KR101738393B1 - 테라헤르츠파 베셀빔을 이용한 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈 - Google Patents

테라헤르츠파 베셀빔을 이용한 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈 Download PDF

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최성욱
장현주
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한국식품연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈은 테라헤르츠파 베셀빔이 검사 대상 물체를 투과하면서 발산되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경하는 제 1 렌즈 및 상기 제 1 렌즈를 통과한 테라헤르츠파를 검출기로 집광시키는 제 2 렌즈를 포함하며, 상기 제 1 렌즈는 테라헤르츠파 생성부로부터 입사되는 테라헤르츠파를 이용하여 검사 대상 물체에 테라헤르츠파 베셀빔이 형성되도록 하고, 상기 테라헤르츠파 베셀빔의 직경이 상기 테라헤르츠파 생성부에서 생성된 테라헤르츠파의 파장보다 작게 형성되는 꼭지각을 갖는 제 1 엑시콘 렌즈인 베셀빔 형성부에 대해 대칭되게 배치되는 제 2 엑시콘 렌즈일 수 있다.

Description

테라헤르츠파 베셀빔을 이용한 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈{HIGH RESOLUTION TERAHERTZ FOCUSING MODULE USING TERAHERTZ BESSEL BEAM}
본 발명은 테라헤르츠파를 이용하여 비파괴적인 방법으로 검사 대상 물체를 검사하는 기술로, 회절한계를 넘어 파장 이하의 집광 모듈에 관한 것이다.
비파괴적인 방법으로 물체나 물질을 검사하기 위해서는 영상학적인 방법이 주로 활용되는데, 크게 연속출력 광원을 이용한 영상 검출법과 분광학적인 방법을 이용한 영상 검출법의 두 가지 방법이 주류를 이룬다. 이러한 방법들은, 각각 장단점을 갖고 있으나, 투과 이미지와 같이 상대적으로 고출력을 요구하는 분야에서는 연속출력 광원을 이용한 영상 검출법이보다 널리 이용되고 있다.
테라헤르츠파는 물질에 대한 투과성, 정성적 확인 가능성, 생체에 대한 안전성 등의 여러 우수한 특성으로 인해, 비파괴적인 방법으로 감추어진 물체나 물질을 정성적으로 확인하는 분야에서 널리 활용되고 있다.
이로 인해, 테라헤르츠파는, 최근에는, 공항이나 보안 시설의 검색 장치, 식품이나 제약 회사의 품질 검사 장치, 반도체 검사 장치, 엔지니어링 플라스틱 검사장치 등 여러 분야에서 활용이 시도되고 있다.
테라헤르츠파를 생산현장에 활용하는 사례가 늘어나고 있으며, 지속적인 연구에 의해 검출 분해능, 검출 속도, 검출 면적 등 주요한 성능 지수들 측면에서 많은 향상을 보이고 있다.
기존에는 테라헤르츠파 투과이미지를 얻기 위해 물체를 투과한 후 발산하는 테라헤르츠파를 집광하기 위해 1개의 렌즈만을 사용하였다. 이 경우, 검사 대상 물체에 포커싱되는 테라헤르츠파의 빔 크기를 파장 이하로 하기 위해 베셀빔을 형성하는 엑시콘 렌즈의 꼭지각을 작게 하면, 검사 대상 물체를 통과한 후 테라헤르츠 베셀빔이 큰 각도로 발산하여 검출부에 모두 집광되지 않는 문제점이 발생한다. 이에, 집광성이 현저하게 떨어져 검사 장치의 SNR(signal per noise ratio)이 현저히 떨어져 정상적인 영상을 얻지 못하는 문제점이 발생한다.
한국등록특허 10-1392311
본 발명은 위에서 언급한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 검사 대상 물체를 투과한 테라헤르츠 베셀빔의 집광 효율을 높여 분해능을 높일 수 있는 검사 장치 및 집광 모듈을 제공하고자 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈은 테라헤르츠파 베셀빔이 검사 대상 물체를 투과하면서 발산되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경하는 제 1 렌즈 및 상기 제 1 렌즈를 통과한 테라헤르츠파를 검출기로 집광시키는 제 2 렌즈를 포함하며, 상기 제 1 렌즈는 테라헤르츠파 생성부로부터 입사되는 테라헤르츠파를 이용하여 검사 대상 물체에 테라헤르츠파 베셀빔이 형성되도록 하고, 상기 테라헤르츠파 베셀빔의 직경이 상기 테라헤르츠파 생성부에서 생성된 테라헤르츠파의 파장보다 작게 형성되는 꼭지각을 갖는 제 1 엑시콘 렌즈인 베셀빔 형성부에 대해 대칭되게 배치되는 제 2 엑시콘 렌즈일 수 있다.
제 2 엑시콘 렌즈는 상기 제 1 엑시콘 렌즈과 동일한 크기의 꼭지각을 가질 수 있다.
제 2 렌즈는 상기 검사 대상 물체를 기준으로, 테라헤르츠 생성부로부터 입사되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경시키는 제 1 볼록 렌즈에 대칭되게 배치되는 제 2 볼록 렌즈일 수 있다.
제 2 렌즈는 상기 제 2 엑시콘 렌즈와 동일한 모양을 가지며, 광축에 수직한 축을 기준으로 상기 제 2 엑시콘 렌즈에 대칭되게 배치될 수 있다.
개시된 발명에 따르면, 검사 대상 물체를 투과한 테라헤르츠파를 거의 손실 없이 집광할 수 있으므로, 집광 효율을 높일 수 있다.
또한, 검사 대상 물체에 포커싱되는 테라헤르츠파 빔의 직경을 테라헤르츠파의 파장 이하가 되도록 함으로써, 분해능을 높여 선명한 영상을 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 베셀빔을 이용한 고분해능 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베셀 빔 형성부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 수학식 4를 이용하여 서로 다른 꼭지각에 대해 포커싱된 테라헤르츠파 빔의 직경을 계산한 도면이다.
도 4 및 도 5는 단일 렌즈를 이용하여 집광하는 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고분해능 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고분해능 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 고분해능 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10은 도 5 내지 도 8의 장치를 이용하여 검사 대상 물체를 측정한 투과 영상이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 베셀빔을 이용한 고분해능 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 베셀빔을 이용한 고분해능 검사 장치(100)는 테라헤르츠파 생성부(110), 각도 변경부(120), 베셀 빔 형성부(130), 검사 대상 물체(140), 제 1 렌즈(150), 제 2 렌즈(160) 및 검출부(170)를 포함한다.
베셀 빔은 자유공간에 대한 맥스웰 방정식의 한 해집합으로 0차 제1종 베셀함수로 주어지는 전자기파를 말하며 비회절성 빔으로 알려져 있다. 1987년 Durnin에 의해 처음으로 소개되었으며 축대칭을 가지면서 마치 바늘 모양처럼 축을 중심으로 일정한 길이만큼 에너지가 집중되어 있다. 무한한 구경(aperture)이 아니라 제한된 구경을 가지는 광학계에 의해 구현되므로 무한하게 진행하는 베셀빔은 존재하지 않아 이를 보통 Quasi-Bessel-Beam(QBB)이라 부르기도 한다. 이러한 QBB은 홀로그램, 다수의 링이나 혹은 유한한 개구(aperture)로된 원형의 마스크와 렌즈의 결합, axicon으로 알려진 깔대기모양의 렌즈로 만들 수 있다.
테라헤르츠파 생성부(110)는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다. 테라헤르츠파란 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.
각도 변경부(120)는 테라헤르츠파 생성부(110)로부터 입사되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경시켜 베셀빔 형성부(130)로 입사시킬 수 있다. 예를 들면, 각도 변경부(120)는 입사된 테라헤르츠파를 광축에 대해 일정한 각도 이하로 작게 변경하거나 평행하게 형성할 수 있다. 각도 변경부(120)는 입사된 테라헤르츠파를 평행하게 굴절시키는 볼록 렌즈 또는 입사된 테라헤르츠파를 평행하게 반사시키는 포물면경 등일 수 있다.
베셀 빔 형성부(130)는 각도 변경부(120)로부터 입사되는 테라헤르츠파를 이용하여 검사 대상 물체의 적어도 일부분에 테라헤르츠파 베셀빔이 형성되도록 할 수 있다.
각도 변경부(120)가 구비되지 않은 경우, 베셀 빔 형성부(130)는 테라헤르츠파 생성부(110)로부터 입사되는 테라헤르츠파를 이용하여 검사 대상 물체의 적어도 일부분에 테라헤르츠파 베셀빔이 형성되도록 할 수 있다.
베셀 빔 형성부(130)는 현실적으로 이상적인 베셀 빔을 형성하기는 어려우므로, 베셀 빔 형성부(130)에 의해 형성되는 베셀 빔은 Quasi-Bessel Beam(QBB)이라 할 수 있다. 이러한 베셀 빔 형성부(150)에 의한 베셀 빔 형성 구성에 대해서는, 도 2를 참조하여, 보다 상세하게 설명하도록 한다.
베셀 빔 형성부(130)는 각도 변경부(120)부에 의해 각도가 변경된 테라헤르츠파가 베셀 빔 형성부(130)의 입광면에 대해 수직하게 입사되도록 배치될 수 있다.
베셀 빔 형성부(130)는 다수의 원형 홈 또는 원형 홀이 형성된 회절 광학 소자 및 양의 굴절률을 갖는 렌즈로 구성되거나, 엑시콘 렌즈로 구성되거나, 홀로그램 광학 소자로 구성되는 등과 같이 다양한 형태로 구성될 수 있다.
베셀 빔 형성부(130)는 검사 대상 물체에 포커싱된 테라헤르츠파 베셀빔의 직경이 테라헤르츠파 생성부에서 생성된 테라헤르츠파의 파장보다 작게 형성도록 하는 꼭지각을 갖는 제 1 엑시콘 렌즈일 수 있다. 본 실시예에서는 파장 이하의 테라헤르츠파 베셀빔의 직경을 형성하는 꼭지각을 최대 꼭지각으로 정의한다.
이 경우, 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각(τ)의 최대값은 검사 대상 물체에 포커싱된 테라헤르츠파 베셀빔의 반치폭(Full Width at Half Maximum) 직경(ρFWHM ), 파장(λ) 및, 굴절률(n, n0 )을 이용하여 아래 수학식들의 방정식을 통해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017010739338-pat00001
여기서, J0(z)는 0차 제 1종 베셀 함수이며, J0 2(z)=0.5를 만족하려면, J0(z)=1/
Figure 112017010739338-pat00002
가 되어야 하고, 이 값을 만족하는 z=1.1264이다. 이에, 1.1264=k*ρFWHM*sinα0 식으로부터 위의 수학식 1이 도출될 수 있다. J0 2(z)=0.5에서 0.5 값은 변경될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017010739338-pat00003
[수학식 3]
Figure 112017010739338-pat00004
[수학식 4]
Figure 112017010739338-pat00005
여기서, J0 : 0차 베셀 함수
ρFWHM : 포커싱된 테라헤르츠파 베셀빔의 반치폭
λ : 테라헤르츠파의 파장
α0 : 엑시콘 렌즈를 지나 교차하는 테라헤르츠파의 교차각의 절반 값
n : 제 1 엑시콘 렌즈의 굴절률
n0 : 주변 환경의 평균 굴절률
τ : 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각
[수학식 4]는 [수학식 1], [수학식 2] 및, [수학식 3]를 이용하여 도출된 수학식이다.
반면에, 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각의 최소값은 제 1 엑시콘의 굴절률에 따른 전반사가 발생하지 않는 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각일 수 있다.
이에, 테라헤르츠파 베셀빔의 직경이 테라헤르츠파 생성부에서 생성된 테라헤르츠파의 파장보다 작게 형성되는 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각은 위에서 파악된 최대값부터 최소값 사이에서 형성될 수 있다.
검사 대상 물체(140)는 검사하고자 하는 대상 물체를 의미하고, 베셀빔 형성부(130) 및 제 1 렌즈(150)의 사이에 배치될 수 있다.
제 1 렌즈(150)는 베셀빔 형성부(130)에서 생성된 테라헤르츠파 베셀빔이 검사 대상 물체(140)를 투과하면서 발산되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경할 수 있다. 예를 들면, 제 1 렌즈(150)는 테라헤르츠파의 각도를 광축에 대해 일정 각도 이하로 변경하거나 평행하게 할 수 있다.
제 2 렌즈(160)는 제 1 렌즈(150)를 통과한 테라헤르츠파를 검출기(170)로 집광시킬 수 있다.
본 발명에서, 고분해능 테라헤르츠파 집광 모듈은 제 1 렌즈(150) 및 제 2 렌즈(160)를 포함하는 장치를 의미한다. 예를 들면, 베셀 빔 형성부(130)로부터 멀어지면서 링 모양의 원형 빔 형태로 퍼져나가게 되는데, 고분해능 테라헤르츠파 집광 모듈(제 1 렌즈 및 제 2 렌즈)는 이와 같이 원형으로 퍼져나가는 테라헤르츠파를 집광시켜, 집광된 테라헤르츠파가 검출부(170)로 향할 수 있도록 한다.
예를 들면, 고분해능 테라헤르츠파 집광 모듈은 볼록 렌즈, 오목 거울, 포물면 거울, 타원면 거울 등과 같이 다양한 형태의 구성들로 구현될 수도 있다.
검출부(170)는 제 2 렌즈에 의해서 집광된 테라헤르츠파를 검출할 수 있다. 예를 들면, 검출부(170)는 테라헤르츠파의 세기를 검출할 수 있다. 예를 들면, 검출부(180)는 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)를 구비하여 구현될 수 있다.
영상 생성부(미도시) 검출부(170)를 통해 검출된 베셀 빔을 이용하여 영상 이미지를 생성할 수 있다. 생성된 이미지는 디스플레이부(미도시)에 표시될 수 있다.
베셀빔을 이용한 고분해능 검사 장치는 검사 대상 물체를 투과한 테라헤르츠파를 거의 손실 없이 집광할 수 있으므로, 집광 효율을 높일 수 있다.
또한, 베셀빔을 이용한 고분해능 검사 장치는 검출부에 도달하는 테라헤르츠파의 직경을 테라헤르츠파의 파장 이하가 되도록 함으로써, 분해능을 높여 선명한 영상을 획득할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베셀 빔 형성부를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 베셀 빔 형성부는 엑시콘 렌즈(axicon)(200)로 구성될 수 있다. R은 엑시콘 렌즈의 반지름, τ는 엑시콘 렌즈의 꼭지각,α0는 엑시콘 렌즈를 지나 교차하는 빔의 교차각의 절반을 나타내며, w0는 엑시콘 렌즈로 입사하는 평행광의 반지름을 나타낸다. 또한, 베셀 빔이 형성되는 구간은 도 3에서 Zmax로 나타나 있으며, 엑시콘 렌즈로 입사한 테라파는 이러한 구간 영역에서 보강 간섭을 통해 z축을 따라 중심부로 에너지가 모이게 된다.
이때, 엑시콘 렌즈로 입사하는 가우시안 빔과 엑시콘 렌즈에 의해 형성된 베셀 빔은, 축대칭(axial symmetry)으로 분포되어 있으며, z축을 따라 원형 모양으로 필드가 분포하고 있다. 즉, 도 2를 기준으로 좌측에서 우측 방향으로 바라보았을 때, 엑시콘 렌즈 앞쪽의 가우시안 빔과 엑시콘 렌즈 뒤쪽의 베셀 빔은 모두 원형 모양으로 형성된다. 특히, 엑시콘 렌즈에 의해 형성된 베셀 빔은 엑시콘 렌즈에서 멀어지며 링 모양의 원형 빔으로 퍼져나가게 된다.
한편, 래스터 주사(raster scanning)와 같이 한 점 한 점 움직이며 얻어지는 투과 이미지에 있어서, 이미지의 분해능을 결정하는 가장 중요한 요소는, 피검물(1)에 입사하는 빔의 직경이다.
특히, 엑시콘 렌즈에 의해 형성된 베셀 빔의 경우, 그 직경은 테라파의 파장 및 α0에 의해 결정되는데, 여기서 α0는 스넬의 법칙에 의해 다음 수학식 1을 이용하여 구해질 수 있다.
[수학식 5]
여기서, n0는 공기 중의 굴절률을 나타내고, n은 엑시콘 렌즈의 굴절률을 나타내며, τ는 엑시콘 렌즈의 꼭지각을 나타낸다.
한편, Zmax는 초점 심도에 해당하는데, 이러한 초점 심도는 다음의 수학식 6으로 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Zmax = w0 / tanα0
여기서, w0는, 도 2에 표시된 바와 같이, 엑시콘 렌즈로 입사하는 빔의 반경을 나타낸다. 이러한 식을 참조하면, 초점 심도 역시 α0에 의존하고 있음을 알 수 있다.
따라서, 이러한 점들을 종합하면, 이미지의 분해능과 초점 심도는, 주로 α0의 값에 의해 크게 변화된다고 볼 수 있다.
이러한 점을 기초로, 도 2에 도시된 구조의 엑시콘 렌즈에 대해, n0는 1.0, n은 1.54(High Density Polyethylene), τ는 150°, R은 25mm라고 가정하고, α0와 초점 심도를 계산하면 다음과 같다.
먼저, 수학식 5를 이용하여 α0를 계산하면, α0는 8.5°로 계산될 수 있다. 또한, 수학식 6을 이용하여 초점 심도(Zmax)를 계산하면, Zmax는 40.2mm로 계산될 수 있다.
베셀 빔 형성부는 다수의 원형 홈 또는 원형 홀이 동심원 형태로 배치된 회절 광학 소자 및 양의 굴절률을 갖는 렌즈를 구비할 수 있다. 이때, 회절 광학 소자에 형성된 원형 홈 또는 홀은 회절 광학 소자를 오목하게 판 형태 또는 관통하는 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 양의 굴절률을 갖는 렌즈는 회절 광학 소자에 대하여 평행광이 입사되는 방향의 반대편에 배치된다.
본 실시예 이외에도, 베셀 빔 형성부는 홀로그램 구조체 등과 다양한 형태로 구성될 수 있다.
도 3은 수학식 4를 이용하여 서로 다른 꼭지각에 대해 포커싱된 테라헤르츠파 빔의 직경을 계산한 도면이다.
도 3을 참조하면, 테라헤르츠파의 파장(λ)이 2.14mm이고, 제 1 엑시콘 렌즈의 굴절률(n)이 1.54이고, 주변 환경의 평균 굴절률(n0)이 1인 경우, 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각(τ)의 최대값은 약 119도이고, 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각(τ)의 최소값은 약 99도임을 확인할 수 있다.
도 4 및 도 5는 단일 렌즈를 이용하여 집광하는 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 검사 장치(300)는 테라헤르츠파 생성부(310), 각도 변경부(320), 베셀 빔 형성부(330), 집광부(340) 및 검출부(350)를 포함한다.
테라헤르츠파 생성부(310)는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다.
각도 변경부(320)는 테라헤르츠파 생성부(310)로부터 입사되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경시켜 베셀빔 형성부(330)로 입사시킬 수 있다.
베셀 빔 형성부(330)는 각도 변경부(320)로부터 입사되는 테라헤르츠파를 이용하여 검사 대상 물체의 적어도 일부분에 테라헤르츠파 베셀빔이 형성되도록 할 수 있다. 예를 들면, 베셀 빔 형성부는 엑시콘일 수 있다. 검사 대상 물체는 베셀 빔 형성부(330) 및 집광부(340)의 사이에 형성될 수 있다.
집광부(340)는 단일 렌즈로 구현될 수 있다.
검출부(350)는 집광부(340)에 의해서 집광된 테라헤르츠파를 검출할 수 있다.
도 4를 참조하면, 베셀 빔 형성부(330)인 엑시콘의 꼭지각이 140도 일 경우, 검사 대상 물체를 투과하여 검출부(350)로 입사되는 테라헤르츠파의 반지름이 약 5.1mm 정도이므로, 검출부(350)에서의 테라헤르츠파 직경은 약 10.2mm 정도이다.
이 경우, 단일 렌즈를 사용하는 집광부(340)로부터 입사되는 테라헤르츠파의 대부분이 약 9mm의 직경을 가지며 혼(Horn)을 가진 검출부(350)로 집광될 수 있다.
도 5를 참조하면, 테라헤르츠파의 파장 이하로 검사 대상 물체에 포커싱된 테라헤르츠파 베셀 빔의 직경을 형성하기 위해서는 엑시콘의 꼭지각을 작게 하여야 한다. 즉, 고분해능을 구현하기 위해서는 엑시콘의 꼭지각이 작아야 한다. 이에, 도 4에서의 엑시콘의 꼭지각보다 더 작은 110도로 형성했다.
베셈 빔 형성부(330)인 엑시콘의 꼭지각이 110도 일 경우, 검사 대상 물체를 투과하여 검출부(350)로 입사되는 테라헤르츠파의 반지름이 약 17mm 정도이므로, 검출부(350)에서의 테라헤르츠파 직경은 약 34mm 정도이다.
이와 같이 검출부(350)로 입사되는 테라헤르츠파의 직경이 커짐에 따라, 단일 렌즈를 사용하는 집광부(340)로부터 입사되는 테라헤르츠파 중 일부만이 검출부(350)로 집광된다. 다시 말해, 집광부(340)로부터 입사되는 테라헤르츠파 중 많은 부분이 검출부(350)로 입사되지 않아, 검출부(350)에 검출 성능이 현저히 떨어진다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고분해능 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 고분해능 검사장치(500)는 테라헤르츠파 생성부(510), 각도 변경부(520), 베셀 빔 형성부(530), 제 1 렌즈(540), 제 2 렌즈(550) 및 검출부(560)를 포함한다.
테라헤르츠파 생성부(510)는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다.
각도 변경부(520)는 테라헤르츠파 생성부(510)로부터 입사되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경시켜 베셀빔 형성부(530)로 입사시킬 수 있다.
베셀 빔 형성부(530)는 각도 변경부(520)로부터 입사되는 테라헤르츠파를 이용하여 검사 대상 물체의 적어도 일부분에 테라헤르츠파 베셀빔이 형성되도록 할 수 있다. 예를 들면, 베셀 빔 형성부는 엑시콘일 수 있다.
검사 대상 물체는 베셀 빔 형성부(530) 및 제 1 렌즈(540) 사이에 형성될 수 있다.
베셀 빔 형성부(530)는 테라헤르츠파 베셀빔의 직경이 테라헤르츠파 생성부에서 생성된 테라헤르츠파의 파장보다 작게 형성되는 꼭지각을 갖는 제 1 엑시콘 렌즈일 수 있다.
제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각의 최대값은 수학식 1 내지 수학식 3에 기초하여 연산할 수 있다. 예를 들면, 테라헤르츠파의 파장(λ)이 2.14mm이고, 제 1 엑시콘 렌즈의 굴절률(n)이 1.54이고, 주변 환경의 평균 굴절률(n0)이 1인 경우, 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각(τ)은 약 119도 값을 갖는다. 이에, 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각의 최대값은 약 119도이다.
반면에, 제 1 엑스콘 렌즈의 최소값은 제 1 엑시콘의 굴절률에 따른 전반사가 발생하지 않는 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각일 수 있다. 본 실시예에서의 굴절률에 대해서는, 전반사로 인한 임계 각도가 99도이다. 이에, 제 1 엑시콘 렌즈의 꼬지각의 최소값은 약 99도이다.
최종적으로, 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각이 최대값인 119도 ~ 최소값인 99도 사이에 형성되어야, 테라헤르츠파 베셀빔의 직경이 테라헤르츠파 생성부에서 생성된 테라헤르츠파의 파장보다 작게 형성된다.
제 1 렌즈(540)는 베셀빔 형성부(530)에서 생성된 테라헤르츠파 베셀빔이 검사 대상 물체를 투과하면서 발산되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경할 수 있다.
제 1 렌즈(540)는 검사 대상 물체를 기준으로 제 1 엑시콘 렌즈(530)에 대칭되게 배치되는 제 2 엑시콘 렌즈일 수 있다.
제 2 엑시콘 렌즈(550)는 제 1 엑시콘 렌즈(530)과 동일한 크기의 꼭지각을 가질 수 있다. 이 경우, 제 2 엑시콘 렌즈의 크기는 제 1 엑시콘 렌즈(530)의 크기보다 작거나 같거나 클 수 있다. 제 2 엑시콘 렌즈의 꼭지각이 제 1 엑시콘 렌즈(530)와 동일할 경우, 테라헤르츠파가 검출부(550)로 집광되는 효율이 가장 좋다.
만약 각도 변경부(520)가 제 1 볼록 렌즈인 경우, 제 2 렌즈(550)는 검사 대상 물체를 기준으로 제 1 볼록 렌즈에 대칭되게 배치되는 제 2 볼록 렌즈일 수 있다.
테라헤르츠파의 파장(λ)이 2.14mm이고, 베셀빔 형성부(530)의 제 1 엑시콘 렌즈가 110도 일 경우, 검출기(560)에서의 테라헤르츠파의 반지름이 0.006mm이므로, 테라헤르츠파의 직경이 0.012mm이다.
제 1 렌즈(540) 및 제 2 렌즈(550)를 이용하여 테라헤르츠파를 집광함으로써, 검출기(560)로 집광되는 테라헤르츠파의 직경이 도 5에서의 검출기(350)로 집광되는 테라헤르츠파의 직경보다 현저히 작아 집광효율을 높일 수 있다.
따라서, 제 1 렌즈(540) 및 제 2 렌즈(550)를 사용하여 테라헤르츠파를 집광하면, 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각이 작은 경우에도 높은 집광 효율을 가지고, 분해능을 현저히 높일 수 있어 고해상도의 검사 영상을 획득할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고분해능 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 고분해능 검사장치(600)는 테라헤르츠파 생성부(610), 각도 변경부(620), 베셀 빔 형성부(630), 검사 대상 물체(640), 제 1 렌즈(650), 제 2 렌즈(660) 및 검출부(670)를 포함한다.
테라헤르츠파 생성부(610)는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다.
각도 변경부(620)는 테라헤르츠파 생성부(610)로부터 입사되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경시켜 베셀빔 형성부(630)로 입사시킬 수 있다.
베셀 빔 형성부(630)는 각도 변경부(620)로부터 입사되는 테라헤르츠파를 이용하여 검사 대상 물체의 적어도 일부분에 테라헤르츠파 베셀빔이 형성되도록 할 수 있다. 예를 들면, 베셀 빔 형성부는 엑시콘일 수 있다.
검사 대상 물체는 베셀 빔 형성부(630) 및 집광부(640)의 사이에 형성될 수 있다.
베셀 빔 형성부(630)는 테라헤르츠파 베셀빔의 직경이 테라헤르츠파 생성부에서 생성된 테라헤르츠파의 파장보다 작게 형성되는 꼭지각을 갖는 제 1 엑시콘 렌즈일 수 있다.
제 1 렌즈(640)는 테라헤르츠파 베셀빔이 검사 대상 물체를 투과하면서 발산되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경하는 제 3 볼록 렌즈일 수 있다.
제 2 렌즈(650)는 광축에 수직한 축을 기준으로 제 3 볼록 렌즈에 대칭되게 배치되는 제 4 볼록 렌즈일 수 있다.
테라헤르츠파의 파장(λ)이 2.14mm일 경우, 검사 대상 물체를 투과하여 검출기(660)로 입사되는 테라헤르츠파의 반지름이 약 2.5mm이므로, 검출부에서의 테라헤르츠파의 직경이 약 5mm이다.
제 1 렌즈(640) 및 제 2 렌즈(650)를 이용하여 테라헤르츠파를 집광함으로써, 도 5에서의 검출기(350)로 집광되는 테라헤르츠파의 직경보다 현저히 작아 집광효율을 높일 수 있다. 이에, 본 실시예에 따른 고분해능 검사장치는 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각이 작은 경우에도 높은 집광 효율을 가지고, 분해능을 현저히 높일 수 있어 고해상도의 검사 영상을 획득할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 고분해능 검사 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 고분해능 검사장치(700)는 테라헤르츠파 생성부(710), 각도 변경부(720), 베셀 빔 형성부(730), 검사 대상 물체(740), 제 1 렌즈(750), 제 2 렌즈(760) 및 검출부(770)를 포함한다.
테라헤르츠파 생성부(710)는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다.
각도 변경부(720)는 테라헤르츠파 생성부(710)로부터 입사되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경시켜 베셀빔 형성부(730)로 입사시킬 수 있다.
베셀 빔 형성부(730)는 각도 변경부(720)로부터 입사되는 테라헤르츠파를 이용하여 검사 대상 물체의 적어도 일부분에 테라헤르츠파 베셀빔이 형성되도록 할 수 있다. 예를 들면, 베셀 빔 형성부는 엑시콘일 수 있다.
검사 대상 물체는 베셀 빔 형성부(730) 및 집광부(740)의 사이에 형성될 수 있다.
베셀 빔 형성부(730)는 테라헤르츠파 베셀빔의 직경이 테라헤르츠파 생성부에서 생성된 테라헤르츠파의 파장보다 작게 형성되는 꼭지각을 갖는 제 1 엑시콘 렌즈일 수 있다.
제 1 렌즈(740)는 검사 대상 물체를 기준으로 제 1 엑시콘 렌즈(730)에 대칭되게 배치되는 제 2 엑시콘 렌즈일 수 있다.
제 2 엑시콘 렌즈는 제 1 엑시콘 렌즈(730)과 동일한 크기의 꼭지각을 가질 수 있다.
제 2 렌즈(750)는 제 2 엑시콘 렌즈(740)와 동일한 모양을 가지며, 광축에 수직한 축을 기준으로 제 2 엑시콘 렌즈(740)에 대칭되게 배치될 수 있다.
테라헤르츠파의 파장(λ)이 2.14mm일 경우, 검사 대상 물체를 투과하여 검출부(760)로 입사되는 테라헤르츠파의 반지름이 약 1.7mm이므로, 검출부(760)에서의 테라헤르츠파의 직경이 약 3.4mm이다.
제 1 렌즈(740) 및 제 2 렌즈(750)를 이용하여 테라헤르츠파를 집광함으로써, 도 5에서의 검출기(350)로 집광되는 테라헤르츠파의 직경보다 현저히 작아 집광효율을 높일 수 있다. 이에, 본 실시예에 따른 고분해능 검사장치는 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각이 작은 경우에도 높은 집광 효율을 가지고, 분해능을 현저히 높일 수 있어 고해상도의 검사 영상을 획득할 수 있다.
도 9 및 도 10은 도 5 내지 도 8의 장치를 이용하여 검사 대상 물체를 측정한 투과 영상이다.
구체적으로, 도 9는 도 5에서 설명한 장치를 이용하여 검사 대상 물체를 측정한 것이고, 도 10은 도 6 내지 도 8에서 설명한 장치를 이용하여 검사 대상 물체를 측정한 것이다.
도 9를 참조하면, 단일 렌즈만으로 집광하여 획득된 투과 영상으로, 검사 대상 물체를 전혀 식별할 수 없음을 확인할 수 있다.
반면에, 도 10을 참조하면, 도 6 내지 도 8에 이르는 렌즈 구성으로 집광하여 획득된 투과 영상으로, 검사 대상 물체를 선명하게 식별할 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 베셀빔을 이용한 고분해능 검사 장치를 이용하면, 고분해능의 영상을 획득할 수 있다.
설명된 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 베셀빔을 이용한 고분해능 검사 장치
110 : 테라헤르츠파 생성부
120 : 각도 변경부
130 : 베셀 빔 형성부
140 : 검사 대상 물체
150 : 제 1 렌즈
160 : 제 2 렌즈
170 : 검출부

Claims (5)

  1. 테라헤르츠파 베셀빔이 검사 대상 물체를 투과하면서 발산되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경하는 제 1 렌즈; 및
    상기 제 1 렌즈를 통과한 테라헤르츠파를 검출기로 집광시키는 제 2 렌즈를 포함하며,
    상기 제 1 렌즈는,
    테라헤르츠파 생성부로부터 입사되는 테라헤르츠파를 이용하여 검사 대상 물체에 테라헤르츠파 베셀빔이 형성되도록 하고, 상기 테라헤르츠파 베셀빔의 직경이 상기 테라헤르츠파 생성부에서 생성된 테라헤르츠파의 파장보다 작게 형성되는 꼭지각을 갖는 제 1 엑시콘 렌즈인 베셀빔 형성부에 대해 대칭되게 배치되는 제 2 엑시콘 렌즈인, 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각의 최대값은,

    Figure 112017010739338-pat00007

    여기서, J0 : 0차 베셀 함수
    ρFWHM : 포커싱된 테라헤르츠파 베셀빔의 반치폭
    λ : 테라헤르츠파의 파장
    α0 : 엑시콘 렌즈를 지나 교차하는 테라헤르츠파의 교차각의 절반 값
    n : 제 1 엑시콘 렌즈의 굴절률
    n0 : 주변 환경의 평균 굴절률
    τ : 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각
    위의 수학식을 통해 계산된 제 1 엑시콘 렌즈의 꼭지각(τ)인, 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 엑시콘 렌즈는,
    상기 제 1 엑시콘 렌즈과 동일한 크기의 꼭지각을 갖는, 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈는,
    상기 검사 대상 물체를 기준으로, 상기 테라헤르츠파 생성부로부터 입사되는 테라헤르츠파의 각도를 작게 변경시키는 제 1 볼록 렌즈인 각도 변경부에 대칭되게 배치되는 제 2 볼록 렌즈인, 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈는,
    상기 제 2 엑시콘 렌즈와 동일한 모양을 가지며, 광축에 수직한 축을 기준으로 상기 제 2 엑시콘 렌즈에 대칭되게 배치되는 제 3 엑시콘 렌즈인, 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈.
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