KR200355431Y1

KR200355431Y1 - 프리즘 커플러

Info

Publication number: KR200355431Y1
Application number: KR20-2004-0011380U
Authority: KR
Inventors: 최태일; 김한수; 김동호; 전건익
Original assignee: 케이 비 광통신 주식회사
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2004-07-06

Abstract

본 고안은 광학박막의 굴절률과 두께 및 광의 전파손실을 측정하는 장치로서 두께가 1~30㎛인 유전체 박막의 경우에는 두께와 굴절률 및 전파손실을 동시에 정밀하게 측정할 수 있고, 두께가 1~150㎛에 이르는 두꺼운 후막과 일반 벌크(Bulk)형 재료나 액체 재료인 경우는 굴절률을 측정할 뿐만 아니라 광학 부품의 각도를 측정할 수 있는 프리즘 커플러에 관한 것이다.

본 고안은 신호광을 회전시키면서 입력하는 신호광원 입력부(100)와, 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광을 프리즘을 통해 피측정물에 입사시키고 반사된 출력광을 측정하는 프리즘 및 손실측정 지지대(300)와, 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광을 광분배기(140)를 통해 분배하여 두꺼운 피측정물(후막)의 두께를 측정하는 각도측정부(200)가 포함되며, 상기 각도측정부(200)는 피측정물인 박막, 후막, 벌크막 또는 각도를 측정하기 위한 광학부품등이 놓여지는 각도측정대(220)와, 상기 각도측정대(220)의 높낮이를 조절하는 높이조절용 레버(230)와, 상기 각도측정대(220)의 피측정물에 반사되는 반사광을 검출하는 각도측정용 수광부(210)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

프리즘 커플러{PRISM COUPLER}

본 고안은 프리즘 커플러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학박막의 굴절률과 두께 및 광의 전파손실을 측정하는 장치로서 두께가 1~30㎛인 유전체 박막의 경우에는 두께와 굴절률 및 전파손실을 동시에 정밀하게 측정할 수 있고, 두께가 1~150㎛에 이르는 두꺼운 후막과 일반 벌크(Bulk)형 재료나 액체 재료인 경우는 굴절률을 측정할 뿐만 아니라 광학 부품의 각도를 측정할 수 있는 프리즘 커플러에 관한 것이다.

프리즘 커플러는 유기물 또는 무기물을 박막형태로 제작하였을 경우에 박막의 굴절률 및 두께를 레이져빔 및 광학부품을 이용하여 비파괴적으로 측정하는 장치이다. 상기 레이져빔을 이용한 신호광의 입사각을 달리하면서 프리즘의 사면을 통과한 후 프리즘의 바닥에 도달하게 되는데, 이 때 바닥에서 전반사를 하여 대부분은 프리즘의 맞은편에 위치한 검출기에서 전반사된 광을 검출한다. 그러나 특정한 입사각에서는 프리즘 밑면에서 전반사되는게 아니라 곧바로 아래의 피측정체(주로 박막임)로 광이 세어나가게 된다. 이른바 피측정체인 박막으로의 광의 결합(coupling)현상이 발생하면, 광의 누설로 말미앎아 검출기에 도달하는 광은 그 세기가 급격히 감소하게 된다. 이것은 프리즘에서 박막안으로의 광의 결합현상에의해 일어나는데, 특정 입사각으로 들어온 광은 박막에서 광의 도파조건을 만족하게 되며, 이 때문에 광검출기에서 검출되는 광의 강도가 현저히 줄어들게 된다. 상기 광의 결합현상은 여러개의 특정한 입사각도에서 만족하게 되므로 광의 강도가 현저히 줄어드는 극소점은 여러개 존재하게 된다. 광의 강도가 극소점이 되는 여러개의 수치를 얻은 후 이를 도파조건을 만족하는 수식에 대입하여 수치해석적인 방법으로 굴절률과 두께를 계산하여 측정한다.

국내 등록특허 제0352585호(발명의 명칭: 프리즘 커플러 장치 및 제어방법)는 프리즘 커플러에 관한 것으로, 특히 리니어 트랜스레이터(Linear Translator)를 이용하여 피측정물에 대하여 프리즘과 레이져를 정확히 배치시켜, 피측정물의 굴절률과 두께를 정확히 측정할 수 있는 장치 및 방법이 개시되어 있다.

상기와 같은 종래의 프리즘 커플러를 사용하여 굴절률을 측정하는 경우에는 프리즘에 피측정물을 부착한 후, 프리즘 밑면에서 광이 피측정체로 결합되지 않으면 전반사되어 광세기가 최대로 검출된 반면에 광이 피측정체에 결합되어 누설되면 검출기에서 광이 급속이 저하되는 원리를 이용하고 있다. 그러므로 광의 세기가 급속히 떨어지는 입사각을 결정하는 것이 무엇보다 중요하지만 입사광을 설정하는 기준점을 명확하게 설정하기가 어려운 문제점이 있다.

한편 종래의 프리즘 커플러는 프리즘 각도를 측정하는 기능이 없으며, 두꺼운 박막인 후막의 두께를 측정할 수 있는 기능이 복잡하다. 다시 말해 종래의 프리즘 커플러는 후막의 두께를 측정하기 위하여 프리즘을 프리즘 커플러로부터 제거하고, 측정할 후막을 공기흡입기를 사용하여 공기흡입기에 부착하여야 되는 번거로움이 있고, 두께를 측정하기 위한 기준점이 후막의 표면에 정확히 일치해야 되지만, 공기흡입기로 박막을 지탱하면 상기 기준점을 설정하기 매우 어려운 문제점이 있다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 고안의 목적은 레이져빔의 입사원점을 명확히 잡고, 두꺼운 박막인 후박을 측정함에 있어서 기존의 광학부품을 제거하고 새로운 장치를 부착하는 번거로움을 제거하고, 벌크재료의 굴절률을 TM 모두드의 브루스터각을 이용하여 구하며 광학부품의 모서리진 부분의 각도를 측정하기 위하여 신호광(입사광)의 광경로상에 광분배기(Beam splitter)를 두어 하나의 분배된 광으로는 박막의 두께 및 굴절률을 측정하고, 나머지 하나의 분배된 광으로는 두꺼운 두께를 갖는 후막의 두께, 벌크재료의 굴절률 및 광학부품의 모서리진 부분의 각도를 측정할 수 있는 프리즘 커플러를 제공하는 것이다.

도1은 본 고안의 일실시예에 의한 프리즘 커플러의 개략적인 구성도,

도2는 본 고안의 일실시예에 의한 프리즘 커플러에서 신호광의 광경로를 설명하기 위한 설명도,

도3은 본 고안에 의한 프리즘 커플러의 박막과 후막의 두께측정 및 광학부품의 모서리 부분의 각도측정을 위한 설명도,

도4는 본 고안에 의한 프리즘 커플러의 굴절률 및 박막의 두께측정을 위한 설명도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100: 신호광원 입력부 110: 회전가이드

120: 광원 130: 1차반사부

140: 광분배기 145: 영점 수광부

150: 2차반사부 160: 로터리 스테이지

200: 각도측정부 210: 각도측정용 수광부

220: 각도측정대 230: 높이조절용 레버

300: 프리즘 및 손실측정 지지대 310: 굴절률 및 두께측정대

320: 반사광 수광부 325: 전파손실측정 수광부

330: 피스톤 340: 프리즘

345: 피측정물

본 고안은 일정한 파장을 갖는 신호광(입사광)을 피측정물에 입사시키고, 프리즘 밑면에서 반사되는 출력광을 측정하여 굴절률과 두께를 컴퓨터에 의해 계산측정하는 프리즘 커플러로써 상기 신호광을 회전시키면서 입력하는 신호광원 입력부(100)와, 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광을 프리즘을 통해 피측정물에 입사시키고 반사된 출력광을 측정하는 프리즘 및 손실측정 지지대(300)와, 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광을 광분배기(140)를 통해 분배하여 두꺼운 피측정물(후막)의 두께를 측정하는 각도측정부(200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는 상기 각도측정부(200)에 상기 신호광원 입력부(100)의 회전축상에 피측정물인 박막, 후박, 벌크막 및 각도를 측정하고자 하는 광학부품이 놓여지는 각도측정대(220)와, 상기 각도측정대(220)의 높낮이를 조절하는 높이조절용 레버(230)와, 상기 각도측정대(220)의 피측정물에 반사되는 반사광을 검출하는 각도측정용 수광부(210)가 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 고안은 일정한 파장의 신호광을 피측정물에 입사하여 반사되는 반사광을 검출하여 박막의 굴절률과 두께를 측정하는 프리즘 커플러로써, 상기 신호광의 경로상에 광분배기를 두어 입사광의 기준점을 정밀하게 설정하고, 동시에 후막의 두께, 벌크막의 굴절률, 광학부품의 각도를 측정하는 각도측정부를 구비하여 새로운 부품을 갈이끼우는 불편함이 없이 박막의 굴절률과 두께, 후막의 두께, 벌크재료의 굴절률 및 광학부품의 각도만을 측정할 수 있는 프리즘 커플러를 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 프리즘 커플러를 상세히 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있으며, 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도1은 본 고안의 일실시예에 의한 프리즘 커플러의 개략적인 구성도이고, 도2는 본 고안의 일실시예에 의한 프리즘 커플러에서 신호광의 광경로를 설명하기 위한 설명도이며, 도3은 본 고안에 의한 프리즘 커플러의 박막과 후막의 두께측정 및 광학부품의 모서리 부분의 각도측정을 위한 설명도이고, 도4는 본 고안에 의한프리즘 커플러의 굴절률 및 박막의 두께측정을 위한 설명도이다.

본 고안의 바람직한 실시예에 의한 프리즘 커플러는 상기 도1 내지 도4에 도시된 바와 같이, 일정한 크기의 프레임(50)에, 일정한 파장을 갖는 신호광을 회전시키면서 입력하는 신호광원 입력부(100)와, 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광을 프리즘을 통해 피측정물에 입사시키고 반사된 출력광을 측정하는 프리즘 및 손실측정 지지대(300)와, 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광을 광분배기를 통해 분배하여 두꺼운 박막의 두께, 벌크재료의 굴절률 그리고 광학부품의 각도를 측정하는 각도측정부(200)를 포함하여 구성된다. 이 때 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광의 종류는 선택적으로 할 수 있고, 상기 프리즘 및 손실측정 지지대(300)와 각도측정부(200)를 통한 검출신호에 의해 박막의 굴절률과 두께의 수치해석은 도시되지 않은 컴퓨터를 통해 수행한다.

상기 신호광원 입력부(100)는, 상기 프레임(50)에 고정되는 로터리 스테이지(160)와, 상기 로터리 스테이지(160)의 일측에 연결되어 상기 프리즘 및 손실측정 지지대(300)와 각도측정부(200)에 일정한 신호광을 출력하며, 상기 로터리 스테이지(160)의 제어에 의해 일정 속도로 회전되는 회전가이드(110)로 구성된다. 또한 상기 회전가이드(110)에는 상기 신호광을 출력하는 복수개의 광원(120)과, 상기 광원(120)의 신호광을 전반사시키는 제1반사부(130)와, 상기 제1반사부(130)를 통한 신호광을 일부분은 상기 각도측정부(200)에 출력시키고 일부분은 통과되도록 분배시키는 광분배기(Beam spliter:140)와, 상기 광분배기(140)를 통한 신호광을 상기 프리즘 및 손실측정 지지대(300)에 출력되도록 전반사시키는 제2반사부(150)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 광분배기(140)의 일측에는 상기 제2반사부(150)를 통해 반사된 신호광을 검출하는 영점 수광부(145)가 더 포함되어 구성된다. 상기 신호광원 입력부(100)는 외부의 컴퓨터에 의해 제어되며, 상기 광원(120)은 635㎚, 1310㎚, 1350㎚의 파장등 다양한 광원을 사용할 수 있다.

상기 각도측정부(200)는 피측정물인 박막, 후막, 벌크막 또는 각도를 측정하기 위한 광학부품등이 놓여지는 각도측정대(220)와, 상기 각도측정대(220)의 높낮이를 조절하는 높이조절용 레버(230)와, 상기 각도측정대(220)의 피측정물에 반사되는 반사광을 검출하는 각도측정용 수광부(210)를 포함하여 구성된다.

상기 피측정물은 두께가 0.1㎛에서 30㎛인 것을 박막이라 칭하고, 두께가 박막의 영역에서부터 약 150㎛에 이르는 두꺼운 막을 후막이라 칭한다. 상기 각도측정대(220)에 놓인 피측정물은 도2에 도시된 바와 같이 로터리 스테이지(160)의 회전축과 일치되도록 먼저 높이조절용 레버(230)을 조절하게 된다. 그 후 회전축과 일치되면, 상기 로터리 스테이지(160)를 회전시키면서 광원(120)으로부터 신호광을 출력시키며, 출력된 신호광은 광분배기(140)를 통해 피측정물에 입사된다. 입사된 신호광은 반사되어 각도측정용 수광부(210)에 의해 광의 세기를 측정하게 된다. 이 때 상기 두께의 측정은 VAMFO(Variable Angle Monochromatic Fringe Observation)방법으로 박막에 입사한 단색광의 각도를 변화시키면서 발생한 간섭무늬의 최대값과 최소값의 위치로부터 두꺼운 박막인 후막의 두께를 측정하게 된다. 한편 여기에 벌크막을 두면 TM모우드의 특정한 회전각에서 반사율이 최소로 측정 되는데, 이 각을 브루스터각(brewster angle)이라 하며, 상기 브루스터각으로부터벌크막의 굴절률이 결정된다. 그리고 동일한 위치에 측정하고자 하는 광학부품을 두면 모서리의 2면에 광이 수직하게 입사되면 약 4%가 반사되는데, 이 반사광을 2면에서 측정하면 모서리의 각도도 측정할 수 있게 된다.

상기 프리즘 및 손실측정 지지대(300)는 피측정물이 프리즘에 밀착되도록 장착되는 굴절률 및 두께측정대(310)와, 상기 프리즘에 의해 반사되는 반사광을 검출하는 반사광 수광부(320)와, 상기 피측정물을 통해 반사되는 반사광을 검출하는 전파손실실측정 수광부(325)와, 상기 피측정물을 일정한 압력으로 상기 프리즘에 밀착시키는 피스톤(330)을 포함하여 구성된다. 상기 피스톤(330)은 도2에 도시된 바와 같이 일정한 압력으로 피측정물(345)을 프리즘(340)에 밀어주기 때문에 피측정물(345)에 관계없이 프리즘(340)에 밀착시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 동작 효과를 설명하면, 먼저 피측정물의 두께와 굴절률을 측정하기 위해 프리즘 및 손실측정 지지대(300)에 피측정물(345)을 피스톤(330)을 작동시켜 프리즘(340)에 밀착되도록 안착시킨다. 이 때 프리즘(340)에 입사되는 입사각이 0도가 되도록 기준점을 먼저 정하게 된다. 일반적으로 프리즘(340)에 기준점이 수직되게 되는 경우에는 입사광의 약 4%가 반사된다. 상기 반사된 반사광은 2차반사부(150)를 통해 광분배기(140)로 조사되고, 조사된 반사광은 영점 수광부(145)를 통해 검출하여 정확한 기준점(14)을 설정하게 된다.

그 후 도4에 도시된 바와 같이 기준점(14)에 대하여 입사광(16)을 입사각(θ_i)에 따라 변화시키면서 입사하면, 프리즘의 굴절률(np)에 따라프리즘(340)의 외부의 반사광 수광부(320)를 통해 프리즘(340)의 밑면에서 전반사된 광을 검출한다.

그리고 프리즘(340)에서 Z축(박막에서 수평축)방향으로의 레이저빔의 전파상수 k_Z는 박막(12)에서의 고유전파상수와 같을 때, 반사광 수광부(320)에서 검출된 빛의 세기는 극소치로써 피크(peak)를 이루게 된다.

k_Z= k_On_Psin[θ_P- sin^-1(sin (θ_i/n_P))]

여기서, k_O는 광원의 파장이고, n_P는 프리즘의 굴절률, θ_P는 프리즘의 각도, θ_i는 입사각(16)이다.

다시 말해 신호광의 광파의 전이가 프리즘(340)으로부터 박막(12)으로 발생한다는 원리에 기반을 두고 있다. 이 때에 광이 박막(12)으로 전이되기 위하여 프리즘의 굴절률이 반드시 박막의 굴절률 보다 커야 한다는 것이다. 이것은 전자기 경계조건에 의한 이미 알려진 결과이어서 자세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 측정값을 통해 극소 피크(peak)점을 적어도 두 개이상 구하여 그 피크점에 해당되는 값을 상기 수학식1을 통해 박막의 굴절률 n과 두께 T를 구할 수 있다.

한편, 박막, 후막 또는 벌크막의 두께를 측정하는 경우에는 피측정물을 각도측정대(220)에 안착시키고, 광분배기(140)를 통해 신호광을 입사시킨다. 즉, 도3에 도시된 바와 같이, 두께가 T인 박막(12)에 기준점(14)을 기준으로 입사광(16)을 입사각(θ_i)에 따라 입사시키면 박막(12)에 반사되는 반사광(18)을 각도측정용 수광부(210)에서 검출한다. 이러한 것은 위층에서 반사된 광과 아래층에서 반사된 광 간에 소멸 및 보강간섭 조건을 사용하여 박막의 두께를 수치해석하여 측정한다. 한편, 여기에 벌크막을 두면 TM모우드의 특정한 회전각에서 반사율이 최소로 측정되는데, 이각을 브루스터각이라 하며, 브루스터각으로부터 벌크막의 굴절률이 결정된다. 그리고 동일한 위치에 모서리의 각도를 측정하고자 하는 광학부품을 두면 모서리의 2면에 광이 수직하게 입사되면 약 4%가 반사되는데 이 반사광을 2면에서 측정하면 모서리의 각도도 측정할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 고안에 따르면 첫째 광분배기를 신호광의 경로상에 삽입하므로써 정확한 입사원점의 위치를 정할 수 있고, 둘째 후막에서 두께를 측정함에 있어서 정밀도증가 및 방법의 편리함을 추구하며, 셋째 벌크막의 굴절률을 브루스터각을 이용하여 측정할 수 있는 편리함이 있고, 광학부품의 각도를 로터리 스테이지의 분해능의 한계까지 측정할 수 있으며, 네째 부품을 갈이 끼울 필요가 없어서 측정기계로서의 기구적 안전성을 높일 수 있다.

Claims

일정한 파장을 갖는 신호광을 피측정물에 입사시키고, 프리즘 밑면에서 반사되는 출력광을 측정하여 굴절률과 두께를 컴퓨터에 의해 계산측정하는 프리즘 커플러에 있어서,

상기 신호광을 회전시키면서 입력하는 신호광원 입력부(100)와, 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광을 프리즘을 통해 피측정물에 입사시키고 반사된 출력광을 측정하는 프리즘 및 손실측정 지지대(300)와, 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광을 광분배기(140)를 통해 분배하여 두꺼운 피측정물(후막)의 두께를 측정하는 각도측정부(200)가 포함되며,

상기 각도측정부(200)는 피측정물인 박막, 후막, 벌크막 또는 각도를 측정하기 위한 광학부품등이 놓여지는 각도측정대(220)와, 상기 각도측정대(220)의 높낮이를 조절하는 높이조절용 레버(230)와, 상기 각도측정대(220)의 피측정물에 반사되는 반사광을 검출하는 각도측정용 수광부(210)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리즘 커플러.