KR20180127706A - 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 거리 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

거리 측정 시스템이 제공된다. 이 거리 측정 시스템은 펨토초 레이저 빔을 발생시키는 펨토초 레이저, 펨토초 레이저 빔을 측정 대상으로 조사하기 위한 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성된 빔 전송부, 복수의 광 섬유들과 연결되되, 펨토초 레이저 빔을 복수의 광 섬유들 중 하나로 전송하기 위한 스위칭 소자, 및 펨토초 레이저와 스위칭 소자 사이에 광 섬유로 연결되되, 펨토초 레이저 빔을 스위칭 소자로 전송하고, 그리고 반사되어 오는 신호를 전달받는 합성파 간섭계를 포함한다. 합성파 간섭계는 2 × 2 광 커플러 및 2 × 2 광 커플러에 광 섬유로 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들을 포함한다.

Description

거리 측정 시스템 및 이를 이용한 거리 측정 방법{Distant Measurement System and Method of Distant Measurement Using the Same}
본 발명은 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 거리 측정 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 펨토초 레이저를 이용하여 넓은 영역의 측정 대상에 대해 정밀 분해능을 갖는 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 거리 측정 방법에 관한 것이다.
오늘날의 반도체, 디스플레이(display), 초고속 정보 통신을 포함한 첨단 산업을 주도하는 핵심 기술들은 하드웨어(hardware) 면에서 높은 정밀도를 요구하고 있으며, 이에 요구되는 정밀도는 수백 밀리미터(mm)의 넓은 영역에서 나노미터(nm) 단위의 기능을 구현하는 극초정밀의 수준에 이르고 있다.
이러한 넓은 영역에서 극초정밀에 대한 기술적 수요는 수 내지 수십 나노미터 수준의 빛의 파장 크기 이하의 영역에서 구현될 수 있는 측정 기술을 요구하고 있다. 이러한 측정 기술 중 레이저(laser)를 이용한 광학 간섭계는 비접촉 방식으로 측정 대상에 손상을 주지 않고 수 나노미터 수준의 분해능으로 측정할 수 있기 때문에, 이에 대한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
기존의 레이저 거리 측정 기술은 측정 변위를 누적하여 거리를 측정하는 상대 거리 간섭계의 원리를 기본으로 하므로 넓은 영역에서 변위를 측정할 때 발생하는 오차들이 누적되어 나타나는 문제가 있으며, 공간 상의 장애물로 인해서 측정이 중단되면 그동안의 거리 변화 정보를 누적할 수 없으므로, 거리 측정 정보를 잃어 버리게 된다는 문제가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 절대 거리 간섭계가 제안되었으며, 이는 기존의 상대 거리 간섭계와는 달리 측정 대상의 이동 및 측정 변위의 누적 없이 한 번에 거리를 측정할 수 있는 장점이 있는바, 이러한 절대 거리 간섭계에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.
이러한 절대 거리 간섭계는 측정 정밀도의 한계가 있었으나, 최근 펨토초(femtosecond : fs) 레이저를 적용하여 측정 정밀도가 향상되었으며, 복수의 펨토초 레이저 기반 절대 거리 간섭계들을 사용한 다변측량법(multi-lateration) 방식을 통해 공간 좌표를 측정하는 연구가 제시되고 있다.
펨토초 레이저 기반의 절대 거리를 측정하는 여러 방식 중, 합성파 간섭계(synthetic wavelength interferometer)는 펨토초 펄스(pulse)를 구성하는 광 주파수 모드(mode)들 간의 맥놀이 주파수(beat frequency)인 반복률 주파수의 위상을 검출하여 절대 거리를 측정하는 방식이다. 이는 측정 정밀도에는 한계가 있지만, 비교적 간단한 광학계로 구성되어 산업 응용에 적합한 특성이 있다.
하지만, 기존에는 벌크(bulk) 광학계로 구성되어 외부 환경에 의한 영향을 많이 받고, 그리고 측정 기준점이 명확하지 않아 측정 정밀도가 감소하는 단점이 있었다. 최근 광 섬유 기반의 합성파 간섭계가 제시되긴 하였지만, 측정 기준점이 아직 모호하고 측정 대상에 대한 다중의 거리들을 측정하는 것에 적용할 수 없는 구조이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 측정 대상에 대한 다중의 거리들을 측정하여 다변측량법 알고리즘의 연산이 정확하고 빠르게 수행되어 측정 대상에 대한 공간 좌표를 효과적으로 획득하도록 하는 거리 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 측정 대상에 대한 다중의 거리들을 측정하여 다변측량법 알고리즘의 연산이 정확하고 빠르게 수행되어 측정 대상에 대한 공간 좌표를 효과적으로 획득하도록 하는 거리 측정 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 거리 측정 시스템을 제공한다. 이 거리 측정 시스템은 펨토초 레이저 빔을 발생시키는 펨토초 레이저, 펨토초 레이저 빔을 측정 대상으로 조사하기 위한 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성된 빔 전송부, 복수의 광 섬유들과 연결되되, 펨토초 레이저 빔을 복수의 광 섬유들 중 하나로 전송하기 위한 스위칭 소자, 및 펨토초 레이저와 스위칭 소자 사이에 광 섬유로 연결되되, 펨토초 레이저 빔을 스위칭 소자로 전송하고, 그리고 반사되어 오는 신호를 전달받는 합성파 간섭계를 포함할 수 있다. 합성파 간섭계는 2 × 2 광 커플러 및 2 × 2 광 커플러에 광 섬유로 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들을 포함할 수 있다.
측정 대상은 표면에 부착된 제 3 포토다이오드를 가질 수 있다.
스위칭 소자에 대향하는 복수의 광 섬유들 각각의 말단은 펨토초 레이저 빔의 일부를 반사하는 반사막을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 다른 거리 측정 시스템을 제공한다. 이 거리 측정 시스템은 펨토초 레이저 빔을 발생시키는 펨토초 레이저, 펨토초 레이저 빔을 측정 대상으로 조사하기 위한 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성된 빔 전송부, 복수의 광 섬유들과 연결되되, 펨토초 레이저 빔을 복수의 광 섬유들 중 하나로 전송하기 위한 스위칭 소자, 및 펨토초 레이저와 스위칭 소자 사이에 광 섬유로 연결되되, 펨토초 레이저 빔을 스위칭 소자로 전송하고, 그리고 반사되어 오는 신호를 전달받는 합성파 간섭계를 포함할 수 있다. 합성파 간섭계는 2 × 1 광 커플러 또는 서큘레이터, 및 2 × 1 광 커플러 또는 서큘레이터에 광 섬유로 연결된 광 커플러에 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들을 포함할 수 있다.
측정 대상은 표면에 부착된 역반사체를 가질 수 있다.
스위칭 소자에 대향하는 복수의 광 섬유들 각각의 말단은 펨토초 레이저 빔의 스펙트럼의 일부 영역을 반사하는 필터를 가질 수 있다.
제 1 포토다이오드는 필터에서 반사된 스펙트럼의 일부 영역만을 투과시키는 필터가 적용될 수 있다.
제 2 포토다이오드는 필터를 투과하여 역반사체에서 반사되어 돌아오는 펨토초 레이저 빔의 스펙트럼의 영역만을 투과시키는 필터가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 거리 측정 시스템들 각각의 빔 전송부의 복수의 광 섬유들은 n × m 행렬 형태를 가질 수 있다. 여기서, n은 1 이상의 자연수이고, 그리고 m은 3 이상의 자연수일 수 있다.
이에 더하여, 상기한 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 거리 측정 방법을 제공한다. 이 방법은 앞서 먼저 설명된 거리 측정 시스템을 이용할 수 있다. 이 방법은 측정 대상에 대한 거리 측정 전에 복수의 광 섬유들 중 하나의 말단에 밀착되도록 측정 대상을 위치시켜 측정 대상에 대한 거리를 1회 측정하여 2 × 2 광 커플러에 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들에 대한 거리들 각각의 초깃값을 측정하는 것 및 초깃값을 적용하여 복수의 광 섬유들 모두를 이용하여 측정 대상에 대한 거리를 각각 측정하는 것을 포함할 수 있다.
측정 대상은 표면에 부착된 제 3 포토다이오드를 가질 수 있다.
스위칭 소자에 대향하는 복수의 광 섬유들 각각의 말단은 펨토초 레이저 빔의 일부를 반사하는 반사막을 가질 수 있다.
게다가, 본 발명은 다른 거리 측정 방법을 제공한다. 이 방법은 앞서 뒤에 설명된 거리 측정 시스템을 이용할 수 있다. 이 방법은 측정 대상에 대한 거리 측정 전에 복수의 광 섬유들 중 하나의 말단에 밀착되도록 측정 대상을 위치시켜 측정 대상에 대한 거리를 1회 측정하여 2 × 1 광 커플러 또는 서큘레이터에 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들에 대한 거리들 각각의 초깃값을 측정하는 것, 및 초깃값을 적용하여 복수의 광 섬유들 모두를 이용하여 측정 대상에 대한 거리를 각각 측정하는 것을 포함할 수 있다.
측정 대상은 표면에 부착된 역반사체를 가질 수 있다.
스위칭 소자에 대향하는 복수의 광 섬유들 각각의 말단은 펨토초 레이저 빔의 스펙트럼의 일부 영역을 반사하는 필터를 가질 수 있다.
제 1 포토다이오드는 필터에서 반사된 스펙트럼의 일부 영역만을 투과시키는 필터가 적용될 수 있다.
제 2 포토다이오드는 필터를 투과하여 역반사체에서 반사되어 돌아오는 펨토초 레이저 빔의 스펙트럼의 영역만을 투과시키는 필터가 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면 빔 전송부가 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성됨으로써, 측정 대상에 대한 다중의 거리들을 측정할 수 있다. 이에 따라, 다변측량법 알고리즘의 연산이 정확하고 빠르게 수행되어 측정 대상에 대한 공간 좌표를 효과적으로 획득할 수 있는 거리 측정 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성된 빔 전송부를 이용함으로써, 측정 대상에 대한 다중의 거리들을 측정할 수 있다. 이에 따라, 다변측량법 알고리즘의 연산이 정확하고 빠르게 수행되어 측정 대상에 대한 공간 좌표를 효과적으로 획득할 수 있는 거리 측정 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 거리 좌표 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 시스템의 일 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 거리 측정 시스템의 일 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 시스템을 이용하는 거리 측정 방법을 설명하기 위한 구성도들이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 거리 측정 시스템을 이용하는 거리 측정 방법을 설명하기 위한 구성도들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
하나의 구성 요소(element)가 다른 구성 요소와 '접속된(connected to)' 또는 '결합한(coupled to)'이라고 지칭되는 것은, 다른 구성 요소와 직접적으로 연결된 또는 결합한 경우, 또는 중간에 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 '직접적으로 접속된(directly connected to)' 또는 '직접적으로 결합한(directly coupled to)'으로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소를 개재하지 않은 것을 나타낸다. '및/또는'은 언급된 아이템(item)들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 '아래(below)', '밑(beneath)', '하부(lower)', '위(above)', '상부(upper)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 장치 또는 구성 요소들과 다른 장치 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 장치의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 장치를 뒤집을 경우, 다른 장치의 '아래(below)' 또는 '밑(beneath)'으로 기술된 장치는 다른 장치의 '위(above)'에 놓일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 장치는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나(rounded) 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 장치의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도이고, 그리고 도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 거리 좌표 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 거리 측정 시스템은 펨토초 레이저 빔(beam)을 발생시키는 펨토초 레이저(110), 펨토초 레이저 빔을 측정 대상으로 조사하기 위한 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성된 빔 전송부(160), 복수의 광 섬유들과 연결되되, 펨토초 레이저 빔을 복수의 광 섬유들 중 하나로 전송하기 위한 스위칭(switching) 소자(150), 및 펨토초 레이저(110)와 스위칭 소자(150) 사이에 광 섬유로 연결되되, 펨토초 레이저 빔을 스위칭 소자(150)로 전송하고, 그리고 반사되어 오는 신호를 전달받는 합성파 간섭계(145)를 포함할 수 있다. 합성파 간섭계(145)는 2 × 2 광 커플러(coupler)(120) 및 2 × 2 광 커플러(120)에 광 섬유로 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드(photodiode)들(130 및 140)을 포함할 수 있다.
빔 전송부(160)의 복수의 광 섬유들은 n × m 행렬 형태를 가질 수 있다. 여기서, n은 1 이상의 자연수이고, 그리고 m은 3 이상의 자연수일 수 있다. 즉, 스위칭 소자(150)도 n × m 스위칭을 할 수 있는 소자가 사용될 수 있다. 이에 따라, 거리 측정 시스템에 고속 스위칭이 적용되면 하나의 광원에서 빔 전송부(160)의 복수의 광 섬유들 각각의 말단(165)으로 순차적으로 펨토초 레이저 빔이 전달될 수 있다.
빔 전송부(160)는 측정 대상(100)에 대한 거리를 측정하기 위한 펨토초 레이저 빔을 조사하는 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성됨으로써, 거리 측정 시스템은 측정 대상(100)에 대한 공간 좌표를 도출할 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 것과 같이, 빔 전송부(160)가 4개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성될 경우, 거리 측정 시스템은 측정 대상(100)에 대한 공간 좌표를 도출하는 속도가 보다 높아지고, 그리고 근사 오류가 보다 줄어들 수 있다. 또한, 빔 전송부(160)는 스위칭 소자(150)를 통해 합성파 간섭계(145)와 연결되어 측정 대상(100)에 대한 절대 거리를 측정할 수 있다. 거리 측정 시스템은 다변측량법을 이용하여 측정 대상(100)에 대한 공간 좌표를 도출할 수 있다. 즉, 3개 이상의 복수의 광 섬유들은 복수의 광 섬유들 각각의 말단(160)의 위치 좌표와 복수의 광 섬유들 각각에서 측정 대상(100)까지의 거리 값을 통해 공간 좌표를 도출할 수 있다.
공간 좌표를 도출하는 것은 측정 대상(100)의 거리를 측정한 값과 빔 전송부(160)의 복수의 광 섬유들 각각의 말단(165)의 위치 좌표에 의해 도출된 공간 좌표를 비선형 최소 자승법을 이용하여 측정 대상(100)에 대한 공간 좌표를 도출하는 것일 수 있다.
다변측량법 알고리즘(algorithm)은 미리 설계된 또는 측정된 3개 이상의 복수의 광 섬유들 각각의 말단(165)의 위치 좌표를 기준으로 로컬(local) 좌표계를 지정한다. 복수의 광 섬유들 각각의 말단(165)에서 측정 대상(100)까지의 거리가 측정된다. 비선형 최소 자승법을 적용하여 복수의 광 섬유들 각각의 말단(165)에서 측정된 거리 값과 복수의 광 섬유들 각각의 말단(165)의 위치 좌표 및 미지수인 측정 대상(100)의 공간 좌표의 오차가 최소가 되도록 하여, 측정 대상(100)에 대한 공간 좌표가 도출될 수 있다. 비선형 최소 자승법이 적용되었을 때, 초깃값에 따라 근의 근사 속도 및 근사 오류 발생에 영향이 주어질 수 있다. 즉, 해에 해당하는 초깃값을 설정해줌으로써, 근사 속도가 높아질 수 있고, 근사 오류가 줄어들 수 있다.
또한, 다변측량법에서 3개의 광 섬유들 각각의 말단(165)을 사용하여 3차원 형태의 측정 대상(100)에 대한 공간 좌표의 도출이 가능하지만, z축에 대한 부호 오류가 발생할 수 있다. 이에 따라, 적어도 하나 이상의 추가적인 광 섬유의 말단(165)이 필요할 수 있다.
다변측량법에 의한 측정 대상(100)에 대한 공간 좌표를 도출할 때, 복수의 측정 대상들(100)에 대한 각각의 공간 좌표가 도출될 수 있다. 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성된 빔 전송부(160)를 적용하여 복수의 측정 대상들(100)에 대한 각각의 거리를 측정할 수 있다. 이는 복수의 측정 대상들(100)에 대해 펨토초 레이저 빔 조사가 가능하며, 또한 복수의 측정 대상들(100)에 대해 다변측량법 알고리즘 상의 경계 조건을 동시에 제공함으로써, 빠르고 정확하게 복수의 측정 대상들(100) 각각에 대한 공간 좌표가 도출될 수 있다.
측정 대상(100)은 표면에 부착된 제 3 포토다이오드(170)를 가질 수 있다. 이에 따라, 복수의 광 섬유들 각각의 말단(165)으로 순차적으로 전달된 펨토초 레이저 빔은 공간적으로 넓게 발산하여 추적 대상(100)의 제 3 포토다이오드(170)에서 감지될 수 있다. 빔 전송부(160)의 복수의 광 섬유들에 대한 스위칭 시기와 측정 대상(100)의 제 3 포토다이오드(170)의 신호 감지 시기를 정합(matching)하여 측정 대상(100)에 대한 다중의 거리들이 측정될 수 있다.
거리 측정 시스템에 사용되는 광 섬유들은 편광 유지 광 섬유로 구성되어 내외부 환경에 둔감할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 포토다이오드(120 및 130)를 참조 포토다이오드로 사용함으로써, 광 섬유 내에서 발생하는 열적 표류(thermal drift)가 제거될 수 있다. 게다가, 빔 전송부(160)의 복수의 광 섬유들 각각의 말단(165)이 측정 대상(100)에 대한 측정 기준점이 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 시스템의 일 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 합성파 간섭계(도 1의 145 참조) 및 빔 전송부(도 1 또는 도 2의 160 참조)를 설명하기 위해 스위칭 소자(도 1의 150 참조)가 생략된 거리 측정 시스템이다.
합성파 간섭계는 2 × 2 광 커플러(120) 및 2 × 2 광 커플러(120)에 광 섬유로 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들(130 및 140)을 포함할 수 있다. 광 섬유의 말단(165)은 펨토초 레이저 빔의 일부를 반사하는 반사막을 가질 수 있다. 광 섬유의 말단(165)의 반사막은 측정 기준점이 될 수 있다. 반사막은 출력되는 펨토초 레이저 빔의 일부 광량이 반사되어 제 2 포토다이오드(140)에 입사할 때, 제 2 포토다이오드(140)가 손상되지 않으면서 측정을 할 수 있는 정도의 광량이 반사되도록 반사율이 조절될 수 있다. 이때, 측정 대상(도 2의 100 참조)의 표면에는 제 3 포토다이오드(170)가 부착될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 거리 측정 시스템의 일 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
도 4를 참조하면, 합성파 간섭계(도 1의 145 참조) 및 빔 전송부(도 1 또는 도 2의 160 참조)를 설명하기 위해 스위칭 소자(도 1의 150 참조)가 생략된 거리 측정 시스템이다.
합성파 간섭계는 2 × 1 광 커플러(120a) 또는 서큘레이터(120a), 및 2 × 1 광 커플러(120a) 또는 서큘레이터(120a)에 광 섬유로 연결된 광 커플러(125)에 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들(130 및 140)을 포함할 수 있다. 광 섬유의 말단(165)은 출력되는 펨토초 레이저 빔의 스펙트럼(spectrum)의 일부 영역을 반사하는 필터(filter)를 가질 수 있다. 광 섬유의 말단(165)의 필터는 측정 기준점이 될 수 있다. 이때, 측정 대상(도 2의 100 참조)의 표면에는 역반사체(170a)가 부착될 수 있다. 제 1 포토다이오드(130)는 필터에서 반사된 스펙트럼의 일부 영역만을 투과시키는 필터가 적용될 수 있다. 제 2 포토다이오드(140)는 필터를 투과하여 역반사체에서 반사되어 돌아오는 펨토초 레이저 빔의 스펙트럼의 영역만을 투과시키는 필터가 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 각각에 따른 거리 측정 시스템은 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성된 빔 전송부를 포함함으로써, 측정 대상에 대한 다중의 거리들을 측정할 수 있다. 이에 따라, 다변측량법 알고리즘의 연산이 정확하고 빠르게 수행되어 측정 대상의 공간 좌표를 효과적으로 획득할 수 있는 거리 측정 시스템이 제공될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 시스템을 이용하는 거리 측정 방법을 설명하기 위한 구성도들이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 도 3의 거리 측정 시스템을 이용하는 거리 측정 방법은 측정 대상(도 2의 100 참조)에 대한 거리 측정 전에 빔 전송부(도 1 또는 도 2의 160 참조)의 복수의 광 섬유들 중 하나의 말단(165)에 밀착되도록 측정 대상을 위치시켜 측정 대상에 대한 거리를 1회 측정하여 2 × 2 광 커플러(120)에 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들(130 및 140)에 대한 거리들 각각의 초깃값을 측정하는 것 및 초깃값을 적용하여 빔 전송부의 복수의 광 섬유들 모두를 이용하여 측정 대상에 대한 거리를 각각 측정하는 것을 포함할 수 있다.
측정 대상에 대한 거리 측정 전에 빔 전송부의 복수의 광 섬유들 중 하나의 말단(165)에 밀착되도록 측정 대상을 위치시켜 측정 대상에 대한 거리를 1회 측정하는 것은 제 1 포토다이오드(130)에서 측정된 위상 정보인 (1)+(4), 제 2 포토다이오드(140)에서 측정된 위상 정보인 (1)+(2)+(2)+(3) 및 제 3 포토다이오드(170)에서 측정된 위상 정보인 (1)+(2)를 이용하여 제 1 포토다이오드(130)+제 2 포토다이오드(140)-2×제 3 포토다이오드(170) 위상인 (3)+(4)를 구하는 것일 수 있다. 실제 (3)+(4)의 길이는 5 cm 미만의 길이로 온도 변화에 의한 길이 변화는 측정 분해능에 비해 낮다.
(3)+(4)인 초깃값을 적용하여 빔 전송부의 복수의 광 섬유들 모두를 이용하여 측정 대상에 대한 거리를 각각 측정하는 것은 제 1 포토다이오드(130)에서 측정된 위상 정보인 (1)+(4), 제 2 포토다이오드(140)에서 측정된 위상 정보인 (1)+(2)+(2)+(3), 제 3 포토다이오드(170)에서 측정된 위상 정보인 (1)+(2)+(5) 및 초깃값인 (3)+(4)를 이용하여 2×제 3 포토다이오드(170)-제 1 포토다이오드(130)-제 2 포토다이오드(140) 위상인 2×(5)-((3)+(4))를 구하는 것일 수 있다. 여기서 (3)+(4)인 초깃값을 적용하면 빔 전송부의 복수의 광 섬유들 각각의 말단에서 측정 대상까지의 거리인 (5)를 측정할 수 있다. 즉, 스위칭 소자(도 1의 150 참조)의 빔 전송부에 대한 스위칭에 따라 복수의 광 섬유들 각각의 말단에서 측정 대상에 대한 거리가 측정될 수 있다. 이에 따라, 측정 대상에 대한 다중의 거리들이 측정될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 거리 측정 시스템을 이용하는 거리 측정 방법을 설명하기 위한 구성도들이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 도 4의 거리 측정 시스템을 이용하는 거리 측정 방법은 측정 대상(도 2의 100 참조)에 대한 거리 측정 전에 빔 전송부(도 1 또는 도 2의 160 참조)의 복수의 광 섬유들 중 하나의 말단(165)에 밀착되도록 측정 대상을 위치시켜 측정 대상에 대한 거리를 1회 측정하여 2 × 1 광 커플러(120a) 또는 서큘레이터(120a)에 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들(130 및 140)에 대한 거리들 각각의 초깃값을 측정하는 것 및 초깃값을 적용하여 빔 전송부의 복수의 광 섬유들 모두를 이용하여 측정 대상에 대한 거리를 각각 측정하는 것을 포함할 수 있다.
측정 대상에 대한 거리 측정 전에 빔 전송부의 복수의 광 섬유들 중 하나의 말단(165)에 밀착되도록 측정 대상을 위치시켜 측정 대상에 대한 거리를 1회 측정하는 것은 제 1 포토다이오드(130)에서 측정된 위상 정보인 (1)+(2)+(2)+(4) 및 제 2 포토다이오드(140)에서 측정된 위상 정보인 (1)+(2)+(2)+(5)를 이용하여 제 2 포토다이오드(140)-제 1 포토다이오드(130) 위상인 (5)-(4)를 구하는 것일 수 있다. 실제 (5)-(4)의 길이는 1 cm 미만의 길이로 온도 변화에 의한 길이 변화는 측정 분해능에 비해 낮다.
(5)-(4)인 초깃값을 적용하여 빔 전송부의 복수의 광 섬유들 모두를 이용하여 측정 대상에 대한 거리를 각각 측정하는 것은 제 1 포토다이오드(130)에서 측정된 위상 정보인 (1)+(2)+(2)+(4) 및 제 2 포토다이오드(140)에서 측정된 위상 정보인 (1)+(2)+(3)+(3)+(2)+(5)를 이용하여 제 2 포토다이오드(140)-제 1 포토다이오드(130) 위상인 2×(3)+((5)-(4))를 구하는 것일 수 있다. 여기서 (5)-(4)인 초깃값을 적용하면 빔 전송부의 복수의 광 섬유들 각각의 말단에서 측정 대상까지의 거리인 (3)이 측정될 수 있다. 즉, 스위칭 소자(도 1의 150 참조)의 빔 전송부에 대한 스위칭에 따라 복수의 광 섬유들 각각의 말단에서 측정 대상에 대한 거리가 측정될 수 있다. 이에 따라, 측정 대상에 대한 다중의 거리들이 측정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따른 각각의 거리 측정 방법은 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성된 빔 전송부를 이용함으로써, 측정 대상에 대한 다중의 거리들을 측정할 수 있다. 이에 따라, 다변측량법 알고리즘의 연산이 정확하고 빠르게 수행되어 측정 대상의 공간 좌표를 효과적으로 획득할 수 있는 공간 좌표 측정 시스템 및 이를 이용한 거리 측정 방법이 제공될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 측정 대상
110 : 펨토초 레이저
120, 125 : 광 커플러
120a : 광 커플러 또는 서큘레이터
130, 130a : 제 1 포토다이오드
140, 140a : 제 2 포토다이오드
145 : 합성파 간섭계
150 : 스위칭 소자
160 : 빔 전송부
165 : 광 섬유의 말단
170 : 제 3 포토다이오드
170a : 역반사체

Claims (17)

  1. 펨토초 레이저 빔을 발생시키는 펨토초 레이저;
    상기 펨토초 레이저 빔을 측정 대상으로 조사하기 위한 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성된 빔 전송부;
    상기 복수의 광 섬유들과 연결되되, 상기 펨토초 레이저 빔을 상기 복수의 광 섬유들 중 하나로 전송하기 위한 스위칭 소자; 및
    상기 펨토초 레이저와 상기 스위칭 소자 사이에 광 섬유로 연결되되, 상기 펨토초 레이저 빔을 상기 스위칭 소자로 전송하고, 그리고 반사되어 오는 신호를 전달받는 합성파 간섭계를 포함하되,
    상기 합성파 간섭계는:
    2 × 2 광 커플러; 및
    상기 2 × 2 광 커플러에 광 섬유로 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들을 포함하는 거리 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측정 대상은 표면에 부착된 제 3 포토다이오드를 갖는 거리 측정 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 스위칭 소자에 대향하는 상기 복수의 광 섬유들 각각의 말단은 상기 펨토초 레이저 빔의 일부를 반사하는 반사막을 갖는 거리 측정 시스템.
  4. 펨토초 레이저 빔을 발생시키는 펨토초 레이저;
    상기 펨토초 레이저 빔을 측정 대상으로 조사하기 위한 3개 이상의 복수의 광 섬유들로 구성된 빔 전송부;
    상기 복수의 광 섬유들과 연결되되, 상기 펨토초 레이저 빔을 상기 복수의 광 섬유들 중 하나로 전송하기 위한 스위칭 소자; 및
    상기 펨토초 레이저와 상기 스위칭 소자 사이에 광 섬유로 연결되되, 상기 펨토초 레이저 빔을 상기 스위칭 소자로 전송하고, 그리고 반사되어 오는 신호를 전달받는 합성파 간섭계를 포함하되,
    상기 합성파 간섭계는:
    2 × 1 광 커플러 또는 서큘레이터; 및
    상기 2 × 1 광 커플러 또는 상기 서큘레이터에 광 섬유로 연결된 광 커플러에 연결된 제 1 및 제 2 포토다이오드들을 포함하는 거리 측정 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 측정 대상은 표면에 부착된 역반사체를 갖는 거리 측정 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 스위칭 소자에 대향하는 상기 복수의 광 섬유들 각각의 말단은 상기 펨토초 레이저 빔의 스펙트럼의 일부 영역을 반사하는 필터를 갖는 거리 측정 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 포토다이오드는 상기 필터에서 반사된 상기 스펙트럼의 상기 일부 영역만을 투과시키는 필터가 적용되는 거리 측정 시스템.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제 2 포토다이오드는 상기 필터를 투과하여 상기 역반사체에서 반사되어 돌아오는 상기 펨토초 레이저 빔의 상기 스펙트럼의 영역만을 투과시키는 필터가 적용되는 거리 측정 시스템.
  9. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 빔 전송부의 상기 복수의 광 섬유들은 n × m 행렬 형태를 가지되,
    n은 1 이상의 자연수이고, 그리고 m은 3 이상의 자연수인 거리 측정 시스템.
  10. 제 1항의 거리 측정 시스템을 이용한 거리 측정 방법에 있어서,
    상기 측정 대상에 대한 거리 측정 전에 상기 복수의 광 섬유들 중 하나의 말단에 밀착되도록 상기 측정 대상을 위치시켜 상기 측정 대상에 대한 거리를 1회 측정하여 상기 2 × 2 광 커플러에 연결된 상기 제 1 및 제 2 포토다이오드들에 대한 거리들 각각의 초깃값을 측정하는 것; 및
    상기 초깃값을 적용하여 상기 복수의 광 섬유들 모두를 이용하여 상기 측정 대상에 대한 거리를 각각 측정하는 것을 포함하는 거리 측정 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 측정 대상은 표면에 부착된 제 3 포토다이오드를 갖는 거리 측정 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 스위칭 소자에 대향하는 상기 복수의 광 섬유들 각각의 말단은 상기 펨토초 레이저 빔의 일부를 반사하는 반사막을 갖는 거리 측정 방법.
  13. 제 4항의 거리 측정 시스템을 이용한 거리 측정 방법에 있어서,
    상기 측정 대상에 대한 거리 측정 전에 상기 복수의 광 섬유들 중 하나의 말단에 밀착되도록 상기 측정 대상을 위치시켜 상기 측정 대상에 대한 거리를 1회 측정하여 상기 2 × 1 광 커플러 또는 상기 서큘레이터에 연결된 상기 제 1 및 제 2 포토다이오드들에 대한 거리들 각각의 초깃값을 측정하는 것; 및
    상기 초깃값을 적용하여 상기 복수의 광 섬유들 모두를 이용하여 상기 측정 대상에 대한 거리를 각각 측정하는 것을 포함하는 거리 측정 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 측정 대상은 표면에 부착된 역반사체를 갖는 거리 측정 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 스위칭 소자에 대향하는 상기 복수의 광 섬유들 각각의 말단은 상기 펨토초 레이저 빔의 스펙트럼의 일부 영역을 반사하는 필터를 갖는 거리 측정 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제 1 포토다이오드는 상기 필터에서 반사된 상기 스펙트럼의 상기 일부 영역만을 투과시키는 필터가 적용되는 거리 측정 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 제 2 포토다이오드는 상기 필터를 투과하여 상기 역반사체에서 반사되어 돌아오는 상기 펨토초 레이저 빔의 상기 스펙트럼의 영역만을 투과시키는 필터가 적용되는 거리 측정 방법.
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