KR101796443B1 - 위상광 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

위상광 측정 시스템이 개시된다. 본 발명의 시스템은, 소정 대역폭의 광을 출력하는 광원부, 상기 광원부에 의해 출력된 광의 대역폭을 적어도 둘 이상의 대역폭으로 분할한 분할광과, 상기 분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 생성하여 출력하는 대역분할부, 상기 분할광 또는 상기 위상반전광 중 어느 하나를 지연하는 지연부, 및 상기 대역분할부로부터 출력되는 광과 상기 지연부로부터 출력되는 광을 측정대상체에 조사하고, 측정대상체로부터 반사된 광을 검출하여 처리하는 처리부를 포함한다.

Description

위상광 측정 시스템{OPTICAL-PHASE IMAGING SYSTEM}
본 발명은 위상광 측정 시스템에 관한 것이다.
측정대상체에 입사한 광의 위상변화를 측정하여 영상화하는 광위상 측정시스템은, 광학적 회절한계를 넘어서는 해상도를 나타낼 수 있어 꾸준한 연구개발이 이루어지고 있다.
이러한 위상광 측정방식으로서는 위상 컨트라스트(phase-contrast) 방식, 위상 쉬프팅(phase-shifting) 방식, 디지털 홀로그래피(digital holography) 방식, 퓨리어 위상 마이크로스코피(Fourier phase microscopy) 방식, 광간섭 위상 마이크로스코피(optical coherence phase microscopy) 방식 등 여러 가지가 있는데, 이러한 위상광 측정 방식은 모두 위상 래핑(phase wrapping)의 문제가 발생한다.
즉, 프로브단에서 반사되는 빛을 측정하는 기하학적인 광학구조를 가지는 위상측정법에서는, 측정되는 광의 위상값(Δφ)을 샘플 변화량(Δz)으로 환산하면 다음과 같은 관계가 있다.
Figure 112014053877177-pat00001
여기서, λ0는 사용되는 광원의 중심파장, n은 기준단과 샘플단 사이의 평균 굴절율을 나타낸다. 이 경우 측정되는 위상값이 0 ~ 2π[radian] 범위이므로 최대 측정범위가 1㎛ 내외로 제한되는 문제점이 있으며, 이를 위상 래핑이라고 한다.
이러한 위상 래핑을 해결하기 위해, 소프트웨어적 알고리즘이나 하드웨어적인 구성이 이용되고 있다.
가장 일반적으로 사용되는 방식으로서, 단순 위상 언래핑(simple phase unwrapping) 알고리즘이 사용되고 있으며, 이는 측정되는 위상의 점프(jump)가 일어날 때마다 2π 만큼 더하거나 빼는 방식이다. 그러나, 이 방식은 점프가 일어날 때 2nπ 만큼 차이가 발생하는 변화에 대해서도 같은 양을 가감하므로 문제가 있다.
또한, 다른 소프트웨어적인 방식은 복잡한 알고리즘과 많은 연산으로 효율적이지 않고, 하드웨어적인 방식은 추가적인 광학계와 측정단을 포함하여 셋업이 복잡해지는 문제점이 있다.
이러한 기존의 문제점을 해결하기 위해 다파장을 이용한 위상 측정방식이 제안되었으며, 이는 위 관계식의 중심파장 λ0를 대신할 수 있는 새로운 긴 장파장을 얻어서 이를 통해 샘플 변화량(z)의 최대 측정범위를 증가시키는 방식이다.
[문헌 1] 등록특허 제10-1308433호(2013. 09. 02)
위 문헌 1은 광원의 대역폭을 분할한 대역분할광을 이용한다. 즉, 전체 대역폭을 2개 이상으로 분할하고, 이를 통해 각각의 분할된 대역폭에 대한 위상을 측정한 후, 그로부터 새로운 파장을 얻어서 전체 측정범위를 증가시킨 바 있다.
그런데, 이러한 광원의 스펙트럼 분할방식의 경우, 광원에서 출사되는 광의 대역폭 내에서 분할이 되기 때문에 대역폭이 분할된 부분이 늘어날수록 프로세싱 방식을 반복하여 측정범위를 증가시키지만, 분할된 부분이 늘어나면 각 부분이 가질 수 있는 대역폭이 좁아지는 단점이 있다.
이는 좁은 대역폭을 가지고 위상을 측정할 경우에 그 위상 잡음이 증가한다는 연구결과에 따라 최소로 측정할 수 있는 범위인 해상도가 떨어지게 된다. 즉, 측정범위가 증가하는 만큼 위상 잡음이 증가하여 해상도가 떨어지게 된다. 이를 수식으로 나타내면, 2개의 분할된 스펙트럼 상에서 각각의 스펙트럼의 중심파장을 λ1, λ2라 하면, 새로운 증가된 중심파장(Λ)은 다음과 같다.
Figure 112014053877177-pat00002
위 수학식2에 따르면 2개의 중심파장 사이의 간격이 좁아질수록 새로운 중심파장(Λ)은 감소하며, 샘플 변화량(Δz)을 측정할 수 있는 범위가 감소한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 위상잡음이 증가되지 않게 하면서도 해상도를 높일 수 있는 위상광 측정 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 시스템은, 소정 대역폭의 광을 출력하는 광원부; 상기 광원부에 의해 출력된 광의 대역폭을 적어도 둘 이상의 대역폭으로 분할한 분할광과, 상기 분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 생성하여 출력하는 대역분할부; 상기 분할광 또는 상기 위상반전광 중 어느 하나를 지연하는 지연부; 및 상기 대역분할부로부터 출력되는 광과 상기 지연부로부터 출력되는 광을 측정대상체에 조사하고, 측정대상체로부터 반사된 광을 검출하여 처리하는 처리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 광원부는, 파장가변 광원 또는 광대역 광원 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 대역분할부는, 상기 광원부로부터 입력되는 광을 분배하여, 상기 광원부의 광을 대역분할한 제1 및 제2분할광을 생성하고, 상기 제1 및 제2분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 출력하는 대역분할 간섭계; 및 상기 광원부로부터 입력되는 광을 상기 대역분할 간섭계로 출력하고, 상기 대역분할 간섭계로부터 출력되는 광을 상기 지연부로 출력하는 광서큘레이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 대역분할 간섭계는, 사냑 간섭계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 대역분할 간섭계는, 상기 광서큘레이터로부터 입력단을 통해 입력되는 광을 분배하여, 제1 및 제2출력단으로 출력하고, 상기 제1 및 제2출력단은 광섬유로 상호 연결되는 루프를 형성하고, 상기 루프를 경유하여 대역분할되는 상기 제1 및 제2분할광을 제3출력단을 통해 출력하는 제2광커플러; 상기 루프상에 배치되며, 입력되는 광신호를 복굴절하는 복굴절부; 및 상기 광커플러의 제2출력단과 상기 복굴절부를 연결하는 경로에 배치되며, 중심파장을 변경하는 편광조절부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 처리부는, 상기 제1광커플러로부터 출력되는 상기 제1 및 제2분할광과, 상기 지연부로부터 출력되는 상기 위상반전광을 결합하여 출력하는 제2광커플러; 상기 제2광커플러로부터 출력되는 광을 측정대상체에 조사하고, 측정대상체로부터 반사된 광을 출력하는 프로브부; 상기 프로브부로부터 출력되는 광을 검출하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터, 측정대상체에 대한 정보를 취득하는 측정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 처리부는, 상기 제2광커플러로부터 출력되는 광을 상기 프로브부로 출력하고, 상기 프로브부로부터 출력되는 광을 상기 광검출부로 출력하는 제3광커플러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 지연부는, 상기 광서큘레이터와 상기 제2광커플러 사이에 접속되며, 상기 제1광커플러의 상기 제3출력단과 상기 제2광커플러 사이의 광경로보다 길게 연장될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 광검출부는, 포토다이오드를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 광원의 대역폭을 등분할한 2개의 분리된 스펙트럼과 동일한 위상잡음 및 대역폭을 갖는 3개의 분리된 스펙트럼을 이용할 수 있어, 측정대상체에 대한 해상도를 더욱 높이도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 위상광 측정시스템을 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 도 1의 광원부에서 출사되는 광과, 대역분할부에 의해 생성되는 광을 개략적으로 설명하기 위한 일예시도이다.
도 3은 도 1의 대역분할부에 의해 생성된 광이 중첩되지 않고 전송되는 패턴을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 4는 도 1의 대역분할부에 의해 생성되는 스펙트럼을 파장에 대해 측정한 결과를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 5는 광출사주기를 20㎲로 한 경우 제1광커플러의 제3출력단을 통해 출력되는 신호를 측정간섭계를 통과시킨 후 시간축에서 측정한 결과를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 6 및 도 7은 제2광커플러의 출력단에서 출력되는 신호를 측정간섭계를 통과시킨 후 시간축에서 측정한 결과를 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 위상광 측정시스템을 개략적으로 설명하기 위한 구성도이고, 도 2는 도 1의 광원부에서 출사되는 광과, 대역분할부에 의해 생성되는 광을 개략적으로 설명하기 위한 일예시도이고, 도 3은 도 1의 대역분할부에 의해 생성된 광이 중첩되지 않고 전송되는 패00턴을 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템(1)은, 광원부(10), 대역분할부(20), 지연부(30) 및 처리부(40)를 포함할 수 있다.
광원부(10)는, 소정 대역폭을 가지는 광을 출사하는 광원을 포함할 수 있다. 광원부(10)의 광원은, 설정된 주기로 파장을 가변하면서 광을 출력하는 파장가변 광원이거나, 또는 넓은 대역범위의 파장을 갖는 광을 동시에 출사하는 광대역 광원일 수 있다.
대역분할부(20)는 광원부(10)에서 출사된 광의 대역폭을 복수의 대역폭으로 분할한 분할광과, 분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 생성하고, 분할광과 위상반전광을 상호 다른 경로로 출력하게 구성된다. 구체적으로, 대역분할부(20)는, 대역분할 간섭계와, 광서큘레이터(21)를 포함할 수 있다.
광원부(10)로부터 광서큘레이터(21)를 거쳐 제1광커플러(22)의 제1입력단(22A)으로 입력된 광은, 제1광커플러(22)가 제1출력단(22B)과 제2출력단(22C)으로분배하고, 제1광커플러(22)의 제1출력단(22B)과 제2출력단(22C)을 상호 연결하는 루프상에 배치되는, 복굴절소재로 이루어진 복굴절부(25)를 통해 상호 반대방향으로 경유하면서, 광원부(10)에서 출사되는 대역의 광을 대역분할한 제1분할광과 제2분할광이 생성되어 제1광커플러(22)의 제3출력단(22D)을 통해 출력된다. 또한, 제1분할광과 제2분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광이 제1광커플러(22)의 제1입력단(22A)을 통해 출력될 수 있다.
이러한 대역분할 간섭계는 제1광커플러(22), 제1광섬유(23), 제2광섬유(24), 복굴절부(25) 및 편광조절부(26)를 포함할 수 있다.
제1광커플러(22)는 일측에 제1입력단(22A)과 제3출력단(22D)이 마련되고, 타측에 제1출력단(22B)과 제2출력단(22C)이 마련된 구조로 구성될 수 있다. 이때, 제3출력단(22D)을 통해 출력되는 광은 광원부(10)에서 출력된 광의 대역을 2개 대역으로 등분할한 제1분할광과 제2분할광이고, 제1입력단(22A)을 통해 출력되는 광은 제1분할광과 제2분할광에 대해 위상 반전된 위상반전광일 수 있다.
제1광섬유(23)는 제1출력단(22B)과 복굴절부(25)의 일단 사이에 접속되어 있고, 제2광섬유(24)는 제2출력단(22C)과 복굴절부(25) 타단 사이에 접속되어 있고, 편광조절부(26)는 제2광섬유(24)의 연장경로상에 설치되어 있다.
이러한 대역분할 간섭계는 예를 들어 사냑 간섭계(Sagnac interferometer)일 수 있으며, 제1입력단(22A)을 통해 입력된 광을 제1출력단(22B)과 제2출력단(22C)으로 분기시켜 출력하고, 제1출력단(22B)과 제2출력단(22C)을 통해 역으로 입사된 광을 제1입력단(22A)과 제3출력단(22D)을 통해 출력할 수 있다.
광서큘레이터(21)는 광로 조정부로서 적용된 것으로, 광원부(10)와 제1광커플러(22)의 제1입력단(22A) 사이에 설치되어, 광원부(10)에서 출사된 광을 제1입력단(22A)으로 입사되게 하고, 제1입력단(22A)에서 출력되는 위상반전광을 지연부(30)에 입사되게 한다.
지연부(30)는 제1 및 제2분할광과 위상반전광이 시간상으로 상호 간섭되지 않도록, 제1 및 제2분할광의 출력경로 또는 위상반전광의 출력경로상에 설치되어 전송시간을 지연할 수 있다. 본 발명의 일예에서는, 위상반전광의 출력경로인 광서큘레이터(21)의 출력경로상에 설치되어 있지만, 제3출력단(22D)의 출력경로상에 설치될 수도 있다.
즉, 지연부(30)는 광써클레이터(21)와 후술되는 제2광커플러(41) 사이에 접속되어 광을 전송하되, 제1광커플러(22)의 제3출력단(22D)으로부터 제2광커플러(41)로 이어지는 제1광경로보다 경로가 길게 연장된 지연용 광섬유가 적용될 수 있다. 이때, 지연부(30)는 제1 및 제2분할광이 후술되는 제2광커플러(41)에 입력된 이후 시간 지연된 위상반전광이 입력되도록, 적절한 지연시간을 가지도록 구성될 수 있다.
이러한 구조에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 광원부(10)에서 출력되는 광이 대역의 광(S)으로 출사되면(a), 대역분할부(20)의 대역분할 간섭계를 거쳐 (b)와 같이 파장영역에서 광원부(10)의 파장대역을 2분할하는 제1 및 제2분할광(P1, P3)이 생성되어 제3출력단(22D)을 통해 출력되고, 제1 및 제2분할광(P1, P3)을 기준으로 위상이 180도 역전된 위상반전광(P2)이 (c)와 같이 제1입력단(22A)을 통해 출력될 수 있다.
여기서, 위상반전광(P2)의 가우시안 분포를 하고 있는 부분을 제1분할광(P1)과 제2분할광(P3)에 대해 파장대역으로 매칭하면, (d)와 같이 광원부(10)의 파장대역을 중심파장이 서로 다른 3개의 가우시안 형태의 대역분할광이 일부 파장대역이 오버랩되게 분포하는 구조가 된다.
따라서, 파장대역이 오버랩되는 위상반전광(P2)에 대해 시간적으로 지연하면, 시간축상에서 3개의 분할 대역에 대한 광을 이용할 수 있다.
즉, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 광원부(10)에서 파장가변에 의해 설정된 대역폭의 광을 출사하는 광출사 주기가 Ta일 때, 제3출력단(22D)을 통해 광출사 주기(Ta)마다 제1 및 제2분할광(P1, P3)이 출력되고, 도 3의 (b)와 같이 제1입력단(22A)을 통해 위상반전광(P2)도 출력된다. 여기서 위상반전광(P2)은 가우시안 분포를 가지는 것만 표기하였다.
한편, 위상반전광(P2)은 지연부(30)를 거쳐 (c)와 같이 지연시간 d만큼 지연되기 때문에, 제2광커플러(41)에는 도 3의 (d)와 같이 광출사주기(Ta)에 대해 가우시안 분포를 가지며 시간축을 따라 상호 분리된 3개 대역의 광 즉, 제1분할광(P1), 제2분할광(P3) 및 위상반전광(P2)이 반복 생성될 수 있다.
이러한 분할대역광 생성구조에 대한 실험결과가 도 4 내지 도 7에 도시되어있다.
도 4는 도 1의 대역분할부에 의해 생성되는 스펙트럼을 파장에 대해 측정한 결과를 설명하기 위한 일예시도이고, 도 5는 광출사주기를 20㎲로 한 경우 제1광커플러(22)의 제3출력단(22D)을 통해 출력되는 신호를 측정간섭계를 통과시킨 후 시간축에서 측정한 결과를 설명하기 위한 일예시도이고, 도 6 및 도 7은 제2광커플러(41)의 출력단(41A)에서 출력되는 신호를 측정간섭계를 통과시킨 후 시간축에서 측정한 결과를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 4 내지 도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이 제1분할광(P1), 제2분할광(P3) 및 위상반전광(P2)이 시간축상에서 상호 분리되게 생성됨을 알 수 있다.
도 1의 처리부(40)는, 대역분할부(20)에서 직접 출력되는 광과 대역분할부(20)에서 지연부(30)를 거쳐 지연되어 출력되는 광을 측정대상체(2)에 조사하고, 측정대상체(2)로부터 반사된 광을 검출하여 처리한다.
구체적으로, 도면에 도시된 바와 같이, 처리부(40)는, 제2광커플러(41), 제3광커플러(42), 프로브부(43), 광검출부(45) 및 측정부(46)를 포함할 수 있다.
제2광커플러(41)는 제1광커플러(22)의 제3출력단(22D)에서 출력되는 제1 및 제2분할광(P1, P3)과, 지연부(30)에서 출력되는 위상반전광(P2)을 각각 수신하여, 이를 결합하여 중계단(41A)을 통해 출력한다.
제3광커플러(42)는 제2광커플러(41)의 중계단(41A)을 통해 순차적으로 출력되는 제1분할광(P1), 제2분할광(P3) 및 위상반전광(P2)을 수신하여, 프로브부(43)로 출력하고, 프로브부(43)를 통해 입사된 광을 메인 검출단(42A)으로 출력할 수 있다. 이때, 제3광커플러(42)는 광서큘레이터가 적용될 수도 있다.
프로브부(43)는 제3광커플러(42)를 통해 전송된 광을 측정대상체(2)에 조사하고, 측정대상체(2)로부터 반사된 광을 역으로 전송할 수 있도록 구성될 수 있다.
즉, 프로브부(43)는 제3광커플러(42)로부터 연장된 광섬유에서 출사되는 광을 평행광으로 변환한 후 측정대상체(2)에 집속시키는 복수개의 렌즈가 하우징(미도시) 내에 어레이되어 있고, 집속된 광의 일부는 투과시켜 측정대상체(2)로 조사되도록 하고, 일부는 반사시켜 간섭광을 생성되도록 하는 부분반사판(44)을 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
광검출부(45)는 제3광커플러(42)의 메인 검출단(42A)에 접속되어 입사된 광을 검출하고, 검출된 광에 대응되는 전기적 신호를 측정부(46)에 출력할 수 있다.
광검출부(45)는 광원부(10)가 파장가변 광원이 적용되는 경우 포토 다이오드일 수 있고, 대역폭을 갖는 광을 동시에 출사하는 광대역 광원인 경우 스펙트로미터일 수 있다.
측정부(46)는 광검출부(45)에서 출력되는 신호로부터 측정대상체(2)에 대한 정보를 취득할 수 있다.
측정부(46)는 미리 기록되어 알고 있는 제1분할광(P1)의 제1중심파장(λ1)과, 제2분할광(P3)의 제3중심파장(λ3)과, 위상반전광(P2)의 제2중심파장(λ2) 각각에 대한 측정대상체(2)의 동일 위치에 대한 위상(φ1, φ2, φ3)을 광검출부(45)로부터 취득하고, 취득된 위상으로부터 연산을 통해 측정대상체(2)의 이미지정보를 생성할 수 있다.
이러한 측정부(46)의 연산처리과정을 이하에서 설명한다.
측정부(46)는 먼저, 제1중심파장(λ1)에 대응한 측정대상체(2)의 표면에 수직한 Z축 방향에 대한 제1위상 이미지(Z1)와 제3중심파장(λ3)에 대응한 제3위상이미지(Z3)의 위상 차이(φ13=φ1-φ3))로부터 제1이미지 차이(Z13)를 구한다.
즉, 먼저, 제1분할광(P1), 제2분할광(P3) 및 위상반전광(P2) 각각에 대해, 알고 있는 중심파장을 기준으로 3개의 분할 스펙트럼을 각각 분리한다. 다음으로 분리된 각 스펙트럼에 대해 푸리에 변환을 수행한 후, 측정대상체(2)에 해당하는 피크의 위상을 추출한다. 이 과정을 거치면 3개의 중심파장에 대한 위상 데이터가 얻어질 수 있다.
이후, 제1분할광(P1)과 제2분할광(P3) 각각의 중심파장 λ1, λ3에 해당하는 제1 및 제3위상 이미지의 차이(Z1-Z3)로부터 새로운 위상 이미지 Z13을 얻는다. 이때 차이가 0 보다 작을 경우에는 2π를 더하여 계산할 수 있다.
새로운 위상 이미지 Z13은 수학식 1 및 2에서와 같이, 새로운 파장 Λ13(λ1λ3/|λ1-λ3|)에 의한 위상 프로파일에 해당하며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014053877177-pat00003
동일한 방식에 의해 측정부(46)는 위상반전광(P2)의 제2중심파장(λ2)에 대응한 제2위상 이미지(Z2)와 제3위상 이미지(Z3)의 위상 차이(φ23)로부터 제2이미지 차이값(Z23)을 구할 수 있다.
즉, λ2 및 λ3에 해당하는 제2 및 제3위상 이미지의 위상 차이(φ23)로부터 새로운 위상 이미지 Z23를 새로운 파장 Λ23(λ2λ3/|λ2-λ3|)과의 관계에서 다음 수학식에 의해 구할 수 있다.
Figure 112014053877177-pat00004
또한, 측정부(46)는 제1이미지 차이(Z13)와 제2이미지 차이(Z23)의 위상차이로부터 제3이미지 차이(Z13 -23)를 구하여 최종 이미지를 결정할 수 있다.
여기서, 제3이미지 차이가 얻고자 하는 측정대상체(2)의 이미지 정보에 해당한다.
즉, 앞서 계산된 Z13과 Z23의 위상 차이(φ13-23)으로부터, 다시 새로운 위상 이미지 Z13 -23을 얻을 수 있다. 이 이미지는 새로운 파장 Λ13-23(Λ13Λ23/|Λ13-Λ23|)으로 계산할 수 있으며, 결과는 Λ12와 동일하다. 즉 위상 이미지 Z13 -23은 다음 수학식과 같다.
Figure 112014053877177-pat00005
이때, 위상 이미지 Z13 -23은 Λ13의 정수배를 구하여서 그 결과를 위상 이미지 Z13에 더하여 최종 위상 이미지(Zfinal)를 얻을 수 있다. 이때 측정부(46)는 Z13 -23과 Zfinal을 비교하여 그 차이가 Λ13보다 크거나 작을 경우 Λ13을 가산한다.
따라서 최종 이미지 Zfinal는 잡음 레벨이 Z13와 동일한 수준이며, 최대 측정범위는 Λ12/2m(m은 자연수)이 된다. 새로운 파장 Λ12는 2개의 분할만 행하였을 때의 파장 Λ13보다 크기 때문에 위상 래핑 없이 측정가능한 범위가 증가하며, 잡음 수준은 Λ13과 동일한 수준이 된다.
이러한 본 발명의 위상광 측정 시스템(1)은 광원부(10)에서 출력되는 광의 파장 대역에 대해 대역을 등분되게 2분할한 제1분할광(P1)과 제2분할광(P3) 외에 위상반전된 위상반전광(P2)을 얻을 수 있어, 측정범위가 확장되면서도 위상 잡음은 증가하지 않는 장점을 제공한다.
즉, 앞서 설명된 바와 같이 광원부(10)에서 출사되는 광을 스펙트럼 분할 방식에 의해 단순히 2분할할 경우와 비교하는 경우, 분할 대역폭은 감소하지 않고 동일하면서 3개의 스펙트럼으로 분할된 광을 이용할 수 있어 위상잡음은 증가되지 않고 해상도를 높일 수 있다.
즉, 앞서 도 4 내지 도 7을 통해 설명된 바와 같이 제2광커플러(161)에서 가우시안 분포형태로 출력되는 제1분할광(P1), 제2분할광(P3) 및 위상반전광(P2) 각각의 대역폭은 모두 동일하고, 분리된 대역은 서로 다른 중심파장(λ1, λ2, λ3)을 가진다. 각각의 대역폭은 대역분할 간섭계(예를 들어, 사냑 간섭계) 내의 복굴절부(25)의 길이에 의해 발생하는 경로차에 의해 조절할 수 있다. 또한 각각의 중심파장은 대역분할 간섭계 내의 편광 조절부(26)를 통해 변경할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 분할 및 위상반전된 광의 중심파장으로부터 새로운 중심파장(Λ)을 간단히 계산할 수 있으며, 새로운 중심파장(Λ)은 2개의 분리된 스펙트럼을 가진 광원보다 긴 파장을 가지면서 위상 잡음은 2개의 분리된 스펙트럼의 경우와 동일한 수준을 유지할 수 있다.
또한, 광원부(10)에서 이미 분리된 스펙트럼을 가지는 빛을 사용함으로써 간섭계와 측정부는 기존 위상 광측정기를 그대로 사용할 수 있어 측정이 간단해진다.
또한, 3개의 분리된 스펙트럼을 가진 빛을 측정하는 시간이 기존과 비교하여 동일하며 이후의 알고리즘이 간단하여 측정부의 연산 부담이 최소화된다.
또한, 편광조절기(26)의 조절을 통해 3개 스펙트럼의 중심파장의 변경이 가능하여 측정범위의 변경이 간편하다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 광원부 20: 대역조절부
30: 지연부 40: 처리부

Claims (9)

  1. 소정 대역폭의 광을 출력하는 광원부;
    상기 광원부와 연결되어, 상기 광원부에 의해 출력된 광의 대역폭을 적어도 둘 이상의 대역폭으로 분할한 분할광과, 상기 분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 생성하여 출력하는 대역분할부;
    상기 대역분할부와 연결되어, 상기 분할광 또는 상기 위상반전광 중 어느 하나를 지연하는 지연부; 및
    상기 지연부와 연결되어, 상기 대역분할부로부터 출력되는 광과 상기 지연부로부터 출력되는 광을 측정대상체에 조사하고, 측정대상체로부터 반사된 광을 검출하여 처리하는 처리부를 포함하되,
    상기 광원부에 의해 출력된 적어도 둘 이상의 대역폭은, 각각 동일하며 서로 다른 중심파장을 가지고, 상기 위상반전광에 의하여 반전된 광의 대역폭은, 상기 광원부에 의해 출력된 적어도 둘 이상의 대력폭과 동일한, 위상광 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원부는,
    설정된 주기로 파장이 가변된는, 파장가변 광원 및 설정된 대역 범위 이상의 파장을 갖는 광대역 광원 중 적어도 하나의 광원을 출력하는 위상광 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 대역분할부는,
    상기 광원부로부터 입력되는 광을 분배하여, 상기 광원부의 광을 대역분할한 제1 및 제2분할광을 생성하고, 상기 제1 및 제2분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 출력하는 대역분할 간섭계; 및
    상기 광원부로부터 입력되는 광을 상기 대역분할 간섭계로 출력하고, 상기 대역분할 간섭계로부터 출력되는 광을 상기 지연부로 출력하는 광서큘레이터를 포함하는 위상광 측정 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 대역분할 간섭계는, 사냑 간섭계를 포함하는 위상광 측정 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 대역분할 간섭계는,
    상기 광서큘레이터로부터 입력단을 통해 입력되는 광을 분배하여, 제1 및 제2출력단으로 출력하고, 상기 제1 및 제2출력단은 광섬유로 상호 연결되는 루프를 형성하고, 상기 루프를 경유하여 대역분할되는 상기 제1 및 제2분할광을 제3출력단을 통해 출력하는 제1광커플러;
    상기 루프상에 배치되며, 입력되는 광신호를 복굴절하는 복굴절부; 및
    상기 제1광커플러의 제2출력단과 상기 복굴절부를 연결하는 경로에 배치되며, 중심파장을 변경하는 편광조절부를 포함하는 위상광 측정 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 처리부는,
    상기 대역분할부에 포함된 제1광커플러로부터 출력되는 상기 제1 및 제2분할광과, 상기 지연부로부터 출력되는 상기 위상반전광을 결합하여 출력하는 제2광커플러;
    상기 제2광커플러로부터 출력되는 광을 측정대상체에 조사하고, 측정대상체로부터 반사된 광을 출력하는 프로브부;
    상기 프로브부로부터 출력되는 광을 검출하는 광검출부; 및
    상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터, 측정대상체에 대한 정보를 취득하는 측정부를 포함하는 위상광 측정 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 처리부는,
    상기 제2광커플러로부터 출력되는 광을 상기 프로브부로 출력하고, 상기 프로브부로부터 출력되는 광을 상기 광검출부로 출력하는 제3광커플러를 더 포함하는 위상광 측정 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 지연부는,
    상기 광서큘레이터와 상기 제2광커플러 사이에 접속되며, 상기 제1광커플러의 제3출력단과 상기 제2광커플러 사이의 광경로보다 길게 연장되는 위상광 측정 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 상기 광검출부는,
    포토다이오드를 포함하는 위상광 측정 시스템.
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