KR20130064335A - 반사형 간섭 필터를 이용한 폴리크로메이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콜리메이션 렌즈부; 투과 및 반사 파장 대역이 다른 복수 개의 반사형 간섭필터; 및 복수 개의 광 검출부를 포함한 폴리크로메이터로서, 상기 복수 개의 반사형 간섭필터는 상기 콜리메이션 렌즈부로부터 발사되는 광의 경로를 따라 일렬로 순차적으로 배열되어 있으며, 상기 각 반사형 필터의 평면은 상기 광의 진행 경로 축선과 수직 하지 않으며, 상기 반사형 필터로부터 반사된 특정 파장의 광의 경로 상에 상기 특정 파장의 광을 검출할 수 있는 광 검출부가 배치된, 폴리크로메이터에 관한 것이다.

Description

반사형 간섭 필터를 이용한 폴리크로메이터{POLYCHROMATOR USING REFLECTIVE INTERFERENCE FILTER}

본 발명은, 분광 진단 장치 및 톰슨산란 진단용 폴리크로메이터에 관한 것이다. 더욱 특이적으로 본 발명은 반사형 간섭 필터를 사용한 캐스케이드 방식으로 입사광을 분광시키는 폴리크로메이터에 관한 것이다.

플라즈마란, 물질을 수억 도까지 가열하게 되면 분자 상태의 기체에서 전자가 하나 둘씩 떨어져 나가 음전하를 띠는 전자와, 양전하를 띠는 이온으로 분리되며 이러한 상태를 말한다. 이처럼 플라스마가 전하를 띠는 입자들로 이루어졌다는 점에 착안하여 강력한 자기장을 가하여 하전입자들이 그 주위를 맴돌게 함으로써 플라즈마를 공중에 띄워놓고 가열하는 것이 토카막에 적용되는 자기 구속 핵융합 방식이다.

한국형 토카막 장치로는 KSTAR(KOREA SUPERCONDUCTING TOKAMAK ADVANCED RESEARCH) 장치가 있다. 여느 토카막 장치와 마찬가지로, KSTAR 장치 역시 플라즈마 진단이 중요하다.

이를 위해 다양한 플라즈마 진단 장치가 있으며, 분광 진단 장치 및 톰슨산란 진단 장치 등과 같이 KSTAR에 배치되어 광학 측정 방식으로 플라즈마를 진단하는 장치가 있을 수 있다.

분광 진단 장치는 시간의 변화에 따라 신속하게 단시간에 측정해야하고, 전 파장 영역의 데이터 측정의 효율을 높여야 하는 토카막 장치 내의 플라스마 진단을 위해, 모노크로메이터보다는 폴리크로메이터가 바람직하게 하다.

또한 이러한 진단 장치는 특히, 토카막과 같은 고자기장 고에너지의 장치의 경우는, 장치의 크기 및 장치의 배치 구조의 유연성을 필요로 한다.

종래에는 다양한 타입의 폴리크로메이터가 있다. 널리 사용되는 타입으로 Paschen Runge 타입 폴리크로메이터(JP 58-190731)가 있다. 이는 입구 슬릿, 오목한 회절발 및 출구 슬릿으로 구성되어 있다. 즉, 일반적으로 입사 빛의 스펙트럼의 스캐터링(scattering) 및 스캐터링된 빛의 분리(isolation)를 위해 회절발을 사용한다. 이와 같은 회절발을 이용한 진단 장치는 미광 차단(stray light rejection), 독립적 채널 반응, 나아가 노이지한 환경(noisy environments)에서의 부정확한 빛 측정의 단점이 있다. 또한 분광된 빛의 진단 장치의 설치에 있어서 공간적 크기적 제한이 많이 있다.

이에, 대한민국특허공개 10-2005-0111579에서 공개된 바와 같은 간섭필터를 이용하여 입사광을 다단계로 분광시키는 분광장치가 고려되었다. 이 장치는 회절발을 사용하지 아니한 장점은 있으나, 투과형 간섭필터를 사용하는 방식으로 투과형 간섭필터를 투과한 특정 대역의 파장을 검출하는 광검출기의 위치 및 상기 분광장치의 구조적 제한에 문제가 있다.

더욱이, 토카막 장치의 사용을 위한 진단 장치는 앞서 언급한 토카막의 고유의 특성 때문에 고성능의 진단장치가 필요하고, 장치의 배치 및 크기의 유연성이 필요하다.

이에, 본 발명자는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하고 및 요구사항을 충족시키기 위해, 콜리메이팅 렌즈부(collimating lens), 반사형 간섭 필터 등의 구성을 이용하여, 입사 빛의 캐스케이드 방식의 분리를 통한 콜리크로메이터 톰슨 산란 분광 장치를 고안하였다. 본 발명의 폴리크로메이터는, 광경로를 최소화한 초소형 폴리크로메이터이다.

본 발명은 콜리메이션 렌즈부; 투과 및 반사 파장 대역이 다른 복수 개의 반사형 간섭필터; 및 복수 개의 광 검출부를 포함한 폴리크로메이터를 제공한다. 상기 복수 개의 반사형 간섭필터는 상기 콜리메이션 렌즈부로부터 발사되는 광의 경로를 따라 일렬로 순차적으로 배열되어 있고, 상기 각 반사형 필터의 평면은 상기 광의 진행 경로 축선과 수직 하지 않으며, 상기 반사형 필터로부터 반사된 특정 파장의 광의 경로 상에 상기 특정 파장의 광을 검출할 수 있는 광 검출부가 배치된다.

상기 콜리메이션 렌즈부로부터 형성된 집광 또는 평행광은 본 발명의 폴리크로메이터 내에, 일렬로 순차 배열된 제 1 간섭필터로 전달된다. 상기 간섭필터가 가진 특정 파장 대역(λ1 ~ λ2)을 반사시키고 이외 파장 영역의 광을 투과시킨다. 상기 반사된 광은 반사 경로 상에 위치한 광 검출부로부터 검출된다. 반사가 이뤄진 특정 파장의 광 이외의 광은 간섭필터를 통과해 진행한다. 이러한 투과된 광은 제 2 간섭필터로 전달된다. 제 2 간섭필터의 반사 파장 대역은 제 1 간섭필터의 것과는 상이하다. 제 2 간섭필터로부터 특정 파장 대역(λ2 ~ λ3)의 빛은 반사된다. 반사된 빛은 반사된 빛의 경로 상에 위치한 광검출기를 통해 검출된다. 이외 파장 영역의 광은 투과된다. 마찬가지로 상기 투과된 광은 제 3 간섭필터로 전달된다. 이러한 방식으로 나머지 간섭필터를 통해 다단 분류(cascade)된다.

이러한 본 발명의 폴리크로메이터는 광을 반사 간섭 필터로 다단계(cascade)로 분광시킨다. 반사된 특정 파장의 빛을 검출하고, 상기 검출기는 직진성 광의 경로의 주위에 배치되는데, 그 주위, 즉 광 경로선의 둘레에 방사형으로 모든 방향에 임의로 다양한 구조로 배치될 수 있다. 상기 다양한 구조는 환경에 따라 임의 선택가능하여 사용 환경의 적합성을 높일 수 있으며, 검출할 광만을 분지형으로 반사시켜 주위의 검출기로 분지시키고, 남은 대부분의 광은 진행 경로를 변경시키지 않는 구성이다. 이러한 장점은 토카막과 같은 고에너지원에서 방출되는 전자기파를 검출하는데 있어서 원격으로 진단하여야 하는 환경에서는 광의 진행 경로의 제한이 없는 또는 광의 진행 경로를 일정하게 유지할 수 있는 본 장치는 매우 이로울 수 있다.

본 발명의 폴리크로메이터는 여러 단계로 간섭 필터에 따라 광이 분광되는 경우에 후단에서 진행되는 후단 간섭 필터에 따른 분광 과정은 광의 세기가 약해질 수 있다. 이를 보완하기 위해, 필요한 경우에 광 증폭 구성을 추가할 수 있다.

상술한 목적 및 관련된 목적을 달성하기 위해서, 하나 이상의 실시예들이 아래에서 설명되고, 특히 청구항에서 특정되는 특징들을 포함한다. 하기 설명 및 관련 도면은 이러한 실시예들의 예시적인 양상들을 보다 상세히 설명한다. 이러한 양상들은 단지 일 예일 뿐이며, 다양한 변형이 가능함을 당업자는 잘 이해할 수 있을 것이다. 또한, 제시된 실시예들은 이러한 실시예들 및 이러한 실시예들의 균등물 모두를 포함하는 것으로 해석된다.

관습에 따라 도면의 다양한 특징들은 실측에 따라 도시되지 않을 수 있다. 따라서, 다양한 특징들의 치수들은 간명성을 위하여 임의로 확대되거나 감소될 수 있다. 또한, 도면의 일부가 간명성을 위해 단순화될 수 있다. 따라서, 도면은 제시된 장치(예를 들어 디바이스) 또는 방법의 모든 컴포넌트들을 도시하지 않을 수도 있다. 마지막으로, 유사한 도면번호들이 상세한 설명 및 도면 전반에서 유사한 특징들을 나타내는데 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적 일 형태로서, 본 발명의 반사형 간섭 필터를 이용한 폴리크로메이터의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적 일 형태로서, 본 발명의 반사형 간섭 필터를 이용한 폴리크로메이터의 사시도이다.

다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.

도 1은 본 발명의 예시적 일 형태로서, 본 발명의 반사형 간섭 필터를 이용한 폴리크로메이터의 단면도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 예로서, 콜리메이션 렌즈부(110); 투과 및 반사 파장 대역이 다른 복수 개의 반사형 간섭필터(120a, 120b, 120c, 120d, 120e); 및 복수 개의 광 검출부(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)를 포함한 폴리크로메이터(100)를 예시한다.

상기 복수 개의 반사형 간섭필터(120a, 120b, 120c, 120d, 120e)는 상기 콜리메이션 렌즈부(110)로부터 발사되는 평행한 광(140)의 경로를 따라 상기 반사형 간섭필터의 평면이 상기 광의 경로와 수직 하지 않게 일렬로 배치되어 있다.

상기 반사형 간섭필터로부터 반사된 특정 파장의 광의 경로 상에, 상기 반사된 특정 파장의 광을 검출할 수 있는 광 검출부(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)가 위치한다.

상기 콜리메이션 렌즈부는 광원으로부터의 빛을 집광 또는 평행광으로 만든다. 예를 들어, 볼록렌즈와 오목렌즈 또는 슬릿의 조합으로 이뤄진 콜리메이션 렌즈부를 생각할 수 있을 것이며, 이 방식에는 제한되지 아니함은 당업자는 쉽게 인식할 것이다.

상기 반사형 간섭필터는 특정 파장 대역만을 반사시키고 나머지 파장 대역을 통과시키는 필터이다. 상기 간섭필터는 바람직하게는 분광된 파장 대역의 검출을 원하는 파장 대역을 반사시키며 그 이외의 파장은 투과된다.

이 반사형 필터들은 입사광의 진행 방향에 따라 일렬로 순차 배열되어 있다. 이러한 배열에 따라, 광 경로를 최소화하여 초소형 폴리크로메이터를 구현할 수 있었고, 광축을 일치시켜 광신호처리시의 손실이 최소화되고 손쉽게 제작 가능한 간단한 구조의 폴리크로메이터를 제공할 수 있다.

상기 간섭필터의 면은 상기 입사광의 진행 경로 축선에 수직하게 배치되어서는 안된다. 바람직하게는 상기 입사광의 진행 경로 축선과 상기 간섭필터 면이 이루는 각의 예각이 45도이다. 간섭필터 면이 향하는 배열은 설치 환경에 따라 임의 선택가능하다.

상기 광 검출부들은 상기 간섭필터들에 의해 반사된 광 경로 상에 위치하며, 여기서 위치한 광 검출부는 상기 반사 광을 만든 간섭필터의 반사 특정 대역 파장을 검출할 수 있는 광 검출부 구성이다. 상기 광 검출부는 포토다이오드를 포함할 수 있고, 포커싱 렌즈를 포함할 수 있다.

이러한 본 발명의 폴리크로메이터는 광을 반사 간섭 필터로 다단계(cascade)로 분광시키며, 반사된 특정 파장의 빛을 검출하고, 상기 검출기는 광의 경로에 따라 주위에 다양한 구조로 배치될 수 있고, 상기 다양한 구조는 환경에 따라 임의 선택가능하여 사용 환경의 적합성을 높일 수 있으며, 검출할 광만을 분지형으로 반사시켜 주위의 검출기로 분지시키고, 남은 대부분의 광은 진행 경로를 변경시키지 않는 구성으로서, 토카막과 같은 고에너지원에서 방출되는 전자기파를 검출하는데 있어서 원격으로 진단하여야 하는 환경에서는 광의 진행 경로의 제한이 없는 또는 광의 진행 경로를 일정하게 유지할 수 있는 본 장치는 매우 이로울 수 있다.

본 발명의 폴리크로메이터의 분광 및 광 검출의 일련의 방법을 설명하면 다음과 같다. 상기 콜리메이션 렌즈부로부터 형성된 집광 또는 평행광은 본 발명의 폴리크로메이터 내의 제 1 간섭필터(120a)로 전달된다. 제 1 간섭필터(120a)가 가진 특정 파장 대역(λ1 ~ λ2)을 반사시키고 이외 파장 영역의 광을 투과시킨다. 상기 투과된 광은 제 2 간섭필터(120b)로 전달된다. 제 2 간섭필터(120b)가 가진 특정 파장 대역(λ2 ~ λ3)을 반사시키고 이외 파장 영역의 광을 투과시킨다. 마찬가지로 상기 투과된 광은 제 3 간섭필터(120c)로 전달된다. 제 3 간섭필터(120b)가 가진 특정 파장 대역(λ3 ~ λ4)을 반사시키고 이외 파장 영역의 광을 투과시킨다. 이러한 방식으로 나머지 간섭필터를 통해 다단 분류(cascade)된다.

도 2는 본 발명의 예시적 다른 형태로서, 본 발명의 반사형 간섭 필터를 이용한 폴리크로메이터의 사시도이다. 도 1에서의 본 발명의 폴리크로메이터는 분광기들이 빛의 진행 축선을 포함하는 일 평면 상이 위치한 예이다. 본 발명의 폴리크로메이터는 분광기의 배치는 빛의 진행 축선을 포함하는 다양한 면에 위치할 수 있다. 도 2는 빛의 진행 축선을 포함하는 2면에 분광기 들이 배치한 모습을 예시한다. 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 구성의 일 특징에 따라, 빛의 진행 방향 축선의 오른쪽(3시 방향)에 배치하고 위(12시 방향)에 배치하고, 다시 아래(6시 방향)에 배치하고 다시 왼쪽(9시 방향)에 배치하며, 좌상향 방향(10시 방향)에 배치할 수 있다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (1)

1. 콜리메이션 렌즈부;
   투과 및 반사 파장 대역이 다른 복수 개의 반사형 간섭필터; 및
   복수 개의 광 검출부를 포함한 폴리크로메이터로서,
   상기 복수 개의 반사형 간섭필터는 상기 콜리메이션 렌즈부로부터 발사되는 광의 경로를 따라 일렬로 순차적으로 배열되어 있으며, 상기 각 반사형 필터의 평면은 상기 광의 진행 경로 축선과 수직 하지 않으며,
   상기 반사형 필터로부터 반사된 특정 파장의 광의 경로 상에 상기 특정 파장의 광을 검출할 수 있는 광 검출부가 배치된,
   폴리크로메이터.

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