KR100951618B1

KR100951618B1 - 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법 및 시스템

Info

Publication number: KR100951618B1
Application number: KR1020080014984A
Authority: KR
Inventors: 김승우; 진종한; 김영진
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2010-04-09
Also published as: US7898669B2; JP2009198477A; US20090207418A1; KR20090089684A

Abstract

본 발명은 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법 및 시스템에 관한 것으로, (a) 상기 광주파수 발생기를 이용하여 안정화된 서로 다른 복수개의 파장을 생성하는 단계; (b) 주파수 주사 간섭계의 원리를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 초기 추정치를 획득하는 단계; (c) 상기 획득한 초기 추정치의 불확도 범위를 분석하는 단계; (d) 다파장 간섭계의 원리에 의해 각 파장에 대한 간섭신호를 해석하여 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부를 측정하는 단계; (e) 상기 초기 추정치의 불확도 범위 내에서 상기 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 정수부를 결정하는 단계; 및 (f) 상기 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부와 정수부를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 절대거리를 측정하는 단계를 포함한다.

광주파수, 레이저, 간섭, 절대거리, 광빗

Description

광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법 및 시스템{ABSOLUTE DISTANCE MEASUREMENT METHOD AND SYSTEM USING OPTICAL FREQUENCY GENERATOR}

본 발명은 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법 및 시스템에 관한 것이다.

절대거리측정(absolute distance metrology)은 측정면의 움직임 없이도 원하는 거리를 한번에 측정하는 방법이다. 현재 널리 사용되고 있는 간섭원리를 이용한 길이 측정기는 측정면의 움직임으로 생겨나는 간섭 무늬의 위상변화를 연속적으로 적분하여 측정면의 처음 위치와 최종 위치 사이의 상대 변위(relative displacement)를 측정한다.

이 방법은 광원의 파장을 기준자(ruler)로 이용하므로 높은 측정 불확도를 갖고 길이 표준에 직접적으로 소급하는 측정법이며, 위상의 변화가 곧 측정면의 변위를 의미하므로 복잡한 계산이나 측정 과정이 필요 없이 빠른 측정이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

그러나, 위상 모호성(phase ambiguity)의 문제로 인하여 거리를 측정하고자 할 때 반드시 측정면을 원하는 만큼 이동시키는 과정이 필요하며, 위상변화를 연속적으로 적분하므로 신호에 실려있는 여러 오차성분 또한 측정하는 과정에서 누적되는 단점을 갖고 있다.

이로 인해 기존 간섭계의 여러 장점을 살리면서 절대거리를 측정할 수 있는 측정기의 필요성이 제기되고 있으며 연구 개발도 활발히 수행되고 있다.

간섭 원리를 이용한 절대거리측정은 같은 거리를 둘 이상의 여러 광 파장을 사용하여 측정하는 다파장 간섭계(multi-wavelength interferometer)와, 광 주파수를 일정한 넓이 및 주기로 주사하여 길이를 측정하는 주파수 주사 간섭계(frequency scanning interferometer)를 비롯한 여러 방법이 존재한다.

이 중 다파장 간섭계는 높은 측정 불확도로 측정이 가능하며 빛의 짧은 파장을 사용하는 광 간섭계의 장점을 잘 살릴 수 있는 절대거리 측정법 중 하나이지만, 측정하고자 하는 거리를 일정한 범위 내로 추정할 수 있어야 하는 단점이 존재하여 게이지블록 측정 등의 측정하고자 하는 길이의 초기 예측이 가능한 특정한 분야에서만 사용되고 있다.

또한, 종래의 절대 거리 간섭법은 광원의 안정도 문제, 알고리즘 문제 등의 기술적인 문제로 상대변위 측정법에서 얻을 수 있는 수준의 측정 불확도를 갖지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 광 주파수 발생기로부터 높은 주파수 안정도 및 정확도를 갖는 복수개의 파장을 생성하여 주파수 주사 간섭계 원리를 통합 적용한 다파장 간섭계의 원리에 의해 기존의 파장의 안정도 및 정확도에 의해 제한되었던 측정영역을 확장하고 동시에 기존의 상대변위측정을 위한 광 간섭계가 갖는 높은 측정 불확도 특성을 유지하면서 절대거리를 측정할 수 있도록 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법 및 시스템을 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 진공 상태에서 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법의 일 측면에 따르면, (a) 상기 광주파수 발생기를 이용하여 안정화된 서로 다른 복수개의 파장을 생성하는 단계; (b) 주파수 주사 간섭계의 원리를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 초기 추정치를 획득하는 단계; (c) 상기 획득한 초기 추정치의 불확도 범위를 분석하는 단계; (d) 다파장 간섭계의 원리에 의해 각 파장에 대한 간섭신호를 해석하여 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부를 측정하는 단계; (e) 상기 초기 추정치의 불확도 범위 내에서 상기 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 정수부를 결정하는 단계; 및 (f) 상기 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부와 정수부를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 절대거리를 측정하는 단계를 포함한다.

상기 단계(a)는, (a1) 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)로부터 발생된 단파장의 레이저와 펨토초 레이저로부터 발생된 다파장의 레이저 펄스의 주파수 모드 간섭에 의해 맥놀이 주파수(beat frequency)가 생성되는 단계; (a2) 위상잠금회로(PLL)로부터 상기 맥놀이 주파수를 기설정된 기준 주파수에 동기시키기 위한 전기적 제어신호가 발생되어 상기 외부공진기 레이저 다이오드로 전송되는 단계; (a3) 상기 외부공진기 레이저 다이오드에서 상기 위상잠금회로(PLL)로부터 전송된 전기적 제어신호에 따라 안정화된 파장을 생성하는 단계를 포함한다.

상기 단계(a)는, (a1) 펨토초 레이저로부터 발생된 다파장의 레이저 펄스로부터 단일 주파수 모드를 추출하는 단계; (a2) 상기 추출된 단일 주파수 모드를 갖는 빛을 레이저 다이오드로 인가하는 단계; (a3) 상기 레이저 다이오드에서 인가된 빛을 증폭하여 안정화된 파장을 생성하는 단계를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 매질 상태에서 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법의 일 측면에 따르면, (a) 상기 광주파수 발생기를 이용하여 안정화된 서로 다른 복수개의 파장을 생성하는 단계; (b) 각 파장의 매질 굴절율을 이용하여 상기 서로 다른 복수개의 파장을 매질중의 파장으로 보정하는 단계; (c) 주파수 주사 간섭계의 원리를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 초기 추정치를 획득하는 단계; (d) 상기 획득한 초기 추정치의 불확도 범위를 분석하는 단계; (e) 각 파장에 대한 간섭신호를 해석하여 매질중의 파장으로 보정된 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부를 측정하는 단계; (f) 상기 초기 추정치의 불확도 범위 내에서 매질중의 파장으로 보정된 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 정수부를 결정하는 단계; 및 (g) 매질중의 파장으로 보정된 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부와 정수부를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 절대거리를 측정하는 단계를 포함한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정 시스템의 일 측면에 따르면, 안정화된 서로 다른 복수개의 파장을 생성하고, 상기 서로 다른 복수개의 파장 중에서 제1 파장(λ₁)에서 제2 파장(λ₂)까지 연속적인 주파수의 주사가 가능한 광주파수 발생모듈과, 상기 광주파수 발생모듈로부터 출사되는 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부를 측정하고, 상기 제1 파장(λ₁)에서 제2 파장(λ₂)까지 연속적인 주파수의 주사에 의해 두 파장 사이의 위상차(Δφ)를 측정하기 위한 간섭계 모듈을 포함한다.

상기 광주파수 발생모듈은, 단파장의 레이저를 발생시키기 위한 외부공진기 레이저 다이오드; 다파장의 레이저 펄스를 발생시키기 위한 펨토초 레이저; 상기 외부공진기 레이저 다이오드로부터 발생된 단파장의 레이저와 상기 펨토초 레이저로부터 발생된 다파장의 레이저 펄스의 주파수 모드 간섭에 의해 생성된 맥놀이 주파수(beat frequency)를 측정하기 위한 애벌란시 포토 다이오드; 상기 애벌란시 포토 다이오드로부터 측정된 맥놀이 주파수를 기설정된 기준 주파수에 동기시키기 위한 전기적 제어신호를 발생시켜 상기 외부공진기 레이저 다이오드로 출력하는 위상잠금회로부를 포함하고, 상기 외부공진기 레이저 다이오드는 상기 위상잠금회로부로부터 출력되는 전기적 제어신호에 따라 안정화된 주파수의 파장을 생성하여 상기 간섭계 모듈로 출사한다.

상기 광 주파수 발생모듈은, 다파장의 레이저 펄스를 발생시키기 위한 펨토초 레이저; 상기 펨토초 레이저로부터 발생된 다파장의 레이저 펄스로부터 단일 주파수 모드를 추출하기 위한 광 주파수 추출부; 상기 광 주파수 추출부로부터 추출된 단일 주파수 모드를 갖는 빛을 증폭하여 안정화된 주파수의 파장을 생성하여 상기 간섭계 모듈로 출사하는 광 주파수 증폭부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 주파수 표준에 소급하여 원하는 파장을 마음대로 얻어낼 수 있는 광 주파수 발생기를 이용하여 여러 파장을 생성하여 절대 거리 측정 뿐만 아니라 공기 중의 측정에서 가장 문제가 되는 공기 굴절율 보상도 가능함으로써 정밀 길이 측정에 널리 적용할 수 있으며, 안정된 파장 및 주파수가 필요로 하는 분광학, 생명공학에서의 측정, 단층 측정, 두께 측정, 표준 측정 등 다양한 분야로의 응용이 가능하다.

또한, 현재 널리 사용되고 있는 상대 변위 간섭법은 물론 측정면의 움직임 없이 한 번의 측정으로 거리를 얻을 수 있는 절대 거리 간섭법의 적용도 가능함으로써 연속적으로 측정면을 움직일 수 없고 높은 측정 분해능을 요구하는 반도체 및 LCD 장비와 같은 대형 초정밀 기기의 위치 결정, 항공기, 우주선 및 초대형 선박의 조립 및 위치 선정, 대형 다리와 같은 건축 구조물의 건설 및 우주에서 인공위성간의 위치 결정 등의 작업에도 널리 사용될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광주파수 발생기를 이용하여 절대거리를 측정하기 위한 간섭계의 광학 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 광주파수 발생모듈에서 안정화된 광주파수를 생성하는 일예를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 크게 광주파수 발생모듈(100)과 간섭계 모듈(200)을 포함한다.

외부 파장 가변 광원 기반의 광주파수 발생모듈(100)은 외부공진기 레이저 다이오드(external cavity laser diode, ECLD)(101)와, 펨토초 레이저(femtosecond laser)(102)와, 편광 광 분할기(polarization beam splitter, PBS)(103)와, 편광자(polarizer, P)(104)와, 광 필터(optical filter)(105)와, 애벌란시 포토 다이오드(avalanche photo diode, APD3)(106)와, 위상잠금회로(phase locked loop, PLL)(107)을 포함한다.

외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)(101)는 단파장의 레이저를 발생시키며, 파장의 가변 범위는 765-781 nm 이다.

또한, 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)(101)는 위상잠금회로(PLL)(107)로부터 전송되는 전기적 제어신호에 따라 안정화된 주파수의 파장을 생성하여 간섭계 모듈(200)로 출사한다.

펨토초 레이저(fs-laser)(102)는 다파장의 레이저 펄스를 발생시킨다.

편광 광 분할기(PBS)(103)는 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)(101)로부터 입사되는 단파장 레이저와 펨토초 레이저(fs-laser)(102)로부터 입사되는 다파장 레이저를 편광 방향에 따라 투과 또는 반사시킨다. 이때, 펨토초 레이저(fs-laser)(102)의 주파수 모드 간섭에 의해 맥놀이 주파수(beat frequency)가 생성된다.

편광자(P)(104)는 편광 광 분할기(PBS)(103)에서 발생된 주파수 모드 간섭을 확인하기 위하여 편광 광 분할기(PBS)(103)에서 반사되는 레이저와 투과되는 레이저로부터 직선편광을 추출한다.

광 필터(optical filter)(105)는 편광자(P)(104)로부터 추출되어 입사되는 직선편광에 대한 일정 파장 대역을 선택적으로 투과시키거나 투과하지 못하도록 한다.

애벌란시 포토 다이오드(APD3)(106)는 광 필터(optical filter)(105)에 의해 선택적으로 투과된 일정 파장 대역에 있어서 편광 광 분할기(PBS)(103)에서의 펨토초 레이저(fs-laser)(102)의 주파수 모드 간섭에 의해 생성된 맥놀이 주파수(beat frequency)를 측정한다.

위상잠금회로(PLL)(107)는 애벌란시 포토 다이오드(APD3)(106)로부터 입력되는 맥놀이 주파수(beat frequency)를 기설정된 기준 주파수에 동기(synchronization)시키기 위한 전기적 제어신호를 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)(101)로 출력한다.

즉, 편광 광 분할기(PBS)(103)에서 펨토초 레이저(fs-laser)(102)의 주파수 모드 간섭에 의해 생성된 맥놀이 주파수(beat frequency)를 측정함으로써 외부공진 기 레이저 다이오드(ECLD)로부터 출사되는 빛의 주파수(f_CW)를 알 수 있게 된다. 이에 대해 첨부된 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 2에서와 같이, 펨토초 레이저(fs-laser)(102)에서 출사되는 다파장 레이저와 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)(101)에서 출사되는 단파장 레이저가 만나면 주파수 모드 간섭이 발생되어 맥놀이 주파수(beat frequency)를 측정할 수 있게 된다.

펨토초 레이저(fs-laser)(102)에서 출사되는 안정화된 펨토초 레이저의 주파수 모드 콤(comb)에서 i 번째 주파수 모드는 하기의 수학식 1과 같이 표현될 수 있으며, 수학식 2에 의해 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)로부터 출사되는 빛의 주파수(f_CW)를 알 수 있게 된다.

f_i : i 번째 주파수 모드

i : 정수

f_r : 펄스반복주기(repetition rate)

f_o : 오프셋 주파수(offset frequency)

f_cw : 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)로부터 출사되는 빛의 주파수

f_b : 맥놀이 주파수(beat frequency)

이와 같이 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)로부터 출사되는 빛의 주파수(f_CW)는 i 번째 주파수 모드(f_i)에 맥놀이 주파수(f_b)를 합산하여 알 수 있게 된다.

이때, 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)로부터 출사되는 빛의 주파수(f_CW)는 튜닝 주파수 범위(tuning range)내의 불안정한 주파수로서, 위상잠금회로(PLL)(107)에서 맥놀이 주파수(f_b)를 기설정된 기준 주파수에 동기(synchronization)시키기 위한 전기적 제어신호를 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)(101)로 전송하게 되면, 이 시점부터 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)로부터 안정화된 주파수(f_CW)를 갖는 빛이 출사되어진다.

간섭계 모듈(200)은 시준 렌즈(collimatior)(201)와, 제1 편광 광 분할기(PBS1)(202)와, 음향광학 변조기(acousto-optic modulator, AOM)(203)와, 제1 거울(M1)(204)와, 제2 거울(M2)(205)와, 광 분할기(BS)(206)와, 제1 편광 자(polarizer)(207)와, 제1 애벌란시 포토 다이오드(APD1)(208)와, 제2 편광 광 분할기(PBS2)(209)와, 제1 1/4 파장판(quarter-wave plate, QWP1)(210)과, 타겟 거울(target mirror)(211)와, 제2 1/4 파장판(quarter-wave plate, QWP2)(212)과, 리트로 리플렉터(retor-reflector)(213)와, 제2 편광자(polarizer)(214)와, 제2 애벌란시 포토 다이오드(APD2)(215)를 포함한다.

시준 렌즈(201)는 광주파수 발생모듈(100)의 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)(101)로부터 출사되어 광섬유를 통해 전달되는 높은 안정도를 갖는 빛을 시준한다.

제1 편광 광 분할기(PBS1)(202)는 시준 렌즈(201)에서 시준된 빛을 편광에 따라 투과하는 성분의 빛과 반사하는 성분의 빛으로 가른다.

음향광학 변조기(AOM)(203)는 제1 편광 광 분할기(PBS1)(202)에서 반사된 성분의 빛을 라디오 주파수 대역의 변조 주파수(f_b)만큼 주파수 천이를 시킨다.

제1 거울(M1)(204)는 음향광학 변조기(AOM)(203)의 라디오 주파수 대역의 변조 주파수(f_b)만큼 주파수가 천이된 성분의 빛을 반사시킨다.

제2 거울(M2)(205)는 제1 미러(204)에서 반사된 성분의 빛을 반사시켜 광 분할기(BS)(206)로 출사한다.

광 분할기(BS)(206)는 제1 편광 광 분할기(PBS1)(202)에서 갈라진 투과 성분의 빛과 제2 거울(205)에서 반사된 성분의 빛이 입사되면 합쳐진 빛을 분할하여 두 방향으로 출사한다.

제1 편광자(polarizer)(207)는 광 분할기(BS)(206)에서 합쳐진 한 성분의 빛을 제1 애벌란시 포토 다이오드(APD1)(208)로 출사한다.

제1 애벌란시 포토 다이오드(APD1)(208)는 제1 편광자(polarizer)(207)로부터 입사되는 한 성분의 빛을 간섭시켜 음향광학 변조기(AOM)(203)의 변조 주파수 성분을 갖는 간섭신호를 생성한다.

제2 편광 광 분할기(PBS2)(209)는 광 분할기(BS)(206)로부터 입사되는 다른 성분의 빛을 편광에 따라 반사하는 성분의 빛과 투과하는 성분의 빛으로 나누어 반사하는 성분의 빛은 리트로 리플렉터(retor-reflector)(213)로 출사하고, 투과하는 성분의 빛은 타겟 거울(target mirror)(211)로 출사한다.

여기서, 제1 편광 광 분할기(PBS1)(202)에서 반사하는 성분과 투과하는 성분의 빛으로 나누어졌던 것과 같이, 리트로 리플렉터(retor-reflector)(213)로 출사되는 반사 성분의 빛은 음향광학 변조기(AOM)(203)의 라디오 주파수 대역의 변조 주파수(f_b)만큼 주파수 천이가 일어난 빛이며, 타겟 거울(target mirror)(211)로 출사되는 투과 성분의 빛은 본래의 주파수를 갖는 빛이다.

또한, 제2 편광 광 분할기(PBS2)(209)는 타겟 거울(target mirror)(211)로부터 반사되어 돌아오는 빛을 제1 1/4 파장판(QWP1)(210)을 통해 입사받고, 리트로 리플렉터(retor-reflector)(213)로부터 반사되어 돌아오는 빛을 제2 1/4 파장판(QWP2)(212)을 통해 입사받아 입사된 두 빛을 제2 편광자(polarizer)(214)로 출사한다.

제1 1/4 파장판(QWP1)(210)은 제2 편광 광 분할기(PBS2)(209)로부터 입사되는 투과 성분의 빛을 타겟 거울(target mirror)(211)로 출사하고, 타겟 거울(target mirror)(211)에서 반사되어 돌아오는 빛(편광)을 90°회전시켜 제2 편광 광 분할기(PBS2)(209)로 출사한다.

타겟 거울(target mirror)(211)은 제1 1/4 파장판(QWP1)(210)을 통해 입사되는 투과 성분의 빛을 반사시켜 제1 1/4 파장판(QWP1)(210)으로 출사한다.

제2 1/4 파장판(QWP2)(212)은 제2 편광 광 분할기(PBS2)(209)로부터 입사되는 반사 성분의 빛을 리트로 리플렉터(retor-reflector)(213)로 출사하고, 리트로 리플렉터(retor-reflector)(213)에서 반사되어 돌아오는 빛(편광)을 90°회전시켜 제2 편광 광 분할기(PBS2)(209)로 출사한다.

리트로 리플렉터(retor-reflector)(213)는 제2 1/4 파장판(QWP2)(212)을 통해 입사되는 반사 성분의 빛을 반사시켜 제2 1/4 파장판(QWP2)(212)으로 출사한다.

제2 편광자(polarizer)(214)는 제2 편광 광 분할기(PBS2)(209)로부터 출사되는 투과 성분의 빛과 반사 성분의 빛을 입사받아 제2 애벌란시 포토 다이오드(APD2)(215)로 출사한다.

제2 애벌란시 포토 다이오드(APD2)(215)는 제2 편광자(polarizer)(214)로부터 출사되는 투과 성분의 빛과 반사 성분의 빛을 입사받아 간섭신호를 생성한다.

결국, 제1 애벌란시 포토 다이오드(APD1)(208)에서 생성된 간섭신호와 제2 애벌란시 포토 다이오드(APD2)(215)에서 생성된 간섭신호간의 위상차를 위상 측정기로 측정하여 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)로부터 출사되는 안정화된 파장에 대한 소수부를 구할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광주파수 발생모듈의 광학 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 광주파수 발생모듈에서 안정화된 광주파수를 생성하는 일예를 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광 주파수 추출 기반의 광주파수 발생모듈(300)은 펨토초 레이저(femtosecond laser)(301)와, 레이저 다이오드(laser diode, LD)(302)와, 제1 거울(mirror, M1)(303)과, 제2 거울(M2)(304)과, 제1 회절격자(diffraction grating, DG1)(305)와, 렌즈(lens, L)(306)와, 단일모드 광섬유(single mode fiber, SMF)(307)와, 가변 페브리 패롯 간섭계(scanning Fabry-Perot interferometer, SFPI)(308)와, 제1 광 분할기(beam splitter, BS1)(309)와, 제1 애벌란시 포토 다이오드(avalanche photo diode, APD1)(310)와, 제1 반파장판(half wave plate, HWP1)(311)과, 광차단기(optical isolator)(312)와, 제2 광분할기(BS2)(313)와, 음향광학 변조기(acusto-optic modulator, AOM)(314)와, 제2 반파장판(HWP2)(315)과, 편광 광분할기(polarization beam splitter, PBS)(316)와, 제3 거울(M3)(317)과, 편광자(polarizer, P)(318)와, 제2 회절격자(DG2)(319)와, 제2 애벌란시 포토 다이오드(APD2)(320)와, 제3 광분할기(BS3)(321)와, 제4 광분할기(BS4)(322)와, 파장 측정기(wavelength meter)(323)와, 광스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer, OSA)(324)를 포함한다.

펨토초 레이저(fs-laser)(301)는 여러 주파수 모드를 가지는 레이저 펄스를 발생시킨다.

레이저 다이오드(LD)(302)는 단독으로 사용되면 단파장의 레이저를 발생시키고, 외부에서 주입 잠금 구간(injection locking range) 내의 주파수를 갖는 빛을 인가해 주면 인가된 빛을 증폭하여 출력한다.

제1 거울(M1)(303)은 펨토초 레이저(fs-laser)(301)의 빛을 반사시켜 제1 회절격자(DG1)(305) 방향으로 출사한다.

제1 회절격자(DG1)(305)는 펨토초 레이저(fs-laser)(301)의 여러 주파수 모드의 빛을 회절시켜 파장에 따라 서로 다른 각도로 1차 회절광을 출사한다. 이 때, 0차 회절광은 파장에 따라 분리되지 않은 상태로 제3 거울(M3)(317)로 출사된다.

제2 거울(M2)(304)은 제1 회절격자(DG1)(305)로부터 분광된 1차 회절광을 반사시켜 렌즈(L)(306) 방향으로 출사한다.

렌즈(L)(306)는 제1 회절격자(DG1)(305)에서 파장에 따라 분광되어 제2 거울(M2)(304)에서 반사된 빛 중에서 일정한 파장 대역의 빛만을 추출하여 단일모드 광섬유(SMF)(307)에 입사시킨다.

단일모드 광섬유(SMF)(307)는 렌즈에서 추출된 일정한 파장 대역의 빛을 전송 및 시준(collimation)하여 가변 페브리 패롯 간섭계(SFPI)(308)로 출사한다.

가변 페브리 패롯 간섭계(SFPI)(308)는 단일모드 광섬유(SMF)(307)에서 전송된 빛 중에서 원하는 대역만을 미세하게 선택하여 하나의 주파수 모드만을 추출하여 통과시킨다. 이때, 원치 않는 주파수 모드의 광량도 일부 남아서 통과할 수 있다.

제1 광분할기(BS1)(309)는 가변 페브리 패롯 간섭계(SFPI)(308)에서 입사된 빛을 분할하여 제1 애벌란시 포토 다이오드(APD1)(310)와, 제1 반 파장판(HWP1)(311)의 두 방향으로 출사한다.

제1 애벌란시 포토 다이오드(APD1)(310)는 가변 페브리 패롯 간섭계(SFPI)(308)를 통과하여 제1 광분할기(BS1)(309)에서 반사된 광량을 측정한다. 이는 원하는 하나의 주파수 모드를 통과시키기 위한 가변 페브리 패롯 간섭계(SFPI)(308)의 제어신호로써 사용된다.

제1 광 분할기(BS1)(309)를 투과한 빛은 제1 반 파장판(HWP1)(311)을 통과하면서 광차단기(optical isolator)(312)에서 반사되어 레이저 다이오드(LD)(302)로 전송될 수 있도록 편광방향이 조절된다.

광차단기(optical isolator)(312)는 레이저 다이오드(LD)(302)에서 출력되어 제2 광분할기(BS2)(313) 방향으로 진행하는 빛은 투과시키고, 그 역방향인 제2 광분할기(BS2)(313)에서 레이저 다이오드(LD)(302) 방향으로는 빛이 진행하지 못하도록 하는 역할을 한다. 또한, 제1 반 파장판(HWP1)(311) 방향으로부터 입사된 빛은 광차단기(optical isolator)(312)에서 반사되어 레이저 다이오드(LD)(302)로 전송된다.

즉, 광차단기(optical isolator)(312)는 펨토초 레이저(fs-laser)(301)로부터 원하는 주파수 모드만이 선택된 빛을 레이저 다이오드(LD)(302)로 인가하여 해당 모드의 증폭이 발생하도록 하며, 레이저 다이오드(LD)(302)에서 증폭된 빛은 제2 광 분할기(BS2)(313) 방향으로 통과시킴으로써 거리측정 간섭계 및 특성 측정/제 어에 사용될 수 있도록 한다.

레이저 다이오드(LD)(302)는 추출된 주파수 모드의 광량을 증폭하는 동시에 가변 페브리 패롯(Fabry Perot) 간섭계(SFPI)(308)에서 잔류한 원치 않는 주파수 모드들의 광량을 완벽하게 제거하는 역할을 수행한다.

제2 광 분할기(BS2)(313)는 레이저 다이오드(LD)(302)에서 출사하여 광차단기(optical isolator)(312)를 통과한 레이저를 분할하여 음향광학 변조기(AOM)(314)와 제3 광 분할기(BS3)(321)의 두 방향으로 출사한다.

음향광학 변조기(AOM)(314)는 펨토초 레이저(301)로부터 추출 및 증폭된 주파수 모드의 안정도와 정확도를 측정/평가하기 위해서 추출 및 증폭된 주파수 모드를 일정한 주파수 (f_AOM)만큼 천이시키는데 사용된다. 주파수 천이된 빛은 제2 반 파장판(HWP2)(315)으로 출사된다.

제2 반 파장판(HWP2)(315)은 음향광학 변조기(AOM)(314)로부터 입사된 빛의 편광 방향을 조절하여 편광 광 분할기(PBS)(316)에서 반사되어 편광자(P)(318)로 향하는 빛의 광량을 조절한다.

제2 반 파장판(HWP2)(315)으로부터 입사된 빛은 편광 광 분할기(PBS)(316)에서 제3 거울(M3)(317)에서 입사된 빛과 합쳐져서 편광자(P)(318)로 출사된다.

이 때, 제2 반 파장판(HWP2)(315)으로부터 입사된 빛은 펨토초 레이저(fs-laser)(301)로부터 선택 및 증폭된 주파수 모드로부터 일정한 주파수(f_AOM)만큼 천이된 광 주파수를 가지며, 제3 거울(M3)(317)로부터 입사한 펨토초 레이저(fs- laser)(301) 자체의 빛과 간섭하게 된다. 이들 사이의 맥놀이 주파수(beat frequency)를 제2 애벌란시 포토 다이오드(APD2)(320)를 통해 측정함으로써 추출된 주파수 모드의 안정도를 평가한다.

편광자(P)(318)는 편광 광 분할기(PBS)(316)에서 발생된 간섭 맥놀이 주파수를 확인하기 위하여 편광 광 분할기(PBS)(316)에서 반사되는 추출된 단색의 레이저 빛과 투과되는 여러 주파수 모드를 갖는 광 빗으로부터 직선편광을 추출한다.

제2 애벌란시 포토 다이오드(APD2)(320)에서 측정된 맥놀이 주파수는 라디오 스펙트럼 분석기(radio frequency spectrum analyzer) 혹은 주파수 계수기(frequency counter)로 인가되어, 광 주파수 추출 기반의 광 주파수 발생기의 선폭(linewidth), 안정도(stability), 정확도(accuracy) 및 인접모드 억압비(side mode suppression ratio: SMSR)를 확인하는데 이용되며, 또한 제어가 안정적으로 유지되고 있는지에 대한 판별 및 레이저 다이오드(LD)(302)의 온도 및 전류 값의 제어에도 이용된다.

제3 광 분할기(BS3)(321)는 제2 광 분할기(BS2)(313)로부터 입사된 레이저 빛을 분할하여 도 1에서의 간섭계 모듈(200)과 제4 광 분할기(BS4)(322)의 두 방향으로 출사한다.

제4 광 분할기(BS4)(322)는 제3 광 분할기(BS3)(321)로부터 입사된 레이저 빛을 분할하여 파장 측정기(wavelength meter)(323)와 광스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer, OSA)(324)의 두 방향으로 출사한다.

파장 측정기(wavelength meter)(323)를 통해 제4 광 분할기(BS4)(322)로부 터 입사한 레이저 빛의 광 주파수의 정확도와 안정도를 평가 및 확인할 수 있다.

광스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer, OSA)(324)는 제4 광 분할기(BS4)(322)로부터 입사한 레이저 빛의 광 주파수의 선폭과, 정확도와, 안정도 및 인접모드 억압비(side mode suppression ratio: SMSR)를 평가 및 확인할 수 있다.

즉, 광 주파수 추출 기반의 광 주파수 발생기는 페브리 패롯 주파수 모드 추출부(SFPI)(308)를 통해 원하는 모드만을 추출한 후, 레이저 다이오드(LD)(302)를 이용하여 추출된 주파수 모드의 광량만을 선택적으로 증폭함으로써 구성되며, 이 때 출사되는 빛의 광 주파수는 광 빗에서 추출된 주파수 모드의 광 주파수에 해당한다. 이에 대해 첨부된 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 4에서와 같이, 펨토초 레이저(fs-laser)(301)에서 출사되는 레이저 펄스는 등간격의 수많은 주파수 모드를 가지며, 렌즈(L)(306)를 통과하면서 일부 파장 대역만이 선택적으로 살아남게 되고, 페브리 패롯 주파수 모드 추출부(SFPI)(308)를 통과하면서 선택하고자 하는 하나의 주파수 모드만이 살아남는다. 이때, 원치 않는 주파수 모드들의 광량이 일부 살아남게 되지만, 이는 레이저 다이오드(LD)(302)에 인가되어 증폭되는 과정에서 완전히 제거된다. 추출된 주파수 모드를 레이저 다이오드(LD)(302)에 인가함으로써 50 dB 이상에 해당하는 높은 수준의 광 증폭이 가능하다.

펨토초 레이저(fs-laser)(301)에서 출사되는 안정화된 펨토초 레이저의 광 빗(optical comb)에서 i 번째 주파수 모드는 상술한 수학식 1과 같이 표현될 수 있으며, 선택적으로 추출하고자 하는 광 주파수 모드가 i 번째 모드일 경우에는 증폭 후의 광 주파수 역시 수학식 1로 정확히 기술된다.

이 때, 펨토초 레이저(fs-laser)(301)의 주파수 모드가 인가되지 않았을 경우에 해당하는 레이저 다이오드(LD)(302)로부터 출사되는 빛의 주파수는 가변 주파수 범위 내의 불안정한 주파수이며, 펨토초 레이저(fs-laser)(301)의 주파수 모드가 안정적으로 레이저 다이오드(LD)(302)로 인가되면, 이 시점부터 레이저 다이오드(LD)(302)로부터 출사되는 빛의 주파수는 수학식 1과 같이 안정화된 주파수를 가지게 된다.

레이저 다이오드(LD)(302)로부터 출사되는 증폭된 빛은 도 1의 간섭계 모듈(200)로 입사되어 레이저 다이오드(LD)(302)로부터 출사되는 안정화된 주파수의 파장에 대한 소수부를 구할 수 있게 된다.

또한, 원하는 주파수를 생성하기 위해 수학식 1의 펄스 반복 주기(f_r)를 펨토초 레이저의 공진기 길이를 변화시키면서 조절함으로써 주파수 모드 사이의 주파수도 생성할 수 있다. 동시에 출력단에 주파수 천이가 가능한 광학 장치인 AOM 등을 사용해도 같은 효과를 얻을 수 있다.

하기에서는 다파장 간섭계와 주파수 주사 간섭계를 이용하여 절대거리를 측정하는 방법에 대하여 첨부된 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하기로 한다. 이에 앞서 다파장 간섭계와 주파수 주사 간섭계의 원리에 대해 간략히 설명하기로 한다.

다파장 간섭계(multi-wavelength interferometer, MWI)는 둘 혹은 그 이상의 잘 정의되고 안정화된 다수의 파장을 사용하여 위상 모호성의 문제를 극복한다. 하기의 수학식 3은 다파장 간섭계의 원리를 이용하여 절대 거리(L)를 서로 다른 N 개의 파장으로 측정했을 때를 표현한 것이다.

λ_i : i(i= 1, 2, ..., N) 번째 파장

m_i : i 번째 파장(λ_i)을 사용한 측정시의 정수부(integer part)

ε_i : i 번째 파장(λ_i)을 사용한 측정시의 소수부(excess fraction part)

이때, 소수부(ε_i)는 간섭계에서의 간섭 신호를 해석하여 직접적으로 측정이 가능하지만, 정수부(m_i)는 위상모호성의 문제로 인해 직접적으로 획득하는 것이 불가능하다.

수학식 3에서는 절대거리(L)와 각 파장에서의 정수부(m_i, i= 1, 2, ..., N)까지의 N+1 개의 미지수가 존재한다. 미지수의 개수가 식의 개수보다 하나가 많으므로 전 영역에 대해 유일한 해를 구할 수는 없지만, 초기에 측정하고자 하는 절대거리(L)를 충분히 작은 범위 내에서 추정할 수 있다면 합치법(exact fraction method)을 통해 분석적으로 절대거리(L)를 구할 수 있다.

절대거리(L)를 구하기 위해 먼저 측정하고자 하는 절대거리의 초기 추정치(initial guessing)를 구하여 해의 범위를 한정한다. 초기 추정을 통해 얻은 예측 범위내에서 각각의 파장에서 측정한 소수부(ε_i)와 이론적으로 갖는 소수부의 차이가 특정한 허용오차(d)보다 작은 거리의 해(L_c)를 구하면 절대거리(L)를 측정할 수 있다. 이는 하기의 수학식 4와 같이 나타난다.

E(X)는 X의 소수부를 취하는 함수이다. 이때 특정한 범위내에서 일치하는 해를 찾는 방식이므로 여러개의 해가 동시에 조건을 만족할 수 있어, 유일한 해를 얻을 수 있도록 초기 추정을 충분히 작은 불확도로 수행하여야 한다. 합치법을 통해 얻을 수 있는 해들 간의 간격은 측정에 사용한 파장과 소수부의 허용오차에 따라 결정된다.

원하는 광주파수를 정확히 생성할 수 있는 광주파수 발생기를 다파장 간섭계에 도입하면 해들간의 간격을 최대로 하는 파장을 적절히 선정하고 생성할 수 있으므로 다파장 간섭계의 측정 영역을 확장할 수 있다.

또한, 연속적인 파장의 주사가 가능해지므로 하기에서 설명될 주파수 주사 간섭계의 원리를 이용하여 절대거리를 측정하기에 충분히 작은 불확도로 측정 거리의 초기 추정치를 동시에 획득할 수 있다.

주파수 주사 간섭계는 특정한 파장 λ₁ 에서 λ₂로 연속적으로 파장을 주사(scan)하면서 간섭무늬의 흐름을 계수하여 위상 모호성의 문제 없이 절대거리를 측정하는 원리로서, 간섭계의 기준면과 측정면 사이 거리(L)는 파장 주사를 수행하면서 획득되는 위상차(Δφ)를 이용하여 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

λ_S : 합성파의 파장

Δφ : 위상차

ΔN : 정수부

Δε : 소수부

여기서, 위상차(Δφ)의 정수부(ΔN)는 파장 쓸기(sweeping)를 수행하는 동안 흘러가는 간섭 무늬를 계수하여 얻을 수 있으며, 소수부(Δε)는 처음 파장(λ₁)과 끝 파장(λ₂)에서의 간섭 무늬를 해석하여 얻어진 각각의 소수부인 ε₁과 ε₂의 차(ε₂-ε₁)를 통해 구할 수 있다. 이때 합성파(λ_S)는 처음 파장(λ₁)과 끝 파장(λ₂)에 의해 결정되며 하기의 수학식 6과 같이 표현된다.

도 5는 본 발명의 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법을 나타내는 도면이고, 도 6은 절대거리 측정을 위한 파장 변조의 일예를 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상술한 광주파수 발생기를 이용하여 안정화된 서로 다른 네 개의 파장 780.2070 nm(λ₁), 780.2037 nm(λ₂), 779.9535 nm(λ₃), 770.2043 nm(λ₄) 을 생성(S10)한다. 이때 생성된 서로 다른 네 개의 파장은 진공중의 파장이다.

사용자는 서로 다른 네 개의 파장을 공기중의 파장으로 보정할 것인지를 판단(S20)한다.

공기중의 파장으로 보정하지 않는 경우 상술한 주파수 주사 간섭계의 원리를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 초기 추정치(initial guessing)를 획득(S40)한다. 이때 측정하고자 하는 거리는 1.2 m의 고정된 광경로에 대한 절대거리를 측정하는 것으로 가정한다.

초기 추정치 획득 과정에 대해 살펴보면, 먼저 각 파장에서의 간섭무늬를 해석하여 각 파장(λ₁,λ₂,λ₃,λ₄)에 대한 소수부(ε₁,ε₂,ε₃,ε₄)를 측정한다. 이때, 측정된 소수부의 값들은 도 4에 나타난 바와 같이 ε₁= 0.5817, ε₂ = 0.5123, ε₃ = 0.4688, ε₄= 0.6578 이다.

이와 같이 각 파장에 대한 소수부를 측정한 다음에는 도 6에서와 같이 첫번째 파장(λ₁)에서 두번째 파장(λ₂)까지 연속적으로 주파수를 주사하여 두 파장 사이의 위상차(Δφ)을 측정한다.

이때, 위상차(Δφ)의 정수부(ΔN)는 첫번째 파장(λ₁)에서 두번째 파장(λ₂)까지 파장 쓸기(sweeping)를 수행하는 동안 흘러가는 간섭 무늬를 계수하여 얻을 수 있으며, 도 6의 소수부 측정 위상에서 알 수 있듯이 계수된 간섭 무늬는 13개이므로 정수부(ΔN)는 13이 된다.

소수부(Δε)는 첫번째 파장(λ₁)과 두번째 파장(λ₂)에서의 간섭 무늬를 해석하여 얻어진 각각의 소수부인 ε₁ 과 ε₂ 의 차를 통해 구할 수 있다.

합성파의 파장(λ_S)는 첫번째 파장(λ₁)과 두번째 파장(λ₂)을 이용한 상기 수학식 6을 통해 계산한 결과 주파수 주사로 생성되는 합성파의 파장(λ_S)은 184.461 nm 이다.

결국, 주파수 주사 간섭계의 원리를 이용하여 얻은 절대거리의 초기 추정 치(L)는 1195.206 mm 이다.

이와 같이 획득한 절대거리의 초기 추정치를 통해서 절대거리의 해가 존재할 범위를 한정해야 하므로 획득된 초기 추정치의 불확도를 분석(S50)하는 과정을 거치며, 100 m 이하의 거리를 이러한 조건에서 측정시 초기 추정치의 불확도는 259 ㎛ 이하이다.

상술한 다파장 간섭계의 원리에 의해 각 파장에 대한 간섭신호를 해석하여 서로 다른 네 개의 파장에 대한 각각의 소수부를 측정(S60)한다. 이때 측정되는 각 파장에 대한 소수부(ε₁,ε₂,ε₃,ε₄)의 값은 상기 주파수 주사 간섭계의 원리를 이용하여 획득한 소수부의 값과 동일하다.

서로 다른 네 개의 파장에 대한 각각의 정수부(m₁,m₂,m₃,m₄)를 결정(S70)한다. 이때, 다파장 간섭계의 원리에 의해 서로 다른 네 개의 파장의 관계에 의해서 측정되는 유일한 절대거리의 해는 각 파장의 소수부 허용오차가 0.013 이하일 때 절대거리의 초기 추정치의 ±259 ㎛ 내의 범위 내에 존재해야 한다.

이 범위 내에서 각 파장에 대한 정수부(m)는 m₁= 3064834, m₂= 3064847, m₃= 3065830, m₄= 3104637 이 된다.

이와 같이 서로 다른 네 개의 파장(λ₁,λ₂,λ₃,λ₄)에 대한 소수부(ε₁,ε₂,ε₃,ε₄)와 정수부(m₁,m₂,m₃,m₄)가 결정되면 다파장 간섭계에서 절대거리를 측정하기 위한 수학식 3을 통해 각 파장에 대한 절대거리(L)를 측정(S80)한다.

서로 다른 네 개의 파장(λ₁,λ₂,λ₃,λ₄)에 대한 절대거리(Absolute distance, L)는 하기의 표 1과 같다.

	λ₁	λ₂	λ₃	λ₄
Wavelength in vacuum	780.206961 ㎚	780.203668 ㎚	779.953524 ㎚	770.204349 ㎚
Refractive index of air, n	1.000263346	1.000263345	1.000263347	1.000263410
Wavelength in air, λ	780.001551 ㎚	779.998260 ㎚	779.748180 ㎚	770.001523 ㎚
Excess fraction, ε	0.5817	0.5123	0.4688	0.6578
Standard deviation of ε	0.0007	0.0002	0.0011	0.0005
Integer value, m	3064834	3064847	3065830	3104637
Absolute distance, L	1195.287863 ㎜	1195.287863 ㎜	1195.287865 ㎜	1195.287862 ㎜
Initial estimation of L by means of sweeping wavelength from λ₁to λ₂: 1195.205502 ㎜
Mean of finally determined by averaging the computed values of L for λ_i,i=1,2,3,4 : 1195.287863 ㎜

상술한 과정을 통해서 1.2 m의 고정된 광경로를 측정하여 유일한 절대거리의 해를 얻을 수 있으며, 측정 불확도는 20 nm 이하로 나타난다.

또한, 1.2 m의 고정된 광경로에 대하여 획득한 각 파장의 절대거리는 각 파장의 소수부 허용오차가 0.013 이하일 때 절대거리의 초기 추정치의 ±259 ㎛ 내의 범위 내에 존재하므로 다파장 간섭계의 원리로 수 미터 수준의 넓은 영역에서 절대거리의 측정이 가능하다.

상기 사용자가 서로 다른 네 개의 파장을 공기중의 파장으로 보정할 것인지를 판단하는 S20 과정에서, 공기중의 파장으로 보정하고자 하는 경우에는 먼저 온도, 습도, 압력, CO₂ 농도 등의 환경 변수를 측정하여 공기 굴절율(refractive index of air)을 계산한다. 계산된 각 파장의 공기 굴절율은 표 1에 나타나 있다.

계산된 각 파장의 공기 굴절율로 진공중의 각 파장을 나누게 되면 공기중의 파장으로 보정(S30)이 된다. 보정된 공기중의 파장은 표 1에 나타나 있다.

공기중의 파장으로 보정된 서로 다른 네 개의 파장에 대한 절대거리를 측정하는 방법은 상술한 S40 내지 S80 과정과 동일하다.

이와 같이, 본 발명에서는 주파수 주사 간섭계를 통해 획득한 절대거리 값을 다파장 간섭계의 초기 추정치로 사용함으로써 측정거리의 초기 예측 없이도 서로 다른 복수개의 파장을 이용하여 다파장 간섭계의 원리로 절대거리의 측정이 가능하게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광주파수 발생기를 이용하여 절대거리를 측정하기 위한 간섭계의 광학 구성을 나타내는 도면.

도 2는 도 1의 광주파수 발생모듈에서 안정화된 광주파수를 생성하는 일예를 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광주파수 발생모듈의 광학 구성을 나타내는 도면.

도 4는 도 3의 광주파수 발생모듈에서 안정화된 광주파수를 생성하는 일예를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법을 나타내는 도면.

도 6은 절대거리 측정을 위한 파장 변조의 일예를 나타내는 도면.

Claims

진공 상태에서 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법으로서,

(a) 상기 광주파수 발생기를 이용하여 안정화된 서로 다른 복수개의 파장을 생성하는 단계;

(b) 주파수 주사 간섭계의 원리를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 초기 추정치를 획득하는 단계;

(c) 상기 획득한 초기 추정치의 불확도 범위를 분석하는 단계;

(d) 각 파장에 대한 간섭신호를 해석하여 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부를 측정하는 단계;

(e) 상기 초기 추정치의 불확도 범위 내에서 상기 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 정수부를 결정하는 단계; 및

(f) 상기 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부와 정수부를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 절대거리를 측정하는 단계를 포함하는 절대거리 측정방법.
매질 상태에서 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법으로서,

(a) 상기 광주파수 발생기를 이용하여 안정화된 서로 다른 복수개의 파장을 생성하는 단계;

(b) 각 파장의 매질 굴절율을 이용하여 상기 서로 다른 복수개의 파장을 매질중의 파장으로 보정하는 단계;

(c) 주파수 주사 간섭계의 원리를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 초기 추정치를 획득하는 단계;

(d) 상기 획득한 초기 추정치의 불확도 범위를 분석하는 단계;

(e) 각 파장에 대한 간섭신호를 해석하여 매질중의 파장으로 보정된 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부를 측정하는 단계;

(f) 상기 초기 추정치의 불확도 범위 내에서 매질중의 파장으로 보정된 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 정수부를 결정하는 단계; 및

(g) 매질중의 파장으로 보정된 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부와 정수부를 이용하여 측정하고자 하는 거리의 절대거리를 측정하는 단계를 포함하는 절대거리 측정방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,

상기 단계(a)는,

(a1) 외부공진기 레이저 다이오드(ECLD)로부터 발생된 단파장의 레이저와 펨토초 레이저로부터 발생된 다파장의 레이저 펄스의 주파수 모드 간섭에 의해 맥놀이 주파수(beat frequency)가 생성되는 단계;

(a2) 위상잠금회로(PLL)로부터 상기 맥놀이 주파수를 기설정된 기준 주파수에 동기시키기 위한 전기적 제어신호가 발생되어 상기 외부공진기 레이저 다이오드로 전송되는 단계;

(a3) 상기 외부공진기 레이저 다이오드에서 상기 위상잠금회로(PLL)로부터 전송된 전기적 제어신호에 따라 안정화된 파장을 생성하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대거리 측정방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,

상기 단계(a)는,

(a1) 펨토초 레이저로부터 발생된 다파장의 레이저 펄스로부터 단일 주파수 모드를 추출하는 단계;

(a2) 상기 추출된 단일 주파수 모드를 갖는 빛을 레이저 다이오드로 인가하는 단계;

(a3) 상기 레이저 다이오드에서 인가된 빛을 증폭하여 안정화된 주파수의 파장을 생성하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대거리 측정방법.
광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정 시스템으로서,

안정화된 서로 다른 복수개의 파장을 생성하고, 상기 서로 다른 복수개의 파장 중에서 제1 파장(λ₁)에서 제2 파장(λ₂)까지 연속적인 주파수의 주사가 가능한 광주파수 발생모듈과,

상기 광주파수 발생모듈로부터 출사되는 서로 다른 복수개의 파장에 대한 각각의 소수부를 측정하고, 상기 제1 파장(λ₁)에서 제2 파장(λ₂)까지 연속적인 주파수의 주사에 의해 두 파장 사이의 위상차(Δφ)를 측정하기 위한 간섭계 모듈을

포함하는 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정 시스템.
청구항 5에 있어서,

상기 광주파수 발생모듈은,

단파장의 레이저를 발생시키기 위한 외부공진기 레이저 다이오드;

다파장의 레이저 펄스를 발생시키기 위한 펨토초 레이저;

상기 외부공진기 레이저 다이오드로부터 발생된 단파장의 레이저 펄스와 상기 펨토초 레이저로부터 발생된 다파장의 레이저 펄스의 주파수 모드 간섭에 의해 생성된 맥놀이 주파수(beat frequency)를 측정하기 위한 애벌란시 포토 다이오드;

상기 애벌란시 포토 다이오드로부터 측정된 맥놀이 주파수를 기설정된 기준 주파수에 동기시키기 위한 전기적 제어신호를 발생시켜 상기 외부공진기 레이저 다이오드로 출력하는 위상잠금회로부

를 포함하고,

상기 외부공진기 레이저 다이오드는 상기 위상잠금회로부로부터 출력되는 전기적 제어신호에 따라 안정화된 주파수의 파장을 생성하여 상기 간섭계 모듈로 출사하는

것을 특징으로 하는 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정 시스템.
청구항 5에 있어서,

상기 광 주파수 발생모듈은,

다파장의 레이저 펄스를 발생시키기 위한 펨토초 레이저;

상기 펨토초 레이저로부터 발생된 다파장의 레이저 펄스로부터 단일 주파수 모드를 추출하기 위한 광 주파수 추출부;

상기 광 주파수 추출부로부터 추출된 단일 주파수 모드를 갖는 빛을 증폭하여 안정화된 주파수의 파장을 생성하여 상기 간섭계 모듈로 출사하는 광 주파수 증폭부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정 시스템.