KR20210097015A - 프리즘 i/q 복조 마하젠더/마이켈슨 간섭계 - Google Patents

Abstract

일 실시예에 따르면, 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 방사되는 빔을 기준 빔과 프로브 빔으로 분할하는 빔 스플리터으로 구성되는 간섭계 엔진; 상기 빔 스플리터에 의해 나뉘어진 기준 빔과 프로브 빔을 결합하여 쿼드러쳐 신호를 발생시키기 위한 프리즘 I/Q 복조기; 및 상기 기본 빔과 프로브 빔을 상기 프리즘 I/Q 복조기로 전송하기 위한 광경로 수단으로 사용되는 빔전송유닛; 및 상기 빔 스플리터와 타깃사이에 빔을 전달하여 타깃의 표면에 빔을 조사하고 이로부터 반사된 빔을 간섭계 엔진으로 보내는 타깃센싱유닛을 포함하는, 프리즘 I/Q 간섭계가 제공된다.

Description

프리즘 I/Q 복조 마하젠더/마이켈슨 간섭계 {Mach-Zehnder/Michelson Interferometer with Prism I/Q Demodulator}

본 발명은 기존 간섭계에서 수개의 빔 스플리터Beam Splitter, BS)와 파장판(Waveplates), 4개의 포토디텍터로로 구성된 복잡한 I/Q복조 방식대신에, 하나의 빔결합/틸트 프리즘과 하나의 쿼드셀 포토디텍터를 이용하여 I/Q (In-phase/Quadrature Phase) 신호를 생성하는 프리즘 IQ복조 마하젠더(Mach-Zehnder)/마이켈슨(Michelson) 간섭계, 간략하여 프리즘 I/Q 간섭계에 관한 것이다.

광학 간섭계는 정밀도가 높은 변위 측정 장비로서 사용되어왔다. 이는 레이저 광원부, 간섭계부, 검출 및 신호처리부로 이루어진다. 변위에 대한 고전적인 두빔 간섭계의 광학적 응답은 사인파 형태를 따른다. 사인파의 극값들에 있어서, 위상에 대한 간섭계의 민감도는 제로(zero)이고, 위상의 방향 정보는 손실된다. 이러한 종래 간섭계의 문제점을 해결하기 위해, 쿼드러춰 검출스킴(quadrature detection scheme), 즉, 사인과 코사인 2개의 신호를 동시에 생성하여 활용한다. 이러한 구성에서, 하나의 신호가 극점이 있을 때, 다른 신호는 최대 기울기를 갖게 된다. 각각에 대해 쿼드러춰 신호들을 직교좌표로 도시하면, 리사주(Lissajous) 그래프가 그려진다. 이는 원위에서 이동하는 벡터를 형성하는데, 이동 변위는 로직 게이트를 통해 간섭무늬(fringe)의 숫자를 카운팅하고, 간섭 무늬의 일부에 대한 벡터의 각도를 측정함으로써 파악될 수 있다. 또한, 이 과정에서 이동의 방향성도 나타나게 된다. 즉, 거리가 증가하면 시계방향으로 회전하고, 거리가 감소하면 시계 반대방향으로 회전한다.

쿼드러춰 신호를 획득하는 크게 두 가지 기술이 존재한다.

첫번째로, 레이저 광원의 사인파 변조나 기준 암(reference arm)을 사인파 위상 변조(Sinusoidal Phase Modulation; SPM)하면 쿼드러춰 신호가 간섭계 신호의 측대파(sideband) 스펙트럼에 나타난다.

두번째로, 광위상 지연소자인 파장판(waveplates)을 이용하여 원하는 편광상태를 얻어서 쿼드러춰 신호를 획득하는 방법이다.

각 접근법은 장단점을 갖는다. 첫번째 방법은, 광 센서부는 간소화될 수 있으나, 전자 부분은 신호 처리를 위해 복잡해질 수 있다. 두번째 방법은, 쿼드러춰 신호 생성에 있어서, 전자부분은 간소화될 수 있으나, 간섭계를 구성하기 위해서 많은 광학소자들이 사용되어야 하기 때문에, 광 정렬에 민감하고, 진동, 충격, 열등 환경에 취약한 단점이 있다. 이러한 두 가지 기술이 가지고 있는 문제점을 동시에 극복함으로써 I/Q간섭계의 상용화 적용을 용이하게 하는 것이 이번 발명의 특징이다.

일반적으로, 쿼드러춰 신호는 아래의 수학식 1a 및 1b로 표현되는 바와 같은, DC 오프셋 에러, 진폭 에러, 및 위상 지연 에러를 갖는다.

[수학식 1a]

[수학식 1b]

이들을 리사주 그래프로 표현하면, 이상적인 원형으로부터 변형된 바이어스된 타원으로 나타난다. 위상 정보 φ를 추출하기 위해서, 알려지지 않은 5개의 파라미터, 즉, DC 오프셋 에러 a, c, AC 진폭 에러 b, d 및 위상 지연 φ₀을 알아야 한다. 이들은 최소 제곱법(Least square method)과 타원 곡선 맞춤(elliptical fitting)에 의해 확인될 수 있고, 이때 위상 φ 은 다음의 수학식으로 계산된다.

[수학식 2]

그러나, 이 방법은 계산하는데 많은 시간을 필요로 한다. DC 오프셋은 레이저 파워 드리프트(drift) 또는 광정렬이 틀어짐으로 인하여, 진폭 에러는 변조에 의해, 위상 지연은 광학 요소의 비정렬 및 자체결함 또는 타깃 미러의 비정상적인 이동에 의해 지속적으로 변화될 수 있다. 따라서, 실시간 비선형 보상이 요구되고 이를 해결하기 위해 많은 연구들이 수행되어져 왔다.

도 1은 기존 동위상/직교위상(In-phase/Quadrature phase; I/Q) 복조 스킴을 갖는 마하젠더 간섭계(Mach-Zender Interferometer, MZI)를 나타낸다.

도 1에서, OI는 광 아이솔레이터(Optical Isolator), HWP는 반파장판(Half Waveplate), PBS는 편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter), RM은 기준 미러(Reference Mirror), QWP는 사분의 일 파장판(Quarter Waveplate), BS는 빔 스플리터(Beam Splitter), DA는 차동 증폭기(Differential Amplifier), PD는 포토디텍터 (Photodetector)를 나타낸다.

이중에서 검출을 담당하는 I/Q 복조기 (In-Phase/Quadrature Demodulator)는 HWP, QWP, 2개의 PBS, BS, 그리고 4개의 PDs로 구성된다.

이 간섭계에서, 프로브 빔(PB) 및 기준 빔(RB)은 PBS에 의해서 서로 수직방향으로 편광되고, I/Q 복조기(I/Q Demodulator)는 간섭으로 형성된 인터페로그램 (interferogram)을 90º의 위상차를 갖는 4개의 신호

로 분리한다. 이중 180º의 위상차를 갖는 정현파 신호

는 각각 차동증폭기(DA)에 의해 차감되고, 동위상 신호

및 직교위상 신호

로 변환된다. 동위상 신호

및 직교위상 신호

는 업/다운 카운터 및 프린지 분석부로 입력되고, 이들의 조합에 의해 총 이동 변위가 결정된다.

이러한 I/Q 복조스킴을 갖는 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)는 스캐닝 마이크로스코프, 경사면의 틸트 측정, 진동 측정, 유체농도 측정 등 높은 정확도가 요구되는 정밀 센서응용분야에 적용된 바 있으나, 상용화되기에는 여러 제약요인이 존재한다.

일반적으로 I/Q 간섭계의 장점은 기존 간섭계와는 달리 보정(calibration) 없이도

를 이용함으로써 위상차를 직접 측정할 수가 있고, 최적화된 민감도를 유지하기 위해 어떠한 피드백 제어도 필요하지 않으며, 또한 위상 및 진폭의 변화를 동시에 측정할 수 있다. 그러나, 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 이 I/Q 간섭계는 2개의 BS, 4개의 PBS, 2개의 HWP, 2개의 QWP, 반사경등 많은 광학부품과 4개의 PD를 필요로 한다. 이상적인 경우, 두 정현파 신호의 리사주 그래프는 완벽한 원을 나타내지만, I/Q 간섭계에 사용되는 많은 광학적 구성요소의 비정렬과 결함 때문에, 입사 빔의 강도는 불균일하게 분리되고, 이로 인해 비선형적 에러가 발생하게 되고, 특히 진동, 충격, 온도, 공기의 흐름등 환경여건에 의한 영향을 많이 받는다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 기존 다수의 큐브 빔스플리터와 파장판들(Waveplates)을 이용한 빔 복조방식 대신에, 하나의 빔결합/틸트 프리즘과 쿼드셀 포토디텍터 만으로 I/Q 신호를 간결하게 복조하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 빔 결합/틸트 프리즘에 의해서 생성된 간섭무늬를 하나의 쿼드셀 포토디텍터를 통해서 빛의 세기를 검출함으로써 DC오프셋, 진폭 및 위상 지연의 비선형적 에러를 실시간으로 제거할 수 있는 I/Q 간섭계를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 프리즘 I/Q 간섭계에 포함되는 광학 부품들을 접착제에 의한 본딩(Bonding)이나 광학 접촉(optical contacts) 기술을 적용하여 일체형 모노블록 형태로 형성시킴으로써, 진동, 충격, 온도 등에 안정적이고 강인한 간섭계를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 빛의 전송수단으로 콜리메이팅 렌즈(CL)_편광 유지 광섬유(PMF)_콜리메이팅 렌즈(CL)를 적용하여 정렬이 매우 용이하고, 또한 대류 등에 의한 공기영향을 차단함으로써 안정적인 간섭무늬를 확보하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 방사되는 빔을 기준 빔과 프로브 빔으로 분할하는 빔 스플리터으로 구성되는 간섭계 엔진; 상기 빔 스플리터에 의해 나뉘어진 기준 빔과 프로브 빔을 결합하여 쿼드러쳐 신호를 발생시키기 위한 프리즘 I/Q 복조기; 상기 기본 빔과 프로브 빔을 상기 프리즘 I/Q 복조기로 전송하기 위한 광경로 수단으로 사용되는 빔 전송유닛; 및 상기 빔 스플리터와 타깃사이에 빔을 전달하여 타깃의 표면에 빔을 조사하고 이로부터 반사된 빔을 간섭계 엔진으로 보내는 타깃센싱유닛을 포함하는, 프리즘 I/Q 간섭계가 제공된다.

상기 빔 스플리터는 큐브형으로 구현되며, 상기 빔 스플리터의 옆면에는 경로보상 프리즘 및 콜리메이터 마운트 중 적어도 하나를 포함하는 광학 부품들이 일체형 모노블록 형태로 연결될 수 있다.

상기 프리즘 I/Q 복조기는, 빗면의 중심에서 상기 기준 빔과 프로브 빔이 만나도록 상기 빔 전송유닛의 끝단에 형성된 콜리메이터 렌즈를 장착 고정해주고 상기 빗면에 수직인 법선을 기준으로 대칭적으로 형성된 채널 홀을 갖는 프리즘 형태로 구성되는 채널홀 마운트; 상기 채널홀 마운트의 상기 빗면에 배치되는 무반사경; 상기 무반사경을 통과한 프로브 빔이 상기 기준 빔과 결합하여 출력면에 선형 간섭 무늬를 생성하도록 하는 빔 결합/틸트 프리즘; 및 상기 빔 결합/틸트 프리즘의 출력면에 형성되는 선형 간섭 무늬를 검출하기 위한 쿼드셀 또는 바이셀 포토디텍터를 포함할 수 있다.

상기 프리즘 I/Q 복조기는, 경사된 기준 빔을 발생하기 위한 빔틸트 프리즘; 및 쿼드셀 또는 바이셀로 구현되는 멀티셀 포토디텍터를 포함할 수 있다.

상기 프리즘 I/Q 간섭계는, 상기 빔 스플리터 내부에서 분리되는 기준 암과 프로브 암의 경로차를 보상해주는 광경로보상 프리즘을 더 포함할 수 있다.

상기 광경로보상 프리즘은 직각 프리즘형태로서, 상기 빔 스플리터와 동일한 또는 유사한 재질로 제작하여 온도가 변하는 환경에서 큐브 빔 스플리터를 통과하는 상기 기준 암과 프로브 암 간의 광경로차가 동일해지도록 한다.

상기 빔 전송유닛은, 제1 콜리메이팅 렌즈, 편광 유지 광섬유, 제2 콜리메이팅 렌즈가 상호 연결된 형태로 형성되며, 상기 빔 스플리터에서 나오는 기준 빔과 타깃에서 되돌아오는 프로브 빔을 상기 프리즘 I/Q복조기로 전달할 수 있다.

상기 타깃센싱유닛은, 콜리메이팅 렌즈_편광 유지 광섬유_콜리메이팅 렌즈(CL_PMF-CL), 콜리메이팅 렌즈_편광 유지 광섬유_집속 렌즈(CL-PMF_FL), 콜리메이팅 렌즈_편광 유지 광섬유_실린더 집속 렌즈(CL-PMF_CFL) 중 하나일 수 있다.

상기 프리즘 I/Q 간섭계는, 신호처리회로를 더 포함하며, 상기 신호처리회로는, 상기 프리즘 I/Q 복조기에 포함되는, 쿼드셀 또는 바이셀 포토디텍터에 의해 출력된 복수개의 전류 신호를 각각 전압 신호로 변환하는 전치 증폭기; 변환된 상기 전압 신호를 입력 신호로 수신하여 각각 I 신호와 Q 신호를 생성하는 2개의 차동 증폭기; 상기 I 신호와 Q 신호를 각각 입력 신호로 하고, 기준 신호와 비교하여, 구형파 펄스 신호를 생성하는 일 이상의 비교기; 상기 펄스 신호에 있어서의 펄스 개수를 업/다운 쌍방향으로 누적하는 업/다운 카운터; 및 상기 I 신호와 Q 신호에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 ATAN를 계산하는 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다.

상기 기준 빔 또는 프로브 빔의 빔전송 유닛 상에는 피그테일된 음향광학 변조기가 추가 삽입될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기존 I/Q간섭계에서는 I/Q신호를 얻기 위해서 5개이상의 많은 편광을 제어하는 광학부품들과 4개의 포토다이오드가 독립적으로 배치되어 사용됨으로써, 정렬에 민감하고, 온도, 진동등 외부요인에 의해서 성능이 영향을 받는데, 본 발명의 경우 빔 결합/틸트 프리즘과 하나의 쿼드셀 포토디텍터, 빔 전송수단으로 CL_PMF_CL을 이용하기 때문에, 광 정렬이 매우 용이하고, 외부 대기의 교란에 의한 간섭을 차단해 줌으로써 지속적으로 안정적인 성능을 유지할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 타깃까지의 빔 전송 수단으로 타깃의 종류나 표면상태에 따라 콜리메이팅 렌즈, 집속렌즈, 또는 실린더 렌즈를 간섭계 엔진 다음에 사용하고, 빔전송수단으로 (CL-PMF-CL), (CL_PMF_FL), (CL_PMF_CFL) 중 하나를 선택 사용함으로써 멀리 떨어져 있는 다양한 타깃의 변위나 진동을 측정할 수 있으며, 변위측정범위는 PMF 길이만큼 확장할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 프리즘 I/Q 간섭계에 포함되는 프리즘, 콜리메이터 렌즈등 광학부품들을 큐브 BS와 결합할 때 접착제에 의한 본딩 (bonding) 또는 광학 접촉(optical contacts) 기술을 적용하여 일체형 모노블록의 형태로 제작함으로써, 기구적으로 진동, 충격에 안정적이고 강인한 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 큐브 빔 스플리터를 통과하는 기준 암(Reference arm)과 프로브 암(Probe arm)간의 광경로차가 같도록 이에 해당하는 경로보상용 직각프리즘을 추가함으로써 큐브 빔 스플리터의 온도변화에 따른 광경로차 변화를 최소화 해준다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 일반적인 동위상/직교위상(In-phase/Quadrature-phase; I/Q) 복조 스킴을 갖는 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)를 나타낸다.
도 2는 일반적인 광간섭계에서, 빔 스플리터를 통해 기준 빔과 프로브 빔 두빔을 결합하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 결합/틸트 프리즘과 쿼드셀 포토디텍터로 구성되는 “프리즘 I/Q 복조기”(Prism IQ Demodulator)의 동작원리를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 쿼드셀 포토디텍터와 바이셀 포토디텍터를 사용한 프리즘 I/Q 간섭계의 신호 검출 및 신호 처리 스킴을 나타내는 도면이다.
도 5a는 프리즘 I/Q 복조 마하젠더 간섭계(PIQ_MZI)를 나타내는 도면이다.
도 5b는 리트로 반사경(Retroreflector)을 타깃센싱유닛으로 사용하는, 프리즘 I/Q복조 마하젠더 간섭계를 나타내는 도면이다.
도 5c는 빔틸트 프리즘과 쿼드셀 포토디텍터로 구성된, 프리즘 I/Q복조 마이켈슨 간섭계를(PIQ_MI) 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 타깃이 멀리 떨어져 있는 경우 사용할 수 있는 세가지 유형의 타깃센싱유닛의 구성을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 콜리메이터 마운트(Collimator Mount)를 이용하여 콜리메이터를 큐브 빔스플리터에 기구적으로 안정되게 장착하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 헤테로다인 방식을 적용하는데 있어서 일반 I/Q 복조 스킴과 프리즘 IQ 간섭계의 I/Q 신호 복조스킴의 차이를 나타내는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분 상에 "배치"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 배치"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 배치"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 일반적인 광학 간섭계에서, 큐브 빔스플리터를 통해 2개의 빔을 믹스하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 두 빔이 큐브 빔스플리터에 의해 믹싱된다.

이때, 포토다이오드에 의해 검출된 출력 신호는 다음과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3a]

[수학식 3b]

여기서, φ₁은 프로브 빔(PB)의 준 정적(quasi-static) 위상 φ₁₀ 과 변조 위상 φ_m의 합이다. 즉, φ₁ = φ₁₀ + φ_m이고, φ₂ = φ₂₀ 은 기준 빔(RB)의 준 정적 위상이다. 또한,

이고, 여기서,

이다. η은 포토디텍터의 양자효율이다.

전류 신호는 전치 증폭기에 의해 전압 신호로 변환되고, 출력 신호는 차동 증폭기에 의해 차감될 수 있다.

[수학식 4]

호모다인(Homodyne) 측정법에서,

로 나타낼 수 있고, 따라서, 수학식 4는 다음의 수학식 5로 표현된다.

[수학식 5]

이고,

라면, 수학식 5는 다음의 수학식 6으로 표현된다.

[수학식 6]

간섭 신호는 프로브 빔(PB)에서 유도된 위상 φ_m에 비례하고, 간섭계는 작은 위상 변화를 측정하기에 최적화된다.

,

이라면, 수학식 6은 다음의 수학식 7로 표현된다.

[수학식 7]

즉, 간섭계는 작은 진폭 변화를 측정하는 데에 최적화된다.

위상 변화를 측정하는 경우에는 간섭계가 φ₀=(2n+1)π2 조건을 유지하도록, 진폭 변화를 측정하는 경우에는 간섭계가 φ₀=2nπ 조건을 유지하도록 피드백 제어와 초기 위상 보정이 필요하다.

이러한 스킴은 위상 변화 및 피드백 제어를 측정하고 위상 및 진폭 측정 조건 상에서 간섭계를 고정시키기 위한 보정을 필요로 한다. 위상 및 진폭 변화가 동시에 일어난다면, 이들을 구분할 수는 없다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 쿼드셀 포토디텍터와 연동하는 빔 결합/틸트 프리즘을 도시하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 무반사(Anti-Reflection, AR) 코팅된 무반사경(330)으로 입사된 두 빔 중 하나는 (90º+θ) 프리즘(310)의 코너에서 리트로 반사되어 나머지 다른 빔과 부분반사코팅된 면에서 합쳐져서, 프리즘 면에 일자형 간섭무늬를 형성하고 프리즘 윗면에 부착된 쿼드셀 포토디텍터(340)는 해당위치에서 간섭무늬의 빛의 세기를 검출한다. 이때 포토디텍터를 회전하여 간섭무늬의 간격이 90°위상차가 되도록 조정할 수 있다.

두 빔이 간섭할 때, 프리즘(310) 표면에서의 빛의 세기는 다음과 같다.

[수학식 8]

여기서,

이고, 빔 발산 각도는

이며, 이는 프리즘 각도(θ)에 의해 결정된다. x는 검출기 어레이를 따라 측정되는 국부 좌표이고, n은 프리즘의 굴절률이며,

은 기준 암과 프로브 암 간의 경로차이다. 또한,

은 거리 이동에 의해 변조된 위상이다.

[수학식 9]

여기서,

,

이다. 쿼드셀 포토디텍터(340)의 각 포토다이오드로부터의 출력 신호는 이득(gain)을 보정한 이후에 다음과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 10a]

[수학식 10b]

[수학식 10c]

[수학식 10d]

도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따라 쿼드셀(a), 바이셀(b) 포토디텍터를 사용하는 경우, I/Q의 검출 및 이후 신호처리스킴을 나타내는 회로 도면이다.

먼저, 도4의 (a)를 참조하면, 쿼드셀 포토디텍터(340)의 각 포토다이오드로부터의 전류 신호(i_PD1, i_PD2, i_PD3, i_PD4)가 전치 증폭기(PA)를 통해 전압 신호(

)로 변환된다. 여기서,

인 것으로 가정한다.

제1 전압 신호(

) 및 제2 전압 신호(

)는 제1 차동 증폭기(DA1)에 입력되고, 제3 전압 신호(

) 및 제4 전압 신호(

)는 제2 차동 증폭기(DA2)에 입력된다. DC 값은 상호 차감되고, Q 신호가 획득될 수 있다.

이때 제 2 차동증폭기(DA2)의 출력 값은 다음과 같다.

[수학식 11a]

이와 유사하게, I 신호도 제 1 차동증폭기(DA1)로부터 다음과 같이 출력된다.

[수학식 11b]

수학식 11a 및 수학식 11b에서 위상 차 φ_m 및 진폭 a₁ 은 다음과 같이 얻을 수 있다.

[수학식 12a]

[수학식 12b]

아크탄젠트(arctan)는 위상접힘(wrapping) 연산자로 알려져 있으며,

이다.

간섭 무늬(fringe) 카운팅을 위하여, I/Q 신호는, 비교기(C1, C2)에 의해 구형 펄스인 Sin P 및 Cos P 신호로 각각 변환된다. 이중 한 신호를 업/다운 카운터를 이용하여 입력되는 펄스개수 N을 계수한다.

또한 이 두 신호를 조합하여 타겟의 이동 방향을 결정하기 위한 로직을 만들어준다.

각 비교기(C1, C2)의 출력 신호인 구형 펄스 신호에 있어서, 펄스 개수(N)는 업/다운 카운터(UDC)에 의해 쌍방향으로 누적된다. 변위가 증가할 때, 카운트는 증가하고, 변위가 감소할 때, 카운트는 감소한다. 또한, I/Q 신호는, 접힌(wrapped) 위상 φ_m을 계산하기 위한 신호 처리를 위해, 아날로그 디지털 변환기(ADC)에 의해 디지털화된다.

아날로그 디지털 변환기(ADC)의 출력 신호와 업/다운 카운터(UDC)의 출력 신호는 프로세서로 입력되며, 프로세서는 업/다운 카운터로부터 입력된 펄스개수 N과 ADC로부터 입력된 I, Q 신호를 이용하여 수학식 12a를 통해 위상을 계산하여 타겟에 대한 위치의 변화 등의 정보를 획득한다. 임베디드 프로세서를 갖는 FPGA가 업/다운 카운터 및 그 로직을 구현하는 데에 이용될 수 있다. 또한, 상기 FPGA가 내장된 마이크로 프로세서는 상기 I 신호와 Q 신호에 대해 아날로그-디지털 변환(ADC)을 수행하여 ATAN을 계산하는 기능도 수행한다.

펄스의 총 개수(N)가 카운팅되면, 펼친(unwrapped) 총 위상 φ_T 은 다음과 같다.

[수학식 13a]

[수학식 13b]

이때 변위

는 다음의 수학식을 이용하여 획득될 수 있다.

[수학식 14]

하나의 펄스는 각각

(316.4nm)에 해당된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 레이저 광원의 드리프트 등이 심하지 않은 경우, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 바이 셀 포토디텍터를 사용할 수 있다. 이 경우, 포토디텍터(340)의 출력 신호는 편의상 수학식 10b와 10c로 표현할 수 있다. 이 경우에는 DC 차단용 커페시터(Blocking Capacitor, BC)를 이용하여 DC 항목을 차단하며, 그 이후의 신호처리는 도 4의 (a)를 참조하여 설명한 경우와 동일하다.

한편, 멀티셀 포토디텍터(340)는 실리콘(Si) 포토디텍터 또는 인듐갈륨비소 (InGaAs) 포토디텍터가 사용될 수 있다.

실리콘(Si) 포토디텍터는 0.3~1.1μm 파장 영역에서 사용될 수 있고, He-Ne 레이저, 반도체 레이저가 광원인 환경에서 사용될 수 있다.

인듐갈륨비소(InGaAs) 포토디텍터는 0.5~2.5μm 파장 영역에서 사용될 수 있고, 통신용 레이저 또는 1.55μm 파장을 갖는 레이저가 광원인 환경에서 사용될 수 있다.

도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 마하젠더(Mach-Zender) 타입의 프리즘 I/Q 간섭계를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 5a를 참조하면, 레이저 광원에서 나오는 빛은 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens; CL)에 의해 확대된 후 평행빔으로 만들어진다. 이러한 평행 빔은 편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter; PBS)에서 분할된다.

피그테일된(pigtailed) DPB 레이저 광원, 콜리메이팅 렌즈(CL), 편광 빔 스플리터(PBS)는 간섭계 엔진이 된다.

편광 빔 스플리터(PBS)에서 분할된 기준 빔(TE)은 수직으로 반사되어 광경로보상 프리즘(520)을 통과한 후 빔 전송유닛(CL_PMF_CL)를 통해 프리즘 I/Q복조기로 입사된다. 광경로보상 프리즘(520)은 편광 빔 스플리터(PBS)에서 갈라지는 기준 암과 프로브 암의 경로차를 보상해주는 기능을 한다.

또한, 프로브 빔(TM)은 편광 빔 스플리터(PBS)를 통과하여 사분의 일 파장판(Quarter Waveplate; QWP)을 통과한 후 타깃 미러(Target Mirror; TM)에서 반사된다. 편광 빔 스플리터(PBS)와 타깃 사이에는 빔을 전달하여 타깃의 표면에 빔을 조사하고 이로부터 반사된 빔을 간섭계 엔진으로 보내는 타깃센싱유닛이 구비될 수 있다.

타깃센싱유닛은 콜리메이팅 렌즈_편광 유지 광섬유_집속 렌즈(CL_PMF_FL)로 구현될 수 있다.

타깃 미러(TM)에 반사된 빔은 다시 사분의 일 파장판(QWP)을 통과하면서 편광이 90°회전하여 편광 빔 스플리터(PBS)에서 수직으로 반사된 후, 마찬가지로 빔전송유닛(CL_PMF_CL)를 통해 프리즘 I/Q 복조기로 입사된다.

프리즘 I/Q 복조기는 빔 스플리터(PBS)에 의해 나뉘어진 기준 빔과 프로브 빔을 결합하여 쿼드러쳐 신호를 발생시킨다.

구체적으로, 프리즘 I/Q 복조기로 입사된 빔은 빔결합/틸트 프리즘(510)에 의하여 선형 간섭무늬를 형성하게 되고, 쿼드셀 포토디텍터를 통해 0°, 90°, 180°, 270°의 위상차를 갖는 빛의 공간적인 세기를 측정하게 된다. 빛의 세기에 비례하는 전류가 흐르면, 이를 신호 처리 회로를 통하여 I/Q신호를 얻게 되며, 이를 가지고 ATAN으로 위상을 계산하여 변위를 측정할 수 있게 된다.

다음으로, 도 5b를 참조하면, 레이저는 단일파장의 분포궤환형 레이저(DFB Laser)일 수 있고, 이러한 레이저의 출력이 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens; CL)를 통과하여 평행빔(Collimated beam) 형태로 큐브형 편광 빔 스플리터(PBS)로 입사된다.

이 때 기준 빔(TE)은 수직 반사된 후, 빔 전송 유닛(CL_PMF_CL)을 통해 프리즘 I/Q복조기로 입사된다.

한편, 프로브 빔(TM)은 편광 빔 스플리터(PBS)를 통과하여 리트로 반사경(Retro-reflector)에 의해서 반사된 후, 다른 경로를 통해서 다시 편광 빔 스플리터(PBS)를 통과하고, 빔 전송유닛(CL_PMF_CL)을 통해 프리즘 I/Q복조기로 입사된다.

이 구성은 광학소자의 면에서 되반사 되는 빔에 의해서 광원이 영향을 받지 않기 때문에 광 아이솔레이터(Optical Isolator; IO)를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.

한편, 상기 도 5a 내지 5b를 참조하여 마하젠더 간섭계에 적용되는 프리즘 I/Q 복조기의 구성을 설명하면 다음과 같다.

프리즘 I/Q 복조기는, 빔결합/틸트 프리즘(510), 채널홀 마운트(520), 무반사경(530), 쿼드셀 포토디텍터(540)로 구성된다.

채널홀 마운트(520)는 기준 빔과 프로브 빔을 결합하기 위해, 상기 마운트(520)에 콜리메이터를 안정하게 장착하기 위한 채널 홀을 형성한다.

채널홀 마운트(520)에는 무반사경(530)을 사이에 두고 빔결합/틸트 프리즘(510)이 결합된다.

빔결합/틸트 프리즘(510)은 기준 빔과 프로브 빔을 결합하고 선형간섭무늬를 생성하기 위해서 모서리 각도 (90°+θ)를 갖는다. 또한, 두 빔이 만나는 위치에는 빔결합을 위해서 반투명 코팅이 되어 있다.

빔 결합/틸트 프리즘(510)의 출력면에는 선형간섭무늬를 검출하기 위한 쿼드셀 포토디텍터(540)가 배치된다.

상기 스킴은 타깃이 멀리 떨어져 있는 경우에는, 프로브 빔(TE)을 빔 전송유닛(CL_PMF_CL)를 이용하여 타깃 근처로 보내서 변위와 진동을 측정할 수가 있다. 타깃 센싱유닛으로 (CL_PMF_FL) 나 (CL_PMF_CFL)를 사용하는 경우 집속렌즈(Focusing Lens, FL)의 초점거리에 따라서 측정거리와 측정범위가 결정된다. 집속 렌즈(FL)나 실린더 집속 렌즈(CFL)는 타깃이 가까이 있을 때 활용할 수 있다.

한편, 도 5c를 참조하여 마이켈슨 프리즘 I/Q 복조기의 구성을 설명하면 다음과 같다.

마이켈슨 프리즘 I/Q복조기는 간단하게 빔틸트 프리즘과, 바이셀 또는 쿼드셀 포토디텍터로 구성되어 있다. 빔틸트 프리즘은 경사진 평행빔을 생성하고, 프로브 빔과 만나면 일정한 프린지(fringe) 간격을 갖는 선형적인 간섭무늬가 생성된다. 이때 프린지 간격과 쿼드셀 포토디텍터의 간격이 같도록 빔틸트 프리즘의 각도를 결정하게 된다. 이후 신호처리 스킴은 마하젠더 IQ간섭계와 동일하다.

한편, 도 5a 내지 5c에서 콜리메이팅 렌즈(CL)_편광 유지 광섬유(PMF)_콜리메이팅 렌즈(CL)로 구성되는 빔 전송유닛에 피그테일된 음향광학 변조기(AOM; Acousto-Optic Modulator)를 삽입 설치할 수 있다.

구체적으로, 기준 빔 또는 프로브 빔의 빔 전송유닛 상에 배치되는 편광 유지 광섬유(PMF)와 콜리메이팅 렌즈(CL) 사이에 삽입 설치할 수 있는데, 이에 따르면, 주파수가 변조되어 기준 빔과 프로브 빔의 주파수가 다른 헤테로다인 방식의 프리즘 IQ간섭계를 구현할 수 있다. 쿼드셀 포토디텍터의 신호처리회로에서 생성되는 변조된 첫번째 I/Q 신호는 피그테일된 음향광학 변조기(AOM)의 구동 신호와 믹싱되어 두번째 I/Q 복조 신호가 생성되고, 이로부터 위상 정보가 검출될 수 있다. 이에 따르면, 기존 90° RF위상천이소자(RF Phase Shifter)가 불필요한 헤테로다인(Heterodyne) 방식이 구현될 수 있다.

도 6은 거리가 멀리 떨어져 있는 타깃의 변위와 진동을 측정하는 데 유용한 타깃센싱유닛을 나타낸다.

먼저, 도 6의 (a)는 타깃에 콜리메이트된 빔이 필요한 경우에 구현될 수 있으며, 이상에서 설명한 빔 전송유닛과 동일한 형태의(CL_PMF_CL)로 구현될 수 있다.

한편, 도 6의 (b)는 한점으로 집속된 빔이 필요한 경우에 구현될 수 있는 타깃센싱유닛의 한 형태로서, 콜리메이팅 렌즈_편광 유지 광섭유_집속 렌즈(CL_PMF_FL)로 구현될 수 있다(FL: Focusing Lens).

한편, 도 6의 (c)는 라인(line) 빔이 필요한 경우에 구현될 수 있는 타깃센싱유닛의 한 형태로서, 콜리메이팅 렌즈_편광 유지 광섭유_실린더 집속 렌즈(CL_PMF_CFL)로 구현될 수 있다(Cylinder Focusing Lens).

도 7의 (a) 및 (b)는 콜리메이터 마운트를 이용하여 도 5a와 도 5b의 큐브 빔스플리터에 콜리메이터를 장착하는 방법을 나타내는 도면이다. 콜리메이터 마운트는 사각등 다른 형태로 구현이 가능하다.

도 7의 (a)는 콜리메이터 장착 방법을 나타낸 것으로, 이를 참조하면, 빔 스플리터(710)의 일면(ex.측면)에 콜리메이터 마운트(720)를 부착시킬 때, 접착제를 이용한 본딩 또는 광학접촉(Optical contacts) 방식을 이용하여 부착하고, 콜리메이터 마운트(720) 내부에 계단(step)을 두어 콜리메이터(730)를 정해진 위치에 안정되게 고정한다.

빔 스플리터(700)의 일면에 인접하게 배치되는 사분의 일 파장판(Quarter Waveplate; QWP)은 빔스플리터(700)에 접해있는 콜리메이터 마운트(710)에 형성된 홈에 장착된다.

한편, 도 7의 (b)는 이중 콜리메이터 장착 방법을 나타내는 것으로, 이를 참조하면, 큐브 빔스플리터(710)에 부착된 콜리메이터 마운트(720) 에는 복수개의 콜리메이터(730)가 배치될 수도 있다.

도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이, 빔 스플리터는 큐브형으로 구현되고, 그 일면(ex. 옆면)에는 경로보상 프리즘 및 콜리메이터 마운트 등 광학 부품들이 일체형 모노블록 형태로 연결될 수 있다.

도 8은 기존 헤테로다인 I/Q복조스킴(도 8의 (a))와 프리즘 I/Q복조스킴(도 8의 (b))간 차이를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 8의 (a)는 기존 헤테로다인 I/Q 간섭계의 I/Q 복조스킴을 나타낸다. 이 경우 LO(local Oscllator)신호와 LO 신호를 위상 시프터(Phase shifter)로 90° 위상 천이한 신호를 입력 RF 신호와 믹싱하여 복조를 하는데, 도 8의 (b)에 도시된 프리즘 I/Q의 경우에는 쿼드셀 포토디텍터에서 사인(sin), 코사인(cos) RF신호가 만들어져서, AOM을 변조할 때 사용되는 LO 신호를 가지고 위상 시프터 없이 믹싱을 해서 복조를 하게 된다. 이후 LPF를 거쳐 IQ신호를 얻는 것은 동일하다.

이론적으로 프리즘 IQ간섭계는 퀀텀 노이즈 한계의 위상과 진폭을 측정할 수 있다. 이에 의해 최소 검출가능 위상차는 다음과 같다.

[수학식 15]

는 플랭크(Plank) 상수,

는 광 주파수, P는 포토디텍터로 입사되는 레이저 파워,

는 디텍터 퀀텀 효율이다. 한 예로 광원의 파장이 632.8nm, 레이저 출력이 1mW, 양자효율이 0.8일 때

2.9x 10^-8 rad이다.

헤테로다인인 경우 [수학식 11]은 다음과 같이 변경된다.

[수학식 16a]

[수학식 16b]

I/Q신호를 A/O Modulator의 구동 RF주파수

으로 믹싱하고, Low pass filter를 거치고 나면, 복조된 I/Q신호는 호모다인과 마찬가지로 다음과 같다.

[수학식 17a]

[수학식 17b]

따라서 위상은

의해서 얻어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 프리즘 I/Q 간섭계는 큐브 빔 스플리터에, 광경로보상 프리즘, 콜리메니팅 마운트 등 모든 광학부품을 접착제를 이용한 본딩 또는 광학 접촉(optical contact) 기술을 적용하여 일체형 모노블록 형태로 상호 결합되는 광학계를 구현함으로써 온도변화, 진동, 충격 등에 대하여 강인하다는 장점이 있다. 또한, 변위, 진동, 표면의 형상, 굴절률 등을 정밀하게 측정하는데 사용될 수 있으며, 높은 민감도와 정밀측정이 요구되는 분광학과 생의학, 생화학 및 전자기 센서, 그리고 품질제어와 품질 보증등 많은 분야에 널리 활용될 수 있다.

또한, 빔의 전송수단으로 (CL_PMF_CL)를 이용함으로써 광학 정렬이 용이하고 대기의 교란에 의한 외부영향을 차단할 수 있다. 타깃센싱유닛으로 (CL_PMF_CL)이나 (CL_PMF_FL), 그리고 (CL_PMF_CFL)를 사용하여 멀리 떨어져 있는 다양한 타깃의 미세 변위나 진동의 측정도 가능해진다.

본 발명은, PIQ-MZI의 경우 무반사경의 한 면에 빔 결합/틸트 프리즘과 쿼드셀 포토디텍터를 결합하여 이를 부착하고, 무반사 코팅된 다른 면은 채널홀 마운트에 부착하여 I/Q 복조기가 구성되며, PIQ_MI의 경우 빔 틸트 프리즘과 쿼드셀 포토디텍터만으로 간결하게 I/Q복조기가 구성된다.

이를 간섭계에 적용하면, 코사인(COS) 신호와 사인(SIN) 신호를 용이하게 동시 획득할 수 있는 마하젠더/마이켈슨 형태의 I/Q간섭계, 즉 프리즘 I/Q 간섭계를 구현할 수 있다. 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시 적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

1. 레이저 광원;
   상기 레이저 광원으로부터 방사되는 빔을 기준 빔과 프로브 빔으로 분할하는 빔 스플리터으로 구성되는 간섭계 엔진;
   상기 빔 스플리터에 의해 나뉘어진 기준 빔과 프로브 빔을 결합하여 쿼드러쳐 신호를 발생시키기 위한 프리즘 I/Q 복조기;
   상기 기본 빔과 프로브 빔을 상기 프리즘 I/Q 복조기로 전송하기 위한 광경로 수단으로 사용되는 빔전송유닛; 및
   상기 빔 스플리터와 타깃사이에 빔을 전달하여 타깃의 표면에 빔을 조사하고 이로부터 반사된 빔을 간섭계 엔진으로 보내는 타깃센싱유닛
   을 포함하는, 프리즘 I/Q 간섭계.
2. 제1항에 있어서,
   상기 빔 스플리터는 큐브형으로 구현되며,
   상기 빔 스플리터의 옆면에는 경로보상 프리즘 및 콜리메이터 마운트 중 적어도 하나를 포함하는 광학 부품들이 일체형 모노블록 형태로 연결되는, 프리즘 I/Q 간섭계.
3. 제1항에 있어서,
   상기 프리즘 I/Q 복조기는,
   빗면의 중심에서 상기 기준 빔과 프로브 빔이 만나도록 상기 빔 전송유닛의 끝단에 형성된 콜리메이터 렌즈를 장착 고정해주고 상기 빗면에 수직인 법선을 기준으로 대칭적으로 형성된 채널 홀을 갖는 프리즘 형태로 구성되는 채널홀 마운트;
   상기 채널홀 마운트의 상기 빗면에 배치되는 무반사경;
   상기 무반사경을 통과한 프로브 빔이 상기 기준 빔과 결합하여 출력면에 선형 간섭 무늬를 생성하도록 하는 빔 결합/틸트 프리즘; 및
   상기 빔 결합/틸트 프리즘의 출력면에 형성되는 선형 간섭 무늬를 검출하기 위한 쿼드셀 또는 바이셀 포토디텍터를 포함하는, 프리즘 I/Q 간섭계.
4. 제1항에 있어서,
   상기 프리즘 I/Q 복조기는,
   경사된 기준 빔을 발생하기 위한 빔틸트 프리즘; 및
   쿼드셀 또는 바이셀로 구현되는 멀티셀 포토디텍터를 포함하는, 프리즘 I/Q 간섭계.
5. 제1항에 있어서,
   상기 빔 스플리터 내부에서 분리되는 기준 암과 프로브 암의 경로차를 보상해주는 광경로보상 프리즘을 더 포함하는, 프리즘 I/Q 간섭계.
6. 제5항에 있어서,
   상기 광경로보상 프리즘은 직각 프리즘형태로서, 상기 빔 스플리터와 동일한 또는 유사한 재질로 제작하여 온도가 변하는 환경에서 큐브 빔 스플리터를 통과하는 상기 기준 암과 프로브 암 간의 광경로차가 동일해지도록 하는, 프리즘 I/Q 간섭계.
7. 제1항에 있어서,
   상기 빔 전송유닛은,
   제1 콜리메이팅 렌즈, 편광 유지 광섬유, 제2 콜리메이팅 렌즈가 상호 연결된 형태로 형성되며, 상기 빔 스플리터에서 나오는 기준 빔과 타깃에서 되돌아오는 프로브 빔을 상기 프리즘 I/Q복조기로 전달하는, 프리즘 I/Q 간섭계.
8. 제1항에 있어서,
   상기 타깃센싱유닛은,
   콜리메이팅 렌즈_편광 유지 광섬유_콜리메이팅 렌즈(CL_PMF-CL), 콜리메이팅 렌즈_편광 유지 광섬유_집속 렌즈(CL-PMF_FL), 콜리메이팅 렌즈_편광 유지 광섬유_실린더 집속 렌즈(CL-PMF_CFL) 중 하나인, 프리즘 I/Q간섭계
9. 제1항에 있어서,
   신호처리회로를 더 포함하며,
   상기 신호처리회로는,
   상기 프리즘 I/Q 복조기에 포함되는, 쿼드셀 또는 바이셀 포토디텍터에 의해 출력된 복수개의 전류 신호를 각각 전압 신호로 변환하는 전치 증폭기;
   변환된 상기 전압 신호를 입력 신호로 수신하여 각각 I 신호와 Q 신호를 생성하는 2개의 차동 증폭기;
   상기 I 신호와 Q 신호를 각각 입력 신호로 하고, 기준 신호와 비교하여, 구형파 펄스 신호를 생성하는 일 이상의 비교기;
   상기 펄스 신호에 있어서의 펄스 개수를 업/다운 쌍방향으로 누적하는 업/다운 카운터; 및
   상기 I 신호와 Q 신호에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 ATAN를 계산하는 마이크로 프로세서를 포함하는, 프리즘 I/Q 간섭계.
10. 제1항에 있어서,
    상기 기준 빔 또는 프로브 빔의 빔전송 유닛 상에는 피그테일된 음향광학 변조기가 추가 삽입되는, 프리즘 I/Q 간섭계.
    

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