KR102121345B1 - 간섭 분광법에 의한 캐비티 측정법 - Google Patents

간섭 분광법에 의한 캐비티 측정법 Download PDF

Info

Publication number
KR102121345B1
KR102121345B1 KR1020187027164A KR20187027164A KR102121345B1 KR 102121345 B1 KR102121345 B1 KR 102121345B1 KR 1020187027164 A KR1020187027164 A KR 1020187027164A KR 20187027164 A KR20187027164 A KR 20187027164A KR 102121345 B1 KR102121345 B1 KR 102121345B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
frequency
light source
coherent light
cavity
interference
Prior art date
Application number
KR1020187027164A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180119607A (ko
Inventor
뵨 하브리치
Original Assignee
뵨 하브리치
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 뵨 하브리치 filed Critical 뵨 하브리치
Publication of KR20180119607A publication Critical patent/KR20180119607A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102121345B1 publication Critical patent/KR102121345B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02002—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies
    • G01B9/02004—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies using frequency scans
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/02056—Passive reduction of errors
    • G01B9/02057—Passive reduction of errors by using common path configuration, i.e. reference and object path almost entirely overlapping
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/0207—Error reduction by correction of the measurement signal based on independently determined error sources, e.g. using a reference interferometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02083—Interferometers characterised by particular signal processing and presentation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/34—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/60—Reference interferometer, i.e. additional interferometer not interacting with object

Abstract

캐비티의 기하학적 및/또는 광학적 파라미터의 간섭 결정을 위한 방법은, 주파수 범위(Δf)에서 코히어런트 광원(10)의 주파수(f)를 튜닝하는 단계, 상기 코히어런트 광원(10)으로부터의 타겟 광선 및 참조 광선을 얻는 단계 - 상기 타겟 광선은 상기 캐비티를 적어도 한 번 통과(passes)함 -, 상기 참조 광선을 상기 타겟 광선에 중첩함으로써, 상기 광원의 주파수(f)에 따른 간섭 신호(I(f))를 생성하는 단계, 상기 코히어런트 광원의 주파수(f)의 주파수 범위(Δf)에서 상기 간섭 신호(I(f))의 간섭 스펙트럼을 획득(capturing)하는 단계, 생성된 수학적 함수에 대한 측정 지점의 수치적 피트를 통해, 상기 주파수 범위(Δf)에서 상기 획득된 간섭 스펙트럼의 다수의 측정 지점들을 분석(evaluating)하는 단계, 및 상기 생성된 수학적 함수의 파라미터를 결정함(determining)으로써, 상기 캐비티(40, 45)의 상기 기하학적 및/또는 광학적 파라미터를 결정하는 단계를 포함(comprises)한다.

Description

간섭 분광법에 의한 캐비티 측정법
본 발명은 캐비티(cavity)의 다양한 광학적 파라미터들과 기계적 파라미터들(optical and mechanical parameters)의 간섭 측정(interferometric measurement)을 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 특히 캐비티의 길이(length)에 관한 것이다.
모든 간섭계(interferometer)는 내부 참조 광선(internal reference beam)을 타겟으로부터 반사된 코히어런트 광의 광선(coherent light beam)에 중첩(superimposing)하고, 그 결과인 간섭 신호(interference signal)를 분석하는 원리를 따른다.
간섭 신호는, 캐비티의 어떤 파라미터가 변하는지에 따라, 다양한 방식으로 변한다. (캐비티의) 간섭계의 길이 변화의 경우이거나 코히어런트 광원의 파장 변화로 인해, 주기적인(사인 또는 코사인 형태인) 간섭 신호의 위상의 스윕 스루(sweep-through)가 존재한다. 이러한 위상 변화의 속도는 캐비티의 길이 변화의 속도에 비례하거나, 캐비티의 현재 길이를 곱한 광원의 파장 변화의 속도에 비례한다. 예를 들어, 캐비티의 다른 광학적 파라미터에 대한 변화의 경우, 콘트라스트(contrast) 또는 간섭 신호의 진폭이 변한다.
특허 출원(EP 2 363 685 A1)에서 간섭 위치 획득(interferometric position acquisition)을 위한 장치 및 방법이 공지되어 있으며, 상기 간섭 위치 획득을 위한 장치 및 방법은 파브리페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)를 제공한다. 파브리페로 간섭계의 미러로부터 반사된 광의 세기를 측정하는 것에 의해, 미러 분해(mirror separation)를 확인할 수 있고, 및/또는 미러 분해에서 변화를 확인할 수 있다. 측정 광의 파장(λ)이 공지되기 때문에, 반사된 광의 세기의 측정으로부터 파브리페로 간섭계의 공진기의 길이에서 변화를 결정할 수 있다.
EP 2 363 685 A1에서 기술된 것과 같은 거리 측정 방법은, 알려진 일정한 파장을 유지하도록 하여, 캐비티의 길이 변화에 대한 사인 곡선적 간섭 패턴(sinusoidal interference pattern)에서 변화로부터 명확한 추정(inference)이 가능하게 하고, 이에 따라 객체의 거리에서 변화가 가능하게 한다(EP 2 363 685 A1에서 도 1 및 도 2 참조).
이때, 파장을 보정(calibrate)하고 일정하게 유지하기 위한 자원에 대해 투자가 많이 필요하다는 문제가 있다. 또한, 사인(sinus)의 극점(extreme points) 근처에서 문제가 발생하는데, 왜냐하면 객체의 이동에 대한 신호의 의존성이 약하기 때문이다. 상기 극점 자체에서는 두 번째 순서일 뿐이고, 이에 따라 신호가 불명확하다. 또한, 이러한 방식으로 캐비티의 길이에서의 변화와 다른 광학적 파라미터(예를 들어, 반사율(reflectivity) 및/또는 굴절률(index of refraction))에서의 변화 간 구별이 될 수 없다.
이러한 문제의 일부를 해결하기 위해, 두 가지 가능성이 기술 분야에서 제시되고 실현되었다.
Figure 112018093324004-pct00001
상이한 파장을 갖는 다양한 광원들(바람직하게는 레이저)이 동시에 사용될 경우, 극점의 문제는 매우 드물게 모든 광원에서 동시에 발생한다. 따라서, 측정을 위해 번갈아 사용할 수 있다. 그러나, 다양한 레이저는 투자를 상당히 증가시키는 동시에 이에 따른 비용을 증가시키는 것을 의미한다.
Figure 112018093324004-pct00002
타겟의 작은 움직임에 사실상 대응하는, 작은 진폭에서 튜닝 가능한 레이저의 파장의 고주파 변조(high-frequency modulation)를 통해, 간섭 신호에 추가로 위치에 의해 근사한 1차 도함수(first derivative)가 측정된다. 이는 감지에서 직접적인 신호에 대해 보완적이므로, 위치에 대한 가장 강한 의존성은 상기 직접적인 신호가 민감하지 않은 경우에 정확히 존재하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이와 함께, 항상 분석 가능한 신호가 주어진다. 그러나 "미분(derivation)"은 차(difference)를 형성하는 것에 기반하기 때문에, 간섭 신호의 노이즈를 상당히 증폭시킨다.
이러한 가능성의 단점은 자원에서의 투자를 증가시키고, 및/또는 부정확한 추가 측정을 하는 추가 정보를 이용한다는 것이다. 또한, 이러한 방법에서 직접적으로 간섭 신호 내 변화로부터 캐비티의 길이 내 변화까지 추정하는 것은 가능하지 않거나 상당히 어려울 뿐이다. 광학적 조건은 또한 항상 변할 수 있고, 이는 길이 측정에서 에러가 발생할 수 있다. 또 다른 문제는 고정된 객체(still-standing object)와 고정으로 조정된 파장(fixedly adjusted wavelength)의 경우, 간섭 신호가 또한 거의 변하지 않고, 따라서 교란(disturbances)에 대해 매우 높은 민감도(sensitivity)가 존재한다는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 기술 분야로부터 알려진 문제점을 해결하고, 비교적 적은 자원 내 투자로 구현되고, 특히 최대로 가능한 측정 정확도를 이루는, 간섭 거리 측정을 위한 방법 및 장치를 창출하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 캐비티(cavity)의 기하학적 및/또는 광학적 파라미터(geometric and/or optical parameters)의 간섭 결정(interferometric determination)을 위한 방법을 통해 해결되고, 상기 방법은, 주파수 범위(frequency range)(Δf)에서 코히어런트 광원(coherent light source)의 주파수(f)를 튜닝(tuning)하는 단계, 상기 코히어런트 광원으로부터의 타겟 광선(target beam) 및 참조 광선(reference beam)을 얻는(derive) 단계 - 상기 타겟 광선은 상기 캐비티를 적어도 한 번 통과(traverse)함 -, 상기 참조 광선을 상기 타겟 광선에 중첩함(superimposing)으로써, 상기 광원의 주파수(f)에 따른 간섭 신호(interference signal)(I(f))를 생성하는 단계, 상기 코히어런트 광원의 주파수(f)의 주파수 범위(Δf)에서 상기 간섭 신호(I(f))의 간섭 스펙트럼(interference spectrum)을 획득하는 단계, 생성된 수학적 함수(mathematical function)에 대한 측정 지점들의 수치적 피트(numerical fit)를 통해, 상기 주파수 범위(Δf)에서 상기 획득된 간섭 스펙트럼의 다수의 측정 지점들(measurement points)을 분석하는 단계, 및 상기 생성된 수학적 함수의 파라미터를 확인함(ascertaining)으로써, 상기 캐비티(40, 45)의 상기 기하학적 및/또는 광학적 파라미터를 결정하는 단계를 포함(exhibiting)한다.
또한, 본 발명은 캐비티의 기하학적 및/또는 광학적 파라미터의 간섭 결정을 위한 장치를 제안하고, 상기 장치는, 튜닝 가능한 코히어런트 광원(tuneable coherent light source), 상기 코히어런트 광원에 의해 방출되는 광을 타겟 광선 및 참조 광선으로 분할(split)하기 위한 광선 스플리터(beam splitter), 타겟 광선을 타겟 간섭계로 연결(couple)하기 위한 제1 광 커플러(first optical coupler) - 상기 타겟 간섭계는 상기 광 커플러 및 객체에 의해 경계를 이룸 -, 상기 타겟 광선에 대한 상기 참조 광선을 중첩(superimposing)하는 것에 의해 간섭 신호(I(f))의 주파수 분해 검출(frequency-resolved detection)을 하고, 상기 코히어런트 광원의 주파수(f)의 주파수 범위(Δf)에서 상기 간섭 신호(I(f))의 간섭 스펙트럼(interference spectrum)을 획득하기 위한 검출기(detector), 및 생성된 수학적 함수(mathematical function)에 대한 측정 지점들의 수치적 피트(numerical fit)를 통해, 상기 주파수 범위(Δf)에서 상기 획득된 간섭 스펙트럼의 다수의 측정 지점들(measurement points)을 분석하고, 상기 생성된 수학적 함수의 파라미터를 확인함(ascertaining)으로써, 상기 캐비티(40, 45)의 상기 기하학적 및/또는 광학적 파라미터를 결정하기 위한 분석부(analysing unit)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 간섭 스펙트럼(I(f))은 최대로 가능한 속도, 정확도 및 폭으로 저장되고, 즉, 상기 광원의 주파수 의존적인 간섭 신호(frequency-dependent interference signal)의 비국부적 이미지(non-local image)는 분석되고, 상기 캐비티의 기계적 및/또는 기하학적 및 광학적 파라미터에 대하여 수학적 분석을 통해 추정이 이루어진다.
여기서 측정 값을 분석하기 위해 객체의 이동은 필요가 없다. 순수 거리 측정(상기 캐비티의 길이 및/또는 길이에서 변화)에 대해, 기록된 간섭 스펙트럼은 주기성과 관련하여 분석된다. 그러나 간섭계의 광학 파라미터를 관찰하기 위해 이용할 수 있는, 정보가 상당히 더 포함된다. 예를 들어, 레이저의 파워 및/또는 참조 광선의 반사율(reflectivity)을 재조정하기 위해, 상기 진폭으로부터 가변 가능한 반사율(possibly variable reflectivity)이 추정될 수 있다. 또 다른 예는, 통과(sweep)된 다른 부분으로부터 측정된 거리의 비교의 도움으로, 또는 다른 파라미터(예를 들어, 그것의 길이)의 각각이 일정한(constant) 참조 캐비티로부터 간섭 스펙트럼과의 비교로, 상기 캐비티에서 매체(medium)의 분산(dispersion)(충분히 클 경우)의 측정이다.
간섭 신호(I(f))의 분석은 사인 함수(sine function)에 대한 수치적 피트를 통해 이루어질 수 있고, 이에 의하여 상기 간섭 신호(I(f))의 진폭(amplitude) 및 위상(phase)이 결정된다. 이용할 수 있는 측정된 값이 더 많을 수록, 수치적 피트가 간섭 신호의 이론적인 곡선 모양에 더 정확하게 매치(match)될 수 있고, 얻은(sought) 파라미터가 더 정확하게 추출(extracted)될 수 있다. 이러한 방식으로, 주파수의 함수로서 신호의 왜곡(distortions)이 검사(investigated)될 수 있고, 코히어런트 광원의 파장의 함수인 광학적 파라미터를 추출하는 것도 가능하다.
분석된 주파수 범위(Δf)는 다양한 측정을 위해 조정(adjusted)될 수 있다. 캐비티의 길이를 결정하기 위한 진폭 및 위상의 분석에 대해, 간섭 신호(I(f))의 적어도 180º, 특히 약 360º의 위상이 바람직하게 여기서 사용되어, 가능한 왜곡이 수치적 피트의 질(quality)을 저하(worsen)시키지 않도록 하게 한다. 오히려, 상기 측정은 파장 의존 측정량(wavelength-dependent measurands)을 포함할 경우, 상기 분석된 주파수 범위는 가능한 한 크게(large) 선택되도록 하여, 이러한 왜곡은 파장의 함수(function of the wavelength)로서 더 잘 분석될 수 있다.
수치적 피트에 대해 많은 수학적 방법이 제공되고, 예를 들어 최소 제곱법(least squares), 르벤버그마쿼트 알고리즘(Levenberg-Marquardt algorithm) 또는 합성 참조를 가진 록인 방법(lock-in method with synthetic reference)와 같은 표준 방법들(standard methods)이 제공된다.
상기 제시된 방법은 다양한 거리 측정에 대해 다양하게 적용하기에 적합하다. 특히 상기 적용의 경우, 결정될 상기 길이(x)가, 광 커플러(optical coupler) 및 이동 객체(moving object)에 의해 경계를 이루는(bounded), 타겟 간섭계(target interferometer)의 길이에 의해 형성(form)되는 것과 관련된다.
본 발명에 대한 방법은, 흡수재(absorption material)의 특정 흡수선(absorption line)의 알려진 주파수(fR)를 이용함으로써, 상기 광원의 상기 주파수(f)를 높은 정확도(high accuracy)로 보정(calibrating)하는 단계에 의해 보완될 수 있다.
이러한 주파수 보정은 특히 상기 흡수재의 상기 흡수선의 상기 주파수(fR)에 대한 수치적 피트(numerical fit)를 통하여 이루어질 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 상기 코히어런트 광원의 주파수(f)는, 알려진 길이의 참조 간섭계(reference interferometer)(60)를 이용함으로써 보정(calibrate)하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 코히어런트 광원(coherent light source)의 주파수(f)는, 순환적(cyclically)으로 튜닝된다. 각 사이클(cycle)에서 레이저의 주파수는 시작 값부터 타겟 값까지 균일하게 튜닝된다(주파수 스윕(frequency sweep)). 이러한 주파수 튜닝은, 바람직하게는 선형적으로(linearly) 이루어질 수 있고, 예를 들어 주파수와 룩업 테이블(lookup table)에 저장된 직접적으로 영향을 미치는 전자적으로 제어되는 조작 변수(directly influenceable electronic controlled variable) 간 관계를 가지는 것에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 룩업 테이블은 또한 측정 동안 동적으로 재보정(recalibrated)될 수 있다. 관찰된(observed) 범위에 대한 측정 지점의 균일한 분포(distribution)는 분석의 정확도, 특히 상기 피트의 질 및 결과적인 피트 파라미터(resulting fit parameters)의 질을 향상(increases)시킨다.
본 발명에 따른 방법은 상기 간섭 신호(I(f))의 통과된 주기(traversed period)를 카운팅(counting out)함으로써 상기 길이(x)를 비정밀 측정(rough measurement)하는 단계의 방법에 의해 부가적으로 보완될 수 있다. 상기 비정밀 측정은 휴리스틱 방식(heuristic method)으로 충분(suffices)하고, 이는 주파수 스윕(frequency sweep) 동안 양방향으로 통과된 주기(traversed periods)에 따라 명확하게(unambiguously) 카운트(count)해야 할 뿐이기 때문이다.
상기 코히어런트 광원의 주파수(f)를 튜닝하는 단계는, 온도 제어(temperature control)에 의하여 온도적(thermally)으로, 제어 전류(control current)를 조정함(regulation)을 통해 전기적으로, 상기 광원의 상기 캐비티의 길이를 변경함(changing)으로써 기계적으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 상기 코히어런트 광원의 통과된 주파수 범위(Δf)가 상기 이동 객체의 속도의 함수 및 거리의 함수(function of the speed and of the distance)에 따라 선택되는 것을 부가적으로 허용한다.
레이저 다이오드(laser diode), 특히 DFB 레이저 다이오드(DFB laser diode)는 튜닝 가능한 코히어런트 광원(10)으로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서, 상기 타겟 간섭계는 예를 들어 파브리페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer) 또는 마이컬슨 간섭계(Michelson interferometer)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 장치는 측정 사이클(measurement cycle)의 과정(course) 동안 상기 참조 광선의 세기(intensity)의 진폭(amplitude)을 결정하기 위한 검출기(detector)(32)를 포함할 수 있다.
튜닝 가능한 광원에 의해 방출되는 광의 세기가 측정 사이클의 과정(course of a measurement cycle) 동안 변동(fluctuate)할 수 있기 때문에, 분석은 더욱 어렵게 된다. 이와 관련하여, 간섭 신호를 동시에 측정된(simultaneously measured) 참조 광선의 세기로 나누고(divide), 이에 따라 정규화(normalise)하는 것이 바람직하다.
도면을 참조하여 본 발명은 실시 예에 의해 아래에서 보다 상세하게 기술된다. 도면은 다음과 같이 도시된다.
도 1은 캐비티의 기하학적 및 광학적 특성의 간섭 결정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제1 실시 예의 개략도이고,
도 2는 캐비티의 기하학적 및 광학적 특성의 간섭 결정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제2 실시 예의 개략도이고,
도 3은 캐비티의 기하학적 및 광학적 특성의 간섭 결정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제3 실시 예의 개략도이고,
도 4는 캐비티의 기하학적 및 광학적 특성의 간섭 결정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제4 실시 예의 개략도이고,
도 5는 캐비티의 기계적 및 광학적 특성의 간섭 결정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제5 실시 예의 개략도이고,
도 6은 본 발명에 따른 방법의 실시 예에 따른 검출기에서 획득된 간섭 신호의 간섭 스펙트럼의 개략도이고, 및
도 7은 본 발명에 따른 방법의 실시 예에 따른 흡수 매체(absorption medium)로 채워진(filled) 가스 셀(gas cell)에서 광원에 의해 방사되는(radiated) 광의 광선(light beam)의 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)의 개략도이다.
도 1은 캐비티의 기계적/기하학적 및 광학적 특성의 간섭 결정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제1 실시 예의 개략도를 도시한다. 여기서, 다음의 도면과 같이, 장치의 구성의 기본 원리가 도시된다. 보정(calibration)을 위한 기기, 전력 공급, 온도 제어 등은 도시되지 않았으며, 조리개(apertures), 시준기(collimators) 등과 같은 광학 보조 기기(optical ancillary appliances)도 도시되지 않았다. 더 나은 이해를 위해, 방출 광선과 입사 광선(emitted and incident beams)이 나란히(next to each other) 도면에 도시된다. 하지만, 사실, 이러한 광선들은 일반적으로 기하학적으로 분리(separated geometrically)되어 있지 않는다.
바람직하게는 가시 광선 또는 적외선을 방사(radiates)하는, 튜닝 가능한 레이저(예를 들어, DFB 레이저 다이오드)가 도시된 실시 예에서 광선 생성을 위한 코히어런트 광원(10)으로서 제공(serves)된다. 변조부(modulation unit)(12)가 주파수 튜닝을 위해 구상된다. 여기서, 튜닝은 예를 들어, 온도 제어에 의하여 온도적으로, 제어 전류를 조정함으로서 전기적으로, 레이저 다이오드(laser diode)에서 캐비티(40, 45)의 크기(size)를 변경(changing)함으로써 기계적으로, 이루어질 수 있고, 사인 곡선적 간섭 신호(sinusoidal interference signal)의 위상(phase)이 실제 움직임(genuine movement)과 유사하게 변화하는 결과를 가져올 수 있다. 주파수 안정화(frequency stabilisation)를 위해 바람직하게는, 광원(10)은 제어된 환경 조건(controlled ambient conditions), 특히 조정된 온도(regulated temperature)를 가지는, 셀(미도시)에 위치된다.
반투명 미러(semi-transparent mirror)(26)에 의해, 코히어런트 광원 (10)으로부터 방출된 광선은 검출기(30)에 직접 입사하는 내부 반사 부분(internally reflected fraction)과, 측정될 길이(x)의 2 배를 통과(traverses)하는 투과 부분(transmitted fraction)인, 광 커플러(45)와 반사 이동 가능한 객체(40) 사이의 파브리페로 형 간섭계(Fabry-Perot type interferometer) 형태(form)인 캐비티로 분할(split)된다. 이 2 개의 부분 광선들(two part-beams)은 광 커플러(optical coupler)(45)에서 중첩되고 검출기(detector)(30)에서 간섭 신호를 생성한다. 간섭을 생성하는 방식은 발명에 따른 기능에 대해 중요하지 않고, 마이컬슨과 같은 다른 유형의 간섭계도 적합할 수 있다.
변조부(12)는 광원(10)의 파장 사이클(wavelength cycle)을 제어하고 동시에 그 신호를 평가부(analysing unit)(20)로 전송(passes)하고, 상기 평가부(20)는 이에 따른 결과와 검출기(30)로부터 수신된 간섭 신호에 따른 결과를 계산한다. 신호 분석은 아래에서 더 자세히 설명된다.
도 2는 캐비티의 기계적/기하학적 및 광학적 특성의 간섭 결정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제2 실시 예에 대한 개략도이다. 도 1에 도시된 실시 예와 비교하여, 이는 부분 광선이, 참조 세기(reference intensity)를 결정하는, 검출기(32)로 나뉘는(branched off) 반투명 미러(22)을 추가적으로 제공하여, 측정 사이클의 과정 동안 광원의 가능한 세기 변화를 획득하고 분석하도록 한다. 또 다른 반투명 미러(24)는 부분 광선을 가스 셀(50)로 향하게 하고, 바람직하게는 상기 가스 셀(50)은 예리한 흡수선(sharp absorption line)으로 기체 흡수 재료(gaseous absorption material)가 채워진다. 흡수는 검출기(34)에 의해 획득되고 고정밀도(high accuracy)로 광원(10)의 주파수의 보정을 허용한다.
도 3은 캐비티의 기계적/기하학적 및 광학적 특성의 간섭 결정을 위한 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시 예의 개략도를 도시한다. 도 2의 실시 예로 구상된 가스 셀(50)은 정확하게 알려진 길이(R) 및 관련 검출기(36) 및 반투명 미러(28)를 갖는 참조 간섭계(60)로 대체된다. 검출기(36)에서 획득된 신호는 광 주파수(light frequency)에 걸친(over) 주파수 스윕(frequency sweep)의 선형성(linearity)을 보장하고, 및/또는 재구성하기 위해 사용될 수 있다.
도 4는 캐비티의 기계적/기하학적 및 광학적 특성의 간섭 결정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제4 실시 예의 개략도를 도시하며, 도 2와 관련하여 설명된 바와 같은 가스 셀(50)과 도 3에 따른 참조 간섭계(60)가 모두 구상된다.
도 5는 캐비티의 기계적/기하학적 및 광학적 특성의 간섭 결정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제5 실시 예의 개략도를 도시하고, 제2 레이저(70)에 의해 방사된 광의 광선을 분리(decoupling)하기 위한 반투명 미러(29)와 연관된 제2 레이저(70)에 더하여(plus) 간섭 신호의 획득을 위한 또 다른 검출기(37)가 구상된다. 단일 레이저가 충분히 광범위하게 또는 충분히 빠르게 튜닝될 수 없는 경우, 제2 레이저 (70)를 통해 광범위 간섭 스펙트럼(wide interference spectrum)이 포함(covered)될 수 있다. 가능한 최대 범위(the greatest possible range)의 주파수, 말하자면, 가능한 가장 광범위한 간섭 스펙트럼(the widest possible interference spectrum)을 포함하기 위해, 다양한 레이저가 이용될 수도 있다. 특히, 종종 매우 작은 분산(small dispersion)(f의 굴절률에 의존)의 측정에서 다양한 레이저를 사용하는 것에 의해 파장의 넓은 범위를 포함할 수 있고 동시에 스펙트럼에서 갭(gaps)을 감수(put up with)할 수도 있다. 이를 위해, 다른 레이저들(different lasers)을 교대로(alternately) 구동(drive)하고, 이에 따라 분석 동안 신호의 분리(separation)를 수행하지 않아도 된다. 하지만, 또한 병렬로(in parallel) 다양한 레이저들로 기록하고, 상이한 관심 작업 지점(different interesting working points)에서 서로 다양한 간섭 스펙트럼(several interference spectra)과 상호 관계를 갖고(correlate), 상기 레이저들은 상이한 주파수에서 변조될 수 있거나 파장을 충분히 다르게 하여, 분석동안 다시 분리될 수 있다.
다음으로, 평가부(20)에서 수행되는 판독(readings)의 기록(recording)과 판독의 후속 처리(recording)가 상세히 설명된다.
각각의 사이클에서, 레이저의 파장은 시작 값으로부터 타겟 값까지(from a start- to a target-value)(파장 스윕(wavelength sweep)) 균일하게 변경되고, 도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이, 관련된 간섭 신호 세기(I)는 주파수(f)의 함수로서 획득된다. 이것은 실질적인 이유로 일반적으로 교대로 일어난다. 시작 값과 종료 값(start and end values)을 정확히 아는 것은 중요하지 않다. 가스 셀(50)(도 2 및 도 4 참조)이 참조로서 사용되는 경우, 그 흡수선 중 하나는 가끔 보정 목적을 위해 가로질러 스캔(scanned across)되어야한다. 일반적으로 레이저 파장을 개별적으로(in isolation) 조정(adjust)하는 것은 가능하지 않을 것이다. 예를 들어 DFB 레이저에서, 이는 또한 항상 세기에서의 변화와 연관된다. 이는 검출기(32)(도 2-4 참조)에서, 참조 세기를 획득함에 의해 분석에서 고려될 수 있다. 통과(sweep) 동안, 생성된 신호들은 다수의 개별 측정들로 기록된다. 전자 장치(electronics)에 의해, 그것들은 통과(sweep)와 상호 관련되고, 분석부(analysing unit)(20)에서 분석을 위해 이용 가능하게 된다.
분석을 위해, 판독은 레이저의 광 주파수(f = c/λ)와 상호 관련되어야 한다. 따라서, f 및 λ 사이의 관계는 비선형(non-linear)이고, λ는 직접 영향을 줄 수 있는(directly influenceable) 전자 제어 변수(electronic controlled variable)(S)(일반적으로 D/A 변환기(converter)의 입력 값(input value))에 대한 레이저 및 전자 장치의 특성 곡선(characteristic curves)에 의존(depends via)한다. 따라서, 수정이 없는 통과(sweep)는 f에서 불균일한 변화(non-uniform change)를 야기시킬 수 있다. 이 문제를 해결하기 위한 여러가지 가능성들이 있다.
Figure 112018093324004-pct00003
통과(sweep) 자체가 선형화(linearised)된다. 이를 위해 룩업 테이블이 저장되고, 제어 변수(controlled variable)(S)를 변경할 때 일련의 단계에 영향을 준다.
Figure 112018093324004-pct00004
판독의 기록은 이러한 방식으로 S에 결합되어 판독은 균일한 f 단계들(f-steps)로 기록된다.
Figure 112018093324004-pct00005
f에 걸친 판독의 불균일한 간격(interval)은 분석 동안 보정된다.
모든 방법은 의존성(f(S))이 확인되고, 이로부터 적합한 룩업 테이블이 매번 계산되는 것을 필요로 한다. 이를 위해, 알려지고 고정된 길이(R)(도 3 및 도 4 참조)의 참조 캐비티(60)가 사용되고, 이를 통해 통과(sweep)가 수행된다. 이 보정이 기기의 제조(production of the instrument) 동안 한번, 순환적으로(cyclically) 더 큰 간격(greater intervals)으로 또는 각 측정에서 수행되는지 여부는 이용되는 레이저(10)의 안정성(stability)에 의존한다.
도 1-4에 도시 된 바와 같이, 직접 반사된 파동(directly reflected wave) 및 캐비티(40, 45)로부터 돌아오는(returning) 파동은 광 커플러(45) 바로 앞에서 간섭(interfere)한다. 따라서, 검출기(30)에서의 신호는 다음과 같은 형태를 가진다.
I = A + B cos Φ
계수(coefficients) A, B는 파장에 매우 약하게 의존하지만, 레이저의 세기에 비례한다. A 및 B 자체는 관심 대상이 아님(not of interest)에도 불구하고, 상기 세기는 측정 사이클에 걸쳐 반드시 일정하지 않기 때문에, 분석을 더 어렵게(harder) 만든다. 상기 문제는 간섭 신호를 검출기(32)(도 2 내지 도 4 참조)에서 동시에 측정된 세기로 나눔(dividing)으로써 해결된다. 따라서, A와 B는 사이클 동안 일정하게 간주될 수 있다. 파장의 함수(function of the wavelength)로서 2 개의 광의 광선들(two light beams) 사이의 절대 위상차(absolute phase difference)(Φ)는 다음과 같다.
Figure 112018093324004-pct00006
이때,
Φ는 2 개의 광의 광선들의 절대 위상차이고,
x는 캐비티(모두 반사(with all reflections)) 내에서의 광의 경로 길이(Path length)이고,
λ는 광의 파장이고,
f는 광의 주파수이고, 및
c는 광의 속도이다.
상수(constant) x를 가지는, 이 함수는 주기(period) c/x를 가지는 f에 대해 주기적(periodic)이다. 그러나, 스윕(sweep)의 개별 측정들은 동시에 수행(conducted)되지 않으며, 이들 사이에서 x는 변경될 수 있다. 스윕(sweep)은 f로 시간적으로 선형적으로(temporally linearly) 진행되고, f(t) = f0 + w t이고, 또는 연속적으로 선형화(linearised subsequently)된다고 가정된다. 객체의 일정한 속도(Constant speed) x = x0 + v t는 일반적인 경우로 여기서 간주되며, 가속의 역할은 나중에 논의될 것이다. F에 대해 Φ를 나타낼(plot) 수 있다.
Figure 112018093324004-pct00007
(Φ0 = f에 관한 상수(constant))
간섭 스펙트럼은 도 5에 도시되고, 이에 따라 주기(period)를 가지는 f에 대해 주기적이다.
Figure 112018093324004-pct00008
도시된 곡선의 위상 값은 참조 주파수(fR)의 위치에서 특히 정확히 결정되어야 한다. 이를 위해, 이 위치 자체는 가능한 한 정확하게 먼저 식별(first identified)된다.
가스 셀을 사용할 경우, 간섭 진폭(interference amplitude)(도 2 및 도 4)과 동일한 시간에 검출기(34)에서 파장 참조(wavelength reference)의 신호가 이 목적을 위해 측정된다. 가스 셀의 예리한 흡수 라인으로 인해, 도 7에 개략적으로 도시된 바와 같이, fR 부근의 신호는 약(ca.) 0.1 pm의 전형적인 폭을 가지는 예리한 음수의 피크(sharp negative peak)를 형성한다. 피크의 모양(shape)은 모델링(modelled)이 잘 될 수 있는데, 왜냐하면 주로 도플러 확산(Doppler spread)(가우시안 프로파일(Gaussian profile)) 때문이다. 이론적인 모양에 대한 측정된 피크의 피트(fit)에 의해, 이에 따라서 fR은 선 폭(line width)이 나타내(indicates)는 것보다 상당히 더 정확하게 결정될 수 있다. 가스 셀이 존재하지 않을 경우, 참조 주파수의 위치는 레이저(10)의 (예를 들어, 공장에서 보정된) 제어된 변수(controlled variable)로부터 결정되거나, 또 다른 참조(alternative reference)로부터 결정된다.
지점(fR)에서 위상을 측정할 경우, 다음의 두 개의 구성 요소(components)가 상호 작용(act together)한다.
(i) 비정밀 측정은 완전히 통과된 주기(completely traversed periods)를 카운트(counts)한다. 이는 지점(fR)의 처음 통과가 값 0으로 시작하는, 상대적인 측정(relative measurement)을 포함한다. 그 이후부터, 신호의 주기(period)는 균형이 잃게 되고(balanced off), 통과의 방향이 고려된다. fR을 통한 다음 통과(traverse)에서, 상기 값은 위상 계산에서 피가수(summand)로 채택되고 카운트가 다시 시작한다. 비정밀 측정을 위해서, 휴리스틱 방식(heuristic method)(당업자에게 그 자체로(per se) 알려짐)은 충분(sufficient)하다. 타겟 속도에 대한 최대 경계치는 요청(requirement)으로부터 생성(arises)되어, 두 개의 측정들 사이에서 간과되도록 통과(traversed unnoticed)될 수 있는 주기가 없을(no periods) 수 있다.
(ii) 길이(x)의 정확한 상대적인 측정을 위해, 비정밀 판독(rough reading)에 더하여 간섭 스펙트럼의 전체 가로질러 스캔(entire scanned-across) 범위가 사용된다("정밀 측정(fine measurement)"). 피트의 감지(sense)에서, 사인 함수(오프셋, 진폭, 주파수, 시작 위상(offset, amplitude, frequency, starting phase))의 파라미터는 측정된 데이터를 최적으로 재생하는 것이 무엇인지를 확인하게 하고, 위치(fR)에서 이 사인의 위상은 결과이다. 구체적인 실시 예로, 다음의 여러 가지 수학적 방법이 적합하며, 구현의 실질적인 측면에 따라 선택될 수 있다.
Figure 112018093324004-pct00009
수치 최적화(예를 들어, 르벤버그마쿼트 알고리즘(Levenberg-Marquardt algorithm))
Figure 112018093324004-pct00010
합성 참조로(PLL의 방식으로) 록인(lock-in)에 의해 주파수와 위상을 확인하고, 오프셋 및 진폭은 필요 없음
Figure 112018093324004-pct00011
판독(readings)의 극값들(extrema)로부터 모든 파라미터를 휴리스틱적으로(Heuristically) 확인함
방법의 다음 특성이 중요하다(crucial).
Figure 112018093324004-pct00012
위상을 결정하기 위해, 통과(sweep)의 모든(또는 적어도 가능한 한 많은) 판독이 사용되고, 이는 노이즈 억제(noise suppression)에 기여함
Figure 112018093324004-pct00013
드리프트를 허용하는 보정 데이터(drift-susceptible calibration data)로부터 독립적으로, 각각의 사이클(cycle)은 자체에 의해 분석될 수 있음
위상 측정의 해상도(resolution)는 fR 주위의 판독의 밀도(density)를 자연스럽게(naturally) 증가시킨다. 반면에, 설명된 피트 방법은 주기성(periodicity)이 인식(recognised)되는 함수의 일부(segment)를 필요로 한다. 이러한 관점에서, 개별 측정이 적어도 반 주기(half-period)을 나타낼 경우, 바람직하게는 함수(I(f))의 정확히 하나의 주기(one period)을 나타낼 경우, 최적이다.
다음과 같이 두 개의 연속(consecutive) 위상 측정들 간 비교(comparison)로부터 위치 변화(change)가 확인된다.
Figure 112018093324004-pct00014
이때, λR = c/fR는 참조 파장이다.
이하에서, 객체(40)의 속도 및/또는 가속도(speed and/or acceleration)의 영향과 이로부터의 결과로서(resulting therefrom) 탐색된 길이(sought length)(x)에서 일시적 변화(temporal change)가 다음에서 논의된다.
위에서 얻는 바와 같이, 판독의 기록은 f에 걸쳐 곡선 Φ를 산출하고, 이는 다음의 주기 P로 주기적이다.
Figure 112018093324004-pct00015
또는
Figure 112018093324004-pct00016
이때,
f는 광의 주파수이고, 통과(sweep)의 시작 값이고,
x는 통과(sweep)의 시작에서 캐비티에서 광 경로 길이이고,
v는 x의 변화율(Rate of change)이고,
w는 f의 변화율이고,
c는 광의 속도이고,
Δx는 하나의 측정 사이클 동안 x에서의 변화이고,
Δf는 하나의 측정 사이클 동안 f에서의 변화이다.
위에서 설명한 측정 방법은 f-스윕(f-sweep)가 이 곡선의 거의 약 하나의 주기를 포함(covers)할 경우, 즉, | Δf | > | P |일 경우, 가장 잘 작동(functions)한다. x 및 f는 항상 양수(positive)이지만, v 및 w는 상이한(상대적인) 부호들(signs)을 가질(take on) 수 있다. 이로 인해, 분모(denominator)는 사라질(vanish) 수 있다. 특이점(singularity)은 다음과 같다(lies at).
Figure 112018093324004-pct00017
이 위치에서, x 및 f에서의 변화는 상쇄(cancel out)되어, 간섭 신호는 일정하게 된다.
특이점 부근에서, 조건은 더 이상 충족될 수 없으며, 정밀 측정(fine measurement)은 부정확하거나 불가능하게 된다. 특이점의 오른쪽과 왼쪽에는 조건이 충족될 수 있는 두 개의 영역이 있다. Δf에 대한 조건은 | Δf | > | P |로부터 얻을 수 있고(일반성의 상실 없이 양수이도록 함(let Δf be positive without loss of generality))), 다음의 표에서 나타내어진다.
사례
(Case)		 양의 분모
(Positive denominator)		 음의 분모
(Negative denominator)
명확한 분류
(Clear classification)		 Δf및 Δx가 같은 방향이거나 Δf 가 매우 커서, x에서의 움직임에 대해 완전히 보정(over-compensated)된다. Δf 및 Δx가 반대 방향이고, Δf가 매우 작아서, x에서의 움직임과 동등(equalise)하게 되지 않는다.
Δf에 대한 요건
(Requirement for Δf)
Figure 112018093324004-pct00018
Figure 112018093324004-pct00019
속도 제한
(Speed limit)
Figure 112018093324004-pct00020
Figure 112018093324004-pct00021
해석
(Interpretation)		 Δfmax 는 레이저-의존 최대 통과 진폭(laser-dependent maximum sweep amplitude)이다. 식은 반대 방향(음의 Δx)으로 움직임의 경우에서 속도에 대한 제한을 설정(sets)한다. 동일한 방향으로 및 x 가 너무 작지 않은 경우, 용이하게 이행(fulfil)할 수 있다. 반대 방향 Δx가 적어도 하나의 파장을 통과(traverses)할 경우, 자체로 반대 조건(contrast condition)을 충족(fulfil)시킬 수 있다. Δf는 잘못된 부호(wrong sign)를 가지며, 이에 대해 제공(contribute)할 것이 없다.
특이점은 다음의 두 가지 다른 방식으로 다루어질 수 있는 문제(complication)이다.
Figure 112018093324004-pct00022
방지(Avoiding it) : 다음에서 Δf는 매우 크도록 선택되어서 왼쪽의 경우가 움직임의 양 방향들 모두에서 존재한다.
Figure 112018093324004-pct00023
이에 의하여 최대 타겟 속도(maximum target speed)는 더 강하게 제한되는데, 왜냐하면 다음의 왼쪽 열(column)에서의 조건(condition)은 반대 방향으로의 움직임을 위해 또한 충족되어야 하기 때문이다.
Figure 112018093324004-pct00024
(T = 사이클 기간(cycle duration) )
Figure 112019084040325-pct00025
감수(Putting up with it) : 다음에서 Δf는 매우 크게만 선택되어 주기 조건은 동일한 방향으로의 움직임의 경우에 충족된다.
Figure 112018093324004-pct00026
상대적으로 빠른 속도(relatively high speed)의 경우에서, 반대 방향으로의 움직임의 경우에 오른쪽 열(right-hand column)의 조건이 충족되어 분석이 가능할 수 있다. 그러한 경우가 아니더라도, 측정 방법은 실패(break down)하지 않는데, 왜냐하면 비정밀 측정(coarse measurement)이 계속되어 다음 사이클이 다시 유효한 결과를 야기할 수 있기 때문이다. 최대 타겟 속도는 다음과 같이 비정밀 측정이 임의의 주기를 잃는 것을 허용하지 않는 조건을 제외하고 제한되지 않는다.
| v | / F < λ/2(F: 샘플 주파수(sample frequency))
일정한 타겟 속도의 경우에서, 스윕(sweep)은 정확히 주기적인(strictly periodic) 간섭 스펙트럼을 야기(yields)한다. 스윕(sweep)(및 더 높은 조건(higher terms)) 동안 타겟의 가속도는 주기 기간(period duration)의 파동(fluctuation)의 형성에서 왜곡(distortion)을 초래(effect)한다. 이는 위상 측정의 정확도를 저하(impairs)시키지만, 비정밀 측정을 저하시키지는 않는다. 이에 따라 정확도의 감소(reduction)는 누적되지 않으며, 더욱 안정된 움직임(quieter movement) 하에 다시 사라지고, 따라서 감수하는 것이 가능하다.
위에서 설명한 바와 같이, 정적인 관점으로부터, 가능하다면, f 상에 함수Φ의 한 주기 동안 스윕(sweep)을 연장(stretch)하는 것이 적절할 수 있다.
이상적인 값에 대해, 앞 부분(section)의 두 확률로부터의 부등식(inequalities)은 다음과 같은 등식(equation)으로 사용된다.
Figure 112018093324004-pct00027
하지만, 통과(sweep)의 진폭은 시작하기 전에 정해져야만 하는데, 왜냐하면 일정한 속도로 진행해야만 하기 때문이다. 이는 Δx에 대한 예측을 필요로 한다. 명백하게, 이전 사이클로부터의 Δx가 이에 적합하다. 그러나, 예측 에러는 간섭 스펙트럼의 한 주기보다 뚜렷하게 작게 포함되는 상태에 이르지 않아야 하는데, 왜냐하면 그렇지 않으면 위상 측정이 실패하고 판독이 누락(missed out)되기 때문이다. 너무 큰 범위는 덜 중요하다. 문제는 다음의 두 개의 상이한 방식으로 다루어질 수 있다.
Figure 112018093324004-pct00028
사용자의 응용에 대해 일반적인 최대 가속도(maximum acceleration)를 지정하는 것은 사용자에게 맡겨진다. 진폭은 그렇게 선택되어 이 가속도의 발생에서도 잘 작동하는 위상 측정의 영역(region)은 다음으로부터 벗어나(exited)지 않는다.
Figure 112018093324004-pct00029
Figure 112018093324004-pct00030
일반적인 가속도가 측정되고, 통과(sweep) 범위가 동적으로 매치된다. 예측이 "잘못된 방향(false direction)으로" 실패하면, 판독은 생략(left out)된다.

Claims (25)

  1. 캐비티 (40, 45)의 기하학적 및 광학적 파라미터 중 적어도 하나의 간섭 결정을 위한 방법에 있어서,
    양 주파수 방향들로 주파수 범위(Δf)에서 코히어런트 광원(10)의 주파수(f)를 순환적으로(cyclically) 튜닝하는 단계,
    상기 코히어런트 광원으로부터의 타겟 광선 및 참조 광선을 얻는 단계 - 상기 타겟 광선은 상기 캐비티를 적어도 한 번 통과함 -,
    상기 참조 광선을 상기 타겟 광선에 중첩함으로써, 상기 광원의 주파수(f)에 따른 간섭 신호(I(f))를 생성하는 단계,
    적어도 하나의 주기(P)에서 주기적 간섭 신호(I(f))를 획득하는 단계,
    상기 코히어런트 광원의 주파수(f)의 주파수 범위(Δf)에서 상기 주기적 간섭 신호(I(f))의 간섭 스펙트럼을 획득하는 단계,
    생성된 수학적 함수에 대한 측정 지점들의 수치적 피트를 통해, 상기 주파수 범위(Δf)에서 상기 획득된 간섭 스펙트럼의 다수의 측정 지점들을 분석하는 단계, 및
    상기 생성된 수학적 함수의 파라미터를 확인함으로써, 상기 캐비티(40, 45)의 상기 기하학적 및 광학적 파라미터 중 적어도 하나를 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티(40, 45)의 상기 기하학적 파라미터는,
    상기 캐비티(40, 45)의 길이(x)를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티(40, 45)의 상기 광학적 파라미터는,
    상기 캐비티(40, 45)의 반사율 및 굴절률 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 생성된 수학적 함수는,
    사인 함수이고,
    이에 의하여 상기 간섭 신호(I(f))의 진폭 및 위상이 결정되는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분석된 주파수 범위(Δf)의 크기(magnitude)는,
    측정될 파라미터의 각각 및 측정될 캐비티에 대해 동적으로 매치되는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 수치적 피트는,
    르벤버그마쿼트 알고리즘 또는 합성 참조를 가진 록인 방법에 의해 이루어지는 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    결정될 상기 길이(x)는,
    광 커플러(45) 및 이동 객체(40)에 의해 경계를 이루는 타겟 간섭계의 길이에 의해 형성되는 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코히어런트 광원(10)의 상기 주파수(f)는,
    흡수재의 특정 흡수선의 알려진 주파수(fR)를 이용함으로써 보정되는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 주파수 보정은,
    상기 흡수재의 상기 흡수선의 상기 주파수(fR)에 대한 수치적 피트를 통하여 이루어지는 방법.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코히어런트 광원(10)의 주파수(f)는,
    알려진 길이의 참조 간섭계(60)를 이용함으로써 보정되는 방법.
  11. 삭제
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코히어런트 광원(10)의 주파수(f)를 튜닝하는 단계는,
    주파수 공간에서 선형적으로 이루어지는 방법.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 간섭 신호(I(f))의 통과된 주기(traversed period)를 카운팅함으로써 상기 캐비티(40, 45)의 길이(x)를 비정밀 측정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코히어런트 광원(10)의 주파수(f)는,
    온도 제어에 의하여 온도적으로 튜닝되거나, 구동 전류를 조정함으로서 전기적으로 튜닝되거나, 또는 상기 광원(10)의 상기 캐비티의 길이를 변경함으로써 기계적으로 튜닝되는,
    방법.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 코히어런트 광원(10)의 통과된 주파수 범위(Δf)는,
    상기 이동 객체(40)의 속도에 따라 선택되는 방법.
  16. 캐비티(40, 45)의 기하학적 및 광학적 파라미터 중 적어도 하나의 간섭 결정을 위한 장치에 있어서,
    튜닝 가능한 코히어런트 광원(10),
    양 주파수 방향들로 주파수 범위(Δf)에서 상기 코히어런트 광원(10)의 주파수(f)의 순환적 튜닝을 위한 변조부(12),
    상기 코히어런트 광원(10)에 의해 방출되는 광을 타겟 광선 및 참조 광선으로 분할(split)하기 위한 광선 스플리터(26),
    제1 타겟 광선을 타겟 간섭계로 연결하기 위한 제1 광 커플러(45) - 상기 타겟 간섭계는 상기 광 커플러(45) 및 이동 객체(40)에 의해 경계를 이루고, 결정될 길이(x)를 제공함 -,
    상기 타겟 광선에 대한 상기 참조 광선의 중첩을 통해 간섭 신호(I(f))의 주파수 분해 검출을 하고, 상기 코히어런트 광원의 주파수(f)의 주파수 범위(Δf)에서 상기 간섭 신호(I(f))의 간섭 스펙트럼을 획득하기 위한 검출기(30), 및
    적어도 하나의 주기(P)에서 주기적 간섭 신호(I(f))를 획득하고, 양 주파수 방향들로 주파수 범위(Δf)에서 상기 주기적 간섭 신호(I(f))의 간섭 스펙트럼을 획득하며, 생성된 수학적 함수에 대한 측정 지점들의 수치적 피트를 통해, 상기 주파수 범위(Δf)에서 상기 획득된 간섭 스펙트럼의 다수의 측정 지점들을 분석하고, 상기 생성된 수학적 함수의 파라미터를 확인함으로써, 상기 캐비티(40, 45)의 상기 기하학적 및 광학적 파라미터 중 적어도 하나를 결정하기 위한 분석부(20)
    를 포함하는 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 생성된 수학적 함수는 사인 함수인 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 분석된 주파수 범위(Δf)의 크기(magnitude)는,
    측정될 파라미터의 각각 및 측정될 캐비티에 대해 동적으로 매치되는 장치.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코히어런트 광원(10)의 상기 주파수(f)를 보정하기 위하여, 알려진 주파수(fR)의 흡수선을 제공하는 흡수재로 채워진 가스 셀(50)
    을 포함하는 장치.
  20. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코히어런트 광원(10)의 상기 주파수(f)를 보정하기 위하여,
    알려진 길이의 참조 간섭계(60)
    를 포함하는 장치
  21. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜닝 가능한 코히어런트 광원(10)은,
    레이저 다이오드 또는 DFB 레이저 다이오드인,
    장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드(10)의 파장은,
    온도 제어에 의하여 온도적으로 튜닝 가능하거나, 구동 전류를 조정함으로써 전기적으로 튜닝 가능하거나, 또는 광 경로를 변경함으로써 기계적으로 튜닝 가능한,
    장치.
  23. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타겟 간섭계(45, 40)는,
    파브리페로 간섭계 또는 마이컬슨 간섭계로 구성되는 장치.
  24. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정 사이클 동안 상기 참조 광선의 세기의 진폭을 결정하기 위한 검출기(32)
    를 포함하는 장치.
  25. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐비티(40, 45)의 상기 기하학적 파라미터는 상기 캐비티(40, 45)의 길이(x)를 포함하고,
    상기 캐비티(40, 45)의 상기 광학적 파라미터는 상기 캐비티(40, 45)의 반사율 및 굴절률 중 적어도 하나를 포함하는
    장치.

KR1020187027164A 2016-02-23 2017-02-23 간섭 분광법에 의한 캐비티 측정법 KR102121345B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016103109.7A DE102016103109B4 (de) 2016-02-23 2016-02-23 Vermessung einer kavität mittels interferenzspektroskopie
DE102016103109.7 2016-02-23
PCT/EP2017/054128 WO2017144567A1 (de) 2016-02-23 2017-02-23 Vermessung einer kavität mittels interferenzspektroskopie

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180119607A KR20180119607A (ko) 2018-11-02
KR102121345B1 true KR102121345B1 (ko) 2020-06-10

Family

ID=58108641

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187027164A KR102121345B1 (ko) 2016-02-23 2017-02-23 간섭 분광법에 의한 캐비티 측정법

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10627210B2 (ko)
EP (1) EP3420304B1 (ko)
JP (1) JP6831856B2 (ko)
KR (1) KR102121345B1 (ko)
CN (1) CN108700401B (ko)
DE (1) DE102016103109B4 (ko)
WO (1) WO2017144567A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10890839B1 (en) * 2019-11-06 2021-01-12 Himax Technologies Limited Structured light imaging device
US11855412B1 (en) * 2020-03-31 2023-12-26 Acacia Communications, Inc. Tunable laser
CN111722200B (zh) * 2020-06-04 2022-09-13 中国人民解放军国防科技大学 一种环境自适应的纠缠干涉目标感知方法
US11846574B2 (en) 2020-10-29 2023-12-19 Hand Held Products, Inc. Apparatuses, systems, and methods for sample capture and extraction
CN114924281B (zh) * 2022-07-19 2022-11-04 天津大学四川创新研究院 一种基于h13c14n气体池的调频连续波同时测距和测速方法及系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012505393A (ja) * 2008-10-10 2012-03-01 アクレオ アーベー 共振器長の測定法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0254756B1 (de) * 1986-07-29 1989-04-12 LITEF GmbH Verfahren zur Drehratenmessung mittels eines passiven optischen Resonators
US5956355A (en) * 1991-04-29 1999-09-21 Massachusetts Institute Of Technology Method and apparatus for performing optical measurements using a rapidly frequency-tuned laser
JP3304696B2 (ja) 1995-04-17 2002-07-22 株式会社先進材料利用ガスジェネレータ研究所 光学式センサ
US6924898B2 (en) * 2000-08-08 2005-08-02 Zygo Corporation Phase-shifting interferometry method and system
US6882432B2 (en) * 2000-08-08 2005-04-19 Zygo Corporation Frequency transform phase shifting interferometry
JP2008124915A (ja) * 2006-11-14 2008-05-29 Sony Corp 無線通信システム並びに無線通信装置
US20100002223A1 (en) * 2006-11-17 2010-01-07 Koninklijke Philips Electronics N.V. External microcontroller for led lighting fixture, led lighting fixture with internal controller, and led lighting system
US8192615B2 (en) * 2009-07-27 2012-06-05 Envirotech Green Inc. Oil sands treatment system and process
EP2363685B1 (de) 2010-02-09 2013-11-20 Attocube Systems AG Vorrichtung zur Positionserfassung mit konfokalem Fabry-Perot Interferometer
CN101951294B (zh) * 2010-08-05 2014-01-29 暨南大学 宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置
JP2012184967A (ja) * 2011-03-03 2012-09-27 Canon Inc 波長走査干渉計
CA2760081A1 (en) * 2011-11-28 2013-05-28 Shangqing Liu Six-dimensional optical storage method and apparatus
EP2806246B1 (en) 2013-05-24 2019-11-20 Attocube Systems AG Dual laser interferometer
CN105182701B (zh) * 2015-10-15 2017-11-28 中国科学院上海应用物理研究所 一种同步辐射x射线大面积干涉光刻系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012505393A (ja) * 2008-10-10 2012-03-01 アクレオ アーベー 共振器長の測定法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019505820A (ja) 2019-02-28
KR20180119607A (ko) 2018-11-02
US20190056213A1 (en) 2019-02-21
CN108700401A (zh) 2018-10-23
DE102016103109A1 (de) 2017-08-24
DE102016103109B4 (de) 2018-07-26
EP3420304B1 (de) 2023-07-26
JP6831856B2 (ja) 2021-02-17
EP3420304A1 (de) 2019-01-02
US10627210B2 (en) 2020-04-21
WO2017144567A1 (de) 2017-08-31
CN108700401B (zh) 2021-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102121345B1 (ko) 간섭 분광법에 의한 캐비티 측정법
US5371587A (en) Chirped synthetic wavelength laser radar
JP5226078B2 (ja) 干渉計装置及びその作動方法
US10436569B2 (en) Interferometric distance measurement based on compression of chirped interferogram from cross-chirped interference
EP2606311B1 (en) Apparatus and method for measuring distance
EP3469301B1 (en) Precision positioning system using a wavelength tunable laser
CA2899651A1 (en) N-wavelength interrogation system and method for multiple wavelength interferometers
RU2569052C1 (ru) Способ компенсации дрейфа частоты в интерферометре
CN107202548B (zh) 波长移相算法灵敏度测试系统及测试方法
Seppä et al. A method for linearization of a laser interferometer down to the picometre level with a capacitive sensor
US10816369B2 (en) Methods and apparatus for interferometric interrogation of an optical sensor
WO2015179946A1 (en) Robust terahertz spectrometer configuration against scanner heads misalignment
TW201502492A (zh) 用於測量折射指數之方法和裝置及用於製造光學元件之方法
Iwasinska-Kowalska et al. A new method of noncontact gauge block calibration using the fringe counting technique: II. Experimental verification
CN111536878B (zh) 用于测量表面的方法、干涉测量装置、机器可读介质
KR101105449B1 (ko) 펄스레이저를 이용한 물질 두께 및 굴절률 측정 시스템
Perret et al. Multi-target range finder with optical continuous frequency modulation
Hartmann et al. Arithmetical elimination of superimposed interferencemodulation in laser spectroscopic gas concentration measurements
Dugheanu CALIBRATION PROCEDURE FOR STABILIZED LASERS USING THE METHOD OF OPTICAL BEATS MEASUREMENT UNCERTAINTY

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant