Transparent thin layered structure which is made by industrial fabrication process is widely adapted for the semiconductor, flat panel display, LED and solar cell industry. On the other hand, certain regions of human tissue such as retina, esophagus and heart vessels consist of thin layered structure with homogeneous cells. Therefore, it has been attempted to develop measurement tools to investigate the physical and chemical properties of thin layered structures. Among them, the optical measurement method is fascinated by high-speed cross-sectional measurement capability without destructing a sample. Thus, the optical method to investigate the thin layered structure has a big potential for the industrial and clinical applications.
The thesis is mainly devoted to the improved intereferometric systems for the measurement of thin layered structures. The improved optical measurement systems based on the fiber-based and full-field imaging interferometry are proposed for the two kinds of layered structures, respectively: in-vivo human retinal imaging and volumetric thickness profile of thin films. The SNR improvement was focused on the fiber-based spectral domain OCT system by using the pulsed illumination and the adaptive optics.
Lastly, a simultaneous measurement method for the total interference and self-interference of a sample is proposed. The proposed method is capable of making separate measurements of the three-dimensional thickness and surface profile of micro-patterned thin film. The system is an extension of a full-field wavelength scanning interferometer with a single acousto-optic tunable filter (AOTF) as a spectral imaging device. Separate measurements are realized via the polarization-sensitive diffraction of non-collinear acousto-optic interaction. That is, the diffraction angle of an AOTF is separated into different directions depending on the polarization state of the incident light. In so doing, the polarization states of a reference and a sample light were manipulated differently so that a single AOTF can generate the total interference and the self-interference signal in different directions simultaneously. Thus, a compact and light-efficient system is realized with an AOTF, a beam splitter and two CCDs. Details of the calibration procedure and results are provided for the proposed setup. Experimental results are provided that demonstrate the efficiency of the proposed system for the high-speed measurements of the three-dimensional thickness and the surface profile of micro-patterned thin film.
얇은 박막 형태의 구조는 반도체, 평면 디스플레이, LED, 태양 전지 등의 전자 산업에서 필수적으로 이용될 뿐만 아니라, 생명체의 조직 구조에서도 발견된다. 따라서 박막 구조의 물리적, 화학적 물성의 측정에 많은 관심이 집중되었으며 다양한 측정 방법들이 연구되었다. 그 중에서 광학적인 측정 방법은 시료를 파괴하지 않고 고속으로 단층 정보를 측정할 수 있으므로 산업적, 의료적 활용가능성이 매우 높다. 본 연구는 이러한 얇은 박막 형태의 구조를 측정하기 위한 간섭계 시스템의 성능 향상에 대한 것이다.
광파이버 기반의 주파수 공간(spectral-domain) 간섭계는 in-vivo 상태에서 사람 눈의 망막 단층을 측정하도록 구현되었으며, 본 논문에서는 측정 속도와 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 향상 시키기 위하여 펄스 광원(pulsed illumination)과 적응 광학(adaptive optics) 기술을 적용하였다. 펄스 광원을 이용하여 in-vivo형태로 사람의 망막 단층을 최초로 측정하였으며, ANSI standard에 의해서 광원의 최대 허용 광량(423.5 $\mu W$)을 제시하였다. 이를 통해 1.4에서 3.0 dB 만큼 향상된 SNR을 얻을 수 있었다. 또한, 적응 광학에 일반적으로 사용되는 파면 검출기를 대체할 수 있는 wavefront-sensorless adaptive optics의 개념을 제시하고 기초적인 실험 결과를 통해 가능성을 검증하였다.
산업적인 응용 분야로서 $SiO_2$ 와 같은 투명 박막의 두께 형상을 높은 수평 분해능으로 측정하기 위한 full-field 기반의 고속 분광 이미징 간섭계와 분석 알고리즘을 제안하였다. 음향광학변조필터(acousto-optic tunable filter, AOTF)를 분광 소자로 하는 파장 주사형 간섭계를 기반으로 micro-pattern 이 포함되어 있는 박막의 두께와 표면 형상 정보를 기구적으로 분리해서 각각 측정하도록 구현되었다. 간섭계의 기준광을 On/Off 시키는 방식으로 두 번의 측정을 통해 두께와 형상을 분리해서 측정하는 방법과 한 개의 음향광학변조필터가 편광에 따라 두 개의 분광기로서 작동하는 원리를 이용하여 동시에 두께와 형상을 분리해서 측정하는 방법이 제안되었다. 두께 정보의 분석을 위해서 peak detection방법을 제안하였으며 기존의 least square fitting 방법에 비해서 약 30배 빠른 분석이 가능하다. 표면 형상 정보는 direct spectral phase shifting 방법을 적용하여 3차원 두께 형상 정보를 측정하고 분석하는데 약 120배의 속도 향상을 실현하였다. 박막의 두께에 따른 Peak detection방법의 측정 오차를 수치적으로 분석하였으며, 시스템의 보정(calibration) 방법과 결과를 제시하였다.
