KR20130135438A - 간섭계를 이용한 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 간섭계를 이용한 측정장치에 관한 것으로서, 위상 동기된 펄스 레이저 광을 출사하는 광원과, 광원에서 출사되는 광을 상호 다른 제1경로와 제2경로로 분배하는 광분배기와, 광분배기에 의해 분기되어 제1광경로로 진행하는 광을 반사하는 제1기준부와, 광분배기에 의해 분기되어 제2경로로 진행하는 광을 측정대상체로 전송하는 광전송부와, 측정대상체에서 반사되는 광과 제1기준부에서 반사광이 중첩되어 수신되는 광을 검출하는 광검출부를 구비한다. 이러한 간섭계를 이용한 측정장치에 의하면, 위상동기 펄스 레이저를 광원으로 적용함으로써 가간섭길이에 대한 제약을 완화시켜 측정광을 원하는 광섬유를 통해 원하는 전송길이만큼 전송할 수 있고, 어댑터를 통해 현장까지 측정광을 전송하여 측정할 수 있는 장점을 제공하고, 다수의 프로브 유니트를 선택적으로 어댑터에 접속 또는 교체할 수 있어 연구소 또는 대형 건축물의 경우 측정 네트워크의 구축이 가능하다.

Description

간섭계를 이용한 측정장치{measuring apparatus using optical interferometer}
본 발명은 간섭계를 이용한 측정장치에 관한 것으로서, 상세하게는 위상동기 펄스 레이저 광원을 이용하여 측정대상체로 송출되는 광의 광로 길이에 대한 제약을 완화시킬 수 있도록 된 간섭계를 이용한 측정장치에 관한 것이다.
산업사회가 발전하면서 반도체 웨이퍼, 폴리건 미러, 컴퓨터 하드디스크 및 각종 광학제품에서와 같이 초정밀 표면을 갖는 경면의 표면평가기술의 요구가 증대되고 있다. 표면평가 방법중 광위상간섭계(Phase measuning interferometry)는 장비구성이 간단하고 비접촉식으로 빠른 시간내에 3차원 측정과 다양한 영상처리 및 표면평가가 가능하기 때문에 경면의 표면평가에 널리 사용되고 있다.
이러한 광위상 간섭계는 다양하게 알려져 있고, 국내 등록특허 제10-0992784호에는 백생광 간섭계를 이용하여 표면형상을 측정하는 장치가 개시되어 있다.
그런데, 상기 표면 형상 측정장치는 백색광을 적용하기 때문에 백색광의 가간섭길이(coherence length)가 짧아 본체에 측정대상체를 올려놓고 검사하는 방식으로 장치가 구성되기 때문에 실험실 수준에서는 용이하게 이용할 수 있으나, 현장에서 필요시 본체를 그대로 두고 측정대상체로 측정광을 전송되게 이동시켜 조사할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 가간섭길이에 대한 제약을 완화시키고 측정광을 본체로부터 원하는 길이로 자유롭게 적용할 수 있는 간섭계를 이용한 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 간섭계를 이용한 측정장치는 위상 동기된 펄스 레이저 광을 출사하는 광원과; 상기 광원에서 출사되는 광을 상호 다른 제1경로와 제2경로로 분배하는 광분배기와; 상기 광분배기에 의해 분기되어 상기 제1광경로로 진행하는 광을 반사하는 제1기준부와; 상기 광분배기에 의해 분기되어 상기 제2경로로 진행하는 광을 측정대상체로 전송하는 광전송부와; 상기 측정대상체에서 반사되는 광과 상기 제1기준부에서 반사광이 중첩되어 수신되는 광을 검출하는 광검출부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 광검출부에 의해 검출된 간섭패턴 정보로부터 상기 측정대상체의 형상정보 또는 굴절율을 측정하는 측정부;를 더 구비하고, 상기 광원, 상기 광분배기, 상기 광검출부 및 상기 측정부는 본체에 일체로 설치되어 있고, 상기 광전송부는 상기 본체의 상기 제2경로로 진행하는 광을 상기 본체에 마련된 어댑터에 접속된 광섬유를 통해 전송할 수 있도록 된 프로브 유니트를 구비한다.
또한, 상기 어댑터는 상기 프로브 유니트를 탈착할 수 있도록 된 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1기준부는 상기 제1경로를 통해 진행되는 광을 상기 광분배기로 반사하는 기준미러와; 상기 기준미러를 상기 측정부에 제어되어 진퇴시키는 스캔 구동부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 광분배기는 빔스플릿터가 적용되며, 상기 빔스플릿터는 상기 광원에서 출사되는 광을 상기 제1경로와, 상기 제1경로와 직교하는 방향의 상기 제2경로로 분배하고, 상기 기준부에서 반사되는 기준광 및 상기 측정대상체에서 반사된 검출광을 상기 제1경로 맞은 편 방향에 설치된 상기 광검출부로 전송하도록 설치된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 광분배기는 광커플러가 적용되며, 상기 광커플러는 상기 광원에서 출사되는 광을 제1입력단을 통해 수신받아 상기 제1경로가 되는 제1출력단과 상기 제2경로가 되는 제2출력단으로 분배하여 출력하고, 상기 제1출력단에서 출력되어 상기 제1미러에서 반사된 기준광과, 상기 제2출력단에서 출력된 후 측정대상체에서 반사된 검출광을 상기 제1입력단과 다른 경로의 제3출력단을 통해 상기 광검출부로 전송하도록 설치된다.
본 발명에 따른 간섭계를 이용한 측정장치에 의하면, 위상동기 펄스 레이저를 광원으로 적용함으로써 가간섭길이에 대한 제약을 완화시켜 측정광을 원하는 광섬유를 통해 원하는 전송길이만큼 전송할 수 있고, 어댑터를 통해 현장까지 측정광을 전송하여 측정할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 간섭계를 이용한 측정장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 간섭계를 이용한 측정장치를 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 간섭계를 이용한 측정장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 간섭계를 이용한 측정장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 간섭계를 이용한 측정장치(100)는 본체(110)와 프로브유니트(170)를 구비한다.
본체(110)에는 어댑터(115), 위상 동기 펄스레이저(120), 빔스플릿터(130), 기준미러(140), 스캔구동부(145), 광검출부(150) 및 측정부(160)가 설치되어 있다.
본체(110)는 프레임 또는 하우징에 앞서 설명된 장치가 설치된 구조물로서 형상은 다양하게 형성될 수 있다.
여기서, 측정부(160)는 본체(110)와 신호를 전송하는 케이블과 같은 신호전송매체를 통해 본체(110)와 분리되게 접속될 수 있음은 물론이다.
위상 동기 펄스 레이저(phase lock pulse laser)(120)는 위상 동기된 펄스 레이저 광을 출사하는 광원으로 적용된 것이다.
위상 동기 펄스 레이저(120)는 적용되는 파장별 위상이 시간경과에 따라 동기가 일정하게 유지되는 레이저 광을 출사하는 것이다.
이러한 위상 동기 펄스 레이저(120)는 파장별 시간경과에 따른 위상 동기가 일정하게 유지되기 때문에 가간섭길이에 대한 간섭무늬 형성 제약을 완화시켜 후술되는 측정광의 광로길이에 대한 제약을 해소시킬 수 있다.
위상 동기 펄스 레이저(120)의 상세구조는 국내 등록특허 제10-0942380호 등 다양하게 개시되어 있어 상세구조에 대한 설명은 생략한다.
참조부호 125는 위상 동기 펄스 레이저(120)에서 출사되는 광을 평행광으로 변환시키는 콜리메이팅 렌즈이다.
빔스플릿터(130)는 위상 동기 펄스 레이저(120)에서 출사되는 광을 분기시켜 상호 다른 제1경로(131)와 제2경로(132)로 분배하는 광분배기로 적용되었다.
즉, 빔스플릿터(130)는 위상동기 펄스레이저(120)에서 출사되는 광을 제1경로(131)와, 제1경로와 직교하는 방향의 제2경로(132)로 분배하고, 기준미러(140)에서 반사되는 기준광 및 측정대상체(10)에서 반사된 측정광을 제1경로(131) 맞은 편 방향에 설치된 광검출부(150)로 전송하도록 설치되어 있다.
여기서 제2경로(132)를 통해 진행되는 광은 콜리메이팅 렌즈(135)를 통해 집속되어 어댑터(115)를 통해 전송될 수 있도록 되어 있다.
어댑터(115)는 후술되는 프로브 유니트(170)를 탈착할 수 있도록 되어 있다.
제1기준부는 빔스플릿터(130)에 의해 분기되어 제1광경로(131)로 진행하는 광을 다시 빔스플릿터(130)로 반사하는 기준미러(140)와 기준미러(140)를 측정부(160)에 제어되어 광입사방향을 따라 진퇴되게 구동하는 스캔구동부(145)가 마련되어 있다.
광전송부는 빔스플릿터(130)에 의해 분기되어 제2경로(132)로 진행하여 어댑터(115)를 통해 출력되는 광을 측정대상체(10)로 전송할 수 있도록 되어 있다.
광전송부는 본체(110)의 제2경로(132)로 진행하는 광을 본체(110)에 마련된 어댑터(115)에 접속된 광섬유(171)를 통해 전송할 수 있도록 된 프로브 유니트(170)를 구비한다.
어댑터(115)는 본체(110)에 접속되어 제2경로(132) 상에 설치된 콜리메이팅 렌즈에 의해 집속된 광을 일단을 통해 수신받아 타단에 접속된 광섬유(171)를 통해 전송할 수 있도록 되어 있고, 광섬유 커넥터가 적용될 수 있다.
프로브 유니트(170)는 광섬유(171)와, 광섬유(171)의 종단을 통해 출력되는 광을 평행광으로 변환시키는 렌즈(176) 및 광섬유와 렌즈를 상호 얼라인 시켜 장착시키는 하우징 모듈(175)을 갖는 구조로 되어 있다.
광검출부(150)는 측정대상체(10)에서 반사되어 진행되는 검출광과 기준미러(140)에서 반사된 기준광이 빔스플릿터(130)를 통해 중첩되어 수신되는 광을 검출할 수 있도록 되어 있다.
광검출부(150)는 수신된 광에 대응되는 전기적 신호로 출력할 수 있는 포토다이오드, CCD센서, 스펙트로미터 등이 적용될 수 있다.
측정부(160)는 기준미러(140)를 빔스프릿터 방향으로 진퇴시키는 스캔구동부(145)를 제어하고, 광검출부(150)에 의해 검출된 간섭패턴 정보로부터 측정대상체(10)의 표면에 대한 형상정보 또는 굴절율을 측정한다. 여기서 표면 형상정보 측정방법은 기준미러(140)를 등간격으로 특정 위상 만큼씩 이동시켜 광경로를 변화시켜 얻어진 몇 개의 간섭무늬에 대응되는 디지털 값들을 처리하여 측정대상체(10)의 표면에 대한 높이정보를 얻고, 이러한 측정방식은 공지되어 있어 상세한 설명은 생략한다.
측정부(160)의 간섭무늬를 이용한 굴절율 측정방법도 국내 공개특허 제1998-085935호등 다양하게 개시되어 있어 상세한 설명은 생략한다.
한편, 도시된 예와 다르게, 광분배기로서 광커플러가 적용된 예가 도 2에 도시되어 있다. 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
도 2를 참조하면, 광커플러(230)는 위상동기 펄스 레이저(120)에서 출사되는 광을 제1입력단(231)을 통해 수신받아 제1경로(131)가 되는 제1출력단(232)과 제2경로(132)가 되는 제2출력단(233)으로 분배하여 출력하고, 제1출력단(232)과 제2출력단(233)을 통해 역으로 진행되는 기준광과 측정광을 제1입력단(231)과 다른 경로의 제3출력단(234)을 통해 광검출부(150)로 전송하도록 설치되어 있다.
참조부호 123은 위상동기 펄스 레이저로부터 광커플러(230)로 진행되는 광은 투과시키고, 광커플러(230)로부터 위상동기 펄스 레이저(120)로부터 진행되는 광을 차단시키는 아이솔레이터이다.
한편, 연구소 또는 대형건물에 적용하는 경우 어댑터(115)를 통해 현재 접속된 프로브 유니트(170) 이외에 교체하여 적용할 수 있는 다수의 프로브유니트(170a)(170b)(170n)를 적용하고자 하는 현장별 또는 건물내의 상호 다른 측정실마다 마련해 놓고, 필요시 측정하고자 하는 장소별로 대응되는 프로브 유니트(170a)(170b)(170n)를 어댑터(115)를 통해 교체 적용하여 사용하도록 구축될 수 있다.
또 다르게는 어댑터와 다채널 광스위치를 상호 접속하고, 채널별로 앞서 프로브 유니트(170)(170a)(170b)(170n)를 접속해 놓고, 다채널 광스위치의 채널 선택에 의해 어댑터(115)와 선택된 하나의 프로브 유니트(170)(170a)(170b)(170n)에 대해 측정을 수행하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
이러한 간섭계를 이용한 측정장치(100)는 본체(110)에 대해 프로브유니트(170)의 연장길이에 대한 제약이 없어 현장에서 본체(110)로부터 측정대상체(10)까지 원하는 길이만큼 광섬유(171)를 연장시켜 측정하면 된다.
110: 본체 115: 어댑터
120: 위상 동기 펄스레이저 130: 빔스플릿터
140: 기준미러 145: 스캔구동부
150: 광검출부 160: 측정부

Claims (6)

  1. 위상 동기된 펄스 레이저 광을 출사하는 광원과;
    상기 광원에서 출사되는 광을 상호 다른 제1경로와 제2경로로 분배하는 광분배기와;
    상기 광분배기에 의해 분기되어 상기 제1광경로로 진행하는 광을 반사하는 제1기준부와;
    상기 광분배기에 의해 분기되어 상기 제2경로로 진행하는 광을 측정대상체로 전송하는 광전송부와;
    상기 측정대상체에서 반사되는 광과 상기 제1기준부에서 반사광이 중첩되어 수신되는 광을 검출하는 광검출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광검출부에 의해 검출된 간섭패턴 정보로부터 상기 측정대상체의 형상정보 또는 굴절율을 측정하는 측정부;를 더 구비하고,
    상기 광원, 상기 광분배기, 상기 광검출부 및 상기 측정부는 본체에 일체로 설치되어 있고,
    상기 광전송부는 상기 본체의 상기 제2경로로 진행하는 광을 상기 본체에 마련된 어댑터에 접속된 광섬유를 통해 전송할 수 있도록 된 프로브 유니트를 구비하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 측정장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 어댑터는 상기 프로브 유니트를 탈착할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1기준부는 상기 제1경로를 통해 진행되는 광을 상기 광분배기로 반사하는 기준미러와;
    상기 기준미러를 상기 측정부에 제어되어 진퇴시키는 스캔 구동부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광분배기는 빔스플릿터가 적용되며,
    상기 빔스플릿터는 상기 광원에서 출사되는 광을 상기 제1경로와, 상기 제1경로와 직교하는 방향의 상기 제2경로로 분배하고, 상기 기준부에서 반사되는 기준광 및 상기 측정대상체에서 반사된 검출광을 상기 제1경로 맞은 편 방향에 설치된 상기 광검출부로 전송하도록 설치된 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 측정장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 광분배기는 광커플러가 적용되며,
    상기 광커플러는 상기 광원에서 출사되는 광을 제1입력단을 통해 수신받아 상기 제1경로가 되는 제1출력단과 상기 제2경로가 되는 제2출력단으로 분배하여 출력하고, 상기 제1출력단에서 출력되어 상기 제1미러에서 반사된 기준광과, 상기 제2출력단에서 출력된 후 측정대상체에서 반사된 검출광을 상기 제1입력단과 다른 경로의 제3출력단을 통해 상기 광검출부로 전송하도록 설치된 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 측정장치.
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