KR20220118958A - 라만 분광 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 라만 분광 장치는, 타겟으로부터 멀어지는 방향을 따라 광분석부와 광포획부를 포함한다. 광분석부는 광감지기와 광모음 렌즈와 회절 격자와 광경유 렌즈를 구비하고, 광포획부는 광분석부로부터 시작하여 타겟을 향해 순차적으로 배열되도록, 제1 광유도체의 개수를 하나로 그리고 제2 광유도체의 개수를 적어도 하나로 가지고, 제1 광유도체와 제2 광유도체 중 적어도 하나를 통해 광을 타겟에 전달하거나 제1 광유도체와 제2 유도체를 통해 타켓으로부터 산란광을 전달받아 산란광을 광경유 렌즈에 전달한다.

Description

라만 분광 장치{RAMAN SPECTROSCOPY APPARATUS}
본 발명은, 광분석부 주변에 광포획부를 구비하여 광분석부에서 광포획부를 통해 타겟에 광을 조사시켜 타겟으로부터 산란광을 발생시키면서 광포획부와 광분석부를 사용하여 산란광을 포획 및 분석하는 라만 분광 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 라만 분광 장비는 재료 준비 과정에서 밀링(milling) 또는 연마(polishing)를 별도로 필요하지 않으며 재료 분석 과정에서 수분과 기판(substrate)의 상태에 거의 영향을 받지 않는 라만 분광법을 제시한다. 상기 라만 분광법은 분석 대상 재료에 입사광(예를 들면, 레이저)을 조사하고 분석 대상 재료로부터 산란광을 발생시켜 입사광 대비 비탄성 산란광의 상대적인 에너지(또는 파장 또는 진동수) 변화를 측정하는 원리이기 때문에 분석 대상 재료의 분석 결과에 입사광의 파장 영향을 받지 않는다.
또한, 상기 라만 분광법은 분석 대상 재료에 대한 분석시간이 짧고, 액체 상태 또는 고체 상태 또는 기체 상태에서 분석 대상 재료에 대한 분석을 가능하게 하며, 비파괴적인 분석법이라 분석 대상 재료(이하, 타겟(target)으로 지칭함)를 파손시킬 우려가 없다는 등의 수많은 이점을 갖고 있다. 한편, 도 1을 참조하면, 상기 라만 분광 장비(30)는 광분석부(10)와 광포획부(30)를 갖는다. 상기 광분석부(10)는 광감지기(1)와 광모음 렌즈(3)와 회절 격자(4)와 광발생기(6)와 이색성 거울(7)과 광경유 렌즈(9)를 구비한다. 상기 광포획부(30)는 제1 및 제2 볼록 렌즈(14, 18)를 갖는다.
상기 광분석부(10)에서, 상기 광발생기(6)의 광(5)은 이색성 거울(7)에 반사되어 광경유 렌즈(9)를 통과하면서 광분석부(10)의 슬릿(S)에 전달된다. 상기 광경유 렌즈(9)는 볼록 렌즈(convex lens)로 이루어진다. 상기 광포획부(30)에서, 상기 제1 및 제2 볼록 렌즈(14, 18)는 광분석부(10)의 슬릿(S)으로부터 광(5)을 전달받아 광(5)을 통과시켜 광(5)을 타겟(40)에 도달시킨다. 상기 타겟(40)은 광(5)과 접촉하여 산란광(44)을 발생시킨다. 여기서, 상기 산란광(44)은, 도 2에서, 탄성 산란광(41)과 비탄성 산란광(42, 43)으로 이루어진다.
상기 탄성 산란광(41)은, 도 3에서, 광발생기(6)의 광(5)과 동일한 에너지를 갖는다. 상기 비탄성 산란광(42, 43)는 광발생기(6)의 광(5)보다 더 작은 에너지(도 3의 부호 42 참조)를 가지거나 광발생기(6)의 광(5)보다 더 큰 에너지(도 3의 부호 43 참조)를 갖는다. 즉, 상기 광발생기(6)의 광(5)으로부터 타겟(40)에서 분자의 에너지 흡수를 통해 분자의 에너지를 진동 에너지 준위(vibrational energy state; 54)로부터 가상 에너지 준위(virtual energy state; 58)로 높이고 가상 에너지 준위(58)로부터 서로 다른 진동 에너지 준위(54)로 다시 떨어지게 하는 동안, 상기 산란광(44)의 광자는 탄성 산란광(41)과 비탄성 산란광(42, 43)을 만든다.
상기 광포획부(30)에서, 상기 제1 및 제2 볼록 렌즈(14, 18)는 제2 볼록 렌즈(18)를 사용하여 타겟(40)으로부터 산란광(44)을 포획하고 제1 및 제2 볼록 렌즈(14, 18)에 산란광(44)을 통과시키면서 제1 볼록 렌즈(14)를 사용하여 산란광(44)을 광분석부(10)의 슬릿(S)에 모이게 한다. 상기 광분석부(10)에서, 상기 광경유 렌즈(9)와 이색성 거울(7)은 광경유 렌즈(9)을 사용하여 광분석부(10)의 슬릿(S)으로부터 산란광(44)을 전달받고 이색성 거울(7)을 사용하여 산란광(44) 중 비탄성 산란광(42 또는 43)을 통과시킨다.
또한, 상기 광분석부(10)에서, 상기 회절 격자(4)는 이색성 거울(7)로부터 비탄성 산란광(42 또는 43)을 전달받아 비탄성 산란광(42 또는 43)을 파장별로 분해시킨다. 상기 광모음 렌즈(3)는 회절 격자(4)로부터 분해된 산란광(48)을 전달받아 분해된 산란광(48)을 모아 광감지기(1)에 전달한다. 이후로, 상기 라만 분광 장비(30)는, 도면에 미도시되지만, 광감지기(1)를 통해 라만 시프트(/㎝)에 따른 비탄성 산란광(42 또는 43)의 광세기를 모니터에 표시한다. 여기서, 상기 라만 분광 장비(30)에서, 상기 광포획부(20)는 상기 광분석부(10)에 대해 상대적으로 병진 운동(M)을 한다.
즉, 상기 광포획부(20)는 줌(zoom) 기능을 적용받아 제2 볼록 렌즈(18)를 타겟(40)에 가까이 위치시키거나 제2 볼록 렌즈(18)를 타겟(40)으로부터 멀리 위치시킨다. 그러나, 상기 광포획부(20)의 병진 운동(M)은 줌 기능의 성능에 제한받아 광분석부(10)와 타겟(40) 사이의 거리를 일정하게 하여 제2 볼록 렌즈(18)를 통해 타겟으로부터 산란광(44)을 충분히 포획하는데 어려움을 준다. 또한, 상기 광포획부(20)의 줌 기능은 제1 및 제2 볼록 렌즈(14, 18) 주변에 별도의 도구를 요구하여 광포획부에 복잡한 구조를 대응시켜 라만 분광 장비(30)의 제조 비용을 높인다.
한편, 상기 라만 분광 장비는 한국공개특허공보 제10-2013-0113136호에서 발명의 명칭인 "비침습적 라인-조사 공간변위라만분광기"에 종래기술로써 유사하게 개시되고 있다.
한국공개특허공보 제10-2013-0113136호
본 발명은, 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 광분석부 주변에 광포획부를 구비하여 광분석부에서 광포획부를 통해 타겟에 광을 조사시켜 타켓으로부터 산란광을 발생시키는 동안, 광포획부에 단순한 구조를 적용하여 광학 성능을 높이고 광포획부에서 타겟으로부터 산란광을 충분히 포획하는데 적합한 라분 분광 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 라만 분광 장치는, 타겟으로부터 멀어지는 방향을 따라 광포획부와 광분석부로 이루어지고, 상기 광분석부에 광감지기와 광모음 렌즈와 회절 격자와 광경유 렌즈를 구비하고, 상기 광분석부와 상기 광포획부 중 하나에서 광을 발생시켜 상기 광을 상기 타겟에 조사시키면서 상기 타겟에 산란광을 발생시킨 후, 상기 광포획부를 통해 상기 타겟으로부터 상기 산란광을 포획하여 상기 광분석부에 전달하고, 상기 광분석부에서 상기 산란광을 상기 광경유 렌즈와 상기 회절 격자에 순차적으로 통과시키는 동안 상기 회절 격자에서 상기 산란광을 파장별로 분해시키고 상기 광모음 렌즈에서 분해된 산란광을 모아 상기 광감지기에 전달하도록, 상기 광포획부는, 상기 광분석부로부터 시작하여 상기 타겟을 향해 순차적으로 배열되도록, 제1 광유도체의 개수를 하나로 그리고 제2 광유도체의 개수를 적어도 하나로 가지고, 상기 제1 광유도체와 상기 제2 광유도체 중 적어도 하나를 통해 상기 광을 상기 타겟에 전달하거나 상기 제1 광유도체와 상기 제2 유도체를 통해 상기 타켓으로부터 상기 산란광을 전달받아 상기 산란광을 상기 광경유 렌즈에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 광유도체는, 볼록 렌즈(convex lens)로 이루어져 상기 광경유 렌즈로부터 멀어지는 방향을 향해 순차적으로 위치되는 제1 광연장 렌즈와 제2 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제1 광연장 렌즈와 상기 제2 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만들고, 상기 제1 광연장 렌즈는, 상기 광분석부의 슬릿에 초점(focal point)을 두면서 상기 광경유 렌즈와 동일한 개구수(numerical aperture; NA)를 가지고, 상기 제2 광연장 렌즈는, 상기 광경유 렌즈와 동일하거나 다른 개구수를 가질 수 있다.
상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때, 제1 및 제2 광연장 렌즈는, 상기 제1 광연장 렌즈에서 상기 광분석부의 상기 슬릿(aperture)에 상기 광경유 렌즈와 초점을 공유하고, 상기 제2 광연장 렌즈에서 상기 제2 광연장 렌즈에 가장 가까이 위치되는 제2 광유도체의 전방에 초점을 가질 수 있다.
상기 제1 광유도체가, 볼록 렌즈로 이루어져 상기 광경유 렌즈로부터 순차적으로 위치되는 제1 및 제2 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제2 광유도체가 하나인 때, 상기 제2 광유도체는, 볼록 렌즈로 이루어져 제2 광연장 렌즈로부터 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제3 및 제4 광연장 렌즈에서 상기 제1 및 제2 광연장 렌즈보다 더 큰 개구수를 가지며, 상기 제3 광연장 렌즈에서 상기 제4 광연장 렌즈와 동일한 개구수를 가지거나 다른 개구수를 가지고, 상기 제3 및 제4 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만들 수 있다.
상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때, 제3 및 제4 광연장 렌즈는, 상기 제3 광연장 렌즈에서 상기 제2 광연장 렌즈와 초점을 공유하고, 상기 제4 광연장 렌즈에서 상기 타겟에 초점을 가질 수 있다.
상기 제1 광유도체가, 볼록 렌즈로 이루어져 상기 광경유 렌즈로부터 순차적으로 위치되는 제1 및 제2 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제2 광유도체가 복수인 때, 복수의 제2 광유도체는, 개별 제2 광유도체에서, 볼록 렌즈로 이루어져 상기 제1 광유도체로부터 상기 타켓을 향하는 방향을 따라 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제3 및 제4 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만들고, 상기 제1 광유도체로부터 상기 타켓을 향하는 상기 방향을 따라 점진적으로 커지는 개구수를 가질 수 있다.
상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때, 상기 제1 광유도체에 가까이 위치되는 첫번째 제2 광유도체, 그리고 상기 타겟에 가까이 위치되는 마지막 제2 광유도체, 그리고 상기 첫번째 제2 광유도체와 상기 마지막 제2 광유도체 사이에 위치되는 중간 제2 광유도체들은, 상기 첫번째 제2 광유도체의 제3 광연장 렌즈에서 상기 제1 광유도체의 제2 광연장 렌즈와 초점을 공유하고, 상기 마지막 제2 광유도체의 제4 광연장 렌즈에서 상기 타겟에 초점을 가지고, 상기 첫번째 제2 광유도체 및 상기 중간 제2 광유도체들 및 상기 마지막 제2 광유도체를 통해, 이웃하는 두 개의 제2 광유도체에서, 전방 제2 광유도체의 제4 광연장 렌즈와 후방 제2 광유도체의 제3 광연장 렌즈 사이에 초점을 공유할 수 있다.
상기 제1 광유도체는, 상기 광경유 렌즈로부터 멀어지는 방향을 향해 순차적으로 위치되도록, 볼록 렌즈로 이루어지는 제1 광연장 렌즈와 오목 렌즈(concave lens)로 이루어지는 제2 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제1 광연장 렌즈와 상기 제2 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만들고, 상기 제1 광연장 렌즈는, 상기 광분석부의 슬릿에 초점을 두면서 상기 광경유 렌즈와 동일한 개구수를 가지고, 상기 제2 광연장 렌즈는, 상기 광경유 렌즈와 동일하거나 다른 개구수를 가질 수 있다.
상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때, 제1 및 제2 광연장 렌즈는, 상기 제1 광연장 렌즈에서 상기 광분석부의 상기 슬릿에 상기 광경유 렌즈와 초점을 공유하고, 상기 제2 광연장 렌즈에서 상기 제2 광연장 렌즈에 가장 가까이 위치되는 제2 광유도체의 평행광을 경사지게 모아 전달받을 수 있다.
상기 제1 광유도체가, 상기 광경유 렌즈로부터 순차적으로 위치되도록, 볼록 렌즈로 이루어지는 제1 광연장 렌즈 및 오목 렌즈로 이루어지는 제2 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제2 광유도체가 하나인 때, 상기 제2 광유도체는, 볼록 렌즈로 이루어져 상기 제2 광연장 렌즈로부터 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제3 및 제4 광연장 렌즈에서 상기 제1 및 제2 광연장 렌즈보다 더 큰 개구수를 가지며, 상기 제3 광연장 렌즈에서 상기 제4 광연장 렌즈와 동일한 개구수를 가지거나 다른 개구수를 가지고, 상기 제3 및 제4 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만들 수 있다.
상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때, 상기 제3 및 제4 광연장 렌즈는, 상기 제3 광연장 렌즈에서 상기 제2 광연장 렌즈에 상기 산란광을 경사지게 전달하고, 상기 제4 광연장 렌즈에서 상기 타겟에 초점을 가질 수 있다.
상기 제1 광유도체가, 상기 광경유 렌즈로부터 순차적으로 위치되도록, 볼록 렌즈로 이루어지는 제1 광연장 렌즈 및 오목 렌즈로 이루어지는 제2 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제2 광유도체가 복수인 때, 복수의 제2 광유도체는, 개별 제2 광유도체에서, 볼록 렌즈로 이루어져 상기 제1 광유도체로부터 상기 타켓을 향하는 방향을 따라 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제3 및 제4 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만들고, 상기 제1 광유도체로부터 상기 타켓을 향하는 상기 방향을 따라 점진적으로 커지는 개구수를 가질 수 있다.
상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때, 상기 제1 광유도체에 가까이 위치되는 첫번째 제2 광유도체, 그리고 상기 타겟에 가까이 위치되는 마지막 제2 광유도체, 그리고 상기 첫번째 제2 광유도체와 상기 마지막 제2 광유도체 사이에 위치되는 중간 제2 광유도체들은, 상기 첫번째 제2 광유도체의 제3 광연장 렌즈에서 상기 산란광을 상기 제1 광유도체에 경사지게 전달하고, 상기 마지막 제2 광유도체의 제4 광연장 렌즈에서 상기 타겟에 초점을 가지고, 상기 첫번째 제2 광유도체 및 상기 중간 제2 광유도체들 및 상기 마지막 제2 광유도체를 통해, 이웃하는 두 개의 제2 광유도체에서 전방 제2 광유도체의 제4 광연장 렌즈와 후방 제2 광유도체의 제3 광연장 렌즈 사이에 초점을 공유할 수 있다.
상기 제1 광유도체가, 볼록 렌즈로 이루어지거나 볼록 렌즈와 오목 렌즈로 이루어진 제1 및 제2 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제2 광유도체가, 볼록 렌즈로 이루어진 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지면서, 제1 내지 제4 광연장 렌즈가, 상기 광의 진행 방향에 대해 수평하게 위치되는 때, 상기 광포획부의 길이(L)는, 상기 광분석부와 상기 타겟 사이에서,
Figure pat00001
, (단, k 및 n 은 자연수이고, fk 는 k 번째 렌즈의 촛점 거리이고, n≥2임) 이고, 상기 제1 내지 제4 광연장 렌즈는, 개별 광연장 렌즈에서, 개구수(NAk) = (렌즈 직경(Dk)/(2 X 초점 거리(fk)), (단, k 는 1부터 2n 까지의 자연수 임)를 가질 수 있다.
k = 2n 번째 렌즈의 촛점 거리(f2n)는, f2n = f1 * m (단, m 은 스케일링 인자) 이고, 상기 k = 2n 번째 렌즈의 렌즈 직경(D2n)은, D2n = D1 * m 이고, 상기 k = 2n 번째 렌즈의 개구수(NA2N)는, NA2N = NA1 일 수 있다.
k = 2n 번째 렌즈의 촛점 거리(f2n)는, f2n = f1 * m1 (단, m1 은 제1 스케일링 인자 임) 이고, 상기 k = 2n 번째 렌즈의 렌즈 직경(D2n)은, D2n = D1 * m2 (단, m2 는 제2 스케일링 인자 임) 이며, 상기 제1 스케일링 인자(m1)는, 상기 제2 스케일링 인자(m2)와 다른 크기를 가지고, 상기 k = 2n 번째 렌즈의 개구수(NA2N)는, NA2N ≠ NA1 일 수 있다.
상기 제1 광유도체는, 상기 광분석부로부터 순차적으로 위치되는 제1 광연장 렌즈 및 제2 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제2 광유도체는, 상기 제1 광유도체로부터 순차적으로 위치되는 제1 렌즈-거울 조합 및 제2 렌즈-거울 조합을 가지고, 제1 및 제2 렌즈-거울 조합은, 개별 렌즈-거울 조합에서, 평면 렌즈와 볼록 렌즈와 오목 렌즈와 비구면 렌즈 중 적어도 하나, 그리고 평면 거울과 오목 거울과 볼록 거울 중 적어도 하나를 나열하여 만들어질 수 있다.
제1 및 제2 광연장 렌즈 그리고 제1 및 제2 렌즈-거울 조합은, 상기 광의 경로로부터 이격하거나 상기 광의 상기 경로를 따라 위치될 수 있다.
상기 제1 광유도체는, 상기 광분석부로부터 순차적으로 위치되는 제1 렌즈-거울 조합 및 제2 렌즈-거울 조합을 가지고, 상기 제2 광유도체는, 상기 제1 광유도체로부터 순차적으로 위치되는 제3 렌즈-거울 조합 및 제4 렌즈-거울 조합을 가지고, 제1 및 제4 렌즈-거울 조합은, 개별 렌즈-거울 조합에서, 평면 렌즈와 볼록 렌즈와 오목 렌즈와 비구면 렌즈 중 적어도 하나, 그리고 평면 거울과 오목 거울과 볼록 거울 중 적어도 하나를 나열하여 만들어질 수 있다.
상기 제1 내지 제4 렌즈-거울 조합은, 상기 광의 경로로부터 이격하거나 상기 광의 경로를 따라 위치될 수 있다.
상기 광분석부가, 상기 회절 격자와 상기 광경유 렌즈 사이에 이색성 거울을 가지고, 상기 이색성 거울에 상기 광을 조사하는 광발생기를 가지면서, 상기 광포획부가, 상기 제1 광유도체에서 볼록 렌즈로 이루어지거나 볼록 렌즈와 오목 렌즈로 이루어진 제1 및 제2 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제2 광유도체에서 볼록 렌즈로 이루어진 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지는 때, 상기 광은, 상기 이색성 거울로부터 시작하여 상기 광경유 렌즈 그리고 제1 내지 제4 광연장 렌즈를 순차적으로 지나 상기 타겟에 도달할 수 있다.
상기 광포획부가, 상기 제1 유도체에서 볼록 렌즈로 이루어지거나 볼록 렌즈와 오목 렌즈로 이루어진 제1 및 제2 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제1 광유도체에서 상기 제1 및 제2 광연장 렌즈 사이에 이색성 거울을 가지고, 상기 제2 광유도체에서 볼록 렌즈로 이루어진 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지고, 상기 제1 광유도체와 상기 제2 광유도체 주변에서 상기 이색성 거울에 상기 광을 조사하는 광발생기를 가지는 때, 상기 광은, 상기 이색성 거울로부터 시작하여 제2 광연장 렌즈와 제3 광연장 렌즈와 제4 광연장 렌즈를 지나 상기 타겟에 도달할 수 있다.
본 발명에 따른 라만 분광 장치는,
광분석부와 광포획부로 이루어지고, 광분석부의 내부에 광감지기와 광모음 렌즈와 회절 격자와 광발생기와 이색성 거울과 광경유 렌즈를 구비하고, 광포획부 내부에 광경유 렌즈로부터 순차적으로 위치되는 제1 내지 제4 광유도체를 구비해서,
광분석부에 광포획부를 고정시키고, 광경유 렌즈와 제1 광유도체의 초점을 광분석부의 슬릿에 두고, 제4 광유도체의 초점을 광분석부의 반대편에서 광포획부 주변에 위치되는 타겟에 두고, 광경유 렌즈와 제1 광유도체의 개구수를 동일하게 하고, 제1 광유도체와 제4 광유도체의 개구수를 동일하게 하거나 다르게 하므로,
광발생기의 광을 이색성 거울 그리고 광경유 렌즈 그리고 제1 내지 제4 광유도체 그리고 타켓에 순차적으로 조사시키면서 타겟에 산란광을 발생시키는 동안, 광포획부에서 제1 내지 제4 광유도체를 사용하여 타겟으로부터 산란광을 충분히 포획하고 광분석부에서 광감지기와 광모음 렌즈와 회절 격자와 광발생기와 이색성 거울과 광경유 렌즈를 사용하여 산란광을 용이하게 분석할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 라만 분광 장비와 타겟의 위치 관계를 보여주는 개략도이다.
도 2는 도 1의 라만 분광 장비에서 광발생기의 광을 타켓에 조사시키는 동안 타겟에 발생되는 산란광을 보여주는 개략도이다.
도 3은 도 2의 타겟에서 산란광의 발생 동안 분자의 에너지 천이를 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라만 분광 장치를 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 라만 분광 장치를 보여주는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 라만 분광 장치를 보여주는 개략도이다.
도 7은 도 4의 라만 분광 장치에서 광포획부와 타겟의 위치 관계를 보여주는 개략도이다.
도 8은 도 4의 광포획부에서 볼록 렌즈의 초점을 보여주는 개략도이다.
도 9는 도 5의 광포획부에서 오목 렌즈의 초점을 보여주는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 라만 분광 장치를 보여주는 개략도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라만 분광 장치를 보여주는 개략도이고, 도 7은 도 4의 라만 분광 장치에서 광포획부와 타겟의 위치 관계를 보여주는 개략도이며, 도 8은 도 4의 광포획부에서 볼록 렌즈의 초점을 보여주는 개략도이다.
도 4 및 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 라만 분광 장치(90)는, 개략적으로 살펴볼 때, 타겟(100)으로부터 멀어지는 방향을 따라 광포획부(80)와 광분석부(10)로 이루어지고, 광분석부(10)에 광감지기(1)와 광모음 렌즈(3)와 회절 격자(4)와 광경유 렌즈(9)를 구비하고, 광분석부(10)와 광포획부(80) 중 하나에서 광(5)을 발생시켜 광(5)을 타겟(100)에 조사시키면서 타겟(100)에 산란광(104)을 발생시키도록 구성된다.
또한, 상기 라만 분광 장치(90)는, 광포획부(80)를 통해 타겟(100)으로부터 산란광(104)을 포획하여 광분석부(10)에 전달하고, 광분석부(10)에서 산란광(104)을 광경유 렌즈(9)와 회절 격자(4)에 순차적으로 통과시키는 동안 회절 격자(4)에서 산란광(102)을 파장별로 분해시키고 광모음 렌즈(3)에서 분해된 산란광(102)을 모아 광감지기(1)에 전달하도록 구성된다. 여기서, 상기 이색성 거울(7)은, 탄성 및 비탄성의 에너지를 갖는 산란광(104) 중 비탄성 에너지를 갖는 산란광(102)을 통과시킨다.
좀 더 상세하게 살펴볼 때, 상기 광포획부(80)는, 광분석부(10)로부터 시작하여 타겟(100)을 향해 순차적으로 배열되도록, 제1 광유도체(69)의 개수를 하나로 그리고 제2 광유도체(79)의 개수를 적어도 하나로 가지고, 제1 광유도체(69)와 제2 광유도체(79) 중 적어도 하나를 통해 광(5)을 타겟(100)에 전달하거나 제1 광유도체(69)와 제2 광유도체(79)를 통해 타켓(100)으로부터 산란광(104)을 전달받아 산란광(104)을 광경유 렌즈(9)에 전달한다.
상기 제1 광유도체(69)는, 볼록 렌즈(convex lens)로 이루어져 광경유 렌즈(9)로부터 멀어지는 방향을 향해 순차적으로 위치되는 제1 광연장 렌즈(64)와 제2 광연장 렌즈(68)를 가지고, 제1 광연장 렌즈(64)와 제2 광연장 렌즈(68) 사이에서 산란광(104)을 평행하게 만든다. 여기서, 상기 제1 광연장 렌즈(64)는, 광분석부(10)의 슬릿(aperture; S1)에 초점(focal point)을 두면서 광경유 렌즈(9)와 동일한 개구수(numerical aperture; NA)를 갖는다. 상기 제2 광연장 렌즈(68)는, 광경유 렌즈(9)와 동일하거나 다른 개구수를 갖는다.
상기 광경유 렌즈(9)가 볼록 렌즈인 때, 제1 및 제2 광연장 렌즈(64, 68)는, 제1 광연장 렌즈(64)에서 광분석부(10)의 슬릿(S1)에 광경유 렌즈(9)와 초점을 공유하고, 제2 광연장 렌즈(68)에서 제2 광연장 렌즈(68)에 가장 가까이 위치되는 제2 광유도체(79)의 전방에 초점을 갖는다.
상기 제1 광유도체(69)가, 볼록 렌즈로 이루어져 광경유 렌즈(9)로부터 순차적으로 위치되는 제1 및 제2 광연장 렌즈(64, 68)를 가지고, 상기 제2 광유도체(79)가 하나인 때, 상기 제2 광유도체(79)는, 볼록 렌즈로 이루어져 제2 광연장 렌즈(68)로부터 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈(74, 78)를 가지고, 제3 및 제4 광연장 렌즈(74, 78)에서 제1 및 제2 광연장 렌즈(64, 68)보다 더 큰 개구수를 가지며, 제3 광연장 렌즈(74)에서 제4 광연장 렌즈(78)와 동일한 개구수를 가지거나 다른 개구수를 가지고, 제3 및 제4 광연장 렌즈(74, 78) 사이에서 산란광(104)을 평행하게 만든다.
상기 광경유 렌즈(9)가 볼록 렌즈인 때, 제3 및 제4 광연장 렌즈(74, 78)는, 제3 광연장 렌즈(74)에서 제2 광연장 렌즈(68)와 초점을 공유하고, 제4 광연장 렌즈(78)에서 타겟(100)에 초점을 갖는다.
상기 제1 광유도체(69)가, 볼록 렌즈로 이루어져 광경유 렌즈(9)로부터 순차적으로 위치되는 제1 및 제2 광연장 렌즈(64, 68)를 가지고, 상기 제2 광유도체(79)가 복수인 때, 복수의 제2 광유도체(79)는, 개별 제2 광유도체(79)에서, 볼록 렌즈로 이루어져 제1 광유도체(69)로부터 타켓(100)을 향하는 방향을 따라 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈(74, 78)를 가지고, 제3 및 제4 광연장 렌즈(74, 78) 사이에서 산란광(104)을 평행하게 만들고, 제1 광유도체(69)로부터 타켓(100)을 향하는 방향을 따라 점진적으로 커지는 개구수를 갖는다.
상기 광경유 렌즈(9)가 볼록 렌즈인 때, 상기 제1 광유도체(69)에 가까이 위치되는 첫번째 제2 광유도체(79), 그리고 타겟(100)에 가까이 위치되는 마지막 제2 광유도체(79), 그리고 첫번째 제2 광유도체(79)와 마지막 제2 광유도체(79) 사이에 위치되는 중간 제2 광유도체(79)들은, 첫번째 제2 광유도체(79)의 제3 광연장 렌즈(74)에서 제1 광유도체(69)의 제2 광연장 렌즈(68)와 초점을 공유하고, 마지막 제2 광유도체(79)의 제4 광연장 렌즈(78)에서 타겟(100)에 초점을 가지고, 첫번째 제2 광유도체(79) 및 중간 제2 광유도체(79)들 및 마지막 제2 광유도체(79)를 통해, 이웃하는 두 개의 제2 광유도체(79)에서, 전방 제2 광유도체(79)의 제4 광연장 렌즈(78)와 후방 제2 광유도체(79)의 제3 광연장 렌즈(74) 사이에 초점을 공유한다.
상기 제1 광유도체(69)가, 볼록 렌즈로 이루어진 제1 및 제2 광연장 렌즈(64, 68)를 가지고, 상기 제2 광유도체(79)가, 볼록 렌즈로 이루어진 제3 및 제4 광연장 렌즈(74, 78)를 가지면서, 제1 내지 제4 광연장 렌즈(64, 68, 74, 78)가, 광(5)의 진행 방향에 대해 수평하게 위치되는 때, 광발생기(6)의 광(5)을 따라 수평하게 위치되는 때, 상기 광포획부(80)의 길이(L)는, 광분석부(10)와 타겟(100) 사이에서,
Figure pat00002
, (단, k 및 n 은 자연수이고, fk 는 k 번째 렌즈의 촛점 거리이고, n≥2 임) 이다. 상기 제1 내지 제4 광연장 렌즈(64, 68, 74, 78)는, 개별 광연장 렌즈(64 또는 68 또는 74 또는 78)에서, 개구수(NAk) = (렌즈 직경(Dk)/(2 X 초점 거리(fk)), (단, k 는 1부터 2n 까지의 자연수 임)를 갖는다.
k = 2n 번째 렌즈의 촛점 거리(f2n)는, f2n = f1 * m (단, m 은 스케일링 인자) 이다. 상기 k = 2n 번째 렌즈의 렌즈 직경(D2n)은, D2n = D1 * m 이다. 상기 k = 2n 번째 렌즈의 개구수(NA2N)는, NA2N = NA1 이다. 이와 다르게, k = 2n 번째 렌즈의 촛점 거리(f2n)는, f2n = f1 * m1 (단, m1 은 제1 스케일링 인자 임) 일 수 있다. 상기 k = 2n 번째 렌즈의 렌즈 직경(D2n)은, D2n = D1 * m2 (단, m2 는 제2 스케일링 인자 임) 일 수 있다. 상기 제1 스케일링 인자(m1)는, 상기 제2 스케일링 인자(m2)와 다른 크기를 가질 수 있다. 상기 k = 2n 번째 렌즈의 개구수(NA2N)는, NA2N ≠ NA1 일 수 있다.
한편, 상기 라만 분광 장치(90)는, 회절 격지(4)와 이색성 거울(7) 사이에 롱 패스 필터(Long Pass Filter; 도면에 미도시)를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 라만 분광 장치를 보여주는 개략도이다.
도 5를 참조하면, 상기 라만 분광 장치(90A)는, 도 4의 라만 분광 장치(90)와 유사한 구조를 갖는다. 따라서, 상기 라만 분광 장치(90A)의 기술은, 도 4의 라만 분광 장치(90)와 동일한 부분에 대해 가능한 생략하기로 한다. 상기 라만 분광 장치(90A)에서, 광분석부(10A)는, 광감지기(1)와 광모음 렌즈(3)와 회절 격자(4)와 광경유 렌즈(9)를 갖는다. 광포획부(80A)는, 제1 광유도체(69)와 제2 광유도체(79) 주변에 광발생기(6)를 가지고, 제1 광유도체(69)에서 제1 광연장 렌즈(64)와 제2 광연장 렌즈(68)를 가지고, 제1 광연장 렌즈(64)와 제2 광연장 렌즈(68) 사이에 이색성 거울(7)을 가지고, 제2 광유도체(79)에서 제3 광연장 렌즈(74)와 제4 광연장 렌즈(78)를 갖는다.
광포획부(80A)에서, 상기 광발생기(6)는, 이색성 거울(7)에 광(5)을 조사하고, 상기 광(5)은 제2 광연장 렌즈(68)와 제3 광연장 렌즈(74)와 제4 광연장 렌즈(78)를 순차적으로 지나 타겟(100)에 도달하여 타겟(100)으로부터 산란광(104)을 발생시킨다. 상기 산란광(104)은, 제4 광연장 렌즈((78)와 제3 광연장 렌즈(74)와 제2 광연장 렌즈(68)와 이색성 거울(7)을 순차적으로 지나는 동안 이색성 거울(7)에서 비탄성 산란광(102)으로 만들어진다. 상기 비탄성 산란광(102)은, 제1 광연장 렌즈(64), 그리고 광분석부(10A)의 슬릿(S1), 그리고 광경유 렌즈(9), 그리고 회절 격자(4), 그리고 광모음 렌즈(3)를 순차적으로 지나 광감지기(1)에 도달한다.
한편, 상기 라만 분광 장치(90A)는, 제1 광연장 렌즈(64)와 이색성 거울(7) 사이에 롱 패스 필터(Long Pass Filter; 도면에 미도시)를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 라만 분광 장치를 보여주는 개략도이다.
도 9는 도 5의 광포획부에서 오목 렌즈의 초점을 보여주는 개략도이다.
도 6 및 도 9를 참조하면, 상기 라만 분광 장치(140)는, 도 4의 라만 분광 장치(90)와 유사한 구조를 갖는다. 따라서, 상기 라만 분광 장치(140)의 기술은, 도 4의 라만 분광 장치(90)와 동일한 부분에 대해 가능한 생략하기로 한다. 먼저, 상기 라만 분광 장치(140)에서, 상기 제1 광유도체(119)는, 광경유 렌즈(9)로부터 멀어지는 방향을 향해 순차적으로 위치되도록, 볼록 렌즈로 이루어지는 제1 광연장 렌즈(114)와 오목 렌즈(concave lens)로 이루어지는 제2 광연장 렌즈(118)를 가지고, 제1 광연장 렌즈(114)와 제2 광연장 렌즈(118) 사이에서 산란광(104)을 평행하게 만든다.
상기 제1 광연장 렌즈(114)는, 광분석부(10)의 슬릿(S2)에 초점을 두면서 광경유 렌즈(9)와 동일한 개구수를 갖는다. 상기 제2 광연장 렌즈(118)는, 광경유 렌즈99)와 동일하거나 다른 개구수를 갖는다. 상기 광경유 렌즈(9)가 볼록 렌즈인 때, 제1 및 제2 광연장 렌즈(114, 118)는, 제1 광연장 렌즈(114)에서 광분석부(10)의 슬릿(S2)에 광경유 렌즈(9)와 초점을 공유하고, 제2 광연장 렌즈(118)에서 제2 광연장 렌즈(118)에 가장 가까이 위치되는 제2 광유도체(129)의 평행광을 경사지게 모아 전달받는다
상기 제1 광유도체(119)가, 광경유 렌즈(9)로부터 순차적으로 위치되도록, 볼록 렌즈로 이루어지는 제1 광연장 렌즈(114) 및 오목 렌즈로 이루어지는 제2 광연장 렌즈(118)를 가지고, 상기 제2 광유도체(129)가 하나인 때, 상기 제2 광유도체(129)는, 볼록 렌즈로 이루어져 제2 광연장 렌즈(118)로부터 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈(124, 128)를 가지고, 제3 및 제4 광연장 렌즈(124, 128)에서 제1 및 제2 광연장 렌즈(114, 118)보다 더 큰 개구수를 가지며, 제3 광연장 렌즈(124)에서 제4 광연장 렌즈(128)와 동일한 개구수를 가지거나 다른 개구수를 가지고, 제3 및 제4 광연장 렌즈(124, 128) 사이에서 산란광(154)을 평행하게 만든다.
상기 광경유 렌즈(9)가 볼록 렌즈인 때, 상기 제3 및 제4 광연장 렌즈(124, 128)는, 제3 광연장 렌즈(124)에서 제2 광연장 렌즈(118)에 산란광(154)을 경사지게 전달하고, 제4 광연장 렌즈(128)에서 타겟(150)에 초점을 갖는다.
상기 제1 광유도체(119)가, 광경유 렌즈(9)로부터 순차적으로 위치되도록, 볼록 렌즈로 이루어지는 제1 광연장 렌즈(114) 및 오목 렌즈로 이루어지는 제2 광연장 렌즈(118)를 가지고, 상기 제2 광유도체(129)가 복수인 때, 복수의 제2 광유도체(129)는, 개별 제2 광유도체(129)에서, 볼록 렌즈로 이루어져 제1 광유도체(119)로부터 타켓(150)을 향하는 방향을 따라 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈(124, 128)를 가지고, 제3 및 제4 광연장 렌즈(124, 128) 사이에서 산란광(154)을 평행하게 만들고, 제1 광유도체(119)로부터 타켓(150)을 향하는 방향을 따라 점진적으로 커지는 개구수를 갖는다.
상기 광경유 렌즈(9)가 볼록 렌즈인 때, 제1 광유도체(119)에 가까이 위치되는 첫번째 제2 광유도체(129), 그리고 타겟(150)에 가까이 위치되는 마지막 제2 광유도체(129), 그리고 첫번째 제2 광유도체(129)와 마지막 제2 광유도체(129) 사이에 위치되는 중간 제2 광유도체(129)들은, 첫번째 제2 광유도체(129)의 제3 광연장 렌즈(124)에서 산란광(154)을 제1 광유도체(119)에 경사지게 전달하고, 마지막 제2 광유도체(129)의 제4 광연장 렌즈(128)에서 타겟(150)에 초점을 가지고, 첫번째 제2 광유도체(129) 및 중간 제2 광유도체(129)들 및 마지막 제2 광유도체(129)를 통해, 이웃하는 두 개의 제2 광유도체(129)에서 전방 제2 광유도체(129)의 제4 광연장 렌즈(128)와 후방 제2 광유도체(129)의 제3 광연장 렌즈(124) 사이에 초점을 공유한다.
상기 제1 광유도체(119)가, 볼록 렌즈와 오목 렌즈로 이루어진 제1 및 제2 광연장 렌즈(114, 118)를 가지고, 상기 제2 광유도체(129)가, 볼록 렌즈로 이루어진 제3 및 제4 광연장 렌즈(124, 128)를 가지면서, 제1 내지 제4 광연장 렌즈(114, 118, 124, 128)가, 광(5)의 진행 방향에 대해 수평하게 위치되는 때, 광발생기(6)의 광(5)을 따라 수평하게 위치되는 때, 상기 광포획부(130)의 길이(L)는, 광분석부(10)와 타겟(150) 사이에서,
Figure pat00003
, (단, k 및 n 은 자연수이고, fk 는 k 번째 렌즈의 촛점 거리이고, n≥2 임) 이다. 상기 제1 내지 제4 광연장 렌즈(1114, 118, 124, 128)는, 개별 광연장 렌즈(1114 또는 118 또는 124 또는 128)에서, 개구수(NAk) = (렌즈 직경(Dk)/(2 X 초점 거리(fk)), (단, k 는 1부터 2n 까지의 자연수 임)를 갖는다.
k = 2n 번째 렌즈의 촛점 거리(f2n)는, f2n = f1 * m (단, m 은 스케일링 인자) 이다. 상기 k = 2n 번째 렌즈의 렌즈 직경(D2n)은, D2n = D1 * m 이다. 상기 k = 2n 번째 렌즈의 개구수(NA2N)는, NA2N = NA1 이다. 이와 다르게, k = 2n 번째 렌즈의 촛점 거리(f2n)는, f2n = f1 * m1 (단, m1 은 제1 스케일링 인자 임) 일 수 있다. 상기 k = 2n 번째 렌즈의 렌즈 직경(D2n)은, D2n = D1 * m2 (단, m2 는 제2 스케일링 인자 임) 일 수 있다. 상기 제1 스케일링 인자(m1)는, 상기 제2 스케일링 인자(m2)와 다른 크기를 가질 수 있다. 상기 k = 2n 번째 렌즈의 개구수(NA2N)는, NA2N ≠ NA1 일 수 있다.
여기서, 상기 라만 분광 장치(140)는, 회절 격자(4)와 이색성 거울(7) 사이에 롱 패스 필터(Long Pass Filter; 도면에 미도시)를 가질 수 있다.
한편, 상기 라만 분광 장치(140)는, 도면에 미도시되지만, 제1 광유도체(119)와 제2 광유도체(129) 주변에 도 5의 광발생기(6)를 가지고, 제1 광유도체(119)에서 제1 및 제2 광연장 렌즈(114, 118) 사이에 도 5의 이색성 거울(7)을 가질 수 있다. 좀 더 상세하게 설명하면, 상기 라만 분광 장치(140)에서, 상기 광분석부(10)는, 광감지기(1)와 광모음 렌즈(3)와 회절 격자(4)와 광경유 렌즈(9)를 가질 수 있다. 상기 광포획부(80)는, 제1 광유도체(119)와 제2 광유도체(129) 주변에 광발생기(6)를 가지고, 제1 광유도체(119)에서 제1 광연장 렌즈(114)와 제2 광연장 렌즈(118)를 가지고, 제1 광연장 렌즈(114)와 제2 광연장 렌즈(118) 사이에 이색성 거울(7)을 가지고, 제2 광유도체(129)에서 제3 광연장 렌즈(124)와 제4 광연장 렌즈(128)를 가질 수 있다.
상기 광포획부(130)에서, 상기 광발생기(6)는, 이색성 거울(7)에 광(5)을 조사하고, 상기 광(5)은 제2 광연장 렌즈(118)와 제3 광연장 렌즈(124)와 제4 광연장 렌즈(128)를 순차적으로 지나 타겟(150)에 도달하여 타겟(150)으로부터 산란광(154)을 발생시킬 수 있다. 상기 산란광(154)은, 제4 광연장 렌즈((128)와 제3 광연장 렌즈(124)와 제2 광연장 렌즈(118)와 이색성 거울(7)을 순차적으로 지나는 동안 이색성 거울(7)에서 비탄성 산란광(152)으로 만들어질 수 있다. 상기 비탄성 산란광(152)은, 제1 광연장 렌즈(114), 그리고 광분석부(10)의 슬릿(S2), 그리고 광경유 렌즈(9), 그리고 회절 격자(4), 그리고 광모음 렌즈(3)를 순차적으로 지나 광감지기(1)에 도달할 수 있다.
또한, 상기 라만 분광 장치(140)는, 제1 광연장 렌즈(114)와 이색성 거울(7) 사이에 롱 패스 필터(Long Pass Filter; 도면에 미도시)를 가질 수도 있다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 라만 분광 장치를 보여주는 개략도이다.
도 10을 참조하면, 상기 라만 분광 장치(210)는, 도 4의 라만 분광 장치(90)와 유사한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 상기 라만 분광 장치(210)의 도시 및 기술은, 도 4의 라만 분광 장치(90)와 동일한 부분에 대해 가능한 생략하기로 한다.
우선적으로, 상기 라만 분광 장치(210)에서, 상기 제1 광유도체(69)는, 광분석부(10)로부터 순차적으로 위치되는 제1 광연장 렌즈(64) 및 제2 광연장 렌즈(68)를 가질 수 있다. 상기 제2 광유도체(200)는, 상기 제1 광유도체(69)로부터 순차적으로 위치되는 제1 렌즈-거울 조합 및 제2 렌즈-거울 조합을 가질 수 있다. 다. 여기서, 제1 및 제2 렌즈-거울 조합은, 개별 렌즈-거울 조합에서, 평면 렌즈와 볼록 렌즈와 오목 렌즈와 비구면 렌즈 중 적어도 하나(도면에 미도시), 그리고 평면 거울(160)과 오목 거울(170)과 볼록 거울(180, 190) 중 적어도 하나를 나열하여 만들어질 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 광연장 렌즈(64, 68) 그리고 제1 및 제2 렌즈-거울 조합은, 광발생기(5)의 광(5)의 경로로부터 이격하거나 광발생기(6)의 광(5)의 경로를 따라 위치될 수 있다.
이와 다르게, 상기 제1 광유도체는, 광분석부(10)로부터 순차적으로 위치되는 제1 렌즈-거울 조합 및 제2 렌즈-거울 조합(도면에 미도시)을 가질 수도 있다. 상기 제2 광유도체(200)는, 제1 광유도체로부터 순차적으로 위치되는 제3 렌즈-거울 조합 및 제4 렌즈-거울 조합을 가질 수도 있다. 제1 및 제4 렌즈-거울 조합은, 개별 렌즈-거울 조합에서, 평면 렌즈와 볼록 렌즈와 오목 렌즈와 비구면 렌즈 중 적어도 하나(도면에 미도시), 그리고 평면 거울(160)과 오목 거울(170)과 볼록 거울(180, 190) 중 적어도 하나를 나열하여 만들어질 수도 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제4 렌즈-거울 조합은, 광발생기(6)의 광(5)의 경로로부터 이격하거나 광발생기(6)의 광(5)의 경로를 따라 위치될 수도 있다.
1; 광감지기, 3; 광모음 렌즈
4; 회절 격자, 6; 광발생기
7; 이색성 거울, 9; 광경유 렌즈
10; 광분석부, 64 & 68; 제1 및 제2 광연장 렌즈
69; 제1 광유도체, 74 & 78; 제3 및 제4 광연장 렌즈
79; 제2 광유도체, 80; 광포획부
90; 라만 분광 장치, 100; 타겟
5 & 102, 104, 108; 광, S1; 슬릿

Claims (22)

  1. 타겟으로부터 멀어지는 방향을 따라 광포획부와 광분석부로 이루어지고, 상기 광분석부에 광감지기와 광모음 렌즈와 회절 격자와 광경유 렌즈를 구비하고, 상기 광분석부와 상기 광포획부 중 하나에서 광을 발생시켜 상기 광을 상기 타겟에 조사시키면서 상기 타겟에 산란광을 발생시킨 후, 상기 광포획부를 통해 상기 타겟으로부터 상기 산란광을 포획하여 상기 광분석부에 전달하고, 상기 광분석부에서 상기 산란광을 상기 광경유 렌즈와 상기 회절 격자에 순차적으로 통과시키는 동안 상기 회절 격자에서 상기 산란광을 파장별로 분해시키고 상기 광모음 렌즈에서 분해된 산란광을 모아 상기 광감지기에 전달하는 라만 분광 장치에 있어서,
    상기 광포획부는,
    상기 광분석부로부터 시작하여 상기 타겟을 향해 순차적으로 배열되도록, 제1 광유도체의 개수를 하나로 그리고 제2 광유도체의 개수를 적어도 하나로 가지고,
    상기 제1 광유도체와 상기 제2 광유도체 중 적어도 하나를 통해 상기 광을 상기 타겟에 전달하거나 상기 제1 광유도체와 상기 제2 유도체를 통해 상기 타켓으로부터 상기 산란광을 전달받아 상기 산란광을 상기 광경유 렌즈에 전달하는, 라만 분광 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광유도체는,
    볼록 렌즈(convex lens)로 이루어져 상기 광경유 렌즈로부터 멀어지는 방향을 향해 순차적으로 위치되는 제1 광연장 렌즈와 제2 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제1 광연장 렌즈와 상기 제2 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만들고,
    상기 제1 광연장 렌즈는,
    상기 광분석부의 슬릿에 초점(focal point)을 두면서 상기 광경유 렌즈와 동일한 개구수(numerical aperture; NA)를 가지고,
    상기 제2 광연장 렌즈는,
    상기 광경유 렌즈와 동일하거나 다른 개구수를 가지는, 라만 분광 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때,
    제1 및 제2 광연장 렌즈는,
    상기 제1 광연장 렌즈에서 상기 광분석부의 상기 슬릿(aperture)에 상기 광경유 렌즈와 초점을 공유하고,
    상기 제2 광연장 렌즈에서 상기 제2 광연장 렌즈에 가장 가까이 위치되는 제2 광유도체의 전방에 초점을 가지는, 라만 분광 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광유도체가,
    볼록 렌즈로 이루어져 상기 광경유 렌즈로부터 순차적으로 위치되는 제1 및 제2 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제2 광유도체가 하나인 때,
    상기 제2 광유도체는,
    볼록 렌즈로 이루어져 제2 광연장 렌즈로부터 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제3 및 제4 광연장 렌즈에서 상기 제1 및 제2 광연장 렌즈보다 더 큰 개구수를 가지며,
    상기 제3 광연장 렌즈에서 상기 제4 광연장 렌즈와 동일한 개구수를 가지거나 다른 개구수를 가지고,
    상기 제3 및 제4 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만드는, 라만 분광 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때,
    제3 및 제4 광연장 렌즈는,
    상기 제3 광연장 렌즈에서 상기 제2 광연장 렌즈와 초점을 공유하고,
    상기 제4 광연장 렌즈에서 상기 타겟에 초점을 가지는, 라만 분광 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광유도체가,
    볼록 렌즈로 이루어져 상기 광경유 렌즈로부터 순차적으로 위치되는 제1 및 제2 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제2 광유도체가 복수인 때,
    복수의 제2 광유도체는,
    개별 제2 광유도체에서, 볼록 렌즈로 이루어져 상기 제1 광유도체로부터 상기 타켓을 향하는 방향을 따라 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제3 및 제4 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만들고,
    상기 제1 광유도체로부터 상기 타켓을 향하는 상기 방향을 따라 점진적으로 커지는 개구수를 가지는, 라만 분광 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때,
    상기 제1 광유도체에 가까이 위치되는 첫번째 제2 광유도체, 그리고 상기 타겟에 가까이 위치되는 마지막 제2 광유도체, 그리고 상기 첫번째 제2 광유도체와 상기 마지막 제2 광유도체 사이에 위치되는 중간 제2 광유도체들은,
    상기 첫번째 제2 광유도체의 제3 광연장 렌즈에서 상기 제1 광유도체의 제2 광연장 렌즈와 초점을 공유하고,
    상기 마지막 제2 광유도체의 제4 광연장 렌즈에서 상기 타겟에 초점을 가지고,
    상기 첫번째 제2 광유도체 및 상기 중간 제2 광유도체들 및 상기 마지막 제2 광유도체를 통해, 이웃하는 두 개의 제2 광유도체에서, 전방 제2 광유도체의 제4 광연장 렌즈와 후방 제2 광유도체의 제3 광연장 렌즈 사이에 초점을 공유하는, 라만 분광 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광유도체는,
    상기 광경유 렌즈로부터 멀어지는 방향을 향해 순차적으로 위치되도록, 볼록 렌즈로 이루어지는 제1 광연장 렌즈와 오목 렌즈(concave lens)로 이루어지는 제2 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제1 광연장 렌즈와 상기 제2 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만들고,
    상기 제1 광연장 렌즈는,
    상기 광분석부의 슬릿에 초점을 두면서 상기 광경유 렌즈와 동일한 개구수를 가지고,
    상기 제2 광연장 렌즈는,
    상기 광경유 렌즈와 동일하거나 다른 개구수를 가지는, 라만 분광 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때,
    제1 및 제2 광연장 렌즈는,
    상기 제1 광연장 렌즈에서 상기 광분석부의 상기 슬릿에 상기 광경유 렌즈와 초점을 공유하고,
    상기 제2 광연장 렌즈에서 상기 제2 광연장 렌즈에 가장 가까이 위치되는 제2 광유도체의 평행광을 경사지게 모아 전달받는, 라만 분광 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광유도체가,
    상기 광경유 렌즈로부터 순차적으로 위치되도록, 볼록 렌즈로 이루어지는 제1 광연장 렌즈 및 오목 렌즈로 이루어지는 제2 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제2 광유도체가 하나인 때,
    상기 제2 광유도체는,
    볼록 렌즈로 이루어져 상기 제2 광연장 렌즈로부터 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제3 및 제4 광연장 렌즈에서 상기 제1 및 제2 광연장 렌즈보다 더 큰 개구수를 가지며,
    상기 제3 광연장 렌즈에서 상기 제4 광연장 렌즈와 동일한 개구수를 가지거나 다른 개구수를 가지고,
    상기 제3 및 제4 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만드는, 라만 분광 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때,
    상기 제3 및 제4 광연장 렌즈는,
    상기 제3 광연장 렌즈에서 상기 제2 광연장 렌즈에 상기 산란광을 경사지게 전달하고,
    상기 제4 광연장 렌즈에서 상기 타겟에 초점을 가지는, 라만 분광 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광유도체가,
    상기 광경유 렌즈로부터 순차적으로 위치되도록, 볼록 렌즈로 이루어지는 제1 광연장 렌즈 및 오목 렌즈로 이루어지는 제2 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제2 광유도체가 복수인 때,
    복수의 제2 광유도체는,
    개별 제2 광유도체에서, 볼록 렌즈로 이루어져 상기 제1 광유도체로부터 상기 타켓을 향하는 방향을 따라 순차적으로 위치되는 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제3 및 제4 광연장 렌즈 사이에서 상기 산란광을 평행하게 만들고,
    상기 제1 광유도체로부터 상기 타켓을 향하는 상기 방향을 따라 점진적으로 커지는 개구수를 가지는, 라만 분광 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 광경유 렌즈가 볼록 렌즈인 때,
    상기 제1 광유도체에 가까이 위치되는 첫번째 제2 광유도체, 그리고 상기 타겟에 가까이 위치되는 마지막 제2 광유도체, 그리고 상기 첫번째 제2 광유도체와 상기 마지막 제2 광유도체 사이에 위치되는 중간 제2 광유도체들은,
    상기 첫번째 제2 광유도체의 제3 광연장 렌즈에서 상기 산란광을 상기 제1 광유도체에 경사지게 전달하고,
    상기 마지막 제2 광유도체의 제4 광연장 렌즈에서 상기 타겟에 초점을 가지고,
    상기 첫번째 제2 광유도체 및 상기 중간 제2 광유도체들 및 상기 마지막 제2 광유도체를 통해, 이웃하는 두 개의 제2 광유도체에서 전방 제2 광유도체의 제4 광연장 렌즈와 후방 제2 광유도체의 제3 광연장 렌즈 사이에 초점을 공유하는, 라만 분광 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광유도체가,
    볼록 렌즈로 이루어지거나 볼록 렌즈와 오목 렌즈로 이루어진 제1 및 제2 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제2 광유도체가,
    볼록 렌즈로 이루어진 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지면서,
    제1 내지 제4 광연장 렌즈가,
    상기 광의 진행 방향에 대해 수평하게 위치되는 때,
    상기 광포획부의 길이(L)는,
    상기 광분석부와 상기 타겟 사이에서,
    Figure pat00004
    ,
    (단, k 및 n 은 자연수이고, fk 는 k 번째 렌즈의 촛점 거리이고, n≥2 임)
    이고,
    상기 제1 내지 제4 광연장 렌즈는,
    개별 광연장 렌즈에서,
    개구수(NAk) = (렌즈 직경(Dk)/(2 X 초점 거리(fk)),
    (단, k 는 1부터 2n 까지의 자연수 임)
    를 가지는, 라만 분광 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    k = 2n 번째 렌즈의 촛점 거리(f2n)는,
    f2n = f1 * m (단, m 은 스케일링 인자) 이고,
    상기 k = 2n 번째 렌즈의 렌즈 직경(D2n)은,
    D2n = D1 * m 이고,
    상기 k = 2n 번째 렌즈의 개구수(NA2N)는,
    NA2N = NA1 인, 라만 분광 장치.
  16. 제14 항에 있어서,
    k = 2n 번째 렌즈의 촛점 거리(f2n)는,
    f2n = f1 * m1 (단, m1 은 제1 스케일링 인자 임) 이고,
    상기 k = 2n 번째 렌즈의 렌즈 직경(D2n)은,
    D2n = D1 * m2 (단, m2 는 제2 스케일링 인자 임) 이며,
    상기 제1 스케일링 인자(m1)는,
    상기 제2 스케일링 인자(m2)와 다른 크기를 가지고,
    상기 k = 2n 번째 렌즈의 개구수(NA2N)는,
    NA2N ≠ NA1 인, 라만 분광 장치.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광유도체는,
    상기 광분석부로부터 순차적으로 위치되는 제1 광연장 렌즈 및 제2 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제2 광유도체는,
    상기 제1 광유도체로부터 순차적으로 위치되는 제1 렌즈-거울 조합 및 제2 렌즈-거울 조합을 가지고,
    제1 및 제2 렌즈-거울 조합은,
    개별 렌즈-거울 조합에서, 평면 렌즈와 볼록 렌즈와 오목 렌즈와 비구면 렌즈 중 적어도 하나, 그리고 평면 거울과 오목 거울과 볼록 거울 중 적어도 하나를 나열하여 만들어지는, 라만 분광 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    제1 및 제2 광연장 렌즈 그리고 제1 및 제2 렌즈-거울 조합은,
    상기 광의 경로로부터 이격하거나 상기 광의 상기 경로를 따라 위치되는, 라만 분광 장치.
  19. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광유도체는,
    상기 광분석부로부터 순차적으로 위치되는 제1 렌즈-거울 조합 및 제2 렌즈-거울 조합을 가지고,
    상기 제2 광유도체는,
    상기 제1 광유도체로부터 순차적으로 위치되는 제3 렌즈-거울 조합 및 제4 렌즈-거울 조합을 가지고,
    제1 및 제4 렌즈-거울 조합은,
    개별 렌즈-거울 조합에서, 평면 렌즈와 볼록 렌즈와 오목 렌즈와 비구면 렌즈 중 적어도 하나, 그리고 평면 거울과 오목 거울과 볼록 거울 중 적어도 하나를 나열하여 만들어지는, 라만 분광 장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 렌즈-거울 조합은,
    상기 광의 경로로부터 이격하거나 상기 광의 경로를 따라 위치되는, 라만 분광 장치.
  21. 제1 항에 있어서,
    상기 광분석부가,
    상기 회절 격자와 상기 광경유 렌즈 사이에 이색성 거울을 가지고,
    상기 이색성 거울에 상기 광을 조사하는 광발생기를 가지면서,
    상기 광포획부가,
    상기 제1 광유도체에서 볼록 렌즈로 이루어지거나 볼록 렌즈와 오목 렌즈로 이루어진 제1 및 제2 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제2 광유도체에서 볼록 렌즈로 이루어진 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지는 때,
    상기 광은,
    상기 이색성 거울로부터 시작하여 상기 광경유 렌즈 그리고 제1 내지 제4 광연장 렌즈를 순차적으로 지나 상기 타겟에 도달하는, 라만 분광 장치.
  22. 제1 항에 있어서,
    상기 광포획부가,
    상기 제1 유도체에서 볼록 렌즈로 이루어지거나 볼록 렌즈와 오목 렌즈로 이루어진 제1 및 제2 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제1 광유도체에서 상기 제1 및 제2 광연장 렌즈 사이에 이색성 거울을 가지고,
    상기 제2 광유도체에서 볼록 렌즈로 이루어진 제3 및 제4 광연장 렌즈를 가지고,
    상기 제1 광유도체와 상기 제2 광유도체 주변에서 상기 이색성 거울에 상기 광을 조사하는 광발생기를 가지는 때,
    상기 광은,
    상기 이색성 거울로부터 시작하여 제2 광연장 렌즈와 제3 광연장 렌즈와 제4 광연장 렌즈를 지나 상기 타겟에 도달하는, 라만 분광 장치.


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KR20130113136A (ko) 2012-04-05 2013-10-15 한국화학연구원 비침습적 라인-조사 공간변위라만분광기

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