KR100952675B1 - 거리/속도계 및 거리/속도 계측 방법 - Google Patents

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Abstract

레이저 구동기(4)는 연속적으로 그리고 단조롭게 증가하는 발진 파장의 적어도 하나의 주기를 포함하는 제 1 발진 주기 및 연속적으로 그리고 단조롭게 감소하는 발진 파장의 적어도 하나의 주기를 포함하는 제 2 발진 주기가 적어도 2 주기 동안 존재하도록 반도체 레이저(1)를 작동시킨다. 광다이오드(2)는 반도체 레이저(1)로부터 방출된 레이저 광과 측정 대상(12)로부터의 복귀광을 전기 신호로 변환한다. 카운팅부(13)는 각각의 제 1 발진 주기와 제 2 발진 주기에서 광다이오드(2)로부터의 출력 신호로부터 얻은 간섭 파형 성분의 수를 센다. 컴퓨팅 장치는 카운팅부(13)가 간섭 파형 성분의 수를 세는 동안의 주기에서 최단 레이징 파장과 최장 레이징 파장, 카운팅 수단(13)에 의해 얻은 카운팅 결과로부터 측정 대상(12)으로의 거리와 측정 대상(12)의 속도를 계산한다. 이는 움직이는 측정 대상(12)으로의 거리와 측정 대상(12)의 속도를 측정하는 것을 가능하게 한다.
반도체 레이저, 광-수신 장치, 레이저 구동기, 카운팅 수단

Description

거리/속도계 및 거리/속도 계측 방법{Range Finder/Velocimeter and Range-finding/Velocimetry Method}
본 발명은 파장-변조된 파를 사용함으로써 측정 대상에 대한 거리 및 측정 대상에 대한 속도를 측정하는 거리/속도계 및 거리/속도 계측 방법에 관한 것이다.
레이저에 의해 발생된 광 간섭을 사용하는 거리계측은 비접촉식 측정(noncontact measurement) 때문에 측정 대상을 방해하지 않는 고-정밀 측정 방법으로서 오랫동안 사용되어 왔다. 최근 장비를 소형화하기 위해 광학 측정 광원과 같은 반도체 레이저를 사용하도록 하는 시도가 있었다. 전형적인 예는 FM 헤테로다인식 간섭계(heterodyne interferometer)를 사용한다. 이 장비는 비교적 긴 거리를 측정할 수 있으며 고 정밀도를 가진다. 그러나, 장비는 반도체 레이저 외부에서 간섭계를 사용하여, 복잡한 광학 시스템을 요구한다.
레이저로부터의 출력광과 반도체 레이저에서 측정 대상로부터의 복귀 광(return light) 사이에 간섭계(자기-혼합(self-mixing) 효과/자체-결합(self-coupling) 효과)를 사용하는 측정 기구를 또한 제한하고 있다. 이와 같은 자기-혼합/자기-결합형 레이저 측정 기구는 예를 들어, 참조 1(Tadashi Ueda, Jun Yamada 그리고 Susumu Shito, "Range Finder Using Self-Coupling Effect of Semiconductor Laser", 1994 TOKAI-SECTION JOINT CONVENTION RECORD OF THE SIX INSTITUTES OF ELECTRICAL AND RELATED ENGINEERS), 참조 2(Jun Yamada, Susumu Shito, Norio Tsuda, 그리고 Tadashi Ueda, "Study of Compact Distance Meter by Self-Coupled Effect of Laser Diode", Bulletin of Aichi Institute of Technology, Vol. 31B pp, 35-42, 1996), 및 참조 3(Guido Giuliani, Michele Norgia, Silvano Donati 그리고 Thierry Bosch, "Laser diode self-moxing technique for sensing applications", JOURNAL OF OPTICS A: PURE AND APPLIED OPTICS, pp. 283-294, 2002)에 개시되어 있다.
자기-혼합/자기-결합형 레이저 측정 기구에 따르면, 광다이오드에 구축된 반도체 레이저가 광-에미팅, 간섭 및 광-수신 기능을 가지기 때문에, 외부 간섭 광학 시스템이 매우 간단하게 될 수 있다. 그러므로, 센서부(sensor unit)는 반도체 레이저와 렌즈만을 포함하며, 이는 이전 기술에 비교하여 사이즈 면에서 감소를 가져온다. 또한, 이 기술의 특성은 삼각측량법의 것보다 더 넓은 거리-계측 범위를 가진다는 것이다.
도 20은 FP 형(Fabry-Perot type) 반도체 레이저의 복합 공진기 모델을 나타낸다. 도 20에 따르면, 참조번호 101은 반도체 레이저 공진기를 나타낸다; 102는 반도체 결정의 벽개면(cleavage surface)을 나타내고; 103은 광다이오드를 나타내고; 그리고 104는 측정 대상을 나타낸다. 측정 대상(104)으로부터 반사된 광의 일부는 발진(oscillation) 영역으로 되돌아가려는 경향이 있다. 되돌아간 작은 양의 광은 공진기(101) 내부의 레이저 광과 혼합한다. 이는 공진기가 불안정하게 동작하 도록 하고 잡음을 발생한다(복합 공진 잡음 또는 복귀광(return light) 잡음). 출력광에 비하여 매우 작은 양의 복귀광일지라도 반도체 레이저의 특성에서 두드러진 변화를 가져온다. 이와 같은 현상은 패브리-페롯 형(이하 FP형으로 언급됨) 반도체 레이저에서 뿐 아니라 수직공동 표면 발광형 반도체 레이저(VCSEL로 언급됨) 및 분포 피드백형 반도체 레이저(DFB 레이저로서 언급됨)와 같은 다른 유형의 반도체 레이저에서도 일어난다.
레이저의 발진 파장을 λ라 하고 측정 대상(104) 가까이의 벽개면(102)에서 측정 대상(104)까지의 거리를 L이라 하며, 다음 공진 조건이 만족되는 경우, 복귀 광 및 공진기(101) 내부의 레이저 광은 레이저 출력을 약간 증가시키도록 서로 강해진다:
L = nλ/2 ...(1)
여기서 n은 정수이다. 측정 대상(104)으로부터 분산된 광이 매우 약하더라도, 반도체 레이저의 공진기(101)에서의 명백한 반사는 증폭 효과를 제공하기 위해 증가하기 때문에, 이 현상을 충분히 관측하는 것이 가능하다.
반도체 레이저는 주입 전류의 크기에 따라 다른 주파수를 가지는 레이저 빔을 방출하여, 어떤 외부 변조기(modulator)를 필요로 하지 않고 주입 전류를 사용하는 발진 주파수의 직접 변조를 수행하도록 하여준다. 도 21은 발진 파장이 주어진 일정률(constant rate)로 변하는 경우 광 다이오드(103)의 출력 파형과 반도체 레이저의 발진 파장 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 식 (1)에 의해 나타난 L = nλ/2가 만족되는 경우, 복귀 광과 공진기(101) 내부의 레이저 광 사이의 위상차 는 0°이고(동위상), 복귀 광과 공진기 내부의 레이저 광은 상호 간에 가장 강해진다. L = nλ/2 + λ/4인 경우, 위상차는 180°가 되고(역위상), 복귀광과 공진기(101) 내부의 레이저 광은 상호 간에 가장 약해진다. 이를 이유로, 반도체 레이저의 발진 파장이 변함에 따라, 레이저 출력의 강도는 교대로 그리고 되풀이하여 증가하고 감소한다. 공진기(101)에 구비되어 있는 광다이오드(103)를 사용함으로써 이 시간에 레이저 출력을 검출하는 것은 도 21에 나타난 바와 같이 기설정된 주기를 가진 계단식 파형을 얻을 것이다. 이와 같은 파형은 일반적으로 간섭 무늬(interference fringe)라 불린다.
각각의 계단식 파형 성분 중 하나, 즉 간섭 무늬 성분은 모드 호프 펄스(mode hop pulse)라 불린다(이하 MHP로서 언급됨). MHP는 이하 설명될 모드 호핑(mode hopping) 현상과는 다른 현상이다. 측정 대상(104)으로의 거리가 L1으로 표시되고 MHP의 수가 10개라고 가정한다. 이 경우, 거리가 거리 L2의 반절인 거리 L2로 감소하는 경우, MHP의 수는 5 개가 된다. 즉, 반도체 레이저의 발진 파장이 기설정된 시간 주기에서 변하는 경우, MHP의 수는 측정 거리에 비례하여 변한다. 그러므로, 광다이오드(103)를 사용하는 것에 의한 MHP의 검출 및 MHP 주파수의 측정은 쉽게 거리를 측정할 수 있다. FP형 반도체 레이저에 독특한 모드 호핑 현상은 발진 파장이 주입 전류에 있어 연속적인 증가/감소에 따라 불연속 부분을 가지는 현상임을 유의한다. 주입 전류가 증가하고 감소하는 경우, 발진 파장은 약간의 히스테리시스(hystereses)를 나타낸다.
본 발명에 의해 해결되고자 하는 문제
위에서 언급된 바와 같이, 자기-혼합/자기-결합형 레이저 측정 기구는 공진기 외부의 간섭 광 시스템을 매우 간단하게 할 수 있어, 장비의 사이즈 면에서 감소를 달성할 수 있다. 또한, 이 기구는 어떤 고속 회로도 요구하지 않고 외란(disturbance) 광에 대해 강건하다. 또한, 측정 대상으로부터의 복귀 광이 매우 약하도록 되어 있기 때문에, 기구는 측정 대상의 반사에 의해 영향받지 않는다. 즉, 기구는 측정 대상의 임의 유형에 적용될 수 있다.
그러나, 자기-혼합/자기-결합형 기구를 포함하는 종래의 간섭형 측정 기구는 정지된 측정 대상으로의 거리를 측정할 수 있다 하더라도 이동하는 측정 대상으로의 거리 및 그것의 속도를 측정할 수 없다.
본 발명은 상기 문제를 해결하도록 만들어졌으며, 정지된 측정 대상으로의 거리 뿐만 아니라 이동 측정 대상물로의 거리 및 그것의 속도를 측정하기 위한 목적을 가진다.
문제의 해결 수단
본 발명의 거리/속도계는 측정 대상에 레이저 광을 방출하는 반도체 레이저, 연속적으로 그리고 단조롭게 증가하는 발진 파장의 적어도 하나의 주기를 포함하는 제 1 발진 주기 및 연속적으로 그리고 단조롭게 감소하는 발진 파장의 적어도 하나의 주기를 포함하는 제 2 발진 주기가 적어도 2 주기 동안 번갈아 존재하도록 반도체 레이저를 작동시키는 레이저 구동기, 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 광과 측정 대상으로부터의 복귀 광을 전기 신호로 변환하는 광-수신 장치, 각각의 제 1 발진 주기 및 제 2 발진 주기 중 적어도 일부에 광-수신 장치로부터의 출력 신호에 포함되어 있는 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 광과 측정 대상으로부터의 복귀 광에 의해 야기된 간섭 파형 성분의 수를 세는 카운팅(counting) 수단, 및 간섭 파형 성분의 수가 카운팅 수단에 의해 세어지는 동안 하나의 주기에서의 최단 레이징(Lasing) 파장 및 최장 레이징 파장과 카운팅 수단에 의해 얻은 카운팅 결과로부터 측정 대상의 속도와 측정 대상으로의 거리를 계산하는 컴퓨팅(computing) 수단을 포함함으로써 특징지어진다.
본 발명의 거리/속도 계측 방법은 파장-변조된 파를 측정 대상에 적용하는 단계, 적용된 파와 측정 대상물에 의해 반사된 복귀 파 사이의 간섭을 검출하는 단계, 및 검출된 간섭에 관련된 정보에 기초하여 측정 대상물로의 거리 및 측정 대상물의 속도를 계산하는 단계를 포함함으로써 특징지어진다.
본 발명의 효과
본 발명에 따르면, 정지된 측정 대상으로의 거리뿐만 아니라 이동하는 측정 대상으로의 거리 및 그것의 속도(속력, 방향)를 측정하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에 따르면, 반도체 레이저의 최소 및 최장 레이징 파장과 카운팅 수단에 의해 얻은 카운팅 결과로부터, 측정 대상이 등속 운동을 하는지 또는 가속 운동을 하는지 여부를 결정하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 거리계/속도계의 배열을 나타내는 블록도이고;
도 2는 본 발명의 실시예에서 반도체 레이저의 발진 파장에서의 시간 변화의 예를 나타내는 그래프이고;
도 3은 본 발명의 실시예에서 반도체 레이저의 발진 파장에서의 시간 변화의 또하나의 다른 예를 나타내는 그래프이고;
도 4a - 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 전류-전압 변환 증폭기의 출력 전압 파형 및 미분 회로(differentiating circuit)의 출력 전압 파형을 각각 개략적으로 나타내는 그래프이고;
도 5는 본 발명의 실시예에서 컴퓨팅 장치의 배열의 예를 나타내는 블록도이고;
도 6은 본 발명의 실시예에서 컴퓨팅 장치의 동작을 나타내는 흐름도이고;
도 7은 본 발명의 실시예에서 측정 대상이 마이크로 변위 영역에서 움직이는(등속 운동) 경우 속도 후보값 및 거리 감산(sunstraction)의 예를 나타내는 그래프이고;
도 8은 본 발명의 실시예에서 측정 대상이 정상 변위 영역에서 움직이는(등속 운동) 경우 속도 후보값 및 거리 감산의 예를 나타내는 그래프이고;
도 9는 본 발명의 실시예에서 측정 대상이 마이크로 변위 영역에서 진동하는 (가속 운동) 경우 속도 후보값 및 거리 감산의 예를 나타내는 그래프이고;
도 10은 도 9의 일부를 나타내는 확대된 그래프이고;
고 11은 본 발명의 실시예에서 측정 대상이 정상 변위 영역에서 진동하는 (가속 운동) 경우 속도 후보값 및 거리 감산의 예를 나타내는 그래프이고;
도 12은 도 11의 일부를 나타내는 확대 그래프이고;
도 13은 본 발명의 실시예에서 거리의 실제값과 측정 대상이 마이크로 변위 영역에서 움직이는(등속 운동) 경우 측정된 거리를 나타내는 그래프이고;
도 14는 본 발명의 실시예에서 거리의 실제값과 측정 대상이 정상 변위 영역에서 움직이는(등속 운동으로) 경우 측정된 거리를 나타내는 그래프이고;
도 15는 본 발명의 실시예에서 속도의 실제값과 측정 대상이 마이크로 변위 영역에서 진동하는(가속 운동) 경우 측정된 속도를 나타내는 그래프이고;
도 16은 본 발명의 실시예에서 거리의 실제값, 거리의 평균값과 측정 대상이 마이크로 변위 영역에서 진동하는(가속 운동) 경우 측정된 거리를 나타내는 그래프이고;
도 17은 본 발명의 실시예에서 속도의 실제값과 측정 대상이 정상 변위 영역에서 진동하는(가속 운동) 경우 측정된 속도를 나타내는 그래프이고;
도 18은 본 발명의 실시예에서 거리의 실제값, 거리의 평균값, 측정 대상이 정상 변위 영역에서 진동하는(가속 운동) 경우 측정된 거리를 나타내는 그래프이고;
도 19는 본 발명의 실시예에서 컴퓨팅 장치의 배열의 또 하나의 다른 예를 나타내는 블록도이고;
도 20은 종래 레이저 측정 기구에서 복합 공진기 모델의 반도체 레이저를 나타내는 그래프이고;
도 21은 반도체 레이저의 발진 파장과 내장형 광다이오드의 출력 파형 사이 의 관계를 나타내는 그래프이고; 그리고
도 22는 모드 호핑 현상에 의해 불연속적으로 된 주파수 폭의 크기를 나타내는 그래프이다.
본 발명을 실행하기 위한 최적 모드
본 발명은 대상에 의해 반사된 파와 파장 변조를 사용하는 감지(sensing) 동작에서의 파 출력에 기초한 간섭 신호에 기초하여 대상으로의 거리 및 그것의 속도를 동시에 계산하는 기술이다. 그러므로 본 발명은 자기-혼합/자기-결합형 간섭계 이외의 광학 간섭계 및 광학 간섭계 이외의 간섭계에 적용될 수 있다. 더욱 구체적으로, 반도체 레이저의 자기-혼합/자기-결합의 사용의 경우에, 레이저 광이 레이저에서 측정 대상에 적용되는 동안 반도체 레이저의 발진 파장이 변화됨에 따라, 발진 파장이 최단 레이징 파장에서 최장 레이징 파장으로 변하는 주기(또는 발진 파장이 최장 레이징 파장에서 최단 레이징 파장으로 변하는 동안의 주기) 동안 측정 대상의 변위는 MHP의 수에 반영된다. 그러므로, 발진 파장이 변화되는 경우 MHP의 수를 검사하는 것이 측정 대상물의 상태를 검출하는 것을 가능하게 한다. 상기는 본 발명의 기본 원리이다.
본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참고하여 설명될 것이다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 거리/속도계의 배열을 나타내는 블록도이다. 도 1에서 거리/속도계는 측정 대상(12)에 레이저 광을 방출하는 반도체 레이저(1), 반도체 레이저(1)로부터의 광출력을 전기신호로 변환하는 광다이오드(광-수신 장치)(2), 측정 대 상(12)으로부터의 복귀 광을 모아 이를 반도체 레이저(1)에 적용하는 동안 반도체 레이저(1)로부터의 광을 모아 이를 측정 대상(12)에 적용하는 렌즈(3), 반도체 레이저(1)가 연속적으로 증가하는 발진 파장의 제 1 발진 주기와 연속적으로 감소하는 발진 파장의 제 2 발진 주기를 교대로 반복하도록 하는 레이저 구동기(4), 반도체 레이저(1)에 제공된 자기-혼합 효과/자기-결합 효과에 기인하여 간섭 파형 성분의 수를 세는 카운팅부(13), 각각의 제 1 및 제 2 발진 주기에서, 이들은 광다이오드(2)로부터의 출력 신호에 포함되어 있고, 측정 대상(12)이 속도 및 측정 대상(12)으로의 거리를 계산하는 컴퓨팅 장치(9), 및 컴퓨팅 장치(9)에 의해 얻은 계산 결과를 표시하는 표시 장치(10)를 포함한다. 카운팅부(13)는 광다이오드(2)로부터의 출력 전류를 전압으로 변환하는 전류-전압 변환 증폭기(5), 전류-전압 변환 증폭기(5)로부터의 출력 전압의 2 차 미분을 수행하는 신호 추출 회로(11), 신호 추출 회로(11)로부터의 출력 전압에 포함되어 있는 MHP의 수를 세는 카운팅 회로(8)를 포함한다.
설명의 편의를 위하여, 다음의 설명에서, 반도체 레이저(1)로, 상기 모드 호핑 현상을 나타내지 않는 유형(VCSEL 형 또는 DFB 레이저 형)의 레이저가 사용된다. 모드 호핑 현상을 나타내는 유형(FP 형)의 레이저가 반도체 레이저(1)로 사용되는 경우, 그것의 사용을 특히 유의할 것이다.
예를 들어, 레이저 구동기(4)는 삼각 구동 전류를 공급하고, 주입 전류로, 이는 시간에 대해 기설정된 변화율로 반복하여 증가하고 감소한다. 이는 반도체 레이저(1)가 주입 전류의 크기에 비례하여 기설정된 변화율로 연속적으로 증가하는 발진 파장의 제 1 발진 주기와 기설정된 변화율로 연속적으로 감소하는 발진 파장의 제 2 발진 주기를 번갈아 반복하도록 한다. 도 2는 반도체 레이저(1)의 발진 파장에서 시간 변화를 나타내는 그래프이다. t-1은 (t-1)번째 발진 주기라 하고, t은 t 번째 발진 주기라 하고, λa는 각각의 주기에서 발진 파장의 최소값이고, λb는 각각의 주기에서 발진 파장의 최대값이라 한다. 이 실시예에서, 발진 파장의 최대값 λb와 발진 파장의 최소값 λa가 항상 일정하도록 되며, 이들의 차 λb-λa 또한 항상 일정하게 된다.
레이저 구동기(4)는 반도체 레이저(1)가 제 1 및 제 2 발진 주기가 각각 적어도 2 주기 동안 번갈아 존재하도록 동작하도록 한다. 각각의 발진 주기가 2 이상의 주기 동안 존재한다면, 등속운동에서 측정 대상(12)으로의 거리 및 그것의 속도를 검출하는 것이 가능하다. 각각의 발진 주기가 3 이상의 주기 동안 존재한다면, 가속 운동에서 측정 대상(12)으로의 거리 및 그것의 속도를 검출하는 것이 가능하다. 등속운동과 가속운동을 구별하기 위해, 3 이상의 주기가 필요하다는 것을 유의한다. 또한, 발진 파장이 제 1 발진에서 연속적으로 그리고 단조롭게 증가하는 동안의 주기와 발진 파장이 제 2 발진에서 연속적으로 그리고 단조롭게 감소하는 동안의 주기를 포함하는 한 위의 삼각파의 것 이외의 임의 파형(예를 들어, 사인파)을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 3에 나타난 바와 같이, 전류 소비를 억제하기 위해 매 2 피크(즉, 매 4 주기) 동안 휴지(rest) 주기 ST를 가지는 간헐적 파형을 사용하는 것이 가능하다.
반도체 레이저(1)로부터 방출된 레이저 광은 렌즈(3)에 의해 집광되고 측정 대상(12)을 때린다. 측정 대상(12)에 의해 반사된 광은 렌즈(3)에 의해 집광되고 반도체 레이저(1)를 때린다. 렌즈(3)에 의해 모아진 광이 필수적인 것이 아니라는 것을 유의한다. 광다이오드(2)는 반도체 레이저(1)로부터의 광출력을 전류로 변환한다. 전류-전압 변환 증폭기(5)는 광다이오드로부터의 출력 전류를 전압으로 변환하고 이를 증폭한다. 신호 추출 회로(11)는 변조된 파로부터 중첩된 신호를 추출하는 기능을 가진다. 예를 들어, 이 회로는 2 개의 미분 회로(6,7)를 포함한다. 미분 회로(6)는 전류-전압 변환 증폭기(5)로부터의 출력 전압을 미분한다. 미분 회로(7)는 미분 회로(6)로부터의 출력 전압을 미분한다. 도 4a는 전류-전압 변환 증폭기(5)로부터의 출력 전압 파형을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 도 4b는 미분 회로(6)로부터의 출력 전압 파형을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 도 4c는 미분 회로(7)로부터의 출력 전압 파형을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 이들 그래프는 광다이오드(103)으로부터의 출력인 도 4a에서의 파형(변조된 파)에서 도 2에서의 반도체 레이저의 발진 파형(반송파(carrier wave))을 제거함으로써 도 4c에서의 MHP 파형(중첩된 파)을 추출하는 과정을 나타낸다.
카운팅 회로(8)는 각각의 제 1 발진 주기 t-1과 제 2 발진 주기 t에서 미분 회로(7)로부터의 출력 전압에 포함되어 있는 MHP의 수를 센다. 다음의 설명에서, 제 1 발진 주기 t-1에서의 MHP의 수는 MHPt-1(t-1은 변수 MHP의 첨자이고; 다음에서도 마찬가지이다.)로 나타나 있고, 제 2 발진 주기 t에서의 MHP의 수는 MHPt로 나타나 있다고 가정한다. 카운팅 회로(8)로서, 로직 게이트를 포함하는 카운터가 사용될 수 있다. 기설정된 변화율로 반복하여 증가하고 감소하는 파형을 가지는 구 동 전류가 반도체 레이저를 작동하기 위해 사용된다면, MHP의 주파수(즉, 단위 시간 당 MHP의 수)는 고속 푸리에 변환(이하 FFT로 언급됨)을 사용함으로써 측정될 수 있다.
컴퓨팅 장치(9)는 반도체 레이저(1)의 최단 레이징 파장 λa와 최장 레이징 파장 λb, 발진 주기 t-1에서의 MHP의 MHPt-1 수, 그리고 발진 주기 t에서의 MHP의 MHPt 수에 기초하여 측정 대상(12)으로의 거리 및 측정 대상(12)의 속도를 계산한다. 위에서 설명된 바와 같이, 반도체 레이저(1)는 최단 레이징 파장 λa와 최장 레이징 파장 λb의 차 λb-λa가 항상 일정하도록 작동된다. 그러나, 반도체 레이저(1)는 차 λb-λa가 반드시 일정하지 않도록 작동되려 한다면, MHP의 수는 속도를 계산하기 전에 대상 주기에서 차 λb-λa에 의해 표준화될(normalized) 필요가 있다.
도 5는 컴퓨팅 장치(9)의 배열에 대한 예를 나타내는 블록도이다. 도 6은 컴퓨팅 장치(9)의 동작을 나타내는 흐름도이다. 컴퓨팅 장치(9)는 반도체 레이저(1)의 최단 레이징 파장 λa과 최장 레이징 파장 λb, 제 1 발진 주기 t-1에서의 MHP의 수 MHPt-1, 및 제 2 발진 주기 t에서의 MHP의 수 MHPt에 기초하여 측정 대상(12)으로의 거리의 후보값과 측정대상(12)의 속도의 후보값을 계산하는 거리/속도 계산부(91), 거리/속도 계산부(91)에 의해 계산된 거리 후보값과 1 주기 전에 계산된 거리 후보값의 차로서 거리 감산을 계산하는 거리 감산 계산부(92), 거리/속도 계산부(91)과 거리 감산 계산부(92)에 의해 얻은 계산 결과를 저장하는 저장부(93), 거리/속도 계산부(91)와 거리 감산 계산부(92)에 의해 얻은 계산 결과에 기초하여 측정 대상(12)의 상태를 결정하는 상태 결정부(94), 상태 결정부(94)에 의해 얻은 결정 결과에 기초하여 측정 대상(12)의 속도와 측정 대상으로의 거리(12)를 확정하는 거리/속도 확정부(95)를 포함한다.
이 경우에, 주기 t의 시작점이 시간 t라 가정한다. 또한 측정 대상(12)의 상태는 기설정된 기준보다 더 작은 운동을 나타내는 마이크로 변위 영역 또는 기준보다 더 큰 정상 변위 영역 중 하나라고 가정한다. V를 발진 주기 t-1과 발진 주기 t 사이의 주기 당 측정 대상(12)의 평균 변위라 하고, 마이크로 변위 영역은 (λb-λa)/λb > V/Lb (여기서 Lb는 시간 t에서의 거리이다.)을 만족하는 상태이고, 정상 변위 영역은 (λb-λa)/λb=V/Lb을 만족하는 상태이다. 측정 대상(12)의 속도가 주기 t-1과 주기 t의 전체 시간으로 변위 V를 표준화함으로써 얻어질 수 있음을 유의한다.
우선, 컴퓨팅 장치(9)의 거리/속도 계산부(91)는 다음의 식에 따라 현재 시간 t에서의 거리 후보값 Lα(t)와 Lβ(t)와 속도 후보값 Vα(t)와 Vβ(t)를 계산하고, 저장부(93)에 계산된 값을 저장한다(도 6의 단계 S1):
Lα(t) = λa * λb * ('MHPt-1' + 'MHPt')/{4 * (λb - λa)} ...(2)
Lβ(t) = λa * λb * (│'MHPt-1' - 'MHPt'│)/{4 * (λb - λa)} ...(3)
Vα(t) = ('MHPt-1' - 'MHPt') * λ/4 ...(4)
Vβ(t) = ('MHPt-1' + 'MHPt') * λ/4 ...(5)
이 식에서 인용 표시 " ' "가 연산자와 "MHP"의 첨자를 구별하기 위해 추가되었음을 유의한다(이하 동일). 식 (4)와 (5)에서, λ는 현재 시간t 전의 시간 t-1 한 주 기에서의 파장을 나타낸다. 예를 들어, 도 2에 나타난 예에서, 파장 λ은 λa이다. 또한, 현재 시간이 도 2에서 시간 t+1이라면, 파장 λ은 λb이다.
위에서 주어진 식 (2)와 (3)은 어떤 모드 호핑 현상이 없는 레이저가 반도체 레이저로서 사용된다는 가정에 기초하고 있음을 유의한다. 모드 호핑 현상이 있는 레이저가 반도체 레이저(1)로 사용된다면, 아래의 식 (2A)와 (3A)가 위의 식 (2)와 (3)을 대신하여 사용될 필요가 있다:
Lα(t) = λa * λb * ('MHPt-1' + 'MHPt')
/{4 * (λb - λa- ∑λmp)} ... (2A)
Lβ(t) = λa * λb * (│'MHPt-1' - 'MHPt'│)
/{4 * (λb - λa- ∑λmp)} ... (3A)
여기서 λmp는 모드 호핑 현상에 의해 불연속으로 된 주파수의 폭의 크기를 나타낸다(도 22). 복수의 모두 호핑 현상이 하나의 주기 t에서 일어난다면, 크기 λmp는 거의 같은 크기로 존재한다. ∑λmp는 한 주기 t에서 발생한 모드 호핑 현상에 의해 불연속으로 된 주파수 폭의 크기 λmp를 모두 합함으로써 얻어진 값을 나타낸다.
후보값 Lα(t)와 Vα(t)는 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 값이며, 후보값 Lβ(t)와 Vβ(t)는 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 값이다. 컴퓨팅 장치(9)는 도 4에 나타나 있는 각 주기의 매 시작점에서 식 (2) ~ 식 (5)를 계산한다.
이어서, 컴퓨팅 장치(9)의 거리 감산 계산부(92)는 현재 시간 t에서의 거리 후보값과 현재 시간 전의 시간 (t-1) 한 주기에서의 거리 후보값 사이의 차로서 거리 감산을 계산하고, 이는 저장부(93)에 저장되고, 다음의 식에 따른 마이크로 변위 영역과 정상 변위 영역 모두에서, 이들을 저장부(93)에 저장한다(도 6에서의 단계 S2):
Vcalα(t) = Lα(t) - Lα(t-1) ...(6)
Vcalβ(t) = Lβ(t) - Lβ(t-1) ...(7)
거리 감산 Vcalα(t)은 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 값이고, 거리 감산 Vcalβ(t)은 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 값이다. 컴퓨팅 장치(9)는 매 시작 시간 t에서 식(6)과 식(7)을 계산한다. 식 (4) ~ 식 (7)에서, 측정 대상(12)이 이 실시예의 거리/속도계에 접근하는 방향은 양의 방향으로 정의되고, 측정 대상(12)가 계기로부터 멀어지는 방향이 음의 방향으로 정의된다.
컴퓨팅 장치(9)의 상태 결정부(94)는 저장부(93)에 저장된 식(2) ~ 식(7)로부터의 계산 결과를 사용함으로써 측정 대상(12)의 상태를 결정한다(도 6에서의 단계 S3).
도 7은 측정 대상(12)가 마이크로 변위영역에서 움직이는(등속 운동) 경우 속도 후보값 Vα(t)와 Vβ(t) 및 거리 감산 Vcalα(t)와 Vcalβ(t)의 예를 나타낸다. 심볼 ●, ▲, ○ 와 △는 각각 Vα(t), Vβ(t), Vcalα(t) 와 Vcalβ(t)를 나타낸다(도 8 ~ 도 12에서 동일). 도 7에 나타나 있는 경우에, 측정 대상(12)의 속도는 0.0005 m/주기이고, 반도체 레이저(1)의 최단 레이징 파장 λa는 680 nm이고, 최장 레이징 파장 λb는 681 nm이다. 도 7로부터 명백한 바와 같이, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에서 움직이는 경우(등속 운동), 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalα(t)의 부호는 일정하며(도 7에 나타난 경우에서 양), 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vα(t)는 거리 감산 Vcalα(t)의 평균 절대값과 동일하다. 반대로, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalβ(t)의 부호는 매 시작 시간 t에서 바뀐다. 즉, 제 1 발진 주기에서 거리 감산의 부호는 제 2 발진 주기에서의 부호와 다르다.
상태 결정부(94)는 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalα(t)의 부호가 일정하고, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vα(t)이 거리 감산 Vcalα(t)의 평균 절대값과 동일하다면, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에서 움직인다고(등속 운동) 결정한다.
도 8은 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에서 움직이는(등속 운동) 경우 속도 후보값 Vα(t)와 Vβ(t) 및 거리 감산 Vcalα(t)와 Vcalβ(t)의 예를 나타낸다. 도 8에 나타난 예에서, 측정 대상(12)의 속도는 0.002 m/주기이고, 반도체 레이저(1)의 최단 레이징 파장 λa는 680nm 이고, 최장 레이징 파장 λb는 681nm 이다. 도 8로부터 명백한 바와 같이, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에서 움직이는 경우(등속 운동), 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalβ(t)의 부호는 일정하며(도 8에 나타난 경우에서 양), 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vβ(t)는 거리 감산 Vcalβ(t)의 평균 절대값과 동일하다. 반대로, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalα(t)의 부호는 매 시작 시간 t에서 바뀐다.
그러므로 상태 결정부(94)는 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalβ(t)의 부호가 일정하고, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vβ(t)이 거리 감산 Vcalβ(t)의 평균 절대값과 동일하다면, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에서 움직인다고(등속 운동) 결정한다.
도 9는 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에서 기설정된 위치에 대해 진동하는(가속 운동) 경우 속도 후보값 Vα(t)와 Vβ(t) 및 거리 감산 Vcalα(t)와 Vcalβ(t)의 예를 나타낸다. 도 9에 나타난 예에서, 측정 대상(12)의 최대 속력은 0.000002 m/주기이고, 반도체 레이저(1)의 최단 레이징 파장 λa는 680nm 이고, 최장 레이징 파장 λb는 681nm 이다. 도 9로부터 명백한 바와 같이, 측정 대상(12)이 진동하는 경우(가속 운동), 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vα(t)는 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalα(t)의 평균 절대값과 일치하지 않는다. 마찬가지로, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vβ(t)는 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalβ(t)의 평균 절대값과 일치하지 않는다.
도 10은 도 9에서 속도 0 부근의 부분에 대한 확대도이다. 도 10으로부터 명 백한 바와 같이, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalα(t)의 부호가 매 시작 시간 t에서 바뀌고, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalβ(t)의 부호가 다른 시간 점에서 변할 수 있음에도 불구하고 매 시작 시간 t에서 변하지 않는다.
그러므로 상태 결정부(94)는 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalα(t)의 부호가 매 시작 시간 t에서 바뀌고, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Va(t)가 거리 감산 Vcalα(t)의 평균 절대값과 일치하지 않는다면, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에서 진동하는 것으로(가속 운동) 결정한다.
도 9에서 나타난 속도 후보값 Vβ(t)를 고려한다. Vβ(t)의 절대값은 일정하고 반도체 레이저(1)의 파장 변화율 (λb - λa)/λb과 동일하다. 그러므로 상태 결정부(94)는 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vβ(t)의 부호의 절대값이 파장 변화율과 동일하고, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vα(t)가 거리 감산 Vcalα(t)의 평균 절대값과 일치하지 않는다면, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에서 진동하는 것으로(가속 운동) 결정한다.
도 11은 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에서 기설정된 위치에 대해 진동하는(가속 운동) 경우 거리 감산 Vcalα(t)와 Vcalβ(t)의 예를 나타낸다. 도 11에서 나타난 예에서, 측정 대상(12)의 최대 속력은 0.01 m/주기이고, 반도체 레이저(1)의 최단 레이징 파장 λa는 680nm 이고, 최장 레이징 파장 λb는 681nm 이다. 도 11은 속도 후보값 Vα(t)와 Vβ(t)이 작기 때문에 이들에 대한 어떤 정보도 나타내지 않는다.
도 11에 명백하게 나타나 있지 않더라도, 도 9에 나타나 있는 경우에서와 같이, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vα(t)은 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalα(t)의 평균 절대값과 일치하지 않고, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vβ(t)은 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcalβ(t)의 평균 절대값과 일치하지 않는다.
도 11로부터 명백한 바와 같이, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 후보값 Vcalβ(t)는 매 시작 시간 t에서 바뀌고, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 Vcala(t)의 부호는 그것이 다른 시간 점에서 변할지라고 매 시작 시간 t에서 변하지 않는다.
그러므로 상태 결정부(94)는 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산 후보값 Vcalβ(t)의 부호가 매 시작 시간 t에서 바뀌고, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vβ(t)가 거리 감산 Vcalβ(t)의 평균 절대값과 일치하지 않는다면, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에서 진동한다고(가속 운동) 결정한다.
도 12는 도 11에서 속도 0 부근의 부분에 대한 확대도이다. 속도 후보값 Vα(t)를 고려한다. 이 경우에, Vα(t)의 절대값은 일정하고 반도체 레이저(1)의 파장 변화율 (λb - λa)/λb과 동일하다. 그러므로 상태 결정부(94)는 측정 대 상(12)이 마이크로 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vα(t)의 절대값이 파장 변화율과 동일하고, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값 Vβ(t)가 거리 감산 Vcalβ(t)의 평균 절대값과 일치하지 않는다면, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에서 진동하는 것으로(가속 운동) 결정한다. 표 1은 상태 결정부(94)의 상기 결정 동작을 나타낸다.
거리 감산 속도 후보값
Vcalα(t) Vcalβ(t) Vα(t) Vβ(t)
등속 운동 마이크로 변위 영역 부호가 일정하다 속도 후보값이 거리 감산의 평균 절대값과 일치한다. 매 부호 주기에서 바뀐다 - -
정상 변위 영역 매 부호 주기에서 바뀐다. 부호가 일정하다 속도 후보값이 거리 감산의 평균 절대값과 일치한다. - -
가속 운동 마이크로 변위 영역 매 부호 주기마다 바뀐다 속도 후보값이 거리 감산의 평균 절대값과 일치하지 않는다. - - 속도 후보 절대값이 파장 변화율과 일치한다.
정상 변위 영역 - 매 부호 주기마다 바뀐다 속도 후보값이 거리 감산의 평균 절대값과 일치하지 않는다. 속도 후보 절대값이 파장 변화율과 일치한다.
컴퓨팅 장치(9)의 거리/속도 확정부(95)는 상태 결정부(94)에 의해 얻은 결정 결과에 기초하여 측정 대상(12)의 속도와 측정 대상(12)으로의 거리를 확정한다(도 6에서의 단계 S4).
즉, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에서 움직인다고 (등속 운동) 결정된다면, 거리/속도 확정부(95)는 속도 후보값 Vα(t)가 측정 대상(12)의 속도이고, 거리 후보값 Lα(t)은 대상 측정(12)으로의 거리라고 확정한다. 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에서 움직인다고(등속 운동) 결정된다면, 거리/속도 확정부(95)는 속도 후보값 Vβ(t)이 측정 대상(12)의 속도이고, 거리 후보값 Lβ(t)은 측정 대상(12)으로의 거리라고 확정한다.
또한, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에서 진동한다고(가속 운동) 결정된다면, 거리/속도 확정부(95)는 속도 후보값 Vα(t)가 측정 대상(12)의 속도이고, 거리 후보값 Lα(t)은 측정 대상(12)으로의 거리라고 확정한다. 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에서 진동한다고(가속 운동) 결정된다면, 거리/속도 확정부(95)는 속도 후보값 Vβ(t)가 측정 대상(12)의 속도이고, 거리 후보값 Lβ(t)은 측정 대상(12)으로의 거리라고 확정한다. 측정 대상(12)이 진동한다면(가속 운동), 실제 거리는 거리의 평균값 Lβ(t)임을 유의한다.
컴퓨팅 장치(9)는, 예를 들어, 사용자가 측정을 마치기 위한 명령을 내릴 때까지, 매 시작 시간 t에서 단계 S1에서 단계 S4에서의 상기 처리를 수행한다(단계 S5에서의 네).
표시 장치(10)는 컴퓨팅 장치(9)에 의해 계산된 측정 대상(12)의 속도와 측정 대상(12)으로의 거리를 표시한다.
위에서 설명된 바와 같이, 이 실시예에서, 반도체 레이저(1)는 반도체 레이저(1)의 연속적으로 증가하는 발진 파장의 제 1 발진 주기 t-1 및 연속적으로 감소하는 발진 파장의 제 2 발진 주기 t를 교대로 반복하도록 이루어져 있고, 이 광다이오드로부터의 출력 신호에 포함되어 있는 MHP의 수가 제 1 진동 주기 t-1과 제 2 진동 주기 t 각각에서 계산된다. 이후 실시예는 반도체 레이저(1)의 최단 레이징 파장 λa와 최장 레이징 파장 λb로부터의 측정 대상(12)로의 거리와 측정 대상(12)의 속도를 계산할 수 있다. 결과로서, 이 실시예는 종래 자기-혼합/자기-결합형 레이저 측정 기구의 이점의 대부분, 즉, (a) 장치를 소형화하는 능력, (b) 고속 회로의 불필요성, (c)외란 광(disturbance light)에 대한 강건성(robustness), 및 (d) 측정 대상의 임의 유형에 적용가능한 능력을 형성하며, 측정 대상(12)으로의 거리뿐만 아니라, 측정 대상(12)의 속도도 측정할 수 있다. 또한, 이 실시예는 측정 대상(12)이 등속 운동에 있는지 또는 가속 운동에 있는 지 여부를 결정할 수 있가.
도 7로부터 명백한 바와 같이, 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에서 움직이는 경우(등속 운동), 측정 대상(12)의 속도 및 측정된 속도 Vα(t) 모두가 0.0005 m/주기이다. 즉, 속도계 결과는 실제 값과 일치한다. 도 13은 도 7에 나타난 경우에서 측정된 거리 Lα(t)와 실제 값을 나타낸다. 심볼 ●와 ○ 는 각각 거리 Lα(t)와 거리의 실제 값을 나타낸다. 도 13으로부터 명백한 바와 같이, 거리계 결과는 실제값과 일치한다.
도 8로부터 명백한 바와 같이, 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에서 움직이는 경우(등속 운동으로), 측정 대상(12)의 속도와 측정된 속도 Vβ(t) 모두는 0.002 m/주기 이다. 즉, 속도계 결과는 실제 값과 일치한다. 도 14는 도 8에 나타난 경우에서 측정된 측정 거리 Lβ(t)와 거리의 실제값을 나타낸다. 심볼 ●와 ○ 는 각각 거리 Lβ(t)와 거리의 실제 값을 나타낸다. 도 14로부터 명백한 바와 같이, 거리계 결과는 실제값과 일치한다.
도 15는 측정 대상(12)이 마이크로 변위 영역에서 진동하는(가속 운동으로) 경우 속도의 실제 값과 도 9에 나타난 경우에서의 측정된 속도 Vα(t)을 나타낸다. 도 16은 도 9에서 나타난 경우에서의 측정된 거리 Lα(t)와, 거리 Lα(t)의 평균값, 및 거리의 실제값을 나타낸다. 도 15에서, 심볼 ●와 ○는 각각 속도 Vα(t)와 속도의 실제값을 나타낸다. 도 16에서, 심볼 ●, - 및 ○는 각각 거리 Lα(t), 거리 Lα(t)의 평균값, 및 거리의 실제값을 나타낸다. 도 15 및 도 16으로부터 명백한 바와 같이, 속도계 결과는 실제값과 일치하며, 거리 및 거리의 평균값에 대한 측정결과는 실제값과 일치한다.
도 17은 측정 대상(12)이 정상 변위 영역에서 진동하는(가속운동) 경우 속도의 실제값과 도 11에서 나타난 경우에 측정된 속도 Vβ(t)을 나타낸다. 도 18은 도 11에서 나타난 경우에서와 같이 측정된 거리 Lβ(t), 거리 Lβ(t)의 평균값, 및 거리의 실제값을 나타낸다. 도 17에서, 심볼 ●와 ○는 각각 속도 Vβ(t)와 속도의 실제값을 나타낸다. 도 18에서, 심볼 ●, - 및 ○는 각각 거리 Lβ(t), 거리 Lβ(t)의 평균값, 및 거리의 실제값을 나타낸다. 도 17 및 도 18로부터 명백한 바와 같이, 속도계 결과는 실제값과 일치하며, 거리의 평균값에 대한 측정결과는 실제값과 일치한다.
이 실시예는 카운팅부(13)가 제 1 발진 주기와 제 2 발진 주기 동안 MHP의 수를 세는 경우를 예시하였다. 그러나, 각각의 발진 주기의 일부에서 MHP의 수를 세는 것으로 충분하다. 이 경우에, 컴퓨팅 장치(9)는 카운팅부(13)가 MHP의 수를 세는 동안의 주기에서 최단 레이징 파장과 최장 레이징 파장을 사용함으로써 측정 대상으로의 거리와 측정 대상(12)의 속도를 계산한다.
또한, 이 실시예에서 컴퓨팅 장치(9)는, 예를 들어, CPU, 저장 장치, 및 인터페이스를 포함하는 컴퓨터, 및 이들 하드웨어 자원을 제어하는 프로그램에 의해 구현될 수 있다. 이와 같은 컴퓨터를 컴퓨팅 장치(9)로서 작동하도록 하기 위한 프로그램은 플렉서블 디스크(flexible disk), CD-ROM, DVD-ROM, 또는 메모리카드와 같은 기록 매체에 기록되는 동안 제공된다. CPU는 저장 장치에 판독 프로그램을 기록하고 프로그램에 따라 이 실시예에서 설명된 처리를 실행한다. 또한, 표시 장치(10)는 실시간으로 측정 대상으로의 거리(변위)와 측정 대상의 속도를 동시에 표시한다.
측정 대상(12)이 매우 작은 변위로 발진하는 경우(예를 들어, 2 nm의 최대 속도로), 거리에 있어 실제 변화(크기)는 수 nm이다. 그러나, 거리 계산의 분해능(resolution)(거리 분해능)이 변위 분해능보다 더 낮기 때문에, 큰 오류가 발생한다. 더욱 구체적으로, 변위가 거리 분해능보다 더 작은 경우, 거리 값은 계산된 거리가 변하지 않아야함에도 불구하고 미소한 변위에 따라 수 분해능 레벨에 의해 변한다. 이를 이유로, 변위가 거리 분해능보다 작은 경우, 거리값에 있어 변화를 방지하는 것이 필요하다. 이를 이유로, 도 19에 나타나 바와 같이 계산 장치(9A)를 이용하는 것으로 충분하다.
컴퓨팅 장치(9A)에서, 거리/속도 확정부(95)에 의해 확정된 속도가 기설정된 기준 값보다 작다면, 적분부(96)는 속도의 적분(변위)을 계산한다. 상태 결정부(94A)는 거리 분해능과 계산된 변위를 비교한다. 변위가 거리 분해능보다 작은 경우, 상태 결정부(94A)는 거리에서의 변화가 분해능보다 작은 것으로 결정한다. 이때 상태 결정부(94A)는 마지막 거리가 변하지 않는다고, 즉 거리의 변화양이 0이라고 결정한다.
본 발명은 측정 대상으로의 거리 및 측정 대상의 속도를 측정하는 기술에 적용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 측정 대상에 레이저 광을 방출하는 반도체 레이저;
    연속적으로 그리고 단조롭게 증가하는 발진 파장의 적어도 하나의 주기를 포함하는 제 1 발진 주기 및 연속적으로 그리고 단조롭게 감소하는 발진 파장의 적어도 하나의 주기를 포함하는 제 2 발진 주기가 적어도 2 주기 동안 번갈아 존재하도록 반도체 레이저를 작동시키는 레이저 구동기;
    상기 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 광과 측정 대상으로부터의 복귀 광을 전기 신호로 변환하는 광-수신 장치;
    각각의 제 1 발진 주기 및 제 2 발진 주기 중 적어도 일부에 상기 광-수신 장치로부터의 출력 신호에 포함되어 있는 상기 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 광과 측정 대상으로부터의 복귀 광에 의해 야기된 간섭 파형 성분의 수를 세는 카운팅 수단; 및
    간섭 파형 성분의 수가 상기 카운팅 수단에 의해 세어지는 동안 하나의 주기에서의 최단 레이징 파장 및 최장 레이징 파장과 상기 카운팅 수단에 의해 얻은 카운팅 결과로부터 측정 대상의 속도와 측정 대상으로의 거리를 계산하는 컴퓨팅 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 카운팅 수단은 상기 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 광과 측정 대 상으로부터의 복귀광 사이의 자기-혼합 효과/자기-결합 효과에 의해 발생된 간섭 파형 성분의 수를 세는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 수단은 상기 카운팅 수단이 간섭 파형 성분의 수를 세는 동안의 주기에서 최단 레이징 파장과 최장 레이징 파장과 같은 상기 반도체 레이저의 각각의 발진 주기에서 최단 레이징 파장과 최장 레이징 파장을 사용하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 컴퓨팅 수단은,
    상기 반도체 레이저의 최단 레이징 파장과 최장 레이징 파장과 상기 카운팅 수단에 의해 얻어진 카운팅 결과에 기초하여 측정 대상으로의 거리의 후보값과 측정 대상의 속도의 후보값을 계산하는 거리/속도 계산부;
    상기 거리/속도 계산부에 의해 계산된 거리 후보값과 이전 계산된 거리 후보값 사이의 차로서 거리 감산을 계산하는 거리 감산 계산부;
    상기 거리/속도 계산부와 상기 거리 감산 계산부에 의해 얻은 계산 결과에 기초하여 측정 대상의 상태를 결정하는 상태 결정부; 및
    상기 상태 결정부에 의해 얻은 결정 결과에 기초하여 측정 대상의 속도와 측정 대상으로의 거리를 확정하는 거리/속도 확정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 거리/속도 계산부와 상기 거리 감산 계산부는, 마이크로 변위 영역과 정상 변위 영역 중 하나로서 측정 대상의 상태를 간주 하자마자, 측정 대상의 운동이 기준보다 더 작은 측정대상이 마이크로 변위 영역에 있는 경우와 운동이 기준보다 더 큰 측정 대상이 정상 변위 영역 내에 있는 경우의 각각에서 제 1 발진 주기와 제 2 발진 주기의 합으로서 각각의 주기 동안 거리 후보값, 속도 후보값, 및 거리 감산을 계산하며; 그리고
    상기 상태 결정부는, 상기 거리/속도 계산부와 상기 거리 감산 계산부에 의한 각각의 계산에 대해, 상기 거리/속도 계산부와 상기 거리 감산 계산부에 의해 얻은 계산 결과에 기초하여, 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에 있는지 또는 정상 변위 영역 내에 있는지 여부를 그리고 측정 대상이 등속 운동 내에 있는지 또는 가속 운동 내에 있는지 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 상태 결정부는 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산의 부호가 일정하고, 그리고 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에 있다는 가정 하에 계산된 속도 후보값이 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산의 평균 절대값과 동일한 경우, 측정 대상이 마 이크로 변위 영역 내에서 등속 운동한다고 결정하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 상태 결정부는 측정 대상이 정상 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산의 부호가 일정하고, 그리고 측정 대상이 정상 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값이 측정 대상이 정상 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산의 평균 절대값과 동일한 경우, 측정 대상이 정상 변위 영역 내에서 등속 운동한다고 결정하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 상태 결정부는 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산의 부호가 각각의 계산에 대해 바뀌고, 그리고 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값이 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산의 평균 절대값과 일치하지 않는 경우, 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에서 가속 운동한다고 결정하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 상태 결정부는 측정 대상이 정상 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산 된 속도 후보값의 절대값이 상기 반도체 레이저의 파장 변화율과 동일하고, 그리고 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값이 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산의 평균 절대값과 일치하지 않는 경우, 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에서 가속 운동한다고 결정하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 상태 결정부는 측정 대상이 정상 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산의 부호가 각각의 계산에 대해 바뀌고, 그리고 측정 대상이 정상 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값이 측정 대상이 정상 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산의 평균 절대값과 일치하지 않는 경우, 측정 대상이 정상 변위 영역 내에서 가속 운동한다고 결정하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 상태 결정부는 측정 대상이 마이크로 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값의 절대값이 상기 반도체 레이저의 파장 변화율과 동일하고, 그리고 측정 대상이 정상 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 속도 후보값이 측정 대상이 정상 변위 영역 내에 있다는 가정에서 계산된 거리 감산의 평균 절대값과 일치하지 않는 경우, 측정 대상이 정상 변위 영역 내에서 가속 운동한다고 결정 하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  12. 제 4항에 있어서,
    속도가 기준 값보다 낮은 경우 상기 거리/속도 확정부에 의해 확정된 속도의 적분을 계산하는 적분부를 더 포함하고,
    상기 상태 결정부는 상기 적분부에 의해 계산된 적분이 거리 계산 분해능보다 작은 경우 거리 변화양을 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 거리/속도계.
  13. 삭제
  14. 파장-변조된 파를 측정 대상에 적용하는 단계;
    적용된 파와 측정 대상에 의해 반사된 복귀 파 사이에 일어난 간섭을 검출하는 단계; 및
    검출된 간섭에 관련된 정보에 기초하여 측정 대상으로의 거리 및 측정 대상의 속도를 계산하는 단계를 포함하며,
    상기 계산하는 단계는
    검출된 간섭과 관련된 정보에 기초하여 측정 대상으로의 거리와 측정 대상의 속도를 계산하는 단계, 및
    계산된 후보값으로부터 하나의 거리값과 하나의 속도값을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리/속도 계측 방법.
  15. 파장-변조된 파를 측정 대상에 적용하는 단계;
    적용된 파와 측정 대상에 의해 반사된 복귀 파 사이에 일어난 간섭을 검출하는 단계; 및
    검출된 간섭에 관련된 정보에 기초하여 측정 대상으로의 거리 및 측정 대상의 속도를 계산하는 단계를 포함하며,
    상기 적용하는 단계는 연속적으로 그리고 단조롭게 증가하는 발진 파장의 적어도 하나의 주기를 포함하는 제 1 발진 주기와 연속적으로 그리고 단조롭게 감소하는 발진 파장의 적어도 하나의 주기를 포함하는 제 2 발진 주기가 적어도 2 주기 동안 교대로 존재하도록 반도체 레이저를 작동하도록 하는 단계를 포함하고,
    상기 검출하는 단계는 광-수신 장치를 사용함으로써 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 광과 측정 대상으로부터의 복귀 광을 전기 신호로 변환하는 단계, 및 각각의 제 1 발진 주기와 제 2 발진 주기의 적어도 일부분에서 광-수신 장치로부터 출력 신호에 포함되어 있는 측정 대상으로부터의 복귀 광과 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 광 사이의 자기-혼합 효과/자기-결합 효과에 의해 생성된 간섭 파형 성분의 수를 세는 단계를 포함하고,
    상기 계산하는 단계는 간섭 파형 성분을 세는 동안의 주기에서 최단 레이징 파장과 최장 레이징 파장, 그리고 세어진 간섭 파형 성분의 수로부터 측정 대상으로의 거리와 측정 대상의 속도를 컴퓨팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리/속도 계측 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는
    계산된 속도가 기설정된 기준값보다 작은 경우 속도의 적분을 계산하는 단 계, 및
    계산된 적분이 거리 계산 분해능보다 작은 경우 거리 변화량을 0으로 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 거리/속도 계측 방법.
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