KR100960349B1 - Method of measuring thickness and refractive index of sample by using confocal optics and low-coherence interferometry, measurement apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
시료의 두께와 굴절률을 동시에 측정하는 방법 및 장치가 개시된다. 제 1 중심 파장을 가지는 광을 이용하여 공초점 광학계를 통해 시료의 두께와 위상 굴절률에 관한 제 1 관계식을 얻고, 제 1 중심 파장을 가지는 광을 이용하여 낮은 결맞음 간섭계를 통해 시료의 두께와 군 굴절률에 관한 제 2 관계식을 얻고, 제 2 중심 파장을 가지는 광을 이용하여, 제 2 중심 파장을 가지는 광을 이용하여 공초점 광학계를 통해 상기 시료의 두께와 위상 굴절률에 관한 제 3 관계식을 얻고, 제 2 중심 파장을 가지는 광을 이용하여 낮은 결맞음 간섭계를 통해 상기 시료의 두께와 군 굴절률에 관한 제 4 관계식을 얻은 다음, 제 1 내지 제 4 관계식을 이용하여, 상기 시료의 두께, 위상 굴절률, 군 굴절률을 구하도록 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 방법을 구성한다. 따라서, 별도의 샘플 홀더를 이용하거나, 위상 굴절률과 군 굴절률을 가정하는 기존의 방법에 비하여 측정 대상 시료에 제한이 없고, 측정 오차가 적은 측정 방법 및 이를 이용한 장치를 구성할 수 있다.A method and apparatus for simultaneously measuring the thickness and refractive index of a sample are disclosed. Obtain a first relation regarding the thickness and phase refractive index of the sample through the confocal optical system using the light having the first center wavelength, and the thickness and the group refractive index of the sample through the low coherence interferometer using the light having the first center wavelength. Obtaining a second relation regarding the thickness and phase refractive index of the sample through a confocal optical system using the light having the second center wavelength, using the light having the second center wavelength, and Using a light having two center wavelengths, a fourth relationship relating to the thickness and group refractive index of the sample was obtained through a low coherence interferometer, and then, using the first to fourth relations, the thickness, phase refractive index, and group refractive index of the sample. A method of simultaneously measuring the thickness and the refractive index of the sample is configured to obtain. Therefore, there is no limitation on the sample to be measured, and a measuring method having a small measurement error and a device using the same as compared to the conventional method using a separate sample holder or assuming a phase refractive index and a group refractive index.
공초점, 결맞음, 굴절률, 두께, 측정 Confocal, coherence, refractive index, thickness, measurement
Description
본 발명은 시료의 두께 및 굴절률을 동시에 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공초점 광학계와 낮은 결맞음 간섭계를 동시에 이용하여 특수설계된 샘플 홀더 등을 이용하지 않고도 시료의 두께, 위상 굴절률 및 군 굴절률을 동시에 측정하는 방법 및 측정하는 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for simultaneously measuring the thickness and refractive index of a sample, and more particularly, to the thickness, phase refractive index, and the like of a sample without using a specially designed sample holder using a confocal optical system and a low coherence interferometer. A method and apparatus for measuring group refractive indices simultaneously.
시료의 두께와 굴절률을 동시에 측정하는 것은 물질의 광학적 특성을 연구하는 광공학 및 시료 내부의 물리적 구조를 찾는 광단층기법이나 생체시료의 산란계수에 영향을 미치는 굴절률을 측정하는 의공학 등 여러 산업 분야에 응용될 수 있다.Simultaneously measuring the thickness and refractive index of a sample can be used in many industries, such as optical engineering to study the optical properties of materials, optical tomography techniques to find the physical structure inside a sample, and medical engineering to measure the refractive index to affect the scattering coefficient of biological samples. Can be applied.
이를 위해, 종래에 낮은 결맞음 간섭계(LCI: Low Coherence Interferometry)를 이용한 연구(T.Tsuruta, et al., Proceedings of the International Commission for Optics Conference, pp.369~372, 1974. 및 B.L.Danielson et al., Applied Optics., vol.30, No.21, pp.2976~2979, 1991.)들이 있었다. 즉, 시료를 구성하는 각 경계면까지의 거리와 광경로차가 동일한 기준단의 위치를 간섭신호를 검출하여 구한 다음에 각 기준단의 위치차, 시료의 물리적 두께 및 시료의 군굴절률간의 관계식을 이용하여 물리적 두께를 구하는 것이다. 이때, 시료의 물리적 두께(), 시료의 군 굴절률(group index; ) 및 상기 기준단 간의 위치차()의 관계식은 하기 수학식 1과 같이 정의된다. 또한, 여기에서 기준단 간의 위치차()는 시료의 광학적 두께로 정의된다.To this end, conventional studies using low coherence interferometry (LCI) (T. Tsuruta, et al., Proceedings of the International Commission for Optics Conference, pp. 369-372, 1974. and BLDanielson et al., Applied Optics., Vol. 30, No. 21, pp. 2976-2979, 1991. That is, the distance between each boundary constituting the sample and the position of the reference stage having the same optical path difference are obtained by detecting the interference signal, and then the relationship between the position difference of each reference stage, the physical thickness of the sample and the group refractive index of the sample is Find the physical thickness. At this time, the physical thickness of the sample ( ), Group index of the sample; ) And the position difference between the reference stage ( ) Is defined as in Equation 1 below. Also, here, the position difference between the ) Is defined as the optical thickness of the sample.
[수학식 1][Equation 1]
또한, 공초점 광학계(CO: Confocal Optics)를 이용한 종래의 연구들(T.Fukano, et al., Optics Letters., vol.21, No.23, pp.1942~1944, 1996., M.Ohmi, et al., Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering, vol.4185, pp.288~291, 2000. 및 T.Fukano, et al., Applied Optics., vol.38, no.19, pp.4065~4073, 1999.)에서는 시료를 구성하는 각 경계면에서 반사한 빛이 최대가 될 때까지 시료를 광축을 따라서 이동시키면서 반사한 빛 이 최대가 되는 두 위치의 차이, 시료의 물리적 두께 및 시료의 위상 굴절률간의 관계를 이용하여 물리적 두께를 구한다. 이때, 상기 두 위치의 차이(), 시료의 물리적 두께() 및 시료의 위상 굴절률()간의 관계는 하기 수학식 2와 같이 정의된다.In addition, conventional studies using confocal optics (CO) (T.Fukano, et al., Optics Letters., Vol. 21, No. 23, pp. 1942-1944, 1996., M. Ohmi) , et al., Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering, vol. 4185, pp. 288-291, 2000. and T. Fukano, et al., Applied Optics., vol. 38, no. 19, pp .4065 ~ 4073, 1999.) moves the sample along the optical axis until the light reflected at each interface constituting the sample becomes the maximum, the difference between the two positions where the reflected light becomes the maximum, the physical thickness of the sample, and the sample. The physical thickness is obtained by using the relationship between the phase refractive indices. At this time, the difference between the two positions ( ), The physical thickness of the sample ( ) And phase refractive index of the sample ( ) Is defined as in Equation 2 below.
[수학식 2][Equation 2]
여기에서, NA는 공초점 광학계에 이용되는 대물렌즈의 개구수(Numerical Aperture)를 나타내며, NA가 작을 때 상기 수학식 2는 하기 수학식 3으로 근사될 수 있다.Here, NA represents a numerical aperture of the objective lens used in the confocal optical system. When NA is small, Equation 2 may be approximated by Equation 3 below.
[수학식 3]&Quot; (3) "
그러나, 공초점 광학계에서는 위상 굴절률()이 사용되고, 낮은 결맞음 간섭계에서는 군 굴절률()이 사용되어, 시료의 두께와 시료의 굴절률을 동시에 측정하기 위한 방법들이 필요해지게 되는데, 즉 상술한 두 식 이외에 최소한 하나 이상의 관계식이 더 요구되는 것이다.However, in the confocal optical system, the phase refractive index ( ) Is used, and for low coherence interferometers the group refractive index ( ), Methods are needed for simultaneously measuring the thickness of the sample and the refractive index of the sample, i.e., at least one or more relational expressions are required in addition to the above two equations.
따라서, 상술한 두 식 이외에 추가 관계식을 얻기 위해서 종래에는 특수하게 제작된 샘플 홀더(holder)를 이용하거나, 미국등록특허 제6,172,752호와 같이 군굴절률과 위상굴절률 사이의 관계를 나타내는 특수한 식을 가정하는 방법들을 사용하였다.Therefore, in order to obtain additional relations in addition to the above-described two equations, a specially manufactured sample holder is conventionally used, or a special equation representing a relationship between the group refractive index and the phase refractive index, such as US Patent No. 6,172,752, is assumed. Methods were used.
하지만, 특수하게 제작된 샘플 홀더를 사용하는 경우에는 우선 샘플 홀더 속에 시료를 고정시켜야 하므로 샘플을 홀더에 넣을 수 있는 크기로 절단하여야 하고, 이에 따라 측정 가능한 시료의 두께가 상당히 제한적이며, 홀더속에 샘플을 정확하게 정렬시켜야 하는 문제점이 있다. 또한, 군 굴절률과 위상 굴절률간의 관계를 가정의 방법의 경우에도 시료의 재질이 잘 알려진 경우에는 상관이 없으나 미지의 시료의 경우에는 측정 오차가 커진다는 문제점이 있다.However, when using a specially made sample holder, the sample must first be fixed in the sample holder. Therefore, the sample must be cut to a size that can be placed in the holder. Therefore, the thickness of the measurable sample is quite limited. There is a problem that needs to be correctly aligned. In addition, even if the material of the sample is well known in the case of the method of assuming the relationship between the group refractive index and the phase refractive index, there is a problem that the measurement error is large for the unknown sample.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 공초점 광학계와 낮은 결맞음 간섭계를 동시에 이용하고, 두가지 이상의 중심파장을 가지는 광을 이용하여 다양한 종류와 두께를 가지는 시료를 절단하지 않고 시료의 물리적 두께와 시료를 구성하는 재질의 위상 굴절률 및 군 굴절률을 함께 높은 정확도로 측정하는 측정 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems, by using a confocal optical system and a low coherence interferometer at the same time, using a light having two or more central wavelengths of the sample without cutting the sample having a variety of types and thickness It is to provide a measuring method for measuring the thickness and the phase refractive index and the group refractive index of the material constituting the sample with high accuracy.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 공초점 광학계와 낮은 결맞음 간섭계를 동시에 이용하고, 두가지 이상의 중심파장을 가지는 광을 이용하여 다양한 종류와 두께를 가지는 시료를 절단하지 않고 시료의 물리적 두께와 시료를 구성하는 재질의 위상굴절률 및 군 굴절률을 함께 높은 정확도로 측정하는 측정 장치를 제공하는데 있다.Another object of the present invention for solving the above problems, using a confocal optical system and a low coherence interferometer at the same time, using a light having two or more central wavelengths of the sample without cutting a variety of types and thickness of the sample The present invention provides a measuring device for measuring physical thickness, phase refractive index, and group refractive index of materials constituting a sample with high accuracy.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공초점 광학계와 낮은 결맞음 간섭계를 이용하여 시료의 두께와 굴절률을 동시에 측정하는 방법에 있어서, 제 1 중심 파장을 가지는 광을 이용하여, 상기 공초점 광학계를 통해서 상기 시료의 두께와 위상 굴절률에 관한 제 1 관계식을 얻는 단계, 상기 제 1 중심 파장을 가지는 광을 이용하여, 상기 낮은 결맞음 간섭계를 통해서 상기 시료의 두께와 군 굴절률에 관한 제 2 관계식을 얻는 단계, 상기 제 1 중심 파장과 다른 제 2 중심 파장을 가지는 광을 이용하여, 상기 공초점 광학계를 통해서 상기 시료의 두께와 위상 굴절률 에 관한 제 3 관계식을 얻는 단계, 상기 제 2 중심 파장을 가지는 광을 이용하여, 상기 낮은 결맞음 간섭계를 통해서 상기 시료의 두께와 군 굴절률에 관한 제 4 관계식을 얻는 단계 및 상기 제 1 내지 제 4 관계식을 이용하여, 상기 시료의 두께, 위상 굴절률, 군 굴절률을 구하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object, in the method for simultaneously measuring the thickness and the refractive index of the sample using a confocal optical system and a low coherence interferometer, using the light having a first central wavelength, through the confocal optical system Obtaining a first relational expression relating to the thickness and phase refractive index of the sample; obtaining a second relational expression regarding the thickness and group refractive index of the specimen through the low coherence interferometer, using light having the first center wavelength; Obtaining a third relational expression regarding the thickness and phase refractive index of the sample through the confocal optical system using light having a second center wavelength different from the first center wavelength, using light having the second center wavelength Obtaining a fourth relational expression regarding the thickness and the group refractive index of the sample through the low coherence interferometer and the first If using a fourth relational expression, it provides a thickness of the sample, phase refractive index, the thickness of the sample, characterized in that, including a step of obtaining a group index of refraction and the refractive index of simultaneous measurements.
여기에서, 상기 시료의 두께와 위상 굴절률에 관한 제 1 관계식 또는 제 3 관계식을 얻는 단계는, 상기 제 1 중심 파장 또는 제 2 중심 파장을 가지는 광이 상기 시료를 구성하는 양 경계면 상에서 반사되어 반사된 광 파워가 최대가 되는 양 시점에서 상기 공초점 광학계를 구성하는 대물렌즈와 상기 시료간의 거리 차이를 이용하여, 상기 시료의 두께와 위상 굴절률에 관한 관계식을 구하는 것으로 구성될 수 있다.Here, the step of obtaining the first relation or the third relation relating to the thickness and the phase refractive index of the sample, the light having the first center wavelength or the second center wavelength is reflected and reflected on both boundary surfaces constituting the sample Using the distance difference between the objective lens constituting the confocal optical system and the sample at both points at which the optical power is maximized, the relationship between the thickness and the phase refractive index of the sample may be obtained.
또한, 상기 시료의 두께와 군 굴절률에 관한 제 2 관계식 또는 제 4 관계식을 얻는 단계는, 상기 제 1 중심 파장 또는 제 2 중심 파장을 가지는 광이 상기 시료를 구성하는 양 경계면 상에서 반사되어 반사된 광 파워가 최대가 될 때, 상기 낮은 결맞음 간섭계를 구성하는 기준거울 상에 간섭무늬가 검출되는 지점에서 기준 거울의 거리차이를 이용하여, 상기 시료의 두께와 군 굴절률에 관한 관계식을 구하는 것으로 구성될 수 있다.In addition, obtaining a second relation or a fourth relation relating to the thickness and the group refractive index of the sample, the light reflected by the light having the first center wavelength or the second center wavelength reflected on both boundary surfaces constituting the sample When the power is maximized, the relationship between the thickness of the sample and the group refractive index may be obtained by using the distance difference of the reference mirror at the point where the interference fringe is detected on the reference mirror constituting the low coherence interferometer. have.
여기에서, 상기 제 1 내지 제 4 관계식을 이용하여, 상기 시료의 두께, 위상 굴절률, 군 굴절률을 구하는 단계는, 위상 굴절률과 군 군절률 간의 관계를 이용하는 것으로 구성될 수 있다.Here, the calculating of the thickness, phase refractive index, and group refractive index of the sample using the first to fourth relational expressions may be performed by using a relationship between the phase refractive index and the group refractive index.
또는, 상기 제 1 내지 제 4 관계식을 이용하여, 상기 시료의 두께, 위상 굴절률, 군 굴절률을 구하는 단계는, 시료의 분산파라미터를 구하고, 시료의 위상 굴절률과 분산 파라미터의 관계를 이용하는 것으로 구성될 수 있다.Alternatively, obtaining the thickness, phase refractive index, and group refractive index of the sample by using the first to fourth relational expressions may include determining a dispersion parameter of the sample and using the relationship between the phase refractive index and the dispersion parameter of the sample. have.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 두 가지 이상의 중심 파장을 가지는 광을 발생시키는 광 발생부, 상기 광발생부에서 발생된 광을 분배하는 광 분배부, 상기 광분배부에서 분배된 광을 상기 시료에 조사하는 대물렌즈, 상기 대물렌즈와 상기 시료간의 거리를 조절할 수 있도록 상기 대물렌즈 및/또는 상기 시료를 이송시키고, 상기 대물렌즈와 상기 시료간의 거리를 측정하는 제 1 측정부, 상기 광분배부에서 분배된 광을 전달받는 기준 거울, 상기 시료로부터 반사된 광과 상기 기준거울로부터 반사된 광의 광경로차를 조절할 수 있도록 상기 기준거울을 이송시키고, 상기 기준거울의 위치를 측정하는 제 2 측정부, 상기 시료로부터 반사된 광 파워 신호와 상기 기준거울의 간섭무늬 신호를 측정하는 신호 검출부 및 상기 제 1 측정부와 상기 제 2 측정부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제 1 측정부를 통하여 상기 대물렌즈와 상기 시료간의 거리를 조절하면서 상기 신호 검출부에서 검출된 시료로부터 반사된 광 파워 신호를 토대로, 상기 대물렌즈를 통과한 광이 상기 시료의 경계면 상에 초점을 맺는 양 지점에서의 상기 대물렌즈와 상기 시료간의 거리 차이를 측정하고, 상기 제 2 측정부를 통하여 상기 대물렌즈를 통과한 광이 상기 시료의 경계면 상에 초점을 맺는 양 지점에서, 상기 대물렌즈와 상기 시료의 위치를 고정하고 상기 기준거울을 이송하면서 상기 신호 검출부에서 상기 간섭무늬 신호가 획득되는 기준거울의 위치 차이를 측정하며, 상 기 광발생부를 통하여 서로 다른 중심 주파수를 가지는 광으로 상기 대물렌즈와 상기 시료간의 거리 차이와 상기 간섭무늬 신호가 획득되는 기준거울의 위치 차이를 각각 측정하여, 상기 시료의 물리적 두께, 위상 굴절률 및 군 굴절률을 동시에 측정하도록 구성된 시료의 두께와 굴절률을 동시에 측정하는 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a light generation unit for generating light having two or more central wavelengths, a light distribution unit for distributing light generated by the light generation unit, and light emitted from the light distribution unit. A first measurement unit and an optical distribution unit configured to transfer the objective lens and / or the sample so as to adjust a distance between the objective lens and the object, the object lens irradiated onto the sample, and measure the distance between the objective lens and the sample A second measurement unit configured to transfer the reference mirror to adjust the optical path difference between the reference mirror receiving the light distributed from the light reflected from the sample and the light reflected from the reference mirror, and measuring the position of the reference mirror A signal detector for measuring the optical power signal reflected from the sample and the interference fringe signal of the reference mirror, and the first measuring unit and the second measuring unit And a control unit for controlling the measurement unit, wherein the control unit passes the objective lens based on the optical power signal reflected from the sample detected by the signal detection unit while adjusting the distance between the objective lens and the sample through the first measurement unit. A distance difference between the objective lens and the sample is measured at both points where one light is focused on the interface of the sample, and the light passing through the objective lens through the second measuring unit is focused on the interface of the sample. At both points to form a position, the position of the objective lens and the sample is fixed and the reference mirror is transferred while measuring the position difference of the reference mirror from which the interference fringe signal is obtained by the signal detection unit, and through the light generating unit The distance between the objective lens and the sample and the interference fringe scene with light having a different center frequency A device for simultaneously measuring the thickness and refractive index of a sample configured to measure the physical thickness, phase refractive index, and group refractive index of the sample at the same time by measuring the positional difference of the reference mirror from which the arc is obtained.
여기에서, 상기 광 발생부는 서로 다른 중심 파장을 가지는 광을 발생시키는 두 개 이상의 광원을 포함하여 구성될 수 있다. 또는, 상기 광발생부는 서로 다른 중심 파장을 가지는 광을 발생시키는 적어도 하나의 파장 가변 광원을 포함하여 구성될 수도 있다.Here, the light generation unit may include two or more light sources for generating light having different center wavelengths. Alternatively, the light generator may include at least one wavelength variable light source for generating light having different center wavelengths.
여기에서, 상기 신호 검출부는 렌즈, 핀-홀(pin-hole) 및 광 검출기를 포함하여 구성될 수 있다. 또는, 상기 신호 검출부는 광섬유용 빔 평행기 및 광 검출기를 포함하여 구성될 수도 있다.Here, the signal detector may include a lens, a pin-hole and a photo detector. Alternatively, the signal detector may include a beam parallelizer and an optical detector for the optical fiber.
여기에서, 상기 광 발생부와 상기 광분배부, 상기 광 분배부와 상기 대물 렌즈, 상기 광분배부와 상기 기준거울, 상기 광분배부와 상기 신호검출부 간의 광경로를 광섬유를 이용하여 형성하고, 상기 광 분배부는 광섬유형 커플러(coupler)를 포함하여 구성될 수 있다.Here, the optical path between the light generating unit and the light distribution unit, the light distribution unit and the objective lens, the light distribution unit and the reference mirror, the light distribution unit and the signal detection unit is formed using an optical fiber, and the light distribution The part may comprise an optical fiber type coupler.
여기에서, 상기 제어부는, 상기 제 1 측정부를 통하여 상기 대물렌즈와 상기 시료간의 거리를 조절하면서 상기 신호 검출부에서 검출된 시료로부터 반사된 광 파워 신호가 실질적으로 최대가 되는 지점들을 이용하여 상기 대물렌즈와 상기 시료간의 거리 차이를 측정할 수 있다. 또는, 상기 제어부는, 상기 제 1 측정부를 통하여 상기 대물렌즈와 상기 시료간의 거리를 조절하면서 상기 신호 검출부에서 검 출된 시료로부터 반사된 광 파워 신호의 반치폭의 중심 지점들을 이용하여 상기 대물렌즈와 상기 시료간의 거리 차이를 측정할 수 있다.Herein, the controller may be configured to adjust the distance between the objective lens and the sample through the first measurement unit and to use the points where the optical power signal reflected from the sample detected by the signal detector is substantially maximum. And the distance difference between the sample can be measured. Alternatively, the controller may be configured to adjust the distance between the objective lens and the sample through the first measuring unit, using the center points of the half widths of the optical power signals reflected from the sample detected by the signal detecting unit, to adjust the distance between the objective lens and the sample. The difference in distance between them can be measured.
상기와 같은 본 발명에 따른 측정 방법 및 측정 장치를 이용하면 공초점 광학계 및 낮은 결맞음 간섭계를 동시에 이용하여, 다양한 종류와 두께를 가지는 시료를 절단하지 않고 시료의 물리적 두께와 시료를 구성하는 재질의 위상 굴절률 및 군 굴절률을 함께 높은 정확도로 측정하는 것이 가능하다.Using the measuring method and the measuring device according to the present invention as described above using a confocal optical system and a low coherence interferometer at the same time, the physical thickness of the sample and the phase of the material constituting the sample without cutting the sample having a variety of types and thickness It is possible to measure the refractive index and the group refractive index together with high accuracy.
특히, 두 가지 이상의 중심 파장을 가지는 광을 발생시키는 광 발생부를 이용하여 두 가지 이상의 중심 파장을 가지는 광을 이용하므로써, 종래의 특수 설계된 샘플 홀더를 이용하거나, 특정 시료의 재질 하에서 위상 굴절률과 군 굴절률간의 관계를 가정하는 방식의 제한을 벗어나, 측정 가능한 시료의 제한이 적고 특수 설계된 샘플 홀더 없이 측정이 가능하다는 효과가 있다.In particular, by using light having two or more center wavelengths by using a light generating unit that generates light having two or more center wavelengths, phase refractive index and group refractive index may be used by using a conventionally designed sample holder or by using a specific sample material. Beyond the limitations of assuming a relationship between them, there is a small limit on the measurable sample and an effect that can be performed without a specially designed sample holder.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating an embodiment of a method for simultaneously measuring the thickness and refractive index of a sample according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 방법의 일 실시예는, 제 1 중심 파장을 가지는 광을 이용하여, 상기 공초점 광학계를 이용하여 상기 시료의 두께와 위상 굴절률에 관한 제 1 관계식을 얻는 단계(S110), 상 기 제 1 중심 파장을 가지는 광을 이용하여, 상기 낮은 결맞음 간섭계를 이용하여 상기 시료의 두께와 군 굴절률에 관한 제 2 관계식을 얻는 단계(S120), 상기 제 1 중심 파장과 다른 제 2 중심 파장을 가지는 광을 이용하여, 상기 공초점 광학계를 이용하여 상기 시료의 두께와 위상 굴절률에 관한 제 3 관계식을 얻는 단계(S130), 상기 제 2 중심 파장을 가지는 광을 이용하여, 상기 낮은 결맞음 간섭계를 이용하여 상기 시료의 두께와 군 굴절률에 관한 제 4 관계식을 얻는 단계(S140) 및 상기 제 1 내지 제 4 관계식을 이용하여, 상기 시료의 두께, 위상 굴절률, 군 굴절률을 구하는 단계(S150)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, an embodiment of a method for simultaneously measuring a thickness and a refractive index of a sample according to the present invention may be performed by using a light having a first center wavelength and using the confocal optical system to determine the thickness and phase refractive index of the sample. Obtaining a first relation relating to the thickness of the sample and a group refractive index using the low coherence interferometer, using the light having the first center wavelength (S110); By using light having a second center wavelength different from the first center wavelength, using the confocal optical system to obtain a third relation about the thickness and phase refractive index of the sample (S130), the second center wavelength Using the light having a light, using the low coherence interferometer to obtain a fourth relational expression about the thickness and the group refractive index of the sample (S140) and using the first to fourth relational expression, The thickness of the sample, the phase index may be configured by comprising a step (S150) to obtain the refractive index of the group.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 방법에서 시료의 물리적 두께와 위상 굴절률 간의 관계식을 얻는 과정을 설명하기 위한 개념도이다. 2A and 2B are conceptual views illustrating a process of obtaining a relationship between a physical thickness of a sample and a phase refractive index in a method for simultaneously measuring a thickness and a refractive index of a sample according to the present invention.
이하에서는, 도 1, 도 2a 및 도 2b를 병행하여, 시료의 물리적 두께와 위상 굴절률 간의 관계식을 얻는 단계(S110)을 설명한다.Hereinafter, the step (S110) of obtaining the relation between the physical thickness and the phase refractive index of the sample in parallel with FIGS. 1, 2A and 2B will be described.
도 2a를 참조하면, 광원으로부터 발생된 광은 광분배부를 거쳐서 절반의 광 파워는 대물렌즈(210)에 전달되며, 대물렌즈(210)를 통하여 일정 초점 거리를 가지고 두께()를 가지는 시료(220)에 조사되게 된다. 이때, 대물렌즈(210)와 시료(220) 간의 거리를 대물렌즈(210)를 이동시키거나, 시료(220)를 이동시켜가면서 조절하게 되는데, 이때 대물렌즈(210)를 통과한 광이 시료(220)이 가지는 경계면(220-1)에 도달하게 될 경우에 대물렌즈(210)와 시료(220) 간의 거리(230)를 측 정하게 된다.Referring to FIG. 2A, the light generated from the light source passes through the light distribution unit, and half of the optical power is transmitted to the
또한, 도 2b를 참조하면, 대물렌즈(210)와 시료(220) 간의 거리를 대물렌즈(210)를 이동시키거나, 시료(220)를 이동시켜가면서 다시 조절하게 되는데, 이때 대물렌즈(210)를 통과한 광이 시료(220)의 후면, 즉 경계면(220-2)에 도달하게 될 경우에 대물렌즈(210)와 시료(220) 간의 거리(240)를 다시 측정하게 된다.Also, referring to FIG. 2B, the distance between the
한편, 대물렌즈(210)를 통과한 광이 시료(220)가 가지는 경계면(220-1, 220-2)에 도달하였는지를 판단하는 방법은, 대물렌즈(210)를 통과한 광이 시료(220)의 경계면(220-1, 220-2) 상에 초점을 맺을 경우에 시료에서 반사되는 광이 최대의 광 파워를 가질 것이므로 반사된 광 파워를 광 검출기를 이용하여 판단하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 대물렌즈(210)와 시료(220) 간의 거리를 조절하면서, 시료에서 반사된 광이 광검출기에서 최대 파워신호를 가지는 것으로 검출된 경우에 대물렌즈(210)를 통과한 광이 시료(220)의 경계면(220-1, 220-2)에 도달한 것으로 판단할 수 있다.On the other hand, the method for determining whether the light passing through the
이때, 도 2a에서 예시된 상태에서 측정한 대물렌즈(210)와 시료(220) 간의 거리(230)와 도 2b에서 예시된 상태에서 측정한 대물렌즈(210)와 시료(220) 간의 거리(240)의 차이를 라고 하고, 공기의 굴절률을 1, 시료(220)의 위상 굴절률을 라 정의하면, 스넬(Snell)의 법칙과 도 2a 및 도 2b에서 예시한 구조로부터 하기 수학식 4 및 수학식 5의 관계를 얻을 수 있다. In this case, the
[수학식 4][Equation 4]
[수학식 5][Equation 5]
이때, 대물렌즈(210)의 개구수(numerical aperture)를 NA라 하면 상기 수학식 4 및 수학식 5로부터 하기 수학식 6이 유도될 수 있다.In this case, when the numerical aperture of the
[수학식 6]&Quot; (6) "
한편, 시료에서 반사되는 광 파워 신호가 첨예한 피크(peak) 특성을 가지지 못하는 경우에는, 실질적으로 광 파워 신호가 최대가 되는 피크 지점을 찾기가 힘들 수 있다. 따라서, 광검출기에서 수신한 광 파워신호의 반치폭의 중심으로 최대 광 파워 신호를 가지는 지점을 가정하고, 이 지점들에서의 대물렌즈(210)와 시료(220) 간의 거리의 차이를 구하여 를 구할 수도 있을 것이다. On the other hand, when the optical power signal reflected from the sample does not have a sharp peak characteristic, it may be difficult to find a peak point at which the optical power signal is maximized. Therefore, assuming the point having the maximum optical power signal as the center of the half width of the optical power signal received by the photodetector, and obtain the difference in the distance between the
또한, 광원으로부터 발생된 광은 광분배부를 거쳐서 절반의 광 파워는 대물 렌즈(210)에 전달되지만, 다른 절반의 광 파워는 기준 거울(reference mirror)로 전달되게 된다. In addition, the light generated from the light source passes through the light distribution unit, and half of the optical power is transmitted to the
시료의 두께와 군 굴절률에 관한 관계식을 얻는 단계(S120)에서는, 대물렌즈(210)를 통과한 광이 시료(220)의 양 경계면(220-1, 220-2)에 초점을 맺은 상태에서 기준 거울을 이동시키는 것에 의하여 이루어진다. 즉, 대물렌즈(210)를 통과한 광이 시료(220)의 양 경계면(220-1, 220-2)에 초점을 맺은 상태에서 시료에서 반사되어 광분배부를 거쳐서 광 검출기로 되돌하가는 광경로를 가질때, 대물렌즈(210)와 시료(220)는 고정시킨 상태에서 기준거울을 이송시키면서 간섭무늬가 발생되는지를 확인하는 것으로 가능해진다. 즉, 광 검출기에서는 시료의 경계면에서 반사되어 돌아오는 광과, 기준거울에서 반사된 광의 광경로차가 동일한 지점을 간섭무늬가 최대로 발생되는 것에 의해서 파악할 수 있으며, 이 두 지점간의 거리 차는 시료의 광학적 두께()로서, 이를 이용하여 하기 수학식 7의 시료의 물리적 두께()와 군굴절률() 간의 관계식을 얻을 수 있다.In the step (S120) of obtaining a relational expression regarding the thickness of the sample and the group refractive index, the reference is made while the light passing through the
[수학식 7][Equation 7]
이때, 시료의 물리적 두께(), 위상굴절률() 및 군굴절률()를 측정하기 위해서는 상기 수학식 6과 수학식 7 이외의 또 다른 관계식을 얻어야 한다.At this time, the physical thickness of the sample ( ), Phase refractive index ( ) And group refractive index ( In order to measure), other relations other than Equations 6 and 7 must be obtained.
본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 방법에서는 서로 다른 중심 파장을 가지는 여러 개의 광원을 이용하거나, 중심 파장의 변환이 가능한 파장 가변 광원을 이용하여 서로 다른 중심 파장을 가지는 광으로 상기 측정 과정을 다시 한번 반복하는 것에 의하여 상기 수학식 6과 수학식 7 이외의 또 다른 관계식을 얻을 수 있다.In the method for simultaneously measuring the thickness and refractive index of a sample according to the present invention, the measurement process is performed with light having different center wavelengths by using a plurality of light sources having different center wavelengths or by using a variable wavelength light source capable of converting the center wavelengths. By repeating again, other relations other than Equations 6 and 7 can be obtained.
즉, 단계(S110) 및 단계(S120)에서 이용된 제 1 중심 파장을 가지는 광과는 다른 파장(제 2 중심 파장)을 가지는 광을 이용하여 다시 상기 시료의 두께와 위상 굴절률에 관한 두번째 관계식(즉, 제 3 관계식)을 얻는 단계(S130)와 상기 시료의 두께와 군 굴절률에 관한 두번째 관계식(즉, 제 4 관계식)을 얻는 단계(S140)를 수행한다. That is, the second relational equation regarding the thickness and phase refractive index of the sample is again used by using light having a wavelength different from the light having the first center wavelength (second center wavelength) used in steps S110 and S120. That is, a step S130 of obtaining a third relational expression) and a step S140 of obtaining a second relational expression (ie, a fourth relational expression) regarding the thickness and the group refractive index of the sample are performed.
서로 다른 중심 파장을 가지는 여러개의 광원을 사용하거나, 중심파장의 변환이 가능한 파장 가변 광원을 이용하는 것에 의하여, 상기 수학식 6과 상기 수학식 7은 각각 다른 중심 파장()을 가지는 광의 중심주파수()에 대한 식으로 고쳐쓰여질 수 있다. 즉, 상기 수학식 6과 수학식 7은 서로 다른 중심 파장을 가지는 두 가지 이상의 광에 대하여 각각 하기 수학식 8 및 하기 수학식 9와 같이 고쳐 쓰여질 수 있다. By using a plurality of light sources having different center wavelengths or using a variable wavelength light source capable of converting the center wavelengths, Equations 6 and 7 are different from each other. Center frequency of light with Can be rewritten as That is, Equations 6 and 7 may be rewritten as Equations 8 and 9 for two or more lights having different center wavelengths, respectively.
[수학식 8][Equation 8]
[수학식 9][Equation 9]
이때, 이용되는 파장이 다른 광원이 최소한 2가지 이상이어야 하며, 이용되는 파장이 다른 광의 숫자가 많을 수록 보다 정확한 결과가 얻어질 수 있다. 만약, 파장이 다른 2가지 광을 이용하였을 경우에는 각각의 파장에 대하여 수학식 8 및 수학식 9에 의하여 얻어진 와 을 이용하여 와 (또한, 및 )을 각각 의 함수로서 기술하는 것이 가능해진다. 즉, 두 가지 광을 이용한 경우에는 일차함수로, 세가지 이상의 광을 이용한 경우에는 이차함수 이상으로 ,, 및 를 각각 의 함수(, , , )로 기술할 수 있을 것이다.In this case, at least two light sources having different wavelengths should be used, and the more accurate the number of light having different wavelengths can be obtained. If two kinds of light having different wavelengths are used, the equations 8 and 9 are obtained for each wavelength. Wow Using Wow (Also, And ) Each It can be described as a function of. In other words, if two types of light are used, the first function is used. , , And Each Function in , , , ).
이때, 상기 수학식 8과 수학식 9를 이용하여 시료의 물리적 두께(), 위상굴절률() 및 군굴절률()을 구하는 방법은 다양하게 구성될 수 있으나, 대표적으로 다음의 두가지 방법으로 구해질 수 있다.At this time, the physical thickness of the sample using the equation (8) and (9) ), Phase refractive index ( ) And group refractive index ( ) Can be obtained in a variety of ways, but can be obtained in two ways.
1) 위상 굴절률과 군 굴절률의 관계를 이용하는 방법1) Method using the relationship between phase refractive index and group refractive index
중심 파장이 다른 두가지 광을 이용하는 것에 의하여 위상 굴절률과 군 군절률의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다.By using two kinds of light having different center wavelengths, the relationship between the phase refractive index and the group fracture rate can be expressed as follows.
[수학식 10][Equation 10]
따라서, 수학식 10에 상기 수학식 8 및 수학식 9를 대입한 후 두께()에 관하여 정리하면 하기 수학식 11을 얻을 수 있다. 여기에서, 상기 수학식 10에 포함된 미분항()은 앞서 언급된 바와 같이, 수학식 8에서 의 함수로 기술된 를 미분하는 것에 의해 얻어질 수 있다.Therefore, after substituting Equations 8 and 9 into Equation 10, the thickness ( ), The following equation (11) can be obtained. Here, the derivative term included in Equation 10 ( ), As mentioned above, Described as a function of By differentiating.
[수학식 11][Equation 11]
여기에서, From here,
상기 수학식 11에서 를 제외한 모든 값들은 측정에 의해서 얻어질 수 있는 값이므로, 상기 수학식 11에서 를 구한 다음, 이를 이용하여 다시 상기 수학식 8 및 수학식 9로부터 위상 굴절률과 군 굴절률을 구할 수가 있다.In Equation 11 Since all values except for are values that can be obtained by measurement, Equation 11 Then, the phase refractive index and the group refractive index can be obtained from the above Equations 8 and 9 again.
2) 분산 파라미터를 이용하는 방법2) using distributed parameters
시료의 양 경계면에서 발생한 간섭 신호를 서로 비교함으로써 시료를 구성하는 매질의 분산 파라미터를 얻을 수 있다. 즉, 도 2a에서 예시된 바와 같이, 시료 의 앞 경계면(220-1)에서 반사되는 광에 의해 생성되는 간섭신호에는 시료의 매질 특성이 반영되지 않으나, 도 2b에서 예시된 바와 같이, 시료의 뒷 경계면(220-2)에서 반사되는 광에 의해 생생되는 간섭신호에는 반사광이 시료를 통과하여 전달되는 광이므로 시료의 매질 특성이 반영된다. 따라서, 양 경계면에서 발생되는 간섭 신호를 비교하는 것에 의하여 시료를 구성하는 매질의 분산 파라미터가 얻어질 수 있다.Dispersion parameters of the media constituting the sample can be obtained by comparing the interference signals generated at both interfaces of the sample with each other. That is, as illustrated in FIG. 2A, the interference signal generated by the light reflected from the front boundary 220-1 of the sample does not reflect the characteristics of the medium of the sample, but is illustrated in FIG. 2B. The interference signal generated by the light reflected from the boundary surface 220-2 reflects the characteristics of the sample medium because the reflected light is transmitted through the sample. Thus, by comparing the interference signals generated at both interfaces, the dispersion parameters of the medium constituting the sample can be obtained.
이때, 분산 파리미터()의 제곱은 하기 수학식 12와 같이 정의된다.In this case, the dispersion parameter ( ) Squared is defined by the following equation (12).
[수학식 12][Equation 12]
얻어진 분산 파라미터를 하기 수학식 13에 대입하는 것에 의하여 시료의 위상 굴절률을 얻을 수 있다.The phase refractive index of a sample can be obtained by substituting the obtained dispersion parameter into following formula (13).
[수학식 13][Equation 13]
수학식 13을 통하여 얻어진 위상 굴절률을 다시 수학식 6 및 수학식 7에 대입하는 것에 의하여 시료의 물리적 두께와 군 굴절률값도 얻어낼 수 있다.By substituting the phase refractive index obtained through the equation (13) again into the equations (6) and (7), the physical thickness and the group refractive index value of the sample can also be obtained.
한편, 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 방법은 본 발명에 따른 측정 방법이 적용된 측정 장치를 통하여 보다 자세하게 설명될 수 있다. On the other hand, the simultaneous measurement of the thickness and refractive index of the sample according to the present invention can be described in more detail through a measuring device to which the measuring method according to the present invention is applied.
도 3은 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 장치의 일 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual view illustrating an embodiment of a device for simultaneously measuring a thickness and a refractive index of a sample according to the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 장치의 일 실시예(300)는 광 발생부(310), 광 분배부(320), 대물렌즈(330), 제 1 측정부(340), 기준거울(350), 제 2 측정부(360), 신호 검출부(370) 및 제어부(380)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 3, an
광 발생부(310)는 두 가지 이상의 다른 중심 파장을 가지는 광을 발생시키기 위한 구성요소로서, 서로 다른 중심 파장을 가지는 광을 발생시키는 두 개 이상의 광원(311)을 포함하여 구성될 수 있다. 또는 광 발생부(310)는 서로 다른 중심 파장을 가지는 광을 발생시키는 적어도 하나의 파장 가변 광원을 포함하여 구성될 수 도 있다. 이때 파장 가변 광원은 초 광대역 광원에 파장 가변 필터를 부착시켜서 구성될 수 있다.The
또한, 광 발생부(310)는 광원(311)으로부터 조사된 광을 평행광으로 변환시키는 렌즈(312)를 포함하여 구성된다.In addition, the
광 분배부(320)는 광 발생부(310)에서 발생된 광을 분배하는 구성요소이다. 즉, 광분배부(320)에서 분배된 절반의 광 파워는 대물렌즈(330) 측으로 전달되며, 나머지 절반의 광파워는 기준거울(350) 측으로 전달된다.The
대물렌즈(330)는 광 분배부(320)로부터 전달된 광을 일정 초점거리를 가지고 시료(390)에 조사한다. 한편, 도 3에서 예시된 대물렌즈(330)는 도 2a 및 도 2b를통하여 설명된 대물렌즈(210)과 동일한 역할을 수행하는 구성요소이다.The
제 1 측정부(340)는 상기 대물렌즈(330)와 상기 시료(390)간의 거리를 조절할 수 있도록 상기 대물렌즈(330) 및/또는 상기 시료(390)를 이송시키고, 상기 대물렌즈(330)와 상기 시료(390)간의 거리를 측정하는 구성요소이다. 즉, 제 1 측정부(340)는 시료(390)를 고정시킨채 대물렌즈(330)를 이송하거나, 대물렌즈(330)를 고정시킨채 시료(390)를 이송시켜, 대물렌즈(330)와 시료(390)간의 거리를 조절하고, 조절된 거리를 측정하기 위한 구성요소이다. 즉, 제 1 측정부(340)는 시료(390)와 대물렌즈(330) 간의 거리를 조절하면서 시료(390)의 경계면에서의 반사광을 신호 검출부(370)에서 측정할 수 있도록 하는 구성요소이다.The
기준거울(350)은 광 분배부(320)로부터 분배된 광을 전달받아 간섭신호를 발생시키기 위한 구성요소이다.The
제 2 측정부(360)는 상기 시료(390)로부터 반사된 광과 상기 기준거울(350)로부터 반사된 광의 광경로차를 조절할 수 있도록 상기 기준거울(350)을 이송시키고, 상기 기준거울의 위치를 측정하는 구성요소이다. 즉, 제 2 측정부(360)는 기준 거울(350)을 이송시키면서 신호 검출부(370)에서 간섭 신호를 측정할 수 있도록 하 는 구성요소이다. 제 2 측정부(360)는 광 분배부(320)으로부터 전달된 광이 기준거울(350) 상에 초점을 형성하도록 하는 렌즈(361)를 포함하여 구성될 수 있다.The
신호 검출부(370)는 대물렌즈(330)를 거친 광이 시료(390)에서 반사되어 돌아온 광의 광 파워 신호를 검출하고, 기준거울(350)로부터 반사되어온 간섭신호를 검출하기 위한 구성요소이다.The
신호 검출부(370)는 렌즈(371), 핀-홀(pin-hole; 372) 및 광 검출기(373)를 포함하여 구성될 수 있다. 핀-홀(372)은 렌즈(371)에 의하여 초점에 집중된 광만을 광 검출기(373)로 전달한다.The
한편, 신호 검출부(370)는 광섬유용 빔 평행기(beam collimator), 광섬유 및 광 검출기를 이용하여 구성될 수도 있다. 이 경우, 광섬유용 빔 평행기 내부에도 렌즈가 설치되고, 광섬유가 연결되어, 광섬유의 코어(core)가 핀-홀의 역할을 대체할 수 있도록 구성된다. 즉, 신호 검출부(37)는 광섬유용 빔 평행기와 광 검출기가 광섬유로서 연결된 구성을 가질 수 있다.Meanwhile, the
도 4a는 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.Figure 4a is a conceptual diagram for explaining another embodiment of the thickness and refractive index measurement apparatus of the sample according to the present invention.
도 4a를 참조하면, 도 3에서 예시된 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 장치의 일 실시예(300)의 경우와는 달리, 기준 거울(350)의 앞 부분에 렌즈(351)이 생략되는 구성(400)을 예시하고 있다. 도 4a에서, 도 3과 동일한 참조번호를 이용하는 구성요소들은 도 3에서 예시된 실시예(300)의 경우와 동일한 역할을 수행하며 자세한 설명은 생략된다.Referring to FIG. 4A, unlike the
도 4a에서 예시되는 구성(400)은, 시료의 물리적 두께, 위상굴절률 및 군굴절률을 구하는 방법으로서 앞서 예시된 1) 위상 굴절률과 군 굴절률의 관계를 이용하는 방법과 2) 분산 파라미터를 이용하는 방법 중에서, 1)의 방법만을 이용하는 것을 가정하는 경우에 가능한 측정 장치의 구성이다.The
즉, 2) 분산 파라미터를 이용하는 방법을 이용할 경우에는, 도 3에서 예시된 바와 같이 시료(390)에 광을 조사하는 대물렌즈(330)와 동일한 렌즈(361)를 기준 거울(350)의 앞단에 부착하는 것이 필요하다. 즉, 렌즈(361)을 이용하여 시료단과 기준거울단이 동일한 분산 특성을 가지도록 대물렌즈(330)의 분산 효과를 보상하는 것이 필요하다. 그러나, 1) 위상 굴절률과 군 굴절률의 관계를 이용하는 방법만을 이용하는 측정 장치의 구성을 가정할 경우에는 도 4a에서 예시된 바와 같이 기준 거울 앞단의 렌즈를 생략시킨 구성이 가능하다.That is, in the case of using the method of using the dispersion parameter, as shown in FIG. 3, the
도 4b는 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 장치의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.Figure 4b is a conceptual diagram for explaining another embodiment of the thickness and refractive index measurement apparatus of the sample according to the present invention.
도 4b를 참조하면, 광 발생부(310)에 추가적인 렌즈(313)와 핀-홀(314)이 구비되는 본 발명에 따른 실시예(500)가 예시된다. 여기에서 렌즈(313)와 핀-홀(314)의 역할은 신호 검출부(370)에서 보다 더 정밀한 공초점 신호를 획득하기 위한 목적이다. 도 4b에서, 도 3과 동일한 참조번호를 이용하는 구성요소들은 도 3에서 예시된 실시예(300)의 경우와 동일한 역할을 수행하며 자세한 설명은 생략된다.Referring to FIG. 4B, an
만약, 핀-홀(314)을 사용하지 않는다면, 핀-홀이 놓여진 위치에서 초점이 맺히더라도 렌즈(313)의 개구수에 따라서 어느 정도의 반경(radius)를 가지는 초점이 형성될 것이다. 또한, 이에 의해서 어느 정도의 반경을 가지는 광이 렌즈(312)에 전달되므로 렌즈(312)에서 평행하지 않은 성분의 광이 발생되어 이 평행하지 않은 광 성분이 대물렌즈(330)를 지나면서 시료(390)에 도달되어 공초점 신호의 두께를 굵게 만들게 된다. 따라서, 광 발생부(370)에 포함되는 광원(311) 앞에 추가적으로 렌즈(313)와 핀-홀(314)을 포함시킴으로써 보다 더 정밀한 신호를 얻을 수 있다.If the pin-
도 4c는 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 장치의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.4C is a conceptual view for explaining another embodiment of the apparatus for simultaneously measuring the thickness and the refractive index of a sample according to the present invention.
도 4c를 참조하면, 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 장치의 광 경로를 광섬유를 이용하여 구성하는 실시예(600)가 예시된다. Referring to FIG. 4C, an
즉, 상기 광 발생부(310)와 상기 광 분배부(321), 상기 광 분배부(321)와 상기 대물 렌즈(330), 상기 광 분배부(321)와 상기 기준거울(350), 상기 광 분배부(321)와 상기 신호 검출부(370) 간을 광섬유를 이용하여 광 경로(610, 620, 630, 630)를 형성한다. That is, the
도 4c에서 예시된 실시예(600)의 경우, 광 분배부(321)로는 광 커플러(coupler)가 이용될 수 있으며, 도 3, 도 4a 및 도 4b에서 예시된 구성에 대비하여 보다 컴팩트(compact)한 측정 장치의 구성을 가질 수 있다는 장점이 있다. 이외의 측정 장치를 구성하는 구성요소들의 역할과 세부 구성은 도 3, 도 4a 및 도 4b에서 예시된 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략된다.In the case of the
도 5a는 시료의 두께와 위상 굴절률에 관한 관계식을 얻기 위한 광 파워 신호 측정 결과를 예시한 그래프이다.5A is a graph illustrating an optical power signal measurement result for obtaining a relational expression regarding a thickness and a phase refractive index of a sample.
도 5a에서 예시된 그래프의 수평축(x 축)은 대물렌즈(330)와 시료간(390)의 거리를 표현한 것이며, 수직축(y 축)는 신호 검출부(370)에서 검출된 광 파워신호를 표현한 것이다.The horizontal axis (x axis) of the graph illustrated in FIG. 5A represents the distance between the
도 5a를 참조하면, 도 3, 도 4a 내지 도 4c의 본 발명에 따른 측정 장치에서 대물렌즈(330)가 시료(390)의 앞 경계면에 초점을 맺었을 경우에, 신호 검출부(370)에서 검출된 광 파워신호(510)가 예시된다. 또한, 대물렌즈(330)가 시료(390)의 뒷 경계면에 초점을 맺었을 경우에, 신호 검출부(370)에서 검출된 광 파워신호(520)가 예시된다.Referring to FIG. 5A, when the
이때, 광 파워신호의 피크(510, 520)가 검출되는 양 지점에서의 대물렌즈(330)와 시료(390)간의 거리의 차이(530)가 도 1을 통하여 설명되었던, 본 발명에 따른 시료의 두께와 위상 굴절률의 관계식을 얻기 위한 대물렌즈(4)와 시료(6) 간의 거리의 차이()로 측정될 수 있다.In this case, the
도 5b는 시료의 두께와 군 굴절률에 대한 관계식을 얻기 위한 간섭 신호 측정 결과를 예시한 그래프이다.5B is a graph illustrating an interference signal measurement result for obtaining a relationship between a thickness of a sample and a group refractive index.
도 5b에서 예시된 그래프의 수평축(x 축)은 기준 거울(350)의 위치를 표현한 것이며, 수직축(y 축)는 신호 검출부(370)에서 검출된 간섭신호의 크기를 표현한 것이다. The horizontal axis (x axis) of the graph illustrated in FIG. 5b represents the position of the
도 5b를 참조하면, 도 3, 도 4a 내지 도 4c의 본 발명에 따른 측정 장치에서 대물렌즈(330)가 시료(390)의 앞 경계면에 초점을 맺은 상태에서, 대물렌즈(330)와 시료(390)는 고정시키고, 기준거울(350)을 이송시키면서 신호 검출부(370)에서 측정되는 간섭 신호(540)가 예시된다. 또한, 대물렌즈(330)가 시료(390)의 뒷 경계면에 초점을 맺은 상태에서, 대물렌즈(330)와 시료(390)는 고정시키고, 기준거울(350)을 이송시키면서 신호 검출부(370)에서 측정되는 간섭 신호(550)가 예시된다.Referring to FIG. 5B, in the measuring device according to the present invention of FIGS. 3 and 4A to 4C, the
이때, 최대 두 간섭신호(540, 550)가 측정되는 기준 거울의 위치 차이(560)가 도 1을 통하여 설명되었던, 본 발명에 따른 시료의 두께와 군 굴절률의 관계식을 얻기 위한 시료(390)의 광학적 두께()로 측정될 수 있다.At this time, the
표 1은 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률의 동시 측정 방법 및 장치에 의한 측정된 결과를 예시한 도표이다.Table 1 is a table illustrating the results measured by the method and apparatus for simultaneously measuring the thickness and refractive index of the sample according to the present invention.
BK7
BK7
Silica
Silica
중심파장[nm]
Center wavelength [nm]
813
813
1030
1030
813
813
1030
1030
2.1385
2.1385
2.1430
2.1430
3.5055
3.5055
3.5107
3.5107
4.9355
4.9355
4.9182
4.9182
7.4747
7.4747
7.4522
7.4522
표 1을 참조하면, 두 가지 시료(BK7과 실리카)에 대하여 중심 파장이 813nm인 광과 중심 파장이 1030nm인 광을 이용하여 각각 측정한 및 측정값이 예시되어 있다.Referring to Table 1, two samples (BK7 and silica) were measured using light having a center wavelength of 813 nm and light having a center wavelength of 1030 nm, respectively. And The measurement is illustrated.
표 2는 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률의 동시 측정 방법 및 장치에 의해 산출된 시료의 두께, 위상 굴절률 및 군 굴절률의 산출값과 실제값을 비교한 결과이다.Table 2 is a result of comparing the calculated value and actual value of the thickness, phase refractive index, and group refractive index of the sample calculated by the method and apparatus for simultaneously measuring the thickness and refractive index of the sample according to the present invention.
위상 굴절률
Phase refractive index
군 굴절률
Group refractive index
두께
thickness
측정값
Measures
실제값
Actual value
측정값
Measures
실제값
Actual value
측정값
Measures
실제값
Actual value
BK7
BK7
813nm
813 nm
1.5119
1.5119
1.5105
1.5105
1.5264
1.5264
1.5261
1.5261
3.2333mm
3.2333 mm
3.2340mm
3.2340mm
1030nm
1030nm
1.5087
1.5087
1.5070
1.5070
1.5211
1.5211
1.5210
1.5210
Silica
Silica
813nm
813nm
1.4550
1.4550
1.4531
1.4531
1.4654
1.4654
1.4667
1.4667
5.1007mm
5.1007mm
5.0965mm
5.0965 mm
1030nm
1030nm
1.4528
1.4528
1.4500
1.4500
1.4610
1.4610
1.4627
1.4627
표 2를 참조하면, 상술된 표 1에서 예시된 측정 결과를 이용하여 도 1을 통하여 설명된 시료의 물리적 두께, 위상굴절률 및 군굴절률을 구하는 방법 중의 1) 위상굴절률 및 군 굴절률의 관계를 이용하는 방법을 이용하여 산출된 시료의 두께, 위상 굴절률 및 군 굴절률의 산출값과 실제값을 비교한 결과가 예시된다. 도 1을 통하여 설명된 시료의 물리적 두께, 위상굴절률 및 군굴절률을 구하는 방법 중에서, 2) 분산 파라미터를 이용하는 방법을 이용하여 산출할 경우에도 유사한 결과를 얻을 수 있으므로 이에 대한 결과는 생략한다.Referring to Table 2, 1) method of using the relationship between the phase refractive index and the group refractive index of the method for obtaining the physical thickness, phase refractive index and group refractive index of the sample described through Figure 1 using the measurement results illustrated in Table 1 above The result of comparing the calculated value and actual value of the thickness, phase refractive index, and group refractive index of the sample computed using is illustrated. Among the methods for obtaining the physical thickness, the phase refractive index, and the group refractive index of the sample described with reference to FIG. 1, similar results can be obtained when calculated using the method using the dispersion parameter, and thus the results thereof will be omitted.
표 2에서 보여지는 본 발명에 따른 방법 및 장치를 이용하여 측정된 측정값은 실제값에 대하여 평균적으로 두께는 0.052%, 위상 굴절률은 0.00198, 군 굴절률은 0.00085 정도의 오차를 가지는 것으로 확인된다.The measured values measured using the method and apparatus according to the present invention shown in Table 2 were found to have an average error of 0.052% in thickness, 0.00198 in phase refractive index, and 0.00085 in group refractive index with respect to actual values.
상기 표 1 및 표 2에서 예시된 측정값은 중심 파장이 다른 두 가지 광을 이용하여 측정한 결과이므로, 더 많은 수의 중심 파장이 다른 광을 이용하여 더 정확하게 및 을 광의 중심 파장의 함수로서 피팅(fitting)하고, 대물렌즈에 입사되는 빔의 크기에 따른 개구수까지 고려한다면 보다 더 정확한 결과를 얻을 수 있다.Since the measured values exemplified in Tables 1 and 2 are measured using two lights having different center wavelengths, a greater number of center wavelengths are used to accurately measure the light. And It is possible to obtain a more accurate result by fitting a as a function of the center wavelength of light and considering the numerical aperture according to the size of the beam incident on the objective lens.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims It can be understood that
도 1은 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating an embodiment of a method for simultaneously measuring the thickness and refractive index of a sample according to the present invention.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 방법에서 시료의 물리적 두께와 위상 굴절률 간의 관계식을 얻는 과정을 설명하기 위한 개념도이다. 2A and 2B are conceptual views illustrating a process of obtaining a relationship between a physical thickness of a sample and a phase refractive index in a method for simultaneously measuring a thickness and a refractive index of a sample according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 장치의 일 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual view illustrating an embodiment of a device for simultaneously measuring a thickness and a refractive index of a sample according to the present invention.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 시료의 두께와 굴절률 동시 측정 장치의 다른 실시예들을 설명하기 위한 개념도이다.4A to 4C are conceptual views for explaining other embodiments of a thickness and refractive index measurement apparatus of a sample according to the present invention.
도 5a는 시료의 두께와 위상 굴절률에 관한 관계식을 얻기 위한 광 파워 신호 측정 결과를 예시한 그래프이다.5A is a graph illustrating an optical power signal measurement result for obtaining a relational expression regarding a thickness and a phase refractive index of a sample.
도 5b는 시료의 두께와 군 굴절률에 대한 관계식을 얻기 위한 간섭 신호 측정 결과를 예시한 그래프이다.5B is a graph illustrating an interference signal measurement result for obtaining a relationship between a thickness of a sample and a group refractive index.
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