KR20190091067A - Spectroscopic apparatus and spectroscopic method - Google Patents

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Abstract

According to the present invention, a spectroscopic apparatus comprises: an optical filtering device provided with at least two filters for filtering incident light; an optical sensor device provided with at least two optical sensors corresponding to the at least two filters, respectively, and converting the filtered light into charge; and a digital signal processing unit for recovering spectrum information of the incident light by digitally processing an output signal of the optical sensor device. The digital signal processing unit comprises: a memory for storing at least two different measurement matrices for each incident light; a spectrum recovery unit for recovering the spectrum information by using the at least two measurement matrices and using a sparse representation for each of the measurement matrices; and an incident angle measuring unit for measuring an incident angle of the incident light using at least a norm of a value using light amount information of an estimated wavelength estimated for each of the measurement matrices. The spectrum recovery unit recovers wavelength information by using a measurement matrix corresponding to the incident angle measured by the incident angle measuring unit.

Description

분광장치 및 분광방법{SPECTROSCOPIC APPARATUS AND SPECTROSCOPIC METHOD}SPECTROSCOPIC APPARATUS AND SPECTROSCOPIC METHOD

본 발명은 분광장치 및 분광방법에 관한 것이다. 상세하게는, 광 필터를 사용하는 분광장치에 있어서, 분광의 정확도를 높일 수 있는 분광장치 및 분광방법에 관한 것이다. The present invention relates to a spectrometer and a spectroscopic method. Specifically, the present invention relates to a spectrometer and a spectroscopic method capable of increasing the accuracy of spectroscopy in a spectroscopic apparatus using an optical filter.

분광장치는 광학, 화학, 해양공학 등 다양한 산업 분야 전반에 걸쳐서 핵심 기구로 사용되고 있다. 분광장치는 물체로부터 나오는 갖가지 파장의 세기를 측정하여 그 정보를 그래프 혹은 스펙트럼 형태로 나타낸다. 분광장치가 물체의 정보를 정확하고 세밀하게 나타내는 정도를 해상도(resolution)라고 한다. 상기 해상도는 분광기의 성능을 평가하는 중요한 요소로서 평가된다. Spectroscopy is used as a key instrument across a wide range of industries, including optics, chemicals and marine engineering. The spectrometer measures the intensity of various wavelengths coming from an object and displays the information in graphical or spectral form. The degree to which a spectrometer accurately and accurately represents information about an object is called resolution. The resolution is evaluated as an important factor in evaluating the performance of the spectrometer.

상기 분광장치 중에서 소형(miniature) 분광장치가 있고, 상기 소형 분광장치는 휴대용으로 편리하게 사용할 수 있는 장점이 있다. 상기 소형 분광장치의 일 구현방식으로서 필터 장치를 사용하는 것이 있다. 상기 필터 장치는 필터를 배열해서 한 곳에 집약하여 생산할 수 있다.Among the spectrometers, there is a miniature spectrometer, and the miniature spectrometer has the advantage of being portable and convenient. One embodiment of the compact spectrometer uses a filter device. The filter device can be produced by arranging the filters in one place.

나노공정을 이용한 필터 장치 기술은 분광장치의 크기를 초소형화하고, 이에 따른 대량 생산으로 생산가격을 크게 절감시킬 수 있다. 이러한 공정으로 생산된 소형 분광장치는 실험실 밖 산업 현장에서 물질의 특성을 측정하는데 큰 도움이 된다. 또한, 컴퓨터 또는 다른 전자 기기와도 쉽게 접목하여 함께 사용할 수 있다. 이 밖에도 필터 장치 기반의 분광장치는 광원의 스펙트럼 정보를 단시간에 측정할 수 있는 장점이 있다.The filter device technology using nano process can reduce the size of the spectrometer to a very small size and, accordingly, can greatly reduce the production cost. The compact spectrometer produced by this process is a great help in measuring the properties of materials on industrial sites outside the laboratory. In addition, it can be easily combined with a computer or other electronic device. In addition, the spectrometer based filter device has an advantage of measuring the spectrum information of the light source in a short time.

그러나, 분광장치가 도달할 수 있는 해상도의 한계는 광필터링 장치에서 필터의 개수에 의해 결정될 수 있기 때문에, 해상도를 증가시키기 위해서는 필터의 개수를 늘리는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 물리적인 제약조건 및 스펙트럼의 왜곡 등의 문제로 인하여 광필터링 장치의 필터 수를 늘리는 것은 현실적으로 어려운 문제가 있다. However, since the limit of resolution that the spectrometer can reach may be determined by the number of filters in the optical filtering device, it is possible to consider increasing the number of filters to increase the resolution. However, it is difficult to increase the number of filters of the optical filtering device due to problems such as physical constraints and spectrum distortion.

해상도를 결정짓는 또 다른 요소로서 광필터의 투과율 함수(transmittance function)가 있다. 실제로 저 비용의 나노공정 필터 장치에 있어서, 광필터의 투과율 함수는 비이상적(non-ideal)이기 때문에, 이들 비이상적 광필터는 광신호 본래의 스펙트럼 정보를 왜곡시키게 된다. 따라서, 광신호 본래의 스펙트럼 정보를 알아내기 위해서는, 입력신호의 스펙트럼 성분에 대하여 디지털 신호처리가 수행될 필요가 있다. Another factor that determines the resolution is the transmittance function of the optical filter. Indeed, in low cost nanoprocess filter devices, since the transmittance function of the optical filters is non-ideal, these non-ideal optical filters distort the spectral information inherent in the optical signal. Therefore, in order to find out the original spectrum information of the optical signal, digital signal processing needs to be performed on the spectral components of the input signal.

이러한 디지털 신호처리방법의 대표적인 방법으로는, 비특허문헌 1로서 J. Oliver, W. B. Lee, S. J. Park, H. N. Lee, "improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," Opt. Exp. 20, 2613-2625 (2012), 및 특허문헌 1로서 제시되는 특허출원번호 10-2012-0079171가 소개된 바가 있다. 상기 특허문헌 1은 본 발명의 발명자가 그 일원이 되어 발명한 것으로서, 광신호 본래의 스펙트럼 정보를 알아내기 위하여 L1 놈 최소화 알고리즘을 구현하고 있다. 그러나 상기 문헌에 제공되는 기술의 경우에도, 해상도를 향상시키는 것에 있어서는 한계가 있고, 결국 필터 장치에 제공되는 필터의 개수를 늘리는 것을 고려할 수밖에 없는 문제점이 있다.As a representative method of such a digital signal processing method, as Non-Patent Document 1, J. Oliver, WB Lee, SJ Park, HN Lee, "improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," Opt. Exp. 20 , 2613-2625 (2012), and Patent Application No. 10-2012-0079171 presented as Patent Document 1 has been introduced. The patent document 1 was invented as a member of the inventor of the present invention, and implements the L1 norm minimization algorithm to find out the original spectrum information of the optical signal. However, even in the technique provided in the above document, there is a limit in improving the resolution, and there is a problem in that it is necessary to consider increasing the number of filters provided to the filter device.

특허문헌 2로 인용되는 특허출원번호 10-2012-0112453에는 랜덤 트랜스미턴스 펑션을 가지는 광필터링 장치를 이용하는 분광장치 및 분광방법이 개시되어 있다. 상기 기술에 따르면 광필터링 장치를 통과하는 빛에서 더욱 많은 정보를 획득하여 더 정확한 분광결과를 얻을 수 이는 것을 확인할 수 있었다. Patent application No. 10-2012-0112453, which is cited in Patent Document 2, discloses a spectrometer and a spectroscopic method using an optical filtering device having a random transmission function. According to the above technique, more information can be obtained from the light passing through the light filtering device to obtain more accurate spectroscopic results.

위와 같이 다양한 방법을 강구하였음에도 입사광의 성질에 따라서 분광의 결과가 달라지는 것을 볼 수 있었다. 이에 본 발명의 발명자는 계속해서 노력을 하여 입사광의 성질에 따라서도 차이가 없이, 정확한 분광결과를 획득할 수 있는 분광장치를 분광방법을 얻기 위하여 노력을 경주하여 본 발명에 이르게 되었다. Although various methods were taken as described above, the results of spectroscopy were found to vary according to the nature of the incident light. Accordingly, the inventors of the present invention continued to make efforts to obtain a spectroscopic method for obtaining a spectroscopic device capable of obtaining accurate spectroscopic results without any difference depending on the nature of incident light.

특허문헌 1: 10-2012-0079171Patent Document 1: 10-2012-0079171 특허문헌 2: 10-2012-0112453Patent Document 2: 10-2012-0112453

비특허문헌 1: J. Oliver, W. B. Lee, S. J. Park, H. N. Lee, "improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," Opt. Exp. 20, 2613-2625 (2012)[Non-Patent Document 1] J. Oliver, W. B. Lee, S. J. Park, H. N. Lee, "improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," Opt. Exp. 20, 2613-2625 (2012)

본 발명의 발명자는, 디지털 신호처리장치를 이용하는 분광장치의 분광 정확도를 향상시킬 수 있는 방법을 구현하는 것을 일 목적으로 하고, 나아가서 입사광의 성질에 따른 문제가 없이도 분광 정확도를 더 향상시킬 수 있는 분광장치 및 분광방법을 제안한다. The inventor of the present invention aims to implement a method capable of improving the spectral accuracy of a spectrometer using a digital signal processing device, and furthermore, a spectrometer capable of further improving the spectral accuracy without problems due to the nature of incident light. An apparatus and spectroscopy method are proposed.

본 발명에 따른 분광장치에는, 입사광을 필터링하는 적어도 두 개의 필터가 제공되는 광필터링 장치; 상기 적어도 두 개의 필터와 각각 대응되는 적어도 두 개의 광센서가 제공되고, 필터링된 광을 전하로 변환하여 출력하는 광센서 장치; 및 상기 광센서 장치의 출력신호를 디지털 신호처리하여, 상기 입사광의 스펙트럼 정보를 복구하는 디지털 신호 처리부가 포함되고, 상기 디지털 신호 처리부에는, 상기 입사광 별로 서로 다른 적어도 두 개의 측정행렬이 저장되는 메모리; 상기 적어도 두 개의 측정행렬을 이용하여, 각 측정행렬 별로 희소표현을 이용하는 디지털 신호처리기법으로, 상기 스펙트럼 정보를 복구하는 스펙트럼 복구부; 적어도 상기 각 측정행렬 별로 추정되는 추정 파장의 광량정보를 이용하는 값의 놈을 이용하여, 상기 입사광의 입사각을 측정하는 입사각 측정부가 포함되고, 상기 스펙트럼 복구부는 상기 입사각 측정부에서 측정된 입사각에 대응하는 측정행렬을 이용하여 파장정보를 복구할 수 있다. A spectrometer according to the present invention comprises: an optical filtering device provided with at least two filters for filtering incident light; An optical sensor device provided with at least two optical sensors corresponding to the at least two filters, respectively, and converts the filtered light into charge; And a digital signal processor configured to digitally process an output signal of the optical sensor device to recover spectrum information of the incident light, wherein the digital signal processor includes: a memory configured to store at least two different measurement matrices for each incident light; A spectrum recovery unit for recovering the spectrum information by using the at least two measurement matrices, and using a sparse representation for each measurement matrix; An incident angle measuring unit for measuring an incident angle of the incident light using at least a value using a light quantity information of an estimated wavelength estimated for each measurement matrix, wherein the spectrum recovery unit corresponds to an incident angle measured by the incident angle measuring unit The measurement matrix can be used to recover wavelength information.

본 발명에 따른 분광방법에는, 입사광의 입사각 별로 서로 다른 적어도 두 개의 측정행렬을 이용하여, 광센서의 출력신호로부터 추정 희소화 계수를 구하는 것; 상기 추정 희소화 계수를 이용하여 추정 파장의 광량정보를 추출하는 것; 적어도 상기 각 측정행렬 별로 추정되는 추정 파장의 광량정보를 이용하는 값의 놈을 이용하여, 상기 입사광의 입사각을 측정하는 것; 및 측정된 상기 입사광의 입사각과 대응하는 측정행렬을 이용하여, 상기 입사광의 파장정보를 복구하는 것이 포함될 수 있다. A spectroscopic method according to the present invention comprises the steps of: obtaining an estimated sparsity coefficient from an output signal of an optical sensor using at least two measurement matrices different for each incident angle of incident light; Extracting light quantity information of an estimated wavelength using the estimated sparsity coefficient; Measuring an incident angle of the incident light using a norm of a value using light quantity information of an estimated wavelength estimated at least for each measurement matrix; And recovering wavelength information of the incident light by using a measurement matrix corresponding to the measured incident angle of the incident light.

다른 측면에 따른 본 발명의 분광장치에는, 입사광을 평행광으로 만드는 시준기; 상기 시준기를 통과하는 광을 필터링하는 적어도 두 개의 필터가 제공되는 광필터링 장치; 상기 적어도 두 개의 필터와 대응될 수 있는, 적어도 두 개의 광센서가 제공되어, 필터링된 광을 전하로 변환하여 출력하는 광센서 장치; 및 상기 광센서 장치의 출력신호를 디지털 신호처리하여 상기 입사되는 광의 스펙트럼 정보를 복구하는 디지털 신호 처리부가 포함될 수 있다. According to another aspect of the present invention, a spectroscope includes a collimator for making incident light into parallel light; An optical filtering device provided with at least two filters for filtering light passing through the collimator; An optical sensor device provided with at least two optical sensors that can correspond to the at least two filters, and converts the filtered light into electric charges and outputs the electric charges; And a digital signal processor configured to recover the spectrum information of the incident light by digitally processing the output signal of the optical sensor device.

본 발명에 따르면, 입사광의 입사각 차이가 있더라도 정확한 분광결과를 얻을 수 있는 이점이 있다. 따라서 입사각에 무관하게 정확한 분광결과를 얻을 수 있다. According to the present invention, even if there is a difference in the incident angle of the incident light there is an advantage that can obtain accurate spectroscopic results. Therefore, accurate spectral results can be obtained regardless of the incident angle.

본 발명에 따르면, 분광장치의 하드웨어의 복잡한 구성을 요하지 않는 장점이 있다. According to the present invention, there is an advantage that does not require a complicated configuration of the hardware of the spectrometer.

도 1은 제 1 실시예에 따른 분광장치의 구성도.
도 2는 임의의 필터에서 입사각에 따른 트랜스미턴스 펑션의 변화표.
도 3은 입사각이 달라지는 경우에 다른 측정행렬을 사용하여 복구한 분광의 결과를 예시하는 도면.
도 4는 제 1 실시예에 디지털 신호 처리부의 상세 구성을 보이는 블록도.
도 5는 제 1 실시예에 따른 분광방법을 설명하는 흐름도.
도 6은 제 1 실시예에 의한 실험결과를 보여주는 도면.
도 7은 제 2 실시예에 따른 분광장치의 블록도.
도 8은 정규화한 값으로 에너지를 추출한 예시도.
도 9는 제 3 실시예에 따른 분광장치의 구성도.
1 is a block diagram of a spectrometer according to a first embodiment.
2 is a change table of the transmittance function according to the angle of incidence in an arbitrary filter.
FIG. 3 illustrates the results of spectroscopy recovered using different measurement matrices when the angle of incidence varies.
Fig. 4 is a block diagram showing the detailed configuration of a digital signal processing unit in the first embodiment.
5 is a flowchart for explaining a spectroscopic method according to the first embodiment.
6 is a view showing experimental results according to the first embodiment.
7 is a block diagram of a spectrometer according to a second embodiment;
8 is an exemplary view of extracting energy to a normalized value.
9 is a configuration diagram of a spectrometer according to a third embodiment.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하의 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상에 포함된다고 할 것이다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail. However, the spirit of the present invention is not limited to the following embodiments, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention can easily add, change, delete, and add other embodiments included in the scope of the same idea. It may be suggested that the present invention be included, but this is also included in the spirit of the present invention.

<제 1 실시예><First Embodiment>

도 1은 실시예에 따른 분광장치의 구성도이다.1 is a block diagram of a spectrometer according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 제 1 실시예에 따른 분광장치는, 광원(108)에서 입사되는 광을 다양한 경우로 필터링하는 광필터링 장치(110), 광센서 장치(120), 및 디지털 신호 처리부(140), 및 분석 정보 제공부(150)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the spectrometer according to the first embodiment includes an optical filtering device 110, an optical sensor device 120, and a digital signal processor 140 for filtering light incident from the light source 108 into various cases. And an analysis information providing unit 150.

상기 광원(108)은 빛을 조사하는 의미로서의 광원이 아니고, 분광의 대상이 될 수 있는 그 어떠한 빛을 제공하는 구성으로서의 의미를 가질 수 있다. The light source 108 is not meant to irradiate light, but may have a meaning as a configuration for providing any light that may be an object of spectroscopy.

상기 광필터링 장치(110)는 서로 다른 투과율 함수를 갖는 필터들의 집합으로 구성될 수 있다. 상기 광필터링 장치(110)는 예를 들어 2D 방식으로 배치된 M개의 필터들로 구성될 수 있다. 상기 광필터링 장치(110)를 구성하는 각 필터는, 분광의 대상이 되는 전체 파장 대역에 대하여 투과율이 서로 다른 필터로 구성할 수 있다. 예를 들어, 분광의 대상이 되는 전체 파장 대역이 400nm에서 800nm인 경우에, 상기 광필터링 장치(110)를 구성하는 각 필터는 상기 파장 대역에서 골고루 다수의 피크치를 가지도록 할 수 있다. 상기 광필터링 장치(110)의 각 필터는 나노공정을 이용하여 제조될 수 있다.The light filtering device 110 may be composed of a set of filters having different transmittance functions. The light filtering device 110 may be composed of, for example, M filters arranged in a 2D manner. Each filter constituting the optical filtering device 110 may be formed of a filter having a different transmittance with respect to the entire wavelength band to be subjected to spectral. For example, when the entire wavelength band targeted for spectral is 400 nm to 800 nm, each filter constituting the optical filtering device 110 may have a plurality of peak values evenly in the wavelength band. Each filter of the optical filtering device 110 may be manufactured using a nano process.

상기 광센서 장치(120)는 광필터링 장치(110)의 하측에 배치되며, 필터링된 광을 전기신호로 변환한다. 광센서 장치(120)는 예를 들어 CCD(Charge Coupled Device) 장치로 구성될 수 있다. 광필터링 장치(110)의 각 필터들은 광센서 장치(120)의 각 구성요소에 접속되어 있어서, 광필터링 장치(110)를 통과한 광신호는 광센서 장치(120)에서 전하의 형태로 변환된다. 광필터링 장치(110)와 광센서 장치(120)를 포함하는 구성을 좁은 의미의 소형 분광장치(130)라고 할 수도 있다. 광센서 장치(120)의 출력은, 광신호의 본래의 스펙트럼을 추정하기 위해 디지털 신호 처리부(140)에 입력될 수 있다.The optical sensor device 120 is disposed below the optical filtering device 110 and converts the filtered light into an electrical signal. The optical sensor device 120 may be configured as, for example, a charge coupled device (CCD) device. Each filter of the optical filtering device 110 is connected to each component of the optical sensor device 120, so that the optical signal passing through the optical filtering device 110 is converted into a form of electric charge in the optical sensor device 120. . A configuration including the light filtering device 110 and the light sensor device 120 may be referred to as a compact spectrometer 130 in a narrow sense. The output of the optical sensor device 120 may be input to the digital signal processor 140 to estimate the original spectrum of the optical signal.

상기 디지털 신호 처리부(140)는, 광필터링 장치(110) 및 광센서 장치(120)를 통해 획득된, 왜곡된 스펙트럼 신호로부터 광신호 본래의 스펙트럼 정보를 복구하기 위하여 디지털 신호 처리를 수행한다. 상기 디지털 신호 처리부(130)는 DSP 칩 등으로 구현될 수 있다. 상기 디지털 신호 처리부(140)에서는 희소표현(sparse representation)을 이용하는 압축센싱(compressed sensing)을 이용하여 광원(108)의 빛의 파장별 강도를 알 수 있다. 구체적인 방법은 특허문헌 1 및 특허문헌 2와 그 외에 압축센싱과 관련되는 다양한 방법이 적용될 수 있다. The digital signal processor 140 performs digital signal processing to recover the original spectrum information of the optical signal from the distorted spectrum signal obtained through the optical filtering device 110 and the optical sensor device 120. The digital signal processor 130 may be implemented with a DSP chip. The digital signal processor 140 may know the intensity of each wavelength of the light of the light source 108 by using compressed sensing using a sparse representation. As a specific method, Patent Document 1 and Patent Document 2 and other various methods related to compression sensing may be applied.

상기 분석 정보 제공부(150)는 디지털 신호 처리부(140)에 의해 복구된 광신호의 스펙트럼 정보를 그래프나 기타 분석 정보로 제공한다. 예컨대, 분석 정보 제공부(150)는 분석 정보를 제공하는 소프트웨어를 내장한 마이크로 프로세서, 또는 컴퓨터일 수 있다.The analysis information providing unit 150 provides spectral information of the optical signal recovered by the digital signal processing unit 140 as a graph or other analysis information. For example, the analysis information providing unit 150 may be a microprocessor or a computer in which software for providing analysis information is embedded.

상기 분광장치(광필터링 장치)의 각 필터는 회절격자(grating)에 기반하는 것과, 박막(thin-film) 광필터에 기반하는 것이 제안될 수 있다. 물론 이에 제한되지는 아니한다. Each filter of the spectroscopic device (optical filtering device) may be proposed to be based on a diffraction grating and based on a thin-film optical filter. Of course, it is not limited thereto.

먼저, 상기 회절격자에 기반하는 것은, 기판에 랜덤한 간격으로 제공되는 장홈의 형상으로 회절격자를 제공하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 상기 회절격자의 주기와 높이에 의해서 입력되는 원래 광신호의 파장별 투과율이 제어될 수 있다. 일 예로서 1mm의 사이 간격에 500~1000개의 회절격자가 제공되어 있을 수 있다. First, based on the diffraction grating may be achieved by providing the diffraction grating in the form of a long groove provided at random intervals on the substrate. The transmittance of each wavelength of the original optical signal input by the period and height of the diffraction grating may be controlled. As an example, 500 to 1000 diffraction gratings may be provided at intervals between 1 mm.

상기 박막 광필터에 기반하는 것은, 얇은 유전층이 두께와 굴절계수를 달리하면서 다수 개가 적층되는 것에 의해서 달성될 수 있다. 이때, 유전층의 수, 유전층의 굴절계수, 및 유전층의 두께에 의해서, 필터를 통과하는 광의 파장별 투과율이 달라지게 된다. 일 예로서 1.46의 반사율을 가지는 SiO2와 2.15의 반사율을 가지는 SiNx를, 1.5의 반사율을 가지는 글래스 위에 8겹으로 적층하여 제공할 수 있다. Based on the thin film optical filter, a thin dielectric layer may be achieved by stacking a plurality of layers having different thicknesses and refractive indices. In this case, the transmittance for each wavelength of light passing through the filter varies depending on the number of dielectric layers, the refractive index of the dielectric layer, and the thickness of the dielectric layer. For example, SiO 2 having a reflectance of 1.46 and SiN x having a reflectance of 2.15 may be provided by laminating 8 layers on a glass having a reflectance of 1.5.

발명자는 입사광의 성질에 따라서 분광의 결과가 달라지는 현상을 예의관찰하여, 상기 광필터링 장치(110)의 각 필터에 입사하는 광의 입사각이 달라짐에 따라서 분광의 결과가 달라지는 것을 확인할 수 있었다. The inventor carefully observed the phenomenon in which the result of the spectroscopy varies depending on the nature of the incident light, and it was confirmed that the result of the spectroscopy changes as the angle of incidence of light incident on each filter of the optical filtering device 110 is different.

이는 회절격자에 기반하는 분광장치(광필터링 장치), 및 박막 광필터에 기반하는 분광장치(광필터링 장치)는, 광원(108)으로부터 입사하는 광이 광필터링 장치(110)로 입사하는 각도에 따라서, 상기 광센서 장치(120)에 감지되는 파장에 따른 광의 세기가 달라지기 때문으로 추측된다. This is because the spectrometer (optical filtering device) based on the diffraction grating and the spectroscopic device (optical filtering device) based on the thin film optical filter are formed at an angle at which light incident from the light source 108 is incident on the optical filtering device 110. Therefore, it is assumed that the intensity of light varies depending on the wavelength detected by the optical sensor device 120.

상세하게는, 파장 및 입사각에 따라서 광필터링 장치(110)에서 반사되는 빛이 차이가 나고, 반사되는 빛은 광센서 장치(120)로 입사할 수 없기 때문에, 광센서 장치(120)에서 감지되는 빛의 세기는 결국 입사광의 입사각 및 파장에 의존하여 서로 달라질 수 있는 것이다. In detail, since the light reflected by the optical filtering device 110 is different according to the wavelength and the incident angle, and the reflected light cannot enter the optical sensor device 120, the light is detected by the optical sensor device 120. The intensity of the light may eventually be different from each other depending on the incident angle and the wavelength of the incident light.

예를 들어 도 2에 제시되는 임의의 필터에서 트랜스미턴스 펑션의 변화표를 참조할 수 있다. For example, reference may be made to the change table of the transmittance function in any of the filters shown in FIG. 2.

도 2를 참조하면, 0도일 때의 트랜스미턴스 펑션은 각도가 10씩 변함에 따라서 파장이 작은 쪽으로 천이하는 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be seen that the transmittance function at 0 degrees shifts toward the smaller wavelength as the angle changes by 10. FIG.

도 3은 입사각이 달라지는 경우에 다른 측정행렬을 사용하여 복구한 분광의 결과를 예시하는 도면이다. 여기서, 상기 측정행렬은 입사각이 달라지는 경우에 미리 측정하여 둔 광필터링 장치(110)에 제공되는 각 필터의 측정행렬이라고 할 수 있다. 3 is a diagram illustrating the results of spectroscopy recovered using different measurement matrices when the angle of incidence varies. Here, the measurement matrix may be referred to as a measurement matrix of each filter provided to the optical filtering device 110 measured in advance when the incident angle is changed.

도 3을 참조하면, 먼저, 3(a)의 경우는, 상기 광필터링 장치(110)로의 광의 입사각이 0도이고, 상기 디지털 신호 처리부(140)에서 스펙트럼 정보의 복구에 사용한 측정행렬이 같은 0도 일 때이다. 이 경우에는 원래의 신호와 복구된 신호가 같은 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 3, first, in the case of 3 (a), the incident angle of light to the optical filtering device 110 is 0 degrees, and the measurement matrix used by the digital signal processor 140 to recover spectrum information is equal to 0. When is In this case, we can see that the original signal and the recovered signal are the same.

그러나, 상기 광필터링 장치(110)에 입사하는 광의 입사각이 0도임에도 불구하고, 상기 디지털 신호 처리부(140)에서 사용되는 측정행렬을 획득한 각도가 10도, 20도, 및 30도로 변함에 따라서, 복구된 신호는 원래의 신호가 (b), (c), 및 (d)로 크게 차이나는 것을 알 수 있다. However, although the angle of incidence of the light incident on the optical filtering device 110 is 0 degrees, the angle obtained by the measurement matrix used in the digital signal processing unit 140 is changed to 10 degrees, 20 degrees, and 30 degrees. The recovered signal can be seen that the original signal is significantly different from (b), (c), and (d).

이 현상은 도 2에서 본 바와 같이, 광필터링 장치(110)에 제공되는 각 필터의 트랜스미턴스 펑션이 입사각의 각도에 따라서 변하기 때문이다. 다시 말하면, 필터의 트랜스미턴스 펑션의 집합으로서 제공되는 측정행렬은, 입사각에 의존하여 변한다. 그러나, 그와 같은 변화가 반영되지 못한 상태에서 상기 디지털 신호 처리부(140)에서 신호처리를 수행하기 때문에 올바른 복구된 신호를 얻어낼 수 없는 것이다. This phenomenon is because, as shown in FIG. 2, the transmittance function of each filter provided to the optical filtering device 110 changes according to the angle of incidence angle. In other words, the measurement matrix provided as a set of transmittance functions of the filter varies depending on the angle of incidence. However, since the digital signal processing unit 140 performs signal processing in a state where such a change is not reflected, a correct recovered signal cannot be obtained.

이와 같이, 광원(108)의 빛이 상기 광필터링 장치(110)에 입사하는 각도에 따라서, 측정행렬을 어떻게 선택할 수 있는 방법을 고려할 수 있다. 이하에서는 광필터링 장치(110)에 입사하는 입사광의 입사각를 알아내고, 빛의 입사각에 따라서 서로 다른 측정행렬을 사용하는 분광장치 및 분광방법에 대하여 설명한다. As such, a method of selecting a measurement matrix may be considered based on an angle at which light of the light source 108 is incident on the light filtering device 110. Hereinafter, a spectrometer and a spectroscopy method of finding an incident angle of incident light incident on the light filtering device 110 and using different measurement matrices according to the incident angle of light will be described.

도 4는 제 1 실시예에 따른 분광장치, 특히, 디지털 신호 처리부의 상세 구성을 보이는 블록도이다.4 is a block diagram showing a detailed configuration of a spectrometer according to the first embodiment, in particular, a digital signal processor.

도 4를 참조하면, 분광장치에는, 광센서 장치(120)에 제공되는 광센서(10)와, 다수의 정보가 저장되는 메모리(20)와, 상기 광센서(10)에서 획득된 정보와 상기 메모리(20)로부터의 정보를 이용하여 스펙트럼 정보를 복구하는 스펙트럼 복구부(30)와, 상기 스펙트럼 복구부(30)에서 얻어진 정보를 이용하여 광원(108)이 광필터링 장치(110)로 입사하는 입사광의 입사각을 측정하는 입사각 측정부(40)가 포함된다. Referring to FIG. 4, the spectrometer includes an optical sensor 10 provided to an optical sensor device 120, a memory 20 storing a plurality of information, information obtained from the optical sensor 10, and The spectrum recovery unit 30 recovers the spectrum information using the information from the memory 20, and the light source 108 is incident on the optical filtering device 110 using the information obtained from the spectrum recovery unit 30. Incident angle measuring unit 40 for measuring the incident angle of the incident light is included.

상기 광센서(10)는, 광필터링 장치(110)에 제공되는 다수 개로서 서로 모여 있는 어떠한 구조를 말할 수 있다. 바람직하게 상기 광센서(10)는, 광센서 장치(120)에 제공되는 다수의 광센서를 집합적으로 이르는 것으로 이해할 수 있고, 각각의 광센서(10)에 입사하는 각각의 입사광의 광의 세기 정보가 전달되도록 할 수 있다. The optical sensor 10 may refer to any structure that is provided to the optical filtering device 110 as a plurality. Preferably, the optical sensor 10 may be understood as collectively leading to a plurality of optical sensors provided in the optical sensor device 120, and the intensity information of the light of each incident light incident on each optical sensor 10 Can be delivered.

상기 메모리에는, 광필터링 장치(110)에 입사하는 광의 입사각에 따른 다양한 측정행렬(예를 들어, 10도, 20도, 30도, 40, 및 50도에 해당하는 측정행렬이 미리 저장될 수 있다. 그러나 그에 제한되지는 아니한다)과, 희소화 베이스가 미리 저장되어 있을 수 있다. In the memory, various measurement matrices according to the incident angle of light incident on the light filtering device 110 (eg, measurement matrices corresponding to 10 degrees, 20 degrees, 30 degrees, 40, and 50 degrees) may be stored in advance. But not limited thereto), and the scarring base may be stored in advance.

상기 측정행렬은, 상기 광필터링 장치(110)의 제조시에 각 필터별로 미리 알려질 수도 있고, 상기 광필터링 장치(110)를 제작한 다음에 측정하여 제공할 수도 있다. 예를 들어, 광필터링 장치(110)에 제공되는 각 필터의 제조 시에 특정한 프랜스미턴스 펑션을 가지도록 미리 특정한 구조로 제공할 수도 있고, 임의의 방법으로 제조된 광필터링 장치(110)의 각 필터의 트랜스미턴스 펑션을 필터 별로 측정하여 제공할 수도 있다. The measurement matrix may be known in advance for each filter at the time of manufacturing the optical filtering device 110, or may be measured and provided after fabricating the optical filtering device 110. For example, it may be provided in a specific structure in advance to have a specific transmittance function at the time of manufacturing each filter provided to the optical filtering device 110, each of the optical filtering device 110 manufactured by any method The transmittance function of the filter may be measured and provided for each filter.

이는 다수의 입사광이 광필터링 장치에 제공되는 각 필터를 통과하여 복잡한 광량으로 감지되어 더 많은 정보를 제공할 수 있는 것을 의미할 수 있다. 또한, 보다 많은 정보가 압축센싱의 방법으로 해석함으로써 더 정확하고 높은 해상도의 스펙트럼 정보를 복구할 수 있는 것을 의미한다. This may mean that a plurality of incident light passes through each filter provided to the light filtering device and is detected as a complex amount of light to provide more information. In addition, more information is interpreted by compression sensing means that more accurate and higher resolution spectral information can be recovered.

상기 압축센싱은 디지털 신호처리기법의 일종으로서 또 다른 디지털신호처리기법을 통해서도 스펙트럼 정보를 복구할 수 있을 것이다. 그러나 실시예의 경우에는 압축센싱기법을 이용함으로써 더욱 정확하고 높은 해상도의 스펙트럼 정보 복구를 수행할 수 있다. 이하 마찬가지이다.The compression sensing is a kind of digital signal processing technique and may recover spectral information through another digital signal processing technique. However, in the case of the embodiment, it is possible to perform more accurate and high-resolution spectral information recovery by using the compression sensing technique. The same applies to the following.

상기 측정행렬은, 광필터링 장치(110)에 제공되는 각 필터에 입사하는 빛의 입사각에 의존하여 달라질 수 있다. 따라서, 많은 측정행렬이 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 광필터링 장치(110)에 제공되는 필터의 개수가 100개이고, 입사각의 종류가 30개인 경우(0도에서 58도까지를 2도의 차이를 가지고 점진적으로 증가시키는 경우)에는 상기 광센서(10)별로 다른 트랜스미턴스 펑션을 가질 수 있는 것을 고려하여 총 30100개의 측정행렬이 제공될 수 있을 것이다. The measurement matrix may vary depending on an angle of incidence of light incident on each filter provided to the optical filtering device 110. Thus, many measurement matrices can be provided. For example, when the number of filters provided to the optical filtering device 110 is 100 and the type of incidence angle is 30 (increasing from 0 degrees to 58 degrees with a difference of 2 degrees), the light A total of 30 100 measurement matrices may be provided considering that the sensors 10 may have different transmittance functions.

상기 광센서(10)를 통과하면, 입사광은 광센서(10) 별 서로 다른 트랜스미턴스 펑션에 따라서, 각 센서에 입사한 입사광의 세기는 달라질 것이다. 다시 말하면, 특정 트랜스미턴스 펑션을 가지는 광센서(10)를 통과한 입사광은 다른 광센서(10)와는 서로 다른 세기를 가지게 된다. 이를 이용하여 압축센싱을 이용하여 상기 입사광의 스펙트럼 정보를 분석할 수 있다. When the light passes through the optical sensor 10, the incident light may have different intensity of incident light incident on each sensor according to different transmission function for each optical sensor 10. In other words, the incident light passing through the optical sensor 10 having a specific transmittance function has a different intensity from that of the other optical sensor 10. By using this, it is possible to analyze the spectral information of the incident light using compression sensing.

상기 스펙트럼 복구부(30)는, 상기 입사광의 스펙트럼 정보를 복구할 때 측정행렬을 이용한다. 상기 광센서(10)는 광센서 장치(120)에 제공되는 각각의 CCD를예시할 수 있고, 상기 광필터링 장치(110)의 각 필터별로 대응하여 제공될 수 있고, 필터를 통과한 입사광의 세기를 특정값으로서 제공할 수 있다. The spectrum recovery unit 30 uses the measurement matrix when recovering the spectral information of the incident light. The optical sensor 10 may illustrate each CCD provided to the optical sensor device 120, may be provided corresponding to each filter of the optical filtering device 110, and the intensity of incident light passing through the filter may be provided. Can be provided as a specific value.

상기 광센서(10)에 의해서 인식된 상기 광량정보는, 상기 스펙트럼 복구부(30)에서 복구되어 복구 스펙트럼을 추출할 수 있다. 상기 스펙트럼 복구부(30)의 구성을 더 상세하게 설명한다. The light quantity information recognized by the optical sensor 10 may be recovered by the spectrum recovery unit 30 to extract a recovery spectrum. The configuration of the spectrum recovery section 30 will be described in more detail.

상기 스펙트럼 복구부(30)에서는, 광센서(10)로 입사한 빛의 광량을 상기 측정행렬저장부(20)에 저장되는 측정행렬과 희소화 베이스를 이용하여 스펙트럼 정보를 복구할 수 있다. The spectrum recovery unit 30 may recover the spectral information by using the measurement matrix and the virtualization base stored in the measurement matrix storage unit 20 in the amount of light incident on the optical sensor 10.

상기 광센서(10)의 광량정보를 y라 하고, 측정행렬을 A라 하고, 복구된 스펙트럼 정보에서의 파장별 광량정보를 x라고 할 때, 하기되는 수학식 1의 관계가 성립한다.When the light quantity information of the optical sensor 10 is y, the measurement matrix is A, and the light quantity information for each wavelength in the recovered spectrum information is x, the relationship of Equation 1 below is established.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, here,

Y는 M×1의 행렬이고, A는 M×NL의 행렬이고, x는 NL×1의 행렬로 제공될 수 있다. Y may be a matrix of M × 1, A is a matrix of M × NL, and x may be provided as a matrix of NL × 1.

여기서, N은 복구된 스펙트럼 정보의 파장의 개수이고, M은 광센서의 개수이고, A는 측정행렬이고, L은 측정행렬의 개수로서 적어도 두 개 이상이 제공되고, Ψ는 상기 복구된 스펙트럼 정보에서의 각 파장의 광량정보(x)가, 적은 수의 영이 아닌 값들(small number of nonzero elements)(s)(여기서, s를 희소화 계수라고 할 수 있다)을 가지도록 추정하는 희소화 베이스(sparsifying basis)로 제공될 수 있다. Where N is the number of wavelengths of recovered spectral information, M is the number of photosensors, A is the measurement matrix, L is at least two or more provided as the number of measurement matrices, and Ψ is the recovered spectral information A roughening base that estimates that the amount of light information x of each wavelength in E has a small number of nonzero elements (s) (where s may be referred to as a on a sparsifying basis).

상기 측정행렬(A) 중의 임의의 원소인 aij는 j번째 복구된 스펙트럼의 광량이, i번째 광센서의 트랜스미턴스 펑션의 영향을 받는 것을 나타낸다. Any element a ij in the measurement matrix A indicates that the amount of light in the j-th recovered spectrum is affected by the transmittance function of the i-th optical sensor.

예를 들어, aij가 영인 경우에는 j번째 복구된 스펙트럼의 파장이 i번째 광센서를 전혀 통과하지 못하는 것이고, aij가 일인 경우에는 j번째 복구된 스펙트럼의 파장이 i번째 광센서를 전부 통과하는 것이고, aij가 영보다 크고 일보다 작은 경우에는 j번째 스펙트럼의 파장이 i번째 광센서의 트랜스미턴스 펑션에 일정 정도의 영향을 받고서 통과하는 것으로 생각할 수 있다. For example, if a ij is zero, the wavelength of the j-th recovered spectrum does not pass through the i-th optical sensor. If a ij is one, the wavelength of the j-th recovered spectrum passes through the i-th optical sensor. If a ij is greater than zero and less than one, it can be considered that the wavelength of the j-th spectrum passes through a certain degree of influence on the transmittance function of the i-th optical sensor.

한편, 상기 수학식 1은 N>M으로 주어지는 비결정 시스템(underdetermined system)이다. 상기 비결정 시스템을 최적화 과정을 통하여 해를 구하기 위해서는, 첫째, 희소신호(sparse signal)로 표현할 수 있어야 하고, 둘째 상기 측정행렬은 서로 비간섭성(incoherent)으로 제공될 필요가 있다. Equation 1 is an underdetermined system given by N> M. In order to solve the amorphous system through an optimization process, first, it should be able to be expressed as a sparse signal, and second, the measurement matrices need to be provided incoherent with each other.

그런데, 자연계의 이미지는 웨이블릿 도메인(wavelet domain) 또는 이산코사인변환 또는 이산푸리에변환 등과 같은 도메인에서 희소신호로 표현된다는 것이 알려져 있다. 따라서, 상기 첫째 조건은 만족한다. However, it is known that an image of nature is represented by a sparse signal in a wavelet domain or a domain such as a discrete cosine transform or a discrete Fourier transform. Thus, the first condition is satisfied.

둘째로, 상기 측정행렬에서 어느 광센서의 트랜스미턴스 펑션은 복구된 스펙트럼 정보 중의 어느 파장에만 정보를 인가하므로, 전체 스펙트럼에 대해서는 비간섭적이라고 할 수 있다. 따라서 상기 둘째 조건은 만족한다. Secondly, since the transmittance function of an optical sensor in the measurement matrix applies information only to a wavelength of recovered spectral information, it can be said to be incoherent with respect to the entire spectrum. Thus, the second condition is satisfied.

이에, 실시예에서는 상기 수학식 1의 해를 구하기 위하여 희소표현(sparse representation)을 이용하는 압축센싱(compressed sensing)을 이용할 수 있다.Thus, in an embodiment, compressed sensing using a sparse representation may be used to solve the equation (1).

상기 수학식 1의 x는 수학식 2의 선형방정식으로 풀어낼 수 있다. X in Equation 1 may be solved by the linear equation in Equation 2.

Figure pat00002
Figure pat00002

∥·∥1는 L1 놈(norm)을 나타내고, ε은 미리 설정되거나 수정되거나 선택될 수 있는 임계치이고,

Figure pat00003
은 추정 희소화 계수이다. 1 represents L1 norm, ε is a threshold that can be preset, modified or selected,
Figure pat00003
Is an estimated sparsity coefficient.

실시예에서 상기 수학식 2는 대체방향방법(alternating direction method)으로 풀었다. 상기 대체방향방법은 Yang, J. & Zhang, Y. Alternating direction algorithms for l1-problems in compressive sensing. SIAM J. Sci. Comput. 33, 250-278 (2011)을 참조할 수 있다. 이뿐만이 아니고, 수학식 1은 심플렉스법(simplex methods) 또는 기울기하강법(steepest decent methods) 또는 이차미분법(second derivative methods)을 사용하여 최적의 해를 구할 수도 있다. 또 다른 예로서 본 발명의 출원인이 대한민국특허등록번호 10-1423964에서 제안한 바가 있는 L1 놈 최적화 방법을 이용하여 최적의 해를 구할 수 있다. In the embodiment, Equation 2 was solved by an alternating direction method. The alternative direction method is described in Yang, J. & Zhang, Y. Alternating direction algorithms for l1-problems in compressive sensing. SIAM J. Sci. Comput. 33 , 250-278 (2011). In addition to this, Equation 1 may also find an optimal solution using a simplex method, a steepest decent method, or a second derivative method. As another example, the applicant of the present invention can obtain an optimal solution using the L1 norm optimization method proposed in Korean Patent Registration No. 10-1423964.

상기 추정 희소화 계수는 추정 희소화 계수 추출부(31)에서 추출될 수 있다. 상기 추정 희소화 계수는 N×1행렬로 제공될 수 있고, 상기 측정행렬 별로 제공될 수 있기 때문에, 결국 NL×1의 행렬로 주어질 수 있다. 여기서 상기 측정행렬 별로 상기 추정 희소화 계수가 제공된다는 의미는 광의 입사각 및 필터에 따른 측정행렬을 개별적으로 상기 수학식 2를 푼다는 뜻이 아니고, 전체로서 상기 측정행렬, 즉 A를 한꺼번에 푼다는 의미이다. The estimated sparsity coefficient may be extracted by the estimated sparsity coefficient extractor 31. Since the estimated sparsity coefficient may be provided in an N × 1 matrix and may be provided for each measurement matrix, it may be finally given as a matrix of NL × 1. Here, the fact that the estimated sparsity coefficient is provided for each measurement matrix does not mean that the equation 2 according to the angle of incidence and the filter is solved separately, but that the measurement matrix, A, is solved as a whole. to be.

비록 측정행렬 별로 수학식 2를 푸는 것을 배제하지는 않지만, 전체로서 상기 측정행렬(A)가 모여 있는 단일의 측정행렬 집합을 한꺼번에 풀면, 희소화 연산의 결과가 더 정확해 지기 때문에, 더 정확한 답을 찾을 수 있기 때문이다. 이하 동일하다. Although it is not excluded to solve Equation 2 for each measurement matrix, solving a single set of measurement matrices in which the measurement matrix A is gathered as a whole makes the result of the virtualization operation more accurate. Because you can find it. It is the same below.

L1 놈 최적화 방법에 의해서 상기 적은 수의 영이 아닌 값들(s)이 구하여지면, 하기 수학식 3을 이용하여 상기 복구된 스펙트럼의 파장별 광량정보(x)를 추정할 수 있다. When the small number of non-zero values s is obtained by the L1 norm optimization method, light quantity information x for each wavelength of the recovered spectrum may be estimated using Equation 3 below.

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서,

Figure pat00005
는 복구된 스펙트럼 정보의 파장별 광량정보(x), 즉, 추정 파장의 광량정보로 생각할 수 있다. 상기 추정 파장의 광량정보는 추정 파장의 광량정보 추출부(32)에서 추출할 수 있다. here,
Figure pat00005
May be regarded as light quantity information x of wavelengths of recovered spectral information, that is, light quantity information of an estimated wavelength. Light quantity information of the estimated wavelength may be extracted by the light quantity information extracting unit 32 of the estimated wavelength.

상기 추정 희소화 계수 및 상기 추정 파장의 광량정보는 입사각 측정부(40)로 전달될 수 있다. 상기 입사각 측정부(40)는 상기 추정 희소화 계수 및 상기 추정 파장의 광량정보를 참조하여 상기 광원의 입사각을 측정할 수 있다. 상기 입사각 측정부(40)에는, 사용된 측정행렬 별로 잔류 놈을 추출하는 잔류 놈 추출부(41)와, 상기 잔류 놈 추출부(41)에서 추출된 잔류 놈을 비교하여 상기 광필터링 장치(110)에 제공되는 각 필터에 대한 광의 입사각을 측정하는 잔류 놈 비교부(42)가 포함된다. The estimated sparsity coefficient and the light quantity information of the estimated wavelength may be transmitted to the incident angle measuring unit 40. The incident angle measuring unit 40 may measure the incident angle of the light source with reference to the estimated sparsity coefficient and the light quantity information of the estimated wavelength. The incident angle measuring unit 40 includes a residual norm extracting unit 41 for extracting a residual norm for each measurement matrix used and a residual norm extracted from the residual norm extracting unit 41 to compare the light filtering device 110. Residual norm comparison unit 42 for measuring the angle of incidence of the light for each filter provided in the) is included.

상세하게 설명하면, 상기 잔류 놈 추출부(41)는, 적용된 측정행렬 별로 얻어진 상기 추정 파장의 광량정보와 각 센서별로 측정된 광량정보를 이용하여 수학식 4를 이용하여 잔류 놈(residual norm)을 추출한다. In detail, the residual norm extracting unit 41 calculates a residual norm using Equation 4 by using the light quantity information of the estimated wavelength obtained for each measurement matrix applied and the light quantity information measured for each sensor. Extract.

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, ri는 i번째 측정행렬의 잔류 놈, y는 상기 센서별 광량정보, Ψ는 희소화 베이스, δi는 i번째의 측정행렬의 상기 추정 희소화 계수만을 남기고 다른 측정행렬의 상기 추정 희소화 계수는 영을 만드는 특성함수이다. 상기 Ψδi는 복구 스펙트럼으로서 복구신호라고 할 수도 있다. 상기 잔류 놈은 L2 놈으로 제시될 수 있다. Where r i is the residual norm of the i-th measurement matrix, y is the light quantity information for each sensor, Ψ is the sparse base, and δ i is the estimated sparse coefficient of the other measurement matrix leaving only the estimated sparse coefficient of the i-th measurement matrix. The coefficient of sum is a characteristic function that produces zero. Δδ i may be referred to as a recovery signal as a recovery spectrum. The residual norm can be presented as an L2 norm.

따라서, 상기 수학식 4에 따르면, 측정행렬 별로 잔류 놈의 값을 알아낼 수 있다. 상기 잔류 놈이 크면 클수록 상기 추정 파장의 광량정보가 틀린 것을 나타낼 수 있다. Therefore, according to Equation 4, it is possible to find the value of the residual norm for each measurement matrix. The larger the residual norm, the larger the amount of light information of the estimated wavelength.

이후에는 상기 잔류 놈 비교부(42)에서, 상기 측정행렬 별로 잔류 놈을 비교하여 상기 잔류 놈이 가장 작은 측정행렬을 선택할 수 있다. 여기서, 선택된 측정행렬이 획득된 입사각이 광원(108)에서 발광된 빛이 광필터링 장치(110)의 각 필터로 입사된 입사각으로 판정할 수 있다.Thereafter, the residual norm comparing unit 42 may select the measurement matrix having the smallest residual norm by comparing the residual norm for each measurement matrix. Here, the incident angle at which the selected measurement matrix is obtained may be determined as the incident angle at which light emitted from the light source 108 is incident on each filter of the optical filtering device 110.

이러한 작용을 이용하여, 상기 잔류 놈 비교부(42)에서는 입사각의 각도 정보를 추출해 낼 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 잔류 놈 비교부(42)는 상기 각도 정보를 이미지 선택부(33)로 출력할 수 있다. 상기 이미지 선택부(33)는 해당 각도의 측정행렬을 이용하여 복구된 분광정보를 선택하여, 분광정보를 출력할 수 있다. By using this action, the residual norm comparison unit 42 can extract the angle information of the incident angle. In addition, the residual norm comparator 42 may output the angle information to the image selector 33. The image selector 33 may select the recovered spectroscopic information by using the measurement matrix of the corresponding angle and output the spectroscopic information.

이때 분광정보 선택부(33)는, 측정된 입사각에 대응하는 측정행렬을 상기 메모리(20)로부터 가져와서 새로이 분광정보를 복구할 수도 있다. 이 경우는 필터별로 다양한 입사각으로 빛이 입사하여, 상기 분광정보에 영향을 미치는 경우에 바람직하게 사용될 수 있다. In this case, the spectroscopic information selector 33 may recover the spectroscopic information by importing a measurement matrix corresponding to the measured incident angle from the memory 20. This case may be preferably used when light is incident at various incident angles for each filter and affects the spectral information.

이와 달리, 상기 분광정보 선택부(33)는, 상기 추정 파장의 광량정보 추출부(32)에서 추정된 광량정보 중에서, 상기 측정된 입사각에 대응하는 측정행렬에 대응하는 분광정보를 선택하여 이미지를 복구할 수도 있다. 이 경우는 다수의 필터에 단일의 입사각으로 광이 입사하거나, 제한되는 갯수의 입사각이 상기 분광정보에 영향을 미치는 경우에 바람직하게 사용될 수 있다. In contrast, the spectral information selecting unit 33 selects spectral information corresponding to the measurement matrix corresponding to the measured incident angle from among the light quantity information estimated by the light quantity information extracting unit 32 of the estimated wavelength to select an image. You can also recover. This case can be preferably used when light enters a plurality of filters at a single incident angle, or when a limited number of incident angles affect the spectral information.

상기되는 장치에 따르면 측정행렬을 특정할 필요가 없이-즉, 입사각을 특정할 필요가 없이- 최적의 복구된 분광정보를 획득할 수 있다. According to the apparatus described above, it is possible to obtain optimal recovered spectral information without having to specify the measurement matrix-that is, without specifying the angle of incidence.

도 4의 분광장치는 입사각 정보를 추출하기 때문에, 그 자체가 입사각측정장치로도 활용될 수 있다.Since the spectrometer of FIG. 4 extracts incident angle information, it can be used as an incident angle measuring device itself.

도 5는 실시예에 따른 분광방법을 설명하는 흐름도이다. 입사각측정방법도 본 흐름도에 의해서 함께 설명될 수 있다. 본 방법을 이해함에 있어서는 분광장치의 구성을 참조로 하고, 중복적인 설명은 장치의 설명을 이해하도록 한다. 5 is a flowchart illustrating a spectroscopic method according to an embodiment. Incident angle measuring method can also be described together by this flowchart. In understanding the method, reference is made to the configuration of the spectrometer, and redundant descriptions are made to understand the description of the device.

먼저, 적어도 분광장치의 각 필터에 입사하는 광의 입사각 차이에 따라 적어도 두 개의 측정행렬을 이용하여, 상기 광량정보로부터 추정 희소화 계수를 구하고(S1), 상기 추정 희소화 계수를 이용하여 추정 파장의 광량정보를 추출한다(S2). 여기서, 추정 파장의 광량정보는 상기 측정행렬 별로 획득될 수 있다. First, using the at least two measurement matrices according to the difference in incidence angle of the light incident on each filter of the spectrometer, the estimated roughening coefficient is obtained from the light quantity information (S1), and the estimated roughening coefficient is used to determine the estimated wavelength. The light quantity information is extracted (S2). Here, light quantity information of an estimated wavelength may be obtained for each measurement matrix.

상기 추정 파장의 광량정보를 이용하여 측정행렬 별로 잔류 놈을 추출하고(S3), 상기 잔류 놈을 비교하여 가장 작은 잔류 놈을 제공하는 측정행렬을 알아내고(S4), 해당하는 측정행렬로 복구된 분광정보를 선택할 수 있다. The residual norm is extracted for each measurement matrix by using the light quantity information of the estimated wavelength (S3), and the measurement matrix that provides the smallest residual norm is compared by comparing the residual norm (S4), and restored to the corresponding measurement matrix. You can select the spectral information.

한편, 여기서, 상기 잔류 놈 비교단계(S4)에서 선택된 측정행렬이, 상기 광필터장치(110)의 각 필터에 입사하는 광의 입사각이라고 판정할 수 있다. On the other hand, here, it can be determined that the measurement matrix selected in the residual norm comparison step (S4) is the incident angle of light incident on each filter of the optical filter device 110.

도 6은 제 1 실시예에 의한 실험결과를 보여주는 도면이다. 6 is a view showing the experimental results according to the first embodiment.

도 6을 참조하면, (a), (b), (c), 및 (d)는 각각 광필터링 장치(110)의 각 필터에 입사하는 광의 입사각을, 0도, 10도, 20도, 및 30도로 달리하면서 분광정보를 복구한 예시이다. 다만, 실험의 편의를 위하여 다수의 필터에 입사하는 광의 입사각은 필터별로는 동일한 것으로 가정하였다. Referring to FIG. 6, (a), (b), (c), and (d) respectively indicate incidence angles of light incident on each filter of the light filtering device 110 at 0 degrees, 10 degrees, 20 degrees, and This is an example of recovering spectral information at 30 degrees. However, for the convenience of experiments, it is assumed that the incident angles of the light incident on the plurality of filters are the same for each filter.

도 6을 통해서 확인할 수 있는 바와 같이, 사각형의 입사광의 파장정보와 원형의 복구된 분광정보의 파장정보는 서로 일치하는 것을 알 수 있다. As can be seen from FIG. 6, it can be seen that the wavelength information of the rectangular incident light and the wavelength information of the recovered recovered spectral information coincide with each other.

<제 2 실시예>&Lt; Embodiment 2 >

제 1 실시예는, 상기 잔류 놈을 비교하여 필터별 입사광의 입사각을 알아내고, 입사광의 스펙트럼 정보를 복구할 수 있는 것을 설명하였다. 그러나, 잔류 놈은 그 값이 작은 경우가 발생할 수 있다. 이 경우에는 잔류 놈을 비교하여 알아낼 수는 있지만, 비교가 부정확한 경우가 발생할 수 있다. In the first embodiment, the residual norms are compared to find the incident angle of incident light for each filter, and the spectral information of the incident light can be recovered. However, the residual norm may be small. In this case, the residual norm can be compared to find out, but the comparison may be inaccurate.

제 2 실시예는 상기 잔류 놈이 작은 경우에도 입사광의 각도를 알아낼 수 있고, 분광을 원활히 수행할 수 있는 것을 특징으로 하다. 따라서, 제 2 실시예의 특징적인 부분만을 설명하고 그 외의 설명은 원 실시예의 설명이 그대로 적용되는 것으로 한다. The second embodiment is characterized in that even when the residual norm is small, the angle of the incident light can be determined and the spectroscopy can be performed smoothly. Therefore, only the characteristic parts of the second embodiment will be described, and the description of the other embodiment shall be applied as it is.

도 7은 제 2 실시예에 따른 분광장치의 블록도이다. 7 is a block diagram of a spectrometer according to a second embodiment.

도 7을 참조하면, 제 2 실시예에서는, 입사각 측정부(50)에는, 상기 잔류 놈 추출부(41)를 대신하여 복구신호의 에너지 추출부(51)가 제공되고, 상기 잔류 놈 비교부(42)를 대신하여 고 에너지 추출부(52)가 제공될 수 있다. Referring to FIG. 7, in the second embodiment, the incident angle measuring unit 50 is provided with an energy extraction unit 51 of a recovery signal in place of the residual norm extraction unit 41, and the residual norm comparison unit ( In place of 42, a high energy extraction unit 52 may be provided.

여기서, 상기 복구신호의 에너지 추출부(51)에서는 상기 복구신호의 에너지를 구한다. 상기 복구신호의 에너지는 수학식 5로 정의될 수 있다. Here, the energy extracting unit 51 of the recovery signal obtains the energy of the recovery signal. The energy of the recovery signal may be defined by Equation 5.

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, Ei는 i번째 측정행렬을 이용하여 복구된 복구신호의 광량정보이고,

Figure pat00008
는 i번째 측정행렬을 이용하여 복구된 스펙트럼 정보의 파장별 광량정보라고 할 수 있고, T는 전치행렬(transpose)를 의미한다. 상기 복구신호의 에너지는 스펙트럼의 파장별 광량정보의 값을 제곱하여 더하는 것과 마찬가지이다. 따라서 복구신호의 에너지는 복구신호의 L2놈이라고 할 수 있다. Here, E i is light quantity information of the recovery signal recovered using the i th measurement matrix,
Figure pat00008
Denotes wavelength information of wavelengths of the spectral information recovered using the i-th measurement matrix, and T denotes a transpose matrix. The energy of the recovery signal is the same as adding the squared value of light quantity information for each wavelength of the spectrum. Therefore, the energy of the recovery signal can be referred to as the L2 norm of the recovery signal.

한편, 상기 입사광에서 실제 에너지가 있는 파장에서 상기 복구신호의 에너지가 커지는 것은, 상기 수학식 2를 적용하여 희소하게 신호가 복구될 때, 특히 빛이 있는 파장에서 희소하게 신호가 복구되기 때문이다. On the other hand, the energy of the recovery signal is increased at the wavelength of the actual energy in the incident light, because when the signal is rarely recovered by applying the equation (2), in particular, the signal is rarely recovered at the wavelength of light.

상기 고 에너지 추출부(52)는, 상기 복구신호의 에너지가 상대적으로 높은(이때, 측정행렬 별로 복구신호의 에너지를 정규화(normalized)한 값을 사용할 수 있다) 측정행렬을 추출하여 입사광이 존재하는 입사광으로 판단할 수 있다. 물론, 그 측정행렬의 입사각을 입사각 정보로 전달할 수 있다. The high energy extracting unit 52 extracts a measurement matrix having a relatively high energy of the recovery signal (in this case, a value obtained by normalizing the energy of the recovery signal for each measurement matrix). Judgment light can be judged. Of course, the incident angle of the measurement matrix can be transmitted as the incident angle information.

도 8은 고 에너지 추출부에서 정규화한 값으로 에너지를 추출하는 것을 보이는 도면이다. 8 is a view showing that the energy is extracted to a value normalized by the high energy extraction unit.

도 8을 참조하면, 입사각에 해당하는 측정행렬에서 추출된 복구신호의 에너지가 정규화된 값으로 1인 것을 확인할 수 있다. 실험에서 (a), (b), (c), 및 (d)는 입사각이 각각 0도, 10도, 20도 및 30도 이고, 각 필터에 입사하는 입사각이 모두 동일한 것으로 가정하였다. Referring to FIG. 8, it can be seen that the energy of the recovery signal extracted from the measurement matrix corresponding to the incident angle is 1 as a normalized value. In the experiments, (a), (b), (c), and (d) assume that the incident angles are 0 degrees, 10 degrees, 20 degrees, and 30 degrees, respectively, and the incident angles incident on the respective filters are the same.

한편, 측정행렬의 개수가 많아지는 경우에는 상기 복구신호의 에너지가 정규화된 값이 1이 아닌 값으로 나타날 수 있다. 이 때에는 소정의 임계값을 취하여 그 임계값을 넘어서는 측정행렬을 선택하여 적용할 수도 있다. 또한, 상기 복구신호의 에너지가 정규화된 값이 가장 높은 측정행렬을 선택할 수도 있다. On the other hand, when the number of measurement matrices increases, the energy normalized value of the recovery signal may appear as a value other than one. In this case, a predetermined threshold value may be taken and a measurement matrix exceeding the threshold value may be selected and applied. In addition, a measurement matrix having the highest normalized energy of the recovery signal may be selected.

제 2 실시예에 따르면, 더 정확하고 구분이 가능하게 입사각을 알아낼 수 있고, 따라서 더 정확한 분광정보를 얻을 수 있다. According to the second embodiment, the angle of incidence can be found more accurately and distinguishably, and thus more accurate spectral information can be obtained.

본 실시예에서는 원 실시예와는 달리 잔류 놈을 비교하는 과정을 수행하지 않고, 소정의 임계값을 비교하는 것에 의해서 수행되므로 판단이 더욱 수월해지는 장점을 얻을 수 있다. In the present embodiment, unlike the original embodiment, the process is performed by comparing a predetermined threshold value without performing a process of comparing the residual norms, so that the determination can be further facilitated.

본 실시예는, 원 실시예에서 잔류 놈을 이용하는 것과는 달리, 복구신호의 에너지, 즉 i번째 측정행렬을 이용하여 복구된 스펙트럼 정보의 파장별 광량정보를 이용한다. In the present embodiment, unlike the use of the residual norm in the original embodiment, the energy of the recovery signal, that is, the light quantity information for each wavelength of the spectral information recovered using the i-th measurement matrix is used.

상기 잔류 놈은 복구된 파장정보(측정행렬별로 다르다)와 광량정보(측정행렬별로 동일하다)의 차이를 이용하는 값이다. 이에 반하여 상기 복구신호의 에너지는 복구신호 자체의 값을 이용하는 값이다. 따라서, 측정행렬 별로 달라지는 복구신호가 반드시 이용되고, 그에 반하여 측정행렬 별로 달라지지 않는 어떠한 값이 이용될 수 있는, 놈을 이용하여 입사광의 입사각을 알아낼 수 있다. 여기서 놈은 L2놈일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 물론, 본 실시예와 같이 측정행렬 별로 달라지는 복구신호만을 이용할 수도 있다. 다시 말하면, 놈을 측정하는 것에 의해서 단일한 값으로 입사광의 입사각을 판단할 수 있다. The residual norm is a value using the difference between the recovered wavelength information (different for each measurement matrix) and light quantity information (same for each measurement matrix). In contrast, the energy of the recovery signal is a value using the value of the recovery signal itself. Accordingly, the angle of incidence of incident light can be determined using the norm, in which a recovery signal that varies by measurement matrix is necessarily used, whereas any value that does not vary by measurement matrix can be used. The norm can be an L2 norm, but is not limited thereto. Of course, it is also possible to use only the recovery signal that is different for each measurement matrix as in the present embodiment. In other words, the incident angle of the incident light can be determined by a single value by measuring the norm.

<제 3 실시예>Third Embodiment

상기 제 1 실시예 및 상기 제 2 실시예는, 분광장치의 광필터링 장치(110)에 입사하는 광의 입사각이 각 필터 별로 달라지고, 이에 따라서 복구된 파장정보가 틀려지는 것을 해소하는 것을 특징으로 하였다. In the first embodiment and the second embodiment, the incident angle of light incident on the optical filtering device 110 of the spectrometer is different for each filter, and accordingly, the recovered wavelength information is eliminated. .

제 3 실시예는 이러한 입사각의 차이에 의한 문제점을 근본적으로 해소하기 위하여 제안된다. The third embodiment is proposed to fundamentally solve the problem caused by the difference in the incident angles.

도 9는 제 3 실시예에 따른 분광장치의 구성도이다. 9 is a configuration diagram of a spectrometer according to the third embodiment.

도 9를 참조하면, 광원(108)과 광필터링 장치(110)의 사이에 시준기(collimator)가 놓이는 것이 특징적으로 다르다. 그 외의 설명은 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 설명이 그대로 적용될 수도 있다. Referring to FIG. 9, a collimator is positioned between the light source 108 and the light filtering device 110. For other descriptions, the descriptions of the first and second embodiments may be applied as it is.

다만, 상기 디지털 신호처리부(140)에서는 다수의 측정행렬이 적용되지 않을 수도 있을 것이다. 이는 상기 광필터링 장치(110)의 각 필터에 입사하는 광은 모두 그 입사각이 0도가 될 수 있기 때문이다. 또한 상기 메모리(20)에 저장되는 측정행렬로는 입사각이 0도인 경우만 저장되어 있으면 된다. However, the plurality of measurement matrices may not be applied in the digital signal processor 140. This is because the incident angle of each light incident on each filter of the light filtering device 110 may be 0 degrees. In addition, the measurement matrix stored in the memory 20 only needs to be stored when the incident angle is 0 degrees.

본 실시예에 따르면 다수의 측정행렬에 의한 복잡한 계산을 위한 시간을 절약할 수 있다. According to this embodiment, it is possible to save time for complicated calculation by a plurality of measurement matrices.

<제 4 실시예><Fourth Embodiment>

상기 제 3 실시예는, 시준기를 이용하여 상기 광필터링 장치(110)의 모든 필터에 평행광이 입사하도록 하여, 입사광의 파장정보를 복구하였다. 그러나, 상기 시준기가 완벽하게 동작하기 위해서는, 두 개 이상의 렌즈를 이용하여야 하기 때문에 그 구성이 복잡하고 비용이 크게 증가한다. 특히, 이 경우에는 상기 시준기의 부피가 미니어처 분광기의 본체에 비하여 훨씬 커지는 문제점이 있다. 제 4 실시예는 이러한 문제점을 개선하는 것을 특징으로 한다. In the third embodiment, parallel light is incident on all the filters of the optical filtering device 110 by using a collimator to recover wavelength information of the incident light. However, in order for the collimator to operate perfectly, two or more lenses must be used, so the configuration is complicated and the cost is greatly increased. In particular, in this case, there is a problem that the volume of the collimator is much larger than that of the body of the miniature spectrometer. The fourth embodiment is characterized by ameliorating this problem.

상기 시준기는 고품질의 사양인 경우에는, 시준기 입사면의 위치 및 각도와 관계없이 모든 출사광을 시준기 출사면에 대하여 평행(즉, 출사면에 대하여 직각으로)으로 제공할 수 있다. 이에 반하여, 고품질에 이르지 못하는 시준기의 경우에는, 입사면의 각도에 따라서 출사광이 시준기 출사면에 대하여 평행으로 제공하지 못할 수 있다. 다시 말하면, 시준기의 출사면에 대하여 직각으로 제공할 수 없는 경우도 있다. 그러나, 모든 출사광의 각도가 동일하게 제공할 수는 있다. When the collimator is of high quality, all the outgoing light may be provided in parallel with the collimator exit plane (ie, at right angles to the exit plane) regardless of the position and angle of the collimator entrance plane. In contrast, in the case of a collimator which does not reach high quality, the emitted light may not be provided in parallel with the collimator exit plane according to the angle of the incident plane. In other words, it may not be possible to provide at right angles to the exit face of the collimator. However, the angles of all the emitted light can be provided equally.

결국, 고품질이 아닌 시준기의 경우에는, 입사광이 시준기의 입사면에 입사하는 평균적인 입사각에 따라서 제한되는 수의 출사광의 양태가 정하여질 수 있다. 다시 말하면, 상기 시준기(109)를 통과하여 상기 광필터링 장치(110)의 각 필터에 입사하는 광은, 비록 0도는 아니라 하더라도 각 필터에 대하여 동일한 입사각으로 입사할 수 있다. As a result, in the case of a collimator which is not of high quality, a limited number of outgoing light patterns may be determined according to the average incident angle at which incident light enters the incident surface of the collimator. In other words, the light that passes through the collimator 109 and enters each filter of the light filtering device 110 may be incident at the same angle of incidence with respect to each filter, although not zero degrees.

예시적으로, 상기 광필터링 장치(110)에 제공되는 필터의 개수가 100개이고, 입사각의 종류가 30개인 경우(0도에서 58도까지를 2도의 차이를 가지고 점진적으로 증가시키는 경우)에는, 30개의 측정행렬이 제공될 수 있다. 다시 말하면, 필터에 따라서 서로 달라지는 입사각은 고려할 필요가 없는 것이다. For example, when the number of filters provided to the optical filtering device 110 is 100 and the type of incidence angle is 30 (increasing from 0 to 58 degrees with a difference of 2 degrees), 30 Two measurement matrices may be provided. In other words, the angles of incidence that differ from one filter to another need not be taken into account.

본 실시예에서는 상기 메모리(20)에 저장되는 측정행렬의 개수가 제 3 실시예의 한 개인 경우와 비교하면 늘어나는 문제점이 있을 수 있다. 그러나, 제 1 실시예에 비교할 때에는 획기적으로 줄어드는 이점을 기대할 수 있다. In the present embodiment, there may be a problem that the number of measurement matrices stored in the memory 20 increases compared to the case of one of the third embodiments. However, when compared with the first embodiment, it is possible to expect an advantage of drastically decreasing.

이 외에, 디지털 신호 처리 등의 동작은 다른 실시예와 동일하게 수행될 수 있다. In addition, operations such as digital signal processing may be performed in the same manner as in other embodiments.

예를 들어, 시준기로 사용되는 렌즈와 광원까지의 거리가 1센티미터이고, 시준기 렌즈와 광필터장치까지의 거리가 1밀리미터이고, 시준기의 렌즈는 중심두께는 1밀리미터이고 직경은 5.08밀리미터이고 초점 거리는 10.150밀리미터이고 광필터장치의 가로세로길이는 2.5밀리미터로 하여, 광원의 출사광이 시준기 렌즈에 입사하는 입사각을 달리하며 실험을 수행하였다. For example, the distance between the lens used as the collimator and the light source is 1 centimeter, the distance between the collimator lens and the optical filter device is 1 mm, the lens of the collimator is 1 mm in the center thickness, 5.08 mm in diameter, and the focal length is 10.150mm and the length of the optical filter device was 2.5mm, experiments were performed with different incident angles of the incident light incident on the collimator lens.

표 1은 실험의 결과를 나타낸다. Table 1 shows the results of the experiment.

시준기 렌즈의 입사각Incident angle of collimator lens 0도0 degrees 10도10 degrees 20도20 degrees 30도30 degrees 40도40 degrees 광필터장치에서 광의 이동거리(D)Light travel distance (D) in optical filter device 00 81.681.6 151.2151.2 220.8220.8 307.2307.2 시준기와 광필터장치의 거리(H)Distance between collimator and optical filter device (H) 10001000 10001000 10001000 10001000 10001000 시준기 렌즈의 출사각Emission Angle of the Collimator Lens 00 4.664.66 8.68.6 12.4512.45 17.0817.08

단위:도 및 마이크로미터Unit: degree and micrometer

상기 표 1을 참조하면, 시준기 렌즈의 출사각은 상기 광필터 장치의 필터에 대하여 동일하고, 기준기와 광필터장치까지의 거리(H)와 광필터장치에서 광의 이동거리(D)를 이용하여 시준기 렌즈의 출사각을 알아낼 수 있다. Referring to Table 1, the emission angle of the collimator lens is the same with respect to the filter of the optical filter device, and the collimator using the distance (H) between the reference device and the optical filter device and the moving distance (D) of light from the optical filter device. Determine the angle of exit of the lens.

상기 실험의 결과에서 볼 수 있는 바와 같이, 시준기 렌즈의 입사각에 따라 시준기 렌즈의 출사각이 0, 4.66, 8.6, 12.45, 및 17.08 도로 달라지기 때문에 이러한 각도에 대해 측정행렬을 만들 수 있다. 이 후, 디지털 신호 처리 등의 동작은 다른 실시예와 동일하게 수행될 수 있다.As can be seen from the results of the above experiments, a measurement matrix can be created for these angles since the exit angle of the collimator lens varies with 0, 4.66, 8.6, 12.45, and 17.08 degrees depending on the incident angle of the collimator lens. Thereafter, operations such as digital signal processing may be performed in the same manner as in the other embodiments.

본 발명에 따르면, 분광장치에 입사하는 입사광의 입사각이 변하더라도 정확한 입사광의 파장정보를 복구시킬 수 있다. 또한, 원래의 광신호 스펙트럼을 더욱 좋은 해상도로 복원해 낼 수 있다. 또한, 더욱 높은 신뢰도로 정확하게 원래의 광신호 스펙트럼을 복원해 낼 수 있다.According to the present invention, even if the incident angle of the incident light incident on the spectrometer changes, the wavelength information of the correct incident light can be recovered. In addition, the original optical signal spectrum can be restored to a better resolution. In addition, the original optical signal spectrum can be accurately restored with higher reliability.

109: 시준기
110: 광필터링 장치
120: 광센서 장치
109: collimator
110: light filtering device
120: light sensor device

Claims (13)

입사광을 필터링하는 적어도 두 개의 필터가 제공되는 광필터링 장치;
상기 적어도 두 개의 필터와 각각 대응되는 적어도 두 개의 광센서가 제공되고, 필터링된 광을 전하로 변환하여 출력하는 광센서 장치; 및
상기 광센서 장치의 출력신호를 디지털 신호처리하여, 상기 입사광의 스펙트럼 정보를 복구하는 디지털 신호 처리부가 포함되고,
상기 디지털 신호 처리부에는,
상기 입사광 별로 서로 다른 적어도 두 개의 측정행렬이 저장되는 메모리;
상기 적어도 두 개의 측정행렬을 이용하여, 각 측정행렬 별로 희소표현을 이용하는 디지털 신호처리기법으로, 상기 스펙트럼 정보를 복구하는 스펙트럼 복구부;
적어도 상기 각 측정행렬 별로 추정되는 추정 파장의 광량정보를 이용하는 값의 놈을 이용하여, 상기 입사광의 입사각을 측정하는 입사각 측정부가 포함되고,
상기 스펙트럼 복구부는 상기 입사각 측정부에서 측정된 입사각에 대응하는 측정행렬을 이용하여 파장정보를 복구하는 분광장치.
An optical filtering device provided with at least two filters for filtering incident light;
An optical sensor device provided with at least two optical sensors corresponding to the at least two filters, respectively, and converts the filtered light into charge; And
A digital signal processing unit for recovering the spectral information of the incident light by digital signal processing the output signal of the optical sensor device,
The digital signal processing unit,
A memory for storing at least two different measurement matrices for each incident light;
A spectrum recovery unit for recovering the spectrum information by using the at least two measurement matrices, and using a sparse representation for each measurement matrix;
An incident angle measuring unit for measuring an incident angle of the incident light using at least a value using a quantity of light information of an estimated wavelength estimated for each measurement matrix,
And the spectrum recovery unit recovers wavelength information by using a measurement matrix corresponding to the incident angle measured by the incident angle measuring unit.
제 1 항에 있어서,
상기 스펙트럼 복구부에는,
상기 디지털 신호처리기법을 이용하여 각 측정행렬 별로 추정 희소화 계수를 추출하는 추정 희소화 계수 추출부;
상기 추정 희소화 계수 추출부에서 추출된 상기 추정 희소화 계수로부터 상기 추정 파장의 광량정보를 추출하는 추정 파장의 광량정보 추출부; 및
상기 입사각 측정부에서 측정된 입사각에 대응하는 상기 측정행렬로 복구된 파장정보를 선택하는 분광정보 선택부가 포함되는 분광장치.
The method of claim 1,
The spectrum recovery unit,
An estimated virtualization coefficient extraction unit for extracting an estimated virtualization coefficient for each measurement matrix by using the digital signal processing technique;
A light quantity information extracting unit of an estimated wavelength extracting light quantity information of the estimated wavelength from the estimated roughening coefficient extracted by the estimated roughening coefficient extracting unit; And
And a spectroscopic information selector for selecting the wavelength information restored to the measurement matrix corresponding to the incident angle measured by the incident angle measuring unit.
제 1 항에 있어서,
상기 입사각 측정부에는,
상기 측정행렬 별로 잔류 놈을 추출하는 잔류 놈 추출부; 및
상기 잔류 놈 추출부에서 추출된 적어도 두 개의 잔류 놈을 비교하여, 작은 잔류 놈을 제공하는 측정행렬이 획득된 입사각을 이용하여, 상기 입사각을 측정하는 잔류 놈 비교부가 포함되는 분광장치.
The method of claim 1,
In the incident angle measuring unit,
A residual norm extracting unit for extracting a residual norm for each measurement matrix; And
And a residual norm comparator for comparing the at least two residual norms extracted by the residual norm extractor and measuring the incident angle using an incident angle obtained by obtaining a measurement matrix providing a small residual norm.
제 1 항에 있어서,
상기 입사각 측정부에는,
상기 추정 파장의 광량정보를 이용하여 복구된 파장정보의 에너지를 추출하는 복구신호의 에너지 추출부; 및
상기 복구신호의 에너지가 높은 복구신호를 제공하는 측정행렬이 획득된 입사각을 이용하여, 상기 입사각의 파장정보를 측정하는 고 에너지 추출부가 포함되는 분광장치.
The method of claim 1,
In the incident angle measuring unit,
An energy extraction unit of a recovery signal for extracting energy of the restored wavelength information by using the light quantity information of the estimated wavelength; And
And a high energy extraction unit for measuring wavelength information of the incident angle by using an incident angle obtained by obtaining a measurement matrix for providing a recovery signal having a high energy of the recovered signal.
제 4 항에 있어서,
상기 고 에너지 추출부는, 상기 복구신호의 에너지를 정규화하여 비교하여 추출하는 분광장치.
The method of claim 4, wherein
And the high energy extracting unit normalizes and compares the energy of the recovery signal to extract the extracted energy.
제 1 항에 있어서,
상기 희소표현을 이용하는 디지털 신호처리기법은, 대체방향방법, 심플렉스법, 기울기강하법, 이차미분법, 및 L1놈 최적화 방법 중의 어느 하나로 수행되는 분광장치.
The method of claim 1,
The digital signal processing technique using the sparse expression is performed by any one of an alternative direction method, a simplex method, a gradient drop method, a second differential method, and an L1 norm optimization method.
제 1 항에 있어서,
상기 스펙트럼 복구부는, 상기 각 측정행렬이 모인 단일의 측정행렬 집합을 한꺼번에 이용하는 분광장치.
The method of claim 1,
And the spectrum recovery unit uses a single set of measurement matrices of the respective measurement matrices together.
제 1 항에 있어서,
상기 광필터링 장치의 앞에 제공되는 시준기가 포함되는 분광장치.
The method of claim 1,
And a collimator provided in front of the optical filtering device.
입사광의 입사각 별로 서로 다른 적어도 두 개의 측정행렬을 이용하여, 광센서의 출력신호로부터 추정 희소화 계수를 구하는 것;
상기 추정 희소화 계수를 이용하여 추정 파장의 광량정보를 추출하는 것;
적어도 상기 각 측정행렬 별로 추정되는 추정 파장의 광량정보를 이용하는 값의 놈을 이용하여, 상기 입사광의 입사각을 측정하는 것; 및
측정된 상기 입사광의 입사각과 대응하는 측정행렬을 이용하여, 상기 입사광의 파장정보를 복구하는 것이 포함되는 분광방법.
Obtaining an estimated blurring coefficient from an output signal of the optical sensor using at least two measurement matrices different for each incident angle of the incident light;
Extracting light quantity information of an estimated wavelength using the estimated sparsity coefficient;
Measuring an incident angle of the incident light using a norm of a value using light quantity information of an estimated wavelength estimated at least for each measurement matrix; And
And recovering wavelength information of the incident light using a measurement matrix corresponding to the measured incident angle of the incident light.
제 9 항에 있어서,
상기 입사각을 측정하는 것은,
상기 측정행렬 별로 잔류 놈을 추출하는 것; 및
상기 잔류 놈을 비교하여, 작은 잔류 놈을 제공하는 측정행렬이 획득된 입사각을 이용하여, 상기 입사광의 입사각을 측정하는 것이 포함되는 분광방법.
The method of claim 9,
Measuring the incident angle,
Extracting a residual norm for each measurement matrix; And
Comparing the residual norms, and measuring the incident angle of the incident light using the incident angle from which a measurement matrix providing a small residual norm is obtained.
제 9 항에 있어서,
상기 입사각을 측정하는 것은,
상기 추정 파장의 광량정보를 이용하여 복구신호의 에너지를 추출하는 것; 및
상기 복구신호의 에너지가 높은 복구신호를 제공하는 측정행렬이 획득된 입사각을 이용하여, 상기 입사광의 입사각을 측정하는 것이 포함되는 분광방법.
The method of claim 9,
Measuring the incident angle,
Extracting energy of a recovery signal using light quantity information of the estimated wavelength; And
And measuring an incident angle of the incident light by using an incident angle from which a measurement matrix providing a recovery signal having a high energy of the recovered signal is obtained.
입사광을 평행광으로 만드는 시준기;
상기 시준기를 통과하는 광을 필터링하는 적어도 두 개의 필터가 제공되는 광필터링 장치;
상기 적어도 두 개의 필터와 대응될 수 있는, 적어도 두 개의 광센서가 제공되어, 필터링된 광을 전하로 변환하여 출력하는 광센서 장치; 및
상기 광센서 장치의 출력신호를 디지털 신호처리하여 상기 입사되는 광의 스펙트럼 정보를 복구하는 디지털 신호 처리부가 포함되는 분광장치.
A collimator for making incident light into parallel light;
An optical filtering device provided with at least two filters for filtering light passing through the collimator;
An optical sensor device provided with at least two optical sensors that can correspond to the at least two filters, and converts the filtered light into electric charges and outputs the electric charges; And
And a digital signal processor configured to recover the spectral information of the incident light by digitally processing the output signal of the optical sensor device.
제 12 항에 있어서,
상기 디지털 신호 처리부에는,
상기 입사광 별로 서로 다른 적어도 두 개의 측정행렬이 저장되는 메모리;
상기 적어도 두 개의 측정행렬을 이용하여, 각 측정행렬 별로 희소표현을 이용하는 디지털 신호처리기법으로, 상기 스펙트럼 정보를 복구하는 스펙트럼 복구부;
적어도 상기 각 측정행렬 별로 추정되는 추정 파장의 광량정보를 이용하는 값의 놈을 이용하여, 상기 입사광의 입사각을 측정하는 입사각 측정부가 포함되고,
상기 스펙트럼 복구부는 상기 입사각 측정부에서 측정된 입사각에 대응하는 측정행렬을 이용하여 파장정보를 복구하는 분광장치.
The method of claim 12,
The digital signal processing unit,
A memory for storing at least two different measurement matrices for each incident light;
A spectrum recovery unit for recovering the spectrum information by using the at least two measurement matrices, and using a sparse representation for each measurement matrix;
An incident angle measuring unit for measuring an incident angle of the incident light using at least a value using a quantity of light information of an estimated wavelength estimated for each measurement matrix,
And the spectrum recovery unit recovers wavelength information by using a measurement matrix corresponding to the incident angle measured by the incident angle measuring unit.
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