KR101629760B1 - 레이저 트래커에서 간섭계-레이저 빔 소스로서의 레이저 다이오드 - Google Patents

Abstract

반사 타겟의 연속 추적 및 타겟에 대한 거리를 결정하기 위한 레이저 트래커(70)로서, 상기 레이저 트래커는 스탠딩 축선을 규정하는 베이스, 측정 방사선의 방출 및 타겟에 의해 반사된 측정 방사선의 적어도 일부분을 수신하기 위한 빔 스티어링 유닛을 가지며, 여기서 빔 스티어링 유닛은 스탠딩 축선 및 이 스탠딩 축선에 실질적으로 직교하는 경사 축선 주위에서 베이스에 대해 피봇 가능하도록 동력화된다. 더욱이, 트래커는 간섭법에 의해 타겟까지의 거리의 변경을 결정하기 위한 간섭계(10)로서 구성되는 거리 측정 유닛(10), 간섭계(10)를 위한 측정 방사선을 생성하기 위한 간섭계 레이저 빔 소스(20) 및 베이스에 관해 빔 스트어링 유닛의 정렬을 결정하기 위한 각도 측정 기능을 가진다. 간섭계 레이저 빔 소스(20)는 레이저 다이오드(20)로서 구성되고, 레이저 다이오드(20)는 또한 특정 방사선이 길이방향에서 한가지 방식으로(monomodally) 생성될 수 있도록 구성되고 규정된 방출 파장 및 적어도 10 m의 가간섭 길이를 가진다.

Description

레이저 트래커에서 간섭계-레이저 빔 소스로서의 레이저 다이오드{Laser diode as interferometer-laser beam source in a laser tracker}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 타겟에 관해 거리의 변경을 결정하기 위한 레이저 다이오드를 갖는 간섭계를 포함하는 측정 기구, 특히 레이저 트래커, 청구항 13에 따른 대응하는 간섭계에서 긴 가간섭성 길이를 가지는 레이저 다이오드의 사용, 청구항 14에 따른 타겟에 대한 상대 거리를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

타겟 지점을 연속해서 추적하고 상기 지점의 위치를 조정 가능하게(coordinatively) 결정하도록 설계된 측정 장치들은 일반적으로 용어 레이저 트래커 하에서 결합될 수 있다. 이 경우에, 타겟 지점은 측정 장치의 광학 측정 빔, 특히 레이저 빔에 의해 겨냥되는 역반사 유닛(예컨대 큐브 프리즘)에 의해 표현될 수 있다. 반사 빔은 장치의 검출 유닛에 의해 검출된다. 이 경우에, 빔의 방출 방향 및 각각의 수신 방향은 예를 들어 시스템의 타겟팅 유닛 또는 편향 미러에 할당된 각도 측정을 위한 센서들에 의해 확인된다. 게다가, 빔의 검출에 의해, 측정 장치로부터 타겟 지점까지의 거리가 예컨대 비행 시간 또는 위상차 측정 또는 피조 원리에 의해 확인되고, - 점점 더 현대의 시스템들에서 표준화된 방식으로 증가적으로 - 영의 위치로부터 수신된 빔의 오프셋은 센서 상에서 확인된다. 이러한 방식으로 측정 가능한 이러한 오프셋에 의해, 역반사기의 중심과 반사기 상의 레이저 빔의 충돌 지점 사이의 위치의 차이를 결정하는 것이 가능하고, 센서 상의 오프셋이 감소되는, 특히 영으로 되어 반사기 중심의 방향으로 정렬되는 방식으로 이러한 편차에 의존하여 레이저 빔의 정렬을 보정 또는 재조정하는 것이 가능하다. 레이저 빔 정렬의 재조정의 결과, 타겟 지점의 연속 타겟 추적이 행해질 수 있고 타겟 지점의 거리 및 위치가 측정 기구에 대해 연속해서 결정될 수 있다. 재조정은 이 경우에 레이저 빔을 편향시키기 위해 제공되는 편향 미러의 정렬의 변경에 의해 실현될 수 있고, 상기 편향 미러는 동력화된 방식으로 이동 가능하고, 및/또는 빔-안내 레이저 광학 유닛을 가지는 타겟팅 유닛을 피봇팅시켜 이동 가능하다.

종래 기술에 따른 레이저 트래커들은 2차원의 광 감지 어레이, 예컨대 CCD 또는 CID 카메라 또는 CMOS 어레이 기반 카메라를 갖고, 또는 화소 어레이 센서를 갖고 이미지 처리 유닛을 갖는 광학 이미지 검출 유닛에 의해 또한 구현될 수 있다. 이 경우에, 레이저 트래커 및 카메라는 특히 이들의 위치들이 서로에 대해 변경될 수 없는 방식으로 다른 것의 위에 포개져 장착된다. 카메라는 예를 들어 그것의 실질적으로 수직인 축선에 대해 레이저 트래커와 함께 회전 가능한 방식으로, 그렇지만 레이저 트래커와 독립하여 상하로 따라서, 특히 레이저 빔의 광학 유닛과 별도로 피봇 가능한 방식으로 배열된다. 특히, 카메라는 어안 광학 유닛(fisheye optical unit)을 가질 수 있고 따라서 카메라의 피봇팅이 회피될 수 있고, 또는 그것의 필요성은 적어도 카메라의 매우 큰 이미지 검출 범위를 고려하여 감소될 수 있다. 더욱이, 카메라 - 예컨대 각각의 응용에 의존하여 - 하나의 축선에 대해서만 피봇 가능한 것처럼 구현될 수 있다. 대안의 실시예들에 있어서, 카메라는 공통의 하우징에 레이저 광학 유닛과 함께 통합 설계로 설치될 수 있다.

따라서, 서로에 대한 상대 위치가 알려져 있는 마킹들을 갖는 소위 보조 측정 기기의 - 이미지 검출 및 이미지 처리 유닛에 의한 - 이미지의 검출 및 평가에 의해, 공간에서 보조 측정 기기 상에 배열된 물체(예컨대 프로브)의 방위를 추론하는(deduce) 것이 가능하다. 타겟 지점의 결정된 공간 위치와 함께, 또한 레이저 트래커에 절대 및/또는 상대적으로 공간에 있는 물체의 위치 및 방위를 정밀하게 결정하는 것이 가능하다.

위치 및 방위가 언급한 측정 기구에 의해 측정되는 물체는 예를 들어 측정 프로브 자체일 필요가 없고 오히려 보조 측정 기기일 수 있다. 측정을 위한, 측정 시스템의 일부로서의 후자는 타겟 물체에 대해 수학적으로 규정되고 또는 측정 중 결정될 수 있는 위치로 가고, 여기서 상기 기구의 측정된 위치 및 방위에 의해, 예를 들어 측정 프로브의 위치, 및 적절하다면, 방위를 추론하는 것이 가능하다.

이와 같은 보조 측정 기기들은 타겟 물체의 지점 상에 이들의 접촉 지점과 함께 위치되는 소위 접촉 감지 툴들에 의해 구현될 수 있다. 접촉 감지 툴은 마킹들, 예컨대 광점들(light points), 및 접촉 감지 툴 상에 타겟 지점을 표현하고 트래커의 레이저 빔에 의해 겨냥될 수 있는 반사기를 가지며, 접촉 감지 툴의 접촉 지점에 대한 반사기 및 마킹들의 위치들은 정확하게 알려져 있다. 보조 측정 기기는 또한, 이 기술에서 숙련된 사람에게 알려진 방식에서, 무접촉 표면 측정들을 위한 거리 측정을 위해 장비되는 예를 들어 핸드헬드, 스캐너일 수 있고, 스캐너 상에 배열되는 광점들 및 반사기들에 대한 거리 측정을 위해 사용되는 스캐너 측정 빔의 방향 및 위치는 정확하게 알려져 있다. 이러한 유형의 스캐너는 예를 들어 EP　0　553 266에 기재되어 있다.

거리 측정을 위해, 종래 기술로부터의 레이저 트래커들은 적어도 하나의 거리 측정 장치를 가지며, 여기서 후자는 예컨대 간섭계로서 구현될 수 있다. 이와 같은 거리 측정 유닛들은 거리의 상대 변경들만을 측정할 수 있으므로, 간섭계들 외에, 소위 절대 거리 측정 장치들이 오늘날 레이저 트래커들에 설치된다. 예로서, 거리를 결정하기 위한 측정 수단의 이와 같은 조합은 라이카 지오시스템즈 아게(Leica Geosystems AG) 사제의 제품 LTD500으로부터 알려져 있다.

이러한 정황에서 거리 측정을 위해 사용되는 간섭계들은 주로 - 긴 가간섭성 길이 및 그것에 의해 가능하게 되는 측정 범위 때문에 - 광원들로서 HeNe 가스 레이저들을 사용한다. 이 경우에, HeNe 레이저의 가간섭성 길이는 수백 미터들일 수 있어, 산업 계측학(industrial metrology)에서 필요로 되는 범위들이 상대적으로 단순한 간섭계 구성들에 의해 획득될 수 있다. 절대 거리 측정 장치 및 HeNe 레이저에 의해 거리를 결정하기 위한 간섭계의 조합은 예를 들어 WO　2007/079600　A1로부터 알려져 있다.

그러나, 레이저 트래커들의 일반적으로 추구된 소형화에 관해 HeNe 레이저 광원들의 사용에 대한 불리한 점은 광 파워(light power)를 결정하는 이들의 크기이다. 이 경우에, 광원의 파워는 레이저 튜브의 길이에 상당히 의존하고, 즉 튜브가 길면 길수록, 달성 가능한 방출 파워는 더 크다. 더욱이, 이와 같은 레이저 소스는 통상 상대적으로 큰 전력 소실을 나타낸다. 동작에 필요한 고전압 서플라이는 추가의 불리한 점을 구성한다. 예로서, 대략 7000V의 전압은 레이저의 점화(ignition)에 제공되어야 하고 대략 1500V의 전압은 동작 중 제공되어야 하며, 그 결과 이와 같은 광원들이 사용될 때, 특정 구성요소들(예컨대 고전압 전원 유닛 및 쉴딩(shielding))이 사용되어야 하고 안전 조치들(safety measures)이 시행되어야 한다. 예를 들어 광원들이 종종 비용이 많이 드는 방식으로 시스템들에서 대체될 수 있어야 하기 때문에, 자기장들(예컨대 내부 모터들 또는 외부 용접용 변환기에 의해 생성되는)을 향한 감도 및 튜브들의 제한된 수명(전형적으로 대략 15000의 동작 시간)은 또한 HeNe 레이저들의 사용을 불리하게 한다.

본 발명의 목적은 거리를 측정하기 위한 레이저 방사선을 생성하기 위한 수단이 전체가 더 컴팩트하게 구현되고 거리를 결정하기 위해 방출되는 레이저 방사선이 이 경우에 산업 측정의 정황에서 필요한 큰 측정 범위와 함께, 특히 10 m의 최소 범위와 함께 거리 결정을 위해 필요한 정밀도가 적어도 달성되는 방식으로 생성될 수 있는, 향상된 레이저 트래커를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 특정 목적은 거리 결정을 위한 적어도 10 m의 동시에 필요한 측정 범위와 함께 필요한 정밀도가 적어도 유지되는, 공간 요건에 관해 개선된 거리 측정 유닛을 가지는 레이저 트래커를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특정의 목적은, 광학 구성요소들, 특히 그를 위해 제공될 빔 소스 및 공급 유닛들이 종래 기술과 비교하여 상당히 작은 공간 요건 및 낮은 에너지 소모를 가지는, 거리 측정 장치로서 간섭계를 포함하는 레이저 트래커를 제공하는 것이다.

이들 목적들은 독립 청구항들의 특색 있는 특징들의 실현에 의해 달성된다. 대안 또는 유리한 방식으로 본 발명을 발전시키는 특징들은 종속 특허 청구항들로부터 수집될 수 있다.

본 발명은 반사 타겟을 연속해서 추적하고 타겟에 대해 거리를 결정하기 위한 레이저 트래커로서, 수직 축선을 규정하는 베이스, 및 측정 방사선을 방출하고 타겟에서 반사된 측정 방사선의 적어도 일부분을 수신하기 위한 빔 지향 유닛으로서, 빔 지향 유닛은 베이스에 관하여, 수직 축선, 및 수직 축선에 대해 실질적으로 직교하는 경사 축선에 대해 동력화된 방식으로 피봇 가능하다. 이 경우에, 수직 축선 및 경사 축선은 정확하게 90°또는 대략 90°, 예컨대 88.5°의 각도가 축선들 사이에 존재하는 방식으로 서로에 대해 위치되고, 상대 축선 위치는 정확하게 규정될 수 있고 대응하는 위치값들은 특히 측정값들을 보상하기 위해, 레이저 트래커에 저장될 수 있다. 더욱이, 레이저 트래커는 간섭계로서 구현되는, 특히 에컨대 50 MHz의 규정된 검출기 대역폭을 가지며, 간섭법에 의해 타겟에 대한 거리의 변경을 결정하도록 작용하는 거리 측정 유닛, 간섭계를 위한 측정 방사선을 생성하기 위한 간섭계 레이저 빔 소스, 및 베이스에 관해 빔 지향 유닛의 방위를 결정하기 위한 각도 측정 기능을 가진다. 이 경우에, 간섭계 레이저 빔 소스는 레이저 다이오드로서 구현되고, 여기서 레이저 다이오드는 더욱이 측정 방사선이 규정된 방출 파장 및 적어도 10　m의 가간섭성 길이를 갖는 길이방향의 단일 모드 방식로 생성될 수 있는 방식으로 구현되고, 특히 여기서 적어도 10　m의 가간섭성 길이는 간섭계에 의해 결정될 수 있다. 특히, 레이저 다이오드는 이 경우에 적어도 20　m, 특히 적어도 50　m의 가간섭성 길이를 갖는 측정 방사선을 생성하는 것이 가능한 방식으로 구현될 수 있다.

레이저 다이오드는 측정 방사선이 규정된 방출 파장 및 적어도 10　m의 가간섭성 길이를 갖는 길이방향의 단일 모드 방식으로 생성될 수 있는 방식으로 배열되는 파장-선택 컴포넌트를 가진다.

레이저 트래커의 간섭계를 갖는 특정 레이저 다이오드의 본 발명에 따른 사용은 그러나 마찬가지로 긴 가간섭성 길이와 함께, HeNe 가스 레이저와 비교하여 상당히 작은 것으로 판명되는, 관련 공간 요건에 관해 이점들을 제공한다. 더욱이, 적절한 가간섭성 길이를 가지는 측정 방사선을 실제로 마찬가지로 제공할 수 있는, 이와 같은 가스 레이저 소스에 대해, 고전압 서플라이는 다이오드의 동작에 필요하지 않다. 더욱이, 이러한 유형의 레이저 다이오드들은 낮은 에너지 소모를 가진다.

레이저 트래커의 본 발명에 따른 하나의 특정 실시예에 따르면, 레이저 다이오드는 제 1 공진기 유닛을 가지며, 이 제 1 공진기 유닛은 레이저 다이오드에 의해 생성될 수 있고 함께 발생하는 다수의 레이저 모드들을 규정하고, 여기서, 각각의 레이저 모드에 의해, 각각 상이한 모드 파장이 규정되고 상이한 모드 파장들을 갖는 다이오드 방사선을 생성하는 것이 가능하다. 이 경우에, 파장-선택 컴포넌트는 또한 그것이 제 2 공진기 유닛으로서 작용하고 주 레이저 모드가 레이저 다이오드를 갖는 파장-선택 컴포넌트의 상호 작용에 의해 다수의 레이저 모드들로부터 추출될 수 있는 방식으로 구현된다. 그 결과, 다이오드 방사선이 주 레이저 모드만을 가지는 길이방향 단일 모드 측정 방사선으로서 방출될 수 있어, 측정 방사선의 방출 파장 및 가간섭성 길이가 규정되고, 특히 여기서 파장-선택 컴포넌트는 광학 격자로서 구현된다.

간섭계를 갖는 본 발명에 따른 이용은 수십 미터의 다이오드에 의해 방출될 수 있는 레이저 방사선의 긴 가간섭성 길이를 필요로 한다. 이와 같은 가간섭성을 제공하기 위해, 본 발명에 따른 이러한 정황에서 사용되는 레이저 다이오드들 또는 다이오드 레이저들은 파장-선택 장치를 가질 수 있다. 예로서,·

· 분산형 피드백 레이저(DFB)(주기적으로 구성된 활성 매체, 예컨대 격자를 가짐),

· 분산형 브래그 반사 레이저(DBR)(활성 매체 외부에 있지만 공통 칩 상에 배열되는 광학 격자를 가짐),

· 파이버 브래그 격자 레이저(FBG)(실질적으로 DFB 레이저를 따르지만, 외부 파이버에 격자를 가짐),

· 외부 공동 다이오드 레이저(ECDL)(예컨대 홀로그래픽 격자를 갖는 외적으로 매우 안정된 캐비터에 의한 레이저 다이오드의 안정화),

· 다이오드 펌프트 고체 레이저들(DPSS),

· 이산 모드 레이저들(DMD) 및/또는

· 마이크로칩 레이저

가 빔 소스들로서 사용될 수 있다. 이 경우에, 빔 소스들은 방출된 레이저 빔이, 파장에 관해, 복수의 10 m(또는 <　1　MHz의 선폭) 크기 정도의 가간섭성 길이를 갖는 단일-모드인 방식으로 구현된다. 그러므로, 본 발명의 정황에서, 파장-선택 컴포넌트, 특히 광학 격자는 단일모드 측정 방사선을 생성하기 위해 제공될 수 있다.

다이오드에 의해 방출된 파장에 관해, 가시 광학 범위에, 특히 "적 파장 범위(red wavelength range)"에 또는 근 자외선 범위에 놓일 수 있는 방출 스펙트럼 범위들이 유리하다. 그 결과, 본 발명에 따른 측정 방사선의 방출 파장은 600　nm와 700　nm 사이, 특히 630　nm와 635　nm 사이, 또는 850　nm와 900　nm 사이, 특히 850　nm와 855　nm 사이 또는 892　nm와 896　nm 사이에 있을 수 있다. 가시 파장 범위(예컨대 630과 635　nm 사이)의 방출 파장을 갖는 일 실시예에 있어서, 다이오드로부터 방출된 적색 레이저 광이 간섭 측정들(interferometric measurement)을 위해서뿐만 아니라 광을 마킹하기 위해 사용될 수 있다. 타겟 물체 상에 적색 스팟(red spot)을 생성하여, 타겟팅 포인트가 예를 들어 레이저 트래커의 사용자에게 시각적으로 보이게 할 수 있다.

레이저 다이오드의 안내(guiding)는 본 발명의 추가 양상을 형성한다. 이런 연유로, 본 발명에 따르면, 레이저 트래커는 제어 유닛을 가질 수 있고, 레이저 다이오드는 측정 방사선의 방출 파장이 특정 방출 파장 범위 내에서 길이방향의 단일 모드 방식으로 가변인 방식으로 구현될 수 있다. 이 경우에, 방출 파장은 레이저 다이오드의 온도의 변화 및/또는 레이저 다이오드에 존재하는 전류의 변화의 결과로서 제어 유닛에 의해 제어되는 방식으로 변할 수 있다. 더욱이, 레이저 다이오드는 측정 방사선의 방출 파워가 변할 수 있는 방식으로 제어 유닛에 의해 구동가능하다.

특정 범위 내에서 파장을 변경하는 이러한 가능성에 의해, 방출된 방사선은 단일-모드 방식으로 존재하고, 즉 특정의 날카롭게 규정된 파장(작은 선폭)을 갖고, 방출 파장의 조정 가능한, 특히 모드-홉-프리 파장 범위를 제공하는 것이 가능하다. 이러한 특정 범위에 의해, 방사선은 또한 파장 안정화 유닛에 의해 규정되는 흡수 라인으로 조정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적을 위해, 레이저 트래커는 방출 파장이 연속해 규정된 파장 범위 내에 있도록, 레이저 다이오드에 의해 생성되는 측정 방사선을 안정화시키기 위한 파장 안정화 유닛을 가지며, 특히 여기서 파장 안정화 유닛은 흡수 셀로서 구현된다. 이와 같은 안정화는 간섭계를 위한 광원으로서의 레이저 다이오드의 사용을 위해 유리할 수 있고, 또는 광원의 빔 품질에 의존하여 필요할 수 있다. 예로서, 파장 안정화 유닛은 규정된 흡수 라인(흡수 셀)(예컨대 633　nm를 위한 아이오딘 셀)을 가지는 외부 가스 셀로서 구현될 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 레이저 트래커는 파장 안정화 유닛을 간섭계 레이저 빔 소스에 접속하기 위한 광 접속 파이버를 가질 수 있다. 이것과 관련하여 레이저 빔 소스에 의해 생성된 방사선은 접속 파이버에 의해 파장 안정화 유닛으로 안내될 수 있고 상기 파장 안정화 유닛에 결합될 수 있다.

빔 지향 유닛을 향해 생성하는 빔 소스에 기인한 측정 방사선의 유도 및 나중에 일어나는 방출에 관해, 본 발명에 따르면, 레이저 트래커는 적어도 하나의 광 파이버를 가질 수 있고, 측정 방사선은 광 파이버에 의해 안내될 수 있고, 특히 간섭계로 안내될 수 있고, 특히 여기서 레이저 다이오드에 의해 생성될 수 있는 측정 방사선이 광 파이버에 결합된다. 게다가, 측정 방사선이 광 파이버에 의해 빔 지향 유닛에 결합될 수 있는 것이 이렇게 하여 가능하다.

광 파이버에 의해 빔 안내에 의해, 예를 들어 파장 안정화 유닛 또는 빔 소스와 같은 광학 구성요소들이 레이저 트래커의 상이한 부분들에 배열될 수 있다. 이것과 관련하여 빔 소스는 예를 들어 트래커의 지지체 또는 베이스에 통합될 수 있고, 안정화 유닛은 타겟팅 유닛(또는 그 역)에 통합될 수 있다. 결과적으로 트래커의 구조적 구성에 관한 유연성이 증가될 수 있다.

트래커의 구성에 관해, 또한, 본 발명에 따르면, 레이저 트래커는 베이스에 관해 수직 축선에 대해 피봇 가능한 지지체를 가질 수 있고, 빔 지향 유닛은 지지체에 관해 경사 축선에 대해 피봇 가능한 타겟팅 유닛으로서 구현된다. 이와 같은 실시예에서, 레이저 빔은 베이스에 관한 지지체의 실질적으로 수평(방위각) 피봇팅 및 지지체에 관한 타겟팅 유닛의 실질적으로 수직(고도) 피봇팅에 의해 정렬될 수 있다. 더욱이, 측정 빔은 서보모터들에 의해 제공되는 이와 같은 피봇팅에 의한 반사 타겟(예컨대 접촉 감지 툴 상의 역반사기)의 위치의 변경에 따라 안내될 수 있다.

본 발명에 따르면, 이 경우에 레이저 다이오드는 타겟팅 유닛에 배열될 수 있고, 여기서 관련 공간 절약(가스 레이저 빔 소스들의 이전 사용과 비교하여)은 레이저 트래커의 구조적 디자인에 관해 중요한 이점을 구성할 수 있다.

본 발명의 추가 양상은 타겟에 관한 정밀한 거리의 결정에 관한 것이다. 이러한 목적을 위해, 레이저 트래커는 타겟에 대해, 특히 비행 시간 측정의 원리에 따라 및/또는 위상 측정 원리에 따라 및/또는 피조 원리에 따라 거리를 결정하기 위해 절대 거리 측정 유닛을 추가로 가질 수 있다. 더욱이, 타겟에 관한 정밀 거리는 절대 거리 측정 유닛에 의해 결정된 거리 및 거리 측정 유닛에 의해 결정된 거리의 변경에 의존한 방식으로 결정가능할 수 있다. 간섭계 및 거리 측정 장치(절대 거리 측정 장치) 모두에 의한 측정들을 고려하여, 타겟에 대한 정밀한 거리가 결정되고 연속해서 갱신되는 것이 가능하다. 이 경우에, 간섭계는 매우 정밀한 거리 측정값들을 제공한다. 2개의 거리 측정 장치들은 각각 특히 상이한 방출 파장들(예컨대 각각 설치된 검출기에 의존하여)을 가지는 빔 소스를 가질 수 있다.

본 발명은 또한 레이저 다이오드에 의해 생성될 수 있는 측정 방사선에 의해 간섭법에 의해 타겟에 대한 거리의 변경을 결정하기 위한 레이저 트래커의 - 간섭계로서 구현되는 - 거리 측정 유닛에서, 적어도 10　m, 특히 적어도 20　m 또는 50　m의 가간섭성 길이 및 규정된 방출 파장을 가지는 길이방향 단일 모드 측정 방사선을 생성하도록 설계된 레이저 다이오드의 사용에 관한 것이다.

레이저 다이오드 또는 간섭계 빔 소스 및 추가의 빔-영향 구성요소들(예컨대 파장 안정화 유닛)이 본 발명의 정황에서 상이한 실시예들에서 존재할 수 있다. 이것과 관련하여 예로서, 적색 가시광(예컨대 633　nm 근방), 파장-안정화 레이저 방사선은 생성될 수 있고, 여기서 이미 이용 가능한 시스템 구성요소들(예컨대 역반사기들)과의 높은 호환성이 달성될 수 있고, 더욱이, 추가의 가시 포인터에 대한 필요성이 없다. 광원 및 흡수 셀(파장을 안정화하기 위한), 예컨대 트래커의 망원경에 있는 광원은 공간적으로 분리되고 파이버를 통해 지지체의 흡수 셀에 연결될 수 있다.

다른 실시예에서, 레이저 다이오드는 가시적으로, 비-파장-안정화 방사선(visibly, non-wavelength-stabilized radiation)을 방출하도록 설계될 수 있다. 이와 같은 비-안정화 레이저 방사선은 예를 들어 참조 간섭계(절대 거리 측정 장치와 함께)에서 방사선 공급을 위해 사용될 수 있다. 특히, 이 경우에 존재하는 파장의 정확한 지식은 필요하지 않다(이것은 측정시 충분히 정밀하게 결정될 수 있다). 이것이 절대 거리 측정의 수 밀리초에 대해서만 일정해야 하므로, 파장의 장기 드리프트들(long-term drifts)은 문제를 가지지 않고, 광원의 전류 및 온도 안정화에 의한 순수 파장 안정화는 충분하다.

게다가, 참조 간섭계에 의해, 절대 거리 측정 장치(예컨대 50　Hz의 측정 속도를 갖는)의 2개의 측정들 간의 시간에서, 측정들이 더 높은 측정 속도(예컨대 1000　Hz)로 행해질 수 있고, 여기서 전류 간섭계 파장이 예컨대 각각의 절대 거리 측정 시 연속해서 결정되고, 보간이 이들 사이에서 행해진다.

이 실시예는 이러한 정황에서 사용될 수 있는 매우 컴팩트한 간섭계 광원에 대한 공간 요건에 관해 유리할 수 있다. 그러므로, 또한, 부변형예(subvariant)로서, 비-가시 파장이 사용될 수 있고, 추가의 가시 포인터(visible pointer)가 제공된다.

다른 실시예는 상기 방사선이 소형 흡수 셀(예컨대 Rb, Cs: 780　nm, 795　nm, 852　nm, 894　nm)에 대해 최적화된 파장을 가지며 파장-안정화되도록 측정 방사선에 관해 레이저 트래커의 구성에 관한 것이다. 광학 구성요소들의 상당히 작은 공간 요건(적색 파장 범위와 비교하여)이 이렇게 달성될 수 있다.

더욱이, 다른 실시예의 정황에서, 방사선은 수 미터의 가간섭성 길이를 갖는 임의의 파장 또는 통신 범위(telecom range)의 파장을 가질 수 있고, 파장-안정화될 수 있다. 이 실시예는 특히 적색 파장 범위에서 방출하는 그것과 함께 사용 가능한 안정화 유닛들 및 빔 소스들과 비교되는 공간 요건 이점들을 제공한다.

더욱이, 본 발명은 레이저 트래커에 의한 간섭법에 의해 타겟에 대해 거리의 변경을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 경우에, 레이저 트래커는 수직 축선을 규정하는 베이스 및 측정 방사선을 방출하고 타겟에서 반사된 측정 방사선의 적어도 일부분을 수신하기 위한 빔 지향 유닛을 포함하고, 여기서 빔 지향 유닛은 베이스에 관해, 수직 축선, 및 이 수직 축선에 대해 실질적으로 직교하는 경사 축선에 대해 동력화된 방식으로 피봇 가능하다. 더욱이, 간섭계로서 구현되고 간섭법에 의해 타겟에 대한 거리의 변경을 결정하도록 작용하는 거리 측정 유닛, 및 간섭계를 위한 측정 방사선을 생성하기 위한 간섭계 레이저 빔 소스가 설치된다. 더욱이, 이 방법은 측정 방사선을 방출하고, 타겟에서 반사된 측정 방사선의 적어도 일부분을 수신하고, 상대 거리를 결정하는 것을 포함한다. 이 경우에, 간섭계 레이저 빔 소스는 레이저 다이오드로서 구현되고, 더욱이, 레이저 다이오드는 측정 방사선이 규정된 방출 파장 및 적어도 10 m의 가간섭성 길이를 갖는 길이방향의 단일 모드 방식으로 생성되는 방식으로 구현된다. 특히, 레이저 다이오드는 측정 방사선이 적어도 20 m, 특히 적어도 50 m의 가간섭성 길이로 생성되는 방식으로 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 방출 파장이 규정된 파장 범위 내에서 연속해서 존재하는 방식으로 안정화되는 레이저 다이오드에 의해 생성된 측정 방사선을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법이 또한 논의된 본 발명의 추가 이점을 도면에 개략적으로 도시된 특정의 전형적인 실시예들에 기초하여 예로서만 더 상세히 기술된다.

도　1은 종래 기술에 따른 레이저 트래커 내의 카메라 및 거리를 결정하기 위한 광학 구성요소들의 배열을 나타내고;
도　2는 간섭계 및 이 간섭계를 위한 측정 방사선을 생성하기 위한 레이저 다이오드를 포함하는 본 발명에 따른 레이저 트래커를 나타내고;
도　3은 레이저 트래커에서 간섭계를 위한 빔 소스로서 레이저 다이오드를 갖는 광학 구성요소들의 본 발명에 따른 배열의 제 1 실시예를 나타내고;
도　4는 간섭계를 위한 빔 소스로서의 레이저 다이오드 및 광 도파관을 포함하는 레이저 트래커의 본 발명에 따른 측정 광학 유닛의 다른 실시예를 나타내고;
도　5는 레이저 트래커를 위한 레이저 다이오드를 갖는 간섭계 배열의 본 발명에 따른 구성을 나타내고;
도　6은 간섭계를 위한 측정 방사선을 생성하기 위한 파장 안정화 유닛을 갖는 레이저 다이오드를 포함하는 레이저 트래커의 본 발명에 따른 측정 광학 유닛의 다른 실시예를 나타내고;
도　7은 레이저 다이오드, 파장 안정화 유닛 및 광 도파관들을 포함하는 레이저 트래커의 본 발명에 따른 측정 광학 유닛의 다른 실시예를 나타내고;
도　8은 본 발명에 따른 레이저 트래커에 제공되고 파장-선택 컴포넌트를 가지는 레이저 다이오드를 갖는 측정 방사선을 생성하기 위한 개략도를 나타낸다.

도　1은 종래 기술에 따른 레이저 트래커에서 카메라(150)에 의해 거리를 결정하기 위한 구성요소들, 및 별개의 HeNe 레이저 광원(110)을 포함하는 광학 시스템(100)을 나타낸다.

레이저 다이오드(131)를 가지는 절대 거리 측정 장치(130) 및 간섭계(120)는 이들이 시스템(100)의 이동 중, 예를 들어 시스템(100)을 가지는 전체 구성(171)의 피봇팅 중 동시에 이동되는 방식으로 카메라(150), 특히 줌 카메라와 함께 위치되고, 따라서, 이들의 방위가 함께 변한다. 이 경우에, 카메라(150)는 간섭계 배열(120) 및 절대 거리 측정 장치(130)에 공통인 광학 축선(161)에 실질적으로 평행하게 연장하는 광학 축선(162)을 가지는 전용 광학 유닛을 가진다.

그에 반해 HeNe 레이저(110)는 베이스 유닛(172), 예컨대 지지체 또는 정지 베이스 상에 별도로 설치되고, 구성(171)과 함께 부수적으로 이동되지 않고, 오히려 시스템(100)에, 특히 간섭계(120)에, 광 도파관(109)에 의해 생성된 측정 방사선을 이용 가능하게 한다.

타겟에 대한 거리는 절대 거리 측정 장치(130)에 의해 결정될 수 있고, 여기서 타겟에 대한 정밀한 거리 및 거리의 변경은 고려되는 간섭계(120)의 측정들에 의해 연속해서 결정될 수 있다.

도　2는 이미지 검출 유닛(75) 및 보조 측정 기기(80), 예컨대 접촉 감지 툴(contact sensing tool)을 포함하는 본 발명에 따른 레이저 트래커(70)를 나타낸다. 센서 상에서 그리고 검출된 이미지에서 센서 노출의 위치를 결정하기 위해, 이미지 검출 유닛(75)은 CMOS를 가지며 또는 특히 CCD 또는 화소 센서 어레이 카메라로서 구현된다. 이와 같은 센서들은 검출된 노출의 위치-감지 검출을 허용한다. 더욱이, 보조 측정 기기(80)는 센서를 가지며, 센서의 접촉 지점(83)은 측정될 타겟 물체와 접촉될 수 있다. 접촉 감지 툴(80)과 타겟 물체 사이에 이러한 접촉이 존재하면, 공간에서의 접촉 지점(83)의 위치 및 따라서 타겟 물체 상의 포인트의 좌표들이 정확하게 결정될 수 있다. 이러한 결정은 보조 측정 기기(80) 상에 배열되는 마킹들(82)에 대한 그리고 반사기(81)에 대한 접촉 지점(83)의 규정된 상대 위치결정에 의해 실행되고, 마킹들은 예를 들어 발광 다이오드들로서 구현될 수 있다. 대안으로, 마킹들(82)은 또한 예컨대 규정된 파장을 가지는 방사선에 의한 조명시, 상기 마킹들이 충돌 방사선을 반사시키고(역반사기들로서 구현되는 보조 포인트 마킹들(82)), 특히 특정 휘도 특성들을 나타내고, 또는 상기 마킹들이 규정된 패턴 또는 컬러 코딩을 가지는 방식으로 구현될 수 있다. 접촉 감지 툴(80)의 방위는 이미지 검출 유닛(75)의 센서에 의해 검출된 이미지의 마킹들(82)의 위치 또는 분포로부터 결정될 수 있다.

위치 결정을 위해, 측정 레이저 빔(76)은 보조 측정 기기(80) 상에 배열되는 반사기(81)의 방향에서 레이저 트래커(70)에 의해 방출되고, 거기로부터 트래커(70)에 대해 평행한 방식으로 다시 반사되고 트래커(70) 상의 수신 유닛에 의해 검출된다. 레이저 트래커(70)는 트래커(70)와 반사기(81) 사이의 거리를 결정하기 위한 거리 측정 수단 및 고니오미터들(goniometers)을 가지며, 이 고니오미터는 빔 지향 유닛의 위치를 결정하는 것을 가능하게 하고, 빔 지향 유닛에 의해 레이저 빔(76)에 따라서 레이저 빔(76)의 전파 방향이 규정된 방식으로 배향되어 안내될 수 있다. 레이저 빔(76)은 특히 빔-안내 광학 유닛 및 특히 적어도 하나의 빔 소스들이 설치되는 타겟팅 유닛의 빔 지향 유닛의 피봇팅, 또는 미러에 의해 특히 배향될 수 있다.

레이저 트래커(70)로부터 반사기(81)까지의 거리를 결정하기 위한, 절대 거리 측정 장치 및, 특히 트래커(70)와 반사기(81) 사이의 거리들의 변경들을 결정하기 위한 간섭계가 트래커(70)에 통합된다. 절대 거리 측정 장치는 측정 방사선을 생성하기 위한 제 1 레이저 다이오드를 가지며 따라서, 위상 측정 원리 또는 피조 원리에 따라, 예를 들어 비행 시간 측정에 의해, 타겟 또는 반사기(81)에 대한 거리를 결정하는 것을 가능하게 한다. 본 발명에 따르면, 추가의 측정 방사선이 제 2 레이저 다이오드에 의해 간섭계에 제공된다. 이 경우에, 상기 측정 방사선은 방사선이 간섭계로 직접 들어가거나 또는 광 도파관에 의해 간섭계로 안내될 수 있고 상기 간섭계에 결합될 수 있는 방식으로 레이저 다이오드에서 방출될 수 있다. 이 경우에, 제 2 레이저 다이오드는 그것에 의해 생성될 수 있는 측정 방사선이 단일-모드이고 특히 적어도 10 m, 바람직하게는 50 m의 긴 가간섭성 길이를 가지도록 구성된다. 정밀한 거리 결정을 위해, 양 거리 측정 수단에 의한 측정들이 함께 사용되어 결합될 수 있다.

레이저 트래커(70)에서 간섭계를 위한 긴 가간섭성 길이를 갖는 레이저 다이오드의 이와 같은 사용의 이점들은 예컨대 레이저 다이오드(그를 위한 대안의 빔 소스를 구성하는 HeNe 가스 레이저에 대한 것보다 상당히 작은)를 위한 공간 요건에, 상대적으로 낮은 에너지 소모에, 시스템의 작동 후 다이오드의 신속하게 생산할 수 있는 측정 빔 방출에, 및 고전압 서플라이(예컨대 HeNe 가스 레이저에 필요한)에 의해 제공할 수 있는 능력에 있다.

도　3은 레이저 트래커에서 광학 시스템(1)의 간섭계(10)를 위한 빔 소스로서의 레이저 다이오드(20)를 갖는 광학 구성요소들의 본 발명에 따른 배열을 나타낸다. 더욱이, 시스템(1)은 추가 빔 소스(31) 예컨대 레이저 다이오드 또는 SLED(superluminescent LED)를 가지는 절대 거리 측정 장치(30)(ADM), 및 카메라(50)를 가진다.

절대 거리 측정 장치(30)의 빔 소스(31)로부터 나오는 광 빔은 편광 빔 스플리터(33) 위로 귀환 광을 차폐하기 위해 아이솔레이터(32)를 통해 안내되고 거기로부터 전기-광 모듈레이터(34)를 통해 파장 의존 빔 스플리터(41)로 안내된다. 파장 의존 빔 분할을 갖는 이와 같은 빔 스플리터(41)는 특히 2개의 광원들(20, 31)의 상이한 방출 파장들의 경우에 사용된다. 귀환 광은 절대 거리 측정 장치(30)에서 ADM 검출기(35) 위로 편광 빔 스플리터(33)를 통해 안내된다. 특히, 이러한 정황에서, 또한 예를 들어 파장 의존 빔 스플리터(41)를 통해 측정 광 빔이 결합될 수 있는 다른 ADM 배열들 및 방법들을 사용하는 것이 가능하다. 이와 같은 거리 측정 장치의 일례는 WO　03/062744　A1에 개시되어 있다. 원칙적으로, 예컨대 위상 측정 장치들과 같은 다른 유형의 ADM은 또한 여기서 및 본 발명의 다른 실시예들에서 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 간섭계(10)는 레이저 다이오드(20)에 의해 생성되는 광을 이용한다. 나타낸 실시예에 있어서, 상기 다이오드(20)는 시스템(1)에 배열되고, 상기 다이오드는 긴 가간섭성 길이(단일 주파수)를 갖는 길이방향 단일 모드 레이저 방사선을 생성한다. 이렇게 생성된 측정 방사선은 빔 스플리터(11)에 의해 참조 광 경로(12) 및 측정 광 경로로 분할된다. 측정 광 경로는 음향-광 변조기(13)로 이어지고 편광 빔 스플리터(14) 상에 참조 광 경로와 함께 충돌한다. 편광 빔 스플리터(14)는 파장 의존 빔 스플리터(41)로 더 측정 방사선을 안내하고 귀환 측정 광을 참조 광과 함께 편광 필터(15)를 통해 간섭계 검출기(16)로 지향시킨다. 이와 같은 간섭계(10)의 동작 방법은 근본적으로 알려져 있고 파 간섭 원리에 기초한다. 특히, 또한 측정 방사선이 예를 들어 파장 의존 빔 스플리터(41)를 통해 결합될 수 있는 다른 간섭계 배열들 및 방법들을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어. 이와 같은 간섭계의 일례는 WO　03/062744　A1에 기재되어 있다. 원칙적으로, 다른 유형의 간섭계들(예컨대 쿼드러쳐 검출(quadrature detecting)을 갖는 마이켈슨)이 또한 본 발명의 다른 실시예들에 사용될 수 있다.

광학 시스템(1)은 λ/4 판(43) 및 구성요소(42)를 더 가지며, 이것은 절대 거리 측정 장치(30) 및 간섭계(10)에 의해 사용되는 공통의 광학 축선(61)을 따라 외부로부터 시스템(1)에 입사하는 광을 분리하고, 상기 광의 제 1 부분을 오버뷰 카메라에 결합하고 제 2 부분을 위치 변환기에 결합한다. 오버뷰 카메라는 전용 광학 유닛을 가질 수 있고 추가로 이미지 컨버터를 가질 수 있다. 이 경우에, 오버뷰 카메라는 예를 들어 약 10°의 개구각 및 30-50　mm의 초점 길이를 가지며, 측정 타겟의 거친 로컬라이제이션(coarse localization)의 역할을 한다.

반사 타겟들을 검출하기 위해, 시스템은 추가로 바람직하게는 오버뷰 카메라의 개구각과 바람직하게는 적어도 동일한 각도 범위를 조명하는 특정 조면 파장을 갖는 반사기 조명을 가질 수 있다.

평가 전자 유닛 및/또는 오버뷰 카메라의 평가 소프트웨어는 이후 예를 들어 각각의 경우에 반사 타겟에 대응하는, 오버뷰 카메라의 시야에서 하나 이상의 밝은 광점들을 검출한다. 오버뷰 카메라의 이미지에서 그것으로부터 이들의 위치를 확인하고 그것으로부터 또한 예컨대 보조 측정 기기(예컨대 접촉 감지 유닛 또는 스캐너)의 타겟의 방위의 변경을 확인하는 것이 가능하고, 그래서 레이저 트래커 또는 시스템(1) 및 거리 측정 장치 또는 장치들(10, 30)의 광 빔들은 타겟과 정렬될 수 있다. 따라서, 타겟을 향한 거리 측정 장치들(10, 30)의 자동 타겟 검출 및 "로크-온(lock-on)" 즉 타겟의 연속 트래킹이 실현될 수 있다.

위치 변환기에 대한 광 부분은 전형적으로 거리 측정 장치들(10, 30) 중 하나에 의해, 바람직하게는 간섭계 배열(10)에 의해 방출되었던 귀환 광의 빔이다. 위치 변환기는 전용 광학 유닛 및, 예를 들어, 위치-감지 다이오드를 가질 수 있다. 후자는 위치-감지 다이오드의 영역 상에 2차원으로 빔의 위치를 나타내는 신호들을 공급한다. 특히, 이러한 목적을 위해, 또한 위치 결정을 위한 할당된 디지털 신호 처리를 갖는 센서 어레이들 또는 이미지 컨버터들(예컨대 CCD 또는 CMOS)을 사용하는 것이 가능하다. 제어 유닛은 측정 빔이 반사 타겟의 이동을 추종하도록 확인 위치에 따라 레이저 트래커의 정렬을 제어할 수 있다.

더욱이, 카메라(50)는 통합 이미지 컨버터를 갖는 타겟의 마킹들을 검출할 수 있다. 마킹들의 이미징에 기초하여, 타겟의 방위는 예컨대 이미지 처리에 확인되고, 카메라(50)의 줌 팩터는 또한 이미지 컨버터로의 타겟의 이미징이 실질적으로 항상 동일한 크기를 가지도록 제어될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 카메라(50)는 예를 들어 50 내지 500　mm 배율의 초점 길이를 갖는 10배 줌을 가질 수 있다.

도　4는 간섭계(10)를 위한 빔 소스로서 레이저 다이오드(20) 및 광 도파관(9)을 포함하는 레이저 트래커의 본 발명에 따른 측정 광학 유닛(1)의 다른 실시예를 나타낸다. 이 경우에, 레이저 다이오드(20)는 한번 더 레이저 트래커의 간섭계(10)를 위한 측정 방사선을 생성하기 위해 제공된다. 줌 카메라(50)가 추가로 제공된다.

이 경우에, 레이저 다이오드(20)는 높은 가간섭성 길이, 특히 적어도 10　m의 가간섭성 길이를 갖는 측정 방사선 및 1　MHz 이하의 선폭을 갖는 측정 방사선이 즉시 생성될 수 있는 방식으로 구현된다. 이러한 목적을 위해, 레이저 다이오드는 파장 선택 장치, 예컨대 활성 레이저 매체의 주기성 구조(광학 격자), 활성 매체 외부에 있지만 동일한 칩 상에 설치되는 격자, 또는 외부 파이버(9) 내의 격자 구조를 가지며, 그것은 방출된 레이저 방사선이 길이방향의 단일 모드 방식으로 존재하고 따라서 특정의 좁은 선폭(단일-모드 레이저)으로 존재하는 효과를 가진다. 더욱이, 적절한 빔 특징은 매우 안정한, 외부 캐비티에 의해 또는 다이오드(20)와 함께 홀로그래픽 격자에 의해 생성될 수 있다.

위에 기재된 구성에 따른 레이저 다이오드(20)는 유리하게는 선형으로 편광되는 633　nm(가시 적 스펙트럼 범위)의 방출 파장을 가지며, 단일-모드이고 적어도 10　m의 가간섭성 길이를 가진다. 이 경우에, 방사선의 방출 파워는 다이오드(20)의 전체 수명(<　0.3　ppm)에 걸쳐 가장 큰 파장 안정성을 갖는 0.5　mW보다 크다.

특히 이렇게 633　nm의 파장으로 생성될 수 있는 방사선에 기초하여, 측정 빔은 동시에 포인팅 빔으로서 사용될 수 있고, 그 결과 포인트들을 시각적으로 마킹하기 위해 추가의 빔 소스를 제공하는 것이 가능하다.

레이저 다이오드(20)에 의해 생성되는 방사선은 광 도파관(9)에 의해 간섭계(10)에 결합된다. 이러한 목적을 위해, 더욱이, 파이버(9)를 간섭계(10)에 연결하기 위해 컬리메이터(8)가 제공된다. 간섭계(10)의 구성은 도 3에 따라 본 발명에 따라 전술한 실시예의 것과 유사하지만, 여기서 참조 경로(12)는 검출기(16)로 스틸 스플리터(17)에 의해 안내되고 측정 경로(18)는 스틸 스플리터(11)에 의해 안내된다. 더욱이, 음향-광 변조기(13)는 주파수 변동을 위해 제공되고 광학 아이솔레이터(optical isolator)로서 제공된다. 더욱이, 레이저 트래커는 일반적으로 전형의 광학 구성요소들(빔 소스, 검출기, 아이솔레이터 등)을 가지는 절대 거리 측정 장치(30)를 가진다.

레이저 트래커는 2개의 별개의 유닛들(71, 72)을 가진다. 카메라(50), 절대 거리 측정 장치(30) 및 간섭계(10)는 빔 지향 유닛(71) 상에 추가의 특히 빔-안내, 구성요소들과 함께 배열된다. 이러한 빔 지향 유닛(71)은 예컨대 구조적으로 일체의 타겟팅 유닛으로서 또는 절대 거리 측정 장치(30) 및 간섭계(10)를 가지는 측정 유닛을 갖는 빔 안내 유닛(예컨대 회전 가능 미러)으로서 레이저 트래커의 실시예에 의존하여 상이하게 구현될 수 있다. 더욱이, 빔 지향 유닛(71)은 베이스 유닛(72)의 정렬 또는 방위와 독립적으로, 2개의 축선들을 중심으로 가동, 특히 피봇 가능하게 구현될 수 있다. 나타낸 실시예로 실현되는 이와 같은 분리의 결과로서, 간섭계 빔 소스로서 구현되는 레이저 다이오드(20)는 베이스 유닛(72)에 존재할 수 있고, 생성된 방사선은 광 파이버(9)에 의해 빔 지향 유닛(71)에 결합될 수 있고 베이스(72)에 대한 빔 지향 유닛(71) 또는 카메라(50) 및 거리 측정 장치들(10, 30)의 광학 축선들(61, 62)의 정렬이 변경될 수 있다.

특히, 이러한 구조적 분리의 결과로서, 필요한 구성요소들에 대한 빔 지향 유닛(71)에 요구되는 공간 요건이 감소될 수 있는데, 레이저 다이오드(20) 및 상기 레이저 다이오드를 위한 가능한 공급 및 제어 구성요소들이 빔 지향 유닛(71)으로부터 베이스(72)로 전달될 수 있다.

도　5는 레이저 트래커를 위한 레이저 다이오드(20)를 갖는 간섭계 배열의 본 발명에 따른 기본 구성을 나타낸다. 레이저 다이오드에 의해, 적어도 10 m, 바람직하게는 50 m의 가간섭성 길이를 갖는 (길이방향으로) 단일모드 측정 방사선이 생성되고, 방사선은 빔 스플리터들에 의해 첫째 참조 경로(12) 상으로, 둘째 귀환 경로(19) 상으로 안내된다. 방사선은 반사 타겟(25) 위로 지향되고 거기서 반사된다. 더욱이, 음향-광 변조기(13)는 귀환 경로(19)에 배열된다. 이 경우에, 타겟(25)은 가동 타겟(25)을 구성하고, 여기서 간섭계에 대한 거리의 변경은 간섭계 검출기(16)에 의해 확인되고 측정될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 참조 방사선 및 측정 방사선은 간섭계 검출기(16) 상에 중첩되고, 그 결과 이들 빔들은 간섭하고 측정값들이 판독되게 허용한다.

도　6은 파장 안정화 유닛(21)을 갖는 간섭계(10)를 위한 측정 방사선을 생성하기 위한 간섭계 빔 소스로서 레이저 다이오드(20)를 포함하는 레이저 트래커의 본 발명에 따른 측정 광학 유닛(1)의 다른 실시예를 나타낸다. 더욱이, 또 다시 바람직하게는 레이저 다이오드 또는 SLED로서 구현되는 추가의 광원(31)을 가지는 절대 거리 측정 장치(30), 및 카메라(50)가 제공된다.

파장 안정화 유닛(21)은 파장 표준에 대해, 예컨대 대략 633　nm의 흡수 라인(예컨대 아이오딘 셀(iodine cell)을 이용)에 대한 측정 방사선의 안정화를 실현하기 위해 사용된다. 일반적으로, 파장 안정화 유닛(21)은 안정화를 위해 가스 셀을 가질 수 있다. 특히, 상이한 안정화 접근방법들은 안정화를 위해, 따라서, 예컨대 동기화 검출(중심 흡수 라인 주위의 광 주파수의 변조), "사이드 오브 라인(side of line)" 방법 또는 일정한 광 주파수(자기 변조에 의한)에서 지만 효과(Zeeman effect)에 의한 안정화를 위해 사용될 수 있다. 이 경우에, "사이드 오브 라인(side of line)" 방법은 가스 셀(예컨대 대략 40% 흡수에 의한 안정화)의 대응하는 흡수 라인의 최대 기울기에 대응하는 흡수값을 갖는 흡수에 의한 안정화에 기초한다.

이와 같은 안정화를 위해, 레이저 다이오드(20)는 모드-홉-프리 방식(mode-hop-free manner)으로 조정 가능한 파장 범위를 가지는 광을 제공하여, 파장에 관해 원하는 흡수 라인으로 조정을 실행하는 것이 가능하다. 생성된 레이저 광은 추가로 긴 가간섭성 길이(적어도 10　m, 특히 50　m)를 가진다.

도　7은 간섭계(10)를 위한 측정 방사선을 생성하기 위한 레이저 다이오드(20), 파장 안정화 유닛(21) 및 레이저 방사선을 안내하기 위한 광 도파관들(9a, 9b)을 포함하는 레이저 트래커의 본 발명에 따른 측정 광학 유닛(1)의 다른 실시예를 나타낸다. 다이오드(20)에 의해 생성되는 단일-모드 레이저 방사선은 광 파이버(9a)에 의해 파장 안정화 유닛(21)이 안내된다. 상기 안정화 유닛(21)은 레이저 방사선의 파장이 대체로 일정하게 유지되는 효과를 가진다. 이러한 방식으로 안정화되는 방사선은 간섭계(10)를 향해 파장 안정화 유닛(21)으로부터 추가의 광 파이버(9b)에 의해 안내된다. 높은 가간섭성 길이 및 파장 안정성을 갖는 이렇게 생성된 측정 방사선에 기초하여, 거리의 변경들의 측정들은 간섭계(10)에 의해 고정밀도로 행해질 수 있다.

절대 거리 측정 장치(30)의 거리 측정들과 함께, 매우 정밀한 거리 결정들 및 타겟에 대한 거리의 변경들의 검출들이 이러한 방식으로 구현되는 레이저 트래커에 의해 이용 가능하다. 도 4에 따른 실시예와 유사하게, 공간 및 특히 레이저 트래커의 카메라(50) 및 거리 측정 수단(10, 30)으로부터의 레이저 다이오드(20) 및 파장 안정화 유닛(21)의 구조적 분리가 광 파이버(9b)에 의해 연결되어 있는 2개의 유닛들(71, 72)에 의해 달성된다.

도　8은 본 발명에 따른 레이저 트래커에 제공되는 레이저 다이오드를 갖고 파장-선택 컴포넌트를 가지는 측정 방사선을 생성하기 위한 개략도를 나타낸다.

레이저 다이오드는 전형적으로 수 나노미터의 대역폭을 가지는 이득 물질(레이저 매체) 및 레이저 공진기를 가진다. 전형적으로 이와 같은 다이오드의 공간 크기의 결과로서 최대 수 밀리미터들 크기 정도인 공진기 길이에 기초하여, 서브-나노미터 범위에서 다이오드에 의해 생성될 수 있는 공진기 모드들(91)의 간격이 이렇게 하여 규정된다. 이것은 복수의 모드들(91)이 동시에 레이저를 발할 수 있는, 즉 복수의 모드들(91)(다중 모드)을 가지는 레이저 방사선이 생성되는 결과를 가진다.

본 발명의 정황에서, 레이저 다이오드들은 추가의 파장-감지 장치와 함께 사용된다. 그 결과, 파장 의존 광학 피드백이 생성될 수 있고, 그 결과 상기 장치는 다른 모드들(92a-c)을 가지는 추가 공진기와 같이 작용한다.

이와 같은 배열에 의해 달성되는 것은 "레이징(lasing)"이 가능하고, 즉 레이저 방사선이 먼저 레이저-기반 광 진폭이 실행되는(이와 같은 레이저 다이오드의 이득 프로파일(93) 참조) 이들 주파수들에서만 생성되고 레이저 공진기의 모드(91) 및 추가의 광학 피드백 장치(파장 선택 장치)의 모드(92a-c)가 동시에(동일한 주파수에서) 존재한다는 것이다. 그 결과 레이저 공진기의 단일 모드(91)가 선택된다. 다이오드의 공진기 길이보다 상당히 긴 공진기 길이를 가지는 파장 선택 장치의 효과가 나타난다. 그 결과 이득 범위 내에서 장치에 의해 규정되는 모드(92b)만이 발생한다.

대안의 해결방법(여기에는 설명되지 않음)이 또한 생각가능하고 여기서는 더 짧은 외부 공진기가 사용되어, 그것의 모드 간격이 레이저 다이오드의 것과 비교 가능하다. 이렇게 규정된 모드들의 선예도는 충분히 양호하고 모드들이 양 공진기들에서 정확하게 동일하지 않은 조건에서, 이 경우에도 이들이 이득 범위에서 공통 모드이고 따라서 단일-모드 동작이 달성되는 것이 가능하다.

도면들에 도시된 것들은 단지 가능한 전형적인 실시예들을 개략적으로 설명한다는 것은 말할 것도 없다. 본 발명에 따르면, 다양한 접근방법들이 마찬가지로 서로, 또한 거리의 변화들을 측정하기 위한 간섭법 방법들과, 거리를 결정하기 위한 방법들과, 종래 기술로부터의 일반적인 측정 기구들, 특히 레이저 트래커들과 결합될 수 있다. 본 발명에 따른 양상들은 또한 측지 측량 기구들, 예컨대 토탈 스테이션 및 타키미터들에 이용될 수 있다.

Claims (15)

1. 반사 타겟(25, 81)을 연속해서 추적하고 상기 타겟(25, 81)에 대한 거리를 결정하기 위한 레이저 트래커(laser tracker; 70)로서,
   · 수직 축선을 규정하는 베이스(72),
   · 측정 방사선을 방출하고 상기 타겟(25, 81)에서 반사된 상기 측정 방사선의 적어도 일부분을 수신하기 위한 빔 지향 유닛(71)으로서, 상기 빔 지향 유닛(71)은 상기 베이스(72)에 관하여, 상기 수직 축선, 및 상기 수직 축선에 대해 실질적으로 직교하는 경사 축선에 대해 동력화된 방식으로 피봇 가능한, 상기 빔 지향 유닛(71),
   · 간섭계(10)로서 구현되고 간섭법(interferometry)에 의해 상기 타겟(25, 81)에 대한 거리의 변경을 결정하는 역할을 하는 거리 측정 유닛(10),
   · 상기 간섭계(10)를 위한 상기 측정 방사선(76)을 생성하기 위한 간섭계 레이저 빔 소스(20), 및
   · 상기 베이스(72)에 관하여 상기 빔 지향 유닛(71)의 방위를 결정하기 위한 각도 측정 기능을 포함하는, 레이저 트래커(70)에 있어서,
   상기 간섭계 레이저 빔 소스(20)는 레이저 다이오드(20)로서 구현되고 상기 레이저 다이오드(20)는 상기 측정 방사선(76)이 규정된 방출 파장 및 적어도 10 m의 가간섭 길이를 갖는 길이방향의 단일 모드 방식으로 생성될 수 있는 방식으로 배열되는 파장-선택 컴포넌트를 가지며, 적어도 10　m의 상기 가간섭 길이는 상기 간섭계(10)에 의해 결정될 수 있고,
   · 상기 레이저 다이오드는 제 1 공진기 유닛을 가지며, 상기 제 1 공진기 유닛은 상기 레이저 다이오드에 의해 생성될 수 있고 함께 발생하는 다수의 레이저 모드들을 규정하고, 각각의 레이저 모드에 의해, 각각 상이한 모드 파장이 규정되고 상기 상이한 모드 파장들을 갖는 다이오드 방사선을 생성하는 것이 가능하고,
   · 상기 파장-선택 컴포넌트는 그것이 제 2 공진기 유닛으로서 작용하는 방식으로 구현되고 주 레이저 모드는 상기 레이저 다이오드와 상기 파장-선택 컴포넌트의 상호 작용에 의해 다수의 레이저 모드들로부터 추출될 수 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
2. 제 1 항에 있어서,
   · 상기 다이오드 방사선은 단지 상기 주 레이저 모드를 가지는 길이방향 단일 모드 측정 방사선(76)으로서 방출될 수 있어, 상기 측정 방사선(76)의 상기 방출 파장 및 상기 가간섭 길이가 규정되고,
   상기 파장-선택 컴포넌트는 광학 격자(optical grating)로서 구현되는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 레이저 다이오드(20)는
   · 분산형 피드백 레이저(distributed feedback laser),
   · 분산형 브래그 반사 레이저(distributed Bragg refector laser),
   · 파이버 브래그 격자 레이저(fiber Bragg grating laser),
   · 외부 공동 다이오드 레이저(external cavity diode laser),
   · 다이오드 펌프트 고체 레이저(diode pumped solid sate laser),
   · 이산 모드 레이저(discrete mode laser) 또는
   · 마이크로칩 레이저
   로서 구현되는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 측정 방사선(76)의 상기 방출 파장은 600　nm와 700　nm 사이 또는 850　nm와 900　nm 사이에 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 레이저 트래커(70)는 제어 유닛을 가지며, 상기 레이저 다이오드(20)는 상기 측정 방사선(76)의 상기 방출 파장이 특정 방출 파장 범위 내에서 길이방향의 단일 모드 방식으로 변할 수 있는 방식으로 구현되고, 상기 방출 파장은 상기 레이저 다이오드(20)의 온도의 변화 및/또는 상기 레이저 다이오드(20)에 존재하는 전류의 변화의 결과로서 상기 제어 유닛에 의해 제어되는 방식으로 변할 수 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 레이저 다이오드(20)는 상기 측정 방사선(76)의 방출 파워가 변할 수 있는 방식으로 상기 제어 유닛에 의해 구동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 레이저 트래커(70)가 상기 레이저 다이오드(20)에 의해 생성되는 상기 측정 방사선(76)을 안정화시키기 위한 파장 안정화 유닛(21)을 가져서, 상기 방출 파장이 규정된 파장 범위 내에서 연속해서 존재하고, 상기 파장 안정화 유닛(21)은 흡수 셀로서 구현되고, 상기 레이저 트래커(70)는 상기 파장 안정화 유닛(21)을 상기 간섭계 레이저 빔 소스(20)에 접속하기 위한 광 접속 파이버(9a)를 가지는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 레이저 트래커(70)는 적어도 하나의 광 파이버(9, 9a, 9b)를 가지며, 상기 측정 방사선(76)은 상기 광 파이버(9, 9a, 9b)에 의해 안내될 수 있고, 상기 간섭계(10)로 안내될 수 있고, 상기 레이저 다이오드(20)에 의해 생성될 수 있는 상기 측정 방사선(76)은 상기 광 파이버(9, 9a, 9b)에 결합되는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 측정 방사선(76)은 상기 광 파이버(9, 9a, 9b)에 의해 상기 빔 지향 유닛(71)에 결합될 수 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 트래커(70)는 상기 베이스(72)에 관하여 상기 수직 축선에 대해 피봇 가능한 지지체를 가지며, 상기 빔 지향 유닛(71)은 상기 지지체에 관하여 상기 경사 축선에 대해 피봇 가능한 타겟팅 유닛으로서 구현되고, 상기 레이저 다이오드(20)는 상기 타겟팅 유닛에 배열되는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 트래커(70)는 비행 시간 측정 원리에 따라 및/또는 위상 측정 원리에 따라 및/또는 피조 원리(Fizeau principle)에 따라 상기 타겟(25, 81)에 대한 거리를 결정하기 위한 절대 거리 측정 유닛(30)을 추가로 가지는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 타겟(25, 81)에 대한 정밀 거리는 상기 절대 거리 측정 유닛(30)에 의해 결정된 거리 및 상기 거리 측정 유닛(10)에 의해 결정된 거리의 변화에 의존하는 방식으로 결정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 트래커(70).
13. 레이저 다이오드(20)에 의해 생성될 수 있는 측정 방사선(76)에 의해 간섭법에 의해 타겟(25, 81)에 대한 거리의 변경을 결정하기 위한 레이저 트래커(70)의 간섭계(10)로서 구현되는 거리 측정 유닛(10)에서,
    상기 레이저 다이오드(20)는,
    · 규정된 방출 파장 및
    · 적어도 10　m의 가간섭 길이를 가지는 길이방향 단일 모드 측정 방사선(76)을 생성하도록 배열된 파장-선택 컴포넌트를 가지며,
    · 상기 레이저 다이오드는 제 1 공진기 유닛을 가지며, 상기 제 1 공진기 유닛은 상기 레이저 다이오드에 의해 생성될 수 있고 함께 발생하는 다수의 레이저 모드들을 규정하고, 각각의 레이저 모드에 의해, 각각 상이한 모드 파장이 규정되고 상기 상이한 모드 파장들을 갖는 다이오드 방사선을 생성하는 것이 가능하고,
    · 상기 파장-선택 컴포넌트는 그것이 제 2 공진기 유닛으로서 작용하는 방식으로 구현되고 주 레이저 모드는 상기 레이저 다이오드와 상기 파장-선택 컴포넌트의 상호 작용에 의해 다수의 레이저 모드들로부터 추출될 수 있는 것을 특징으로 하는 거리 측정 유닛(10).
14. · 수직 축선을 규정하는 베이스(72),
    · 측정 방사선(76)을 방출하고 타겟(25, 81)에서 반사된 상기 측정 방사선의 적어도 일부분을 수신하기 위한 빔 지향 유닛(71)으로서, 상기 빔 지향 유닛(71)은 상기 베이스(72)에 관하여, 상기 수직 축선, 및 상기 수직 축선에 대해 실질적으로 직교하는 경사 축선에 대해 동력화된 방식으로 피봇 가능한, 상기 빔 지향 유닛(71),
    · 간섭계(10)로서 구현되고 간섭법에 의해 상기 타겟(25, 81)에 대한 거리의 변경을 결정하는 역할을 하는 거리 측정 유닛(10),
    · 상기 간섭계(10)를 위한 상기 측정 방사선(76)을 생성하기 위한 간섭계 레이저 빔 소스(20)를 포함하는 레이저 트래커(70)에 의한 간섭법에 의해 타겟(25, 81)에 대한 거리의 변경을 결정하기 위한 방법으로서,
    · 상기 측정 방사선(76)을 방출하는 단계,
    · 상기 타겟(25, 81)에서 반사된 상기 측정 방사선의 상기 적어도 일부분을 수신하는 단계, 및
    · 타겟 상대 거리를 결정하는 단계를 포함하는, 타겟(25, 81)에 대한 거리의 변경을 결정하기 위한 방법에 있어서,
    상기 간섭계 레이저 빔 소스(20)는 레이저 다이오드(10)로서 구현되고 레이저 다이오드(20)는 측정 방사선(76)이 규정된 방출 파장을 갖고 적어도 10　m의 가간섭 길이를 갖는 길이방향의 단일 모드 방식에서 생성되는 방식으로 배열되는 파장-선택 컴포넌트를 가지며,
    · 상기 레이저 다이오드는 제 1 공진기 유닛을 가지며, 상기 제 1 공진기 유닛은 상기 레이저 다이오드에 의해 생성될 수 있고 함께 발생하는 다수의 레이저 모드들을 규정하고, 각각의 레이저 모드에 의해, 각각 상이한 모드 파장이 규정되고 상기 상이한 모드 파장들을 갖는 다이오드 방사선을 생성하는 것이 가능하고,
    · 상기 파장-선택 컴포넌트는 그것이 제 2 공진기 유닛으로서 작용하는 방식으로 구현되고 주 레이저 모드는 상기 레이저 다이오드와 상기 파장-선택 컴포넌트의 상호 작용에 의해 다수의 레이저 모드들로부터 추출될 수 있는, 타겟(25, 81)에 대한 거리의 변경을 결정하기 위한 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드(20)에 의해 생성되는 상기 측정 방사선(76)은 상기 방출 파장이 규정된 파장 범위 내에서 연속해서 존재하는 방식으로 안정화되는, 타겟(25, 81)에 대한 거리의 변경을 결정하기 위한 방법.

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