KR20150145531A - 광원의 파장 측정 장치 및 방법과 매질의 특성 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

파장 측정 장치가 개시된다. 일 실시 예에 의한 파장 측정 장치는, 외부로부터 입사되는 빛을 투과시키는 매질, 상기 매질에 의한 간섭 무늬를 검출하는 검출 장치 및 상기 검출된 간섭 무늬 및 상기 매질의 특성에 기초하여, 상기 입사되는 빛의 파장을 측정하는 처리 장치를 포함할 수 있다.

Description

광원의 파장 측정 장치 및 방법과 매질의 특성 측정 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING WAVELENGTHS OF LIGHT SOURCES AND APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING CHARACTERISTICS OF MEDIA}
본 개시는 파장 측정 장치 및 방법과 매질의 특성 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간섭 무늬에 기초하는 파장 측정 장치 및 방법과 매질의 특성 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
빛을 이용한 측정 분야는 과학 분야에서뿐만 아니라 산업 전반에도 많이 이용되고 있다. 빛의 간섭을 이용한 측정은 그 정확도가 수십 nm 정도로 길이나 두께를 측정 할 수 있어 반도체나 디스플레이 공정의 품질 검사에 이용되고 있다. 빛의 간섭을 이용한 측정 방법은 두 광선이 시료를 통과하는 광경로차를 이용하는 방법이어서 굴절률이나 두께 중 하나를 알고 있어야 하는 단점이 있었다.
그 일 예로서 대한민국 특허공개 제10-2009-7134호의 '판유리의 굴절률 측정방법'에서는 판유리의 상부에 배치되는 레이저 광 출력기와 영상 촬영기를 이용해서 비접촉식으로 판유리의 굴절률을 측정하고 있으나, 판유리의 두께는 별도의 장비를 써서 측정하여야 하며, 판유리의 두께는 균일하여야 하며 레이저 빔의 사이즈가 굴절률의 정밀도가 결정하므로 정밀도가 매우 낮다는 문제점이 있다.
또한 대한민국 등록특허 제10-0721783호의 '투명재료의 두께를 측정하기 위한 방법 및 장치'에서는 투명재료에 변조 광주파수를 가지는 광빔의 초점이 형성되고, 투명재료의 각 면에서 반사된 2개의 광빔이나 광선이 수신되며, 이 두 광선 사이의 간섭이 생성되므로 이 간섭신호의 변조 주기당 진동수가 결정되고 두 빔들 사이의 경로 차와 투명재료의 두께가 추론되며, 또한 상기 간섭신호의 위상차로 결정되는 굴절률(n)을 가지는 투명재료의 두께를 측정하는 파동 광학적 방법의 발명이나, 두께 측정의 전제로 투명 재료의 굴절률을 별도로 측정하고, 0.2mm보다 큰 재료의 두께를 측정하는데 적합하며, 높은 정밀도로 측정하기가 어렵다는 문제점이 있다.
특허 제10-1059690호의 ‘투과광과 반사광의 간섭을 이용한 평판형 매질의 굴절률 측정 시스템 및 방법’에서는 투명한 기판을 회전 시키면서 투과광의 간섭무늬를 분석하여 굴절률과 두께를 동시에 결정하는 방법이다. 시료를 회전하는 데 시간이 소요되며 시료를 정밀하게 회전시키기 위한 구동부가 필요하다.
아울러, 임의의 입사되는 빛의 파장을 측정하는 파장 측정 장치가 개시된 바 있으나, 간섭 무늬 및 매질의 특성에 기초하여 빛의 파장을 측정하는 파장 측정 장치에 대하여서는 개시된 바가 없다.
본 개시는 특성이 알려진 매질을 이용하여, 파장이 알려지지 않은 빛을 입사하여, 빛의 파장을 측정하는 파장 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다. 본 개시는 구면파 또는 산란광 형태의 광원으로부터 획득되는 간섭 무늬를 분석하여 파장을 결정하는 파장 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
아울러, 본 개시는 매질의 굴절률과 두께를 측정하는 장치 및 방법을 제공할 수도 있다.
일 실시 예에 의한 파장 측정 장치는, 외부로부터 입사되는 빛을 투과시키는 매질, 상기 매질에 의한 간섭 무늬를 검출하는 검출 장치 및 상기 검출된 간섭 무늬 및 상기 매질의 특성에 기초하여, 상기 입사되는 빛의 파장을 측정하는 처리 장치를 포함할 수 있다.
파장 측정 장치는, 상기 입사되는 빛을 구면파 형태의 빛으로 변환하여 상기 매질로 전달하는 구면파 변환부를 더 포함할 수도 있다.
상기 구면파 변환부는, 상기 입사되는 빛을 투과 혹은 반사시키면서 투과면의 복수 개의 지점에서 구면파를 발생시키는 반투과 혹은 난반사 매질을 포함할 수 있다.
상기 구면파 변환부는, 상기 반투과 혹은 난반사 매질로부터 기설정된 거리에 배치되어 상기 입사되는 빛을 집광하여 상기 반투과 혹은 난반사 매질로 전달하는 제 1 렌즈를 더 포함할 수도 있다.
파장 측정 장치는, 상기 매질 및 상기 검출 장치 사이에 배치되는 제 2 렌즈를 더 포함할 수도 있다.
상기 제 2 렌즈는, 상기 매질을 투과한 빛 중 동일 각도로 전파하는 빛을 동일 위치에 중첩시키는 위치에 배치될 수 있다.
상기 처리 장치는, 상기 제 2 렌즈의 초점거리 및 위치에 기초하여 적어도 하나의 가상 간섭 무늬를 결정할 수 있다.
상기 처리 장치는, 상기 제 2 렌즈의 수차에 의한 간섭 무늬 위치 변화에 대한 보정을 수행하는 파장 측정 장치.
상기 매질의 특성은, 상기 매질의 두께 및 굴절률일 수 있다.
상기 처리 장치는, 적어도 하나의 임의의 파장 각각에 대응하는 적어도 하나의 가상 간섭 무늬를 결정하고, 상기 적어도 하나의 가상 간섭 무늬 중 상기 간섭 무늬와 유사도가 가장 높은 제 1 간섭 무늬에 대응하는 파장을 상기 입사되는 빛의 파장으로 결정할 수 있다.
상기 처리 장치는, 제 1 수학식 및 제 2 수학식에 기초하여 상기 적어도 하나의 가상 간섭 무늬를 결정하며, 상기 제 1 수학식은,
Figure pat00001
이며, 상기 제 2 수학식은,
Figure pat00002
이며,
상기 φ(θ)는 상기 매질에 θ의 각도로 입사하는 이웃하는 두 빛 사이의 위상차이며, 상기 λ는 상기 빛의 파장일 수 있다. 상기 d는 상기 매질의 두께이며, 상기 na는 외부 매질의 굴절률이며, nr은 상기 매질의 상기 외부 매질에 대한 상대 굴절률이며, 상기 I(θ)는 중첩에 의한 투과광의 세기이며, 상기 R는 상기 매질 한쪽 면의 반사율이며, C는 상수 이다.
상기 처리 장치는, 상기 제 1 수학식 및 상기 제 2 수학식의 적용 결과에 기초하여, 매질의 두께와 파장 사이의 관계를 피팅(fitting)할 수 있다.
상기 처리 장치는, 상기 피팅된 관계 및 상기 매질의 두께에 기초하여 상기 입사되는 빛의 파장을 결정하는 파장 측정 장치.
파장 측정 장치는, 상기 매질이 비등방성 매질인 경우, 상기 매질의 전방에 배치되는 편광자(polarizer)를 더 포함할 수도 있다.
다른 실시 예에 의한 매질의 특성을 측정하는 매질의 특성 측정 장치는, 제 1 파장의 구면파 형태의 빛을 상기 매질을 투과하도록 출력하는 광원, 상기 매질에 의한 간섭 무늬를 검출하는 검출 장치 및 상기 검출된 간섭 무늬 및 상기 제 1 파장에 기초하여, 상기 매질의 특성을 측정하는 처리 장치를 포함할 수 있다.
상기 광원은, 비 구면파 형태의 빛을 구면파 형태의 빛으로 변환하여 상기 매질로 전달하는 구면파 변환부를 더 포함할 수 있다.
매질의 특성 처리 장치는, 상기 매질 및 상기 검출 장치 사이에 배치되는 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 광원은, 상이한 파장을 가지는 복수 개의 빛을 상기 매질로 전달할 수 있다.
상기 처리 장치는, 상기 복수 개의 빛 각각에 대응하는 복수 개의 후보 매질의 특성을 결정할 수 있으며, 상기 복수 개의 빛 각각에 대응하는 복수 개의 후보 매질의 특성 중 일치하는 후보 매질의 특성을, 상기 매질의 특성으로 결정할 수 있다.
다양한 실시 예들에 의하여, 매질의 특성이 알려진 매질을 이용하여, 파장이 알려지지 않은 빛을 입사하여, 빛의 파장을 측정하는 파장 측정 장치 및 방법이 제공될 수 있다.
아울러, 다양한 실시 예들에 의하여, 매질의 굴절률과 두께를 측정하는 장치 및 방법을 제공할 수도 있다.
시료의 굴절률과 두께를 동시에 결정할 수 있으며 또한 별도의 구동계를 필요로 하지 않는 장점이 있다. 시판되는 웨이퍼 타입의 매질에 대하여 쉽게 적용이 가능하여 새롭게 만들어지는 매질의 분산식 수립에 사용될 수 있다.
파장계로 만들어 지는 경우 기존의 파장계보다 간단한 구성으로 파장계를 만들 수 있으며 비 레이저 광원 등에도 폭 넓게 사용될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 의한 파장 측정 장치의 개념도이다.
도 2는 동심원 간섭 무늬의 예시도이다.
도 3은 구면파 형태의 빛의 간섭 무늬의 분석을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는, 광원 및 매질 면에 의해 형성된 광원의 허상들로부터 나오는 구면파들을 나타내는 개념도이다.
도 5는 평면파 입사 및 구면파 입사에 의한 간섭 무늬의 대조비를 비교할 수 있는 그래프이다.
도 6은 간섭 무늬의 씻겨나감(wash out)의 문제를 해결하기 위한 일 실시 예에 의한 개념도이다.
도 7은 일 실시 예에 의한 매질의 특성 측정 장치의 개념도이다.
도 8은 일 실시 예에 의한 처리 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 2π의 모호성을 해결하기 위한 복수 파장 분석 방법을 설명하는 그래프이다.
도 10은 일 실시 예에 의한 빛의 파장을 피팅(fitting) 대상으로 결정한 경우의 메쉬 플롯(mesh plot)의 그래프이다.
도 11은 일 실시 예에 의한 빛의 파장 측정 방법의 흐름도이다.
도 12는 일 실시 예에 의한 매질의 특성 측정 장치의 개념도이다.
도 13은 일 실시 예에 의한 파장 측정 장치의 개념도이다.
이하에서, 일부 실시예들을, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다.
또한 특정한 경우는 이해를 돕거나 및/또는 설명의 편의를 위해 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
본 발명은 구면파를 이용하여 매질의 굴절률을 측정하는 시스템에 관한 것이다. 또한 같은 시스템에서 역으로 광원의 파장을 측정하는 방법도 포함한다. 반도체 공정 등에 이용되는 투명한 웨이퍼의 광학 특성을 구면파 투과를 이용하여 측정하는 방법이며 웨이퍼 전반의 두께에 대한 정보도 구한다. 또한 특성이 알려진 매질을 이용하여 입사하는 광원의 파장을 측정하는 파장계로의 응용도 가능하다.
도 1은 일 실시 예에 의한 파장 측정 장치의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 파장 측정 장치는 광원(110)으로부터 입사되는 빛의 파장을 측정할 수 있다. 파장 측정 장치는, 구면파 변환부(120), 매질(130), 렌즈(140) 및 측정 장치(150)를 포함할 수 있다.
구면파 변환부(120)는 광원(110)으로부터 입사되는 빛을 구면파 형태의 빛으로 변환하여 매질(130)로 전달할 수 있다.
구면파 변환부(120)는, 입사되는 빛을 투과시키면서 투과면의 복수 개의 지점에서 구면파를 발생시키는 반투과 혹은 난반사 매질일 수 있다. 더욱 상세하게는, 광원(110)으로부터 입사되는 빛이 예를 들어 구면파 형태가 아닌 평면파 또는 산란파의 형태의 빛일 수 있다. 이러한 비 구면파 형태의 빛은 구면파 변환부(120)를 투과하면서 구면파 형태의 빛으로 변화될 수 있다.
구면파 변환부(120)는 상술한 바와 같이 반투과 혹은 난반사 매질일 수 있으며, 소정의 두께를 가지는 평판형으로 구현될 수 있다. 반투과 매질의 일면으로 입사한 빛은 타면으로 투과될 수 있다. 이 경우, 반투과 매질의 타면의 전면(全面)은 각각이 구면파를 발생시키는 광원으로 해석될 수 있다. 즉, 반투과 혹은 난반사 매질의 적어도 하나의 지점이 광원이 될 수 있으며, 입사되는 빛의 형태에 무관하게 투과되는 빛을 구면파 형태의 빛으로 변환할 수 있다.
한편, 구면파 변환부(120)는 평판형 반투과 혹은 난반사 매질 뿐만 아니라, 추가적인 렌즈를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 추가적인 렌즈는 레이저와 같은 광원일 경우에 더 포함될 수 있으며, 이에 대하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
상술한 바에 따라서, 광원의 종류에 관계없이 일 실시 예에 의한 파장 측정 장치는, 구면파 형태의 빛을 이용하여 파장을 측정할 수 있다. 이에 따라, 레이저, 방전등 등의 다양한 종류가 광원(110)으로 구현될 수 있다.
매질(130)은 입사되는 빛을 투과시켜 간섭 무늬를 생성시킬 수 있다. 예를 들어, 매질(130)은 LITHIUM NIOBATE일 수 있으며, 평판형일 수 있다. 매질(130)의 두께 및 굴절률은 미리 알려질 수 있다. 처리 장치(미도시)는 매질(130)의 두께 및 굴절률을 미리 저장하는 일 실시 예에 의한 파장 측정 프로그램을 구동할 수 있다. 파장 측정 프로그램은 저장 장치(미도시)에 저장될 수 있으며, 이에 따라 매질(130)의 두께 및 굴절률은 미리 알려질 수 있다.
매질(130)로 입사된 빛은 적어도 1 회의 내부 반사를 통하여 간섭 무늬를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 동심원 간섭 무늬의 예시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 구면파 형태의 빛은 렌즈(140)의 초평면 혹은 근처에 동심원 간섭 무늬를 형성할 수 있다.
간섭 무늬는 복수 개의 명(bright) 지점과 암(dark) 지점을 포함할 수 있다. 예를 들어, 간섭 무늬는 도 2에서와 같이, 중심으로부터 일정한 거리에 형성된 밝은 원 형태의 간섭 무늬와 어두운 원 형태의 간섭 무늬를 포함할 수 있다. 명 지점과 암 지점 사이의 거리 또는 하나의 명 지점과 또 다른 명 지점 사이의 거리는 매질(130)의 특성 및 빛의 파장에 의하여 결정될 수 있다. 여기에서, 매질(130)의 특성은, 매질(130)의 두께와 매질(130)의 굴절률을 포함한다.
이에 따라, 간섭 무늬, 예를 들어 명 지점과 암 지점 사이의 거리 또는 하나의 명 지점과 또 다른 명 지점 사이의 거리에 대한 정보와, 매질의 특성을 파악하면 빛의 파장을 측정할 수 있다. 처리 장치(미도시)는 매질(130)에 의한 간섭 무늬 및 매질(130)의 특성에 기초하여, 입사되는 빛의 파장을 측정할 수 있다. 처리 장치(미도시)는 일 실시 예에 의한 파장 측정 프로그램을 구동시킬 수 있으며, 구동 결과에 기초하여 빛의 파장을 측정할 수 있다.
렌즈(140)는 매질(130) 및 측정 장치(150) 사이에 배치될 수 있으며, 렌즈(140)에 대하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
측정 장치(150)는 예를 들어 CCD 어레이(array)일 수 있으며, 빛의 세기 분포를 측정할 수 있다. 이에 따라, 측정 장치(150)는 간섭 무늬를 측정할 수 있다. 측정 장치는 광원에 따라 가시광~근적외선 영역(400~1100nm)에서는 Si 기반 촬상도구로 구현될 수 있으며, 적외선 영역(1100~2000nm)에서는 InGaAs 기반의 촬상도구로 구현될 수 있다. 아울러, 복굴절 매질의 측정을 위해서 촬상도구 앞쪽에 편광자가 배치될 수 있어, 편광 구분 측정을 가능하게 한다.
처리 장치(미도시)는, 적어도 하나의 임의의 파장 각각에 대응하는 적어도 하나의 가상 간섭 무늬를 결정할 수 있다. 처리 장치(미도시)는 적어도 하나의 가상 간섭 무늬 중 상기 간섭 무늬와 유사도가 가장 높은 제 1 간섭 무늬에 대응하는 파장을 상기 입사되는 빛의 파장으로 결정할 수 있다.
처리 장치(미도시)는, 제 1 수학식 및 제 2 수학식에 기초하여 적어도 하나의 가상 간섭 무늬를 결정할 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
수학식 1에서, φ(θ)는 매질(130)에 θ의 각도로 입사하는 이웃하는 두 빔 사이의 위상차를 의미할 수 있다. 아울러, λ는 빛의 파장일 수 있다. d는 매질(130)의 두께이며, na는 외부 매질, 예를 들어 공기의 굴절률이며, nr은 매질(130)의 외부 매질에 대한 상대 굴절률이다.
수학식 2에서, I(θ)는 중첩에 의한 투과광의 세기일 수 있다. R는 상기 매질(130) 한쪽 면의 반사율이며, C는 상수이다.
처리 장치(미도시)는, 제 1 수학식 및 제 2 수학식의 적용 결과에 기초하여, 매질의 두께와 파장 사이의 관계를 피팅(fitting)할 수 있으며, 피팅된 관계 및 매질(130)의 두께에 기초하여 입사되는 빛의 파장을 결정할 수 있다. 피팅 과정에 대하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
상술한 과정에 따라서, 매질의 특성이 미리 알려진 매질을 투과한 빛의 간섭 무늬에 기초하여 빛의 파장을 측정하는 장치 및 방법이 제공될 수 있다.
다른 실시 예에 의한 장치는, 매질의 두께 및 굴절률을 측정할 수도 있다. 상술한 바와 같이, 간섭 무늬는 매질의 특성 및 빛의 파장에 의하여 결정될 수 있다. 여기에서, 매질(130)의 특성은, 매질(130)의 두께와 매질(130)의 굴절률을 동시에 포함할 수 있다.
이에 따라, 빛의 파장이 미리 알려진 경우라면 처리 장치는 매질의 특성, 즉 두께, 굴절률을 동시에 결정 할 수 있다. 처리 장치(미도시)는 일 실시 예에 의한 매질의 특성 측정 프로그램을 구동시킬 수 있으며, 구동 결과에 기초하여 매질의 특성을 측정할 수 있다. 빛의 파장은 미리 알려질 수 있다. 처리 장치(미도시)는 빛의 파장을 미리 저장하는 일 실시 예에 의한 매질의 특성 측정 프로그램을 구동할 수 있다. 매질의 특성 측정 프로그램은 저장 장치(미도시)에 저장될 수 있으며, 이에 따라 빛의 파장은 미리 알려질 수 있다.
이 경우, 처리 장치(미도시)는 매질의 특성, 예를 들어 매질의 두께 및 굴절률에 기초하여 가상 간섭 무늬를 결정할 수 있다. 처리 장치(미도시)는 적어도 하나의 매질의 두께 및 굴절률 각각에 대응하는 적어도 하나의 가상 간섭 무늬를 결정할 수 있다. 처리 장치(미도시)는 적어도 하나의 가상 간섭 무늬 중 실제 측정된 간섭 무늬와 유사도가 가장 큰 제 1 가상 간섭 무늬를 결정할 수 있다. 처리 장치(미도시)는 제 1 가상 간섭 무늬에 대응하는 매질의 두께 및 굴절률을 실제 매질의 두께 및 굴절률로 결정할 수 있다.
한편, 구면파를 이용하였기 때문에 처리 장치(미도시)는 렌즈의 초점거리와 위치를 이용하여 간섭 무늬의 위치를 계산할 수 있다. 아울러, 처리 장치(미도시)는 렌즈의 수차에 의하여 발생하는 간섭 무늬 위치 변화에 대한 보정도 수행할 수 있다. 또는 처리 장치(미도시)는 굴절률과 두께가 알려진 시료를 이용하여 각 위치에 대한 환산 인자를 구하는 방법으로 구현될 수도 있다.
상술한 바에 따라, 다양한 실시 예들에 의한 장치는 매질의 특성 또는 빛의 파장을 측정할 수 있다.
도 3은 구면파 형태의 빛의 간섭 무늬의 분석을 설명하기 위한 개념도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 매질(130)은 d의 두께를 가질 수 있다. 광원(110) 및 매질(130) 사이의 거리는 D일 수 있다.
광원(110)으로부터 매질(130)의 일면으로 입사하는 빛은 매질(130) 내에서 다중 반사될 수 있다. 예를 들어, 빛은 매질(130)에서 1회, 3회, 5회, 7회 또는 9회 내부 반사된 이후에 매질(130)의 타면으로 투과될 수 있다.
상술한 적어도 한 회 내부 반사된 이후 투과된 빛은 가상 광원(111 내지 115)로부터 출력되는 빛으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 1회 내부 반사된 이후 투과된 빛은 가상 광원(111)로부터 출력된 빛으로 해석될 수 있으며, 3회 내부 반사된 이후 투과된 빛은 가상 광원(112)로부터 출력된 빛으로 해석될 수 있으며, 5회 내부 반사된 이후 투과된 빛은 가상 광원(113)로부터 출력된 빛으로 해석될 수 있으며, 7회 내부 반사된 이후 투과된 빛은 가상 광원(114)로부터 출력된 빛으로 해석될 수 있으며, 9회 내부 반사된 이후 투과된 빛은 가상 광원(115)로부터 출력된 빛으로 해석될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가상 광원(111 내지 115) 각각 사이의 거리는 2d일 수 있으며, 이는 내부 반사 거리가 매질(130)의 두께 d의 2배인 것으로부터 기인한다.
도 4는, 광원 및 가상 광원으로부터의 구면파 형태의 빛의 개념도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광원(410)으로부터의 빛, 가상 광원(411,412) 각각으로부터의 빛은 제 1 지점(401) 또는 제 2 지점(402)에서 서로 간섭될 수 있다.
도 5는 평면파 입사 및 구면파 입사에 의한 간섭 무늬의 대조비 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5의 점선 그래프는 평면파 입사에 의한 간섭 무늬에 대응하며, 실선 그래프는 구면파 입사에 의한 간섭 무늬에 대응할 수 있다.
한편, 상술한 경우, 구면파의 경우 큰 각도로 입사하는 빛은 평면파와는 달리 서로 다른 각도의 파수벡터를 가지는 전기장들의 합으로 간섭 무늬가 결정될 수 있으며, 다양한 각도의 파수벡터를 가진 전기장들의 중첩에 의하여 간섭 무늬가 씻겨나갈(wash out) 수도 있다.
도 6은 간섭 무늬의 씻겨나감(wash out)의 문제를 해결하기 위한 일 실시 예에 의한 개념도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 파장 측정 장치는 매질(130) 및 측정 장치(150) 사이에 렌즈(140)를 추가적으로 포함할 수 있다. 렌즈(140)는 동일한 각도로 전파하는 빛을 동일한 위치에서 중첩하도록 시준할 수 있다. 이에 따라, 씻겨나감(wash out)의 문제가 해결될 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 의한 매질의 특성 측정 장치의 개념도이다.
매질의 특성 측정 장치는 구면파 변환부(120)의 전면에 렌즈를 더 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에 의한 광원은 예를 들어 633nm의 He-Ne laser 등과 같은 종래 레이저 발진 장치일 수 있다. 광원으로부터 출력되는 빛은 렌즈를 투과하면서 넓은 면적으로 퍼트려질 수 있다. 이 후, 산란이 많은 반투과 혹은 난반사 매질과 같은 구면파 변환부(120)를 통과할 수 있다. 또는 좁은 선폭을 분해하여 이용할 수 있는 방전등 등이 광원으로 구현될 수도 있다.
도 8은 일 실시 예에 의한 처리 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 구면파가 매질에 입사하는 경우에는, 여러 방향의 각 파수 벡터에 대하여 수학식 1 및 2에 기초하여 가상 간섭 무늬가 결정될 수 있다.
각 각도에 따라 세기의 증가 감소를 반복하는 가상 간섭 무늬는, 측정 장치에 의하여 측정되는 간섭 무늬와 비교될 수 있으며, 비교 결과에 따라 매질의 굴절률 및 두께 또는 빛의 파장이 측정될 수 있다.
도 8은 간섭 무늬에 포함된 2π의 모호성이 해결되지 않은 경우에 대한 결정 방법을 설명한다. 위상 차이가 2π인 경우, 간섭이 동일한 결과를 가져올 수 있기 때문에, 도 8과 같이 복수 개의 후보 결과, 예를 들어 후보 매질의 특성 또는 후보 파장이 계산될 수 있다.
도 9는 2π의 모호성을 해결하기 위한 복수 파장 분석 방법을 설명하는 그래프이다.
도 9에서와 같이, 복수 파장(그림에서는 633nm와 1529nm)으로 구면파의 간섭을 이용할 수 있으며, 복수 파장 각각에 대한 복수 후보 매질의 특성(두께)이 계산될 수 있다. 처리 장치(미도시)는 복수 후보 매질의 특성 중 복수 파장에 대한 결과가 동일한 후보 매질의 특성을 실제 매질의 특성으로 결정할 수 있다.
도 10은 일 실시 예에 의한 빛의 파장을 피팅(fitting) 대상으로 결정한 경우의 메쉬 플롯(mesh plot)의 그래프이다.
상술한 바와 같이, 매질의 특성이 미리 파악되면, 간섭 무늬 및 매질의 특성에 기초하여 빛의 파장이 결정될 수 있다. 수학식 1 및 2의 적용 결과를 이용하면 도 10과 같은 피팅 결과가 획득될 수 있으며, 이에 따라 빛의 파장이 결정될 수 있다.
도 11은 일 실시 예에 의한 빛의 파장 측정 방법의 흐름도이다.
단계 1110에서, 파장 측정 방법은 빛, 예를 들어 구면파 형태의 빛을 수신할 수 있다. 비 구면파 형태의 빛을 수신한 경우, 파장 측정 방법은 구면파 형태의 빛으로 변환할 수 있다.
단계 1120에서, 파장 측정 방법은 빛을 샘플로 투과시켜 간섭 무늬를 발생시킬 수 있다.
단계 1130에서, 파장 측정 방법은 발생시킨 간섭 무늬를 측정하여, 이를 분석할 수 있다. 예를 들어, 파장 측정 방법은 간섭 무늬의 명 지점-암 지점 사이의 간격, 또는 명 지점-다른 명 지점 사이의 간격, 또는 암 지점-암 지점 사이의 간격 등의 정보를 분석할 수 있다.
단계 1140에서, 파장 측정 방법은 분석 결과 및 매질의 특성에 대한 정보에 기초하여 빛의 파장을 계산할 수 있다. 상술한 바와 같이, 간섭 무늬는 매질의 특성, 예를 들어 매질의 두께 및 굴절률과 빛의 파장에 의하여 결정될 수 있다. 이에 따라, 파장 측정 방법은, 매질의 특성 및 간섭 무늬 분석 결과에 기초하여 빛의 파장을 결정할 수 있다.
도 12는 일 실시 예에 의한 매질의 특성 측정 장치의 개념도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 매질의 특성 측정 장치는, 광원(1210), 구면파 변환부(1220), 렌즈(1240) 및 측정 장치(1250)를 포함할 수 있다. 광원(1210)의 빛의 파장은 미리 알려질 수 있다. 샘플은 구면파 변환부(1220) 및 렌즈(1240) 사이에 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 간섭 무늬는 매질의 특성, 예를 들어 매질의 두께 및 굴절률과 빛의 파장에 의하여 결정될 수 있다. 이에 따라, 매질의 특성 측정 장치는, 빛의 파장 및 간섭 무늬 분석 결과에 기초하여 매질의 특성을 결정할 수 있다.
도 13은 일 실시 예에 의한 파장 측정 장치의 개념도이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 파장 측정 장치는, 구면파 변환부(1320), 매질(1330), 렌즈(1340) 및 측정 장치(1350)를 포함할 수 있다. 광원(1310)의 매질(1330)의 두께와 같은 매질의 특성은 미리 알려질 수 있다.
상술한 바와 같이, 간섭 무늬는 매질의 특성, 예를 들어 매질의 두께 및 굴절률과 빛의 파장에 의하여 결정될 수 있다. 이에 따라, 파장 측정 장치는, 매질의 특성 및 간섭 무늬 분석 결과에 기초하여 빛의 파장을 결정할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시 예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시 예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical recording media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시 예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 대등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 외부로부터 입사되는 빛을 투과시키는 매질;
    상기 매질에 의한 간섭 무늬를 검출하는 검출 장치; 및
    상기 검출된 간섭 무늬 및 상기 매질의 특성에 기초하여, 상기 입사되는 빛의 파장을 측정하는 처리 장치
    를 포함하는 파장 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사되는 빛을 구면파 형태의 빛으로 변환하여 상기 매질로 전달하는 구면파 변환부
    를 더 포함하는 파장 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구면파 변환부는, 상기 입사되는 빛을 투과시키면서 투과면의 복수 개의 지점에서 구면파를 발생시키는 반투과 또는 난반사 매질을 포함하는 파장 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 구면파 변환부는, 상기 반투과 매질로부터 기설정된 거리에 배치되어 상기 입사되는 빛을 집광하여 상기 반투과 또는 난반사 매질로 전달하는 제 1 렌즈를 더 포함하는 파장 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 매질 및 상기 검출 장치 사이에 배치되는 제 2 렌즈
    를 더 포함하는 파장 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈는, 상기 매질을 투과한 빛 중 동일 각도로 전파하는 빛을 동일 위치에 중첩하는 위치에 배치되는 파장 측정 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 상기 제 2 렌즈의 초점거리 및 위치에 기초하여 적어도 하나의 가상 간섭 무늬를 결정하는 파장 측정 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 상기 제 2 렌즈의 수차에 의한 간섭 무늬 위치 변화에 대한 보정을 수행하는 파장 측정 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 매질의 특성은, 상기 매질의 두께 및 굴절률인 파장 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 적어도 하나의 임의의 파장 각각에 대응하는 적어도 하나의 가상 간섭 무늬를 결정하고, 상기 적어도 하나의 가상 간섭 무늬 중 상기 간섭 무늬와 유사도가 가장 높은 제 1 간섭 무늬에 대응하는 파장을 상기 입사되는 빛의 파장으로 결정하는 파장 측정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 제 1 수학식 및 제 2 수학식에 기초하여 상기 적어도 하나의 가상 간섭 무늬를 결정하며,
    상기 제 1 수학식은,
    Figure pat00005
    이며,
    상기 제 2 수학식은,
    Figure pat00006
    이며,
    상기 φ(θ)는 상기 매질에 θ의 각도로 입사하는 이웃하는 두 빛 사이의 위상차이며, 상기 λ는 상기 빛의 파장일 수 있다. 상기 d는 상기 매질의 두께이며, 상기 na는 외부 매질의 굴절률이며, nr은 상기 매질의 상기 외부 매질에 대한 상대 굴절률이며, 상기 I(θ)는 중첩에 의한 투과광의 세기이며, 상기 R는 상기 매질 한쪽 면의 반사율이며, C는 상수인 파장 측정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 상기 제 1 수학식 및 상기 제 2 수학식의 적용 결과에 기초하여, 매질의 두께와 파장 사이의 관계를 피팅(fitting)하는 파장 측정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 상기 피팅된 관계 및 상기 매질의 두께에 기초하여 상기 입사되는 빛의 파장을 결정하는 파장 측정 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 매질이 비등방성 매질인 경우, 상기 매질의 전방에 배치되는 편광자(polarizer)
    를 더 포함하는 파장 측정 장치.
  15. 매질의 특성을 측정하는 매질의 특성 측정 장치에 있어서,
    제 1 파장의 구면파 형태의 빛을 상기 매질을 투과하도록 출력하는 광원;
    상기 매질에 의한 간섭 무늬를 검출하는 검출 장치; 및
    상기 검출된 간섭 무늬 및 상기 제 1 파장에 기초하여, 상기 매질의 특성을 측정하는 처리 장치
    를 포함하는 매질의 특성 측정 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광원은, 비 구면파 형태의 빛을 구면파 형태의 빛으로 변환하여 상기 매질로 전달하는 구면파 변환부
    를 더 포함하는 매질의 특성 측정 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 매질 및 상기 검출 장치 사이에 배치되는 렌즈
    를 더 포함하는 매질의 특성 측정 장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 광원은, 상이한 파장을 가지는 복수 개의 빛을 상기 매질로 전달하는 매질의 특성 측정 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 상기 복수 개의 빛 각각에 대응하는 복수 개의 후보 매질의 특성을 결정하는 매질의 특성 측정 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 상기 복수 개의 빛 각각에 대응하는 복수 개의 후보 매질의 특성 중 일치하는 후보 매질의 특성을, 상기 매질의 특성으로 결정하는 매질의 특성 장치.
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