WO2021085765A1 - 분광편광 측정장치 및 광경로차 자동 조절 장치 - Google Patents

분광편광 측정장치 및 광경로차 자동 조절 장치 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic polarization measuring apparatus for measuring a sample using light transmitted/reflected from a sample to be measured.
  • Spectral spectrum measurement technology is regarded as one of the most accurate and expected solutions in many fields.
  • numerous studies such as SD PS-OCT (spectral domain polarization-sensitive optical coherence tomography), real-time high-sensitivity surface-plasmon resonance (SPR) biosensing, and circular dichroism (CD) have been conducted Is losing.
  • SD PS-OCT spectral domain polarization-sensitive optical coherence tomography
  • SPR surface-plasmon resonance
  • CD circular dichroism
  • a spectrum approach in which a birefringence crystal or a dual spectrum sensing module is combined with an interferometer is also known in order to derive from the measured values of a spectroscopic ellipsometer that can derive the Stokes vector, and to replace the spectral interferometer and the scanning method.
  • a snapshot-type polarization interferometer has been proposed, which makes it possible not only to be robust against disturbances caused by external vibrations, but also to enable quick and stable measurements.
  • a polarization interferometer Using such a polarization interferometer enables quick and stable measurements based on snapshots.
  • a conventional spectroscopic polarization measuring device using a polarization interferometer is implemented as an expensive and large-sized product, and because it measures each loaded sample, it quickly moves a plurality of points on a plurality of samples or a single sample. It is difficult to measure.
  • such a spectroscopic polarization measuring device performs measurements on various samples using white light.
  • white light In order to use white light, a chopper, spectral, and parallel light are required. It takes some time for the measurement to settle initially.
  • white light since white light has a wide range of wavelengths, it is difficult to quickly measure a sample because it is analyzed to a range of wavelengths that are unnecessary for sample measurement. Therefore, there is a need to develop a spectroscopic polarization measuring device capable of fast and accurate measurement using light suitable for sample characteristics, not white light.
  • An object of the present invention is to provide a spectral polarization measuring system capable of fast and continuous measurement and a spectral polarization measuring system including a cradle for mounting the same.
  • Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a spectral polarization measuring device that is easy to attach/detach, maintain, and repair each other while miniaturizing and packaging a light source, a spectrometer, and a polarization interferometer.
  • another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a device capable of rapidly and accurately measuring a sample by forming a light source having a wavelength suitable for measurement for each sample.
  • a light source attaching and detaching unit to which a light source is detachably coupled;
  • a polarization interferometer for separating the light emitted from the light source coupled to the light source attachment and detaching unit into a plurality of polarized light using a polarization beam splitter, and outputting reflected light by irradiating at least a portion of the separated polarized light onto a reflection sample;
  • a spectrometer for measuring the physical properties of the reflective sample by analyzing the output light, wherein a wavelength of a light source coupled to the light source attaching and detaching unit varies depending on the reflective sample.
  • the spectral polarization measuring apparatus and the spectral polarization measuring system according to the present invention there is an advantage in that it is possible to quickly measure a sample based on a snapshot, while continuously measuring various positions of a single sample or between various samples.
  • the spectral polarization measuring device According to the spectral polarization measuring device according to the present invention, portability and mobility can be enhanced by miniaturization and packaging, and since the connection between the light source and the spectrometer and the polarization interferometer is made by a simple combination, it is possible to attach and detach, maintain, and repair. There is also an advantage in that it is easy to use.
  • the spectroscopic polarization measuring device it is possible to obtain a more accurate physical property value of the target sample by replacing it with a light source having a wavelength suitable for sample measurement according to the characteristics of the sample, and by using a pulse-shaped straight light There is also the advantage of being able to measure quickly.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a polarization interferometer of a spectroscopic polarization measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a spectroscopic polarization measuring apparatus in which a polarization interferometer, a light source, a light source attaching/detaching part, and a spectrometer are packaged together.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of an apparatus for measuring spectral polarization according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a polarization beam splitter and a mirror.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a detailed configuration of an apparatus for measuring spectral polarization according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a side view of an apparatus for measuring spectral polarization according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6B is a side view of an apparatus for measuring spectral polarization according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 and 8 are perspective views viewed from above and below the spectral polarization measuring apparatus of FIG. 6A.
  • FIG. 9 is a perspective view of the inside of the spectroscopic polarization measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram of an integrated polarization interferometer according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a spectroscopic polarization measuring apparatus in which a polarization interferometer, a light source, and a spectrometer are packaged together.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a detailed configuration of a polarization interferometer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a first polarization beam splitter and adjacent mirrors.
  • 14A to 14C are views viewed from various angles of a polarization interferometer coupled to an integrated assembly according to a second embodiment of the present invention.
  • 15A and 15B are views illustrating a form in which a polarization interferometer is coupled to an integrated assembly according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • 16A is a front view of the polarization interferometer shown in FIG. 14B as viewed from the front cover removed.
  • FIG. 16B is a diagram showing components covered in FIG. 16A with a hidden line.
  • FIG. 16C is a perspective view of FIG. 16A viewed from a different direction.
  • 17 is a diagram illustrating a process of optical input and output and interference inside a polarization interferometer.
  • 18A is a perspective view illustrating a gantry on which a spectroscopic polarization measuring device can be mounted according to a second embodiment of the present invention.
  • 18B is a perspective view showing a spectroscopic polarization measuring system including the gantry and a spectroscopic polarization measuring device mounted thereon.
  • 18C is a view showing an example of changing the position of the spectroscopic polarization measuring device on the gantry.
  • 19A to 19C are views showing various embodiments of a PBS assembly.
  • 20A is an exploded perspective view of a PBS assembly having a movable mirror whose displacement can be controlled by an electrical signal.
  • FIG. 20B is an assembled perspective view of the PBS assembly of FIG. 20A.
  • 20C is a longitudinal cross-sectional view of the PBS assembly of FIG. 20B.
  • 21 is a block diagram of an apparatus for automatically adjusting an optical path difference of an apparatus for measuring spectral polarization according to an embodiment of the present invention.
  • 22 is a diagram illustrating an interferogram function according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a perspective view of a PBS assembly having a modified piezo stage for performing longitudinal displacement amount control and tilt control together.
  • the polarization interferometer 110 is a light input terminal 101 for incidence of light emitted from a light source, a measurement terminal 102 for irradiating light from the polarization interferometer 110 to a reflective sample, and for incident light reflected from the reflective sample, And a light output terminal 103 for emitting light from the polarization interferometer 110 to a spectrometer, and a housing 111 having three terminals 101, 102, and 103 mounted thereon.
  • the polarization interferometer 110 may be composed of a housing 111 in which a light source or a spectrometer is detachable, modularization and miniaturization are possible.
  • a light source 120, a polarization interferometer 110, and a spectrometer 150 may be formed as a package. It may further include a signal analysis unit (not shown). At this time, between the light source terminal 131 of the light source 120 and the optical input terminal 101 of the polarization interferometer 110, the optical output terminal 103 of the polarization interferometer 110 and the optical input terminal of the spectrometer 150 The 101 may be directly connected, or an optical fiber to an optical cable 10 or 20 may be connected as a medium for transmitting light.
  • the polarization interferometer 110 divides the light emitted from the light source 120 into a plurality of polarized lights using a polarization beam splitter, and outputs the reflected light by irradiating at least a portion of the separated polarized light onto a reflective sample. do.
  • the light output as described above is provided to the spectrometer 150, and the spectrometer 150 measures the physical properties of the reflective sample by analyzing the output light.
  • the light source 120 is detachably coupled to the light source attachment and detachment unit.
  • the light source 120 that emits light to the polarization interferometer 110 is not fixed to the spectral polarization measuring apparatus 100 and is formed to be detachable through the light source attachment and detachment unit. Since the light source 120 is detachable, it is easy to replace the light source 120. Accordingly, the light source can be selected and replaced according to the reflective sample, and various light sources can be selected.
  • the light source 120 may be detachable from the light source attachment and detachment unit by a bolt-nut method or a fitting method, and may be combined in a variety of other detachable methods.
  • the wavelength of the light source 120 coupled to the light source attachment and detachment unit has a different wavelength depending on the reflective sample to be measured.
  • a light source having a wavelength sensitive to a reflective sample is used.
  • the selection of the light source 120 to be coupled to the light source attachment and detachment unit may vary depending on the characteristics of the reflective sample to be measured. Specifically, it is possible to select a light source having a wavelength at which interference fringes with respect to the reflective sample are easily generated. In this case, a wavelength in which the resolution of the interference fringe is equal to or greater than a threshold value may be selected.
  • the threshold value may be a value relative to other wavelengths, or may be an absolute value independent of other wavelengths.
  • the light source 120 may use a light source that emits straight light. By using straight light, polarization measurement is possible without components such as a chopper, a spectroscope, and a lens for forming parallel light, due to the use of a white light source.
  • Straight light is light that has more linearity than diffusivity, and includes lasers and LEDs.
  • the light source 120 may be a laser or an LED.
  • a laser is a light source that emits light with a constant frequency, that is, a constant wavelength. Since the coherent length is longer than that of a white light source, interference fringes are more likely to occur, and it is easier to measure than a white light source.
  • LED is also a light source that emits light with strong linearity having a specific wavelength. In addition, it is natural that the light source 120 that emits various light having straightness can be used.
  • the combined optical system may be composed of a collimating lens, a linear polarizer, and an iris.
  • the light emitted from the light source is converted into parallel light in the collimating lens, and may be linearly polarized in the direction of 45° in the linear polarizer in order to improve the contrast of optical interference.
  • the iris can control the size of linearly polarized light passing through the linear polarizer.
  • a light source having a corresponding wavelength can be selected and combined with the light source attachment and detachment unit to be used as a light source for measurement.
  • the light source may have a single wavelength required to measure the reflective sample.
  • the light source 120 is detachably coupled to the light source attachment and detachment unit, and can be replaced with a light source having a different wavelength depending on the reflective sample. Since the light source can be easily replaced, users can easily use the light source in various wavelength ranges.
  • the light source 120 may be a light source having a variable wavelength.
  • a light source capable of variable wavelength with a plurality of wavelengths.
  • a tunable light source such as a tunable laser, measurement can be performed by varying the wavelength according to the reflective sample with one light source.
  • a wavelength suitable for measurement of the reflective sample may be performed on the reflective sample. Change the wavelength and derive the wavelength sensitive to the reflective sample.
  • a wavelength sensitive to a corresponding reflective sample may be derived by analyzing a measurement result using a variable wavelength light source or a light source having a wide wavelength using a white light source.
  • measurement wavelength information for each reflective sample stored through measurement in advance for each reflective sample may be used.
  • Measurement wavelength information for each reflective sample may be generated and stored as a lookup table. Measurement wavelength information for a specific reflective sample derived through measurement is stored, and then, when measuring the same reflective sample, a light source having a corresponding measurement wavelength is combined with the light source attachment and detachment unit using the previous information. Can be used for measurement.
  • the light source 120 may emit light having a specific wavelength in the form of a pulse. Light may be continuously emitted, but rapid measurement can be made by emitting light in the form of a pulse. Since an interference fringe can be generated for each pulse, light is emitted in the form of a pulse and irradiated only to an area to be measured, so that the measurement for that area can be quickly performed.
  • the spectrometer 150 as mentioned in Korean Patent Publication No. 1812608, will be configured as a device for measuring spectral polarization information of a reflective sample to be measured in a snapshot/single shot method in real time/high speed. I can.
  • the spectral polarization measuring apparatus 100 may include a polarization interferometer 110, and may include a light source attaching/detaching part and a spectrometer to which the light source 120 is detachably coupled as a package.
  • the polarization interferometer 110 includes an optical input terminal 101, a measurement terminal 102, an optical output terminal 103, a first polarization beam splitter 111, a first mirror 113, a second mirror 112, and Consisting of the second polarization beam splitter 114, all components may be accommodated and installed in the housing.
  • the optical input terminal 101 enters the light emitted from the light source 121, and the incident light is a first polarization and a first polarization beam splitter transmitted from the polarization beam splitter 111 to the first polarization beam splitter 111 It is separated by the second polarized light reflected from (111).
  • the first polarized light may be P polarized light
  • the second polarized light may be S polarized light, or vice versa.
  • a first mirror 112 is installed on the first surface to convert the first polarization transmitted through the first polarization beam splitter 111 into a first polarization beam splitter ( 111).
  • the first surface may be a surface perpendicular to the incident optical axis.
  • the reflected first polarization is reflected by the first polarization beam splitter 111 and moves to the second polarization beam splitter 114.
  • a second mirror 113 is installed on a second surface perpendicular to the first surface to reflect the second polarization reflected by the first polarization beam splitter 111 to the first polarization beam splitter 111.
  • the second surface may be a surface parallel to the incident optical axis and may be an upper surface.
  • the reflected second polarization passes through the first polarization beam splitter 111 and moves to the second polarization beam splitter 114.
  • the first polarized light transmitted through the first polarized beam splitter 111 and reflected by the first mirror 112, and then reflected upward from the first polarized beam splitter 111
  • the optical path length of and the optical path length of the second polarized light reflected by the second mirror 113 after being reflected by the first polarization beam splitter 111 may be formed to be approximately 20 to 60 ⁇ m longer than the other optical path length.
  • the optical path length of the first polarized light may be long, and the optical path length of the second polarized light may be long.
  • the distance between the first surface of the first polarization beam splitter 111 and the first mirror 112 and the second surface of the first polarization beam splitter 111 and the second mirror ( 113). That is, any one of the first mirror 112 and the second mirror 113 may be further separated from the corresponding surface of the first polarizing beam splitter 111 by a difference (approximately 20 to 60 ⁇ m) of the optical path length than the other. It can be.
  • the difference in the length of the optical path may have a significant effect on the final measurement result even with only a small difference. Therefore, it is necessary to remove an error related to the difference in the optical path length in the spectroscopic polarization measuring apparatus, which may be caused by various factors such as manufacturing error or external temperature, through a calibration process performed in advance. This calibration process contributes to improving the measurement performance or precision of the spectroscopic polarization measuring device by maximizing the size of the signal finally measured by the spectrometer.
  • the first mirror 112 formed on the first surface of the first polarizing beam splitter 111 is a fixed mirror fixed to the first polarizing beam splitter 111
  • a second mirror formed on the second surface ( 113) may be a movable mirror that can be displaced in a direction perpendicular to the first polarization beam splitter 111.
  • the second mirror 113 which is a movable mirror, may be installed on the piezoelectric element to electrically control the longitudinal displacement (z-axis displacement).
  • the piezoelectric element refers to a device having a property of generating electricity when pressure or displacement is applied, or a device in which pressure or displacement occurs when electricity is applied. In particular, the latter characteristic of the piezoelectric element is used.
  • the piezoelectric element may be configured as a piezo-stage, and includes a fixing member that is fixed irrespective of the electrical signal, and a movable member that is installed on the fixing member and stretches/contracts according to the electric signal. Includes.
  • the movable member may be displaced (stretched/reduced) by the same size regardless of the position.
  • the movable member may be displaced only at several predetermined points (2 points, 3 points, etc.). In this case, not only the longitudinal displacement of the movable mirror but also the tilt angle can be finely adjusted due to the positional deviation. will be.
  • the second mirror 113 as a movable mirror and adjusting the distance with the polarization beam splitter 111, the difference in the length of the optical path can be adaptively adjusted according to the reflection sample 200 to be measured.
  • the present invention is not limited thereto, and conversely, the first mirror 112 may be designed as a movable mirror, or both the first and second mirrors 113 may be designed as a movable mirror.
  • the first polarized light and the second polarized light directed from the first polarized beam splitter 111 to the second polarized beam splitter 114 through different paths are incident on the first polarized beam splitter 111 in the form of a composite wave. do.
  • the composite wave incident on the second polarized beam splitter 114 is reflected by the second polarized beam splitter 114 and output to the measurement terminal 102, and the light output to the measurement terminal 102 is transferred to the reflective sample 200. It is investigated.
  • the light irradiated to the reflective sample 200 is reflected from the reflective sample 200 and is again incident on the measurement terminal 102.
  • the spectrometer may be, for example, a sensor array type, and a Stokes vector indicating spectral polarization information of the reflective sample 200 may be measured in a snapshot method (real time and high speed). Through this, physical properties such as the material and thickness of the reflective sample 200 may be finally obtained.
  • the measurement terminal 102 may be connected to a probe.
  • the probe includes a connection terminal, a probe arm, and a probe head, and the connection terminal may be configured to be detachable from the measurement terminal 102.
  • the probe arm includes an optical fiber or an optical cable through which light can be conducted, and further includes an outer sheath of a material that can be maintained in a bent state. Therefore, the user can freely adjust the position of the probe head by bending the probe arm.
  • the probe head is installed on the opposite side of the connection terminal in the probe arm to output light to the reflective sample 200 or to receive the light reflected from the reflective sample 200.
  • the probe head may further include an additional optical system such as a lens at its end.
  • the optical fiber or the optical cable may be configured to have bidirectionality in light conduction.
  • it is not limited to this, and of course, it is possible to use two optical fibers or optical cables having unidirectionality.
  • the polarization interferometer 110 may further include an input optical system 116 or an output optical system 117.
  • an input optical system 116 When a white light source is used as a light source, the input light must be converted into parallel light and incident on the first polarized beam splitter 111, and the light may be converted into parallel light through the input optical system 116.
  • the input optical system 116 may include, for example, a collimating lens 116a, a linear polarizer 116b, and an iris 116c.
  • the light input through the optical input terminal 201 is converted into parallel light by the collimating lens 116a.
  • the parallel light may be linearly polarized in the 45° direction by the linear polarizer 116b.
  • the iris 116c adjusts the amount of linearly polarized light that has passed through the linear polarizer 116b. Linearly polarized light adjusted to an appropriate size by the iris 611c is incident on the first polarization beam splitter 111.
  • light incident on the measurement terminal 102 may pass through the second polarization beam splitter 114 and be transmitted to the spectrometer through the output optical system 117.
  • Two lights incident on the measurement terminal 102 through different paths are eventually incident on the output optical system 117 in the form of interference light.
  • the output optical system 117 may typically include a linear polarizer, but is not limited thereto and may include an optical system such as an additional lens.
  • the interfering light transmitted from the second polarization beam splitter 114 may be transmitted to the spectrometer through the light output terminal 103 after passing through the linear polarizer 117 for linearly polarizing in the 45° direction. .
  • FIGS. 7 and 8 are perspective views.
  • the spectral polarization measuring device 100 includes a light source attaching and detaching unit 130, a light source 120 that is detachable and replaceable with the light source attaching and detaching unit 130, and a polarization interferometer 110, and the polarization interferometer 110 moves the emitted light. It may include an output optical system 140 to secure the distance. In addition, a spectrometer 150 may be further included.
  • the light source 120 is detachable from the light source attachment and detachment unit 130, and the light source 120 is detachably coupled to the light source attachment and detachment unit 130.
  • the light source 120 may be detachably coupled to the light source attachment and detachment unit 130 using a fitting type or a bolt-nut mechanism. As shown in FIG. 7, a groove into which the light source 120 can be inserted is formed in the light source attaching and detaching unit 130, or a male screw is formed in the light source 120, and the light source attaching and detaching unit 130 is formed with a female screw, so that it can be detachably coupled. have.
  • various structures may be formed in the light source attachment and detachment unit 130 so that the light source 120 is detachably coupled.
  • the light source attaching/detaching part 130 may be formed integrally with the polarization interferometer 110, or may be combined to each other by being modularized.
  • An input optical system may be formed in the light source attaching/detaching part 130. When only straight light is used as the light source 120, the input optical system may not be formed.
  • the polarization interferometer 110 receives light emitted from the light source 120 through the light source attaching/detaching unit 130.
  • the polarization interferometer 110 separates the incident light into a first polarized light and a second polarized light using a first polarization beam splitter, and uses the first and second polarizations 112 and 113 to separate the incident light.
  • 2 Polarized light causes a difference in the length of the optical path to cause interference.
  • the first mirror 112 and the second mirror 113 may have opposite positions as shown in FIG. 6B.
  • the composite wave of the first polarized light and the second polarized light is transferred to the second polarized beam splitter 114, is reflected by the second polarized beam splitter 114, and irradiated to the reflective sample through the measurement terminal.
  • the light reflected and input from the reflective sample passes through the second polarization beam splitter 114 and is emitted to the output optical system 140.
  • the light passing through the output optical system 140 is incident on the spectrometer 150, and the spectrometer 150 analyzes the light incident through the output optical system 140 to measure the physical properties of the reflective sample.
  • FIG. 9 is a perspective view of the inside of the spectroscopic polarization measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the input optical system 116 may be formed inside the light source stick 130, and the first mirror 112 and the second mirror 113 of the polarization interferometer may be formed as shown in FIG. 9,
  • a linear polarizer 117 may be formed inside the output optical system 140.
  • an optical system such as a polarizer and a polarizing lens may be further provided in each.
  • the input/output optical systems 116 and 140, and the two optical systems disposed near the first and second mirrors 112 and 113, respectively have linear polarizers deflected at different angles. It is necessary to make sure that each of them is placed.
  • the polarization angle of the linear polarizers provided in the input optical system 116 and the output optical system 140 is 45°
  • the polarization angle of the linear polarizers disposed in the vicinity of the first mirror 112 is 90°.
  • the polarization angle of the linear polarizer disposed in the vicinity of the second mirror 113 may be configured as 0°.
  • the linear polarizer included in the input optical system 116 is on the bracket 118a
  • the linear polarizer included in the output optical system 241 is on the bracket 118d
  • the vicinity of the first mirror 112 The linear polarizer disposed in the bracket 118c may be installed in the bracket 118c
  • the linear polarizer disposed in the vicinity of the second mirror 113 may be installed in the bracket 118b.
  • each linear polarizer may be installed in a corresponding bracket after determining an installation direction according to a set polarization angle.
  • the spectral polarization measuring device may be installed on a cradle or a gantry. By installing the spectroscopic polarization measuring device on the gantry so that it can move in the transverse direction, it is possible to measure at various positions of the reflective sample.
  • the spectroscopic polarization measuring device When mounting the spectroscopic polarization measuring device on the upper transverse support of the gantry, it may be installed so that the measuring terminal faces downward.
  • the reflective sample When installed in a gantry to measure a reflective sample, the reflective sample is preferably a continuously conveyed sample such as a flexible substrate conveyed between two rollers. Since such a reflective sample has a size in the transverse direction to some extent, it may be necessary to continuously measure multiple points compared to a sample cut in advance.
  • the reflective sample continuously supplied can be measured instantaneously by a spectroscopic polarization measuring device at a specific transverse position.
  • the spectroscopic polarization measuring device mounted at the first position can measure the first point of the reflective sample through the measurement terminal, and the user moves the position laterally as necessary to locate the second point of the reflective sample. You can also measure it.
  • Such transverse positional movement may be possible in any position, but it may also be possible to accurately place it in predetermined discrete positions.
  • a fixed or movable stopper (not shown) may be provided at a corresponding position in the transverse direction of the transverse support, thereby guiding the correct position of the spectral polarization measuring device.
  • the spectral polarization measurement device is mounted on the upper transverse support to measure the upper surface of the reflective sample
  • the present invention is not limited thereto, and the lower surface of the reflective sample may be measured by mounting the device to the lower transverse support.
  • the spectral polarization measuring device since the spectral polarization measuring device has to measure the upper side from the lower side, it will have to be mounted on the lower transverse support in a vertically symmetrical shape.
  • the distance between the measurement terminal of the spectroscopic polarization measuring apparatus and the reflective sample may also affect the strength of the signal analyzed by the spectrometer, so it needs to be optimally determined.
  • a structure eg, a linear motor, a lead screw, etc.
  • the upper transverse support in a certain range may be provided, and through this, it is possible to adjust the optimum distance between the measurement terminal and the reflective sample.
  • the polarization interferometer 1200 includes an optical input terminal 1201 for incident light irradiated from a light source, an optical output terminal 1203 for emitting light from the polarization interferometer 1200 to a spectrometer, and two terminals 1201 and 1203 It may be configured to include a housing 1205 equipped with. As described above, since the polarization interferometer 1200 can be configured with the housing 1205 detachable from the light source or the spectrometer, modularization and miniaturization are possible.
  • the polarization interferometer 1200 of FIG. 10 may be packaged in the spectral polarization measuring apparatus 1090 together with the light source 1110 and the spectrometer 1120.
  • the optical output terminal 1203 of the polarization interferometer 1200 and the spectrometer terminal of the spectrometer 1120 ( Between 1103), an optical fiber or an optical cable may be connected as a medium for transmitting light.
  • the polarization interferometer 1200 separates the light emitted from the light source 1110 into a plurality of polarized lights using a polarization beam splitter, and outputs the reflected light by irradiating at least a portion of the separated polarized light onto a reflective sample. do.
  • the light output as described above is provided to the spectrometer 1120, and the spectrometer 1120 analyzes the output light to measure the physical properties of the reflective sample.
  • a white light source for example, a 10W Tungsten-Halogen lamp may be used, but other types of light sources are not limited thereto.
  • the spectrometer 1120 uses a snapshot/single shot method to obtain a Stokes vector representing the spectral polarization information of the reflective sample to be measured in real time. /Can be configured as a device for high-speed measurement. Therefore, the spectral polarization measurement device 1090 does not use a mechanical rotating mechanism or an electrical modulation device, and can measure a Stokes vector having information on multiple wavelengths in real time through only a single interference spectral data. will be.
  • the spectroscopic polarization measuring apparatus 1150 may include a light source 1110, a spectrometer 1120, and a polarization interferometer 1200.
  • the light source 1110 and the spectrometer 1120 may be packaged together in the integrated assembly 1100.
  • the light source 1110 and the spectrometer 1120 do not need to be connected to the polarization interferometer 1200, respectively, and only the combination between the integrated assembly 1100 and the polarization interferometer 1200 is used. It connects naturally to (1200).
  • the light source terminal 1101 of the light source 1110 is the optical input terminal 1201 of the polarization interferometer 1200
  • the spectrometer terminal 1103 of the spectrometer 1120 is the optical output terminal 1203 of the polarization interferometer 1200.
  • the polarization interferometer 1200 coupled to the integrated assembly 1100 may be configured as a reflectometer type.
  • the polarization interferometer 1200 includes an optical input terminal 1201, an input optical system 1211a, 1211b, 1211c, a first polarizing beam splitter 1220, a second polarizing beam splitter 1230, an output optical system 1241, and optical output. It may be configured to include a terminal 1203 and a measurement terminal 1202.
  • the light input terminal 1201 enters the light irradiated and transmitted from the light source 1110.
  • the incident light is incident on the first polarization beam splitter 1220 through input optical systems 1211a, 1211b, and 1211c.
  • the input optical systems 1211a, 1211b, and 1211c may include, for example, a collimating lens 1211a, a linear polarizer 1211b, and an iris 1211c.
  • the light input through the optical input terminal 1201 is converted into parallel light by the collimating lens 1211a.
  • This parallel light may be linearly polarized in the 45° direction by the linear polarizer 1211b.
  • the iris 1211c adjusts the magnitude of the linearly polarized light passing through the linear polarizer 1211b. Linearly polarized light adjusted to an appropriate size by the iris 1211c is incident on the first polarization beam splitter 1220.
  • the incident light is separated by the first polarization beam splitter 1220.
  • two mirrors 1221 and 1222 are provided on two of the surfaces constituting the first polarization beam splitter 1220.
  • the first polarization beam splitter 1220 transmits P polarized light to be incident on the first mirror 1221, and reflects the S polarized light to be incident on the second mirror 1222.
  • the first mirror 1221 is attached to one side (a surface perpendicular to the incident optical axis) of the first polarization beam splitter 1220 to reflect the P polarization
  • the second mirror 1222 is a first polarization beam It is attached to an upper surface (a surface parallel to the incident optical axis) of the splitter 1220 to reflect the S polarization.
  • the P polarized light transmitted through the first polarized beam splitter 1220 and reflected by the first mirror 1221, and then reflected upwardly by the first polarized beam splitter 1220.
  • the optical path length and the optical path length of S-polarized light reflected by the second mirror 1222 after being reflected by the first polarization beam splitter 1220 may be formed to be approximately 20 to 60 ⁇ m longer than the other optical path length.
  • the optical path length of P polarization may be long, and the optical path length of S polarization may be long.
  • the distance between the first surface of the first polarization beam splitter 1220 and the first mirror 1221 and the second surface of the first polarization beam splitter 1220 and the second mirror 1222). That is, one of the first mirror 1221 and the second mirror 1222 may be further separated from the corresponding surface of the first polarizing beam splitter 1220 by a difference (approximately 20 to 60 ⁇ m) than the other. It can be.
  • the difference in the length of the optical path may have a significant effect on the final measurement result even with only a small difference. Accordingly, it is necessary to remove an error related to the difference in the length of the optical path in the spectroscopic polarization measuring apparatus 1200, which may be caused by various factors such as manufacturing error or external temperature, through a calibration process performed in advance. This calibration process contributes to improving the measurement performance or precision of the spectroscopic polarization measuring apparatus 1150 by maximizing the magnitude of the signal finally measured by the spectrometer 1120.
  • the first mirror 1221 formed on the side of the polarizing beam splitter 1220 is a fixed mirror fixed to the polarizing beam splitter 1220
  • the second mirror 1221 formed on the upper surface thereof is a polarizing beam splitter ( It is a movable mirror that can be displaced in a direction perpendicular to the upper surface of 1220).
  • the second mirror 1222 as a movable mirror and adjusting the distance between the polarization beam splitter 1220, the difference in the length of the optical path can be optimally set.
  • the present invention is not limited thereto, and conversely, the first mirror 1221 may be designed as a movable mirror, or both the first and second mirrors 1221 and 1222 may be designed as a movable mirror. More detailed information on the operation of the movable mirror will be described later with reference to the following drawings.
  • the P polarized light is reflected from the first polarized beam splitter 1220 again and directed toward the second polarized beam splitter 1230, and the S polarized light is transmitted through the first polarized beam splitter 1220 again to form a second polarized beam. It is directed toward the splitter 1230. Accordingly, the P polarized light and the S polarized light are incident on the second polarization beam splitter 1230 in the form of a composite wave.
  • the composite wave incident on the second polarized beam splitter 1230 is reflected from the second polarized beam splitter 1230 and output to the measurement terminal 1202, and the second polarized light output to the measurement terminal 1202 is a reflection sample 1050. ). Further, the light irradiated to the reflective sample 1050 is reflected from the reflective sample 1050 and is incident again to the measurement terminal 1202.
  • the light incident on the measurement terminal 1202 passes through the second polarization beam splitter 1230 and is transmitted to the output optical system 1241.
  • the output optical system 1241 may typically include a linear polarizer, but is not limited thereto and may include an optical system such as an additional lens.
  • the interfering light transmitted from the second polarization beam splitter 1230 is transmitted to the spectrometer 1120 through the optical output terminal 1203 after passing through the linear polarizer 1221 for linearly polarizing in the 45° direction. I can.
  • the spectrometer 1120 may be, for example, a sensor array type, and a Stokes vector indicating spectral polarization information of the reflective sample 1050 may be measured in a snapshot method (real time and high speed). Through this, physical properties such as material and thickness of the reflective sample 1050 may be finally obtained.
  • the 14A to 14C are views viewed from various angles of a polarization interferometer 1200 coupled to the integrated assembly 1100 according to the second embodiment of the present invention.
  • the polarization interferometer 1200 has an optical input terminal 1201 and an optical output terminal 1203 coupled to the integrated assembly 1100 on the left side, and includes a case or a housing 1205 for accommodating internal components. do.
  • FIG. 14A showing a plan view of the polarization interferometer 1200
  • the optical input axis to the optical output axis direction (hereinafter referred to as the optical axis direction) between the position of the optical input terminal 1201 and the position of the optical output terminal 1203
  • a step d is formed by a certain distance.
  • the optical input terminal 1201 is disposed at a position protruding from the optical output terminal 1203. This step not only makes the coupling between the integrated assembly 1100 and the polarization interferometer 1200 more robust, but the integrated assembly 1100 can more efficiently accommodate the spectrometer 1120 having a larger size than the light source 1110. Makes it possible.
  • the housing 1205 includes, for example, a front cover 1205a and a rear casing 1205b. Therefore, it is possible to install or repair the internal components simply by opening the front cover 1205a without disassembling the entire polarization interferometer 1200.
  • a protrusion 1208 may be formed on an upper surface of the housing 1205 to extend upward compared to other portions and have an opening 1207. This protrusion 1208 accommodates a movable lens (1222 in FIG. 13) therein, and allows a user to operate the operation tool 1224 of the movable lens 1222 through the opening 1207. The user may adjust the optimum position while moving the movable lens 1222 in the vertical direction through an operation of rotating the operation tool 1224, for example.
  • openings 1207 and 1209 are formed on the two left surfaces of the polarization interferometer 1200 on which steps are formed, and the optical input terminal 1201 and the optical output through these openings 1207 and 1209
  • the terminal 1203 is exposed to the outside.
  • the optical input/output terminals 1201 and 1203 may be formed of transparent glass that transmits light or other optical members having a special function.
  • 15A and 15B are views illustrating a form in which the polarization interferometer 1200 described above is coupled to the integrated assembly 1100.
  • the step difference on the left side of the polarization interferometer 1200 is configured to correspond to the step difference of the integrated assembly 1100. That is, in contrast to the step difference of the polarization interferometer 1200, the step difference of the integrated assembly 1100 protrudes more toward the lower side of the spectrometer 1120 than at the upper side of the light source 1110.
  • the concept of up and down or left and right is only relative, it will be apparent that the expression may vary according to the reference direction.
  • FIG. 16A is a front view of the polarization interferometer 1200 shown in FIG. 14B from which the front cover 1205a is removed and viewed
  • FIG. 16B is a view showing the components covered in FIG. 16A with a hidden line
  • FIG. 16C is a perspective view of FIG. 16A viewed from another direction.
  • the polarization interferometer 1200 includes an optical input terminal 1201, an optical output terminal 1203, an input optical system 1211, an output optical system 1241, and first and second polarization beam splitters 1220 and 230.
  • brackets 1071, 1072, 1073, 1074, 1075, and 1076 are provided with various brackets 1071, 1072, 1073, 1074, 1075, and 1076 in order to firmly fix the optical systems 1243 and 1245 provided together with them.
  • These brackets 1071 to 1076 may be installed on the rear casing 1205b so as to protrude in the vertical direction from the rear casing 1205b.
  • the polarization interferometer 1200 includes a first holder 1081 for holding the movable mirror 1222, a second holder 1083 for holding the fixed mirror 1221, and an input optical system 1211 and an output optical system ( A third holder 1085 for additionally holding the 1241 may be provided. These brackets or holders may be screwed to the rear casing 1205b or may be coupled in a variety of other known ways.
  • Optical systems 1243 and 1245 such as polarizers and polarizing lenses may be further provided.
  • the input/output optical systems 1211 and 1241 in order to implement the desired performance of the polarization interferometer 1200, the input/output optical systems 1211 and 1241, and two It is necessary to arrange linear polarizers deflected at different angles in the optical systems 1243 and 1245, respectively.
  • the polarization angle of the linear polarizers provided in the input optical system 1211 and the output optical system 1241 is 45°
  • the polarization angle of the linear polarizers disposed in the vicinity of the movable mirror 1222 is 90°
  • the polarization angle of the linear polarizer disposed in the vicinity of the fixed mirror 1221 may be 0°.
  • the linear polarizer included in the input optical system 1211 is on the bracket 1073
  • the linear polarizer included in the output optical system 1241 is on the bracket 176
  • the bracket 176 and in the vicinity of the movable mirror 1222.
  • the arranged linear polarizer may be installed on the bracket 174
  • the linear polarizer disposed in the vicinity of the fixed mirror 1221 may be installed on the bracket 1075, respectively.
  • each linear polarizer will be installed in the bracket after determining the installation direction according to the set polarization angle.
  • an opening 1207 penetrating upward is provided in the protrusion 1208 formed on the upper surface of the rear casing 1205b.
  • the operation tool 1224 is screwed with respect to the receiving portion 1223, for example, so that the user can adjust the movable lens 1222 in the vertical direction through its rotation operation.
  • the operation tool 1224 is not limited thereto, and may be implemented by a linear motor or a piezo stage capable of displacing the movable lens 1222 in a linear direction by electric control.
  • the presence of the protrusion 1208 extending from the upper surface of the rear casing 1205b allows the user to easily adjust the position of the movable lens 1222 while accommodating the movable lens 1222 in a compact manner. Contribute to doing.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating an optical input/output and an interference process inside the polarization interferometer 1200.
  • the light A incident from the light source first passes through the input optical system 1211 and is incident on the first polarization beam splitter 1220, and a part B1 of the incident light is directed toward the movable mirror 1222 on the upper side, and the other part ( B2) is directed to the fixed mirror 1221 on the right. Accordingly, a part of the light B1 is reflected by the movable mirror 1222 and the other part B2 is reflected by the fixed mirror 1221 and enters the first polarization beam splitter 1220 again, and has a difference in the optical path. They are overlapped in a state, or incident on the second polarization beam splitter 1230 in the form of a composite wave.
  • the light C incident on the second polarization beam splitter 1230 is emitted toward the reflective sample 1050 and is reflected from the reflective sample 1050 and returns to the second polarization beam splitter 1230 (D).
  • the returned light D passes through the output optical system 1241 and is finally emitted to the spectrometer 1120 (E).
  • FIG. 18A is a perspective view showing a gantry 1300 on which a spectroscopic polarization measuring apparatus 1150 can be mounted
  • FIG. 18B is a gantry 1300 and a gantry 1300 mounted thereon.
  • It is a perspective view showing a spectroscopic polarization measuring system 1400 including the spectroscopic polarization measuring device 1150. Since the spectral polarization measuring apparatus 1150 is movable in the transverse direction on the gantry 1300, it is possible to measure at various positions of the reflective sample 1050.
  • the gantry 1300 includes, for example, the transverse supports 1310 and 1320 extending in the transverse direction on the top and/or the bottom of the film-type reflective sample 1050 and the transverse supports 1310 and 1320 for supporting the transverse supports 1310 and 1320 in the vertical direction. It includes two leg portions 1330a and 330b.
  • the transverse supports 1310 and 1320 include two guide rails 1311 and 1312 extending in the transverse direction, a slot 1313 formed elongated in the transverse direction therebetween, and a spectral polarization mounted in the slot 1313
  • the measuring device 1150 may be configured to include a stepped portion 1315 protruding slightly into the inside of the slot 1313 in order not to deviate downward.
  • the measurement terminal 1202 faces downward and the integrated assembly 1100 is positioned above the polarization interferometer 1200. do.
  • the reflective sample 1050 is preferably a continuously transferred sample such as a flexible substrate transferred between two rollers R1 and R2. Since the reflective sample 1050 has a size in the transverse direction to some extent, it may be necessary to continuously measure multiple points compared to a sample cut in advance.
  • the reflective sample 1050 continuously supplied may be measured instantaneously by the spectroscopic polarization measuring apparatus 1150 located at a specific transverse position.
  • the spectral polarization measuring device 1150 mounted at the first position may measure the first point P1 of the reflective sample 1050 through the opening 1202, and the user may move the position horizontally as necessary. It may move in the direction and measure the second point P2 of the reflective sample 1050.
  • Such transverse positional movement may be possible in any position, but it may also be possible to accurately place it in predetermined discrete positions.
  • a fixed or movable stopper (not shown) may be provided at a corresponding position in the transverse direction of the transverse support, thereby guiding the correct position of the spectral polarization measuring device 1150.
  • 18B and 18C illustrate that the spectral polarization measuring device 1150 is mounted on the upper transverse support 1310 to measure the upper surface of the reflective sample 1050, but the present invention is not limited thereto, and the apparatus 1150 is used as the lower transverse support. It is also possible to measure the lower surface of the reflective sample 1050 by mounting it on 1320. In this case, since the spectral polarization measuring device 1150 must measure the upper side from the lower side, it will be mounted on the lower transverse support 1320 in a vertically symmetrical shape with respect to FIG. 18C.
  • the distance h between the measurement terminal 1202 of the spectroscopic polarization measuring device 1150 and the reflective sample 1050 may also affect the strength of the signal analyzed by the spectrometer 1120, so it needs to be optimally determined.
  • a structure in which the upper transverse support 1310 can be moved up and down in a certain range eg, a linear motor, a lead screw, etc.
  • the optimum between the measurement terminal 1202 and the reflective sample 1050 It is also possible to adjust the distance (h) of.
  • FIGS. 18B and 18C it has been described as an example that one spectral polarization measuring device 1150 is moved on the gantry 1300, but the present invention is not limited thereto, and other positions on the slot 1313 It is also possible to arrange a plurality of spectroscopic polarization measuring devices 1150 in advance and measure several points of the reflective sample 1050 at once.
  • the spectral polarization measuring apparatus according to the first and second embodiments of the present invention has been described.
  • a distance between the first surface of the polarizing beam splitter and the first mirror and the second polarizing beam splitter are It is necessary to make a difference in the spacing between the surface and the second mirror. That is, one of the first mirror and the second mirror may be positioned farther or closer than the other by a difference in the length of the optical path (approximately 20 to 60 ⁇ m) from the corresponding surface of the polarizing beam splitter.
  • the difference in the length of the optical path may have a significant effect on the final measurement result even with only a small difference. Accordingly, the difference in the optical path length in the polarization interferometer, which can be caused by various factors such as manufacturing error or external temperature, is removed, and the difference value in the optimal optical path length that can obtain the greatest signal intensity in the spectrometer ( Hereinafter, it is necessary to provide an optical path difference). This ultimately contributes to improving the measurement performance or precision of the spectrophotometer by maximizing the signal intensity measured by the spectrometer.
  • the second mirror 60 formed on the side of the polarizing beam splitter 225 is a fixed mirror fixed to the polarizing beam splitter 225, and the first mirror 50 formed on the upper surface thereof is a polarizing beam splitter ( It is a movable mirror that can be displaced in a direction perpendicular to the top surface of 225).
  • the first mirror 50 may be designed as a fixed mirror and the second mirror 70 may be designed as a movable mirror.
  • both the first and second mirrors 50 and 70 may be designed as movable mirrors. More detailed information on automatically controlling the operation of such a movable mirror will be described later with reference to the following drawings.
  • 20A to 20C are views illustrating a PBS assembly 220' having a movable mirror whose displacement can be controlled by an electric signal.
  • a movable mirror 50 is disposed on an upper surface, and a fixed mirror 60 is attached to one side thereof.
  • the movable mirror 50 may be installed on the piezoelectric element 55 to electrically control the longitudinal displacement (z-axis displacement).
  • the piezoelectric element 55 refers to a device having a property of generating electricity when pressure or displacement is applied, or a device in which pressure or displacement occurs when electricity is applied. In particular, in the present invention, the latter characteristic of the piezoelectric element 55 is used.
  • the piezoelectric element 55 may be configured as a piezo-stage, a fixing member 57 fixed irrespective of the electric signal, and installed on the fixing member 57 and the electric signal It includes a movable member 53 that expands/contracts according to.
  • the movable member 53 may be displaced (stretched/reduced) by the same size regardless of its position. Alternatively, the movable member 53 may be displaced only at several predetermined points (2 points, 3 points, etc.), in this case, not only the longitudinal displacement of the movable mirror 50 but also the tilt angle due to the positional deviation. It could be fine-tuned.
  • openings 226a, 226b, 226c, and 226d through which light can pass are respectively provided in the upper, lower, left, and right sides of the polarizing beam splitter 225.
  • a transflective plate 227 disposed at 45 degrees across the diagonal is provided inside the polarization beam splitter 225.
  • the transflective plate 227 may be implemented in the form of a half mirror in which a part of the incident light is transmitted and a part is reflected when light is incident in a horizontal or vertical direction through an opening.
  • a fixed mirror 60 is fixedly disposed on the right side of the polarizing beam splitter 225, and the right opening 226d is aligned with the reflective surface 61 installed inside the fixed mirror 60.
  • the opening 226a formed on the upper surface of the polarizing beam splitter 225 is formed in the hollow portion 58 formed in the fixing member 57 of the piezo stage 55, and the movable member 53 of the piezo stage 55.
  • the hollow portion 54 and the reflective surface 51 of the movable mirror 50 are aligned in line. Accordingly, the movable mirror 50 is movable along with the movable member 53 in the longitudinal direction, and there is no obstacle in the path of light entering/exiting from the reflective surface 51.
  • the spectral polarization optical path difference occurring between the light reflected from the movable mirror 50 and the light reflected from the fixed mirror 60 is variable. It is done.
  • the size of the optical path difference for maximizing the signal intensity and the displacement value of the movable mirror 50 therefor are automatically determined, and the movable mirror 50 is automatically determined using the determined displacement value. It is desirable to control it.
  • 21 is a block diagram of an apparatus 600 for automatically adjusting an optical path difference of an apparatus for measuring spectral polarization according to an embodiment of the present invention.
  • the device 600 separates the light source 610 that emits light and the emitted light into a plurality of polarized light using a polarization beam splitter 225, and transmits at least a portion of the separated polarized light to the target sample, or A polarization interferometer 630 that outputs light obtained by reflecting it, and a spectrometer 620 that analyzes the output light to measure physical properties of the target sample.
  • the polarization interferometer 630 includes the optical input terminal 601 for incident light irradiated from the light source 610, a polarization beam splitter 225 for separating the incident light, and the polarization beam splitter A first mirror 50 installed on the first surface of 225 to reflect the first polarized light transmitted through the polarizing beam splitter 225 to the polarizing beam splitter 225, and perpendicularly to the first surface.
  • a second mirror 60 attached to a second surface of the polarizing beam splitter 225 and reflecting the second polarized light reflected by the polarizing beam splitter 225 to the polarizing beam splitter 225, and the first And a light output terminal 603 that emits light obtained by transmitting or reflecting a composite wave generated by combining polarized light and the second polarized light to the spectrometer 620.
  • the optical path difference automatic adjustment device 600 of the spectral polarization measuring device further includes a signal analysis unit 650 that calculates the signal intensity of the analyzed light, and is installed at one side of the polarization interferometer, and the displacement is changed according to the electric signal.
  • the piezoelectric element 55 to determine the displacement amount of the piezoelectric element 55 based on the calculated signal strength, and a piezoelectric element controller 670 for controlling the piezoelectric element with the determined displacement amount.
  • the piezoelectric element 55 may be installed only on one of the first mirror and the second mirror, or may be installed on both the first mirror and the second mirror.
  • the signal analysis unit 650 may use a normalized signal of an interferogram to calculate the signal intensity of light.
  • the interferogram means a measurement and recording of the change in the intensity of the interference light due to the difference in the optical path as a function of the difference in the optical path.
  • the intensity of the interfering light can be determined as a function of the spectrum of light incident on the interferometer and the light path difference (x), and a component that changes according to the light path difference (x) among these functions is referred to as an interferogram.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of an interferogram function 83 according to an embodiment of the present invention.
  • the function is varied according to the optical path difference (x), and the value at a specific position (x) can be seen to mean the signal strength.
  • the interferogram function 83 may be expressed by converting it to a normalized function 81.
  • the optical path difference (x0) at which the signal strength is maximized can be calculated.
  • the piezoelectric element controller 270 determines a displacement amount of the piezoelectric element 55 representing the calculated optical path difference x0, that is, a displacement amount of the movable mirror 50, and controls the piezoelectric element 55 with the determined displacement amount. .
  • the voltage value actually applied to the piezoelectric element 55 is controlled.
  • the displacement amount may be adjusted with reference to a mapping table representing the relationship between the two.
  • the signal strength measurement and the accompanying control of the piezoelectric element may be completed in a single process, but may be controlled in a feedback method in which several processes are repeated until a predetermined precision is secured.
  • tilt control control of the rotational movement of the movable mirror 50 with respect to an axis perpendicular to the optical axis
  • tilt control it is also necessary to accompany it.
  • Fig. 23 is a perspective view of a PBS assembly 220" having modified piezo stages 55a and 55b for performing such longitudinal displacement control and tilt control together.
  • the PBS assembly 220" is the PBS assembly of Fig. 20A Although the configuration is mostly similar to 220', it differs only in that the piezo stages 55a and 55b are composed of two pairs.
  • the piezo stage includes sub-stages 55a and 55b each in charge of a plurality of areas, and through differential control of the sub-stages 55a and 55b, a movable mirror installed on the piezo stage 55 ( 50) is tilt-controlled around an axis (ax) perpendicular to the optical axis.
  • the amount of displacement in the longitudinal direction of the movable member 53a located on the fixing member 57a of the first sub-stage 55a is referred to as h1, and is located on the fixing member 57b of the second sub-stage 55b.
  • h1 the longitudinal displacement of the movable member 53b
  • the longitudinal displacement of the movable mirror 50 will be (h1+h2)/2
  • the tilt angle of the movable mirror 50 will be arctan(
  • d represents the diameter of the movable mirror 50.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 분광편광 측정장치는, 광원이 착탈결합되는 광원착탈부, 상기 광원착탈부에 결합된 광원에서 방출되는 광을 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 반사 시료에 조사하여 반사된 광을 출력하는 편광간섭계, 및 상기 출력된 광을 분석하여 상기 반사 시료의 물성치를 측정하는 스펙트로미터(spectrometer)를 포함하고, 상기 광원착탈부에 결합되는 광원의 파장은 상기 반사 시료에 따라 달라진다.

Description

분광편광 측정장치 및 광경로차 자동 조절 장치
본 발명은 측정 대상이 되는 시료에서 투과/반사된 광을 이용하여 시료를 측정하는 분광편광 측정장치에 관한 것이다.
분광 스펙트럼 측정 기술은, 여러 분야에서 가장 정확하고 기대되는 해결방법 중에 하나로 손꼽히고 있다. 이러한 간섭계를 통한 편광 측정 기술을 조합하기 위하여, SD PS-OCT(spectral domain polarization-sensitive optical coherence tomography), 실시간 고감도 SPR(surface-plasmon resonance) 바이오 센싱 및 CD(circular dichroism) 와 같은 수많은 연구들이 이루어지고 있다. 또한, 스토크스 벡터를 유도할 수 있는 분광 타원 측정기의 측정값으로부터 도출하고, 스펙트럼 간섭기와 스캐닝 방법을 대체하기 위하여, 복굴절 결정이나 듀얼 스펙트럼 감지 모듈을 간섭계와 조합한 스펙트럼 접근방식도 알려져 있다. 최근에는 스냅샷 방식의 편광간섭계가 제안된 바 있으며 이로 인해 외부 진동 등에 의한 외란에 강인할 뿐만 아니라, 신속하고 안정적인 측정이 가능하게 되었다.
이러한 편광간섭계를 이용하면 스냅샷 기반으로 신속하고 안정적인 측정이 가능해진다. 다만, 통상의 편광간섭계를 이용한 분광편광 측정장치는 고가이면서도 대형화된 제품으로 구현되며, 일일이 적재된 시료에 대해 측정을 실시하기 때문에, 복수의 시료 또는 단일의 시료에서 복수의 지점을 이동하면서 신속하게 측정하기는 어렵다. 특히, 롤투롤(roll-to-roll) 공정에서 사용되는 연속성 시료를 측정하기에는 근본적인 한계가 있다.
또한, 일반적으로 이러한 분광편광 측정장치는 백색광을 이용하여 다양한 시료에 대해 측정을 수행하는데, 백색광을 이용하기 위하여, 쵸퍼(chopper)나 분광, 평행광을 형성하기 위한 부품들이 필요하며, 시료에 대한 측정을 위해 초기에 안정되기까지 어느정도 시간이 필요하다. 또한, 백색광이 넓은 범위의 파장을 가지고 있어, 시료 측정에 불필요한 파장의 범위까지 분석하게 되어, 시료에 대한 신속한 측정이 어렵다. 따라서, 백색광이 아닌 시료 특성에 맞는 광을 이용하여 신속하고 정확한 측정이 가능한 분광편광 측정장치를 개발할 필요가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 신속하고 연속적인 측정이 가능한 분광편광 측정장치 및 이를 거치할 수 있는 거치대를 포함한 분광편광 측정 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 광원, 분광계 및 편광간섭계를 소형화 및 패키지화면서도, 상호 간의 착탈 및 유지, 보수가 용이한 분광편광 측정장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 시료마다 측정에 적합한 파장의 광원으로 교체가 가능하도록 형성하여 시료에 대한 신속하고 정확한 측정이 가능한 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 분광편광 측정장치는, 광원이 착탈결합되는 광원착탈부; 상기 광원착탈부에 결합된 광원에서 방출되는 광을 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 반사 시료에 조사하여 반사된 광을 출력하는 편광간섭계; 및 상기 출력된 광을 분석하여 상기 반사 시료의 물성치를 측정하는 스펙트로미터(spectrometer)를 포함하고, 상기 광원착탈부에 결합되는 광원의 파장은 상기 반사 시료에 따라 달라진다.
본 발명에 따른 분광편광 측정장치 및 분광편광 측정 시스템에 의하면, 스냅샷 기반으로 신속한 시료의 측정이 가능하면서도, 단일의 시료의 다양한 위치 또는 다양한 시료들 간에 연속적인 측정이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 분광편광 측정장치에 의하면, 소형화 및 패키지화가 가능하여 휴대성 및 이동성이 강화될 수 있으며, 간단한 결합에 의해 광원 및 분광계와 편광간섭계 간의 연결이 이루어지기 때문에 착탈 및 유지, 보수가 용이하다는 장점도 있다.
또한, 본 발명에 따른 분광편광 측정장치에 의하면, 시료의 특성에 따라 시료 측정에 적합한 파장을 가지는 광원으로 교체가 가능함으로써 대상 시료의 물성치를 보다 정확하게 얻을 수 있고, 펄스 형태의 직진광을 이용함으로써 신속한 측정이 가능하다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광편광 측정장치의 편광간섭계의 개념도이다.
도 2는 편광간섭계, 광원, 광원착탈부 및 스펙트로미터를 함께 패키지화 분광편광 측정장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광편광 측정장치의 세부적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 편광 빔 스플리터 및 미러를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분광편광 측정장치의 세부적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광편광 측정장치의 측면도이고, 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분광편광 측정장치의 측면도이다.
도 7 및 도 8은 도 6a의 분광편광 측정장치 상방 및 하방에서 바라본 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분광편광 측정장치 내부 투시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 편광간섭계의 개념도이다.
도 11은 편광간섭계, 광원 및 분광계를 함께 패키지화 한 분광편광 측정장치를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광간섭계의 세부적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 13은 제1 편광 빔 스플리터 및 인접 배치된 미러들을 보여주는 단면도이다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 통합 어셈블리와 결합되는 편광간섭계를 다양한 각도로 바라본 도면들이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 편광간섭계가 통합 어셈블리와 결합되는 형태를 보여주는 도면들이다.
도 16a는 도 14b에 도시된 편광간섭계의 전면 커버를 제거하고 바라본 정면도이다.
도 16b는 도 16a에서 가려진 구성요소들까지 은선으로 표시한 도면이다.
도 16c는 도 16a를 다른 방향에서 바라본 사시도이다.
도 17은 편광간섭계의 내부에서 광입출력 및 간섭 과정을 보여주기 위한 도면이다.
도 18a는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 분광편광 측정장치가 거치될 수 있는 갠트리를 도시한 사시도이다.
도 18b는 상기 갠트리 및 여기에 거치된 분광편광 측정장치를 포함하는 분광편광 측정 시스템을 도시한 사시도이다.
도 18c는 상기 갠트리 상에서 분광편광 측정장치의 위치를 변경하는 예를 보여주는 도면이다.
도 19a 내지 도 19c는 PBS 조립체의 다양한 실시예들을 도시한 도면들이다.
도 20a는 전기 신호에 의해 변위가 제어될 수 있는 가동 미러를 갖는 PBS 조립체의 분해사시도이다.
도 20b는 도 20a의 PBS 조립체의 조립사시도이다.
도 20c는 도 20b의 PBS 조립체의 종단면도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른, 분광편광 측정장치의 광경로차 자동 조절 장치의 블록도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터페로그램 함수를 도시한 도면이다.
도 23은 종방향 변위량 제어 및 틸트 제어를 함께 수행하기 위한, 변형된 피에조 스테이지를 갖는 PBS 조립체의 사시도이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 분광편광 측정장치의 편광간섭계(Polarization interferometer)(110)의 개념도이다. 편광간섭계(110)는 광원에서 방출되는 광을 입사하는 광입력 단자(101), 편광간섭계(110)로부터 광을 반사 시료에 조사하고, 반사시료에서 반사된 광을 입사하는 측정 단자(102), 및 편광간섭계(110)로부터 광을 스펙트로미터(spectrometer)로 출사하는 광출력 단자(103) 및 세 개의 단자(101, 102, 103)를 장착한 하우징(111)을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이, 편광간섭계(110)는 광원이나 분광계가 착탈 가능한 하우징(111)으로 구성될 수 있기 때문에 모듈화, 소형화가 가능하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 분광편광 측정장치(100)는 광원(120), 편광간섭계(110), 및 스펙트로미터(150)가 패키지로 형성될 수 있다. 신호분석부(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 이때, 광원(120)의 광원측 단자(131)와 편광간섭계(110)의 광입력 단자(101) 사이, 편광간섭계(110)의 광출력 단자(103)와 스펙트로미터(150)의 광입력 단자(101) 사이는 직접 연결되거나, 광을 전달하는 매체로서 광 파이버(optical fiber) 내지 광 케이블(optical cable, 10, 20)이 연결될 수 있다.
이 때, 편광간섭계(110)는 광원(120)에서 방출된 광을, 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 반사 시료에 조사하여 반사된 광을 출력한다. 이와 같이 출력된 광은 스펙트로미터(150)로 제공되며, 스펙트로미터(150)는 상기 출력된 광을 분석하여 상기 반사 시료의 물성치를 측정한다.
광원착탈부에는 광원(120)이 착탈결합된다. 편광간섭계(110)에 광을 방출하는 광원(120)이 분광편광 측정장치(100)에 고정되지 않고, 광원착탈부 통해 착탈 가능하도록 형성된다. 광원(120)이 착탈 가능하기 때문에, 광원(120)의 교체가 용이하다. 따라서, 반사 시료에 따라 광원을 선택하여 교체할 수 있고, 다양한 광원 선택이 가능하다. 광원(120)은 광원착탈부와 볼트-너트 방식이나 끼움 방식으로 착탈 가능할 수 있고, 이외의 착탈 가능한 다양한 방식으로 결합될 수 있다.
광원착탈부에 결합되는 광원(120)의 파장은 측정하고자 하는 반사 시료에 따라 다른 파장을 가진다. 기존 넓은 범위의 백색 광원(white light source)보다 신속하고 정확한 측정을 위하여, 반사 시료에 민감한 파장을 가지는 광원을 이용한다. 광원착탈부에 결합할 광원(120)의 선택은 측정하고자 하는 반사 시료의 특성에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로는, 반사 시료에 대한 간섭 무늬가 잘 생기는 파장의 가진 광원을 선택할 수 있다. 이때, 간섭 무늬의 해상도가 임계치 이상인 파장을 선택할 수 있다. 여기서, 임계치는 다른 파장과의 상대적인 수치일 수 있고, 다른 파장과 무관한 절대 수치일 수도 있다.
광원(120)은 직진광을 방출하는 광원을 이용할 수 있다. 직진광을 이용함으로써 백색 광원을 이용함으로 인해 필요한 쵸퍼(chopper), 분광, 평행광 형성을 위한 렌즈 등의 부품 없이 편광 측정이 가능하다. 직진광은 확산성보다 직진성이 큰 광으로, 레이저, LED 등이 이에 해당한다. 따라서, 광원(120)은 레이저 또는 LED 일 수 있다. 레이저(laser)는 주파수가 일정한 즉, 파장이 일정한 광을 방출하는 광원으로, 가간섭 길이가 백색 광원보다 길기 때문에 간섭 무늬가 잘 생기는 바, 백색 광원보다 측정에 용이하다. LED 또한, 특정 파장을 가지는 직진성이 강한 광을 방출하는 광원이다. 이외에도 직진성을 가지는 다양한 광을 방출하는 광원(120)을 이용할 수 있음은 당연하다.
직진성을 가지는 광원뿐만 아니라 백색 광원으로 교체도 가능하다. 백색 광원을 결합하는 경우, 백색 광원을 평행광으로 변환시키기 위한 광학계를 함께 결합할 수 있다. 이때, 결합되는 광학계는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens), 선형 편광자(Linear Polarizer), 아이리스(iris)로 구성될 수 있다. 광원에서 방출된 광은 콜리메이팅 렌즈에서 평행광으로 변환되고, 광 간섭의 콘트라스트를 향상시키기 위해, 선형 편광자에서 45° 방향으로 선형 편광될 수 있다. 또한, 아이리스는 선형 편광자를 통과한 선형 편광의 크기를 조절할 수 있다.
반사 시료가 어느 파장대에 민감한지를 도출한 후, 해당 파장을 가지는 광원을 선택하여 광원착탈부에 결합하여 측정을 위한 광원으로 이용할 수 있다. 이때, 광원은 반사 시료를 측정하는데 필요한 단일 파장을 가질 수 있다. 반사 시료에 민감하여 반사 시료를 측정하기에 적합한 단일 파장을 가지는 광원을 이용함으로써, 반사 시료에 대한 신속하고 정확한 측정이 가능하다. 광원(120)은 광원착탈부에 착탈결합되며, 반사 시료에 따라 다른 파장을 가지는 광원으로 교체가 가능하다. 간단하게 광원을 교체할 수 있어, 다양한 파장대의 광원을 선택할 수 있어 사용자가 쉽게 이용할 수 있다. 또는, 광원(120)은 파장이 가변되는 광원일 수 있다. 특정 파장을 가지는 광원을 교체하는 것뿐만 아니라, 복수의 파장으로 파장 가변이 가능한 광원을 이용할 수 있다. 가변파장 레이저 등의 가변파장 광원을 이용함으로써 하나의 광원으로 반사 시료에 맞게 파장을 가변해가며 측정을 수행할 수 있다.
반사 시료에 대한 측정에 적합한 파장을 도출하기 위하여, 반사 시료에 대한 측정을 수행할 수 있다. 파장을 변경하며, 반사 시료에 민감한 파장을 도출한다. 이때, 가변파장 광원을 이용하여 측정하거나 백색 광원을 이용하여 넓은 파장을 가지는 광원을 이용하여 측정되는 결과를 분석하여 해당 반사 시료에 민감한 파장을 도출할 수 있다. 또는, 반사 시료마다 미리 측정을 통해 저장된 반사 시료별 측정 파장 정보를 이용할 수 있다. 반사 시료별 측정 파장 정보는 룩업 테이블로 생성되어 저장될 수 있다. 측정을 통해 도출된 특정 반사 시료에 대한 측정 파장 정보는 저장하였다가, 이후 동일한 반사 시료에 대한 측정시, 이전 정보를 이용하여 해당 측정 파장을 가지는 광원을 광원착탈부에 결합하여 해당 반사 시료에 대한 측정에 이용할 수 있다.
광원(120)은 특정 파장을 가지는 광을 펄스 형태로 방출할 수 있다. 광을 연속적으로 방출할 수도 있으나, 광을 펄스 형태로 방출함으로써 신속한 측정이 가능하도록 할 수 있다. 펄스마다 간섭무늬가 생성될 수 있는 바, 광을 펄스 형태로 방출하여 측정하고자 하는 영역에만 조사함으로써 그 영역에 대한 측정을 빠르게 수행할 수 있다.
스펙트로미터(150)는, 한국특허공보 1812608호에서도 언급된 바와 같이, 스냅샷(snapshot/single shot) 방식으로 측정 대상이 되는 반사 시료의 분광편광 정보를 실시간/고속으로 측정하기 위한 장치로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 분광편광 측정장치(100)의 세부적인 구성을 도시한 블록도이다. 분광편광 측정장치(100)는 편광간섭계(110)를 포함하고, 광원(120)이 착탈결합하는 광원착탈부 및 스펙트로미터를 패키지로 포함할 수 있다. 편광간섭계(110)는 광입력 단자(101), 측정 단자(102), 광출력 단자(103), 제1 편광 빔 스플리터(111), 제1 미러(113), 제2 미러(112), 및 제2 편광 빔 스플리터(114)로 구성되고, 모든 구성요소들은 하우징 내에 수용되어 설치될 수 있다.
광입력 단자(101)는 광원(121)에서 방출되는 광을 입사하고, 상기 입사된 광은 편광 빔 스플리터(111)에서 제1 편광 빔 스플리터(111) 투과하는 제1 편광과 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 반사되는 제2 편광으로 분리된다. 여기서, 제1 편광은 P 편광이고, 제2 편광은 S 편광일 수 있고, 그 반대로 구현될 수도 있다.
이 때, 제1 편광 빔 스플리터(111)를 구성하는 면들 중에서 제1 면에는 제1 미러(112)가 설치되어 제1 편광 빔 스플리터(111)를 투과한 제1 편광을 제1 편광 빔 스플리터(111)로 반사한다. 여기서, 제1 면은 입사 광축에 수직인 면일 수 있다. 반사된 제1 편광은 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 반사되어 제2 편광 빔 스플리터(114)로 이동한다.
제1 면에 수직인 제2 면에는 제2 미러(113)가 설치되어 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 반사되는 제2 편광을 제1 편광 빔 스플리터(111)로 반사한다. 여기서, 제2 면은 입사 광축에 평행한 면으로 상면일 수 있다. 반사된 제2 편광은 제1 편광 빔 스플리터(111)를 투과하여 제2 편광 빔 스플리터(114)로 이동한다.
분광편광 신호에 고주파 신호를 생성하기 위해, 제1 편광 빔 스플리터(111)를 투과하고 제1 미러(112)에서 반사된 후, 다시 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 상방으로 반사되는 제1 편광의 광경로 길이와, 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 반사된 후 제2 미러(113)에서 반사되는 제2 편광의 광경로 길이는 차이가 있다. 즉, 어느 한 광경로 길이가 다른 한 광경로 길이보다 대략 20~60μm 길게 형성할 수 있다. 이 때, 제1 편광의 광경로 길이가 길어도 무방하고 제2 편광의 광경로 길이가 길어도 무방하다.
이러한 광경로 길이 차이를 발생시키기 위해, 제1 편광 빔 스플리터(111)의 제1 면과 제1 미러(112)의 간격과, 제1 편광 빔 스플리터(111)의 제2 면과 제2 미러(113) 간의 간격에 차이를 둘 수 있다. 즉, 제1 미러(112)와 제2 미러(113) 중 어느 하나가 다른 하나 보다 제1 편광 빔 스플리터(111)의 해당 면으로부터 상기 광경로 길이의 차이(대략 20~60μm) 만큼 더 떨어져 있을 수 있는 것이다.
그런데, 상기 광경로 길이의 차이는 미세한 차이만으로도 최종 측정 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 제조 오차나 외부 온도 등 다양한 요인에 의해 발생할 수 있는 분광편광 측정장치에서의 광경로 길이의 차이에 관한 오차를, 사전에 수행되는 캘리브레이션 과정을 통해 제거할 필요가 있다. 이러한 캘리브레이션 과정은 최종적으로 스펙트로미터에서 측정되는 신호의 크기를 최대화함으로써 분광편광 측정장치의 측정 성능 내지 정밀도를 향상시키는 데에 기여한다.
이를 위하여 본 발명에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 편광 빔 스플리터(111)의 서로 다른 면에 형성된 미러들(112, 113) 중 적어도 하나를 가동 미러로 구현하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 편광 빔 스플리터(111)의 제1 면에 형성된 제1 미러(112)는 제1 편광 빔 스플리터(111)에 대해 고정된 고정 미러이고, 제2 면에 형성된 제2 미러(113)는 제1 편광 빔 스플리터(111)에 대해 수직인 방향으로 변위될 수 있는 가동 미러일 수 있다. 이와 같이, 제2 미러(113)를 가동 미러로 구현하여 제1 편광 빔 스플리터(111)와의 간격을 조절함으로써 상기 광경로 길이의 차이를 최적으로 설정할 수 있다.
이 때, 가동 미러인 제2 미러(113)는 전기적으로 종방향 변위(z축 변위)를 제어할 수 있도록 압전소자 상에 설치될 수 있다. 압전소자란 압력 내지 변위가 가해질 때 전기를 발생하는 성질을 갖는 소자, 또는 전기가 가해질 때 압력 내지 변위가 발생하는 소자를 통칭한다. 특히, 압전소자가 갖는 후자의 특성이 사용된다. 구체적으로 상기 압전소자는 피에조 스테이지(piezo-stage)로 구성될 수 있으며, 상기 전기 신호와 상관없이 고정되는 고정 부재와, 상기 고정 부재 상에 설치되고 상기 전기 신호에 따라 신축/축소되는 가동 부재를 포함한다. 상기 가동 부재는 위치에 무관하게 동일한 크기만큼 변위(신축/축소)될 수 있다. 또는, 상기 가동 부재는 미리 정해진 몇몇 지점(2지점, 3지점 등)에서만 변위되게 할 수도 있는데, 이 경우에는 위치별 편차로 인해 가동 미러의 종방향 변위뿐만 아니라 틸트각까지 미세하게 조절될 수 있을 것이다.
이와 같이, 제2 미러(113)를 가동 미러로 구현하여 편광 빔 스플리터(111)와의 간격을 조절함으로써 상기 광경로 길이의 차이가 측정 대상인 반사 시료(200)에 맞게 적응적으로 조절될 수 있는 것이다. 다만, 이에 한하지 않고 반대로 제1 미러(112)를 가동 미러로 설계하거나, 제1 및 제2 미러(113)를 모두 가동 미러로 설계할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 서로 다른 경로를 통해 제1 편광 빔 스플리터(111)에서 제2 편광 빔 스플리터(114)로 향한 제1 편광 및 제2 편광은 복합파의 형태로 제1 편광 빔 스플리터(111)로 입사된다. 제2 편광 빔 스플리터(114)로 입사된 상기 복합파는 제2 편광 빔 스플리터(114)에서 반사되어 측정 단자(102)로 출력되고, 측정 단자(102)로 출력된 광은 반사 시료(200)로 조사된다. 또한, 반사 시료(200)에 조사된 광은 반사 시료(200)에서 반사되어 다시 측정 단자(102)로 입사된다.
측정 단자(102)로 입사된 광은, 제2 편광 빔 스플리터(114)를 투과하여 광출력 단자(103)를 통해 스펙트로미터로 전달될 수 있다. 스펙트로미터는 예를 들어 센서 어레이 타입일 수 있으며, 반사 시료(200)의 분광편광 정보를 나타내는 스토크스 벡터를 스냅샷 방식으로(실시간 및 고속으로) 측정할 수 있다. 이를 통해 최종적으로 반사 시료(200)의 재질, 두께와 같은 물성치를 얻을 수 있다.
측정 단자(102)는 프로브(probe)와 연결될 수 있다. 프로브는 접속 단자, 프로브 아암(probe arm) 및 프로브 헤드를 포함하며, 접속 단자는 측정 단자(102)에 대해 착탈 가능하도록 구성될 수 있다. 프로브 아암은 내부에 광이 전도될 수 있는 광 파이버 내지 광 케이블을 포함하며, 구부러진 상태로 유지될 수 있는 재질의 외부 피복을 더 포함한다. 따라서, 사용자는 프로브 아암을 구부림으로써 프로브 헤드의 위치를 자유롭게 조정할 수 있다. 프로브 헤드는 프로브 아암에서 접속 단자의 반대쪽에 설치되어 반사 시료(200)에 광을 출력하거나 반사 시료(200)에서 반사된 광을 수용하는 구성요소이다. 프로브 헤드는 그 말단에 렌즈 등 추가적인 광학계를 더 구비할 수 있다. 이와 같이, 상기 광 파이버 내지 광 케이블은 광 전도에 있어서 양방향성을 가지도록 구성할 수 있다. 다만, 이에 한하지 않고 일방향성을 갖는 2개의 광 파이버 내지 광 케이블을 사용하는 것도 가능함은 물론이다. 이와 같이 프로브를 분광편광 측정장치(100)에 착탈 가능하게 함으로써, 시료 측정 환경에 따라 다양한 길이 및 종류의 프로브를 사용할 수 있다는 장점이 있다.
편광간섭계(110)는 도 5와 같이, 입력 광학계(116) 또는 출력 광학계(117)를 더 포함할 수 있다. 광원으로 백색 광원을 이용하는 경우, 입력된 광이 평행광으로 변환되어 제1 편광 빔 스플리터(111)로 입사되어야 하는바, 입력 광학계(116)를 통해 광을 평행광으로 변환할 수 있다. 입력 광학계(116)는 예를 들어, 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)(116a), 선형 편광자(Linear Polarizer)(116b) 및 아이리스(iris)(116c)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 광입력 단자(201)를 통해 입력된 광은 콜리메이팅 렌즈(116a)에서 평행광으로 변환된다. 이 평행광은 선형 편광자(116b)에서 45° 방향으로 선형 편광될 수 있다. 또한, 아이리스(116c)는 선형 편광자(116b)를 통과한 선형 편광의 크기를 조절한다. 아이리스(611c)에 의해 적정 크기로 조절된 선형 편광은 제1 편광 빔 스플리터(111)로 입사된다.
또한, 측정 단자(102)로 입사된 광은, 제2 편광 빔 스플리터(114)를 투과하여 출력 광학계(117)를 통해 스펙트로미터로 전달될 수 있다. 측정 단자(102)로 다른 경로를 통해 입사된 2개의 광은 결국 간섭광의 형태로 출력 광학계(117)로 입사된다. 출력 광학계(117)는 대표적으로 선형 편광자를 포함할 수 있으나 이에 한하지 않고 추가적인 렌즈 등의 광학계를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제2 편광 빔 스플리터(114)로부터 전달된 간섭광은 45° 방향으로 선형 편광시키기 위한 선형 편광자(117)를 투과한 후 광출력 단자(103)를 통해 스펙트로미터로 전달될 수 있다.
도 6a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 분광편광 측정장치(100)의 구체적인 구성을 도시한 도면이고, 도 7 및 도 8은 사시도이다. 분광편광 측정장치(100)는 광원착탈부(130), 광원착탈부(130)에 착탈되어 교체 가능한 광원(120), 및 편광간섭계(110)를 포함하고, 편광간섭계(110) 출사되는 광의 이동거리를 확보할 수 있도록 출력광학계(140)를 포함할 수 있다. 또한, 스펙트로미터(150)를 더 포함할 수 있다.
광원착탈부(130)에는 광원(120) 착탈 가능하며, 광원(120)은 광원착탈부(130)에 착탈 결합한다. 광원(120)은 광원착탈부(130)와 끼움 형식 또는 볼트-너트 메카니즘을 이용하여 착탈 결합할 수 있다. 도 7과 같이, 광원착탈부(130)에 광원(120)이 삽입될 수 있는 홈이 형성되거나, 광원(120)에는 수나사가 형성되고 광원착탈부(130)가 암나사가 형성되어 착탈 결합할 수 있다. 이외에도 광원(120)이 착탈 결합하도록 광원착탈부(130)에 다양한 구조가 형성될 수 있다. 광원착탈부(130)는 편광간섭계(110)와 일체형으로 형성되거나, 각각 모듈화되어 결합될 수 있다. 광원착탈부(130)에는 입력광학계가 형성될 수도 있다. 광원(120)으로 직진광만을 이용하는 경우에는 입력 광학계는 형성되지 않을 수 있다.
편광간섭계(110)는 광원착탈부(130)를 통해 광원(120)으로부터 방출된 광이 입사된다. 편광간섭계(110)는 제1 편광 빔 스플리터를 이용하여 입사된 광을 제1 편광 및 제2 편광으로 분리하고, 제1 미러(112) 및 제2 미러(113)를 이용하여 제1 편광 및 제2 편광을 광경로 길이의 차이를 발생시켜 간섭을 발생하도록 한다. 제1 미러(112) 및 제2 미러(113)는 도 6b와 같이, 위치가 서로 반대일 수 있다.
제1 편광 및 제2 편광의 복합파는 제2 편광 빔 스플리터(114)로 이동되고, 제2 편광 빔 스플리터(114)에서 반사되어 측정 단자를 통해 반사 시료에 조사된다. 반사 시료에서 반사되어 입력된 광은 제2 편광 빔 스플리터(114)를 투과하여 출력광학계(140)로 출사된다.
출력광학계(140)를 통과한 광은 스펙트로미터(150)로 입사되고, 스펙트로미터(150)는 출력광학계(140)를 통해 입사되는 광을 분석하여 반사 시료의 물성치를 측정한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분광편광 측정장치 내부 투시도이다. 광원찰탁부(130) 내부에 도 9와 같이, 입력광학계(116)가 형성될 수 있고, 편광간섭계의 제1 미러(112) 미 제2 미러(113)는 도 9와 같이 형성될 수 있으며, 출력광학계(140) 내부에는 선형 편광자(117)가 형성될 수 있다.
한편, 입력 광학계(116)나 출력 광학계(140)와는 별도로, 제1 편광 빔 스플리터(111)와 제1 미러(112) 사이, 그리고 제1 편광 빔 스플리터(111)와 제2 미러(113) 사이에는 각각 편광자, 편광 렌즈와 같은 광학계가 더 구비될 수 있다.
분광편광 측정장치의 바람직한 성능을 구현하기 위해서는, 입출력 광학계(116, 140)와, 제1 미러(112) 및 제2 미러(113) 부근에 각각 배치된 2개의 광학계에는 서로 다른 각도로 편향된 선형 편광자들이 각각 배치되도록 할 필요가 있다. 예를 들어, 입력 광학계(116) 및 출력 광학계(140)에 구비된 선형 편광자들이 갖는 편광각은 45°이고, 제1 미러(112)의 부근에 배치된 선형 편광자가 갖는 편광각은 90°이며, 제2 미러(113)의 부근에 배치된 선형 편광자가 갖는 편광각은 0°로 구성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 입력 광학계(116)에 포함되는 선형 편광자는 브라켓(118a)에, 출력 광학계(241)에 포함되는 선형 편광자는 브라켓(118d)에, 제1 미러(112)의 부근에 배치되는 선형 편광자는 브라켓(118c)에, 제2 미러(113)의 부근에 배치되는 선형 편광자는 브라켓(118b) 각각 설치될 수 있다. 이 때, 각각의 선형 편광자는 설정된 편광각에 맞게 설치 방향을 결정한 후 해당 브라켓 내에 설치될 수 있다.
이상에서 설명된 분광편광 측정장치를 이용하여 연속적으로 공급되는 롤투롤 반사 시료를 효율적으로 측정하기 위해서, 분광편광 측정장치는 거치대 내지 갠트리에 설치될 수 있다. 갠트리 상에서 분광편광 측정장치가 횡방향으로 이동 가능하도록 설치함으로써 반사 시료의 다양한 위치에서의 측정이 가능하다.
갠트리의 상부 횡단 지지대에 분광편광 측정장치를 거치할 때에는 측정 단자가 아래로 향하도록 설치될 수 있다. 겐트리에 설치되어 반사 시료를 측정하는 경우, 반사 시료는 바람직하게는, 두 개의 롤러 사이에서 이송되는 가요성 기판과 같은 연속적으로 이송되는 시료이다. 이러한 반사 시료는 어느 정도의 횡방향 크기를 가지므로 미리 재단된 시료에 비해, 연속적인 다지점의 측정이 필요할 수 있다. 연속적으로 공급되는 반사 시료는 특정 횡방향 위치에 있는 분광편광 측정장치에 의해 순시적으로 측정될 수 있다. 이 때, 제1 위치에 거치된 분광편광 측정장치는 측정 단자를 통해 반사 시료의 제1 지점을 측정할 수 있는데, 사용자는 필요에 따라 그 위치를 횡방향으로 이동하여 반사 시료의 제2 지점을 측정할 수도 있다. 이러한 횡방향 위치 이동은 임의의 위치로도 가능하겠지만 미리 정해진 이격된 위치들(discrete positions)에 정확히 놓여질 수 있도록 할 수도 있다. 이 때에는 횡단 지지대의 횡방향 해당 위치에 고정형 또는 이동형 스토퍼(미도시 됨)를 구비함으로써 분광편광 측정장치의 정위치를 안내해 줄 수도 있을 것이다. 분광편광 측정장치를 상부 횡단 지지대에 거치하여 반사 시료의 상면을 측정하는 것으로 예시하였지만, 이에 한하지 않고 상기 장치를 하부 횡단 지지대에 거치하여 반사 시료의 하면을 측정하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 분광편광 측정장치는 하방에서 위쪽을 측정하여야 하므로 상하 대칭 형태로 하부 횡단 지지대에 거치되어야 할 것이다.
한편, 분광편광 측정장치의 측정 단자와 반사 시료 간의 거리도, 스펙트로미터에서 분석되는 신호의 강도에 영향을 줄 수 있으므로 최적으로 결정될 필요가 있다. 따라서, 추가적으로 상부 횡단 지지대가 어느 정도 범위에서 승강할 수 있는 구조(예: 리니어 모터, 리드 스크류 등)가 제공될 수 있고, 이를 통해 측정 단자와 반사 시료 간의 최적의 거리를 조절하는 것도 가능하다. 또한, 다른 위치들에 미리 복수의 분광편광 측정장치를 배치하여 반사 시료의 여러 지점을 한꺼번에 측정하는 것도 가능하다.
지금까지 본 발명의 제1 실시예에 따른 분광편광 측정장치에 대해여 설명하였다. 이하에서는 제2 실시예에 따른 분광편광 측정장치에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 모듈화된 일체형 편광간섭계(polarization interferometer)(1200)의 개념도이다. 편광간섭계(1200)는 광원에서 조사되는 광을 입사하는 광입력 단자(1201), 편광간섭계(1200)로부터 광을 분광계(spectrometer)로 출사하는 광출력 단자(1203) 및 두 단자(1201, 1203)를 장착한 하우징(1205)을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이, 편광간섭계(1200)는 상기 광원이나 분광계로부터 착탈 가능한 하우징(1205)으로 구성될 수 있기 때문에 모듈화, 소형화가 가능하게 된다.
도 11에 도시된 바와 같이, 도 10의 편광간섭계(1200)는 광원(1110) 및 분광계(1120)와 함께 분광편광 측정장치(1090) 내에 패키지화 될 수 있다. 이 때, 광원(1110)의 광원 단자(1101)와 편광간섭계(1200)의 광입력 단자(1201) 사이, 그리고 편광간섭계(1200)의 광출력 단자(1203)와 분광계(1120)의 분광계 단자(1103) 사이에는, 광을 전달하는 매체로서 광 파이버(optical fiber) 내지 광 케이블(optical cable)이 연결될 수 있다.
이 때, 편광간섭계(1200)는 광원(1110)에서 방출된 광을, 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 반사 시료에 조사하여 반사된 광을 출력한다. 이와 같이 출력된 광은 분광계(1120)로 제공되며, 분광계(1120)는 상기 출력된 광을 분석하여 상기 반사 시료의 물성치를 측정한다.
광원(1110)으로는 백색 광원(white light source), 예를 들면 10W 텅스텐-할로겐 램프(10W Tungsten-Halogen lamp)를 사용할 수 있으나, 이에 한하지 않고 다른 종류의 광원을 사용하는 것도 가능하다. 또한, 분광계(1120)는, 한국특허공보 1812608호에서도 언급된 바와 같이, 스냅샷(snapshot/single shot) 방식으로 측정 대상이 되는 반사 시료의 분광편광 정보를 나타내는 스토크스 벡터(Stokes vector)를 실시간/고속으로 측정하기 위한 장치로 구성될 수 있다. 따라서, 분광편광 측정장치(1090)는 기계적 회전기구나 전기적인 변조소자를 이용하지 않고, 단일의 간섭분광 데이터만을 통해 다파장에 대한 정보를 갖는 스토크스 벡터(Stokes vector)를 실시간으로 측정할 수 있는 것이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분광편광 측정장치(1150)의 세부적인 구성을 도시한 블록도이다. 도 11에서와 마찬가지로, 분광편광 측정장치(1150)는 광원(1110), 분광계(1120) 및 편광간섭계(1200)를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 여기서는 광원(1110)과 분광계(1120)는 통합 어셈블리(1100) 내에 함께 패키지화 될 수 있다. 이 경우에는 도 11의 실시예와는 같이 광원(1110)과 분광계(1120)를 각각 편광간섭계(1200)와 연결할 필요없이, 통합 어셈블리(1100)와 편광간섭계(1200) 간의 결합만으로 양자가 편광간섭계(1200)에 자연스럽게 연결된다. 이 때, 광원(1110)의 광원 단자(1101)는 편광간섭계(1200)의 광입력 단자(1201)와, 분광계(1120)의 분광계 단자(1103)는 편광간섭계(1200)의 광출력 단자(1203)와 결합된다.
이러한 통합 어셈블리(1100)와 결합되는 편광간섭계(1200)는 반사계(reflectometer) 타입으로 구성될 수 있다. 상기 편광간섭계(1200)는 광입력 단자(1201), 입력 광학계(1211a, 1211b, 1211c), 제1 편광 빔 스플리터(1220), 제2 편광 빔 스플리터(1230), 출력 광학계(1241), 광출력 단자(1203) 및 측정 단자(1202)를 포함하여 구성될 수 있다.
광입력 단자(1201)는 광원(1110)에서 조사되어 전달되는 광을 입사한다. 상기 입사된 광은 입력 광학계(1211a, 1211b, 1211c)를 거쳐서 제1 편광 빔 스플리터(1220)로 입사된다. 이러한 입력 광학계(1211a, 1211b, 1211c)는 예를 들어, 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)(1211a), 선형 편광자(Linear Polarizer)(1211b) 및 아이리스(iris)(1211c)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 광입력 단자(1201)를 통해 입력된 광은 콜리메이팅 렌즈(1211a)에서 평행광으로 변환된다. 이 평행광은 선형 편광자(1211b)에서 45° 방향으로 선형 편광될 수 있다. 또한, 아이리스(1211c)는 선형 편광자(1211b)를 통과한 선형 편광의 크기를 조절한다. 아이리스(1211c)에 의해 적정 크기로 조절된 선형 편광은 제1 편광 빔 스플리터(1220)로 입사된다.
상기 입사된 광은 제1 편광 빔 스플리터(1220)에서 분리된다. 이 때, 제1 편광 빔 스플리터(1220)를 구성하는 면들 중에서 2개의 면에는 2개의 미러(1221, 1222)가 설치되어 있다. 제1 편광 빔 스플리터(1220)는 P 편광은 투과시켜 제1 미러(1221)로 입사시키고, S 편광은 반사하여 제2 미러(1222)로 입사시킨다. 구체적으로, 제1 미러(1221)는 제1 편광 빔 스플리터(1220)의 일 측면(입사 광축에 수직인 면)에 부착되어 상기 P 편광을 반사하고, 제2 미러(1222)는 제1 편광 빔 스플리터(1220)의 상면(입사 광축에 평행한 면)에 부착되어 상기 S 편광을 반사할 수 있다.
분광편광 신호에 고주파 신호를 생성하기 위해, 제1 편광 빔 스플리터(1220)를 투과하고 제1 미러(1221)에서 반사된 후, 다시 제1 편광 빔 스플리터(1220)에서 상방으로 반사되는 P 편광의 광경로 길이와, 제1 편광 빔 스플리터(1220)에서 반사된 후 제2 미러(1222)에서 반사되는 S 편광의 광경로 길이는 차이가 있다. 즉, 어느 한 광경로 길이가 다른 한 광경로 길이보다 대략 20~60μm 길게 형성할 수 있다. 이 때, P 편광의 광경로 길이가 길어도 무방하고 S 편광의 광경로 길이가 길어도 무방하다.
이러한 광경로 길이 차이를 발생시키기 위해, 제1 편광 빔 스플리터(1220)의 제1 면과 제1 미러(1221)의 간격과, 제1 편광 빔 스플리터(1220)의 제2 면과 제2 미러(1222) 간의 간격에 차이를 둘 수 있다. 즉, 제1 미러(1221)와 제2 미러(1222) 중 어느 하나가 다른 하나 보다 제1 편광 빔 스플리터(1220)의 해당 면으로부터 상기 광경로 길이의 차이(대략 20~60μm) 만큼 더 떨어져 있을 수 있는 것이다.
그런데, 상기 광경로 길이의 차이는 미세한 차이만으로도 최종 측정 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 제조 오차나 외부 온도 등 다양한 요인에 의해 발생할 수 있는 분광편광 측정장치(1200)에서의 광경로 길이의 차이에 관한 오차를, 사전에 수행되는 캘리브레이션 과정을 통해 제거할 필요가 있다. 이러한 캘리브레이션 과정은 최종적으로 분광계(1120)에서 측정되는 신호의 크기를 최대화함으로써 분광편광 측정장치(1150)의 측정 성능 내지 정밀도를 향상시키는 데에 기여한다.
이를 위하여 본 발명에서는, 도 13에 도시된 바와 같이, 편광 빔 스플리터(1220)의 서로 다른 면에 형성된 미러들(1221, 1222) 중 적어도 하나를 가동 미러로 구현하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 편광 빔 스플리터(1220)의 측면에 형성된 제1 미러(1221)는 편광 빔 스플리터(1220)에 대해 고정된 고정 미러이고, 그 상면에 형성된 제2 미러(1221)는 편광 빔 스플리터(1220)의 상면에 대해 수직인 방향으로 변위될 수 있는 가동 미러이다. 이와 같이, 제2 미러(1222)를 가동 미러로 구현하여 편광 빔 스플리터(1220)와의 간격을 조절함으로써 상기 광경로 길이의 차이를 최적으로 설정할 수 있다. 다만, 이에 한하지 않고 반대로 제1 미러(1221)를 가동 미러로 설계하거나, 제1 및 제2 미러(1221, 1222)를 모두 가동 미러로 설계할 수도 있을 것이다. 가동 미러의 조작에 대한 보다 구체적인 내용은 이후의 도면들을 참조하여 후술하기로 한다.
결과적으로, 상기 P 편광은 다시 제1 편광 빔 스플리터(1220)에서 반사되어 제2 편광 빔 스플리터(1230) 쪽으로 향하고, 상기 S 편광은 다시 제1 편광 빔 스플리터(1220)를 투과하여 제2 편광 빔 스플리터(1230) 쪽으로 향하게 된다. 따라서, 상기 P 편광 및 S 편광은 복합파의 형태로 제2 편광 빔 스플리터(1230)로 입사된다.
제2 편광 빔 스플리터(1230)로 입사된 상기 복합파는 제2 편광 빔 스플리터(1230)에서 반사되어 측정 단자(1202)로 출력되고, 측정 단자(1202)로 출력된 제2 편광은 반사 시료(1050)로 조사된다. 또한, 반사 시료(1050)에 조사된 광은 반사 시료(1050)에서 반사되어 다시 측정 단자(1202)로 입사된다.
상기 측정 단자(1202)로 입사된 광은, 제2 편광 빔 스플리터(1230)를 투과하여 출력 광학계(1241)로 전달된다. 이와 같이 다른 경로로 입사된 2개의 광은 결국 간섭광의 형태로 출력 광학계(1241)로 입사된다. 상기 출력 광학계(1241)는 대표적으로 선형 편광자를 포함할 수 있으나 이에 한하지 않고 추가적인 렌즈 등의 광학계를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제2 편광 빔 스플리터(1230)로부터 전달된 간섭광은 45° 방향으로 선형 편광시키기 위한 선형 편광자(1221)를 투과한 후 광출력 단자(1203)를 통해 분광계(1120)로 전달될 수 있다. 분광계(1120)는 예를 들어 센서 어레이 타입일 수 있으며, 반사 시료(1050)의 분광편광 정보를 나타내는 스토크스 벡터를 스냅샷 방식으로(실시간 및 고속으로) 측정할 수 있다. 이를 통해 최종적으로 반사 시료(1050)의 재질, 두께와 같은 물성치를 얻을 수 있다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 통합 어셈블리(1100)와 결합되는 편광간섭계(1200)를 다양한 각도로 바라본 도면들이다. 편광간섭계(1200)는 통합 어셈블리(1100)와 결합되는 광입력 단자(1201) 및 광출력 단자(1203)를 좌측면에 구비하고 있으며, 내부의 구성요소들을 수용하는 케이스 내지 하우징(1205)을 구비한다.
이 때, 편광간섭계(1200)의 평면도를 도시한 도 14a를 참조하면, 광입력 단자(1201)의 위치와 광출력 단자(1203)의 위치 간에는 광입력축 내지 광출력축 방향(이하 광축 방향이라고 함)으로 일정한 거리만큼 단차(d)가 형성된다. 특히, 광출력 단자(1203)보다 광입력 단자(1201)가 돌출된 위치에 배치된다. 이러한 단차는 통합 어셈블리(1100)와 편광간섭계(1200)간의 결합을 보다 견고하게 해 줄 뿐만 아니라, 통합 어셈블리(1100)가 광원(1110)에 비해 사이즈가 큰 분광계(1120)를 보다 효율적으로 수용할 수 있게 해 준다.
또한, 도 14b를 참조하면, 하우징(1205)은 예를 들어 전면 커버(1205a)와 후면 케이싱(1205b)으로 구성되어 있다. 따라서, 편광간섭계(1200) 전체를 분해하지 않고도 전면 커버(1205a)만을 개방하는 것만으로도 내부의 구성요소의 설치나 보수가 가능하다. 그리고, 하우징(1205)의 상면에는 다른 부분에 비해 상방으로 연장되고 개구부(1207)를 갖는 돌출부(1208)가 형성될 수 있다. 이러한 돌출부(1208)는 그 내부에 가동 렌즈(도 13의 1222)를 수용하고, 개구부(1207)를 통해 사용자가 가동 렌즈(1222)의 조작구(1224)를 조작할 수 있게 해 준다. 사용자는 상기 조작구(1224)를, 예를 들어 회전시키는 조작을 통해 가동 렌즈(1222)를 상하 방향으로 이동시키면서 그 최적 위치를 조절할 수 있다.
다음으로 도 14c를 참조하면, 편광간섭계(1200)에서 단차가 형성된 2개의 좌측면에는 각각 개구부(1207, 1209)가 형성되고 이러한 개구부(1207, 1209)를 통해 광입력 단자(1201) 및 광출력 단자(1203)가 외부로 노출된다. 이러한 광입출력 단자(1201, 1203)는 광을 투과하는 투명 글라스나, 특별한 기능을 갖는 기타 광학 부재로 구성될 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 전술한 편광간섭계(1200)가 통합 어셈블리(1100)와 결합되는 형태를 보여주는 도면들이다. 도 15a에 도시된 바와 같이, 편광간섭계(1200)의 좌측면의 단차는 통합 어셈블리(1100)의 단차와 대응되도록 구성되어 있다. 즉, 통합 어셈블리(1100)의 단차는 편광간섭계(1200)의 단차와 반대로 상측의 광원(1110)쪽보다는 하측의 분광계(1120) 쪽이 보다 돌출되어 있다. 따라서, 통합 어셈블리(1100)의 상측 개구부(1107)를 통하여 외부로 노출되는 광원(1110)의 광원 단자(1101)와, 하측 개구부(1109)를 통하여 외부로 노출되는 분광계(1120)의 분광계 단자(1103)는, 편광간섭계(1200)의 광입력 단자(1203) 및 광출력 단자(1203)와 각각 정렬된다. 물론, 본 발명에서 상하 또는 좌우의 개념은 상대적인 것에 불과하므로, 기준 방향에 따라 표현이 달라질 수 있음은 자명할 것이다.
이와 같은 대응된 형상 간의 결합으로 인하여, 편광간섭계(1200)와 통합 어셈블리(1100) 간의 정위치 결합이 용이해질 뿐만 아니라, 결합시 전체적으로 직사각형 형태를 갖추면서 컴팩트 한 형상 및 크기를 가지므로, 분광편광 측정장치(1150)의 소형화 및 이동성이 제고될 수 있는 것이다.
도 16a는 도 14b에 도시된 편광간섭계(1200)의 전면 커버(1205a)를 제거하고 바라본 정면도이고, 도 16b는 도 16a에서 가려진 구성요소들까지 은선으로 표시한 도면이다. 또한, 도 16c는 도 16a를 다른 방향에서 바라본 사시도이다.
도 16a를 참조하면, 편광간섭계(1200)에는 광입력 단자(1201), 광출력 단자(1203), 입력 광학계(1211), 출력 광학계(1241), 제1 및 제2 편광 빔 스플리터(1220, 230)와 함께 구비되는 광학계들(1243, 1245)를 견고하게 고정하기 위해 다양한 브라켓들(1071, 1072, 1073, 1074, 1075, 1076)이 구비된다. 이러한 브라켓들(1071 내지 1076)은 후면 케이싱(1205b)로부터 수직 방향으로 돌출되도록 후면 케이싱(1205b)에 설치될 수 있다. 추가적으로, 편광간섭계(1200)에는 가동 미러(1222)를 홀딩하기 위한 제1 홀더(1081), 고정 미러(1221)를 홀딩하기 위한 제2 홀더(1083), 및 입력 광학계(1211)와 출력 광학계(1241)를 추가적으로 홀딩하기 위한 제3 홀더(1085)가 구비될 수 있다. 이러한 브라켓들이나 홀더들은 후면 케이싱(1205b)에 나사 결합되거나 기타 알려진 다양한 방식으로 결합될 수 있다.
한편, 입력 광학계(1211)나 출력 광학계(1241)와는 별도로, 제1 편광 빔 스플리터(1220)와 가동 미러(1222) 사이, 그리고 제1 편광 빔 스플리터(1220)와 고정 미러(1221) 사이에는 각각 편광자, 편광 렌즈와 같은 광학계(1243, 1245)가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 편광간섭계(1200)의 바람직한 성능을 구현하기 위해서는, 입출력 광학계(1211, 1241)와, 가동 미러(1222) 및 고정 미러(1221) 부근에 각각 배치된 2개의 광학계(1243, 1245)에는 서로 다른 각도로 편향된 선형 편광자들이 각각 배치되도록 할 필요가 있다. 예를 들어, 입력 광학계(1211) 및 출력 광학계(1241)에 구비된 선형 편광자들이 갖는 편광각은 45°이고, 가동 미러(1222)의 부근에 배치된 선형 편광자가 갖는 편광각은 90°이며, 고정 미러(1221)의 부근에 배치된 선형 편광자가 갖는 편광각은 0°로 구성될 수 있다.
도 16a에 도시된 바와 같이, 입력 광학계(1211)에 포함되는 선형 편광자는 브라켓(1073)에, 출력 광학계(1241)에 포함되는 선형 편광자는 브라켓(176)에, 가동 미러(1222)의 부근에 배치되는 선형 편광자는 브라켓(174)에, 고정 미러(1221)의 부근에 배치되는 선형 편광자는 브라켓(1075) 각각 설치될 수 있다. 이 때, 각각의 선형 편광자는 설정된 편광각에 맞게 설치 방향을 결정한 후 해당 브라켓 내에 설치될 것이다.
도 16b 및 도 16c를 참조하면, 후면 케이싱(1205b)의 상면에 형성된 돌출부(1208)에는 상방으로 관통된 개구부(1207)가 구비된다. 상기 개구부(1207)를 통해, 사용자는 가동 렌즈(1222)를 렌즈 수용부(1223)에 대해 상하로 조절 가능하게 하는 조작구(1224)를 조작할 수 있다. 조작구(1224)는 예를 들어, 수용부(1223)에 대해 나사 결합되어 있어서 사용자는 그것의 회전 조작을 통해 가동 렌즈(1222)를 상하 방향으로 조절할 수 있다. 다만, 조작구(1224)는 이에 한하지 않고 전기 제어에 의해 가동 렌즈(1222) 직선 방향으로 변위시킬 수 있는 선형 모터나 피에조 스테이지 등에 의해 구현할 수도 있을 것이다.
이러한 후면 케이싱(1205b)의 상면으로부터 연장된 돌출부(1208)의 존재는, 가동 렌즈(1222)를 컴팩트한 방식으로 수용함과 더불어, 사용자로 하여금 용이하게 가동 렌즈(1222)의 위치를 조절할 수 있게 하는 데에 기여한다.
도 17은 편광간섭계(1200) 내부에서 광입출력 및 간섭 과정을 보여주기 위한 도면이다. 광원으로부터 입사된 광(A)은 먼저 입력 광학계(1211)를 거쳐서 제1 편광 빔 스플리터(1220)로 입사되며, 입사된 광의 일부(B1)는 상측의 가동 미러(1222)를 향하고, 다른 일부(B2)는 우측의 고정 미러(1221)로 향한다. 따라서, 상기 광의 일부(B1)는 가동 미러(1222)에서, 광의 다른 일부(B2)는 고정 미러(1221)에서 반사되어 다시 제1 편광 빔 스플리터(1220)로 입사된 후, 광경로 차를 가진 상태로 중첩되거 복합파의 형태로 제2 편광 빔 스플리터(1230)로 입사된다.
제2 편광 빔 스플리터(1230)로 입사된 광(C)은 반사 시료(1050)를 향해 출사된 후 반사 시료(1050)에서 반사되어 다시 제2 편광 빔 스플리터(1230)로 되돌아온다(D). 상기 되돌아온 광(D)은 출력 광학계(1241)를 거쳐서 최종적으로 분광계(1120) 측으로 출사된다(E).
이상에서 설명된 분광편광 측정장치(1150)를 이용하여 연속적으로 공급되는 롤투롤 반사 시료(1050)를 효율적으로 측정하기 위해서는, 상기 장치(1150)를 거치할 수 있는 거치대 내지 갠트리의 설치가 필요하다.
도 18a는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 분광편광 측정장치(1150)가 거치될 수 있는 갠트리(1gantry)(1300)를 도시한 사시도이고, 도 18b는 갠트리(1300) 및 여기에 거치된 분광편광 측정장치(1150)를 포함하는 분광편광 측정 시스템(1400)을 도시한 사시도이다. 분광편광 측정장치(1150)는 상기 갠트리(1300) 상에서 횡방향으로 이동 가능하므로 반사 시료(1050)의 다양한 위치에서의 측정이 가능하다.
갠트리(1300)는 예를 들어, 필름형 반사 시료(1050)의 상부 및/또는 하부에 횡방향으로 연장된 횡단 지지대(1310, 1320)와 이러한 횡단 지지대(1310, 1320)를 수직방향으로 지지하는 2개의 레그부(1330a, 330b)를 포함한다. 또한, 상기 횡단 지지대(1310, 1320)는 횡방향으로 연장된 2개의 가이드 레일(1311, 1312)과, 그 사이에서 횡방향으로 길게 형성된 슬롯(1313)과, 슬롯(1313)에 거치되는 분광편광 측정장치(1150)가 하방으로 이탈되지 않게 하기 위해 슬롯(1313)의 내부로 약간 돌출된 단턱부(1315)를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같은 갠트리(1300)의 상부 횡단 지지대(1310)에 분광편광 측정장치(1150)를 거치할 때에는 측정 단자(1202)가 아래로 향하고 통합 어셈블리(1100)는 편광간섭계(1200)의 상방에 위치하게 된다.
한편, 상기 반사 시료(1050)는 바람직하게는, 두 개의 롤러(R1, R2) 사이에서 이송되는 가요성 기판과 같은 연속적으로 이송되는 시료이다. 이러한 반사 시료(1050)는 어느 정도의 횡방향 크기를 가지므로 미리 재단된 시료에 비해, 연속적인 다지점의 측정이 필요할 수 있다.
도 18c를 참조하면, 연속적으로 공급되는 반사 시료(1050)는 특정 횡방향 위치에 있는 분광편광 측정장치(1150)에 의해 순시적으로 측정될 수 있다. 이 때, 제1 위치에 거치된 분광편광 측정장치(1150)는 개구부(1202)를 통해 반사 시료(1050)의 제1 지점(P1)을 측정할 수 있는데, 사용자는 필요에 따라 그 위치를 횡방향으로 이동하여 반사 시료(1050)의 제2 지점(P2)을 측정할 수도 있다. 이러한 횡방향 위치 이동은 임의의 위치로도 가능하겠지만 미리 정해진 이격된 위치들(discrete positions)에 정확히 놓여질 수 있도록 할 수도 있다. 이 때에는 횡단 지지대의 횡방향 해당 위치에 고정형 또는 이동형 스토퍼(미도시 됨)를 구비함으로써 분광편광 측정장치(1150)의 정위치를 안내해 줄 수도 있을 것이다.
도 18b 및 도 18c에서는 분광편광 측정장치(1150)를 상부 횡단 지지대(1310)에 거치하여 반사 시료(1050)의 상면을 측정하는 것으로 예시하였지만, 이에 한하지 않고 상기 장치(1150)를 하부 횡단 지지대(1320)에 거치하여 반사 시료(1050)의 하면을 측정하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 분광편광 측정장치(1150)는 하방에서 위쪽을 측정하여야 하므로 도 18c와는 상하 대칭 형태로 하부 횡단 지지대(1320)에 거치되어야 할 것이다.
한편, 분광편광 측정장치(1150)의 측정 단자(1202)와 반사 시료(1050) 간의 거리(h)도, 분광계(1120)에서 분석되는 신호의 강도에 영향을 줄 수 있으므로 최적으로 결정될 필요가 있다. 따라서, 추가적으로 상부 횡단 지지대(1310)가 어느 정도 범위에서 승강할 수 있는 구조(예: 리니어 모터, 리드 스크류 등)가 제공될 수 있고, 이를 통해 측정 단자(1202)와 반사 시료(1050) 간의 최적의 거리(h)를 조절하는 것도 가능하다.
또한, 도 18b 및 도 18c에 도시된 실시예에서는, 하나의 분광편광 측정장치(1150)를 갠트리(1300) 상에서 이동하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한하지 않고 슬롯(1313) 상의 다른 위치들에 미리 복수의 분광편광 측정장치(1150)를 배치하고 반사 시료(1050)의 여러 지점을 한꺼번에 측정하는 것도 가능하다.
이상에서 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 분광편광 측정장치에 대해 설명하였다. 그런데, 제1 실시예에서 도 4와 제2 실시예의 도 13을 참조하면, 광경로 길이 차이를 발생시키기 위해, 편광 빔 스플리터의 제1 면과 제1 미러의 간격과, 편광 빔 스플리터의 제2 면과 제2 미러 간의 간격에 차이를 둘 필요가 있다. 즉, 제1 미러와 제2 미러 중 어느 하나가 다른 하나 보다 편광 빔 스플리터의 해당 면으로부터 상기 광경로 길이의 차이(대략 20~60μm) 만큼 더 멀거나 가깝게 위치할 수 있는 것이다.
그런데, 상기 광경로 길이의 차이는 미세한 차이만으로도 최종 측정 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 제조 오차나 외부 온도 등 다양한 요인에 의해 발생할 수 있는 편광간섭계에서의 광경로 길이의 차이에 관한 오차를 제거하고, 분광계에서 가장 큰 신호 강도를 얻을 수 있는 최적의 광경로 길이의 차이값(이하, 광경로차라고 함)를 제공할 필요가 있다. 이는 최종적으로 분광계에서 측정되는 신호 강도를 최대화함으로써 분광편광계의 측정 성능 내지 정밀도를 향상시키는 데에 기여한다.
이를 위하여 본 발명에서는, 도 19a의 PBS 조립체(220)에서 도시된 바와 같이, 편광 빔 스플리터(225)의 서로 다른 면에 형성된 미러들(50, 60) 중 적어도 하나를 가동 미러로 구현하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 편광 빔 스플리터(225)의 측면에 형성된 제2 미러(60)는 편광 빔 스플리터(225)에 대해 고정된 고정 미러이고, 그 상면에 형성된 제1 미러(50)는 편광 빔 스플리터(225)의 상면에 대해 수직인 방향으로 변위될 수 있는 가동 미러이다. 이와 같이, 제1 미러(50)를 가동 미러로 구현하여 편광 빔 스플리터(225)와의 간격을 조절함으로써 상기 광경로 길이의 차이를 최적으로 설정할 수 있다. 다만, 이에 한하지 않고 반대로 도 19b에 도시된 PBS 조립체(320)와 같이, 제1 미러(40)를 고정 미러로, 제2 미러(70)를 가동 미러로 설계할 수도 있다.
또는, 도 19c에 도시된 PBS 조립체(420)와 같이, 제1 및 제2 미러(50, 70) 모두를 가동 미러로 설계할 수도 있다. 이러한 가동 미러의 가동을 자동으로 제어하는 것에 관한 보다 구체적인 내용은 이후의 도면들을 참조하여 후술하기로 한다.
도 20a 내지 도 20c는 전기 신호에 의해 변위가 제어될 수 있는 가동 미러를 갖는 PBS 조립체(220')를 예시한 도면들이다. 편광 빔 스플리터(225)에는 도 19a에서 전술한 바와 같이 상면에 가동 미러(50)가 배치되고, 일측면에 고정 미러(60)가 부착되어 있다.
이 때, 가동 미러(50)는 전기적으로 종방향 변위(z축 변위)를 제어할 수 있도록 압전소자(55) 상에 설치될 수 있다. 압전소자(55)란 압력 내지 변위가 가해질 때 전기를 발생하는 성질을 갖는 소자, 또는 전기가 가해질 때 압력 내지 변위가 발생하는 소자를 통칭한다. 특히, 본 발명에서는 압전소자(55)가 갖는 후자의 특성이 사용된다. 구체적으로 상기 압전소자(55)는 피에조 스테이지(piezo-stage)로 구성될 수 있으며, 상기 전기 신호와 상관없이 고정되는 고정 부재(57)와, 상기 고정 부재(57) 상에 설치되고 상기 전기 신호에 따라 신축/축소되는 가동 부재(53)를 포함한다. 상기 가동 부재(53)는 위치에 무관하게 동일한 크기만큼 변위(신축/축소)될 수 있다. 또는, 상기 가동 부재(53)는 미리 정해진 몇몇 지점(2지점, 3지점 등)에서만 변위되게 할 수도 있는데, 이 경우에는 위치별 편차로 인해 가동 미러(50)의 종방향 변위뿐만 아니라 틸트각까지 미세하게 조절될 수 있을 것이다.
도 20c에 도시된 PBS 조립체(220')의 단면도를 참조하면, 편광 빔 스플리터(225)의 상하좌우에는 각각 광이 통과할 수 있는 개구부들(226a, 226b, 226c, 226d)이 구비된다. 또한, 편광 빔 스플리터(225)의 내부에는 대각선을 가로질러 45도로 배치되는 반투과판(227)이 구비된다. 반투과판(227)은 개구부를 통해 수평 또는 수직 방향으로 광이 입사될 때 입사된 광의 일부는 투과하고 일부는 반사하는 하프 미러 형태로 구현될 수 있다.
편광 빔 스플리터(225)의 우측면에는 고정 미러(60)가 고정 배치되며, 우측 개구부 (226d)는 고정 미러(60)의 내부에 설치된 반사면(61)과 정렬되어 있다.
또한, 편광 빔 스플리터(225)의 상면에 형성된 개구부(226a)는, 피에조 스테이지(55)의 고정 부재(57)에 형성된 중공부(58), 피에조 스테이지(55)의 가동 부재(53)에 형성된 중공부(54) 및 가동 미러(50)의 반사면(51)과 일렬로 정렬되어 있다. 따라서, 가동 미러(50)는 가동 부재(53)와 함께 종방향으로 가동하면서도 반사면(51)으로/에서 입출사되는 광의 경로에는 장애가 없다.
이러한 가동 부재(53)의 가동으로 인해, 가동 미러(50)가 가동되면, 가동 미러(50)에서 반사된 광과 고정 미러(60)에서 반사된 광 간 사이에 발생하는 분광편광 광경로차는 가변하게 된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 신호 강도를 최대화하기 위한 광경로차의 크기와 이를 위한 가동 미러(50)의 변위값을 자동으로 결정하고, 상기 결정된 변위값으로 가동 미러(50)를 자동으로 제어하는 것이 바람직하다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른, 분광편광 측정장치의 광경로차 자동 조절 장치(600)의 블록도이다. 상기 장치(600)는 광을 방출하는 광원(610)과, 상기 방출된 광을 편광 빔 스플리터(225)를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 대상 시료에 투과하거나 반사시켜 획득된 광을 출력하는 편광간섭계(630)와, 상기 출력된 광을 분석하여 상기 대상 시료의 물성치를 측정하는 분광계(620)를 포함한다.
여기서, 상기 편광간섭계(630)는, 상기 광원(610)에서 조사되는 광을 입사하는 상기 광입력 단자(601)와, 상기 입사된 광을 분리하는 편광 빔 스플리터(225)와, 상기 편광 빔 스플리터(225)의 제1 면에 설치되어, 상기 편광 빔 스플리터(225)를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터(225)로 반사하는 제1 미러(50)와, 상기 제1 면에 수직으로 상기 편광 빔 스플리터(225)의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터(225)에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터(225)로 반사하는 제2 미러(60)와, 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광이 복합되어 생성된 복합파가 대상 시료에서 투과되거나 반사되어 얻어진 광을 상기 분광계(620)로 출사하는 광출력 단자(603)를 포함한다.
상기 분광편광 측정장치의 광경로차 자동 조절 장치(600)는 또한, 상기 분석된 광의 신호 강도를 산출하는 신호 분석부(650)와, 상기 편광간섭계의 일측에 설치되고 전기 신호에 따라 변위가 변화하는 압전소자(55)와, 상기 산출된 신호 강도에 기초하여 상기 압전소자(55)의 변위량를 결정하고, 상기 결정된 변위량으로 상기 압전소자를 제어하는 압전소자 컨트롤러(670)를 더 포함한다.
이 때, 상기 제1 미러 및 상기 제2 미러 중 적어도 하나는 상기 압전소자(55) 상에 설치되어, 상기 결정된 변위량만큼 종방향으로 가동된다. 예를 들어, 상기 압전소자(55)는 제1 미러 및 제2 미러 중 어느 하나에만 설치될 수도 있고, 제1 미러 및 제2 미러 모두에 설치될 수도 있다.
상기 신호 분석부(650)는 광의 신호 강도를 산출하기 위해, 인터페로그램(interferogram)의 정규화 된 신호를 이용할 수 있다. 상기 인터페로그램이란, 광경로차로 인한 간섭광 강도의 변화를 광로차의 함수로서 측정기록한 것을 의미한다. 간섭광의 강도는, 간섭계에 입사한 광의 스펙트럼과 변화하는 광경로차(x)의 함수로 결정될 수 있으며, 특히 이 함수 중에서 광경로차(x)에 따라 변화하는 성분을 인터페로그램이라 한다.
도 22은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터페로그램 함수(83)의 일 예를 도시한 도면이다. 상기 함수는 광경로차(x)에 따라 가변되며, 특정 위치(x)에서의 값은 신호 강도를 의미하는 것으로 볼 수 있다. 상기 인터페로그램 함수(83)는 정규화 된 함수(81)로 변환하여 표현될 수도 있다. 이러한 인터페로그램 함수(83) 또는 정규화 된 함수(81)를 이용하면 신호 강도가 최대가 되는 광경로차(x0)를 산출할 수 있다.
압전소자 컨트롤러(270)는 상기 산출된 광경로차(x0)를 나타내는 상기 압전소자(55)의 변위량 즉 가동 미러(50)의 변위량를 결정하고, 상기 결정된 변위량으로 상기 압전소자(55)를 제어한다. 이러한 변위량으로 압전소자(55)를 가동하기 위해서는 실제로 압전소자(55)에 가해지는 전압값이 제어된다. 다만, 변위량과 전압값 간의 상관 관계는 압전소자(55)의 사양에 따라 다르므로, 양자의 관계를 나타내는 매핑 테이블을 참조하여 상기 변위량을 조절할 수 있다. 이와 같은 신호 강도 측정 및 이에 수반한 압전소자의 제어는 한번의 프로세스로 완료될 수도 있지만, 소정의 정밀도가 확보될 때가지 수차례의 프로세스가 반복되는 피드백 방식으로 제어될 수도 있을 것이다.
이상에서는 가동 미러(50)의 종방향(광축 방향) 변위량을 조절하는 실시예에 대해 설명하였다. 그러나 이에 한하지 않고 가동 미러(50) 종방향 변위량과 더불어, 틸트 제어(광축에 수직인 축에 대한 가동 미러(50)의 회전 움직임 제어)도 함께 수행할 수 있다. 예를 들어, 광축 방향으로의 변위량 조절만으로는 충분한 신호 강도가 얻어지지 않을 경우, 예를 들면 가공 오차나 온도/습도 변화 등으로 인해 가동 미러(50)가 광축에 대해 다소 기울어지는 경우에는, 틸트 제어도 함께 수반할 필요가 있는 것이다.
도 23은 이러한 종방향 변위량 제어 및 틸트 제어를 함께 수행하기 위한, 변형된 피에조 스테이지(55a, 55b)를 갖는 PBS 조립체(220")의 사시도이다. PBS 조립체(220")는 도 20a의 PBS 조립체(220')와 대부분 유사한 구성이지만, 피에조 스테이지(55a, 55b)가 2개의 페어로 구성되어 있다는 점에서만 차이가 있다.
상기 피에조 스테이지는 각각 복수의 영역을 담당하는 서브 스테이지들(55a, 55b)을 포함하고, 상기 서브 스테이지들(55a, 55b)의 차등 제어를 통해, 상기 피에조 스테이지(55) 상에 설치된 가동 미러(50)가 광축에 수직인 축(ax)을 중심으로 틸트 제어된다.
예를 들어, 제1 서브 스테이지(55a)의 고정 부재(57a) 상에 위치한 가동 부재(53a)의 종방향 변위량을 h1이라고 하고, 제2 서브 스테이지(55b)의 고정 부재(57b) 상에 위치한 가동 부재(53b)의 종방향 변위량을 h2라고 하면, 가동 미러(50)의 종방향 변위는 (h1+h2)/2가 될 것이고, 가동 미러(50)의 틸트 각도는 arctan(|h1-h2|/d)가 될 것이다. 여기서 d는 가동 미러(50)의 직경을 나타낸다.

Claims (17)

  1. 광원이 착탈결합되는 광원착탈부;
    상기 광원착탈부에 결합된 광원에서 방출되는 광을 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 반사 시료에 조사하여 반사된 광을 출력하는 편광간섭계; 및
    상기 출력된 광을 분석하여 상기 반사 시료의 물성치를 측정하는 스펙트로미터(spectrometer)를 포함하고,
    상기 광원착탈부에 결합되는 광원의 파장은 상기 반사 시료에 따라 다른, 분광편광 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 상기 반사 시료를 측정하는데 필요한 단일 파장을 가지는 광원인, 분광편광 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 파장이 가변되는 광원인, 분광편광 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 특정 파장을 가지는 광을 펄스 형태로 방출하는, 분광편광 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 또는 LED인, 분광편광 측정장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 편광간섭계는,
    상기 광원에서 방출되는 광을 입사하는 광입력 단자;
    상기 입사된 광을 분리하는 제1 편광 빔 스플리터;
    상기 제1 편광 빔 스플리터의 제1 면에 설치되어, 상기 제1 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 제1 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러;
    상기 제1 면에 수직으로 상기 제1 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 제1 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 제1 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;
    상기 제1 편광 및 상기 제2 편광이 복합되어 생성된 복합파를 반사 시료로 전달하고, 상기 반사 시료에서 반사된 광을 수신하여 상기 스펙트로미터로 출사하는 제2 편광 빔 스플리터; 및
    상기 광입력 단자, 상기 제1 편광 스플리터, 상기 제1 미러, 상기 제2 미러, 상기 광출력 단자를 수용하는 하우징을 포함하는, 분광편광 측정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 미러는 상기 제1 면에 대해 고정된 고정 미러이고, 상기 제2 미러는 상기 제2 면에 대해 수직인 방향으로 변위될 수 있는 가동 미러이며,
    상기 제2 미러의 변위에 의해 상기 제1 편광의 경로 길이와 상기 제2 편광의 경로 길이 간의 차이가 조절될 수 있는, 분광편광 측정장치.
  8. 광을 방출하는 광원;
    상기 방출된 광을 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 반사 시료에 조사하여 반사된 광을 출력하는 편광간섭계; 및
    상기 출력된 광을 분석하여 상기 반사 시료의 물성치를 측정하는 분광계를 포함하는, 일체형 편광간섭계를 구비한 분광편광 측정장치에 있어서,
    상기 광원 및 상기 분광계를 함께 수용하는 통합 어셈블리를 더 포함하고, 상기 편광간섭계는 하우징 내에 수용되어 있으며,
    상기 통합 어셈블리의 일측면에 상기 광원의 광원 단자 및 상기 분광계의 분광계 단자가 노출되고, 상기 하우징의 일측면에 광입력 단자 및 광출력 단자가 노출되어, 상기 통합 어셈블리를 상기 하우징에 결합할 때, 상기 광원 단자 및 상기 광입력 단자 사이와, 상기 분광계 단자 및 상기 광출력 단자 사이가 함께 연결되며,
    상기 하우징에서 상기 광입력 단자 및 상기 광출력 단자가 노출된 상기 일측면에는, 상기 광입력 단자가 상기 광출력 단자에 비해 돌출된 위치에 존재하도록 광축 방향으로 단차가 형성되고, 상기 통합 어셈블리에서 상기 광원 단자 및 상기 분광계 단자가 노출된 상기 일측면에는, 상기 분광계 단자가 상기 광원 단자에 비해 돌출된 위치에 존재하도록 광축 방향으로 단차가 형성되는, 분광편광 측정장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 편광간섭계는,
    상기 광원에서 조사되는 광을 입사하는 상기 광입력 단자;
    상기 입사된 광을 분리하는 제1 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 설치되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러;
    상기 제1 면에 수직으로 상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;
    상기 제1 편광 및 상기 제2 편광이 복합되어 생성된 복합파를 반사 시료로 전달하고, 상기 반사 시료에서 반사된 광을 수신하여 상기 분광계로 출사하는 제2 편광 빔 스플리터; 및
    상기 광입력 단자, 상기 제1 편광 빔 스플리터, 상기 제2 편광 빔 스플리터, 상기 제1 미러, 상기 제2 미러 및 상기 광출력 단자를 수용하는 상기 하우징을 포함하되,
    상기 제2 미러는 상기 제2 면에 대해 고정된 고정 미러이고, 상기 제1 미러는 상기 제1 면에 대해 수직인 방향으로 변위될 수 있는 가동 미러이며,
    상기 제1 미러의 변위에 의해 상기 제1 편광의 경로 길이와 상기 제2 편광의 경로 길이 간의 차이가 조절될 수 있는, 분광편광 측정장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하우징의 타측면에는 개구부가 형성되고, 사용자가 상기 제1 미러의 위치를 조절할 수 있는 조작부가 상기 개구부 내에 배치되는, 분광편광 측정장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복합파를 반사 시료로 전달하고 상기 반사 시료에서 반사된 광을 수신하기 위한 시료 단자가 상기 하우징에서 상기 광출력 단자의 반대쪽에 형성되는, 분광편광 측정장치.
  12. 제8항에 기재된 상기 분광편광 측정장치; 및
    상기 분광편광 측정장치의 시료 단자가 상기 반사 시료를 향하도록 상기 분광편광 측정장치를 거치하는 갠트리를 포함하는, 분광편광 측정 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반사 시료는 연속적으로 이송되는 롤투롤 필름형 시료이고,
    상기 갠트리는, 상기 반사 시료의 상측 또는 하측에 상기 반사 시료의 이송 방향에 수직인 횡방향으로 연장된 횡단 지지대를 포함하고,
    상기 횡단 지지대는, 서로 평행한 한쌍의 가이드 레일과 상기 한쌍의 가이드 레일 사이에 길게 형성된 슬롯을 포함하며,
    상기 분광편광 측정장치는 상기 슬롯을 따라 횡방향으로 이동 가능한, 분광편광 측정 시스템.
  14. 광을 방출하는 광원;
    상기 방출된 광을 편광 빔 스플리터를 이용하여 복수의 편광으로 분리하고, 상기 분리된 편광 중에서 적어도 일부를 대상 시료에 투과하거나 반사시켜 획득된 광을 출력하는 편광간섭계;
    상기 출력된 광을 분석하여 상기 대상 시료의 물성치를 측정하는 분광계;
    상기 분석된 광의 신호 강도를 산출하는 신호 분석부;
    상기 편광간섭계의 일측에 설치되고 전기 신호에 따라 변위가 변화하는 압전소자; 및
    상기 산출된 신호 강도에 기초하여 상기 압전소자의 변위량를 결정하고, 상기 결정된 변위량으로 상기 압전소자를 제어하는 압전소자 컨트롤러를 포함하는, 분광편광 측정장치의 광경로차 자동 조절 장치로서,
    상기 편광간섭계는,
    상기 광원에서 조사되는 광을 입사하는 광입력 단자;
    상기 입사된 광을 분리하는 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 설치되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러;
    상기 제1 면에 수직으로 상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러; 및
    상기 제1 편광 및 상기 제2 편광이 복합되어 생성된 복합파가 대상 시료에서 투과되거나 반사되어 얻어진 광을 상기 분광계로 출사하는 광출력 단자를 포함하고,
    상기 제1 미러 및 상기 제2 미러 중 적어도 하나는 상기 압전소자 상에 설치되어, 상기 결정된 변위량만큼 종방향으로 가동되고,
    상기 압전소자는 피에조 스테이지로 구성되며,
    상기 피에조 스테이지는 상기 전기 신호와 상관없이 고정되는 고정 부재와, 상기 전기 신호에 따라 신축되는 가동 부재를 포함하되,
    상기 피에조 스테이지는 각각 복수의 영역을 담당하는 서브 스테이지들을 포함하고, 상기 서브 스테이지들의 차등 제어를 통해, 상기 피에조 스테이지 상에 설치된 미러가 틸트 제어되는, 분광편광 측정장치의 광경로차 자동 조절 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 압전소자는 제1 미러 및 제2 미러 중 어느 하나에만 설치되는, 분광편광 측정장치의 광경로차 자동 조절 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 압전소자는 제1 미러 및 제2 미러 모두에 설치되는, 분광편광 측정장치의 광경로차 자동 조절 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 신호 강도는 인터페로그램 상의 정규화 된 신호에 의해 산출되는, 분광편광 측정장치의 광경로차 자동 조절 장치.
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