KR20120004578A - 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치 - Google Patents

광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유형 Fizeau 간섭계를 이용하여 반사면의 나노 변위를 측정하는 기술이다. 종래 기술에서는 광원(Light Source)에서 나온 빛이 기준 면(Reference face)와 샘플 면(Sample face)에서 각각 반사되어 나오게 되고, 이 두 가지의 빛이 빔 스플리터(Beam splitter)를 거쳐 중첩되면서 간섭 패턴을 형성하게 되고, 그 간섭 패턴을 분석하여 반사면의 나노 변위를 측정하였다(도 5 참조). 이에 반해서, 본 발명은 레이저 다이오드, 포토 다이오드, 커플러, 렌즈 파이버(lensed fiber) 등을 사용함으로써, 렌즈 파이버의 표면에서의 반사광과 샘플에서의 반사광이 중첩되고, 이 중첩된 패턴이 커플러와 포토 다이오드(PD1)을 거쳐, 연산부(또는 컴퓨터)에서 분석되어, 샘플 표면의 나노 변위를 측정하게 된다(도 1 참조). 본 발명은 광학 소자를 없애고, 광섬유로만 연결되어 있으므로, 광학 소자에 의한 비선형이나 노이즈로부터 자유롭고, 광학 소자를 사용하기 위한 광축 정렬도 할 필요가 없다는 장점을 갖고 있다.

Description

광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치{APPARATUS OF MEASURING NANOMETRIC DISPLACEMENT AND SURFACE PROFILE USING FIBER-OPTIC FIZEAU INTERFEROMETER}
본 발명은 광섬유형 피조(Fizeau) 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광학소자를 사용하지 않고, 광섬유로만 구성되어서, 광학소자 간 공기의 온도, 습도의 차이로 인한 굴절률 변화, 광학소자 사이의 공기에 있을 수 있는 먼지 등 이물질에 따른 비선형 발생이나 노이즈 발생를 막을 수 있고, 광학소자를 사용하지 않아서 광축 정렬을 할 필요가 없어서, 종래 광축 정렬을 위해 소요되던 시간이나 노력을 크게 줄일 수 있으며, 광학소자 사용시 빔 스플리터 또는 지그 등에서 발생할 우려가 있었던 열변형의 우려를 완전히 없앨 수 있으며, 종래에 간섭 패턴을 보고 일일이 맞추거나 다른 측정장치로 동작 거리를 조절하던 불편함을 해소할 수 있는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치에 관한 것이다.
현재 나노 측정 기술 분야에서는, 원자력현미경(AFM), 주사전자현미경(SEM), 또는 간섭현상에 기반한 측정법이 주로 사용되고 있다. 최근 간섭현상에 기반한 측정법에서, 수 nm에서 수백 nm의 정확도와 정밀도를 얻기 위해서는, 주파수가 안정화된 레이저와 레이저 간섭계에서 발생할 수 있는 여러 오차 요인을 제거하는 것이 최대 관건으로 인식되고 있다.
도 5는 종래 피조 간섭계를 사용하여 나노 변위를 측정하는 방법 및 장치에 관한 개략도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 종래 기술에서는, 광원(Light Source)(120)에서 나온 빛이 빔 스플리터(beam splitter)(160)를 거쳐 기준 면(Reference face)(150)과 샘플 면(Sample face)(170)에 각각 보내지고, 각각 기준 면(150)과 샘플 면(170)에 보내진 빛이 반사되어 나오게 되면, 이 두 가지의 이미지가 빔 스플리터(Beam splitter)(160)를 거쳐 중첩되면서 간섭 패턴(interference pattern)(130)을 형성하게 되고, 그 간섭 패턴(130)을 분석하여, 반사면의 나노 변위를 측정하였다.
반사면의 나노 변위 측정에 대한 알고리즘은, Applied Optics, 27(1988), 4139-4142, O. Sasaki, et al과 Optics Letters, 18(1993) 1361-1363, D. P. Hand, et al 등에서 이미 공지된 기술이므로 그 알고리즘에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같은 기술에서는, 첫째, 기준 면(150)과 샘플 면(170), 빔 스플리터(160), 시준 렌즈(collimating lens)(140)와 같은 광학소자의 광축 정렬에 상당한 시간과 노력이 낭비되는 문제점을 갖고 있었다. 둘째로, 광원(120)과 빔 스플리터(160) 사이, 빔 스플리터(160)와 기준 면(150) 사이, 빔 스플리터(160)와 샘플 면(170) 사이, 및 빔 스플리터(160)와 시준 렌즈(140) 사이가 모두 공기라는 매질로 이루어져 있어서, 공기의 온도, 습도 등 특성에 따라 빛의 굴절률이 변화하게 되고, 공기 내의 먼지 등 이물질로 인해 오차가 발생할 우려가 높았다. 셋째, 각각의 광학소자는 열로 인한 변형이 발생할 우려가 높은 문제점을 가지고 있었다. 나아가 비용도 상당히 고가인 단점을 안고 있었다.
한편, 대한민국 특허등록 제434866호(2004년 5월 27일 등록)(발명의 명칭 : 피조 간섭계용 위상천이 구동장치)에서, 광학 소자를 이용하여 피검물에서 반사된 빛과 기준면에서 반사된 빛을 중첩시켜 발생한 간섭 무늬가 위상이 변함에 따라 검출되는 광이 달라지는 현상을 통해 피검물을 측정하는 시스템을 개시하고 있다. 이 경우에도, 여러 광학소자를 이용한 측정 시스템으로 각 광학소자에서 발생하는 노이즈가 문제가 되었다.
또한, 대한민국 특허등록 제422378호(2004년 2월 27일 등록)(발명의 명칭 : 경사단면 광섬유 광원을 이용한 피조 간섭계)에서는, 광원을 광섬유를 통해서 전달하고, 그 외의 시스템을 광학 소자로 구성하여, 규모가 크고, 각 광학소자에서 정렬 오차에 따른 비선형성이 발생할 가능성이 크고, 구성이 어렵다는 단점을 가지고 있었다.
본 발명은 레이저 간섭계에서 발생할 수 있는 오차 요인을 없앨 수 있는 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 광학소자를 사용하지 않고, 광섬유로만 구성되어서, 광학소자 간 공기의 온도, 습도의 차이로 인한 굴절률 변화, 광학소자 사이의 공기에 있을 수 있는 먼지 등 이물질에 따른 비선형 발생이나 노이즈 발생를 막을 수 있는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 광학소자를 사용하지 않아서 광축 정렬을 할 필요가 없어서, 종래 광축 정렬을 위해 소요되던 시간이나 노력을 크게 줄일 수 있는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 광학소자 사용시 빔 스플리터 또는 지그 등에서 발생할 우려가 있었던 열변형의 우려를 완전히 없앤, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 종래에는 간섭 패턴을 보고 일일이 맞추거나 다른 측정장치로 동작 거리를 조절하던 불편함을 해소할 수 있는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따른 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치는, 빛을 발광하는 광원부; 상기 광원부를 구동하는 광원구동기; 상기 광원부로부터 받은 빛을 커플링하여 빛을 두 개의 경로로 분리시키며, 그 하나는 제 2 광전변환부로 보내고, 다른 하나는 렌즈 파이버로 보내고, 상기 렌즈 파이버로부터 입력된 빛은 제 1 광전변환부로 보내는 광 커플러; 상기 광 커플러로부터 입력받은 빛을 피검체에 발광하여 상기 피검체로부터 반사된 빛을 다시 상기 광 커플러로 보내는 렌즈 파이버; 상기 광 커플러로부터 입력 받은 빛을 전기 신호로 변환하는 제 1 및 제 2 광전변환부; 및 상기 제 1 광전변환부로부터 입력받은 전기 신호를 분석하여, 상기 피검체의 나노 변위를 연산하는 연산부;를 포함한다.
여기서, 상기 광원부와 상기 광 커플러 사이, 상기 광 커플러와 상기 렌즈 파이버 사이, 상기 광 커플러와 상기 제 1 광전변환부 사이, 및 상기 광 커플러와 상기 제 2 광전변환부 사이는 광섬유로 연결되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 광섬유는 단일모드 광섬유이다.
또한, 상기 광원부는 레이저 다이오드이고, 상기 제 1 및 제 2 광전변환부는 포토 다이오드인 것이 바람직하다.
또한, 상기 피검체가 배치되는 나노 스테이지를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 연산부의 명령에 따라, 상기 나노 스테이지를 이동시키는 나노 스테이지 구동부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이의 거리를 측정하기 위한 동작 거리 측정부를 더 구비할 수 있다.
이 경우, 상기 동작 거리 측정부는, 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이를 촬영하는 촬상소자를 더 구비하고, 상기 촬상소자에서 촬영된 이미지를 처리하여 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 간의 거리를 계산하는 것이 가능하다.
또한, 상기 렌즈 파이버는, 상기 광섬유 끝단에 직접 렌즈를 가공하여, 광섬유와 렌즈가 일체화된 것이다.
여기서, 상기 렌즈 파이버는, 빔 스팟 크기(Beam spot size)를 줄이고, 샘플 표면에서 반사된 빛의 광섬유로의 결합을 높일 수 있도록 렌즈의 파라미터를 설계하여야 한다.
또한, 상기 제 2 광전변환부로부터 입력되는 신호를 기초로 하여 상기 광원구동기를 되먹임 제어하여 상기 광원부의 출력을 안정화시키는 제어기를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 연산부는, 상기 제 1 광전변환부로부터 입력되는 간섭 전기 신호의 피크에서 피크까지의 변위가, 상기 광원부의 빛의 파장의 절반인 경우, 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이의 거리가 동작 거리라고 판단하게 된다.
이 경우, 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이를 촬영하는 촬상소자; 및 상기 촬상소자에서 촬영된 이미지를 처리하여 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 간의 거리를 계산하는 동작 거리 측정부를 더 구비하고, 상기 연산부에서, 상기 광전변환부로부터 입력되는 간섭 전기 신호의 피크에서 피크까지의 변위가, 상기 광원부의 빛의 파장의 절반인 경우, 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이의 거리가 동작 거리라고 판단하는 것을, 상기 동작 거리 측정부의 계산 결과로 검증하는 것도 가능하다.
본 발명에 따르면, 광학소자를 사용하지 않고, 상기 광원부와 상기 광 커플러 사이, 상기 광 커플러와 상기 렌즈 파이버 사이, 및 상기 광 커플러와 상기 제 1 및 제 2 광전변환부 사이가 모두 광섬유로만 구성되어서, 광학소자 간 공기의 온도, 습도의 차이로 인한 굴절률 변화, 광학소자 사이의 공기에 있을 수 있는 먼지 등 이물질에 따른 비선형 발생이나 노이즈 발생를 막을 수 있다.
또한, 광학소자를 사용하지 않아서 광축 정렬을 할 필요가 없는 장점이 있다. 따라서, 종래 광축 정렬을 위해 소요되던 시간이나 노력을 크게 줄일 수 있는 효과를 가져다 준다. 통상 광축 정렬로 인해 수 시간 이상이 소요되는 경우가 일반적인데, 이와 같은 시간을 절약할 수 있다.
또한, 광학소자 사용시 빔 스플리터 또는 지그 등에서 발생할 우려가 있었던 열변형은, 광섬유만 사용함으로써 발생 여지를 완전히 없앨 수 있다.
또한, 제 1 포토 다이오드(PD1)에서 변환된 간섭 전기 신호의 피크에서 피크까지의 변위(peak to peak displacement)가, 사용된 광원부의 빛의 파장(λ)의 1/2이 나오면, 렌즈 파이버가 피검체의 나노 변위 측정에 적합한 위치에 배치되었다는 것을 판단할 수 있어서, 종래에는 간섭 패턴을 보고 맞추거나 다른 측정장치로 동작 거리를 조절하던 불편함을 일거에 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치에서 분석하는 간섭 패턴이 생기는 것이, 렌즈 파이버(90)의 끝단 렌즈에서 반사되는 빛과 피검체(sample)로부터 반사되는 빛의 광 경로 차이로 인하여 발생하는 위상차로 인해 발생한다는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 렌즈 파이버(90)의 끝단 렌즈에서 반사되는 빛과 피검체(sample)로부터 반사되는 빛의 광 경로 차이로 인하여 발생하는 빛의 간섭 패턴을, 제 1 포토 다이오드(20)를 통해서 전기신호로 변환할 경우, 나타나는 간섭 신호 패턴이다.
도 5는 종래 피조 간섭계를 사용하여 나노 변위를 측정하는 방법 및 장치에 관한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치는, PZT 구동기(30), 광원부(레이저 다이오드)(10), 광 커플러(coupler)(40), 렌즈 파이버(lensed fiber)(90), 제 1 포토 다이오드(PD1)(20), 제 2 포토 다이오드(PD2)(50), 제어기(60), 나노 스테이지(Nano Stage)(100), DSP(Digital signal processing)(110), 광원 구동기(LD driver)(70), 및 컴퓨터(또는 연산부)(80)로 이루어진다.
여기서, 광원 구동기(70)는 일정한 전류가 광원부(레이저 다이오드)(10)에 인가되어 레이저 다이오드(10)를 동작시키게 된다.
광원부(10)는 빛을 발광하는 구성요소이다. 본 명세서의 이하에서 광원부는 레이저 다이오드(10)로 가정하여 설명하기로 한다. 레이저 다이오드(Laser Diode)(10)는, 반도체에 과잉 운반자를 대량으로 주입했을 경우 전자와 정공(hole)이 에너지갭을 넘어서 재결합(recombination)할 때 발광하는 효과를 이용한 레이저이다. 본 명세서에서는, 광원 구동기(70)에서 발생한 전류가 레이저 다이오드(10)에 입력되면, 레이저 다이오드가 작동하고, 이때, 광원의 출력이 불안정하여 발생하는 측정 오차를 줄이기 위하여 제어기(60)를 두어, 제 2 포토 다이오드(50)에서 검출된 레이저 다이오드의 신호를 제어기(60)를 통해 되먹임 제어함으로써 광원의 출력을 안정화시킴으로써 측정 오차를 최소화시킨다.
광 커플러(coupler)(40)는, 발광소자와 수광소자를 광학적으로 결합하여 하나의 패키지에 내장한 광복합 소자를 말한다. 상기 광 커플러(40)는 광섬유용으로 쓰이며, 이는 광학소자 빔 스플리터(beam splitter)와 같은 역할을 한다. 본 발명에서는 레이저 다이오드(LD)(10)에서 발광된 빛을 렌즈 파이버(Lensed Fiber)(90)와 제 2 포토 다이오드(PD2)(50)로 보내고, 렌즈 파이버(90)로부터 받은 중첩된 빛을 제 1 포토 다이오드(PD1)(20)로 보내는 역할을 한다.
상기 광 커플러(40)는 광을 세기에 따라 나누는 비율에 따라 여러 가지가 있으며, 1/99, 20/80, 50/50 등등으로 여러 가지 비율로 나누는 것이 사용되고 있으며, 본 발명은 어느 한 가지 것에 한정되지 않는다.
또한 상기 광 커플러(40)를 대신하여, 광 서큘레이터(optical circulator, 도 2에 도시)를 사용하여 구현될 수도 된다. 광 서큘레이터는 투명한 자성체에서의 패러데이 효과를 이용하는 서큘레이터이다. 광절연체와 마찬가지로 배치하며, 편광 프리즘 대신에 복상 편광 프리즘을 사용하여 구성하는 것이 통상적이다. 상기 광 커플러(40)를 사용하는 경우 광섬유가 네 가닥으로 구성되어 있다. 반면, 도 2의 광 서큘레이터는 일반적으로 광섬유 세 가닥으로 구성되므로, 광의 손실이 없는 장점이 있다. 하지만 광 서큘레이터를 이용할 경우, 상기 광 커플러(40)를 이용할 때와 달리, 광원의 출력 안정화를 위한 제어는 다른 방식으로 진행할 수 있다.
제 1 광전변환부는 상기 광 커플러(40)에서 입력 받은 빛을 전기 신호로 변환한다. 본 명세서에서는 제 1 광전변환부를 제 1 포토 다이오드(20)인 경우로 설명하기로 한다. 제 1 포토 다이오드(PD1)(20)는 일종의 반도체 다이오드로서, 광 커플러(40)로부터 입력된 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여, 증폭기를 통하여 컴퓨터(또는 연산부)(80)로 전기 신호를 보낸다. 빛이 제 1 포토 다이오드(PD1)(50)에 닿으면 전자와 정공이 생겨서 전류가 흐르며, 전압의 크기는 빛의 강도에 거의 비례하게 된다. 이와 같은 광전 효과의 결과 반도체의 접합부에 전압이 나타나는 현상을 광기전력 효과라고 한다. 포토 다이오드는 응답속도가 빠르고, 감도 파장이 넓으며, 광전류의 직진성이 양호하다는 특징이 있다.
마찬가지로, 제 2 광전변환부(제 2 포토 다이오드)(PD2)(50)는 광 커플러(40)로부터 입력된 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이며, 본 발명에서는 광원부(10)에서 출력된 빛이 광 커플러(40)를 통해 2 개의 광 경로로 나뉠 때, 하나의 광 경로를 제 2 광전변환부로 검출하여, 검출된 광원의 불안정한 출력을 제어기(60)를 통해 사용된 광원부(10)의 안정화를 위하여 쓰인다.
렌즈 파이버(lensed fiber)(90)는 레이저 다이오드(10)와 광 커플러(40)를 거쳐서 빛을 나노 스테이지(100) 위에 놓인 피검체(sample)로 발광하는 구성요소이다.
상기 사용된 측정 시스템은 모두 광섬유로 이루어져 있으며, 사용된 광섬유는 모두 단일모드 광섬유(single-mode fiber)로서, 멀티모드 광섬유(multi-mode fiber)에 비해 광손실이 적으며, 파면의 왜곡을 발생시키지 않는다.
도 3은 본 발명에서 사용되는 렌즈 파이버(lensed fiber)(90)에서 반사된 빛과 샘플 표면에서 반사된 빛의 간섭이 일어남을 설명한 도면이다.
렌즈 파이버 끝단 면을 크게 그린 도면에서 보는 바와 같이, 렌즈 파이버(lensed fiber)는 광섬유(Optical Fiber)의 끝단에 직접 렌즈를 가공한 것으로, 광섬유와 렌즈가 일체화되어 있는 것이다. 이와 같이 광섬유 렌즈를 만들 때에, 적절한 광섬유 렌즈의 파라미터를 계산, 설계 하여야 하며, 이 때 광섬유 렌즈 파라미터는 빛의 빔 스팟 크기(beam spot size)를 되도록이면 줄이도록, 그리고 표면에서 반사된 빛의 광섬유로의 결합효율은 되도록이면 높도록 설계하여, 표면 형상 측정시, 보다 높은 분해능을 갖는 시스템을 구현 할 수 있게 된다. 작은 빔 스팟 크기를 가져야 표면의 미세 영역을 구분해 낼 수 있게 된다. 이를 측면 방향 분해능이라 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(10)로부터 빛을 받아서 피검체(sample)에 발광하고, 렌즈 파이버의 끝단 렌즈에서 반사되는 빛과 피검체(sample)로부터 반사되는 빛을 동시에 중첩시켜 광 커플러(40)로 보내게 된다.
본 발명에서 아래에서 설명하는 것과 같이 중첩된 빛의 파장을 검출하여 해당 빛의 파장을 분석하여 나노 스테이지(100)에 위에 놓인 피검체가 측정에 적합한 위치인지를 판단할 수 있으므로, 촬상소자를 재확인용으로 보조적인 구성요소으로 추가로 포함할 수도 있다.
나노 스테이지(Nano Stage)(100)는 피검체가 놓이는 구성요소로, 다양한 형태로 구현이 가능하다. 나노 스테이지 구동부(DSP)(110)는 컴퓨터(또는 연산부)(80)의 제어에 따라, 나노 스테이지를 전후좌우 또는 상하로 이동시킨다. 본 발명에서 사용된 나노 스테이지는 나노 미터 단위의 움직임을 분해능으로 갖는 스테이지를 의미하며, 스테이지의 종류는 어떤 종류이든지 그 종류에 한정짓지 않고, 피검체를 움직이게 할 수 있는 것이면 어떤 것이라도 사용 가능하다.
컴퓨터(또는 연산부)(80)는, 제 1 포토 다이오드(20)로부터 입력 받은, 렌즈 파이버(90)의 끝단 렌즈에서 반사되는 빛과 피검체(sample)로부터 반사되는 빛을 모두 받아, 중첩된 빛의 간섭 패턴을 분석하여, 나노 스테이지(100) 위에 놓인 피검체의 나노 변위를 측정하게 된다.
여기서 중첩된 빛의 간섭 패턴은 도 4에 도시된 바와 같이, 렌즈 파이버(90)의 끝단 렌즈에서 반사되는 빛과 피검체(sample)로부터 반사되는 빛의 광 경로 차이로 인하여 발생하는 위상차로 인해 발생하게 되는 것이다.
이 때 제 1 다이오드(20)에서 검출되는 간섭신호는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서 S(t)는 제 1 광전변환부에서 검출된 간섭신호의 수학적 표현이고, So는 피검체의 표면의 반사율에 따른 반사된 간섭 신호의 크기이고,
Figure pat00002
이며, a는 변조 진폭이고, w는 위상 변조시 발생하는 주파수 성분이며, t는 시간이고, 위상 α(x)는 다음 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure pat00003
여기서, D(x)는 렌즈 파이버의 끝단과 피검체의 표면과의 변위를 나타내고, Do 는 피조 캐비티(fizeau cavity) 간격으로, 렌즈 파이버 표면과 피검체와의 기준 거리, 즉 본 렌즈 파이버에서 피조 간섭이 일어나는 기준거리이다. λ는 광원부(10)의 파장이다.
배경기술에서 이미 설명한 바와 같이, 반사면의 나노 변위 측정에 대한 알고리즘은, Applied Optics, 27(1988), 4139-4142, O. Sasaki, et al과 Optics Letters, 18(1993) 1361-1363, D. P. Hand, et al 등에서 이미 공지된 기술이므로 그 위상을 검출하는 알고리즘에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 본 발명은 종래의 공지된 알고리즘을 이용한다.
도 4는, 도 3에서 설명한 바와 같이, 렌즈 파이버(90)의 끝단 렌즈에서 반사되는 빛과 피검체(sample)로부터 반사되는 빛의 광 경로 차이로 인하여 발생하는 빛의 간섭 패턴을, 제 1 포토 다이오드(20)를 통해서 전기신호로 변환할 경우, 나타나는 간섭 신호 패턴이다.
도 4에서 알 수 있는 것처럼, 주기적인 진동 신호가 발생하며, 여기서 간섭 신호의 프린지 패턴(fringe pattern)의 피크에서 피크까지의 변위(peak-to-peak displacement)가 사용된 광원부(10)의 파장의 절반(λ/2)이 되면 해당 렌즈 파이버(90)가 피검체를 측정하기에 적합한 동작 거리(working distance)에 들어갔다는 것을 알 수 있었다.
사용할 수 있는 있는 광원은 어느 한 가지에 한정하지 않고, 여러 가지의 광원이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 보다 높은 분해능을 위해 가시광 영역대의 광원을 사용하였다.
본 발명은 모두 광섬유로 구성되고, 광섬유로 연결되어 있기 때문에, 상기 렌즈 파이버만 광축방향으로 움직여서, 다른 장치들의 정렬을 고려하지 않고 간섭신호를 검출할 수 있고, 검출된 간섭 신호의 프린지 패턴(fringe pattern)의 피크에서 피크까지의 변위(peak-to-peak displacement)가 사용된 광원부(10)의 파장의 절반(λ/2)이 되면, 해당 렌즈 파이버(90)가 피검체를 측정하기에 적합한 동작 거리(working distance)라는 것을 알 수 있으므로, 도 5를 참조하여 설명한 것과 같이, 종래 기술에서 간섭 무늬를 보고 피검체와 여러 광학소자를 일일이 정렬하는 작업을 더 이상 할 필요가 없어서, 이에 낭비되던 불필요한 시간과 노력의 낭비를 대폭 줄일 수 있는 효과를 가져다 준다.
이와 같은 렌즈 파이버(90)와 피검체 간의 동작 거리 측정은 위에서 설명한 촬상소자에서 촬영한 이미지를 이미지 프로세싱한 결과를 분석하여 할 수도 있다. 다시 말해, 피검체와 렌즈 파이버 사이를 촬영하는 촬상소자; 및 상기 촬상소자에서 촬영된 이미지를 처리하여 피검체와 렌즈 파이버 간의 거리를 계산하는 동작 거리 측정부를 더 구비하여서, 상기 연산부에서, 상기 제 1 광전변환부로부터 입력되는 간섭 전기 신호의 피크에서 피크까지의 변위가, 사용된 광원부의 파장의 절반인 경우, 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이의 거리가 동작 거리라고 판단하는 것을, 동작 거리 측정부의 계산 결과로 검증할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 물론이다.
10 : 레이저 다이오드(Laser Diode)
20 : 제 1 포토 다이오드(PD1)
30 : PZT 구동기(PZT amp)
40 : 광 커플러(coupler)
50 : 제 2 포토 다이오드(PD2)(50)
60 : 제어기(controller)
70 : 광원 구동기(LD driver)
80 : 컴퓨터(또는 연산부)
90 : 렌즈 파이버(lensed fiber)
100 : 나노 스테이지(Nano Stage)
110 : DSP(Digital signal processing)
120 : 광원(Light Source)
130 : 간섭 패턴(interference pattern)
140 : 시준 렌즈(collimating lens)
150 : 기준 면(Reference face)
160 : 빔 스플리터(beam splitter)
170 : 샘플 면(Sample face)

Claims (12)

  1. 빛을 발광하는 광원부;
    상기 광원부를 구동하는 광원구동기;
    상기 광원부로부터 받은 빛을 커플링하여 빛을 두 개의 경로로 분리시키며, 그 하나는 제 2 광전변환부로 보내고, 다른 하나는 렌즈 파이버로 보내고, 상기 렌즈 파이버로부터 입력된 빛은 제 1 광전변환부로 보내는 광 커플러;
    상기 광 커플러로부터 입력받은 빛을 피검체에 발광하여 상기 피검체로부터 반사된 빛을 다시 상기 광 커플러로 보내는 렌즈 파이버;
    상기 광 커플러로부터 입력 받은 빛을 전기 신호로 변환하는 제 1 및 제 2 광전변환부; 및
    상기 제 1 광전변환부로부터 입력받은 전기 신호를 분석하여, 상기 피검체의 나노 변위를 연산하는 연산부;를 포함하는 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부와 상기 광 커플러 사이, 상기 광 커플러와 상기 렌즈 파이버 사이, 상기 광 커플러와 상기 제 1 광전변환부 사이, 및 상기 광 커플러와 상기 제 2 광전변환부 사이는 광섬유로 연결되는 것을 특징으로 하는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부는 레이저 다이오드이고, 상기 제 1 및 제 2 광전변환부는 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 피검체가 배치되는 나노 스테이지를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연산부의 명령에 따라, 상기 나노 스테이지를 이동시키는 나노 스테이지 구동부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이의 거리를 측정하기 위한 동작 거리 측정부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 동작 거리 측정부는, 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이를 촬영하는 촬상소자를 더 구비하고,
    상기 촬상소자에서 촬영된 이미지를 처리하여 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 간의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 파이버는, 상기 광섬유 끝단에 직접 렌즈를 가공하여, 광섬유와 렌즈가 일체화된 것을 특징으로 하는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 렌즈 파이버는, 빔 스팟 크기(Beam spot size)를 줄이고, 샘플 표면에서 반사된 빛의 광섬유로의 결합을 높일 수 있도록 렌즈의 파라미터를 설계한 것 특징으로 하는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광전변환부로부터 입력되는 신호를 기초로 하여 상기 광원구동기를 되먹임 제어하여 상기 광원부의 출력을 안정화시키는 제어기를 더 포함하는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 제 1 광전변환부로부터 입력되는 간섭 전기 신호의 피크에서 피크까지의 변위가, 상기 광원부의 빛의 파장의 절반인 경우, 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이의 거리가 동작 거리라고 판단하는 것을 특징으로 하는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이를 촬영하는 촬상소자; 및
    상기 촬상소자에서 촬영된 이미지를 처리하여 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 간의 거리를 계산하는 동작 거리 측정부를 더 구비하고,
    상기 연산부에서, 상기 광전변환부로부터 입력되는 간섭 전기 신호의 피크에서 피크까지의 변위가, 상기 광원부의 빛의 파장의 절반인 경우, 상기 피검체와 상기 렌즈 파이버 사이의 거리가 동작 거리라고 판단하는 것을, 상기 동작 거리 측정부의 계산 결과로 검증하는 것을 특징으로 하는, 광섬유형 피조 간섭계를 이용한 나노 변위 및 표면 형상 측정 장치.
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