KR100766876B1 - 실시간 광간섭계에 사용하기 위한 공간위상천이장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공간위상천이장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 90도씩 위상천이된 복수개의 간섭무늬를 획득할 수 있는 공간위상천이장치에 있어서, 복수개의 간섭무늬를 얻기 위해 대응되는 복수개의 출사광의 광경로를 일치하도록 하는 광경로보상블록, 및 광경로보상블록으로 부터의 출사광의 끝단을 동일하게 하여 상기 간섭무늬의 영상왜곡을 방지하기 위한 왜곡방지블록을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 장치는 위상천이된 간섭무늬를 동일하게 하여 실시간 간섭측정이 가능하고 대부분의 간섭계에 적용할 수 있도록 하여 활용도 측면에서 효율성을 갖는 효과를 제공한다.

공간위상천이, 광경로보상, 왜곡방지

Description

실시간 광간섭계에 사용하기 위한 공간위상천이장치{Spatial phase shifter for real-time optical interferometry}

도 1은 종래의 공간위상천이장치를 채용한 광간섭계를 보여주는 도면,

도 2는 도 1의 간섭계에 사용된 공간위상천이장치의 구조와 위상천이 원리를 도시한 도면,

도 3의 도 2의 공간위상천이장치로 얻은 간섭무늬와 광경로를 보여주는 개략도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공간위상천이장치의 광경로보상블록을 보여주는 도면,

도 5는 도 4의 위상천이장치의 왜곡방지블록을 구성한 상태를 보여주는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 공간위상천이장치로 얻은 4개의 간섭무늬를 보여주는 도면,

도 7은 본 발명의 공간위상천이장치로 얻은 간섭무늬와 광경로를 보여주는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

400 : 광경로보상블록 402, 403, 404 : 광경로보상판

500 : 왜곡방지블록 505, 506, 507, 508 : 광섬유판

본 발명은 광간섭계에 관한 것으로, 특히 광간섭계를 위한 공간위상천이장치에 관한 것이다.

일반적인 공간위상천이장치는 시간적인 지체 없이 한꺼번에 3개 이상의 간섭무늬를 획득하거나 또는 하나의 공간 변조된 간섭무늬를 통해 훨씬 빠르게 측정을 수행할 수 있고 진동 등의 환경변화에 덜 민감한 측정이 가능하다. 공간위상천이 장치는 광 분할기(beam splitter)와 위상 지연판(wave plate)을 채용하거나, 회절격자(grating)를 채용하거나, 홀로그래픽 소자와 위상 지연판을 채용할 수 있다.

하기의 도 1 내지 도 3에서 설명할 종래의 공간위상천이장치는 광 분할기와 위상 지연판을 이용한 것으로서 4개의 카메라가 필요했던 기존의 방식을 1개의 카메라를 이용할 수 있는 것이다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참고하여 종래의 공간위상천이장치를 설명한다.

도 1은 종래의 공간위상천이장치가 채용된 광간섭계를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 광원수단(101)으로부터 출사된 광은 광차단기(102)를 지나 렌즈(103)에 의해 공간필터(104)에 수렴된다. 여기서, 광차단기(102)는 광원수단(101)로부터 출사된 광이 반대방향으로 반사되어 되돌아가는 것을 막기 위한 것이다. 공간필터(104)를 통과한 광은 시준렌즈(105)에 의해 평행광이 된다. 이러한 평행광은 1/2파장판(106)과 편광분할기(107)를 투과하여 1/4파장판(108)을 거쳐 광분할기(109)에서 90%반사되어 측정물체(111)로 전파해간다. 여기서 1/2파장판(106)은 선형 편광되어 전파하는 광의 편광 방향을 회전시키는 것으로 회전된 편광방향이 편광분할기(107)의 투과 편광 방향과 이루는 각도에 따라서 투과되는 전체 광량이 변한다. 편광분할기(107)에서 투과된 광은 1/4파장판(108)을 거쳐 광분할기(109)에서 반사된다. 광분할기(109)는 90%의 반사도를 갖는 것으로 한다. 또한, 1/4파장판(108)은 편광분할기(109)에서 광이 반사되도록 하며, 이후 측정물체(111)에서 반사되어 돌아오는 광의 편광모드를 바꾸는 역할을 한다. 광분할기(109)에서 반사된 광은 렌즈(110)를 통해 측정물체(111)에서 반사된다. 측정물체(111)로부터 반사된 광은 광분할기(109)에서 반사 및 투과되어 두개의 광경로로 진행한다.

우선, 광분할기(109)에서 반사된 광(이하 기준광)은 1/4파장판(108)을 지나면서 S편광인 출사광을 출사하고 편광분할기(107)에서 반사되어 광섬유(114)로 입사된다. 광섬유(114)를 통과한 광은 완벽에 가까운 구면파가 된다. 그리고, 광섬유(114)를 통과한 광은 P편광인 출사광이 된다. 광섬유(114)에 의해 광의 손실이 크기 때문에 90%의 반사도를 갖는 광분할기(109)를 사용하며, 광섬유(114)내의 편광방향의 회전을 조절하여 광섬유(114)를 통과한 광이 편광분할기(115)를 통해 최대한 많이 투과하도록 한다.

한편, 광분할기(109)에서 투과된 광(이하 측정광)은 1/4파장판(112)을 통과하면 S편광인 출사광이 된다. 그리고 코너큐브(113)에 의해 광경로가 변경되어 편광분할기(115)로 입사된다.

편광분할기(115)에서는 광섬유(114)를 통과한 기준광과 측정물체(111)에서 반사되어 코너큐브(113)를 통과한 측정광이 만나게 된다. 이때의 기준광과 측정광은 편광상태가 서로 수직이 된다. 이러한 기준광과 측정광은 편광분할기(115)를 투과하면 두개의 광이 결합되어 출사된다. 기준광은 편광분할기(115)에 의해 투과되어 1/2파장판(116)에서 편광상태가 45도 돌아가게 되고 측정광은 편광분할기(115)에 의해 반사되어 1/2파장판(116)에서 편광상태가 45도 돌아간다. 따라서, 두개의 광은 공간위상천이장치(117)로 입사하여 그 내부의 편광분할기를 투과하거나 반사되어 존재하게 된다. 이러한 두개의 광간의 간섭무늬는 공간위상천이장치(117)를 통해 90도씩 위상천이된 4개의 간섭무늬로 나타난다. 즉, 생성된 4개의 간섭신호(119, 120, 121, 122)는 하나의 광검출기(118)의 표면상에서 동시에 검출된다. 이렇게 하여 검출된 간섭신호는 간섭무늬 알고리즘을 통해 측정 대상물의 형상정보로 나타난다.

도 2는 도 1의 간섭계에 사용된 공간위상천이장치의 구조와 위상천이 원리를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 광경로를 따라 광분할기(201)와 1/4파장판(203)과 두께를 맞춰주기 위한 평판(202), 편광분할기(204), 및 미러(205)로 구성되어 입사되는 광으로부터 위상천이되어 4개의 간섭무늬를 얻을 수 있다.

즉 입사되는 광은 광분할기(201)에서 반사 및 투과된다. 광분할기(201)에서 반사된 광은 1/4파장판(203)에서 90도 위상천이되어 편광분할기(204)로 입사한다. 편광분할기(204)로 입사된 광은 반사 및 투과되는데 반사된 광은 출사광(207)으로 출사되고, 투과된 광은 미러(205)를 통해 반사되어 출사광(208)으로 출사된다. 이때 편광분할기(204)를 통과한 출사광(207)은 90도, 출사광(208)은 270도의 위상천이되어 간섭하게 된다.

한편, 광분할기(201)에서 투과된 광은 평판(202)을 그대로 투과하여 편광분할기(204)로 입사한다. 편광분할기(204)로 입사된 광은 반사 및 투과되는데 반사된 광은 출사광(206)으로 출사되고, 투과된 광은 미러(205)를 통해 반사되어 출사광(209)으로 출사된다. 마찬가지로 편광분할기(204)를 통과한 출사광(209)은 180도의 위상천이되어 간섭하게 된다.

따라서, 결과적으로 네 개의 출사광(206, 207, 208, 209)은 90도씩 위상천이된 4개의 간섭무늬를 얻을 수 있다.

이렇게 획득된 4개의 간섭무늬는 도 3에 도시한다.

도 3을 참고하면, 0도 위상천이된 출사광(206)은 광분할기(201)와 편광분할기(204)의 두 개의 광경로를 거쳐 기준광과 측정광의 간섭무늬를 얻을 수 있다. 마찬가지로 90도와 180도 위상천이된 출사광(207, 209)는 세 개의 광경로를 거쳐 기준광과 측정광의 간섭무늬를 얻을 수 있다. 이때의 간섭무늬는 0도 위상천이된 출사광(206)에 비해 기준광의 간섭무늬가 작다. 마지막으로 270도 위상천이된 출사광(208)은 네 개의 광경로를 거쳐 기준광과 측정광의 간섭무늬를 얻을 수 있다. 여기서, 광경로의 개수는 광이 통과하는 프리즘(광분할기, 편광분할기, 평판, 1/4파장판 등)의 개수를 말한다. 즉, 광경로가 서로 다르기 때문에 간섭무늬를 살펴보면, 측정과의 왜곡이 심하고 간섭무늬의 크기와 형태가 달라진다. 따라서, 간섭무늬를 해석할 때 픽셀을 서로 일치시키기도 어렵고 정확한 측정을 수행하기 곤란한 문제점을 지니고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 위상천이되는 간섭무늬들의 광경로를 일치시켜서 왜곡되지 않는 간섭무늬를 얻을 수 있는 공간위상천이장치를 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공간위상천이장치는 90도씩 위상천이된 복수개의 간섭무늬를 획득할 수 있는 공간위상천이장치에 있어서, 복수개의 간섭무늬를 얻기 위해 대응되는 복수개의 출사광의 광경로를 일치하도록 하는 광경로보상블록, 및 광경로보상블록으로 부터의 출사광의 끝단을 동일하게 하여 상기 간섭무늬의 영상왜곡을 방지하기 위한 왜곡방지블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 광경로보상블록은 광경로상에 위치한 매질의 굴절율과 동일한 굴절율을 갖는 유리블록인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 왜곡방지블록은 결맞은 광섬유판인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 광섬유판은 직경이 6마이크로미터인 광섬유다발인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 광섬유판은 개구수가 1인 광섬유다발인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공간위상천이장치의 광경로보상블록을 보여주는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 공간위상천이장치는 기존의 공간위상천이장치에 광경로보상블록(400)을 추가로 구성한 상태를 보여준다.

광경로보상블록(400)은 광경로를 보상하기 위해 출사광의 출사면에 광경로보상판(402, 403, 404)인 유리블록을 추가로 구성한다. 여기서 유리블록은 광경로상에 위치하는 프리즘 즉, 매질의 굴절율과 동일한 굴절율을 가지므로 광경로가 보상된다. 우선, 광경로보상판(403)은 0도위상천이된 출사광의 출사면에 위치하며 두 개의 유리블록을 사용한다. 즉, 0도위상천이된 출사광은 2개의 광경로를 거치므로 광경로보상을 위해 광경로보상판(403)인 두 개의 유리블록을 사용한다. 그러면 0도위상천이된 출사광은 총 4번의 경로를 거치게 된다. 또한, 광경로보상판(402)은 90도위상천이된 출사광의 출사면에, 그리고 광경로보상판(404)은 180도 위상천이된 출사광의 출사면에 각각 한 개씩의 유리블록을 사용한다. 즉, 90도위상천이된 출사광과 180도 위상천이된 출사광은 3개의 경로를 거치므로 광경로보상을 위해 광경로보상판(402, 404)을 각각 형성한다. 그러면 90도위상천이된 출사광과 180도 위상천이된 출사광은 광경로보상판(402, 404)을 포함하여 총 4번의 경로를 거치게된다. 따라서, 0도위상천이된 출사광과 동일하게 총 4번의 경로를 거치게 된다. 마지막으로 270도 위상천이된 출사광은 4번의 경로를 거치므로 별도의 광경로보상판을 사용하지 않는다. 즉, 0도 90도 180도 270도 위상천위된 출사광은 동일한 광경로인 4번의 경로를 거쳐서 출사되도록 한다. 이렇게 광경로가 동일하게 출사되는 출사광을 왜곡없이 출사하기 위해 왜곡방지블록(500)을 추가한다. 이는 도 5에 도시된 바와 같다.

도 5는 도 4의 위상천이장치의 왜곡방지블록을 구성한 상태를 보여주는 도면이다.

도 5를 참고하면, 본 발명의 공간위상천이장치는 광경로보상블록(400)으로부터 동일한 끝단을 얻기 위해 왜곡방지블록(500)을 구성한다. 왜곡방지블록(500)은 출사광이 출사되는 끝단을 동일하게 하여 왜곡을 방지하기 위한 것이다. 왜곡방지블록(500)은 왜곡을 방지하기 위해 끝단을 동일하도록 결맞은 광섬유판(505, 506, 507, 508)을 추가로 구성한다. 결맞은 광섬유판(505, 506, 507, 508)은 직경이 6마이크로미터 개구수가 1인 광섬유의 다발로 신호간섭을 막기 위한 흡수층(미도시)을 사이에 두고 있다. 결맞은 광섬유판(505, 506, 507, 508)은 광섬유의 다발로 일직선의 광섬유다발로 결맞음이 필수이며 광섬유다발이 꼬이면 출사광의 간섭무늬에 왜곡이 생긴다. 따라서, 간섭무늬를 왜곡없이 공간이동시키기 위해서 결맞은 광섬유판을 사용한다.

광섬유판(506)은 0도위상천이된 출사광의 끝단에 위치하며 가장 얇은 광섬유판을 사용한다. 또한 광섬유판(505)은 90도위상천이된 출사광의 끝단에, 그리고 광섬유판(507)은 180도 위상천이된 출사광의 끝단에 각각 동일한 두께의 광섬유판을 사용한다. 마지막으로 광섬유판(508)은 270도 위상천이된 출사광의 끝단에 위치하며 가장 두꺼운 광섬유판을 사용한다. 즉, 0도 90도 180도 270도 위상천위된 출사의 끝면이 동일하므로 왜곡이 방지된다.

도 6은 전술한 광경로보상블록(400)과 왜곡방지블록(500)을 추가로 형성한 공간위상천이장치를 통해서 얻어진 간섭무늬를 보여준다.

도 6을 참고하면, 전술한 공간위상천이장치의 끝단을 일반 카메라렌즈를 이용해 결상한 것으로, 4개의 위상천이된 간섭무늬가 왜곡없이 동일한 무늬로 결상됨을 알 수 있다. 이는 4개의 출사광의 광경로가 총 4개의 경로로 동일하고 출사광이 출력되는 끝단을 동일하도록 하여 왜곡을 방지하였으므로 얻을 수 있는 결과이다. 이렇게 동일한 4개의 간섭무늬를 얻기위한 광경로를 도 7과 관련하여 설명한다.

도 7은 본 발명의 공간위상천이장치로 얻은 간섭무늬와 광경로를 보여주는 개략도이다.

도 7을 참고하면, 0도 위상천이된 출사광은 광분할기와 편광분할기의 두 개 의 광경로에 광경로 보상을 위한 광경로보상판(403) 두 개를 추가로 거쳐 기준광과 측정광의 간섭무늬를 얻을 수 있다. 따라서, 0도위상천이된 출사광은 네 번의 광경로를 통해 간섭무늬을 얻는다. 마찬가지로 90도와 180도 위상천이된 출사광는 세 개의 광경로에다가 광경로보상을 위한 광경로보상판(402, 404)을 각각 추가로 거쳐 기준광과 측정광의 간섭무늬를 얻을 수 있다. 따라서, 90도 180도 위상천이된 출사광은 각각 네 번의 광경로를 거쳐 간섭무늬를 얻을 수 있다. 마지막으로 270도 위상천이된 출사광은 별도의 광경로보상판 없이 네 개의 광경로를 거쳐 기준광과 측정광의 간섭무늬를 얻을 수 있다. 따라서, 90도씩 위상천이된 4개의 출사광은 도 7에 도시된바와 같이 네 번이 광경로를 동일하게 거쳐 왜곡없이 동일한 간섭무늬를 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 장치는 위상천이된 간섭무늬를 동일하게 하여 실시간 간섭측정이 가능하고 대부분의 간섭계에 적용할 수 있도록 하여 활용도 측면에서 효율성을 갖는 효과를 제공한다.

Claims (5)

1. 90도씩 위상천이된 복수개의 간섭무늬를 획득할 수 있는 공간위상천이장치에 있어서,

   복수개의 간섭무늬를 얻기 위해 대응되는 복수개의 출사광의 광경로를 일치하도록 하는 광경로보상부; 및

   상기 광경로보상부로 부터의 출사광의 끝단을 동일하게 하여 상기 간섭무늬의 영상왜곡을 방지하기 위한 왜곡방지부를 포함하며,

   상기 광경로보상부는 광경로상에 위치한 매질의 굴절율과 동일한 굴절율을 갖는 유리블록이며, 상기 왜곡방지블록은 결맞은 광섬유판인 것을 특징으로 하는 공간위상천이장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 광섬유판은 직경이 6마이크로미터인 광섬유다발인 것을 특징으로 하는 공간위상천이장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 광섬유판은 개구수가 1인 광섬유다발인 것을 특징으로 하는 공간위상천이장치.

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