KR101154714B1 - Planar spectrometer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 평판형 분광기에 관한 것으로, 평판형 도광판 및 평판형 회절격자를 구비한 평판형 분광기에 있어서, 상기 평판형 도광판의 가장자리영역에 오목한 형태의 반사면을 갖는 적어도 하나의 반사거울이 구비되며, 상기 평판형 도광판으로 입사된 광을 상기 반사면을 통해 반사시켜 상기 평판형 회절격자 방향으로 수렴되도록 함으로서, 광학정렬이 단순하고, 소형화가 가능하며, 저가의 분광기를 용이하게 제작할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a flat plate spectroscope, wherein, in a flat plate spectrometer having a plate light guide plate and a plate diffraction grating, at least one reflective mirror having a concave reflection surface is provided at an edge region of the plate light guide plate. By reflecting the light incident on the flat light guide plate through the reflective surface to converge in the direction of the flat diffraction grating, the optical alignment is simple, miniaturization is possible, and the effect of making a low cost spectrometer easily have.
분광기, 오목 반사 거울, 도광판, 불균일 회절 격자 Spectrometer, concave reflecting mirror, light guide plate, non-uniform diffraction grating
Description
본 발명은 평판형 분광기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각각 하나의 오목한 반사거울과 회절격자를 이용하여 점광원의 입사광을 분광시켜 점광원의 출사광으로 결상할 수 있는 평판형 분광기에 관한 것이다.The present invention relates to a flat plate spectrometer, and more particularly, to a flat plate spectrometer capable of spectroscopically incident light of a point light source using one concave reflection mirror and a diffraction grating to form an image as output light of a point light source.
일반적으로, 분광기는 그 활용범위가 매우 넓다. 그 중에서도 분광기는 과일 당도 선별기 등에 이용될 수 있는데, 과일 당도 선별기는 1996년 국내에 처음 수입된 이래, 90년대 말부터 대형 농산물 선과장에서 과일의 크기, 색깔 및 당의 선별에 활용되고 있다.In general, the spectrometer has a wide range of applications. Among them, the spectrometer can be used for fruit sugar selector, etc. Since fruit sugar selector was first imported into Korea in 1996, it has been used for fruit size, color and sugar selection in large agricultural bakery since the late 1990s.
한편, 국내 대학 및 연구소에서는 몇몇 과실을 대상으로 정밀급 분광광도계를 써서 스펙트럼 측정으로 당도와 산도를 예측하는 연구를 수행하였으며, 국내 농촌진흥청 농업공학 연구소에서는 농촌 보급형으로 감귤 및 감자의 당 및 산도를 측정하는 온라인 선과기를 개발하였다. On the other hand, domestic universities and research institutes have conducted the study of predicting sugar and acidity by spectroscopic measurement using precision spectrophotometer on several fruits.In the Rural Agricultural Research Institute of Korea, the sugar and acidity of citrus fruits and potatoes are used as rural supply type. An online confectionery was developed to measure.
개발된 선과기의 이송 컨베이어에는 300W급 할로겐 램프와 씨씨디(CCD) 센서 방식의 온라인 분광센서가 장착되어 있으며, 출하되는 과일의 흡수 산란스펙트럼을 실시간으로 측정하고 회귀분석(PLSR)을 써서 당 및 산도를 예측하고 분류한다. The developed conveyor for conveyors is equipped with 300W halogen lamps and on-line spectroscopy (CCD) sensor, which measures the absorption scattering spectrum of the shipped fruit in real time and uses sugar regression (PLSR) to measure sugar and acidity. Predict and classify
이러한 온라인 선과기는 그 후, 배, 사과, 복숭아, 감귤 등까지 그 적용이 확대되었고, 대략 전국 30여개소의 농협이나 작목반에 보급되었다. 또한, 당도계는 그 후로 생산농가나 유통시장 등에서 현장활용이 가능한 이동형 및 휴대형 기기로 발전하고 있고, 이미 일본 등에서 시판을 시작한 상태이다. Since then, the online snacks have been extended to pears, apples, peaches, and citrus fruits, and have been distributed to about 30 agricultural cooperatives and crop groups around the country. In addition, since the sugar content system has been developed into mobile and portable devices that can be utilized on-site in production farms and distribution markets, etc., it has already begun to be marketed in Japan.
이러한 휴대형 기기는 그 응용분야가 당도계 뿐만 아니라 환경, 보건의료, 품질관리 등의 다양한 광센서 기술분야에 까지 적용될 수 있다. 또한, 휴대형 기기는 소형화, 저가격화, 내충격성, 저소비전력과 편리성 등의 추가적인 특징들을 요구된다. 따라서 현재 분광기 시장에서 저가화, 소형화 및 내충격성의 기술이 매우 중요한 과제가 되었다. Such portable devices can be applied not only to sugar meters but also to various light sensor technologies such as environment, health care, and quality control. In addition, portable devices require additional features such as miniaturization, low cost, impact resistance, low power consumption and convenience. Therefore, the technology of low cost, miniaturization and impact resistance is very important in the current spectrometer market.
현재 개발된 소형 분광기는 회절격자형이 거의 대부분인데, 지금까지 대부분의 분광기는 균일한 격자주기를 갖는 평탄한 회절격자에 평행광을 입사시켜 분광하는 방식이 이용되었다. 이러한 방식에서는 분광기에 입사되어 발산하는 점광원(또는, 입력슬릿의 광)이 예컨대, 거울 또는 렌즈 등에 의해 평행광으로 변환되며, 이를 회절격자로 분광 회절시킨 다음 다시 거울 또는 렌즈 등을 써서 수렴광으로 출사 점광원(또는, 출력슬릿)에 결상하여 파장을 분리하게된다.The small spectrometers currently developed have almost a diffraction grating type. Until now, most spectrometers have used a method in which parallel light is incident on a flat diffraction grating having a uniform lattice period. In this method, a point light source (or light of an input slit) incident and diverging to a spectrometer is converted into parallel light by, for example, a mirror or a lens, and then diffracted by a diffraction grating and then converged by using a mirror or a lens. By forming an image on the output point light source (or output slit), the wavelength is separated.
이러한 방식은 자이스(Zeiss)사 및 오션옵틱(Ocean Optics)사 등의 광학계에 사용되고 있는데, 이들은 두 개의 오목거울 (Concave Mirror)과 홀로그램 회절격자판을 사용하여 3차원 공간상에서 파장을 분리하는 공간광학(free space optics) 타 입의 분광광학계를 개발하였다. 하지만 이러한 기술들은 정교한 회절격자와 광학미러 등을 자유공간에 구성함으로서 우수한 분광특성을 얻을 수는 있으나, 분광기의 크기가 커지고, 고가이며, 충격에 약한 단점이 있다. 따라서 광학정렬이 복잡하고, 소형화 및 대량생산이 어려우며 저가화에 불리하다.This method is used in optical systems such as Zeiss and Ocean Optics, which uses two concave mirrors and a holographic diffraction grating to separate the wavelength in three-dimensional space. Free space optics have been developed. However, these techniques can obtain excellent spectral characteristics by constructing sophisticated diffraction gratings and optical mirrors in free space, but the size of the spectrometer is large, expensive, and weak in impact. Therefore, optical alignment is complicated, miniaturization and mass production are difficult, and it is disadvantageous for low cost.
이에 따라, 하마마추(Hamamatsu)사는 이러한 단점을 보완하여 광학 유리(Glass body)를 광학매질로 하는 분광광학계를 개발하였다. 이러한 분광광학계는 광학매질로써 자유공간을 유리로 대체하고 유리에 오목거울과 홀로그램(Hologram) 격자를 결합시킨 구조를 갖는다. 하지만 이 제품은 내충격성과 파장 분해능은 우수하지만 부피가 다소 커서 바이오, 의료 등의 집적형 초소형 광센서 등에 널리 응용하기에는 다소 불편한 구조이다.Accordingly, Hamamatsu Co., Ltd. has developed a spectroscopic optical system that compensates for these shortcomings and uses an optical glass as an optical medium. The spectroscopic optical system has a structure in which a free space is replaced with glass as an optical medium and a concave mirror and a hologram grating are combined with the glass. However, this product is excellent in impact resistance and wavelength resolution but is rather inconvenient to be widely applied to integrated microscopic optical sensors such as bio and medical.
한편, 분광광학계를 형성하는 다른 방법으로써 2차원 평면 광학계를 이용하는 방법이 있는데, 예컨대, 균일한 격자주기를 갖는 1 개의 오목한 반사경 모양의 회절격자(예컨대, 롤랜드격자(Roland grating))만을 이용하여 분광광학계를 구성하는 방식 등이 있다. 이러한 방식에서는 회절격자가 오목하므로 입사 또는 출사 점광원(또는 슬릿)에 결상과 회절분광을 동시에 하게 되는 구조이므로 광학계가 매우 간단하다. On the other hand, as another method of forming a spectroscopic optical system, there is a method using a two-dimensional planar optical system, for example, by using only one concave reflector shaped diffraction grating having a uniform lattice period (e.g., a Roland grating). And a method of constituting an optical system. In this method, since the diffraction grating is concave, the optical system is very simple since the imaging and diffraction spectroscopy are simultaneously performed on the incident or exit point light source (or slit).
이러한 평면 광학계형의 대표적 기술로는 휴대형 바이오센서 또는 보건의료용으로 활용을 염두에 두고 개발한 독일의 베링거-잉겔하임(Beringler Ingelheim( microparts사))의 분광기를 들 수 있다. 이 분광기는 리가(LIGA) 기술로 오목형 반사 회절격자(concave reflection grating)를 평판형 피엠엠에이(PMMA) 광도파막의 단면에 가공하고, 이 광도파막에 수광센서열(PD-array)을 결합하여 구성한다. 피엠엠에이 광도파막은 실리콘 기판에 스핀코팅으로 만들며, 회절격자는 대량생산이 용이한 리가(LIGA) 기술을 이용하여 제작한다. 하지만 리가(LIGA) 기술을 이용한 분광기는 분광기의 중요 특성 중 하나인 분해능이 떨어지는 단점이 있다. 그 이유로는 리가(LIGA) 기술로 제작되는 회절격자가 그 기하학적 모양에 있어서 정확성이 떨어지고, 온도변화에 따라 굴절률이 크게 변하는 폴리머 재료를 씀으로서 광학매질이 불안정한 특성을 나타내기 때문이다. 또한, 오목한 면에 회절격자를 제작하기가 어렵고 회절격자가 비교적 고가이다.Representative technologies for such planar optics include a spectrometer from Germany's Beringer Ingelheim (microparts), developed for use in portable biosensors or health care. This spectrometer uses LIGA technology to process concave reflection gratings on the cross-section of a planar PMMA optical waveguide and couples the PD-array to the optical waveguide. To configure. The PMA optical waveguide is made by spin coating on a silicon substrate, and the diffraction grating is fabricated using LIGA technology, which is easy to mass produce. However, a spectrometer using LIGA technology has a disadvantage in that resolution is one of the important characteristics of the spectrometer. The reason for this is that the diffraction grating manufactured by LIGA technology exhibits unstable characteristics of the optical medium by using a polymer material that is less accurate in its geometric shape and that the refractive index changes significantly with temperature change. In addition, it is difficult to produce a diffraction grating on a concave surface, and the diffraction grating is relatively expensive.
이에 따라, 소형이며 저가의 분광기를 제작하기 위하여 2차원 평판 광학계에 평판형 회절격자를 이용하게 되는데, 2차원 평판 광학계를 이용한 분광기는 통상적으로 균일한 평면 회절격자를 써서 구현되었다. 하지만 최근에는 거울 또는 렌즈 없이도 입사점 광원을 출사점 광원으로 만들 수 있는 불균일 격자(예컨대, 홀로그램을 써서 한 점으로 수렴 분광하게 하는 격자 또는 이를 위한 씨지에이치(Computer Generated Hologram) 격자 등)에 많은 관심이 집중되고 있다.Accordingly, in order to manufacture a compact and inexpensive spectrometer, a planar diffraction grating is used for a two-dimensional flat plate optical system. A spectrometer using a two-dimensional flat plate optical system is generally implemented using a uniform planar diffraction grating. Recently, however, there has been a great deal of interest in non-uniform gratings (eg, gratings that use holograms to converge spectroscopy to a point or computer generated holograms) that can make an incident light source an exit light source without a mirror or lens. This is concentrated.
즉, 격자 간격이 불균일한 평판형 회절격자를 이용하여 분광기를 구현함으로서, 점광원의 발산광을 회절격자에서 회절시켜 입사광의 파장에 따라 각각 다른 점으로 수렴되도록 회절격자를 적절히 설계할 수 있게된다.In other words, by implementing a spectrometer using a flat diffraction grating having a non-uniform lattice spacing, it is possible to properly design the diffraction grating so that the divergent light of the point light source is diffracted at the diffraction grating and converges to different points according to the wavelength of the incident light. .
이러한 개념은 도 1을 통해 설명될 수 있는데, 도 1은 종래의 평판형 회전격자에 의해 구현된 분광기를 설명하기 위한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 광섬유(100)에서 나온 파장 λ의 광은 퍼지면서 적절히 설계된 회절격자(110)로 입사되 며, 회절격자는 이 광을 적절한 지점(120)으로 수렴되도록 설계된다. This concept can be explained with reference to FIG. 1, which is a cross-sectional view for describing a spectrometer implemented by a conventional plate-type rotary grating. Referring to FIG. 1, light having a wavelength λ from the
입사광의 파장이 λ에서 또 다른 파장인 λ'로 달라지는 경우, 수렴되는 점(이하, 수렴점) 즉, 초점의 위치는 계산으로써 추정될 수 있다. 이러한 계산은 잘 알려진 프레넬-키르히호프(Fresnel-Kirchhoff) 방정식이 이용될 수 있으며, 이 방정식을 통해 회절격자(110)의 각 격자들에서 회절된 광들이 특정 지점에서 일정한 보강간섭을 일으키는 위치를 찾을 수 있게된다.When the wavelength of the incident light varies from λ to another wavelength, λ ', the point of convergence (hereinafter, the point of convergence), that is, the position of the focus, can be estimated by calculation. This calculation can be done using the well-known Fresnel-Kirchhoff equation, where the diffracted light in each grating of the diffraction grating 110 produces a location where a certain constructive interference occurs at a certain point. Will be found.
도 2는 종래 분광기에서의 프레넬-키르히호프(Fresnel-Kirchhoff) 방정식에 의해 추정된 광 파장의 변화에 따른 수렴점 위치의 이동궤적을 설명하기 위한 그래프이다. 도 2를 참조하면, 파장 1.0 μm 인 빛이 수렴되는 위치(200) 및 파장 1.5 μm 인 빛이 수렴되는 위치(210)를 알 수 있는데, 상기 두 위치(200 및 210) 사이의 점들은 1.0 μm 보다 크고 1.5 μm 보다 작은 파장의 빛들이 수렴되는 위치를 각각 나타낸다. 파장이 바뀜에 따라 각 파장들은 점선으로 나타낸 각각의 위치(220)에 수렴하게 된다. FIG. 2 is a graph for explaining a movement trajectory of a convergence point position according to a change in light wavelength estimated by a Fresnel-Kirchhoff equation in a conventional spectrometer. Referring to FIG. 2, a
도 2에서 알 수 있듯이, 회절격자(110)를 적절히 설계할 경우 점광원 또는 광섬유(100)에서 직접 회절격자(110)로 빛을 입사시켜도 파장에 따라 각각 다른 점들로 수렴되도록 할 수 있다.As can be seen in FIG. 2, when the diffraction grating 110 is properly designed, even when light is incident on the diffraction grating 110 directly from the point light source or the
하지만, 이 경우 파장에 따른 수렴 점들의 위치가 이루는 궤적(220)이 회절격자가 위치한 선에 평행한 선(230)과 이루는 각도(A)가 매우 크다. 즉, 수렴점들까지의 거리가 크게 변한다. 이때 예컨대, 분광기의 광학계가 공기보다 굴절률이 큰 평판형 도광판 내에 위치하고, 수광소자가 상기 도광판의 외부에 위치하는 경우 포커싱된 광이 도광판의 내부 전반사에 의해 도광판의 외부로 빠져나가지 못해 수광소자로 도달하지 못한다는 문제가 발생하게 된다.However, in this case, the angle A of the
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 분광기의 분광효율을 높이기 위한 불균형 회절격자를 용이하게 제작할 수 있는 평판형 분광기를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a flat spectrometer that can easily produce an unbalanced diffraction grating for increasing the spectroscopic efficiency of the spectrometer.
본 발명의 다른 목적은 광학정렬이 단순하고, 소형화가 가능하며, 저가로 간단히 제작될 수 있는 편판형 분광기를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a plate-type spectrometer that is simple in optical alignment, miniaturized, and can be simply manufactured at low cost.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 평판형 도광판 및 평판형 회절격자를 구비한 평판형 분광기에 있어서, 상기 평판형 도광판의 가장자리영역에 오목한 형태의 반사면을 갖는 적어도 하나의 반사거울이 구비되며, 상기 평판형 도광판으로 입사된 광을 상기 반사면을 통해 반사시켜 상기 평판형 회절격자 방향으로 수렴되도록 하는 것을 특징으로 하는 평판형 분광기를 제공하는 것이다.In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a flat plate spectrometer having a plate light guide plate and a plate diffraction grating, the at least one having a reflective surface concave in the edge region of the plate light guide plate A reflective mirror is provided, and reflects the light incident on the flat light guide plate through the reflective surface to converge in the direction of the flat diffraction grating to provide a flat spectroscope.
여기서, 상기 평판형 분광기는 상기 평판형 도광판으로 광을 입사시킬 수 있는 광섬유 및 상기 평판형 회절격자에서 회절된 광이 수렴되는 상기 평판형 도광판 끝단의 일정영역에 구비된 수광소자를 더 포함하는 것이 바람직하다.The planar spectrometer further includes an optical fiber capable of injecting light into the planar light guide plate and a light receiving element provided at a predetermined region of the end of the planar light guide plate on which light diffracted by the planar diffraction grating converges. desirable.
바람직하게는, 상기 수광소자는 상기 평판형 회절격자와 서로 마주 보도록 상기 평판형 도광판의 일정단면에 형성되거나 또는, 상기 평판형 회절격자와 서로 마주보는 상기 평판형 도광판의 일정단면에 45°경사면이 형성되어 상기 회절된 광 이 상기 45°경사면에서 반사되어 출사되는 상기 평편형 도광판 상면의 일정영역에 형성될 수 있다.Preferably, the light receiving element is formed on a predetermined cross section of the flat light guide plate so as to face each other with the flat diffraction grating, or a 45 ° inclined plane is formed on a predetermined cross section of the flat light guide plate facing the flat diffraction grating. The light diffracted light may be formed in a predetermined region of an upper surface of the flat light guide plate which is reflected and emitted from the 45 ° inclined plane.
바람직하게는, 상기 평판형 도광판은 0.5 내지 1.5 mm의 일정한 두께를 가지며, 공기보다 굴절률이 크도록 형성될 수 있다.Preferably, the flat light guide plate has a constant thickness of 0.5 to 1.5 mm, and may be formed to have a larger refractive index than air.
바람직하게는, 상기 평판형 도광판은 석영유리 기판 또는 나트륨-보로실리케이트(Sodium-Borosilicate)유리 기판으로 형성될 수 있다.Preferably, the planar light guide plate may be formed of a quartz glass substrate or a sodium-borosilicate glass substrate.
바람직하게는, 상기 반사거울은 일정 곡률반경을 갖는 곡면이거나 또는 비곡면의 형태일 수 있다.Preferably, the reflective mirror may be in the form of a curved surface or a non-curved surface having a predetermined radius of curvature.
바람직하게는, 상기 반사거울은 알루미늄 또는 은 코팅된 반사면을 가질 수 있다.Preferably, the reflecting mirror may have an aluminum or silver coated reflecting surface.
바람직하게는, 상기 평판형 회절격자는 상기 반사거울에 의해 반사된 광의 파장에 따른 회절각이 연속적으로 가변될 수 있도록 격자 간격이 불균일할 수 있다.Preferably, the plate-shaped diffraction grating may have a non-uniform lattice spacing such that the diffraction angle according to the wavelength of light reflected by the reflection mirror may be continuously varied.
바람직하게는, 상기 평판형 회절격자는 홀로그램 노광법 또는 포토리소그래피 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.Preferably, the flat diffraction grating may be formed by a process such as holographic exposure or photolithography.
바람직하게는, 상기 평판형 회절격자는 (1,x,x)면의 실리콘 기판으로 형성되며 회절격자 산의 비대칭도는 x 값에 의해 조절하되, 상기 x 값은 0 또는 1일 수 있다.Preferably, the flat diffraction grating is formed of a silicon substrate having a (1, x, x) plane and the asymmetry of the diffraction grating acid is controlled by an x value, but the x value may be 0 or 1.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 평판형 분광기에 따르면, 광학매질로서 평판형 도광판과 평판형 회절격자를 이용함으로서 분광기의 대량생산이 용이하고 제조단가를 절감할 수 있는 이점이 있다.According to the flat spectroscope of the present invention as described above, by using a flat light guide plate and a flat diffraction grating as an optical medium there is an advantage that the mass production of the spectroscope is easy and the manufacturing cost can be reduced.
또한 본 발명에 따르면, 입력된 광을 3차원 공간이 아닌 2차원 평판형 도광판에서 처리함으로서 대량생산이 용이하고, 분광기를 소형화 할 수 있으며 효과적으로 분해능을 조절할 수 있는 이점이 있다.In addition, according to the present invention, by processing the input light in a two-dimensional flat light guide plate instead of a three-dimensional space there is an advantage that the mass production is easy, the spectrometer can be miniaturized and the resolution can be effectively adjusted.
또한 본 발명에 따르면, 석영유리 재료를 사용하여 평판형 도광판을 형성함으로서 분광기의 광학적 특성이 안정되고 신뢰성이 향상되며, 포토마스크 기술을 이용하여 평판형 회절격자를 형성함으로서 대량생산이 용이하다는 이점이 있다.In addition, according to the present invention, the optical properties of the spectrometer are stabilized and the reliability is improved by forming a flat light guide plate using a quartz glass material, and the mass diffraction grating is easily formed by using a photomask technology. have.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 분광기를 설명하기 위한 사시도이다.3 is a perspective view illustrating a flat spectroscope according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 분광기는 평판형 도광판(300), 반사거울(310), 평판형 회절 격자(320), 광섬유(330) 및 파장에 따라 분 광되는 광을 탐지할 수 있는 수광소자(340)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the planar spectrometer according to an exemplary embodiment of the present invention is distributed according to the planar
평판형 도광판(300)은 일정한 두께의 쿼츠 웨이퍼(Quart'z Wafer) 또는 유리판재 등에 의해 형성될 수 있는데 예컨대, 석영유리 기판 또는 나트륨-보로실리케이트(Sodium-Borosilicate)(Pyrex 또는 Borofloat)유리 기판 등에 의해 형성되는 것이 가능하다.The planar
이때, 예컨대, 나트륨-보로실리케이트계 유리의 열팽창계수는 평판형 회절격자(320)의 재료로 이용되는 실리콘의 열팽창계수(약 3×10-6)와 거의 동일하여 회절격자를 유리판재에 접착할 때 발생하는 응력을 최소화 할 수 있다. 또한 예컨대, 석영유리의 열팽창계수는 약 0.5×10-6으로써 실리콘의 열팽창계수와는 다소 상이하지만 고품위 광학재료로서 광학계 구성에 유리한 장점이 있다.At this time, for example, the coefficient of thermal expansion of the sodium-borosilicate glass is almost the same as the coefficient of thermal expansion (about 3 × 10 −6 ) of silicon used as the material of the
이러한 평판형 도광판(300)은 공기의 굴절률보다 큰 굴절률 값을 갖는다. 따라서 적절하게 입사된 광은 내부전반사 원리에 의해 평판형 도광판(300)을 따라 진행하게 된다.The flat
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 도광판(300)은 통상적으로 굴절률이 잘 알려져 있는 쿼츠 웨이퍼를 이용하여 설명하도록 한다. 물론, 이에 국한되지는 않으며 본 발명의 일 실시예에 적용될 수 있는 한 쿼츠 웨이퍼 이외의 다른 도광판 재료가 이용되는 것도 가능하다.Hereinafter, the planar
한편, 평판형 도광판(300)의 상면 및 하면은 예컨대, 광학용 폴리머 또는 스핀온글래스(Spin-on-Glass; SOG) 등의 저굴절 피복막이 적층될 수 있는데, 이를 통 해 예컨대, 오염에 의한 산란을 방지하고 전반사를 도울 수 있게된다. 또한, 상기 저굴절 피복막의 상부는 다시 고굴절 피복막이 적층될 수 있는데 이를 통해 예컨대, 평판형 도광판(300)에서 생겨나는 산란 또는 표유광 등을 모아들여 이러한 산란 또는 표유광 등이 광센서열에 잡음으로써 입사되는 것을 방지할 수 있게된다.On the other hand, the upper and lower surfaces of the planar
반사거울(310)은 평판형 도광판(300)의 가장자리 끝단의 일정영역에 오목한 형태의 반사면이 구비되어 형성될 수 있다. 예컨대, 평판형 도광판(300)의 가장자리 끝단의 일정영역이 원호 등의 형태로 연마된 후 광학 반사 코팅됨에 따라 형성될 수 있으며, 1개 또는 2개 이상의 반사거울(310)이 형성되는 것이 가능하지만, 분광기를 소형화하기 위해서는 1개의 반사거울(310)이 형성되는 것이 바람직하다.The
이때, 상기 반사면은 예컨대, 은 또는 알루미늄 등의 금속이나 유전체 또는 이들로 구성된 다층박막에 의해 코팅될 수 있다. 이러한 반사면은 예컨대, 일정한 곡률반경을 가지는 곡면의 형태로 형성되거나 또는 비곡면의 형태로 형성될 수 있는데 이에 국한되지는 않으며 보다 다양한 형태로 형성되는 것이 가능하다.In this case, the reflective surface may be coated by, for example, a metal or a dielectric such as silver or aluminum, or a multilayer thin film formed thereof. Such a reflective surface may be formed, for example, in the form of a curved surface having a constant radius of curvature or in the form of a non-curved surface, but is not limited thereto.
한편, 반사거울(310)을 통해 반사된 광은 평판형 회절격자(320)에 입사된다. 평판형 회절격자(320)는 통상적으로 균일한 격자 간격이 아닌 불균일 격자 간격 즉, 가변 격자 간격을 갖는다. 이러한 격자 간격은 예컨대, 평판형 회절격자(320)의 격자 간격을 결정함에 있어서 파장에 따른 광이 특정한 지점(예컨대, 출력슬릿 또는 출사 점광원)들을 따라 모이도록 격자의 주기를 계산하여 결정된다. 따라서, 본 발명에 적용된 평판형 회절격자는 예컨대, 컴퓨터로 작성된 홀로그램(Computer Generated Hologram; CGH) 회절격자라고도 한다.On the other hand, the light reflected through the
이때, 상기 특정한 지점들은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 분광기가 파장을 분해하여 보내는 광이 모이는 지점들을 연결한 영역으로서, 이 지점들은 평판형 회절 격자(320)의 설계에 따라 그 위치가 달라질 수 있다. 한편, 상기 특정한 지점에는 예컨대, 포토다이오드PD(Photodiode)가 형성되거나, 또는 광섬유 블록 등이 형성되어 파장별로 분리된 광들을 각각 추출할 수 있게된다.In this case, the specific points are areas in which the planar spectrometer according to an embodiment of the present invention connects the points where light is transmitted by decomposing the wavelength, and these points are positioned according to the design of the
이러한 평판형 회절격자(320)는 예컨대, 홀로그램 노광법으로 직접 노광시켜 형성되거나 또는, 포토리소그래피 등의 공정을 통해 형성될 수 있는데, 포토리소그래피 공정이 이용되는 경우 예컨대, 실리콘 웨이퍼 등에 마스크 패턴을 형성한 후 이를 습식 식각하여 형성될 수 있다.The
평판형 회절격자(320)의 형성방법을 보다 상세히 설명하면, 예컨대, 실리콘 기판에 상술한 CGH 마스크 또는 홀로그램 노광 등의 포토공정을 통해 예컨대, 격자선의 방향이 [110]방향이 되도록 노광시킨 다음, 예컨대, 수산화칼륨(KOH) 등의 비등방 습식식각용액 등을 이용하여 상기 실리콘 기판에 (111) 면을 갖는 [110] 방향의 격자홈선이 생기도록 식각함으로써 형성할 수 있다. 이때, 상기 실리콘 기판은 실리콘 단결정 괴를 특정 경사로 잘라 만든 (1,x,x) 방향의 기판이며 'x'는 0에서 1까지의 수치이다.The method of forming the
또한, 격자는 'x'값에 따라서 그 모양이 달라질 수 있으며 경사 회절격자(Blazed Grating)를 형성할 수 있다. 평판형 회절격자(320)의 경사각은 통상적으로, 격자가 설계된 찻수와 파장에서 최대의 회절효율을 갖도록 입사광과 회절광이 격자면에서 반사법칙이 성립되도록 결정될 수 있다.In addition, the shape of the grating may vary depending on the 'x' value and may form a blazed grating. The inclination angle of the
또한, 전술한 바와 같은 예컨대, 마스크를 이용한 격자의 형성에서는 격자산의 상부에 식각 마스크에 의해 형성된 일정 폭의 평탄면이 생기게 되는데 그 폭을 줄이기 위해서는 예컨대, 위상마스크(Phase Mask) 또는 전자선 노광법 등이 이용될 수 있다.In addition, in the formation of a grating using, for example, a mask as described above, a flat surface having a predetermined width formed by an etching mask is formed on the upper part of the lattice, and to reduce the width, for example, a phase mask or an electron beam exposure method. And the like can be used.
또한, 평판형 회절격자(320)는 평판형 도광판(300)의 적절한 위치에 예컨대, 에폭시 등을 통해 고정될 수 있다.In addition, the
광섬유(330)는 평판형 도광판(300) 끝단의 일정 단면에 형성되어 도광판 내부로 광을 입사시키는 역할을 수행하며 예컨대, 낮은 개구수의 광섬유(330)가 이용될 수 있다.The
여기서, 낮은 개구수의 광섬유는 예컨대, 광섬유 또는 광섬유 블록(즉, 광섬유 말단에 부착되는 렌즈 어셈블리 또는 코어확산 광섬유 등)에서 나오는 광의 개구수(Numerical Aperture) 또는 평판형 도광판(300)으로 입사되는 광의 개구수가 (여기서, 은 도광판 또는 광섬유의 굴절률)인 광섬유 또는 광섬유 블록일 수 있다. 또한 예컨대, 평판형 도광판(300)에 수직한 방향 성분의 입사광이 크지 않아서 평판형 회절격자(320)에서 원추형 회절(Conical Diffraction)을 무시할 수 있을 정도의 NA값을 갖는 광섬유 또는 광섬유 블록일 수 있다.Here, the low numerical aperture optical fiber is, for example, the numerical aperture of the light emitted from the optical fiber or the optical fiber block (ie, the lens assembly or core diffusion optical fiber, etc. attached to the optical fiber terminal) or the light incident to the planar
즉, 예컨대, 과 같은 회절식에서 도광판 내의 전파상수 의 성분들 중 의 값 (즉, 기판에 수직한 방향으로 광의 퍼짐각)이 크지 않 아 회절광의 수렴특성이 에 의해 거의 영향을 받지 않으며, 따라서 각 파장별 수렴점들이 충분히 작게 결상되어 수광소자(340)에 포함된 단위센서들 간에 큰 영향을 주지 않을 정도의 NA값을 갖는 광섬유 또는 광섬유 블록을 의미한다(여기서, x는 격자들의 배열방향, y는 기판에 수직한 방향 z는 기판에 평행하고 격자배열에 수직한 방향을 나타낸다).That is, for example, Propagation constant in LGP in diffraction equation such as Of the components of (I.e. the spread angle of light in the direction perpendicular to the substrate) is not large and the convergence characteristic of the diffracted light It is hardly influenced by, and thus means an optical fiber or an optical fiber block having NA values such that convergence points of each wavelength are sufficiently small to have little effect on the unit sensors included in the light receiving element 340 ( Where x is the array direction of the gratings, y is the direction z perpendicular to the substrate, and z is the direction parallel to the substrate and perpendicular to the grid array).
수광소자(340)는 평판형 회절격자(320)에 의해 회절되어 출사되는 광을 수광하는 역할을 수행하며 예컨대, 포토다이오드(PD) 등으로 이루어질 수 있다. 이러한 수광소자(340)는 하나 또는 다수의 센서열로서 형성될 수 있는데, 평판형 도광판(300)의 가장자리 끝 단면의 평판형 회절격자(320)와 마주보는 위치에 형성될 수 있다.The
물론, 수광소자(340)는 상기 이외의 다른 영역에 형성되는 것도 가능한데 예컨대, 평판형 도광판(300)의 상면에 형성되는 것도 가능하다(미도시).Of course, the
예컨대, 회절된 광이 출사되는 평판형 도광판(300)의 가장자리 영역을 예컨대, 평판형 도광판(300) 표면에 대하여 45°경사면이 형성되도록 한 후, 평판형 회절격자(320)에 의해 회절된 광이 상기 45°경사면에서 반사되어 평판형 도광판(300)의 가장자리에서 평판형 도광판(300)에 수직하게 출사되도록 하여 광이 출사되는 평판형 도광판(300)의 상면에 수광소자(340)가 형성되도록 할 수 있다.For example, a 45 ° inclined plane is formed on the surface of the planar
즉, 광섬유(330)에 의해 평판형 도광판(300)의 단면으로 입사된 광은 평판형 도광판(300)을 따라 반사거울(310)로 발산하며 진행한 다음, 반사거울(310)에서 평 판형 회절격자(320)로 평판형 도광판(300)을 따라 수렴하며 진행하고, 다시 평판형 회절격자(320)에서 회절되어, 평판형 회절격자(320)를 마주보는 평판형 도광판(300)의 가장자리에 위치한 45°경사면에 의해 평판형 도광판(300)에서 수직하게 출사되고, 상기 45°경사면을 마주보는 평판형 도광판(300)의 표면에 위치한 수광소자(340)에 의하여 수광되는 것이 가능하다. That is, the light incident on the cross-section of the planar
도 4는 컴퓨터 계산을 통해 파장별로 광이 포커싱 되는 위치를 계산한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 1.0 μm 파장이 포커싱 되는 위치(410) 및 1.5 μm 파장이 포커싱 되는 위치(420)를 각각 확인할 수 있다. 또한, 1.0 μm 과 1.5 μm 사이의 파장은 각각의 위치(410 및 420)의 사이의 일정 지점에 포커싱이 맺히게 된다. 4 is a graph illustrating a result of calculating a position where light is focused for each wavelength through computer calculation. Referring to FIG. 4, the
적절히 설계된 평판형 회절격자(320)는 파장이 변함에 따라 포커싱이 맺히는 지점들의 궤적(430)이 평판형 회절격자(320)가 놓인 선과 거의 평행하게 할 수 있다. 따라서, 광이 평판형 회절격자(320)에서 반사되어 진행하는 방향과 궤적(430) 사이의 각도는 내부 전반사 각도보다 작게 되고, 평판형 회절격자(320)에서 반사된 광은 광학계가 위치하는 높은 굴절률의 매질 밖으로 빠져나올 수 있게 된다.Properly designed
예컨대, 전술한 도 2의 경우에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 적용된 반사거울(310)을 이용하지 않고 광섬유(도 2의 100)에서 평판형 회절격자(도 2의 110)로 직접 빛을 입사시킨 경우에는 내부 전반사 각도 이하의 각도로 포커싱 궤적을 형성하기 어려워서 분광기의 광학계가 위치한 굴절률이 높은 매질 밖으로 광을 빼 내기 어려웠으나, 본 실시예에 적용된 반사거울(310)을 이용하면 평판형 회절격자(320)에서 반사된 광을 분광기의 광학계가 위치하는 굴절률이 높은 매질 밖으로 용이하게 빠져나올 수 있게 하는 것이 가능하게된다.For example, as in the case of FIG. 2 described above, light is directly directed from the optical fiber (100 of FIG. 2) to the flat diffraction grating (110 of FIG. 2) without using the
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 분광기의 동작을 설명하기 위한 사시도이다.5 and 6 are perspective views for explaining the operation of the flat spectroscope according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 입력측 광섬유(330)를 통해 여러 파장이 섞여있는 입사광(510)을 입사시킨다. 이러한 입사광(510)들은 평판형 도광판(300) 내에서 수평방향으로는 퍼져나가지만 수직방향으로는 내부 전반사 현상에 의해 평판형 도광판(300)을 따라서 도 5의 점선방향으로 진행하게 된다. 이때, 입사광(510)을 나타내는 점선은 빛이 퍼지면서 진행하는 경로의 대략적인 경계면을 나타낼 뿐 광이 점선으로만 진행한다는 것을 의미하지는 않는다.Referring to FIG. 5, incident light 510 having various wavelengths is incident through the input side
평판형 도광판(300)을 따라 퍼지면서 진행한 입사광(510)은 반사거울(310)의 반사면을 만나게 되고, 반사면에서 반사된 반사광(520)은 평판형 회절격자(320)를 향해 진행하게 된다. 여기서, 반사거울(310)은 예컨대, 일정한 곡률반경을 가지며 광섬유(330)를 향해서 오목한 형태로 형성될 수 있는데, 광섬유(330)에서 입사되어 퍼져나가던 입사광(510)은 반사거울(310)에서 반사된 후, 점차 모이면서 평판형 회절격자(320)를 향하여 진행하게 된다. The
도 6을 참조하면, 평판형 회절격자(320)에서 회절되어 반사된 각각의 회절광(510a 및 510b)의 방향을 확인할 수 있는데, 평판형 회절격자(320)는 광의 파장 에 따라 각각 다른 방향으로 광을 진행시킨다.Referring to FIG. 6, the directions of the diffracted
따라서 예컨대, a라는 파장을 가진 광은 도 6의 510a의 경로를 따라 진행하여 도 6의 520a의 지점으로 수렴될 수 있으며, b라는 파장을 가진 광은 도 6의 510b의 경로를 따라 진행하여 도 6의 520b의 지점으로 수렴될 수 있다. 이때, 만약 파장이 a와 b 사이의 값을 갖는다면 모이는 지점 역시 도 6의 520a 및 도 6의 520b의 중간지점으로 수렴될 수 있다.Thus, for example, light having a wavelength of a may travel along the path of 510a of FIG. 6 to converge to a
이에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 분광기는 광을 파장별로 분리할 수 있게된다.Accordingly, the flat spectroscope according to an embodiment of the present invention can separate light by wavelength.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 적용된 평판형 회절격자를 설계하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.7 is a cross-sectional view for explaining a method of designing a plate-type diffraction grating applied to an embodiment of the present invention.
도6 및 도 7을 참조하면, 평판형 회절격자(320)는 반사거울(310)에서 반사된 반사광(710) 즉, 평판형 회절격자(320)로 입사되는 광들을 파장에 따라 각각 다른 지점으로 보내주는 예컨대, 반사 격자의 역할을 하기 때문에 그에 따른 각각의 격자 간격이 정해져야 한다.6 and 7, the
예컨대, 진공중에서 파장 λ인 광이 반사거울(310)에서 반사되어 평판형 회절격자(320) 표면의 임의의 제1 지점(720)에 닿으면 이때의 광의 위상을 φ1 이라고 하고, 또 다른 임의의 제2 지점(730)에 닿았을 때의 위상을 φ2라고 할 수 있는데, 여기서 위상 φ는 광이 진행한 거리 L과 하기의 수학식 1의 관계가 있음은 통상적으로 잘 알려져 있다.For example, when light having a wavelength λ in vacuum is reflected by the reflecting
여기서 는 빛의 파장, 는 평판형 도광판(300)에서의 빛의 유효굴절률을 의미한다. here Is the wavelength of light, Denotes an effective refractive index of light in the flat
예컨대, 광섬유(330)로부터 출발한 광이 제1 지점(720)까지 진행한 거리를 L1이라고 하고, 광섬유(330)로부터 출발한 광이 제2 지점(730)까지 진행한 거리를 L2라고 하면, 제1 지점(720)에서 광의 위상은 로 나타낼 수 있고, 제2 지점(730)에서 광의 위상은 로 나타낼 수 있다. For example, the distance traveled from the
이때, 제1 지점(720)에서 반사된 광과 제2 지점(730)에서 반사된 광이 임의의 제3 지점(740)으로 모이도록 평판형 회절격자(320)의 격자 간격을 설계한다고 한다. 여기서, 예컨대, 제1 지점(720)에서 제3 지점(740)까지의 거리를 L(9-11)이라고 하고 제2 지점(730)에서 제3 지점(740)까지의 거리를 L(10-11)이라고 하면, 제1 지점(720)에서 반사된 광과 제2 지점(730)에서 반사된 광이 제3 지점(740)으로 모이기 위해서는 제3 지점(740)에서의 광의 위상이 2π의 정수배가 되어야 한다. 따라서 하기의 수학식 2를 만족해야 한다.In this case, the lattice spacing of the
여기서 m은 임의의 정수이다.Where m is any integer.
이때, 제1 지점(720)과 제2 지점(730)의 위치를 적절히 조절하게 되면, 그에 따라 L1, L2, L(9-11), L(10-11) 값들이 변하게 되는데, 특정한 m값에서 수학식 2를 만족하도록 제1 지점(720)과 제2 지점(730)의 좌표를 결정한다. 그러면, 제1 지점(720)에서 반사된 광과 제2 지점(730)에서 반사된 광은 제3 지점(740)에서 보강간섭을 일으켜 결국 제3 지점(740)으로 광이 모이게 된다.In this case, if the position of the
본 발명의 바람직한 실시예에서는, 먼저 제1 지점(720)을 정해 놓고, 전술한 방법에 의해 제2 지점(730)의 좌표를 결정한다. 그 후 좌표가 결정된 제2 지점(730)에 대해 또 다른 지점의 좌표를 찾고, 찾아진 지점에 대해 또 다른 지점의 좌표를 찾기를 계속 반복하여 회절 격자의 간격들을 구할 수 있게 된다.In a preferred embodiment of the present invention, the
이러한 방법으로 특정한 파장 λ에 대해서 평판형 회절격자(320)의 격자 간격을 결정하고 나면, 파장 λ를 갖는 광은 모두 특정한 점, 예컨대 제3 지점(740)으로 수렴하게 된다. 한편, 예컨대, 파장 λ와는 다른 파장인 λ'를 갖는 광은 전술한 제3 지점(740)과는 다른 지점, 예컨대 제4 지점(750)에 집중되게 된다. 이처럼 파장에 따라 집중되는 지점들을 계속 구해나가면 광이 수렴되는 위치를 구할 수 있게 된다.After determining the lattice spacing of the
전술한 본 발명에 따른 평판형 분광기에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설 명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.Although preferred embodiments of the flat spectroscope according to the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications are made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. It is possible and this also belongs to the present invention.
도 1은 종래의 평판형 회전격자에 의해 구현된 분광기를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view for explaining a spectrometer implemented by a conventional plate-type rotary grating.
도 2는 종래 분광기에서의 프레넬-키르히호프(Fresnel-Kirchhoff) 방정식에 의해 추정된 광 파장의 변화에 따른 수렴점 위치의 이동궤적을 설명하기 위한 그래프이다.FIG. 2 is a graph for explaining a movement trajectory of a convergence point position according to a change in light wavelength estimated by a Fresnel-Kirchhoff equation in a conventional spectrometer.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 분광기를 설명하기 위한 사시도이다.3 is a perspective view illustrating a flat spectroscope according to an embodiment of the present invention.
도 4는 컴퓨터 계산을 통해 파장별로 광이 포커싱 되는 위치를 계산한 결과를 나타내는 그래프이다.4 is a graph illustrating a result of calculating a position where light is focused for each wavelength through computer calculation.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 분광기의 동작을 설명하기 위한 사시도이다.5 and 6 are perspective views for explaining the operation of the flat spectroscope according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 적용된 평판형 회절격자를 설계하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.7 is a cross-sectional view for explaining a method of designing a plate-type diffraction grating applied to an embodiment of the present invention.
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