KR20170003086A - 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치 - Google Patents

테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에 관한 것으로, 상세하게는 파장이 고정된 레이저와 파장 훑음 레이저로부터 생성된 주파수가 고속으로 변하는 테라헤르츠 연속파를 시편에 조사하고 투과 또는 반사되는 테라헤르츠파를 측정함으로써, 시편의 두께를 측정할 수 있는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는 파장 고정 레이저, 파장 훑음 레이저, 커플러, 발생기, 검출기, 데이터획득부, 연산부, 구동부를 포함할 수 있다. 파장 고정 레이저와 파장 훑음 레이저는 커플러에 입력되어 혼합광을 형성한다. 형성된 혼합광은, 테라헤르츠파를 발생하는 발생기에 입력되고, 또한 발생기에서 방출되어 샘플을 투과 또는 반사한 테라헤르츠파가 입력되는 검출기에 입력되는데, 검출기에서는 혼합광에 의해서 여기되는 포토캐리어(photocarrier)가 테라헤르츠파의 전기장에 의해 바이어스되어 광전류를 생성한다. 데이터획득부는 상기 광전류를 디지털 데이터의 형태로 획득하여 연산부로 출력한다. 연산부는 상기 데이터획득부가 출력한 데이터를 주파수 영역 데이터로 변환하고 주파수 영역 데이터를 고속푸리에변환하여 시간 영역 데이터를 생성하고, 상기 시간 영역 데이터에 근거하여 상기 샘플의 두께를 연산한다.

Description

테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치 {APPARATUS FOR REAL-TIME NON-CONTACT NON-DESTRUCTIVE THICKNESS MEASUREMENT USING TERAHERTZ WAVE}
본 발명은 테라헤르츠파를 이용한 두께 측정장치에 관한 것으로, 상세하게는 파장이 고정된 레이저와 파장 훑음 레이저로부터 생성된 주파수가 고속으로 변하는 테라헤르츠 연속파를 시편에 조사하고 투과 또는 반사되는 테라헤르츠파를 측정함으로써, 시편의 두께를 측정할 수 있는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에 관한 것이다.
테라헤르츠파 대역(0.1THz ~ 10THz)은 비금속 및 비전도성 물질을 투과하는 특성을 가지고 있고, 수 meV 수준의 매우 낮은 에너지의 전자파로 인체에 거의 영향을 주지 않는다.
기존에 비금속 물질의 두께를 측정할 수 있는 비접촉 방법으로는 광학적 방법이 있으나 빛이 투과되지 않는 물질의 두께는 측정할 수 없다. 반면에, 테라헤르츠파는 비금속 물질을 투과할 수 있으므로, 빛이 투과되지 않는 비금속 물질의 두께를 측정하는 방법으로 테라헤르츠파를 이용하는 것이 가능하다.
또한, 매우 다양한 분자들의 공진주파수가 테라헤르츠파 대역에 분포하고 있으므로 이들 분자들을 비파괴, 미개봉, 비접촉 방법으로 실시간으로 식별함으로써 의료, 의학, 농업식품, 환경계측, 바이오, 첨단재료평가 등에서 지금까지 없었던 신개념의 분석기술을 제공하는 것이 가능할 것으로 예측되고 있다.
이에 따라 THz갭 영역이라고도 하는 0.1 ~ 10THz 주파수 대역에서 동작하는 파원을 개발하여 이용하고자 하는 연구들이 진행되고 있다.
파장이 고정된 레이저와 파장 훑음 레이저를 이용하여 주파수가 고속으로 변하는 테라헤르츠 연속파를 생성하는 방법을 개시한 선행문헌으로는 등록특허 제10-1453472호가 있다.
다만, 이러한 방법은 단순히 테라헤르츠파를 생성하는 기술만 제시할 뿐 생성된 테라헤르츠파를 이용하여 시편의 두께를 측정하는 기술은 제시하지 못하였다.
1. 등록특허 제10-1453472호 (2014.10.21 공고)
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 파장이 고정된 레이저와 파장 훑음 레이저로부터 생성된 주파수가 고속으로 변하는 테라헤르츠 연속파를 시편에 조사하고 투과 또는 반사되는 테라헤르츠파를 측정함으로써, 시편의 두께를 측정할 수 있는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시 예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는 고정된 제 1 파장(
Figure pat00001
)을 가지는 제 1 레이저광을 발진하는 파장 고정 레이저; 한 주기 동안 기설정된 최소파장에서 기설정된 최대파장으로 고속으로 가변하는 제 2 파장(
Figure pat00002
)을 가지는 제 2 레이저광을 발진하는 파장 훑음 레이저; 파장 훑음 반복률과 같은 주파수로 변조된 전압을 파장 훑음 레이저에 인가하여, 제 2 파장이 상기 최소파장에서 상기 최대파장으로 상기 한 주기 동안 가변하게 하는 구동부; 상기 제 1 레이저광과 상기 제 2 레이저광을 결합하여 혼합광을 형성하고,상기 혼합광을 제 1 혼합광과 제 2 혼합광으로 분기하는 커플러; 상기 커플러에서 분기된 상기 제 1 혼합광이 입력되어 제 1 파장(
Figure pat00003
)에 대응하는 주파수(
Figure pat00004
, c는 진공에서 광속)와 제 2 파장(
Figure pat00005
)에 대응하는 주파수(
Figure pat00006
)의 차이값에 해당하는 주파수(
Figure pat00007
)를 갖는 테라헤르츠파를 출력하는 발생기; 상기 발생기로부터 출력된 상기 테라헤르츠파가 조사되는 샘플; 상기 커플러에서 분기된 상기 제 2 혼합광과 샘플을 투과 또는 반사된 테라헤르츠파가 입력되어 광전류를 생성하는 검출기; 상기 광전류를 디지털 데이터로 변환하여 획득하고 출력하는 데이터획득부; 상기 출력된 디지털 데이터로부터 주파수 영역 데이터를 생성하고, 상기 주파수 영역 데이터를 고속푸리에변환하여 시간 영역의 데이터를 생성하고, 상기 시간 영역의 데이터에 근거하여 상기 샘플의 두께를 연산하는 연산부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 한 주기는 100 Hz 이상의 파장 훑음 반복률의 역수인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연산부는 상기 검출기에 상기 제 2 혼합광과 상기 샘플을 투과한 테라헤르츠파가 입력되는 경우에, 상기 샘플의 두께를 연산하는 식으로
Figure pat00008
을 이용할 수 있다. 이 경우, {
Figure pat00009
: 상기 샘플의 두께,
Figure pat00010
: 진공에서 빛의 속도,
Figure pat00011
: 상기 테라헤르츠파가 샘플 없이 진행할 때와 샘플을 한번 투과하여 진행할 때 걸린 시간 차이,
Figure pat00012
: 상기 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복으로 진행할 때 걸린 시간 } 이다.
또한, 상기 연산부는 상기 검출기에 상기 제 2 혼합광과 상기 샘플을 투과한 테라헤르츠파가 입력되는 경우에, 테라헤르츠파가 샘플 없이 측정된 시간 영역 데이터에서 테라헤르츠파가 샘플을 거치지 않고 진행할 때의 시간지연을 알아내고, 테라헤르츠파가 샘플을 투과하여 측정된 시간 영역 데이터에서 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연 및 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복 후에 투과하여 진행할 때의 시간지연을 알아내어,
Figure pat00013
은 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연에서 테라헤르츠파가 샘플을 거치지 않고 진행할 때의 시간지연을 뺀 값이 되고,
Figure pat00014
는 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복 후에 투과하여 진행할 때의 시간지연에서 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연을 뺀 값이 되는 것을 이용할 수 있다.
또한, 상기 연산부는 상기 검출기에 상기 제 2 혼합광과 상기 샘플에 반사된 테라헤르츠파가 입력되는 경우에, 상기 샘플의 두께를 연산하는 식으로
Figure pat00015
을 이용할 수 있다. 이 경우, {
Figure pat00016
: 상기 샘플의 두께,
Figure pat00017
: 상기 샘플의 그룹 굴절율,
Figure pat00018
: 진공에서 빛의 속도,
Figure pat00019
: 상기 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복으로 진행할 때 걸린 시간 } 이다.
또한, 상기 연산부는 상기 검출기에 상기 제 2 혼합광과 상기 샘플에 반사된 테라헤르츠파가 입력되는 경우에, 테라헤르츠파가 샘플에 반사되어 측정된 시간 영역 데이터에서 테라헤르츠파가 샘플의 표면에서 반사될 때의 시간지연 및 테라헤르츠파가 샘플을 투과하여 표면의 대향면에서 반사될 때의 시간지연을 알아내어,
Figure pat00020
는 테라헤르츠파가 샘플을 투과하여 표면의 대향면에서 반사될 때의 시간지연에서 테라헤르츠파가 샘플의 표면에서 반사될 때의 시간지연을 뺀 값이 되는 것을 이용할 수 있다.
또한, 상기 파장 고정 레이저가 발진하는 제1 레이저광의 제1 파장은 1545nm로 고정되고, 상기 파장 훑음 레이저가 발진하는 제2 레이저광의 제2 파장의 최소파장과 최대파장은 각각 1544nm과 1558nm이며, 그 최소파장에서 최대파장으로 가변하는 주기는 1ms일 수 있다.
또한, 상기 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는 상기 커플러와 상기 검출기 사이에 구비되어, 상기 커플러에서 분기된 상기 제 2 혼합광을 가변 시간지연시켜 상기 검출기에 입력하는 가변 시간지연 도구를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는 상기 커플러와 상기 발생기 사이에 구비되어, 상기 커플러에서 분기된 상기 제 1 혼합광을 가변 시간지연시켜 상기 발생기에 입력하는 가변 시간지연 도구를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는 상기 검출기와 상기 데이터획득부 사이에 구비되어, 상기 검출기에서 생성된 광전류를 증폭하여 상기 데이터획득부로 전달하는 증폭기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 데이터획득부는 상기 구동부에서 제공되는 파장 훑음 반복률과 동일한 주파수의 동기 신호에 의해 트리거되면서, 한 주기(파장 훑음 반복률의 역수) 동안 광전류를 디지털 데이터로 변환하여 획득할 수 있다.
또한, 상기 데이터획득부는 상기 한 주기 동안 디지털 데이터를 획득하는 것을 기설정된 회수만큼 반복하여 상기 연산부에 제공하고, 상기 연산부는 반복하여 획득된 디지털 데이터들을 평균하여 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다.
또한, 상기 파장 고정 레이저는 DFB-LD인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 파장 훑음 레이저 또는 상기 파장 고정 레이저는 제1 레이저광 또는 제2 레이저광의 광출력을 증폭하기 위해 출력단에 광섬유증폭기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는 상기 발생기로부터 상기 검출기에 이르는 테라헤르츠파의 경로 상에 비축포물면경 또는 렌즈를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는 상기 발생기로부터 상기 검출기에 이르는 테라헤르츠파의 경로 상에 빔스플리터를 더 포함할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 파장이 고정된 레이저와 파장 훑음 레이저로부터 생성된 주파수가 고속으로 변하는 테라헤르츠 연속파를 시편에 조사하고 투과 또는 반사되는 테라헤르츠파를 측정함으로써, 시편의 두께를 측정할 수 있는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 비금속 물질의 두께를 투과형 또는 반사형으로 측정할 수 있는데, 바람직하게는 철제 등 금속 기판 위의 페인트 도막(塗膜) 두께 측정에 유용할 것으로 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에서 반복적으로 측정하여 신호대잡음비가 향상된 결과를 도시한 그래프이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 여러 시간지연에 대해서 측정된 주파수 영역 데이터를 도시한 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 여러 시간지연에 대해서 측정된 주파수 영역 데이터를 고속푸리에변환하여 생성된 시간 영역 데이터를 도시한 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 측정된 시간 영역 데이터이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 샘플의 두께를 연산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치의 블록도이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 샘플의 두께를 연산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
두께를 측정하기 위해 테라헤르츠 펄스파를 이용하는 경우에 펨토초레이저를 사용하므로 가격이 비싸다. 두께를 측정하기 위해 테라헤르츠 연속파를 이용할 수 있다면 가격이 낮아지는 장점이 있지만, 테라헤르츠 연속파의 주파수를 가변하면서 데이터를 측정해야 하므로 측정시간이 오래 걸리는 단점이 있을 수 있다. 이 단점을 극복하고자 테라헤르츠 연속파를 발생하기 위해 사용하는 2개의 레이저 중에 한 레이저로 파장 훑음 레이저를 사용한다. 즉, 테라헤르츠 연속파의 주파수를 고속으로 가변하면서 주파수 영역 데이터를 고속으로 측정함으로써, 신호처리와 연산을 통해 실시간으로 비접촉 비파괴적으로 두께를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치의 블록도이다. 도 1에 따르면, 본발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는 파장 고정 레이저(100), 파장 훑음 레이저(200), 커플러(300), 발생기(400), 샘플(500), 비축포물면경(510), 검출기(600), 가변 시간지연 도구(610), 증폭기(620), 데이터획득부(700), 연산부(800), 구동부(900)을 포함할 수 있다.
파장 고정 레이저(100)는 고정된 제 1 파장을 가지는 제 1 레이저광을 발진한다. 파장 고정 레이저는 DFB-LD(distributed feedback laser diode)일 수 있다. 제 2 파장의 가변구간의 한계치(최소값 또는 최대값)에 가깝게 제 1 파장이 고정 되어 있는 것이 넓은 주파수 대역의 테라헤르츠 연속파를 얻기 위해서 바람직하다. 구체적으로는 제 2 파장의 가변구간이 1544nm~1558nm일 때, 제 1 파장은 1545nm일 수 있다.
파장 훑음 레이저(200)는 고속으로 가변하는 제 2 파장을 가지는 제 2 레이저광을 발진한다.
구동부(900)는 파장 훑음 반복률과 같은 주파수로 변조된 전압을 파장 훑음 레이저에 인가함으로써, 제 2 파장이 기설정된 최소파장에서 기설정된 최대파장으로 파장 훑음 반복률의 역수를 주기로 가변하게 할 수 있다. 상기 파장 훑음 레이저 및 상기 파장 고정 레이저의 광출력이 작을 경우, 광출력을 증폭하기 위해 각각의 출력단에 광섬유증폭기가 구비되는 것이 바람직하다.
커플러(300)는 제 1 레이저광과 제 2 레이저광을 결합하여 혼합광을 형성하고, 상기 혼합광을 제 1 혼합광과 제 2 혼합광으로 분기할 수 있다.
발생기(400)는 커플러에서 분기된 상기 제 1 혼합광을 테라헤르츠파로 변환할 수 있다. 발생기(400)가 포토믹서인 경우, 상기 발생기(400)는 광전도체 및 안테나를 포함할 수 있다. 상기 광전도체는 혼합광을 광전류로 변환하며, 상기 광전류는 상기 안테나를 통하여 테라헤르츠파로 방출될 수 있다. 발생기(400)는 맥놀이 현상을 이용하여 제 1 파장(
Figure pat00021
)에 대응하는 주파수(
Figure pat00022
, c는 진공에서 광속)와 제 2 파장(
Figure pat00023
)에 대응하는 주파수(
Figure pat00024
)의 차이값에 해당하는 주파수(
Figure pat00025
)를 갖는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다. 따라서, 고정된 제 1 파장과 고속으로 가변되는 제 2 파장에 의하여 생성되는 테라헤르츠파의 주파수는 고속으로 가변될 수 있다. 테라헤르츠파의 주파수 스윕 반복률은 상기 파장 훑음 레이저(320)의 파장 스윕 반복률(sweep rate)과 같고, 파장 스윕 반복률의 역수인 파장 스윕 주기에 의존할 수 있다. 상기 스윕 반복률은 수백Hz~수kHz인 것이 바람직하다. 제 2 파장의 스윕 주기가 1ms이면 스윕 반복률은 1kHz 일 수 있다.
샘플(500)은 두께 측정이 되는 대상으로 바람직하게는 비금속 및 비전도성 물질일 수 있다.
비축포물면경(510)은 발생기에서 생성된 테라헤르츠파의 방향을 변경하고, 콜리매이션(collimation) 및 집광(focusing)을 통해서 검출기에 도달시킬 수 있다. 테라헤르츠파의 광경로를 변경하지 않아도 될 경우에는 도 5와 같이 렌즈(511)가 비축포물면경(510) 대신 이용될 수 있다.
검출기(600)에는 커플러에서 분기된 제 2 혼합광과 샘플을 투과한 테라헤르츠파가 입력되고, 검출기(600)에서 제 2 혼합광에 의해서 여기되는 포토캐리어(photocarrier)가 테라헤르츠파의 전기장에 의해 바이어스 되어 광전류를 생성할 수 있다. 커플러로부터 검출기에 이르는 두 광경로 길이의 차이 때문에 시간지연이 과도하게 커지는 경우에는 검출기에서 테라헤르츠파와 제 2 혼합광 사이의 가간섭성이 저하될 수 있다. 따라서, 제 1 혼합광 또는 제 2 혼합광을 시간지연 시킬 수 있는 가변 시간지연 도구(610)를 사용하여 시간지연을 적절히 조절함으로써, 검출기(600)에서 테라헤르츠파와 제 2 혼합광 사이의 가간섭성을 유지할 수 있어야 한다.
여기서, 검출기(600)로부터 출력되는 광전류를 증폭하여 데이터획득부(700)로 전달하는 증폭기(620)를 포함할 수 있다.
데이터획득부(700)는 구동부(900)에서 제공되는 파장 훑음 반복률과 동일한 주파수의 동기 신호에 의해 트리거되면서, 한 주기(파장 훑음 반복률의 역수) 동안 광전류를 디지털 데이터로 변환하여 획득한다. 데이터획득부(700)는 획득한 데이터를 연산부(800)에게 제공한다. 또한, 상기 데이터획득부(700)는 한 주기 동안 디지털 데이터를 획득하는 것을 기설정된 회수만큼 반복해서 연산부(800)에 제공할 수 있고, 상기 연산부(800)는 신호 대 잡음비를 개선하기 위해서 제공된 디지털 데이터를 평균한 값을 시료의 두께를 연산하는데 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에서 반복적으로 측정하여 신호대잡음비가 향상된 결과를 도시한 그래프이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에서 데이터획득부(700)가 반복해서 획득한 데이터들을 연산부(800)가 평균하였을 때 신호대잡음비(signal to noise ratio)가 향상된 결과이다. 도 2를 참조하면, 데이터획득부(700)에서 디지털 데이터들을 반복하여 획득하는 회수(number of averaged traces)가 증가할 때, 이를 평균한 값의 신호 대 잡음비가 향상된 것을 알 수 있다. 다만, 반복한 회수가 증가하는 것에 비례하여 측정시간(measurement time)도 증가할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 연산부(800)는 데이터획득부(700)가 획득한 디지털 데이터를 주파수 영역 데이터로 변환할 수 있다. 이를 위해 파장 훑음 레이저(200)의 제 2 파장에 대해서 한 주기 동안 시간에 따른 변화를 미리 측정해야 한다. 파브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계 또는 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계를 사용하여 파장 훑음 레이저의 제2파장에 대해서 한 주기 동안 시간에 따른 변화(
Figure pat00026
)를 측정할 수 있다. 이렇게 미리 측정한 제2파장의 한 주기 동안 시간에 따른 변화를 이용하여 테라헤르츠파의 주파수의 한 주기 동안 시간에 따른 변화(
Figure pat00027
)를 알아낼 수 있다. 연산부(800)는 테라헤르츠파 주파수의 한 주기 동안 시간에 따른 변화를 이용하여 상기 디지털 데이터(
Figure pat00028
)를 주파수 영역 데이터 (
Figure pat00029
)로 변환할 수 있다. 또한, 연산부는 주파수 영역 데이터를 고속푸리에변환하여 시간 영역 데이터(
Figure pat00030
)를 생성하고, 시간 영역 데이터에 근거하여 상기 샘플의 두께를 연산할 수 있다.
이하에서 시간 영역 데이터를 이용하여 두께를 연산하는 원리에 대해서 기술하도록 한다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 여러 시간지연에 대해서 측정된 주파수 영역 데이터를 도시한 그래프이며, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 여러 시간지연에 대해서 측정된 시간 영역 데이터를 도시한 그래프이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에서 가변 시간지연 도구(610)에서 설정된 10ps, 20ps, 40ps, 80ps의 시간지연에 따라 생성된 테라헤르츠파가 샘플을 통과하지 않고 검출기(600)에 도착하였을 때, 데이터획득부(700)가 획득한 디지털 데이터를 연산부(800)가 변환하여 생성한 주파수 영역 데이터를 도시한 그래프(도3a)와 상기 주파수 영역 데이터를 고속푸리에변환하여 생성한 시간 영역 데이터를 도시한 그래프(도3b)이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 두께 측정장치에서 측정된 주파수 영역 데이터를 도시한 도 3a와는 다르게 주파수 영역 데이터를 고속푸리에변환하여 생성된 시간 영역 데이터를 도시한 도 3b에서는 지연된 시간의 위치에 최고치가 발생하여 쉽게 지연 시간 정보가 추출될 수 있음을 알 수 있다. 상기 지연 시간은 커플러로부터 검출기에 이르는 두 광경로의 길이 차이 때문에 발생하는 것이다. 상기의 시간지연은 발생기(400)와 검출기(600) 사이에 샘플이 있을 경우에는, 샘플의 두께에 의해서 결정될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 측정된 시간 영역 데이터이며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 샘플의 두께를 연산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에서 발생기(400)와 검출기(600) 사이에 샘플(500)이 없을 때 연산부(800)에서 생성한 시간 영역 데이터는 빨간색의 그래프이다. 이러한 상황을 도 4b에서 참조하면, 샘플을 거치지 않고 진행하는 테라헤르츠파(711)가 검출기(600)에 도착한 상황일 수 있다. 다시 도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에서 발생기(400)와 검출기(600) 사이에 샘플(500)이 배치되었을 때 연산부(800)에서 생성한 시간영역 데이터는 파란색의 그래프이다. 이러한 상황은 도 4b에서 샘플을 한번 투과하여 진행하는 테라헤르츠파(721)와 샘플 내에서 한번 왕복 후에 투과하여 진행하는 테라헤르츠파(731)가 시간 차를 두고 검출기(600)에 도착한 상황을 포함한 것일 수 있다. 도 4a를 참조하면, 시간 영역의 데이터를 그래프로 도시한 것으로부터 테라헤르츠파가 샘플 없이 진행할 때의 시간지연(710), 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연(720) 및 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복한 후에 투과하여 진행할 때의 시간지연(730)에 대한 정보를 얻을 수 있다. 즉, 시간 영역의 데이터의 진폭을 y축으로 하고 시간을 x축으로 하여 그래프를 그렸을 때, 진폭이 극대값을 가지는 점의 x좌표로부터 각각의 시간지연(710, 720, 730)들을 구할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 측정된 시간 영역 데이터로부터 샘플의 두께를 연산하는 방법은 테라헤르츠파가 샘플을 거치지 않고 진행할 때의 시간지연(710), 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연(720) 및 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복 후에 투과하여 진행할 때의 시간지연(730)을 시간 영역 데이터로부터 구하는 단계와, 상기 시간지연(710,720,730)들로부터 샘플의 두께를 구하는 단계로 나누어 진다.
먼저, 시간 영역 데이터로부터 시간지연들을 알아내는 단계에 대해서 설명한다. 먼저, 샘플(500)을 발생기(400)와 검출기(600) 사이에 배치하지 않고 시간 영역 데이터를 얻고 나서, 극대값들을 조사하여 최고치가 가장 큰 극대값을 찾아내고, 테라헤르츠파가 샘플을 거치지 않고 진행할 때의 시간지연(710)을 결정한다. 그리고, 발생기(400)와 검출기(600) 사이에 샘플(500)을 배치하고, 시간 영역 데이터를 얻고 나서, 극대값들을 조사하여 극대값들 중에 최고치가 가장 큰 극대값을 찾아내고 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연(720)을 결정하고, 극대값들 중에 최고치가 두번째로 큰 극대값을 찾아내고 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복 후에 투과하여 진행할 때의 시간지연(730)을 결정한다.
다음으로, 알아낸 상기 지연 시간들로부터 샘플의 두께를 구하는 단계에 대해서 설명한다.
Figure pat00031
를 테라헤르츠파가 샘플 없이 진행할 때와 샘플을 한번 투과하여 진행할 때 걸린 시간 차이,
Figure pat00032
를 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복으로 진행할 때 걸린 시간이라고 한다면,
Figure pat00033
은 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연(720)에서 테라헤르츠파가 샘플을 거치지 않고 진행할 때의 시간지연(710)을 뺀 값이 되고,
Figure pat00034
는 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복 후에 투과하여 진행할 때의 시간지연(730)에서 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연(720)을 뺀 값이 된다.
도 4b를 참조하면,
Figure pat00035
과
Figure pat00036
는 각각 수학식1과 수학식2와 같이 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
Figure pat00037
Figure pat00038
수학식 1과 수학식 2에서
Figure pat00039
는 샘플의 두께,
Figure pat00040
는 진공에서 빛의 속도,
Figure pat00041
는 샘플의 그룹 굴절율(group refractive index)이다. 수학식 1과 수학식 2를 샘플의 두께
Figure pat00042
에 대해서 정리하면 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00043
따라서, 수학식 3과 알아낸
Figure pat00044
과
Figure pat00045
를 이용하여 샘플의 두께를 구할 수 있다.
이상의 설명을 통해서 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 테라헤르츠파를 샘플에 투과하는 방식으로 두께를 측정할 수 있음을 알 수 있다.
다음으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 테라헤르츠파를 샘플에 반사시켜 두께를 측정하는 장치에 대해서 설명한다.
도 5a를 설명함에 있어서, 도 1과 동일한 구성요소는 그 구성과 동작 원리가 동일하므로 설명을 생략한다. 도 5(a)를 참조하면, 발생기(400)에서 방출되는 테라헤르츠파가 빔스플리터(520)를 투과하여 샘플(500)에 반사되고 다시 빔스플리터(520)에서 반사되어 검출기(600)에 입력될 수 있다.
이때, 빔스필리터(520)와 검출기(600) 사이에 렌즈(511)가 추가될 수 있는데, 이것은 비축포물면경(510)처럼 테라헤르츠파를 검출기(600)에 집광하는 기능을 수행할 수 있다.
도 5a의 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에서도 전술한 바와 동일한 방법으로 시간 영역 데이터를 연산부(800)에서 생성할 수 있다. 다만 차이점은 검출기에 입력되는 테라헤르츠파에 도 5b에 나타난 바와 같이 샘플의 표면에서 반사되는 테라헤르츠파와 샘플을 투과하여 표면의 대향면에서 반사되는 테라헤르츠파를 포함할 수 있다는 점이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치를 이용하여 측정된 시간 영역 데이터로부터 샘플의 두께를 연산하는 방법은 테라헤르츠파가 샘플의 표면에서 반사될 때(741)의 시간지연과 테라헤르츠파가 샘플을 투과하여 표면의 대향면에서 반사될 때(751)의 시간지연을 상기 생성된 시간 영역 데이터로부터 구하는 단계와, 상기 시간지연들로부터 샘플의 두께를 구하는 단계로 나누어 진다.
먼저, 시간 영역 데이터로부터 시간지연들을 알아내는 단계에 대해서 설명한다. 도 5와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치의 연산부(800)가 생성한 시간 영역 데이터를 얻는다. 얻어진 상기 시간 영역 데이터의 극대값을 조사하여, 최고치가 가장 큰 극대값이 발생하는 값을 찾아내고 테라헤르츠파가 샘플의 표면에서 반사될 때(741)의 시간지연을 결정하고, 극대값들 중에 최고치가 두번째로 큰 극대값이 발생하는 값을 찾아내고 테라헤르츠파가 샘플 내에 투과된 후 표면의 대향면에서 반사될 때(751)의 시간지연을 결정한다.
다음으로, 알아낸 상기 시간지연들로부터 샘플의 두께를 구하는 단계에 대해서 설명한다.
Figure pat00046
를 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복으로 진행할 때 걸린 시간이라고 한다면,
Figure pat00047
는 테라헤르츠파가 샘플 내에 투과된 후 표면의 대향면에서 반사될 때의 시간지연에서 테라헤르츠파가 샘플의 표면에서 반사될 때의 시간지연을 뺀 값이 된다.
Figure pat00048
는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있으므로, 샘플의 두께는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00049
따라서, 수학식 4에서와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치에서 알아낸
Figure pat00050
를 이용하여 미리 그룹 굴절율 (group refractive index)을 알고 있는 샘플이라면 두께를 구할 수 있다.
이상의 설명을 통해서 반사형 두께 측정장치를 이용하여 샘플의 두께를 측정할 수 있음을 알 수 있다.
이상은 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명이나, 본 발명의 청구범위는 본 명세서에 도시되고 설명된 특정 실시 예에만 한정되지 아니하고, 첨부된 특허 청구의 범위에 기재된 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의하여 실시될 수 있는 다양한 변형실시들 까지도 본 청구의 기재에서 고려하고 있는 범위 내에 속한다 할 것이다.
100 : 파장 고정 레이저
200 : 파장 훑음 레이저
300 : 커플러
400 : 발생기
500 : 샘플
510 : 비축포물면경
511 : 렌즈
520 : 빔스플리터
600 : 검출기
610 : 가변 시간지연 도구
620 : 증폭기
700 : 데이터획득부
710 : 테라헤르츠파가 샘플을 거치지 않고 진행할 때의 시간지연
711 : 샘플을 거치지 않고 진행하는 테라헤르츠파
720 : 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연
721 : 샘플을 한번 투과하여 진행하는 테라헤르츠파
730 : 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복 후에 투과하여 진행할 때의 시간지연
731 : 샘플 내에서 한번 왕복 후에 투과하여 진행하는 테라헤르츠파
741: 샘플의 표면에서 반사된 테라헤르츠파
751: 샘플을 투과하여 표면의 대향면에서 반사된 테라헤르츠파
800 : 연산부
900 : 구동부

Claims (16)

  1. 고정된 제 1 파장(
    Figure pat00051
    )을 가지는 제 1 레이저광을 발진하는 파장 고정 레이저;
    한 주기 동안 기설정된 최소파장에서 기설정된 최대파장으로 고속으로 가변하는 제 2 파장(
    Figure pat00052
    )을 가지는 제 2 레이저광을 발진하는 파장 훑음 레이저;
    파장 훑음 반복률과 같은 주파수로 변조된 전압을 파장 훑음 레이저에 인가하여, 제 2 파장이 상기 최소파장에서 상기 최대파장으로 상기 한 주기 동안 가변하게 하는 구동부;
    상기 제 1 레이저광과 상기 제 2 레이저광을 결합하여 혼합광을 형성하고,상기 혼합광을 제 1 혼합광과 제 2 혼합광으로 분기하는 커플러;
    상기 커플러에서 분기된 상기 제 1 혼합광이 입력되어 제 1 파장(
    Figure pat00053
    )에 대응하는 주파수(
    Figure pat00054
    , c는 진공에서 광속)와 제 2 파장(
    Figure pat00055
    )에 대응하는 주파수(
    Figure pat00056
    )의 차이값에 해당하는 주파수(
    Figure pat00057
    )를 갖는 테라헤르츠파를 출력하는 발생기;
    상기 발생기로부터 출력된 상기 테라헤르츠파가 조사되는 샘플;
    상기 커플러에서 분기된 상기 제 2 혼합광과 샘플을 투과 또는 반사된 테라헤르츠파가 입력되어 광전류를 생성하는 검출기;
    상기 광전류를 디지털 데이터로 변환하여 획득하고 출력하는 데이터획득부; 및
    상기 출력된 디지털 데이터로부터 주파수 영역 데이터를 생성하고, 상기 주파수 영역 데이터를 고속푸리에변환하여 시간 영역의 데이터를 생성하고, 상기 시간 영역의 데이터에 근거하여 상기 샘플의 두께를 연산하는 연산부;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 주기는
    100 Hz 이상의 파장 훑음 반복률의 역수인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 연산부는
    상기 검출기에 상기 제 2 혼합광과 상기 샘플을 투과한 테라헤르츠파가 입력되는 경우에,
    상기 샘플의 두께를 연산하는 식으로
    Figure pat00058
    을 이용하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
    {
    Figure pat00059
    : 상기 샘플의 두께,
    Figure pat00060
    : 진공에서 빛의 속도,
    Figure pat00061
    : 상기 테라헤르츠파가 샘플 없이 진행할 때와 샘플을 한번 투과하여 진행할 때 걸린 시간 차이,
    Figure pat00062
    : 상기 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복으로 진행할 때 걸린 시간
    }
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 연산부는
    상기 검출기에 상기 제 2 혼합광과 상기 샘플을 투과한 테라헤르츠파가 입력되는 경우에,
    테라헤르츠파가 샘플 없이 측정된 시간 영역 데이터에서 테라헤르츠파가 샘플을 거치지 않고 진행할 때의 시간지연을 알아내고, 테라헤르츠파가 샘플을 투과하여 측정된 시간 영역 데이터에서 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연 및 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복 후에 투과하여 진행할 때의 시간지연을 알아내어,
    Figure pat00063
    은 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연에서 테라헤르츠파가 샘플을 거치지 않고 진행할 때의 시간지연을 뺀 값이 되고,
    Figure pat00064
    는 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복 후에 투과하여 진행할 때의 시간지연에서 테라헤르츠파가 샘플을 한번 투과하여 진행할 때의 시간지연을 뺀 값이 되는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 연산부는
    상기 검출기에 상기 제 2 혼합광과 상기 샘플에 반사된 테라헤르츠파가 입력되는 경우에,
    상기 샘플의 두께를 연산하는 식으로
    Figure pat00065
    을 이용하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
    {
    Figure pat00066
    : 상기 샘플의 두께,
    Figure pat00067
    : 상기 샘플의 그룹 굴절율,
    Figure pat00068
    : 진공에서 빛의 속도,
    Figure pat00069
    : 상기 테라헤르츠파가 샘플 내에서 한번 왕복으로 진행할 때 걸린 시간
    }
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 연산부는
    상기 검출기에 상기 제 2 혼합광과 상기 샘플에 반사된 테라헤르츠파가 입력되는 경우에,
    테라헤르츠파가 샘플에 반사되어 측정된 시간 영역 데이터에서 테라헤르츠파가 샘플의 표면에서 반사될 때의 시간지연 및 테라헤르츠파가 샘플을 투과하여 표면의 대향면에서 반사될 때의 시간지연을 알아내어,
    Figure pat00070
    는 테라헤르츠파가 샘플을 투과하여 표면의 대향면에서 반사될 때의 시간지연에서 테라헤르츠파가 샘플의 표면에서 반사될 때의 시간지연을 뺀 값이 되는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 파장 고정 레이저가 발진하는 제1 레이저광의 제1 파장은 1545nm로 고정되고, 상기 파장 훑음 레이저가 발진하는 제2 레이저광의 제2 파장의 최소파장과 최대파장은 각각 1544nm과 1558nm이며, 그 최소파장에서 최대파장으로 가변하는 주기는 1ms인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는
    상기 커플러와 상기 검출기 사이에 구비되어, 상기 커플러에서 분기된 상기 제 2 혼합광을 가변 시간지연시켜 상기 검출기에 입력하는 가변 시간지연 도구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는
    상기 커플러와 상기 발생기 사이에 구비되어,
    상기 커플러에서 분기된 상기 제 1 혼합광을 가변 시간지연시켜 상기 발생기에 입력하는 가변 시간지연 도구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는
    상기 검출기와 상기 데이터획득부 사이에 구비되어,
    상기 검출기에서 생성된 광전류를 증폭하여 상기 데이터획득부로 전달하는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 데이터획득부는
    상기 구동부에서 제공되는 파장 훑음 반복률과 동일한 주파수의 동기 신호에 의해 트리거되면서, 한 주기(파장 훑음 반복률의 역수) 동안 광전류를 디지털 데이터로 변환하여 획득하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 데이터획득부는
    상기 한 주기 동안 디지털 데이터를 획득하는 것을 기설정된 회수만큼 반복하여 상기 연산부에 제공하고, 상기 연산부는 반복하여 획득된 디지털 데이터들을 평균하여 신호 대 잡음비를 개선하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 파장 고정 레이저는
    DFB-LD인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 파장 훑음 레이저 또는 상기 파장 고정 레이저는
    제1 레이저광 또는 제2 레이저광의 광출력을 증폭하기 위해 출력단에 광섬유증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는
    상기 발생기로부터 상기 검출기에 이르는 테라헤르츠파의 경로 상에 비축포물면경 또는 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치는
    상기 발생기로부터 상기 검출기에 이르는 테라헤르츠파의 경로 상에 빔스플리터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치.
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