KR101850573B1

KR101850573B1 - Minute rotary type image spectrum device

Info

Publication number: KR101850573B1
Application number: KR1020140006328A
Authority: KR
Inventors: 이종구; 황성길; 박종수
Original assignee: (주)다울아토닉스
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2018-04-19
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: KR20150086134A

Abstract

본 발명은 미세 회전형 이미지 분광장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입구 슬릿(entrance slit), 조준렌즈(collimating lens), 파장 선택부 및 초점조정렌즈(focusing lens)를 구비한 분광수단과, 검출부(detector)를 포함하는 분광장치에 관한 것으로,
상기 분광수단 및 상기 검출부(detector)는,
원주방향으로 미세 정역회전되는 제1회전체 및 제2회전체를 각각 구비하며;
상기 입구 슬릿(entrance slit)은,
슬릿의 간격을 조절하는 슬릿 조리개를 더 포함하고;
상기 제1회전체 및 상기 제2회전체를 구동하는 구동 모터는,
스텝핑 모터(stepping motor) 또는 서보모터(servomotor)중 어느 하나로 이루어지고;
상기 파장 선택부는,
제1프리즘, 제2프리즘 및 상기 제1프리즘과 제2프리즘 사이에 탈착 가능하게 슬라이딩 삽입되며, 단면이 이등변 삼각형으로 이루어진 격자반사체가 일정 간격으로 복수 배치되는 회절격자(grating)가 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 회전형 이미지 분광장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 고정된 영역의 중심에서 회전시켜가면서 스펙트럼을 얻는 방식임으로 분광장치를 직선으로 이동해야하는 작동 장치가 생략됨으로써 같은 분광 분해능(resolution)급에서 소형화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 고 정밀 광학부품들의 개수를 감소시킴으로써 부품들의 조립이 정열(alignment)이 손쉬워지며, 복잡한 수식을 생략함으로써 빠르게 스펙트럼 데이터를 얻을 수 있는 효과가 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fine rotation type image spectroscopy apparatus, and more particularly to a fine rotation image spectroscopy apparatus having spectroscopic means having an entrance slit, a collimating lens, a wavelength selection unit and a focusing lens, the present invention relates to a spectroscope including a detector,
Wherein the spectroscopic means and the detector are arranged such that,
Each of the first rotating body and the second rotating body being rotated in the circumferential direction in fine and normal directions;
The entrance slit may be formed,
Further comprising a slit aperture for adjusting the spacing of the slits;
Wherein the driving motor for driving the first rotating body and the second rotating body includes:
A stepping motor or a servomotor;
The wavelength selector may comprise:
And a diffraction grating which is slidably inserted between the first prism and the second prism and which has a plurality of grating reflectors each having an isosceles triangle in cross section arranged at regular intervals, The present invention relates to a fine rotation image spectroscope.
According to the present invention, since the spectrum is obtained while rotating at the center of the fixed region, an operation device for moving the spectroscope linearly can be omitted, thereby making it possible to downsize the spectroscope at the same spectral resolution level.
Also, by reducing the number of high-precision optical components, assembly of the components becomes easy and the spectral data can be quickly obtained by omitting the complicated formula.

Description

[0001] The present invention relates to a micro-

본 발명은 투과형 회절격자를 이용하여 1차원 이미지에 대한 분광 스펙트럼을 얻는 분광장치에 관한 것으로, 특히 장치를 고정된 중심축(center axis)을 중심으로 정역회전시키면서 각각의 미세한 각(angle)마다 1차원 이미지의 분광스펙트럼을 모아, 최종적으로 2차원 이미지의 분광 스펙트럼을 얻을 수 있는 미세 회전형 이미지 분광장치에 관한 것이다.The present invention relates to a spectroscopic apparatus for obtaining a spectroscopic spectrum for a one-dimensional image using a transmission grating, and more particularly, Dimensional image, and ultimately obtaining a spectral spectrum of a two-dimensional image.

일반적으로 분광장치는 분광을 위해 회절격자를 이용하는 방법과, 마이켈슨 간섭계(Michelson Interferometer)를 이용한다.Generally, a spectroscopic apparatus uses a diffraction grating for spectroscopy and a Michelson interferometer.

상기 마이켈슨 간섭계를 이용하는 경우에는 간섭계의 한쪽 거울의 위치를 이동해가면서 각각의 파장에 대한 2차원 이미지 정보들을 얻는다.When the Michelson interferometer is used, two-dimensional image information of each wavelength is obtained while moving the position of one mirror of the interferometer.

한편, 회절격자를 이용하는 경우에는 폭이 좁은 슬릿을 통과한, 즉 1차원적 선(line) 이미지를 투과형 회절격자 또는 반사형 회절격자에 회절시켜 분광된 스펙트럼 정보를 얻는다.On the other hand, when a diffraction grating is used, spectral information obtained by passing a narrow-width slit, that is, a one-dimensional line image is diffracted to a transmission type diffraction grating or a reflection type diffraction grating.

여기서, 간섭계를 이용한 초미세분광기는 상대적으로 정밀한 광학적 부품들이 필요하다. 특히 2차원 이미지가 왜곡되지 않게 하기해서 거울(mirror)과 beam-splitter의 표면의 평탄도가 전 영역에 대해서 측정하고자 하는 스펙트럼의 중심 파장에 최소 4분에 1 이하가 되어야하며, 한쪽 거울의 전 영역이 이동시 똑같은 움직여야 할 뿐 아니라 나노미터(nanometer) 스케일로 미세하게 움직여야 한다.Here, the ultrafine spectroscope using an interferometer requires relatively precise optical components. In particular, the flatness of the surface of the mirror and beam-splitter should be less than 1 / 4th of the central wavelength of the spectrum to be measured over the entire area so that the two-dimensional image is not distorted. Not only must the area move the same way as it moves, but it must move finely with the nanometer scale.

또한, 2차원 검출기로부터 얻은 신호들을 푸리에 변환(fourier transform)이라는 복잡한 수식을 거쳐야 한다.
In addition, the signals obtained from the two-dimensional detector must undergo a complicated equation called a fourier transform.

도 1은 종래의 회절격자를 이용한 초미세분광기를 개략적으로 나타낸 예시도 이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an exemplary view schematically showing an ultrafine spectroscope using a conventional diffraction grating. FIG.

도 1을 참조하면, 종래의 회절격자를 이용한 초미세분광기의 경우에는 2차원 이미지에 대한 스펙트럼을 얻기 위해서는 분광기(10)를 고정하고, 측정하고자 하는 시료를 연속적으로 이동시켜가면서 얻은 각각 1차원적 이미지의 스펙트럼을 모으거나, 고정된 물체인 경우에는 분광기(10)를 직선으로 이동시켜가며 각각 1차원적 이미지의 스펙트럼을 모아 2차원 이미지의 각 요소에 대한 스펙트럼들을 얻는 문제가 있었다.Referring to FIG. 1, in the case of an ultrafine spectroscope using a conventional diffraction grating, a spectroscope 10 is fixed to obtain a spectrum for a two-dimensional image, and a one-dimensional There has been a problem of collecting the spectrum of the image or moving the spectroscope 10 in a straight line in the case of a fixed object, collecting the spectra of the one-dimensional images respectively, and obtaining the spectra of the respective elements of the two-

대한민국 공개특허공보 제10-2004-0080257호(2004년 09월 18일 공개)Korean Patent Publication No. 10-2004-0080257 (published on September 18, 2004) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0097250호(2011년 08월 31일 공개)Korean Patent Publication No. 10-2011-0097250 (published on August 31, 2011)

상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 과제는, 측정하고자 하는 영역의 중심에 분광기를 고정하고, 그 중심을 기준으로 미세 각으로 회전시킬 때마다 1차원 이미지의 분광 스펙트럼을 얻어 1회전을 모두 수행함으로써 2차원 분광 스펙트럼을 얻을 수 있는 미세 회전형 이미지 분광장치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to solve the problems described above. It is an object of the present invention to provide a spectroscope that fixes a spectroscope at the center of a region to be measured and obtains a spectral spectrum of a one- Dimensional spectroscopic spectra can be obtained by performing both of the two-dimensional spectroscopic spectroscopy.

또한, 본 발명의 부수적인 과제는, 회전형 초미세 이미지 분광장치를 사용하여 고정된 영역의 2차원 이미지에 대한 분광스펙트럼을 얻음으로써, 2차원 영역에 대해서 대기(공기, 가스)의 화학적 성분 분포를 제공하며, 또한 2차원 영역에서 수십 나노미터에서부터 수 마이크로미터까지의 높낮이에 대한 구조정보를 제공할 수 있는 미세 회전형 이미지 분광장치를 제공하는 데 있다.Further, a secondary problem of the present invention is to obtain a spectral spectrum of a two-dimensional image of a fixed region by using a rotation type ultrafine image spectroscopic apparatus, thereby obtaining a distribution of chemical components of atmospheric (air, gas) And to provide a fine rotation image spectroscopy apparatus capable of providing structural information for a height of several tens of nanometers to several micrometers in a two-dimensional region.

상기 과제를 달성하기 위해 안출된 본 발명은,
입구 슬릿(entrance slit), 조준렌즈(collimating lens), 파장 선택부 및 초점조정렌즈(focusing lens)를 구비한 분광수단과, 검출부(detector)를 포함하는 분광장치에 관한 것으로,
상기 분광수단 및 상기 검출부(detector)는,
원주방향으로 미세 정역회전되는 제1회전체 및 제2회전체를 각각 구비하며;
상기 입구 슬릿(entrance slit)은,
슬릿의 간격을 조절하는 슬릿 조리개를 더 포함하고;
상기 제1회전체 및 상기 제2회전체를 구동하는 구동 모터는,
스텝핑 모터(stepping motor) 또는 서보모터(servomotor)중 어느 하나로 이루어지고;
상기 파장 선택부는,
제1프리즘, 제2프리즘 및 상기 제1프리즘과 제2프리즘 사이에 탈착 가능하게 슬라이딩 삽입되며, 단면이 이등변 삼각형으로 이루어진 격자반사체가 일정 간격으로 복수 배치되는 회절격자(grating)가 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention,
A spectroscopic unit including an entrance slit, a collimating lens, a wavelength selection unit and a focusing lens, and a spectroscope including a detector,
Wherein the spectroscopic means and the detector are arranged such that,
Each of the first rotating body and the second rotating body being rotated in the circumferential direction in fine and normal directions;
The entrance slit may be formed,
Further comprising a slit aperture for adjusting the spacing of the slits;
Wherein the driving motor for driving the first rotating body and the second rotating body includes:
A stepping motor or a servomotor;
The wavelength selector may comprise:
And a diffraction grating which is slidably inserted between the first prism and the second prism and which has a plurality of grating reflectors each having an isosceles triangle in cross section arranged at regular intervals, .

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본 발명은 고정된 영역의 중심에서 회전시켜가면서 스펙트럼을 얻는 방식으로 분광장치를 직선으로 이동해야하는 작동 장치가 생략됨으로써 같은 분광 분해능(resolution)급에서 소형화할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of reducing the resolution in the same spectral resolution level by omitting the operating device for moving the spectroscope in a straight line in such a manner that the spectrum is obtained while rotating the center of the fixed region.

또한, 본 발명은 고 정밀 광학부품들의 개수를 감소시킴으로써 부품들의 조립이 정렬(alignment)이 손쉬워지며, 복잡한 수식을 생략함으로써 빠르게 스펙트럼 데이터를 얻을 수 있는 효과가 있다.Further, by reducing the number of high-precision optical components, the present invention facilitates the alignment of components and eliminates complicated mathematical expressions.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 회절격자를 이용한 초미세분광기를 개략적으로 나타낸 예시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치를 나타낸 단면도,
도 4 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치를 개략적으로 나타낸 예시도,
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치에서 파장 선택부를 나타낸 예시도 이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description, serve to further the understanding of the technical idea of the invention, And shall not be construed as interpretation.
1 is a schematic view showing an ultrafine spectroscope using a conventional diffraction grating,
2 is a cross-sectional view illustrating a micro-rotating image spectrometer according to an embodiment of the present invention,
3 is a cross-sectional view of a micro-rotating image spectrometer according to another embodiment of the present invention,
FIGS. 4 and 6 are schematic views showing a micro-rotating image spectrometer according to an embodiment of the present invention,
8 to 10 are diagrams illustrating an example of a wavelength selector in a fine rotation image spectroscope according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a micro rotating image spectrometer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치를 나타낸 단면도이고, 도 4 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치를 개략적으로 나타낸 예시도 이고, 도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치에서 파장 선택부를 나타낸 예시도 이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of a micro-rotating image spectroscope according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view of a micro-rotating image spectroscope according to another embodiment of the present invention, FIGS. 8 to 10 are diagrams illustrating an example of a wavelength selector in a fine rotation image spectroscope according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치는 분광수단(100)과, 검출부(detector)(200)를 포함하는 구성요소로 이루어지며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 2, the micro-rotating image spectroscope according to the preferred embodiment of the present invention comprises a spectroscopic means 100 and a detector 200, same.

상기 분광수단(100)은 광이 유입되는 입구 슬릿(entrance slit)(110), 입사된 광이 평행광선이 되도록 하는 조준렌즈(collimating lens)(120), 광을 파장별로 확산시키는 회절격자(grating)(132) 및 광을 효과적으로 검출부(200)로 유도하는 초점조정렌즈(focusing lens)(140)를 구비한다.The spectroscopic means 100 includes an entrance slit 110 through which light enters, a collimating lens 120 through which the incident light becomes a parallel light beam, a diffraction grating ) 132 and a focusing lens 140 for guiding light to the detection unit 200 effectively.

상기 검출부(detector)(200)는 1차원적 이미지 분광 스펙트럼이 2차원적 이미지 분광 스펙트럼으로 구현되는 것을 가능하게 한다.The detector 200 enables a one-dimensional image spectroscopy spectrum to be implemented in a two-dimensional image spectroscopy spectrum.

이때, 상기 입구 슬릿(entrance slit)(110)에는 슬릿의 간격을 조절하는 슬릿 조리개(111)가 더 구비될 수 있다.At this time, the entrance slit 110 may further include a slit stop 111 for adjusting the interval of the slit.

여기서, 슬릿의 간격을 조절함으로써, 들어오는 빛의 세기와 분광 된 스펙트럼의 파장 분해능(resolution)의 상보관계에 있는 분광신호의 세기와, 분해능(resolution)을 적당히 선택할 수 있도록 하는 것이다.Here, by adjusting the interval of the slits, it is possible to appropriately select the intensity and the resolution of the spectroscopic signal in the complement of the intensity of incoming light and the resolution of the wavelength spectrum of the spectroscopic spectrum.

한편, 상기 분광수단(100) 및 상기 검출부(detector)(200)가 수평축을 기준으로 미세 정역회전되는 제1회전체(300) 및 제2회전체(400)를 각각 구비한다.The spectroscopic unit 100 and the detector 200 are provided with a first rotating body 300 and a second rotating body 400 that are rotated in the normal and reverse directions with respect to the horizontal axis.

상기 제1회전체(300) 및 상기 제2회전체(400)는 상기 분광수단(100) 또는 상기 분광수단(100)과 검출부(200)를 동시에 360도 정역회전시키되, 미세하게 회전제어할 수 있는 구동하는 구동 모터를 구비하며, 상기 구동 모터는 스텝핑 모터(stepping motor) 또는 서보모터(servomotor)인 것이 바람직하다.
The first rotating body 300 and the second rotating body 400 can rotate the spectroscopic means 100 or the spectroscopic means 100 and the detecting unit 200 360 degrees and 360 degrees, And the driving motor may be a stepping motor or a servomotor.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a micro-rotating image spectroscope according to another embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 미세 회전형 이미지 분광장치는 입구 슬릿(entrance slit)(110), 조준렌즈(collimating lens)(120), 파장 선택부(130) 및 초점조정렌즈(focusing lens)(140)를 구비한 분광수단(100)과, 검출부(detector)(200)를 포함하는 구성요소로 이루어지며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.3, the micro-rotating image spectroscope according to another preferred embodiment of the present invention includes an entrance slit 110, a collimating lens 120, a wavelength selector 130, A spectroscopic unit 100 having a focusing lens 140 and a detector 200. The details of the spectroscopic unit 100 will be described below.

상기 파장 선택부(130)는 제1프리즘(131), 제2프리즘(133) 및 상기 제1프리즘(131)과 제2프리즘(133) 사이에 위치하는 회절격자(grating)(132)로 이루어진다.The wavelength selector 130 includes a first prism 131, a second prism 133 and a diffraction grating 132 located between the first prism 131 and the second prism 133 .

여기서, 상기 회절격자(grating)(132)는 상기 제1프리즘(131)과 제2프리즘(133) 사이에 탈착 가능하게 슬라이딩 삽입될 수 있다.(도 8 참조)Here, the diffraction grating 132 may be slidably inserted between the first prism 131 and the second prism 133 (see FIG. 8).

한편, 도 9 및 도 10에서와 같이 상기 제1프리즘(131)과 제2프리즘(133) 및 회절격자(grating)(132)가 일체형으로 이루어질 수 있다.9 and 10, the first prism 131, the second prism 133, and the diffraction grating 132 may be integrally formed.

도 9를 참조하면, 상기 회절격자(grating)(132)는 단면이 이등변 삼각형으로 이루어진 격자반사체(1321)가 일정 간격으로 복수 배치되어 형성될 수 있다.Referring to FIG. 9, the diffraction grating 132 may be formed by arranging a plurality of grating reflectors 1321 having an isosceles triangle in section at regular intervals.

이는 상기 제1프리즘(131)의 일측면을 홈(groove) 가공하여 격자반사체(1321)로 이루어진 회절격자(132)를 형성시키고, 회절격자(132)가 형성되지 않은 상기 제2프리즘(133)의 일측면을 상기 제1프리즘(131)에 결합시키는 것이다.This is because grooves are formed on one side of the first prism 131 to form a diffraction grating 132 composed of a grating reflector 1321 and the second prism 133 having no diffraction grating 132 formed thereon, To the first prism 131, as shown in FIG.

그리고, 도 10에서와 같이 상기 파장 선택부(130)는 레이저를 조사하여 발생 되는 열에너지에 의해 내부 밀도가 변형되어 회절격자(grating)(132)가 형성될 수 있다.10, a diffraction grating 132 may be formed by modifying the internal density of the wavelength selector 130 by thermal energy generated by irradiating the laser.

도 4에서와 같이, 상기 검출부(200)를 고정하고, 상기 분광수단(100)을 회전시킬 경우, 도 5에서와 같은 2차원 이미지 분광 스펙트럼을 얻을 수 있다.As shown in FIG. 4, when the detecting unit 200 is fixed and the spectroscopic unit 100 is rotated, a two-dimensional image spectroscopic spectrum as shown in FIG. 5 can be obtained.

그리고, 도 6에서와 같이, 상기 검출부(200)와 상기 분광수단(100)을 동시에 회전시키면, 도 7에서와 같은 2차원 이미지 분광 스펙트럼을 얻을 수 있다.
As shown in FIG. 6, if the detector 200 and the spectroscope 100 are simultaneously rotated, a two-dimensional image spectroscopy spectrum as shown in FIG. 7 can be obtained.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, And such variations and modifications are intended to fall within the scope of the appended claims.

100: 분광수단
110: 입구 슬릿
111: 슬릿 조리개
120: 조준렌즈
130: 파장 선택부
131: 제1프리즘
132: 회절격자
1321: 격자반사체
133: 제2프리즘
140: 초점조정렌즈
200: 검출부
300: 제1회전체
400: 제2회전체100: Spectroscopic means
110: inlet slit
111: Slit aperture
120: A collimating lens
130: wavelength selector
131: first prism
132: diffraction grating
1321: Grating reflector
133: second prism
140: Focus adjustment lens
200:
300: 1st whole
400: the second whole

Claims

A spectroscopic means 100 having an entrance slit 110, a collimating lens 120, a wavelength selector 130 and a focusing lens 140, ) 200, comprising:
The spectroscopic means (100) and the detector (200)
Each having a first rotating body 300 and a second rotating body 400 which are minutely rotated forward or reverse in the circumferential direction;
The entrance slit (110)
Further comprising a slit stop (111) for adjusting the interval of the slit;
The driving motor for driving the first rotating body 300 and the second rotating body 400,
A stepping motor or a servomotor;
The wavelength selector 130 selects a wavelength,
The grid reflector 1321, which is slidably inserted between the first prism 131 and the second prism 133 and is slidably inserted between the first prism 131 and the second prism 133 and has an isosceles triangle section, And a plurality of diffraction gratings (132) arranged at a plurality of intervals are integrally formed.

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