KR101374321B1 - 비접촉 두께 측정 장치 및 그것의 두께 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 비접촉 두께 측정 장치는, 제 1 주파수의 제 1 레이저 광 및 상기 제 1 주파수와 다른 제 2 주파수의 제 2 레이저 광을 발생하는 레이저 발생 소자, 상기 발생된 제 1 및 제 2 레이저 광들을 결합하는 결합기, 상기 결합기로부터 출력된 제 1 광신호를 입력 받고, 상기 입력된 제 1 광신호와 인가된 바이어스에 의하여 테라헤르츠 연속파를 발생하는 테라헤르츠파 송신기, 상기 결합기로부터 출력된 제 2 광신호를 지연시키는 광지연라인, 및 시료를 투과한 상기 테라헤르츠 연속파를 수신하고, 상기 수신된 테라헤르츠 연속파 및 상기 지연된 제 2 광신호를 이용하여 호모다인 방식으로 광전류를 검출하는 테라헤르츠파 수신기를 포함하고, 상기 시료의 두께는 상기 광전류에 대응하는 값이다.
Description
본 발명은 비접촉 두께 측정 장치 및 그것의 두께 측정 방법에 관한 것이다.
테라헤르츠파(THz wave)의 주파수(0.1 ~ 10.0 THz)는 유무기 소재의 분자 간 진동 및 회전 등의 주파수 영역에 해당하며, 특히 수분을 포함하는 생체 소재의 정보와 깊은 관련을 갖는다. 이에 따라 테라헤르츠 분광학에서는 다른 분광 기법으로 분석할 수 없는 특성을 이용함으로써, 의료 진단, 생명공학 소재 등에 적용하는 연구를 진행하고 있다. 일반적으로 테라헤르츠파 발생 방법은 펄스파를 이용하는 것과 연속파를 이용하는 것으로 구분된다.
테라헤르츠 시영역 분광법은 테라헤르츠 펄스파를 이용하여 물질을 분석하는 방법으로 테라헤르츠 신호의 진폭과 위상을 동시에 알 수 있으므로 물질의 유전율 또는 두께를 근사 없이 계산할 수 있다. 그렇지만, 테라헤르츠 펄스형 분광 시스템은 고가의 펨토초 레이저를 이용하여 구성하므로 시스템의 크기가 커지고 가격이 비싸지는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복, 보완하기 위하여 개발된 테라헤르츠 주파수영역 분광 시스템은 테라헤르츠 연속파를 이용하여 물질을 분석하는데, 펄스형 대비 크기가 작고 가격이 저렴하게 시스템을 구성할 수 있다.
테라헤르츠 연속파 분광 시스템은 두 개의 서로 다른 파장을 가지는 레이저의 비팅 광원을 이용하여 테라헤르츠 연속파를 생성, 검출하므로 생성되는 테라헤르츠 연속파는 레이저의 비팅 주파수에 의해서 결정된다. 일반적인 테라헤르츠 연속파 분광 시스템은 테라헤르츠 연속파의 주파수를 정확하게 제어함으로써 호모다인 방법으로 물질의 두께를 측정하는데, 이를 위해서는 테라헤르츠 연속파 주파수를 결정하는 레이저의 파장을 정밀하게 제어, 측정하는 것이 필수적이다.
본 발명은 테라헤르츠 호모다인 연속파 시스템을 이용하여 레이저 파장의 정밀한 제어, 측정이 필요없는 간편하고 가격이 싼 비접촉 두께 측정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 비접촉 두께 측정 장치는, 제 1 주파수의 제 1 레이저 광 및 상기 제 1 주파수와 다른 제 2 주파수의 제 2 레이저 광을 발생하는 레이저 발생 소자; 상기 발생된 제 1 및 제 2 레이저 광들을 결합하는 결합기; 상기 결합기로부터 출력된 제 1 광신호를 입력 받고, 상기 입력된 제 1 광신호를 바이어스 변조시킴으로써 호모다인 방식으로 테라헤르츠 연속파를 발생하는 테라헤르츠파 송신기; 상기 결합기로부터 출력된 제 2 광신호를 지연시키는 광지연라인; 및 시료를 투과한 상기 테라헤르츠 연속파를 수신하고, 상기 수신된 테라헤르츠 연속파 및 상기 지연된 제 2 광신호를 이용하여 광전류를 검출하는 테라헤르츠파 수신기를 포함하고, 상기 시료의 두께는 상기 광전류에 대응하는 값이다.
본 발명의 실시 예에 따른 비접촉 두께 측정 장치의 두께 측정 방법은, 서로 다른 주파수들을 갖는 비팅 신호들을 결합하는 단계; 상기 결합된 비팅 신호와 인가된 바이어스에 의하여 테라헤라츠 연속파를 발생하는 단계; 상기 발생된 테라헤르츠 연속파를 적어도 하나의 시료로 통과시키는 단계; 상기 통과된 테라헤르츠 연속파를 수신하는 단계; 상기 수신된 테라헤르츠 연속파를 이용하여 호모다인 방식으로 광전류를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 광전류의 위상값이 상수가 되도록 광지연라인을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 비접촉 두께 측정 장치 및 그것의 두께 측정 방법은 호모다인 측정 원리를 이용하여 테라헤르츠 동작 주파수와 상관없이 테라헤르츠 광전류 값이 상수가 되는 광지연 선로의 위치를 이용함으로써, 간편하면서 값싸게 시료의 두께를 측정할 수 있다.
도 1 은 테라헤르츠 연속파 시스템을 이용한 비접촉 두께 측정 장치를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 두께 측정 시 기준이 되는 자유 공간 상의 테라헤르츠 동작 주파수별, 광지연 시간에 따른 테라헤르츠 광전류값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3는 두께 측정 시료(PE: polyethylene) 이 있는 경우의 테라헤르츠 동작 주파수별, 광지연 시간에 따른 테라헤르츠 광전류값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 두께 측정 시 기준이 되는 자유 공간 상의 테라헤르츠 동작 주파수별, 광지연 시간에 따른 테라헤르츠 광전류값을 양의 최대값으로 정규화한(normalized) 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 두께 측정 시료(PE: polyethylene) 이 있는 경우의 테라헤르츠 동작 주파수별, 광지연 시간에 따른 테라헤르츠 광전류값을 양의 최대값으로 정규화한(normalized) 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 6는 도 4에 도시된 정규화한 기준 신호들과 도 5에 도시된 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7는 두께 측정 시 기준이 되는 자유 공간 상의, 3개의 테라헤르츠 동작 주파수에서 측정한 광지연 시간에 따른 정규화한 테라헤르츠 광전류 변화 값을, 3 개의 동작 주파수 범위 별로, 모두 합한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 9 는 두께 측정 시료(PE: Polyethylene) 이 있는 경우, 3개의 테라헤르츠 동작 주파수에서 측정한 광지연 시간에 따른 정규화한 테라헤르츠 광전류 변화 값을, 3 개의 동작 주파수 범위 별로, 모두 합한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 160 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 140 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 11은 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 120 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 100 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 13은 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 80 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 14는 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 60 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 15는 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 40 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 16은 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 20 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 두께 측정 시 기준이 되는 자유 공간 상의 테라헤르츠 동작 주파수별, 광지연 시간에 따른 테라헤르츠 광전류값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3는 두께 측정 시료(PE: polyethylene) 이 있는 경우의 테라헤르츠 동작 주파수별, 광지연 시간에 따른 테라헤르츠 광전류값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 두께 측정 시 기준이 되는 자유 공간 상의 테라헤르츠 동작 주파수별, 광지연 시간에 따른 테라헤르츠 광전류값을 양의 최대값으로 정규화한(normalized) 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 두께 측정 시료(PE: polyethylene) 이 있는 경우의 테라헤르츠 동작 주파수별, 광지연 시간에 따른 테라헤르츠 광전류값을 양의 최대값으로 정규화한(normalized) 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 6는 도 4에 도시된 정규화한 기준 신호들과 도 5에 도시된 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7는 두께 측정 시 기준이 되는 자유 공간 상의, 3개의 테라헤르츠 동작 주파수에서 측정한 광지연 시간에 따른 정규화한 테라헤르츠 광전류 변화 값을, 3 개의 동작 주파수 범위 별로, 모두 합한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 9 는 두께 측정 시료(PE: Polyethylene) 이 있는 경우, 3개의 테라헤르츠 동작 주파수에서 측정한 광지연 시간에 따른 정규화한 테라헤르츠 광전류 변화 값을, 3 개의 동작 주파수 범위 별로, 모두 합한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 160 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 140 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 11은 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 120 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 100 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 13은 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 80 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 14는 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 60 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 15는 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 40 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 16은 3개의 테라헤르츠 동작 주파수 범위가 20 GHz일 때, 정규화한 3개의 기준 신호들과 시료를 투과한 신호들을 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.
본 발명에 따른 비접촉 두께 측정 장치는, 테라헤르츠 연속파 시스템을 이용함으로써, 두 개의 레이저 파장(혹은, 주파수)의 정밀한 제어 및 측정을 필요하지 않고도 간편하고 싼 가격으로 구현될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시 예에 따른 비접촉 두께 측정 장치는, 서로 다른 두 개의 파장을 갖는 광신호들(비팅 신호들)을 출력하는 레이저 및 광믹서(혹은, 포토믹서)를 이용함으로써, 테라헤르츠 연속파 시스템을 호모다인 방식으로 구현할 것이다. 여기서 광믹서는 편광이 동일하고 주파수가 서로 다른 광신호들 입사될 때 주파수 차이에 대응하는 전류를 발생시키고, 발생된 전류에 대응하는 전자기파(테라헤르츠 파)를 안테나를 통하여 방사한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 비접촉 두께 측정 장치(100)를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 비접촉 두께 측정 장치(100)는 테라헤르츠 연속파 호모다인 시스템으로 구성되며, 구체적으로, 듀얼 모드 레이저(dual mode laser; DML, 110), 광증폭기(optical amplifier, 120), 커플러(coupler; 130), 제 1 편광 제어기(polarization controller; PC, 140), 제 2 편광 제어기(150), 광지연 라인(optical delay line; ODL, 160), 테라헤르츠파 송신기(optical transmitter; 170), 및 테라헤르츠파 수신기(optical receiver; 180)를 포함한다. 특히, 본 발명은 수신단의 광선로상에 광지연 라인(ODL, 160)을 장착함으로써, 수신단의 광선로 길이를 조절하도록 구현될 것이다.
듀얼 모드 레이저(110)는 서로 다른 주파수를 갖는 두 개의 광 신호들을 발생한다. 도 1에서는 서로 다른 파장을 갖는 두 개의 광신호들을 발생하기 위하여 듀얼 모드 레이저(110)를 사용하였다. 하지만, 본 발명이 여기에 제한되지 않을 것이다. 본 발명은 서로 다른 주파수를 갖는 두 개의 광신호들 각각을 출력하는 레이저로 구현될 수 있다.
광증폭기(120)는 듀얼 모드 레이저(110)로부터 입력된 서로 다른 주파수를 갖는 광신호들을 증폭한다. 실시 예에 있어서, 광증폭기(120)는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(erbium-doped fiber amplifier; EDFA)로 구현될 수 있다.
커플러(130)는 광증폭기(120)로부터 두 개의 서로 다른 주파수를 갖는 광신호들을 입력 받아, 3dB로 커플링한다. 커플링된 서로 다른 주파수를 갖는 광신호들은 제 1 및 제 2 편광 제어기들(140, 150)로 입력된다. 아래에서는 설명의 편의를 위하여 제 1 편광 제어기(140)로 입력되는 광신호를 제 1 광신호, 제 2 편광 제어기(150)로 입력되는 광신호를 제 2 광신호라 하겠다.
광지연라인(160)은 제 2 편광 제어기(150)로부터 편광이 제어된 제 2 광신호를 소정의 시간만큼 지연시킨다. 광지연라인(160)의 지연 시간은 검출된 광전류의 위상값이 테라헤르츠 주파수에 무관하게 상수가 되도록 조절/결정될 수 있다.
테라헤르츠파 송신기(170)는 제 1 편광 제어기(140)로부터 편광이 제어된 제 1 광신호를 입력 받고, 입력된 제 1 광신호와 인가된 바이어스에 의하여 테라헤르츠 연속파를 발생한다. 즉, 테라헤르츠파 송신기(170)는 테라헤르츠 연속파(cw THz)를 발생한다.
테라헤르츠파 수신기(180)는 테라헤르츠파 송신기(170)로부터 출력된 테라헤르츠 연속파를 수신하고, 수신된 테라헤르츠 연속파와 지연된 제 2 광신호를 이용하여 광전류(ITHz)를 발생한다. 발생된 광전류(ITHz)는 호모다인 방식으로 테라헤르츠파 송신기(170)에 인가된 바이어스의 변조 주파수를 이용하여 락-인 증폭기(lock-in amplifier; LIA)에서 검출될 것이다.
비접촉 두께 측정 장치(100)에서 수신단에서 락-인 증폭기(LIA)로 측정한 광전류(ITHz)는, 수학식 1과 같이 수신되는 테라헤르츠 전계(ETHz)와, 테라헤르츠파의 위상과 두 레이저의 비팅 주파수의 위상의 상관 관계에 의해서 결정될 것이다.
여기서, 
, c는 광속도이다.
여기서, LTX 와 LRX는 각각은 두 개의 레이저 빛이 3dB 커플러(130)에서 테라헤르츠파 송신기(170) 및 테라헤르츠파 수신기(180)까지 도달하는 광경로 길이이다. LTHz는 테라헤르츠파 송신기(170)으로부터 테라헤르츠파 수신기(180)까지 도달하는 테라헤르츠파 경로의 길이다. φ는 코사인(cosine) 함수와의 위상 차이를 나타낸다.
수학식 1을 참조하면, 송신 광경로와 테라헤르츠파 경로의 합이 수신 광경로와 동일하다면, 측정되는 테라헤르츠 광전류값의 위상이 주파수에 무관한게 상수이다.
수학식 2는 측정 시료가 있는 경우에 측정되는 테라헤르츠 광전류(Isam)와 기준이 되는 자유공간에서의 테라헤르츠 광전류(Iref)를 나타낸다.
여기서,
,
, 
이다. 여기서, n은 시료의 그룹 굴절률이고, d는 시료(101)의 두께이다. 주파수 범위가 좁게 한정되어 있다면, 그룹 굴절률(n)은 일반적인 굴절률과 동일한 값으로 근사화될 수 있다.
수학식 2에서 볼 수 있듯이, Iref 및 Isam의 값이 상수가 되는 LRHZ _ ref 값과 LRX_sam 값을 알게 되면, (n-1)d 값이 알려질 것이다.
따라서, 시료의 두께(d)는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, LRHZ _ ref0 과 LRX _ sam0 는 시료(101)이 있을 때와 없을 때, 측정되는 광전류의 위상이 주파수에 무관하게 상수인 수신단의 광경로의 길이이다.
두 값의 차이는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, c는 광속도를 나타내고, tRXsam0 과 tRXref0는 시료가 있는 경우와 없는 경우에 측정되는 광전류값이 주파수에 무관하게 상수가 되는 광지연 선로(ODL; 160)의 지연 시간을 나타낸다. 따라서, 시료(101)이 있는 경우와 없는 경우에 측정되는 광전류의 위상값이 주파수에 무관하게 상수가 되는 광지연 선로의 지연 시간을 알면 시료의 두께가 측정될 수 있다.
도 2 내지 도 16은 본 발명의 실시 예들을 보여주는 도면들이다.
아래에서는 설명의 편의를 위하여 시료(101)의 굴절률(n)이 측정 주파수 대역에서 동일하다는 가정하겠다.
도 2 내지 도 5는 두께 측정 시 기준이 되는 자유 공간 상 테라헤르츠 동작 주파수별, 광지연 시간에 따른 테라헤르츠 광전류값과 두께 측정 시료가 있는 경우의 값을 예시적으로 보여주는 도면들이다. 도 2 내지 도 5를 참조하면, 주파수가 증가함에 따라 송수신되는 테라헤르츠파의 출력이 감소한다. 그리고, 특정 광지연 시간에서 측정되는 광전류의 위상값이 주파수에 무관하게 상수에 가까워진다.
도 4 내지 도 5는 주파수 변화에 따른 테라헤르츠파의 출력 변화를 제거하기 위하여 도 2 및 도 3의 값들을 양의 최대값으로 정규화한 값들을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 두께 측정의 기준이 되는 자유 공간 상에서 측정한 테라헤르츠 광전류값은 101.75 ps에서 102.75 ps 사이에 위상값이 동일한 광지연 시간이 존재하고, 시료가 있는 경우는 106.65 ps에서 107.55 ps 사이에 위상값이 동일한 광지연 시간이 존재한다.
도 6은 도 4 및 도 5의 정규화한 값을 시료가 있는 경우와 없는 경우, 각각 모두 더한 값을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 측정된 테라헤르츠 광전류의 위상값이 동일한 광지연 시간은 모두 더한 값의 최대값과 최소값 사이에 존재한다. 두께 측정을 위한 계산을 간단히 예를 보이기 위하여, φ는 주파수와 무관하게 상수이므로, 테라헤르츠 광전류의 위상값이 동일한 광지연 시간을 주파수 별로 광전류를 측정하여 정규화한 신호들을 모두 더한 값의 최대값이라고 가정하고, tRXsam0 =106.65 ps, tRXref0 =101.75 ps이고, 측정한 PE 시료의 굴절률(n)을 1.46일 때, PE 시료의 두께(d)는 3.19mm로 계산될 것이다. 여기서, 실제로 두께(d)는 버니어캘리퍼스로 측정한 값과 같은 값이다.
본 테라헤르츠 광전류의 위상값이 동일한 광지연 시간을 이용한 두께 측정은 시료의 굴절률 설정값에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 있어서, 448 GHz에서 610 GHz까지 38개의 주파수 성분을 모두 이용하여 계산한 결과이다. 측정을 간단하게 하기 위하여 임의의 주파수 성분 3개만 측정하여 두께(d)가 계산되었다.
도 7 및 도 8은 두께 측정 시 기준이 되는 자유 공간 상의, 3개의 테라헤르츠 동작 주파수에서 측정한 광지연 시간에 따른 정규화한 테라헤르츠 광전류 변화 값을, 3 개의 동작 주파수 범위 별로, 모두 합한 값을 예시적으로 보여주는 도면들이다. 도 7 및 도 8의 모든 동작 주파수의 중심 주파수는 523 GHz이고, 동작 주파수의 범위는 최소 주파수와 최대 주파수의 차이를 나타낸다.
도 9 내지 도 16은 동작 주파수 범위 별로, 3 개의 동작 주파수에서 측정한 테라헤르츠 광전류값을 정규화하여 모두 합한 값을 보여주는 도면들이다. 도 7~8, 및 도 9~16을 참조하면, 3 개의 동작 주파수만으로도 도 4~5 및 도 6에서 38 개의 많은 동작 주파수로 확인한 테라헤르츠 광전류값이 주파수와 무관하게 상수가 되는 광지연 선로의 지연 시간과 거의 동일한 광지연 시간을 가진다.
도 7~8, 및 도 9~16을 다시 참조하면, 3개의 동작 주파수 범위가 160GHz 에서 20GHz로 줄어듬에 따라서 광전류를 측정하여 정규화한 신호들을 모두 더한 값의 최대값을 가지는 피크와 두 번째 값을 가지는 피크 사이의 차이가 감소한다. 이러한 차이를 구분할 수 있는 동작 주파수 범위는 40 GHz 이상이므로, 3 개의 동작 주파수 범위가 40 GHz 이상의 임의의 주파수를 가지면, 시료의 두께(d)가 측정될 수 있다.
종합하면, 테라헤르츠 연속파 시스템을 호모다인 방법으로 구현함으로써, 비팅 신호를 만드는 두 개의 레이저 파장의 정밀한 제어 및 측정을 필요치 않고, 간단한 광지연 선로의 조절만으로 간편하고 가격이 싼 두께 측정 장치가 구현될 수 있다.
본 발명에 따르면, 테라헤르츠 연속파 시스템을 호모다인 방법으로 구현하여 비팅 신호를 만드는 두 개의 레이저 파장의 정밀한 제어, 측정이 필요없는 간단한 광지연 선로의 조절만으로 간편하고 가격이 싼 두께 측정 장치를 구성하여 비접촉으로 두께를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치는, 테라헤르츠 연속파 시스템을 호모다인 방법으로 구현함으로써, 비팅 신호를 만드는 두 개의 레이저 파장의 정밀한 제어, 측정이 필요없는 간단한 광지연 선로의 조절만으로 간편하고 싼 가격으로 제작가능하다.
본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치의 측정 방법은 호모다인 측정 원리를 이용하여 테라헤르츠 동작 주파수와 상관없이 테라헤르츠 광전류 값이 상수가 되는 광지연 선로의 위치를 이용함으로써, 시료의 두께를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 연속파 호모다인 시스템은, 테라헤르츠 광전류값이 주파수와 무관하게 상수가 되는 광지연 선로의 위치를 이용하여 시료의 두께를 측정할 수 있다. 여기서 테라헤르츠 연속파 호모다인 시스템은 투과형 혹은 반사형일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 장치 및 방법은, 테라헤르츠 연속파 발생에 필요한 비팅 신호를 한 개의 공진기에서 두 개의 서로 다른 파장의 광을 만드는 듀얼 모드 레이저(DML)를 이용할 수 있다. 실시 예에 있어서, 테라헤르츠 장치 및 방법은, 테라헤르츠 연속파 발생에 필요한 비팅 신호를 두 개의 서로 다른 레이저를 이용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생시스템은 테라헤르츠 주파수 대역을 한정하는 것이 아니고, 초고주파 대역에서 광파 영역을 모두 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 테라헤르츠 연속파를 발생하는 주파수의 개수를 2개 이상 사용하여 시료의 두께가 측정될 수 있다.
한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.
100: 비접촉 두께 측정 장치
110: 듀얼 모드 레이저
120: 광증폭기
130: 결합기
140: 제 1 편광 제어기
150: 제 2 편광 제어기
160: 광지연라인
170: 테라헤르츠파 송신기
180: 테라헤르츠파 수신기
110: 듀얼 모드 레이저
120: 광증폭기
130: 결합기
140: 제 1 편광 제어기
150: 제 2 편광 제어기
160: 광지연라인
170: 테라헤르츠파 송신기
180: 테라헤르츠파 수신기
Claims (13)
- 제 1 주파수의 제 1 레이저 광 및 상기 제 1 주파수와 다른 제 2 주파수의 제 2 레이저 광을 발생하는 레이저 발생 소자;
상기 발생된 제 1 및 제 2 레이저 광들을 결합하는 결합기;
상기 결합기로부터 출력된 제 1 광신호를 입력 받고, 상기 입력된 제 1 광신호와 인가된 바이어스에 의하여 테라헤르츠 연속파를 발생하는 테라헤르츠파 송신기;
상기 결합기로부터 출력된 제 2 광신호를 지연시키는 광지연라인; 및
시료를 투과한 상기 테라헤르츠 연속파를 수신하고, 상기 수신된 테라헤르츠 연속파 및 상기 지연된 제 2 광신호를 이용하여 광전류를 검출하는 테라헤르츠파 수신기를 포함하고,
상기 시료의 두께는 상기 광전류에 대응하는 값이고,
상기 광지연라인은 상기 광전류의 위상값이 주파수와 무관하게 상수가 되도록 조절되는 비접촉 두께 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 레이저 발생 소자는,
상기 제 1 레이저 광을 발생하는 제 1 레이저; 및
상기 제 2 레이저 광을 발생하는 제 2 레이저를 포함하는 비접촉 두께 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 레이저 발생 소자는 상기 제 1 및 제 2 레이저 광들을 발생하는 듀얼 모드 레이저로 구현되는 비접촉 두께 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 레이저 발생 소자 및 상기 결합기 사이에 상기 제 1 및 제 2 레이저 광들을 증폭하는 광증폭기를 더 포함하는 비접촉 두께 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 결합기 및 상기 테라헤르츠파 송신기 사이에 상기 제 1 광신호의 편광을 제어하는 제 1 편광 제어기; 및
상기 결합기 및 상기 광지연라인 사이에 상기 제 2 광신호의 편광을 제어하는 제 2 편광 제어기를 더 포함하는 비접촉 두께 측정 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 주파수들을 정밀하게 제어 및 측정할 필요없이 상기 광지연라인을 조절함으로써 상기 시료의 두께를 측정하는 비접촉 두께 측정 장치. - 비접촉 두께 측정 장치의 두께 측정 방법에 있어서:
서로 다른 주파수들을 갖는 비팅 신호들을 결합하는 단계;
상기 결합된 비팅 신호와 인가된 바이어스에 의하여 테라헤라츠 연속파를 발생하는 단계;
상기 발생된 테라헤르츠 연속파를 적어도 하나의 시료로 통과시키는 단계;
상기 통과된 테라헤르츠 연속파를 수신하는 단계;
상기 수신된 테라헤르츠 연속파를 이용하여 호모다인 방식으로 광전류를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 광전류의 위상값이 다수의 측정 주파수와 무관하게 상수가 되도록 광지연라인을 조절하는 단계를 포함하는 두께 측정 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 비팅 신호들은 하나의 듀얼 모드 레이저에서 발생되는 두께 측정 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 비팅 신호들은 두 개의 개별적인 레이저에서 발생되는 두께 측정 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 비팅 신호들의 비팅 주파수들을 적어도 2개 사용되는 두께 측정 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 비팅 신호들 각각의 주파수를 정밀하게 제어 및 측정할 필요없이 상기 광지연라인을 조절함으로써 상기 시료의 두께를 측정하는 비접촉 두께 측정 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 테라헤르츠 연속파의 주파수는 초고주파 대역부터 광파 대역 사이의 값을 갖는 두께 측정 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020120095272 | 2012-08-29 | ||
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|---|---|
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| KR101374321B1 true KR101374321B1 (ko) | 2014-03-17 |
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ID=50643382
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020120109025A KR101374321B1 (ko) | 2012-08-29 | 2012-09-28 | 비접촉 두께 측정 장치 및 그것의 두께 측정 방법 |
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| KR101699273B1 (ko) * | 2015-06-30 | 2017-01-24 | 한국표준과학연구원 | 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치 |
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| JP2010156664A (ja) * | 2009-01-05 | 2010-07-15 | Canon Inc | 検査装置 |
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2012
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| 김남제 외 4명. 포토닉스 기반 테라헤르츠 기술. 전자통신동향분석 : 한국전자통신연구원. 2011년 6월, 제26권, 제3호, p.71-87(2011.06.) * |
| 김남제 외 4명. 포토닉스 기반 테라헤르츠 기술. 전자통신동향분석 : 한국전자통신연구원. 2011년 6월, 제26권, 제3호, p.71-87(2011.06.)* |
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