KR101910084B1 - 평행빔 광학 소자 및 이를 이용한 간섭계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평행빔 광학 소자 및 이를 이용한 간섭계이다. 상기 평행빔 광학 소자는, 제1면과 제3면이 서로 대향 배치되고, 제2면과 제4면이 서로 대향 배치되며, 제2면과 제3면이 만나는 모서리와 제1면과 제4면이 만나는 모서리를 연결하는 편광빔 분리면을 갖는 편광빔 스플리터; 상기 편광빔 스플리터의 제2면에 배치된 제1 QWP; 상기 제1 QWP의 일면에 배치되어 제1 QWP로부터 출력된 빔을 되반사시켜 제1 QWP 로 다시 제공하는 반사경; 상기 편광빔 스플리터의 제4면과 마주 보도록 배치되어, 상기 편광빔 스플리터의 제4면으로부터 출력된 빔을 2번 수직 반사시켜 편광빔 스플리터의 제4면으로 다시 제공하는 직각 프리즘; 상기 편광빔 스플리터의 제4면과 직각 프리즘의 사이에 배치되며, 상기 편광빔 스플리터로부터 출력된 빔의 편광방향을 90도 회전시키는 HWP;을 구비한다. 상기 평행빔 광학 소자는, PBS의 제1 면으로 입사된 빔이 편광 성분에 따라 2개의 빔으로 나뉘어 각각 서로 다른 제1 광경로와 제2 광경로를 따라 진행하되, 상기 2개의 빔은 서로 평행빔이 되어 상기 제2 QWP를 출사하며, 출사된 2개의 빔은 평행빔 광학 소자로 재입사되어 PBS의 제1면으로 함께 출사한다.

Description

평행빔 광학 소자 및 이를 이용한 간섭계 {A novel optical device outputting two parallel beams and an interferometer using the optical device }

본 발명은 평행빔을 출력시킬 수 있는 광학 소자 및 이를 이용한 간섭계에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 신호빔과 기준빔이 서로 평행으로 출력되고 그들 사이의 간격을 쉽게 조절할 수 있도록 구성된 평행빔 광학 소자 및 이를 이용하여 구조가 간단하면서도 compact 하며 기하학적으로 균형이 잡힌 간섭계에 관한 것이다.

간섭식 측정장치는 신호빛(probe beam)과 기준빛(reference beam)을 빛살 가르게(Beamsplitter, BS)를 이용하여 합쳐주고 두 개의 출력단에서 나오는 빛의 세기를 각각 별도의 광검출기로 측정하는 장치이다. 이때 각각의 광검출기에서 출력되는 전기 신호를 광신호라고 하고, 신호빛과 기준빛의 주파수가 같을 경우 이를 호모다인(homodyne) 간섭계라고 하며, 주파수가 다를 경우 이를 헤테로다인(heterodyne) 간섭계라고 한다.

호모다인 간섭계의 경우, BS의 두 개의 출력단으로 나오는 빛의 세기가 신호빛과 기준빛의 위상차이에 따라 변하며, 만약 한쪽 출력단으로 나오는 빛이 증강간섭이 일어나는 경우 다른 쪽 출력단으로 나오는 빛은 소멸간섭을 일으킨다. 즉, 각각의 출력단으로 나오는 빛의 간섭신호는 180도 위상차이를 갖는다. 따라서 두 개의 광신호를 차동증폭기로 빼어 줌으로써 각각의 광신호에 실려있는 서로 상관된 잡음(correlated niose)은 제거되고 광신호는 두 배로 커져 신호 대 잡음비를 높일 수 있으며, 이와 같은 측정방법을 balanced detection 방법이라고 한다.

도 1은 종래의 간섭계를 예시적으로 도시한 시스템 구성도이다. 도 1은 한국등록특허 제 10-0866038 호에 개시된 "헤테로다인 간섭계를 이용한 주사 현미경"을 전체적으로 도시한 시스템 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 간섭계에서는 신호빔과 기준빔을 얻기 위하여, PBS를 이용하여 입사빔을 2개의 빔으로 나누어 타겟과 미러로 각각 제공함으로써, 신호빔과 기준빔으로 사용하게 된다. 이 때, PBS에서 반사되거나 투과되어 출사되는 2개의 빔은 서로 수직 방향으로 진행되므로, 기준빔과 신호빔이 정확하게 정렬되고 진동 등과 같은 외부 섭동에 의한 영향을 최소화시키기 위하여 시스템 구성을 정밀하게 설계하여야 되는 번거러움이 발생하게 된다. 또한, 기준빔과 신호빔이 서로 다른 경로로 진행하므로, 각 경로마다 광 부품이 배치되어야 하므로, 많은 개수의 광 부품이 필요하므로 제작 비용이 증가하고 전체 크기도 증가되는 문제점이 발생하게 된다.

한국등록특허공보 제 10-0866038호

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 신호빔과 기준빔이 일정 간격 이격되어 서로 평행하게 출사되도록 구성된 평행빔 광학 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전술한 평행빔 광학 소자를 이용하여 구성한 간섭계를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 평행빔 광학 소자는, 순차적으로 연결된 제1면, 제2면, 제3면, 제4면을 구비하고, 제1면과 제3면이 서로 대향 배치되고, 제2면과 제4면이 서로 대향 배치되며, 제2면과 제3면이 만나는 모서리와 제1면과 제4면이 만나는 모서리를 연결하는 편광빔 분리면을 갖는 편광빔 스플리터; 상기 편광빔 스플리터의 제2면에 배치된 제1 QWP; 상기 제1 QWP의 일면에 배치되어 제1 QWP로부터 출력된 빔을 되반사시켜 제1 QWP 로 다시 제공하는 반사경; 상기 편광빔 스플리터의 제3면에 배치된 제2 QWP; 상기 편광빔 스플리터의 제4면과 마주 보도록 배치되어, 상기 편광빔 스플리터의 제4면으로부터 출력된 빔을 2번 수직 반사시켜 편광빔 스플리터의 제4면으로 다시 제공하는 프리즘; 상기 편광빔 스플리터의 제4면과 직각 프리즘의 사이에 배치되며, 상기 편광빔 스플리터로부터 출력된 빔의 편광 방향을 90도 회전시켜 편광 빔 스플리터로 재입사되도록 하는 HWP;을 구비하여, 편광빔 스플리터의 제1 면으로 입사된 빔이 편광 성분에 따라 2개의 빔으로 나뉘어 각각 서로 다른 제1 광경로와 제2 광경로를 따라 진행하되, 상기 2개의 빔은 서로 평행빔이 되어 상기 제2 QWP를 출사한다.

전술한 제1 특징에 따른 평행빔 광학 소자에 있어서, 상기 편광빔 스플리터의 제1면으로 입사된 빔은 편광 성분에 따라 2개의 빔으로 나뉘고, 상기 2개의 빔은 서로 평행빔이 되어 제3면 및 제2 QWP의 서로 다른 위치로 평행하게 출사되고,

제2 QWP를 출사한 상기 2개의 빔은 제2 QWP 및 편광빔 스플리터의 제3면의 서로 다른 위치로 각각 재입사된 후 서로 다른 광경로를 진행하여 편광빔 스플리터의 제1면으로 함께 출력되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 특징에 따른 간섭계는, 광원; 검사할 시료가 안착되거나 검사 대상물이 되는 샘플 미러; 상기 샘플 미러와 일렬로 정렬되어 배치된 기준 미러; 상기 광원으로부터 제공된 빔이 입사되고, 입사된 빔을 편광 성분에 따라 신호빔과 기준빔으로 분리하고, 신호빔 및 기준빔을 각각 상기 샘플 미러 및 기준 미러로 제공하고, 상기 샘플 미러로부터 반사된 신호빔과 상기 기준 미러로부터 반사된 기준빔이 서로 수직으로 편광되어 동일한 경로로 합쳐서 출력되는 평행빔 광학 소자; 상기 평행빔 광학 소자로부터 제공된 신호빔과 기준빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 차이를 복조하여 출력하는 복조부;를 구비하고,

상기 평행빔 광학 소자는, 순차적으로 연결된 제1면, 제2면, 제3면, 제4면을 구비하고, 제1면과 제3면이 서로 대향 배치되고, 제2면과 제4면이 서로 대향 배치되며, 제2면과 제3면이 만나는 모서리와 제1면과 제4면이 만나는 모서리를 연결하는 편광빔 분리면을 갖는 편광빔 스플리터; 상기 편광빔 스플리터의 제2면에 배치된 제1 QWP; 상기 제1 QWP의 일면에 배치되어 제1 QWP로부터 출력된 빔을 되반사시켜 제1 QWP 로 다시 제공하는 반사경; 상기 편광빔 스플리터의 제3면에 배치된 제2 QWP; 상기 편광빔 스플리터의 제4면과 마주 보도록 배치되어, 상기 편광빔 스플리터의 제4면으로부터 출력된 빔을 2번 수직 반사시켜 편광빔 스플리터의 제4면으로 다시 제공하는 프리즘; 상기 편광빔 스플리터의 제4면과 직각 프리즘의 사이에 배치되며, 상기 편광빔 스플리터로부터 출력된 빔의 편광 방향을 90도 회전시켜 편광 빔 스플리터로 재입사되도록 하는 HWP;를 구비하여, 편광빔 스플리터의 제1 면으로 입사된 빔이 편광 성분에 따라 신호빔과 기준빔으로 나뉘고, 상기 신호빔과 기준빔은 각각 서로 다른 제1 광경로와 제2 광경로를 따라 진행하여 편광빔 스플리터의 제1면으로 함께 출사한다.

전술한 제2 특징에 따른 간섭계에 있어서, 상기 평행빔 광학 소자는, 상기 편광빔 스플리터의 제1면으로 입사된 빔이 편광 성분에 따라 신호빔과 기준빔으로 분리되고, 상기 신호빔과 기준빔이 서로 평행빔이 되어 샘플 미러 및 기준 미러로 출사되도록 구성되고,

샘플 미러 및 기준 미러로부터 각각 반사된 신호빔과 기준빔은 평행빔 광학 소자의 제2 QWP로 다시 입사된 후 편광빔 스플리터의 제1면의 동일 위치로 출사되는 것이 바람직하다.

전술한 제2 특징에 따른 간섭계에 있어서, 상기 평행빔 광학 소자는, 상기 제2 QWP를 출사하는 신호빔과 기준빔이 일정 거리 이격되어 서로 평행하게 상기 샘플 미러와 기준 미러로 각각 진행하도록 구성된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 평행빔 광학 소자는 compact 하게 구성되어, 신호빔과 기준빔이 평행하게 출력시킬 수 있으며, 광원을 제1면에 평행하게 이동시킴에 따라 평행빔 사이의 간격을 조절할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용하여, 신호빔과 기준빔이 평행하게 나오게 하고 기준빔은 기준거울로부터 반사시키고 신호빔은 샘플에서 반사시켜 입사된 경로와 동일한 경로를 따라 다시 평행빔 광학소자로 되돌아가게 함으로써 간섭계 구조가 간단해질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자는, 입사면에 대한 광원의 위치에 따라 신호빔과 기준빔의 간격이 변화하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계는, 광원을 입사면인 제1면에 대해 평행하게 이동시킴으로써 신호빔과 기준빔 사이의 간격을 쉽게 조절해 줄 수 있어 간섭계의 응용 분야에 대한 유연성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자는, 간섭계의 부품수를 줄이고 모든 부품들을 일체형으로 집적시킬 수 있어 진동이나 대기 요동 등의 환경잡음에도 영향을 적게 받아 간섭계의 성능이 개선될 수 있다. 여기서 신호빔은 샘플표면에서 반사되는 빛으로 구성될 수도 있고 샘플을 투과한 빛을 별도의 거울, 즉 샘플거울에서 반사시켜 입사된 경로를 따라 평행빔 광학소자로 되돌아가게 할 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계는, 샘플 미러와 기준 미러를 투과형으로 제작하여 유체 채널(fluidic channel)로 구성함으로써, 바이오 센서 또는 유체 측정용 센서를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계는, 기준 미러는 고정시키고 샘플 미러는 외부의 진동에 따라 떨림이 발생하는 떨림판을 장착함으로써, 샘플 미러의 진동을 측정하도록 구성하여 바이브로메터를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계는, 샘플 미러를 움직임이 있는 검사 대상물에 장착함으로써 기울기 센서를 구현할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계는 샘플 미러의 구성에 따라 샘플 미러에 탑재된 시료의 표면을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 진동이나 기울기 등을 측정할 수 있는 다양한 센서를 구현할 수 있게 된다.

도 1은 한국등록특허 제 10-0866038 호에 개시된 "헤테로다인 간섭계를 이용한 주사 현미경"을 전체적으로 도시한 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평행빔 광학 소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계에 있어서, 샘플 미러의 다른 실시 형태를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 간섭계에 있어서, 복조부에 대한 일 실시형태를 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 간섭계에 있어서, 복조부에 대한 다른 실시형태를 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 간섭계에 있어서, 복조부에 대한 또 다른 실시형태를 도시한 구성도이다.

본 발명에 따른 평행빔 광학 소자는 신호빔과 기준빔이 일정 간격 이격되어 평행하게 출력되도록 구성된 것을 특징으로 하며, 상기 평행빔 광학 소자를 이용하여 간섭계를 구성한 것을 특징으로 한다. 이와 같이, 평행빔 광학 소자에 의해 신호빔과 기준빔이 서로 평행하게 제공됨에 따라, 간섭계를 매우 Compact 하게 제작할 수 있게 된다.

< 평행빔 광학 소자 >

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평행빔 광학 소자의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평행빔 광학 소자를 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평행빔 광학 소자(120)는, 편광빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter ; 'PBS',122), 제1 QWP(Quarter Wave Plate;124), 반사경(Mirror; 126), 제2 QWP(128), HWP(Half Wave Plate; 130), 직각 프리즘(Right angle prism; 132)을 구비한다.

상기 PBS(122)는 순차적으로 연결된 제1면, 제2면, 제3면, 제4면을 구비하고, 제1면과 제3면이 서로 대향 배치되고, 제2면과 제4면이 서로 대향 배치되며, 제2면과 제3면이 만나는 모서리와 제1면과 제4면이 만나는 모서리를 연결하는 편광빔 분리면(123)을 갖는다.

상기 PBS(122)의 제2면에는 제1 QWP(124)가 배치되고, 상기 제1 QWP의 일면에는 반사경(126)이 배치된다. 상기 제1 QWP(124) 및 상기 반사경(126)은 일면에 반사경(Mirror)이 코팅된 QWP를 사용할 수도 있다. 상기 반사경(126)은 상기 제1 QWP의 일면에 배치되어 제1 QWP로부터 출력된 빔을 되반사시켜 제1 QWP 로 다시 제공한다.

상기 PBS(122)의 제3면에는 제2 QWP(128)이 배치된다.

상기 프리즘(132)은 상기 편광빔 스플리터의 제4면과 마주 보도록 배치되어, 상기 편광빔 스플리터의 제4면으로부터 출력된 빔을 2번 수직 반사시켜 편광빔 스플리터의 제4면으로 다시 제공한다.

상기 HWP(130)는 상기 편광빔 스플리터(122)의 제4면과 직각 프리즘의 사이에 배치되며, 상기 편광빔 스플리터로부터 출력된 빔을 90도 위상지연시켜 상기 편광 빔 스플리터로 재입사되도록 한다. 상기 HWP는 빔이 프리즘으로 입사되는 위치 또는 프리즘으로부터 출사되는 위치에 배치될 수 있다.

QWP는, 주축에 대하여 45도의 각으로 입사된 선형 편광된 빔이 QWP 를 왕복으로 진행하면, 선형 편광 -> 원형 편광 -> 선형 편광으로 순차적으로 바뀌면서 QWP로 입사된 빔의 편광면(the plane of polarization)을 궁극적으로 90°회전시키게 된다. 한편, HWP는, 선형 편광된 빔의 편광 방향을 원하는 방향으로 회전시킬 수 있는데, 편광된 빔과 HWP의 주축이 이루는 각에 대하여 회전 방향으로 2배로 회전하게 된다. 예를 들면, HWP의 주축을 45도 회전하는 경우, HWP로 입사된 빔의 편광면(the plane of polarization)을 90°를 회전시키게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자는 PBS(122)의 각 면에 상기 제1 QWP(124), 제2 QWP(128) 및 HWP(130)가 장착되어 있고, 신호빔과 기준빔이 제1 QWP 및 제2 QWP를 각각 왕복으로 진행하는 경우 편광면이 90°회전하게 되거나, 입력 편광 방향에 대해 45도로 정렬된 HWP를 통과하는 경우에도 편광면이 90°회전하게 된다.

전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자는 PBS(122)의 제1 면으로 입사된 빔이 편광빔 분리면(123)에서 입사빔의 p 편광 성분(도 2의 빨간색선으로 표시됨)은 투과되고, 입사빔의 s 편광 성분(도 2의 파란색선으로 표시됨)은 반사하며, 이들 각각은 신호빔과 기준빔으로 나뉘어 각각 서로 다른 제1 광경로(도 2의 빨간색선으로 표시됨)와 제2 광경로(도 2의 파란색선으로 표시됨)를 따라 진행한다. 상기 신호빔과 기준빔은 서로 평행빔이 되어 상기 PBS(122)의 제3면 및 상기 제2 QWP를 출사하게 되며, 이때 신호빔과 기준빔은 PBS의 제3면 및 제2 QWP의 서로 다른 위치를 통해 출사하게 된다.

제2 QWP를 통해 출사된 신호빔과 기준빔이 제2 QWP를 통해 평행빔 광학 소자로 재입사되면, 상기 신호빔과 기준빔은 서로 다른 광경로를 통해 PBS(122)의 제1면으로 함께 출력된다.

전술한 구성을 갖는 평행빔 광학 소자의 동작은 아래와 같다. PBS(122)로 레이저빔이 입사되면, p 편광(도 2의 빨간색선으로 표시됨)은 PBS 분리면을 투과하고 s 편광(도 2의 파란색선으로 표시됨)은 PBS 분리면에서 반사되어 진행한다. 여기서, PBS 분리면을 통과하여 진행하는 p 편광은 빨간색선으로 표시된 제1 광경로를 따라 진행하게 되고, PBS 분리면에서 반사되어 진행하는 s 편광은 파란색선으로 표시된 제2 광경로를 따라 진행하게 된다.
먼저, 상기 PBS 분리면을 투과하여 진행하는 p 편광의 진행 경로인 제1 광경로에 대하여 구체적으로 설명한다. 상기 PBS 분리면을 투과한 p 편광은(도 2의 빨간색선으로 표시됨) 신호빔으로서 제2 QWP를 거쳐 샘플 미러(SM)로 제공되고, 샘플 미러로부터 반사된 신호빔이 다시 제2 QWP를 통과함에 따라, 편광면이 90°회전되어 PBS면에서 반사되며, HWP(130)를 투과하여 편광면이 다시 90°회전되고, 프리즘(132)에서 전반사에 의해 경로가 바뀌어 PBS 분리면을 투과하며, 반사경(126)에 의해 제1 QWP(124)를 왕복하여 편광이 90도 회전한 후, PBS 분리면에서 반사되어 PBS의 제1면으로 출력된다.

다음, PBS 분리면에서 반사되어 진행하는 s 편광의 진행 경로인 제2 광경로에 대하여 구체적으로 설명한다. PBS 분리면에서 반사된 s 편광은(도 2에서 파란색선으로 표시됨) 기준빔으로서, 제1 QWP(124), 반사경(126) 및 제1 QWP(124)를 통과하여 편광면이 90°회전되어 PBS 분리면을 투과하며, HWP(130) 및 프리즘(132)을 통과하여 편광면이 다시 90°회전되어 PBS 분리면에서 반사되며, 제2 QWP(128)를 통과하여 기준 미러(RM)로 제공된 후 기준 미러로부터 반사된 기준빔은 다시 제2 QWP를 통과하면서 편광면이 90°회전되어 PBS 면을 통과하여 PBS의 제1 면으로 출력된다.

따라서, 전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자(120)는 PBS로 입사된 빔이 신호빔과 기준빔으로 분리된 후, 신호빔과 기준빔이 서로 일정 거리 이격되어 서로 평행하게 출력된다. 한편, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자로부터 출력된 신호빔과 기준빔은 재입사되어 서로 다른 광경로로 진행된 후 함께 출력되는 것을 특징으로 한다.

또한, 전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자(120)는 광원으로부터 입사면인 PBS의 제1면으로 입사되는 빔의 위치에 따라, 신호빔과 기준빔의 이격 거리가 변화된다. 따라서, 광원의 입사 위치를 조절함에 따라, 신호빔과 기준빔의 간격을 조절할 수 있게 된다.

< 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계 >

이하, 전술한 평행빔 광학 소자를 이용하여 구성한 간섭계의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다. 도 3을 참조하면, 간섭계(1)는 광원(100), 평행빔 광학 소자(120), 샘플 미러(Sample Mirror)와 기준 미러(Reference Mirror;RM)를 구비하는 스테이지(110) 및 복조부(140)를 구비한다. 측정하고자 하는 검사 대상물(S)은 샘플 미러위에 탑재시키게 된다.

상기 광원은 레이저 빔을 출력하는 것으로서, 선형 편광된 빔을 출력할 수 있는 레이저를 사용할 수 있다. 한편, 광원과 평행빔 광학 소자의 사이에 광 분리기(Optical Isolator;'OI',102)를 더 설치할 수 있으며, 상기 광 분리기는 광원으로부터 출력된 광을 45°회전시킨 후 평행빔 스플리터로 제공하며, 상기 광 분리기(102)는 평행빔 광학 소자로부터 출력된 빔이 광원으로 다시 입사되는 것을 방지할 수 있게 된다. 한편, 본 발명에 따른 간섭계는 헤테로다인 간섭계로도 구성될 수 있으며, 이 경우, 광원으로서 이중 모드 레이저를 사용할 수 있다.

상기 스테이지(110)는 시료를 상하좌우 방향으로 이동시킬 수 있는 스캐닝 스테이지(Scan Stage)로서, 검사할 시료가 안착되는 샘플 미러 및 기준 미러가 장착된 것을 특징으로 한다. 상기 스테이지는 스테이지의 표면에 샘플 미러와 기준 미러가 각각 장착되거나, 스테이지의 표면 전체에 기준 미러가 장착되고 그 위의 소정 영역에 샘플 미러를 장착시킬 수 도 있다.

상기 평행빔 광학 소자(120)는 전술한 평행빔 광학 소자의 구성과 동일하다. 상기 평행빔 광학 소자의 제2 QWP(128)과 대향되도록 스테이지가 배치되는 것이 바람직하며, 제2 QWP로부터 출력된 신호빔과 기준빔이 진행되는 경로상에 각각 SM 및 RM이 배치되도록 스테이지를 배치하는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 평행빔 광학 소자는 상기 광원으로부터 제공된 빔이 입사되고, 입사된 빔을 편광 성분에 따라 신호빔과 기준빔으로 분리하고, 신호빔 및 기준빔을 서로 평행빔의 상태로 각각 상기 샘플 미러 및 기준 미러로 제공하고, 상기 샘플 미러로부터 반사된 신호빔과 상기 기준 미러로부터 반사된 기준빔을 함께 복조부(140)로 출력한다.

상기 평행빔 광학 소자는, 상기 편광빔 스플리터의 제1면으로 입사된 빔이 편광 성분에 따라 신호빔과 기준빔으로 분리되고, 상기 신호빔과 기준빔이 서로 평행빔이 되어 샘플 미러 및 기준 미러로 출사되도록 구성되고, 샘플 미러 및 기준 미러로부터 각각 반사된 신호빔과 기준빔은 평행빔 광학 소자의 제2 QWP로 다시 입사된 후 편광빔 스플리터의 제1면의 동일 위치로 출사된다.

상기 복조부(140)는 상기 평행빔 광학 소자로부터 제공된 신호빔과 기준빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상차이를 복조하여 출력한다.

도 4는 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계에 있어서, 샘플 미러의 다른 실시 형태를 도시한 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계는, 샘플 미러와 기준 미러를 투과형으로 제작하여 유체 채널(fluidic channel)로 구성함으로써, 바이오 센서 또는 유체 측정용 센서를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계는, 기준 미러는 고정시키고 샘플 미러는 외부의 진동에 따라 떨림이 발생하는 떨림판을 장착함으로써, 샘플 미러의 진동을 측정하도록 구성하여 바이브로메터를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계는, 샘플 미러를 움직임이 있는 검사 대상물에 장착함으로써 기울기 센서를 구현할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계는 샘플 미러의 구성에 따라 샘플 미러에 탑재된 시료의 표면을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 진동이나 기울기 등을 측정할 수 있는 다양한 센서를 구현할 수 있게 된다.

이하, 전술한 본 발명에 따른 간섭계에 있어서, 복조부의 다양한 실시 형태들에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 간섭계에 있어서, 복조부의 일 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 5를 참조하면, 복조부(30)는 위상 지연 장치(372), 편광자(375) 및 광 검출소자(PD)를 구비한다.

상기 위상 지연 장치(372)는 상기 평행빔 광학 소자로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 신호빔과 기준빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것이다. 신호빔과 기준빔의 최적의 복조를 위하여, 신호빔과 기준빔 사이의 위상 바이어스를 90도의 홀수 배로 만들기 위하여 위상 지연 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 신호빔과 기준빔의 편광 상태에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일 예로 주 편광성분 사이에 사분파장을 위상지연시키는 사분파장판(QWP)을 사용할 수 있으며, 만약 신호빔과 기준빔의 위상이 편광 빛살 가르게에서의 반사 등에 의해 바뀌는 경우, QWP 가 아닌 다른 위상 지연 장치를 사용하여 신호빔과 기준빔의 위상차를 90도의 홀수 배로 만드는 것이 바람직하다.

상기 편광자(Polarizer; 375)는 상기 위상지연 장치에 의해 위상 지연된 신호빔과 기준빔에 45도로 정렬시켜 신호빔과 기준빔 사이의 간섭신호를 출력한다.

상기 광 검출소자(PD)는 상기 편광자로부터 출력된 빔을 검출한 검출 신호를 출력하며, 신호빔과 기준빔 사이의 바이어스 위상이 90도인 경우 다음과 같은 수학식 1로 주어진다.

여기서 R 은 광검출기의 감응도(responsivity), I ₀ 는 신호빔과 기준빔의 총 세기, 그리고 △φ는 간섭계의 회전 등에 의해 신호빔과 기준빔에 유도된 위상차이이며 일상적인 경우 매우 작은 값을 갖는다.

도 6은 본 발명에 따른 간섭계에 있어서, 복조부의 다른 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 6을 참조하면, 복조부(31)는 위상 지연 장치(398), 편광 빛살 가르게(392), 제1 및 제2 광 검출소자(PD1, PD2) 및 차동 증폭기(395)를 구비한다.

상기 위상 지연 장치(398)는 상기 평행빔 광학 소자로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 신호빔과 기준빔 사이에 90도 혹은 90도의 홀수 배에 해당하는 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것으로서, 편광 빛살 가르게, 거울에서의 반사 등에 의해 주어진 신호빔과 기준빔의 위상 값에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일 예로 주 편광 성분 사이에 사분파장을 위상지연시키는 사분파장판(QWP)을 사용할 수도 있다.

상기 편광 빛살 가르게(392)는 상기 위상 지연 장치로부터 출력된 신호빔과 기준빔의 편광방향에 대하여 45도로 정렬시키며, 따라서 신호빔과 기준빔의 s성분이 합쳐져서 간섭이 일어나며 편광 빛살 가르게에서 반사하고, 신호빔과 기준빔의 p 성분은 합쳐져서 간섭이 일어나며 편광 빛살 가르게를 투과한다.

상기 제1 광 검출소자(PD1)는 상기 편광 빛살 가르게로부터 반사된 제3 빔을 검출하여 제1 검출신호를 출력하며, 상기 제2 광 검출소자(PD2)는 상기 편광 빛살 가르게를 투과한 제4 빔을 검출하여 제2 검출신호를 출력한다. 신호빔과 기준빔 사이의 위상 바이어스가 90도인 경우 PD1과 PD2로부터 출력된 광신호는 각각 다음과 같은 수학식 2 및 수학식 3으로 주어진다.

상기 차동 증폭기(395)는 상기 제1 및 제2 검출신호의 차를 출력하며 출력신호는 다음과 같은 수학식 4로 주어진다.

따라서, 전술한 구조의 복조부는 제3 빔과 제4빔으로부터 검출된 간섭신호를 차동 증폭기로 빼어 줌으로써 각각의 광신호에 실려있는 서로 상관된 잡음은 제거되고 광신호는 두 배로 커지게 되어 신호 대 잡음비를 높일 수 있게 된다. 이와 같은 측정 방법을 Balanced Detection 방법이라고 한다.

도 7은 본 발명에 따른 간섭계에 있어서, 복조부의 또 다른 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 7을 참조하면, 상기 복조부(32)는, 위상 지연 장치(300), 빛살 가르게(310), I 신호 출력부(320) 및 Q 신호 출력부(330)를 구비하며, I 신호 출력부 및 Q 신호 출력부로부터 각각 서로 위상차가 90°인 I 출력 신호(In-phase Signal ; V _I) 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V _Q) 를 생성하여 출력한다. I 출력 신호 (In-phase Signal ; V _I)는 cos △φ 에 비례하고, Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V _Q)는 sin △φ에 비례한다.

상기 복조부(32)는 상기 평행빔 광학 소자로부터 출력된 신호빔과 기준빔을 복조하여, 신호빔과 기준빔에 대한 I 출력 신호 (In-phase Signal ; V _I) 신호 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V _Q) 를 검출하여 출력한다. 상기 I 출력 신호 및 Q 출력 신호로부터 회전 각속도에 따른 위상차를 검출할 수 있게 된다.

상기 위상 지연 장치(300)는 상기 평행빔 광학 소자로부터 서로 수직 편광상태인 신호빔과 기준빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것으로서, 신호빔과 기준빔의 편광 상태에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일 예로 상기 신호빔과 기준빔을 45도 편광 회전시켜 빛살 가르게(310)로 출력하는 반파장판을 사용할 수 있다.

상기 빛살 가르게(310)는 상기 위상 지연 장치로부터 45도 편광 회전된 신호빔과 기준빔을 제공받고, 상기 신호빔과 기준빔을 50:50으로 제3빔 및 제4빔으로 나누어 각각 투과 및 반사시켜 출력한다. 빛살 가르게를 투과한 제3빔은 I 신호 출력부로 제공되고, 빛살 가르게에서 반사된 제4빔은 Q 신호 출력부로 제공된다.

상기 I 신호 출력부(320)는 상기 빛살 가르게를 투과한 제3빔으로부터 I 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 I 신호 출력부(320)는 빛살 가르게를 투과한 제3빔의 진행 경로상에 배치된 제2 편광 빛살 가르게(322), 제2 편광 빛살 가르게로부터 반사되어 출력된 빔을 검출하는 제1 검출소자(323), 제2 편광 빛살 가르게를 투과하여 출력된 빔을 검출하는 제2 검출소자(324), 및 상기 제1 검출소자 및 제2 검출소자로부터 출력된 빔들의 차이를 검출하여 증폭시켜 출력하는 제1 차동증폭기(325)를 구비한다. 제1 및 제2 검출소자는 포토 다이오드로 구성될 수 있다.

상기 Q 신호 출력부(330)는 상기 빛살 가르게를 투과한 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 Q 신호 출력부(330)는 상기 빛살 가르게에서 반사된 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 Q 신호 출력부(330)는, 빛살 가르게에서 반사된 제4빔을 45도 편광회전시켜 출력하는 QWP(Quarter Wave Plate;331), 상기 QWP를 투과하여 45도 편광 회전된 제4빔의 진행 경로상에 배치된 제3 편광 빛살 가르게(332), 제3 편광 빛살 가르게에서 반사되어 출력된 빔을 검출하는 제3 검출소자(333), 제3 편광 빛살 가르게를 투과하여 출력된 빔을 검출하는 제4 검출소자(334), 및 상기 제3 검출소자 및 제4 검출소자로부터 출력된 빔들의 차이를 검출하여 증폭시켜 출력하는 제2 차동증폭기(335)를 구비한다.

전술한 구성을 갖는 I 신호 출력부의 제1 차동 증폭기 및 Q 신호 출력부의 제2 차동 증폭기는 각각 신호빔과 기준빔에 대한 I 출력 신호 (In-phase Signal ; V _I) 신호 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V _Q) 를 출력한다.

상기 복조부로부터 얻은 I 출력 신호 (In-phase Signal ; V _I)는 cos △φ 에 비례하고, Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V _Q)는 sin △φ 에 비례하므로, I 출력 신호 및 Q 출력 신호를 이용하여 시료에 의한 신호빔의 크기 및 위상차(△φ )를 수학식 5에 의해 구할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 평행빔 광학 소자는 간섭계에 널리 사용될 수 있다.

1 : 간섭계
100 : 광원
120 : 평행빔 광학 소자
110 : 스테이지
140, 30, 31, 32 : 복조부
122 : 편광빔 스플리터
124 : 제1 QWP
126 : 반사경
128 : 제2 QWP
130 : HWP
132 : 프리즘

Claims (7)

1. 순차적으로 연결된 제1면, 제2면, 제3면, 제4면을 구비하고, 제1면과 제3면이 서로 대향 배치되고, 제2면과 제4면이 서로 대향 배치되며, 제2면과 제3면이 만나는 모서리와 제1면과 제4면이 만나는 모서리를 연결하는 편광빔 분리면을 갖는 편광빔 스플리터;
   상기 편광빔 스플리터의 제2면에 배치된 제1 QWP;
   상기 제1 QWP의 일면에 배치되어 제1 QWP로부터 출력된 빔을 되반사시켜 제1 QWP 로 다시 제공하는 반사경;
   상기 편광빔 스플리터의 제3면에 배치된 제2 QWP;
   상기 편광빔 스플리터의 제4면과 마주 보도록 배치되어, 상기 편광빔 스플리터의 제4면으로부터 출력된 빔을 2번 수직 반사시켜 편광빔 스플리터의 제4면으로 다시 제공하는 프리즘;
   상기 편광빔 스플리터의 제4면과 프리즘의 사이에 배치되며, 상기 편광빔 스플리터로부터 출력된 빔의 편광 방향을 90도 회전시키는 HWP;
   를 구비하여, 편광빔 스플리터의 제1 면으로 입사된 빔이 편광 성분에 따라 2개의 빔으로 나뉘어 각각 서로 다른 제1 광경로와 제2 광경로를 따라 진행하되, 상기 2개의 빔은 서로 일정 거리 이격되어 평행하게 상기 제2 QWP를 출사하는 것을 특징으로 하는 평행빔 광학 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 편광빔 스플리터의 제1면으로 입사된 빔은 편광 성분에 따라 2개의 빔으로 나뉘고, 상기 2개의 빔은 서로 일정 거리 이격되어 제3면 및 제2 QWP의 서로 다른 위치로 평행하게 출사되고,
   제2 QWP를 출사한 상기 2개의 빔은 편광빔 스플리터로 재입사된 후 각각 제1 광경로와 제2 광경로를 진행하여 편광빔 스플리터의 제1면으로 함께 출력되는 것을 특징으로 하는 평행빔 광학 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 HWP는,
   빔이 프리즘으로 입사되는 위치에 배치되거나 프리즘으로부터 출사되는 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 평행빔 광학 소자.
4. 광원;
   검사할 시료가 안착되는 샘플 미러 및 기준 미러가 장착된 스테이지;
   상기 광원으로부터 제공된 빔이 입사되고, 입사된 빔을 편광 성분에 따라 신호빔과 기준빔으로 분리하고, 신호빔 및 기준빔을 각각 상기 샘플 미러 및 기준 미러로 제공하고, 상기 샘플 미러로부터 반사된 신호빔과 상기 기준 미러로부터 반사된 기준빔을 출력하는 평행빔 광학 소자;
   상기 평행빔 광학 소자로부터 제공된 신호빔과 기준빔을 간섭시켜 신호빔과 기준빔의 사이에 유도된 위상 차이를 복조하여 출력하는 복조부;
   를 구비하고, 상기 평행빔 광학 소자는,
   순차적으로 연결된 제1면, 제2면, 제3면, 제4면을 구비하고, 제1면과 제3면이 서로 대향 배치되고, 제2면과 제4면이 서로 대향 배치되며, 제2면과 제3면이 만나는 모서리와 제1면과 제4면이 만나는 모서리를 연결하는 편광빔 분리면을 갖는 편광빔 스플리터;
   상기 편광빔 스플리터의 제2면에 배치된 제1 QWP;
   상기 제1 QWP의 일면에 배치되어 제1 QWP로부터 출력된 빔을 되반사시켜 제1 QWP 로 다시 제공하는 반사경;
   상기 편광빔 스플리터의 제3면에 배치된 제2 QWP;
   상기 편광빔 스플리터의 제4면과 마주 보도록 배치되어, 상기 편광빔 스플리터의 제4면으로부터 출력된 빔을 2번 수직 반사시켜 편광빔 스플리터의 제4면으로 다시 제공하는 프리즘;
   상기 편광빔 스플리터의 제4면과 프리즘의 사이에 배치되며, 상기 편광빔 스플리터로부터 출력된 빔의 편광방향을 90도 회전시키는 HWP;
   를 구비하여, 편광빔 스플리터의 제1 면으로 입사된 빔이 편광 성분에 따라 신호빔과 기준빔으로 나뉘고, 상기 신호빔과 기준빔은 각각 서로 다른 제1 광경로와 제2 광경로를 따라 진행하여 편광빔 스플리터의 제1면으로 함께 출사하는 것을 특징으로 하는 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계.
5. 제4항에 있어서, 상기 평행빔 광학 소자는, 상기 편광빔 스플리터의 제1면으로 입사된 빔이 편광 성분에 따라 신호빔과 기준빔으로 분리되고, 상기 신호빔과 기준빔이 일정 거리 이격되어 서로 평행하게 샘플 미러 및 기준 미러로 각각 출사되도록 구성되고,
   샘플 미러 및 기준 미러로부터 각각 반사된 신호빔과 기준빔은 평행빔 광학 소자로 다시 입사된 후 편광빔 스플리터의 제1면으로 함께 출사하는 것을 특징으로 하는 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계.
6. 제4항에 있어서, 상기 평행빔 광학 소자는, 상기 제2 QWP를 출사하는 신호빔과 기준빔이 서로 평행빔이 되어 상기 스테이지의 샘플 미러와 기준 미러로 각각 진행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계.
7. 제4항에 있어서, 상기 HWP는,
   빔이 프리즘으로 입사되는 위치에 배치되거나 프리즘으로부터 출사되는 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 평행빔 광학 소자를 이용한 간섭계.
   
   

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