KR970005500B1 - 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계 및 그를 이용한 길이 측정방법 - Google Patents

3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계 및 그를 이용한 길이 측정방법 Download PDF

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Abstract

내용없음.

Description

3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계 및 그를 이용한 길이 측정방법
제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 시스템의 개략적 장치도이다.
제2도는 본 발명의 3주파수 레이저 스펙트럼의 일형태를 보여주는 도면이다.
제3도는 본 발명의 3주파수 레이저 스펙트럼의 또다른 일형태를 보여주는 도면이다.
제4도는 레이저 스펙트럼이 제3도와 같을 때 편광 광속 분할기(3)에 의해 분리되는 각 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 3주파수 레이저 발진기 2 : 광속 분할기
3 : 편광 광속 분할기 4 : 제1코너 큐브 프리즘
5 : 제2코너 큐브 프리즘 6 : 제1 편광판
7 : 제2 편광판 8 : 제1 광검출기
9 : 제2 광검출기 10 : 제1 증폭기
11 : 제2 증폭기 12 : 제1 대역통과 필터
13 : 제2 대역통과 필터 14 : 2채널 계수기
15 : 이동길이 표시장치
본 발명은 초정밀 길이 관련량 측정용 레이저 간섭계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3개 주파수를 갖는 레이저를 헤테로다인 간섭계의 광원으로 사용하여 3개 주파수 사이의 2차 맥놀이 주파수 편이를 측정함에 의해 분해능이 2배로 증가될 수 있는 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계 및 그를 이용한 길이 측정방법에 관한 것이다.
지만 (Zeeman) 안정화 레이저를 사용하는 종래의 2주파수 헤테로다인 간섭계에 있어서는 간섭신호의 검출을 위해 2모드(2주파수) 사이의 1차 맥놀이 주파수 측정법을 사용하였다. 그러나, 3개 종모드로 발진할 수 있는 레이저 발진기를 구성하면 상기 레이저 3개 종모드를 각각 f1, f2, f3라고 할때 (단, f1f2f1), 2차 맥놀이 주파수는 │f3+f1-2f2│로 주어질 것이고, 이는 상기 2모드(2주파수)일 경우에 1차 맥놀이 주파수값이 │f1-f2│로 주어지는 것과 비교할 때 f2값이 2차 맥놀이 주파수 값에는 2라는 인자가 더 붙는 결과로 된다.
본 발명자는 이와 같이 3주파수 헤테로다인 간섭계를 사용하면 물리량 측정에 있어서 분해능이 2배로 향상될 수 있음에 착안하여 본 발명의 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 제작하게 되었다.
본 발명에 앞서 본 발명자는 1991년 대한민국 특허출원 제20544호에 의해 3주파수 발진 레이저의 주파수 및 출력 안정화 방법을 확립하여 놓고 있다.
본 발명에 의하면, 종래의 2주파수 헤테로다인 레이저 간섭계에 비하여 분해능이 2배로 향상될 뿐만 아니라 두 모드간 주파수 차이인 수백 MHz 신호의 위상 변화를 검출하기 위한 RF- 믹서 등과 같은 RF- 전자 소자를 사용할 필요가 없고 레이저 출력이 크므로 다축 레이저 간섭계 제작이 가능하며, 레이저 간섭계에서 반사된 광이 레이저로 궤한되어 측정 정확도가 떨어지게 되는 일이 없어지는 등의 많은 장점이 있다.
본 발명의 목적은 각종 물리량 측정에 있어서 정확도를 보다 더 개선 시키고자 함에 있다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은 길이 등의 물리량을 측정함에 있어 분해능을 2배로 향상시킬 수 있는 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계 및 그를 이용한 길이 측정 방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계는 3개 종모드로 발진하도록 된 He-Ne 레이저 발진수단; 상기 레이저 발진 수단으로부터 나오는 광을 투과광과 반사광으로 분리하여 반사광인 제1 광속을 기준 광속으로 하여 기준 광검출기로 향하게 하고 투과광인 제2 광속은 비교 광속으로 하여 편광 광속 분할기로 진행토록 하는 광속 분할기; 상기 기준 광속에 대해 3개 모드 주파수 사이의 기준 2차 맥놀이 주파수를 검출하기 위한 제1기준 광검출기; 상기 2차 맥놀이 주파수 신호를 증폭하기 위한 제1 증폭기; 상기 증폭기의 출력 신호중 일정 대역의 신호만을 선택하기 위한 제1 대역통과 필터; 상기 비교 광속을 입력받아 편광 방향에 따라 두가지 스펙트럼으로 분리하여 제1 스펙트럼 및 제2 스펙트럼을 각각 제1코너 큐브 프리즘 및 제2 코너 큐브 프리즘으로 향하게 하는 편광 광속 분할기; 상기 편광 광속 분할기로부터 상기 제1및 제2 스펙트럼을 입력받아 되돌이 반사시켜 상기 편광 광속 분할기로 재입력시키는 제1 및 제2코너 큐브 프리즘; 상기 편광 광속 분할기에서 다시 합성되어 나오는 제1 및 제2 스펙트럼의 2차 맥놀이 주파수 신호를 검출하기 위한 제2 광검출기; 상기 제2 광검출기의 출력측에 순차적으로 연결되며 상기 제1 증폭기 및 제1 대역통과 필터; 상기 제1 대역통과 필터 및 제2 대역통과 필터의 출력 신호를 기준신호 입력단으로 입력받아 주파수 계수를 행하는 2채널 계수기; 및 상기 2채널 계수기에서 계수한 값을 입력 받아 상기 이동가능 제2 코너 큐브 프리즘의 이동거리를 환산하고 공기 굴절을 보정 등을 수행하여 실제 이동거리를 환산하고 이동거리를 수치로 표시하는 이동길이 표시장치; 로 이루어진다.
상기 광속 분할기와 제1 광검출기 사이 및 편광 광속 분할기와 제2 광검출기 사이에는 2차 맥놀이 신호 검출 감도를 높이기 위해서 제1 편광판 및 제2 편광판을 각각 설치할 수 있다.
또한 본 발명의 레이저 발진 수단에 있어서 3주파수를 1개의 레이저 발진기에 의해 발진시키는 방법을 사용하였으나, 이 외에도 1 또는 2의 주파수를 갖는 복수개의 레이저 발진기를 조합하여 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정방법은 상기와 같은 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 이용하여, 상기 제2 코너 큐브 프리즘을 이동시키면서 도플러 편이를 발생시키고 상기 도플러 편이가 생긴 비교 광속의 계수값과 기준 광속의 계수값과의 차이로부터 상기 제2 코너 큐브 프리즘의 이동길이를 산출하는 방식으로 이루어진다.
이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계 및 그를 이용한 길이 측정방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명할 것이다. 그러나, 이하의 구체적인 설명은 일 실시예에 불과한 것이며, 본 실시예가 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 발명은 길이 측정 뿐만 아니라 각도 측정, 진원도 및 표면 거칠기 측정, 진직도 및 평면도 측정에도 같은 원리를 적용하여 응용될 수 있음은 당업자에게 있어서 자명한 것이다.
기존의 2주파수 헤테로다인 간섭계의 광학적 분해능은 단일광로정(single path) 간섭계의 경우는(λ는 사용하는 레이저 파장) 이었으나 본 발명에 의한 간섭계의 경우에는 단일광로정 간섭계의 λ/4의 광학적인 분해능을 갖는다. 이와 같은 간섭계를 길이측정에 사용하고 기존의 간섭신호 분해 및 검출 전자 장치를 이용할 경우 기존의 측정 정밀도를 2배로 개선시킬 수 있는 것을 의미한다.
기존의 헤테로다인 레이저 간섭계가 주파수와 편광이 서로 다른 2개 모드로 발진하는 레이저를 광원으로 채택한 2주파수 헤테로다인 레이저 간섭계인 반면에 본 발명은 헤테로다인 레이저 간섭계에 3개의 주파수와 그 편광이 인접하여 서로 수직인 3개 모드를 갖는 레이저를 광원으로 채택하는 것이 본질적으로 다른점이다.
제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 시스템의 개략적 장치도이다.
3주파수 레이저 발진기(1)는 3개 종 모드로 발진하는 He-Ne 레이저로서 3개 종모드들은 각각 수평편광(∥), 수직편광(┻), 수평편광(∥) 이거나 수직편광(┻), 수평편광(∥), 수직편광(┻)순으로 나열된다. 또 이들은 각각의 광주파수는 f1, f2, f3로써 이들 사이의 2차 맥놀이 주파수 fb=│f1+f3-2f2│가 수백 kHz∼ 수십 MHz 이고 레이저 공진기 길이를 자동제어하여 이 맥놀이 주파수를 일정하게 안정화 시켜 사용한다. 또 fb의 값을 임의의 값이 되도록 하기 위해서는 외부에 편광광속분할기와 광음향변조소자(acousto-optic modulator)를 이용하여 편광방향에 따라 분리하여 그중 한쪽 광주파수 즉, f2광주파수를 또는 f1과 f3주파수를 광음향변조 주파수를 이용하여 fm만큼 이동시켜서 사용할 수 있다.
이와 같은 특성을 갖는 3주파수 또는 3파장의 레이저를 사용하여 제1도와 같은 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 구성한다.
제2도와 제3도는 사용되는 레이저의 발진광 스펙트럼과 편광방향을 나타내고 있다. 제1도에서는 사용되는 레이저의 발진광 스펙트럼은 제2도 또는 제3도와 같은 스펙트럼을 가질 수 있다.
3개 모드의 주파수의 크기는 f1f2f3와 같이 되고 편광은 수평(∥), 수직(┻), 수평(∥) (제2도)이거나 수직(┻), 수평(∥), 수직(┻) (제3도)과 같이 배열되는 것을 나타낸다. 이하에서는 제2도의 스펙트럼을 기준으로 설명코자 한다. 제2도와 같은 스펙트럼, 즉 3개 주파수(파장)를 갖는 레이저 발진 수단(1)으로부터 나오는 광온광속분할기(2)에서 광의 일부가 반사되어 제1 편광판(6)을 통과한 후 제1 기준 광검출기(8)에서 3개 모드의 주파수 사이의 기준 2차 맥놀이 주파수 fb(=┃f3+f1-2f2┃) 신호가 검출된다. 이때 2차 맥놀이 신호검출 감도를 높이기 위해서 제1 편광판(6)을 삽입한다. 상기 제1 편광판(6)을 적당한 각도로 회전하여 신호감도가 최대로 되는 각도로 맞추어 놓는다. 이 2차 맥놀이 주파수 신호를 제1 증폭기(10), 중심주파수가 fb인 제1 대역통과 필터(12)를 거쳐서 2채널 계수기 (14)의 기준신호 입력단에 입력하여 주파수 계수를 한다. 이때 계수값 CR은
(1)
된다. 여기서 t는 적분시간을 나타내었다.
한편, 광속분할기(2)를 통과한 레이저광은 다시 편광광속분할기(3)에서 3개 모드의 각각 편광방향에 따라서 제4도의 제1 스펙트럼 및 제2 스펙트럼과 같이 분리된다. 앞에서도 언급하였듯이 본 실시예에서는 레이저 스펙트럼이 제2도와 같을때에 대해서만 설명하기로 한다 [제3도의 스펙트럼을 갖는 레이저에 대해서도 같은 원리가 적용된다].
제1도 및 제4도에서 보여진 바와 같이 편광광속분할기(3)에서 반사한 제1 스펙트럼의 f1및 f3주파수 성분은 다시 제1 코너 큐브 프리즘(4)에 입사하여 되돌이 반사되어 편광광속분할기(3)의 반사면에서 다시 반사하여 제2 편광판(7)을 거쳐서 제2 광검출기(9)에 입사된다. 한편, 편광광속분할기(3)를 통과한 제2 스펙트럼에는 f2주파수 성분만 존재한다. 이 f2주파수 성분의 레이저 광속은 정지해 있는 이동가능 제2 코너 큐브 프리즘(5)에 입사하여 되돌이 반사되어 편광광속분할기(3)을 다시 통과하여 제2 광검출기(9)에 입사된다. 이때 검출기에 입사된 주파수 성분은 모두 f1, f2, f3세개이고 이들 사이의 2차 맥놀이 주파수 fb는 기준 제1 광검출기(8)에서 검출한 주파수와 똑같은 주파수 fb=┃f3+f1-2f2┃이다.
만일 이동가능 제2 코너 큐브 프리즘(5)를 속도 V로 편광광속분할기쪽으로 움직이면 제2 코너 큐브 프리즘(5)에서 되돌이 반사를 하는 f2주파수는 도플러 주파수 편이가 생겨서 f2' 로 변하고 다음과 같이 된다.
f2'=f2+△f2(2)
V를 그 반대방향으로 움직이면 △f2의 부호는 -값을 갖는다.
여기서는 △f2는
(3)
이다. (3)식의 C는 빛속도이다. 이때 제2 광검출기(9)에서 검출되는 2차 맥놀이 주파수 fb'는
fb'= ┃f3+f1-2 (f2+△f2)┃ (4)
가 되고 f3+f12 (f2+△f2)인 경우에
fb'=fb-2△f2(5)
가 된다.
이 fb' 를 2채널 계수기 (14)의 다른 한 입력단에 입력시켜서 계수하면 그 계수값 Cm은
(6)
이 된다.
그러므로 계수기의 두채널에서 계수한 값 (1)과 (6)식의 차이로부터
(7)
를 구할 수 있다.
또 (3)식에서 속도 V는
이다. 또 이동가능 제2 코너 큐브 프리즘(5)의 이동거리 S는 속도 V의 시간적분으로부터
(8)
(9)
이 되었다. 즉 보통 2파장 헤테로다인 간섭계에서 이동거리 S가
(10)
로 주어지는 데 반하여 (9)식의 S는 1/2 factor가 더 붙어 있는 것을 알 수 있다.
이것으로부터 본 발명에서 제안하는 3개 파장 헤테로다인 레이저 간섭계의 분해능은 기존의 2파장 헤테로다인 간섭계의 분해능보다 2배로 개선되는 것을 알 수 있다. 즉, 2차 맥놀이 신호를 이용하는 것이 통상의 2파장 헤테로다인 간섭계의 1차 맥놀이 신호를 이용하는 것보다 광학적 분해능을 2배로 개선할 수 있는 것을 나타낸다. 만일 전자장치를 이용하여 맥놀이 신호를 계수할 때 간단히 △C의 분해능을 1이라 가정하면 2주파수 헤테로다인 간섭계의 분해능은(λ는 사용파장으로 633nm의 헬륨네온 레이저를 사용할 경우에는이다)이고 본 발명의 3파장 레이저 간섭계의 분해능은가 된다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 범위내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연하다.

Claims (6)

  1. 헤테로다인 레이저 간섭계에 있어서, 3개 종모드로 발진하도록 된 레이저 발진 수단(1); 상기 레이저 발진 수단(1)으로부터 나오는 광을 투과광과 반사광으로 분리하여 반사광인 제1광속을 기준 광속으로 하여 기준 제1 광검출기(8)로 향하게 하고 투과광인 제2 광속은 비교 광속으로 하여 편광속 분할기(3)로 진행토록 하는 광속 분할기(2); 상기 기준 광속에 대해 3개 모드 주파수 사이의 기준 2차 맥놀이 주파수를 검출하기 위한 기준 제1 광검출기(8); 상기 2차 맥놀이 주파수 신호를 증폭하기 위한 제1 증폭기(10); 상기 증폭기의 출력 신호중 일정 대역의 신호만을 선택하기 위한 제1 대역통과 필터(12); 상기 비교 광속을 입력 받아 편광 방향에 따라 두가지 스펙트럼으로 분리하여 분리된 제1 스펙트럼 및 제2 스펙트럼을 각각 제1 코너 큐브 프리즘(4) 및 이동가능 제2 코너 큐브 프리즘(5)으로 향하게 하는 편광 광속 분할기(3); 상기 편광 광속 분할기(3)로부터 상기 제1 및 제2 스펙트럼을 입력받아 되돌이 반사시켜 상기 편광 광속 분할기로 재입력시키는 상기 제1 및 제2 코너 큐브 프리즘(4, 5); 상기 편광 광속 분할기에서 다시 합성되어 나오는 제1 및 제2 스펙트럼의 2차 맥놀이 주파수 신호를 검출하기 위한 제2 광검출기(9); 상기 제2 광검출기(9)의 출력측에 순차적으로 연결되며 상기 제1 증폭기(10) 및 제1 대역통과 필터(12)와 동일한 기능을 행하는 제2 증폭기(11) 및 제2 대역통과 필터(13); 상기 제1 대역통과 필터(12) 및 제2 대역통과 필터(13)의 출력 신호를 입력받아 주파수 계수를 행하는 2채널 계수기(14); 및 상기 2채널 계수기에서 계수한 값을 입력받아 상기 이동가능 제2 코너 큐브 프리즘(5)의 이동거리를 환산하고 공기 굴절율 보정 등을 수행하여 실제 이동거리를 환산하고 이동거리를 수치로 표시하는 이동길이 표시장치(15); 로 이루어지는 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발진 수단(1)이 3주파수 헬륨-네온(He-Ne)레이저를 발진하도록 된 것을 특징으로 하는 상기 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발진 수단(1)이 1 또는 2의 주파수로 발진되는 복수개의 레이저의 발진기들로 구성되어 전체적으로 3주파수를 이루도록 된 것을 특징으로 하는 상기 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광속 분할기(2)와 제1 광검출기(8) 사이 및 상기 편광 광속 분할기(3)와 상기 제2 광검출기(9) 사이에 2차 맥놀이 신호 검출감도를 높이기 위해 제1 편광판(6) 및 제2 편광판(7)을 설치하는 것을 특징으로 하는 상기 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계.
  5. 제1항의 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 이용하여, 3개 주파수로 발진되는 발진 수단(1)에 의해 인접하는 모드의 편광 방향이 다른 3개 주파수 광속을 발진시키고 상기 이동가능 제2 코너 큐브 프리즘을 측정할 거리 만큼 소정의 속도로 이동시키면서 주파수에 있어서의 도플러 편이를 발생시키고 상기 도플러 편이가 생긴 비교 광속의 2차 맥놀이 주파수 계수값과 기준 광속의 주파수 계수값의 차이를 2채널 계수기(14)에 의해 산출함으로써 일련의 연산식에 의해 상기 제2 코너 큐브 프리즘의 이동길이가 상기 길이 표시장치(15)에 표시되는 방식으로 길이 측정의 분해능이 2배로 향상되도록 한 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 방법.
  6. 제5항에 이어서, 상기 발진 수단(1)으로부터 발생되는 상기 3주파수 레이저 광속이 3개 종모드로 발진하는 He-Ne 레이저로 3개 종모드들이 각각 수평편광(∥), 수직편광(┻), 수평편광(∥)이거나 수직(┻)편광, 수평편광(|), 수직편광(┻) 순으로 배열되는 것을 특징으로 하는 상기 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 이용한 길이 측정 방법.
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