KR20200053908A - 광학 시편 표면 검사 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치는, 광학 시편으로부터 반사된 레이저의 진행 거리별로 레이저 파면 정보를 획득할 수 있다.

Description

광학 시편 표면 검사 장치 및 그 제어 방법{INSPECTION APPARATUS FOR SURFACE OF OPTIC SPECIMEN AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
아래의 설명은 광학 시편 표면 검사 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
나노초(ns, 10-9s) 레이저 시스템의 경우, 광학 요소(optic element)의 표면 위 다층 유전체 코팅(multilayer dielectric coating)의 표면 손상 문턱 값은 10 J/cm2 로 알려져 있다(TML I 기준). 또한, 펨토초(fs, 10-15s) 레이저 시스템의 경우 광학 요소의 표면 위 다층 유전체 코팅의 표면 손상 문턱 값은 0.3 J/cm2 로 알려져 있다(TML I 기준). 또한, 일반적인 수십 테라와트(TW) 이상의 대형 고출력 펨토초 레이저 시스템에서 레이저 빔의 에너지 밀도는 약 0.1 J/cm2 정도에 셋팅 되어있다.
이와 같이 나노초 레이저 시스템에 비해서 펨토초 레이저 시스템의 경우 표면 손상 문턱 값이 매우 낮은 수준으로, 펨토초 레이저 시스템의 경우 광학 요소의 표면의 손상 문턱 값과 레이저 빔의 에너지 밀도와 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다.
또한, 특히 광학 요소의 표면의 특성에 의해서, 반사된 레이저 빔의 파면은 특정 표면의 국부 영역 내에서 손상 문턱 값을 넘어서는 레이저 빔의 에너지 밀도를 발생시킬 수 있기 때문에, 펨토초 레이저 시스템과 같이, 고출력 레이저 광원을 활용하는 광학계에 사용되는 광학 요소의 경우, 그 표면의 상태를 정확히 검사하는 것이 매우 중요하다.
한편, 광학 요소에는 가공 중에 형성된 표면의 툴 마크(tool mark) 또는 스트립 패턴(stripped pattern) 등의 가공 흔적들이 잔존하게 된다. 이러한 광학 요소에 조사된 레이저 빔이 반사된 직후에는, 반사 전과 비교하여 레이저 파면의 변화 정도가 크지 않지만, 레이저 빔의 진행거리가 증가함에 따라 형성되는 레이저 파면에서 그 모습이 두드러지거나 회절 효과 등에 의해 반사 전의 레이저 빔 파면을 기대하기 힘들다는 문제가 있다.
예를 들어, 레이저 빔의 진행 경로 내에 반사 거울을 추가로 적용할 경우 레이저 파면의 불균일성으로 인하여 반사 거울의 특정 표면 위에 표면 손상(surface damage)을 발생시킬 수 있는 심각한 문제점이 대두된다.
따라서, 광학 요소의 표면 자체에 대한 상태를 측정하는 것만으로는 이상의 문제점을 예방하기 어렵기 때문에, 실제 광학계에 광학 요소를 적용하였을 때의 전체 광학계의 신뢰성을 보증하기 위하여는, 각각의 광학 요소에 조사 후 반사되는 레이저 빔의 진행 거리에 따른 파면 정보를 획득하고, 이를 통해 제작된 광학 요소의 표면 품질(surface quality)에 따른 레이저 빔의 진행 효과를 정량적으로 측정할 필요가 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 광학 요소의 가공 중에 형성된 mm 급 표면파형(waviness) 및/또는 μm 급 툴 마크(tool mark)의 주기적인 구조에서 반사된 레이저 파면 및 회절 무늬를 연속 측정하는 광학 시편 표면 검사 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치는, 광학 시편으로부터 반사된 레이저의 진행 거리별로 레이저 파면 정보를 획득할 수 있다.
상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 광학 시편에 조사되는 레이저를 생성하기 위한 레이저 광원; 상기 광학 시편을 파지하기 위한 시편 홀더; 상기 광학 시편으로부터 반사된 레이저를 평행 광선속으로 형성하기 위한 출사측 시준부; 및 상기 출사측 시준부로부터 출사되어, 상기 광학 시편의 표면파형(waviness)에 의해 형성된 레이저의 파면을 촬영하기 위한 제 1 카메라를 포함할 수 있다.
상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 레이저의 진행 방향을 기준으로 상기 출사측 시준부의 하류에 위치하는 연장부를 더 포함하고, 상기 연장부는, 상기 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 위치하여, 상기 레이저의 진행 경로를 전환시키는 복수 개의 경로 전환 반사 거울을 구비할 수 있다.
상기 복수 개의 경로 전환 반사 거울에 의해 반사되는 상기 레이저의 진행 경로는, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 형성되고, 외측으로부터 내측을 향할 수 있다.
상기 연장부는, 상기 복수 개의 경로 전환 반사 거울 중 인접한 한 쌍의 경로 전환 반사 거울 사이에 위치하는 측정용 반사 거울을 더 포함하고, 상기 제 1 카메라는 상기 측정용 반사 거울의 반사 방향에 위치할 수 있다.
상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 광학 시편에 조사되는 레이저를 평행 광선속으로 형성하기 위한 조사측 시준부를 더 포함하고, 상기 조사측 시준부는, 상기 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 배치되는 제 1 볼록 거울 및 제 1 오목 거울을 포함하고, 상기 출사측 시준부는, 상기 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 배치되는 제 2 오목 거울 및 제 2 볼록 거울을 포함할 수 있다.
상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 제 1 평면 반사 거울 및 상기 제 1 볼록 거울을 포함하고, 상기 제 1 평면 반사 거울 및 제 1 볼록 거울의 위치를 변경 가능한 제 1 플립 마운트; 제 2 평면 반사 거울 및 상기 제 1 오목 거울을 포함하고, 상기 제 2 평면 반사 거울 및 제 1 오목 거울의 위치를 변경 가능한 제 2 플립 마운트; 상기 광학 시편으로부터 반사되어, 상기 광학 시편의 툴 마크(tool mark)에 의해 형성된 레이저의 회절 무늬를 촬영하기 위한 제 2 카메라를 더 포함할 수 있다.
상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 제 1 플립 마운트 및 제 2 플립 마운트를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 표면파형 검사모드에서, 상기 제 1 볼록 거울 및 제 1 오목 거울이 상기 레이저의 진행 경로 상에 위치하도록 제어하고, 툴 마크 검사모드에서, 상기 제 1 평면 반사 거울 및 제 2 평면 반사 거울이 상기 레이저의 진행 경로 상에 위치하도록 제어할 수 있다.
상기 레이저로 상기 광학 시편의 임의의 지점을 조사할 수 있도록, 상기 시편 홀더 및 상기 제 2 평면 반사 거울 중 적어도 하나 이상은 2자유도로 틸팅 움직일 수 있다.
상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 제 1 카메라로 유입되는 에너지가 포화되는 것을 방지하기 위하여, 상기 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저의 에너지를 감쇠시키기 위한 적어도 하나 이상의 부분 반사 거울을 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 광원 및 제 1 카메라 사이에서 상기 레이저의 진행 경로 상에 위치한 광학 요소는, 상기 광학 시편을 제외하고 폴리싱(polishing) 처리하여 주기적인 구조를 갖지 않도록 랜더마이징(randomizing)될 수 있다.
상기 연장부는, 상기 레이저의 진행 경로 상에 배치되어, 진행하는 레이저를 상기 연장부의 중심으로부터 외부를 향하여 반사시키는 측정용 반사 거울을 더 포함하고, 상기 제 1 카메라는, 상기 측정용 반사 거울으로부터 반사되는 레이저의 파면을 촬영할 수 있다.
상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 제 1 카메라를 통하여 촬영된 레이저 파면을 통하여, 보강 간섭의 최대치를 계산하고, 상기 반사된 레이저의 진행 거리에 따른 상기 보강 간섭의 최대치에 대한 정보를 사용자에게 출력하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 반사된 레이저의 진행 거리 중 상기 보강 간섭의 최대치가 펨토초 레이저에 대한 손상 문턱 값을 초과하는 영역에 대한 정보를 사용자에게 출력할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 시편 홀더에 광학 시편 대신 랜더마이징된 평면 반사 거울이 삽입된 상태에서 상기 제 1 카메라로 촬영한 백그라운드(background) 영상을 기초로, 상기 광학 시편의 표면파형에 의해 형성된 레이저의 파면의 촬영 영상을 보정하여 사용자에게 출력할 수 있다.
일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법은, 광학 시편으로부터 반사된 레이저의 진행 거리별로 레이저 파면 정보를 획득할 수 있다.
상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 광학 시편에 조사되는 레이저를 생성하기 위한 레이저 광원; 상기 광학 시편을 파지하기 위한 시편 홀더; 상기 광학 시편의 표면파형(waviness)에 의해 형성된 레이저의 파면을 촬영하기 위한 제 1 카메라; 및 상기 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 위치하여, 상기 레이저의 진행 경로를 전환시키는 복수 개의 경로 전환 반사 거울을 구비할 수 있다.
상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 광학 시편으로부터 반사되어, 상기 광학 시편의 툴 마크(tool mark)에 의해 형성된 레이저의 회절 무늬를 촬영하기 위한 제 2 카메라를 더 포함하고, 상기 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법은, 사용자로부터 검사 모드를 입력받는 단계; 입력받은 상기 검사 모드에 따라서, 상기 레이저 광원 및 시편 홀더 사이에 배치되는 광학 요소들을 변경시켜 상기 광학 시편 표면 검사 장치의 배열(configuration)을 전환시키는 단계; 및 상기 광학 시편 표면 검사 장치의 배열이 전환된 상태에서, 상기 광학 시편의 표면파형 또는 툴 마크에 대한 정보를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 광학 시편의 표면파형(waviness)에 의해 나타나는 진행 거리별 레이저 파면 측정을 통해 고출력 레이저 광학계의 손상 문턱 값(damage threshold) 영역 내에서 적용 가능한 진행거리를 정량적으로 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 광학 시편의 툴 마크(tool mark)에 의해 나타나는 회절 무늬의 세기를 관측함으로써 nm 급 높이 및 μm 급 길이의 주기를 갖는 패턴 유무를 판단하는데 효과적으로 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 표면파형 검사 배열을 나타내는 구성도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 툴 마크 검사 배열을 나타내는 구성도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 플립 마운트를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 블록도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 표면파형 검사 모드를 이용하여, 광학 시편에 조사된 후 반사된 레이저의 진행 거리별로 획득된 레이저 파면 정보를 이용하여, 전달 길이(propagation length) 대비 레이저 강도(intensity)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 툴 마크 검사 모드를 이용하여, 광학 시편으로부터 반사된 레이저의 레이저 회절 무늬를 이용하여, 특정 회절 차수에서 관측된 회절 무늬의 상대적인 세기 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 표면파형 검사 배열을 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 광학 시편 표면 검사 장치(1)는, 광학 시편(S)으로부터 반사된 레이저의 진행 거리별로 레이저 파면 정보를 획득하고, 사용자에게 제공할 수 있다. 이와 같은 장치에 의하면, 특히, 비축 및/또는 비구면 렌즈와 같은 특이한 형상을 갖는 광학 시편(S)의 상태를 측정하는 데에 유리하다. 광학 시편 표면 검사 장치(1)는, 레이저 광원(11), 시편 홀더(12), 제 1 카메라(13), 연장부(14), 조사측 시준부(15), 출사측 시준부(16) 및 빔 전처리부(17)를 포함할 수 있다.
레이저 광원(11), 광학 시편(S)에 조사되는 레이저를 생성할 수 있다. 레이저 광원(11)으로는, 예를 들어, 고출력을 갖는 펨토초 레이저 광원을 사용할 수 있다.
시편 홀더(12)는, 광학 시편(S)을 파지할 수 있다. 예를 들어, 시편 홀더(12)는 다양한 광학 시편(S)을 파지할 수 있도록, 파지 직경을 조절 가능한 파지 기구를 포함할 수 있다.
제 1 카메라(13)는, 출사측 시준부(16)로부터 출사되어, 광학 시편(S)의 표면파형(waviness)에 의해 형성된 레이저의 파면을 촬영할 수 있다. 도 1에 도시된 것처럼 제 1 카메라(13)는, 연장부(14) 내의 레이저 진행 경로 상에서 다양하게 위치를 변경하여 가며, 레이저의 진행 거리별 레이저 파면 정보를 획득할 수 있다. 제 1 카메라(13)로는, 예를 들어, CCD를 이용할 수 있다.
예를 들어, 광학 시편 표면 검사 장치(1)는, 제 1 카메라(13)의 위치를 감지하는 센서부(미도시)를 포함하고, 제어부(20, 도 4 참조)는, 상기 센서부에 의해 감지된 제 1 카메라(13)의 위치 정보에 기초하여, 광학 시편(s)으로부터 제 1 카메라(13)까지의 레이저의 진행 거리를 결정하고, 진행 거리별로, 제 1 카메라(13)에서 획득된 레이저 파면 정보를 매칭시킬 수 있다. 상기 센서부의 경우, 예를 들어, 광학 시편 표면 검사 장치(1)가 위치한 테이블 상에 설치되어, 제 1 카메라(13)가 놓인 위치를 감지하는 압력 센서를 사용할 수 있다. 다른 예로, 테이블의 상측에 설치되어 제 1 카메라(13)의 위치를 촬영하는 영상 촬영 수단에 기초하여, 제 1 카메라(13)의 위치를 이미지 분석을 통해 산출할 수도 있다. 기타 센서부는 통상의 기술자에게 알려진 다양한 수단으로 마련될 수 있음을 밝혀 둔다.
연장부(14)는, 레이저의 진행 방향을 기준으로 출사측 시준부(16)의 하류에 위치할 수 있다. 연장부(14)는, 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 위치하여, 레이저의 진행 경로를 전환시키는 복수 개의 경로 전환 반사 거울(141)을 구비할 수 있다. 복수 개의 경로 전환 반사 거울(141)에 의해 반사되는 레이저의 진행 경로는, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 형성되고, 외측으로부터 내측을 향할 수 있다. 도 1 및 도 2에는 반시계 방향으로 변경되면서, 외측으로부터 내측을 향하여 소용돌이 형태로 진행하는 라운드 트립(round trip) 구조의 레이저의 경로가 예시적으로 도시되어 있다.
한편, 도시된 것과 달리, 연장부(14)는, 레이저의 진행 경로 상에 배치되어, 진행하는 레이저를 상기 연장부의 중심으로부터 외부를 향하여 반사시키는 측정용 반사 거울(미도시)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 측정용 반사 거울은, 복수 개의 경로 전환 반사 거울(141) 중 인접한 한 쌍의 경로 전환 반사 거울(141) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 제 1 카메라(13)는, 측정용 반사 거울으로부터 반사되는 레이저의 파면을 촬영할 수 있다. 다시 말하면, 제 1 카메라(13)는, 측정용 반사 거울의 반사 방향에 위치할 수 있다. 예를 들어, 반사 거울 및 제 1 카메라(13)는, 일체로 제공될 수 있다. 예를 들어, 연장부(14)는 반사 거울을 레이저 진행 경로를 따라 이동시키는 구동부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성을 통하여, 제 1 카메라(13)에서 레이저의 진행 거리별 레이저 파면 정보를 연속적으로 측정할 수도 있다.
조사측 시준부(15)는, 레이저 광원(11)으로부터 발생된 레이저 빔의 직경을 확대시켜 광학 시편(S)의 넓은 면적에 조사되게 할 수 있다. 이와 같은 관점에서, 조사측 시준부(15)는, "빔 확대부"라고 할 수도 있다. 예를 들어, 조사측 시준부(15)는, 레이저 광원(11)으로부터 발생된 레이저 빔의 직경을 확대시키기 위한 제 1 볼록 거울(151a)과, 제 1 볼록 거울(151a)로부터 반사된 레이저 빔을 평행 광선속으로 형성시키기 위한 제 1 오목 거울(152a)을 포함할 수 있다. 제 1 볼록 거울(151a) 및 제 1 오목 거울(152a)은, 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 배치될 수 있다. 조사측 시준부(15)는, 광학 시편(S)에 조사되는 레이저 빔을 확대된 평행 광선속으로 형성시킬 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 충분히 큰 직경을 갖는 레이저 빔을 이용하여 광학 시편(S)의 mm 급 표면파형에 의해 발생되는 레이저 파면 정보를 넓은 영역에서 신속히 획득할 수 있으면서도, 광학 시편(S)의 직경보다 레이저 빔의 직경을 작게 하여 광학 시편(S)의 테두리 부분에서 발생되는 엣지 효과(edge effect)에 의한 회절(diffraction)의 영향이 관측되는 문제를 방지할 수 있다.
출사측 시준부(16)는, 광학 시편(S)으로부터 반사된 레이저 빔의 직경을 축소시켜 제 1 카메라(13)의 센서 크기에 적정한 직경을 갖는 레이저 빔을 형성할 수 있다. 이와 같은 관점에서, 출사측 시준부(16)는, "빔 축소부"라고 할 수도 있다. 예를 들어, 출사측 시준부(16)는, 레이저 광원(11)으로부터 발생된 레이저 빔의 직경을 축소시키기 위한 제 2 오목 거울(161)과, 제 2 오목 거울(161)로부터 반사된 레이저 빔을 평행 광선속으로 형성시키기 위한 제 2 볼록 거울(162)을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 출사측 시준부(16)는, 광학 시편(S)으로부터 반사되는 레이저를 평행 광선속으로 형성시킬 수 있다. 제 2 오목 거울(161) 및 제 2 볼록 거울(162)은, 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 배치될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 출사측 시준부(16)로부터 출사되는 레이저 빔의 일정한 직경을 가지므로, 레이저의 진행 거리의 증감에 무관하게 동일한 제 1 카메라(13)를 이용하여 레이저 파면 정보를 획득할 수 있다.
빔 전처리부(17)는, 제 1 카메라(13)로 유입되는 에너지가 포화되는 것을 방지하기 위하여, 레이저 광원(11)으로부터 출사되는 레이저의 에너지를 감쇠(attenuation)시킬 수 있다. 빔 전처리부(17)는, 적어도 하나 이상의 부분 반사 거울(171a, 172a, partial reflective mirror)을 포함할 수 있다. 부분 반사 거울(171a, 172a)에 의하면 빛을 투과시키지 않고도 에너지를 감쇠시킬 수 있으므로, ND 필터 등을 이용할 때와 비교하여 빛을 투과시키는 과정에서 발생되는 회절 영향에 따른 노이즈를 원천적으로 차단할 수 있다.
한편, 레이저 광원(11) 및 제 1 카메라(13) 사이에서 레이저의 진행 경로 상에 위치한 각종 광학 요소(171a, 172a, 151a, 152a, 161, 162, 141)는, 모두 투과 광학 요소가 아닌 반사 광학 요소임을 확인할 수 있다. 또한, 상기 각종 광학 요소 중 광학 시편(S)을 제외하고 폴리싱(polishing) 처리하여 주기적인 구조를 갖지 않도록 랜더마이징(randomizing)된 것일 수 있다. 이를 통하여, 레이저 빔이 광학 요소를 투과하는 과정에서 발생되는 회절 현상이나, 렌즈 투과 후 분산 효과(dispersion effect)나, 광학 요소 자체의 재질에 의한 영향이 최종 결과에 미치는 노이즈를 최소화하고, 결과물의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 2는 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 툴 마크 검사 배열을 나타내는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 광학 시편 표면 검사 장치(1)는, 제 2 카메라(18) 및 홀 스크린(19)을 더 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 광학 시편 표면 검사 장치(1)의 툴 마크 검사 배열(configuration)을, 도 1에 도시된 표면파형 검사 배열과 비교할 때, 조사측 시준부(15)의 제 1 볼록 거울(151a) 및 제 1 오목 거울(152a)이, 각각 제 1 평면 반사 거울(151b) 및 제 2 평면 반사 거울(152b)로 변경되고, 빔 전처리부(17)의 제 1 부분 반사 거울(171a) 및 제 2 부분 반사 거울(172a)이, 각각 제 1 평면 반사 거울(171b) 및 제 2 평면 반사 거울(172b)로 변경되었음을 확인할 수 있다.
시편 홀더(12)는, 예를 들어, 적어도 일 방향으로 틸팅 가능하게 제공됨으로써, 레이저 빔의 경로가 출사측 시준부(16)를 향하는 대신, 홀 스크린(19)을 통과하여 제 2 카메라(18)로 향하도록 할 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 레이저 광원(11)으로부터 생성된 작은 직경을 갖는 레이저 빔이 광학 시편(S)에 조사될 수 있다. 따라서, 제 2 카메라(18)는, 광학 시편(S)으로부터 반사되어, 광학 시편(S)의 툴 마크(tool mark)에 의해 형성된 레이저의 회절 무늬를 촬영할 수 있다. 상기 회절 무늬는 nm 급 높이 및 μm 급 길이의 주기를 갖는 패턴을 가질 수 있다.
시편 홀더(12) 및 제 2 평면 반사 거울(152b) 중 적어도 하나 이상은 레이저로 광학 시편(S)의 임의의 지점을 조사할 수 있도록, 2자유도로 틸팅 움직임 가능하게 제공될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 광학 시편(S)의 전 영역에 대하여 툴 마크(tool mark)에 의해 형성된 레이저의 회절 무늬를 획득할 수 있다.
홀 스크린(19, holed screen)은, 시편 홀더(12) 및 제 2 카메라(18) 사이에 설치될 수 있다. 홀 스크린(19)에 의하면, 홀 스크린(19) 상에 맺힌 회절 무늬 개수, 0차 회절 무늬와 특정(1차, 2차, 3차, ?) 회절 무늬 사이의 거리, 레이저가 입사된 시편 임의 지점에서 특정 회절 무늬 사이의 거리 정보들로부터 회절무늬의 각도 (θm) 를 알 수 있어, 회절격자 방정식 d(sinθi ± sinθm)=mλ에서 툴 마크(tool mark)의 간격(d)을 유추할 수 있다. 또한, 홀 스크린(19)에 형성된 구멍을 통과하여 제 2 카메라(18)에 유입된 회절무늬의 상대적인 세기변화를 정량적으로 측정할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에 각각 도시된 배열 사이에서, 광학 요소들의 변경은, 예를 들어 후술할 플립 마운트(flip mount) 등을 이용하여 수행될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 2가지 모드, 즉, 표면파형 검사 모드 및 툴 마크 검사 모드에서 모두 동일한 광 경로를 유지할 수 있기 때문에, 새로이 광축을 조절하는 등의 추가적인 작업 없이도, 2가지 종류의 검사를 하나의 장치(1)를 통하여 신속하게 수행할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 플립 마운트를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 플립 마운트(F)는, 적어도 2 이상의 광학 요소(optic element)가 선택적으로 설정된 동일한 위치에 오게 할 수 있다. 플립 마운트(F)는, 지지대와, 지지대에 대하여 회전 가능하게 설치되는 지지 프레임을 포함할 수 있다. 지지 프레임에는 적어도 2 이상의 광학 요소를 설치할 수 있는 설치 구멍이 형성되고, 각각의 설치 구멍의 중심은, 지지대에 대한 지지 프레임의 회전 중심으로부터 동일한 거리를 가질 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 지지 프레임을 지지대에 대하여 설정된 각도로 회전하는 동작만을 통하여, 2 이상의 광학 요소가 선택적으로 설정된 동일한 위치에 오도록 할 수 있다.
조사측 시준부(15, 도 1 및 도 2 참조)는, 제 1 및 제 2 플립 마운트(F)를 포함할 수 있다. 제 1 플립 마운트(F)는, 제 1 볼록 거울(151a) 및 제 1 평면 반사 거울(151b)을 포함하고, 2개의 거울의 위치를 변경시킴으로써, 레이저의 진행 경로 상에 2개의 거울 중 어느 하나의 거울을 선택적으로 위치시킬 수 있다. 제 2 플립 마운트(F)는, 제 1 오목 거울(152a) 및 제 2 평면 반사 거울(152b)을 포함하고, 2개의 거울의 위치를 변경시킴으로써, 레이저의 진행 경로 상에 2개의 거울 중 어느 하나의 거울을 선택적으로 위치시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(20, 도 4 참조)는, 입력 모드에 기초하여, 자동으로 제 1 플립 마운트(F) 및 제 2 플립 마운트(F)를 제어할 수 있다. 제어부(20)는, 표면파형 검사모드에서, 제 1 볼록 거울(151a) 및 제 1 오목 거울(152a)이 레이저의 진행 경로 상에 위치하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(20)는, 툴 마크 검사모드에서, 제 1 평면 반사 거울(151b) 및 제 2 평면 반사 거울(152b)이 레이저의 진행 경로 상에 위치하도록 제어할 수 있다.
빔 전처리부(17, 도 1 및 도 2 참조)는, 제 3 및 제 4 플립 마운트(F)를 포함할 수 있다. 제 3 플립 마운트(F)는, 제 1 부분 반사 거울(171a) 및 제 1 평면 반사 거울(171b)을 포함하고, 제 4 플립 마운트(F)는, 제 2 부분 반사 거울(172a) 및 제 2 평면 반사 거울(172b)을 포함할 수 있으며, 제 1 및 제 2 플립 마운트(F)와 마찬가지로 동작할 수 있다. 예를 들어, 제 3 및 제 4 플립 마운트(F) 역시 제어부(20)에 의해 자동으로 제어될 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 광학 시편 표면 검사 장치(1)는, 입력부(I), 제 1 카메라(13), 제 2 카메라(18), 레이저 광원(11), 시편 홀더(12), 조사측 시준부(15), 출사측 시준부(16), 빔 전처리부(17), 디스플레이부(D) 및 제어부(20)를 포함할 수 있다.
제어부(20)는, 입력부(I), 제 1 카메라(13), 제 2 카메라(18)로부터 전달받은 정보에 기초하여, 레이저 광원(11), 시편 홀더(12), 조사측 시준부(15), 출사측 시준부(16), 빔 전처리부(17) 및 디스플레이부(D)를 제어할 수 있다.
제어부(20)는, 제 1 카메라(13)를 통하여 촬영된 레이저 파면을 통하여, 보강 간섭의 최대치를 계산하고, 반사된 레이저의 진행 거리에 따른 보강 간섭의 최대치에 대한 정보를 디스플레이부(D)를 통해 사용자에게 출력할 수 있다. 예를 들어, 제어부(20)는, 디스플레이부(D)를 통해 도 6과 같은 그래프의 형태의 정보를 사용자에게 제공할 수 있다. 예를 들어, 제어부(20)는, 반사된 레이저의 진행 거리 중 보강 간섭의 최대치가 펨토초 레이저에 대한 손상 문턱 값을 초과하는 영역에 대한 정보를 사용자에게 출력할 수도 있다. 이와 같은 정보에 기초하여, 사용자는 검사에 사용된 광학 시편(S)을 이용하여 특정한 광학계를 설계할 때, 해당 광학계의 광원으로부터 광학 시편(S)이 위치할 수 있는 제한 조건을 정량적으로 수집할 수 있다.
한편, 제어부(20)는, 시편 홀더(12)에 광학 시편(S) 대신 랜더마이징(randomizing)된 평면 반사 거울이 삽입된 상태에서 제 1 카메라(13)로 촬영한 백그라운드(background) 영상을 기초로, 광학 시편(S)의 표면파형에 의해 형성된 레이저의 파면의 촬영 영상을 보정하여 사용자에게 출력할 수 있다. 이와 같은 과정을 통하여, 보다 정확한 레이저 파면 정보를 획득할 수 있다.
제어부(20)는, 제 2 카메라(18)를 통하여 촬영된 레이저 회절 무늬를 디스플레이부(D)를 통해 사용자에게 출력할 수 있다.
입력부(I)는, 사용자로부터 광학 시편 표면 검사 장치(1)의 모드를 입력받을 수 있다. 사용자는 입력부(I)를 통해, 표면파형 검사 모드 또는 툴 마크 검사 모드를 입력할 수 있으며, 제어부(20)는, 입력부(I)를 통해 입력된 모드에 기초하여, 광학 시편 표면 검사 장치(1)의 배열을 변화시킬 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 광학 시편 표면 검사 장치(1)의 제어 방법에 의하면, 광학 시편으로부터 반사된 레이저의 진행 거리별로 레이저 파면 정보를 획득할 수 있다. 광학 시편 표면 검사 장치(1)의 제어 방법은, 사용자로부터 검사 모드를 입력받는 단계(91)와, 입력받은 검사 모드에 따라서, 레이저 광원(11) 및 시편 홀더(12) 사이에 배치되는 광학 요소들을 변경시켜 광학 시편 표면 검사 장치(1)의 배열(configuration)을 전환시키는 단계(92)와, 광학 시편 표면 검사 장치(1)의 배열이 전환된 상태에서, 광학 시편(S)의 표면파형(waviness) 또는 툴 마크(tool mark)에 대한 정보를 측정하는 단계(93)를 포함할 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 표면파형 검사 모드를 이용하여, 광학 시편에 조사된 후 반사된 레이저의 진행 거리별로 획득된 레이저 파면 정보를 이용하여, 전달 길이(propagation length) 대비 레이저 강도(intensity)를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 레이저 파면 측정을 통해서 수 mm 급 주기와 수십 nm 급 높이를 가진 표면파형(waviness)에 의해 반사된 레이저 파면이 특정 거리에 도달시, 처음에 비해서 레이저 세기가 수 배 이상 강해짐을 확인할 수 있다. 실시 예에 따르면, 진행거리별 레이저 파면 측정을 통해 고출력 레이저 광학계의 손상 문턱 값(damage threshold) 영역 내에서 적용 가능한 진행 거리를 정량적으로 결정할 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 광학 시편 표면 검사 장치의 툴 마크 검사 모드를 이용하여, 광학 시편으로부터 반사된 레이저의 레이저 회절 무늬를 이용하여, 특정 회절 차수에서 관측된 회절 무늬의 상대적인 세기 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 툴 마크에 의한 μm 급 주기적인 패턴의 경우, 그 높이(height)가 각각 2 nm, 4 nm, 10 nm 임에도 불구하고 회절 차수의 세기가 뚜렷이 관측됨. 패턴 높이가 낮아짐에 따라 그 세기가 점차 줄어들지만 여전히 관측 가능하다는 점을 확인할 수 있다. 실시 예에 따르면, 서브 나노 미터(sub-nm) 급의 주기적인 패턴 유무를 판단하는 데에도 효과적임을 알 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 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 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (18)

  1. 광학 시편으로부터 반사된 레이저의 진행 거리별로 레이저 파면 정보를 획득하기 위한 광학 시편 표면 검사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 시편 표면 검사 장치는,
    상기 광학 시편에 조사되는 레이저를 생성하기 위한 레이저 광원;
    상기 광학 시편을 파지하기 위한 시편 홀더;
    상기 광학 시편으로부터 반사된 레이저를 평행 광선속으로 형성하기 위한 출사측 시준부; 및
    상기 출사측 시준부로부터 출사되어, 상기 광학 시편의 표면파형(waviness)에 의해 형성된 레이저의 파면을 촬영하기 위한 제 1 카메라를 포함하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 레이저의 진행 방향을 기준으로 상기 출사측 시준부의 하류에 위치하는 연장부를 더 포함하고,
    상기 연장부는, 상기 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 위치하여, 상기 레이저의 진행 경로를 전환시키는 복수 개의 경로 전환 반사 거울을 구비하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수 개의 경로 전환 반사 거울에 의해 반사되는 상기 레이저의 진행 경로는, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 형성되고, 외측으로부터 내측을 향하는 것을 특징으로 하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 연장부는, 상기 복수 개의 경로 전환 반사 거울 중 인접한 한 쌍의 경로 전환 반사 거울 사이에 위치하는 측정용 반사 거울을 더 포함하고,
    상기 제 1 카메라는 상기 측정용 반사 거울의 반사 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 광학 시편에 조사되는 레이저를 평행 광선속으로 형성하기 위한 조사측 시준부를 더 포함하고,
    상기 조사측 시준부는, 상기 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 배치되는 제 1 볼록 거울 및 제 1 오목 거울을 포함하고,
    상기 출사측 시준부는, 상기 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 배치되는 제 2 오목 거울 및 제 2 볼록 거울을 포함하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광학 시편 표면 검사 장치는,
    제 1 평면 반사 거울 및 상기 제 1 볼록 거울을 포함하고, 상기 제 1 평면 반사 거울 및 제 1 볼록 거울의 위치를 변경 가능한 제 1 플립 마운트;
    제 2 평면 반사 거울 및 상기 제 1 오목 거울을 포함하고, 상기 제 2 평면 반사 거울 및 제 1 오목 거울의 위치를 변경 가능한 제 2 플립 마운트; 및
    상기 광학 시편으로부터 반사되어, 상기 광학 시편의 툴 마크(tool mark)에 의해 형성된 레이저의 회절 무늬를 촬영하기 위한 제 2 카메라를 더 포함하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 제 1 플립 마운트 및 제 2 플립 마운트를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    표면파형 검사모드에서, 상기 제 1 볼록 거울 및 제 1 오목 거울이 상기 레이저의 진행 경로 상에 위치하도록 제어하고,
    툴 마크 검사모드에서, 상기 제 1 평면 반사 거울 및 제 2 평면 반사 거울이 상기 레이저의 진행 경로 상에 위치하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저로 상기 광학 시편의 임의의 지점을 조사할 수 있도록, 상기 시편 홀더 및 상기 제 2 평면 반사 거울 중 적어도 하나 이상은 2자유도로 틸팅 움직임 가능한 것을 특징으로 하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 시편 표면 검사 장치는, 상기 제 1 카메라로 유입되는 에너지가 포화되는 것을 방지하기 위하여, 상기 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저의 에너지를 감쇠시키기 위한 적어도 하나 이상의 부분 반사 거울을 더 포함하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 광원 및 제 1 카메라 사이에서 상기 레이저의 진행 경로 상에 위치한 광학 요소는, 상기 광학 시편을 제외하고 폴리싱(polishing) 처리하여 주기적인 구조를 갖지 않도록 랜더마이징(randomizing)된 것을 특징으로 하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 연장부는,
    상기 레이저의 진행 경로 상에 배치되어, 진행하는 레이저를 상기 연장부의 중심으로부터 외부를 향하여 반사시키는 측정용 반사 거울을 더 포함하고,
    상기 제 1 카메라는, 상기 측정용 반사 거울으로부터 반사되는 레이저의 파면을 촬영하는 것을 특징으로 하는 광학 시편 표면 검사 장치.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 시편 표면 검사 장치는,
    상기 제 1 카메라를 통하여 촬영된 레이저 파면을 통하여, 보강 간섭의 최대치를 계산하고, 상기 반사된 레이저의 진행 거리에 따른 상기 보강 간섭의 최대치에 대한 정보를 사용자에게 출력하는 제어부를 더 포함하는 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 반사된 레이저의 진행 거리 중 상기 보강 간섭의 최대치가 펨토초 레이저에 대한 손상 문턱 값을 초과하는 영역에 대한 정보를 사용자에게 출력하는 것을 특징으로 하는 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 시편 홀더에 광학 시편 대신 랜더마이징된 평면 반사 거울이 삽입된 상태에서 상기 제 1 카메라로 촬영한 백그라운드(background) 영상을 기초로, 상기 광학 시편의 표면파형에 의해 형성된 레이저의 파면의 촬영 영상을 보정하여 사용자에게 출력하는 것을 특징으로 하는 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법.
  16. 광학 시편으로부터 반사된 레이저의 진행 거리별로 레이저 파면 정보를 획득하기 위한 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 시편 표면 검사 장치는,
    상기 광학 시편에 조사되는 레이저를 생성하기 위한 레이저 광원;
    상기 광학 시편을 파지하기 위한 시편 홀더;
    상기 광학 시편의 표면파형(waviness)에 의해 형성된 레이저의 파면을 촬영하기 위한 제 1 카메라; 및
    상기 레이저의 진행 방향을 기준으로 순차적으로 위치하여, 상기 레이저의 진행 경로를 전환시키는 복수 개의 경로 전환 반사 거울을 구비하는 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광학 시편 표면 검사 장치는,
    상기 광학 시편으로부터 반사되어, 상기 광학 시편의 툴 마크(tool mark)에 의해 형성된 레이저의 회절 무늬를 촬영하기 위한 제 2 카메라를 더 포함하고,
    상기 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법은,
    사용자로부터 검사 모드를 입력받는 단계;
    입력받은 상기 검사 모드에 따라서, 상기 레이저 광원 및 시편 홀더 사이에 배치되는 광학 요소들을 변경시켜 상기 광학 시편 표면 검사 장치의 배열(configuration)을 전환시키는 단계; 및
    상기 광학 시편 표면 검사 장치의 배열이 전환된 상태에서, 상기 광학 시편의 표면파형 또는 툴 마크에 대한 정보를 측정하는 단계를 포함하는 광학 시편 표면 검사 장치의 제어 방법.
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