KR101108693B1 - 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 장치 및 방법 - Google Patents

백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광소재의 굴절률 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 상대적으로 간단한 간섭계 구도와 원리로서 단순한 형태의 샘플 준비만으로도 연속적이고 넓은 파장 영역에서의 위상 굴절률의 절대값을 일시에 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 굴절률 측정 장치는, 다중 파장의 광 신호를 출력하는 광원(10); 상기 광원(10)으로부터 입력되는 광 신호를 2개로 분배하는 광 신호 분배기(101,201), 상기 광 신호 분배기(101,201)를 통하여 분배된 광 신호 중 어느 하나를 수신하는 기준팔(110,210), 상기 광 신호 분배기(101,201)를 통하여 분배된 광 신호 중 다른 하나를 수신하여 측정 대상인 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스테이지를 구성하는 샘플팔(120,220), 상기 기준팔(110,210) 및 상기 샘플팔(120,220)을 거쳐 출력되는 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시키는 광 신호 결합기(102,202)를 포함하는 광 간섭계(100,200); 및 상기 광 간섭계(100,200)에서 간섭된 광 신호를 전달받아 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석기(20);를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치를 개시한다.
굴절률, 간섭무늬, 마이켈슨, 마하젠더, 간섭계

Description

백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 장치 및 방법{REFRACTIVE INDEX MEASUREMENT DEVICE BASED ON WHITE LIGHT INTERFEROMETRY AND METHOD THEREOF}
본 발명은 간섭무늬 측정 시스템을 이용한 광소재의 굴절률 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 복잡한 장치들을 사용하지 않고 간편하면서도 정밀하게 넓은 파장 영역에서의 위상 굴절률(Phase Refractive Index)의 절대값을 쉽고 빨리 측정할 수 있는 광소재의 굴절률 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
광소재의 굴절률 측정은 모든 광소자 및 포토닉스 소자의 소재 분석에 가장 기본이 되는 물성 측정 기술이다. 따라서, 다양한 광통신 및 광신호 처리 등의 여러 광소자들의 기능에 영향을 미치는 광소재의 주요한 물리적 특성인 굴절률을 정확하게 측정할 수 있는 방법은 매우 중요하다고 할 수 있다.
현재까지 다양한 형태의 굴절률 측정 방법이 알려져 있으며, 전통적으로는 빛이 매질을 통과하면서 굴절되는 각도를 이용하여 측정하거나 간섭계를 이용하는 방법 등이 사용되어 왔다. 이러한 방법들에서는 샘플을 프리즘 모양과 같은 특정한 모양으로 준비를 해야 하거나 복잡한 측정 장치 또는 복잡한 데이터 분석 방법이 필요하거나 특정한 파장에서의 굴절률만 측정이 가능한 점 등의 제한적인 특성이 존재한다. 이하에서는 굴절률 측정을 위한 종래의 다양한 방법과 그 문제점들에 대해 알아본다.
먼저, 1) 반사막을 이용한 단일빔 편광 간섭계의 타원계측법(ellipsometry) 분석 방식 [C. M. Herzinger, et al., J. of Appl. Phys., 83 (6), 3323-3336 (1998)] [J. C. Martinez-Anton and E. Bernabeu, Opt. Commun. 132, 321328 (1996)]의 경우 얇은 샘플에 입사하는 빛이 각도에 따른 반사광의 세기를 측정함으로써 굴절률을 측정하는 방법이며, 이 방법에서는 샘플의 두께가 얇은 경우에만 가능하고 기본적으로 단일 파장에 대한 굴절률 측정을 하되 여러 파장에 대한 특성을 얻기 위해서는 파장을 변화해 가면서 측정해야 한다는 문제점이 있다, 또한, 두께와 각도에 매우 민감하고 측정시 사용하는 광원의 선폭 등에 의한 영향이 많아 측정되는 값의 오차가 커질 수 있다는 문제점이 있다.
2) 프리즘 커플링 방식 [R. Ulrich and R. Torge, Appl. Opt., 12, 2901 (1973)]의 경우 박막의 샘플 위에 프리즘을 올려놓고 프리즘에 빛의 입사각을 변화시키면서 반사되는 빛의 세기를 측정한다. 이 때 측정은 기본적으로 단일 파장에 대해 수행하며 각도를 변화시키면서 해당 조건을 찾아가는 측정을 해야한다는 단점이 있으며, 즉 여러 파장에 대한 특성을 얻기 위해서는 파장을 변화해 가면서 반복적인 측정을 수행해야 한다는 문제점이 있다.
3) 샘플에서 빛의 최소 편차각을 이용하는 방식 [D. J. Gettemy, et al., IEEE J. Quantum Electron, 24, 2231 (1988)] [J. F. H. Nicholls, et al., Appl. Opt. 36, 8587 (1997)]의 경우 온도에 따른 굴절변화로 굴절된 빛의 최소 편차각을 이용하는 방식에서는 샘플을 프리즘과 같이 특정한 모양으로 준비하여 입사각과 굴절각의 편차가 가장 적은 각도를 측정하는 방식으로 샘플을 준비하기가 힘들고 단일파장에서의 각도 변화를 일일이 측정해야 한다는 문제점이 있다.
4) 아베 굴절률 방식 [J. Rheims, et al, Meas. Sci. Technol., 8, 601-605 (1997)] [M. Debenham, et al., Opt. Acta, 26, 1487-1503 (1979)] [G. H. Meeten, Meas. Sci. Technol. 8, 728 (1997)] [S. Singh, Phys. Scr., 65, 167-180 (2002)]의 경우 샘플의 굴절률에 따른 전반사 임계각을 이용하는 방법으로서, 프리즘의 굴절률에 따라서 측정 가능한 굴절률의 범위가 결정되며, 주어진 단일 파장에서의 전반사 조건을 일일이 찾아 굴절률을 측정해야 한다는 문제점이 있다.
5) 단일 파장 간섭계 방식 [M. S. Shumate, Appl. Opt. 5, 327 (1966)] [J. F. H. Nicholls, et al., Appl. Opt. 36, 8587 (1997)] [K. Betzler, et al., Rev. Sci. Instrum. 59, 652 (1988)]의 경우 샘플을 회전시키면서 단일 파장에서의 굴절률을 측정하는 방법으로 연속적인 파장에서의 굴절률은 볼 수가 없고, 다만 파장을 이동하면서 고정된 단색 파장에서 반복적인 측정이 이루어져야 하는 방법으로서 연속적인 파장에서의 굴절률 변화 즉 색분산을 한번 만에 간단하게 측정하기가 곤란하다는 문제점이 있다.
6) 넓은 파장 대역을 가진 낮은 결맞음 광원 간섭계 방식 [W. V. Sorin and D. F. Gray, IEEE Photonics Technol. Lett., 4 (1), 105-107 (1992)] [D. F. Murphy and D. A. Flavin, Appl. Opt., 39 (25), 4607-4615 (2000)] [H. Maruyama, et al., Appl. Opt., 41, 13151322 (2002)] [D.-S. Park, et al., Hankook Kwanghak Hoeji (Korean), 20 (1), 29-33 (2009)] [한국 특허 10-0290086 (2001)]의 경우 본 발명에서와 같거나 비슷한 특성의 광원을 사용하되 기존의 기술에서는 샘플은 고정 시키되 한 쪽 거울을 이동하면서 결맞은 조건이 만족되는 파장에서의 간섭 피크를 시간 축 상에서 측정하는 방법이다. 이 방법에서는 샘플의 각 파장에서의 절대적인 위상 굴절률(phase refractive index) 대신에 넓은 파장 영역에서의 군 굴절률(group refractive index) 만을 측정할 수 있다는 문제점이 있다.
7) 회절 격자를 이용한 방식 [W. Liang, et al., Appl. Phys. Lett., 86, 151122:1-3 (2005)] [I. Del Villar, et al., Opt. Lett., 30, 2363-2365 (2005)]과 8) 표면 플라즈몬 공명을 이용한 방식 [B. Gauvreau, et al., Opt. Express 15, 11413-11426 (2007)]의 경우 굴절률 측정범위가 회절격자의 격자 파장 범위와 표면 플라즈마에 쓰이는 금속의 굴절률에 의한 한계가 있으며, 파장에 대한 절대적인 굴절률 값을 측정하기 보다는 회절격자나 표면 플라즈몬 생성용 소자 주위의 액체나 기체와 같은 매질의 굴절률 변화를 측정하는 센서로서의 활용으로만 적합하다는 문제점이 있다.
9) 'Optical Low-Coherence Tomography'를 이용한 방식 [G. J. Tearney, et al., Opt. Lett., 20 (21), 2258-2260 (1995)]의 경우 넓은 파장 영역의 광원 신호에 대해 간섭이 일어나는 조건을 이용하여 시료 내의 국부적인 굴절률 분포만을 측정하기 때문에 단일 파장에서의 절대적인 위상 굴절률(phase refractive index)이 아닌 넓은 파장 영역에서의 군 굴절률(group refractive index)만 측정이 가능하다는 문제점이 있다.
10) 광섬유를 이용한 페브리-페롯(Febry-Perot) 간섭계 방식 [T. Wei, Y. Han, et al., Opt. Express., 16 (8), 5764-5769 (2008)]의 경우 광섬유의 코어 부분이 식각된 간격 사이의 페브리-페롯 간섭계 구조에 측정하고자 하는 시료를 넣었을 때의 굴절률 변화를 측정하므로 절대적인 위상 굴절률(phase refractive index)의 측정보다는 액체나 기체 상태의 시료에 대한 굴절률 변화를 측정하기 위한 센서에서만 적합하다는 문제점이 있다.
11) 링 공진기를 이용한 방식 [I. M. White, et al., Opt. Lett., 31, 1319-1321 (2006)] [I. M. White and X. Fan, Opt. Express, 16, 1020-1028 (2008)]의 경우 링 공진기에 액체 샘플을 떨어트려 공진 조건을 바꿈으로써 굴절률의 변화를 측정하는 것으로 샘플의 절대적인 위상 굴절률의 측정이 곤란하다는 문제점이 있다.
12) 포토닉 크리스탈에서의 컷오프 파장을 이용한 방식 [N. Skivesen, et al., Opt. Express, 15, 3169-3176 (2007)]의 경우 액체 샘플이 포토닉 크리스탈 주변에 있는 경우 빛의 진행 컷오프 조건이 변하는 것을 이용한 것으로서 파장에 따른 굴절률을 측정하기에는 부적절하다는 문제점이 있다.
13) 샘플에 입사하는 빛의 각도에 따른 광세기를 측정하는 방식 [G. Coppola, et al, Appl. Opt., 42 (19), 3882-3887 (2003)] [H. J. Choi, et al., Sae Mulli (The Korean Physical Society, Korean), 53 (6), 489-494 (2006)] [H. J. Choi, et al., J. of the Kor. Phys. Soc., 53 (6), 3197-3200 (2008)]의 경우 입사각도에 따른 광경로 길이가 변하는 정도에 따라서 간섭계의 보강 상쇄 간섭 조건이 변하는 것을 이용하는 것으로 단일 파장에서의 굴절률만을 측정 가능하며, 측정 횟수가 많아 시간이 오래걸리고, 각도에 따른 빛의 세기에 대한 그래프를 피팅시 오차가 생길 가능성이 많은 단점이 있다. 또한, 넓은 파장 영역에서의 연속적인 굴절률 측정이 어려운 문제점이 있다.
14) 공초점 현미경을 이용하는 방법 [T. Fukano and I. Yamaguchi, Appl. Opt., 38, 40654073 (1999)] [한국 공개특허 특2001-0113146, 공개특허 10-2006-0066267]의 경우 공초점 현미경과 파장 스캐닝 간섭계를 혼합하여 샘플의 굴절률과 두께를 동시에 측정하는 구도로 파장 변이 범위가 좁은 레이저 다이오도의 파장 조절을 통해 간섭 무늬의 위상 변화를 시간축 상에서 측정하는 방법으로서, 주어진 레이저 다이오드 파장에서의 굴절률 측정이 가능하여 연속적인 넓은 파장 영역에서의 절대적인 위상 굴절률을 측정하기가 곤란한 문제점이 있다.
15) 피조우(Fizeau) 간섭계를 이용하는 방법 [D. Bhattacharyya, et al., Opt. Laser Technol., 34, 9396 (2002)] [한국 공개특허 10-2006-0031199]의 경우 경사면을 가진 샘플을 준비하여야 하며 측정하고자 하는 파장 주위의 좁은 파장 영역에서의 간섭 무늬가 변화하는 특성을 측정하여 굴절률을 구하기 때문에 이 방법의 경우도 연속적인 넓은 파장 영역에서의 절대적인 위상 굴절률을 측정하기가 곤란한 문제점이 있다.
16) 전하커플소자 (CCD) 카메라와 평면 샘플에 입사되는 경사진 입사빔에 대 해 샘플의 전면 및 후면에서 편향되는 빔의 떨어진 거리를 측정하는 방법 [미국 특허 공개 0025899 (2003)]의 경우 경사 입사각을 변화시켜 가면서 샘플의 전면 및 후면에서 편향되는 빔의 떨어진 거리를 측정하여 샘플의 위상 굴절률을 측정하기가 곤란한 문제점이 있다.
마지막으로, 17) 얇은 박막에서 반사되는 간섭 무늬를 이용하는 방법 [R. Swanepoel, J. Phys. E: Sci. Instrum, 16, 1214-1222 (1983)] [미국 특허 4,335,961 (1982)]의 경우 얇은 박막에서의 간섭 무늬를 이용하여 굴절률과 두께를 결정하는 방법이나 오차 범위가 제법 큰 편이며, 복잡한 계산 분석이 필요하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 상대적으로 간단한 간섭계 구도와 원리로서 단순한 형태의 샘플 준비만으로도 연속적이고 넓은 파장 영역에서의 위상 굴절률의 절대값을 일시에 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제 1 및 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 장치는, 다중 파장의 광 신호를 출력하는 광원(10); 상기 광원(10) 으로부터 입력되는 광 신호를 2개로 분배하는 광 신호 분배기(101,201), 상기 광 신호 분배기(101,201)를 통하여 분배된 광 신호 중 어느 하나를 수신하는 기준팔(110,210), 상기 광 신호 분배기(101,201)를 통하여 분배된 광 신호 중 다른 하나를 수신하여 측정 대상인 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스테이지를 구성하는 샘플팔(120,220), 상기 기준팔(110,210) 및 상기 샘플팔(120,220)을 거쳐 출력되는 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시키는 광 신호 결합기(102,202)를 포함하는 광 간섭계(100,200); 및 상기 광 간섭계(100,200)에서 간섭된 광 신호를 전달받아 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석기(20)를 포함한다.
상기 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치에서 상기 기준팔(110)은, 상기 광 신호 분배기(101)로부터 수신한 광 신호를 공기 중으로 출력하기 위한 광 신호 출력용 콜리메이터(104); 및 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104)로부터 출력된 광 신호를 수신하기 위한 광 신호 수신용 콜리메이터(105);를 포함하며, 상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 수신용 콜리메이터(105)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 형성될 수 있다. 아울러 광 콜리메이터(104,105) 중 한 개에는 직선형 스테이지를 설치하여 둘 사이의 간격을 조절함으로써 기준팔(110)에서의 광경로 길이를 조절할 수 있도록 구성한다.
상기 샘플팔(120)은, 상기 광 신호 분배기(101)로부터 수신한 광 신호를 광 샘플 설치대(130)로 조사하는 광 신호 발사용 콜리메이터(106); 및 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통과하여 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(106)로부터 조사되는 광 신호를 수신하는 광 신호 수광용 콜리메이터(107);를 포함하며, 상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(106) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 수광용 콜리메이터(107)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 형성될 수 있다.
상기 광 간섭계(100)로부터 출력되는 간섭무늬의 가시성(Visibility)을 높이기 위해 편광 조절기(103)가 상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104) 사이의 광경로 또는 상기 광 신호 수신용 콜리메이터(105)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이에 구비되어 이들 광 경로 상으로 진행하는 광 신호의 편광 방향을 조절하도록 구성될 수 있다. 상기 편광 조절기(103)는 상기 기준팔(110) 경로 대신에 상기 샘플팔(120) 경로 상에 설치 될 수도 있다.
상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 굴절률 측정 장치에서 상기 기준팔(210)은 상기 광 신호 분배기(201)로부터 분배된 광 신호를 굴절시켜 광 신호 결합기(202)로 조사되도록하고, 위치 이동을 통하여 기준팔에서의 광 경로 길이를 조절하는 제 1굴절수단(203,204);을 포함한다. 상기 샘플팔(220)은 상기 광 신호 분배기(201)로부터 분배된 상기 광 신호를 굴절시켜 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통과하여 상기 광 신호 결합기(202)로 조사되도록 하는 제 2굴절수단(205,206);을 포함한다.
상기 제 1굴절수단(204)과 상기 광 신호 결합기(202) 사이의 광 경로에는 광 신호의 편광 방향을 조절하기 위한 반파장판형 편광조절기(207)가 구비될 수 있다. 상기 반파장판형 편광조절기(207)는 상기 기준팔(210) 경로 대신에 샘플팔(220) 경로 상에 설치될 수도 있다.
상기 샘플팔(120, 220)은 굴절률이 측정될 평행판형의 샘플을 포함할 수 있다.
상기 샘플팔(120, 220)은 굴절률이 미리 측정된 기판 위에 굴절률을 측정하고자 하는 물질이 박막으로 코팅된 샘플을 포함할 수 있다.
상기 샘플팔(120, 220)은 굴절률이 미리 측정된 물질로 이루어진 액체를 담을 수 있는 용기와 상기 용기에 담긴 액체 샘플을 포함할 수 있다.
상기 광 간섭계(100,200)의 외면에는 외부 진동의 영향을 차단하기 위한 진동차단막(30)이 구비될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 기존 기술들의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 제 3 및 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 장치는, 다중 파장의 광 신호를 출력하는 광원(10); 상기 광원(10)으로부터 입력되는 광 신호를 2개로 분배하고, 분배된 방향으로부터 되돌아오는 두 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시키는 광 신호 분배/결합 수단(301,401), 분배된 두 광 신호 중 어느 하나를 반사하여 상기 광 신호 분배/결합 수단(301,401)으로 되돌려 보내는 기준팔(310,410), 분배된 광 신호 중 다른 하나를 측정대상인 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스테이지를 구성하며 광 신호를 상기 광 신호 분배/결합 수단(301,401)으로 되돌려 보내고 상기 광 신호 분배/결합 수단(301,401)의 다른쪽 입력단으로 간섭무늬가 출력되도록 하는 샘플팔(320,420)을 포함하는 광 간섭계(300,400); 및 상기 광 간섭계(300,400)에서 간섭된 광 신호를 전달받아 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석기(20);를 포함한다.
상기 본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 장치에서 상기 기준팔(310)은 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 나온 광 신호를 수신하고, 수신된 광 신호를 제 1반사체(305)로 출력한 후 상기 제 1반사체(305)로부터 반사된 광 신호를 입력받는 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303)를 포함하고, 상기 샘플팔(320)은 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 나온 광 신호를 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플로 출력하고, 상기 광 샘플을 통하여 투과되며 제 2반사체(306)에 의해 반사된 광 신호를 입력받는 광 신호 연결 콜리메이터(304)를 포함하고, 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)과 상기 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)과 상기 광 신호 연결 콜리메이터(304) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 구성될 수 있다.
상기 광 간섭계(300)로부터 출력되는 간섭무늬의 가시성(Visibility)을 높이기 위해 편광 조절기(302)가 상기 광 신호 분배기(301)와 상기 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303) 사이의 광경로 상으로 진행하는 광 신호의 편광 방향을 조절하도록 구성될 수 있다. 상기 편광 조절기(302)는 상기 기준팔(310) 경로 대신에 상기 샘플팔(320) 경로 상에 설치 될 수도 있다.
상기 제 1반사체(305)는 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 분배된 광 신호 중 어느 하나를 반사하여 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로 되돌려 보내며, 앞뒤로 위치 이동을 통하여 상기 기준팔(310)에서의 광 경로 길이를 조절할 수 있다.
상기 본 발명의 제 4 실시예에 따른 굴절률 측정 장치에서 상기 기준팔(410)은 상기 광 신호 분배/결합수단(401)로부터 분배된 광 신호를 제 1반사체(403)로 보내어 반사되어 되돌아오게 하고, 이 제 1반사체(403)의 위치 이동을 통하여 기준팔에서의 광 경로 길이를 조절하도록 한다. 상기 샘플팔(420)은 상기 광 신호 분배/결합수단(401)로부터 분배된 다른 쪽 광 신호를 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통과하여 상기 제 2반사체(404)로 보내어 반사되어 되돌아오게 한다.
상기 광 신호 분배/결합수단(401)과 상기 제 1반사체(403) 사이의 광 경로에는 광 신호의 편광 방향을 조절하기 위한 반파장판형 편광조절기(402)가 구비될 수 있다. 상기 반파장판형 편광조절기(402)는 상기 기준팔(410) 경로 대신에 샘플팔(420) 경로 상에 설치될 수도 있다.
상기 샘플팔(320, 420)은 굴절률이 측정될 평행판형의 샘플을 포함할 수 있다.
상기 샘플팔(320, 420)은 굴절률이 미리 측정된 기판 위에 굴절률을 측정하고자 하는 물질이 박막으로 코팅된 샘플을 포함할 수 있다.
상기 샘플팔(320,420)은 굴절률이 미리 측정된 물질로 이루어진 액체를 담을 수 있는 용기와 상기 용기에 담긴 액체 샘플을 포함할 수 있다.
상기 광 간섭계(300, 400)의 외면에는 외부 진동의 영향을 차단하기 위한 진동차단막(30)이 구비될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 방법은, 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는 기준 스펙트럼 획득단계; 상기 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환을 이용하여 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 기준 간섭무늬 획득단계; 상기 기준 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 기준 위상차 계산단계; 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고 상기 기준 간섭무늬 획득단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 대조 간섭무늬 획득단계; 상기 대조 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 대조 위상차 계산단계; 상기 기준 위상차 계산단계 및 상기 대조 위상차 계산단계 각각에 대하여 위상 차이값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정하는 피팅함수 결정단계; 및 상기 피팅함수 결정단계에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값의 차이값과 하기의 수학식 17을 이용하여 굴절률을 계산하는 굴절률 계산단계;를 포함한다.
또한, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 방법은, 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하며 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는 기준 스펙트럼 획득단계; 상기 기준 스펙트럼 획득단계와 동일하게 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계의 두 팔 중 하나만을 교번적으로 막아 빛 통과를 차단하고, 차단되지 않은 팔의 스펙트럼을 측정한 후, 이들 스펙트럼을 상기 기준 스펙트럼 획득단계에서 얻어진 스펙트럼으로 부터 제외하고 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 기준 간섭무늬 획득단계; 상기 기준 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 기준 위상차 계산단계; 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고 상기 기준 간섭무늬 획득단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 대조 간섭무늬 획득단계; 상기 대조 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 대조 위상차 계산단계; 상기 기준 위상차 계산단계 및 상기 대조 위상차 계산단계 각각에 대하여 위상 차이값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정하는 피팅함수 결정단계; 및 상기 피팅함수 결정단계에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 17에 의하여 굴절률을 계산하는 굴절률 계산단계;를 포함한다.
상기 기준 스펙트럼 획득단계 또는 상기 대조 스펙트럼 획득단계 이전에 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절하는 전송길이 조절단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 전송길이 조절단계는 간섭무늬의 가시도가 가장 큰 상태가 될 수 있도록 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절할 수 있다.
상기 광 샘플이 복굴절률을 가지는 경우에는, 이중 간섭무늬가 측정되도록 상기 광 샘플로 조사되는 광 신호의 편광과 상기 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절하는 조절단계; 일정한 간격의 스펙트럼을 구하기 위하여 상기 기준 스펙트럼 획득단계 및 대조 스펙트럼 획득단계에서 획득된 스펙트럼을 보간하는 보간단계; 푸리에 변환과 필터링 및 역푸리에 변환 과정을 이용하여 보간(interpolation)된 스펙트럼으로부터 정상 굴절빔과 비정상 굴절빔에 대한 간섭무늬로 구분하는 간섭무늬 구분단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시 예로서 박막 샘플의 굴절률 측정 실시방법은, 상기의 굴절률 측정 실시방법을 이용하여 기판(substrate) 굴절률 측정단계(이미 잘 알려진 기판(substrate)의 경우에는 생략 가능) ; 기판에 박막 샘플을 코팅하는 단계 ; 상기 박막 샘플을 굴절률 측정 실시방법을 이용하여 박막 샘플의 기준 위상 차값 및 대조 위상차값 간의 차이값을 구하는 단계 ; 상기 기판의 굴절률과 상기 박막 샘플의 기준위상차값 및 대조 위상차값 간의 차이값을 이용하여 본 발명에서 제시되는 박막의 굴절률 계산식 (수학식 17 또는 18)을 이용하여 박막의 굴절률을 계산하는 박막의 굴절률 계산 단계;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 액체 샘플의 굴절률 측정 실시방법은, 상기의 굴절률 측정 실시방법을 이용하여 액체 샘플 마운트 굴절률 측정단계(액체 샘플 마운트의 재료의 굴절률이 이미 잘 알려진 경우에는 생략 가능) ; 액체 샘플 마운트에 액체 샘플을 넣고 상기 박막 샘플을 굴절률 측정 실시방법을 이용하여 박막 샘플의 기준 위상차값 및 대조 위상차값 간의 차이값을 구하는 단계 ; 상기 액체 샘플 마운트의 굴절률과 상기 액체 샘플의 기준위상차값 및 대조 위상차값 간의 차이값을 이용하여 본 발명에서 제시되는 액체 샘플의 굴절률 계산식 (수학식 17 또는 18)을 이용하여 박막의 굴절률을 계산하는 액체 샘플의 굴절률 계산 단계 ; 를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복굴절 샘플의 굴절률 측정 실시방법은, 다중 파장의 광신호를 출력하는 광원과, 상기 광원으로부터 출력된 광신호를 2개로 분배하여 기준팔과, 측정대상인 광 샘플이 안착된 샘플팔에 각각 공급한 뒤 상기 기준팔 및 상기 샘플팔을 거쳐 출력되는 광신호를 결합하여 상호 간섭시키는 광 간섭계 및 상기 광 간섭계에서 간섭된 광신호를 전달받아 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석장치를 이용하여 복굴절 샘플의 굴절률을 측정하는 방법으로서, 상기 광 샘플이 샘플에 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있을 상태에서 상 기 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고, 상기 스펙트럼을 빠른 푸리에 변환과 필터링 기능, 그리고 역푸리에 변환 과정을 이용하여 정상(ordinary) 굴절률에 의한 스펙트럼과 이상(extraordinary) 굴절률에 의한 스펙트럼을 분리하는 스펙트럼 분리 단계 ; 상기 분리된 각각의 스펙트럼을 힐버트변환을 이용하여 정규화(normalize)시키는 기준 간섭무늬 획득 단계 ; 상기 기준 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터의 주파수 변화에 따른 위상차이 값을 계산하는 기준 위상차 계산단계 ; 상기 광 샘플이 회전된 상태에서, 상기 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고, 상기 기준 스펙트럼 획득단계와 동일한 과정을 거쳐서 정상(ordinary) 굴절률에 의한 스펙트럼과 이상(extraordinary) 굴절률에 의한 스펙트럼을 분리하는 스펙트럼 분리 단계 ; 상기 분리된 스펙트럼을 정규화(normalize)하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 대조 간섭무늬 획득단계 ; 상기 대조 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터의 주파수 변화에 따른 위상차이 값을 계산하는 대조 위상차 계산단계 ; 상기 기준 위상차 계산단계 및 상기 대조 위상차 계산단계 각각에 대해서 위상차이 값을 데이터 피팅(data fitting)하여 각각의 피팅 함수를 결정하는 피팅 함수 결정단계 ; 및 상기 피팅 함수 결정단계에서 결정된 피팅 함수들을 이용하여 임의의 파장에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하는 단계; 각 파장에서의 상기 기준 위상차값 및 상기 대조 위상차값 간의 차이값과 본 발명에서 제시되는 복굴절 샘플의 굴절률 계산식 (수학식 17 또는 18)을 이용하여 굴절률을 계산하는 굴절률 계산 단계 ; 를 포함한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 장치 및 방법에 의하면, 고체 샘플과 액체 샘플 및 벌크형 샘플과 박막 샘플, 그리고 복굴절 물질의 파장에 따른 굴절률을 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 미리 준비된 기준값이 요구되지 않으며, 샘플의 상태에도 영향을 받지 않으므로 종래 기술에 비래 측정의 제약이 적을 뿐만 아니라, 샘플을 특정 형태로 가공할 필요가 없으므로 빠르고 용이한 측정이 가능한 효과가 있다.
또한, 기본적인 간섭계 이외에 추가로 필요한 요소들이 거의 없으므로 매우 간단한 구조가 가능하며, 특히 복굴절 물질의 경우에는 편광자와 같은 장치가 필요 없으므로 구조가 간단할 뿐만 아니라 측정이 매우 빠르고 간단한 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다. 보다 자세하게, 상기 도 1은 광섬유 소자를 이용한 굴절률 측정 장치의 구성도이고, 도 2는 벌크(bulk)형 광소자인 프리즘 등으로 구성한 굴절률 측정 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 1 및 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 장치는 마하젠더 간섭계를 이용한 것으로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(10), 광 간섭계(100,200), 광 스펙트럼 분석기(20) 및 진동차단막(30)을 포함한다.
상기 광원(10)은 다중 파장의 광 신호를 출력한다. 본 발명에 따른 굴절률 측정 장치는 넓은 영역의 파장에서의 굴절률을 한 번에 측정할 수 있다는 점에서 기존의 방식보다 차별성이 있으므로, 상기 광원(10)은 다중 파장의 광원인 것이 바람직하다.
먼저, 본 발명의 제 1실시예에 따른 측정 장치는 광원(10), 광 간섭계(100) 및 광 스펙트럼 분석기(20)를 기본 구성으로 한다.
여기서, 상기 광 간섭계(100)는 다시 광신호 분배기(101), 기준팔(110), 샘플팔(120) 및 광 신호 결합기(102)를 포함한다.
상기 광 신호 분배기(101)는 상기 광원(10)으로부터 입력되는 광 신호를 2개로 분배한다. 즉 상기 광신호 분배기(101)는 상기 광원(10)에서 나온 광 신호를 상기 기준팔(110)과 샘플팔(120)로 나누어 준다.
상기 광 신호 결합기(102)는 상기 기준팔(110) 및 상기 샘플팔(120)을 거쳐 출력되는 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시킨다. 즉, 상기 광 신호 결합기(102)는 상기 광 신호 분배기(101)를 통하여 상기 기준팔(110) 및 샘플팔(120)로 나누어진 광 신호를 다시 결합하여 상호 간섭시키는 역할을 한다.
상기 광 스펙트럼 분석기(20)는 광 간섭계(100)에서 간섭된 광 신호를 전달받아 스펙트럼을 분석한다. 즉, 상기 광 스펙트럼 분석기(20)는 상기 광 신호 결합기(102)에서 결합되고 상호 간섭된 신호를 전달받아 스펙트럼 정보를 분석한다.
상기 기준팔(110)은 상기 광 신호 분배기(101)를 통하여 분배된 광 신호 중 어느 하나를 수신한다. 보다 자세하게, 상기 기준팔(110)은 광 신호의 편광을 조절하여 간섭무늬의 가시성(visibility)을 높이기 위한 편광조절기(103), 공기 중으로 광 신호를 전달시키기 위한 2개의 광 콜리메이터(Optical Collimator, 104, 105)를 포함한다. 여기서 상기 광 콜리메이터로는 필요에 따른 그린렌즈(GRIN Lens)가 사용될 수 있다. 상기 2개의 광 콜리메이터는 다시 광 신호 출력용 콜리메이터(104) 및 광 신호 수신용 콜리메이터(105)로 나누어질 수 있다.
이 때, 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104)는 상기 광 신호 분배기(101)로부터 수신한 광 신호를 공기중으로 출력하며, 상기 광 신호 수신용 콜리메이터(105)는 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104)로부터 출력된 광 신호를 수신한다. 이 때, 2개의 광 콜리메이터(104, 105) 중 한 개에는 직선형 스테이지를 설치하여 줄 사이의 간격을 조절함으로써 기준팔(110)에서의 광 경로 길이를 조절할 수 있도록 하여야 한다. 이렇게 함으로써 샘플의 두께를 측정할 수 있도록 할 수 있다(W. V. Sorin and D. F. Gray, IEEE Photonics Technol. Lett., 4 (1), 105-107, 1992)
한편, 상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 수신용 콜리메이터(105)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 형성될 수 있다.
상기 샘플팔(120)은 상기 광 신호 분배기(101)를 통하여 분배된 광 신호 중 다른 하나를 수신하여 측정 대상인 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스테이지를 구성하며, 상기 샘플팔(120)은 광 신호 발사용 콜리메이터(106), 광 샘플 설치대(130) 및 광 신호 수광용 콜리메이터(107)를 포함한다.
이 때, 상기 광 샘플 설치대(130)는 회전 스테이지와 샘플 홀더로 구성되어 상기 샘플이 회전될 수 있도록 형성되어야 한다.
여기서, 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(106)는 상기 광 신호 분배기(101)로부터 수신한 광 신호를 광 샘플 설치대(130)로 조사하며, 상기 광 신호 수광용 콜리메이터(107)는 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통과하여 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(160)로부터 조사되는 광 신호를 수신하는 역할을 한다.
한편, 상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(106) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 수광용 콜리메이터(107)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치를 이용하여 샘플의 굴절률을 측정하는 방법을 설명한다.
본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 방법은 기준 스펙트럼 획득단계(S110), 기준 간섭무늬 획득단계(S120), 기준 위상차 계산단계(S130), 대조 간섭무늬 획득단계(S140), 대조 위상차 계산단계(S150), 피팅함수 결정단계(S160) 및 굴절률 계산단계(S170)을 포함한다.
먼저, 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S110)에서는 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는다.
상기 기준 간섭무늬 획득단계(S120)에서는 상기 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환(Hilbert Transformation)을 이용하여 정규화(normalizing)하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다. 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S120)에서 정규화하는 또 다른 방법으로는 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S110)와 동일하게 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계의 두 팔 중 하나만을 교번적으로 막아 빛 통과를 차단하고, 차단되지 않은 팔의 스펙트럼을 측정한 후, 이들 스펙트럼을 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S120)에서 얻어진 스펙트럼으로부터 제외함으로써 정규화된 간섭무늬 스펙트럼이 얻어질 수 있다.
상기 기준 위상차 계산단계(S130)에서는 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S120)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변환에 따른 위상 차이값을 계산한다.
상기 대조 간섭무늬 획득단계(S140)에서는 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고 상기 기준 간섭무늬 획득단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.
상기 대조 위상차 계산단계(S150)에서는 상기 대조 간섭무늬 획득단계(S140)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산한다.
상기 피팅함수 결정단계(S160)에서는 상기 기준 위상차 계산단계(S130) 및 상기 대조 위상차 계산단계(S150) 각각에 대하여 위상 차이값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정한다.
마지막으로, 상기 굴절률 계산단계(S170)에서는 상기 피팅함수 결정단계(S160)에서 결정된 피팅함수를 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수(f)에서의 기준 위상차 값(Φ(f))과 대조 위상차 값(Ψ(f))을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값의 차이값(Φ(f)-Ψ(f))과 하기의 수학식 17을 이용하여 굴절률을 계산한다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 측정 장치 역시 제 1실시예와 마찬가지로 광원(10), 광 간섭계(200) 및 광 스펙트럼 분석장치(20)를 기본 구성으로 한다.
다만, 본 발명의 제 2실시예에 따른 측정 장치는 광섬유 소자와 광섬유 경로를 이용하는 대신에, 벌크 광학계를 이용한 구조이며 기본적인 구성은 제 1실시예와 비슷하다.
한편, 본 발명의 제 2실시예에 따른 측정 장치는 광 신호를 분배하기 위한 광 신호 분배기(201)로서 빔 분파기를 이용할 수 있고, 광 신호를 결합하기 위한 광 신호 결합기(202)로서 빔 결합기를 이용할 수 있다.
기준팔(210)은 광 경로를 조절하기 위한 제 1후방반사기(203)와 제 1굴절수단(204) 및 편광을 조절하기 위한 반파장판형 편광조절기(207)를 포함하며, 샘플팔(220)은 광경로를 조절하기 위한 제 2후방반사기(205), 제 2굴절수단(206) 및 샘플설치대(130)을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2굴절수단(204, 205)는 거울이 사용될 수 있다.
그리고, 광경로 조절과 샘플 두께 측정을 위하여 상기 제 1 및 제 2후방반사기(204, 205) 중 하나에는 직선형 스테이지를 설치하여 위치를 변경할 수 있다.
여기서, 상기 제 1굴절수단(204)은 상기 광 신호 분배기(201)로부터 분배된 광 신호를 굴절시켜 광 신호 결합기(202)로 조사되도록 하고, 위치 이동을 통하여 기준팔에서의 광경로 길이를 조절한다.
상기 제 2굴절수단(206)은 상기 광 신호 분배기(201)로부터 분배된 광 신호를 굴절시켜 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통하여 상기 광 신호 결합기(202)로 조사되도록 한다.
이하에서는 본 발명의 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 장치를 이용하여 샘플의 굴절률을 측정하는 방법을 설명한다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 방법은 기준 스펙트럼 획득단 계(S210), 기준 간섭무늬 획득단계(S220), 기준 위상차 계산단계(S230), 대조 간섭무늬 획득단계(S240), 대조 위상차 계산단계(S250), 피팅함수 결정단계(S260) 및 굴절률 계산단계(S270)을 포함한다.
먼저, 기준 스펙트럼 획득단계(S210)에서는 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하며 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는다.
상기 기준 간섭무늬 획득단계(S220)에서는 상기 기준 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환(Hilbert Transformation)을 이용하여 정규화(normalizing)하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다. 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S220)에서 정규화하는 또 다른 방법으로는 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S210)와 동일하게 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계의 두 팔 중 하나만을 교번적으로 막아 빛 통과를 차단하고, 차단되지 않은 팔의 스펙트럼을 측정한 후, 이들 스펙트럼을 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S210)에서 얻어진 스펙트럼으로부터 제외함으로써 정규화된 간섭무늬 스펙트럼이 얻어질 수 있다.
상기 기준 위상차 계산단계(S230)는 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S220)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변환에 따른 위상 차이값을 계산한다.
상기 대조 간섭무늬 획득단계(S240)에서는 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고 상기 기준 간섭무늬 회득 단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.
상기 대조 위상차 계산단계(S250)에서는 상기 대조 간섭무늬 획득단계(S240)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산한다.
상기 피팅함수 결정단계(S260)에서는 상기 기준 위상차 계산단계(S230) 및 상기 대조 위상차 계산단계(S250) 각각에 대하여 위상 차이값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정한다.
마지막으로, 굴절률 계산단계(S270)에서는 상기 피팅함수 결정단계(S260)에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 17에 의하여 굴절률을 계산한다.
도 3은 본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다. 보다 자세하게, 상기 도 3은 광섬유를 이용한 마이켈슨 간섭계 구조의 굴절률 측정 장치의 구성도이고, 도 4는 벌크형 마이켈슨 간섭계 구조의 굴절률 측정 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 3 및 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 장치는 마이켈슨(Michelson) 간섭계를 이용한 것으로서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 광원(10), 광 간섭계(300, 400), 광 스펙프럼 분석기(20) 및 진동차단막(30)을 포함 한다.
상기 광 간섭계(300, 400)는 기준팔(310, 410)과 샘플팔(320, 420)에서 광 신호를 분배하고, 분배한 방향으로부터 되돌아오는 둘 이상의 광 신호를 결합하여 상호 간섭시키는 광 신호 분배/결합수단(301, 401)을 포함하며, 이 점에서 상술한 제 1 및 제 2실시예와 차이가 있다.
먼저, 본 발명의 제 3실시예에 따른 측정 장치는 광원(10), 광 간섭계(300) 및 광 스펙트럼 분석기(20)를 기본 구성으로 한다.
여기서, 상기 광 간섭계(300)는 다시 광 신호 분배/결합수단(301), 기준팔(310), 샘플팔(320)을 포함한다.
상기 광 신호 분배/결합수단(301)은 상기 광원(10)으로부터 입력되는 광 신호를 2개로 분배하고, 분배된 방향으로부터 되돌아오는 두 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시킨다.
상기 기준팔(310)은 분배된 두 광 신호 중 어느 하나를 반사하여 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로 되돌려 보내는 역할을 한다.
이를 위해 상기 기준팔(310)은 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 나온 광 신호를 수신하고, 수신된 광 신호를 제 1반사체(305)로 출력한 후 상기 제 1반사체(305)로부터 반사된 광 신호를 입력받는 광 신호 출력/수신용 콜리케이터(303)를 포함한다.
상기 샘플팔(320)은 분배된 광 신호 중 다른 하나를 측정대상인 광 샘플 설 치대(130) 상의 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스페이지를 구성하며 광 신호를 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로 되돌려 보내고 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)의 다른쪽 입력단으로 간섭무늬가 출력되도록 한다.
이를 위해 상기 샘플팔(320)은 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 나온 광 신호를 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플로 출력하고, 상기 광 샘플을 통하여 투과되며 제 2반사체(306)에 의해 반사된 광 신호를 입력받는 광 신호 연결 콜리메이터(304)를 포함한다.
즉, 본 발명의 제 3실시예에 다른 굴절률 측정 장치에서는 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로서 광섬유 커플러를 이용할 수 있고, 기준팔(310)과 샘플팔(320)의 끝단에 각각 제 1 및 제 2반사체(305,306)가 설치된다. 본 실시예에서는 광원(10)에서 나온 광 신호가 상기 광섬유 커플러를 통하여 2개의 신호로 나누어지고, 각각의 신호가 상기 기준팔(310) 및 샘플팔(320)로 들어간다. 이 때 각각의 팔에 있는 광섬유 끝단에는 2개의 콜리메이터(303,304) 즉, 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303)와 광 신호 연결 콜리메이터(304)가 사용되며, 여기에서 공기 중으로 평행한 빔이 나간다. 각각의 빔은 각각의 팔 끝에 있는 2개의 반사체 즉, 제 1반사체(305)와 제 2반사체(306)에 의해 다시 반사되어 광 콜리메리터를 통하여 다시 광 신호 분배/결합 수단(301) 즉 광섬유 커플러로 돌아가서 간섭된 광 신호를 형성하게 된다. 이 때 상기 기준팔(310)에서는 빔이 공기중을 통과하게 되며, 상기 샘플팔(320)에서는 빔이 회전이 가능한 샘플 설치대(130)에 있는 샘플을 통과하게 된다. 본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 광 간섭계(300)에서 광 경로 의 조절과 샘플의 두께 측정을 위하여 2개의 반사체 즉 제 1 및 제 2반사체(305,306) 중 한 개에는 직선형 스테이지를 설치한다. 또한, 간섭무늬의 가시성을 높이기 위한 편광조절기(302)가 구비된다. 이 때 상기 편광조절기(302)는 반파장판형 편광조절기가 사용되는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 장치를 이용하여 샘플의 굴절률을 측정하는 방법을 설명한다.
본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 방법은 기준 스펙트럼 획득단계(S310), 기준 간섭무늬 획득단계(S320), 기준 위상차 계산단계(S330), 대조 간섭무늬 획득단계(S340), 대조 위상차 계산단계(S350), 피팅함수 결정단계(S360) 및 굴절률 계산단계(S370)을 포함한다.
먼저, 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S310)에서는 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고, 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는다.
상기 기준 간섭무늬 획득단계(S320)에서는 상기 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환을 이용하여 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.
상기 기준 위상차 계산단계(S330)에서는 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S320)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변환에 따른 위상차이 값을 계산한다.
상기 대조 간섭무늬 획득단계(S340)에서는 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고, 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S320)와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.
상기 대조 위상차 계산단계(S350)에서는 상기 대조 간섭무늬 획득단계(S340)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상차이 값을 계산한다.
상기 피팅함수 결정단계(S360)는 상기 기준 위상차 계산단계(S330) 및 상기 대조 위상차 계산단계(S350) 각각에 대해서 위상차이 값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정한다.
마지막으로, 상기 굴절률 계산단계(S370)에서는 상기 피팅함수 결정단계(S360)에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 18을 이용하여 굴절률을 계산한다.
본 발명의 제 4실시예에 따른 측정 장치 역시 제 3실시예와 마찬가지로 광원(10), 광 간섭계(400) 및 광 스펙트럼 분석장치(20)를 기본 구성으로 한다.
다만, 본 발명의 제 4실시예에 따른 측정 장치는 광섬유 소자와 광섬유 경로를 이용하는 대신에, 벌크형 마이켈슨 간섭계 구조이며 기본적인 구성은 제 3실시예와 비슷하다.
한편, 제 4실시예에서는 광신호 분배/결합수단(401)으로서 광분파기를 이용 하고, 기준팔(410)과 샘플팔(420)의 끝단에 2개의 반사체 즉 제 3반사체(403) 및 제 4반사체(404)가 구비된다. 제 4실시예에서는 광원(10)에서 나온 광 신호가 광분파기를 통하여 2개의 신호로 나누어지고, 각각의 신호가 상기 기준팔(410)과 상기 샘플팔(420)로 들어간다. 상기 빔들은 양팔의 끝에 있는 2개의 반사체 즉 제 3반사체(403) 및 제 4반사체(404)에 의해 다시 반사되어 상기 광분파기를 통하여 서로 간섭하여 간섭된 광 신호를 형성하게 된다. 이 때 상기 기준팔(410)에서는 빔이 공기중을 통과하게 되며, 상기 샘플팔(420)에서는 빔이 회전이 가능한 샘플 설치대(130)에 있는 샘플을 통과한다. 제 4실시예에서는 광경로의 조절과 샘플의 두께 측정을 위하여 상기 제 3 및 제 4반사체(403,404) 중 한개에는 직선형 스테이지가 설치된다. 또한 간섭무늬의 가시성을 높이기 위한 판파장형 편광조절기(402)가 구비된다. 이렇게 생성된 간섭무늬는 광스펙트럼 분석기(20)를 이용하여 분석할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 장치를 이용하여 샘플의 굴절률을 측정하는 방법을 설명한다.
본 발명의 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 방법은 기준 스펙트럼 획득단계(S410), 기준 간섭무늬 획득단계(S420), 기준 위상차 계산단계(S430), 대조 간섭무늬 획득단계(S440), 대조 위상차 계산단계(S450), 피팅함수 결정단계(S460) 및 굴절률 계산단계(S470)을 포함한다.
먼저, 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S410)에서는 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고, 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는다.
상기 기준 간섭무늬 획득단계(S420)에서는 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S410)와 동일하게 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서, 상기 광 간섭계의 두 팔 중 하나만을 교번적으로 막아 빛 통과를 차단하고, 차단하지 않은 팔의 스펙트럼을 측정한 후, 이들 스펙트럼을 상기 기준 스펙트럼 획득단계에서 얻어진 스펙트럼으로부터 제외하고 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.
상기 기준 위상차 계산단계(S430)는 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S420)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변환에 따른 위상차이 값을 계산한다.
상기 대조 간섭무늬 획득단계(S440)는 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고, 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S420)와 동일한 과정을 거친 후, 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.
상기 대조 위상차 계산단계(S450)는 상기 대조 간섭무늬 획득단계(S440)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에서 해당하는 주파수로부터의 주파수 변화에 따른 위상차이 값을 계산한다.
상기 피팅함수 결정단계(S460)는 상기 기준 위상차 계산단계(S430) 및 상기 대조 위상차 계산단계(S450) 각각에 대해서 위상차이 값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정한다.
마지막으로, 상기 굴절률 계산단계(S470)는 상기 피팅함수 결정단계(S460)에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 18에 의해 굴절률을 계산한다.
도 5 내지 도 7은 샘플 설치대(130)의 자세한 그림을 도시한 것으로, 샘플의 종류에 따른 구조 및 샘플 안에서의 광 경로를 표시한다.
보다 자세하게, 도 5는 벌크형 단일 고체 광학 샘플의 경우 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이며, 도 6은 박막 광학 샘플의 경우 기판과 박막 광학 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이며, 도 7은 액체 샘플의 경우 액체 용기와 액체 광학 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이다.
도 5의 경우 벌크형 샘플의 경우로서, 도 5에서는 샘플의 앞뒤에서 공기중 임의의 위치를 표시하는 지점(130-1,130-2)과 샘플(130-3), 그리고 샘플 안에서의 광경로(130-4)를 나타내고 있으며, 계산에 필요한 물리량에 대한 기호 역시 표시하였다.
도 6의 경우는 이미 알고 있거나 미리 굴절률이 측정된 기판(Substrate) 위에 굴절률을 측정하고자 하는 물질이 박막으로 코팅되어 있는 그림을 도시하였다.
여기서, 박막의 굴절률을 측정할 때 이용되는 구조이며, 코팅물질(130-7), 기판(130-8), 코팅물질에서의 광경로(130-5), 기판에서의 광경로(130-6) 및 물리량 으로 사용되는 기호가 표시되어 있다.
도 7의 경우 이미 알고 있거나 미리 굴절률이 측정된 물질로 이루어진 액체를 담을 수 있는 용기와 이 용기에 담긴 액체 샘플로 이루어진 액체 굴절률 측정 구조를 도시하였다. 특별히 액체의 굴절률을 측정하기 위한 구조로서 액체를 담는 용기 물질(130-9, 130-11)과 그 용기 안에 액체(130-10)가 도시되어 있으며, 물리향으로 사용되는 기호 역시 도시하였다.
이하에서는 본 발명에 따른 광 샘플의 굴절률 측정 방법을 하기의 수학식들을 이용하여 보다 자세히 설명한다. 이하에서는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 마하젠더 간섭계를 기본으로 진행될 것이다.
먼저, 광원(10)에서 나온 광 신호가 광 간섭계(100)의 기준팔(110)과 샘플팔(120)을 지나서 간섭된 광 신호가 광 스펙트럼 분석기(20)에서 측정된 광 신호의 세기는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00001
여기에서, EA 및 EB는 각각 기준팔(110)과 샘플팔(120)을 통과하는 광 신호들의 파장에 따른 전기장의 크기를 나타낸다. 또한, EO는 기준팔(110)으로 진행하는 광 신호의 전기장 진폭을 나타내고, a는 기준팔(110)으로 진행하는 광 신호의 전기 장 진폭에 대한 샘플팔(120)으로 진행하는 광 신호의 전기장 진폭의 상대적인 비율을 나타낸다.
한편, 각각의 팔을 지나는 광 신호들의 위상차(Φ)는 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00002
여기서 OPLR .A.와 OPLS .A.는 각각 기준팔과 샘플팔의 광경로 길이이다. 특히, 샘플팔의 광경로 길이는 빔이 샘플에 입사하는 각도에 영향을 받으며, 그 길이는 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00003
여기서, 기호들은 도 5에 표시되어 있으며, d'는 130-4로 표시된 샘플 안에서의 광경로 길이를 나타내고, no는 공기의 굴절률을 나타낸다. 또한, 박막의 굴절률을 측정할 경우인 도 6의 경우의 OPLS .A.는 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00004
여기서, 기호들은 도 6에 표시되어 있으며, d'c와 d's는 각각 130-5와 130-6으로 표시되어 있다. 또한, nc와 ns는 박막의 굴절률과 기판의 굴절률을 나타낸다.
또한, 액체의 굴절률을 측정하기 위한 도 7의 경우는 각각의 층의 순서를 바꾸어서 생각하여도 결과에 영향을 미치지 않으므로, 박막의 경우를 이용하기 위하여 액체층(130-10)이 제일 앞에 위치한다고 가정하여 고려한다. 이 경우 130-9와 130-11의 재질이 같으므로 한 개의 층으로 여기고 계산할 수 있고 박막의 경우와 같아지게 된다. 한편, 상기 수학식 4와 같이 광경로 길이는 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00005
여기서, 기호들은 도 7에 표시되어 있으며, d'1, d'2, d'3은 각각 130-9, 130-10, 130-11의 두께에 해당한다. 또한, n1, nx는 각각 액체용기와 액체 굴절률을 나타낸다.
먼저 도 5의 경우에 스넬의 법칙을 이용하여 상기 수학식 3을 정리한다. 이 때 스넬의 법칙은 하기의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00006
여기서, no는 공기의 굴절률을 나타내며, 상기 수학식 6은 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있고, d'와 D는 하기의 수학식 8 및 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00007
Figure 112009075795534-pat00008
Figure 112009075795534-pat00009
여기서, 상기 수학식 8 및 수학식 9를 상기 수학식 3에 대입하여 정리하면 하기의 수학식 10을 얻을 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00010
여기서, 샘플의 각도를 θ1에서 θ2로 변경하면 광경로 길이가 바뀌게 되고, 이로 인하여 기준팔과 샘플팔의 위상차가 바뀌어 간섭무늬가 변하게 된다. 이때 광경로 길이의 변화량은 하기의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00011
마찬가지 방법으로 도 6의 경우도 광경로 길이를 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00012
여기서, 기판과 관련된 부분은 상수이므로 C로 치환하였으며, 이 때 광경로 의 길이의 변화량은 하기의 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00013
여기서, 도 7의 경우에도 상술한 바와 같은 방법으로 광경로의 길이를 하기의 수학식 14와 같이 나타낼 수 있고, 광경로 길이의 변화량은 하기의 수학식 15와 같이 나타낼 수 있으며, 박막의 경우와 거의 비슷하다.
Figure 112009075795534-pat00014
여기에서도 액체를 담는 용기부분은 상수이므로 C로 치환하였으며, 이때 광경로 길이의 변화량은 하기의 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00015
한편, 상기 수학식 11, 수학식 13 및 수학식 15의 광경로 길이의 변화는 간섭계의 위상 차이를 변화시킨다. 이 때, θ1일 때의 위상을 Φ, θ2일 때의 위상을 Ψ라고 하고 위상차를 광경로 길이의 변화량을 이용하여 표현하면 하기의 수학식 16으로 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00016
여기서, C1 및 C2는 도 5의 경우에는 0이되며, d는 측정하는 샘플의 두께로 벌크형 샘플의 두께 혹은 박막의 두께 및 액체 샘플의 두께가 될 수 있다. 상기 수학식 16을 굴절률 n에 대해서 정리하면 하기의 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00017
여기서도, C1, C2는 도 5의 경우에는 0이 된다.
한편, 복굴절 샘플의 경우에도 상기의 수학식 17과 같은 결과를 얻게 되나, 상술한 바와 같이 약간의 전처리 과정이 필요하다. 이 경우에든 샘플에 입사하는 빔위 편광상태가 복굴절축과 정확히 일치하기 않는 경우에는 정상 굴저률과 이상 굴절률에 의한 스펙트럼이 동시에 나타나며, 이의 분리가 필요하다. 이전의 방법은 편광자를 이용하여 빔의 편광을 각각의 축에 일치시켜 스펙트럼을 측정하였으나, 본 발명에서는 편광자를 사용하지 않음으로써 더욱 간단하면서 한 번의 측정으로 두 굴절률을 측정할 수 있는 구조를 제안한다.
이러한 방법으로서 고속 푸리에 변환과 그 역변환이 사용되며, 고속 푸리에 변환을 취하면 복굴절률에 따른 이중 간섭무늬에 대한 두 개의 진동 주기를 얻을 수 있다. 이중 간섭무늬 각각을 대역 투과 필터(Band Pass Filter)를 이용하여 분리하고, 회전 전의 정상 굴절률에 대한 스펙트럼과 회전 후의 정상 굴절률에 대한 스펙트럼을 한 세트로 하며, 이상 굴절률에 대한 스펙트럼도 또한 한 세트로 한다.
이 각각의 세트를 상술한 바와 같은 과정을 통하여 상기 수학식 17에 대입하여 정상 굴절률과 이상 굴절률 값을 계산한다. 여기서도 C1, C2는 도 5의 경우에도 0이 된다.
이상에서는 도 1 및 도 2의 마하젠더 간섭계의 경우에 대한 설명이였으며, 도 3 및 도 4의 마이켈슨 간섭계의 경우에서는 변형된 수학식들이 요구된다. 마이켈슨 간섭계의 경우에는 마하젠더 간섭계의 경우와 비교하여 샘플에서의 빔의 경로가 2배가 된다. 그러므로 상기의 수학식들의 변형이 일어나게 되고, 샘플에서의 광경로 길이에 관한 수학식을 2배로 변경하면 된다. 이에 따라 상기 수학식 17은 하기의 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009075795534-pat00018
여기서, C1, C2는 도 5의 경우에는 0이된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 장치 및 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다.
도 5는 벌크형 단일 고체 광학 샘플의 경우 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이며, 도 6은 박막 광학 샘플의 경우 기판과 박막 광학 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이며, 도 7은 액체 샘플의 경우 액체 용기와 액체 광학 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이다.
도 8은 및 도 9는 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치에서 측정된 간섭무늬 스펙트럼과 상기 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환을 이용하여 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼의 예시를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치를 이용하여 측정된 광학 샘플의 굴절률 측정치의 예시를 나타낸 그래프이다.

Claims (26)

  1. 다중 파장의 광 신호를 출력하는 광원(10);
    상기 광원(10)으로부터 입력되는 상기 다중 파장의 광 신호를 2개로 분배하는 광 신호 분배기(101,201), 상기 광 신호 분배기(101,201)를 통하여 분배된 광 신호 중 어느 하나를 수신하는 기준팔(110,210), 상기 광 신호 분배기(101,201)를 통하여 분배된 광 신호 중 다른 하나를 수신하여 측정 대상인 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스테이지를 구성하는 샘플팔(120,220), 상기 기준팔(110,210) 및 상기 샘플팔(120,220)을 거쳐 출력되는 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시키는 광 신호 결합기(102,202)를 포함하는 광 간섭계(100,200); 및
    상기 광 간섭계(100,200)에서 상호 간섭된 광 신호를 전달받아 간섭무늬의 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석기(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준팔(110)은,
    상기 광 신호 분배기(101)로부터 수신한 광 신호를 공기 중으로 출력하기 위한 광 신호 출력용 콜리메이터(104); 및
    상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104)로부터 출력된 광 신호를 수신하기 위한 광 신호 수신용 콜리메이터(105);
    를 포함하며,
    상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 수신용 콜리메이터(105)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 샘플팔(120)은,
    상기 광 신호 분배기(101)로부터 수신한 광 신호를 광 샘플 설치대(130)로 조사하는 광 신호 발사용 콜리메이터(106); 및
    상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통과하여 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(106)로부터 조사되는 광 신호를 수신하는 광 신호 수광용 콜리메이터(107);
    를 포함하며,
    상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(106) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 수광용 콜리메이터(107)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104) 사이의 광경로 또는 상기 광 신호 수신용 콜리메이터(105)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이에 구비되어 이들 광 경로 상으로 진행하는 광 신호의 편광 방향을 조절하기 위한 편광 조절기(103)가 구비되는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준팔(210)은 상기 광 신호 분배기(201)로부터 분배된 광 신호를 굴절시켜 광 신호 결합기(202)로 조사되도록하고, 위치 이동을 통하여 기준팔에서의 광 경로 길이를 조절하는 제 1굴절수단(204);
    을 포함하고,
    상기 샘플팔(220)은 상기 광 신호 분배기(201)로부터 분배된 상기 광 신호를 굴절시켜 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통하여 상기 광 신호 결합기(202)로 조사되도록 하는 제 2굴절수단(206);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 1굴절수단(204)과 상기 광 신호 결합기(202) 사이의 광 경로에는 광 신호의 편광 방향을 조절하기 위한 반파장판형 편광조절기(207)가 구비되는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 샘플팔(120, 220)은 굴절률이 미리 측정된 기판 위에 굴절률을 측정하고자 하는 물질이 박막으로 코팅된 샘플을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 샘플팔(120, 220)은 굴절률이 미리 측정된 물질로 이루어진 액체를 담을 수 있는 용기와 상기 용기에 담긴 액체 샘플을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 간섭계(100,200)의 외면에는 외부 진동의 영향을 차단하기 위한 진동차단막(30)이 구비되는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  10. 다중 파장의 광 신호를 출력하는 광원(10);
    상기 광원(10)으로부터 입력되는 광 신호를 2개로 분배하고, 분배된 방향으로부터 되돌아오는 두 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시키는 광 신호 분배/결합 수단(301,401), 분배된 두 광 신호 중 어느 하나를 반사하여 상기 광 신호 분배/결합 수단(301,401)으로 되돌려 보내는 기준팔(310,410), 분배된 광 신호 중 다른 하나를 측정대상인 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스테이지를 구성하며 광 신호를 상기 광 신호 분배/결합 수단(301,401)으로 되돌려 보내고 상기 광 신호 분배/결합 수단(301,401)의 다른쪽 입력단으로 간섭무늬가 출력되도록 하는 샘플팔(320,420)을 포함하는 광 간섭계(300,400); 및
    상기 광 간섭계(300,400)에서 간섭된 광 신호를 전달받아 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석기(20);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 기준팔(310)은 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 나온 광 신호를 수신하고, 수신된 광 신호를 제 1반사체(305)로 출력한 후 상기 제 1반사 체(305)로부터 반사된 광 신호를 입력받는 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303)를 포함하고,
    상기 샘플팔(320)은 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 나온 광 신호를 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플로 출력하고, 상기 광 샘플을 통하여 투과되며 제 2반사체(306)에 의해 반사된 광 신호를 입력받는 광 신호 연결 콜리메이터(304)를 포함하고,
    상기 광 신호 분배/결합 수단(301)과 상기 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)과 상기 광 신호 연결 콜리메이터(304) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 광 신호 분배기(301)와 상기 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303) 사이의 광경로 상으로 진행하는 광 신호의 편광 방향을 조절하기 위한 편광 조절기(302)가 구비되는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제 1반사체(305)는 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 분배된 광 신호 중 어느 하나를 반사하여 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로 되돌려 보내며, 위치 이동을 통하여 상기 기준팔(310)에서의 광 경로 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 샘플팔(320, 420)은 굴절률이 미리 측정된 기판 위에 굴절률을 측정하고자 하는 물질이 박막으로 코팅된 샘플을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 샘플팔(320,420)은 굴절률이 미리 측정된 물질로 이루어진 액체를 담을 수 있는 용기와 상기 용기에 담긴 액체 샘플을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 광 간섭계(300, 400)의 외면에는 외부 진동의 영향을 차단하기 위한 진동차단막(30)이 구비되는 것을 특징으로 하는 굴절률 측정 장치.
  17. 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는 기준 스펙트럼 획득단계;
    상기 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환을 이용하여 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 기준 간섭무늬 획득단계;
    상기 기준 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 기준 위상차 계산단계;
    상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고 상기 기준 간섭무늬 획득단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 대조 간섭무늬 획득단계;
    상기 대조 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 대조 위상차 계산단계;
    상기 기준 위상차 계산단계 및 상기 대조 위상차 계산단계 각각에 대하여 위상 차이값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정하는 피팅함수 결정단계; 및
    싱기 피팅함수 결정단계에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값의 차이값과 하기의 수학식 17을 이용하여 굴절률을 계산하는 굴절률 계산단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 방법.
    [수학식 17]
    Figure 112009075795534-pat00019
  18. 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하며 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는 기준 스펙트럼 획득단계;
    상기 기준 스펙트럼 획득단계와 동일하게 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계의 두 팔 중 하나만을 교번적으로 막아 빛 통과를 차단하고, 차단되지 않은 팔의 스펙트럼을 측정한 후, 이들 스펙트럼을 상기 기준 스펙트럼 획득단계에서 얻어진 스펙트럼으로부터 제외하고 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 기준 간섭무늬 획득단계;
    상기 기준 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 기준 위상차 계산단계;
    상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고 상기 기준 간섭무늬 획득단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 대조 간섭무늬 획득단계;
    상기 대조 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 대조 위상차 계산단계;
    상기 기준 위상차 계산단계 및 상기 대조 위상차 계산단계 각각에 대하여 위상 차이값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정하는 피팅함수 결정단계; 및
    상기 피팅함수 결정단계에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 17에 의하여 굴절률을 계산하는 굴절률 계산단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 방법.
    [수학식 17]
    Figure 112009075795534-pat00020
  19. 청구항 17 또는 18에 있어서,
    상기 기준 스펙트럼 획득단계 또는 상기 대조 스펙트럼 획득단계 이전에 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절하는 전송길이 조절단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 전송길이 조절단계는 간섭무늬의 가시도가 가장 큰 상태가 될 수 있도록 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 광 샘플이 복굴절률을 가지는 경우에는,
    이중 간섭무늬가 측정되도록 상기 광 샘플로 조사되는 광 신호의 편광과 상기 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절하는 조절단계;
    일정한 간격의 스펙트럼을 구하기 위하여 상기 기준 스펙트럼 획득단계 및 대조 스펙트럼 획득단계에서 획득된 스펙트럼을 보간하는 보간단계;
    푸리에 변환과 필터링 및 역푸리에 변환 과정을 이용하여 보간된 스펙트럼으로부터 정상 굴절빔과 비정상 굴절빔에 대한 간섭무늬로 구분하는 간섭무늬 구분단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 방법.
  22. 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고, 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는 기준 스펙트럼 획득단계;
    상기 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환을 이용하여 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 기준 간섭무늬 획득단계;
    상기 기준 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변환에 따른 위상차이 값을 계산하는 기준 위상차 계산단계;
    상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고, 상기 기준 간섭무늬 획득단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 대조 간섭무늬 획득단계;
    상기 대조 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스팩트럼을 이용하여 미 리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상차이 값을 계산하는 대조 위상차 계산단계;
    상기 기준 위상차 계산단계 및 상기 대조 위상차 계산단계 각각에 대해서 위상차이 값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정하는 피팅함수 결정단계; 및
    상기 피팅함수 결정단계에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 18을 이용하여 굴절률을 계산하는 굴절률 계산단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 방법.
    [수학식 18]
    Figure 112009075795534-pat00021
  23. 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고, 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는 기준 스펙트럼 획득단계;
    상기 기준 스펙트럼 획득단계와 동일하게 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서, 상기 광 간섭계의 두 팔 중 하나만을 교번적으로 막아 빛 통과를 차단하고, 차단하지 않은 팔의 스펙트럼을 측정한 후, 이들 스펙트럼을 상기 기준 스펙트럼 획득단계에서 얻어진 스펙트럼으로부터 제외하고 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 기준 간섭무늬 획득단계;
    상기 기준 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변환에 따른 위상차이 값을 계산하는 기준 위상차 계산단계;
    상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고, 상기 기준 간섭무늬 획득단계와 동일한 과정을 거친 후, 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 대조 간섭무늬 획득단계;
    상기 대조 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에서 해당하는 주파수로부터의 주파수 변화에 따른 위상차이 값을 계산하는 대조 위상차 계산단계;
    상기 기준 위상차 계산단계 및 상기 대조 위상차 계산단계 각각에 대해서 위상차이 값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정하는 피팅함수 결정단계; 및
    상기 피팅함수 결정단계에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 18에 의해 굴절률을 계산하는 굴절률 계산단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 방법.
    [수학식 18]
    Figure 112009075795534-pat00022
  24. 청구항 22 또는 23에 있어서,
    상기 기준 스펙트럼 획득단계 또는 상기 대조 스펙트럼 획득단계 이전에 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절하는 전송길이 조절단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 전송길이 조절단계는 간섭무늬의 가시도가 가장 큰 상태가 될 수 있도록 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 방법.
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 광 샘플이 복굴절률을 가지는 경우에는,
    이중 간섭무늬가 측정되도록 상기 광 샘플로 조사되는 광 신호의 편광과 상기 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절하는 조절단계;
    일정한 간격의 스펙트럼을 구하기 위하여 상기 기준 스펙트럼 획득단계 및 대조 스펙트럼 획득단계에서 획득된 스펙트럼을 보간하는 보간단계;
    푸리에 변환과 필터링 및 역푸리에 변환 과정을 이용하여 보간된 스펙트럼으로부터 정상 굴절빔과 비정상 굴절빔에 대한 간섭무늬로 구분하는 간섭무늬 구분단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 방법.
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