KR20140045628A - 광 위상 변조 검출 장치 및 그 방법 - Google Patents

광 위상 변조 검출 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 위상 변조 검출 장치 및 광 위상 변조 검출 방법을 제공한다. 이 장치는 변조 주파수로 세기 변조된 펌프광을 시료에 제공하는 펌프 광원부, 탐색광을 시료에 제공하는 탐색 광원부, 탐색광을 분기하여 샘플 경로를 통하여 상기 시료에 제1 탐색광을 제공하고, 탬색광을 분기하여 기준 경로를 통하여 시료를 거치지 않는 제2 탐색광을 제공하고, 샘플 경로를 거친 제1 탐색광과 기준 경로를 거친 제2 탐색광을 합산하여 합산 탐색광을 제공하는 간섭 광경로 제공부, 샘플 경로와 기준 경로 중에서 하나에 45도 선형 편광을 제공하고, 샘플 경로와 기준 경로 중에서 다른 하나에 원형 편광을 제공하고 편광 제공부, 및 합산 탐색광에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광과 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광으로 각각 분리하는 편광 빔 분리기를 포함한다. 펌프광은 시료에 굴절률 변화를 제공하고, 굴절률 변화는 제1 탐색광에 변조 위상을 제공한다.

Description

광 위상 변조 검출 장치 및 그 방법{Optical Phase Modulation Detection Apparatus and Method of The Same}
본 발명은 광 위상 변조 검출 장치에 관한 것으로, 구체적으로 외부 위상 잡음 보상용 직교 위상 편광 채널 광 간섭계 기반 위상 변조 검출 현미경 장치에 관한 것이다.
본 발명은 특정 물질에 선택적으로 상호작용하는 펌프광에 의해 유도된 굴절률 변화를 탐색광의 위상변조 신호로부터 감지하여 시료의 분광 특성을 분석하거나 화학적 조성 분포를 측정하는 비선형 분광 이미징 기술에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 탐색광 위상변조 검출 광학계에 개입되는 임의의 외부 위상잡음 영향을 보상 제거함으로써 신호대잡음비가 높은 고품질 분광 신호를 획득하도록 고안된 직교 위상 편광채널 광 간섭 현미경 장치 및 신호처리 방법에 관한 것이다.
광학적으로 거의 투명한 생체 세포/조직 시료는, 일반 광학 현미경 하에서 관찰 시 대상체 (object)와 배경 (background) 간의 대비 (contrast)가 충분하지 못하다. 따라서, 일반 광학 현미경은 뚜렷한 영상을 얻기 힘들다. 시료 구성물질에 관한 분자화학적 분석은 역시 불가능하다.
무표지 광학 이미징 기술 (label-free optical imaging techniques)은 염색 (staining)이나 표지 (labeling) 처리를 하지 않은 시료에 대하여 높은 영상 대비(image contrast) 또는 분자화학적 선택성 (chemical selectivity)을 갖도록 고안되었다. 그러나, 무표지 광학 이미징 기술 (label-free optical imaging techniques)은 시료의 굴절률 분포를 정성적 또는 정량적으로 공간 매핑 (spatial mapping)하는 광 위상 현미경 (optical phase microscopy)과 시료 구성물의 분자진동 특성을 선택적으로 측정하는 분광 현미경 (spectroscopic microscopy)에 주로 사용되고 있다.
광 위상 현미경은 위상 대비 (phase contrast), 차동 간섭 대비 (differential interference contrast; DIC), 간섭 위상 매핑 (interferometric phase mapping) 등을 이용한다.
상기 광 위상 현미경은 간단한 장치를 사용해 투명 시료의 굴절률 또는 광학적 두께의 비균일 분포를 이미지화할 수 있다. 그러나, 시료 구성물질에 대한 직접적인 분자화학 정보는 상기 광 위상 현미경으로 얻기 힘들다.
이에 반해, 분광 현미경은 시료 구성물질이 가지고 있는 고유의 분자진동 특성에 따른 분광 신호를 측정하여 공간 매핑할 수 있다. 따라서, 분자화학적 영상이 얻어질 수 있다. 라만 (Raman), Stimulated Raman Scattering (SRS), Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS), 적외선 흡수 (IR absorption) 등을 이용한 방법이 널리 채용되어 왔다.
최근에는 광열 이미징 (photothermal imaging) 기법이 생체 광학 영상 분야에서 새로이 시도되고 있다. 특정 물질에 선택적으로 공명 흡수되는 펌프광이 시료에 조사됨에 따라, 시료 조사 (sample irradiation)는 국소 열 효과 (local thermal effect)를 발생시킨다. 상기 국소 열 효과에 기이한 이차 유도된 음파 (acoustic wave) 또는 굴절률 변화 (refractive index change)를 감지하여 이미지가 획득된다. 따라서, 종래 기술과 비교해 독특한 장점들이 기대된다. 광음향 효과 (photoacoustic effect)를 이용한 방식은 광 산란 (optical scattering) 계수가 큰 두꺼운 시료의 측정에 매우 유리하다. 광열 유도 굴절률 (photothermal refraction) 감지법은 기존의 광 위상 현미경과 적외선 흡수 현미경이 가지는 한계를 극복하고 각각의 장점을 결합할 수 있다. 따라서, 분자화학적 컨트라스트가 높은 이미지는 우수한 공간 분해능으로 얻어질 수 있다.
광열 효과에 의한 비선형 굴절 (nonlinear refraction)을 측정하는 방법으로서, 광열 편향 분광법 (photothermal deflection spectroscopy)이 있다. 광열 편향 분광법에서는, 공명 흡수 펌프광에 의한 굴절률 변화는 별도 탐색광에 기하학적 편향을 유도하고, 유도된 기하학적 편향 (또는 수렴/발산 특성변화) 정도가 검출된다.
하지만, 두께가 있는 3차원 비균질 시료는 자체에 의해 탐색광의 전파 방향 (propagation direction)과 빔 모양 (beam shape)을 왜곡한다. 따라서, 이 방법들은 3차원 비균질 시료에서 신뢰성 있는 편 특성을 제공하기 어렵다. 또한, 측정 신호 특성은 광학계 정렬에 매우 민감하다. 따라서, 이미지 품질이 저하된다.
시료의 굴절률 변화량을 보다 직접적으로 정량화하는 방법으로서, 탐색광의 위상 변조량을 측정하는 전통적인 간섭법 (interferometry)이 원리상 적용 가능하다. 마하-젠더 (Mach-Zehnder) 또는 마이켈슨 (Michelson) 간섭계는 탐색광에 대하여 샘플 암 경로 (sample arm path)와 기준 광 경로 (reference arm path)를 구성한다. Mach-Zehnder 또는 Michelson 간섭계를 사용하면, 측정된 간섭 위상신호로부터 광열 유도 굴절률 (photothermal refraction) 이미지 정보가 얻어질 수 있다. 그러나, 위상 안정화 (phase stabilization)된 간섭계 환경이 요구된다.
본 발명은 펌프광에 의하여 광 굴절률 또는 위상이 변조되는 시료에 대한 광 간섭 측정에 있어서, 위상변조 검출 광학계에 개입되는 임의의 외부 위상잡음 영향에 의한 불규칙한 신호 요동을 보상 제거함으로써 시료 자체의 변조 위상 신호만을 획득하도록 고안된 직교위상 편광 채널 광간섭계와 신호처리 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 광열 유도 이미징 (photothermal imaging)과 같이 특정 물질에 선택적으로 상호작용하는 펌프광에 의해 유도된 굴절률 변화를 탐색광의 위상변조 신호로부터 감지하여 시료의 분광 특성을 분석하거나 화학적 조성 분포를 측정하는 비선형 분광 이미징 기술에서, 신호대잡음비가 높은 고품질 시료 분광 신호를 측정하기 용이하도록 직교위상 편광채널 광간섭 현미경 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 위상 변조 검출 장치는 변조 주파수로 세기 변조된 펌프광을 시료에 제공하는 펌프 광원부; 탐색광을 상기 시료에 제공하는 탐색 광원부; 상기 탐색광을 분기하여 샘플 경로를 통하여 상기 시료에 제1 탐색광을 제공하고, 상기 탬색광을 분기하여 기준 경로를 통하여 상기 시료를 거치지 않는 제2 탐색광을 제공하고, 상기 샘플 경로를 거친 제1 탐색광과 상기 기준 경로를 거친 제2 탐색광을 합산하여 합산 탐색광을 제공하는 간섭 광경로 제공부; 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로 중에서 하나에 45도 선형 편광을 제공하고, 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로 중에서 다른 하나에 원형 편광을 제공하고 편광 제공부; 및 상기 합산 탐색광에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광으로 각각 분리하는 편광 빔 분리기를 포함한다. 상기 펌프광은 상기 시료에 굴절률 변화를 제공하고, 상기 굴절률 변화는 상기 제1 탐색광에 변조 위상을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 편광 제공부는 상기 탐색 광원부의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 편광을 제공하는 제1 편광판; 및 상기 샘플 경로 또는 상기 기준 경로 중에서 어느 하나에 배치되어 상기 45도 편광을 원형 편광으로 변환하는 1/4 파장판을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 편광 제공부는 상기 샘플 경로 상에 배치되어 상기 탐색 광원부의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 편광을 제공하는 제1 편광판; 상기 기준 경로 상에 배치되어 상기 탐색 광원부의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 편광파를 제공하는 제2 편광판; 및 상기 샘플 경로 또는 상기 기준 경로 중에서 어느 하나에 배치되어 상기 45도 편광파를 원형 편광으로 변환하는 1/4 파장판을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 간섭 광경로 제공부는 상기 탐색 광원의 상기 탐색광을 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로로 분기하는 빔 스플릿터; 상기 샘플 경로 상에 배치되어 상기 제1 탐색광에 시간 지연을 제공하는 시간 지연부; 상기 펌프 광원의 세기 변조된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 결합하는 이색성 거울; 상기 이색성 거울을 통하여 제공된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 집속하는 시료에 조사하는 대물 렌즈부; 상기 시료를 통과한 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 수집하는 집광 렌즈; 상기 집광 렌즈를 통과한 상기 펌프광을 제거하고 상기 제1 탐색광을 통과시키는 광필터; 상기 빔 스플리터를 통하여 분기된 상기 제2 탐색광의 경로를 변경하는 제1 거울; 상기 제1 거울을 통과한 상기 제2 탐색광의 경로를 변경하는 제2 거울; 및 상기 제2 거울에 의하연 경로 변경된 상기 제2 탐색광과 상기 광필터를 통과한 상기 제1 탐색광을 결합하는 빔 결합기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 간섭 광경로 제공부는 상기 탐색 광원의 상기 탐색광을 집속하는 제1 파이버 콜리메이터; 상기 제1 파이버 콜리메이터에 일단이 연결된 제1 광학 파이버; 상기 제1 광학 파이버의 타단에 연결되고 상기 탐색광을 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로로 분기하는 방향성 결합기; 상기 방향성 결합기에 연결되어 상기 제1 탐색광을 제공하는 제2 광학 파이버; 상기 방향성 결합기에 연결되어 상기 제2 탐색광을 제공하는 제3 광학 파이버; 상기 제2 광학 파이버를 통하여 제공된 제1 탐색광을 평행광으로 제공하는 제2 파이버 콜리메이터; 상기 펌프 광원의 세기 변조된 상기 펌프광과 상기 제2 파이버 콜리메이터를 통과한 상기 제1 탐색광을 결합하는 이색성 거울; 상기 이색성 거울을 통하여 제공된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 집속하는 시료에 조사하는 대물 렌즈부; 상기 시료를 통과한 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 수집하는 집광 렌즈; 상기 집광 렌즈를 통과한 상기 펌프광을 제거하고 상기 제1 탐색광을 통과시키는 광필터; 상기 광 필터를 통과한 상기 제1 탐색광을 집속하는 제3 콜리메이터; 상기 제3 콜리메이터에 연결되어 상기 제1 탐색광의 광 경로를 제공하는 제4 광학 파이버; 상기 제4 광학 파이버에 연결된 제1 파이버 편광 제어부; 상기 제3 광학 파이버에 연결된 제2 파이버 편광 제어부; 상기 제1 파이버 편광 제어부에 연결되어 평행광을 제공하는 제4 파이버 콜리메이터; 상기 제2 파이버 편광 제어부에 연결되어 평행광을 제공하는 제5 파이버 콜리메이터; 상기 제4 파이버 콜리메이터를 통과한 제1 탐색광의 광 경로를 변경하는 제1 거울; 및 상기 제1 거울을 거친 상기 제1 탐색광과 상기 제5 파이버 콜리메이터를 거친 상기 제2 탐색광을 결합하는 빔 결합기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 간섭 광경로 제공부는 상기 탐색 광원의 상기 탐색광을 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로로 분기하는 제1 빔 스플릿터; 상기 샘플 경로 상에 배치되어 상기 제1 탐색광에 시간 지연을 제공하는 시간 지연부; 상기 펌프 광원의 세기 변조된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 결합하는 이색성 거울; 상기 이색성 거울을 통하여 제공된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 집속하는 시료에 조사하고 상기 시료에서 산란된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 수집하는 대물 렌즈부; 상기 제1 빔 스플릿터에서 제공되는 상기 제1 탐색광은 통과시키고 상기 매물 렌즈부에서 산란되어 제공되는 상기 제1 탐색광과 상기 펌프광은 반사시키는 제2 빔 스플릿터; 상기 제2 빔 스플릿터를 통하여 산란되어 제공되는 상기 제1 탐색광과 상기 펌프광 중에서 상기 상기 펌프광을 제거하고 상기 제1 탐색광을 통과시키는 광필터; 상기 제1 빔 스플리터를 통하여 분기된 상기 제2 탐색광의 경로를 변경하는 제1 거울; 상기 제1 거울을 통과한 상기 제2 탐색광의 경로를 변경하는 제2 거울; 상기 광 필터를 통과한 상기 제1 탐색광의 경로를 변경하는 제3 거울;및 상기 제2 거울에 의하연 경로 변경된 상기 제2 탐색광과 상기 광필터 및 상기 제3 거울을 거친 상기 1 탐색광을 결합하는 빔 결합기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 스캐닝부를 더 포함하고, 상기 스캐닝부는:
상기 제2 빔 스플릿터와 상기 이색성 거울 사이에 배치된 한 쌍의 회전하는 거울을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 스캐닝부와 상기 이색성 거울 사이에 배치된 빔 확대부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 간섭 광경로 제공부는 상기 탐색 광원의 상기 탐색광을 집속하는 제1 파이버 콜리메이터; 상기 제1 파이버 콜리메이터에 일단이 연결된 제1 광학 파이버; 상기 제1 광학 파이버의 타단에 연결되고 상기 탐색광을 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로로 분기하는 방향성 결합기; 상기 방향성 결합기에 연결되어 상기 제1 탐색광을 제공하는 제2 광학 파이버; 상기 방향성 결합기에 연결되어 상기 제2 탐색광을 제공하는 제3 광학 파이버; 상기 제2 광학 파이버를 통하여 제공된 제1 탐색광을 평행광으로 제공하는 제2 파이버 콜리메이터; 상기 펌프 광원의 세기 변조된 상기 펌프광과 상기 제2 파이버 콜리메이터를 통과한 상기 제1 탐색광을 결합하는 이색성 거울; 상기 이색성 거울을 통하여 제공된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 집속하여 시료에 조사하고, 상기 시료에서 산란된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 수집하는 대물 렌즈부; 상기 이색성 거울과 상기 제2 파이버 콜리메이터 사이에 배치되어 시료에서 산란된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 분기하는 제2 빔 스플릿터; 상기 제2 빔 스플릿터에서 제공된 산란된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광 중에서 상기 펌프광을 제거하고 상기 제1 탐색광을 통과시키는 광필터; 상기 광 필터를 통과한 상기 제1 탐색광을 집속하는 제3 콜리메이터; 상기 제3 콜리메이터에 연결되어 상기 제1 탐색광의 광 경로를 제공하는 제4 광학 파이버; 상기 제4 광학 파이버에 연결된 제1 파이버 편광 제어부; 상기 제2 광학 파이버에 연결된 제2 파이버 편광 제어부; 상기 제1 파이버 편광 제어부에 연결되어 평행광을 제공하는 제4 파이버 콜리메이터; 상기 제2 파이버 편광 제어부에 연결되어 평행광을 제공하는 제5 파이버 콜리메이터; 상기 제4 파이버 콜리메이터를 통과한 제1 탐색광의 광 경로를 변경하는 제1 거울; 및 상기 제1 거울을 거친 상기 제1 탐색광과 상기 제5 파이버 콜리메이터를 거친 상기 제2 탐색광을 결합하는 빔 결합기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 제1 간섭광과 상기 제2 간섭광을 검출하여 상기 변조 위상을 추출하는 검출 및 신호처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 검출 및 신호처리부는 상기 편광 빔 분리기에서 분리된 상기 제1 간섭광을 검출하는 제1 광 검출기; 상기 편광 빔 분리기에서 분리된 상기 제2 간섭광을 검출하는 제2 광 검출기; 상기 제1 광 검출기의 제1 출력 전기 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 통과시키는 제1 전기 신호 필터; 상기 제2 광 검출기의 제2 출력 전기 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 통과시키는 제2 전기 신호 필터; 상기 제1 전기 신호 필터의 출력 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 검출하는 제1 위상잠금 증폭기 (lock-in amplifier); 상기 제2 전기 신호 필터의 출력 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 검출하는 제2 위상잠금 증폭기 (lock-in amplifier); 및 상기 제1 위상잠금 증폭기의 출력 신호와 상기 제2 위상잠금 증폭기의 출력 신호를 각각 제곱하여 합산하고, 합산된 값에 제곱근 연산을 수행하는 처리부; 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 변조 주파수를 가지는 신호를 발생시키는 상기 펄스 발생기를 더 포함하고, 상기 펌프 광원부는 상기 펄스 발생기의 출력 신호를 제공받아 상기 변조 주파수에 따라 상기 펌프광의 출력광을 세기 변조할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 위상 변조 검출 방법은 변조 주파수로 세기 변조된 펌프광을 제공하는 단계; 탐색광을 분기하여 시료를 거치는 샘플 경로를 통하여 제1 탐색광과 상기 탐색광을 분기하여 시료를 거치지 않는 기준 경로를 통하여 제2 탐색광을 제공하는 단계; 상기 제1 탐색광과 상기 펌프광을 결합하여 상기 시료에 제공하는 단계; 상기 제1 탐색광과 상기 제2 탐색광 중에서 하나에 45도 선형 편광을 제공하고, 상기 제1 탐색광과 상기 제2 탐색광 중에서 다른 하나는 원형 편광을 제공하는 단계; 상기 시료를 통과하거나 후방 산란된 제1 탐색광과 상기 제2 탐색광을 결합하여 합산 탐색광을 제공하는 단계; 및 상기 합산 탐색광에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광으로 각각 분리하는 단계;를 포함한다. 상기 펌프광은 상기 시료에 굴절률 변화를 제공하고, 상기 굴절률 변화는 상기 제1 탐색광에 변조 위상을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 제1 간섭광을 검출하는 단계; 상기 제1 간섭광을 검출한 신호를 제1 고주파 대역투과 필터 (highpass filter)에 제공하는 단계; 상기 제2 간섭광을 검출한 신호를 제2 고주파 대역투과 필터에 제공하는 단계; 상기 제1 간섭광의 검출 신호 또는 상기 제1 고주파 대역투과 필터를 통과한 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 위상잠금 검출하여 제1 변조 신호를 추출하는 단계; 상기 제2 간섭광의 검출 신호 또는 상기 제2 고주파 대역투과 필터를 통과한 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 위상잠금 검출하여 제2 변조 신호를 추출하는 단계; 및 상기 제1 변조 신호와 상기 제2 변조 신호를 각각 제곱하여 합산하고, 합산된 값에 제곱근 연산을 수행하여 상기 제1 탐색광의 상기 변조 위상을 추출하는 단계; 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 직교위상 편광채널 광간섭계 장치는 외부 영향으로 인한 광 위상변조 검출 간섭계의 위상 옵셋의 요동을 보상하여 시료 자체의 위상변조 정보만을 추출한다. 이에 따라, 신호대잡음비가 높은 고품질의 분광 신호가 획득될 수 있다.
간섭계 위상 옵셋 요동을 제거하기 위한 종래의 방법은 간섭계 절대 위상을 안정화 (phase stabilization)하기 위한 매우 복잡하고 정밀한 별도의 측정제어 장치를 사용하였다.
또한, 종래의 단발 위상편이 간섭법 (single-shot phase shifting interferometry)과 같이 측정시간을 최소화한 순간 측정법은, 특정 시점 (time point)에 국한된 시료의 상대 위상 (relative phase) 정보만을 제공하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 순간 측정법은 일정 시간 (finite time duration) 간격으로 시료를 공간 주사 (spatial scanning)하면서 위상을 연속적으로 측정하는 동안, 간섭계 자체의 위상 옵셋 유지를 구현할 수 없다. 또한, 상기 순간 측정법은 원리적으로 시료의 위상 변조량을 측정할 수 없는 단점이 있다.
그러나, 본 발명에 따른 광 위상 변조 검출 장치는 간단하며, 종래의 순간 측정법에 의한 위상 옵셋 유지를 원리적으로 구현할 수 없는 상황에서도 적용될 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 광 위상 변조 검출 장치는 일반적인 광열 유도 이미징 (photothermal imaging)에 적용될 수 있다. 특정 물질에 선택적으로 상호작용하는 펌프광으로 유도한 굴절률 변화를 탐색광의 위상변조 신호로부터 감지하여 시료의 화학적 조성 분포가 측정될 수 있다. 이에 따라, 분자화학적 컨트라스트와 신호대잡음비가 높은 이미지가 우수한 공간분해능으로 얻을 수 있다.
도 1은 광열 유도 이미징을 위한 통상적인 광 위상변조 검출형 현미경 간섭계의 구성도이다.
도 2는 도 1의 구성에 따른 위상 변조에 따른 검출 신호를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 위상 변조 검출 장치를 설명하는 도면이다.
도 4 내지 6은 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광 위상 변조 검출 장치를 설명하는 도면들이다.
도 1은 광열 유도 이미징을 위한 통상적인 광 위상변조 검출형 현미경 간섭계의 구성도이다.
도 2는 도 1의 구성에 따른 위상 변조에 따른 검출 신호를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 간섭계(10)의 출력 신호(13)는 시료(190)를 지나는 샘플 경로(13a)와 기준 경로(13b) 간의 위상차에 의하여 결정된다. 상기 위상차는 상기 시료(190)에 기인하는 위상과 간섭계 자체에 의한 위상 옵셋 (phase offset)을 포함한다. 따라서, 상기 시료(190)에 기인한 위상 정보만이 이미징에 필요하다. 따라서, 상기 위상 옵셋은 일정하게 유지되어야 한다. 만약, 개별 위상 측정이나 이미지 프레임을 얻는 도중에 외부 진동이나 주변 공기의 불규칙한 유동 및 온도 변화가 존재하면, 상기 위상 옵셋의 요동 (fluctuation)은 예측 불가능한 측정 오차를 발생시키고, 이미지 신호대잡음비 (signal-to-noise ratio)를 저하시킨다.
상기 펌프광원(112)의 출력광은 광 세기 변조부(114)를 통하여 변조 주파수 (fm= ωm/2π)로 세기 변조되어 이색성 거울(133)에 제공된다. 상기 이색성 거울(133)은 제1 탐색광(12a)과 상기 펌프광(11)을 결합하여 상기 시료에 제공한다.
탐색광원(120)은 탐색광(12)을 출력하고, 상기 탐색광(12)은 빔 스플릿터(131)를 통하여 샘플 경로(13a)와 기준 경로(13b)로 분기된다. 상기 샘플 경로에는 제1 탐색광(12a)이 진행하고, 상기 기준 경로(13b)에는 제2 탐색광(12b)이 진행한다. 상기 제1 탐색광(12a)은 상기 제2 탐색광(12b)과의 일정 범위 내의 경로차를 유지하기 위하여 시간 지연부(132)를 통과할 수 있다.
상기 제1 탐색광(12a)과 상기 펌프광은 시료에 대물 렌즈(134)를 통하여 집속된다. 집광 렌즈(136)는 상기 시료(190)를 투과한 상기 제1 탐색광(12a)과 상기 펌프광(11)을 집속하여 평행광을 제공한다. 광 필터(139)는 상기 샘플 경로 상에 배치되어 상기 제1 탐색광(12a)과 상기 펌프광에서 상기 펌프광을 제거한다.
상기 기준 경로(13b)에는 제1 거울(137)과 제2 거울(138)이 제2 탐색광(112b)의 경로를 변경하기 위하여 배치된다. 상기 제1 탐색광(12a)과 상기 제2 탐색광(12b)은 빔 결합기(139)에 의하여 결합되어 간섭광(13)을 형성한다. 상기 간섭광(13)은 광 검출부(161a)에 제공된다. 상기 광 검출부(161a)의 출력 신호는 상기 변조 주파수 성분을 통과시키는 필터(162a)를 통과하여 위상잠금 증폭기(163a)에 제공된다. 펄스 발생기(190)는 상기 변조 주파수를 가지는 신호를 출력한다. 상기 펄스 발생기(190)의 출력 신호는 상기 광 세기 변조부(114) 및 상기 위상잠금 증폭기(163a)에 제공된다. 상기 위상잠금 증폭기(163a)는 상기 필터(162a)의 출력 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 추출한다.
상기 위상잠금 증폭기(163a)는 상기 시료(190)에 조사된 펌프광의 세기 변조 (intensity modulation)에 의해 유도된 탐색광 위상 변조량 (phase modulation)을 측정한다. 데이터 획득부는 상기 위상잠금 증폭기(163a)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어부(170)에 제공한다. 상기 제어부(170)는 상기 시료(190)의 위치를 제어하는 시료 이동부를 제어한다.
상기 간섭계(10)로부터 출력되는 신호와 외부 요인에 의한 위상 잡음을 살펴보면 다음과 같다. 상기 시료(190)에 조사하는 펌프광의 세기(Ip)는 다음과 같이 변조 각주파수(ωm)로 사인파 변조된다.
Figure pat00001
상기 시료는 상기 간섭계(10)의 상기 샘플 경로(13a) 상에 위치하고, 상기 시료는 상기 펌프광(11)과 상호작용하여 상기 제1 탐색광(12a)의 상기 변조 위상 (φM(t))을 유도한다. 상기 간섭계는 샘플 경로과 기준 경로 사이의 간섭 위상(Δφ(t))을 갖는다.
Figure pat00002
상기 시료는 상기 간섭계(10)의 상기 샘플 경로(13a) 상에 위치하고, 상기 시료는 상기 펌프광(11)과 상호작용하여 상기 제1 탐색광(12a)의 상기 변조 위상 (φM(t))을 유도한다. 상기 간섭계는 샘플 경로과 기준 경로 사이의 간섭 위상(Δφ(t))을 갖는다.
Figure pat00003
Δφs0(t)=φs0(t)-φR0(t) 는 측정 시료에 무관한 간섭계 자체의 위상 옵셋(phase offset)이다. 기본 샘플 경로 위상차(φs0(t))은 상기 시료가 제거된 상태의 위상차이며, 기본 기준 경로 위상(φro(t) )은 기준 경로의 위상차이다.
상기 샘플 경로(sample path)에서의 상기 제1 탐색광의 세기는 Is이고, 상기 기준 경로에서의 상기 제2 탐색광의 세기는 Ir이다. 이 경우, 상기 간섭광의 신호세기(Iint)는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00004
이 경우, 상기 위상 옵셋(Δφs0(t))은 시간에 따라 변하지 않는 상수로 유지됨이 바람직하하다. 그러나, 실제로는 외부 요인에 의한 요동이 존대한다.
상기 간섭계의 위상 옵셋(Δφs0(t))이 시간에 따라 변동함에 따라, 상기 간섭광의 신호세기(Iint)는 요동친다.
상기 제1 탐색광(12a)의 위상 변조량은 세기 변조된 상기 펌프광(11)으로 유도된 시료의 굴절률 변화를 반영한다. 구체적으로, 위상 변조 검출법에서는 일반적으로 상기 변조 위상 φM(t)<<2π이다.
이러한 가정 하에서 수학식 4의 3번째 항인 간섭항은 테일러 전개(Taylor expansion)를 통하여 근사적으로 다음과 같다.
Figure pat00005
따라서, 상기 간섭광의 신호세기(Iint)는 근사적으로 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00006
상기 위상잠금 증폭기(163a)는 상기 펌프광(11)의 변조 각주파수ωm 를 기준으로 간섭 신호를 측정한다. 이에 따라, 상기 위상잠금 증폭기(163a)는 변조 주파수ωm 성분만을 선택적으로 검출할 수 있다. 따라서, 상기 시료(190)의 유도 굴절율에 비례하는 상기 위상잠금 증폭기(163a)의 출력 신호의 진폭 (|VLR|)는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00007
즉, 시료 내에서 관찰하고자 하는 물질의 흡수 계수 (α(r))와 광유도 굴절률 계수 (k(r))에 비례하는 값 (k(r)α(r))이 측정된다. 상기 흡수 계수 (α(r))는 물질의 농도에 비례할 수 있다.
하지만, 이러한 측정의 가정은 간섭계의 위상 옵셋 (Δφ0(t))이 시간적 함수가 아닌 상수가 되도록 유지하는 것이다. 특히, |Δφ0|=(N±1/2)π 조건을 만족함으로써,|sinΔφ0| 의 값은 최대치 1이 되도록 구현된다.
만일, |Δφ0|=(N)π 의 조건을 만족하는 경우, 상기 위상잠금 증폭기의 출력신호의 진폭은 영 (zero)이 된다. 또한, 일반적으로 위상 옵셋 (Δφ0(t))가 시간적으로 요동치는 경우, 간섭 신호 (Iint)의 변조 진폭의 불규칙한 변화로 인해 시료 분석이 불가능하다.
종래의 광 간섭 측정은 위상 변위 간섭법 (phase shifting interferometry)을 사용한다. 이러한 간섭계의 위상 옵셋이 요동하는 문제점을 극복하기 위하여, 간섭계 위상 옵셋이 일정하게 유지되도록 간섭계의 광 경로 길이를 되먹임 안정화 제어 (feedback stabilization)하는 방법이 요구된다. 또는, 측정에 소요되는 시간을 극단적으로 최소화하는 기법이 요구된다. 하지만, 간섭계 위상 안정화는 매우 복잡하고 정밀한 별도의 측정 제어 장치가 요구된다. 또한, 측정시간 단축을 통한 접근법은 시료의 광 위상 변조가 있고 신호 변조량을 일정 시간 동안 공간 주사 검출 (spatial scanning detection)하여 이미지를 취득하는 상황에서는 원리적으로 적용이 불가능하다.
본 발명은 위상 옵셋의 요동을 보상하는 광 위상 변조 검출 장치 및 광 위상 변조 검출 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 참조번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 위상 변조 검출 장치를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 광 위상 변조 검출 장치(100)는 펌프 광원부(110), 탐색 광원부(120), 간섭 광경로 제공부(130), 편광 제공부(140), 및 편광 빔 분리기(150)를 포함한다.
상기 펌프 광원부(110)는 변조 주파수(fm)로 세기 변조된 펌프광을 시료(190)에 제공한다. 상기 펌프 광원부(110)는 시료 구성 물질에 의한 공명 흡수를 통해 상기 시료의 내부에 비선형 굴절률 변화를 유도한다. 상기 펌프 광원부(100)는 펌프 광원(112)과 광 강도 변조부(114)를 포함할 수 있다.
상기 펌프 광원(112)은 시료 구성 물질에 비선형 굴절률을 유도하는 펌프광(pump beam)을 생성한다. 상기 펌프광(11)이 관찰 대상 분자가 갖는 고유의 진동 (vibration), 회전 (rotation), 또는 병진 (translation) 운동을 선택적으로 여기 (excitation)한다. 상기 펌프광(11)은 상기 시료에서 공명 흡수가 일어나도록 중적외선 대역 (mid-IR, 2.5 ㎛ ~ 50 ㎛)의 특정 파장을 가질 수 있다. 상기 펌프 광원은 파장 가변 레이저 광원을 사용하는 것이 바람직하다. 분자지문 (molecular fingerprint)이라 불리는 고유 주파수에 해당하는 파장의 광을 비선형 굴절률 유도 현상에 사용함으로써, 이미지 획득에 사용되는 분광신호의 물질 선택성과 측정 감도가 극대화될 수 있다.
또한, 상기 펌프 광원부(110)로부터 제공되는 상기 펌프광은 상기 시료에 흡수될 때, 상기 시료(190)가 본래 가지고 있는 굴절률과는 별개로 비선형 굴절률을 추가적으로 유도할 수 있다. 상기 비선형 굴절률은 상기 시료(190)와 상호작용하는 제1 탐색광(12a)의 위상을 변화시킬 수 있다.
상기 제1 탐색광(12a)의 위상 변화는 광 간섭법 (optical interferometry)을 통해 검출될 수 있다. 측정의 용이성과 신호대잡음비 측면에서 유도 비선형 굴절률에 의한 위상 변화량을 상기 변조 주파수로 시간 변조 (temporal modulation)하면서 간섭계의 출력 신호가 측정된다. 상기 펌프광의 세기 (intensity)에 비례하는 비선형 굴절률 또는 광 유도 위상의 시간 변조를 위하여, 상기 광 강도 변조부(114)는 상기 펌프광의 세기를 상기 변조 주파수로 변조한다.
상기 펌프 광원(112)은 특정 적외선 파장의 광을 발생시킬 수 있다. 상기 광 강도 변조부(114)는 상기 펌프 광원의 출력광의 세기를 상기 변조 주파수로 변조할 수 있다. 상기 광 강도 변조부(114)는 고속 기계셔터 (mechanical shutter), 회전날개판(rotating blade), 음향광학 변조기 (acousto-optic modulator), 또는 전기광학 변조기 (electro-optic modulator)일 수 있다. 상기 변조 주파수는 가능한 높을수록 유리하다. 그러나, 상기 시료(190)의 광열 유도 특성, 및 검출 및 신호 처리부(160)의 주파수 대역폭 (frequency bandwidth)에 따라 최적의 값이 결정될 수 있다.
상기 펌프광(11)에 의하여 유도된 상기 시료(190)의 광 위상 변화는 별도의 단파장 대역의 광을 탐색광 (probe beam)으로 이용하는 광 간섭계를 통해서 측정된다.
탐색 광원부 (probe beam source; 120)는 상기 펌프광(11)과 다른 파장의 탐색광(12)을 발생시킬 수 있다. 상기 탐색광(12)의 파장은 상기 시료(190)에 대한 투과성과 광 손상 (photodamage)을 고려하여 가시광 또는 근적외선 대역일 수 있다.
상기 간섭 광경로 제공부(130)는 현미경 광학장치를 포함한 간섭계일 수 있다. 상기 간섭 광경로 제공부(130)는 상기 탐색광(12)을 분기하여 샘플 경로(13a) 및 기준 경로(13b)를 제공할 수 있다. 상기 탐색광(12)은 상기 샘플 경로를 진행하는 제1 탐색광(12a)과 상기 기준 경로(13b)를 진행하는 제2 탐색광(12b)으로 분기될 수 있다. 상기 샘플 경로 상에는 상기 시료(190)가 배치된다. 상기 제2 탐색광(12b)은 상기 시료(190)를 통과하지 않는다. 상기 샘플 경로를 거친 제1 탐색광(12a)과 상기 기준 경로를 거친 제2 탐색광(12b)은 공간적으로 서로 겹쳐져서 합산 탐색광(12c)을 생성할 수 있다.
편광 제공부(140)는 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b) 중에서 하나에 45도 선형 편광을 제공하고, 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로 중에서 다른 하나에 원형 편광을 제공한다. 이에 따라, 상기 제1 탐색광은 45도 선형 편광되고, 상기 제2 탐색광은 원형 편광될 수 있다.
상기 편광 제공부(140)는 상기 탐색 광원부(120)의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 편광을 제공하는 제1 편광판(142), 및 상기 샘플 경로 또는 상기 기준 경로 중에서 어느 하나에 배치되어 상기 45도 편광을 원형 편광으로 변환하는 1/4 파장판(144)을 포함할 수 있다.
상기 탐색광(12)은 제1 편광판(142)를 통과할 수 있다. 상기 제1 편광판(142)은 임의 공간 좌표계의 수평/수직 축에서 45도 방향으로 선형 편광 (linear polarization)을 제공할 수 있다. 상기 제1 편광판 (polarizer)를 통과한 상기 탐색광(12)은 상기 간섭 광경로 제공부(130)에 제공될 수 있다.
상기 간섭 광경로 제공부는 빔 스플릿터(131), 시간 지연부(132), 이색성 거울(133), 대물 렌즈부(134), 집광 렌즈(136), 광필터(139a), 제1 거울(137), 제2 거울(138), 및 빔 결합기(139)를 포함할 수 있다.
빔 스플릿터(beam splitter;131)는 상기 탐색광을 샘플 경로와 기준 경로로 분할한다. 상기 샘플 경로를 따라 진행하는 45도 선편광 상태의 제1 탐색광(12a)은, 간섭계의 광 경로 길이 차 (optical path length difference)를 보상하기 위한 시간 지연부(132)를 통과할 수 있다.
상기 시간 지연부(132)는 복수의 거울을 포함할 수 있다. 상기 시간 지연부(132)는 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로로 구성된 광 간섭계의 물리적 경로차를 탐색광의 가간섭거리 (coherence length) 이내로 보상할 수 있다.
상기 제1 탐색광(12a)은 상기 이색성 거울 (dichoroic mirror;133)에 의해 상기 세기 변조된 펌프광(11)과 함께 동축 상에 결합될 수 있다. 상기 이색성 거울(133)은 경사 입사하는 상기 제1 탐색광(12a)을 통과시키고, 상기 제1 탐색광(12a)에 수직하고 상기 이색성 거울(133)에 경사 입사하는 상기 펌프광(11)을 반사시킬 수 있다.
상기 펌프광(11)과 상기 제1 탐색광(12a)은 현미경 광학장치를 구성하는 대물렌즈부 (objective lens part;134)에 의하여 상기 시료(190)에 집속 조사될 수 있다. 상기 현미경 광학 장치는 대물 렌즈부(134), 시료 이송대(135), 및 집광 렌즈(136)를 포함할 수 있다. 상기 시료(190)는 상기 시료 이송대(135)에 장착될 수 있다.
상기 펌프광(11)은 상기 시료(190)에 비선형 굴절률을 유도하고, 상기 비선형 굴절율은 제1 탐색광(12a)의 위상 변화를 유도한다. 상기 시료(190)를 통과한 t상기 제1 탐색광(12a)은 상기 집광렌즈 (condenser lens; 136)에 의해 수집되어 평행광 (collimation)형태로 진행한다. 이 경우, 상기 시료(190)와 상호작용을 완료한 상기 펌프광(11)은 위상 변조된 제1 탐색광(12a)의 간섭계 출력을 방해하지 않도록 광 필터(139a)에 의하여 제거될 수 있다. 상기 광 필터(139a)는 적외선 차단 필터 (IR cutoff filter)일 수 있다.
상기 기준 경로(13b)를 따라 진행하는 상기 제2 탐색광(12b)은 상기 제1 거울(137)에 의하여 반사될 수 있다.
상기 기준 경로(13b)를 따라 진행하는 상기 제2 탐색광(12b)은 1/4 파장판 (quarter-wave plate; 144)을 통과할 수 있다. 상기 1/4 파장판 (quarter-wave plate)은 빠른 축 (fast-axis) 및 느린 축 (slow-axis)이 각각 공간 좌표계의 수평 (x) 및 수직 (y) 방향으로 정렬될 수 있다. 상기 1/4 파장판 (quarter-wave plate;144)은 상기 제2 탐색광(12b)의 편광 상태를 45도 선편광 (linear polarization)에서 원편광 (circular polarization)으로 변환할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르며, 상기 1/4 파장판 (quarter-wave plate;144)의 복굴절 축 정렬 방향은 수평 또는 수직 축이 뒤바뀔 수 있다. 또한, 상기 1/4 파장판 (quarter-wave plate)의 설치 위치가 상기 샘플 경로 상에 놓이는 경우, 결과에 영향을 주지 않는다.
상기 1/4 파장판(144)을 통과한 제2 탐색광(12b)은 상기 제2 거울(138)에 의하여 반사될 수 있다.
빔 결합기 (beam combiner; 139)는 상기 샘플 경로(13a)를 통과한 상기 제1 탐색광(12a)와 상기 기준 경로(13b)를 통과한 상기 제2 탐색광(12b)을 동일 경로로 합친다. 이에 따라, 상기 빔 결합기(139)는 합산 탐색광(12c)을 제공한다. 상기 기준 경로와 상기 샘플 경로는 서로 합쳐져서 폐 루프를 형성할 수 있다.
상기 합산 탐색광(12c)은 편광 빔 분리기 (polarization beam splitter;150)에 제공된다. 상기 편광 빔 분리기(150)는 상기 합산 탐색광(12c)에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광으로 각각 분리할 수 있다. 상기 제1 간섭광은 수평(x) 방향으로 선형 편광되고, 상기 제2 간섭광은 수직 방향(y)으로 선형 편광될 수 있다.
검출 및 신호처리부(160)는 상기 제1 간섭광(15a)과 상기 제2 간섭광(15b)을 검출하여 상기 변조 위상을 추출한다. 상기 검출 및 신호처리부(160)는 제1 광 검출기(161a), 제2 광 검출기(161b), 제1 전기 신호 필터(162a), 제2 전기 신호 필터(162b), 제1 위상잠금 증폭기(163a), 제2 위상잠금 증폭기(163b), 및 처리부(164)를 포함할 수 있다.
상기 제1 광 검출기(161a)는 상기 편광 빔 분리기(150)에서 분리된 상기 제1 간섭광(15a)을 검출한다. 상기 제2 광 검출기(161b)는 상기 편광 빔 분리기(150)에서 분리된 상기 제2 간섭광(15b)을 검출한다.
상기 제1 전기 신호 필터(162a)는 상기 제1 광 검출기(161a)의 제1 출력 전기 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 통과시킨다. 상기 제2 전기 신호 필터(162b)는 상기 제2 광 검출기(161b)의 제2 출력 전기 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 통과시킨다. 상기 제1 전기 신호 필터(162a) 및 상기 제2 전기 신호 필터(162b)는 상기 변조 주파수 성분을 통과시키는 고주파 대역투과 필터일 수 있다.
상기 제1 위상잠금 증폭기(163a)는 상기 제1 전기 신호 필터(162a)의 출력 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 검출하여 제1 변조 신호를 추출할 수 있다.
상기 제2 위상잠금 증폭기 (lock-in amplifier;163b)는 상기 제2 전기 신호 필터(162b)의 출력 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 검출하여 제2 변조 신호를 추출할 수 있다. 상기 제1 위상잠금 증폭기(163a) 및 상기 제2 위상잠금 증폭기(163b)는 상기 변조 주파수에 동기화될 수 있다.
펄스 발생기(180)는 상기 변조 주파수를 가지는 신호를 발생시킬 수 있다. 상기 광 세기 변조부(114)는 상기 펄스 발생기(180)의 출력 신호를 제공받아 상기 변조 주파수에 따라 상기 펌프광(11)의 출력광을 세기 변조할 수 있다. 또한, 상기 제1 위상잠금 증폭기(163a) 및 상기 제2 위상잠금 증폭기(163b)는 상기 펄스 발생기(180)의 출력 신호를 제공받아 위상잠금 검출을 수행할 수 있다.
처리부(164)는 상기 제1 위상잠금 증폭기(163a)의 출력 신호인 제1 변조 신호와 상기 제2 위상잠금 증폭기(163b)의 출력 신호인 제2 변조 신호를 각각 제곱하여 합산하고, 합산된 값에 제곱근 연산을 수행할 수 있다.
상기 처리부(164)의 연산 결과는 제어부(170)에 제공될 수 있다. 상기 제어부(170)는 데이터를 저장하고, 이미지를 얻기 위하여 상기 시료 이송부(135)를 구동할 수 있다.
간섭계의 출력 신호의 간섭 위상(Δφ(t))은 상기 시료와 무관한 간섭계 자체의 위상 옵셋 (Δφ0(t))과 펌프광이 유도한 탐색광 변조 위상(φM(t))의 함수로 표시될 수 있다. 상기 변조 위상(φM(t)은 수학식 2와 같이 주어진다.
서로 다른 두 개의 편광 채널의 제1 간섭광 및 제2 간섭광은 1/4 파장판의 복굴절 위상차(π/2) 만큼 변위된 간섭 위상을 가진다. 따라서, 수평 (x ) 편광된 제1 간섭광에 의한 제 1 채널 신호 위상을 ΔIφ(t)= φM(t)+Δφ0(t) 이라 할 때, 수직 (y ) 편광된 제2 간섭광에 의한 제 2 채널 신호 위상은 직교 위상차를 갖는 ΔIIφ(t)= φM(t)+Δφ0(t)+ π/2로 주어진다. 따라서, 상기 샘플 경로를 통과한 t상기 제1 탐색광(12a)의 세기를 IS와 기준 경로를 통과한 상기 제2 탐색광(12b)의 세기를 IR 라 하면, 상기 제1 간섭광(15a)의 세기와 상기 제2 간섭광(15b)의 세기는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00008
이에 따라, 상기 제1 광 검출기(161a)의 제1 전기 신호는 상기 제1 간섭광의 세기에 비례한다. 또한, 상기 제2 광 검출기(161b)의 제2 전기 신호는 상기 제2 간섭광의 세기에 비례한다.
상기 간섭계의 위상 옵셋(Δφ0(t))의 시간적 요동이 상기 시료(190)의 위상 변조 주기(Tm=1/fm)에 비해서 충분히 천천히 이루어지면, 다음과 같은 조건을 만족한다.
Figure pat00009
또한, 상기 시료(190)의 상기 변조 위상(φM(t))이 다음의 조건을 만족할 수 있다.
Figure pat00010
위의 두 조건을 만족하는 경우, 테일러 근사에 의하여 제1 간섭광(15a)의 간섭항은 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00011
위의 두 조건을 만족하는 경우, 테일러 근사에 의하여 제2 간섭광(15b)의 간섭항은 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00012
고주파 대역 투과 필터(high pass filter)는 상기 제1 간섭광(15a)의 측정 신호과 제2 간섭광(15b)의 측정 신호에서 저주파 성분을 제거하면, 제1 전기 신호필터의 출력 신호 및 제2 전기 신호 필터의 출력 신호는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00013
상기 변조 주파수 (fm = ωm/2π)로 변조되는 제1 전기 신호 필터의 출력 신호 및 제2 전기 신호 필터의 출력 신호는 간섭계의 위상 옵셋 (Δφ0(t))에 따라 각각 sin Δφ0(t) 및 cos Δφ0(t) 의존성을 갖는다.
그러나, 채널 간의 일정한 직교 위상차 관계로 인하여 변조 진폭의 변화 양상 역시 서로 직교 위상차를 갖게 된다. 따라서, 두 채널의 상기 제1 전기 신호 필터의 출력 신호 및 제2 전기 신호 필터의 출력 신호는 상기 변조 주파수에서 동조되어 각각 위상잠금 증폭기로 검출될 수 있다. 상기 제1 위상잠금 증폭기는 상기 제1 전기 신호 필터의 출력 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 추출하여 제1 변조 진폭을 출력할 수 있다. 상기 제2 위상잠금 증폭기는 상기 제2 전기 신호 필터의 출력 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 추출하여 제2 변조 진폭을 출력할 수 있다.
상기 제1 변조 진폭 및 상기 제2 변조 진폭을 제곱하고, 더한 후, 제곱근을 취하면, 삼각함수 공식 (trigonometric identity)에 의해, 간섭계 위상 옵셋의 변화와 무관한 시료 자체의 광 위상 변조 정보만을 포함하는 신호 진폭을 다음과 같이 얻을 수 있다.
Figure pat00014
아울러, 본 발명은 미세 시료를 측정하는 현미경 장치에 이용될 수 있다. 이를 위하여 상기 펌프광/탐색광의 집속 초점 (focus)을 공간적으로 주사(scan)하는 시료 이송부(precision sample scanner; 135)와 상기 데이터 수집/처리부에서 얻어지는 분광 이미지 신호와 연동하여 자동으로 영상을 획득하는 제어부(170)를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 간섭계의 위상옵셋이 요동에 따라 신호 레벨과 변조 진폭이 변화함에도 불구하고, 직교 위상옵셋 조건을 만족하는 두 채널의 고주파수 대역 투과 위상변조 신호를 상술한 연산 처리를 통해 변조 위상을 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 위상 변조 검출 장치를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 광 위상 변조 검출 장치(200)는 펌프 광원부(110), 탐색 광원부(120), 간섭 광경로 제공부(230), 편광 제공부(240), 및 편광 빔 분리기(150)를 포함한다.
상기 광 위상 변조 검출 장치(200)는 변조 주파수로 세기 변조된 펌프광(11)을 시료(190)에 제공하는 펌프 광원부(110), 탐색광(12)을 상기 시료(190)에 제공하는 탐색 광원부(120), 상기 탐색광(12)을 분기하여 샘플 경로(13a)를 통하여 상기 시료(190)에 제1 탐색광(12a)을 제공하고, 상기 탬색광(12)을 분기하여 기준 경로(13b)를 통하여 상기 시료(190)를 거치지 않는 제2 탐색광(12b)을 제공하고, 상기 샘플 경로(13a)를 거친 제1 탐색광(12a)과 상기 기준 경로(13b)를 거친 제2 탐색광(12b)을 합산하여 합산 탐색광(12c)을 제공하는 간섭 광경로 제공부(230), 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b) 중에서 하나에 45도 선형 편광을 제공하고, 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b) 중에서 다른 하나에 원형 편광을 제공하고 편광 제공부(240), 및 상기 합산 탐색광(12c)에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광(15a)과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광(15b)으로 각각 분리하는 편광 빔 분리기(150)를 포함한다. 상기 펌프광(11)은 상기 시료(190)에 굴절률 변화를 제공하고, 상기 굴절률 변화는 상기 제1 탐색광(12a)에 변조 위상을 제공한다.
제1 파이버 콜리메이터(231a)는 상기 탐색 광원부(120)의 상기 탐색광(12)을 집속하여 제1 광학 파이버(232a)에 제공한다. 상기 제1 광학 파이버(232a)의 일단은 상기 제1 파이버 콜리메이터()에 연결되고, 타단은 방향성 결합기(238)에 연결된다. 상기 방향성 결합기(238)는 상기 제1 광학 파이버(232aa)의 타단에 연결되고 상기 탐색광(12)을 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b)로 분기한다. 제2 광학 파이버(232b)는 상기 방향성 결합기(238)에 연결되어 상기 제1 탐색광(12a)을 제공한다. 제3 광학 파이버(232c)는 상기 방향성 결합기(238)에 연결되어 상기 제2 탐색광(12b)을 제공한다. 제2 파이버 콜리메이터(231b)는 상기 제2 광학 파이버(232b)를 통하여 제공된 제1 탐색광(12a)을 평행광으로 제공한다. 이색성 거울(233)은 상기 펌프 광원부(110)의 세기 변조된 상기 펌프광(11)과 상기 제2 파이버 콜리메이터(231b)를 통과한 상기 제1 탐색광(12a)을 결합한다. 대물 렌즈부(234)는 상기 이색성 거울(233)을 통하여 제공된 상기 펌프광(11)과 상기 제1 탐색광(12a)을 집속하여 시료(190)에 조사한다. 집광 렌즈()는 상기 시료를 통과한 상기 펌프광(11)과 상기 제1 탐색광(12a)을 수집한다. 광필터(239a)는 상기 집광 렌즈(236)를 통과한 상기 펌프광(11)을 제거하고 상기 제1 탐색광(12a)을 통과시킨다. 제3 콜리메이터(232c)는 상기 광필터(239a)를 통과한 상기 제1 탐색광(12a)을 집속한다. 제4 광학 파이버(232d)는 상기 제3 콜리메이터(232c)에 연결되어 상기 제1 탐색광(12a)의 광 경로를 제공한다. 제1 파이버 편광 제어부(237a)는 상기 제4 광학 파이버(232d)에 연결되어 제1 탐색광(12a)의 편광을 제어한다. 제2 파이버 편광 제어부(237b)는 상기 제3 광학 파이버(232c)에 연결되어 제2 탐색광(12b)의 편광을 제어한다. 제4 파이버 콜리메이터(232d)는 상기 제1 파이버 편광 제어부(237a)에 연결되어 평행광을 제공한다. 제5 파이버 콜리메이터(232e)는 상기 제2 파이버 편광 제어부(237b)에 연결되어 평행광을 제공한다. 제1 거울은 상기 제4 파이버 콜리메이터(232d)를 통과한 상기 제1 탐색광(12a)의 광 경로를 변경한다. 빔 결합기는 상기 제1 거울(238)을 거친 상기 제1 탐색광(12a)과 상기 제5 파이버 콜리메이터(232e)를 거친 상기 제2 탐색광(12b)을 결합한다.
상기 편광 제공부(240)는 제1 편광판(242a), 제2 편광판(242b), 및 1/4 파장판(244)을 포함한다. 상기 제1 편광판(242a)는 상기 샘플 경로 상에 배치되어 상기 탐색 광원부(120)의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 선형 편광을 제공한다. 상기 제1 편광판(242a)은 상기 제1 거울(238)과 상기 제4 파이버 콜리메이터(232d) 사이에 배치되어, 상기 제1 탐색광(12a)을 45 선형 편광시킬 수 있다.
상기 제2 편광판(242b)은 상기 기준 경로 상에 배치되어 상기 탐색 광원부(110)의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 선형 편광을 제공한다. 상기 제1 편광판(242a)은 상기 빔 결합기(239)와 상기 제5 파이버 콜리메이터(232e) 사이에 배치되어, 상기 제2 탐색광(12b)을 45 선형 편광시킬 수 있다.
1/4 파장판(244)은 상기 샘플 경로 또는 상기 기준 경로 중에서 어느 하나에 배치되어 상기 45도 선형 편광을 원형 편광으로 변환한다. 상기 1/4 파장판(244)은 상기 빔 결합기(239)와 상기 제2 편광판(242b) 사이에 배치되어, 선형 편광된 제2 탐색광을 원형 편광으로 변환할 수 있다.
빔 결합기 (beam combiner; 239)는 상기 샘플 경로(13a)를 통과한 상기 제1 탐색광(12a)와 상기 기준 경로(13b)를 통과한 상기 제2 탐색광(12b)을 동일 경로로 합친다. 이에 따라, 상기 빔 결합기(239)는 합산 탐색광(12c)을 제공한다. 상기 기준 경로와 상기 샘플 경로는 서로 합쳐져서 폐 루프를 형성할 수 있다.
상기 합산 탐색광(12c)은 편광 빔 분리기 (polarization beam splitter;150)에 제공된다. 상기 편광 빔 분리기(150)는 상기 합산 탐색광(12c)에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광으로 각각 분리할 수 있다. 상기 제1 간섭광은 수평(x) 방향으로 선형 편광되고, 상기 제2 간섭광은 수직 방향(y)으로 선형 편광될 수 있다.
검출 및 신호처리부(160)는 상기 제1 간섭광(15a)과 상기 제2 간섭광(15b)을 검출하여 상기 변조 위상을 추출한다. 상기 검출 및 신호처리부(160)는 제1 광 검출기(161a), 제2 광 검출기(161b), 제1 전기 신호 필터(162a), 제2 전기 신호 필터(162b), 제1 위상잠금 증폭기(163a), 제2 위상잠금 증폭기(163b), 및 처리부(164)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광 위상 변조 검출 장치를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 광 위상 변조 검출 장치(300)는 펌프 광원부(110), 탐색 광원부(120), 간섭 광경로 제공부(330), 편광 제공부(140), 및 편광 빔 분리기(150)를 포함한다.
상기 광 위상 변조 검출 장치(300)는 변조 주파수로 세기 변조된 펌프광(11)을 시료(190)에 제공하는 펌프 광원부(110), 탐색광(12)을 상기 시료(190)에 제공하는 탐색 광원부(120), 상기 탐색광(12)을 분기하여 샘플 경로(13a)를 통하여 상기 시료(190)에 제1 탐색광(12a)을 제공하고, 상기 탬색광(12)을 분기하여 기준 경로(13b)를 통하여 상기 시료(190)를 거치지 않는 제2 탐색광(12b)을 제공하고, 상기 샘플 경로(13a)를 거친 제1 탐색광(12a)과 상기 기준 경로(13b)를 거친 제2 탐색광(12b)을 합산하여 합산 탐색광(12c)을 제공하는 간섭 광경로 제공부(330), 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b) 중에서 하나에 45도 선형 편광을 제공하고, 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b) 중에서 다른 하나에 원형 편광을 제공하고 편광 제공부(140), 및 상기 합산 탐색광(12c)에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광(15a)과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광(15b)으로 각각 분리하는 편광 빔 분리기(150)를 포함한다. 상기 펌프광(11)은 상기 시료(190)에 굴절률 변화를 제공하고, 상기 굴절률 변화는 상기 제1 탐색광(12a)에 변조 위상을 제공한다.
상기 간섭 광경로 제공부(330)는 제1 빔 스플릿터(231), 시간 지연부(232), 이색성 거울(233), 대물 렌즈부(234), 제2 빔 스플릿터(336a), 광필터(339a), 제1 거울(337), 제2 거울(338), 제3 거울(336d), 및 빔 결합기(339)를 포함할 수 있다.
상기 제1 빔 스플릿터(331)는 상기 탐색 광원부(120)의 상기 탐색광(12)을 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b)로 분기한다.
상기 시간 지연부(332)는 상기 샘플 경로(13a) 상에 배치되어 상기 제1 탐색광(12a)에 시간 지연을 제공한다. 상기 이색성 거울(333)은 상기 펌프 광원부(110)의 세기 변조된 상기 펌프광(11)과 상기 제1 탐색광(12a)을 결합한다. 상기 대물 렌즈부(334)는 상기 이색성 거울(333)을 통하여 제공된 상기 펌프광(11)과 상기 제1 탐색광(12a)을 집속하여 상기 시료에 조사하고 상기 시료(190)에서 산란된 상기 펌프광(11)과 상기 제1 탐색광(12a)을 수집한다. 제2 빔 스플릿터(336a)는 상기 제1 빔 스플릿터(331)에서 제공되는 상기 제1 탐색광(12a)은 통과시키고 상기 대물 렌즈부(334)에서 산란되어 제공되는 상기 제1 탐색광(12a)과 상기 펌프광(11)은 반사시킨다. 광필터(339a)는 상기 제2 빔 스플릿터(336a)를 통하여 상기 시료(190)에서 산란되어 제공되는 상기 제1 탐색광(12a)과 상기 펌프광(11) 중에서 상기 펌프광(11)을 제거하고 상기 제1 탐색광(12a)을 통과시킨다. 제1 거울(337)은 상기 제1 빔 스플리터(331)를 통하여 분기된 상기 제2 탐색광(12b)의 경로를 변경한다. 제2 거울(338)은 상기 제1 거울(337)을 통과한 상기 제2 탐색광(12b)의 경로를 변경한다. 제3 거울(336d)은 상기 광 필터(339a)를 통과한 상기 제1 탐색광(12a)의 경로를 변경한다.
빔 결합기(339)는 상기 제2 거울(338)에 의하여 경로 변경된 상기 제2 탐색광(12b)과 상기 광필터(339a) 및 상기 제3 거울(336d)을 거친 상기 제1 탐색광(12a)을 결합한다.
상기 스캐닝부(336b)는 상기 제2 빔 스플릿터(336a)와 상기 이색성 거울(333) 사이에 배치된 한 쌍의 회전하는 거울을 포함한다. 상기 스캐닝부(336b)는 상기 시료의 초점을 변경할 수 있다. 빔 확대부(336c)는 상기 스캐닝부(336b)와 상기 이색성 거울(333) 사이에 배치되어, 빔의 크기를 증가시킨다.
편광 제공부(140)는 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b) 중에서 하나에 45도 선형 편광을 제공하고, 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로 중에서 다른 하나에 원형 편광을 제공한다. 이에 따라, 상기 제1 탐색광은 45도 선형 편광되고, 상기 제2 탐색광은 원형 편광될 수 있다.
상기 편광 제공부(140)는 상기 탐색 광원부(120)의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 편광을 제공하는 제1 편광판(142), 및 상기 샘플 경로 또는 상기 기준 경로 중에서 어느 하나에 배치되어 상기 45도 편광을 원형 편광으로 변환하는 1/4 파장판(144)을 포함할 수 있다.
상기 탐색광(12)은 제1 편광판(142)를 통과할 수 있다. 상기 제1 편광판(142)은 임의 공간 좌표계의 수평/수직 축에서 45도 방향으로 선형 편광(linear polarization)을 제공할 수 있다. 상기 제1 편광판(polarizer)를 통과한 상기 탐색광(12)은 상기 간섭 광경로 제공부(330)에 제공될 수 있다.
빔 결합기 (beam combiner; 339)는 상기 샘플 경로(13a)를 통과한 상기 제1 탐색광(12a)와 상기 기준 경로(13b)를 통과한 상기 제2 탐색광(12b)을 동일 경로로 합친다. 이에 따라, 상기 빔 결합기(339)는 합산 탐색광(12c)을 제공한다. 상기 기준 경로와 상기 샘플 경로는 서로 합쳐져서 폐 루프를 형성할 수 있다.
상기 합산 탐색광(12c)은 편광 빔 분리기 (polarization beam splitter;150)에 제공된다. 상기 편광 빔 분리기(150)는 상기 합산 탐색광(12c)에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광으로 각각 분리할 수 있다. 상기 제1 간섭광은 수평(x) 방향으로 선형 편광되고, 상기 제2 간섭광은 수직 방향(y)으로 선형 편광될 수 있다.
검출 및 신호처리부(160)는 상기 제1 간섭광(15a)과 상기 제2 간섭광(15b)을 검출하여 상기 변조 위상을 추출한다. 상기 검출 및 신호처리부(160)는 제1 광 검출기(161a), 제2 광 검출기(161b), 제1 전기 신호 필터(162a), 제2 전기 신호 필터(162b), 제1 위상잠금 증폭기(163a), 제2 위상잠금 증폭기(163b), 및 처리부(164)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광 위상 변조 검출 장치를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 광 위상 변조 검출 장치(400)는 펌프 광원부(110), 탐색 광원부(120), 간섭 광경로 제공부(430), 편광 제공부(240), 및 편광 빔 분리기(150)를 포함한다.
상기 광 위상 변조 검출 장치(400)는 변조 주파수로 세기 변조된 펌프광(11)을 시료(190)에 제공하는 펌프 광원부(110), 탐색광(12)을 상기 시료(190)에 제공하는 탐색 광원부(120), 상기 탐색광(12)을 분기하여 샘플 경로(13a)를 통하여 상기 시료(190)에 제1 탐색광(12a)을 제공하고, 상기 탬색광(12)을 분기하여 기준 경로(13b)를 통하여 상기 시료(190)를 거치지 않는 제2 탐색광(12b)을 제공하고, 상기 샘플 경로(13a)를 거친 제1 탐색광(12a)과 상기 기준 경로(13b)를 거친 제2 탐색광(12b)을 합산하여 합산 탐색광(12c)을 제공하는 간섭 광경로 제공부(430), 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b) 중에서 하나에 45도 선형 편광을 제공하고, 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b) 중에서 다른 하나에 원형 편광을 제공하고 편광 제공부(240), 및 상기 합산 탐색광(12c)에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광(15a)과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광(15b)으로 각각 분리하는 편광 빔 분리기(150)를 포함한다. 상기 펌프광(11)은 상기 시료(190)에 굴절률 변화를 제공하고, 상기 굴절률 변화는 상기 제1 탐색광(12a)에 변조 위상을 제공한다.
제1 파이버 콜리메이터(431a)는 상기 탐색 광원부(120)의 상기 탐색광(12)을 집속한다. 제1 광학 파이버(432a)의 일단은 상기 제1 파이버 콜리메이터(431a)에 연결되고, 타단은 방향성 결합기(438)에 연결된다. 방향성 결합기(438)는 상기 제1 광학 파이버(432a)의 타단에 연결되고 상기 탐색광(12)을 상기 샘플 경로(13a)와 상기 기준 경로(13b)로 분기한다. 제2 광학 파이버(432b)는 상기 방향성 결합기(438)에 연결되어 상기 제1 탐색광(12a)을 제공한다. 제3 광학 파이버(432c)는 상기 방향성 결합기(438)에 연결되어 상기 제2 탐색광(12b)을 제공한다. 제2 파이버 콜리메이터(431b)는 상기 제2 광학 파이버(432b)를 통하여 제공된 제1 탐색광(12a)을 평행광으로 제공한다. 이색성 거울(433)은 상기 펌프 광원부(110)의 세기 변조된 상기 펌프광(11)과 상기 제2 파이버 콜리메이터(431b)를 통과한 상기 제1 탐색광(12a)을 결합한다. 대물 렌즈부(434)는 상기 이색성 거울(433)을 통하여 제공된 상기 펌프광(11)과 상기 제1 탐색광(12a)을 집속하여 상기 시료(190)에 조사하고, 상기 시료(190)에서 산란된 상기 펌프광(11)과 상기 제1 탐색광(12a)을 수집한다.
빔 스플릿터(436)는 상기 이색성 거울(433)과 상기 제2 파이버 콜리메이터(431b) 사이에 배치되어 상기 시료(190)에서 산란된 상기 펌프광(11)과 상기 제1 탐색광(12a)을 분기한다. 광필터(439a)는 상기 제2 빔 스플릿터(436)에서 제공된 상기 시료에서 산란된 상기 펌프광(11)과 상기 제1 탐색광(12a) 중에서 상기 펌프광(11)을 제거하고 상기 제1 탐색광(12a)을 통과시킨다. 제3 콜리메이터(431c)는 상기 광 필터(439a)를 통과한 상기 제1 탐색광(12a)을 집속한다. 제4 광학 파이버(432d)는 상기 제3 콜리메이터(431c)에 연결되어 상기 제1 탐색광(12a)의 광 경로를 제공한다. 제1 파이버 편광 제어부(437a)는 상기 제4 광학 파이버(432d)에 연결된다. 제2 파이버 편광 제어부(437b)는 상기 제2 광학 파이버(432b)에 연결된다. 제4 파이버 콜리메이터(431d)는 상기 제1 파이버 편광 제어부(437a)에 연결되어 평행광을 제공한다. 제5 파이버 콜리메이터(431e)는 상기 제2 파이버 편광 제어부(437b)에 연결되어 평행광을 제공한다. 제1 거울(438)은 상기 제4 파이버 콜리메이터(431d)를 통과한 제1 탐색광(12a)의 광 경로를 변경한다.
빔 결합기(439)는 상기 제1 거울(438)을 거친 상기 제1 탐색광(12a)과 상기 제5 파이버 콜리메이터(431e)를 거친 상기 제2 탐색광(12b)을 결합한다.
상기 편광 제공부(240)는 제1 편광판(242a), 제2 편광판(242b), 및 1/4 파장판(244)을 포함한다. 상기 제1 편광판(242a)는 상기 샘플 경로 상에 배치되어 상기 탐색 광원부(120)의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 선형 편광을 제공한다. 상기 제1 편광판(242a)은 상기 제1 거울(438)과 상기 제4 파이버 콜리메이터(432d) 사이에 배치되어, 상기 제1 탐색광(12a)을 45 선형 편광시킬 수 있다.
상기 제2 편광판(242b)은 상기 기준 경로 상에 배치되어 상기 탐색 광원부(110)의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 선형 편광을 제공한다. 상기 제1 편광판(242a)은 상기 빔 결합기(439)와 상기 제5 파이버 콜리메이터(431e) 사이에 배치되어, 상기 제2 탐색광(12b)을 45 선형 편광시킬 수 있다.
1/4 파장판(244)은 상기 샘플 경로 또는 상기 기준 경로 중에서 어느 하나에 배치되어 상기 45도 선형 편광을 원형 편광으로 변환한다. 상기 1/4 파장판(244)은 상기 빔 결합기(439)와 상기 제2 편광판(242b) 사이에 배치되어, 선형 편광된 제2 탐색광(12b)을 원형 편광으로 변환할 수 있다.
빔 결합기 (beam combiner; 439)는 상기 샘플 경로(13a)를 통과한 상기 제1 탐색광(12a)와 상기 기준 경로(13b)를 통과한 상기 제2 탐색광(12b)을 동일 경로로 합친다. 이에 따라, 상기 빔 결합기(439)는 합산 탐색광(12c)을 제공한다. 상기 기준 경로와 상기 샘플 경로는 서로 합쳐져서 폐 루프를 형성할 수 있다.
상기 합산 탐색광(12c)은 편광 빔 분리기 (polarization beam splitter;150)에 제공된다. 상기 편광 빔 분리기(150)는 상기 합산 탐색광(12c)에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광으로 각각 분리할 수 있다. 상기 제1 간섭광은 수평(x) 방향으로 선형 편광되고, 상기 제2 간섭광은 수직 방향(y)으로 선형 편광될 수 있다.
검출 및 신호처리부(160)는 상기 제1 간섭광(15a)과 상기 제2 간섭광(15b)을 검출하여 상기 변조 위상을 추출한다. 상기 검출 및 신호처리부(160)는 제1 광 검출기(161a), 제2 광 검출기(161b), 제1 전기 신호 필터(162a), 제2 전기 신호 필터(162b), 제1 위상잠금 증폭기(163a), 제2 위상잠금 증폭기(163b), 및 처리부(164)를 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술s분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
100: 광 위상 변조 검출 장치
110: 펌프 광원부
120: 탐색 광원부
130: 간섭 광경로 제공부
140: 편광 제공부
150: 편광 빔 분리기

Claims (14)

  1. 변조 주파수로 세기 변조된 펌프광을 시료에 제공하는 펌프 광원부;
    탐색광을 상기 시료에 제공하는 탐색 광원부;
    상기 탐색광을 분기하여 샘플 경로를 통하여 상기 시료에 제1 탐색광을 제공하고, 상기 탬색광을 분기하여 기준 경로를 통하여 상기 시료를 거치지 않는 제2 탐색광을 제공하고, 상기 샘플 경로를 거친 제1 탐색광과 상기 기준 경로를 거친 제2 탐색광을 합산하여 합산 탐색광을 제공하는 간섭 광경로 제공부;
    상기 샘플 경로와 상기 기준 경로 중에서 하나에 45도 선형 편광을 제공하고, 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로 중에서 다른 하나에 원형 편광을 제공하고 편광 제공부; 및
    상기 합산 탐색광에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광으로 각각 분리하는 편광 빔 분리기를 포함하고,
    상기 펌프광은 상기 시료에 굴절률 변화를 제공하고, 상기 굴절률 변화는 상기 제1 탐색광에 변조 위상을 제공하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 편광 제공부는:
    상기 탐색 광원부의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 편광을 제공하는 제1 편광판; 및
    상기 샘플 경로 또는 상기 기준 경로 중에서 어느 하나에 배치되어 상기 45도 편광을 원형 편광으로 변환하는 1/4 파장판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 편광 제공부는:
    상기 샘플 경로 상에 배치되어 상기 탐색 광원부의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 편광을 제공하는 제1 편광판;
    상기 기준 경로 상에 배치되어 상기 탐색 광원부의 출력광의 진행방향에 수직한 평면에서 정의되는 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 대하여 45도 편광파를 제공하는 제2 편광판; 및
    상기 샘플 경로 또는 상기 기준 경로 중에서 어느 하나에 배치되어 상기 45도 편광파를 원형 편광으로 변환하는 1/4 파장판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 간섭 광경로 제공부는:
    상기 탐색 광원의 상기 탐색광을 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로로 분기하는 빔 스플릿터;
    상기 샘플 경로 상에 배치되어 상기 제1 탐색광에 시간 지연을 제공하는 시간 지연부;
    상기 펌프 광원의 세기 변조된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 결합하는 이색성 거울;
    상기 이색성 거울을 통하여 제공된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 집속하는 시료에 조사하는 대물 렌즈부;
    상기 시료를 통과한 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 수집하는 집광 렌즈;
    상기 집광 렌즈를 통과한 상기 펌프광을 제거하고 상기 제1 탐색광을 통과시키는 광필터;
    상기 빔 스플리터를 통하여 분기된 상기 제2 탐색광의 경로를 변경하는 제1 거울;
    상기 제1 거울을 통과한 상기 제2 탐색광의 경로를 변경하는 제2 거울; 및
    상기 제2 거울에 의하연 경로 변경된 상기 제2 탐색광과 상기 광필터를 통과한 상기 제1 탐색광을 결합하는 빔 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 간섭 광경로 제공부는:
    상기 탐색 광원의 상기 탐색광을 집속하는 제1 파이버 콜리메이터;
    상기 제1 파이버 콜리메이터에 일단이 연결된 제1 광학 파이버;
    상기 제1 광학 파이버의 타단에 연결되고 상기 탐색광을 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로로 분기하는 방향성 결합기;
    상기 방향성 결합기에 연결되어 상기 제1 탐색광을 제공하는 제2 광학 파이버;
    상기 방향성 결합기에 연결되어 상기 제2 탐색광을 제공하는 제3 광학 파이버;
    상기 제2 광학 파이버를 통하여 제공된 제1 탐색광을 평행광으로 제공하는 제2 파이버 콜리메이터;
    상기 펌프 광원의 세기 변조된 상기 펌프광과 상기 제2 파이버 콜리메이터를 통과한 상기 제1 탐색광을 결합하는 이색성 거울;
    상기 이색성 거울을 통하여 제공된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 집속하는 시료에 조사하는 대물 렌즈부;
    상기 시료를 통과한 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 수집하는 집광 렌즈;
    상기 집광 렌즈를 통과한 상기 펌프광을 제거하고 상기 제1 탐색광을 통과시키는 광필터;
    상기 광 필터를 통과한 상기 제1 탐색광을 집속하는 제3 콜리메이터;
    상기 제3 콜리메이터에 연결되어 상기 제1 탐색광의 광 경로를 제공하는 제4 광학 파이버;
    상기 제4 광학 파이버에 연결된 제1 파이버 편광 제어부;
    상기 제3 광학 파이버에 연결된 제2 파이버 편광 제어부;
    상기 제1 파이버 편광 제어부에 연결되어 평행광을 제공하는 제4 파이버 콜리메이터;
    상기 제2 파이버 편광 제어부에 연결되어 평행광을 제공하는 제5 파이버 콜리메이터;
    상기 제4 파이버 콜리메이터를 통과한 제1 탐색광의 광 경로를 변경하는 제1 거울; 및
    상기 제1 거울을 거친 상기 제1 탐색광과 상기 제5 파이버 콜리메이터를 거친 상기 제2 탐색광을 결합하는 빔 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 간섭 광경로 제공부는:
    상기 탐색 광원의 상기 탐색광을 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로로 분기하는 제1 빔 스플릿터;
    상기 샘플 경로 상에 배치되어 상기 제1 탐색광에 시간 지연을 제공하는 시간 지연부;
    상기 펌프 광원의 세기 변조된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 결합하는 이색성 거울;
    상기 이색성 거울을 통하여 제공된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 집속하는 시료에 조사하고 상기 시료에서 산란된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 수집하는 대물 렌즈부;
    상기 제1 빔 스플릿터에서 제공되는 상기 제1 탐색광은 통과시키고 상기 매물 렌즈부에서 산란되어 제공되는 상기 제1 탐색광과 상기 펌프광은 반사시키는 제2 빔 스플릿터;
    상기 제2 빔 스플릿터를 통하여 산란되어 제공되는 상기 제1 탐색광과 상기 펌프광 중에서 상기 상기 펌프광을 제거하고 상기 제1 탐색광을 통과시키는 광필터;
    상기 제1 빔 스플리터를 통하여 분기된 상기 제2 탐색광의 경로를 변경하는 제1 거울;
    상기 제1 거울을 통과한 상기 제2 탐색광의 경로를 변경하는 제2 거울;
    상기 광 필터를 통과한 상기 제1 탐색광의 경로를 변경하는 제3 거울;및
    상기 제2 거울에 의하연 경로 변경된 상기 제2 탐색광과 상기 광필터 및 상기 제3 거울을 거친 상기 제1 탐색광을 결합하는 빔 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    스캐닝부를 더 포함하고,
    상기 스캐닝부는:
    상기 제2 빔 스플릿터와 상기 이색성 거울 사이에 배치된 한 쌍의 회전하는 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 현미경.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 스캐닝부와 상기 이색성 거울 사이에 배치된 빔 확대부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 간섭 광경로 제공부는:
    상기 탐색 광원의 상기 탐색광을 집속하는 제1 파이버 콜리메이터;
    상기 제1 파이버 콜리메이터에 일단이 연결된 제1 광학 파이버;
    상기 제1 광학 파이버의 타단에 연결되고 상기 탐색광을 상기 샘플 경로와 상기 기준 경로로 분기하는 방향성 결합기;
    상기 방향성 결합기에 연결되어 상기 제1 탐색광을 제공하는 제2 광학 파이버;
    상기 방향성 결합기에 연결되어 상기 제2 탐색광을 제공하는 제3 광학 파이버;
    상기 제2 광학 파이버를 통하여 제공된 제1 탐색광을 평행광으로 제공하는 제2 파이버 콜리메이터;
    상기 펌프 광원의 세기 변조된 상기 펌프광과 상기 제2 파이버 콜리메이터를 통과한 상기 제1 탐색광을 결합하는 이색성 거울;
    상기 이색성 거울을 통하여 제공된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 집속하여 시료에 조사하고, 상기 시료에서 산란된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 수집하는 대물 렌즈부;
    상기 이색성 거울과 상기 제2 파이버 콜리메이터 사이에 배치되어 시료에서 산란된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광을 분기하는 제2 빔 스플릿터;
    상기 제2 빔 스플릿터에서 제공된 산란된 상기 펌프광과 상기 제1 탐색광 중에서 상기 펌프광을 제거하고 상기 제1 탐색광을 통과시키는 광필터;
    상기 광 필터를 통과한 상기 제1 탐색광을 집속하는 제3 콜리메이터;
    상기 제3 콜리메이터에 연결되어 상기 제1 탐색광의 광 경로를 제공하는 제4 광학 파이버;
    상기 제4 광학 파이버에 연결된 제1 파이버 편광 제어부;
    상기 제2 광학 파이버에 연결된 제2 파이버 편광 제어부;
    상기 제1 파이버 편광 제어부에 연결되어 평행광을 제공하는 제4 파이버 콜리메이터;
    상기 제2 파이버 편광 제어부에 연결되어 평행광을 제공하는 제5 파이버 콜리메이터;
    상기 제4 파이버 콜리메이터를 통과한 제1 탐색광의 광 경로를 변경하는 제1 거울; 및
    상기 제1 거울을 거친 상기 제1 탐색광과 상기 제5 파이버 콜리메이터를 거친 상기 제2 탐색광을 결합하는 빔 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 간섭광과 상기 제2 간섭광을 검출하여 상기 변조 위상을 추출하는 검출 및 신호처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 검출 및 신호처리부는:
    상기 편광 빔 분리기에서 분리된 상기 제1 간섭광을 검출하는 제1 광 검출기;
    상기 편광 빔 분리기에서 분리된 상기 제2 간섭광을 검출하는 제2 광 검출기;
    상기 제1 광 검출기의 제1 출력 전기 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 통과시키는 제1 전기 신호 필터;
    상기 제2 광 검출기의 제2 출력 전기 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 통과시키는 제2 전기 신호 필터;
    상기 제1 전기 신호 필터의 출력 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 검출하는 제1 위상잠금 증폭기(lock-in amplifier);
    상기 제2 전기 신호 필터의 출력 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 검출하는 제2 위상잠금 증폭기(lock-in amplifier); 및
    상기 제1 위상잠금 증폭기의 출력 신호와 상기 제2 위상잠금 증폭기의 출력 신호를 각각 제곱하여 합산하고, 합산된 값에 제곱근 연산을 수행하는 처리부; 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 변조 주파수를 가지는 신호를 발생시키는 상기 펄스 발생기를 더 포함하고,
    상기 펌프 광원부는 상기 펄스 발생기의 출력 신호를 제공받아 상기 변조 주파수에 따라 상기 펌프광의 출력광을 세기 변조하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 장치.
  13. 변조 주파수로 세기 변조된 펌프광을 제공하는 단계;
    탐색광을 분기하여 시료를 거치는 샘플 경로를 통하여 제1 탐색광과 상기 탐색광을 분기하여 시료를 거치지 않는 기준 경로를 통하여 제2 탐색광을 제공하는 단계;
    상기 제1 탐색광과 상기 펌프광을 결합하여 상기 시료에 제공하는 단계;
    상기 제1 탐색광과 상기 제2 탐색광 중에서 하나에 45도 선형 편광을 제공하고, 상기 제1 탐색광과 상기 제2 탐색광 중에서 다른 하나는 원형 편광을 제공하는 단계;
    상기 시료를 통과하거나 후방 산란된 제1 탐색광과 상기 제2 탐색광을 결합하여 합산 탐색광을 제공하는 단계; 및
    상기 합산 탐색광에서 제1 방향으로 선형 편광된 제1 간섭광과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 선형 편광된 제2 간섭광으로 각각 분리하는 단계;를 포함하고,
    상기 펌프광은 상기 시료에 굴절률 변화를 제공하고, 상기 굴절률 변화는 상기 제1 탐색광에 변조 위상을 제공하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 간섭광을 검출하는 단계;
    상기 제1 간섭광을 검출한 신호를 제1 고주파 대역투과 필터에 제공하는 단계;
    상기 제2 간섭광을 검출한 신호를 제2 고주파 대역투과 필터에 제공하는 단계;
    상기 제1 간섭광의 검출 신호 또는 상기 제1 고주파 대역투과 필터를 통과한 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 위상잠금 검출하여 제1 변조 신호를 추출하는 단계;
    상기 제2 간섭광의 검출 신호 또는 상기 제2 고주파 대역투과 필터를 통과한 신호에서 상기 변조 주파수 성분을 위상잠금 검출하여 제2 변조 신호를 추출하는 단계; 및
    상기 제1 변조 신호와 상기 제2 변조 신호를 각각 제곱하여 합산하고, 합산된 값에 제곱근 연산을 수행하여 상기 제1 탐색광의 상기 변조 위상을 추출하는 단계; 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 변조 검출 방법.
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