KR20090046564A - 레이저 간섭계식 메코메타 및 이를 이용한 거리 측정 방법 - Google Patents

레이저 간섭계식 메코메타 및 이를 이용한 거리 측정 방법 Download PDF

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Abstract

레이저 간섭계식 메코메타 및 이를 이용한 거리 측정 방법이 개시된다. 레이저 장치는 소정의 기간 동안 주파수가 일정하게 유지되는 빔을 주파수를 달리하며 방출하고, 방출된 빔 각각의 파장을 산출하여 출력한다. 광학 장치는 레이저 장치가 방출한 빔 각각을 변위광 및 기준광으로 분할하여 변위광을 측정대상물에 투사하고 측정대상물로부터 반사된 변위광과 기준광의 광경로 차이로 인한 간섭무늬를 각각 형성한다. 광검출수단은 광학 장치가 형성한 간섭무늬 각각을 검출한다. 거리산출부는 레이저 장치가 출력한 파장 및 광검출수단이 검출한 간섭무늬 각각을 기초로 상기 측정대상물의 거리를 산출한다. 본 발명에 의하면, 거리 측정에 사용되는 빔의 파장의 크기보다 미세한 크기의 거리까지 정확하게 산출하여 사용되는 빔의 파장의 크기의 한계로 나타나는 오차의 발생을 방지하고 고정밀도로 거리를 측정할 수 있으며, 측정대상물의 초기 위치에 대한 정보 없이도 측정대상물의 거리를 측정할 수 있다.
레이저, 메코메타, 파장, 주파수, 거리, 간섭무늬

Description

레이저 간섭계식 메코메타 및 이를 이용한 거리 측정 방법{Laser interferometric mekometer and method for measuring distance using the same}
레이저 간섭계식 메코메타 및 이를 이용한 거리 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광의 간섭을 이용하여 미세 거리를 오차 없이 정밀하게 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
에테르의 존재를 확인하기 위한 1887년의 마이켈슨-몰리의 실험(Michelson-Moley's experiment)에서 마이켈슨 간섭계가 사용된 이래로, 간섭계(interferometer)는 미세 거리 측정이 필요한 광학부품 소자 가공 산업, 다이아몬드 연마 공정(diamondturning), 정밀 기계 가공(precision processing), 정밀 측정분야 등에서 많이 사용되고 있다. 특히, 1960년에 레이저가 개발된 이후, 레이저를 간섭계의 광원으로 이용하는 레이저 간섭계는 더욱 다양한 분야에서 더욱 정밀한 측정을 가능하게 만들었다. 레이저 간섭계를 이용하여 1 ㎛ 이하의 미소변위를 측정해야하는 경우는 다음과 같다. 반도체 노광 장비에 있어서 마스크와 웨이퍼의 정렬을 위해 스테이지의 변위를 정확히 측정해야 하는 경우, 원자 현미경(AFM : Atomic Force Microscopy) 또는 근접 현미경(SNOM : Scanning Near-field Optical Microscopy)과 같은 나노측정 장비의 스테이지의 이동을 측정해야 하는 경우, 나노미터 단위의 오차 범위 내에서의 위치 추적이 필요한 광자기 디스크의 헤드 스캔 위치를 모니터링 하는 경우 등등이 있다.
미세 거리를 측정하는 원리를 설명하면, 기존의 간섭계는 레이저로부터 방출되는 빔을 기준광선과 측정광선으로 분할하고 분할된 기준광선은 고정된 길이의 광경로(a fixed optical path length of reference beam)를 갖게 한다. 또한 기존의 간섭계는 분할된 측정광선(measuring beam)이 계측대상(target object)을 경유하게 하여 가변적인 길이의 광경로(optical path length)를 갖게 한다. 그리고 기존의 간섭계는 광경로가 서로 다른 기준광선 및 측정광선에 의해 간섭무늬가 형성되는 간섭 현상이라는 물리적 현상(the physical phenomenon of interference of light)을 이용하여 계측대상의 거리를 측정한다.
기존의 간섭계가 이용하는 간섭 현상에 의해 형성되는 간섭무늬는 다음의 수학식 1에 의해 수학적으로 기술될 수 있다.
Figure 112007079712322-PAT00001
여기서, V(λ), I 1 및 I 2는 각각 간섭무늬, 기준 광선 및 측정 광선의 세기들(intensities)이고, θ는 기준 광선과 측정 광선 사이의 상대적인 위상차이다.
수학식 1에서 알 수 있듯이, 간섭무늬의 세기의 변화는 위상차(θ)에 의해 유발된다. 따라서 기존의 간섭계는 형성되는 간섭무늬를 검출하여 검출된 간섭무늬 가 이동하는 수를 측정하면, 계측대상의 초기 위치에 대한 상대적인 위치 변위를 산출할 수 있으며 이때, 계측대상의 위치는 다음의 수학식 2에 의해 산출된다.
Figure 112007079712322-PAT00002
여기서, X는 계측대상의 변위(displacement)이고, X0은 계측대상의 초기 위치(initial position)이고, N은 간섭무늬의 개수(fringe number)이고, λ는 사용된 빔의 파장(wavelength)이다.
수학식 2에서 알 수 있듯이, 기존이 간섭계는 거리 측정에 있어서 파장(λ)의 크기만큼의 오차가 발생하고, 초기 위치에 대한 상대적인 거리 변위값을 측정하여 거리를 계측해야하는 한계가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 거리 측정에 사용되는 빔의 파장의 크기보다 미세한 크기의 거리까지 정확하게 산출하여 사용되는 빔의 파장의 크기의 한계로 발생하는 오차를 극복하고 고정밀도로 거리를 측정할 수 있으며, 측정대상물의 초기 위치에 대한 정보 없이도 측정대상물의 거리를 측정할 수 있는 레이저 간섭계식 메코메타 및 이를 이용한 거리 측정 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타는, 소정의 기간 동안 주파수가 일정하게 유지되는 빔을 상기 주파수를 달리하며 방출하고, 상기 방출된 빔 각각의 파장을 산출하여 출력하는 레이저 장치; 상기 방출된 빔 각각을 변위광 및 기준광으로 분할하여 상기 변위광을 측정대상물에 투사하고 측정대상물로부터 반사된 상기 변위광과 기준광의 광경로 차이로 인한 간섭무늬를 각각 형성하는 광학 장치; 상기 형성된 간섭무늬 각각을 검출하는 광검출수단; 및 상기 산출된 파장 및 검출된 간섭무늬 각각을 기초로 상기 측정대상물의 거리를 산출하는 거리산출부;를 구비한다.
상기 레이저 장치는, 상기 빔을 생성하는 반도체 레이저; 상기 생성된 빔의 파장을 검출하기 위한 간섭신호를 생성하는 간섭신호 생성부; 상기 특정 주파수를 공진 주파수로 가지며, 상기 생성된 빔을 조사받고 상기 조사된 빔의 주파수와 상기 공진 주파수가 동일한 경우에는 상기 조사된 빔을 상기 반도체 레이저로 피드백 하는 외부반사체; 상기 외부 반사체가 상기 조사된 빔을 피드백한 경우에는 상기 생성된 빔을 외부로 방출하는 광전달부; 및 상기 생성된 간섭신호 및 상기 공진 주파수를 기초로 상기 방출된 빔의 파장을 산출하는 제어부;를 포함한다.
바람직한 일실시예로 상기 광학 장치는, 상기 방출된 빔을 상기 변위광 및 기준광으로 분할하고, 상기 분할된 변위광을 상기 측정대상물로 투사하고 상기 측정대상물로부터 반사된 변위광을 재입사 받으며, 상기 분할된 기준광을 반사하는 광분할기; 및 상기 반사된 기준광을 상기 광분할기로 조사하여 상기 광분할기에서 상기 재입사된 변위광과 조사된 기준광의 광경로 차이로 인한 간섭무늬를 형성하도록 하는 반사경;을 포함한다.
바람직한 다른 실시예로 상기 광학 장치는, 상기 방출된 빔을 상기 변위광 및 기준광으로 분할하는 광분할기; 상기 분할된 기준광을 수신하는 제 1수신부; 상기 측정대상물에 결합되어 상기 변위광을 수신하는 제 2수신부; 및 상기 수신된 변위광과 기준광의 광경로 차이로 인한 간섭무늬를 형성하는 광겹합기;를 포함한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타를 이용한 거리 측정 방법은, 제 1주파수로 주파수가 일정하게 유지되는 빔을 방출하고, 상기 방출된 빔의 파장을 제 1파장으로 산출하는 단계; 상기 방출된 빔을 변위광 및 기준광으로 분할하고 상기 분할된 변위광을 측정대상물에 투사하여 측정대상물로부터 반사된 상기 변위광과 상기 기준광의 광경로 차이로 인한 제 1간섭무늬를 형성하는 단계; 상기 형성된 제 1간섭무늬를 검출하는 단계; 제 2주파수로 주파수가 일정하게 유지되는 빔을 방출하고, 상기 방출된 빔의 파장을 제 2파장으로 산출하는 단계; 상기 방출된 빔을 변위광 및 기준광으로 분할하고 상기 분할된 변위광을 측정대상물에 투사하여 측정대상물로부터 반사된 상기 변위광과 상기 기준광의 광경로 차이로 인한 제 2간섭무늬를 형성하는 단계; 상기 형성된 제 2간섭무늬를 검출하는 단계; 및 상기 제 1파장, 제 2파장, 제 1간섭무늬 및 제 2간섭무늬를 기초로 상기 측정대상물의 거리를 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타 및 이를 이용한 거리 측정 방법에 의하면, 거리 측정에 사용되는 빔의 파장의 크기보다 미세한 크기의 거리까지 정확하게 산출하여 사용되는 빔의 파장의 크기의 한계로 나타나는 오차의 발생을 방지하고 고정밀도로 거리를 측정할 수 있으며, 측정대상물의 초기 위치에 대한 정보 없이도 측정대상물의 거리를 측정할 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타 및 이를 이용한 거리 측정 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타(100)는 레이저 장치(110), 광학 장치(120), 광검출수단(130), 거리산출부(140)를 구비한다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 레이저 장치(110)는 소정의 기간 동안 주파수가 일정하게 유지되는 빔을 주파수를 달리하며 방출하고, 방출된 빔 각각의 파장을 산출하여 출력한다. 이를 위해 레이저 장치(200)는 반도체 레이저(210), 외부반사체(220), 간섭신호 생성부(230), 광전달부(240) 및 제어부(250)를 구비한다.
반도체 레이저(210)는 빔을 생성하며, 제어부(250)에 의해 생성하는 빔의 주파수 또는 파장이 조절된다. 그리고 반도체 레이저(210)는 외부반사체(220)로부터 피드백된 빔에 의해 외부반사체(220)의 공진 주파수로 잠금된 빔을 방출한다.
외부반사체(220)는 공진 주파수를 가지며, 반도체 레이저(210)가 생성한 빔의 주파수와 공진 주파수가 동일한 경우에는 반도체 레이저(210)가 방출한 빔을 반도체 레이저(210)로 피드백한다. 반도체 레이저(210)로 피드백된 빔에 의해 반도체 레이저(210)로부터 방출되는 빔은 공진 주파수에 잠금된다. 이때, 반도체 레이저(210)는 안정된 주파수를 갖는 빔을 방출하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 외부반사체에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 외부반사체(300)는 광공진기(310), 제 1수단(320), 제 2수단(320) 및 제 1광검출기(340)를 구비한다.
광공진기(310)는 공진 주파수를 가지며, 반도체 레이저(210)가 방출한 빔의 주파수와 공진 주파수가 동일한 경우에는 반도체 레이저(210)로 피드백하기 위해 입사된 빔을 증폭하여 출력한다. 이를 위해 광공진기(310)는 두개의 반사경(312, 314)으로 구성되며, 일예로 두개의 반사경(312, 314)은 서로 반사경의 곡률반경과 동일한 길이로 떨어져 배치된다.
그리고 반도체 레이저(210)로부터 방출된 빔을 광공진기(310)로 조사하는 제 1수단(320) 및 광공진기(310)로부터 증폭된 빔을 반도체 레이저(210)로 피드백하는 제 2수단(320)은 동일할 수 있다.
제 1수단(320)은 반도체 레이저(210)로부터 방출된 빔(350)을 반사경(312)으로 입사시킨다. 반사경(312)으로 입사된 빔은 광공진기(310)로부터 4개의 빔(351, 352, 353, 354)으로 방출된다. 여기서 빔(351)은 반사경(312)로부터 반사된 빔과 광공진기(310)의 공진영역으로부터 전송된 빔으로 구성됨으로, 반도체 레이저(110)로부터 방출된 빔의 주파수가 공진 주파수와 동일할 때 최소 파워를 갖는다. 반대로, 빔(352, 353, 354)은 광공진기(310)의 공진영역으로부터 전송된 빔으로 구성됨으로 반도체 레이저(210)로부터 방출된 빔의 주파수가 공진 주파수와 동일할 때만이 최대 파워를 갖는다. 빔(352)이 최대 파워를 가질 때 제 2수단(320)에 의해 빔(352)은 반도체 레이저(210)로 피드백된다.
제 1광검출기(340)는 광공진기(310)로부터 투관된 빔(353)을 검출한다. 제어부(250)는 제 1광검출기(340)가 검출한 빔(353)으로부터 공명의 발생 여부를 확인하고, 공명이 발생한 경우에는 검출한 빔(353)의 주파수를 공명 주파수로 검출한다. 여기서 공명 주파수가 검출된 빔은 특정 주파수의 빔으로 방출된다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 간섭신호 생성부에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 파장 측정 원리를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 간섭신호 생성부(400)는 반도체 레이저(210)로부터 방출된 빔의 파장을 검출하기 위한 간섭신호를 생성한다. 이를 위해 간섭신호 생성부(400)는 시료기판(410), 광조사수단(420) 및 광검출수단(430)을 구비한다.
시료기판(410)은 사전에 설정된 두께를 갖는 것으로, 일예로 유리판이 될 수 있다. 시료기판(510)의 두께(L)를 사전에 알고 있는 경우에는 시료기판(510)으로부터 반사된 빔의 간섭현상을 분석하여 시료기판(510)으로 입사된 빔(I0)의 파장을 검출할 수 있다. 시료기판(510)의 앞면(511)에서 반사된 빔(I1)과 시료기판의 후면(512)에서 반사된 빔(I2)은 서로 간섭을 일으킨다. 이러한 간섭으로 인해 광검출수단(530)에서 검출된 빔의 세기가 시간에 따라 주기적으로 변화하게 된다. 제어부(540)는 간섭현상으로 변화는 빔의 세기를 분석하여 반도체 레이저(210)로부터 방출된 빔의 파장을 산출한다. 이렇게 간섭신호 생성부(400)는 반도체 레이저(210)가 방출한 빔을 시료기판(410)에 입사시키고, 시료기판(410)으로부터 반사된 빔에 간섭현상이 일어나게 하여 간섭신호를 생성하고 이를 제어부(250)로 출력한다.
광조사수단(420)은 시료기판으로 반도체 레이저(210)가 방출한 빔을 시료기판(410)으로 조사한다. 이를 위해 광조사수단(420)은 광분할기(422) 및 광경로조절부(424)를 구비한다. 광분할기(422)는 반도체 레이저(210)가 방출한 빔을 제 1빔과 제 2빔으로 분할한다. 광경로조절부(424)는 광분할기(422)가 분할한 제 1빔과 제 2빔을 입사각을 서로 달리하여 시료기판(410)으로 입사되도록 광경로를 조절한다. 이를 위해 광경로조절부(424)는 초점렌즈(428) 및 반사미러(426)를 구비한다. 반사미러(426)는 광분할기(422)로부터 조산된 빔을 반사하여 초점렌즈(428)로 조사하고, 초점렌즈(428)는 각 입사된 빔이 서로 다른 입사각을 갖으며 시료기판(410)으로 입사되도록 각 입사된 빔을 굴절시킨다.
다른 실시예로 광조사수단(420)은 반도체 레이저(210)가 방출한 빔에 대한 분할하는 과정을 거치지 않고 반도체 레이저(210)가 방출한 빔을 시료기판(410)으로 입사시킬 수 있다.
광검출수단(430)은 시료기판(410)으로부터 반사된 광을 검출한다. 이를 위해 광검출수단(430)은 사분의일파장판(432), 편광광분할기(434), 제 2광검검출기(436) 및 제 3광검출기(438)를 구비한다. 사분의일파장판(432)은 시표기판(410)으로부터 반사된 제 1빔 및 제 2빔의 편광을 조절하여 투과시킨다. 편광관분할기(434)는 편광이 조절된 제 1빔 및 제 2빔을 제 2광검출기 및 제 3광검출기로 반사한다. 즉 편광관분할기(434)는 광분할기(422)가 분할한 제 1빔과 제 2빔은 투과시키고 편광이 조절된 제 1빔 및 제 2빔을 반사시키므로 편광광분할기(434)는 광분할기(422)와 시료기판(410)의 중간 부분에 위치할 수 있다. 제 2광검출기(436) 및 제 3광검출기(438)는 각각 편광관분할기(434)로부터 반사된 제 1빔 및 제 2빔을 검출한다.
도 6은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 광전달부에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 도시한 블록도이다.
도 6을 참조하면, 광전달부(240)는 반도체 레이저(210)가 방출한 빔을 분할하여 외부반사체(220) 및 간섭신호 생성부(230)로 각각 조사한다. 이를 위해 광전 달부(600)는 제 1광분할기(610), 광절연체(620) 및 제 2광분할기(630)를 구비한다. 제 1광분할기(610)는 반도체 레이저(210)가 방출한 빔(I0)을 분할하여 분할된 빔의 일부(I1)를 외부반사체(220)로 조사한다. 광절연체(620)는 제 1광분할기(610)로부터 분할된 빔의 나머지 일부(I2) 즉, 외부반사체(220)로 조사되지 않은 빔(I2)을 제 2광분할기(630)로 투과시킨다. 여기서 광절연체(620)는 투과되는 빔(I2)의 세기를 유지하고 역 반사를 막는 기능을 갖는다. 제 2광분할기(630)는 광절연체(620)로부터 투관된 빔(I2)을 분할하여 분할한 빔의 일부(I3)를 간섭신호 생성부(230)로 조사하고 분할한 빔의 나머지 일부(I4)를 외부로 방출한다. 여기서 빔(I4)은 반도체 레이저(210)가 생성한 빔의 주파수와 외부반사체(220)의 공진 주파수가 동일한 경우 즉, 생성한 빔이 특정 주파수를 갖는 경우에 외부로 방출되도록 제어된다.
도 7은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 반도체 레이저(710)로부터 방출된 빔(711)은 제 1광분할기 (721)에 의해 제 1빔(712) 및 제 2빔(713)으로 분할된다. 분화된 제 1빔(712)은 외부반사체(730)로 조사되고, 제 1수단(731)에 의해 광공진기(732)로 입력된다. 제 1빔(712)이 광공진기(732)에 의해 공명된 경우에는 광공진기(732)로부터 방출된 빔(714)은 반도체 레이저(710)로 피드백되며, 광공진기(732)로부터 투과된 빔(715)은 제 1광검출기(733)에 의해 검출된다. 제어부(750)는 검출된 빔(715)로부터 공명 주파수를 검출한다.
제 2빔(713)은 광절연체(723)를 투과하여 제 2광분할기(725)로 조사된다. 제 2광분할기(725) 조사된 제 2빔(713)은 제 3빔(716) 및 제 4빔(719)으로 분할되고, 분할된 제 3빔(716)은 간섭신호 생성부(740)로 조사되며 분할된 제 4빔(719)은 외부로 방출된다. 간섭신호 생성부(740)로 조사된 제 3빔(716)은 광분할기(741)에 의해 제 5빔(717) 및 제 6빔(718)으로 분할된다. 광분할기(741)에 의해 분할된 제 5빔(717)은 초점렌즈(742)를 투과하여 시료기판(744)로 입사한다. 이때 입사된 제 5빔(717)의 입사각은 0도(수직입사)이다. 광분할기(741)에 의해 분할된 제 6빔(718)은 반사미러(743)에 의해 반사되고, 반사된 제 6빔(718)은 초점렌즈(742)를 투과하여 시표기판(744)로 입사한다. 이때 입사된 제 5빔(717) 및 제 6빔(718)의 입사각의 차이(θ)는 제 2광검출기(748) 및 제 3광검출기(749)에서 검출된 빔의 위상차가 90도가 되는 값을 갖는다. 즉 제 2광검출기(748) 및 제 3광검출기(749)에서 검출된 빔의 위상차가 90도가 되도록 반사미러(743) 및 초점렌즈(742)에 의해 제 6빔(718)의 광경로가 조절된다. 제 5빔(717) 및 제 6빔(718)은 각각 일부는 시료기판(744)의 전면에서 반사되고 나머지 일부는 시료기판(744)의 후면에서 반사되어, 사분의일파장판(745)로 입사된다. 사분의일파장판(745)로 입사된 제 5빔(717) 및 제 6빔(718)은 편광 조절되어 편광광분할기(746)로 입사되고, 편광광분할기(746)에 의해 반사되어 초점렌즈(747)로 조사된다. 초점렌즈(747)로 조사된 제 5빔(717) 및 제 6빔(718)은 각각 집광되어 제 2광검출기(748) 및 제 3광검출기(749)에 의해 검출된다.
제어부(750)는 검출된 제 5빔(717) 및 제 6빔(717)에 의해 각각 생성되는 간섭신호로부터 반도체 레이저(710)로부터 방출된 빔(711)의 파장을 산출한다. 또한 제어부(120)는 제 1광검출기(733)에 의해 검출된 빔(715)로부터 검출한 공명 주파수를 통해 보다 정밀하게 반도체 레이저(710)로부터 방출된 빔(711)의 파장을 산출한다. 제어부(750)는 산출한 파장을 기초로 반도체 레이저(710)의 온도 및 반도체 레이저(710)로 인가되는 전류를 조절하여 반도체 레이저(710)가 안정된 주파수 갖는 빔을 방출하도록 제어한다.
도 8은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 제어부에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 도시한 블록도이다.
도 8을 참조하면, 제어부(250)는 간섭신호 생성부(230)가 생성한 간섭신호로부터 반도체 레이저(210)가 방출한 빔의 파장을 검출하고, 외부반사체(220)로부터 검출된 빔으로부터 공명 주파수를 검출하며, 반도체 레이저(210)의 온도 또는 반도체 레이저(210)로 인가되는 전류를 조절하여 반도체 레이저(210)를 제어한다. 이를 위해 제어부(800)는 파장산출부(810), 제어신호산출부(820), 조절부(830)를 구비한다.
파장산출부(810)는 간섭신호 생성부(230)가 생성한 간섭신호로부터 파장을 검출한다. 즉 파장산출부(810)는 제 2광검출기(436) 및 제 3광검출기(438)가 각각 검출한 제 1빔 및 제 2빔에 의해 생성된 간섭무늬를 분석하여 반도체 레이저(210)가 방출한 빔의 파장을 검출한다.
파장산출부(810)는 다음의 수학식 3에 의해 제 2광검출기(436) 및 제 3광검 출기(438)가 검출한 빔의 파장(λ)을 산출한다.
Figure 112007079712322-PAT00003
여기서, I는 각 광검출기(436, 438)에서 검출한 빔의 세기이고, I1, I2는 각각 시료기판(410)의 전면 및 후면에서 각각 반사되어 각 광검출기(436, 438)에 검출된 광의 세기이며, n은 시료기판의 굴절률이고 L은 시료기판의 두께이다.
각 광검출기(436, 438)로부터 검출되는 빔의 위상 차이를 90도가 되도록 광경로조절부(424)를 통해 광분할기(422)가 분할한 제 1빔과 제 2빔 각각의 시료기판(410)으로의 입사각을 조절하면, 제 2광검출기(336)가 검출한 빔의 세기(Ipd2)가 수학식 1에 따라 다음의 수학식 4로 나타내질 수 있다.
Figure 112007079712322-PAT00004
여기서 각 광검출기(436, 438)로부터 검출되는 제 1빔과 제 2빔의 위상차가 90도가 되도록 시료기판(410)으로의 입사각을 조절하면 제 3광검출기(436)가 검출한 빔의 세기(Ipd3)는 다음의 수학식 5로 나타난다.
Figure 112007079712322-PAT00005
파장산출부(810)는 수학식 4 및 수학식 5로부터 반도체 레이저(210)가 방출한 빔의 파장을 산출할 수 있다.
도 9a는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 제2검출기에서 검출된 빔의 주파수별 세기를 도시한 그래프이고, 도 9b는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 제3검출기에서 검출된 빔의 주파수별 세기를 도시한 그래프이며 도 9c는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 제1검출기에서 검출된 빔의 주파수별 세기를 도시한 그래프이다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 파장산출부(810)는 외부반사체(220)가 검출한 빔으로부터 공명 주파수를 검출한다. 공명 주파수가 검출된 시간이 t일 때, 제 2광검출기(436)로부터 검출된 빔의 세기가 A1(910)이면, 파장산출부(810)는 파장 λ1(911)을 산출한다. 동일하게 시간이 t일 때, 제 3광검출기(438)로부터 검출한 빔의 세기가 A2(920)이면, 파장산출부(810)는 파장 λ2(921)를 산출한다. 시간이 t일 때, 파장산출부(810)가 공명 주파수를 검출하면 다음의 수학식 6으로부터 파장 λ0(931)을 산출할 수 있다. 여기서 파장산출부(810)는 외부반사체(220)가 검출한 빔의 세기가 최대인 지점(930)에서 외부반사체(220)가 검출한 빔의 주파수를 공명 주파수로 검출한다. 이렇게 공명 주파수가 검출된 경우에는, 파장산출부(810)는 산출된 λ1 및 λ2에 λ0을 추가하여 보다 높은 분해능을 가지고 반도체 레이저(110)로부터 방출되는 빔의 파장을 정학하고 정밀하게 검출한다. 따라서 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타(100)는 공명 주파수를 이용하여 높은 분해능을 가지고 반도체 레이저(210)가 방출하는 빔의 파장을 정확하게 산출할 수 있다.
Figure 112007079712322-PAT00006
여기서, C는 빛의 속도이고 f는 공진 주파수이며 λ는 파장이다.
제어신호산출부(820)는 검출된 파장을 기초로 제어신호를 산출한다. 또한 제어신호산출부(820)는 트리거(820)로부터 주어지는 명령에 따라 특정 영역의 파장을 산출하기 위한 제어신호를 산출할 수 있다. 즉 제어신호산출부(820)는 트리거(820)로부터 파장영역을 높일 것을 요구받으면 그에 따라 변화되어야할 반도체 레이저(210)의 온도 변화값과 반도체 레이저(210)로 인가되는 전류의 변화값을 제어신호로 산출한다.
또한 제어신호산출부(820)는 파장산출부(810)가 검출한 공명 주파수로 반도체 레이저(210)가 방출하는 빔의 주파수의 잠김 상태가 유지되도록 반도체 레이저(210)의 온도 및 반도체 레이저(210)로 인가되는 전류를 고정하기 위한 제어신호를 산출한다. 여기서 제어신호산출부(820)는 온도와 전류를 조절하기 위한 각 제어신호를 개별적으로 산출하거나 함께 고려하여 산출한다.
조절부(830)는 제어신호산출부(820)가 산출한 제어신호에 따라 반도체 레이저(210)의 온도 또는 반도체 레이저(210)로 인가되는 전류를 조절한다. 조절부(830)에 의해 조절되는 온도, 전류의 변화에 따라 반도체 레이저(210)가 방출하는 빔의 파장영역이 변화하게 된다.
결국 레이저 장치 제어부(810)는 반도체 레이저(210)의 온도 및 반도체 레이저(210)로 인가되는 전류를 변경하고 고정함으로써, 반도체 레이저(210)로 하여금 안정된 주파수(941, 942, 943, 944)를 갖는 빔을 장시간 방출하도록 제어한다.
따라서 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타(100)는 다양한 주파수 영역별로 주파수가 안정화된 빔을 장기간 생성하여 측정대상물(101)의 거리를 측정할 수 있으며, 생성한 빔의 파장을 높은 분해능으로 정확하고 정밀하게 산출하여 이를 측정대상물(101)의 거리 측정에 활용할 수 있다.
광학 장치(120)는 레이저 장치(110)가 방출한 빔 각각을 변위광 및 기준광으로 분할한다. 그리고 광학 장치(120)는 기준광을 고정된 길이의 광경로를 갖게 하고 분할된 변위광을 측정대상물(101)에 투사하고 측정대상물(101)로부터 반사된 변위광과 기준광의 광경로 차이로 인한 간섭무늬를 각각 형성한다.
도 10은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 광학 장치에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 광학 장치(1000)는 광분할기(1010) 및 반사경(1020)을 구비한다. 광분할기(1010)는 레이저 장치(110)가 방출한 빔을 변위광(I1) 및 기준광(I2)으로 분할한다. 그리고 광분할기(1010)는 분할한 변위광(I1)을 측정대상물(1001)로 투사하고 측정대상물(1001)로부터 반사된 변위광(I1)을 재입사 받는다. 또한 광분할기(1010)는 분할한 기준광(I2)을 반사하여 반사경(1020)로 조사한다. 반 사경(1020)은 조사된 기준광(I2)을 광분할기(1010)로 조사한다. 기준광(I2)이 광분할기(1010)로 조사되면, 광분할기(1010)에서 재입사된 변위광(I1)과 조사된 기준광(I2)의 광경로 차이로 인한 간섭무늬를 형성된다.
도 11은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 광학 장치에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구조를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 광학 장치(1100)는 광분할기(1110), 제 1수신부(1120), 제 2수신부(1130) 및 광결합기(1140)를 구비한다. 광분할기(1110)는 레이저 장치(110)가 방출한 빔을 기준광(I1) 및 변위광(I2)으로 분할한다. 제 1수신부(1120)는 분할된 기준광(I1)을 수신한다. 제 2수신부(1130)는 측정대상물(1101)에 결합되어 있으며, 광분할기(1110)가 분할한 변위광(I2)을 수신한다. 광결합기(1140)는 제 2수신부(1130)가 수신한 변위광(I2)과 제 1수신부(1120)가 수신한 기준광(I1) 사이에 간섭 현상을 일으켜, 기준광(I1)과 변위광(I2)의 광경로 차이로 인한 간섭무늬를 형성한다.
광검출수단(130)은 광학 장치(120)가 형성한 간섭무늬를 검출한다. 레이저 장치(110)가 각 주파수별로 빔을 방출하면, 광학 장치(120)는 각 방출된 빔에 대한 간섭무늬를 형성한다. 그러면, 광검출수단(130)은 광학 장치(120)가 형성한 각 방출된 빔에 대한 간섭무늬를 검출하고 이를 거리산출부(140)로 출력한다.
거리산출부(140)는 레이저 장치(110)가 산출한 파장 및 광검출수단(130)이 검출한 간섭무늬 각각을 기초로 측정대상물(101)의 거리를 산출한다. 다음의 수학식 7은 광검출수단(130)에서 검출된 간섭무늬의 세기(V(λ))를 나타낸 수학식이다.
Figure 112007079712322-PAT00007
여기서, I1 및 I2는 각각 기준광 및 변위광의 세기이고 λ는 레이저 장치(110)가 방출한 파장이다. L은 측정대상물(101)의 거리로서 다음의 수학식 8로 나타낼 수 있다.
Figure 112007079712322-PAT00008
여기서, l은 정수이고 φ는 소수이다.
I1 , I2의 빛의 세기가 동일함으로 다음의 수학식 7과 수학식 8로부터 다음의 수학식 9와 수학식 10을 유도할 수 있다.
Figure 112007079712322-PAT00009
Figure 112007079712322-PAT00010
여기서, m, k는 정수이고 φ1, φ2는 소수이다.
검출된 빔의 세기(I)는 측정될 수 있고 및 검출된 빔의 파장(λ1, λ2)은 레이저 장치(110)로부터 출력됨으로 거리산출부(140)는 수학식 9와 수학식 10으로부터 각각 k, φ1, φ2를 산출할 수 있다.
또한, 수학식 8은 다음의 수학식 11과 수학식 12로 나타낼 수 있다.
Figure 112007079712322-PAT00011
Figure 112007079712322-PAT00012
그리고 수학식 11 및 수학식 12를 연립하여 다음의 수학식 13을 유도할 수 있다.
Figure 112007079712322-PAT00013
결국, 거리산출부(140)는 수학식 13으로부터 측정대상물(101)의 거리를 산출할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타(100)는 소수(φ1, φ2) 부분까지 정확하게 산출하여 측정대상물(101)의 거리를 산출하므로 빔의 파장의 크기의 한계로 나타나는 오차의 발생을 방지하고 빔의 파장 보다 작은 크기까지 놓치지 않고 고분해능으로 측정대상물(101)의 거리를 고정밀도로 측정할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타(100)는 서로 다른 주파수를 갖는 두 개의 빔을 사용함으로 측정대상물(101)의 초기 위치에 대한 정보 없이도 측정대상물(101)의 거리를 측정할 수 있고, 이에 따라 측정오차가 누적되지 않으며 측정대상물(101)과의 사이가 잠시 차단되는 방해가 있어도 측정대상물(101)의 위치를 측정할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타를 이용한 거리 측정 방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행 과정을 도시한 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 레이저 장치(110)는 제 1주파수로 주파수가 일정하게 유지되는 빔을 방출하고, 방출한 빔의 파장을 제 1파장으로 산출한다(S1200). 광학 장치(120)는 레이저 장치(110)가 방출한 빔을 변위광 및 기준광으로 분할하고 분할한 변위광을 측정대상물(101)에 투사하여 측정대상물(101)로부터 반사된 변위광과 기준광의 광경로 차이로 인한 제 1간섭무늬를 형성한다(S1210). 광검출수단(130)은 광학 장치(120)가 형성한 제 1간섭무늬를 검출한다(S1220).
레이저 장치(110)는 제 2주파수로 주파수가 일정하게 유지되는 빔을 방출하고, 방출한 빔의 파장을 제 2파장으로 산출한다(S1230). 광학 장치(120)는 레이저 장치(110)가 방출한 빔을 변위광 및 기준광으로 분할하고 분할한 변위광을 측정대상물(101)에 투사하여 측정대상물(101)로부터 반사된 변위광과 기준광의 광경로 차이로 인한 제 2간섭무늬를 형성한다(S1240). 광검출수단(130)은 광학 장치(120)가 형성한 제 2간섭무늬를 검출한다(S1250).
거리산출부(120)는 제 1파장, 제 2파장, 제 1간섭무늬 및 제 2간섭무늬를 기초로 측정대상물(101)의 거리를 산출한다(S1260).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 도시한 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 외부반사체에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 간섭신호 생성부에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 파장 측정 원리를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 광전달부에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 도시한 블록도,
도 7은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 제어부에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 도시한 블록도,
도 9a는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 제2검출기에서 검출된 빔의 주파수별 세기를 도시한 그래프,
도 9b는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 제3검출 기에서 검출된 빔의 주파수별 세기를 도시한 그래프,
도 9c는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 레이저 장치의 제1검출기에서 검출된 빔의 주파수별 세기를 도시한 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 광학 장치에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타의 광학 장치에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구조를 도시한 도면, 그리고,
도 12는 본 발명에 따른 레이저 간섭계식 메코메타를 이용한 거리 측정 방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행 과정을 도시한 흐름도이다.

Claims (9)

  1. 소정의 기간 동안 주파수가 일정하게 유지되는 빔을 상기 주파수를 달리하며 방출하고, 상기 방출된 빔 각각의 파장을 산출하여 출력하는 레이저 장치;
    상기 방출된 빔 각각을 변위광 및 기준광으로 분할하여 상기 변위광을 측정대상물에 투사하고 측정대상물로부터 반사된 상기 변위광과 기준광의 광경로 차이로 인한 간섭무늬를 각각 형성하는 광학 장치;
    상기 형성된 간섭무늬 각각을 검출하는 광검출수단; 및
    상기 산출된 파장 및 검출된 간섭무늬 각각을 기초로 상기 측정대상물의 거리를 산출하는 거리산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계식 메코메타.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 거리산출부는 다음의 수학식 1 및 수학식 2를 기초로 상기 측정대상물의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계식 메코메타:
    [수학식 1]
    Figure 112007079712322-PAT00014
    [수학식 2]
    Figure 112007079712322-PAT00015
    여기서, L은 측정대상물의 거리이고 m, k는 정수이며, λ1, λ2는 각각 방출된 빔의 파장이며, Φ1, Φ2는 각각 제 1소수 및 제 2소수를 의미한다.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 거리산출부는 상기 제 1소수 및 제 2소수 각각을 다음의 수학식을 기초로 산출하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계식 메코메타:
    [수학식]
    Figure 112007079712322-PAT00016
    여기서, I는 상기 방출된 빔의 세기이고 V(λ)는 상기 검출된 간섭무늬의 세기이며, λ는 상기 방출된 빔의 파장이고 l은 m 또는 m+k이며, Φ는 제 1소수 또는 제 2소수를 의미한다.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 장치는,
    상기 빔을 생성하는 반도체 레이저;
    상기 생성된 빔의 파장을 검출하기 위한 간섭신호를 생성하는 간섭신호 생성 부;
    상기 특정 주파수를 공진 주파수로 가지며, 상기 생성된 빔을 조사받고 상기 조사된 빔의 주파수와 상기 공진 주파수가 동일한 경우에는 상기 조사된 빔을 상기 반도체 레이저로 피드백하는 외부반사체;
    상기 외부 반사체가 상기 조사된 빔을 피드백한 경우에는 상기 생성된 빔을 외부로 방출하는 광전달부; 및
    상기 생성된 간섭신호 및 상기 공진 주파수를 기초로 상기 방출된 빔의 파장을 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계식 메코메타.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 장치는,
    상기 방출된 빔을 상기 변위광 및 기준광으로 분할하고, 상기 분할된 변위광을 상기 측정대상물로 투사하고 상기 측정대상물로부터 반사된 변위광을 재입사 받으며, 상기 분할된 기준광을 반사하는 광분할기; 및
    상기 반사된 기준광을 상기 광분할기로 조사하여 상기 광분할기에서 상기 재입사된 변위광과 조사된 기준광의 광경로 차이로 인한 간섭무늬를 형성하도록 하는 반사경;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계식 메코메타.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 장치는,
    상기 방출된 빔을 상기 변위광 및 기준광으로 분할하는 광분할기;
    상기 분할된 기준광을 수신하는 제 1수신부;
    상기 측정대상물에 결합되어 상기 변위광을 수신하는 제 2수신부; 및
    상기 수신된 변위광과 기준광의 광경로 차이로 인한 간섭무늬를 형성하는 광겹합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계식 메코메타.
  7. 제 1주파수로 주파수가 일정하게 유지되는 빔을 방출하고, 상기 방출된 빔의 파장을 제 1파장으로 산출하는 단계;
    상기 방출된 빔을 변위광 및 기준광으로 분할하고 상기 분할된 변위광을 측정대상물에 투사하여 측정대상물로부터 반사된 상기 변위광과 상기 기준광의 광경로 차이로 인한 제 1간섭무늬를 형성하는 단계;
    상기 형성된 제 1간섭무늬를 검출하는 단계;
    제 2주파수로 주파수가 일정하게 유지되는 빔을 방출하고, 상기 방출된 빔의 파장을 제 2파장으로 산출하는 단계;
    상기 방출된 빔을 변위광 및 기준광으로 분할하고 상기 분할된 변위광을 측정대상물에 투사하여 측정대상물로부터 반사된 상기 변위광과 상기 기준광의 광경로 차이로 인한 제 2간섭무늬를 형성하는 단계;
    상기 형성된 제 2간섭무늬를 검출하는 단계; 및
    상기 제 1파장, 제 2파장, 제 1간섭무늬 및 제 2간섭무늬를 기초로 상기 측정대상물의 거리를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계 식 메코메타를 이용한 거리 측정 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 거리를 산출하는 단계에서,
    다음의 수학식 1 및 수학식 2를 기초로 상기 측정대상물의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계식 메코메타를 이용한 거리 측정 방법:
    [수학식 1]
    Figure 112007079712322-PAT00017
    [수학식 2]
    Figure 112007079712322-PAT00018
    여기서, L은 측정대상물의 거리이고 m, k는 정수이며, λ1, λ2는 각각 방출된 빔의 파장이며, Φ1, Φ2는 각각 제 1소수 및 제 2소수를 의미한다.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 거리산출부는 상기 제 1소수 및 제 2소수 각각을 다음의 수학식을 기초로 산출하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계식 메코메타를 이용한 거리 측정 방법:
    [수학식]
    Figure 112007079712322-PAT00019
    여기서, I는 상기 방출된 빔의 세기이고 V(λ)는 상기 검출된 간섭무늬의 세기이며, λ는 상기 방출된 빔의 파장이고 l은 m 또는 m+k이며, Φ는 제 1소수 또는 제 2소수를 의미한다.
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