간 섭 계 (干涉計, Interferometer)
1. 개 요
가. 정 의
동일 광원으로부터 빛이 프리즘에 의해 분해되고, 재합성될 때 광행로(光行路)의 차이에 의해 명암의 무늬가 생기는 현상을 간섭이라 하며,
그 간섭무늬(Fringe)를 관측하여, 길이, 거리, 두께 등을 측정하는 장치.
빛의 파장의 정밀 측정을 비롯하여 얇은 막의 두께나 스펙트럼 선형의 측정, 고분해능 분광계 등에 널리 응용된다.
나. 원 리
Michelson Interferometer
광원(光源)에서 나온 빛은 렌즈 L1에 의해 평행광선이 되어 반투명거울 M1에서 2개의 광선속(光線束)으로 나뉘어 그 하나(광선 1)는 보정판(補正板) C를 지나 평면거울 M2에서 반사되어 M1로 되돌아오고 다른 하나(광선 2)는 M3에서 반사되어 M로 되돌아와 두 광선은 렌즈 L2의 초점 P에 결상(結像)되어 서로의 광행로차(光行路差)에 따라 간섭을 일으킨다.
간섭의 방법은 P점의 광축(光軸)에 대한 위치, 즉 기울기에 의존하므로 여러 개의 등경각 간섭(等傾角 干涉) 동심원이 생긴다. 이때 M2, M3의 상대적 위치를 바꾸면 동심원인 간섭무늬는 중심에서 밝아졌다 어두워졌다 하는데, 이 명암의 횟수와 빛의 파장 사이에는 상관관계가 있어 그 횟수를 세면 빛의 파장을 알 수 있다.
한편, 파장을 알고 있는 단일파장의 단색광을 쓰면 극히 얇은 막의 두께도 측정할 수 있다. 이를테면 두께 d인 막을 광선 1이나 광선 2 중 어느 하나의 경로에 넣 으면 빛의 광행로차는 2(n－1)×d가 된다. n은 막재료의 굴절률이며, 이것을 알면 d를 구할 수 있다.
마이컬슨은 이 간섭계를 사용하여 카드뮴이 발하는 적색광의 파장(파장: 643.84696nm)과 미터원기(原器, Prototype Meter)의
길이를 비교하였다.
Fizeau의 빛의 속도 측정 원리
1849년에 프랑스 과학자 피조는 지표 상에서 빛의 속도를 측정하는 방법을 고안하였다. 그는 멀리 떨어져 있는 거울에 개별적인 빛의 펄스를 보낼 수 있도록 광원 앞에 빨리 도는 톱니 바퀴를 사용하였다. 거울은 이 펄스를 다시 톱니바퀴로 반사시킨다. 펄스가 톱니바퀴로 되돌아 왔을 때, 톱니바퀴는 이미 더 돌아 톱니바퀴의 위치에 따라 펄스가 차단되거나 통과하여 관측자에게 오게 된다.
피조는 톱니바퀴와 거울 사이의 거리를 정밀하게 측정하였고, 되돌아온 펄스를 관측하게 하여주는 톱니바퀴의 회전수를 측정하였다. 이러한 방법으로 피조는 빛의 속도를 3.15X108m/sec로 측정하였다. 이는 현재 빛의 속도로 받아들여지는 값에서 수 퍼센트 이내의 값이다.
나. 종류
종류는 간섭 분광기와 간섭 굴절계의 두 가지로 나뉜다.
ㅇ. 간섭 분광기: 스펙트럼의 미세 구조를 보기 위한 장치.
ㅇ. 간섭 굴절계: 간섭무늬의 위치를 측정하여 간삽을 일으키는 빛의 광행로차를 정밀히 구하고, 그것을 이용하여 기체의 굴절률을 측정하는 장치.
2. ISIS의 Interferometer 소개
가. 원리 (기능/절차)
1. 물체에서 반사되어 나온 광대역 광선을 Sensor가 광학적으로 기호화(Encoding).
-물체까지의 거리와 직접적으로 관련이 있음.
2. 시그널 정보는 물체를 비추는 동일 광섬유 케이블을 통하여 Evaluation Unit에 전달됨.
Evaluation Unit는 LAN, USB 혹은 Serial Interface를 통하여 Data Stream을 외부 Control Unit
혹은 Computer/Lapt에 제공함.
3. 광전자 변환, 증폭 그리고 디지털 신호 처리장치(DSP)에서의 처리후에는 해당 시그널 정보를 외부에서 이용할 수 있음.
4. 암호 해독장치(Decoder Unit) 안에서 광섬유 파라미터들이 급속히 순차 변환함으로써 깊이 Scan (단층 사진), Layer
정보 혹은 도량학적인 형상(단층사진)을 Sub-ms의 속도로 처리함.
| 분 야 |
제 품 |
용도 / 측정 대상 / 특징 |
Multi-Foils /
Multi-Coatings |
80s
300s
380s |
o. 압출중인 Multi Foil 각각의 Layer 두께.
o. Packaging의 Layer 혹은 미세 결함.
o. Wet / Dry 상태의 Coating / Painting.
<피측정물의 특징>
- 속도 : 수 100 미터/분.
- 급속한 변이: 피측정물의 Fluttering.
- 표면품질: Smooth한 것 ~ Rough한 것.
- Layer 소재: 투명 ~ 불투명
- 색상: 거의 영향 없음(예외: Deep Carbon Black)
- 급속 이동 피측정물의 최대 두께: 300㎛(Multiple Layer), 800㎛(Single Layer)
- 완속 이동 피측정물의 최대 두께: 2mm
- 미세 결함의 최소 크기: 2-5㎛ |
Wafer /
Electronics |
WI-21 |
o. Backgrinding후의 Wafer 두께.
o. Wafer의 2차 평면 (비틀린 面) / Wafer의 적층 두께
o. MEMS분야의 Layer 및 분포
o. Solder Bump (높이, 위치)
<피측정물의 특징>
- 표면품질: Smooth한 것 ~ Rough한 것.
- 보호 Foil 이나 Wafer 전단의 Bump는 측정에
영향을 미치지 않음.
- 각 Wafer Layer 두께 해상도: > 4㎛.
- 적층 Wafer 측정 가능.
- 아무리 작은 Bump와 MEMS 구조라도 가능.
- 최대 Layer 두께: 고속 Acquisition : 360㎛
저속 Acquisition : 800㎛ |
Automotive /
Machined Parts |
80p
|
o. 정밀 기계가공 부품: Crankshaft, Camshaft
o. 소형의 복잡한 3D Free-form
o. (Laser) Drill Holes
<피측정물의 특징>
- 표면품질: Smooth한 것 ~ Rough한 것.
- 대상물: With or without Lacquering / Coating
- 3D 형상은 10㎛까지 측정
- 내부측정: Bore Hole 직경 < 1mm, Aspect Ratio > 1/30 |
| 80i |
o. Injection Valves / Air Nozzle (항공기 터빈)
o. 전자 부품 : Drilling Holes, Closing Caps
<피측정물의 특징>: 80p / 300p와 동일. |
Microsystems /
Molding |
80p
300p |
o. 정밀기계가공부품 or 금형용 Tooling Parts
o. 소형의 복잡한 3D Free-forms: 금형
o. Laser Drill Holes |
| 80i |
o. 소형의 복잡한 금형
o. Micro-channel Component(의학 기술용). |
Version
s-Version : 주로 Layer 측정.
p-Version : 주로 기하학적 형상: 예, 형상, 조도, 미세 결함.
i-Version : 좁은 내부 공간의 기하학적 평면.
제목: 간섭계 (干涉計, Interferometer)
