KR20010099817A - 레이저 간섭계를 이용한 측정치 개선방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정치의 정밀도, 특히 레이저 간섭계를 이용했을 때의 거리측정을 개선하는 방법에 관한 것으로, 레이저 간섭계에서 방사된 레이저빔(3)의 경로를 따라가는 음파의 속도를 측정하고, 그 결과값을 이용해 측정값, 특히 거리측정값에 대한 기온에 따른 조정값을 계산하여 레이저빔의 모든 경로를 따라 기온의 영향을 판단하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 간섭계를 이용한 측정치 개선방법 {METHOD FOR IMPROVING MEASUREMENTS BY LASER INTERFEROMETER}

엔지니어링 분야 등에서 정밀한 측정이 필요할 때, 다른 방법보다 정밀하다는 이유로 레이저 간섭계가 거리 측정에 사용된다. 그러나, 레이저 간섭계의 정밀도는 매질의 반사율에 따라 변하는 레이저빔 파장 등의 여러 요인에 좌우된다. 레이저 간섭계를 이용한 거리 측정이 광파장에 따라 좌우되기 때문에, 충분히 정확한 결과를 얻으려면 매질의 반사율을 알아야만 한다. 실제로, 이런 측정에서의 매질은 기압, 기온, 습도, 및 이산화탄소 등의 기체 농도의 함수인 반사율을 갖는 공기이다. 측정 지역내의 여러 지점들 사이의 기온차로 인한 공기 질량들의 빠르고 일정한 운동 및 공기역학 효과 때문에 기온은 상당히 변한다. 기온의 변화때문에, 레이저 간섭계의 레이저빔 경로를 따른 적분 순간온도는 레이저 간섭계에 사용되는 기존의 온도계로는 정확히 측정할 수 없다.

시중에서 구입할 수 있는 레이저 간섭계에서는, 공기중의 상기 측정치들을 측정한 뒤 파장에 미치는 영향을 계산하여 공기의 반사율을 결정한다. 이 목적으로, 현재 이용되는 장비는 기온, 기압 또는 습도를 측정하기 위해 센서들을 구비한다. 통상, 1 내지 3개의 온도계들을 이용해 기온을 측정한다.

현재 레이저 간섭계에 사용되는 온도계는 감지온도가 주변 기온과 동일하다는 현상을 근거로 한다. 이들 온도계로는 레이저빔 경로 부근의 한 지점에서만 온도를 측정할 수 있을 뿐이다. 이들 온도계는 실제로 필요로 하는 레이저빔의 전 경로의 모든 지점에서의 온도는 측정할 수 없다. 다른 단점은, 레이저 간섭계의 현재 알려진 온도 센서들에서의 반응시간의 지연으로 인해, 측정결과가 각 측정점에서의 실제 순간 기온보다 항상 지연된다는데 있다. 따라서, 이들 장치들로는 특정 기간 동안 특정 측정지점에서의 적분 기온값만을 측정할 수 있고, 일정하게 변화하는 순간온도들은 측정할 수 없다. 오랜 응답시간으로 하나의 측정점의 온도값만을 측정할 수 있는 측정법을 이용하고, 전체 레이저빔 경로를 따른 적분 순간온도로서 결과값을 고려하면, 레이저 간섭계 측정의 정밀도에 영향을 주는 오차 요소들중 가장 중요한 오차가 생긴다.

본 발명은 측정치의 정밀도, 특히 레이저 간섭계를 이용했을 때의 거리측정을 개선하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 구현하는 장치의 블록도;

도 2, 3는 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 각각의 실시예들을 보여주는 도면.

본 발명의 목적은 종래의 이런 문제들을 해결하는 방법과 장치를 제공하는데 있다. 또, 본 발명은 전체 레이저빔 경로를 따른 기온의 순간변화를 고려하여 레이저 간섭계의 측정결과를 수정하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 특허청구범위에 기재된 방법을 이용해 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은, 레이저 간섭계의 레이저빔의 경로와 동일한 경로를 주행하는 음파의 속도를 측정하고, 그 결과값을 이용해 측정값, 특히 거리측정값에대한 기온에 따른 수정값을 계산하여 레이저빔의 모든 경로를 따라 기온의 영향을 판단하는 것으로 이루어진다. 여기서 "동일한 경로"란 음파와 레이저 광파가 동일 지점 또는 서로 근접한 지점에서 출발하여 동일한 지점이나 서로 근접한 지점에 도달하고 이들 음파와 광파가 동시에 이동한다는 것을 의미한다. 레이저 간섭계의 측정결과, 특히 거리 측정결과에 대한 수정값은 기온값으로부터 계산될 수 있다. 이 방법에 의하면, 레이저 간섭계의 정밀도에 영향을 주는 순간 온도 특성들의 정확한 화상을 생성할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에서, 음파의 속도는 레이저 간섭계를 이용해 동시에 측정된 거리 또는 길이 값을 이용해 측정된다. 본 발명에 따른 방법을 이용하면, 레이저 간섭계를 이용한 측정 정밀도가 크게 향상된다. 이상의 방법은 시중에서 구입 가능한 레이저 간섭계에 그대로 적용할 수 있고, 본 발명에 따른 장치 역시 이들 간섭계에 설치될 수 있다. 또, 이들 방법과 장치는 간단하면서 저렴하고, 장치 역시 저렴하게 제조 및 사용될 수 있다.

본 발명은 광파 이론에 알려져 있고 레이저빔의 파장에 영향을 주는 매질(특히, 공기)의 반사율과, 음향 이론에 알려져 있고 기압, 기온, 습도 및 이산화탄소 농도에 따라 변하는 공기중의 음파 속도가 공지의 방식으로 서로 양립할 수 있다는 사실을 근거로 한다. 다른 장점은, 음파는 레이저 간섭계에 의해 방사된 레이저빔과 간섭하지 않으며 음파와 레이저빔이 동시에 같은 경로로 진행할 수 있다는 것이다. 따라서, 공기 특성에 있어서의 순간변화들은 음파와 레이저빔에 동일한 영향을 준다. 기온 변화의 상대적 영향은 공기의 반사율보다 공기중의 음파 속도에 1000배이상강하므로, 매우 정밀한 측정이 가능하다.

본 발명에 따른 방법은 레이저빔의 경로를 따른 기온에 영향을 주면서 레이저 간섭계로 얻어지는 거리 측정결과에 대한 수정값의 판단이 음파가 레이저빔과 동일한 경로로 공기중을 주행할 때 그 경로상의 각 지점에서의 순간 기온이 음파 속도에 영향을 준다는 사실을 근거로 한다. 음파가 공기를 주행하는데 걸린 시간은 음파 경로를 따른 적분 순간 온도에 반비례한다. 기온 이외에, 공기중의 음파 속도는 다른 요인들에 따라서도 변하는지만, 이들 요인들의 영향은 기온의 영향보다는 수십, 수백배 작다. 이들 요인들은 장소와 시간에 따라 상당히 변하는 기온과는 달리 모든 지역에서 공기의 상태에 비교적 균일한 영향을 준다. 이러한 요인으로는 습도, 기압, 이산화탄소 등의 다른 기체의 농도 등이 있다.

본 발명의 다른 장점은, 레이저빔의 각 지점에서의 응답시간이 제로이고, 음파가 그 경로를 주행하는데 걸리는 시간내내 레이저빔의 측정이 진행된다는데 있다. 이것은, 레이저 간섭계에 현재 사용되고 있는 느린 온도계에 비해 아주 기본적이고 큰 차이점이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 음파 송수신기들은 레이저 간섭계내에 또는 그 근방에 위치하여 레이저빔과 음파의 경로와 축선이 서로 가능한한 가까이 있으며, 음파가 레이저빔에 대해 평행하고 대칭적으로 주행한다. 이때문에 측정 오차가 감소된다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 레이저 간섭계(1,2)의 광학시스템을 도시한 것으로, 레이저 간섭계측의 첫번째 레이저 간섭계(1)는 광원과 간섭계/빔스플리터를 구비하고, 두번째 레이저간섭계(2)는 후방반사경을 구비한다. 이들 광학계에 고정 케이싱들이 부착되고, 음파 송수신기들(4a,4b,4c,4d)이 설치된다. 각각의 송수신기는 음파를 송신하거나 수신한다. 이 장치는 습도센서들(6), 기압 센서들(7), 기체분석기(8)는 물론 제어/계산장치(9)를 포함한다. 레이저간섭계(1)는 레이저빔(3)을 전송하고 송수신기(4)는 음파(5)를 전송한다.

송수신기들(4)은 이들에 의해 송수신되는 음파(5)가 레이저빔(3)을 중심으로 대칭되도록 쌍으로 배열되는바, 이들 음파는 레이저빔의 상하로 배치되거나 좌우로 배치된다. 이렇게 대칭되게 쌍으로 배치하면 본 발명의 방법에 따른 후술하는 계산이 간단해진다. 송수신기 쌍의 갯수는 본 발명이 적용되는 경우에 따라 다르게 조절될 수 있다. 예컨대, 도 2, 3에는 각각 4개 및 6개의 송수신기가 도시되어 있다.

본 발명에 따르면 특별한 방향으로 송수신기들을 정렬할 필요가 없다. 그러나, 빔 각도범위가 5-8°정도 밖에 안되는 최근의 송수신기들은 소음간섭을 더 억제하고 더욱 원거리에서 사용될 수 있다. 이것은 공장 등의 실제 측정상황에 있어중요하다.

사용되는 음파주파수는 특정값에 제한되지 않고, 실제로는 간섭에 대한 허용때문에 50-100㎑ 정도의 초음파 주파수에서 최적 결과를 얻었다. 측정 거리(즉, 간섭계(1)와 후방반사경 간섭계(2) 사이의 거리)가 변하면, 각각의 송수신기 사이의 거리도 변한다. 제어/계산장치(9)는 레이저 간섭계(1)로부터 측정될 거리에서 정확한 값을 수신한다.

레이저 간섭계를 이용한 측정에서 음파의 속도도 동시에 측정된다. 음파의 속도는 여러가지로 측정될 수 있는바, 그중 한가지를 이하 설명한다.

음파의 속도는 다음 단계들을 포함하는 일정 반복 사이클로 측정된다.

제어/계산장치(9)는 레이저 간섭계상의 송수신기(4a)를 통해 음파-패킷을 송신한다(본 발명은 각 패킷의 진동수를 한정하지는 않지만 5-20 진동수가 적절하다). 이들 음파(5)는 레이저빔(3) 위를 통과한다. 레이저 간섭계의 반대쪽(후방 반사경측) 송수신기(4b)는 소정의 지연 후에 도달한 음파를 검출하고, 음파가 전파하는데 걸린 시간은 제어/계산장치에 의해 등록된다. 제어/계산장치는 음파-패킷을 송수신기(4b)를 통해 송수신기(4a)로 되돌린다. 음파(5)는 레이저빔(3) 위의 축선을 따라 전파된다. 소정의 지연 뒤에, 송수신기(4a)는 도달 음파를 검출하고 이 음파가 주행하는데 걸린 시간은 제어/계산장치에 의해 등록된다. 양방향의 시간 측정은 음파 속도를 계산할 때 영향을 미치는 바람을 완전히 배제할 것을 전제로 한다. 이와 같은 측정 뒤, 레이저빔(3)에 대해 대칭으로 위치한 대향 송수신기들을 이용해 동일한 측정을 행한다. 즉, 음파가 레이저빔(3) 밑의 축선을 따라 전파될때, 음파가 송수신기(4c)로부터 송수신기(4d)로 이동한 뒤 송수신기(4d)에서 송수신기(4c)로 되돌아가는데 걸리는 시간을 측정한다. 레이저빔의 양쪽에서 즉각적으로 이루어진 대칭적 측정들에 의해, 음파가 레이저빔(3)을 따라 주행하는데 걸리는 시간은 최대로 실제 주행시간에 대응하고, 레이저빔을 가로지르는 방향의 기온차는 제거된다.

음파의 전파시간을 전술한 방법을 이용해 대향하는 송수신기 쌍으로 측정한 뒤, 다른 송수신기 쌍들에 대해서도 동일한 측정이 이루어진다. 4개의 송수신기를 사용하면, 이들을 이용해 레이저빔의 좌우에 대해 그 다음 측정을 한다. 블록도에는 4개로서 2쌍의 송수신기가 도시되어 있지만, 그 갯수는 본 발명의 다른 실시예에는 변할 수 있다.

양방향으로의 음파의 전파 시간을 모든 송수신기 쌍에 대해 측정했을 때, 사이클이 반복된다.

측정이 이루어지는 동안, 제어/계산장치는 다음 정보를 실시간으로 전송한다.

- 레이저 간섭계(1)에서 보고된 거리

- 기압 센서(7)에서 보고된 기압

- 습도 센서(6)에서 보고된 상대습도

- 공기중의 기체농도에 대한 정보가 특히 정밀한 측정치로 필요할 때, 기체분석기(8)를 이용해 측정된 이산화탄소 및 다른 기체(만약 있다면)의 농도.

이상의 리스트 정보를 근거로, 제어/계산장치(9)는 먼저 레이저빔(3)을 따라음파 속도를 측정하고 기압, 상대습도, 기체농도, 바람 및 온도구배의 영향을 고려해 필요한 조정을 행한 뒤, 장비의 시스템 에러를 수정하고 필요한 통계처리에 의해 레이저 간섭계에 의해 원래의 거리 추정치에 대해 상기 조정값을 계산한다.

도 2, 3은 음파 송수신기(4)가 레이저빔에 대해 대칭으로 위치될 수 있는 예에 대해 도시하였다. 케이싱(10)의 중앙에는 레이저 간섭계를 위치시킬 수 있는 구멍(11)이 있다. 이 구멍(11)은 레이저 간섭계의 정상 동작을 방해하지 않도록 한다.

본 발명은 전술한 실시예에서 설명한 것에 한정되지 않으며, 청구의 범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (2)

1. 레이저 간섭계(1,2)를 이용해 거리 등의 측정치의 정밀도를 향상시키는 방법에 있어서:

   레이저 간섭계에서 방사된 레이저빔(3)의 경로를 따라가는 음파(5)의 속도를 측정하고, 그 결과값을 이용해 측정값, 특히 거리측정값에 대한 기온에 따른 조정값을 계산하여 레이저빔의 모든 경로를 따라 기온의 영향을 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 음파 송수신기들(4;4a,4b,4c,4d)이 레이저 간섭계(1,2)내에 또는 그 근방에 위치하여 레이저빔(3)과 음파(5)의 진행경로 및 축선이 가능한한 서로 가깝게 있으며 상기 음파가 레이저빔에 평행하면서 대칭인 축선을 따라 전파되는 것을 특징으로 하는 방법.