KR20180051694A - Free space Sagnac interferometer using a polarizing beam splitter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 사냑 간섭계에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 편광 빛살 가르게(polarizing beam splitter, PBS)를 이용하여 입력 빛을 서로 수직인 편광 성분으로 분리시켜 동일한 경로를 서로 반대 방향, 즉 시계방향(clockwise, 이하 'CW'라 한다.)과 반시계 방향(counter clockwise, 이하 'CCW'라 한다.)으로 진행시켜 다시 PBS에서 합쳐주면, PBS에서 출력되어 함께 진행하는 각각의 편광성분은 입력 빛과 90도로 분리되어 출력되기 때문에 이들을 간섭시켜 전형적인 간섭계 신호처리 방법을 이용하여 복조시키면 CW 방향과 CCW 방향으로 진행한 서로 다른 편광성분들 사이의 위상 차이를 측정할 수 있는 사냑 간섭계에 관한 것이다. The present invention relates to a Sagn optical interferometer, and more particularly to a polarizing beam splitter (PBS), which separates input light into polarization components perpendicular to each other, (Hereinafter referred to as 'CW') and counter clockwise (hereinafter referred to as 'CCW'), and then combined in the PBS, each of the polarized light components output from the PBS, The present invention relates to a Sagn optical interferometer capable of measuring a phase difference between different polarized components traveling in a CW direction and a CCW direction by interfering with each other and demodulating using a typical interferometer signal processing method.
Sagnac 간섭계는 1913년에 G. Sagnac에 의하여 처음으로 개발되었다. 도 1은 종래의 Sagnac 간섭계를 도시한 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 사냑 간섭계는 빛살 가르게(beam splitter, BS)에 의해 반으로 나누어진 두 빛살이 두 개 이상의 거울에 의해 고리(ring) 구조를 갖고 각각 CW 및 CCW 방향으로 진행하여 다시 BS에 의해 합쳐져 간섭을 일으키게 하는 구조를 가지며 광 검출기로 측정된 간섭신호를 분석하여 CW와 CCW 방향으로 진행한 두 빛 사이의 위상 차이를 측정할 수 있도록 고안된 간섭계이다. The Sagnac interferometer was first developed by G. Sagnac in 1913. 1 is a block diagram illustrating a conventional Sagnac interferometer. As shown in FIG. 1, the sagnac interferometer has a ring structure divided into two halves by a beam splitter (BS), and the two beams are arranged in a CW and CCW directions It is an interferometer designed to measure the phase difference between CW and CCW directions by analyzing the interference signal measured by the photodetector.
Sagnac 간섭계는 CW와 CCW 방향에 대하여 광학적으로 비가역적인 변화를 유도시키는 현상을 측정/관측하는데 응용되며 그 대표적인 예로 회전센서와 전류센서 등이 있다. 예를 들어, 간섭계가 CW 방향으로 회전할 경우 같은 방향으로 진행하는 빛은 정지했을 때 보다 조금 먼 거리를 이동하고 반대 방향으로 진행하는 빛은 조금 짧은 거리를 이동하기 때문에 CW 방향으로 진행하는 빛(이하 CW 광이라고 함)과 CCW 방향으로 진행하는 빛(이하 CCW 광이라고 함) 사이에 위상차이가 발생하여 간섭신호가 달라진다. 따라서 광 검출기에서 출력되는 간섭신호를 복조시킴으로써 회전 각속도를 측정할 수 있다. Sagnac interferometers are used to measure and observe phenomena that induce optically irreversible changes in the CW and CCW directions. Typical examples are rotation sensors and current sensors. For example, if the interferometer rotates in the CW direction, light traveling in the same direction travels a little longer than when stopped, while light traveling in the opposite direction travels a short distance, so light traveling in the CW direction (Hereinafter referred to as CW light) and a light traveling in the CCW direction (hereinafter referred to as CCW light), thereby changing the interference signal. Therefore, it is possible to measure the rotational angular velocity by demodulating the interference signal output from the photodetector.
기존의 Sagnac 간섭계는 도 1에서 볼 수 있듯이 CW와 CCW 경로가 정확히 일치하기 때문에 이들 사이의 위상 차이가 0이며, 따라서 간섭계의 회전에 의해 작은 위상 차이 △φ가 유도될 경우 간섭신호는 cos△φ에 비례하게 된다. 그러나 cosine 함수는 매우 작은 위상 변화 △φ에 대하여 민감하게 변하지 않기 때문에 Sagnac 간섭계는 CW와 CCW 경로 사이의 아주 작은 위상변화를 측정하는데 적절치 못하다. 간섭신호가 작은 위상 차이에 대하여 민감하게 반응하기 위해서는 CW와 CCW 경로 사이에 정지 상태에서 위상 차이가 (2n+1)π/2 가 되게 해야 하는데, 여기서 n = 0, ±1, …, 즉 간섭신호가 회전에 의해 유도된 위상 차이 △φ의 sine에 비례하게 만들어 주어야 하는 데 기존의 Sagnac 간섭계의 대칭성 때문에 이 조건을 만들어 줄 수 있는 방법이 없다. 따라서 기존의 Sagnac 간섭계는 각속도가 작은 회전을 측정하는 데는 적합하지 않다. As shown in Fig. 1, the existing Sagnac interferometer has a phase difference of 0 between them because the CW and CCW paths are exactly matched. Therefore, when a small phase difference ?? is induced by rotation of the interferometer, the interference signal is cos ? . However, because cosine function is not changed very little phase change △ φ sensitive to the Sagnac interferometer mothada appropriate for measuring very small phase shift between the CW and CCW paths. In order for the interfering signal to be sensitive to small phase differences, the phase difference between the CW and CCW paths must be (2n + 1) π / 2 in the stationary state, where n = 0, ± 1, ... , That is, the interference signal should be proportional to the sine of the phase difference DELTA phi induced by rotation, but there is no way to make this condition because of the symmetry of the existing Sagnac interferometer. Therefore, the existing Sagnac interferometer is not suitable for measuring angular velocity.
또한 BS에서 반사된 빛과 투과된 빛 사이에는 90도 만큼 위상 차이가 발생하는데, 도 1의 Sagnac 간섭계에서 CW 광은 BS에서 반사되어 광 검출기로 출력되면서 BS에서 두 번 반사를 하고, 반면에 CCW 광은 광 검출기에 도달하기 위해서 두 번 투과하기 때문에 광 검출기에 도달하는 CW 광과 CCW 광 사이에는 180도 위상차이가 발생한다. 즉, 회전이 없는 경우 CW와 CCW 광 사이에 소멸 간섭이 발생하여 검출기로 향하는 빛의 세기가 0이다. 따라서 회전 각속도가 매우 작을 경우 광 검출에 대한 잡음은 광검출기를 포함한 전자 소자들에 의해 주어지는 전자적인 잡음(electronics noise)에 의해 주어지기 때문에 작은 회전 각속도에 대한 측정에 적합하지 않다. Also, a phase difference of 90 degrees occurs between the light reflected from the BS and the transmitted light. In the Sagnac interferometer of FIG. 1, the CW light is reflected by the BS, reflected by the BS twice while being reflected by the optical detector, Since the light is transmitted twice to reach the photodetector, a phase difference of 180 degrees occurs between the CW light and the CCW light reaching the photodetector. That is, in the absence of rotation, extinction interference occurs between CW and CCW light, and the intensity of light directed to the detector is zero. Therefore, when the rotational angular velocity is very small, noise for optical detection is not suitable for measurement of small rotational angular velocity because it is given by the electronic noise given by the electronic elements including the photodetector.
자이로스코프(gyroscope)는 회전 물체의 회전 운동 역학을 측정하는 장치로서, 특히 회전 각속도를 측정하여 제공한다. 자이로스코프의 응용분야로는 비행기, 미사일, 우주선, 잠수함 등에 사용되는 항법장치, 카메라, 로봇, 무인 자동화 기기 등의 자세 제어, 그리고 자이로 콤파스 등으로 매우 넓다. 자이로스코프는 그 응용에 따라서 요구되는 정밀도와 안정도가 다르다. 전술한 자이로스코프에는 기계식 자이로스코프와 광학식 자이로스코프가 있으며, 초정밀 계측 분야에서는 대부분 광학식 자이로스코프가 사용된다. 전술한 광학식 자이로스코프에는 링(ring) 레이저 자이로스코프, 광섬유 자이로스코프 등이 있다. A gyroscope is a device for measuring the rotational kinematics of a rotating object, in particular by measuring the rotational angular velocity. Application areas of gyroscopes are very wide, including navigation devices used in airplanes, missiles, spacecraft and submarines, attitude control of cameras, robots, unmanned automation devices, and gyro compass. Gyroscopes differ in the precision and stability required for their applications. The gyroscope described above has a mechanical gyroscope and an optical gyroscope, and in the ultra precision measurement field, an optical gyroscope is mostly used. The optical gyroscopes described above include ring laser gyroscopes and optical fiber gyroscopes.
링 레이저 자이로스코프는 3개 또는 그 이상의 반사경으로 이루어진 공진기 안에 서로 반대 방향, 예컨대 시계 방향과 반시계 방향으로 진행하는 레이저 빔이 동시에 발진하도록 하고, 이 레이저 빔의 진동수는 외부에서 자이로스코프를 회전시킬 때의 회전 각속도에 따라 달라지게 되며, 이 진동수의 차이 즉, 회전에 의해 주어지는 CW 및 CCW 방향으로의 유효 공진기 길이 차이를 검출하여 회전각속도를 측정하는 장치이다. 링 레이저 자이로스코프는 바이어스 안정성과 환산계수 선형성이 높고, 측정범위가 넓고, 온도 민감도가 낮기 때문에 항법 장치에 대부분 적용된다. A ring laser gyroscope allows a laser beam traveling in opposite directions, for example, clockwise and counterclockwise, to oscillate simultaneously in a resonator composed of three or more mirrors, and the frequency of this laser beam rotates the gyroscope from the outside And the difference in the number of vibrations, that is, the difference between the lengths of the effective resonators in the CW and CCW directions given by the rotation, is detected to measure the rotational angular velocity. Ring laser gyroscopes are mostly applied to navigation systems because of their high bias stability, linearity of conversion factor, wide measuring range and low temperature sensitivity.
하지만, 링 레이저 자이로스코프의 출력은 사인파(sine wave)의 형태로 나타나며, 회전 각속도의 크기에 따라 사인파의 주파수가 바뀌게 된다. 그런데, 외부 회전 각속도의 크기가 작은 경우, 반사경에서 일어나는 역 산란에 의하여 양방향으로 발진하는 두 레이저 빔의 진동수가 서로 같아지려고 하는 현상인 주파수 잠김 현상(Lock-in Effect)이 발생하게 되며, 이로 인하여 회전 각속도의 크기가 어느 한계치 이하일 때는 자이로스코프의 측정이 불가능하게 되는 문제점이 있다. However, the output of the ring laser gyroscope appears in the form of a sine wave, and the frequency of the sine wave changes according to the magnitude of the rotational angular velocity. However, when the magnitude of the external rotational angular velocity is small, a frequency locking phenomenon (lock-in effect) which is a phenomenon that the frequencies of two laser beams oscillating in both directions are equal to each other due to back scattering occurring in the reflector occurs, There is a problem that measurement of the gyroscope becomes impossible when the magnitude of the rotational angular velocity is less than a certain limit.
한편, 광섬유 자이로스코프는 기본적으로 광원과 광섬유를 원형으로 감아놓은 광섬유 코일로 구성된 감지부를 구비한다. 광섬유 자이로스코프의 동작을 간단하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 광원에서 나온 빛이 방향성 결합기를 지난 후 두 개의 빛으로 나뉘어서 광섬유 코일을 지나게 되며, 서로 반대 방향으로 광섬유 코일을 지난 두 빛은 다시 방향성 결합기에서 만나서 간섭한다. 자이로스코프가 정지 상태에 있는 경우, 두 빛은 광섬유 코일을 지나는 동안 똑같은 위상 변화를 경험하므로, 방향성 결합기에서 보강 간섭하고, 광검출기의 출력은 최대가 된다. 반면, 자이로스코프가 회전하고 있는 경우, Sagnac 효과에 의하여 두 빛 사이에는 회전각속도에 비례하는 위상차가 발생하고, 광검출기의 출력이 변화된다. 그러므로 광검출기의 출력 세기 변화를 측정함으로써 회전각속도를 검출할 수 있다. 이러한 광섬유 자이로스코프는 다른 형태의 자이로스코프에 비하여 가격, 안정도, 내구성, 빠른 기동 시간 등에서 큰 이점을 가지고 있다. 하지만, 광섬유 자이로스코프는 온도에 민감한 바이어스 특성을 갖고, 측정 감도를 높이기 위해 광섬유 길이를 확장하는 경우 비선형성이 증가하게 되는 문제점이 발생한다. On the other hand, the optical fiber gyroscope basically includes a light source and a sensing unit formed of an optical fiber coil wound around the optical fiber in a circular shape. The operation of the optical fiber gyroscope will be briefly described as follows. First, the light from the light source passes through the directional coupler and is split into two light beams, passing through the optical fiber coil, and the two lights passing through the optical fiber coil in opposite directions interfere with each other in the directional coupler. When the gyroscope is at rest, both light experiences the same phase change as it passes through the fiber optic coil, so it interferes constructively in the directional coupler, and the output of the photodetector is at its maximum. On the other hand, when the gyroscope is rotating, a phase difference proportional to the rotational angular velocity occurs between the two lights due to the Sagnac effect, and the output of the photodetector changes. Therefore, the rotational angular velocity can be detected by measuring the change in the output intensity of the photodetector. These fiber optic gyroscopes have significant advantages over other types of gyroscopes in terms of cost, stability, durability, and fast start-up time. However, the optical fiber gyroscope has temperature-sensitive bias characteristics, and when the length of the optical fiber is extended to increase the measurement sensitivity, there arises a problem that the nonlinearity increases.
전술한 바와 같이, 사냑 간섭계를 이용하여 자이로스코프를 구성하는 경우, 종래의 사냑 간섭계의 문제점들로 인하여 자이로스코프의 측정 성능이 제한되는 문제점이 발생된다. As described above, when the gyroscope is constructed using the sagnac interferometer, the problem of the conventional sagnac interferometer limits the measurement performance of the gyroscope.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 편광 빛살 가르게를 사용하여 서로 수직으로 편광된 2개의 빔이 자유 공간의 닫혀있는 동일한 경로를 따라 시계 및 반시계 방향으로 각각 진행하도록 구성되어 측정 성능을 향상시킨 개선된 구조의 Sagnac 간섭계를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a polarizing beam splitter which is constructed such that two beams vertically polarized from each other proceed in clockwise and counterclockwise directions along the same closed path of free space, And to provide a Sagnac interferometer with an improved structure.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 사냑 간섭계는, 선형 또는 원형 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 하나의 닫힌 경로에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;를 구비하며, According to an aspect of the present invention, there is provided a sagnac interferometer comprising: a light source for providing linear or circularly polarized light; A sensing unit that divides the light input from the light source into a vertically polarized first beam and a second beam, moves the first beam and the second beam along opposite directions in a closed path, and outputs the combined light again; And a demodulator for interfering with the first beam and the second beam output from the detector and measuring a phase change induced therebetween,
상기 감지부는, 상기 광원으로부터 45도로 선형 또는 원형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 둘 이상의 거울을 이용하여 하나의 닫힌 경로를 구성하며, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시켜 상기 닫힌 경로를 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키는 폐경로부;를 구비하며, 상기 폐경로부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공된다. The sensing unit may include a polarizing beam splitter that receives linearly or circularly polarized light at 45 degrees from the light source, divides the input light into vertically polarized first and second beams, and outputs the split light to different output ports. The first beam and the second beam output from the polarizing beam splitter are changed in direction so as to move along the closed path so that the first beam passes through the first beam and the second beam, Wherein the first beam and the second beam output from the menopausing passage are polarized perpendicularly to each other to polarize the beam, And outputted to the demodulation unit.
본 발명의 제2 특징에 따른 사냑 간섭계는, 선형 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 하나의 닫힌 경로에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 형성되어 감지부의 제1 빔과 제2 빔을 공진시키는 공진기; 및 상기 공진기로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 제1 빔과 제2 빔의 사이에 유도된 위상 차이를 측정하는 복조부;를 구비하며,A sagnac interferometer according to a second aspect of the present invention includes: a light source for providing linearly polarized light; A sensing unit that divides the light input from the light source into a vertically polarized first beam and a second beam, moves the first beam and the second beam along opposite directions in a closed path, and outputs the combined light again; A resonator formed at an input point and an output point of the sensing unit to resonate the first beam and the second beam of the sensing unit; And a demodulator for measuring a phase difference induced between the first beam and the second beam by interfering the first beam and the second beam outputted from the resonator,
상기 감지부는, 상기 광원으로부터 편광 빛살 가르게에 대하여 45도로 선형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 둘 이상의 거울을 이용하여 하나의 닫힌 경로를 구성하며, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시켜 상기 닫힌 경로를 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키는 폐경로부;를 구비하며, 상기 폐경로부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되며, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 공진기를 통해 공진되어 상기 복조부로 제공된다.The sensing unit receives light linearly polarized at 45 degrees with respect to the polarization beam splitter from the light source, divides the input light into vertically polarized first and second polarized beams, and outputs the first and second beams to different output ports Polarized light; The first beam and the second beam output from the polarizing beam splitter are changed in direction so as to move along the closed path so that the first beam passes through the first beam and the second beam, Wherein the first beam and the second beam output from the menopausal passage unit are combined in a polarizing beam splitter and input to the output port of the first beam through the same path And the first beam and the second beam output from the polarization beam splitter are resonated through a resonator and provided to the demodulator.
전술한 제2 특징에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 상기 공진기는, 상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 각각 배치된 제1 및 제2 거울; 상기 제1 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제1 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP); 및 상기 제2 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제2 사분파장판;를 구비하는 것이 바람직하다. In the Sagn optical interferometer according to the second aspect, the resonator may include: first and second mirrors respectively disposed at input and output points of the sensing unit; A first quarter wave plate (QWP) disposed between the first mirror and the sensing unit; And a second s-wave plate disposed between the second mirror and the sensing unit.
본 발명의 제3 특징에 따른 사냑 간섭계는, 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 하나의 닫힌 경로에서 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부; 상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게;를 구비하며, A sagnac interferometer according to a third aspect of the present invention includes: a light source for providing polarized light; A sensing unit that divides the light provided from the light source into a first beam and a second beam according to a polarization direction, moves the first beam and the second beam along different directions in a closed path, and outputs the combined light again; A demodulator for measuring a phase change induced between the first beam and the second beam output from the detector; And a beam splitter disposed between the light source and the sensing unit for transmitting a part of the beam provided from the light source and outputting it to the sensing unit and reflecting part of the beam provided from the sensing unit to the demodulating unit,
상기 감지부는, 빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 둘 이상의 거울을 이용하여 하나의 닫힌 경로를 구성하며, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시켜 상기 닫힌 경로를 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키는 폐경로부; 및 상기 폐경로부의 닫힌 경로상의 임의의 위치에 배치되어 상기 닫힌 경로를 투과하는 광을 반파장만큼 위상 지연시키는 반파장판(Half Wave Plate; HWP); 를 구비하며, 상기 폐경로부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공된다. The sensing unit may include a polarizing beam splitter that splits the light provided from the light source through a beam splitter into a first beam and a second beam that are vertically polarized to each other and outputs the beams to different output ports, respectively. The first beam and the second beam output from the polarizing beam splitter are changed in direction so as to move along the closed path so that the first beam passes through the first beam and the second beam, A menopausal path inputting the first beam to an output port and inputting a second beam to an output port of the first beam; And a half wave plate (HWP) disposed at an arbitrary position on the closed path of the menopausal passage and delaying the light passing through the closed path by a half wavelength. The first beam and the second beam output from the menopausal passage unit are combined and output by the polarization beam splitter, reflected or transmitted by the beam splitter, and then provided to the demodulator.
본 발명의 제4 특징에 따른 사냑 간섭계는, 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 하나의 닫힌 경로에서 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부; 상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게; 및 상기 빛살 가르게와 상기 감지부의 사이에 배치된 공진기;를 구비하며, According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a sagnac interferometer comprising: a light source for providing polarized light; A sensing unit that divides the light provided from the light source into a first beam and a second beam according to a polarization direction, moves the first beam and the second beam along different directions in a closed path, and outputs the combined light again; A demodulator for measuring a phase change induced between the first beam and the second beam output from the detector; A light source disposed between the light source and the sensing unit for transmitting a part of the beam provided from the light source and outputting the light to the sensing unit and reflecting a part of the beam provided from the sensing unit to the demodulating unit; And a resonator disposed between the glow plug and the sensing unit,
상기 감지부는, 빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 둘 이상의 거울을 이용하여 하나의 닫힌 경로를 구성하며, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시켜 상기 닫힌 경로를 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키는 폐경로부; 및 상기 폐경로부의 닫힌 경로상의 임의의 위치에 배치되어 상기 닫힌 경로를 투과하는 광을 반파장만큼 위상 지연시키는 반파장판(Half Wave Plate; HWP); 를 구비하며, 상기 폐경로부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공된다. The sensing unit may include a polarizing beam splitter that splits the light provided from the light source through a beam splitter into a first beam and a second beam that are vertically polarized to each other and outputs the beams to different output ports, respectively. The first beam and the second beam output from the polarizing beam splitter are changed in direction so as to move along the closed path so that the first beam passes through the first beam and the second beam, A menopausal path inputting the first beam to an output port and inputting a second beam to an output port of the first beam; And a half wave plate (HWP) disposed at an arbitrary position on the closed path of the menopausal passage and delaying the light passing through the closed path by a half wavelength. The first beam and the second beam output from the menopausal passage unit are combined and output by the polarization beam splitter, reflected or transmitted by the beam splitter, and then provided to the demodulator.
전술한 제1 특징 내지 제4 특징에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부로부터 제1 빔과 제2 빔의 위상 변화에 따른 위상차(△φ)를 제공받고, 상기 위상차를 이용하여 회전 각속도(Ω)를 측정하여 제공하는 제어부를 더 구비하는 것이 바람직하다. In sanyak interferometer according to the first feature to the fourth feature receives from the demodulator providing a first phase difference (△ φ) of the phase change of the first beam and a second beam, by using the phase difference angular velocity (Ω) And a control unit for measuring and providing the measured values.
전술한 제1 특징 내지 제4 특징에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 상기 복조부는, 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치; 상기 위상 지연 장치로부터 출력된 빔을 제3빔과 제4빔으로 나누어 각각 출력하는 빛살 가르게; 상기 빛살 가르게를 투과한 제3빔으로부터 I 출력신호를 검출하여 출력하는 I 신호 출력부; 상기 빛살 가르게에서 반사된 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하는 Q 신호 출력부; 를 구비하는 것이 바람직하다. In the Sagn optical interferometer according to the first to fourth aspects, the demodulating unit may include: a phase delay device for applying a bias phase between the first beam and the second beam, which are vertically polarized states provided from the sensing unit; A beam splitter for dividing the beam output from the phase delay device into a third beam and a fourth beam and outputting the beams; An I signal output unit for detecting and outputting an I output signal from a third beam transmitted through the beam splitter; A Q signal output unit for detecting and outputting a Q output signal from a fourth beam reflected by the beam gage; .
전술한 제1 특징 내지 제4 특징에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 상기 복조부는, 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치; 상기 위상 지연 장치에 의해 위상 지연된 제1빔과 제2빔을 45도로 정렬시켜 제1빔과 제2빔의 간섭 신호를 출력하는 편광자(Polarizer); 및 상기 편광자로부터 출력된 빔을 검출한 검출 신호를 출력하는 광검출소자;를 구비하는 것이 바람직하다. In the Sagn optical interferometer according to the first to fourth aspects, the demodulating unit may include: a phase delay device for applying a bias phase between the first beam and the second beam, which are vertically polarized states provided from the sensing unit; A polarizer for aligning the first beam and the second beam phase-delayed by the phase delay device at 45 degrees to output an interference signal between the first beam and the second beam; And a photodetector for outputting a detection signal that detects a beam output from the polarizer.
전술한 제1 특징 내지 제4 특징에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 상기 복조부는, 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치; 상기 위상 지연 장치로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고 편광 상태에 따라 나누어 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게로부터 반사된 제3 빔을 검출하여 제1 검출신호를 출력하는 제1 광검출소자; 상기 편광 빛살 가르게를 투과한 제4 빔을 검출하여 제2 검출신호를 출력하는 제2 광검출소자; 상기 제1 및 제2 검출신호의 차를 검출하여 출력하는 차동 증폭기;를 구비하는 것이 바람직하다. In the Sagn optical interferometer according to the first to fourth aspects, the demodulating unit may include: a phase delay device for applying a bias phase between the first beam and the second beam, which are vertically polarized states provided from the sensing unit; A polarization beam splitter for interfering the first beam and the second beam output from the phase delay device and outputting the divided beams according to a polarization state; A first photodetector for detecting a third beam reflected from the polarization beam splitter and outputting a first detection signal; A second light detecting element for detecting a fourth beam transmitted through the polarizing beam splitter and outputting a second detection signal; And a differential amplifier for detecting and outputting a difference between the first and second detection signals.
전술한 제2 특징과 제4 특징에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 압전소자piezoelectric transducer) 등 변위 장치에 고정된 공진기 거울;을 구비하여 능동적으로 공진조건을 조절해 주는 것이 바람직하다. In the sagnac interferometer according to the second and fourth aspects, the resonator mirror fixed to the displacement device such as the piezoelectric transducer may be provided to actively adjust the resonance condition.
본 발명에 따른 사냑 간섭계는 편광 빛살 가르게를 이용하여 구성함으로써, 종래의 사냑 간섭계와는 달리 각속도가 작은 회전까지도 정밀하게 측정할 수 있다. The Sagn optical interferometer according to the present invention can be precisely measured even when the angular velocity is small, unlike the conventional Sagnac interferometer, by using the polarizing beam splitter.
또한, 본 발명의 제2 실시예와 제 4실시예에 따른 사냑 간섭계는 공진 구조를 구성함으로써, CW 광과 CCW광이 공진기내에서 다수 회를 진행된 후 출력된다. 그 결과, 회전을 보다 정밀하게 측정할 수 있으며 항상 높은 감도를 유지할 수 있게 된다. In the Sagn optical interferometer according to the second and fourth embodiments of the present invention, the CW light and the CCW light propagate through the resonator a plurality of times and then output. As a result, the rotation can be measured more precisely and the high sensitivity can always be maintained.
도 1은 종래의 사냑 간섭계를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 따른 위상차를 이용하여, 회전 각속도를 검출하기 위하여 사용되는 사냑 효과(Sagnac Effect)를 설명하기 위하여 도시한 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 일실시 형태를 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 다른 실시 형태를 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 또 다른 실시 형태를 도시한 구성도이다. 1 is a block diagram illustrating a conventional Sagnac interferometer.
FIG. 2 is a block diagram of a Sagn optical interferometer according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 3 is a block diagram of a Sagn optical interferometer according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 4 is a block diagram of a Sagn optical interferometer according to a third embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 5 is a block diagram of a Sagn optical interferometer according to a fourth embodiment of the present invention. Referring to FIG.
6 is a schematic diagram illustrating a Sagnac effect used for detecting a rotational angular velocity using a phase difference according to the Sagn optical interferometer according to the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of an embodiment of a demodulator according to the present invention. FIG.
8 is a configuration diagram showing another embodiment of the demodulator in the Sagn-interferometer according to the present invention.
9 is a configuration diagram showing still another embodiment of the demodulating unit in the Sagn-interferometer according to the present invention.
본 발명에 따른 사냑 간섭계(Sagnac Interferometer)는 편광 빛살 가르게 및공진기를 이용하여 구성된 것을 특징으로 한다. The Sagnac interferometer according to the present invention is characterized by using a polarizing beam splitter and a resonator.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 새로운 구조의 사냑 간섭계의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a structure and operation of a Sagn optical interferometer having a novel structure according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
< 제1 실시예 >≪ Embodiment 1 >
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다. 2 is a block diagram of an improved Sagnac interferometer according to a first embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자유 공간 자이로스코프(1)는, 광원(10), 감지부(20) 및 복조부(30)를 구비하며, 제어부(40)를 더 구비할 수 있다. 2, the free space gyroscope 1 according to the first embodiment of the present invention includes a
상기 광원(10)은 45도로 선형 또는 원형 편광된 광을 상기 감지부(20)의 편광 빛살 가르게(200)로 제공한다. 상기 광원은 단일의 레이저 빔 발생장치를 사용하여 45도로 선형 또는 원형 편광된 레이저 빔을 출력하도록 구성하거나, 레이저 빔 발생장치와 편광 회전 장치를 결합하여 구성함으로써 45도로 선형 또는 원형 편광된 레이저 빔을 출력할 수도 있을 것이다. The
상기 감지부(20)는 편광 빛살 가르게(200) 및 다수 개의 광경로 변경 소자(211, 212, 213)들로 구성된 폐경로부(210)를 구비하여 하나의 닫힌 경로를 구성하게 된다. 전술한 구조를 갖는 상기 감지부는, 상기 광원으로부터 제공된 광을 이용하여 사냑 간섭계의 회전이나 이동을 감지하고, 회전이나 이동에 의한 회전 각속도에 따른 위상차를 갖는 제1 빔과 제2 빔을 복조부(30)로 출력한다. The
상기 폐경로부(210)는 둘 이상의 광경로 변경 소자들로 구성되며, 상기 편광 빛살 가르게(200)와 함께 하나의 닫힌 경로를 구성한다. 상기 광경로 변경 소자들은 반사경 또는 프리즘과 같이 입사된 빔을 반사 또는 전반사시키는 소자들을 사용할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시형태로는 3개의 반사경(211, 212, 213)을 순차적으로 배치하여 구성할 수 있다.The
상기 편광 빛살 가르게의 제1 출력 포트 및 제2 출력 포트로부터 각각 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔은 폐경로부로 각각 입력되며, 폐경로부로 입력된 제1 빔과 제2 빔은 상기 닫힌 경로를 따라 각각 CCW 방향과 CW 방향으로 이동되어, 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 다시 입력되고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 다시 입력된다. 상기 폐경로부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게로 다시 입력되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐진 후 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공된다. Wherein the first beam and the second beam respectively output from the first output port and the second output port of the polarizing beam splitter are respectively inputted to the menopausal path section and the first beam and the second beam inputted to the menopausal path are transmitted to the closed Are moved along the path in the CCW direction and the CW direction, respectively, so that the first beam is input again to the output port of the second beam and the second beam is input again to the output port of the first beam. The first beam and the second beam output from the menopausal passage are polarized perpendicularly to each other, input to the polarization beam splitter, combined in the polarizing beam splitter, and output to the demodulator.
특히, 상기 감지부(20)는 광원으로부터 입사된 광을 편광 빛살 가르게(200)에서 편광 방향에 따라 S 편광은 반사되고 P 편광은 투과됨으로써 2개의 빔으로 나누고, 이렇게 나뉘어진 2개의 빔이 하나의 닫힌 경로를 따라 서로 반대 방향으로 진행된 후 편광 빛살 가르게에서 다시 합쳐져 복조부로 출력된다. 상기 복조부는 이렇게 출력된 빔을 복조함으로써, CW 방향과 CCW 방향으로 각각 진행한 제2빔과 제1빔의 위상차를 측정할 수 있게 된다. In particular, the
상기 편광 빛살 가르게(200)는 상기 광원으로부터 제공된 빔을 편광 방향에 따라 S 편광은 반사시키고 P 편광은 투과시키는 광학 소자로서, 편광 방향에 따라 반사시키거나 투과시킴으로써 편광 방향이 서로 다른 제1빔과 제2빔으로 분리하여 폐경로부(210)로 출력한다. 폐경로부로 출력된 제1빔과 제2빔은 각각 서로 반대 방향으로 회전하여 다시 제1 편광 빛살 가르게로 재입사되며, 재입사된 제1빔과 제2빔은 합쳐져서 복조부로 출력된다. The
상기 폐경로부(210)는 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 빔들이 상기 닫힌 경로를 따라 서로 반대 방향으로 이동한 후 다시 편광 빛살 가르게로 입사되도록 다수 개의 광경로 변경 소자들이 순차적으로 배치된 것으로서, 닫힌 경로가 자유 공간(Free space)에서 형성되도록 함으로써, 빔들이 자유 공간에서 진행할 수 있게 된다. 상기 폐경로부에 의하여, 상기 편광 빛살 가르게에서 반사되어 출력된 제1빔은 시계 반대 방향으로 진행하여 편광 빛살 가르게로 재입사되며, 편광 빛살 가르게를 투과한 제2빔은 시계 방향으로 진행하여 편광 빛살 가르게로 재입사된다. 따라서, 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔이 폐경로부의 닫힌 경로를 따라 서로 반대 방향으로 이동한 후 편광 빛살 가르게로 재입사하여 복조부로 출력된다. The
상기 제1빔과 제2빔이 폐경로부의 자유 공간(Free Space)을 이동하는 동안, 사냑 간섭계가 회전하게 되면, 제1빔과 제2빔은 사냑 간섭계의 회전 각속도에 따라 위상차를 갖게 된다. When the Sagn optical interferometer is rotated while the first beam and the second beam move in the free space of the menopausal passage, the first beam and the second beam have a phase difference according to the rotational angular velocity of the Sagnac interferometer.
상기 복조부(30)는 감지부(20)로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고, 이들 사이에 유도된 위상차를 측정하여 제공한다. The
상기 제어부(40)는 상기 복조부로부터 제공된 제1빔과 제2빔의 간섭신호로부터 제1빔과 제2빔 사이의 위상 차이를 산출하고 이를 이용하여 사냑 간섭계의 회전 각속도를 계산하여 출력한다. 본 발명에 따른 사냑 간섭계는 상기 제어부(40)를 내부에 포함할 수도 있으며, 제어부(40) 없이 구성될 수도 있다. 사냑 간섭계를 제어부 없이 구성하는 경우, 사냑 간섭계는 외부의 제어 장치 또는 컴퓨터 등으로 사냑 간섭계에 의해 측정된 제1 빔과 제2 빔의 간섭신호를 외부의 제어 장치 또는 컴퓨터로 제공할 수 있다. 상기 제어 장치 또는 컴퓨터는 제1 빔과 제2 빔의 간섭신호를 이용하여 제1 빔과 제1 빔의 위상차와 사냑 간섭계의 회전 각속도를 계산할 수 있게 된다. The
도 6은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 제1 빔과 제2 빔의 위상차를 이용하여 회전 각속도를 검출하기 위하여 사용되는 사냑 효과(Sagnac Effect)를 설명하기 위하여 도시한 모식도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 사냑 간섭계가 회전을 하면, 폐경로부에 의해 서로 반대 방향으로 진행하는 제1빔과 제2빔은 회전 각속도에 따라 서로 광경로차(△L)가 발생하게 된다. 따라서, 사냑 간섭계에 의해 측정된 제1빔과 제2빔의 위상차를 이용하여 광경로차를 구하고, 상기 광경로차를 기반으로 하여 회전 각속도를 측정할 수 있게 된다. 6 is a schematic diagram illustrating a Sagnac effect used to detect a rotational angular velocity using a phase difference between a first beam and a second beam in the Sagnac interferometer according to the present invention. As shown in FIG. 6, when the sagnac interferometer is rotated, the first and second beams traveling in opposite directions to each other due to the menopausal passage portion generate optical path differences ? L according to the rotational angular velocities . Therefore, the optical path difference can be obtained by using the phase difference between the first beam and the second beam measured by the Sagnac interferometer, and the rotational angular velocity can be measured based on the optical path difference.
< 제2 실시예 > ≪ Embodiment 2 >
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다. 3 is a block diagram of an improved Sagnac interferometer according to a second embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자이로스코프(2)는, 광원(12), 감지부(22), 복조부(32) 및 공진기(52)를 구비하며, 제어부(42)를 더 구비할 수 있다. 제2 실시예의 감지부(22)의 구조는 제1 실시예의 그것들의 구조와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다. 3, the gyroscope 2 according to the second embodiment of the present invention includes a
상기 광원(12)은 45도로 선형 편광된 레이저 광원을 사용할 수 있다. The
상기 감지부(22)는 공진기(52)의 내부에 배치되며, 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직으로 편광된 제1빔과 제2빔으로 나누고, 상기 제1빔과 제2빔을 하나의 닫힌 경로에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 복조부로 출력한다. The
상기 공진기(52)는 상기 감지부(22)의 입력지점 및 출력지점에 각각 배치된 제1 거울(520) 및 제2 거울(522)로 구성되며, 상기 제1 및 제2 거울에는 제1 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP ; 521) 및 제2 사분파장판(523)이 각각 배치된다. 제1 및 제2 사분파장판은 입력된 빔을 λ/4 만큼 위상 지연시켜 출력하는 위상지연판이다. The
상기 제1 및 제2 거울(520, 522)는 반사계수(R)가 큰 거울들로 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 및 제2 거울을 반사계수가 98%인 거울들로 구성하는 경우 편광 빛살 가르게에서의 손실이 없다고 가정하면 공진기의 Finesse 가 157이며, 공진기내의 CW 빔 및 CCW 빔은 약 100회 정도 반복하여 돌아 갈 수 있기 때문에 유도되는 위상 값은 약 100배 만큼 증가한다. 편광 빛살 가르게에서의 손실을 고려하더라도 CW 빔 및 CCW 빔이 수십 회 이상 반복하여 돌아 갈 수 있기 때문에 그만큼 간섭계의 성능을 향상시킬 수 있다. It is preferable that the first and
상기 감지부(22)는 제1 실시예의 감지부와 동일한 구조로 이루어지되, 광원과 편광 빛살 가르게(200)의 입사면의 사이에 공진기의 제1 거울(520) 및 제1 사분 파장판(521)이 배치되며, 편광 빛살 가르게의 출사면과 복조부의 사이에 공진기의 제2 거울(522) 및 제2 사분파장판(523)이 배치된다. The
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 상기 감지부(22) 및 공진기(52)에서의 제1빔과 제2빔의 진행 경로를 구체적으로 설명한다. In the Sagn optical interferometer according to the second embodiment of the present invention, the paths of the first beam and the second beam in the
먼저, 광원으로부터 제공된 선형 편광된 빛의 일부가 거울을 거쳐 제1 QWP(521)에 입사되는데, 이때 입사된 빛의 편광 방향이 제1 QWP의 주축과 평행하기 때문에 제1 QWP를 거치면서 편광상태는 입사된 빛과 같은 상태로 유지된다. 제1 QWP의 주축, 즉 입사된 빛의 편광 방향이 편광 빛살 가르게의 주축과 45도의 각을 이루기 때문에 입사된 빔의 P 편광 성분은 편광 빛살 가르게(200)를 투과하여 제1 빔을 이루고 S 성분은 반사되어 제2 빔을 이룬다. 편광 빛살 가르게를 투과한 제1 빔은 폐경로부에 의해 형성된 경로를 CCW 방향으로 진행하며, 편광 빛살 가르게에서 반사된 제2 빔은 폐경로부에 의해 형성된 경로를 CW 방향으로 진행하게 된다. 폐경로부를 따라 CCW 방향으로 진행한 제1빔은 P 편광으로서 편광 빛살 가르게로 재입사되어 다시 투과되어 제2 QWP, 제2 거울, 제2 QWP를 투과한 후 편광 빛살 가르게로 다시 입사하게 된다. 이때, 제1 빔은 제2 QWP를 두번 투과하게 되어 편광 방향이 90도 회전하며, 그 결과 다시 입사한 편광 빛살 가르게에서 반사되어 폐경로부를 CCW 방향으로 다시 진행하게 된다. 이러한 과정이 반복됨으로써, 제1 빔은 CCW 방향으로 반복해서 돌아가게 된다. 따라서 공진기가 정상파 조건을 만족하면 제1 거울을 통해 입사되는 빛이 증강간섭을 일으켜 공진기 내부에서 빛의 세기는 점점 커지고 이들 중 일부가 제2 거울(522)를 통해 출력된다. 이 때 제1 빔이 닫힌 경로를 따라 돌아가는 횟수는 거울의 반사율에 의해 주어진다. 한편, 제2 빔은, 제1 빔과 마찬가지로 CW 방향으로 같은 횟수만큼 돌아가며 제 2 거울(522)를 통해 출력된다. First, a part of the linearly polarized light provided from the light source is incident on the
예를 들어, 상기 공진기를 구성하는 제1 및 제2 거울의 반사 계수(R)가 98% 인 경우 공진기의 finesse가 157이 되며 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게 등 다른 소자에서의 손실을 고려하지 않을 경우 약 100회 돌아간 후에 출력된다. For example, if the reflection coefficient (R) of the first and second mirrors constituting the resonator is 98%, the finesse of the resonator becomes 157, and the first beam and the second beam are reflected by other elements If the loss is not taken into account, it is output after about 100 times of operation.
상기 공진기로부터 발진되어 출력된 제1 빔과 제2 빔은 복조부(32)로 제공된다. 상기 복조부(32)는 상기 공진기(52)로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 복조하여, 제1 빔과 제2 빔 사이의 위상차를 검출하여 출력한다. The first beam and the second beam oscillated from the resonator are provided to the
제2 실시예에 따른 사냑 간섭계는 공진기에 의해 빔이 다수 회 돌아가게 함으로써, 빔이 감지부의 폐경로부를 따라 1회 돌아가는 제1 실시예에 따른 사냑 간섭계에 비하여 돌아간 횟수만큼 감도를 향상시킬 수 있다. The Sagnac interferometer according to the second embodiment can improve the sensitivity by the number of times it is returned compared to the Sagnac interferometer according to the first embodiment in which the beam is turned once around the menopausal path portion of the sensing portion by causing the beam to be turned many times by the resonator .
< 제3 실시예 >≪ Third Embodiment >
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다. 4 is a block diagram of an improved Sagnac interferometer according to a third embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 사냑 간섭계(3)는, 광원(10), 빛살 가르게(250), 감지부(23) 및 복조부(30)를 구비하며, 제어부(40)를 더 구비할 수 있다. 4, the Sagn interferometer 3 according to the third embodiment of the present invention includes a
상기 광원(10)은 45도로 선형 또는 원형 편광된 광을 빛살 가르게(250)를 통해 감지부(23)로 제공한다. 상기 광원은 단일의 레이저 빔 발생장치를 사용하여 45도로 선형 또는 원형 편광된 레이저 빔을 출력하도록 구성하거나, 레이저 빔 발생장치와 편광 회전 장치를 결합하여 구성함으로써 45도로 선형 또는 원형 편광된 레이저 빔을 출력할 수도 있을 것이다. The
상기 빛살 가르게(250)는 상기 광원(10)과 감지부(23)의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력한다.The
상기 감지부(23)는 편광 빛살 가르게(200), 다수 개의 광경로 변경 소자(211, 212, 213)들로 구성된 폐경로부(210) 및 반파장판(240)을 구비하여, 상기 광원으로부터 제공된 광을 이용하여 사냑 간섭계의 회전이나 이동을 감지하고, 회전이나 이동에 의한 회전 각속도에 따른 위상차를 갖는 제1 빔과 제2 빔을 빛살 가르게(250)를 통해 복조부(30)로 출력한다. The
상기 편광 빛살 가르게(200)는 빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력한다.The
상기 폐경로부(210)는 둘 이상의 거울을 이용하여 하나의 닫힌 경로를 구성하며, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시켜 상기 닫힌 경로를 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키게 된다. The
상기 반파장판(240)은 상기 폐경로부의 닫힌 경로상에서 편광 빛살 가르게 (200)과 붙어서, 혹은 바로 뒤에 배치되어 상기 닫힌 경로를 투과하는 빔의 편광방향을 90도 회전시킨다. 따라서 닫힌 경로를 따라 CW 방향과 CCW 방향으로 진행하는 빛의 편광상태가 동일하기 때문에 공기의 비등방적인 흐름 등에 인가될 수 있는 복굴절 잡음에 영향을 받지 않는다. The
상기 폐경로부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로를 따라 빛살 가르게(200)로부터 출력되어 상기 복조부로 제공된다. The first beam and the second beam outputted from the menopausal passage are polarized perpendicularly to each other and are combined in the polarizing beam splitter and output from the
이하, 본 발명의 제3 실시예에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 상기 감지부(23)에서의 제1빔과 제2빔의 진행 경로를 구체적으로 설명한다. In the Sagn optical interferometer according to the third embodiment of the present invention, the path of the first beam and the second beam in the
먼저, 광원으로부터 입사된 광을 빛살 가르게(250)를 통해 편광 빛살 가르게(200)로 입사되며, 편광 빛살 가르게에서 편광 방향에 따라 S 편광빔은 반사되고 P 편광빔은 투과됨으로써 2개의 빔으로 나누고, 이렇게 나뉘어진 2개의 빔이 하나의 닫힌 경로를 따라 서로 반대 방향으로 진행된 후 편광 빛살 가르게에서 다시 합쳐져 출력된다. First, the light incident from the light source is incident on the
한편, 편광 빛살 가르게(200)와 붙어서 반파장판(240)을 배치함으로써, 상기 폐경로부의 닫힌 경로를 투과하는 빔은 반파장판에 의해 90도만큼 편광이 회전한다. 그 결과, 편광 빛살 가르게를 투과한 P 편광인 제1빔은 폐경로부의 닫힌 경로를 시계 반대 방향을 따라 이동하여 편광 빛살 가르게로 재입사하게 되며, 이때 반파장판(240)에 의해 편광 방향이 90도 회전함에 따라 재입사된 편광 빛살 가르게(200)에서 반사되어 빛살 가르게로 진행하게 된다. 한편, 편광 빛살 가르게에서 반사된 S 편광인 제2빔은 반파장판에 의해 편광방향이 90도 회전하여 폐경로부의 닫힌 경로를 시계 방향으로 이동하여 재입사된 편광 빛살 가르게를 투과하여 빛살 가르게로 진행하게 된다. 따라서 시계방향과 반시계 방향으로 진행하는 빛이 닫힌 경로에서 동일한 편광상태를 가짐으로써 완전히 가역적인 사냑 간섭계를 구성할 수 있으며, 이렇게 진행하여 재입사된 편광 빛살 가르게를 투과하거나 반사된 제1빔과 제2빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 빛살 가르게로 진행된 후 빛살 가르게에서 일부가 복조부(30)로 출력된다. On the other hand, by arranging the
상기 복조부는 이렇게 빛살 가르게로부터 입력된 빔을 복조함으로써, CW 방향과 CCW 방향으로 각각 진행한 제2빔과 제1빔의 위상차를 측정할 수 있게 된다. The demodulator demodulates the beam input from the beam splitter so that it can measure the phase difference between the second beam and the first beam, respectively, which proceed in the CW and CCW directions.
상기 제1빔과 제2빔이 폐경로부의 자유 공간(Free Space)을 이동하는 동안, 사냑 간섭계가 회전하게 되면, 제1빔과 제2빔은 사냑 간섭계의 회전 각속도에 따라 위상차를 갖게 된다. When the Sagn optical interferometer is rotated while the first beam and the second beam move in the free space of the menopausal passage, the first beam and the second beam have a phase difference according to the rotational angular velocity of the Sagnac interferometer.
상기 복조부(30)는 감지부(20)로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고, 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하여 제공한다. The
상기 제어부(40)는 상기 복조부로부터 제공된 제1빔과 제2빔의 위상차를 이용하여, 사냑 간섭계의 회전 각속도를 계산하여 출력한다. The
< 제4 실시예 ><Fourth Embodiment>
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다. FIG. 5 is a block diagram of an improved Sagnac interferometer according to a fourth embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 사냑 간섭계(4)는, 광원(10), 빛살 가르게(250), 감지부(23), 복조부(30) 및 공진기(54)를 구비하며, 제어부(40)를 더 구비할 수 있다. 본 실시예에 따른 사냑 간섭계(4)는 전술한 제3 실시예에 따른 사냑 간섭계의 빛살 가르게(250)와 감지부의 편광 빛살 가르게(200)의 사이에 공진기(54)가 더 배치된 것을 특징으로 한다.5, the Sagn optical interferometer 4 according to the fourth embodiment of the present invention includes a
상기 공진기(54)는 빛살 가르게(250)와 감지부의 편광 빛살 가르게(200)의 사이에 배치되며, 거울(530) 및 사분파장판(QWP; 531)으로 이루어진다. 사분파장판은 입력된 빛의 주 편광성분들(principal polarization components) 사이의 위상 차이를 λ/4 만큼 지연시켜 출력하는 위상지연판이다. 상기 거울(530)은 반사계수(R)가 큰 거울들로 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 반사계수가 98%인 거울로 구성하는 경우 편광 빛살 가르게에서의 손실이 없다고 가정하면 공진기의 Finesse 가 157이며, 공진기내의 CW 빔 및 CCW 빔은 약 100회 정도 반복하여 돌아 갈 수 있기 때문에 유도되는 위상 값은 약 100배 만큼 증가한다. 편광 빛살 가르게에서의 손실을 고려하더라도 CW 빔 및 CCW 빔이 수십 회 이상 반복하여 돌아 갈 수 있기 때문에 그만큼 간섭계의 성능을 향상시킬 수 있다. The
상기 공진기(54)의 구동 방식은 제2 실시예에 따른 공진기와 동일하다. The driving method of the
상기 감지부(23)의 구성 및 동작은 제3 실시예에 따른 감지부(23)의 구성 및 동작과 동일하다. The configuration and operation of the
전술한 구성을 갖는 본 실시예에 따른 사냑 간섭계(4)는 감지부와 공진기에 의하여 제1 빔과 제2 빔이 공진 조건을 만족할 때까지 폐경로부의 자유 공간을 회전한 후 복조부로 출력하게 되며, 복조부 및 제어부에 의해 제1 빔과 제2 빔의 간섭 신호에 유도된 위상차 및 회전 각속도를 구하게 된다. The Sagn interferometer 4 according to this embodiment having the above-described configuration rotates the free space of the menopausal passage until the first beam and the second beam satisfy the resonance condition by the sensing part and the resonator, and then outputs the rotated free space to the demodulating part The phase difference and the rotational angular velocity induced in the interference signal between the first beam and the second beam are obtained by the demodulator and the control unit.
이하, 전술한 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 다양한 실시 형태들에 대하여 설명한다. Hereinafter, various embodiments of the demodulating unit in the Sagn interferometer according to the present invention will be described.
도 7은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 일 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 7을 참조하면, 복조부(30)는 위상 지연 장치(372), 편광자(375) 및 광 검출소자(PD)를 구비한다. FIG. 7 is a configuration diagram of an embodiment of a demodulator according to the present invention. FIG. Referring to Fig. 7, the
상기 위상 지연 장치(372)는 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것이다. 제1 빔과 제2 빔의 최적의 복조를 위하여, 제1 빔과 제2 빔 사이의 위상 바이어스를 90도의 홀수 배로 만들기 위하여 위상 지연 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 제1빔과 제2빔의 편광 상태에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일예로 주 편광성분 사이에 사분파장을 위상지연시키는 사분파장판(QWP)을 사용할 수 있으며, 만약 제1 빔과 제2 빔의 위상이 편광 빛살 가르게에서의 반사 등에 의해 바뀌는 경우, QWP 가 아닌 다른 위상 지연 장치를 사용하여 제1 빔과 제2 빔의 위상차를 90도의 홀수 배로 만드는 것이 바람직하다. The
상기 편광자(Polarizer; 375)는 상기 위상지연 장치에 의해 위상 지연된 제1빔과 제2빔에 45도로 정렬시켜 제1 빔과 제2 빔 사이의 간섭신호를 출력한다. The
상기 광 검출소자(PD)는 상기 편광자로부터 출력된 빔을 검출한 검출 신호를 출력하며, 제1 빔과 제2 빔 사이의 바이어스 위상이 90도인 경우 다음과 같은 수학식 1로 주어진다.The photodetector PD outputs a detection signal that detects a beam output from the polarizer. When the bias phase between the first beam and the second beam is 90 degrees, the following expression (1) is obtained.
여기서 R은 광검출기의 감응도(responsivity), I 0 는 제1 빔과 제2 빔의 총 세기, 그리고 △φ는 간섭계의 회전 등에 의해 제1 빔과 제2 빔에 유도된 위상차이이며 일상적인 경우 매우 작은 값을 갖는다. Where R is the responsivity of the photodetector, I 0 is the total intensity of the first beam and the second beam, and [Delta] [phi] is the phase difference induced in the first beam and the second beam due to rotation of the interferometer and the like.
도 8은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 다른 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 8을 참조하면, 복조부(31)는 위상 지연 장치(398), 편광 빛살 가르게(392), 제1 및 제2 광 검출소자(PD1, PD2) 및 차동 증폭기(395)를 구비한다. 8 is a configuration diagram showing another embodiment of the demodulator in the Sagn-interferometer according to the present invention. 8, the
상기 위상 지연 장치(398)는 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 90도 혹은 90도의 홀수 배에 해당하는 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것으로서, 편광빛살 가르게, 거울에서의 반사 등에 의해 주어진 제1빔과 제2빔의 위상 값에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일 예로 주 편광 성분 사이에 사분파장을 위상지연시키는 사분파장판(QWP)을 사용할 수도 있다. The
상기 편광 빛살 가르게(392)는 상기 위상 지연 장치로부터 출력된 제1빔과 제2빔의 편광방향에 대하여 45도로 정렬시키며, 따라서 제1 빔과 제2 빔의 s성분이 합쳐져서 간섭이 일어나며 편광 빛살 가르게에서 반사하고, 제1 빔과 제2 빔의 p 성분은 합쳐져서 간섭이 일어나며 편광 빛살 가르게를 투과한다. The
상기 제1 광 검출소자(PD1)는 상기 편광 빛살 가르게로부터 반사된 제3 빔을 검출하여 제1 검출신호를 출력하며, 상기 제2 광 검출소자(PD2)는 상기 편광 빛살 가르게를 투과한 제4 빔을 검출하여 제2 검출신호를 출력한다. 제1 빔과 제2 빔 사이의 위상 바이어스가 90도인 경우 PD1과 PD2로부터 출력된 광신호는 각각 다음과 같은 수학식 2 및 수학식 3으로 주어진다.The first photodetector element PD1 detects a third beam reflected from the polarizing beam splitter and outputs a first detection signal, and the second photodetector element PD2 detects a third beam that is transmitted through the polarizing beam splitter And detects the fourth beam and outputs the second detection signal. When the phase bias between the first beam and the second beam is 90 degrees, the optical signals output from PD1 and PD2 are given by the following equations (2) and (3), respectively.
상기 차동 증폭기(395)는 상기 제1 및 제2 검출신호의 차를 출력하며 출력신호는 다음과 같은 수학식 4로 주어진다.The
따라서, 전술한 구조의 복조부는 제3 빔과 제4빔으로부터 검출된 간섭신호를 차동 증폭기로 빼어 줌으로써 각각의 광신호에 실려있는 서로 상관된 잡음은 제거되고 광신호는 두 배로 커지게 되어 신호 대 잡음비를 높일 수 있게 된다. 이와 같은 측정 방법을 Balanced Detection 방법이라고 한다. Therefore, by demultiplexing the interference signals detected from the third beam and the fourth beam by the differential amplifier, the demodulating unit of the above-described structure eliminates mutually correlated noise carried on each optical signal and doubles the optical signal, The noise ratio can be increased. Such a measurement method is called a balanced detection method.
도 9는 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 또 다른 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 9를 참조하면, 상기 복조부(32)는, 위상 지연 장치(300), 빛살 가르게(310), I 신호 출력부(320) 및 Q 신호 출력부(330)를 구비하며, I 신호 출력부 및 Q 신호 출력부로부터 각각 서로 위상차가 90°인 I 출력 신호(In-phase Signal ; V I) 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V Q) 를 생성하여 출력한다. I 출력 신호 (In-phase Signal ; V I)는 cos △φ 에 비례하고, Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V Q)는 sin △φ에 비례한다.9 is a configuration diagram showing still another embodiment of the demodulating unit in the Sagn-interferometer according to the present invention. 9, the
상기 복조부(32)는 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 복조하여, 제1 빔과 제2 빔에 대한 I 출력 신호 (In-phase Signal ; V I) 신호 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V Q) 를 검출하여 출력한다. 상기 I 출력 신호 및 Q 출력 신호로부터 회전 각속도에 따른 위상차를 검출할 수 있게 된다. The
상기 위상 지연 장치(300)는 상기 감지부로부터 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것으로서, 제1빔과 제2빔의 편광 상태에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일 예로 상기 제1빔과 제2빔을 45도 편광 회전시켜 빛살 가르게(310)로 출력하는 반파장판을 사용할 수 있다. The
상기 빛살 가르게(310)는 상기 위상 지연 장치로부터 45도 편광 회전된 제1빔과 제2빔을 제공받고, 상기 제1빔과 제2빔을 50:50으로 제3빔 및 제4빔으로 나누어 각각 투과 및 반사시켜 출력한다. 빛살 가르게를 투과한 제3빔은 I 신호 출력부로 제공되고, 빛살 가르게에서 반사된 제4빔은 Q 신호 출력부로 제공된다.The
상기 I 신호 출력부(320)는 상기 빛살 가르게를 투과한 제3빔으로부터 I 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 I 신호 출력부(320)는 빛살 가르게를 투과한 제3빔의 진행 경로상에 배치된 제2 편광 빛살 가르게(322), 제2 편광 빛살 가르게로부터 반사되어 출력된 빔을 검출하는 제1 검출소자(323), 제2 편광 빛살 가르게를 투과하여 출력된 빔을 검출하는 제2 검출소자(324), 및 상기 제1 검출소자 및 제2 검출소자로부터 출력된 빔들의 차이를 검출하여 증폭시켜 출력하는 제1 차동증폭기(325)를 구비한다. 제1 및 제2 검출소자는 포토 다이오드로 구성될 수 있다. The I signal
상기 Q 신호 출력부(330)는 상기 빛살 가르게를 투과한 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 Q 신호 출력부(330)는 상기 빛살 가르게에서 반사된 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 Q 신호 출력부(330)는, 빛살 가르게에서 반사된 제4빔을 45도 편광회전시켜 출력하는 QWP(Quarter Wave Plate;331), 상기 QWP를 투과하여 45도 편광 회전된 제4빔의 진행 경로상에 배치된 제3 편광 빛살 가르게(332), 제3 편광 빛살 가르게에서 반사되어 출력된 빔을 검출하는 제3 검출소자(333), 제3 편광 빛살 가르게를 투과하여 출력된 빔을 검출하는 제4 검출소자(334), 및 상기 제3 검출소자 및 제4 검출소자로부터 출력된 빔들의 차이를 검출하여 증폭시켜 출력하는 제2 차동증폭기(335)를 구비한다. The Q
전술한 구성을 갖는 I 신호 출력부의 제1 차동 증폭기 및 Q 신호 출력부의 제2 차동 증폭기는 각각 제1 빔과 제2 빔에 대한 I 출력 신호 (In-phase Signal ; V I) 신호 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V Q) 를 출력한다. The first differential amplifier of the I signal output unit and the second differential amplifier of the Q signal output unit having the above-described configuration are respectively connected to the I-output signal ( V I ) signal and the Q output signal (Quadrature-phase signal: V Q ).
상기 제어부(40)는 복조부로부터 I 출력 신호 및 Q 출력 신호를 제공받고, 상기 I 출력 신호 및 Q 출력 신호를 이용하여, 회전 각속도를 검출하여 출력한다. 이하, 본 실시 형태에 따른 복조부의 출력 신호를 이용하여, 제어부(40)가 회전 각속도(Ω)를 검출하는 과정을 구체적으로 설명한다. The
먼저, 복조부(32)로부터 얻은 I 출력 신호 (In-phase Signal ; V I)는 cos △φ 에 비례하고, Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V Q)는 sin △φ 에 비례하므로, I 출력 신호(V I) 및 Q 출력 신호(V Q) 를 이용하여 물체의 회전에 따른 위상차(△φ)를 수학식 5에 의해 구할 수 있다.First, the I output signal ( V I ) obtained from the
감지부에서 시계 방향으로 회전하는 제2빔이 광 회전부를 일주하는데 걸리는 시간(t+)는 수학식 6에 의해 구할 수 있으며, 시계 반대 방향으로 회전하는 제1빔이 광 회전부를 일주하는데 걸리는 시간(t-)는 수학식 7에 의해 구할 수 있다. The time ( t +) required for the second beam rotating in the clockwise direction to rotate around the optical rotation unit in the sensing unit can be obtained by Equation (6), and the time required for the first beam, which rotates counterclockwise, ( t -) can be obtained by Equation (7).
물체의 회전에 따른 제1빔과 제2빔의 광 경로차(△L )는 수학식 8에 구할 수 있다. The optical path difference ( DELTA L ) between the first beam and the second beam with respect to the rotation of the object can be found from the following equation (8).
물체의 회전에 의해, 서로 반대 방향으로 진행하는 제1빔과 제2빔의 사이에 광 경로차(△L )가 발생하게 된다. 이러한 제1빔과 제2빔을 간섭시켜 간섭 신호를 얻을 수 있는데, 간섭신호에서의 위상 변화는 회전 각속도의 선형적인 함수로 주어지게 되므로, 위상 변화를 측정하고 이를 이용하여 회전 각속도를 정확하게 측정할 수 있게 된다. The optical path difference ? L is generated between the first beam and the second beam traveling in opposite directions to each other due to the rotation of the object. Since the phase change in the interference signal is given as a linear function of the rotational angular velocity, it is possible to measure the phase change and accurately measure the rotational angular velocity .
물체의 회전에 따른 제1빔과 제2빔의 광 경로차(△L )를 이용하여 제1빔과 제2빔의 위상차(△φ)는 수학식 9에 구할 수 있다. The phase difference ?? between the first beam and the second beam using the optical path difference ? L between the first beam and the second beam with respect to the rotation of the object can be found by the following equation (9).
수학식 9로부터 물체의 회전에 따른 회전 각속도(Ω)는 수학식 10로 표현될 수 있으며, 수학식 4을 통해 I 출력 신호(V I) 및 Q 출력 신호(V Q)를 이용하여 구한 제1빔과 제2빔의 위상차(△φ)를 이용하여 물체의 회전에 따른 회전 각속도(Ω)를 구할 수 있게 된다. From Equation (9), the rotational angular velocity (?) According to the rotation of the object can be expressed by Equation (10) and can be expressed as Equation (4) using the I output signal ( V I ) and the Q output signal ( V Q ) The rotational angular velocity (?) According to the rotation of the object can be obtained by using the phase difference ( ? ) Between the beam and the second beam.
여기서, λ는 빛의 파장이며, t-는 반시계 방향으로 회전하는 제1빔이 고리를 일주하는 데 걸리는 시간이며, t+는 시계 방향으로 회전하는 제2빔이 고리를 일주하는 데 걸리는 시간이며, Ω는 회전 각속도이며, C 는 빛의 속도이며, R은 광 회전부를 구성하는 고리의 반경이며, A 는 고리의 면적이며, △L 은 서로 반대방향으로 진행하는 제1빔과 제2빔의 광 경로차이며, △φ 는 각속도에 의해 유도되는 위상변화값이다.Where t is the time it takes for the first beam to rotate in the counterclockwise direction to travel around the ring and t + is the time it takes for the second beam to rotate clockwise to travel around the ring Is a rotational angular velocity, C is the speed of light, R is the radius of the ring constituting the optical rotation part, A is the area of the ring, and DELTA L is the distance between the first beam and the second beam Is the optical path difference, and ? Is the phase change value induced by the angular velocity.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 샤냑 간섭계는 편광 빛살 가르게를 이용하여 새로운 구조로 구성함으로써, 서로 수직 편광 상태인 2개의 빔을 닫힌 경로를 따라 서로 반대 방향으로 진행시킨 후 위상차를 구하고, 이를 이용하여 물체의 회전에 따른 회전 각속도를 측정할 수 있게 된다. The Sagnac interferometer according to the present invention having the above-described configuration uses a polarizing beam splitter to construct a new structure, so that two beams vertically polarized with respect to each other are made to travel in opposite directions along a closed path, It is possible to measure the rotational angular velocity according to the rotation of the object.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. It is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof.
본 발명에 따른 사냑 간섭계는 자이로스코프 등과 같이 회전 역학 정보를 측정하는 장비에 널리 사용될 수 있다. The sagnac interferometer according to the present invention can be widely used in equipment for measuring rotational dynamics information such as a gyroscope.
1, 2, 3, 4 : 사냑 간섭계
10, 12 : 광원
20, 22 : 감지부
30, 31, 32 : 복조부
40, 42 : 제어부
52, 54 : 공진기
200 : 편광 빛살 가르게
210 : 폐경로부
211, 212, 213 : 반사경1, 2, 3, 4: Sagnac interferometer
10, 12: Light source
20, 22:
30, 31, 32:
40, 42:
52, 54: resonator
200: Let's polarize light
210:
211, 212, 213: reflector
Claims (10)
상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 하나의 닫힌 경로에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부;
상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;
를 구비하며, 상기 감지부는,
상기 광원으로부터 45도로 선형 또는 원형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게;
둘 이상의 거울을 이용하여 하나의 닫힌 경로를 구성하며, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시켜 상기 닫힌 경로를 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키는 폐경로부;를 구비하며,
상기 폐경로부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공되는 것을 특징으로 하는 자유 공간 사냑 간섭계.A light source providing linear or circularly polarized light;
A sensing unit that divides the light input from the light source into a vertically polarized first beam and a second beam, moves the first beam and the second beam along opposite directions in a closed path, and outputs the combined light again;
A demodulator for measuring a phase change induced between the first beam and the second beam output from the detector;
Wherein the sensing unit comprises:
A polarization beam splitter for receiving linearly or circularly polarized light at 45 degrees from the light source, dividing the input light into first and second vertically polarized beams, and outputting the split beams to different output ports;
The first beam and the second beam output from the polarizing beam splitter are changed in direction so as to move along the closed path so that the first beam passes through the first beam and the second beam, And a menopausal path inputting the first beam to an output port and the second beam to an output port of the first beam,
Wherein the first beam and the second beam outputted from the menopausal passage are polarized perpendicularly to each other and are combined in a polarizing beam splitter and outputted through the same path to the demodulator.
상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 하나의 닫힌 경로에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부;
상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 형성되어 감지부의 제1 빔과 제2 빔을 공진시키는 공진기; 및
상기 공진기로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 제1 빔과 제2 빔의 사이에 유도된 위상 차이를 측정하는 복조부;
를 구비하며, 상기 감지부는
상기 광원으로부터 45도로 선형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게;
둘 이상의 거울을 이용하여 하나의 닫힌 경로를 구성하며, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시켜 상기 닫힌 경로를 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키는 폐경로부;를 구비하며,
상기 폐경로부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되며, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 공진기를 통해 공진되어 상기 복조부로 제공되는 것을 특징으로 하는 자유 공간 사냑 간섭계.A light source for providing linearly polarized light;
A sensing unit that divides the light input from the light source into a vertically polarized first beam and a second beam, moves the first beam and the second beam along opposite directions in a closed path, and outputs the combined light again;
A resonator formed at an input point and an output point of the sensing unit to resonate the first beam and the second beam of the sensing unit; And
A demodulator for measuring a phase difference induced between the first beam and the second beam by interfering the first beam and the second beam output from the resonator;
, And the sensing unit
A polarization beam splitter for receiving linearly polarized light at 45 degrees from the light source, dividing the input light into first and second polarized beams, and outputting the divided beams to different output ports;
The first beam and the second beam output from the polarizing beam splitter are changed in direction so as to move along the closed path so that the first beam passes through the first beam and the second beam, And a menopausal path inputting the first beam to an output port and the second beam to an output port of the first beam,
Wherein the first beam and the second beam output from the menopausal path section are combined in a polarization beam splitter and output through the same path, and the first beam and the second beam output from the polarization beam splitter are resonated through a resonator, Wherein the free space Sagn interferometer is provided with a free space Sagn optical interferometer.
상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 각각 배치된 제1 및 제2 거울;
상기 제1 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제1 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP); 및
상기 제2 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제2 사분파장판;
을 구비하는 것을 특징으로 하는 자유공간 사냑 간섭계.The resonator according to claim 2, wherein the resonator
First and second mirrors respectively disposed at input and output points of the sensing unit;
A first quarter wave plate (QWP) disposed between the first mirror and the sensing unit; And
A second sine wave plate disposed between the second mirror and the sensing unit;
And a free space Sagn interferometer.
상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 하나의 닫힌 경로에서 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부;
상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;
상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게;
를 구비하며, 상기 감지부는
빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게;
둘 이상의 거울을 이용하여 하나의 닫힌 경로를 구성하며, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시켜 상기 닫힌 경로를 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키는 폐경로부; 및
상기 폐경로부의 닫힌 경로상의 임의의 위치에 배치되어 상기 닫힌 경로를 투과하는 광의 편광 방향을 90도 회전시키는 반파장판(Half Wave Plate; HWP);
를 구비하며, 상기 폐경로부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공되는 것을 특징으로 하는 자유 공간 사냑 간섭계.A light source for providing polarized light;
A sensing unit that divides the light provided from the light source into a first beam and a second beam according to a polarization direction, moves the first beam and the second beam along different directions in a closed path, and outputs the combined light again;
A demodulator for measuring a phase change induced between the first beam and the second beam output from the detector;
A light source disposed between the light source and the sensing unit for transmitting a part of the beam provided from the light source and outputting the light to the sensing unit and reflecting a part of the beam provided from the sensing unit to the demodulating unit;
, And the sensing unit
A polarizing beam splitter for splitting the light provided from the light source through a beam splitter into a first beam and a second beam, which are vertically polarized and output to different output ports, respectively;
The first beam and the second beam output from the polarizing beam splitter are changed in direction so as to move along the closed path so that the first beam passes through the first beam and the second beam, A menopausal path inputting the first beam to an output port and inputting a second beam to an output port of the first beam; And
A half wave plate (HWP) disposed at an arbitrary position on the closed path of the menopausal passage and rotating the polarization direction of light transmitted through the closed path by 90 degrees;
Wherein the first beam and the second beam output from the menopausing passage are combined and output by a polarizing beam splitter and then reflected or transmitted by the beam splitter and provided to the demodulator. interferometer.
상기 빛살 가르게와 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 배치된 거울; 및
상기 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP);
을 구비하는 것을 특징으로 하는 자유공간 사냑 간섭계.The resonator according to claim 5, wherein the resonator
A mirror disposed between the glare grating and the polarizing grating of the sensing portion; And
A quarter wave plate (QWP) disposed between the mirror and the sensing unit;
And a free space Sagn interferometer.
복조부로부터 제1 빔과 제2 빔의 위상 변화에 따른 위상차(△φ)를 제공받고, 상기 위상차를 이용하여 회전 각속도(Ω)를 측정하여 제공하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 공간 사냑 간섭계. 7. The apparatus of any one of claims 1 to 6, wherein the free space sagnac interferometer comprises:
And a controller for receiving a phase difference ?? according to a phase change of the first beam and the second beam from the demodulator and measuring and providing a rotational angular velocity? Using the phase difference. Sagnac interferometer.
상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치;
상기 위상 지연 장치로부터 출력된 빔을 제3빔과 제4빔으로 나누어 각각 출력하는 빛살 가르게;
상기 빛살 가르게를 투과한 제3빔으로부터 I 출력신호를 검출하여 출력하는 I 신호 출력부;
상기 빛살 가르게에서 반사된 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하는 Q 신호 출력부;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 공간 사냑 간섭계. 7. The demodulating device according to any one of claims 1 to 6,
A phase delay device for applying a bias phase between the first beam and the second beam, which are vertically polarized states provided from the sensing unit;
A beam splitter for dividing the beam output from the phase delay device into a third beam and a fourth beam and outputting the beams;
An I signal output unit for detecting and outputting an I output signal from a third beam transmitted through the beam splitter;
A Q signal output unit for detecting and outputting a Q output signal from a fourth beam reflected by the beam gage;
And a free space Sagn interferometer.
상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치;
상기 위상 지연 장치에 의해 위상 지연된 제1빔과 제2빔을 45도로 정렬시켜 제1빔과 제2빔의 간섭 신호를 출력하는 편광자(Polarizer); 및
상기 편광자로부터 출력된 빔을 검출한 검출 신호를 출력하는 광검출소자;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 공간 사냑 간섭계. 7. The demodulating device according to any one of claims 1 to 6,
A phase delay device for applying a bias phase between the first beam and the second beam, which are vertically polarized states provided from the sensing unit;
A polarizer for aligning the first beam and the second beam phase-delayed by the phase delay device at 45 degrees to output an interference signal between the first beam and the second beam; And
A photodetector for outputting a detection signal for detecting a beam output from the polarizer;
And a free space Sagn interferometer.
상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치;
상기 위상 지연 장치로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고 편광 상태에 따라 나누어 출력하는 편광 빛살 가르게;
상기 편광 빛살 가르게로부터 반사된 제3 빔을 검출하여 제1 검출신호를 출력하는 제1 광검출소자;
상기 편광 빛살 가르게를 투과한 제4 빔을 검출하여 제2 검출신호를 출력하는 제2 광검출소자;
상기 제1 및 제2 검출신호의 차를 검출하여 출력하는 차동 증폭기;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 공간 사냑 간섭계. 7. The demodulating device according to any one of claims 1 to 6,
A phase delay device for applying a bias phase between a first beam and a second beam that are vertically polarized states provided from the sensing unit;
A polarization beam splitter for interfering the first beam and the second beam output from the phase delay device and outputting the divided beams according to a polarization state;
A first photodetector for detecting a third beam reflected from the polarization beam splitter and outputting a first detection signal;
A second light detecting element for detecting a fourth beam transmitted through the polarizing beam splitter and outputting a second detection signal;
A differential amplifier for detecting and outputting a difference between the first and second detection signals;
And a free space Sagn interferometer.
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