KR101527601B1 - 위상광 측정 시스템과 그 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위상광 측정 시스템에 관한 것으로서, 광을 출사하는 광원부와, 광원부에서 출사된 광의 대역폭을 복수개의 대역폭으로 분할한 분할광과, 분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 생성하고, 분할광과 위상반전광을 상호 다른 경로로 출력하는 대역분할부와, 분할광과 위상반전광이 상호 간섭되지 않도록 분할광의 출력경로 또는 위상반전광의 출력경로상에 설치되어 전송시간을 지연시켜 출력하는 지연부와, 대역분할부에서 직접 출력되는 광과 대역분할부에서 지연부를 거쳐 지연되어 출력되는 광을 측정대상체에 조사하고, 측정대상체로부터 반사된 광을 검출하여 처리하는 처리부를 구비한다. 이러한 위상광 측정 시스템과 그 측정방법에 의하면, 광원의 대역폭을 등분할한 2개의 분리된 스펙트럼과 동일한 위상잡음 및 대역폭을 갖는 3개의 분리된 스펙트럼을 이용할 수 있어 측정대상체에 대한 해상도를 더욱 높일 수있는 장점을 제공한다.

Description

위상광 측정 시스템과 그 측정방법{optical-phase imaging system and method thereof}
본 발명은 위상광 측정 시스템과 그 측정방법에 관한 것으로서, 상세하게는 광원의 파장 대역폭에 대한 분할 스펙트럼 개수를 증가키면서도 측정정밀도를 높일 수 있도록 된 위상광 측정 시스템 및 그 측정방법에 관한 것이다.
측정대상체에 입사한 광의 위상변화를 측정하여 영상화하는 광위상 측정시스템은 광학적 회절한계를 넘어서는 해상도를 나타낼 수 있어 꾸준한 연구개발이 이루어지고 있다.
이러한 위상광 측정방식으로서는 위상 컨트라스트(phase-contrast) 방식, 위상 쉬프팅(phase-shifting) 방식, 디지털 홀로그래피(digital holography) 방식, 퓨리어 위상 마이크로스코피(Fourier phase microscopy) 방식, 광간섭 위상 마이크로스코피(optical coherence phase microscopy) 방식 등 여러 가지가 있다.
이러한 광위상 측정법은 모두 위상 래핑(phase wrapping; 2π 모호성) 문제를 가지고 있다.
즉, 프로브단에서 반사되는 빛을 측정하는 기하학적인 광학구조를 가지는 위상측정법에서는 측정되는 광의 위상값(Δφ)은 샘플 변화량(Δz)으로 환산할 시에 아래의 수학식 1과 같은 관계를 갖는다.
Figure 112013114061056-pat00001
여기서 λ0는 사용하는 광원의 중심파장, n은 기준단과 샘플단 사이의 평균 굴절률을 나타낸다. 이 경우 측정되는 위상값이 0 ~ 2π [radian] 범위이므로 최대 측정범위가 1㎛ 내외로 제한되는 문제점이 있다.
이러한 위상 래핑(phase wrapping)을 해결하기 위해 소프트웨어적 알고리즘이나 하드웨어적인 구성을 이용하고 있다. 가장 일반적으로 사용되는 방식으로서 단순 위상 언래핑(simple phase unwrapping) 알고리즘이 사용되고 있으며 이는 측정되는 위상 값의 점프(jump)가 일어날 때마다 2π 만큼 더해주거나 빼주는 방식이다. 이 방식은 점프(jump)가 일어날 때 2nπ 만큼 차이나는 변화에 대해서도 같은 양을 가감하므로 문제가 있다.
다른 소프트웨어적인 방식은 복잡한 알고리즘과 많은 연산으로 효율적이지 못하고 하드웨어적인 방식은 추가적인 광학계와 측정단을 포함하여 셋업이 복잡해진다.
이러한 기존의 문제점을 해결하기 위해 다파장을 이용한 위상 측정방식이 제안되었으며, 이는 위 관계식의 중심파장 λ0를 대신할 수 있는 새로운 긴 장파장을 얻어서 이를 통해 샘플 변화량(Δz)의 최대 측정범위를 증가시키는 방식이다.
이러한 다파장 측정방식에 대해 본 발명자에 의해 제안된 국내 등록특허 제10-1308433호에는 광원의 대역폭을 분할한 대역분할광을 이용한다.
즉, 전체 대역폭을 2개 이상으로 분할하고 이를 통해 각각의 분할된 대역폭에 대한 위상을 측정한 후에 그로부터 새로운 파장을 얻어서 전체 측정범위를 증가시켰다.
그런데, 이러한 광원의 스펙트럼 분할방식의 경우 광원에서 출사되는 광의 대역폭 내에서 분할이 되기 때문에 대역폭이 분할된 부분이 늘어날수록 프로세싱 방식을 반복하여 측정범위를 증가시키지만, 분할된 부분이 늘어나면 각 부분이 가질 수 있는 대역폭이 좁아지는 단점이 있다.
이는 좁은 대역폭을 가지고 위상 값을 측정할 경우에 그 위상 잡음이 증가한다는 연구결과에 따라 최소로 측정할 수 있는 범위인 해상도가 떨어진다.
즉 측정범위가 증가하는 만큼 위상 잡음이 증가하여 해상도가 떨어지게 된다. 이를 수식으로 나타내면 2개의 분할된 스펙트럼 상에서 각각의 스펙트럼의 중심파장을 λ1, λ2라 하면, 새로운 증가된 중심파장(Λ) 은 아래의 수학식 2과 같이 된다.
Figure 112013114061056-pat00002
위 수학식2에 따르면 2개의 중심파장 사이의 간격이 좁아질수록 새로운 중심파장(Λ)은 증가하며, 샘플 변화량(Δz)을 측정할 수 있는 범위가 증가한다.
그러나 기존의 스펙트럼 분할 방식에 의하면 2개의 중심파장 간격이 좁아지기 위해서는 분할된 스펙트럼의 간격이 좁아져야 하며, 이 경우 좁아지는 만큼 위상 잡음이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 위상잡음이 증가되지 않게 하면서도 해상도를 높일 수 있는 위상광 측정 시스템과 그 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 위상광 측정 시스템은 광을 출사하는 광원부와; 상기 광원부에서 출사된 광의 대역폭을 복수개의 대역폭으로 분할한 분할광과, 상기 분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 생성하고, 상기 분할광과 상기 위상반전광을 상호 다른 경로로 출력하는 대역분할부와; 상기 분할광과 상기 위상반전광이 상호 간섭되지 않도록 상기 분할광의 출력경로 또는 상기 위상반전광의 출력경로상에 설치되어 전송시간을 지연시켜 출력하는 지연부와; 상기 대역분할부에서 직접 출력되는 광과 상기 대역분할부에서 상기 지연부를 거쳐 지연되어 출력되는 광을 측정대상체에 조사하고, 상기 측정대상체로부터 반사된 광을 검출하여 처리하는 처리부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 지연부는 상기 위상반전광의 출력경로상에 설치된다.
또한, 상기 대역분할부는 상기 광원부로부터 제1입력단을 통해 입력된 광을 제1 출력단과 제2출력단을 통해 분배하고, 상기 제1출력단과 상기 제2출력단을 상호 연결하는 루프상에 복굴절소재로 된 복굴절부를 통해 상호 반대방향으로 경유하면서 상기 광원부에서 출사되는 대역의 광을 대역 분할한 제1분할광과 제2분할광을 생성하여 제3출력단을 통해 출력하고, 상기 제1분할광과 제2분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 상기 제1입력단을 통해 출력하는 대역분할 간섭계와; 상기 광원부에서 출사된 광을 상기 제1입력단으로 입사되게 하고, 상기 제1입력단에서 출력되는 상기 위상반전광을 상기 지연부에 입사되게 하는 광로 조정부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 처리부는 상기 제3출력단에서 출력되는 제1 및 제2분할광과, 상기 지연부에서 출력되는 위상반전광을 각각 입력받아 중계단을 통해 출력하는 제2광커플러와; 측정대상체에 전송된 광을 조사하고, 상기 측정대상체로부터 반사된 광을 역으로 전송할 수 있도록 된 프로브부와; 상기 제2광커플러에서 출력되는 광을 입사받아 상기 프로브부를 통해 전송하고, 상기 프로브부를 통해 입사된 광을 메인 검출단으로 출력하는 제3광커플러와; 상기 메인 검출단에 접속되어 입사된 광을 검출하는 광검출부와; 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 측정대상체에 대한 정보를 취득하는 측정부;를 구비한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 위상광 측정 방법은 가. 광원부에서 출사된 광의 대역을 분할한 분할광과, 상기 분할광에 대해 위상반전된 위상반전광을 생성하는 단계와; 나. 상기 분할광과 위상반전광이 간섭되지 않게 시간적 차이를 두어 프로브부를 통해 측정대상체에 출사하는 단계와; 다. 상기 측정대상체에서 반사되어 프로브부를 통해 입사되는 광을 검출하여 측정대상체의 정보를 취득하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는 상기 가단계는 상기 광원부에서 출사된 광의 대역을 2분할한 제1분할광과 제2분할광을 생성하는 사냑간섭계가 적용되고, 상기 다 단계는 다-1. 상기 제1분할광의 제1중심파장(λ1)과, 상기 제2분할광의 제3중심파장(λ3)과, 상기 위상반전광의 제2중심파장(λ2) 중 제1중심파장에 대응한 제1위상 이미지(Z1)와 제3중심파장에 대응한 제3위상이미지(Z3)의 위상 차이(φ13)로부터 제1이미지 차이값(Z13)을 구하는 단계와; 다-2. 상기 위상반전광의 제2중심파장(λ2)에 대응한 제2위상 이미지(Z1)와 상기 제3위상 이미지(Z3)의 위상 차이(φ23)로부터 제2이미지 차이값(Z23)을 구하는 단계와; 다-3. 상기 제1이미지 차이값과 상기 제2이미지 차이값의 위상차이로부터 제3이미지 차이값(Z13-23)를 구하여 최종 이미지를 결정하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 위상광 측정 시스템과 그 측정방법에 의하면, 광원의 대역폭을 등분할한 2개의 분리된 스펙트럼과 동일한 위상잡음 및 대역폭을 갖는 3개의 분리된 스펙트럼을 이용할 수 있어 측정대상체에 대한 해상도를 더욱 높일 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 위상광 측정시스템을 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 광원부에서 출사되는 광을 대역분할부에 의해 생성되는 광을 설명하기 위한 그래프이고,
도 3은 도 1의 대역분할부에 의해 생성된 광이 중첩되지 않고 전송되는 패턴을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 도 1의 대역분할부에 의해 생성되는 스펙트럼을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 5는 도 1의 제3출력단을 통해 출력되는 신호만을 이용하여 간섭신호를 발생할 수 있도록 된 프로브부를 거친 후 시간축에서 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 도 1의 제2광커플러의 출력단에서 출력되는 신호를 이용해서 간섭신호를 발생할 수 있도록 된 프로브부를 거친 후 시간축에서 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 7은 도 6의 광출사주기 내 부분을 확대하여 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상광 측정시스템 및 그 측정방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 위상광 측정시스템을 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면 위상광 측정 시스템(100)은 광원부(110), 대역분할부(120), 지연부(141), 처리부(160)를 구비한다.
광원부(110)는 대역폭을 갖는 광을 출사하는 광원이 적용된다.
광원부(110)는 설정된 주기로 파장을 가변하면서 광을 출력하는 파장가변 광원 또는 넓은 대역범위의 파장을 갖는 광을 동시에 출사하는 광대역 광원이 적용될 수 있다.
대역분할부(120)는 광원부(110)에서 출사된 광의 대역폭을 복수개의 대역폭으로 분할한 분할광과, 분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 생성하고, 분할광과 위상반전광을 상호 다른 경로로 출력하도록 되어있다.
대역분할부(120)는 대역분할 간섭계와, 광서큘레이터(127)를 구비한다.
대역분할 간섭계는 광원부(110)로부터 광서큘레이터(127)를 통해 제1광커플러(130)의 제1입력단(131)을 통해 입력된 광을 제1 출력단(132)과 제2출력단(133)을 통해 분배하고, 제1출력단(132)과 제2출력단(133)을 상호 연결하는 루프상에 복굴절소재로 된 복굴절부(135)를 통해 상호 반대방향으로 경유하면서 광원부(110)에서 출사되는 대역의 광을 대역 분할한 제1분할광과 제2분할광을 생성하여 제3출력단(134)을 통해 출력하고, 제1분할광과 제2분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 제1입력단(131)을 통해 출력할 수 있도록 되어 있다.
이러한 대역분할 간섭계는 제1광커플러(130), 제1광섬유(136), 제2광섬유(137), 편광조절기(138)를 구비한다.
제1광커플러(130)는 일측에 제1입력단(131)과 제3출력단(134)이 마련되고, 타측에 제1출력단(132)과 제2출력단(133)이 마련된 구조로 되어 있다.
여기서, 제3출력단(134)을 통해 출력되는 광은 광원부(110)에서 출력된 광의 대역을 2개 대역으로 등분할한 제1분할광과 제2분할광을 출력하고, 제1입력단(131)을 통해서 제1분할광과 제2분할광에 대해 위상 반전된 위상반전된 위상 반전광을 출력한다.
제1광섬유(136)는 제1출력단(136)과 복굴절부(135)의 일단 사이에 접속되어 있고, 제2광섬유(137)는 제2출력단(133)과 복굴절부(135) 타단 사이에 접속되어 있고, 편광조절기(138)는 제2광섬유(137)의 연장경로상에 설치되어 있다.
이러한 대역분할 간섭계는 사냑간섭계로서, 제1입력단(131)을 통해 입력된 광을 제1출력단(132)과 제2출력단(133)으로 분기시켜 출력하고, 제1출력단(132)과 제2출력단(133)을 통해 역으로 입사된 광을 제1입력단(131)과 제3출력단(134)을 통해 출력한다.
광서큘레이터(127)는 광로 조정부로서 적용된 것으로 광원부(110)와 제1광커플러(130)의 제1입력단(131) 사이에 설치되어 광원부(110)에서 출사된 광을 제1입력단(131)으로 입사되게 하고, 제1입력단(131)에서 출력되는 위상반전광을 지연부(141)에 입사되게 한다.
지연부(141)는 제1 및 제2 분할광과 위상반전광이 시간상으로 상호 간섭되지 않도록 분할광의 출력경로 또는 위상반전광의 출력경로상에 설치되어 전송시간을 지연시키도록 적용하면 되고, 도시된 예에서는 위상반전광의 출력경로인 광서큘레이터(127)의 출력경상에 설치되어 있다.
즉, 지연부(141)는 광써클레이터(127)와 후술되는 제2광커플러(161) 사이에 접속되어 광을 전송하되 제3출력단(124)으로부터 제2광커플러(161)로 이어지는 제1광경로보다 경로가 길게 연장된 지연용 광섬유가 적용되었다.
여기서 지연부(141)는 제1 및 제2분할광이 후술되는 제2광커플러(161)에 입력된 이후 시간 지연된 위상 반전광이 입력되도록 적절한 지연시간을 갖게 적용하면 된다.
이러한 구조에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이 광원부(110)에서 출력되는 광이 도 2a와 같은 대역의 광(S)으로 출사되면, 대역분할 간섭계를 거쳐 도 2b에 도시된 바와 같이 파장영역에서 광원부(110)의 파장대역을 2분할하는 제1 및 제2분할광(P1)(P3)이 생성되어 제3출력단(134)을 통해 출력되고, 제1 및 제2분할광(P1)(P2)을 기준으로 위상이 180도 역전된 위상 반전광(P2)이 도 2c에 도시된 바와 같이 제1입력단(131)을 통해 출력된다. 여기서, 위상반전광(P2)의 가우시안 분포를 하고 있는 부분을 제1분할광(P1)과 제2분할광(P3)에 대해 파장대역으로 매칭시켜보면 도 3d에 도시된 바와 같이 광원부(110)의 파장대역을 중심파장이 상호 다른 3개의 가우시안 형태의 대역분할광이 일부 파장대역이 오버랩되게 분포하는 구조를 갖는다.
따라서, 파장대역이 오버랩되는 위상 반전광(P2)에 대해 시간적 지연을 시키면 시간축상에서 3개의 분할 대역에 대한 광을 이용할 수 있고 도 3a에 도시된 바와 같이 광원부(110)에서 파장가변에 의해 설정된 대역폭의 광을 출사하는 광출사 주기가 Ta일 때 제3출력단(134)을 통해 광출사 주기(Ta)마다 제1 및 제2분할광(P1)(P3)이 출력되고, 도 3b에 도시된 바와 같이 제1입력단(131)을 통해 위상반전광(P2)도 출력된다. 여기서 위상 반전광(P2)은 가우시안 분포를 갖는 것만 표기하였다.
한편, 위상 반전광(P2)은 지연부(141)를 거쳐 도 3c에 도시된 바와 같이 지연시간(d) 만큼 지연되기 때문에 제2광커플러(161)에는 도 3d에서와 같이 광출사주기(Ta)에 대해 가우시안 분포를 갖으며 시간축을 따라 상호 분리된 3개 대역의 광 즉, 제1분할광(P1), 제2분할광(P3) 및 위상반전광(P2)이 반복 생성된다.
이러한 분할 대역광 생성구조에 대한 실험결과가 도 4 내지 도 7에 도시되어있다.
도 4는 도 1의 대역분할부에 의해 생성되는 스펙트럼을 파장에 대해 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고, 도 5는 광출사 주기를 20㎲로 적용하였을 때 제3출력단(134)을 통해 출력되는 신호만을 간섭신호를 발생할 수 있도록 된 프로브부를 거친 후 시간축에서 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고, 도 6 및 도 7은 제2광커플러(161a)의 출력단에서 출력되는 신호를 간섭신호를 발생할 수 있도록 된 프로브부를 거친 후 시간축에서 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.
도 4 내지 도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이 제1분할광(P1), 제2분할광(P3) 및 위상반전광(P2)이 시간축상에서 상호 분리되게 생성된다.
처리부(160)는 대역분할부(120)에서 직접 출력되는 광과 대역분할부(120)에서 지연부(141)를 거쳐 지연되어 출력되는 광을 측정대상체(200)에 조사하고, 측정대상체(200)로부터 반사된 광을 검출하여 처리한다.
처리부(160)는 제2광커플러(161), 제3광커플러(163), 프로브부(165), 광검출부(170) 및 측정부(180)를 구비한다.
제2광커플러(161)는 제3출력단(134)에서 출력되는 제1 및 제2분할광(P1)(P3)과, 지연부(141)에서 출력되는 위상반전광(P2)을 각각 입력받아 중계단(161a)을 통해 출력한다.
제3광커플러(163)는 제2광커플러(161)의 중계단(161a)을 통해 순차적으로 출력되는 제1분할광(P1), 제2분할광(P3) 및 위상반전광(P2)을 입사받아 프로브부(165)를 통해 전송하고, 프로브부(165)를 통해 입사된 광을 메인 검출단(163a)으로 출력한다.
제3광커플러(163)는 광서큘레이터가 적용될 수 있음은 물론이다.
프로브부(165)는 제3광커플러(163)를 통해 전송된 광을 측정대상체(200)에 조사하고, 측정대상체(200)로부터 반사된 광을 역으로 전송할 수 있도록 되어 있다.
프로브부(165)는 제3광커플러(163)로부터 연장된 광섬유에서 출사되는 광을 평행광으로 변환한 후 측정대상체(200)에 집속시키는 복수개의 렌즈가 하우징(미도시) 내에 어레이되어 있고, 집속된 광의 일부는 투과시켜 측정대상체(200)로 조사되고 하고, 일부는 반사시켜 간섭광을 생성되도록 하는 부분반사판(167)을 갖는 구조로 되어 있다.
광검출부(170)는 제3광커플러(162)의 메인 검출단(163a)에 접속되어 입사된 광을 검출하고, 검출된 광에 대응되는 전기적 신호를 측정부(180)에 출력한다.
광검출부(170)는 광원부(110)가 파장가변광원이 적용되는 경우 포토다이오드가 적용되면 되고, 대역폭을 갖는 광을 동시에 출사하는 광대역광원이 적용되는 경우 스펙트로미터가 적용되면 된다.
측정부(180)는 광검출부(170)에서 출력되는 신호로부터 측정대상체(200)에 대한 정보를 취득한다.
측정부(180)는 미리 기록되어 알고 있는 제1분할광(P1)의 제1중심파장(λ1)과, 제2분할광(P3)의 제3중심파장(λ3)과, 위상반전광(P2)의 제2중심파장(λ2) 각각에 대한 측정대상체(200)의 동일 위치에 대한 위상값(φ1)(φ2)(φ3)을 광검출부(170)로부터 취득하고, 취득된 위상값들로부터 연산을 통해 측정대상체(200)의 이미지정보를 생성한다.
이러한 측정부(180)의 연산처리과정을 이하에서 설명한다.
측정부(180)는 먼저, 제1중심파장(λ1)에 대응한 측정대상체(200)의 표면에 수직한 Z축 방향에 대한 제1위상 이미지(Z1)와 제3중심파장(λ3)에 대응한 제3위상이미지(Z3)의 위상 차이(φ13=φ1-φ3))로부터 제1이미지 차이값(Z13)을 구한다.
즉, 먼저, 제1분할광(P1), 제2분할광(P3) 및 위상반전광(P2) 각각에 대해 알고 있는 중심파장을 기준으로 3개의 분할 스펙트럼을 각각 분리한다.
다음으로 분리된 각 스펙트럼에 대해 푸리에 변환을 수행한 후 측정대상체(200)에 해당하는 피크의 위상값을 추출한다.
이 과정을 거치면 3개의 중심파장에 대한 위상 데이터가 얻어진다.
이후, 제1분할광(P1)과 제2분할광(P3) 각각의 중심파장 λ1, λ3에 해당하는 제1 및 제3위상 이미지의 차이(Z1-Z3)로부터 새로운 위상 이미지 Z13을 얻는다. 이 때 차이가 0 보다 작을 경우에는 2π를 더하여서 계산한다.
새로운 위상 이미지 Z13은 앞서 수학식 1 및 2에서와 같이 새로운 파장 Λ13(λ1λ3/lλ1-λ3l)에 의한 위상 프로파일에 해당하며 다음과 같이 수학식3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112013114061056-pat00003
마찬가지 방식에 의해 측정부(180)는 위상반전광(P2)의 제2중심파장(λ2)에 대응한 제2위상 이미지(Z2)와 제3위상 이미지(Z3)의 위상 차이(φ23)로부터 제2이미지 차이값(Z23)을 구한다.
즉, λ2, λ3에 해당하는 제 2 및 제3 위상 이미지의 위상 차이(φ23)로부터 새로운 위상 이미지 Z23를 새로운 파장 Λ23(λ2λ3/lλ2-λ3l)과의 관계에서 아래의 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
Figure 112013114061056-pat00004
또한, 측정부(180)는 제1이미지 차이값(Z13)과 제2이미지 차이값(Z23)의 위상차이로부터 제3이미지 차이값(Z13-23)를 구하여 최종 이미지를 결정한다.
여기서, 제3이미지 차이값이 얻고자 하는 측정대상체(200)의 이미지 정보에 해당한다.
즉, 앞서 계산된 Z13과 Z23의 위상 차이(φ13-23)으로부터 다시 새로운 위상 이미지 Z13-23을 얻는다. 이 이미지는 새로운 파장Λ13-23(Λ13Λ23/lΛ13-Λ23l)으로 계산할 수 있으며, 결과는 Λ12 와 동일하다. 즉 위상 이미지 Z13 -23은 아래의 수학식5와 같다.
Figure 112013114061056-pat00005
바람직하게는 위상 이미지 Z13 -23은 Λ13의 정수배를 구하여서 그 결과를 위상 이미지 Z13에 더하여 최종 위상 이미지(Zfinal)를 얻는다. 이 때 Z13 -23과 Zfinal을 비교하여 그 차이가 Λ13보다 크거나 작을 경우 Λ13을 더하여 준다.
따라서 최종이미지(Zfinal)는 잡음 레벨이 Z13 와 동일한 수준이며, 최대 측정범위는 Λ12/2m(m은 자연수)이 된다. 새로운 파장 Λ12 는 2개의 분할만 행하였을 때의 파장 Λ13보다 크기 때문에 위상래핑(phase wrapping) 없이 측정가능한 범위가 증가하며, 잡음 수준은 Λ13과 동일한 수준이 된다.
이러한 위상광 측정 시스템(100)은 광원부(100)에서 출력되는 광의 파장 대역에 대해 대역을 등분되게 2분할한 제1분할광(P1)과 제2분할광(P3) 외에 위상반전된 위상 반전광(P2)을 얻을 수 있어, 측정범위가 확장되면서도 위상 잡음은 증가하지 않는 장점을 제공한다.
즉, 앞서 설명된 바와 같이 광원부(110)에서 출사되는 광을 스펙트럼 분할 방식에 의해 단순히 2분할할 경우와 비교시 분할 대역폭은 감소되지 않고 동일하면서 3개의 스펙트럼으로 분할된 광을 이용할 수 있어 위상잡음은 증가되지 않고 해상도를 높일 수 있다.
즉, 앞서 도 5 내지 도 7을 통해 설명된 바와 같이 제2광커플러(161)에서 가우시안 분포형태로 출력되는 제1분할광(P1), 제2분할광(P3) 및 위상 반전광(P2) 각각의 대역폭은 모두 동일하고, 분리된 대역은 서로 다른 중심파장(λ1, λ2, λ 3)을 가진다. 각각의 대역폭은 사냑 간섭계 내의 복굴절부(135)의 길이에 의해 발생하는 경로차에 의해 조절할 수 있다. 또한 각각의 중심파장은 사냑 간섭계 내의 편광 조절기(138)를 통해 변경이 가능하다.
이와 같이 본 발명에 다르면, 분할 및 위상반전된 광의 중심파장으로부터 새로운 중심파장(Λ)을 간단히 계산할 수 있으며, 새로운 중심파장(Λ)은 2개의 분리된 스펙트럼을 가진 광원보다 긴 파장을 가지면서 위상 잡음은 2개의 분리된 스펙트럼의 경우와 동일한 수준을 유지한다.
또한, 광원부(110))에서 이미 분리된 스펙트럼을 가지는 빛을 사용함으로써 간섭계와 측정부는 기존 위상 광측정기를 그대로 사용할 수 있어 측정이 간단해진다.
또한, 3개의 분리된 스펙트럼을 가진 빛을 측정하는 시간이 기존과 비교하여 동일하며 이후의 알고리즘이 간단하여 측정부의 연산 부담이 최소화 된다.
또한, 편광조절기(138)의 조절을 통해 3개 스펙트럼의 중심파장의 변경이 가능하여 측정범위의 변경이 간편하다.
110: 광원부 120: 대역분할부
141: 지연부 160: 처리부

Claims (10)

  1. 광을 출사하는 광원부와;
    상기 광원부에서 출사된 광의 대역폭을 복수개의 대역폭으로 분할한 분할광과, 상기 분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 생성하고, 상기 분할광과 상기 위상반전광을 상호 다른 경로로 출력하는 대역분할부와;
    상기 분할광과 상기 위상반전광이 상호 간섭되지 않도록 상기 분할광의 출력경로 또는 상기 위상반전광의 출력경로상에 설치되어 전송시간을 지연시켜 출력하는 지연부와;
    상기 대역분할부에서 직접 출력되는 광과 상기 대역분할부에서 상기 지연부를 거쳐 지연되어 출력되는 광을 측정대상체에 조사하고, 상기 측정대상체로부터 반사된 광을 검출하여 처리하는 처리부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 위상광 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지연부는
    상기 위상반전광의 출력경로상에 설치된 것을 특징으로 하는 위상광 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 대역분할부는
    상기 광원부로부터 제1입력단을 통해 입력된 광을 제1 출력단과 제2출력단을 통해 분배하고, 상기 제1출력단과 상기 제2출력단을 상호 연결하는 루프상에 복굴절소재로 된 복굴절부를 통해 상호 반대방향으로 경유하면서 상기 광원부에서 출사되는 대역의 광을 대역 분할한 제1분할광과 제2분할광을 생성하여 제3출력단을 통해 출력하고, 상기 제1분할광과 제2분할광에 대해 위상이 반전된 위상반전광을 상기 제1입력단을 통해 출력하는 대역분할 간섭계와;
    상기 광원부에서 출사된 광을 상기 제1입력단으로 입사되게 하고, 상기 제1입력단에서 출력되는 상기 위상반전광을 상기 지연부에 입사되게 하는 광로 조정부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 위상광 측정시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 대역분할 간섭계는
    일측에 상기 제1입력단과 제3출력단이 마련되고, 타측에 상기 제1출력단과 제2출력단이 마련된 제1광커플러와;
    상기 제1출력단과 상기 복굴절부의 일단 사이에 접속된 제1광섬유와;
    상기 제2출력단과 상기 복굴절부 타단 사이에 접속된 제2광섬유와;
    상기 제2광섬유 상에 설치된 편광조절기;를 구비하고,
    상기 광로조정부는 광서큘레이터가 적용된 것을 특징으로 하는 위상광 측정시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 처리부는
    상기 제3출력단에서 출력되는 제1 및 제2분할광과, 상기 지연부에서 출력되는 위상반전광을 각각 입력받아 중계단을 통해 출력하는 제2광커플러와;
    측정대상체에 전송된 광을 조사하고, 상기 측정대상체로부터 반사된 광을 역으로 전송할 수 있도록 된 프로브부와;
    상기 제2광커플러에서 출력되는 광을 입사받아 상기 프로브부를 통해 전송하고, 상기 프로브부를 통해 입사된 광을 메인 검출단으로 출력하는 제3광커플러와;
    상기 메인 검출단에 접속되어 입사된 광을 검출하는 광검출부와;
    상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 측정대상체에 대한 정보를 취득하는 측정부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 위상광 측정 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광로조정부는 광서큘레이터가 적용되고,
    상기 지연부는 상기 광서큘레이터와 상기 제2광커플러 사이에 접속되어 광을 전송하되 상기 제3출력단으로부터 상기 제2광커플러로 이어지는 제1광경로보다 경로가 길게 연장된 지연용 광섬유로 형성된 것을 특징으로 하는 위상광 측정시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광원부는 시간에 따라 파장이 가변되는 광을 출력하는 파장가변광원이 적용되고,
    상기 광검출부는 포토다이오드가 적용된 것을 특징으로 하는 위상광 측정시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 광원부는 대역폭을 갖는 광을 출사하는 광대역 광원이 적용되고,
    상기 광검출부는 스펙트로미터가 적용된 것을 특징으로 하는 위상광 측정시스템.
  9. 가. 광원부에서 출사된 광의 대역을 분할한 분할광과, 상기 분할광에 대해 위상반전된 위상반전광을 생성하는 단계와;
    나. 상기 분할광과 위상반전광이 간섭되지 않게 시간적 차이를 두어 프로브부를 통해 측정대상체에 출사하는 단계와;
    다. 상기 측정대상체에서 반사되어 프로브부를 통해 입사되는 광을 검출하여 측정대상체의 정보를 취득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상광 측정방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가단계는 상기 광원부에서 출사된 광의 대역을 2분할한 제1분할광과 제2분할광을 생성하는 사냑간섭계가 적용되고,
    상기 다 단계는
    다-1. 상기 제1분할광의 제1중심파장(λ1)과, 상기 제2분할광의 제3중심파장(λ3)과, 상기 위상반전광의 제2중심파장(λ2) 중 제1중심파장에 대응한 제1위상 이미지(Z1)와 제3중심파장에 대응한 제3위상이미지(Z 3 )의 위상 차이(φ13)로부터 제1이미지 차이값(Z13)을 구하는 단계와;
    다-2. 상기 위상반전광의 제2중심파장(λ2)에 대응한 제2위상 이미지(Z1)와 상기 제3위상 이미지(Z3)의 위상 차이(φ23)로부터 제2이미지 차이값(Z23)을 구하는 단계와;
    다-3. 상기 제1이미지 차이값과 상기 제2이미지 차이값의 위상차이로부터 제3이미지 차이값(Z13-23)를 구하여 최종 이미지를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상광 측정방법.
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