KR20110064649A - Refractive index measurement device based on white light interferometry and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 간섭무늬 측정 시스템을 이용한 광소재의 굴절률 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 복잡한 장치들을 사용하지 않고 간편하면서도 정밀하게 넓은 파장 영역에서의 위상 굴절률(Phase Refractive Index)의 절대값을 쉽고 빨리 측정할 수 있는 광소재의 굴절률 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and method for measuring refractive index of optical materials using an interference fringe measurement system. In particular, the present invention relates to a method of measuring refractive index of a phase refractive index in a broad wavelength range easily and quickly without using complicated devices. The present invention relates to an apparatus and method for measuring refractive index of optical materials that can be measured.
광소재의 굴절률 측정은 모든 광소자 및 포토닉스 소자의 소재 분석에 가장 기본이 되는 물성 측정 기술이다. 따라서, 다양한 광통신 및 광신호 처리 등의 여러 광소자들의 기능에 영향을 미치는 광소재의 주요한 물리적 특성인 굴절률을 정확하게 측정할 수 있는 방법은 매우 중요하다고 할 수 있다.Refractive index measurement of optical materials is the most fundamental property measurement technology for the material analysis of all optical devices and photonic devices. Therefore, it is very important to accurately measure the refractive index, which is a major physical property of optical materials, which affects the functions of various optical devices such as various optical communication and optical signal processing.
현재까지 다양한 형태의 굴절률 측정 방법이 알려져 있으며, 전통적으로는 빛이 매질을 통과하면서 굴절되는 각도를 이용하여 측정하거나 간섭계를 이용하는 방법 등이 사용되어 왔다. 이러한 방법들에서는 샘플을 프리즘 모양과 같은 특정한 모양으로 준비를 해야 하거나 복잡한 측정 장치 또는 복잡한 데이터 분석 방법이 필요하거나 특정한 파장에서의 굴절률만 측정이 가능한 점 등의 제한적인 특성이 존재한다. 이하에서는 굴절률 측정을 위한 종래의 다양한 방법과 그 문제점들에 대해 알아본다.Until now, various types of refractive index measurement methods have been known, and traditionally, methods using an angle at which light is refracted while passing through a medium or using an interferometer have been used. These methods have limited characteristics, such as the need to prepare a sample in a specific shape, such as a prism shape, a complex measuring device, a complex data analysis method, or a refractive index at a specific wavelength. Hereinafter, various conventional methods for measuring the refractive index and their problems will be described.
먼저, 1) 반사막을 이용한 단일빔 편광 간섭계의 타원계측법(ellipsometry) 분석 방식 [C. M. Herzinger, et al., J. of Appl. Phys., 83 (6), 3323-3336 (1998)] [J. C. Martinez-Anton and E. Bernabeu, Opt. Commun. 132, 321328 (1996)]의 경우 얇은 샘플에 입사하는 빛이 각도에 따른 반사광의 세기를 측정함으로써 굴절률을 측정하는 방법이며, 이 방법에서는 샘플의 두께가 얇은 경우에만 가능하고 기본적으로 단일 파장에 대한 굴절률 측정을 하되 여러 파장에 대한 특성을 얻기 위해서는 파장을 변화해 가면서 측정해야 한다는 문제점이 있다, 또한, 두께와 각도에 매우 민감하고 측정시 사용하는 광원의 선폭 등에 의한 영향이 많아 측정되는 값의 오차가 커질 수 있다는 문제점이 있다.First, 1) ellipsometry analysis method of single beam polarization interferometer using reflective film [C. M. Herzinger, et al., J. of Appl. Phys., 83 (6), 3323-3336 (1998)] [J. C. Martinez-Anton and E. Bernabeu, Opt. Commun. 132, 321328 (1996)] is a method of measuring the refractive index by measuring the intensity of reflected light according to the angle of light incident on a thin sample, which is possible only when the thickness of the sample is thin and basically In order to measure the refractive index, it is necessary to measure the wavelength by changing the wavelength in order to obtain the characteristics of various wavelengths. In addition, it is very sensitive to thickness and angle and has a large influence due to the line width of the light source used in the measurement. There is a problem that can be large.
2) 프리즘 커플링 방식 [R. Ulrich and R. Torge, Appl. Opt., 12, 2901 (1973)]의 경우 박막의 샘플 위에 프리즘을 올려놓고 프리즘에 빛의 입사각을 변화시키면서 반사되는 빛의 세기를 측정한다. 이 때 측정은 기본적으로 단일 파장에 대해 수행하며 각도를 변화시키면서 해당 조건을 찾아가는 측정을 해야한다는 단점이 있으며, 즉 여러 파장에 대한 특성을 얻기 위해서는 파장을 변화해 가면서 반복적인 측정을 수행해야 한다는 문제점이 있다.2) Prism coupling method [R. Ulrich and R. Torge, Appl. Opt., 12, 2901 (1973)] places a prism on a sample of a thin film and measures the intensity of the reflected light while varying the angle of incidence of the light on the prism. In this case, the measurement is basically performed on a single wavelength, and the measurement has to be made to find the corresponding conditions while changing the angle. That is, to obtain the characteristics of several wavelengths, it is necessary to perform repeated measurements while changing the wavelength. There is this.
3) 샘플에서 빛의 최소 편차각을 이용하는 방식 [D. J. Gettemy, et al., IEEE J. Quantum Electron, 24, 2231 (1988)] [J. F. H. Nicholls, et al., Appl. Opt. 36, 8587 (1997)]의 경우 온도에 따른 굴절변화로 굴절된 빛의 최소 편차각을 이용하는 방식에서는 샘플을 프리즘과 같이 특정한 모양으로 준비하여 입사각과 굴절각의 편차가 가장 적은 각도를 측정하는 방식으로 샘플을 준비하기가 힘들고 단일파장에서의 각도 변화를 일일이 측정해야 한다는 문제점이 있다.3) Using the minimum deviation angle of light in the sample [D. J. Gettemy, et al., IEEE J. Quantum Electron, 24, 2231 (1988)] [J. F. H. Nicholls, et al., Appl. Opt. 36, 8587 (1997)], in which a minimum deviation angle of light refracted by a change in refraction according to temperature is used to prepare a sample in a specific shape, such as a prism, and measure the angle with the smallest deviation between the incident angle and the refraction angle. It is difficult to prepare a sample and there is a problem in that it is necessary to measure an angle change at a single wavelength.
4) 아베 굴절률 방식 [J. Rheims, et al, Meas. Sci. Technol., 8, 601-605 (1997)] [M. Debenham, et al., Opt. Acta, 26, 1487-1503 (1979)] [G. H. Meeten, Meas. Sci. Technol. 8, 728 (1997)] [S. Singh, Phys. Scr., 65, 167-180 (2002)]의 경우 샘플의 굴절률에 따른 전반사 임계각을 이용하는 방법으로서, 프리즘의 굴절률에 따라서 측정 가능한 굴절률의 범위가 결정되며, 주어진 단일 파장에서의 전반사 조건을 일일이 찾아 굴절률을 측정해야 한다는 문제점이 있다.4) Abbe refractive index method [J. Rheims, et al, Meas. Sci. Technol., 8, 601-605 (1997)] [M. Debenham, et al., Opt. Acta, 26, 1487-1503 (1979)] [G. H. Meeten, Meas. Sci. Technol. 8, 728 (1997)] [S. Singh, Phys. Scr., 65, 167-180 (2002)] is a method of using the total reflection critical angle according to the refractive index of a sample, and the range of measurable refractive index is determined according to the refractive index of the prism, and the total reflection conditions at a given wavelength are searched individually. There is a problem that the refractive index should be measured.
5) 단일 파장 간섭계 방식 [M. S. Shumate, Appl. Opt. 5, 327 (1966)] [J. F. H. Nicholls, et al., Appl. Opt. 36, 8587 (1997)] [K. Betzler, et al., Rev. Sci. Instrum. 59, 652 (1988)]의 경우 샘플을 회전시키면서 단일 파장에서의 굴절률을 측정하는 방법으로 연속적인 파장에서의 굴절률은 볼 수가 없고, 다만 파장을 이동하면서 고정된 단색 파장에서 반복적인 측정이 이루어져야 하는 방법으로서 연속적인 파장에서의 굴절률 변화 즉 색분산을 한번 만에 간단하게 측정하기가 곤란하다는 문제점이 있다.5) Single wavelength interferometer method [M. S. Shumate, Appl. Opt. 5, 327 (1966) [J. F. H. Nicholls, et al., Appl. Opt. 36, 8587 (1997)] [K. Betzler, et al., Rev. Sci. Instrum. 59, 652 (1988)] is a method of measuring the refractive index at a single wavelength while rotating a sample, and the refractive index at a continuous wavelength cannot be seen, but repeated measurements must be made at a fixed monochromatic wavelength while moving the wavelength. As a method, there is a problem that it is difficult to simply measure the change of the refractive index at the continuous wavelength, that is, the chromatic dispersion at once.
6) 넓은 파장 대역을 가진 낮은 결맞음 광원 간섭계 방식 [W. V. Sorin and D. F. Gray, IEEE Photonics Technol. Lett., 4 (1), 105-107 (1992)] [D. F. Murphy and D. A. Flavin, Appl. Opt., 39 (25), 4607-4615 (2000)] [H. Maruyama, et al., Appl. Opt., 41, 13151322 (2002)] [D.-S. Park, et al., Hankook Kwanghak Hoeji (Korean), 20 (1), 29-33 (2009)] [한국 특허 10-0290086 (2001)]의 경우 본 발명에서와 같거나 비슷한 특성의 광원을 사용하되 기존의 기술에서는 샘플은 고정 시키되 한 쪽 거울을 이동하면서 결맞은 조건이 만족되는 파장에서의 간섭 피크를 시간 축 상에서 측정하는 방법이다. 이 방법에서는 샘플의 각 파장에서의 절대적인 위상 굴절률(phase refractive index) 대신에 넓은 파장 영역에서의 군 굴절률(group refractive index) 만을 측정할 수 있다는 문제점이 있다.6) Low coherence light source interferometer system with wide wavelength band [W. V. Sorin and D. F. Gray, IEEE Photonics Technol. Lett., 4 (1), 105-107 (1992)] [D. F. Murphy and D. A. Flavin, Appl. Opt., 39 (25), 4607-4615 (2000)] [H. Maruyama, et al., Appl. Opt., 41, 13151322 (2002)] [D.-S. Park, et al., Hankook Kwanghak Hoeji (Korean), 20 (1), 29-33 (2009)] [Korean Patent 10-0290086 (2001)] uses the same or similar light source as in the present invention, In the existing technique, the sample is fixed but the one-side mirror is moved to measure the interference peak on the time axis at the wavelength at which the matching condition is satisfied. In this method, there is a problem in that only the group refractive index in the wide wavelength region can be measured instead of the absolute phase refractive index in each wavelength of the sample.
7) 회절 격자를 이용한 방식 [W. Liang, et al., Appl. Phys. Lett., 86, 151122:1-3 (2005)] [I. Del Villar, et al., Opt. Lett., 30, 2363-2365 (2005)]과 8) 표면 플라즈몬 공명을 이용한 방식 [B. Gauvreau, et al., Opt. Express 15, 11413-11426 (2007)]의 경우 굴절률 측정범위가 회절격자의 격자 파장 범위와 표면 플라즈마에 쓰이는 금속의 굴절률에 의한 한계가 있으며, 파장에 대한 절대적인 굴절률 값을 측정하기 보다는 회절격자나 표면 플라즈몬 생성용 소자 주위의 액체나 기체와 같은 매질의 굴절률 변화를 측정하는 센서로서의 활용으로만 적합하다는 문제점이 있다.7) Method using diffraction grating [W. Liang, et al., Appl. Phys. Lett., 86, 151122: 1-3 (2005)] [I. Del Villar, et al., Opt. Lett., 30, 2363-2365 (2005)] and 8) Method using surface plasmon resonance [B. Gauvreau, et al., Opt. Express 15, 11413-11426 (2007)], the refractive index measurement range is limited by the grating wavelength range of the diffraction grating and the refractive index of the metal used in the surface plasma, and the diffraction grating or surface rather than measuring the absolute refractive index value for the wavelength. There is a problem in that it is only suitable for use as a sensor for measuring a change in refractive index of a medium such as a liquid or a gas around a plasmon generating element.
9) 'Optical Low-Coherence Tomography'를 이용한 방식 [G. J. Tearney, et al., Opt. Lett., 20 (21), 2258-2260 (1995)]의 경우 넓은 파장 영역의 광원 신호에 대해 간섭이 일어나는 조건을 이용하여 시료 내의 국부적인 굴절률 분포만을 측정하기 때문에 단일 파장에서의 절대적인 위상 굴절률(phase refractive index)이 아닌 넓은 파장 영역에서의 군 굴절률(group refractive index)만 측정이 가능하다는 문제점이 있다.9) Method using 'Optical Low-Coherence Tomography' [G. J. Tearney, et al., Opt. Lett., 20 (21), 2258-2260 (1995)] measure only the local refractive index distribution in a sample using the conditions under which interference occurs for light source signals in a wide wavelength range. There is a problem that only group refractive index can be measured in a wide wavelength region, not phase refractive index.
10) 광섬유를 이용한 페브리-페롯(Febry-Perot) 간섭계 방식 [T. Wei, Y. Han, et al., Opt. Express., 16 (8), 5764-5769 (2008)]의 경우 광섬유의 코어 부분이 식각된 간격 사이의 페브리-페롯 간섭계 구조에 측정하고자 하는 시료를 넣었을 때의 굴절률 변화를 측정하므로 절대적인 위상 굴절률(phase refractive index)의 측정보다는 액체나 기체 상태의 시료에 대한 굴절률 변화를 측정하기 위한 센서에서만 적합하다는 문제점이 있다.10) Febry-Perot interferometer method using optical fiber [T. Wei, Y. Han, et al., Opt. Express., 16 (8), 5764-5769 (2008)], the absolute phase index of refraction since the core portion of the optical fiber measures the change in refractive index when the sample to be measured is placed in the Fabry-Perot interferometer structure between the etched gaps. The problem is that it is only suitable for sensors for measuring the change in refractive index of liquid or gas samples rather than the measurement of (phase refractive index).
11) 링 공진기를 이용한 방식 [I. M. White, et al., Opt. Lett., 31, 1319-1321 (2006)] [I. M. White and X. Fan, Opt. Express, 16, 1020-1028 (2008)]의 경우 링 공진기에 액체 샘플을 떨어트려 공진 조건을 바꿈으로써 굴절률의 변화를 측정하는 것으로 샘플의 절대적인 위상 굴절률의 측정이 곤란하다는 문제점이 있다.11) Method using a ring resonator [I. M. White, et al., Opt. Lett., 31, 1319-1321 (2006)] [I. M. White and X. Fan, Opt. Express, 16, 1020-1028 (2008)] has a problem that it is difficult to measure the absolute phase refractive index of the sample by measuring the change of the refractive index by changing the resonance conditions by dropping the liquid sample in the ring resonator.
12) 포토닉 크리스탈에서의 컷오프 파장을 이용한 방식 [N. Skivesen, et al., Opt. Express, 15, 3169-3176 (2007)]의 경우 액체 샘플이 포토닉 크리스탈 주변에 있는 경우 빛의 진행 컷오프 조건이 변하는 것을 이용한 것으로서 파장에 따른 굴절률을 측정하기에는 부적절하다는 문제점이 있다.12) Method using cutoff wavelength in photonic crystal [N. Skivesen, et al., Opt. Express, 15, 3169-3176 (2007)] is a change in the light's propagation cutoff condition when the liquid sample is around the photonic crystal, which is not suitable for measuring the refractive index according to the wavelength.
13) 샘플에 입사하는 빛의 각도에 따른 광세기를 측정하는 방식 [G. Coppola, et al, Appl. Opt., 42 (19), 3882-3887 (2003)] [H. J. Choi, et al., Sae Mulli (The Korean Physical Society, Korean), 53 (6), 489-494 (2006)] [H. J. Choi, et al., J. of the Kor. Phys. Soc., 53 (6), 3197-3200 (2008)]의 경우 입사각도에 따른 광경로 길이가 변하는 정도에 따라서 간섭계의 보강 상쇄 간섭 조건이 변하는 것을 이용하는 것으로 단일 파장에서의 굴절률만을 측정 가능하며, 측정 횟수가 많아 시간이 오래걸리고, 각도에 따른 빛의 세기에 대한 그래프를 피팅시 오차가 생길 가능성이 많은 단점이 있다. 또한, 넓은 파장 영역에서의 연속적인 굴절률 측정이 어려운 문제점이 있다.13) Method of measuring the light intensity according to the angle of light incident on the sample [G. Coppola, et al, Appl. Opt., 42 (19), 3882-3887 (2003)] [H. J. Choi, et al., Sae Mulli (The Korean Physical Society, Korean), 53 (6), 489-494 (2006)] [H. J. Choi, et al., J. of the Kor. Phys. Soc., 53 (6), 3197-3200 (2008)] can measure only the index of refraction at a single wavelength by using the condition of constructive cancellation interference of the interferometer according to the degree of change of the optical path length according to the incident angle. It takes a long time due to the large number of measurements, and there are many disadvantages in that an error occurs when fitting a graph of light intensity according to an angle. In addition, continuous refractive index measurement in a wide wavelength range is difficult.
14) 공초점 현미경을 이용하는 방법 [T. Fukano and I. Yamaguchi, Appl. Opt., 38, 40654073 (1999)] [한국 공개특허 특2001-0113146, 공개특허 10-2006-0066267]의 경우 공초점 현미경과 파장 스캐닝 간섭계를 혼합하여 샘플의 굴절률과 두께를 동시에 측정하는 구도로 파장 변이 범위가 좁은 레이저 다이오도의 파장 조절을 통해 간섭 무늬의 위상 변화를 시간축 상에서 측정하는 방법으로서, 주어진 레이저 다이오드 파장에서의 굴절률 측정이 가능하여 연속적인 넓은 파장 영역에서의 절대적인 위상 굴절률을 측정하기가 곤란한 문제점이 있다.14) Method using confocal microscope [T. Fukano and I. Yamaguchi, Appl. Opt., 38, 40654073 (1999)] In case of [Korean Patent Laid-Open No. 2001-0113146, 10-2006-0066267], a wavelength is measured using a confocal microscope and a wavelength scanning interferometer to simultaneously measure the refractive index and thickness of a sample. A method of measuring the phase shift of an interference fringe on the time axis by adjusting the wavelength of a laser diode with a narrow range of variation. It is possible to measure the refractive index at a given laser diode wavelength, so that it is difficult to measure the absolute phase refractive index in a continuous wide wavelength region. There is a difficult problem.
15) 피조우(Fizeau) 간섭계를 이용하는 방법 [D. Bhattacharyya, et al., Opt. Laser Technol., 34, 9396 (2002)] [한국 공개특허 10-2006-0031199]의 경우 경사면을 가진 샘플을 준비하여야 하며 측정하고자 하는 파장 주위의 좁은 파장 영역에서의 간섭 무늬가 변화하는 특성을 측정하여 굴절률을 구하기 때문에 이 방법의 경우도 연속적인 넓은 파장 영역에서의 절대적인 위상 굴절률을 측정하기가 곤란한 문제점이 있다.15) How to use a Fizeau interferometer [D. Bhattacharyya, et al., Opt. Laser Technol., 34, 9396 (2002)] In the case of [Korea Patent Publication 10-2006-0031199], a sample having an inclined surface should be prepared and the characteristics of interference fringes changing in a narrow wavelength region around the wavelength to be measured are measured. Since the refractive index is obtained, it is difficult to measure the absolute phase refractive index in the continuous wide wavelength region even in this method.
16) 전하커플소자 (CCD) 카메라와 평면 샘플에 입사되는 경사진 입사빔에 대 해 샘플의 전면 및 후면에서 편향되는 빔의 떨어진 거리를 측정하는 방법 [미국 특허 공개 0025899 (2003)]의 경우 경사 입사각을 변화시켜 가면서 샘플의 전면 및 후면에서 편향되는 빔의 떨어진 거리를 측정하여 샘플의 위상 굴절률을 측정하기가 곤란한 문제점이 있다.16) Method of measuring the distance of the beam deflected from the front and rear of the sample with respect to the inclined incident beam incident on the charge coupler (CCD) camera and the planar sample [Inc. US Patent Publication 0025899 (2003)] It is difficult to measure the phase refractive index of the sample by measuring the distance of the beam deflected from the front and rear of the sample while changing the incident angle.
마지막으로, 17) 얇은 박막에서 반사되는 간섭 무늬를 이용하는 방법 [R. Swanepoel, J. Phys. E: Sci. Instrum, 16, 1214-1222 (1983)] [미국 특허 4,335,961 (1982)]의 경우 얇은 박막에서의 간섭 무늬를 이용하여 굴절률과 두께를 결정하는 방법이나 오차 범위가 제법 큰 편이며, 복잡한 계산 분석이 필요하다는 문제점이 있다.Finally, 17) using an interference fringe reflected from a thin film [R. Swanepoel, J. Phys. E: Sci. Instrum, 16, 1214-1222 (1983)] [US Pat. No. 4,335,961 (1982)], the method of determining the refractive index and thickness using interference fringes in thin films is quite large, and the error range is quite large. There is a problem that it is necessary.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 상대적으로 간단한 간섭계 구도와 원리로서 단순한 형태의 샘플 준비만으로도 연속적이고 넓은 파장 영역에서의 위상 굴절률의 절대값을 일시에 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the above problems, a device that can measure the absolute value of the phase refractive index in a continuous and wide wavelength region at a time simply by preparing a simple sample as a relatively simple interferometer composition and principle And to provide a method.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제 1 및 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 장치는, 다중 파장의 광 신호를 출력하는 광원(10); 상기 광원(10) 으로부터 입력되는 광 신호를 2개로 분배하는 광 신호 분배기(101,201), 상기 광 신호 분배기(101,201)를 통하여 분배된 광 신호 중 어느 하나를 수신하는 기준팔(110,210), 상기 광 신호 분배기(101,201)를 통하여 분배된 광 신호 중 다른 하나를 수신하여 측정 대상인 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스테이지를 구성하는 샘플팔(120,220), 상기 기준팔(110,210) 및 상기 샘플팔(120,220)을 거쳐 출력되는 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시키는 광 신호 결합기(102,202)를 포함하는 광 간섭계(100,200); 및 상기 광 간섭계(100,200)에서 간섭된 광 신호를 전달받아 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석기(20)를 포함한다.In order to achieve the above object, the refractive index measuring apparatus according to the first and second embodiments of the present invention, the
상기 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치에서 상기 기준팔(110)은, 상기 광 신호 분배기(101)로부터 수신한 광 신호를 공기 중으로 출력하기 위한 광 신호 출력용 콜리메이터(104); 및 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104)로부터 출력된 광 신호를 수신하기 위한 광 신호 수신용 콜리메이터(105);를 포함하며, 상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 수신용 콜리메이터(105)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 형성될 수 있다. 아울러 광 콜리메이터(104,105) 중 한 개에는 직선형 스테이지를 설치하여 둘 사이의 간격을 조절함으로써 기준팔(110)에서의 광경로 길이를 조절할 수 있도록 구성한다.In the refractive index measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention, the
상기 샘플팔(120)은, 상기 광 신호 분배기(101)로부터 수신한 광 신호를 광 샘플 설치대(130)로 조사하는 광 신호 발사용 콜리메이터(106); 및 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통과하여 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(106)로부터 조사되는 광 신호를 수신하는 광 신호 수광용 콜리메이터(107);를 포함하며, 상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(106) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 수광용 콜리메이터(107)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 형성될 수 있다.The
상기 광 간섭계(100)로부터 출력되는 간섭무늬의 가시성(Visibility)을 높이기 위해 편광 조절기(103)가 상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104) 사이의 광경로 또는 상기 광 신호 수신용 콜리메이터(105)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이에 구비되어 이들 광 경로 상으로 진행하는 광 신호의 편광 방향을 조절하도록 구성될 수 있다. 상기 편광 조절기(103)는 상기 기준팔(110) 경로 대신에 상기 샘플팔(120) 경로 상에 설치 될 수도 있다.In order to increase the visibility of the interference fringes output from the
상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 굴절률 측정 장치에서 상기 기준팔(210)은 상기 광 신호 분배기(201)로부터 분배된 광 신호를 굴절시켜 광 신호 결합기(202)로 조사되도록하고, 위치 이동을 통하여 기준팔에서의 광 경로 길이를 조절하는 제 1굴절수단(203,204);을 포함한다. 상기 샘플팔(220)은 상기 광 신호 분배기(201)로부터 분배된 상기 광 신호를 굴절시켜 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통과하여 상기 광 신호 결합기(202)로 조사되도록 하는 제 2굴절수단(205,206);을 포함한다.In the refractive index measuring apparatus according to the second exemplary embodiment of the present invention, the
상기 제 1굴절수단(204)과 상기 광 신호 결합기(202) 사이의 광 경로에는 광 신호의 편광 방향을 조절하기 위한 반파장판형 편광조절기(207)가 구비될 수 있다. 상기 반파장판형 편광조절기(207)는 상기 기준팔(210) 경로 대신에 샘플팔(220) 경로 상에 설치될 수도 있다.In the optical path between the first refraction means 204 and the
상기 샘플팔(120, 220)은 굴절률이 측정될 평행판형의 샘플을 포함할 수 있다.The
상기 샘플팔(120, 220)은 굴절률이 미리 측정된 기판 위에 굴절률을 측정하고자 하는 물질이 박막으로 코팅된 샘플을 포함할 수 있다.The
상기 샘플팔(120, 220)은 굴절률이 미리 측정된 물질로 이루어진 액체를 담을 수 있는 용기와 상기 용기에 담긴 액체 샘플을 포함할 수 있다.The
상기 광 간섭계(100,200)의 외면에는 외부 진동의 영향을 차단하기 위한 진동차단막(30)이 구비될 수 있다.The outer surface of the optical interferometer (100,200) may be provided with a
또한, 상술한 바와 같은 기존 기술들의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 제 3 및 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 장치는, 다중 파장의 광 신호를 출력하는 광원(10); 상기 광원(10)으로부터 입력되는 광 신호를 2개로 분배하고, 분배된 방향으로부터 되돌아오는 두 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시키는 광 신호 분배/결합 수단(301,401), 분배된 두 광 신호 중 어느 하나를 반사하여 상기 광 신호 분배/결합 수단(301,401)으로 되돌려 보내는 기준팔(310,410), 분배된 광 신호 중 다른 하나를 측정대상인 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스테이지를 구성하며 광 신호를 상기 광 신호 분배/결합 수단(301,401)으로 되돌려 보내고 상기 광 신호 분배/결합 수단(301,401)의 다른쪽 입력단으로 간섭무늬가 출력되도록 하는 샘플팔(320,420)을 포함하는 광 간섭계(300,400); 및 상기 광 간섭계(300,400)에서 간섭된 광 신호를 전달받아 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석기(20);를 포함한다.In addition, in order to solve the problems of the existing techniques as described above, the refractive index measuring apparatus according to the third and fourth embodiments of the present invention, the
상기 본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 장치에서 상기 기준팔(310)은 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 나온 광 신호를 수신하고, 수신된 광 신호를 제 1반사체(305)로 출력한 후 상기 제 1반사체(305)로부터 반사된 광 신호를 입력받는 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303)를 포함하고, 상기 샘플팔(320)은 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 나온 광 신호를 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플로 출력하고, 상기 광 샘플을 통하여 투과되며 제 2반사체(306)에 의해 반사된 광 신호를 입력받는 광 신호 연결 콜리메이터(304)를 포함하고, 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)과 상기 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)과 상기 광 신호 연결 콜리메이터(304) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 구성될 수 있다.In the refractive index measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention, the
상기 광 간섭계(300)로부터 출력되는 간섭무늬의 가시성(Visibility)을 높이기 위해 편광 조절기(302)가 상기 광 신호 분배기(301)와 상기 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303) 사이의 광경로 상으로 진행하는 광 신호의 편광 방향을 조절하도록 구성될 수 있다. 상기 편광 조절기(302)는 상기 기준팔(310) 경로 대신에 상기 샘플팔(320) 경로 상에 설치 될 수도 있다.In order to increase the visibility of the interference fringe output from the
상기 제 1반사체(305)는 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 분배된 광 신호 중 어느 하나를 반사하여 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로 되돌려 보내며, 앞뒤로 위치 이동을 통하여 상기 기준팔(310)에서의 광 경로 길이를 조절할 수 있다.The
상기 본 발명의 제 4 실시예에 따른 굴절률 측정 장치에서 상기 기준팔(410)은 상기 광 신호 분배/결합수단(401)로부터 분배된 광 신호를 제 1반사체(403)로 보내어 반사되어 되돌아오게 하고, 이 제 1반사체(403)의 위치 이동을 통하여 기준팔에서의 광 경로 길이를 조절하도록 한다. 상기 샘플팔(420)은 상기 광 신호 분배/결합수단(401)로부터 분배된 다른 쪽 광 신호를 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통과하여 상기 제 2반사체(404)로 보내어 반사되어 되돌아오게 한다.In the refractive index measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, the
상기 광 신호 분배/결합수단(401)과 상기 제 1반사체(403) 사이의 광 경로에는 광 신호의 편광 방향을 조절하기 위한 반파장판형 편광조절기(402)가 구비될 수 있다. 상기 반파장판형 편광조절기(402)는 상기 기준팔(410) 경로 대신에 샘플팔(420) 경로 상에 설치될 수도 있다.A half-wave
상기 샘플팔(320, 420)은 굴절률이 측정될 평행판형의 샘플을 포함할 수 있다.The
상기 샘플팔(320, 420)은 굴절률이 미리 측정된 기판 위에 굴절률을 측정하고자 하는 물질이 박막으로 코팅된 샘플을 포함할 수 있다.The
상기 샘플팔(320,420)은 굴절률이 미리 측정된 물질로 이루어진 액체를 담을 수 있는 용기와 상기 용기에 담긴 액체 샘플을 포함할 수 있다.The
상기 광 간섭계(300, 400)의 외면에는 외부 진동의 영향을 차단하기 위한 진동차단막(30)이 구비될 수 있다.The outer surface of the optical interferometer (300, 400) may be provided with a
또한, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 방법은, 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는 기준 스펙트럼 획득단계; 상기 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환을 이용하여 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 기준 간섭무늬 획득단계; 상기 기준 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 기준 위상차 계산단계; 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고 상기 기준 간섭무늬 획득단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 대조 간섭무늬 획득단계; 상기 대조 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 대조 위상차 계산단계; 상기 기준 위상차 계산단계 및 상기 대조 위상차 계산단계 각각에 대하여 위상 차이값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정하는 피팅함수 결정단계; 및 상기 피팅함수 결정단계에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값의 차이값과 하기의 수학식 17을 이용하여 굴절률을 계산하는 굴절률 계산단계;를 포함한다.In addition, in order to solve the above problems, the refractive index measuring method according to the first embodiment of the present invention is output through the optical interferometer while the angle of the optical sample is located perpendicular to the optical axis of the beam proceeding to the sample A reference spectrum obtaining step of measuring a spectrum and converting a wavelength into a frequency to obtain a frequency spectrum; Obtaining a reference interference pattern for normalizing the spectrum by using a fast Fourier transform and a Hilbert transform to obtain an interference pattern spectrum; A reference phase difference calculation step of calculating a phase difference value according to a frequency change from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference fringe spectrum obtained in the reference interference fringe acquisition step; Contrast interference which measures the spectrum passing through the optical interferometer while the optical sample is rotated, goes through the same process as the reference interference fringe acquiring step, obtains the frequency spectrum by converting the wavelength to frequency, and then normalizes to obtain the interference fringe spectrum Pattern acquisition step; A contrast phase difference calculating step of calculating a phase difference value according to a frequency change from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference pattern spectrum obtained in the contrast interference pattern obtaining step; A fitting function determining step of determining a fitting function by fitting a phase difference value to each of the reference phase difference calculating step and the control phase difference calculating step; And a reference phase difference value and a contrast phase difference value at a frequency corresponding to an arbitrary wavelength using the fitting functions determined in the fitting function determination step, and the difference between the reference phase difference value and the control phase difference value and the following equation 17: It includes; a refractive index calculation step of calculating the refractive index using.
또한, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 방법은, 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하며 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는 기준 스펙트럼 획득단계; 상기 기준 스펙트럼 획득단계와 동일하게 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계의 두 팔 중 하나만을 교번적으로 막아 빛 통과를 차단하고, 차단되지 않은 팔의 스펙트럼을 측정한 후, 이들 스펙트럼을 상기 기준 스펙트럼 획득단계에서 얻어진 스펙트럼으로 부터 제외하고 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 기준 간섭무늬 획득단계; 상기 기준 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 기준 위상차 계산단계; 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고 상기 기준 간섭무늬 획득단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 대조 간섭무늬 획득단계; 상기 대조 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산하는 대조 위상차 계산단계; 상기 기준 위상차 계산단계 및 상기 대조 위상차 계산단계 각각에 대하여 위상 차이값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정하는 피팅함수 결정단계; 및 상기 피팅함수 결정단계에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 17에 의하여 굴절률을 계산하는 굴절률 계산단계;를 포함한다.In addition, the refractive index measuring method according to the second embodiment of the present invention in order to solve the problems as described above, passing through the optical interferometer in a state where the angle of the optical sample is located perpendicular to the optical axis of the beam proceeding to the sample A reference spectrum obtaining step of measuring the output spectrum and converting the wavelength into a frequency to obtain a frequency spectrum; In the same manner as in the reference spectrum acquisition step, the light is blocked by alternately blocking only one of the two arms of the optical interferometer while the angle of the optical sample is located perpendicular to the optical axis of the beam proceeding to the sample. A reference interference fringe acquiring step of obtaining an interference fringe spectrum by normalizing these spectra without excluding these spectra from the spectrum obtained in the reference spectrum acquiring step; A reference phase difference calculation step of calculating a phase difference value according to a frequency change from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference fringe spectrum obtained in the reference interference fringe acquisition step; Contrast interference which measures the spectrum passing through the optical interferometer while the optical sample is rotated, goes through the same process as the reference interference fringe acquiring step, obtains the frequency spectrum by converting the wavelength to frequency, and then normalizes to obtain the interference fringe spectrum Pattern acquisition step; A contrast phase difference calculating step of calculating a phase difference value according to a frequency change from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference pattern spectrum obtained in the contrast interference pattern obtaining step; A fitting function determining step of determining a fitting function by fitting a phase difference value to each of the reference phase difference calculating step and the control phase difference calculating step; And a reference phase difference value and a control phase difference value at a frequency corresponding to an arbitrary wavelength using the fitting functions determined in the fitting function determination step, and a difference value between the reference phase difference value and the control phase difference value and Equation 17 below. It includes; a refractive index calculation step of calculating the refractive index by.
상기 기준 스펙트럼 획득단계 또는 상기 대조 스펙트럼 획득단계 이전에 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절하는 전송길이 조절단계;를 더 포함할 수 있다.And a transmission length adjusting step of adjusting an optical signal transmission length of the reference arm before the reference spectrum obtaining step or the control spectrum obtaining step.
상기 전송길이 조절단계는 간섭무늬의 가시도가 가장 큰 상태가 될 수 있도록 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절할 수 있다.The transmission length adjusting step may adjust the optical signal transmission length of the reference arm so that the visibility of the interference fringe is the largest.
상기 광 샘플이 복굴절률을 가지는 경우에는, 이중 간섭무늬가 측정되도록 상기 광 샘플로 조사되는 광 신호의 편광과 상기 기준팔의 광 신호 전송길이를 조절하는 조절단계; 일정한 간격의 스펙트럼을 구하기 위하여 상기 기준 스펙트럼 획득단계 및 대조 스펙트럼 획득단계에서 획득된 스펙트럼을 보간하는 보간단계; 푸리에 변환과 필터링 및 역푸리에 변환 과정을 이용하여 보간(interpolation)된 스펙트럼으로부터 정상 굴절빔과 비정상 굴절빔에 대한 간섭무늬로 구분하는 간섭무늬 구분단계;를 더 포함할 수 있다.Adjusting the polarization of the optical signal irradiated to the optical sample and the optical signal transmission length of the reference arm when the optical sample has a birefringence; An interpolation step of interpolating the spectra obtained in the reference spectrum acquisition step and the control spectrum acquisition step to obtain a spectrum of constant intervals; And an interference fringe discrimination step of distinguishing the interference fringes for the normal and abnormal refractive beams from the interpolated spectrum by using the Fourier transform, the filtering, and the inverse Fourier transform process.
본 발명의 바람직한 다른 실시 예로서 박막 샘플의 굴절률 측정 실시방법은, 상기의 굴절률 측정 실시방법을 이용하여 기판(substrate) 굴절률 측정단계(이미 잘 알려진 기판(substrate)의 경우에는 생략 가능) ; 기판에 박막 샘플을 코팅하는 단계 ; 상기 박막 샘플을 굴절률 측정 실시방법을 이용하여 박막 샘플의 기준 위상 차값 및 대조 위상차값 간의 차이값을 구하는 단계 ; 상기 기판의 굴절률과 상기 박막 샘플의 기준위상차값 및 대조 위상차값 간의 차이값을 이용하여 본 발명에서 제시되는 박막의 굴절률 계산식 (수학식 17 또는 18)을 이용하여 박막의 굴절률을 계산하는 박막의 굴절률 계산 단계;를 포함한다.In another preferred embodiment of the present invention, a method for measuring a refractive index of a thin film sample may include: measuring a substrate refractive index using a method for measuring the refractive index (in the case of a substrate that is already well known); Coating a thin film sample on the substrate; Obtaining a difference value between a reference phase difference value and a control phase difference value of the thin film sample using the refractive index measurement method of the thin film sample; Refractive index of the thin film which calculates the refractive index of the thin film by using the refractive index calculation formula (Equation 17 or 18) of the present invention using the difference between the refractive index of the substrate, the reference phase difference value and the control phase difference value of the thin film sample A calculating step.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 액체 샘플의 굴절률 측정 실시방법은, 상기의 굴절률 측정 실시방법을 이용하여 액체 샘플 마운트 굴절률 측정단계(액체 샘플 마운트의 재료의 굴절률이 이미 잘 알려진 경우에는 생략 가능) ; 액체 샘플 마운트에 액체 샘플을 넣고 상기 박막 샘플을 굴절률 측정 실시방법을 이용하여 박막 샘플의 기준 위상차값 및 대조 위상차값 간의 차이값을 구하는 단계 ; 상기 액체 샘플 마운트의 굴절률과 상기 액체 샘플의 기준위상차값 및 대조 위상차값 간의 차이값을 이용하여 본 발명에서 제시되는 액체 샘플의 굴절률 계산식 (수학식 17 또는 18)을 이용하여 박막의 굴절률을 계산하는 액체 샘플의 굴절률 계산 단계 ; 를 포함한다.Method for measuring the refractive index of the liquid sample according to a preferred embodiment of the present invention, the liquid sample mount refractive index measurement step using the refractive index measurement method (can be omitted if the refractive index of the material of the liquid sample mount is already known) ; Obtaining a difference value between a reference phase difference value and a control phase difference value of the thin film sample by placing a liquid sample in the liquid sample mount and performing a refractive index measurement method on the thin film sample; Using the difference between the refractive index of the liquid sample mount and the reference phase difference value and the control phase difference value of the liquid sample to calculate the refractive index of the thin film using the refractive index calculation formula (Equation 17 or 18) of the present invention Calculating the refractive index of the liquid sample; It includes.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복굴절 샘플의 굴절률 측정 실시방법은, 다중 파장의 광신호를 출력하는 광원과, 상기 광원으로부터 출력된 광신호를 2개로 분배하여 기준팔과, 측정대상인 광 샘플이 안착된 샘플팔에 각각 공급한 뒤 상기 기준팔 및 상기 샘플팔을 거쳐 출력되는 광신호를 결합하여 상호 간섭시키는 광 간섭계 및 상기 광 간섭계에서 간섭된 광신호를 전달받아 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석장치를 이용하여 복굴절 샘플의 굴절률을 측정하는 방법으로서, 상기 광 샘플이 샘플에 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있을 상태에서 상 기 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고, 상기 스펙트럼을 빠른 푸리에 변환과 필터링 기능, 그리고 역푸리에 변환 과정을 이용하여 정상(ordinary) 굴절률에 의한 스펙트럼과 이상(extraordinary) 굴절률에 의한 스펙트럼을 분리하는 스펙트럼 분리 단계 ; 상기 분리된 각각의 스펙트럼을 힐버트변환을 이용하여 정규화(normalize)시키는 기준 간섭무늬 획득 단계 ; 상기 기준 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터의 주파수 변화에 따른 위상차이 값을 계산하는 기준 위상차 계산단계 ; 상기 광 샘플이 회전된 상태에서, 상기 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고, 상기 기준 스펙트럼 획득단계와 동일한 과정을 거쳐서 정상(ordinary) 굴절률에 의한 스펙트럼과 이상(extraordinary) 굴절률에 의한 스펙트럼을 분리하는 스펙트럼 분리 단계 ; 상기 분리된 스펙트럼을 정규화(normalize)하여 간섭무늬 스펙트럼을 구하는 대조 간섭무늬 획득단계 ; 상기 대조 간섭무늬 획득단계에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터의 주파수 변화에 따른 위상차이 값을 계산하는 대조 위상차 계산단계 ; 상기 기준 위상차 계산단계 및 상기 대조 위상차 계산단계 각각에 대해서 위상차이 값을 데이터 피팅(data fitting)하여 각각의 피팅 함수를 결정하는 피팅 함수 결정단계 ; 및 상기 피팅 함수 결정단계에서 결정된 피팅 함수들을 이용하여 임의의 파장에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하는 단계; 각 파장에서의 상기 기준 위상차값 및 상기 대조 위상차값 간의 차이값과 본 발명에서 제시되는 복굴절 샘플의 굴절률 계산식 (수학식 17 또는 18)을 이용하여 굴절률을 계산하는 굴절률 계산 단계 ; 를 포함한다.In a method of measuring refractive index of a birefringent sample according to an exemplary embodiment of the present invention, a light source for outputting an optical signal of multiple wavelengths, a reference arm and a light sample to be measured are divided by dividing the optical signal output from the light source into two. An optical spectrum analyzer for analyzing a spectrum by receiving an optical interferometer for supplying each seated sample arm and then interfering with each other by combining the optical signal output through the reference arm and the sample arm and the interference of the optical signal from the optical interferometer A method for measuring the refractive index of a birefringent sample using a method, the optical sample is measured perpendicular to the optical axis of the beam going to the sample to measure the spectrum output through the interferometer, and the spectrum is fast Fourier transform Spectrum due to ordinary refractive index, filtering, and inverse Fourier transform A spectral separation step of separating the spectrum by extraordinary refractive index; Obtaining a reference interference fringe to normalize each of the separated spectra using a Hilbert transform; A reference phase difference calculation step of calculating a phase difference value according to a frequency change from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength by using the interference pattern spectrum obtained in the reference interference pattern acquisition step; In the state in which the optical sample is rotated, the spectrum passing through the interferometer is measured, and the spectrum due to the normal refractive index and the spectrum due to the extraordinary refractive index are subjected to the same process as the reference spectrum obtaining step. Spectral separation step; Obtaining an interference fringe spectrum by normalizing the separated spectrum to obtain an interference fringe spectrum; A contrast phase difference calculation step of calculating a phase difference value according to a frequency change from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference pattern spectrum obtained in the contrast interference pattern acquisition step; A fitting function determining step of fitting a phase difference value to each of the reference phase difference calculating step and the control phase difference calculating step to determine respective fitting functions; Obtaining a reference phase difference value and a control phase difference value at any wavelength using the fitting functions determined in the fitting function determination step; A refractive index calculation step of calculating a refractive index using a difference value between the reference phase difference value and the control phase difference value at each wavelength and the refractive index calculation formula (Equation 17 or 18) of the birefringent sample presented in the present invention; It includes.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 장치 및 방법에 의하면, 고체 샘플과 액체 샘플 및 벌크형 샘플과 박막 샘플, 그리고 복굴절 물질의 파장에 따른 굴절률을 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.According to the refractive index measuring apparatus and method based on the white light interferometer according to the present invention as described above, it is possible to quickly and accurately measure the refractive index according to the wavelength of the solid sample, liquid sample, bulk sample, thin film sample, and birefringent material There is.
또한, 미리 준비된 기준값이 요구되지 않으며, 샘플의 상태에도 영향을 받지 않으므로 종래 기술에 비래 측정의 제약이 적을 뿐만 아니라, 샘플을 특정 형태로 가공할 필요가 없으므로 빠르고 용이한 측정이 가능한 효과가 있다.In addition, the reference value prepared in advance is not required, and since it is not influenced by the state of the sample, not only the limitation of the conventional measurement in the prior art, but also the need for processing the sample in a specific form, there is an effect capable of quick and easy measurement.
또한, 기본적인 간섭계 이외에 추가로 필요한 요소들이 거의 없으므로 매우 간단한 구조가 가능하며, 특히 복굴절 물질의 경우에는 편광자와 같은 장치가 필요 없으므로 구조가 간단할 뿐만 아니라 측정이 매우 빠르고 간단한 효과가 있다.In addition, since there are few additional elements other than the basic interferometer, a very simple structure is possible. Particularly, in the case of a birefringent material, a device such as a polarizer is not required, so the structure is simple and the measurement is very quick and simple.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, it should be noted that the same components or parts in the drawings represent the same reference numerals as much as possible. In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations are omitted in order not to obscure the gist of the present invention.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다. 보다 자세하게, 상기 도 1은 광섬유 소자를 이용한 굴절률 측정 장치의 구성도이고, 도 2는 벌크(bulk)형 광소자인 프리즘 등으로 구성한 굴절률 측정 장치의 구성도이다.1 is a block diagram of a refractive index measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention, Figure 2 is a block diagram of a refractive index measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 1 is a configuration diagram of a refractive index measurement apparatus using an optical fiber element, and FIG. 2 is a configuration diagram of a refractive index measurement device composed of a prism, which is a bulk optical element.
본 발명의 제 1 및 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 장치는 마하젠더 간섭계를 이용한 것으로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(10), 광 간섭계(100,200), 광 스펙트럼 분석기(20) 및 진동차단막(30)을 포함한다.The refractive index measuring apparatus according to the first and second embodiments of the present invention uses a Mach-Zehnder interferometer, as shown in FIGS. 1 and 2, the
상기 광원(10)은 다중 파장의 광 신호를 출력한다. 본 발명에 따른 굴절률 측정 장치는 넓은 영역의 파장에서의 굴절률을 한 번에 측정할 수 있다는 점에서 기존의 방식보다 차별성이 있으므로, 상기 광원(10)은 다중 파장의 광원인 것이 바람직하다.The
먼저, 본 발명의 제 1실시예에 따른 측정 장치는 광원(10), 광 간섭계(100) 및 광 스펙트럼 분석기(20)를 기본 구성으로 한다.First, the measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention has a basic configuration of the
여기서, 상기 광 간섭계(100)는 다시 광신호 분배기(101), 기준팔(110), 샘플팔(120) 및 광 신호 결합기(102)를 포함한다.Here, the
상기 광 신호 분배기(101)는 상기 광원(10)으로부터 입력되는 광 신호를 2개로 분배한다. 즉 상기 광신호 분배기(101)는 상기 광원(10)에서 나온 광 신호를 상기 기준팔(110)과 샘플팔(120)로 나누어 준다.The
상기 광 신호 결합기(102)는 상기 기준팔(110) 및 상기 샘플팔(120)을 거쳐 출력되는 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시킨다. 즉, 상기 광 신호 결합기(102)는 상기 광 신호 분배기(101)를 통하여 상기 기준팔(110) 및 샘플팔(120)로 나누어진 광 신호를 다시 결합하여 상호 간섭시키는 역할을 한다.The
상기 광 스펙트럼 분석기(20)는 광 간섭계(100)에서 간섭된 광 신호를 전달받아 스펙트럼을 분석한다. 즉, 상기 광 스펙트럼 분석기(20)는 상기 광 신호 결합기(102)에서 결합되고 상호 간섭된 신호를 전달받아 스펙트럼 정보를 분석한다.The
상기 기준팔(110)은 상기 광 신호 분배기(101)를 통하여 분배된 광 신호 중 어느 하나를 수신한다. 보다 자세하게, 상기 기준팔(110)은 광 신호의 편광을 조절하여 간섭무늬의 가시성(visibility)을 높이기 위한 편광조절기(103), 공기 중으로 광 신호를 전달시키기 위한 2개의 광 콜리메이터(Optical Collimator, 104, 105)를 포함한다. 여기서 상기 광 콜리메이터로는 필요에 따른 그린렌즈(GRIN Lens)가 사용될 수 있다. 상기 2개의 광 콜리메이터는 다시 광 신호 출력용 콜리메이터(104) 및 광 신호 수신용 콜리메이터(105)로 나누어질 수 있다.The
이 때, 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104)는 상기 광 신호 분배기(101)로부터 수신한 광 신호를 공기중으로 출력하며, 상기 광 신호 수신용 콜리메이터(105)는 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104)로부터 출력된 광 신호를 수신한다. 이 때, 2개의 광 콜리메이터(104, 105) 중 한 개에는 직선형 스테이지를 설치하여 줄 사이의 간격을 조절함으로써 기준팔(110)에서의 광 경로 길이를 조절할 수 있도록 하여야 한다. 이렇게 함으로써 샘플의 두께를 측정할 수 있도록 할 수 있다(W. V. Sorin and D. F. Gray, IEEE Photonics Technol. Lett., 4 (1), 105-107, 1992)At this time, the optical
한편, 상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 출력용 콜리메이터(104) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 수신용 콜리메이터(105)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 형성될 수 있다. Meanwhile, at least one of the optical path between the
상기 샘플팔(120)은 상기 광 신호 분배기(101)를 통하여 분배된 광 신호 중 다른 하나를 수신하여 측정 대상인 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스테이지를 구성하며, 상기 샘플팔(120)은 광 신호 발사용 콜리메이터(106), 광 샘플 설치대(130) 및 광 신호 수광용 콜리메이터(107)를 포함한다.The
이 때, 상기 광 샘플 설치대(130)는 회전 스테이지와 샘플 홀더로 구성되어 상기 샘플이 회전될 수 있도록 형성되어야 한다.At this time, the optical
여기서, 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(106)는 상기 광 신호 분배기(101)로부터 수신한 광 신호를 광 샘플 설치대(130)로 조사하며, 상기 광 신호 수광용 콜리메이터(107)는 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통과하여 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(160)로부터 조사되는 광 신호를 수신하는 역할을 한다.Here, the optical
한편, 상기 광 신호 분배기(101)와 상기 광 신호 발사용 콜리메이터(106) 사이의 광 경로 및 상기 광 신호 수광용 콜리메이터(107)와 상기 광 신호 결합기(102) 사이의 광 경로 중 하나 이상은 광 섬유로 형성될 수 있다.Meanwhile, at least one of the optical path between the
이하에서는 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치를 이용하여 샘플의 굴절률을 측정하는 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of measuring the refractive index of a sample using the refractive index measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 방법은 기준 스펙트럼 획득단계(S110), 기준 간섭무늬 획득단계(S120), 기준 위상차 계산단계(S130), 대조 간섭무늬 획득단계(S140), 대조 위상차 계산단계(S150), 피팅함수 결정단계(S160) 및 굴절률 계산단계(S170)을 포함한다.Refractive index measurement method according to a first embodiment of the present invention is the reference spectrum acquisition step (S110), the reference interference pattern acquisition step (S120), the reference phase difference calculation step (S130), the contrast interference pattern acquisition step (S140), the contrast phase difference calculation Step S150, fitting function determination step S160, and refractive index calculation step S170 are included.
먼저, 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S110)에서는 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는다.First, in the reference spectrum acquisition step (S110), the spectrum output through the optical interferometer is measured while the angle of the optical sample is located perpendicular to the optical axis of the beam proceeding to the sample, and the wavelength is changed to frequency to obtain a frequency spectrum. .
상기 기준 간섭무늬 획득단계(S120)에서는 상기 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환(Hilbert Transformation)을 이용하여 정규화(normalizing)하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다. 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S120)에서 정규화하는 또 다른 방법으로는 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S110)와 동일하게 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계의 두 팔 중 하나만을 교번적으로 막아 빛 통과를 차단하고, 차단되지 않은 팔의 스펙트럼을 측정한 후, 이들 스펙트럼을 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S120)에서 얻어진 스펙트럼으로부터 제외함으로써 정규화된 간섭무늬 스펙트럼이 얻어질 수 있다.In the reference interference fringe acquiring step (S120), the spectrum is normalized by using a fast Fourier transform and a Hilbert transform to obtain an interference fringe spectrum. In another method of normalizing the reference interference fringe acquiring step (S120), the optical interferometer is positioned in the same manner as the reference spectrum acquiring step (S110) with the angle of the optical sample positioned perpendicular to the optical axis of the beam proceeding to the sample. Blocks the passage of light by alternately blocking only one of the two arms, measures the spectrum of the unblocked arm, and then excludes these spectra from the spectrum obtained in the reference spectrum obtaining step (S120) to obtain a normalized interference pattern spectrum. Can be obtained.
상기 기준 위상차 계산단계(S130)에서는 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S120)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변환에 따른 위상 차이값을 계산한다.In the reference phase difference calculation step (S130), a phase difference value according to frequency conversion is calculated from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference fringe spectrum obtained in the reference interference fringe acquisition step (S120).
상기 대조 간섭무늬 획득단계(S140)에서는 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고 상기 기준 간섭무늬 획득단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.In the contrast interference fringe acquisition step (S140), after measuring the spectrum passing through the optical interferometer in the state in which the optical sample is rotated, and after the same process as the reference interference fringe acquisition step to change the wavelength to frequency to obtain a frequency spectrum Next, normalize the interference fringe spectrum.
상기 대조 위상차 계산단계(S150)에서는 상기 대조 간섭무늬 획득단계(S140)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산한다.In the contrast phase difference calculation step (S150), the phase difference value according to the frequency change is calculated from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference pattern spectrum obtained in the contrast interference pattern acquisition step (S140).
상기 피팅함수 결정단계(S160)에서는 상기 기준 위상차 계산단계(S130) 및 상기 대조 위상차 계산단계(S150) 각각에 대하여 위상 차이값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정한다.In the fitting function determining step (S160), a phase difference value is data-fitted to each of the reference phase difference calculating step (S130) and the control phase difference calculating step (S150) to determine each fitting function.
마지막으로, 상기 굴절률 계산단계(S170)에서는 상기 피팅함수 결정단계(S160)에서 결정된 피팅함수를 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수(f)에서의 기준 위상차 값(Φ(f))과 대조 위상차 값(Ψ(f))을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값의 차이값(Φ(f)-Ψ(f))과 하기의 수학식 17을 이용하여 굴절률을 계산한다.Finally, in the refractive index calculation step S170, the reference phase difference value Φ (f) and the contrast phase difference at a frequency f corresponding to an arbitrary wavelength using the fitting function determined in the fitting function determination step S160. The value Ψ (f) is obtained, and the refractive index is calculated using the difference value Φ (f) -Ψ (f) between the reference phase difference value and the control phase difference value and Equation 17 below.
본 발명의 제 2실시예에 따른 측정 장치 역시 제 1실시예와 마찬가지로 광원(10), 광 간섭계(200) 및 광 스펙트럼 분석장치(20)를 기본 구성으로 한다.The measuring device according to the second embodiment of the present invention also has a basic configuration similar to the first embodiment of the
다만, 본 발명의 제 2실시예에 따른 측정 장치는 광섬유 소자와 광섬유 경로를 이용하는 대신에, 벌크 광학계를 이용한 구조이며 기본적인 구성은 제 1실시예와 비슷하다. However, the measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention has a structure using a bulk optical system instead of using an optical fiber element and an optical fiber path, and its basic configuration is similar to that of the first embodiment.
한편, 본 발명의 제 2실시예에 따른 측정 장치는 광 신호를 분배하기 위한 광 신호 분배기(201)로서 빔 분파기를 이용할 수 있고, 광 신호를 결합하기 위한 광 신호 결합기(202)로서 빔 결합기를 이용할 수 있다.On the other hand, the measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention may use a beam splitter as the
기준팔(210)은 광 경로를 조절하기 위한 제 1후방반사기(203)와 제 1굴절수단(204) 및 편광을 조절하기 위한 반파장판형 편광조절기(207)를 포함하며, 샘플팔(220)은 광경로를 조절하기 위한 제 2후방반사기(205), 제 2굴절수단(206) 및 샘플설치대(130)을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2굴절수단(204, 205)는 거울이 사용될 수 있다.The
그리고, 광경로 조절과 샘플 두께 측정을 위하여 상기 제 1 및 제 2후방반사기(204, 205) 중 하나에는 직선형 스테이지를 설치하여 위치를 변경할 수 있다.In addition, one of the first and second
여기서, 상기 제 1굴절수단(204)은 상기 광 신호 분배기(201)로부터 분배된 광 신호를 굴절시켜 광 신호 결합기(202)로 조사되도록 하고, 위치 이동을 통하여 기준팔에서의 광경로 길이를 조절한다.Here, the first refraction means 204 refracts the optical signal distributed from the
상기 제 2굴절수단(206)은 상기 광 신호 분배기(201)로부터 분배된 광 신호를 굴절시켜 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플을 통하여 상기 광 신호 결합기(202)로 조사되도록 한다.The second refraction means 206 refracts the optical signal distributed from the
이하에서는 본 발명의 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 장치를 이용하여 샘플의 굴절률을 측정하는 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of measuring the refractive index of a sample using the refractive index measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 방법은 기준 스펙트럼 획득단 계(S210), 기준 간섭무늬 획득단계(S220), 기준 위상차 계산단계(S230), 대조 간섭무늬 획득단계(S240), 대조 위상차 계산단계(S250), 피팅함수 결정단계(S260) 및 굴절률 계산단계(S270)을 포함한다.Refractive index measurement method according to a second embodiment of the present invention is a reference spectrum acquisition step (S210), a reference interference pattern acquisition step (S220), a reference phase difference calculation step (S230), a contrast interference pattern acquisition step (S240), a contrast phase difference It includes a calculation step (S250), fitting function determination step (S260) and refractive index calculation step (S270).
먼저, 기준 스펙트럼 획득단계(S210)에서는 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하며 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는다.First, in the reference spectrum acquisition step (S210), the spectrum outputted through the optical interferometer is measured while the angle of the optical sample is located perpendicular to the optical axis of the beam proceeding to the sample, and the frequency is changed to a frequency to obtain a frequency spectrum. .
상기 기준 간섭무늬 획득단계(S220)에서는 상기 기준 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환(Hilbert Transformation)을 이용하여 정규화(normalizing)하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다. 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S220)에서 정규화하는 또 다른 방법으로는 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S210)와 동일하게 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 상기 광 간섭계의 두 팔 중 하나만을 교번적으로 막아 빛 통과를 차단하고, 차단되지 않은 팔의 스펙트럼을 측정한 후, 이들 스펙트럼을 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S210)에서 얻어진 스펙트럼으로부터 제외함으로써 정규화된 간섭무늬 스펙트럼이 얻어질 수 있다.In the reference interference fringe acquisition step (S220), the reference spectrum is normalized using fast Fourier transform and Hilbert transform to obtain an interference fringe spectrum. As another method of normalizing in the reference interference fringe acquiring step (S220), the optical interferometer is disposed in a state in which the angle of the optical sample is perpendicular to the optical axis of the beam proceeding to the sample as in the reference spectrum acquiring step (S210). Blocks the passage of light by alternately blocking only one of the two arms, measures the spectrum of the unblocked arm, and then excludes these spectra from the spectrum obtained in the reference spectrum acquiring step (S210). Can be obtained.
상기 기준 위상차 계산단계(S230)는 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S220)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변환에 따른 위상 차이값을 계산한다.The reference phase difference calculation step (S230) calculates a phase difference value according to frequency conversion from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference fringe spectrum obtained in the reference interference fringe acquisition step (S220).
상기 대조 간섭무늬 획득단계(S240)에서는 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고 상기 기준 간섭무늬 회득 단계와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.In the contrast interference pattern acquisition step (S240), after measuring the spectrum passing through the optical interferometer in the state in which the optical sample is rotated, and after passing the same process as the reference interference pattern acquisition step to change the wavelength to frequency to obtain a frequency spectrum Next, normalize the interference fringe spectrum.
상기 대조 위상차 계산단계(S250)에서는 상기 대조 간섭무늬 획득단계(S240)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상 차이값을 계산한다.In the contrast phase difference calculation step (S250), the phase difference value according to the frequency change is calculated from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference pattern spectrum obtained in the contrast interference pattern acquisition step (S240).
상기 피팅함수 결정단계(S260)에서는 상기 기준 위상차 계산단계(S230) 및 상기 대조 위상차 계산단계(S250) 각각에 대하여 위상 차이값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정한다.In the fitting function determination step (S260), a phase difference value is data-fitted to each of the reference phase difference calculation step (S230) and the control phase difference calculation step (S250) to determine each fitting function.
마지막으로, 굴절률 계산단계(S270)에서는 상기 피팅함수 결정단계(S260)에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 17에 의하여 굴절률을 계산한다.Finally, in the refractive index calculation step (S270), a reference phase difference value and a contrast phase difference value at a frequency corresponding to a certain wavelength are obtained using the fitting functions determined in the fitting function determination step (S260), and the reference phase difference value and the The refractive index is calculated by the difference value between the control phase difference values and the following equation (17).
도 3은 본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다. 보다 자세하게, 상기 도 3은 광섬유를 이용한 마이켈슨 간섭계 구조의 굴절률 측정 장치의 구성도이고, 도 4는 벌크형 마이켈슨 간섭계 구조의 굴절률 측정 장치의 구성도이다.3 is a block diagram of a refractive index measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention, Figure 4 is a block diagram of a refractive index measuring apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. In more detail, FIG. 3 is a configuration diagram of a refractive index measurement apparatus of a Michelson interferometer structure using an optical fiber, and FIG. 4 is a configuration diagram of a refractive index measurement apparatus of a bulk Michelson interferometer structure.
본 발명의 제 3 및 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 장치는 마이켈슨(Michelson) 간섭계를 이용한 것으로서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 광원(10), 광 간섭계(300, 400), 광 스펙프럼 분석기(20) 및 진동차단막(30)을 포함 한다. The refractive index measuring apparatus according to the third and fourth embodiments of the present invention uses a Michelson interferometer, and as shown in FIGS. 3 and 4, the
상기 광 간섭계(300, 400)는 기준팔(310, 410)과 샘플팔(320, 420)에서 광 신호를 분배하고, 분배한 방향으로부터 되돌아오는 둘 이상의 광 신호를 결합하여 상호 간섭시키는 광 신호 분배/결합수단(301, 401)을 포함하며, 이 점에서 상술한 제 1 및 제 2실시예와 차이가 있다.The
먼저, 본 발명의 제 3실시예에 따른 측정 장치는 광원(10), 광 간섭계(300) 및 광 스펙트럼 분석기(20)를 기본 구성으로 한다.First, the measurement apparatus according to the third embodiment of the present invention has a basic configuration of the
여기서, 상기 광 간섭계(300)는 다시 광 신호 분배/결합수단(301), 기준팔(310), 샘플팔(320)을 포함한다.Here, the
상기 광 신호 분배/결합수단(301)은 상기 광원(10)으로부터 입력되는 광 신호를 2개로 분배하고, 분배된 방향으로부터 되돌아오는 두 광 신호들을 결합하여 상호 간섭시킨다.The optical signal distribution / combining means 301 distributes the optical signals input from the
상기 기준팔(310)은 분배된 두 광 신호 중 어느 하나를 반사하여 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로 되돌려 보내는 역할을 한다.The
이를 위해 상기 기준팔(310)은 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 나온 광 신호를 수신하고, 수신된 광 신호를 제 1반사체(305)로 출력한 후 상기 제 1반사체(305)로부터 반사된 광 신호를 입력받는 광 신호 출력/수신용 콜리케이터(303)를 포함한다.To this end, the
상기 샘플팔(320)은 분배된 광 신호 중 다른 하나를 측정대상인 광 샘플 설 치대(130) 상의 광 샘플로 통과시키고 상기 광 샘플을 회전시킬 수 있는 스페이지를 구성하며 광 신호를 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로 되돌려 보내고 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)의 다른쪽 입력단으로 간섭무늬가 출력되도록 한다.The
이를 위해 상기 샘플팔(320)은 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로부터 나온 광 신호를 상기 광 샘플 설치대(130) 상의 광 샘플로 출력하고, 상기 광 샘플을 통하여 투과되며 제 2반사체(306)에 의해 반사된 광 신호를 입력받는 광 신호 연결 콜리메이터(304)를 포함한다.To this end, the
즉, 본 발명의 제 3실시예에 다른 굴절률 측정 장치에서는 상기 광 신호 분배/결합 수단(301)으로서 광섬유 커플러를 이용할 수 있고, 기준팔(310)과 샘플팔(320)의 끝단에 각각 제 1 및 제 2반사체(305,306)가 설치된다. 본 실시예에서는 광원(10)에서 나온 광 신호가 상기 광섬유 커플러를 통하여 2개의 신호로 나누어지고, 각각의 신호가 상기 기준팔(310) 및 샘플팔(320)로 들어간다. 이 때 각각의 팔에 있는 광섬유 끝단에는 2개의 콜리메이터(303,304) 즉, 광 신호 출력/수신용 콜리메이터(303)와 광 신호 연결 콜리메이터(304)가 사용되며, 여기에서 공기 중으로 평행한 빔이 나간다. 각각의 빔은 각각의 팔 끝에 있는 2개의 반사체 즉, 제 1반사체(305)와 제 2반사체(306)에 의해 다시 반사되어 광 콜리메리터를 통하여 다시 광 신호 분배/결합 수단(301) 즉 광섬유 커플러로 돌아가서 간섭된 광 신호를 형성하게 된다. 이 때 상기 기준팔(310)에서는 빔이 공기중을 통과하게 되며, 상기 샘플팔(320)에서는 빔이 회전이 가능한 샘플 설치대(130)에 있는 샘플을 통과하게 된다. 본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 광 간섭계(300)에서 광 경로 의 조절과 샘플의 두께 측정을 위하여 2개의 반사체 즉 제 1 및 제 2반사체(305,306) 중 한 개에는 직선형 스테이지를 설치한다. 또한, 간섭무늬의 가시성을 높이기 위한 편광조절기(302)가 구비된다. 이 때 상기 편광조절기(302)는 반파장판형 편광조절기가 사용되는 것이 바람직하다.That is, in the refractive index measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention, an optical fiber coupler may be used as the optical signal distribution / coupling means 301, and each of the first arms at the ends of the
이하에서는 본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 장치를 이용하여 샘플의 굴절률을 측정하는 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of measuring the refractive index of a sample using the refractive index measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 방법은 기준 스펙트럼 획득단계(S310), 기준 간섭무늬 획득단계(S320), 기준 위상차 계산단계(S330), 대조 간섭무늬 획득단계(S340), 대조 위상차 계산단계(S350), 피팅함수 결정단계(S360) 및 굴절률 계산단계(S370)을 포함한다.Refractive index measurement method according to a third embodiment of the present invention is the reference spectrum acquisition step (S310), the reference interference pattern acquisition step (S320), the reference phase difference calculation step (S330), the contrast interference pattern acquisition step (S340), the contrast phase difference calculation A step S350, a fitting function determination step S360, and a refractive index calculation step S370 are included.
먼저, 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S310)에서는 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고, 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는다.First, the reference spectrum acquisition step (S310) measures the spectrum output through the optical interferometer while the angle of the optical sample is located perpendicular to the optical axis of the beam proceeding to the sample, and the frequency spectrum is changed by changing the wavelength to frequency Get
상기 기준 간섭무늬 획득단계(S320)에서는 상기 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환을 이용하여 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다. In the reference interference fringe acquisition step (S320), the spectrum is normalized by using a fast Fourier transform and a Hilbert transform to obtain an interference fringe spectrum.
상기 기준 위상차 계산단계(S330)에서는 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S320)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변환에 따른 위상차이 값을 계산한다.In the reference phase difference calculation step (S330), a phase difference value according to frequency conversion is calculated from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference pattern spectrum obtained in the reference interference pattern acquisition step (S320).
상기 대조 간섭무늬 획득단계(S340)에서는 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고, 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S320)와 동일한 과정을 거친 후 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.In the contrast interference fringe acquiring step (S340), the spectrum passing through the optical interferometer is measured while the optical sample is rotated, and after passing through the same process as the reference interference fringe acquiring step (S320), the wavelength is changed to frequency. Obtain the frequency spectrum and then normalize to find the interference fringe spectrum.
상기 대조 위상차 계산단계(S350)에서는 상기 대조 간섭무늬 획득단계(S340)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변화에 따른 위상차이 값을 계산한다.In the contrast phase difference calculation step (S350), a phase difference value according to a frequency change is calculated from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference pattern spectrum obtained in the contrast interference pattern acquisition step (S340).
상기 피팅함수 결정단계(S360)는 상기 기준 위상차 계산단계(S330) 및 상기 대조 위상차 계산단계(S350) 각각에 대해서 위상차이 값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정한다.The fitting function determining step (S360) determines a fitting function by fitting a phase difference value to each of the reference phase difference calculating step (S330) and the control phase difference calculating step (S350).
마지막으로, 상기 굴절률 계산단계(S370)에서는 상기 피팅함수 결정단계(S360)에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 18을 이용하여 굴절률을 계산한다.Lastly, in the refractive index calculation step S370, a reference phase difference value and a control phase difference value at a frequency corresponding to an arbitrary wavelength are obtained using the fitting functions determined in the fitting function determination step S360, and the reference phase difference value and The refractive index is calculated using the difference value between the control phase difference values and Equation 18 below.
본 발명의 제 4실시예에 따른 측정 장치 역시 제 3실시예와 마찬가지로 광원(10), 광 간섭계(400) 및 광 스펙트럼 분석장치(20)를 기본 구성으로 한다.The measuring device according to the fourth embodiment of the present invention also has a basic configuration similar to the third embodiment of the
다만, 본 발명의 제 4실시예에 따른 측정 장치는 광섬유 소자와 광섬유 경로를 이용하는 대신에, 벌크형 마이켈슨 간섭계 구조이며 기본적인 구성은 제 3실시예와 비슷하다. However, instead of using the optical fiber element and the optical fiber path, the measuring device according to the fourth embodiment of the present invention has a bulk Michelson interferometer structure and its basic configuration is similar to that of the third embodiment.
한편, 제 4실시예에서는 광신호 분배/결합수단(401)으로서 광분파기를 이용 하고, 기준팔(410)과 샘플팔(420)의 끝단에 2개의 반사체 즉 제 3반사체(403) 및 제 4반사체(404)가 구비된다. 제 4실시예에서는 광원(10)에서 나온 광 신호가 광분파기를 통하여 2개의 신호로 나누어지고, 각각의 신호가 상기 기준팔(410)과 상기 샘플팔(420)로 들어간다. 상기 빔들은 양팔의 끝에 있는 2개의 반사체 즉 제 3반사체(403) 및 제 4반사체(404)에 의해 다시 반사되어 상기 광분파기를 통하여 서로 간섭하여 간섭된 광 신호를 형성하게 된다. 이 때 상기 기준팔(410)에서는 빔이 공기중을 통과하게 되며, 상기 샘플팔(420)에서는 빔이 회전이 가능한 샘플 설치대(130)에 있는 샘플을 통과한다. 제 4실시예에서는 광경로의 조절과 샘플의 두께 측정을 위하여 상기 제 3 및 제 4반사체(403,404) 중 한개에는 직선형 스테이지가 설치된다. 또한 간섭무늬의 가시성을 높이기 위한 판파장형 편광조절기(402)가 구비된다. 이렇게 생성된 간섭무늬는 광스펙트럼 분석기(20)를 이용하여 분석할 수 있다.Meanwhile, in the fourth embodiment, an optical splitter is used as the optical signal distribution / combining means 401, and two reflectors, that is, the
이하에서는 본 발명의 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 장치를 이용하여 샘플의 굴절률을 측정하는 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of measuring the refractive index of a sample using the refractive index measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 방법은 기준 스펙트럼 획득단계(S410), 기준 간섭무늬 획득단계(S420), 기준 위상차 계산단계(S430), 대조 간섭무늬 획득단계(S440), 대조 위상차 계산단계(S450), 피팅함수 결정단계(S460) 및 굴절률 계산단계(S470)을 포함한다.Refractive index measurement method according to a fourth embodiment of the present invention is the reference spectrum acquisition step (S410), the reference interference pattern acquisition step (S420), the reference phase difference calculation step (S430), the contrast interference pattern acquisition step (S440), the contrast phase difference calculation Step S450, fitting function determination step S460 and refractive index calculation step S470 are included.
먼저, 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S410)에서는 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서 광 간섭계를 통과하여 출력되는 스펙트럼을 측정하고, 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻는다.First, the reference spectrum acquisition step (S410) measures the spectrum output through the optical interferometer in a state where the angle of the optical sample is located perpendicular to the optical axis of the beam proceeding to the sample, and the frequency spectrum is changed by changing the wavelength to frequency Get
상기 기준 간섭무늬 획득단계(S420)에서는 상기 기준 스펙트럼 획득단계(S410)와 동일하게 광 샘플의 각도가 샘플로 진행하는 빔의 광축에 수직하게 위치하고 있는 상태에서, 상기 광 간섭계의 두 팔 중 하나만을 교번적으로 막아 빛 통과를 차단하고, 차단하지 않은 팔의 스펙트럼을 측정한 후, 이들 스펙트럼을 상기 기준 스펙트럼 획득단계에서 얻어진 스펙트럼으로부터 제외하고 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.In the reference interference fringe acquiring step (S420), as in the reference spectrum acquiring step (S410), only one of two arms of the optical interferometer is positioned in a state in which the angle of the optical sample is located perpendicular to the optical axis of the beam proceeding to the sample. After blocking alternately to block the passage of light and measuring the spectrum of the unblocked arm, these spectra are normalized by excluding these spectra from the spectra obtained in the reference spectrum acquisition step to obtain an interference fringe spectrum.
상기 기준 위상차 계산단계(S430)는 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S420)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준 파장에 해당하는 주파수로부터 주파수 변환에 따른 위상차이 값을 계산한다.The reference phase difference calculation step S430 calculates a phase difference value according to frequency conversion from a frequency corresponding to a predetermined reference wavelength using the interference fringe spectrum obtained in the reference interference fringe acquisition step S420.
상기 대조 간섭무늬 획득단계(S440)는 상기 광 샘플이 회전한 상태에서 상기 광 간섭계를 통과하여 나오는 스펙트럼을 측정하고, 상기 기준 간섭무늬 획득단계(S420)와 동일한 과정을 거친 후, 파장을 주파수로 바꾸어 주파수 스펙트럼을 얻은 다음 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼을 구한다.The contrast interference fringe acquisition step (S440) measures the spectrum passing through the optical interferometer in the state that the optical sample is rotated, and after the same process as the reference interference fringe acquisition step (S420), the wavelength as a frequency In turn, the frequency spectrum is obtained and then normalized to obtain an interference fringe spectrum.
상기 대조 위상차 계산단계(S450)는 상기 대조 간섭무늬 획득단계(S440)에서 얻어진 간섭무늬 스펙트럼을 이용하여 미리 정해진 기준파장에서 해당하는 주파수로부터의 주파수 변화에 따른 위상차이 값을 계산한다.The contrast phase difference calculating step (S450) calculates a phase difference value according to a frequency change from a corresponding frequency at a predetermined reference wavelength using the interference pattern spectrum obtained in the contrast interference pattern acquisition step (S440).
상기 피팅함수 결정단계(S460)는 상기 기준 위상차 계산단계(S430) 및 상기 대조 위상차 계산단계(S450) 각각에 대해서 위상차이 값을 데이터 피팅하여 각각의 피팅함수를 결정한다.The fitting function determining step (S460) determines a fitting function by fitting a phase difference value to each of the reference phase difference calculating step (S430) and the control phase difference calculating step (S450).
마지막으로, 상기 굴절률 계산단계(S470)는 상기 피팅함수 결정단계(S460)에서 결정된 피팅함수들을 이용하여 임의의 파장에 해당하는 주파수에서의 기준 위상차 값과 대조 위상차 값을 구하고, 상기 기준 위상차 값 및 상기 대조 위상차 값 간의 차이값과 하기의 수학식 18에 의해 굴절률을 계산한다.Finally, the refractive index calculation step (S470) calculates a reference phase difference value and a control phase difference value at a frequency corresponding to a certain wavelength by using the fitting functions determined in the fitting function determination step (S460), and the reference phase difference value and The refractive index is calculated by the difference value between the control phase difference values and the following equation (18).
도 5 내지 도 7은 샘플 설치대(130)의 자세한 그림을 도시한 것으로, 샘플의 종류에 따른 구조 및 샘플 안에서의 광 경로를 표시한다.5 to 7 show a detailed illustration of the sample mounting table 130, which shows the structure according to the type of sample and the optical path in the sample.
보다 자세하게, 도 5는 벌크형 단일 고체 광학 샘플의 경우 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이며, 도 6은 박막 광학 샘플의 경우 기판과 박막 광학 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이며, 도 7은 액체 샘플의 경우 액체 용기와 액체 광학 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이다.In more detail, FIG. 5 is a diagram illustrating an optical path in a sample in the case of a bulk single solid optical sample, and FIG. 6 is a diagram illustrating an optical path in a substrate and a thin film optical sample in the case of a thin film optical sample, and FIG. In the case of a liquid sample, it is a figure for demonstrating the optical path in a liquid container and a liquid optical sample.
도 5의 경우 벌크형 샘플의 경우로서, 도 5에서는 샘플의 앞뒤에서 공기중 임의의 위치를 표시하는 지점(130-1,130-2)과 샘플(130-3), 그리고 샘플 안에서의 광경로(130-4)를 나타내고 있으며, 계산에 필요한 물리량에 대한 기호 역시 표시하였다.In the case of the bulk sample of FIG. 5, in FIG. 5, the points 130-1 and 130-2, the sample 130-3, and the optical path 130-in the sample indicate arbitrary positions in the air before and after the sample. 4) and symbols for physical quantities required for calculation.
도 6의 경우는 이미 알고 있거나 미리 굴절률이 측정된 기판(Substrate) 위에 굴절률을 측정하고자 하는 물질이 박막으로 코팅되어 있는 그림을 도시하였다.In the case of FIG. 6, a material on which a refractive index is to be measured is coated with a thin film on a substrate (Substrate) already known or measured in advance.
여기서, 박막의 굴절률을 측정할 때 이용되는 구조이며, 코팅물질(130-7), 기판(130-8), 코팅물질에서의 광경로(130-5), 기판에서의 광경로(130-6) 및 물리량 으로 사용되는 기호가 표시되어 있다.Here, the structure is used when measuring the refractive index of the thin film, the coating material (130-7), the substrate (130-8), the optical path (130-5) in the coating material, the optical path (130-6) in the substrate ) And the symbols used for physical quantities are indicated.
도 7의 경우 이미 알고 있거나 미리 굴절률이 측정된 물질로 이루어진 액체를 담을 수 있는 용기와 이 용기에 담긴 액체 샘플로 이루어진 액체 굴절률 측정 구조를 도시하였다. 특별히 액체의 굴절률을 측정하기 위한 구조로서 액체를 담는 용기 물질(130-9, 130-11)과 그 용기 안에 액체(130-10)가 도시되어 있으며, 물리향으로 사용되는 기호 역시 도시하였다.In FIG. 7, a container capable of containing a liquid made of a material that is already known or measured in advance of refractive index and a liquid refractive index measuring structure of a liquid sample contained in the container are shown. In particular, as the structure for measuring the refractive index of the liquid is shown the container material (130-9, 130-11) containing the liquid and the liquid (130-10) in the container, the symbol used as a physical fragrance is also shown.
이하에서는 본 발명에 따른 광 샘플의 굴절률 측정 방법을 하기의 수학식들을 이용하여 보다 자세히 설명한다. 이하에서는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 마하젠더 간섭계를 기본으로 진행될 것이다. Hereinafter, a method of measuring refractive index of an optical sample according to the present invention will be described in more detail by using the following equations. Hereinafter, based on the Mach-Zehnder interferometer of the refractive index measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
먼저, 광원(10)에서 나온 광 신호가 광 간섭계(100)의 기준팔(110)과 샘플팔(120)을 지나서 간섭된 광 신호가 광 스펙트럼 분석기(20)에서 측정된 광 신호의 세기는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.First, the intensity of the optical signal measured by the
여기에서, EA 및 EB는 각각 기준팔(110)과 샘플팔(120)을 통과하는 광 신호들의 파장에 따른 전기장의 크기를 나타낸다. 또한, EO는 기준팔(110)으로 진행하는 광 신호의 전기장 진폭을 나타내고, a는 기준팔(110)으로 진행하는 광 신호의 전기 장 진폭에 대한 샘플팔(120)으로 진행하는 광 신호의 전기장 진폭의 상대적인 비율을 나타낸다. Here, E A and E B represent the magnitude of the electric field according to the wavelength of the optical signals passing through the
한편, 각각의 팔을 지나는 광 신호들의 위상차(Φ)는 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, the phase difference (Φ) of the optical signals passing through each arm can be expressed as shown in Equation 2 below.
여기서 OPLR .A.와 OPLS .A.는 각각 기준팔과 샘플팔의 광경로 길이이다. 특히, 샘플팔의 광경로 길이는 빔이 샘플에 입사하는 각도에 영향을 받으며, 그 길이는 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.Where OPL R .A. And OPL S .A. Are the optical path lengths of the reference and sample arms, respectively. In particular, the optical path length of the sample arm is influenced by the angle at which the beam is incident on the sample, and the length can be expressed by Equation 3 below.
여기서, 기호들은 도 5에 표시되어 있으며, d'는 130-4로 표시된 샘플 안에서의 광경로 길이를 나타내고, no는 공기의 굴절률을 나타낸다. 또한, 박막의 굴절률을 측정할 경우인 도 6의 경우의 OPLS .A.는 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.Here, the symbols are shown in Figure 5, where d 'represents the optical path length in the sample, labeled 130-4, and n o represents the refractive index of air. In addition, in the case of measuring the refractive index of the thin film OPL S .A. Can be expressed as Equation 4 below.
여기서, 기호들은 도 6에 표시되어 있으며, d'c와 d's는 각각 130-5와 130-6으로 표시되어 있다. 또한, nc와 ns는 박막의 굴절률과 기판의 굴절률을 나타낸다.Here, the symbols are shown in FIG. 6, and d ' c and d' s are denoted by 130-5 and 130-6, respectively. In addition, n c and n s represent the refractive index of the thin film and the refractive index of the substrate.
또한, 액체의 굴절률을 측정하기 위한 도 7의 경우는 각각의 층의 순서를 바꾸어서 생각하여도 결과에 영향을 미치지 않으므로, 박막의 경우를 이용하기 위하여 액체층(130-10)이 제일 앞에 위치한다고 가정하여 고려한다. 이 경우 130-9와 130-11의 재질이 같으므로 한 개의 층으로 여기고 계산할 수 있고 박막의 경우와 같아지게 된다. 한편, 상기 수학식 4와 같이 광경로 길이는 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.In addition, in the case of FIG. 7 for measuring the refractive index of the liquid, the order of the layers does not affect the result, so the liquid layer 130-10 is positioned in front of the thin film. Consider by assumption. In this case, since 130-9 and 130-11 are the same material, it can be regarded as one layer and calculated, and the same as in the case of a thin film. On the other hand, as shown in Equation 4, the optical path length can be expressed as shown in Equation 5 below.
여기서, 기호들은 도 7에 표시되어 있으며, d'1, d'2, d'3은 각각 130-9, 130-10, 130-11의 두께에 해당한다. 또한, n1, nx는 각각 액체용기와 액체 굴절률을 나타낸다.Here, symbols are shown in FIG. 7, and d ' 1 , d' 2 , and d ' 3 correspond to thicknesses of 130-9, 130-10, and 130-11, respectively. In addition, n 1, n x represents a refractive index of each of the liquid container with liquid.
먼저 도 5의 경우에 스넬의 법칙을 이용하여 상기 수학식 3을 정리한다. 이 때 스넬의 법칙은 하기의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.First, in the case of FIG. 5, Equation 3 is summarized using Snell's law. In this case, Snell's law can be expressed as Equation 6 below.
여기서, no는 공기의 굴절률을 나타내며, 상기 수학식 6은 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있고, d'와 D는 하기의 수학식 8 및 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.Here, n o represents the refractive index of the air, Equation 6 may be represented by Equation 7 below, and d 'and D may be expressed as Equation 8 and Equation 9 below.
여기서, 상기 수학식 8 및 수학식 9를 상기 수학식 3에 대입하여 정리하면 하기의 수학식 10을 얻을 수 있다.Here, the following equation (10) can be obtained by substituting the equation (8) and the equation (9) into the equation (3).
여기서, 샘플의 각도를 θ1에서 θ2로 변경하면 광경로 길이가 바뀌게 되고, 이로 인하여 기준팔과 샘플팔의 위상차가 바뀌어 간섭무늬가 변하게 된다. 이때 광경로 길이의 변화량은 하기의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.In this case, when the angle of the sample is changed from θ 1 to θ 2 , the optical path length is changed. As a result, the phase difference between the reference arm and the sample arm is changed to change the interference fringe. In this case, the amount of change in the optical path length may be expressed by Equation 11 below.
마찬가지 방법으로 도 6의 경우도 광경로 길이를 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.Similarly, in the case of FIG. 6, the optical path length may be expressed by Equation 12.
여기서, 기판과 관련된 부분은 상수이므로 C로 치환하였으며, 이 때 광경로 의 길이의 변화량은 하기의 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.Here, since the part related to the substrate is a constant, it was replaced with C. In this case, the amount of change in the length of the optical path may be represented by Equation 13 below.
여기서, 도 7의 경우에도 상술한 바와 같은 방법으로 광경로의 길이를 하기의 수학식 14와 같이 나타낼 수 있고, 광경로 길이의 변화량은 하기의 수학식 15와 같이 나타낼 수 있으며, 박막의 경우와 거의 비슷하다.7, the length of the optical path may be expressed by Equation 14 below, and the amount of change in the optical path length may be expressed by Equation 15 below. Almost the same.
여기에서도 액체를 담는 용기부분은 상수이므로 C로 치환하였으며, 이때 광경로 길이의 변화량은 하기의 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.Here, since the container portion containing the liquid is a constant, it is replaced with C. In this case, the amount of change in the optical path length may be expressed by Equation 15 below.
한편, 상기 수학식 11, 수학식 13 및 수학식 15의 광경로 길이의 변화는 간섭계의 위상 차이를 변화시킨다. 이 때, θ1일 때의 위상을 Φ, θ2일 때의 위상을 Ψ라고 하고 위상차를 광경로 길이의 변화량을 이용하여 표현하면 하기의 수학식 16으로 나타낼 수 있다.On the other hand, the change in the optical path length in Equations 11, 13 and 15 changes the phase difference of the interferometer. In this case, when the phase when θ 1 is Φ and the phase when θ 2 is Ψ, and the phase difference is expressed using the amount of change in the optical path length, it can be expressed by Equation 16 below.
여기서, C1 및 C2는 도 5의 경우에는 0이되며, d는 측정하는 샘플의 두께로 벌크형 샘플의 두께 혹은 박막의 두께 및 액체 샘플의 두께가 될 수 있다. 상기 수학식 16을 굴절률 n에 대해서 정리하면 하기의 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.Where C 1 And C 2 may be 0 in FIG. 5, and d may be a thickness of a bulk sample or a thickness of a thin film and a thickness of a liquid sample. If Equation 16 is summarized with respect to the refractive index n, it may be expressed as Equation 17 below.
여기서도, C1, C2는 도 5의 경우에는 0이 된다.Here again, C 1 and C 2 become 0 in the case of FIG. 5.
한편, 복굴절 샘플의 경우에도 상기의 수학식 17과 같은 결과를 얻게 되나, 상술한 바와 같이 약간의 전처리 과정이 필요하다. 이 경우에든 샘플에 입사하는 빔위 편광상태가 복굴절축과 정확히 일치하기 않는 경우에는 정상 굴저률과 이상 굴절률에 의한 스펙트럼이 동시에 나타나며, 이의 분리가 필요하다. 이전의 방법은 편광자를 이용하여 빔의 편광을 각각의 축에 일치시켜 스펙트럼을 측정하였으나, 본 발명에서는 편광자를 사용하지 않음으로써 더욱 간단하면서 한 번의 측정으로 두 굴절률을 측정할 수 있는 구조를 제안한다.On the other hand, in the case of a birefringent sample, the same result as in Equation 17 is obtained. However, as described above, some pretreatment is required. In this case, when the beam polarization state incident on the sample does not exactly coincide with the birefringence axis, the spectrum due to the normal refractive index and the abnormal refractive index appears at the same time. The previous method measures the spectrum by matching the polarization of the beam to each axis by using a polarizer, but the present invention proposes a structure that can measure the two refractive indices in a simple measurement by not using a polarizer. .
이러한 방법으로서 고속 푸리에 변환과 그 역변환이 사용되며, 고속 푸리에 변환을 취하면 복굴절률에 따른 이중 간섭무늬에 대한 두 개의 진동 주기를 얻을 수 있다. 이중 간섭무늬 각각을 대역 투과 필터(Band Pass Filter)를 이용하여 분리하고, 회전 전의 정상 굴절률에 대한 스펙트럼과 회전 후의 정상 굴절률에 대한 스펙트럼을 한 세트로 하며, 이상 굴절률에 대한 스펙트럼도 또한 한 세트로 한다.In this method, a fast Fourier transform and an inverse transform are used. When the fast Fourier transform is taken, two oscillation periods for a double interference fringe according to birefringence can be obtained. Each of the double interference fringes is separated using a band pass filter, and a set of spectra of the normal refractive index before rotation and a set of the normal refractive index after the rotation is also set as one set. do.
이 각각의 세트를 상술한 바와 같은 과정을 통하여 상기 수학식 17에 대입하여 정상 굴절률과 이상 굴절률 값을 계산한다. 여기서도 C1, C2는 도 5의 경우에도 0이 된다.Each of these sets is substituted into Equation 17 to calculate the normal refractive index and the abnormal refractive index. Here, C 1 and C 2 also become 0 in the case of FIG.
이상에서는 도 1 및 도 2의 마하젠더 간섭계의 경우에 대한 설명이였으며, 도 3 및 도 4의 마이켈슨 간섭계의 경우에서는 변형된 수학식들이 요구된다. 마이켈슨 간섭계의 경우에는 마하젠더 간섭계의 경우와 비교하여 샘플에서의 빔의 경로가 2배가 된다. 그러므로 상기의 수학식들의 변형이 일어나게 되고, 샘플에서의 광경로 길이에 관한 수학식을 2배로 변경하면 된다. 이에 따라 상기 수학식 17은 하기의 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.In the above, the case of the Mach-Zehnder interferometer of FIGS. 1 and 2 has been described, and modified equations are required in the case of the Michelson interferometer of FIGS. 3 and 4. The Michelson interferometer doubles the path of the beam in the sample compared to the Mach-Zehnder interferometer. Therefore, deformation of the above equations occurs, and the equation regarding the optical path length in the sample may be changed twice. Accordingly, Equation 17 may be expressed as Equation 18 below.
여기서, C1, C2는 도 5의 경우에는 0이된다.Here, C 1 and C 2 become 0 in the case of FIG.
이상과 같이 본 발명에 따른 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 장치 및 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.As described above with reference to the drawings illustrating a refractive index measuring apparatus and method based on a white light interferometer according to the present invention, the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed herein, of the present invention Of course, various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다.1 is a block diagram of a refractive index measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다.2 is a block diagram of a refractive index measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제 3실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다.3 is a block diagram of a refractive index measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제 4실시예에 따른 굴절률 측정 장치의 구성도이다.4 is a configuration diagram of an apparatus for measuring refractive index according to a fourth embodiment of the present invention.
도 5는 벌크형 단일 고체 광학 샘플의 경우 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이며, 도 6은 박막 광학 샘플의 경우 기판과 박막 광학 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이며, 도 7은 액체 샘플의 경우 액체 용기와 액체 광학 샘플 내 광경로를 설명하기 위한 도이다.FIG. 5 is a view for explaining an optical path in a sample in the case of a bulk single solid optical sample, FIG. 6 is a view for explaining an optical path in a substrate and a thin film optical sample in the case of a thin film optical sample, and FIG. This is for explaining the optical path in the liquid container and the liquid optical sample.
도 8은 및 도 9는 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치에서 측정된 간섭무늬 스펙트럼과 상기 스펙트럼을 고속 푸리에 변환과 힐버트 변환을 이용하여 정규화하여 간섭무늬 스펙트럼의 예시를 나타낸 그래프이다.8 and 9 are graphs showing examples of the interference fringe spectrum measured by the refractive index measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention and normalized by using the fast Fourier transform and the Hilbert transform.
도 10은 본 발명의 제 1실시예에 따른 굴절률 측정 장치를 이용하여 측정된 광학 샘플의 굴절률 측정치의 예시를 나타낸 그래프이다.10 is a graph illustrating an example of refractive index measurements of optical samples measured using the refractive index measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
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