WO2017135641A1 - 일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계 - Google Patents

일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계 Download PDF

Info

Publication number
WO2017135641A1
WO2017135641A1 PCT/KR2017/000934 KR2017000934W WO2017135641A1 WO 2017135641 A1 WO2017135641 A1 WO 2017135641A1 KR 2017000934 W KR2017000934 W KR 2017000934W WO 2017135641 A1 WO2017135641 A1 WO 2017135641A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
beam splitter
polarization
polarizing beam
polarizing
polarized light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2017/000934
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김대석
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Industry Academic Cooperation Foundation of Chonbuk National University
Original Assignee
Industry Academic Cooperation Foundation of Chonbuk National University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Industry Academic Cooperation Foundation of Chonbuk National University filed Critical Industry Academic Cooperation Foundation of Chonbuk National University
Priority to JP2018541271A priority Critical patent/JP6893667B2/ja
Priority to EP17747686.8A priority patent/EP3413022B1/en
Priority to US16/075,842 priority patent/US10890487B2/en
Publication of WO2017135641A1 publication Critical patent/WO2017135641A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0224—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using polarising or depolarising elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0232—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using shutters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/08—Beam switching arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/447—Polarisation spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry
    • G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes
    • G01J3/4531—Devices without moving parts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry
    • G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes
    • G01J3/4532—Devices of compact or symmetric construction
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining

Definitions

  • the present invention relates to a spectropolar polarizer and a polarization interferometer applicable thereto.
  • Spectropolarization measurement technology is one of the most accurate solutions for a wide range of applications.
  • SPS spectral domain polarization-sensitive optical coherence tomography
  • SPR real-time high-sensitivity surface-plasmon resonance
  • CD circular dichroism
  • spectral polarization measurement systems use mechanical rotating mechanisms or electrical modulators to extract the elliptic spectra parameters ⁇ (k) and ⁇ (k) for deriving Stokes vectors. It has a disadvantage.
  • a snapshot-based spectral polarization measurement technique has been proposed, but since the conventional snapshot technique is based on the principle of a conventional interferometer, it is possible to measure by snapshot but is vulnerable to disturbance caused by external vibration. It is a fundamental problem, and for this reason, it cannot provide the repeatability and stability of measurement that can be provided by the spectral polarization measurement technology of the mechanical polarization device rotation method or the electronic modulation device method.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an integrated polarization interferometer that is robust to disturbance caused by external vibration and the like, and a snapshot spectropolarizer using the same.
  • an integrated polarization interferometer includes: a polarizing beam splitter for separating an incident composite wave; A first mirror attached to the first surface of the polarizing beam splitter and reflecting the first polarized light transmitted through the polarizing beam splitter to the polarizing beam splitter; And a second mirror attached to a second surface of the polarizing beam splitter and reflecting the second polarized light reflected by the polarizing beam splitter to the polarizing beam splitter.
  • the path length of the first polarization may be different from the path length of the second polarization within the integrated polarization interference device.
  • the attachment interval between the polarization beam splitter and the first mirror may be different from the attachment interval between the polarization beam splitter and the second mirror.
  • the difference may be 20 to 60 ⁇ m for the ultraviolet or visible light region and 60 to 500 ⁇ m for the near infrared or infrared light.
  • first polarized light may be P-polarized light and the second polarized light may be S-polarized light.
  • a snapshot spectropolarimeter includes: a first linear polarizer for linearly polarizing light emitted from a light source; An integrated polarization interferometer for polarizing modulating the light emitted from the first linear polarizer and transmitted through the object; A second linear polarizer for interfering two waves emitted from the integrated polarization interferometer; And a measuring device for measuring spectral polarization information of light emitted from the second linear polarizer, wherein the integrated polarization interferometer comprises: a polarization beam splitter for separating incident composite waves; A first mirror attached directly to the first surface of the polarizing beam splitter or with a spacer interposed therebetween to reflect the first polarized light transmitted through the polarizing beam splitter to the polarizing beam splitter; And a second mirror attached directly to a second surface of the polarizing beam splitter or having a spacer therebetween to reflect the second polarized light reflected by the polar
  • the first linear polarizer and the second linear polarizer may be linear polarizers in a 45 ° direction.
  • the path length of the first polarization may be different from the path length of the second polarization.
  • the attachment distance between the polarization beam splitter and the first mirror may be different from the attachment interval between the polarization beam splitter and the second mirror.
  • the beam splitter for separating the incident composite wave; A first polarizer attached to a first surface of the beam splitter, the first polarizer polarizing light transmitted through the beam splitter; A first mirror reflecting the first polarized light emitted from the first polarizer to the beam splitter; A second polarizer attached to a second side of the beam splitter, the second polarizer polarizing light reflected from the beam splitter; And a second mirror that reflects the second polarized light emitted from the second polarizer to the beam splitter.
  • a snapshot spectropolarimeter the linear polarizer for linearly polarizing the light irradiated from the light source;
  • An integrated polarization interferometer for modulating polarization incident from the linear polarizer;
  • a beam splitter for splitting the modulated interference wave into two paths in the integrated polarization interferometer;
  • a chopper wheel that periodically transmits the first light separated by the beam splitter to an object and periodically transmits the second light separated by the beam splitter to a path free of an object;
  • a measuring device for measuring the spectral polarization information of the first light and the second light
  • the integrated polarization interferometer comprises: a polarization beam splitter for separating polarization incident from the linear polarizer;
  • a first mirror attached to the first surface of the polarizing beam splitter and reflecting the first polarized light transmitted through the polarizing beam splitter to the polarizing beam splitter;
  • a second mirror attached to a second surface of the polarizing beam split
  • a snapshot spectropolarimeter the linear polarizer for linearly polarizing the light irradiated from the light source;
  • An integrated polarization interferometer for modulating polarization incident from the linear polarizer;
  • a beam splitter for separating the interference wave modulated in the integrated polarization interferometer;
  • a first measuring device measuring spectral polarization information of first light separated by the beam splitter and transmitted or reflected by an object;
  • a second measuring device which is separated by the beam splitter and measures spectral polarization information of second light that does not transmit or reflect an object, wherein the integrated polarization interferometer separates polarized light incident from the linear polarizer.
  • Polarizing beam splitters A first mirror attached to the first surface of the polarizing beam splitter and reflecting the first polarized light transmitted through the polarizing beam splitter to the polarizing beam splitter; And a second mirror attached to a second surface of the polarizing beam splitter and reflecting the second polarized light reflected by the polarizing beam splitter to the polarizing beam splitter.
  • the spectral polarization phenomenon snapshot measurement which is robust to disturbance due to external vibration, etc., is enabled using the integrated polarization interferometer, and thus the repeatability and accuracy of the measurement can be improved.
  • FIG. 1 is a view showing a snapshot spectropolarimeter using an integrated polarization interferometer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view illustrating an integrated polarization interferometer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a snapshot spectropolarimeter using an integrated polarization interferometer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a snapshot spectropolarimeter using an integrated polarization interferometer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a structural diagram of a chopper wheel shown in FIG. 6,
  • FIG. 8 is a view showing a snapshot spectropolarimeter using an integrated polarization interferometer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph illustrating a result of measuring ⁇ a (k) of a 500 nm silicon oxide thin film with the configuration shown in FIG. 8.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a snapshot spectropolarimeter using an integrated polarization interferometer according to an embodiment of the present invention.
  • Snapshot spectropolarimeter to measure the Stokes vector (Stokes vector) representing the spectral polarization information of the object 160 to be measured in a snapshot (single shot / single shot) method in real time / high speed System.
  • Stokes vector Single shot / single shot
  • the snapshot spectropolarimeter measures real-time Stokes vectors having information on multiple wavelengths through only one interference spectroscopic data without using mechanical rotating mechanisms or electrical modulators. can do.
  • Snapshot spectropolarimeter according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 1, the light source 110, optical fiber 120, collimating lens 130, LP (Linear Polarizer) 140, iris ( 150), a beam splitter (BS) 170, a polarization modulation module (PMM) 180, and a linear polarizer (LP) 190.
  • LP Linear Polarizer
  • BS beam splitter
  • PMM polarization modulation module
  • LP linear polarizer
  • a white light source may be used.
  • a 100W Tungsten-Halogen lamp may be used, but other types of light sources may be used.
  • the light irradiated from the light source 110 is transferred to the optical fiber 120 and converted into parallel light by the collimating lens 130.
  • This parallel light is linearly polarized in the 45 ° direction in the LP 140.
  • Iris 150 adjusts the magnitude of the linearly polarized light passing through the LP (140).
  • the linearly polarized light adjusted to an appropriate size by the iris 150 passes through the transmissive object 160 having the anisotropy to be measured, and then passes through the BS 170 and enters the PMM 180.
  • the PMM 180 is an integrated polarization interferometer that polarizes and modulates the wave passing through the object 160.
  • the PMM 180 includes a polarizing beam splitter (PBS) 181 and mirrors 183 and 185, as shown in FIG. 1.
  • PBS polarizing beam splitter
  • the PBS 181 separates the incident composite wave, transmits the P-polarized light to enter the mirror 183, and reflects the S-polarized light to enter the mirror 185.
  • Mirrors 183, 185 are attached / fixed to PBS 181.
  • the mirror 183 is attached to one side of the PBS 181 to reflect P polarized light transmitted through the PBS 181
  • the mirror 185 is attached to the bottom surface of the PBS 181 to be used at the PBS 181. Reflect the reflected S-polarized light.
  • the optical path length of P polarization and the PBS 181 which are transmitted through the PBS 181 in the PMM 180 and then reflected by the mirror 183 and the PBS 181 are transmitted.
  • the optical path lengths of the S-polarized light reflected by the mirror 185 and reflected by the PBS 181 after being reflected by D are different. That is, although one optical path length is longer than another optical path length, it is 20 to 60 ⁇ m long when the measurement wavelength region is an ultraviolet or visible region, and 60 to 500 ⁇ m when the measurement wavelength region is a near infrared or infrared region.
  • the optical path length of P-polarized light may be long, and the optical path length of S-polarized light may be long.
  • the attachment interval between the PBS 181 and the mirror 183 and the attachment interval between the PBS 181 and the mirror 185 there is a difference between the attachment interval between the PBS 181 and the mirror 183 and the attachment interval between the PBS 181 and the mirror 185. That is, either one of the mirror 183 and the mirror 185 is farther from the PBS 181 than the other, and when the measurement wavelength region is an ultraviolet or visible light region, it is further separated by 20 to 60 ⁇ m, and the measurement wavelength region is In the near-infrared or infrared region, they are 60 to 500 ⁇ m further apart.
  • the PMM 180 may be configured by a combination of a non-polarizing beam splitter (NPBS), two polarizers, and two mirrors, not a combination of the PBS 181 and the two mirrors 183 and 185.
  • NPBS non-polarizing beam splitter
  • the configuration of such a combination is shown in FIG. 1
  • FIG. 2 a combination of two linear polarizers (187, 188) in a direction perpendicular to each other, which is integrally attached to two beam paths separated by the NPBS 186, serving as one PBS 181 shown in FIG.
  • the structure replaced by. Since PBS has a limited polarization extinction ratio of about 1/1000, there may be a limit to the polarization peak performance. Thus, the combination of NPBS and the two polarizers can replace the function of PBS to have a high extinction ratio.
  • the mirrors 183 and 185 are attached / fixed to the LPs 187 and 188, and the attachment spacing between the LP (P-polarization direction) 187 and the mirror 183, and LP (S-) to generate optical path length differences. There is a difference in the adhesion interval between the polarization direction 188 and the mirror 185, as shown in FIG.
  • the two waves polarized by the PMM 180 are reflected by the BS 170 and then linearly polarized in the 45 ° direction at the LP 190 to generate interference.
  • the interfering wave enters into a Single Spectrum Sensing Module (not shown).
  • the single spectroscopic sensing module can be a sensor array type spectrometer.
  • the LP 140 included in the snapshot spectropolarimeter according to the embodiment of the present invention is an element for improving the contrast of optical interference.
  • the single spectral sensing module measures the Stokes vector representing the spectral polarization information of the transmissive anisotropic device in a snapshot manner.
  • the spectral polarization information measured by the single spectral sensing module can be expressed by the following equation (1).
  • E p _45 ° (k) and E s _45 ° (k) are E p (k) and E s (k) represented by the following equation (2): ) Is a 45 ° component for the complex wave.
  • E in (k) represents the input wave at the inlet of the integrated polarization interferometer.
  • E p (k) is P polarized light that passes through the PBS 181 and is reflected by the mirror 183
  • E s (k) is S polarized light that is reflected by the PBS 181 and the mirror 185.
  • z p and z s represent the optical path lengths of P-polarized light and S-polarized light in an integrated polarization interferometer, respectively.
  • the spectral interference signal when there is no object 160 is represented by the following equation (3).
  • the optical path difference between z p and z s generates the high frequency spectral interference necessary to obtain the polarization phase with a snapshot.
  • Spectral phase function ⁇ no _object (k) can be derived using Fourier transform techniques or direct phase calculation applied to spectral domain.
  • the spectral interference signal when the object 160 is present is represented by the following equation (4).
  • the incident wave E in (k) at the inlet of the integrated polarization interferometer for each case where there is no transmissive object 160 and is present is represented by the following equation (5).
  • the spectral phase function ⁇ object (k) can be derived using the Fourier transform technique described above.
  • a phase difference ⁇ (k) generated by the object 160, as shown in Equation (6) is calculated by subtracting the no_object ⁇ (k) from the object ⁇ (k).
  • FIG. 3 shows interference spectrum data measured by a single spectroscopic sensing module when there is no object 160.
  • FIG. 4 shows a quarter wave plate (QWP) placed on the object 160 and rotates ⁇ a (k) by 10 °. It is a result of a measurement.
  • QWP quarter wave plate
  • the solid line is measured by the technique according to the embodiment of the present invention, and the dotted line is measured by the technique of the mechanical polarizer method, but it can be seen that there is no big difference.
  • FIG. 5 is a view illustrating a snapshot spectropolarimeter using an integrated polarization interferometer according to another embodiment of the present invention.
  • the snapshot spectropolarimeter shown in FIG. 5 is a system for measuring spectral polarization information for reflective samples such as nanopatterns and roll nanopatterns, and the like. Structurally different from other systems.
  • the light source 210, the optical fiber 220, the collimating lens 230, the LP 240, the PMM 270, and the LP 280 are the light sources 110 shown in FIG. 1.
  • the optical fiber 120, the collimating lens 130, LP 140, PMM 180 and LP 190 may be implemented equivalently.
  • the lens 261 and the NPBSs 263 and 265 transmit the linearly polarized light from the LP 140 to the reflective object 250 to be measured, and transmit the composite wave emitted from the reflective object 250 to the PMM.
  • Two waves incident on the LP 280 are interfered by linearly polarized light in the 45 ° direction, and the interference wave is incident on the spectrometer 300 through the lens 290.
  • phase difference ⁇ a (k) generated by the object 160 in FIG. 1 is calculated by subtracting ⁇ no _ object (k) from ⁇ object (k) as in Equation (6). That is, signal correction must be performed using the measurement result in the absence of a spectral object to obtain ⁇ a (k), which is an exact spectral polarization phase difference of the object to be measured.
  • the spectral phase function ⁇ no _object (k) in the absence of an object may be minutely changed due to disturbances such as temperature changes in atmospheric air, so that high-precision measurement requires environmental control such as constant temperature and humidity.
  • Snapshot spectropolarimeter is a ⁇ object continuously through the constant rotation of the chopper wheel (194) by the motor, rather than separately measuring the absence of the object and the presence of the object Measure (k) and ⁇ no _object (k).
  • Rotational speed of approximately the chopper wheel 194 is 30 ⁇ 60RPM (Round Per Minute) while being rotated at a speed at the same time to measure the object ⁇ (k) with no _object ⁇ (k) of the obtained ⁇ a (k).
  • the interference wave modulated in the integrated polarization interferometer is separated into two paths by the beam splitter (NPBS) 191, and then one side positions the transmissive object 160 to be measured. The other side reflected from the mirror 192 creates an objectless path.
  • NPBS beam splitter
  • the light transmitted through the object 160 is reflected by the mirror 195 and then reflected by the NPBS 196 and is incident on the spectrometer through the lens 197.
  • the remaining light that does not pass through the object 160 passes through the NPBS 196 and is incident to the spectrometer through the lens 197.
  • ⁇ no _object (k) at the time of one rotation of the chopper wheel 194 by the motor 193 can be measured. For example, if one rotation is performed per second, light that does not pass through the object 160 periodically enters the spectrometer every second, and thus, ⁇ no _ object (k) is measured, thereby being robust to disturbances that change slowly such as temperature change.
  • an embodiment of the present invention is an example of a transmissive object
  • the same method may be applied to a reflective object having vertical incidence or a specific angle of incidence.
  • FIG. 8 shows another configuration example of a snapshot spectropolarimeter capable of achieving the performance of a high precision integrated polarization interferometer in a general environment. Instead of simultaneously measuring ⁇ object (k) and ⁇ no _ object (k) using the chopper wheel, two spectrometers 310 and 320 measure the spectral polarization signal simultaneously.
  • a reflective object 255 having an incident angle of 45 degrees is assumed, but the same method may be applied to a transmissive object and a vertically incident object.
  • a beam splitter (NPBS) 275 is inserted in front of a thin film sample to measure an interference wave output through an integrated polarization interferometer at a 45 degree incidence angle, and separated into two paths. ), The non-reflected interference wave is acquired using spectrometer1 (310), and then measure ⁇ no _object (k), and the other path is used to measure the interference wave reflected from the object using spectrometer 2 (320). ) Is measured.
  • NPBS beam splitter
  • FIG. 9 shows the consistency of results and of the commercial product indicated by a broken line as a result of measuring a ⁇ a (k) of a 500nm silicon oxide thin film in the configuration shown in Fig.
  • the optical system in the visible light region is used, and only the portion of the wavelength between 443 and 730 nm is compared with the result of the commercial product.
  • the visible wavelength range of 443 ⁇ 730nm as the measurement wavelength range shown above is merely exemplary.
  • the ultraviolet region of 200 ⁇ 400nm the near infrared, infrared region of about 25micron at 700nm, it is a matter of course that the technical idea of the present invention can be applied.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)

Abstract

일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 일체형 편광간섭계는, 입사되는 복합파를 분리하는 편광 빔 스플리터, 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러 및 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러를 포함한다. 이에 의해, 일체형 편광간섭계를 이용하여 외부 진동 등에 의한 외란에 강인한 분광편광 현상 스냅샷 측정이 가능해져, 측정의 반복도와 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.

Description

일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계
본 발명은 분광편광계 및 이에 적용가능한 편광간섭계에 관한 것으로, 측정 대상이 되는 오브젝트를 투과/반사한 광의 분광편광 정보를 나타내는 스톡스 벡터(Stokes vector)를 고속으로 측정하는 분광편광계 및 이에 적용되는 편광간섭계에 관한 것이다.
분광편광 측정 기술은 다양한 분야에 적용 가능한 가장 정확한 솔루션 중 하나이다. SD PS-OCT(spectral domain polarization-sensitive optical coherence tomography), 실시간 고감도 SPR(surface-plasmon resonance) 바이오 센싱 및 CD(circular dichroism) 측정 등에 간섭계와 편광계를 결합하고자 하는 연구가 있어왔다.
종래의 분광편광 측정 시스템은 스톡스 벡터를 도출하기 위한 타원분광 파라미터 Ψ(k) 및 Δ(k)을 추출하기 위해, 기계적인 회전기구나 전기적인 변조소자를 이용하고 있으며 일반적으로 초 단위 이상의 측정 시간이 걸리는 단점을 가지고 있다. 이러한, 측정시간의 문제를 해결하기 위해 스냅샷 기반의 분광편광측정기술이 제안되었으나 기존의 스냅샷 기술은 전통적인 간섭계의 원리에 기반하고 있기 때문에 스냅샷으로 측정은 가능하지만 외부 진동 등에 의한 외란에 취약하다는 근본적인 문제를 가지고 있으며, 이러한 이유로 기계적인 편광소자 회전방식이나 전기적인 변조소자 방식의 분광편광측정기술이 제공할 수 있는 측정의 반복도 및 안정도 성능을 제공할 수 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 외부 진동 등에 의한 외란에 강인한 일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 일체형 편광간섭계는, 입사되는 복합파를 분리하는 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및 상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함한다.
그리고, 상기 일체형 편광간섭 장치 내에서, 상기 제1 편광의 경로 길이는 상기 제2 편광의 경로 길이와 차이가 있을 수 있다.
또한, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 제1 미러 간의 부착 간격은 상기 편광 빔 스플리터와 상기 제2 미러 간의 부착 간격과 차이가 있을 수 있다.
그리고, 상기 차이는, 자외선 또는 가시광선 영역에 대해서 20~60μm이고, 근적외선 또는 적외선 영역에 대해서 60~500μm일 수 있다.
또한, 상기 제1 편광은 P-편광이고, 상기 제2 편광은 S-편광일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 스냅샷 분광편광계는, 광원에서 조사되는 광을 선형 편광시키는 제1 선형 편광자; 상기 제1 선형 편광자에서 출사되어 오브젝트를 투과한 빛을 편광 변조하는 일체형 편광간섭계; 상기 일체형 편광간섭계에서 출사되는 두 파동을 간섭시키는 제2 선형 편광자; 및 상기 제2 선형 편광자에서 출사되는 광의 분광편광 정보를 측정하는 측정 장치;를 포함하고, 상기 일체형 편광간섭계는, 입사되는 복합파를 분리하는 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 직접 또는 스페이서를 사이에 두고 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및 상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 직접 또는 스페이서를 사이에 두고 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함한다.
그리고, 상기 제1 선형 편광자와 상기 제2 선형 편광자는, 45°방향의 선형 편광자일 수 있다.
또한, 상기 일체형 편광간섭계에서, 상기 제1 편광의 경로 길이는 상기 제2 편광의 경로 길이와 차이가 있을 수 있다.
그리고, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 제1 미러 간의 부착 간격은 상기 편광 빔 스플리터와 상기 제2 미러 간의 부착 간격과 차이가 있을 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 일체형 편광간섭계는, 입사되는 복합파를 분리하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 빔 스플리터를 투과한 광을 편광시키는 제1 편광자; 상기 제1 편광자에서 출사되는 상기 제1 편광을 상기 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 상기 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 빔 스플리터에서 반사된 광을 편광시키는 제2 편광자; 및 상기 제2 편광자에서 출사되는 상기 제2 편광을 상기 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 스냅샷 분광편광계는, 광원에서 조사되는 광을 선형 편광시키는 선형 편광자; 상기 선형 편광자로부터 입사되는 편광을 변조하는 일체형 편광간섭계; 상기 일체형 편광간섭계에서 변조된 간섭 파동을 2개의 경로로 분리하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터에서 분리된 제1 광을 주기적으로 오브젝트로 전달하고, 상기 빔 스플리터에서 분리된 제2 광을 주기적으로 오브젝트가 없는 경로로 전달하는 쵸퍼 휠; 상기 제1 광과 상기 제2 광의 분광편광 정보를 측정하는 측정 장치;를 포함하고, 상기 일체형 편광간섭계는, 상기 선형 편광자로부터 입사되는 편광을 분리하는 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및 상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 스냅샷 분광편광계는, 광원에서 조사되는 광을 선형 편광시키는 선형 편광자; 상기 선형 편광자로부터 입사되는 편광을 변조하는 일체형 편광간섭계; 상기 일체형 편광간섭계에서 변조된 간섭 파동을 분리하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터에 의해 분리되어 오브젝트를 투과 또는 반사한 제1 광의 분광편광 정보를 측정하는 제1 측정 장치; 및 상기 빔 스플리터에 의해 분리되어 오브젝트를 투과 또는 반사하지 않은 제2 광 의 분광편광 정보를 측정하는 제2 측정 장치;를 포함하고, 상기 일체형 편광간섭계는, 상기 선형 편광자로부터 입사되는 편광을 분리하는 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및 상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 일체형 편광간섭계를 이용하여 외부 진동 등에 의한 외란에 강인한 분광편광 현상 스냅샷 측정이 가능해져, 측정의 반복도 및 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 도시한 도면,
도 3은 오브젝트가 없는 경우, 단일 분광 센싱 모듈에서 측정되는 간섭 스펙트럼 데이터,
도 4는 오브젝트에 QWP를 놓고 10°씩 회전시키면서 Δa(k)를 측정한 결과,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면,
도 7은, 도 6에 도시된 쵸퍼 휠의 구조도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면, 그리고,
도 9는 도 8에 도시된 구성으로 500nm 산화 실리콘 박막의 Δa(k)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 스냅샷 분광편광계는, 스냅샷(snapshot/single shot) 방식으로 측정 대상이 되는 오브젝트(160)의 분광편광 정보를 나타내는 스톡스 벡터(Stokes vector)를 실시간/고속으로 측정하기 위한 시스템이다.
본 발명의 실시예에 따른 스냅샷 분광편광계는, 기계적 회전기구나 전기적인 변조소자를 이용하지 않으며, 오직 하나의 간섭분광 데이터만을 통해 다파장에 대한 정보를 갖는 스톡스 벡터(Stokes vector)를 실시간으로 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스냅샷 분광편광계는, 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(110), 광 파이버(120), 콜리메이팅 렌즈(130), LP(Linear Polarizer)(140), 아이리스(150), BS(Beam Splitter)(170), PMM(Polarization Modulation Module)(180) 및 LP(Linear Polarizer)(190)를 포함한다.
광원(110)으로 백색 광원(white light source)을 사용하며, 이를 테면 100W 텅스텐-할로겐 램프(100W Tungsten-Halogen lamp)를 사용가능 하지만, 그 밖의 다른 종류의 광원을 사용하는 것도 가능하다.
광원(110)에서 조사된 광은 광 파이버(120)로 전달되어 콜리메이팅 렌즈(130)에서 평행광으로 변환된다. 이 평행광은 LP(140)에서 45°방향으로 선형 편광된다. 아이리스(150)는 LP(140)를 통과한 선형 편광의 크기를 조절한다.
아이리스(150)에 의해 적정 크기로 조절된 선형 편광은 측정대상이 되는 이방성을 갖는 투과형 오브젝트(160)를 통과한 후, BS(170)를 투과하여 PMM(180)으로 입사한다.
PMM(180)은 오브젝트(160)를 통과한 파동을 편광 변조하는 일체형 편광간섭계이다. PMM(180)는, 도 1에 도시된 바와 같이, PBS(Polarizing Beam Splitter)(181), 미러(Mirror)들(183, 185)을 포함한다.
PBS(181)는 입사되는 복합파를 분리하여, P 편광은 투과시켜 미러(183)로 입사시키고, S 편광은 반사하여 미러(185)로 입사시킨다.
미러들(183, 185)은 PBS(181)에 부착/고정되어 있다. 구체적으로, 미러(183)은 PBS(181)의 일 측면에 부착되어 PBS(181)를 투과한 P 편광을 반사하고, 미러(185)는 PBS(181)의 하면에 부착되어 PBS(181)에서 반사된 S 편광을 반사한다.
분광편광 신호에 고주파 신호를 생성하기 위해, PMM(180) 내에서 PBS(181)를 투과한 후 미러(183)에서 반사되어 PBS(181)를 투과하는 P 편광의 광경로 길이와 PBS(181)에서 반사된 후 미러(185)에서 반사되고 PBS(181)에서 반사되는 S 편광의 광경로 길이는 차이가 있다. 즉, 어느 한 광경로 길이가 다른 한 광경로 길이 보다 긴데, 측정 파장 영역이 자외선 또는 가시광선 영역인 경우 20~60μm 길고, 측정 파장 영역이 근적외선 또는 적외선 영역인 경우 60~500μm 길다.
P 편광의 광경로 길이가 길어도 무방하고, S 편광의 광경로 길이가 길어도 무방하다.
광경로 길이 차이를 발생시키기 위해, PBS(181)와 미러(183) 간의 부착 간격과, PBS(181)와 미러(185) 간의 부착 간격은 차이가 있다. 즉, 미러(183)와 미러(185) 중 어느 하나가 다른 하나 보다 PBS(181)에서 더 떨어져 있는데, 측정 파장 영역이 자외선 또는 가시광선 영역인 경우 20~60μm 만큼 더 떨어져 있고, 측정 파장 영역이 근적외선 또는 적외선 영역인 경우 60~500μm 만큼 더 떨어져 있다.
20~60μm 또는 60~500μm의 간격 차이를 위해, 미러(183)와 미러(185) 사이에 20~60μm 또는 60~500μm의 광경로 차를 갖도록 정밀하게 두 미러를 정렬을 하거나, 경로 차 정도의 두께를 갖는 스페이서를 삽입할 수 있다.
한편, PMM(180)의 구성을 PBS(181)와 두 개의 미러(183, 185)의 조합이 아닌 NPBS(Non-polarizing Beam Splitter)와 두 개의 Polarizer, 두 개의 미러의 조합으로 구성할 수 있다. 이와 같은 조합의 구성을 도 2에 도시하였다.
도 2에서는, 도 1에 도시된 PBS(181) 1개의 역할을, NPBS(186)에 의해 분리된 두 빔 경로에 일체형으로 붙여진 서로 수직 편광 방향의 두 LP(Linear Polarizer)들(187,188)의 조합으로 대체한 구조를 나타내었다. PBS는 약 1/1000의 제한적인 편광 소광비(extinction ratio)를 가지기 때문에 편광측정 최고성능에 제한이 있을 수 있다. 이에, NPBS와 두 Polarizer의 조합으로 PBS의 기능을 대체해서 수행할 시 높은 소광비를 갖게 할 수 있다.
미러들(183,185)은 LP들(187,188)에 부착/고정되며, 광경로 길이 차이를 발생시키기 위해, LP(P-편광방향)(187)와 미러(183) 간의 부착 간격과, LP(S-편광방향)(188)와 미러(185) 간의 부착 간격은 차이가 있음은, 도 1에 도시된 바와 동일하다.
다시, 도 1을 참조하여 설명한다.
PMM(180)에 의해 편광 변조된 두 파동은 BS(170)에서 반사된 후, LP(190)에서 45°방향으로 선형편광 됨으로써 간섭이 발생한다. 간섭파는 단일 분광 센싱 모듈(Single Spectrum Sensing Module)(미도시)로 입사한다. 단일 분광 센싱 모듈은 센서어레이 타입의 분광기가 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스냅샷 분광편광계에 포함된 LP(140)는, 광 간섭의 콘트라스트를 향상시키기 위한 요소이다.
단일 분광 센싱 모듈은 스냅샷 방식으로 투과형 이방성 소자의 분광편광 정보를 나타내는 스톡스 벡터를 측정한다.
이하에서는, PMM(180)으로 구현한 일체형 편광간섭계에서의 편광 변조에 의해 발생하는 간섭 현상을 수식으로 상세히 설명한다.
단일 분광 센싱 모듈에 의해 측정된 분광편광 정보는 다음의 수학식 (1)로 표현 가능하다.
Figure PCTKR2017000934-appb-I000001
(1)
여기서, k는 파수(wavenumber)로 2π/λ이고, Ep _45°(k)와 Es _45°(k)는 다음의 수학식 (2)로 표현되는 Ep(k)와 Es(k)의 복합파(complex wave)에 대한 45°성분이다.
Figure PCTKR2017000934-appb-I000002
(2)
여기서, Ein(k)은 일체형 편광간섭계의 입구에서의 입력 파동을 나타낸다. Ep(k)는 PBS(181)를 투과하고 미러(183)에서 반사되어 진행하는 P 편광이고, Es(k)는 PBS(181)와 미러(185)에서 반사되어 진행하는 S 편광이다. zp와 zs는, 일체형 편광간섭계 내에서 P-편광과 S-편광의 광 경로 길이를 각각 나타낸다.
한편, 오브젝트(160)가 없는 경우의 분광간섭 신호는 다음의 수학식 (3)으로 표현된다.
Figure PCTKR2017000934-appb-I000003
(3)
여기서, z0은 광 경로 길이 차로 z0=｜zp-zs｜이다. zp와 zs 간의 광 경로 차는 스냅샷으로 편광분광위상을 얻기 위해 필요한 고주파 분광간섭을 발생시킨다. 스펙트럼 위상 함수 Φno _object(k)는 스펙트럼 도메인에 적용되는 푸리에 변환 기법이나 다이렉트 위상 계산법을 이용하여 도출 가능하다.
오브젝트(160)가 있는 경우의 분광간섭 신호는 다음의 수학식 (4)로 표현된다.
Figure PCTKR2017000934-appb-I000004
(4)
투과성 오브젝트(160)이 없는 경우와 있는 경우 각각에 대한, 일체형 편광간섭계의 입구에서 입사파 Ein(k)은 다음의 수학식 (5)로 표현된다.
Figure PCTKR2017000934-appb-I000005
(5)
스펙트럼 위상 함수 Φobject(k)는 전술한 푸리에 변환 기법 등으로 도출할 수 있다. 오브젝트(160)에 의해 발생하는 위상 차 Δa(k)는, 다음의 수학식 (6)과 같이, Φobject(k)에서 Φno_object(k)를 감산하여 산출한다.
Figure PCTKR2017000934-appb-I000006
(6)
도 3은 오브젝트(160)가 없는 경우, 단일 분광 센싱 모듈에서 측정되는 간섭 스펙트럼 데이터이고, 도 4는 오브젝트(160)에 QWP(Quarter Wave Plate)를 놓고 10°씩 회전시키면서 Δa(k)를 측정한 결과이다.
도 4에서 실선은 본 발명의 실시예에 따른 기법으로 측정한 것이고, 점선은 기계적인 편광소자 방식의 기법으로 측정한 것인데, 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 스냅샷 분광편광계는 나노 패턴 및 롤 나노 패턴 등과 같은 반사형 시료에 대한 분광편광 정보를 측정하기 위한 시스템이라는 점에서, 투과형 시료에 대한 분광편광 정보를 측정하기 위한 도 1에 도시된 시스템과 구조적으로 차이를 보인다.
도 5에 도시된 구성들 중 광원(210), 광 파이버(220), 콜리메이팅 렌즈(230), LP(240), PMM(270) 및 LP(280)은, 도 1에 도시된 광원(110), 광 파이버(120), 콜리메이팅 렌즈(130), LP(140), PMM(180) 및 LP(190)와 동등하게 구현하여도 무방하다.
렌즈(261)와 NPBS들(263, 265)는 LP(140)에서 선형 편광된 광을 측정대상이 되는 반사형 오브젝트(250)로 전달하고, 반사형 오브젝트(250)에서 출사되는 복합파를 PMM(270)으로 입사시키며, PMM(270)에서 편광 변조된 두 파동을 LP(280)로 입사시키기 위한 구성들이다.
LP(280)로 입사된 두 파동은 45°방향으로 선형편광 됨으로써 간섭되며, 간섭파는 렌즈(290)를 통해 분광계(300)로 입사된다.
지금까지, 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계들에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.
도 1에서 오브젝트(160)에 의해 발생하는 위상 차 Δa(k)는, 수학식 (6)과 같이, Φobject(k)에서 Φno _object(k)를 감산하여 산출한다. 즉, 분광오브젝트가 없는 경우의 측정결과를 이용해서 신호보정을 수행하여야 측정하고자 하는 오브젝트의 정확한 분광편광 위상 차인 Δa(k)을 얻을 수 있다.
하지만, 오브젝트가 없는 경우의 스펙트럼 위상함수 Φno _object(k)는 대기공기의 온도변화 등 외란에 의해 미소하지만 바뀔 수 있기 때문에 고정밀의 측정을 위해서는 항온항습 등의 환경제어가 필요하다.
항온항습 제어시스템이 없는 일반 공간에서 외란에 강인한 안정적인 정밀 측정을 하기 위해서는 오브젝트가 없는 경우의 Φno _object(k)를 한 번만 측정하는 것이 아닌 오브젝트가 있는 경우의 Φobject(k)와 동시에 측정하는 것이 필요하다.
도 6은 일반 환경에서도 일체형 편광간섭계의 측정 정밀도 및 반복도를 달성할 수 있는 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 스냅샷 분광편광계는, 오브젝트가 없는 경우와 오브젝트가 있는 경우를 분리해서 측정하는 것이 아닌 모터에 의한 쵸퍼 휠(Chopper wheel)(194)의 정속 회전을 통해서 연속적으로 Φobject(k)와 Φno _object(k)를 측정한다. 대략적으로 쵸퍼 휠(194)의 회전 속도는 30~60RPM(Round Per Minute)의 속도로 회전하면서 동시에 Φobject(k)와 Φno _object(k)를 측정해서 Δa(k)를 얻는다.
이러한 작동을 위해 도 6에 표현되었듯이, 일체형 편광간섭계에서 변조된 간섭파동을 빔스프리터(NPBS)(191)로 2개의 경로로 분리한 후 한 쪽은 측정하고자 하는 투과형 오브젝트(160)를 위치시키고 미러(192)에서 반사되는 나머지 한 쪽은 오브젝트 없는 경로를 만든다.
오브젝트(160)를 투과한 광은 미러(195)에서 반사된 후 NPBS(196)에서 반사되어 렌즈(197)를 통해 분광계로 입사된다. 그리고, 오브젝트(160)를 투과하지 않은 나머지 광은 NPBS(196)를 투과하여 렌즈(197)를 통해 분광계로 입사된다.
한편, 도 7에서 쵸퍼 휠(194)의 구조예를 보여주듯이 분광기에는 한 쪽 경로의 간섭파 신호만 들어가게 하면, 모터(193)에 의한 쵸퍼 휠(194)의 1회전 시 Φno _object(k)를 측정할 수 있게 된다. 예로 1초에 1회전을 한다면 매 초마다 주기적으로 오브젝트(160)를 투과하지 않은 광이 분광계로 입사되어 Φno _object(k)을 측정하게 되므로 온도변화와 같이 천천히 변화하는 외란에 강인하게 된다.
본 발명의 실시예는 투과형 오브젝트에 대한 예이지만, 수직입사나 특정 입사각을 갖는 반사형 오브젝트에 대해서도 동일한 방법이 적용될 수 있다.
도 8은 일반 환경에서 고정밀의 일체형 편광간섭계의 성능을 달성할 수 있는 스냅샷 분광편광계의 다른 구성 예를 보여준다. 쵸퍼 휠을 이용해서 동시에 Φobject(k)와 Φno _object(k)를 측정하는 대신, 2개의 분광기(310, 320)를 사용해서 동시에 분광편광신호를 측정하는 방법이다.
본 발명의 실시예서는 45도의 입사각을 갖는 반사형 오브젝트(255)를 상정하였는데, 투과형 오브젝트 및 수직입사형 오브젝트에 대해서도 동일한 방법이 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 일체형 편광간섭계를 거쳐서 출력된 간섭파동을 45도 입사각으로 측정하고자 하는 박막시료 앞에 빔스프리터(NPBS)(275)를 삽입해서 2개의 경로로 분리시켜 하나의 경로는 오브젝트(255)에서 반사되지 않은 간섭파동을 spectrometer1(310)을 이용해서 획득한 후 Φno _object(k)를 측정하고, 다른 경로는 오브젝트에서 반사된 간섭파동을 spectrometer 2(320)를 이용해서 Φobject(k)를 측정하는 방식이다.
도 9는 도 8에 도시된 구성으로 500nm 산화 실리콘 박막의 Δa(k)을 측정한 결과로 점선으로 표시된 상용제품의 결과와의 정합성을 보여준다. 본 실시 예에서는 가시광선 영역의 광학계를 사용한 것으로 443~730nm 사이의 파장에 대한 부분만을 상용제품의 결과와 비교한 것이다.
위에서 제시한 측정 파장영역으로 443~730nm의 가시광선 영역은 예시적인 것에 불과하다. 200~400nm의 자외선 영역과, 700nm에서 약 25micron의 근적외선, 적외선 영역의 경우도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (14)

  1. 입사되는 복합파를 분리하는 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및
    상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 일체형 편광간섭 장치 내에서, 상기 제1 편광의 경로 길이는 상기 제2 편광의 경로 길이와 차이가 있는 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 미러는, 상기 편광 빔 스플리터에 직접 또는 스페이서를 사이에 두고 부착되고,
    상기 제2 미러는, 상기 편광 빔 스플리터에 스페이서를 사이에 두고 또는 직접 부착되는 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 차이는,
    자외선 또는 가시광선 영역에 대해서 20~60μm이고,
    근적외선 또는 적외선 영역에 대해서 60~500μm인 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 편광은 P-편광이고,
    상기 제2 편광은 S-편광인 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
  6. 광원에서 조사되는 광을 선형 편광시키는 제1 선형 편광자;
    상기 제1 선형 편광자에서 출사되어 오브젝트를 투과 또는 반사하여 생성된 복합파를 편광 변조하는 일체형 편광간섭계;
    상기 일체형 편광간섭계에서 출사되는 두 파동을 간섭시키는 제2 선형 편광자; 및
    상기 제2 선형 편광자에서 출사되는 광의 분광편광 정보를 측정하는 측정 장치;를 포함하고,
    상기 일체형 편광간섭계는,
    입사되는 복합파를 분리하는 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및
    상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 선형 편광자와 상기 제2 선형 편광자는,
    같은 방향의 선형 편광자인 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 일체형 편광간섭계에서, 상기 제1 편광의 경로 길이는 상기 제2 편광의 경로 길이와 차이가 있는 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정 장치의 측정 파장 영역은,
    가시광선 영역, 자외선 영역, 근적외선 영역, 적외선 영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
  10. 입사되는 복합파를 분리하는 빔 스플리터;
    상기 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 빔 스플리터를 투과한 광을 편광시키는 제1 편광자;
    상기 제1 편광자에서 출사되는 상기 제1 편광을 상기 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러;
    상기 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 빔 스플리터에서 반사된 광을 편광시키는 제2 편광자; 및
    상기 제2 편광자에서 출사되는 상기 제2 편광을 상기 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
  11. 광원에서 조사되는 광을 선형 편광시키는 선형 편광자;
    상기 선형 편광자로부터 입사되는 편광을 변조하는 일체형 편광간섭계;
    상기 일체형 편광간섭계에서 변조된 간섭 파동을 2개의 경로로 분리하는 빔 스플리터;
    상기 빔 스플리터에서 분리된 제1 광을 주기적으로 오브젝트로 전달하고, 상기 빔 스플리터에서 분리된 제2 광을 주기적으로 오브젝트가 없는 경로로 전달하는 쵸퍼 휠;
    상기 제1 광과 상기 제2 광의 분광편광 정보를 측정하는 측정 장치;를 포함하고,
    상기 일체형 편광간섭계는,
    상기 선형 편광자로부터 입사되는 편광을 분리하는 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및
    상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 측정 장치의 측정 파장 영역은,
    가시광선 영역, 자외선 영역, 근적외선 영역, 적외선 영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
  13. 광원에서 조사되는 광을 선형 편광시키는 선형 편광자;
    상기 선형 편광자로부터 입사되는 편광을 변조하는 일체형 편광간섭계;
    상기 일체형 편광간섭계에서 변조된 간섭 파동을 분리하는 빔 스플리터;
    상기 빔 스플리터에 의해 분리되어 오브젝트를 투과 또는 반사한 제1 광의 분광편광 정보를 측정하는 제1 측정 장치; 및
    상기 빔 스플리터에 의해 분리되어 오브젝트를 투과 또는 반사하지 않은 제2 광의 분광편광 정보를 측정하는 제2 측정 장치;를 포함하고,
    상기 일체형 편광간섭계는,
    상기 선형 편광자로부터 입사되는 편광을 분리하는 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및
    상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 측정 장치와 상기 제2 측정 장치의 측정 파장 영역은,
    가시광선 영역, 자외선 영역, 근적외선 영역, 적외선 영역 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
PCT/KR2017/000934 2016-02-04 2017-01-26 일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계 Ceased WO2017135641A1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018541271A JP6893667B2 (ja) 2016-02-04 2017-01-26 一体型偏光干渉計及びそれを適用したスナップショット分光偏光計
EP17747686.8A EP3413022B1 (en) 2016-02-04 2017-01-26 Snapshot spectrophotometer comprising an integrated polarization interferometer
US16/075,842 US10890487B2 (en) 2016-02-04 2017-01-26 Integrated polarization interferometer and snapshot specro-polarimeter applying same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2016-0013928 2016-02-04
KR1020160013928A KR101812608B1 (ko) 2016-02-04 2016-02-04 일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017135641A1 true WO2017135641A1 (ko) 2017-08-10

Family

ID=59499636

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2017/000934 Ceased WO2017135641A1 (ko) 2016-02-04 2017-01-26 일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10890487B2 (ko)
EP (1) EP3413022B1 (ko)
JP (1) JP6893667B2 (ko)
KR (1) KR101812608B1 (ko)
WO (1) WO2017135641A1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107886820A (zh) * 2017-11-15 2018-04-06 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种集成式双光路激光电离效应模拟系统
US11035790B2 (en) 2018-12-31 2021-06-15 Industrial Cooperation Foundation Chonbuk National University Inspection apparatus and inspection method
US11248955B2 (en) 2018-08-10 2022-02-15 Industrial Cooperation Foundation Chonbuk National University Polarization measurement with interference patterns of high spatial carrier frequency
CN114526670A (zh) * 2022-02-23 2022-05-24 中国科学院空天信息创新研究院 一种基于参考反射镜差动探测的白光干涉测量装置

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10900840B1 (en) 2018-10-26 2021-01-26 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Snapshot Mueller matrix polarimeter
KR102166527B1 (ko) * 2018-12-28 2020-10-15 전북대학교산학협력단 실시간 위상감지 gmr 바이오센서 장치 및 센싱 방법
KR102260755B1 (ko) * 2018-12-31 2021-06-07 전북대학교산학협력단 검사 장치 및 검사 방법
KR102158520B1 (ko) * 2019-01-07 2020-09-23 주식회사 엠젠 분광편광계의 광경로차를 자동으로 조절하는 장치
KR102124764B1 (ko) 2019-01-07 2020-07-07 주식회사 엠젠 일체형 분광편광 측정장치 및 이를 포함하는 분광편광 측정 시스템
CN109990736B (zh) * 2019-03-28 2020-09-08 华中科技大学 一种基于斯托克斯矢量的滚转角测量方法及装置
KR20200133976A (ko) 2019-05-21 2020-12-01 문성수 콘텐츠 큐레이션 방법 및 장치
KR102278503B1 (ko) 2019-10-31 2021-07-16 주식회사 엠젠 분광반사 측정장치
KR102316503B1 (ko) * 2020-04-23 2021-10-22 서울대학교산학협력단 동축 분광 이미징 엘립소미터
US12510862B2 (en) 2021-06-11 2025-12-30 Electronics And Telecommunications Research Institute Device acquiring holography and system including the same
KR102743996B1 (ko) * 2021-06-11 2024-12-18 한국전자통신연구원 홀로그램 획득 장치 및 시스템
KR20230030346A (ko) * 2021-08-25 2023-03-06 삼성전자주식회사 편광 계측 장치 및 편광 계측 장치를 이용한 반도체 소자 제조 방법
CN114755689A (zh) * 2022-03-22 2022-07-15 南开大学 红外测量方法、装置、计算机设备和存储介质
CN115406366B (zh) * 2022-08-29 2023-04-28 重庆市计量质量检测研究院 基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法
KR102625046B1 (ko) * 2022-10-31 2024-01-15 한국 천문 연구원 듀얼 포트 간섭계
KR102780376B1 (ko) * 2022-11-14 2025-03-12 조선대학교산학협력단 층밀림 위상차 영상 획득 모듈 장치
WO2024226458A2 (en) * 2023-04-24 2024-10-31 The Trustees Of Indiana University Self-interference imaging methods in polarization-dependent optical coherence microscopy
US12206836B1 (en) * 2023-06-29 2025-01-21 GM Global Technology Operations LLC Polarization-based optical arrangement with virtual displays and multiple fields of view

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010011339A (ko) * 1999-07-27 2001-02-15 이철환 파워 윈도우 스위치
KR20090063417A (ko) * 2007-12-14 2009-06-18 광주과학기술원 외부 자극에 의한 광학적 분자 영상 시스템
JP2010237203A (ja) * 2009-03-30 2010-10-21 Nikon Corp 光学ユニット、干渉装置、ステージ装置、パターン形成装置およびデバイス製造方法
KR101060053B1 (ko) * 2005-09-27 2011-08-29 베러티 인스트루먼트, 인코퍼레이티드 자기 참조 헤테로다인 반사계 및 그 실행방법
KR20120014355A (ko) * 2010-08-09 2012-02-17 (주)펨트론 듀얼 파장 디지털 홀로그래피을 이용한 3ｄ 측정 장치

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4802768A (en) * 1986-04-11 1989-02-07 Sclavo, Inc. Two light source reference system for a fluorometer
JPH02248803A (ja) * 1989-03-22 1990-10-04 Keyence Corp レーザー干渉測長計
JP2895693B2 (ja) * 1992-12-04 1999-05-24 シャープ株式会社 レーザ測距装置
DE19612794A1 (de) 1995-03-31 1996-10-02 Overhamm Michael Dr Fourier-Spektrometer
KR100366486B1 (ko) 2000-06-19 2003-01-09 병 호 이 하나의 편광 빛 스플리터를 사용한 편광 모드 분산 보상기
US6909511B2 (en) * 2001-02-27 2005-06-21 Jds Uniphase Corporation Athermal interferometer
US6765679B2 (en) * 2001-05-30 2004-07-20 Jds Uniphase Corporation Multi-cavity interferometer with dispersion compensating resonators
US7522343B2 (en) * 2004-03-08 2009-04-21 Optoplex Corporation Michelson interferometer based delay line interferometers
JP4505807B2 (ja) * 2004-08-09 2010-07-21 国立大学法人 筑波大学 多重化スペクトル干渉光コヒーレンストモグラフィー
WO2006086034A2 (en) 2004-11-18 2006-08-17 Morgan Research Corporation Miniature fourier transform spectrophotometer
US7705994B2 (en) 2005-11-23 2010-04-27 Agilent Technologies, Inc. Monolithic displacement measuring interferometer with spatially separated but substantially equivalent optical pathways and optional dual beam outputs
JP5149196B2 (ja) * 2005-12-06 2013-02-20 カール ツァイス メディテック アクチエンゲゼルシャフト 干渉測定法による試料測定
US8004750B1 (en) * 2008-09-07 2011-08-23 Optoplex Corporation Multiple-FSR DPSK demodulator
CN101435720B (zh) * 2008-12-09 2012-01-04 西安交通大学 静态宽场实时多方向探测偏振风成像干涉仪
US8570524B2 (en) * 2009-08-04 2013-10-29 University Of Florida Research Foundation, Inc. Stable monolithic interferometer for wavelenghth calibration
US9442015B2 (en) * 2010-09-03 2016-09-13 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Snapshot spatial heterodyne imaging polarimetry

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010011339A (ko) * 1999-07-27 2001-02-15 이철환 파워 윈도우 스위치
KR101060053B1 (ko) * 2005-09-27 2011-08-29 베러티 인스트루먼트, 인코퍼레이티드 자기 참조 헤테로다인 반사계 및 그 실행방법
KR20090063417A (ko) * 2007-12-14 2009-06-18 광주과학기술원 외부 자극에 의한 광학적 분자 영상 시스템
JP2010237203A (ja) * 2009-03-30 2010-10-21 Nikon Corp 光学ユニット、干渉装置、ステージ装置、パターン形成装置およびデバイス製造方法
KR20120014355A (ko) * 2010-08-09 2012-02-17 (주)펨트론 듀얼 파장 디지털 홀로그래피을 이용한 3ｄ 측정 장치

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107886820A (zh) * 2017-11-15 2018-04-06 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种集成式双光路激光电离效应模拟系统
CN107886820B (zh) * 2017-11-15 2023-11-24 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种集成式双光路激光电离效应模拟系统
US11248955B2 (en) 2018-08-10 2022-02-15 Industrial Cooperation Foundation Chonbuk National University Polarization measurement with interference patterns of high spatial carrier frequency
US11035790B2 (en) 2018-12-31 2021-06-15 Industrial Cooperation Foundation Chonbuk National University Inspection apparatus and inspection method
CN114526670A (zh) * 2022-02-23 2022-05-24 中国科学院空天信息创新研究院 一种基于参考反射镜差动探测的白光干涉测量装置
CN114526670B (zh) * 2022-02-23 2024-04-02 中国科学院空天信息创新研究院 一种基于参考反射镜差动探测的白光干涉测量装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019508688A (ja) 2019-03-28
US20190049302A1 (en) 2019-02-14
KR101812608B1 (ko) 2017-12-27
EP3413022B1 (en) 2024-08-28
US10890487B2 (en) 2021-01-12
JP6893667B2 (ja) 2021-06-23
KR20170092803A (ko) 2017-08-14
EP3413022A4 (en) 2019-10-02
EP3413022A1 (en) 2018-12-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017135641A1 (ko) 일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계
CA2576978C (en) Optical sensor using low-coherence interferometry
US6421131B1 (en) Birefringent interferometer
US5638178A (en) Imaging polarimeter detector for measurement of small spacings
US6222627B1 (en) Wollaston prism and use of it in a fourier-transform spectrometer
CN103822715B (zh) 一种基于偏振分光器的快照式成像光谱仪与成像方法
KR101798957B1 (ko) 고속분광편광 측정장치 및 방법
CN103822714B (zh) 一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪与成像方法
CN111208067A (zh) 光谱-偏振成像测量系统
WO2019031667A1 (ko) 각도분해 분광 반사광측정법을 이용한 다층박막 두께 및 굴절률 측정장치 및 측정방법
CN109443554B (zh) 一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置及方法
CN100451694C (zh) 采用低相干的干涉测量法的光学传感器
WO2021172647A1 (ko) 다층박막 두께 및 형상 측정을 위한 진동둔감 간섭계
Negara et al. Simplified Stokes polarimeter based on division-of-amplitude
JP6188823B2 (ja) ハイパースペクトル・イメージングにおける改善又はそれに関する改善
US20050237532A1 (en) Imaging apparatus
WO2021215621A1 (ko) 동축 분광 이미징 엘립소미터
CN105784327B (zh) 用于测定复合零级波片装配误差的装置与方法
KR100389566B1 (ko) 동기화된 회전요소형 타원해석기
CN108871572A (zh) 双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法及其成像装置
KR101937893B1 (ko) 투과형 편광간섭 장치 및 이를 이용한 광위상 측정 장치
WO2023128133A1 (ko) 편광 변조가 최소화된 반사형 광학계 및 이를 구비한 분광 타원계
WO2021246602A1 (ko) 반사도 및 입사 광량의 측정 장치
JPH05126641A (ja) 分光型エリプソメータ
WO2025095354A1 (ko) 기판 뒷면 반사 영향을 받지 않는 광학적 박막 분석 장치 및 그에 의한 분석 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17747686

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018541271

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2017747686

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017747686

Country of ref document: EP

Effective date: 20180904