KR20100056000A

KR20100056000A - 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계

Info

Publication number: KR20100056000A
Application number: KR1020080114932A
Authority: KR
Inventors: 김학용; 이윤우
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-05-27
Also published as: KR101028061B1

Abstract

본 발명은 외부진동에 강인하게 광학적 표면 형상을 측정하기 위한 일종의 점회절 간섭계를 제공하고자 한 것으로서, 측정물체의 진동이 기준파면과 측정파면에 공통적으로 존재함에 따라 움직이는 물체의 형상을 안정적으로 측정할 수 있고, 핀 홀 등의 공간필터 및 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용하여 기준파면을 생성하되 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용해 측정광을 모아줌으로써, 측정광의 집속효율을 높일 수 있고, 진동에 강인하여 움직이는 물체의 형상을 보다 안정적으로 측정할 수 있는 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계를 제공하고자 한 것이다.

간섭계, 다단의, 결맞은, 광섬유, 테이퍼, 광, 측정물체, 기준파면, 측정파면, 간섭무늬, 안정화

Description

결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계{Fringe Stabilized Inerferometer using Coherent Fiber Optic Tapers}

본 발명은 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 핀 홀 등의 공간필터 및 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용하여 기준파면을 생성하되, 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용함에 따라 측정광의 집속효율을 높일 수 있고, 진동에 강인하여 움직이는 물체의 형상을 안정적으로 측정할 수 있는 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계에 관한 것이다.

일반적으로 광학부품이나 웨이퍼, 유리제품 등의 제조시 제작된 광학부품의 형상을 측정하기 위하여 간섭의 원리에 기초한 피조 간섭계, 점회절 간섭계 등이 사용되고 있는데, 여기에 사용되는 렌즈나 거울 등의 광학부품을 가공하는 방법이 기존의 단순 연마과정을 넘어서 이제는 다양한 곡률의 구면 또는 비구면의 자유곡면을 가공할 수 있는 자동화가 널리 보급되어 있는 추세이다.

하지만 가공기술은 자동화되어 있는 반면에 이를 위한 측정장비는 자동화되어 있지 못하기 때문에 가공기와 측정기가 되먹임에 의한 제어관계에 있지 못하고 서로 독립적이다.

이러한 문제의 가장 큰 원인은 측정기로 사용되는 광 간섭계가 환경, 특히 진동에 상당히 취약하기 때문에 측정결과를 제대로 얻어낼 수 없고, 따라서 진동이 심한 광학부품의 생산 공정에는 적용을 할 수가 없었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 공통경로(common path) 방식의 간섭계는 진동성분이 기준파면과 측정파면에 동일하게 존재하기 때문에 간섭무늬가 근본적으로 안정화될 수 있고, 공간위상천이장치를 구비할 경우 실시간으로 진동에 강인한 측정이 가능하다.

그 예로서 핀홀을 이용해 기준파면을 생성하는 방법(O. Y. Kwon, Opt. Lett.9, p.59, J. E. Millerd et al., Proc. SPIE 5531, p.264)과, 단일모드 광섬유를 이용한 공통경로 방식의 간섭계(H. Kihm et al., Opt. Lett. 30, p2059, 대한민국 특허 등록번호 10-0593783)가 제시되어 있다.

그러나, 측정물체로부터 반사되어 왜곡된 파면을 렌즈 등을 이용해 핀홀과 단일모드 광섬유에 집속시키는 것은 효율이 낮을 뿐만아니라 물체가 진동할 때 초점이 벗어남으로써, 측정광이 통과되지 못하게 되어 실질적으로 사용하기에는 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 연구된 결과물로서, 기존의 공통경로(common path)방식을 통해 간섭무늬를 안정화시키는 점회절 간섭계에 비하여 측정광의 집광효율을 높이기 위해 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼를 적용시킨 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 선형 편광된 광원인 광원수단; 광원수단에서 조사된 빔을 평행광으로 만들어주도록 상기 광원수단으로부터 차례로 배열되는 제1집광렌즈, 제1공간필터, 제1시준렌즈; 상기 제1시준렌즈의 다음에 배열되어 선형 편광된 빔의 편광 방향을 회전시키는 제1반파장판과; 상기 제1반파장판에서 입사되는 광을 반사 및 투과시키기 위한 제1편광분할기와; 상기 제1편광분할기에서 반사된 광이 측정물체쪽으로 통과하는 동시에 측정물체에서 다시 반사되어 돌아올 때, 돌아오는 광의 편광모드를 바꾸어주면서 제1편광분할기에서 광이 투과되도록 하는 1/4파장판; 상기 제1편광분할기에서 투과된 광의 편광방향을 회전시킴으로써, 편광방향이 회전된 빔이 제2편광분할기에서 두 경로로 나누어지도록 한 제2반파장판; 상기 제2편광분할기에서 반사된 광이 통과되는 제2집광렌즈; 상기 제2집광렌즈로부터 입사된 광을 한 곳으로 결속시키는 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼와; 상기 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼중 최종 테이퍼의 출사단과 인접한 위치에 배열되어, 기준파면을 생성하기 위하여 회전에 의한 구면파를 생성하는 제2공 간필터; 상기 구면파를 평면파로 바꾸어주는 제2시준렌즈; 평면파로 바뀌어진 기준파면을 반사시키는 제3편광분할기; 상기 제2편광분할기를 통과한 측정파면을 상기 제3편광분할기로 반사시키는 코너큐브; 상기 측정파면과 기준파면이 투과되어 간섭무늬를 생성하는 편광판; 간섭무늬를 관찰할 수 있는 검출기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계를 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼는 다수개의 결맞은 광섬유가 상호 연결된 구조로서, 각각의 결맞은 광섬유는 일측단부는 좁고 타측단부는 넓은 테이퍼 구조로 제작되되, 좁은 쪽은 광이 출사되는 출사단으로 형성되고, 넓은 쪽은 광이 입사되는 입사단으로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 다른 구현예로서, 상기 구면파를 생성하는 제2공간필터는 핀홀이 식각된 마스크 또는 단일모드 광섬유중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 코너큐브는 기준파면과 측정파면의 광경로 차이를 보상하기 위해 이송이 가능하고, 다중 간섭무늬 해석을 위한 위상이동(phase shifting) 도구를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 기존의 공통경로(common path)방식을 통해 간섭무늬를 안정화시키는 점회절 간섭계와 달리, 기준파면 생성을 위해 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼를 사용함으로써, 집광효율을 높이고 측정물체의 진동에 보다 강인하기 때문에 실제적인 활용도가 매우 큰 간섭계를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭계는 기존의 공간위상천이 장치들에 용이하게 적용시킴으로써, 실시간으로 측정물체의 기준파면과 측정파면간의 간섭무늬를 손쉽게 측정할 수 있을 뿐만아니라, 측정된 간섭무늬가 안정화된 간섭무늬로 표출됨에 따라, 그 측정 반복능을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계를 나타내는 구성도이다.

도 1에서, 광원수단(101)은 선형 편광된 광원으로서, 가간섭 거리가 짧은 레이저를 사용할 수 있다.

상기 광원수단(101)으로부터 조사된 빔은 제1집광렌즈(102), 제1공간필터(103, pinhole), 그리고 제1시준렌즈(104)를 차례로 통과하면서 잘 정의된 평행광이 된다.

상기 제1시준렌즈(104)의 다음에는 제1반파장판(105, half-wave palte)이 배열되는데, 이 제1반파장판(105)은 선형 편광되어 전파하는 빔의 편광 방향을 회전시키는 역할을 한다.

또한, 상기 제1반파장판(105)의 다음에는 제1편광분할기(106,polarization beam splitter)가 배열되는 바, 이 제1편광분할기(106)에 상기 제1반파장판(105)에서 편광방향이 회전된 빔이 조사되면, 조사된 빔의 전체 광량은 상기 제1편광분할기(106)의 반사 편광 방향과 이루는 각도에 따라서 변하게 된다.

상기 제1편광분할기(106)에서 반사된 빔은 그 일측에 배열되는 1/4 위상판(107,quarter-wave palte)을 거치게 되는데, 이 1/4 위상판(107)은 측정물체(109)에서 반사되어 돌아오는 빔의 편광모드를 바꾸는 역할을 함으로써, 상기 제1편광분할기(106)에서 빔이 투과되도록 한다.

한편, 상기 제1편광분할기(106)의 타측쪽에는 제2반파장판(110)이 배열되는데, 이 제2반파장판(110)은 제1편광분할기(106)에서 투과된 광의 편광방향을 회전 시킴으로써, 편광방향이 회전된 빔이 제2편광분할기(111)에서 두 경로로 나누어지도록 한다.

즉, 상기 제2반파장판(110)은 두 경로의 광량을 조절하는 역할 즉, 제1편광분할기(106)에서 투과된 광의 편광방향을 회전시킴에 따라 편광방향이 회전된 빔이 제2반파장판(110)의 다음에 배열되는 제2편광분할기(111)에서 두 경로로 나누어지게 하는 역할을 하게 된다.

이때, 측정파면은 상기 제2편광분할기(111)에 의하여 두 가지 경로로 나뉘어 진행하게 되는데, 반사된 측정파면은 제2집광렌즈(113)에 의해 결맞은 광섬유 테이퍼(114)의 넓은 끝 단면에 입사된다.

보다 상세하게는, 상기 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼(114, cascaded coherent fiber optic tapers)는 다수개의 결맞은 광섬유가 상호 연결된 구조로서, 각각의 결맞은 광섬유는 일측단부는 좁고 타측단부는 넓은 테이퍼 구조로 제작되되, 좁은 쪽은 광이 출사되는 출사단으로 형성되고, 넓은 쪽은 광이 입사되는 입사단으로 형성된 구조를 갖는다.

따라서, 상기 결맞은 광섬유 테이퍼(114)의 출사단쪽(제2공간필터(115)쪽)은 좁은 끝 단면을 가지는 동시에 입사단쪽(집광렌즈(113)가 배열된 쪽)은 넓은 끝 단면을 가지도록 서로 적층 연결되며, 이에 상기 반사된 측정파면은 제2집광렌즈(113)에 의해 결맞은 광섬유 테이퍼(114)의 가장 첫번째 테이퍼의 입사단(넓은 끝 단면)에 입사된다.

이어서, 다단으로 연결된 결맞은 광섬유 테이퍼(114)는 입사된 광을 한 곳으 로 결속시키며 최종 테이퍼의 출사단(좁은 끝 단면)을 통해 입사된 광이 출사되어진다.

또한, 상기 다단으로 연결된 결맞은 광섬유 테이퍼(114)중 최종 테이퍼의 다음에 제2공간필터(115,pinhole mask)가 배열되는데, 이 제2공간필터(115)는 핀홀이 식각된 마스크 또는 단일모드 광섬유중 선택된 어느를 사용할 수 있으며, 잘 정의된 기준파면을 생성하기 위하여 회전에 의해 구면파를 생성한다.

이렇게 생성된 구면파는 제2시준렌즈(116)에 의해 평면파로 바뀌어 기준파면이 되고 제3편광분할기(117)에 의해 반사된다.

한편, 상기 제2편광분할기(111)를 통과한 또 다른 경로의 측정파면은 코너큐브(112)에서 반사되어 제3편광분할기(117)를 투과한다.

상기 코너큐브(112)는 기준파면과 측정파면의 광경로 차이를 보상하기 위해 이송이 가능하며, 또한 다중 간섭무늬 해석을 위한 위상이동(phase shifting) 도구를 코너큐브로 사용할 수 있다.

최종적으로, 측정파면과 기준파면은 편광판(118,polarizer)를 투과함으로써, 간섭무늬를 생성하게 되고, 이 간섭무늬는 편광판(118)의 다음에 배열되는 검출기(119)를 통해서 관찰할 수 있다.

여기서, 측정물체(109)의 진동은 측정파면과 기준파면에 공통적으로 존재하기 때문에 두 파면간의 간섭무늬는 안정화될 수 있지만, 측정물체(109)의 진동에 따라 제2집광렌즈(113)에 의해 한 곳으로 모이는 측정광이 움직이게 됨에 따라, 기존의 점회절 방식에서는 기준광이 생성되지 못하는 문제점이 있었다.

이에 반해, 본 발명에서는 제2집광렌즈(113)와 제2공간필터(115) 사이에 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼(114)를 삽입하여 측정물체(109)로부터의 왜곡되고 흔들리는 측정광을 한 곳으로 집속시켜줌으로써, 보다 안정된 기준광 생성이 가능하여 진동에 강인한 간섭무늬 안정화된 간섭계의 구현이 가능하다.

이와 같이, 본 발명에 따른 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계는 기존의 공통경로(common path)방식을 통해 간섭무늬를 안정화시키는 점회절 간섭계와 달리, 기준파면 생성을 위해 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼를 사용함으로써, 집광효율을 높이고 측정물체의 진동에 보다 강인하기 때문에 실제적인 활용도가 매우 큰 간섭계를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계는 기존의 공간위상천이 장치들(미국특허 등록번호 6,304,330, 미국특허 등록번호 7,230,717, 미국특허 등록번호 7,405,830)과 결합함으로써, 실시간으로 측정물체의 기준파면과 측정파면간의 간섭무늬를 측정할 수 있을 뿐만아니라 안정화된 간섭무늬로부터 측정 반복능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계를 나타내는 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 광원수단 102 : 제1집광렌즈

103 : 제1공간필터 104 : 제1시준렌즈

105 : 제1반파장판 106 : 제1편광분할기

107 : 1/4 위상판 110 : 제2반파장판

111 : 제2편광분할기 112 : 코너큐브

113 : 제2집광렌즈 114 : 결맞은 광섬유 테이퍼

115 : 제2공간필터 116 : 제2시준렌즈

117 : 제3편광분할기 118 : 편광판

119 : 검출기

Claims

선형 편광된 광원인 광원수단;

광원수단에서 조사된 빔을 평행광으로 만들어주도록 상기 광원수단으로부터 차례로 배열되는 제1집광렌즈, 제1공간필터, 제1시준렌즈;

상기 제1시준렌즈의 다음에 배열되어 선형 편광된 빔의 편광 방향을 회전시키는 제1반파장판과;

상기 제1반파장판에서 입사되는 광을 반사 및 투과시키기 위한 제1편광분할기와,

상기 제1편광분할기에서 반사된 광이 측정물체쪽으로 통과하는 동시에 측정물체에서 다시 반사되어 돌아올 때, 돌아오는 광의 편광모드를 바꾸어주면서 제1편광분할기에서 광이 투과되도록 하는 1/4파장판;

상기 제1편광분할기에서 투과된 광의 편광방향을 회전시킴으로써, 편광방향이 회전된 빔이 제2편광분할기에서 두 경로로 나누어지도록 한 제2반파장판;

상기 제2편광분할기에서 반사된 광이 통과되는 제2집광렌즈;

상기 제2집광렌즈로부터 입사된 광을 한 곳으로 결속시키는 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼와;

상기 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼중 최종 테이퍼의 출사단과 인접한 위치에 배열되어, 기준파면을 생성하기 위하여 회전에 의한 구면파를 생성하는 제2공간필터;

상기 구면파를 평면파로 바꾸어주는 제2시준렌즈;

평면파로 바뀌어진 기준파면을 반사시키는 제3편광분할기;

상기 제2편광분할기를 통과한 측정파면을 상기 제3편광분할기로 반사시키는 코너큐브;

상기 측정파면과 기준파면이 투과되어 간섭무늬를 생성하는 편광판;

간섭무늬를 관찰할 수 있는 검출기;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계.
청구항 1에 있어서,

상기 다단의 결맞은 광섬유 테이퍼는 다수개의 결맞은 광섬유가 상호 연결된 구조로서, 각각의 결맞은 광섬유는 일측단부는 좁고 타측단부는 넓은 테이퍼 구조로 제작되되, 좁은 쪽은 광이 출사되는 출사단으로 형성되고, 넓은 쪽은 광이 입사되는 입사단으로 형성된 것을 특징으로 하는 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계.
청구항 1에 있어서,

상기 구면파를 생성하는 제2공간필터는 핀홀이 식각된 마스크 또는 단일모드 광섬유중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계.
청구항 1에 있어서,

상기 코너큐브는 기준파면과 측정파면의 광경로 차이를 보상하기 위해 이송이 가능하고, 다중 간섭무늬 해석을 위한 위상이동(phase shifting) 도구를 사용하는 것을 특징으로 하는 결맞은 광섬유 테이퍼를 이용한 간섭무늬 안정화된 간섭계.