KR20100018301A - 고속 테라헤르츠파 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 테라헤르츠파 분광 및 영상장치에서 고속으로 데이터를 취득하고 처리하는 방법에 관한 것으로서 다양한 시료에 대하여 고속으로 테라헤르츠파 펄스 정보를 취득하고 처리함으로서 분석을 보다 신속하게 할 수 있는 수단을 제공하는 것이다. 본 발명의 일면에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템은, 복수의 날개들을 가지는 회전형 반사체를 포함하는 광지연 수단을 이용하여 빔분배기에서 두경로로 분리된 레이저빔들이 시간차를 가지도록 하고, 상기 시간차를 가지는 레이저빔들을 각각 테라헤르츠파 발생 수단과 테라헤르츠파 검출 수단으로 입사시키며, 상기 광지연 수단을 제어하는 수단으로부터 트리거 신호 발생 시에, 활성화되는 DAQ 시스템에서, 상기 테라헤르츠파 검출 수단에서 생성되는 전류 신호에 대응되는 전압 신호를 샘플링하여 상기 테라헤르츠파 발생 수단과 테라헤르츠파 검출 수단 사이의 시료에 대하여 테라헤르츠파 펄스의 데이터를 수집할 수 있다.
Figure P1020080077011
테라헤르츠파, 측정, 회전형 광지연기, 트리거 신호, DAQ, 스테이지 구동

Description

고속 테라헤르츠파 측정 시스템 및 방법{System and Method of High Speed Measurement of Terahertz Wave}
본 발명은 테라헤르츠파 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 고속 스캔이 가능한 광지연기와 데이터 획득 시스템을 이용하여　고속으로 테라헤르츠파를 측정함으로서 실시간 테라헤르츠파 분광 및 고속의 테라헤르츠파 이미징을 가능하게 하는 테라헤르츠파 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 테라헤르츠파 측정 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 테라헤르츠파 측정 시스템(100)은 시스템 제어기(110), 광지연기 콘트롤러(120), 선형 광지연기(130), 스테이지 제어기(140), X-Y 스테이지(150), 테라헤르츠파 발생부(160), 테라헤르츠파 검출부(170), 전류 신호 증폭기(171), 초퍼(172), 락-인 증폭기(173), DAQ 시스템(174), 펄스 레이저 발생부(180), 및 디스플레이부(190)를 포함하고, 이외에도 펄스 레이저 발생부(180)에서 발생되는 레이저빔의 분배나 경로 설정을 위한 빔 분배기, 미러 등을 포함한다.
시간적으로 1ps 이하로 매우 짧은 테라헤르츠파 펄스를 측정하기 위해서는 펌프 앤 프루브 법에 의한 샘플링 방법을 이용한다. 도 1에서 펄스 레이저에서 나 온 빔을 빔분배기(Beam splitter)에 의하여 두 경로로 분리하여 하나는 테라헤르츠파를 발생시키는데 사용(pump beam)하고 다른 하나는 테라헤르츠파를 측정하는데 사용(Probe beam) 사용한다.
테라헤르츠파 발생부(160)의 테라헤르츠파 발생용 안테나에서 발생된 테라헤르츠파는 시료를 경유하여 테라헤르츠파 검출부(170)의 테라헤르츠파 계측용 안테나에 도달한다. 테라헤르츠 펄스가 발생용 안테나에서 발생되면 테라헤르츠파가 가진 전계(또는 전압)에 의하여 계측용 안테나 양단에 전압(또는 전계)이 인가되게 되며, 이때　검출용 레이저 빔이 미러들에 의하여 계측용 안테나에 도달하면 레이저 에너지에 의해 안테나 표면에 전자-홀쌍이 생성된다. 이 전자-홀 쌍은 테라헤르츠파에 의해 형성된 전계에 의해서 안테나 양단으로 이동하게 되며, 이때 짧은 순간 전류가 흐르고 이 전류값은 테라헤르츠파의 전압(또는 전계)에 비례한다.
테라헤르츠파의 각 지점에 있어서 전계값을 알기 위해서는 테라헤르츠파가 계측용 안테나에 도달하는 어느 순간에 테라헤르츠파보다 훨씬 펄스폭이 좁은(백분의 1정도) 레이저 빔을 인가하여 그 지점에서의 전계를 측정하고, 테라헤르츠파에 대해서 측정용 레이저 빔의 시간차를 변화시켜가며 테라헤르츠파 각지점에서의 전계값을 샘플링하여 최종적으로 샘플링한 값들을 잇게 되면 테라헤르츠파 펄스형태를 파악하게 된다. 이와 같이 계측용 안테나에 도달하는 테라헤르츠파와 측정용 안테나 사이의 빔의 시간차를 조절하기 위하여 광지연기(130)가 이용된다.
　이와 같은 종래의 테라헤르츠파 측정 시스템(100)에서는 선형모터에 두 개의 반사거울을 설치한 선형 광지연기(130)를 이용하는데, 시스템 제어기(110)에서 선형 광지연기(130)에 의한 빔의 이동량을 정하여 단계적으로(step by step) 이동하면서 하나의 테라헤르츠파 펄스를 측정한다.
계측용 안테나에서 발생한 테라헤르츠파에 대한 전류신호는 전류신호 증폭기(171)에 의해서 전압신호로 변환되며, 측정시 신호대 잡음비를 개선하기 위해서 기계식 초퍼(172)를 통하여 해당 레이저 빔에 대하여 수 kHz로 변조한 신호를 락-인 증폭기(Lock-in Amplifier)(173)에 동기시켜 주면서 DAQ(Data Acquisition) 시스템(174)에서 샘플링하여 데이터를 획득함으로써 해당 테라헤르츠파 신호를 얻게 된다. 이때 하나의 테라헤르츠파 신호를 측정하기 위해서는 약 1024개의 점에서의 데이터를 얻게 되며 약 30초에서 1분의 시간이 소요된다. 또한, 테라헤르츠파를 이용한 영상을 얻기 위해서는 테라헤르츠파 발생부(160)와 검출부(170) 사이에 시료를 넣고 테라헤르츠파가 전파되는 방향과 수직으로 X-Y 스테이지(150)를 이용하여 2차원으로 스캔하면서 각점(pixel)에서의 테라헤르츠파를 측정하여야 한다. 이때 시스템 제어기(110)에서 스테이지 제어기(140)에 제어신호를 보내어 X-Y 스테이지(150)를 어떤 위치에 이동시킨 후, 시스템 제어기(110)는 선형 광지연기(120)를 제어하는 광지연기 콘트롤러(120)에 제어신호를 주어 테라헤르츠파의 전체파형을 측정하기 위해 선형 광지연기(130)를 구동한다. 이와 같은 과정을 반복하여 측정하고자하는 시료의 전체에 대하여 디스플레이부(190)를 통하여 영상을 얻게 되는데, 이때 픽셀의 수가 많을 때는 상당한 시간이 소요되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 회전형 광지연기 콘트롤러에서 발생한 트리거 신호를 이용하여 연속으로 다수의 테라헤르츠파 펄스를 계측할 수 있고, 회전형 광지연기의 회전 속도와 X-Y 스테이지 제어기를 연동하여 제어함으로서 테라헤르츠파 영상을 얻는 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있는　회전형 광지연기를 이용한 고속 테라헤르츠파 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은, 광지연기 콘트롤러에서 발생한 트리거 신호를 이용하여 DAQ 시스템이 활성화(트리거)되고, 테라헤르츠파 검출기에서 나온 신호를 전류신호 증폭기를 거쳐 DAQ 시스템이 신호를 측정하므로 동기화를 위한 기계식 초퍼와 락-인증폭 회로 없이도 간단한 회로를 통하여 고속으로 테라헤르츠파를 측정할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템은, 복수의 날개들을 가지는 회전형 반사체를 포함하는 광지연 수단을 이용하여 빔분배기에서 두경로로 분리된 레이저빔들이 시간차를 가지도록 하고, 상기 시간차를 가지는 레이저빔들을 각각 테라헤르츠파 발생 수단과 테라헤르츠파 검출 수단으로 입사시키며, 상기 광지연 수단을 제어하는 수단으로부터 트리거 신호 발생 시에, 활성화되는 DAQ 시스템에서, 상기 테라헤르츠파 검출 수단에서 생성되는 전류 신호에 대응되는 전압 신호를 샘플링하여 상기 테라헤르츠파 발생 수단과 테라헤르츠파 검출 수단 사이의 시료에 대하여 테라헤르츠파 펄스의 데이터를 수집할 수 있다.
상기 테라헤르츠파 측정 시스템은, 한번의 상기 트리거 신호에 응답하여 상기 회전형 반사체를 회전시키는 속도와 상기 복수의 날개들의 수에 기초한 파형 스캔 주파수에 비례하는 다수의 테라헤르츠파 펄스에 대한 계측을 수행할 수 있다.
상기 테라헤르츠파 측정 시스템은, 미리 선택한 광지연 길이 분해능 △l, 파형 스캔 주파수 f s , 및 측정 펄스 수 n에 기초하여 결정한 상기 DAQ 시스템의 샘플링 속도 SR, 상기 회전형 반사체를 회전시키는 모터의 회전속도 RPM, 및 전체 측정 데이터 수 Ntot에 따라 상기 광지연 수단을 제어하는 수단 및 상기 DAQ 시스템을 제어하는 시스템 제어기를 포함한다.
상기 테라헤르츠파 측정 시스템은, 상기 시료를 홀딩하기 위한 스테이지와 상기 스테이지를 구동하는 스테이지 제어기를 더 포함하고, 상기 스테이지 제어기를 통하여 상기 스테이지를 수평 또는 수직 방향으로 구동하여, 한번의 상기 트리거 신호에 응답하여 수직 공간 분해능으로 구분되는 상기 시료의 한 라인 전체에 대하여 수평 공간 분해능만큼씩 이동하며 테라헤르츠파 펄스에 대한 계측을 수행할 수 있다.
상기 시스템 제어기는, 미리 선택한 광지연 길이 분해능 △l, 파형 스캔 주파수 f s , 수평 방향의 길이 l x , 수평 방향의 공간 분해능 △x, 수직 방향의 길이 l y , 수직 방향의 공간 분해능 △y에 기초하여, 상기 DAQ 시스템의 샘플링 속도 SR, 상기 회전형 반사체를 회전시키는 모터의 회전속도 RPM, 전체 측정 데이터 수 Ntot , 수평 방향의 속도 v x , 수평 및 수직 방향의 전체 픽셀수 nx, 및 ny를 결정하여, 상기 시료의 미리 정해진 영역에 대하여 상기 광지연 수단을 제어하는 수단 및 상기 DAQ 시스템을 제어할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 테라헤르츠파 측정 방법은, 레이저빔을 두 경로로 분리하는 단계; 복수의 날개들을 가지는 회전형 반사체를 포함하는 광지연 수단을 이용하여 상기 두경로로 분리된 레이저빔들이 시간차를 가지도록 상기 레이저빔들 중 어느 하나를 지연시키는 단계; 상기 시간차를 가지는 레이저빔들을 각각 테라헤르츠파 발생 수단과 테라헤르츠파 검출 수단으로 입사시키는 단계; 및 상기 광지연 수단을 제어하는 수단으로부터 트리거 신호 발생 시에, 상기 테라헤르츠파 검출 수단에서 생성되는 전류 신호에 대응되는 전압 신호를 샘플링하여 상기 테라헤르츠파 발생 수단과 테라헤르츠파 검출 수단 사이의 시료에 대하여, 테라헤르츠파 펄스의 데이터를 수집하는 단계를 포함한다.
상기 테라헤르츠파 측정 방법은, 상기 시료를 홀딩하기 위한 스테이지를 수평 또는 수직 방향으로 구동하여, 한번의 상기 트리거 신호에 응답하여 수직 공간 분해능으로 구분되는 상기 시료의 한 라인 전체에 대하여 수평 공간 분해능만큼씩 이동하며 테라헤르츠파 펄스에 대한 계측을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고속 테라헤르츠파 측정 시스템 및 방법에 따르면, 테라헤르츠파 분광 및 영상 시스템에 적용하여 테라헤르츠파가 요구되는 각종 물질의 특성 분석을 빠른 시간 처리할 수 있으며, 테라헤르츠파가 요구되는 각종 공정의 실시간 감시 및 각종 물질의 분광학적 이미지를 준 실시간으로 획득할 수 있다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일시예에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템(200)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일시예에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템(200)은, 시스템 제어기(210), 광지연기 콘트롤러(220), 회전형 광지연기(230), 스테이지 제어기(240), X-Y 스테이지(250), 테라헤르츠파 발생부(260), 테라헤르츠파 검출부(270), 전류 신호 증폭기(271), DAQ 시스템(272), 펄스 레이저 발생부(280), 및 디스플레이부(290)를 포함하고, 이외에도 펄스 레이저 발생부(180)에서 발생되는 레이저빔의 분배나 경로 설정을 위한 빔 분배기(30), 미러들(31, 32, 33)을 포함한다. 여기서,본 발명의 일시예에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템(200)은 도 1과 같이 초퍼(172)와 락-인 증폭기(173)를 가지고 있지 않다는 점이 종래의 시스템과 구별되고, 선형 광지연기(130) 대신에 회전형 광지연기(230)가 이용되며, 그 밖의 구성 요소들은 도 1의 시스템의 구성 요소들과 유사하게 동작한다.
회전형 광지연기(230)는 도 3에 도시된 바와 같이, 역반사면(15)을 포함하는 회전형 반사체(10), 회전형 반사체(10)를 회전시키기 위한 모터(20), 입사광 및 반사광을 집속하기 위한 광학렌즈(40)를 포함할 수 있다. 빔분배기(30)는 역반사면(15)으로 입사되는 입사광과 역반사면(15)에서 반사되는 반사광을 구분할 수 있다.
회전형 반사체(10)는 모터(20)와 연결되어 회전되는 몸체(11), 몸체(11)로부터 각각 방사상으로 연장되는 복수의 날개(12)로 구성되고, 복수의 날개(12)에는 역반사면(15)이 각각 형성된다. 회전형 반사체(10)는 회전되는 일정 시간 동안에 광 경로차가 회전각에 대하여 선형적으로 변하는 구조로 되어 있다. 회전형 반사체(10)를 회전시키는 경우, 복수의 역반사면(15) 중 어느 하나의 역반사면(15)에 레이저 광이 입사되고 반사된 후, 회전방향의 반대방향으로 인접하는 다른 역반사면(15)에 레이저 광이 입사되고 반사될 때까지, 레이저 광이 반사되지 않는 불연속 구간이 발생될 수 있다.
이러한 불연속 구간은 신호의 끊김 현상을 발생시킬 수 있고, 신호의 끊김 현상은, 테라헤르츠파 측정 시, 상기 회전형 반사체(10)의 회전 속도가 증가함에 따라 신호의 크기 감소, 신호 대 잡음비 저하 또는 좁은 스펙트럼 특성 등의 문제를 발생시킬 수 있으므로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 역반사면(15) 중 어느 하나의 역반사면(15)의 끝점(151)과 회전방향의 반대방향으로 인접하는 다른 하나의 역반사면(15)의 시작점(152)은 레이저 광의 진행방향(L)을 기준으로 서로 일치하도록 형성되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 회전형 반사체(10)가 회전되는 동안, 레이저 광이 역반사면(15) 에서 반사되지 않는 불연속 구간이 제거되므로, 신호의 끊김 현상이 발생되지 않고, 이에 따라, 테라헤르츠파 측정 시, 회전형 반사체(10)의 회전 속도가 증가함에 따라 발생할 수 있는 신호의 크기 감소, 신호 대 잡음비의 저하 또는 좁은 스펙트럼 특성 등의 문제를 해결할 수 있다.
위와 같은 불연속 구간을 제거하기 위하여, 역반사면(15)의 끝점(151) 및 시작점(152)을 서로 일치시키는 것에 한정되지 않고, 날개(12)의 수를 늘리는 방법도 고려할 수 있다. 이와 같이, 날개(12)의 수가 증가하는 경우, 복수의 역반사면(15) 중 어느 하나의 역반사면(15)의 끝점(151)은 레이저 광의 진행방향을 기준으로 회전방향의 반대방향으로 인접하는 다른 하나의 역반사면(15)과 일치된다. 즉, 복수의 역반사면(15) 중 어느 하나의 역반사면(15)의 끝점(151)을 레이저 광의 진행방향을 기준으로 투영시켰을 때, 그 투영점은 회전방향의 반대방향으로 인접하는 다른 하나의 역반사면(15)에 위치된다.
또한, 회전형 반사체(10)의 몸체(11)에는, 측정 시스템(200)에서의 회전형 반사체(10)의 속도와 위치 측정 및 데이터 취득을 위하여 주기적으로 외부 동기용 트리거 신호의 발생을 위해, 적어도 하나 이상의 트리거 슬롯(18)이 형성된다. 모터(20)는 저속 정밀 운전 및 고속 정속 운전이 가능한 서보 모터가 적용되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 저속 정밀 운전 및 고속 정속 운전이 가능한 모터를 사용함으로써, 종래의 선형 광 지연기 시스템과 같은 정밀 측정이 가능할 뿐만 아니라 고속 운전이 가능하여 고속 데이터의 수집이 가능하며 측정 시간을 획기적으로 단축할 수 있다.
광분배기(30)는 반사 비율을 적절히 조절함으로써, 레이저 광의 이용효율을 높일 수 있다. 광학렌즈(40)는 레이저 광을 집속하여 회전형 반사체(10)의 역반사면(15)에 입사시키는 역할과 역반사면(15)에서 반사된 레이저 광을 재 집속하는 역할을 수행한다. 이러한, 광학렌즈(40)는 회전형 반사체(10)의 회전각도에 따른 곡률 반경의 변화를 고려하여 곡률 반경이 작은 곳에 레이저 광이 포커싱되도록 함으로써, 레이저 광의 분산을 최소화할 수 있다. 기타 회전형 광지연기(230)에 대한 자세한 설명은 기 특허 출원된 국내특허출원번호 10-2007-0113652에도 잘 나타나 있다.
한편, 도 2에서, 시스템 제어기(210)는, 회전형 광지연기(230)의 반사체(10)가 고정된 서보 모터(20)의 회전속도를 결정하여 광지연기 콘트롤러(220)에 제어 신호를 주면, 광지연기 콘트롤러(220)는 모터(20)의 1회전당 1개의 트리거 펄스를 발생하여 회전형 광지연기(230)를 동작시킬 수 있다.
회전형 광지연기(230)의 반사체 날개의 개수가 N이고, 모터(20)의 분당 회전수를 RPM, DAQ 시스템(272)의 샘플링 속도를 SR이라 하고, 하나의 반사체 날개에서 얻을 수 있는 광지연 길이를 l이라 하면, 광지연 길이 분해능 △l은 [수학식 1]과 같이 결정할 수 있다. 여기서, 회전형 광지연기(230)의 지연거리는 회전형 광지연기(230)의 광지연기 반사체(10)의 반경과 회전각을 곱한 값이고, △θ는 모터의 회전각, r은 회전형 광지연기의 반경, f는 모터의 회전주파수(초당 회전수), △t는 DAQ 시스템(272)의 샘플링 시간이다.
[수학식 1]
Figure 112008056515060-PAT00001
Figure 112008056515060-PAT00002
Figure 112008056515060-PAT00003
Figure 112008056515060-PAT00004
Figure 112008056515060-PAT00005
따라서 모터(20)의 분당회전수와 DAQ 시스템(272)의 샘플링 속도를 제어하면 회전형 광지연기의 길이 분해능을 조절할 수 있다.
하나의 회전형 광지연기(230)의 반사체 날개로부터 하나의 테라헤르츠파를 측정(scan)할 수 있으므로, N개의 반사체 날개를 가진 회전형 광지연기(230)의 경우의 파형 스캔 주파수 f s (scan/sec)는 [수학식 2]와 같이 주어진다.
[수학식 2]
Figure 112008056515060-PAT00006
따라서 △l과 f s 사이에는 [수학식 3]과 같은 식을 만족한다.
[수학식 3]
Figure 112008056515060-PAT00007
[수학식 3]에서 회전형 광지연기(230)의 r과 N은 주어진 값이므로, f s 와 SR, △l 사이의 관계식을 얻을 수 있다.
하나의 회전형 광지연기(230)의 반사체 날개에 의한 측정 데이터 수 N reflector 는 [수학식 4]와 같다.
[수학식 4]
Figure 112008056515060-PAT00008
따라서, n개의 펄스를 측정하는 경우 전체 측정 데이터 수 N tot 는 [수학식 5]와 같다.
[수학식 5]
Figure 112008056515060-PAT00009
광지연기(230)의 시간 분해능 δt는 거리 분해능 △l을 이용하여 [수학식 6]과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112008056515060-PAT00010
도 2에서 X-Y 스테이지(250)를 구동하지 않고 시료의 한점에 대한 정보를 얻고자하는 경우, 예를들면, 테라헤르츠파 분광측정을 하는 경우에는 도 6과 같은 과정에 따라 고속으로 테라헤르츠파를 측정할 수 있다.
도 6을 참조하면, 먼저, 광지연 길이 분해능 △l, 파형 스캔 주파수 f s , 측정 펄스 수 n을 선택하고(S310), [수학식 1]에 따른 DAQ 시스템(272)의 샘플링 속도 SR, [수학식 2]에 따른 모터(20)의 회전속도 RPM, 및 [수학식 4]에 따른 DAQ 전체 측정 데이터 수 Ntot를 결정한다(S320).
이에 따라 시스템 제어기(210)가 동작하면서(S330), DAQ 시스템(272)이 스탠바이 상태인 동안(S340), 광지연기 콘트롤러(220)가 동작하여(S350), 광지연기 모터(20)를 구동할 수 있다(S351). 이때, 광지연기 콘트롤러(220)는 DAQ 시스템(272)의 데이터 수집을 활성화하기 위한 트리거 슬롯(18)으로부터의 트리거 신호를 전달받아 출력하거나 상기 트리거 신호에 기초하여 펄스폭이나 전압 크기 등을 조정한 트리거 신호를 생성할 수 있으며(S352), 이에 따라 DAQ 시스템(272)의 샘플링 속도를 제어함으로써 회전형 광지연기(230)의 길이 분해능을 조절할 수 있다.
한편, 펄스 레이저 발생부(280)에서 발생된 레이저빔은 빔분배기(30)를 통하여 두 경로로 분리되어 진행되고, 빔분배기에서 두경로로 분리된 레이저빔들은 광지연기(230)를 통하여 시간차를 가지게되고, 제1 미러(31)는 시간차를 가지는 레이저 빔 중 하나를 테라헤르츠파 발생부(260)로 입사시키고, 제2 미러(32) 및 제3 미러(33)는 시간차를 가지는 레이저 빔 중 다른 하나를 테라헤르츠파 검출부(270)로 입사시킨다.
이에 따라, 테라헤르츠파 발생부(260)의 안테나에서 발생되어 시료를 거쳐 테라헤르츠파 검출부(270)의 안테나에서 발생한 테라헤르츠파에 대한 전류신호를 전류신호 증폭기(271)가 전압신호로 변환할 수 있으며, 위와 같은 트리거 신호가 발생되면(S341), DAQ 시스템(272)은 전류신호 증폭기(271)의 위와 같은 출력에 대하여 광지연기(230)에서 빔이 반사되어 나올때마다 연속하여 샘플링하면서 데이터를 수집해 나간다(S360). 이와 같이 본 발명에서는 위와 같이 회전형 광지연기 콘트롤러(220)에 의하여 제어되는 회전형 광지연기(230)의 반사체의 회전을 이용하여 한번의 트리거 신호에 대하여 연속으로 다수의 테라헤르츠파 펄스를 계측할 수 있도록 한다.
시스템 제어기(210)는 DAQ 시스템(272)에서 수집하는 데이터에 기초하여 소정 디스플레이 장치로 표시할 수 있는 데이터로 처리하고(S370), 처리된 데이터를 소정 저장 장치에 저장할 수 있으며(S380), 디스플레이부(290)를 통하여 해당 테라헤르츠파 신호에 대한 영상을 디스플레이 할 수 있다(S390).
한편, 도 2에서, X-Y 스테이지(250)를 구동하여 시료의 단면에 대한 정보를 얻고자하는 경우, 예를 들면, 테라헤르츠파 영상을 얻고자 하는 경우에는 시료의 이동 속도와 회전형 광지연기(230)의 스캔속도, DAQ 시스템(272)의 샘플링속도를 연동시켜 동작하여야 한다.
영상화하고자하는 시료의 x 축(수평) 방향의 길이를 l x , x 축(수평) 방향의공간 분해능을 △x라 하고, y축(수직) 방향의 길이를 l y , y축(수직) 방향의 공간 분해능 △y라 하면, x, y 방향의 전체 픽셀수 nx, ny는 [수학식 7]과 같다.
[수학식 7]
Figure 112008056515060-PAT00011
Figure 112008056515060-PAT00012
x 축 방향으로 시료를 이동시키면서, 각 픽셀에서 하나의 테라헤르츠파형을 얻어야 하므로, 회전형 광지연기(230)의 파형스캔 주파수 f s 와 시료의 x축 방향의 이동속도 v x 는 [수학식 8]의 관계식을 만족하도록 설정한다.
[수학식 8]
Figure 112008056515060-PAT00013
시료에 대한 영상을 얻기 위하여 시료를 이동시키기 위한 X-Y 스테이지(250)의 구동형태는 도 7 또는 도 8과 같이 X축 스테이지를 x 방향으로 v x 의 속도로 l x 만큼 움직인 다음 Y축 스테이지를 y 방향으로 △y만큼 이동하는 동작을 반복하는 방법이 바람직하다. 도 7과 같이, △y만큼 이동 후에 좌에서 우로 스테이지를 이동하는 과정을 반복하면서 테라헤르츠파형 획득할 수도 있고, 도 8과 같이 좌에서 우로 스테이지를 이동하면서 테라헤르츠파형 획득한 후 △y만큼 이동 후에 우에서 좌로 스테이지를 이동하면서 테라헤르츠파형 획득하는 과정을 반복할 수도 있다.
x 축 방향으로 길이 l x 의 시료를 △x의 공간 분해능으로 nx 개의 픽셀에 대해서 데이터를 획득하는 경우, DAQ 시스템(272)이 한번의 트리거 신호에 의해서 한 라인 전체의 신호를 획득하도록 제어함으로써 시료전체에 대한 테라헤르츠파 영상 획득 속도를 향상시키는 것이 가능하다.
이때의 한 라인에 대한 전체 데이터의 개수 N tot 는 [수학식 8]와 같이 계산된다.
[수학식 9]
Figure 112008056515060-PAT00014
DAQ 시스템(272)을 통하여 획득한 N tot 개의 데이터는 도 9와 같이, nx 개의 파형이 시료의 각 픽셀에 대응되어 분할되는 형태로 제공될 수 있다.
이와 같이 획득되는 데이터를 처리하는 방법에는 두가지 방법이 가능하다. 예를 들어, 1) 각 픽셀에 대응하는 전체 파형(full waveform)을 저장하는 방법, 2) 각 픽셀에 대응하는 파형으로부터 대표적인 값(예를 들면, 파형의 최대값, 최소값, 최대-최소값, 최대값이 나타나는 위치 등)만을 취하여 한 픽셀에 하나의 데이터만 대응시켜 저장하는 방법이 있을 수 있다.
위의 1)의 방법은 데이터를 후처리하는 과정에서 다양한 형태의 이미지를 얻을 수 있으나 많은 양의 데이터를 처리하는 과정에서 데이터 처리(저장)시간이 길어지고 많은 메모리를 차지하는 단점이 있다. 위의 2)의 방법은 한 픽셀에 하나의 데이터만 대응시키므로 하나의 이미지만 얻을 수 있으나 데이터의 양이 적기 때문에 데이터 처리 시간이 빠르고 메모리 등 저장 장치의 용량이 적어도 가능하다.
이하, 도 10을 참조하여, X-Y 스테이지(250)를 구동하여 시료의 단면에 대한 정보를 얻고자하는 경우, 예를 들면, 테라헤르츠파 영상을 얻고자 하는 경우에 대 한 데이터 획득 과정을 설명한다.
도 10을 참조하면, 먼저, 광지연 길이 분해능 △l, 파형 스캔 주파수 f s , x 축(수평) 방향의 길이 l x , x 축(수평) 방향의공간 분해능 △x, y축(수직) 방향의 길이 l y , y축(수직) 방향의 공간 분해능 △y를 선택하고(S710), [수학식 1]에 따른 DAQ 시스템(272)의 샘플링 속도 SR, [수학식 2]에 따른 모터(20)의 회전속도 RPM, [수학식 5]와 [수학식 9]에 따른 DAQ 전체 측정 데이터 수 Ntot, [수학식 8]에 따른 X-Y 스테이지(250)의 x축 속도 v x 및 [수학식 7]에 따른 x, y 방향의 전체 픽셀수 nx, ny를 결정한다(S720).
이에 따라 시스템 제어기(210)가 동작하면서(S730), 스테이지 제어기(240)의 동작을 제어하고(S740), 이에 따라 스테이지 제어기(240)는 위와 같이 결정된 속도에 따라 X-Y 스테이지(250)의 해당 속도를 조절할 수 있다(S741). 이때, DAQ 시스템(272)이 스탠바이 상태인 동안(S750), 광지연기 콘트롤러(220)가 동작하여(S760), 광지연기 모터(20)를 구동할 수 있고(S361), 이때, 광지연기 콘트롤러(220)는 DAQ 시스템(272)의 데이터 수집을 활성화하기 위한 트리거 신호를 발생시킬 수 있으며(S362), 이때의 트리거 신호는 모터(20)의 분당회전수와 연관되어 있고, 이에 따라 DAQ 시스템(272)의 샘플링 속도를 제어함으로써 회전형 광지연기(230)의 분해능을 조절할 수 있다.
한편, 테라헤르츠 발생부의 안테나에서 발생되어 시료를 거쳐 테라헤르츠 검 출부의 안테나에서 발생한 테라헤르츠파에 대한 전류신호를 전류신호 증폭기(271)가 전압신호로 변환할 수 있으며, 위와 같은 트리거 신호가 발생되면(S751), DAQ 시스템(272)은 전류신호 증폭기(271)의 위와 같은 출력에 대하여 광지연기(230)에서 빔이 반사되어 나올때마다 연속하여 샘플링하면서 데이터를 수집해 나간다(S780). 이때, 위와 같은 스테이지 제어기(240)의 속도 제어에 따라 X-Y 스테이지(250)가 도 7 또는 도 8과 같은 방법으로 x 축 방향으로 스테이지를 이동시키고, DAQ 시스템(272)은 해당 픽셀에 대한 데이터를 수집하는 과정을 반복할 수 있다(S770, S780).
시스템 제어기(210)는 DAQ 시스템(272)에서 수집하는 데이터에 기초하여 소정 디스플레이 장치로 표시할 수 있는 데이터로 처리하고(S781), 처리된 데이터를 소정 저장 장치에 저장할 수 있으며(S790), 디스플레이부(290)를 통하여 해당 테라헤르츠파 신호에 대한 영상을 디스플레이 할 수 있다(S791). 이외에도, 스테이지 제어기(240)의 제어에 따라 스테이지가 y축 방향으로 △y 만큼 이동하여 다음 라인에 대하여 위와 같은 과정을 반복한다(S792). △y 만큼 ny 회 위와 같은 과정이 반복되어 시료 전체에 대한 측정이 완료될 수 있다(S793).
이와 같이 본 발명에서는 위와 같이 회전형 광지연기 콘트롤러(220)에 의하여 제어되는 회전형 광지연기(230)의 반사체의 회전을 이용하여 한번의 트리거 신호에 대하여 연속으로 다수의 테라헤르츠파 펄스를 계측할 수 있도록 하며, 특히, 회전형 광지연기(230)의 회전 속도와 X-Y 스테이지 제어기(240)를 연동하여 제어함 으로서 테라헤르츠파 영상을 얻는 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 테라헤르츠파 측정 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템(200)을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 광지연기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 광지연기의 반사체를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 광지연기의 반사체를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 X-Y 스테이지를 구동하지 않고 시료의 한점에 대한 정보를 얻고자하는 경우의 테라헤르츠파 측정 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일시시예에 따라 시료를 이동시키기 위한 X-Y 스테이지의 구동형태의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일시시예에 따라 시료를 이동시키기 위한 X-Y 스테이지의 구동형태의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일시시예에 따라 시료의 한 라인 전체 데이터에 대하여 분할되어 제공되는 픽셀 데이터 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일시시예에 따라 X-Y 스테이지를 구동하하여 시료의 한 점에 대한 정보를 얻고자하는 경우의 테라헤르츠파 측정 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

Claims (7)

  1. 복수의 날개들을 가지는 회전형 반사체를 포함하는 광지연 수단을 이용하여 빔분배기에서 두경로로 분리된 레이저빔들이 시간차를 가지도록 하고,
    상기 시간차를 가지는 레이저빔들을 각각 테라헤르츠파 발생 수단과 테라헤르츠파 검출 수단으로 입사시키며,
    상기 광지연 수단을 제어하는 수단으로부터 트리거 신호 발생 시에, 활성화되는 DAQ 시스템에서, 상기 테라헤르츠파 검출 수단에서 생성되는 전류 신호에 대응되는 전압 신호를 샘플링하여 상기 테라헤르츠파 발생 수단과 테라헤르츠파 검출 수단 사이의 시료에 대하여 테라헤르츠파 펄스의 데이터를 수집하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 테라헤르츠파 측정 시스템은,
    한번의 상기 트리거 신호에 응답하여 상기 회전형 반사체를 회전시키는 속도와 상기 복수의 날개들의 수에 기초한 파형 스캔 주파수에 비례하는 다수의 테라헤르츠파 펄스에 대한 계측을 수행하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    미리 선택한 광지연 길이 분해능 △l, 파형 스캔 주파수 f s , 및 측정 펄스 수 n에 기초하여 결정한 상기 DAQ 시스템의 샘플링 속도 SR, 상기 회전형 반사체를 회전시키는 모터의 회전속도 RPM, 및 전체 측정 데이터 수 Ntot에 따라 상기 광지연 수단을 제어하는 수단 및 상기 DAQ 시스템을 제어하는 시스템 제어기
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시료를 홀딩하기 위한 스테이지와 상기 스테이지를 구동하는 스테이지 제어기를 더 포함하고,
    상기 스테이지 제어기를 통하여 상기 스테이지를 수평 또는 수직 방향으로 구동하여,
    한번의 상기 트리거 신호에 응답하여 수직 공간 분해능으로 구분되는 상기 시료의 한 라인 전체에 대하여 수평 공간 분해능만큼씩 이동하며 테라헤르츠파 펄스에 대한 계측을 수행하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 시스템 제어기는,
    미리 선택한 광지연 길이 분해능 △l, 파형 스캔 주파수 f s , 수평 방향의 길이 l x , 수평 방향의 공간 분해능 △x, 수직 방향의 길이 l y , 수직 방향의 공간 분해능 △y에 기초하여, 상기 DAQ 시스템의 샘플링 속도 SR, 상기 회전형 반사체를 회전시키는 모터의 회전속도 RPM, 전체 측정 데이터 수 Ntot , 수평 방향의 속도 v x , 수평 및 수직 방향의 전체 픽셀수 nx, 및 ny를 결정하여, 상기 시료의 미리 정해진 영역에 대하여 상기 광지연 수단을 제어하는 수단 및 상기 DAQ 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
  6. 레이저빔을 두 경로로 분리하는 단계;
    복수의 날개들을 가지는 회전형 반사체를 포함하는 광지연 수단을 이용하여 상기 두경로로 분리된 레이저빔들이 시간차를 가지도록 상기 레이저빔들 중 어느 하나를 지연시키는 단계;
    상기 시간차를 가지는 레이저빔들을 각각 테라헤르츠파 발생 수단과 테라헤르츠파 검출 수단으로 입사시키는 단계; 및
    상기 광지연 수단을 제어하는 수단으로부터 트리거 신호 발생 시에, 상기 테라헤르츠파 검출 수단에서 생성되는 전류 신호에 대응되는 전압 신호를 샘플링하여 상기 테라헤르츠파 발생 수단과 테라헤르츠파 검출 수단 사이의 시료에 대하여, 테라헤르츠파 펄스의 데이터를 수집하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 시료를 홀딩하기 위한 스테이지를 수평 또는 수직 방향으로 구동하여, 한번의 상기 트리거 신호에 응답하여 수직 공간 분해능으로 구분되는 상기 시료의 한 라인 전체에 대하여 수평 공간 분해능만큼씩 이동하며 테라헤르츠파 펄스에 대한 계측을 수행하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 방법.
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