Spectroscopy itself is a very useful tool for examining and inspecting the spectral properties or fingerprints of objects thus can be made use of for object identification and recognition. Hyper-spectral imagers form not only the spectral fingerprints but also the actual projections just as human eyes see(even in the bands other than visible range, false coloring navigates us to a totally different world of view). This combination of spectral and spatial information is peculiarly brilliant when we want to distinguish objects with the same appearance but of different material compositions. Therefore, its use is comprehensive in various areas such as forestry, geology, agriculture, medicine, security, manufacturing, colorimetry, oceanography, ecology and others.
In this paper, I introduce spectrometer designs in VNIR(400~950 nm) and SWIR(900~1700 nm) bands. In both bands, the design starts from system specification of hyper-spectral imagers. The specification of a CCD camera influences FOV, FFOV, F/# and they are interrelated with the width and length of a slit, which is placed at the entrance of the imaging spectrometer.
The VNIR band design uses a detector which pitch is 10 . It comprises a 10 slit, off-the-shelf lenses(front, collimation and focusing lens) that are easy to get and also a conventional plane reflective grating. Optimization of the system was conducted by following guiding equations: grating equation, spectral range, focal length and so on. The VNIR band experiment did not terminate at the design level but has actually been progressed to building and testing the instrument. Its spectral resolution was calculated to be 2.1 nm and images taken by the instrument are given as well.
The SWIR band took the form of an Offner type intended to employ its inherent benefits. In this band, the design was primarily specified on the methodology and the procedure. It first starts as the form with the best performance in MTF then by increasing the off axis quantity slightly and optimizing at every step by constraining rays in certain conditions, the final design was concluded. The radii of primary mirror, grating and the tertiary mirror were 299.6, 151.2 and 299.6, respectively. The grating spacing is 0.01mm. Its performance and tolerance analysis were assessed at the design level, too and the level. MTF showed over 70% over all wavelengths and the spot diagrams were all well confined within a pixel. The keystone and smile errors were well controlled to be less than a quarter of a pixel.
분광기술은 물체의 파장 특성을 조사 연구하는 데 매우 유용한 도구이므로 물체를 인식하고 분간하는 데 요긴하게 사용된다. 초분광 영상 분광기는 나노미터 단위의 분광을 통한 물체의 특성 파악은 물론, 사람의 눈이 보는 것과 같이 물체의 실제 모습을 보여준다. 가시광 영역 외의 다른 파장 영역을 false color 기법을 통해 가시화 할 수 있는 장점도 있다. 이렇게 파장과 공간 정보를 합하여 물체를 인식하기 때문에 설사 똑같은 모습을 가진 물체라도 그 구성 물질에 따라 구별을 가능케 한다. 분광기술의 적용사례는 매우 다양한데 지질학, 생태학, 농업, 의학, 약학, 생산 및 제조, 해양학 등 광범위한 분양에서 활용되고 있다.
이 논문에서는 VNIR(400~950 nm) 와 SIWR(900~1700 nm) 대역에 이르는 파장에서 작동하는 분광기의 설계에 대해 다룬다. 두 파장 대역에서 동일하게 초분광 영상 분광기의 시스템 사양을 정하는 것으로 설계가 시작된다. 검출기의 사양은 FOV, FFOV, F/#와 같은 주요 요구조건과 긴밀하게 연관되어 있고, 슬릿의 폭이나 길이를 결정하기 때문에 신중하게 고려되어야 한다.
VNIR 대역에선 검출기의 화소 크기가 10 인 것을 사용했으며, 이로 인해 10 폭의 슬릿을 사용하였다. 전반부, 시준, 초점 렌즈 모두 상용렌즈로 구성하였고, 회절격자도 쉽게 구입할 수 있는 300 gr/mm의 상용 평면 회절 격자를 사용하였다. 최적화는 회절격자 식, 파장분산길이 식, 초점거리 계산식과 같은 식을 이용하여 이루어졌다. 단순히 설계에서 그치지 않고 기구를 제작하고 영상을 얻어본 결과, 분해능은 2.1 nm였으며 이 초분광 영상 분광기를 통해 찍은 영상이 제시되어 있다.
SWIR 대역은 수차보정에 용이한 오프너 타입을 사용하였다. 이 대역은 주로 설계 방법과 순서에 대해 공부하였다. 먼저 가장 성능이 좋은 때부터 시작해 ,점차적으로 비축의 시스템을 만들어가고, 각 중간단계마다 성능 최적화를 통해 최종 설계가 완성되었다. 세 거울의 곡률반경은 각각 299.6, 151.2, 299.6이고 회절격자의 그루브 간격은 0.01 mm로 설계되었따. 끝으로 설계의 성능과 공차 분석에 대하여 논술하였는데, MTF의 경우 모든 파장에서 70%를 넘었으며 spot diagram은 모두 한 화소 안에 맺혔다. 키스톤과 스마일 왜곡은 모두 1/4 화소를 넘지 않았다.
