KR100361852B1 - 모노리식 광학조립체 및 빔스프리터 조립체를 가진 관련역반사장치 - Google Patents

모노리식 광학조립체 및 빔스프리터 조립체를 가진 관련역반사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 모노리식구조체 및 역반사장치/빔스프리터조합을 가진 개선된 광학조립체(200)가 제공된다. 제 1 및 제 2 장착부재들과 빔스프리터(130)에 의해 모노리식구조체 내부로 연결된 상부 및 하부판(260,270)이 상기 모노리식광학조립체에 구성된다. 또한 빔스프리터(130)와 반사관계를 형성하는 제 1 반사조립체(150)가 상기 조립체에 구성된다. 본 발명의 선택적 실시예에 의하여 상기 6개의 부품들을 가진 모노리식구조체가 모노리식구조의 공동구조를 가진 코너큐브 역반사장치(400)로 대체되고, 상기 역반사장치판넬들중 한 개는 반사표면(420)이고, (제 1 판넬의 반사표면에 대해 45도 각도에 위치한) 또다른 판넬이 빔스프리터(410)이며, 또다른 판넬은 지지판넬(430)로서, 공동구조의 코너큐브 역반사장치(400)의 구성을 완성하기 위해 이용된다.

Description

모노리식 광학조립체 및 빔스프리터 조립체를 가진 관련 역반사장치{MONOLITHIC OPTICAL ASSEMBLY AND ASSOCIATED RETROREFLECTOR WITH BEAMSPLITTER ASSEMBLY}
종래기술의 간섭계들에 있어서 미켈슨(Michelson)간섭계들이 100년전에 최초로 설계되었다. 간섭계는 방사스펙트럼을 측정하는데 이용되는 광학조립체로서, 서로 다른 경로들을 통과하는 두 개의 광선 빔(beam)들 사이의 간섭 패턴이 상기 간섭계에 의해 발생된다. 두 개의 반사조립체들에 대해 45°의 경사를 이루는 빔스프리터(beam splitter)를 이용하면 방사 공급원으로부터 방출되는 방사빔이 간섭계에 의해 분리되고, 상기 반사조립체의 광학경로들이 서로 90°를 형성하다. 경로차를 형성하기 위하여, 반사조립체들 중 한 개가 고정된 반면에, 다른 한 개가 방사경로를 따라 이동가능하여, 두 개의 반사조립체들의 반사작용을 통해, 분리된 방사빔이 재결합된후에 탐지장치에 의해 판독된 간섭패턴이 형성된다. 탐지장치를 통과하는 빔의 강도변화는 경로차의 함수이며, 결과적으로 푸리에 변환분광계(Fourier transform spectro meter)내부에서 스펙트럼 정보를 출력한다.
실제로, 상기 분광기능 및 정확한 거리측정 그리고 장치 캘리브레이션을 위해 간섭계들이 이용된다.
표준 미켈슨 간섭계 및 다른 형태의 간섭계에 구성되고 종래기술을 따르는 광학조립체에 의하면, 주로, 고정밀도의 정렬작용이 필요한 부품들을 가진 구조가 형성된다. 예를들어, 오정렬작업에 의해 야기되는 실수를 방지하기 위하여, 두 개의 반사조립체들 및 빔스프리터의 정렬작업은 수직 방향 및 45°도 방향 정렬에서 매우 정밀해야 한다. 종래기술의 간섭계들 및 광학조립체와 관련한 문제는 광학부품들을 엄밀하게 정렬하는 것과 관련한 비용 및 충격 및 진동에 의해 오정렬야기후 상기 부품들의 정렬상태에 유지와 관련한 지속적 비용으로부터 비롯된다.
종래기술의 광학조립체 및 간섭계들의 또다른 문제점을 보면, 특수측정 또는 실험에 이용되는 방사공급원에 따라 서로 다른 빔스프리터를 교체하는 물리적 필요성이 있다. 구체적으로 말해, 전형적인 빔스프리터는 방사공급원의 오직 한 개의 특수파장스펙트럼에 유용하거나, 선택적으로 방사파장스펙트럼부분의 매우 적은 범위에 유용하며, 따라서 다중의 간섭계들을 가지는 것이 필수적이고, 각각의 간섭계들은 서로 다른 빔스프리터들을 가지거나, 단일 간섭계내부에서 한 개의 빔스프리터를 계속적으로 교체하는 것이 필요하며, 상기 간섭계는 다른 적용예에 대해 이용될 수 있다.
따라서 역반사장치/빔스프리터의 구성 및 구성없이 모노리식구조를 이루는 유니트내에서 고정밀도의 측정치들을 제공하는 광학적조립체가 제공되어, 충격, 진동 또는 온도변화에 기인하여 조립체를 구성하는 광학부품들의 현장 캘리브레이션들 및 정비가 불필요한 것이 바람직하다.
또한 서로 다른 강도의 방사선들에 이용하기 위하여 단일 간섭계 내부에서 광학조립체의 용이하고 비용절감적인 수리 및 교체를 위하여, 간섭계의 주요정렬부품들을 형성하고, 모노리식구조를 형성하는 광학조립체를 제공하여, 조립체의 모노리식구조에 기인하여 상기 광학조립체가 충격, 진동 또는 온도변화로부터 오정렬작용에 영향을 받지 않는 것이 바람직하다.
본 발명은 광학조립체 특히 간섭계용 모노리식(monolithic)광학조립체의 분야에 관련된다.
도 1은 종래기술을 따르는 미켈슨 간섭계내에서 방사선의 반사방법을 도시한 도면.
도 2는 본 발명이 모노리식광학조립체를 가진 간섭계의 사시도.
도 3은 본 발명의 모노리식광학조립체를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명을 따르는 모노리식광학조립체의 또다른 측면을 도시한 선택적 사시도.
도 5는 본 발명의 모노리식 광학조립체를 도시한 평면도.
도 6는 본 발명의 모노리식광학조립체를 도시한 평면도.
도 7은 본 발명의 선택적 실시예를 도시한 부분 평면도.
도 8은 역반사장치/빔스프리터 조합으로서 모노리식광학조립체를 도시하는 본 발명의 제 3 실시예에 관한 사시도.
도 9는 도 6의 측면도에 대한 또다른 실시예의 측면도.
도 10은 도 6의 측면도에 대한 또다른 실시예의 또다른 측면도.
* 부호설명
10,110.... 방사공급원 20.... 방사빔
22,24.... 빔 60.... 탐지장치
130.... 빔스프리터 150.... 반사조립체
152.... 역반사장치 154.... 기저조립체
156.... 조정노브 200.... 모노리식광학조립체
212.... 제 1 변부면 220.... 장착부재
260.... 상부판 270.... 하부판
400.... 조립체 410.... 빔스프리터판넬
본 발명에 따르면, 모노리식구조체를 가진 개선된 광학조립체와 역반사장치/빔스프리터 및 모노리식구조체를 가진 개선된 광학조립체가 제공된다. 제 1 및 제 2 장착부재들 및 빔스프리터에 의해 모노리식구조체 내부로 연결되는 상식 및 하부판들에 의해 상기 모노리식광학조립체가 구성된다. 또한 상기 조립체는 빔스프리터와 반사관계를 이루는 제 1 반사조립체로 구성된다. 본 발명의 선택적 실시예에 의하면, 상기 6개의 부품들을 가진 모노리식구조체가 모노리식구조 및 공동구조를 가진 코너큐브(corner-cube)형태의 역반사장치로 교체되고, 역반사장치 판넬들 중 한 개가 반사표면이고, (제 1 판넬의 반사표면에 대해 45도 각도에 위치한) 또다른 판넬은 빔스프리터이며, 공동구조의 코너큐브형태의 역반사장치의 구조를 완성하기 위해 이용되는 지지판넬에 의해 제 3 판넬이 형성된다.
따라서, 본 발명의 목적은 모노리식구조를 가진 간섭계 내부에서 이용하기 위한 개선된 광학조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 충격, 진동 또는 온도변화들에 기인한 오정렬에 저항하고 고정밀측정이 이루어지는 개선된 광학조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 모노리식구조에 기인하여, 서로 다른 방사공급원들과 함께 이용하기 위해 간섭계 내부의 빔스프리터들의 변화를 위한 상기 구성의 광학조립체들과 용이하게 상호교체가능한 개선된 광학조립체를 제공하는 것이다.
부분적으로 본 발명의 또다른 목적이, 부분적으로, 하기 설명으로부터 분명해진다.
따라서 하기 설명의 제품들에서 예로든 부품들의 특징, 특성 및 관계를 가진 조립체들이 본 발명에 의해 구성되고, 본 발명의 범위가 청구범위에 제시된다.
본 발명의 더욱 충분한 이해를 위하여 첨부된 도면들과 함께 하기 설명에 대한 참고사항이 제시된다.
도 1을 참고할 때 표준 미켈슨 간섭계가 도시된다. 미켈슨 간섭계는 방사공급원(10), 고정거울(40) 및 이동거울(50)로 구성되고, 두 개의 거울에 대해 45도 경사를 이루며 위치한 빔스프리터(eamsplitter)(30)에 대해 상기 방사공급원(10)은 단일의 방사빔(20)을 전달한다. 방사선(20)은 방사빔(22)의 형태로 고정거울(40)에 대해 부분적으로 반사되고, 방사빔(24)으로서 이동거울(50)을 향해 빔스프리터(30)를 통해 부분적으로 병진운동된다.
다음에, 빔(22)은 고정거울(40)로부터 떨어져 반사되고 빔스프리터(30)를 향해 반사되며, 빔이 부분적으로 다시 한번 분리되고, 공급원(10)을 향해 일부 방사선(25)을 반사시키고 일부 방사선(26)은 탐지장치(60)를 향해 반사시킨다. 유사하게, 빔(24)은 이동거울(50)로부터 떨어져 반사하고 빔스프리터(30)를 향해 후방으로 반사된다. 여기서 빔(24)은 다시 분리되고, 일부 방사선(25)을 공급원(10)에 반사시키고, 일부 다른 방사선(26)은 탐지장치(60)를 향해 반사시킨다.
단일의 방사공급원으로부터 방출되는 두 개의 방사빔들 사이의 간섭현상이 탐지장치(60)에 의해 측정된다. 병진운동 및 반사작용을 통해 상기 빔들은 서로 다른 광학경로거리를 이동하고, 탐지장치(60)에 대해 가시적이고 측정가능한 부수효과가 형성된다.
도 2를 참고할 때, 미켈슨 간섭계의 표준배치 및 부품구조가 간섭계(100)에서 도시되고, 방사공급원(110), 빔스프리터(130), 이동가능한 반사조립체(150), 고정된 반사조립체(140) 및 탐지장치(160)를 포함한다.
장착조립체(112)에 의해 방사공급원(110)이 고정위치에 장착된다. 방사공급원(110)이 장착조립체(112) 내부에 위치할 때, 빔스프리터(130)에 대해 45도 각도에서 빔의 방향을 고정시키는 경로를 따라, 방사빔(120)이 정렬될 수 있다.
방사공급원(110)은 시준백색광선 또는 심지어 신호시준된 방사강도레이저광원일수 있고, 모든 아이템들이 본 발명에 의해 예시된다.
이동가능한 반사조립체(150)와 관련하여, 선호되는 실시예에 의하면, 신호판넬 거울 대신에, 공동주조의 코너-큐브(corner-cube)형태를 가진 역반사장치(152)가 이용된다. Lip Kins 씨에게 허여된 미국특허 제 3,663,084호에 공개된 것과 같이, 공동구조의 코너-큐브형태를 가진 역반사장치가 선호되는 실시예로서 구성가능하다.
역반사장치(152)가 이동가능한 기저조립체(154)에 장착되고, 빔(120)의 경로를 따르는 직선내에 역반사장치(152)의 위치를 조정하는 것이 상기 조립체에 의해 허용된다. 연속적이고 일정한 조립체(154)의 운동을 허용하는 상기 수단을 포함해서, 조립체(154)의 변위가 조정노브(adjusting knob)(156)에 의해 조정가능하지만, 이동조립체(154)의 다른 수단이 본 발명에 의해 예상된다. Bleier 씨에게 허여된 미국특허 제 5,335,111호에 설명된 구조에 따라, 조립체(154)에 역반사장치(152)를 장착하는 영역이 구성되는 것이 가능하다.
빔이 빔스프리터(130)를 통과한 후에, 유입되는 빔(120)이 방향에 대해 45도 각도로 역반사장치의 반사면들이 위치하는 한, 이동가능한 반사조립체(150)로서 역반사장치(152)의 이용에 의해 역반사장치(152)의 모든 방향이 가능하다.
도 2 내지 도 4를 참고하여 모노리식광학조립체(200)를 더욱 상세히 설명하면, 모노리식광학조립체(200) 내부에 빔스프리터(130) 및 반사조립체(140)가 장착된다. 하기 상세한 설명과 같이, 조립체(200)의 또다른 구조적 분석을 위하여 도 5 내지 도 7을 참고한다. 도 2 내지 도 4 및 도 5 내지 도 7의 실시예들의 차이는 개구부(244,246)들에 관련된다(도 5 내지 도 7을 참고). 장착부재(240) 내부의 또다른 상기 개구부들은 거리측정용 HeNe(helium neon)레이저 공급원인 방사공급원(110)의 이용과 관련된다. 도 5 내지 도 7에 도시된 제 2 실시예의 목적이 하기 설명과 같을 때, 조립체(200)의 전체구조는 도 2 내지 도 4 에 도시된 조립체(200)의 전체구조와 동일하고, 상기 구성을 설명하기 위해 도 2 내지 도 7이 설명된다.
도 3을 참고할 때, 모노리식광학조립체(200)는 상부판(260), 하부판(270), 적어도 제 1 및 제 2 장착부재(210,220)들과 빔스프리터(130)로 구성된다. 안정상태가 필수적인 것이 아니더라도 또다른 일부 구조상 안정상태에 대해 추가하여, 제 3장착부재(230)가 또한 이용될 수 있다.
상기 도면들에서 알 수 있듯이, 장착부재(210)는 제 1 변부면(212) 및 제 2 변부면(214)을 가진다. (도 4를 참고할 때), 상부판(26)에 구성된 제 1 변부(262)의 일부분에 제 1 변부(212)의 일부분이 부착되는 반면에, (도 4를 참고할 때) 하부판(27)에 구성된 제 1 변부면의 일부분에, 장착부재(210)에 구성된 제 1 변부(212)의 또다른 부분이 부착된다.
계속해서 도 4를 참고할 때, 장착부재(210)로부터 코너주위에서 제 2 장착부재(220)가 위치한다. 제 2 장착부재(220)는 제 1 표면(222)의 서로 다른 부분들을 따라 상부판 및 하부판(260, 270)에 부착된다. 장착부재(220)에 구성된 제 1 표면(222)의 상기 부분들이 하부판(270)의 제 2 변부표면(274) 및 상부판(260)의 제 2 변부표면(264)의 부분들에 부착된다.
도면들, 특히 도 7에서 알 수 있듯이, 빔스프리터(130)가 두 개의 판넬(132,134)들로 구성되고, 상기 판넬들은 공통표면(136)을 따라 서로 부착된다. 표면(136)은 광학적으로 평면의 반사면이며 그 위에 빔스프리터를 가진다. 빔스프리터(130)는 상측변부(137)의 부분들을 따라 상부판(260)의 하부표면의 부분들에 부착되고, 하측변부(138)들의 부분들을 따라 하부판(270)의 상부표면(278)의 부분들에 부착된다. 그러나, 빔스프리터들이 이용될때와 공통으로, 보상판이 또한 이용된다. 이 경우에 있어서, 빔스프리터(130)는 내부에 구성된 보상판 즉 판넬(132)을 가진다. 보상판넬의 목적은 빔스프리터 코팅에 의해 형성되는 두 개의 빔들의 광학경로속도들을 동일하게 하는 것이다. 보상판이 없다면, 빔스프리터를 통해 병진운동되는 빔이 판넬(134)을 통해 3배 더 이동하고, 반사된 빔은 단지 빔스프리터(130)을 통해 다시 이동하려 한다. 판넬(132)을 추가하면, 양쪽 빔들이 동일한 크기의 판넬들을 통해 4배 더 병진운동하며, 광학거리상의 차이를 동일하게 만든다.
상부판(260) 및 하부판(270) 사이의 빔스프리터(130), 제 1 장착부재(210) 및 제 2 장착부재의 지지조합에 의해 본 발명이 모노리식구조물이 형성된다. 상기 설명과 같이, 각각 상부판 및 하부판(260, 270)에 구성된 제 3 표면들(266,276)의 부분들 사이에 제 3 장착부재(230)가 위치할 수 있다. 사실상 도 9 및 도 10을 참고할 때, 상부판 및 하부판들과 접촉하는 빔스프리터가 없이 모노리식구조체가 구성가능하다. 다음에 도면들에 도시된 것과 같이 그리고 부재(210)가 부착되는 방법과 동일하게 제 3 장착부재(230)를 부착하여, 안정한 모노리식구성체가 구성된다. 따라서, 빔스프리터(130)가 오직 하측변부(138)들을 따라 하부판(270)에 부착되고(도9), 오직 상측변부(137)들을 따라 상측변부(260)에 부착될 수 있는 (도10) 것이 도 9 및 도 10에 도시된다.
미켈슨 간섭계의 소요 반사요소들을 완성하기 위하여, 거울판넬(140)이 하부판(270)의 상부면(278)의 일부분에 부착되고, 장착부재(210)의 제 2 변부면(214)에 부착되는 것이 도면들에서 확인된다. 거울판넬(140)의 하측변부면의 일부면에 의해 거울판넬(140)이 하부판(270)이 상부표면(278)의 약간 위에 매달리고, 상기 접촉표면들 사이에 접착제가 부착된다. 또한 장착부재(210)의 변부면(214)과 접촉하는 거울판넬(140)의 측변부면사이에 접착제가 부착된다. 거울판넬(140)의 반사표면(142)이 가지는 광학적으로 평면인 특성을 왜곡하는 것을 방지하도록 접착제가 부착된다.
상기 설명과 같이, 작은 판넬(140)이 조립체(200)에 고정되게 부착되므로, 단일의 평면판넬구조의 거울을 제외하면 판넬(140)은 불필요하다. 예를들어, 판넬(140)은 역반사장치일 필요가 없다. 구조상(이동가능한 반사조립체(150)에 관한 상기 설명과 같이) 역반사장치를 이용하면, 역반사장치의 표면에 대해 발생 방사선이 45도 각도를 형성하는 한, 역반사장치의 방향은 중요하지 않게 되는 장점이 있다. 본 발명에 있어서, 모노리식구조체에 대해 고정된 판넬(140)에 의하여, 판넬(140)의 방향이 진동 및 충격에 기인하여 변동되지 않고 그결과(물론 역반사장치가 이용되더라도)역반사장치는 불필요해진다.
또한 조립체(200)는 제 4 장착부재(240)를 가질 수 있다. 제 4 장착부재(240)의 주요 목적이 조립체(200)의 모노리식구조체를 용이하게 안정화하는 것이 아닌 반면에, 제 4 장착부재는 여기서 장착부재라고 설명된다. 대신에 부재(240) 내부에 개구부(242)를 빔(120)이 통과가능하고, 빔스프리터(130) 및 이동가능한 반사조립체(150)사이에서 이동가능하도록 제 4 장착부재(240)는 빔(120)에 으해 이동되는 경로에 대해 위치된다. 거울판넬(140)의 장착방법과 유사하게, 부재(240)가 변부의 얇은 부분을 따라 (도5에 가장 양호하게 도시된 것처럼) 하부판(270)에 구성된 상부표면(278)이 일부분위에 장착되고, (도 5에 가장 양호하게 도시된 것처럼) 장착부재(220) 의 변부에 부착되고 지지되는 측면변부를 따라 장착된다.
조립체(200)에 구성된 모든 부재(210,220,230,240,260,270,130,140)들은 동일재료로 제조된다. 상기 재료는 용융된 수정 또는 담금질된 파이렉스(Pyrex)인 것이 선호된다. 상기 재료들을 이용하면, 재료들의 팽창계수들이 동일해져서, 조립체(200)가 균일하게 팽창 및 수축하도록 조립체(200)가 겪게 되는 모든 온도변화들이 각각의 부재에 걸쳐 동일하게 이루어져서, 빔스프리터(130) 및 거울판넬(140)의 반사표면들 내부에서 비틀림 가능성이 제거된다.
도 7에 관해 설명하면, 상기 설명과 같이, 제 4 장착부재(240) 내부의 개구부(244,246)들이 HeNe 단일 공급레이저광선과 함께 이용된다. (도면에 도시되지 않음) 광원으로부터 광선 또는 방사선(310)이 도시된다. 이동가능한 반사조립체(150)의 역반사장치(152)로부터 반사되도록, 개구부(246)를 통해 거울판넬(140)에 반사되는 광선(320)의 일부분과 함께 광선(310)이 빔스프리터(310)를 통과하고, 광선(330)의 또다른 부분은 빔스프리터(130)를 통해 병진운동된다.
부재(240)내부에 좀더 구체적으로 개구부(244) 내부에 역반사장치(300)가 구성된다.
역반사장치(300)가 미국특허 제 3,663,084호에 설명된 것과 같이 표준 역반사장치들에 따라 제조되고, LipKins씨에게 허여된 미국특허 제 3,977,965호에 설명된 것과 같이 개구큐브(44)내부에 장착될 수 있다. 다음에 빔(330)이 반사조립체(150)에 대해 후방으로 반사되고, 빔스프리터(130)를 통해 후방으로 개구부(246)를 통해 외측으로 반사되며 탐지장치에 반사된다.
마지막 도면 도 8에 관해 설명하면, 본 발명을 따르는 광학조립체를 위한 모노리식구성체(400)의 제 3 실시예가 설명된다. 상기 설명 및 LipKins 씨에게 허여된 미국특허 제 3,663,084호에서 설명한 것과 같이 가장 기본적인 형태로 조립체(400)는 공동의 코너-큐브(corner-cube)형태의 역반사장치이다.
도 8의 공개된 역반사장치 및 종래기술의 역반사장치 사이의 차이점에 의하면 역반사장치의 거울채널들 중 한 개는 사실상 빔스프리터판넬(410)이며, 정의에 의하면 빔스프리터판넬(410)은 조립체(400)의 다른 거울채널(420)에 대해 45도 각도를 형성한다.
제 3 판넬(430)은 반사판넬이 아니고, 단지 역반사구조체에 대해 인접판넬 등의 역반사표면에 대해 판넬의 변부사이에서 중첩구조로 교번되는 부착이 이용된다.
사실상, 동일한 결과를 이루기 위하여 (이전에 설명한) 조립체(200)의 전체 구조에 도 8의 모노리식 역반사장치구조체로 대체가능하고 따라서, 본 출원을 따르는 도 2 내지 도 7의 구조체들의 선택적 실시예로서 도 8의 실시예가 적합하게 설명된다.
따라서 상기 설명으로부터 분명한 실시예들중에서 설명되는 대상이 효과적으로 구해지고, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 특정변형들이 상기 구성내에 실시될 수 있기 때문에, 첨부된 도면에 도시되고 상기 설명에 해당하는 모든 대상은 설명을 위한 것이며, 제한적인 것으로 해석되지 않아야 한다.
하기 청구범위들은 설명된 본 발명의 구체적 특징들 및 본 발명의 모든 범위에 포함된다.

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  58. 반사표면을 가진 제 1 판넬,
    상기 판넬의 표면위에 빔스프리터코팅을 가진 빔스프리터판넬로 구성되고, 상기 빔스프리터코팅이 상기 제 1 판넬의 상기 반사표면과 반사관계를 형성하며,
    수용표면을 가진 지지판넬로 구성되며,
    상기 판넬의 상기 표면에 대해 직각으로 각각의 상기 판넬들이 측부를 가지고, 상기 측부와 바로 인접한 상기 판넬의 상기 표면에 대해 상기 측면을 따라 각각의 상기 판넬들이 지지 및 연결되는 것을 특징으로 하는 간섭계내부에서 이용되는 역반사장치조립체.
  59. 제 58 항에 있어서, 상기 제 1 판넬의 상기 반사표면은 광학적으로 평면인 것을 특징으로 하는 간섭계용 모노리식광학조립체.
  60. 제 58 항에 있어서, 상기 빔스프리터판넬의 상기 표면이 광학적으로 평면인 것을 특징으로 하는 간섭계용 모노리식광학조립체.
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