 수 있다:

A. 광검출기 사이트 및 보조 지지 회로를 포함하는 광검출기 어레이

B. 광검출기 어레이를 제조하기 위한 목적으로 간섭 필터 웨지 코팅을 지지하도록 사용되는 유리 기판. 이 부분은 선택사항이다; 코팅은 어레이에 직접적으로 도포될 수 있지만 현행 제조 방법은 이것을 고려하지 않는다. 코팅은 1000 마이크론까지의 두께를 가질 수 있으며, 최적 두께는 500 마이크론이다.

C. 간섭 필터 웨지 코팅 또는 가변 밴드패스 코팅. 매우 얇고 자체 지지하지 못하는 이러한 코팅은 지지 유리 기판, 일반적으로 높은 품질 등급의 광학 유리에 도포되어야 한다.

D. 동일한 종류이어야 하며 굴절률이 "B" 이상과 동일하거나 또는 매우 유사해야만 하는 유리 분리층. 비록 주된 목적은 시준 면판에 의해 생성되는 중첩 발생 콘의 형성을 허용하는 것이지만 이 유리층은 간섭 필터 웨지 코팅을 지지하기 위하여 또한 사용될 수 있다. 이 유리층의 두께는 시준 면판의 기하학적 형태에 의존한다(조리개 수치, 파이버 또는 모세관 직경, 중심 대 중심 간격, 중첩 발생 콘의 절반 각도, 등등).

E. 간섭 필터 웨지 코팅에 대한 입사광이 20°미만의 각도로 제한되고 광검 출기 사이트를 덮는 코팅층에 모든 면적에 균일하게 조명되는 것을 보장하는 시준 면판. 만약 광섬유 요소를 사용하여 형성된다면, 대부분의 응용목적을 위해 면판의 두께는 적어도 500 마이크론이 되어야 하며, 최적의 두께는 1000 내지 2000 마이크론 사이이다; 보편적인 가시 스펙트럼 또는 근적외선 응용을 위해서 파이버 코어는 40 내지 45 마이크론 범위의 직경이 될 것이며 2 마이크론 두께의 클래딩을 구비하고 있고, 대략 55 마이크론의 전체적인 중심 대 중심 간격을 위한 파이버당 4 내지 5 마이크론의 여분의 벽 흡수 재킷은 공기에서 대략 11.5°의 발생 콘 절반 각도를 산출하도록 0.2의 조리개 수치와 함께 60 내지 70%의 개방 면적 비율(OAR : open area ratio)을 나타낼 것이다. 유사하게 구성된 모세관 어레이 플레이트 두께는 500 마이크론이 되고, 대략 45 내지 50%의 개방 면적 비율과 함께 0.1 내지 0.15 사이의 조리개 수치를 산출할 것이다. 어느 경우에서든지, 파이버 요소 또는 모세관 어레이는 사각형 또는 육각형 구조로 배열될 수 있다.

도 11을 참조하면, 도 10에 통합된 시준 면판상의 광섬유 어레이 또는 모세관 어레이의 대안적인 패턴이 예시되어 있다. 도 12는 도 10 및 11의 시준 면판(E)의 부분적인 단면을 도시한다. 도 10의 간섭 필터 웨지 코팅(C)은, 코팅 두께가 장축을 따라 에지 대 에지로 변화한다는 것을 화살표(70)에 의해서 표시하여 도 13에 도시되어 있다. 간섭 필터 웨지 코팅의 두께가 선형적으로 증가하는 것은 웨지 에탈론과 유사한 방식으로 방사 에너지에 대한 작용을 나타낸다. 코팅의 두께가 선형적으로 증가하는 것은 웨지 에탈론의 두께가 선형적으로 증가하는 것과 동일한 기능을 실행한다. 시준 면판은 20°이하의 수용 절반 각도로 설계되고; 20 °보다 큰 입사 각도의 빛은 흡수되거나 거부된다. 시준 면판에 의해서 만들어진 중첩 발생 콘은 간섭 필터 웨지 코팅(C)을 균일하게 조명하는데, 이것은 광검출기 어레이(A)에 연속적이며 거의 선형적인 스펙트럼 입사를 나타낸다. 도 14는 리니어 광검출기 어레이의 개략도이며, 여기에서 복수의 광검출기 사이트는 검출기의 전체 길이를 관통하는 단일 축선을 따라 분포된다. 각각의 광검출기 사이트는 1 또는 2 나노미터처럼 매우 좁은 스펙트럼 밴드를 나타낸다. 이러한 스펙트럼 밴드로 나타내는 광자 에너지는 하나 이상의 고분해능 아날로그-디지털 변환 회로를 통해서 디지털로 변환된다. 그 다음에 원래의 광자 스펙트럼은 디지털 방식으로 다시 모아지고, 광자 에너지의 단위(예를 들어 방사속의 단위)로 보고된다.

센서의 분해능을 더욱 향상시키기 위하여, 복수 열의 광검출기가 구성될 수 있는데, 여기에서 광검출기 사이트는 단일 포토 사이트의 폭의 일부에 의해서 옵셋된다. 예를 들면, 도 15를 참조하면 3열의 광검출기 사이트(72, 73, 74)는 단일 포토 사이트의 폭의 1/3에 의해서 차례로 옵셋된 각각의 열로 나란하게 놓여질 수 있다. 이러한 구성은 단일 열의 동일한 광검출기의 광 수집 능력 및 스펙트럼 분해능을 3배 높게 부여할 수 있다. 마찬가지로, 2열의 광검출기 사이트(75, 76)는 단일 포토 사이트의 폭의 1/2에 의해서 차례로 옵셋된 각각의 열로 나란하게 놓여질 수 있다. 이 구성은 단일 열의 스펙트럼 분해능을 2배 높게 부여할 수 있다.

다중 스펙트럼 센서 조립체는 매우 근접되어 나란히 세팅될 수 있고 극히 넓은 밴드 스펙트럼 샘플이 얻어질 수 있는 기하학적 광섬유 컨버터 도관을 사용하는 것과 같은 단일 광원으로부터 조사된다. 예를 들면, 400㎚ 내지 700nm(가시 스펙 트럼)의 스펙트럼 범위를 갖는 하나의 센서 조립체는 700㎚ 내지 1200nm(적외선)의 스펙트럼 범위를 갖는 근적외선 센서와 쌍을 이룰 수 있고 부가적으로 300㎚ 내지 400㎚의 스펙트럼 범위를 갖는 자외선 센서와 쌍을 이룰 수 있다. 스펙트럼 센서 조립체의 작은 크기 및 컴팩트함은 다양한 구성을 가능하게 한다.

도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에서 유용한 것으로 밝혀진 128 x 1 픽셀 리니어 어레이의 평면도이다. 모든 치수는 마이크로미터이다. 포토다이오드 어레이의 폭은 대략 8.1 mm 이며, 한편 패키지 자체는 약 8.9mm이고 각각의 측면에 약 0.38mm의 데드 구역을 남겨두고 있다. 패키지 높이는 대략 1.0mm 이다.

간섭 필터 웨지 코팅 및 리니어 가변 필터를 형성하는 지지 유리층은 충분히 컴팩트하므로, 리니어 가변 필터의 이용가능한 전체 길이는 어레이의 포토다이오드에 대해 보여질 수 있다. 각각의 단부상의 일부 포토다이오드가 보여지지 않을 수 있으며, 이것은 용인될 수 있다. 비록 짧은 끝에 대해서 약 360㎚ 내지 400㎚ 그리고 긴 끝에 대해서 약 700㎚ 내지 760㎚의 것이 받아들여질 수 있지만, 리니어 가변 필터를 위한 최적의 범위는 대략 380㎚ 내지 720㎚가 될 수 있다. 리니어 가변 필터를 위한 최적의 크기는 360㎚ to 720nm, 1.0 x 8.0mm가 될 수 있다.

리니어 가변 필터는 광학적으로 투명한 에폭시를 사용하여 포토다이오드 어레이에 접합될 수 있다. 각각의 장치는 소프트웨어 교정되기 때문에 배열은 중요하지 않다. 교정 프로세스는 어느 포토다이오드 사이트가 어느 파장 밴드에 상응하는지를 식별할 것이다. 일부 예에서, 하나 이상의 사이트가 단일 밴드에 해당할 수 있고, 한편 다른 사이트가 두개의 밴드에 걸쳐 있을 수 있다. 최적의 결과를 위한 교정중에 사이트가 선택될 수 있다. 사이트 선택은 장치마다 바뀔 수 있고, 그러므로 예상되는 가변성을 보상하기 위하여 소프트웨어가 사용되어야 한다.

종종 스펙트럼 데이터는 하이 신호(high signal)의 주기적인 "스파이크"를 갖고 있는 로우 신호(low signal) 레벨로 구성된다. 그러므로, 로우 신호 상태를 위한 적절한 분해능을 제공하기 위하여, 매우 높은 분해능의 아날로그-디지털 변환(ADC)이 요구된다. 하이 신호 스파이크가 포화되는 위험이 있지만, 로우 신호 분해능을 향상시키기 위해서 신호 증폭 또는 "게인"이 아날로그-디지털 변환 회로에 통합될 수 있다. 포화가 일어날 때, 스파이크의 피크는 확인될 수 없고 데이터는 신뢰될 수 없다. 이러한 이유 때문에, 자동 범위 조정 게인 특성을 구비한 분광계가 바람직하다.

자동 범위 조정 게인은 오직 로우 신호 레벨에 대한 증폭을 제공하고, 하이 신호 피크에 대한 증폭을 차단(또는 감소)하는 게인 함수를 지칭한다. 이것은 두개 이상의 기준 전압(Vref) 값을 설정함으로써 달성된다. 여기에서, 하나의 기준 전압은 베이스라인, 제로 게인 기준 전압(또한 내부 기준 전압이라 지칭함)이고 추가적인 기준 전압 레벨은 외부 기준 전압 또는 게인 기준 전압이라고 지칭되는 게인 레벨이다.

아날로그-디지털 컨버터는 널리 알려져 있으며 서로 다른 기술에 대한 광범위한 적용성을 가진 시스템 회로를 포함하고 있다. 일반적으로 컨버터는 가변적인 진폭을 갖는 아날로그 신호를 수신하고, 들어온 아날로그 신호의 순간적인 진폭을 디지털 값으로 변환한다. 컨버터로부터의 결과적인 출력이 진폭 등의 신호의 다양 한 특성을 포함하는 아날로그 신호의 디지털 표시값이 되도록 아날로그 신호 진폭은 일반적으로 소정의 샘플링 속도로 샘플링된다. 아날로그 디지털 컨버터는 종종 마이크로프로세서 회로의 일부로서 제공되며 아날로그 디지털 컨버터에 대한 액세스는 회로 칩에 대한 외부 접속을 통하여 사용자가 이용할 수 있다. 이러한 아날로그-디지털 컨버터는 분광 광도 측정법에서의 신호 변환의 실행을 포함하는 모든 전자 기술에서 보편적으로 발견된다. 신호 진폭을 디지털 형식으로 변환하는 것은 아날로그 신호 진폭의 범위에 의해서 종종 복잡해진다. 종종 이러한 문제는 시스템 분해능과 시스템 범위간의 절충을 야기한다. 일반적으로 아날로그 디지털 컨버터는 진폭 또는 진폭의 변화율을 측정하기 위한 수단으로서 들어오는 아날로그 신호와 비교하기 위하여 기준 전압을 사용한다.

앞서 설명한 바와 같이, 스펙트럼 센서는 광검출기 사이트의 어레이를 포함하고 있고, 각각의 포토 사이트는 광자 에너지를 아날로그 디지털 변환기 회로에 의해서 샘플링되어 디지털 값으로 변환되는 전기 신호로 변환한다. 어떠한 게인도 사용되지 않으면, 제로 디지털 값은 제로 전기 에너지를 나타내고, 따라서 제로 광자 에너지를 나타낸다. 12 비트 아날로그 디지털 컨버터에서, 최대 디지털 값은 4095가 될 것이며, 이 경우에 4095의 디지털 값은 최대 전기 에너지, 따라서 최대 광자 에너지(포화)를 나타낼 것이다. 이 점을 넘어서 증가하는 광자 에너지는 디지털 값을 증가시키지 않을 것이다.

아날로그 디지털 컨버터는 광검출기 전압을 비교하고, 디지털 값을 지정하기 위하여 기준 전압(Vref)을 사용한다. 기준 전압(Vref+ 및 Vref-)은 아날로그 디지 털 컨버터의 동적 범위를 설정한다. 아날로그 디지털 컨버터의 각각의 증가분이 특정한 전압 증가를 나타내므로 아날로그 디지털 컨버터의 분해능은 Vref+ 및 Vref-에 의해서 정의되는 전압 범위에 관계없이 일정하게 유지된다. 예를 들면, 만약 Vref+ 가 3.3 V로 설정되고 Vref- 가 0 볼트로 설정되면, 12 비트 아날로그 디지털 컨버터의 각각 증가분은 대략 0.8 mV를 나타낼 것이다. 그러나, 만약 Vref+ 가 정규값의 1/4 또는 8.25 mV로 감소되면, 동일한 아날로그 디지털 컨버터의 각각의 증가분은 4배의 게인 증폭에 상당하는 0.2 mV를 나타낼 것이다.

만약 0 내지 600 밀리볼트 범위의 로우 신호가 아날로그 디지털 컨버터에 나타나면, 제로 게인을 구비한 상술한 아날로그 디지털 컨버터는 신호를 최대 750 스텝으로 분해할 것이며, 이 경우에 각각의 스텝은 0.8 mV와 같아질 것이다. 이것은 10 비트 미만의 분해능(10 비트 아날로그 디지털 컨버터는 0 내지 1023의 최대 디지털 범위를 제공할 수 있다)으로 신호를 디지털화하는 것에 상당한다. 그러나, 만약 4배의 게인 증폭이 제공되면, Vref+ 를 3.3 V로부터 825 mV로 감소시킴에 의해서 동일한 신호는 3,000 스텝으로 분해될 수 있으며, 이 경우에 각각의 스텝은 0.2 mV와 같아질 것이다. 이것은 거의 12 비트의 분해능에 상당한다.

그러나, 3 V의 급격한 스파이크는 아날로그 디지털 컨버터를 포화시킬 수 있는데, 왜냐하면 3 V는 4배의 게인 Vref+ 를 초과하기 때문이다. 게다가, 일부 아날로그 디지털 컨버터 회로에 있어서, 이러한 상황은 전기적인 구성요소에 물리적인 손상을 일으킬 수 있다. 따라서, 3 V 스파이크는 3.3 V로 설정된 제로 게인 기준 전압을 이용하여 측정되어야만 한다. 그러나, 이렇게 하여 사용자에게 의미있 는 값을 제공하도록, 이하에 설명하는 방법이 이용될 수 있다;

1. 아날로그 디지털 컨버터 회로가 하나는 제로 게인 Vref(베이스라인)이고 다른 하나는 게인 Vref인 기준 전압 사이에서 전환되도록 두개(또는 그 이상)의 Vref+ 값을 선택한다.

2. 제로 게인 Vref와 게인 Vref 사이의 아날로그 디지털 컨버터 Vref+를 전환하고, 각각의 광검출기 사이트의 샘플링 사이의 것으로 다시 되돌림으로써 한번은 각각의 포토 사이트가 제로 게인 Vref를 사용하여 샘플링되고 다시 게인 Vref(만약 포토 사이트 전압이 게인 Vref 전압보다 작은 경우에만)를 사용하여 샘플링된다.

각각의 광검출기 사이트를 샘플링하기 이전에 게인 Vref를 결정하기 위하여 제로 게인 Vref를 이용하는 아날로그 디지털 컨버터는 광검출기 사이트 전압 역치(threshold value)(기준으로 게인 Vref+를 사용하여 포토 사이트가 안전하게 샘플링될 수 있는지를 결정하기 위하여 아날로그 디지털 컨버터가 사용할 값)를 설정한다. 펌웨어는 아날로그 디지털 컨버터 회로에 의해서 샘플링할 포토 사이트가 적어도 두번 샘플링되기에 충분히 긴 각각의 광검출기 사이트에서의 전압 수준을 유지하거나 또는 고정하도록 지시한다; 한번은 전압 수준을 설정하기 위하여 제로 게인 Vref+ 를 이용하고, 또 한번(만약 상기 전압 수준이 포토 사이트 전압 역치보다 작을 경우)은 적절한 게인 Vref를 이용한다. 측정된 전압 수준을 나타낼 디지털 값 및 전압 범위를 설정하는 선택된 게인 값 양자를 인코드하기 위하여 소정의 코딩 체계가 정의되므로, 부호화된 디지털 값은 나중에 디코드될 수 있고 존재하는 광자 에너지의 실제적인 수준이 파악될 수 있다. 따라서, 디지털 출력은 기준 전압 범위의 디지털 비트 표시 및 검출된 전압의 디지털 값을 포함한다.

전형적인 펌웨어 알고리즘은 아래와 같은 로직 명령으로 나타날 수 있다:

1. 아날로그 디지털 컨버터를 제로 게인(내부) Vref+ 로 세팅한다

2. 외부 Vref+ 옵션을 세팅한다(게인 옵션, 즉 1/2, 1/4, 1/8- Vref, 등등)

3. 실제 전압 수준을 식별하기 위하여 외부 Vref+ 샘플링한다 - 12 비트 분해능으로 디지털화된 몇개의 연속적인 샘플의 평균을 사용한다

4. 보드 주위 온도를 확인하기 위하여 온도 센서를 작동시키고 샘플링한다 - 12 비트 분해능으로 디지털화된 몇개의 연속적인 샘플의 평균을 사용한다

5. 값을 지우기 위하여 어레이를 순환시킴으로써 광검출기 어레이를 리셋한다 - 전부 2 사이클을 위해서 한번 반복한다

6. 포토 사이트를 충전시키기 위하여 밀리초로 정의된 소정 샘플링 적분 시간 대기한다

7. n = 제로에서 광검출기 사이트의 전체 수까지 샘플링 루프를 시작한다

내부 Vref+ 를 사용하여 포토 사이트 "n" 을 샘플링한다

만약 샘플 값 < 외부 Vref+ 값이면

외부 Vref+ 로 전환한다

아날로그 디지털 컨버터 회로가 안정화되도록 대기한다

외부 Vref+ 사용하여 포토 사이트 "n" 을 샘플링한다

샘플 값(예를 들면, 12 비트) + 게인 값 식별자를 저장한다

내부 Vref+ 로 전환한다

아날로그 디지털 컨버터가 안정화되도록 대기한다

만약 샘플 값 > = 외부 Vref+ 값이면

샘플 값(예를 들면, 12 비트) + 게인 값 식별자(제로 게인)를 저장

한다

반복한다

8. 샘플 데이터를 호스트로 내보낸다. 이 스트링은 아래의 사항을 포함하여

야 한다:

게인 전압 게인 식별자

보드 온도

광검출기 사이트 값 - 샘플 값(예를 들면, 12 비트) + 게인 값 식별자

본 발명의 시스템은 샘플 면적에서 반사된 전체 빛 에너지를 측정하기 위하여 스펙트럼 센서에 가까이 배치된 단일 광대역 포토다이오드를 부가하는 것을 포함한다. 이 장치는 스펙트럼 센서보다 100배 이상 민감하며 스펙트럼 센서에 충돌하는 전체 빛 에너지를 거의 즉시 나타낼 수 있다. 측정된 값에 기초하여, 두개의 변수, 즉 발광체 밝기 및 스펙트럼 센서 적분 시간이 조정될 수 있다. 이것은 고정된 조명 수준 및 고정된 적분 시간에 의존하는 종래 기술의 분광 광도계를 능가 하는 주요 개선사항이다. 백색 샘플 타켓으로부터 반사된 빛 에너지의 양은 어두운 청색 또는 보라색 샘플로부터 반사된 양보다 상당히 크다. 따라서, 밝은 샘플에 대해서 측정된 전체 신호 강도(전체 빛 에너지)는 어두운 샘플에 대하여 측정된 것보다 훨씬 크다. 스펙트럼 측정에는 항상 소정량의 "노이즈"가 존재하고 이러한 노이즈는 일반적으로 거의 일정하기 때문에, 약한 신호는 신호 대 노이즈 비가 낮아서 신뢰성이 떨어지는 경향이 있다. 분광 광도계에 있어서, 이것은 포토다이오드가 낮은 반응성을 나타내는 경향이 있는 어두운 구역, 특히 어두운 청색/자주색/보라색 구역에 대한 측정의 정밀도, 안정성 및 재현성을 떨어뜨릴 수 있다. 광대역 포토다이오드는 반사광을 직접 포토다이오드에 전달하는 단일 스트랜드 광섬유를 포함할 수 있고 빛이 스펙트럼 센서에 충돌하기 전에 렌즈로부터 빛을 수용하도록 위치되거나, 또는 입사광이 확산 또는 필터링 되기 이전 또는 이후에 센서로 향하는 빛의 일부를 수용하도록 위치된다.

도 17을 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 분광 광도계의 실시예를 개략적으로 나타내는 분해도가 도시되어 있다. 복수의 LED(90)는 원형상 어레이에 배열된 상태로 도시되어 있다. 이들 LED는 개별적인 LED(90)와 상응하게 위치된 LED 구멍(92)을 갖고 있는 LED 장착 브래킷(91)내에 위치된다. 앞서 설명한 바와 같이, LED 구멍을 빠져나오는 빛을 바람직한 파장에 상응하도록 변경하기 위하여 LED 및/또는 구멍은 적합한 형광 인광체 코팅으로 코팅될 수 있다. LED(90)는 개별적으로 선택되며, 나머지 LED 및 형광 인광체 코팅에 의해서 제공되는 파장 범위와 결합될 경우 본질적으로 백색광이 되는 소정의 선택된 파장 범위를 제공하기 위하여 상응 하는 형광 인광체 코팅과 조합된다. 각각의 LED가 선택된 출력 강도를 제공하도록 교정된 상태에서 LED(90)는 앞서 설명한 바와 같은 펄스폭 변조를 이용하여 전압을 공급받는다. 상술한 바와 같이, LED(90) 중의 하나는 인광체가 없는 395nm 고에너지 UV LED가 될 수 있다. 이러한 UV LED의 이용은 타켓 표면에 대한 형광의 영향을 측정하기 위하여 사용되는 것일 수 있다. 형광에서 유래하는 임의의 색 변화 및 표면의 반사율에서 자외선이 갖는 영향을 분석하기 위해 타켓에 충돌하는 상이한 수준의 UV 에너지의 결과를 측정하기 위하여 펄스 폭 변조를 이용하여 다양한 수준으로 UV LED에 전압을 공급함으로써 단일 샘플의 스펙트럼 반사율은 여러 번 측정될 수 있다.

LED(90)로부터의 빛은 대응하는 LED 구멍(92)을 통과하여 칼라 출구 표면(94)을 빠져나가 조리개 원뿔체(98)의 내부에 충돌할 뿐만 아니라 칼라 출구 표면(94)으로부터 직접 조리개(99) 및 조리개 원뿔체(98)를 통하여 빠져나가도록 디퓨져 칼라(93)에 들어간다. 조리개(99)를 빠져나온 확산광은 의도한 타켓에 충돌하여 밀봉 O-링(101)에 의해서 조리개 원뿔체의 내부에 고정된 보호 렌즈(100)를 통과하는 반사광이 된다. 빛은 보호 렌즈(100)를 통과하고 반사광은 디퓨져 렌즈(102)에 충돌하며 그 다음에 반사광으로부터 적외선 또는 자외선과 같은 바람직하지 않은 파장을 필터링하기 위하여 사용되는 트림 필터(104)로 진행하여 충돌한다. 앞서 설명한 바와 같이 확산 및 트림 처리된 반사광은 둥근 원통 렌즈(110)를 통과하고 대체로 직사각형 형태로 형성되며 콜리메이터(115)에 시준된다. 앞서 설명한 바와 같이 필터의 길이를 따라 선형적으로 변화하는 파장 출력을 제공하기 위 하여 시준광은 리니어 가변 필터(116)를 통과한다. 따라서, 리니어 가변 필터를 통과한 빛은 반사광의 소정의 파장 구성에 상응하게 파생되는 신호를 제공하기 위하여 광검출기 어레이(117)에 충돌하는 구성 스펙트럼으로 변환된다. 앞서 설명한 바와 같이, 스펙트럼 센서에 충돌하는 전체 빛 에너지의 표시를 제공하기 위하여 광검출기에 전달되는 빛을 검출하도록 광대역 포토다이오드(120)가 위치된다.

도 18을 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 분광 광도계의 다른 실시예를 개략적으로 나타내는 분해도가 도시되어 있다. 도 18에 도시된 장치의 구조는 도 17에 도시된 것과 유사하며 같은 부품에 대해서는 같은 도면 부호로 표시되어 있다. 도 18의 실시예에서의 중요한 차이점은 도 17에 도시된 실시예의 둥근 원통 렌즈가 앞서 설명한 바와 같은 기하학적 광섬유 컨버터(111)로 대체되어 있다는 것이다. 기하학적 광섬유 컨버터(111)는 도 17의 실시예의 원통 렌즈보다 작은 입력 조리개를 제공하는 원형상 입력 조리개(112)를 포함하고 있다. 따라서, 디퓨져(102) 및 트림 필터(104)가 상응하게 더욱 작다. 기하학적 광섬유 컨버터(111)는 원형상 입력 조리개(112)로부터 필수적인 직사각형 출력 조리개(113)까지의 광경로를 다시 형성한다. 출력 조리개(113)는 광검출기(117)와 상응하도록 적절하게 형성된다. 도 18의 광대역 포토다이오드(120)에는 앞서 설명한 바와 같은 광대역 포토다이오드 기능을 실행하도록 미리 광검출기 빛을 포착하는 단일 스트랜드 광섬유(121)가 구비될 수 있다.

Claims

샘플 표면의 스펙트럼 반사율을 측정하기 위해 반사 샘플을 향하고 있는 광원을 가지고 있는 분광 광도계에 있어서, 상기 광원은:

(a) 어레이로 배열된 복수의 LED를 포함하고,

(b) 각각의 LED는 LED 출력 강도를 변경하기 위하여 개별적으로 조정가능하게 전압을 공급받는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 1 항에 있어서, 각각의 LED는 펄스폭 변조에 의해서 각각의 LED에 공급되는 파워를 조절함으로써 개별적으로 조정가능하게 전압을 공급받는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 1 항에 있어서, 각각의 LED는 펄스폭 변조된 신호에 의해서 개별적으로 조정가능하게 전압을 공급받는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 1 항에 있어서, 각각의 LED는 상이한 중심 파장을 갖는 소정의 스펙트럼 밴드폭을 가지고 있고, 모든 LED의 스펙트럼 밴드폭은 서로 조합될 때 백색광을 산출하는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 1 항에 있어서, 복수의 LED 중의 하나는 자외 복사선을 방사하는 것을 특 징으로 하는 분광 광도계.
샘플 표면의 스펙트럼 반사율을 측정하기 위해 반사 샘플을 향하고 있는 광원을 가지고 있는 분광 광도계에 있어서, 상기 광원은:

(a) 원형상 어레이로 배열되고 동시에 전압을 공급받도록 연결된 복수의 LED를 포함하고,

(b) 각각의 LED는 LED 출력 강도를 변경하기 위하여 개별적으로 조정가능하게 전압을 공급받고,

(c) 각각의 LED는 상이한 중심 파장을 갖는 소정의 스펙트럼 밴드폭을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 6 항에 있어서, 각각의 LED의 소정의 스펙트럼 밴드폭은, 다른 모든 LED의 스펙트럼 밴드폭과 조합될 때 백색광을 산출하는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 6 항에 있어서, 복수의 LED 중의 하나는 자외 복사선을 방사하는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 6 항에 있어서, 각각의 LED는 펄스폭 변조된 신호에 의해서 개별적으로 조정가능하게 전압을 공급받는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
샘플 표면의 스펙트럼 반사율을 측정하기 위해 반사 샘플을 향하고 있는 광원을 가지고 있는 분광 광도계에 있어서, 상기 광원은:

(a) 원형상 어레이로 배열되고 동시에 전압을 공급받도록 연결된 복수의 LED를 포함하고,

(b) 각각의 LED는 LED 출력 강도를 변경하기 위하여 펄스폭 변조된 신호에 의해서 개별적으로 조정가능하게 전압을 공급받고,

(c) 각각의 LED는 상이한 소정의 스펙트럼 밴드폭을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
샘플 표면의 스펙트럼 반사율을 측정하기 위해 반사 샘플을 향하고 있는 광원을 가지고 있는 분광 광도계에 있어서, 상기 광원은:

(a) 각각 상이한 방사 스펙트럼을 가지고 있는 복수의 전기형광 발광체를 포함하고,

(b) 각각의 발광체는 펄스폭 변조된 신호에 의해서 개별적으로 조정가능하게 전압을 공급받는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 11 항에 있어서, 각각의 발광체는 상이한 중심 파장을 갖는 소정의 스펙트럼 밴드폭을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 11 항에 있어서, 상기 발광체는 인광체 기반의 발광체(phosphor based illuminant)인 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
샘플 표면의 스펙트럼 반사율을 측정하기 위해 반사 샘플을 향하고 있는 광원을 가지고 있는 분광 광도계에 있어서, 상기 광원은:

(a) 어레이로 배열된 복수의 LED; 및

(b) 복수의 대응하는 전기형광 발광체;를 포함하고,

각각의 전기형광 발광체는 상기 LED와 각각 대응하며, 상기 대응하는 LED로부터 방사된 빛 에너지를 가로채고 상이한 파장으로 빛 에너지를 재방사하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 14 항에 있어서, 각각의 전기형광 발광체는 상이한 방사 스펙트럼을 가지고 있고, 모든 전기형광 발광체의 조합된 방사는 백색광을 산출하는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 14 항에 있어서, 상기 발광체는 인광체 기반의 발광체인 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 14 항에 있어서, 각각의 LED는 펄스폭 변조된 신호에 의해서 개별적으로 조정가능하게 전압을 공급받는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
샘플 표면의 스펙트럼 반사율을 측정하기 위해 반사 샘플을 향하고 있는 광원을 가지고 있는 분광 광도계에 있어서, 상기 광원은:

(a) 원형상 어레이로 배열되고 동시에 전압을 공급받도록 연결된 복수의 LED; 및

(b) 복수의 대응하는 전기형광 발광체;를 포함하고,

각각의 전기형광 발광체는 상기 LED와 각각 대응하며, 상기 LED로부터 방사된 빛을 가로채고 상이한 파장으로 빛 에너지를 재방사하도록 상기 LED에 각각 코팅되는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 18 항에 있어서, 각각의 LED는 펄스폭 변조된 신호에 의해서 개별적으로 조정가능하게 전압을 공급받는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 18 항에 있어서, 각각의 전기형광 발광체에 의해서 재방사된 빛 에너지는 소정의 스펙트럼 밴드폭 및 상이한 중심 파장을 가지고 있고, 각각의 전기형광 발광체의 소정의 스펙트럼 밴드폭은 다른 전기형광 발광체의 스펙트럼 밴드폭과 조합될 때 백색광을 산출하는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
샘플 표면의 스펙트럼 반사율을 측정하기 위해 반사 샘플을 향하고 있는 광원을 가지고 있는 분광 광도계에서, 스펙트럼 반사율을 측정하기 위한 방법은:

(a) 반사 표면에 빛을 보내어 반사광을 발생시키는 단계;

(b) 간섭 필터를 통과하여 에레이로 배열된 복수의 광검출기에 빛을 보내어 각각의 광검출기에 나타나는 광자 에너지에 상응하는 전기적인 아날로그 신호를 발생시키기 위하여 단계;

(c) 상기 전기적인 아날로그 신호를 아날로그-디지털 컨버터로 보내는 단계;

(d) 상기 아날로그 신호에 상응하는 디지털 신호를 유도하기 위하여 상기 아날로그-디지털 변환기에서 상기 아날로그 신호와 비교하기 위한 적어도 두개의 기준값(하나의 기준값은 로우 게인(또는 제로 게인)에 대응하고 또 하나의 기준값은 하이 게인에 대응한다)을 선택하는 단계; 및

(e) 상기 하나의 기준값 및 상기 또 하나의 기준값을 교대로 사용하여 각각의 광검출기에서 전기적인 아날로그 신호를 두 번 샘플링하는 단계;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 반사율 측정 방법.
분광 광도계에서, 측정되는 빛의 스펙트럼 내용을 측정하기 위한 방법은:

(a) 간섭 필터를 통과하여 에레이에 배열된 복수의 광검출기에 상기 빛을 보내어 각각의 광검출기에 나타나는 광자 에너지에 상응하는 전기적인 아날로그 신호를 발생시키는 단계;

(b) 상기 전기적인 아날로그 신호를 아날로그-디지털 컨버터로 보내는 단계;

(c) 상기 아날로그 신호에 상응하는 디지털 신호를 유도하기 위하여 상기 아날로그-디지털 변환기에서 상기 아날로그 신호와 비교하기 위한 적어도 두개의 기 준값(하나의 기준값은 로우 게인(또는 제로 게인)에 대응하고 또 하나의 기준값은 하이 게인에 대응한다)을 선택하는 단계; 및

(d) 상기 하나의 기준값 및 상기 또 하나의 기준값을 교대로 사용하여 각각의 광검출기에서 전기적인 아날로그 신호를 두 번 샘플링하는 단계;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 내용 측정 방법.
기하학적 광로 컨버터를 포함하는 광로를 가지고 있고 스펙트럼 센서를 가지고 있으며 입력 조리개로 들어오는 측정할 빛의 스펙트럼 내용을 측정하기 위한 분광 광도계에 있어서,

(a) 기하학적 광로 컨버터는, 상기 입력 조리개에 대응하는 광 입력 단부에서 소정의 결합된 단면 형상을 형성하도록 서로 접촉하여 평행하게 위치된 복수의 광섬유 스트랜드를 포함하고 있고,

(b) 상기 광섬유 스트랜드는 상기 스펙트럼 센서에 대응하는 광 출력 단부에서 다른 형상의 단면 형상을 형성하도록 상기 광 입력 단부로부터 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 23 항에 있어서, 상기 광섬유 스트랜드는 에폭시로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
제 23 항에 있어서, 상기 복수의 광섬유 스트랜드는 서로에 대하여 고정되도 록 융합되어 있는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
샘플 표면의 스펙트럼 반사율을 측정하기 위해 반사 샘플을 향하고 있는 광원, 및 스펙트럼 센서에 반사광을 보내기 위한 광로를 가지고 있는 분광 광도계에 있어서,

(a) 복수의 밴드패스 필터 코팅층으로 형성된 간섭 필터 웨지; 및

(b) 구멍 또는 모세관의 어레이를 포함하는 시준 면판;을 포함하고 있고,

상기 면판은 상기 반사광 경로에서 빛을 시준하도록 상기 간섭 필터 앞에 위치되는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.
샘플 표면의 스펙트럼 반사율을 측정하기 위해 반사 샘플을 향하고 있는 광원, 및 스펙트럼 센서에 반사광을 보내기 위한 광로를 가지고 있는 분광 광도계에 있어서,

(a) 복수의 밴드패스 필터 코팅층으로 형성된 간섭 필터 웨지; 및

(b) 상기 반사광 경로에서 빛을 시준하도록 상기 간섭 필터 앞에 위치되는 광학적으로 투명한 플라스틱 또는 유리 섬유 요소의 어레이를 포함하는 시준 면판;을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 분광 광도계.