KR101316568B1 - 테라파를 이용한 고 분해능 물체 검사 장치 - Google Patents

테라파를 이용한 고 분해능 물체 검사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테라헤르츠파 영역의 광원을 이용하여 비파괴적인 방법으로 높은 검출 분해능을 가진 물체 검사 장치 및 이에 포함된 포커싱 렌즈를 개시한다. 본 발명에 따른 물체 검사 장치는, 테라파를 생성하여 시간에 따라 경로를 이동시키며 상기 테라파를 피검물로 공급하는 테라파 공급부; 상기 테라파 공급부와 상기 피검물 사이에 위치하여, 상기 테라파 공급부에 의해 공급되는 테라파를 포커싱하는 포커싱 렌즈; 플레이트 형태로 구성되어 중심으로부터 거리를 달리하는 상기 포커싱 렌즈를 다수 개 구비하며, 상기 테라파의 경로 이동에 따라 어느 하나의 포커싱 렌즈가 상기 테라파의 진행 경로에 위치하도록 원주 방향으로 회전하는 회전판; 및 상기 피검물에 입사된 테라파를 수집하여 검출하는 테라파 검출부를 포함한다.

Description

테라파를 이용한 고 분해능 물체 검사 장치{High resolution object inspection apparatus using terahertz wave}
본 발명은 물체를 검사하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 테라헤르츠파 영역의 광원을 이용하여 비파괴적인 방법으로 높은 검출 분해능을 가진 물체 검사 장치 및 이에 포함된 포커싱 렌즈에 관한 것이다.
테라헤르츠파(Terahertz wave), 즉 테라파는 적외선과 마이크로파의 사이 영역에 위치한 전자기파로서, 일반적으로 0.1THz에서 10THz 사이의 진동수를 가진다.
이러한 테라파에 대해서는 지속적인 연구 개발이 이루어져 왔으나, 아직까지 다른 파장 대역의 전자기파에 비해 그 연구는 상대적으로 미진한 상태이다. 따라서, 이러한 파장 대역을 테라헤르츠 갭(terahertz gap)이라 부르기도 한다.
하지만, 지속적인 개발 노력과 함께 다른 여러 기술 분야, 이를테면 광자 공학이나 나노기술 등의 발전이 동반되면서, 최근 이러한 테라파에 대한 기술은 더욱 향상되고 있다.
특히, 직진성, 물질에 대한 투과성, 생체에 대한 안전성, 정성적 확인 가능성 등 여러 특성으로 인해, 테라파에 대한 관심은 계속해서 높아져 가고 있다.
이로 인해 테라파는, 최근에는, 공항이나 보안 시설의 검색 장치, 식품이나 제약 회사의 품질 검사 장치, 반도체 검사 장치, 치과용 검사 장비, 가스 검출 장치, 폭발물 검사 장치, Lab-on-a-chip 검출기 등 여러 분야에 적용시키고자 하는 노력이 행해지고 있다.
이처럼 다양한 영역에서, 테라파를 이용한 물체 검사가 행해지고 있으며, 그 방식 또한 여러 가지 형태로 행해지고 있다. 그러나, 종래의 테라파를 이용한 여러 검사 방식들은 비용 및 시간이 많이 소요되고, 넓은 면적의 피검물을 검사하는 것이 어렵다는 등 여러 가지 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 종래의 테라파를 이용한 물체 검사 장치의 경우, 테라파 검출 이미지의 해상도가 좋지 않다는 문제점도 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 테라파를 이용하여 물체의 구성이나 이물질 등을 검사하고 테라파 이미지 검출에 있어서 빔 스팟 크기를 최소화하여 검출 해상도를 향상시킬 수 있는 물체 검사 장치 및 이에 사용될 수 있는 포커싱 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 물체 검사 장치는, 테라파를 생성하여 시간에 따라 경로를 이동시키며 상기 테라파를 피검물로 공급하는 테라파 공급부; 상기 테라파 공급부와 상기 피검물 사이에 위치하여, 상기 테라파 공급부에 의해 공급되는 테라파를 포커싱하는 포커싱 렌즈; 플레이트 형태로 구성되어 중심으로부터 거리를 달리하는 상기 포커싱 렌즈를 다수 개 구비하며, 상기 테라파의 경로 이동에 따라 어느 하나의 포커싱 렌즈가 상기 테라파의 진행 경로에 위치하도록 원주 방향으로 회전하는 회전판; 및 상기 피검물에 입사된 테라파를 수집하여 검출하는 테라파 검출부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 회전판은 다수의 포커싱 렌즈가 나선 형태로 배열되어 구비된다.
또한 바람직하게는, 상기 회전판은 상기 테라파의 경로 이동에 동기화되어 회전한다.
또한 바람직하게는, 상기 포커싱 렌즈는 플레이트에 중심이 일치하고 반지름이 다른 다수의 원형 홈이 소정 거리 이격된 상태로 형성된다.
또한 바람직하게는, 상기 테라파 공급부는, 상기 테라파의 경로를 직선으로 이동시킨다.
또한 바람직하게는, 상기 테라파 공급부는, 테라파를 생성하여 공급하는 테라파공급 모듈, 회전하면서 상기 테라파공급 모듈에 의해 공급된 테라파를 소정 각도 범위로 고속으로 반사하는 스캐닝 미러, 및 상기 스캐닝 미러에 의해 반사된 테라파를 평행하게 반사하여 피검물에 입사시키는 스캐닝 콜리메이팅 모듈을 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 테라파 검출부에 의해 검출된 테라파를 이용하여 영상 이미지를 제공하는 디스플레이부를 더 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 피검물을 이송하는 피검물 이송부를 더 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 포커싱 렌즈는, 테라파를 포커싱하는 렌즈로서, 플레이트에 중심이 일치하고 반지름이 다른 다수의 원형 홈이 소정 거리 이격된 상태로 형성된다.
본 발명에 의하면, 래스터 주사와 같이 테라파의 공급 위치가 소정 경로 상에서 시간에 따라 순차적으로 이동되는 주사 방식에서도, 각각의 주사 위치에 포커싱 렌즈가 위치하여 피검물로 공급되는 모든 테라파 빔이 포커싱되도록 할 수 있다. 따라서, 테라파를 이용한 물체의 검사 성능이 향상될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 테라파의 파장보다 작은 사이즈의 빔을 포커싱할 수 있으므로, 종래의 방법에 비해 테라파 스캐닝의 영상 분해능이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 테라파의 회절 효율을 향상시키고 손실을 최소화하면서도 동시에 영상 분해능을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 측면에 의하면, 회전판의 크기 대비 스캐닝 길이의 비율이 높아, 보다 큰 물체에 대해서도 스캐닝이 용이하게 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면 테라파 공급부, 회전판 및 포커싱 렌즈가 상호 결합하여 고해상도이면서도 고속으로 대면적에 대한 이미지 검출이 가능해질 수 있다.
본 발명에 따른 물체 검사 장치는, 식품, 반도체 등을 비롯하여 여러 물체나 물질 등에 대하여 검사 장치로 적용될 수 있으며, 그 적용 대상이 특정 물체로 제한되지 않는다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 물체 검사 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라파를 이용한 물체 검사 장치의 배치 구성을 개략적으로 나타내는 측단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는, 도 3의 A-A'선에 대한 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈에 의해 테라파가 포커싱되는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈에 의한 포커싱 빔의 필드 강도 분포(field intensity distribution)를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은, 도 6에서 중심부의 필드 세기를 x 및 y 방향으로 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 포커싱 렌즈가 구비된 회전판의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라파의 경로 이동과 회전판의 회전이 동기화되는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은, 회전판에 구비된 일부 포커싱 렌즈의 배열 구성을 나타내는 도면이다.
도 12는, 도 11에서 포커싱 렌즈 부분만을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라파 공급부가 포함된 물체 검사 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 피검물 이송부에 의해 이송되는 피검물에 테라파가 주사되는 구성을 도식화하여 나타내는 상면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 물체 검사 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다. 또한, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라파를 이용한 물체 검사 장치의 배치 구성을 개략적으로 나타내는 측단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 물체 검사 장치는, 테라파를 이용하여 물체를 검사할 수 있는 장치로서, 테라파 공급부(100), 포커싱 렌즈(200), 회전판(300) 및 테라파 검출부(400)를 포함한다.
상기 테라파 공급부(100)는, 테라파(1)를 생성하여 공급할 수 있다. 여기서, 테라파(1)란 테라헤르츠(terahertz) 영역의 전자기파를 의미하는 것으로, 바람직하게는, 0.1THz 내지 10THz의 진동수를 가질 수 있다. 다만, 이러한 범위를 다소 벗어난다 하더라도, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 용이하게 생각해낼 수 있는 범위라면, 본 발명에서의 테라파로 인정될 수 있음은 물론이다.
특히, 상기 테라파 공급부(100)는, 테라파(1)를 생성하여 피검물(10)로 공급하되, 생성된 테라파(1)가 시간에 따라 경로가 이동될 수 있도록 한다. 즉, 상기 테라파 공급부(100)는 경로를 달리하면서 테라파(1)가 순차적으로 피검물(10)로 공급될 수 있도록 한다.
특히, 상기 테라파 공급부(100)는 테라파(1)의 경로를 직선으로 이동시킬 수 있다. 즉, 테라파 공급부(100)는 1축 방향으로 테라파(1)를 주사할 수 있다. 예를 들어, 테라파 공급부(100)는, 래스터 주사(raster scanning) 방식과 같이 일정한 거리의 직선 경로 상에서 반복적으로 테라파(1)가 주사되도록 할 수 있다.
이를테면, 도 2에 도시된 바와 같이, 테라파 공급부(100)가 직선 경로로 5개의 테라파 빔(1)을 생성하여 공급한다고 할 때, 이러한 5개의 테라파 빔(1)은 소정의 시차를 두고 순차적으로 생성하여 공급될 수 있다. 다만, 도 2에 도시된 테라파 빔(1)의 개수는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 이러한 테라파 빔(1)의 개수는 다양하게 구현될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이 테라파 공급부(100)는 테라파를 순차적으로 공급하되, 각각의 테라파 빔이 서로 평행하게 피검물(10)로 입사되도록 하는 것이 좋다. 이를 위해, 상기 테라파 공급부(100)는 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)로 테라파 빔이 서로 평행하게 입사되도록 하는 것이 좋다.
상기 포커싱 렌즈(200)는, 테라파 공급부(100)와 피검물(10) 사이에 위치하여, 테라파 공급부(100)에 의해 공급되는 테라파를 포커싱(focusing)할 수 있다. 즉, 상기 포커싱 렌즈(200)는 테라파 공급부(100)에 의해 피검물(10)로 공급되는 테라파의 진행 경로 도중에 위치하여, 피검물(10)로 입사되는 테라파 빔이 포커싱되도록 할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 포커싱 렌즈(200)는, 테라파 공급부(100)에 의해 공급되는 테라파에 대하여 그 파장 이하로 포커싱할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 물체 검사 장치는, 테라파 이미지에 대한 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈(200)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A'선에 대한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 포커싱 렌즈(200)는, 플레이트에 다수의 원형 홈(210)이 형성된 형태를 가질 수 있다. 여기서, 다수의 원형 홈(210)은 중심이 동일하되, 반지름이 서로 다른 형태를 가지며, 각각의 원형 홈(210)은 소정 거리 이격된 상태일 수 있다. 따라서, 포커싱 렌즈(200)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 원형 홈(210)이 형성된 오목한 부분과 원형 홈(210)이 형성되지 않은 볼록한 부분이 서로 교대로 형성된 형상이 될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 포커싱 렌즈(200)는, 투과 효율을 개선하면서도 빔의 효율적인 포커싱을 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 테라파에 대해 광학적으로 투명한 재질로 형성된 플레이트에 대해 원형 홈(210)이 소정의 깊이를 갖고 있는 구조로 제작되는 것이 좋다. 이와 같은 구조에 의하면, 투명한 재질을 갖는 플레이트에 대해 소정의 깊이를 갖는 원형 홈(210)들이 입사하는 테라파 빔에 대해 각각 일정한 위상차를 만들어 궁극적으로 이버네센트 필드(evanescent field)의 보강 간섭을 유도하는 효과를 발생하게 함으로써, 불투명한(opaque) 재질로 구성된 경우보다 포커싱 렌즈(200)의 회절 효율(diffraction efficiency)이 향상되고 테라파의 손실을 최소화할 수 있어 테라파에 대한 포커싱 효과가 더욱 개선될 수 있다.
이때, 포커싱 렌즈(200)에 형성된 다수의 원형 홈(210), 즉 오목한 부분은 플레이트의 두께가 일정한 깊이로 얇아지게 형성되는 것이 좋다. 즉, 도 4의 실시예에서 포커싱 렌즈의 두께가 t라 할 때, 원형 홈(210) 각각은 h로 표시된 바와 같이 일정한 두께를 갖는 것이 좋다.
한편, 상기 기술한 바와 같이, 포커싱 렌즈(200)는, 테라파 영역에서 광학적으로 투명한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 포커싱 렌즈(200)는 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질로 형성될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 형태로 한정되는 것은 아니며, 포커싱 렌즈(200)는 다양한 재질로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 포커싱 렌즈(200)에 형성된 원형 홈(210)은 다음과 같은 수학식 1에 의해 배열 형태가 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012020597448-pat00001
여기서, r은 포커싱 렌즈(200)에 형성된 홈(210)의 반지름을 의미하고, n은 자연수로서 홈(210)의 중심으로부터의 순서를 의미한다. 이에 대하여 보다 구체적으로 설명하기 위해 도 4를 참조하면, r1은 포커싱 렌즈(200)의 중심에서부터 첫 번째 홈의 내측 반지름을 의미하고, r2는 첫 번째 홈의 외측 반지름을 의미한다. 그리고, r3는 포커싱 렌즈(200)의 중심에서부터 두 번째 홈의 내측 반지름을 의미하고, r4는 두 번째 홈의 외측 반지름을 의미한다. 이와 같이 rn을 구성한다고 하면, n이 홀수인 경우는 원형 홈의 내측 반지름을 의미하고, n이 짝수인 경우는 원형 홈의 외측 반지름을 의미한다.
달리 말하면, 이와 같은 rn은 포커싱 렌즈(200)에서 볼록한 부분의 외측 반지름과 오목한 부분의 외측 반지름을 나타낸다고 할 수도 있다. 즉, 도 4에서, r1은 포커싱 렌즈(200)에서 가장 안쪽에 위치한 볼록한 부분의 외측 반지름을 나타내고, r2는 그 다음의 오목한 부분의 외측 반지름을 나타내며, r3는 그 다음의 오목한 부분의 외측 반지름을 나타낸다고 할 수도 있다.
또한, 상기 수학식 1에서 λ는 테라파 공급부(100)에 의해 공급되는 테라파의 파장을 의미하고, f는 포커싱 렌즈(200)에 의해 포커싱되는 설계 초점 거리를 의미한다.
이처럼, 테라파의 파장과 설계 초점 거리를 알면, 수학식 1을 통해 포커싱 렌즈(200)의 각각의 원형 홈에 대한 위치를 결정할 수 있다.
예를 들어, 테라파의 파장이 0.75mm이고, 초점 거리가 10mm라 할 때, 이들을 상기 수학식 1에 대입하여 rn을 구할 수 있다. 일례로, r1을 계산하면, 2.76mm를 얻을 수 있다. 따라서 이 경우, 도 3 및 도 4의 실시예에서 가장 안쪽에 위치하는 볼록한 부분의 반지름은 2.76mm일 수 있다. 또 다른 예로, r8을 계산하면, 8.31mm를 얻을 수 있다. 따라서 이 경우, 도 3 및 도 4의 실시예에서 가장 바깥쪽에 위치하는 홈의 외측 반지름은 8.31mm일 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4의 실시예에서는 n=8인 경우, 즉 원형 홈이 4개만 형성된 포커싱 렌즈(200)를 기준으로 설명되었으나, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, n=8 이외에 다른 숫자로 설정될 수 있다. 따라서, 포커싱 렌즈(200)의 원형 홈은 3개 이하, 또는 5개 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4의 실시예에서는, 포커싱 렌즈(200)의 중심 부분이 볼록한 형태(네거티브 형태)인 경우를 기준으로 설명하였으나, 포커싱 렌즈(200)의 중심 부분은 오목한 형태(포지티브 형태)로 구성될 수도 있다. 따라서, 이러한 포지티브 형태의 실시예에서는, rn이 네거티브 형태의 실시예에서와 반대로 나타날 수 있다. 예를 들어, r1은 포커싱 렌즈(200)의 중심에 위치하는 홈의 반지름을 나타내고, r2는 포커싱 렌즈(200)의 중심에서 첫 번째 볼록한 부분의 외측 반지름을 나타낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈(200)에 의하면, 테라파 공급부(100)에 의해 공급된 테라파를 포커싱할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈(200)에 의해 테라파가 포커싱되는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈(200)로 테라파가 공급되고, 이와 같이 테라파가 공급되는 부분의 반대 측 표면에는 원형 홈(210)이 주기적으로 형성되어 있다. 즉, 도 5에서 포커싱 렌즈(200)의 후면에는 원형 홈(210)이 형성되어 있지 않고, 포커싱 렌즈(200)의 전면에는 원형 홈(210)이 주기적으로 형성되어 있다. 그리고, 테라파는 포커싱 렌즈(200)의 후면에서 입사되어 전면 방향으로 진행하며, 포커싱 렌즈(200)의 전단에서 포커싱되게 된다.
이처럼, 포커싱 렌즈(200)에는 일정한 깊이의 홈(210)이 주기적으로 형성되어 두께의 차이가 반복되고, 이에 의해 테라파는 포커싱될 수 있다. 이러한 포커싱 효과는, 포커싱 렌즈(200)의 오목한 부분과 볼록한 부분에서 발생하는 이버네센트 필드(evanescent field)에 의한 회절 효과와 위상차(phase difference)로 인해 보강 간섭이 발생함으로써 니어 필드 포커싱(near field focusing)이 형성되어 발생한다고 할 수 있다.
한편, 상기 실시예와 같은 포커싱 렌즈(200)에 의하면, 원형 홈(210)이 형성되지 않은 면에 테라파가 입사되고, 원형 홈(210)이 형성된 면의 앞쪽에서 테라파가 포커싱되므로, 도 2에 이러한 포커싱 렌즈(200)가 적용되는 실시예의 경우, 원형 홈(210)은 포커싱 렌즈(200)의 아래쪽 면에 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈(200)에 의한 포커싱 빔의 필드 강도 분포(field intensity distribution)를 나타내는 도면이고, 도 7 및 도 8은 도 6에서 중심부의 필드 세기를 x 및 y 방향으로 나타낸 도면이다. 보다 구체적으로, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈(200)에 대하여 상용 software를 사용하여 2-D 유한 차분 시간 영역 계산(2-D finite Difference Time Domain Calculation) 결과를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8에서 사용된 포커싱 렌즈(200)는, 두께가 2.5mm, 홈(210)의 깊이가 1mm이며, PTFE 재질로 형성되었다. 또한, 사용된 테라파의 파장은 0.75mm이며, 설계 초점 거리는 10mm이다. 그리고, 포커싱 렌즈(200)는 네거티브 형태로 하고 총 4개의 원형 홈(210)이 형성되도록 하여 n은 8이 되도록 하였다. 이때, 포커싱 렌즈(200)에 형성된 원형 홈(210)의 반지름, 즉 rn은 상기 수학식 1에 의해 계산되도록 하였다. 예를 들어, r1은 2.76mm이고, r8은 8.31mm이다.
먼저, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈(200)에 대하여, 테라파를 공급하는 경우, 테라파의 포커싱이 잘 이루어짐을 알 수 있다. 즉, 도 6에서 포커싱 렌즈(200)의 하단 측에서 테라파가 공급되면, 공급된 테라파는 포커싱 렌즈(200)를 지나면서 십자로 표시된 부분에서 적색으로 표시되는 바와 같이 포커싱이 이루어질 수 있다. 이때, 포커싱된 테라파의 초점 거리는 9.8mm로서 설계 초점 거리인 10mm와 거의 유사하게 나타나고 있다.
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하면, 도 6의 결과에 대한 중심부의 필드 세기를 x와 y 방향으로 나타내고 있으며, 이 결과를 바탕으로 초점 심도(Depth of Focus; DoF) 및 반치폭(Full Width of Half Maximum; FWHM) 사이즈가 계산될 수 있다.
특히, 도 8의 결과를 보면, 포커싱 렌즈(200)에 의해 포커싱된 테라파 빔의 반치폭(FWHM)은 0.508mm로 나타나고 있다. 이러한 반치폭은, 사용된 테라파 빔의 파장인 0.75mm에 비해 절반에 가까울 정도로 크게 낮다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈(200)는 테라파를 파장 이하로 포커싱할 수 있음을 알 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 포커싱 렌즈(200)를 통해 각각의 테라파 빔에 대하여 포커싱, 특히 파장 이하로 포커싱할 수 있다. 그런데, 테라파 공급부(100)에 의해 공급되는 테라파는 래스터 주사 방식과 같이 시간에 따라 순차적으로 경로가 이동된다. 따라서, 이와 같이 테라파가 시간에 따라 경로를 이동함에 따라 포커싱 렌즈(200)의 위치 또한 이동되어야 주사되는 모든 테라파 빔에 대한 포커싱이 가능해질 수 있다. 이는, 하기에서 설명하는 회전판(300)의 구성에 의해 달성될 수 있다.
상기 회전판(300)은, 디스크 형태와 같은 플레이트 형태로 구성될 수 있으며, 포커싱 렌즈(200)를 다수 개 구비할 수 있다. 그리고, 이와 같이 회전판(300)에 구비된 다수의 포커싱 렌즈(200)는 회전판(300)의 중심으로부터 거리를 달리하여 배치될 수 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 포커싱 렌즈(200)가 구비된 회전판(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전판(300)은 회전판(300)의 중심으로부터의 거리가 다른 포커싱 렌즈(200)를 다수 개 구비할 수 있다. 그리고, 각각의 포커싱 렌즈(200)는, 경로를 달리하여 피검물(10)로 순차적으로 공급되는 테라파 빔 각각을 포커싱할 수 있다.
상기 회전판(300)은, 도 2에 도시된 바와 같이 로터(rotor)(310) 등을 통해 원주 방향으로 회전할 수 있다. 그리고, 회전판(300)은 이와 같은 회전을 통해 테라파의 경로 이동에 따라 어느 하나의 포커싱 렌즈(200)가 상기 테라파의 진행 경로에 위치하도록 할 수 있다. 예를 들어, 테라파 공급부(100)는, 도 9에서 화살표 d로 표시된 바와 같이, 직선 경로상에서 순차적으로 테라파를 주사함으로써 테라파의 진행 경로가 이동되도록 할 수 있다. 이때, 회전판(300)은, 도 9에서 화살표 c로 표시된 바와 같이, 원주 방향으로 회전함으로써 이러한 테라파의 경로 이동에 대응되도록 할 수 있다. 즉, 회전판(300)은 회전을 통해, 경로를 이동하면서 순차적으로 공급되는 테라파에 대하여 서로 다른 포커싱 렌즈(200)가 순차적으로 이러한 테라파의 진행 경로에 위치하도록 할 수 있다.
상기 실시예에 의하면, 테라파의 경로 이동에 맞추어, 다른 포커싱 렌즈(200)가 계속해서 테라파의 진행 경로 상에 놓여 있도록 한다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, e1으로 표시된 테라파 빔은 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)를 통과함으로써 e2로 표시된 바와 같이 포커싱될 수 있다.
이를 위해, 상기 회전판(300)의 회전은, 상기 테라파의 경로 이동에 동기화되는 것이 좋다. 즉, 상기 회전판(300)은, 테라파 공급부(100)에 의한 테라파의 주사 위치에 따라 그 진행 경로에 포커싱 렌즈(200)가 위치하도록, 회전 속도 등을 테라파의 주사 속도에 동기화하는 것이 좋다. 이 경우, 회전판(300)의 회전축에 연결된 로터(310)에는 인코더(encoder)와 같은 위치 센서가 부착될 수 있으며, 이를 통해 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)와 테라파의 주사 위치가 동기화되도록 할 수 있다.
이처럼, 회전판(300)이 회전하면서 테라파의 경로 이동에 맞추어 서로 다른 포커싱 렌즈(200)가 위치하도록 하기 위해서는, 다수의 포커싱 렌즈(200)가, 도 9에 도시된 바와 같이, 회전판(300)에서 나선(spiral) 패턴으로 배열되도록 하는 것이 좋다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라파의 경로 이동과 회전판(300)의 회전이 동기화되는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 10에서는 설명의 편의를 위해 회전판(300)과 포커싱 렌즈(200)의 일부만 나타내도록 한다.
도 10을 참조하면, 테라파 공급부(100)는 화살표 b로 표시된 바와 같이 회전판(300)의 최외경과 중심부를 잇는 소정의 직선을 따라 주기적으로 왕복하면서 테라파 빔을 순차적으로 공급할 수 있다. 다만, 이러한 테라파 공급부(100)의 주사 경로는 회전판(300)의 가장 바깥쪽에 위치한 포커싱 렌즈(200)에 대응되는 위치에서 가장 안쪽에 위치한 포커싱 렌즈(200)에 대응되는 위치의 사이 구간에서만 형성될 수 있다. 포커싱 렌즈(200)는 회전판(300)에서 그 중심부까지 형성되지 못할 수 있기 때문이다.
도 10의 회전판(300)에는 포커싱 렌즈(200)가 다수 개 구비되어 있는데, 도면에서는 L0 내지 L5의 6개만 나타내도록 한다. 그리고, 이러한 포커싱 렌즈(200) 각각은 그 중심에서부터 회전판(300)의 중심까지의 거리가 서로 다를 수 있다.
우선, 테라파 공급부(100)에 의해 테라파 빔이 b0의 위치로 공급, 즉 주사되고 있을 때, 포커싱 렌즈(200) L0가 b0 위치로 이동하여 테라파 빔이 이러한 포커싱 렌즈(200) L0를 통과하도록 할 수 있다. 다음으로, 테라파 빔이 경로를 이동하여 b1의 위치로 주사되고 있을 때, 회전판(300)은 시계 방향으로 회전하여 포커싱 렌즈 L1이 b1 위치로 이동하도록 할 수 있다. 그러면, b1의 위치에서 주사되고 있는 테라파 빔은 포커싱 렌즈 L1을 통과하여 포커싱될 수 있게 된다. 다음으로, 테라파 빔이 경로를 이동하여 b2의 위치로 주사되고 있을 때, 회전판(300)은 시계 방향으로 더 회전하여 포커싱 렌즈 L2가 b2 위치로 이동하도록 할 수 있다. 따라서, b2의 위치에서 공급되고 있는 테라파 빔은 포커싱 렌즈 L2를 통과할 수 있게 된다. 이와 같은 방식으로 테라파 빔이 b3, b4 및 b5 위치로 경로를 이동하면서 순차적으로 주사될 때, 회전판(300)은 시계 방향으로의 회전을 통해 포커싱 렌즈 L3, L4 및 L5가 이러한 b3, b4 및 b5 위치하여 각각의 위치에서 주사되는 테라파 빔을 포커싱할 수 있다.
도 10의 실시예에서는, 회전판(300)의 전면에 포커싱 렌즈(200)의 원형 홈(210)이 형성된 것으로 도시되어 있으므로, 테라파 빔은 회전판(300)의 후면에서부터 전면 방향으로 공급된다고 할 수 있다.
한편, 도면에서는 테라파 빔의 주사 위치를 b1 내지 b5만 도시하고 있으나, 이외에도 테라파 빔은 계속해서 회전판(300)의 중심 방향으로 공급될 수 있다. 그리고, 이와 같이 공급되는 테라파에 대해서는, 회전판(300)의 중심부까지의 거리가 L5보다 짧은 다른 포커싱 렌즈(200)들이 회전판(300)의 회전에 의해 각각의 테라파 빔 위치에 순차적으로 대응함으로써 경로를 달리하여 주사되는 모든 테라파 빔이 포커싱되도록 할 수 있다.
예를 들어, 테라파 공급부(100)에 의한 테라파 빔의 순차적인 주사 위치가 화살표 b를 따라 b0 내지 b300이라고 가정할 때, 회전판(300)에는 이러한 b0 내지 b300에 대응하여 적어도 L0 내지 L300의 포커싱 렌즈(200)가 존재하는 것이 좋다. 이때, L0는 회전판(300)에서 가장 최외곽에 위치한 포커싱 렌즈(200)이고, L300은 가장 안쪽에 위치한 포커싱 렌즈(200)라고 할 수 있다. 이러한 실시예에서, 테라파 빔은 b0 위치에서부터 공급되어 b0, b1, b2, ..., b299, b300 위치의 순서로 순차적으로 공급될 수 있다. 그러면, 회전판(300)은 회전을 통해 포커싱 렌즈 L0, L1, L2, ..., L299, L300이 각각 순차적으로 b0, b1, b2, ..., b299, b300의 위치에 오도록 할 수 있다. 그리고 나서, 테라파 빔은 다시 b0, b1, b2, ...의 순으로 다시 공급될 수 있으며, 이 경우 회전판(300)은 회전을 통해 다시 L0, L1, L2, ...가 b0, b1, b2, ...의 위치에 오도록 할 수 있다.
이처럼, 회전판(300)의 회전이 테라파의 경로 이동, 즉 테라파의 주사 위치에 동기화되면, 경로 이동된 테라파 빔 모두가 포커싱 렌즈(200)를 통과할 수 있다. 따라서, 테라파가 경로를 이동하면서 순차적으로 공급되더라도, 피검물(10)에는 모두 포커싱된 테라파가 공급될 수 있게 된다.
상기 살펴본 바와 같이, 테라파 공급부(100)는 테라파가 소정 경로, 이를테면 직선 경로 상에서 주기적으로 이동하면서 공급되도록 할 수 있으며, 회전판(300)은 이러한 테라파의 경로 이동에 동기화하여 회전할 수 있다. 이를 위해 회전판(300)에서 포커싱 렌즈(200)는 나선 형태로 배열되는 것이 좋은데, 이하에서는 이러한 포커싱 렌즈(200)의 배열 구성에 대해 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 11은 회전판(300)에 구비된 일부 포커싱 렌즈(200)의 배열 구성을 나타내는 도면이며, 도 12는 도 11에서 포커싱 렌즈(200) 부분만을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 11 및 도 12에서는, 설명의 편의를 위해, 3개의 포커싱 렌즈(200)만을 나타내도록 한다.
도 11 및 도 12를 참조하면, Ln +1, Ln 및 Ln -1의 3개의 포커싱 렌즈(200)가 회전판(300)의 원주 방향으로 순차적으로 배열되어 있으며, 각 포커싱 렌즈(200)의 회전판(300)의 중심(O)까지의 거리를 an +1, an 및 an -1로 나타내도록 한다. 또한, r1 내지 r8은 도 4의 실시예에서 설명한 바와 같이, 각 포커싱 렌즈(200)에 있어서 그 중심으로부터 원형 홈(210)까지의 거리를 나타내고, 각 포커싱 렌즈(200) 사이의 거리를 gap이라고 한다.
그러면, 포커싱 렌즈(200)의 중심과 회전판(300)의 중심을 잇는 각 중심선들 사이의 각도 θn은, 삼각 공식에 의해 다음의 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012020597448-pat00002
여기서, 각 포커싱 렌즈(200)에 대한 회전판(300) 중심까지의 거리 an은 이미지 최소 분해능만큼 작게 배치하는 것이 좋다. 즉, an -1-an은 이미지 최소 분해능 정도인 것이 좋다. 예를 들어, 도 6 내지 도 8의 실시예와 같이, 0.4 THz(0.75mm의 파장)의 테라파에 대해 포커싱된 빔의 크기가 약 0.5mm라고 가정하면, 검출 가능한 이미지의 최소 분해능은 약 0.5mm라고 할 수 있다. 따라서, 이 경우 an은 an -1보다 약 0.5mm 작게 할 수 있다.
그리고, 이와 같이 an -1이 결정되면, 이러한 an -1과 미리 결정된 an을 r8 및 gap 값과 함께 상기 수학식 2에 대입하여, θn을 결정할 수 있다.
다만, 회전판(300)에서 가장 외곽에 위치하는 포커싱 렌즈(200)에 대한 회전판(300)의 중심까지의 거리 a0는 임의의 최적 값으로 결정될 수 있다.
이와 같은 방식으로 포커싱 렌즈(200)는 회전판(300)에서 중심까지의 거리 an을 줄여가면서 계속해서 회전판(300)에 배열될 수 있으며, 회전판(300)의 중심부 방향으로 수렴해 갈 수 있다. 그리고, 이와 같은 포커싱 렌즈(200)의 배열은 배열된 포커싱 렌즈(200)가 서로 겹치지 않을 때까지 계속해서 이루어질 수 있다.
이처럼, 포커싱 렌즈(200)가 회전판(300)에서 배열되다 보면, 결국 포커싱 렌즈(200)는 도 9에 도시된 바와 같이 나선 형태로 배열될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 회전판(300)에서 포커싱 렌즈(200)의 배열이 1회의 턴(turn)에서 끝나지 않고 수 회의 턴을 이룰 수 있다. 즉, 포커싱 렌즈(200)에 의한 나선 배열은 회전판(300)에서 2회 이상 회전할 수 있다.
이러한 실시예에 의하면, 나선이 1회 회전하는 경우에 비해, 보다 긴 거리의 테라파 빔의 경로 이동에 대해서도 포커싱 렌즈(200)가 위치하도록 할 수 있다. 즉, 포커싱 렌즈(200)에 의한 나선 배열이 수 회에 이르면, 1회에 그치는 경우에 비해 보다 긴 구간에서 테라파의 주사 위치 변화가 이루어질 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에 의하면, 보다 넓은 면적에 대한 스캐닝이 가능해질 수 있다.
보다 구체적으로, 0.4THz의 테라파가 직선 경로 상으로 주사되고, a0=190mm, gap=0.5mm이며, 회전판(300)의 반지름이 205mm이고, 각 포커싱 렌즈(200)에는 4개의 원형 홈(210)이 형성되며, 0.5mm 분해능으로 스캐닝한다고 가정할 때, 상기 수학식 2에 따라 포커싱 렌즈(200)를 배치하면, 최대 215개의 포커싱 렌즈(200)가 서로 겹치지 않게 배치될 수 있다. 그리고, 이러한 포커싱 렌즈(200)의 배열은 도 9에 도시된 바와 같은 형태를 보일 수 있다. 즉, 회전판(300)에 215개의 포커싱 렌즈(200)가 나선 형태로 배열될 수 있으며, 이와 같이 형성된 나선은 5회의 회전을 이룰 수 있다.
이러한 실시예에 의하면, 테라파의 스캐닝 거리가 약 107mm일 수 있다. 즉, 회전판(300)의 중심에서 가장 바깥쪽에 위치한 포커싱 렌즈(200)의 중심까지의 거리 a0는 190mm이고, 회전판(300)의 중심에서 가장 안쪽에 위치한 포커싱 렌즈(200)의 중심까지의 거리 a214는 93mm이므로, 상기 실시예에 따른 물체 검사 장치의 직선 스캐닝 거리는 190mm에서 93mm를 뺀 107mm일 수 있다.
한편, 회전판(300)이 포커싱 렌즈(200)를 구비하는 형태는 다양하게 구현될 수 있다. 즉, 회전판(300)에서 포커싱 렌즈(200)는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 포커싱 렌즈(200)는 회전판(300)과 일체가 되는 형태로 회전판(300)에 구비될 수 있다. 이 경우, 포커싱 렌즈(200)는 회전판(300)을 이루는 플레이트의 일면에 원형 홈(210)을 형성하는 방법으로 형성되거나, 회전판(300)을 제조하는 단계에서 포커싱 렌즈(200)가 형성되어 있도록 할 수 있다. 이때, 회전판(300)은 포커싱 렌즈(200)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 이를테면, 회전판(300)은 포커싱 렌즈(200)와 함께 테라파에 대해 광학적으로 투명한 재질로 형성될 수 있다. 또 다른 예로, 상기 포커싱 렌즈(200)는 회전판(300)과 분리되는 형태로 회전판(300)에 구비될 수 있다. 이 경우, 회전판(300)에는 포커싱 렌즈(200)가 결합될 수 있는 홀이 형성되고, 이러한 홀에 포커싱 렌즈(200)가 삽입됨으로써 포커싱 렌즈(200)가 회전판(300)에 구비되도록 할 수 있다. 이 밖에도, 회전판(300)에 포커싱 렌즈(200)가 구비되는 방법은 다양하게 존재할 수 있다.
상기 테라파 검출부(400)는, 테라파 공급부(100)에 의해 공급되어 포커싱 렌즈(200)를 거쳐 피검물(10)로 입사된 테라파를 수집하여 검출한다. 특히, 본 발명에 따라 피검물(10)로 입사된 테라파는 포커싱 렌즈(200)에 의해 파장 이하의 수준으로 포커싱될 수 있으므로, 테라파 검출부(400)에 의해 검출되는 이미지의 분해능이 크게 개선될 수 있다.
이처럼, 본 발명에 의할 경우, 테라파 공급부(100)가 래스터 주사 방식과 같이 시간에 따라 순차적으로 경로를 이동시키며 테라파를 주사하되, 회전판(300)의 이동을 통해 테라파의 주사 위치 각각에 다른 포커싱 렌즈(200)가 위치하도록 할 수 있다. 따라서, 경로를 이동하면서 공급되는 테라파는 모두 포커싱 렌즈(200)를 거치면서 피검물(10)로 공급됨으로써, 결국 피검물(10)에는 포커싱된 테라파가 공급되게 된다. 이를 위해, 피검물(10)의 위치는 회전판(300)에 구비된 포커싱 렌즈(200)의 초점 거리 부근에 위치하는 것이 좋다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 포커싱 렌즈(200)는 테라파에 대해 파장 이하로 포커싱이 가능하므로, 검출 이미지의 분해능이 크게 개선될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 테라파 공급부(100)는 시간에 따라 경로를 이동시키면서 테파라를 주사하는데, 이를 위해 테라파 공급부(100)는 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라파 공급부(100)가 포함된 물체 검사 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 테라파 공급부(100)는, 테라파공급 모듈(110), 스캐닝 미러(120) 및 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)을 포함할 수 있다.
상기 테라파공급 모듈(110)은, 테라파를 생성하여 공급하는 구성요소이다. 이러한 테라파공급 모듈(110)은 테라파를 생성 및 공급하기 위해, 다양한 형태로 구현될 수 있다.
바람직하게는, 상기 테라파공급 모듈(110)은, 테라파생성 유닛(111), 광집속 유닛(112) 및 빔콜리메이팅 유닛(113)을 포함할 수 있다.
상기 테라파생성 유닛(111)은, 테라파를 생성하며 생성된 테라파를 광집속 유닛(112)으로 방사한다.
바람직하게는, 상기 테라파생성 유닛(111)은, 건 다이오드(gunn diode)를 이용하여 구현될 수 있다. 건 다이오드는 건 효과(gunn effect)를 이용하여 전자기파를 발진하는 다이오드로서, 저가이면서도 부피를 최소화할 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 테라파생성 유닛(111)은, 이러한 건 다이오드를 이용하여 테라파를 생성할 수 있다. 이 경우, 건 다이오드에 의해 발생된 테라파는 혼(horn)을 통해 방사될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 건 다이오드로 한정되는 것은 아니며, 테라파생성 유닛(111)은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
상기 광집속 유닛(112)은, 테라파생성 유닛(111)에 의해 방사된 테라파를 필드각이 작아지도록 집속시킬 수 있다. 즉, 건 다이오드 등에 의해 테라파가 생성 및 방사되면, 방사된 테라파는 광집속 유닛(112)으로 입사되는데, 상기 광집속 유닛(112)은 입사된 광, 즉 입사된 테라파의 필드각을 작게 하여, 빔콜리메이팅 유닛(113)으로 향하게 한다. 이때, 상기 광집속 유닛(112)은, 입사부와 출사부의 배율이 다르게 설정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 광집속 유닛(112)은, 도 13에 도시된 바와 같이, 비구면 렌즈를 이용하여 구현될 수 있다. 특히, 비구면을 포함한 렌즈가 광집속 유닛(112)에 사용되어 광의 필드각을 작게 만드는 경우, 구면 수차가 최소화될 수 있다. 이처럼 비구면 렌즈가 광집속 유닛(112)에 사용될 때에는, 도 13에 도시된 바와 같이 평면 부분이 바깥쪽으로 향하도록 하는 것이 좋다.
한편, 상기 광집속 유닛(112)은, 테라파 영역과 가시광 영역에서 일정한 굴절율을 보이고, 렌즈 정렬(lens align)을 용이하게 할 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 광집속 유닛(112)은, TPX 고분자(Polymethylpentene) 재질로 이루어질 수 있다. TPX의 경우, 633nm의 파장에서 투명하면서도 굴절율이 1.46으로서, 테라파 영역의 굴절율과 거의 유사하다. 따라서, 광집속 유닛(112)의 렌즈는 TPX 고분자 재질로 이루어지는 것이 좋다. 다만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 광집속 유닛(112)에 포함되는 렌즈에 TPX 고분자 이외에 다양한 재질이 이용될 수 있음은 물론이다.
상기 빔콜리메이팅 유닛(113)은, 광집속 유닛(112)에 의해 집속된 테라파를 콜리메이팅(collimating)시킨다. 따라서, 광집속 유닛(112)을 지난 테라파는 초점에서 집속된 후, 빔콜리메이팅 유닛(113)에 의해 평행하게 반사되며, 반사된 테라파는 스캐닝 미러(120)로 향하게 된다.
바람직하게는, 상기 빔콜리메이팅 유닛(113)은, 포물면경(parabolic reflector)에 의해 구현될 수 있다. 특히, 빔콜리메이팅 유닛(113)의 포물면경은, 비축 포물면(Off Axis Paraboloid)을 가진 것일 수 있다. 이처럼, 빔콜리메이팅 유닛(113)이 비축 포물면경에 의해 구현되는 경우, 포물면경의 초점과 광집속 유닛(112)의 뒤쪽에 있는 렌즈의 초점 사이의 거리를 조절함으로써, 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)로 입사되는 테라파의 빔스팟 크기를 조절할 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는, 테라파공급 모듈(110)이 테라파생성 유닛(111), 광집속 유닛(112) 및 빔콜리메이팅 유닛(113)을 포함하여 구현되는 것으로 설명되었으나, 이는 일례에 불과하며, 테라파공급 모듈(110)은 그 밖의 다양한 형태로 구현될 수 있다.
일례로, 상기 테라파공급 모듈(110)은, 양자 폭포 레이저(QCL, Quantum Cascade Laser) 또는 원적외선 레이저(Far Infrared Laser)로 구현될 수 있다. 이러한 양자 폭포 레이저나 원적외선 레이저는, 테라파를 연속으로 발진시킬 수 있는 연속 발진 레이저이다. 이를테면, 양자 폭포 레이저는, 반도체 밴드갭의 천이를 통한 일반적인 레이저와 달리 양자우물 구조로 형성된 서브밴드 간의 천이를 이용하는 전자기파 방사 레이저이다. 이러한 양자 폭포 레이저는, 전자-정공의 재결합을 이용하는 것이 아니라 전자만의 천이를 이용하므로 반복적으로 형성된 양자우물 구조에서 연속하여 계단식 방사를 할 수 있다.
한편, 테라파생성 유닛(111), 광집속 유닛(112) 및 빔콜리메이팅 유닛(113)이 포함된 테라파공급 모듈(110)이 공급한 테라파는 스캐닝 미러(120)로 입사된 후 다시 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)로 반사되어, 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)에 의해 포커싱된 후 피검물(10)에 입사될 수 있다.
상기 스캐닝 미러(120)는, 상기 테라파공급 모듈(110)에 의해 공급된 테라파를 고속으로 반사한다. 이때, 상기 스캐닝 미러(120)는 소정 각도 범위에서 고속으로 회전할 수 있다. 따라서, 스캐닝 미러(120)로 입사된 테라파는 소정 각도 범위에서 고속으로 반사되어, 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)로 주사(scanning)될 수 있다. 이때, 테라파가 1축 방향으로 주사되도록 하기 위해, 스캐닝 미러(120)는 소정 각도 범위에서 1축 방향으로 회전할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스캐닝 미러(120)는, Galvano mirror, MEMS micro mirror 또는 Polygon mirror로 구현될 수 있다. 이러한 미러들의 경우, 콜리메이팅된 광을 일정 각도 범위에서 고속으로 주사가 가능하므로, 스캐닝 미러(120)로 적합하게 사용될 수 있다. 다만, 이외에도 다양한 미러가 상기 스캐닝 미러(120)로 채용될 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 스캐닝 미러(120)의 회전은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 일례로, Galvano mirror가 스캐닝 미러(120)로 채용되는 경우, 이러한 Galvano mirror의 모터에 일정한 주파수의 구형파나 사인파를 갖는 전류를 인가함으로써, Galvano mirror의 원하는 반복 회전 동작을 얻을 수 있다. 여기서, 스캐닝 미러(120)의 회전 속도는 60Hz 내지 100Hz일 수 있다.
한편, 이러한 스캐닝 미러(120)의 회전 각도나, 동작, 속도 등은, 테라파 검출부(400)에 의해 수집된 정보에 따라 피드백 제어될 수 있다.
상기 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)은, 스캐닝 미러(120)에 의해 반사된 테라파를 콜리메이팅시킨다. 즉, 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)은, 스캐닝 미러(120)가 소정 범위의 각도에서 테라파를 스캐닝하면, 스캐닝된 테라파를 평행하게 반사하여 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)에 입사시킨다.
바람직하게는, 상기 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)은, 포물면경에 의해 구현될 수 있다. 이때, 테라파공급 모듈(110)이 빔콜리메이팅 유닛(113)을 포함하고, 빔콜리메이팅 유닛(113)이 비축 포물면경에 의해 구현되는 경우, 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)의 비축 포물면경은 빔콜리메이팅 유닛(113)의 비축 포물면경에 비해 구경이 클 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)을 구현하기 위한 비축 포물면경의 구경은 200mm일 수 있다. 따라서, 상대적인 관점에서 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)의 비축 포물면경은 대구경 비축 포물면경이라 할 수 있고, 빔콜리메이팅 유닛(113)의 비축 포물면경은 소구경 비축 포물면경이라 할 수 있다.
여기서, 대구경 비축 포물면경의 초점과 스캐닝 미러(120)의 회전축이 일치하게 할 수 있다. 이 경우, 테라파는 스캐닝 미러(120)의 회전으로 인해 일정한 각도로 대구경 비축 포물면경을 휩쓸면서 반사되고, 반사된 테라파는 서로 평행하게 회전축의 포커싱 렌즈(200)에 입사함으로써, 포커싱된 테라파의 피검물(10)에 대한 반복적인 주사(scanning)가 가능하게 된다. 이때, 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)은, 도 13에 도시된 바와 같이, 평행하게 반사된 테라파가 회전판(300)에 대해 수직으로 입사하도록 하는 것이 좋다.
이처럼, 대구경 비축 포물면경 등으로 구현 가능한 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)은, 스캐닝 미러(120)와 함께 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)를 거쳐 피검물(10) 상부로 테라파가 반복적으로 주사되도록 할 수 있다.
이때, 스캐닝 미러(120) 및 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130)은 테라파가 래스터 주사(raster scanning) 방식으로 회전판(300)에 주사되도록 할 수 있다. 특히, 본 발명에 의할 경우, 회전판(300)에 포커싱 렌즈(200)가 구비되어 있어, 주사된 테라파가 모두 포커싱 렌즈(200)를 통과함으로써 광학적 해상도가 크게 향상될 수 있다.
한편, 상기 테라파 검출부(400)는, 반사검출 유닛 및 투과검출 유닛을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 반사검출 유닛은, 피검물(10)에서 반사된 테라파를 수집하여 검출할 수 있다. 특히, 상기 반사검출 유닛은 피검물(10)로 공급된 테라파가 그 입사 경로를 따라 반사된 경우, 이를 검출하도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 도 13의 실시예와 같이, 테라파가 테라파생성 유닛(111)에 의해 생성되어, 광집속 유닛(112), 빔콜리메이팅 유닛(113), 스캐닝 미러(120), 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130) 및 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)를 거쳐 피검물(10)로 입사되면, 이러한 테라파는 피검물(10)에서 반사되어 다시 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200), 스캐닝 콜리메이팅 모듈(130), 스캐닝 미러(120), 빔콜리메이팅 유닛(113)을 거쳐 이동할 수 있다. 그리고, 이와 같이 반사된 테라파는 반사검출 유닛을 통해 수집되어 물체를 검사하는데 이용될 수 있다.
상기 투과검출 유닛은, 피검물(10)을 투과한 테라파를 수집하여 검출할 수 있다. 이때, 투과검출 유닛은 오목 거울 및 실리콘 렌즈를 구비할 수 있다. 여기서, 오목 거울은 피검물(10)로 입사된 테라파가 피검물(10)을 투과하면 투과된 테라파를 반사할 수 있다. 그리고, 실리콘 렌즈는 오목 거울에 의해 반사된 테라파를 집속할 수 있으며, 반구면 렌즈일 수 있다. 또한 상기 투과검출 유닛은 쇼트키 다이오드를 구비함으로써 테라파를 수집 및 검출할 수 있다.
상기 실시예와 같이, 테라파 검출부(400)가 반사검출 유닛 및 투과검출 유닛을 포함하는 경우, 피검물(10)에서 반사된 테라파와 피검물(10)을 투과한 테라파가 모두 검출될 수 있다. 따라서, 테라파를 이용한 물체 검사시 반사법과 투과법이 모두 이용됨으로써, 피검물(10)의 재질이나 종류 등에 제한을 받지 않고 다양한 종류에 대한 검사가 가능할 수 있다.
다만, 상기 반사검출 유닛 및 투과검출 유닛의 이러한 구성은 일례에 불과하며, 테라파 검출부(400)는 다양하게 구현될 수 있다.
한편, 테라파 검출부(400)가 피검물(10)에서 반사된 테라파와 투과된 테라파를 모두 검출하기 위해서는, 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)를 거쳐 피검물(10)로 입사되는 테라파의 입사 각도가 피검물(10)의 입사면과 수직인 것이 좋다. 또한, 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)를 거쳐 피검물(10)로 입사되는 테라파는 가급적 평행한 것이 좋다. 이처럼 피검물(10)로 입사되는 테라파가 평행하면 파장 이하의 해상도를 얻는데 있어서도 유리하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 물체 검사 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 디스플레이부(500)를 더 포함할 수 있다.
상기 디스플레이부(500)는 테라파 검출부(400)에 의해 검출된 테라파를 이용하여 영상 이미지를 제공할 수 있다. 이를 위해, 디스플레이부(500)는 테라파 검출부(400)와 연결되어 정보를 송수신할 수 있다.
상기 디스플레이부(500)는 프리 앰프(Pre-Amplifier), 락인 앰프(Lock in Amplifier), A-D 컨버터 및 신호처리 유닛을 포함할 수 있다. 이 경우, 테라파 검출부(400)에 의해 검출된 테라파는, 프리-앰프 및 락인 앰프를 거쳐 증폭된 후, A-D 변환되어 신호처리 유닛으로 전송될 수 있다. 그러면, 신호처리 유닛은 이와 같이 전송된 신호를, 소프트웨어를 통해 영상 좌표에 맞는 픽셀값으로 바꾸어 이를 모니터 등에 2차원 영상 등으로 표시할 수 있다. 따라서, 사용자는 이와 같이 표시된 2차원 영상 등을 관찰함으로써, 물체 검사를 실시간으로 정확하면서도 신속하게 수행할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 물체 검사 장치는, 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 물체 검사 장치의 각 구성요소를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 실시예에서 디스플레이부(500)의 신호처리 유닛이 테라파 검출부(400)에 의해 검출된 테라파를 이용하여 검사 결과를 2차원 영상 이미지로 표시할 때, 테라파 검출부(400)에 의해 검출된 테라파가 2차원 영상으로 표시하기에 적절한지에 대한 정보를 신호처리 유닛으로부터 수신할 수 있다. 이 경우, 테라파 검출부(400)에 의해 검출된 테라파가 2차원 영상으로 표시하기에 적절하지 않다는 정보를 신호처리 유닛으로부터 수신하면, 상기 제어부는 스캐닝 미러(120)의 회전 각도나 속도 등을 적절하게 변화시킬 수 있다. 또 다른 예로, 상기 제어부는, 회전판(300)의 회전과 테라파 공급부(100)의 경로 이동을 동기화하기 위해 회전판(300)의 회전 속도 및/또는 테라파 공급부(100)의 테라파 공급 속도 등을 조절할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 물체 검사 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 피검물 이송부(600)를 더 포함할 수 있다.
상기 피검물 이송부(600)는, 검사를 받기 위한 물체인 피검물(10)을 이송할 수 있다. 특히, 상기 피검물 이송부(600)는 테라파 공급부(100)의 주사 방향과 수직인 방향으로 피검물(10)을 이송할 수 있다. 예를 들어, 테라파 공급부(100)가 x축 방향으로 경로를 이동시키면서 테라파를 공급하는 경우, 피검물 이송부(600)는 y축 방향으로 피검물(10)을 이송할 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 테라파 공급부(100)에 의해 일축 방향으로만 테라파의 주사가 이루어진다 하더라도, 피검물(10)의 이송을 통해 피검물(10) 전체 면적에 대한 테라파의 스캐닝이 가능해질 수 있다.
도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 피검물 이송부(600)에 의해 이송되는 피검물(10)에 테라파가 주사되는 구성을 도식화하여 나타내는 상면도이다.
도 14를 참조하면, 피검물 이송부(600)에 의해 피검물(10)은 우측에서 좌측 방향으로 이송될 수 있다. 그리고, 이 경우, 테라파 공급부(100)는, 이러한 피검물(10)의 이송 방향과 수직이 되도록, 테라파를 도면의 상하 방향으로 주사할 수 있다. 이때, 테라파 공급부(100) 는 동일한 위치 내에서 직선 거리를 왕복하며 테라파를 주사할 것이나, 피검물(10)은 피검물 이송부(600)에 의해 좌측 방향으로 이송되고 있으므로, 피검물(10)의 입장에서는 화살표 g1 내지 g4 등으로 표시된 바와 같이 위치를 달리하며 테라파가 주사될 수 있다. 즉, 테라파 공급부(100)는 1축 방향으로만 테라파를 공급한다 하더라도, 피검물 이송부(600)에 의한 피검물(10) 이송으로 피검물(10) 전체 표면에 대해 테라파가 주사되도록 하는 결과를 얻을 수 있다. 따라서, 이러한 방식에 의하면, 1축 방향 주사만으로 피검물(10)에 대한 2D 스캐닝이 가능해져, 피검물(10)의 2차원 영상 이미지가 구현될 수 있다.
한편, 도 14에서는, 테라파 공급부(100)에 의해 테라파가 일 방향, 즉 상부에서 하부 방향으로만 주사되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일례에 불과할 뿐 본 발명이 이러한 주사 방식에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 테라파 공급부(100)는 테라파를 양 방향, 즉 상부에서 하부 방향 및 하부에서 상부 방향으로 테라파를 주사할 수도 있다.
상기 피검물 이송부(600)는, 컨베이어 벨트로 구현될 수 있다. 특히, 상기 피검물 이송부(600)는 연속으로 배치된 2개의 컨베이어 벨트를 구비하여 피검물(10)을 1축 방향으로 이송할 수 있다. 이 경우, 테라파 공급부(100)에 의해 공급되어 회전판(300)의 포커싱 렌즈(200)를 거쳐 포커싱된 테라파는 2개의 컨베이어 벨트 사이에 주사될 수 있다. 즉, 포커싱된 테라파는 2개의 컨베이어 벨트 사이에 위치하는 피검물(10)로 주사될 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 피검물(10)을 투과한 테라파에 대해 컨베이어 벨트의 방해를 받지 않고 검출이 가능해질 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 '테라파 공급부', '디스플레이부', '피검물 이송부' 등과 같은 '부'라는 용어, '테라파공급 모듈', '스캐닝 콜리메이팅 모듈'과 같은 '모듈'이라는 용어, 그리고 '테라파생성 유닛', '광집속 유닛', '빔콜리메이팅 유닛' 등과 같은 '유닛'이라는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 논리적인 구성 단위를 나타내는 것으로서, 반드시 물리적으로 분리될 수 있거나 물리적으로 분리되어야 하는 구성요소를 나타내는 것이 아니라는 점은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명하다.
1: 테라파
10: 피검물
100: 테라파 공급부
200: 포커싱 렌즈
300: 회전판
310: 로터

Claims (19)

  1. 테라파를 생성하여 시간에 따라 경로를 이동시키며 상기 테라파를 피검물로 공급하는 테라파 공급부;
    상기 테라파 공급부와 상기 피검물 사이에 위치하여, 상기 테라파 공급부에 의해 공급되는 테라파를 포커싱하는 포커싱 렌즈;
    플레이트 형태로 구성되어 중심으로부터 거리를 달리하는 상기 포커싱 렌즈를 다수 개 구비하고 다수의 포커싱 렌즈는 나선 형태로 배열되며, 상기 테라파의 경로 이동에 따라 어느 하나의 포커싱 렌즈가 상기 테라파의 진행 경로에 위치하도록 원주 방향으로 회전하는 회전판; 및
    상기 피검물에 입사된 테라파를 수집하여 검출하는 테라파 검출부
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나선은, 상기 회전판에서 2회 이상 회전하는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전판은, 상기 테라파의 경로 이동에 동기화되어 회전하는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈는, 플레이트에 중심이 일치하고 반지름이 다른 다수의 원형 홈이 소정 거리 이격된 상태로 형성된 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈의 홈은, 상기 플레이트의 두께가 일정한 깊이로 얇아지게 형성된 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈의 홈의 반지름은 다음 수식에 따라 결정되되,
    Figure 112012020597448-pat00003

    여기에서, r은 상기 홈의 반지름을 의미하고, n은 자연수로서 상기 홈의 중심으로부터의 순서를 의미하며, λ는 상기 테라파의 파장을 의미하고, f는 포커싱되는 초점거리를 의미하는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈는, 테라파 영역에서 광학적으로 투명한 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 테라파 공급부는, 상기 테라파의 경로를 직선으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 테라파 공급부는, 테라파를 생성하여 공급하는 테라파공급 모듈, 회전하면서 상기 테라파공급 모듈에 의해 공급된 테라파를 소정 각도 범위로 고속으로 반사하는 스캐닝 미러, 및 상기 스캐닝 미러에 의해 반사된 테라파를 평행하게 반사하여 피검물에 입사시키는 스캐닝 콜리메이팅 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 테라파공급 모듈은, 테라파를 생성하여 방사하는 테라파생성 유닛, 상기 테라파생성 유닛에 의해 방사된 테라파를 필드각이 작아지도록 집속시키는 광집속 유닛, 및 상기 광집속 유닛에 의해 집속된 테라파를 평행하게 반사하는 빔콜리메이팅 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 테라파 검출부는, 상기 피검물에서 반사된 테라파를 검출하는 반사검출 유닛 및 상기 피검물을 투과한 테라파를 검출하는 투과검출 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 테라파 검출부에 의해 검출된 테라파를 이용하여 영상 이미지를 제공하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 피검물을 이송하는 피검물 이송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 피검물 이송부는 연속으로 배치된 2개의 컨베이어 벨트를 구비하여 상기 피검물을 이송하고, 상기 포커싱 렌즈에 의해 포커싱된 테라파는 상기 2개의 컨베이어 벨트 사이에 입사되는 것을 특징으로 하는 물체 검사 장치.
  16. 플레이트 형태로 구성되며, 테라파를 포커싱하는 포커싱 렌즈를 다수 개 구비하되, 상기 다수의 포커싱 렌즈는 중심으로부터 거리를 달리하고 나선 형태로 배열되며,
    시간에 따른 테라파의 경로 이동에 따라 어느 하나의 포커싱 렌즈가 상기 테라파의 진행 경로에 위치하도록 원주 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 회전판.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈는 플레이트에 중심이 일치하고 반지름이 다른 다수의 원형 홈이 소정 거리 이격된 형태로 형성되고, 상기 다수의 원형 홈은 플레이트의 두께가 일정한 깊이로 얇아지게 형성된 것을 특징으로 하는 회전판.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈의 홈의 반지름은 다음 수식에 따라 결정되되,
    Figure 112013074280582-pat00004

    여기에서, r은 상기 홈의 반지름을 의미하고, n은 자연수로서 상기 홈의 중심으로부터의 순서를 의미하며, λ는 상기 테라파의 파장을 의미하고, f는 포커싱되는 초점거리를 의미하는 것을 특징으로 하는 회전판.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈는 테라파 영역에서 광학적으로 투명한 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 회전판.
KR1020120026046A 2012-03-14 2012-03-14 테라파를 이용한 고 분해능 물체 검사 장치 KR101316568B1 (ko)

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