KR20190120989A

KR20190120989A - 분광기

Info

Publication number: KR20190120989A
Application number: KR1020180044414A
Authority: KR
Inventors: 이용탁
Original assignee: 주식회사 와이텔포토닉스
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2019-10-25
Also published as: WO2019203480A1

Abstract

본 발명은 분광기를 개시하고 있다. 본 발명의 일 실시 예는, 분석 대상체에 빛을 조사하는 광원, 상기 분석 대상체로부터 반사된 빛을 평행광으로 만들어 특정 필터에 입사시키는 시준광학계, 복수개의 필터를 포함하는 필터 어레이가 배치되고, 회전이 가능한 회전판, 상기 회전판을 구동하는 모터, 상기 복수개의 필터를 투과하는 광의 세기를 순차적으로 검출하는 광검출기, 그리고, 상기 광검출기로부터 검출된 신호를 분석 및 처리하는 제어부를 포함하는 분광기를 제공한다. 본 발명에 따르면, 복수개의 필터가 소정의 간격으로 배치된 필터 어레이의 회전 속도와 광검출기의 검출 시간을 동기화하여, 복수개의 필터를 통과하는 신호를 하나의 광검출기 또는 수광 파장대가 서로 다른 두 개 이상의 광검출기를 이용하여 검출할 수 있어 분광기의 사용 범위를 크게 확장할 수 있다.

Description

분광기{SPECTORMETER}

본 발명은 분광기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수개의 광필터를 통과하는 신호를 단일의 광검출기만으로 검출할 수 있도록 하는 필터형 분광기에 관한 것이다.

분광기(spectrometer)는 좁은 의미로는 전자기파를 파장의 차이에 따라 분해하여 그 세기 분포를 측정하는 장치를 뜻하나, 넓은 의미로는 전자기파뿐만 아니라 전자선 등 입자선의 에너지 분석 장치를 포함하는 용어이다. 분광기가 파장 정보를 정확하고 세밀하게 나타내는 정도를 분해능(resolution)이라고 하며, 이러한 분해능은 분광기의 성능을 평가하는 중요한 요소로서 평가된다

일반적으로 분광기는 분석 대상체가 자체적으로 방출하는 빛, 또는 외부 광원에서 조사되는 빛을 반사하거나 투과하는 빛을 파장 별로 분해하여 그 세기를 측정하는 장치를 말한다. 통상 도 1과 같이 회절격자에 의한 분광기가 주로 상용되고 있으며 이 경우 분해능이 0.1nm이하까지도 가능하여 매우 우수한 반면 부피가 크고 가격이 비싸다. 이에 반해 투과 필터 어레이를 이용하는 필터형 분광기(도 2)는 초소형화가 가능하지만 분해능이 3~10 nm범위로 실용화에 한계가 있고 이차원 어레이 광검출기를 사용해야 하므로 특히 적외선 영역에서는 가격이 비싸진다. 필터형 분광기(200)는 소정의 서로 다른 투과 특성을 구비하여 분석 대상체로부터 방출, 반사 또는 투과되는 빛을 통과시키는 광필터 어레이(210), 복수의 필터를 통과한 신호를 검출하는 광검출기 어레이(220), 그리고, 검출된 신호를 분석 및 처리하는 제어부(230)로 구성된다.

이러한 필터형 분광기의 해상도는 필터간의 광학적 상관도가 작고 필터의 개수가 많을수록 좋아지므로 해상도 향상을 위해서는 서로 특성이 다른 다수의 광필터를 구비하는 것이 필요하다. 그리고 분광기를 구성하는 필터 어레이(210)를 투과하는 신호를 검출하기 위해서는 필터 어레이(210)에 대응되는 광검출기 어레이(220)가 필요하다. 예를 들면 도 2와 같이 2차원 광필터 어레이(210)를 구비한 필터형 분광기(200)는 2차원 어레이 형태의 광검출기(220)를 구비해야 하며 이는 필터형 분광기의 원가에서 가장 큰 비중을 차지한다.

특히, 적외선 파장영역의 신호를 분광, 분석하기 위해서는 광흡수층이 게르마늄 또는 화합물 반도체로 형성되는 광검출기 어레이가 필요하다. 그러나, 광흡수층이 게르마늄 또는 화합물 반도체로 형성되는 광검출기 어레이는 광흡수층이 실리콘으로 형성되는 가시광 대역 광검출기 어레이에 비해 상당히 고가여서, 초소형의 적외선 대역 분광기를 양산화하기 위해서는 초소형 분광기에 구비되는 광검출기의 저가화 필요성이 대두된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 주된 기술적 과제는 복수개의 광필터를 통과하는 광신호를 단일 광검출기를 이용하여 검출할 수 있도록 하는 분광기를 제공하는 것이다.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 검출 파장대가 다른 복수개의 광검출기를 동시에 사용하여 짧은 파장대부터 긴 파장대까지 광대역 파장신호를 모두 검출할 수 있는 분광기를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해 제시된 본 발명의 일 실시 예는, 분석 대상체에 빛을 조사하는 광원, 상기 분석 대상체로부터 반사된 빛을 평행광으로 만들어 특정 필터에 입사시키는 시준광학계, 복수개의 필터를 포함하는 필터 어레이가 배치되고, 회전이 가능한 회전판, 상기 회전판을 구동하는 모터, 상기 복수개의 필터를 투과하는 광의 세기를 순차적으로 검출하는 광검출기, 그리고, 상기 광검출기로부터 검출된 신호를 분석 및 처리하는 제어부를 포함하는 분광기를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 복수개의 필터는 각기 다른 파장 투과 특성을 구비하는 어떤 필터라도 상관없다. 예컨대, 상기 복수개 필터는 단일 피크 협대역 필터 특성을 갖거나, 파브리 페로 간섭 필터 특성을 갖거나, 다중 박막 간섭 필터 특성을 갖거나, 특정 파장만 흡수하는 흡수 필터 특성을 갖거나, 또는 이들 필터의 조합으로 이루어질 수 있고, 상기 복수개의 필터로부터 순차적으로 출력되는 복수개의 신호는 디지털 신호처리 방법을 통하여 입력광의 파장 스펙트럼으로 환산될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 복수개의 필터는 상기 회전판의 외주연을 따라 소정 간격만큼 이격되어 배치되고, 상기 광검출기는 상기 필터 어레이가 회전함에 따라 인식되는 상기 복수개의 필터 각각으로부터 출력되는 신호를 순차적으로 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 필터 어레이는 회전판의 외주연을 따라 소정 간격만큼 이격되어 배치되는데 외주연 상의 특정위치에 소정의 동기화 영역을 구비하여 동기화 신호를 생성하도록 하고, 상기 복수개의 필터는 상기 소정의 동기화 영역을 제외한 상기 회전판의 외주연을 따라 일정 단위 간격만큼 이격되어 배치되며, 상기 광검출기는 특정 영역에 고정되어 설치되고 상기 필터 어레이가 회전함에 따라 인식되는 상기 복수개의 필터 각각으로부터 출력되는 신호를 검출하되, 상기 광검출기의 검출 작동 시간과 상기 필터 어레이의 회전 작동 시간이 상기 소정의 동기화 영역을 기준으로 동기화될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 광검출기는 광흡수층이 실리콘, 게르마늄 또는 화합물 반도체 등으로 형성될 수 있다.

또한, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, 분석 대상체에 빛을 조사하는 광원, 상기 분석 대상체로부터 반사된 빛을 평행광으로 만들어주는 시준광학계, 상기 시준광학계로부터 나온 평행광을 두 개의 광으로 분기시키는 광분배기, 복수개의 필터를 포함하는 필터 어레이가 배치되고, 회전 가능한 회전판, 상기 회전판을 구동하는 모터, 상기 복수개의 필터를 투과하는 광의 세기를 검출하는 제1광검출기와 제2광검출기, 그리고, 상기 제1광검출기 및 제2광검출기로부터 검출된 신호를 수학적으로 연산하고 처리하는 제어부를 포함하는 분광기를 제공한다.

본 발명의 다른 실시 에에 있어서, 상기 복수개의 필터는 각기 다른 투과 특성을 구비하여 회전 가능한 회전판의 외주연을 따라 소정 간격만큼 이격되어 배치되고, 상기 복수개의 필터로부터 출력되는 복수개의 신호는 상기 제1광검출기 및 제2광검출기는 각각 특정 영역에 고정되어 설치되며 상기 광분배기로부터 분기되어 상기 필터 어레이가 회전함에 따라 인식되는 상기 복수개의 필터각각을 통해 출력되는 신호를 검출하되, 상기 복수개의 필터로부터 출력되는 복수개의 신호 중 가시광선 파장 영역을 갖는 신호는 가시광 대역에서 주로 반응하는 상기 제1광검출기를 통해 검출하고 적외선 파장 영역을 갖는 신호는 적외선 대역에서 주로 반응하는 상기 제2광검출기를 통해 검출할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 제1광검출기는 광흡수층이 실리콘으로 형성되는 광검출기이고, 상기 제2광검출기는 광흡수층이 게르마늄, 또는 화합물 반도체로 형성되는 광검출기일 수 있다.

바람직하게는, 제1광검출기가 가시광선 영역을 검출하기 위한 것이라면 실리콘, SiGe 등의 물질일 수 있으며, 제2광검출기는 적외선 영역의 광을 주로 검출할 수 있는 광흡수층 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적인 종류로는 Ge, GaAs 계열, InP계열 PbS등 특별히 제한되지 않은 다양한 광흡수층 물질이 가능하다.

또 본 발명의 다양한 실시예에 있어서, 상기 복수개의 필터는 각각 밴드패스 필터, 파브리 페로 필터 및 다중박막 간섭 필터 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수개의 필터가 소정의 간격으로 배치된 필터 어레이의 회전 속도와 광검출기의 검출 시간을 동기화하여, 복수개의 필터를 통과하는 신호를 하나의 광검출기 또는 수광 파장대가 서로 다른 두 개 이상의 광검출기를 이용하여 검출할 수 있어 분광기의 성능 및 사용 범위를 크게 확장할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 복수개의 필터 어레이로부터 출력되는 신호를 검출하기 위해 사용하는 고가의 어레이 광검출기 대신 단일 광검출기를 사용함으로써 측정 재현성 및 신뢰도를 높이고 저가의 분광기를 구현할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래의 회절 격자형 분광를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 필터형 분광기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 분광기의 구성을 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도3에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 다양한 형태의 필터와 그 특성을 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 도3에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 분광기의 필터 특성과 신호 검출 방법을 도시한 도면이다.
도 6 은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 분광기의 구성을 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 분광기의 필터 특성과 신호 검출 방법을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 분광기를 구현한 구체적인 시스템의 예를 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비 또는 마련)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 “포함(구비 또는 마련)”할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 분광기(이하, “분광기(300)”라 함)의 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 분광기(300)는 광원(310), 시준광학계(320), 필터 어레이(330), 회전판(340), 구동 모터(350), 광검출기(360) 및 제어부(370)를 포함한다.

광원(310)은 분석 대상체에 빛을 조사하여 분석하고자 하는 대상체가 특정 파장의 빛을 반사 또는 투과할 수 있도록 한다. 분석 대상체가 외부 광, 예컨대 태양광과 같은 자연광을 반사하거나 분석 대상체가 자체적으로 발광하는 경우, 분광기(300)는 빛을 조사하는 광원(310)을 별도로 구비하지 않을 수도 있다.

또한, 분광기(300)는 또한, 광원(310)으로부터 방출된 빛이 상기 분석 대상체를 투과하도록 광원(310) 및 복수개의 필터(331) 사이의 광축상에 상기 분석 대상체가 위치하는 구조를 지닐 수 있다.

시준광학계(320)는 분석 대상체로부터 반사된 빛을 모아 특정 필터(아래에서 설명될 복수개의 필터(331) 중 어느 하나)에 입사시키기 위해 평행광을 만들어 준다. 예컨대, 시준광학계(320)는 상기 분석 대상체로부터 반사된 빛을 평행광으로 만들어 특정 필터에 수직으로 입사시킬 수 있다.

필터 어레이(330)는 분석 대상체로부터 입사된 빛이 투과되는 각각의 필터(331)를 복수개 포함한다. 또한, 회전이 가능한 회전판(340)에는 복수개의 필터를 포함하는 필터 어레이(330)가 배치된다. 예컨대, 필터 어레이(330)는 회전판(340)의 가장자리에 일정한 간격을 유지하도록 각각의 필터(331)가 배치된 형태로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 회전판(340)은 구동 모터(350)의 회전축과 연결되어 고정될 수 있다.

또한, 회전판(340)에는 복수개의 필터(331)가 시준광학계(320)와 광검출기 사이의 광축상에서 직선 이동 가능하도록 1차원 체인 형태로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 1차원 체인 형태라 함은 직선 또는 곡선으로 복수개의 필터(331)가 나란히 체인처럼 연결된 구조를 의미할 수 있다.

상술한 복수개의 필터(331)는 각기 다른 파장 투과 특성을 구비하고, 이에 따라 복수개의 필터(331)로부터 출력되는 복수개의 신호는 각각 서로 다른 파장 투과 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 복수개의 필터는 파브리-페로 필터, 플라즈몬 공진필터, 다층 박막 간섭필터 형태, 또는 이들이 혼합된 형태로 구성될 수 있으나, 반드시 이 방법에 제한되는 것은 아니고 예컨대 흡수형 필터 및 이들과의 혼합 형태도 가능하다. 또한, 복수개의 필터(331)로부터 순차적으로 출력되는 복수개의 신호는 디지털 신호처리 방법을 통하여 입력광의 파장 스펙트럼으로 환산될 수 있다.

광검출기(360)는 회전하는 복수개의 필터(331)로부터 출력되는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 과정을 수행하며 하나의 광검출기(360)가 회전하는 복수개의 필터(331)로부터 출력되는 광 신호의 세기를 순차적으로 검출하므로 복수개의 필터 각각에 대응하여 동시에 광 신호를 검출하는 기존의 방법과는 차별된다. 광검출기(360)는 광흡수층이 실리콘, 게르마늄 또는 화합물 반도체로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 분광기(300) 내의 특정 영역에 고정되어 설치될 수 있다.

제어부(370)는 광검출기(360)로부터 검출된 신호를 처리 및 분석한다. 광검출기(360)로부터 검출된 신호를 처리한다는 것은 광검출기(360)에 의해 전기 신호로 변환된 데이터를 디지털 신호처리 방법을 이용하여 광원의 분광특성을 분석하는 과정을 의미하며, 이러한 과정은 제어부(370)에서 신호의 특성에 따라 다양한 디지털 신호 처리 방법에 의해 수행될 수 있으므로 이에 관해서는 특별히 기술하지 않는다.

다시 말해, 제어부(370)는 광검출기(360)를 통해 순차적으로 다수의 필터를 통해 획득한 전기 신호로부터 본래의 광 신호에 담긴 스펙트럼 정보를 복구하기 위하여 디지털 신호 처리를 수행한다.

제어부(370)는 분광기 내부에 디지털 신호 처리(DSP)칩 및 소프트웨어 형태로 탑재되거나 외부의 정보처리 기기, 예를 들어 이동전화기 또는 컴퓨터에 탑재된 형태로 통신 수단에 의해 연동될 수 있으며, 복구된 신호의 정보를 나타낼 수 있는 별도의 외부 표시 장치를 구비할 수도 있다.

상술한 복수개의 필터(331)는 회전판(340)의 외주연을 따라 일정 간격을 두고 이격되어 순차적으로 배치될 수 있고 무작위(random)하게 배열될 수도 있으며, 복수개의 필터(331)의 배치와 복수개의 필터(331) 각각이 갖는 파장 투과 특성은 다양하게 변형될 수 있다.

또한, 다양한 소재 및/또는 방법으로 복수개의 필터(331) 각각이 구현되어 상기 분광기(300) 및 아래에서 설명될 분광기(600)에 적용될 수 있다.

즉, 복수개의 필터(331) 각각은 유전체, 반도체, 금속 등 특정 소재로 이루어진 단일층 또는 복수층 박막 형태로 구현될 수 있고 또한 이들 소재의 복합적인 조합으로 구현될 수 있다. 이 때 필터를 구성하는 각 층의 두께는 무작위(랜덤)하게 설정될 수 있고, 이에 따라, 복수개의 층들은 서로 상이한 두께와 소재를 가질 수 있다. 이와 같이 형성된 필터는 랜덤 필터로 명명될 수 있다. 각 층의 소재 및 두께가 랜덤하게 형성되어 전체 두께 역시 랜덤하게 형성된 랜덤 필터를 복수개 배치하여 필터 어레이(330)를 구현하면, 분광기(300)를 구성하는 복수개의 필터(331)는 각각 다양한 투과 스펙트럼을 가질 수 있다. 즉 도 4a 내지 도 4c에 예시된 바와 같이 분석 대상이 되는 전체 파장 대역에 걸쳐서 다수개의 투과 파장 피크치를 가질 수 있다.

상술한 회전판(340), 구동 모터(350), 광검출기(360) 및 제어부(370)는 별도의 전력원을 통해 구동될 수 있다. 예컨대 회전판(340)은 분광기(300)에 내장된 모터(350)에 연결된 회전축에 결합되어 구동될 수 있고, 광원(310)은 분광기(300)에 내장된 배터리에 의해 작동될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 4a 내지 도 4c는 다양한 형태의 필터와 그 특성을 예시한다. 도 4a는 플라즈모닉 필터의 구조 및 그 투과특성을 나타내는데 금속 격자의 주기에 따라 투과되는 파장의 피크가 달라진다. 또 도 4b는 파브리 페로 간섭 필터의 구조와 그 특성을 나타내는데 파브리 페로 간섭계 박막의 두께에 따라 투과 파장 피크 간격이 달라진다. 그리고 도 4c는 다층박막 간섭 필터 구조와 파장 투과 특성을 나타내는데 상기한 플라즈모닉 필터, 파브리 페로 필터와는 달리 넓은 파장 대역에 걸쳐 불규칙하고 다양한 투과 파장 피크를 가지고 있다. 따라서 이러한 다층박막 간섭 필터를 이용하면 더 많은 입력광 정보를 수집할 수 있으며 따라서 상대적으로 적은 수의 필터 만으로도 디지털 신호처리 과정을 통해 입력광 신호를 높은 정밀도로 복원할 수 있다.

도 5는 상기 분광기(300)를 이용하여 검출한 신호를 도시한 것으로, 도 4a의 플라즈모닉 필터와 같이 좁은 밴드패스 필터를 구비한 경우를 예로 분광기(300)의 작동을 설명한다.

도 4a 와 도 5를 참조하면 광원(310)으로부터 분석 대상체에 조사된 빛은 분석 대상체에 의해 반사된 후, 입사광학계(320)를 거쳐 회전하는 필터 어레이(330)를 순차적으로 통과하여 광검출기(350)로 입사한다 이 때, 필터 어레이(330)에 구비된 복수개의 필터(331)가 도 4a와 같이 좁은 밴드패스 필터 특성을 가지고 있다면 복수개의 필터(331)를 통과한 신호는 입사광의 파장에 따라 각기 다른 세기의 분포를 갖게 된다.

즉, 도 5a에 도시된 바와 같이 입사광이 복수개의 필터 중 필터F1을 통과하면 그 세기는 P1이 되고 필터F2를 통과하면 그 세기는 P2가 되며 필터Fn을 통과하면 그 세기는 Pn이 된다. 만일 이들 필터가 도 4a와 같이 중심 파장이 각각 λ1, λ2, …λn인 좁은 밴드패스 필터 어레이로 구성되어 있다면 필터F1 내지 필터Fn을 투과한 빛의 세기는 λ1 내지 λn의 파장 성분의 세기를 나타낸다. 따라서 임의의 입력 광신호의 분광 특성, 즉 입력광의 파장 성분 λn은 이들 필터Fn을 투과해 광 검출기에서 검출되는 신호의 세기로 주어진다.

예컨대, 필터F1 내지 필터F5는 각각 0.4um~0.5um, 0.5um~0.6um, 0.6um~0.7um, 0.7um~0.8um 및 0.8um~0.9um의 파장 대역만 투과할 수 있도록 그 특성을 구비할 수 있다. 이와 같이, 필터F1 내지 필터Fn이 각각 검출할 수 있는 파장 영역 역시 일정 단위 간격으로 설정될 수 있다. 이 경우 분광기(300)의 분해능은 인접한 필터 간격과 필터의 투과파장 선폭에 의해 결정된다. 다시 말하면 필터의 중심 투과파장 간격이, 그리고 투과파장 선폭이 좁을수록 분광기(300)의 분해능은 좋아진다. 따라서 분광기(300)의 분해능을 향상시키기 위해서는 필터 어레이의 수를 늘려야 되고 따라서 센서 어레이의 크기도 커져야 되는데 여기에는 크기 제한이 있는 바, 본 발명과 같이 필터 어레이(330)를 회전시키면 하나의 광검출기(360)만 사용하여 순차적으로 각 필터를 투과한 신호를 검출할 수 있어 이 문제를 해결할 수 있다.

검출되는 과정을 자세히 설명하면, 특정 영역에 마련된 광검출기(360)는 복수개의 필터(331)가 배치된 필터 어레이(330)가 회전함에 따라, 복수개의 필터(331) 각각이 시준광학계(320)와 광검출기(360) 사이 광축상에 위치할 때마다 해당 필터를 투과하는 신호들을 순차적으로 검출하여 전기 신호로 변환한다.

제어부(370)는 광검출기(360)로부터 받은 신호를 소정의 디지털 신호 처리 과정을 거쳐 입력 광 신호의 파장 스펙트럼으로 변환하는 역할을 수행한다. 이러한 과정을 통해, 분광기(300)는 분석 대상체가 발생(또는 반사, 투과)하는 빛의 스펙트럼 정보를 분석할 수 있다.

상기 분광기(300)의 일 구현 예로서, 필터 어레이(330)는 소정의 동기화 영억(332)을 구비한 회전판 형태로 형성될 수 있으며, 동기화 영억(332)은 상기 필터 어레이(330)가 배치된 회전판의 외주연 상 배치될 수 있으며 복수개의 필터(331)는 소정의 동기화 영억(332)을 제외한 상기 외주연을 따라 일정 단위 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다.

또한, 같은 구현 예에서 광검출기(360)는 특정 영역에 고정되어 설치되고 필터 어레이(330)가 회전함에 따라 인식되는 복수개의 필터(331) 각각으로부터 출력되는 신호를 검출할 수 있다. 이 때, 광검출기(360)와 필터 어레이(330)는 소정의 동기화 영억(332)을 기준으로 동기화될 수 있다. 여기서, 동기화된다는 것은 광검출기(360)의 검출 작동 시간과 필터 어레이(330)의 회전 작동 시간이 동기화된다는 의미로, 회전하는 필터 어레이(330)를 구성하는 복수개의 필터(331) 각각이 시준광학계(320)와 광검출기(360) 사이의 광축상에 정렬되어 위치하는 시간에 맞춰 각각의 필터(331)를 투과하는 신호를 광검출기(360)가 순차적으로 검출함으로서 광검출기(360)가 순차적으로 검출한 각각의 신호가 어느 필터를 투과한 신호인지 특정할 수 있음을 의미한다.

광검출기(360)와 필터 어레이(330)가 동기화된 분광기(300)를 이용하여 검출한 신호들의 그래프를 도시한 도 5b를 참조하여 동기화에 대해 더욱 상세히 설명하면 먼저, 소정의 동기화 영역은 광검출기(360)의 검출 기준점(starting point)으로 작용할 수 있다. 즉, 복수개의 필터(331)로부터 출력되는 신호들의 순서를 구분하기 위해 소정의 동기화 영역(332)에는 필터를 배치시키지 않고 빈 공간으로 마련함으로써 입력 광이 필터를 거치지 않고 검출되도록 할 수 있다.

이 때, 소정의 동기화 영역(332)을 투과하여 광검출기(360)에서 검출되는 신호는 도 5b에 도시된 바와 같이 이 영역에서는 필터가 존재하지 않으므로 감쇠되지 않고 입력 광 신호 전체 세기가 된다. 따라서 디지털 신호처리 회로에서 가장 세기가 큰 신호가 검출되는 이 시간을 기준점(starting point)으로 잡고, 이후 필터 어레이(330)가 회전함에 따라 일정 단위 간격만큼 이격되어 배치된 복수개의 필터 F1, F2, F3, F4, …Fn 를 투과한 신호가 순차적으로 광검출기(360)에 의해 검출 되고 이 순서에 따라 어느 필터를 투과한 신호인지 특정할 수 있게 된다.

즉, 광검출기(360)로부터 출력되는 신호를 토대로 디지털 신호 처리를 수행할 때 제어부(370)는 먼저 기준점(starting point)의 신호를 인지하고 이후에 F1, F2, F3, F4, …Fn 순서로 필터의 출력 신호를 인지하게 된다.

이들 복수개의 필터(331)들은 일정 간격으로 이격되어 배치되므로, 입력광은 각각의 필터를 순차적으로 투과하여 광검출기(360)에서 검출되는 신호들은 도 5b에 도시된 바와 같이 회전판의 회전 각속도에 따라 일정 한 시간 차( d )를 두고 검출된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 복수개의 필터(331)가 이격 배치된 필터 어레이(330)의 회전 속도와 광검출기(360)의 검출 시간을 동기화하여, 복수개의 필터(331)를 통과하는 신호를 단일의 광검출기(360)를 이용하여 검출할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 분광기(이하, “분광기(600)”라 함)의 구성을 도시한 도면이다. 분광기(600)는 앞서 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 분광기(300)와 동일/유사한 구성요소를 모두 포함할 수 있으므로, 상술한 내용과 중복되는 내용은 생략하도록 한다.

분광기(600)는 분석 대상체에 빛을 조사하는 광원(610), 상기 분석 대상체로부터 반사된 빛을 모아 평행광으로 변환하여 출력하는 시준광학계(620), 시준광학계(620)로부터 출력된 평행광을 두개의 광으로 분기시키는 광분배기(630), 광분배기(630)를 통해 분기된 광이 투과되는 복수개의 필터(641)를 포함하는 필터 어레이(640)가 배치되고 회전 가능한 회전판(650), 복수개의 필터(641)로부터 출력되는 복수개의 신호를 검출하는 제1광검출기(671)와 제2광검출기(672), 그리고, 제1광검출기(671) 및 제2광검출기(672)로부터 검출된 신호를 분석 및 처리하는 제어부(680)를 포함한다. 회전판(650)은 모터(660)에 의해 구동될 수 있다.

분광기(300)와 마찬가지로, 분광기(600)는 광원(610)으로부터 방출된 빛이 상기 분석 대상체를 투과하도록 광원(610) 및 복수개의 필터(631) 사이의 광축상에 상기 분석 대상체가 위치하는 구조를 지닐 수 있다.

분석 대상체가 외부 광, 예컨대 태양광과 같은 자연광을 반사하거나 분석 대상체가 자체적으로 발광하는 경우, 분광기(600)는 빛을 조사하는 광원(610)을 별도로 구비하지 않을 수도 있다.

또한, 필터 어레이(640)를 구성하는 복수개의 필터(641)는 회전판(650)의 외주연을 따라 소정의 간격 또는 일정 단위 간격만큼 이격되어 배치될 수 있고, 복수개의 필터(641)는 각기 다른 파장 투과 특성을 구비하여, 이들로부터 출력되는 복수개의 신호 중 가시광 대역의 신호는 제 1 광검출기(671) 에 의해 검출하고 적외선 대역의 신호는 제2광검출기(672)에 의해 검출할 수 있다.

또한, 제1광검출기(671) 및 제2광검출기(672)는 상기 광분배기(630)를 통해 나오는 광축상의 특정 영역에 각각 고정되어 설치될 수 있으며, 상기 필터 어레이(640)가 회전함에 따라 인식되는 복수개의 필터(641) 각각으로부터 차례로 출력되는 신호를 검출하되, 제1광검출기(671) 및 제2광검출기(672)를 통해 검출된 신호는 상기 분광기(300)와 유사하게 제어부(680)에서 디지털 신호 처리하는 방법으로 분광기(600)가 구현될 수 있다.

여기에서, 제1광검출기(671)는 광흡수층이 실리콘으로 형성되는 광검출기일 수 있고, 제2광검출기(672)는 광흡수층이 게르마늄 또는 화합물 반도체로 형성되는 광검출기일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

이외에도, 제1 광검출기(671)는 자외선 영역을 검출할 수 있는 광 검출기이고 제2광검출기(672)는 가시광 영역의 광 검출기일 수 있다. 이와 같이 검출 파장 대역이 서로 다른 복수개의 광 검출기(671; 672; 등)를 하나의 분광기(600)내에 구비하여 분광범위를 확대하는 것이 가능하다. 광흡수층의 종류에 따라 검출 파장 영역이 달라지므로 목적에 따라 다양한 종류의 광 검출기(671; 672; 등) 사용이 가능하고, 그 종류로는 분광하고자 하는 파장 범위에 따라 실리콘, 게르마늄, SiGe, PbS, GaAs 계열, InP 계열 등으로 형성될 수 있지만 이에 국한되지는 않는다.

또 분광하고자 하는 파장 범위가 THz 대역인 경우도 동일한 원리를 적용할 수 있으며 이 경우에 전술한 필터 어레이(640)는 THz필터 어레이로, 광검출기(671, 672)는 THz 검출기로 대체하여 사용할 수 있다.

상기 분광기(600)를 이용하여 검출한 신호들의 예를 도시한 도 7a를 참조하면, 복수개의 필터(641) 중 VLF1 내지 VLFm 은 가시광선 파장 영역의 신호가 출력되도록 하는 파장 투과 특성을 구비할 수 있고, IRF1 내지 IRFn은 적외선 파장 영역의 신호가 출력되도록 하는 투과 특성을 구비할 수 있다. 따라서, VLF1 내지 VLFm에 투과된 후 출력되는 광 신호는 각각 가시광선 영역의 파장을 갖는 신호인 VLλ1 내지 VLλm이 되고, IRF1 내지 IRFn에 투과된 후 출력되는 광 신호는 각각 적외선 영역의 파장을 갖는 신호인 IRλ1 내지 IRλn이 될 수 있다.

VLF1 내지 VLFm과 IRF1 내지 IRFn이 순서대로 일정 단위 간격만큼 이격되어 필터 어레이(640)에 배치된 형태로 복수개의 필터(641)가 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 복수개의 필터를 구성하는 필터들의 순서와 배치는 다양하게 변형되어 구현될 수 있다.

또한, 다시 도 6을 참조하면, 앞서 도 3 내지 도 5을 참조하여 설명한 분광기(300)와 같이 분광기(600)의 필터 어레이(640)에도 필터가 마련되지 않은 소정의 동기화 영역(642)이 형성될 수 있고, 이에 따라, 광검출기(671; 672)의 작동 시간과 필터 어레이(640)의 회전 시간을 소정의 동기화 영역(642)을 기준으로 동기화하여 분광기를 작동시킬 수 있으며 이는 도5b 에서 기 설명한 바와 유사하게 동작원리를 설명할 수 있다.

즉, 제1광검출기(671) 및 제2광검출기(672)를 광분배기(630)를 통해 분기된 두개의 광축상에 각기 정렬되도록 배치하고, 필터 어레이(640)상에 마련된 소정의 동기화 영역(642)이 필터 어레이(640)가 회전하는 과정에서 상기 광축상에 정렬되어 검출되는 신호를 시작점으로, 도 7b에 도시한 바와 같이 이후 복수개의 필터(641)가 회전함에 따라 상기 두 개의 광 검출기가 각각 광축상에 정렬되어 시간 순차적으로 검출되는 신호가 각각 어느 필터에서 나온 신호인지를 인식하여 식별할 수 있다. 이때 물론 가시광 대역 광검출기는 가시광 영역을, 적외선 대역 광검출기는 적외선 대역 광을 검출할 수 있다. 이러한 방법으로, 복수개의 필터(641)들로부터 출력된 신호는 제1광검출기(671) 및 제2광검출기(672)를 통해 검출되고 제어부(680)에 의해 분석 및 처리될 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 분광기를 구현한 시스템의 예를 도시한 도면으로서, 도 8과 같이 앞서 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 분광기(300)를 구현할 수 있다.

도 8을 참조하면, 분광기(800)는 분석 대상체로부터 입사되는 입사 광선을 집광시키는 렌즈(810)와, 집광된 빛을 단일의 평행광으로 만들어 특정 필터에 입사시키는 시준광학계(820), 시준광학계(820)를 통과한 빛이 투과되는 복수개의 필터(831)가 어레이(830) 형태로 회전판(840)의 외주연을 따라 이격되어 배치되고, 모터(850)의 회전축(860)을 중심으로 회전 가능한 필터 어레이(803) 각각의 필터(831)로부터 출력되는 복수개의 신호를 검출하는 광검출기(870) 및 광검출기(870)로부터 검출된 신호를 분석 및 처리하는 제어부(880)를 포함할 수 있다. 광검출기(870)를 통해 검출한 신호들은 기 설계된 회로를 통해 제어부(880)로 전달되어 디지털 신호 처리 과정을 거칠 수 있다.

상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

분석 대상체에 빛을 조사하는 광원;
상기 분석 대상체로부터 반사된 빛을 평행광으로 만들어 특정 필터에 입사시키는 시준광학계;
복수개의 필터를 포함하는 필터 어레이가 배치되고, 회전이 가능한 회전판;
상기 회전판을 구동하는 모터;
상기 복수개의 필터를 투과하는 광의 세기를 순차적으로 검출하는 광검출기 및
상기 광검출기로부터 검출된 신호를 분석 및 처리하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광기.
제1항에 있어서,
상기 회전판은 상기 복수개의 필터가 상기 시준광학계와 상기 광검출기 사이의 광축상에서 직선 이동 가능하도록 1차원 체인 형태로 배치된 형태인 것을 특징으로 하는 분광기.
제1항에 있어서,
상기 광원으로부터 방출된 빛이 상기 분석 대상체를 투과하도록 상기 광원 및 상기 복수개의 필터 사이 광축상에 상기 분석 대상체가 위치하는 구조인 것을 특징으로 하는 분광기.
제2항에 있어서,
상기 복수개의 필터는 각기 다른 파장 투과 특성을 구비하고,
상기 복수개의 필터로부터 출력되는 복수개의 신호는 각각 기 설정된 연산 알고리즘을 통해 파장으로 환산되는 것을 특징으로 하는 분광기.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 필터는 상기 회전판의 외주연을 따라 소정 간격만큼 이격되어 배치되고,
상기 광검출기는 상기 필터 어레이가 회전함에 따라 인식되는 상기 복수개의 필터 각각으로부터 출력되는 신호를 순차적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 분광기.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 필터는 1차원 체인 형태로 서로 이격되어 배치되고,
상기 광검출기는 상기 필터 어레이가 직선 운동에 의해 이동함에 따라 인식되는 상기 복수개의 필터 각각으로부터 출력되는 신호를 순차적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 분광기.
제1항에 있어서,
상기 필터 어레이는 소정의 동기화 영역을 구비한 판 형태로 형성되고,
상기 복수개의 필터는 상기 소정의 동기화 영역을 제외한 상기 판 형태의 필터 어레이의 외주연을 따라 일정 단위 간격만큼 이격되어 배치되며,
상기 광검출기는 특정 영역에 고정되어 설치되고 상기 필터 어레이가 회전함에 따라 인식되는 상기 복수개의 필터 각각으로부터 출력되는 신호를 검출하되,
상기 광검출기의 검출 작동 시간과 상기 필터 어레이의 회전 작동 시간이 상기 소정의 동기화 영역을 기준으로 동기화되는 것을 특징으로 하는 분광기.
분석 대상체에 빛을 조사하는 광원;
상기 분석 대상체로부터 반사된 빛을 모아 평행광으로 변환하여 출력하는 시준광학계;
상기 시준광학계로부터 출력된 평행광을 2개의 광으로 분기시키는 광분배기;
상기 광분배기를 통해 분기된 평행광이 투과되는 복수개의 필터를 포함하는 필터 어레이가 배치되고, 회전 가능한 회전판;
상기 복수개의 필터로부터 출력되는 복수개의 신호를 검출하는 제1광검출기와 제2광검출기; 및
상기 제1광검출기와 제2광검출기로부터 검출된 신호를 분석 및 처리하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광기.
제8항에 있어서,
상기 광원으로부터 방출된 빛이 상기 분석 대상체를 투과하도록 상기 광원 및 상기 복수개의 필터 사이 광축상에 상기 분석 대상체가 위치하는 구조인 것을 특징으로 하는 분광기.
제8항에 있어서,
상기 제1광검출기는 광흡수층이 실리콘으로 형성되는 광검출기이고, 상기 제2광검출기는 광흡수층이 게르마늄 또는 화합물 반도체로 형성되는 광검출기인 것을 특징으로 하는 분광기.
제 1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수개의 필터는 각각 밴드패스 필터, 파브리 페로 필터 및 다중박막 간섭 필터 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합으로 이루어진 형태인 것을 특징으로 하는 분광기.