KR102130576B1 - 측정 불가 영역을 극복한 두께 및 굴절률 측정 장치 - Google Patents

측정 불가 영역을 극복한 두께 및 굴절률 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치는 투과형 분광 마하-젠더 간섭계 구조이다. 상기 두께 측정 장치는 측정 경로와 기준 경로의 경로 차이에 기인한 두께 측정 불가 구간을 가지며, 측정 경로 및 기준 경로에 중에서 적어도 하나의 경로에 광위상 지연 소자를 삽입하면, 두께 측정 불가 구간이 변경되어, 측정 대상의 두께를 모든 영역에서 측정할 수 있다.

Description

측정 불가 영역을 극복한 두께 및 굴절률 측정 장치{Thickness And Refractive Index Measuring Apparatus Without Non-measuring Ranges}
본 발명은 측정 대상의 물리적 두께를 측정하는 광학 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로, 광대역 광원을 이용하고, 진동과 환경 변화에 영향이 적고 정확도가 높은 물리적 두께를 산출하고, 측정 불가 영역을 극복할 수 있는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 디스플레이 산업, 광통신, 정밀광학 소자 분야의 지속적인 발전에 따라 웨이퍼 등과 같은 측정 대상의 특성(광학 두께, 두께, 및 굴절률)의 정확한 측정 및 평가 기술이 요구되고 있다. 다양한 방법으로 물질의 두께 및 굴절률을 측정하는 시스템이 개발되었다.
최근, 반도체 기판은 실장을 위하여 기판의 뒷면을 연마한다. 이러한, 연마된 기판은 서로 적층되어 실장된다. 따라서, 연마된 기판의 두께 측정이 요구된다. 또한, 디스플레이 소자는 유리 기판 또는 유연성 재질의 기판 상에 형성된다. 따라서, 상기 유리 기판의 두께 모니터링이 요구된다.
연속 광대역 IR 광원은 공간 가간섭성이 떨어져 측정 영역이 넓은 물체에 시준(collimation)하여 그의 특성을 산출하기 어려운 문제점이 있다. 연속 광대역 IR 광원은 시간 가간섭성 또한 떨어져 가간섭 거리가 작아지므로, 굴절률이 큰 실리콘 웨이퍼의 간섭 신호를 얻기 힘들 수 있다.
본 출원의 발명자는 투과형 광섬유 간섭 장치(한국등록특허 10-1544962)를 개발하였다. 그러나, 이 투과형 광섬유 간섭 장치는 환경 변화(온도, 습도)에 민감하고, 간섭 신호의 가시도가 낮은 문제점을 가진다. 또한, 상기 투과형 광섬유 간섭 장치의 일부가 측정 위치를 변경하기 위하여 이동하는 경우, 정렬의 어려움이 발생하며, 광섬유의 구부러짐에 의하여 광 경로 차이가 발생한다. 또한, 연속 광대역 IR 광원이 아닌 광대역 레이저 광원이 사용되어, 가격이 비싸다.
또한, 본 출원의 발명자는 광간섭 시스템(한국등록특허 10-1733298)를 개발하였다. 그러나, 특정한 두께에서 두께 측정 불가 구간이 발생하였다. 본 발명은 이러한 두께 측정 불가 구간을 극복할 수 있다.
본 발명의 해결하고자하는 기술적 과제는 두께 측정 불가 구간을 극복할 수 있는 두께 및 굴절률 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자하는 기술적 과제는 연속 광대역 IR 광원을 사용함에도 불구하고 높은 간섭신호의 가시도(visibility) 및 신호대 잡음비(signal to noise)를 제공하고, 측정 환경에 둔감한 두께 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치는, 광대역 광원; 상기 광대역 광원의 광대역 광을 기준 경로로 진행하는 기준 빔과 측정 경로로 진행하는 측정 빔으로 분할하는 제1 광 분할기; 상기 기준 빔을 반사시키는 기준 경로 거울; 상기 측정 빔을 반사시키는 측정 경로 거울; 상기 기준 경로 거울에서 반사된 상기 기준 빔과 상기 측정 빔을 중첩하여 간섭 신호를 생성하는 제2 광 분할기; 상기 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기; 상기 스펙트럼 분석기의 출력 신호를 처리하여 상기 측정 경로에 삽입된 측정 대상의 두께를 산출하는 처리부; 및 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 적어도 하나의 경로에 삽입되어 상기 기준 경로와 상기 측정 경로 사이의 광 경로 차이를 제공하는 광 위상 지연 소자를 포함한다. 상기 측정 대상은 상기 측정 경로에 배치되고, 제1 광 경로 차이(OPD1)는 상기 측정 대상이 없는 경우, 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이이고, 상기 제1 광 경로 차이는 영이 아닌 유한한 값을 가진다. 제2 광 경로 차이(OPD2)는 상기 측정 대상이 있는 경우, 상기 측정 빔이 측정 대상을 반사없이 투과한 광과 상기 측정 대상 내에서 한 차례의 반사되어 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 제3 광 경로 차이(OPD3)는 상기 측정 대상이 있는 경우, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제2 광 경로 차이(OPD2)가 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)와 일치하여 두께 측정 불가 조건에 도달한 경우, 상기 광 위상 지연 소자는 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 하나의 경로에 삽입된다. 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')는 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에서 제거한 상태에서 간섭 신호로부터 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이이다. 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')는 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에 삽입된 상태에서, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 상기 기준 경로와 상기 측정 경로는 사각형을 형성하도록 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 위상 지연 소자는 투광성 윈도우 또는 전기 신호에 따라 굴절률이 변하는 전기 광학 소자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 위상 지연 소자는 복수의 투광성 윈도우들을 포함하고, 상기 복수의 투광성 윈도우들은 서로 다른 광 경로 차이를 제공하도록 서로 다른 두께 또는 굴절률을 가질 수 있다. 상기 상기 광 위상 지연 소자(190)는 상기 투광성 윈도우들 중에서 하나를 선택할 수 있도록 회전할 수 있는 휠에 장착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 위상 지연 소자는 상기 기준 경로에 삽입된 경우 상기 제1 수정 광 경로 차이를 영으로 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 위상 지연 소자는 상기 측정 경로에 삽입된 경우, 상기 제1 수정 광 경로 차이를 상기 광 위상 지연 소자가 없는 상태의 상기 제1 광 경로 차이를 2 배 이상으로 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치는, 광대역 광원; 상기 광대역 광원의 광대역 광을 기준 경로로 진행하는 기준 빔과 측정 경로로 진행하는 측정 빔으로 분할하는 제1 광 분할기; 상기 기준 빔을 반사시키는 기준 경로 거울; 상기 측정 빔을 반사시키는 측정 경로 거울; 상기 기준 경로 거울에서 반사된 상기 기준 빔과 상기 측정 빔을 중첩하여 간섭 신호를 생성하는 제2 광 분할기; 상기 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기; 상기 스펙트럼 분석기의 출력 신호를 처리하여 상기 측정 경로에 삽입된 측정 대상의 두께를 산출하는 처리부; 및 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 적어도 하나의 경로에 삽입되어 상기 기준 경로와 상기 측정 경로 사이의 광 경로 차이를 제공하는 광 위상 지연 소자를 포함한다. 상기 두께 측정 장치의 동작 방법은, 상기 측정 대상을 상기 측정 경로에서 제거한 상태에서 간섭신호로부터 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이인 제1 광 경로 차이를 추출하는 단계; 상기 측정 대상을 상기 측정 경로에 삽입한 상태에서, 제2 광 경로 차이 및 제3 광 경로 차이를 추출하는 단계; 상기 제2 광 경로 차이와 상기 제3 광 경로차이가 일치하여 두께 측정 불가 구간에 있는 경우, 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 하나의 경로에 상기 광 위상 지연 소자를 삽입하는 단계; 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에서 제거한 상태에서 간섭신호로부터 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이인 제1 수정 광 경로 차이를 추출하는 단계; 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에 삽입되고 상기 광 위상 지연 소자가 삽입한 상태에서, 제2 광 경로 차이, 및 제3 수정 광 경로 차이를 추출하는 단계; 및 상기 제1 수정 광 경로 차이, 상기 제2 광 경로 차이, 및 상기 제3 수정 광 경로 차이를 사용하여 상기 측정 대상의 두께 및 굴절률을 산출하는 단계를 포함한다. 상기 제2 광 경로 차이는 상기 측정 대상을 상기 측정 경로에 삽입한 상태에서, 상기 측정 빔이 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광과 상기 측정 대상 내에서 한 차례의 반사되어 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제3 광 경로 차이는 상기 측정 대상을 상기 측정 경로에 삽입한 상태에서, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제3 수정 광 경로 차이는 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에 삽입된 상태에서, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 위상 지연 소자가 상기 기준 경로에 삽입된 경우, 상기 제1 수정 광 경로 차이를 영으로 하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 위상 지연 소자가 상기 측정 경로에 삽입된 경우, 상기 제1 수정 광 경로 차이는 상기 제1 광 경로 차이의 2배 이상으로 증가시키도록 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상의 두께 및 굴절률을 산출한 후 상기 측정 대상의 측정 위치를 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치는 측정 경로 또는 기준 경로에 광위상 지연 소자를 삽입하여 두께 측정 불가 구간을 극복할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치는 투과형 마하-젠더 분광 간섭계 구조를 제공한다. 이에 따라, 환경에 둔감하고, 측정 대상의 진동에 강건한 특성을 보인다.
도 1은 마이켈슨 간섭계 타입 분광 간섭계를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 분광 영역 간섭계의 간섭 신호 및 푸리에 변환을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 4는 도 3의 두께 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4의 두께 측정 장치의 광 경로 차이를 설명하는 개념도이다.
도 6은 도 4의 두께 측정 장치의 광 경로 차이를 두께에 따라 표시한 그래프이다.
도 7은 도 4의 두께 측정 장치에서 측정 불가 구간을 설명하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 경로를 설명하는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 경로 차이를 설명하는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 갑섭 신호의 FFT 결과들이다.
도 11은 광 위상 지연 소자를 설명하는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두께 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 14는 도 13의 두께 측정 장치의 광 경로를 설명하는 개념도이다.
도 15는 도 13의 두께 측정 장치의 광 경로 차이를 설명하는 개념도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 두께 측정 장치의 광 경로를 나타내는 개념도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 두께 측정 장치를 설명하는 사시도이다.
대면적 평판 디스플레이산업이 발전함에 따라, 베어 유리 패널(bare glass panel)의 물리적 두께는 가볍고 얇은 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 얇아진다. 제작 공정 동안, 베어 기판으로 사용되는 베어 유리 패널의 물리적 두께는 정밀하게 제어되어야 한다. 작은 픽셀 또는 패턴을 제조할 때, 베어 유리 패널의 물리적 두께는 불량 픽셀을 억제하기 위하여 균일하여야한다. 또한, 베어 유리 패널의 물리적 두께는 원하는 두께 값을 얻기 위하여 인라인 공정상에서 모니터링되어야 한다.
유리 패널은 통상적으로 유리 패널 이송 장치에 의하여 특정 방향으로 이송되며, 두께 측정 장치는 고정되어 배치된다. 이에 따라, 유리 패널이 특정 방향으로 이송됨에 따라, 베어 유리 패널의 측정 위치는 변경된다. 이 경우, 유리 패널의 측정 높이는 고정되어, 다양한 높이에서 두께 측정이 어렵다. 다양한 높이에서, 두께 측정을 하기 위하여, 두께 측정 장치가 이동하는 경우, 정렬 및 환경 변화에 따라 측정 정밀도가 감소한다.
일반적인 분광 간섭계(spectral-domain interferometer)는 높은 정밀도를 가지고 고속으로 광학 두께(optical thickness)를 측정할 수 있다. 간섭 스펙트럼들(interference spectra)을 분석하여, 광학 두께가 얻어질 수 있다. 그러나, 광학 두께로부터 물리적 두께를 추출하기 위하여, 베어 유리 패널의 굴절률(refractive index)이 먼저 알려져야 한다.
물리적 두께의 정밀도는 굴절률의 정밀도에 의존하기 때문에, 베어 유리 패널의 굴절률은 정밀하게 측정되어야한다. 더욱이, 분산효과(dispersion effects)는 사용되는 광원(light source)의 파장에 따라 고려되어야 한다.
본 발명에서, 두께 측정 불가 구간이 발생한 경우에도 광 위상 지연 소자를 광 경로에 삽입하여 베어 유리 패널의 굴절률과 물리적 두께를 측정하는 광학 장치가 소개된다.
단색광 레이저 간섭계는 빛의 간섭 원리를 이용하여 길이를 측정할 수 있다. 광원에서 나온 빛은 광 분할기를 거쳐 기준 경로와 측정 경로로 분할된다. 간섭 신호의 위상은 상기 광분할기를 기준으로 기준 경로와 측정 경로 사이의 광 경로차의 함수로 주어진다. 상기 광 경로차가 파장의 반이 될 때마다 상기 간섭 신호는 주기적으로 변동한다. 따라서, 위상의 모호성에 기인하여, 길이 측정을 할 경우, 상기 측정 경로를 변경하면서, 간섭 신호의 개수를 검출해야만 한다.
분광 간섭계(spectral-domain interferometer)는 위상 천이 과정없이 광 경로 차이를 측정할 수 있다.
한편, 분광 간섭계를 이용하여 두께를 측정하는 경우, 두께를 측정할 수 없는 측정 불가 영역이 존재한다. 본 발명은 측정 불가 영역을 효율적으로 극복할 수 있는 새로운 방법을 제안한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 마이켈슨 간섭계 타입 분광 간섭계를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 분광 간섭계의 간섭 신호 및 푸리에 변환을 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 2을 참조하며, 분광 간섭계(50)는 광대역 광원(51) 및 마이켈슨 간섭계를 사용하고, 간섭신호는 스펙트럼 분석기(55)를 통하여 파장별로 측정될 수 있다. 상기 파장에 따른 상기 간섭 신호(I(z,f))는 푸리에 변환된다. 상기 간섭 신호의 푸리에 변환의 진폭은 공간 주파수 도메인에서 피크를 가질 수 있다. 상기 피크의 위치에 대응하는 공간 주파수에서, 상기 피크의 위상은 광 경로 차이에 관한 정보를 제공할 수 있다.
Figure 112018124313300-pat00001
여기서, I(z,f) 는 간섭 신호이고, I0는 배경광의 신호이고, z는 기준 경로와 측정 경로의 광 경로차이고, c는 진공 중 빛의 속도이고, f는 광주파수이다. 따라서, 광대역 광원의 주파수에 따른 간섭 신호가 얻어진다. L1은 광 분할기(52)와 기준 거울(54) 사이의 거리이고, L2는 광 분할기(52)와 측정 거울(53) 사이의 거리이다. n은 매질의 굴절률이다.
한편, 상기 간섭 신호는 스펙트럼 분석기(55)에 의하여 검출기의 픽셀 위치(주파수에 대응)에 따라 측정된다. 상기 간섭 신호의 푸리에 변환은 소정의 공간 주파수에서 피크를 가질 수 있다. 상기 소정의 공간 주파수는 상기 광 경로 차이(z)로 표시될 수 있다. 따라서, 상기 피크에서 공간 주파수(SF_A)는 상기 광 경로 차이(z)를 제공할 수 있다.
마이켈슨 분광 간섭계의 경우, 측정 대상(10)에서 반사된 빔을 이용하여 간섭 신호를 형성한다. 그러나, 상기 측정 대상(10)이 이동하는 경우, 상기 측정 대상은 미세하게 진동한다. 이러한 측정 대상의 진동은 측정 대상에서 반사되는 광의 각도의 급격한 변화를 유발하게 되어 스펙트럼 분석기에 도달하는 측정광의 세기를 감소시켜 간섭신호 생성을 불가능하게 한다. 따라서, 반사형 간섭 신호를 이용하는 마이켈슨 간섭계는 대형 유리 패널의 온라인 측정에 부적합하다.
이러한 반사형 간섭계의 문제점을 해결하기 위하여, 투과형 분광 광섬유 간섭 장치(한국등록특허 10-1544962)가 개발되었다. 그러나, 투과형 분광 광섬유 간섭 장치는 측정 대상을 투과한 신호를 이용하여 간섭 신호를 생성한다. 이에 따라, 측정 대상의 진동에 의한 오차는 감소할 수 있다. 그러나, 기준 경로와 측정 경로를 구성하기 위하여, 광섬유가 사용됨에 따라, 기준 경로와 측정 경로 사이의 광 경로 차이가 발생한다. 이에 따라, 큰 광 경로 차이는 가간섭 거리가 긴 광원을 요구한다. 이에 따라, 광원은 광대역 레이저와 같은 고가의 장비를 요구한다. 또한, 광섬유는 주위 환경(온도, 습도)에 따라 특성이 민감하게 변하며, 대면적 유리 패널을 측정하기 위하여 기준 경로 광섬유의 길이가 길어짐에 따라, 지터(jitter)의 영향이 커지게 되어 높은 신호대잡음비를 갖는 신호 획득이 어렵다. 구체적으로, 광섬유를 이용한 구조인 경우, 광섬유를 기준 경로(reference path)로 이용한 경우에는 측정 경로의 매질과 기준 경로의 매질이 서로 다르다. 따라서, 상기 기준 경로와 상기 측정 경로는 환경변화에 따른 영향을 보인다. 따라서, 측정 오차가 증가한다.
또한, 투과형 분광 두께 측정 장치(한국등록특허 10-1733298)가 개발되었다. 한국등록특허 10-1733298에서, 기준 경로와 측정 경로는 사각형을 형성하도록 배치된다. 기준 경로와 측정 경로 사이의 광 경로 차이는 실질적으로 0(zero)으로 설정된다. 그러나, 기준 경로와 측정 경로 사이의 광 경로 차이가 실질적으로 영으로 정렬하는 것은 매우 어렵고, 정렬되더라도 제1 광 경로 차이(OPD1)의 측정이 불가하다. 상기 기준 경로와 측정 경로 사이에 광 경로 차이가 유한한 값(통상적으로 수 mm)을 가지는 경우, 측정 불가 영역이 발생한다. 본 발명의 발명자는 측정 불가 영역의 발생 원인에 대하여 이론적으로 해명하였으며, 측정 불가 영역을 극복하기 위한 방안을 제안한다.
본 발명은 상기 기준 경로와 측정 경로 사이에 광 경로차이가 있는 경우, 측정 불가 영역을 극복하는 방안을 제안한다.
본 발명은 환경 변화에 따른 영향을 억제하고, 진동에 둔감한 두께 측정 장치를 제공하기 위하여, 투과형 마하-젠더 분광 간섭계 구조를 제안한다. 마하-젠더 간섭계 구조는 기준 경로와 측정 경로 사이에 광 경로 차이가 영이 아닌 임의의 값을 가진다. 또한, 측정 경로를 진행하는 측정 빔과 기준 경로를 진행하는 기준 빔의 전파 방향이 평행하다. 따라서, 환경 변화 (온도, 습도 등)에 따른 영향을 동시에 받아서, 그 영향이 상쇄될 수 있다. 샘플에 진동이 생겨도 투과형이므로 그 효과를 최소화한다. 광 경로 차이가 짧아, 가간섭 거리가 짧은 저렴한 SLD(super-luminescent diode)와 같은 광원이 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 4는 도 3의 두께 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4의 두께 측정 장치의 광 경로 차이를 설명하는 개념도이다.
도 6은 도 4의 두께 측정 장치의 광 경로 차이를 두께에 따라 표시한 그래프이다.
도 7은 도 4의 두께 측정 장치에서 측정 불가 구간을 설명하는 그래프이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 두께 측정 장치(100)는, 광대역 광원(110); 상기 광대역 광원의 광대역 광을 기준 경로로 진행하는 기준 빔과 측정 경로로 진행하는 측정 빔으로 분할하는 제1 광 분할기(122); 상기 기준 빔을 반사시키는 기준 경로 거울(130); 상기 측정 빔을 반사시키는 측정 경로 거울(140); 상기 기준 경로 거울에서 반사된 상기 기준 빔과 상기 측정 빔을 중첩하여 간섭 신호를 생성하는 제2 광 분할기(152); 상기 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기(160); 상기 스펙트럼 분석기(160)의 출력 신호를 처리하여 상기 측정 경로에 삽입된 측정 대상의 두께를 산출하는 처리부(170); 및 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 적어도 하나의 경로에 삽입되어 상기 기준 경로와 상기 측정 경로 사이의 광 경로 차이를 제공하는 광 위상 지연 소자(190)를 포함한다.
상기 측정 대상(10)은 상기 측정 경로에 배치되고, 제1 광 경로 차이(OPD1)는 상기 측정 대상이 없는 경우, 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제1 광 경로 차이(OPD1)는 영이 아닌 유한한 값을 가진다. 제2 광 경로 차이(OPD2)는 상기 측정 대상(10)이 있는 경우, 상기 측정 빔이 상기 측정 대상(10)을 반사없이 투과한 광과 상기 측정 대상(10) 내에서 한 차례의 반사되어 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 제3 광 경로 차이(OPD3)는 상기 측정 대상이 있는 경우, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제2 광 경로 차이(OPD2)가 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)가 일치하여 두께 측정 불가 조건에 도달한 경우, 상기 광 위상 지연 소자(190)는 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 하나의 경로에 삽입된다. 상기 기준 경로와 상기 측정 경로는 사각형을 형성하도록 배치된다.
이하, 상기 광 위상 지연 소자(190)가 없는 경우, 측정 불가 구간이 발생하는 원리를 설명한다.
도 5, 도 6, 및 도 7을 참조하면, 기준 경로의 길이는 일정한 거리(L1)을 가지고, 측정 경로의 길이는 일정한 거리(L2)를 가진다. 상기 기준 경로와 상기 측정 경로의 차이(L2-L1)인 제1 광 경로 차이(OPD1)는 영이 아닌 일정한 값을 가진다. 상기 기준 경로와 상기 측정 경로의 차이(L2-L1)는 간섭계의 가공오차 및 정렬 단계에서 발생할 수 있다. 상기 제1 광 경로 차이(OPD1)는 모든 간섭계에서 발생하며 기술적으로 제거하기 어렵다. 이 경우, 두께 측정 장치(100)는 측정 대상의 두께를 측정할 수 없는 측정 불가 구간을 가진다.
제1 광 경로 차이(OPD1)는 상기 측정 대상이 없는 경우, 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔(A)과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔(B) 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제2 광 경로 차이(OPD2)는 상기 측정 대상(10)이 있는 경우, 상기 측정 빔이 상기 측정 대상(10)을 반사없이 투과한 광(B')과 상기 측정 대상(10) 내에서 한 차례의 반사되어 투과한 광(C) 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)는 상기 측정 대상(10)이 있는 경우, 상기 기준 빔(A)과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광(B') 사이의 광 경로 차이이다. 제1 광 경로 차이(OPD1), 제2 광 경로 차이(OPD2), 및 제3 광 경로 차이(OPD3)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112018124313300-pat00002
상기 측정 대상(10)의 두께(T) 및 굴절률(N)은 다음과 같이 주어진다.
Figure 112018124313300-pat00003
상기 제2 광 경로 차이(OPD2) 및 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)는 제1 광 경로 차이(OPD1)와 달리 상기 측정 대상(10)의 두께(T)에 따라 변한다. 상기 제2 광 경로 차이(OPD2)는 상기 측정 대상의 두께(T)에 의존하는 직선이고, 직선의 기울기는 2N이다. 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)는 상기 측정 대상의 두께(T)에 의존하는 직선이고, 직선의 기울기는 N-1이다. 특정한 두께(TC)에서, 상기 제2 광 경로 차이(OPD2) 및 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)는 같은 값 또는 구별하기 어려운 유사한 값을 가진다. 이 경우, 상기 제2 광 경로 차이(OPD2) 와 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)를 구별할 수 없어, 두께를 측정할 수 없는 특정한 두께(TC)가 생긴다. 상기 특정한 두께(TC)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112018124313300-pat00004
상기 측정 대상(10)의 특정 두께 (TC)에서, 상기 제2 광 경로 차이(OPD2) 및 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)가 일치하면, 두 광 경로 차이를 구별할 수 없어, 두께 측정이 불가능하다.
수학식 4를 참조하면, 상기 제2 광 경로 차이(OPD2) 및 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)가 일치하는 특정 두께 (TC)는 측정 대상(10)의 굴절률(N)과 제1 광 경로 차이(OPD1)에 의존한다. 그러나, 제1 광 경로 차이(OPD1)를 조절하기 위하여, 간섭계를 측정 불가 영역이 발생할 때마다 새롭게 정렬하는 것은 용이하지 않다.
또한, 분광 간섭계에서 획득한 간섭 스펙트럼을 푸리에 변환한 결과에서, 상기 제2 광 경로 차이(OPD2)의 FFT 신호 및 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)의 FFT 신호는 일정한 폭을 가지고 나타난다. 두 OPD의 FFT 신호의 완벽한 구별이 어렵다. 따라서, 상기 측정 대상의 특정 두께 (TC)의 주변에서 측정 불가 구간이 발생한다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 광 경로 차이(OPD2) 및 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)를 구별하기 위한 최소 광 경로 차이는 ε으로 표시된다. 이에 따른 측정 불가한 두께 범위는 TC-ΔT ~ TC + ΔT이다. 여기서, ΔT는 측정 불가한 두께의 범위로 ε에 의하여 결정되고 다음과 같이 주어진다.
Figure 112018124313300-pat00005
상기 제1 광 경로 차이(OPD1)는 영이 아닌 임의의 값을 가진 경우, 상기 측정 대상은 위치에 따라 다른 두께를 가질 수 있다. 두께 측정을 위하여 위치를 변경하여 특정 위치에서 두께 측정 불가 구간으로 진입할 수 있다. 이 경우, 두께 측정 불가 구간은 광 경로 상에 광위상 지연 소자(190)를 삽입하여 극복될 수 있다.
이하, 측정 불가 구간을 극복하는 원리를 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 경로를 설명하는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 경로 차이를 설명하는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 갑섭 신호의 FFT 결과들이다.
도 8을 참조하면, 두께를 측정할 수 없는 특정 두께 (TC)를 변경하기 위하여, 기준 경로 또는 측정 경로 상에 광 위상 지연 소자(190)를 삽입하여 광 경로 차이를 변경한다. 광 위상 지연 소자(190)가 투광성 윈도우(192a)이고, 굴절률이 NS이고, 두께는 TS일 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 광 위상 지연 소자(190) 또는 투광성 윈도우(192a)를 상기 측정 경로에 삽입하면, 제1 광 경로 차이(OPD1)는 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')로 변경된다. 또한, 상기 광 위상 지연 소자(190)의 삽입에 의하여 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)는 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')로 변경된다. 한편, 제2 광 경로 차이(OPD2)는 상기 광 위상 지연 소자의 삽입에 의하여 변하지 않는다.
Figure 112018124313300-pat00006
상기 제1 광 경로 차이(OPD1)이 결정되면, 반드시 두께 측정 불가 영역이 존재한다. 따라서, 모든 두께 영역에서 측정 대상(10)의 두께를 측정하기 위해서는 최소 한번 이상 제1 광 경로 차이(OPD1)를 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')로 변경이 요구된다. 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')는 측정 대상의 두께 (T)에 따라 직선으로 표시되고, y축 절편은 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')로 변경된다. 두께를 측정할 수 없는 특정 두께 (TC)는 TC'으로 이동한다.
도 10을 참조하면, 기준 경로에 광 위상 지연 소자(190)로서 투광성 윈도우(192a)이 삽입 전 및 삽입 후, 투과형 분광 간섭계에서 측정된 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환 결과가 표시된다.
측정하고자 하는 측정 대상(10)의 두께가 측정 불가 범위에 있을 때, 투광성 윈도우(192a)과 측정 대상(10)이 없는 경우, 제1 광 경로 차이(OPD1)의 FFT 신호가 도 10(a)에 표시된다.
측정하고자 하는 측정 대상(10)의 두께가 측정 불가 범위에 있을 때, 측정 대상(10)은 측정 경로에 삽입되고 투광성 윈도우(192a)이 제거된 경우, 제2 광 경로 차이(OPD2) 및 제3 광 경로 차이(OPD3)의 FFT 신호들이 도 10(b)와 같이 표시된다. 투광성 윈도우(192a)이 제거된 상태에서, FFT 도메인에서, 제2 광 경로 차이(OPD2)의 FFT 신호와 제3 광 경로 차이(OPD3)의 FFT 신호가 서로 겹친다. 따라서, 제2 광 경로 차이(OPD2) 및 제3 광 경로 차이(OPD3)를 정확히 측정할 수 없다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정 불가 구간을 변경하기 위하여, 측정 대상(10)이 제거되고 기준 경로에 투광성 윈도우(192a)이 삽입된 후, FFT 도메인에서, 재1 광 경로 차이(OPD1)의 FFT 신호는 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')에 기인하여 도 10(c)와 같이 다른 위치로 이동한다.
또한, 측정 불가 구간을 변경하기 위하여, 측정 대상이 삽입되고 투광성 윈도우(192a)이 기준 경로에 삽입된 후, 제3 광 경로 차이(OPD3)의 FFT 신호는 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')의 FFT 신호로 이동한다. 따라서, 제2 광 경로 차이(OPD2) 의 FFT 신호와 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')의 FFT 신호가 도 10(d)와 같이 서로 분리된다. 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')의 FFT 신호가 이동한 양은 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')의 FFT 신호의 이동양과 동일할 수 있다. 투광성 윈도우(192a)를 삽입함에 따라, 측정불가 범위에 있는 측정 대상(10)은 두께 측정이 가능해진다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 제1 수정 광 경로 차이 (OPD1')은 영의 값을 가지도록 변경될 수 있다. 이에 따라, 측정 불가 구간의 두께(T)가 영으로 수렴한다. 즉, 제1 광 경로 차이 (OPD1)가 일정한 값으로 측정된 경우, OPD1= TS(NS-1)을 만족하도록, 투광성 윈도우의 두께(TS) 및 굴절률(NS)이 선택될 수 있다. 제1 광 경로 차이 (OPD1)는 통상적으로 수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터이고, 상기 투광성 윈도우의 두께(Ts)는 제1 광 경로 차이 (OPD1)보다 크고, 수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터일 수 있다. 상기 투광성 윈도우는 서로 다른 두께를 가진 투광성 판으로 구성되고, 측정 불가 구간이 발생한 경우에 적절한 두께의 투광성 판이 선택될 수 있다.
이하, 두께 측정 장치(100)의 구체적인 구성들이 설명된다.
상기 측정 대상(10)은 대면적 유리 패널일 수 있다. 상기 유리 패널의 사이즈는 수 센치 미터 이상일 수 있다. 상기 측정 대상의 두께는 수십 밀리미터 이하일 수 있다. 상기 측정 대상(10)은 측정 대상 이송 수단(30)에 의하여 선형 운동할 수 있다. 상기 측정 대상 이송 수단(30)은 상기 측정 대상(10)의 일단을 클램핑하여 이송할 수 있다.
광대역 광원(110)은 적외선 영역의 광대역 광원일 수 있다. 구체적으로 상기 광대역 광원(110)은 적외선 영역의 SLD(super-luminescent diode)일 수 있다. 상기 광대역 광원(110)은 가간섭 거리는 수십 밀리미터 이하일 수 있다. 이에 따라, 상기 광대역 광원의 가격은 감소한다. 상기 광대역 광원은 펄스 모드로도 동작할 수 있다.
제1 광섬유(112)는 상기 광대역 광원(110)의 출력광을 전달받아 상기 제1 광 분할기(122)에 제공할 수 있다. 상기 제1 광섬유(112)는 단일모드 광섬유일 수 있다.
제1 시준 렌즈(124)는 상기 제1 광 분할기(122) 앞단에 배치될 수 있다. 상기 제1 시준 렌즈(124)는 비구면 렌즈일 수 있다. 상기 제1 시준 렌즈(124)는 시준 빔(collimated beam)의 크기를 결정하고, 상기 시준 빔의 크기는 측정 위치의 측정 범위를 결정할 수 있다. 상기 시준 빔의 크기는 수 밀리미터 이하일 수 있다. 상기 제1 시준 렌즈(124)는 측정 점의 공간 분해능을 조절할 수 있다.
상기 제1 시준 렌즈(124)는 제1 시준 렌즈 모듈(120)에 장착되고, 상기 제1 시준 렌즈 모듈(120)은 광섬유와 결합할 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 시준 렌즈 모듈(120)은 시준 빔을 정렬하기 위한 경사 스크루(tilt screw)를 포함하고, 상기 경사 스크루를 조절하여 시준빔의 전파 각도를 조절할 수 있다.
기준 프레임(104)은 상기 제1 광 분할기(122), 기준 경로 거울(130), 측정 경로 거울(140), 및 제2 광 분할기(152)를 장착할 수 있다. 상기 기준 프레임(104)은 상기 측정 대상(10)이 삽입되도록 장홈(104a)을 포함할 수 있다. 상기 장홈(104a)은 상기 측정 경로 거울(140)과 상기 제2 광 분할기(152) 사이를 가로지르고, 상기 제1 광 분할기(122)와 상기 측정 경로 거울(140)이 정렬되는 제1 방향(x축 방향)으로 연장될 수 있다. 상기 기준 프레임(104)은 중심 영역에서 제1 방향으로 연장되는 장홈(104a)을 포함할 수 있다. 상기 장홈(104a)에 상기 측정 대상(10)의 일부가 삽입된다. 이에 따라, 측정 빔은 상기 측정 대상(10)을 투과할 수 있다. 이에 따라, 마하-젠더 간섭계가 구성된다.
선형 운동 스테이지(102)는 상기 기준 프레임(104)을 상기 제1 방향(x축 방향)으로 이동시킬 수 있다. 상기 기준 프레임(104)이 이동함에 따라 상기 측정 대상(10)의 측정 위치가 변경된다. 상기 선형 운동 스테이지(102)는 상기 기준 프레임 전체를 제1 방향으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 선형 운동 스테이지(102)와 상기 측정 대상 이송 수단(30)에 의하여, 2차원적 두께 분포가 측정될 수 있다. 상기 선형 운동 스테이지(102)는 테이블(20) 상에 배치될 수 있다.
상기 제1 광 분할기(122)는 프리즘 또는 얇은 판으로 형성될 수 있다. 상기 제1 광 분할기(122)는 상기 시준 빔을 제공받아 기준 경로로 진행하는 기준 빔과 측정 경로로 진행하는 측정 빔으로 분할 수 있다. 상기 기준 빔과 상기 측정 빔의 세기는 동일할 수 있다. 상기 제1 광 분할기(122)는 제1 광 분할기 모듈(120)에 장착되고, 상기 제1 광 분할기 모듈(120)은 정육면체 형상일 수 있다. 상기 제1 광 분할기 모듈(120)은 상기 제1 시준 렌즈(124)와 분해 결합될 수 있다. 상기 기준 빔은 상기 제1 광 분할기(122)를 투과하고, 상기 측정 빔은 상기 제1 광 분할기(122)에서 반사될 수 있다.
기준 경로 거울(130)은 상기 제1 광 분할기(122)를 투과한 기준 빔을 반사시킬 수 있다. 상기 기준 경로 거울(130)은 상기 제1 광 분할기(122)에서 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향(y 방향)으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 기준 경로 거울(130)은 상기 제2 방향으로 진행하는 기준 빔의 방향을 제1 방향으로 변경할 수 있다.
측정 경로 거울(140)은 상기 제1 광 분할기(122)에서 반사한 측정 빔을 반사시킬 수 있다. 상기 측정 경로 거울(140)은 상기 제1 광 분할기(122)에서 상기 제1 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 측정 경로 거울(140)은 상기 제1 방향으로 진행하는 측정 빔의 방향을 제2 방향으로 변경할 수 있다.
제2 광 분할기(152)는 상기 제1 방향으로 진행하는 기준 빔의 방향을 반사시켜 제2 방향으로 변경할 수 있다. 또한, 상기 제2 광 분할기(152)는 제2 방향으로 진행하는 측정 빔의 방향을 계속 제2 방향으로 유지할 수 있다. 이에 따라, 상기 측정 빔과 상기 기준 빔은 간섭 신호를 생성할 수 있다. 즉, 상기 제2 광 분할기(152)는 빔을 결합하는 빔 결합기일 수 있다. 상기 제2 광 분할기(152)는 상기 제2 광 분할기 모듈(150)에 장착될 수 있다. 상기 제2 광 분할기 모듈(150)은 직육면체 형상을 가질 수 있다.
제2 시준 렌즈(154)는 상기 간섭 신호를 집속하여 제2 광섬유(162)에 전달한다. 상기 제2 시준 렌즈(154)는 상기 제2 광 분할기 모듈(150)에 분해 결합할 수 있다.
제2 광섬유(162)는 상기 제2 시준 렌즈(154)와 정렬되고, 상기 간섭 신호를 스펙트럼 분석기(160)에 전달할 수 있다. 상기 제2 광섬유(162)는 단일모드 광섬유일 수 있다.
스펙트럼 분석기(160)는 간섭 신호를 파장에 따라 분해하고, 파장에 따른 간섭 신호의 세기를 측정할 수 있다.
처리부(170)는 파장에 따른 간섭 신호의 세기를 푸리에 변환하고 신호 처리할 수 있다. 상기 파장에 따른 상기 간섭 신호(I(z,f))는 푸리에 변환된다. 상기 간섭 신호의 푸리에 변환의 진폭은 공간 주파수 도메인에서 피크를 가질 수 있다. 상기 피크의 위치에 대응하는 공간 주파수에서, 상기 피크는 광 경로 차이에 관한 정보를 제공할 수 있다. 상기 처리부(170)는 상기 측정 대상 이송 수단(30)를 제어하여 이송 속도 및 위치를 제어할 수 있다. 또한, 상기 처리부(170)는 선형 운동 스테이지(102)를 제어할 수 있다.
또한, 정렬 광측정부(181)는 상기 제2 광 분할기(152)에서 제1 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 정렬 광측정부(181)는 상기 제2 광 분할기(152)를 투과한 기준 빔의 위치와 상기 제2 광 분할기(152)를 투과한 측정 빔의 위치를 각각 측정할 수 있다. 상기 정렬 광측정부는 2차원 이미지 센서 또는 반도체 위치 검출기(position sensitive detector)일 수 있다. 상기 정렬 광측정부(181)는 상기 기준 빔 또는 상기 측정 빔을 모니터링하여 정렬과 상기 측정 대상의 각도를 확인할 수 있다.
정렬 처리부(182)는 상기 정렬 광측정부(181)의 출력 신호를 이용하여 상기 기준 빔과 상기 측정 빔을 서로 일치시키도록 제어 신호를 생성할 수 있다. 상기 정렬 처리부(182)는 제1 모터(183) 및 제2 모터(184)를 구동할 수 있다. 상기 제1 모터(183)는 상기 측정 경로 거울(140)의 위치 또는 각도를 제어하고, 상기 제2 모터(184)는 상기 제2 광 분할기(152)의 위치 또는 각도를 제어할 수 있다.
광 위상 지연 소자(190)는 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 적어도 하나의 경로에 삽입되어 상기 기준 경로와 상기 측정 경로 사이의 광 경로 차이를 제공할 수 있다.
상기 광 위상 지연 소자(190)는 투광성 윈도우 또는 전기 신호에 따라 굴절률이 변하는 전기 광학 소자일 수 있다. 상기 전기 광학 소자는 포켈스(Pockels) 효과 또는 커르(Kerr) 효과를 제공할 수 있다.
도 11은 광 위상 지연 소자를 설명하는 사시도이다.
도 11을 참조하면, 상기 광 위상 지연 소자(190)은 복수의 투광성 윈도우들(192a~192d)을 포함하고, 상기 복수의 투광성 윈도우들(192a~192d)은 서로 다른 광 경로 차이를 제공하도록 서로 다른 두께 또는 굴절률을 가질 수 있다. 상기 광 위상 지연 소자(190)는 상기 투광성 윈도우들 중에서 하나를 선택할 수 있도록 회전할 수 있는 휠(194)에 장착될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 두께 측정 장치(100)는, 광대역 광원(110); 상기 광대역 광원(110)의 광대역 광을 기준 경로로 진행하는 기준 빔과 측정 경로로 진행하는 측정 빔으로 분할하는 제1 광 분할기(122); 상기 기준 빔을 반사시키는 기준 경로 거울(130); 상기 측정 빔을 반사시키는 측정 경로 거울(140); 상기 기준 경로 거울에서 반사된 상기 기준 빔과 상기 측정 빔을 중첩하여 간섭 신호를 생성하는 제2 광 분할기(152); 상기 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기(160); 상기 스펙트럼 분석기의 출력 신호를 처리하여 상기 측정 경로에 삽입된 측정 대상의 두께를 산출하는 처리부(170); 및 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 하나의 경로에 삽입되어 상기 기준 경로와 상기 측정 경로 사이의 광 경로 차이를 제공하는 광 위상 지연 소자(190)를 포함한다.
상기 두께 측정 장치의 동작 방법은, 상기 측정 대상(10)을 상기 측정 경로에서 제거한 상태에서 간섭신호로부터 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이인 제1 광 경로 차이(OPD1)를 추출하는 단계(S110); 상기 측정 대상을 상기 측정 경로에 삽입한 상태에서, 제2 광 경로 차이(OPD2) 및 제3 광 경로 차이(OPD3)를 추출하는 단계(S120); 상기 제2 광 경로 차이와 상기 제3 광 경로차이가 일치하여 두께 측정 불가 구간에 있는 경우(S132), 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 하나의 경로에 상기 광 위상 지연 소자(190)를 삽입하는 단계(S134); 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에서 제거한 상태에서 간섭신호로부터 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이인 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')를 추출하는 단계(S142); 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에 삽입되고 상기 광 위상 지연 소자(190)가 삽입한 상태에서, 제2 광 경로 차이(OPD2), 및 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')를 추출하는 단계(S144); 및 상기 제1 수정 광 경로 차이(OPD1'), 상기 제2 광 경로 차이(OPD2), 및 상기 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')를 사용하여 상기 측정 대상의 두께 및 굴절률을 산출하는 단계를 포함한다.
상기 제2 광 경로 차이(OPD2)는 상기 측정 대상을 상기 측정 경로에 삽입한 상태에서, 상기 측정 빔이 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광과 상기 측정 대상 내에서 한 차례의 반사되어 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)는 상기 측정 대상을 상기 측정 경로에 삽입한 상태에서, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')는 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에 삽입된 상태에서, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다.
상기 광 위상 지연 소자가 상기 기준 경로에 삽입된 경우, 상기 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')를 영으로 하도록 설정될 수 있다.
상기 광 위상 지연 소자가 상기 측정 경로에 삽입된 경우, 상기 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')는 상기 제1 광 경로 차이(OPD1)의 2배 이상으로도 증가시키도록 설정될 수 있다.
상기 측정 대상의 두께 및 굴절률을 산출한(S150) 후 상기 측정 대상의 측정 위치를 이동시키는 단계(S160)가 진행될 수 있다. 이어서, S120 단계가 다시 수행된다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두께 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 14는 도 13의 두께 측정 장치의 광 경로를 설명하는 개념도이다.
도 15는 도 13의 두께 측정 장치의 광 경로 차이를 설명하는 개념도이다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 두께 측정 장치(100a)는, 광대역 광원(110); 상기 광대역 광원의 광대역 광을 기준 경로로 진행하는 기준 빔과 측정 경로로 진행하는 측정 빔으로 분할하는 제1 광 분할기(122); 상기 기준 빔을 반사시키는 기준 경로 거울(130); 상기 측정 빔을 반사시키는 측정 경로 거울(140); 상기 기준 경로 거울에서 반사된 상기 기준 빔과 상기 측정 빔을 중첩하여 간섭 신호를 생성하는 제2 광 분할기(152); 상기 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기(160); 상기 스펙트럼 분석기(160)의 출력 신호를 처리하여 상기 측정 경로에 삽입된 측정 대상의 두께를 산출하는 처리부(170); 및 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 적어도 하나의 경로에 삽입되어 상기 기준 경로와 상기 측정 경로 사이의 광 경로 차이를 제공하는 광 위상 지연 소자(190)를 포함한다.
상기 측정 대상(10)은 상기 측정 경로에 배치되고, 제1 광 경로 차이(OPD1)는 상기 측정 대상이 없는 경우, 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제1 광 경로 차이(OPD1)는 영이 아닌 유한한 값을 가진다. 제2 광 경로 차이(OPD2)는 상기 측정 대상(10)이 있는 경우, 상기 측정 빔이 상기 측정 대상(10)을 반사없이 투과한 광과 상기 측정 대상(10) 내에서 한 차례의 반사되어 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 제3 광 경로 차이(OPD3)는 상기 측정 대상이 있는 경우, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제2 광 경로 차이(OPD2)가 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)가 일치하여 두께 측정 불가 조건에 도달한 경우, 상기 광 위상 지연 소자(190)는 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 하나의 경로에 삽입된다. 상기 기준 경로와 상기 측정 경로는 사각형을 형성하도록 배치된다. 구체적으로, 상기 광 위상 지연 소자(190)는 상기 측정 경로에 배치된다.
도 14를 참조하면, 두께를 측정할 수 없는 특정 두께 (TC)를 변경하기 위하여, 기준 경로 또는 측정 경로 상에 광 위상 지연 소자(190)를 삽입하여 광 경로 차이를 변경한다. 광 위상 지연 소자(190)가 투광성 윈도우(192a)이고, 굴절률이 NS이고, 두께는 TS일 수 있다.
도 14를 참조하면, 상기 광 위상 지연 소자(190) 또는 투광성 윈도우(192a)는 측정 경로에 삽입되어 제1 광 경로 차이(OPD1)는 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')로 변경된다. 또한, 상기 광 위상 지연 소자(190)의 삽입에 의하여 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)는 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')로 변경된다. 한편, 제2 광 경로 차이(OPD2)는 상기 광 위상 지연 소자의 삽입에 의하여 변하지 않는다.
Figure 112018124313300-pat00007
제1 광 경로 차이(OPD1)이 결정되면, 반드시 두께 측정 불가 영역이 존재한다. 따라서, 모든 두께 영역에서 측정 대상(10)의 두께를 측정하기 위해서는 최소 한번 이상 제1 광 경로 차이(OPD1)를 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')로 변경이 요구된다. 제3 수정 광 경로 차이(OPD3')는 측정 대상의 두께 (T)에 따라 직선으로 표시되고, y축 절편은 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')로 변경된다. 두께를 측정할 수 없는 특정 두께 (TC)는 TC'으로 이동한다. 상기 광 위상 지연 소자(190)는 상기 측정 경로에 삽입된 경우, 상기 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')를 상기 광 위상 지연 소자가 없는 상태의 상기 제1 광 경로 차이(OPD1)를 2 배 이상으로 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 측정 불가 두께(Tc)는 새로운 측정 불가 두께(Tc') 으로 증가한다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 두께 측정 장치의 광 경로를 나타내는 개념도이다.
도 16을 참조하면, 기준 경로에는 제1 광 위상 지연 소자(190)가 배치되고, 측정 경로에는 제2 광 위상 지연 소자(190')가 배치된다. 상기 제1 광 위상 지연 소자(190)는 다양한 두께(Tsa,Tsb,Tsc)를 가질 수 있다. 또한, 상기 제2 광 위상 지연 소자(190')는 다양한 두께(Tsa',Tsb',Tsc')를 가질 수 있다. 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')는 상기 제1 광 위상 지연 소자(190)의 두께와 굴절률 및 상기 제2 광 위상 지연 소자(190')의 두께와 굴절률에 의존할 수 있다. 상기 제1 광 위상 지연 소자(190)의 굴절률과 상기 제2 광 위상 지연 소자의 굴절률이 동일한 경우, 제1 수정 광 경로 차이(OPD1')는 상기 제1 광 위상 지연 소자(190)의 두께와 상기 제2 광 위상 지연 소자(190')의 두께의 차이 (Ts-Ts')에 의존할 수 있다. 상기 제1 광 위상 지연 소자(190)의 두께와 상기 제2 광 위상 지연 소자(190')의 두께를 적절히 선택하면, 넓은 범위에서 촘촘한 간격으로 두께 차이 (Ts-Ts')가 선택될 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 두께 측정 장치를 설명하는 사시도이다.
도 5를 참조하면, 두께 측정 장치(100b)는, 광대역 광원(110); 상기 광대역 광원의 광대역 광을 기준 경로로 진행하는 기준 빔과 측정 경로로 진행하는 측정 빔으로 분할하는 제1 광 분할기(122); 상기 기준 빔을 반사시키는 기준 경로 거울(130); 상기 측정 빔을 반사시키는 측정 경로 거울(140); 상기 기준 경로 거울에서 반사된 상기 기준 빔과 상기 측정 빔을 중첩하여 간섭 신호를 생성하는 제2 광 분할기(152); 상기 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기(160); 상기 스펙트럼 분석기(160)의 출력 신호를 처리하여 상기 측정 경로에 삽입된 측정 대상의 두께를 산출하는 처리부(170); 및 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 적어도 하나의 경로에 삽입되어 상기 기준 경로와 상기 측정 경로 사이의 광 경로 차이를 제공하는 광 위상 지연 소자(190)를 포함한다.
상기 측정 대상(10)은 상기 측정 경로에 배치되고, 제1 광 경로 차이(OPD1)는 상기 측정 대상이 없는 경우, 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제1 광 경로 차이(OPD1)는 영이 아닌 유한한 값을 가진다. 제2 광 경로 차이(OPD2)는 상기 측정 대상(10)이 있는 경우, 상기 측정 빔이 상기 측정 대상(10)을 반사없이 투과한 광과 상기 측정 대상(10) 내에서 한 차례의 반사되어 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 제3 광 경로 차이(OPD3)는 상기 측정 대상이 있는 경우, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이다. 상기 제2 광 경로 차이(OPD2)가 상기 제3 광 경로 차이(OPD3)가 일치하여 두께 측정 불가 조건에 도달한 경우, 상기 광 위상 지연 소자(190,190')는 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 하나의 경로에 삽입된다. 상기 기준 경로와 상기 측정 경로는 사각형을 형성하도록 배치된다. 구체적으로, 제1 광 위상 지연 소자(190)는 기준 경로에 배치되고, 제2 광 위상 지연 소자(190')는 상기 측정 경로에 배치된다.
상기 제1 광 분할기(122)는 상기 기준 경로 거울(130)과 제2 방향으로 연장되는 제1 정렬 기둥(94)에 의하여 고정된다. 또한, 상기 제1 광 분할기(122)는 상기 측정 경로 거울(140)과 제1 방향으로 연장되는 제2 정렬 기둥(92)에 의하여 고정된다. 또한, 상기 기준 경로 거울(130)은 상기 제2 광 분할기(152)와 제1 방향으로 연장되는 제3 정렬 기둥(96)에 의하여 고정된다. 이에 따라, 마하-젠더 간섭계는 수직 평면에서 안정적으로 장착되면서, 원하는 측정 위치에서 두께 측정을 수행할 수 있다. 상기 제3 정렬 기둥(96)의 길이는 상기 제1 정렬 기둥(94)보다 충분히 길 수 있다.
기준 프레임은 상기 제1 광 분할기, 기준 경로 거울, 측정 경로 거울, 및 제2 광 분할기를 장착한다. 상기 기준 프레임은 상기 측정 대상이 삽입되도록 장홈을 포함하고, 상기 장홈은 상기 측정 경로 거울과 상기 제2 광 분할기 사이를 가로지르고, 상기 제1 광 분할기와 상기 측정 경로 거울이 정렬되는 제1 방향(x축 방향)으로 연장된다.
상기 측정 대상은 제3 방향(z축 방향)으로 이동한다. 또한, 선형 운동 스테이지는 상기 기준 프레임을 제1 방향(x축 방향)으로 이동시킨다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 광대역 광원
122: 제1 광 분할기
130: 기준 경로 거울
140: 측정 경로 거울
152: 제2 광 분할기
160: 스펙트럼 분석기
190: 광 위상 지연 소자

Claims (8)

  1. 광대역 광원;
    상기 광대역 광원의 광대역 광을 기준 경로로 진행하는 기준 빔과 측정 경로로 진행하는 측정 빔으로 분할하는 제1 광 분할기;
    상기 기준 빔을 반사시키는 기준 경로 거울;
    상기 측정 빔을 반사시키는 측정 경로 거울;
    상기 기준 경로 거울에서 반사된 상기 기준 빔과 상기 측정 빔을 중첩하여 간섭 신호를 생성하는 제2 광 분할기;
    상기 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기;
    상기 스펙트럼 분석기의 출력 신호를 처리하여 상기 측정 경로에 삽입된 측정 대상의 두께를 산출하는 처리부; 및
    상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 적어도 하나의 경로에 삽입되어 상기 기준 경로와 상기 측정 경로 사이의 광 경로 차이를 제공하는 광 위상 지연 소자를 포함하고,
    상기 측정 대상은 상기 측정 경로에 배치되고,
    제1 광 경로 차이는 상기 측정 대상이 없는 경우, 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이이고,
    상기 제1 광 경로 차이는 영이 아닌 유한한 값을 가지고,
    제2 광 경로 차이는 상기 측정 대상이 있는 경우, 상기 측정 빔이 측정 대상을 반사없이 투과한 광과 상기 측정 대상 내에서 한 차례의 반사되어 투과한 광 사이의 광 경로 차이이고,
    제3 광 경로 차이는 상기 측정 대상이 있는 경우, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이고,
    상기 제2 광 경로 차이가 상기 제3 광 경로 차이가 일치하여 두께 측정 불가 조건에 도달한 경우, 상기 광 위상 지연 소자는 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 하나의 경로에 삽입되고,
    제1 수정 광 경로 차이는 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에서 제거한 상태에서 간섭신호로부터 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이이고,
    제3 수정 광 경로 차이는 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에 삽입된 상태에서, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이고,
    상기 기준 경로와 상기 측정 경로는 사각형을 형성하도록 배치되고,
    상기 광 위상 지연 소자는 상기 측정 경로에 삽입된 경우, 상기 제1 수정 광 경로 차이를 상기 광 위상 지연 소자가 없는 상태의 상기 제1 광 경로 차이를 2 배 이상으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광 위상 지연 소자는 투광성 윈도우 또는 전기 신호에 따라 굴절률이 변하는 전기 광학 소자인 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  3. 광대역 광원;
    상기 광대역 광원의 광대역 광을 기준 경로로 진행하는 기준 빔과 측정 경로로 진행하는 측정 빔으로 분할하는 제1 광 분할기;
    상기 기준 빔을 반사시키는 기준 경로 거울;
    상기 측정 빔을 반사시키는 측정 경로 거울;
    상기 기준 경로 거울에서 반사된 상기 기준 빔과 상기 측정 빔을 중첩하여 간섭 신호를 생성하는 제2 광 분할기;
    상기 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기;
    상기 스펙트럼 분석기의 출력 신호를 처리하여 상기 측정 경로에 삽입된 측정 대상의 두께를 산출하는 처리부; 및
    상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 적어도 하나의 경로에 삽입되어 상기 기준 경로와 상기 측정 경로 사이의 광 경로 차이를 제공하는 광 위상 지연 소자를 포함하고,
    상기 측정 대상은 상기 측정 경로에 배치되고,
    제1 광 경로 차이는 상기 측정 대상이 없는 경우, 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이이고,
    상기 제1 광 경로 차이는 영이 아닌 유한한 값을 가지고,
    제2 광 경로 차이는 상기 측정 대상이 있는 경우, 상기 측정 빔이 측정 대상을 반사없이 투과한 광과 상기 측정 대상 내에서 한 차례의 반사되어 투과한 광 사이의 광 경로 차이이고,
    제3 광 경로 차이는 상기 측정 대상이 있는 경우, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이고,
    상기 제2 광 경로 차이가 상기 제3 광 경로 차이가 일치하여 두께 측정 불가 조건에 도달한 경우, 상기 광 위상 지연 소자는 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 하나의 경로에 삽입되고,
    제1 수정 광 경로 차이는 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에서 제거한 상태에서 간섭신호로부터 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이이고,
    제3 수정 광 경로 차이는 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에 삽입된 상태에서, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이고,
    상기 기준 경로와 상기 측정 경로는 사각형을 형성하도록 배치되고,
    상기 광 위상 지연 소자는 복수의 투광성 윈도우들을 포함하고,
    상기 복수의 투광성 윈도우들은 서로 다른 광 경로 차이를 제공하도록 서로 다른 두께 또는 굴절률을 가지고,
    상기 광 위상 지연 소자는 상기 투광성 윈도우들 중에서 하나를 선택할 수 있도록 회전할 수 있는 휠에 장착되는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 기준 빔 또는 상기 측정 빔을 모니터링하여 정렬과 상기 측정 대상의 각도를 확인할 수 있는 정렬 광측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  6. 광대역 광원; 상기 광대역 광원의 광대역 광을 기준 경로로 진행하는 기준 빔과 측정 경로로 진행하는 측정 빔으로 분할하는 제1 광 분할기; 상기 기준 빔을 반사시키는 기준 경로 거울; 상기 측정 빔을 반사시키는 측정 경로 거울; 상기 기준 경로 거울에서 반사된 상기 기준 빔과 상기 측정 빔을 중첩하여 간섭 신호를 생성하는 제2 광 분할기; 상기 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기; 상기 스펙트럼 분석기의 출력 신호를 처리하여 상기 측정 경로에 삽입된 측정 대상의 두께를 산출하는 처리부; 및 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 적어도 하나의 경로에 삽입되어 상기 기준 경로와 상기 측정 경로 사이의 광 경로 차이를 제공하는 광 위상 지연 소자를 포함하는 두께 측정 장치의 동작 방법에 있어서,
    상기 측정 대상을 상기 측정 경로에서 제거한 상태에서 간섭신호로부터 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이인 제1 광 경로 차이를 추출하는 단계;
    상기 측정 대상을 상기 측정 경로에 삽입한 상태에서, 제2 광 경로 차이 및 제3 광 경로 차이를 추출하는 단계;
    상기 제2 광 경로 차이와 상기 제3 광 경로차이가 일치하여 두께 측정 불가 구간에 있는 경우, 상기 기준 경로 및 상기 측정 경로 중에서 하나의 경로에 상기 광 위상 지연 소자를 삽입하는 단계;
    상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에서 제거한 상태에서 간섭신호로부터 상기 기준 경로로 진행하는 상기 기준 빔과 상기 측정 경로를 진행한 측정 빔 사이의 광 경로 차이인 제1 수정 광 경로 차이를 추출하는 단계;
    상기 측정 대상이 상기 측정 경로에 삽입되고 상기 광 위상 지연 소자가 삽입한 상태에서, 제2 광 경로 차이, 및 제3 수정 광 경로 차이를 추출하는 단계; 및
    상기 제1 수정 광 경로 차이, 상기 제2 광 경로 차이, 및 상기 제3 수정 광 경로 차이를 사용하여 상기 측정 대상의 두께 및 굴절률을 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 광 경로 차이는 상기 측정 대상을 상기 측정 경로에 삽입한 상태에서, 상기 측정 빔이 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광과 상기 측정 대상 내에서 한 차례의 반사되어 투과한 광 사이의 광 경로 차이이고,
    상기 제3 광 경로 차이는 상기 측정 대상을 상기 측정 경로에 삽입한 상태에서, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이이고,
    상기 제3 수정 광 경로 차이는 상기 광 위상 지연 소자가 삽입되고 상기 측정 대상이 상기 측정 경로에 삽입된 상태에서, 상기 기준 빔과 상기 측정 대상을 반사없이 투과한 광 사이의 광 경로 차이인 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치의 동작 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 광 위상 지연 소자가 상기 측정 경로에 삽입된 경우, 상기 제1 수정 광 경로 차이는 상기 제1 광 경로 차이의 2배 이상으로 증가시키도록 설정되는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치의 동작 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 측정 대상의 두께 및 굴절률을 산출한 후 상기 측정 대상의 측정 위치를 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치의 동작 방법.
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KR101544962B1 (ko) * 2014-04-07 2015-08-18 한국표준과학연구원 기하학적 두께와 굴절률 측정을 위한 투과형 광섬유 간섭 장치
KR101733298B1 (ko) * 2015-09-15 2017-05-08 한국표준과학연구원 대형 유리기판의 물리적 두께 프로파일 및 굴절률 분포 측정을 위한 광간섭계 시스템

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