KR20110131975A - Absolute gravimeter using high resolution optical interferometer with parallel multiple pass configuration - Google Patents

Absolute gravimeter using high resolution optical interferometer with parallel multiple pass configuration Download PDF

Info

Publication number
KR20110131975A
KR20110131975A KR1020100051732A KR20100051732A KR20110131975A KR 20110131975 A KR20110131975 A KR 20110131975A KR 1020100051732 A KR1020100051732 A KR 1020100051732A KR 20100051732 A KR20100051732 A KR 20100051732A KR 20110131975 A KR20110131975 A KR 20110131975A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
path
laser beam
rectangular prism
prism
signal
Prior art date
Application number
KR1020100051732A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101156358B1 (en
Inventor
윤태현
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
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 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020100051732A priority Critical patent/KR101156358B1/en
Publication of KR20110131975A publication Critical patent/KR20110131975A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101156358B1 publication Critical patent/KR101156358B1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting
    • G01V7/02—Details
    • G01V7/04—Electric, photoelectric, or magnetic indicating or recording means
    • 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
    • G01B9/02092—Self-mixing interferometers, i.e. feedback of light from object into laser cavity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

PURPOSE: An apparatus for measuring gravitational acceleration using a multi-reflective high resolution optical inference meter is provided to precisely measure gravitational acceleration by calculating a free fall distance in a long distance range which is measured at high resolution less than a nanometer. CONSTITUTION: An apparatus for measuring gravitational acceleration(100) comprises a beam laser generator(110), a first non-polarizing beam splitter(BS1), a first polarizer(P1), a first total reflector(M1), and a second polarizer(P2). The laser generator outputs the laser beam of a wavelength which is preset. The first non-polarizing beam splitter divides the laser beam into a first path and a second path. The first non-polarizing beam splitter outputs a laser beam, which is incident from the first path and the second, to a third path. The first path and the second path meet at right angle. The first path and the third path meet at right angle. The first polarizer outputs only a vertical polarization element by receiving the laser beam separated from into first path. A first total reflection element totally reflects the laser beam of the vertical polarization element which passes through the first polarizer. The second polarizer outputs only a horizontal polarization element by receiving the laser beam separated into the second path.

Description

다중반사 고분해능 광학 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치{Absolute gravimeter using high resolution optical interferometer with parallel multiple pass configuration}Absolute gravimeter using high resolution optical interferometer with parallel multiple pass configuration}

본 발명은 중력 가속도 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring gravity acceleration, and more particularly, to an apparatus for measuring gravity acceleration using an optical interferometer.

중력은 질량 물체 사이에 작용하는 인력을 의미하며, 특히 지상에서의 중력의 크기는 지구의 전질량으로 정해진다. 그리고 중력으로 인한 중력 가속도 g는 대략 9.8 ㎨이며, 힘, 전류, 압력, 온도 등의 도량형 표준에 필수적으로 사용되고 있을 뿐만 아니라 자원탐사, 지반조사, 항공산업, 방위산업 등 여러 분야에 사용되고 있다. 이러한 중력 가속도는 보다 진자를 이용하여 측정하거나, 마이켈슨 간섭계에서 한 개의 반사경을 자유 낙하시키면서 낙하거리와 간섭 무의의 이동을 측정할 수 있다. 그러나 진자에 의한 측정 방법의 가장 큰 문제는 나이프 에지(knife edge)의 조건이며, 정확도 △g/g는 10-4이 한계인 것으로 알려져 있다. 그리고 기존의 마이켈슨 간섭계를 이용한 측정 방법은 대략 3×10-9의 정확도를 보여주고 있으나, 공기의 영향을 없애기 위해 진공 구조하에서 0.5 m 정도의 자유낙하 거리 및 기준 거울을 진동으로부터 보호하기 위한 슈퍼스프링 장치가 필요해 전체적인 시스템의 크기가 커진다는 문제가 있다. 또한 최근에는 복잡한 두 개의 켐구조를 갖는 소형 절대 중력 가속도 측정 장치가 제안된 바 있다.Gravity refers to the attraction between mass objects, and in particular the magnitude of gravity on the ground is determined by the mass of the earth. In addition, the gravitational acceleration g due to gravity is approximately 9.8 ㎨, which is not only essential for metrological standards such as force, current, pressure, and temperature, but also in various fields such as resource exploration, ground investigation, aviation industry, and defense industry. The gravitational acceleration can be measured using a pendulum, or can measure the drop distance and the involuntary movement while freely falling one reflector from the Michelson interferometer. However, the biggest problem of the pendulum measurement method is the condition of knife edge, and the accuracy Δg / g is known to be limited to 10 −4 . In addition, the conventional method using the Michelson interferometer shows an accuracy of about 3 × 10 -9 , but in order to eliminate the influence of air, it is necessary to supervise 0.5 m free fall distance and reference mirror from vibration in order to eliminate the influence of air. The problem is that the spring system is needed, which increases the overall system size. Recently, a small absolute gravity acceleration measuring device having two complex chem structures has been proposed.

한편 절대 중력 가속도는 만유인력으로 인해 지구상의 물체에 중력이 작용하여 생기는 가속도로서, 도량형 표준에 사용될 뿐만 아니라, 지구표면이 운동, 지구자전의 불균일성, 바다 표면의 요동 등과 관련있는 중력 가속도를 측정하여 지구 내의 질량의 변위를 연구하기도 하며, 지진 등 지구 내의 변동을 예측하기도 한다. 또한 지국 각 지점에서 측정한 중력 가속도 값을 이용하여 인공 위성의 위치와 천문학에 필요한 자료 등을 설정한다. 이외에도 중력 가속도는 자원 탐사, 지반 조사, 항공 사업, 방위 산업 등 여러 분야에 응용되고 있다. 이와 같은 중요성과 응용성으로 인해 정확하고 소형화된 중력 가속도 측정 장치에 대한 요구가 상존한다. 절대 중력 가속도 측정 장치는 마이켈슨 광학 간섭계를 사용하며, 간섭계를 구성하는 두 개의 거울 중 하나를 자유 낙하시켜서 자유낙하 거리에 기인한 간섭무늬의 이동을 주파수 안정화된 레이저의 절대파장과 절대(표준)시간의 함수로 측정함으로써 뉴튼의 법칙을 이용해 중력가속도를 절대 측정하고 있다.Absolute gravitational acceleration is an acceleration caused by gravitational force acting on the earth's objects due to universal gravitational force. It also studies the displacement of mass in the earth and predicts the earth's fluctuations such as earthquakes. In addition, the location of the satellite and the data necessary for astronomy are set using the gravitational acceleration values measured at each station. In addition, gravitational acceleration is applied to many fields such as resource exploration, geotechnical investigation, aviation business and defense industry. This importance and applicability present a need for accurate and miniaturized gravitational acceleration measurement devices. Absolute Gravity Accelerometer uses a Michelson optical interferometer, which freezes one of the two mirrors constituting the interferometer to shift the interference fringes caused by the free fall distance, and the absolute and standard (standard) By measuring it as a function of time, Newton's law is used to measure gravity acceleration.

절대 중력가속도 측정장치에 사용되는 호모다인 및 헤테로다인 마이켈슨 간섭계를 포함하는 광학 간섭계에 기반한 정밀 측정 장치에 있어서, 측정 해상도는 종국적으로 간섭 무늬 간격(일반적인 마이켈슨 간섭계에서 광원 파장의 절반인 λ/2)에 의해 제한된다. 대부분의 실제적인 광학 간섭계에서, 632.8 ㎚ 파장에서 주파수 안정된 He-Ne 레이저가 광원으로 사용되어 왔으며, 따라서 간섭 무늬 간격은 326.4 ㎚로 주어진다. 광학 간섭계의 민감도를 나노미터 이하로 향상시키기 위해, 전자적인 간섭 무늬 세분(Electronic Fringe Subdivision : EFS) 기술의 개선에 더해 광학 간섭 무늬 세분(Optical Fringe Subdivision : OFS) 차수를 증가시키려는 지속적인 연구가 진행되고 있다. 따라서 장거리에 대해 15 ㎚ 이하의 광학 간섭 무늬 간격을 생성할 수 있는 새로운 OFS 기법은 향상된 민감도를 갖는 광학 간섭계의 다양한 응용, 특히 절대 중력 가속도 측정 장치의 소형화에 있어서 커다란 영향력을 가질 수 있다. In precision measurement devices based on optical interferometers including homodyne and heterodyne Michelson interferometers used in absolute gravitational acceleration measuring devices, the measurement resolution is ultimately the interference fringe spacing (λ / Limited by 2). In most practical optical interferometers, a frequency-stabilized He-Ne laser at 632.8 nm wavelength has been used as the light source, so the interference fringe spacing is given as 326.4 nm. In order to improve the sensitivity of optical interferometers to sub-nanometers, ongoing research is underway to increase the Optical Fringe Subdivision (OFS) order in addition to improvements in Electronic Fringe Subdivision (EFS) technology. have. Thus, the new OFS technique, which can produce optical interference fringe spacings of 15 nm or less over long distances, can have great impact in various applications of optical interferometers with improved sensitivity, especially in miniaturization of absolute gravity acceleration measurement devices.

뉴턴의 법칙에 의해 자유 낙하하는 물체의 거리(y)는 y = 1/2 g t2으로 주어진다. 지표면에서 평균적인 중력가속도는 g = 9.8 m/s2이고 낙하 거리가 t2에 비례하므로 처음 1 mm 정도의 낙하거리가 중력가속도에 매우 민감하게 의존한다. 예를들면 1.1 mm를 낙하하는 데 약 15 ms의 시간이 걸리며, OFS = 1인 He-Ne 레이저를 이용한 마이켈슨 간섭계의 경우 대략 3500개의 간섭무늬가 지나간다. 그러나 대부분의 절대 가속도 측정기는 광학간섭계의 분해능이 낮아 약 30 cm, 즉 약 250 ms 동안 측정해서 1 x 10-9의 정확도를 얻고 있다. According to Newton's law, the distance y of the free-falling object is given by y = 1/2 gt 2 . Since the average gravitational acceleration on the surface is g = 9.8 m / s 2 and the fall distance is proportional to t 2 , the first 1 mm drop distance is very sensitive to gravitational acceleration. For example, a drop of 1.1 mm takes about 15 ms and approximately 3500 interference fringes pass for a Michelson interferometer using a He-Ne laser with OFS = 1. However, most of the absolute accelerometers have a low resolution of the optical interferometer, measuring about 30 cm, or about 250 ms, to achieve an accuracy of 1 x 10 -9 .

OFS 기법은 모두 간섭계의 측정 암에 있어서 광학 다중 경로 형태에 의존한다. 최근에 쐐기꼴의 평면 거울 쌍을 사용하여 100 이상의 비평행 OFS 차수를 구현한 바 있다. 그러나 이러한 간섭계에서 측정 범위는 측정 암 내에서의 비평행 다중 경로 빔의 분산 효과로 인해 원칙적으로 단거리 변위로 제한된다. 한편 장거리 변위 측정에 대해 14의 고정된 OFS 차수를 갖는 마이켈슨 간섭계는 두 그룹의 코너 큐브(corner-cube) 되반사기를 사용하여 구현되었다. 그러나 코너 큐브 되반사기의 이차원 배열로 인해, OFS 차수를 증가시키고 고속의 실제적인 소형 절대 중력 가속도 측정용 간섭계를 만드는 것이 매우 어렵다.The OFS technique all relies on the optical multipath form in the measuring arm of the interferometer. Recently, we have implemented more than 100 non-parallel OFS orders using wedge-shaped flat mirror pairs. In these interferometers, however, the measuring range is in principle limited to short-range displacements due to the dispersion effect of non-parallel multipath beams within the measuring arm. On the other hand, a Michelson interferometer with a fixed OFS order of 14 for long-distance displacement measurements was implemented using two groups of corner-cube reflectors. However, due to the two-dimensional arrangement of the corner cube reflector, it is very difficult to increase the OFS order and make an interferometer for measuring high speed, practical small absolute gravity acceleration.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 1 ㎜ 이하의 짧은 자유낙하 거리에서도 나노미터 이하의 높은 분해능으로 자유낙하 변위를 측정할 수 있는 광학 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a gravity acceleration measuring apparatus using an optical interferometer that can measure the free fall displacement with a high resolution of less than nanometer even at a short free fall distance of 1 mm or less.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치의 바람직한 제1실시예는, 사전에 설정된 파장의 레이저 빔을 출력하는 레이저 발생기; 상기 레이저 빔을 서로 직교하는 제1경로와 제2경로로 분리하고, 상기 제1경로와 상기 제2경로로부터 입사된 레이저 빔을 상기 제1경로와 수직한 제3경로로 출력하는 제1비편광 빔 분리기; 상기 제1경로로 분리된 레이저 빔을 입력받아 수직 편광 성분만을 출력하는 제1편광기; 상기 제1편광기를 통과한 수직 평광 성분의 레이저 빔을 전반사하는 제1전반사 소자; 상기 제2경로로 분리된 레이저 빔을 입력받아 수평 편광 성분만을 출력하는 제2편광기; 제1직각 프리즘, 빗면이 상기 제1직각 프리즘의 빗면과 서로 평행하게 대향되도록 이격되어 배치되는 제2직각 프리즘, 상기 제2편광기를 통과하고 상기 제2직각 프리즘의 빗면으로 입사되어 상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘 내에서 전내부반사를 거쳐 상기 제1직각 프리즘의 빗면을 통해 출사된 레이저 빔이 상기 제1직각 프리즘의 출사지점으로 되돌아가도록 전반사시키는 제2전반사 소자, 및 상기 제2직각 프리즘을 중력방향의 반대방향으로 제1위치로부터 제2위치까지 이송하는 이송수단을 포함하며, 상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘은 빗면의 폭방향으로 일정한 거리만큼 어긋나게 횡변위를 가지도록 배치되고, 상기 제2직각 프리즘은 상기 제2위치로부터 상기 제1위치까지 자유 낙하하는 광학 간섭계; 상기 제1비편광 빔 분리기로부터 상기 제3경로로 출력된 레이저 빔을 입력받아 서로 직교하는 제4경로와 제5경로로 분리하는 제2비편광 빔 분리기; 상기 제4경로로 분리된 레이저 빔을 검출하여 제1간섭 신호를 출력하는 제1수광소자; 상기 제5경로로 분리된 레이저 빔을 검출하여 제2간섭 신호를 출력하는 제2수광소자; 및 서로 직교하는 상기 제1간섭 신호와 상기 제2간섭 신호를 기초로 간섭 무늬 계수와 연속적인 위상 측정을 수행하여 사전에 설정된 시간 동안 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 거리를 계산하고, 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 거리를 기초로 중력 가속도를 산출하는 중력 가속도 계산부;를 구비한다.In order to achieve the above technical problem, a first preferred embodiment of the gravity acceleration measuring apparatus according to the present invention, the laser generator for outputting a laser beam of a predetermined wavelength; A first non-polarization that separates the laser beam into a first path and a second path that are orthogonal to each other, and outputs a laser beam incident from the first path and the second path as a third path perpendicular to the first path Beam splitter; A first polarizer which receives the laser beam separated by the first path and outputs only a vertical polarization component; A first total reflection element for totally reflecting the laser beam of the vertical flatness component passing through the first polarizer; A second polarizer that receives the laser beam separated by the second path and outputs only a horizontal polarization component; A first rectangular prism, a second rectangular prism spaced apart from one another so as to face in parallel to the first plane of the first prism; and a second rectangular prism passing through the second polarizer and incident on the second plane of the second rectangular prism, the first rectangular prism A second total reflection element for totally reflecting the laser beam emitted through the inclined surface of the first rectangular prism through the total internal reflection in the prism and the second rectangular prism to return to the exit point of the first rectangular prism; and the second And a conveying means for transferring the rectangular prism from the first position to the second position in a direction opposite to the gravitational direction, wherein the first rectangular prism and the second rectangular prism are laterally displaced by a predetermined distance in the width direction of the inclined surface. An optical interferometer, the second rectangular prism freely falling from the second position to the first position; A second non-polarization beam splitter configured to receive the laser beam output from the first non-polarization beam splitter in the third path and separate the fourth beam and the fifth path perpendicular to each other; A first light receiving element which detects a laser beam separated by the fourth path and outputs a first interference signal; A second light receiving element which detects a laser beam separated by the fifth path and outputs a second interference signal; And calculating a free fall distance of the second rectangular prism for a predetermined time by performing an interference fringe coefficient and a continuous phase measurement based on the first interference signal and the second interference signal that are orthogonal to each other. And a gravitational acceleration calculation unit calculating a gravitational acceleration based on the free fall distance of the rectangular prism.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치의 바람직한 제2실시예는, 제1주파수와 제1편극방향을 갖는 제1레이저 빔과 상기 제1주파수보다 큰 제2주파수와 상기 제1편극방향에 수직인 제2편극방향을 갖는 제2레이저 빔을 출력하는 레이저 발생기; 상기 제1레이저 빔과 상기 제2레이저 빔 각각을 서로 직교하는 제1경로와 제2경로로 분리하는 비편광 빔 분리기; 상기 제2경로로 분리된 제1레이저 빔을 상기 제2경로와 동일한 광축상의 제3경로로 출력하고, 상기 제2경로로 분리된 제2레이저 빔을 상기 제2경로와 수직하는 제4경로로 출력하며, 상기 제3경로로부터 입력된 제1레이저 빔과 상기 제4경로로부터 입력된 제2레이저 빔을 상기 제4경로와 수직하는 제5경로로 출력하는 편광 빔 분리기; 상기 제4경로로 분리된 제2레이저 빔을 전반사하는 제1전반사 소자; 제1직각 프리즘, 빗면이 상기 제1직각 프리즘의 빗면과 서로 평행하게 대향되도록 이격되어 배치되는 제2직각 프리즘, 상기 제2편광기를 통과하고 상기 제2직각 프리즘의 빗면으로 입사되어 상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘 내에서 전내부반사를 거쳐 상기 제1직각 프리즘의 빗면을 통해 출사된 레이저 빔이 상기 제1직각 프리즘의 출사지점으로 되돌아가도록 전반사시키는 제2전반사 소자, 및 상기 제2직각 프리즘을 중력방향의 반대방향으로 제1위치로부터 제2위치까지 이송하는 이송수단을 포함하며, 상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘은 빗면의 폭방향으로 일정한 거리만큼 어긋나게 횡변위를 가지도록 배치되고, 상기 제2직각 프리즘은 상기 제2위치로부터 상기 제1위치까지 자유 낙하하는 광학 간섭계; 상기 제1경로 상에 배치되며, 상기 비편광 빔 분리기로부터 입력된 상기 제1레이저 빔과 상기 제2레이저 빔의 맥놀이 주파수를 검출하여 제1신호를 출력하는 제1수광소자; 상기 제5경로 상에 배치되며, 상기 편광 빔 분리기로부터 입력된 상기 제1레이저 빔과 상기 제2레이저 빔의 맥놀이 주파수를 검출하여 제2신호를 출력하는 제2수광소자; 및 상기 제1신호와 상기 제2신호를 입력받아 상기 제1신호와 상기 제2신호의 맥놀이 주파수 차이에 해당하는 측정값을 기초로 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 거리를 계산하고, 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 거리를 기초로 중력 가속도를 산출하는 중력 가속도 계산부;를 구비한다.In order to achieve the above technical problem, a second preferred embodiment of a gravity acceleration measuring apparatus according to the present invention includes a first laser beam having a first frequency and a first polarization direction, and a second frequency larger than the first frequency. A laser generator for outputting a second laser beam having a second polarization direction perpendicular to the first polarization direction; A non-polarization beam splitter that separates the first laser beam and the second laser beam into a first path and a second path that are orthogonal to each other; A fourth path in which the first laser beam separated by the second path is output as a third path on the same optical axis as the second path, and the second laser beam separated by the second path is perpendicular to the second path A polarization beam splitter configured to output a first laser beam input from the third path and a second laser beam input from the fourth path to a fifth path perpendicular to the fourth path; A first total reflection element that totally reflects the second laser beam separated by the fourth path; A first rectangular prism, a second rectangular prism spaced apart from one another so as to face in parallel to the first plane of the first prism; and a second rectangular prism passing through the second polarizer and incident on the second plane of the second rectangular prism, the first rectangular prism A second total reflection element for totally reflecting the laser beam emitted through the inclined surface of the first rectangular prism through the total internal reflection in the prism and the second rectangular prism to return to the exit point of the first rectangular prism; and the second And a conveying means for transferring the rectangular prism from the first position to the second position in a direction opposite to the gravitational direction, wherein the first rectangular prism and the second rectangular prism are laterally displaced by a predetermined distance in the width direction of the inclined surface. An optical interferometer, the second rectangular prism freely falling from the second position to the first position; A first light receiving element disposed on the first path and detecting a beat frequency of the first laser beam and the second laser beam input from the non-polarization beam splitter and outputting a first signal; A second light receiving element disposed on the fifth path and configured to detect beat frequencies of the first laser beam and the second laser beam input from the polarization beam splitter and output a second signal; And receiving the first signal and the second signal, calculating a free fall distance of the second rectangular prism based on a measured value corresponding to a beat frequency difference between the first signal and the second signal, and calculating the second falling prism. And a gravitational acceleration calculation unit calculating a gravitational acceleration based on the free fall distance of the rectangular prism.

본 발명에 따른 평행 다중반사 광학 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치에 의하면, 간단한 구성으로 OFS 차수를 증가시킬 수 있어 나노미터 이하의 높은 분해능으로 측정 속도의 제한을 최소화시키면서 장거리 범위의 변위를 측정할 수 있게 되므로, 보다 정확한 중력 가속도의 측정이 가능하다. 또한 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치는 광학 간섭계의 OFS 차수를 증가시킴으로써 전체적인 장비의 크기를 소형화할 수 있으며, 1 mm 이하의 낙하거리에서도 1×10-9의 정확도로 절대 중력 가속도 값을 측정하여 중력 가속도의 높이 방향의 기울기를 측정할 수 있는 이점이 있다.According to the gravity acceleration measuring apparatus using the parallel multi-reflection optical interferometer according to the present invention, it is possible to increase the OFS order with a simple configuration, it is possible to measure the displacement in the long-range range while minimizing the limit of the measurement speed with a high resolution of less than nanometer As a result, more accurate measurement of gravity acceleration is possible. In addition, the gravity acceleration measuring apparatus according to the present invention can reduce the size of the overall equipment by increasing the OFS order of the optical interferometer, and by measuring the absolute gravity acceleration value with an accuracy of 1 × 10 -9 even in the fall distance of less than 1 mm There is an advantage in that the inclination of the height direction of gravity acceleration can be measured.

도 1은 초고도 분해능 다중 경로 호모다인 마이켈슨 간섭계(Multi-pass Homodyne Michelson Interferometer)를 이용한 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치에 대한 바람직한 실시예의 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치에 이용되는 광학 간섭계에 대한 바람직한 실시예의 정면도,
도 3은 초고도 분해능 다중 경로 헤테로다인 마이켈슨 간섭계(Multi-pass Heterodyne Michelson Interferometer)를 이용한 중력 가속도 측정 장치에 대한 바람직한 실시예의 구조를 도시한 도면,
도 4는 케이스 및 내부에 배치된 제2되반사 소자와 이송 수단의 제1실시예를 도시한 도면,
도 5는 케이스 및 내부에 배치된 제2되반사 소자와 이송 수단의 제2실시예를 도시한 도면,
도 6은 제2되반사 프리즘(PR2)에서 검출된 N 개의 다중 경로를 거친 레이저 빔의 광학 세기와 3에서 21까지의 OFS 차수 각각에 대응되는 간섭 신호의 크기를 도시한 도면, 그리고,
도 7a 내지 도 7d는 각각 주파수가 5 Hz이고 크기가 70 V인 톱니 형태의 파형을 도 1에 도시된 바와 같은 호모다인 마이켈슨 간섭계를 구비한 중력 가속도 측정 장치의 이송수단을 구동하는 압전소자에 가해졌을 때 OFS 차수가 각각 1, 9, 15 및 21에 대응하여 측정된 간섭 신호를 도시한 도면이다.1 is a view showing the structure of a preferred embodiment of the apparatus for measuring gravity acceleration according to the present invention using an ultra-high resolution multi-path homodyne Michelson interferometer,
2 is a front view of a preferred embodiment of an optical interferometer for use in an apparatus for measuring gravity acceleration according to the present invention;
FIG. 3 shows the structure of a preferred embodiment of an apparatus for measuring gravity acceleration using an ultra-high resolution multi-pass heterodyne Michelson interferometer.
4 shows a first embodiment of a case and a second reflecting element and a conveying means disposed therein;
FIG. 5 shows a second embodiment of a case and a second reflecting element and conveying means disposed therein;
FIG. 6 is a diagram showing the optical intensity of the N multipath laser beam detected by the second retroreflective prism PR2 and the magnitude of the interference signal corresponding to each of the 3 to 21 OFS orders, and
7A to 7D show piezoelectric elements for driving a conveying means of a gravitational acceleration measuring apparatus having a homodyne Michelson interferometer as shown in FIG. FIG. 1 shows interference signals measured when the OFS orders are applied corresponding to 1, 9, 15, and 21, respectively.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광학 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of an apparatus for measuring gravity acceleration using an optical interferometer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 초고도 분해능 다중 경로 호모다인 마이켈슨 간섭계(Multi-pass Homodyne Michelson Interferometer)를 이용한 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치에 대한 바람직한 실시예의 구조를 도시한 도면이다.1 is a diagram showing the structure of a preferred embodiment of the apparatus for measuring gravity acceleration according to the present invention using an ultra-high resolution multi-pass homodyne Michelson interferometer.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초고도 분해능 호모다인 마이켈슨 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치에 대한 바람직한 실시예(100)는 레이저 발생기(110), 제1비편광 빔 분리기(BS1), 제1편광기(P1), 제1전반사 거울(M1), 제1되반사 프리즘(PR1), 제2되반사 프리즘(PR2), 제2전반사 거울(M2), 제2비편광 빔 분리기(BS2), 제2편광기(P2), 제1포토 다이오드(PD1), 사분파장판(QW), 제3편광기(P3), 제2포토 다이오드(PD2), 중력 가속도 계산부(120) 및 구동부(130)로 구성된다.Referring to FIG. 1, a preferred embodiment 100 of an apparatus for measuring gravity acceleration using an ultrahigh resolution homodyne Michelson interferometer according to the present invention includes a laser generator 110, a first non-polarization beam splitter BS1, and a first embodiment. Polarizer P1, first reflecting mirror M1, first reflecting prism PR1, second reflecting prism PR2, second reflecting mirror M2, second non-polarizing beam splitter BS2, first Composed of two polarizers P2, a first photodiode PD1, a quarter wave plate QW, a third polarizer P3, a second photodiode PD2, a gravitational acceleration calculation unit 120 and a driver 130 do.

레이저 발생기(110), 제1비편광 빔 분리기(BS1), 제1편광기(P1) 및 제1전반사 거울(M1)은 동일 축 상에 배치된다. 레이저 발생기(110)는 632.8 ㎚ 파장의 레이저 빔을 생성하는 주파수 안정화된 이중 종모드 He-Ne 레이저 빔 발생기이다. 제1비편광 빔 분리기(BS1)는 입사된 레이저 빔을 제1전반사 거울(M1)과 제2되반사 프리즘(PR2)으로 분리하고, 제1전반사 거울(M1)과 제2되반사 프리즘(PR2)으로부터 입사된 레이저 빔을 제2비편광 빔 분리기(BS2)로 출력한다. 제1편광기(P1)와 제2편광기(P2)는 입력된 레이저 빔에서 각각 수직편광성분과 수평편광성분만을 출력하는 수직편광기 및 수평편광기이다. 제1전반사 거울(M1)은 입력된 레이저 빔의 수직편광성분만을 출력하는 수직편광기인 제1편광기(P1)를 통과하여 입사된 레이저 빔을 제1비편광 빔 분리기(BS1)로 전반사한다. 이러한 제1전반사 거울(M1)은 직각 프리즘으로 대체될 수 있다. 이 경우 제1전반사 거울(M1)을 직각 프리즘으로 대체하면 반드시 제2전반사 거울(M2)도 직각 프리즘을 사용하여야 한다. 이는 제1비편광 빔 분리기(BS1)에서 두 개의 레이저 빔이 동일한 지점에서 만나야 한다는 간섭발생조건을 만족시키기 위해서이다. The laser generator 110, the first non-polarization beam splitter BS1, the first polarizer P1 and the first total reflection mirror M1 are disposed on the same axis. The laser generator 110 is a frequency stabilized dual longitudinal mode He-Ne laser beam generator that produces a laser beam of 632.8 nm wavelength. The first non-polarization beam splitter BS1 splits the incident laser beam into a first total reflection mirror M1 and a second retroreflective prism PR2, and a first total reflection mirror M1 and a second retroreflective prism PR2. The laser beam incident from the N-th beam is output to the second non-polarization beam splitter BS2. The first polarizer P1 and the second polarizer P2 are vertical polarizers and horizontal polarizers that output only vertical polarization components and horizontal polarization components, respectively, from the input laser beam. The first total reflection mirror M1 totally reflects the incident laser beam to the first non-polarization beam splitter BS1 through the first polarizer P1, which is a vertical polarizer that outputs only the vertical polarization component of the input laser beam. This first total reflection mirror M1 may be replaced with a right prism. In this case, when the first total reflection mirror M1 is replaced with a right prism, the second total reflection mirror M2 must also use a right angle prism. This is to satisfy the interference generating condition that two laser beams must meet at the same point in the first non-polarization beam splitter BS1.

제1되반사 프리즘(PR1), 제2되반사 프리즘(PR2) 및 제2전반사 거울(M2)은 도 2에 도시된 바와 같은 광학 간섭계(200)를 구성한다. 도 2를 참조하면, 제1되반사 프리즘(210)과 제2되반사 프리즘(220)은 표면이 무반사 코팅된 직각 프리즘이며, 빗면이 서로 평행하게 대향되도록 이격되어 배치된다. 또한 제1되반사 프리즘(210)과 제2되반사 프리즘(220)은 정면도 상에서 이등변 삼각형의 꼭지점이 일정한 거리(D)만큼 어긋나도록 배치된다. 이와 같은 두 프리즘(210, 220)의 배치상태에서 어긋남의 정도를 횡변위라 칭하며, 이러한 횡변위의 크기에 따라 광학 간섭계(200)의 OFS 차수가 달라지게 된다. 그리고 제2전반사 거울(230)은 제2되반사 프리즘(220)의 하측에 위치하며, 제1되반사 프리즘(210)을 거쳐 나온 레이저 빔을 동일한 경로로 반사한다. 한편 제2되반사 프리즘(220)은 구동 장치에 의해 일정한 높이까지 상측으로 이송된 후 자유 낙하한다. The first reflecting prism PR1, the second reflecting prism PR2 and the second reflecting mirror M2 constitute an optical interferometer 200 as shown in FIG. 2. Referring to FIG. 2, the first antireflection prism 210 and the second antireflection prism 220 are rectangular prism surfaces having antireflection coatings, and are spaced apart from each other so that the inclined surfaces thereof face each other in parallel. In addition, the first reflecting prism 210 and the second reflecting prism 220 are arranged such that the vertices of the isosceles triangle are shifted by a predetermined distance D on the front view. The degree of misalignment in the arrangement state of the two prisms 210 and 220 is called lateral displacement, and the OFS order of the optical interferometer 200 is changed according to the magnitude of such lateral displacement. In addition, the second total reflection mirror 230 is positioned below the second reflecting prism 220, and reflects the laser beam passing through the first reflecting prism 210 in the same path. On the other hand, the second reflecting prism 220 is moved upward to a certain height by the drive device and then free fall.

상술한 바와 같은 배치구조를 갖는 광학 간섭계(200)에서, 직경이 d인 레이저 빔이 제2되반사 프리즘(220)의 좌측 빗면에 입사되면, 두 번의 전내부반사(Total Internal Reflection : TIR)가 일어난 후 제2되반사 프리즘(220)의 우측 빗면을 통과해 제1되반사 프리즘(210)으로 향한다. 그리고 나서 레이저 빔은 제2되반사 프리즘(220)에 대해 D 만큼 하방으로 배치된 제1되반사 프리즘(210)의 빗면으로 입사된다. 다음으로, 레이저 빔은 제2전반사 거울(230)에 도달할 때까지 제1되반사 프리즘(210)과 제2되반사 프리즘(220) 각각의 내부에서 차례로 두 번의 전내부반사를 겪게 된다. 이 과정에서 레이저 빔의 궤적과 극선(apex-line) 사이의 간격(즉, 동일한 프리즘 내부로 입사한 레이저 빔이 겪게 되는 두 번의 전내부반사점 사이의 거리)이 두 프리즘(210, 220)의 횡변위인 D보다 작으면, 레이저 빔의 회전 방향은 시계방향에서 반시계방향(또는 반시계방향에서 시계방향)으로 변경된다. 또한 제2전반사 거울(230)에서 반사된 이후에 레이저 빔은 정확하게 입사된 레이저 빔의 경로를 따르며, 이는 두 개의 직각 프리즘(210, 220)의 평행 되반사 특성으로 인해 전체 빔 궤적이 평행화되었음을 의미한다.In the optical interferometer 200 having the arrangement as described above, when a laser beam having a diameter d is incident on the left oblique side of the second reflecting prism 220, two total internal reflections (TIR) are generated. After it rises, it passes through the right oblique surface of the second reflecting prism 220 to the first reflecting prism 210. The laser beam is then incident on the oblique plane of the first retroreflective prism 210 disposed downwardly by D with respect to the second retroreflective prism 220. Next, the laser beam undergoes two total internal reflections in turn inside each of the first and second reflecting prisms 210 and 220 until the second total reflecting mirror 230 is reached. In this process, the distance between the trajectory of the laser beam and the apex-line (ie, the distance between two total internal reflection points experienced by the laser beam incident into the same prism) is the lateral displacement of the two prisms 210 and 220. If less than D, the direction of rotation of the laser beam is changed from clockwise to counterclockwise (or counterclockwise to clockwise). In addition, after reflecting from the second total reflection mirror 230, the laser beam follows the path of the accurately incident laser beam, indicating that the entire beam trajectory is parallelized due to the parallel reflex characteristics of the two rectangular prisms 210 and 220. it means.

한편 각 프리즘에서의 전내부반사 횟수는 L/D임은 등변 직각 프리즘의 대칭 형태로부터 용이하게 알 수 있다. 이때 도 2에 도시된 광학 간섭계(200)에서 OFS 차수 N과 동일한 광학 다중 경로 차수 N은 다음과 같이 주어진다.On the other hand, it can be easily seen from the symmetrical form of an equilateral right angle prism that the total internal reflection number at each prism is L / D. In this case, the optical multipath order N equal to the OFS order N in the optical interferometer 200 shown in FIG. 2 is given as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, D는 두 프리즘(110, 120)의 횡변위이고, L은 프리즘(210, 220)의 빗면의 폭(즉, 정면도 상에서 직각삼각형의 빗변의 길이)이다.Where D is the lateral displacement of the two prisms 110 and 120, and L is the width of the hypotenuse of the prisms 210 and 220 (ie, the length of the hypotenuse of the right triangle on the front view).

수학식 1로부터 L/D가 짝수일 때 다중 경로 차수 N은 홀수가 됨을 알 수 있으며, 도 1에 도시된 배치구조에서 D/L = 8이므로 다중 경로 차수 N은 9가 된다. 한편 L/D가 홀수일 때 다중 경로 차수 N은 짝수가 되나, 이 경우 제1되반사 프리즘(210)의 우측에서 제2전반사 거울(230)로 향하는 레이저 빔의 출사 지점이 레이저 빔의 입사 지점의 바로 아래에 위치하게 되어 제1되반사 프리즘(210)과 제2전반사 거울(230) 사이의 제한된 공간으로 인해 제2전반사 거울(230)의 배치가 용이하지 않게 되는 문제가 있다. 따라서 도 2에 도시된 광학 간섭계(200)는 제2되반사 프리즘(220)과 제2전반사 거울(230)에 의한 다중 경로 차수 N이 홀수가 되도록 제작되는 것이 바람직하다.It can be seen from Equation 1 that when the L / D is even, the multipath order N becomes odd. In the arrangement shown in FIG. 1, the multipath order N becomes 9 since D / L = 8. On the other hand, when L / D is odd, the multipath order N becomes even, but in this case, the emission point of the laser beam directed from the right side of the first reflecting prism 210 to the second total reflection mirror 230 is the incident point of the laser beam. Because of the limited space between the first reflecting prism 210 and the second total reflection mirror 230 there is a problem that the placement of the second total reflection mirror 230 is not easy. Therefore, the optical interferometer 200 shown in FIG. 2 is preferably manufactured such that the multipath order N by the second reflecting prism 220 and the second reflecting mirror 230 is odd.

다시 도 1을 참조하여 설명하면, 제2되반사 프리즘(PR2)은 압전소자(PZT1, PZT2)와 같은 이송 수단에 의해 상측으로 이송된다. 이때 이송수단은 제2되반사 프리즘(PR2)을 리니어 모터와 같은 기계적 수단에 의해 직접 상측으로 이송하는 수단, 자력에 의해 이송하는 수단, 원형 켐을 이용한 수단 등이 될 수 있다. 그리고 이송수단은 제2되반사 프리즘(PR2)을 자유 낙하시키기 위한 초기 위치로 이송하며, 구동부(130)는 이를 위한 제어신호를 출력한다. Referring back to FIG. 1, the second reflecting prism PR2 is conveyed upward by a conveying means such as piezoelectric elements PZT1 and PZT2. In this case, the conveying means may be a means for directly conveying the second reflecting prism PR2 upward by a mechanical means such as a linear motor, a means for conveying by magnetic force, a means using a circular chem, and the like. In addition, the transfer means transfers to the initial position for free-falling the second reflecting prism PR2, the drive unit 130 outputs a control signal for this.

한편 레이저 발생기(110), 중력 가속도 계산부(120) 및 구동부(130)를 제외한 나머지 구성요소로 이루어지는 광학 간섭계는 케이스(140) 내에 수용되는 것이 바람직하다. 이 경우 레이저 발생기(110)에 의해 발생된 레이저 빔은 광섬유에 의해 케이스(140) 내로 유도된다. 케이스(140)는 내부 측벽에는 자유 낙하하는 제2되반사 프리즘(PR2)을 정지시키기 위한 돌출부(142, 144)가 형성되어 있으며, 이러한 돌출부(142, 144)는 제2되반사 프리즘(PR2)의 파손을 방지하기 위해 고무, 스펀지 등과 같은 연성재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고 케이스(140)의 바닥면은 제1되반사 프리즘(PR1)과 제2되반사 프리즘(PR2) 사이에서 레이저 빔이 지나갈 수 있도록 개방되어 있거나 유리와 같은 투명재료로 이루어진다. 나아가 케이스(140) 내부가 밀폐되어 있는 경우에 케이스(140) 내부는 진공으로 유지되는 것이 바람직하다. 또한 제1포토 다이오드(PD1)와 제2포토 다이오드(PD2)에 의해 검출된 신호와 구동부(130)로부터 이송수단으로 제공되는 구동신호는 전기 피드쓰루라는 진공챔버연결기를 통하여 진공챔버 내외로 전달된다.On the other hand, the optical interferometer consisting of the components other than the laser generator 110, the gravity acceleration calculation unit 120 and the drive unit 130 is preferably accommodated in the case 140. In this case, the laser beam generated by the laser generator 110 is guided into the case 140 by the optical fiber. The case 140 has protrusions 142 and 144 formed on the inner sidewall to stop the free fall of the second reflective reflecting prism PR2, and the protrusions 142 and 144 are formed of the second reflective reflecting prism PR2. In order to prevent breakage, it is preferable to be made of a soft material such as rubber or sponge. The bottom surface of the case 140 is open to allow the laser beam to pass between the first and second reflecting prisms PR1 and PR2 and is made of a transparent material such as glass. Furthermore, when the inside of the case 140 is sealed, the inside of the case 140 is preferably maintained in a vacuum. In addition, the signal detected by the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 and the driving signal provided from the driver 130 to the transfer means are transferred into and out of the vacuum chamber through a vacuum chamber connector called an electrical feedthrough. .

이때 OFS 차수가 N인 호모다인 마이켈슨 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치(100)에서 제1되반사 프리즘(PR1)을 통과하는 레이저 빔에 대한 제2되반사 프리즘(PR2)을 통과하는 레이저 빔의 위상 천이량 ΔΦ는 다음과 같이 정의된다.At this time, in the gravitational acceleration measuring apparatus 100 using a homodyne Michelson interferometer having an OFS order of N, the laser beam passing through the second retroreflective prism PR2 to the laser beam passing through the first antireflective prism PR1. The phase shift amount ΔΦ is defined as follows.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, ΔL은 자유 낙하에 의한 제2되반사 프리즘(PR2)의 변위이다.DELTA L is a displacement of the 2nd reflected back prism PR2 by free fall.

본 발명에 따른 호모다인 마이켈슨 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치(100)의 위상 천이에서 다중 경로 효과는 위상 천이량 ΔΦ가 종래의 마이켈슨 간섭계의 위상 천이량보다 N 배 크므로 간섭계의 민감도는 변위 측정에 있어서 1/N 배만큼 증가될 수 있음을 수학식 2로부터 명백하게 알 수 있다.In the phase shift of the gravitational acceleration measuring apparatus 100 using the homodyne Michelson interferometer according to the present invention, since the phase shift amount ΔΦ is N times larger than the phase shift amount of the conventional Michelson interferometer, the sensitivity of the interferometer is displaced. It can be clearly seen from Equation 2 that it can be increased by 1 / N times in the measurement.

한편 제1비편광 빔 분리기(BS1), 제2비편광 빔 분리기(BS2), 제3편광기(P3) 및 제1포토 다이오드(PD1)는 동일축 상에 배치된다. 따라서 제1비편광 빔 분리기(BS1)로부터 출사된 레이저 빔은 제2비편광 빔 분리기(BS2)에 의해 제3편광기(P3)와 사분파장판(QW)으로 분리된다. 그리고 제3편광기(P3)를 거친 제1레이저 빔은 제1포토 다이오드(PD1)에 의해 검출되고, 제4편광기(P4)를 거친 제1레이저 빔은 제2포토 다이오드(PD2)에 의해 검출된다. 사분파장판(QW)은 수직편광과 수평편광에 대해 각각 ±π/2와 0(또는 0와 ±π/2)의 위상변화를 주는 소자로서, 제2비편광 빔 분리기(BS2)로부터 분리되어 각각 제3편광기(P3)와 제4편광기(P2)로 입력되는 레이저 빔들의 편극이 완전하게 직교(즉, 두 개의 레이저 빔의 위상차가 ±π/2가 되도록) 하도록 만들기 위한 조절수단으로 기능한다. 이와 같이 고감도의 제1포토 다이오드(PD1)와 제2포토 다이오드(PD2)에 의해 검출된 제1레이저 빔과 제2레이저 빔은 서로 직교하는 간섭 신호들이다. 이때 제3편광기(P3)와 제4편광기(P4)는 45°편광기이며, 따라서 제1포토 다이오드(PD1)와 제2포토 다이오드(PD2)로부터 출력되는 각각의 신호파형의 위상차는 ±π/2가 된다. Meanwhile, the first non-polarization beam splitter BS1, the second non-polarization beam splitter BS2, the third polarizer P3, and the first photodiode PD1 are disposed on the same axis. Therefore, the laser beam emitted from the first non-polarization beam splitter BS1 is separated into the third polarizer P3 and the quarter wave plate QW by the second non-polarization beam splitter BS2. The first laser beam passing through the third polarizer P3 is detected by the first photodiode PD1, and the first laser beam passing through the fourth polarizer P4 is detected by the second photodiode PD2. . The quarter-wave plate (QW) is a device that changes the phase change of ± π / 2 and 0 (or 0 and ± π / 2) for vertical polarization and horizontal polarization, respectively, and is separated from the second non-polarization beam splitter BS2. It functions as an adjusting means for making the polarization of the laser beams input to the third polarizer P3 and the fourth polarizer P2, respectively, completely orthogonal (that is, the phase difference between the two laser beams is ± π / 2). . As described above, the first laser beam and the second laser beam detected by the high sensitivity of the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 are orthogonal interference signals. At this time, the third polarizer P3 and the fourth polarizer P4 are 45 ° polarizers, and therefore, the phase difference of each signal waveform output from the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 is ± π / 2. Becomes

중력 가속도 계산부(120)는 고속 3 채널 데이터 획득 보드를 통해 제1포토 다이오드(PD1)와 제2포토 다이오드(PD2)로부터 제1간섭 신호 및 제2간섭 신호를 입력받는다. 제1간섭 신호와 제2간섭 신호는 서로 직교하며, 각각 제1레이저 빔과 제2레이저 빔에 대응하는 신호이다. 그리고 중력 가속도 계산부(120)는 제1간섭 신호와 제2간섭 신호를 기초로 명확한 양방향 간섭 무늬 계수와 연속적인 위상 측정을 수행하여 이하에서 설명하는 반파장(λ/2) EFS 기법에 의해 나노미터 이하의 분해능을 갖는 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하 거리를 계산한다. The gravitational acceleration calculator 120 receives the first interference signal and the second interference signal from the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 through the high-speed three-channel data acquisition board. The first interference signal and the second interference signal are orthogonal to each other, and are signals corresponding to the first laser beam and the second laser beam, respectively. In addition, the gravitational acceleration calculation unit 120 performs a clear bidirectional interference fringe coefficient and continuous phase measurement based on the first interference signal and the second interference signal, and performs the nanowave by using the half-wavelength (λ / 2) EFS technique described below. The free fall distance of the second retroreflective prism PR2 having a resolution of less than a meter is calculated.

제1포토 다이오드(PD1)와 제2포토 다이오드(PD2)에 의해 검출된 신호인 제1간섭 신호와 제2간섭 신호를 각각 I1(t) 및 I2(t)라 하면, 이들은 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.If the first interference signal and the second interference signal, which are signals detected by the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2, are I 1 (t) and I 2 (t), respectively, It can be expressed as an expression.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서,

Figure pat00004
와
Figure pat00005
는 각각 제1간섭 신호와 제2간섭 신호의 평균 직류 오프셋이고, σ1과 σ2는 각각 제1간섭 신호와 제2간섭 신호의 표준 편차이다.here,
Figure pat00004
Wow
Figure pat00005
Are the average DC offsets of the first interference signal and the second interference signal, respectively, and σ 1 and σ 2 are standard deviations of the first interference signal and the second interference signal, respectively.

크기가 A인 완전 사인파 신호에 대해 표준 편차 σ는

Figure pat00006
이다. 그리고 제2되반사 프리즘(PR2)은 자유 낙하를 통해 제1되반사 프리즘(PR2) 방향으로 이동하며, 따라서 수학식 3에 따른 제1간섭 신호 I1(t)와 제2간섭 신호 I2(t) 사이의 상대적인 위상 차이는 +π/2에서 -π/2까지π만큼 변한다.For a full sine wave signal of magnitude A, the standard deviation
Figure pat00006
to be. In addition, the second reflecting prism PR2 moves in the direction of the first reflecting prism PR2 through free fall, and accordingly, the first interference signal I 1 (t) and the second interference signal I 2 ( The relative phase difference between t) varies by π from + π / 2 to -π / 2.

제1간섭 신호 I1(t)가 2π의 위상 간격 내에서 두 차례 발생하는 영 교차 시점에 제2간섭 신호 I2(t)의 부호를 분석하면, 수학식 3의 위상 천이량은 다음의 수학식과 같다.When the sign of the second interference signal I 2 (t) is analyzed at the zero crossing point where the first interference signal I 1 (t) occurs twice within the phase interval of 2π, the amount of phase shift in Equation 3 is Same as the equation.

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, q는 π만큼의 위상 경과된 수를 계수한 정수이고, φ(t)는 다음의 수학식과 같이 이동 방향에 종속적인 연속 함수이다.Here, q is an integer that counts the number of phase elapsed by π, and φ (t) is a continuous function dependent on the moving direction as shown in the following equation.

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서, -π/2≤φ(t)<π/2이다.Here, -π / 2≤φ (t) <π / 2.

따라서 본 발명에서 반 간섭무늬 계수 q는 제2간섭 신호 I2(t)의 매 번의 영 교차 시점에 제1간섭 신호 I1(t)의 부호에 따라 1씩 증가한다. 이는 측정 암이 이동 방향을 변경할 때 제1간섭 신호 I1(t)와 제2간섭 신호 I2(t) 사이의 상대적인 π의 위상 천이에 기인하기 때문이다. Thus half interferogram coefficient q in the present invention is increased by one depending on the sign of the first interference signal I 1 (t) in every single zero crossing point of the second interference signal I 2 (t). This is because the phase shift of π between the first interference signal I 1 (t) and the second interference signal I 2 (t) when the measuring arm changes the moving direction.

따라서 수학식 5와 같은 위상 천이 φ(t)는 수학식 3으로 표현되는 직교하는 간섭 신호들의 선험적인 DC 오프셋과 신호 크기를 알면 직교하는 간섭 신호들을 이용하여 실시간으로 계산될 수 있다. 그리고 중력 가속도 계산부(120)는 다음의 수학식에 의해 실시간으로 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하 거리 ΔL을 계산할 수 있다.Therefore, the phase shift φ (t) as shown in Equation 5 can be calculated in real time using the orthogonal interfering signals if the prior DC offset and signal magnitude of the orthogonal interfering signals represented by Equation 3 are known. In addition, the gravitational acceleration calculation unit 120 may calculate the free fall distance ΔL of the second reflective reflection prism PR2 in real time by the following equation.

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서, q는 π만큼의 위상 경과된 수를 계수한 정수, N은 OFS 차수이고, φ(t)는 다음의 수학식과 같이 이동 방향에 종속적인 연속 함수이다.Here, q is an integer that counts the number of phase elapsed by π, N is an OFS order, and φ (t) is a continuous function dependent on the moving direction as shown in the following equation.

수학식 6으로부터 종래의 마이켈슨 간섭계에서 λ/2의 간섭 무늬 간격은 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치에서 2N 배로 세분된다. 이때 N은 OFS 차수로부터 도출되고, 2는 EFS 기법으로부터 도출된다. 원칙 증명 실험에 따르면 OFS 차수 N은 21이고, 따라서 디지털 간섭 무늬 간격의 세분화 배수는 42이다. 다음으로 중력 가속도 계산부(120)는 다음의 수학식에 의해 중력 가속도를 산출한다.From Equation 6, in the conventional Michelson interferometer, the interference fringe spacing of λ / 2 is subdivided by 2N times in the gravitational acceleration measuring apparatus according to the present invention. Where N is derived from the OFS order and 2 is derived from the EFS technique. The proof-of-principle experiment shows that the OFS order N is 21, so the segmentation multiple of the digital interference fringe spacing is 42. Next, the gravity acceleration calculation unit 120 calculates the gravity acceleration by the following equation.

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서, g는 중력 가속도이고, △t는 제2되반사 프리즘(PR2)의 이동 시간으로서 중력 가속도 계산부(120) 내에 구비된 원자시계 또는 GPS 신호에 동기된 주파수 합성기에 의해 1×10-10 이하의 정확도로 측정하며 절대 중력 가속도 값의 측정 오차에는 영향을 미치지 않는다.Here, g is gravity acceleration, and Δt is a moving time of the second antireflection prism PR2, which is 1 × 10 -10 by a frequency synthesizer synchronized with an atomic clock or a GPS signal provided in the gravity acceleration calculation unit 120. Measured with the following accuracy, it does not affect the measurement error of the absolute gravity acceleration value.

이와 같이 본 발명에 따른 호모다인 마이켈슨 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치(100)는 광학 간섭계의 두 개의 수직한 간섭신호를 기초로 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유낙하 거리 △L을 수학식 7에 의해 시간의 함수로 측정한 후 최소 자승법으로 조정하여 중력 가속도 g를 계산한다. 한편 자유낙하 거리 △L은 시간 t2에 비례하므로, 간섭무늬의 제로크로싱 시간이 점점 줄어든다. 따라서 간섭무늬의 제로크로싱 시간을 계수하지 않고 외부에 위치한 원자시계로 조절된 일정한 시간 간격(예를 들면, 100 ns)마다 수직한 두 간섭무늬 신호 중 하나(예를 들면, I1(t))를 측정하여 최소 자승법으로 조정하여 중력 가속도 g를 계산할 수도 있다. 물론 이 경우에도 자유낙하 거리 △L을 산출하기 위해 도 1에 도시된 바와 같은 호모다인 마이켈슨 간섭계가 필요하다.As such, the gravity acceleration measuring apparatus 100 using the homodyne Michelson interferometer according to the present invention calculates the free fall distance ΔL of the second antireflection prism PR2 based on two perpendicular interference signals of the optical interferometer. Calculate the gravitational acceleration g by measuring it as a function of time and adjusting it with the least squares method. On the other hand, since the free fall distance ΔL is proportional to the time t 2 , the zero crossing time of the interference fringe is gradually reduced. Thus, one of two vertical interference pattern signals (for example, I 1 (t)) at regular time intervals (e.g. 100 ns) controlled by an external atomic clock without counting the zero crossing time of the interference fringes The gravitational acceleration g can also be calculated by measuring and adjusting by the least-squares method. Of course, even in this case, a homodyne Michelson interferometer as shown in Fig. 1 is required to calculate the free fall distance ΔL.

도 3은 초고도 분해능 다중 경로 헤테로다인 마이켈슨 간섭계(Multi-pass Heterodyne Michelson Interferometer)를 이용한 중력 가속도 측정 장치에 대한 바람직한 실시예의 구조를 도시한 도면이다.FIG. 3 shows the structure of a preferred embodiment of a device for measuring gravity acceleration using an ultra-high resolution multi-path heterodyne Michelson interferometer.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초고도 분해능 헤테로다인 마이켈슨 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치에 대한 바람직한 실시예(300)는 레이저 발생기(310), 비편광 빔 분리기(BS), 제1편광기(P1), 제1포토 다이오드(PD1), 편광 빔 분리기(PBS), 제1사분파장판(QW1), 제1전반사 거울(M1), 제2사분파장판(QW2), 제1되반사 프리즘(PR1), 제2되반사 프리즘(PR2), 제2전반사 거울(M2), 제2편광기(P2), 제2포토 다이오드(PD2), 중력 가속도 계산부(320) 및 구동부(330)로 구성된다.Referring to FIG. 3, a preferred embodiment 300 of an apparatus for measuring gravity acceleration using an ultrahigh resolution heterodyne Michelson interferometer according to the present invention includes a laser generator 310, a non-polarization beam splitter (BS), and a first polarizer ( P1), first photodiode PD1, polarization beam splitter PBS, first quarter wave plate QW1, first total reflection mirror M1, second quarter wave plate QW2, first antireflection prism PR1), a second retroreflective prism PR2, a second total reflection mirror M2, a second polarizer P2, a second photodiode PD2, a gravitational acceleration calculation unit 320, and a driving unit 330. .

레이저 발생기(310), 비분극 빔 분리기(BS), 제1편광기(P1) 및 제1포토 다이오드(PD1)는 동일 축 상에 배치된다. 레이저 발생기(310)는 서로 다른 주파수와 서로 수직한 편극을 갖는 제1레이저 빔(f1)과 제2레이저 빔(f2)을 출력한다. 일예로 제1레이저 빔과 제2레이저 빔의 주파수 차이는 기준 주파수 fr로서 fr=|f1-f2|=607 MHz이다. 또한 제1레이저 빔과 제2레이저 빔의 편극은 각각 수평편극(p편극)과 수직편극(s편극)이다. 비편광 빔 분리기(BS)는 입사된 제1레이저 빔과 제2레이저 빔을 각각 제1편광기(P1)와 편광 빔 분리기(PBS)로 분리한다. 그리고 편광 빔 분리기(PBS)는 입사된 빔을 편극에 따라 분리한다. 따라서 편광 빔 분리기(PBS)는 수직편극된 제2레이저 빔을 제1사분파장판(QW1)으로 분리하고, 수평편극된 제1레이저 빔을 제2사분파장판(QW2)로 분리한다. 제1사분파장판(QW1)은 제2레이저 빔이 제1전반사 거울(M1)에 의해 되돌아 올 때 편극을 정확히 수평편극되도록 하며, 제2사분파장판(QW2)은 제1레이저 빔이 제2전반사 거울(M2)에 의해 되돌아 올 때 편극을 정확히 수직편극되도록 한다. 또한 편광 빔 분리기(PBS)는 제1전반사 거울(M1)과 제2되반사 프리즘(PR2)으로부터 각각 입사된 제2레이저 빔과 제1레이저 빔을 제2편광기(P2)로 출력한다. 제1편광기(P1)와 제2편광기(P3)는 45°편광기이며, 따라서 제1포토 다이오드(PD1)와 제2포토 다이오드(PD2)로부터 출력되는 각각의 신호는 서로 수직한 레이저 빔 사이의 맥놀이 주파수이다. The laser generator 310, the non-polarized beam splitter BS, the first polarizer P1 and the first photodiode PD1 are disposed on the same axis. The laser generator 310 outputs a first laser beam f 1 and a second laser beam f 2 having polarization perpendicular to each other and at different frequencies. In one example, the frequency difference between the first laser beam and the second laser beam is f r = | f 1 -f 2 | = 607 MHz as the reference frequency f r . The polarization of the first laser beam and the second laser beam is a horizontal polarization (p polarization) and a vertical polarization (s polarization), respectively. The non-polarization beam splitter BS separates the incident first laser beam and the second laser beam into the first polarizer P1 and the polarization beam splitter PBS, respectively. The polarization beam splitter PBS separates the incident beam according to the polarization. Accordingly, the polarizing beam splitter PBS separates the vertically polarized second laser beam into the first quarter wave plate QW1 and separates the horizontally polarized first laser beam into the second quarter wave plate QW2. The first quarter wave plate QW1 causes the polarization to be exactly horizontally polarized when the second laser beam is returned by the first total reflection mirror M1, and the second quarter wave plate QW2 has the second laser beam as the second laser beam. When returned by the total reflection mirror M2, the polarization is exactly vertically polarized. In addition, the polarizing beam splitter PBS outputs the second laser beam and the first laser beam respectively incident from the first total reflection mirror M1 and the second back reflection prism PR2 to the second polarizer P2. The first polarizer P1 and the second polarizer P3 are 45 ° polarizers, so that the signals output from the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 are beats between the laser beams perpendicular to each other. Frequency.

제1되반사 프리즘(PR1)과 제2되반사 프리즘(PR2)은 도 2에 도시된 바와 같이 빗변면이 서로 평행하게 마주보도록 배치된 동일한 크기의 등변 직각 프리즘이다. 이때 제2사분파장판(QW2)을 통과한 제1레이저 빔이 제2되반사 프리즘(PR2)의 빗변면으로 입사되도록 제1되반사 프리즘(PR1)은 제2되반사 프리즘(PR2)에 대해 D만큼의 횡변위를 갖도록 배치된다. 또한 다중 경로 차수 N이 홀수가 되도록 수학식 1에 기초하여 제1되반사 프리즘(PR1)과 제2되반사 프리즘(PR2)의 빗변의 길이 L과 횡변위 D가 설정된다. The first reflecting prism PR1 and the second reflecting prism PR2 are equilateral right angle prisms of the same size arranged such that the hypotenuses face each other in parallel as shown in FIG. 2. At this time, the first reflecting prism PR1 is applied to the second reflecting prism PR2 such that the first laser beam passing through the second quarter wave plate QW2 is incident on the hypotenuse of the second reflecting prism PR2. It is arranged to have a lateral displacement of D. Further, the length L and the lateral displacement D of the hypotenuse of the first and second reflecting prisms PR1 and PR2 are set based on Equation 1 such that the multipath order N is odd.

한편 제1포토 다이오드(PD1)는 제2레이저 빔과 제1레이저 빔의 주파수 차이에 해당하는 주파수를 갖는 제1신호(fr=|f2-f1|)를 출력한다. 그리고 제2포토 다이오드(P2)는 제2레이저 빔과 제1레이저 빔의 주파수 차이에 도 2에 도시된 바와 같은 광학 간섭계(200)의 OFS 차수와 이동 암의 이동에 따른 주파수 편이를 곱한 값을 더한 값에 해당하는 맥놀이 주파수를 갖는 제2신호(fm=|f2-f1+N·fD|)를 출력한다. 중력 가속도 계산부(320)는 고속 3 채널 데이터 획득 보드를 통해 제1포토 다이오드(PD1)와 제2포토 다이오드(PD2)로부터 제1신호 및 제2신호를 입력받는다. 그리고 중력 가속도 계산부(320)는 제1포토 다이오드(PD1)와 제2포토 다이오드(PD2)로부터 입력된 제1신호와 제2신호를 혼합하여 중간 주파수 신호(fr-fm 또는 fr+fm)를 출력하는 믹서와 믹서로부터 출력되는 두 개의 중간 주파수 신호 중에서 fr-fm의 주파수를 갖는 신호만을 선택적으로 통과시키는 저역 통과 필터를 구비한다. 따라서 중력 가속도 계산부(320)는 저역 통과 필터로부터 출력되는 신호의 주파수 |fr-fm|를 측정값으로 얻게 된다.Meanwhile, the first photodiode PD1 outputs a first signal f r = | f 2 -f 1 | having a frequency corresponding to a frequency difference between the second laser beam and the first laser beam. The second photodiode P2 multiplies the frequency difference between the second laser beam and the first laser beam by the OFS order of the optical interferometer 200 and the frequency shift according to the movement of the moving arm as shown in FIG. 2. The second signal f m = | f 2 -f 1 + N · f D | is outputted having the beat frequency corresponding to the added value. The gravitational acceleration calculator 320 receives the first signal and the second signal from the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 through the high-speed three-channel data acquisition board. In addition, the gravitational acceleration calculation unit 320 mixes the first signal and the second signal input from the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 to an intermediate frequency signal f r -f m or f r +. f m ) and a low pass filter for selectively passing only a signal having a frequency of f r -f m from two intermediate frequency signals output from the mixer. Therefore, the gravitational acceleration calculation unit 320 obtains the frequency | f r -f m | of the signal output from the low pass filter as a measured value.

다음으로 중력 가속도 계산부(320)는 산출된 측정값을 기초로 나노미터 이하의 분해능을 갖는 중력 가속도를 계산한다. 이때 OFS 차수가 N인 헤테로다인 마이켈슨 간섭계에서 제1되반사 프리즘(PR1)을 통과하는 레이저 빔에 대해 시간 t0에서 t1까지 자유 낙하하는 제2되반사 프리즘(PR2)을 통과하는 레이저 빔의 위상 천이량 ΔΦ는 다음과 같이 정의된다.Next, the gravitational acceleration calculation unit 320 calculates gravitational acceleration having a resolution of nanometer or less based on the calculated measured value. In this case, the laser beam passing through the second antireflection prism PR2 which free-falls from time t 0 to t 1 with respect to the laser beam passing through the first antireflection prism PR1 in the heterodyne Michelson interferometer having an OFS order N. The phase shift amount ΔΦ of is defined as follows.

Figure pat00011
Figure pat00011

여기서, f* D는 다음의 수학식으로 정의된다.Here, f * D is defined by the following equation.

Figure pat00012
Figure pat00012

여기서, fD는 시간의 함수로서 (k·v)/(2π)로 정의되는 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하에 따른 도플러 주파수이고, fr은 제1포토 다이오드(PD1)로부터 출력되는 제1신호의 주파수이고, fm은 제2포토 다이오드(PD2)로부터 출력되는 제2신호의 주파수이다.Here, f D is the Doppler frequency according to the free fall of the second reflecting prism PR2 defined as (k · v) / (2π) as a function of time, and f r is the output from the first photodiode PD1. F m is the frequency of the second signal output from the second photodiode PD2.

따라서 중력 가속도 계산부(320)는 다음의 수학식에 의해 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하 거리 ΔL을 산출한다.Therefore, the gravitational acceleration calculation unit 320 calculates the free fall distance ΔL of the second reflection reflecting prism PR2 by the following equation.

Figure pat00013
Figure pat00013

여기서, k는 (2π)/λ로 정의되는 광학정수이다.Where k is an optical constant defined by (2π) / λ.

수학식 10에서 적분결과는 시간 t0에서 t1까지 중력 가속도 계산부(320)가 산출한 측정값인 |fr-fm|의 합산값이다. 마지막으로 중력 가속도 계산부(320)는 수학식 7에 의해 중력 가속도를 측정하며, 구체적인 연산절차는 도 1을 참조하여 설명한 호모다인 마이켈슨 간섭계를 이용한 중력 가속도 측정 장치(100)에 구비된 중력 가속도 계산부(130)에서 수행되는 연산절차와 동일하다. 그리고 수학식 10으로부터 종래의 마이켈슨 간섭계에서 λ/2의 간섭 무늬 간격은 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치(300)에서 N 배로 세분된다. 한편 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치(300)는 fD를 OFS 차수인 N 배만큼 증가시키는 효과를 얻을 수 있으며, 이는 곧 분해능의 세분화를 의미한다. 그리고 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치(300)에서 (fr-fm)(단, fr>fm)는 N·fD보다 크거나 같아야 한다. 또한 OFS 차수가 21인 경우에 두 레이저 빔의 주파수 차이인 fr이 20 MHz이면 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하 속도는 최대 12 m/s까지 가능하며, fr이 2 MHz이면 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하 속도는 최대 1.2 m/s까지 가능하다. 따라서 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하 속도의 한계는 두 레이저 빔의 주파수 차이를 증가시킴으로써 해결할 수 있다.In Equation 10, the integrated result is the sum of | f r -f m |, which is a measured value calculated by the gravitational acceleration calculation unit 320 from the time t 0 to t 1 . Finally, the gravitational acceleration calculation unit 320 measures the gravitational acceleration according to Equation 7, and the detailed operation procedure is the gravitational acceleration provided in the gravitational acceleration measuring apparatus 100 using the homodyne Michelson interferometer described with reference to FIG. It is the same as the calculation procedure performed by the calculation unit 130. In the conventional Michelson interferometer from Equation 10, the interference fringe spacing of λ / 2 is subdivided by N times in the gravitational acceleration measuring apparatus 300 according to the present invention. Meanwhile, the apparatus for measuring gravity acceleration 300 according to the present invention can obtain an effect of increasing f D by N times the OFS order, which means a resolution resolution. In the apparatus for measuring gravity acceleration 300 according to the present invention, (f r -f m ) (where f r > f m ) should be greater than or equal to N · f D. In addition, when the OFS order is 21, if the frequency difference f r of the two laser beams is 20 MHz, the free fall speed of the second reflecting prism PR2 can be up to 12 m / s, and if f r is 2 MHz, The free fall speed of the two-reflective prism PR2 can be up to 1.2 m / s. Therefore, the limit of the free fall speed of the second reflecting prism PR2 can be solved by increasing the frequency difference between the two laser beams.

도 3을 참조하여 설명한 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치(300)의 경우에도 레이저 발생기(310), 중력 가속도 계산부(320) 및 구동부(330)를 제외한 나머지 구성요소로 이루어지는 광학 간섭계는 케이스(340) 내에 수용되는 것이 바람직하다. 이 경우 레이저 발생기(310)에 의해 발생된 레이저 빔은 광섬유에 의해 케이스(340) 내로 유도되며, 케이스의 구조 및 내부 조건은 도 1을 참조하여 설명한 중력 가속도 측정 장치(100)의 경우와 동일하다.In the gravity acceleration measuring apparatus 300 according to the present invention described with reference to FIG. 3, the optical interferometer including the components other than the laser generator 310, the gravity acceleration calculating unit 320, and the driving unit 330 may include a case ( Preferably contained within 340. In this case, the laser beam generated by the laser generator 310 is guided into the case 340 by the optical fiber, and the structure and internal conditions of the case are the same as those of the gravity acceleration measuring apparatus 100 described with reference to FIG. 1. .

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치(200, 300)의 OFS 차수 N은 제1되반사 프리즘(PR1)과 제2되반사 프리즘(PR2) 사이의 횡변위 정도를 변경함으로써 수학식 1에 의해 조절할 수 있다. 따라서 최대 차수 Nmax는 D=d(즉, 레이저 빔의 직경이 횡변위 D와 같을 때)인 경우에 L/d+1로 주어진다. 이때 L은 프리즘의 빗변면의 길이이다. 따라서 빗변면의 길이가 28 mm인 한 쌍의 AR 코팅된 직각 프리즘과 직경이 1.4 mm인 레이저 빔을 사용하면 간섭계의 최대 OFS 차수는 21이 된다. As described above, the OFS order N of the gravity acceleration measuring apparatuses 200 and 300 according to the present invention is expressed by Equation 1 by changing the degree of lateral displacement between the first antireflection prism PR1 and the second antireflection prism PR2. Can be adjusted by Thus, the maximum order N max is given by L / d + 1 when D = d (ie, when the diameter of the laser beam is equal to the lateral displacement D). L is the length of the hypotenuse of the prism. Thus, using a pair of AR-coated right angle prisms with 28 mm in length of the hypotenuse and a laser beam of 1.4 mm in diameter, the maximum OFS order of the interferometer is 21.

도 4는 케이스 및 내부에 배치된 제2되반사 소자와 이송 수단의 제1실시예를 도시한 도면이다.4 is a view showing a first embodiment of the case and the second reflecting element and the conveying means disposed therein.

도 4를 참조하면, 케이스(400)의 하면은 제2되반사 프리즘(PR2)의 빗면에 대응하는 영역에 레이저 빔이 통과할 수 있는 구조를 가지고 있다. 그리고 케이스(400) 내에 배치되는 제2되반사 프리즘(PR2)은 케이스(400)의 내벽과 충돌하지 않도록 일정한 간격(a)만큼 이격되어 있다. 또한 케이스(400) 내벽의 일정 지점에는 제2되반사 프리즘(PR2)를 정지시키기 위한 돌출부(410, 420)가 형성되어 있다. 한편 t0 시점에 케이스(400) 내부에 배치된 압전소자에 전원을 공급하면, 압전소자가 연장되어 제2되반사 프리즘(PR2)이 h0의 높이로 이송된다. 그리고 t1 시점에 압전소자로의 전원공급을 차단하면, 제2되반사 프리즘(PR2)은 자유 낙하를 통해 돌출부(410, 420)가 형성되어 있는 h1의 높이까지 하강하게 된다. 나아가 제2되반사 소자(PR2)를 지지하는 지지부재(430, 440)에는 상방으로 솟아오른 가이드 구조가 형성되어 있다. 압전소자와 같은 이송수단의 일단부는 이와 같은 가이드 구조에 대응하도록 변경된다. 이에 의해 이송수단이 제2되반사 소자(PR2)를 흔들임 없이 지지할 수 있게 된다. Referring to FIG. 4, the lower surface of the case 400 has a structure in which a laser beam may pass through a region corresponding to the inclined surface of the second reflecting prism PR2. In addition, the second reflection reflecting prism PR2 disposed in the case 400 is spaced apart by a predetermined interval a so as not to collide with the inner wall of the case 400. In addition, protrusions 410 and 420 for stopping the second reflection reflecting prism PR2 are formed at a predetermined point on the inner wall of the case 400. On the other hand, when power is supplied to the piezoelectric element disposed inside the case 400 at time t 0 , the piezoelectric element is extended to transfer the second reflecting prism PR2 to the height of h 0 . When the power supply to the piezoelectric element is cut off at a time t 1 , the second reflection reflecting prism PR2 descends to the height of h 1 at which the protrusions 410 and 420 are formed through free fall. Furthermore, a guide structure that rises upward is formed in the support members 430 and 440 that support the second reflective element PR2. One end of the transfer means such as the piezoelectric element is changed to correspond to such a guide structure. As a result, the conveying means can support the second reflecting element PR2 without shaking.

도 5는 케이스 및 내부에 배치된 제2되반사 소자와 이송 수단의 제2실시예를 도시한 도면이다.5 is a view showing a second embodiment of the case and the second reflecting element and the conveying means disposed therein.

도 5를 참조하면, 케이스(500)의 하면은 제2되반사 프리즘(PR2)의 빗면에 대응하는 영역에 레이저 빔이 통과할 수 있는 구조를 가지고 있다. 그리고 케이스(500) 내에 배치되는 제2되반사 프리즘(PR2)은 케이스(500)의 내벽과 충돌하지 않도록 일정한 간격(a)만큼 이격되어 있다. 또한 케이스(500) 내벽의 일정 지점에는 제2되반사 프리즘(PR2)를 정지시키기 위한 돌출부(510, 520)가 형성되어 있다. 한편 t0 시점에 케이스(500) 상측에 배치된 전자석(550, 560)에 전원이 공급되면, 제2되반사 프리즘(PR2)은 전자석(550, 560)의 자력에 의해 h0의 높이까지 이송된다. 이를 위해 제2되반사 프리즘(PR2)를 지지하는 지지체는 자성체로 제작된다. 그리고 t1 시점에 케이스(500) 상측에 배치된 전자석(550, 560)에 전원공급을 차단하면, 제2되반사 프리즘(PR2)은 자유 낙하를 통해 돌출부(510, 520)가 형성되어 있는 h1의 높이까지 하강하게 된다. Referring to FIG. 5, the lower surface of the case 500 has a structure in which a laser beam may pass through a region corresponding to the inclined surface of the second reflecting prism PR2. The second reflection reflecting prism PR2 disposed in the case 500 is spaced apart by a predetermined distance a so as not to collide with the inner wall of the case 500. In addition, protrusions 510 and 520 for stopping the second reflecting prism PR2 are formed at a predetermined point on the inner wall of the case 500. On the other hand, when power is supplied to the electromagnets 550 and 560 disposed above the case 500 at time t 0 , the second reflecting prism PR2 is transferred to the height of h 0 by the magnetic force of the electromagnets 550 and 560. do. To this end, the support for supporting the second reflecting prism PR2 is made of a magnetic material. When the power supply is cut off to the electromagnets 550 and 560 disposed above the case 500 at time t 1 , the second reflection reflecting prism PR2 has the protrusions 510 and 520 formed through free fall. It goes down to the height of 1 .

도 6에는 제2되반사 프리즘(PR2)에서 검출된 N 개의 다중 경로를 거친 레이저 빔의 광학 세기와 3에서 21까지의 OFS 차수 각각에 대응되는 간섭 신호의 크기가 도시되어 있다. N=14인 코너 큐브 되반사기를 사용하는 종래의 다중 경로 간섭계는 단지 입력 파워의 5 %만 검출모듈에 도달한다. 그러나 도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치(100)는 N=21인 경우에는 N=3인 경우의 파워인 0.82 ㎼의 약 34 %가 도달한다. 그리고 이는 100 ㎷의 신호크기를 생성하기에 충분하다. 따라서 프리즘의 대각변 길이를 약 2.5 배 증가시킴으로써 바람직한 신호 크기를 가진 50 이상의 OFS 차수를 용이하게 얻을 수 있다. FIG. 6 shows the optical intensity of the N multipath laser beam detected by the second retroreflective prism PR2 and the magnitude of the interference signal corresponding to each of the 3 to 21 OFS orders. Conventional multipath interferometers using a corner cube reflector with N = 14 only reach 5% of the input power to the detection module. However, as can be seen in Figure 1, the gravity acceleration measuring apparatus 100 according to the present invention reaches about 34% of the power of 0.82 kW when N = 3 when N = 21. And this is enough to produce a signal amplitude of 100 Hz. Therefore, by increasing the diagonal length of the prism by about 2.5 times, it is easy to obtain an OFS order of 50 or more with the desired signal size.

도 7a 내지 도 7d는 각각 주파수가 5 Hz이고 크기가 70 V인 톱니 형태의 파형을 도 1에 도시된 바와 같은 호모다인 마이켈슨 간섭계를 구비한 중력 가속도 측정 장치의 이송수단을 구동하는 압전소자에 가해졌을 때 OFS 차수가 각각 1, 9, 15 및 21에 대응하여 측정된 간섭 신호를 도시한 도면이다. 이때 압전소자는 60 nm/V의 변위 기울기를 가지며, 따라서 전체 변위 L은 8.4 ㎛이다. 도 7a 내지 도 7d를 참조하면, OFS 차수를 증가시킴에 따라 간섭 프린지 간격은 λ/2에서 점차로 λ/42로 점차 감소한다. 간섭 신호들은 변환점 근처를 제외하고 46 dB보다 큰 신호대 간섭비를 가지며, 8 ㎛ 이상의 이송 거리에 대해 일정한 크기를 가지며, 이로부터 본 발명에 따른 간섭계가 평행한 OFS 특성을 가짐을 알 수 있다. 또한 수학식 6으로부터 OFS 차수가 21인 경우에 프린지 간격은 λ/2N=15 nm이며, 이는 8 ㎛ 이상의 거리 측정 범위에 대해 OFS 기법과 관련하여 현재까지 알려진 가장 작은 프린지 간격이다.7A to 7D show piezoelectric elements for driving a conveying means of a gravitational acceleration measuring apparatus having a homodyne Michelson interferometer as shown in FIG. FIG. 1 shows interference signals measured when the OFS orders are applied corresponding to 1, 9, 15, and 21, respectively. At this time, the piezoelectric element has a displacement slope of 60 nm / V, and thus the total displacement L is 8.4 μm. 7A to 7D, as the OFS order is increased, the interference fringe spacing gradually decreases from λ / 2 to λ / 42. The interfering signals have a signal-to-interference ratio greater than 46 dB except near the conversion point, and have a constant size for a transport distance of 8 μm or more, from which it can be seen that the interferometer according to the present invention has parallel OFS characteristics. In addition, the fringe spacing in the case of OFS order 21 from Equation 6 is λ / 2N = 15 nm, which is the smallest fringe spacing known to date with the OFS technique for a distance measuring range of 8 μm or more.

실시간으로 간섭 신호 I1(t)와 I2(t)를 측정하고, 수학식 6에 주어진 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하 거리 ΔL을 계산하기 위해, 인터페이스 카드를 통해 컴퓨터에 연결된 132 MByte/s의 시스템 대역폭을 가진 고속 아날로그-디지털 변환기 보드(제품명: 내셔널 인스트루먼트 사의 PXI-6221)를 사용하였다. 각각의 A/D 채널은 80 kHz의 샘플링 주파수와 16 비트 A/D 변환 해상도를 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치에서 샘플링 주파수 fs는 수학식 6으로부터 도출된 관계에 의해 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하 속도를 제한한다. 제2되반사 프리즘(PR2)이 최대 속도 vmax로 자유 낙하할 때 OFS 차수가 N이고 레이저 빔의 파장이 λ일 경우에 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치의 간섭 프린지 주파수는 다음의 수학식으로 정의된다.In order to measure the interfering signals I 1 (t) and I 2 (t) in real time, and to calculate the free fall distance ΔL of the second retroreflective prism PR2 given in equation (6) 132 connected to the computer via an interface card. A high-speed analog-to-digital converter board with a system bandwidth of MByte / s (National Instruments PXI-6221) was used. Each A / D channel has a sampling frequency of 80 kHz and 16-bit A / D conversion resolution. Therefore, in the gravity acceleration measuring apparatus according to the present invention, the sampling frequency f s limits the free fall speed of the second antireflection prism PR2 by the relationship derived from Equation 6. The interference fringe frequency of the gravitational acceleration measuring device according to the present invention when the OFS order is N and the wavelength of the laser beam is λ when the second reflecting prism PR2 free falls at the maximum speed v max is expressed by the following equation. Is defined.

Figure pat00014
Figure pat00014

수학식 11의 우측 식에서 첫 번째 1/2의 분모 2는 전자적 세분 기법으로부터 도출되며, 두 번째 1/2의 분모 2는 나이퀴스트 이론으로부터 도출된다. 따라서 OFS 차수가 21인 경우에 측정가능한 최대 속도는 다음의 수학식으로 주어진다.In the right equation of Equation 11, the denominator 2 of the first half is derived from the electronic subdivision technique, and the denominator 2 of the second 1/2 is derived from the Nyquist theory. Therefore, when the OFS order is 21, the maximum measurable velocity is given by the following equation.

Figure pat00015
Figure pat00015

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치는 OFS 차수를 20 이상으로 증가시키기 위해 한 쌍의 등변 직각 프리즘을 가진 평행 광학 다중 경로 형태에 기초한 간단한 초고도의 분해능을 갖는다. 그리고 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치는 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하 방향과 평행하게 다중 반사가 발생하므로, 원칙적으로 나노미터 이하의 분해능으로 장거리 범위에서 자유 낙하 거리를 측정할 수 있다. 또한 λ/2의 EFS 기법이 매 π의 위상 천이마다 명확한 양방향 간섭 무늬 계수와 신호 평준화 과정없이 나노미터 이하의 분해능으로 실시간 부분 변위 측정에 적용될 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 중력 가속도 측정 장치는 나노미터 이하의 분해능으로 장거리 범위에서 제2되반사 프리즘(PR2)의 자유 낙하 거리를 측정할 수 있으므로, 1 ㎜ 이하의 자유낙하 거리를 가지고도 정밀한 중력 가속도의 측정이 가능하게 된다.The gravity acceleration measuring apparatus according to the present invention as described above has a simple ultra-high resolution based on a parallel optical multipath shape having a pair of equilateral right angle prisms to increase the OFS order to 20 or more. In the gravity acceleration measuring apparatus according to the present invention, since multiple reflections occur in parallel with the free fall direction of the second reflecting prism PR2, the free fall distance can be measured over a long range with a resolution of less than or equal to nanometers. . In addition, the λ / 2 EFS technique can be applied to real-time partial displacement measurements with sub-nanometer resolution without a clear bidirectional interference fringe coefficient and signal equalization at every π phase shift. Thus, the gravity acceleration measuring device according to the present invention can measure the free fall distance of the second reflection reflecting prism (PR2) in the long distance range with a resolution of less than nanometer, so that even with a free fall distance of 1 mm or less The acceleration can be measured.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.

Claims (10)

사전에 설정된 파장의 레이저 빔을 출력하는 레이저 발생기;
상기 레이저 빔을 서로 직교하는 제1경로와 제2경로로 분리하고, 상기 제1경로와 상기 제2경로로부터 입사된 레이저 빔을 상기 제1경로와 수직한 제3경로로 출력하는 제1비편광 빔 분리기;
상기 제1경로로 분리된 레이저 빔을 입력받아 수직 편광 성분만을 출력하는 제1편광기;
상기 제1편광기를 통과한 수직 평광 성분의 레이저 빔을 전반사하는 제1전반사 소자;
상기 제2경로로 분리된 레이저 빔을 입력받아 수평 편광 성분만을 출력하는 제2편광기;
제1직각 프리즘, 빗면이 상기 제1직각 프리즘의 빗면과 서로 평행하게 대향되도록 이격되어 배치되는 제2직각 프리즘, 상기 제2편광기를 통과하고 상기 제2직각 프리즘의 빗면으로 입사되어 상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘 내에서 전내부반사를 거쳐 상기 제1직각 프리즘의 빗면을 통해 출사된 레이저 빔이 상기 제1직각 프리즘의 출사지점으로 되돌아가도록 전반사시키는 제2전반사 소자, 및 상기 제2직각 프리즘을 중력방향의 반대방향으로 제1위치로부터 제2위치까지 이송하는 이송수단을 포함하며, 상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘은 빗면의 폭방향으로 일정한 거리만큼 어긋나게 횡변위를 가지도록 배치되고, 상기 제2직각 프리즘은 상기 제2위치로부터 상기 제1위치까지 자유 낙하하는 광학 간섭계;
상기 제1비편광 빔 분리기로부터 상기 제3경로로 출력된 레이저 빔을 입력받아 서로 직교하는 제4경로와 제5경로로 분리하는 제2비편광 빔 분리기;
상기 제4경로로 분리된 레이저 빔을 검출하여 제1간섭 신호를 출력하는 제1수광소자;
상기 제5경로로 분리된 레이저 빔을 검출하여 제2간섭 신호를 출력하는 제2수광소자; 및
서로 직교하는 상기 제1간섭 신호와 상기 제2간섭 신호를 기초로 간섭 무늬 계수와 연속적인 위상 측정을 수행하여 사전에 설정된 시간 동안 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 거리를 계산하고, 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 거리를 기초로 중력 가속도를 산출하는 중력 가속도 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중력 가속도 측정 장치.A laser generator for outputting a laser beam of a preset wavelength;
A first non-polarization that separates the laser beam into a first path and a second path that are orthogonal to each other, and outputs a laser beam incident from the first path and the second path as a third path perpendicular to the first path Beam splitter;
A first polarizer which receives the laser beam separated by the first path and outputs only a vertical polarization component;
A first total reflection element for totally reflecting the laser beam of the vertical flatness component passing through the first polarizer;
A second polarizer that receives the laser beam separated by the second path and outputs only a horizontal polarization component;
A first rectangular prism, a second rectangular prism spaced apart from one another so as to face in parallel to the first plane of the first prism; and a second rectangular prism passing through the second polarizer and incident on the second plane of the second rectangular prism, the first rectangular prism A second total reflection element for totally reflecting the laser beam emitted through the inclined surface of the first rectangular prism through the total internal reflection in the prism and the second rectangular prism to return to the exit point of the first rectangular prism; and the second And a conveying means for transferring the rectangular prism from the first position to the second position in a direction opposite to the gravitational direction, wherein the first rectangular prism and the second rectangular prism are laterally displaced by a predetermined distance in the width direction of the inclined surface. An optical interferometer, the second rectangular prism freely falling from the second position to the first position;
A second non-polarization beam splitter configured to receive the laser beam output from the first non-polarization beam splitter in the third path and separate the fourth beam and the fifth path perpendicular to each other;
A first light receiving element which detects a laser beam separated by the fourth path and outputs a first interference signal;
A second light receiving element which detects a laser beam separated by the fifth path and outputs a second interference signal; And
Based on the first interference signal and the second interference signal orthogonal to each other, the interference fringe coefficient and the continuous phase measurement are performed to calculate the free fall distance of the second rectangular prism for a preset time, and the second rectangular angle Gravity acceleration measuring unit for calculating the acceleration of gravity based on the free fall distance of the prism. 제 1항에 있어서,
상기 중력 가속도 계산부는 다음의 수학식에 의해 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 거리 ΔL을 계산하는 것을 특징으로 하는 중력 가속도 측정 장치:
[수학식 B]
Figure pat00016

[수학식 C]
Figure pat00017

[수학식 D]
Figure pat00018

수학식 B 내지 수학식 D에서,
Figure pat00019
와
Figure pat00020
는 각각 상기 제1간섭 신호 I1(t)와 상기 제2간섭 신호 I2(t)의 평균 직류 오프셋, σ1과 σ2는 각각 상기 제1간섭 신호 I1(t)와 상기 제2간섭 신호 I2(t)의 표준 편차, N은 상기 광학 간섭계의 OFS 차수, q는 π만큼의 위상 경과된 수를 계수한 정수, 그리고, φ(t)는 -π/2≤φ(t)<π/2를 만족하는 연속 함수이다.The method of claim 1,
The gravitational acceleration calculation unit calculates a free fall distance ΔL of the second rectangular prism by the following equation: Gravity acceleration measuring apparatus:
Equation B
Figure pat00016

Equation C
Figure pat00017

[Equation D]
Figure pat00018

In Equations B to D,
Figure pat00019
Wow
Figure pat00020
Are the average DC offsets of the first interference signal I 1 (t) and the second interference signal I 2 (t), respectively, and σ 1 and σ 2 are the first interference signal I 1 (t) and the second interference, respectively. The standard deviation of the signal I 2 (t), N is the OFS order of the optical interferometer, q is an integer that counts the number of phase elapsed by π, and φ (t) is -π / 2≤φ (t) < Continuous function that satisfies π / 2. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 이송 수단은 선형 이동거치대나 원형 켐에 설치되어 중력에 수직한 방향으로 이송하는 압전소자 또는 전자기 소자인 것을 특징으로 하는 중력 가속도 측정 장치.3. The method according to claim 1 or 2,
The conveying means is a gravity acceleration measuring device, characterized in that the piezoelectric element or an electromagnetic element which is installed in a linear movement cradle or a circular chem to convey in a direction perpendicular to the gravity. 제1주파수와 제1편극방향을 갖는 제1레이저 빔과 상기 제1주파수보다 큰 제2주파수와 상기 제1편극방향에 수직인 제2편극방향을 갖는 제2레이저 빔을 출력하는 레이저 발생기;
상기 제1레이저 빔과 상기 제2레이저 빔 각각을 서로 직교하는 제1경로와 제2경로로 분리하는 비편광 빔 분리기;
상기 제2경로로 분리된 제1레이저 빔을 상기 제2경로와 동일한 광축상의 제3경로로 출력하고, 상기 제2경로로 분리된 제2레이저 빔을 상기 제2경로와 수직하는 제4경로로 출력하며, 상기 제3경로로부터 입력된 제1레이저 빔과 상기 제4경로로부터 입력된 제2레이저 빔을 상기 제4경로와 수직하는 제5경로로 출력하는 편광 빔 분리기;
상기 제4경로로 분리된 제2레이저 빔을 전반사하는 제1전반사 소자;
제1직각 프리즘, 빗면이 상기 제1직각 프리즘의 빗면과 서로 평행하게 대향되도록 이격되어 배치되는 제2직각 프리즘, 상기 제2편광기를 통과하고 상기 제2직각 프리즘의 빗면으로 입사되어 상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘 내에서 전내부반사를 거쳐 상기 제1직각 프리즘의 빗면을 통해 출사된 레이저 빔이 상기 제1직각 프리즘의 출사지점으로 되돌아가도록 전반사시키는 제2전반사 소자, 및 상기 제2직각 프리즘을 중력방향의 반대방향으로 제1위치로부터 제2위치까지 이송하는 이송수단을 포함하며, 상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘은 빗면의 폭방향으로 일정한 거리만큼 어긋나게 횡변위를 가지도록 배치되고, 상기 제2직각 프리즘은 상기 제2위치로부터 상기 제1위치까지 자유 낙하하는 광학 간섭계;
상기 제1경로 상에 배치되며, 상기 비편광 빔 분리기로부터 입력된 상기 제1레이저 빔과 상기 제2레이저 빔의 맥놀이 주파수를 검출하여 제1신호를 출력하는 제1수광소자;
상기 제5경로 상에 배치되며, 상기 편광 빔 분리기로부터 입력된 상기 제1레이저 빔과 상기 제2레이저 빔의 맥놀이 주파수를 검출하여 제2신호를 출력하는 제2수광소자; 및
상기 제1신호와 상기 제2신호를 입력받아 상기 제1신호와 상기 제2신호의 맥놀이 주파수 차이에 해당하는 측정값을 기초로 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 거리를 계산하고, 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 거리를 기초로 중력 가속도를 산출하는 중력 가속도 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중력 가속도 측정 장치.A laser generator for outputting a first laser beam having a first frequency and a first polarization direction, a second frequency greater than the first frequency, and a second laser beam having a second polarization direction perpendicular to the first polarization direction;
A non-polarization beam splitter that separates the first laser beam and the second laser beam into a first path and a second path that are orthogonal to each other;
A fourth path in which the first laser beam separated by the second path is output as a third path on the same optical axis as the second path, and the second laser beam separated by the second path is perpendicular to the second path A polarization beam splitter configured to output a first laser beam input from the third path and a second laser beam input from the fourth path to a fifth path perpendicular to the fourth path;
A first total reflection element that totally reflects the second laser beam separated by the fourth path;
A first rectangular prism, a second rectangular prism spaced apart from one another so as to face in parallel to the first plane of the first prism; and a second rectangular prism passing through the second polarizer and incident on the second plane of the second rectangular prism, the first rectangular prism A second total reflection element for totally reflecting the laser beam emitted through the inclined surface of the first rectangular prism through the total internal reflection in the prism and the second rectangular prism to return to the exit point of the first rectangular prism; and the second And a conveying means for transferring the rectangular prism from the first position to the second position in a direction opposite to the gravitational direction, wherein the first rectangular prism and the second rectangular prism are laterally displaced by a predetermined distance in the width direction of the inclined surface. An optical interferometer, the second rectangular prism freely falling from the second position to the first position;
A first light receiving element disposed on the first path and detecting a beat frequency of the first laser beam and the second laser beam input from the non-polarization beam splitter and outputting a first signal;
A second light receiving element disposed on the fifth path and configured to detect beat frequencies of the first laser beam and the second laser beam input from the polarization beam splitter and output a second signal; And
The free fall distance of the second rectangular prism is calculated based on a measurement value corresponding to the beat frequency difference between the first signal and the second signal by receiving the first signal and the second signal, and the second perpendicular angle. Gravity acceleration measuring unit for calculating the acceleration of gravity based on the free fall distance of the prism. 제 4항에 있어서,
상기 제1신호와 상기 제2신호는 다음의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 중력 가속도 측정 장치:
[수학식 E]
Figure pat00021

여기서, fr은 상기 제1신호, fm은 상기 제2신호, N은 상기 광학 간섭계의 OFS 차수, fD는 시간의 함수로서 (k·v)/(2π)(단, k는 광학정수이고, v는 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 속도)로 정의되는 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하에 따른 도플러 주파수이다.The method of claim 4, wherein
And the first signal and the second signal are expressed by the following equation:
[Equation E]
Figure pat00021

Where f r is the first signal, f m is the second signal, N is the OFS order of the optical interferometer, f D is (k · v) / (2π) as a function of time, where k is the optical constant And v is the Doppler frequency according to the free fall of the second right angle prism defined by the free fall rate of the second right angle prism. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
상기 중력 가속도 계산부는 다음의 수학식에 의해 상기 제2직각 프리즘의 자유 낙하 거리 △L을 계산하는 것을 특징으로 하는 중력 가속도 측정 장치:
[수학식 F]
Figure pat00022

[수학식 G]
Figure pat00023

수학식 F 및 수학식 G에서, f* D=N·fD=|fr-fm|이고, k는 (2π)/λ로 정의되는 광학정수이다.The method according to claim 4 or 5,
The gravity acceleration calculating unit calculates a free fall distance ΔL of the second rectangular prism by the following equation:
Equation F
Figure pat00022

[Equation G]
Figure pat00023

In equations (F) and (G), f * D = N · f D = | f r -f m |, and k is an optical constant defined by (2π) / λ. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
상기 제1전반사 소자 및 상기 제2전반사 소자는 직각 프리즘인 것을 특징으로 하는 중력 가속도 측정 장치.The method according to claim 1 or 4,
And the first total reflection element and the second total reflection element are orthogonal prisms. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘 사이의 횡변위는 상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘의 빗면의 폭을 상기 제1직각 프리즘과 상기 제2직각 프리즘 사이의 횡변위로 나눈 값이 짝수가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 중력 가속도 측정 장치.The method according to claim 1 or 4,
The lateral displacement between the first rectangular prism and the second rectangular prism is equal to a value obtained by dividing the width of the oblique side surface of the first rectangular prism and the second rectangular prism by the lateral displacement between the first rectangular prism and the second rectangular prism. Gravity acceleration measurement device, characterized in that set to be. 제 1항에 있어서,
상기 제1비편광 빔 분리기, 상기 제1편광기, 상기 제1전반사 소자, 상기 제2편광기, 상기 광학 간섭계, 상기 제2비편광 빔 분리기, 상기 제1수광소자 및 상기 제2수광소자는 내부가 진공으로 유지되는 진공 케이스에 수용되는 것을 특징으로 하는 중력 가속도 측정 장치.The method of claim 1,
The first non-polarization beam splitter, the first polarizer, the first total reflection element, the second polarizer, the optical interferometer, the second non-polarization beam splitter, the first light receiving element and the second light receiving element Gravity acceleration measuring device, characterized in that it is accommodated in a vacuum case maintained in vacuum. 제 4항에 있어서,
상기 비편광 빔 분리기, 상기 편광 빔 분리기, 상기 제1전반사 소자, 상기 광학 간섭계, 상기 제1수광소자 및 상기 제2수광소자는 내부가 진공으로 유지되는 진공 케이스에 수용되는 것을 특징으로 하는 중력 가속도 측정 장치.The method of claim 4, wherein
The non-polarization beam splitter, the polarization beam splitter, the first total reflection element, the optical interferometer, the first light receiving element and the second light receiving element are accommodated in a vacuum case, the interior of which is maintained in a vacuum case Measuring device.
KR1020100051732A 2010-06-01 2010-06-01 Absolute gravimeter using high resolution optical interferometer with parallel multiple pass configuration KR101156358B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100051732A KR101156358B1 (en) 2010-06-01 2010-06-01 Absolute gravimeter using high resolution optical interferometer with parallel multiple pass configuration

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100051732A KR101156358B1 (en) 2010-06-01 2010-06-01 Absolute gravimeter using high resolution optical interferometer with parallel multiple pass configuration

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110131975A true KR20110131975A (en) 2011-12-07
KR101156358B1 KR101156358B1 (en) 2012-06-13

Family

ID=45500258

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100051732A KR101156358B1 (en) 2010-06-01 2010-06-01 Absolute gravimeter using high resolution optical interferometer with parallel multiple pass configuration

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101156358B1 (en)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109001830A (en) * 2018-05-24 2018-12-14 中国计量科学研究院 A kind of device reducing absolute gravimeter falling bodies rotation error based on Inertia Based on Torsion Pendulum Method
KR20190019066A (en) 2016-06-17 2019-02-26 가부시키가이샤 마에다세이사쿠쇼 Mobile crane
CN109814165A (en) * 2019-02-25 2019-05-28 浙江大学 A kind of cooling miniaturization high-precision optical gravimeter of luminous power
PL234724B1 (en) * 2018-05-02 2020-03-31 Univ Lodzki Gravimeter
CN111650661A (en) * 2020-06-17 2020-09-11 中国地震局地震研究所 Coaxial double-falling-body asynchronous falling absolute gravimeter
CN111650660A (en) * 2020-06-17 2020-09-11 中国地震局地震研究所 Asynchronous falling differential absolute gravimeter
CN111650663A (en) * 2020-06-17 2020-09-11 中国地震局地震研究所 Offset type double-falling-body asynchronous falling absolute gravimeter
CN113064212A (en) * 2021-03-19 2021-07-02 中国科学院空间应用工程与技术中心 Device and method for measuring absolute gravity and microgravity
CN113406715A (en) * 2021-06-30 2021-09-17 湖北省计量测试技术研究院 Absolute gravimeter falling body error measuring device
WO2021248698A1 (en) * 2020-06-12 2021-12-16 浙江大学 Absolute gravity meter based on optical tweezers in vacuum, and measurement method
CN117111163A (en) * 2023-08-07 2023-11-24 之江实验室 Gravity measuring device
WO2024182648A1 (en) * 2023-03-02 2024-09-06 Northrop Grumman Systems Corporation Optical accelerometer system

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2724122C1 (en) * 2019-11-11 2020-06-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Method of setting vertical of working laser beam in ballistic gravimeter

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200419786Y1 (en) 2006-04-04 2006-06-27 김용현 Measurement device for acceleration of gravity

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190019066A (en) 2016-06-17 2019-02-26 가부시키가이샤 마에다세이사쿠쇼 Mobile crane
PL234724B1 (en) * 2018-05-02 2020-03-31 Univ Lodzki Gravimeter
CN109001830A (en) * 2018-05-24 2018-12-14 中国计量科学研究院 A kind of device reducing absolute gravimeter falling bodies rotation error based on Inertia Based on Torsion Pendulum Method
CN109001830B (en) * 2018-05-24 2019-10-18 中国计量科学研究院 A kind of device reducing absolute gravimeter falling bodies rotation error based on Inertia Based on Torsion Pendulum Method
CN109814165A (en) * 2019-02-25 2019-05-28 浙江大学 A kind of cooling miniaturization high-precision optical gravimeter of luminous power
WO2021248698A1 (en) * 2020-06-12 2021-12-16 浙江大学 Absolute gravity meter based on optical tweezers in vacuum, and measurement method
CN111650660A (en) * 2020-06-17 2020-09-11 中国地震局地震研究所 Asynchronous falling differential absolute gravimeter
CN111650663A (en) * 2020-06-17 2020-09-11 中国地震局地震研究所 Offset type double-falling-body asynchronous falling absolute gravimeter
CN111650661A (en) * 2020-06-17 2020-09-11 中国地震局地震研究所 Coaxial double-falling-body asynchronous falling absolute gravimeter
CN113064212A (en) * 2021-03-19 2021-07-02 中国科学院空间应用工程与技术中心 Device and method for measuring absolute gravity and microgravity
CN113064212B (en) * 2021-03-19 2023-11-03 中国科学院空间应用工程与技术中心 Device and method for measuring absolute gravity and microgravity
CN113406715A (en) * 2021-06-30 2021-09-17 湖北省计量测试技术研究院 Absolute gravimeter falling body error measuring device
WO2024182648A1 (en) * 2023-03-02 2024-09-06 Northrop Grumman Systems Corporation Optical accelerometer system
CN117111163A (en) * 2023-08-07 2023-11-24 之江实验室 Gravity measuring device

Also Published As

Publication number Publication date
KR101156358B1 (en) 2012-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101156358B1 (en) Absolute gravimeter using high resolution optical interferometer with parallel multiple pass configuration
CN107664482B (en) Grating measuring device
CN105571529B (en) A kind of laser heterodyne interference system for angle measurement without error
US5394233A (en) Apparatus for measuring high frequency vibration, motion, or displacement
CN105004273B (en) A kind of laser interferometer displacement measuring system
US20160138903A1 (en) Two-dof heterodyne grating interferometer displacement measurement system
CN107664481B (en) Grating measuring device
Lu et al. Two-degree-freedom displacement measurement based on a short period grating in symmetric Littrow configuration
EP2859302B1 (en) Optical accelerometer system
CN108775878B (en) Grating heterodyne interference system and roll angle measuring method thereof
US20130205894A1 (en) Interferometric Differential Free-Fall Gradiometer
CN103439010A (en) Wavelength measurement method and device based on laser synthesized wavelength interference principle
CN104729411B (en) High-resolution gration interferometer based on high dencity grating
US11221204B1 (en) Heterodyne photonic integrated circuit for absolute metrology
RU2253882C1 (en) Gravity meter
KR101081370B1 (en) High resolution optical interferometer with parallel multiple pass configuration and apparatus for measuring distance using the same
CN105588515B (en) A kind of nanometer micro-displacement detector based on nanometer displacement gage probe
JPH09113217A (en) Optical heterodyne type displacement amount detection device
JP5654837B2 (en) Displacement measuring device
US8537369B1 (en) Method and apparatus for measuring the shape and thickness variation of a wafer by two single-shot phase-shifting interferometers
US20210389127A1 (en) Multi-axis atom interferometer system and method
JP2014228451A (en) Tracking laser interferometer
KR101733298B1 (en) Optical interferometric system for measurement of physical thickness profile and refractive index distribution of large glass panel
CN106931887B (en) Dual-frequency grating measuring device
Lee et al. High-resolution parallel multipass laser interferometer with an interference fringe spacing of 15 nm

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160225

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170328

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180406

Year of fee payment: 7