KR100675607B1 - 광섬유를 레이저 이송매체로 이용한 레이저 엔코더 - Google Patents

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김재열
곽이구
송경석
양동조
김우진
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조선대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 광섬유를 레이저 이송매체로 이용한 레이저 엔코더에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유연성을 갖는 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용함으로써 레이저 간섭계를 간소화하여 소형화시킬 수 있을 뿐만 아니라 레이저 광원을 자유롭게 설치할 수 있고 광섬유를 분기함으로써 이동체의 이동거리 측정수를 수개 이상으로 할 수 있는 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용한 레이저 엔코더에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광섬유를 레이저 이송매체로 이용한 레이저 엔코더는, 레이저 광원부와, 상기 레이저 광원부로부터 출력된 빔을 단일 파장 빔으로 분리하는 빔 스플리터와, 빔 스플리터를 통과한 단일 파장 빔이 일단으로 입사되고 그 입사된 빔이 타단으로 전송되기 위한 광섬유와,빔이 입사되는 광섬유의 일단에 빔을 광섬유 중심으로 유도하도록 광섬유 일단 전측에 설치된 빔 축소기와, 광섬유 타단으로 확산되어 출력되는 빔을 소정 직경의 평행한 빔으로 출력하도록 상기 광섬유 타단 후측에 설치된 빔 확대기가 구비된 빔 전송부와, 상기 빔 전송부로부터 출력된 빔을 참조빔과 측정빔으로 분리하기 위한 편광 빔 스플리터와, 측정빔이 반사되어 되돌아 오도록 소정의 이동체에 설치된 이동반사경과, 상기 측정빔의 편광 반향을 바꿔주도록 상기 편광 빔 스플리터와 상기 이동반사경 사이에 설치된 1/4 웨이브 플레이트와, 참조빔이 반사되어 반사된 측정빔과 합쳐지게 되돌아 오도록 설치된 고정 반사경과, 상기 참조빔과 측정빔이 합쳐져 생긴 간섭신호를 검출하기 위한 4 분할 포토 다이오우드와, 상기 4분할 포토 다이오우드에 의해 검출된 신호를 증폭하기 위한 증폭기가 구비된 디텍터 헤드부와, 디텍터 헤드부로부터 출력된 신호를 디지털화하기 위한 A/D 컨버터와, 디지털 신호로부터 위상을 산출하는 위상산출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동거리 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
레이저, 디텍터, 간섭계

Description

광섬유를 레이저 이송매체로 이용한 레이저 엔코더{LASER ENCODER USING OPTIC FIBER AS LASER TRANSFER MEDIUM}
도 1은 호모다인 간섭계의 일반적인 구조를 도식적으로 도시한 개념도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유를 레이저 이송매체로 이용한 레이저 엔코더를 개념적으로 도시한 구성도
도 3은 레이저 광원부의 일예를 도식적으로 도시한 개념도
도 4는 상기와 같은 4분할 포토 다이오우드에 의해 검출되어 출력되는 신호를 도식적으로 도시한 개념도
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유를 레이저 이송매체로 이용한 레이저 엔코더에서 검출된 신호의 증폭을 도식적으로 도시한 개념도
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용한 레이저 엔코더의 간섭계의 신호처리 회로를 도식적으로 도시한 도면
<주요 도면부호에 대한 간단한 설명>
1 레이저 광원부
2 빔전송부
21 빔 스플리터
22 광섬유
23 빔 축소기
231 커플러
232 렌즈
24 빔 확대기
241 배럴
242 렌즈
3 디텍터 헤드부
31 편광 빔 스플리터
32 셔터
33 이동반사경
34 1/4 웨이브 플레이트
35 빔 스티어
36 고정반사경
37 4분할 포토 다이오우드(PD1-PD2,PD3-PD4)
38 증폭기
4 이동거리 산출부
41 A/D 컨버터
42 위상산출기
본 발명은 광섬유를 레이저 이송매체로 이용한 레이저 엔코더에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유연성을 갖는 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용함으로써 레이저 간섭계를 간소화하여 소형화시킬 수 있을 뿐만 아니라 레이저 광원을 자유롭게 설치할 수 있고 광섬유를 분기함으로써 이동체의 이동거리 측정수를 수개 이상으로 할 수 있는 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용한 레이저 엔코더에 관한 것이다.
반도체 산업을 비롯한 각종 산업분야의 정밀 검사장비, 정밀 공작기계 및 삼차원 측정기 등과 같은 장비에서는 정밀하게 거리를 측정할 수 있는 거리 측정장치가 반드시 필요하다. 또한, 최근 미세 과학 및 나노기술이 발달하면서 광계측 분야가 중요시되고 있다. 특히, 나노위치결정, 초정밀 가공 등과 같은 나노기술에서는 정밀 측정은 필수적인 기술이다.
상기와 같은 정밀 거리 측정장치는 측정정밀도와 그에 따른 이송정밀도 및 가공정밀도를 좌우하는 중요한 부분이다. 따라서, 최근에는 Sub-의 분해능이 요구되는 정밀한 거리측정장치에서는 간섭성이 우수한 레이저를 광원으로 이용하는 레이저 엔코더가 많이 이용되고 있다.
레이저 엔코더는 레이저 빔을 참조빔과 측정빔으로 분리하고 각각의 기준면과 측정면에서 반사되어 돌아오는 빔을 중첩시켜 측정면의 변위를 측정할 수 있는 간섭계(Interferometer)를 이용하여 구성된다.
일반적으로 그 구조가 간단하고 구성이 용이하기 때문에 호모다인(Homodyne) 간섭계가 주로 이용된다. 도 1은 일반적인 호모다인 간섭계를 도식적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 호모다인 간섭계의 작동을 설명하면 다음과 같다. 입력 빔(Input Beam)은 편광 빔 스플리터(Polarising Beam Splitter)에서 참조빔(Reference Beam)과 측정빔(Measurement Beam)으로 분리되어 참조빔은 고정반사경(Stationary Retroreflector)에 의해 반사되어 상기 빔 스플리터로 되돌아오고, 측정빔은 소정의 이동체에 설치된 이동반사경(Moving Retroreflector)에 의해 상기 빔 스플리터로 되돌아온다. 되돌아온 참조빔과 측정빔은 합쳐져지게 되고 합쳐진 빔(Recombined Beam)에는 보강간섭(Constructive)과 상쇄간섭(Destructive Interference)에 의한 간섭무늬가 발생된다.
본 발명은 상기와 같은 호모다인 간섭계를 이용하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 유연성을 갖는 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용함으로써 레이저 간섭계를 간소화하여 소형화시킬 수 있을 뿐만 아니라 레이저 광원을 자유롭게 설치할 수 있고 광섬유를 분기함으로써 이동체의 이동거리 측정수를 수개 이상으로 할 수 있는 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용한 레이저 엔코더에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용한 레이저 엔코더는, 레이저 광원부와, 상기 레이저 광원부로부터 출력된 빔을 단일 파장 빔으로 분리하는 빔 스플리터와, 빔 스플리터를 통과한 단일 파장 빔이 일단으로 입사되고 그 입사된 빔이 타단으로 전송되기 위한 광섬유와,빔이 입사되는 광섬유의 일단에 빔을 광섬유 중심으로 유도하도록 광섬유 일단 전측에 설치된 빔 축소기와, 광섬유 타단으로 확산되어 출력되는 빔을 소정 직경의 평행한 빔으로 출력하도록 상기 광섬유 타단 후측에 설치된 빔 확대기가 구비된 빔 전송부와, 상기 빔 전송부로부터 출력된 빔을 참조빔과 측정빔으로 분리하기 위한 편광 빔 스플리터와, 측정빔이 반사되어 되돌아 오도록 소정의 이동체에 설치된 이동반사경과, 상기 측정빔의 편광 반향을 바꿔주도록 상기 편광 빔 스플리터와 상기 이동반사경 사이에 설치된 1/4 웨이브 플레이트와, 참조빔이 반사되어 반사된 측정빔과 합쳐지게 되돌아 오도록 설치된 고정 반사경과, 상기 참조빔과 측정빔이 합쳐져 생긴 간섭신호를 검출하기 위한 4분할 포토 다이오우드와, 상기 4분할 포토 다이오우드에 의해 검출된 신호를 증폭하기 위한 증폭기가 구비된 디텍터 헤드부와, 디텍터 헤드부로부터 출력된 신호를 디지털화하기 위한 A/D 컨버터와, 디지털 신호로부터 위상을 산출하는 위상산출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동거리 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기와 같이 디텍터 헤드부가 레이저 광원부 및 이동거리 산출부와 분리되어 소형화가 가능하고, 유연성이 있는 광섬유를 이송매체로 이용함으로써 레이저 광원부의 위치 설정이 용이할 뿐만 아니라 광섬유를 분기함으로써 하나의 레이저 광원부를 이용하여 수개의 디텍터 헤드부를 설치할 수 있는 장점을 갖는다.
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 광섬유를 레이저 이송매체로 이용한 레이저 엔코더를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유를 레이저 이송매체로 이용한 레이저 엔코더를 개념적으로 도시한 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용한 레이저 엔코더는 레이저 광원부(1), 빔전송부(2), 디텍터 헤드부(3), 이동거리 산출부(4)를 포함하여 구성된다.
레이저 광원부(1)는 레이저 빔을 발진시켜 출력하기 위한 것이다. 일반적으로 레이저 엔코더에는 He-Ne 레이저가 사용된다. 도 3을 참조하면, 레이저빔의 발생은 가스가 충진된 관에 구비된 음극과 양극 사이에 고전압을 인가하여 이루어진다. 발생된 레이저빔은 두 미러(Mirror) 사이에서 공명되면서 증폭되며, 약간의 레이저빔이 양극 미러를 통해 출력된다. 레이저빔에는 적색모드와 청색모드의 두 개의 모드가 포함되어 있다.
상기 빔 전송부(2)는 레이저 광원부(1)에서 발생된 빔을 디텍터 헤드부(3)로 전송하기 위한 것으로, 본 발명은 상기와 같은 빔 전송부(2)에 광섬유(22)를 이용함으로써 레이저 광원부(1)와 디텍터 헤드부(3)를 분리하여 디텍터 헤드부(3)의 구조를 간소화시킬 수 있고 레이저 광원부(1)의 위치를 용이하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 광섬유(22)를 분기함으로써 하나의 레이저 광원부(1)에 수개의 디텍터 헤드부(3)를 연결할 수 있게 된다.
도면을 참조하면, 상기 빔 전송부는 빔 스플리터(21), 광섬유(22), 빔 축소기(23) 및 빔 확대기(24)로 구성된다.
상기 빔 스플리터(21)는 상기 레이저 광원부(1)로부터 출력된 빔을 단일 파 장 빔으로 분리하기 위한 것이다. 상술한 바와 같이 상기 레이저 광원부(1)로부터 출력되는 빔에는 2개의 모드가 포함되어 있다. 상기 2개의 모드가 포함된 레이저 빔을 상기 빔 스플리터(21)로 통과시키면 각각의 모드, 단일 파장의 빔으로 분리된다.
상기 광섬유(22)는 상기 빔 스플리터(21)를 통과한 단일 파장 빔이 일단으로 입사되고 그 입사된 빔이 타단으로 전송되기 위한 것이다. 상기 일반적으로 상기 광섬유는 코어와 상기 코어보다 굴절률이 낮은 소재로서 상기 코어를 둘러싸는 클래드로 구성되어 코어의 내부로 입사된 빔은 전반사되면서 진행된다.
상기 빔 축소기(23)는 상기 빔 스플리터(21)를 통과한 빔을 상기 광섬유(22)의 중심으로 초점을 맞추어 광섬유(22)의 코어 내부로 유도하기 위한 것이다. 즉, 상기 빔 축소기(23)는 빔이 입사되는 광섬유(22)의 일단에 빔을 광섬유(22) 중심으로 유도하도록 광섬유 일단 전측에 설치된다. 상기 빔 축소기(23)는 광섬유(22)의 일단이 연결되는 커플러(231)와, 상기 커플러(231)의 내부에 설치되어 상기 빔 스플리터(21)을 통과한 빛을 상기 광섬유(22)의 중심으로 초점을 맞추기 위한 렌즈(232)로 구성된다.
상기 빔 확대기(24)는 상기 광섬유(22) 타단으로 확산되어 출력되는 빔을 소정 직경의 평행한 빔으로 출력하기 위한 것이다. 즉, 상기 빔 확대기(24)는 상기 광섬유(22)를 매질로 하여 전송된 빔을 평행한 빔으로 초점을 조절하여 상기 디텍터 헤드부(3)로 출력하기 위한 것이다. 도면을 참조하면, 상기 빔 확대기(24)는 상기 광섬유(22) 타단 후측에 설치되어 상기 디텍터 헤드부(3)에 연결되며, 일측에 는 상기 광섬유(22)의 타단이 연결되고 타측에는 상기 디텍터 헤드부(3)에 연결되는 배럴(241)과, 상기 광섬유(22)의 타단으로부터 확산되면서 출력되는 빔을 평행하게 출력하도록 상기 배럴(241)의 내부에 설치된 렌즈(242)로 구성된다.
상기 디텍터 헤드부(3)는 상기 빔 전송부(2)로부터 전송된 빛을 측정빔(MB)과 참조빔(RB)로 분리하여 각각 이동반사경(33)과 고정반사경(36)으로 보내 그로 부터 반사된 빛이 합쳐져 생긴 간섭신호를 검출하기 위한 것이다.
도면을 참조하면, 상기 디텍터 헤드부(3)는 편광 빔 스플리터(31), 셔터(32), 이동반사경(33), 1/4 웨이브 플레이트(34), 빔 스티어(35), 고정반사경(36), 4분할 포토 다이오우드(37), 증폭기(38)로 구성된다.
상기 편광 빔 스플리터(31)는 상기 빔 전송부(2)로부터 출력된 빔을 참조빔(RB)과 측정빔(MB)으로 분리하기 위한 것이다.
상기 셔터(32)는 상기 편광 빔 스플리터(31)에 입사되는 빔을 개폐한다.
상기 이동반사경(33)은 측정빔(MB)이 반사되어 되돌아 오도록 소정의 이동체에 설치된다. 이동반사경(33)에 의해 반사된 측정빔(MB)는 상기 편광 빔 스플리터(31)에서 상기 참조빔(RB)과 합쳐지게 된다.
상기 1/4 웨이브 플레이트(34)는 상기 측정빔(MB)의 편광 반향을 바꿔주기 위한 것으로 상기 편광 빔 스플리터(31)와 상기 이동반사경(33) 사이에 설치된다.
상기 빔 스티어(35)는 상기 1/4 웨이브 플레이트(34)를 통과하여 상기 이동반사경(33)으로 입사되는 측정빔(MB)의 입사 방향을 조절하도록 상기 1/4 웨이브 플레이트(34)와 상기 이동반사경(33) 사이에 설치된다.
상기 고정반사경(36)은 상기 편광 빔 스플리터(31)을 통과한 참조빔(RB)이 반사되어 반사된 측정빔(MB)과 상기 편광 빔 스플리터(31)에서 합쳐지게 되돌아 오도록 설치된다.
상기 4분할 포토 다이오우드(37)는 상기 참조빔(RB)과 측정빔(MB)이 합쳐져 생긴 간섭신호를 검출하기 위한 것이다. 상기 4분할 포토 다이오우드(37)는 참조빔(RB)과 측정빔(MB)을 동시에 측정하여 sine/sine, cosine/cosine 4개의 신호를 실시간으로 출력한다. 상기 4개의 신호는 간섭에 의한 위상차에 따라 변화된다. 도 4는 상기와 같은 4분할 포토 다이오우드에 의해 검출되어 출력되는 신호를 도식적으로 도시한 개념도이다.
상기 증폭기(38)는 상기 4분할 포토 다이오우드(37)에 의해 검출된 신호를 증폭하기 위한 것이다. 도 5는 포토 다이오으드에 의해 검출된 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 도시한 것이다.
상기 이동거리 산출부(4)는 상기 디텍터 헤드부(3)에서 출력된 신호로부터 위상각을 산출하여 소정의 이동체의 이동거리를 산출한다. 도면을 참조하면, 상기 이동거리 산출부(4)는 상기 디텍터 헤드부(3)로부터 출력된 신호를 디지털화하기 위한 A/D 컨버터(41)와, 디지털 신호로부터 위상을 산출하는 위상산출기(42)를 포함하여 구성된다.
상기 A/D 컨버터(41)는 정확한 에러의 검출뿐만 아니라 위치 및 방향을 연속해서 실시간으로 제공할 수 있도록 변위와 신호의 강도를 동시에 실시간으로 처리할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 고속 A/D 컨버터를 통해 디지털화 된 sine과 cosine 신호의 출력에는 Interpolated angle(θ)과 signal strength(R)의 결과가 함께 포함되어 있다. 순간적인 signal strength R은
Figure 112005062122967-pat00001
에 의해 구해지며, 순간적인 interpolated phase angle θ는
Figure 112005062122967-pat00002
에 의해 구해진다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용한 레이저 엔코더의 간섭계의 신호처리 회로를 도식적으로 도시한 도면이다. 간섭신호는 4분할 포토 다이오우드(37)를 통해 아날로그 신호로 변환된다. 4분할 포토 다이오우드(37)에서 측정된 신호는 Low-pass filter(도면에 미도시)와 증폭기(38)를 거쳐 노이즈가 제거되면서 증폭된다. 4분할 포토 다이오우드(37) 각각(PD1-PD2, PD3-PD4)의 신호를 각각 증폭기(38)를 통과시켜 두개의 정현파(A-B상)를 만들어 낸다. 두개의 A-B파형은 서로 π/2의 위상차를 가지고 있다. 위상차를 가진 두 정현파는 체배기(Interpolator)를 거치면서 신호변조가 이루어지며, Edge trigger 회로를 통해 주파수 체배된 신호로 변환된다. 방향검출회로와 체배기를 거치면 He-Ne 레이저의 파장 λ/n 의 분해능을 가진 up/down 신호로 변환된다. 상기와 같은 up/down 신호는 카운터에 의해 계수되고 그에 따라 이동거리가 산출된다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용한 레이저 엔코더는 유연성을 갖는 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용함으로 써 레이저 간섭계를 간소화하여 소형화시킬 수 있을 뿐만 아니라 레이저 광원을 자유롭게 설치할 수 있고 광섬유를 분기함으로써 이동체의 이동거리 측정수를 수개 이상으로 할 수 있는 장점을 갖는다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 광섬유를 레이저의 이송매체로 이용한 레이저 엔코더는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (1)

  1. 레이저 광원부와,
    상기 레이저 광원부로부터 출력된 빔을 단일 파장 빔으로 분리하는 빔 스플리터와, 빔 스플리터를 통과한 단일 파장 빔이 일단으로 입사되고 그 입사된 빔이 타단으로 전송되기 위한 광섬유와,빔이 입사되는 광섬유의 일단에 빔을 광섬유 중심으로 유도하도록 광섬유 일단 전측에 설치된 빔 축소기와, 광섬유 타단으로 확산되어 출력되는 빔을 소정 직경의 평행한 빔으로 출력하도록 상기 광섬유 타단 후측에 설치된 빔 확대기가 구비된 빔 전송부와,
    상기 빔 전송부로부터 출력된 빔을 참조빔과 측정빔으로 분리하기 위한 편광 빔 스플리터와, 측정빔이 반사되어 되돌아 오도록 소정의 이동체에 설치된 이동반사경과, 상기 측정빔의 편광 반향을 바꿔주도록 상기 편광 빔 스플리터와 상기 이동반사경 사이에 설치된 1/4 웨이브 플레이트와, 참조빔이 반사되어 반사된 측정빔과 합쳐지게 되돌아 오도록 설치된 고정 반사경과, 상기 참조빔과 측정빔이 합쳐져 생긴 간섭신호를 검출하기 위한 4분할 포토 다이오우드와, 상기 4분할 포토 다이오우드에 의해 검출된 신호를 증폭하기 위한 증폭기가 구비된 디텍터 헤드부와,
    디텍터 헤드부로부터 출력된 신호를 디지털화하기 위한 A/D 컨버터와, 디지털 신호로부터 위상을 산출하는 위상산출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동거리 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 레이저 이송매체로 이용한 레이저 엔코더.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103630161A (zh) * 2012-08-30 2014-03-12 长春理工大学 中小尺寸高精度编码器的精度校核方法及装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103630161A (zh) * 2012-08-30 2014-03-12 长春理工大学 中小尺寸高精度编码器的精度校核方法及装置
CN103630161B (zh) * 2012-08-30 2016-06-15 长春理工大学 中小尺寸高精度编码器的精度校核方法及装置

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