KR20210149575A

KR20210149575A - 초고속 카메라 시스템, 그리고 이의 측정 방법

Info

Publication number: KR20210149575A
Application number: KR1020200185102A
Authority: KR
Inventors: 김정원; 나용진; 곽현수; 안창민
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-12-09
Also published as: KR102598511B1

Abstract

한 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템은 입력된 펄스 레이저의 광 펄스열을 측정 대상의 표면으로 입사하고, 상기 표면에서 반사되어 들어온 광 신호를 출력하는 센서 헤드, 그리고 상기 센서 헤드를 통과한 후 비행 시간이 변화된 상기 광 신호를 입력받고, 상기 광 신호와 기준 신호의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 출력하는 타이밍 검출기를 포함한다.
다른 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템은 펄스 레이저의 광 펄스열을 파장 스펙트럼으로 분산시키는 파장 분산기, 상기 파장 스펙트럼으로 분산된 연속된 파장 신호들을 측정 라인에 수직 입사시키는 렌즈, 상기 측정 라인에서 상기 연속된 파장 신호들이 반사된 광 신호를 입력받고, 상기 광 신호에 포함된 상기 연속적인 파장 신호들과 기준 신호의 타이밍 오차를 상기 파장 스펙트럼에서의 신호 세기로 출력하는 타이밍 검출기를 포함한다.

Description

초고속 카메라 시스템, 그리고 이의 측정 방법{ULTRAFAST CAMERA SYSTEM AND MEASUREMENT METHOD THEREOF}

본 발명은 광 펄스의 비행 시간(time-of-flight, TOF) 검출에 관한 것이다.

레이저 기반의 변위(displacement) 측정 기술은 다양한 기술 분야에서 널리 사용된다. 변위 측정에서 중요한 성능 파라미터들은 정밀도(precision), 측정 속도(measurement speed) 그리고 모호성 없이 측정할 수 있는 범위(non-ambiguity range, NAR)이다. 하지만 일반적으로 한 파라미터의 성능 개선은 다른 파라미터들의 성능 저하를 감수해야 달성된다. 예를 들어 높은 정밀도를 얻기 위해 시간이 걸리고 감지 범위(detectable range)가 제한될 수 있다.

한편, 다양한 레이저 기반 측정 기술은 대체로 정밀도에서 놀라운 진보가 있었지만, 빠르고, 매우 작고, 복잡한 기계적 움직임을 측정하는 데 한계가 있다

해결하고자 하는 과제는 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기를 이용하여 움직임 또는 형상을 고속, 고분해능, 실시간으로 측정하는 초고속 카메라 시스템을 제공하는 것이다.

해결하고자 하는 과제는 파장 분할된 복수의 서브 펄스들의 타이밍 오차를 검출하여, 복수의 서브 펄스들이 반사된 복수 지점들의 움직임 또는 형상을 고속, 고분해능, 실시간으로 측정하는 초고속 카메라 시스템을 제공하는 것이다.

해결하고자 하는 과제는 광 펄스를 파장 스펙트럼에 대응하는 일차원 공간으로 분산시켜 측정 대상에 입사시키고, 반사된 광 펄스의 스펙트럼 신호 세기를 검출하여, 측정 라인의 움직임 또는 형상을 고속, 고분해능, 실시간으로 측정하는 초고속 카메라 시스템을 제공하는 것이다.

해결하고자 하는 과제는 3차원 형상을 이미징하는 초고속 카메라 시스템을 제공하는 것이다.

한 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템으로서, 입력된 펄스 레이저의 광 펄스열을 측정 대상의 표면으로 입사하고, 상기 표면에서 반사되어 들어온 광 신호를 출력하는 센서 헤드, 그리고 상기 센서 헤드를 통과한 후 비행 시간이 변화된 상기 광 신호를 입력받고, 상기 광 신호와 기준 신호의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 출력하는 타이밍 검출기를 포함한다.

상기 센서 헤드는 광 경로에 배치된 빔 스캐너를 통해, 입력된 광 펄스열을 고속 스캐닝하여 상기 측정 대상의 복수의 지점들로 입사하고, 상기 복수의 지점들에서 반사되어 들어온 광 신호를 출력할 수 있다.

상기 센서 헤드는 광 경로에 배치된 파장분할다중화기를 통해, 입력된 광 펄스열을 파장분할하여 서브 펄스들을 생성하고, 상기 서브 펄스들을 상기 측정 대상의 서로 다른 지점들로 입사하고, 상기 서로 다른 지점들에서 반사되어 들어온 서브 펄스들을 다중화한 광 신호를 출력할 수 있다.

상기 타이밍 검출기는 입력된 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호 각각을 상기 서브 펄스들에 대응하는 채널들로 파장 분할한 후, 채널별 균형 광 검출기를 통해 각 서브 펄스의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 출력할 수 있다.

상기 센서 헤드는 광 경로에 배치된 파장분할다중화기를 통해, 입력된 광 펄스열을 파장분할하여 서브 펄스들을 생성하고, 파장 분산기를 이용하여 상기 서브 펄스들을 파장에 해당하는 각도로 분산시켜 상기 측정 대상의 서로 다른 지점들로 입사하고, 상기 서로 다른 지점들에서 반사되어 들어온 서브 펄스들을 다중화한 광 신호를 출력할 수 있다.

상기 타이밍 검출기는 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호의 세기 차이를 균형 광 검출하며, 상기 두 간섭 신호의 세기 차이는 상기 광 신호와 상기 기준 신호의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호로 출력될 수 있다.

상기 타이밍 검출기는 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 또는 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD)로 구현될 수 있다.

상기 초고속 카메라 시스템은 상기 펄스 레이저에 동기화된 상기 기준 신호를 출력하는 기준 신호원을 더 포함할 수 있다. 상기 기준 신호원은 상기 펄스 레이저의 광 펄스열을 광전 변환하여 광전류 펄스(Photocurrent pules)를 상기 기준 신호로 생성하는 전기 펄스 생성기, 또는 상기 펄스 레이저의 광 펄스열에 의해 주파수 잠금된 마이크로파 신호를 상기 기준 신호로 생성하는 전압 제어 발진기를 포함할 수 있다.

상기 타이밍 검출기에서 출력되는 상기 전기 신호는 상기 측정 대상의 변위(displacement) 또는 비행 시간 변화에 비례할 수 있다.

다른 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템으로서, 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 파장 분할하여 서브 펄스들을 생성하는 파장분할다중화기, 상기 서브 펄스들을 측정 대상의 지점들로 입사하고, 상기 지점들에서 반사된 서브 펄스들을 상기 파장분할다중화기로 전달하는 콜리메이터들, 그리고 상기 파장분할다중화기로부터 상기 반사된 서브 펄스들이 다중화된 광 신호를 입력받고, 상기 광 신호에 포함된 서브 펄스들과 기준 신호의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호들을 출력하는 타이밍 검출기를 포함한다.

또 다른 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템으로서, 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 파장 분할하여 서브 펄스들을 생성하는 파장분할다중화기, 상기 파장분할다중화기에서 생성된 상기 서브 펄스들을 분산시키는 파장 분산기, 상기 파장 분산기에서 파장에 해당하는 각도로 분산된 상기 서브 펄스들을 측정 대상으로 수직 입사시키는 렌즈, 측정 대상의 지점들에서 반사된 서브 펄스들이 다중화된 광 신호를 입력받고, 상기 광 신호에 포함된 서브 펄스들과 기준 신호의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호들을 출력하는 타이밍 검출기를 포함할 수 있다. 상기 측정 대상의 지점들에서 반사된 서브 펄스들은 상기 렌즈, 상기 파장 분산기, 그리고 상기 파장분할다중화기를 거쳐 상기 타이밍 검출기로 입력될 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템으로서, 펄스 레이저의 광 펄스열을 파장 스펙트럼으로 분산시키는 파장 분산기, 상기 파장 스펙트럼으로 분산된 연속된 파장 신호들을 측정 라인에 수직 입사시키는 렌즈, 상기 측정 라인에서 상기 연속된 파장 신호들이 반사된 광 신호를 입력받고, 상기 광 신호에 포함된 상기 연속적인 파장 신호들과 기준 신호의 타이밍 오차를 상기 파장 스펙트럼에서의 신호 세기로 출력하는 타이밍 검출기를 포함한다. 상기 연속된 파장 신호들이 반사된 광 신호는 상기 렌즈와 상기 파장 분산기를 거쳐 상기 타이밍 검출기로 입력된다.

상기 타이밍 검출기는 입력받은 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호들을 출력하는 루프 간섭계, 상기 두 간섭 신호를 번갈아 가면서 스펙트럼 측정기로 입력하는 광 스위치, 상기 광 스위치로부터 번갈아 가면서 입력된 각 간섭 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 상기 스펙트럼 측정기, 그리고 상기 광 스위치의 스위칭 주기 동안, 상기 스펙트럼 측정기에서 측정된 두 측정 신호들의 세기 차이를 출력하는 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다.

상기 타이밍 검출기는 입력받은 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호들을 출력하는 루프 간섭계, 상기 두 간섭 신호 중 지정된 제1 신호, 그리고 상기 루프 간섭계로 입력되기 전의 제2 신호를 번갈아 가면서 스펙트럼 측정기로 입력하는 광 스위치, 상기 광 스위치에 의해 입력된 각 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 상기 스펙트럼 측정기, 그리고 상기 스펙트럼 측정기에서 측정된 상기 제2 신호의 세기와 기준 광 파워의 비율인 광 파워 보정값을 계산하고, 상기 제1 신호의 세기를 상기 광 파워 보정값으로 보정한 신호 세기를 출력하는 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다.

상기 타이밍 검출기는 입력받은 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호들을 출력하는 루프 간섭계, 상기 두 간섭 신호 중 제1 간섭 신호를 입력받고, 상기 제1 간섭 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 제1 스펙트럼 측정기, 상기 두 간섭 신호 중 제2 간섭 신호를 입력받고, 상기 제2 간섭 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 제2 스펙트럼 측정기, 그리고 상기 제1 스펙트럼 측정기 및 상기 제2 스펙트럼 측정기에서 측정된 두 측정 신호들의 세기 차이를 출력하는 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다.

상기 타이밍 검출기는 입력받은 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호들을 출력하는 루프 간섭계, 상기 두 간섭 신호 중 지정된 제1 신호를 입력받고, 상기 제1 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 제1 스펙트럼 측정기, 상기 루프 간섭계로 입력되기 전의 제2 신호를 입력받고, 상기 제2 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 제2 스펙트럼 측정기, 상기 제2 스펙트럼 측정기에서 측정된 상기 제2 신호의 세기와 기준 광 파워의 비율인 광 파워 보정값을 계산하고, 상기 제1 신호의 세기를 상기 광 파워 보정값으로 보정한 신호 세기를 출력하는 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다.

상기 초고속 카메라 시스템은 상기 측정 라인을 상기 측정 라인에 수직인 방향으로 이동시키는 빔 스캐너를 더 포함할 수 있다.

상기 타이밍 검출기는 상기 빔 스캐너에 의해 이동된 측정 라인들의 신호 세기를 출력하고, 상기 측정 라인들의 신호 세기는 측정 대상의 3차원 형상 이미징에 사용될 수 있다.

상기 타이밍 검출기는 측정 라인 단위로 상기 파장 스펙트럼에서의 신호 세기를 출력할 수 있다.

상기 초고속 카메라 시스템은 상기 펄스 레이저의 광 펄스열을 광전 변환하여 광전류 펄스(Photocurrent pules)를 상기 기준 신호로 생성하는 전기 펄스 생성기를 더 포함할 수 있다.

상기 초고속 카메라 시스템은 상기 펄스 레이저의 광 펄스열에 의해 주파수 잠금된 마이크로파 신호를 상기 기준 신호로 생성하는 전압 제어 발진기를 더 포함할 수 있다.

상기 타이밍 검출기는 입력된 각 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 적어도 하나의 스펙트럼 측정기를 포함할 수 있다. 상기 스펙트럼 측정기는 회절 격자와 라인 스캔 카메라(line scan camera)로 구성될 수 있다.

실시예에 따르면 캔틸레버와 같은 구조체의 움직임이나 형상 정보를, 고속, 고분해능, 실시간으로 측정할 수 있다.

실시예에 따르면 파장 분할된 복수의 서브 펄스들을 이용하여 복수 지점들의 움직임 또는 형상을 한꺼번에 고속, 고분해능, 실시간으로 측정할 수 있다.

실시예에 따르면 분산된 광 펄스를 이용하여, 연속된 지점들인 라인의 움직임 또는 형상을 한 번에 고속, 고분해능, 실시간으로 측정할 수 있다. 실시예에 따르면 라인 방향으로 분산된 광 스펙트럼 정보를 한번에 수집할 수 있으므로, 유한한 개수의 서브 펄스들을 이용하는 것보다 더 빠르게 구조체의 움직임이나 형상 정보를 측정할 수 있다. 실시예에 따르면, 별도의 빔 스캐닝 장치 없이 라인의 움직임이나 형상을 한 번에 측정할 수 있기 때문에, 구성이 간단하고, 기계적 움직임이 적어 정렬에 덜 민감할 수 있다. 실시예에 따르면, 광 스펙트럼 정보를 원샷(one-shot)으로 측정할 수 있기 때문에 레이저의 반복률에 준하는 초고속 측정을 할 수 있다.

실시예에 따르면 측정 대상의 3차원 형상을 고속, 고분해능, 실시간으로 측정할 수 있다.

도 1은 광 펄스의 비행 시간 검출 방법을 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 모드잠금 레이저의 시간 영역 및 스펙트럼 영역 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 5는 한 실시예에 따른 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기의 예시이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 7부터 도 9는 또 다른 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 10은 한 실시예에 따른 다채널 타이밍 검출기의 예시이다.
도 11과 도 12는 한 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템의 변위 측정 성능을 나타내는 그래프이다.
도 13과 도 14 각각은 또 다른 실시예에 따른 파장 분산 기반 초고속 카메라 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 파장 분산 기반 초고속 카메라 시스템의 3차원 이미징을 위한 구조도이다.
도 16은 한 실시예에 따른 스펙트럼 측정기의 예시이다.
도 17부터 도 19 각각은 광 파워 보정을 제공하는 파장 분산 기반 초고속 카메라 시스템의 예시이다.
도 20은 한 실시예에 따른 컴퓨팅 장치의 하드웨어 구성도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

설명에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

설명에서, 타이밍 오차, 위상 오차, 그리고 비행 시간(Time-of-flight, TOF) 변화를 혼용하여 사용할 수 있고, 또한 타이밍 오차, 타이밍 차이(difference), 타이밍 변화(change) 등을 혼용하여 설명할 수 있고, 간단히 타이밍이라고 부를 수 있다.

설명에서, 도면 부호 및 이름은 설명의 편의를 위해 붙인 것으로서, 반드시 장치들이 반드시 도면 부호나 이름으로 엄격히 한정되는 것은 아니다.

도 1은 광 펄스의 비행 시간 검출 방법을 개념적으로 설명하는 도면이다.

도 1을 참고하면, 광 펄스의 비행 시간은 레이저에 동기화된 기준 신호를 이용하여 검출된다. 기준 신호는 전기 신호이다. 예를 들면, 기준 신호는 전기 파형(electrical waveform)일 수 있고, 레이저에 동기화/주파수 잠금(frequency-locked)된 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator, VCO)의 마이크로파 신호일 수 있다.

또는, 기준 신호는 광 펄스가 광전 변환된 전기 펄스이거나, 전기 펄스로부터 추출된 전기 파형일 수 있다. 전기 펄스나 전기 펄스로부터 추출된 전기 파형은 이미 펄스 레이저에 동기화되어 있으므로, 별도의 동기화 장치가 필요하지 않다.

센서를 지나면서 비행 시간이 변한 광 펄스열(interrogating pulses)은 기준 신호와 타이밍(위상) 오차가 발생한다. 비행 시간 변화에 의한 타이밍 오차는 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기(Electro-Optic Sampling based timing detector, EOS-TD)를 이용하여 측정될 수 있다. 타이밍 검출기는 광 위상 검출기라고도 부를 수 있는데, 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도 2는 모드잠금 레이저의 시간 영역 및 스펙트럼 영역 특성을 나타내는 도면이다.

도 2를 참고하면, 펄스 레이저 중 모드 잠금 레이저(mode-locked laser)는, 매우 짧은 펄스폭(τ)과 낮은 타이밍 지터(timing jitter)로 우수한 시간 분해능을 가진다. 또한 모드 잠금 레이저는 넓은 스펙트럼을 가지고 있어서, 넓은 스펙트럼을 파장 분할하여 다채널을 생성하거나, 넓은 스펙트럼으로 분산할 수 있다. 펄스와 펄스 사이의 시간 간격(주기, T_rep)이 수 ns에서 ns 이하인 펄스열이 출력되는 경우, 주기의 역수인 반복률(repetition rate, f_rep)은 수백 MHz에서 수 GHz가 된다.

광 펄스는 스펙트럼 영역에서 좁은 대역폭으로 분할되고, 분할된 서브 펄스들 각각은 지정된 채널 경로로 진행될 수 있다. 설명에서, 광 펄스에서 파장 분할된 펄스들을 서브 펄스들(sub-pulses)이라고 부른다.

도 3은 한 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템의 개략적인 구조도이다.

도 3을 참고하면, 초고속 카메라 시스템(10a)은 측정 대상을 지나온 광 펄스의 비행 시간 변화를 이용하여 측정 대상의 움직임을 측정한다. 초고속 카메라 시스템(10a)은 광 펄스가 입사된 지점의 움직임을 고속 및 고분해능으로 실시간 측정할 수 있다. 측정 지점의 움직임은 측정 지점의 변위(displacement)(ΔL)로 측정될 수 있다. 도면에서는 측정 대상으로 캔틸레버(Cantilever)를 예로 들었으나, 이외에도 측정 대상은 압전 소자(piezoelectric transducer, PZT) 등 다양할 수 있다. 한편, 초고속 카메라 시스템(10a)은 움직임 이외에도, 단차(step), 곡률(curvature), 평탄도(flatness)와 같은 표면 형상(surface profile)을 측정할 수 있다.

초고속 카메라 시스템(10a)은 펄스 레이저(100), 전기 펄스 생성기(200), 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기(Electro-Optic sampling based timing detector, EOS-TD)(간단히, “타이밍 검출기”라고 부른다)(300), 그리고 센서 헤드(sensor head)(400a)가 연결되는 서큘레이터(circulator, CL)(410)를 포함한다. 설명에서, “센서 헤드”는 초고속 카메라 시스템에 포함되는 일부 구성을 다른 구성과 구분하기 위해 명명된 것으로서, 이름으로 한정되는 것은 아니다. 초고속 카메라 시스템(10a)은 타이밍 검출기(300)에서 출력된 데이터를 수집 및 분석하고, 결과를 외부로 전송하거나 화면에 표시하는 컴퓨팅 장치(미도시)를 포함할 수 있으나, 컴퓨팅 장치는 별도로 구현될 수 있어서 설명 및 도면에서는 생략한다. 광 경로에 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium doped Fiber Amplifier, EDFA), 광 지연 라인(Optical Delay Line, ODL) 등이 추가될 수 있다.

타이밍 검출기(300)는 다양한 구조로 구현될 수 있다. 타이밍 검출기(300)는 예를 들면, 샤냑(Sagnac) 루프 간섭계를 이용한 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD) 등으로 구현될 수 있다.

서큘레이터(410)는 입력된 광 펄스를 센서 헤드(400a)로 전달하고, 센서 헤드(400a)에서 반사되어 돌아온 광 펄스를 타이밍 검출기(300)로 전달한다. 센서 헤드(400a)는 서큘레이터(410)로부터 전송된 광 펄스를 측정 대상(1)으로 입사하고, 측정 대상(1)의 표면에서 반사된 광 펄스를 다시 서큘레이터(410)로 출력한다.

펄스 레이저(100)는 광 펄스열을 출력한다. 펄스 레이저(100)는 모드 잠금 레이저(mode-locked laser, MLL)일 수 있다. 펄스 레이저(100)는 펨토초 스케일의 매우 짧은 광 펄스를 발생시키는 펨토초 레이저일 수 있으나, 레이저 종류는 달라질 수 있다. 펄스 레이저(100)에서 출력되는 광 펄스열은 커플러(미도시)에 의해 제1 광 펄스열(Pulse 1)과 제2 광 펄스열(Pulse 2)로 나누어진다. 제1 광 펄스열은 전기 펄스 생성기(200)로 입력되고, 제2 광 펄스열은 센서 헤드(400a)를 지난 후 타이밍 검출기(300)로 입력되도록 경로가 구성될 수 있다. 이때, 측정 대상(1)의 움직임에 의해 측정 지점의 변위(ΔL)가 발생하면, 측정 지점으로 입사되는 광 펄스가 비행 시간 변화(ΔTOF)를 경험한다.

전기 펄스 생성기(200)는 펄스 레이저(100)로부터 전송된 제1 광 펄스열(Pulse 1)을 입력받는다. 전기 펄스 생성기(200)는 광 펄스를 광전 변환하여 전기 펄스열을 출력한다. 전기 펄스는 광전류 펄스(Photocurrent pules)일 수 있다. 전기 펄스는 타이밍 검출기(300)로 입력되고, 비행 시간 변화를 검출하는 기준 신호로 사용된다. 여기서, 전기 펄스는 펄스 레이저(100)의 광 펄스열로부터 광전 변환된 신호이므로, 전기 펄스는 펄스 레이저(100)의 반복률(f_rep)에 이미 주파수 동기화되어 있다. 한편, 전기 펄스 대신, 전기 펄스로부터 추출된 정현파(sine wave)의 전기 신호가 타이밍 검출기(300)로 입력될 수 있다.

전기 펄스 생성기(200)는 광 신호를 전기 신호(전류 신호)로 변환하는 광전 소자를 포함한다. 광전 소자의 종류는 다양할 수 있고, 예를 들면, p-i-n 광다이오드(Photodiode, PD), UTC(uni-travelling-carrier)/MUTC(modified uni-travelling-carrier) 광다이오드 등이 사용될 수 있다.

타이밍 검출기(300)는 비행 시간 변화된 광 펄스열을 입력받고, 전기 펄스 생성기(200)로부터 전기 펄스열을 입력받는다. 타이밍 검출기(300)는 전광 샘플링 기반으로 광 펄스와 전기 펄스의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호(ΔV)를 출력한다. 타이밍 검출기(300)에서 출력되는 전기 신호는 측정 지점의 변위(ΔL)에 비례한다. 타이밍 검출기(300)는 시간에 따른 측정 지점의 변위(ΔL)를 실시간으로 출력할 수 있다. 타이밍 검출기(300)는 일시적이거나(transient), 비선형적인 기계적 움직임도 실시간으로 측정할 수 있다.

타이밍 검출기(300)는 전기 펄스의 특정 지점에 대한 광 펄스의 상대적 시간 위치(relative temporal position)를 검출함으로써, 광 펄스와 전기 펄스의 타이밍 오차를 계산할 수 있다. 이때, 타이밍 검출기(300)는 전기 펄스의 상승 에지(rising edge)에 대한 광 펄스의 타이밍을 검출할 수 있고, 상승 에지의 임의 지점이 상대적 시간 위치를 검출하는 기준 지점으로 사용될 수 있다. 특히, 선형적으로 사용할 수 있는 타이밍 영역이 상승 에지의 중간 지점에서 양방향으로 가장 넓기 때문에, 상승 에지의 중간 지점을 오차 검출의 기준이 되는 기준 지점으로 사용할 수 있다.

타이밍 검출기(300)의 출력인 전기 신호(ΔV)는 전기 펄스와 광 펄스 간의 상대적 시간 위치의 함수로 표현될 수 있다. 전기 펄스가 22GHz MUTC 광다이오드로부터 추출되는 광전류 펄스인 경우, 광 펄스는 40ps 이내의 광전류 펄스의 상승 에지에 대해 선형으로 스윕할 수 있다.

도 4는 다른 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템의 개략적인 구조도이다.

도 4를 참고하면, 초고속 카메라 시스템(10b)은 초고속 카메라 시스템(10a)의 전기 펄스 대신, 전압 제어 발진기(VCO)의 마이크로파 신호를 타이밍 검출기(300)의 기준 신호로 사용할 수 있다.

이를 위해, 초고속 카메라 시스템(10b)은 펄스 레이저(100), VCO(210), 타이밍 검출기(300), 그리고 센서 헤드(400a)가 연결되는 서큘레이터(410)를 포함한다. 그리고, 초고속 카메라 시스템(10b)은 VCO(210)를 펄스 레이저(100)에 동기화/주파수 잠금하기 위한 동기화용 타이밍 검출기(500)를 더 포함한다.

VCO(210)는 펄스 레이저(100) 외부의 독립된 신호원이다. 따라서, VCO(210)가 타이밍 검출기(300)로 광 펄스의 비행 시간 변화를 검출하는 기준 신호를 제공하기 위해, VCO(210)의 위상을 펄스 레이저(100)의 반복률에 동기화하는 것이 필요하다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 마이크로파의 영점 교차점을 펄스 레이저(100)의 광 펄스열에 동기화하는 회로는 다양하게 설계될 수 있다. 설명에서는 동기화용 타이밍 검출기(500)에 의해 VCO(210)가 펄스 레이저(100)에 동기화되는 것으로 설명한다.

동기화용 타이밍 검출기(500)는 펄스 레이저(100)의 제1 광 펄스열(Pulse 1)과 VCO(210)에서 출력되는 마이크로파 신호를 입력받는다. 동기화용 타이밍 검출기(500)는 마이크로파 신호와 제1 광 펄스열의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 출력한다. 이때, VCO(210)은 동기화용 타이밍 검출기(500)로부터 수신한 피드백 신호를 기초로 타이밍 오차를 보상하고, 제1 광 펄스열에 동기화된 기준 신호를 출력한다. 기준 신호의 주파수(f_o)는 광 펄스 반복률의 정수 배(n * f_rep)일 수 있다. 동기화용 타이밍 검출기(500)는 측정용인 타이밍 검출기(300)와 동일한 구조로 구현될 수 있으나, 반드시 동일할 필요는 없다.

타이밍 검출기(300)는 센서 헤드(400a)를 지나면서 비행 시간 변화된 광 펄스열을 입력받고, VCO(210)로부터 주파수 잠금된 마이크로파 신호를 기준 신호로 입력받는다. 타이밍 검출기(300)는 전광 샘플링 기반으로 광 펄스와 마이크로파 신호의 타이밍 오차를 계산한다. 이때, 타이밍 검출기(300)는 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호(ΔV)를 출력한다. 타이밍 검출기(300)에서 출력되는 전기 신호는 측정 지점의 변위(ΔL)에 비례한다.

도 5는 한 실시예에 따른 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기의 예시이다.

도 5를 참고하면, 타이밍 검출기(300)는 펄스 레이저(100)에 동기화된 기준 신호와 측정 대상(1)의 표면에서 반사되어 되돌아온 광 펄스를 입력받고, 기준 신호와 광 펄스의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 출력한다.

앞서 설명한 바와 같이, 타이밍 검출기(300)는 다양한 기술로 구현될 수 있는데, 예를 들면, 광 위상 검출기는 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(FLOM-PD)나, 3x3 커플러 기반 위상 검출기로 구현될 수 있다.

(a)를 참고하면, FLOM-PD로 구현된 타이밍 검출기(300a)는 루프 간섭계(310), 그리고 균형 광 검출기(balanced photodetector, BPD)(330)를 포함할 수 있다. 루프 간섭계(310)는 서큘레이터(311), 루프에 구현된 커플러(313), 전광 위상 변조기(Electro-optic phase modulator)(315), 그리고 사분파장(π/2) 바이어스 유닛(bias unit)(317)을 포함할 수 있다. 그리고, 타이밍 검출기(300)는 균형 광 검출기(balanced photodetector, BPD)(330)를 더 포함한다. 균형 광 검출기(BPD)(330)는 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트에서 출력되는 두 광 신호들을 입력받고, 두 광 신호들의 광 신호 세기의 차이를 전기 신호로 출력한다.

측정 대상의 표면에서 반사되어 되돌아온 광 펄스들은 타이밍 검출기(300a)로 입력된다. 입력된 광 펄스는 서큘레이터(311)를 지나 커플러(313)에 도달한다. 커플러(313)는 광 펄스의 파워를 반으로 나누어 두 개의 광 펄스를 생성한 뒤, 루프의 서로 다른 방향으로 전달한다.

전광 위상 변조기(315)는 기준 신호를 인가받고, 인가된 기준 신호의 순간 전압에 따라 제1 방향으로 순환하는 펄스의 위상을 변조한다. 기준 신호는 도 3의 전기 펄스 생성기(200)나 도 4의 VCO(210)에서 출력되는 전기 신호일 수 있다. 도 3에서 설명한 바와 같이, 광 펄스가 전기 신호의 선형 영역(예를 들면, 광전류 펄스의 상승 에지)에 위치할 때, 광 펄스와 상승 에지의 상대적인 타이밍과 순간 전압의 관계는 선형이 된다.

제1 방향으로 순환하는 펄스와 제2 방향으로 순환하는 펄스는 바이어스 유닛(317)을 지나면서 위상 차이가 π/2이 된다. 루프를 서로 다른 방향으로 순환하면서 위상 차이가 발생한 펄스들은 커플러(313)에서 합쳐지는데(combined), 이때 서로 다른 방향으로 순환한 펄스들 간에 간섭이 일어난다. 커플러(313)는 합쳐진 광 신호를 분리하고, 분리된 두 광 신호들(두 간섭 신호들)은 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트들로 출력된다. 분리된 두 광 신호는 균형 광 검출기(330)로 입력된다.

균형 광 검출기(330)로 입력되는 두 광 신호의 세기 차이(intensity difference)는 타이밍 검출기(300)로 입력된 광 펄스와 기준 신호의 타이밍 오차에 비례한다. 균형 광 검출기(330)는 두 개의 광 다이오드와 차동(differential) 증폭기를 통해, 두 광 다이오드로 들어온 광 신호의 세기 차이를 전기 신호(ΔV)로 변환할 수 있다. 이때, 기준 신호와 광 펄스의 타이밍 오차는 측정 지점에서의 비행 시간 변화(ΔTOF)/측정 지점의 변위(ΔL)에 비례하므로, 광 펄스와 기준 신호의 타이밍 오차에 비례한 전기 신호로부터 측정 대상의 움직임에 따른 측정 지점의 변위(ΔL)를 획득할 수 있다.

(b)를 참고하면, 타이밍 검출기(300b)는 타이밍 검출기(300a)와 유사하게, 균형 광 검출기(330)를 통해, 입력된 광 펄스와 기준 신호의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호를 출력한다. 다만, 타이밍 검출기(300b)는 타이밍 검출기(300a)와 달리, 바이어스 유닛(317)을 포함하지 않고, 3x3 커플러(320)와 전광 위상 변조기(315)로 구현되는 3x3 커플러 기반 위상 검출기일 수 있다. 타이밍 검출기(300b)는 non-reciprocal magneto-optic(자성광학) 소자인 바이어스 유닛(317)을 사용하지 않으므로, 칩에 집적될 수 있다.

도 6은 또 다른 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템의 개략적인 구조도이다.

도 6을 참고하면, 초고속 카메라 시스템(10c)은 여러 지점들의 움직임을 한꺼번에 고속, 고분해능으로 실시간 측정하기 위해, 빔 스캐너(beam scanner)를 포함하는 센서 헤드(400b)를 이용할 수 있다. 초고속 카메라 시스템(10c)은 초고속 카메라 시스템(10a)의 센서 헤드(400a)를 센서 헤드(400b)로 변경하여 구현할 수 있다. 도 6에서는 초고속 카메라 시스템(10a)의 센서 헤드(400a)를 센서 헤드(400b)로 변경한 초고속 카메라 시스템(10c)을 기재하였으나, 초고속 카메라 시스템(10c)의 센서 헤드(400a)를 센서 헤드(400b)로 변경하여도 무방하다.

센서 헤드(400b)는 광섬유 콜리메이터(fiber collimator)(420), 빔 스캐너(430), 그리고 렌즈(450)를 포함할 수 있다. 빔 스캐너(430)는 갈바노 빔 스캐너일 수 있다. 렌즈(450)는 대물렌즈일 수 있고, 빔 스캐너(430)에서 고속으로 스캐닝된 빔들을 측정 대상(3)으로 수직 입사하도록 초점 거리(focal length, f)가 맞춰진다.

서큘레이터(410)로부터 센서 헤드(400b)의 광섬유 콜리메이터(420)로 입력된 광 펄스열은 빔 스캐너(430)에 의해 측정 대상(3)의 여러 지점들로 빠르게 입사되고, 측정 대상(3)의 표면의 여러 지점들에서 반사된 광 펄스열들은 광섬유 콜리메이터(420)에서 다시 수집된다. 센서 헤드(400b)를 통과한 광 펄스열들은 서큘레이터(410)를 통해 타이밍 검출기(300)로 전달된다.

초고속 카메라 시스템(10a) 또는 초고속 카메라 시스템(10b)과 마찬가지로, 초고속 카메라 시스템(10c)의 타이밍 검출기(300)는 비행 시간 변화된 광 펄스열들을 입력받고, 전기 펄스 생성기(200)나 VCO(210)로부터 기준 신호를 입력받는다. 타이밍 검출기(300)는 전광 샘플링 기반으로 광 펄스와 기준 신호의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호(ΔV)를 출력하는데, 전기 신호는 측정 지점들의 변위(ΔL) 또는 비행시간 변화(ΔTOF)에 해당한다. 초고속 카메라 시스템(10c)은 높이 및/또는 반사율(ρ1, ρ2, ρ3)이 다른 복수의 대상들에서의 비행시간 변화를 측정하여, 3차원 형상을 이미징할 수 있다. 초고속 카메라 시스템(10c)은 각 대상에서 반사되어 돌아온 광 파워의 일부를 이용하여 실시간으로 민감도 교정을 해서, 반사율이 다른 대상들에서 비행시간 정보만 추출할 수 있다.

초고속 카메라 시스템(10c)은 빔 스캐너(430)를 통해, 스캐닝 범위에 포함된 측정 대상(3)의 여러 지점들의 움직임이나 형상을 한꺼번에 측정할 수 있다. 특히, 초고속 카메라 시스템(10c)은 복잡한 구조의 측정 대상(3)이 움직이더라도, 측정 대상(3)의 움직임을 고속 및 고분해능으로 실시간 측정할 수 있다. 초고속 카메라 시스템(10c)은 측정 대상(3)의 3차원 표면 형상 이미징(3D surface profile imaging)에 사용될 수 있다.

도 7부터 도 9는 또 다른 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템의 개략적인 구조도이다.

도 7을 참고하면, 초고속 카메라 시스템(10d)은 여러 지점들의 움직임을 한꺼번에 고속, 고분해능으로 실시간 측정하기 위해, 파장분할다중화기(wavelength division multiplexer, WDM)를 포함하는 센서 헤드(400c)를 이용할 수 있다.

초고속 카메라 시스템(10d)은 초고속 카메라 시스템(10a) 또는 초고속 카메라 시스템(10b)의 센서 헤드(400a)를 센서 헤드(400c)로 변경하고, 타이밍 검출기(300)를 다채널 타이밍 검출기(300c)로 변경하여 구현할 수 있다.

센서 헤드(400c)는 파장분할다중화기(470) 그리고 채널별 광섬유 콜리메이터(420)를 포함할 수 있다. 파장분할다중화기(470)는 입력된 광 펄스열을 스펙트럼 영역에서 좁은 대역폭으로 분할하고, 파장 분할된 서브 펄스들 각각은 채널별 광섬유 콜리메이터(420)로 전달된다.

측정 대상(5)의 표면에서 반사된 서브 펄스들은 대응하는 채널별 광섬유 콜리메이터(420)에서 다시 수집된다. 채널별 광섬유 콜리메이터(420)로 되돌아온 서브 펄스들은 파장분할다중화기(470)에서 다중화되고, 다중화된 광 신호는 서큘레이터(410)를 통해 타이밍 검출기(300c)로 전달된다.

다채널 타이밍 검출기(300c)는 다중화된 광 신호를 입력받고, 전기 펄스 생성기(200)나 VCO(210)로부터 기준 신호를 입력받는다. 다채널 타이밍 검출기(300c)는 다중화된 광 신호에 포함된 서브 펄스들 각각의 타이밍 오차를 검출한다.

다채널 타이밍 검출기(300c)는 복수의 균형 광 검출기들(BPDs)을 이용하여, 서브 펄스들 각각의 타이밍 오차를 검출할 수 있다. 즉, 다채널 타이밍 검출기(300c)는 입력받은 광 신호를 서로 다른 방향으로 순환시킨 후, 루프 간섭계의 두 출력 포트 각각으로 간섭 신호를 출력한다. 그리고, 다채널 타이밍 검출기(300c)는 루프 간섭계에서 출력된 각 간섭 신호를 파장분할하고, 파장분할된 광 신호들을 대응하는 균형 광 검출기의 입력 포트로 전달할 수 있다.

센서 헤드(400c)가 t시점에, 측정 대상(5)의 x축 방향의 x₁부터 x_n+2의 지점들로 서브 펄스들을 입사하는 경우, 초고속 카메라 시스템(10d)은 측정 대상(5)의 x축 방향의 움직임을 한꺼번에 고속, 고분해능으로 실시간 측정할 수 있다. 시간에 따라, x축 지점들의 변위들(ΔLs)이 다채널 타이밍 검출기(300c)에서 출력될 수 있다.

센서 헤드(400c)는 측정 목적에 맞게 다음과 같이 다양하게 설계 변경될 수 있다.

도 8의 (a)를 참고하면, 센서 헤드(400d)는 파장분할다중화기(470) 그리고 채널별 광섬유 콜리메이터(420)를 포함하되, 채널별 광섬유 콜리메이터가 2차원으로 설치될 수 있다. 도 7의 초고속 카메라 시스템(10d)에서, 센서 헤드(400c) 대신, 센서 헤드(400d)가 사용될 수 있다. 센서 헤드(400d)가 결합된 초고속 카메라 시스템은, 측정 대상의 움직임이나 3차원 형상을 한꺼번에 고속, 고분해능으로 실시간 측정할 수 있다.

도 8의 (b)를 참고하면, 센서 헤드(400e)는 파장분할다중화기(470) 그리고 2차원으로 설치된 채널별 광섬유 콜리메이터(420)를 포함하되, 각 광섬유 콜리메이터에 빔 스캐너(430)를 추가로 결합할 수 있다. 도 7의 초고속 카메라 시스템(10d)에서, 센서 헤드(400c) 대신, 센서 헤드(400e)가 사용될 수 있다. 센서 헤드(400e)가 결합된 초고속 카메라 시스템은, 측정 대상의 움직임이나 3차원 형상을 한꺼번에 고속, 고분해능으로 실시간 측정할 수 있다.

도 9를 참고하면, 센서 헤드(400f)는 서브 펄스들을 생성하고 다중화하는 파장분할다중화기(470a, 470b), 콜리메이터(420), 빔의 편광 방향을 일정 각도로 변경하는 파장판(480), 파장분산기(490), 그리고 렌즈(450)를 포함할 수 있다. 파장판(480)은 빛의 편광 방향을 90도 변화시키는 반파장판(half-wave plate, HWP)일 수 있다. 도 7의 초고속 카메라 시스템(10d)에서, 센서 헤드(400c) 대신, 센서 헤드(400f)가 사용될 수 있다.

파장분할다중화기(470a)는, 도 7의 서큘레이터(410)로부터 광 펄스열을 입력받고, 입력된 광 펄스열을 스펙트럼 영역에서 좁은 대역폭으로 파장 분할한다. 파장 분할된 서브 펄스들 각각은 파장분할다중화기(470b)에서 다중화되어 콜리메이터(420)로 입력된다.

파장분할다중화기(470b)에서 다중화된 광 신호는 콜리메이터(420), 파장판(480)을 거쳐, 파장분산기(490)에 도달한다. 파장분산기(490)는 회절 격자(grating)나 프리즘(prism) 등으로 구현될 수 있는 분광 유닛이다. 파장분산기(490)는 광 신호의 파장을 일차원 공간으로 분산시킨다.

파장분산기(490)에서 파장에 따라 일정 각도로 분산된 서브 펄스들은 렌즈(450)를 통해 측정 대상(7)으로 수직 입사할 수 있다. 렌즈(450)는 파장분산기(490)에서 분산된 서브 펄스들을 측정 대상(7)으로 수직 입사하도록 초점 거리(focal length, f)가 맞춰진다.

측정 대상(7)의 표면에서 반사된 서브 펄스들은 파장분산기(490), 파장판(480), 콜리메이터(420)를 지나 파장분할다중화기(470b)에 도달한다. 파장분할다중화기(470b)는 반사된 서브 펄스들을 파장분할다중화기(470a)로 전달하고, 파장분할다중화기(470a)는 반사된 서브 펄스들을 다중화하여, 서큘레이터(410)로 전달한다.

서큘레이터(410)는 센서 헤드(400f)로부터 수신한 광 신호를 도 7의 다채널 타이밍 검출기(300c)로 전달한다. 다채널 타이밍 검출기(300c)는 다중화된 광 신호에 포함된 서브 펄스들 각각의 전기 신호(ΔV)를 출력할 수 있다. 전기 신호는 서브 펄스와 기준 신호의 타이밍 오차에 비례하는 값으로서, 측정 지점들의 변위(ΔL) 또는 비행시간 변화(ΔTOF)에 해당한다.

파장분산기(490)에서 측정 대상(7)으로 입사하는 n개의 파장들(λ_1, λ_2,…,λ_n), 그리고 해당 파장의 분산 각도에 따라 측정되는 n개의 지점들(p₁, p₂,…, p_n)의 관계가 정해져 있다. 따라서, 컴퓨팅 장치(미도시)는 n개 파장들로 분할된 서브 펄스들이 측정 대상(7)에서 반사되는 지점들(p₁, p₂,…, p_n)을 알고 있고, 서브 펄스들 각각의 전기 신호를 기초로 지점들(p₁, p₂,…, p_n)에서의 변위(ΔL) 또는 비행시간 변화(ΔTOF)를 계산할 수 있다.

도 10은 한 실시예에 따른 다채널 타이밍 검출기의 예시이다.

도 10을 참고하면, 다채널 타이밍 검출기(300c)는 도 5에서 설명한 타이밍 검출기(300a, 300b)와 다르게, 채널별 균형 광 검출기(330-1, 330-2,…, 330-n)를 포함한다. 다채널 타이밍 검출기(300c)는 루프에서 출력된 제1 광 신호를 n개의 채널(파장)별로 분할하는 제1 역다중화기(De-Mux)(WDM1)(350), 루프에서 출력된 제2 광 신호를 n개의 채널별로 분할하는 제2 역다중화기(WDM2)(352), 그리고 각 채널의 균형 광 검출을 위한 균형 광 검출기들(330-1, 330-2,…, 330-n)을 포함한다.

예를 들어, 다채널 타이밍 검출기(300c)가 도 5의 (a)와 같이 루프 간섭계(311)를 포함하는 경우, 측정 대상의 표면에서 반사되어 되돌아온 서브 펄스들이 다중화된 광 신호는 서큘레이터(311)를 지나 커플러(313)에 도달한다. 커플러(313)는 광 신호의 파워를 반으로 나누어 두 개의 광 신호를 생성한 뒤, 루프의 서로 다른 방향으로 전달한다. 전광 위상 변조기(315)와 사분파장 바이어스 유닛(317)를 서로 다른 방향으로 순환하면서 위상 차이가 발생한 두 광 신호들은 커플러(313)에서 합쳐진다. 커플러(313)는 합쳐진 광 신호를 분리하고, 분리된 두 광 신호들을 출력한다. 출력된 두 광 신호들 각각은 제1 역다중화기(350)와 제2 역다중화기(352)로 입력된다.

제1 역다중화기(350)와 제2 역다중화기(352)는 센서 헤드에서 분할된 파장들에 대응하는 채널들로, 입력된 광 신호를 분할한다. 제1 역다중화기(350)와 제2 역다중화기(352)에서 분할된 각 채널의 광 신호들은, 각 채널의 균형 광 검출기들(330-1, 330-2,…, 330-n)로 입력된다. 각 균형 광 검출기는 두 개의 광 다이오드로 제1 역다중화기(350)와 제2 역다중화기(352)에서 분할된 해당 채널의 광 신호들을 입력받는다. K번째 채널의 균형 광 검출기는 두 개의 광다이오드로 입력된 두 광 신호 세기 차이에 해당하는 전기 신호(ΔV_k)를 출력할 수 있다.

도 11과 도 12는 한 실시예에 따른 초고속 카메라 시스템의 변위 측정 성능을 나타내는 그래프이다.

도 11을 참고하면, 본 발명의 초고속 카메라 시스템이, 다양하게 변조(예를 들면, 125MHz 및 220nm, 20kHz 및 60nm, 6Hz 및 5nm)되고 있는 변위를 고속으로 실시간 측정할 수 있음을 보여주는 그래프이다. 오른쪽 그래프는 시간에 따른 변위를 주파수에 따른 진폭으로 푸리에 변환한 것이다.

도 12를 참고하면, 본 발명의 초고속 카메라 시스템은, 큰 동적 변위와 고속 변위를 실시간 측정할 수 있음을 보여주는 그래프이다. 오른쪽 그래프는 A, B, C 지점을 확대한 그래프이다.

다음에서, 광 펄스를 파장에 따라 분산하여 라인(line) 단위로, 움직임 또는 형상을 고속, 고분해능, 실시간으로 측정하는 초고속 카메라 시스템을 설명한다.

도 13과 도 14 각각은 또 다른 실시예에 따른 파장 분산 기반 초고속 카메라 시스템의 개략적인 구조도이다.

먼저, 도 13을 참고하면, 초고속 카메라 시스템(10e)은 광 펄스를 파장 스펙트럼에 해당하는 일차원 공간으로 분산하고, 반사된 광 스펙트럼 정보를 통해, 표면의 측정 라인(line)의 움직임 또는 형상을 한 번에 측정할 수 있다. 이를 위해, 초고속 카메라 시스템(10e)은 펄스 레이저(100), 연속적 타이밍 검출기(300d), 연속적 타이밍 검출기(300d)로 기준 신호를 제공하는 기준 신호 생성기(600), 서큘레이터(410), 그리고 센서 헤드(400g)를 포함할 수 있다. 기준 신호 생성기(600)는 도 3의 전기 펄스 생성기(200)로 구현되고, 전기 펄스를 기준 신호로 출력할 수 있다. 또는 기준 신호 생성기(600)는 도 4의 VCO(210) 및 동기화용 타이밍 검출기(500)로 구현될 수 있고, 레이저에 동기화/주파수 잠금(frequency-locked)된 VCO(210)의 마이크로파 신호를 출력할 수 있다.

서큘레이터(410)는 펄스 레이저(100)에서 출력된 광 펄스를 센서 헤드(400g)로 전달하고, 센서 헤드(400g)에서 반사되어 돌아온 광 펄스를 연속적 타이밍 검출기(300d)로 전달한다. 센서 헤드(400g)는 서큘레이터(410)로부터 전송된 광 펄스를 측정 대상(9)으로 입사하고, 측정 대상(9)의 표면에서 반사된 광 신호를 다시 서큘레이터(410)로 출력한다.

센서 헤드(400g)는 콜리메이터(420), 빔의 편광 방향을 일정 각도로 변경하는 파장판(480), 파장분산기(490), 그리고 렌즈(450)를 포함할 수 있다. 파장판(480)은 빛의 편광 방향을 90도 변화시키는 반파장판(half-wave plate, HWP)일 수 있다.

파장분산기(490)는 입력된 광 펄스(빔)를 파장에 따른 각도로 분산하고, 분산된 파장 신호들은 렌즈(450)를 통해 측정 대상(9)으로 수직 입사된다. 이때, 파장분산기(490)에서 파장 신호들이 연속적으로 분산되고, 연속적으로 분산된 파장 신호들이 도달하는 연속적인 지점들이 라인을 형성할 수 있다. 파장분산기(490)에서 분산되는 파장 스펙트럼과 일차원 공간의 위치 정보가 대응되어 있다. 측정 대상(9)의 측정 라인에서 반사된 파장 스펙트럼의 신호들은 파장분산기(490), 파장판(480), 그리고 콜리메이터(420)를 지나, 서큘레이터(410)로 입력된다.

연속적 타이밍 검출기(300d)는 반사된 광 신호를 입력받고, 광 신호에 포함된연속적인 파장 신호들의 타이밍 오차에 해당하는 신호 세기를 출력한다.

연속적 타이밍 검출기(300d)는 다양한 구조로 구현될 수 있다. 예를 들면, 연속적 타이밍 검출기(300d)는 기준 신호 생성기(600)의 기준 신호를 입력받고 두 간섭 신호들을 출력하는 도 5의 루프 간섭계(310)를 포함할 수 있다. 그리고, 연속적 타이밍 검출기(300d)는 하나의 스펙트럼 측정기(700), 그리고 루프 간섭계(310)의 출력 신호들 중 적어도 하나를 스펙트럼 측정기(700)로 입력하는 광 스위치(800)를 포함할 수 있다. 광 스위치(800)와 스펙트럼 측정기(700)는 동기화되어 있다고 가정한다.

스펙트럼 측정기(700)는 입력 신호의 파장 스펙트럼에 따른 신호 세기를 측정하는 장치들로 구성될 수 있다. 스펙트럼 측정기(700)는 상용 광 스펙트럼 분석기(Optical spectrum analyzer)를 사용할 수 있고, 또는, 도 16과 같이 파장분산기와 라인 스캔 카메라(line scan camera)의 조합으로 제작될 수 있다. 연속적 타이밍 검출기(300d)는 입력된 광 신호의 스펙트럼에서 측정된 신호 세기를 출력할 수 있다. 파장 스펙트럼과 일차원 공간의 위치 정보가 대응되어 있으므로, 특정 파장에서의 신호 세기로부터 특정 위치의 변위나 비행 시간 변화를 알 수 있다.

연속적 타이밍 검출기(300d)에 포함된 루프 간섭계(310), 광 스위치(800), 그리고 스펙트럼 측정기(700)의 연결 관계는 다양하게 설계될 수 있다.

한 실시예에 따르면, 광 스위치(800)는 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트들에서 출력되는 신호들을 스위칭하여 스펙트럼 측정기(700)로 입력할 수 있다. 광 스위치(800)는 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트의 출력 신호들을 번갈아서 스펙트럼 측정기(700)로 입력하고, 스펙트럼 측정기(700)는 각 입력 신호의 스펙트럼 세기(intensity)를 측정할 수 있다. 그리고 연속적 타이밍 검출기(300d)에 포함된 컴퓨팅 장치(미도시)가 광 스위치(800)의 스위칭 주기 동안, 스펙트럼 측정기(700)에서 측정된 두 신호 세기의 차이를 출력할 수 있다. 두 신호 세기의 차이가 타이밍 오차/비행시간변화에 해당한다. 이 경우, 단일 포인트 측정에 사용된 도 5의 균형 광 검출기(BPD)(330)와 같이, 광 신호 세기의 잡음을 억제할 수 있다. 광 스위치(800)의 스위칭을 통해, 초고속 카메라 시스템(10e)은 스펙트럼 측정기(700)의 최대 이미징 속도의 절반 속도로 측정 대상을 이미징할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 연속적 타이밍 검출기(300d)는 광 스위치(800)를 이용하여 광 파워 보정을 할 수 있다(도 17 참조). 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스가 센서를 통과한 후 연속적 타이밍 검출기에서 측정되는 과정에서, 편광 회전을 비롯한 다양한 원인으로 광 파워가 변할 수 있다. 그러면, 광 파워 변화로 인해, 위상 검출기에서 검출되는 신호가 위상 오차를 제대로 반영하지 못하게 되고, 민감도가 낮아진다. 이를 해결하기 위해, 광 스위치(800)는 입력 신호들을 번갈아 가면서 스펙트럼 측정기(700)로 제공하는데, 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트 중 어느 한 포트의 신호, 그리고 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 일부 신호(예를 들면, 5% 탭핑)를 입력받을 수 있다. 스펙트럼 측정기(700)는 루프 간섭계(310)의 출력 신호가 입력되면, 비행 시간 변화 정보를 포함하는 신호 세기(TOF 신호 세기)를 측정할 수 있다. 또한, 스펙트럼 측정기(700)는 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 신호 세기를 측정할 수 있다. 연속적 타이밍 검출기(300d)에 포함된 컴퓨팅 장치(미도시)는 스펙트럼 측정기(700)에서 측정된 신호 세기를 획득할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 신호 세기를 기초로, TOF 신호 세기의 광 파워 보정에 필요한 보정 값을 계산할 수 있다. 보정 값은 기준 광 파워와 센서에서 돌아온 광 파워의 비율일 수 있다. 컴퓨팅 장치는 스펙트럼 측정기(700)에서 측정된 TOF 신호 세기에 보정 값을 곱해서 광 파워 변화를 보정하고, 이를 통해 광 파워 변화로 인한 민감도가 교정된 신호 세기를 최종 출력할 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 연속적 타이밍 검출기(300d)는 2x1 광 스위치(800) 대신에, 3x1 광 스위치(미도시)를 사용할 수 있다. 3x1 광 스위치는 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트들에서 출력되는 신호들, 그리고 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 일부 신호(예를 들면, 5% 탭핑)를 입력받을 수 있고, 3개의 신호를 스위칭해서 스펙트럼 측정기(700)로 입력할 수 있다. 이를 통해, 연속적 타이밍 검출기(300d)는 광 신호 세기의 잡음 억제와 광 파워 변화로 인한 민감도 교정을 모두 할 수 있다. 이 경우, 초고속 카메라 시스템(10e)은 스펙트럼 측정기(700)의 최대 이미징 속도의 1/3 속도로 측정 대상을 이미징할 수 있다.

한편, 도 14를 참고하면, 초고속 카메라 시스템(10f)은 도 13의 연속적 타이밍 검출기(300d) 대신에, 두 대의 스펙트럼 측정기들(700-1, 700-2)을 포함하는 연속적 타이밍 검출기(300e)로 구현될 수 있다.

연속적 타이밍 검출기(300e)는 도 5의 루프 간섭계(310), 그리고 두 대의 스펙트럼 측정기들(700-1, 700-2)을 포함할 수 있다.

한 실시예에 따르면, 루프 간섭계(310)에서 출력된 두 간섭 신호들 각각이 스펙트럼 측정기들(700-1, 700-2)로 입력될 수 있다. 그리고, 초고속 카메라 시스템(10f)에 포함된 컴퓨팅 장치(미도시)가 두 스펙트럼 측정기들(700-1, 700-2)에서 출력된 측정 신호들의 세기 차이를 출력할 수 있다. 이때, 두 스펙트럼 측정기들(700-1, 700-2)은 같은 광 신호에 대해 동일한 신호 세기를 출력하도록 서로 교정되어 있어서, 초고속 카메라 시스템(10f)은 스펙트럼 측정기(700)의 최대 이미징 속도로 측정 대상을 이미징할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 광 파워 보정을 위해, 스펙트럼 측정기를 사용할 수 있다(도 18 및 도 19 참조). 스펙트럼 측정기(700-1)는 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트 중 어느 한 포트의 신호를 입력받고, 다른 스펙트럼 측정기(700-2)는 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 일부 신호(예를 들면, 5% 탭핑)를 입력받을 수 있다. 스펙트럼 측정기(700-1)는 루프 간섭계(310)의 출력 신호가 입력되면, 비행 시간 변화 정보를 포함하는 신호 세기(TOF 신호 세기)를 측정할 수 있다. 또한, 스펙트럼 측정기(700-2)는 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 신호 세기를 측정할 수 있다. 연속적 타이밍 검출기(300e)에 포함된 컴퓨팅 장치(미도시)는 스펙트럼 측정기(700-2)에서 측정된 신호 세기로부터 TOF 신호 세기의 광 파워 보정에 필요한 보정 값을 계산하고, 스펙트럼 측정기(700-1)에서 측정된 TOF 신호 세기에 보정 값을 곱해서 민감도가 교정된 신호 세기를 최종 출력할 수 있다. 보정 값은 기준 광 파워와 센서에서 돌아온 광 파워의 비율일 수 있다.

센서 헤드(400g)에서, 대물렌즈인 렌즈(450)의 배율이나, 파장분산기(490)의 밀도를 조절하면, 빔의 길이나 두께를 조절할 수 있다. 이를 통해, 높은 공간 분해능을 제공할 수 있다.

도 15는 또 다른 실시예에 따른 파장 분산 기반 초고속 카메라 시스템의 3차원 이미징을 위한 구조도이다.

도 15를 참고하면, 도 13의 초고속 카메라 시스템(10e) 또는 도 14의 초고속 카메라 시스템(10f)에서, 1차원 이미징용 센서 헤드(400g)는 3차원 이미징용 센서 헤드(400h)로 변경될 수 있다.

3차원 이미징용 센서 헤드(400h)는 콜리메이터(420), 파장판(480), 파장분산기(490), 렌즈(450)를 포함하고, 측정 라인(예를 들면, x축 방향)을 지정된 방향(예를 들면, y축 방향)으로 이동시키는 빔 스캐너(430)를 더 포함할 수 있다. 빔 스캐너(430)는 예를 들면, 갈바노 빔 스캐너일 수 있고, 예를 들면, y축 방향으로 1차원 스캐닝(1-D scan)하도록 설정될 수 있다.

3차원 이미징용 센서 헤드(400h)는 파장 스펙트럼으로 분산된 파장 신호들을 라인 단위로 이동시킬 수 있다. 따라서, 3차원 이미징용 센서 헤드(400h)가 연결된 초고속 카메라 시스템(10e)이나 초고속 카메라 시스템(10f)은 라인 단위로 측정 대상을 스캐닝하여 3차원 형상을 이미징한다. 따라서, 3차원 이미징용 센서 헤드(400h)를 사용하는 경우, 유한한 지점들에서 반사된 신호들로 3차원 형상을 이미징하는 방법에 비해 빠르게 3차원 이미징을 할 수 있다.

또는, 초고속 카메라 시스템(10e)/초고속 카메라 시스템(10f)은 센서 헤드(400g)를 사용하되, 빔 스캐너(430) 대신 측정 대상을 움직일 수 있다. 자동 스테이지(Motorized stage)에 놓인 측정 대상이 지정된 방향(예를 들면, y축 방향)으로 움직여서, 초고속 카메라 시스템(10e)이나 초고속 카메라 시스템(10f)이 라인 단위로 측정 대상을 스캐닝하여 3차원 형상을 이미징할 수 있다.

도 16은 한 실시예에 따른 스펙트럼 측정기의 예시이다.

도 16을 참고하면, 스펙트럼 측정기(700)는 다양하게 구현될 수 있는데, 예를 들면, 회절 격자와 라인 스캔 카메라(line scan camera)의 조합으로 제작될 수 있다.

구체적으로, 스펙트럼 측정기(700)는 콜리메이터(710), 파장판(720), 렌즈들(730, 740), 파장분산기(750), 렌즈(760), 그리고 라인 스캔 카메라(770)를 포함할 수 있다. 라인 스캔 카메라는 광다이오드 어레이를 포함할 수 있다. 라인 스캔 카메라(770)는 파장분산기(750)에서 분산된 파장 신호들의 세기를 측정하고, 파장 스펙트럼에 따른 신호 세기를 출력할 수 있다.

도 17부터 도 19 각각은 광 파워 보정을 제공하는 파장 분산 기반 초고속 카메라 시스템의 예시이다.

도 17을 참고하면, 도 13의 초고속 카메라 시스템(10e)은 루프 간섭계(310), 하나의 스펙트럼 측정기(700) 그리고 광 스위치(800)를 포함하는 연속적 타이밍 검출기(300d)를 통해, 샘플에서 반사된 광 스펙트럼 정보를 측정할 수 있다. 이때, 도 3의 전기 펄스 생성기(200)가 루프 간섭계(310)로 기준 신호를 제공하고, 3차원 이미징용 센서 헤드(400h)가 결합될 수 있다.

연속적 타이밍 검출기(300d)에 포함된 광 스위치(800)는 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트 중 어느 한 포트의 신호, 그리고 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 일부 신호(예를 들면, 5% 탭핑)를 입력받을 수 있다. 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트 중 어느 한 포트의 신호는 예를 들면, 전광 샘플링 기반 타이밍 검출기(Electro-Optic Sampling based timing detector, EOS-TD)의 출력일 수 있다. 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 일부 신호는 파워 탭핑된 신호일 수 있다.

스펙트럼 측정기(700)는 광 스위치(800)에 의해 스위칭되는 신호를 입력받고, 광 스펙트럼에서 입력 신호의 세기를 측정한다. 즉, 스펙트럼 측정기(700)는 루프 간섭계(310)의 출력 신호가 입력되면, 비행 시간 변화 정보를 포함하는 신호 세기(TOF 신호 세기)를 측정할 수 있다. 또한, 스펙트럼 측정기(700)는 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 신호 세기를 측정할 수 있다.

컴퓨팅 장치(900)는 스펙트럼 측정기(700)에서 측정된 신호 세기를 입력받는다. 컴퓨팅 장치(900)는 광 파워 보정에 필요한 기준 파워를 저장하고, 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 신호 세기와 기준 파워의 비율을 광 파워 보정에 필요한 보정 값으로 계산할 수 있다.

컴퓨팅 장치(900)는 스펙트럼 측정기(700)에서 측정된 TOF 신호 세기에 보정 값을 곱해서 민감도가 교정된 신호 세기를 최종 출력할 수 있다.

도 18을 참고하면, 도 14의 초고속 카메라 시스템(10f)은 루프 간섭계(310) 그리고 두 스펙트럼 측정기들(700-1, 700-2)를 포함하는 연속적 타이밍 검출기(300e) 를 통해, 샘플에서 반사된 광 스펙트럼 정보를 측정할 수 있다. 이때, 도 3의 전기 펄스 생성기(200)가 루프 간섭계(310)로 기준 신호를 제공하고, 3차원 이미징용 센서 헤드(400h)가 결합될 수 있다.

스펙트럼 측정기(700-1)는 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트 중 어느 한 포트의 신호를 입력받고, 비행 시간 변화 정보를 포함하는 신호 세기(TOF 신호 세기)를 측정할 수 있다.

다른 스펙트럼 측정기(700-2)는 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 일부 신호(예를 들면, 5% 탭핑)를 입력받고, 루프 간섭계(310)로 입력되기 전의 신호 세기를 측정할 수 있다.

컴퓨팅 장치(900)는 두 스펙트럼 측정기들(700-1, 700-2) 각각에서 측정된 신호 세기를 동시에 획득할 수 있다. 컴퓨팅 장치(900)는 광 파워 보정에 필요한 기준 파워를 저장하고, 스펙트럼 측정기(700-2)에서 측정된 신호 세기와 기준 파워의 비율을 광 파워 보정에 필요한 보정 값으로 계산할 수 있다. 컴퓨팅 장치(900)는 스펙트럼 측정기(700-1)에서 측정된 TOF 신호 세기에 보정 값을 곱해서 민감도가 교정된 신호 세기를 최종 출력할 수 있다.

도 19를 참고하면, 도 14의 초고속 카메라 시스템(10f)은 루프 간섭계(310) 그리고 두 스펙트럼 측정기들(700-1, 700-2)를 포함하는 연속적 타이밍 검출기(300e) 를 통해, 샘플에서 반사된 광 스펙트럼 정보를 측정할 수 있다. 이때, 도 4의 VCO(210)가 루프 간섭계(310)로 기준 신호를 제공하고, 3차원 이미징용 센서 헤드(400h)가 결합될 수 있다.

도 18과 마찬가지로, 스펙트럼 측정기(700-1)는 루프 간섭계(310)의 두 출력 포트 중 어느 한 포트의 신호를 입력받고, 비행 시간 변화 정보를 포함하는 신호 세기(TOF 신호 세기)를 측정할 수 있다.

도 20은 한 실시예에 따른 컴퓨팅 장치의 하드웨어 구성도이다.

도 20을 참고하면, 컴퓨팅 장치(900)는 적어도 하나의 프로세서(910), 프로세서(910)에 의하여 수행되는 컴퓨터 프로그램을 로드하는 메모리(930), 컴퓨터 프로그램 및 각종 데이터를 저장하는 저장 장치(950), 데이터를 송수신하는 통신 인터페이스(970), 그리고 이들을 연결하는 버스(990)를 포함할 수 있다. 이외에도, 컴퓨팅 장치(900)는 다양한 구성 요소가 더 포함될 수 있다.

프로세서(910)는 컴퓨팅 장치(900)의 동작을 제어하는 장치로서, 컴퓨터 프로그램에 포함된 명령어들을 처리하는 다양한 형태의 프로세서일 수 있고, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), GPU(Graphic Processing Unit) 또는 본 개시의 기술 분야에 잘 알려진 임의의 형태의 프로세서 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

메모리(930)는 각종 데이터, 명령 및/또는 정보를 저장한다. 메모리(930)는 본 개시의 동작을 실행하도록 기술된 명령어들이 프로세서(910)에 의해 처리되도록 해당 컴퓨터 프로그램을 저장 장치(950)로부터 로드할 수 있다. 메모리(930)는 예를 들면, ROM(read only memory), RAM(random access memory) 등 일 수 있다.

저장 장치(950)는 컴퓨터 프로그램, 각종 데이터를 비임시적으로 저장할 수 있다. 저장 장치(950)는 ROM(Read Only Memory), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리, 하드 디스크, 착탈형 디스크, 또는 본 개시가 속하는 기술 분야에서 잘 알려진 임의의 형태의 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 포함하여 구성될 수 있다.

통신 인터페이스(970)는 유/무선 통신을 지원하는 유/무선 통신 모듈일 수 있다.

버스(990)는 컴퓨팅 장치(900)의 구성 요소 간 통신 기능을 제공한다.

컴퓨터 프로그램은, 프로세서(910)에 의해 실행되는 명령어들(instructions)을 포함하고, 비일시적-컴퓨터 판독가능 저장매체(non-transitory computer readable storage medium)에 저장되며, 명령어들은 프로세서(910)가 본 개시의 동작을 실행하도록 만든다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크를 통해 다운로드되거나, 제품 형태로 판매될 수 있다.

MEMS에서 사용하는 캔틸레버와 같은 구조체는 첫 공진주파수가 수 kHz 이상이고 크기에 따라 MHz 이상인 경우도 존재하고, 움직임의 진폭이 크고 속도가 빠르기 때문에 종래에는 이러한 구조체의 비선형 움직임을 정확하게 분석하기 어려웠다. 하지만, 본 개시의 초고속 카메라 시스템들은 캔틸레버와 같은 구조체의 움직임이나 형상 정보를, 고속, 고분해능, 실시간으로 측정할 수 있다.

캔틸레버와 같은 일차원 구조체의 비선형 움직임 분석이나, 반도체 구조의 정확한 형상 측정을 위해서는 마이크로미터 이상의 비교적 긴 측정 거리 성능이 필요하다. 또한 고속으로 움직이는 구조체의 움직임을 분석하거나 고속으로 반도체 구조를 분석하기 위해서는 고분해능 성능을 고속 측정 상황에서 구현할 수 있어야 한다. 본 개시의 초고속 카메라 시스템들은 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기를 타이밍 검출기로 사용하므로, 수 밀리미터 이상의 측정 거리 성능을 갖고, 동시에 나노미터 수준의 분해능 성능을 킬로헤르츠 이상의 고속 측정에서 구현할 수 있다. 따라서, 본 개시의 초고속 카메라 시스템들은 고속에서 고분해능 측정이 가능하고, 측정할 수 있는 최대 거리가 길어서, 구조체의 비선형 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있다.

리소그래피 기술의 발전으로 반도체 장치의 집적성이 향상되고 있어서, 복잡한 패턴의 집적회로를 정확하고 빠르게 검수할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 본 개시의 초고속 카메라 시스템들은 반도체 장치에 손상을 가하지 않고 깊이와 형상을 빠르게 측정할 수 있기 때문에, 여러 반도체 검수 공정에 사용될 수 있다. 또한 본 개시의 초고속 카메라 시스템들은 선박, 자동차 등에 사용되는 다양한 철골 구조의 생산 공정에서 작은 흠집 등을 검사하기 위해 사용될 수 있고, 철강 표면의 결함을 빠르고 정확하게 측정함으로써, 완성품의 부식을 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 개시의 초고속 카메라 시스템들은 측정 대상의 3차원 형상을 고속, 고분해능, 실시간으로 측정할 수 있다. 본 개시의 초고속 카메라 시스템들은 반도체 공정 및 검수, 대구경 광학계 표면 측정 등의 3차원 형상 측정에 이용할 경우, 기존의 한 지점씩 측정하는 방식보다 스캐닝 과정이 크게 줄어들어 더욱 빠르게 3차원 형상을 측정할 수 있다.

특히, 초고속 카메라 시스템(10e, 10f)은 라인 방향으로 분산된 광 스펙트럼 정보를 한번에 수집할 수 있으므로, 유한한 서브 펄스들을 이용하는 것보다 더 빠르게 일차원 구조체의 움직임이나 형상 정보를 측정할 수 있다. 초고속 카메라 시스템(10e, 10f)은 별도의 빔 스캐닝 장치 없이 라인의 움직임이나 형상을 한 번에 측정할 수 있기 때문에, 구성이 간단하고, 기계적 움직임이 적어 정렬에 덜 민감할 수 있다.

초고속 카메라 시스템(10e, 10f)은 광 스펙트럼 정보를 원샷(one-shot)으로 측정할 수 있기 때문에 레이저의 반복률에 준하는 초고속 측정을 할 수 있다.

초고속 카메라 시스템(10e, 10f)은 스펙트럼 측정기(700)의 빔을 확대하거나, 파장분산기(750)의 밀도나 라인 스캔 카메라(770)를 구성하는 광다이오드 어레이의 밀도를 높여서 공간 분해능을 높일 수 있다. 초고속 카메라 시스템(10e, 10f)은 파장 분해능에 해당하는 파장간 간격을 줄여서, 빔 크기보다 작은 복잡한 구조체를 측정할 수 있다. 센서 헤드에서, 대물렌즈의 배율이나, 파장분산기의 밀도를 조절하여 파장 분해능을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 초고속 카메라 시스템(10e, 10f)에서, 빔의 크기, 스캔 방식, 측정 속도를 조절할 수 있어서, 마이크로 단위의 미세한 반도체 칩의 형상 측정부터, 산업용 철강의 흠집 검사까지 활용 범위가 매우 넓다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

초고속 카메라 시스템으로서,
입력된 펄스 레이저의 광 펄스열을 측정 대상의 표면으로 입사하고, 상기 표면에서 반사되어 들어온 광 신호를 출력하는 센서 헤드, 그리고,
상기 센서 헤드를 통과한 후 비행 시간이 변화된 상기 광 신호를 입력받고, 상기 광 신호와 기준 신호의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 출력하는 타이밍 검출기를 포함하는,
초고속 카메라 시스템.
제1항에서,
상기 센서 헤드는
광 경로에 배치된 빔 스캐너를 통해, 입력된 광 펄스열을 고속 스캐닝하여 상기 측정 대상의 복수의 지점들로 입사하고, 상기 복수의 지점들에서 반사되어 들어온 광 신호를 출력하는, 초고속 카메라 시스템.
제1항에서,
상기 센서 헤드는
광 경로에 배치된 파장분할다중화기를 통해, 입력된 광 펄스열을 파장분할하여 서브 펄스들을 생성하고, 상기 서브 펄스들을 상기 측정 대상의 서로 다른 지점들로 입사하고, 상기 서로 다른 지점들에서 반사되어 들어온 서브 펄스들을 다중화한 광 신호를 출력하는, 초고속 카메라 시스템.
제3항에서,
상기 타이밍 검출기는
입력된 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호 각각을 상기 서브 펄스들에 대응하는 채널들로 파장 분할한 후, 채널별 균형 광 검출기를 통해 각 서브 펄스의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 출력하는, 초고속 카메라 시스템.
제1항에서,
상기 센서 헤드는
광 경로에 배치된 파장분할다중화기를 통해, 입력된 광 펄스열을 파장분할하여 서브 펄스들을 생성하고, 파장 분산기를 이용하여 상기 서브 펄스들을 파장에 해당하는 각도로 분산시켜 상기 측정 대상의 서로 다른 지점들로 입사하고, 상기 서로 다른 지점들에서 반사되어 들어온 서브 펄스들을 다중화한 광 신호를 출력하는, 초고속 카메라 시스템.
제1항에서,
상기 타이밍 검출기는
상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호의 세기 차이를 균형 광 검출하며,
상기 두 간섭 신호의 세기 차이는 상기 광 신호와 상기 기준 신호의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호로 출력되는, 초고속 카메라 시스템.
제1항에서,
상기 타이밍 검출기는
광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 또는 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD)로 구현되는, 초고속 카메라 시스템.
제1항에서,
상기 펄스 레이저에 동기화된 상기 기준 신호를 출력하는 기준 신호원을 더 포함하고,
상기 기준 신호원은
상기 펄스 레이저의 광 펄스열을 광전 변환하여 광전류 펄스(Photocurrent pules)를 상기 기준 신호로 생성하는 전기 펄스 생성기, 또는
상기 펄스 레이저의 광 펄스열에 의해 주파수 잠금된 마이크로파 신호를 상기 기준 신호로 생성하는 전압 제어 발진기를 포함하는, 초고속 카메라 시스템.
제1항에서,
상기 타이밍 검출기에서 출력되는 상기 전기 신호는 상기 측정 대상의 변위(displacement) 또는 비행 시간 변화에 비례하는, 초고속 카메라 시스템.
초고속 카메라 시스템으로서,
펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 파장 분할하여 서브 펄스들을 생성하는 파장분할다중화기,
상기 서브 펄스들을 측정 대상의 지점들로 입사하고, 상기 지점들에서 반사된 서브 펄스들을 상기 파장분할다중화기로 전달하는 콜리메이터들, 그리고
상기 파장분할다중화기로부터 상기 반사된 서브 펄스들이 다중화된 광 신호를 입력받고, 상기 광 신호에 포함된 서브 펄스들과 기준 신호의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호들을 출력하는 타이밍 검출기
를 포함하는, 초고속 카메라 시스템.
제10항에서,
상기 타이밍 검출기는
입력된 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호 각각을 상기 서브 펄스들에 대응하는 채널들로 파장 분할한 후, 채널별 균형 광 검출기를 통해 각 서브 펄스의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 출력하는, 초고속 카메라 시스템.
초고속 카메라 시스템으로서,
펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열을 파장 분할하여 서브 펄스들을 생성하는 파장분할다중화기,
상기 파장분할다중화기에서 생성된 상기 서브 펄스들을 분산시키는 파장 분산기,
상기 파장 분산기에서 파장에 해당하는 각도로 분산된 상기 서브 펄스들을 측정 대상으로 수직 입사시키는 렌즈,
측정 대상의 지점들에서 반사된 서브 펄스들이 다중화된 광 신호를 입력받고, 상기 광 신호에 포함된 서브 펄스들과 기준 신호의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호들을 출력하는 타이밍 검출기를 포함하고,
상기 측정 대상의 지점들에서 반사된 서브 펄스들은 상기 렌즈, 상기 파장 분산기, 그리고 상기 파장분할다중화기를 거쳐 상기 타이밍 검출기로 입력되는, 초고속 카메라 시스템.
제12항에서,
상기 타이밍 검출기는
입력된 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호 각각을 상기 서브 펄스들에 대응하는 채널들로 파장 분할한 후, 채널별 균형 광 검출기를 통해 각 서브 펄스의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 출력하는, 초고속 카메라 시스템.
초고속 카메라 시스템으로서,
펄스 레이저의 광 펄스열을 파장 스펙트럼으로 분산시키는 파장 분산기,
상기 파장 스펙트럼으로 분산된 연속된 파장 신호들을 측정 라인에 수직 입사시키는 렌즈,
상기 측정 라인에서 상기 연속된 파장 신호들이 반사된 광 신호를 입력받고, 상기 광 신호에 포함된 상기 연속적인 파장 신호들과 기준 신호의 타이밍 오차를 상기 파장 스펙트럼에서의 신호 세기로 출력하는 타이밍 검출기를 포함하고,
상기 연속된 파장 신호들이 반사된 광 신호는 상기 렌즈와 상기 파장 분산기를 거쳐 상기 타이밍 검출기로 입력되는, 초고속 카메라 시스템.
제14항에서,
상기 타이밍 검출기는
입력받은 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호들을 출력하는 루프 간섭계,
상기 두 간섭 신호를 번갈아 가면서 스펙트럼 측정기로 입력하는 광 스위치,
상기 광 스위치로부터 번갈아 가면서 입력된 각 간섭 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 상기 스펙트럼 측정기, 그리고
상기 광 스위치의 스위칭 주기 동안, 상기 스펙트럼 측정기에서 측정된 두 측정 신호들의 세기 차이를 출력하는 컴퓨팅 장치
를 포함하는, 초고속 카메라 시스템.
제14항에서,
상기 타이밍 검출기는
입력받은 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호들을 출력하는 루프 간섭계,
상기 두 간섭 신호 중 지정된 제1 신호, 그리고 상기 루프 간섭계로 입력되기 전의 제2 신호를 번갈아 가면서 스펙트럼 측정기로 입력하는 광 스위치,
상기 광 스위치에 의해 입력된 각 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 상기 스펙트럼 측정기, 그리고
상기 스펙트럼 측정기에서 측정된 상기 제2 신호의 세기와 기준 광 파워의 비율인 광 파워 보정값을 계산하고, 상기 제1 신호의 세기를 상기 광 파워 보정값으로 보정한 신호 세기를 출력하는 컴퓨팅 장치
를 포함하는, 초고속 카메라 시스템.
제14항에서,
상기 타이밍 검출기는
입력받은 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호들을 출력하는 루프 간섭계,
상기 두 간섭 신호 중 제1 간섭 신호를 입력받고, 상기 제1 간섭 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 제1 스펙트럼 측정기,
상기 두 간섭 신호 중 제2 간섭 신호를 입력받고, 상기 제2 간섭 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 제2 스펙트럼 측정기, 그리고
상기 제1 스펙트럼 측정기 및 상기 제2 스펙트럼 측정기에서 측정된 두 측정 신호들의 세기 차이를 출력하는 컴퓨팅 장치
를 포함하는, 초고속 카메라 시스템.
제14항에서,
상기 타이밍 검출기는
입력받은 상기 광 신호가 나뉘어져 서로 다른 방향으로 순환하는 루프에서 상기 광 신호를 상기 기준 신호로 변조하고, 상기 루프를 순환한 신호들의 간섭으로 생성된 두 간섭 신호들을 출력하는 루프 간섭계,
상기 두 간섭 신호 중 지정된 제1 신호를 입력받고, 상기 제1 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 제1 스펙트럼 측정기,
상기 루프 간섭계로 입력되기 전의 제2 신호를 입력받고, 상기 제2 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 제2 스펙트럼 측정기,
상기 제2 스펙트럼 측정기에서 측정된 상기 제2 신호의 세기와 기준 광 파워의 비율인 광 파워 보정값을 계산하고, 상기 제1 신호의 세기를 상기 광 파워 보정값으로 보정한 신호 세기를 출력하는 컴퓨팅 장치
를 포함하는, 초고속 카메라 시스템.
제14항에서,
상기 측정 라인을 상기 측정 라인에 수직인 방향으로 이동시키는 빔 스캐너를 더 포함하는, 초고속 카메라 시스템.
제19항에서,
상기 타이밍 검출기는
상기 빔 스캐너에 의해 이동된 측정 라인들의 신호 세기를 출력하고,
상기 측정 라인들의 신호 세기는 측정 대상의 3차원 형상 이미징에 사용되는, 초고속 카메라 시스템.
제14항에서,
상기 타이밍 검출기는
측정 라인 단위로 상기 파장 스펙트럼에서의 신호 세기를 출력하는, 초고속 카메라 시스템.
제14항에서,
상기 펄스 레이저의 광 펄스열을 광전 변환하여 광전류 펄스(Photocurrent pules)를 상기 기준 신호로 생성하는 전기 펄스 생성기
를 더 포함하는, 초고속 카메라 시스템.
제14항에서,
상기 펄스 레이저의 광 펄스열에 의해 주파수 잠금된 마이크로파 신호를 상기 기준 신호로 생성하는 전압 제어 발진기를 더 포함하는, 초고속 카메라 시스템.
제14항에서,
상기 타이밍 검출기는
입력된 각 신호를 상기 파장 스펙트럼으로 분산한 후, 분산된 연속된 파장 신호들의 신호 세기를 측정하는 적어도 하나의 스펙트럼 측정기를 포함하고,
상기 스펙트럼 측정기는
회절 격자와 라인 스캔 카메라(line scan camera)로 구성되는, 초고속 카메라 시스템.