KR101356540B1 - 저 간섭성 광원의 랜덤 강도 변화를 이용한 주파수 도메인 거리 측정장치 및 이를 이용한 거리 측정방법 - Google Patents

저 간섭성 광원의 랜덤 강도 변화를 이용한 주파수 도메인 거리 측정장치 및 이를 이용한 거리 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간섭법 (interferometry)을 이용한 거리 측정 장치에 있어서, 광 검출기로 측정되는 데이터를 라디오-주파수 스펙트럼 분석기를 사용하여 분석함으로써 레이저 광원을 사용한 간섭법의 한계점을 극복한 거리 측정 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는, 좁은 주파수 대역폭 (narrow frequency bandwidth)의 저간섭성 (low coherence) 광원; 상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 간섭 (intensity interference) 신호를 광 검출기로 송출하는 광간섭계; 상기 광간섭계로부터 송신된 상기 강도 간섭 신호를 전기적 간섭신호로 변환하여 라디오-주파수 스펙트럼 분석기로 송출하는 광 검출기; 및 상기 광 검출기로부터 송신된 상기 전자신호를 분석하는 라디오-주파수 스펙트럼 분석기를 구비한 주파수 도메인 거리 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는 저 간섭성 광원을 이용하여 광학적 또는 전기적 간섭신호를 만들고 검출된 신호의 상관관계를 라디오-주파수 신호분석기를 사용하여 주파수 도메인에서 측정하고 분석함으로써, 종래 거리 측정 장치보다 월등한 해상도와 더 긴 거리를 정확하게 측정할 수 있으며, 따라서 원격탐사, 위성-대-위성 연결, 의학 영상화 및 로봇주행 등과 같은 다양한 과학과 공학분야에서 광범위하게 사용될 수 있다.

Description

저 간섭성 광원의 랜덤 강도 변화를 이용한 주파수 도메인 거리 측정장치 및 이를 이용한 거리 측정방법 {Device for frequency-domain distance measurement using random intensity fluctuation of low coherence light source}
본 발명은 변조되지 않은 (unmodulated) 광대역광원 (broad band lignt source)과 빛의 강도 상관관계 (intensity correlation)를 측정하여 거리를 측정하는 장치에 관한 것이다.
빛을 이용하는 거리 측정법은 크게 시간 도메인 (time-domain) 측정법, 주파수 도메인 (frequency-domain) 측정법, 그리고 광 간섭계 (optical interferometry)를 사용하는 측정법으로 나눌 수 있다.
시간 도메인 측정법에는, 광 펄스를 측정 대상을 향하여 쏘아주고 그로부터 반사되어 되돌아오는 시간을 측정함으로써 대상 물체의 거리를 환산하는 광학적 시간 도메인 측정법 (optical time-domain reflectrometry) (Optical time domain reflectometer, M. K. Barnoski, M. D. Rourke, S. M. Jensen, and R. T. Melville, Applied Optics, Vol. 16, Issue 9, pp. 2375-2379, 1977)과, 반복되는 디지털 준 랜덤 코드 (digital pseudo-random code)로 광원을 변조시킨 뒤에, 변조된 광신호를 대상 물체에 쏘아주고, 되돌아오는 신호의 코드와 원래의 코드의 시간 도메인에서의 상관관계 (correlation)을 비교하여 거리를 계산하는 시간 도메인 상관관계 측정법 (optical time-domain correlation reflectrometry)이 있다 (미국특허번호 제7,030,971호: 및 M. Zoboli, P. Bassi, High Spatial Resolution OTDR Attenuation Measurement by a Correlation Technique, Appl. Opt., vol. 22, no. 23, 1993). 도 1에는 시간 도메인 측정법의 개략도를, 도 2에는 시간 도메인 상관관계 측정법의 개략도를 도시하였다.
또한, 주파수 도메인 측정법 (frequency-domain reflectrometry)에는, 광원의 주파수 또는 파장을 직접 시간에 따라 선형적으로 변조시키는 결맞은 주파수 도메인 측정법 (coherent frequency-domain reflectrometry) (U. Glombitza and E. Brinkmeyer, "Coherent Frequency-Domain Reflectometry for Characterization of Single-Mode Integrated Optical waveguides", J. Lightwave Technol., vol. 11, no. 8, pp. 1377 - 1384, 1993)과, 광원의 강도를 강도 변조기 (intensity modulator)를 사용하여 시간에 따라서 선형적으로 변조시키는 결맞지 않은 주파수 도메인 측정법 (incoherent frequency-domain reflectrometer) (R. MacDonald, "Frequency domain optical reflectometer" Appl. Opt., vol. 20, no. 10, pp. 1840-1844, 1981)이 있다. 각각의 경우, 변조된 광원을 측정하고자 하는 대상에 쏘아주고 반사되어 나오는 빛을 광원과 결합시켜서 그 주파수 차이를 측정하여 거리를 계산한다. 도 3에는 결맞은 주파수 도메인 측정법의 개략도를, 도 4에는 결맞지 않은 주파수 도메인 측정법의 개략도를 도시하였다.
마지막으로, 광 간섭계를 사용하는 측정법에서는, 광의 결맞음 (coherence) 성질을 이용하는 광 결맞음 측정법이 대표적인 방법이다 (E. A. Swanson, J. A. Izatt, J. G. Fujimoto, "In vivo retinal imaging by optical coherence tomography", Optics letters, vol. 18, n. 21, 1864 - 1866, November 1993). 도 5에는 광 결맞음 측정법의 개략도를 도시하였다.
이러한 간섭계 (interferometry)를 이용하는 거리 측정 방법은 원격탐사, 거리측정, 로봇주행, 양자물리, 암호학, 분광학 및 생의학 영상화의 광범위한 분야에서 사용되는 가장 감도가 좋은 측정 방법 중 하나로서, 미지의 파에 의해 측정되는 간섭도를 기지의 기준파로 관찰함으로써 상기 미지 파의 위상을 얻는 방법이다. 상이한 종류의 다수 간섭계들이 기계공학, 광통신학, 천문학, 양자물리, 재료과학 및 생의학을 비롯한 다양한 과학분야에 소개되어 이용되어 왔다. 1887년 미켈슨-몰리 실험을 통해 빛의 속도는 관찰자의 속도와 무관하게 일정하다는 것이 밝혀졌고, 그 결과는 특수상대성이론에서 기본 전제조건으로서 사용되고 있다. 당시 발명된 미켈슨 간섭계는 현재에도 3차원(3D) 표면분석과 광학 시험용으로 사용되고 있으며, 미세-선폭 광원에 의한 간섭 패턴은 거리의 사인 함수와 잘 일치하기 때문에, 레이저 간섭계에 의한 고감도 변위 측정이 용이할 수 있다.
도 6에는 종래 미켈슨 간섭계를 이용한 거리 측정 장치의 개략도를 도시하였다. 도 6을 참조하면, 종래 미켈슨형 거리 측정 장치는 레이저 광원 (610), 제1 및 제2 거울 (620, 640), 광분할기 (beam splitter)(630), 광검출기 (650), 및 검출된 광에 대한 프로세서 (660)로 구성되며, 레이저 광원 (610)으로부터의 광이 제1 경로를 통하여 광분할기 (630)로 입사되어 각각 제1 및 제2 거울 (620, 640)쪽으로 분할된다. 분할된 광들은 제1 및 제2 거울 (620, 640)에 의해 반사되어 각각 제2 경로 및 제3 경로를 따라 광분할기 (630)쪽으로 복귀한다. 복귀된 광들은 광분할기 (630)에 의해 다시 합쳐지고, 합쳐진 광은 제4 경로를 따라 간섭을 일으키면서 광검출기 (650)로 입사되고, 광검출기 (650)는 입사된 광신호를 프로세서 (660)로 보내며, 프로세서 (660)는 광간섭 패턴을 분석하여 광의 이동 경로에 대한 거리 정보 또는 굴절률 정보 등을 측정자에게 제공하게 된다.
또 다른 형태로서, 마하-젠더 (Mach-Zehnder) 간섭계를 이용한 거리 측정 장치가 공지되어 있으며, 도 7에는 이러한 마하-젠더형 거리 측정 장치에 대한 개략도를 도시하였다. 도 7을 참조하면, 종래 마하-젠더형 거리 측정 장치는 레이저 광원 (710), 제1 및 제2 광분할기 (720, 750), 제1 및 제2 거울 (730, 740), 광검출기 (760) 및 검출된 광에 대한 프로세서 (770)로 구성되며, 레이저 광원 (710)으로부터의 광이 제1 경로를 따라 제1 광분할기 (720)로 입사되어 제1 거울 (730)과 제2 거울 (740)쪽으로 분할된다. 분할된 광들은 각각 제2 경로 및 제3 경로를 따라 제2 광분할기 (750)로 모아지고, 제2 광분할기 (750)에 의해 결합되어 간섭을 일으키면서 광검출기 (760)로 입사되고, 광검출기 (760)에 의해 간섭 무늬가 검출되고, 프로세서 (770)는 광간섭 패턴을 분석하여 광의 이동 경로에 대한 거리 정보 또는 굴절률 정보 등을 측정자에게 제공하게 된다.
그러나, 미켈슨형 및 마하-젠더형에서 공히 사용되는 레이저 광원에 의한 간섭측정의 주된 제약은 명확성 (unambiguity) 범위가 측정에 사용되는 레이저 파장 (λ/2)의 1/2로 작다는데 있다. 이러한 제약을 극복하기 위해 저-간섭성 (low coherence) 광원을 활용한 백색광 간섭법 (white light interferometry)이 소개되었으며 (B. L. Danielson, C. Boisrobert, Absolute optical ranging using low coherence interferometry. Applied Optics 30, 2975 (1991): L. Deck, P. de Groot, High-speed noncontact profiler based on scanning white-light interferometry. Applied optics 33, 7334 (1994)), 이러한 백색광 간섭 측정법은 최근에 조직, 망막과 혈관 영상용 광 간섭 단층촬영법 (Optical Coherence Tomography; OCT) 등에 적용되고 있다. 또한, 광파의 진폭뿐 아니라 위상을 광 홀로그래피에서 간섭 패턴으로서 기록할 수 있고, 3D 영상과 표시를 위해서도 사용되고 있다. 이러한 디지털 홀로그래픽 현미경과 정량적 위상 현미경은 생의학 분야에서 생체 세포 영상화를 위한 강력한 도구들이다.
종래에, OCT를 이용하여 거리를 측정하는 데에는 3가지 대표적인 방법이 존재한다. 첫 번째는, 시간 도메인 반사계 (time domain reflectrometer)를 이용한 방법으로서, 펄스화된 레이저를 이용하여 목표물에서 반사되어 돌아오는 펄스의 시간을 측정하여 거리를 환산하는 방법이다. 두 번째는, 시간 코드화된 주파수 도메인 OCT (time encoded frequency doamin OCT)를 이용한 방법으로서, 시간 도메인과는 달리, 각 두 개의 특정한 주파수를 가진 레이저가 간섭계를 지나면서 시간 경과에 따라 두 진동수의 차는 일정하게 유지되면서 주파수 도메인에서의 주파수가 두 레이저의 박동 (beating)에 의해서 전이되는 현상을 통해서, 주파수 조율 속도 (frequency tuning rate)을 구한 다음, 이를 이용하여 거리를 측정하는 방법이다.
마지막 방법은, 공간 코드화된 스펙트럼 도메인 OCT (spatially encoded spectrum domain OCT)를 이용한 방법으로서, 간섭계를 구성하여 검출기 내에 분광기를 두고 광대역 주파수 영역의 광을 통과시킨 다음, 거기에서 나온 스펙트럼 도메인 내에서의 주파수 차이 범위를 구해내고 시간의 변화를 측정하여 거리를 측정하는 방법이다. 그러나, 이러한 방법의 문제점은 최대 해상도가 (maximum resolution) 0.01nm에 불과하며, 만약 1000nm 파장대의 빛을 통과시킬 경우, 스펙트럼 도메인 내에서의 각 피크의 주파수 차이가, 거리 측정을 위해서 최소한 3GHz 이상의 값을 가져야 한다. 그러므로, 측정 가능한 최대거리는 약 10cm에 불과하다.
그러나, 전술한 광 결맞음 특성을 사용하는 광 간섭계를 이용한 거리 측정방법은 간섭현상 (interference)을 이용하므로 간섭계 내의 두 경로의 차이가 광원의 결맞음 길이 (coherence length)보다 짧은 거리만을 측정할 수 있다는 단점이 있다. 따라서, 이러한 단점을 보완하기 위하여 최근에 광의 강도 간섭 (intensity interference) 또는 강도 상관관계 (intensity correlation)를 이용한 거리 측정 방법이 제안된 바 있다 (Coisson, R.; Hoi, P. V.; Podini, P.; Huy, B.; Thinh, V. D., Low-coherence interferometry by intensity correlation, Applied Physics B, Volume 71, Issue 6, pp. 905-907, 2000.: Yuncai Wang, Bingjie Wang, and Anbang Wang, Chaotic Correlation Optical Time Domain. Reflectometer Utilizing Laser Diode, IEEE Photonics Technology Letters, Volume 20, NO. 19, 2008). 이들은 각각 광원의 강도가 시간에 따라 임의로 변하는 저-간섭성 (low-coherence) 광대역 광원 (broad band light souce) 또는 혼돈 광원 (chaotic light source)을 사용하였고, 강도 간섭계를 구성하여 강도 상관관계를 측정하여 거리를 측정하였다.
따라서, 본 발명에서는 변조되지 않은 저 간섭성 광원과 전기신호의 상관관계를 라디오-주파수 신호분석기를 사용하여 주파수 도메인에서 분석함으로써, 전술한 거리 측정법의 한계를 극복할 수 있는 새로운 거리측정법을 제공하고자 하며, 특히, 측정 거리 및 신호대 잡음 비율을 획기적으로 증가시킴으로써 최대 측정거리를 100 km 이상까지 증가시킨 새로운 주파수 도메인 거리 측정장치를 제공하고자 한다.
본 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위한 일 구현예에서,
좁은 주파수 대역폭 (narrow frequency bandwidth)의 저간섭성 (low coherence) 광원;
상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 간섭 (intensity interference) 신호를 광 검출기로 송출하는 광간섭계;
상기 광간섭계로부터 송신된 상기 강도 간섭 신호를 전기적 간섭신호로 변환하여 라디오-주파수 스펙트럼 분석기로 송출하는 광 검출기; 및
상기 광 검출기로부터 송신된 상기 전자신호를 분석하는 라디오-주파수 스펙트럼 분석기를 구비한 주파수 도메인 거리 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주파수 대역폭은 100 GHz 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 광원의 간섭 거리는 10 cm 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광간섭계는 미켈슨형 광간섭계 또는 마하-젠더형 광간섭계일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광증폭기에 의해서 증폭될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 라디오-주파수 스펙트럼 분석기는 국소 진동기, 혼합기 및 증폭기를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원은 증폭 자발 발광 (amplified spontaneous emission) 광원일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광 대역통과 (optical bandpass) 필터로 필터링될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 구현예에서,
좁은 주파수 대역폭의 저간섭성 광원;
상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환기;
상기 전기적 신호를 연산하여 전기적 간섭신호로 변환하는 전기적 라디오 주파수 신호 간섭계; 및
상기 전기적 간섭신호를 분석하는 라디오-주파수 스펙트럼 분석기를 구비한 주파수 도메인 거리 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주파수 대역폭은 100 GHz 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 광원의 간섭 거리는 10 cm 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광증폭기에 의해서 증폭될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 라디오-주파수 스펙트럼 분석기는 국소 진동기, 혼합기 및 증폭기를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원은 증폭 자발 발광 광원일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광 대역통과 필터로 필터링될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 연산은 상기 전기적 신호의 합 또는 곱일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 구현예에서,
좁은 주파수 대역폭의 저간섭성 광원;
상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환기;
상기 전기적 신호를 연산하여 2차 전기적 신호를 생성하는 아날로그 전기신호 처리장치;
상기 2차 전기적 신호를 디지털 데이터로 변환하는 디지타이저; 및
상기 디지털 데이터를 수치해석법을 사용하여 처리함으로써 거리를 계산하는 디지털 스펙트럼 분석기를 구비한 주파수 도메인 거리 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주파수 대역폭은 100 GHz 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 광원의 간섭 거리는 10 cm 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광증폭기에 의해서 증폭될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원은 증폭 자발 발광 광원일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광 대역통과 필터로 필터링될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 연산은 상기 전기적 신호의 합, 차, 곱 또는 분일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 수치해석법은 디지털 푸리에변환법일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 구현예에서,
좁은 주파수 대역폭의 저간섭성 광원;
상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 신호를 디지털 데이터로 변환하는 디지타이저;
상기 디지털 데이터를 연산하여 2차 디지털 데이터를 생성하는 2차 디지타이저; 및
상기 2차 디지털 데이터를 분석함으로써 거리를 계산하는 디지털 수치해석기를 구비한 주파수 도메인 거리 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주파수 대역폭은 100 GHz 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 광원의 간섭 거리는 10 cm 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광증폭기에 의해서 증폭될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원은 증폭 자발 발광 광원일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광 대역통과 필터로 필터링될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 연산은 상기 전기적 신호의 합, 차, 곱 또는 분일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 분석은 상기 2차 디지털 데이터의 상관관계 (digital correlation) 수치에 대한 분석일 수 있다.
본 발명에서는 저 간섭성 광원을 이용하여 광학적 또는 전기적 간섭신호를 만들고 검출된 신호의 상관관계를 라디오-주파수 신호분석기를 사용하여 주파수 도메인에서 측정하고 분석함으로써, 종래 거리 측정 장치보다 월등한 해상도와 더 긴 거리를 정확하게 측정할 수 있으며, 따라서 원격탐사, 위성-대-위성 연결, 의학 영상화 및 로봇주행 등과 같은 다양한 과학과 공학분야에서 광범위하게 사용될 수 있다.
도 1은 종래 시간 도메인 측정법에 대한 개략도이다.
도 2는 종래 시간 도메인 상관관계 측정법에 대한 개략도이다.
도 3은 종래 결맞은 주파수 도메인 측정법에 대한 개략도이다.
도 4는 종래 결맞지 않은 주파수 도메인 측정법에 대한 개략도이다.
도 5는 종래 광 결맞음 측정법에 대한 개략도이다.
도 6은 종래 미켈슨 간섭계를 이용한 거리 측정 장치에 대한 개략도이다.
도 7은 종래 마하-젠더형 간섭계를 이용한 거리 측정 장치에 대한 개략도이다.
도 8a는 간섭계에 대해 3개의 서로 다른 지연시간 0 ps, 10 ps 및 50 ps를 발생시킨 간섭된 필드 (|ε(f)|2)의 3개의 광 간섭도 또는 스펙트럼 밀도 함수를 도시한 것이다.
도 8b는 도 8a의 3개의 스펙트럼 밀도 함수에 상응하는 시간-도메인 간섭도(|E(t)|2)를 나타낸 것이다.
도 8c는 도 8b의 시간-도메인 간섭도를 수학식 2에 의해 주파수-도메인으로 푸리에 변환시켜서 주파수-도메인에서 간섭된 광학 필드의 자기상관 함수를 도출한 다음, 이에 대해 계산된 절대제곱을 표시한 것이다.
도 9a는 마하-젠더형 간섭계를 기반으로 제작된 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 대한 개략도이다.
도 9b는 2 GHz의 오프셋을 갖는 검출 전기신호에 대한 라디오-주파수 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 10은 간섭계의 2개의 아암 사이의 지연시간이 5.0 ps인 경우에 대해 종래의 스펙트럼 간섭법의 광 간섭도와 본 발명에 따른 ROTI의 RF 간섭도를 수치적으로 모사하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 푸리에 변환된 라디오-주파수 스펙트럼에서의 노이즈 감소에 대한 평균화 효과를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 ROTI에서 측정된 라디오-주파수 스펙트럼에 대한 저속 검출기의 효과를 나타낸 도면이다.
본 발명에서는 새로운 개념의 라디오-주파수 광 시간-도메인 간섭방법 (Radio-frequency optical time-domain interferometry: ROTI)을 이용한 거리 측정 장치를 제공한다.
본 발명에서는, 변조되지 않은 (unmodulated) 광대역 광원 (broad band lignt source)과 빛의 강도 상관관계 (intensity correlation)를 측정하여 거리를 측정하며, 변조되지 않은 광대역 광원과 빛의 강도의 시간에 따른 변화 상관관계를 사용하면 이론적으로 무한대의 거리까지 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 광대역 광원의 불규칙적 강도 변화를 이용하여 측정하려는 대상에서 반사된 빛의 시간에 따른 강도 변화와 광원의 강도 변화를 각각 전기신호로 변환하고, 두 전기 신호를 더하거나 곱한 다음 라디오-주파수 분석기 (radio-frequency spectrum analyzer)를 사용하여 주파수 도메인에서 분석한다. 이때, 라디오-주파수 분석기에서는 일정한 주기를 갖는 주기적인 신호가 관측되는데, 주기적인 신호의 주파수 차이는 측정하려는 대상과 광원의 거리에 반비례하므로 측정대상의 거리를 매우 정확하게 얻을 수 있다. 본 발명은 이러한 라디오-주파수 분석 방법을 사용하여 기존의 광 간섭계를 사용하는 거리측정 방법의 한계를 극복할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 종래 광 결맞음 특성을 사용하는 광 간섭계 이용방법의 한계를 극복하기 위해서 최근에 제시된 방법들 (Coisson, R.; Hoi, P. V.; Podini, P.; Huy, B.; Thinh, V. D., Low-coherence interferometry by intensity correlation, Applied Physics B, Volume 71, Issue 6, pp. 905-907, 2000.: Yuncai Wang, Bingjie Wang, and Anbang Wang, Chaotic Correlation Optical Time Domain. Reflectometer Utilizing Laser Diode, IEEE Photonics Technology Letters, Volume 20, NO. 19, 2008)의 한계를 극복할 수 있는데, 이는 본 발명이 상기 기술들에 비해서 하기와 같은 특징적 구성들을 갖기 때문이다. 먼저, 본 발명에서는, 기존의 광 간섭 또는 상관관계를 이용한 거리 측정법들과 달리, 광학 필터 (optical filter)와 증폭된 자발방출 (amplified spontaeous emission: ASE) 광원을 이용하여 스펙트럼의 폭이 매우 좁으면서도 출력이 강하며 저-간섭성의 성질을 갖는 광원을 사용한다. 다음으로, 본 발명에서는, 광 간섭계를 전기신호 간섭계로 대체할 수도 있는데, 이 경우 먼저 측정하고자 하는 대상으로부터 반사된 광의 강도와 여기에 사용된 광원의 강도를 각각 전기 신호로 바꾼 다음, 두 전기 신호의 상관관계를 라디오-주파수 신호분석기를 사용하여 주파수 도메인에서 측정한다. 결과적으로, 본 발명에서와 같이 저-간섭성 광원과 주파수 도메인 측정법을 이용하면 측정 거리 및 신호대 잡음 비율을 획기적으로 증가시킬 수 있게 된다.
종래의 시간-도메인 OCT 또는 백색광 간섭법에서는 광 필드의 상관 함수가 저속 검출기를 사용하여 측정된다 (B. L. Danielson, C. Boisrobert, Absolute optical ranging using low coherence interferometry. Applied Optics 30, 2975 (1991); L. Deck, P. de Groot, High-speed noncontact profiler based on scanning white-light interferometry. Applied optics 33, 7334 (1994); D. Huang et al ., Optical coherence tomography. Science 254, 1178 (1991); G. J. Tearney et al ., In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography. Science 276, 2037 (1997)). 측정된 시간-도메인 자기상관 함수가 주파수-도메인으로 푸리에 변환되면, 광원의 스펙트럼 밀도 함수가 푸리에-변환 분광법에 의해서 얻어진다 (P. R. Griffiths, J. A. de Haseth, Fourier transform infrared spectroscopy., Wiley-Interscience, (2007); R. J. Bell, Introductory Fourier transform spectroscopy. London : Academic Press , 1972 1, (1972)). 반대 과정이 푸리에 도메인 광 간섭 단층촬영법 (Fourier domain optical coherence tomography; FDOCT)에서 이용되는데, 여기에서는 주파수-도메인에서 간섭 무늬를 측정하고, 이를 푸리에 변환하여 상응하는 시간-도메인 상관함수를 얻는다.
이러한 종래의 방법과 달리, 본 발명에서는 ROTI로 시간-도메인에서 광 필드의 절대제곱을 고속의 광 검출기를 이용하여 측정한다. 이어서, 상응하는 스펙트럼 간섭 패턴을 라디오-주파수 스펙트럼 분석기로 얻는다.　 본 발명에서 고안된 ROTI의 기본원리는 간섭계에서 주파수-이동 레이저 출력을 자체의 레이저 출력과 혼합하는 광 자기-헤테로다인법 (Optical self-heterodyne method; OSHM)의 원리와 유사하다. 즉, 고속의 광검출기에 의해 발생된 전기 박동 신호 (electrical beating signal)의 대역폭을 라디오-주파수 스펙트럼 분석기로 분석하여 레이저의 광선폭을 얻는다. 종래의 OSHM에서는 측정된 라디오-주파수 스펙트럼에서 간섭 효과를 제거하기 위해 경로 길이차가 긴 간섭계가 필요하지만, 본 발명에서는 측정된 라디오-주파수 스펙트럼에서 간섭 패턴을 분석하여 ROTI에서 간섭계의 경로 길이차를 계산한다.
본 발명에서 제시된 ROTI의 기본원리는 다음과 같은 2개의 식으로 설명될 수 있다:
<수학식 1>
Figure 112012034970909-pat00001
<수학식 2>
Figure 112012034970909-pat00002
상기 식에서 F와 F -1은 푸리에 변환과 역 푸리에 변환을 나타내고, ε(f)와 E(t)는 푸리에 변환쌍을 나타낸다. 함수의 절대 제곱의 푸리에 변환은 원함수의 푸리에 변환된 함수의 복소수 자기상관 (complex autocorrelation)과 동일하다. 상기 수학식 1은 FDOCT 과정을 서술하는 것이다. 간섭된 필드 |ε(f)|2의 출력 스펙트럼 밀도를 격자-기반 광학 분광기로 측정하고, 상기 수학식 1을 이용하여 시간-도메인 복소수 자기상관 함수로 푸리에 변환한다. 반사층의 위치와 광도를 FDOCT에서 얻은 시간-도메인 자기상관 함수로 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 ROTI는 전술한 과정의 역과정이라 할 수 있으며, 시간-도메인 간섭된 필드 |E(t)|2 = E(t)E * (t)의 절대제곱을 먼저 고속의 광 검출기로 측정하고, 수학식 2에 의해 주파수-도메인으로 전환하여 주파수-도메인에서 간섭된 광학 필드의 복소수 자기상관 함수
Figure 112012034970909-pat00003
를 얻는다. 여기에서, 자기상관 함수의 절대제곱은 라디오-주파수 스펙트럼 분석기에 의해서 얻는다. 라디오-주파수 스펙트럼 분석기의 주파수 해상도는 광학 스펙트럼 분석기의 주파수 해상도보다 훨씬 양호하므로, 본 발명에서 채용된 ROTI에 따르면 광 간섭도의 미세구조를 분석할 수 있다. 주파수-도메인 ε(f)에서 광학 필드, 예를 들면 소정의 주기적 구조를 가진 간섭된 광학 필드의 형상을 알고 있다면, 자기상관 함수로부터 ε(f)의 정확한 형태를 얻을 수 있다.
따라서, 일 구현예에서, 본 발명에 따른 거리 측정 장치는, 좁은 주파수 대역폭 (narrow frequency bandwidth)의 저간섭성 (low coherence) 광원; 상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 간섭 (intensity interference) 신호를 광 검출기로 송출하는 광간섭계; 상기 광간섭계로부터 송신된 상기 강도 간섭 신호를 전기적 간섭신호로 변환하여 라디오-주파수 스펙트럼 분석기로 송출하는 광 검출기; 및 상기 광 검출기로부터 송신된 상기 전자신호를 분석하는 라디오-주파수 스펙트럼 분석기를 구비한다.
본 발명에 따른 장치는 종래 통상적으로 널리 사용되는 2가지 형태의 광간섭계, 즉 미켈슨형 광간섭계 또는 마하-젠더형 광간섭계에 공히 적용될 수 있다.
특히, 본 발명에서는 좁은 주파수 대역폭을 갖는 저간섭성 광원을 사용하는데, 상기 주파수 대역폭은 100 GHz 이하이며, 상기 광원의 간섭 거리는 10 cm 이하일 수 있다. 이와 같이, 좁은 주파수 대역폭을 갖는 저간섭성 광원은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어 ASE, LED, 초발광 (superluminescent light) 등등의 결맞지 않은 (incoherent) 광대역을 갖는 광원을, 밴드 패스 필터 (band pass filter) 등을 사용하여 좁은 대역폭을 갖는 광원으로 만들거나, 결맞는 (coherent) 좁은 대역폭을 갖는 광원을 회전 산광기 (rotating diffuser)를 사용하여 위상을 랜덤하게 만들어서 제조할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 고속의 광검출기에 의해 발생된 전기 박동 신호 (electrical beating signal)의 대역폭을 라디오-주파수 스펙트럼 분석기로 분석하여 레이저의 광선폭을 얻게 되므로, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광증폭기에 의해서 증폭될 수 있다.
상기 라디오-주파수 스펙트럼 분석기는 국소 진동기, 혼합기 및 증폭기로 구성된 헤테로다인 수신기를 사용하여 고감도 측정을 용이하게 할 수 있고, 상기 광원으로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 증폭 자발 발광 (amplified spontaneous emission) 광원이 채용될 수 있고, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광 대역통과 (optical bandpass) 필터로 필터링될 수 있다. 광분할기로 입사되어 분할된 후, 소정 경로를 통과하여 재복귀한 광들은 광수신 장치에서 광간섭 현상을 나타내게 되는데, 이러한 광간섭 신호는 고속 광 다이오드에 의해 전기 전압 신호로 전환될 수 있다.
또한, 다른 구현예에서, 본 발명에 따른 거리 측정 장치는, 좁은 주파수 대역폭의 저간섭성 광원; 상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환기; 상기 전기적 신호를 연산하여 전기적 간섭신호로 변환하는 전기적 라디오 주파수 신호 간섭계; 및 상기 전기적 간섭신호를 분석하는 라디오-주파수 스펙트럼 분석기를 구비한다.
이는, 전술한 첫 번째 구현예와는 다소 상이한 구성으로서, 전술한 구현예에서의 광 간섭계가 전기신호 간섭계로 대치된 형태라 할 수 있다. 이 경우, 전기신호 간섭계에서는 광 분할기로 입사되어 서로 다른 경로를 통과한 복수 개의 광 신호를 서로 다른 검출기를 통하여 전기적 신호로 변환한 다음, 변환된 전기적 신호에 대해서 합하거나 곱하는 등의 연산 작업을 수행함으로써 전기적 간섭신호로 변환하고, 이를 라디오-주파수 스펙트럼 분석기에 의해서 분석함으로써 거리를 측정한다. 이러한 구성상의 차이를 제외한 나머지 구성들은 전술한 구현예와 동일할 수 있다.
또한, 또 다른 구현예에서, 본 발명에 따른 거리 측정 장치는, 좁은 주파수 대역폭의 저간섭성 광원; 상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환기; 상기 전기적 신호를 연산하여 2차 전기적 신호를 생성하는 아날로그 전기신호 처리장치; 상기 2차 전기적 신호를 디지털 데이터로 변환하는 디지타이저; 및 상기 디지털 데이터를 수치해석법을 사용하여 처리함으로써 거리를 계산하는 디지털 스펙트럼 분석기를 구비한다.
이 또한, 두 번째 구현예와는 다소 상이한 구성으로서, 분할된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 과정까지는 동일하지만, 상기 전기적 신호를 전기적 간섭신호로 변환하는 대신에, 이를 아날로그 전기신호 처리장치에 의해서 연산하여 2차 전기적 신호를 생성하고, 다시 이를 디지털 데이터로 변환한 다음, 얻어진 디지털 데이터를 디지털 스펙트럼 분석기를 사용하여 분석한다는 점에서 구성상 차이점을 보인다. 이때, 상기 아날로그 전기신호 처리장치에 의한 연산은 전기적 신호의 합, 차, 곱 또는 분일 수 있으며, 상기 디지털 스펙트럼 분석기에서 사용되는 수치해석법은 디지털 푸리에변환법 등의 수치해석법이 사용될 수 있다. 마찬가지로, 이러한 구성상 차이점을 제외한 나머지 구성들은 전술한 첫 번째 및 두 번째 구현예들과 동일할 수 있다.
마지막으로, 또 다른 구현예에서, 본 발명에 따른 주파수 도메인 거리 측정 장치는 좁은 주파수 대역폭의 저간섭성 광원; 상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 신호를 디지털 데이터로 변환하는 디지타이저; 상기 디지털 데이터를 연산하여 2차 디지털 데이터를 생성하는 2차 디지타이저; 및 상기 2차 디지털 데이터를 분석함으로써 거리를 계산하는 디지털 수치해석기를 구비한다.
상기 구현예에서는, 전술한 세 번째 구현예에서와는 상이하게, 분할된 광들의 강도 신호를 전기적 신호로 변환하는 대신에 디지타이저를 사용하여 디지털 데이터로 먼저 변환한다. 이어서 얻어진 디지털 데이터는 디지털 수치해석을 수행하기 위해서 2차 디지타이저를 사용하여 2차 디지털 데이터로 변환되며, 최종 거리 계산은 상기 2차 디지털 데이터를 분석함으로써 수행된다.
2차 디지털 데이터는 다양한 분석 방법에 의해서 분석가능할 것이나, 예를 들어 변환된 2차 디지털 데이터의 상관관계 (digital correlation) 수치를 분석하는 등의 방법에 의해서 거리 측정이 가능하다.
이하, 실시예 및 도면을 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예로만 한정되는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다.
실시예
광학 스펙트럼 밀도 함수에서 간섭 패턴, 검출된 시간-도메인 전기신호와 라디오-주파수 스펙트럼 분석기 사이의 관계를 설명하기 위해서 수치적 모사법 (numerical simulation)을 사용하였다. 파장 1550 nm를 중심으로 100 GHz 대역폭을 갖는 가우스 형태 (Gaussian shape) 열원을 구비한 간섭계를 채용하였으며; 스펙트럼 밀도 함수의 1/e 2 최대값에서 반폭 (half-width)은 100 GHz (△f = 100 GHz)이었다. 가우스 형태 광학 필드에 임의 위상 함수를 곱하여 열광원의 광학 필도를 모사하였다. 도 8a는 간섭계에 대해 3개의 서로 다른 지연시간 0 ps, 10 ps 및 50 ps를 발생시킨 간섭된 필드 (|ε(f)|2)의 3개의 광 간섭도 또는 스펙트럼 밀도 함수를 도시한 것이다. 이들은 FDOCT로 측정한 전형적인 주파수-도메인 간섭도 데이터이다. 스펙트럼 간섭도의 변조 시간은 1/지연시간과 같으므로, 간섭계의 2개의 아암 (arm) 사이의 지연 시간을 스펙트럼 간섭도 측정에 의해 얻을 수 있다.
간섭된 광학장 (E(t))의 시간-도메인 함수를 3개의 스펙트럼 함수 (ε(f))의 푸리에 변환에 의해서 계산하였다. 도 8b는 도 8a의 3개의 스펙트럼 밀도 함수에 상응하는 시간-도메인 간섭도(|E(t)|2)를 나타내며, 이들은 본 발명에 따른 ROTI로 얻을 수 있는 전형적인 속변 (fast-varying) 시간-도메인 간섭도 데이터를 나타낸다. 수치적 푸리에 변환을 위해 220 개의 데이터 포인트를 이용하였으며, 수명이 0.327 ㎲인 시간 강도 함수를 얻었다. 데이터 포인트 간 시간 간격은 0.312 ps이었으며, 광 검출기의 대역폭은 무한대라고 가정하였다. 임의 위상을 가진 열원을 사용하였기 때문에 이들 시간-도메인 간섭도에서 주기적 구조를 찾는 것은 어렵다. 이들 시간-도메인 간섭도를 상기 수학식 2에 의해 주파수-도메인으로 푸리에 변환시켰으며, 그로부터 주파수-도메인에서 간섭된 광학 필드의 자기상관 함수를 얻었다. 도 8c는 이들 계산된 자기상관 함수의 절대제곱을 표시하고 있다. 이들은 본 발명에 따른 ROTI로 얻을 수 있는 실제 RF 스펙트럼이다. 도 8b에 도시한 시간-도메인 간섭도의 임의 노이즈 (random noise) 때문에, 계산된 자기상관 함수 역시 주파수-도메인에서 상당한 노이즈를 나타내었다. 도 8c에 도시된 각 플롯에 대해서, 5,000개의 자기상관 함수를 얻어 평균하였다. 도 8c에 도시된 각 플롯에 대해 사용한 시간-도메인 강도 데이터의 전체 길이는 1.637 ms (= 5,000 x 0.327 ㎲)에 해당되었다. 계산된 라디오-주파수 스펙트럼에는 여전히 잡음이 일부 존재하였다.
본 발명에 따른 ROTI를 사용하여 길이가 4.2 km인 광섬유의 길이를 측정하였다. 도 9a는 마하-젠더형 간섭계를 기반으로 제작된 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 대한 개략도이다. 도 9a를 참조하면, 장치는 크게 3개의 구성요소, 즉 좁은 대역폭 열광원, 섬유 간섭계 및 라디오-주파수 스펙트럼 분석기를 구비한 전자 검출부로 이루어져 있다. 광원으로는 에르븀-도핑된 섬유로 제조된 증폭된 자발 발광 (amplified spontaneous emission; ASE) 광원을 사용하였으며, 상기 ASE 출력을 대역폭 파장이 0.8 nm이거나 주파수가 100 GHz인 중심 파장 1550 nm의 광 대역통과 (optical bandpass) 필터로 필터링하였다. 여과된 좁은 대역폭 ASE광을 섬유-광학 마하-젠더형 간섭계에 도입하기 전에 광증폭기에 의해 증폭시켰다. 간섭계의 하나의 아암에 삽입된 섬유의 길이는 4.2 km이었다. 간섭된 광학장의 절대제곱을 대역폭 10 GHz의 고속 광 다이오드에 의해 전기 전압 신호로 전환시켰다. 도 9a의 우측에 파선으로 표시한 박스에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 거리 측정 장치는라디오-주파수 스펙트럼 분석기를 사용하였으며, 이러한 라디오-주파수 스펙트럼 분석기는 국소 진동기, 혼합기와 증폭기로 구성된 헤테로다인 수신기이므로 고감도 측정이 가능하였다.
도 9b는 2 GHz의 오프셋을 갖는 검출 전기신호에 대한 라디오-주파수 스펙트럼을 나타낸다. 측정된 라디오-주파수 스펙트럼은 서변 (slow-varying) 가우스 영역의 상부에 균일한 사인 곡선 형태의 스펙트럼 무늬 패턴을 가졌다. 주파수 2 GHz 근방에서 진동 스펙트럼의 주기를 측정하였으며, 측정된 스펙트럼은 주기가 49.0 kHz인 사인 곡선형 패턴을 명확히 나타내었고, 이는 지연시간 20.4㎲에 해당한다. 실험에 사용된 단일 모드 섬유의 군 지수 (group index)는 1550 nm 파장에서 약 1.47이므로, 섬유의 물리적 길이는 4.17 km인 것으로 추정되었다. 얻어진 라디오-주파수 스펙트럼은 주파수-도메인에 균일하게 분포된 백색 노이즈에 의해 장해를 받았으며, 디지털 대역통과 필터를 이용하여 도 9b의 하부에 도시한 선명한 사인 곡선 형태의 무늬를 얻었다. 길이가 1 m인 섬유를 반복 측정하여 본 발명에 따른 ROTI에 의한 절대 거리 측정의 정밀도를 시험하였다. 각 측정의 데이터 획득 시간이 10초이었을 때, 3㎛의 표준편차가 얻어졌다. 열광원의 임의 강도 노이즈로 인해서 긴 측정시간이 필요하였다.
본 발명에 따른 ROTI 에 의한 간섭도와 종래기술에 따른 광 간섭도의 비교
고속 광 검출기를 구비한 간섭계로부터 간섭된 필드의 절대제곱 변화를 ROTI로 측정하였다. 측정된 시간-도메인 강도 함수를 푸리에 변환시켜 주파수-도메인에서 간섭된 필드의 자기상관 함수인 ROTI 간섭도를 얻었다. 한편, 주파수-도메인에서 간섭 필드의 절대제곱을 푸리에-영역 광 간섭성 단층촬영법과 같은 종래의 분광학적 간섭법으로 직접 측정하였다.
본 발명에 따른 ROTI와 종래의 분광학적 간섭법을 비교하기 위해서, 대역폭이 100 GHz인 열원과 대역폭이 무한대인 검출기로 구성된 간섭계를 사용하였다. 상기 간섭계의 2개의 아암 사이의 지연시간이 5.0 ps인 경우에 대해 종래의 스펙트럼 간섭법의 광 간섭도와 ROTI의 RF 간섭도를 수치적으로 모사하였으며, 그 결과를 도 10에 도시하였다. 도 10의 후방 그래프는 종래의 스펙트럼-도메인 간섭법에 의해 얻을 수 있는 모사된 광 간섭도를 나타낸다. 이러한 간섭도는 간섭장의 스펙트럼 밀도 함수이다. 도 10의 전방 그래프는 본 발명에 따른 ROTI에 의해 측정될 수 있는 모사된 라디오-주파수 간섭도이다. 이러한 간섭도는 독립적으로 얻은 10,000개의 라디오-주파수 스펙트럼의 평균이다. 종래의 광 간섭도와 달리, 본 발명에 따른 ROTI 간섭도는 자기상관 함수이기 때문에 f의 대칭함수이다. ROTI 간섭도의 가시성은 비간섭성 열원의 세기 잡음으로 인해 광 간섭도의 가시성에 비해 낮다. 간섭계의 2개의 아암 사이 거리 차 또는 지연시간은 주파수-도메인 간섭도에서의 주기에 의해 얻을 수 있다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 2가지 경우에 간섭 무늬의 주기는 동일하다. 따라서, 본 발명에 따른 ROTI는 광 간섭도에서의 주기가 너무 미세하여 종래의 분광학적 방법으로 분석할 수 없을 때에 절대 거리를 측정하기 위해 효과적으로 이용될 수 있다는 사실을 알 수 있다.
평균화에 의한 라디오-주파수 스펙트럼에서의 잡음 감소
본 발명에 따른 ROTI 실험에 있어서, 스펙트럼-분할 증폭한 자발 발광 (ASE) 광을 열원으로 사용하였다. 3 dB 전송 대역폭이 100 GHz인 박막 필터를 이용하여 에르븀-도핑된 섬유로 제조된 ASE 광원으로부터 미세 대역 가우스 스펙트럼을 선택하였다. 열광원에서 임의적 세기 변동 때문에 측정된 시간-도메인 세기 데이터에 묻힌 규칙적 패턴 또는 주기적 구조를 찾는 것은 어렵다. 시간-도메인 간섭 패턴을 주파수-영역 라디오-주파수 스펙트럼으로 푸리에 변환한 후에도 적절히 평균화하지 않고서 사인 곡선형 신호의 주기적 구조를 추출하는 것은 쉽지 않다. 그러나, 이는 ROTI의 근본적 제약으로서, 평균화 방법에 의해 극복할 수 있다. 측정된 라디오-주파수 스펙트럼에서 평균화에 의한 잡음 감소 효과를 증명하기 위해 수치 모사를 반복하였다. 먼저 주파수-도메인에서 3 dB 대역폭이 100 GHz인 가우스 스펙트럼 함수를 선택하였다. 상기 스펙트럼의 중심 파장은 1550 nm이었다. 이후, ASE 광원을 모사하기 위해, 스펙트럼 함수에 임시 위상이 0 내지 2π 라디안인 함수를 복합화하였다. 스펙트럼 함수의 푸리에 변환에 의해 시간-도메인 전기장의 함수를 얻었으며, 이를 소정의 지연시간만큼 시간-도메인에서 이동되는 또 다른 전기장에 더하여 간섭된 전기장을 만들었다. 이러한 전기장의 절대제곱은 ROTI 실험에서 측정될 수 있는 속변 라디오-주파수 신호를 나타내며, 그에 대한 라디오-주파수 스펙트럼은 수치적 푸리에 변환에 의해 얻을 수 있다.
간섭계의 2개의 아암 사이의 지연시간이 10 ps인 간섭 패턴에 대해 여러 개의 시간-도메인 전기 간섭 패턴을 반복적으로 발생시켰다. 도 11은 푸리에 변환된 RF 스펙트럼에서의 노이즈 감소에 대한 평균화 효과를 나타낸다. 수명이 5.24 ㎲인 시간적 세기 함수에 대해 222개의 데이터 포인트를 사용하였다. 데이터 포인트 사이의 시간 간격은 1.25 ps이었다. 라디오-주파수 스펙트럼은 수치적 푸리에 변환으로 얻었고, 데이터 포인트 사이의 주파수 간격과 변환된 데이터의 전체 주파수 길이는 각각 0.191 MHz과 801 GHz이었다. 최전방의 황색 그래프는 5개의 라디오-주파수 스펙트럼의 평균화 함수를 나타내는 것으로, 각 스펙트럼은 독립적으로 형성된 시간적 간섭 패턴으로부터 계산하였다. 이 그래프에 대해 사용한 시간-도메인 강도 데이터의 전체 길이는 26.2 ㎲ (= 5 x 5.24 ㎲)이었다. 하늘색으로 표시한 두 번째 전방 그래프는 50개의 독립적으로 얻은 라디오-주파수 스펙트럼을 평균화한 그래프이다. 측정된 시간-도메인 간섭 데이터의 전체 길이는 262 ㎲ (= 50 x 5.24 ㎲)이었다. 세 번째와 네 번째 그래프는 각각 500개와 5,000개의 라디오-주파수 스펙트럼을 평균화한 그래프이다. 이들 그래프에 대해 평균화를 위해 형성한 시간-도메인 간섭 패턴의 전체 수명은 각각 2.62 ms와 26.2 ms이었다. 이들 그래프는 ASE 광원의 임의 세기 변동에 의해 발생되는 라디오-주파수 스펙트럼에서의 노이즈가 반복 실험과 평균화에 의해 효과적으로 감소될 수 있음을 명확히 보여주고 있다. 또한, 본 발명에 따른 ROTI 실험에서 거리 측정의 정확도가 라디오-주파수 스펙트럼의 평균화 횟수를 증가시킬 때 더욱 증대될 수 있음을 확인하였다.
본 발명에 따른 ROTI 에서 전자 검출 장치의 대역폭 효과
전자 측정 장치의 대역폭은 통상적으로 실제 ROTI 장치에서 사용되는 열원의 대역폭에 비해 훨씬 작다. 자체 실험에서 대역폭이 10 GHz인 광 검출기는 가장 느린 부품인 반면, ASE 광원의 스펙트럼 대역폭은 100 GHz이었다. 광원의 대역폭과 전자 측정 장치의 대역폭 사이의 이렇게 큰 차이는 ROTI에서 오차를 초래한다.
검출 장치의 제한된 대역폭의 효과는 자체 제작한 시간-도메인 측정장치가 선형 이동-불변 장치로서 고려될 수 있는 한 상승 정리 (convolution theorem)에 의해 잘 설명될 수 있고; 주파수-도메인에서 측정된 스펙트럼은 검출기의 전달 함수와 측정할 실제 스펙트럼의 포인트별 복합화한 결과이다. 도 12는 본 발명에 따른 ROTI에서 측정된 라디오-주파수 스펙트럼에 대한 저속 검출기의 효과를 나타낸다. 열원의 스펙트럼 폭이 100 GHz이고 간섭계의 2개의 아암 사이 지연시간이 40.0 ps이었을 때 ROTI의 라디오-주파수 스펙트럼을 모사하였으며, 이는 측정된 라디오-주파수 스펙트럼에서 2.50 GHz 주파수의 주기적 진동을 일으킬 것이다. 도 12의 후방 그래프는 전자 검출 장치의 대역폭을 무한대로 가정할 때 10,000개의 독립적인 라디오-주파수 스펙트럼을 평균화한 스펙트럼이며, 도 12의 전방 그래프는 대역폭이 10 GHz인 전자 장치에 의해 검출된 라디오-주파수 스펙트럼을 나타낸다. 원 라디오-주파수 스펙트럼 (2.5 GHz)에서 간섭 패턴의 주기가 검출기의 대역폭 (10 GHz)에 매우 근접하기 때문에, 이 경우에는 스펙트럼의 도메인을 무시할 수 없고, 측정된 주기가 약간 감소될 수 있다.　 이러한 오차는 검출된 라디오-주파수 스펙트럼의 도메인을 평탄하게 함으로써 수치적으로 제거할 수 있다. 이러한 효과는 라디오-주파수 스펙트럼에서의 주기가 49 kHz에 불과한 반면에, 검출 장치의 대역폭은 10 GHz이었기 때문에 본 발명에 따른 ROTI 실험에서 문제가 되지 않았다.

Claims (32)

  1. 0 GHz 초과 100 GHz 이하의 주파수 대역폭 (narrow frequency bandwidth) 및 0 cm 초과 10 cm 이하의 간섭 거리를 갖는 광원;
    상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 간섭 (intensity interference) 신호를 광 검출기로 송출하는 광간섭계;
    상기 광간섭계로부터 송신된 상기 강도 간섭 신호를 전기적 간섭신호로 변환하여 라디오-주파수 스펙트럼 분석기로 송출하는 광 검출기; 및
    상기 광 검출기로부터 송신된 전자신호를 분석하는 라디오-주파수 스펙트럼 분석기를 구비한 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 광간섭계는 미켈슨형 광간섭계 또는 마하-젠더형 광간섭계인 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광증폭기에 의해서 증폭되는 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 라디오-주파수 스펙트럼 분석기는 국소 진동기, 혼합기 및 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광원은 증폭 자발 발광 (amplified spontaneous emission) 광원인 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광 대역통과 (optical bandpass) 필터로 필터링되는 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  9. 0 GHz 초과 100 GHz 이하의 주파수 대역폭 (narrow frequency bandwidth) 및 0 cm 초과 10 cm 이하의 간섭 거리를 갖는 광원;
    상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환기;
    상기 전기적 신호를 연산하여 전기적 간섭신호로 변환하는 전기적 라디오 주파수 신호 간섭계; 및
    상기 전기적 간섭신호를 분석하는 라디오-주파수 스펙트럼 분석기를 구비한 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광증폭기에 의해서 증폭되는 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 라디오-주파수 스펙트럼 분석기는 국소 진동기, 혼합기 및 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 광원은 증폭 자발 발광 (amplified spontaneous emission) 광원인 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  15. 제9항에 있어서, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광 대역통과 (optical bandpass) 필터로 필터링되는 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  16. 제9항에 있어서, 상기 연산은 상기 전기적 신호의 합 또는 곱인 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  17. 0 GHz 초과 100 GHz 이하의 주파수 대역폭 (narrow frequency bandwidth) 및 0 cm 초과 10 cm 이하의 간섭 거리를 갖는 광원;
    상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환기;
    상기 전기적 신호를 연산하여 2차 전기적 신호를 생성하는 아날로그 전기신호 처리장치;
    상기 2차 전기적 신호를 디지털 데이터로 변환하는 디지타이저; 및
    상기 디지털 데이터를 수치해석법을 사용하여 처리함으로써 거리를 계산하는 디지털 스펙트럼 분석기를 구비한 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제17항에 있어서, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광증폭기에 의해서 증폭되는 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  21. 제17항에 있어서, 상기 광원은 증폭 자발 발광 (amplified spontaneous emission) 광원인 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  22. 제17항에 있어서, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광 대역통과 (optical bandpass) 필터로 필터링되는 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  23. 제17항에 있어서, 상기 연산은 상기 전기적 신호의 합, 차, 곱 또는 분인 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  24. 제17항에 있어서, 상기 수치해석법은 디지털 푸리에변환법인 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  25. 0 GHz 초과 100 GHz 이하의 주파수 대역폭 (narrow frequency bandwidth) 및 0 cm 초과 10 cm 이하의 간섭 거리를 갖는 광원;
    상기 광원으로부터 방출된 광을 광분할기로 입사시킨 후, 분할된 광들의 강도 신호를 디지털 데이터로 변환하는 디지타이저;
    상기 디지털 데이터를 연산하여 2차 디지털 데이터를 생성하는 2차 디지타이저; 및
    상기 2차 디지털 데이터를 분석함으로써 거리를 계산하는 디지털 수치해석기를 구비한 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 제25항에 있어서, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광증폭기에 의해서 증폭되는 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  29. 제25항에 있어서, 상기 광원은 증폭 자발 발광 (amplified spontaneous emission) 광원인 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  30. 제25항에 있어서, 상기 광원으로부터 방출된 광은 상기 광분할기로 입사되기 이전에 광 대역통과 (optical bandpass) 필터로 필터링되는 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  31. 제25항에 있어서, 상기 연산은 상기 디지털 데이터의 합, 차, 곱 또는 분인 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
  32. 제25항에 있어서, 상기 분석은 상기 2차 디지털 데이터의 상관관계 (digital correlation) 수치에 대한 분석인 것을 특징으로 하는 주파수 도메인 거리 측정 장치.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990084900A (ko) * 1998-05-12 1999-12-06 윤종용 간섭 필터를 이용한 광 변조기의 과도 처프 측정 장치 및 방법
KR20020054252A (ko) * 2000-12-27 2002-07-06 오길록 스펙트럼 분할 광원을 이용한 분산 천이 광섬유의 영분산파장 측정 장치 및 그 방법
KR20070026243A (ko) * 2005-09-02 2007-03-08 텍트로닉스 인터내셔널 세일즈 게엠베하 스펙트럼 분석기에 대한 데이터 처리 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990084900A (ko) * 1998-05-12 1999-12-06 윤종용 간섭 필터를 이용한 광 변조기의 과도 처프 측정 장치 및 방법
KR20020054252A (ko) * 2000-12-27 2002-07-06 오길록 스펙트럼 분할 광원을 이용한 분산 천이 광섬유의 영분산파장 측정 장치 및 그 방법
KR20070026243A (ko) * 2005-09-02 2007-03-08 텍트로닉스 인터내셔널 세일즈 게엠베하 스펙트럼 분석기에 대한 데이터 처리 방법

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