KR20230039659A - 광학 방사선을 측정하기 위한 분광계 디바이스 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광학 방사선을 측정하기 위한 분광계 디바이스(112) 및 방법(160)과, 분광계 디바이스(112)를 포함하는 분광계 시스템(110)에 관한 것이다. 광학 방사선(114)을 측정하기 위한 분광계 디바이스(112)는,
적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) ― 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)는 광학 방사선(114)을 방출하도록 설계되고, 방출된 광학 방사선(114)의 스펙트럼은 방사선 방출 요소(116)의 온도에 의존함 ― 와,
적어도 하나의 감광성 검출기(120) ― 적어도 하나의 감광성 검출기(120)는 방출된 광학 방사선(114)을 수신하도록 지정된 적어도 하나의 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')을 갖고, 적어도 하나의 감광성 검출기(120)에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호(128)는 적어도 하나의 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')의 조명 및 적어도 하나의 감광성 검출기(120)의 온도에 의존함 ― 와,
적어도 하나의 제어 회로(130) ― 적어도 하나의 제어 회로(130)는,
알려진 온도에서 플랑크의 법칙(Planck's law)을 사용하여 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)에 의해 방출된 광학 방사선(114)의 스펙트럼을 결정하고,
적어도 하나의 제어 신호(132, 134)를 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) 또는 적어도 하나의 감광성 검출기(120) 중 적어도 하나에 적용함으로써 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) 또는 적어도 하나의 감광성 검출기(120) 중 적어도 하나의 온도를 조정하도록 구성됨 ― 와,
적어도 하나의 판독 회로(136) ― 적어도 하나의 판독 회로(136)는 적어도 하나의 감광성 검출기(120)에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호(128)를 측정하도록 구성됨 ― 를 포함한다.
분광계 시스템(110)은 스캔형 분광계 및 분산형 분광계의 장점을 사용함으로써 각각의 단점을 피하는 혼합형 분광계이다. 이들 둘에 비해 혼합형 분광계는 필요한 구성요소의 수를 줄이고 소형화된 기계적 설정을 나타내어 단순화된 분광계 시스템을 구성한다.
적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) ― 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)는 광학 방사선(114)을 방출하도록 설계되고, 방출된 광학 방사선(114)의 스펙트럼은 방사선 방출 요소(116)의 온도에 의존함 ― 와,
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적어도 하나의 판독 회로(136) ― 적어도 하나의 판독 회로(136)는 적어도 하나의 감광성 검출기(120)에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호(128)를 측정하도록 구성됨 ― 를 포함한다.
분광계 시스템(110)은 스캔형 분광계 및 분산형 분광계의 장점을 사용함으로써 각각의 단점을 피하는 혼합형 분광계이다. 이들 둘에 비해 혼합형 분광계는 필요한 구성요소의 수를 줄이고 소형화된 기계적 설정을 나타내어 단순화된 분광계 시스템을 구성한다.
Description
본 발명은 광학 방사선을 측정하기 위한 분광계 디바이스 및 방법과, 분광계 디바이스를 포함하는 분광계 시스템에 관한 것이다. 일반적으로, 이러한 디바이스, 방법, 및 시스템은, 특히 적외선(IR) 스펙트럼 영역(특히, 근적외선(NIR) 스펙트럼 영역)에서의 조사(investigation) 또는 모니터링 목적뿐만 아니라, 열, 화염, 화재 또는 연기의 검출을 위해 사용될 수 있다. 그러나, 다른 종류의 적용도 가능하다.
분광법은 물질에 포함된 원자 및 분자가 그 구조에 고유한 적어도 하나의 특정 파장을 흡수한다는 사실을 이용한다. 따라서, 흡수 분광법은 물질 분석에 중요한 도구이다. 여기서, 흡수는 조사 대상 물질을 포함하는 물체로부터 반사된 방사선을 기록하거나 물체를 통해 투과된 방사선을 기록함으로써 측정될 수 있다. 가장 일반적으로, 액체 및 기체의 경우 투과 분광법이 사용되고, 고체의 경우 반사 분광법이 사용된다.
반사형이 사용되는지 투과형이 사용되는지에 관계없이, 다음 두 가지 접근 방식 중 하나를 사용하여 분광계 디바이스에서 스펙트럼 정보가 분석될 수 있다:
- 첫째, 소위 "스캔형 분광계"에서, 특히 적어도 하나의 전송 요소(구체적으로, 이동 가능한 분산 요소, 조정 가능한 필터 또는 회전 격자 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있음)를 사용하여, 광원에 의해 검출기에 제공되는 파장 범위가 스캔될 수 있다. 결과적으로 검출기는 각 파장을 순차적으로 기록할 수 있다. 여기서, 대부분의 경우 하나의 검출기로 충분할 수 있다. 대안적으로, 상이한 파장의 간섭에 기초한 스캔형 분광계가 사용될 수 있다. 기록 후, 스펙트럼은 푸리에 변환을 사용하여 재구성될 수 있다. 예를 들어, 마이켈슨 간섭계(Michelson Interferometer)가 스캔형 분광계로서 사용될 수 있다.
- 둘째, 소위 "분산형 분광계"에서, 다중-픽셀 검출기, 예를 들어 검출기 매트릭스와 같은 검출기 어레이를 사용하여, 모든 이산 파장이 동시에 기록될 수 있다. 여기서는, 바람직하게는, 프리즘, 격자 또는 선형 가변 필터(LVF) 중 적어도 하나로부터 선택되는 적어도 하나의 분산 요소가 사용된다. 이러한 유형의 분광계는, 예컨대, US 2014/131578 A1, WO 2019/115594 A1, WO 2019/115595 A1 또는 WO 2019/115596 A1에 개시되어 있다.
일반적으로, 스캔형 분광계는 단일 검출기를 포함하며, 이에 따라 한편으로는 판독 전자 장치가 단순화될 수 있으므로 스캔형 분광계의 비용이 절감된다. 그러나, 다른 한편으로, 스캔형 분광계의 광학 부분은 특히 전술한 바와 같은 적어도 하나의 전송 요소를 사용함으로써 일반적으로 더 복잡하다. 결과적으로, 스캔형 분광계의 광학 부분을 위한 광학 구성요소들의 총 비용이 합산될 수 있다.
이와 대조적으로, 분산형 분광계는 스캐닝 요소를 포함하지 않는다. 따라서, 한편으로는 분산형 분광기의 광학 부분을 단순화할 수 있다. 그러나, 다른 한편으로, 분산형 분광계에 포함된 검출기 어레이는 더 복잡한 판독 전자 장치를 필요로 한다. 또한, 검출기 어레이는 일반적으로 단일 검출기에 비해 훨씬 더 비싸다. 그 결과, 분산형 분광계에 필요한 검출기 어레이 및 복잡한 판독 전자 장치의 총 비용이 합산될 수 있다. 또한, 일반적으로, 분산형 분광계의 광학 부분 및 적용 가능한 경우 광전자 부분을 소형화하는 것은 훨씬 더 어렵다.
또한, IR 스펙트럼 영역에서 민감한 광학 검출기, 특히 적어도 하나의 광전도성 물질을 포함하는 광학 검출기가 잡음에 의해 지배되는 검출기 시스템을 구성하는 것이 알려져 있다. 따라서, 광학 검출기에 포함된 감광성 영역에 대한 입사 방사 전력의 증가는 광학 검출기의 개선된 신호 대 잡음비를 초래한다. 그러나, 불리하게도 적어도 하나의 분산 요소는 분광계 시스템에 사용되는 접근 방식에 무관하게 광학 검출기의 감광성 영역에 대한 입사 방사 전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 적어도 하나의 분산 요소는 적어도 하나의 입구 슬릿을 갖고 적어도 하나의 출구 슬릿을 가질 수 있는데, 이는 적어도 하나의 분산 요소를 통과할 수 있는 방사선의 양을 추가로 제한할 수 있다.
EP 3 318 854 A1은 스마트폰이나 태블릿에 접속될 수 있는 피트니스 손목 밴드와 같은, 생체 정보를 측정하기 위한 장치에 포함된 분광계를 개시한다. 이 분광계는 근적외선을 방출하는 광원을 포함한다. 또한, 이 분광계는 온도를 조정함으로써 피크 파장을 제어하는 온도 제어 부재로 구성된 파장 제어기를 포함한다. 제어기는 각 광원에 대해 개별 피크 파장을 설정하고 전류 강도 또는 펄스 지속 시간을 조정하여 광원을 제어함으로써, 티코노프 조정 방법(Tikhonov regularization method) 및 기준 스펙트럼을 사용하여 광 신호에 기초한 스펙트럼을 재구성한다.
WO 2016/191307 A1은 샘플 조직의 고속 스펙트럼 스위프 분석(high-speed spectral sweep analysis)을 수행하도록 구성된 광학 생리학적 센서를 개시한다. 이 센서는 데이터 수집 시스템에 포함될 수 있으며, 가시광선 및/또는 적외선을 샘플 조직에 조사하고 이어서 이를 검출하도록 구성될 수 있다. 이 센서는 방출기와, 온도 센서 및 열전 냉각기(thermoelectric cooler)를 포함하는 열 제어기를 포함하는데, 열전 냉각기는 방출기의 온도를 증가시키기 위해 역전될 수 있다. 열 제어기는 프로세서 및 저장 디바이스에 접속된 고속 데이터 수집 보드/프론트 엔드 인터페이스와 통신한다. 데이터 수집 시스템은 조직(tissue)을 통해 광 강도를 측정하는 조직 광 검출기를 더 포함한다. 열 제어기는 검출기 온도를 추가로 조정할 수 있다. 추가 실시예에서, 센서는 활성 물질로서 인듐 갈륨 비소를 포함한다.
WO 2009/030812 A1은 방사선 소스와, 샘플에 대한 시간 변조된 방사선 조도를 생성하기 위한 변조 디바이스와, 렌즈 또는 미러와 같은 광학 디바이스와, 광학 도광체와, 창, 가변 필터, 선형 검출기 어레이 및 PI 제어기를 갖는 센서 모듈을 포함하는 적외선 분광계를 개시한다. 센서 모듈의 뒷면에는 검출기 어레이 및 선형 가변 필터의 냉각 및 온도 안정화를 위한 수단이 존재한다. 선형 검출기 어레이는 신호 대 잡음 성능을 최적화하기 위해 통합형 냉각 디바이스와 함께 광범위하게 사용 가능하며, 선형 가변 필터는 온도 제어된 볼륨에 통합될 수 있다. 실시예에서는, 광전도성 HgCdTe 어레이가 선형 검출기 어레이로서 사용되고 이는 최적의 성능을 위해 작동 온도로 냉각된다. 냉각 디바이스는 검출기 어레이에 부착된 온도 센서로부터의 피드백을 사용하여 조정된다. 이 피드백은 온도 제어기에 제공되며, 온도 안정화 디바이스의 냉각 또는 가열 기능을 조정하는 데 사용된다.
따라서, 본 발명에 의해 다루어지는 문제는, 적외선(IR) 스펙트럼 영역(특히, 근적외선(NIR) 스펙트럼 영역)에서의 조사(investigations)에 특히 적합할 수 있고 이러한 유형의 공지된 디바이스 및 시스템의 단점을 적어도 실질적으로 회피하는, 광학 방사선을 측정하기 위한 분광계 디바이스 및 방법과 분광계 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 필요한 구성요소의 수를 줄이고 나아가 기계 및 광학 설정을 소형화할 수 있는, 개선된 간단하고 비용 효율적이면서도 여전히 신뢰할 수 있는 분광계 디바이스를 갖는 것이 바람직할 것이다.
이 문제는 독립 특허 청구항의 특징을 갖는 본 발명에 의해 해결된다. 개별적으로 또는 조합하여 구현될 수 있는 본 발명의 유리한 발전들은 종속항 및/또는 다음 명세서 및 상세한 실시예에 제시되어 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "갖는다", "포함한다" 및 "함유한다"라는 표현 및 이들의 문법적 변형은 배타적이지 않은 방식으로 사용된다. 따라서 "A는 B를 갖는다"라는 표현뿐만 아니라 "A는 B를 포함한다" 또는 "A는 B를 함유한다"라는 표현은, A가 B 이외에 하나 이상의 추가 구성요소 및/또는 구성성분을 포함한다는 사실과, A에 B 이외의 어떠한 다른 구성요소, 구성성분 또는 요소도 존재하지 않는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
본 발명의 제1 양태에서는, 광학 방사선을 측정하기 위한 분광계 디바이스가 개시된다. 따라서 분광계 디바이스는,
적어도 하나의 방사선 방출 요소 ― 적어도 하나의 방사선 방출 요소는 광학 방사선를 방출하도록 설계되고, 방출된 광학 방사선의 스펙트럼은 방사선 방출 요소의 온도에 의존함 ― 와,
적어도 하나의 감광성 검출기 ― 적어도 하나의 감광성 검출기는 방출된 광학 방사선을 수신하도록 지정된 적어도 하나의 감광성 영역을 갖고, 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호는 적어도 하나의 감광성 영역의 조명 및 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도에 의존함 ― 와,
적어도 하나의 제어 회로 ― 적어도 하나의 제어 회로는,
알려진 온도에서 플랑크의 법칙(Planck's law)을 사용하여 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 방출된 광학 방사선의 스펙트럼을 결정하고,
적어도 하나의 제어 신호를 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나에 적용함으로써 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나의 온도를 조정하도록 구성됨 ― 와,
적어도 하나의 판독 회로 ― 적어도 하나의 판독 회로는 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호를 측정하도록 구성됨 ― 를 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때, 일반적으로, "방사선"이라는 용어는, 보통 "광학 스펙트럼 범위"로 지칭되고 가시 스펙트럼 범위, 자외선 스펙트럼 범위, 및 적외선 스펙트럼 범위 중 하나 이상을 포함하는 전자기 방사선의 일부를 지칭한다. "자외선 스펙트럼 범위"라는 용어는 일반적으로 1nm 내지 380nm의 파장, 바람직하게는 100nm 내지 380nm의 파장을 갖는 전자기 방사선을 지칭한다. 또한, "가시 스펙트럼 범위"라는 용어는 일반적으로 380nm 내지 760nm의 스펙트럼 범위를 지칭한다. 또한, "적외선 스펙트럼 범위"(IR)라는 용어는 일반적으로 760nm 내지 1000㎛의 전자기 방사선을 지칭하는데, 여기서 760nm 내지 3㎛의 스펙트럼 범위는 일반적으로 "근적외선 스펙트럼 범위"(NIR)로 불린다. 바람직하게는, 본 발명의 전형적인 목적을 위해 사용되는 방사선은, 적외선(IR) 스펙트럼 범위, 더 바람직하게는 특히 760nm 내지 3㎛의 파장, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 3㎛의 파장을 갖는 근적외선(NIR)에 존재한다.
일반적으로, 물체에서 나오는 방사선은 물체 자체에서 발생할 수 있지만, 다른 발생원을 가질 수 있으며, 이 발생원에서 물체로 전파된 후 분광계 디바이스를 향해 전파될 수 있다. 본 발명에 따르면, 분광계 디바이스는 방사선을 방출하도록 설계된 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 영향을 받는다. 따라서, 물체에서 분광계 디바이스로 전파되는 방사선은 물체 및/또는 물체에 접속된 반사 디바이스에 의해 반사될 수 있는 방사선일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 방사선은 물체를 통해 적어도 부분적으로 투과될 수 있다. "물체"는 일반적으로 분광계 디바이스에 의해 조사되는 물질을 포함하는 생물체 및 무생물체로부터 선택된 임의의 물체일 수 있다. 따라서, 예로서, 적어도 하나의 물체는 하나 이상의 물품 및/또는 물품의 하나 이상의 부분을 포함할 수 있는데, 적어도 하나의 물품 또는 그의 적어도 하나의 부분은 조사에 적합할 수 있는 스펙트럼을 제공할 수 있는 적어도 하나의 구성요소를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 물체는 하나 이상의 살아있는 존재 및/또는 그의 하나 이상의 부분, 특히, 인간(예컨대, 사용자) 및/또는 동물의 하나 이상의 신체 부분일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 분광계 디바이스는 다양한 방식으로 구현될 수 있는 적어도 하나의 방사선 방출 요소를 포함한다. 적어도 하나의 방사선 방출 요소는 하우징에 있는 분광계 디바이스의 일부일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 적어도 하나의 방사선 방출 요소는 또한 하우징 외부에, 예컨대 별도의 방사선 방출 요소로서 배열될 수 있다. 적어도 하나의 방사선 방출 요소는 물체와 별도로 배열될 수 있고 멀리서 물체를 조명할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 적어도 하나의 방사선 방출 요소는, 물체로부터 나오는 방사선이 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 직접 생성될 수 있는 방식으로 물체에 접속되거나 물체의 일부일 수 있다. 예로서, 적어도 하나의 방사선 방출 요소는 물체 상에 및/또는 물체 내에 배열되어 직접 방사선을 생성할 수 있다.
적어도 하나의 방사선 방출 요소는 적외선(IR) 스펙트럼 범위, 바람직하게는 근적외선(NIR) 스펙트럼 범위, 특히 760nm 내지 3㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 3㎛의 파장에서 충분한 방출을 제공하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 방사선 방출 요소는, 특히, 열 방사기, 구체적으로 백열등 또는 열적외선 방출기에 포함될 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "백열등" 또는 "백열 전구"라는 용어는 특히 유리 또는 용융 석영의 전구에 의해 한정된 부피를 갖는 디바이스에 관한 것이고, 바람직하게는 불활성 가스로 채워지거나 진공을 포함하는 체적 내에 구체적으로 텅스텐을 포함할 수 있는 와이어 필라멘트가 방사선 방출 요소로서 위치하며, 방사선 방출 요소는 모니터링될 광학 방사선을 방출한다. 또한 본 명세서에서 사용될 때, "열적외선 방출기"라는 용어는 모니터링될 광학 방사선을 방출하는 방사선 방출 요소로서 방사선 방출 표면을 포함하는 마이크로 기계가공된 열 방출 디바이스를 지칭한다. 구체적으로, 열적외선 방출기는 Axetris AG(Schwarzenbergstrasse 10, CH-6056 Kagiswil, Switzerland)로부터의 "emirs50"으로서 입수할 수 있거나, LASER COMPONENTS GmbH(Werner-von-Siemens-Str. 15 82140 Olching, Germany)로부터의 "열적외선 방출기"로서 입수할 수 있거나, Hawkeye Techno-logies(181 Research Drive #8, Milford CT 06460, United States)로부터의 "적외선 방출기"로서 입수될 수 있다. 추가 유형의 열적외선 방출기도 가능할 수 있다.
방사선 방출 요소, 즉, 백열등의 와이어 필라멘트 또는 열적외선 방출기의 방사선 방출 표면은 그 가열이 상당한 양의 방사선을 방출하는 방식으로 전류에 의해 영향을 받는 것으로 지정된다. 특히, 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 방출된 방사선이 적어도 하나의 감광성 검출기의 스펙트럼 감도와 밀접하게 관련될 수 있는 스펙트럼 범위를 나타낼 수 있는 경우, 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 조명될 수 있는 적어도 하나의 감광성 검출기가 높은 강도의 검출기 신호를 제공하는 것을 보장하여, 충분한 신호 대 잡음비를 가지면서 동시에 고분해능을 갖는 검출기 신호의 평가를 가능하게 하는 것이 바람직할 수 있다.
적어도 하나의 방사선 방출 요소는 연속 광원 또는 대안적으로 펄스 광원일 수 있는데, 펄스 광원은 적어도 1Hz, 적어도 5Hz, 적어도 10Hz, 적어도 50Hz, 적어도 100Hz, 적어도 500Hz, 적어도 1kHz, 또는 그 이상의 변조 주파수를 가질 수 있다. 펄스 광원을 구동하기 위해, 바람직하게는 주기적 변조를 생성함으로써 조명을 변조하도록 지정될 수 있는 변조 디바이스가 사용될 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "변조"라는 용어는 조명의 총 전력이 바람직하게는 주기적으로, 특히 적어도 하나의 변조 주파수에 따라 변하는 프로세스를 지칭한다. 특히, 조명의 총 전력의 최대값과 최소값 사이에서 주기적 변조가 달성될 수 있다. 최소값은 0일 수 있지만 예를 들어 완전한 변조가 달성될 필요가 없도록 0보다 클 수도 있다. 바람직하게는, 변조는, 원하는 변조된 조명을 생성하도록 지정된 광원 내에서, 바람직하게는 변조된 강도 및/또는 총 전력(예를 들어 주기적으로 변조된 총 전력)을 갖는 적어도 하나의 방사선 방출 요소 자체에 의해 및/또는 펄스 광원(예를 들어 펄스 레이저)으로서 구현되는 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해, 달성될 수 있다. 추가 예로서, 2019년 12월 3일에 출원된 유럽 특허 출원 제19 21 32 77.7호는, 전류에 의해 가열될 때 방사선을 생성하도록 지정된 적어도 하나의 방사선 방출 요소와, 적어도 하나의 방사선 방출 요소를 운반하는 마운트 ― 마운트 또는 그 일부는 이동 가능함 ― 와, 마운트에 의해 접촉될 때 마운트에 의해 운반되는 적어도 하나의 방사선 방출 요소 및 마운트를 냉각시키도록 지정된 히트 싱크를 개시한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 다른 형태의 변조 디바이스, 예를 들어 전기 광학 효과 및/또는 음향 광학 효과에 기초한 변조 디바이스가 사용될 수도 있다. 또한, 바람직하게는 일정한 속도로 회전하여 조명을 주기적으로 차단할 수 있는 주기적 빔 차단 디바이스, 특히 빔 초퍼, 차단기 블레이드 또는 차단기 휠이 또한 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 각각의 상이한 변조 주파수에 대해 적어도 하나의 검출기 신호를 생성하도록 지정된, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같은 적어도 하나의 감광성 검출기가 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같은 평가 유닛은 각각의 상이한 변조 주파수에 대한 적어도 하나의 검출기 신호로부터 스펙트럼 정보를 생성하도록 지정될 수 있다.
또한 본 명세서에서 사용될 때, "스펙트럼"이라는 용어는 광학 스펙트럼 범위, 특히 적외선(IR) 스펙트럼 범위, 바람직하게는 근적외선(NIR) 스펙트럼 범위의 일부, 특히 760nm 내지 3㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 3㎛를 지칭한다. 스펙트럼의 각 부분은 신호 파장 및 대응하는 신호 강도에 의해 정의되는 광학 신호로 구성된다. 또한, "분광계 디바이스"라는 용어는 스펙트럼의 대응하는 파장 또는 그 일부(특히, 파장 간격)에 대해 신호 강도를 기록할 수 있는 장치에 관한 것이며, 여기서 신호 강도는 바람직하게는 추가 평가를 위해 사용될 수 있는 적어도 하나의 검출기 신호로서 제공될 수 있다. 또한 본 명세서에서 사용될 때, "분광계 시스템"은, 분광계 디바이스에 추가하여, 본 명세서에 개시된 분광계 디바이스에 의해 제공되는 적어도 하나의 검출기 신호를 평가함으로써 물체의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 평가 유닛을 포함하는 장치를 지칭한다.
또한 본 발명에 따르면, 분광계 디바이스는 적어도 하나의 감광성 검출기를 포함한다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "감광성 검출기"라는 용어는 적어도 하나의 감광성 영역의 조명에 따라 적어도 하나의 검출기 신호를 생성하도록 지정된 적어도 하나의 감광성 영역을 포함하는 광 검출기를 지칭하는데, 적어도 하나의 검출기 신호는 특히 측정을 위한 적어도 하나의 판독 회로 및/또는 평가를 위한 외부 평가 유닛에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 감광성 검출기에 포함된 적어도 하나의 감광성 영역은 바람직하게는 감광성 영역에 충돌하는 방출된 광학 방사선을 수신하도록 구성된 단일의 균일한 감광성 영역일 수 있다. 적어도 하나의 감광성 검출기는 적어도 하나의 감광성 검출기에 충돌하는 방출된 광학 방사선의 강도와 연관된 검출기 신호, 바람직하게는 광학 또는 전자 신호를 생성하도록 지정된다. 검출기 신호는 아날로그 및/또는 디지털 신호일 수 있다. 특정 실시예에서, 적어도 하나의 감광성 검출기는 전자 신호를 예를 들어 외부 평가 유닛에 제공하기 전에 증폭하도록 구성된 능동 센서이거나 이를 포함할 수 있다. 이를 위해, 적어도 하나의 감광성 검출기는 하나 이상의 신호 처리 디바이스, 특히, 전자 신호를 처리 및/또는 전처리하기 위한 하나 이상의 필터 및/또는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 감광성 검출기는 임의의 공지된 광학 센서, 특히 무기(inorganic) 카메라 요소, 바람직하게는 무기 카메라 칩, 보다 바람직하게는 CCD 칩 또는 CMOS 칩으로부터 선택될 수 있는데, 이들은 요즈음 다양한 카메라에 일반적으로 사용된다. 대안으로서, 적어도 하나의 감광성 검출기, 특히 적어도 하나의 감광성 영역은, 특히 황화납(PbS), 셀렌화납(PbSe), 게르마늄(Ge), 인듐 갈륨 비소(InGaAs, ext. InGaAs를 포함하지만 이에 제한되지는 않음), 인듐 안티몬화물(InSb) 또는 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe 또는 MCT)로부터 선택된 광전도성 물질, 특히 무기 광전도성 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "ext. InGaAs"는 최대 2.6μm의 스펙트럼 응답을 나타내는 특정 유형의 InGaAs를 지칭한다. 그러나 다른 종류의 광전도성 물질도 가능할 수 있다.
다른 대안으로서, 적어도 하나의 감광성 검출기는 초전기(pyroelectric) 검출기 요소, 볼로메트릭(bolometric) 검출기 요소, 또는 열전퇴(thermopile) 검출기 요소일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 추가의 대안으로서, 적어도 하나의 감광성 검출기는 예컨대 WO 2012/110924 A1, WO 2014/097181 A1 또는 WO 2016/120392 A1에 개시된 FIP 센서 요소이거나 이를 포함할 수 있다. "FIP 센서"라는 용어는 조명의 동일한 총 전력이 주어질 때 센서 신호가 적어도 하나의 감광성 영역의 조명의 지오메트리, 특히 적어도 하나의 감광성 영역 상의 조명의 빔 단면에 의존하는 센서를 의미한다. 바람직하게는, FIP 센서의 감광성 영역은 특히 위에서 개시된 바와 같은 광전도성 물질로부터 선택된 광전도성 물질 또는 고체 염료 감응형 태양 전지(solid dye sensitized solar cell: sDSC)를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 분광계 디바이스는 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 판독 회로를 포함한다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "측정"이라는 용어는 적어도 하나의 검출기 신호와 관련된 적어도 하나의 특성, 특히, 강도, 전류, 전압, 저항, 열, 주파수, 전력, 또는 적어도 하나의 검출기 신호의 분극화, 또는 적어도 하나의 검출기 신호가 기록되는 시간 중 적어도 하나를 기록하는 것을 지칭한다. 그러나, 적어도 하나의 검출기 신호와 연관되든 그렇지 않든 상관없이, 추가 특성의 기록이 또한 가능할 수 있다. 예를 들어, 검출기의 색상, 기계적 팽창 또는 온도가 측정될 수 있다. 추가 예로서, 광기압 검출기(optopneumatic detector)를 사용하여 압력 또는 가스 흐름이 측정될 수 있다. 분광계 디바이스에 포함된 적어도 하나의 판독 회로에 의해 측정된 적어도 하나의 검출기 신호는 후속적으로 외부 평가 유닛, 특히 아래에서 자세히 설명되는 대응하는 분광계 시스템에 포함될 수 있는 평가 유닛에 전달될 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 분광계 디바이스는 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나의 온도를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로를 포함한다. 일반적으로, 적어도 하나의 방사선 방출 요소 및/또는 적어도 하나의 감광성 검출기는, 그들 각각의 출력, 즉, 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 경우 방출된 광학 방사선의 스펙트럼, 또는 적어도 하나의 감광성 검출기의 경우 적어도 하나의 검출기 신호가 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도에 각각 의존하는 방식으로 동작한다. 적어도 하나의 방사선 방출 요소는 주어진 스펙트럼 대역에서 방사선을 방사할 수 있는 반면, 스펙트럼의 파장 간격 및 형상(특히, 피크 파장)은 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 적어도 하나의 파라미터에 의존할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 열 방사기, 특히 백열등에 포함된 방사선 방출 요소는 광대역 스펙트럼을 방사할 수 있는 반면, 방출 스펙트럼의 피크 파장은 빈의 변위 법칙(Wien's displacement law)에 따라 열 방사기의 온도에 반비례할 수 있다. 백열등에 적용되는 전력을 높이면 백열등의 온도가 올라가고 빈의 변위 법칙에 따라 방출된 스펙트럼의 피크 파장이 작아진다. 또 다른 예는 플라즈마 방사기, 특히 고압 플라즈마 램프를 지칭할 수 있는 반면, 그 광대역 연속 방사선의 피크 파장은 플라즈마 방사기에 적용되는 플라즈마 전류를 변경함으로써 조정될 수 있다. 적어도 하나의 제어 회로를 사용하여, 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 온도는 연속적으로 조정될 수 있는 반면, 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도는 바람직하게는 일정하게 유지될 수 있으며, 이에 의해 조사 대상 물질의 스펙트럼의 특정 파장 영역을 스캔하는 데 사용될 수 있는 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 스펙트럼 응답의 변경이 획득될 수 있다.
유사한 방식으로, 적어도 하나의 감광성 검출기의 스펙트럼 응답의 온도 의존성이 적용될 수 있다. 공지된 광전도성 물질, 특히, PbS, PbSe, Ge, InGaAs, InSb 또는 HgCdTe는 음의 온도 계수를 나타내는 에너지 갭을 갖는다. 광전도성 물질을 냉각함으로써, 그 스펙트럼 응답, 특히 대응하는 피크 파장은 더 긴 파장으로 시프트된다. 적어도 하나의 제어 회로를 사용하여, 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도가 조정될 수 있는데, 이는 적어도 하나의 감광성 검출기의 스펙트럼 응답의 변경을 초래한다. 따라서, 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 온도를 일정하게 유지하면서 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도를 제어함으로써 특정 파장 영역을 스캔하는 것이 가능하다.
특정 실시예에서, 방사선 방출 요소의 스펙트럼은 그 온도의 함수로서 분석적인 방식으로 묘사될 수 있다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 적어도 하나의 방사선 방출 요소, 특히 열 방사기, 구체적으로 백열등의 스펙트럼은, 알려진 온도에서 플랑크의 법칙을 적용함으로써 결정될 수 있다. 예로서, 적어도 하나의 방사선 방출 요소, 특히 열 방사기, 구체적으로 백열등의 온도는,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 흡수되는 전력을 측정하는 것,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소를 통해 흐르는 전류 및/또는 전압을 측정하는 것,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 내부 전기 저항을 측정하는 것,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소가 작동하는 시간을 측정하는 것, 또는
- 비접촉식 온도 센서, 바람직하게는 고온계(pyrometer), 볼로미터(bolometer) 또는 열전퇴(thermopile) 중 적어도 하나를 사용하는 것
중 적어도 하나에 의해 모니터링될 수 있다.
적어도 하나의 방사선 방출 요소, 특히 열 방사기, 구체적으로 백열등에서, 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 온도는 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 적어도 하나의 파라미터, 특히 적어도 하나의 전기적 파라미터, 바람직하게는 전압 및/또는 전류를 적용함으로써 조정될 수 있다. 빈의 변위 법칙에 따르면, 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 방출 스펙트럼의 피크 파장은 시프트된다. 이러한 방식으로, 광대역 열 방사기(구체적으로, 백열등)이거나 이를 포함하는 적어도 하나의 방사선 방출 요소는 가변 파장 스캐너로서 사용될 수 있다.
추가 실시예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 특히 온도의 함수로서 분석적 방식으로 묘사될 수 없는 스펙트럼을 갖는 방사선 방출 요소에 대해 교정 단계가 수행될 수 있다. 교정 단계를 수행하기 위해, 방사선 방출 요소의 스펙트럼이 측정되고, 방사선 방출 요소와 관련된 적어도 하나의 파라미터, 특히 적어도 하나의 전기적 파라미터의 함수의 형태로 기준으로서 저장될 수 있다. 방사선 방출 요소의 온도와 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 적용되는 적어도 하나의 파라미터, 특히 적어도 하나의 전기적 파라미터 사이의 관계를 저장하기 위해 룩업 테이블이 사용될 수 있다. 예로서, 플라즈마 방사기, 특히 고압 플라즈마 램프를 통한 플라즈마 전류는 분광계 디바이스가 플라즈마 방사기의 방출 스펙트럼을 측정하는 동안 변경될 수 있으며, 그 후 선택된 파라미터는 추가 기준을 위해 플라즈마 방사기에 대한 교정 파일로서, 바람직하게는 룩업 테이블의 형태로 저장될 수 있다.
전술한 바와 같이, 적어도 하나의 제어 회로는 적어도 하나의 방사선 방출 요소 및/또는 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도를 조정하도록 구성되는데, 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도를 유지하면서 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 온도를 조정하는 것이 특히 바람직하다. 이를 위해, 적어도 하나의 제어 회로는 적어도 하나의 방사선 방출 요소 및/또는 원한다면 적어도 하나의 감광성 검출기에 적용되는 전류, 전압 또는 조정 가능한 소산 전력을 각각 생성하도록 지정된 전류원, 전압원, 전력원 또는 펄스원 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 제어 회로는 전류 증폭기, 전류 구분기, 전압 증폭기 또는 전압 구분기 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 다른 또는 추가 부품이 가능하다.
적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 생성되는 방사선은 바람직하게는 난반사가 발생할 수 있는 방식으로 물체를 향할 수 있다. 물체의 반사된 방사선에 의해 생성된 확산 반사 스펙트럼은 물체 또는 물체의 적어도 표면 부분에 포함된 물질의 스펙트럼 지문을 반송한다. 이어서, 반사된 방사선은 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 수집된다. 분광계 디바이스도 감광성 검출기도 분산 요소를 포함하지 않기 때문에, 감광성 검출기에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호는,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 방출 스펙트럼,
- 전체 난반사 스펙트럼의 스펙트럼 적분, 및
- 적어도 하나의 감광성 검출기의 스펙트럼 감도 스펙트럼
에 의존한다.
특히, 적어도 하나의 감광성 검출기의 스펙트럼 감도는 바람직하게는 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 스펙트럼 범위에 의해 커버될 수 있다.
백열등에 적용된 전류 및/또는 전압 또는 스펙트럼의 피크 파장에 대응하는 플라즈마 방사기의 플라즈마 전류에 대응할 수 있는 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 모든 온도에 대해, 검출기 신호가 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 측정된다. 이론에 얽매이기를 원하지 않으면서, 이러한 종류의 절차는 다음과 같은 방정식 (1)(수학식 1)에 의해 분석적으로 묘사될 수 있다:
여기서, 
은 m번째 온도 Tm에서 방출 스펙트럼의 n번째 파장 성분이다. 또한, 
은 반사 스펙트럼의 n번째 파장 성분이고, 
은 m번째 온도 Tm에서의 검출기 신호이다.
적어도 하나의 방사선 방출 요소의 온도가 알려진 경우, 이 온도에서의 방출 스펙트럼은 플랑크의 법칙을 사용하여 계산될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 검출기 신호가 측정된다. 결과적으로, 선형 방정식 (2)(수학식 2)은 이하의 방정식 (3)(수학식 3)에 따라 해결될 수 있다:
결과적으로, 물체의 흡수 스펙트럼(R)은 임의의 추가 광학 구성요소를 사용하지 않으면서 방사선 방출 요소로서의 단일 백열등과 단일 감광성 검출기만을 사용하여 결정될 수 있다.
유사한 접근 방식이 투과 측정에 적용될 수 있다. 물체의 흡수 스펙트럼(R)을 사용하는 대신에, 적어도 하나의 방사선 방출 요소로부터 물체를 통해 감광성 검출기로 투과된 방사선을 측정함으로써 물체의 흡수 스펙트럼(A)이 결정될 수 있다.
열 방사기는 광대역 방출 스펙트럼을 가지므로, 이러한 방식으로 결정된 흡수 스펙트럼의 분해능은 특히 분산형 분광계와 비교할 때 상대적으로 낮다. 특정 실시예에서, 적어도 2개의 감광성 영역, 바람직하게는 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개의 감광성 영역을 갖는 감광성 검출기를 사용하거나 또는 적어도 2개의 개별 감광성 검출기, 바람직하게는 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개의 감광성 검출기를 사용함으로써, 흡수 스펙트럼의 분해능이 개선될 수 있다. 일반적으로 감광성 검출기 및/또는 감광성 영역의 수는 원하는 분해능에 도달할 때까지 증가될 수 있지만 특정 분광계 디바이스의 복잡성과 비용이 증가하므로, 최대 4개, 6개 또는 8개의 감광성 검출기 또는 감광성 영역이 특히 바람직할 수 있다. 적어도 2개의 감광성 검출기 또는 적어도 2개의 감광성 영역은 상이할 수 있지만, 바람직하게는 동일한 것이어서 적어도 하나의 감광성 검출기의 제공 및 판독을 용이하게 할 수 있다.
적어도 하나의 감광성 영역을 포함하는 적어도 하나의 감광성 검출기는, 구체적으로 광학 단거리 통과 필터, 광학 장거리 통과 필터 또는 광학 대역통과 필터 중 적어도 하나로부터 선택되는 하나 이상의 광학 통과 필터를 구비할 수 있다. 적어도 2개의 감광성 검출기 및/또는 적어도 2개의 감광성 영역을 포함하는 특히 바람직한 실시예에서, 각각의 감광성 검출기 및/또는 각각의 감광성 영역은 흡수 스펙트럼의 상이한 부분을 샘플링하도록 구성된 상이한 광학 통과 필터를 구비할 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 통과 필터는 제1 감광성 영역 앞에 배치될 수 있는 반면, 제2 광학 통과 필터는 제2 감광성 영역 앞에 배치될 수 있으며, 여기서 제1 광학 통과 필터는 제1 파장 범위의 파장을 갖는 방사선을 투과하도록 지정되고 제2 광학 통과 필터는 제2 파장 범위의 파장을 갖는 방사선을 투과하도록 지정되어 제1 감광성 영역은 흡수 스펙트럼의 제1 부분을 샘플링하도록 구성되고 제2 감광성 영역은 흡수 스펙트럼의 제2 부분을 샘플링하도록 구성되며, 제1 파장 범위와 제2 파장 범위는 서로 상이하지만 바람직하게는 결합된 단일 흡수 스펙트럼이 샘플링될 수 있도록 인접한 파장 범위를 포함할 수 있다. 추가의 예, 특히, 바람직하게는 동일할 수 있는 4개의 감광성 영역 앞에 4개의 상이한 광학 통과 필터가 배열되는 예가 아래에 제시된다. 더 큰 파장 범위에 걸쳐 물체의 원하는 흡수 스펙트럼을 얻기 위해, 각각의 감광성 영역에 의해 기록된 흡수 스펙트럼의 상이한 부분들은 집합될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에서는 분광계 시스템이 개시된다. 따라서, 분광계 시스템은,
- 위에 및/또는 아래에 더 자세히 설명된 분광계 디바이스와,
- 분광계 디바이스에 의해 제공된 적어도 하나의 검출기 신호를 평가함으로써 물체의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 평가 디바이스
를 포함한다.
위에 나열된 분광계 시스템의 구성요소는 개별 구성요소일 수 있다. 대안적으로, 분광계 시스템의 두 개 이상의 구성요소가 하나의 일체형 구성 요소로 통합될 수 있다. 또한, 평가 유닛은 분광계 디바이스와 독립적인 개별 유닛으로 형성될 수 있지만, 바람직하게는 적어도 하나의 판독 회로에 접속되어 특히 분광계 디바이스에 포함된 적어도 하나의 판독 회로에 의해 측정된 적어도 하나의 검출기 신호를 수신할 수 있다. 대안적으로, 적어도 하나의 평가 유닛은 적어도 하나의 분광계 디바이스에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 분광계 시스템은 분광계 디바이스 및 평가 유닛을 포함한다. 분광계 디바이스에 대해서는 이 문서의 다른 부분에 있는 설명이 참조될 수 있다. "평가 유닛"이라는 용어는 스펙트럼 정보, 즉, 특히 본 명세서에서 설명된 분광계 디바이스를 사용하여 그 스펙트럼이 기록된 물체의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 장치를 지칭하는데, 정보는 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 판독 회로에 의해 제공된 적어도 하나의 검출기 신호를 평가함으로써 획득된다. 평가 유닛은 하나 이상의 집적 회로, 특히 주문형 집적 회로(ASIC) 및/또는 데이터 처리 장치 중 적어도 하나, 특히 디지털 신호 프로세서(DSP), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 마이크로제어기, 마이크로컴퓨터 또는 컴퓨터 중 적어도 하나일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 평가 유닛은 특히 적어도 하나의 전자 통신 유닛, 구체적으로 스마트폰 또는 태블릿일 수 있거나 이에 포함될 수 있다. 특히 하나 이상의 전처리 디바이스 및/또는 데이터 획득 디바이스, 특히 검출기 신호의 수신 및/또는 전처리를 위한 하나 이상의 디바이스, 특히 하나 이상의 AD 변환기 및/또는 하나 또는 추가 필터와 같은 추가 구성요소가 가능하다. 또한, 평가 유닛은 특히 적어도 하나의 전자 테이블, 특히 적어도 하나의 룩업 테이블을 저장하기 위한 하나 이상의 데이터 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 또한, 평가 유닛은 하나 이상의 인터페이스, 특히 하나 이상의 무선 인터페이스 및/또는 하나 이상의 유선 인터페이스를 포함할 수 있다.
평가 유닛은 바람직하게는 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램, 특히 적어도 하나의 스펙트럼 정보 항목을 생성하는 단계를 수행하거나 지원하는 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램을 수행하도록 구성될 수 있다. 예로서, 적어도 하나의 검출기 신호를 적어도 하나의 입력 변수로서 사용함으로써 스펙트럼 정보로의 변환을 수행할 수 있는 하나 이상의 알고리즘이 구현될 수 있다. 이를 위해, 평가 유닛은 특히 적어도 하나의 검출기 신호를 평가함으로써 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계될 수 있는 적어도 하나의 데이터 처리 장치, 특히 전자 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 평가 유닛은 적어도 하나의 검출기 신호를 적어도 하나의 입력 변수로서 사용하고 적어도 하나의 입력 변수를 처리함으로써 스펙트럼 정보를 생성하도록 설계된다. 처리는 병렬로, 연속적으로 또는 결합된 방식으로 수행될 수 있다. 평가 유닛은, 특히 계산에 의해 및/또는 적어도 하나의 저장된 및/또는 알려진 관계를 사용하여, 적어도 하나의 스펙트럼 정보 항목을 생성하기 위한 임의의 프로세스를 사용할 수 있다.
적어도 하나의 검출기 신호와는 별개로, 하나 또는 복수의 추가 파라미터 및/또는 정보 항목, 예를 들어 물체, 적어도 하나의 방사선 방출 요소 및 적어도 분광계 디바이스에 포함된 적어도 하나의 감광성 검출기에 대한 적어도 하나의 정보 항목이 위의 관계에 영향을 줄 수 있다. 관계는 경험적으로, 분석적으로, 또는 반-경험적으로 결정될 수 있다. 바람직하게는, 관계는 적어도 하나의 교정 곡선, 적어도 하나의 교정 곡선 세트, 적어도 하나의 기능, 또는 언급된 가능성들의 조합을 포함할 수 있다. 하나 또는 복수의 교정 곡선은, 예를 들어 데이터 저장 디바이스 및/또는 테이블에, 예를 들어 일련의 값 및 관련 함수 값의 형태로 저장될 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 추가적으로, 적어도 하나의 교정 곡선은 예를 들어 파라미터화된 형태 및/또는 함수 방정식으로 저장될 수도 있다. 검출기 신호를 적어도 하나의 정보 항목으로 처리하기 위한 별도의 관계가 사용될 수 있다. 대안적으로, 적어도 하나의 검출기 신호를 처리하기 위한 적어도 하나의 결합된 관계가 가능하다. 다양한 가능성이 고려될 수 있으며 이들은 또한 조합될 수 있다.
평가 유닛은 또한, 특히 적어도 하나의 방사선 방출 요소, 적어도 하나의 감광성 검출기, 적어도 하나의 제어 회로, 또는 적어도 하나의 판독 회로 중 적어도 하나를 제어하도록 설계된 평가 유닛에 의해, 분광계 디바이스 또는 그 일부를 완전히 또는 부분적으로 제어하거나 구동하도록 설계될 수 있다. 특히, 평가 유닛은, 복수의 검출기 신호, 특히, 상기 적어도 하나의 제어 회로를 구동함으로써 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 상기 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나의 온도를 연속적으로 조정하기 위한 검출기 신호가 픽업되는 적어도 하나의 측정 사이클을 수행하도록 설계될 수 있다. 여기서, 검출기 신호를 획득하는 것은 특히 시간적 스캔을 사용하여 순차적으로 수행될 수 있다.
특히, 평가 유닛에 의해 결정된 정보는 추가 장치 또는 사용자 중 적어도 하나에 전자적, 시각적 또는 청각적 방식 중 적어도 하나로 제공될 수 있다. 또한, 정보는 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스에 저장될 수 있는데, 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스는 분광계 시스템, 특히 적어도 하나의 평가 유닛에 포함될 수 있거나, 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스는 별도의 저장 디바이스일 수 있으며, 정보는 적어도 하나의 인터페이스, 특히 무선 인터페이스 및/또는 유선 인터페이스를 통해 전송될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에서는 광학 방사선을 측정하기 위한 방법이 개시된다. 여기에 개시된 방법은 아래의 단계 a) 내지 d)를 포함하는데, 이는 바람직하게는 단계 a)에서 시작하여 단계 c), 이어서 단계 b)로 계속되고 단계 d)에서 종료되는 순서로 수행될 수 있고, 단계들 중 일부는 적어도 부분적으로 동시에 수행될 수 있다. 또한, 여기에 나열되지 않은 추가 단계가 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 광학 방사선을 측정하기 위한 방법은,
a) 적어도 하나의 방사선 방출 요소를 사용하여 광학 방사선을 방출하는 단계 ― 방출된 광학 방사선의 스펙트럼은 방사선 방출 요소의 온도에 의존함 ― 와,
b) 적어도 하나의 감광성 검출기를 사용하여 적어도 하나의 검출기 신호를 생성하는 단계 ― 적어도 하나의 감광성 검출기는 방출된 광학 방사선을 수신하도록 지정된 적어도 하나의 감광성 영역을 갖고, 적어도 하나의 검출기 신호는 적어도 하나의 감광성 영역의 조명 및 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도에 의존함 ― 와,
c) 알려진 온도에서 플랑크의 법칙을 사용하여 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 방출된 광학 방사선의 스펙트럼을 결정하고, 적어도 하나의 제어 신호를 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나에 적용함으로써 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나의 온도를 조정하는 단계와,
d) 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호를 측정하는 단계를 포함한다.
단계 a)에 따르면, 적어도 하나의 방사선 방출 요소, 특히 위에서 또는 아래에서 더 자세히 설명되는 방사선 방출 요소를 사용하여 광학 방사선이 방출되는데, 방출된 광학 방사선의 스펙트럼은 방사선 방출 요소의 온도에 의존한다.
단계 b)에 따르면, 적어도 하나의 감광성 검출기, 특히 위에서 또는 아래에서 더 상세히 설명되는 감광성 검출기를 사용하여 적어도 하나의 검출기 신호가 생성되는데, 적어도 하나의 감광성 검출기는 방출된 광학 방사선을 수신하도록 지정된 적어도 하나의 감광성 영역을 갖고, 적어도 하나의 검출기 신호는 적어도 하나의 감광성 영역의 조명 및 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도에 의존한다.
단계 c)에 따르면, 알려진 온도에서 플랑크의 법칙을 사용하여 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 방출된 광학 방사선의 스펙트럼이 결정되고, 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나에 적어도 하나의 제어 신호를 적용함으로써,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소, 및/또는
- 적어도 하나의 감광성 검출기
중 적어도 하나의 온도가 조정된다. 바람직하게는, 적어도 하나의 제어 신호는 위에서 또는 아래에서 더 자세히 설명되는 적어도 하나의 제어 회로에 의해 제공될 수 있다. 바람직하게는, 단계 c)는 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기에 적어도 하나의 제어 신호를 제공함으로써 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도를 조정하는 단계를 포함한다.
단계 d)에 따르면, 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 생성되는 적어도 하나의 검출기 신호는, 특히 위에서 또는 아래에서 더 상세히 설명되는 적어도 하나의 판독 회로를 사용하여 측정된다.
선택적인 평가 단계에서는, 위에서 또는 아래에서 더 자세히 설명되는 평가 유닛을 사용하여 물체의 스펙트럼과 관련된 원하는 스펙트럼 정보가 결정될 수 있는데, 특히, 평가는 특히 적어도 하나의 판독 회로에 의해 측정된 후 평가 유닛에 제공되는 적어도 하나의 검출기 신호에 기초할 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 프로그램이 컴퓨터에 의해 실행될 때 컴퓨터로 하여금 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 광학 방사선을 측정하기 위한 방법의 단계들을 수행하게 하는 실행 가능한 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다. 바람직하게는, 실행 가능한 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품은 평가 유닛(특히 전자 통신 유닛, 구체적으로 스마트폰 또는 태블릿) 또는 분광계 디바이스(특히 적어도 하나의 제어 회로)에 전체적으로 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 분광계 디바이스 또는 평가 디바이스, 특히 전자 통신 유닛, 구체적으로 스마트폰 또는 태블릿에 이미 포함된 적어도 하나의 데이터 처리 디바이스를 사용하여 방법을 수행할 수 있다. 예로서, 방법은 전자 통신 유닛 상에서 "앱"이라는 용어로도 표시되는 애플리케이션으로서 수행될 수 있다. 대안적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 분광계 시스템에 이미 포함된 적어도 하나의 제어 회로를 사용하여 방법을 수행할 수 있다. 또한, 다른 종류의 전자 디바이스도 고려될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에서는, 본 발명에 따른 분광계 디바이스 및 분광계 시스템의 용도가 개시된다. 여기서는, 물체의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하기 위한 목적의 분광계 디바이스 및 분광계 시스템의 용도가 제안된다. 여기서, 분광계 디바이스 및 분광계 시스템은 바람직하게는, 적외선 검출 애플리케이션; 분광학 애플리케이션; 배기 가스 모니터링 애플리케이션; 연소 프로세스 모니터링 애플리케이션; 오염 모니터링 애플리케이션; 산업 프로세스 모니터링 애플리케이션; 혼합 또는 블렌딩 프로세스 모니터링; 화학 프로세스 모니터링 애플리케이션; 식품 가공 프로세스 모니터링 애플리케이션; 식품 준비 프로세스 모니터링; 수질 모니터링 애플리케이션; 대기 질 모니터링 애플리케이션; 품질 제어 애플리케이션; 온도 제어 애플리케이션; 움직임 제어 애플리케이션; 배기 제어 애플리케이션; 가스 감지 애플리케이션; 가스 분석 애플리케이션; 움직임 감지 애플리케이션; 화학적 감지 애플리케이션; 모바일 애플리케이션; 의료 애플리케이션; 모바일 분광학 애플리케이션; 식품 분석 애플리케이션; 농업 애플리케이션, 특히 토양, 사일리지(silage), 사료, 작물 또는 농산물의 특성화, 식물 건강 모니터링; 플라스틱 식별 및/또는 재활용 애플리케이션으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 용도에 사용될 수 있다. 추가 애플리케이션이 가능하다.
본 발명에 따른 분광계 시스템, 광학 방사선을 측정하기 위한 방법, 컴퓨터 프로그램 제품, 및 분광계 시스템의 분광계 디바이스의 각각의 용도에 관한 추가 세부 사항은 본 명세서의 다른 곳에 제공된 광학 방사선을 측정하기 위한 분광계 디바이스의 설명을 참조할 수 있다.
전술한 광학 방사선을 측정하기 위한 분광계 디바이스 및 방법과 분광계 디바이스를 포함하는 분광계 시스템은 종래 기술에 비해 상당한 이점을 갖는다. 본 발명에 따른 분광계 디바이스는 위에서 설명된 바와 같이 두 가지 접근 방식, 즉, 소위 "스캔형 분광계"와 소위 "분산형 분광계"의 장점을 모두 사용하여 각각의 단점을 회피하는 "혼합 분광계"로 간주될 수 있다. 스캔형 시스템과 분산형 분광계 둘 모두에 비해, 혼합 분광계는 필요한 구성요소의 수가 감소하고 기계적 설정이 소형화되어 단순화된 분광계 시스템을 구성한다.
요약하면, 본 발명의 맥락에서, 아래의 실시예들은 특히 바람직한 것으로 간주된다:
실시예 1: 광학 방사선을 측정하기 위한 분광계 디바이스로서,
적어도 하나의 방사선 방출 요소 ― 적어도 하나의 방사선 방출 요소는 광학 방사선를 방출하도록 설계되고, 방출된 광학 방사선의 스펙트럼은 방사선 방출 요소의 온도에 의존함 ― 와,
적어도 하나의 감광성 검출기 ― 적어도 하나의 감광성 검출기는 방출된 광학 방사선을 수신하도록 지정된 적어도 하나의 감광성 영역을 갖고, 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호는 적어도 하나의 감광성 영역의 조명 및 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도에 의존함 ― 와,
적어도 하나의 제어 회로 ― 적어도 하나의 제어 회로는, 적어도 하나의 제어 신호를 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나에 적용함으로써 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나의 온도를 조정하도록 구성됨 ― 와,
적어도 하나의 판독 회로 ― 적어도 하나의 판독 회로는 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호를 측정하도록 구성됨 ― 를 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 2: 실시예 1에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로는 적어도 하나의 제어 신호를 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기에 각각 제공함으로써 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도를 조정하도록 구성되는, 분광계 디바이스.
실시예 3: 실시예 1 또는 실시예 2에 있어서, 방출된 광학 방사선의 피크 파장은 온도의 함수인, 분광계 디바이스.
실시예 4: 실시예 1 내지 실시예 3 중 어느 한 실시예에 있어서, 방출된 광학 방사선의 피크 파장은 빈의 변위 법칙에 따른 온도의 함수인, 분광계 디바이스.
실시예 5: 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 온도는 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 적용되는 적어도 하나의 제어 신호의 함수인, 분광계 디바이스.
실시예 6: 실시예 1 내지 실시예 5 중 어느 한 실시예에 있어서, 방사선 방출 요소의 스펙트럼은 그 온도의 함수로서 분석적 방식으로 묘사되는, 분광계 디바이스.
실시예 7: 실시예 1 내지 실시예 6 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로는 알려진 온도에서 플랑크의 법칙을 사용하여 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 방출된 광학 방사선의 스펙트럼을 결정하도록 구성되는, 분광계 디바이스.
실시예 8: 실시예 1 내지 실시예 7 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로는,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 의해 흡수되는 전력을 측정하는 것,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소를 통해 흐르는 전류 및/또는 전압을 측정하는 것,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 내부 전기 저항을 측정하는 것,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소가 작동하는 시간을 측정하는 것, 또는
- 비접촉식 온도 센서, 바람직하게는 고온계, 볼로미터 또는 열전퇴 중 적어도 하나를 사용하는 것
중 적어도 하나에 의해 백열등의 온도를 모니터링하도록 구성되는,
분광계 디바이스.
실시예 9: 실시예 1 내지 실시예 8 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로는 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 적어도 하나의 파라미터를 적용함으로써 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 온도를 조정하도록 구성되는, 분광계 디바이스.
실시예 10: 실시예 9에 있어서, 적어도 하나의 파라미터는 적어도 하나의 전기적 파라미터인, 분광계 디바이스.
실시예 11: 실시예 10에 있어서, 적어도 하나의 전기적 파라미터는 전압 또는 전류 중 적어도 하나로부터 선택되는, 분광계 디바이스.
실시예 12: 실시예 1 내지 실시예 11 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 방사선 방출 요소는 적어도 하나의 열 방사기이거나 이를 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 13: 실시예 12에 있어서, 적어도 하나의 열 방사기는 백열등 또는 열적외선 방출기이거나 이를 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 14: 실시예 1 내지 실시예 13 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로는 교정 단계를 수행하도록 구성되는, 분광계 디바이스.
실시예 15: 실시예 14에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로는 온도의 함수로서 분석적 방식으로 묘사될 수 없는 스펙트럼을 갖는 방사선 방출 요소에 대해 교정 단계를 수행하도록 구성되는, 분광계 디바이스.
실시예 16: 실시예 14 또는 실시예 15에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로는 방사선 방출 요소의 스펙트럼을 측정하고 방사선 방출 요소와 관련된 적어도 하나의 파라미터, 특히 적어도 하나의 전기적 파라미터의 함수의 형태로 기준으로서 저장함으로써 교정 단계를 수행하도록 구성되는, 분광계 디바이스.
실시예 17: 실시예 14 내지 실시예 16 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로는 방사선 방출 요소의 온도와 적어도 하나의 방사선 방출 요소에 적용된 적어도 하나의 파라미터, 특히 적어도 하나의 전기적 파라미터 사이의 관계를 저장하기 위한 룩업 테이블을 사용하여 교정 단계를 수행하도록 구성되는, 분광계 디바이스.
실시예 18: 실시예 14 내지 실시예 17 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로는 분광계 디바이스가 플라즈마 방사기의 방출 스펙트럼을 측정하는 동안 플라즈마 방사기, 특히 고압 플라즈마 램프를 통해 플라즈마 전류를 변화시킴으로써 교정 단계를 수행하도록 구성되는, 분광계 디바이스.
실시예 19: 실시예 18에 있어서, 적어도 하나의 제어 회로는, 추가 기준을 위해, 선택된 파라미터를 교정 파일로서 바람직하게는 룩업 테이블의 형태로 저장하도록 구성되는, 분광계 디바이스.
실시예 20: 실시예 1 내지 실시예 19 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 감광성 검출기는 공지된 광학 센서, 특히 무기 카메라 요소, 바람직하게는 무기 카메라 칩, 더 바람직하게는 CCD 칩 또는 CMOS 칩으로부터 선택되는, 분광계 디바이스.
실시예 21: 실시예 1 내지 실시예 20 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 감광성 검출기, 특히 적어도 하나의 감광성 영역은 적어도 하나의 광전도성 물질을 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 22: 실시예 21에 있어서, 적어도 하나의 광전도성 물질은 PbS, PbSe, Ge, InGaAs, InSb 또는 HgCdTe 중 적어도 하나로부터 선택되는, 분광계 디바이스.
실시예 23: 실시예 1 내지 실시예 22 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 감광성 검출기는 초전기 검출기 요소, 볼로메트릭 검출기 요소 또는 열전퇴 검출기 요소이거나 이를 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 24: 실시예 1 내지 실시예 23 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 감광성 검출기는 FIP 센서 요소이거나 이를 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 25: 실시예 24에 있어서, FIP 센서 요소는 PbS, PbSe, Ge, InGaAs, InSb 또는 HgCdTe 중 적어도 하나로부터 선택된 적어도 하나의 광전도성 물질을 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 26: 실시예 1 내지 실시예 25 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 광학 통과 필터는 적어도 하나의 감광성 검출기 앞의 방사 경로에 배치되는, 분광계 디바이스.
실시예 27: 실시예 26에 있어서, 적어도 하나의 광학 통과 필터는 광학 단거리 통과 필터, 광학 장거리 통과 필터 또는 광학 대역통과 필터 중 적어도 하나로부터 선택되는, 분광계 디바이스.
실시예 28: 실시예 1 내지 실시예 27 중 어느 한 실시예에 있어서, 분광계 디바이스는 적어도 2개 내지 최대 8개의 감광성 검출기를 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 29: 실시예 28에 있어서, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개의 감광성 검출기를 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 30: 실시예 29에 있어서, 각각의 감광성 검출기 앞의 방사 경로에 상이한 광학 통과 필터가 배치되는, 분광계 디바이스.
실시예 31: 실시예 1 내지 실시예 30 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 감광성 검출기는 적어도 2개 내지 최대 8개의 감광성 영역을 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 32: 실시예 31에 있어서, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개의 감광성 영역을 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 33: 실시예 32에 있어서, 각각의 감광성 영역 앞의 방사 경로에 상이한 광학 통과 필터가 배치되는, 분광계 디바이스.
실시예 34: 실시예 30 내지 실시예 33 중 어느 한 실시예에 있어서, 상이한 광학 통과 필터는 통과하는 광학 방사선의 파장 범위에 따라 달라지는, 분광계 디바이스.
실시예 35: 실시예 1 내지 실시예 34 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 검출기 신호는,
- 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 방출 스펙트럼,
- 전체 확산 반사 스펙트럼의 스펙트럼 적분, 및
- 적어도 하나의 감광성 검출기의 스펙트럼 감도 스펙트럼
에 의존하는, 분광계 디바이스.
실시예 36: 실시예 1 내지 실시예 35 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 감광성 검출기의 스펙트럼 감도는 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 스펙트럼 범위에 의해 커버되는, 분광계 디바이스.
실시예 37: 실시예 1 내지 실시예 36 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 방출된 광학 방사선은 760nm 내지 1000 μm(적외선 스펙트럼 범위)의 파장을 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 38: 실시예 37에 있어서, 방출된 광학 방사선은 760nm 내지 3㎛(근적외선 스펙트럼 범위)의 파장을 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 39: 실시예 38에 있어서, 방출된 광학 방사선은 1㎛ 내지 3㎛의 파장을 포함하는, 분광계 디바이스.
실시예 40: 실시예 1 내지 실시예 39 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 판독 회로는 전류 측정 또는 전압 측정 중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는, 분광계 디바이스.
실시예 41: 분광계 시스템으로서,
실시예 1 내지 실시예 40 중 어느 한 실시예에 따른 분광계 디바이스와,
분광계 디바이스에 의해 제공되는 적어도 하나의 검출기 신호를 평가하여 물체의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 평가 디바이스를 포함하는,
분광계 시스템.
실시예 42: 실시예 41에 있어서, 평가 유닛은 적어도 하나의 전자 통신 유닛이거나 이에 포함되는, 분광계 시스템.
실시예 43: 실시예 42에 있어서, 적어도 하나의 전자 통신 유닛은 스마트폰 또는 태블릿으로부터 선택되는, 분광계 시스템.
실시예 44: 실시예 41 내지 실시예 43 중 어느 한 실시예에 있어서, 평가 유닛은 또한 분광계 디바이스 또는 그 일부를 완전히 또는 부분적으로 제어하거나 구동하도록 설계되는, 분광계 시스템.
실시예 45: 실시예 41 내지 실시예 44 중 어느 한 실시예에 있어서, 평가 유닛은 또한 적어도 하나의 방사선 방출 요소, 적어도 하나의 감광성 검출기, 적어도 하나의 제어 회로, 또는 적어도 하나의 판독 회로 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되는, 분광계 시스템.
실시예 46: 실시예 41 내지 실시예 45 중 어느 한 실시예에 있어서, 평가 유닛에 의해 결정된 정보는 추가 장치 또는 사용자 중 적어도 하나에 전자적, 시각적 또는 청각적 형태로 제공되는, 분광계 시스템.
실시예 47: 실시예 41 내지 실시예 46 중 어느 한 실시예에 있어서, 평가 유닛에 의해 결정된 정보는 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스에 저장되는, 분광계 시스템.
실시예 48: 실시예 47에 있어서, 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스는 분광계 시스템, 특히 적어도 하나의 평가 유닛에 포함되는, 분광계 시스템.
실시예 49: 실시예 47 또는 실시예 48에 있어서, 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스는 별도의 저장 디바이스인, 분광계 시스템.
실시예 50: 실시예 49에 있어서, 별도의 저장 디바이스는 적어도 하나의 전자 통신 유닛에 포함되는, 분광계 시스템.
실시예 51: 실시예 49 또는 실시예 50에 있어서, 정보는 적어도 하나의 인터페이스, 특히 무선 인터페이스 및/또는 유선 인터페이스를 통해 별도의 저장 디바이스에 전송되는, 분광계 시스템.
실시예 52: 광 방사선을 측정하기 위한 방법으로서,
a) 적어도 하나의 방사선 방출 요소를 사용하여 광학 방사선을 방출하는 단계 ― 방출된 광학 방사선의 스펙트럼은 방사선 방출 요소의 온도에 의존함 ― 와,
b) 적어도 하나의 감광성 검출기를 사용하여 적어도 하나의 검출기 신호를 생성하는 단계 ― 적어도 하나의 감광성 검출기는 방출된 광학 방사선을 수신하도록 지정된 적어도 하나의 감광성 영역을 갖고, 적어도 하나의 검출기 신호는 적어도 하나의 감광성 영역의 조명 및 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도에 의존함 ― 와,
c) 적어도 하나의 제어 신호를 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나에 적용함으로써 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기 중 적어도 하나의 온도를 조정하는 단계와,
d) 적어도 하나의 감광성 검출기에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호를 측정하는 단계를 포함하는,
방법.
실시예 53: 실시예 52에 있어서, 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기의 온도는 적어도 하나의 제어 신호를 적어도 하나의 방사선 방출 요소 또는 적어도 하나의 감광성 검출기에 각각 제공함으로써 조정되는, 방법.
실시예 54: 실시예 52 또는 실시예 53에 있어서, 방출된 광학 방사선의 피크 파장은 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 온도를 조정함으로써 시프트되는, 방법.
실시예 55: 실시예 54에 있어서, 적어도 하나의 방사선 방출 요소의 온도의 함수로서의 피크 파장은 분석적으로 알려지거나 교정 프로세스를 적용함으로써 결정되는, 방법.
실시예 56: 실시예 52 내지 실시예 55 중 어느 한 실시예에 있어서, 방출된 광학 방사선은 물체에 의해 반사되는 것 또는 물체를 통해 투과되는 것 중 적어도 하나에 의해 적어도 하나의 감광성 검출기에 도달하는, 방법.
실시예 57: 실시예 52 내지 실시예 56 중 어느 한 실시예에 있어서, 물체의 스펙트럼과 관련된 스펙트럼 정보는 평가 유닛을 사용하여 결정되는, 방법.
실시예 58: 실시예 57에 있어서, 평가는 적어도 하나의 판독 회로에 의해 측정된 후 평가 유닛에 제공되는 적어도 하나의 검출기 신호에 기초하는, 방법.
실시예 59: 프로그램이 컴퓨터에 의해 실행될 때 컴퓨터로 하여금 광학 방사선을 측정하기 위한 방법의 단계들을 수행하게 하는 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
실시예 60: 사용을 위해, 적외선 검출 애플리케이션; 분광학 애플리케이션; 배기 가스 모니터링 애플리케이션; 연소 프로세스 모니터링 애플리케이션; 오염 모니터링 애플리케이션; 산업 프로세스 모니터링 애플리케이션; 혼합 또는 블렌딩 프로세스 모니터링; 화학 프로세스 모니터링 애플리케이션; 식품 가공 프로세스 모니터링 애플리케이션; 식품 준비 프로세스 모니터링; 수질 모니터링 애플리케이션; 대기 질 모니터링 애플리케이션; 품질 제어 애플리케이션; 온도 제어 애플리케이션; 움직임 제어 애플리케이션; 배기 제어 애플리케이션; 가스 감지 애플리케이션; 가스 분석 애플리케이션; 움직임 감지 애플리케이션; 화학적 감지 애플리케이션; 모바일 애플리케이션; 의료 애플리케이션; 모바일 분광학 애플리케이션; 식품 분석 애플리케이션; 농업 애플리케이션, 특히 토양, 사일리지(silage), 사료, 작물 또는 농산물의 특성화, 식물 건강 모니터링; 플라스틱 식별 및/또는 재활용 애플리케이션으로 이루어진 그룹으부터 선택되는, 실시예 1 내지 실시예 40 중 어느 한 실시예에 따른 분광계 디바이스 또는 실시예 41 내지 실시예 51 중 어느 한 실시예에 따른 분광계 시스템의 용도.
본 발명의 추가적인 선택적 세부사항 및 특징은 종속항과 함께 이어지는 바람직한 예시적 실시예의 설명으로부터 명백하다. 이러한 맥락에서, 특정 특징들은 단독으로 또는 특징 조합으로 구현될 수 있다. 본 발명은 예시적 실시예에 제한되지 않는다. 예시적 실시예는 도면에 개략적으로 도시되어 있다. 개별 도면의 동일한 참조부호는 동일한 요소 또는 동일한 기능을 가진 요소, 또는 그 기능이 서로 대응하는 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 분광계 디바이스를 포함하는 분광계 시스템의 예시적 실시예의 개략도를 도시하는데, 여기서 단일 감광성 검출기는 단일 감광성 영역(도 1a), 2개의 개별 감광성 영역(도 1b) 및 4개의 개별 감광성 영역(도 1c)을 각각 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 방사선을 측정하기 위한 방법의 예시적 실시예의 개략도를 도시한다.
도 3은 카놀라 종자의 예시적 반사 스펙트럼을 도시한다(종래 기술).
도 4는 다양한 온도에 대한 백열등의 방출 스펙트럼을 도시한다(종래 기술).
도 5는 백열등의 온도 변화에 대해 감광성 검출기에 의해 생성된 검출기 신호의 추이를 도시한다.
도 6은 단일 감광성 검출기를 사용하여 획득된 카놀라 종자의 계산된 반사 스펙트럼과 측정된 반사 스펙트럼의 비교를 도시한다.
도 7은 2개의 개별 감광성 검출기를 사용하여 획득된 카놀라 종자의 계산된 반사 스펙트럼과 측정된 반사 스펙트럼의 추가 비교를 도시한다.
도 8은 4개의 개별 감광성 검출기를 사용하여 획득된 카놀라 종자의 계산된 반사 스펙트럼과 측정된 반사 스펙트럼의 추가 비교를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 분광계 디바이스를 포함하는 분광계 시스템의 예시적 실시예의 개략도를 도시하는데, 여기서 단일 감광성 검출기는 단일 감광성 영역(도 1a), 2개의 개별 감광성 영역(도 1b) 및 4개의 개별 감광성 영역(도 1c)을 각각 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 방사선을 측정하기 위한 방법의 예시적 실시예의 개략도를 도시한다.
도 3은 카놀라 종자의 예시적 반사 스펙트럼을 도시한다(종래 기술).
도 4는 다양한 온도에 대한 백열등의 방출 스펙트럼을 도시한다(종래 기술).
도 5는 백열등의 온도 변화에 대해 감광성 검출기에 의해 생성된 검출기 신호의 추이를 도시한다.
도 6은 단일 감광성 검출기를 사용하여 획득된 카놀라 종자의 계산된 반사 스펙트럼과 측정된 반사 스펙트럼의 비교를 도시한다.
도 7은 2개의 개별 감광성 검출기를 사용하여 획득된 카놀라 종자의 계산된 반사 스펙트럼과 측정된 반사 스펙트럼의 추가 비교를 도시한다.
도 8은 4개의 개별 감광성 검출기를 사용하여 획득된 카놀라 종자의 계산된 반사 스펙트럼과 측정된 반사 스펙트럼의 추가 비교를 도시한다.
도 1a는 본 발명에 따른 분광계 디바이스(112)를 포함하는 분광계 시스템(110)의 예시적 실시예를 매우 개략적인 방식으로 도시한다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, 분광계 디바이스(112)는 스펙트럼으로 표시되는 파장 범위에 걸쳐 방출된 광학 방사선(114)의 대응하는 파장 또는 파장 간격에 대해 방출된 광학 방사선(114)의 신호 강도를 기록할 수 있는 장치이다. 본 발명에 따르면, 분광계 디바이스(112)는 특히 적외선(IR) 스펙트럼 영역, 바람직하게는 근적외선(NIR)에서 스펙트럼을 기록하도록 구성될 수 있는데, 특히 입사광은 760 nm 내지 3 μm의 파장, 바람직하게는 1 μm 내지 3 μm의 파장을 가질 수 있고, 따라서, 구체적으로 적외선(IR) 스펙트럼 영역, 특히 근적외선(NIR) 스펙트럼 영역에서 조사 또는 모니터링 목적으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 열, 화염, 화재 또는 연기의 검출을 위해 사용될 수 있다. 그러나, 추가 적용도 가능할 수 있다.
도 1a에 개략적으로 도시된 예시적 분광계 디바이스(112)는 광학 방사선(114)을 방출하도록 설계된 방사선 방출 요소(116)를 포함한다. 특히, 방사선 방출 요소(116)는 열 방사기(118), 구체적으로 백열등 또는 열 적외선 방출기에 포함될 수 있다. 여기서, 백열등은 특히 유리 또는 용융 석영의 전구에 의해 한정된 체적을 갖는데, 구체적으로 특히 텅스텐을 포함하는 와이어 필라멘트가 바람직하게는 불활성 가스로 채워지거나 진공을 포함하는 체적 내에 방사선 방출 요소(116)로서 위치한다. 대안적으로, 열적외선 방출기는 방사선 방출 요소(116)로서 방사선 방출 표면을 포함하는 미세 기계가공된 열 방출 디바이스이다. 이에 대한 더 상세한 설명은 위에서의 설명을 참조할 수 있다. 추가 유형의 열적외선 방출기도 가능할 수 있다.
방사선 방출 요소(116)는 변조된 광 펄스를 연속적으로 방출하는 것 또는 대안적으로 생성하는 것일 수 있다. 변조는 바람직하게는 변조된 강도 및/또는 총 전력, 예를 들어 주기적으로 변조된 총 전력을 갖는 방사선 방출 요소(116) 자체 내에서 및/또는 펄스 광원(예를 들어, 펄스 레이저)으로서 구현되는 방사선 방출 요소(116)에 의해 달성될 수 있다. 추가 예에 대해서는, 2019년 12월 3일에 출원된 유럽 특허 출원 19 21 32 77.7을 참조할 수 있는데, 이는 방사선 방출 요소(116)를 운반하는 마운트(마운트 또는 그 일부는 이동 가능함)와, 마운트에 의해 접촉될 때 마운트 및 방사선 방출 요소(116)를 냉각하도록 지정된 히트 싱크를 개시한다. 예컨대 전기-광학 효과 및/또는 음향-광학 효과에 기초한 추가 유형의 변조 디바이스가 또한 사용될 수 있다. 또한, 바람직하게는 일정한 속도로 회전하여 조명을 주기적으로 차단하는, 주기적인 빔 차단 디바이스, 특히, 빔 초퍼, 차단기 블레이드 또는 차단기 휠이 또한 변조를 생성하는 데 적합할 수 있다.
방출된 광학 방사선(114)의 스펙트럼은 방사선 방출 요소(116)의 온도에 의존한다. 특히 바람직한 실시예에서, 방사선 방출 요소(116)는 광대역 스펙트럼을 방사할 수 있는 반면, 방출 스펙트럼의 피크 파장은 빈의 변위 법칙(Wien's displacement law)에 따라 방사선 방출 요소(116)를 포함하는 열 방사기(118)의 온도에 반비례할 수 있다. 백열등에 적용되는 전력을 높이면 백열등의 온도가 올라가고, 빈의 변위 법칙에 따라 방출된 스펙트럼의 피크 파장이 작아진다. 대안으로서, 플라즈마 방사기, 특히 고압 플라즈마 램프가 또한 사용될 수 있는 반면, 그 광대역 연속 방사선의 피크 파장은 플라즈마 방사기에 적용되는 플라즈마 전류를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 특정 예로서, 다양한 온도에 대한 백열등의 방출 스펙트럼을 도시하는 도 4를 참조할 수 있다.
또한, 도 1a에 개략적으로 도시된 예시적 분광계 디바이스(112)는 감광성 검출기(120)를 포함한다. 도 1a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 감광성 검출기(120)는 방출된 광학 방사선(114)이 방출된 광학 방사선(114)의 일부를 흡수할 수 있는 물체(124)에 의해 수정된 후에 방출된 광학 방사선(114)을 수신하도록 지정된 단일 감광성 영역(122)을 갖는데, 물체(124)는 일반적으로 분광계 시스템(110)에 의해 조사 중인 물질을 포함할 수 있다. 여기서는, 방출된 광학 방사선(114)의 물체(124)로부터 반사된 부분을 기록하거나 방출된 광학 방사선(114)의 물체(124)를 통해 투과된 부분을 기록함으로써 방출된 광학 방사선(114)의 물체(124)에 의한 흡수가 측정될 수 있다. 가장 일반적으로, 액체 및 기체에 대해서는 방출된 광학 방사선(114)의 투과된 부분이 측정될 수 있고, 고체에 대해서는 방출된 광학 방사선(114)의 반사된 부분이 사용될 수 있다.
그러나, 감광성 검출기(120)는 둘 이상의 감광성 영역(122), 특히, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개의 감광성 영역(122), 특히, 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같은 2개의 감광성 영역(122, 122'), 또는 도 1c에 개략적으로 도시된 바와 같은 4개의 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 분광계 디바이스(112)는 둘 이상의 감광성 검출기(120)(여기에는 도시되지 않음), 특히, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개의 감광성 검출기(120)를 포함할 수 있다. 아래에 더 자세히 설명되는 바와 같이, 도 6에 제시된 결과는 단일 감광성 영역(122)을 사용하여 획득된 것이고, 도 7 및 8에 제시된 결과는 2개의 개별 감광성 영역(122, 122') 또는 4개의 개별 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')을 각각 사용하여 획득된 것이다. 아래의 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 결과를 비교하면, 이러한 방식으로 흡수 스펙트럼의 분해능이 향상될 수 있음이 명백하다. 일반적으로, 감광성 검출기(120) 및/또는 감광성 영역(122)의 수는 원하는 분해능에 도달할 때까지 증가될 수 있지만, 분광계 디바이스(112)의 복잡성 및 비용이 증가하는 대가를 치른다.
2개 이상의 감광성 검출기(120) 또는 2개 이상의 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')이 사용될 수 있는 특정 실시예에서는, 구체적으로, 광학 단거리 통과 필터, 광학 장거리 통과 필터 및/또는 광학 대역통과 필터 중에서 선택될 수 있는 상이한 광학 통과 필터(125, 125', 125'', 125''')가 각각의 감광성 검출기(120) 앞에 배치될 수 있고, 바람직하게는 각각의 감광성 검출기(120) 및/또는 각각의 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')은 위에서 또는 아래에서 더 상세히 설명되는 방식으로 상이한 광학 통과 필터(125, 125', 125'', 125''')를 구비할 수 있다.
도 1a에 개략적으로 도시된 특정 실시예에서, 분광계 디바이스(112)는 하우징(126)을 포함할 수 있고, 여기서 하우징(126)은 방출된 광학 방사선(114)의 물체(124)로부터의 반사 부분이 기록될 수 있도록 구성될 수 있다. 그러나, 하우징(126)의 추가 실시예, 특히, 하우징(126)이 추가 부품, 특히 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 분광계 시스템(110)에 포함된 평가 유닛을 포함할 수 있는 실시예가 또한 실현가능할 수 있다.
감광성 영역(122)의 조명 및 감광성 검출기(120)의 온도에 의존하여, 적어도 하나의 검출기 신호(128)가 감광성 검출기(120)에 의해 생성된다. 바람직하게는, 감광성 영역(122)은 감광성 영역에 충돌하는 방출된 광학 방사선(114)을 수신하도록 구성된 단일의 균일한 감광성 영역이거나 이를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 검출기 신호(128)는 아날로그 및/또는 디지털 신호일 수 있다. 특히, 감광성 검출기(120)는 적어도 하나의 검출기 신호(128)를 예를 들어 외부 평가 유닛에 제공하기 전에 증폭하도록 구성된 능동 센서이거나 능동 센서를 포함할 수 있다. 이를 위해, 감광성 검출기(120)는 하나 이상의 신호 처리 디바이스, 특히, 전자 신호를 처리 및/또는 전처리하기 위한 하나 이상의 필터 및/또는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다.
감광성 검출기(120)는 임의의 공지된 광학 센서, 특히 무기(inorganic) 카메라 요소, 바람직하게는 무기 카메라 칩, 더욱 바람직하게는 CCD 칩 또는 CMOS 칩으로부터 선택될 수 있는데, 이들은 요즈음 다양한 카메라에 일반적으로 사용된다. 대안으로서, 감광성 검출기(120), 구체적으로 적어도 하나의 감광성 영역(122)은, 특히 황화납(PbS), 셀렌화납(PbSe), 게르마늄(Ge), 인듐 갈륨 비소(InGaAs, ext. InGaAs를 포함하지만 이에 제한되지는 않음), 인듐 안티몬화물(InSb) 또는 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe 또는 MCT)로부터 선택된 광전도성 물질, 특히 무기 광전도성 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로 사용되는 바와 같이, "ext. InGaAs"는 최대 2.6μm의 스펙트럼 응답을 나타내는 특정 유형의 InGaAs를 지칭한다. 다른 대안으로서, 감광성 검출기(120)는 초전기 검출기 요소(pyroelectric detector element), 볼로메트릭 검출기 요소(bolometric detector element) 또는 열전퇴 검출기 요소(thermopile detector element)이거나 이를 포함할 수 있다. 추가의 대안으로서, 적어도 하나의 감광성 검출기는 위에서 더 상세히 설명된 바와 같이 FIP 센서 요소이거나 이를 포함할 수 있다.
또한, 도 1a에 개략적으로 도시된 예시적 분광계 디바이스(112)는, 방사선 방출 요소(116)에 적어도 하나의 제어 신호(132)를 적용함으로써 방사선 방출 요소(116)의 온도를 조정하도록 구성된 제어 회로(130)를 포함한다. 회로(130)를 사용함으로써, 방사선 방출 요소(116)의 온도는 연속적으로 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 방사선 방출 요소(116)의 스펙트럼 응답의 변경이 획득될 수 있는데, 이는 위에서 및 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 물체(124)의 스펙트럼의 특정 파장 영역을 스캔하는 데 사용될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 도 1a에 도시된 제어 회로(130)는 도면 부호 "134"를 수반하는 점선 화살표로 표시된 추가 제어 신호를 감광성 검출기(120)에 제공함으로써 감광성 검출기(120)의 온도를 조정하도록 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 감광성 검출기(120)의 온도는 추가 제어 신호(134)를 사용함으로써 일정하게 유지될 수 있는데, 이는 적어도 하나의 검출기 신호(128)의 신호 대 잡음비를 증가시키는 데 유리할 수 있다. 대안적 실시예에서, 추가 제어 신호(134)는 감광성 검출기(120)의 온도를 조정하는 데 사용될 수 있는데, 이는 감광성 검출기(120)의 스펙트럼 응답의 변경을 초래한다. 동시에, 바람직하게는 방사선 방출 요소(116)의 온도는 일정하게 유지될 수 있다. 그 결과, 이 대안적 실시예는 감광성 검출기(120)의 온도를 제어함으로써 특정 파장 영역을 스캔할 수 있게 한다.
제어 회로(130)는 방사선 방출 요소(116) 및/또는 감광성 검출기(120)에 적용되는 전류, 전압 또는 조정 가능한 소산 전력을 각각 생성하도록 지정되는 전류원, 전압원, 전력원 또는 펄스원 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 제어 회로(130)는 전류 증폭기, 전류 구분기(delimiter), 전압 증폭기 또는 전압 구분기 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 다른 또는 추가 부품도 가능하다.
또한, 도 1a에 개략적으로 도시된 예시적 분광계 디바이스(112)는, 적어도 하나의 검출기 신호(128)와 관련된 적어도 하나의 특성, 특히, 적어도 하나의 검출기 신호(128)의 강도, 전류, 전압, 저항, 열, 주파수, 전력 또는 분극 중 적어도 하나, 또는 적어도 하나의 검출기 신호(128)가 기록되는 시간을 기록함으로써 감광성 검출기(120)에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호(128)를 측정하도록 구성되는 판독 회로(136)를 포함한다. 그러나, 적어도 하나의 검출기 신호(128)와 연관되든 그렇지 않든 간에 추가 특성의 기록이 또한 가능할 수 있다.
도 1a에 또한 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분광계 디바이스(112)와는 별개로, 분광계 시스템(110)은 물체(124)의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 평가 유닛(138)을 더 포함한다. 이를 위해, 평가 유닛(138)은, 본 예시적 실시예에서 적어도 하나의 검출기 신호(128)를 측정하는 판독 회로(136)에 의해 유선 또는 무선 방식으로 인터페이스(140)를 통해 평가 유닛(138)에 제공되는 적어도 하나의 검출기 신호(128)를 수신하도록 구성된다. 일반적으로, 평가 유닛(138)은 데이터 처리 디바이스(142)의 일부일 수 있고/있거나 하나 이상의 데이터 처리 디바이스(142)를 포함할 수 있다. 평가 유닛(138)은 도 1a에 개략적으로 도시된 바와 같이 완전히 또는 부분적으로 별도의 디바이스(144)로 구현될 수 있고/있거나 분광계 디바이스(112)를 더 포함하는 하우징(126)에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다(여기에는 도시되지 않음). 평가 유닛(138)은 하나 이상의 추가 구성요소, 특히 하나 이상의 전자 하드웨어 구성요소 및/또는 하나 이상의 소프트웨어 구성요소, 특히 하나 이상의 측정 유닛 및/또는 하나 이상의 평가 유닛 및/또는 하나 이상의 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 평가 유닛(138)은 또한 분광계 디바이스(112) 또는 그 일부를 완전히 또는 부분적으로 제어하거나 구동하도록 설계될 수 있다. 특히, 평가 유닛(138)은 방사선 방출 요소(116), 감광성 검출기(120), 제어 회로(130) 또는 판독 회로(136) 중 적어도 하나를 제어하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 키패드(146)는 분광계 시스템(110)의 사용자에 의해 제공되는 각각의 커맨드를 수신하는 데 사용될 수 있다. 특히, 평가 유닛은, 도 1a에서 도면 부호 "148"을 수반하는 파선 화살표에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이 적어도 하나의 제어 회로(130)를 구동함으로써, 복수의 검출기 신호(128), 특히 방사선 방출 요소(116) 및/또는 감광성 검출기(120)의 연속적으로 조정된 온도에 대한 검출기 신호(128)가 픽업되는 적어도 하나의 측정 사이클을 수행하도록 지정될 수 있다. 여기서, 검출기 신호(128)의 획득은 특히 시간적 스캔을 사용하여 순차적으로 수행될 수 있다.
평가 유닛(138)에 의해 결정되는 정보는 하나 이상의 추가 장치 또는 사용자에게 전자적, 시각적 및/또는 청각적 방식으로 제공될 수 있다. 예로서, 정보는 모니터(150)를 사용하여 표시될 수 있다. 또한, 정보는 데이터 저장 디바이스(152)에 저장될 수 있는데, 도 1a에 도시된 바와 같이 데이터 저장 디바이스(152)는 평가 유닛(138)에 포함될 수 있다. 대안으로서, 데이터 저장 디바이스(152)는 별도의 저장 디바이스일 수 있으며, 여기서 별도의 저장 디바이스로의 정보는 추가 인터페이스(여기에 도시되지 않음), 특히 무선 인터페이스 및/또는 유선 인터페이스를 통해 전송될 수 있다.
대안으로서, 평가 유닛(138), 처리 디바이스(142), 키패드(146), 모니터(150) 및 데이터 저장 디바이스(152) 중 적어도 하나, 바람직하게는 이들 전부는 구체적으로 스마트폰 또는 태블릿으로부터 선택되는 전자 통신 디바이스에 통합될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 방사선(114)을 측정하기 위한 방법(160)의 예시적 실시예의 도면을 매우 개략적인 방식으로 도시한다.
단계 a)에 따른 방출 단계(162)에서는, 방사선 방출 요소(116)를 사용하여 원하는 광학 방사선(114)이 방출되는데, 방출된 광학 방사선(114)의 스펙트럼은 방사선 방출 요소의 온도에 의존한다.
단계 b)에 따른 생성 단계(164)에서는, 하나 이상의 감광성 검출기(120)를 사용하여 적어도 하나의 검출기 신호(128)가 생성되는데, 적어도 하나의 감광성 검출기(120)는 방출된 광학 방사선(114)을 수신하도록 지정된 감광성 영역(122)을 갖는다. 여기서, 적어도 하나의 검출기 신호(128)는 감광성 영역(122)의 조명 및 하나 이상의 감광성 검출기(120)의 온도에 의존한다.
단계 c)에 따른 조정 단계(166)에서는, 적어도 하나의 제어 신호(132, 134)를 방사선 방출 요소(116) 및/또는 하나 이상의 감광성 검출기(120)에 제공함으로써 방사선 방출 요소(116) 및/또는 하나 이상의 감광성 검출기(120)의 온도가 조정된다. 바람직하게는, 적어도 하나의 제어 신호(132, 134)는 제어 회로(130)에 의해 제공될 수 있다.
단계 d)에 따른 측정 단계(168)에서는, 하나 이상의 감광성 검출기(120)에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호(128)가 특히 판독 회로(136)에 의해 측정되고, 바람직하게는 인터페이스(140)를 통해 평가 유닛(138)으로 전송된다.
선택적인 평가 단계(170)에서는, 물체(124)의 스펙트럼과 관련된 원하는 스펙트럼 정보(172)가 특히 적어도 하나의 검출기 신호(128)에 기초하여 평가 유닛(138)을 사용하여 결정될 수 있다.
광학 방사선(114)을 측정하기 위한 방법(160)에 관한 추가 세부사항에 대해서는 위에서 제공된 분광계 디바이스(112)의 설명이 참조될 수 있다.
도 3은 종래 기술로부터 이미 알려진 카놀라 종자의 예시적 반사 스펙트럼(180)을 도시한다. 카놀라 종자는 브라시카 속의 종자, 특히, 브라시카 나프스(Brassica napus), 브라시카 라파(Brassica rapa) 또는 브라시카 준세아(Brassica juncea)의 종자를 포함하는데, 이로부터의 오일은 지방산 프로파일에 2% 미만의 에루크산을 함유하고, 고체 성분은 공기 건조된 무오일 고체(air-dry, oil-free solid)의 그램당 3-부테닐 글루코시놀레이트(3-butenyl glucosinolate), 4-펜테닐 글루코시놀레이트(4-pentenyl glucosinolate), 2-하이드록시-3-부테닐 글루코시놀레이트(2-hydroxy-3-butenyl glucosinolate), 및 2-하이드록시-4-펜테닐 글루코시놀레이트(2-hydroxy- 4-pentenyl glucosinolate) 중 임의의 하나 또는 이들의 임의의 혼합물의 30 마이크로몰 미만을 포함한다(https://www.canolacouncil.org/oil-and-meal/what-is-canola/#OfficialDefinition 참조, 2020년 7월 21일에 검색됨). 도 3에 따른 도표에서는 μm 단위의 광학 방사선의 파장 λ에 대한 반사된 광학 방사선의 비율로서 반사 R이 표시된다. 카놀라 종자의 종래 기술의 반사 스펙트럼은 1.2μm 내지 2.2μm의 파장에 대해 Michelson 간섭계를 사용하여 측정되었다.
도 4는 종래 기술로부터 공지된 바와 같이 다양한 온도에 대한 백열등의 흑체 방출 스펙트럼(182)을 도시한다. ㎛ 단위의 광학 방사선의 파장 λ에 대한 105·W·s/m2 단위의 방출 E로 묘사된 흑체 방출 스펙트럼(182)은 100K의 단계를 적용하는 1000K 내지 2000K의 온도에 대한 백열등의 흑체 방사선을 고려하여 결정되었다.
도 5는 임의의 단위의 검출기 신호(S)의 추이(184)를 도시하는데, 검출기 신호(S)는 백열등의 온도를 변화시키는 동안 감광성 검출기(120)에 의해 생성된 것이다. K 단위의 온도(T)에 대한 검출기 신호(S)의 추이(184)는 도 3의 반사 스펙트럼(180), 도 4의 흑체 방출 스펙트럼(182), 및 감광성 검출기(120)로 사용되는 PbS 검출기의 스펙트럼 응답성의 컨벌루션에 의해 결정된 것이다.
도 6, 도 7 및 도 8은 각각 카놀라 종자의 측정된 반사 스펙트럼(188, 190, 192)과 계산된 반사 스펙트럼(186)의 비교를 도시한다. 여기서, 계산된 반사 스펙트럼(186)은 앞서 제시된 수학식 1을 사용하여 결정된 것이다. 여기서,
- 도 6의 측정된 반사 스펙트럼(188)은 도 1a에 도시된 바와 같이 단일 PbS 검출기를 사용하여 획득되었고,
- 도 7의 측정된 반사 스펙트럼(190)은 도 1b에 도시된 바와 같이 감광성 물질로서 PbS를 각각 포함하는 2개의 개별 감광성 영역(122, 122')을 사용하여 획득되었고(1.2μm 내지 1.9μm의 제1 대역통과 필터가 제1 검출기 앞에 배치되었고, 1.9 μm 내지 2.2 μm의 제2 대역통과 필터를 제2 PbS 검출기 앞에 배치되었음),
- 도 8의 측정된 반사 스펙트럼(192)은 도 1c에 도시된 바와 같이 감광성 물질로서 PbS를 각각 포함하는 4개의 개별 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')을 사용하여 획득되었다(1.2 μm 내지 1.4 μm의 제1 대역통과 필터가 제1 PbS 검출기 앞에 배치되었고, 1.4 μm 내지 1.7 μm의 제2 대역통과 필터가 제2 PbS 검출기 앞에 배치되었고, 1.7 μm 내지 1.9 μm의 제3 대역통과 필터가 제3 PbS 검출기 앞에 배치되었으며, 1.9μm 내지 2.2μm의 제4 대역통과 필터가 제4 PbS 검출기 앞에 배치되었음).
백열등의 방출 스펙트럼이 임의의 스캔형 분광계에 비해 매우 넓고 스캐닝 요소의 전송 대역폭은 훨씬 더 작기 때문에(예컨대 단일 검출기 Fabry-Perot 간섭계의 전송 대역폭은 수 나노미터보다 작음), 도 6의 뷰는 스펙트럼 분해능이 매우 매끄러운 것을 보여주었다.
그러나, 적절한 대역통과 필터를 갖는 검출기의 수를 증가시킴으로써, 분산형 분광계와 스캔형 분광계 접근 방식의 결합이 달성될 수 있다. 2개의 개별 감광성 영역(122, 122')을 사용하여 기록되는 도 7의 측정된 반사 스펙트럼(190)에서는 스펙트럼 분해능의 증가가 관찰될 수 있다.
개별 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')의 수가 2개에서 4개로 추가로 증가하면 도 8에 도시된 바와 같이 훨씬 더 나은 분해능을 얻을 수 있다. 128개, 256개, 1024개, 2096개 또는 그 이상의 픽셀을 갖는 검출기 어레이를 포함하는 최적화된 분산형 분광계에 비해, 도 8의 측정된 반사 스펙트럼(192)을 획득하는 데 사용된 4개의 개별 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')의 수는 다소 부족한 것으로 보인다. 따라서, 스캔형 분광법과 분산형 분광법이라는 두 가지 접근 방식을 결합하면, 값비싼 어레이 또는 스캐닝 요소를 요구하지 않고 고속 변조 광원을 요구하지 않으면서 합리적인 스펙트럼 분해능이 달성될 수 있다.
110: 분광계 시스템
112: 분광계 디바이스
114: (방출된) 광학 방사선
116: 방사선 방출 요소
118: 열 방사기
120: 감광성 검출기
122, 122', …: 감광성 영역
124: 물체
125, 125', …: 광학 대역통과 필터
126: 하우징
128: 검출기 신호
130: 제어 회로
132: 제어 신호
134: 제어 신호
136: 판독 회로
138: 평가 유닛
140: 인터페이스
142: 처리 디바이스
144: 별도의 디바이스
146: 키패드
148: 화살표
150: 모니터
152: 데이터 저장 디바이스
160: 광학 방사선 측정용
162: 방출 단계
164: 생성 단계
166: 조정 단계
168: 측정 단계
170: 평가 단계
172: 스펙트럼 정보
180: 반사 스펙트럼
182: 흑체 방출 스펙트럼
184: 추이
186: 계산된 반사 스펙트럼
188: 측정된 반사 스펙트럼
190: 측정된 반사 스펙트럼
192: 측정된 반사 스펙트럼
112: 분광계 디바이스
114: (방출된) 광학 방사선
116: 방사선 방출 요소
118: 열 방사기
120: 감광성 검출기
122, 122', …: 감광성 영역
124: 물체
125, 125', …: 광학 대역통과 필터
126: 하우징
128: 검출기 신호
130: 제어 회로
132: 제어 신호
134: 제어 신호
136: 판독 회로
138: 평가 유닛
140: 인터페이스
142: 처리 디바이스
144: 별도의 디바이스
146: 키패드
148: 화살표
150: 모니터
152: 데이터 저장 디바이스
160: 광학 방사선 측정용
162: 방출 단계
164: 생성 단계
166: 조정 단계
168: 측정 단계
170: 평가 단계
172: 스펙트럼 정보
180: 반사 스펙트럼
182: 흑체 방출 스펙트럼
184: 추이
186: 계산된 반사 스펙트럼
188: 측정된 반사 스펙트럼
190: 측정된 반사 스펙트럼
192: 측정된 반사 스펙트럼
Claims (15)
- 광학 방사선(114)을 측정하기 위한 분광계 디바이스(112)로서,
적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) ― 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)는 광학 방사선(114)을 방출하도록 설계되고, 상기 방출된 광학 방사선(114)의 스펙트럼은 상기 방사선 방출 요소(116)의 온도에 의존함 ― 와,
적어도 하나의 감광성 검출기(120) ― 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)는 상기 방출된 광학 방사선(114)을 수신하도록 지정된 적어도 하나의 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')을 갖고, 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)에 의해 생성된 적어도 하나의 검출기 신호(128)는 상기 적어도 하나의 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')의 조명 및 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)의 온도에 의존함 ― 와,
적어도 하나의 제어 회로(130) ― 상기 적어도 하나의 제어 회로(130)는,
알려진 온도에서 플랑크의 법칙(Planck's law)을 사용하여 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)에 의해 방출된 상기 광학 방사선(114)의 스펙트럼을 결정하고,
적어도 하나의 제어 신호(132, 134)를 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) 또는 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120) 중 적어도 하나에 적용함으로써 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) 또는 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120) 중 적어도 하나의 온도를 조정하도록 구성됨 ― 와,
적어도 하나의 판독 회로(136) ― 상기 적어도 하나의 판독 회로(136)는 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)에 의해 생성된 상기 적어도 하나의 검출기 신호(128)를 측정하도록 구성됨 ― 를 포함하는,
분광계 디바이스(112).
- 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어 회로(130)는 상기 적어도 하나의 제어 신호(132, 134)를 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) 또는 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)에 제공함으로써 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) 또는 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)의 온도를 조정하도록 구성되는,
분광계 디바이스(112).
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)는 적어도 하나의 열 방사기(118)에 포함되는,
분광계 디바이스(112).
- 제3항에 있어서,
상기 방출된 광학 방사선(114)의 피크 파장은 빈의 변위 법칙(Wien's displacement law)에 따른 온도의 함수인,
분광계 디바이스(112).
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)의 온도는 상기 적어도 하나의 제어 신호(132)의 함수인,
분광계 디바이스(112).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)는 적어도 하나의 광전도성 물질을 포함하는,
분광계 디바이스(112).
- 제6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광전도성 물질은 PbS, PbSe, Ge, InGaAs, InSb 또는 HgCdTe 중 적어도 하나로부터 선택되는,
분광계 디바이스(112).
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''') 앞의 방사선 경로에 적어도 하나의 광학 통과 필터(125, 125', 125'', 125''')가 배치되는,
분광계 디바이스(112).
- 제8항에 있어서,
2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개의 감광성 검출기(120) 및/또는 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')을 포함하는,
분광계 디바이스(112).
- 분광계 시스템(110)으로서,
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른, 광학 방사선(114)을 측정하기 위한 적어도 하나의 분광계 디바이스(112)와,
상기 분광계 디바이스(112)에 의해 제공되는 적어도 하나의 검출기 신호(128)를 평가함으로써 물체(124)의 스펙트럼과 관련된 정보를 결정하도록 지정된 평가 유닛(138)을 포함하는,
분광계 시스템(110).
- 광학 방사선(114)을 측정하기 위한 방법(160)으로서,
a) 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)를 사용하여 광학 방사선을 방출하는 단계 ― 상기 방출된 광학 방사선(114)의 스펙트럼은 상기 방사선 방출 요소(116)의 온도에 의존함 ― 와,
b) 적어도 하나의 감광성 검출기(120)를 사용하여 적어도 하나의 검출기 신호(128)를 생성하는 단계 ― 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)는 상기 방출된 광학 방사선(114)을 수신하도록 지정된 적어도 하나의 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')을 갖고, 상기 적어도 하나의 검출기 신호(128)는 상기 적어도 하나의 감광성 영역(122, 122', 122'', 122''')의 조명 및 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)의 온도에 의존함 ― 와,
c) 알려진 온도에서 플랑크의 법칙을 사용하여 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)에 의해 방출된 상기 광학 방사선(114)의 스펙트럼을 결정하고, 적어도 하나의 제어 신호(132, 134)를 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) 또는 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120) 중 적어도 하나에 적용함으로써 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) 또는 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120) 중 적어도 하나의 온도를 조정하는 단계와,
d) 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)에 의해 생성된 상기 적어도 하나의 검출기 신호(128)를 측정하는 단계를 포함하는,
방법(160).
- 제11항에 있어서,
상기 단계 c)는 상기 적어도 하나의 제어 신호(132, 134)를 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) 또는 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)에 제공함으로써 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116) 또는 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)의 온도를 조정하는 단계를 포함하는,
방법(160).
- 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 방출된 광학 방사선(114)의 피크 파장은 상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)의 온도를 조정함으로써 시프트되는,
방법(160).
- 제13항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방사선 방출 요소(116)의 온도의 함수로서의 상기 피크 파장은 분석적으로 알려지거나 교정 프로세스를 적용함으로써 결정되는,
방법(160).
- 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방출된 광학 방사선(114)은 물체(124)에 의해 반사되는 것 또는 물체(124)를 통해 투과되는 것 중 적어도 하나에 의해 상기 적어도 하나의 감광성 검출기(120)에 도달하는,
방법(160).
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