KR20170037581A - 굴절률 분포 측정 시스템 및 이를 이용한 굴절률 분포 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광을 방출하는 광원, 상기 광원으로부터 방출되는 광의 경로 상에 배치되며, 측정 대상체를 지지하는 지지 부재, 상기 지지 부재를 투과한 광의 경로 상에 배치되어 전면 및 후면에서 각각 상기 광을 반사하며, 소정의 두께를 갖는 광학 부재, 상기 광학 부재의 전면 및 후면에서 반사된 후 일부가 중첩되어 간섭 패턴을 형성하는 2개의 광을 수광하는 수광부, 및 상기 수광부에 의해 획득된 간섭 패턴으로부터 상기 측정 대상체의 굴절률 분포를 도출하는 신호 처리부를 포함하며, 상기 광학 부재의 전면에서 반사된 광은 상기 측정 대상체를 투과한 물체 영역을 포함하고, 상기 광학 부재의 후면에서 반사된 광은 상기 측정 대상체를 투과하지 않은 참조 영역을 포함하며, 상기 간섭 패턴은 상기 물체 영역과 상기 참조 영역의 중첩에 의해 형성되는, 굴절률 분포 측정 시스템을 제공한다.

Description

굴절률 분포 측정 시스템 및 이를 이용한 굴절률 분포 측정 방법{System and methode for measuring refractive index distribution}
본 발명은 굴절률 분포 오차 측정 시스템 및 이를 이용한 굴절률 분포 오차 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변형된 전단 간섭계를 이용하여 측정 대상물의 굴절률 분포를 정밀하게 측정할 수 있는 굴절률 분포 측정 시스템 및 이를 이용한 굴절률 분포 측정 방법에 관한 것이다.
IT 기기의 소형화 및 고집적화에 대한 요구가 증가함에 따라 IT 기기에 포함된 광학 렌즈 등의 광학 소자들의 크기 또한 마이크로 단위 이하로 작아지고 있으며, 이러한 광학 소자들의 굴절률 분포에 오차가 발생하는 경우 이를 포함하는 제품의 성능이 저하될 수 있다. 이에, 광학 소자들의 굴절률 분포 및 이를 설계된 굴절률 분포와 비교하여 굴절률 분포 오차를 정밀하게 측정할 수 있는 기술에 대한 요구가 증가하고 있다.
한편, 디지털 홀로그래피 마이크로스코피(digital holography microscopy)는 가간섭성이 높은 광원의 간섭에 의해 형성된 홀로그램 위상 정보를 이용하여, 측정 대상물의 두께 정보 등을 정량적으로 측정할 수 있는 기술이다.
일반적으로, 디지털 홀로그래피 마이크로스코피는 광학 간섭계를 이용하여 홀로그램 패턴을 형성한다. 광학 간섭계 중 디지털 홀로그래피 마이크로스코피에 많이 이용되고 있는 마이켈슨(Michelson) 간섭계 및 마하-젠더(Mach-Zender) 간섭계이며, 이들 간섭계는 광원으로부터 방출된 광을 광분리기를 이용하여 물체 광원과 참조 광원으로 분리하고 두 광원을 중첩시켜 간섭 패턴을 형성한다. 그러나, 이들 간섭계에 의해 얻어진 간섭 패턴에는 측정하고자 하는 실상 정보 외에 DC bias 및 허상 정보가 포함되어 있으며, 간섭계의 구성이 복잡하여 진동에 취약한 문제가 존재한다.
따라서, 구성이 간소하면서 간섭을 일으키는 2개의 광원의 경로가 실질적으로 동일하여 진동에 의한 오차 발생이 적은 전단 간섭계(lateral shearing interferomer)를 이용하여 광학 소자의 굴절률 분포 오차를 측정할 수 있다. 그러나, 전단 간섭계의 경우 측정하고자 하는 대상물을 통과한 2개의 물체 광원을 이용하여 간섭 패턴을 획득하기 때문에, 간섭 패턴이 대상물에 대한 정보를 이중으로 포함하는 문제가 존재한다.
본 발명은 이러한 이중 영상(duplicate images)이 없는 간섭 패턴을 획득하고, 이로부터 측정 대상물의 굴절률 분포 및 이를 설계된 굴절률 분포와 비교하여 굴절률 분포 오차를 정밀하게 측정할 수 있는 굴절률 분포 측정 시스템 및 이를 이용한 굴절률 분포 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광을 방출하는 광원, 상기 광원으로부터 방출되는 광의 경로 상에 배치되며, 측정 대상체를 지지하는 지지 부재, 상기 지지 부재를 투과한 광의 경로 상에 배치되어 전면 및 후면에서 각각 상기 광을 반사하며, 소정의 두께를 갖는 광학 부재, 상기 광학 부재의 전면 및 후면에서 반사된 후 일부가 중첩되어 간섭 패턴을 형성하는 2개의 광을 수광하는 수광부, 및 상기 수광부에 의해 획득된 간섭 패턴으로부터 상기 측정 대상체의 굴절률 분포를 도출하는 신호 처리부를 포함하며, 상기 광학 부재의 전면에서 반사된 광은 상기 측정 대상체를 투과한 물체 영역을 포함하고, 상기 광학 부재의 후면에서 반사된 광은 상기 측정 대상체를 투과하지 않은 참조 영역을 포함하며, 상기 간섭 패턴은 상기 물체 영역과 상기 참조 영역의 중첩에 의해 형성되는, 굴절률 분포 측정 시스템을 제공한다.
상기 지지 부재와 상기 광학 부재 사이에 배치되며, 상기 측정 대상체를 투과한 광을 확대시키는 대물 렌즈 및 상기 대물 렌즈에 의해 확대된 광을 평행광으로 변환하는 조절 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 광원과 상기 지지 부재 사이에 배치된 제1 편광자 및 상기 광학 부재와 상기 수광부 사이에 배치된 제2 편광자를 더 포함하며, 상기 제1 편광자의 편광축 방향과 상기 제2 편광자의 편광축 방향은 서로 동일할 수 있다.
상기 광학 부재의 상기 소정의 두께는 5 mm 내지 15 mm일 수 있다.
상기 지지 부재 상에 배치된 굴절률 매칭 오일을 더 포함하며, 상기 측정 대상체는 상기 굴절률 매칭 오일 내에 배치될 수 있다.
상기 신호 처리부는, 상기 지지 부재에 상기 측정 대상체를 배치한 상태에서 상기 수광부에 의해 획득된 간섭 패턴으로부터 물체 홀로그램 영상을 획득하는 홀로그램 영상 획득부, 상기 물체 홀로그램 영상으로부터 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부, 상기 측정 대상체의 위상 정보를 추출하는 위상 정보 추출부, 및 상기 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상체의 굴절률 분포를 계산하는 굴절률 분포 측정부를 포함할 수 있다.
상기 측정 대상체의 굴절률 분포와 설계된 측정 대상체의 굴절률 분포를 비교하여 굴절률 분포 오차를 계산하는 굴절률 오차 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 홀로그램 영상 획득부는, 상기 물체 홀로그램 영상 및 상기 지지 부재에 상기 측정 대상체가 배치되지 않은 상태에서 상기 수광부에 의해 획득된 간섭 패턴으로부터 참조 홀로그램 영상을 획득하고, 상기 노이즈 제거부는, 상기 물체 홀로그램 영상 및 상기 참조 홀로그램 영상으로부터 노이즈를 제거하며, 상기 위상 정보 추출부는, 노이즈가 제거된 상기 물체 홀로그램 영상으로부터 얻어진 물체 위상 정보와 노이즈가 제거된 상기 참조 홀로그램 영상으로부터 얻어진 참조 위상 정보의 차이로부터 상기 측정 대상체의 위상 정보를 추출할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광원, 측정 대상체를 지지하는 지지 부재, 전면 및 후면에서 각각 광을 반사하는 광학 부재, 상기 광학 부재에 의해 반사된 광을 수광하는 수광부를 포함하는 간섭계를 이용한 굴절률 분포 측정 방법에 있어서, 상기 수광부에 의해 획득된 간섭 패턴으로부터 홀로그램 영상을 획득하는 단계, 상기 홀로그램 영상으로부터 노이즈를 제거하는 단계, 노이즈가 제거된 상기 홀로그램 영상으로부터 상기 측정 대상체의 위상 정보를 추출하는 단계, 및 상기 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상체의 굴절률 분포를 측정하는 단계를 포함하며, 상기 광학 부재의 전면에서 반사된 광은 상기 측정 대상체를 투과한 물체 영역을 포함하고, 상기 광학 부재의 후면에서 반사된 광은 상기 측정 대상체를 투과하지 않은 참조 영역을 포함하며, 상기 간섭 패턴은, 상기 물체 영역과 상기 참조 영역의 중첩에 의해 형성된, 굴절률 분포 측정 방법을 제공한다.
상기 굴절률 분포를 측정하는 단계 후에, 상기 측정 대상체의 굴절률 분포와 설계된 측정 대상체의 굴절률 분포를 비교하여 굴절률 분포 오차를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 홀로그램 영상을 획득하는 단계는, 상기 지지 부재에 상기 측정 대상체를 배치한 상태에서 물체 홀로그램 영상을 획득하는 단계 및 상기 지지 부재에 상기 측정 대상체가 배치되지 않은 상태에서 참조 홀로그램 영상을 획득하는 단계를 포함하고, 상기 노이즈를 제거하는 단계는, 상기 물체 홀로그램 영상 및 상기 참조 홀로그램 영상으로부터 노이즈를 제거하는 단계를 포함하며, 상기 측정 대상체의 위상 정보를 추출하는 단계는, 노이즈가 제거된 상기 물체 홀로그램 영상으로부터 얻어진 물체 위상 정보와 노이즈가 제거된 상기 참조 홀로그램 영상으로부터 얻어진 참조 위상 정보의 차이로부터 상기 측정 대상체의 위상 정보를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광학 부재의 두께는 5 mm 내지 15 mm일 수 있다.
전술한 것 외에 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 특허청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이중 영상(duplicate images)이 없는 간섭 패턴을 획득하고, 이로부터 측정 대상물의 굴절률 분포 오차를 정밀하게 측정할 수 있는 굴절률 분포 측정 시스템 및 이를 이용한 굴절률 분포 측정 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴절률 분포 측정 시스템을 개략적으로도시한 구성도이다.
도 2는 도 1의 B 영역을 도시한 개념도이다.
도 3은 도 1에 포함된 광학 부재에 입사되는 광의 입사각에 따른 광학 부재의 전면 및 후면에서 각각 반사된 광의 이격 거리를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1의 신호 처리부의 상세 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 측정 대상체의 너비에 따른 굴절률 분포 오차를 나타낸 그래프이다.
사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순선에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 광원 200: 지지 부재
210: 측정 대상체 220: 굴절률 매칭 오일
300: 광학 부재 400: 수광부
500: 중앙 처리 장치 510: 신호 처리부
511: 홀로그램 영상 획득부 512: 노이즈 제거부
513: 위상 정보 추출부 514: 굴절률 분포 측정부
515: 굴절률 분포 오차 측정부 520: 제어부
810: 반사 부재 820: 콜리메이터
830: 제1 편광자 840: 대물 렌즈
850: 조절 렌즈 860: 제2 편광자

Claims (12)

  1. 광을 방출하는 광원;
    상기 광원으로부터 방출되는 광의 경로 상에 배치되며, 측정 대상체를 지지하는 지지 부재;
    상기 지지 부재를 투과한 광의 경로 상에 배치되어 전면 및 후면에서 각각 상기 광을 반사하며, 소정의 두께를 갖는 광학 부재;
    상기 광학 부재의 전면 및 후면에서 반사된 후 일부가 중첩되어 간섭 패턴을 형성하는 2개의 광을 수광하는 수광부; 및
    상기 수광부에 의해 획득된 간섭 패턴으로부터 상기 측정 대상체의 굴절률 분포를 도출하는 신호 처리부;를 포함하며,
    상기 광학 부재의 전면에서 반사된 광은 상기 측정 대상체를 투과한 물체 영역을 포함하고,
    상기 광학 부재의 후면에서 반사된 광은 상기 측정 대상체를 투과하지 않은 참조 영역을 포함하며,
    상기 간섭 패턴은, 상기 물체 영역과 상기 참조 영역의 중첩에 의해 형성되는, 굴절률 분포 측정 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 지지 부재와 상기 광학 부재 사이에 배치되며, 상기 측정 대상체를 투과한 광을 확대시키는 대물 렌즈 및 상기 대물 렌즈에 의해 확대된 광을 평행광으로 변환하는 조절 렌즈를 더 포함하는, 굴절률 분포 측정 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 지지 부재 사이에 배치된 제1 편광자 및 상기 광학 부재와 상기 수광부 사이에 배치된 제2 편광자를 더 포함하며,
    상기 제1 편광자의 편광축 방향과 상기 제2 편광자의 편광축 방향은 서로 동일한, 굴절률 분포 측정 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 부재의 상기 소정의 두께는 5 mm 내지 15 mm인, 굴절률 분포 측정 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 지지 부재 상에 배치된 굴절률 매칭 오일을 더 포함하며, 상기 측정 대상체는 상기 굴절률 매칭 오일 내에 배치된, 굴절률 분포 측정 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 지지 부재에 상기 측정 대상체를 배치한 상태에서 상기 수광부에 의해 획득된 간섭 패턴으로부터 물체 홀로그램 영상을 획득하는 홀로그램 영상 획득부;
    상기 물체 홀로그램 영상으로부터 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부;
    상기 측정 대상체의 위상 정보를 추출하는 위상 정보 추출부; 및
    상기 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상체의 굴절률 분포를 계산하는 굴절률 분포 측정부;를 포함하는, 굴절률 분포 측정 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 측정 대상체의 굴절률 분포와 설계된 측정 대상체의 굴절률 분포를 비교하여 굴절률 분포 오차를 계산하는 굴절률 오차 측정부를 더 포함하는, 굴절률 분포 측정 시스템.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 홀로그램 영상 획득부는, 상기 물체 홀로그램 영상 및 상기 지지 부재에 상기 측정 대상체가 배치되지 않은 상태에서 상기 수광부에 의해 획득된 간섭 패턴으로부터 참조 홀로그램 영상을 획득하고,
    상기 노이즈 제거부는, 상기 물체 홀로그램 영상 및 상기 참조 홀로그램 영상으로부터 노이즈를 제거하며,
    상기 위상 정보 추출부는, 노이즈가 제거된 상기 물체 홀로그램 영상으로부터 얻어진 물체 위상 정보와 노이즈가 제거된 상기 참조 홀로그램 영상으로부터 얻어진 참조 위상 정보의 차이로부터 상기 측정 대상체의 위상 정보를 추출하는, 굴절률 분포 측정 시스템.
  9. 광원, 측정 대상체를 지지하는 지지 부재, 전면 및 후면에서 각각 광을 반사하는 광학 부재, 상기 광학 부재에 의해 반사된 광을 수광하는 수광부를 포함하는 간섭계를 이용한 굴절률 분포 측정 방법에 있어서,
    상기 수광부에 의해 획득된 간섭 패턴으로부터 홀로그램 영상을 획득하는 단계;
    상기 홀로그램 영상으로부터 노이즈를 제거하는 단계;
    노이즈가 제거된 상기 홀로그램 영상으로부터 상기 측정 대상체의 위상 정보를 추출하는 단계; 및
    상기 위상 정보를 이용하여 상기 측정 대상체의 굴절률 분포를 측정하는 단계;를 포함하며,
    상기 광학 부재의 전면에서 반사된 광은 상기 측정 대상체를 투과한 물체 영역을 포함하고,
    상기 광학 부재의 후면에서 반사된 광은 상기 측정 대상체를 투과하지 않은 참조 영역을 포함하며,
    상기 간섭 패턴은, 상기 물체 영역과 상기 참조 영역의 중첩에 의해 형성된, 굴절률 분포 측정 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 굴절률 분포를 측정하는 단계 후에,
    상기 측정 대상체의 굴절률 분포와 설계된 측정 대상체의 굴절률 분포를 비교하여 굴절률 분포 오차를 계산하는 단계를 더 포함하는, 굴절률 분포 측정 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 홀로그램 영상을 획득하는 단계는, 상기 지지 부재에 상기 측정 대상체를 배치한 상태에서 물체 홀로그램 영상을 획득하는 단계 및 상기 지지 부재에 상기 측정 대상체가 배치되지 않은 상태에서 참조 홀로그램 영상을 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 노이즈를 제거하는 단계는, 상기 물체 홀로그램 영상 및 상기 참조 홀로그램 영상으로부터 노이즈를 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 측정 대상체의 위상 정보를 추출하는 단계는, 노이즈가 제거된 상기 물체 홀로그램 영상으로부터 얻어진 물체 위상 정보와 노이즈가 제거된 상기 참조 홀로그램 영상으로부터 얻어진 참조 위상 정보의 차이로부터 상기 측정 대상체의 위상 정보를 추출하는 단계를 포함하는, 굴절률 분포 측정 방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 광학 부재의 두께는 5 mm 내지 15 mm인, 굴절률 분포 측정 방법.
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