KR20230145838A - 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치 및 방법 - Google Patents

광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 레이저 빔의 진폭을 변조하여 변조된 빔을 출력하는 제1 진폭 변조기, 상기 변조된 빔을 측정 빔과 기준 빔으로 나누는 커플러, 상기 기준 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 제2 진폭 변조기, 상기 측정 빔이 타겟에 반사된 측정 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 제3 진폭 변조기, 및 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호와 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호 간의 위상 지연을 측정하는 위상 측정기를 포함한다.

Description

광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치 및 방법{OPTICAL-MICROWAVE MIXING BASED AMPLITUDE MODULATION LASER DISTANCE METER AND MEASURING METHOD}
본 발명은 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
길이의 SI(국제단위계) 단위인 '미터(Meter)'는 기본 물리 상수 중 하나인 빛의 속도를 이용해 빛이 진공에서 1/299792458초 동안 진행한 경로의 길이로 정의한다. 이러한 빛의 속도에 근거한 미터의 정의에 따라, 빛이 진행한 시간을 측정하면 빛이 진행한 길이를 결정할 수 있다. 빛이 공기 중에서 진행한 시간을 t d라고 할 때, 빛이 진행한 길이 L은 간단히 수학식 1로 표현될 수 있다.
여기서, c0는 진공에서의 빛의 속도이며, n air은 공기 굴절률이다. 공기 굴절률은 진공 상태에서도 큰 차이가 없기 때문에 나노미터 수준의 매우 정밀한 측정이 아닌 경우에는 일반적으로 1로 가정하여 사용한다.
빛이 진행한 시간 t d는 다양한 방식으로 측정될 수 있다. 그 중에서 매우 정밀하게 빛이 진행한 시간을 측정하는 방법 중 대표적으로 레이저 간섭계(Laser Interferometer)를 들 수 있다. 레이저 간섭계는 잘 정의된 파장의 빛이 기준 경로와 측정 경로를 진행한 뒤 생성된 간섭 신호를 통해 기준 경로와 측정 경로에 의한 위상 지연을 측정하는 방법으로 나노미터 수준의 높은 길이 측정 정밀도를 구현할 수 있다. 하지만 조화파 형태의 간섭 신호 위상은 두 경로 사이의 광경로차가 파장의 정수배가 될 때마다 위상이 반복되는 위상 모호성 문제가 발생한다. 예를 들면, 600 nm의 파장을 갖는 레이저 간섭계에서는 광 경로차가 파장의 정수배인 600 nm, 1200 nm, 1800 nm 등인 경우 간섭 신호가 동일한 위상 정보를 갖기 때문에 같은 간섭 신호를 얻게 된다. 이와 같은 제약으로 인해 레이저 변위 간섭계는 위상 모호성이 생기지 않는 작은 변위들의 측정을 통해 연속적으로 간섭 신호의 위상 정보를 누적하여 길이 정보를 획득해야 한다. 따라서 긴 거리 측정, 고속 측정, 환경 변화가 커서 측정 중 간섭 신호를 잃을 수 있는 조건에서의 측정 등에 쉽게 활용하기에는 현실적으로 어려움이 많다. 이와 같은 문제를 극복하기 위해 최근 새롭게 각광받는 주파수 안정화된 광 빗(Optical Comb)을 이용한 절대 거리 측정법도 다양하게 제안되어 왔지만, 주파수 안정화를 위한 설비의 복잡함과 운용 및 엄격한 환경 제어의 어려움으로 인해 실험실 단위에서 극히 제한적으로 구현되고 있다.
빛이 진행한 시간을 측정할 수 있는 또 다른 방법 중 간단한 구성으로 인해 널리 사용되는 방법이 비행시간법(Time-of-Flight)이다. 이는 빛이 진행한 시간을 직접 측정하기 때문에 레이저 간섭계에서 발생하는 위상 모호성 문제없이 간단하게 긴 길이도 측정할 수 있다. 예를 들면, 빛이 진행한 시간이 1 μs일 때, 수학식 1에 의해 빛이 진행한 길이는 약 300 m가 된다. 하지만, 아무리 고성능의 시간 검출 회로를 사용하더라도 시간 측정 분해능이 수 ps 수준이기 때문에 길이 측정 정밀도 및 측정 가능한 최소 길이가 수 mm에 불과하다. 예를 들어, 1 mm 수준의 길이에서는 빛이 진행한 시간 자체가 약 3.3 ps로 매우 짧아 시간 검출 회로의 측정 분해능보다 짧기 때문에 일반적인 시간 검출 회로로는 측정 자체가 불가능할 수 있다. 이와 같은 기술적 한계로 비행시간법은 정밀공학분야보다는 수십만 km 수준의 초 장거리 측정이 요구되는 우주 분야에서만 아주 제한적으로 사용되고 있다.
정밀공학분야 대형 산업인 조선, 항공, 자동차 등에서 주로 요구되는 미터 영역의 길이에서 마이크로미터 내외의 정밀도를 구현할 수 있는 길이 측정 방법 중 비교적 간단한 구성으로 안정적으로 사용할 수 있는 광 변조 기반 길이 측정 방법이 있다. 광 변조 기반의 길이 측정 방법은 변조 대상에 따라 크게 진폭 변조(Amplitude Modulation) 방식과 주파수 변조(Frequency Modulation) 방식으로 나눌 수 있다. 광 변조 기반 길이 측정은 빛이 진행한 시간 t d를 간접적으로 측정하지만, 단순 비행시간법 방식보다 높은 측정 정밀도를 보여준다.
진폭 변조 기반 길이 측정은 시간 축에서 일정한 진폭 변조 주파수 f m 를 갖는 정현파를 생성하여 기준 위치와 측정 위치에서부터 돌아온 정현파 간의 위상 지연(Φ)을 측정하여 빛이 진행한 시간 t d를 구하는 방식이다. 정현파의 공기 중 파장(Λ air = c 0/n air f m )을 이용하여 길이 L을 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
수학식 1과 수학식 2는 같은 길이를 표현한 식이므로 앞서 정의한 빛이 진행한 시간 t d는 정현파의 위상 지연과 수학식 3과 같은 관계를 갖는다.
진폭 변조 기반 길이 측정에서 빛이 진행한 시간의 측정 정밀도는 위상 측정 정밀도에 비례하고, 변조 주파수에 반비례하게 된다. 일반적으로 널리 활용되는 변조 주파수 대역에서 정현파의 위상 지연은 0.1°(또는 1.7 mrad) 이하의 정밀도로 측정이 가능하다. 위상 측정기가 동작하는 범위에서 정현파의 위상 지연의 측정 정밀도는 변조 주파수와 상관없이 일정한 값을 갖기 때문에, 빛이 진행한 시간의 측정 정밀도를 향상시키기 위해서는 높은 변조 주파수를 사용하여 정현파의 파장(Λ air )을 짧게 만들어야 한다. 하지만, 높은 변조 주파수에 상응하는 짧은 정현파 파장으로 위상 모호성 없이 측정 가능한 영역(Non-Ambiguity Range) 역시 짧아지는 단점이 있다.
일반적으로 빛이 왕복한 경로를 측정하여 길이를 구하기 때문에 대기 중 파장의 절반에 해당하는 길이가 위상 모호성 없이 측정 가능한 영역이 된다. 높은 변조 주파수를 사용하여 높은 거리 측정 정밀도를 얻으면서 동시에 긴 거리를 측정하기 위해서는 변조 주파수에 변화를 주어 정밀도는 낮더라도 대략적인 길이를 측정하여 위상 모호성 문제를 해결하는 방법이 활용된다. 즉, 변조 주파수를 Δf m 만큼 변화를 주게 되면, 이에 상응하는 추가적인 파장(Λcoarse = c0/n airΔf m )을 생성할 수 있다. 이와 같이, 추가적으로 생성된 파장은 변조 주파수(f m ) 자체에 비해 상대적으로 훨씬 작은 변조 주파수 변화량(Δf m )에 의해 생성되기 때문에 위상 모호성 없이 측정 가능한 길이가 아주 큰 값을 갖는다. 이를 활용하여 수학식 4와 같이 대략적인 길이(L coarse)를 측정하여 일반적인 진폭 변조 기반 길이 측정에서 생기는 위상 모호성 문제를 해결할 수 있다.
예를 들면, 변조 주파수가 3 GHz인 진폭 변조 기반 길이 측정 기술은 위상 모호성 없이 측정할 수 있는 최대 측정 영역이 0.1 m에 불과하지만, 0.1°의 위상 검출 분해능을 갖는 위상 측정기를 활용하면 약 30 μm의 높은 측정 정밀도를 얻을 수 있다. 위상 모호성 없이 측정할 수 있는 최대 측정 영역인 0.1 m 이상의 길이를 측정하기 위해 변조 주파수를 3 GHz에서 3.001 GHz로 1 MHz 만큼 변화를 주면서 위상 변화량을 측정하면, 변조 주파수 변화량에 의해 생성되는 파장은 300 m에 이르며, 그 파장 이내에서는 위상 모호성 없이 수학식 4에 의해 대략적인 길이를 결정할 수 있다. 물론 300 m 파장으로 측정한 길이의 측정 불확도는 최소한 3 GHz의 변조 주파수로 생성된 파장인 0.1 m를 구별할 수 있어야 한다.
최근에는 진폭 변조 기반 길이 측정에서 더 높은 정밀도를 얻기 위해 10 GHz 이상의 고주파수 대역의 마이크로파를 사용하고 있다. 이런 고주파수 대역의 마이크로파는 너무 빠르기 때문에 위상 지연을 정밀하게 측정하기에 실제로 많은 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 전자적으로 슈퍼헤테로다인 검출 기법(Super-Heterodyne Detection Method)을 통해 GHz 대역의 높은 주파수를 정밀한 위상 측정이 보다 용이한 kHz 혹은 MHz 대역으로 낮춰 위상 지연을 측정한다. 하지만 이러한 다양한 주파수 대역의 신호를 처리하는 아날로그 전자 회로들은 입력 신호의 세기와 동작 온도 등에 따라 잡음, 비선형성과 같은 다양한 오차가 발생하는 문제점이 보고되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전자적인 주파수 낮춤 방식의 단점을 극복할 수 있는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 레이저 빔의 진폭을 변조하여 변조된 빔을 출력하는 제1 진폭 변조기, 상기 변조된 빔을 측정 빔과 기준 빔으로 나누는 커플러, 상기 기준 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 제2 진폭 변조기, 상기 측정 빔이 타겟에 반사된 측정 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 제3 진폭 변조기, 및 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호와 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호 간의 위상 지연을 측정하는 위상 측정기를 포함한다.
상기 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 상기 제1 진폭 변조기가 소정의 진폭 및 주파수를 갖는 마이크로파를 생성할 수 있도록 상기 제1 진폭 변조기를 구동하는 제1 RF 합성기를 더 포함할 수 있다.
상기 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 상기 제2 진폭 변조기 및 상기 제3 진폭 변조기의 마이크로파 주파수 하향 변환을 구동하는 제2 RF 합성기를 더 포함할 수 있다.
상기 커플러는 상기 제2 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 광섬유를 통해 상기 기준 빔을 상기 제2 진폭 변조기로 직접 전달할 수 있다.
상기 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 상기 제3 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 커플러로부터 전달받은 상기 측정 빔을 시준기를 통해 출사되도록 하고, 상기 광섬유를 통해 상기 측정 빔을 상기 제3 진폭 변조기로 전달하는 서큘레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 상기 제2 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호를 생성하여 상기 위상 측정기에 전달하는 제1 광검출기, 및 상기 제3 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호를 생성하여 상기 위상 측정기에 전달하는 제2 광검출기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 소정의 진폭 주파수를 갖는 마이크로파를 측정 빔과 기준 빔으로 나누는 커플러, 상기 기준 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 제1 진폭 변조기, 상기 측정 빔이 타겟에 반사된 측정 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 제2 진폭 변조기, 및 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호와 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호 간의 위상 지연을 측정하는 위상 측정기를 포함한다.
상기 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 상기 제1 진폭 변조기 및 상기 제2 진폭 변조기의 마이크로파 주파수 하향 변환을 구동하는 RF 합성기를 더 포함할 수 있다.
상기 커플러는 상기 제1 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 광섬유를 통해 상기 기준 빔을 상기 제1 진폭 변조기로 직접 전달할 수 있다.
상기 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 상기 제2 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 커플러로부터 전달받은 상기 측정 빔을 시준기를 통해 출사되도록 하고, 상기 광섬유를 통해 상기 측정 빔을 상기 제2 진폭 변조기로 전달하는 서큘레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 상기 제1 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호를 생성하여 상기 위상 측정기에 전달하는 제1 광검출기, 및 상기 제2 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호를 생성하여 상기 위상 측정기에 전달하는 제2 광검출기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 방법은 제1 진폭 변조기를 이용하여 레이저 빔의 진폭을 변조하여 변조된 빔을 출력하는 단계, 커플러를 이용하여 상기 변조된 빔을 측정 빔과 기준 빔으로 나누는 단계, 제2 진폭 변조기를 이용하여 상기 기준 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 단계, 제3 진폭 변조기를 이용하여 상기 측정 빔이 타겟에 반사된 측정 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 단계, 및 위상 측정기를 이용하여 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호와 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호 간의 위상 지연을 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 방법은 커플러를 이용하여 소정의 진폭 주파수를 갖는 마이크로파를 측정 빔과 기준 빔으로 나누는 단계, 제1 진폭 변조기를 이용하여 상기 기준 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 단계, 제2 진폭 변조기를 이용하여 상기 측정 빔이 타겟에 반사된 측정 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 단계, 및 위상 측정기를 이용하여 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호와 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호 간의 위상 지연을 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치는 광학적으로 빔(기준 빔, 측정 빔)의 주파수를 낮춘 후 광검출기로 낮은 주파수의 신호를 획득하며, 선형 소자들로만 주파수 헤테로다인(heterodyne)을 수행하기 때문에 신호 크기에 따른 비선형 위상 지연이 발생하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치의 성능을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치를 통합된 칩으로 구현한 일 예를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 명세서 전체에서, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치(100)는 레이저 소스(110), 제1 진폭 변조기(intensity modulator)(121), 제2 진폭 변조기(122), 제3 진폭 변조기(123), 제1 RF 합성기(synthesizer)(131), 제2 RF 합성기(132), 커플러(coupler)(140), 서큘레이터(circulator)(150), 시준기(collimator)(160), 제1 광검출기(171), 제2 광검출기(172) 및 위상 측정기(phase meter)(180)를 포함할 수 있다.
레이저 소스(110)는 고주파 대역의 레이저 빔(beam)을 생성하여 광섬유를 통해 제1 진폭 변조기(121)로 인가할 수 있다. 레이저 소스(110)는 광섬유를 공진기로 이용하는 광섬유 레이저 다이오드(fiber laser diode)를 포함할 수 있다. 광섬유 레이저 다이오드의 광출력은 10 mW이고 중심 파장은 1.53 μm일 수 있다.
제1 진폭 변조기(121)는 레이저 소스(110)와 광섬유로 연결되어 있으며, 레이저 빔의 진폭을 변조하여 출력한다. 제1 진폭 변조기(121)는 9.993 mm의 모호성 거리에 해당하는 15 GHz에서 구동되어 레이저 빔의 진폭을 변조할 수 있다.
제1 RF 합성기(131)는 제1 진폭 변조기(121)가 소정의 진폭 주파수(f IM)를 갖는 마이크로파를 생성할 수 있도록 제1 진폭 변조기(121)를 구동할 수 있다. 제1 RF 합성기(131)는 제1 진폭 변조기(121)를 구동하기 위하여 길이 표준에 대한 직접적인 추적성을 제공하는 10-13의 주파수 불확실성을 갖는 세슘 원자 시계를 참조할 수 있다.
커플러(140)는 제1 진폭 변조기(121)와 광섬유로 연결되어 있으며, 변조된 빔을 측정 빔과 기준 빔으로 나눌 수 있다. 커플러(140)는 변조된 빔을 9:1 분할 비율로 측정 빔과 기준 빔으로 나눌 수 있다. 커플러(140)는 서큘레이터(150) 및 제2 진폭 변조기(122)와 광섬유로 연결되어 있으며, 광섬유를 통해 변조된 빔의 90%인 측정 빔을 서큘레이터(150)에 전달하고, 광섬유를 통해 변조된 빔의 10%인 기준 빔을 제2 진폭 변조기(122)로 직접 전달할 수 있다.
서큘레이터(150)는 제3 진폭 변조기(123) 및 시준기(160)와 광섬유 연결되어 있다. 서큘레이터(150)는 커플러(140)로부터 전달받은 측정 빔을 광섬유를 통해 시준기(160)로 전달하고, 시준기(160)를 통해 측정 빔이 자유 공간으로 출사될 수 있다. 측정 빔이 타겟(200)에 반사된 후 측정 빔은 시준기(160)를 통해 서큘레이터(150)로 전달되고, 서큘레이터(150)는 광섬유를 통해 측정 빔을 제3 진폭 변조기(123)로 전달할 수 있다.
제2 RF 합성기(132)는 제2 진폭 변조기(122) 및 제3 진폭 변조기(123)의 마이크로파 주파수 하향 변환을 구동할 수 있다. 제2 진폭 변조기(122) 및 제3 진폭 변조기(123)는 14.99991GHz(f IM -Δf IM)에서 구동될 수 있으며, 기준 빔 및 측정 빔의 주파수는 모두 위상 지연(θ)을 정확하게 측정할 수 있는 90 kHz(Δf IM)로 주파수 하향 변환될 수 있다. 이때, 위상 정보는 유지되며 15 GHz 변조된 신호는 90 kHz로 주파수 하향 변환될 수 있다.
제2 진폭 변조기(122)는 제1 광검출기(171)와 광섬유로 연결되어 있으며, 기준 빔을 주파수 하향 변환하여 제1 광검출기(171)에 전달할 수 있다. 제2 진폭 변조기(122)는 기준 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 역할을 한다.
제3 진폭 변조기(123)는 제2 광검출기(172)와 광섬유로 연결되어 있으며, 측정 빔을 주파수 하향 변환하여 제2 광검출기(172)에 전달할 수 있다. 제3 진폭 변조기(123)는 측정 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 역할을 한다.
제1 광검출기(171)는 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 전기적 신호인 기준 신호를 생성하여 위상 측정기(180)에 전달할 수 있다. 제2 광검출기(172)는 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 전기적 신호인 측정 신호를 생성하여 위상 측정기(180)에 전달할 수 있다. 제1 광검출기(171) 및 제2 광검출기(172)는 포토다이오드(photo diode)를 포함할 수 있다. 포토다이오드는 반드시 고속 포토다이오드일 필요는 없다. 제1 광검출기(171) 및 제2 광검출기(172)는 대역폭이 300 kHz인 포토다이오드를 이용할 수 있다.
위상 측정기(180)는 기준 신호와 측정 신호 간의 위상 지연을 측정하여 목표 거리를 산출할 수 있다. 위상 측정기(180)는 488 Hz의 샘플링 속도로 목표 거리의 절대값을 결정할 수 있다. 위상 측정기(180)는 모호성 범위를 벗어난 목표 거리에 대해 주파수 쓸기(frequency sweeping) 방법으로 결정할 수 있다.
목표 거리는 기본적으로 기준 경로 및 측정 경로에서 진폭 변조된 두 신호 사이의 위상 지연(θ)에 의해 결정된다. 진폭 주파수(f IM)는 모호성 범위(L NAR=c/2n air f IM)를 결정한다. 여기서, c는 진공에서 빛의 속도이고 n air는 공기의 굴절률이다. 공기의 굴절률은 그 변동이 무시할 수 있을 정도로 낮기 때문에 측정하는 동안 상수로 가정된다. 목표 거리(L)는 단순히 L=(M+θ/2π)×L NAR 관계에 의해 결정될 수 있다. 여기서, M은 정수이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 광학적으로 빔(기준 빔, 측정 빔)의 주파수를 낮춘 후 광검출기로 낮은 주파수의 신호를 획득하며, 선형 소자들로만 주파수 헤테로다인(heterodyne)을 수행하기 때문에 신호 크기에 따른 비선형 위상 지연이 발생하지 않는다.
반면, 기준 빔 및 측정 빔을 광검출기를 통해 전자적 신호로 변환한 후 RF 믹서(mixer)(마이크로파 믹서)와 같은 전자회로적으로 주파수를 낮추어 위상을 측정하는 기존의 경우에는 비선형 소자인 RF 믹서에 의해 입력 신호 크기에 따른 추가적인 비선형 위상 지연이 발생하여 거리 측정 오차에 큰 영향을 주게 되며, 입력 신호의 크기에 따라 발생하는 위상 오차가 항상 일정하지 않아 교정을 하기에도 어려운 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치의 성능을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, RF 믹서와 같은 전자회로적으로 주파수를 낮추는 기존의 방식에서는 측정 과정에서 측정 신호의 큰 진폭 변동이 발생하면 진폭-위상 변환이 심각한 측정 오류를 발생시켜 추가적인 사후 프로세스를 통한 교정이 필요하다. 비선형 소자인 마이크로파 믹서를 사용한 주파수 하향 변환은 비가역적인 위상 변이(shift)로 인해 수백 마이크로미터 규모의 측정 오차를 유발할 수 있다.
진폭 의존적 위상 변이를 조사하기 위해 광 경로 변화가 없는 광학 조리개에 의해 포토다이오드의 진폭이 1 mV에서 150 mV로 변경되는 동안 고정된 거리에서 위상을 측정한다. 예시한 바와 같이, 광다이오드의 진폭이 20 dB 이상 변화하는 동안 측정된 위상의 평균값은 큰 이동 없이 보존된다. 본 발명의 실시예와 같이 광학적으로 빔(기준 빔, 측정 빔)의 주파수를 낮춘 후 광검출기로 낮은 주파수의 신호를 획득하는 방식은 기존의 마이크로파 믹서를 사용한 방식에 비해 환경 변화에 대해 더욱 강인함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전체 광섬유 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 방법은 변조된 신호의 위상 정보가 특히 차원 계측과 관련하여 중요한 경우에 유용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치를 통합된 칩으로 구현한 일 예를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치(100)는 환경 변화에도 강인한 단순한 전체 섬유 구조(all-fiber structure)이고, 모든 구성 요소는 CMOS 호환 실리콘 포토닉스의 현재 기술을 통해 구현될 수 있으므로, 예시한 바와 같이 완전히 통합된 칩 크기의 LIDAR 시스템으로 실제 구현될 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치
110: 레이저 소스
121: 제1 진폭 변조기
122: 제2 진폭 변조기
123: 제3 진폭 변조기
131: 제1 RF 합성기
132: 제2 RF 합성기
140: 커플러
150: 서큘레이터
160: 시준기
171: 제1 광검출기
172: 제2 광검출기
180: 위상 측정기

Claims (13)

  1. 레이저 빔의 진폭을 변조하여 변조된 빔을 출력하는 제1 진폭 변조기;
    상기 변조된 빔을 측정 빔과 기준 빔으로 나누는 커플러;
    상기 기준 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 제2 진폭 변조기;
    상기 측정 빔이 타겟에 반사된 측정 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 제3 진폭 변조기; 및
    주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호와 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호 간의 위상 지연을 측정하는 위상 측정기를 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 진폭 변조기가 소정의 진폭 주파수를 갖는 마이크로파를 생성할 수 있도록 상기 제1 진폭 변조기를 구동하는 제1 RF 합성기를 더 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 진폭 변조기 및 상기 제3 진폭 변조기의 마이크로파 주파수 하향 변환을 구동하는 제2 RF 합성기를 더 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 커플러는 상기 제2 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 광섬유를 통해 상기 기준 빔을 상기 제2 진폭 변조기로 직접 전달하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 커플러로부터 전달받은 상기 측정 빔을 시준기를 통해 출사되도록 하고, 상기 광섬유를 통해 상기 측정 빔을 상기 제3 진폭 변조기로 전달하는 서큘레이터를 더 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호를 생성하여 상기 위상 측정기에 전달하는 제1 광검출기; 및
    상기 제3 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호를 생성하여 상기 위상 측정기에 전달하는 제2 광검출기를 더 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  7. 소정의 진폭 주파수를 갖는 마이크로파를 측정 빔과 기준 빔으로 나누는 커플러;
    상기 기준 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 제2 진폭 변조기;
    상기 측정 빔이 타겟에 반사된 측정 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 제3 진폭 변조기; 및
    주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호와 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호 간의 위상 지연을 측정하는 위상 측정기를 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 진폭 변조기 및 상기 제3 진폭 변조기의 마이크로파 주파수 하향 변환을 구동하는 RF 합성기를 더 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 커플러는 상기 제2 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 광섬유를 통해 상기 기준 빔을 상기 제2 진폭 변조기로 직접 전달하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 제3 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 커플러로부터 전달받은 상기 측정 빔을 시준기를 통해 출사되도록 하고, 상기 광섬유를 통해 상기 측정 빔을 상기 제3 진폭 변조기로 전달하는 서큘레이터를 더 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호를 생성하여 상기 위상 측정기에 전달하는 제1 광검출기; 및
    상기 제2 진폭 변조기와 광섬유로 연결되어 있고, 상기 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호를 생성하여 상기 위상 측정기에 전달하는 제2 광검출기를 더 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 장치.
  12. 제1 진폭 변조기를 이용하여 레이저 빔의 진폭을 변조하여 변조된 빔을 출력하는 단계;
    커플러를 이용하여 상기 변조된 빔을 측정 빔과 기준 빔으로 나누는 단계;
    제2 진폭 변조기를 이용하여 상기 기준 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 단계;
    제3 진폭 변조기를 이용하여 상기 측정 빔이 타겟에 반사된 측정 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 단계; 및
    위상 측정기를 이용하여 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호와 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호 간의 위상 지연을 측정하는 를 단계를 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 방법.
  13. 커플러를 이용하여 소정의 진폭 주파수를 갖는 마이크로파를 측정 빔과 기준 빔으로 나누는 단계;
    제2 진폭 변조기를 이용하여 상기 기준 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 단계;
    제3 진폭 변조기를 이용하여 상기 측정 빔이 타겟에 반사된 측정 빔의 주파수를 광학적으로 낮추는 주파수 하향 변환하는 단계; 및
    위상 측정기를 이용하여 주파수 하향 변환된 기준 빔에 대응하는 기준 신호와 주파수 하향 변환된 측정 빔에 대응하는 측정 신호 간의 위상 지연을 측정하는 단계를 포함하는 광-마이크로파 혼합 기반의 진폭 변조 레이저 거리 측정 방법.
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