KR20230069089A - 분광기, 거리 측정 시스템 및 분광기 작동 방법 - Google Patents

Abstract

렌즈(1), 분산 요소(2) 및 감지기(3)가 있는 분광기에 관한 발명으로서, 렌즈(1)로 안내되는 측정광(4)이 렌즈(1)를 통해 분산 요소(2)에 투사되며, 스펙트럼 분산 방식으로 분산 요소(2)에 의해 렌즈(1)로 다시 반사되고, 렌즈(1)를 통해 감지기(3)로 안내되며, 분광기는, 렌즈(1)가 이미징에 영향을 주는 적어도 하나의 비구면 표면(5)을 갖는 단일 렌즈 또는 개별 렌즈가 되도록, 구조적으로 단순한 수단으로 콤팩트한 구조 크기로 고성능을 고려하여 설계 및 개발되었다. 또한, 대응하는 거리 측정 시스템 및 분광기 작동에 대한 대응하는 방법이 구체화된다.

Description

분광기, 거리 측정 시스템 및 분광기 작동 방법

본 발명은 렌즈, 분산 소자 및 감지기를 갖는 분광기에 관한 것이다. 렌즈로 안내된 측정광은 렌즈에 의해 분산 요소에 투사되고, 분산 요소에 의해 스펙트럼 분산 방식으로 렌즈로 다시 반사되며, 렌즈에 의해 감지기로 안내된다.

또한, 본 발명은 그러한 분광기를 갖는 거리 측정 시스템, 특히 공초점 색채 거리 측정 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 그러한 분광기를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 분광기는 렌즈, 분산 요소 및 감지기로 구성된다. 렌즈로 안내된 측정광은 렌즈에 의해 분산 요소에 투사되고, 분산 요소에 의해 스펙트럼 분산 방식으로 렌즈로 다시 반사되며, 렌즈에 의해 감지기로 안내된다.

예를 들어, 공초점 색 거리 측정 시스템의 성능은 공초점 색 거리 측정 시스템의 분해능과 분해능으로 실현될 수 있는 측정 속도에 결정적으로 종속된다. 하나의 중요한 방법은 적절한 광학 센서를 사용한 1차원 공초점 색 거리 측정이다. 이로써 백색광은 광학 기기를 사용하여 표면에 투사된다. 이로써 광학 기기는 색수차로 보정되지 않는다. 오히려, 광학 기기는 측정 축을 따라 모호하지 않은 종방향 색 오차가 발생하도록 설계되었다. 그 결과 샘플에 의해 반사된 측정광 스펙트럼의 최대값이 샘플과 측정 헤드 사이의 거리와 명확하게 연관될 수 있는 파장에서 발생한다. 대응하는 거리 측정 시스템 또는 센서의 평가 단위 역할을 하는 것은, 예를 들어, 2개의 수렴 렌즈, 분산 요소; 및 감지기가 있는 분광기이다. 2개의 렌즈 중 최초로 안내되는 측정광은 이 렌즈를 통해 분산 요소에 투사되고, 분산 요소에 의해 스펙트럼 분산되며, 제2 렌즈를 통해 감지기로 안내된다.

일부 사용 분야의 경우, 이러한 분광기의 크기를 현저하게 줄이는 것이 바람직하며, 궁극적으로 대응하는 거리 측정 시스템 또는 센서의 크기를 줄이는 것이 바람직하다. 따라서, 현재 시스템에 비해 성능 손실을 감수할 필요가 없다. 분광기의 성능은 감도와 스펙트럼 분해능의 결과이다.

감도 요건은 오늘날 거리 계측이 더 높은 측정 속도를 요구한다는 점에서 정당화된다. 그러나, 감지기의 양자 효율은 유한하기 때문에 평가되어야 할 측정 신호는 최소 광 강도를 가져야 한다. 한편으로, 이는 조명 빔을 강화하여 달성할 수 있습니다. 그러나, 이는 대응하는 수명과 견고성을 가진 사용 가능한 광 방사원으로 제한된 범위에서만 가능하다. 여기에서 따라야 할 또 다른 접근 방식은 더 약한 신호도 충분히 잘 평가할 수 있도록 광 강도를 고려한 최적화이다.

본 발명은 분광기, 거리 측정 시스템 및 분광기의 동작 방법을 구체화하는 것을 목적으로 하며, 구조적으로 간단한 수단으로 콤팩트한 크기로 고성능을 구현할 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 전술한 목적은 청구항 제1항의 특징을 갖는 분광기, 청구항 제11항의 특징을 갖는 거리 측정 시스템, 및 청구항 12항의 특징을 갖는 분광기를 동작시키는 방법에 의해 달성된다.

따라서, 청구항 제1항에 따른 분광기는 렌즈가 이미징에 영향을 주는 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 단일 렌즈 또는 개별 렌즈가 되도록 설계 및 개발되었다.

제12항에 따르면, 방법은 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 단일 렌즈 또는 개별 렌즈가 이미징에 영향을 미치는 렌즈로 사용되도록 설계되고 추가적으로 개선된다.

본 발명에 따른 방식으로, 전술한 목적이 렌즈의 적절한 디자인에 의해 놀라울 정도로 단순한 방식으로 달성된다는 것이 먼저 인식되었다. 본 발명에 따른 또 다른 방식으로, 이어서 렌즈는 이미징에 간단한 영향을 주기 위해 적어도 하나의 비구면 표면으로 특별히 설계된다. 렌즈의 적어도 하나의 비구면으로 인해, 단일 렌즈 또는 개별 렌즈 요소만으로 소형 분광기를 구현할 수 있다. 컴팩트한 디자인과 구조적으로 단순한 디자인에도 불구하고 단 하나의 렌즈로 높은 이미징 성능이 가능하다. 유리하게, 본 발명에 따른 분광기는 단일 렌즈, 분산 요소 및 감지기와 함께 광학적으로 영향을 미치는 구성 요소를 거의 사용하지 않으며, 이는 분광기의 열 동작을 용이하게 관리할 수 있개 한다.

결과적으로, 본 발명에 따른 분광기로, 본 발명에 따른 거리 측정 시스템, 본 발명에 따른 방법, 분광기, 거리 측정 시스템 및 방법은 구조적으로 간단한 수단으로 컴팩트한 크기로 고성능을 가능하게 하는 방법을 제공한다.

이 시점에서, "단일 렌즈" 또는 "개별 렌즈"라는 용어는 개별 렌즈 요소를 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 본원에서 "단일 렌즈" 또는 "개별 렌즈"라는 용어는 개별적인 일체형 렌즈뿐만 아니라, 예를 들어, 더블렛(doublet) 또는 트리플렛(triplet) 배열 또는 두 개의 자유 형식 및/또는 비구면이 서로 고정되거나 합착된 경우인, 다중 렌즈 요소도 포함한다.

유리한 예시적 실시예에서, 비구면 표면은 바람직하게는 회전 대칭 비구면 표면, 자유 형태 표면 또는 구역 의존 회절 구조를 포함할 수 있다. 사용 사례 및 개별 요구 사항에 따라, 적합한 실시예는 유연한 방식으로 선택될 수 있고, 분광기의 원하는 성능은 간단한 방식으로 구현될 수 있다.

렌즈는 매우 유리하게 렌즈의 분리된 구역에서 광학 기능을 제공할 수 있다. 렌즈는 다른 기능을 위해 개별적으로 다른 렌즈를 제공할 필요 없이 다른 기능을 위해 사용될 수 있다. 이는 분광기의 설계를 상당히 단순화한다.

또 다른 유리한 예시적 실시예에서, 시준(collimation) 및 재초점(refocusing)의 광학 기능은 측정광을 위한 것일 수 있다.

특히, 그러한 예시적인 실시예가 주어지면, 이미징의 영향은 이미징 오류의 수정을 포함할 수 있다. 시준 및 재초점의 2개의 기능을 최적화할 수 있도록 스펙트럼 분산 측정 광에 대해 바람직하게 파장특정보정(wavelength-specific correction)이 이루어질 수 있다. 특히, 높은 파장 최적화 성능이 분광기로 달성된다.

더 높은 라인 카운트가 주어진 특히 고성능 및 낮은 전력 손실과 관련하여, 분산 요소는 바람직하게는 편평한 반사 격자를 가질 수 있다. 이러한 평면 반사 격자는 용이하게 제작 가능하며 저렴하게 제작할 수 있으며 온도 효과에 대한 관리 가능한 선형 응답을 나타낸다.

또 다른 예시적인 실시예에서, 렌즈는 굴절, 회절 또는 하이브리드로 설계될 수 있다(예: 자유 형태 지지대 상의 회절 구조). 특정 사용 사례를 고려하여 렌즈 디자인을 유연하게 선택할 수 있다.

분광기의 고성능과 관련하여, 렌즈는 블랭크 프레싱(blank pressing), 바람직하게는 정밀 블랭크 프레싱, 또는 사출 성형, 바람직하게는 플라스틱 사출 성형에 의해 제작될 수 있다. 특히 블랭크 프레스 또는 정밀 블랭크 프레스의 경우, 복잡한 자유 형태 표면이 있는 렌즈를 재현 가능하고 고품질로 대량 생산할 수 있다.

또 다른 유리한 예시적 실시예에서, 측정광이 분산 요소에 비스듬히 입사하고 분산 요소에서 거의 수직으로 반사되도록, 측정광을 위한 입구 조리개 배열이 선택될 수 있고, 따라서 개구부가 스펙트럼 방향으로 확대되어, 이는 스펙트럼 방향에서 감지기의 이미징 스케일을 감소시킨다. 따라서, 분광기는 동일한 빛 감도에서 더 높은 스펙트럼 분해능을 얻을 수 있거나 반대로 동일한 스펙트럼 분해능에서 더 많은 빛을 캡처할 수 있으므로 더 빛에 민감해진다.

구조적으로 간단한 방식으로, 감지기는 사용 사례에 따라 유연하게 이미지 요소를 라인 또는 매트릭스로 배열할 수 있다.

본 발명에 따른 분광기의 예시적인 실시예는 다음과 같은 유리한 특징을 가질 수 있다.

원칙적으로, 예를 들어, 거리 측정 시스템의 필수 하위 구성요소로서, 본 발명에 따른 분광기의 예시적인 실시예는 최적의 컴팩트한 크기 조건에서 분해능과 측정 속도라는 2개의 파라미터에 대해 최적화될 수 있다.

콤팩트한 디자인으로 인해, 본 발명에 따른 분광기는 원칙적으로 소형 분광기로도 지칭될 수 있다.

본 발명의 분광기의 하나의 예시적인 실시예는 리트로(Littrow) 분광기와 유사한 이중 통과 배열을 가질 수 있다. 이에 따라, 예시적인 실시예는 다음 구성요소를 포함할 수 있다.

a) 임의로 배열된 조리개 또는 입구 조리개 - 상, 하, 좌, 우 - 수신 요소 또는 감지기 주변

b) 다른 측면 구역에서 광학 표면을 사용하여 이미징 파워의 파장에 따른 보정을 가능하게 하는, 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 렌즈 요소 또는 렌즈

c) 평면 또는 평면 반사 격자

d) 입사광 또는 측정광의 스펙트럼 구성 요소가 집중되고 강도를 평가하는 수신 요소 또는 감지기

e) 바람직하게는 모든 광학 및 전자 요소의 통합을 가능하게 하는 지지 구조

따라서 사용되는 렌즈 요소 또는 렌즈는 다음과 같은 방식으로 설계될 수 있다.

a) 굴절, 회절 또는 하이브리드로 설계된다.

b) 복제 프로세스에 의해 생성되거나 생성될 수 있다.

c) 비구면 표면의 모양이 명시적으로 비구면 또는 자유 형태 표면 또는 구역 종속 회절 구조를 갖는다.

d) 복제 공정에서 렌즈 요소 또는 렌즈를 트리밍하거나 직육면체로 직접 압착 또는 사출 성형할 수 있다.

입구 조리개의 배열은 바람직하게는 측정광의 비스듬한 조사와 격자에서 대략 수직 출현으로 이어지는 방식으로 선택될 수 있고, 따라서 스펙트럼 방향으로 개구부가 확대되며, 이는 스펙트럼 방향에서 수신 요소의 이미징 스케일을 감소시킨다.

렌즈 요소의 중심 표면은 격자와 감지기 사이 거리의 25% 내지 75% 범위에 있을 수 있다.

따라서 사용되는 수신 요소는 행 또는 행렬 요소이거나 행, 다중 행 또는 행렬을 가질 수 있다.

따라서 지지 구조는 거의 이상적인 열 보상 배열 및 부품 고정을 가능하게 하는 방식으로 설계될 수 있다.

본 발명에 따른 분광기의 예시적인 실시예의 성능을 추정하기 위해, 시장 분석이 수행되었다. 이에 따라, 품질 기준 Q가 계산되으며, 기준은 다음 관계에 따라 주어진 최소 표시 가능 스펙트럼 범위에 대한 성능을 설명한다:

여기서, NA는 입구 빔의 조리개 수를 나타낸다. 슬릿 폭은 입사 구경 또는 입사 섬유의 코어 직경으로 인해 발생하며, 스펙트럼 분해능은 이미지 센서에서 여전히 개별적으로 평가할 수 있는 스펙트럼 폭을 나타낸다.

조사된 시중의 분광기는 구조적 형태가 너무 크거나 성능이 부족한 것이 분명하였다. 아래 표에서 마지막 2개의 모델인 "MEO, double asphere"와 "MEO, free-form surface"는 본 발명의 예시적인 실시예이다. 이에 따라 예시적인 실시예 "MEO, double asphere"는 출원인의 현재 분광기의 품질 기준에 거의 대응하지만, 훨씬 더 큰 치수를 갖는다.

판매자/모델	크기	볼륨	스펙트럼 분해능	조리개/슬릿 폭	NA	품질 기준 Q
경쟁자 1	22Х22Х9 mm³	4.4 cm³	10.0 nm	35 μm	0.22	770
경쟁자 1	35Х22Х13.5 mm³	10.4 cm³	5.0 nm	50 μm	0.18	1820
경쟁자 1	64Х42Х14.5 mm³	39.0 cm³	2.5 nm	35 μm	0.10	1400
MEO, double asphere	45Х30Х12.5 mm³	16.9 cm³	1.7 nm	30 μm	0.20	3000
MEO, free-form lens	45Х30Х12.5 mm³	16.9 cm³	1.1 nm	30 μm	0.20	5400

유리한 방식으로 본 발명의 교시를 설계 및 개발하기 위한 다양한 가능성이 있다. 이와 관련하여, 도면의 도움으로 한편으로는 종속항을 참조하고, 다른 한편으로는 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예에 대한 하기 설명을 참조한다. 도면에 기초한 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예의 예시와 함께, 일반적으로 바람직한 실시예 및 교시의 발전이 또한 도시된다. 다음은 도면에 표시된다.

도 1은 본 발명에 따른 분광기의 제1 실시예의 설계를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 분광기의 제2 실시예의 설계를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 분광기의 제1 예시적 실시예의 설계를 개략적으로 도시한 것이다. 분광기는 렌즈(1), 편평한 반사 격자의 형태의 분산 요소(2), 스캔 라인이 있는 감지기(3)를 포함한다. 렌즈(1)로 안내되는 측정광(4)은 렌즈(1)에 의해 분산 요소(2)에 투사되며, 스펙트럼 분산 방식으로 분산 요소(2)에 의해 렌즈(1)로 다시 반사되고, 렌즈(1)에 의해 감지기(3)로 안내된다. 분산 요소(2)는 렌즈(1)로부터 적절하고 미리 결정 가능한 거리에 위치한다. 구조적으로 단순한 수단으로 콤팩트한 구조적 크기를 가진 고성능에 관하여, 렌즈(1)는 이미징에 영향을 미치기 위해, 특히 이미징 오류를 수정하기 위해, 적어도 하나의 비구면 표면(5)-여기에서 2개의 비구면 표면(5)을 가진 이중 비구면-를 가진 단일 렌즈 또는 개별 렌즈이다.

원칙적으로, 도 2에 도시된 예시적인 실시예는 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 대응한다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예와 대조적으로, 렌즈(1)는 -도 2의 좌측에서- 단일 렌즈 또는 자유 형태 표면(5)을 가진 개별 렌즈이며, -도 2의 우측에서- 분산 요소(2) 를 향하는 비구면(5)이다.

두 예시적인 실시예가 주어지면, 측정광(4)은 입구 조리개를 통해 렌즈(1) 상으로 안내된다(도시되지 않음). 명확성을 위해 측정광(4)의 2개의 에지 빔(6)만이 도시되어 있다.

통상적인 개념에 따라 빛을 분광적으로 분산시키기 위해서는, 처음에는 잘 시준된 방식으로 분산 요소로 향해야 한다. 여기에서 생성되는 스펙트럼 분할(각 분산)은 라인 감지기가 위치한 이미지 평면의 로컬 분산으로 초점을 맞추는 광학 장치에 의해 변환된다.

소형 분광기를 제작하기 위해, 분광기에서 빔을 굴절시키는 것은 선행 기술이다. 분산 요소는 광학 배열의 중심에 있기 때문에, 이러한 목적에 특히 적합하다. 구조 형태는 프리즘, 투과 격자 및 반사 격자이다. 프리즘은 각도 분산이 제한되고 구조 크기가 바람직하지 않다는 단점이 있다. 더 높은 라인 번호에서, 반사 격자는 투과 격자에 비해 매우 낮은 전력 손실을 특징으로 한다. 일반적으로, 높은 각도 분산은 감지기 요소에서 동일한 로컬 분할이 주어지면 더 짧은 초점의 초점 거리를 가능하게 한다. 동시에, 그러나, 감도를 유지하기 위해 분광기의 개방을 줄일 수 없는 경우, 이미징 시스템에 대한 요구 사항이 증가한다. 본 발명에 따른 분광기는 리트로(Littrow) 분광기의 원리와 유사하다. 렌즈가 있는 일 실시예에서, 이는 입사 빔을 위한 시준 광학 장치이자 감지기 라인의 스펙트럼 이미징을 위한 초점 광학 장치인 단 하나의 렌즈로 구성된다. 이와 같이, 평평한 격자에서는 분산 요소로서의 적용이 발견된다. 또한, 주어진 Littrow 분광기, 하나의 파장-바람직하게는 원하는 스펙트럼 범위의 중심에 위치-에 대해, 입사각은 회절각과 같고, 따라서 이 경우 필드 각도에 따른 이미징 오류는 광학적으로 거의 이상적으로 수정 가능한 중심 파장 주위에 대칭으로 분포된다. 실제로, 그러나, 한편으로는 입사 빔과 생성 빔의 분리가 필요하기 때문에 그리고 다른 한편으로는 필요한 로컬 분할로 인해, 광원과 이미징 요소는 항상 설계에 따른 최소 거리를 갖는다. 광원과 이미징 요소를 수평으로 서로에 대해 상부에 배열하면, 분해능에서 약간의 손실이 예상될 수 있다. 그러나, 분광기의 대응하는 큰 국부 분할 및 개구부가 주어지면, 그 결과 발생하는 이미징 오류는 단순한 구면 렌즈로는 제어할 수 없다. 다중 렌즈 대물렌즈의 솔루션도 이러한 목적으로 알려져 있습니다. US 9 964 443 B1 참조. 그러나, 결정적인 단점은 이와 관련된 비용, 높은 조정 노력 및 예상되는 열 보상의 더 큰 어려움이다.

그러나, 더욱 발전된 생산 공정으로 인해, 예를 들어 정밀도 블랭크 프레싱(precision blank pressing)으로 인해, 더 많은 양으로도, 이제는 복잡한 자유 형태 표면을 가진 렌즈를 대량으로 재현 가능하게 생산하는 것이 가능하다. 본 발명은 이를 이용하여 비구면, 자유 형태, 회절 구조와 같은 복잡한 광학 표면 프로필을 가진 새로운 형태의 분광기를 생산한다.

획득된 측정 광(4)은 중앙 및 가장자리 빔(6)을 갖는 발산 자유 빔에서 입구 개구(여기에는 도시되지 않음)를 통해 단일 렌즈(1) 상에 투사된다: 도 1 및 2. 이는 렌즈(1)에 의해 시준되고 편평한 반사 격자의 형태로 분산 요소(2)에 투사된다. 반사 격자는 분광 분산된 광 펜실(light pencil)을 동일한 단일 렌즈(1)로 다시 반사하고, 단일 렌즈(1)는 차례로 광 펜실을 파장 분리 방식으로 감지기(3)의 스캔 라인으로 향하게 한다. 본 발명은 이로써 적어도 하나의 비구면 표면(5) 또는 회전 대칭 비구면-또는 최적의 경우 자유 형식 표면-을 특징으로 하며, 이는 상대적으로 큰 시야각으로 인해 발생하는 이미징 오류를 수정한다. 본 발명을 통해, 렌즈(1)에서 스펙트럼 분산 광 펜실의 정확하게 일치하는 파장별 보정을 얻을 수 있다. 시준 및 재초점의 두 가지 기능은 렌즈(1)의 별도 영역에서 최적화된다.

여기서, 조리개의 형상은 무관하다. 라인 픽셀이 정사각형인 경우, 이는 광학 도파관의 끝과 같이 이상적으로는 원형이다. 반면에 픽셀이 직사각형이면, 라인에 수직으로 위치한 슬릿 조리개는 광 산출율을 최적화하는 데 유리할 수 있다.

복잡한 자유 형태 표면의 생산은, 예를 들어, 정밀 블랭크 프레싱을 통해 달성될 수 있다. 이는 유리 렌즈를 위한 매우 정밀하고 동시에 경제적인 성형 공정이다. 기존의 플라스틱 사출렌즈와 달리, 유리 렌즈는 온도 영향이 현저하게 낮고 재료의 간섭 지점이 적으며 장기 안정성이 더 크다. 그러나, 그럼에도 불구하고, 플라스틱 사출 성형에 의한 생산이 가능하다.

적어도 하나의 비구면 표면을 통해서만-낮은 분해능 요구 사항의 경우 비구면으로도 충분함- 광원과 감지기 라인의 공간 절약형 배열을 고려할 때 분해능 최적화 보정을 구현할 수 있으며, 따라서 컴팩트한 디자인에도 불구하고 높은 이미징 성능이 가능하다.

렌즈 표면 성형의 자유를 통해, 소스의 축소된 이미지가 라인 감지기에서 이미지화되도록, 가능한 범위 내에서 이미지 스케일을 조정할 수 있다. 따라서, 분광기는 동일한 빛 감도에서 더 높은 스펙트럼 분해능을 달성하거나, 반대로 동일한 스펙트럼 분해능에서 더 많은 빛을 캡처하여 더 빛에 민감해진다.

편평한 격자는 용이하고, 재현 가능하며, 저렴하게 생산될 수 있고 온도의 영향 하에서 관리하기 쉬운 선형 거동을 갖는다는 이점을 갖는다.

전체적으로, 이러한 형태의 분광기의 예시적인 실시예에서, 열 거동은 아래와 같은 이유로 인해 한계 내에서 관리 가능하다:

1. 광학적으로 영향을 미치는 4개의 구성 요소(조리개, 렌즈, 격자, 라인 감지기)만 사용된다.

2. 광학 부품들 간의 거리가 짧다.

3. 금속-유리 조합으로 만들어진 다중 부품 렌즈 시스템이 사용되지 않는다.

예시적 실시예의 구성요소의 이점:

표면이 자유로운 단일 렌즈 대 이중 렌즈 또는 렌즈 시스템:

자유 형태 표면을 가진 단일 렌즈로 분광기를 개발한다는 아이디어는 다양한 측면을 가지고 있다:

1. 적어도 동일한 광학 성능이 주어지면 훨씬 더 컴팩트한 구조 형태(약 3배)가 가능하다.

2. 파장에 따라 크게 달라지는 시야각(높은 각도 분산)에 대한 보정은 자유 형식 광학과 달리 여기서는 불가능하기 때문에, 이중 렌즈 형태의 두 구면 렌즈 조합은 필요한 이미징 성능을 달성하지 못한다.

3. 재료 응력 및 팽창 계수의 영향은 단일 효과만 가지며 제어되지 않은 방식으로 서로 영향을 주지 않기 때문에, 개별 렌즈의 광학 특성에 대한 열적 영향은 렌즈 시스템에 대한 것보다 훨씬 더 관리하기 용이하다. 또한, 렌즈 퍼티(lens putty) 및 대물 하우징과 같은 잠재적으로 문제가 될 수 있는 구성 요소가 없다.

4. 현재의 선행 기술을 고려할 때 정밀 블랭크 프레싱은 이제 합리적인 비용으로 고품질의 경제적인 생산을 가능하게 한다.

평면 격자 대 오목 격자:

평면 격자의 이점은 이러한 대량 제품의 조달이다. 가격이 저렴하고 다양한 변형의 카탈로그 제품으로 시장에서 구할 수 있다. 오목 격자는 초점 거리, 선 너비 및 선 배열이 적절한 카탈로그 제품에 대한 변수가 너무 많기 때문에 항상 주문 제작 제품이다. 또한, 각각의 격자를 개별적으로 성형해야 하므로 생산 공정이 훨씬 더 복잡하다.

평면 격자의 열 거동은 마찬가지로 오목 격자보다 덜 복잡하다. 줄 간격과 줄 깊이만 다를 수 있다. 두 가지 모두 설계에서 보상하거나 필요한 경우 보정을 통해 수정할 수 있는 예측 가능한 동작으로 이어진다. 대조적으로 오목 격자가 주어지면 초점 길이도 온도에 따라 달라지며 일반적으로 라인, 다중 라인 또는 이미지 매트릭스의 이미징 품질에 부정적인 영향을 미친다.

종래 기술에서의 분류:

발명된 분광기는 Littrow 분광기와 기술적으로 유사하며 동시에 Dyson 분광기의 특성을 나타내야 한다.

Littrow 분광기:

Wikipedia에 따르면, Littrow 분광기는 입사광에 대한 시준기 역할과 분산 요소에서 반사된 빛에 대한 대물렌즈 역할을 동시에 수행하는 초점 광학 장치가 하나만 있는 분광기이다. 이 배치는 Otto von Littrow (1843-1864)가 고안했다. 이러한 배열을 자동 시준 배열이라고 한다. 이를 위해, 분산 요소는 파장별로 분리된 빛을 입사 방향으로 다시 반사해야 하며, 이는 정확히 한 파장에 대해서만 충족될 수 있다. 반사 격자와 평면 거울 앞의 프리즘 또는 투과 격자 모두 분산 요소로 가능하다. 관찰할 회절 차수가 입사 방향에 대해 다시 반사되도록 반사 격자를 회전시켜야 한다. 블레이즈 각도가 올바르게 선택된 블레이즈 격자는 Littrow 분광기에서 사용하기에 특히 적합하다. 반사광을 감지할 수 있도록, 입사 슬릿과 감지기는 분산 방향에 수직으로 서로 오프셋된다.

처음에는, 본 발명에 따른 분광기는 이중 통과에 사용되는 렌즈를 갖는 Littrow 분광기와 매우 유사하지만, 결정적인 차이가 있다. Littrow 분광기에서, 자동 시준의 원리는 외부 경로에서 시준하는 렌즈로의 입사각이 복귀 경로에서 초점을 맞추는 렌즈 밖으로 나오는 출사각과 동일하다는 점에서 사용됩니다. 입구 슬릿과 감지기(둘 다 평면도에서 "서로의 위에" 있음)의 공간적 분리는 눈에 띄는 화질 저하를 일으키지 않기 위해 분산 방향에 수직이어야 한다. 기술된 발명이 주어지면, 비구면 또는 더 나은 자유 형태 표면의 추가 자유도는 시준 및 초점을 담당하는 렌즈 영역이 한계 내에서 서로 독립적으로 최적화될 수 있도록 한다. 따라서, 본 발명은 자동 시준의 원리를 사용하지 않는다.

Dyson 분광기:

다이슨 분광기는 회절격자 쪽으로 향하는 렌즈 표면이 회절자 곡률에 대해 동심원으로 형성되고 위치한다는 독특한 특징을 갖는 오목 반사 회절격자를 갖는 단일 렌즈 분광기이다. 입구 조리개는 광축에 이상적으로 위치하며 실제로는 광축에 최대한 가깝다. 서로 동심원으로 실행되는 격자 및 렌즈 표면이 이미징 오류를 가능한 한 최대로 보상하기 때문에, Dyson 분광기는 특히 초분광 이미징에 사용된다.

Dyson 분광기의 특별한 잠재력은 광점뿐만 아니라 라인을 분광적으로 분산시키는 것이다. 그러나, 포즈를 취한 개체에는 이 속성이 필요하지 않다. 분광기의 넓은 공간 범위-특히, 1차원 지점에 필요하지 않은 수직면-은 심지어 불리하다. 또 다른 단점은 -본 발명의 평면 격자와 대조적으로- 비용이 많이 드는 오목 격자이며, 격자와 후면 렌즈 표면의 동심도 요구 사항을 충족하기 위해, 이는 렌즈에 비해 매우 정밀하게 추가로 배치되어야 한다. 여기서, 2개의 서로 다른 광학 요소의 생산 공차는 상호 포지셔닝의 공차와 함께 기하급수적으로 증가한다.

US 7 817 274 B2에 따른 소형 분광기:

콤팩트한 설계를 목적으로 하는 다수의 분광기 배열이 이 문서로부터 알려져 있다. 따라서, 도 6(b)에 도시된 실시예는 본 발명에 가장 가깝다. 이 실시예의 핵심은 조리개와 제1 렌즈 사이, 또는 포커싱 렌즈와 감지기 라인 사이의 리턴 경로의 원통형 렌즈이며, 이로써 종래 기술에 비해 현저하게 낮은 구조적 높이를 갖는다.

이러한 실시예와 본 발명의 본질적인 차이점은, 이러한 실시예에 따르면, 자유 형태 렌즈가 아니라 사용되는 구형 이중 렌즈이다. US 7 817 274 B2의 도 6(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 입구 조리개와 감지기 라인 사이에 도달해야 하는 수직 거리는 이미징 품질을 크게 저하시키지 않기 위해 매우 작다. 또한, 본 발명의 렌즈는 격자와 감지기 라인 사이의 거리의 25% 내지 75% 범위에 있는 반면에, US 7 817 274 B2의 렌즈는 격자 앞에서 매우 가깝다.

또한, US 7 817 274 B2에서, 입구 조리개 바로 뒤에 있는 입구 빔은 이중 렌즈가 시준하기 전에 원통형 렌즈에 의해 먼저 "평평해진다." 라인에 접촉하기 전에, 스펙트럼 선은 동일한 렌즈에 의해 높이가 다시 압축된다. 여기서, 본 발명은,필요한 로컬 분할과 함께 편평한 종횡비를 가진 시스템이 이미 생성되는 정도까지,자유 형식 렌즈에 의해 초점 거리가 짧아진다는 것이 다르다.

본 발명에 따른 분광기의 추가적인 유리한 실시예에 관하여, 본 발명에 따른 거리 측정 시스템 및 본 발명에 따른 방법은 반복을 피하기 위해 명세서의 일반적인 부분과 첨부된 청구범위를 참조한다.

마지막으로, 전술한 예시적인 실시예는 분명히 청구된 교시를 설명하기 위한 것일 뿐이며, 예시적인 실시예에 제한되지 않음에 주의한다.

1 렌즈
2 분산 요소
3 감지기
4 측정 광
5 비구면 표면
6 에지 빔

Claims (12)

1. 렌즈(1), 분산 요소(2) 및 감지기(3)를 구비한 분광기로서,
   상기 렌즈(1)로 안내되는 측정광(4)이 상기 렌즈(1)에 의해 상기 분산 요소(2) 상에 투사되며, 상기 분산 요소(2)에 의해 스펙트럼 분산 방식으로 상기 렌즈(1)로 다시 반사되고, 상기 렌즈(1)에 의해 상기 감지기(3)로 안내되며,
   상기 렌즈(1)는 이미징에 영향을 주기 위한 적어도 하나의 비구면 표면(5)을 갖는 단일 렌즈 또는 개별 렌즈인 것을 특징으로 하는 분광기.
2. 제1항에 있어서, 상기 비구면 표면(5)은 바람직하게는 회전 대칭 비구면, 자유 형태 표면, 또는 구역 의존 회절 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 분광기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 렌즈(1)는 상기 렌즈(1)의 분리된 구역 내에 광학 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 분광기.
4. 제3항에 있어서, 상기 광학 기능은 상기 측정광(4)에 대한 시준(collimation) 및 재초점(refocusing)인 것을 특징으로 하는 분광기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이미징의 영향은 이미징 오류의 수정, 바람직하게는 분광적으로 분산된 측정광(4)에 대한 파장특정보정(wavelength-specific correction)을 포함하는 것을 특징으로 하는 분광기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분산 요소(2)는 바람직하게는 편평한 반사 격자를 갖는 것을 특징으로 하는 분광기.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈(1)는 굴절, 회절 또는 하이브리드 디자인인 것을 특징으로 하는 분광기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈(1)는, 예를 들어, 블랭크 프레싱(blank pressing), 바람직하게는 정밀 블랭크 프레싱 또는 사출 성형, 바람직하게는 플라스틱 사출 성형과 같은, 복제 공정으로 생산되는 것을 특징으로 하는 분광기.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정광(4)이 상기 분산 요소(2) 상으로 비스듬히 입사하며 상기 분산 요소(2)로부터 거의 수직으로 반사되도록 상기 측정광(4)에 대한 입구 조리개의 배열이 선택되며, 이에 따라 상기 스펙트럼 방향으로 개구부가 확대되어 상기 스펙트럼 방향으로 상기 감지기(3)의 이미징 스케일이 감소하는 것을 특징으로 하는 분광기.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지기(3)는 라인 또는 행렬로 배열된 이미지 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광기.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 분광기를 포함하는 거리 측정 시스템, 특히 공초점 색채 거리 측정 시스템.
12. 분광기, 특히 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 분광기를 작동시키기 위한 방법으로서, 상기 분광기는 렌즈(1), 분산 요소(2) 및 감지기(3)를 구비하며, 상기 렌즈(1) 상에 안내되는 측정광(4)이 상기 렌즈(1)에 의해 상기 분산 요소(2) 상에 투사되고, 스펙트럼 분산 방식으로 상기 분산 요소(2)에 의해 상기 렌즈(1)로 다시 반사되며, 상기 렌즈(1)를 통해 상기 감지기(3)로 안내되고,
    적어도 하나의 비구면 표면(5)을 갖는 단일 렌즈 또는 개별 렌즈가 이미징에 영향을 주기 위한 상기 렌즈(1)로 사용되는 것을 특징으로 하는 분광기를 작동시키기 위한 방법.

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