조선대학교 광연구실 - LabVIEW를 이용한 광 위상간섭 무늬 관측

Author(s):
김도형 대학원생 - 조선대학교 광기술공학과 대학원

Industry:
Electronics

Products:
LabVIEW, Data Acquisition

The Challenge:
LabVIEW를 이용하여 광 위상간섭 무늬를 관측한다.

The Solution:
레이저의 두빔의 중첩되어 간섭무늬를 형성 하게 된다. 형성된 간섭무늬는 그림[2]의 LabVIEW 프로그램을 이용 CCD 카메라에 의해 영상이 프레임 그래버 즉 이미지보드(PCI-1409)를 사용하여 영상을 얻어 측정한다.

1.광 위상간섭의 원리
빛의 파동성은 여러 형태의 간섭을 유발한다. 이중 정밀 길이측정에는 광위상간섭(phase meas- uring interferometry)의 원리가 대표적으로 이용된다. 그림 1은 광위상간섭의 기본원리를 Michelson 광학계를 이용하여 설명하고 있다. 하나의 동일한 광원으로부터 출발된 광속(optical beam)은 광분할기(beam splitter)에 의해 두 개로 광속으로 분리된다. 그리고 각각의 광속은 서로 다른 광경로를 거쳐 반사물체인 거울에 입사되고 다시 반사된 후 광분할기에 의해 합성된다. 이때 합성되는 각각의 광속은 서로 다른 광경로에 의해 위상차(phase difference)를 갖게 된다. 광위상차에 의한 간섭현상은 합성된 광속의 광강도(intensity)를 수광소자를 통해 측정함으로써 관측하게 된다. 합성광속은 위상차가 0일 경우 진폭이 처음 광속의 2배가 되며 이로부터 감지되는 광강도는 4배가 되는 보강간섭(constructive interference)을 일으킨다. 반면 합성되는 두 개의 광속이 180도의 위상차를 갖게 되면 서로 상쇄되어 합성광속의 광강도는 0이 되는 상쇄간섭(destructive interference)이 발생된다. 일반적인 경우로 위상차가 0에서 360 도 사이의 임의의 값을 갖게 되면 그림 1에서와 같이 합성광속의 광강도는 원래 광속이 갖는 파장의 1/2을 주기로 하는 조화함수로 표현된다. 광위상간섭에 의한 길이측정은 합성광속의 광강도를 측정하고 이로부터 위상차를 추정하는 과정을 통해 이루어진다. 그리고 추정된 위상차로부터 두 개의 광속이 갖는 광경로차를 앞서 설명한 합성광의 광강도 조화함수를 역으로 계산하여 얻게 된다. 광경로차는 광분할기로부터 각각의 광속에 대한 거울까지의 왕복거리의 차를 의미한다. 이때 하나의 거울을 고정하면 계산된 광경로차는 다른 하나의 광속의 경로에 의해서만 결정된다. 이로부터 광분할기로부터 고정되지 않은 반사거울까지의 거리를 구할 수 있게 된다. 일반적으로 광위상간섭을 통해 추정할 수 있는 광의 위상차에 대한 정밀도는 사용되는 광학계의 정도와 수광소자를 포함하는 전자회로의 안정도에 의해 결정된다. 현재 광위상차의 측정 분해능은 파장의 1/20∼1/100 수준이며, 특별한 고려를 한 극한의 경우에는 1/2000까지 가능한 것으로 보고되고 있다. 일반적인 1/100 수준의 측정정밀도를 얻을 경우 0.6 마이크로미터 파장을 갖는 광원을 사용하면 6 나노미터의 분해능의 위상차를 얻을 수 있으며 측정광속이 광분할기와 반사거울을 왕복하는 점을 고려하면 반사거울의 상대거리를 3나노미터의 분해능으로 측정할 수 있다. 이는 광위상간섭을 통한 길이측정에 있어 손쉽게 나노미터 범위의 측정분해능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

그림[1] Michelson 광학계

2. 광위상간섭법을 이용한 간섭무늬 프로파일을 측정
레이저의 두빔의 중첩되어 간섭무늬를 형성 하게 된다. 형성된 간섭무늬는 그림[2]의 LabVIEW 프로그램을 이용 CCD 카메라에 의해 영상이 프레임 그래버 즉 이미지보드(PCI-1409)를 사용하여 영상을 얻어 측정한다.

그림[2] LabVIEW 프로그램을 이용한 프로파일 작성

그림[3]과 같이 레이저를 이용한 간섭무늬를 이용하여 다른 응용분야에 적용할 수 있다. 간섭무늬 영상에 직접 프로파일을 실시간으로 측정과 사용자가 볼 수 있으므로 효과적인 측정을 할 수 있을 것이다.

그림[3] 레이저를 이용한 간섭무늬 실시간 프로파일 측정

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김도형 대학원생
조선대학교 광기술공학과 대학원

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