KR20160070686A - 측정 장치 - Google Patents

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KR20160070686A
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이일민
박경현
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치는, 입력 테라헤르쯔 연속파를 생성하는 테라헤르쯔 연속파 생성부, 상기 입력 테라헤르쯔 연속파를 샘플에 조사함으로 인해 생성되는 출력 테라헤르쯔 연속파를 검출하고, 상기 검출된 출력 테라헤르쯔 연속파를 출력 신호로 변환하는 신호 검출부 및 상기 출력 신호를 기반으로 상기 샘플의 물리적 특성을 측정하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 테라헤르쯔 연속파 생성부는 상기 테라헤르쯔 연속파 생성부의 온도, 상기 테라헤르쯔에 주입되는 외부 광의 세기 및 상기 테라헤르쯔 연속파 생성부에 공급되는 전압의 레벨 중 적어도 하나를 조절하는 것을 통해 상기 입력 테라헤르쯔 연속파의 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 변조한다.

Description

측정 장치{COMMUNICATION APPARATUS}
본 발명의 실시예는 측정 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 테라헤르쯔 연속파를 사용하여 두께, 거리, 속도 및 전기적 또는 광학적 물성을 측정하는 측정 장치에 관한 것이다.
전자기파 스펙트럼 대역에서 0.1 ~ 10THz (1THz: 10^12Hz) 영역을 테라헤르츠파로 정의하고 있다. 테라헤르츠파는 RF주파수 대역보다 고주파이기 때문에 동 주파수 대역을 활용하는 측정 방법과 비교하여 보다 정밀한 측정이 가능하고, 다른 주파수에 비해 플라스틱이나 고분자물질, 유류 등 가시광이나 통신용 광파가 투과하지 못하는 물질의 투과도가 더 좋다. 즉 다른 파장 대역이 갖지 못하는 고유한 응용 분야가 존재 할 수 있으며, 많은 분자들의 공진주파수가 테라헤르츠파에 해당하여, 분자지문을 통한 특정 물질의 검출, 추출이 가능하다.
최근까지 가장 널리 사용되고 있는 테라헤르츠 시스템은 펨토초급 초단 펄스레이저를 반도체에 조사시켜 테라헤르츠파를 발생시키는 THz-TDS(Time Domain Spectroscopy)이다. 펨토초급의 고출력 펄스레이저 및 PCA(Photonconductive antenna)로 구성되는 광대역 테라헤르츠 분광시스템은 높은 SNR, 광대역 특성 제공이 비교적 쉽게 구현 가능하여 가장 먼저 상용화 된 시스템이기도 하다. 하지만, THz-TDS시스템은 펨토초급 초단펄스레이저, 광 지연기를 포함한 정교하고 복잡한 광학계로 구성되어 시스템이 매우 고가이고, 시스템 크기가 크며, 시간영역 신호 측정 시 광지연 소요 시간과 측정된 시간 영역 신호의 FFT(Fast Fourier Transform) 신호 처리 시간에 따른 실시간 계측의 어려움이 있는 등, 산업적 활용 극대화를 위해 해결하여야 할 요소들로 인식되고 있다.
한편, 최근들어 연속파 방식에 따른 높은 주파수 분해능 제공이 가능하고, 두 대의 독립된 고출력 반도체 레이저를 활용하는 테라헤르츠 연속파를 이용하는 시스템에 대한 개발이 이루어지고 있다. 이 개발이 완료되는 경우 저가격, 광대역, 초소형 시스템 개발이 가능하다는 장점으로 인해 현장 적용형으로 많은 기술이 개발 될 것이라 기대된다.
그러나 최근까지 테라헤르츠 연속파를 이용한 비접촉식 계측 방법에 대하여서는 두께 측정, 굴절율 측정, 전도도 측정 등을 위한 관련 기술에 대한 연구가 미흡 하다.
본 발명은 테라헤르츠 연속파의 주파수 또는 위상의 변조를 이용하여 물질의 특성 또는 물질의 운동 성질에 대한 정보를 고속으로 측정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 테라헤르츠 연속파를 이용한 측정 시스템의 구성 및 그 구동 원리에 관한 것으로, 본 발명의 결과물을 적절히 이용시, 측정하고자 하는 대상의 두께, 반사율, 투과율, 굴절율, 흡수율, 전기전도도, 거리 및 이동 속도 등을 측정 할 수 있으며, 그 밖에 이들 중 하나 이상의 측정값으로부터 유도될 수 있는 다른 특성 값들을 추출 할 수 있다. 본 발명의 실시를 위해서는 테라헤르츠파 영역에서 동작하는 테라헤르츠파 발생 또는 변환 장치가 필요하여, 테라헤르츠파 또는 테라헤르츠파로 변조되기 이전의 전자기파에 대하여 그 주파수 또는 위상을 변조 할 수 있는 변조 장치 또는 방법, 그리고 변조된 테라헤르츠파가 물체와 투과, 반사, 산란 등을 거친 후 이를 전기적, 광학적, 또는 다른 에너지 형태로 검출하는 검출 장치와 이로부터 유효한 계측 값을 추출해 내는 전기적 또는 전산적 추출 방법 및 이를 위한 장치가 요구된다.
본 발명의 실시예에 따른 측정 장치는, 입력 테라헤르쯔 연속파를 생성하는 테라헤르쯔 연속파 생성부, 상기 입력 테라헤르쯔 연속파를 샘플에 조사함으로 인해 생성되는 출력 테라헤르쯔 연속파를 검출하고, 상기 검출된 출력 테라헤르쯔 연속파를 출력 신호로 변환하는 신호 검출부 및 상기 출력 신호를 기반으로 상기 샘플의 물리적 특성을 측정하는 신호 처리부를 포함할 수 있고, 상기 테라헤르쯔 연속파 생성부는 상기 테라헤르쯔 연속파 생성부의 온도, 상기 테라헤르쯔에 주입되는 외부 광의 세기 및 상기 테라헤르쯔 연속파 생성부에 공급되는 전압의 레벨 중 적어도 하나를 조절하는 것을 통해 상기 입력 테라헤르쯔 연속파의 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 변조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 통상적으로 FMCW (freqyency modulation continuous wave)라 불리는 방법과 본질적으로 유사하며, 실질적으로 본 발명은 THz 연속파에서 FMCW방법을 통한 측정의 구현으로 볼 수 있다.
본 발명은 THz대역에서 FMCW를 최초로 구체적으로 구현하는 것이며, 기존의 FMCW는 광에 대하여 photo diode를 사용하여 신호광과 기준광의 간섭 패턴을 측정 하는 것과 달리, 본 발명은 포토다이오드 대신 포토믹서를 이용하여, 수식적으로는 FMCW와 동일한 결과를 얻지만 구현 원리상 포토믹서에서 검출되는 신호는 물체와 상호작용을 한 THz 연속파와 물체와 상호작용을 하지 않은 광 또는 THz연속파 모두가 기준신호로 사용 될 수 있다는 점에서 광 신호의 직접적인 간섭을 측정하는 FMCW와 상이하다.
또한 본 발명은, 기존 THz 연속파를 이용하는 두께 측정 방법에 사용되던 기계적 구동이 필요한 delay line이 필요치 않으며, 좁은 파장 구간을 반복적으로 측정하기 때문에 노이즈의 영향을 줄일 수 있으며, 모듈레이션 방법에 따라, 실시간 측정이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명은 빠른 주파수 변조에 의하여 기준 신호와 측정 신호의 주파수가 서로 다름을 이용하는 방법으로, 단순한 주파수 스캔에 의한 두께 측정법과는 다른 방법이다.
또한 본 방법은 기계적인 광지연장치를 사용하는 다른 두께 측정 방법에 비해 기계적인 구동부가 없이도 두께를 측정 할 수 있으며, 단순하게 주파수를 스캔하는 방법과 달리, 주파수의 변조 폭과 주파수의 변조 속도의 곱에 해당하는 양으로 측정 주파수가 검출되기 때문에, 변조 속도, 변조폭의 선택에 따라 해상도를 조절 할 수 있다는 장점이 있다.
따라서 본 발명은 시스템의 동작 속도와 전체 크기, 무게를 줄일 필요가 있는 포터블한 THz 측정 시스템의 구현에 있어 매우 유용한 측정 방법이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치의 일 실시예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2 내지 도 5는 도 1의 측정 장치의 테라헤르쯔 연속파 생성부의 서로 다른 실시예들을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 1의 측정 장치의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 8은 도 1의 측정 장치가 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것일 수 있는 것으로서, 실제 제품의 부품 명칭과는 상이할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치의 일 실시예를 설명하기 위한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치의 일 실시예는 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100), 신호 검출부(200) 및 신호 처리부(300)를 포함한다.
변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)는 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)를 생성한다. 생성된 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)는 샘플(SP)에 조사된다. 샘플(SP)과의 상호 작용을 통해 생성된 출력 테라헤르쯔 연속파(THCW-o)를 신호 검출부(200)가 수신한다. 샘플(SP)을 투과하는 것 또는 샘플(SP)에 의해 반사되는 것에 의해 출력 테라헤르쯔 연속파(THCW-o)의 주파수는 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)의 주파수와 다를 수 있다. 실시예에 따라, 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)는 생성된 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)에 대응하는 광을 신호 검출부(200)에 송신할 수도 있다. 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)는 파장차에 의한 주파수차가 테라헤르쯔(THz) 파의 주파수 대역에 해당하도록 두 개 이상의 단일파장을 낼 수 있는 한 개 이상의 광원, 이로부터 광전변환에 의하여 테라헤르쯔(THz) 연속파를 발생시키기 위해 고속의 응답을 갖는 광-테라헤르쯔 연속파 변환부 및 두 개의 광원을 효과적으로 광전변환물질에 집속하기 위한 광결합부를 포함할 수 있다. 광-테라헤르쯔 연속파 변환부는 광전변환물질, 즉 반도체를 포함할 수 있고, 포토믹서 또는 포토 컨덕티브 안테나를 포함할 수 있다. 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)의 상세한 구성은 도 2 내지 도 5를 참조하여 이후에 상세히 설명될 것이다.
신호 검출부(200)는 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)가 샘플(SP)에 조사됨으로 인해 생성된 출력 테라헤르쯔 연속파(THCW-o)를 검출한다. 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)가 샘플(SP)을 투과하거나, 샘플(SP)에 의해 투과하는 경우, 샘플(SP)과 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)의 상호 작용에 의해 출력 테라헤르쯔 연속파(THCW-o)가 생성된다. 신호 검출부(200)는 출력 테라헤르쯔 연속파(THCW-o)를 출력 신호(SG-o)로 변환한다. 신호 검출부(200)는 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)로부터 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)에 대응하는 광을 더 수신할 수 있다. 이 경우, 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i) 및 출력 테라헤르쯔 연속파(THCW-o)의 상대적 비교에 의해 위상 천이의 정도가 연산될 수 있다.
신호 처리부(300)는 출력 신호(SG-o)를 기반으로 샘플의 물리적 특성을 측정한다. 신호 처리부(300)는 측정된 정보를 포함하는 물성 신호(MPS)를 외부 장치로 출력할 수도 있다. 또한, 신호 처리부(300)는 측정 결과를 기반으로 테라헤르쯔 연속파 생성부 제어 신호(MCS)를 생성하여 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)에 출력한다. 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)가 변조되는 방식은 테라헤르쯔 연속파 생성부 제어 신호(MCS)에 의해 결정된다.
도 2 내지 도 5는 도 1의 측정 장치의 테라헤르쯔 연속파 생성부의 서로 다른 실시예들을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)는 제1 광원(110-1), 제2 광원(110-2), 제1 변조기(120-1), 제2 변조기(120-2), 광결합기(130) 및 광-테라헤르쯔 연속파 변환부(140)를 포함한다.
제1 광원(110-1)은 제1 주파수 및 제1 위상을 가지는 제1 광(L1)을 생성하고, 제1 광(L1)은 제1 변조기(120-1)에 의해 변조된다. 제1 변조기(120-1)는 전류 레벨, 전압 레벨, 온도 및 외부 광의 주입 등을 기반으로 제1 광(L1)의 위상 또는 주파수를 변조시킬 수 있다.
제2 광원(110-2)은 제2 주파수 및 제2 위상을 가지는 제2 광(L2)을 생성하고, 제2 광(L2)은 제2 변조기(120-2)에 의해 변조된다. 제2 변조기(120-2)는 제1 변조기(120-1)와 유사한 기능을 수행할 수 있다. 또한, 제1 주파수는 제2 주파수와 다를 수 있고, 제1 위상은 제2 위상과 다를 수 있다.
여기서, 제1 광(L1) 및 제2 광(L2) 중 적어도 하나는 그 위상 또는 주파수가 변조될 수 있다. 또한, 제1 광(L1) 및 제2 광(L2) 중 적어도 하나의 빛의 전계는
Figure pat00001
와 같이 표현될 수 있다. 여기서
Figure pat00002
는 시간에 따른 위상을 나타내며, 이 때 순시 주파수는
Figure pat00003
과 같이 표현될 수 있다. 주파수 또는 위상이 변조된다는 것은 시간에 대해
Figure pat00004
또는
Figure pat00005
가 주기적 또는 비주기적으로 변화하는 것을 의미한다.
도 2에서는 제1 광원(110-1) 및 제2 광원(110-2)이 별도로 존재하는 것처럼 도시되었으나, 이는 실시예에 불과하다. 하나의 광원이 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)을 모두 생성할 수도 있다.
광결합기(130)는 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)을 결합하여 결합된 광(LC)을 생성한다.
광-테라헤르쯔 연속파 변환부(140)는 결합된 광(LC)을 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)로 변환한다.
도 3을 참조하면, 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)는 제1 광원(110-1’), 제2 광원(110-2’), 제1 변조기(120-1’), 제2 변조기(120-2’), 광결합기(130’) 및 광-테라헤르쯔 연속파 변환부(140’)를 포함한다.
제1 광원(110-1’)은 제1 주파수 및 제1 위상을 가지는 제1 광(L1’)을 생성한다.
제2 광원(110-2’)은 제2 주파수 및 제2 위상을 가지는 제2 광(L2’)을 생성한다.
제1 변조기(120-1’)는 제1 변조기(120-1)와 유사한 기능을 수행할 수 있다. 즉, 제1 변조기(120-1)는 전류 레벨, 전압 레벨, 온도 및 외부 광의 주입 등을 기반으로 제1 광(L1)의 위상 또는 주파수를 변조시켜 변조된 제1 광(L1-c)을 생성한다.
제2 변조기(120-2’)는 제1 변조기(120-1’)와 유사한 기능을 수행할 수 있다. 즉, 제2 변조기(120-2’)는 전류 레벨, 전압 레벨, 온도 및 외부 광의 주입 등을 기반으로 제2 광(L2)의 위상 또는 주파수를 변조시켜 변조된 제2 광(L2-c)을 생성한다.
광결합기(130’)는 변조된 제1 광(L1-c)과 변조된 제2 광(L2-c)을 결합하여 결합된 광(LC’)을 생성한다.
광-테라헤르쯔 연속파 변환부(140)는 결합된 광(LC’)을 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)로 변환한다.
도 4를 참조하면, 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)는 제1 광원(110-1’’), 제2 광원(110-2’’), 광결합기(130’’) 및 광-테라헤르쯔 연속파 변환부(140’’)를 포함한다.
제1 광원(110-1’’)은 제1 주파수 및 제1 위상을 가지는 제1 광(L1’’)을 생성한다.
제2 광원(110-2’’)은 제2 주파수 및 제2 위상을 가지는 제2 광(L2’’)을 생성한다.
광결합기(130’’)는 제1 변조기(120-1’’), 제2 변조기(120-2’’)를 포함하고, 제1 변조기(120-1’’)는 제1 광(L1’’)을 변조된 제1 광(L1-c’)으로 변조하며, 제2 변조기(120-2’’)는 제2 광(L2’’)을 변조된 제2 광(L2-c’)으로 변조한다. 변조된 제1 광(L1-c’) 및 변조된 제2 광(L2-c’)은 광결합기(130’’) 내에서 결합되고, 그로 인해 결합된 광(LC’’)이 생성된다.
광-테라헤르쯔 연속파 변환부(140’’)는 결합된 광(LC’’)을 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)로 변환한다.
도 5를 참조하면, 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)는 제1 광원(110-1’’’), 제2 광원(110-2’’’), 변조기(120), 광결합기(130’’’) 및 광-테라헤르쯔 연속파 변환부(140’’’)를 포함한다.
제1 광원(110-1’’’)은 제1 주파수 및 제1 위상을 가지는 제1 광(L1’’’)을 생성한다.
제2 광원(110-2’’’)은 제2 주파수 및 제2 위상을 가지는 제2 광(L2’’’)을 생성한다.
광결합기(130’’’)는 제1 광(L1’’’) 및 제2 광(L2’’’)을 결합하여 결합된 광(LC’’’)을 생성한다.
변조기(120)는 결합된 광(LC’’’)을 변조하여 변조 및 결합된 광(LC-m)을 생성한다.
광-테라헤르쯔 연속파 변환부(140’’’)는 변조 및 결합된 광(LC-m)을 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)로 변환한다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 설명된 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)는 입력된 광을 증폭하는 광증폭부를 더 포함할 수도 있다.
도 6은 도 1의 측정 장치의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1, 도 2 및 도 6을 참조하여 측정 장치의 세부 구성이 설명될 것이다.
변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)는 듀얼 모드 레이저 생성부(DML) 및 광 증폭기(SOA), 및 테라헤르쯔 연속파 송신부(Tx)를 포함한다. 듀얼 모드 레이저 생성부(DML)는 제1 광원(110-1), 제2 광원(110-2), 제1 변조기(120-1), 제2 변조기(120-2) 및 광결합기(130)에 대응하고, 테라헤르쯔 연속파 송신부(Tx)는 광-테라헤르쯔 연속파 변환부(140)에 대응할 수 있다.
듀얼 모드 레이저 생성부(DML)는 결합된 광(LC)을 생성하고, 결합된 광(LC)는 광 증폭기(SOA)에 의해 증폭된 뒤 제1 광 전달 수단(PC1) 및 제2 광 전달 수단(PC2)에 송신된다. 테라헤르쯔 연속파 송신부(Tx)는 결합된 광(LC)을 기반으로 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)를 생성하여 샘플(SP)에 조사한다.
신호 검출부(200)는 테라헤르쯔 연속파 수신부(Rx) 및 잡음제거부(LIA)를 포함한다. 테라헤르쯔 연속파 수신부(Rx)은 제2 광 전달 수단(PC2)을 통해 결합된 광(LC)을 수신한다. 테라헤르쯔 연속파 수신부(Rx)에서는 광전 변환 현상에 의해 노이즈가 포함된 출력 신호(SG-on)가 생성된다. 이 때, 노이즈가 포함된 출력 신호(SG-on)의 레벨은 제2 광 전달 수단(PC2)을 통해 수신된 결합된 광(LC)의 레벨 및 출력 테라헤르쯔 연속파(THCW-o)의 전압 레벨에 비례한다. 신호 검출부(200)는 노이즈가 포함된 출력 신호(SG-on)를 잡음제거부(LIA)로 송신한다. 노이즈가 포함된 출력 신호(SG-on)가 광전 변환 현상에 의해 생성되므로, 노이즈가 포함된 출력 신호(SG-on)는 전류 형태의 신호이다.
잡음제거부(LIA)는 테라헤르쯔 연속파 수신부(Rx)으로부터 노이즈가 포함된 출력 신호(SG-on)를 수신하고, 노이즈가 포함된 출력 신호(SG-on)의 노이즈를 제거하는 것을 통해 출력 신호(SG-o)를 생성하며, 출력 신호(SG-o)를 신호 처리부(300)로 송신한다.
신호 검출부(200)에 제2 광 전달 수단(PC2)에 대한 정보가 저장될 수 있다. 출력 테라헤르쯔 연속파(THCW-o) 및 제2 광 전달 수단(PC2)에 대한 정보를 기반으로, 샘플(SP)의 물성이 측정될 수 있다.
신호 처리부(300)는 출력 신호(SG-o)를 수신 및 분석하여 샘플(SP)의 물성(물리적, 전기적 및 광학적 물성 등)을 측정하고, 물성 신호(MPS)를 외부 장치(미도시)로 송신한다. 물성 신호(MPS)는 측정된 물성의 정보를 포함한다. 추가적으로, 신호 처리부(300)는 테라헤르쯔 연속파 생성부 제어 신호(MCS)를 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)에 송신하는 것을 통해 테라헤르쯔 연속파 생성부(100)의 변조 방식을 결정할 수 있다. 테라헤르쯔 연속파 생성부 제어 신호(MCS)의 송신 여부 및 논리 값 중 적어도 하나는 측정된 물성을 기반으로 결정될 수 있다.
도 7 내지 8은 도 1의 측정 장치가 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 이하에서 도 1 내지 도 8을 참조하여 측정하는 것이 설명될 것이다.
도 7은 맥놀이 주파수(beat frequency)를 추출하기 위한 방법 가운데 취할 수 있는 하나의 예를 나타내고 있다. 도 1의 측정장치에서 신호 처리부(300)는 간단한 전자기 회로적 방법 또는 프로그램적 방법으로 측정된 신호의 자기상관(autocorrelation)값을 구할 수 있다. 이렇게 얻어진 자기상관 값은 도 7과 같이 중앙 대칭적인 형태로 얻어지며, 얻어진 신호는 주파수의 자기상관값이므로, 자기상관주파수 (ACF: Auto-Correlated Frequency)로 나타내었다. 자기상관주파수값의 중앙의 최대 마루(peak)점 이후 첫 번째로 등장하는 마루점(1st order peak position)의 가로좌표축 상의 위치가 맥놀이 주파수에 해당하며, 샘플의 특성에 따라 변하게 된다. 이 때 가로 좌표축은 샘플의 특성에 따르는 위상지연값에 해당한다. 이와 같이 샘플의 물성 값에 의해 변화하는 마루점의 위치로부터 샘플의 물성값에 의한 변화량을 추출 할 수 있다.
예를 들어, 듀얼 모드 레이저 생성부(DML)가 제1 광(L1) 또는 제2 광(L2) 중 하나를 비대칭파형(예를 들어, 주기적인 톱니파형)을 가지는 광으로 변조하는 경우, 테라헤르쯔 연속파 송신부(Tx)로부터 방사되는 입력 테라헤르쯔 연속파(THCW-i)의 전계는 다음의 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00006
(ETx: 테라헤르츠연속파 송신부(Tx)의 전계값, E0는 전계값 크기의 상수값, p: 측정 신호가 샘플에 의한 지연의 결과, τ0: 제1 광 전달수단(PC1)을 통한 전계의 위상과 제2 광 전달 수단(PC2)을 통한 전계의 위상에 대해 시스템이 내재적으로 가지고 있는 시간지연, T: 주파수의 변조에 대한 시간적 주기, t': 측정 시간 t에 대해 주기성을 고려한 시간 변수, αp: 주파수의 변조 정도를 의미하는 상수, ω20: 변조되는 주파수의 상수항, s: 시스템 안정화를 위해 한 주기안에 포함되는 비변조 구간의 시간적 길이비율)
여기서 p는 -1, 0, 또는 1의 값을 가질 수 있고, 측정 신호가 샘플에 의한 지연의 결과로 기준신호의 다음(-1), 동일(0), 이전(1) 변조주기와 함께 측정 되는 경우를 나타낸다. 또한 정수 m에 대하여 t'=t-mT와 같이 표현 될 수 있다. αp는 변조함수의 모양에 따라 구간 연속적인 함수로 정의 될 수 있다.
이 경우, 테라헤르쯔 연속파 수신부(Rx)에 검출되는 전류의 세기는 다음의 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00007
(IRx: 테라헤르츠연속파 송신부(Tx)의 전류, I0는 전류 크기의 상수값)
변조 주기 내에서 시간에 따른 응답 주파수는 다음의 수학식과 같이 근사될 수 있다.
Figure pat00008
(Δωb: 응답 주파수, d: 샘플 두께, n: 샘플의 굴절율)
수학식 3으로부터, 신호 처리부(300)는 샘플(SP)의 두께, 굴절율 등을 측정할 수 있다.
도 8은 맥놀이 주파수의 변화를 도시하는 도면이다. 예를 들어, 도 8은 테플론 디스크의 두께에 따른 맥놀이 주파수(beat frequency)의 변화가 측정되는 것을 설명하는 도면이다.
샘플(SP)의 굴절율을 알고 있는 경우, 신호 처리부(300)는 출력 신호(SG-o)의 피크값(peak balue) 또는 출력 신호의 레벨이 0이 되는 포인트(zero-crossing point) 등 특이점 사이의 상대적 거리 및 개수로부터 측정하고자 하는 물체의 두께를 측정할 수 있다. 또한, 샘플(SP)의 두께를 알고 있는 시편의 경우, 신호 처리부(300)는 샘플(SP)의 굴절율을 측정할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대해서 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다.
여기서 본 발명의 본질적 기술 범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 변조된 테라헤르쯔 연속파 생성부
200: 신호 검출부
300: 신호 처리부

Claims (1)

  1. 입력 테라헤르쯔 연속파를 생성하는 테라헤르쯔 연속파 생성부;
    상기 입력 테라헤르쯔 연속파를 샘플에 조사함으로 인해 생성되는 출력 테라헤르쯔 연속파를 검출하고, 상기 검출된 출력 테라헤르쯔 연속파를 출력 신호로 변환하는 신호 검출부; 및
    상기 출력 신호를 기반으로 상기 샘플의 물리적 특성을 측정하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 테라헤르쯔 연속파 생성부는 상기 테라헤르쯔 연속파 생성부의 온도, 상기 테라헤르쯔에 주입되는 외부 광의 세기 및 상기 테라헤르쯔 연속파 생성부에 공급되는 전압의 레벨 중 적어도 하나를 조절하는 것을 통해 상기 입력 테라헤르쯔 연속파의 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 변조하는 측정 장치.
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