KR102278503B1

KR102278503B1 - 분광반사 측정장치

Info

Publication number: KR102278503B1
Application number: KR1020190137776A
Authority: KR
Inventors: 박민영; 최승철
Original assignee: 주식회사 엠젠; 아주대학교산학협력단
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-07-16
Also published as: WO2021085765A1; EP4053523A1; KR20210051905A; US20220252459A1; EP4053523A4; JP2022536062A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 분광반사 측정장치는, 광원이 착탈결합되는 광원착탈부, 상기 광원착탈부에 결합된 광원에서 방출되는 광을 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 반사 시료에 조사하여 반사된 광을 출력하는 편광간섭계, 및 상기 출력된 광을 분석하여 상기 반사 시료의 물성치를 측정하는 스펙트로미터(spectrometer)를 포함하고, 상기 광원착탈부에 결합되는 광원의 파장은 상기 반사 시료에 따라 달라진다.

Description

분광반사 측정장치{Spectro reflectometer apparatus}

본 발명은 측정 대상이 되는 시료에서 반사된 광을 이용하여 시료를 측정하는 분광반사 측정장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 시료에 대한 측정에 적합한 광원을 교체가 가능하도록 결합하여 정확하고 신속한 측정이 가능한 분광반사 측정장치에 관한 것이다.

분광 스펙트럼 측정 기술은, 여러 분야에서 가장 정확하고 기대되는 해결방법 중에 하나로 손꼽히고 있다. 이러한 간섭계를 통한 편광 측정 기술을 조합하기 위하여, SD PS-OCT(spectral domain polarization-sensitive optical coherence tomography), 실시간 고감도 SPR(surface-plasmon resonance) 바이오 센싱 및 CD(circular dichroism) 와 같은 수많은 연구들이 이루어지고 있다. 또한, 스토크스 벡터를 유도할 수 있는 분광 타원 측정기의 측정값으로부터 도출하고, 스펙트럼 간섭기와 스캐닝 방법을 대체하기 위하여, 복굴절 결정이나 듀얼 스펙트럼 감지 모듈을 간섭계와 조합한 스펙트럼 접근방식도 알려져 있다. 최근에는 스냅샷 방식의 일체형 편광간섭계가 제안된 바 있으며 이로 인해 외부 진동 등에 의한 외란에 강인할 뿐만 아니라, 신속하고 안정적인 측정이 가능하게 되었다.

일반적으로 이러한 편광간섭계는 백색광을 이용하여 다양한 시료에 대해 측정을 수행하는데, 백색광을 이용하기 위하여, 쵸퍼(chopper)나 분광, 평행광을 형성하기 위한 부품들이 필요하며, 시료에 대한 측정을 위해 초기에 안정되기까지 어느정도 시간이 필요하다. 또한, 백색광이 넓은 범위의 파장을 가지고 있어, 시료 측정에 불필요한 파장의 범위까지 분석하게 되어, 시료에 대한 신속한 측정이 어렵다. 따라서, 백색광이 아닌 시료 특성에 맞는 광을 이용하여 신속하고 정확한 측정이 가능한 분광반사 측정장치를 개발할 필요가 있다.

한국등록특허공보 10-1937894호 (2019. 01. 14.)

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 시료마다 측정에 적합한 파장의 광원으로 교체가 가능하도록 형성하여 시료에 대한 신속하고 정확한 측정이 가능한 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 펄스형태의 직진광을 이용하여 신속한 측정이 가능한 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 분광반사 측정장치는, 광원이 착탈결합되는 광원착탈부; 상기 광원착탈부에 결합된 광원에서 방출되는 광을 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 반사 시료에 조사하여 반사된 광을 출력하는 편광간섭계; 및 상기 출력된 광을 분석하여 상기 반사 시료의 물성치를 측정하는 스펙트로미터(spectrometer)를 포함하고, 상기 광원착탈부에 결합되는 광원의 파장은 상기 반사 시료에 따라 달라진다.

본 발명에 따른 분광반사 측정장치에 의하면, 시료의 특성에 따라 시료 측정에 적합한 파장을 가지는 광원으로 교체가 가능함으로써 대상 시료의 물성치를 보다 정확하게 얻을 수 있다.

또한, 상기 장치에 따르면, 펄스 형태의 직진광을 이용함으로써 신속한 측정이 가능하다는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광반사 측정장치의 편광간섭계의 개념도이다.
도 2는 편광간섭계, 광원, 광원착탈부 및 스펙트로미터를 함께 패키지화 분광반사 측정장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광반사 측정장치의 세부적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 편광 빔 스플리터 및 미러를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분광반사 측정장치의 세부적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광반사 측정장치의 측면도이고, 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분광반사 측정장치의 측면도이다.
도 7 및 도 8은 도 6a의 분광반사 측정장치 상방 및 하방에서 바라본 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분광반사 측정장치 내부 투시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광반사 측정장치의 편광간섭계(Polarization interferometer)(110)의 개념도이다. 편광간섭계(110)는 광원에서 방출되는 광을 입사하는 광입력 단자(101), 편광간섭계(110)로부터 광을 반사 시료에 조사하고, 반사시료에서 반사된 광을 입사하는 측정 단자(102), 및 편광간섭계(110)로부터 광을 스펙트로미터(spectrometer)로 출사하는 광출력 단자(103) 및 세 개의 단자(101, 102, 103)를 장착한 하우징(111)을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이, 편광간섭계(110)는 광원이나 분광계가 착탈 가능한 하우징(111)으로 구성될 수 있기 때문에 모듈화, 소형화가 가능하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분광반사 측정장치(100)는 광원(120), 편광간섭계(110), 및 스펙트로미터(150)가 패키지로 형성될 수 있다. 신호분석부(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 이때, 광원(120)의 광원측 단자(131)와 편광간섭계(110)의 광입력 단자(101) 사이, 편광간섭계(110)의 광출력 단자(103)와 스펙트로미터(150)의 광입력 단자(101) 사이는 직접 연결되거나, 광을 전달하는 매체로서 광 파이버(optical fiber) 내지 광 케이블(optical cable, 10, 20)이 연결될 수 있다.

이 때, 편광간섭계(110)는 광원(120)에서 방출된 광을, 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 반사 시료에 조사하여 반사된 광을 출력한다. 이와 같이 출력된 광은 스펙트로미터(150)로 제공되며, 스펙트로미터(150)는 상기 출력된 광을 분석하여 상기 반사 시료의 물성치를 측정한다.

광원착탈부에는 광원(120)이 착탈결합된다. 편광간섭계(110)에 광을 방출하는 광원(120)이 분광반사 측정장치(100)에 고정되지 않고, 광원착탈부 통해 착탈 가능하도록 형성된다. 광원(120)이 착탈 가능하기 때문에, 광원(120)의 교체가 용이하다. 따라서, 반사 시료에 따라 광원을 선택하여 교체할 수 있고, 다양한 광원 선택이 가능하다. 광원(120)은 광원착탈부와 볼트-너트 방식이나 끼움 방식으로 착탈 가능할 수 있고, 이외의 착탈 가능한 다양한 방식으로 결합될 수 있다.

광원착탈부에 결합되는 광원(120)의 파장은 측정하고자 하는 반사 시료에 따라 다른 파장을 가진다. 기존 넓은 범위의 백색 광원(white light source)보다 신속하고 정확한 측정을 위하여, 반사 시료에 민감한 파장을 가지는 광원을 이용한다. 광원착탈부에 결합할 광원(120)의 선택은 측정하고자 하는 반사 시료의 특성에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로는, 반사 시료에 대한 간섭 무늬가 잘 생기는 파장의 가진 광원을 선택할 수 있다. 이때, 간섭 무늬의 해상도가 임계치 이상인 파장을 선택할 수 있다. 여기서, 임계치는 다른 파장과의 상대적인 수치일 수 있고, 다른 파장과 무관한 절대 수치일 수도 있다.

광원(120)은 직진광을 방출하는 광원을 이용할 수 있다. 직진광을 이용함으로써 백색 광원을 이용함으로 인해 필요한 쵸퍼(chopper), 분광, 평행광 형성을 위한 렌즈 등의 부품 없이 편광 측정이 가능하다. 직진광은 확산성보다 직진성이 큰 광으로, 레이저, LED 등이 이에 해당한다. 따라서, 광원(120)은 레이저 또는 LED 일 수 있다. 레이저(laser)는 주파수가 일정한 즉, 파장이 일정한 광을 방출하는 광원으로, 가간섭 길이가 백색 광원보다 길기 때문에 간섭 무늬가 잘 생기는 바, 백색 광원보다 측정에 용이하다. LED 또한, 특정 파장을 가지는 직진성이 강한 광을 방출하는 광원이다. 이외에도 직진성을 가지는 다양한 광을 방출하는 광원(120)을 이용할 수 있음은 당연하다.

직진성을 가지는 광원뿐만 아니라 백색 광원으로 교체도 가능하다. 백색 광원을 결합하는 경우, 백색 광원을 평행광으로 변환시키기 위한 광학계를 함께 결합할 수 있다. 이때, 결합되는 광학계는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens), 선형 편광자(Linear Polarizer), 아이리스(iris)로 구성될 수 있다. 광원에서 방출된 광은 콜리메이팅 렌즈에서 평행광으로 변환되고, 광 간섭의 콘트라스트를 향상시키기 위해, 선형 편광자에서 45° 방향으로 선형 편광될 수 있다. 또한, 아이리스는 선형 편광자를 통과한 선형 편광의 크기를 조절할 수 있다.

반사 시료가 어느 파장대에 민감한지를 도출한 후, 해당 파장을 가지는 광원을 선택하여 광원착탈부에 결합하여 측정을 위한 광원으로 이용할 수 있다. 이때, 광원은 반사 시료를 측정하는데 필요한 단일 파장을 가질 수 있다. 반사 시료에 민감하여 반사 시료를 측정하기에 적합한 단일 파장을 가지는 광원을 이용함으로써, 반사 시료에 대한 신속하고 정확한 측정이 가능하다. 광원(120)은 광원착탈부에 착탈결합되며, 반사 시료에 따라 다른 파장을 가지는 광원으로 교체가 가능하다. 간단하게 광원을 교체할 수 있어, 다양한 파장대의 광원을 선택할 수 있어 사용자가 쉽게 이용할 수 있다. 또는, 광원(120)은 파장이 가변되는 광원일 수 있다. 특정 파장을 가지는 광원을 교체하는 것뿐만 아니라, 복수의 파장으로 파장 가변이 가능한 광원을 이용할 수 있다. 가변파장 레이저 등의 가변파장 광원을 이용함으로써 하나의 광원으로 반사 시료에 맞게 파장을 가변해가며 측정을 수행할 수 있다.

반사 시료에 대한 측정에 적합한 파장을 도출하기 위하여, 반사 시료에 대한 측정을 수행할 수 있다. 파장을 변경하며, 반사 시료에 민감한 파장을 도출한다. 이때, 가변파장 광원을 이용하여 측정하거나 백색 광원을 이용하여 넓은 파장을 가지는 광원을 이용하여 측정되는 결과를 분석하여 해당 반사 시료에 민감한 파장을 도출할 수 있다. 또는, 반사 시료마다 미리 측정을 통해 저장된 반사 시료별 측정 파장 정보를 이용할 수 있다. 반사 시료별 측정 파장 정보는 룩업 테이블로 생성되어 저장될 수 있다. 측정을 통해 도출된 특정 반사 시료에 대한 측정 파장 정보는 저장하였다가, 이후 동일한 반사 시료에 대한 측정시, 이전 정보를 이용하여 해당 측정 파장을 가지는 광원을 광원착탈부에 결합하여 해당 반사 시료에 대한 측정에 이용할 수 있다.

광원(120)은 특정 파장을 가지는 광을 펄스 형태로 방출할 수 있다. 광을 연속적으로 방출할 수도 있으나, 광을 펄스 형태로 방출함으로써 신속한 측정이 가능하도록 할 수 있다. 펄스마다 간섭무늬가 생성될 수 있는 바, 광을 펄스 형태로 방출하여 측정하고자 하는 영역에만 조사함으로써 그 영역에 대한 측정을 빠르게 수행할 수 있다.

스펙트로미터(150)는, 한국특허공보 1812608호에서도 언급된 바와 같이, 스냅샷(snapshot/single shot) 방식으로 측정 대상이 되는 반사 시료의 분광편광 정보를 실시간/고속으로 측정하기 위한 장치로 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광반사 측정장치(100)의 세부적인 구성을 도시한 블록도이다. 분광반사 측정장치(100)는 편광간섭계(110)를 포함하고, 광원(120)이 착탈결합하는 광원착탈부 및 스펙트로미터를 패키지로 포함할 수 있다. 편광간섭계(110)는 광입력 단자(101), 측정 단자(102), 광출력 단자(103), 제1 편광 빔 스플리터(111), 제1 미러(113), 제2 미러(112), 및 제2 편광 빔 스플리터(114)로 구성되고, 모든 구성요소들은 하우징 내에 수용되어 설치될 수 있다.

광입력 단자(101)는 광원(121)에서 방출되는 광을 입사하고, 상기 입사된 광은 편광 빔 스플리터(111)에서 제1 편광 빔 스플리터(111) 투과하는 제1 편광과 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 반사되는 제2 편광으로 분리된다. 여기서, 제1 편광은 P 편광이고, 제2 편광은 S 편광일 수 있고, 그 반대로 구현될 수도 있다.

이 때, 제1 편광 빔 스플리터(111)를 구성하는 면들 중에서 제1 면에는 제1 미러(112)가 설치되어 제1 편광 빔 스플리터(111)를 투과한 제1 편광을 제1 편광 빔 스플리터(111)로 반사한다. 여기서, 제1 면은 입사 광축에 수직인 면일 수 있다. 반사된 제1 편광은 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 반사되어 제2 편광 빔 스플리터(114)로 이동한다.

제1 면에 수직인 제2 면에는 제2 미러(113)가 설치되어 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 반사되는 제2 편광을 제1 편광 빔 스플리터(111)로 반사한다. 여기서, 제2 면은 입사 광축에 평행한 면으로 상면일 수 있다. 반사된 제2 편광은 제1 편광 빔 스플리터(111)를 투과하여 제2 편광 빔 스플리터(114)로 이동한다.

분광편광 신호에 고주파 신호를 생성하기 위해, 제1 편광 빔 스플리터(111)를 투과하고 제1 미러(112)에서 반사된 후, 다시 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 상방으로 반사되는 제1 편광의 광경로 길이와, 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 반사된 후 제2 미러(113)에서 반사되는 제2 편광의 광경로 길이는 차이가 있다. 즉, 어느 한 광경로 길이가 다른 한 광경로 길이보다 대략 20~60μm 길게 형성할 수 있다. 이 때, 제1 편광의 광경로 길이가 길어도 무방하고 제2 편광의 광경로 길이가 길어도 무방하다.

이러한 광경로 길이 차이를 발생시키기 위해, 제1 편광 빔 스플리터(111)의 제1 면과 제1 미러(112)의 간격과, 제1 편광 빔 스플리터(111)의 제2 면과 제2 미러(113) 간의 간격에 차이를 둘 수 있다. 즉, 제1 미러(112)와 제2 미러(113) 중 어느 하나가 다른 하나 보다 제1 편광 빔 스플리터(111)의 해당 면으로부터 상기 광경로 길이의 차이(대략 20~60μm) 만큼 더 떨어져 있을 수 있는 것이다.

그런데, 상기 광경로 길이의 차이는 미세한 차이만으로도 최종 측정 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 제조 오차나 외부 온도 등 다양한 요인에 의해 발생할 수 있는 분광반사 측정장치에서의 광경로 길이의 차이에 관한 오차를, 사전에 수행되는 캘리브레이션 과정을 통해 제거할 필요가 있다. 이러한 캘리브레이션 과정은 최종적으로 스펙트로미터에서 측정되는 신호의 크기를 최대화함으로써 분광반사 측정장치의 측정 성능 내지 정밀도를 향상시키는 데에 기여한다.

이를 위하여 본 발명에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 편광 빔 스플리터(111)의 서로 다른 면에 형성된 미러들(112, 113) 중 적어도 하나를 가동 미러로 구현하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 편광 빔 스플리터(111)의 제1 면에 형성된 제1 미러(112)는 제1 편광 빔 스플리터(111)에 대해 고정된 고정 미러이고, 제2 면에 형성된 제2 미러(113)는 제1 편광 빔 스플리터(111)에 대해 수직인 방향으로 변위될 수 있는 가동 미러일 수 있다. 이와 같이, 제2 미러(113)를 가동 미러로 구현하여 제1 편광 빔 스플리터(111)와의 간격을 조절함으로써 상기 광경로 길이의 차이를 최적으로 설정할 수 있다.

이 때, 가동 미러인 제2 미러(113)는 전기적으로 종방향 변위(z축 변위)를 제어할 수 있도록 압전소자 상에 설치될 수 있다. 압전소자란 압력 내지 변위가 가해질 때 전기를 발생하는 성질을 갖는 소자, 또는 전기가 가해질 때 압력 내지 변위가 발생하는 소자를 통칭한다. 특히, 압전소자가 갖는 후자의 특성이 사용된다. 구체적으로 상기 압전소자는 피에조 스테이지(piezo-stage)로 구성될 수 있으며, 상기 전기 신호와 상관없이 고정되는 고정 부재와, 상기 고정 부재 상에 설치되고 상기 전기 신호에 따라 신축/축소되는 가동 부재를 포함한다. 상기 가동 부재는 위치에 무관하게 동일한 크기만큼 변위(신축/축소)될 수 있다. 또는, 상기 가동 부재는 미리 정해진 몇몇 지점(2지점, 3지점 등)에서만 변위되게 할 수도 있는데, 이 경우에는 위치별 편차로 인해 가동 미러의 종방향 변위뿐만 아니라 틸트각까지 미세하게 조절될 수 있을 것이다.

이와 같이, 제2 미러(113)를 가동 미러로 구현하여 편광 빔 스플리터(111)와의 간격을 조절함으로써 상기 광경로 길이의 차이가 측정 대상인 반사 시료(200)에 맞게 적응적으로 조절될 수 있는 것이다. 다만, 이에 한하지 않고 반대로 제1 미러(112)를 가동 미러로 설계하거나, 제1 및 제2 미러(113)를 모두 가동 미러로 설계할 수도 있을 것이다.

이와 같이, 서로 다른 경로를 통해 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 제2 편광 빔 스플리터(114)로 향한 제1 편광 및 제2 편광은 복합파의 형태로 제1 편광 빔 스플리터(111)로 입사된다. 제2 편광 빔 스플리터(114)로 입사된 상기 복합파는 제2 편광 빔 스플리터(114)에서 반사되어 측정 단자(102)로 출력되고, 측정 단자(102)로 출력된 광은 반사 시료(200)로 조사된다. 또한, 반사 시료(200)에 조사된 광은 반사 시료(200)에서 반사되어 다시 측정 단자(102)로 입사된다.

측정 단자(102)로 입사된 광은, 제2 편광 빔 스플리터(114)를 투과하여 광출력 단자(103)를 통해 스펙트로미터로 전달될 수 있다. 스펙트로미터는 예를 들어 센서 어레이 타입일 수 있으며, 반사 시료(200)의 분광편광 정보를 나타내는 스토크스 벡터를 스냅샷 방식으로(실시간 및 고속으로) 측정할 수 있다. 이를 통해 최종적으로 반사 시료(200)의 재질, 두께와 같은 물성치를 얻을 수 있다.

측정 단자(102)는 프로브(probe)와 연결될 수 있다. 프로브는 접속 단자, 프로브 아암(probe arm) 및 프로브 헤드를 포함하며, 접속 단자는 측정 단자(102)에 대해 착탈 가능하도록 구성될 수 있다. 프로브 아암은 내부에 광이 전도될 수 있는 광 파이버 내지 광 케이블을 포함하며, 구부러진 상태로 유지될 수 있는 재질의 외부 피복을 더 포함한다. 따라서, 사용자는 프로브 아암을 구부림으로써 프로브 헤드의 위치를 자유롭게 조정할 수 있다. 프로브 헤드는 프로브 아암에서 접속 단자의 반대쪽에 설치되어 반사 시료(200)에 광을 출력하거나 반사 시료(200)에서 반사된 광을 수용하는 구성요소이다. 프로브 헤드는 그 말단에 렌즈 등 추가적인 광학계를 더 구비할 수 있다. 이와 같이, 상기 광 파이버 내지 광 케이블은 광 전도에 있어서 양방향성을 가지도록 구성할 수 있다. 다만, 이에 한하지 않고 일방향성을 갖는 2개의 광 파이버 내지 광 케이블을 사용하는 것도 가능함은 물론이다. 이와 같이 프로브를 분광반사 측정장치(100)에 착탈 가능하게 함으로써, 시료 측정 환경에 따라 다양한 길이 및 종류의 프로브를 사용할 수 있다는 장점이 있다.

편광간섭계(110)는 도 5와 같이, 입력 광학계(116) 또는 출력 광학계(117)를 더 포함할 수 있다. 광원으로 백색 광원을 이용하는 경우, 입력된 광이 평행광으로 변환되어 제1 편광 빔 스플리터(111)로 입사되어야 하는바, 입력 광학계(116)를 통해 광을 평행광으로 변환할 수 있다. 입력 광학계(116)는 예를 들어, 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)(116a), 선형 편광자(Linear Polarizer)(116b) 및 아이리스(iris)(116c)로 구성될 수 있다.

구체적으로, 광입력 단자(201)를 통해 입력된 광은 콜리메이팅 렌즈(116a)에서 평행광으로 변환된다. 이 평행광은 선형 편광자(116b)에서 45° 방향으로 선형 편광될 수 있다. 또한, 아이리스(116c)는 선형 편광자(116b)를 통과한 선형 편광의 크기를 조절한다. 아이리스(611c)에 의해 적정 크기로 조절된 선형 편광은 제1 편광 빔 스플리터(111)로 입사된다.

또한, 측정 단자(102)로 입사된 광은, 제2 편광 빔 스플리터(114)를 투과하여 출력 광학계(117)를 통해 스펙트로미터로 전달될 수 있다. 측정 단자(102)로 다른 경로를 통해 입사된 2개의 광은 결국 간섭광의 형태로 출력 광학계(117)로 입사된다. 출력 광학계(117)는 대표적으로 선형 편광자를 포함할 수 있으나 이에 한하지 않고 추가적인 렌즈 등의 광학계를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제2 편광 빔 스플리터(114)로부터 전달된 간섭광은 45° 방향으로 선형 편광시키기 위한 선형 편광자(117)를 투과한 후 광출력 단자(103)를 통해 스펙트로미터로 전달될 수 있다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광반사 측정장치(100)의 구체적인 구성을 도시한 도면이고, 도 7 및 도 8은 사시도이다. 분광반사 측정장치(100)는 광원착탈부(130), 광원착탈부(130)에 착탈되어 교체 가능한 광원(120), 및 편광간섭계(110)를 포함하고, 편광간섭계(110) 출사되는 광의 이동거리를 확보할 수 있도록 출력광학계(140)를 포함할 수 있다. 또한, 스펙트로미터(150)를 더 포함할 수 있다.

광원착탈부(130)에는 광원(120) 착탈 가능하며, 광원(120)은 광원착탈부(130)에 착탈 결합한다. 광원(120)은 광원착탈부(130)와 끼움 형식 또는 볼트-너트 메카니즘을 이용하여 착탈 결합할 수 있다. 도 7과 같이, 광원착탈부(130)에 광원(120)이 삽입될 수 있는 홈이 형성되거나, 광원(120)에는 수나사가 형성되고 광원착탈부(130)가 암나사가 형성되어 착탈 결합할 수 있다. 이외에도 광원(120)이 착탈 결합하도록 광원착탈부(130)에 다양한 구조가 형성될 수 있다. 광원착탈부(130)는 편광간섭계(110)와 일체형으로 형성되거나, 각각 모듈화되어 결합될 수 있다. 광원착탈부(130)에는 입력광학계가 형성될 수도 있다. 광원(120)으로 직진광만을 이용하는 경우에는 입력 광학계는 형성되지 않을 수 있다.

편광간섭계(110)는 광원착탈부(130)를 통해 광원(120)으로부터 방출된 광이 입사된다. 편광간섭계(110)는 제1 편광 빔 스플리터를 이용하여 입사된 광을 제1 편광 및 제2 편광으로 분리하고, 제1 미러(112) 및 제2 미러(113)를 이용하여 제1 편광 및 제2 편광을 광경로 길이의 차이를 발생시켜 간섭을 발생하도록 한다. 제1 미러(112) 및 제2 미러(113)는 도 6b와 같이, 위치가 서로 반대일 수 있다.

제1 편광 및 제2 편광의 복합파는 제2 편광 빔 스플리터(114)로 이동되고, 제2 편광 빔 스플리터(114)에서 반사되어 측정 단자를 통해 반사 시료에 조사된다. 반사 시료에서 반사되어 입력된 광은 제2 편광 빔 스플리터(114)를 투과하여 출력광학계(140)로 출사된다.

출력광학계(140)를 통과한 광은 스펙트로미터(150)로 입사되고, 스펙트로미터(150)는 출력광학계(140)를 통해 입사되는 광을 분석하여 반사 시료의 물성치를 측정한다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분광반사 측정장치 내부 투시도이다. 광원찰탁부(130) 내부에 도 9와 같이, 입력광학계(116)가 형성될 수 있고, 편광간섭계의 제1 미러(112) 미 제2 미러(113)는 도 9와 같이 형성될 수 있으며, 출력광학계(140) 내부에는 선형 편광자(117)가 형성될 수 있다.

한편, 입력 광학계(116)나 출력 광학계(140)와는 별도로, 제1 편광 빔 스플리터(111)와 제1 미러(112) 사이, 그리고 제1 편광 빔 스플리터(111)와 제2 미러(113) 사이에는 각각 편광자, 편광 렌즈와 같은 광학계가 더 구비될 수 있다.

분광반사 측정장치의 바람직한 성능을 구현하기 위해서는, 입출력 광학계(116, 140)와, 제1 미러(112) 및 제2 미러(113) 부근에 각각 배치된 2개의 광학계에는 서로 다른 각도로 편향된 선형 편광자들이 각각 배치되도록 할 필요가 있다. 예를 들어, 입력 광학계(116) 및 출력 광학계(140)에 구비된 선형 편광자들이 갖는 편광각은 45°이고, 제1 미러(112)의 부근에 배치된 선형 편광자가 갖는 편광각은 90°이며, 제2 미러(113)의 부근에 배치된 선형 편광자가 갖는 편광각은 0°로 구성될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 입력 광학계(116)에 포함되는 선형 편광자는 브라켓(118a)에, 출력 광학계(241)에 포함되는 선형 편광자는 브라켓(118d)에, 제1 미러(112)의 부근에 배치되는 선형 편광자는 브라켓(118c)에, 제2 미러(113)의 부근에 배치되는 선형 편광자는 브라켓(118b) 각각 설치될 수 있다. 이 때, 각각의 선형 편광자는 설정된 편광각에 맞게 설치 방향을 결정한 후 해당 브라켓 내에 설치될 수 있다.

이상에서 설명된 분광반사 측정장치를 이용하여 연속적으로 공급되는 롤투롤 반사 시료를 효율적으로 측정하기 위해서, 분광반사 측정장치는 거치대 내지 갠트리에 설치될 수 있다. 갠트리 상에서 분광반사 측정장치가 횡방향으로 이동 가능하도록 설치함으로써 반사 시료의 다양한 위치에서의 측정이 가능하다.

갠트리의 상부 횡단 지지대에 분광반사 측정장치를 거치할 때에는 측정 단자가 아래로 향하도록 설치될 수 있다. 겐트리에 설치되어 반사 시료를 측정하는 경우, 반사 시료는 바람직하게는, 두 개의 롤러 사이에서 이송되는 가요성 기판과 같은 연속적으로 이송되는 시료이다. 이러한 반사 시료는 어느 정도의 횡방향 크기를 가지므로 미리 재단된 시료에 비해, 연속적인 다지점의 측정이 필요할 수 있다. 연속적으로 공급되는 반사 시료는 특정 횡방향 위치에 있는 분광반사 측정장치에 의해 순시적으로 측정될 수 있다. 이 때, 제1 위치에 거치된 분광반사 측정장치는 측정 단자를 통해 반사 시료의 제1 지점을 측정할 수 있는데, 사용자는 필요에 따라 그 위치를 횡방향으로 이동하여 반사 시료의 제2 지점을 측정할 수도 있다. 이러한 횡방향 위치 이동은 임의의 위치로도 가능하겠지만 미리 정해진 이격된 위치들(discrete positions)에 정확히 놓여질 수 있도록 할 수도 있다. 이 때에는 횡단 지지대의 횡방향 해당 위치에 고정형 또는 이동형 스토퍼(미도시 됨)를 구비함으로써 분광반사 측정장치의 정위치를 안내해 줄 수도 있을 것이다. 분광반사 측정장치를 상부 횡단 지지대에 거치하여 반사 시료의 상면을 측정하는 것으로 예시하였지만, 이에 한하지 않고 상기 장치를 하부 횡단 지지대에 거치하여 반사 시료의 하면을 측정하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 분광반사 측정장치는 하방에서 위쪽을 측정하여야 하므로 상하 대칭 형태로 하부 횡단 지지대에 거치되어야 할 것이다.

한편, 분광반사 측정장치의 측정 단자와 반사 시료 간의 거리도, 스펙트로미터에서 분석되는 신호의 강도에 영향을 줄 수 있으므로 최적으로 결정될 필요가 있다. 따라서, 추가적으로 상부 횡단 지지대가 어느 정도 범위에서 승강할 수 있는 구조(예: 리니어 모터, 리드 스크류 등)가 제공될 수 있고, 이를 통해 측정 단자와 반사 시료 간의 최적의 거리를 조절하는 것도 가능하다. 또한, 다른 위치들에 미리 복수의 분광반사 측정장치를 배치하여 반사 시료의 여러 지점을 한꺼번에 측정하는 것도 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

100: 분광반사 측정장치 101: 광입력 단자
102: 측정 단자 103: 광출력 단자
111: 제1 편광 빔 스플리터 112: 제1 미러
113: 제2 미러 114: 제2 편광 빔 스플리터
120: 광원 130: 광원착탈부
1321: 광원측 단자 140: 출력광학계
150: 스펙트로미터 200: 반사 시료

Claims

반사 시료로 조사되는 광을 발생시키는 광원;
상기 광원이 착탈 가능하도록 결합되는 광원착탈부;
상기 광원착탈부에 결합된 광원에서 방출되는 광을 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 상기 반사 시료에 조사하여 반사된 광을 출력하는 편광간섭계; 및
상기 출력된 광을 분석하여 상기 반사 시료의 물성치를 측정하는 스펙트로미터(spectrometer)를 포함하고,
상기 광원착탈부에 결합되는 광원의 파장은 상기 반사 시료에 따라 다른, 분광반사 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 광원은 상기 반사 시료를 측정하는데 필요한 단일 파장을 가지는 광원인, 분광반사 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 광원은 파장이 가변되는 광원인, 분광반사 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 광원은 특정 파장을 가지는 광을 펄스 형태로 방출하는, 분광반사 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 광원은 레이저 또는 LED인, 분광반사 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 편광간섭계는,
상기 광원에서 방출되는 광을 입사하는 광입력 단자;
상기 입사된 광을 분리하는 제1 편광 빔 스플리터;
상기 제1 편광 빔 스플리터의 제1 면에 설치되어, 상기 제1 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 제1 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러;
상기 제1 면에 수직으로 상기 제1 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 제1 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 제1 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;
상기 제1 편광 및 상기 제2 편광이 복합되어 생성된 복합파를 반사 시료로 전달하고, 상기 반사 시료에서 반사된 광을 수신하여 상기 스펙트로미터로 출사하는 제2 편광 빔 스플리터; 및
상기 광입력 단자, 상기 제1 편광 빔 스플리터, 상기 제1 미러, 상기 제2 미러, 상기 제2 편광 빔 스플리터를 수용하는 하우징을 포함하는, 분광반사 측정장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 미러는 상기 제1 면에 대해 고정된 고정 미러이고, 상기 제2 미러는 상기 제2 면에 대해 수직인 방향으로 변위될 수 있는 가동 미러이며,
상기 제2 미러의 변위에 의해 상기 제1 편광의 경로 길이와 상기 제2 편광의 경로 길이 간의 차이가 조절될 수 있는, 분광반사 측정장치.