KR101379043B1 - 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계 - Google Patents

펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 정밀 표면형상 측정 간섭계 장치에 관한 것으로, 고안정도 시간/주파수 표준에 소급하여 고속으로 펄스 레이저의 반복률을 주사함으로써, 고단차 대영역 복잡 형상을 고속으로 정밀하게 측정하는 간섭계 장치에 관한 것이다. 본 발명은 반복률 고속 주사를 위한 전기광학소자 및 음향광학소자,　또는 주사 범위를 늘리기 위한 압전소자 및 모터 스테이지와 같은 반복률 제어 장치, 반복률 제어장치를 포함한 펄스 레이저 공진기, 공진기에서 발진하는 펄스의 반복률을 시간/주파수 표준에 소급된 주파수 측정기로 정밀하게 측정하고 제어하는 제어부, 제어 정확도를 보정하기 위한 시간/주파수 표준, 펄스 레이저를 이용하여 형상을 측정할 수 있는 간섭계, 획득한 간섭신호를 저장 및 분석하는 처리장치를 포함한다. 본 발명은 종래의 광학 형상측정기술에서 기계적 주사방식 혹은 파장 주사를 분광방식 기반의 측정방법이 고단차 복잡형상 측정 및 측정 속도에 있어서 가지는 한계를 극복하기 위해, 펄스 레이저의 반복률을 주사속도 및 주사범위를 향상시킴으로써, 고단차 복잡형상을 고속으로 정밀하게 측정할 수 있는, 표면형상 측정용 간섭계를 제공하고자 한다.

Description

펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계 {High-speed high-accuracy surface measuring interferometry by tuning repetition rate of a pulse laser}
본 발명은 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 정밀 표면형상 측정 간섭계에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 고안정도 시간/주파수 표준에 소급하여 고속으로 펄스 레이저의 반복률을 주사함으로써 고단차 대영역 복잡 형상을 고속으로 정밀하게 측정하는 간섭계에 관한 것이다.
광학식 측정방식으로 대표되는 비접촉식 측정법은 측정 표면의 손상 없이 높은 정밀도로 형상을 측정할 수 있기 때문에, 각종 광학부품 검사, 태양전지 제조, 반도체 웨이퍼, PCB 및 평판 디스플레이 검사 등 산업 전반에 걸쳐 널리 통용되고 있다. 광학 형상 측정 기술로써 공초점 광학 현미경(confocal microscopy)이나 모아레를 비롯하여 다양한 산업 시편의 형상 측정법이 적용되어 왔지만, 최근 표면에 박막이 있거나 반사율이 다른 구조가 섞여 있거나, 표면 거칠기가 파장 수준으로 크거나, 자유 곡면을 가지거나 높은 단차 등이 포함된 복잡형상 시편에 대해서는 제한적인 성능을 발휘하고 있다. 핵심 산업분야인 마이크로 전자산업의 정밀측정 수요에 유연하게 대응할 수 있는 기술로써, 복잡형상 및 고단차 시편의 실시간 측정이 가능한 새로운 광학 측정 방법이 요구되고 있다.
빛의 간섭을 이용하는 간섭법은 측정면에 대한 반사광과 잘 정의된 기준면에서의 반사광 간의 간섭신호를 분석하여 측정면의 형상 및 물성 정보를 획득하는 방법으로, 측정 정밀도가 높고 박막이 포함된 다양한 형태의 복잡 시편에 대해 적응 가능하기 때문에 산업 전반에서 널리 사용하고 있는 대표적인 광 계측법이다. 헬륨-네온 레이저(He-Ne laser)와 같은 단색광원(quasi-monochromatic light source)을 기반으로 하는 간섭법은 획득한 간섭무늬를 위상천이법(phase-shifting method)과 같이 잘 정의된 형태의 분석방법을 통해 높은 정밀도로 거울이나 완만한 곡면과 같이 광학적으로 평탄한 면을 측정하는 데에 주로 사용된다. 주로 레이저를 사용하는 단색광원의 높은 시간 및 공간 가간섭성이 시스템의 하드웨어적인 자유도를 높이고 광 정렬을 쉽게 하는 장점이 있지만, 2π-위상모호성(2π-ambiguity)의 제한에 의해 수백 nm에서 수 um에 이르는 광 파장 수준으로 측정 범위가 제한되며, 높은 시간 가간섭성 때문에 원치 않는 반사면에서 들어온 파면에 의해 기생간섭무늬가 형성되어 측정결과를 왜곡시키는 단점이 있다. 이에 비해 LED, 텅스텐-할로겐램프 등을 광원으로 사용하는 저결맞음 간섭법(low-coherence interferometry) 또는 백색광 간섭법(white-light interferometry)의 경우, 주사방식이나 분광방식을 통하여 2π-위상모호성 없이 이론적으로 측정 한계 없이 단차형상을 포함한 복잡형상(complex surface)에 대한 측정이 가능하다는 장점을 가진다. 그러나 실질적으로 기계적 주사장치나 분광장치에 의해 측정범위 및 정밀도의 제한을 받으며, 특히 광원의 낮은 시간 및 공간 가간섭성으로 인해 시스템의 하드웨어 구성에 있어서 자유도가 낮고, 측정면의 종류가 제한적이라는 단점이 있다. 따라서 이러한 레이저 간섭계나 저결맞음 간섭계로 현재 필요로 하는 복잡형상에 대한 정밀 측정 수요에 대응하는 데에 어려움이 있으므로 각각의 장점을 발전적으로 통합/포괄할 수 있는 형태의 측정기술이 필요하다.
또한, 간섭법을 비롯한 광학 측정에 있어서 측정 속도의 향상은 생산성을 극대화 하며, 측정 중 환경 변수에 의한 영향을 최소화할 수 있기 때문에 측정 결과의 반복능 향상과도 직결된다. 측정법에서 흔히 사용되는 주사식 방법은 대부분 기계적인 구동을 수반하며 이는 환경적 요인뿐만 아니라 구동오차에 대해서도 정밀도의 제한을 받는다. 주사식 방법을 피하기 위해 광원의 파장을 가변하는 경우, 파장의 가변폭에 제한을 받거나 별도의 주사과정이 필요한 경우가 많고, 분광방식을 채택할 경우 별도의 분광장치를 필요로 하며 2차원 면적 측정이 어렵기 때문에 산업적 응용에 어려움이 있다. 이와 같이, 복잡형상에 대하여 고속으로 정밀하게 측정을 수행할 수 있는 기술에 대한 요구는 꾸준히 증가하고 있으나, 기존의 기술들로는 대응이 제한적이거나 불가능하여, 새로운 측정원리의 개발이 요구되어 왔다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 종래의 광학 형상측정기술에서 기계적 주사방식 혹은 파장 주사를 분광방식 기반의 측정방법이 고단차 복잡형상 측정 및 측정 속도에 있어서 가지는 한계를 극복하기 위해, 펄스 레이저의 반복률을 고속으로 조절함으로써, 고단차 복잡형상을 고속으로 정밀하게 측정할 수 있는, 표면형상 측정용 간섭계를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 펄스 레이저를 출사하는 광원부, 상기 광원부에서 출사되는 광을 분할하는 광분할기, 상기 광분할기기에서 분할된 하나의 광에서 기준광과 측정광을 생성하기 위한 기준 미러와 타켓, 기준광과 측정광 생성을 위해 광을 전달하는 광학부, 상기 기준 미러와 측정 타겟에서 반사되는 기준광과 측정광이 간섭되어 입사되는 광검출기, 기준 미러와 측정 타겟에서 반사되는 기준광과 측정광의 펄스가 중첩되어 간섭을 일으키도록 상기 광원부에서 출사되는 펄스 레이저의 반복률을 주사할 수 있는 반복률 주사 구동부, 주파수 측정 기준이 되는 시간/주파수 표준부, 반복률을 상기 시간/주파수 표준부에 소급된 주파수 측정기로 측정하여 제어하는 제어부 및 검출된 광신호를 저장 및 분석하는 처리부를 포함한다.
또한, 상기 시간/주파수 표준부는, 원자시계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광검출기는, CCD, CMOS, PD(photodiode), Photo-dectector, PMT 중 하나 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 시간 주파수 표준에 소급된 주파수 측정기와 위상 제어기를 통해 제어된다.
또한, 상기 반복률 주사 구동부는, 전기-광학변조기(electro-optic modulator, EOM)와 같은 전기광학소자 또는 음향-광학 변조기(acousto-optic modulator, AOM)와 같은 음향광학소자로 구성되며, 이로부터 광 공진 길이를 조절함으로써 반복률을 고속으로 주사하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반복률 주사 구동부는, 압전소자(PZT), 모터 스테이지(motorized stage)를 제어하여 반복률의 주사 범위를 크게 향상시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준미러와 측정타겟의 거리차는, 수학식
Figure 112011060710583-pat00001
을 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반복률의 주사에 따른 거리 주사는, 수학식
Figure 112011060710583-pat00002
을 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부는, 광섬유 펄스 레이저 공진기 또는 광결정 펄스 레이저 공진기 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광섬유 펄스 레이저 공진기는, 광섬유 펄스 레이저 공진기의 경우 ring resonator type과 linear resonator type, figure-of-eight resonator type으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광섬유 펄스 레이저 공진기는, 발진한 펄스를 광주파수 변조 없이 그대로 사용하기 위해 별도의 주파수 변조장치를 두지 않거나, 체배된 광주파수를 가지는 펄스를 적용하기 위해 비선형 광결정(nonlinear crystal)을 적용하거나, 가시광 영역 혹은 근적외선 영역의 광주파수로 주파수 천이를 시키기 위하여 HNLF(highly non-linear fiber) 혹은 PCF(photonic crystal fiber)를 적용함으로써, 이로부터 다양한 광공진기 구성에서도 원하는 주파수 대역으로 광주파수를 변조 및 천이할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 펄스 반복률 주사 방식의 펄스 레이저 광원을 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometry), 트와이만-그린 간섭계(Twyman-Green interferometry), 미라우 간섭계(Mirau interferometry), 리닉 간섭계(Linnik interferometry), 마하젠다 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 피조 간섭계(Fizeau interferometry), 점회절 간섭계(Point-diffraction interferometry) 중 하나에 적용한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부에서 출사되는 펄스 레이저의 반복률을 주사할 수 있는 반복률 주사 구동부, 주파수 측정 기준이 되는 시간/주파수 표준부, 반복률을 상기 시간/주파수 표준부에 소급된 주파수 측정기로 측정하여 제어하는 제어부 및 검출된 광신호를 저장 및 분석하는 처리부를 포함한다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 펄스의 반복률 조정을 기반으로 하는 정밀 형상측정 장치를 제공하는 것으로, 본 발명에 따른 형상측정 장치는 시간표준에 소급되어 있는 주파수측정기에 의해 정밀하게 측정되는 반복률 주사를 적용함에 따라, 별도의 주사장치 없이 높은 단차 및 복잡형상을 측정할 수 있는 이점이 있다. 이에 따라, 정밀하면서도 매우 빠르게 주사가 가능하기 때문에, 측정 속도가 빠르고 환경 변수에 의한 오차를 최소화할 수 있다. 이를 통해, 측정 정밀도의 향상 및 고속 측정으로 인한 측정시간 단축을 기대할 수 있다. 이로부터, 전반적인 산업 표면 형상을 포함하여 표면에 박막이 있거나 반사율이 다른 구조가 섞여 있거나, 표면 거칠기가 파장 수준으로 크거나, 자유 곡면을 가지거나 높은 단차 등이 포함된 복잡형상 시편 측정에도 대응할 수 있을 뿐만 아니라 게이지 블록(Gauge-block)과 같은 형상 표준 보정에도 적용할 수 있다.
또한, 펄스 레이저 공진기 내에 전자광학변조기(Electro-Optic Modulator: EOM) 혹은 음향광학변조기(Acousto-Optic Modulator)를 설치함으로써, 기계적 속도에 제한받지 않는 고속 반복률의 조정 기법을 사용하여, 고속형상측정에 응용할 수 있다.
또한, 펄스 레이저 공진기 내에, EOM, AOM 이외에도 PZT 및 모터 스테이지 등을 추가함으로써 반복률의 조절 량을 추가 확장할 수 있어, 고단차 시편의 측정에도 응용할 수 있다.
또한, 펄스 레이저의 특성상 반복적인 짧은 시간 가간섭성을 이용하여 저결맞음 간섭계를 구성함에 있어서, 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometry), 트와이만-그린 간섭계(Twyman-Green interferometry), 미라우 간섭계(Mirau interferometry), 리닉 간섭계(Linnik interferometry), 마하젠다 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 피조 간섭계(Fizeau interferometry), 점회절 간섭계(Point-diffraction interferometry) 등의 형태로 구현이 가능하다.
또한, 펄스 레이저의 높은 공간 가간섭성으로 인하여 측정 영역에 있어서 수 mm 이하 영역에 대한 마이크로 측정에서 100 mm 이상의 대면적 형상 측정에 이르기까지 동일 기준시편으로도 자유롭게 적용 가능하다.
또한 이들 펄스는 시간 표준에 대한 정확하게 제어된 반복률에 따라 반복적으로 발진하므로 정밀한 측정을 가능케 할 뿐만 아니라 비대칭(non-symmetric), 비동일 광경로(unequal path) 구성을 비롯하여 하드웨어 구성 및 적용에 있어서 자유도가 높다.
이러한 장점으로 인하여 대구경 거울이나 부드러운 곡면 광학계에서부터, 대구경 웨이퍼의 평편도, 미세 패턴 형상, 미세 고 형상비(aspect ratio) 구조 형상, PCB BGA(ball grid array) 및 범프(bump) 형상, 박막을 포함한 복잡 형상 등 다양한 산업 분야에 대해서 측정 적용성이 높은 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계를 이용하여 측정 가능한 분야를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 측정부에 비동일 광경로, 비대칭 간섭계 원리를 적용한 형태의 구성도,
도 4는 펄스 레이저를 광원으로 저결맞음 간섭계를 구성함에 있어서 도 3에서의 반복률 주사의 기능과 동등한 기능을 수행하도록 PZT 또는 Motorized stage를 기준시편이나 측정시편, 또는 광분할기에 부착하여 기계적으로 주사함으로써 간섭무늬를 획득하고 표면 형상 정보를 획득하는 장치의 구성도,
도 5는 Ring resonator type 광섬유 펄스 레이저 공진기 내의 펄스 반복률 주사 원리 및 구현을 위한 구성도,
도 6은 Ring resonator type 광섬유 펄스 레이저 공진기 내의 펄스 반복률 고속 주사를 목적으로 EOM/AOM 등의 장치를 적용한 형태의 구성도,
도 7은 Ring resonator type 광섬유 펄스 레이저 공진기 내 펄스 반복률 고속 주사 및 주사 범위 확장을 목적으로 EOM/AOM과 함께 PZT, Motorized stage 등을 조합하여 적용한 형태의 구성도,
도 8은 Ring resonator type 광섬유 펄스 레이저 공진기 내 펄스 반복률 고속 주사 및 주사 범위 확장을 목적으로 EOM/AOM과 함께 Motorized stage, Ring-PZT 등을 조합하여 적용한 형태의 구성도,
도 9는 Linear resonator type 광섬유 펄스 레이저 공진기 내의 펄스 반복률 주사 원리 및 구현을 위한 구성도,
도 10은 Linear resonator type 광섬유 펄스 레이저 공진기 내의 펄스 반복률 고속 주사를 목적으로 EOM/AOM 등의 장치를 적용한 형태의 구성도,
도 11은 Linear resonator type 광섬유 펄스 레이저 공진기 내 펄스 반복률 고속 주사 및 주사 범위 확장을 목적으로 EOM/AOM과 함께 PZT, Motorized stage 등을 조합하여 적용한 형태의 구성도,
도 12는 Linear resonator type 광섬유 펄스 레이저 공진기 내 펄스 반복률 고속 주사 및 주사 범위 확장을 목적으로 EOM/AOM과 함께 Motorized stage, Ring-PZT 등을 조합하여 적용한 형태의 구성도,
도 13은 광결정 펄스 레이저 공진기 내의 펄스 반복률 주사 원리 및 구현을 위한 구성도,
도 14는 광결정 펄스 레이저 공진기 내의 펄스 반복률 고속 주사를 목적으로 EOM/AOM 등의 장치를 적용한 형태의 구성도,
도 15는 광결정 펄스 레이저 공진기 내 펄스 반복률 고속 주사 및 주사 범위 확장을 목적으로 EOM/AOM과 함께 PZT, Motorized stage 등을 조합하여 적용한 형태의 구성도,
도 16은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 반복률 주사 가능한 펄스레이저를 광원으로 하고 마이켈슨(Michelson) 타입의 간섭계를 결합하여 시편의 형상정보를 획득하기 위한 장치의 구성도,
도 17은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 반복률 주사 가능한 펄스레이저를 광원으로 하고 트와이만-그린(Twyman-Green) 타입의 간섭계를 결합하여 시편의 형상정보를 획득하기 위한 장치의 구성도,
도 18은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 반복률 주사 가능한 펄스레이저를 광원으로 하고 리닉(Linnik) 타입의 간섭계를 결합하여 시편의 형상정보를 획득하기 위한 장치의 구성도,
도 19는 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 반복률 주사 가능한 펄스레이저를 광원으로 하고 마하-젠다(Mach-Zehnder) 타입의 간섭계를 결합하여 시편의 형상정보를 획득하기 위한 장치의 구성도,
도 20은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 반복률 주사 가능한 펄스레이저를 광원으로 하고 피조(Fizeau) 타입의 간섭계를 결합하여 시편의 형상정보를 획득하기 위한 장치의 구성도,
도 21은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 광원의 이차조화파를 측정에 사용하기 위하여 광원에서 나온 펄스가 이차조화파 광결정을 거쳐 간섭계로 입사하도록 한 장치의 구성도,
도 22는 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 기준파를 광섬유로 구성함으로써 광경로차를 광섬유의 길이 차로 조절 가능한 형태의 광섬유 기반 간섭계 장치의 구성도,
도 23은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 광원의 이차조화파를 측정에 사용하기 위하여 복수의 이차조화파 광결정을 사용하고, 간섭계의 비대칭 광경로를 광섬유로 구성한 장치의 구성도,
도 24는 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 광원의 이차조화파를 측정에 사용하여 파면오차를 줄이고 하드웨어를 간소화하기 위해 하나의 이차조화파 광결정을 사용하고, 간섭계의 비대칭 광경로를 광섬유로 구성한 장치의 구성도,
도 25는 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 광원의 이차조화파를 측정에 사용하기 위하여 하나의 이차조화파 광결정을 사용하고, 간섭계의 비대칭 광경로에 편광 보상 장치를 두어 광섬유의 편광 변화에 보상 가능한 장치의 구성도,
도 26은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 일례로 광섬유 펄스 레이저를 광원으로 하면서 광원의 이차 조화파를 사용하는 대신 고 비선형 광섬유(Highly nonlinear fiber, HNLF) 혹은 광 결정 광섬유(Photonic crystal fiber)를 이용한 광 빗의 주파수 천이를 이용하여 생성된 빛을 간섭계에 적용한 장치의 구성도,
도 27은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계 가운데 고 비선형 광섬유(Highly nonlinear fiber, HNLF) 혹은 광 결정 광섬유(Photonic crystal fiber)를 이용한 광 빗의 주파수 천이를 구현하기 위한 광원부의 구성으로, 특히 분산 보상에 단일모드광섬유(Single mode fiber, SMF)와 분산보상광섬유 (Dispersion compensating fiber, DCF)의 조합을 사용한 장치의 구성도,
도 28은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계 가운데 고 비선형 광섬유(Highly nonlinear fiber, HNLF) 혹은 광 결정 광섬유(Photonic crystal fiber)를 이용한 광 빗의 주파수 천이를 구현하기 위한 광원부의 구성으로, 특히 분산 보상에 같이 프리즘 쌍(prism pair) 혹은 격자 쌍(grating pair)을 사용하는 장치의 구성도,
도 29는 본 발명에 따른 펄스 레이저의 반복률 주사에 따른 펄스 주사 원리를 설명하기 위한 구성도,
도 30은 본 발명에 따른 펄스 레이저의 반복률 주사에 따라 펄스 간 주사가 발생함으로써 일어나는 간섭 현상 및 간섭무늬의 원리를 설명하기 위한 구성도,
도 31은 본 발명에 따른 간섭에 의해 생성된 간섭무늬 및 이로부터 복원된 표면 형상의 높이정보를 나타낸 이미지,
도 32는 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계에 의해 생성된 간섭무늬 및 2차원 형상지도가 기존 단색광원 측정장치의 간섭무늬에 비해 기생간섭무늬와 같은 왜곡 없이 형상정보를 나타낸 이미지.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계는, 펄스 레이저를 출사하는 광원부(100), 상기 광원부에서 출사되는 광을 분할하는 광분할기(210), 상기 광분할기기에서 분할된 하나의 광에서 기준광과 측정광을 생성하기 위한 기준 미러(220)와 타켓(230), 기준광과 측정광 생성을 위해 광을 전달하는 광학부(200), 상기 기준 미러와 측정 타겟에서 반사되는 기준광과 측정광이 간섭되어 입사되는 광검출기(150), 기준 미러와 측정 타겟에서 반사되는 기준광과 측정광의 펄스가 중첩되어 간섭을 일으키도록 상기 광원부에서 출사되는 펄스 레이저의 반복률을 주사할 수 있는 반복률 주사 구동부(110), 주파수 측정 기준이 되는 시간/주파수 표준부(120), 반복률을 상기 시간/주파수 표준부에 소급된 주파수 측정기로 측정하여 제어하는 제어부(130) 및 검출된 광신호를 저장 및 분석하는 처리부(140)를 포함하여 구성된다.
도 1은 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 정밀 표면 형상측정 장치를 이용하여 측정 가능한 분야를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계는 부드러운 면(smooth surface)에서 복잡형상(complex surface)에 이르기까지 다양한 표면 형상 측정에 응용 가능하다. 부드러운 면은 대개 거울이나 렌즈, 웨이퍼 평탄도 등을 포함하며, 단차형상에는 게이지 블록(gauge-block), 고단차(high aspect ratio) 구조물 등, 또한 복잡형상은 부드러운 면이나 단차형상을 포함하는 동시에 구형 및 사각형 범프열(bump-array), 박막층 등을 포함한 웨이퍼 및 PCB 기판이나 자유곡면 등을 일컫는다.
도 2는 본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계의 개략적인 구성도이다. 본 발명에 따른 펄스 레이저의 반복률 주사를 통한 형상 측정 간섭계는 크게 광원부와 측정부로 나누어 볼 수 있다. 광원부는 펄스 레이저 공진기와 이를 제어하는 부분으로 구성되어 있으며 펄스 레이저 공진기로부터 발진하는 펄스열의 주기는 반복률의 형태로 측정된다. 제어 과정에서 펄스 반복률은 주파수 측정기에 의해 정밀하게 측정되며, 주파수 측정기는 시간 표준에 해당하는 Atomic clock에 연결되어 있으므로 위상제어기를 통해 반복률을 시간 표준의 정확도에 상응하는 수준으로 제어 및 주사할 수 있다. 반복률의 주사 측정부는 간섭계, 공초점 등의 다양한 원리에 따라 광학계를 구성하여 측정 시편에 빛을 조사하고 이를 광 검출기로 받아들여 처리장치에서 분석하는 과정을 수행한다. 일례로 간섭계를 기반으로 하는 시스템의 경우 도 3과 같은 구성을 가진다. 일반적인 Twyman-Green 타입 또는 Michelson 타입 간섭계에서, 광원으로부터 발진한 펄스열이 단일모드광섬유(single-mode fiber)와 시준렌즈를 거쳐 광분할기로부터 나뉘어 각각 기준면과 측정면을 향하게 되며, 이들은 광분할기를 통해 다시 합쳐져 CCD나 CMOS, PD(photodiode)와 같은 광검출기로 입사한다. 주기적인 펄스열의 형태로 발진하는 펄스레이저는 저결맞음 광원이면서도 단일모드광섬유에서 충분한 광량으로 발진하기 때문에 높은 공간 가간섭성 특성을 지닌다. 이로부터 기존 저결맞음 간섭계와 달리 시편과 동일한 크기의 기준시편을 사용하는 대신, 충분히 작은 크기의 기준시편만으로도 상대적으로 대구경 시편을 측정할 수 있도록 비대칭(non-symmetric) 하드웨어 구성이 가능하다. 또한 기존 저결맞음 간섭계에서 기준면과 측정면 간의 광경로 차이가 광원의 가간섭거리에 해당하는 수 um에서 수십 um 이내에 위치해야 하는데 반해, 하나의 펄스가 다른 펄스와도 높은 가간섭성을 유지하므로 펄스간 주기의 정수배에 해당하는 광경로 차를 부여할 수 있어 비동일 광경로(unequal-path) 시스템을 구성할 수 있다. 따라서 이러한 비대칭, 비동일 광경로 구성이 가능한 부분은 다양한 형태의 시편 및 측정 조건에 맞게 간섭계 하드웨어를 조정할 수 있도록 자유도를 높이는 효과를 보여준다.
일반적으로 도 3에서의 반복률 주사 기반 저결맞음 간섭계는 반복률 주사와 기능적으로 동등하게 PZT 또는 Motorized stage를 기준시편이나 측정시편, 또는 광분할기에 부착하여 기계적으로 주사함으로써 구현할 수 있다. 도 4와 같이, 본 펄스 레이저 광원을 사용하였을 경우 일반적인 저결맞음 광원을 적용한 간섭계와 유사하게, PZT 또는 Motorized stage의 구동을 통해서도 간섭무늬 및 시편의 표면 형상 정보를 획득할 수 있으며, 이는 도 3에서 제시한 반복률 주사 원리와 함께 적용하여 측정에 사용할 수 있다.
펄스 레이저의 반복률 주사는 일반적으로 공진기 내 길이 제어로 이루어지며, 공진기의 종류와 길이 제어 방식에 따라 다양한 형태로 구성된다.
우선, 광섬유 펄스 레이저 공진기의 경우 ring resonator type과 linear resonator type, figure-of-eight resonator type 등의 구성이 가능하다. 도 5는 ring resonator type의 광섬유 펄스 레이저 공진기 구성 및 공진기 내 펄스 반복률 주사 원리를 보여준다. 일반적으로 레이저는 공진기(cavity)와 광학적 증폭 역할을 담당하는 이득 매질(gain medium)로 구성되며, 여기에 모드 동기화(mode-locking)를 위한 부분과 반복률 제어를 위한 부분이 포함된다. ring resonator type 광섬유 펄스 레이저 공진기의 경우, 일반적으로 환형의 단일모드 광섬유(single-mode fiber, SMF)를 공진기로 하고, 어븀(Erbium), 이터븀(Ytterbium), 툴륨(Thulium), 네오디뮴(Neodimium) 등과 같은 희토류가 첨가된 광섬유(rare-earth doped fiber)를 이득물질로 한다. 다이오드 레이저(laser diode)와 같은 펌핑 레이저가 WDM(wavelength division multiplexer)를 통과하여 공진기 내 이득매질 광섬유로 입사하며, 이득매질에서 유도방출(stimulated emission)된 빛 가운데 공진기의 모드(mode)에 해당하는 주파수를 선별적으로 살아남게 하고 동시에 이를 증폭시키면서 발진시킨다. 광속을 c라 하고, 공진기의 길이를 L c 라 하면, 모드간 간격(intermodal spacing) 또는 반복률(repetition rate), f r 은 수학식 1과 같다.
Figure 112011060710583-pat00003
광섬유 펄스 레이저에서 발생하는 주파수 모드의 위상은 일반적으로 독립적으로 형성되지만, EOM(electro-optic modulator)과 같은 전기광학소자(electro-optic device)나 AOM(acousto-optic modulator)과 같은 음향광학소자(acousto-optic device)를 사용하거나, saturable absorber, SAM(saturable absorber mirror), NLM(nonlinear loop mirror), NPR(nonlinear polarization rotation)를 구현하는 장치 등의 조합에 의해 모드들의 위상을 동기 시킬 수 있다. 동기된 상태의 각 모드들은, 1/f r 의 주기를 가진 주기함수의 푸리에 급수 전개 성분으로 볼 수 있으며 따라서 output coupler를 통해 주기적인 펄스 열(pulse train)이 발진한다. 여기에 추가로 공진기 내부에는 반복률 주사 장치가 포함되는데, 이를 위하여 EOM(electro-optic modulator)이나 AOM(acousto-optic modulator)와 같이 전기적 신호를 이용하여 공진기 내 길이를 고속으로 변조하는 방법이나, 압전소자(PZT), 모터 스테이지(motorized stage)와 같이 기계적 구동을 통해 공진기 내 길이를 변조하는 방법, 그 외에도 thermally tuned waveguide를 이용하는 방법 등을 조합하여 적용한다.
상기 도 5와 동일한 ring resonator type 광섬유 펄스 레이저에서 고속으로 펄스 반복률을 주사하기 위해서 도 6과 같이 공진기 내에 반복률 주사장치로 EOM(electro-optic modulator)이나 AOM(acousto-optic modulator)을 두어 사용한다. EOM 및 AOM은 전기적 신호가 내부 광결정의 굴절률 변화를 유도하여 공진기 내 광경로를 변화시키므로 수 GHz 이하의 속도로 반복률 고속 제어가 가능하다.
상기 도 5와 동일한 ring resonator type 광섬유 펄스 레이저의 펄스 반복률 주사 범위를 확장하기 위해서 도 7과 같이 공진기 내에 EOM이나 AOM과 함께 압전소자(PZT) 또는 모터 스테이지를 비롯한 추가적인 기계구동소자를 포함시켜 공진기 내부 광경로의 제어 폭을 확장할 수 있다. 특히 PZT의 경우 도 7과 같이 선형 PZT를 적용할 수도 있고 도 8과 같이 ring type PZT를 적용할 수도 있다. 선형 PZT는 기존의 가장 널리 사용되고 있는 압전소자의 형태이며, ring type PZT의 경우 bulk optics의 사용 없이 광섬유 광공진기 내 광섬유를 직접 PZT에 감아 충분한 반복률 주사 범위를 확보할 수 있다는 장점을 지닌다.
도 9는 Linear resonator type의 광섬유 펄스 레이저 공진기 내 펄스 반복률 주사 원리를 보여준다. Linear resonator type 광섬유 펄스 레이저 공진기의 경우 일반적으로 선형의 단일모드 광섬유(single-mode fiber, SMF)를 공진기로 하고, 어븀(Erbium), 이터븀(Ytterbium), 툴륨(Thulium), 네오디뮴(Neodimium) 등과 같은 희토류가 첨가된 광섬유(rare-earth doped fiber)를 이득물질로 한다. 다이오드 레이저(laser diode)와 같은 펌핑 레이저가 WDM(wavelength division multiplexer)를 통과하여 공진기 내 이득매질 광섬유로 입사하며, 이득매질에서 유도방출(stimulated emission)된 빛 가운데 공진기의 모드(mode)에 해당하는 주파수를 선별적으로 살아남게 하고 동시에 이를 증폭시키면서 발진시킨다. 광속을 c라 하고, 공진기의 길이를 L c 라 하면, 모드간 간격(intermodal spacing) 또는 반복률(repetition rate), f r 은 수학식 2와 같다.
Figure 112011060710583-pat00004
광섬유 펄스 레이저에서 발생하는 주파수 모드의 위상은 일반적으로 독립적으로 형성되지만, EOM(electro-optic modulator)이나 AOM(acousto-optic modulator)을 사용하거나 saturable absorber, SAM(saturable absorber mirror), NLM(nonlinear loop mirror), NPR(nonlinear polarization rotation)를 구현하는 장치 등의 조합에 의해 모드들의 위상을 동기 시킬 수 있다. 동기된 상태의 각 모드들은, 1/f r 의 주기를 가진 주기함수의 푸리에 급수 전개 성분으로 볼 수 있으며 따라서 output coupler를 통해 주기적인 펄스 열(pulse train)이 발진한다. 여기에 추가로 공진기 내부에는 반복률 주사 장치가 포함되는데, 이를 위하여 EOM(electro-optic modulator)이나 AOM(acousto-optic modulator)와 같이 전기적 신호를 이용하여 공진기 내 길이를 고속으로 변조하는 방법이나, 압전소자(PZT), 모터 스테이지(motorized stage)와 같이 기계적 구동을 통해 공진기 내 길이를 변조하는 방법, 그 외에도 thermally tuned waveguide를 이용하는 방법 등을 조합하여 적용한다.
상기 도 9와 동일한 linear resonator type 광섬유 펄스 레이저에서 고속으로 펄스 반복률을 주사하기 위해서 도 10과 같이 공진기 내에 반복률 주사장치로 EOM(electro-optic modulator)이나 AOM(acousto-optic modulator)을 두어 사용한다. EOM 및 AOM은 전기적 신호가 내부 광결정의 굴절률 변화를 유도하여 공진기 내 광경로를 변화시키므로 수 GHz 이하의 속도로 반복률 고속 제어가 가능하다.
상기 도 9와 동일한 linear resonator type 광섬유 펄스 레이저의 펄스 반복률 주사 범위를 확장하기 위해서 도 11과 같이 공진기 내에 EOM이나 AOM과 함께 압전소자(PZT) 또는 모터 스테이지를 비롯한 추가적인 기계구동소자를 포함시켜 공진기 내부 광경로의 제어 폭을 확장할 수 있다. 특히 PZT의 경우 도 11과 같이 선형 PZT를 적용할 수도 있고, 도 12와 같이 ring type PZT를 적용할 수도 있다. 선형 PZT는 기존의 가장 널리 사용되고 있는 압전소자의 형태이며, ring type PZT의 경우 bulk optics의 사용 없이 광섬유 광공진기 내 광섬유를 직접 PZT에 감아 충분한 반복률 주사 범위를 확보할 수 있다는 장점을 지닌다.
광섬유 펄스 레이저와 달리 광결정 펄스 레이저 공진기의 경우 bulk optics를 사용하며 빛은 대부분 자유공간(free space)을 통과하여 지나간다. 도 13은 다양한 광결정 펄스 레이저 공진기 형태 가운데 대표적인 구성을 보여준다. 광결정 펄스 레이저 공진기 역시 크게 공진기(cavity)와 광학적 증폭 역할을 담당하는 이득 매질(gain medium)로 구성되며, 여기에 모드 동기화(mode-locking)를 위한 부분과 반복률 제어를 위한 부분이 포함된다. 광결정 펄스 레이저 공진기의 경우, 일반적으로 거울(mirror)을 공진기의 양단으로 두고, Nd:YAG (neodymium-doped yttrium aluminum garnet), Yb:YAG (ytterbium-doped YAG), Yb:glass, Er:YAG (erbium-doped YAG), Cr:forsterite 또는 Ti:sapphire 등의 광결정을 이득물질로 한다. 다이오드 레이저(laser diode)와 같은 펌핑 레이저가 렌즈 및 이색성 거울을 통과하여 이득매질에 집속되며 이를 통해 광결정이 여기 된다. 공진기 내 이득매질에서 유도방출(stimulated emission)된 빛 가운데 공진기의 모드(mode)에 해당하는 주파수를 선별적으로 살아남게 하고 동시에 이를 증폭시키면서 발진시킨다. 광속을 c라 하고, 공진기의 길이를 L c 라 하면, 모드간 간격(intermodal spacing) 또는 반복률(repetition rate), f r 은 수학식 2와 같다.
광결정 펄스 레이저에서 발생하는 주파수 모드의 위상은 독립적으로 형성되지만, EOM(electro-optic modulator)이나 AOM(acousto-optic modulator)을 사용하거나 saturable absorber, SAM(saturable absorber mirror), NLM(nonlinear loop mirror), NPR(nonlinear polarization rotation), Kerr effect 등을 구현하는 장치들의 조합에 의해 모드들의 위상을 동기 시킬 수 있다. 동기된 상태의 각 모드들은, 1/f r 의 주기를 가진 주기함수의 푸리에 급수 전개 성분으로 볼 수 있으며 따라서 output coupler를 통해 주기적인 펄스 열(pulse train)이 발진한다. 공진기 구성에는 반복률 주사 장치가 존재하는데, 이를 위하여 EOM(electro-optic modulator)이나 AOM(acousto-optic modulator)와 같이 전기적 신호를 이용하여 공진기 내 길이를 고속으로 변조하는 방법이나, 압전소자(PZT), 모터 스테이지(motorized stage)와 같이 기계적 구동을 통해 공진기 내 길이를 변조하는 방법, 그 외에도 thermally tuned waveguide를 이용하는 방법 등을 조합하여 적용한다.
상기 도 13과 동일한 광결정 펄스 레이저에서 고속으로 펄스 반복률을 주사하기 위해서 도 14와 같이 공진기 내에 반복률 주사장치로 EOM(electro-optic modulator)이나 AOM(acousto-optic modulator)을 두어 사용한다. EOM 및 AOM은 전기적 신호가 내부 광결정의 굴절률 변화를 유도하여 공진기 내 광경로를 변화시키므로 수 GHz 이하의 속도로 반복률 고속 제어가 가능하다.
상기 도 13과 동일한 광결정 펄스 레이저의 펄스 반복률 주사 범위를 확장하기 위해서 도 15와 같이 공진기 내에 EOM이나 AOM과 함께 압전소자(PZT) 또는 모터 스테이지를 비롯한 추가적인 기계구동소자를 포함시켜 공진기 내부 광경로의 제어 폭을 확장할 수 있다.
본 발명에 따른 펄스 레이저 반복률 주사 기반 정밀 표면 형상 측정장치는 다양한 형태로 적용 가능하며, 도 16은 대표적으로 구현된 간섭계로, 펄스 레이저를 광원으로 한 반복률 주사 원리 기반 마이켈슨(Michelson) 간섭계이다.
도 17은 펄스 레이저를 광원으로 한 반복률 주사 원리 기반 트와이만 그린(Twyman-Green) 간섭계로 비대칭 구성을 통해 대면적 형상측정에 용이하도록 설계한 광학 구조이다. 상기 설명한 반복률 주사 장치가 포함된 펄스 레이저 공진기는 제어부에 의해 반복률이 제어되며, 제어 과정에서 펄스 반복률의 정확도는 주파수/시간 표준에 해당하는 원자시계(atomic clock)에 소급하므로 위상제어기를 통해 시간 표준의 정확도에 상응하는 수준으로 반복률의 제어 및 주사가 가능하다. 공진기로부터 발진한 펄스 레이저는 시준렌즈를 거쳐 광분할기로부터 나뉘어 각각 기준면과 측정면을 향하게 되며, 이들은 광분할기를 통해 다시 합쳐져 광검출기로 입사한다. 반복률 주사로부터 획득한 간섭무늬를 분석하여 위상을 복원하고 형상정보를 획득한다.
도 18은 펄스 레이저를 광원으로 한 반복률 주사 원리 기반 리닉(Linnik) 간섭계이다.
도 19는 펄스 레이저를 광원으로 한 반복률 주사 원리 기반 마하-젠다(Mach-Zehnder) 간섭계이다.
도 20은 펄스 레이저를 광원으로 한 반복률 주사 원리 기반 피조(Fizeau) 간섭계이다.
도 21은 펄스 레이저를 광원으로 한 반복률 주사 원리 기반 트와이만 그린(Twyman-Green) 간섭계 구성에서 주파수 배가(frequency doubling)를 통한 광원의 이차조화파를 사용하기 위해 광원에 이차조화파 생성 광결정(second harmonic generation crystal)을 사용한 간섭계 기반 장치의 구성도이다. 이는 마이켈슨, 리닉, 마하젠다, 피조 등 모든 형태의 간섭계 원리에 동일하게 적용 가능하다. 반복률 주사 장치가 포함된 펄스 레이저 공진기는 제어부에 의해 반복률이 제어되며, 제어 과정에서 펄스 반복률의 정확도는 주파수/시간 표준에 해당하는 원자시계(atomic clock)에 소급하므로 위상제어기를 통해 시간 표준의 정확도에 상응하는 수준으로 반복률의 제어 및 주사가 가능하다. 공진기로부터 발진한 펄스 레이저는 파장의 절반에 해당하는 이차조화파로 변환하여 사용하기 위해 lithium niobate (LiNbO3), potassium titanyl phosphate (KTP = KTiOPO4), PPLN(Periodically poled Lithium Niobate), MgO:PPLN(Magnesium-oxide doped PPLN) 과 같은 이차조화파 생성 광결정(second harmonic generation crystal, SHG crystal)을 통과한다. 시준렌즈를 거쳐 광분할기로부터 나뉘어 각각 기준면과 측정면을 향하게 되며, 이들은 광분할기를 통해 다시 합쳐져 광검출기로 입사한다. 이 때 광검출기는 원래 광원의 반복률 주사로부터 획득한 간섭무늬를 분석하여 위상을 복원하고 형상정보를 획득한다.
도 22는 펄스 레이저를 광원으로 한 반복률 주사 원리 기반 간섭계의 일례로, 비동일 광경로를 위한 기준 광경로의 대부분을 광섬유로 구성함으로써 시스템의 구성 및 광 정렬 편의를 높이고, 광 분산을 적극적으로 보상할 수 있는 장치의 일례이다. 특히 광통신에서 널리 사용하고 있는 1550 nm 대역의 파장 및 광섬유를 사용하여 시스템의 호환성 및 확장성이 좋으며 쉽게 소형화할 수 있는 장점이 있다. 공진기에서 발진한 펄스 레이저는 필요에 따라 어븀 첨가 광섬유 증폭단(Erbium-doped fiber amplifier, EDFA)등을 통해 광량이 증폭된 다음, 반사광들이 광원으로 역 주입되는 것을 막기 위한 아이솔레이터(isolator)를 지나 광섬유 커플러(fiber coupler)에서 적절한 광량 비율로 나누어진다. 기준경로에서는 잘 정의된 길이의 단일모드광섬유와 분산보상광섬유(dispersion-compensation fiber)를 통과하여 비동일 광경로에 해당하는 광경로차를 생성하면서 동시에 분산을 보상한 뒤, 편광 광분할기(polarized beam splitter, PBS)에서 반사하여 편광자(polarizer)를 지나 CCD와 같은 광검출기를 향한다. 반면에 광섬유 커플러로부터 측정경로를 향하는 빛은 편광 광분할기에서 반사되어 1/4 파장판(quarter waveplate, QWP)과 집광렌즈를 거쳐 시편에 입사한다. 시편에서 반사된 빛은 역순으로 집광렌즈와 1/4 파장판을 지나면서 편광 상태가 회전하므로 편광 광분할기에서 다시 반사하며 이는 편광자(polarizer)를 지나 광검출기를 향한다. 기준경로와 측정경로를 지나온 빛은 편광자를 지나면서 서로 간섭현상을 일으키며 이로부터 광검출기에서 획득한 간섭무늬를 분석함으로써 시편의 형상정보를 획득한다.
도 23은 비동일 광경로를 위한 기준광경로의 대부분을 광섬유로 구성하여 도 22의 장점을 모두 가지면서 광원의 이차조화파를 간섭계에 이용함으로써 통신대역의 광원을 사용하면서도 가시광선 대역의 광검출기를 적용할 수 있도록 구현한 장치이다. 공진기에서 나온 펄스 레이저는 필요에 따라 어븀 첨가 광섬유 증폭단(Erbium-doped fiber amplifier, EDFA)등을 통해 광량이 증폭된 다음, 반사광들이 광원으로 역주입되는 것을 막기 위한 아이솔레이터(isolator)를 지나 광섬유 커플러(fiber coupler)에서 적절한 광량 비율로 나누어진다. 기준경로에서는 잘 정의된 길이의 단일모드광섬유와 분산보상광섬유(dispersion-compensation fiber)를 통과하여 비동일 광경로에 해당하는 광경로차를 생성하면서 동시에 분산을 보상한 뒤, 편광 방향을 맞추기 위해 반파장판 (half wave plate,HWP)으로 입사한다. 반파장판을 지난 빛은 이차조화파 생성을 위해 PPLN(Periodically poled Lithium Niobate)과 같은 이차조화파 생성 광결정을 통과한다. 생성된 이차조화파는 반파장판을 지난 뒤, 편광 광분할기(polarized beam splitter, PBS)에서 반사하여 편광자(polarizer)를 지나 CCD와 같은 광검출기를 향한다. 반면에 광섬유 커플러로부터 측정경로를 향하는 빛은 반파장판과 이차조화파 생성 광결정을 통과하면서 이차조화파를 생성시키며, 생성된 이차조화파는 반파장판를 지난 다음, 편광 광분할기에서 반사되어 1/4 파장판(quarter waveplate, QWP)과 집광렌즈를 거쳐 시편에 입사한다. 시편에서 반사된 빛은 역순으로 집광렌즈와 1/4 파장판을 지나면서 편광 상태가 회전하므로 편광 광분할기에서 다시 반사하며 이는 편광자(polarizer)를 지나 광검출기를 향한다. 기준경로와 측정경로를 지나온 빛은 편광자를 지나면서 서로 간섭현상을 일으키며, 이로부터 광검출기에서 획득한 간섭무늬를 분석함으로써 시편의 형상정보를 획득한다. 1550 nm나 1060 nm 광원에 대해 생성된 이차조화파가 가시광대역에 위치하므로 광검출기로 가시광 대역의 범용 CCD, CMOS 등을 적용할 수 있다.
도 24는 앞선 원리를 적용한 간섭계의 일례로, 비동일 광경로를 위한 기준광경로의 대부분을 광섬유로 구성하고 광원의 이차조화파를 사용함으로써, 도 23의 장점을 모두 가지면서 단일 이차조화파 생성 광결정을 적용하여 파면오차를 줄이고 하드웨어를 간소화한 장치이다. 공진기에서 발진한 펄스 레이저는 필요에 따라 어븀 첨가 광섬유 증폭단(Erbium-doped fiber amplifier, EDFA)등을 통해 광량이 증폭된 다음, 반사광들이 광원으로 역주입되는 것을 막기 위한 아이솔레이터(isolator)를 지나 광섬유 커플러(fiber coupler)에서 적절한 광량 비율로 나누어진다. 기준경로에서는 잘 정의된 길이의 단일모드광섬유와 분산보상광섬유(dispersion-compensation fiber)를 통과하여 비동일 광경로에 해당하는 광경로차를 생성하면서 동시에 분산을 보상한 뒤, 시준을 위한 렌즈와 편광 방향을 맞추기 위한 반파장판(half wave plate, HWP)을 지나 이차조화파 생성 광결정으로 입사한다. 생성된 이차조화파 성분은 이색성거울(dichroic mirror) 및 거울에서 반사되어 광경로를 전환하여 반파장판을 거친 뒤 측정 영역에 맞게 시준광의 영역을 확대하는 빛살확대기(beam expander)에 입사한다. 확대된 빛은 편광 광분할기를 투과하여 선형편광기를 지나 CCD와 같은 광검출기로 검출한다. 측정경로로 입사한 빛은 시준을 위한 렌즈와 편광 방향을 맞추기 위한 반파장판(half wave plate, HWP)을 지나 기준경로를 거치는 빛이 입사하는 경우와 반대방향에서 이차조화파 생성 광결정으로 입사한다.
생성된 이차조화파 성분은 이색성거울(dichroic mirror) 및 거울에서 반사되어 광경로를 전환하여 반파장판을 거친 뒤 측정 영역에 맞게 시준광의 영역을 확대하는 빛살확대기(beam expander)에 입사한다. 확대된 빛은 편광 광분할기를 투과하여 1/4-파장판, 집광렌즈를 거쳐 시편에 입사하며, 시편에서 반사된 빛은 역순으로 집광렌즈와 1/4 파장판을 지나면서 편광 상태가 회전하므로 편광 광분할기에서 다시 반사하고, 이는 편광자(polarizer)를 지나 광검출기를 향한다. 기준경로와 측정경로를 지나온 빛은 편광자를 지나면서 서로 간섭현상을 일으키며, 이로부터 광검출기에서 획득한 간섭무늬를 분석함으로써 시편의 형상정보를 획득한다.
도 25는 앞선 원리를 적용한 간섭계의 일례로, 도 24의 장점을 모두 수용하면서 광섬유에 의해 유발되는 편광 회전의 영향을 보상하기 위해 기준경로에 편광 회전량을 보상하는 부분을 추가한 장치이다. 공진기에서 나온 펄스 레이저는 필요에 따라 어븀 첨가 광섬유 증폭단(Erbium-doped fiber amplifier, EDFA)등을 통해 광량이 증폭된 다음, 반사광들이 광원으로 역주입되는 것을 막기 위한 아이솔레이터(isolator)를 지나 시준렌즈를 통해 시준된 상태로 광분할기에서 적절한 광량 비율로 나누어진다. 기준경로에서는 편광 광분할기를 투과하고 1/4 파장판과 시준렌즈를 거쳐 잘 정의된 길이의 단일모드광섬유와 분산보상광섬유(dispersion-compensation fiber)를 지난 빛이 패러데이 회전 거울(Faraday rotating mirror, FRM)에서 반사한 다음, 편광 광분할기까지 역순으로 거쳐 돌아온다. 패러데이 회전 거울은 단일모드 광섬유와 분산보상 광섬유로 인하여 생성되는 편광 회전을 보상하는 역할을 한다. 편광 광분할기에서 반사된 빛은 거울을 통해 광경로를 전환하여 편광 방향을 맞추기 위한 반파장판(half wave plate, HWP)을 지나 이차조화파 생성 광결정으로 입사한다. 생성된 이차조화파 성분은 이색성거울(dichroic mirror) 및 거울에서 반사되어 반파장판을 거친 뒤 측정 영역에 맞게 시준광의 영역을 확대하는 빛살확대기(beam expander)에 입사한다. 확대된 빛은 편광 광분할기를 투과하여 선형편광기를 지나 CCD와 같은 광검출기로 검출한다. 측정경로로 입사한 빛은 시준을 위한 렌즈와 편광 방향을 맞추기 위한 반파장판(half wave plate, HWP)을 지나 기준경로를 거치는 빛이 입사하는 경우와 반대방향에서 이차조화파 생성 광결정으로 입사한다. 생성된 이차조화파 성분은 이색성거울(dichroic mirror) 및 거울에서 반사되어 광경로를 전환하여 반파장판을 거친 뒤 측정 영역에 맞게 시준광의 영역을 확대하는 빛살확대기(beam expander)에 입사한다. 확대된 빛은 편광 광분할기를 투과하여 1/4 파장판, 집광렌즈를 거쳐 시편에 입사하며, 시편에서 반사된 빛은 역순으로 집광렌즈와 1/4 파장판을 지나면서 편광 상태가 회전하므로 편광 광분할기에서 다시 반사하고, 이는 편광자(polarizer)를 지나 광검출기를 향한다. 기준경로와 측정경로를 지나온 빛은 편광자를 지나면서 서로 간섭현상을 일으키며, 이로부터 광검출기에서 획득한 간섭무늬를 분석함으로써 시편의 형상정보를 획득한다.
도 26은 광섬유 펄스 레이저를 광원으로 하면서 광원의 이차조화파를 사용하는 대신 고 비선형 광섬유(Highly nonlinear fiber, HNLF) 혹은 광결정 광섬유(Photonic crystal fiber)를 이용한 광 빗의 주파수 천이를 이용하여 직접 CCD에 적용 가능한 대역의 중심파장을 가지는 빛을 생성함으로써 이를 간섭계에 적용한 경우이다. 펄스 레이저 공진기(pulse laser oscillator)로부터 생성된 통신대역의 펄스 레이저는 필요에 따라 광량 증폭부(amplification part)를 거친 후, 주파수 천이 광 빗 생성부(tunable spectral comb generation part)를 통해 중심파장이 광통신대역으로부터 상용 가시광대역 CCD에 적용 가능한 파장(예를 들어 800 nm)의 펄스레이저로 변환된다. 변환된 광은 시준렌즈를 거쳐 광분할기로부터 나뉘어 각각 기준면과 측정면을 향하게 되며, 이들은 광분할기를 통해 다시 합쳐져 광검출기로 입사한다. 반복률 주사로부터 획득한 간섭무늬를 분석하여 위상을 복원하고 형상정보를 획득한다. 반복률은 반복률 주사 장치가 포함된 펄스 레이저 공진기는 제어부에 의해 제어되며, 제어 과정에서 펄스 반복률의 정확도는 주파수/시간 표준에 해당하는 원자시계(atomic clock)에 소급하므로 위상제어기를 통해 시간 표준의 정확도에 상응하는 수준으로 반복률의 제어 및 주사가 가능하다.
도 27은 도 26에서 적용한 고 비선형 광섬유(Highly nonlinear fiber, HNLF) 혹은 광결정 광섬유(Photonic crystal fiber)를 이용한 주파수 천이 방법을 보다 자세히 설명하는 그림이다. 일반적으로 근적외선(Near-infrared) 대역의 주파수 광 빗을 가시광 대역으로 주파수 변환을 하기 위해 도 21에서와 같이 이차조화파 광결정에 의한 이차조화파 생성을 이용한다. 이차조화파 광결정을 적용할 경우, 광효율, 주파수 대역 감소, 온도 제어부 요구 및 파면 오차 생성 등의 문제가 발생할 수 있으며 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 특허에서는 고 비선형 광섬유(Highly nonlinear fiber, HNLF) 혹은 광결정 광섬유(Photonic crystal fiber,PCF)를 이용한 광 빗의 주파수 천이를 이용하여 형상측정에 적합한 광원을 생성하는 방법을 제안한다. HNLF 혹은 PCF를 이용한 주파수 천이는 HNLF, PCF의 높은 비선형 계수와 분산(dispersion) 특성을 이용한 것으로 근적외선 대역의 주파수 광 빗을 주파수 천이 시켜 가시광 대역의 광 빗을 형성할 수 있다. 이러한 방법에 의해 주파수 천이 된 광 빗은 수십 nm 이상의 넓은 주파수 대역폭을 가지고 있으며 수~수십 mW 수준의 평균출력을 갖는다. 또한 대부분이 광섬유로 구성되어 있어 외부환경 변화에 둔감한 시스템을 구축할 수 있고, 균일한 빔의 파면을 생성할 수 있다.
고 비선형 광섬유 혹은 광결정 광섬유를 이용한 주파수 천이 과정은 다음과 같다. 비선형 편광 회전 모드잠금 방식의 광섬유 펨토초 레이저에서 생성된 광 빗은 근적외선 파장대역에서 수십 nm 이상의 주파수대역폭을 가지며, 수십 ~ 수백 MHz의 주파수 모드 간격(반복률)을 갖는다. 이 광 빗은 시간영역에서 수십 펨토초의 펄스를 형성하며 평균출력은 수 ~ 수십 mW 수준이다. 공진기에서 생성된 펄스는 출력을 높이기 위해 희토류 첨가 광섬유 증폭기(Rare earth doped fiber amplifier)로 입사된다. 희토류 첨가 광섬유 증폭단은 증폭매질인 희토류 첨가 광섬유 전, 후에 수백 mW의 출력을 갖는 2개의 Diode laser를 파장분할다중화기(Wavelength division multiplexer, WDM)로 연결하여 구성된다. 희토류 첨가 광섬유 증폭기(Rare earth doped fiber amplifier)를 통해 펄스는 수백 mW의 평균출력으로 증폭 되고, 이 증폭된 펄스는 선첩부분(pre-chirp part)에 의해 chirp이 조절된다. 선첩부분은 서로 반대의 분산(dispersion)을 갖는 단일모드광섬유(Single mode fiber, SMF)와 분산보상광섬유 (Dispersion compensating fiber, DCF)의 조합을 사용하거나 프리즘 쌍(prism pair) 혹은 격자 쌍(grating pair)을 사용한다. HNLF 혹은 PCF를 통해 근적외선 대역의 광 빗은 저 주파수 대역의 soliton wave와 고 주파수 대역의 dispersive wave를 생성한다. 이중 고주파수로 천이된 dispersive wave를 광섬유 필터 혹은 이색성 필터(Dichroic filter) 등을 사용하여 분리해낸다. 분리해낸 dispersive wave는 피코초 수준의 넓은 펄스폭을 가지므로 펄스의 chirp을 보상하기 위해 도 27에서처럼 단일모드광섬유(Single mode fiber, SMF)와 분산보상광섬유 (Dispersion compensating fiber, DCF)의 조합을 사용하거나 도 28에서와 같이 프리즘 쌍(prism pair) 혹은 격자 쌍(grating pair)을 사용하여 펨토초 수준의 폭을 갖는 펄스를 생성한다. 즉 이러한 고비선형 광섬유 혹은 광결정 광섬유를 이용한 주파수 천이 과정을 통해 형상측정에 적합한 파장을 중심으로 수십 nm 의 주파수 대역폭을 갖고 수 ~ 수십 mW 수준의 평균출력을 갖는 광 빗을 형성할 수 있다.
상기와 같이 반복률 제어 및 주사가 가능한 펄스 레이저를 광원으로 간섭계를 구성할 경우, 광원의 펄스 반복률 주사는 펄스 간 공간적인 주사를 일으킨다. 간섭계의 기준면과 측정면 각각에서 반사되어 진행하는 빛 사이의 광경로 차이는 펄스간 간격의 정수배, 즉 펄스 주기의 정수(m)배만큼 두게 되면 펄스 간 반복률의 주사는 펄스의 공간적인 주사를 유발한다. 이는 곧 반복률의 주사가 일반적인 기계적 주사 방식이나 분광방식을 대체할 수 있음을 의미하므로 간섭계에 별도의 주사 구동장치 및 분광기가 필요치 않다. 또한 m을 바꾸어줌으로써 주사 범위가 증가(multiplication)하는 효과가 있으므로 주사폭 및 주사 속도에 대한 향상이 가능하다.
이때, 기준면과 측정면 사이의 거리차는 광원의 반복률 측정으로부터 계산될 수 있으며, 이는 아래 수학식 3과 같다.
Figure 112011060710583-pat00005
여기서,
Figure 112011060710583-pat00006
은 기준면과 측정면 사이의 거리차, c는 빛의 속도, fr은 광원의 반복률, N은 공기의 군굴절률이다.
펄스 레이저 공진기로부터 일정한 주기에 따라 연속적으로 발진하는 펄스는 서로 다른 펄스간에도 높은 가간섭성을 보이기 때문에 비대칭 광경로를 이루는 기준 경로와 측정 경로를 거쳐 온 펄스 가운데 일부가 반복률 주사에 따라 겹쳐지면서 간섭을 일으킨다(도 29). 선두의 0번째 펄스를 P0, n번째 펄스를 Pn이라 하고, 기준면을 맞고 돌아온 i번째 펄스를 Pi ', 측정면을 맞고 돌아온 i번째 펄스를 Pi "라 하자. 그림에서와 같이 광경로차가 근사적으로 주기의 m배에 해당하는 경우를 가정하면, CCD 앞에서 P0 '와 Pm "은 매우 근접한 위치에서 진행한다. 이 때 주기는 반복률의 역수로 정의되며, 공진기 내부 길이를 제어하는 것으로 반복률의 변화 및 주사가 가능하므로 결국 공진기 길이 제어를 통해 펄스 주기를 주사할 수 있고 이는 곧 서로 다른 펄스 간 상대 위치 변화로 귀결된다. 초기 반복률 값을 fr,a, 주사 후 반복률 값을 fr,b라 하고, 공기 중 굴절률을 N이라 하면 P0 '와 Pn "사이에 fr,a로부터 fr,b까지의 반복률 주사를 통해 구현되는 펄스 간 주사 거리 Δdm은 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112011060710583-pat00007
초기 P0 '와 Pn " 간 간격이 Δdn이내에 위치하도록 조정하면, fr,a부터 fr,b까지의 반복률 주사 범위 내에 펄스가 겹쳐 펄스 간 간섭무늬가 생성되는 부분이 나타난다. 광원의 가간섭거리를 Lc라 하고 측정면과 기준면 사이의 광경로차를 OPD라 하면 간섭무늬는 수학식 5를 만족하는 영역에서 생성된다.
Figure 112011060710583-pat00008
도 30과 같이 가간섭거리 내에서의 펄스 간 주사는 저결맞음 간섭무늬를 형성하게 된다.
이처럼 반복률 주사로부터 펄스의 공간적인 주사를 구현할 수 있기 때문에 기존 간섭계 내의 기계적인 구동으로 이루어지는 주사과정 없이 측정을 수행할 수 있으며, 반복률 주사의 정확도가 시간 표준에 소급되어 있으므로 거리 주사 역시 높은 정확도로 구현할 수 있다.
도 31은 펨토초 펄스 레이저를 광원으로 사용하고 반복률 주사를 통한 거리 주사 원리를 적용하여 완만한 경사의 표면을 측정하고 획득한 간섭무늬와 복원된 높이정보이다. 본 시스템의 경우 수학식 5를 만족하여 펄스간 간섭이 일어날 경우에만 간섭무늬를 획득할 수 있기 때문에 He-Ne laser나 Laser diode와 같은 기존의 단색광원을 간섭계에 적용했을 경우에 비해 좋은(high quality) 간섭무늬를 획득할 수 있다. 펄스 레이저를 광원으로 적용한 간섭계는 단색광원의 높은 시간 가간섭성으로 인해 광분할기나 시준렌즈와 같이 측정시편과 광검출기 사이에 위치한 광학계에서 일어나는 반사광으로부터 생성될 수 있는 기생간섭무늬로부터 자유롭기 때문이다. 이러한 기생간섭무늬는 간섭무늬에서 실제 형상정보를 담은 신호에 대하여 노이즈로 작용하므로 정확한 형상정보를 획득하기 어렵게 하거나 추가적인 분석과정을 필요하게 한다. 도 32는 이러한 현상을 검증하기 위하여 동일한 시스템에서 광원을 달리하여 실험을 수행한 결과이다. 도 32의 윗줄은 각 광원에 따라 획득한 간섭무늬이다. 펨토초 펄스 광원 대비 비교실험을 위해서 각각 632.8 nm와 772.6 nm를 중심파장으로 가지는 stabilized He-Ne laser와 ECLD(external cavity laser diode)를 광원으로 하여 동일한 실험을 수행하였다. 단색광원으로 실험하여 획득한 간섭무늬와 위상맵에서 형상정보를 담은 간섭무늬 이외에 고주파 변조 무늬가 나타나는데, 각각의 광원에 대하여 복원된 위상 맵(도 32 가운데 줄)의 2D FFT를 통해 공간주파수 성분(도 32 아랫줄)을 알아봄으로써 기생간섭무늬를 보다 정량적으로 확인할 수 있다. 각각의 복원된 위상맵에 대하여 2D-FFT를 수행하였다. 도 32의 아랫줄에서 fs-laser로 실험한 결과 DC 값 근처의 저주파 영역에 광강도가 집중되어 있는 것과 달리, He-Ne laser나 ECLD와 같은 단색광원을 통해 실험한 결과 기생간섭무늬에 의한 주파수 성분이 화살표로 표시된 부분처럼 확연히 존재한다.
획득한 간섭무늬로부터 형상정보를 복원해 내는 방법으로는 평평한 거울면이나 2п위상 모호성 이내의 완만한 경사면의 측정에 대해서는 위상천이방법을 사용하여 형상을 복원할 수 있다. 평평한 거울면이나 완만한 경사면을 포함하여 각종 단차시편이나 복잡 형상에 대하여 2п위상 모호성 없이 측정하고자 할 경우에는 다양한 형태의 저결맞음 간섭계 분석방법을 사용할 수 있다. 위상천이 방법을 사용하는 경우, 기준면 또는 측정면의 기계적 주사, 파장판 사용, 공간주파수변조 등으로 위상 천이를 구현한 후, N-bucket 알고리즘, A-bucket 알고리즘을 비롯하여 다양한 bucket 알고리즘을 통해 위상을 획득한다. 저결맞음 간섭계의 경우 간섭무늬의 정점추출법, 저결맞음 위상천이법, 주파수영역분석법(frequency domain analysis, FDA)등을 이용해 형상정보를 획득할 수 있다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10 : 광원파트
20 : 측정파트
100 : 광원부
110 : 반복률 주사 구동부
120 : 시간/주파수 표준부
130 : 제어부
140 : 처리부
150 : 광검출기
200 : 광학부
210 : 빔스플리터
220 : 기준미러
230 : 타겟
240 : 광학렌즈
250 : PZT
260 : Motorized stage

Claims (14)

  1. 펄스 레이저를 출사하는 광원부;
    상기 광원부에서 출사되는 광을 분할하는 광분할기;
    상기 광분할기에서 분할된 하나의 광에서 기준광과 측정광을 생성하기 위한 기준 미러와 타겟;
    기준광과 측정광 생성을 위해 광을 전달하는 광학부;
    상기 기준 미러와 타겟에서 반사되는 기준광과 측정광이 간섭되어 입사되는 광검출기;
    상기 기준 미러와 타겟에서 반사되는 기준광과 측정광의 펄스가 중첩되어 간섭을 일으키도록 상기 광원부에서 출사되는 펄스 레이저의 반복률을 주사할 수 있는 반복률 주사 구동부;
    주파수 측정 기준이 되는 시간/주파수 표준부;
    반복률을 상기 시간/주파수 표준부에 소급된 주파수 측정기로 측정하여 제어하는 제어부; 및
    검출된 광신호를 저장 및 분석하는 처리부;를 포함하며,
    상기 반복률 주사 구동부는 전기-광학변조기(electro-optic modulator, EOM)와 같은 전기광학소자 또는 음향-광학 변조기(acousto-optic modulator, AOM)와 같은 음향광학소자로 구성되며, 이로부터 광 공진 길이를 조절함으로써 반복률을 고속으로 주사하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 시간/주파수 표준부는,
    원자시계로 구성되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광검출기는,
    CCD, CMOS, PD(photodiode), Photo-dectector, PMT 중 하나 인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    시간 주파수 표준에 소급된 주파수 측정기와 위상 제어기를 통해 제어되는 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 반복률 주사 구동부는,
    압전소자(PZT), 모터 스테이지(motorized stage)를 제어하여 반복률의 주사 범위를 크게 향상시키는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 기준미러와 타겟의 거리차는,
    수학식
    Figure 112013098801868-pat00009
    을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
    (여기서,
    Figure 112013098801868-pat00010
    은 기준면과 측정면 사이의 거리차, c는 빛의 속도, fr은 광원의 반복률, N은 공기의 군굴절률이다.)
  8. 제 1항에 있어서, 상기 반복률의 주사에 따른 거리 주사는,
    수학식
    Figure 112011060710583-pat00011
    을 통해 산출되는 것을 특징으로 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
    (여기서
    Figure 112011060710583-pat00012
    는 기준경로와 측정경로 간 광경로 차이가 펄스간 간격의 m배일 때 f r1 에서 f r2 로의 반복률 주사를 통해 구현되는 펄스간 주사 거리, N은 공기 굴절률, c는 빛의 속도이다.)
  9. 제 1항에 있어서, 상기 광원부는,
    광섬유 펄스 레이저 공진기 또는 광결정 펄스 레이저 공진기 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 광섬유 펄스 레이저 공진기는,
    광섬유 펄스 레이저 공진기의 경우 ring resonator type과 linear resonator type, figure-of-eight resonator type으로 구비되는 것을 특징으로 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 광섬유 펄스 레이저 공진기는,
    발진한 펄스를 광주파수 변조 없이 그대로 사용하기 위해 별도의 주파수 변조장치를 두지 않거나, 체배된 광주파수를 가지는 펄스를 적용하기 위해 비선형 광결정(nonlinear crystal)을 적용하거나, 가시광 영역 혹은 근적외선 영역의 광주파수로 주파수 천이를 시키기 위하여 HNLF(highly non-linear fiber) 혹은 PCF(photonic crystal fiber)를 적용함으로써, 이로부터 다양한 광공진기 구성에서도 원하는 주파수 대역으로 광주파수를 변조 및 천이할 수 있는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 간섭계는,
    펄스 레이저의 주기성과 높은 가간섭성을 통해, 측정면과 기준면을 비대칭(non-symmetric), 비동일 광경로(unequal-path) 형태로 구성하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
  13. 펄스 반복률 주사 방식의 펄스 레이저 광원부를 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometry), 트와이만-그린 간섭계(Twyman-Green interferometry), 미라우 간섭계(Mirau interferometry), 리닉 간섭계(Linnik interferometry), 마하젠다 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 피조 간섭계(Fizeau interferometry), 점회절 간섭계(Point-diffraction interferometry) 중 하나에 적용하며,
    상기 광원부에서 출사되는 펄스 레이저의 반복률을 주사할 수 있는 반복률 주사 구동부;
    주파수 측정 기준이 되는 시간/주파수 표준부;
    반복률을 상기 시간/주파수 표준부에 소급된 주파수 측정기로 측정하여 제어하는 제어부; 및
    검출된 광신호를 저장 및 분석하는 처리부;를 포함하고,
    상기 반복률 주사 구동부는 전기-광학변조기(electro-optic modulator, EOM)와 같은 전기광학소자 또는 음향-광학 변조기(acousto-optic modulator, AOM)와 같은 음향광학소자로 구성되며, 이로부터 광 공진 길이를 조절함으로써 반복률을 고속으로 주사하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 반복률 주사 기반 고속 고정밀 표면형상 측정 간섭계.
  14. 삭제
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