KR101078197B1

KR101078197B1 - 광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계

Info

Publication number: KR101078197B1
Application number: KR1020100067664A
Authority: KR
Inventors: 김학용; 양호순; 이회윤; 이윤우
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2011-11-01

Abstract

본 발명은 광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계에 관한 것으로, 편광기에 가공한 핀홀로부터 기준 파면과 측정 파면을 동시에 생성함으로써 측정 물체의 진동에 강인하게 측정을 수행할 수 있으며, 간섭계의 소형 일체화가 가능하여 결상 대상 물체에 설치가 용이한 것을 특징으로 한다.

Description

광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계 {Polarized Point-Diffraction Interferometer for Aligning Optical System}

본 발명은 광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정 물체의 진동에 강한 특성을 가짐과 동시에 간섭계의 소형 일체화가 가능하도록 하는 편광 점회절 간섭계에 관한 것이다.

광전달함수(Modulation transfer function; MTF) 등의 결상 성능을 측정하기 위한 광학 성능 평가 장치에 있어서, 평가 대상인 결상 광학계와 결상 물체의 정렬 과정은 필수적이다. 따라서 결상 광학계와 결상 물체 간의 정렬을 정밀하게 수행하기 위하여 여러 가지 기술들이 연구되어 왔다.

광학 간섭계(optical interferometer) 또는 광간섭계란 광속에 대한 파장이나 굴절률 등을 정밀하게 측정하는 장치로서, 하나의 광속이 광학 간섭계를 통과한 뒤 나뉘어 각기 다른 거리를 지난 후 한 군데 모였을 때 서로 간섭하여 세기가 증가하거나 감소함에 따라 나타나는 간섭 무늬로부터 측정한 정보를 이용하여, 정확한 파장 결정, 미소 거리나 두께 측정, 분광선 연구, 투명한 물질의 굴절률 계산 등을 수행하게 된다. 이러한 광간섭계에는 마이켈슨 간섭계 (Michelson Interferometer), 마하-젠더 간섭계 (Mach-Zehnder Interferometer), 페브리-페로 간섭계 (Fabry-Perot Interferometer) 등이 있으며, 이 중 마이켈슨 간섭계가 가장 기본적인 형태로서 많이 사용되고 있다.

종래에도 이러한 광학 간섭계를 사용하여 상술한 바와 같은 결상 광학계 및 결상 물체 간의 정렬을 수행하기 위한 여러 기술들이 있어 왔다. 본 출원인에 의하여 출원된 한국특허출원 제10-2009-0123762호("광학계 성능 측정 시스템 및 그 방법", 이하 선행기술 1)에서는, 상술한 바와 같은 일반적인 광학 간섭계 중 하나인 트와이만-그린(Twymann-green) 간섭계와 3차원 측정기 및 기준구(reference spherical ball)가 결합되어 광학계와 물체 간의 정렬을 수행하도록 되어 있었다. 그런데, 상기 선행기술 1의 경우 정밀한 정렬을 수행할 수 있다는 장점은 있으나, 트와이만-그린 간섭계 자체가 진동에 취약한 단점을 가지고 있으며, 또한 3차원 측정기 및 기준구의 부가적인 정렬 또한 이루어져야 하는 번거로움이 있어, 신속한 정렬이 어렵다는 문제점이 있었다.

상술한 바와 같이 일반적으로 널리 사용되는 간섭계가 진동에 취약하다는 문제점에 대한 해결책의 일환으로 미국특허등록 제4,762,417호(이하 선행기술 2)에 개시된 바와 같은 편광 점회절 간섭계를 사용할 수 있다. 그러나 상기 선행기술 2의 경우, 대상 광학계에 빔을 조사하기 위한 별도의 광학계가 필요한 등과 같이, 구성 부품의 개수가 많아 장치의 부피가 커지고 부품의 개수가 많아져, 설치의 불편함, 제작비 증가 등의 문제점이 부가적으로 발생하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 측정 물체의 진동에 강한 특성을 가짐과 동시에 간섭계의 소형 일체화가 가능하도록 하는 광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계는, 서로 수직한 두 방향을 각각 제1방향, 제2방향이라 할 때, 선형 편광된 빔을 제2방향으로 조사하는 광원 수단(101); 상기 광원 수단(101)과 제2방향으로 나란하게 배치되며, 상기 광원 수단(101)으로부터 조사된 빔을 평행광화하는 시준 렌즈(102); 상기 시준 렌즈(102)를 통과한 선형 편광된 평행광을 편광 분할하되 반사된 편광의 진행 방향을 제1방향 측으로 전환시키는 편광 분할기(103); 상기 편광 분할기(103)와 제1방향 전방으로 나란하게 배치되며, 중심부에 핀홀(104a)이 형성되며 상기 편광 분할기(103)에서 반사된 편광이 입사되되, 입사광의 절반은 투과시키고 나머지 절반은 상기 핀홀(104a)에 의해 회절시켜 구면파로 바꾸는 편광기(104); 상기 편광기(104)를 투과한 빔을 기준빔, 상기 편광기(104)의 상기 핀홀(104a)에 의해 회절된 빔을 측정빔이라 할 때, 상기 편광기(104)와 제1방향 전방으로 나란하게 배치되어 기준빔 및 측정빔을 원형 편광으로 변화시키는 사분파장판(105); 상기 사분파장판(105)과 제1방향 전방으로 나란하게 배치되며, 상기 사분파장판(105)을 통과한 기준빔 및 측정빔이 입사되고, 이를 반사시키는 결상 광학계(106); 상기 편광 분할기(103)와 제1방향 후방으로 나란하게 배치되며, 상기 결상 광학계(106)로부터 반사되어 온 기준빔 및 측정빔이 조사되어 간섭 무늬가 형성되는 스크린(107); 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계에 의하면, 편광기에 가공한 핀홀로부터 기준 파면과 측정 파면을 동시에 생성함으로써 측정 물체의 진동에 강인하게 측정을 수행할 수 있는 큰 장점이 있다. 또한 이에 따라 여러 단계를 거치지 않고 바로 결상 광학계 및 결상 대상 간의 정렬이 이루어지도록 할 수 있어, 매우 높은 정확도를 가지면서도 매우 신속하게 정렬을 수행할 수 있는 큰 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면, 간섭계의 소형 일체화가 가능하여 결상 대상 물체에 설치가 용이한 효과가 있어, 실제적인 활용도가 매우 크다는 장점 또한 있다. 물론 이에 따라 본 발명은 장치를 구성하는 부품의 개수가 최소화되는 바, 장치를 제작하는 비용이 최소화될 수 있는 경제적 효과 또한 있다.

도 1은 본 발명의 광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계 실시예.
도 2는 본 발명의 편광 점회절 간섭계의 광경로.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 편광 점회절 간섭계(100)는, 광원 수단(101), 시준 렌즈(102), 편광 분할기(103), 편광기(104), 사분파장판(105), 결상 광학계(106), 스크린(107)을 포함하여 이루어진다. 이 때, 서로 수직한 두 방향을 각각 제1방향, 제2방향이라 할 때, 도시된 바와 같이 상기 편광 분할기(103)를 기준으로, 상기 편광 분할기(103) - 상기 시준 렌즈(102) - 상기 광원 수단(101)이 제2방향에 나란하게 순차적으로 배열되며, 상기 스크린(107) - 상기 편광 분할기(103) - 상기 편광기(104) - 상기 사분파장판(105) - 상기 결상 광학계(106)가 제1방향에 나란하게 순차적으로 배열된다. 이하에서 각부에 관해 보다 상세히 설명한다.

상기 광원 수단(101)은 도시된 바와 같이 선형 편광된 빔을 제2방향으로 조사한다.

상기 시준 렌즈(102)는 도시된 바와 같이 상기 광원 수단(101)과 제2방향으로 나란하게 배치되며, 상기 광원 수단(101)으로부터 조사된 빔을 평행광으로 만들어 주는 역할을 한다.

상기 편광 분할기(103)는 상기 시준 렌즈(102)를 통과한 선형 편광된 평행광을 편광 분할하되 반사된 편광의 진행 방향을 제1방향 측으로 전환시켜 준다.

상기 편광기(104)는 상기 편광 분할기(103)와 제1방향 전방으로 나란하게 배치된다. 상기 편광기(104)의 중심부에는 핀홀(104a)이 형성되며, 상기 편광 분할기(103)에서 반사된 편광이 입사되는데, 이 때 상기 편광기(104)는 입사광의 절반은 그대로 투과시키고 나머지 절반은 상기 핀홀(104a)에 의해 회절시켜 구면파로 바꾸게 된다. 이 때 상기 편광기(104)를 투과한 빔을 기준빔, 상기 편광기(104)의 상기 핀홀(104a)에 의해 회절된 빔을 측정빔이라 한다.

상기 사분파장판(105)은 상기 편광기(104)와 제1방향 전방으로 나란하게 배치되어 기준빔 및 측정빔을 원형 편광으로 변화시키게 된다.

상기 결상 광학계(106)는 실질적으로 정렬이 제대로 이루어졌는지의 검사가 수행되는 검사 대상물로서, 상기 사분파장판(105)과 제1방향 전방으로 나란하게 배치되며, 상기 사분파장판(105)을 통과한 기준빔 및 측정빔이 입사된 후 이를 반사시켜 내보내게 된다.

마지막으로, 상기 결상 광학계(106)에서 반사되어 나온 기준빔 및 측정빔은, 상기 편광 분할기(103)와 제1방향 후방으로 나란하게 배치되는 상기 스크린(107)에 조사되어 간섭 무늬를 형성하게 된다. 이 때, 상기 스크린(107)에 형성된 간섭 무늬를 사용하여 상기 결상 광학계(106)의 정렬이 제대로 이루어졌는지의 여부를 쉽게 파악할 수 있게 된다.

보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상기 편광 점회절 간섭계(100)에서 상기 핀홀(104a)의 위치는 상기 결상 광학계(106)의 초점이 되며, 이 위치가 바로 결상 물체가 정렬되어야 하는 위치이다. 따라서 상기 편광 점회절 간섭계(100)를 이용하여 정렬을 마친 뒤에는 상기 편광 점회절 간섭계(100)를 제거하고 그 곳에 결상 물체를 위치시키면, 상기 결상 광학계(106)와 결상 물체의 정렬이 자동적으로 이루어지게 되는 것이다.

도 2는 본 발명의 편광 점회절 간섭계의 광경로를 보다 상세히 도시한 것이다.

도 2(A)는 상기 광원 수단(101)으로부터 나온 빛이 상기 결상 광학계(106)에 도달할 때까지의 광경로를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 광원 수단(101)으로부터 나온 빛은 선형 편광으로서, 상기 시준 렌즈(102)를 거쳐 평행광이 되어 상기 편광 분할기(103)로 입사된다. 이 때 상기 편광 분할기(103)에 의해서 반사됨으로써 빛의 방향은 제1방향(도 2(A)에서의 '진행 방향')으로 꺾여 상기 핀홀(104a)이 형성된 상기 편광기(104)로 입사된다. 상술한 바와 같이 입사광의 절반은 상기 편광기(104)를 그대로 투과하며 이를 기준빔이라 하고, 나머지 절반은 상기 핀홀(104a)에 의하여 회절되어 구면파가 되며 이를 측정빔이라 한다. 이 기준빔과 측정빔은 상기 사분파장판(105)을 통과하면서 원형 편광이 되어 상기 결상 광학계(106)로 입사되게 된다.

도 2(B)는 상기 결상 광학계(106)에서 반사된 빛이 상기 스크린(107)에 도달할 때까지의 광경로를 도시한 것이다. 상기 결상 광학계(106)에서 반사되어 나온 기준빔 및 측정빔은 상기 사분파장판(105) - 상기 편광기(104) - 상기 편광 분할기(103)를 순차적으로 거쳐 상기 스크린(107)에 조사되어 간섭 무늬를 생성하게 된다. 이 때, 측정빔은 구면파 형태로서 상기 결상 광학계(106)에 입사되었다가 반사되어 나오게 되기 때문에, 상기 결상 광학계(106)가 완전하게 정렬되지 않았을 경우 기준빔과의 광경로에 차이가 생기게 되며, 그 정도는 상기 스크린(107)에 형성되는 간섭 무늬에 의하여 정확하게 파악할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: (본 발명의) 편광 점회절 간섭계
101: 광원 수단
102: 시준 렌즈
103: 편광 분할기
104: 편광기
104a: 핀홀
105: 1/4 위상판
106: 결상 광학계
107: 스크린

Claims

서로 수직한 두 방향을 각각 제1방향, 제2방향이라 할 때,
선형 편광된 빔을 제2방향으로 조사하는 광원 수단(101);
상기 광원 수단(101)과 제2방향으로 나란하게 배치되며, 상기 광원 수단(101)으로부터 조사된 빔을 평행광화하는 시준 렌즈(102);
상기 시준 렌즈(102)를 통과한 선형 편광된 평행광을 편광 분할하되 반사된 편광의 진행 방향을 제1방향 측으로 전환시키는 편광 분할기(103);
상기 편광 분할기(103)와 제1방향 전방으로 나란하게 배치되며, 중심부에 핀홀(104a)이 형성되며 상기 편광 분할기(103)에서 반사된 편광이 입사되되, 입사광의 절반은 투과시키고 나머지 절반은 상기 핀홀(104a)에 의해 회절시켜 구면파로 바꾸는 편광기(104);
상기 편광기(104)를 투과한 빔을 기준빔, 상기 편광기(104)의 상기 핀홀(104a)에 의해 회절된 빔을 측정빔이라 할 때, 상기 편광기(104)와 제1방향 전방으로 나란하게 배치되어 기준빔 및 측정빔을 원형 편광으로 변화시키는 사분파장판(105);
상기 사분파장판(105)과 제1방향 전방으로 나란하게 배치되며, 상기 사분파장판(105)을 통과한 기준빔 및 측정빔이 입사되고, 이를 반사시키는 결상 광학계(106);
상기 편광 분할기(103)와 제1방향 후방으로 나란하게 배치되며, 상기 결상 광학계(106)로부터 반사되어 온 기준빔 및 측정빔이 조사되어 간섭 무늬가 형성되는 스크린(107);
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학계 정렬을 위한 편광 점회절 간섭계.