KR20200002894A

KR20200002894A - 분광계

Info

Publication number: KR20200002894A
Application number: KR1020197032868A
Authority: KR
Inventors: 스테판 프리드리히
Original assignee: 안바조 게엠베하
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2020-01-08
Also published as: DE102017206066A1; CN110753834A; IL269776B2; BR112019021099A2; EP3610230A1; US10983002B2; WO2018189087A1; US20200041339A1; KR102628596B1; IL269776A; JP2020516916A; IL269776B1

Abstract

본 발명은 하우징을 갖는 분광계에 관한 것으로, 상기 하우징 (11)의 개구 (1)에 대향하여 배치되고, 상기 개구(1)의 법선에 대해 45°미만의 각도로 정렬되는 평면 광학 격자 (2), 대물렌즈 배열 (6) 및 센서 요소 (7)가 배치되고, 상기 개구 (1)는, 상기 개구 (1)의 법선에 평행하게 입사되는 전자기 방사선의 경우 상기 광학 격자 (2)의 표면이 완전히 조사되도록 치수가 정해지고, 상기 전자기 방사선을 상기 센서 요소 (7)에 집속시키기 위해, 상기 광학 격자 (2)에 의해 회절 되는 상기 전자기 방사선의 1 차 회절 또는 더 높은 차수의 회절 만이 대물렌즈 배열 (6) 및 센서 요소 (7)로 향하도록, 대물렌즈 배열 (6)은 상기 광학 격자 (2)와 상기 센서 요소 (7) 사이에 배치된다.

Description

분광계

본 발명은 분광계에 관한 것이다.

전체 셋업의 소형화가 달성될 다양한 분광계가 종래 기술로부터 알려져 있다. 예를 들어, US 6 870 619 B1은 광학 요소가 거의 없는 소형화 된 분광계를 개시하고 있다. 그러나 이 셋업은 값 비싼 곡면 광학 격자, 작은 개구 및 전기 광학 변조기를 필요로 한다. 거울 또는 렌즈와 같은 많은 수의 광학 요소를 광학격자의 상류에 사용할 때, 산란된 광이 주요 문제이다. 따라서, 문헌 US 2012 0188542 A1에서, 엔트리 개구의 하류에 제 2 개구가 입사 빔을 한정하는데 사용된다. 그러나 이것은 마찬가지로 분광계의 감도를 제한한다.

따라서, 본 발명은 언급된 단점을 피하는 분광계를 제안하는 목적, 즉 가능한 적은 광학 요소로 높은 감도를 갖는 소형화된 구조를 달성할 수 있는 분광계를 제안하는 목적에 기초한다. 이 목적은 본 발명에 따라 청구항 1에 따른 분광계에 의해 달성된다. 유리한 개선 및 개발은 종속항에 기술되어있다.

분광계는 하우징을 가지며, 상기 하우징의 개구(aperture)에 대 향하여 배치되는 평면 광학 격자, 대물렌즈 배열 및 센서 요소가 배치된다. 상기 광학 격자는 상기 개구의 법선에 대해 45° 미만의 각도로 정렬된다. 상기 개구는, 상기 개구의 법선에 평행하게 입사되는 전자기 방사선의 경우 상기 광학 격자의 표면이 완전히 조사되도록 치수가 정해진다. 상기 전자기 방사선을 상기 센서 요소에 집속시키기 위해, 상기 광학 격자에 의해 회절 되는 상기 전자기 방사선의 1 차 회절 또는 더 높은 차수의 회절 만이 대물렌즈 배열 및 센서 요소로 향하도록, 대물렌즈 배열은 상기 광학 격자와 상기 센서 요소 사이에 배치된다.

평면의, 즉 평면, 광학 격자를 사용함으로써, 구조 부분은 쉽게 설계되고 설치될 수 있다. 점원(point source)이 획득되지 않도록 치수가 정확하게 선택되는 비교적 큰 개구 때문에, 많은 전자기 방사선이 광학 격자에 입사하기 때문에 전체 분광계는 매우 민감하다. 이것은 예각에 의해 더욱 지지되며, 전체 분광계의 컴팩트 한 구성을 용이하게 한다. 광학 격자를 완전히 조사하는 것은 여기서 특히 개구를 향한 광학 격자의 전체 표면이 입사 전자기 방사선에 의해 조사되는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 여기서 각도는 평면 광학 격자의 표면으로부터 제 2 각도 레그(leg)로서 개구의 법선까지 그리고 개구의 법선으로부터 평면 광학 격자의 표면까지 정렬되는 것으로 이해될 수 있다.

입사 전자기 방사선은 전형적으로 개구로부터 광학 격자로 바로 나아간다. 거울 또는 추가 개구와 같은 추가의 광학 요소가 횡단될 필요가 없기 때문에, 전체 구성이 간단하고 컴팩트하며, 산란된 광은 거의 발생하지 않는다.

개구는 적어도 0.5 mm 내지 2.5 mm의 직경 또는 폭을 가질 수 있다. 직경 또는 폭은 1mm 인 것이 바람직하다. 개구 자체는 직사각형, 특히 정사각형, 또는 하우징의 둥근 개구일 수 있다. 이것은 가능한 많은 전자기 방사선이 비교적 큰 개구로 포착 될 수 있게 한다.

평평한 구조를 가능하게 하고 공간 요건을 낮게 유지하기 위해 광학 격자가 법선에 대해 정렬되는 각도는 5° 내지 15°, 바람직하게는 7° 내지 10°, 특히 바람직하게는 7.5° 일 수 있다.

개구와 광학 격자 사이의 거리는 전형적으로 1mm와 40mm 사이, 바람직하게는 10mm와 30mm 사이, 특히 바람직하게는 20mm이며, 그 결과 분광계는 상응하는 컴팩트한 크기를 갖는다.

센서요소에 충분히 높은 강도를 달성하기 위해, 광학 격자에 입사 전자기 방사선의 적어도 90 %, 바람직하게는 적어도 95 %, 특히 바람직하게는 적어도 99 %를 반사시키는 코팅이 제공될 수 있다. 코팅은 바람직하게는 알루미늄을 포함하거나 알루미늄으로 만들어진다.

대물렌즈 배열은 초점의 안정적인 설정을 보장하기 위해 적어도 두 개의 포커싱 렌즈를 가질 수 있다.

대물렌즈 배열의 초점 거리는 전형적으로 1 mm 내지 4 mm, 바람직하게는 2 mm이다.

센서 요소는 포토 다이오드 라인 어레이 또는 CCD 라인 어레이 (charge-coupled device) 또는 이미지 센서, 예를 들어 CMOS 센서 (complementary metal-oxide semiconductor) 또는 CCD 센서 일 수 있다.

센서 요소는 전형적으로 380 nm 내지 780 nm의 가시 파장 범위에서 전자기 방사선에 민감하다. 대안적으로 또는 이에 더하여, 센서 요소는 또한 적외선 파장 범위의 전자기 방사선, 특히 780 nm 내지 1700 nm의 파장, 또는 자외선 파장 범위의 전자기 방사선, 특히 200 nm 내지 380nm의 파장에 민감할 수 있다. 그러나, 광학 격자의 격자주기 및 / 또는 경사각은 전형적으로 검출될 파장에 의존하여 적응된다.

바람직하게는, 휴대폰은 설명된 분광계를 갖는다. 이 경우에, 휴대폰은 하우징에 통합된 설명된 분광계를 가질 수 있거나, 분광계는 휴대폰에 위치할 수 있다. 분광계의 예시적인 실시 예가 도면에 도시되어 있으며, 도 1 및 도 2를 참조하여 아래에서 설명 될 것이다.

도 1은 분광계의 개략적인 측면도를 보여준다
도 2는 분광계를 갖는 휴대폰의 측면을 보여준다.

도 1은 분광계의 개략적인 측면도를 보여준다. 가시 파장 범위의 전자기 방사선의 빔(5)은 개구 (1)를 통해 분광계 하우징 (11)의 내부 공간 (3) 내로 떨어지며, 이 하우징은 플라스틱 또는 금속으로 구성된다.

도시된 예시적인 실시 예에서 개구(1)는 둥글고 직경이 1 mm이므로, 분광계의 입구에서 개구 (1)에 의해 점원(point source)이 생성되지 않는다. 개구(1)의 크기로 인해, 개구 (1)의 면적의 크기와 입사 방사선 강도 또는 광 강도 사이에 2 차 관계가 있기 때문에 분광계는 매우 민감하다.

개구 (1)로부터, 전자기 방사선은 200 nm 내지 1200 nm, 바람직하게는 400 nm 내지 700 nm의 격자 상수를 갖는 광학 격자 (2) 상에 떨어지며, 이 격자는 홀더를 통해 하우징 (11)에 장착된다. 전자기 방사선의 빔 경로에 추가의 광학 요소가 배치되지 않기 때문에, 산란 된 광의 형성이 최소화되고 추가 개구가 필요하지 않다. 도시된 예시적인 실시 예에서 광학 격자 (2)는 개구 (1)의 법선에 평행하게 향하는 전자기 방사선의 전파 방향에 대하여 7.5°의 편평한 각도 (4)로 기울어진다. 개구 (1)와 광학 격자 (2) 사이의 거리는 20 mm이다.

개구 (1)는 개구 (1)의 법선에 평행하게 입사되는 전자기 방사선의 경우 개구 (1)를 향하는 광학 격자 (2)의 표면이 완전히 조사되도록 치수가 정해진다. 결과적으로, 광학 격자 (2)는 적어도 개구 (1)를 통해 떨어지는 입사 빔 (5)의 직경의 크기를 가질 수 있지만, 광학 격자 (2)의 면적은 빔 (5)보다 작을 수도 있다.

광학 격자 (2)는 반사 회절 격자로서, 입사 강도의 90 % 이상을 반사하는 고 반사 성 알루미늄 코팅이 제공된다. 광학 격자 (2)의 경사각 (4)은 브래그 조건(Bragg condition)에 의해 고정되며, 광학 격자 (2)의 격자주기 및 입사 전자기 방사선의 파장 범위에 의존한다. 상기 입사 전자기 방사선은 광학 격자 (2)에 의해 각도 영역에서 분화되어 반사되어 1 차 회절 (9)은 2 개의 평 볼록 렌즈로 구성된 대물렌즈 배열 (6)에 입사된다.

이 대물렌즈 배열(6)은 전자기 방사선의 전파 방향에 대해 90°의 각도로 배열된다. 0차 회절(8)은 대물렌즈 배열(6)에 입사되지 않고, 내부 공간 (3)에서 하우징 (11)의 내벽에 입사된다. 대물렌즈 배열(6)의 초점 (10)은 대물렌즈 배열 (6)의 한쪽 면인, 광학 격자 (2)의 표면 상에, 그리고 다른 쪽 면인 이미지 센서 (7) 상에 위치된다. 대물렌즈 배열 (6)에는 산란된 광이 이미지 센서 (7)에 도달하는 것을 방지하기 위해 제 2 개구 (12)가 제공된다. 제 2 개구는 1 mm 내지 10 mm의 직경 또는 폭을 갖는다. 도시된 예시적인 실시 예에서 대물렌즈 배열 (6)의 초점 길이는 2mm이다. 이것은 이미지 왜곡을 야기 할 수 있지만, 이는 이미지 센서 (7)가 전기적으로 연결된 평가 유닛(evaluation unit)에 의해 수정 될 수 있다. 그러나, 초점 거리는 임의의 상황 하에서 0 차 회절 (8)이 대물렌즈 배열(6)에 입사되지 않도록 선택되어야 한다.

대물렌즈 배열(6)은 이미지 센서(7)의 크기에 맞춰져서 분석될 전체 스펙트럼이 이미지 센서(7)의 전체 범위에 걸쳐 이미지화 될 수 있다. 이미지 센서(7)가 작을수록, 선택 될 소위 크롭 팩터(crop factor) 또는 포맷 팩터(format factor)가 커지고, 이는 2 개의 기록 포맷의 대각선 사이의 길이 비율을 나타내고, 대물렌즈 배열(6)은 더 작아질 수 있다. 픽셀 크기는 이미지 센서 (7)에서 일반적으로 1.5 μm이다 (그러나 다른 실시 예에서는 최대 6 μm 일 수 있다); 이미지 센서 (7) 대신에 포토 다이오드 라인 어레이가 사용되는 경우, 픽셀 크기는 5.5 μm 일 수 있다. 나이키스트 조건(Nyquist condition)을 만족시키기 위해서는 상응하는 많은 수의 픽셀이 존재해야 한다.

상기에서 설명되고, 도 1에 도시된 배열에 의해, 개구 직경이 1 mm 임에도 불구하고 스펙트럼 분해능은 단지 1 nm 일 수 있다.

도 2는 설명된 분광계를 갖는 휴대폰 (13), 보다 구체적으로 스마트 폰의 개략적인 측면도를 도시한다. 이 도면에서 반복되는 특징은 이전 도면에서와 동일한 참조 부호로 지정된다. 대물렌즈 배열(6) 및 이미지 센서 (7)는 여기서 휴대폰 (13)에 이미 설치된 카메라를 통해 구현될 수 있다. 평가 유닛은 통상적으로 휴대 전화 (13)에 배치되고, 휴대 전화의 디스플레이는 평가 유닛에 의해 확인 된 데이터가 재생되는 분광계의 출력 유닛으로서 기능한다. 도 2에 도시된 예시적인 실시 예에서, 하우징 (12)을 갖는 분광계는 휴대폰 (13) 상에 배치되지만, 휴대폰 (13)의 하우징이 분광계를 둘러싸도록 분광계를 휴대폰 (13)에 통합하는 것도 가능하다.

Claims

하우징을 갖는 분광계에 있어서,
상기 하우징 (11)의 개구 (1)에 대 향하여 배치되고, 상기 개구(1)의 법선에 대해 45° 미만의 각도로 정렬되는 평면 광학 격자 (2);
대물렌즈 배열 (6); 및
센서 요소 (7);가 배치되고,
상기 개구 (1)는, 상기 개구 (1)의 법선에 평행하게 입사되는 전자기 방사선의 경우 상기 광학 격자 (2)의 표면이 완전히 조사되도록 치수가 정해지고,
상기 전자기 방사선을 상기 센서 요소 (7)에 집속시키기 위해, 상기 광학 격자 (2)에 의해 회절 되는 상기 전자기 방사선의 1 차 회절 또는 더 높은 차수의 회절 만이 대물렌즈 배열 (6) 및 센서 요소 (7)로 향하도록, 대물렌즈 배열 (6)은 상기 광학 격자 (2)와 상기 센서 요소 (7) 사이에 배치되는 분광계.
제 1 항에 있어서,
상기 입사 전자기 방사선은 상기 개구 (1)로부터 상기 광학 격자 (2) 로 바로 나아가는 것을 특징으로 하는 분광계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 개구 (1)는 0.5 mm 내지 2.5 mm, 바람직하게는 1 mm의 직경 또는 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 분광계.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 격자 (2)가 상기 법선에 대해 정렬되는 각도가 5° 내지 15°, 바람직하게는 7° 내지 10°, 특히 바람직하게는 7.5° 인 것을 특징으로 하는 분광계.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개구(1)와 상기 광학 격자 (2) 사이의 거리는 1mm내지 40mm, 바람직하게는 10mm내지 30mm, 특히 바람직하게는 20mm로 관찰되는 분광계.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 격자 (2)에는 입사 전자기 방사선의 적어도 90 %를 반사시키는 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는 분광계.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대물렌즈 배열 (6)은 적어도 2 개의 포커싱 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 분광계.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대물렌즈 배열(6)은 1mm 내지 4mm, 바람직하게는 2mm의 초점 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 분광계.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서 요소 (7)는 포토 다이오드 라인 어레이 또는 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 분광계.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 청구된 분광계를 갖는 휴대폰(13).