KR100611601B1 - 자동 시준 장치를 구비한 점회절 간섭계 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 렌즈 및 거울 등 광학 부품의 표면 지형을 측정하기 위한 점회절 간섭계 장치에 관한 것이다. 본 발명은 압전 소자가 장착된 시준기를 구비한 점회절 간섭계 장치를 제공한다. 상기 시준기에 장착된 압전 소자는 검출기에서 검출된 간섭 무늬 패턴의 선명도에 근거하여 실시간으로 구동된다. 이에 따라, 높은 선명도의 간섭 무늬 패턴을 얻을 수 있으며 측정 정밀도가 개선된다. 또한, 간섭상 중심 측정기에 의한 압전 소자의 구동은 실시간으로 이루어지기 때문에 미세한 진동 등 원하지 않은 오차 발생 요인에 대해서 효율적으로 대처할 수 있으며, 신뢰성 있는 점회절 간섭계 장치를 제공할 수 있다.
점회절 간섭계 장치, 핀홀, 시준기, 기준파, 측정파, 간섭 무늬

Description

자동 시준 장치를 구비한 점회절 간섭계 장치{POINT DIFFRACTION INTERFEROMETER COMPRISING AUTOMATIC COLLIMATOR}
도 1은 종래의 점회절 간섭계 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 기준파와 측정파를 독립적으로 구성하는 종래의 점회절 간섭계 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 점회절 간섭계 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 점회절 간섭계 장치에 사용 가능한 시준 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분의 부호에 대한 간략한 설명>
110, 210, 220 : 레이저 광원 130, 230, 330 : 핀홀 거울
136, 236, 336 : 핀홀 140, 240, 340 : 시험체
160, 360 : 검출기 220, 320A, 320B, 320C : 시준기
261, 361 : 대물 렌즈 262, 362 : 버틀렌 렌즈
263, 363 : 접안 렌즈 322 : 압전 소자
324 : 구동 드라이버 365 : 간섭상 중심 측정기
본 발명은 렌즈 및 거울 등 광학 부품의 표면 지형(surface topography)을 측정하기 위한 간섭계 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 정밀도를 가지며 간섭상의 초점 및 중심을 실시간 제어할 수 있는 점회절 간섭계 장치에 관한 것이다.
광학 및 전자 장비의 고정밀화 및 고집적화가 급속하게 이루어지고 있고, 특히 나노 기술의 발달로 인하여 초정밀 광학 부품의 수요가 크게 증대되고 있다. 이러한 초정밀 광학 부품의 제작을 위해서는 그에 따른 측정 장비의 정밀도도 증가하여야 하는데, 일반적으로 측정 장비의 오차는 광학 부품에서 요구되는 오차 한계의 1/10 이하의 정밀도를 가져야 한다.
종래에 광학 부품의 지형 측정을 위한 간섭계로는 통상 피조 간섭계(Fizeau interferometer)가 널리 사용되어 왔다. 피조 간섭계는 지형 측정의 대상인 실제 표면에 대응하는 이상적인 표면을 갖는 기준 표면을 비교하여 표면 지형을 측정하는데, 이 방식은 측정 정밀도가 이상적인 기준 표면의 표면 정도를 초과할 수 없다는 문제점을 가지고 있다. 피조 간섭계에서 사용되는 기준 표면은 통상 가공시 발생하는 일반적으로 약 1/20 파장 이상의 잔재 오차를 가지고 있으므로, 이 이상의 정밀도를 요하는 광학 부품의 표면 지형 측정에는 적합하지 않다.
이러한 문제를 해결하기 위해 점회절 간섭계(Point Diffraction Interferometer, PDI)가 제안되었다. 점회절 간섭계는 핀홀을 통과하는 광의 회절 에 의해 발생하는 구면파를 기준 파면(reference wave front)으로 하여, 이 기준 파면과 측정 대상인 광학 부품의 표면에서 반사되는 측정 파면(measurment wave front)이 형성하는 간섭 무늬(interference fringe)로부터 표면 지형을 측정한다.
미국특허 제6,344,898호는 이러한 점회절 간섭계의 일종으로 도 1과 같은 간섭계 장치(100)를 제안한 바 있다. 도 1을 참조하면, 레이저 광원(110)으로부터 발생된 레이저는 집속 렌즈(112)를 통해 핀홀 거울(130)에 입사된다. 핀홀 거울(130)은 중심에 핀홀 구경(pinhole aperture, 136)이 형성되어 있는데, 핀홀 구경(136)은 입사된 레이저에 의해 점광원처럼 작용하여, 광의 진행 방향으로 발산하는 구면파를 형성한다. 이 구면파 중 일부는 시험체(140)의 시험 표면(TS)에서 반사되는 측정파로 사용되고, 촬상 소자와 같은 광 검출기(160)로 진행하는 구면파의 일부는 기준파로 사용된다. 광 검출기(160)는 입사되는 기준 파면과 측정 파면이 형성하는 간섭 무늬로부터 시험 표면(TS)의 지형을 산출한다. 상기 장치(100)는 핀홀 거울(130)과 검출기(160) 사이에 측정 비임의 집속을 위하여 영소자(null element, 152), 회절 격자(diffraction gratings, 154) 및 핀홀 소자(pinhole element, 156)와 같은 광학계를 더 포함하고 있다.
그러나, 도 1과 같은 형태의 점회절 간섭계 장치(100)는 핀홀(136)의 회절에 의해 발생된 구면파를 기준파와 측정파로 나누어 이용하기 때문에 측정물의 구경이 제한되고 간섭상의 위상 편차에 대한 측정이 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
한편, 도 1과는 달리 기준파와 측정파를 독립적으로 구성하는 점회절 간섭계 장치(200)가 있는데, 이를 도 2에 도시하였다.
도 1과 달리 도 2의 점회절 간섭계 장치(200)는 레이저 광원(210)으로부터 기준파를 형성하기 위해 레이저 광원(210)의 광축에 수직인 방향에 존재하는 시준기를 구비하고 있다. 상기 시준기로는 도시된 바와 같이 오목형 구면경(220)이 사용된다. 상기 구면경(220)은 입사 레이저 광 중 핀홀 거울(230)에 반사되어 구면경(220)으로 향하는 광을 핀홀 거울(230)로 재집속한다. 상기 구면경(220)은 그 초점이 상기 핀홀(236)에 일치되는 위치에 배치된다. 따라서 구면경(220)에서 반사된 반사광은 다시 핀홀(236)을 통과하면서 회절되어 기준파를 생성한다.
이와 같은 구조의 점회절 간섭계 장치(200)는 기준파와 측정파를 독립적으로 구성함으로써, 도 1과 관련하여 설명한 점회절 간섭계 장치(100)가 갖는 단점을 보완할 수 있다. 그러나 도 2의 간섭계 장치(200)는 구면경(220)의 초점과 핀홀 거울(230)의 핀홀(236)을 일치시키기 위한 배열 조작이 복잡하고, 측정시 간섭계의 미세한 진동 등 불가피한 진동으로 발생하는 간섭상의 흔들림으로 인해 간섭상의 정확한 측정이 곤란하다. 이와 관련하여 측정 오차가 상존하며 이로 인해 측정의 정확성, 신뢰도, 생산성 및 시험의 효율성이 낮다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 기준파와 측정파를 독립적으로 구성하면서도 측정시 발생하는 미세 진동 등의 오차 발생 요인에 영향을 받지 않는 고정밀도의 점회절 간섭계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 시험체의 시험 표면의 지형 을 측정하기 위한 점회절 간섭계 장치에 있어서, 레이저 광을 발생하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원의 광축상에 형성된 핀홀을 포함하고 상기 광원의 광축에 대해 소정의 경사각을 갖도록 배열되어, 상기 핀홀을 통과하는 상기 레이저 광원의 입사광으로부터 제1 회절광을 생성하며, 상기 입사광의 일부를 반사하는 핀홀 거울; 상기 입사광의 반사 경로상에 배치되며, 상기 핀홀 거울에 대해 병진 운동 가능하도록 압전 소자가 장착되며, 상기 핀홀 거울에서 반사된 레이저 광을 상기 핀홀로 집속하여 제2 회절광을 생성하기 위한 시준기; 상기 제1 회절광과 상기 제2 회절광의 간섭 경로상에 배치되며, 상기 제1 회절광과 상기 제2 회절광의 간섭에 의한 간섭 무늬 패턴을 검출하기 위한 검출기; 및 상기 검출기의 출력을 측정하고 측정된 출력값에 따라 상기 압전 소자의 변형을 제어하는 간섭상 중심 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 점회절 간섭계 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 시준기는 오목형 구면경일 수 있다. 이와 달리, 상기 시준기는 시준 렌즈 및 평면경을 포함하여 구성될 수 있으며, 집속 렌즈를 추가로 포함할 수도 있다. 이 경우 압전 소자가 장착되는 평면경의 크기가 감소하여 압전 소자의 미세 변형에 의해 시준기의 위치 제어가 용이해진다.
본 발명에서 상기 검출기는 전하 결합 소자인 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서 상기 간섭상 중심 측정기는 상기 압전 소자를 구동하기 위한 구동 드라이버를 더 포함하고, 상기 간섭상 중심 측정기는 상기 구동 드라이버의 인가 전압을 소정 범위에서 변화시키고 이에 따른 상기 검출기의 출력값의 변화로부터 최대 출력값을 구하며 상기 최대 출력값에 대응하는 인가 전압으로 상기 압전 소자를 구동하 여 상기 시준기의 위치를 제어한다.
또한, 본 발명에서 상기 핀홀 거울은 상기 광축에 대해 소정의 각도로 경사지게 배치되는데, 바람직하게는 상기 경사각이 45˚인 것이 좋다. 본 발명에서 상기 제1 회절광은 시험 표면에 충돌하는 측정파로, 상기 제2 회절광은 기준파로 사용될 수 있으며, 그 역의 구성도 가능하다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상술한다. 각 도면에서 동일한 참조 번호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 지칭한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 점회절 간섭계 장치(300)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 간섭계 장치(300)는 크게 광원(310), 핀홀 거울(330), 시준기(320A) 및 검출기(360)를 포함하여 구성된다.
광원으로부터 발생된 레이저 광은 렌즈(312, 314)를 거쳐 핀홀 거울(330)로 집속된다. 상기 핀홀 거울(330)은 그 중심에 핀홀(336)을 포함하는 평면 반사경으로 구성된다. 상기 핀홀 거울(330)은 통상 유리 재질의 표면에 금속 박막(도시하지 않음, 도 1의 136 참조)을 도포한 뒤, 핀홀에 해당하는 중심을 에칭함으로써 제작된다. 여기서 형성되는 상기 핀홀의 구경은 레이저 광의 파장에 따라 정해진다. 상기 핀홀 거울(330)은 입사 레이저 광의 광축에 대해 바람직하게는 약 45˚ 각도로 경사지도록 배치된다.
핀홀 거울(330)에 집속되어 입사되는 레이저 광의 일부는 상기 핀홀(336)을 통과하면서 회절되어 진행 방향으로 발산하는 측정파를 발생한다. 상기 측정파의 파면은 소정의 입체각 범위(핀홀 구경에 의해 규정됨) 내에서 완전한 구면이다. 상기 핀홀(336)에서 발생된 측정파는 시험체(340)의 오목형 시험 표면(TS)을 조명한다. 따라서, 상기 시험 표면(TS)은 상기 측정파의 진행 경로상에 위치하며, 상기 핀홀(336)에 초점이 맞추어지도록 배치되어야 한다. 상기 시험 표면(TS)은 입사되는 측정파를 집속하여 핀홀 거울(330)쪽으로 돌려보낸다. 집속 비임은 통상 상기 핀홀(336)의 구경에 비해 크며, 따라서 집속 비임의 대부분은 상기 핀홀 거울(330) 이면의 금속 박막(도시하지 않음, 도 1의 136 참조)에 의해 반사된다.
한편, 핀홀 거울(330)에 집속된 레이저 광의 다른 일부는 상기 핀홀 거울(330)의 표면에서 반사되어 상기 시준기(320A)로 향한다. 상기 시준기(320A)는 오목형 구면경(321) 및 상기 핀홀 거울(330)에 대해 상기 구면경(321)의 상대적 위치를 이동시키기 위한 압전 소자(322)를 포함하여 구성된다. 상기 구면경(321)은 그 초점이 상기 핀홀 거울(330)의 핀홀(336)에 맞추어져 있다. 그리하여, 상기 시준기(320A)로 향한 반사광은 다시 상기 핀홀 거울(330)의 핀홀(336)로 반사되어 집속된다. 상기 핀홀(336)에 집속되는 광은 상기 핀홀 거울(330)의 핀홀(336)을 통과하면서 진행 방향으로 발산하는 구면파를 형성한다. 이 구면파는 기준파로 사용된다.
핀홀 거울의 이면에서 반사된 측정파 및 상기 핀홀에서 생성된 기준파는 전하 결합 소자(Charge-coupled device; CCD)와 같은 검출기(360)로 진행한다. 진행 경로상에서 두 빔은 간섭을 일으키며, 기준 파면과 측정 파면의 광 경로차의 등고선(contour map)을 의미하는 간섭 무늬 패턴을 생성한다. 간섭 파면은 상기 시험 표면의 각 지점에 일대일 대응하는 전하 결합 소자의 각 픽셀에 광 강도의 함수로 검출된다. 상기 검출기(360)로의 진행 경로에는 검출기로 입사되는 빔을 적절히 집속하기 위해 대물 렌즈(361) 및 접안 렌즈(363)로 구성되는 광학계가 설치되어 있다. 대물 렌즈(361)의 출사 동공(exit pupil)에서의 측정 파면과 기준 파면의 간섭을 관찰하기 위하여 상기 대물 렌즈(361) 및 접안 렌즈(363) 사이에는 버틀렌 렌즈(Bertran lens, 362)가 삽입된다. 상기 버틀렌 렌즈(362)는 상기 대물 렌즈(361)의 출사 동공으로부터의 간섭 무늬를 상기 접안 렌즈(363)의 대물 평면(object plane)에 투영한다.
상기 검출기(360)에서 검출된 간섭 무늬 패턴은 기준파와 측정파의 위상이 같을 때 가장 높은 선명도를 나타내며, 간섭 무늬 패턴의 선명도가 높을수록 시험 표면(TS)의 지형을 고정밀도로 측정할 수 있다. 따라서, 시험 표면의 지형을 고정밀도로 측정하기 위해서는 검출기(360)로 진행하는 측정파와 기준파의 위상을 동일하게 조정하여야 할 필요가 있다.
본 발명에서는 시준기(320A)의 위치를 미세하게 조정함으로써 기준파의 위상을 제어한다. 핀홀(336)에서 발생되는 기준파의 위상은 핀홀(336)과 시준기(320A)의 구면경(321)이 형성하는 광 경로의 크기에 의해 결정된다. 따라서, 핀홀 거울(330)에 대한 구면경(321)의 상대적인 위치가 변화하면 기준파의 위상이 변화한다. 예컨대, 상기 구면경(321)이 기준파의 반파장에 해당하는 거리만큼 이동하면 그 동안 핀홀(336)에서 발생하는 기준파의 위상은 2π 라디안만큼 변화하며, 이 과정에서 측정파의 위상과 일치하는 기준파가 생성된다.
본 발명에서 상기 간섭상 중심 측정기(365)는 전하 결합 소자와 같은 검출기(360)의 출력으로부터 광 강도를 측정하고 상기 압전 소자(322)의 구동 드라이버(324)를 구동한다. 상기 구동 드라이버(324)는 상기 간섭상 중심 측정기(365)의 지시에 따른 전압을 상기 압전 소자(322)에 인가한다. 전압의 인가에 따라 압전 소자는 변형되며, 압전 소자에 부착된 구면경(321)은 병진 이동한다. 이와 같은 방식으로 인가 전압을 점증 또는 점감하는 동시에 검출기의 출력을 모니터링함으로써 간섭상 중심 측정기(365)는 검출기(360)의 출력, 즉 강 광도가 최대가 되는 압전 소자의 인가 전압을 구할 수 있다. 이 인가 전압에서 얻어진 간섭 무늬 패턴에 해당하는 전하 결합 소자의 각 픽셀 정보는 퍼스널 컴퓨터와 같은 연산 수단(370)으로 전송되며, 상기 연산 수단(370)은 전하 결합 소자의 각 픽셀 정보로부터 시험 표면(TS)의 3차원 지형을 재현한다.
이와 같이 본 발명의 점회절 간섭계 장치(300)는 고정밀도로 시험 표면(TS)의 지형을 측정할 뿐만 아니라 시준기(320A)의 위치를 실시간 제어함으로써 측정의 신뢰성을 높이는 데에도 매우 유용하게 사용될 수 있다. 예컨대, 미세한 진동 기타 원하지 않는 장치(300)의 움직임이 발생하면 통상의 점회절 간섭계 장치가 측정 및 산출한 시험 표면(TS)의 지형은 실제 지형과 큰 오차를 발생한다. 그러나, 진동 기타 원인에 의해 간섭 무늬 패턴의 감도 감소가 검출되면, 간섭상 중심 측정기(365)는 구동 드라이버(324)를 구동하여 압전 소자(322)를 변형시키고, 간섭 무늬 패턴이 가장 선명하게 나타나는 상태로 상기 시준기의 위치를 조정할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 점회절 간섭계 장치(300)에 사용 가능한 시준기(320B, 320C)의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3의 시준기(320A)와 달리 도 4a의 시준기(320B)는 시준 렌즈(325) 및 평면경(321B)에 의해 구성되어 있다. 상기 평면경(321B)에 장착된 압전 소자(322)에 의해 상기 평면경(321B)의 병진 이동이 가능하다. 점회절 간섭계 장치(300)를 구성하는 도시하지 않은 구성은 도 3과 동일하다.
도 4a를 참조하면, 광원으로부터 입사되어 핀홀 거울(330)에서 반사된 광은 시준 렌즈(325)에 의해 시준되어 평면경(321B)로 향하며, 평면경(321B)의 표면에서 다시 그 역의 광 경로를 통해 핀홀 거울(330)의 핀홀(336)로 집속된다. 핀홀(336)을 통과한 광은 전술한 바와 같이 기준파로서의 구면파를 형성한다.
도 4a의 간섭계 장치에서 시준기(320B)의 평면경(321B)에 맺히는 반사광의 직경(D2)은 오목형 구면경(도 3의 321A)의 표면에 맺히는 반사광의 직경(D1)에 비해 작다. 따라서 본 실시예에 따르면, 보다 작은 반사 면적을 갖는 거울을 사용할 수 있게 된다. 이와 같은 거울의 크기 및 중량의 감소는 압전 소자(322)의 미세 변형에 의해 충분한 거울의 변위를 얻을 수 있다는 장점을 갖는다.
도 4b는 도 4a의 시준기에 집속 렌즈(326)가 추가된 형태를 가지고 있다. 집속 렌즈(326)는 시준 렌즈(325)를 통과한 비임을 평면경(321C)에 집속하므로 평면경(321C)에 맺히는 반사광의 직경은 더욱 작게 된다. 이러한 시준기(320C)에서는 매우 작은 면적의 평면경(321C)이 사용 가능하며, 도 4a에 비해 압전 소자(322)에 의한 평면경(321C)의 변위 제어가 더욱 용이해진다.
전술한 설명한 본 발명의 점회절 간섭계 장치에서 각 구성의 배치 관계는 변화할 수 있다. 예컨대, 도 3과 달리 시험 표면(TS)과 검출기(360)측 콤포넌트의 위치를 서로 바꾸어, 핀홀 거울에 입사된 광 중 상기 핀홀을 투과하여 생성된 회절광을 기준파로하고 시준기에 의해 상기 핀홀 거울로 재집속된 광에 의해 생성된 회절광을 측정파로하는 점회절 간섭계 장치를 구성할 수도 있다. 또한, 도시된 도면들에서 상기 핀홀 거울과 상기 광축이 이루는 경사각이 반드시 45˚일 필요는 없으며, 기준파 및 측정파의 강도와 시험 표면의 크기 등을 고려하여 소정의 각도 범위 내에서 변화 가능하다. 이 경우 상기 각도 변화에 대응하여 시준기, 시험 표면 및 검출기의 위치는 재배치될 수 있다.
본 발명의 점회절 간섭계 장치에 따르면, 압전 소자를 이용하여 시준기의 위치를 미세하게 조정함으로써 간섭 무늬 패턴의 감도를 최대로하여 시험 표면을 고정밀도로 측정할 수 있다. 또한, 원하지 않는 간섭계 장치의 진동 등에 의한 오차 발생시 실시간으로 감지하여 시준기의 위치를 조정할 수 있어, 높은 신뢰성을 갖는 간섭계 장치를 제공할 수 있다. 본 발명은 특히 압전 소자에 의한 변위 제어가 용이한 시준기 구성을 제시함으로써 보다 효율적인 점회절 간섭계 장치를 구성할 수 있게 한다.

Claims (8)

  1. 시험체의 시험 표면의 지형을 측정하기 위한 점회절 간섭계 장치에 있어서,
    레이저 광을 발생하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원의 광축상에 형성된 핀홀을 포함하고 상기 광원의 광축에 대해 소정의 경사각을 갖도록 배열되어, 상기 핀홀을 통과하는 상기 레이저 광원의 입사광으로부터 시험표면에 충돌하는 측정파인 제1 회절광을 생성하며, 상기 입사광의 일부를 반사하는 핀홀 거울;
    상기 입사광의 반사 경로상에 배치되며, 상기 핀홀 거울에 대해 병진 운동 가능하도록 압전 소자가 장착되며, 상기 핀홀 거울에서 반사된 레이저 광을 상기 핀홀로 집속하는 기준파인 제2 회절광을 생성하기 위한 시준기;
    상기 제1 회절광과 상기 제2 회절광의 간섭 경로상에 배치되며, 상기 제1 회절광과 상기 제2 회절광의 간섭에 의한 간섭 무늬 패턴을 검출하기 위한 검출기; 및
    상기 검출기의 출력을 측정하고 측정된 출력값에 따라 상기 압전 소자의 변형을 제어하는 간섭상 중심 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 점회절 간섭계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시준기는 오목형 구면경을 포함하는 것을 특징으로 하는 점회절 간섭계 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시준기는 시준 렌즈 및 평면경을 포함하는 것을 특징으로 하는 점회절 간섭계 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시준기는 시준 렌즈, 집속 렌즈 및 평면경을 포함하는 것을 특징으로 하는 점회절 간섭계 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 검출기는 전하 결합 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 점회절 간섭계 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자를 구동하기 위한 구동 드라이버를 더 포함하고,
    상기 간섭상 중심 측정기는 상기 구동 드라이버의 인가 전압을 소정 범위에서 변화시키고 이에 따른 상기 검출기의 출력값의 변화로부터 최대 출력값을 구하고, 상기 최대 출력값에 대응하는 인가 전압으로 상기 압전 소자를 구동하는 것을 특징으로 하는 점회절 간섭계 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 핀홀 거울은 상기 광축에 대해 45˚ 경사각을 갖는 특징으로 하는 점회절 간섭계 장치.
  8. 삭제
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