WO2024111691A1 - 테라헤르츠파 반사광학계 모듈 - Google Patents

테라헤르츠파 반사광학계 모듈 Download PDF

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WO2024111691A1
WO2024111691A1 PCT/KR2022/018498 KR2022018498W WO2024111691A1 WO 2024111691 A1 WO2024111691 A1 WO 2024111691A1 KR 2022018498 W KR2022018498 W KR 2022018498W WO 2024111691 A1 WO2024111691 A1 WO 2024111691A1
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optical system
mirror
terahertz wave
parabolic
sample
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PCT/KR2022/018498
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홍지중
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주식회사 마인즈아이
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror

Definitions

  • the present invention relates to a terahertz wave reflection optical system, and more specifically, to a small reflection optical system module including a terahertz wave generator.
  • Terahertz waves are electromagnetic waves with a tera-level frequency of 10 12 to 10 14 Hz, between infrared and microwaves, and have characteristics that vary in transmission and reflection depending on the electrical characteristics of the object.
  • Terahertz waves have the advantage of being able to penetrate opaque samples through which visible light does not pass and have a shorter wavelength than microwaves, resulting in higher resolution, so they can be used in various fields such as measuring semiconductor properties and multilayer films, measuring film thickness, detecting defects, and biomedical care. The trend is expanding.
  • a terahertz wave measuring device generally includes a terahertz wave generator, a first optical system that radiates terahertz waves generated from the terahertz wave generator to a sample, and a terahertz wave that is irradiated and reflected by the sample and guides to a detector. It includes a second optical system, a detector for detecting the reflected terahertz wave, and an arithmetic unit for processing the detector signal.
  • Terahertz waves are generated by optical rectification in a photoconductor that responds to a femtosecond pulse laser. That is, a femtosecond pulse laser is irradiated to a terahertz emitter (THz emitter) including a photoconductive antenna (PCA), thereby generating a terahertz wave pulse.
  • a femtosecond pulse laser is irradiated to a terahertz emitter (THz emitter) including a photoconductive antenna (PCA), thereby generating a terahertz wave pulse.
  • THz emitter terahertz emitter
  • PCA photoconductive antenna
  • Figure 1 is a plan view showing the layout of a terahertz wave optical system.
  • the femtosecond pulse laser emitted from the femtosecond pulse light source passes through a wavelength converter and filter and is branched by a beam splitter, and part of it (Beam 1) passes through a delay stage (scan delay) to a terahertz emitter (THz). It is irradiated to the emitter and functions as a pump light for generating terahertz wave pulses, and the other part (Beam 2) is guided to the detector and functions as a probe beam.
  • Beam 1 the femtosecond pulse laser emitted from the femtosecond pulse light source passes through a wavelength converter and filter and is branched by a beam splitter, and part of it (Beam 1) passes through a delay stage (scan delay) to a terahertz emitter (THz). It is irradiated to the emitter and functions as a pump light for generating
  • Terahertz waves (THz) generated from the terahertz emitter by the femtosecond pulse are focused by the first optical system (PM1, PM2), irradiated to a specific location on the sample, reflected from the sample, and then transmitted to the second optical system (PM3, PM4). It is focused on the detector antenna and the intensity of the reflected light is detected.
  • the probe beam reaches the detector before the terahertz wave reflected by the sample and serves to set the reference point for terahertz wave detection.
  • This terahertz wave optical system has a complex configuration in which a femtosecond laser light source, delay stage, and optical system are placed on a table, and an emitter and detector antenna and a parabolic mirror are placed in a chamber on the same table.
  • the existing terahertz wave optical system (10) has issues with the emitter and detector antenna configurations and parabolic mirrors taking up a lot of space in the optical chamber, which reduces spatial efficiency and makes maintenance and optical system setting difficult. Additionally, it was difficult to apply the terahertz wave optical system 10 placed in the chamber on the optical table to a robot arm or three-dimensional gantry.
  • the terahertz wave optical system 10 installed in the chamber not only takes up a lot of space, but also has a structure that makes it difficult to maintain the alignment of the optical system. Therefore, it can be applied to measure the physical properties of a sample prepared as shown in FIG. 1, but it can be applied to a transport means such as a robot arm. It's difficult to combine.
  • Patent Document Registered Patent Publication No. 10-1788450
  • the present invention seeks to provide a compact terahertz wave reflection optical system module with improved space efficiency.
  • the present invention also seeks to provide a terahertz reflective optical system module that can be easily and efficiently tuned and can be easily applied to various application devices such as robot arms.
  • the present invention seeks to provide a compact terahertz wave reflection optical system module that can easily confirm the irradiation position of terahertz waves.
  • the terahertz wave reflection optical system module is for irradiating terahertz waves to a sample and detecting the terahertz waves reflected from the sample, and includes a plurality of parabolic mirrors that constitute the sample irradiation optical system and the sample reflection optical system.
  • a mirror block equipped with a mirror block, an emitter mounting portion that is position-adjustably coupled to one rear side of the mirror block and for mounting an emitter, and a detector that is position-adjustably coupled to the other rear side of the mirror block and is for mounting a detector. Includes mounting parts.
  • the terahertz wave reflection optical system module is a small module that can be mounted on a driving unit such as a robot arm.
  • the mirror block has a rectangular frame shape that is open at the front and rear and has a space inside for mounting a plurality of parabolic mirrors, and the emitter mounting portion and the detector mounting portion are preferably arranged side by side at the rear of the mirror block.
  • the sample irradiation optical system including first and second parabolic mirrors is arranged to be aligned with the emitter mounting portion on one inner side of the mirror block, the first parabolic mirror is fixed to the lower part of the mirror block, and the mirror A second parabolic mirror fixed to the upper part of the block is disposed opposite to the upper part of the first parabolic mirror.
  • the sample reflection optical system including third and fourth parabolic mirrors is arranged to be aligned with the detector mounting portion on the other inner side of the mirror block, and the third parabolic mirror is fixed to the upper part of the mirror block, and the mirror block The fourth parabolic mirror fixed to the lower part is disposed opposite to the lower part of the third parabolic mirror.
  • the terahertz wave generated by the emitter and irradiated forward is collimated upward by the first parabolic mirror and irradiated by the second parabolic mirror, and the terahertz wave collimated upward is projected forward by the second parabolic mirror. It is configured to focus on a predetermined location.
  • the predetermined position is a measurement part of the sample and is a position where terahertz waves are focused and reflected.
  • the terahertz wave reflected at the predetermined focused position is irradiated by the third parabolic mirror, collimated downward by the third parabolic mirror, irradiated by the fourth parabolic mirror, and reflected by the fourth parabolic mirror. It is configured to be focused and detected by a detector mounted on the detector mounting unit.
  • a space in which the plurality of parabolic mirrors are mounted is formed inside the mirror block.
  • the sample irradiation optical system includes first and second parabolic mirrors arranged to face each other up and down, and the first parabolic mirror fixed to one inner side of the mirror block to be aligned with the emitter irradiates forward from the emitter. It is fixed to the bottom of the mirror block to collimate terahertz waves upward.
  • the second parabolic mirror fixed to the upper part of the mirror block is arranged to focus the terahertz waves collimated in the vertical direction at a predetermined position in front
  • the sample reflection optical system includes third and fourth parabolic mirrors arranged up and down. It includes, and the third parabolic mirror is fixed to the upper part of the mirror block adjacent to the second parabolic mirror and is arranged to collimate the terahertz wave irradiated at the predetermined position downward.
  • the fourth parabolic mirror fixed to the lower part of the mirror block is arranged to focus the downwardly collimated terahertz waves backward and transmit them to the detector.
  • the terahertz wave reflection optical system module includes a first transfer part that connects the emitter mounting part to the mirror block so that it can be transferred in the xy-axis direction, and a detector mounting part that connects the detector mounting part to the mirror block so that it can be transferred in the xy-axis direction. It further includes a second transfer unit.
  • the emitter mounting portion includes an emitter holder that supports and accommodates the emitter, a first pusher that is hinged to the emitter holder to secure the emitter to the emitter holder, and a first spring assembly that provides fixing force to the first pusher.
  • the detector mounting portion includes a detector holder that supports and accommodates the detector, a second pusher that is hinged to the detector holder to fix the detector to the detector holder, and a second spring assembly that provides a fixing force to the second pusher.
  • the xy-axis direction is horizontal and vertical along the back of the mirror block.
  • the first transfer unit includes a first It includes a first X-axis fixing screw for fixing the position of the first X-axis transfer unit and a first It includes a first Y-axis fixing screw for fixing and a first Y-axis position adjustment screw for finely adjusting the Y-axis direction position of the first Y-axis transfer unit.
  • the second transfer unit includes a second It includes a second X-axis fixing screw for fixing the position of the second X-axis transfer unit and a second It includes a second Y-axis fixing screw for fixing and a second Y-axis position adjustment screw for finely adjusting the Y-axis direction position of the second Y-axis transfer unit.
  • the terahertz wave reflection optical system module further includes a connection plate fixed to the lower or upper part of the mirror block, and the connection plate may have a fastening part for coupling to a robot arm or a transfer device.
  • the terahertz wave reflection optical system module may further include a visible light laser unit coupled to the side of the mirror block.
  • the visible laser unit includes a pair of visible laser units 500 respectively coupled to both sides of the mirror block.
  • An adjustment screw is provided to adjust the attitude of the visible laser 510 so that the visible laser beam emitted from each visible laser unit matches the terahertz wave irradiation position of the sample.
  • the pair of visible laser units are irradiated to correspond to the focusing position of the terahertz wave by the sample irradiation optical system, enabling visual monitoring of the terahertz wave irradiation position while irradiating excitation light to the sample.
  • the sample irradiation optical system and the sample reflection optical system are arranged side by side in the mirror block adjacent to each other.
  • the sample irradiation optical system consists of first and second parabolic mirrors mounted oppositely on the top and bottom of the mirror block, and the sample reflection optical system consists of third and fourth parabolic mirrors mounted oppositely on the top and bottom of the mirror block.
  • the sample irradiation optical system implements an optical path collimated vertically from the rear of the mirror block through the first parabolic mirror and focused forward by the second parabolic mirror, and the sample reflection optical system is vertical from the front of the mirror block through the third parabolic mirror.
  • An optical path is collimated and rear-focused by the fourth parabolic mirror.
  • the terahertz wave reflected from the terahertz wave focusing position by the sample irradiation optical system is arranged to enter the third parabolic mirror of the sample reflection optical system.
  • the first parabolic mirror and the fourth parabolic mirror are arranged side by side on the left and right and have the same focal length
  • the second parabolic mirror and the third parabolic mirror are arranged side by side on the left and right and have the same focal length. It is preferable that the focal length of the second parabolic mirror is larger than the focal length of the first parabolic mirror.
  • a compact terahertz wave reflection optical system module that can be mounted on the head of a three-dimensional transfer device such as a robot arm is provided.
  • a terahertz reflective optical system module capable of efficient and simple tuning is provided.
  • a small terahertz wave reflection optical system module capable of easily monitoring the irradiation position of terahertz waves and a setting method using the same are provided.
  • Figure 1 is a plan view showing the layout of a terahertz wave optical system.
  • Figure 2 is a perspective view of a terahertz wave reflection optical system module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a front perspective view of a terahertz wave reflection optical system module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a rear perspective view of a terahertz wave reflection optical system module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a top view of a terahertz wave reflection optical system module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a partially exploded perspective view of the rear of a terahertz wave reflection optical system module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a rear front view of a terahertz wave reflection optical system module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic diagram showing a state in which a terahertz wave reflection optical system module according to an embodiment of the present invention is mounted on a robot arm.
  • Figure 2 is a perspective view of a terahertz wave reflection optical system module according to an embodiment of the present invention.
  • the terahertz wave reflection optical system module has a structure for radiating terahertz waves to a sample and detecting the terahertz waves reflected from the sample.
  • the terahertz wave reflection optical system module includes a mirror block 200 equipped with a plurality of parabolic mirrors 241, 242, 243, and 244, a connection plate 100 fixed to the lower part of the mirror block, and an emitter 310. It includes an emitter mounting portion, a detector mounting portion equipped with a detector 320, and a pair of visible laser portions 500 coupled to the side of the mirror block.
  • the emitter mounting portion is position-adjustably coupled to one rear side of the mirror block 200, and the detector mounting portion is position-adjustably coupled to the other rear side of the mirror block.
  • An external femtosecond pulse laser is transmitted to the emitter 310 mounted on the emitter mounting portion through the optical fiber 311, thereby generating terahertz waves.
  • the terahertz wave generated from the emitter is irradiated to the sample in front by the sample irradiation optical system mounted on the front mirror block, and then the terahertz wave reflected by the sample is transmitted to the detector by the sample reflection optical system mounted in the mirror block 200. It can be transmitted as .
  • the probe light can be transmitted to the detector 320 through the optical fiber cable 321, and the detection signal from the detector can be transmitted to an external device through a separate cable.
  • the emitter mounting portion and the detector mounting portion are arranged side by side to face each other, and a plurality of parabolic mirrors 241, 242, 243, and 244 constituting the sample irradiation and reflection optical system are arranged inside the mirror block.
  • the mirror block 200 is preferably in the form of a square frame that is open at the front and rear and has a space inside where a plurality of parabolic mirrors are mounted.
  • the mirror block 200 has at least a portion of the front and rear sides open to transmit terahertz energy between the rear emitter, detector, the plurality of parabolic mirrors 241, 242, 243, and 244 inside, and the sample located in the front. It is configured so that waves are transmitted without interruption in the optical path.
  • the mirror block is small and may have a width of 10 cm to 15 cm (in the x-axis direction of FIG. 3), a width of 5 cm to 10 cm (front-back direction), and a height of 5 cm to 10 cm (y-axis direction of FIG. 3).
  • the sample irradiation optical system consisting of the first and second parabolic mirrors 241 and 242 is disposed on one inner side of the mirror block and in front of the emitter mounting portion.
  • the sample reflection optical system consisting of the third and fourth parabolic mirrors 243 and 244 is disposed on the other inner side of the mirror block and in front of the detector mounting portion.
  • the first and second parabolic mirrors 241 and 242 are disposed opposite each other at the lower and upper parts inside the mirror block, and the third and fourth parabolic mirrors 243 and 244 are the second and first parabolic mirrors. Adjacent to (242, 241), they are disposed oppositely at the upper and lower parts, respectively.
  • the focal lengths of the first and fourth parabolic mirrors are the same, and the focal lengths of the second and third parabolic mirrors are the same.
  • the focal length of the first and fourth parabolic mirrors may be 2 inches and the mirror outer diameter may be 1 inch, and the focal length of the second and third parabolic mirrors may be 3 inches and the mirror outer diameter may be 1 inch.
  • the sample irradiation optical system composed of the first and second parabolic mirrors and the sample reflection optical system composed of the third and fourth parabolic mirrors implement corresponding optical paths, but reflect the light reflected at the focusing position by the sample irradiation optical system. It is arranged to enter the third parabolic mirror of this sample reflection optical system.
  • the first parabolic mirror 241 fixed to the lower surface of the mirror block is disposed on one inner side of the mirror block to be aligned with the emitter.
  • the first parabolic mirror 241 is fixed to the lower part of the mirror block so that the mirror surface faces rear and upward of the mirror block.
  • the first parabolic mirror fixed to the lower part of the mirror block has a mirror surface arranged to collimate the terahertz waves diffusely irradiated forward from the emitter upward.
  • the first parabolic mirror 241 is arranged so that its mirror surface faces rearward but has an inclination of approximately 45 degrees with respect to the horizontal plane, and collimates upward the horizontal diffuse beam from the rear emitter toward the front.
  • the second parabolic mirror 242 disposed above the first parabolic mirror transmits the terahertz wave (TB1, red arrow) collimated upward by the first parabolic mirror 241 to the sample in front (not shown). ) is focused.
  • T1, red arrow terahertz wave
  • the terahertz wave (TB2, light green arrow) reflected by the sample is transmitted to the detector by the sample reflection optical system (3rd and 4th parabolic mirrors).
  • the sample reflection optical system including the third and fourth parabolic mirrors 243 and 244 is disposed in front of the detector mounting portion on the other inner side of the mirror block.
  • the third parabolic mirror 243 is fixed to the upper part of the mirror block 200
  • the fourth parabolic mirror 244 fixed to the lower part of the mirror block is disposed opposite to the lower part of the third parabolic mirror.
  • the third parabolic mirror 243 is fixed to the upper part of the mirror block adjacent to the second parabolic mirror, so that the terahertz wave irradiated by the second parabolic mirror and reflected from the sample is transmitted to the third parabolic mirror.
  • the mirror surface is arranged so that it is reflected from the mirror surface of (243) and collimated downward.
  • the fourth parabolic mirror fixed to the lower part of the mirror block has a mirror surface arranged to focus the downwardly collimated terahertz waves backward and transmit them to the detector. More specifically, the fourth parabolic mirror 244 is disposed on one side of the interior of the mirror block to be aligned with the detector.
  • the fourth parabolic mirror 244 is arranged so that its mirror surface faces the rear detector and has an inclination of approximately 45 degrees with respect to the horizontal plane.
  • the arrangement of the first to fourth parabolic mirrors requires only a narrow space within the mirror block, making it possible to implement a sufficiently miniaturized reflection optical system.
  • the first to fourth parabolic mirrors are adjacent to each other, and the angle and arrangement of the mirror surface of each mirror are fixed to the mirror block at a preset angle in consideration of the single focusing spot and the incident light path of the reflected beam. Fine adjustments are made by adjusting the positions of the emitter mounting portion and detector mounting portion, which will be described later.
  • the emitter mounting portion includes an emitter holder 451 that supports and accommodates the emitter, a first pusher 450 that is hinged to the emitter holder and fixes the emitter to the emitter holder, and a first It includes a first spring assembly 452 that provides fixing force to the pusher.
  • the detector mounting portion includes a detector holder 461 that supports and accommodates the detector 320, a second pusher 460 that is hinged to the detector holder and fixes the detector to the detector holder, and a second pusher that provides fixing force to the second pusher. Includes 2 spring assembly (462).
  • the structures of the emitter mounting part and the first transfer part, and the detector mounting part and the second transport part are the same and are arranged symmetrically around the dotted line in FIG. 7.
  • duplicate description of the same structure will be omitted.
  • the first and second pushers (450, 460) hinged to the emitter/detector holder are provided with second spring assemblies (452, 462) consisting of pins and springs.
  • second spring assemblies (452, 462) consisting of pins and springs.
  • a first transfer unit is provided between the emitter holder and the mirror block to enable transfer of the emitter holder in the xy-axis direction with respect to the mirror block.
  • a second transfer unit is provided between the detector holder and the mirror block to enable transfer of the detector holder in the xy-axis direction with respect to the mirror block.
  • a fixing plate 210 in the form of a square plate with an open hollow is fastened to the rear of the partially open mirror block 200.
  • the fixing plate is coupled to a first transfer part that connects the emitter mounting part to the mirror block so that it can be transferred in the xy-axis direction, and a second transfer part that connects the detector mounting part to the mirror block so that it can be transferred in the xy-axis direction.
  • first transfer unit and the second transfer unit are the same, but the arrangement direction is symmetrical with respect to the y-axis. Since the structures of the first and second transfer units are the same, the first and second expressions will be omitted in the description below.
  • the transfer unit includes an
  • the X-axis transfer unit includes an It includes an X-axis guide (411, 421) that guides movement, and an The X-axis fixing part is fixed to the upper surface of the fixing plate 210 and is inserted into the It includes X-axis fixing screws (482, 472) fixed to 210).
  • the X-axis stages (410, 420) are fixed to the fixing plate (210) by tightening the X-axis fixing screws (482, 472) in the Y-axis direction.
  • the X-axis transfer unit further includes an X-axis position adjustment screw 471 that enables fine positioning of the The X-axis position adjustment screw 471 is disposed at the side end of the The X-axis position adjustment screw 471 is rotatably supported by an X-axis fixing member 423 fixed to the fixing plate 210.
  • the X-axis fixing screw and the X-axis positioning screw are arranged perpendicular to each other with respect to the X-axis stage.
  • the method of adjusting the X-axis position is to slightly loosen the X-axis fixing screws (482, 472), turn the Turn the screws (482, 472) to lock.
  • the Y-axis transfer unit includes a Y-axis stage (418), a Y-axis guide, a Y-axis fixing part that secures the Y-axis stage (410, 420) to the X-axis stage (410, 420), and a Y-axis positioning screw (473, 483).
  • the Y-axis stage 418 is connected to the X-axis stages 410 and 420 through a Y-axis guide disposed at the rear of the X-axis stage 410.
  • the Y-axis fixing part is inserted into the Y-axis fixing plate 475, which is fixed to the side of the It includes a Y-axis fixing screw (474). Fix the Y-axis stage to the X-axis stage by tightening the Y-axis fixing screw (474).
  • the Y-axis positioning screw enables fine positioning of the Y-axis stage in the Y-axis direction.
  • the arrangement direction is different from the X-axis positioning screw 471, but the operating principle is the same.
  • the visible laser unit includes a pair of visible laser units 500 respectively coupled to both sides of the mirror block.
  • the visible laser unit is arranged so that the visible laser beam is irradiated at the focus position of the terahertz wave irradiated through the mirror block.
  • the visible laser unit includes a fixing member 220 fixed to both sides of the mirror block 200, a laser mounting part 530 coupled to the fixing member 220, laser adjustment screws 551 and 552, and a visible laser 510. do.
  • the laser mounting unit 530 has a leaf spring interposed between two plates, and can finely adjust the irradiation direction of the visible laser beam using laser adjustment screws 551 and 552 arranged at diagonal positions.
  • the visible laser unit for indicating the location of terahertz wave irradiation can simultaneously be used as excitation light to measure doping concentration, etc.
  • a pair of visible laser beams are disposed at an inclination on both sides of the mirror block so that they can meet at the focusing position of the terahertz wave.
  • the sample irradiation optical system and the sample reflection optical system are arranged left and right symmetrically around the focusing position, and a pair of visible light lasers are also arranged left and right symmetrical around the focusing position.
  • the arrangement angle of a pair of visible light lasers is determined in consideration of the focusing position (x, y, z) of the terahertz wave. However, fine position control is possible using the laser adjustment screw.
  • the terahertz wave reflection optical system module further includes a connection plate 100 fixed to the lower or upper part of the mirror block, and the connection plate is coupled to a robot arm or a translation mechanism, that is, a driving unit. It may have a fastening part to become.
  • Figure 8 shows a robot arm equipped with a terahertz wave reflection optical system module according to an embodiment of the present invention, and (B) shows the terahertz wave reflection optical system module, measurement sample, and sample in (A). This is an enlarged drawing of the stage (3).
  • the terahertz wave reflection optical system module 1 of the present invention can be easily mounted on the robot arm 2 using the connection plate 100.
  • the terahertz wave reflection optical system module of the present invention four mirrors, an emitter, and a detector are stably fixed to a small reflection optical system module, so that the optical path and alignment can be maintained even by the free movement of the robot arm (2).
  • it is possible to easily control the three-dimensional position of the emitter and detector by using the emitter mounting unit, first transport unit, detector mounting unit, and second transport unit of the terahertz wave reflection optical system module of the present invention, thereby focusing the terahertz wave on the sample.
  • the position can be easily adjusted.
  • Probe light and pumping light transmitted to the emitter and detector can all be transmitted by optical fiber, so miniaturization can be achieved by implementing a module with the minimum necessary configuration, allowing complex-shaped samples to be scanned using a robot arm. You can.
  • the terahertz wave focusing position in the target depth direction (surface) of the sample is adjusted in the height direction.
  • the adjustment method uses the strength of the signal detected by the detector. In other words, since the intensity of the reflected wave is the greatest at the surface, this position is set as the target focusing position, and at this time, the visible laser beam (ALB) is focused and meets on the sample surface using the adjustment screw of the pair of visible lasers.
  • the point where the intensity of the signal detected by the detector disappears can be identified by moving the terahertz wave opaque plate in the xy direction. This point is the focusing location. am.
  • the terahertz wave focusing position is determined and the visible laser beam is simultaneously focused and set at the same position.
  • a pair of visible laser units are basically arranged to meet at the focusing position of the sample irradiation optical system (see Figure 5).
  • the terahertz wave reflection optical system module (1) of the present invention is combined with a robot arm, etc. with the focusing positions of the terahertz wave and visible light laser aligned, the terahertz wave focusing position can be visually confirmed, and the sample This visible light laser can also be used as excitation light without the need to apply separate excitation light.
  • the terahertz wave reflection optical system of the present invention can be used in various measuring devices, including terahertz wave measuring devices, and has industrial applicability.

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Abstract

시료에 테라헤르츠파를 조사하고 시료에서 반사된 테라헤르츠파를 검출하기 위한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈로서, 시료조사광학계와 시료반사광학계를 구성하는 복수의 파라볼릭 미러가 장착된 미러블록, 상기 미러블록의 후면 일측에 위치조절가능하게 결합되고 에미터가 장착된 에미터장착부, 상기 미러블록의 후면 타측에 위치조절가능하게 결합되고, 검출기가 장착된 검출기장착부, 및 상기 미러블록의 측면에 결합되는 가시광 레이저부를 포함한다.

Description

테라헤르츠파 반사광학계 모듈
본 발명은 테라헤르츠파 반사광학계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 테라헤르츠파 발생기를 포함하는 소형 반사광학계 모듈에 관한 것이다.
테라헤르츠파는 적외선과 마이크로파(Microwave) 사이의 1012~1014Hz의 테라급 주파수를 가지는 전자기파로서, 대상체의 전기적 특성에 따라 투과량 및 반사량이 달라지는 특성을 가진다. 테라헤르츠파는 가시광이 투과되지 않는 불투명 시료에 대해서도 투과되고 마이크로파(Microwave) 보다 파장이 짧아 해상도가 높다는 장점을 가지고 있어 반도체 물성 및 다층막 측정, 도막두께 측정, 결함 검출, 바이오 의료 등 다양한 분야에서 이용이 확대되고 있는 추세이다.
테라헤르츠파 측정장치는 일반적으로 테라헤르츠파 생성부, 상기 테라헤르츠파 생성부로부터 생성된 테라헤르츠 파를 시료로 조사하는 제1 광학계, 상기 시료에 조사되어 반사된 테라헤르츠파를 검출기로 가이드 하는 제2 광학계, 상기 반사된 테라헤르츠파를 검출하는 검출기 및 검출기 신호를 처리하는 연산장치를 포함한다.
테라헤르츠파는 펨토초 펄스 레이저에 반응하는 광전도체(photoconductor)에서 광정류(optical rectification) 방식에 의해 발생한다. 즉, 펨토초 펄스 레이저가 PCA(photoconductive antenna)를 포함하는 테라헤르츠 에미터(THz emitter)에 조사되어 테라헤르츠파 펄스가 생성된다.
도 1은 테라헤르츠파 광학계의 레이아웃을 나타낸 평면도이다. 도 1에 의하면 상기 펨토초 펄스 광원으로부터 나온 펨토초 펄스 레이저는 파장변환기 및 필터를 거쳐 빔 스플리터(Beam Splitter)에 의해 분기되어 일부(Beam 1)는 지연 스테이지(scan delay)를 거쳐 테라헤르츠 에미터(THz emitter)에 조사되어 테라헤르츠파 펄스 발생을 위한 펌프광으로 기능하고, 다른 일부(Beam 2)는 검출기로 안내되어 프로브 빔(probe beam)으로 기능한다. 상기 펨토초 펄스에 의해 테라헤르츠 에미터에서 발생한 테라헤르츠파(THz)는 제1 광학계(PM1, PM2)에 의해 집속되어 시료의 특정 위치에 조사되고 시료에서 반사된 후 제2광학계(PM3, PM4)에 의해 검출기(Detector Antenna)로 집속되어 반사광의 세기가 검출된다. 프로브 빔은 시료에 의해 반사된 테라헤르츠파 보다 먼저 검출기에 도달하여 테라헤르츠파 검출의 기준시점을 설정하는 역할을 한다.
이러한 테라헤르츠파 광학계는 펨토초 레이저 광원, 지연 스테이지, 광학계 등이 테이블 위에 배치되고, 동일 테이블 상의 챔버 내에 Emitter 및 Detector antenna와 파라볼릭 미러가 배치되는 복잡한 구성을 가지고 있다. 특히 기존 테라헤르츠파 광학계(10)는 광학 챔버(Chamber) 내에 Emitter 및 Detector antenna 구성과 포물면거울(Parabolic mirror) 등이 많은 공간을 차지하여 공간적 효율성이 떨어지고 유지보수 및 광학계 셋팅이 어려운 문제가 있다. 또한 이러한 광학테이블 상의 챔버에 배치된 테라헤르츠파 광학계(10)를 로봇암(robot arm) 또는 3차원 갠트리(gantry)에 적용하기 곤란하였다. 이는 챔버 내에 설치된 테라헤르츠파 광학계(10)은 공간을 많이 차지할 뿐 아니라 광학계 정렬이 유지되기 어려운 구조이므로, 도 1과 같이 준비된 시료의 물성을 측정하기 위해 적용될 수 있으나, 로봇암 등의 이송수단에 결합하기는 어렵다.
(특허문헌) 등록특허공보 제10-1788450호
본 발명의 상기 문제를 해결하여 공간효율성이 향상된 소형 테라헤르츠파 반사광학계 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명은 또한 튜닝을 효율적으로 간편하게 할 수 있고 로봇암 등 다양한 응용장치에 적용이 용이한 테라헤르츠 반사광학계 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명은 테라헤르츠파의 조사 위치를 용이하게 확인할 수 있는 소형 테라헤르츠파 반사광학계 모듈을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈이 게시된다. 본 발명의 일 측면에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈은 시료에 테라헤르츠파를 조사하고 시료에서 반사된 테라헤르츠파를 검출하기 위한 것으로, 시료조사광학계와 시료반사광학계를 구성하는 복수의 파라볼릭 미러가 장착된 미러블록, 상기 미러블록의 후면 일측에 위치조절가능하게 결합되고 에미터를 장착하기 위한 에미터장착부, 및 상기 미러블록의 후면 타측에 위치조절가능하게 결합되고, 검출기를 장착하기 위한 검출기장착부를 포함한다. 상기 테라헤르츠파 반사광학계 모듈은 소형으로 로봇암과 같은 구동부에 장착가능한 소형 모듈이다.
상기 미러블록은 전후방이 개방되고 내부에 복수의 파라볼릭 미러가 장착되는 공간이 형성된 사각 프레임 형태이고, 상기 에미터장착부와 상기 검출기장착부는 미러블록 후방에 나란히 배치되는 것이 바람직하다.
제1 및 제2 파라볼릭 미러를 포함하는 상기 시료조사광학계는 상기 미러블록의 내부 일측에 상기 에미터장착부와 정렬되게 배치되고, 제1 파라볼릭 미러는 상기 미러블록의 하부에 고정되고, 상기 미러블록의 상부에 고정된 제2 파라볼릭 미러는 상기 제1 파라볼릭 미러의 상부에 대향 배치된다.
제3 및 제4 파라볼릭 미러를 포함하는 상기 시료반사광학계는 상기 미러블록의 내부 타측에 상기 검출기장착부와 정렬되게 배치되고, 제3 파라볼릭 미러는 상기 미러블록의 상부에 고정되고, 상기 미러블록의 하부에 고정된 제4 파라볼릭 미러는 상기 제3 파라볼릭 미러의 하부에 대향 배치된다.
시료조사광학계는, 에미터에서 생성되어 전방으로 조사되는 테라헤르츠파가 제1 파라볼릭 미러에 의해 상향 시준되어 제2 파라볼릭 미러로 조사되고 상향 시준된 테라헤르츠파는 제2 파라볼릭 미러에 의해 전방 소정 위치에 집속되도록 구성된다. 상기 소정 위치는 시료의 측정부위로서 테라헤르츠파가 집속되어 반사되는 위치이다.
시료반사광학계는, 상기 집속되는 소정 위치에서 반사된 테라헤르츠파가 제3 파라볼릭 미러로 조사되고 제3 파라볼릭 미러에 의해 하향 시준되어 제4 파라볼릭 미러로 조사되고 제4 파라볼릭 미러에 의해 집속되어 검출기장착부에 장착된 검출기에 의해 감지되록 구성된다.
본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 상기 미러블록은 내부에 상기 복수의 파라볼릭 미러가 장착되는 공간이 형성된다. 시료조사광학계는 상하로 대향 배치된 제1 및 제2 파라볼릭 미러를 포함하고, 상기 에미터와 정렬되게 상기 미러블록의 내부 일측에 고정된 제1 파라볼릭 미러는 상기 에미터로부터 전방으로 조사되는 테라헤르츠파를 상향 시준하도록 미러블록의 하부에 고정된다.
상기 미러블록의 상부에 고정된 제2 파라볼릭 미러는 상기 수직 방향으로 시준된 테라헤르츠파를 전방의 소정 위치에 집속하도록 배치되며, 시료반사광학계는 상하로 배치된 제3 및 제4 파라볼릭 미러를 포함하고, 제3 파라볼릭 미러는 상기 제2 파라볼릭 미러와 인접되게 상기 미러블록의 상부에 고정되어 상기 소정 위치에서 조사되는 테라헤르츠파를 하향 시준하도록 배치된다.
상기 미러블록의 하부에 고정된 제4 파라볼릭 미러는 상기 하향 시준된 테라헤르츠파를 후방으로 집속하여 검출기로 전달하도록 배치된다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 테라헤르츠파 반사광학계 모듈은 에미터장착부를 xy축 방향으로 이송가능하게 미러블록에 연결하는 제1이송부, 및 검출기장착부를 xy축 방향으로 이송가능하게 미러블록에 연결하는 제2이송부를 더 포함한다.
상기 에미터장착부는 에미터를 지지하여 수용하는 에미터홀더, 상기 에미터홀더에 힌지 결합되어 에미터를 에미터홀더에 고정하는 제1푸셔, 및 제1푸셔에 고정력을 제공하는 제1스프링조립체를 포함한다.
상기 검출기장착부는 검출기를 지지하여 수용하는 검출기홀더, 상기 검출기홀더에 힌지 결합되어 검출기를 검출기홀더에 고정하는 제2푸셔, 및 제2푸셔에 고정력을 제공하는 제2스프링조립체를 포함한다.
xy축 방향은 미러블록의 후면을 따라 수평 및 수직 방향이다.
상기 제1이송부는 미러블록에 대해 X축 방향 병진운동이 가능하도록 구성되는 제1 X축이송부와 Y축 방향 병진운동이 가능하도록 구성되는 제1 Y축이송부를 포함한다. 상기 제1 X축 이송부의 위치를 고정하는 제1 X축 고정나사 및 제1 X축이송부의 X축 방향 위치를 미세 조정하는 제1 X축 위치조절나사를 포함하고, 상기 제1 Y축 이송부를 고정하는 제1 Y축 고정나사 및 제1 Y축이송부의 Y축 방향 위치를 미세 조정하는 제1 Y축 위치조절나사를 포함한다.
상기 제2이송부는 미러블록에 대해 X축 방향 병진운동이 가능하도록 구성되는 제2 X축이송부와 Y축 방향 병진운동이 가능하도록 구성되는 제2 Y축이송부를 포함한다. 상기 제2 X축 이송부의 위치를 고정하는 제2 X축 고정나사 및 제2 X축이송부의 X축 방향 위치를 미세 조정하는 제2 X축 위치조절나사를 포함하고, 상기 제2 Y축 이송부를 고정하는 제2 Y축 고정나사 및 제2 Y축이송부의 Y축 방향 위치를 미세 조정하는 제2 Y축 위치조절나사를 포함한다.
상기 테라헤르츠파 반사광학계 모듈은 상기 미러블록의 하부 또는 상부에 고정되는 연결판을 더 포함하고, 상기 연결판은 로봇암 또는 이송장치에 결합되기 위한 체결부를 가질 수 있다.
테라헤르츠파 반사광학계 모듈은 상기 미러블록의 측면에 결합되는 가시광 레이저부를 더 포함할 수 있다.
상기 가시광 레이저부는 상기 미러블록의 양 측면에 각기 결합되는 한 쌍의 가시광 레이저부(500)를 포함한다.
각각의 가시광 레이저부에서 조사된 가시광 레이저 빔이 시료의 테라헤르츠파 조사 위치와 일치하도록 가시광 레이저(510)의 자세 조정이 가능한 조절나사를 구비한다. 상기 한 쌍의 가시광 레이저부는, 상기 시료조사광학계에 의한 테라헤르츠파의 집속 위치에 대응되도록 조사되어, 시료에 여기광을 조사하는 동시에 테라헤르츠파 조사 위치의 시각적 모니터링을 가능하게 한다.
상기 시료조사광학계와 시료반사광학계는 서로 좌우로 나란히 미러블록 내에 인접 배치된다. 시료조사광학계는 미러블록의 상하에 대향 장착된 제1 및 제2 파라볼릭 미러로 구성되고, 시료반사광학계는 미러블록의 상하에 대향 장착된 제3 및 제4 파라볼릭 미러로 구성된다.
시료조사광학계는 미러블록 후방으로부터 제1 파라볼릭 미러를 거쳐 수직 시준되고 제2 파라볼릭미러에 의해 전방 집속되는 광경로를 구현하고, 시료반사광학계는 미러블록 전방으로부터 제3 파라볼릭 미러를 거쳐 수직 시준되고 제4 파라볼릭 미러에 의해 후방 집속되는 광경로를 구현한다.
시료조사광학계에 의한 테라헤르츠파 집속 위치에서 반사되는 테라헤르츠파가 시료반사광학계의 제3 파라볼릭 미러로 입사하도록 배치된다.
제1 파라볼릭 미러와 제4 파라볼릭 미러는 좌우로 나란히 배치되고, 초점거리가 동일하고, 제2 파라볼릭 미러와 제3 파라볼릭 미러는 좌우로 나란히 배치되고 초점거리가 동일하다. 제1 파라볼릭 미러의 초점거리 보다 제2 파라볼릭 미러의 초점거리가 더 큰 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 로봇암과 같은 3차원 이송기구의 헤드에 장착가능한 컴팩트한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 튜닝을 효율적으로 간편하게 할 수 있는 테라헤르츠 반사광학계 모듈이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 테라헤르츠파의 조사 위치를 용이하게 모니터링할 수 있는 소형 테라헤르츠파 반사광학계 모듈과 이를 이용한 세팅 방법을 제공한다.
도 1은 테라헤르츠파 광학계의 레이아웃을 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈의 전방 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈의 후방 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈의 상면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈의 후방 일부 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 반사광학계 모듈의 후방 정면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 반사광학계 모듈이 로봇암에 장착된 상태를 나타낸 개략도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결" 또는 "결합"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결" 또는 "직접적으로 결합"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 "연결" 또는 "결합"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈의 사시도이다.
도 2 내지 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈은 시료에 테라헤르츠파를 조사하고 시료에서 반사된 테라헤르츠파를 검출하기 위한 구조를 가진다. 테라헤르츠파 반사광학계 모듈은 복수의 파라볼릭 미러(241, 242, 243, 244)가 장착된 미러블록(200), 상기 미러블록의 하부에 고정되는 연결판(100), 에미터(310)가 장착된 에미터장착부, 검출기(320)가 장착된 검출기장착부, 및 상기 미러블록의 측면에 결합되는 한 쌍의 가시광 레이저부(500)를 포함한다. 에미터장착부는 미러블록(200)의 후면 일측에 위치조절가능하게 결합되고, 검출기장착부는 미러블록의 후면 타측에 위치조절가능하게 결합된다.
에미터장착부에 장착된 에미터(310)에는 광섬유(311)에 의해 외부 펨토초 펄스 레이저가 전달되어 테라헤르츠파가 발생한다. 에미터에서 발생한 테라헤르츠파는 전방의 미러블록에 장착된 시료조사광학계에 의해 전방의 시료로 조사된 후, 시료에 의해 반사된 테라헤르츠파가 미러블록(200) 내에 장착된 시료반사광학계에 의해 검출기로 전달될 수 있다. 광섬유 케이블(321)에 의해 프로브광이 검출기(320)에 전달될 수 있고 별도의 케이블에 의해 검출기의 검출신호가 외부 장치로 전달될 수 있다.
미러블록(200)의 후방에는 에미터장착부와 검출기장착부가 대향되도록 나란히 배치되고 미러블록 내부에는 시료 조사 및 반사 광학계를 구성하는 복수의 파라볼릭 미러(241, 242, 243, 244)가 배치된다. 상기 미러블록(200)은 전후방이 개방되고 내부에 복수의 파라볼릭 미러가 장착되는 공간이 형성된 사각 프레임 형태인 것이 바람직하다. 대안적으로, 상기 미러블록(200)은 전후방의 적어도 일부분이 개방되어 후방의 에미터, 검출기, 내부의 복수의 파라볼릭 미러(241, 242, 243, 244) 및 전방에 위치한 시료 사이를 테라헤르츠파가 광경로의 끊김이 없이 전달되도록 구성된다.
상기 미러블록은 소형으로 가로(도 3의 x축 방향) 10 cm 내지 15 cm, 폭(전후방 방향) 5 cm 내지 10cm, 높이(도 3의 y 축 방향) 5 cm 내지 10cm를 가질 수 있다.
제1 및 제2 파라볼릭 미러(241, 242)로 구성된 시료조사광학계는 미러블록의 내부 일측, 상기 에미터장착부의 전방에 배치된다. 제3 및 제4 파라볼릭 미러(243, 244)로 구성된 시료반사광학계는 미러블록의 내부 타측, 상기 검출기장착부의 전방에 배치된다. 제1 및 제2 파라볼릭 미러(241, 242)는 미러블록 내부의 하부 및 상부에 각기 대향 배치되고, 제3 및 제4 파라볼릭 미러(243, 244)는 상기 제2 및 제1 파라볼릭 미러(242, 241)에 인접하여 각기 상부 및 하부에 대향 배치된다.
제1 및 제4 파라볼릭 미러의 초점거리가 서로 동일하고, 제2 및 제3 파라볼릭 미러의 초점거리가 서로 동일하다. 예시적으로 제1 및 제4 파라볼릭 미러의 초점거리를 2인치, 미러 외경은 1인치, 제2 및 제3 파라볼릭 미러의 초점거리는 3인치, 미러 외경은 1인치일 수 있다. 제1 및 제2 파라볼릭 미러에 의해 구성되는 시료조사광학계과 제3 및 제4 파라볼릭 미러에 의해 구성되는 시료반사광학계는 각기 대응되는 광경로를 구현하되 시료조사광학계에 의한 집속 위치에서 반사되는 광이 시료반사광학계의 제3 파라볼릭 미러로 입사하도록 배치된다.
보다 구체적으로, 상기 미러블록의 하면에 고정된 제1 파라볼릭 미러(241)는 상기 에미터와 정렬되게 상기 미러블록의 내부 일측에 배치된다. 제1 파라볼릭 미러(241)는 미러면이 미러블록의 후방 및 상방을 향하도록 미러블록의 하부에 고정된다.
미러블록의 하부에 고정된 제1 파라볼릭 미러는 상기 에미터로부터 전방으로 확산 조사되는 테라헤르츠파를 상향 시준하도록 미러면이 배치된다. 이를 위해 제1 파라볼릭 미러(241)는 미러면이 후방을 향하되 수평면에 대해 대략 45도 경사를 가지도록 배치되어 후방의 에미터에서 전방을 향하는 수평 확산 빔을 상향으로 시준한다(collimate).
상기 제1 파라볼릭 미러의 상부에 배치된 제2 파라볼릭 미러( 242)는 제1 파라볼릭 미러(241)에 의해 상향 시준된 테라헤르츠파(TB1, 붉은 색 화살표)를 전방의 시료(미도시)로 집속한다.
시료에 의해 반사된 테라헤르츠파(TB2, 연두색 화살표)는 시료반사광학계(제3 및 제4 파라볼릭 미러)에 의해 검출기로 전달된다.
제3 및 제4 파라볼릭 미러(243, 244)를 포함하는 시료반사광학계는 미러블록의 내부 타측에 상기 검출기장착부의 전방에 배치된다. 제3 파라볼릭 미러(243)는 미러블록(200)의 상부에 고정되고, 상기 미러블록의 하부에 고정된 제4 파라볼릭 미러(244)는 상기 제3 파로볼릭 미러의 하부에 대향 배치된다.
제3 파라볼릭 미러(243)는 상기 제2 파라볼릭 미러와 인접되게 상기 미러블록의 상부에 고정되어, 제2 파라볼릭 미러에 의해 조사되어 상기 시료에서 반사되는 테라헤르츠파가 제3 파라볼릭 미러(243)의 미러면에서 반사되어 하향 시준되도록 미러면이 배치된다. 상기 미러블록의 하부에 고정된 제4 파라볼릭 미러는 상기 하향 시준된 테라헤르츠파를 후방으로 집속하여 검출기로 전달하도록 미러면이 배치된다. 보다 구체적으로, 제4 파라볼릭 미러(244)는 상기 검출기와 정렬되게 상기 미러블록의 내부 일측에 배치된다. 제4 파라볼릭 미러(244)는 미러면이 후방의 검출기를 향하되 수평면에 대해 대략 45도 경사를 가지도록 배치된다.
이러한 제1 내지 제4 파라볼릭 미러의 배치는 미러블록 내의 좁은 공간만을 요구하므로 충분히 소형화된 반사광학계를 구현할 수 있다.
제1 내지 제4 파라볼릭 미러는 서로 인접하되 각 미러의 미러면의 각도 및 배치는 단일 집속 스팟 및 반사 빔의 입사광 경로를 고려하여 미리 설정된 각도로 미러블록에 고정된다. 미세한 조정은 후술하는 에미터장착부 및 검출기장착부의 위치조절에 의해 이루어진다.
이하 도 4 내지 6을 참조하여 에미터장착부, 검출기장착부와 제1 및 제2 이송부의 구성을 상세히 설명한다.
도 4에 의하면, 에미터장착부는 에미터를 지지하여 수용하는 에미터홀더(451), 상기 에미터홀더에 힌지 결합되어 에미터를 에미터홀더에 고정하는 제1푸셔(450), 및 제1푸셔에 고정력을 제공하는 제1스프링조립체(452)를 포함한다.
상기 검출기장착부는 검출기(320)를 지지하여 수용하는 검출기홀더(461), 상기 검출기홀더에 힌지 결합되어 검출기를 검출기홀더에 고정하는 제2푸셔(460), 및 제2푸셔에 고정력을 제공하는 제2스프링조립체(462)를 포함한다.
에미터장착부 및 제1이송부와 검출기장착부 및 제2이송부의 구조는 동일하고 도 7의 점선을 중심으로 서로 대칭 배치된다. 이하, 동일한 구조에 대해서는 중복 설명을 생략한다.
에미터/검출기홀더에 힌지 결합되는 제1 및 제2푸셔(450, 460)에는 핀과 스프링으로 이루어진 제2스프링조립체(452, 462)가 구비된다. 푸셔의 일단부를 위에서 누르면 중간 힌지에 의해 푸셔의 홀더(451, 461) 측 단부가 들리고, 홀더에 장착된 에미터/검출기를 장착 해제할 수 있다. 또한 검출기나 에미터를 z 방향(전후방향)으로 홀더 위에서 이동시킴으로써 검출기나 에미터의 z축 방향 위치 조정이 가능하다. 도 7을 참조하면 푸셔(450, 460)와 홀더(451, 461)는 검출기(320) 또는 에미터를 3점 지지 방식으로 고정할 수 있다.
한편, 상기 에미터홀더와 상기 미러블록 사이에는 상기 미러블록에 대해 에미터홀더를 xy축 방향으로 이송가능하게 연결하는 제1이송부가 구비된다. 상기 검출기홀더와 상기 미러블록 사이에는 상기 미러블록에 대해 검출기홀더를 xy축 방향으로 이송가능하게 연결하는 제2이송부가 구비된다. 이하 이송부의 구조에 대해 상술한다.
도 4 내지 6에 의하면, 일부분이 개방된 미러블록(200)의 후면에는 중공이 개방된 사각판 형태의 고정판(210)이 체결된다. 상기 고정판에는 에미터장착부를 xy축 방향으로 이송가능하게 미러블록에 연결하는 제1이송부와, 검출기장착부를 xy축 방향으로 이송가능하게 미러블록에 연결하는 제2이송부가 각기 결합된다.
제1이송부와 제2 이송부의 구조는 동일하고 다만 배치 방향이 y축에 대해 서로 대칭이다. 제1 이송부와 제2 이송부의 구조가 동일하므로 아래 설명에서는 제1, 제2 표현을 생략하고 설명한다.
상기 이송부는 미러블록에 대해 X축 방향 병진운동이 가능하도록 구성되는 X축이송부와 Y축 방향 병진운동이 가능하도록 구성되는 Y축이송부를 포함한다.
X축이송부는 고정판(210)의 후방에 X축 방향으로 이동가능하게 결합되는 X축스테이지(410, 420), 고정판(210)에 고정되어 상기 X축스테이지(410, 420)의 X축 방향 이동을 가이드하는 X축 가이드(411, 421), X축스테이지(410, 420)를 고정판(210)에 고정하는 X축고정부를 포함한다. X축고정부는 상기 고정판(210)의 상면에 고정되고 X축방향 장공(478)이 형성되는 X축고정판(477)과, 장공(478)에 삽입되어 X축스테이지(410, 420)를 고정판(210)에 고정하는 X축고정나사(482, 472)를 포함한다. X축고정나사(482, 472)를 Y축방향으로 죔으로써 X축스테이지(410, 420)를 고정판(210)에 위치 고정한다.
X축이송부는 X축스테이지(410, 420)의 X축 방향 미세 위치조정을 가능하게 하는 X축위치조절나사(471)를 더 포함한다. X축위치조절나사(471)는 X축스테이지(410, 420)의 측단에 배치되고 나사회전에 의해 X축 방향으로 X축스테이지(410, 420)를 미세 이동시킬 수 있다. X축위치조절나사(471)는 고정판(210)에 고정된 X축고정부재(423)에 의해 회전가능하게 지지된다. X축고정나사와 X축위치조절나사는 X축스테이지에 대해 서로 수직방향으로 배치된다.
X축위치조절의 방법은 X축고정나사(482, 472)를 약간 푼 상태에서 X축위치조절나사(471)를 돌려 X축스테이지(410, 420)를 이동시켜 위치를 조정한 후 X축고정나사(482, 472)를 돌려 잠근다.
Y축이송부는 Y축스테이지(418), Y축 가이드, Y축스테이지(410, 420)를 X축스테이지(410, 420)에 고정하는 Y축고정부 및 Y축위치조절나사(473, 483)를 포함한다.
Y축스테이지(418)는 X축스테이지(410)의 후면에 배치된 Y축 가이드를 매개한 상태로 X축스테이지(410, 420)에 연결된다. Y축고정부는 상기 X축스테이지(410)의 측면에 고정되고 Y축방향 장공(476)이 형성되는 Y축고정판(475)과, 장공(476)에 삽입되어 Y축스테이지를 X축스테이지에 고정하는 Y축고정나사(474)를 포함한다. Y축고정나사(474)를 죔으로써 Y축스테이지를 X축스테이지에 위치 고정한다.
Y축위치조절나사는 Y축스테이지의 Y축 방향 미세 위치조정을 가능하게 하는 것으로, X축위치조절나사(471)와 배치 방향은 상이하나 작동 원리는 동일하다.
이하 도 2, 3, 5를 참조하여 테라헤르츠파 모니터링을 위한 가시광 레이저부의 배치 및 구조에 관하여 설명한다.
테라헤르츠파는 시각적인 확인 어려우므로 가시광 레이저 2개를 시료에 포커싱하여 얼라인 문제를 시각적으로 확인할 수 있다.
도 2에 의하면, 상기 가시광 레이저부는 상기 미러블록의 양 측면에 각기 결합되는 한 쌍의 가시광 레이저부(500)를 포함한다. 가시광 레이저부는 미러블록을 통해 조사되는 테라헤르츠파의 집속 위치에 가시광 레이저 빔이 조사되도록 배치된다.
가시광 레이저부는 미러블록(200)의 양 측면에 고정되는 고정부재(220), 고정부재(220)에 결합되는 레이저장착부(530) 및 레이저조절나사(551, 552) 및 가시광레이저(510)을 포함한다. 레이저장착부(530)는 2개의 플레이트 사이에 판스프링이 개재되고, 대각선 위치에 배치된 레이저조절나사(551, 552)를 이용하여 가시광 레이저 빔의 조사 방향을 미세 조정할 수 있다. 테라헤르츠파의 조사 위치를 표시하기 위한 가시광 레이저부는 동시에 도핑 농도 등을 측정하기 위한 여기광으로 이용될 수 있다.
도 5와 같이 한 쌍의 가시광 레이저 빔(ALB)이 테라헤르츠파의 집속 위치에서 만날 수 있도록 미러블록의 양 측면에 경사를 가지고 배치된다. 이 때 시료조사광학계 및 시료반사광학계는 상기 집속 위치를 중심으로 좌우 대칭 배치되고, 한 쌍의 가시광 레이저도 상기 집속 위치를 중심으로 좌우 대칭으로 배치된다. 테라헤르츠파의 상기 집속 위치(x, y, z)를 고려하여 한 쌍의 가시광 레이저의 배치각도가 정해진다. 다만, 레이저조절나사에 의해 미세 위치 제어가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈은 상기 미러블록의 하부 또는 상부에 고정되는 연결판(100)을 더 포함하고, 상기 연결판은 로봇암 또는 병진이동기구, 즉 구동부에 결합되기 위한 체결부를 가질 수 있다.
도 8의 (A)는 본 발명의 일 실시예에 의한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈이 장착된 로봇암을 도시한 것이고, (B)는 (A)에서 테라헤르츠파 반사광학계 모듈과 측정시료, 시료스테이지(3)을 확대한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 테라헤르츠파 반사광학계 모듈(1)은 로봇암(2)에 상기 연결판(100)을 이용하여 쉽게 장착될 수 있다. 본 발명의 테라헤르츠파 반사광학계 모듈은 4개의 미러와 에미터, 검출기가 소형 반사광학계 모듈에 안정적으로 고정되어 로봇암(2)의 자유로운 이동에 의해서도 광경로 및 정렬이 유지될 수 있다. 나아가, 본 발명의 테라헤르츠파 반사광학계 모듈의 에미터장착부 및 제1이송부와 검출기장착부 및 제2이송부를 이용하여 간편하게 에미터, 검출기의 3차원 위치 제어가 가능하므로 테라헤르츠파의 시료에 대한 집속 위치를 쉽게 조절할 수 있다. 에미터와 검출기에 전달되는 프로브광, 펌핑광 등은 모두 광섬유에 의해 전달될 수 있어 필요한 최소한의 구성만으로 모듈을 구현하여 소형화를 달성할 수 있어, 복잡한 형태의 시료를 로봇암을 이용하여 스캔할 수 있다.
한편, 테라헤르츠파는 시각적인 확인 어려우므로 가시광 레이저 2개를 시료에 포커싱하여 얼라인 문제를 시각적으로 확인할 수 있다. 도 2, 5, 8을 참조하여 가시광 레이저 빔(ALB)을 테라헤르츠파 빔(TB1, TB2)의 포커싱 위치와 일치하도록 세팅하는 방법을 설명한다.
고정테이블 또는 선형 이동 가능한 시료 스테이지(3)에 시료가 고정된 상태에서, 높이 방향으로 시료의 타겟 깊이방향(표면) 테라헤르츠파 포커싱 위치를 조정한다. 조정 방법은 검출기가 감지하는 신호의 세기를 이용한다. 즉 표면에서 반사파 세기가 가장 크므로 이 위치를 타겟 포커싱 위치로 하고 이때 한 쌍의 가시광 레이저의 조절나사를 이용하여 가시광 레이저 빔(ALB)을 시료 표면에 포커싱하여 만나도록 한다.
한편, 시료 평면에서의 특정 스팟, 즉 시료 표면에서의 포커싱 위치 파악은 테라헤르츠파 불투과 평판을 xy 방향으로 이동하면서 검출기가 감지하는 신호의 세기가 사라지는 지점을 파악할 수 있는데, 이 지점이 포커싱 위치이다.
이러한 방식으로 테라헤르츠파 포커싱 위치를 정하면서 동시에 가시광 레이저 빔을 동일한 위치에 포커싱하여 세팅한다. 한 쌍의 가시광 레이저부는 기본적으로 시료조사광학계의 집속 위치에서 만나도록 배치된다(도 5 참조). 위의 과정을 거치되 조절나사들을 이용하여 미세 위치 조정을 하면 테라헤르츠파와 가시광 레이저의 포커싱 위치를 정확히 일치시킬 수 있다.
이러한 과정에 의해 일단 테라헤르츠파와 가시광 레이저의 포커싱 위치를 일치시킨 상태에서 로봇암 등에 본 발명의 테라헤르츠파 반사광학계 모듈(1)을 결합하면, 시각적으로 테라헤르츠파 집속 위치를 확인할 수 있고, 시료에 별도의 여기광을 적용할 필요 없이 이 가시광 레이저를 여기광으로 이용할 수도 있다.
본 발명의 테라헤르츠파 반사광학계는 테라헤르츠파 측정기를 포함한 다양한 계측 장치에 이용될 수 있어 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (10)

  1. 시료에 테라헤르츠파를 조사하고 시료에서 반사된 테라헤르츠파를 검출하기 위한 테라헤르츠파 반사광학계 모듈로서,
    시료조사광학계와 시료반사광학계를 구성하는 복수의 파라볼릭 미러가 장착된 미러블록,
    상기 미러블록의 후면 일측에 위치조절가능하게 결합되고 에미터를 장착하기 위한 에미터장착부, 및
    상기 미러블록의 후면 타측에 위치조절가능하게 결합되고, 검출기를 장착하기 위한 검출기장착부를 포함하는 테라헤르츠파 반사광학계 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미러블록은 전후방이 개방되고 내부에 복수의 파라볼릭 미러가 장착되는 공간이 형성된 사각 프레임 형태이고, 상기 에미터장착부와 상기 검출기장착부는 미러블록 후방에 나란히 배치되고,
    제1 및 제2 파라볼릭 미러를 포함하는 상기 시료조사광학계는 상기 미러블록의 내부 일측에 상기 에미터장착부와 정렬되게 배치되고, 제1 파라볼릭 미러는 상기 미러블록의 하부에 고정되고, 상기 미러블록의 상부에 고정된 제2 파라볼릭 미러는 상기 제1 파라볼릭 미러의 상부에 대향 배치되고,
    제3 및 제4 파라볼릭 미러를 포함하는 상기 시료반사광학계는 상기 미러블록의 내부 타측에 상기 검출기장착부와 정렬되게 배치되고, 제3 파라볼릭 미러는 상기 미러블록의 상부에 고정되고, 상기 미러블록의 하부에 고정된 제4 파라볼릭 미러는 상기 제3 파라볼릭 미러의 하부에 대향 배치되고,
    시료조사광학계는, 에미터에서 생성되어 전방으로 조사되는 테라헤르츠파가 제1 파라볼릭 미러에 의해 상향 시준되어 제2 파라볼릭 미러로 조사되고 상향 시준된 테라헤르츠파는 제2 파라볼릭 미러에 의해 전방 소정 위치에 집속되도록 구성되고,
    시료반사광학계는, 상기 집속되는 소정 위치에서 반사된 테라헤르츠파가 제3 파라볼릭 미러로 조사되고 제3 파라볼릭 미러에 의해 하향 시준되어 제4 파라볼릭 미러로 조사되고 제4 파라볼릭 미러에 의해 집속되어 검출기장착부에 장착된 검출기에 의해 감지되록 구성되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 반사광학계 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미러블록은 내부에 상기 복수의 파라볼릭 미러가 장착되는 공간이 형성되고,
    시료조사광학계는 상하로 대향 배치된 제1 및 제2 파라볼릭 미러를 포함하고,
    상기 에미터와 정렬되게 상기 미러블록의 내부 일측에 고정된 제1 파라볼릭 미러는 상기 에미터로부터 전방으로 조사되는 테라헤르츠파를 상향 시준하도록 미러블록의 하부에 고정되고,
    상기 미러블록의 상부에 고정된 제2 파라볼릭 미러는 상기 상향 시준된 테라헤르츠파를 전방의 소정 위치에 집속하도록 배치되며,
    시료반사광학계는 상하로 배치된 제3 및 제4 파라볼릭 미러를 포함하고,
    제3 파라볼릭 미러는 상기 제2 파라볼릭 미러와 인접되게 상기 미러블록의 상부에 고정되어 상기 소정 위치에서 조사되는 테라헤르츠파를 하향 시준하도록 배치되고,
    상기 미러블록의 하부에 고정된 제4 파라볼릭 미러는 상기 하향 시준된 테라헤르츠파를 후방으로 집속하여 검출기로 전달하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 반사광학계 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    에미터장착부를 xy축 방향으로 이송가능하게 미러블록에 연결하는 제1이송부, 및
    검출기장착부를 xy축 방향으로 이송가능하게 미러블록에 연결하는 제2이송부를 더 포함하고,
    상기 에미터장착부는 에미터를 지지하여 수용하는 에미터홀더, 상기 에미터홀더에 힌지 결합되어 에미터를 에미터홀더에 고정하는 제1푸셔, 및 제1푸셔에 고정력을 제공하는 제1스프링조립체를 포함하고,
    상기 검출기장착부는 검출기를 지지하여 수용하는 검출기홀더, 상기 검출기홀더에 힌지 결합되어 검출기를 검출기홀더에 고정하는 제2푸셔, 및 제2푸셔에 고정력을 제공하는 제2스프링조립체를 포함하고,
    xy축 방향은 미러블록의 후면을 따라 수평 및 수직 방향인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 반사광학계 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1이송부는 미러블록에 대해 X축 방향 병진운동이 가능하도록 구성되는 제1 X축이송부와 Y축 방향 병진운동이 가능하도록 구성되는 제1 Y축이송부를 포함하고,
    상기 제1 X축 이송부의 위치를 고정하는 제1 X축 고정나사 및 제1 X축이송부의 X축 방향 위치를 미세 조정하는 제1 X축 위치조절나사를 포함하고,
    상기 제1 Y축 이송부를 고정하는 제1 Y축 고정나사 및 제1 Y축이송부의 Y축 방향 위치를 미세 조정하는 제1 Y축 위치조절나사를 포함하고,
    상기 제2이송부는 미러블록에 대해 X축 방향 병진운동이 가능하도록 구성되는 제2 X축이송부와 Y축 방향 병진운동이 가능하도록 구성되는 제2 Y축이송부를 포함하고,
    상기 제2 X축 이송부의 위치를 고정하는 제2 X축 고정나사 및 제2 X축이송부의 X축 방향 위치를 미세 조정하는 제2 X축 위치조절나사를 포함하고,
    상기 제2 Y축 이송부를 고정하는 제2 Y축 고정나사 및 제2 Y축이송부의 Y축 방향 위치를 미세 조정하는 제2 Y축 위치조절나사를 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 반사광학계 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미러블록의 하부 또는 상부에 고정되는 연결판을 더 포함하고,
    상기 연결판은 로봇암 또는 이송장치에 결합되기 위한 체결부를 가지는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 반사광학계 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미러블록의 측면에 결합되는 가시광 레이저부를 더 포함하고,
    가시광 레이저부에서 조사된 가시광 레이저 빔이 시료의 테라헤르츠파 조사 위치와 일치하도록 가시광 레이저(510)의 자세 조정이 가능한 조절나사를 구비하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 반사광학계 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 미러블록의 양 측면에 각기 결합되는 가시광 레이저부를 더 포함하고,
    상기 가시광 레이저부는, 상기 시료조사광학계에 의한 테라헤르츠파의 집속 위치에 대응되도록 가시광 레이저를 조사하여, 시료에 여기광을 조사하는 동시에 테라헤르츠파 조사 위치의 시각적 모니터링을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 반사광학계 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    시료조사광학계와 시료반사광학계는 서로 좌우로 나란히 미러블록 내에 인접 배치되고,
    시료조사광학계는 미러블록의 상하에 대향 장착된 제1 및 제2 파라볼릭 미러로 구성되고,
    시료반사광학계는 미러블록의 상하에 대향 장착된 제3 및 제4 파라볼릭 미러로 구성되고,
    시료조사광학계는 미러블록 후방으로부터 제1 파라볼릭 미러를 거쳐 수직 시준되고 제2 파라볼릭미러에 의해 전방 집속되는 광경로를 구현하고,
    시료반사광학계는 미러블록 전방으로부터 제3 파라볼릭 미러를 거쳐 수직 시준되고 제4 파라볼릭 미러에 의해 후방 집속되는 광경로를 구현하고,
    시료조사광학계에 의한 테라헤르츠파 집속 위치에서 반사되는 테라헤르츠파가 시료반사광학계의 제3 파라볼릭 미러로 입사하도록 배치되는 것으로 특징으로 하는 테라헤르츠파 반사광학계 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 파라볼릭 미러와 제4 파라볼릭 미러는 좌우로 나란히 배치되고, 초점거리가 동일하고,
    제2 파라볼릭 미러와 제3 파라볼릭 미러는 좌우로 나란히 배치되고 초점거리가 동일하고,
    제1 파라볼릭 미러의 초점거리 보다 제2 파라볼릭 미러의 초점거리가 더 큰 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 반사광학계 모듈.
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