KR101112143B1 - 부분 반사를 이용한 측정 시스템 - Google Patents

부분 반사를 이용한 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간섭 신호의 위상 변화를 측정하여 나노미터(㎚) 급의 해상도를 갖는 부분 반사를 이용한 간섭 시스템 및 측정 시스템으로서, 광을 발생시키는 광원부, 광원부로부터 발생된 광의 일부를 부분 반사시켜, 제1 지연시간만큼 지연된 광을 포함하는 광들을 방출하는 제1 경로 간섭부, 및 제1 경로 간섭부로부터 방출된 광들을 입력받고, 입력된 광들 중 일부를 부분 반사시켜 제1 지연시간만큼 지연된 광과 제2 지연시간만큼 지연된 광을 포함하는 광들을 방출하는 제2 경로 간섭부를 포함한다. 따라서 입력된 광의 일부를 부분 반사시키는 경로 간섭부를 순차적으로 배열하여 광의 간섭 길이에 관계없이 광의 위상 변화를 측정함으로써, 고배율의 대물렌즈를 사용할 수 있으며, 고해상도를 구현할 수 있다.

Description

부분 반사를 이용한 측정 시스템{DETECTING SYSTEM OF USING PARTIAL REFLECT}
본 발명은 부분 반사를 이용한 간섭 시스템 및 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광의 일부를 부분 반사시켜 광의 일부를 지연시키는 경로 간섭부를 순차적으로 배열하여 광의 간섭 길이에 관계없이 광의 위상 변화를 측정하기 위한 부분 반사를 이용한 간섭 시스템 및 측정 시스템에 관한 것이다.
최근에는 광의 위상 변화를 이용하여 샘플뿐만 아니라 샘플의 미세한 변화까지도 측정할 수 있다. 이에 광의 위상 변화를 측정하여 바이오 샘플이나 재료 표면의 미세 변화까지 이미징 할 수 있는 위상 현미경이 현재 개발되고 있다.
이러한 위상 현미경에는 위상차 현미경(phase contrast microscope), DIC 현미경(differential interference contrast microscope) 등이 있으나, 모두 정량적인 위상 측정값을 얻지 못하는 단점이 있었다. 또한, 광 위상 간섭 측정법(phase shifting Interferometry), 전자 홀로그래피(digital holography) 등의 기술은 위상의 안정성은 우수하나, 샘플 깊이에 따른 위상의 변화의 측정이 불가능하다.
이러한 제약을 극복하기 위해 최근에 광 간섭 단층촬영 기술(Optical Coherence Tomography, OCT)을 이용하여 위상을 측정하려는 방법이 시도되고 있다. 상기 광 간섭 단층촬영 기술은 비침습적으로 바이오 샘플이나 재료의 표면뿐만 아니라 내부를 실시간 이미징 하는 것이 가능한 기술이다.
특히 최근에는 파장을 가변시키는 기술과 같은 관련 기술이 발달됨에 따라 초당 수백 kHz의 반복속도로 데이터를 획득하는 것이 가능하다. 기존에는 간섭신호의 크기 정보를 이용하여 이미징을 하였으며, 그 해상도는 사용하는 광원의 대역폭에 의해 결정되어 보통 10마이크로미터 내외의 해상도를 가진다.
광 간섭 단층촬영 기술을 이용할 때 위상을 안정적으로 측정하기 위해서 공통경로 간섭계(common-path interferometer)가 주로 사용된다. 공통경로 간섭계에 의하면 기준신호와 샘플신호가 공통의 경로를 통해 이동하므로 두 신호의 위상 노이즈가 공통으로 변화하여 나노미터 급의 변화까지도 측정이 가능하기 때문이다.
그러나 공통경로 간섭계의 특성상 대물렌즈와 측정하려는 샘플 사이에는 기준신호를 발생시키는 부분이 있어야 하는 문제점이 있다. 또한 고배율의 대물렌즈를 사용할 경우 짧은 초점거리로 인해 기준신호를 발생시키는 부분을 위치시키기가 어려우므로 저배율의 대물렌즈를 사용하여야 하는 문제점이 발생한다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명은 제공할 수 있는 입력된 광의 일부를 반사시키는 경로 간섭부를 순차적으로 배열하여 광의 간섭 길이에 관계없이 광의 위상 변화를 측정함으로써, 고배율의 대물렌즈를 사용하여 고해상도를 구현할 수 있는 부분 반사를 이용한 간섭 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명은 상기 간섭 시스템을 이용하여 샘플을 측정할 수 있는 부분 반사를 이용한 측정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 간섭 시스템은 광을 발생시키는 광원부, 상기 광원부로부터 발생된 광의 일부를 부분 반사시켜, 제1 지연시간만큼 지연된 광을 포함하는 광들을 방출하는 제1 경로 간섭부, 및 상기 제1 경로 간섭부로부터 방출된 광들을 입력받고, 상기 입력된 광들 중 일부를 부분 반사시켜 상기 제1 지연시간만큼 지연된 광과 제2 지연시간만큼 지연된 광을 포함하는 광들을 방출하는 제2 경로 간섭부를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 광원부는 상기 광의 파장을 주기적으로 스캔하여 파장을 가변시켜 광을 방출할 수 있다.
상기 제1 지연시간과 상기 제2 지연시간의 차이는 상기 광원부의 가간섭시간(coherence time)보다 작도록 설정된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제1 경로 간섭부는 상기 광원부로부터 발생된 광들 중 일부를 반사하기 위한 제1 부분 반사막, 및 상기 제1 부분 반사막에서 반사되지 않은 광을 통과시켜 샘플로 입사시키기 위한 제1 대물렌즈를 포함한다. 또한, 상기 제2 경로 간섭부는 상기 제1 경로 간섭부로부터 방출된 광들 중 일부를 반사시키는 제2 부분 반사막, 및 상기 제2 부분 반사막에서 반사되지 않은 광을 반사하기 위한 반사막을 포함한다.
여기서, 상기 제1 부분 반사막은 상기 제1 경로 간섭부로부터 방출하는 광들이 상기 제1 지연시간을 갖도록 상기 샘플로부터 제1 거리만큼 이격되도록 배치된다. 또한 상기 제2 부분 반사막은 상기 제2 경로 간섭부로부터 방출되는 광들이 상기 제2 지연시간을 갖도록 상기 반사막으로부터 제2 거리만큼 이격되도록 배치된다. 이 때, 상기 제1 거리와 상기 제2 거리의 차이는 상기 광원부의 가간섭거리(coherence length)보다 작도록 설정된다.
본 발명의 실시예들에 따른 측정 시스템은 광을 발생시키는 광원부, 상기 광원부로부터 발생된 광의 일부를 샘플에 입사되기 전에 부분 반사시켜, 제1 지연시간만큼 지연된 광을 포함하는 광들을 방출하는 제1 경로 간섭부, 상기 제1 경로 간섭부로부터 방출된 광들을 입력받고, 상기 입력된 광들 중 일부를 부분 반사시켜 상기 제1 지연시간만큼 지연된 광과 제2 지연시간만큼 지연된 광을 포함하는 광들을 방출하는 제2 경로 간섭부, 및 상기 제2 경로 간섭부로부터 방출된 광들을 감지하기 위한 감지부를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제1 지연시간과 상기 제2 지연시간의 차이는 상기 광원부의 가간섭시간(coherence time)보다 작도록 설정된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 감지부는 상기 제2 경로 간섭부로부터 방출되는 광들을 감지하고, 상기 광들의 위상 변화를 측정하기 위한 스펙트로미터(spectrometer)를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 본 시스템은 상기 광원부와 상기 제1 경로 간섭부의 사이에 배치되고, 상기 광원부로부터 발생된 광의 파장을 주기적으로 스캔하며 파장을 가변시키는 가변 필터를 더 포함할 수 있다. 이와 달리, 본 시스템은 상기 제2 경로 간섭부와 상기 감지부의 사이에 배치되고, 상기 제2 경로 간섭부로부터 방출되는 광의 파장을 주기적으로 스캔하며 파장을 가변시키는 가변 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 본 시스템은 상기 광원부와 상기 제1 경로 간섭부의 사이에 위치하여 상기 광원부로부터 발생된 광을 상기 제1 경로 간섭부로 전달하고 상기 제1 경로 간섭부로부터 방출되는 광을 상기 제2 경로 간섭부로 전달하기 위한 제1 서큘레이터(circulator), 및 상기 제1 서큘레이터와 상기 제2 경로 간섭부의 사이에 위치하여 상기 제1 서큘레이터로부터 전달받은 광을 상기 제2 경로 간섭부로 전달하고 상기 제2 경로 간섭부로부터 방출되는 광을 상기 감지부로 전달하기 위한 제2 서큘레이터(circulator)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따른 측정 시스템은 사전에 설정된 지연시간만큼 지연된 광을 포함하는 광들을 방출하는 광원부, 상기 광원부로부터 방출된 광들 중 일부를 부분 반사시키고 상기 광들 중 나머지를 샘플로 입사시키며, 상기 광원부에서의 지연시간과 동일한 시간만큼 지연된 광을 포함하는 광들을 방출하는 경로 간섭부, 및 상기 경로 간섭부로부터 방출된 광들을 감지하기 위한 감지부를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 지연시간은 상기 광원부의 가간섭시간(coherence time)보다 작도록 설정된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 광원부는 광을 발생시키는 광원, 상기 광원으로부터 발생된 광의 일부를 반사하기 위한 제1 부분 반사막, 및 상기 제1 부분 반사막에서 반사되지 않은 광을 상기 지연시간만큼 지연시켜 반사하기 위한 반사막을 포함한다. 여기서, 상기 제1 부분 반사막은 상기 반사막에서 반사되는 광이 상기 제1 부분 반사막에서 반사되는 광보다 상기 설정된 지연시간만큼 지연되도록 상기 반사막으로부터 일정 거리 이격되어 배치된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 부분 반사를 이용한 간섭 시스템 및 측정 시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 광원부에서 발생한 광의 일부를 부분 반사막을 이용하여 부분 반사시킴으로써, 설정된 지연시간만큼 지연된 광을 구현할 수 있다.
둘째, 부분 반사를 이용하는 경로 간섭부를 순차적으로 배열함으로써, 광의 간섭 길이에 관계없이 광의 위상 변화를 측정할 수 있다.
셋째, 부분 반사를 이용하는 경로 간섭부를 순차적으로 배열하여 광의 간섭 현상을 발생시킴으로써, 대물렌즈와 샘플 사이에 기준 신호를 발생시키기 위한 별도의 신호 발생부를 제거할 수 있다.
넷째, 부분 반사를 이용하여 광의 일부를 지연시키는 광원부를 구현함으로써, 고배율의 대물렌즈를 사용하여 샘플을 고해상도로 측정할 수 있다.
다섯째, 광의 일부를 부분 반사시키는 부분 반사막의 위치를 조절함으로써, 광의 간섭 길이를 간단하고 효율적으로 제어할 수 있다.
여섯째, 광의 파장을 변경하는 가변 필터를 감지부의 전단에 배치함으로써, 상대적으로 높은 광 에너지를 이용하여 샘플을 측정할 수 있다.
일곱째, 광의 위상 변화를 측정하기 위하여 스펙트로미터(spectrometer)를 사용함으로써, 광의 위상 값의 오차를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도
도 2는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 부분 반사를 이용하여 방출하는 광의 일부를 지연시키는 광원부를 설명하기 위한 구성도
도 5 및 도 6은 도 4의 광원부를 이용한 측정 시스템의 실시예들을 설명하기 위한 구성도들
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 간섭 시스템 및 측정 시스템에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 측정 시스템(1a, 이하 '본 시스템'이라고 함)은 부분 반사를 이용한 간섭 시스템을 이용하여 샘플의 상태, 변화 등의 샘플 정보를 측정하기 위한 시스템이다.
본 시스템(1a)은 광원부(10), 제1 경로 간섭부(20), 제2 경로 간섭부(30) 및 감지부(40)를 포함한다.
광원부(10)는 광을 발생시킨다. 예를 들어, 광원부(10)는 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 고휘도 발광 다이오드(super luminescent diode, SLD)를 포함한다. 이와 달리, 광원부(10)는 광을 발생시킬 수 있는 다양한 소자들로 이루어질 수 있다.
한편, 광원부(10)는 상기 광의 파장을 주기적으로 스캔하여 파장을 가변시켜 광을 방출할 수도 있다. 이에 광원부(10)는 가변 필터(70)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 광원부(10)는 가변 필터(70)의 기능과 동일한 기능을 자체적으로 수행할 수도 있다.
제1 경로 간섭부(20)는 광원부(10)가 발생한 광을 제1 서큘레이터(50, circulator)를 통해 입력받는다. 제1 서큘레이터(50)는 3 개의 포트를 구비하고, 하나의 포트를 통하여 광원부(10)로부터 광을 입력받고, 다른 포트를 이용하여 광을 제1 경로 간섭부(20)로 전달하며, 또 다른 포트를 이용하여 제1 경로 간섭부(20)에서 반사된 광을 제2 경로 간섭부(30)로 방출한다.
제1 경로 간섭부(20)는 입력된 광의 일부를 부분 반사시키고, 부분 반사되지 않은 나머지 광을 제1 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00001
)만큼 지연시켜 방출한다.
이를 위하여 제1 경로 간섭부(20)는 제1 부분 반사막(21), 제1 대물렌즈(22) 및 샘플부(23)를 포함한다.
제1 부분 반사막(21)은 광원부(10)로부터 발생된 광들 중 일부(
Figure 112011101974334-pat00002
)를 반사시킨다. 예를 들어, 제1 부분 반사막(21)은 광섬유의 끝단에 위치한다. 이에 공기를 통과한 광이 제1 경로 간섭부(20)의 제1 부분 반사막(21)에 도달한 경우, 광의 일부(
Figure 112011101974334-pat00003
)가 공기와 광섬유의 굴절률의 차이에 의하여 반사된다.
제1 대물렌즈(22)는 제1 부분 반사막(21)에서 반사되지 않고 제1 부분 반사막(21)을 통과한 광을 투과시킨다. 이 때, 제1 대물렌즈(22)는 그 크기에 따라 배율이 정해진다. 예를 들어, 제1 대물렌즈(22)의 길이가 커질수록 배율이 높아진다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 제1 대물렌즈(22)는 상대적으로 고배율의 대물렌즈로 이루어진다.
샘플부(23)는 측정 대상인 샘플을 포함한다. 샘플부(23)는 제1 대물렌즈(22)의 초점 상에 위치한다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 제1 대물렌즈(22)를 통과한 광은 샘플부(23)에 입사하여 반사한다.
이와 같이, 제1 경로 간섭부(20)는 제1 부분 반사막(21)을 이용하여 입력되는 광의 일부(
Figure 112011101974334-pat00004
)를 샘플부(23)에 입사되기 전에 반사시킨다. 이에 샘플부(23)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00005
)은 제1 부분 반사막(21)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00006
)보다 제1 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00007
)만큼 지연된다. 즉, 샘플부(23)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00008
)은 제1 부분 반사막(21)과 샘플부(23)의 이격 거리의 두 배에 해당하는 만큼의 경로를 더 진행되므로, 상기 경로 차이에 의하여 제1 부분 반사막(21)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00009
)보다 제1 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00010
)만큼 지연된다.
또한 제1 부분 반사막(21)은 샘플부(23)로부터 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00011
)이 제1 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00012
)을 갖도록 샘플부(23)로부터 제1 거리만큼 이격되도록 배치될 수 있다.
이 때, 제1 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00013
)은 제1 부분 반사막(21)과 샘플부(23)의 이격 거리에 의하여 결정된다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 고배율의 제1 대물렌즈(22)를 사용함으로써, 제1 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00014
)은 광원부(10)의 가간섭시간(coherence time)보다 크다. 따라서 샘플부(23)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00015
)과 제1 부분 반사막(21)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00016
)은 서로 간섭을 일으키지 않는다.
이어서, 제1 경로 간섭부(20)에서 반사된 광들(
Figure 112011101974334-pat00017
,
Figure 112011101974334-pat00018
)은 제1 서큘레이터(50)를 통하여 제2 경로 간섭부(30)로 전달된다.
제2 경로 간섭부(30)는 제1 경로 간섭부(20)에서 반사된 광들(
Figure 112011101974334-pat00019
,
Figure 112011101974334-pat00020
)을 제2 서큘레이터(60)를 통하여 전달받는다. 제2 서큘레이터(60)는 제1 서큘레이터(50)와 마찬가지로 3 개의 포트를 구비한다. 예를 들어, 제2 서큘레이터(60)는 하나의 포트를 통하여 제1 경로 간섭부(20)로부터 광을 입력받고, 다른 포트를 이용하여 광을 제2 경로 간섭부(30)로 전달하며, 또 다른 포트를 이용하여 제2 경로 간섭부(30)에서 반사된 광을 감지부(40)로 방출한다.
제2 경로 간섭부(30)는 제1 경로 간섭부(20)로부터 전달받은 광들 중 일부를 부분 반사시키고, 부분 반사되지 않은 나머지 광을 제2 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00021
)만큼 지연시켜 방출한다.
이를 위하여 제2 경로 간섭부(30)는 제2 부분 반사막(31), 제2 대물렌즈(32) 및 반사막(33)을 포함한다.
제2 부분 반사막(31)은 입력되는 광들 중 일부(
Figure 112011101974334-pat00022
)를 반사시킨다. 예를 들어, 제2 부분 반사막(31)은 제1 부분 반사막(21)과 실질적으로 동일하다고 할 수 있다. 즉, 제2 경로 간섭부(30)에 입력된 광의 일부(
Figure 112011101974334-pat00023
)가 굴절률의 차이에 의하여 반사된다.
제2 대물렌즈(32)는 제2 부분 반사막(31)에서 반사되지 않고 제2 부분 반사막(31)을 통과한 광을 투과시킨다. 여기서, 제2 대물렌즈(32)는 제1 대물렌즈(22)와 실질적으로 동일하다. 다만, 제2 대물렌즈(32)는 측정 대상인 샘플에 초점을 맞추기 위한 것이 아니므로 반드시 구비되어야 하는 것은 아니라고 할 것이다. 이에 제2 경로 간섭부(30)는 제2 대물렌즈(32)를 제외하고 구성될 수도 있다.
반사막(33)은 제2 부분 반사막(31)에서 반사되지 않은 광(
Figure 112011101974334-pat00024
)을 반사시킨다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 제2 부분 반사막(31)과 반사막(33)은 제2 거리만큼 이격되어 배치된다. 예를 들어, 상기 제2 거리는 반사막(33)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00025
)이 제2 부분 반사막(31)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00026
)보다 제2 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00027
)만큼 지연되도록 설정된다.
이와 같이, 제2 경로 간섭부(30)는 제2 부분 반사막(31)을 이용하여 입력되는 광의 일부(
Figure 112011101974334-pat00028
)를 부분 반사시킨다. 이에 반사막(33)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00029
)은 제2 부분 반사막(31)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00030
)보다 제2 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00031
)만큼 지연된다. 즉, 반사막(33)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00032
)은 제2 부분 반사막(31)과 반사막(33)의 이격 거리인 제2 거리의 두 배에 해당하는 만큼의 경로를 더 진행한다. 따라서 상기 경로 차이에 의하여 반사막(33)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00033
)은 제2 부분 반사막(31)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00034
)보다 제2 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00035
)만큼 지연된다.
감지부(40)는 제2 경로 간섭부(30)로부터 방출된 광들을 감지한다. 이에 감지부(40)는 감지한 광의 위상 변화를 이용하여 샘플의 정보를 획득할 수 있다.
감지부(40)가 감지하는 광들의 전기적 신호를 구체적으로 살펴보기로 한다.
먼저, 제1 경로 간섭부(20)에서 방출되는 광들(
Figure 112011101974334-pat00036
,
Figure 112011101974334-pat00037
)의 전기적 신호는 아래의 수학식 1에 의해서 정의될 수 있다.
Figure 112011101974334-pat00038
수학식 1에서,
Figure 112011101974334-pat00039
은 제1 경로 간섭부(20)에서 방출되는 광들(
Figure 112011101974334-pat00040
,
Figure 112011101974334-pat00041
)의 전기적 신호의 합이고, 첫 번째 항은 제1 부분 반사막(21)에서 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00042
)의 전기적 신호이며, 두 번째 항은 샘플부(23)로부터 반사된 광(
Figure 112011101974334-pat00043
)의 전기적 신호이다.
한편, 제2 경로 간섭부(20)에서 방출되는 광들(
Figure 112011101974334-pat00044
,
Figure 112011101974334-pat00045
)의 전기적 신호는 아래의 수학식 2에 의해서 정의될 수 있다.
Figure 112011101974334-pat00046
수학식 2에서,
Figure 112011101974334-pat00047
는 제2 경로 간섭부(30)에서 방출되는 광들(
Figure 112011101974334-pat00048
,
Figure 112011101974334-pat00049
)의 전기적 신호의 합이고, 첫 번째 항은 제1 부분 반사막(21)과 제2 부분 반사막(31)에서 반사된 광의 전기적 신호이고, 두 번째 항은 샘플부(23)와 제2 부분 반사막(31)에서 반사된 광의 전기적 신호이고, 세 번째 항은 제1 부분 반사막(21)과 반사막(33)에서 반사된 광의 전기적 신호이며, 네 번째 항은 샘플부(23)와 반사막(33)에서 반사된 광의 전기적 신호이다.
따라서 감지부(40)가 감지한 광들의 전기적 신호에서 첫 번째와 네 번째 항은 간섭 현상과 상관없으며, 두 번째 항과 세 번째 항이 간섭 현상이 일어날 수 있는 항들이다. 즉, 간섭 현상이 일어날 수 있는 항은 두 번째 항과 세 번째 항의 합으로서, 제1 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00050
)과 제2 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00051
)의 시간 차이가 광원부(10)의 가간섭시간(coherence time)보다 작은 경우 감지부(40)가 간섭무늬를 관찰할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예들에 있어서, 제1 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00052
)과 제2 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00053
)의 차이를 광원부(10)의 가간섭시간보다 작게 설정된다. 또한, 제1 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00054
)은 제1 부분 반사막(21)과 샘플부(23) 사이의 이격 거리인 제1 거리에 의하여 결정되고, 제2 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00055
)은 제2 부분 반사막(31)과 반사막(33) 사이의 이격 거리인 제2 거리에 의하여 결정된다. 이에 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제1 거리와 제2 거리의 차이도 광원부(10)의 가간섭거리(coherence length)보다 작게 설정된다.
이와 같이, 부분 반사를 통한 제1 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00056
)과 제2 지연시간(
Figure 112011101974334-pat00057
)의 차이가 광원부(10)의 가간섭시간보다 작은 경우, 감지부(40)는 간섭무늬를 관찰하여 샘플 표면의 형상과 형상의 변화 등 샘플의 정보를 획득할 수 있다. 이에 제1 대물렌즈(22)가 고배율로 이루어진 경우, 제1 경로 간섭부(20) 및 제2 경로 간섭부(30)의 부분 반사를 통하여 나노미터(㎚) 급의 해상도를 갖는 위상 현미경 등의 측정 시스템을 구현할 수 있다.
한편, 제1 경로 간섭부(20)는 광원부(10)에서 발생되어 진행되는 광의 평행성을 유지시키기 위한 제1 콜리메이터(24, collimator)를 더 포함할 수 있다. 광원부(10)가 점광원으로 이루어진 경우, 제1 콜리메이터(24)는 광을 수평으로 진행하도록 조절하여 제1 경로 간섭부(20)로 전달한다.
나아가, 제2 경로 간섭부(30)도 제1 경로 간섭부(20)로부터 입력되는 광의 평행성을 유지시키기 위한 제2 콜리메이터(34)를 더 포함할 수 있다.
또한 본 시스템(1a)은 광원부(10)와 제1 경로 간섭부(20)의 사이에 배치된 가변 필터(70)를 더 포함할 수 있다. 가변 필터(70)는 광원부(10)로부터 발생된 광의 파장을 주기적으로 스캔하며, 파장을 가변시킨다. 이에 가변 필터(70)에 의하여 측정 시스템은 시간 도메인(domain)이 아닌 주파수 도메인에서 위상 값을 획득할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도이다. 본 발명의 다른 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 측정 시스템은 도 1을 참조하여 설명한 측정 시스템과 가변 필터의 위치만 상이하고 나머지 구성요소는 실질적으로 동일하다. 따라서 가변 필터를 제외한 다른 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 측정 시스템(1b)은 제2 서큘레이터(60)와 감지부(40)의 사이에 배치된 가변 필터(75)를 포함한다.
일반적으로, 가변 필터에 입사하는 광의 파워는 10㎽ 내외로 제한되므로, 도 1에서 광원부(10)의 후단에 위치한 가변 필터(70)에 의하여 광원부(10)는 광의 파워를 일정 값 이하로 제한하여 발생시켜야 한다.
그러나 본 발명의 다른 실시예들의 가변 필터(75)가 감지부(40)의 전단(front)에 위치한다. 따라서 광원부(10)로부터 발생된 광은 제1 경로 간섭부(20)와 제2 경로 간섭부(30)를 통과한 후에 가변 필터(75)로 입사되므로, 도 1의 경우와 비교하여 광원부(10)는 상대적으로 높은 파워를 갖는 광을 발생시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도이다. 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 측정 시스템은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 측정 시스템과 감지부와 가변 필터를 제외한 나머지 구성요소는 실질적으로 동일하다. 따라서 감지부와 가변 필터를 제외한 다른 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 부분 반사를 이용한 측정 시스템(1c)은 가변 필터를 구비하지 않고 제2 경로 간섭부(30)로부터 방출된 광을 감지하기 위한 스펙트로미터(45, spectrometer)를 포함한다.
일반적으로, 가변 필터를 구비한 간섭 시스템에서 가변 필터의 동작에 의하여 시간 도메인에서 주파수 도메인으로 푸리에 변환시키는 경우, 비선형성(nonlinearity)이 발생하여 위상 값의 오차가 발생할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예들에 있어서, 스펙트로미터(45)는 프리즘과 씨씨디 카메라를 포함한다. 이에 스펙트로미터(45)는 상기 프리즘을 이용하여 광을 파장대별로 나누어서 파장대별로 광의 위상 값 등을 검출한다.
따라서 본 시스템(1c)은 스펙트로미터(45)를 통하여 광의 위상 값을 검출함으로써, 검출되는 광의 위상 값, 광량 등의 오차를 감소시키고 상대적으로 정확한 값을 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 부분 반사를 이용하여 방출하는 광의 일부를 지연시키는 광원부를 설명하기 위한 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 광원부(80)는 광원(81)으로부터 방출되는 광의 일부를 부분 반사시키고, 반사되지 않은 나머지 광을 사전에 설정된 지연시간만큼 지연시켜 방출한다.
이를 위하여, 광원부(80)는 광원(81), 제3 서큘레이터(82), 제3 부분 반사막(83), 반사경(84), 커넥터(85) 및 제3 콜리메이터(86)를 포함한다.
광원(81)은 광을 발생시킨다. 예를 들어, 광원(81)은 고휘도 발광 다이오드(super luminescent diode, SLD)를 포함한다.
제3 서큘레이터(82)는 입력되는 광의 분산 전달한다. 예를 들어, 제3 서큘레이터(82)는 광원(81)으로부터 발생된 광을 제3 부분 반사막(83)으로 전달한다. 또한, 제3 서큘레이터(82)는 제3 부분 반사막(83) 또는 반사경(84)로부터 반사된 광을 커넥터(85)를 통하여 외부로 방출한다.
제3 부분 반사막(83)은 제3 서큘레이터(82)로부터 전달받은 광의 일부를 반사시킨다.
반사경(84)은 제3 부분 반사막(83)에서 반사되지 않고 제3 부분 반사막(83)을 통과한 광을 반사시킨다.
따라서 제3 부분 반사막(83)에서 반사되는 광과 반사경(84)에서 반사되는 광은 그 경로차에 의하여 반사경(84)에서 반사되는 광이 상기 지연시간만큼 지연되어 진행된다.
커넥터(85)는 제3 서큘레이터(82)로부터 전달받은 광을 외부로 방출시킨다.
제3 콜리메이터(86)는 제3 서큘레이터(82)와 제3 부분 반사막(83)의 사이에 배치된다. 제3 콜리메이터(86)는 입사되는 광을 수평으로 진행하도록 조절하여 외부로 전달시킨다. 이에 제3 콜리메이터(86)는 제3 서큘레이터(82)로부터 전달된 광이 평행성을 갖도록 조절하여, 제3 부분 반사막(83)과 반사경(84)으로 전달한다.
또한, 광원부(80)는 광을 주기적으로 스캔하며, 광의 파장을 가변시키는 가변 필터(87a)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 광원부(80)는 광원(81)으로부터 발생된 광의 일부를 부분 반사시켜, 설정된 지연시간만큼 지연된 광을 포함하는 광을 외부로 방출시킨다. 특히, 광원부(80)는 제3 부분 반사막(83)과 반사경(84)의 이격 거리를 조절하여, 상기 지연시간을 다양하게 변경할 수 있다.
이에 광원부(80)는 상기 지연시간만큼 광원(81)의 간섭 시간을 갖는 광을 방출시킨다. 다른 표현으로, 광원부(80)는 제3 부분 반사막(83)과 반사경(84) 사이의 이격 거리만큼 광원(81)의 간섭 길이(거리)를 갖는 광을 방출시킨다.
도 5 및 도 6은 도 4의 광원부를 이용한 측정 시스템의 실시예들을 설명하기 위한 구성도들이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 측정 시스템은 광원부(80), 제4 부분 반사막(92), 제3 대물렌즈(94), 샘플부(96) 및 감지부(98)를 포함한다.
제4 부분 반사막(92)은 광원부(80)로부터 방출된 광들을 제4 서큘레이터(90)를 통하여 전달받고, 전달받은 광의 일부(
Figure 112011101974334-pat00058
)를 부분 반사시킨다.
제3 대물렌즈(94)는 제4 부분 반사막(92)에서 반사되지 않고 통과된 광을 투과시킨다. 예를 들어, 제3 대물렌즈(94)는 상대적으로 고배율의 대물렌즈로 이루어질 수 있다.
샘플부(96)는 제3 대물렌즈(94)의 초점 상에 위치한다. 제3 대물렌즈(94)를 통과한 광(
Figure 112011101974334-pat00059
)은 샘플부(96)에서 반사된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 제4 부분 반사막(92)과 샘플부(96)는 광원부(80)의 간섭 길이만큼 서로 이격되어 배치된다. 즉, 제4 부분 반사막(92)과 샘플부(96) 사이의 이격 거리는 제3 부분 반사막(83)과 반사경(84) 사이의 이격 거리와 실질적으로 동일하다.
따라서 제4 부분 반사막(92)에서 반사되는 광(
Figure 112011101974334-pat00060
)과 샘플부(96)에서 반사되는 광(
Figure 112011101974334-pat00061
)은 광원부(80)에서 방출되는 광들과 동일한 지연시간을 가지면서 진행한다.
감지부(98)는 제4 서큘레이터(90)를 통하여 제4 부분 반사막(92)에서 반사되는 광(
Figure 112011101974334-pat00062
)과 샘플부(96)에서 반사되는 광(
Figure 112011101974334-pat00063
)을 입력받는다. 그리고 감지부(98)는 입력된 광들의 위상 차이 값 등을 측정하여 샘플부(96)에 대한 다양한 정보를 획득할 수 있다.
이와 같이, 광원부(80)의 제3 부분 반사막(83)과 반사경(84) 사이의 이격 거리와 샘플부(96)와 제4 부분 반사막(92) 사이의 이격 거리를 조절함으로써, 광원부(80)에서 방출되는 광들의 지연시간을 샘플부(96)에 적용하여 감지부(98)에서 간섭무늬를 관찰하도록 할 수 있다.
따라서 광원부(80)에서 간섭 현상을 발생시켜 광을 방출하고 이를 그대로 샘플부에 적용함으로써, 측정 시스템은 고배율의 제3 대물렌즈(94)를 구비할 수 있다. 나아가, 고배율의 제3 대물렌즈(94)를 사용함으로써, 전체적으로 수 나노미터(㎚)급의 해상도를 갖는 측정 시스템을 구현할 수 있다.
도 6을 참조하면, 가변 필터(87b)가 광원(81)의 후단에 배치되는 것이 아니라, 감지부(98)의 전단에 배치된다. 이는 도 2를 참조하여 언급한 바와 같이, 가변 필터(87b)가 감지부(98)의 전단에 배치됨으로써, 광이 경로 간섭을 구현하기 위한 구성요소들을 통과한 후 가변 필터(87b)에 입사된다. 따라서 광원(81)은 상대적으로 높은 파워를 갖는 광을 발생시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1a, 1b, 1c : 측정 시스템
10 : 광원부 20 : 제1 경로 간섭부
21 : 제1 부분 반사막 22 : 제1 대물렌즈
30 : 제2 경로 간섭부 31 : 제2 부분 반사막
32 : 제2 대물렌즈 33 : 반사막
40 : 감지부 70, 75 : 가변 필터

Claims (7)

  1. 사전에 설정된 지연시간만큼 지연된 광을 포함하는 광들을 방출하는 광원부;
    상기 광원부로부터 방출된 광들 중 일부를 부분 반사시키고 상기 광들 중 나머지를 샘플로 입사시키며, 상기 광원부에서의 지연시간과 동일한 시간만큼 지연된 광을 포함하는 광들을 방출하는 경로 간섭부; 및
    상기 경로 간섭부로부터 방출된 광들을 감지하기 위한 감지부를 포함하고,
    상기 지연시간은 상기 광원부의 가간섭시간(coherence time)보다 작은 것을 특징으로 하는 부분 반사를 이용한 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원부는
    광을 발생시키는 광원;
    상기 광원으로부터 발생된 광의 일부를 반사하기 위한 제1 부분 반사막; 및
    상기 제1 부분 반사막에서 반사되지 않은 광을 상기 지연시간만큼 지연시켜 반사하기 위한 반사막을 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 반사를 이용한 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광원은 상기 광의 파장을 주기적으로 스캔하여 파장을 가변시켜 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 부분 반사를 이용한 측정 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 반사막에서 반사되는 광이 상기 제1 부분 반사막에서 반사되는 광보다 상기 설정된 지연시간만큼 지연되도록 상기 제1 부분 반사막은 상기 반사막으로부터 일정 거리 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 부분 반사를 이용한 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 경로 간섭부는
    상기 광원부로부터 방출된 광들 중 일부를 반사하기 위한 제2 부분 반사막; 및
    상기 제2 부분 반사막에서 반사되지 않은 광을 통과시켜 상기 샘플로 입사시키기 위한 대물렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 반사를 이용한 측정 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광원부와 상기 경로 간섭부의 사이에 배치되거나 상기 경로 간섭부와 상기 감지부의 사이에 배치되어 입력되는 광의 파장을 주기적으로 스캔하며 파장을 가변시키는 가변 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 반사를 이용한 측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 경로 간섭부로부터 방출되는 광들을 감지하고, 상기 광들의 위상 변화를 측정하기 위한 스펙트로미터(spectrometer)인 것을 특징으로 하는 부분 반사를 이용한 측정 시스템.
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