KR20180032396A - 다자유도 거리 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

다자유도 거리 측정 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 거리 측정 장치는 기준면과, 제1 펨토초 레이저로부터 출사되는 제1 레이저 펄스 중 기준면으로부터 반사된 반사광, 측정면으로부터 반사된 측정광, 및 제2 펨토초 레이저로부터 출사되는 제2 레이저 펄스를 사용하여 상호상관 신호를 생성하는 광 상호상관기를 포함하고, 상기 기준면과 상기 측정면 상이의 거리는 상기 상호상관 신호를 사용하여 계산된다.

Description

다자유도 거리 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING MULTI-DEGREE OF FREEDOM DISTANCE}
아래 실시예들은 다자유도 거리 측정 장치에 관한 것이다.
SI 7가지 기본 단위 중 하나인 미터(meter)로 표현되는 길이는 일상 생활에서부터 제조업 및 기초 과학연구에 이르기 까지 널리 사용되는 중요한 기본 물리량 중 하나이다. 산업이 점차 첨단화 되고 과학기술이 발전함에 따라 다양한 분야에서 긴 거리를 고분해능으로 측정 하고자 하는 노력들이 이루어져 왔다. 그 동안 산업계에서는 나노미터 수준의 높은 분해능을 위해서는 헤테로다인 간섭계가, 수십 미터 이상의 긴 거리 측정에는 토탈스테이션과 같은 비행시간법(time-of-flight)기반의 거리 측정 장치가 널리 사용되어 왔다. 하지만 헤테로다인 간섭계의 경우 거리의 미소 변위를 누적한 변화량 만을 측정 할 수 있기 때문에 긴 거리를 측정하는데 어려움이 있으며, 비행시간법 기반의 거리 측정 장치의 경우 광원의 펄스 폭과 광 검출기 대역폭의 한계로 밀리미터 이하의 정밀도를 구현하는데 어려움이 있다. 이외에도 다양한 거리 측정 센서 및 원리 들이 각각의 응용분야와 장점을 가지고 개발되어 왔으나 수 미터 이상의 긴 거리를 마이크로미터 이하의 분해능으로 측정하는 하기에는 아직 극복해야 할 문제들이 많이 남아 있다.
실시예들은 거리 측정 장치가 거리를 측정함에 있어서 높은 분해능과 정밀도로 측정하는 기술을 제공할 수 있다.
실시예들은 거리 측정 장치가 거리를 측정함에 있어서 명확한 측정 기준점을 제시할 수 있다.
실시예들은 거리 측정 장치가 빠르게 거리를 측정하는 기술을 제공할 수 있다.
실시예들은 거리 측정 장치를 사용하여 동시에 여러 대상체의 거리를 측정하는 기술을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들은 광학계의 구성이 간단한 거리 측정 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 거리 측정 장치는 제1 펨토초 레이저로부터 출사되는 제1 레이저 펄스 중 기준면으로부터 반사된 반사광과, 측정면으로부터 반사된 측정광, 및 제2 펨토초 레이저로부터 출사되는 제2 레이저 펄스를 사용하여 상호상관 신호를 생성하는 광 상호상관기(optical cross-correlator)를 포함하고, 상기 기준면과 상기 측정면 사이의 거리는 상기 상호상관 신호를 사용하여 계산될 수 있다.
상기 기준면과 상기 측정면은 동일 축 상에 위치할 수 있다.상기 장치는, 상기 반사광, 상기 측정광, 및 상기 제2 레이저 펄스를 동일 축에 정렬하여 상기 광 상호상관기로 전달하는 PBS(polarizing beam splitter)를 더 포함할 수 있다.
상기 광 상호상관기는, 상기 반사광, 상기 측정광, 및 상기 제2 레이저 펄스를 사용하여 이차 조화 펄스(second harmonic pulse)를 생성하는 PPKTP (periodically poled potassium titanyl phosphate)를 포함하고, 상기 광 상호상관기는, 상기 이차 조화 펄스를 사용하여 상기 상호상관 신호를 생성할 수 있다.
상기 장치는 상기 반사광 및 상기 측정광이 상기 제2 레이저 펄스와 수직 편광이 되도록 상기 반사광 및 상기 측정광의 편광 방향을 조절하는 제1 반파장 판(first half-wave plate)을 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제2 레이저 펄스가 상기 반사광 및 상기 측정광과 수직이 되도록 상기 제2 레이저 펄스의 편광 방향을 조절하는 제2 반파장 판(second half-wave plate)을 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 레이저 펄스를 빔 분할(beam splitting)하여 복수의 빔을 생성하는 분할기(splitter)를 더 포함하고, 상기 균형잡힌 광 상호상관기는, 상기 반사광과, 복수 개의 측정면들로부터 반사된 복수의 측정광들, 및 상기 제2 레이저 펄스를 사용하여 상호상관 신호를 생성할 수 있다.
상기 분할기는, 발산하는 빔(diverging beam), 투과형 광 분할기(transparent beam splitter), 광 커플러(fiber coupler) 중 하나를 사용하여 상기 복수의 빔을 생성할 수 있다.
상기 장치는 상기 반사광 및 상기 측정광을 증폭하기 위한 EDFA(Erbium doped fiber amplifier)를 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 펨토초 레이저 및 상기 제2 펨토초 레이저를 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 펨토초 레이저 및 상기 제2 펨토초 레이저를 안정화하기 위한 안정화 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 안정화 모듈은, 기준 시계(reference clock)를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 거리 측정 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 거리 측정 장치의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 기준면의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 광 상호상관기으로부터 생성되는 신호의 일 예를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5은 저주파 통과 필터를 통과한 상호상관 신호의 예들을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 거리 측정 장치의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 거리 측정 장치를 구현한 일 예를 나타낸다.
도 8은 도 2 또는 도 6에 도시된 레이저의 반복률을 안정화하기 위한 레이저의 예를 나타낸다.
도 9a는 도 2 또는 도 6에 도시된 광 상호상관기의 일 예의 개략적인 구조도이고, 도 9b는 도 9a에 도시된 광 상호상관기가 출력하는 신호의 일 예이다.
도 10a는 도 2 또는 도 6에 도시된 광 상호상관기의 다른 예의 개략적인 구조도이고, 도 10b는 도 10a에 도시된 광 상호상관기가 출력하는 신호의 일 예를 나타낸다.
도 11은 도 10a에 도시된 광 상호상관기의 구현 예를 나타낸다.
도 12는 거리 측정 장치가 복수의 대상체들의 거리를 측정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 거리 측정 시스템을 실제로 구현한 일 예를 나타낸다.
도 14는 기준면에서 광 분할기까지의 거리의 변화량을 나타낸다.
도 15는 거리 측정 장치가 여러 축 상의 대상체들의 거리를 측정하는 동작의 일 예를 나타낸다.
도 16은 거리 측정 장치가 여러 축 상의 대상체들의 거리를 측정하는 동작의 다른 일 예를 나타낸다.
도 17은 거리 측정 장치의 거리 측정 대상인 렌즈 시스템의 일 예를 나타낸다.
도 18은 거리 측정 장치가 렌즈 시스템의 거리를 측정하는 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 거리 측정 장치가 여러 축 상의 복수의 대상체들의 거리를 측정하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 거리 측정 장치가 분할기를 사용하여 복수의 빔을 생성하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 거리 측정 장치가 회절 광학 소자를 사용하여 복수의 빔을 생성하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 거리 측정 장치가 대상체의 각도 및 자세를 측정하는 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 도 22에 도시된 대상체의 일 예를 나타낸다.
도 24는 거리 측정 장치가 대상체의 각도를 계산하는 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 도 22에 도시된 대상체의 움직임을 3차원적으로 나타낸 도면이다.
도 26은 거리 측정 장치가 CMM 변형을 측정하는 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이다,
도 27은 도 26에 도시된 재귀 반사 거울의 좌표 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 거리 측정 장치가 대형 구조물에서 사용되는 예들을 나타낸다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 명세서에서의 모듈(module)은 본 명세서에서 설명되는 각 명칭에 따른 기능과 동작을 수행할 수 있는 하드웨어를 의미할 수도 있고, 특정 기능과 동작을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 의미할 수도 있고, 또는 특정 기능과 동작을 수행시킬 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 탑재된 전자적 기록 매체, 예를 들어 프로세서 또는 마이크로 프로세서를 의미할 수 있다.
다시 말해, 모듈이란 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및/또는 상기 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적 및/또는 구조적 결합을 의미할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 거리 측정 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 거리 측정 시스템(10)은 거리 측정 장치(100), 레이저(200), 대상체(300), 디지타이저(400), 및 PC(500)를 포함할 수 있다.
거리 측정 장치(100)는 레이저(200)를 사용하여 대상체(300)까지의 거리를 측정할 수 있다. 예를 들어, 거리 측정 장치(100)는 레이저(200)로부터 출사되는 레이저 펄스를 사용하여 대상체(300)까지의 거리를 측정할 수 있다.
레이저(200)는 펨토초 레이저(femtosecond laser; 200-1 및 200-2)일 수 있다. 펨토초 레이저(200-1 및 200-2)는 수십만 개 이상의 주파수 모드들을 위상 동기화하여 펨토초(10-15 s) 수준의 매우 좁은 펄스폭을 가지는 레이저 펄스를 생성할 수 있다.
펨토초 레이저(200-1 및 200-2)는 각각 신호 레이저(signal laser; 200-1) 및 국부 레이저(local laser; 200-2)를 의미할 수 있다. 신호 레이저(200-1)는 기준면에서 대상체(300)까지의 거리를 측정하기 위한 제1 레이저 펄스를 생성하고, 국부 레이저(200-2)는 제1 레이저 펄스를 샘플링하기 위한 제2 레이저 펄스를 생성할 수 있다.
예를 들어, 신호 레이저(200-1) 및 국부 레이저(200-2)는 1550 nm의 중심파장을 갖는 어븀 광섬유 레이저일 수 있다. 신호 레이저(200-1) 및 국부 레이저(200-2)의 스펙트럼 대역폭은 45 nm의 반치폭(full width at half maximum(FWHM)), 93 fs의 펄스폭, 및 10mW의 평균 출력을 가질 수 있다.
또한, 신호 레이저(200-1) 및 국부 레이저(200-2)는 일정한 주기의 반복률(repetition rate)로 레이저 펄스를 생성할 수 있다. 즉, 신호 레이저(200-1) 및 국부 레이저(200-2)는 생성 주기를 일정하게 고정해서 레이저 펄스를 생성할 수 있다. 예를 들어, 신호 레이저(200-1) 및 국부 레이저(200-2)의 반복률은 50 MHz 내지 200 MHz일 수 있다.
거리 측정 장치(100)을 통과한 레이저 펄스는 대상체(300)에서 반사되고, 다시 거리 측정 장치(100)로 입사할 수 있다. 이때, 대상체(300)는 거리 측정 장치(100)을 통과한 레이저 펄스를 반사하는 측정면(310)을 포함할 수 있다.
대상체(300)에서 반사되어 다시 거리 측정 장치(100)로 입사하는 레이저 펄스를 측정광이라고 명명할 수 있다. 측정면(310)은 레이저(200)가 출사하는 광을 반사하기 위한 판(plate)일 수 있다. 예를 들어, 측정면(310)은 거울(mirror)일 수 있다.
거리 측정 장치(100)는 반사광 및 측정광에 기초하여 대상체(300)의 거리를 측정할 수 있다. 거리 측정 장치(100)는 반사광 및 측정광에 기초하여 상호상관 신호를 생성하고, 상호상관 신호에 기초하여 대상체(300)의 거리를 측정할 수 있다.
이때, 거리 측정 장치(100)는 반사광 및 측정광의 펄스 열을 라디오 주파수(radio frequency(RF)) 영역에서 관찰하기 위하여, 제2 레이저 펄스를 사용하여 반사광 및 측정광의 시간 축을 fr/△fr배만큼 늘릴 수 있다. 예를 들어, 신호 레이저(200-1)의 반복률(fr)이 100 MHz이고, 신호 레이저(200-1) 및 국부 레이저(200-2)의 반복률의 차이(△fr)가 2 kHz인 경우, 거리 측정 장치(100)는 반사광 및 측정광의 시간 축을 5 * 104로 늘려 라디오 주파수 영역에서 관찰할 수 있다. 즉, 거리 측정 장치(100)는 거리 측정 장치(100)가 포함하는 광 검출기(photo detector)의 대역폭에 제한되지 않고 높은 시간 분해능으로 레이저 펄스의 비행시간 측정을 수행할 수 있다.
디지타이저(400)는 아날로그 형식의 상호상관 신호들을 디지털 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 디지타이저(400)는 상호상관 신호들을 200 MHz의 샘플링 주파수로 샘플링할 수 있다. 디지타이저(400)는 14비트 디지타이저일 수 있다. 디지타이저(400)는 상호상관 신호를 저장하고, PC(500)로 상호상관 신호를 전송할 수 있다.
PC(500)는 상호상관 신호에 기초하여 거리 측정 장치(100)와 대상체(300)의 거리를 계산할 수 있다. 또한, PC(500)는 거리 측정 장치(100)의 성능을 평가할 수도 있다.
도 1에서는 디지타이저(400)가 거리 측정 장치(100)의 외부에 구현된 것으로 도시하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 실시예에 따라 디지타이저(400)는 거리 측정 장치(100)의 내부에 구현될 수 있다.
또한, 도 1에서는 레이저(200)가 거리 측정 장치(100)의 외부에 구현되는 것으로 도시하고 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 레이저(200)가 거리 측정 장치(100)의 내부에 구현되어 동작할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 거리 측정 장치의 일 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 기준면의 일 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 광 상호상관기로부터 생성되는 신호의 일 예를 설명하기 위한 그래프이고, 도 5은 저주파 통과 필터를 통과한 상호상관 신호의 예들을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 순환기(circulator; 110), 시준기(collimator; 130), 기준면(150), 및 광 상호상관기(optical cross-correlator; 170)를 포함할 수 있다. 또한, 거리 측정 장치(100)는 저주파 통과 필터(180)를 더 포함할 수 있다.
신호 레이저(200-1)가 출사하는 제1 레이저 펄스는 순환기(110), 시준기(130), 및 기준면(150)을 통과하고, 국부 레이저(200-2)가 출사하는 제2 레이저 펄스는 광 상호상관기(170)를 통과할 수 있다.
이때, 거리 측정 장치(100)는 광 섬유(optical fiber)를 사용하여 레이저 펄스를 이동(또는 전달)시킬 수 있다. 거리 측정 장치(100)가 광 섬유가 아닌 자유 공간 광학계(free space optics)를 사용하여 레이저 펄스를 이동(또는 전달)시키는 경우, 거리 측정 장치(100)는 순환기(110) 대신 PBS(polarizing beam splitter) 또는 BS(beam splitter)를 사용할 수 있다.
순환기(110)는 복수의 단자(또는 포트)를 갖고, 입력 단자에서 레이저 펄스를 수신하여 출력 단자에서 레이저 펄스를 출력할 수 있다. 예를 들어, 순환기(110)는 처음 순환기(110)를 통과하는 제1 레이저 펄스를 시준기(130)로 출력할 수 있다.
시준기(130)는 제1 레이저 펄스를 사용하여 평행광선을 생성할 수 있다. 즉, 시준기(130)는 평행광선의 특성을 갖는 제1 레이저 펄스를 생성할 수 있다. 시준기(130)는 렌즈, 예를 들어, 볼록 렌즈 및/또는 오목 렌즈를 포함할 수 있다.
기준면(150)은 신호 레이저(200-1)가 출사하는 제1 레이저 펄스 중 일부 레이저 펄스는 반사하고, 다른 일부 레이저 펄스는 통과시킬 수 있다. 이때, 레이저 펄스 중 기준면(150)으로부터 반사되는 레이저 펄스를 반사광이라고 명명할 수 있다.
기준면(150)은 거리 측정에 있어서 거리가 0 m 가 되는 기준(또는 기준점)일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 기준면(150)을 설정하기 위해, 광섬유의 끝이 편평하게 가공된 FC/PC 커넥터(140)가 사용될 수 있다. 이때, 기준면(150)은 FC/PC 커넥터(140)의 끝부분(또는 끝단면)일 수 있다. 또한, 기준면(150)은 광 분할기(beam splitter)를 통해 구현될 수 있다.
이때, 거리 측정 장치(100)는 기준면(150)으로부터 반사된 반사광 만으로도 거리 측정의 기준이 되는 기준 신호(reference signal)를 충분히 생성할 수 있다. 이에, 거리 측정 장치(100)의 구성 및 설치가 매우 간단해질 수 있다. 거리 측정 장치(100)의 광학계는 FC/PC 커넥터(140) 및 시준기(130)만으로 구현이 가능하여, 거리 측정 장치(100)의 소형화가 가능하고 어느 곳에서나 쉽게 설치가 가능할 수 있다.
기준면(150)을 통과한 레이저 펄스는 대상체(300)의 측정면(310)에서 반사되고, 다시 기준면(150)으로 입사할 수 있다.
기준면(150)과 측정면(310)은 동일 축 상에 위치할 수 있다. 즉, 거리 측정 장치(100)는 간섭계에서 기준 팔(reference arm) 및 측정 팔(measurement arm)이 같은 측정 광 경로 상에 위치하여 거리 측정의 기준면(150)을 명확히 할 수 있다. 이에, 거리 측정 장치(100)는 오차를 최소로 하여 거리를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정면(310) 및 기준면(150)이 서로 다른 축 상에 존재하는 마이켈슨 간섭계 형태의 거리 측정 장치와 비교했을 때, 거리 측정 장치(100)는 명확한 거리 측정의 기준면(150)을 제공할 수 있다.
순환기(110)는 측정면(310)으로부터 반사되어 다시 입사한 측정광을 광 상호상관기(170)로 전달할 수 있다. 즉, 순환기(110)는 반사광 및 측정광을 광 상호상관기(170)로 전달할 수 있다.
광 상호상관기(170)는 반사광, 측정광 및 제2 레이저 펄스를 사용하여 상호상관 신호를 생성할 수 있다. 이때, 반사광, 측정광 및 제2 레이저 펄스는 PBS(polarizing beam splitter, 미도시) 및/또는 반파장 판(half wave plate(HWP), 미도시)을 통과하여 광 상호 상관기(170)로 입사할 수 있다. 즉, 거리 측정 장치(100)는 PBS 및/또는 반파장 판을 더 포함할 수 있다.
광 상호상관기(170)가 생성하는 상호상관 신호는 도 4에 도시된 바와 같을 수 있다. 제1 레이저 펄스 중 기준면(150)으로부터 반사된 반사광과 측정면(310)으로부터 반사된 측정광에 의해 생성된 상호상관 신호는 Tupdate의 주기로 반복되고, 반사광의 상호상관 신호와 측정광의 상호상관 신호는 △T의 시간 차이를 가질 수 있다.
광 상호상관기(170)의 예들에 대해서는 도 9a 내지 도 10b를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
저주파 통과 필터(180)는 상호상관 신호에 전처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 저주파 통과 필터(180)는 디지타이저(400)가 상호상관 신호를 처리하기 전에 상호상관 신호에 노이즈 필터링 동작을 수행할 수 있다. 노이즈 필터링 동작은 고차 노이즈 성분 제거 동작을 포함할 수 있다.
서로 다른 차단 주파수(cutoff frequency)를 갖는 저주파 통과 필터(180)를 사용했을 때, 디지타이저(400)가 수신하는 펄스의 파형은 반복률의 차이(△fr)에 따라 도 5에 도시된 바와 같을 수 있다.
도 5에 도시된 각 그래프는 위에서부터 아래로 48 MHz, 32 MHz, 22 MHz, 15 MHz, 11 MHz, 5 MHz, 및 1.9 MHz의 차단 주파수를 갖는 저주파 통과 필터(180)를 통과한 펄스의 파형일 수 있다.
차단 주파수가 32 MHz 이하의 저주파 통과 필터(180)를 사용하였을 때 깨끗한 파형을 얻고, 차단 주파수가 11 MHz 이하의 저주파 통과 필터(180)를 사용하였을 때는 신호 대역폭의 손실로 인하여 본래의 신호 보다 넓게 변형 되어 나타날 수 있다. 즉, 저주파 통과 필터(180)의 차단 주파수 및 반복률의 차이(△fr)에 따라 획득하는 신호의 대역폭이 다를 수 있다. 이에, 사용하는 대역폭에 맞는 저주파 통과 필터(180)의 차단 주파수 선택하는 것이 중요할 수 있다.
광 상호상관기(170)는 상호상관 신호를 디지타이저(400), 예를 들어, 채널 1(410)로 전송할 수 있다. 제1 팸토초 레이저(200-1)는 레이저 펄스 신호를 디지타이저(400), 예를 들어, 채널 2(430)로 직접 전송할 수 있다.
PC(500)는 상호상관 신호에 기초하여 거리 측정 장치(100)와 대상체(300)의 거리를 계산할 수 있다. 이때, 거리 측정 장치(100)와 대상체(300)의 거리는 수학식 1에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, d는 거리 측정 장치(100) 및 대상체(300) 사이의 거리이고, c는 진공 중에서 빛의 속도이고, N은 대기의 군 굴절률이고, △t는 광 주파수 영역에서의 제1 레이저 펄스가 대상체(300)까지 왕복하는데 걸리는 비행시간이고, △T는 라디오 주파수 영역에서 측정된 제1 레이저 펄스가 대상체(300)까지 왕복하는데 걸리는 비행시간이고, fr은 제1 펨토초 레이저(200-1)의 반복률이고, △fr은 제1 펨토초 레이저(200-1) 및 제2 펨토초 레이저(200-2)의 반복률의 차이이고, Tupdate는 신호들의 반복 주기이고, Tupdate = 1/△fr 일 수 있다.
구체적으로, PC(500)는 제1 레이저 펄스에 기초하여 신호 레이저(200-1)의 반복률(fr)을 계산하고, 상호상관 신호 및 제1 레이저 펄스에 기초하여 신호 레이저(200-1) 및 국부 레이저(200-2)의 반복률의 차이(△fr)를 계산할 수 있다. 이때, PC(500)는 디지타이저(400)에서 생성하는 신호의 반복 주기를 사용하여 신호 레이저(200-1) 및 국부 레이저(200-2)의 반복률의 차이(△fr)를 계산할 수 있다. 즉, PC(500)는 채널 1(410)에서의 상호상관 신호에 기초하여 신호 레이저(200-1) 및 국부 레이저(200-2)의 반복률의 차이(△fr)를 계산하고, 채널 2(430)에서의 제1 레이저 펄스에 기초하여 신호 레이저(200-1)의 반복률(fr)을 계산할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 거리 측정 장치의 다른 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 거리 측정 장치를 구현한 일 예를 나타낸다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 순환기(110), 시준기(130), 기준면(150), 광 상호상관기(170), 및 저주파 통과 필터(180)를 포함할 수 있다. 또한, 거리 측정 장치(100)는 EDFA(Erbium doped fiber amplifier; 190)를 더 포함할 수 있다.
도 6의 순환기(110), 시준기(130), 기준면(150), 광 상호상관기(170), 및 저주파 통과 필터(180)의 구성 및 동작은 도 2의 순환기(110), 시준기(130), 기준면(150), 광 상호상관기(170), 및 저주파 통과 필터(180)의 구성 및 동작과 실질적으로 동일할 수 있다.
이때, 반사광 및/또는 측정광의 출력의 세기는 거리 측정 장치(100)가 거리를 측정함에 있어서 충분히 크지 않을 수 있다.
이에, EDFA(190)는 반사광 및 측정광을 증폭시킬 수 있다. 예를 들어, EDFA(190)는 반사광 및 측정광을 10 mW 이상의 평균 출력으로 증폭시킬 수 있다. EDFA(190)를 사용하여 거리 측정 장치(100)를 실제로 구현한 일 예는 도 7에 도시된 바와 같을 수 있다.
광 상호상관기(170)는 10 mW 이상의 반사광 및 측정광에 기초하여 효율적으로 상호상관 신호를 생성할 수 있다.
광 상호상관기(170)는 레이저 펄스에 발생한 분산을 보상할 수도 있다. 분산은 광 섬유 및/또는 EDFA(190)에서 발생할 수 있다. 이때, 광 상호상관기(170)는 DCF(dispersion compensating fiber)를 사용하여 분산을 보상할 수 있다.
광 상호상관기(170)는 상호상관 신호를 디지타이저(400), 예를 들어, 채널 1(410)로 전송할 수 있다. 제1 팸토초 레이저(200-1)는 레이저 펄스 신호를 디지타이저(400), 예를 들어, 채널 2(430)로 직접 전송할 수 있다.
광 상호상관기(170)의 예들에 대해서는 도 9a 내지 도 10b를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
PC(500)는 상호상관 신호에 기초하여 거리 측정 장치(100)와 대상체(300)의 거리를 계산할 수 있다. 이때, 거리 측정 장치(100)와 대상체(300)의 거리는 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 계산될 수 있다.
도 8은 도 2 또는 도 6에 도시된 레이저의 반복률을 안정화하기 위한 레이저의 예를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 레이저(200)는 제1 펨토초 레이저(200-1) 및 제2 펨토초 레이저(200-2)의 반복률을 안정화하기 위해 기준 시계(reference clock; 210), 및 안정화 모듈들(stabilization modules; 230 및 250)을 더 포함할 수 있다.
기준 시계(210)는 루비듐 원자 시계(Rb atomic clock)이고, 안정화 모듈(230 및 250)이 제1 펨토초 레이저(200-1) 및 제2 펨토초 레이저(200-2)를 안정화 하는데 기준을 제공할 수 있다.
안정화 모듈(230 및 250)은 기준 시계(210)를 기준으로 하여 제1 펨토초 레이저(200-1) 및 제2 펨토초 레이저(200-2) 각각의 반복률을 안정화시킬 수 있다. 안정화 모듈(230 및 250)은 거리 측정 장치(100)가 거리를 측정함에 있어서, 시간과 주파수 영역에서 높은 정확도와 정밀도를 가지도록 할 수 있다. 안정화 모듈(230 및 250)이 신호들의 반복 주기(Tupdate)보다 빠른 제어 대역폭으로 제1 펨토초 레이저(200-1) 및 제2 펨토초 레이저(200-2)를 안정화할 경우, 거리 측정의 정밀도가 향상될 수 있다.
예를 들어, 안정화 모듈(230 및 250)은 제1 펨토초 레이저(200-1)의 반복률(fr)은 100 MHz로, 제1 펨토초 레이저(200-1)와 제2 펨토초 레이저(200-2)의 반복률의 차이(△fr)는 2 kHz로 안정화시킬 수 있다.
반복률의 차이(△fr)가 거리 측정 성능에 미치는 영향은 적을 수 있지만, 광 상호상관기(170)는 제1 펨토초 레이저(200-1)의 제1 레이저 펄스를 제2 펨토초 레이저(200-2)의 제2 레이저 펄스를 사용하여 △fr/fr 2의 주기로 샘플링하므로 펨토초 레이저 펄스의 폭(pulse duration)은 수학식 2를 만족해야 할 수 있다. 상호상관 신호의 펄스 폭을 조절함으로써 디지타이저(400)는 충분한 데이터를 획득할 수 있다.
Figure pat00002
즉, 펨토초 레이저 펄스의 폭은 △fr/fr 2보다 커야 할 수 있다. 예를 들어, fr이 100 MHz이고, △fr이 2 kHz인 경우, △fr/fr 2은 200 fs이고 상호상관 신호의 펄스 폭은 200 fs 보다 커야 할 수 있다. 광 상호상관기(170)는 상호상관 신호의 분산양을 조절하여 펨토초 레이저 펄스의 폭을 조절할 수 있다.
PC(500)는 상술한 수학식 1에 기초하여 거리 측정 장치(100) 및 대상체(300) 사이의 거리를 계산할 수 있다. 이때, 제1 펨토초 레이저(200-1) 및 제2 펨토초 레이저(200-2)는 기준 시계(210) 및 안정화 모듈(230 및 250)에 의해 반복률이 안정화 되었으므로, PC(500)는 상수 값을 fr로 사용할 수 있다.
도 9a는 도 2 또는 도 6에 도시된 광 상호상관기의 일 예의 개략적인 구조도이고, 도 9b는 도 9a에 도시된 광 상호상관기가 출력하는 신호의 일 예이다.
도 9a 내지 도 9b를 참조하면, 광 상호상관기(170A)는 도 2 또는 도 6에 도시된 광 상호상관기(170)의 일 예일 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 펨토초 레이저(200-1)의 제1 레이저 펄스 및 제2 펨토초 레이저(200-2)의 제2 레이저 펄스는 PBS(120)로 입사할 수 있다. 이때, 제1 레이저 펄스는 반사광 및 측정광을 포함할 수 있다.
이때, 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스는 반파장 판(미도시)을 통과하여 PBS(120)에 입사할 수 있다. 반파장 판(미도시)은 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스의 편광을 조절할 수 있다. 예를 들어, 반파장 판(미도시)은 PBS(120)로 입사하는 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스의 편광이 서로 수직이 되도록 할 수 있다.
PBS(120)는 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 동일 축 상에 정렬시켜 광 상호상관기(170A)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 제1 레이저 펄스와 제2 레이저 펄스는 다른 방향으로 진행할 수 있고, 광 상호상관기(170A)로 입사되는 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스는 동일한 방향을 갖는 동일 축 상의 펄스여야 할 수 있다. 이에, PBS(120)는 제1 레이저 펄스를 투과(또는 통과)시키고, 제2 레이저 펄스는 반사시켜 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 동일 축 상에 정렬시킬 수 있다.
광 상호상관기(170A)는 PBS(120)로부터 서로 수직한 편광의 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 수신할 수 있다. 광 상호상관기(170A)는 제2 레이저 펄스에 기초하여 제1 레이저 펄스를 샘플링 하고, 샘플링 결과 광 상호상관기(170A)는 제1 레이저 펄스를 라디오 주파수 영역에서 관찰할 수 있다. 예를 들어, 광 상호상관기(170A)는 제2 레이저 펄스에 기초하여 fr의 반복률을 갖는 제1 레이저 펄스를 △fr/fr 2의 샘플링 주기로 샘플링할 수 있다.
광 상호상관기(170A)는 렌즈(170A-1 및 170A-2), 비선형 결정(nonlinear crystal; 170A-3), 및 광 검출기(170A-5)를 포함 할 수 있다.
렌즈(170A-1 및 170A-2)는 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스의 성분들을 수렴 또는 발산시킬 수 있다. 즉, 렌즈(170A-1)는 평행광선의 특성을 갖는 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 생성하여 비선형 결정(170A-3)에 포커싱(또는 수렴)시키고, 렌즈(170A-2)는 포커싱(또는 수렴)된 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 시준할 수 있다.
비선형 결정(170A-3)은 이차 조화 펄스 생성 결정일 수 있다. 비선형 결정(170A-3)은 이차 조화 펄스(second harmonic pulse)를 생성하기 위해 Type-II SHG(second-harmonic generation) 결정을 사용할 수 있다. 예를 들어, 비선형 결정(170A-3)은 Type-II PPKTP(periodically poled potassium titanyl phosphate) 또는 Type-II BBO(beta barium borate)로 구현될 수 있다. 광 상호상관기(170A)는 이차 조화 펄스를 사용하여 상호상관 신호를 생성할 수 있다. 즉, 상호상관 신호는 이차 조화 펄스를 포함할 수 있다.
비선형 결정(170A-3)은 위상 정합 조건이 맞는 특정 각도로 서로 수직한 편광의 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스가 입사되었을 때, 광 주파수가 두 배(제1 레이저 펄스 주파수 및 제2 레이저 펄스의 주파수가 다른 경우에는, 제1 레이저 펄스 주파수 및 제2 레이저 펄스의 주파수의 합)가 되는 펄스를 생성할 수 있다.
광 검출기(170A-5)는 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스 사이의 시간 간격에 따라 다른 크기의 전기 신호들을 획득할 수 있다. 예를 들어, 광 검출기(170A-5)는 상호상관 함수에 비례하는 신호들을 획득할 수 있다. 비선형 결정(170A-3)은 Type-I 결정과 다른 Type-II 결정을 사용하므로, 광 검출기(170A-5)은 간섭무늬가 없는 포락선(envelope) 형태의 강도 상호상관(intensity cross-correlation) 신호를 획득할 수 있다. 즉, 비선형 결정(170A-3)은 서로 수직한 편광의 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스에 기초하여 상호상관 신호를 생성하고, 광 검출기(170A-5)는 상호상관 신호를 검출할 수 있다. 광 검출기(170A-5)가 검출한 상호상관 신호의 일 예는 도 9b에 도시된 바와 같을 수 있다.
도 10a는 도 2 또는 도 6에 도시된 광 상호상관기의 다른 예의 개략적인 구조도이고, 도 10b는 도 10a에 도시된 광 상호상관기가 출력하는 신호의 일 예를 나타내고, 도 11은 도 10a에 도시된 광 상호상관기의 구현 예를 나타낸다.
도 10a 내지 도 11을 참조하면, 광 상호상관기(170B)는 도 2 또는 도 6에 도시된 광상호상관기(170)의 다른 예일 수 있다. 광 상호상관기(170B)는 균형잡힌 광 상호상관기(balanced optical cross-correlator)로 구현될 수 있다.
광 상호상관기(170B)는 이색 거울(dichroic mirror; 170B-1 및 170B-2), 거울(170B-3, 170B-4, 및 170B-5), 렌즈(170B-6 및 170B-7), 비선형 결정(170B-8), 및 균형잡힌 광 검출기(balanced photo detector; 170B-9)를 포함 할 수 있다.
렌즈(170B-6 및 170B-7) 및 비선형 결정(170B-8)은 도 9a에 도시된 렌즈(170A-1 및 170A-2) 및 비선형 결정(170A-3)과 같은 구성을 포함할 수 있다.
이색 거울(170B-1 및 170B-2)은 박막내의 빛의 간섭효과를 사용하여 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스에서 특정 파장 범위를 갖는 펄스는 반사하고, 다른 파장 범위의 펄스는 투과(또는 통과)할 수 있다.
거울(170B-3, 170B-4, 및 170B-5)은 펄스를 반사할 수 있다. 예를 들어, 거울(170B-3, 170B-4, 및 170B-5)은 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스의 진행 방향을 변경시킬 수 있다.
균형잡힌 광 검출기(170B-9)는 복수의 광 검출기, 예를 들어, 제1 광 검출기(170B-91) 및 제2 광 검출기(170B-92)를 포함할 수 있다. 제1 광 검출기(170B-91)는 비선형 결정(170B-8)이 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스로부터 생성한 제1 상호상관 신호를 검출할 수 있다. 거울(170B-3)이 기본 주파수에 해당하는 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 반사하면, 비선형 결정(170B-8)은 다시 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 통과시키고 제2 상호상관 신호를 생성할 수 있다. 제2 상호상관 신호는 이색 거울(170B-1) 및 거울(170B-5)을 통과하고, 제2 광 검출기(170B-92)로 입사할 수 있다. 즉, 제2 광 검출기(170B-92)는 제2 상호상관 신호를 검출할 수 있다. 이때, 균형잡힌 광 검출기(170B-9)는 제1 상호상관 신호 및 제2 상호상관 신호의 차(difference)에 해당하는 전기적 신호를 생성할 수 있다.
균형잡힌 광 검출기(170B-9)가 검출한 상호상관 신호의 일 예는 도 10b에 도시된 바와 같고, 균형잡힌 광 검출기(170B-9)를 실제로 구현한 일 예는 도 11과 같을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 응용방법의 예들에 대해서 설명하도록 한다.
도 12는 거리 측정 장치가 복수의 대상체들의 거리를 측정하는 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 도 12에 도시된 거리 측정 시스템을 실제로 구현한 일 예를 나타내고, 도 14는 기준면에서 광 분할기까지의 거리의 변화량을 나타낸다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 단일 축 상에 존재하는 복수의 대상체들(300-1~300-N)의 거리를 측정할 수 있다. 이때, 복수의 대상체들(300-1~300-N)은 각각 광 분할기를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 13에서는 4개의 대상체(300-1~300-4)가 존재하고, 제1 대상체(300-1)는 광 분할기 M1을 포함하고, 제2 대상체(300-2)는 광 분할기 M2를 포함하고, 제3 대상체(300-3)는 광 분할기 M3를 포함하고, 제4 대상체(300-4)는 광 분할기 M4를 포함할 수 있다. 이때, 광 분할기 M1 내지 M4는 일렬로 배열될 수 있다.
광 분할기 M1은 20 μm의 미소변위를 인가 할 수 있는 피에조 스테이지(Piezo stage) 위에 부착하였고, 광 분할기 M2 및 M3는 상대적으로 큰 변위를 줄 수 있는 모터 스테이지 위에 고정하고, 광 분할기 M4는 움직이지 않도록 바닥에 설치 할 수 있다.
피에조 스테이지와 모터 스테이지는 광 분할기 M1 내지 M3에 임의의 변위를 인가할 수 있다. 즉, 피에조 스테이지와 모터 스테이지는 3개의 대상체(300-1~300-3)에 임의의 변위를 인가할 수 있다.
도 14는 기준면(150)으로부터 각각의 광 분할기 M1 내지 M4까지의 거리의 변화량을 10시간 동안 연속적으로 나타낸다. 이때, 거리의 변화량은 광 분할기 M1의 위치가 278.124 mm에서의 변화량을, 광 분할기 M2의 위치가 586.709 mm에서의 변화량을, 광 분할기 M3의 위치가 609.507 mm에서의 변화량을, 그리고 광 분할기 M4의 위치가 992.142 mm에서의 변화량을 의미할 수 있다.
도 15는 거리 측정 장치가 여러 축 상의 대상체들의 거리를 측정하는 동작의 일 예를 나타낸다.
도 15를 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 복수 개의 광 분할기(1510~1560)를 포함할 수 있다. 광 분할기(1510~1560)는 일부 레이저 펄스는 반사하고, 다른 레이저 펄스는 통과시킬 수 있다. 즉, 광 분할기(1510, 1530, 및 1550)는 복수 개의 기준 펄스를 생성할 수 있다.
광 분할기(1520, 1540, 및 1560)는 거리 측정의 기준면이 될 수 있다. 대상체(1010, 1020, 및 1030)는 재귀 반사 거울(retro-reflector)을 포함할 수 있다. 즉, 거리 측정 장치(100)는 대상체(1010, 1020, 및 1030)로부터 반사된 반사광 및 기준 펄스에 기초하여 각각의 광 분할기(1520, 1540, 및 1560)로부터 각각의 대상체(1010, 1020, 및 1030)까지의 거리를 계산할 수 있다.
도 16은 거리 측정 장치가 여러 축 상의 대상체들의 거리를 측정하는 동작의 다른 일 예를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 따른 거리 측정 장치(100)는 복수 개의 광 분할기(1610, 1620, 1630, 1650, 및 1660) 및 재귀 반사 거울(1640 및 1670)을 포함할 수 있다. 광 분할기(1610)는 거리 측정의 기준면이 될 수 있다. 거리 측정 장치(100)는 광 분할기(1610)로부터 X축에 존재하는 대상체까지의 거리 및 Y축에 존재하는 대상체까지의 거리를 측정할 수 있다.
도 17은 거리 측정 장치의 거리 측정 대상인 렌즈 시스템의 일 예를 나타내고, 도 18은 거리 측정 장치가 렌즈 시스템의 거리를 측정하는 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 17 내지 도 18을 참조하면, 렌즈 시스템은 복수 개의 렌즈(또는 반사면)를 포함하고, 거리 측정 장치(100)는 렌즈(또는 반사면)로부터 반사된 반사광에 기초하여 렌즈 시스템의 렌즈들의 거리를 측정할 수 있다. 이때, 거리 측정 장치(100)가 측정한 렌즈 시스템의 렌즈들의 거리는 표 1과 같을 수 있다.
Figure pat00003
거리 측정 장치(100)는 측정된 렌즈 시스템의 거리에 기초하여 복수의 렌즈들을 정렬할 수 있다.
도 19는 거리 측정 장치가 여러 축 상의 복수의 대상체들의 거리를 측정하는 일 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 20은 거리 측정 장치가 분할기를 사용하여 복수의 빔을 생성하는 일 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 21은 거리 측정 장치가 회절 광학 소자를 사용하여 복수의 빔을 생성하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 19를 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 커플러(coupler; 1910)를 사용하여 복수의 빔을 생성할 수 있다. 커플러(1910)는 스위치(switch)로 구현될 수도 있다.
커플러(1910)는 복수의 빔을 복수의 대상체(2000-1~2000-N)로 전송할 수 있다. 거리 측정 장치(100)는 복수의 대상체(2000-1~2000-N)로부터 반사되어 돌아온 반사광에 기초하여 기준면(1930-1~1930-N)으로부터 복수의 대상체(2000-1~2000-N)의 거리를 계산할 수 있다.
도 20을 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 분할기(splitter; 2100)를 사용하여 복수의 빔을 생성할 수 있다. 분할기(2100)는 발산하는 빔(diverging beam), 투과형 광 분할기(transparent beam splitter), 광 커플러(fiber coupler) 중 하나를 사용할 수 있다.
도 21을 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 회절 광학 소자(diffraction optic element(DOE))를 사용하여 복수의 빔을 생성할 수 있다. 회절 광학 소자(DOE)는 원하는 형태와 개수로 복수의 빔을 생성할 수 있다. 회절 광학 소자(DOE)는 회절 광학 소자(DOE)의 평평한 면을 거리 측정에서 기준면으로 사용할 수 있다.
도 22는 거리 측정 장치가 대상체의 각도 및 자세를 측정하는 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 23은 도 22에 도시된 대상체의 일 예를 나타내고, 도 24는 거리 측정 장치가 대상체의 각도를 계산하는 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 25는 도 22에 도시된 대상체의 움직임을 3차원적으로 나타낸 도면이다.
도 22 내지 도 25를 참조하면, 대상체(2200)는 알루미늄 판 위에 DOE의 ±1차 회절 빔을 따라 90˚의 각도로 설치된 4개의 재귀 반사 거울(2210~2240)을 포함할 수 있다. 4개의 재귀 반사 거울(2210~2240)은 상호상관 신호가 구분되도록 ~1.0 mm의 거리 차이를 두고 대상체(2200)에 설치될 수 있다. 알루미늄 판은 다양한 강체 운동을 줄 수 있도록 3개의 PZT가 120° 간격으로 위치한 스테이지 (piezoelectric tip/tilt stage, Physik Instrument)에 설치될 수 있다. 또한, 대상체(2200)의 운동을 묘사하기 위하여 대상체(2200)에 xyz 좌표계를 설정할 수 있다. 재귀 반사 거울들(2210 및 2230)을 잇는 방향을 x축으로 하고, 재귀 반사 거울들(2220 및 2240)을 잇는 방향을 y축으로 하고, DOE의 0차 빔 방향을 z축으로 설정할 수 있다.
xy 평면의 원점을 지나면서 수직한 법선 벡터(normal vector)를 정의하고, 요(yaw) 각도 θx와 피치(pitch) 각도 θy는 도 24에 도시된 바와 같을 수 있다.
거리 측정 장치(100)는 DOE로부터 각 거울(2210~2240)까지의 측정된 거리 d1, d2, d3, d4를 사용하여 대상체(2220)의 원점의 거리를 구할 수 있다. 예를 들어, 거리 측정 장치(100)는 수학식 3을 사용하여 원점의 거리 d를 좌표계로 계산할 수 있다.
Figure pat00004
또한, 거리 측정 장치(100)는 수학식 4 및 수학식 5를 사용하여 요(yaw) 각도 θx와 피치(pitch) 각도 θy를 계산할 수 있다.
Figure pat00005
여기서, A는 거울(2210 및 2230) 사이의 간격일 수 있다.
Figure pat00006
여기서, A는 거울(2220 및 2240) 사이의 간격일 수 있다.
거리 측정 장치(100)는 수학식 3 내지 수학식 5를 사용하여 계산한 원점의 거리 d, 요(yaw) 각도 θx, 및 피치(pitch) 각도 θy를 사용하여 평판에 수직한 단위 법선 백터의 궤적을 시간에 따라 3차원적으로 도 25와 같이 나타낼 수 있다. 대상체(2220)의 움직임을 3차원적으로 나타낼 경우 대상체(2220)의 운동을 보다 직관적으로 이해 할 수 있다. 대상체(2220)의 중심의 위치가 어떻게 변화하는지는 도 25b로부터, 대상체(2220)가 x축에 가까운 방향으로 1 Hz의 사인 파 형태로 움직이고 있음은 도 25c로부터 알 수 있다. 즉, 법선 벡터의 궤적의 3차원 표현을 이용하면 복잡한 운동을 하는 대상체(2220)에 대해서도 이해하기 쉬운 형태로 움직임을 묘사할 수 있고, 대상체(2220)의 움직임을 제어하는데 활용할 수도 있다.
도 26은 거리 측정 장치가 CMM 변형을 측정하는 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 27은 도 26에 도시된 재귀 반사 거울의 좌표 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 26 내지 도 27을 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 CMM(coordinate measuring machine) 프레임의 구조 변형에 대한 측정을 수행할 수 있다. CMM 프레임은 10개의 재귀 반사 거울(M1~M10)을 포함하고 거리 측정 장치(100)는 스캐닝 거울 시스템을 포함할 수 있다. 스캐닝 거울 시스템은 주변 환경의 온도 변화에 따른 3차원 구조물의 변형을 측정하기 위하여 빔을 시간에 따라 분할할 수 있다. 스캐닝 거울 시스템은 빔을 정해진 시간 주기로 스캔하여 재귀 반사 거울(M1~M10)까지의 거리를 측정하고, 측정된 거리에 기초하여 CMM 프레임의 구조 변형을 측정할 수 있다.
재귀 반사 거울(M1~M10)의 거리, 방위각, 및 고도각 정보를 사용하여 계산한 재귀 반사 거울(M1~M10)의 직교좌표계상 좌표는 도 27에 도시된 바와 같을 수 있다. 재귀 반사 거울(M1~M10)의 3차원 좌표는 도 27a에 도시된 바와 같고, 재귀 반사 거울(M1~M10)의 x-y, x-z, y-z 평면에서의 시작 위치, 끝 위치, 및 이동 경로는 도 27b 내지 도 27c에 도시된 바와 같을 수 있다. 즉, 거리 측정 장치(100)를 사용하여 CMM 프레임의 거리를 측정함으로써 CMM 프레임의 어느 부분이 어느 방향으로 어떻게 변화하는지를 쉽게 파악 할 수 있고, 변형이 가장 많이 일어나는 부분 및 방향을 파악하여 해결책을 마련하는데 도움을 줄 수 있다.
도 28은 거리 측정 장치가 대형 구조물에서 사용되는 예들을 나타낸다.
도 28을 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 대형 정밀 구조물의 변형을 측정하여 보정하거나, 또는 안전이 중요한 시설의 안전 점검에 사용될 수도 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 기준면; 및
    제1 펨토초 레이저로부터 출사되는 제1 레이저 펄스 중 상기 기준면으로부터 반사된 반사광과, 측정면으로부터 반사된 측정광, 및 제2 펨토초 레이저로부터 출사되는 제2 레이저 펄스를 사용하여 상호상관 신호를 생성하는 광 상호상관기(optical cross-correlator)
    를 포함하고,
    상기 기준면과 상기 측정면 상이의 거리는 상기 상호상관 신호를 사용하여 계산되는 거리 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준면과 상기 측정면은 동일 축 상에 위치하는 거리 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사광, 상기 측정광, 및 상기 제2 레이저 펄스를 동일 축에 정렬하여 상기 광 상호상관기로 전달하는 PBS(polarizing beam splitter)
    를 더 포함하는 거리 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 상호상관기는,
    상기 반사광, 상기 측정광, 및 상기 제2 레이저 펄스를 사용하여 이차 조화 펄스(second harmonic pulse)를 생성하는 비선형 결정(nonlinear crystal)
    을 포함하고,
    상기 광 상호상관기는,
    상기 이차 조화 펄스를 사용하여 상기 상호상관 신호를 생성하는 거리 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반사광 및 상기 측정광이 상기 제2 레이저 펄스와 수직 편광이 되도록 상기 반사광 및 상기 측정광의 편광 방향을 조절하는 제1 반파장 판(first half-wave plate)
    을 더 포함하는 거리 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 레이저 펄스가 상기 반사광 및 상기 측정광과 수직이 되도록 상기 제2 레이저 펄스의 편광 방향을 조절하는 제2 반파장 판(second half-wave plate)
    을 더 포함하는 거리 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 펄스를 빔 분할(beam splitting)하여 복수의 빔을 생성하는 분할기(splitter)
    를 더 포함하고,
    상기 광 상호상관기는,
    상기 반사광과, 상기 복수의 빔이 복수 개의 측정면들로부터 반사된 복수의 측정광들, 및 상기 제2 레이저 펄스를 사용하여 상기 상호상관 신호를 생성하는 거리 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분할기는,
    발산하는 빔(diverging beam), 투과형 광 분할기(transparent beam splitter), 광 커플러(fiber coupler) 중 하나를 사용하여 상기 복수의 빔을 생성하는 거리 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반사광 및 상기 측정광을 증폭하기 위한 EDFA(Erbium doped fiber amplifier)를 더 포함하는 거리 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 펨토초 레이저 및 상기 제2 펨토초 레이저를 더 포함하는 거리 측정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 펨토초 레이저 및 상기 제2 펨토초 레이저를 안정화하기 위한 안정화 모듈을 더 포함하는 거리 측정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 안정화 모듈은,
    기준 시계(reference clock)
    를 포함하는 거리 측정 장치.
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