KR20220092248A - 파면을 측정하기 위한 장치 및 이를 이용한 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 빛의 파면을 측정하기 위한 장치 및 이를 이용한 측정 방법 따르면 기하 위상 렌즈 기반의 간섭계와 편광 카메라를 이용하여 빛이 공간상에 전파해 나가는 형태인 파면을 측정할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 빛의 파면을 측정하기 위한 장치 및 이를 이용한 측정 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 기하 위상 렌즈 기반의 광 간섭계와 편광 카메라를 이용하여 빛이 공간상에 전파해 나가는 형태인 파면을 측정할 수 있는 기술에 관한 것이다.
이하에서 기술되는 내용은 본 발명의 실시 예와 관련되는 배경 정보를 제공할 목적으로 기재된 것일 뿐이고, 기술되는 내용들이 당연하게 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
최근 과학 및 산업 분야에서 광학 센서의 중요성이 높아지고 있다. 이 중, 빛의 파면 측정 센서는 천문학 및 물리학 분야에서 별의 관측을 위한 천체 망원경 설계 제작 평가에 있어 필수적인 요소이다.
또한, 반도체 및 디스플레이 분야에서 제품을 생산하기 위한 리소그래피 공정에서는 마스크의 패턴을 정밀하게 결상하기 위해 빛의 파면 측정이 필요하다.
한편, 스마트폰, 자동차 헤드업 디스플레이, 웨어러블 디바이스, VR, AR 등에 사용되는 광학 부품은 기존의 구면 거울이나 렌즈에서 벗어나 형상이 비구면으로 설계, 제조되고 있으며, 경우에 따라서는 자유 곡면 형태를 가질 수 있다. 제품의 광학적 성능은 내부의 광학 부품에 의해 결정되기 때문에 이러한 광학 부품 형상을 정밀하게 측정하기 위해서는 빛의 파면 측정 센서를 통해 수행될 수 있다.
기존의 파면 측정 센서는 크게 기하 광학 센서 방식과 광 간섭계 방식으로 나뉠 수 있다. 기하 광학 센서 방식의 대표적인 장치는 샥-하트만 센서 (Shack-Hartmann sensor)를 예로 들 수 있다. 샥-하트만 센서는 센서 내부에 마이크로 렌즈가 배열, 설치되어 있는 것이 특징이다. 이를 통해 입사하는 파면은 여러 개의 파면으로 나뉜다. 나누어진 파면들은 마이크로 렌즈를 통해 초점 평면에서 다수의 점들로 형성될 수 있다. 형성된 각각의 점들의 위치는 입사하는 파면이 마이크로 렌즈를 통과할 때의 빛의 방향을 나타내는 것으로 이를 이용하여 빛의 파면을 측정할 수 있다.
이러한 샥-하트만 센서는 입사하는 파면에 평면파에 근접한 경우에만 측정이 가능하다는 특징이 있다. 이로 인해, 샥-하트만 센서에 입사하는 파면은 여러 렌즈 장치를 통해 원래의 파면이 평면파와 유사하도록 만들어야 하며, 이로 인해 측정 오차가 유발되는 동시에 전체 장치가 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 마이크로 렌즈 배열 픽셀 수에 따라 횡방향 분해능 (lateral resolution)이 결정되기 때문에, 높은 분해능 센서를 위해서는 고가의 마이크로 렌즈와 위치 측정 센서가 필요하다는 한계가 있다.
한편, 광 간섭계 방식의 파면 측정 센서는 주로 자체 상관 방식의 간섭계인 층밀림 간섭계 (shearing interferometer)로 구성된다. 층밀림 간섭계는 일반적인 광 간섭계와는 달리 기준 파면을 필요로 하지 않은 특징이 있으며, 측정 파면으로부터 서로 층밀림을 가지는 2개의 파면을 생성하고 이들의 간섭을 통해 파면의 차이에 해당하는 위상을 측정할 수 있다. 이후, 적분 및 곡면 맞춤 등의 알고리즘을 이용하여 파면 차이로부터 파면을 복원한다. 층밀림 간섭계는 일반적으로 높은 횡방향 분해능을 가지는 특징과 평면에서 벗어난 파면 측정이 가능하지만, 2개의 층밀림된 파면을 생성하기 위한 복잡한 광학 구성을 가지는 한계가 있으며, 위상 천이 (phase shifting)로 인하여 실시간으로 위상을 측정하고 파면을 복원하는 것에 한계를 가진다.
이에, 빛의 파면을 높은 정밀도와 민감도로 측정하는 동시에, 평면파에서 벗어난 파면 정도를 측정할 수 있는 파면 측정 센서가 요구되는 실정이다.
한편, 전술한 선행기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명의 일 과제는, 빛이 공간상에 전파해 나가는 파면을 측정할 수 있도록 하는 것이다.
구체적으로 본 발명의 다른 과제는 기하 위상 렌즈 및 편광 카메라를 기반으로 실시간 빛의 파면을 정확하게 측정할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 과제는 파면 측정을 통해 렌즈, 거울 등의 광학 부품의 광학적 특징을 측정할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 빛의 파면을 측정하기 위한 장치는 기하 위상 렌즈 기반의 간섭계와 편광 카메라를 이용하여 빛이 공간상에 전파해 나가는 형태인 파면을 측정하는 장치이다.
본 개시의 다른 실시 예에 따른 기하 위상 간섭계 기반 파면 측정 장치는, 광원을 포함하는 광 제공부, 광 제공부로부터의 광학적 특징을 측정하고자 하는 시편으로 반사시키고 반사된 광을 투과시키는 광 분할기, 광 분할기에서 투과한 광을 서로 다른 크기와 파면을 가지는 제1 광 및 제2 광으로 분리시키는 기하 위상 렌즈 모듈 및 제1 광 및 제2 광으로부터 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 획득하는 광학 검출부를 포함할 수 있다.
여기서, 기하 위상 렌즈 모듈은 한 쌍의 기하 위상 렌즈를 포함하고, 각각의 기하 위상 렌즈는 입사하는 광이 우원 편광 (right-circular polarization)인 경우에는 볼록 렌즈로 기능하고, 입사하는 광이 좌원 편광 (left-circular polarization)인 경우에는 오목 렌즈로 기능하며, 제1 광과 상기 제2 광은 서로 다른 방향으로 회전하는 원편광 (circular polarization)된 광일 수 있다.
또한, 기하 위상 렌즈 모듈을 통과하는 광은 2개의 원형 편광된 광으로 분리되며, 각각의 원형 편광된 광은 서로 다른 곡률의 파면을 갖게 될 수 있다.
여기서, 광학 검출부는, 편광 카메라 (polarization pixelated camera)를 포함하고, 편광 카메라는 0도, 45도, 90도 및 135도의 투과축을 가지는 선형 편광기 배열을 포함할 수 있다.
또한, 광학 검출부는, 4개의 위상 천이된 간섭무늬로부터 제1 광과 상기 제2 광의 파면의 차이에 해당하는 위상을 연산하고, 연산된 위상을 이용하여 시편의 광학적 특징을 계산하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 파면 측정 장치의 광 제공부는 선형 편광 (linear polarization)된 광을 제공하도록 구성되고, 광 제공부는 무편광 (random polarization)의 광원, 및 광원으로부터의 광을 편광시키는 선형 편광기를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 파면 측정 방법은, 파면 측정 장치를 이용하여 파면을 측정하기 위한 측정 방법으로서, 파면 측정 장치는 광원을 포함하는 광 제공부, 광 제공부로부터의 광을 광학적 특징을 측정하고자 하는 시편으로 반사시키고, 반사된 광을 투과시키는 광 분할기, 광 분할기를 투과한 광을 서로 다른 크기와 파면을 가지는 제1 광 및 제2 광으로 분리시키는 기하 위상 렌즈 모듈, 및 상기 제1 광 및 상기 제2 광으로부터 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 획득하는 광학 검출부를 포함하고, 측정 방법은, 4개의 위상 천이된 간섭무늬로부터 제1 광과 제2 광의 파면의 차이에 해당하는 위상을 연산하는 단계, 및 연산된 위상을 이용하여 시편의 광학적 특징을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 파면 측정 장치는, 메모리 및 메모리와 연결되고, 메모리에 포함된 컴퓨터 판독가능한 명령들을 실행하도록 구성된 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
이 외에도, 본 발명을 구현하기 위한 다른 방법, 다른 시스템 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체가 더 제공될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 및 이점이 이하의 도면, 청구 범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 개시의 실시 예에 따른 파면 측정 장치는 기존의 파면 센서와는 달리 평면에서 벗어난 파면 측정이 가능한 동시에 높은 횡방향 분해능을 가질 수 있다.
또한, 시스템의 크기가 현저히 작으며, 실시간 파면 측정이 가능하다는 장점을 가질 수 있다.
이에 더하여, 기하 위상 렌즈를 이용한 간섭계 구성으로 별다른 위상 지연판 (phase retarder)의 사용 없이 편광 카메라에서 실시간으로 4개의 위상 천이된 간섭무늬 획득이 가능하다는 장점을 가질 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 파면 측정 장치는 기존의 파면 측정 센서들의 한계를 극복하고 단점을 보완하기 위해 높은 정밀도와 민감도를 가지는 동시에 평면파에서 벗어난 파면도 측정할 수 있는 소형의 실시간 파면 측정 장치를 제공할 수 있다.
이로써, 평면파에서 벗어난 빛의 파면을 계산할 수 있으면서, 소형의 기하 위상 렌즈를 이용하여 빛의 파면을 측정할 수 있게 되어 빛의 파면을 측정하는데 필요한 작업 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 측정 장치를 이용하여 빛의 파면을 측정되는 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 빛의 파면을 측정하기 위한 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 기하 위상 렌즈 모듈을 통과하는 빛이 가지는 파면 특징을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 기하 위상 렌즈 모듈의 구성을 통해 빛의 파면을 조절하는 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 측정 장치의 편광 카메라를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 측정 장치의 편광 카메라를 통해 측정된 위산 천이된 간섭무늬를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 측정 방법을 이용하여 빛의 파면을 측정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 빛의 파면을 측정하기 위한 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 기하 위상 렌즈 모듈을 통과하는 빛이 가지는 파면 특징을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 기하 위상 렌즈 모듈의 구성을 통해 빛의 파면을 조절하는 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 측정 장치의 편광 카메라를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 측정 장치의 편광 카메라를 통해 측정된 위산 천이된 간섭무늬를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 측정 방법을 이용하여 빛의 파면을 측정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다. 이하 실시 예에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 직접적인 관계가 없는 부분을 생략하지만, 본 발명의 사상이 적용된 장치 또는 시스템을 구현함에 있어서, 이와 같이 생략된 구성이 불필요함을 의미하는 것은 아니다. 아울러, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 되며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 이하의 설명에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 설명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 측정 장치를 이용하여 빛의 파면을 측정되는 예를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 빛의 파면을 측정하기 위한 측정 장치를 도시한 도면이다.
도면을 참고하면, 빛의 파면을 측정하는 측정 장치를 통해 시편으로부터 반사된 빛이 기하 위상 렌즈 모듈을 통과해 입사되면, 입사된 빛은 편광 카메라를 통해 4개의 위상이 천이된 간섭무늬로 추출될 수 있다. 추출된 간섭무늬는 저니크 다항식 (Zernike polynomials)을 이용한 파면 복원 알고리즘을 통해 파면을 측정하는데 이용될 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따라 빛의 파면을 측정하기 위한 측정 장치(100)는 편광기(120), 광 분할기(140), 기하 위상 렌즈 모듈(160) 및 광학 검출부(180)를 포함하여 구성될 수 있다.
광원(10)은 무편광의 LED일 수 있다. 광원(10)은 레이저 및 램프 등 어떠한 종류의 광원이어도 본 개시의 측정 원리를 구현하는데 이용될 수 있다.
광원(10)에서 조사되는 빛은 편광이 정의되지 않은 LED를 이용하는 예를 들지만, LED 이외의 광원이 입사될 수도 있다. 또한, 편광기(120)를 향해 입사되는 빛은 편광 상태가 선형 편광으로 변환될 수 있다.
구체적으로, 광원(10)에서 발생한 빛은 편광기(P)(120)를 통해 선형 편광으로 정의될 수 있으며, 이후 과정에서 이용되는 빛은 선형 편광된 빛이다. 광원(10)과 편광기(120)를 포함하여 광 제공부라고 지칭될 수 있다. 광원(10) 자체가 선형 편광된 빛을 제공하는 광원이라면 편광기(120)가 필요하지 않을 수도 있다.
광 분할기(140)는 입사된 광을 시편으로 반사할 수 있으며, 반사된 빛은 다시 광 분할기(140)로 입사될 수 있다. 입사된 빛은 광 분할기(140)를 투과하여 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과하게 된다.
선형 편광이 정의된 빛은 광 분할기(BS)(140)로 입사될 수 있다. 광 분할기(140)로 입사된 빛은 시편에 반사된 후 광 분할기(140)로 재 입사될 수 있다. 여기서, 시편은 렌즈 또는 거울과 같은 광학 부품일 수 있다. 본 개시의 실시 예에 따른 파면 측정 장치는 이러한 광학 부품의 광학적 특징을 측정할 수 있다. 광학적 특징이란 광학 부품의 형상 등과 같이 광학 부품에 입사되는 빛의 반사, 굴절 등의 광학 현상을 결정하는 특성을 의미할 수 있다.
재 입사된 빛은 기하 위상 렌즈 모듈(GPL)(160)을 지나 편광 카메라(PCMOS)인 광학 검출부(180)를 통과하면서 편광에 따른 간섭무늬가 생성될 수 있다. 생성된 간섭무늬를 통해 빛의 파면 차이에 해당하는 위상을 계산하게 된다.
빛이 통과되는 기하 위상 렌즈 모듈(160)은 서로 다른 크기와 파면을 가지는 제1 광 및 제2 광이 발생할 수 있도록 2개의 기하 위상 렌즈를 포함할 수 있다. 구체적으로 기하 위상 렌즈 모듈에 입사하는 빛이 서로 다른 경로로 이동하도록 제1 기하 위상 렌즈(162) 및 제1 기하 위상 렌즈(162)와 마주하는 제2 기하 위상 렌즈(164)를 포함할 수 있다.
즉, 기하 위상 모듈(160)은 한 쌍의 기하 위상 렌즈를 포함할 수 있다. 각각의 기하 위상 렌즈는 입사하는 광이 우원 편광인 경우에는 볼록 렌즈로 기능하고, 입사하는 광이 좌원 편광인 경우에는 오목 렌즈로 기능하며, 제1 광과 상기 제2 광은 서로 다른 방향으로 회전하는 원편광된 광일 수 있다.
기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과하는 광은 2개의 원형 편광된 광으로 분리되며, 각각의 원형 편광된 광은 서로 다른 곡률의 파면을 갖게 될 수 있다.
시편에서 반사된 선형 편광된 광은 기하 위상 렌즈를 통과하면서 2개의 원형 편광된 광으로 분리되며, 각각의 원형 편광된 광은 렌즈에서 서로 다른 곡률의 파면을 가지게 될 수 있다.
광학 검출부(180)는 편광 카메라를 포함할 수 있고, 편광 카메라는 카메라 내부에 0도, 45도, 90도 및 135도의 투과축을 가지는 선형 편광기 배열이 설치되어 있기 때문에 2개의 원형 편광된 광들로부터 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 한번에 획득할 수 있다.
광학 검출부(180)는 또한, 4개의 위상 천이된 간섭무늬로부터 제1 광과 제2 광의 파면의 차이에 해당하는 위상을 연산하고, 연산된 위상을 이용하여 시편의 광학적 특징을 추정하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서는 4개의 위상 천이된 간섭무늬로부터 제1 광과 제2 광의 파면의 차이에 해당하는 위상을 연산할 수 있다. 센서로부터 측정된 위상을 이용하면 프로세서는 파면 복원 알고리즘을 통해 파면을 복원할 수 있고, 시편에 대한 광학적 특징을 결정할 수도 있다.
프로세서는 파면 측정 장치 전반적인 동작을 제어할 수도 있다. 구체적으로, 프로세서는 메모리를 포함하는 파면 측정 장치(100)의 구성과 연결되며, 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행하여 파면 측정 장치(100)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다.
프로세서는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), 임베디드 프로세서, 마이크로 프로세서, 하드웨어 컨트롤 로직, 하드웨어 유한 상태 기계(Hardware Finite State Machine, HFSM), 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor, DSP) 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
프로세서는 일종의 중앙처리장치 또는 특정 디바이스를 위해 설계된 전용 프로세서로서, 메모리에 탑재된 제어 소프트웨어를 구동하여 파면 측정 장치(100) 전체의 동작을 제어할 수 있다. 특별히, 프로세서는 시편으로부터 반사되고 기하 위상 렌즈 모듈을 통과하여 편광 카메라에서 수집된 4개의 위상 천이된 간섭무늬에 기초하여 시편의 광학적 특징을 결정하는 기능을 수행할 수 있다.
프로세서는 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령어로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
메모리는 파면 측정 장치(100)의 동작 및 간섭무늬에 따라 시편의 광학적 특징을 결정하는데 필요한 각종 정보들을 저장하고, 파면 측정 장치(100)를 동작시킬 수 있는 제어 소프트웨어를 저장할 수 있는 것으로, 휘발성 또는 비휘발성 기록 매체를 포함할 수 있다.
메모리는 하나 이상의 프로세서와 연결되는 것으로, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금 파면 측정 장치(100)를 제어하도록 야기하는(cause) 코드들을 저장할 수 있다.
여기서, 메모리는 자기 저장 매체(magnetic storage media) 또는 플래시 저장 매체(flash storage media)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 메모리는 내장 메모리 및/또는 외장 메모리를 포함할 수 있으며, DRAM, SRAM, 또는 SDRAM 등과 같은 휘발성 메모리, OTPROM (one time programmable ROM), PROM, EPROM, EEPROM, mask ROM, flash ROM, NAND 플래시 메모리, 또는 NOR 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리, SSD, CF(compact flash) 카드, SD 카드, Micro-SD 카드, Mini-SD 카드, Xd 카드, 또는 메모리 스틱(memory stick) 등과 같은 플래시 드라이브, 또는 HDD와 같은 저장 장치를 포함할 수 있다.
도 3은 도 1의 기하 위상 렌즈 모듈을 통과하는 빛이 가지는 파면 특징을 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 기하 위상 렌즈 모듈의 구성을 통해 빛의 파면을 조절하는 예를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 측정 장치의 편광 카메라를 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 측정 장치의 편광 카메라를 통해 측정된 위산 천이된 간섭무늬를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 기하 위상 렌즈는 입사하는 광이 우원 편광이 경우엔 볼록 렌즈로, 좌원 편광인 경우엔 오목 렌즈로서 구현되는 구성이다. 이를 기초로, 편광기(120)에 의해 선형 편광된 빛이 입사하는 경우 2개의 서로 다른 방향으로 회전하는 원형 편광된 빛들로 나뉘어 서로 다른 광 경로, 서로 다른 크기와 파면을 가지게 된다.
이에 대응하여, 본 발명의 실시 예에 따른 기하 위상 렌즈 모듈(160)은 제1 기하 위상 렌즈(162) 및 제2 기하 위상 렌즈(164)를 포함하므로, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 기하 위상 렌즈(162)를 통과하는 빛은 2개의 빛으로 배출될 수 있다(도 4의 (a) 참고). 배출된 2개의 빛이 제2 기하 위상 렌즈(164)를 통과하면, 각각 제1 기하 위상 렌즈(162)를 통과할 때와 반대의 원리로 빛의 경로가 바뀐다. 즉, 제1 기하 위상 렌즈(162)를 통과하면서 볼록 렌즈 효과로 모이는 빛은 제2 기하 위상 렌즈(164)를 통과하면서 오목렌즈 효과로 퍼지게 된다. 또한, 반대의 빛은 제1 기하 위상 렌즈(162)를 통과하면서 퍼진 이후에 제2 기하 위상 렌즈(164)를 통과하면서 모이게 된다. 결국, 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과한 2개의 빛은 입사한 파면과 동일하지만 크기가 서로 다르게 배출되게 된다(도 4 (b) 참고). 즉, 제1 기하 위상 렌즈(162) 및 제2 기하 위상 렌즈(164)는 측정장치(1)로 입사하는 빛의 층밀림 및 파면과 동일한 층밀림, 파면으로 배출되도록 광의 경로를 조절할 수 있는 것이다.
광학 검출부(180)는 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과한 빛을 검출하는 구성이다. 구체적으로 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과한 빛은 서로 다른 방향의 원형 편광을 가지고 있다. 이러한 2개의 빛을 통해 광학 검출부(180)는 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 검출할 수 있다. 이를 위해 광학 검출부(180)는 편광 카메라로 구현될 수 있다.
또한, 광학 검출부(180)는 위상 천이 알고리즘을 통해 제1 광원 및 제2 광원의 파면 사이의 위상 식을 배출할 수 있고, 저니크 다항식을 이용한 파면 복원 알고리즘을 통해 파면을 실시간으로 측정할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 시편에서 반사된 선형 편광된 빛은 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과하면서 2개의 원형 편광된 광으로 분리될 수 있다. 분리된 광은 각각의 렌즈를 통해 서로 다른 곡률의 파면을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5와 같이 편광 카메라 내부에 0도, 45도, 90도 및 135도에 해당하는 투과축을 가지는 선형 편광기가 배열되도록 구성되기 때문에 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과한 2개의 원형 편광된 광들로부터 4개의 위상이 천이된 간섭무늬를 한번에 획득할 수 있게 된다(도 6의 (a), (b), (c), (d) 참조).
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 측정 방법을 이용하여 빛의 파면을 측정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도면을 참고하면, 빛을 발생시키는 광원(10)을 통해 광학 부품, 공간 등 다양한 사물에 입사할 수 있다. 입사되는 빛은 편광기(120)를 통해 선형 편광될 수 있다(단계 S110).
선형 편광이 정의된 빛은 광 분할기(140)로 입사된다. 구체적으로, 광 분할기(140)로 입사된 빛은 시편에 반사된 후 광 분할기(140)로 재 입사할 수 있다(단계 S120).
예컨대, 광 분할기(140)는 광원(10)에서 입사한 빛을 시편으로 반사할 수 있으며, 반사된 빛은 다시 광 분할기(140)로 입사하는 것이다. 이렇게 입사한 빛은 광 분할기(140)를 투과하여 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과하게 된다.
재 입사된 빛은 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과하게 된다 (단계 S130). 재 입사된 빛이 통과되는 기하 위상 렌즈 모듈(160)은 입사하는 광이 우원 편광인 경우엔 볼록 렌즈로, 좌원 편광인 경우엔 오목 렌즈로서 구현되는 구성이다. 이를 기초로, 편광기(120)에 의해 선형 편광된 빛이 입사하는 경우 2개의 서로 다른 방향으로 회전하는 원형 편광된 빛들로 나뉘어 서로 다른 광 경로, 서로 다른 크기와 파면을 가지도록 하는 구성이다.
이러한 구성에 대응하여, 본 발명의 실시 예에 따른 기하 위상 렌즈 모듈(160)은 제1 기하 위상 렌즈(162) 및 제2 기하 위상 렌즈(164)를 포함하도록 구성된다.
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 기하 위상 렌즈 모듈(160)은 제1 기하 위상 렌즈(162) 및 제2 기하 위상 렌즈(164)를 포함하므로, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 기하 위상 렌즈(162)를 통과하는 빛은 2개의 빛으로 배출될 수 있다(도 4의 (a) 참고). 배출된 2개의 빛이 제2 기하 위상 렌즈(164)를 통과하면, 각각 제1 기하 위상 렌즈(162)를 통과할 때와 반대의 원리로 빛의 경로가 바뀐다. 즉, 제1 기하 위상 렌즈(162)를 통과하면서 볼록 렌즈 효과로 모이는 빛은 제2 기하 위상 렌즈(164)를 통과하면서 오목렌즈 효과로 퍼지게 된다. 또한, 반대의 빛은 제1 기하 위상 렌즈(162)를 통과하면서 퍼진 이후에 제2 기하 위상 렌즈(164)를 통과하면서 모이게 된다. 결국, 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과한 2개의 빛은 입사한 파면과 동일하지만 크기가 서로 다르게 배출되게 된다(도 4 (b) 참고). 즉, 제1 기하 위상 렌즈(162) 및 제2 기하 위상 렌즈(164)는 측정장치(1)로 입사하는 빛의 층밀림 및 파면과 동일한 층밀림, 파면으로 배출되도록 광의 경로를 조절할 수 있는 것이다.
제1 기하 위상 렌즈(162) 및 제2 기하 위상 렌즈(164)를 통과한 빛은 광학 검출부(180)로 입사하고, 입사한 빛을 통해 제1 광원 및 제 2광원의 파면 편차를 검출할 수 있다(단계 S140).
구체적으로, 광학 검출부(180)는 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과한 빛을 검출하는 구성이다. 이때, 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과한 빛은 서로 다른 방향의 원형 편광을 가지고 있다. 이러한 2개의 빛을 통해 광학 검출부(180)는 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 검출할 수 있다.
검출된 위상 천이된 간섭무늬는 위상 천이 알고리즘을 이용하여 위해 제1 광원 및 제2 광원의 파면 사이의 위상 식을 계산할 수 있고, 계산된 식을 기초로 제1 광원 및 제2 광원 위상 천이 정도를 결정할 수 있다.
이와 같이 두 개의 기하 위상 렌즈를 이용하여 입사한 빛이 다른 경로를 가진 2개의 빛으로 배출되도록 한다. 배출된 2개의 빛은 원형 편광된 렌즈에서 배출되므로 서로 다른 곡률의 파면을 가질 수 있다.
또한, 배출된 2개의 빛이 편광 카메라를 통과함에 따라 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 추출할 수 있도록 한다. 이때, 편광 카메라 내부에 0도, 45도, 90도 및 135도를 가지는 선형 편광기가 배열되기 때문에 2개의 빛으로부터 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 한번에 획득할 수 있는 것이다.
그리고 획득된 간섭무늬들은 서로 다른 파면을 가질 수 있으며, 서로 다른 간섭무늬가 가진 파면의 차이를 통해 빛의 위상 차이를 구할 수 있는 것이다.
상술된 파면 측정 장치를 이용하여 파면을 측정하기 위한 측정 방법은, 상술된 바에 따라 시편에서 반사되고 광 분할기(140)를 투과하고 기하 위상 렌즈 모듈(160)을 통과하여 편광 카메라를 통해 획득되는 4개의 위상 천이된 간섭무늬로부터 상기 제1 광과 상기 제2 광의 파면의 차이에 해당하는 위상을 연산하는 단계, 및 연산된 위상을 이용하여 상기 시편의 광학적 특징을 추정하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 방법은 상술된 프로세서에 의해 수행되는 방법일 수 있다.
이로써, 평면파에서 벗어난 빛의 파면을 계산할 수 있으면서, 소형의 기하 위상 렌즈를 이용하여 빛의 파면을 측정할 수 있게 되어 빛의 파면을 측정하는데 필요한 작업 효율이 향상될 수 있다.
본 개시의 실시 예는 두 개의 기하 위상 렌즈를 이용하여 입사한 빛이 다른 경로를 가진 2개의 빛으로 배출되도록 한다. 배출된 2개의 빛은 원형 편광된 렌즈에서 배출되므로 서로 다른 곡률의 파면을 가질 수 있다.
또한, 배출된 2개의 빛이 편광 카메라를 통과함에 따라 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 추출할 수 있도록 한다. 이때, 편광 카메라 내부에 0도, 45도, 90도 및 135도를 가지는 선형 편광기가 배열되기 때문에 2개의 빛으로부터 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 한번에 획득할 수 있는 것이다.
그리고 획득된 간섭무늬들은 서로 다른 파면을 가질 수 있으며, 서로 다른 간섭무늬가 가진 파면의 차이를 통해 빛의 위상 차이를 구할 수 있는 것이다.
이상 설명된 본 발명의 실시 예에 대한 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (13)
- 기하 위상 간섭계 기반 파면 측정 장치로서,
광원을 포함하는 광 제공부;
상기 광 제공부로부터의 광을 광학적 특성을 측정하고자 하는 시편으로 반사시키고 반사된 광을 투과시키는 광 분할기;
상기 광 분할기를 투과한 광을 서로 다른 크기와 파면을 가지는 제1 광 및 제2 광으로 분리시키는 기하 위상 렌즈 모듈; 및
상기 제1 광 및 상기 제2 광으로부터 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 획득하는 광학 검출부를 포함하는,
파면 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 기하 위상 렌즈 모듈은 한 쌍의 기하 위상 렌즈를 포함하고,
각각의 기하 위상 렌즈는 입사하는 광이 우원 편광인 경우에는 볼록 렌즈로 기능하고, 입사하는 광이 좌원 편광인 경우에는 오목 렌즈로 기능하며,
상기 제1 광과 상기 제2 광은 서로 다른 방향으로 회전하는 원형 편광된 광인,
파면 측정 장치. - 제2항에 있어서,
상기 기하 위상 렌즈 모듈을 통과하는 광은 2개의 원형 편광된 광으로 분리되며, 각각의 원형 편광된 광은 서로 다른 곡률의 파면을 갖게 되는,
파면 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광학 검출부는,
편광 카메라를 포함하고,
상기 편광 카메라는 0도, 45도, 90도 및 135도의 투과축을 가지는 선형 편광기 배열을 포함하는,
파면 측정 장치. - 제4항에 있어서,
상기 광학 검출부는,
상기 4개의 위상 천이된 간섭무늬로부터 상기 제1 광과 상기 제2 광의 파면의 차이에 해당하는 위상을 연산하고, 연산된 위상을 이용하여 상기 시편의 광학적 특징을 추정하도록 구성된 프로세서를 포함하는,
파면 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광 제공부는 선형 편광된 광을 제공하도록 구성되고,
상기 광 제공부는,
무편광의 광원; 및
상기 광원으로부터의 광을 편광시키는 선형 편광기를 포함하는,
파면 측정 장치. - 파면 측정 장치를 이용하여 파면을 측정하기 위한 측정 방법으로서,
상기 파면 측정 장치는 광원을 포함하는 광 제공부, 상기 광 제공부로부터의 광을 광학적 특성을 측정하고자 하는 시편으로 반사시키고 반사된 광을 투과시키는 광 분할기, 상기 광 분할기를 투과한 광을 서로 다른 크기와 파면을 가지는 제1 광 및 제2 광으로 분리시키는 기하 위상 렌즈 모듈, 및 상기 제1 광 및 상기 제2 광으로부터 4개의 위상 천이된 간섭무늬를 획득하는 광학 검출부를 포함하고,
상기 측정 방법은,
상기 4개의 위상 천이된 간섭무늬로부터 상기 제1 광과 상기 제2 광의 파면의 차이에 해당하는 위상을 연산하는 단계; 및
연산된 위상을 이용하여 상기 시편의 광학적 특징을 추정하는 단계를 포함하는,
측정 방법. - 제7항에 있어서,
상기 기하 위상 렌즈 모듈은 한 쌍의 기하 위상 렌즈를 포함하고,
각각의 기하 위상 렌즈는 입사하는 광이 우원 편광인 경우에는 볼록 렌즈로 기능하고, 입사하는 광이 좌원 편광인 경우에는 오목 렌즈로 기능하며,
상기 제1 광과 상기 제2 광은 서로 다른 방향으로 회전하는 원형 편광된 광인,
측정 방법. - 제8항에 있어서,
상기 기하 위상 렌즈 모듈을 통과하는 광은 2개의 원형 편광된 광으로 분리되며, 각각의 원형 편광된 광은 서로 다른 곡률의 파면을 갖게 되는,
측정 방법. - 제7항에 있어서,
상기 광학 검출부는,
편광 카메라를 포함하고,
상기 편광 카메라는 0도, 45도, 90도 및 135도의 투과축을 가지는 선형 편광기 배열을 포함하는,
측정 방법. - 제7항에 있어서,
상기 광 제공부는 선형 편광된 광을 제공하도록 구성되고,
상기 광 제공부는,
무편광의 광원; 및
상기 광원으로부터의 광을 편광시키는 선형 편광기를 포함하는,
파면 측정 장치. - 제7항에 있어서,
상기 위상을 연산하는 단계는,
상기 제1 광 및 상기 제2 광의 파면 편차를 검출하는 단계를 포함하는,
측정 방법. - 컴퓨터 프로그램이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체로서,
상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 상에서 실행될 때, 컴퓨터로 하여금 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 방법을 구현하도록 하는,
비일시적 컴퓨터 판독가능 매체.
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| CN116659686A (zh) * | 2023-04-27 | 2023-08-29 | 西安工业大学 | 一种波前重建方法及装置 |
| KR102589324B1 (ko) * | 2022-12-22 | 2023-10-13 | 포항공과대학교 산학협력단 | 광학 신호 기록 방법 및 매체 |
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| KR20200114308A (ko) * | 2019-03-28 | 2020-10-07 | 세종대학교산학협력단 | 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템 |
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- 2020-12-24 KR KR1020200183843A patent/KR102543545B1/ko active IP Right Grant
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