KR20180021637A - 분광기 및 이를 이용한 스펙트럼 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입사되는 대상체의 광스펙트럼의 일부 파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사하는 제1 단위분광필터와, 상기 일부 파장대역과 다른 파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사하는 제2단위분광필터와, 상기 제 1단위분광필터를 투과하는 제1 광스펙트럼을 검출하기 위한 제 1광검출기와, 상기 제 2단위분광필터를 투과하는 제2 광스펙트럼을 검출하기 위한 제 2광검출기와, 상기 제 1광검출기 및 제 2광검출기로부터 검출된 광의 스펙트럼으로부터 입사한 상기 대상체의 광 스펙트럼을 재구성하는 기능을 수행하는 프로세싱 유닛을 구비하는 분광기를 개시한다.

Description

분광기 및 이를 이용한 스펙트럼 측정방법 {Spectrometer and Method for Measuring spectrum using the same}
본 발명은 분광기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 스탑밴드 특성을 갖는 분광필터를 이용한 분광기와 이를 이용한 스펙트럼 측정방법에 관한 것이다.
광학필터를 이용한 분광기는 가시광선 영역, 적외선 영역 등 다양한 파장 영역에서 활용되고 있다. 예를 들어 적외선 분광학에 사용되는 파장대역은 근적외선 영역과 중적외선 영역으로 나뉠 수 있다. 이하 중적외선 분광기에 대해서 예로 들어 종래 기술에 대해 설명한다.
중적외선 파장 영역(2-20 mm) 은 거의 모든 화학분자들의 고유한 기본진동모드(fundamental vibration mode)가 존재하는 구간으로 분자결합상태에 따라 서로 다른 적외선 흡수스펙트럼을 나타내기 때문에 분자지문 대역이라고도 일컬어지는 중요한 파장대역이다. 고체, 액체, 기체에 상관없이 미지의 시료를 판별하거나, 특정 타겟분자에 대해 고선택성을 갖고 정성적, 정량적 분석이 가능하다는 장점이 있다.
근적외선 영역(0.78-2 mm) 역시, 중적외선 대역 기본진동모드들의 배음현상(overtone)과 조합(combination)에 의한 모드가 존재하는 구간으로 그 강도는 낮지만 물질을 확인 또는 정량할 수 있다. 가시광 영역(0.38-0.78 mm)의 경우에도 물질고유의 흡수 스펙트럼은 물론 사물의 색상, 발광체 분석, 바이오 분자의 탐지등에 활용될 수 있다.
종래에는 퓨리에변환적외선(FTIR) 분광기와 같이 benchtop 형태의 분광기가 유무기 물질 분석기기로 활용되었으나, 점차 환경유해인자검출, 수질검사, 산업 및 농업 공정라인 모니터링을 통한 process 제어, 잔류농약검출 및 원산지 증명등 식품분야, 오일산화도 측정, 그리고 의학 바이오 분야 등 다양한 응용분야에서의 활용성이 주목받으면서 현장측정을 위한 소형화 기기로의 개발수요가 증대되고 있다.
분광기를 소형화시키는 가장 효과적인 방법으로 빛의 분산을 담당하는 광학부품을 기존의 프리즘, 회절격자 대신 밴드투과필터를 어레이 형태로 제작하여 광검출기 어레이와 집적화하는 방식이 제안되고 있다. 퓨리에변환적외선 방식과 달리 이동체가 필요 없기 때문에 견고하고 소형화가 용이하다는 장점이 있다.
밴드투과필터로는 두 반사막 사이에 놓인 유전체 공진기의 광간섭효과를 이용하는 파브리-페롯 필터가 대표적이다. 하지만, 분광기 구성에 요구되는 필터의 개수가 많고, 이에 필요한 유전체 공진층의 개수만큼 리소공정 단계도 크게 증가하기 때문에 평면형 구조의 분광기에 응용하기에는 적합하다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해 선형가변필터(Linear variable filter, LVF)가 개발되어 사용되고 있다.
선형가변필터(Linear Variable Filter, LVF)는 일종의 파브리-페롯 공진기 구조의 광학필터로서 길이방향으로 유전체 공진층의 두께가 선형적으로 가변되는 구조로 이루어진다. 선형가변필터에는 유전체 공진층을 사이에 두고 하부 거울층과 상부 거울층이 각기 위치된다.
이러한 선형가변필터는, 길이방향으로 두께가 가변되는 선형구조로 인해 공정 재현성에 한계가 있었다. 또한, 종래의 선형가변필터를 이용한 분광기의 해상도는 선형가변필터의 높이 대 길이비로 결정되기에 분광기의 소자를 소형화하는데 어려움이 있었다. 특히, 선형구조로 인해 2차원 이미징 센서기술과의 공정적합성이 부족하여 생산성 측면에서 불리하였다.
선형가변필터 위치별 투과스펙트럼이 연속적인 스펙트럼의 중첩으로 이루어지고, 선형가변필터와 광검출기 간의 집적화가 모놀리식(monolithic)하지 못하기 때문에 필터와 광 검출기들 어레이 사이에 거리가 존재하였으며, 이에 따른 미광(stray light) 효과로 인해, 필터성능이 저하되는 단점이 존재하였다.
또한 간섭형 필터의 특성상 다중 투과 모드가 발생하는데 이러한 점 때문에 자유스펙트럼범위(free spectral range)가 제한되고 광대역을 분석하고자 하는 경우 별도의 소자를 필요로 하는 문제점이 있었다.
또한, 중적외선 파장대역에 활용되는 분광기에 있어서는 높은 투과도를 갖는 물질계에 제한이 있기 때문에 간섭형 광학필터 구성에 한계가 있다.
또한, 이웃 셀과의 간섭 효과로 인한 문제점이 있었고, 이용가능한 물질도 제한되었다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 수평구조의 제어만으로 광대역의 제어가 가능하고 2차원 집적화에 유리한 분광기를 제공하고자 하는 것이다.
한편, 본 발명의 다른 목적은 내열, 내구성이 우수한 분광필터 어레이 및 이를 이용한 분광기를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일측면은 입사되는 대상체의 광스펙트럼의 일부 파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사하는 제1 단위분광필터와, 상기 일부 파장대역과 다른 파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사하는 제2단위분광필터와, 상기 제 1단위분광필터를 투과하는 제1 광스펙트럼을 검출하기 위한 제 1광검출기와, 상기 제 2단위분광필터를 투과하는 제2 광스펙트럼을 검출하기 위한 제 2광검출기와, 상기 제 1광검출기 및 제 2광검출기로부터 검출된 광의 스펙트럼으로부터 입사한 상기 대상체의 광 스펙트럼을 복원하는 기능을 수행하는 프로세싱 유닛을 구비하는 분광기를 제공한다.
상기 단위 분광필터들은 스탑밴드 특성을 갖는다. 스탑밴드 특성이라 함은 단위 분광필터들이 특정파장대역의 빛이 투과하지 못하도록 파장에 따른 투과율이 역방향의 피크를 갖는다. 또한, 이는 다른 표현으로 단위필터들 마다 중심파장에 해당하는 특정파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사함으로써 특정파장대역의 광이 투과하지 못하도록 함으로써 파장에 따른 투과율이 역방향의 peak을 갖는 필터의 특성을 의미한다. 한편, 대상체 스펙트럼이 피크 함수일 때, 광검출기에서 측정되는 필터순번별 세기분포는 dip 함수형태로 관찰되고, 대상체 스펙트럼이 dip 함수이면, 광검출기 측정 profile은 피크함수 형태를 띠게 된다. 즉, 대상체 스펙트럼과 역상 형태임을 표현하거나, 스펙트럼 복원과정에서 이웃 파장대역에서의 세기분포로부터 유추하여 결정되는 것도 가능하다.
바람직하게는, 상기 제 1단위분광필터 및 제 2 단위분광필터는 일정한 형상을 갖는 금속패턴들이 주기적으로 배열될 수 있고, 제 1단위분광필터의 금속패턴들과 제 2단위분광필터의 금속패턴들은 서로 다른 주기를 갖는다.
바람직하게는, 제 1광검출기 및 제 2광검출기는 CMOS 이미지 센서의 일부 광검출 픽셀로 구성된다.
먼저, 플라즈모닉 금속인 Au, Ag, Al, Cu 혹은 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금 중에서 선택된 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, AgPd, CuNi 합금등도 사용가능하다.
또한, 금속패턴들은 가시광 및 근적외선 대역에서 광의 흡수율과 굴절율이 모두 큰 금속인 Cr, Ni, Ti, Pt, Sn, Sb, Mo, W, V, Ta, Te, Ge, Si 혹은 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금 중에서 선택된 물질로 구성될 수 있다. 또한, 금속패턴들은 중적외선 대역에서 광학적 거동이 드루드 자유전자 모델을 따라가는 Ta, W, Mo, Ni, Cr, TiN, TiON 을 포함하여 구성된 그룹으로부터 적어도 하나가 선택될 수 있다.
또한, 상기 금속패턴들을 적어도 이중층으로 구성되고, 저손실 고반사도 금속물질과 광흡수형 금속물질을 적층하고, 상기 저손실 고반사도의 금속 물질로는 Ag, Au, Al, Mg 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금 중에서 선택된 물질로 구성될 수 있다.중에서 선택될 수 있고, 상기 광흡수형 금속 물질로는 Cr, Ni, Ti, Pt, Sn, Sb, Mo, W, V, Ta, Te, Ge, Si 및 이들 간의 합금 및 이들 금속을 포함하는 silicide, carbide, nitride, 또는 sulfide 일 수 있다.
한편, 제 1단위분광필터의 금속패턴들과 제 2단위분광필터의 금속패턴들은 같은 듀티사이클을 갖는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 제 1단위분광필터와 제 2단위분광필터의 상기 금속패턴들의 주기는 100nm와 800nm사이이다. 이는 Si 기반 광감지소자 동작대역 또는 가시광-근적외선 영역(380-1100 nm) 분광계 구성을 위한 바람직한 범위이다. InGaAs 또는 Ge 기반 근적외선 광감지소자 동작대역 (800-1700 nm) 에서의 바람직한 금속패턴들의 주기는 0.6 um 와 1.5 um 사이이다. 중적외선 대역 (2-15 um) 에서 바람직하게는 상기 금속나노패턴들의 주기는 0.8 um 와 8 um 사이이다.
상기 제 1단위분광필터와 제 2단위분광필터는 패시베이션층을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 패시베이션층은 HfO2, ZrO2, ZnO, ZnSe, TiO2, Al2O3, SiOx, SOG 혹은 이들중 적어도 2개로 이루어진 합금 중에서 선택된 물질로 구성된다.
한편, 상기 제 1단위분광필터와 제 2단위분광필터는 보호층을 더 포함할 수 있고, 상기 보호층은 굴절률이 낮은 실리콘옥사이드, 실리콘 질화막, 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 저분자 레진, 또는 폴리머 물질이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 프로세스유닛은, 제 1광검출기의 광의 스펙트럼으로부터 제 1단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기를 산출하는 단계, 제 2광검출기의 광의 스펙트럼으로부터 제 2단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기를 산출하는 단계와, 상기 제 1단위분광필터 및 제 2단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기로부터 입사된 대상체의 광 스펙트럼을 복원한다.
본 발명의 다른 측면은, 대상체의 광스펙트럼이 제1 및 제2 단위분광필터에 입사되는 단계와 상기 제1 단위분광필터는 일부 파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사하고, 상기 제2 단위분광필터는 상기 일부 파장대역과 다른 파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사하는 단계와, 제1 광검출기는 상기 제 1단위분광필터를 투과하는 제1 광스펙트럼을 검출하고 제2 광검출기는 상기 제2 단위분광필터를 투과하는 제2 광스펙트럼을 검출하는 단계와, 상기 제 1광검출기 및 제 2광검출기로부터 검출된 광의 스펙트럼들로부터 입사한 상기 대상체의 광 스펙트럼을 복원하는 단계를 구비하는 분광기를 이용한 스펙트럼 측정방법을 제공한다.
바람직하게는, 대상체의 광 스펙트럼을 복원하는 단계는, 상기 제 1광검출기의 제1 광 스펙트럼으로부터 제 1단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기를 산출하는 단계와 상기 제 2광검출기의 제2 광 스펙트럼으로부터 제 2단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기를 산출원하는 단계와 복원된 상기 제 1단위분광필터 및 제 2단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기로부터 입사된 광의 스펙트럼을 복원한다.
상기 대상체의 스펙트럼을 복원하는 단계에서는 direct readout 또는 regularization 기법이 이용되는 것이 바람직하다.
상기 대상체의 스펙트럼을 복원하는 단계는, 아래 식에 개별필터의 투과스펙트럼(fi(λ))와 광검출기의 spectral 감도함수(di(λ)) 정보를 대입하고, 측정된 검출신호 ri를 이용하여, 도출할 수 있다. 여기서, Di(λ)는 fi(λ)di(λ) 이다.
Figure pat00001
(여기서, 분석하고자 하는 대상체의 스펙트럼을 s(λ), 개별 필터(F)들의 투과함수를 fi(λ), 노이즈를 ni, 그리고 광검출기(PD)의 감도함수를 di(λ)라 하면, 대상체의 스펙트럼이 필터를 통과해 광검출기에 도달할 때 발생하는 검출신호 ri)
이상에서 설명한 바와 같은 발명에 의하면, 저가의 단순 공정으로 2차원 집적화가 용이한 분광기를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 가시광선 영역부터 근적외선, 적외선 파장대역을 커버할 수 있는 광대역 동작 범위를 구현할 수 있다.
또한, 단일 스탑밴드를 이용한 분광기를 채용함으로써 분광필터의 설계와 제조공정이 단순해지고, 금속소재 선택자유도가 확장되며, 필터함수 측정과 해석이 용이해져 신호복원능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 중적외선 영역에서 장기간 열적 안정성과 내구성이 우수하면서도 중적외선 대역에서의 플라즈모닉 특성 발현이 가능한 물질계의 적용으로 소자의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광필터 어레이이고, 도 1b는 이를 이용한 분광기의 일부를 도시하는 도면이고, 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광기의 블럭도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광필터의 어레이를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 금속패턴들을 예시하고 있는 도면들이다.
도 3a 내지 도 3c는 다른 실시예에 따른 분광필터들을 도시하는 도면들이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 실시예에 따라서 몇가지 금속물질과 패턴들에 대한 스탑밴드의 투과특성을 시뮬레이션 결과 그래프들이다.
도 5는 나노구조체 배열을 구성하는 금속 물질계 선택에 따른 열적안정성을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 금속 나노구조체 어레이형 스탑밴드 필터의 자유스펙트럼 범위가 근적외선 대역은 물론 가시광 파장 영역까지 확장될 수 있음을 보여주는 전산모사 결과이다.
도 7은 본 발명의 필터 어레이와 광검출기 간의 1차원 선형 배열 결합을 통해 분광기를 구성하는 예시를 보여준다.
도 8은 본 발명의 필터 어레이와 광검출기 간의 2차원으로 배열되는 결합을 통해서 분광기를 구성되는 일례가 도시된다.
도 9는 본 발명의 분광방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 적외선 광학필터를 적용한 분광기 동작을 위해 대상체 스펙트럼을 복원하는 디지털 신호처리 프로세스를 보여준다.
도 11a 및 도 11b는 가시광-근적외선 파장대역에서 투과밴드형 필터어레이와 스탑밴드형 필터어레이를 비교하기 위한 그래프들이다.
도 12는 본 발명에 따라서 스탑밴드형 필터어레이를 이용할 때, 투과밴드형 필터어레이 대비 분광신호 검출 한계 측면에서의 이득을 설명하기 위한 모식도이다.
도 13a 및 도 13b는 금속 나노디스크 어레이 필터에서 듀티사이클을 변화시켜 복원된 함수의 그래프들을 도시하고 있다.
도 14a는 circle과 육방정 격자구조를 갖는 나노디스크 어레이 구조의 필터에서 나노디스크 형상에 따른 스펙트럼 변화를 비교한 그래프이고, 도 14b는 2개 이상 형상을 갖는 디스크 어레이 들로 혼합하여 분광 필터 어레이를 구성한 에를 도시하고 있다.
도 15는 금속과 유전체, 반도체 물질별 광학상수 분산특성을 굴절율 대비 흡수율의 분포로 나타낸 그래프이다.
도 16은 Cr과 Ti을 이용하여 육방정 격자구조의 나노디스크 어레이를 형성하고 가시광-근적외선 대역에서 계산한 광투과도 스펙트럼이다.
도 17은 텅스텐(W)을 이용하여 계산된 나노디스크 어레이의 광투과도와 광반사도 그래프이다.
도 18은 도 16의 텅스텐의 나노디스크 어레이를 스탑밴드형 필터어레이로 제작하여 디지털 신호처리 알고리즘을 적용하여 스펙트럼 복원능을 테스트한 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광필터 어레이의 일부를 도시한 도면이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 분광필터 어레이를 이용한 분광기의 일부를 도시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 분광필터 어레이(10)는 다수의 단위 분광필터들(F1,F2)을 포함한다. 다수의 단위 분광필터들(F1,F2)은 각기 다른 파장의 광을 필터링하도록 구성된다. 다수의 단위 분광필터들은 적어도 2개의 단위 분광필터들을 의미한다. 본 발명의 실시예 따른 분광기(20)는 상기 분광필터 어레이(10)을 포함하며, 다수의 단위 분광필터들(F1,F2) 각각에 대응되는 각각의 광검출영역들(PD1, PD2)을 포함하는 광검출기 어레이(210)를 구비하여 구성된다. 다수의 단위필터들(F1,F2)은 각기 다른 파장의 광을 필터링하도록 구성되며, 단위필터들(F1,F2) 각각은 광검출영역들(PD1, PD2) 각각에 대응된다. 다수의 단위필터들은 적어도 2개의 단위필터들을 의미한다. 도 1b의 예시에서는 단위필터들(F1,F2)이 기판(110)을 사이에 두고 광검출영역들(PD1, PD2)이 대응되는 상황을 예로 들어 도시하고 있으나, 단위필터들(F1,F2)과 이에 대응되는 광검출영역들(PD1, PD2)을 구비한다는 의미는 단위필터들(F1,F2)과 광검출영역들(PD1, PD2)이 직접 접촉되어 있는 상황을 포함할 수 있고, 그 이외에도 분리된 모듈 형태된 모듈 형태, 또는 양자 사이에 릴레이 렌즈와 같은 광학계 등이 별도로 삽입되는 형태 등을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
단위 분광필터들(F1,F2)은 스탑밴드를 이용하는 것을 주된 특징적 구성으로 하는데, 그 일예로서 금속패턴들(120)을 주기적으로 형성하여 필터링이 가능하도록 하는 플라즈모닉스 필터로 구현된다.
도 1a의 단위 분광필터들(F1,F2)은 돌출된 일정 형상(엠보싱)의 금속패턴들(120)이 주기적으로 배치되는 구조를 통해서 스탑밴드를 구현하는 것을 예시하고 있다.
금속패턴들은 주기적 격자구조를 갖는 금속 나노구조체 배열을 이룰 수 있고, 국소표면 플라즈몬(localized surface plasmon)과 격자모드와의 커플링에 의해 특정파장대역에서 강화된 특이적(extraordinary) 광흡수 내지 광반사 현상을 나타낸다. 이로 인해 금속 나노구조체 배열을 투과하는 빛의 스펙트럼은 특이적 광흡수 내지 광반사 현상이 강화되는 선택적 파장대역에서 투과도가 급격히 낮아지는 dip 곡선을 형성하게 된다. 이는 투과광을 기준으로 할 때, 스탑밴드로서 역할을 하게 되며, 그 스펙트럼 형상은 금속물질의 선택과 나노구조체 배열의 주기 및 입자크기와 같은 기하학적 구조에 의존하며, 특히 그 중심파장은 격자주기에 의해 지배적으로 결정되는 특징을 갖는다.
종래에는 플라즈모닉 필터로 투과형 밴드를 나타내는 금속 나노홀 어레이 구조가 활용되어져 왔다. 금속 나노홀 어레이 구조는 금속박막 표면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬파와 격자모드와의 커플링에 의해 특정 파장에서 광투과도가 증가하는 특이적 광 투과(extraordinary optical transmission, EOT) 현상을 나타낸다. 또한, 금속 나노홀 어레이 구조는 금속 나노디스크 어레이 구조의 경우와 달리 진행파 간의 커플링에 기반하기 때문에 다양한 모드가 존재하며, 단일 투과밴드로 정의 되지 않는 특징이 있다. 이러한 다중모드의 존재는 필터 어레이 방식의 분광기 동작시 각 광검출영역에 입사되는 신호파장을 처리하는 과정에서 왜곡을 초래할 수 있다. 또한, 금속박막표면을 따라 진행하는 감쇄없는 표면플라즈몬 파의 생성이 요구되기 때문에 광흡수성 금속의 사용이 어렵고 Ag, Au로 대표되는 저손실 고반사도의 귀금속 계열 금속등으로 재료계가 한정된다는 한계가 존재한다. 더욱이, 이들 귀금속 소재들도 중적외선 대역에서는 유전상수의 허수항이 커지기 때문에 금속나노홀 어레이 기반의 투과밴드 필터 형성을 위한 구조적 설계에 많은 제약이 따른다는 단점이 있다.
한편, 고반사도 금속물질로 이루어진 금속패턴들의 배열은 격자 모드와의 커플링에 의해 특정 파장대역에서 반사도 피크곡선을 보여주기 때문에, 반사광을 이용하는 반사형 칼라필터 혹은 장식코팅 등의 제한적 용도로 사용되어 왔다. 본 발명에서는 금속 나노구조체 배열을 반사형 구조가 아닌, 스탑밴드 필터 형태로 광검출기 어레이와의 배치가 투과형 구조로 구성되는 분광기 기술을 제공한다.
본 발명자들은 가시광 파장 영역과 적외선 파장 대역에서 플라즈모닉 나노구조체 배열에 의해 형성되는 스탑밴드를 이용하는 경우에 주기에 의존하는 자유스펙트럼범위(free spectral range)가 비교적 넓어서 투과형 밴드 필터에 비해 가시광과 적외선 파장 대역 전반을 커버할 수 있다는 장점이 있다는 것을 확인하였다.
또한, 본 발명자들은 적외선 파장 대역에서는 투과형 밴드로 분광기를 구성하는 경우 특히 특성이 저하되는 현상이 발생함을 확인하기도 하였는데 스탑밴드 필터의 경우는 이러한 문제점도 해결할 수 있었다. 이 경우, 중적외선 대역의 분광기는 2㎛ 내지 15㎛ 의 파장 대역에서 동작하는 것으로 정의할 수 있고, 더욱 바람직하게는 분광기는 2.5㎛ 내지 12㎛ 의 중적외선을 커버한다.
한편, 분광기를 구성하기 위해서는 프로세싱 유닛(330, 도 1c 참조)을 별도로 구비하는데, 프로세싱 유닛은 광검출영역들(PD1, PD2)로 구성된 광검출기 어레이로부터 검출된 광신호를 이용하여 입사한 광의 스펙트럼을 재구성하는 기능을 수행한다. 상세히 후술한다.
중적외선 파장대역에서의 광검출기 어레이로는 pyroelectric, thermopile, volometer, photoconductive 및 photovoltaic 방식의 광검출기소자를 이용한 1차원 어레이 형태의 적외선 광검출기 혹은 2차원 어레이 형태의 적외선 이미지 센서가 사용될 수 있다. 가시광 및 근적외선 파장대역에서는 Si, Ge, InGaAs 기반 광검출 소자를 이용한 1차원 광검출기 어레이 혹은 2차원 CMOS 이미지센서가 사용될 수 있다.
한편, 주기적인 금속패턴들(120)을 별도의 기판(110) 상에 형성한 뒤 광검출기 어레이와 광학적으로 커플링시켜 사용하거나, 혹은 광검출기 어레이 위에 버퍼층(미도시)을 사이에 두고 직접 monolithic하게 형성될 수 있다. 버퍼층(미도시)은 광검출기의 각 픽셀의 보호층 역할을 하면서 광학적으로 투명한 유전체층이 선호되며, SiNx나 SiO2층일 수 있다. 또한 상부 금속패턴층과의 접착력 증진을 위해 Ti, Cr, 및 전이금속산화물 등의 계면접착층을 추가로 구비하는 것도 가능하다.
기판(110)은 특별히 한정되지 않은 다양한 종류가 가능하고, 유리 또는 고분자와 같은 유연한(flexible) 투광성 기판, Ge, GeSe, ZnS, ZnSe, 사파이어, CaF2, MgF2등이 가능하다. 유연한 투광성 기판은 적절한 점착력과 충격흡수성을 가지는 투명 또는 반투명한 고분자로 구성되는 것이 바람직하다. 고분자의 구체적인 예는 비제한적으로, 폴리스티렌 (PS: Polystyrene), 발포폴리스티렌 (EPS : Expandable Polystyrene) 폴리염화비닐 (PVC: Polyvinyl Chloride), 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체 (SAN: Styrene Acrylonitrile Copolymer), 폴리우레탄 (PU: Polyurethane), 폴리아마이드 (PA: Polyamide), 폴리카보네이트 (PC: Polycarbonate) 변성 폴리카보네이트 (Modified Polycarbonate), 폴리비닐부티랄 (Poly(vinyl butyral)), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinyl acetate), 아크릴 수지(Acrylic Resin), 에폭시 수지 (EP: Epoxy Resin), 실리콘 수지(Silicone Resin), 불포화폴리에스테르 (UP: Unsaturated Polyester), polyimide, polyethylene naphtalate, polyethylene terephtalate 등일 수 있으며 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 한편, 중적외선 파장대역에서 바람직하게는 실리콘 웨이퍼이지만 이에 한정되지 않는다. 적외선 영역에서 효과적으로 동작하는 분광기를 제조하는 경우, 기판 자체가 적외선 대역에서 흡수가 많이 발생하는 것은 부적합할 수 있다.
금속패턴들(120)을 구성하는 금속물질은 파장대역에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 이에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 플라즈모닉 금속으로 널리 사용되는 저손실 고반사도의 금속 물질은 가시광-근적외선 파장 대역, 중적외선 파장 대역 등에서 적절히 사용될 수 있는데, 금속패턴들은 플라즈모닉 금속인 Au, Ag, Al, Cu 혹은 이들 중 적어도 2개의 합금 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하고 다른 원소를 포함하는 합금일 수도 있다.
다음으로, 가시광 영역 및 근적외선 대역에서는 광의 흡수율과 굴절율이 큰 금속인 Cr, Ni, Ti, Pt, Sn, Sb, Mo, W, V, Ta, Te, Ge, Si 혹은 이들 중 적어도 2개의 합금 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하고 다른 원소를 포함하는 합금일 수도 있다.
중적외선 대역에서는 광학적 거동이 드루드 자유전자 모델을 따라가는 Ta, W, Mo, Ni, Cr, TiN, TiON 을 포함하여 구성된 그룹으로부터 적어도 하나가 선택된 물질일 수 있다.
도 1c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분광기의 블록도이다. 도 1c를 참조하면, 분광기(30)는 분광필터 어레이(310)와, 광검출기 어레이(320), 그리고 프로세싱 유닛(330)을 구비한다. 분광필터 어레이(310)는 서로 다른 파장 영역의 광을 필터링하는 다수의 단위 분광필터들(F1,F2)을 구비하고, 광검출기 어레이(320)는 상기 다수의 분광필터들 각각에 대응하여 광검출영역들(PD1, PD2)을 구비하며, 프로세싱 유닛(330)은 광검출기 어레이(320)로부터 검출된 광신호를 이용하여 입사한 광의 스펙트럼을 재구성하는 기능을 수행한다. 다수의 단위 분광필터들(F1,F2)은 전술한 바와 같이 스탑밴드(stop band) 특성을 갖는 필터이다. 본 발명에 따른 프로세싱 유닛(330)은 후속 디지털신호처리 알고리즘 적용을 통해 대상체 스펙트럼을 복원하는 분광계 역할을 하게 되고, 필터 어레이 기반의 분광기의 구현이 가능해진다. 이하, 상세히 후술한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광필터 어레이를 설명하기 위한 평면도이다. 도 2a에서 I-I'를 자른 단면이 도 1a과 같이 도시되는 것으로 이해된다. 도 2b 는 분광필터 어레이의 금속패턴들을 예시적으로 도시하고 있다. 도 2b에서 확인되는 바와 같이, 선형격자 구조와 2차원 격자구조 모두 적용가능하다. 2차원 격자구조는 정사각 격자 혹은 육방정 격자구조가 가능하다. 금속 나노구조체의 형상은 사각 디스크, 원형디스크, 다각형 구조, 나노막대형 단위구조, 크로스 바 등 다양한 형상이 가능하다.
한편, 단위 분광필터들(F1,F2) 각각은 나노구조체의 듀티사이클(duty cycle) 혹은 충전률이 동일하게 구현된다. 즉, 단위 분광필터(F1)에서 D1/P1을 듀티사이클로 하면, 이 값은 바람직하게는 30% 내지 80%를 가진다. 듀티사이클이 30% 미만인 경우는 투과도 dip의 크기가 매우 작고 80% 초과인 경우는 너무 broad한 dip 곡선이 생성되는 경향이 있다.
단위 분광필터(F2)에서 D2/P2의 듀티사이클은 단위 분광필터(F1)에서의 듀티사이클과 동일하게 유지한다. 다만, 단위 분광필터(F1)과 단위 분광필터(F2)의 주기가 변화되는 것이 특징이다.
단위 분광필터들(F1,F2)의 공진 파장을 결정하는 요소는 주기, 금속구조체의 형상, 금속구조체의 두께, 듀티사이클 등에 의해서 결정된다. 여기서 공진 파장을 결정하는 주된 요소는 주기이다. 단위 분광필터들(F1,F2)을 이용하여 분광기를 제조하는 경우, 장점 중 하나는 이와 같이 공진 파장을 비교적 간단한 요소의 변경으로 통해서 손쉽게 확보할 수 있다는 것이다.
가시광 파장 영역 내지 근적외선 파장 대역을 대상으로 할 경우, 금속패턴들의 주기는 0.1 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 사이에서 결정되는 것이 바람직하고, 중적외선 영역을 대상으로 할 때, 0.8 ㎛ 내지 8 ㎛ 사이에서 결정되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 중적외선 대역을 대상으로 하고 굴절율이 큰 Si을 기판으로 사용하는 경우, 금속패턴들의 주기는 0.8 ㎛ 내지 4 ㎛ 사이에서 결정되는 것이 바람직하다. 금속패턴들의 두께는 5nm 내지 500nm가 바람직하며 더욱 바람직하게는 10nm 내지 300nm이다. 만약 5nm 보다 작으면, 표면에서 산란되는 자유전자의 비율이 증대되어 플라즈몬 감쇄의 큰 요소로 작용하게 되고 500nm 이상이면 부피증가 효과로 다극자(multipole) 공진이 발생하게 되어 부적합할 수 있다.
도 3a는 다른 실시예에 따른 분광필터의 일예를 도시하는 도면이다. 도 3a를 참조하면, 단위 분광필터들(F1,F2)이 형성된 기판(110)의 상부의 반대편인 기판(110)의 하부에 저반사코팅층(180)이 부가적으로 형성되어 있다.
저반사코팅층(180)은 기판(110)과 이웃 매질간에 graded index 조건을 만족시키는 굴절율을 갖는 박막층을 코팅하거나 motheye 형태의 나노콘 구조로 형성될 수도 있다. 이때, 하부 광검출영역과의 결합은 저반사코팅층 면으로 빛이 입사할 수 있도록 주기적 금속패턴들이 하부 광검출기영역들과 마주보도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 중적외선 파장대역에서 고투과도를 보이는 기판소재들의 굴절률이 CaF2등의 일부 물질을 제외하고 높기 때문에 계면에서의 반사손실을 낮추기 위해 주기적 금속패턴들(120)이 형성되는 상부의 반대편인 기판(110) 하부에 저반사코팅층(180)을 부가적으로 형성된 구조가 효과적일 수 있다.
도 3b는 또 다른 실시예에 따른 분광필터의 일예를 도시하는 도면이다. 도 3b를 참조하면, 도 1a와 도 1b의 금속패턴들을 이중층(130)으로 구성하고 있다. 이중층(130)은 저손실 고반사도 금속물질(134)과 광흡수형 금속물질(132)의 이중층으로 구성하는 것이 가능하다. 저손실 고반사도의 금속 물질로는 Ag, Au, Al, Mg 및 이들의 합금중에서 선택될 수 있고, 광흡수형 금속 물질로는 Cr, Ni, Ti, Pt, Sn, Sb, Mo, W, V, Ta, Te, Ge, Si 등이 포함되며 이들 간의 합금 및 이들 금속을 포함하는 silicide, carbide, nitride, sulfide 등도 가능하다.
광흡수형 금속물질을 사용시 스탑밴드 곡선의 변조깊이를 향상시키거나 선폭을 개선할 목적으로 상대적 저손실 금속과 광흡수형 금속물질을 이중층 형태로 나노디스크 어레이를 구성할 수 있다. 이 경우 적층 순서는 도 3b에 도시된 바와 같이, 저손실 고반사도 금속물질(134) 상부에 광흡수형 금속물질(132)을 배치하거나. 그 반대로 광흡수형 금속물질 상부에 저손실 고반사도 금속물질을 배치하는 구조 모두가 가능하다. 또한, 이중층 구조대신 두 물질간의 합금형태로 단일층으로 구성하는 것도 가능하다.
도 3c는 또 다른 실시예에 따른 분광필터의 일예를 도시하는 도면이다. 도 3c를 참조하면, 금속패턴들(120)을 금속나노디스크을 채용하여 분광필터 어레이(10)를 구성함에 있어서, 금속나노디스크 층의 보호를 위해 conformal 한 방식으로 패시베이션 층(140)을 형성한 실시예를 보여준다. 이때, 패시베이션층(140)은 나노디스크 어레이 필터의 광학특성에 미치는 영향을 최소화하기 위해 10 nm 이하 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 수 nm 이하로 형성되는 것이 유리하다.
패시베이션층(140)은 HfO2, ZrO2, ZnO, ZnSe, TiO2, Al2O3, SiOx, SOG 등에서 적어도 하나 이상이 선택된 것일 수 있고, 금속 표면산화법이나 원자층 증착법등을 이용하여 형성 가능하다.
패시베이션층(140) 상부에는 필요에 따라 투광성 고분자와 유전체층과 같은 보호층(150)을 추가로 구비하는 것도 가능하다. 또한, 패시베이션층(140) 없이 상부 보호층(150)만을 구비하는 구성도 가능하다.
보호층(150)은 실리콘옥사이드, 실리콘 질화막, 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 저분자 레진, 또는 폴리머 물질일 수 있다. 폴리머 물질의 예시로는, Poly(dimethyl siloxane), polycarbonate, poly(vinyl phenyl sulfide), poly (methyl metharcylate) poly(vinyl alcohol), poly(vinyl butyral), poly(methyl acrylate)를 포함한 고분자 물질과 공중합체들을 포함한 특별히 한정되지 않는 고분자 물질이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 실시예에 따라서 몇가지 금속물질과 패턴들에 대한 스탑밴드의 투과특성을 시뮬레이션 결과 그래프들이다. Si 기판위에 형성된 금속나노구조체 배열로 Hexagonal 격자구조를 가정하였고, 주기를 1 um부터 2.92 um 까지 40 nm 간격으로 계산한 결과이다. 중적외선 영역인 2μm 내지 10μm 대역에서 스탑밴드의 투과특성을 시뮬레이션하였다.
플라즈모닉 필터어레이 구현을 위해서는 금속 나노구조체 배열을 형성하는 물질 종류가 중요한 요인이 될 수 있다. 일반적으로 표면플라즈몬 공진현상을 일으키기 위한 금속물질로는 Al, Ag, Au, Cu와 같은 알칼리 및 귀금속 물질이 사용되어 왔다. 본 발명에서는 이들 금속외에도 중적외선 영역에서 광학적 거동이 드루드 자유전자 모델을 따라가는 Ta, W, Mo, Ni, Cr등의 전이금속과 TiN, TiON 등의 금속질화물이 스탑밴드형 나노디스크 어레이 필터 소재로 효과적일 수 있음을 보여준다.
특히, 이들 물질은 열적, 기계적 안정성이 우수하기 때문에 특히 중적외선 파장대역 소재로 바람직하다. 또한 이들 물질은 부가적으로 기판과의 접착력이 매우 우수하기 때문에 추가적인 접착층이 필요하지 않다는 장점이 있다. 금속질화물은 조성제어를 통해 광학 물성의 추가적 제어가 가능하다는 장점이 있다.
도 4a 와 도 4b는 각각 Au와 Ta를 이용하여 듀티사이클이 50%인 나노디스크를 금속패턴으로 형성한 후, 그 투과도 dip 곡선들을 이론전산모사 계산을 통해 나타낸 것이다. 도 4c는 Ni과 W을 이용하여 듀티사이클이 60%인 나노디스크를 금속패턴으로 형성한 후, 그 광투과도 곡선을 시뮬레이션으로 계산한 결과를 나타내었다.
도 4a와 도 4b 및 도 4c 모두 약 3㎛ 내지 10㎛ 의 중적외선 대역에서 금속물질의 종류에 따라 스펙트럼 형상에 약간의 차이는 존재하지만 단일 스탑밴드들이 그 중심파장이 연속적으로 가변되며 전체 범위를 커버하고 있음을 확인할 수 있다. 전이금속 중 특히 내열금속으로 분류되는 Ta, W, Mo 은 중적외선 대역에서의 광학상수 분산특성이 Au와 매우 유사한 특징이 있다.
반면, Ni 이나 Cr등은 굴절율의 실수값이 단파장에서 상대적으로 높은 값을 나타내지만, 장파장으로 갈수록 내열금속보다 낮은 값을 유지하는 특징이 있다. 따라서, 박막의 표면을 따라 진행하는 표면플라즈몬 파의 여기를 이용하는 나노홀 어레이 구조에는 적합하지 않지만, 격자모드와 커플링되어 특이적 광흡수 내지 광반사 현상을 이용하는 나노디스크형 스탑밴드 필터로는 매우 유용하게 사용될 수 있다.
플라즈모닉 금속물질로 일반적으로 사용되는 Al, Ag, Au 등의 알칼리 및 귀금속은 열광원을 사용하고 플라즈몬 공진 효과로 인해 열적여기상태가 예상되는 적외선 영역에서는 내열성이 다소 부족한 문제점이 발생할 가능성이 있다.
도 5는 나노구조체 배열을 구성하는 금속 물질계 선택에 따른 열적안정성을 보여주는 주사전자현미경 사진이다. 내열성을 확인하기 위해 50nm 두께의 Ta과 Au 나노디스크 어레이 패턴을 Si 기판위에 형성하고 열처리를 한 후 형상의 변화를 비교하였다. 동일한 템플릿을 이용하여 제작되었으나 900oC, 30분간 진공열처리 후의 형상은 Ta 나노디스크는 변화가 없이 유지된 반면, Au의 경우에는 자기확산에 의해 구형입자로 되었음을 알 수 있다. Au보다 용융점이 낮고 원자이동도가 높은 Ag는 훨씬 낮은 온도에서도 안정성에 문제가 있을 것으로 예상된다.
분자의 기본진동은 근적외선 영역대역(0.78-2 um)에서 배음과 조합에 의한 광흡수 모드를 나타낸다. 이러한 배음 및 조합 진동모드는 중적외선 대역에 비해 세기가 작고 흡수 선폭이 넓다는 단점이 있지만, 광원과 검출기가 잘 개발된 영역으로 매우 효과적인 분광학 영역이 된다. 본 발명에 따른 적외선 스탑밴드 필터도 파장대역을 근적외선 영역대로 이동하여 근적외선 분광계로서 동작하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 금속 나노구조체 어레이형 스탑밴드 필터의 자유스펙트럼 범위가 근적외선 대역은 물론 가시광 파장 영역까지 확장될 수 있음을 보여주는 전산모사 결과이다.
50 nm 두께의 Al 나노디스크 어레이가 hexagonal 격자구조를 이루고 있을 때, 그 주기를 200 nm부터 1500 nm까지 100 nm간격으로 변화시켜가며 계산한 투과스펙트럼을 도시한 것이다. 여기서, 듀티사이클은 50%로 고정하였다. 0.35 um부터 2 um 대역까지 연속적으로 가변되는 단일 스탑밴드 특성을 보여주고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 분광필터 어레이는 기판 상부에 형성하여 별도의 분광필터 모듈로 제작하는 것이 가능하다. 기판은 동작파장에서 각 파장 대역에서 투명한 물질이면 구분없이 사용가능하며, 유리 또는 고분자일 수 있음은 전술한 바와 같다. 일례로 기판으로 투광성 필름을 사용하고, 투광성 필름은 적절한 점착력과 충격흡수성을 가지는 투명 또는 반투명한 고분자로 구성되는 것이 바람직하다. 분광필터 모듈은 광검출기 어레이가 집적되지 않은 형태로 제작되어 실제 사용시 광검출기 어레이 모듈 등에 부착하여 사용하는 것이 가능하다. 분광필터 모듈을 실제 사용시 광검출기에 부착하여 사용하는 경우는 예를 들어, 카메라의 렌즈 앞에 본 광학필터 모듈을 결합하여 활용하는 방식으로 사용하는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 분광필터 어레이(1000a)와 광검출기 어레이(2000a) 간의 1차원 선형 배열 결합을 통해 분광기(10000a)를 구성하는 예시를 보여주고 있다.
도 7 에 도시된 모식도에서는 M개의 분광필터들(F)로 구성된 분광필터 어레이(1000a) 및 M개의 광검출영역들(PD)으로 구성된 광검출기 어레이(2000a)를 포함하는 분광기(10000a)를 도시한다. 각각의 단위 분광필터(F)의 주기는 결합되는 1차원 선형 배열 광검출기 어레이의 광검출영역(PD)의 주기에 맞추거나 혹은 복수개의 광검출영역들(PD) 그룹의 크기와 일치시키도록 결정될 수 있다. 즉, 단위 분광필터와 광검출영역 픽셀간의 결합은 1:1 혹은 1:N (N은 2이상) 결합일수 있다.
도 8은 본 발명의 분광필터 어레이(1000b)와 광검출기 어레이(2000b) 간의 2차원으로 배열되는 결합을 통해서 분광기(10000b)를 구성하는 일례가 도시된다. 1차원 결합의 분광기(10000a)에 비해 집적화에 유리하며, 기존의 CMOS 이미지 센서, 열화상 카메라등과의 결합에 유리하다.
한편, 도 7 및 도 8의 분광기(10000a, 10000b)는 본 발명의 분광필터 어레이(1000a, 1000b) 및 광검출기 어레이(2000a, 2000b)를 포함한다. 분광기(10000a, 10000b)는 분광계 칩일 수 있다.
본 발명의 분광기(10000a, 10000b)에서, 분광필터 어레이(1000a, 1000b)는 복수 개의 단위 분광필터들(F)로 이루어질 수 있는데, 분광필터들(F)의 세부 특징에 관하여는 전술하였다. 복수 개의 분광필터들(F)은 연속적으로 중심 파장이 가변되는 스탑밴드 특성을 형성하여 스탑밴드 필터 어레이 구조를 형성할 수 있다.
광검출기 어레이(2000a)는 복수 개의 광검출영역(PD)이 복수 개의 단위 분광필터들(F)에 대응되도록 배치되는데, 각각의 단위 분광필터를 통과한 광을 검출 가능하도록 설치된다. 광검출기 어레이(2000a)는 분광필터 어레이(1000a)에 소정 거리 이격되도록 배치된다. 다른 변형에 있어서는 광검출기 어레이(2000a)는 분광필터 어레이(1000a)에 직접 접촉하게 제작하는 것도 가능함은 물론이다. 광검출영역(PD)은 단위 픽셀일 수 있다.
본 발명에 따른 분광기(10000a, 10000b)는 대상체 스펙트럼을 측정함에 있어서, 분광필터의 일방향으로 위치별로 중심파장이 조금씩 이동된 스탑밴드 필터를 통해 입사되는 빛의 감법 세기(subtractive intensity)의 출력을 가능하게 한다. 이로 인해, 빛의 파장에 따른 세기 분포가 종래의 투과밴드필터 어레이 기반의 분광계의 경우와 역상의 관계로 나타나며, 후속 디지털신호처리 알고리즘 적용을 통해 대상체 스펙트럼을 복원하는 분광계 역할을 하게 되고, 필터 어레이 기반의 분광기의 구현이 가능해진다. 도 1c의 프로세싱 유닛(330)은 광검출기 어레이로부터 검출된 광신호를 이용하여 입사한 광의 스펙트럼을 재구성하는 일체의 기능을 수행한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 분광기를 이용한 분광방법을 설명한다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분광 방법의 흐름도이다.
먼저, 대상체 스펙트럼이 분광기에 입사된다(S100). 분광기는 분광필터 어레이와 단위 분광필터들 각각에 대응하여 광검출영역들을 구비하는 광검출기 어레이를 구비하고 있다.
입사된 대상체의 스펙트럼은 분광필터 어레이를 통해서 선택적으로 광반사 또는 광흡수를 발생하게 된다(S110). 이러한 특성은 전술한 “스탑밴드”필터의 특성으로, 단위 분광필터들은 특정파장대역의 빛이 투과하지 못하도록 파장에 따른 투과율이 역방향의 피크를 갖는 특성을 보인다.
다음으로, 광검출기 어레이에 분광필터 어레이를 투과한 광스펙트럼 신호가 검출된다(S120). 그런 다음, 신호복원 알고리즘에 의해 대상체의 스펙트럼이 복원된다(S130).
이하, 본 발명에 따른 스탑밴드 필터 어레이에 기반한 분광기에서의 신호복원 원리는 도 7 를 참조하여 수학적으로 설명한다.
분석하고자 하는 대상체의 스펙트럼을 s(λ), 개별 필터(F)들의 투과함수를 fi(λ), 그리고 광검출기(PD)의 감도함수를 di(λ)라 하면, 대상체의 스펙트럼이 필터를 통과해 광검출기에 도달할 때 발생하는 검출신호 ri는 아래의 관계식 (1)로 표현되며, 이산화된 모델로 나타내면 식 (2)와 같은 행렬식으로 전개가능하다.
Figure pat00002
(1)
Figure pat00003
(2)
일반적으로 파장 샘플링 개수(N)에 비해 필터의 개수(M)가 작기 때문에 식(2)의 선형대수식은 불량조건문제(ill-posed problem)로 귀결된다. MXN (M<N) 크기를 갖는 D(λ)의 명시적 역행렬이 존재하지 않기 때문에 유사역행렬(pseudo inverse)을 이용하여 스펙트럼신호를 복원해 낼 수 있으나, 작은 요동이나 시스템 잡음에 매우 취약하여 불안정한 결과를 나타낸다.
보다 효과적이고 수치적으로 안정한 해를 얻기 위한 방안으로 regularization 기법이 사용되고 있다. 가장 대표적인 방법으로 Tikhonov regularization 기법을 사용할 수 있다. 이 방법은 식(3)과 같이 residual norm과 side constraint norm의 합을 최소화시키는 해 Sα를 결정함으로써 분석하고자 하는 대상체의 스펙트럼을 복원하는 기법이다. 여기서, α는 residual norm의 최소화 대비 side constraint 최소화의 가중치를 결정하는 regularization 인자로 robust한 해를 얻기 위한 최적값이 존재한다.
Figure pat00004
(3)
Singular value decomposition (SVD)과 L-curve 분석법을 이용하면 시스템에 적응하여 스스로 최적의 regularization 인자를 결정하고, 실시간 스펙트럼 복원을 가능하도록 할 수 있다.
L-curve 분석법은 α값을 점점 증가시켜가며 대입할 때 Tikhonov regularization 방정식의 해를 구하고 이 해를 다시 residual norm
Figure pat00005
과 Solution norm
Figure pat00006
에 대입 후 log scale의 좌표축에 나타내면 L-curve 모양의 그래프를 얻게 되는 데 최적의 α값으로 L-curve의 코너 값을 취하는 방법이다.
코너 값을 구하는 방식은 residual norm 과 solution norm의 log scale 값을 변수로 잡고 곡률 반경이 가장 작은 a를 결정하는 것이다. 이렇게 구한 α값을 Tikhonov regularization에 다시 대입하여
Figure pat00007
을 구함으로써 대상체 스펙트럼을 복원할 수 있다.
이러한 regularization 기법을 이용하면, 넓은 반가폭을 갖는 비이상적 필터어레이를 이용하면서도 비교적 고분해능으로 분광스펙트럼의 복원이 가능하다는 이점이 있다. 신호복원 알고리즘은 예시한 regularization 기법에 제한되지 않고 다양한 기법의 적용이 가능하다.
도 10은 본 발명에 따른 플라즈모닉 스탑밴드 필터어레이를 이용한 분광계의 신호복원 원리를 설명하는 계산결과 일예를 보여준다.
분석하고자 하는 대상체 스펙트럼은 좌상의 이미지에 보여주는 바와 같이 두 개의 분리된 피크를 갖고 있다고 가정하였다. 이 대상체 스펙트럼이 우상에 보여주는 스탑밴드형 필터어레이를 투과하게 되면, 각 필터를 통과해 광검출기 어레이에서 측정되는 세기분포는 식(1)에 의해 결정되며 필터함수의 영향을 받아 왜곡되거나 불선명한 역상의 분포를 나타낸다. 이때, 개별필터의 투과스펙트럼(fi(λ))와 광검출기의 spectral 감도함수(di(λ)) 정보를 식(2)에 대입한 후 식(3)의 디지털신호처리 알고리즘을 수행하면, 좌하에 나타낸바와 같이 대상체 스펙트럼을 정확히 복원해 내는 것이 가능해진다. 개별필터의 투과스펙트럼(fi(λ))은 필터영역별로 사전에 광학계를 이용하여 측정된 값을 사용하거나(예를 들어, 필터영역별로 분광현미경등을 이용하여 사전에 측정), 광검출기의 spectral 감도함수(di(λ))는 제조사에서 제공되는 값을 사용하거나 단색화 장치를 이용해 파장별 광원 세기 대비 검출기 출력세기 비로 측정하여 사용하는 것이 가능하다. 다른 방식으로는, 광검출기 어레이와 결합 혹은 집적화된 상태에서 단색화 장치를 통해 입사광의 파장을 변화시켜가며, 파장별로 각 필터영역을 통과하여 광검출기 영역에 도달한 세기분포인 D i (λ) 값을 직접 측정하여 사용하는 것도 가능하다.
실제 광검출기 어레이에서 측정되는 세기분포는 시스템 노이즈 등을 포함하기 때문에 잡음제거 알고리즘이 추가되는 것이 복원신호 안정화를 위해 바람직하다.
플라즈모닉 필터는 수직구조 변형 없이도 2차원적 수평구조의 조절만으로 공진파장을 광대역범위에서 가변시키는 것이 가능하기 때문에 포토리소그래피나 나노임프린트등을 이용한 저가의 단일 레이어 공정만으로도 분광학적 특성이 상이한 고집적 대역 스탑필터 어레이를 형성할 수 있다는 장점이 있다.
도 11a 및 도 11b는 가시광-근적외선 파장대역에서 투과밴드형 필터어레이와 스탑밴드형 필터어레이를 비교하기 위한 그래프들이다. 투과밴드형 필터어레이와 스탑밴드형 필터어레이를 이용한 분광계에서 신호 취득과 스펙트럼복원 과정상의 차이점을 설명하기 위한 계산예를 도시하고 있다.
투과밴드형과 스탑밴드형 필터로는 각각 Al 나노홀 어레이와 Al 나노디스크 어레이를 선택하고 FDTD 전산모사법을 이용하여 격자주기 변화에 따른 투과스펙트럼을 계산하였다. 두 경우 모두 Hexagonal 격자구조를 가정하고, 그 주기를 200 nm에서 700 nm까지 5 nm 간격으로 변화시켰다. 유리기판을 사용하였고 Al의 두께는 50 nm로 동일하고 듀티사이클은 50%로 고정하였다.
도 11a의 왼쪽 그래프는 Al 금속나노홀 어레이로 구성된 투과밴드 필터어레이의 필터함수 광투과 스펙트럼을 보여준다. EOT 현상에 의한 투과밴드가 주기에 따라 연속적으로 가변됨을 알 수 있다. 투과밴드형 필터어레이를 이용하는 경우, 대상체 스펙트럼의 특정파장에서의 세기 신호는 해당파장에서 투과밴드를 형성하는 필터를 통과해 검출되는 빛의 세기로부터 결정된다. 투과밴드 필터의 반가폭이 델타함수와 같이 매우 좁은 경우에는 필터어레이의 투과밴드 중심파장별로 검출되는 세기 분포를 직접측정(direct readout)하는 방식으로 대상체의 스펙트럼을 재현해 낼 수 있다.
하지만, 도 11b의 왼쪽 그래프와 같이 반가폭이 넓은 비이상적 필터어레이를 사용하는 경우에는 이웃 필터간 투과밴드의 오버랩으로 인해 광검출기에서 측정되는 신호분포가 대상체 스펙트럼에서 벗어나 상당히 왜곡된 형태를 보이게 된다.
대상체 스펙트럼을 도 11a의 오른쪽 그래프와 같이 서로 떨어진 2개의 가우시안 피크함수로 구성되어 있다고 가정할 때, 도 11a의 필터함수를 통해 광검출기 어레이에서 측정되는 필터별 세기분포는 도 11a의 가운데 그래프와 같이 나타난다. 스펙트럼의 왜곡은 존재하나 투과밴드 필터의 특성상 대상체 스펙트럼의 피크함수 형상을 반영하는 것이 특징이다.
광검출기 측정신호는 상기 식(2)에 대입하고, regularization 기법을 이용하여 해를 찾음으로써 대상체 스펙트럼을 복원해 내게 된다. 도 11a의 오른쪽 그래프에는 복원된 스펙트럼을 대상체 스펙트럼과 같이 도시하였다. 두 곡선이 거의 일치하는 것으로 보아 스펙트럼 복원이 매우 잘 이루어졌음을 확인할 수 있다.
도 11b는 스탑밴드 필터어레이를 이용한 신호복원 과정을 보여준다. 도 11b의 왼쪽 그래프는 스탑밴드 필터어레이의 필터함수를 도시하고 있다. 도 11a와 동일한 대상체 스펙트럼에 대해 스탑밴드 필터어레이를 투과하여 광검출기 어레이에서 관찰되는 세기분포는 도 11b의 가운데 곡선과 같다. 투과밴드필터를 사용한 경우와 반대로, 대상체 스펙트럼의 피크함수가 역상의 dip 곡선 형태로 광검출기에서 나타남을 알 수 있다. 즉, 스탑밴드필터어레이를 통해 광검출기에서 측정되는 신호는 투과밴드필터어레이 경우와 반대로 역상형태의 세기분포가 나타나는 것을 특징으로 한다. 도 11b의 오른쪽 그래프는 스탑밴드 필터어레이의 경우에도 디지털신호처리 알고리즘에 의한 스펙트럼 복원이 잘 이루어짐을 확인시켜 준다.
도 12는 본 발명에 따라서 스탑밴드형 필터어레이를 이용할 때, 광원의 세기나 광검출기의 감도지수가 낮아지는 파장구간에서 투과밴드형 필터어레이 대비 분광신호 검출 한계 측면에서의 이득을 설명하기 위한 모식도이다.
설명의 편의를 위해, 도 12에는 전형적인 Si-CMOS 이미지 센서의 파장별 감도지수가 도시되어 있다. Si 반도체의 에너지 밴드구조 특성상 화학분자의 고유진동모드를 관찰할 수 있는 근적외선 파장대역으로 갈수록 급격히 양자효율이 떨어짐을 알 수 있다. 따라서, 이 구간에서 투과밴드형 필터어레이를 사용하게 되면 검출소자의 감지한계로 인해 스펙트럼 분석이 매우 어려워진다는 단점이 있다.
반면, 스탑밴드는 설계된 중심파장대역의 빛은 차단하고 나머지 대역의 빛을 투과시키기 때문에, 해당파장에 대한 대상체 신호정보는 이웃파장대역에서의 투과세기 분포로부터 역 추적해 파악하는 특징을 갖는다. 따라서, Si-CMOS 이미지센서와 같이 검출소자 자체의 감도지수가 매우 낮은 근적외선 구간에서도 신호분석이 해당 파장대역에서의 검출되는 광세기가 아닌 그외 파장대역에서의 광세기 분포로부터 유추하여 결정되기 때문에 동작대역 확장성과 검출한계 측면에서 큰 이득을 얻게 된다.
도 13a는 도 11b와 같은 Al 나노디스크 어레이 필터에서 듀티사이클을 30 %로 낮추고 필터개수는 50개로 줄였을 때의 계산된 필터함수를 보여준다. 도 13b는 Al 나노디스크 어레이 필터에서 듀티사이클을 30 %와 50%인 경우 복원된 함수의 그래프를 도시하고 있다.
도 13a를 참조하면, 듀티사이클이 감소함에 따라 스탑밴드 dip의 변조깊이가 얕아지는 반면 선폭은 좁고 날카로워지는 효과가 발생함을 알 수 있다. 이 경우, 이웃필터간의 스탑밴드 곡선의 오버랩 정도가 감소함을 알 수 있다. 듀티사이클 50%인 경우, 필터개수가 50개인 경우에도 밴드선폭이 넓어지는 효과로 인해 이웃필터간 오버랩이 80% 이상으로 크게 발생한다. 두 경우에 대해 백색 LED 광원의 스펙트럼을 대상체로 하여 스펙트럼 복원을 수행한 결과, 오버랩 정도가 낮은 듀티사이클 30%인 경우에 복원된 스펙트럼에 노이즈 신호가 많이 수반되고 듀티사이클 50%인 경우에는 노이즈 없이 스펙트럼 복원이 만족스럽게 이루어졌음을 확인할 수 있다. 필터어레이 기반의 분광계에서 스펙트럼복원 분해능은 사용되는 필터의 밴드폭이 좁고 필터개수가 증가할수록 향상된다고 알려져 있다. 하지만, 필터함수의 밴드폭이 좁더라도 이웃필터간 오버랩이 작게 되면 밴드폭이 넓은 필터를 사용하는 경우에 비해 신호복원이 불리해지는 상황도 발생함을 확인할 수 있다.
도 14a는 육방정 격자구조를 갖는 나노디스크 어레이 구조의 필터에서 나노디스크 형상에 따른 스펙트럼 변화를 비교한 그래프이다. 도 14a에는 원형과 육각형 디스크 구조에 대한 계산결과만을 도시하고 있지만, 디스크 형상이 등방성 대칭구조를 갖고 듀티사이클이 유사한 경우, 다각형 구조는 물론 십자가형 디스크등 그 형상과 상관없이 거의 유사한 필터스펙트럼을 보임을 알 수 있었다.
이는 금속 나노디스크 어레이가 주기적 격자구조를 이루게 될 때, 그 중심파장과 광학스펙트럼이 격자주기에 지배적으로 의존하기 때문이다. 결과적으로 필터어레이 구성과정에서 단일 형상의 디스크 구조를 사용하거나 혹은 도 14b에 도시한 것과 같이 2개 이상 형상을 갖는 디스크 어레이 들로 혼합하여 구성하는 것도 가능하다. 도 14b는 2개 이상 형상을 갖는 디스크 어레이 들로 혼합하여 분광 필터 어레이를 구성한 에를 도시하고 있다. 이러한 혼합 구성은 필터 어레이 제작시 원형 디스크 제작을 위한 공정복잡성을 줄이고 공정시간을 단축하는 등 공정상 편이를 제공하는 효과가 있다.
도 15는 금속과 유전체, 반도체 물질별 광학상수 분산특성을 굴절율 대비 흡수율의 분포로 나타낸 그래프이다. 적외선대역에서 근적외선 대역인 1300 nm 파장범위까지의 복소 광학상수값을 2차원 좌표상에 도시한 것이다. 광학상수 조합의 특징으로부터 크게 3개 구역으로 구분할 수 있다. 첫째, I로 표시된 구역은 복소굴절율의 허수항인 흡수율이 1보다 작고 0에 수렴하는 것을 특징으로 하며 대부분 광학적으로 투명한 유전체가 이에 해당한다. 또한, 빛의 파장이 밴드갭 보다 작아지는 파장영역에서 반도체 소재들도 이 군에 속할 수 있다.
II 구역은 I구역과 반대로 굴절율값이 1보다 작거나 0에 근접한 값을 나타내는 것을 특징으로 하며, 플라즈모닉 금속으로 널리 사용되는 저손실 고반사도의 귀금속 물질이 대표적이다. 반면, III 구역은 굴절율과 흡수율이 모두 일정한 크기 이상의 값을 나타내는 영역으로 대부분의 광흡수형 금속과 밴드갭 이하 파장대역에서의 반도체 물질이 이에 해당한다. 본 발명에 따른 스탑밴드형 필터어레이 구현을 위한 나노디스크 어레이 구조용 물질로 이들 III 구역의 소재가 활용가능하다. 광흡수형 금속 물질로는 Cr, Ni, Ti, Pt, Sn, Sb, Mo, W, V, Ta, Te, Ge, Si 등이 포함되며 이들 간의 합금 및 이들 금속을 포함하는 silicide, carbide, nitride, sulfide 등도 굴절율과 흡수율의 분포가 동작파장대역에서 III 구역의 조건을 만족하면 구분없이 사용가능하다.
도 16은 Cr과 Ti을 이용하여 육방정 격자구조의 나노디스크 어레이를 형성하고 가시광-근적외선 대역에서 계산한 광투과도 스펙트럼이다. 일반적인 저손실 귀금속 물질로 대변되는 플라즈모닉 소재 외에 광흡수성(absorptive)의 금속소재인 Cr과 Ti을 이용하여 육방정 격자구조의 나노디스크 어레이를 형성하고 전산모사 기법을 이용해 가시광-근적외선 대역에서 계산한 광투과도 스펙트럼을 구했다. 도 10b의 Al 나노디스크 어레이와 비교시 상대적으로 변조 깊이가 작고 선폭이 더 넓어지는 현상이 발생하나, 스탑밴드 형성이 뚜렷하고 격자주기에 따른 파장가변능이 연속적이고 명확하기 때문에 분광기용 필터 어레이로 사용가능하다.
도 17은 텅스텐(W)을 이용하여 계산된 나노디스크 어레이의 광투과도와 광반사도 그래프이다. 텅스텐(W)은 반도체 공정에서 흔히 사용되는 물질이다. 텅스텐(W)을 이용하여 계산된 나노디스크 어레이의 광투과도와 광반사도를 보면, 저손실 플라즈모닉 금속소재와 달리 소재자체의 광손실에 의해 반사도 피크 곡선은 크게 감쇄되어 나타나는 반면, 투과곡선상의 스탑밴드 곡선은 증대된 광흡수 효과에 의해 상대적으로 매우 뚜렷하게 나타나는 특징을 확인할 수 있다. 이러한 특징은 분광계 칩 구현시, 반사광에 의한 불필요한 잡음요소를 억제한다는 측면에서 유리할 수 있다.
도 18은 도 16의 텅스텐의 나노디스크 어레이를 스탑밴드형 필터어레이로 제작하여 디지털 신호처리 알고리즘을 적용하여 스펙트럼 복원능을 테스트한 그래프이다. 격자주기 200 nm에서 700 nm까지 범위에서 필터개수를 100개로 하여 구성한 스탑밴드형 필터어레이를 이용하여 디지털 신호처리 알고리즘을 적용하여 스펙트럼 복원능을 테스트하였다. 대상체로 백색 LED 스펙트럼을 가정하고, 필터함수를 넣어 계산한 결과 도 12의 Al 나노디스크 어레이 필터를 이용한 경우와 마찬가지로 스펙트럼 복원이 비교적 우수하게 이루어졌음을 확인할 수 있다. 이는 광흡수형 금속물질도 투과방식 온칩 분광계 구현을 위한 나노디스크 어레이 구조의 스탑밴드형 필터 소재로 활용할 수 있음을 증명한다.
전술한 본 발명에 따른 분광기에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

Claims (20)

  1. 입사되는 대상체의 광스펙트럼의 일부 파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사하는 제1 단위분광필터;
    상기 일부 파장대역과 다른 파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사하는 제2단위분광필터;
    상기 제 1단위분광필터를 투과하는 제1 광스펙트럼을 검출하기 위한 제 1광검출기;
    상기 제 2단위분광필터를 투과하는 제2 광스펙트럼을 검출하기 위한 제 2광검출기; 및
    상기 제 1광검출기 및 제 2광검출기로부터 검출된 광의 스펙트럼들로부터 입사한 상기 대상체의 광 스펙트럼을 복원하는 기능을 수행하는 프로세싱 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 분광기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1단위분광필터 및 제 2 단위분광필터는 일정한 형상을 갖는 금속패턴들이 주기적으로 배열된 것을 특징으로 하는 분광기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1단위분광필터의 금속패턴들과 제 2단위분광필터의 금속패턴들은 서로 다른 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 분광기.
  4. 제 2항에 있어서,
    제 1광검출기 및 제 2광검출기는 CMOS 이미지 센서의 일부 광검출 픽셀로 구성되는 것을 특징으로 하는 분광기.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 금속패턴들은 플라즈모닉 금속인 Au, Ag, Al, Cu 혹은 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금 중에서 선택된 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 분광기.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 금속패턴들은 가시광 및 근적외선 대역에서 광의 흡수율과 굴절율이 모두 큰 금속인 Cr, Ni, Ti, Pt, Sn, Sb, Mo, W, V, Ta, Te, Ge, Si 혹은 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금 중에서 선택된 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 분광기.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 금속패턴들은 중적외선 대역에서 광학적 거동이 드루드 자유전자 모델을 따라가는 Ta, W, Mo, Ni, Cr, TiN, TiON 을 포함하여 구성된 그룹으로부터 적어도 하나가 선택된 것을 특징으로 하는 분광기.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 금속패턴들을 적어도 이중층으로 구성되고, 저손실고반사도 금속물질과 광흡수형 금속물질을 적층하는 것을 특징으로 하는 분광기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 저손실 고반사도의 금속 물질로는 Ag, Au, Al, Mg 및 이들의 합금중에서 선택될 수 있고, 상기 광흡수형 금속 물질로는 Cr, Ni, Ti, Pt, Sn, Sb, Mo, W, V, Ta, Te, Ge, Si 및 이들 간의 합금 및 이들 금속을 포함하는 silicide, carbide, nitride, 또는 sulfide 인 것을 특징으로 하는 분광기.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1단위분광필터의 금속패턴들과 제 2단위분광필터의 금속패턴들은 같은 듀티사이클을 갖는 것을 특징으로 하는 분광기.
  11. 제2 항에 있어서,
    상기 제 1단위분광필터와 제 2단위분광필터의 상기 금속패턴들의 주기는 100nm와 800nm사이인 것을 특징으로 하는 분광기.
  12. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1단위분광필터와 제 2단위분광필터는 페시베이션층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분광기.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 페시베이션층은 HfO2, ZrO2, ZnO, ZnSe, TiO2, Al2O3, SiOx, SOG 혹은 이들중 적어도 2개로 이루어진 합금 중에서 선택된 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 분광기.
  14. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1단위분광필터와 제 2단위분광필터는 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분광기.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 보호층은 굴절률이 낮은 실리콘옥사이드, 실리콘 질화막, 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 저분자 레진, 또는 폴리머 물질인 것을 특징으로 하는 분광기. 것을 특징으로 하는 분광기.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 프로세스유닛은,
    제 1광검출기의 광의 스펙트럼으로부터 제 1단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기를 산출하는 단계;
    제 2광검출기의 광의 스펙트럼으로부터 제 2단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기를 산출하는 단계; 및
    상기 제 1단위분광필터 및 제 2단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기로부터 입사된 대상체의 광스펙트럼을 복원하는 것을 특징으로 하는 분광기.
  17. 대상체의 광스펙트럼이 제1 및 제2 단위분광필터에 입사되는 단계;
    상기 제1 단위분광필터는 일부 파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사하고, 상기 제2 단위분광필터는 상기 일부 파장대역과 다른 파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사하는 단계;
    제1 광검출기는 상기 제 1단위분광필터를 투과하는 제1 광스펙트럼을 검출하고 제2 광검출기는 상기 제2 단위분광필터를 투과하는 제2 광스펙트럼을 검출하는 단계; 및
    상기 제 1광검출기 및 제 2광검출기로부터 검출된 광의 스펙트럼들로부터 입사한 상기 대상체의 광 스펙트럼을 재구성하는 단계를 구비하는 분광기를 이용한 스펙트럼 측정방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 대상체의 광 스펙트럼을 복원하는 단계는,
    상기 제 1광검출기의 제1 광 스펙트럼으로부터 제 1단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기를 산출하는 단계;
    상기 제 2광검출기의 제2 광 스펙트럼으로부터 제 2단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기를 산출하는 단계; 및
    복원된 상기 제 1단위분광필터 및 제 2단위분광필터에 의해 광흡수되거나 광반사되는 광의 세기로부터 입사된 광의 스펙트럼을 복원하는 분광기를 이용한 스펙트럼 측정방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 대상체의 스펙트럼을 복원하는 단계에서는 direct readout 또는 regularization 기법이 이용되는 것을 특징으로 하는 분광기를 이용한 스펙트럼 측정방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 대상체의 광 스펙트럼을 복원하는 단계는, 아래 식에 개별필터의 투과스펙트럼(fi(λ))와 광검출기의 spectral 감도함수(di(λ)) 정보를 대입하고, 측정된 검출신호 ri를 이용하여, 도출할 수 있는 것을 특징으로 하는 분광기를 이용한 스펙트럼 측정방법.
    Figure pat00008

    여기서, Di(l)는 fi(l)di(l)이며,
    분석하고자 하는 대상체의 스펙트럼을 s(λ), 개별 필터(F)들의 투과함수를 fi(λ), 노이즈를 ni, 그리고 광검출기(PD)의 감도함수를 di(λ)라 하면, ri 는 대상체의 스펙트럼이 필터를 통과해 광검출기에 도달할 때 발생하는 검출신호임
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