KR101967668B1 - 다중 빗살 파장 가변 광원 장치와 이를 이용한 절대거리 측정 방법 - Google Patents

다중 빗살 파장 가변 광원 장치와 이를 이용한 절대거리 측정 방법 Download PDF

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김창석
박세진
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명에 따른 다중 빗살 파장 가변 광원 장치는 광 신호의 세기를 증폭하도록 구성된 광 증폭부; 상기 광 신호의 발진 파장을 선택하도록 구성된 파장 가변 필터부 및 상기 파장 가변 필터부에서 선택된 다수의 파장에 따라 상기 광 신호를 통과 또는 차단하도록 구성된 다중 빗살 파장 필터부를 포함한다. 한편, 상기 선택된 다수의 파장에 해당하는 신호를 시간에 따라 비연속적으로 방출하고, 이에 따라 여러 주기의 빗살 파장을 하나의 광원에서 발생시키며 각 각의 빗살 파장을 구분하여 발진시킬 수 있다. 상기 다중 빗살 파장 가변 광원 장치를 통해 원거리 표적 표면 측정 시 빗살 파장 필터의 거리 모호성을 배제한 절대거리를 획득할 수 있으며, 다중 빗살 파장 가변 광원 장치에서 방출된 빛을 공간상으로 스캔함으로서 원거리 표적 표면 형상을 획득할 수 있다.

Description

다중 빗살 파장 가변 광원 장치와 이를 이용한 절대거리 측정 방법{Multi frequency comb wavelength tunable light source and method of measuring absolute distance}
본 발명은 다중 빗살 파장 가변 광원 장치와 이를 이용한 표적 표면 측정 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 다중 빗살 파장 가변 광원 장치와 이를 이용한 원거리 표적 측정 시 절대거리 측정 방법 및 이를 이용한 원거리 표적 표면 형상 측정에 관한 것이다.
주파수 영역 OCT (Optical Coherence Tomography) 중의 하나인 스펙트럼 영역 (Spectral Domain) OCT는 line scan CCD(Charge Coupled Device)나 area CCD camera를 기반으로 한다. 이러한 스펙트럼 영역 OCT는 기존의 시간영역(Time Domain) OCT보다 광경로 스캐닝 장비가 필요치 않아서 데이터 처리속도가 빠르다는 장점으로 인해 많이 사용되어 왔다.
파장가변광원은 SS-OCT(Swept-Source OCT)와 같은 광학 이미징 기술의 적용을 위해 개발되어왔다. 파장가변광원의 여러 요인 중에서, 스펙트럼 선폭은 광원의 가간섭 거리 및 SS-OCT의 간섭계변위 측정범위와 연관되어 있으며 따라서 스펙트럼 선폭을 줄여 OCT 측정범위를 늘리는 여러 방법들이 제시되고 있다.
그중 빗살 파장 필터는 광원의 스펙트럼을 좁은 선폭의 스펙트럼으로 변화 시킬 수 있다. 좁은 선폭의 스펙트럼은 가간섭 거리를 늘려 OCT의 측정가능 거리를 증대시킨다.
그러나 종래 빗살파장필터를 이용한 OCT는 절대거리 측정에 있어서 빗살 파장 필터의 특성으로 인해 근본적으로 원거리 측정 시 측정되는 광원과 실제 물체간의 거리가 정확히 나타나지 않는‘거리 모호성’이라는 문제점이 있다.
따라서, 이와 같은 빗살 파장 필터의 거리 모호성을 해결하여 표적 표면의 절대거리를 측정 할 수 있으며 이를 이용하여 원거리에서 물체와의 절대거리 측정 및 물체의 형상을 효과적으로 측정할 수 있는 새로운 광원 장치 및 측정 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 기술적 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다중 빗살 파장 가변 광원 장치와 이를 이용한 표적 표면 측정 방법 을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 목적은, 다중 빗살 파장 가변 광원 장치와 이를 이용한 원거리 표적 측정 시 절대거리 측정 방법을 제시하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다중 빗살 파장 가변 광원 장치는 광 신호의 세기를 증폭하도록 구성된 광 증폭부; 상기 광 신호의 발진 파장을 선택하도록 구성된 파장 가변 필터부 및 상기 파장 가변 필터부에서 선택된 다수의 파장에 따라 상기 광 신호를 통과 또는 차단하도록 구성된 다중 빗살 파장 필터부를 포함한다. 한편, 상기 선택된 다수의 파장에 해당하는 신호를 시간에 따라 비연속적으로 방출하고, 이에 따라 여러 주기의 빗살 파장을 하나의 광원에서 발생시키며 각 각의 빗살 파장을 구분하여 발진시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 다중 빗살 파장 필터부는, 상기 광 신호를 통과 또는 차단하는 상기 다수의 파장 간의 간격이 제1 간격이 되도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 다중 빗살 파장 필터부는, 상기 광 신호를 통과 또는 차단하는 상기 다수의 파장 간의 간격이 상기 제1 간격보다 큰 제2 간격이 되도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 광 신호를 통과 또는 차단하는 상기 다수의 파장 간의 간격이 상기 제 1 간격과 서로 다른 하나 혹은 복수 개의 간격을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.일 실시 예에서, 상기 다중 빗살 파장 필터부는, 입사되는 상기 광 신호의 광학특성에 따라 상기 다수의 파장 간의 간격이 서로 다른 주기를 갖도록 다수의 빗살 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 제1 다중 빗살 파장 필터일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 다중 빗살 파장 필터부는, 굴절률 가변 소자를 포함하여 시간에 따라 상기 다수의 파장 간의 간격이 서로 다른 주기를 갖도록 다수의 빗살 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 제2 다중 빗살 파장 필터일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 다중 빗살 파장 필터부는, 에탈론 사이의 간격을 가변하여 상기 다수의 파장 간의 간격이 서로 다른 주기를 갖도록 다수의 빗살 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 제3 다중 빗살 파장 필터일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 내지 제3 다중 빗살 파장 필터 중 어느 하나를 사용하여, 하나의 광원에서 상기 서로 다른 주기의 빗살 파장이 발진되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 간섭무늬 데이터와 제2 간섭무늬 데이터를 모두 이용하여 절대거리를 측정하는 처리부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 처리부는 다중 빗살 파장 광원부에서 발생한 하나의 주기의 빗살 파장을 갖는 제1 신호를 간섭계부에 통과시켜 거리 모호성을 포함한 상기 제1 간섭무늬 데이터와, 상기 다중 빗살 파장 광원부에서 발생한 서로 다른 주기의 빗살 파장을 갖는 제2 신호를 간섭계부에 통과시켜 서로 다른 거리 모호성을 포함한 상기 제2 간섭무늬 데이터를 모두 이용함에 따라, 거리 모호성이 배제된 절대거리를 측정하여 상기 표적의 표면 형상 측정 가능 범위가 확대되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 다중 빗살 파장 가변 광원 장치에서 발생한 광원을 공간상에 점 혹은 선 혹은 면의 형태로 방출 및 스캔하여 각 지점에서 획득한 절대거리를 통해 원거리에서 물체의 절대거리 및 표적 표면 형상을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 다중 빗살 파장가변 광원 및 이를 이용한 절대거리 측정 및 원거리 형상 측정기기는 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 여러 주기의 빗살 파장을 하나의 광원에서 발생시키며 각 각의 빗살 파장을 구분하여 발진시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 가변되는 파장의 선폭을 빗살 파장 필터를 통해 줄여 광학적 형상 측정시스템의 측정 가능 범위를 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 서로 다른 주기의 빗살 파장 광의 간섭신호 혹은 위상정보를 비교, 대조함으로서 빗살 파장 필터에서 발생하는 거리 모호성을 해결할 수 있으며, 이를 통해 절대 거리를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 빗살 파장 가변 광원의 특성을 나타낸 모식도이다.
도 2는 다중 빗살 파장 가변 광원부의 구성에 따른 특성을 나타낸 구성도이다.
도 3은 다중 빗살 파장 광원의 다중 빗살 파장 광원 구성에 따른 특성을 나타낸 구성도이다.
도 4는 다중 빗살파장을 형성하기 위한 편광특성 및 이에 따른 서로 다른 빗살 파장이 생성되는 것을 나타낸 구성도이다.
도 5는 다중 빗살파장을 형성하기 위한 원편광특성 및 이에 따른 서로 다른 빗살 파장이 생성되는 것을 나타낸 구성도이다.
도 6은 다중 빗살파장을 형성하기 위해 시간에 따라 빗살 파장 필터의 특성을 변조하여 서로 다른 빗살 파장이 생성되는 것을 나타낸 구성도이다.
도 7은 다중 빗살파장을 형성하기 위해 시간에 따라 빗살 파장 필터의 특성을 변조하여 서로 다른 빗살 파장이 생성되는 것을 나타낸 구성도이다.
도 8은 빗살 파장 가변 광원 장치와 이를 이용한 원거리 표면형상 측정 장치를 도식화한 것이다.
도 9는 도 1 및 도 8로 구성된 다중 빗살 파장 가변 광원 장치와 원거리 표면 형상 측정 장치를 이용하여 원거리 표면 형상을 측정하는 과정과 빗살 파장 필터부에서 발생하는 거리 모호성을 해결하는 것을 나타낸 모식도이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 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.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
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.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "블록" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 다중 빗살 파장 가변 광원 장치와 이를 이용한 표적 표면 측정 방법에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 빗살 파장 가변 광원의 특성을 나타낸 모식도이다.
한편, 도 1을 참조하면, 다중 빗살 파장 가변 광원 장치(100)는 광 증폭부(110), 파장 가변 필터부(120) , 다중 빗살 파장 필터부(130)를 포함한다.
도 1의 (a)는 광증폭부에서 방출하는 파장을 나타낸 것이다.
도 1의 (b)는 광증폭부로부터 입사된 파장이 파장 가변 필터부에 의해 선택되어 시간에 따라 서로 다른 파장을 투과시키는 것을 나타낸 것이다.
도 1의 (c)는 파장 가변 필터부에서 결정된 파장에 따라 주기적으로 통과와 비통과를 반복하는 파장 주기가 복수 개인 빗살 파장을 발생시키는 것을 나타낸 것이다.
도 1의 (d)는 서로 다른 주기의 빗살 파장이 동시에 방출되는 것을 나타낸 것이다.
광 증폭부(110)는 광 신호의 세기를 증폭하도록 구성된다. 즉, 광 증폭부(110)는 광을 발생시키고 광 세기의 증폭을 수행한다.
파장 가변 필터부(120)는 광 신호의 발진 파장을 선택하도록 구성된다. 즉, 파장 가변 필터부(120)는 발진 파장을 결정한다.
다중 빗살 파장 필터부(130)는 선택된 다수의 파장에 해당하는 신호를 시간에 따라 비연속적으로 방출하도록 구성된다. 즉, 다중 빗살 파장 필터부(130)는 결정된 파장에 따라 주기적으로 통과와 비-통과 (차단)를 반복하는 파장 주기가 복수 개인 빗살 파장을 발생시킨다.
파장 가변 필터부(130)에서 입사된 파장은 다중 빗살 파장 필터부에 의해 좁은 선폭의 스펙트럼으로 변화한다.
다중 빗살 파장 필터부(130)는 파장 가변 필터부(120)에서 결정된 파장에 따라 주기적으로 통과와 비-통과를 반복하므로 투과되는 광은 스펙트럼 상에서 일정한 간격의 빗살 파장을 형성한다.
다중 빗살 파장 필터부(130)는 일반적인 빗살 파장 필터부와 달리 스펙트럼 상에서 형성되는 빗살 파장의 간격이 서로 다른 복수개의 빗살파장을 생성한다.
구체적으로, 다중 빗살 파장 필터부(130)는 광 신호를 통과 또는 차단하는 상기 다수의 파장 간의 간격이 제1 간격이 되도록 구성될 수 있다. 또한, 다중 빗살 파장 필터부(130)는 광 신호를 통과 또는 차단하는 상기 다수의 파장 간의 간격이 사기 제1 간격보다 큰 제2 간격이 되도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 광 신호를 통과 또는 차단하는 상기 다수의 파장 간의 간격이 상기 제 1 간격과 서로 다른 하나 혹은 복수 개의 간격을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편 다중 빗살 파장 필터부(130)에 광이 입사되기 전 파장 가변 필터부(120)에 의해 광의 파장이 시간에 따라 선택되고 있으므로 다중 빗살 파장 필터부(130)를 통과하는 광은 시간에 따라 그 파장이 불연속적으로 투과되게 된다.
도 2는 다중 빗살 파장 가변 광원부의 구성에 따른 특성을 나타낸 구성도이다.
도 2의 (a)는 파장 가변 광원을 사용하여 원거리에 있는 물체의 표면형상을 측정한 결과를 나타낸 모식도이다.
파장 가변 광원의 넓은 선폭으로 인해 측정 가능한 거리의 제한이 있다.
투과광파장 영역 스펙트럼의 반치폭을 선폭이라고 한다.
광원의 가간섭 거리는 광원의 위상의 일관성을 잃기 전까지 유지될 수 있는 광파의 공간적 길이이며, 광원의 가간섭 거리는 파장 영역의 선폭에 반비례하는 특징이 있다.
그리고 간섭계 내에서 진단부와 기준부와의 광경로차가 가간섭 거리 이내에 존재하면 진단부의 거리정보를 획득할 수 있다.
즉, 가간섭 거리가 길어질수록 진단부에서 측정 가능한 거리가 길어진다.
이때, 광원의 가간섭 거리는 아래의 수학식 1과 같다
Figure 112018089783132-pat00001
여기서,
Figure 112018089783132-pat00002
는 광원의 가간섭 거리,
Figure 112018089783132-pat00003
는 진공 중에서 빛의 속도,
Figure 112018089783132-pat00004
는 광원의 파장 영역의 선폭이다.
도 2의 (b)는 빗살 파장 가변 광원을 사용하여 원거리에 있는 물체의 표면형상을 측정한 결과를 나타낸 모식도이다.
빗살 파장 필터부가 추가됨으로써, 광원의 선폭이 줄어들게 되어 수학식 1에 따라 가간섭 거리가 증가하게 된다.
따라서 도 5(b)에서와 같이 진단부에서 측정 가능한 거리가 길어지게 된다.
하지만 빗살 파장 광원은 반복적으로 나타나는 빗살 파장으로 인해 측정되는 물체의 표면 역시 반복적으로 나타나며 도 5의 (b)에서와 같이 측정 가능한 범위를 넘어서는 물체의 경우 거리 모호성이 발생하며 이로 인해 특정 부분에서는 실제와는 다른 거리 정보를 얻게 된다.
도 2의 (c)는 다중 빗살 파장 광원을 사용하여 원거리에 있는 물체의 표면형상을 측정한 것을 나타낸 모식도이다.
빗살 파장 필터부가 추가됨으로써 도 2의 (b)에서와 같이 측정 가능한 거리가 길어지게 되며 서로 다른 주기의 빗살 파장을 복수 개를 사용함으로서 거리 모호성을 제거하고 절대거리 정보를 획득할 수 있다.
다중 빗살 파장 가변 광원(100)은 파장 가변필터부(110), 파장 가변필터부(120) 및 다중 빗살 파장 필터부(130)로 구성된다. 이때, 광증폭부(110)는 광 발생 및 광 세기의 증폭을 수행한다. 파장 가변필터부(120)는 발진 파장을 결정한다. 다중 빗살 파장 필터부(130)는 파장 가변 필터부(120)에서 결정된 파장에 따라 주기적으로 통과와 비-통과를 반복하는 파장 주기가 복수 개인 빗살 파장을 발생시킨다. 한편, 다중 빗살 파장 필터부(130)는 선형, 링, 서큘레이터를 포함하는 링 공진기(ring resonator)의 형태로 구성되어질 수 있다.
여기서, 파장 가변 필터부(120)는 패브리-페로 가변 필터, 음향 광학 가변 필터 등 발진 파장을 결정하는 파장 가변 필터 중 어느 하나가 사용될 수 있고 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 다중 빗살 파장 광원(100)은 광증폭부(110)에서 발진된 빛이 고속으로 파장 가변 필터부(120)에 의해 파장이 가변된다. 또한, 다중 빗살 파장 필터부(130)를 통과하였을 때, 빗살 파장 필터부(130)에서 매칭되지 못하는 스펙트럼들은 억제되고, 매칭되는 스펙트럼들은 증폭되어 선폭이 좁아져 광원의 위상의 결맞음을 잃기 전까지 유지될 수 있는 광파의 공간적 길이로 정의되는 가간섭 거리가 증가되는 것을 특징으로 한다. 한편, 다중 빗살 파장 필터부(130)는 패브리-페로 에탈론 필터, 사냑 루프 간섭계, 마흐젠더 간섭계, 마이켈슨 간섭계 등이 사용될 수 있다.
이에 따라, 다중 빗살 파장 필터부(130)는 입사되는 상기 광 신호의 광학특성에 따라 상기 다수의 파장 간의 간격이 서로 다른 주기를 갖도록 다수의 빗살 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 제1 다중 빗살 파장 필터일 수 있다.
또는, 다중 빗살 파장 필터부(130)는 굴절률 가변 소자를 포함하여 시간에 따라 상기 다수의 파장 간의 간격이 서로 다른 주기를 갖도록 다수의 빗살 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 제2 다중 빗살 파장 필터일 수 있다.
또는, 다중 빗살 파장 필터부(130)는 에탈론 사이의 간격을 가변하여 상기 다수의 파장 간의 간격이 서로 다른 주기를 갖도록 다수의 빗살 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 제3 다중 빗살 파장 필터일 수 있다.
따라서, 본 발명의 다중 빗살 파장 광원(100)은 제1 내지 제3 다중 빗살 파장 필터 중 어느 하나를 사용하여, 하나의 광원에서 상기 서로 다른 주기의 빗살 파장이 발진되는 것을 특징으로 한다.
도 3은 다중 빗살 파장 광원의 다중 빗살 파장 광원 구성에 따른 특성을 나타낸 구성도이다.
도 3의 (a)는 파장 가변 필터부에서 입사된 광을 나타낸 모식도이다.
도 3의 (b)는 다중 빗살 파장 필터부에 입사된 광의 광학특성에 따라 서로 다른 주기의 복수개의 빗살 파장을 생성하는 것을 나타낸 모식도이다.
도 3의 (c)는 다중 빗살 필터부를 통과한 투과광이 스펙트럼 상에서 서로 다른 주기의 복수개의 빗살 파장을 생성하는 것을 나타낸 모식도이다.
빗살 파장 필터를 투과한 광이 스펙트럼상에서 일정한 주기를 가지고 형성되어 있는 광을 빗살 파장이라고 불린다.
일반적으로 하나의 빗살파장 필터부를 통과하였을 때 스펙트럼 상에서 나타나는 투과광의 주기는 하나이다.
투과광의 주기는 빗살파장 필터의 두께, 굴절률, 입사광의 중심파장 등으로 인해 결정된다.
따라서 다중 빗살 파장 필터부에 입사되는 광의 광학특성에 따라 서로 다른 주기의 복수개의 빗살 파장 필터를 생성하는 것을 특징으로 하는 빗살 파장 필터를 통해 다중 빗살 파장 필터를 구성할 수 있다. 입사되는 광의 광학특성으로 편광, 파장, 위상, 시간, 입사각도 등이 사용될 수 있으며 광학특성에 따라 서로 다른 주기를 갖는 빗살 파장을 생성하는 방법으로 빗살 파장 필터를 복굴절 물질로 제작하는 방법, 원편광 방향에 따라 서로 다른 굴절률을 가진 물질로 빗살 파장 필터를 제작하는 방법 등이 있으며 다중 빗살파장 필터 구현에는 위 중 어느 하나가 사용될 수 있고 이로 제한되지 않는다.
도 4는 다중 빗살파장을 형성하기 위한 편광특성 및 이에 따른 서로 다른 빗살 파장이 생성되는 것을 나타낸 구성도이다.
도 4의 (a)는 광의 전기장의 성분이 지면과 이루는 각이 수직인 성분과 수평인 성분의 서로 다른 광이 다중 빗살 파장 필터에 입사되는 것을 나타낸 모식도이다.
도 4의 (b)는 다중 빗살파장 필터부의 투과광이 입사된 광의 편광특성에 따라 서로 다른 주기의 빗살 파장광을 형성한 것을 나타낸 모식도이다.
도 4의 (c)는 서로 다른 주기의 빗살 파장이 그 주기를 유지한 채 스펙트럼 상에서 겹쳐진 것을 나타낸 모식도이다.
도 5는 다중 빗살파장을 형성하기 위한 원편광특성 및 이에 따른 서로 다른 빗살 파장이 생성되는 것을 나타낸 구성도이다.
도 5의 (a)는 광의 자기장 벡터가 입사 지면과 평면에서 두 성분의 진폭이 정확히 같고 위상차가 90˚로 차이나 벡터합이 원형으로 계속 변화하는 광이 다중 빗살 파장 필터에 입사되는 것을 나타낸 모식도이다.
도 5의 (b)는 다중 빗살파장 필터부의 투과광이 입사된 광의 원편광 방향에 따라 서로 다른 주기의 빗살 파장광을 형성한 것을 나타낸 모식도이다.
도 5의 (c)는 서로 다른 주기의 빗살 파장이 그 주기를 유지한 채 스펙트럼 상에서 겹쳐진 것을 나타낸 모식도이다.
도 6은 다중 빗살파장을 형성하기 위해 시간에 따라 빗살 파장 필터의 특성을 변조하여 서로 다른 빗살 파장이 생성되는 것을 나타낸 구성도이다. 시간에 따라 빗살 파장 필터의 특성이 변화하는 다중 빗살 파장 필터부는 시간에 따라 굴절률의 크기를 변조할 수 있는 굴절률 가변 소자;와 빗살 파장을 생성하는 빗살 파장 필터;로 구성된다.
도 6의 (a)는 다중 빗살 파장 필터의 상세 구성도이다.
도 6의 (b)는 시간에 따라 가변 굴절 소자의 굴절률이 변화하는 것을 나타낸 모식도이다.
도 6의 (c)는 다중 빗살파장 필터부의 투과광이 굴절률의 변화에 따라 서로 다른 주기의 빗살 파장을 형성한 것을 나타낸 모식도이다.
굴절률의 크기를 변조할 수 있는 굴절률 가변 소자로는 liquid crystal 등이 사용될 수 있으며 이는 실시 예로 이로 인해 제한받지 않는다.
도 7은 다중 빗살파장을 형성하기 위해 시간에 따라 빗살 파장 필터의 특성을 변조하여 서로 다른 빗살 파장이 생성되는 것을 나타낸 구성도이다.
도 7의 (a)는 시간에 따라 다중 빗살 파장 필터의 두께 혹은 편광이 변화하는 다중 빗살 파장 필터를 나타낸 것이다.
도 7의 (b)는 시간에 따라 다중 빗살 파장 필터의 간섭 광의 comb 채널 간격이 변조되는 것을 나타낸 모식도이다.
도 7의 (c)는 다중 빗살파장 필터부의 투과광이 시간 따라 서로 다른 주기의 빗살 파장광을 형성한 것을 나타낸 모식도이다.
시간에 따라 간섭 광의 comb 채널 간격이 변조 할 수 있는 빗살 파장 필터로는 패브리-패로 에탈론 가변 필터 등이 사용될 수 있으며 이는 실시 예로 이로 인해 제한받지 않는다.
도 8은 빗살 파장 가변 광원 장치와 이를 이용한 원거리 표면형상 측정 장치를 도식화한 것이다. 도 8을 참조하면, 표면형상 측정 장치(200)는 다중 빗살 파장 가변 광원부(100) 이외에 간섭계부(210), 감지부(220) 및 처리부(230)를 더 포함한다. 여기서, 다중 빗살 파장 가변 광원부(100)는 전술한 바와 같이 파장에 따라 주기적으로 통과와 비-통과(차단)를 반복하는 다수의 파장의 광신호를 방출한다.
간섭계부(210)는 다중빗살 파장 광원부(100)로부터 전달된 광을 입사받아 다중 간섭무늬를 발생시킨다. 구체적으로, 간섭계부(210)는 다중 빗살 파장 광원부(100)에서 발생한 하나의 주기의 빗살 파장을 갖는 제1 신호를 통과시켜 거리 모호성을 포함한 제1 간섭무늬 데이터를 생성하다. 또한, 간섭계부(210)는 다중 빗살 파장 광원부(100)에서 발생한 서로 다른 주기의 빗살 파장을 갖는 제2 신호를 통과시켜 서로 다른 거리 모호성을 포함한 제2 간섭무늬 데이터를 생성하도록 구성된다.
감지부(220)는 간섭계부(210)로부터 전달된 간섭무늬를 감지하여 획득하도록 구성된다.
한편, 처리부(230)는 감지부(220)로부터의 신호를 검출하여 수집된 데이터를 처리 (영상화)하도록 구성된다. 구체적으로, 처리부(230)는 제1 간섭무늬 데이터와 상기 제2 간섭무늬 데이터를 비교하여 표적의 표면 형상을 측정하여 영상화하도록 구성된다. 이에 따라, 처리부(230)에서는 제1 간섭무늬 데이터와 제2 간섭무늬 데이터를 모두 이용함에 따라 표적의 표면 형상 측정 가능 범위가 확대될 수 있다.
구체적으로, 처리부(230)는 제1 간섭무늬 데이터와 제2 간섭무늬 데이터를 모두 이용하여 절대거리를 측정할 수 있다. 이와 관련하여, 처리부(230)는 다중 빗살 파장 광원부에서 발생한 하나의 주기의 빗살 파장을 갖는 제1 신호를 간섭계부(210)에 통과시켜 거리 모호성을 포함한 상기 제1 간섭무늬 데이터와, 상기 다중 빗살 파장 광원부(100)에서 발생한 서로 다른 주기의 빗살 파장을 갖는 제2 신호를 간섭계부(210)에 통과시켜 서로 다른 거리 모호성을 포함한 상기 제2 간섭무늬 데이터를 모두 이용함에 따라, 거리 모호성이 배제된 절대거리를 측정하여 상기 표적의 표면 형상 측정 가능 범위가 확대될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 간섭계부(210), 감지부(220) 및 처리부(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 빗살 파장 가변 광원을 이용하는 원거리 형상 측정을 위한 장치를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명은 다중 빗살 파장 가변 광원 장치에서 발생한 광원을 공간상에 점 혹은 선 혹은 면의 형태로 방출 및 스캔하여 각 지점에서 획득한 절대거리를 통해 원거리에서 물체의 절대거리 및 표적 표면 형상을 측정할 수 있다.
도 9는 도 1 및 도 8로 구성된 다중 빗살 파장 가변 광원 장치와 원거리 표면 형상 측정 장치를 이용하여 원거리 표면 형상을 측정하는 과정과 빗살 파장 필터부에서 발생하는 거리 모호성을 해결하는 것을 나타낸 모식도이다.
도 9의 (a)는 도 8의 감지부(220)에서 획득하는 광 간섭 신호를 도식화 한 것이다.
도 9의 (b)는 도 8의 감지부(220)에서 획득한 광 간섭 신호가 처리부(230)를 거쳐 발진된 광원으로부터 원거리로 떨어진 물체의 표면 형상이 측정되는 것을 도식화한 것이다.
다중 빗살 파장 필터부(130)에 의해 발생하는 거리 모호성으로 측정되는 물체의 거리가 일정 간격으로 반복적으로 나타난다.
도 9의 (c)는 서로 다른 빗살 파장에서 얻은 간섭신호, 위상정보를 비교하여 실제 측정하고자 하는 대상물의 위치를 획득하는 것을 나타낸 모식도이다.
한 주기의 빗살 파장과 원거리 표면 형상 측정 장치를 사용하여 원거리 표면 형상 간섭신호 혹은 위상정보를 획득한다. 측정된 정보는 빗살 파장의 주기에 따라 동일한 형상이 반복적으로 나타나는 거리 모호성을 포함한다.
그 후 다른 주기의 빗살 파장과 원거리 표면 형상 측정 장치를 사용하여 원거리 표면 형상 간섭신호 혹은 위상정보를 획득한다. 측정된 거리 정보는 거리 모호성을 포함하고 있다.
이 때, 반복적으로 측정되는 거리의 간격은 간섭 광의 comb 채널 간격에 의해 결정된다.
한편 다중 빗살 파장 가변 광원에서 서로 다른 빗살 파장은 물리적으로 서로 구분 가능한 성질로 다중화(multi-plexing) 되어있으므로 원거리 표면 형상 측정 장치를 통해 획득되는 간섭신호가 어떤 주기의 빗살 파장을 사용하였는지 구분이 가능하다.
다중 빗살 파장 가변 광원은 서로 다른 주기의 빗살 파장으로 구성되어 있으므로 각 빗살 파장이 측정하는 물체 표면과 광원사이의 거리의 간격은 다르게 나타난다. 따라서 두 빗살 파장을 사용하였을 때 반복적으로 측정되는 거리는 다음의 식 2와 같다.
Figure 112018089783132-pat00005
여기에서
Figure 112018089783132-pat00006
과
Figure 112018089783132-pat00007
는 서로 다른 주기의 comb 채널 간격이다.
이상과 같이 서로 다른 주기의 빗살 파장 광의 간섭신호 혹은 위상정보를 비교, 대조함으로서 원거리 표면형상의 측정 가능 범위를 늘릴 수 있다.
실시 예에서는 서로 다른 주기의 두 가지의 빗살 파장으로 측정 가능한 범위가 늘어나는 것을 보였으나 사용되는 빗살 파장의 개수는 이로 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 처리부는 다중 빗살 파장 광원부에서 발생한 하나의 주기의 빗살 파장이 간섭계부를 통과하여 거리 모호성을 포함한 간섭무늬 데이터를 생성한다.
한편, 다중 빗살 파장 광원부에서 발생한 다른 주기의 빗살 파장이 간섭계부를 통과하여 서로 다른 거리 모호성을 포함한 간섭무늬 데이터를 생성하여 수학식 1에 따라 증가되는 최대 측정 범위 내의 간섭 정보를 빛의 세기와 위상을 통해 획득하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 다중 빗살 파장가변 광원 및 이를 이용한 원거리 형상 측정기기는 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 여러 주기의 빗살 파장을 하나의 광원에서 발생시키며 각 각의 빗살 파장을 구분하여 발진시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 가변되는 파장의 선폭을 빗살 파장 필터를 통해 줄여 광학적 형상 측정시스템의 측정 가능 범위를 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 서로 다른 주기의 빗살 파장 광의 간섭신호 혹은 위상정보를 비교, 대조함으로서 빗살 파장 필터에서 발생하는 거리 모호성을 해결할 수 있으며, 이를 통해 절대 거리를 측정할 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능뿐만 아니라 각각의 구성 요소들에 대한 설계 및 파라미터 최적화는 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.

Claims (8)

  1. 다중 빗살 파장 가변 광원 장치에 있어서,
    광 신호의 세기를 증폭하도록 구성된 광 증폭부;
    상기 광 신호의 발진 파장을 선택하도록 구성된 파장 가변 필터부;
    상기 파장 가변 필터부에서 선택된 다수의 파장에 따라 상기 광 신호를 통과 또는 차단하도록 구성된 다중 빗살 파장 필터부를 포함하고,
    상기 선택된 다수의 파장에 해당하는 신호를 시간에 따라 비연속적으로 방출하고,
    제1 간섭무늬 데이터와 제2 간섭무늬 데이터를 모두 이용하여 절대거리를 측정하는 처리부를 더 포함하고,
    상기 처리부는 다중 빗살 파장 광원부에서 발생한 하나의 주기의 빗살 파장을 갖는 제1 신호를 간섭계부에 통과시켜 거리 모호성을 포함한 상기 제1 간섭무늬 데이터와, 상기 다중 빗살 파장 광원부에서 발생한 서로 다른 주기의 빗살 파장을 갖는 제2 신호를 상기 간섭계부에 통과시켜 서로 다른 거리 모호성을 포함한 상기 제2 간섭무늬 데이터를 모두 이용함에 따라, 거리 모호성이 배제된 절대거리를 측정하여 표적의 표면 형상 측정 가능 범위가 확대되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는, 다중 빗살 파장 가변 광원 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 다중 빗살 파장 필터부는,
    입사되는 광 신호의 광학특성에 따라 다수의 파장 간의 간격이 서로 다른 주기를 갖도록 다수의 빗살 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 제1 다중 빗살 파장 필터인 것을 특징으로 하는, 다중 빗살 파장 가변 광원 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 다중 빗살 파장 필터부는,
    굴절률 가변 소자를 포함하여 시간에 따라 다수의 파장 간의 간격이 서로 다른 주기를 갖도록 다수의 빗살 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 제2 다중 빗살 파장 필터인 것을 특징으로 하는, 다중 빗살 파장 가변 광원 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    에탈론 사이의 간격을 가변하여 다수의 파장 간의 간격이 서로 다른 주기를 갖도록 다수의 빗살 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 제3 다중 빗살 파장 필터인 것을 특징으로 하는, 다중 빗살 파장 가변 광원 장치.
  6. 제3 항 내지 제5 항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 다중 빗살 파장 필터 중 어느 하나를 사용하여, 하나의 광원에서 상기 서로 다른 주기의 빗살 파장이 발진되는 것을 특징으로 하는, 다중 빗살 파장 가변 광원 장치.
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 다중 빗살 파장 가변 광원 장치에서 발생한 광원을 공간상에 점 혹은 선 혹은 면의 형태로 방출 및 스캔하여 각 지점에서 획득한 절대거리를 통해 원거리에서 물체의 절대거리 및 표적 표면 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는, 다중 빗살 파장 가변 광원 장치.
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