KR101642952B1 - 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치 - Google Patents

두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치 Download PDF

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강현재
천병재
김영진
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Abstract

본 발명의 목적은 기하학적 길이를 측정함에 있어서 두 가지 파장의 레이저 광을 사용하는 간섭계를 이용하여 경제적이고 효율적으로 길이를 측정함과 동시에 오류를 최소화하여 정확도를 극대화할 수 있도록 하는, 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치를 제공함에 있다.

Description

두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치 {Graphical length measuring apparatus using two-color interferometer}
본 발명은 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기하학적 길이를 측정함에 있어서 경제적이고 효율적으로 측정함과 동시에 오류를 최소화하여 정확도를 극대화할 수 있도록 하는, 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치에 관한 것이다.
다양한 기술 분야에서 길이의 측정은 매우 기본적인 것으로서, 지리 측정ㆍ항공ㆍ위성 등의 분야에서는 대략 km 단위의 길이를 측정하며, 제품 생산, 건설 등과 같은 일반 산업 분야에서는 대략 m 단위의 길이를 측정하는 등 분야에 따라 측정하고자 하는 길이 범위도 다양하다. 이처럼 측정하고자 하는 길이 범위에 따라 해당 분야에서 요구되는 정확도도 그에 맞게 다양하게 나타난다. 한편 최근 다양한 분야에서 기계ㆍ전자 기술이 결합되고 있는데, 반도체 기술이 적용되어 나노머신 제작이 이루어진다든가 초정밀 가공을 실현하기 위해 각종 전자 제어가 적용되는 등과 같은 식이다. 이와 같은 분야의 경우 여타 분야에 비하여 길이 측정에서 요구되는 정확도가 μm나 nm 단위 정도인 초고도의 수준으로 요구된다.
이처럼 초고도의 정확도로 수행되는 길이 측정을 실현하기 위해 다양한 연구가 이루어져 왔는데, 특히 광학 기술을 적용하여 레이저 등을 이용해서 길이 측정 정밀도를 높이는 연구가 활발히 이루어져 왔다. 한 예로 일본특허공개 제2009-288159호("거리 측정 장치 및 이것을 가진 광학 간섭계, 광학 현미경", 2009.12.10, 이하 선행문헌)에는, 광축 상에 놓여진 도전성의 피측정물까지의 당해 광축을 따른 거리를 측정하는 거리 측정 장치가 개시된다. 보다 구체적으로는, 선행문헌의 장치에서는 레이저 간섭계의 광축 상에 도전성의 피측정물 및 투명전극이 배치되며, 레이저로부터 피측정물로 조사된 광이 반사되어 온 반사광이 투명전극을 지남으로써 발생되는 피측정물 및 투명전극 사이의 정전 용량에 기초하여 피측정물 - 투명전극 간 거리를 산출한다.
이와 같은 종래의 레이저 간섭계를 이용한 기본적인 길이 측정 장치의 한 예시가 도 1에 도시된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치는, 레이저 광원(1), 빔 스플리터(2, BS), 미러(3), 광 디텍터(4, PD)를 포함하여 이루어진다. 상기 레이저 광원(1)에서 조사된 광은 상기 빔 스플리터(2)에서 분할되어 각각 진행하게 된다. 보다 구체적으로는, 먼저 상기 레이저 광원(1)에서 조사된 광의 일부(이를 측정광이라 한다)는, 상기 빔 스플리터(2)를 통과하여 상기 피측정물(10)로 조사되며, 상기 피측정물(10)로부터 반사되어 온 뒤 상기 빔 스플리터(2)에 반사되어 상기 광 디텍터(4)로 입사된다. 또한 상기 레이저 광원(1)에서 조사된 광의 나머지 일부(이를 참조광이라 한다)는, 상기 빔 스플리터(2)에 반사되어 상기 미러(3)로 조사되며, 상기 미러(3)로부터 반사되어 온 뒤 상기 빔 스플리터(2)를 통과하여 상기 광 디텍터(4)로 입사된다. 상기 광 디텍터(4)에서는 측정광 및 참조광의 위상 차이를 측정함으로써 광경로 차이를 산출할 수 있고, 이로부터 피측정물(10)까지의 길이를 높은 정밀도로써 측정할 수 있게 된다.
이와 같은 레이저를 이용한 길이 측정 시, 이상적으로는 측정광 및 참조광의 광경로 차이를 사용하여 정확한 길이의 산출이 가능하나, 실제로는 레이저 광이 진행하는 공간 상에 존재하는 매질(대부분의 경우 공기)의 굴절률을 더 고려하여야 한다. 도 1에 표시된 환경 센서(5)는 바로 이러한 점을 고려하여 구비되는 것으로, 공기의 굴절률에 영향을 끼치는 온도, 압력, 습도 등과 같은 환경 변수들을 측정한다.
그런데, 상기 환경 센서(5)는 도시된 바와 같이 레이저 광이 진행하는 공간 내 어느 특정한 점의 환경 변수를 측정할 수 있을 뿐이다. 만일 해당 공간 내 공기가 완전히 균일(homogeneous)하다면 측정점의 환경 정보만을 사용해도 문제가 없겠지만, 실제로는 공기가 전체 공간 내에서 완전히 균일하다는 것을 보장하기 어렵기 때문에 측정점에서의 환경 정보와 실제로 광이 진행하는 공간에서의 환경 정보가 달라 결국 길이 산출 시 부정확한 결과가 나오게 될 수 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해서, 간단한 해결 방법으로는 상기 환경 센서(5)를 공간 내에 다수 개 분포시켜 환경 정보 분포를 측정하고 이를 길이 산출 식에 반영하도록 할 수 있겠으나, 이와 같이 할 경우 환경 센서의 개수를 늘릴수록 정확도가 향상되는 반면 장치 구성에 드는 비용이 상승하게 되는 문제가 있어 매우 비경제적이라는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 환경 센서를 사용하는 경우에 있어서의 근본적인 문제점은, 환경 센서가 가지는 점측정의 한계를 극복하기 어려울뿐더러, 야외 환경과 같이 환경 변화가 심한 대기 환경에서는 적용하기 어렵다는 단점이 있다는 것이다.
1. 일본특허공개 제2009-288159호("거리 측정 장치 및 이것을 가진 광학 간섭계, 광학 현미경", 2009.12.10)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기하학적 길이를 측정함에 있어서 두 가지 파장의 레이저 광을 사용하는 간섭계를 이용하여 경제적이고 효율적으로 길이를 측정함과 동시에 오류를 최소화하여 정확도를 극대화할 수 있도록 하는, 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치(100)는, 서로 다른 제1파장(λ1) 및 제2파장(λ2)을 가지는 두 개의 레이저 광이 피측정물(500)을 향하여 조사되도록 형성하는 광원부(110); 상기 광원부(110) 및 상기 피측정물(500) 사이의 광경로 상에 배치되어 광을 일부는 반사시키고 나머지 일부는 통과시킴으로써 광을 분할하는 분할부(120); 상기 분할부(120)에서 반사되어 분할된 광의 광경로 상에 배치되는 반사부(130); 상기 분할부(120)에서 반사 - 상기 반사부(130)에서 반사 - 상기 분할부(120)를 통과하는 과정을 순차적으로 진행하여 입사되는 참조광 및 상기 분할부(120)를 통과 - 상기 피측정물(500)에서 반사 - 상기 분할부(120)에서 반사되는 과정을 순차적으로 진행하여 입사되는 측정광을 측정하는 측정부(140); 상기 측정부(140)에서 측정된 참조광 및 측정광을 비교하여 상기 피측정물(500)까지의 기하학적 길이(L)를 산출하는 계산부(150); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 길이 측정 장치(100)는, 하기의 식을 사용하여 기하학적 길이(L)를 산출하도록 이루어질 수 있다.
Figure 112015109719816-pat00001
(여기에서,
L : 상기 피측정물(500)까지의 기하학적 길이,
D1 : 제1파장(λ1)에 의하여 측정된 광로길이,
D2 : 제2파장(λ2)에 의하여 측정된 광로길이,
A : 증폭률, 건조 공기 환경에서 상수값
또한 상기 광원부(110)는, 주파수 영역에서 일정 간격으로 서로 이격되는 다수 개의 기준주파수들을 가지는 레이저 광을 발생시키는 광 빗(optical comb) 및 외부 레이저를 포함하여 이루어져, 상기 광 빗에서 발생된 레이저 광의 주파수를 이용하여 상기 외부 레이저에서 발생된 레이저 광의 주파수가 미리 결정된 주파수로 안정화되도록 형성될 수 있다.
이 때 상기 광원부(110)는, 상기 광 빗에 연결되는 원자시계과, 상기 원자시계에 연결되는 위상잠금회로(PLL, Phase Locked Loop)를 더 포함하여 이루어지며, 상기 외부 레이저는 상기 위상잠금회로에 연결되어, 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광 및 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광이 동기화됨으로써 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수가 안정화되도록 형성될 수 있다. 또한 이 때 상기 광원부(110)는, 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수가 하기의 식에 따라 안정화되도록 형성될 수 있다.
fi = ifr + fo
fDFB = ifr + fo + fb
(여기에서,
fDFB : 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수,
fi : 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광의 기준주파수들 중 상기 외부 레이저 광 주파수 안정화를 위해 선택된 안정화용 기준주파수,
fr : 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광의 반복률(repetition rate),
ifr : 상기 안정화용 기준주파수보다 작은 반복률 값들 중 상기 안정화용 기준주파수에 가장 밀접한 i번째 반복률(i는 자연수),
fo : 상기 안정화용 기준주파수 및 상기 i번째 반복률 간의 오프셋 주파수,
fb : 상기 안정화용 기준주파수 및 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수 간의 비트 주파수)
또는 상기 광원부(110)는, 상기 광 빗에 연결되는 원자시계과, 상기 광 빗에 연결되는 페브리-페로 필터(Fabry-Perot filter) 및 상기 페브리-페로 필터에 연결되는 FBG(Fiber Bragg Grating)로 이루어지는 필터부를 더 포함하여 이루어지며, 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광이 상기 필터부를 통과함으로서 일부 모드만이 선택되며, 상기 일부 모드만 선택된 레이저 광이 서큘레이터에 의하여 상기 외부 레이저로 입사됨으로써 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수가 안정화되도록 형성될 수 있다. 또한 이 때 상기 광원부(110)는, 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수가 하기의 식에 따라 안정화되도록 형성될 수 있다.
fi = ifr + fo
fDFB = ifr + fo
(여기에서,
fDFB : 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수,
fi : 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광의 기준주파수들 중 상기 외부 레이저 광 주파수 안정화를 위해 선택된 안정화용 기준주파수,
fr : 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광의 반복률(repetition rate),
ifr : 상기 안정화용 기준주파수보다 작은 반복률 값들 중 상기 안정화용 기준주파수에 가장 밀접한 i번째 반복률(i는 자연수),
fo : 상기 안정화용 기준주파수 및 상기 i번째 반복률 간의 오프셋 주파수,)
또한 상기 광원부(110)는, 상기 외부 레이저에서 발생되며 상기 광 빗에 의해 안정화된 주파수를 가진 레이저 광을 분할하여 진행시키는 광 커플러(OC, Optic Coupler), 입사되는 광의 2차 조화파를 생성함으로써 통과되는 광의 파장을 반으로 접어주는 PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate), 파장에 따라 광을 통과 또는 반사시키는 이색거울(DM, Dichroic Mirror)을 더 포함하여 이루어지며, 상기 광 커플러에서 분할된 광 중 하나는 상기 이색거울을 향하여 진행되어 상기 이색거울을 통과하며, 상기 광 커플러에서 분할된 광 중 다른 하나는 상기 PPLN을 통과한 후 상기 이색거울을 향하여 진행되어 상기 이색거울에서 반사되어, 상기 이색거울을 통과한 광 및 상기 이색거울에서 반사된 광이 동일 광경로로 진행하도록 이루어져, 상기 광원부(110)에서 조사되는 광이 제1파장(λ1) 및 제2파장(λ2)의 두 파장을 가지도록 형성될 수 있다.
또한 상기 길이 측정 장치(100)는, 측정된 기하학적 길이(L) 값 및 하기의 식을 사용하여 매질의 굴절률(n)을 산출하도록 이루어질 수 있다.
Figure 112015109719816-pat00002
(여기에서,
n : 매질의 굴절률
L : 측정된 상기 피측정물(500)까지의 기하학적 길이,
λ : 측정에 사용된 레이저 광의 파장,
D : 상기 파장의 레이저 광으로 측정된 광로길이)
또한 상기 길이 측정 장치(100)는, 상기 측정부(140)로 입사되는 레이저 광의 위상(φ)을 측정하도록 형성되며, 하기의 식을 이용하여 광로길이(D)를 산출하도록 이루어질 수 있다.
Figure 112015109719816-pat00003
(여기에서,
φ : 측정된 레이저 광의 위상
λ : 측정에 사용된 레이저 광의 파장,
D : 상기 파장의 레이저 광으로 측정된 광로길이)
또는 상기 길이 측정 장치(100)는, 상기 측정부(140)로 입사되는 레이저 광의 주파수(f)를 측정하도록 형성되며, 하기의 식을 이용하여 광로길이(D)를 산출하도록 이루어질 수 있다.
Figure 112015109719816-pat00004
Figure 112015109719816-pat00005
(여기에서,
f : 측정된 레이저 광의 주파수
φ : 측정된 레이저 광의 위상
λ : 측정에 사용된 레이저 광의 파장,
D : 상기 파장의 레이저 광으로 측정된 광로길이)
본 발명에 의하면, 기하학적 길이를 측정함에 있어서 두 가지 파장의 레이저 광을 사용하는 간섭계를 사용함으로써, 온도, 압력, 습도 등과 같은 환경 변수에 따라 달라지는 매질(공기)의 굴절률에 의한 오차를 최소화하여, 기하학적 길이의 측정의 정확도를 극대화할 수 있는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 종래에 레이저 광을 이용하여 기하학적 길이를 측정함에 있어서 환경 변수에 따른 오차 발생 문제가 있었는데, 본 발명에서는 두 가지 파장의 레이저를 이용함으로써 이러한 오차 발생 원인을 원천적으로 배제함으로써 결과적으로 최종 산출되는 기하학적 길이의 정확도를 높일 수 있게 한다. 또한 본 발명에서는, 레이저 광원부에서 두 파장을 갖는 레이저 광을 안정적으로 발생시킬 수 있도록 함으로써 두 파장 레이저로 기하학적 길이 측정 시 발생될 수 있는 오차 증폭 문제 또한 최소화하여, 최종 산출되는 기하학적 길이의 정확도를 더욱 향상시킨다. 즉 본 발명에 의하면 이와 같이 오차 발생 및 증폭 원인의 제거를 통해 기하학적 거리 산출의 정확도 향상을 극대화하는 효과가 있는 것이다.
뿐만 아니라 본 발명에 의하면 길이 산출 원리상 고가의 추가 부품이 필요하지 않기 때문에, 측정 장치의 정확도를 월등히 향상시키면서도 장치를 제작하는데 드는 비용의 상승폭이 높지 않다는 점에서, 경제적인 효과 또한 뛰어나다는 장점이 있다. 물론 이러한 경제성을 바탕으로 본 발명의 장치를 실제 산업 현장에 적용하기에도 유리하다는 장점도 있다.
도 1은 종래의 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 원리.
도 2는 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 원리.
도 3은 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치의 한 실시예.
도 4는 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치의 광원에서의 두 파장 생성 원리의 한 실시예.
도 5는 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치의 다른 실시예.
도 6은 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치의 광원에서의 두 파장 생성 원리의 다른 실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 원리를 간략한 개념도를 통해 설명한다. 앞서 종래의 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 원리를 도 1을 통해 설명하였는데, 이 때 광로길이(OPL, Optical Pass Length) D와 기하학적 길이(graphical length, 실제 측정하고자 하는 길이) L 간의 관계는 다음과 같이 나타난다.
[수학식 1]
Figure 112015109719816-pat00006
[수학식 2]
Figure 112015109719816-pat00007
수학식 1에서, n은 레이저 광이 진행하는 공간에 채워진 매질(일반적으로 공기)의 굴절률이며, λ는 측정에 사용된 레이저의 파장을 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이, 레이저 광원에서 조사된 광이 빔 스플리터에 의하여 측정광 및 참조광으로 분할된 후, 피측정물까지 진행하였다가 반사되어 돌아온 측정광을 참조광과 비교함으로써 광로길이 차이를 위상 φ로서 측정할 수 있다. 또한 위상 φ와 기하학적 길이 L 간의 관계는 수학식 2로 나타난다. (수학식 1에서의 λ는 일반적인 '파장'을 가리키는 것이며, 수학식 2에서의 λ0는 도 1에 나타난 장치에서 측정에 사용된 레이저의 파장을 의미하는 것이다.) 즉 수학식 1, 2를 통해 실제 측정하고자 하는 길이 즉 기하학적 길이 L 값을 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015109719816-pat00008
그런데, 역시 앞서 설명한 바와 같이, 굴절률 n은 수학식 3에 나타나는 바와 같이 레이저 파장 외에 압력, 온도, 위치, 습도 등과 같은 환경 변수에 따라 달라지는 함수이다. 이에 따라 굴절률 n의 산출에서 발생되는 오차가 그대로 기하학적 길이 L의 산출에 누적되어 정확도를 저하시키는 요인이 되었던 것이다.
이러한 문제를 해소하기 위해, 본 발명에서는 도 2와 같이 두 파장 레이저 간섭계를 이용하여 길이를 측정한다. 도 2의 장치에서, 레이저 광원에서 제1파장 λ1 및 제2파장 λ2, 두 가지의 파장의 광이 조사된다는 점을 제외하면 도 1의 장치와 크게 다르지 않으나, 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치(100)는, 광원부(110), 분할부(120), 반사부(130), 측정부(140), 계산부(150)를 포함하여 이루어진다.
상기 광원부(110)는, 서로 다른 제1파장(λ1) 및 제2파장(λ2)을 가지는 두 개의 레이저 광이 피측정물(500)을 향하여 조사되도록 형성된다. 상기 분할부(120)는 도 1의 빔 스플리터(2)와 동일한 역할을 하는 것으로서, 상기 광원부(110) 및 상기 피측정물(500) 사이의 광경로 상에 배치되어 광을 일부는 반사시키고 나머지 일부는 통과시킴으로써 광을 분할하는 역할을 한다. 상기 반사부(130)는 도 1의 미러(3)와 동일한 역할을 하는 것으로서, 상기 분할부(120)에서 반사되어 분할된 광의 광경로 상에 배치된다. 이에 따라, 상기 광원부(110)에서 조사된 광은, 상기 분할부(120)에서 반사 - 상기 반사부(130)에서 반사 - 상기 분할부(120)를 통과하는 과정을 순차적으로 진행하는 참조광과, 상기 분할부(120)를 통과 - 상기 피측정물(500)에서 반사 - 상기 분할부(120)에서 반사되는 과정을 순차적으로 진행하는 측정광으로 분할 진행되게 된다.
상기 측정부(140)는, 상술한 바와 같은 참조용 광경로를 따라 진행하여 입사되는 참조광 및 역시 상술한 바와 같은 측정용 광경로를 따라 진행하여 입사되는 측정광을 측정한다. 마지막으로 상기 계산부(150)에서는, 상기 측정부(140)에서 측정된 참조광 및 측정광을 비교하여 상기 피측정물(500)까지의 기하학적 길이(L)를 산출하게 된다.
이 때 상기 계산부(150)에서 기하학적 길이(L)를 산출하는 원리는, 두 파장의 레이저 광을 이용하는 만큼 도 1의 종래의 레이저 간섭계에서 기하학적 길이를 산출하는 원리와는 다르다. 이에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
[수학식 4]
Figure 112015109719816-pat00009
[수학식 5]
Figure 112015109719816-pat00010
먼저 제1파장에 의하여 측정된 광로길이 D1 및 제2파장에 의하여 측정된 광로길이 D2를 사용하여, 수학식 4와 같이 기하학적 길이 L을 구할 수 있다. 수학식 4에서의 A는 증폭률(amplification factor)로서, 수학식 5와 같이 나타난다. 이 때, 건조 공기 환경일 경우(즉 습도 값이 0에 가까운 경우) A 값은, 파장이 1555 nm 또는 777.5 nm의 광원을 이용하였을 때 상수값인 141.41로 나타난다는 점이 잘 알려져 있다. 다른 파장의 광원을 사용할 경우 증폭률 값은 141.41이 아닌 다른 값으로 나타날 수도 있겠으나, 어쨌든 증폭률 값이 상수값으로 나타난다는 것은 마찬가지이다.
즉 도 1에 나타난 바와 같은 종래의 레이저 간섭계를 이용한 기하학적 거리 측정 방식의 경우, 기하학적 거리 산출을 위해서는 매질(공기)의 굴절률이 필요하였으나, 두 파장 레이저 간섭계를 이용하여 기하학적 거리를 측정할 경우에는 건조 공기 환경이기만 하다면 굴절률을 측정하지 않아도 된다. 즉 수학식 4에 따르면, 굴절률 n(λ1) 및 n(λ2) 값과는 관계없이 제1파장에 의하여 측정된 광로길이 D1 및 제2파장에 의하여 측정된 광로길이 D2 이 두 값만 가지고도 기하학적 거리 L을 산출할 수 있는 것이다.
이에 따라 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치는, 기존의 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치와는 달리 환경 센서를 구비할 필요가 없다. 또한, 기존에는 이러한 환경 변수 측정에 있어서 실제 광경로 상의 환경 변수가 측정되는 것이 아니라 별도의 측정점에서의 환경 변수가 측정되기 때문에, 매질이 불균일할 경우 기하학적 길이 산출 시 사용되는 굴절률을 계산함에 있어서 오차가 발생하게 되는 문제가 있었지만, 본 발명의 경우 기하학적 길이 산출 시 굴절률을 사용하지 않기 때문에 이러한 환경 영향에 따른 오차 발생 문제가 원천적으로 제거될 수 있다.
도 3은 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치의 한 실시예를 도시하고 있다. 도 3의 실시예에서는, 도 2에서 개념적으로 도시된 상기 광원부(110)의 보다 구체적인 세부 구성과, 두 파장의 레이저 광을 효과적으로 분리하여 측정할 수 있도록 하는 광학 부품들이 더 추가된 구성을 도시하고 있다. 도 5는 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치의 다른 실시예인데, 도 3과 비교하였을 때 상기 광원부(110)의 세부 구성에서만 차이점이 있을 뿐이므로, 이하에서 일단 도 3을 기준으로 전체 시스템에 대하여 설명한다.
먼저 도 3에서, 두 파장의 레이저 광을 분리하기 위해 추가된 구성에 대해 설명하자면 다음과 같다. 두 파장의 레이저 광 분리를 위해서, 상기 반사부(130) 및 상기 측정부(140) 각각에는 이색거울(DM) 및 거울(M)이 추가된다. 이하에서, 상기 반사부(130) 및 상기 측정부(140) 각각에서 두 파장 레이저의 광 분리 진행을 구체적으로 설명한다.
먼저 참조광 진행 경로를 설명한다. 도 2에서와 마찬가지로 참조광은 광원부(110)에서 조사 - 분할부(120)에서 반사 - 반사부(130)에서 반사 - 분할부(120)를 통과 - 측정부(140)로 입사가 순차적으로 진행되도록 광경로가 형성된다. 이 때 상기 반사부(130)에 입사되는 광의 광경로 상에 도 3에 도시된 바와 같이 이색거울(DM, Dichroic Mirror)을 배치한다. 이색거울이란 굴절률이 다른 물질의 많은 박층으로 이루어지는 반사경으로서, 파장에 따라 광을 통과시키거나 반사시키는 기능을 가진다. 물론 파장에 따라 광을 분리할 수 있기만 하다면 이색거울이 아닌 다른 광학 부품, 예를 들어 색 필터 등을 사용할 수도 있으나, 이색거울의 경우 일반적인 색 필터에 비해 흡수에 의한 광 손실이 적고 선택 반사하는 광의 파장 범위를 재료의 두께나 구조에 의해 용이하게 가감할 수 있는 장점이 있으므로, 이색거울을 이용하여 두 파장의 광을 분리하는 것이 바람직하다. 이와 같은 이색거울의 기능에 의하여, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 반사부(130)에 구비된 이색거울(DM)으로 두 파장의 레이저 광이 입사되면, 그 중 한 파장의 광은 상기 이색거울(DM)에서 반사되고 다른 파장의 광은 상기 이색거울(DM)을 통과한다. 도 3의 예시에서는 제1파장(λ1) 광이 반사되고 제2파장(λ2) 광이 통과하는 것으로 도시되었으나 이는 물론 하나의 예시일 뿐으로 그 반대로 진행되도록 하여도 무방하다. 또한 도 3의 예시에서는 상기 이색거울(DM)에서 반사된 상기 제1파장(λ1) 광의 방향을 별도의 거울(M)을 사용하여 상기 제2파장(λ2) 광의 방향과 나란하게 맞추어 주도록 하고 있으나, 반드시 이와 같이 방향을 맞추어야 하는 것은 아니므로 상기 별도의 거울(M)은 생략될 수 있다. 다음으로 상기 제1파장(λ1) 광 및 상기 제2파장(λ2) 광은 각각의 광경로 상에 각각 배치되는 반사용 거울(M)로 입사된다. 이 때, 상기 반사용 거울(M)에 입사되기 전 두 파장의 광은 각각 음향광학 변조기(Acousto Optic Modulator, AOM)을 통과하게 할 수 있는데, 음향광학 변조기란 통과하는 광의 주파수를 쉬프트시켜주는 역할을 하는 광학 소자로서, 헤테로다인 간섭계를 구성함으로써 상기 측정부(140)에서 위상을 보다 정밀하게 측정하기 위해 사용하는 소자이다. 상기 반사용 거울(M)에 입사된 두 파장의 광은 각각 반사되어, 지금까지 진행되어 온 광경로를 되짚어 돌아오는 방향으로 진행되는데, 즉 상기 반사부(130)에 구비된 상기 이색거울(DM)을 지나면서 두 파장의 광은 다시 합쳐져서 동일 광경로를 진행하게 된다.
한편 측정광 진행 경로를 설명한다. 역시 도 2에서와 마찬가지로 측정광은 광원부(110)에서 조사 - 분할부(120)를 통과 - 피측정물(500)에서 반사 - 분할부(120)에서 반사 - 측정부(140)로 입사가 순차적으로 진행되도록 광경로가 형성된다. 상기 측정부(140)로는, 상술한 바와 같이 상기 반사부(130)에서 반사되어 온 두 파장의 참조광 및 상기 피측정물(500)에서 반사되어 온 측정광이 모두 입사되게 된다. 이 때 상기 측정부(140)에 입사되는 참조광 및 측정광의 광경로 상에도, 상기 반사부(130)에서와 유사하게, 도 3에 도시된 바와 같이 이색거울(DM)을 배치한다. 역시 상기 반사부(130)에서와 유사하게, 참조광 및 측정광 중 제1파장(λ1) 광은 상기 이색거울(DM)에서 반사되고, 참조광 및 측정광 중 제2파장(λ2) 광은 상기 이색거울(DM)을 통과하여, 제1파장(λ1)의 참조광 및 측정광 / 제2파장(λ2)의 참조광 및 측정광이 각각 별도의 광 디텍터(PD, Photo Detector)로 입사되어, 파장별 위상차 및 이를 통한 광로길이(D1, D2)가 산출될 수 있게 된다.
이하에서는, 상기 광원부(110) 세부 구성과 그 기술적 의미에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 두 파장 레이저 간섭계를 이용하여 길이를 측정함으로써 환경 변수의 영향을 제거할 수 있는 반면, 이러한 방식으로 길이를 측정할 경우 다음과 같은 새로운 문제점이 발생한다. 수학식 4에서, 기하학적 길이 L은, 제1파장으로 측정된 광로길이 D1에서, 제2파장으로 측정된 광로길이 D2 및 D1의 차(D2 - D1)에 증폭률 A를 곱한 값을 뺀 값으로 나타난다. 이 때, 증폭률 A는 앞서 설명하였듯 파장이 1555 nm 또는 777.5 nm의 광원을 이용하였을 때 건조 공기의 경우 141.41, 즉 102 자릿수(order)의 상수값이다. 다시 말해 (D2 - D1) 값에 오차가 있을 경우, 그 오차가 100배로 증폭될 수 있는 문제가 있는 것이다.
이러한 오차 증폭 문제를 해소하기 위하여, 본 발명에서는 상기 광원부(110)가 광 빗(optical comb) 및 외부 레이저를 포함하여 이루어져, 상기 광 빗에서 발생된 레이저 광의 주파수를 이용하여 상기 외부 레이저에서 발생된 레이저 광의 주파수가 미리 결정된 주파수로 안정화되도록 형성되게 한다.
상기 광 빗이란 주파수 영역에서 일정 간격으로 서로 이격되는 다수 개의 기준주파수들을 가지는 레이저 광을 발생시키는 장치로서, 현재 광학 분야 전반에서 다양하게 활용되고 있다. 광 빗은 어떤 특정 대역의 주파수들을 가지는 광들을 매우 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에, 광 빗의 응용 연구가 2005년 노벨 물리학상을 수상하는 등 응용 잠재력이 크다. 다만 이러한 광 빗에서 발생되는 광의 광량 자체는 일반적으로 측정용 등으로 사용되는 레이저 광의 광량에 비해 상당히 작다는 한계가 있다.
상기 외부 레이저는 일반적으로 측정용 등으로 사용되는 레이저이다. 도 3 등에서는 상기 외부 레이저로서 DFB 레이저(distributed feedback laser, 분포 되먹임 레이저)를 사용하는 예시가 나타나 있다. DFB 레이저란 광도파로가 주기 구조가 되도록 함으로써 파장 선택성을 지니게 한 공진기를 갖춘 레이저를 말하는 것으로, 보통의 반도체 레이저와 발광 원리는 같지만, 광의 파장을 같게 하기 위해서 발광부 중에 요철(凹凸)을 설치해 둠으로써 원하는 파장을 선택적으로 발진시킬 수 있다. 이처럼 DFB 레이저가 반도체 레이저보다 안정적인 레이저 광을 발생시키는 장점이 있으나, DFB 레이저는 수 MHz의 넓은 선폭을 가지기 때문에 DFB 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수 안정도 및 정확도는 광 빗에 비하자면 여전히 충분히 안정적이지 못하다. 이와 같이 레이저 광 주파수가 달라지는 것은 측정 정확도에도 부정적인 영향을 끼치며, 앞서 설명한 광로길이 오차 발생의 요인이 된다.
본 발명에서는, 측정용으로 사용하기에 충분한 광량을 가지는 외부 레이저를 상기 광 빗에 연결시킴으로써, 상기 광 빗에서 발생된 레이저 광의 주파수를 이용하여 상기 외부 레이저에서 발생된 레이저 광의 주파수가 미리 결정된 주파수로 안정화(lock)되게 한다. 이에 따라 외부 레이저의 광량과 광 빗의 안정성이 결합되어, 안정화된 주파수를 가지는 레이저 광을 발생시킴으로써, 앞서 설명한 바와 같은 광로길이 오차를 최소화하며, 궁극적으로는 최종적으로 산출되는 기하학적 길이의 정확도를 더욱 극대화할 수 있게 된다.
상기 광원부(110)를 구성하는 광 빗과 외부 레이저를 연결하여 주파수를 안정화하는 방식은 여러 가지가 있을 수 있는데, 도 3에는 그 중 한 실시예인 위상잠금회로(PLL, Phase Locked Loop)를 사용하는 방식이 도시되어 있으며, 도 5에는 그 중 다른 실시예인 주입잠금법(injection locking) 방식이 도시되어 있다. 그러나 상기 광원부(110)의 구성이 도 3 또는 도 5와 같은 형태로 한정되는 것은 아니며, 광 빗을 이용하여 외부 레이저의 주파수를 안정화할 수 있다면 다른 방식이 채용될 수도 있음은 물론이다. 또한 위 두 광주파수 생성기 (위상잠금회로 기반, 주입잠금법 기반) 외에도 주파수 표준에 안정화된 단색광 레이저를 광원으로 사용할 수 있다. 이하에서 각각의 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치의 광원에서의 두 파장 생성 원리의 한 실시예, 즉 도 3에 도시된 예시인 PLL 방식의 원리를 도시하고 있다. PLL 방식을 사용하는 경우, 상기 광원부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 광 빗에 연결되는 원자시계과, 상기 원자시계에 연결되는 위상잠금회로(PLL, Phase Locked Loop)를 더 포함하여 이루어지며, 상기 외부 레이저는 상기 위상잠금회로에 연결되어, 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광 및 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광이 동기화됨으로써 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수가 안정화되도록 형성된다.
도 4 상측에 도시된 그래프는 광 빗에서 발생되는 광신호의 형태를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 광 빗에서는 일정 간격으로 이격되는 다수 개의 기준주파수들을 가지는 레이저 광(도 4 상측 그래프에서 굵은 실선으로 표시)들을 발생시킨다. 이러한 기준주파수들 중, 상기 외부 레이저의 주파수를 안정화하기 위한 안정화용 기준주파수를 선택한다(이러한 선택의 기준은 사용자 목적이나 필요에 따라 적절히 결정될 수 있다). 이처럼 선택된 상기 안정화용 기준주파수 값은, 도 4의 그래프에 도시된 바로부터 직관적으로 알 수 있듯, 하기의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
fi = ifr + fo
(여기에서,
fi : 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광의 기준주파수들 중 상기 외부 레이저 광 주파수 안정화를 위해 선택된 안정화용 기준주파수,
fr : 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광의 반복률(repetition rate),
ifr : 상기 안정화용 기준주파수보다 작은 반복률 값들 중 상기 안정화용 기준주파수에 가장 밀접한 i번째 반복률(i는 자연수),
fo : 상기 안정화용 기준주파수 및 상기 i번째 반복률 간의 오프셋 주파수,)
원자시계에는 상기 광 빗이 연결되며, 상기 안정화용 기준주파수를 가지는 상기 광 빗의 레이저 광은 상기 원자시계에 동기화된다. 또한 원자시계에는 상기 위상잠금회로가 연결되며, 상기 위상잠금회로에는 상기 외부 레이저가 연결된다. 즉 상기 원자시계에 의하여 상기 광 빗 및 상기 위상잠금회로를 통해 연결된 상기 외부 레이저가 동기화됨으로써, 상기 외부 레이저의 주파수가 안정화될(locked) 수 있게 된다. 이 때 상기 외부 레이저와 상기 안정화용 기준주파수 간에는 약간의 차이가 있을 수 있는데, 이 차이를 비트 주파수라 하면, 상술한 바와 같이 안정화된 상기 외부 레이저의 주파수 값은, 역시 도 4의 그래프에 도시된 바로부터도 직관적으로 알 수 있듯, 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
fDFB = ifr + fo + fb
(여기에서,
fDFB : 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수,
fb : 상기 안정화용 기준주파수 및 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수 간의 비트 주파수)
도 6은 본 발명의 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치의 광원에서의 두 파장 생성 원리의 다른 실시예, 즉 도 5에 도시된 예시인 주입잠금법(injection locking) 방식의 원리를 도시하고 있다. 주입잠금법 방식을 사용하는 경우, 상기 광원부(110)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 광 빗에 연결되는 원자시계과, 상기 광 빗에 연결되는 페브리-페로 필터(Fabry-Perot filter) 및 상기 페브리-페로 필터에 연결되는 FBG(Fiber Bragg Grating)로 이루어지는 필터부를 더 포함하여 이루어지며, 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광이 상기 필터부를 통과함으로서 일부 모드만이 선택되며, 상기 일부 모드만 선택된 레이저 광이 서큘레이터에 의하여 상기 외부 레이저로 입사됨으로써 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수가 안정화되도록 형성된다.
주입잠금법 방식에서도 원자시계 및 광 빗은 PLL 방식에서와 마찬가지의 역할을 하며, 따라서 도 6 상측에 도시된 광 빗에서 발생되는 광신호 형태 그래프는 도 4 상측의 그래프와 동일하다. 따라서 주입잠금법 방식의 경우에도 안정화용 기준주파수 값은 수학식 6를 사용하여 구할 수 있다.
한편, PLL 방식의 경우 원자시계에 광 빗과 위상잠금회로가 병렬로 연결되며, 위상잠금회로에 외부 레이저가 연결되므로, 즉 원자시계를 기준으로 광 빗과 위외부 레이저가 병렬로 연결된 형태가 되므로, 광 빗에서 선택된 안정화용 기준주파수와 외부 레이저의 주파수 사이에 간격이 발생할 수 있었다. 반면, 주입잠금법 방식에서는 도시된 바와 같이 원자시계에 광 빗 및 필터부가 연결되고, 그 출력단에 서큘레이터로 외부 레이저가 연결된 형태로 이루어지기 때문에, 외부 레이저의 주파수는 그대로 광 빗에서 선택된 안정화용 기준주파수와 동일하게 맞추어져 안정화된다. 즉 주입잠금법 방식에서는, 안정화된 상기 외부 레이저의 주파수 값은, 도 6의 그래프에 도시된 바로부터도 직관적으로 알 수 있듯, 하기의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
fDFB = ifr + fo
(여기에서,
fDFB : 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수)
요약하자면, 상술한 바와 같이 본 발명의 길이 측정 장치에서는, 상기 광원부(110)가 광 빗 및 외부 레이저를 포함하여 이루어지도록 구성함으로써, 상기 광원부(110)에서 발생되는 레이저 광이 안정화된 주파수를 가지도록 하여, 광로길이 측정 시 발생되는 오차를 최소화하며 나아가 궁극적으로는 산출되는 기하학적 길이의 정확도를 극대화시킨다.
이처럼 광 빗 및 외부 레이저를 이용하여 발생된 레이저 광은, 파장 및 주파수가 안정화된 상태이다. 한편 본 발명의 길이 측정 장치에서는 두 파장의 레이저 광을 사용하게 되는데, 이 두 파장을 안정적으로 생성하는 것 역시 중요하다. 도 3 및 도 5에는, 두 파장을 안정적으로 생성하는 장치 구성의 예시가 공통적으로 도시되어 있다. 도 3 및 도 5의 실시예에서는, 이 레이저 광을 분할하여 하나는 그대로 사용하고, 나머지 하나는 2차 조화파를 발생시키는 PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate)을 통과시켜 줌으로써 파장을 반으로 접어주도록 구성한다. 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 광원부(110)는, 상기 외부 레이저에서 발생되며 상기 광 빗에 의해 안정화된 주파수를 가진 레이저 광을 분할하여 진행시키는 광 커플러(OC, Optic Coupler), 입사되는 광의 2차 조화파를 생성함으로써 통과되는 광의 파장을 반으로 접어주는 PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate), 파장에 따라 광을 통과 또는 반사시키는 이색거울(DM, Dichroic Mirror)을 더 포함하여 이루어진다.
이 때, 상기 광 커플러에서 분할된 광 중 하나는 상기 이색거울을 향하여 진행되어 상기 이색거울을 통과하도록 이루어지며, 이 광이 제1파장(λ1) 광이 된다. 한편, 상기 광 커플러에서 분할된 광 중 다른 하나는 상기 PPLN을 통과한 후 상기 이색거울을 향하여 진행되어 상기 이색거울에서 반사되어, 상기 이색거울을 통과한 광 및 상기 이색거울에서 반사된 광이 동일 광경로로 진행하도록 이루어져, 이 광이 제2파장(λ2) 광이 된다. 즉 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같은 장치를 통해, 상기 광원부(110)에서 조사되는 광이 제1파장(λ1) 및 제2파장(λ2)의 두 파장을 가지도록 형성시킬 수 있다.
본 발명의 길이 측정 장치(100)는, 두 파장의 레이저 광을 사용하여 (상기 수학식 4에 나타난 바와 같이) 각각의 레이저 광으로 측정된 광로길이 값들(D1, D2)만을 사용하여 높은 정확도로 기하학적 길이 L 값을 산출할 수 있다. 이처럼 기하학적 길이의 측정이 이루어진 후에는, 기하학적 길이와 광로길이 간의 관계를 통해 거꾸로 매질의 굴절률을 산출할 수도 있다.
상기 수학식 1을 n(λ)로 정리하여 다시 기재하면 다음과 같다.
Figure 112015109719816-pat00011
(여기에서,
n : 매질의 굴절률
L : 측정된 상기 피측정물(500)까지의 기하학적 길이,
λ : 측정에 사용된 레이저 광의 파장,
D : 상기 파장의 레이저 광으로 측정된 광로길이)
여기에서, L은 상술한 바와 같이 이미 측정되어 알고 있는 값이며, λ 및 D 값은 λ1 및 D1 또는 λ2 및 D2 중 아무 것이나 선택하여도 무방하다. 즉 위 식에서 L, λ, D 값은 모두 알고 있는 값이기 때문에, 위 식을 이용하여 n 즉 매질의 굴절률 값을 높은 정확도로 측정해 낼 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 길이 측정 장치는, 측정된 길이 값을 사용하여 굴절률 측정 장치의 용도로도 사용할 수 있다.
한편, 상기 측정부(140)에서 측정되는 변수와 관련된 구성에 대하여 더 설명한다. 기존의 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치에서, 측정부에서는 일반적으로 참조광 및 측정광의 위상을 측정하도록 이루어졌다. 본 발명의 길이 측정 장치(100)도 이러한 기존의 레이저 간섭계에서와 유사하게, 상기 측정부(140)로 입사되는 레이저 광의 위상(φ)을 측정하도록 형성되게 할 수 있으며, 이 경우 하기의 수학식 9를 이용하여 광로길이(D)를 산출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112015109719816-pat00012
(여기에서,
φ : 측정된 레이저 광의 위상
λ : 측정에 사용된 레이저 광의 파장,
D : 상기 파장의 레이저 광으로 측정된 광로길이)
즉 레이저 광의 위상(φ)은 직접 상기 측정부(140)에서 측정되는 값이고, 또한 그 레이저 광의 파장(λ) 값은 (앞서의 예시에 따르면 제1파장 또는 제2파장 중 하나로서) 알고 있는 값이므로, 수학식 9를 통해 광로길이(D)를 쉽게 산출할 수 있는 것이다.
그런데 일반적으로 신호 측정에 있어서 위상을 측정하는 것보다는 주파수를 측정하는 것이 분해능 및 측정 속도를 향상시킨다는 점이 알려져 있다. 이 때, 주파수(f)와 위상(φ) 간에는 하기의 수학식 10과 같은 관계가 성립한다.
[수학식 10]
Figure 112015109719816-pat00013
Figure 112015109719816-pat00014
이러한 점을 고려할 때, 본 발명의 길이 측정 장치(100)가, 상기 측정부(140)로 입사되는 레이저 광의 주파수(f)를 측정하도록 형성되게 할 수 있다. 수학식 10을 참조하면, 레이저 광의 주파수(f)를 측정한 후 이를 시간적으로 적분함으로써 위상(φ) 값을 얻을 수 있게 되며, 이후로는 수학식 9를 이용하여 광로길이를 구하는 등의 일련의 단계를 동일하게 수행하면 된다. 이와 같이 함으로써, 상기 측정부(140)에서의 분해능 및 측정 속도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 길이 측정 장치
110: 광원부 120: 분할부
130: 반사부 140: 측정부
150: 계산부

Claims (11)

  1. 서로 다른 제1파장(λ1) 및 제2파장(λ2)을 가지는 두 개의 레이저 광이 피측정물을 향하여 조사되도록 형성하는 광원부;
    상기 광원부 및 상기 피측정물 사이의 광경로 상에 배치되어 광의 일부는 반사시키고 나머지 일부는 통과시킴으로써 광을 분할하는 분할부;
    상기 분할부에서 반사되어 분할된 광의 광경로 상에 배치되는 반사부;
    상기 분할부에서 반사 - 상기 반사부에서 반사 - 상기 분할부를 통과하는 과정을 순차적으로 진행하여 입사되는 참조광 및 상기 분할부를 통과 - 상기 피측정물에서 반사 - 상기 분할부에서 반사되는 과정을 순차적으로 진행하여 입사되는 측정광을 측정하는 측정부;
    상기 측정부에서 측정된 참조광 및 측정광을 비교하여 상기 피측정물까지의 기하학적 길이(L)를 산출하는 계산부;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 길이 측정 장치는
    하기의 식을 사용하여 기하학적 길이(L)를 산출하는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
    Figure 112015109719816-pat00015

    (여기에서,
    L : 상기 피측정물까지의 기하학적 길이,
    D1 : 제1파장(λ1)에 의하여 측정된 광로길이,
    D2 : 제2파장(λ2)에 의하여 측정된 광로길이,
    A : 증폭률)
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광원부는
    주파수 영역에서 일정 간격으로 서로 이격되는 다수 개의 기준주파수들을 가지는 레이저 광을 발생시키는 광 빗(optical comb) 및 외부 레이저를 포함하여 이루어져,
    상기 광 빗에서 발생된 레이저 광의 주파수를 이용하여 상기 외부 레이저에서 발생된 레이저 광의 주파수가 미리 결정된 주파수로 안정화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 광원부는
    상기 광 빗에 연결되는 원자시계과, 상기 원자시계에 연결되는 위상잠금회로(PLL, Phase Locked Loop)를 더 포함하여 이루어지며, 상기 외부 레이저는 상기 위상잠금회로에 연결되어,
    상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광 및 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광이 동기화됨으로써 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수가 안정화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 광원부는
    상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수가 하기의 식에 따라 안정화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
    fi = ifr + fo
    fDFB = ifr + fo + fb
    (여기에서,
    fDFB : 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수,
    fi : 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광의 기준주파수들 중 상기 외부 레이저 광 주파수 안정화를 위해 선택된 안정화용 기준주파수,
    fr : 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광의 반복률(repetition rate),
    ifr : 상기 안정화용 기준주파수보다 작은 반복률 값들 중 상기 안정화용 기준주파수에 가장 밀접한 i번째 반복률(i는 자연수),
    fo : 상기 안정화용 기준주파수 및 상기 i번째 반복률 간의 오프셋 주파수,
    fb : 상기 안정화용 기준주파수 및 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수 간의 비트 주파수)
  6. 제 3항에 있어서, 상기 광원부는
    상기 광 빗에 연결되는 원자시계과, 상기 광 빗에 연결되는 페브리-페로 필터(Fabry-Perot filter) 및 상기 페브리-페로 필터에 연결되는 FBG(Fiber Bragg Grating)로 이루어지는 필터부를 더 포함하여 이루어지며,
    상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광이 상기 필터부를 통과함으로서 일부 모드만이 선택되며, 상기 일부 모드만 선택된 레이저 광이 서큘레이터에 의하여 상기 외부 레이저로 입사됨으로써 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수가 안정화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 광원부는
    상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수가 하기의 식에 따라 안정화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
    fi = ifr + fo
    fDFB = ifr + fo
    (여기에서,
    fDFB : 상기 외부 레이저에서 발생되는 레이저 광의 주파수,
    fi : 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광의 기준주파수들 중 상기 외부 레이저 광 주파수 안정화를 위해 선택된 안정화용 기준주파수,
    fr : 상기 광 빗에서 발생되는 레이저 광의 반복률(repetition rate),
    ifr : 상기 안정화용 기준주파수보다 작은 반복률 값들 중 상기 안정화용 기준주파수에 가장 밀접한 i번째 반복률(i는 자연수),
    fo : 상기 안정화용 기준주파수 및 상기 i번째 반복률 간의 오프셋 주파수,)
  8. 제 3항에 있어서, 상기 광원부는
    상기 외부 레이저에서 발생되며 상기 광 빗에 의해 안정화된 주파수를 가진 레이저 광을 분할하여 진행시키는 광 커플러(OC, Optic Coupler), 입사되는 광의 2차 조화파를 생성함으로써 통과되는 광의 파장을 반으로 접어주는 PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate), 파장에 따라 광을 통과 또는 반사시키는 이색거울(DM, Dichroic Mirror)을 더 포함하여 이루어지며,
    상기 광 커플러에서 분할된 광 중 하나는 상기 이색거울을 향하여 진행되어 상기 이색거울을 통과하며, 상기 광 커플러에서 분할된 광 중 다른 하나는 상기 PPLN을 통과한 후 상기 이색거울을 향하여 진행되어 상기 이색거울에서 반사되어, 상기 이색거울을 통과한 광 및 상기 이색거울에서 반사된 광이 동일 광경로로 진행하도록 이루어져,
    상기 광원부에서 조사되는 광이 제1파장(λ1) 및 제2파장(λ2)의 두 파장을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 길이 측정 장치는
    측정된 기하학적 길이(L) 값 및 하기의 식을 사용하여 매질의 굴절률(n)을 산출하는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
    Figure 112015109719816-pat00016

    (여기에서,
    n : 매질의 굴절률
    L : 상기 피측정물까지의 기하학적 길이,
    λ : 측정에 사용된 레이저 광의 파장,
    D : 상기 파장의 레이저 광으로 측정된 광로길이)
  10. 제 1항에 있어서, 상기 길이 측정 장치는
    상기 측정부로 입사되는 레이저 광의 위상(φ)을 측정하도록 형성되며,
    하기의 식을 이용하여 광로길이(D)를 산출하는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
    Figure 112015109719816-pat00017

    (여기에서,
    φ : 측정된 레이저 광의 위상
    λ : 측정에 사용된 레이저 광의 파장,
    D : 상기 파장의 레이저 광으로 측정된 광로길이)
  11. 제 1항에 있어서, 상기 길이 측정 장치는
    상기 측정부로 입사되는 레이저 광의 주파수(f)를 측정하도록 형성되며,
    하기의 식을 이용하여 광로길이(D)를 산출하는 것을 특징으로 하는 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 장치.
    Figure 112015109719816-pat00018

    Figure 112015109719816-pat00019

    (여기에서,
    f : 측정된 레이저 광의 주파수
    φ : 측정된 레이저 광의 위상
    λ : 측정에 사용된 레이저 광의 파장,
    D : 상기 파장의 레이저 광으로 측정된 광로길이)
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101746693B1 (ko) 2015-12-15 2017-06-14 한국과학기술원 다중 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 절대 길이 측정 장치
KR101811209B1 (ko) 2016-12-06 2017-12-22 재단법인 막스플랑크 한국포스텍연구소 주파수 빗 및 나노플라즈모닉스 기술을 이용한 광자 발생기 및 광자 발생 방법
KR20180097333A (ko) * 2017-02-23 2018-08-31 한국과학기술원 이차 조화파 펄스를 사용한 표면 형상 측정 장치
KR102573634B1 (ko) 2023-03-17 2023-09-01 주식회사 새광이엔지 전장 및 전폭 검사 장치
KR102620196B1 (ko) * 2023-05-11 2024-01-02 람다이노비전 주식회사 발진할 레이저의 주파수 특성을 안정화시킬 수 있는 레이저 발진 장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009288159A (ja) 2008-05-30 2009-12-10 Mitsutoyo Corp 距離測定装置およびこれを備えた光学干渉計、光学顕微鏡
US20140268168A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Research Development Foundation Apparatus and methods for optical coherence tomography and two-photon luminescence imaging
US20150241395A1 (en) * 2014-02-27 2015-08-27 Korea Atomic Energy Research Institute Apparatus and method for measuring nonlinearity parameter using laser

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009288159A (ja) 2008-05-30 2009-12-10 Mitsutoyo Corp 距離測定装置およびこれを備えた光学干渉計、光学顕微鏡
US20140268168A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Research Development Foundation Apparatus and methods for optical coherence tomography and two-photon luminescence imaging
US20150241395A1 (en) * 2014-02-27 2015-08-27 Korea Atomic Energy Research Institute Apparatus and method for measuring nonlinearity parameter using laser

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101746693B1 (ko) 2015-12-15 2017-06-14 한국과학기술원 다중 두 파장 레이저 간섭계를 이용한 절대 길이 측정 장치
KR101811209B1 (ko) 2016-12-06 2017-12-22 재단법인 막스플랑크 한국포스텍연구소 주파수 빗 및 나노플라즈모닉스 기술을 이용한 광자 발생기 및 광자 발생 방법
KR20180097333A (ko) * 2017-02-23 2018-08-31 한국과학기술원 이차 조화파 펄스를 사용한 표면 형상 측정 장치
KR101895711B1 (ko) 2017-02-23 2018-09-07 한국과학기술원 이차 조화파 펄스를 사용한 표면 형상 측정 장치
KR102573634B1 (ko) 2023-03-17 2023-09-01 주식회사 새광이엔지 전장 및 전폭 검사 장치
KR102620196B1 (ko) * 2023-05-11 2024-01-02 람다이노비전 주식회사 발진할 레이저의 주파수 특성을 안정화시킬 수 있는 레이저 발진 장치

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