KR100352939B1 - 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치 - Google Patents

자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치에 관한 것으로, 서로 다른 파장을 갖는 제 1 및 제 2광원을 하나의 전송로에 다중 유도하는 파장분할 다중화수단과, 상기 다중 유도된 제 1 및 제 2광원을 특정 물질의 표면 방향(Z축 방향)으로 집중시키는 집광수단과, 상기 물질 표면이 상기 제 1광원의 광웨이스트와 상기 제 2광원의 광웨이스트 사이의 소정 위치를 유지하도록 제어하는 서보수단과, 상기 물질 표면을 X축 및 Y축 방향으로 측정하는 스캔수단과, 상기 서보수단에 의한 위치 제어값을 상기 물질 표면의 Z축 좌표로 입력받고 상기 스캔수단에 의하여 측정된 상기 물질 표면의 X축 및 Y축 좌표를 입력받아 상기 물질 표면구조를 3차원 정보로 가공하는 이미지 처리수단을 포함하여, 종래 기술과 비교할 때에 위상 측정장치 및 광분리기 등과 같은 광학계가 사용되지 않아 안정된 구조를 가지며 구조가 간단하여 외부 충격에 매우 강한 이점이 있다.

Description

자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING SURFACE PROFILE BY USING CONFOCAL CONSTANT-DISTANCE MAINTAINING APPARATUS}
본 발명은 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파장이 다른 두 개의 레이저광을 광섬유 파장분할 다중기(WDM)를 통하여 결합한 후 이를 물질의 표면에 렌즈를 사용하여 집중시키고 반사되어 되돌아 나오는 빛의 양 차이를 이용하여 물질의 미세 표면구조를 측정하는 장치에 관한 것이다.
종래 기술에 따른 물질 표면구조 측정장치 중에서 자동 거리 유지장치를 이용한 기술은 물체의 표면구조가 3차원 정보로 제공되므로 고해상도의 스캔이 요구되는 기술 분야에서 널리 이용되고 있다.
자동 거리 유지장치는 물체에서 반사된 단파장 레이저광의 초점 거리를 항상 일정하게 유지시켜주기 위하여 물체에 붙어있는 PZT(piezoelectric transducer)를 진동시키는데, 이때 PZT에 가해지는 전압 신호가 온라인 연결된 3차원 이미지 처리기로 전달되어 3차원의 물체 표면을 볼 수 있게 된다.
그러나, 종래의 물질 표면구조 측정장치에 이용되는 자동 거리 유지장치는 레이저광의 초점을 유지시키기 위한 위상 측정장치 및 광분리기 등과 같은 광학계가 필요하며, 특히 여러 개의 렌즈가 사용되므로 조그마한 외부 충격에도 민감하게 반응하는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로서, 파장이 다른 두 개의 레이저광을 광섬유 파장분할 다중기를 통하여 결합한 후 이를 물질의 표면에 렌즈를 사용하여 집중시키고 반사되어 되돌아 나오는 빛의 양 차이를 이용하여 물질의 미세 표면구조를 측정함으로써, 위상 측정장치 및 광분리기 등과 같은 광학계가 사용되지 않아 안정된 구조를 가지며 구조가 간단하여 외부 충격에 매우 강한 물질 표면구조 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 물질 표면구조 측정장치는, 서로 다른 파장을 갖는 제 1 및 제 2광원을 하나의 전송로에 다중 유도하는 파장분할 다중화수단과, 상기 다중 유도된 제 1 및 제 2광원을 특정 물질의 표면 방향(Z축 방향)으로 집중시키는 집광수단과, 상기 물질 표면이 상기 제 1광원의 광웨이스트와 상기 제 2광원의 광웨이스트 사이의 소정 위치를 유지하도록 제어하는 서보수단과, 상기 물질 표면을 X축 및 Y축 방향으로 측정하는 스캔수단과, 상기 서보수단에 의한 위치 제어값을 상기 물질 표면의 Z축 좌표로 입력받고 상기 스캔수단에 의하여 측정된 상기 물질 표면의 X축 및 Y축 좌표를 입력받아 상기 물질 표면구조를 3차원 정보로 가공하는 이미지 처리수단을 포함한다.
바람직하기로, 상기 서보수단은 상기 전송로에 유도되는 상기 물질 표면에 의한 반사광 중 상기 제 1광원에 의한 반사광을 상기 파장분할 다중화수단을 통하여 분파 받아 광의 세기를 측정하는 제 1광검출기와, 상기 반사광 중 상기 제 2광원에 의한 반사광을 상기 파장분할 다중화수단을 통하여 분파 받아 광의 세기를 측정하는 제 2광검출기와, 상기 제 1 및 제 2광검출기에 의한 측정값 차에 따라 상기 집광수단 또는 물질의 위치를 가변시키는 위치 조정수단을 포함한다.
선택적으로, 상기 위치 조정수단은 상기 제 1 및 제 2광검출기에 의한 측정값을 반전 및 비반전 단자로 입력받아 차를 검출하는 차동 증폭기와, 상기 광섬유와 렌즈, 물질 중 어느 하나에 부착 또는 상기 광섬유렌즈와 물질 중 어느 하나에 부착되며 인가 전압에 따라 구동되어 부착주체의 위치를 가변시키는 PZT와, 상기 차동 증폭기의 출력에 대응하여 상기 PZT에 구동 전압을 인가하는 PZT 구동기를 포함한다.
도 1은 렌즈를 통하여 입사되는 광이 반사면에서 반사되는 상태를 도시한 도면,
도 2는 도 1에 따른 본 발명의 원리를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치의 블록도,
도 4는 광섬유 렌즈를 통한 광이 반사면에 반사되는 상태를 도시한 도면,
도 5는 광섬유 렌즈가 사용된 본 발명에 따른 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치의 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
21,23 : 레이저 25,27 : 50 대 50 광섬유 커플러
29 : WDM 커플러 31 : 광섬유
37 : 렌즈 39 : 물질 표면
41,43 : 광검출기 45 : 차동 증폭기
47 : PZT 구동기 49 : PZT
51 : 광섬유렌즈 61 : 이미지 처리기
63 : X-Y 스캐너 구동기 65 : X축 스캐너
67 : Y축 스캐너
본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.
먼저, 발명의 이해를 돕기 위하여 본 발명의 원리를 개략적으로 설명하기로 한다.
도 1은 파장이 다른 두 개의 레이저광(B1, B2)이 하나의 광섬유(1)에 유도되고, 렌즈(3)에 의하여 초점이 형성되는 것을 도시하고 있다. 두 개의 레이저광(B1, B2)중에서 짧은 파장을 갖는 레이저광(B1)의 퍼지는 각도(Diverging Angle)가 긴 파장을 갖는 레이저광(B2)의 퍼지는 각도보다 크다. 따라서 렌즈(3)에 의한 레이저광(B1)의 초점 거리는 레이저광(B2)의 초점 거리보다 짧게되어 레이저광(B1)의 광웨이스트(Beam Waist : 광의 지름이 가장 작게 형성되는 위치)(5)는 레이저광(B2)의 광웨이스트(7) 보다 렌즈(3)에서 가까운 위치에 형성된다.
반사면(9)이 레이저광의 광웨이스트(5,7)에 가까이 위치할수록 반사되는 레이저광(13)의 크기 및 퍼지는 각도가 입사되는 레이저광(11)의 크기 및 퍼지는 각도와 비슷하게 되므로 반사면(9)에 의해 반사되어 다시 광섬유(1)로 유도되는 빛의 양이 커지게 된다.
도 2a에는 두 개의 레이저광(B1,B2)이 반사면(9)에 의해서 반사되어 다시 광섬유(1)로 유도되는 빛의 량(P1(z)),(P2(z))과 렌즈(3)로부터 반사면(9)까지의 거리(z)간의 관계가 도시되어 있다.
반사면(9)이 각 레이저광(B1,B2)의 광웨이스트(5,7) 위치에 올 때 반사되어 광섬유(1)로 다시 유도되는 빛의 량(P1(z)),(P2(z))이 최대가 되므로 짧은 파장의 레이저광(B1)이 반사면(9)에 의해 반사되어 광섬유(1)로 돌아오는 빛의 량(P1(z))의 최대점은 긴 파장의 레이저광(B2)이 반사면(9)에 의해 반사되어 광섬유(1)로 돌아오는 빛의 세기(P2(z))의 최대점보다 왼쪽에 발생된다.
두 레이저광(B1,B2)의 광웨이스터(5,7) 위치의 가운데 점을 거리(z)가 0인 지점이라 할 때에 빛의 세기(P1(z))에서 (P2(z))를 뺀 값은 도 2b에 도시된 바와 같이 거리(z)가 0보다 작을 때에는 양의 값을 갖고 거리(z)가 0보다 클 때는 음의 값을 갖게 된다. 특히 거리(z)가 0인 근처에서는 (P1(z)-(P2(z))가 거리(z)값에 선형적으로 비례하는 값을 얻는다. 여기서 (P1(z)-(P2(z))가 거리(z)값이 0이 되는 지점에서 0값을 갖도록 (P1(z)-(P2(z))값을 증폭하여 귀환루프를 통하여 레이저광의 초점을 조절할 수 있는 장치에 귀환시키면 반사면이 항상 일정한 거리에 위치하게 하는 레이저광의 자동 거리 유지장치를 만들 수 있다.
도 3에는 상술한 원리를 이용하는 본 발명 장치의 개략 블록도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 본 발명에서는 각기 서로 다른 파장을 갖는 광(B1,B2)을 방사하는 광원인 두 개의 레이저(21,23)를 구비하며, 레이저(21,23)로부터의 광은 50 대 50 광섬유 커플러(25,27) 및 파장분할 다중화수단인 WDM 커플러(29)를 갖는 광섬유(31)에 각기 제공된다.
제 1레이저(21)에 의한 레이저광(B1)과 제 2레이저(23)에 의한 레이저광(B2)은 WDM 커플러(29)에 의하여 합파되어 하나의 전송로, 즉 절단된 광섬유(31)로 유도되며, 광섬유(31)의 종단을 거쳐 확산되어 다시 집광수단인 렌즈(37)를 통하여 모아져 초점을 형성하나 광(B1,B2) 파장에 따라 상이한 거리에 초점을 형성한다. 즉 제 1레이저(21)에서 출력되는 짧은 파장의 광(B1)에 의한 광웨이스트(5)는 제 2레이저(23)로부터의 긴 파장의 광(B2)에 의한 광웨이스터(7)에 비하여 상대적으로 렌즈(37)에 가까운 거리에 형성된다.
렌즈(37)를 통과한 광(B1,B2)들은 물질 표면(39)에서 반사된 후에 다시 렌즈(37)를 통하여 광섬유(31)에 유도된다.
광섬유(31)에 제공된 반사광(B1,B2)들은 파장분할 다중기(29)를 통하여 서로 다른 파장을 가지는 두 줄기의 반사광으로 분파되어 제 1레이저(21)에 의한 반사광(B1)은 50 대 50 광섬유 커플러(25)측으로 진행되며, 제 2레이저(23)에 의한 반사광(B2)은 50 대 50 광섬유 커플러(27)측으로 진행된다.
여기서, 두 개의 50 대 50 광섬유 커플러(25,27)는 반사광(B1,B2)들을 각각 제 1광검출기(41)와 제 2광검출기(43)로 유도하는 역할을 수행하며, 두 광검출기(41,43)는 반사광(B1,B2)의 세기에 대응하는 전압을 출력한다. 이때 광검출기(41,43)에 제공되는 반사광(B1,B2)은 도 2와 같은 특성을 갖는다.
광검출기(41,43)는 차동 증폭기(45)의 비반전 단자(+) 및 반전 단자(-)에 각각 연결되어 있는 바, 차동 증폭기(45)는 광검출기(41,43)의 출력 전압 차에 대응하는 전압을 PZT 구동기(47)에 제공한다.
PZT 구동기(47)는 차동 증폭기(45)로부터의 전압에 따라 PZT(49)를 구동시킴으로써 광섬유(31) 끝단을 이동시켜 렌즈(37)와 광섬유(31)간의 거리를 조절한다. 즉 광섬유(31)를 이동시킴으로써 렌즈(37)의 초점거리를 변화시키는 것이다. 여기서 PZT(49)가 광섬유(31)에 부착되어 부착주체, 즉 광섬유(31)의 위치를 가변시키는 경우를 예시하였으나 PZT(49)는 광섬유(31)와 렌즈(37), 물질 중 어느 하나에 부착되어 인가 전압에 따라 부착주체의 위치를 가변시키면 동일한 기능이 발휘되는 것은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있을 것이다.
이때, PZT 구동기(47)는 광섬유(31) 끝단을 이동시키되 그 이동은 물질표면(39)이 광(B1,B2)들의 광웨이스트(B1,B2)들 중간, 즉 도 2에서 (P1(z)-P2(z))가 0이 되는 위치에 놓이도록 제어한다.
다시 말해서, 차동 증폭기(45)와 PZT 구동기(47) 및 PZT(49)은 본 발명의 위치 조정수단으로 구현되며, 이러한 위치 조정수단과 50 대 50 광섬유 커플러(25,27) 및 광검출기(41,43)는 서보수단의 역할을 수행하여 물질 표면(39)이 제 1레이저광의 광웨이스트(도 1의 참조부호 5)와 제 2레이저광의 광웨이스트(도 1의 참조부호 7) 사이의 중앙 위치를 유지하도록 제어하는 것이다.
다음으로, 차동 증폭기(45)에서 PZT 구동기(47)로 인가되는 전압은 이미지 처리수단인 이미지 처리기(61)로 신호 전달되는데, 이 전압값은 PZT(49)의 움직이는 거리, 즉 물질 표면(39)의 Z축 정보를 의미한다. 아울러 X-Y 스캐너 구동기(63)에 의하여 구동되는 스캔수단인 X축 스캐너(65) 및 Y축 스캐너(67)의 취득값 또한 이미지 처리기(61)로 신호 전달되는데, 이 취득값은 물질 표면(39)의 X축 정보 및 Y축 정보를 의미한다.
그러면, 이미지 처리기(61)는 X축과 Y축 및 Z축 정보를 취합 후 3차원 이미지 정보로 가공하여 물질 표면(39)의 구조를 3차원 이미지로 보여준다.
한편, 본 발명에서 자동 거리 유지장치라 함은 X축 스캐너(65)와 Y축 스캐너(67), 이미지 처리기(61)를 제외한 나머지 구성 요소의 조합을 일컬으며, 물질 표면(39)과 항상 일정한 거리를 유지하는 독립적인 기능을 수행할 수 있는 것을 의미한다.
도 1 및 도 3에서는 렌즈(37)를 이용하여 광섬유(31)로부터 광의 초점을 형성하는 경우에 대해 도시 및 설명하였으나, 도 4에 도시된 바와 같이 광섬유(31)와 일체로 형성되는 광섬유 렌즈(51)를 이용할 수도 있다. 광섬유 렌즈(51)는 일반 렌즈(37)를 이용한 경우와 마찬가지로 파장이 다른 두 레이저광(B1,B2)의 광웨이스트 위치가 파장에 따라 서로 상이하므로 반사면(9)의 위치에 따라 반사되어 광섬유로 돌아오는 빛의 양은 도 2와 동일한 특성을 갖는다.
도 5에는 도 4의 광섬유 렌즈를 사용하는 경우의 본 발명 장치의 개략 블록도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 전체 구성은 도 3과 동일하나, 광섬유 렌즈(51)를 이용하는 경우에는 광섬유(31)와 렌즈(37)간의 거리를 조절할 수 없는바, PZT(49)를 이용하여 광섬유 렌즈(51) 또는 물질 표면(39)의 위치를 가변시켜 서로 간의 거리를 조절하여야 함은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있을 것이다.
광섬유 렌즈를 이용하는 경우에는 전체적인 시스템이 더욱 간단해지며, 충격 등의 외부 조건에 영향을 받지 않는다는 장점을 갖는다.
전술한 바와 같은 본 발명은 파장이 다른 두 개의 레이저광을 광섬유 파장분할 다중기를 통하여 결합한 후 이를 물질의 표면에 렌즈를 사용하여 집중시키고 반사되어 되돌아 나오는 빛의 양 차이를 이용하여 물질의 미세 표면구조를 측정한다.
따라서, 종래 기술의 필수 구성 요소인 위상 측정장치 및 광분리기 등과 같은 광학계가 사용되지 않아 안정된 구조를 가지며 구조가 간단하여 외부 충격에 매우 강하며, 이로서 대량생산이 가능한 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 서로 다른 파장을 갖는 제 1 및 제 2광원을 하나의 전송로에 다중 유도하는 파장분할 다중화수단과,
    상기 다중 유도된 제 1 및 제 2광원을 특정 물질의 표면 방향(Z축 방향)으로 집중시키는 집광수단과,
    상기 물질 표면이 상기 제 1광원의 광웨이스트와 상기 제 2광원의 광웨이스트 사이의 소정 위치를 유지하도록 제어하는 서보수단과,
    상기 물질 표면을 X축 및 Y축 방향으로 측정하는 스캔수단과,
    상기 서보수단에 의한 위치 제어값을 상기 물질 표면의 Z축 좌표로 입력받고 상기 스캔수단에 의하여 측정된 상기 물질 표면의 X축 및 Y축 좌표를 입력받아 상기 물질 표면구조를 3차원 정보로 가공하는 이미지 처리수단을 포함하는 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 서보수단의 제어에 의하여 유지되는 상기 물질 표면의 위치는 상기 제 1광원의 광웨이스트와 상기 제 2광원의 광웨이스트 사이의 중앙 위치임을 특징으로 한 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 서보수단은 상기 전송로에 유도되는 상기 물질 표면에 의한 반사광 중 상기 제 1광원에 의한 반사광을 상기 파장분할 다중화수단을 통하여 분파 받아 광의 세기를 측정하는 제 1광검출기와,
    상기 반사광 중 상기 제 2광원에 의한 반사광을 상기 파장분할 다중화수단을 통하여 분파 받아 광의 세기를 측정하는 제 2광검출기와,
    상기 제 1 및 제 2광검출기에 의한 측정값 차에 따라 상기 집광수단 또는 물질의 위치를 가변시키는 위치 조정수단을 포함하는 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전송로는 절단된 광섬유에 의하여 제공되며,
    상기 집광수단은 상기 광섬유의 종단과 상기 물질 표면과의 사이에 설치된 렌즈를 포함하는 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 집광수단은 상기 전송로를 제공하며 상기 물질 표면에서 소정 거리로 이격 설치된 광섬유렌즈를 포함하는 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 위치 조정수단은 상기 제 1 및 제 2광검출기에 의한 측정값을 반전 및 비반전 단자로 입력받아 차를 검출하는 차동 증폭기와,
    상기 광섬유와 렌즈, 물질 중 어느 하나에 부착 또는 상기 광섬유렌즈와 물질 중 어느 하나에 부착되며 인가 전압에 따라 구동되어 부착주체의 위치를 가변시키는 PZT와,
    상기 차동 증폭기의 출력에 대응하여 상기 PZT에 구동 전압을 인가하는 PZT 구동기를 포함하는 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치.
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