Interferometry for optical testing has evolved according to the industrial demands such as semiconductor or large-scale optics and there are still some challenges that the interferometric metrology should solve. They are aspheric optics testing, highly accurate and environmentally robust measurement. This thesis is devoted to solve those problems and propose new interferometers with higher accuracy and vibration insensibility. In an effort to make more accurate interferometer, the oblique fiber optic diffraction interferometer was developed. And as a vibration insensitive interferometer, the fringe-stabilized fiber optic diffraction interferometer is presented. The main idea or key component of those interferometers is commonly a single-mode fiber. Optical fiber has various applications and full field optical testing interferometers found breakthroughs in single-mode fibers since they were known to generate near-perfect spherical waves. Wavefront sphericity from single-mode fibers, however, has not been thoroughly investigated enough to verify their uses in high precision metrology. This thesis deals with those issues in theoretical and experimental points of view, and some practical matters about the fabrication of the single-mode fiber source are included. In addition, nonparaxial Fresnel diffraction formula is derived, which predicts the diffraction field from single-mode fibers with unprecedented accuracy other than numerical solutions. The oblique fiber optic diffraction interferometer is presented as an application of the oblique fiber source and a large scale spherical mirror was successfully tested. Next, the fringe-stabilized fiber optic diffraction interferometer is proposed as a promising solution to the vibration insensitive on-machine measurement. Actual embodiment and some measurement results are presented.
광 간섭계는 광학부품을 측정 및 평가하는데 반드시 필요한 장비로서 광부품 가공기술과 더불어 발전해왔다. 현재 광 간섭계가 당면하고 있는 과제는 크게 세가지로 분류할 수 있는데 비구면 측정기술, 보다 정밀한 측정방법, 그리고 진동 등의 환경변화에 둔감한 측정이 그것들이다. 반도체 노광기나 핵융합 장치를 구성하는 광학부품의 경우 기존의 간섭계보다 훨씬 정밀한 측정이 필요하고 따라서 새로운 측정방법 내지 측정기의 오차를 최소화 할 수 있는 연구들이 진행되고 있다. 또한 광부품의 생산 중에 가공오차를 바로 되먹임하기 위해서 진동에 둔감한 광 간섭계에 대한 수요가 평판 디스플레이나 반도체 웨이퍼, 대구경 연마분야에서 요구되고 있다. 본 논문은 상기의 당면과제들을 극복하기 위한 노력의 일환으로서 보다 정밀한 측정을 위해 ‘경사단면 광섬유를 이용한 점회절 간섭계’를 개발했고, 또한 진동 등의 외란에 둔감하고 실시간 측정이 가능한 ‘간섭무늬 안정화된 광섬유 점회절 간섭계’를 개발했다. 단일모드 광섬유는 두 간섭계 모두 공통적으로 사용하는 핵심부품으로서 끝 단에서 발산되는 구면에 가까운 회절광을 간섭 시 기준광으로 이용한다. 단일모드 광섬유를 이용한 간섭계는 이미 오래 전부터 있었지만 회절광의 등위상면, 즉 파면에 대한 연구는 수치모사나 극히 제한적인 이론식에 그쳤다. 본 논문은 단일모드 광섬유를 간섭계의 기준광원으로 사용하기에 앞서 구면파 정도를 규명하기 위해 실험적, 이론적 연구를 수행했다. 스칼라 레일리-좀머펠트 회절이론을 통해서 임의의 각도로 경사지게 가공된 단일모드 광섬유로부터의 회절광을 간단한 수식으로 유도했으며 이를 통해 구면파 정도를 이론적으로 검증했다. ‘경사단면 광섬유를 이용한 점회절 간섭계’는 이 결과를 바탕으로 계통오차를 최소화함으로써 측정 정밀도를 극대화할 수 있었다. ‘간섭무늬 안정화된 광섬유 점회절 간섭계’는 측정파면으로부터 기준광과 측정광을 나누는 공통경로 방식으로 측정물체의 진동에도 간섭무늬가 안정화되며 공간위상천이 장치를 구비하여 실시간 측정이 가능하다. 본 논문은 위의 두 간섭계를 새롭게 제안하며 다양한 실험결과와 응용분야를 제시한다.
