KR20160134154A - 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치 - Google Patents

프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치및 방법에 관한 것으로, 프리러닝하는 펨토초 레이저에서 주파수 모드간의 간섭으로 생성된 긴 파장의 합성파의 파장과 위상을 실시간으로 측정함으로써 고분해능으로 긴 거리를 측정하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치에 관한 것이다. 본 발명은 레이저를 이용한 거리측정 장치를 제안함에 있어서, 프리러닝 펨토초 레이저 광원, 광분할기, 기준용 광검출기, 측정용 광검출기, 주파수 측정부, 위상 측정부 및 거리 산출부를 포함한다. 프리러닝 펨토초 레이저 광원은 레이저 광을 방사하고, 광분할기는 프리러닝 펨토초 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저 광을 기준광과 측정표적으로부터 반사되는 측정광으로 분리하고, 기준용 광검출기와 측정용 광검출기는 기준광과 측정광을 각각 검출하여 전기적 신호로 변환한다. 그리고, 주파수 측정부는 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률을 측정함과 동시에 추출하고자 하는 합성파의 차수를 결정하고, 위상 측정부는 검출된 기준광 및 측정광을 상기 고주파 신호와 각각 합성하여 합성된 기준광과 합성된 측정광간의 위상차를 측정하고, 거리 산출부는 반복률, 합성파의 차수 및 위상차을 이용하여 상기 광분할기와 상기 측정표적간의 거리정보를 산출한다.

Description

프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치{Distance measuring apparatus using real time determination of synthetic wavelength based on free running femtosecond laser }
본 발명은 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치에 관한 것으로, 프리러닝하는 펨토초 레이저에서 주파수 모드간의 간섭으로 생성된 합성파의 파장과 위상을 실시간으로 측정함으로써, 구성이 단순하면서도 고분해능으로 거리를 측정할 수 있는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치에 관한 것이다.
본 발명은 펨토초 레이저의 수많은 모드간의 간섭으로부터 라디오파 대역의 긴 파장의 합성파를 생성하고, 이를 이용해서 거리를 측정하는 펨토초 레이저 합성파 간섭계(synthetic wavelength interferometer)와 관련된다.
일반적으로 펨토초 레이저 합성파 간섭계(synthetic wavelength interferometer)는 주파수 모드간의 간섭에 의하여 파장이 서로 다른 합성파들이 펨토초 레이저에서 생성되면, 이 가운데 측정거리에 적합한 특정한 파장의 합성파들을 선택하여, 선택된 합성파들이 간섭계의 기준팔(reference arm)과 측정팔(measurement arm)에서의 진행하는 과정을 비교하여 원하는 거리를 측정할 수 있다.
종래의 펨토초 레이저를 이용한 거리측정 방법에서는 선택된 합성파들의 파장이 시간에따라 변화하지 않는 것을 가정하였다. 그리고, 선택된 합성파들의 파장은 펨토초 레이저 공진기의 광경로 길이에 의해서 결정되는 주파수 모드간 간격에 의존하기 때문에, 공진기의 광경로 길이를 일정하게 유지시키기 위한 기술이 필요하였다.
구체적으로 공진기의 길이와 주파수 모드간 간격의 관계에 대해서 설명하면, 주파수 모드간의 간격은 레이저 펄스가 생성되는 반복률(
Figure pat00001
)과 동일하고, 공진기의 구조에 따라 반복률(
Figure pat00002
)은
Figure pat00003
(원형) 또는
Figure pat00004
(선형)로 나타낼 수 있다. 여기서
Figure pat00005
는 공진기 내부에서의 광속이고.
Figure pat00006
은 펨토초 레이저 공진기의 길이이다. 온도 및 환경의 변화로 인해서 공진기의 길이
Figure pat00007
이 변하게 되면, 펨토초 레이저의 반복률도 함께 변화하게 되는데, 이 경우 레이저 펄스가 원자시계에 위상 잠금 될 수 있도록 레이저 공진기의 길이를 제어함으로써, 펨토초 레이저의 반복률을 안정화 할 수 있다.
상기와 같은 원리를 통해서 펨토초 레이저 반복률의 주파수 안정도를 높일 수 있으므로, 종래의 펨토초 레이저를 이용한 거리측정 방법에서는 반복률이 안정화된 펨토초 레이저를 사용하고 있다. 다만, 반복률을 안정화 시키기 위해서는, 공진기의 길이를 미세하게 제어할 수 있어야 하므로, 압전소자, 전압증폭기, 함수 발생기, 위상동기루프(phase locked loop)회로 등과 같은 복잡한 장치들이 필요하였다.
그런데, 상기의 장치들을 이용함으로써, 높은 수준으로 반복률을 안정화하는 것이 가능하더라도, 압전소자의 구동범위가 10 μm 이내 수준으로 제한되기 때문에, 주변 환경의 온도변화가 수 ℃ 이상 발생할 때는 반복률을 안정화할 수 있는 제어범위를 벗어나게 되며, 더 심한 경우에는 펨토초 레이저 펄스의 생성조차도 불가능해지는 상황이 발생할 수 있다. 이와 같은 경우에는 종래의 펨토초 레이저를 이용한 거리측정 방법은 더 이상 사용이 불가능하게 된다.
뿐만 아니라, 종래의 펨토초 레이저 합성파를 이용한 거리 측정 방법의 경우에는 전자기기나 광학기기에서 발생하는 누화 (cross talk) 에 의해 수 mm 이상의 주기적인 오차(cyclic error)도 발생한다.
따라서, 펨토초 레이저 공진기의 길이 조절에 대한 한계를 극복하고, 전자기기나 광학기기의 누화에 따라 발생하는 주기적인 오차를 줄이기 위한 거리측정 방법이 필요하다.
한국특허등록 제1448831호는 펨토초 레이저 기반의 합성파 간섭계를 이용하여 거리를 측정하는 장치로서, 펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용하면서도 위상에 따른 비선형오차를 제거한 거리측정 기술을 개시하고 있다.
다만, 펨토초 레이저 공진기의 길이 조절에 대한 한계는 극복하지 못하였다
1. 한국특허등록 제1448831호 ( “펨토초 레이저 기반의 위상 잠금 합성파 간섭계를 이용한 거리 측정 장치”, 2014.10.01)
이에 본 발명은 프리러닝하는 펨토초 레이저에서 주파수 모드간의 간섭으로 생성된 합성파의 파장과 위상을 실시간으로 측정함으로써, 구성이 단순하면서도 고분해능으로 거리를 측정할 수 있는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시 예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치는 레이저 광을 방사하는 프리러닝 펨토초 레이저 광원; 상기 레이저 광이 입사되며, 상기 레이저 광을 기준광과 측정표적으로부터 반사되는 측정광으로 분리하는 광분할기; 상기 기준광을 검출하는 기준용 광검출기; 상기 측정광을 검출하는 측정용 광검출기; 상기 레이저 광의 반복률을 측정하고, 추출하고자 하는 합성파의 차수를 결정하여, 상기 반복률과 상기 차수를 출력하는 주파수 측정부; 검출된 기준광 및 측정광을 고주파 신호와 각각 혼합하고, 혼합된 기준광 및 혼합된 측정광을 각각 저주파 통과 여과기에 통과시켜 추출된 기준 합성파와 측정 합성파의 위상차를 측정하는 위상 측정부; 상기 반복률, 상기 위상차 및 상기 합성파의 차수를 이용하여 상기 광분할기와 상기 측정표적간의 거리정보를 산출하는 거리 산출부;를 포함하고, 상기 고주파 신호는 상기 반복률과 상기 합성파의 차수에 근거하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 거리정보는 다음 수학식,
Figure pat00008
에 의해 산출될 수 있다. 여기서,
{
Figure pat00009
상기 거리정보,
Figure pat00010
: 프리러닝 펨토초 레이저의
Figure pat00011
차 합성파의 파장,
Figure pat00012
: 대기 중 빛의 속도,
Figure pat00013
: 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률,
Figure pat00014
:
Figure pat00015
에 곱해졌을 때, 거리정보의 값을 넘지 않는 가장 큰 값을 생성하는 정수값
Figure pat00016
: 선택된
Figure pat00017
차 기준광의 합성파와 선택된
Figure pat00018
차 측정광의 합성파의 위상차, }이다.
또한, 상기 측정표적은 거울일 수 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치는 레이저 광을 방사하는 프리러닝 펨토초 레이저 광원; 상기 레이저 광이 입사되며, 상기 레이저 광을 기준광과 측정표적에 입사되는 측정광으로 분리하는 광분할기; 상기 기준광을 검출하는 기준용 광검출기; 상기 측정광을 검출하는 측정용 광검출기; 상기 레이저 광의 반복률을 측정하고, 추출하고자 하는 합성파의 차수를 결정하여, 상기 반복률과 상기 차수를 출력하는 주파수 측정부; 검출된 기준광 및 측정광을 고주파 신호와 각각 혼합하고, 혼합된 기준광 및 혼합된 측정광을 각각 저주파 통과 여과기에 통과시켜 추출된 기준 합성파와 측정 합성파의 위상차를 측정하는 위상 측정부; 및 상기 반복률, 상기 위상차 및 상기 합성파의 차수를 이용하여 상기 광분할기와 상기 측정표적간의 거리정보를 산출하는 거리 산출부;를 포함하고, 상기 고주파 신호는 상기 반복률과 상기 합성파의 차수에 근거하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 거리정보는 다음 수학식,
Figure pat00019
에 의해 산출될 수 있다. 여기서,
{
Figure pat00020
: 상기 거리정보,
Figure pat00021
: 프리러닝 펨토초 레이저의
Figure pat00022
차 합성파의 파장,
Figure pat00023
: 대기 중 빛의 속도,
Figure pat00024
: 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률,
Figure pat00025
:
Figure pat00026
에 곱해졌을 때, 거리정보의 값을 넘지 않는 가장 큰 값을 생성하는 정수값,
Figure pat00027
: 선택된
Figure pat00028
차 기준광의 합성파와 선택된
Figure pat00029
차 측정광의 합성파의 위상차, }이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치는 레이저 광을 방사하는 프리러닝 펨토초 레이저 광원; 상기 레이저 광이 입사되며, 상기 레이저 광을 기준광과 서로 다른 측정표적들에 입사되는 둘 이상의 측정광들로 분리하는 다채널광분할기; 상기 기준광을 검출하는 기준용 광검출기; 상기 측정광들과 일대일 대응이 되어, 상기 측정광을 각각 검출하는 둘 이상의 측정용 광검출기들로 구성된 다채널 측정용 광검출기; 상기 레이저 광의 반복률을 측정하고, 추출하고자 하는 합성파의 차수를 결정하여, 상기 반복률과 상기 차수를 출력하는 주파수 측정부; 검출된 기준광 및 측정광들을 고주파 신호와 각각 혼합하고, 혼합된 기준광 및 혼합된 측정광들을 저주파 통과 여과기에 통과시켜 추출된 기준 합성파들과 각각의 측정 합성파들의 위상차들을 측정하는 다채널위상 측정부; 상기 반복률, 상기 위상차들 및 상기 합성파의 차수를 이용하여, 상기 광분할기와 각각의 상기 위상차와 관련된 측정광이 입사한 측정표적들간의 각각의 거리정보들을 산출하는 거리 산출부; 를 포함하고 상기 고주파 신호는 상기 반복률과 상기 합성파의 차수에 근거하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 거리정보들은 다음 수학식,
Figure pat00030
에 의해 산출될 수 있다. 여기서,
{
Figure pat00031
: 상기 거리정보,
Figure pat00032
,
Figure pat00033
: 프리러닝 펨토초 레이저의
Figure pat00034
차 합성파의 파장,
Figure pat00035
: 대기 중 빛의 속도(= 진공중의 빛의 속도 / 대기의 굴절률),
Figure pat00036
: 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률,
Figure pat00037
:
Figure pat00038
에 곱해졌을 때,
Figure pat00039
번째 측정표적의 거리정보의 값을 넘지 않는 가장 큰 값을 생성하는 정수값,
Figure pat00040
:
Figure pat00041
차 합성파로
Figure pat00042
번째 측정표적의 거리를 측정하였을 때, 기준광의 합성파와 측정광의 합성파의 위상차, }이다.
또한, 상기 프리러닝 펨토초 레이저 광원은 1550nm의 중심 파장, 50nm의 대역폭, 100fs의 펄스폭을 가지는 어븀 광섬유 펨토초 레이저일 수 있다.
또한, 상기 프리러닝 펨토초 레이저 광원은 1030nm의 중심 파장, 50nm의 대역폭, 50fs의 펄스폭을 가지는 이터븀 광섬유 펨토초 레이저일 수 있다.
또한, 상기 프리러닝 펨토초 레이저 광원은 800nm의 중심 파장, 100nm의 대역폭, 10fs의 펄스폭을 가지는 티타늄:사파이어 펨토초 레이저일 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 프리러닝하는 펨토초 레이저에서 주파수 모드간의 간섭으로 생성된 합성파의 파장과 위상을 실시간으로 측정함으로써, 구성이 단순하면서도 고분해능으로 거리를 측정할 수 있는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 펨토초 레이저 공진기의 길이 조절의 한계를 극복하고, 전자기기나 광학기기에 의한 주기적인 오차를 줄일 수 있다.
뿐만 아니라, 한 대의 레이저만을 가지고 여러 지점의 거리를 동시에 측정 할 수 있는 기능을 손쉽게 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치에서 거울이 생략된 경우의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치에서 광커플러가 추가된 경우의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치를 이용하여 여러 지점에서 거리를 측정하는 경우에 대한 개요도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
본 출원인은 펨토초레이저의 합성파를 이용하여 거리를 측정할 때, 펨토초레이저를 안정화 시키는 장치를 간소화하여 경제성 및 성능을 제고하는 방법을 고민한 결과, 기존의 펨토초레이저 대신 반복률을 안정화 하지 않는 프리러닝 펨토초 레이저를 사용하고, 프리러닝 펨토초 레이저의 주파수를 측정하는 장치를 추가하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치의 블록도이다. 도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치는 프리러닝 펨토초 레이저 광원(110), 광분할기(120), 기준용 광검출기(130), 측정용 광검출기(150), 측정표적(140), 주파수 측정부(220), 위상 측정부(230), 거리 산출부(300) 및 기준시계(210)가 구비될 수 있다.
프리러닝 펨토초 레이저 광원(110)은 거리측정을 위해서 사용되는 레이저 광원으로, 펨토초 수준의 펄스폭을 가지는 레이저 펄스를 생성하며 펄스가 생성되는 반복률을 제어하지 않은 레이저일 수 있다. 상기 프리러닝 펨토초 레이저 광원(110)은 1550nm의 중심 파장, 60nm의 대역폭, 150fs의 펄스폭을 가지는 광섬유 펨토초 레이저이거나 800nm의 중심 파장, 100nm의 대역폭, 100fs의 펄스폭을 가지는 티타늄:사파이어 펨토초 레이저일 수 있다.
광분할기(120)는 레이저 광을 공간상으로 분할하는 장치로서 빔스플리터(beam splitter), 회절광학소자(diffraction optics), 빔 확산기(beam diffuser), 빔확 장기(beam expander), 광섬유 커플러(fiber coupler) 등을 이용하여 구현될 수 있다.
기준용 광검출기(130)는 기준지점에서 레이저 광의 일부를 검출하고, 검출된 신호를 유선 또는 무선통신 기술을 이용하여 위상 측정부(230)로 전송할 수 있다. 여기서 상기 검출된 신호는 전기적인 신호일 수 있다.
측정용 광검출기(150)는 측정지점에서 레이저 광의 일부를 검출하고, 검출된 신호를 유선 또는 무선통신 기술을 이용하여 위상 측정부(230)로 전송할 수 있다. 여기서 상기 검출된 신호는 전기적인 신호일 수 있다.
측정표적(140)은 거리측정을 위한 위치에 놓여지는 물체로서, 바람직하게는 레이저 광을 반사할 수 있는 거울 등이 선택될 수 있다.
주파수 측정부(220)는 레이저 광으로부터 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률을 측정하고, 추출하고자 하는 합성파의 차수를 결정할 수 있다. 상기 반복률과 상기 합성파의 차수의 곱은 실제로 거리측정을 위해서 사용되는 합성파의 주파수가 되고, 합성파의 주파수에 의해서 합성파의 파장도 계산될 수 있다.
위상 측정부(230)는 검출된 기준광 및 측정광을 고주파 신호와 각각 혼합하고, 저주파 통과 여과기에 통과시켜 각각 기준 합성파 및 측정 합성파를 추출하고, 상기 기준 합성파와 상기 측정 합성파의 위상차를 측정할 수 있다. 상기 고주파 신호는 상기 반복률과 상기 합성파의 차수의 곱에 근접한 것으로, 바람직하게는 상기 고주파 신호의 주파수와 상기 곱의 차이가 저주파 통과 여과기의 통과 대역의 범위보다 작은 것이 바람직하다.
거리 산출부(300)는 측정된 상기 반복률, 상기 위상차 및 상기 합성파의 차수를 이용하여 상기 광분할기(120)와 상기 측정표적간의 거리정보를 산출할 수 있다.
기준시계(210)는 주파수 측정부(220)와 위상 측정부(230)에 클럭을 제공하기 위해서 사용되는 원자시계로서, 10 MHz의 진동수를 가지며, 거리측정의 정확도 및 장기 안정도를 높이기 위해 사용될 수 있다. 상기 프리러닝 펨토초 레이저 광원(110)의 경우, 공진기를 이용하여 원자시계에 안정화 시키지는 않으므로 기준시계가 구비되지 않더라도, 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치는 동작할 수 있다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치의 동작은 다음과 같다.
먼저 프리러닝 펨토초 레이저 광원(110)에서 레이저 광을 방사하고, 상기 프리러닝 펨토초 레이저 광원(110)으로부터 출사되는 레이저 광은 광분할기(120)에 의해 기준광과 측정표적으로부터 반사되는 측정광으로 분리된다. 다음으로 기준용 광검출기(130)에 기준광이 입사되고, 측정용 광검출기(150)에 측정광이 입사된 후에, 상기 검출기에서 검출된 신호들은 위상 측정부(230)에 입력될 수 있다.
그 다음으로 위상 측정부(230)는 입력된 상기 검출된 신호들로부터 합성된 기준광과 합성된 측정광간의 위상차를 측정하고, 주파수 측정부(220)는 실시간으로 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률을 측정하면서 추출하고자 하는 합성파의 차수
Figure pat00043
을 결정한 후에, 상기 위상차, 상기 반복률 및 상기 합상파의 차수를 거리 산출부(300)에 입력할 수 있다. 여기서 합성파 차수
Figure pat00044
은 최대 측정 거리의 한계와 측정 정밀도를 고려하여 결정 될 수 있으며, 측정 정밀도는
Figure pat00045
차 합성파 파장의 길이와 위상측정기의 분해능에 의해 결정된다. 일반적으로 상용 위상측정기를 통해 얻을 수 있는 위상 측정 분해능은 0.01°(=1/36000) 수준이다. 이를 고려하여, 펄스 반복률
Figure pat00046
이 100 MHz 인 경우, 10 μm 수준의 측정 정밀도를 얻기 위해서는 4차 이상의 합성파가 필요하였다.
최종적으로 거리 산출부(300)는 상기 반복률, 상기 위상차 및 상기 합성파의 차수로부터 광분할기(120)와 측정표적간의 거리정보를 산출할 수 있다.
이때, 거리정보를 산출함에 있어서 다음과 같은 수학식
Figure pat00047
이 사용될 수 있다.
여기서,
Figure pat00048
는 기준용 광검출기(130)와 측정용 광검출기(150)의 광경로 차로 결정되는 거리정보이며,
Figure pat00049
은 프리러닝 펨토초 레이저의
Figure pat00050
차 합성파의 파장,
Figure pat00051
은
Figure pat00052
에 곱해졌을 때 거리정보의 값을 넘지 않는 가장 큰 값을 생성하는 정수값,
Figure pat00053
은 선택된
Figure pat00054
차 기준광의 합성파와 선택된
Figure pat00055
차 측정광의 합성파의 위상차,
Figure pat00056
는 대기 중 빛의 속도(= 진공중의 빛의속도 / 대기의 굴절률),
Figure pat00057
은 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률이다. 여기서, 측정된 위상차는 측정광이 기준광보다 광분할기(120)와 측정표적간의 거리를 왕복하여 더 진행하였기 때문에 발생한 것일 수 있다.
거리 산출부(300)에 제공되지 않은
Figure pat00058
을 결정하는 방법에 대해서 이하에서 자세히 설명하고자 한다.
합성파의 파장보다 긴 거리를 측정하는 경우에는 측정 되는 위상은 2π마다 반복되어 나타나기 때문에, 합성파 파장의 정수배에 해당하는 길이를 결정해야 한다. 즉 측정하고자 하는 거리에 가장 근접하기 위해서는, 몇 개의 합성파의 파장이 필요한지를 판단하고, 이를 나타내는 값
Figure pat00059
을 결정해야 한다. 상기
Figure pat00060
값의 결정은 레이저의 반복률을 다르게 하여 두 번 측정함으로써 결정할 수 있다.
Figure pat00061
값을 결정하기 위해서, 초기 합성파의 파장(
Figure pat00062
)을 이용하여 거리
Figure pat00063
를 측정하고, 다음으로 펨토초 레이저의 반복률을 변경하여 파장이 다른 합성파의 파장(
Figure pat00064
)으로 다시 한번 거리
Figure pat00065
를 측정한 후에,
Figure pat00066
과
Figure pat00067
을 연립하여 거리
Figure pat00068
와
Figure pat00069
를 결정할 수 있다.
덧붙이면, 서로 다른 파장의 합성파를 이용하여 두 번 측정을 수행하였을 때, 거리 값이 하나로 결정 될 수 있는 최대 측정 거리의 한계는
Figure pat00070
로 나타날 수 있다. 즉, 반복률의 변화량
Figure pat00071
이 100 kHz 일 때 1.5 km, 10 kHz 일 때 15 km, 1 kHz 일 때 150 km 이내에서 유일한 값으로 거리 결정이 가능하다. 거리 측정값을 하나로 결정할 수 있는 최대 측정 거리는 측정 정밀도와 상보적 관계에 있으며, 실제 실험에서는 측정 정밀도가 42 μm 일 때 1.35 km 이내에서 유일한 값으로 거리를 결정하였다. 낮은 차수의 합성파를 사용할 경우 모호성 없이 측정할 수 있는 거리가 길어지며 높은 차수의 합성파를 사용할수록 고분해능으로 거리 측정이 가능하다. 낮은 차수와 높은 차수의 합성파를 동시에 사용하여 보다 긴거리를 고분해능으로 측정할 수 있다.
Figure pat00072
값의 결정은 초기에 한번만 결정하면 충분하며, 상기와 같은 두식을 연립하는 방법뿐만 아니라 분해능은 낮지만 긴거리를 측정할 수 있는 다른 보조 측정 수단을 사용하여
Figure pat00073
값을 결정 할 수도 있다. 여기서, 보조 측정 수단은 줄자와 같은 종래의 거리 측정 도구일 수도 있다. 상기 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치에서, 1차 합성파의 파장이 3 m (
Figure pat00074
=100 MHz) 일 때 최대 1.5 m 사용될 수 있는 보조 측정 수단은, 1.5 m의 오차 이하의 측정값을 생성할 수 있어야 하는데, 일반적으로 사용되는 줄자로 충분할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치에서 거울이 생략된 경우의 블록도이다. 도 1과 도 2를 비교하면 측정표적에 위치했던, 거울이 생략되고 측정용 광검출기(150)로 대체된 것을 알 수 있다. 도 2에 나타난 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치에서 거울이 생략된 경우의 동작은 다음과 같다.
먼저 프리러닝 펨토초 레이저 광원(110)에서 레이저 광을 방사하고, 상기 프리러닝 펨토초 레이저 광원(110)으로부터 출사되는 레이저 광은 광분할기(120)에 의해 기준용 광검출기(130)에 입사되는 기준광과 측정용 광검출기(150)에 입사되는 측정광으로 분리된다. 다음으로 기준용 광검출기(130)에 기준광이 입사되고, 측정용 광검출기(150)에 측정광이 입사된 후에, 상기 검출된 신호들은 위상 측정부(230)에 입력된다.
그 다음으로 위상 측정부(230)는 입력된 상기 검출된 신호들로부터 합성된 기준광과 합성된 측정광간의 위상차를 측정하고, 주파수 측정부(220)는 실시간으로 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률을 측정하면서 추출하고자 하는 합성파의 차수를 결정한 후에, 상기 위상차, 상기 반복률 및 상기 합상파의 차수를 거리 산출부(300)에 입력한다. 최종적으로 거리 산출부(300)는 상기 반복률, 상기 위상차 및 상기 합성파의 차수로부터 광분할기(120)와 측정표적간의 거리정보를 산출할 수 있다.
이때, 거리정보를 산출함에 있어서 다음과 같은 수학식
Figure pat00075
이 사용될 수 있다.
여기서,
Figure pat00076
는 기준용 광검출기(130)와 측정용 광검출기(150)의 광경로 차로 결정되는 거리정보이며 ,
Figure pat00077
은 프리러닝 펨토초 레이저의
Figure pat00078
차 합성파의 파장,
Figure pat00079
은
Figure pat00080
에 곱해졌을 때 거리정보의 값을 넘지 않는 가장 큰 값을 생성하는 정수값,
Figure pat00081
은 선택된
Figure pat00082
차 기준광의 합성파와 선택된
Figure pat00083
차 측정광의 합성파의 위상차,
Figure pat00084
는 대기 중 빛의 속도(= 진공중의 빛의속도 / 대기의 굴절률),
Figure pat00085
은 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률이다. 도 2에 나타난 거울이 생략된 실시예와 도 1에 나타난 실시예를 비교할 때, 거리정보를 산출하는 수학식에서 차이가 있는데, 그 이유는 도 2에 나타난 거울이 생략된 실시예에서는 기준광보다 측정광이 더 진행한 거리가 광분할기(120)와 측정표적 사이를 왕복한 것이 아니고, 단순히 1회 진행한 것이기 때문이다.
거리정보를 산출함에 있어서 사용되는 수학식이
Figure pat00086
인 점 외에는, 도 2가 나타내는 실시예에서 합성파의 차수
Figure pat00087
및
Figure pat00088
의 결정이나 동작은 도 1을 참조하여 설명한 것에 대응되므로 자세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치에서 광커플러(160)가 추가된 경우의 블록도이다. 도 1과 도 3을 비교하면 프리러닝 펨토초 레이저 광원(110)과 상기 광분할기(120) 사이에 광커플러(160)를 배치한 것을 알 수 있다.
이것은 기준광과 측정광이 서로 섞이지 않도록 하여 기준광과 측정광이 섞여 발생하는 오차를 방지하기 위한 것이다. 도 3에 따른 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치에서 광커플러가 추가된 경우에 거리정보를 산출함에 있어서 사용되는 수학식, 합성파의 차수
Figure pat00089
및
Figure pat00090
의 결정, 동작은 앞서 설명한 도 1을 참조하여 설명한 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치를 이용하여 여러 지점에서 거리를 측정하는 경우에 대한 개요도이다. 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치는 종래의 기술과 달리 측정거리에 따라 펨토초 레이저를 안정화할 필요가 없으므로, 한 대의 레이저만을 가지고 여러 지점의 거리를 동시에 측정 할 수 있는 기능을 제공할 수 있다.
다만, 측정표적의 수만큼 측정용 광검출기와 위상 측정수단이 필요하여 다채널 광분할기(121), 다채널 측정용 광검출기(151), 다채널 위상 측정부(231) 및 다채널 거리 산출부(301)가 사용될 수 있다.
동작원리는 동일하므로, 도 2에 나타낸 거울이 생략된 실시예에 대한 상기 설명을 복수의 측정표적에 대한 것으로 확장하는 것으로 충분할 수 있다. 즉, 다채널 광분할기(121)와
Figure pat00091
번째 측정표적의 거리정보(
Figure pat00092
), 다채널 위상 측정부(231)에서
Figure pat00093
번째 측정표적의 거리와 관련된 기준광의 합성파와 측정광의 합성파의 위상차(
Figure pat00094
) 등의 예와 같이,
Figure pat00095
번째 측정표적에 관련된 변수임을 나타내기 위한 아래첨자가 추가될 수 있다.
거리정보를 산출함에 있어서 다음과 같은 수학식,
Figure pat00096
이 사용될 수 있다.
여기서, 여기서,
Figure pat00097
는 기준용 광검출기(130)와
Figure pat00098
번째 측정표적에 위치된 측정용 광검출기(150)의 광경로 차이로 결정되는
Figure pat00099
번째 측정표적의 거리정보이며 ,
Figure pat00100
은 프리러닝 펨토초 레이저의
Figure pat00101
차 합성파의 파장,
Figure pat00102
는
Figure pat00103
에 곱해졌을 때
Figure pat00104
번째 측정표적의 거리정보의 값을 넘지 않는 가장 큰 값을 생성하는 정수값,
Figure pat00105
은
Figure pat00106
차 합성파로
Figure pat00107
번째 측정표적의 거리를 측정하였을 때 기준광의 합성파와 측정광의 합성파의 위상차,
Figure pat00108
는 대기 중 빛의 속도(= 진공중의 빛의속도 / 대기의 굴절률),
Figure pat00109
은 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
110 : 프리러닝 펨토초 레이저 광원
120 : 광분할기
121 : 다채널 광분할기
130 : 기준용 광검출기
140 : 측정표적
150 : 측정용 광검출기
151 : 다채널 측정용 광검출기
160 : 광커플러
210 : 기준시계
220 : 주파수 측정부
230 : 위상 측정부
231 : 다채널 위상 측정부
300 : 거리 산출부
301: 다채널 거리 산출부

Claims (10)

  1. 레이저 광을 방사하는 프리러닝 펨토초 레이저 광원;
    상기 레이저 광이 입사되며, 상기 레이저 광을 기준광과 측정표적으로부터 반사되는 측정광으로 분리하는 광분할기;
    상기 기준광을 검출하는 기준용 광검출기;
    상기 측정광을 검출하는 측정용 광검출기;
    상기 레이저 광의 반복률을 측정하고, 추출하고자 하는 합성파의 차수를 결정하여, 상기 반복률과 상기 차수를 출력하는 주파수 측정부;
    검출된 기준광 및 측정광을 고주파 신호와 각각 혼합하고, 혼합된 기준광 및 혼합된 측정광을 각각 저주파 통과 여과기에 통과시켜 추출된 기준 합성파와 측정 합성파의 위상차를 측정하는 위상 측정부; 및
    상기 반복률, 상기 위상차 및 상기 합성파의 차수를 이용하여 상기 광분할기와 상기 측정표적 간의 거리정보를 산출하는 거리 산출부;
    를 포함하고,
    상기 고주파 신호는 상기 반복률과 상기 합성파의 차수에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리정보는 다음 수학식,
    Figure pat00110

    에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치.
    {
    Figure pat00111
    상기 거리정보,
    Figure pat00112
    : 프리러닝 펨토초 레이저의
    Figure pat00113
    차 합성파의 파장,
    Figure pat00114
    : 대기 중 빛의 속도,
    Figure pat00115
    : 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률,
    Figure pat00116
    :
    Figure pat00117
    에 곱해졌을 때, 거리정보의 값을 넘지 않는 가장 큰 값을 생성하는 정수값
    Figure pat00118
    : 선택된
    Figure pat00119
    차 기준광의 합성파와 선택된
    Figure pat00120
    차 측정광의 합성파의 위상차, }
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정표적은
    거울인 것을 특징으로 하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치.
  4. 레이저 광을 방사하는 프리러닝 펨토초 레이저 광원;
    상기 레이저 광이 입사되며, 상기 레이저 광을 기준광과 측정표적에 입사되는 측정광으로 분리하는 광분할기;
    상기 기준광을 검출하는 기준용 광검출기;
    상기 측정광을 검출하는 측정용 광검출기;
    상기 레이저 광의 반복률을 측정하고, 추출하고자 하는 합성파의 차수를 결정하여, 상기 반복률과 상기 차수를 출력하는 주파수 측정부;
    검출된 기준광 및 측정광을 고주파 신호와 각각 혼합하고, 혼합된 기준광 및 혼합된 측정광을 각각 저주파 통과 여과기에 통과시켜 추출된 기준 합성파와 측정 합성파의 위상차를 측정하는 위상 측정부; 및
    상기 반복률, 상기 위상차 및 상기 합성파의 차수를 이용하여 상기 광분할기와 상기 측정표적 간의 거리정보를 산출하는 거리 산출부;
    를 포함하고,
    상기 고주파 신호는 상기 반복률과 상기 합성파의 차수에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 거리정보는 다음 수학식,
    Figure pat00121
    에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치.
    {
    Figure pat00122
    : 상기 거리정보,
    Figure pat00123
    : 프리러닝 펨토초 레이저의
    Figure pat00124
    차 합성파의 파장,
    Figure pat00125
    : 대기 중 빛의 속도,
    Figure pat00126
    : 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률,
    Figure pat00127
    :
    Figure pat00128
    에 곱해졌을 때, 거리정보의 값을 넘지 않는 가장 큰 값을 생성하는 정수값,
    Figure pat00129
    : 선택된
    Figure pat00130
    차 기준광의 합성파와 선택된
    Figure pat00131
    차 측정광의 합성파의 위상차, }
  6. 레이저 광을 방사하는 프리러닝 펨토초 레이저 광원;
    상기 레이저 광이 입사되며, 상기 레이저 광을 기준광과 서로 다른 측정표적들에 입사되는 둘 이상의 측정광들로 분리하는 다채널광분할기;
    상기 기준광을 검출하는 기준용 광검출기;
    상기 측정광들과 일대일 대응이 되어, 상기 측정광을 각각 검출하는 둘 이상의 측정용 광검출기들로 구성된 다채널 측정용 광검출기;
    상기 레이저 광의 반복률을 측정하고, 추출하고자 하는 합성파의 차수를 결정하여, 상기 반복률과 상기 차수를 출력하는 주파수 측정부;
    검출된 기준광 및 측정광들을 고주파 신호와 각각 혼합하고, 혼합된 기준광 및 혼합된 측정광들을 저주파 통과 여과기에 통과시켜 추출된 기준 합성파들과 각각의 측정 합성파들의 위상차들을 측정하는 다채널위상 측정부; 및
    상기 반복률, 상기 위상차들 및 상기 합성파의 차수를 이용하여, 상기 광분할기와 각각의 상기 위상차와 관련된 측정광이 입사한 상기 측정표적들 간의 각각의 거리정보들을 산출하는 거리 산출부;
    를 포함하고 상기 고주파 신호는 상기 반복률과 상기 합성파의 차수에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 거리정보들은 다음 수학식,
    Figure pat00132

    의해 산출되는 것을 특징으로 하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치.
    {
    Figure pat00133
    : 상기 거리정보,
    Figure pat00134
    ,
    Figure pat00135
    : 프리러닝 펨토초 레이저의
    Figure pat00136
    차 합성파의 파장,
    Figure pat00137
    : 대기 중 빛의 속도(= 진공중의 빛의속도 / 대기의 굴절률),
    Figure pat00138
    : 프리러닝 펨토초 레이저의 반복률,
    Figure pat00139
    :
    Figure pat00140
    에 곱해졌을 때,
    Figure pat00141
    번째 측정표적의 거리정보의 값을 넘지 않는 가장 큰 값을 생성하는 정수값,
    Figure pat00142
    :
    Figure pat00143
    차 합성파로
    Figure pat00144
    번째 측정표적의 거리를 측정하였을 때, 기준광의 합성파와 측정광의 합성파의 위상차, }
  8. 제 1 항, 제 4항 또는 제6항에 있어서,
    상기 프리러닝 펨토초 레이저 광원은
    1550nm의 중심 파장, 50nm의 대역폭, 100fs의 펄스폭을 가지는 어븀 광섬유 펨토초 레이저인 것을 특징으로 하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치.
  9. 제 1 항, 제 4항 또는 제6항에 있어서,
    상기 프리러닝 펨토초 레이저 광원은
    1030nm의 중심 파장, 50nm의 대역폭, 50fs의 펄스폭을 가지는 이터븀 광섬유 펨토초 레이저인 것을 특징으로 하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치.
  10. 제 1 항, 제 4항 또는 제6항에 있어서,
    상기 프리러닝 펨토초 레이저 광원은
    800nm의 중심 파장, 100nm의 대역폭, 10fs의 펄스폭을 가지는 티타늄:사파이어 펨토초 레이저인 것을 특징으로 하는 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치.
KR1020150067761A 2015-05-15 2015-05-15 프리러닝 펨토초 레이저 기반의 실시간 합성파 결정을 이용한 거리측정 장치 KR101684269B1 (ko)

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