KR101448831B1 - Distance measuring apparatus using phase-locked synthetic wavelength interferometer based on femtosecond laser - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 펨토초 레이저 기반의 거리 측정 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용하여 합성파 간의 위상을 일정하게 유지하고 펨토초 레이저의 반복률 측정을 통한 거리측정을 가능하게 함으로써 1㎛ 이하의 고분해능과 위상에 따른 비선형오차를 제거하는 거리 측정 장치에 대한 것이다.The present invention relates to a femtosecond laser-based distance measuring apparatus, and more particularly, to a femtosecond laser-based phase locked composite wave interferometer capable of maintaining the phase of a synthetic wave constantly and measuring the distance by measuring the repetition rate of a femtosecond laser. And eliminates nonlinear errors depending on the phase and a high resolution of 1 mu m or less.
합성파 간섭계(synthetic wavelength interferometer)는 서로 다른 주파수의 빛 사이의 간섭에 의한 긴 파장의 신호를 거리 측정에 이용하는 절대거리 간섭계이다. A synthetic wavelength interferometer is an absolute distance interferometer that uses long wavelength signals due to interference between lights of different frequencies for distance measurement.
이러한 절대거리 간섭계는 2π 위상 모호성 없이 한 번의 측정 과정을 통해 기준팔(reference arm)과 측정팔(measurement arm) 사이의 거리 차를 측정할 수 있다.This absolute distance interferometer can measure the distance difference between the reference arm and the measurement arm through a single measurement process without 2π phase ambiguity.
또한, 측정과정에서 발생할 수 있는 오차가 누적되지 않으며 빔 경로(beam path)가 외부의 간섭을 받았을 때 측정 정보를 잃어버리지 않기 때문에 현재 산업계에 널리 사용되고 있는 상대변위간섭계(relative displacement)의 여러 단점을 해결할 수 있다. In addition, since errors that may occur during the measurement process are not accumulated and measurement information is not lost when the beam path is subjected to external interference, various disadvantages of the relative displacement interferometer Can be solved.
이러한 합성파 간섭계의 광원으로 펨토초 레이저를 도입할 경우 펨토초 레이저가 가지는 광 빗(optical comb)의 수많은 주파수 모드 사이의 간섭으로 여러 주파수의 합성파를 측정에 이용할 수 있다. When a femtosecond laser is introduced as a light source of such a composite wave interferometer, a composite wave of a plurality of frequencies can be used for measurement by interference between a plurality of frequency modes of an optical comb of a femtosecond laser.
이 때 가장 긴 파장의 합성파와 검출 가능한 가장 짧은 파장의 합성파를 이용하여 긴 거리를 가장 짧은 파장의 합성파가 가지는 분해능으로 측정할 수 있는 장점이 있다. In this case, it is advantageous to measure the long distance by the resolution of the shortest wavelength synthetic wave using the composite wave of the longest wavelength and the shortest detectable wave.
일반적으로 합성파 간섭계가 가지는 측정영역은 펨토초 레이저 광 빗의 반복률(repetition rate)과 전자 회로의 대역폭 (bandwidth)에 의해 제한되며 측정 분해능은 기준 파(reference wave)와 측정 파(measurement wave) 사이의 위상차(phase difference)를 검출하는 위상 측정기(phase meter)의 성능에 제한된다.In general, the measurement range of the synthetic wave interferometer is limited by the repetition rate of the femtosecond laser comb and the bandwidth of the electronic circuit. The measurement resolution is the difference between the reference wave and the measurement wave Is limited to the performance of a phase meter that detects phase difference.
하지만 일반적으로 이러한 위상 측정기의 분해능에 소급하는 합성파 분해능을 구현하더라도 수 ~ 수십㎛ 수준의 비선형오차가 존재한다. However, in general, nonlinear errors of several to several tens of micrometers exist even when the resolution of the phase detector is limited to the resolution of synthesized waves.
이러한 비선형오차는 기준 신호와 측정 신호간의 전기적 혼신(electrical cross-talk), 불필요한 주파수 성분에 의한 광학적 혼신(optical cross-talk), 외부 진동기(external modulator) 등의 사용에 따른 실험기기의 복잡성(complexity), 기준팔과 측정팔 사이의 빛의 다중 경로(optical multipath) 그리고 위상 측정기의 비선형성 등을 원인으로 들 수 있다. This nonlinear error is caused by the complexity of the experimental equipment due to the use of electrical cross-talk between the reference signal and the measurement signal, optical cross-talk due to unnecessary frequency components, external modulator, ), Optical multipath between the reference arm and the measuring arm, and non-linearity of the phase detector.
하지만 후처리 방법의 경우는 실시간 보상이 불가능하기 때문에 측정과 동시에 오차 없는 거리정보를 얻기 어렵다는 문제점이 있다. However, in the case of the post-processing method, it is difficult to obtain error-free distance information at the same time as the real-time compensation is impossible.
기존의 펨토초 레이저를 이용한 위상잠금합성파 간섭계는 레이저 공진기 외부에 음향광변조기 (acousto-optic modulator, AOM) 또는 전기광변조기 (electro-optic modulator, EOM)를 사용하여 측정된 위상을 잠금하기 위해 합성파의 주파수를 제어한다. 이러한 능동소자를 사용할 경우에 추가되는 소자이외에도 해당소자를 제어하기 위한 고전압회로가 필수적이기 때문에 시스템이 복잡해지며 신뢰성이 저하된다. 또한 음향광변조기와 전기광변조기에서 발생하는 주파수천이된 광주파수모드는 일반적으로 효율이 낮은편이며 이는 위상잠금을 위한 합성파의 신호대잡음비가 낮아지는 단점이 있다.A conventional phase locked synthetic wave interferometer using a femtosecond laser is composed of an acousto-optic modulator (AOM) or an electro-optic modulator (EOM) external to the laser resonator, The frequency of the wave is controlled. In addition to the elements added in the case of using such an active element, a high-voltage circuit for controlling the element is necessary, so that the system is complicated and reliability is lowered. In addition, the frequency shifted optical frequency modes generated by the optical modulator and the optical modulator are generally low in efficiency, and the signal-to-noise ratio of the composite wave for phase locking is lowered.
본 발명은 위 배경기술에 의해 야기된 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 합성파 간의 위상을 일정하게 하고 펨토초 레이저의 반복률 측정을 통한 거리측정을 가능하게 함으로써 1㎛ 이하의 고분해능과 위상에 따른 비선형의 오차를 제거할 수 있는 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed in order to solve the problem caused by the above background art, and it is possible to perform distance measurement by measuring the repetition rate of a femtosecond laser by making the phase between synthetic waves constant, The present invention provides a distance measuring apparatus using a phase locked synthetic wave interferometer based on a femtosecond laser.
또한, 본 발명은 복잡한 후처리 과정 없이 빠른 반복률 조절을 통해 실시간 거리 측정이 가능한 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a distance measuring apparatus using a femtosecond laser-based phase locked synthetic wave interferometer capable of real-time distance measurement through rapid repetition rate adjustment without complicated post-processing.
또한, 본 발명은 펨토초 레이저에서 발생하는 합성파의 주파수 제어를 통한 위상잠금을 수행하며 이는 레이저 공진기 자체의 길이를 정밀하게 변화시킴으로써 가능하게된다. 이는 기존의 음향광변조기 (AOM) 또는 전기광변조기(EOM) 와 같은 추가되는 능동소자 및 이를 제어하기 위한 추가의 회로 없이 위상잠금을 가능하게 하며 낮은 효율의 소자들을 사용하지 않기 때문에 높은 신호대잡음이 획득이 가능하다.In addition, the present invention performs phase locking through frequency control of a synthetic wave generated in a femtosecond laser, which is possible by precisely changing the length of the laser resonator itself. This enables phase locking without the need for additional active elements and additional circuitry to control it, such as conventional acoustic optical modulators (AOMs) or electro-optical modulators (EOMs), and does not use low efficiency devices, Acquisition is possible.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용하여 합성파 간의 위상을 일정하게 유지하고 펨토초 레이저의 반복률 측정을 통한 거리측정을 가능하게 함으로써 1㎛ 이하의 고분해능과 위상에 따른 비선형오차를 제거하는 거리 측정 장치를 제공한다.In order to achieve the above-mentioned object, in order to achieve the above-mentioned object, a phase-locked synthetic wave interferometer based on a femtosecond laser is used to maintain the phase between synthetic waves constantly and to perform distance measurement by measuring the repetition rate of a femtosecond laser, And a distance measuring device for eliminating non-linear errors according to the phase.
상기 거리 측정 장치는, The distance measuring apparatus includes:
펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치에 있어서,A distance measuring apparatus using a femtosecond laser based phase locked synthetic wave interferometer,
펨토초 레이저 광원;Femtosecond laser light source;
상기 펨토초 레이저 광원으로부터 출사되는 펨토초 레이저 광을 기준광과 측정 타겟으로부터 반사되는 측정광으로 분리하는 빔스플리터;A beam splitter for separating the femtosecond laser light emitted from the femtosecond laser source into a measurement light reflected from the measurement target and a reference light;
상기 기준광을 검출하는 기준광 검출기;A reference light detector for detecting the reference light;
반사된 측정광을 검출하는 측정광 검출기;A measurement photodetector for detecting the reflected measurement light;
검출된 기준광 및 측정광들로부터 기준 합성파 및 측정 합성파를 생성하고 증폭하는 고주파 회로;A high frequency circuit for generating and amplifying a reference composite wave and a measurement composite wave from the detected reference light and measurement light;
증폭된 합성파들의 위상을 잠금하여 합성파간의 위상이 일정하도록 상기 펨토초 레이저 광원을 제어하는 위상 잠금부; 및 A phase lock unit for locking the phase of the amplified synthetic waves and controlling the femtosecond laser source so that the phase of the synthesized wave is constant; And
제어가 완료된 펨토초 레이저 광의 반복률을 시간 및 주파수 표준에 소급하여 측정하는 주파수 측정부; 및 A frequency measurement unit for measuring the repetition rate of the controlled femtosecond laser light back to the time and frequency standards; And
측정된 반복률을 이용하여 상기 측정 타겟과 빔스플리터간의 거리 정보로 변환하는 거리 변환부;A distance transform unit for transforming the distance information between the measurement target and the beam splitter using the measured repetition rate;
를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.And a control unit.
여기서, 상기 고주파 회로는, 고주파 신호를 생성하는 함수 발생기; 생성된 고주파 신호와 검출된 기준광을 합성하는 제 1 믹서; 생성된 고주파 신호와 검출된 측정광을 합성하는 제 2 믹서; 합성된 기준광을 저주파수 대역으로 필터링하는 제 1 저주파 통과 필터; 합성된 측정광을 저주파수 대역으로 필터링하는 제 2 저주파 통과 필터; 필터링된 기준 합성광을 증폭하는 제 1 증폭기; 및 필터링된 측정 합성광을 증폭하는 제 2 증폭기; 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Here, the high-frequency circuit may include: a function generator for generating a high-frequency signal; A first mixer for synthesizing the generated high frequency signal and the detected reference light; A second mixer for combining the generated high frequency signal with the detected measurement light; A first low pass filter for filtering the synthesized reference light in a low frequency band; A second low pass filter for filtering the synthesized measurement light in a low frequency band; A first amplifier for amplifying the filtered reference synthesized light; And a second amplifier for amplifying the filtered measured synthetic light; And a control unit.
또한, 상기 위상 잠금부는, 증폭된 기준 합성파와 측정 합성파를 합성하는 제 3 믹서; 합성된 두 합성파를 저주파수 대역으로 필터링하는 제 3 저주파 통과 필터; 및 필터링된 두 합성파의 위상차가 영(0)이 되는 지점을 위상 잠금으로 사용하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The phase lock unit may further include: a third mixer for synthesizing the amplified reference composite wave and the measured composite wave; A third low pass filter for filtering the synthesized two synthetic waves in a low frequency band; And a controller for using a point at which the phase difference of the two filtered synthetic waves is zero as a phase lock.
또한, 상기 위상 잠금 합성파 간섭계는, 마이켈슨 간섭계인 것을 특징으로 할 수 있다.Also, the phase locked synthetic wave interferometer may be a Michelson interferometer.
또한, 상기 펨토초 레이저 광원은 1550㎚의 중심 파장, 60㎚의 대역폭, 150fs 의 펄스폭을 가지는 광섬유 펨토초 레이저인 것을 특징으로 할 수 있다.The femtosecond laser source may be an optical fiber femtosecond laser having a center wavelength of 1550 nm, a bandwidth of 60 nm, and a pulse width of 150 fs.
또는, 상기 펨토초 레이저 광원은 800㎚의 중심 파장, 100㎚의 대역폭, 100fs의 펄스폭을 가지는 티타늄: 사파이어 펨토초 레이저인 것을 특징으로 할 수 있다.Alternatively, the femtosecond laser source is titanium having a center wavelength, a bandwidth of 100㎚, 100f s pulse width of 800㎚: may be characterized in that the sapphire femtosecond laser.
또한, 상기 거리 정보는 다음 수학식, (ΔL은 빔스플리터(170)와 측정 타겟(190)의 거리차, c는 빛의 속도, fr은 광원의 반복률, i는 사용한 합성파의 인덱스에 해당하는 정수부, N은 공기의 군굴절률, m은 장거리측정시 나타나는 모호성에 해당하는 부분으로 정수를 나타낸다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, the distance information is calculated by the following equation, (Where L is the distance difference between the
또한, 상기 m은 다음 수학식, (여기서, φ1 과φ2는 각각 반복률 조절 전과 반복률 조절 후의 사용한 합성파의 파장이고, Λ1 과Λ2는 각각 반복률 조절 전과 조절 후에 측정된 위상을 나타낸다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, the above-mentioned m is expressed by the following equation, Can be characterized in that calculated by (wherein, φ 1 and φ 2 is the composite wave wavelength used after each repetition rate adjustment before repetition rate adjustment, Λ 1 and Λ 2 represents the phase measurement after the repetition rate adjustment before adjusting, respectively) have.
본 발명에 따르면, 측정 거리에 제한이 없고, 위상 잠금을 통한 1㎛ 이하의 고분해능의 구현과 주기적인 비선형 오차가 없다는 이점이 있다.According to the present invention, there is no limitation on the measurement distance, and there is an advantage of realizing a high resolution of 1 mu m or less through phase locking and periodically non-linearity error.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 장거리 측정 시 위상 모호성이 없고. 사용하는 광원의 광강도 변화 및 잡음에 둔감하다는 점을 들 수 있다.Further, as another effect of the present invention, there is no phase ambiguity in long distance measurement. A change in light intensity of the light source used and insensitivity to noise.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 복잡한 후처리 과정 없이 빠른 반복률 조절을 통해 실시간 거리 측정이 가능하다는 점을 들 수 있다.Yet another advantage of the present invention is that real-time distance measurement is possible through rapid repetition rate adjustment without complicated post-processing.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치(100)의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 거리 측정 장치(100) 중 위상 잠금 기능을 수행하는 위상 잠금부(120)를 설명하기 위한 회로 블럭도이다.
도 3은 도 1에 도시된 거리측정장치(100)에서 비선형 오차가 제거되는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 장거리 측정시 위상 모호성을 제거하는 과정을 보여주는 그래프이다. 1 is a schematic block diagram of a
2 is a circuit block diagram for explaining a
FIG. 3 is a conceptual diagram in which the nonlinear error is eliminated in the
4 is a graph illustrating a process of eliminating phase ambiguity in long distance measurement according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term "and / or" includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Should not.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치를 상세하게 설명하기로 한다.
Hereinafter, a femtosecond laser-based distance measuring apparatus using a phase locked synthetic wave interferometer according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치(100)의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 거리 측정 장치(100)는, 펨토초 레이저 광원(110); 상기 펨토초 레이저 광원(110)으로부터 출사되는 펨토초 레이저 광을 기준광과 측정 타겟(190)으로부터 반사되는 측정광으로 분리하는 빔스플리터(170); 상기 기준광을 검출하는 기준광 검출기(180-1); 반사된 측정광을 검출하는 측정광 검출기(180-2); 검출된 기준광 및 측정광들로부터 기준 합성파 및 측정 합성파를 생성하고 증폭하는 고주파 회로(130); 증폭된 합성파들의 위상을 잠금하여 합성파간의 위상이 일정하도록 상기 펨토초 레이저 광원을 제어하는 위상 잠금부(120); 및 제어가 완료된 펨토초 레이저 광의 반복률을 시간 및 주파수 표준에 소급하여 측정하는 주파수 측정부(140); 및 측정된 반복률을 이용하여 상기 측정 타겟(190)과 빔스플리터(170)간의 거리 정보로 변환하는 거리 변환부(150) 등을 포함하여 구성된다.1 is a schematic block diagram of a
이때 빔스플리터(170)와 측정 타겟(190)의 거리차는 광원의 반복률 측정으로부터 계산될 수 있으며, 이는 아래 수학식 1과 같다.The distance difference between the
여기서, ΔL은 빔스플리터(170)와 측정 타겟(190)의 거리차, c는 빛의 속도, fr은 광원의 반복률, i는 사용한 합성파의 인덱스에 해당하는 정수부, N은 공기의 군굴절률, m은 장거리측정시 나타나는 모호성에 해당하는 부분으로 정수에 해당한다.Here,? L is the distance difference between the
또한, 펨토초 레이저 광원(110)은, 1550nm의 중심파장, 60nm의 대역폭 그리고 150 fs의 펄스폭을 가지는 광섬유 펨토초 레이저 또는 800 nm 중심파장, 100 nm 의 대역폭 그리고 100 fs 이하의 펄스폭을 가지는 티타늄: 사파이어 펨토초 레이저 등이 이용될 수 있다. 따라서, 공기중에서 분산에 의한 펄스폭 성능저하에 영향이 없는 장점이 있다. In addition, the femtosecond
또한, 본 발명에 따른 거리측정장치의 간섭계 구조는 마이켈슨(Michelson) 간섭계 형태이며, 빔스플리터(beam splitter)(170)를 통해 펨토초 레이저 광원(110)으로부터 출사되는 펨토초 레이저 광은 기준광 검출기(180-1)쪽으로 향하는 기준광과 측정 타겟(190)쪽을 향하고 이로부터 반사되는 측정광으로 분리한다.The femtosecond laser light emitted from the femtosecond
펄스의 중첩량이 일정하도록 제어가 되면 펨토초 레이저의 반복률을 시간/주파수 표준에 소급된 주파수 측정부(140)를 통해 정밀하게 측정한 후 여기서 측정된 측정값은 거리 변환부(140)를 통해 거리 정보로 환산하게 된다. When the overlap amount of the pulses is controlled to be constant, the repetition rate of the femtosecond laser is precisely measured through the
상기 주파수 측정부(140)의 시간 소급은 구비된 기준시계(141)를 통해 이루어짐으로써 정밀하게 측정이 가능하다.The time measurement of the
도 2는 도 1에 도시된 거리 측정 장치(100) 중 위상 잠금 기능을 수행하는 위상 잠금부(120)를 설명하기 위한 회로 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 상기 고주파 회로(130)는, 고주파 신호를 생성하는 함수 발생기(211)와, 생성된 고주파 신호와 검출된 기준광을 합성하는 제 1 믹서(210-1)와, 생성된 고주파 신호와 검출된 측정광을 합성하는 제 2 믹서(210-2)와, 합성된 기준광을 저주파수 대역으로 필터링하는 제 1 저주파 통과 필터(220-1)와, 합성된 측정광을 저주파수 대역으로 필터링하는 제 2 저주파 통과 필터(220-2)와, 필터링된 기준 합성광을 증폭하는 제 1 증폭기(230-1)와, 필터링된 측정 합성광을 증폭하는 제 2 증폭기(230-2) 등을 포함한다.2 is a circuit block diagram for explaining a
또한, 상기 위상 잠금부(120)는, 증폭된 기준 합성파와 측정 합성파를 합성하는 제 3 믹서(240)와, 합성된 두 합성파를 저주파수 대역으로 필터링하는 제 3 저주파 통과 필터(250)와, 필터링된 두 합성파의 위상차가 영(0)이 되는 지점을 위상 잠금으로 사용하는 제어부(260) 등을 포함하여 구성될 수 있다.The
도 2에 도시된 바와 같이 두 개의 검출기(180-1,180-2)에서 검출된 기준신호와 측정신호에서 측정에 사용하기 위한 수백 MHz ~ 수백 GHz의 합성파 추출을 위해 함수 발생기(211)에서 발생된 고주파 신호와 각 검출기(180-1,180-2)에서 검출된 신호를 각각 제 1 및 제 2 믹서(mixer)(210-1,210-2)에 입력하고 여기에서 출력된 신호를 각각 제 1 및 제 2 저주파 통과 필터(220-1,220-2)에 통과시킨다.As shown in FIG. 2, the reference signal detected by the two detectors 180-1 and 180-2 and the signal generated by the
이를 통해 수백 ~ 수천 개의 합성파 중 거리측정에 사용하고자 하는 합성파만을 추출할 수 있으며 거리정보를 가지고 있는 합성파의 위상은 유지되고 합성파의 주파수를 수 kHz 정도로 낮게 하여 신호처리를 용이하게 할 수 있다. Through this, it is possible to extract only the synthetic wave which is used for the distance measurement among hundreds to thousands of synthetic waves, and the phase of the synthetic wave having the distance information is maintained and the frequency of the synthetic wave is reduced to several kHz to facilitate the signal processing .
일반적으로 합성파의 주파수가 높을수록 신호의 진폭이 낮기 때문에 추출된 기준 합성파 및 측정 합성파를 증폭한 후 다시 제 3 믹서(240)와 제 3 저주파 통과 필터(250)에 입력한 후 제어부(260)에 입력된다. Generally, since the amplitude of the signal is low as the frequency of the composite wave is high, the extracted reference composite wave and the measured composite wave are amplified and then input to the
두 번째로 제 3 믹서(240)와 저주파 통과 필터(250)를 통과한 신호는 기준 합성파 및 측정 합성파의 위상차에 따라 출력되는 신호의 전압이 달라지며 두 합성파의 위상차가 0이 되면 출력되는 신호의 전압 역시 0이 된다. 따라서, 제어부(260)는 이 지점을 위상 잠금에 사용하게 된다.Second, the signal passed through the
이러한 위상 잠금을 실행하기 위해 제어부(260)는 마이크로프로세서, 메모리 등으로 구성된다.In order to perform such phase locking, the
도 3은 도 1에 도시된 거리측정장치(100)에서 비선형 오차가 제거되는 개념도이다. 일반적으로 위상측정을 통한 거리 측정기의 경우 비선형 오차가 발생하며 이는 기준 신호와 측정 신호 간의 전기적 혼신(electrical cross-talk), 불필요한 주파수 성분에 의한 광학적 혼신 (optical cross-talk), 외부 진동기(external modulator) 등의 사용에 따른 실험기기의 복잡성(complexity), 기준팔 및 측정팔 사이(특히 마이켈슨(Michelson) 간섭계를 사용하는 것을 들 수 있음)의 빛의 다중 경로(optical multipath) 및/또는 위상 측정기의 비선형성 등을 원인으로 들 수 있다. FIG. 3 is a conceptual diagram in which the nonlinear error is eliminated in the
도 3은 대략적인 비선형오차가 발생하는 형태를 보여주고 있으며 사용하는 파장에 따라 주기적으로 발생하거나 여러 가지 비선형오차 원인이 발생할 경우 더 복잡한 형태의 비선형 오차가 발생하게 된다. FIG. 3 shows a form in which a rough nonlinear error occurs. When nonlinearity occurs periodically according to the wavelength used or causes various nonlinear errors, more complex nonlinear errors occur.
본 발명의 일실시예에서는 위상을 0에 잠금함으로써 위상에 따른 비선형오차를 제거하고 광원의 반복률을 매우 높은 분해능으로 측정함으로써 높은 분해능의 거리측정을 가능하게 한다.In one embodiment of the present invention, the phase is locked to zero to eliminate the nonlinear error in phase and measure the repetition rate of the light source with very high resolution, thereby enabling a high resolution distance measurement.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 장거리 측정시 위상 모호성을 제거하는 과정을 보여주는 그래프이다. 사용하는 광원의 반복률에 따라 수 m 이상의 거리 측정시 거리모호성이 발생하게 되며 이는 다음식의 m 값 결정을 통해 해결될 수 있다. 이는 펄스 중첩을 위해 반복률 조절시 측정거리에 따라 가장 긴 파장을 가지는 합성파의 위상변화를 통해 결정할 수 있다.4 is a graph illustrating a process of eliminating phase ambiguity in long distance measurement according to an embodiment of the present invention. Depending on the repetition rate of the light source used, distance ambiguity occurs when measuring distances of several meters or more, which can be solved through determination of the m value of the food. This can be determined by adjusting the phase shift of the composite wave with the longest wavelength depending on the measurement distance when adjusting the repetition rate for pulse overlap.
여기서, φ1 과φ2는 각각 반복률 조절 전과 반복률 조절 후의 사용한 합성파의 파장이고, Λ1 과Λ2는 각각 반복률 조절 전과 조절 후에 측정된 위상을 나타낸다.Here, φ 1 and φ 2 are the wavelengths of the synthetic wave used before the repetition rate adjustment and after the repetition rate adjustment respectively, and Λ 1 and Λ 2 represent the phases measured before and after the repetition rate adjustment, respectively.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 두 번의 측정과정 (a) 및 (b)을 통해 미지수에 해당하는 거리 값(c)과 m 값 결정이 가능하다.Therefore, as shown in FIG. 4, it is possible to determine the distance value (c) and the m value corresponding to the unknown number through the two measurement processes (a) and (b).
이와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 거리측정장치는 위상 잠금 원리를 이용함으로써 비선형 오차를 제거하고 1㎛ 이하의 거리측정 분해능이 가능하다. 또한, 기준광과 측정광의 광량 변화 및/또는 잡음에 둔감하며 위상 모호성 제거를 통한 장거리측정이 가능하고 극초단 펄스를 주파수 영역에서 이용하기 때문에 공기중에서의 분산에 영향이 없다. The distance measuring apparatus according to an embodiment of the present invention configured as described above eliminates the non-linear error by using the phase locking principle and enables a distance measuring resolution of 1 μm or less. In addition, it is possible to perform long distance measurement by eliminating the phase ambiguity and insensitivity to noise and / or variation in the amount of light of the reference light and the measurement light, and the dispersion in the air is not affected because the ultra-short pulse is used in the frequency domain.
100: 거리측정장치
110: 펨토초 레이저 광원
120: 위상 잠금부
130: 고주파 회로
140: 주파수 측정부
141: 기준 시계
150: 거리 변환부
160: 렌즈
170: 빔스플리터
180-1: 기준광 검출기 180-2: 측정광 검출기
190: 측정 타겟
210-1: 제 1 믹서 210-2: 제 2 믹서
211: 함수 발생기
220-1: 제 1 저주파 통과 필터 220-2: 제 2 저주파 통과 필터
230-1: 제 1 증폭기 230-2: 제 2 증폭기
240: 제 3 믹서
250: 제 3 저주파 통과 필터
260: 제어부 100: Distance measuring device
110: femtosecond laser light source
120: phase locking part
130: high frequency circuit
140: Frequency measurement unit
141: Reference clock
150: Distance conversion unit
160: lens
170: beam splitter
180-1: Reference light detector 180-2: Measurement light detector
190: Measurement target
210-1: first mixer 210-2: second mixer
211: Function Generator
220-1: first low-pass filter 220-2: second low-pass filter
230-1: first amplifier 230-2: second amplifier
240: Third mixer
250: third low-pass filter
260:
Claims (8)
펨토초 레이저 광원(110);
상기 펨토초 레이저 광원(110)으로부터 출사되는 펨토초 레이저 광을 기준광과 측정 타겟(190)으로부터 반사되는 측정광으로 분리하는 빔스플리터(170);
상기 기준광을 검출하는 기준광 검출기(180-1);
반사된 측정광을 검출하는 측정광 검출기(180-2);
검출된 기준광 및 측정광을 고주파 신호와 각각 합성하고, 합성된 기준광 및 측정광을 저주파수 통과 필터에 통과시켜 각각 기준 합성파 및 측정 합성파를 추출하고 증폭하는 고주파 회로(130);
증폭된 합성파들의 위상을 잠금하여 합성파간의 위상이 일정하도록 상기 펨토초 레이저 광원을 제어하는 위상 잠금부(120); 및
제어가 완료된 펨토초 레이저 광의 반복률을 시간 및 주파수 표준에 소급하여 측정하는 주파수 측정부(140); 및
측정된 반복률을 이용하여 상기 측정 타겟(190)과 빔스플리터(170)간의 거리 정보로 변환하는 거리 변환부(150);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치.
A distance measuring apparatus using a femtosecond laser based phase locked synthetic wave interferometer,
A femtosecond laser light source 110;
A beam splitter 170 separating the femtosecond laser light emitted from the femtosecond laser source 110 into measurement light reflected from the measurement target 190;
A reference light detector 180-1 for detecting the reference light;
A measurement photodetector 180-2 for detecting the reflected measurement light;
A high frequency circuit 130 for synthesizing the detected reference light and the measurement light respectively with the high frequency signal, extracting and amplifying the reference synthesized wave and the measured synthesized wave respectively by passing the synthesized reference light and the measurement light through the low frequency pass filter;
A phase locking unit 120 for locking the phase of the amplified synthetic waves and controlling the femtosecond laser light source so that the phase of the synthesized wave is constant; And
A frequency measuring unit 140 for measuring the repetition rate of the controlled femtosecond laser light back to the time and frequency standards; And
A distance transform unit 150 for transforming the distance information between the measurement target 190 and the beam splitter 170 using the measured repetition rate;
And a phase locked composite wave interferometer based on the femtosecond laser.
상기 고주파 회로(130)는,
고주파 신호를 생성하는 함수 발생기(211);
생성된 고주파 신호와 검출된 기준광을 합성하는 제 1 믹서(210-1);
생성된 고주파 신호와 검출된 측정광을 합성하는 제 2 믹서(210-2);
합성된 기준광을 저주파수 대역으로 필터링하는 제 1 저주파 통과 필터(220-1);
합성된 측정광을 저주파수 대역으로 필터링하는 제 2 저주파 통과 필터(220-2);
기준 합성파를 증폭하는 제 1 증폭기(230-1); 및
측정 합성파를 증폭하는 제 2 증폭기(230-2); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치.
The method according to claim 1,
The high-frequency circuit (130)
A function generator 211 for generating a high frequency signal;
A first mixer 210-1 for combining the generated high frequency signal and the detected reference light;
A second mixer 210-2 for combining the generated high frequency signal and the detected measurement light;
A first low pass filter 220-1 for filtering the synthesized reference light in a low frequency band;
A second low pass filter 220-2 for filtering the combined measurement light into a low frequency band;
A first amplifier 230-1 for amplifying a reference composite wave; And
A second amplifier 230-2 for amplifying the measured composite wave; And a phase locked composite wave interferometer based on the femtosecond laser.
상기 위상 잠금부(120)는,
증폭된 기준 합성파와 측정 합성파를 합성하는 제 3 믹서(240);
합성된 두 합성파를 저주파수 대역으로 필터링하는 제 3 저주파 통과 필터(250); 및
필터링된 두 합성파의 위상차가 영(0)이 되는 지점을 위상 잠금으로 사용하는 제어부(260);를 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치.
The method according to claim 1,
The phase locking unit 120 includes:
A third mixer 240 for synthesizing the amplified reference composite wave and the measured composite wave;
A third low-pass filter 250 for filtering the synthesized waves in a low-frequency band; And
And a control unit (260) for using a point at which a phase difference of two filtered synthetic waves is zero as a phase lock. The distance measurement apparatus using a phase locked synthetic wave interferometer based on a femtosecond laser.
상기 위상잠금 합성파 간섭계는, 마이켈슨 간섭계인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the phase locked synthetic wave interferometer is a Michelson interferometer. ≪ RTI ID = 0.0 > [10] < / RTI >
상기 펨토초 레이저 광원(110)은 1550㎚의 중심 파장, 60㎚의 대역폭, 150fs의 펄스폭을 가지는 광섬유 펨토초 레이저인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the femtosecond laser source 110 is an optical fiber femtosecond laser having a center wavelength of 1550 nm, a bandwidth of 60 nm, and a pulse width of 150 fs.
상기 펨토초 레이저 광원(110)은 800㎚의 중심 파장, 100㎚의 대역폭, 100fs의 펄스폭을 가지는 티타늄: 사파이어 펨토초 레이저인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the femtosecond laser source 110 is a titanium: sapphire femtosecond laser having a center wavelength of 800 nm, a bandwidth of 100 nm, and a pulse width of 100 fs.
상기 거리 정보는 다음 수학식, (ΔL은 빔스플리터(170)와 측정 타겟(190)의 거리차, c는 빛의 속도, fr은 광원의 반복률, i는 사용한 합성파의 인덱스에 해당하는 정수부, N은 공기의 군굴절률, m은 장거리측정시 나타나는 모호성에 해당하는 부분으로 정수를 나타낸다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치.
The method according to claim 1,
The distance information is calculated by the following equation, (Where L is the distance difference between the beam splitter 170 and the measurement target 190, c is the speed of light, f r is the repetition rate of the light source, i is the integer part corresponding to the index of the composite wave used, N is the index of refraction of the air, and m is an integer corresponding to the ambiguity in long distance measurement.) The distance measurement apparatus using the femtosecond laser based phase locked synthetic wave interferometer.
상기 m은 다음 수학식, (여기서, φ1 과φ2는 각각 반복률 조절 전과 반복률 조절 후의 사용한 합성파의 파장이고, Λ1 과Λ2는 각각 반복률 조절 전과 조절 후에 측정된 위상을 나타낸다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치. 8. The method of claim 7,
M is expressed by the following equation, Femtosecond, characterized in that calculated by (wherein, φ is 1 and φ 2 is the composite wave wavelength used after each repetition rate adjustment before repetition rate adjustment, Λ 1 and Λ 2 represents the phase measurement after the repetition rate adjustment before adjusting, respectively) A distance measuring device using a laser - based phase - locked composite wave interferometer.
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