KR102163545B1 - 광 위상 검출기 기반 자동 초점 제어 시스템, 그리고 이의 자동 초점 제어 방법 - Google Patents

광 위상 검출기 기반 자동 초점 제어 시스템, 그리고 이의 자동 초점 제어 방법 Download PDF

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KR102163545B1
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focus control
phase detector
reference signal
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김정원
나용진
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한국과학기술원
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Abstract

광학 측정 시스템과 연동하는 자동 초점 제어 시스템으로서, 펄스 레이저에 동기화된 기준 신호를 출력하는 기준 신호원, 그리고 상기 광학 측정 시스템으로부터 상기 펄스 레이저로부터 출력된 광 펄스가 측정 대상의 표면에서 반사되어 들어온 광 신호를 입력받고, 전광 샘플링을 통해 상기 광 신호와 상기 기준 신호의 위상 오차에 해당하는 전기 신호를 출력하며, 상기 전기 신호를 기초로 상기 광학 측정 시스템과 상기 측정 대상의 거리를 초점 거리로 제어하는 자동 초점 제어 신호를 생성하는 광 위상 검출기를 포함한다. 상기 자동 초점 제어 신호에 의해 상기 광학 측정 시스템의 대물 렌즈와 상기 측정 대상의 거리가 상기 대물 렌즈의 초점 거리로 유지된다.

Description

광 위상 검출기 기반 자동 초점 제어 시스템, 그리고 이의 자동 초점 제어 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING AUTO-FOCUS BASED ON OPTICAL PHASE DETECTOR}
본 발명은 광 펄스의 비행 시간(time-of-flight, TOF)을 이용한 물리량 측정 기술에 관한 것이다.
반도체, 디스플레이 등의 다양한 산업에서, 단차(step), 곡률(curvature), 평탄도(flatness)와 같은 표면 형상(surface profile)을 측정하는 시스템이 사용된다. 측정 시스템은 프로필러미터(profilometry)로 불리는데, 광학 측정 시스템을 통해 표면 영상을 획득할 수 있다. 선명한 영상을 얻기 위해, 표면과 대물렌즈가 초점 거리를 유지해야 하므로, 자동 초점(Auto Focus) 기술이 필수적이다.
하지만, 지금까지의 자동 초점 기술은 분해능이나 제어 범위에 제한이 있어, 초정밀 가공 및 계측 분야에 적용하기 어려운 한계가 있다.
해결하고자 하는 과제는 표면에서 반사되어 돌아오는 광 펄스의 비행 시간(Time-of-flight, TOF)을 기초로 표면과 대물렌즈의 거리를 일정하게 유지하는 광 위상 검출기 기반 자동 초점 제어 시스템, 그리고 이의 자동 초점 제어 방법을 제공하는 것이다.
해결하고자 하는 과제는 광 펄스를 파장분할하여 서로 다른 파장의 광 파장 펄스들을 생성하고, 복수의 광 파장 펄스들을 이용하여 복수의 광학 측정 시스템들의 초점 거리를 한꺼번에 제어하는 자동 초점 제어 시스템, 그리고 이의 자동 초점 제어 방법을 제공하는 것이다.
한 실시예에 따른 광학 측정 시스템과 연동하는 자동 초점 제어 시스템으로서, 펄스 레이저에 동기화된 기준 신호를 출력하는 기준 신호원, 그리고 상기 광학 측정 시스템으로부터 상기 펄스 레이저의 광 펄스가 측정 대상의 표면에서 반사되어 들어온 광 신호를 입력받고, 전광 샘플링(Electro-Optic sampling)을 통해 상기 광 신호와 상기 기준 신호의 위상 오차에 해당하는 전기 신호를 출력하며, 상기 전기 신호를 기초로 상기 광학 측정 시스템과 상기 측정 대상의 거리를 초점 거리로 제어하는 자동 초점 제어 신호를 생성하는 광 위상 검출기를 포함한다. 상기 자동 초점 제어 신호에 의해 상기 광학 측정 시스템의 대물 렌즈와 상기 측정 대상의 거리가 상기 대물 렌즈의 초점 거리로 유지된다.
상기 전기 신호는 상기 광학 측정 시스템과 상기 측정 대상의 거리에 관계된 정보를 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 제어 시스템은 상기 기준 신호원이 외부의 독립적인 신호원인 경우, 상기 기준 신호원을 상기 펄스 레이저에 동기화하는 동기화용 광 위상 검출기를 더 포함할 수 있다. 상기 동기화용 광 위상 검출기는 상기 펄스 레이저에서 출력된 동기화용 광 펄스를 입력받고, 상기 기준 신호원에서 출력되는 마이크로파와 상기 동기화용 광 펄스의 위상 오차를 보상하는 동기화용 전기 신호를 생성하며, 상기 동기화용 전기 신호를 상기 기준 신호원으로 피드백하여 상기 기준 신호원을 상기 동기화용 광 펄스에 동기화할 수 있다.
상기 기준 신호원은 상기 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 광전 변환하여 상기 기준 신호인 전기 펄스열을 출력하는 전기 펄스 생성기를 포함할 수 있다.
상기 기준 신호원은 상기 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 광전 변환하여 전기 펄스열을 생성하고, 상기 전기 펄스열로부터 추출한 특정 주파수의 마이크로파를 상기 기준 신호로 출력하는 정현파 생성기를 포함할 수 있다.
상기 광 위상 검출기는 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 또는 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD)로 구현될 수 있다.
상기 자동 초점 제어 시스템은 상기 펄스 레이저로부터 출력된 광 펄스를 상기 광학 측정 시스템으로 전달하고, 상기 광학 측정 시스템으로 전달한 광 펄스가 상기 측정 대상의 표면에서 반사되어 들어온 광 신호를 상기 광 위상 검출기로 전달하는 서큘레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 제어 신호는 상기 광학 측정 시스템의 액추에이터로 전송되고, 상기 액추에이터는 상기 자동 초점 제어 신호를 기초로 상기 대물 렌즈를 움직일 수 있다.
다른 실시예에 따른 광학 측정 시스템과 연동하는 자동 초점 제어 시스템으로서, 펄스 레이저로부터 출력된 광 펄스를 복수의 채널들로 파장분할하고, 파장분할되어 생성된 복수의 광 파장 펄스들 각각을 다채널 경로 중에서 채널별로 할당된 채널 경로로 전송하며, 상기 다채널 경로를 지나온 상기 복수의 광 파장 펄스들을 다중화하여 출력하는 다채널 연결 장치, 그리고 상기 다채널 연결 장치에서 출력된 광 신호와 상기 펄스 레이저에 동기화된 기준 신호를 입력받고, 전광 샘플링(Electro-Optic sampling)을 통해 상기 광 신호에 포함된 상기 복수의 광 파장 펄스들 각각과 상기 기준 신호의 위상 오차에 해당하는 채널별 전기 신호를 출력하며, 상기 채널별 전기 신호를 기초로 해당 채널 경로에 연결된 광학 측정 시스템의 초점 거리 유지를 위한 광학 측정 시스템별 자동 초점 제어 신호를 생성하는 다채널 광 위상 검출기를 포함한다. 복수의 광학 측정 시스템들 각각이 상기 다채널 경로 중 지정된 채널 경로에 연결되고, 각 채널 경로로 전송된 광 파장 펄스는 연결된 광학 측정 시스템이 측정하는 표면에서 반사되어 되돌아오는 광 경로를 지난다.
상기 광학 측정 시스템별 자동 초점 제어 신호는 해당 광학 측정 시스템과 측정 대상의 거리를 초점 거리로 변경하는 정보를 포함할 수 있다. 상기 광학 측정 시스템별 자동 초점 제어 신호는 해당 광학 측정 시스템의 액추에이터로 전송되고, 각 액추에이터는 수신한 자동 초점 제어 신호를 기초로 해당 광학 측정 시스템의 대물 렌즈를 움직일 수 있다.
상기 채널별 전기 신호는 해당 채널 경로에 연결된 광학 측정 시스템과 측정 대상의 거리에 관계된 정보를 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 제어 시스템은 상기 기준 신호를 출력하는 외부의 독립적인 기준 신호원, 그리고 상기 기준 신호원을 상기 펄스 레이저에 동기화하는 동기화용 광 위상 검출기를 더 포함할 수 있다. 상기 동기화용 광 위상 검출기는 상기 펄스 레이저에서 출력된 동기화용 광 펄스를 입력받고, 상기 기준 신호원에서 출력되는 마이크로파와 상기 동기화용 광 펄스의 위상 오차를 보상하는 동기화용 전기 신호를 생성하며, 상기 동기화용 전기 신호를 상기 기준 신호원으로 피드백하여 상기 기준 신호원을 상기 동기화용 광 펄스에 동기화할 수 있다.
상기 자동 초점 제어 시스템은 상기 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 광전 변환하여 상기 기준 신호인 전기 펄스열을 출력하는 전기 펄스 생성기 또는 상기 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 광전 변환하여 생성된 전기 펄스열로부터 특정 주파수의 마이크로파를 추출하고, 추출한 특정 주파수의 마이크로파를 상기 기준 신호로 출력하는 정현파 생성기를 더 포함할 수 있다.
상기 다채널 광 위상 검출기는 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 또는 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD)로 구현될 수 있다.
상기 다채널 광 위상 검출기는 상기 광 신호에 포함된 상기 복수의 광 파장 펄스들 각각과 상기 기준 신호의 위상 오차에 해당하는 채널별 전기 신호를 출력하는 복수의 균형 광 검출기들, 그리고 상기 복수의 균형 광 검출기들에서 출력된 채널별 전기 신호를 기초로 해당 채널 경로에 연결된 광학 측정 시스템의 초점 거리 유지를 위한 광학 측정 시스템별 자동 초점 제어 신호를 생성하는 피드백 제어기를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면 표면과 대물렌즈의 거리를 나노미터 이하의 수준으로 매우 정밀하고 정확하게 유지할 수 있으므로, 초정밀 가공 및 계측 시스템의 성능을 높일 수 있다.
실시예에 따르면 파장분할된 복수의 광 파장 펄스들을 이용하여 복수의 광학 측정 시스템들의 초점 거리를 한꺼번에 제어할 수 있다.
도 1은 광 펄스의 비행 시간 검출 방법을 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 펨토초 모드잠금 레이저의 시간 영역 및 스펙트럼 영역 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 자동 초점 제어 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 4와 도 5 각각은 다른 실시예에 따른 자동 초점 제어 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 6은 한 실시예에 따른 광 위상 검출기의 예시이다.
도 7은 한 실시예에 따른 다채널 자동 초점 제어 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 8은 한 실시예에 따른 다채널 연결 장치의 개념도이다.
도 9는 한 실시예에 따른 다채널 광 위상 검출기의 구조도이다.
도 10은 한 실시예에 따른 복수의 다채널 연결 장치들을 포함하는 다채널 자동 초점 제어 시스템을 설명하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 타이밍 오차, 위상 오차, 그리고 비행 시간(Time-of-flight, TOF)을 혼용하여 사용할 수 있다.
도 1은 광 펄스의 비행 시간 검출 방법을 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 1을 참고하면, 광 펄스의 비행 시간은 동기화된 기준 신호를 이용하여 검출된다. 기준 신호는 예를 들면, 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator, VCO)에서 출력되는 마이크로파일 수 있고, 마이크로파는 레이저의 광 펄스열(reference pulses)에 동기화된다.
한편, 기준 신호는 광 펄스가 광전 변환된 전기 펄스이거나, 전기 펄스로부터 추출된 마이크로파일 수 있다. 전기 펄스나 전기 펄스로부터 추출된 마이크로파는 이미 펄스 레이저에 동기화되어 있으므로, 별도의 동기와 장치가 필요하지 않다.
비행 시간이 반영된 광 펄스열(interrogating pulses)은 동기화된 마이크로파와 타이밍 오차(위상 오차)가 발생한다. 광 펄스와 마이크로파의 타이밍 오차는 광 위상 검출기를 이용하여 측정된다.
도 2는 펨토초 모드잠금 레이저의 시간 영역 및 스펙트럼 영역 특성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참고하면, 펄스 레이저 중 펨토초 모드 잠금 레이저는, 매우 짧은 펄스폭(
Figure 112019044023816-pat00001
)과 낮은 타이밍 지터(timing jitter)로 우수한 시간 분해능을 가진다. 또한 펨토초 모드 잠금 레이저는 넓은 스펙트럼을 파장분할하여 다채널을 생성할 수 있다. 펄스와 펄스 사이의 시간 간격(주기, Trep)이 수 ns에서 ns 이하인 펄스열이 출력되는 경우, 주기의 역수인 반복률(repetition rate, frep)은 수백 MHz에서 수 GHz가 된다.
광 펄스는 스펙트럼 영역에서 각 채널로 파장분할되고, 특정 파장 성분의 광 파장 펄스가 지정된 채널 경로로 진행될 수 있다. 설명에서, 파장분할된 광 펄스를 구분하기 위해, 광 펄스 중 특정 파장의 펄스를 "광 파장 펄스"라고 부른다.
도 3은 한 실시예에 따른 자동 초점 제어 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 3을 참고하면, 자동 초점 제어 시스템(10a)은 표면에서 반사되어 돌아오는 광 펄스의 비행 시간을 측정하는 광 위상 검출기를 통해, 광학 측정 시스템(20)의 초점 거리를 일정하게 유지하는 자동 초점 제어를 한다. 이를 통해 표면 형상이 바뀌더라도, 광학 측정 시스템(20)에 포함된 대물렌즈(21)의 초점 거리가 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 자동 초점 제어 시스템(10a)이 결합된 광학 측정 시스템(20)은 정확하고 정밀한 표면 형상 정보를 측정할 수 있다. 설명에서, 대물렌즈(21)의 아래에 측정 대상(30)이 놓인 상태에서, 대물렌즈(21)는 액추에이터(actuator)(23)에 의해 상하로 움직인다고 가정한다. 자동 초점 제어 시스템(10a)이 액추에이터(23)로 제어 신호를 전송하면, 액추에이터(23)가 대물렌즈(21)를 움직여 표면과의 거리를 초점 거리로 유지한다고 가정한다. 측정 대상(30)에 따라, 자동 초점 제어 시스템(10a)이 측정 대상(30)을 상하로 이동시키는 액추에이터로 제어 신호를 전송하면, 액추에이터가 측정 대상(30)을 움직여 대물렌즈의 거리를 초점 거리로 유지할 수 있도록 설계 변경될 수 있다. 광학 측정 시스템(20)은 렌즈, 미러, 빔스플리터 등 다양한 광학 장치들을 통해 광 경로를 구성하고 표면 형상 정보를 획득할 수 있는데, 본 발명에서는 자동 초점 제어 시스템(10a)에서 요구되는 광 경로만을 간단히 기재한다.
자동 초점 제어 시스템(10a)은 펄스 레이저(100), RF 신호원(200), 그리고 광 위상 검출기(optical phase detector)(300)를 포함한다. 광학 측정 시스템(20)은 펄스 레이저(100)의 광 펄스를 측정 대상(30)으로 입사하고 반사된 광 펄스를 광 위상 검출기(300)로 전달하는 광 경로를 구성한다. 이때, 광 경로에 서큘레이터(circulator)(40)가 위치하고, 서큘레이터(40)가 펄스 레이저(100)의 광 펄스를 광학 측정 시스템(20)으로 전달하고, 또한 광학 측정 시스템(20)에서 반사되어 돌아온 광 펄스를 광 위상 검출기(300)로 전달할 수 있다. 설명에서는 자동 초점 제어 시스템(10a)과 광학 측정 시스템(20)을 구분하여 설명하고 있으나, 광학 측정 시스템(20)을 포함하는 자동 초점 제어 시스템(10a)으로 구현될 수 있다. 또한, 자동 초점 제어 시스템(10a)이 상용 광학 측정 시스템에 결합하도록 인터페이스가 제공될 수 있다.
광 위상 검출기(300)는 측정 대상(30)의 표면에서 반사되어 돌아오는 광 펄스의 위상 오차(타이밍 오차)를 기초로 대물렌즈(21)와 표면의 거리(L)에 관계된 거리 정보를 출력한다. 거리 정보는 거리(L)에 비례한 값이거나, 거리(L)와 대물렌즈(21) 초점 거리의 거리 차이(
Figure 112019044023816-pat00002
)에 비례한 값일 수 있다. 액추에이터(23)는 거리 정보를 기초로 생성된 제어 신호에 따라 대물렌즈(21)를 상하로 이동시킨다. 제어 신호는 대물렌즈(21)와 표면의 거리를 초점 거리로 유지하는 정보를 포함한다. 설명에서, 광 위상 검출기(300)가 거리 정보를 기초로 자동 초점 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 액추에이터(23)로 피드백 전송하는 것으로 설명한다. 하지만, 별도의 장치 또는 액추에이터(23)가 광 위상 검출기(300)에서 출력된 거리 정보를 기초로 자동 초점 제어 신호를 생성할 수 있다.
한편, 광 위상 검출기(300)는 펄스 레이저(100)에 동기화된 기준 신호를 이용하여, 입력된 광 펄스의 위상 오차(타이밍 오차)에 비례하는 전기 신호를 출력한다. 전기 신호는 도 1과 같이 마이크로파 기준 신호의 영점 교차점으로부터 광 펄스의 위상 오차(타이밍 오차)에 해당하는 지점의 기준 신호 세기에 비례한 값으로 출력될 수 있다. 이때, 도 1에서 설명한 바와 같이, 마이크로파의 영점 교차점을 펄스 레이저(100)의 광 펄스열에 동기화하는 회로는 다양하게 설계될 수 있다. 다음에서는 동기화용 광 위상 검출기(400)에 의해 RF 신호원(200)이 펄스 레이저(100)에 동기화되는 것으로 설명한다.
펄스 레이저(100)는 광 펄스를 주기적으로 출력한다. 펄스 레이저(100)는 모드 잠금 레이저(mode-locked laser, MLL)일 수 있다. 펄스 레이저(100)는 펨토초 스케일의 매우 짧은 광 펄스를 발생시키는 펨토초 레이저일 수 있으나, 레이저 종류는 달라질 수 있다. 펄스 레이저(100)에서 출력되는 광 펄스열은 커플러에 의해 제1 광 펄스열(Pulse 1)과 제2 광 펄스열(Pulse 2)로 나누어지고, 제1 광 펄스열은 동기화용 광 위상 검출기(400)에 연결된 광 경로로 전달되고, 제2 광 펄스열은 광학 측정 시스템(20)에 연결된 광 경로로 전달된다.
RF 신호원(200)은 파형을 일정하게 출력하는 신호 발생기로서, 펄스 레이저(100)의 반복률에 위상 동기화된 기준 신호를 발생하는 다양한 종류의 신호원이 사용될 수 있다. RF 신호원(200)은 펄스 레이저(100)의 광 펄스열에 동기화된 기준 신호를 출력한다. 기준 신호의 주파수(fo)는 광 펄스 반복률의 정수 배(n * frep)일 수 있다. RF 신호원(200)이 펄스 레이저(100)에 위상 잠금(phase locked)된다.
RF 신호원(200)은 예를 들면, 마이크로파를 출력하는 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator, VCO)일 수 있다. RF 신호원(200)으로 VCO를 예로 들어 설명하나, RF 신호원(200)이 VCO로 한정되는 것은 아니고, 또한 기준 신호를 정현파(sine wave)로 설명하나, 기준 신호의 파형이 정현파로 한정되는 것은 아니다.
RF 신호원(200)이 외부 독립된 신호원인 경우, RF 신호원(200)의 위상을 펄스 레이저(100)의 반복률에 동기화하는 것이 필요하다. 도 3에 따른 실시예에 따르면, RF 신호원(200)은 별도의 동기화용 광 위상 검출기(400)에서 출력된 피드백 신호를 기초로 펄스 레이저(100)의 광 펄스와 동기화된 기준 신호를 출력할 수 있다. 동기화용 광 위상 검출기(400)는 펄스 레이저(100)의 제1 광 펄스열과 RF 신호원(200)에서 출력되는 마이크로파를 입력받는다. 동기화용 광 위상 검출기(400)는 마이크로파와 제1 광 펄스열의 위상 오차에 해당하는 전기 신호를 출력한다. 이때, RF 신호원(200)은 동기화용 광 위상 검출기(400)로부터 수신한 피드백 신호를 기초로 위상 오차를 보상하고, 제1 광 펄스열에 동기화된 기준 신호를 출력한다. 동기화용 광 위상 검출기(400)는 광 위상 검출기(300)와 동일한 구조로 구현될 수 있으나, 반드시 동일할 필요는 없다.
광 위상 검출기(300)는 광학 측정 시스템(20)을 통과한 광 펄스와 기준 신호를 입력받는다. 광 위상 검출기(300)는 펄스 레이저(100)의 제2 광 펄스열이 측정 대상(30)의 표면에서 반사되어 되돌아온 광 펄스를 입력받는다.
광 위상 검출기(300)는 기준 신호와 측정 대상(30)의 표면에서 반사되어 입력된 광 펄스의 위상 오차(
Figure 112019044023816-pat00003
)를 계산한다. 이때, 광 위상 검출기(300)는 전광 샘플링(Electro-Optic sampling)을 이용하여 위상 오차(
Figure 112019044023816-pat00004
)에 비례하는 전기 신호(Ve)를 출력한다. 위상 오차가 거리(L)에 비례하도록 제1 광 펄스열과 제2 광 펄스열의 지연(delay)이 맞춰질 수 있다. 간단하게는, 위상 오차 변화가 대물렌즈(21)와 측정 대상(30)의 거리 변화(
Figure 112019044023816-pat00005
)에 비례하도록 설정될 수 있다. 따라서, 광 위상 검출기(300)는 대물렌즈(21)와 측정 대상(30)의 거리(L)에 관계된 전기 신호(Ve)를 출력한다고 볼 수 있다.
광학 측정 시스템(20)은 측정 대상(30)의 표면을 지정된 경로에 따라 이동하면서 표면을 측정하는데, 표면 형상에 따라 대물렌즈(21)와 측정 대상(30)의 거리(L)가 달라진다. 그러면, 거리(L)가 대물렌즈(21)의 초점 거리와 달라지므로, 촬영한 표면 이미지의 초점을 맞추기 위해, 광 위상 검출기(300)는 현재 거리(L)를 초점 거리로 맞추기 위한 자동 초점 제어 신호를 액추에이터(23)로 전송한다.
자동 초점 제어 신호를 수신한 액추에이터(23)의 움직임에 의해 대물렌즈(21)와 측정 대상(30)의 거리가 초점 거리로 유지된다. 자동 초점 제어 신호는 대물렌즈(21)와 측정 대상(30)의 거리(L)에 비례하는 값이나, 거리 변화(
Figure 112019044023816-pat00006
)에 비례하는 값으로부터 계산될 수 있다. 이 경우, 별도 장치나 액추에이터(23)가 자동 초점 제어 신호를 기초로 초점 거리 유지를 위한 이동 신호를 직접 생성할 수 있다. 또는 광 위상 검출기(300)가 전기 신호로부터 액추에이터(23)의 이동 신호를 생성하고, 이를 포함하는 자동 초점 제어 신호를 액추에이터(23)로 전송할 수 있다.
도 4와 도 5 각각은 다른 실시예에 따른 자동 초점 제어 시스템의 개략적인 구조도이다. 도 4를 참고하면, 자동 초점 제어 시스템(10b)은 펄스 레이저(100), 전기 펄스 생성기(210), 그리고 광 위상 검출기(300)를 포함한다. 자동 초점 제어 시스템(10b)은 자동 초점 제어 시스템(10a)의 외부 신호원(200) 대신, 펄스 레이저(100)의 광 펄스가 변환된 전기 펄스(전류 펄스)를 기준 신호로 사용할 수 있다.
전기 펄스 생성기(210)는 펄스 레이저(100)로부터 전송된 제1 광 펄스열(Pulse 1)을 입력받는다. 전기 펄스 생성기(210)는 광 펄스를 광전 변환하여 전기 펄스를 출력한다. 전기 펄스 생성기(210)는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 소자를 포함한다. 광전 소자의 종류는 다양할 수 있고, 예를 들면, p-i-n 광다이오드, UTC(uni-travelling-carrier)/MUTC(modified uni-travelling-carrier) 광다이오드 등이 사용될 수 있다.
광 위상 검출기(300)는 광학 측정 시스템(20)을 통과한 광 펄스와 기준 신호를 입력받는다. 이때, 기준 신호는 전기 펄스 생성기(210)로부터 출력된 전기 펄스이다. 광 위상 검출기(300)는 도 3과 마찬가지로, 기준 신호와 측정 대상(30)의 표면에서 반사되어 입력된 광 펄스의 위상 오차(
Figure 112019044023816-pat00007
)를 계산한다. 이때, 광 위상 검출기(300)는 전광 샘플링을 이용하여 위상 오차(
Figure 112019044023816-pat00008
)에 비례하는 전기 신호(Ve)를 출력한다.
광 위상 검출기(300)는 전기 펄스의 특정 위치인 상승 에지(rising edge) 또는 하강 에지(falling edge)를 이용하여, 광 펄스의 위상 오차를 검출할 수 있다. 예를 들면, 광 위상 검출기(300)는 상승 에지의 특정 지점에 대한 위상 오차를 검출할 수 있다. 이때, 상승 에지의 임의 지점이 특정 지점으로 사용될 수 있다. 특히, 선형적으로 사용할 수 있는 위상(타이밍) 영역이 상승 에지의 중간 지점에서 양방향으로 가장 넓기 때문에, 상승 에지의 중간 지점을 오차 검출의 기준이 되는 특정 지점으로 사용할 수 있다.
도 5를 참고하면, 자동 초점 제어 시스템(10c)은 펄스 레이저(100), 정현파 생성기(220), 그리고 광 위상 검출기(300)를 포함한다. 자동 초점 제어 시스템(10c)은 자동 초점 제어 시스템(10a)의 외부 신호원(200) 대신, 정현파 생성기(220)에서 출력된 정현파(sine wave)를 기준 신호로 사용할 수 있다.
정현파 생성기(220)는 광 펄스를 광전 변환하여 전기 펄스를 출력하는 광전 소자(221)와 대역 통과 필터(bandpass filter, BPF)(222)를 포함한다. 광전 소자(221)는 도 4의 전기 펄스 생성기(210)와 같이, p-i-n 광다이오드, UTC/MUTC 광다이오드 등이 사용될 수 있다.
광전 소자(221)에서 출력된 전기 펄스가 대역 통과 필터(223)를 통과하면, 전기 펄스의 주파수 중 하나의 주파수 모드(nfrep)가 정현파 형태의 마이크로파로 출력된다.
광 위상 검출기(300)는 광학 측정 시스템(20)을 통과한 광 펄스와 기준 신호를 입력받는다. 광 위상 검출기(300)는 도 3에서 설명한 바와 같이, 기준 신호와 측정 대상(30)의 표면에서 반사되어 입력된 광 펄스의 위상 오차(
Figure 112019044023816-pat00009
)를 계산한다.
도 4와 도 5에서, 전기 펄스는 펄스 레이저(100)의 광 펄스열로부터 광전 변환된 신호이므로, 전기 펄스는 펄스 레이저(100)의 반복률(frep)에 이미 주파수 동기화되어 있다. 따라서, 광 위상 검출기(300)는 내재적으로 동기화되어 생성된 전기 펄스(또는 전기 펄스로부터 추출된 마이크로파)에 대한 광 펄스의 오차를 검출하면 되므로, 도 3과 같이 동기화용 광 위상 검출기(400)가 필요 없는 장점이 있다.
도 6은 한 실시예에 따른 광 위상 검출기의 예시이다.
먼저, 광 위상 검출기(300)는 펄스 레이저(100)에 동기화된 기준 신호와 측정 대상(30)의 표면에서 반사되어 되돌아온 광 펄스를 입력받고, 기준 신호와 광 펄스의 위상 오차(타이밍 오차)에 해당하는 전기 신호를 출력하는 다양한 기술로 구현될 수 있다. 예를 들면, 광 위상 검출기는 샤냑(Sagnac) 루프 간섭계를 이용한 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD) 등 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
예를 들어, 광 위상 검출기(300)가 FLOM-PD로 구현된다면, 광 위상 검출기(300)은 도 6과 같이, 서큘레이터(310), 루프에 구현된 커플러(320), 위상 변조기(phase modulator)(330), 그리고 사분파장(
Figure 112019044023816-pat00010
) 바이어스(quadrature bias)(340)를 포함할 수 있다. 광 위상 검출기(300)는 광 신호 세기의 차이를 전기 신호로 출력하는 균형 광 검출기(350)를 포함한다. 광 위상 검출기(300)는 균형 광 검출기(350)에서 출력된, 측정 거리(L)에 비례한 전기 신호를 기초로 자동 초점 제어 신호를 생성하고, 자동 초점 제어 신호를 광학 측정 시스템(20)으로 피드백하는 피드백 제어기(360)를 더 포함할 수 있다.
측정 대상(30)의 표면에서 반사되어 되돌아온 광 펄스는 서큘레이터(310)를 지나 커플러(320)에 도달한다. 커플러(320)는 광 펄스의 파워를 반으로 나누어 두 개의 광 펄스를 생성한 뒤, 루프의 서로 다른 방향으로 전달한다.
위상 변조기(330)는 RF 신호원(200)/전기 펄스 생성기(210)/정현파 생성기(220)에서 출력되는 기준 신호를 입력받고, 기준 신호를 이용하여 제1 방향 펄스의 위상을 변조한다. 제1 방향 펄스와 제2 방향 펄스는 사분파장 바이어스(340)를 지나면서 위상 차이가
Figure 112019044023816-pat00011
이 된다.
루프를 서로 다른 방향으로 순환하면서 위상 차이가 발생한 제1 방향 펄스와 제2 방향 펄스는 커플러(320)에서 합쳐지는데, 이때 간섭이 일어난다. 커플러(320)는 합쳐진 광 신호를 분리하고, 분리된 두 광 신호는 균형 광 검출기(350)로 입력된다. 간섭 현상으로 광 펄스와 기준 신호의 위상 오차가 두 광 신호의 세기 차이로 변환된다.
균형 광 검출기(350)는 두 개의 광 다이오드와 차동(differential) 증폭기를 통해, 두 광 다이오드로 들어온 광 신호의 세기 차이를 전기 신호(Ve)로 변환한다. 전기 신호(Ve)는 기준 신호와 광 펄스의 위상 오차(
Figure 112019044023816-pat00012
)에 비례한다. 따라서, 광 위상 검출기(300)는 대물렌즈(21)와 측정 대상(30)의 거리(L)에 관계된 전기 신호(Ve)를 출력한다. 구체적으로, 위상 오차가 거리(L)에 비례하도록 제1 광 펄스열과 제2 광 펄스열의 지연(delay)이 맞춰진 경우, 위상 오차에 비례하는 전기 신호(Ve)로부터 측정 거리(L)가 계산될 수 있다. 또는, 위상 오차 변화(전기 신호 변화)로부터 거리 변화(
Figure 112019044023816-pat00013
)가 계산될 수 있다.
Figure 112019044023816-pat00014
피드백 제어기(360)는 측정 거리에 관계된 정보를 포함하는 전기 신호를 기초로 자동 초점 제어 신호를 생성한다. 피드백 제어기(360)는 자동 초점 제어 신호를 광학 측정 시스템(20)로 전송하고, 액추에이터(23)의 움직임에 의해 대물렌즈(21)와 측정 대상(30)의 거리가 초점 거리로 유지되도록 피드백 제어한다.
도 7은 한 실시예에 따른 다채널 자동 초점 제어 시스템의 개략적인 구조도이고, 도 8은 한 실시예에 따른 다채널 연결 장치의 개념도이고, 도 9는 한 실시예에 따른 다채널 광 위상 검출기의 구조도이다.
도 7을 참고하면, 다채널 자동 초점 제어 시스템(11)은 펄스 레이저(100), 복수의 광학 측정 시스템들(20-1, 20-2, 20-3)이 연결되는 다채널 연결 장치(500), 그리고 다채널 광 위상 검출기(multi-channel optical phase detector)(300a)를 포함한다. 도 7과 도 9에서, 다채널 광 위상 검출기(300a)에서 사용하는 기준 신호로서, RF 신호원(200)의 마이크로파를 예로 들어 설명하나, 기준 신호는 도 4의 전기 펄스 생성기(210)나 도 5의 정현파 생성기(220)에서 출력되는 전기 펄스나 마이크로파로 대체될 수 있다.
복수의 광학 측정 시스템들(20-1, 20-2, 20-3) 각각은 서로 다른 측정 대상들의 표면으로 광 파장 펄스를 입사하고, 각 표면에서 반사된 광 파장 펄스를 다채널 광 위상 검출기(300a)로 전달하는 광 경로를 구성한다.
도 3에서 설명한 바와 같이, 펄스 레이저(100)는 광 펄스를 주기적으로 출력한다. 펄스 레이저(100)는 모드 잠금 레이저(mode-locked laser, MLL)일 수 있다.
RF 신호원(200)은 펄스 레이저(100)의 반복률에 위상 동기화된 기준 신호를 출력한다. RF 신호원(200)은 도 3에서 설명한 바와 같이, 동기화용 광 위상 검출기(400)에서 출력된 피드백 신호를 기초로 펄스 레이저(100)의 광 펄스와 동기화된 기준 신호를 출력할 수 있다. 또는 광 펄스를 복수의 채널들로 파장분할하는 다채널 연결 장치(500)에서 특정 채널의 광 파장 펄스가 기준 광 파장 펄스로 지정된 경우, RF 신호원(200)은 다채널 광 위상 검출기(300a)에서 출력된 기준 광 파장 펄스의 위상 오차에 해당하는 피드백 신호를 기초로 펄스 레이저(100)의 광 펄스와 동기화된 기준 신호를 출력할 수 있다.
RF 신호원(200)을 동기화용 광 위상 검출기(400)로 동기화하는 경우, 펄스 레이저(100)에서 출력되는 광 펄스열은 커플러에 의해 제1 광 펄스열(Pulse 1)과 제2 광 펄스열(Pulse 2)로 나누어지고, 제1 광 펄스열은 동기화용 광 위상 검출기(400)에 연결된 광 경로로 전달된다. 제2 광 펄스열은 도 3에서 설명한 바와 같이, 광학 측정 시스템을 지나 다채널 광 위상 검출기(300a)로 입력되는데, 이때, 제2 광 펄스열은 다채널 연결 장치(500)를 통해 파장분할되고, 파장분할된 각 광 파장 펄스가 해당 채널 경로에 연결된 광학 측정 시스템을 통과한다.
다채널 연결 장치(500)는 펄스 레이저(100)와 다채널 광 위상 검출기(300a)를 연결하는 광 경로에 적어도 하나 배치된다. 다채널 연결 장치(500)는 펄스 레이저(100)로부터 출력된 광 펄스열을 파장분할하여 해당 채널 경로로 전달하고, 채널 경로들을 지나온 광 파장 펄스들을 단일 광 섬유를 통해 다채널 광 위상 검출기(300a)로 전달한다. 이때, 각 채널의 광 파장 펄스는 서로 다른 채널 경로를 지나기 때문에, 동기화된 기준 신호에 대해 서로 다른 위상 오차가 발생한다.
도 8을 참고하면, 다채널 연결 장치(500)는 파장분할다중화(wavelength division multiplexing, WDM) 기반으로 광 펄스를 파장분할하는 역다중화기(Demultiplexer)(510), 파장분할된 복수의 광 파장 펄스들이 지나는 다채널 경로(530), 그리고 채널 경로들을 지나온 광 파장 펄스들을 다중화하는 다중화기(Multiplexer)(550)를 포함한다. 채널 경로들(530) 중 적어도 하나의 광 섬유에 광학 측정 시스템이 연결된다. 각 광학 측정 시스템과 표면의 거리가 다르기 때문에, 해당 채널 경로에서 반사되어 되돌아온 광 파장 펄스의 비행 시간이 변한다. 역다중화기(510)와 다중화기(550) 각각을 송신기와 수신기로 부를 수 있다.
역다중화기(510)는 광 펄스를 스펙트럼 영역에서 각 채널의 파장으로 분할하여, 서로 다른 파장의 광 파장 펄스들을 출력한다. 다채널 경로(530)는 파장분할된 복수의 광 파장 펄스들이 지나는 광 경로들(광 섬유들)로 구현되고, 적어도 하나의 채널 경로에 광학 측정 시스템이 연결된다. 다중화기(550)는 분리된 채널 경로를 지나온 광 파장 펄스들을 단일 광섬유로 전달하기 위해 다중화한다. 예를 들어, 복수의 채널 경로들 중 파장
Figure 112019044023816-pat00015
의 광 파장 펄스a가 지나는 채널 경로에 측정 대상a의 표면 형상을 측정하는 광학 측정 시스템a가 연결되고, 파장
Figure 112019044023816-pat00016
의 광 파장 펄스b가 지나는 채널 경로에 측정 대상b의 표면 형상을 측정하는 광학 측정 시스템b가 연결될 수 있다. 광 파장 펄스a와 광 파장 펄스b 각각은 비행 시간이 달라진다.
다채널 광 위상 검출기(300a)는 다채널 연결 장치(500)로부터 전송된 광 신호를 입력받는다. 광 신호는 동기화된 기준 신호에 대해 서로 다른 위상 오차(타이밍 오차)가 발생한 광 파장 펄스들을 포함한다.
다채널 광 위상 검출기(300a) 기준 신호를 이용하여 광 파장 펄스들 각각의 위상 오차(타이밍 오차)를 검출한다. 이때, 다채널 광 위상 검출기(300a)는 전광 샘플링(Electro-Optic sampling)으로 위상 오차에 비례하는 전기 신호[Ve1, Ve2,Ve3]를 출력한다. 위상 오차에 대한 전기 신호의 변화 정보는 일정 범위의 타이밍 딜레이 조율을 통해 동기화 전후로 확인할 수 있다. RF 신호원(200)의 주파수를 조정하여 관계 그래프의 기울기를 가변할 수 있고, 주파수를 높여 보다 높은 분해능으로 오차를 검출할 수 있다.
채널별 위상 오차에 해당하는 전기 신호는 채널별 균형 광 검출기(balanced photodetector)에 의해 출력될 수 있다. 각 균형 광 검출기의 두 광 다이오드로 입력되는 두 광 신호는 역다중화기에 의해 해당 채널의 파장으로 분할된 광 신호가 입력된다.
다채널 광 위상 검출기(300a)는 기준 신호와 광 펄스의 위상 오차(타이밍 오차)에 비례하는 전기 신호를 출력하는 다양한 기술로 구현될 수 있다.
도 9를 참고하면, FLOM-PD로 구현되는 다채널 광 위상 검출기(300a)는 도 4에서 설명한 광 위상 검출기(300)와 유사하게, 서큘레이터(310), 광 루프에 구현된 커플러(320), 위상 변조기 (330), 사분파장(
Figure 112019044023816-pat00017
) 바이어스(340), 그리고 다채널 균형 광 검출기(350a)를 포함한다. 다채널 균형 광 검출기(350a)는 입력된 광 신호를 최소 n개의 채널(파장)별로 분할하는 제1 방향 역다중화기(351) 및 제2 방향 역다중화기(353). 그리고 각 채널의 균형 광 검출을 위한 균형 광 검출기들(355-1, 355-2,355-3)을 포함한다. 피드백 제어기(360)는 다채널 균형 광 검출기(350a)에서 출력된 채널별 전기 신호를 기초로 광학 측정 시스템별 자동 초점 제어 신호를 생성한다.
측정 대상들 각각의 표면에서 반사되어 되돌아온 광 파장 펄스들은 서큘레이터(310)를 지나 커플러(320)에 도달한다. 커플러(320)는 광 펄스의 파워를 반으로 나누어 두 개의 광 펄스를 생성한 뒤, 루프의 서로 다른 방향으로 전달한다. 위상 변조기(330)와 사분파장 바이어스(340)를 서로 다른 방향으로 순환하면서 위상 차이가 발생한 제1 방향 펄스와 제2 방향 펄스는 커플러(320)에서 합쳐진다. 커플러(320)는 합쳐진 광 신호를 분리하고, 분리된 두 광 신호는 균형 광 검출기(350a)로 입력된다. 간섭 현상으로 광 펄스와 기준 신호의 위상 오차가 두 광 신호의 세기 차이로 변환된다.
제1 방향 역다중화기(351) 및 제2 방향 역다중화기(353) 각각은 입력된 광 신호를 채널(파장)별로 분할한다. 제1 방향 역다중화기(351) 및 제2 방향 역다중화기(353)에서 분할된 각 채널의 광 신호들은, 균형 광 검출기들(355-1, 355-2, 355-3) 중에서 대응하는 채널의 균형 광 검출기로 입력된다. 즉, 각 균형 광 검출기는 두 개의 광 다이오드로 제1 방향 역다중화기(351) 및 제2 방향 역다중화기(353)에서 분할된 해당 채널의 광 신호들을 입력받는다. 각 균형 광 검출기는 두 개의 광 다이오드로 입력된 광 신호 세기의 차이를 전기(전압) 신호로 변환한다.
피드백 제어기(360)는 다채널 균형 광 검출기(350a)에서 출력된 채널별 전기 신호를 기초로 광학 측정 시스템들(20-1, 20-2, 20-3) 각각의 초점 거리를 유지하는 자동 초점 제어 신호들을 생성한다. 자동 초점 제어 신호에 의해, 각 광학 측정 시스템은 대물 렌즈와 표면의 거리를 해당 대물 렌즈의 초점 거리로 맞출 수 있다.
도 10은 한 실시예에 따른 복수의 다채널 연결 장치들을 포함하는 다채널 자동 초점 제어 시스템을 설명하는 도면이다.
도 10을 참고하면, 다채널 연결 장치(500)는 노드마다 배치될 수 있다.
각 노드의 다채널 연결 장치(500)는 복수의 복수의 광학 측정 시스템들이 연결될 수 있는 복수의 채널 경로들을 포함하고, 복수의 채널 경로들 각각에 광학 측정 시스템이 병렬로 연결될 수 있다.
펄스 레이저(100)에서 출력된 광 펄스는 복수 노드들을 경유한 후, 다채널 광 위상 검출기(300a)로 입력된다.
이와 같이, 실시예에 따르면, 광 위상 검출기를 통해 표면과 대물렌즈의 거리를 나노미터 수준으로 매우 정밀하고 정확하게 유지할 수 있으므로, 초정밀 가공 및 계측 시스템의 성능을 높일 수 있다.
실시예에 따르면 파장분할된 복수의 광 파장 펄스들을 이용하여 복수의 광학 측정 시스템들의 초점 거리를 한꺼번에 제어할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (15)

  1. 광학 측정 시스템과 연동하는 자동 초점 제어 시스템으로서,
    펄스 레이저에 동기화된 기준 신호를 출력하는 기준 신호원, 그리고
    상기 광학 측정 시스템으로부터 상기 펄스 레이저의 광 펄스가 측정 대상의 표면에서 반사되어 들어온 광 신호를 입력받고, 전광 샘플링(Electro-Optic sampling)을 통해 상기 광 신호와 상기 기준 신호의 위상 오차에 해당하는 전기 신호를 출력하며, 상기 전기 신호를 기초로 상기 광학 측정 시스템과 상기 측정 대상의 거리를 초점 거리로 제어하는 자동 초점 제어 신호를 생성하는 광 위상 검출기를 포함하고,
    상기 자동 초점 제어 신호에 의해 상기 광학 측정 시스템의 대물 렌즈와 상기 측정 대상의 거리가 상기 대물 렌즈의 초점 거리로 유지되는, 자동 초점 제어 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 전기 신호는 상기 광학 측정 시스템과 상기 측정 대상의 거리에 관계된 정보를 포함하는, 자동 초점 제어 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 기준 신호원이 외부의 독립적인 신호원인 경우, 상기 기준 신호원을 상기 펄스 레이저에 동기화하는 동기화용 광 위상 검출기를 더 포함하고,
    상기 동기화용 광 위상 검출기는
    상기 펄스 레이저에서 출력된 동기화용 광 펄스를 입력받고, 상기 기준 신호원에서 출력되는 마이크로파와 상기 동기화용 광 펄스의 위상 오차를 보상하는 동기화용 전기 신호를 생성하며, 상기 동기화용 전기 신호를 상기 기준 신호원으로 피드백하여 상기 기준 신호원을 상기 동기화용 광 펄스에 동기화하는, 자동 초점 제어 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 기준 신호원은
    상기 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 광전 변환하여 상기 기준 신호인 전기 펄스열을 출력하는 전기 펄스 생성기를 포함하는, 자동 초점 제어 시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 기준 신호원은
    상기 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 광전 변환하여 전기 펄스열을 생성하고, 상기 전기 펄스열로부터 추출한 특정 주파수의 마이크로파를 상기 기준 신호로 출력하는 정현파 생성기를 포함하는, 자동 초점 제어 시스템.
  6. 제1항에서,
    상기 광 위상 검출기는
    광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 또는 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD)로 구현되는, 자동 초점 제어 시스템.
  7. 제1항에서,
    상기 펄스 레이저로부터 출력된 광 펄스를 상기 광학 측정 시스템으로 전달하고, 상기 광학 측정 시스템으로 전달한 광 펄스가 상기 측정 대상의 표면에서 반사되어 들어온 광 신호를 상기 광 위상 검출기로 전달하는 서큘레이터
    를 더 포함하는, 자동 초점 제어 시스템.
  8. 제1항에서,
    상기 자동 초점 제어 신호는 상기 광학 측정 시스템의 액추에이터로 전송되고,
    상기 액추에이터는 상기 자동 초점 제어 신호를 기초로 상기 대물 렌즈를 움직이는, 자동 초점 제어 시스템.
  9. 광학 측정 시스템과 연동하는 자동 초점 제어 시스템으로서,
    펄스 레이저로부터 출력된 광 펄스를 복수의 채널들로 파장분할하고, 파장분할되어 생성된 복수의 광 파장 펄스들 각각을 다채널 경로 중에서 채널별로 할당된 채널 경로로 전송하며, 상기 다채널 경로를 지나온 상기 복수의 광 파장 펄스들을 다중화하여 출력하는 다채널 연결 장치, 그리고
    상기 다채널 연결 장치에서 출력된 광 신호와 상기 펄스 레이저에 동기화된 기준 신호를 입력받고, 전광 샘플링(Electro-Optic sampling)을 통해 상기 광 신호에 포함된 상기 복수의 광 파장 펄스들 각각과 상기 기준 신호의 위상 오차에 해당하는 채널별 전기 신호를 출력하며, 상기 채널별 전기 신호를 기초로 해당 채널 경로에 연결된 광학 측정 시스템의 초점 거리 유지를 위한 광학 측정 시스템별 자동 초점 제어 신호를 생성하는 다채널 광 위상 검출기를 포함하고,
    복수의 광학 측정 시스템들 각각이 상기 다채널 경로 중 지정된 채널 경로에 연결되고, 각 채널 경로로 전송된 광 파장 펄스는 연결된 광학 측정 시스템이 측정하는 표면에서 반사되어 되돌아오는 광 경로를 지나는, 자동 초점 제어 시스템.
  10. 제9항에서,
    상기 광학 측정 시스템별 자동 초점 제어 신호는 해당 광학 측정 시스템과 측정 대상의 거리를 초점 거리로 변경하는 정보를 포함하고,
    상기 광학 측정 시스템별 자동 초점 제어 신호는 해당 광학 측정 시스템의 액추에이터로 전송되고, 각 액추에이터는 수신한 자동 초점 제어 신호를 기초로 해당 광학 측정 시스템의 대물 렌즈를 움직이는, 자동 초점 제어 시스템.
  11. 제9항에서,
    상기 채널별 전기 신호는 해당 채널 경로에 연결된 광학 측정 시스템과 측정 대상의 거리에 관계된 정보를 포함하는, 자동 초점 제어 시스템.
  12. 제9항에서,
    상기 기준 신호를 출력하는 외부의 독립적인 기준 신호원, 그리고
    상기 기준 신호원을 상기 펄스 레이저에 동기화하는 동기화용 광 위상 검출기를 더 포함하고,
    상기 동기화용 광 위상 검출기는
    상기 펄스 레이저에서 출력된 동기화용 광 펄스를 입력받고, 상기 기준 신호원에서 출력되는 마이크로파와 상기 동기화용 광 펄스의 위상 오차를 보상하는 동기화용 전기 신호를 생성하며, 상기 동기화용 전기 신호를 상기 기준 신호원으로 피드백하여 상기 기준 신호원을 상기 동기화용 광 펄스에 동기화하는, 자동 초점 제어 시스템.
  13. 제9항에서,
    상기 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 광전 변환하여 상기 기준 신호인 전기 펄스열을 출력하는 전기 펄스 생성기 또는
    상기 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 광전 변환하여 생성된 전기 펄스열로부터 특정 주파수의 마이크로파를 추출하고, 추출한 특정 주파수의 마이크로파를 상기 기준 신호로 출력하는 정현파 생성기를 더 포함하는, 자동 초점 제어 시스템.
  14. 제9항에서,
    상기 다채널 광 위상 검출기는
    광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 또는 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD)로 구현되는, 자동 초점 제어 시스템.
  15. 제9항에서,
    상기 다채널 광 위상 검출기는
    상기 광 신호에 포함된 상기 복수의 광 파장 펄스들 각각과 상기 기준 신호의 위상 오차에 해당하는 채널별 전기 신호를 출력하는 복수의 균형 광 검출기들, 그리고
    상기 복수의 균형 광 검출기들에서 출력된 채널별 전기 신호를 기초로 해당 채널 경로에 연결된 광학 측정 시스템의 초점 거리 유지를 위한 광학 측정 시스템별 자동 초점 제어 신호를 생성하는 피드백 제어기
    를 포함하는 자동 초점 제어 시스템.
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