KR20100000349A - 적분구 탑재형 분광 광도계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 적분구에서 반사되어 나온 광의 손실을 방지하고, 전 파장 범위에서 투과율 및 탁도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 동일 장비로 반사율까지 측정할 수 있는 전 처리 자동화된 계측 장비를 제공하기 위하여, (ⅰ) 광원 유닛, (ⅱ) 상기 광원 유닛에서 나온 광이 입사되어 포집되는 적분구 유닛, (ⅲ) 상기 적분구 유닛에서 포집된 광을 모아서 전달하는 광전달 유닛, 및 (ⅳ) 상기 광전달 유닛을 통해 전달된 광의 세기를 측정하는 측정 유닛을 포함하는 적분구 탑재형 분광 광도계를 제공한다.
탁도, 투과율, 반사율, 적분구, 분광 광도계
Description
본 발명은 적분구 탑재형 분광 광도계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제논 램프를 이용하여 플라스틱, 필름, 비닐, 유리 등에 투과 또는 반사시킨 빛을 다채널 어레이(multichannel array) 방식의 다중 채널 검출기로 분석하여 ISO 표준(JIS와 동일)에 따라 제품의 탁도(haze), 투과율 및 반사율을 전 파장에서 전자동으로 측정할 수 있는 적분구 탑재형 분광 광도계에 관한 것이다.
전기전자 산업, 자동차 산업, 수지 및 플라스틱 산업, 병원 및 학교, 화장품 산업, 식품 산업, 석유화학 산업 및 필름 산업 등의 분야에서 플라스틱, 필름, 비닐, 유리, 셀로판 및 수질의 품질 관리를 위하여 이들의 탁도, 투과율 또는 반사율 등이 측정된다. 탁도 및 투과율을 측정하는 기기로서, 탁도계(haze meter), 분광 광도계(spectrophotometer) 등이 있다.
탁도를 측정하는 이러한 기기들은 램프에서 나온 광을 측정 대상 샘플에 투과시켜 적분구내에서 분리 및 반사된 광들을 수광 소자로 집광하여 분석함으로써 탁도 및 투과율을 계측하는 원리를 이용한다.
측정 대상이 플라스틱인 경우 자외선이 흡수되므로 거의 가시광 영역의 광만이 중요한 반면, 측정 대상이 웨이퍼(wafer)인 경우 자외선 영역을 포함한 전 영역에서의 투과율이 중요하다. 그런데 종래의 탁도 측정 기기의 경우, 텅스텐 램프를 사용하여 가시광 파장 범위의 투과율 및 탁도를 측정할 수 있는 단점이 있었다. 또한, 종래의 탁도 측정 기기의 경우, 전 파장별로 투과율 분포와 탁도 분포를 측정할 수 없는 문제점이 존재하였다. 뿐만 아니라, 하나의 장비로 투과율과 탁도 뿐만 아니라 반사율까지 측정하고자 하는 요구가 증대되는 실정이다.
본 발명은 적분구에서 반사되어 나온 광의 손실을 방지하고, 전 파장 범위에서 투과율 및 탁도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 동일 장비로 반사율까지 측정할 수 있는 전 처리 자동화된 적분구 탑재형 분광 광도계를 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, (ⅰ) 광원 유닛, (ⅱ) 상기 광원 유닛에서 나온 광이 입사되어 포집되는 적분구 유닛, (ⅲ) 상기 적분구 유닛에서 포집된 광을 모아서 전달하는 광전달 유닛, 및 (ⅳ) 상기 광전달 유닛을 통해 전달된 광의 세기를 측정하는 측정 유닛을 포함하는 적분구 탑재형 분광 광도계를 개시한다.
상기 측정 유닛은 단채널 측정 유닛일 수도 있고 다채널 측정 유닛일 수도 있다. 다채널 측정 유닛인 경우, 측정 유닛은 (ⅰ) 광을 각 파장별로 분광시키는 회절발(grating), (ⅱ) 상기 회절발을 통하여 각 파장별로 분광된 광의 각 파장별 세기를 측정하는 다채널 어레이 센서, 및 (ⅲ) 상기 회절발과 상기 다채널 어레이 센서 사이의 광 경로상에 배치되며, 상기 회절발에서 나온 각 파장별 광 중 분광되지 않고 반사되어 나온 다른 차수의 광들을 제거하는 차수 제거 필터(order sorting filter)를 포함할 수 있다.
상기 광전달 유닛은 상기 적분구 유닛에서 포집된 광을 모아주는 제1 포커싱 렌즈 및 상기 제1 포커싱 렌즈에 의해 모아진 광을 전달하는 광섬유를 포함할 수 있다.
상기 적분구 유닛은, 정육면체의 내부에 구형의 내부면이 형성되고 그 내부면이 반사물질로 코팅된 적분구를 포함하며, 상기 적분구에는 상기 광원 유닛에서 나온 광이 입사되는 통로인 입사 개구, 상기 입사된 빛을 선택적으로 반사하거나 흡수하도록 제어되는 출구 개구와 보상 개구, 포집되고 모아진 광이 광전달 유닛으로 전달되는 통로인 포집 개구, 및 반사율 측정 대상 물질이 배치될 수 있는 반사 개구가 형성될 수 있다. 이와 달리 반사 개구가 형성되지 않은 실시예도 가능하다.
상기 입사 개구는 상기 정육면체의 외면 중 상기 광원 유닛쪽으로 향하는 제1 면에 형성되며, 상기 출구 개구는 상기 제1 면을 대향하는 제2 면에 형성되며, 상기 보상 개구는 상기 제1 면 또는 제2 면과 90도를 이루는 제3 면에 형성되며, 상기 포집 개구는 상기 제3 면을 대향하는 제4 면에 형성되며, 상기 반사 개구는 상기 제1 내지 제4 면과 90도를 이루는 제5 면에 형성될 수 있다.
상기 출구 개구에는 상기 출구 개구를 향하는 광을 선택적으로 반사하거나 흡수하도록 제어되는 제1 차폐부가 설치되며, 상기 보상 개구에는 상기 보상 개구를 향하는 광을 선택적으로 반사하거나 흡수하도록 제어되는 제2 차폐부가 설치된다.
상기 광원 유닛은, (ⅰ) 가시광선 및 자외선을 방출하는 제논 램프, (ⅱ) 상기 제논 램프의 적분구 반대 측에 배치되며, 상기 제논 램프로부터 방출된 광을 반사시키는 반사 미러, 및 (ⅲ) 상기 제논 램프에서 방출된 광을 모아주는 제2 포커 싱 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계에 의하면, 적분구에서 반사되어 나온 광의 손실을 방지할 수 있고, 전 파장 범위에서 투과율 및 탁도를 측정할 수 있어서 분광 측정 성능이 향상되며, 동일 장비로 반사율까지 측정할 수 있다. 또한, 측정의 전 처리가 자동적으로 수행된다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계의 분해 외형 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계의 분해 투명 사시도이다. 도면을 참조하여 설명하면, 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계는 광원 유닛(10), 적분구유닛 (20), 광전달 유닛(30), 및 다채널 측정 유닛(40)을 구비한다.
광원 유닛(10)은 적분구(21)의 내부로 광을 조사하는 역할을 한다. 광원 유닛(10)의 일 실시예로서, 광원 램프(11), 반사 미러(12), 및 제2 포커싱 렌즈(13)를 구비할 수 있다. 이 실시예에서, 광원 램프(11)는 220nm ~ 2000nm 파장 범위의 빛을 방사하는 제논 램프가 사용될 수 있다. 그럼으로써 가시광 영역 뿐만 아니라 자외선 영역까지 파장 범위를 넓혀 분광 측정 성능을 향상시킬 수 있다. 특히, 자외선 파장 범위의 광도 방출하고 이 파장 범위의 광의 세기를 측정할 수 있으므로 측정 대상 물질의 범위가 넓어지는 효과가 있다. 예를 들면, 웨이퍼에 대한 자외선의 투과율도 측정할 수 있다. 한편, 광원 램프(11)로서, 자외선 및 가시광선의 전 파장 빛을 낼 수 있는 광원 또는 광원들의 조합이면 어느 것이든 포함될 수 있다. 이 실시예에서, 제2 포커싱 렌즈(13)는 제논 램프(11)에서 나온 광을 모아서 적분구(21)의 입사 개구(21a)로 향하도록 한다. 반사 미러(12)는 제논 램프(11)를 기준으로 제2 포커싱 렌즈(13)의 반대쪽에 위치하며, 제논 램프(11)에서 방사된 빛 중 제2 포커싱 렌즈(13)쪽으로 향하지 않는 빛들을 다시 제2 포커싱 렌즈(13)쪽으로 향하도록 한다. 반사 미러(12)의 위치 및 개수는 당업자라면 용이하게 변형할 수 있을 것이므로 본 발명의 보호범위는 도 1에 도시한 실시예에 한정되지 않는다.
적분구 유닛(20)에서는 광원 유닛(10)에서 나온 광이 입사되어 포집된다. 일 실시예에 따른 적분구 유닛(20)은 입사 개구(21a), 출구 개구(21b), 보상 개구(21c), 포집 개구(21d) 및 반사 개구(21e)가 형성된 적분구(21) 및 출구 개구(21b)와 보상 개구(21c)에 각각 설치된 제1 및 제2 차폐부(22, 23)를 구비할 수 있다.
이 실시예에서, 적분구(21)는 정육면체의 내부에 구형으로 파진 물체이며, 구형의 내부면은 고효율 반사 물질로 코팅되어 있다. 그럼으로써 적분구(21) 내부로 들어온 광은 내부면에서 전반사를 일으킨다.
이 실시예에서, 적분구(21)의 제1 면(광원 유닛(10)을 향하는 면)에는 입사 개구(21a)가 형성되며, 적분구(21)의 제2 면(제1 면에 대향하는 면)에는 출구 개 구(21b)가 형성되며, 적분구(21)의 제3 면(제1 면 또는 제2 면과 90도를 이루는 면)에는 보상 개구(21c)가 형성되며, 적분구(21)의 제4 면(제3 면과 대향하는 면)에는 포집 개구(21d)가 형성되며, 적분구(21)의 제5 면(제1 내지 제4 면과 90도를 이루는 면)에는 반사 개구(21e)가 형성된다. 다른 실시예에 따른 적분구 유닛(20)은 반사 개구(21e)가 형성되지 않을 수도 있다.
출구 개구(21b)의 외부측에는 제1 차폐부(22)가 설치되며, 보상 개구(21c)의 외부측에는 제2 차폐부(23)가 설치될 수 있다. 제1 및 제2 차폐부(22, 23)는 광을 선택적으로 반사하거나 흡수하도록 제어된다. 이를 위하여, 각 차폐부는 회동축을 기준으로 회동하는 차폐판(22a, 23a)을 구비하며, 차폐판은 예를 들면, 솔레노이드 밸브와 같은 2위치 제어되는 동작부에 의해 출구 개구(21b)와 보상 개구(21c)의 개폐를 반복할 수 있다. 이 경우 차폐판(22a, 23a)은 흰색 반사 물질이 코팅된 것일 수 있다. 그러므로 차폐판(22a, 23a)이 개구를 닫으면 개구로 향하는 빛은 전부 반사되는 반면, 차폐판(22a, 23a)이 개구를 닫지 않으면 개구로 향하는 빛은 개구를 통해 빠져 나가게 되므로 전부 흡수된다. 제1 및 제2 차폐부(22, 23)는 출구 개구(21b)와 보상 개구(21c)가 반사판 또는 흡수판으로 선택적으로 역할하도록 전자적으로 제어될 수 있다.
이와 같은 구성에 의한 적분구 유닛(20)은 도 4에 도시된 바와 같이 작동된다. 즉, 광원 유닛(10)에서 방출된 광은 입사 개구(21a)를 통하여 적분구(21)로 들어오고, 출구 개구(21b)에서는 제1 차폐부(22)의 작동에 의하여 측정 모드에 따라 광을 흡수하거나 반사하도록 제어된다. 이와 유사하게 보상 개구(21c)에서도 제2 차폐부(23)의 작동에 의하여 측정 모드에 따라 광을 흡수하거나 반사하도록 제어된다.
일 실시예에 따른 광전달 유닛(30)은 제1 포커싱 렌즈(31)와 광섬유(32)를 포함한다. 광전달 유닛(30)은 적분구의 포집 개구(21d)측에 설치된다. 제1 포커싱 렌즈(31)는 적분구 유닛(20)에서 포집된 광을 광섬유(32)쪽으로 모아주는 역할을 하며, 광섬유(32)는 모아진 광이 내부에서 전반사를 하면서 후술할 다채널 측정 유닛(40)쪽으로 전달되도록 하는 역할을 한다.
제1 포커싱 렌즈(31)를 사용하여 포집 개구(21d)쪽으로 향하는 광을 모으고 집광된 광을 광섬유(32)를 통해 다채널 측정 유닛(40)으로 전달하기 때문에 집광이 용이할 뿐만 아니라 확산 광손실을 최소화할 수 있다. 또한 광섬유(32)는 유연성이 좋아 공간 설계 제약이 거의 없다.
다채널 측정 유닛(40)은 광전달 유닛(30)을 통해 전달된 광의 전 파장에서의 세기를 측정한다. 도 3은 도 1에 도시된 적분구 탑재형 분광 광도계의 분해 측면도이다. 도 3을 참조하여 일 실시예에 따른 다채널 측정 유닛(40)을 설명한다. 이 실시예에서, 다채널 측정 유닛(40)은 회절발(42), 다채널 어레이 센서(45), 차수 제거 필터 및 구동 회로부를 구비한다.
회절발(grating)(42)은 광전달 유닛(30)을 통해 전달된 광을 각 파장별로 분광시킨다. 회절발(42)은 반사 미러에 1mm 간격당 600~3600개 정도의 등간격으로 미세 홈이 형성된 것으로서, 백색광이 조사되면 회절이 발생되고 각 파장마다 회절 각이 달라져서 모든 파장대역의 다색광이 분리 반사되면서 파장 별로 분광 스펙트 럼을 얻을 수 있다. 분광된 광들은 차수 제거 필터(43)를 거쳐 다채널 어레이 센서(45)로 입사된다.
차수 제거 필터(43)는 회절발(42)에서 나온 각 파장별 광 중 분광되지 않고 반사되어 나온 다른 차수의 광들을 제거한다. 엄밀하게는, 차수 제거 필터(43)는 2차 분산광을 제거하는 2차 분산광 제거 필터이다. 다채널 어레이 센서(45)는, 차수 제거 필터(43)에서 걸러진 각 파장별 광들이 다채널 어레이 센서(45)의 입사면에 입사되도록, 배치된다.
다채널 어레이 센서(45)는 광 다이오드 어레이(Photodiode array, PDA) 센서일 수도 있고 CCD 타입의 어레이 센서일 수도 있다. PDA 센서의 경우, 광 다이오드와 커패시터(capacitor)가 픽셀 수만큼 일렬로 집적되어 있는 형태로서, 광 다이오드가 집적된 개수는 16개부터 2048개까지 다양할 수 있다. 각 광 다이오드에 입사된 입사광량에 비례하여 초기 충전 전류의 크기가 변화하는 성질을 이용하여 입사광에 비례한 전압이나 전류를 출력신호로 내보낸다. 다채널 어레이 센서(45)를 사용하면 회절발(42)에서 분산되어 분리된 전 파장, 예를 들면 190~1100nm에서의 투과 스펙트럼 또는 반사 스펙트럼을 획득할 수 있다.
따라서 품질 관리 공정에서 뿐만 아니라 전 파장에서의 데이터가 필요한 연구용으로서 분광 데이터 분석에 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 분광 스펙트럼을 얻기 위한 별도의 구동부가 불필요하므로 구성이 간단해질 수 있다. 그리고 광전달 유닛(30)을 통하여 전달된 광의 세기를 측정함에 있어 회절발(42)을 사용하고 별도의 소프트웨어를 통한 연산을 수행하지 않음으로써 측정 시간을 현저히 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 다채널 어레이 센서(45)에 입사되는 광을 차수 제거 필터(43)로 통과하도록 하여 회절발(42)에서 나온 각 파장별 광 중 분광되지 않고 반사되어 나온 다른 차수의 광들을 제거함으로써 더욱 정밀한 측정이 가능하다.
한편, 회절발(42)과 차수 제거 필터(43)는 다채널 측정 유닛 케이스(41)에 수납될 수 있다. 광전달 유닛(30)을 통해 전달된 광이 회절발(42)로 조사되도록 다채널 측정 유닛 케이스(41)에는 슬릿(41a)이 형성된다. 도면에는 다채널 어레이 센서(45)의 입사면이 다채널 측정 유닛 케이스(41)의 외부에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이와 달리 다채널 어레이 센서(45)의 입사면이 다채널 측정 유닛 케이스(41)에 수납되도록 배치될 수 있다. 즉, 다채널 어레이 센서(45)의 입사면은 다채널 측정 유닛 케이스(41) 내에 위치하고, 다채널 어레이 센서(45)의 다른 부분, 예를 들면 전극 핀은 다채널 측정 유닛 케이스(41)의 외부에 위치될 수 있다. 이렇게 다채널 어레이 센서(45)의 입사면을 다채널 측정 유닛 케이스(41) 내에 위치하도록 함으로써 광 다이오드 어레이면을 이물질 또는 외부의 충격으로부터 보호할 수 있다.
도면에 도시된 일 실시예에는 다채널 측정 유닛이 예시되어 있으나, 본 발명의 보호범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 단채널 측정 유닛을 구비하는 적분구 탑재형 분광 광도계도 본 발명의 보호범위에 포함되며, 이 경우 단채널 측정 유닛은 단채널 측정 센서 및 이 센서에 각 파장별 광을 순차적으로 입사시키도록 구동되는 스캐닝 미러를 구비할 수 있다.
도 5a 내지 5b는 ISO 표준에 따른 투과율(transmittance) 및 탁도(haze)의 측정 모드를 보여주는 개략도이다. 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 지금까지 기술한 본 발명의 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계로 제품의 투과율 및 탁도를 측정하는 과정을 설명한다.
제품의 투과율을 측정하기 위하여, 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계는 먼저 도 5a에 도시된 바와 같이, 제1 차폐부(22)로 출구 개구(21b)를 닫아서 출구 개구(21b)측 부분을 반사면으로 만들고, 제2 차폐부(23)는 보상 개구(21c)가 열리도록 작동하여 보상 개구(21c)측 부분을 흡수면으로 만든다. 그리고 입사 개구(21a)에는 샘플을 배치하지 않은 채로 두고 광원 유닛(10)에서 나온 광을 적분구 유닛(20)으로 입사시킨다. 그러면 입사 개구(21a)를 통하여 입사된 광은 적분구(21) 내에서 평행(parallel) 투과광과 확산(diffused) 투과광으로 나뉘고, 평행 투과광은 출구 개구(21b)측의 반사면에 반사된 후 최종적으로 포집 개구(21d)측에서 광전달 유닛(30)을 거쳐 다채널 측정 유닛(40)으로 전달된다. 이때 확산 투과광은 산란광으로서, 보상 개구(21c)측의 흡수면에 들어가서 제거되므로 간섭 요인이 없어진다.
다음으로, 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계는 먼저 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 차폐부(22)로 출구 개구(21b)를 닫아서 출구 개구(21b)측 부분을 반사면으로 만들고, 제2 차폐부(23)는 보상 개구(21c)가 열리도록 작동하여 보상 개구(21c)측 부분을 흡수면으로 만든다. 그리고 입사 개구(21a)에는 샘플(S)을 배치한 채로 광원 유닛(10)에서 나온 광을 샘플(S)에 투과시켜 적분구 유닛(20)으로 입사시킨다. 그러면 샘플(S)을 투과한 후, 입사 개구(21a)를 통하여 입사된 광은 적분구(21) 내에서 평행 투과광과 확산 투과광으로 나뉘고, 평행 투과광은 출구 개구(21b)측의 반사면에 반사된 후 최종적으로 포집 개구(21d)측에서 광전달 유닛(30)을 거쳐 다채널 측정 유닛(40)으로 전달된다. 이때 확산 투과광은 도 5a에서와 마찬가지로, 보상 개구(21c)측의 흡수면에 들어가서 제거된다.
도 5a 및 5b에 도시된 모드에서 다채널 측정 유닛(40)에 의해 계측된 투과광의 세기를 각각 T1과 T2라고 하면, 전 투과율(total transmittance)은 T2/T1×100(%)식으로부터 구할 수 있다.
제품의 탁도를 측정하기 위하여, 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계는 상기한 도 5a 및 5b에 도시된 모드에서 계측된 투과광의 세기인 T1과 T2를 각각 구한 뒤, 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1 차폐부(22)를 출구 개구(21b)가 열리도록 작동하여 출구 개구(21b)측 부분을 흡수면으로 만들고, 제2 차폐부(23)로 보상 개구(21c)를 닫아서 보상 개구(21c)측 부분을 반사면으로 만든다. 그리고 입사 개구(21a)에는 샘플을 배치하지 않은 채로 광원 유닛(10)에서 나온 광을 적분구 유닛(20)으로 입사시킨다. 그러면 입사 개구(21a)를 통하여 입사된 광은 적분구(21) 내에서 평행 투과광과 확산 투과광으로 나뉘고, 평행 투과광은 출구 개구(21b)측에서 흡수되는 반면, 확산 투과광은 적분구(21)의 내부면에 반사되어 최종적으로 포집 개구(21d)측에서 광전달 유닛(30)을 거쳐 다채널 측정 유닛(40)으로 전달된다.
다음으로, 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계는 먼저 도 5d에 도시된 바와 같이, 제1 차폐부(22)를 출구 개구(21b)가 열리도록 작동하여 출구 개 구(21b)측 부분을 흡수면으로 만들고, 제2 차폐부(23)로 보상 개구(21c)를 닫아서 보상 개구(21c)측 부분을 반사면으로 만든다. 그리고 입사 개구(21a)에는 샘플(S)을 배치한 채로 광원 유닛(10)에서 나온 광을 적분구 유닛(20)으로 입사시킨다. 그러면 샘플(S)을 투과한 뒤 입사 개구(21a)를 통하여 입사된 광은 적분구(21) 내에서 평행 투과광과 확산 투과광으로 나뉘고, 평행 투과광은 출구 개구(21b)측에서 흡수되는 반면, 확산 투과광은 적분구(21)의 내부면에 반사되어 최종적으로 포집 개구(21d)측에서 광전달 유닛(30)을 거쳐 다채널 측정 유닛(40)으로 전달된다.
도 5c 및 5d에 도시된 모드에서 다채널 측정 유닛(40)에 의해 계측된 투과광의 세기를 각각 T3과 T4라고 하면, 확산 투과율(total transmittance)은 100×[T4-T3(T2/T1)]/T1(%) 식으로부터 구할 수 있다. 또한, 평행 투과율(parallel transmittance)은 Tt-Td(%) 식으로부터 구할 수 있다. 한편, 탁도는 100×Td/Tt 또는 100×{[T4-T3(T2/T1)]/T1}/(T2/T1) 식으로부터 구할 수 있다.
여기서, 적분구 유닛(20)에서 포집된 광이 광전달 유닛(30)을 거쳐 다채널 측정 유닛(40)으로 전달되는 과정을 설명하면, 적분구 유닛(20)에서 반사된 평행광 또는 확산광은 제1 포커싱 렌즈(31)를 통과하여 광섬유(32)의 코어 안으로 소정 범위 내의 각도로 집광되어 들어가고, 광섬유(32)의 내부로 입사된 광은 코어 내부에서 전반사를 일으키면서 다채널 측정 유닛(40)까지 전달된다.
그리고, 다채널 측정 유닛(40)으로 전달된 광의 세기를 측정하는 과정을 설명하면, 광섬유(32)의 끝으로 전달된 광은 콜리메이터 렌즈(미도시)를 거쳐 다채널 측정 유닛 케이스의 슬릿을 통하여 회절발(42)로 조사된다. 회절발(42)에 조사된 광은 각 파장마다 회절 각이 달라져서 모든 파장대역의 다색광이 분리 반사되면서 파장 별로 분광 스펙트럼이 발생된다. 분광된 광들은 차수 제거 필터(43)를 거치면서 투과율에 영향을 미치는 다른 차수의 광(회절발(42)에서 나온 각 파장별 광 중 분광되지 않고 반사되어 나온 다른 차수의 광)들이 제거된 후, 다채널 어레이 센서(45)의 입사면에 입사된다. 다채널 어레이 센서(45)는 복수 개의 채널을 통하여 각 파장별 입사 광량에 비례하는 신호를 출력하므로 1회의 스캐닝 동작으로 각 파장에서의 광의 투과율을 측정할 수 있다.
이상에서 설명한 도 5a 내지 5d 모드에서의 투과율과 헤이즈값 측정 과정은 ISO 표준에 따라 전처리 자동으로 구현된다.
도 6a 및 6b는 ISO 표준에 따른 반사율의 측정 모드를 보여주는 개략도이다. 도 6a 및 6b를 참조하여, 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계에서 제품의 반사율을 측정하는 과정을 설명한다.
제품의 반사율을 측정하기 위하여, 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계는 먼저 도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 차폐부와 제2 차폐부로 출구 개구(21b)와 보상 개구(21c)를 각각 닫아서 출구 개구(21b)측 부분과 보상 개구(21c)측 부분을 반사면으로 만든다. 그리고 입사 개구(21a)에는 샘플을 배치하지 않은 채로 두고 광원 유닛(10)에서 나온 광을 적분구 유닛(20)으로 입사시킨다. 그러면 입사 개구(21a)를 통하여 입사된 광은 적분구(21) 내에서 반사되어 최종적으로 포집 개구(21d)측에서 광전달 유닛(30)을 거쳐 다채널 측정 유닛(40)으로 전달된다.
다음으로 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1 차폐부와 제2 차폐부로 출구 개구(21b)와 보상 개구(21c)를 각각 닫도록 유지한 상태로, 입사 개구(21a)에는 반사율을 측정하고자 하는 샘플(S)을 배치한다. 그리고 나서 광원 유닛(10)에서 나온 광을 적분구 유닛(20)으로 입사시킨다. 그러면 입사 개구(21a)를 통하여 입사된 광은 적분구(21) 내의 출구 개구(21b)측의 반사면에 반사된 후, 반사 개구(21e)측의 샘플면에 반사된 후 최종적으로 포집 개구(21d)측에서 광전달 유닛(30)을 거쳐 다채널 측정 유닛(40)으로 전달된다.
도 6a 및 6b에 도시된 모드에서 다채널 측정 유닛(40)에 의해 계측된 반사광의 세기를 각각 IB과 IS라고 하면, 반사율(reflectivity)은 IS/IB×100(%)식으로부터 구할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계는 하나의 장비로 투과율 및 헤이즈 뿐만 아니라 반사율도 구할 수 있다. 따라서, 활용 범위가 넓은 장점이 있다.
또한, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정 예가 가능함은 당업자에게 있어서 명백하며, 이러한 변형 및 수정 예는 이하에 첨부된 본 발명의 특허 청구 범위에 속함은 물론이다.
본 발명의 측정 장비를 제조 및 이용하는 산업에서 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계의 분해 외형 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적분구 탑재형 분광 광도계의 분해 투명 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 적분구 탑재형 분광 광도계의 분해 측면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 적분구 탑재형 분광 광도계의 작동 상태를 보여주는 개략도이다.
도 5a 내지 5b는 국제 표준에 따른 투과율 및 탁도의 측정 모드를 보여주는 개략도이다.
도 6a 및 6b는 국제 표준에 따른 반사율의 측정 모드를 보여주는 개략도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 간단한 설명 *
10: 광원 유닛 11: 제논 램프
12: 반사 미러 13: 제2 포커싱 렌즈
20: 적분구 유닛 21: 적분구
21a: 입사 개구 21b: 출구 개구
21c: 보상 개구 21d: 포집 개구
21e: 반사 개구 22: 제1 차폐부
23: 제2 차폐부 30: 광전달 유닛
31: 제1 포커싱 렌즈 32: 광섬유
40: 다채널 측정 유닛 41: 다채널 측정 유닛 케이스
42: 회절발 43: 차수 제거 필터
45: 다채널 어레이 센서
Claims (8)
- 광원 유닛;상기 광원 유닛에서 나온 광이 입사되어 포집되는 적분구 유닛;상기 적분구 유닛에서 포집된 광을 모아서 전달하는 광전달 유닛; 및상기 광전달 유닛을 통해 전달된 광의 세기를 측정하는 측정 유닛;을 포함하는 적분구 탑재형 분광 광도계.
- 제1 항에 있어서,상기 측정 유닛은 광의 파장별 세기를 측정하는 다채널 측정 유닛인 적분구 탑재형 분광 광도계.
- 제1 항에 있어서,상기 다채널 측정 유닛은,광을 각 파장별로 분광시키는 회절발(grating);상기 회절발을 통하여 각 파장별로 분광된 광의 각 파장별 세기를 측정하는 다채널 어레이 센서; 및상기 회절발과 상기 다채널 어레이 센서 사이의 광 경로상에 배치되며, 상기 회절발에서 나온 각 파장별 광 중 분광되지 않고 반사되어 나온 다른 차수의 광들을 제거하는 차수 제거 필터(order sorting filter);를 포함하는 적분구 탑재형 분 광 광도계.
- 제1 항에 있어서,상기 광전달 유닛은 상기 적분구 유닛에서 포집된 광을 모아주는 제1 포커싱 렌즈 및 상기 제1 포커싱 렌즈에 의해 모아진 광을 전달하는 광섬유를 포함하는 적분구 탑재형 분광 광도계.
- 제1 항에 있어서,상기 적분구 유닛은, 정육면체의 내부에 구형의 내부면이 형성되고 그 내부면이 반사물질로 코팅된 적분구를 포함하며,상기 적분구에는 상기 광원 유닛에서 나온 광이 입사되는 통로인 입사 개구, 상기 입사된 빛을 선택적으로 반사하거나 흡수하도록 제어되는 출구 개구와 보상 개구, 포집되고 모아진 광이 광전달 유닛으로 전달되는 통로인 포집 개구, 및 반사율 측정 대상 물질이 배치될 수 있는 반사 개구가 형성된 적분구 탑재형 분광 광도계.
- 제5 항에 있어서,상기 입사 개구는 상기 정육면체의 외면 중 상기 광원 유닛쪽으로 향하는 제1 면에 형성되며, 상기 출구 개구는 상기 제1 면을 대향하는 제2 면에 형성되며, 상기 보상 개구는 상기 제1 면 또는 제2 면과 90도를 이루는 제3 면에 형성되며, 상기 포집 개구는 상기 제3 면을 대향하는 제4 면에 형성되며, 상기 반사 개구는 상기 제1 내지 제4 면과 90도를 이루는 제5 면에 형성되는 적분구 탑재형 분광 광도계.
- 제5 항에 있어서,상기 출구 개구에는 상기 출구 개구를 향하는 광을 선택적으로 반사하거나 흡수하도록 제어되는 제1 차폐부가 설치되며, 상기 보상 개구에는 상기 보상 개구를 향하는 광을 선택적으로 반사하거나 흡수하도록 제어되는 제2 차폐부가 설치되는 적분구 탑재형 분광 광도계.
- 제1 항에 있어서,상기 광원 유닛은,가시광선 및 자외선을 방출하는 제논 램프;상기 제논 램프의 적분구 반대 측에 배치되며, 상기 제논 램프로부터 방출된 광을 반사시키는 반사 미러; 및상기 제논 램프에서 방출된 광을 모아주는 제2 포커싱 렌즈;를 포함하는 적분구 탑재형 분광 광도계.
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