WO2017209352A1 - 측정 불가 구간과 방향 모호성이 없는 절대거리 측정을 위한 분광형 간섭계 시스템 - Google Patents

측정 불가 구간과 방향 모호성이 없는 절대거리 측정을 위한 분광형 간섭계 시스템 Download PDF

Info

Publication number
WO2017209352A1
WO2017209352A1 PCT/KR2016/010612 KR2016010612W WO2017209352A1 WO 2017209352 A1 WO2017209352 A1 WO 2017209352A1 KR 2016010612 W KR2016010612 W KR 2016010612W WO 2017209352 A1 WO2017209352 A1 WO 2017209352A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measurement
optical
light
path
splitter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2016/010612
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
진종한
박정재
김종안
김재완
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Research Institute of Standards and Science
Original Assignee
Korea Research Institute of Standards and Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Research Institute of Standards and Science filed Critical Korea Research Institute of Standards and Science
Publication of WO2017209352A1 publication Critical patent/WO2017209352A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02007—Two or more frequencies or sources used for interferometric measurement
    • G01B9/02008—Two or more frequencies or sources used for interferometric measurement by using a frequency comb
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02015—Interferometers characterised by the beam path configuration
    • G01B9/02027—Two or more interferometric channels or interferometers
    • G01B9/02028—Two or more reference or object arms in one interferometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02015—Interferometers characterised by the beam path configuration
    • G01B9/02029—Combination with non-interferometric systems, i.e. for measuring the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02041—Interferometers characterised by particular imaging or detection techniques
    • G01B9/02043—Imaging of the Fourier or pupil or back focal plane, i.e. angle resolved imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02041—Interferometers characterised by particular imaging or detection techniques
    • G01B9/02044—Imaging in the frequency domain, e.g. by using a spectrometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/34—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G02B27/141—Beam splitting or combining systems operating by reflection only using dichroic mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking

Definitions

  • the present invention relates to a distance measuring optical device for measuring the absolute distance to the measurement object, the measurement occurring in the spectroscopic interferometer for the absolute distance measurement based on the mode-locked optical comb laser and optical spectrum analyzer
  • the present invention relates to a measurement technique capable of eliminating impossible sections and directional ambiguities.
  • Spectral interferometers using broadband light sources and spectroscopy have been widely used in the field of three-dimensional shape measurement because of the advantages of phase ambiguity and fast measurement speed, unlike conventional optical interferometers.
  • White light lamps, light emitting diodes (LEDs), and superluminescent diodes (SLDs) have been widely used as broadband light sources.
  • LEDs light emitting diodes
  • SLDs superluminescent diodes
  • the absolute range of measurable distance has to be limited.
  • Mode-locked optical comb laser has a number of modes with very narrow line width, which has wide wavelength bandwidth and very long coherence distance.
  • the existing spectroscopic interferometer using the mode-locked optical comb laser has problems of 'unmeasurable section' and 'direction ambiguity' in the absolute distance measurement.
  • the present invention has an interferometer system that can solve two fundamental problems of the existing spectroscopic interferometer at the same time, it is possible to measure the absolute distance at any position.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a distance measuring apparatus having a spectroscopic interferometer for the absolute distance measurement without the unmeasurable section and the direction ambiguity.
  • Absolute distance measuring apparatus comprises a mode locked optical comb laser; A first optical splitter configured to split the beam into a reference path and a measurement path by receiving the output light of the mode-locked optical comb laser; A second light splitter configured to receive a reference beam of the reference path and split the beam into a first reference mirror and a second reference mirror; A measurement object receiving and reflecting a measurement beam of the measurement path from the first light splitter; The beam reflected from the measurement object is provided through the first light splitter along the measurement path, the beam reflected from the first reference mirror, and the beam reflected from the second reference mirror along the reference path; An optical spectrum analyzer provided through the first optical splitter and measuring a spectrum according to a wavelength; And an operation unit configured to extract the absolute distance of the measurement target by analyzing the measurement result of the optical spectrum analyzer.
  • the reflectance of the first reference mirror may be different from the reflectance of the second reference mirror for clear signal discrimination.
  • the first measurement signal is a result of Fourier transform of the interference spectrum formed by the interference of the light reflected from the first reference mirror and the light reflected from the measurement object
  • the second measurement signal is 2 is a result of Fourier transform of an interference spectrum formed by interference between the light reflected from the reference mirror and the light reflected from the measurement target
  • the calculation unit is based on a position relative to the signal intensity of the first measurement signal and the second measurement signal. The absolute distance of the measurement target can be calculated.
  • it may further include a flight time measuring sensor or a linear scale for measuring the approximate distance between the measurement object and the first optical splitter.
  • Absolute distance measuring apparatus comprises a mode locked optical comb laser; A first optical splitter configured to split the beam into a reference path and a measurement path by receiving the output light of the mode-locked optical comb laser; An optical window provided with a reference beam of the reference path to reflect a portion of the reference beam on one surface thereof and to reflect the remainder of the reference on the other surface thereof; A measurement object receiving and reflecting a measurement beam of the measurement path from the first light splitter; Receiving the beam reflected from the measurement object through the first optical splitter along the measurement path, and reflecting the beam reflected from one surface of the optical window and the beam reflected from the other surface of the optical window along the reference path; An optical spectrum analyzer provided through an optical splitter and measuring a spectrum according to a wavelength; And an operation unit configured to extract the absolute distance of the measurement target by analyzing the measurement result of the optical spectrum analyzer.
  • the reflectance of one surface of the optical window may be different from the reflectance of the other surface of the optical window.
  • the first measurement signal is a result of Fourier transform of the interference spectrum formed by the interference of the light reflected from one surface of the optical window and the light reflected from the measurement object
  • the second measurement signal is Fourier transform results of an interference spectrum formed by interference between the light reflected from the other surface of the optical window and the light reflected from the measurement object
  • the calculation unit is located at a position relative to the signal intensity of the first measurement signal and the second measurement signal. Accordingly, the position of the measurement target can be calculated.
  • it may further include a flight time measuring sensor or a linear scale for measuring the approximate distance between the measurement object and the first optical splitter.
  • Absolute distance measuring apparatus comprises a mode locked optical comb laser; A first optical splitter configured to split the beam into a reference path and a measurement path by receiving the output light of the mode-locked optical comb laser; A pellicle light splitter that receives a reference beam of the reference path and reflects a portion of the reference beam from one surface thereof and transmits the remainder of the reference beam; A reference mirror for reflecting light transmitted through the pellicle light splitter; A measurement object receiving and reflecting a measurement beam of the measurement path from the first light splitter; A beam reflected from the measurement object is provided through the first light splitter along the measurement path, a beam reflected from the pellicle light splitter, and a beam reflected from the reference mirror along the reference path; An optical spectrum analyzer provided through a divider and measuring a spectrum according to a wavelength; And an operation unit configured to extract the absolute distance of the measurement target by analyzing the measurement result of the optical spectrum analyzer.
  • the reflectance of the pellicle light splitter may be different from the reflectance of the reference mirror.
  • the first measurement signal is a result of Fourier transform of the interference spectrum formed by the interference of the light reflected from the pellicle light splitter and the light reflected from the measurement object
  • the second measurement signal is the reference Fourier transform results of the interference spectrum formed by interference between the light reflected from the mirror and the light reflected from the measurement object
  • the operation unit is measured according to the position relative to the signal strength of the first measurement signal and the second measurement signal The position of the object can be calculated.
  • it may further include a flight time measuring sensor or a linear scale for measuring the approximate distance between the measurement object and the first optical splitter.
  • the distance measuring device may measure an absolute distance at an arbitrary position without an unmeasurable section and a direction ambiguity.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional Michelson interferometer.
  • FIG. 2 is a graph illustrating an interference spectrum, a Fourier transform result, and a distance measurement result according to the position of the target mirror of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an interferometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates a Fourier transform result of an interference spectrum obtained according to the position (A, B, and E positions of FIG. 3) of the measurement target of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating an absolute distance measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an absolute distance measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional Michelson interferometer.
  • FIG. 2 is a graph illustrating an interference spectrum, a Fourier transform result, and a distance measurement result according to the position of the target mirror of FIG. 1.
  • an absolute distance may be measured by continuously observing a signal position while the target mirror 14 moves.
  • the light source 11 provides the light splitter 12 with output light having a broad spectrum.
  • the light splitter 12 splits the output light into two different paths, provides a reference beam through the reference path, and provides a measurement beam through the measurement path.
  • the measuring beam passes through the light splitter 12, is reflected by the target mirror 14, and is reflected back by the light splitter 12 and enters the light spectrum analyzer 15.
  • the reference beam is reflected at the light splitter 12, is reflected at the reference mirror 13, passes through the light splitter 12 and enters the optical spectrum analyzer 15.
  • FIG. 2 shows the shape of the interference spectrum obtained according to the positions A, B, C, and E of each target mirror 14, the amplitude result of Fourier transform, and the distance of the target mirror measured through the target mirror 14.
  • the optical path difference is close to zero, and as shown in the interference spectrum, no periodic signal appears on the interference spectrum. Even if the periodic signal can be measured, if the optical path difference signal of the target mirror is buried in the background light signal due to the spectral distribution characteristic of the light source itself, the measurement becomes impossible. Such a section is called an unmeasurable section.
  • the mode-locked optical comb laser used as the light source 11 is a laser oscillating in the form of a pulse train and has a repetition frequency ( f r ) frequency of a predetermined value. This characteristic leads to a non-ambiguity range.
  • the non-ambiguous interval has a size of 1 / (4 ⁇ f r ), and when the position of the target mirror passes through the non-ambiguous interval (D), the interference spectrum is gradually loosened again as E, and the value of the optical path difference actually measured. It also becomes smaller.
  • the ambiguity problem cannot be distinguished due to the non-ambiguity section.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an interferometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates a Fourier transform result of an interference spectrum obtained according to the position (A, B, and E positions of FIG. 3) of the measurement target of FIG. 3.
  • the distance measuring device 100 may include a mode locked optical comb laser 110; A first light splitter 122 receiving the output light of the mode-locked optical comb laser 110 and dividing the beam into a reference path and a measurement path; A second light splitter 124 which receives a reference beam of the reference path and splits the beam into a first reference mirror 144 and a second reference mirror 142; A measurement object 130 for receiving and reflecting a measurement beam of the measurement path from the first light splitter 122; The beam reflected from the measurement target 130 is provided through the first light splitter 122 along the measurement path, the beam reflected from the first reference mirror 142, and the second reference mirror 144.
  • An optical spectrum analyzer (150) for receiving a beam reflected from the beam through the first optical splitter (122) along the reference path and measuring a spectrum according to a wavelength; And a calculator 160 for analyzing the measurement result of the optical spectrum analyzer 150 to extract the absolute distance of the measurement target.
  • the reflectance of the first reference mirror 142 may be different from the reflectance of the second reference mirror 144.
  • the first measurement signal is a result of Fourier transform of an interference spectrum formed by the interference between the light reflected from the first reference mirror 142 and the light reflected from the measurement target 130
  • the second measurement signal is a second reference mirror. This is the result of the Fourier transform of the interference spectrum formed by interference between the light reflected at 144 and the light reflected at the measurement target.
  • the calculation unit 160 calculates an absolute distance of the measurement target according to a position relative to the signal strength of the first measurement signal and the second measurement signal.
  • two reference mirrors 142 and 144 may be used to solve the unmeasurable section and directional ambiguity problem of the spectroscopic interferometer using the mode locking optical comb laser 110.
  • the light emitted from the mode locking optical comb laser 110 is branched to the measurement path and the reference path through the first light splitter 110.
  • the light branched to the reference path is branched to the first reference mirror 142 and the second reference mirror 144 through the second light splitter 124.
  • the first reference mirror 142 may be disposed on an optical path of incident light of the second light splitter, and the second reference mirror 144 may be disposed perpendicularly in a path of incident light of the second light splitter.
  • the light branched to the measurement path is reflected by the measurement target 130 to measure the absolute distance, is returned, and is reflected by the first optical splitter 122 to be measured by the optical spectrum analyzer 150.
  • Light reflected from the first reference mirror 142 and the second reference mirror 144 also passes through the second light splitter 124 and the first light splitter 122 to the optical spectrum analyzer 150. It enters, and interferes with the light reflected from the measurement object 130 to form an interference spectrum.
  • the time-of-flight sensor 160 measures a measurement object (or target mirror) and the first beam splitter (or the mode-locked optical comb laser) to solve the ambiguity in which a double length of an unambiguous section is repeated. You can measure the approximate distance between Accordingly, the flight time measuring sensor may calculate the number of times the distance corresponding to twice the non-ambiguity section is repeated. As a result, the ambiguity can be solved.
  • the flight time measuring sensor 160 may measure the flight time using a separate light emitting unit and a light receiving sensor. Alternatively, the flight time may be measured by using the mode-locked optical comb laser 110 as a light source and using a light receiving sensor synchronized with the mode-locked optical comb laser.
  • the time-of-flight sensor 160 measures a measurement object (or target mirror) and the first beam splitter (or the mode-locked optical comb laser) to solve the ambiguity in which a double length of an unambiguous section is repeated. May be replaced by other means capable of measuring the approximate distance between them. For example, a linear scale or a tape measure may be used for approximate distance measurement.
  • the first measurement signal is a Fourier transform result of an interference spectrum formed by interference between light reflected from the first reference mirror 142 and light reflected from the measurement target 130.
  • the second measurement signal represents a Fourier transform result of an interference spectrum formed by interference between the light reflected by the second reference mirror 144 and the light reflected by the measurement target 130.
  • the reference signal offset refers to a signal formed by interference between lights reflected from the first reference mirror 142 and the second reference mirror 144, respectively.
  • the reference signal offset adjusts a distance l 1p between the second light splitter and the first reference mirror 142 and a distance l 1s between the second light splitter 124 and the second reference mirror. Is set in advance to have a constant size.
  • the A position is an invisible section in which the first measurement signal is included in the non-measurable section, but the second measurement signal appears at a position separated by the reference signal offset. Thus, the position of the first measurement signal can be determined.
  • both the first measurement signal and the second measurement signal are visible at the B position.
  • the first measurement signal and the second measurement signal move to the left direction where the optical path difference decreases while passing through the unambiguous section.
  • a mirror having a high reflectance may be used for the first reference mirror 142, and a mirror having a relatively low reflectance may be used for the second reference mirror 144. Due to the difference in the visibility of the interference spectrum according to the reflectance difference, the magnitude difference between the first measurement signal and the second measurement signal is apparent. Accordingly, this makes it possible to distinguish which of the two measurement signals is the first measurement signal. As a result, the B and E positions can be distinguished according to the relative positions of the second measurement signals with respect to the first measurement signals having different magnitudes.
  • the position of the current measurement object is the B position before passing the non-ambiguity interval, and vice versa, the E measurement after the non-ambiguity interval is obtained. Therefore, the problem of directional ambiguity in an unambiguous section can be solved through two reference mirrors proposed by the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a distance measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • the distance measuring device 200 may include a mode locked optical comb laser 110; A first light splitter 122 which receives the output light of the mode locked optical comb laser and splits the beam into a reference path and a measurement path; An optical window 240 which receives a reference beam of the reference path and reflects a portion of the reference beam on one surface thereof and reflects the remainder of the reference on the other surface thereof; A measurement object 130 for receiving and reflecting a measurement beam of the measurement path from the first light splitter 122; The beam reflected from the measurement object is provided through the first light splitter 122 along the measurement path, and is reflected from the beam reflected from one surface of the optical window 240 and the other surface of the optical window 240.
  • An optical spectrum analyzer 150 for receiving a beam through the first optical splitter 122 along the reference path and measuring a spectrum according to a wavelength; And a calculator 160 for analyzing a measurement result of the optical spectrum analyzer and extracting a moving distance of the measurement target.
  • the reflectance of one surface of the optical window 240 may be different from the reflectance of the other surface of the optical window 240.
  • the first measurement signal is a result of Fourier transform of an interference spectrum formed by the interference between the light reflected from one surface of the optical window 240 and the light reflected from the measurement target
  • the second measurement signal is a result of the Fourier measurement of the optical window 240. It is the result of Fourier transform of the interference spectrum formed by interference between the light reflected from the other surface and the light reflected from the measurement target.
  • the calculator 160 may determine an absolute distance of the measurement target according to a position relative to the signal strength of the first measurement signal and the second measurement signal.
  • the optical window 240 may be a plate of a material that is optically transparent to the light source to be used while having a constant thickness. Two lights reflected from one surface and the other surface may be used as the first reference signal and the second reference signal by using the optical window.
  • the optical window 240 may maintain a high stability of the reference signal offset by using a material having a very low coefficient of thermal expansion.
  • One surface and the other surface of the optical window 240 may be coated to have a predetermined reflectance.
  • the time-of-flight sensor 160 measures a measurement object (or target mirror) and the first beam splitter (or the mode-locked optical comb laser) to solve the ambiguity in which a double length of an unambiguous section is repeated. You can measure the approximate distance between Accordingly, the flight time measuring sensor may calculate the number of times the distance corresponding to twice the non-ambiguity section is repeated. As a result, the ambiguity can be solved.
  • the flight time measuring sensor 160 may measure the flight time using a separate light emitting unit and a light receiving sensor. Alternatively, the flight time may be measured by using the mode-locked optical comb laser 110 as a light source and using a light receiving sensor synchronized with the mode-locked optical comb laser.
  • the time-of-flight sensor 160 measures a measurement object (or target mirror) and the first beam splitter (or the mode-locked optical comb laser) to solve the ambiguity in which a double length of an unambiguous section is repeated. May be replaced by other means capable of measuring the approximate distance between them. For example, a linear scale or a tape measure may be used for approximate distance measurement.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a distance measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • the distance measuring device 300 may include a mode locked optical comb laser 110; A first light splitter 122 which receives the output light of the mode locked optical comb laser and splits the beam into a reference path and a measurement path; A pellicle light splitter (342) receiving a reference beam of the reference path and reflecting a portion of the reference beam on one surface thereof and transmitting a remainder of the reference beam; A reference mirror 344 for reflecting light transmitted through the pellicle light splitter 342; A measurement object 130 for receiving and reflecting a measurement beam of the measurement path from the first light splitter 122; A beam reflected from the measurement object is provided through the first light splitter along the measurement path, a beam reflected from the pellicle light splitter, and a beam reflected from the reference mirror along the reference path; An optical spectrum analyzer 150 provided through a divider and measuring a spectrum according to a wavelength; And a calculator 160 for analyzing the measurement result of the optical spectrum analyzer and extracting an absolute distance of the measurement target.
  • the reflectivity of the pellicle light splitter 342 may be different from that of the reference mirror 344.
  • the first measurement signal is a result of Fourier transform of an interference spectrum formed by interference between the light reflected by the pellicle light splitter 342 and the light reflected by the measurement target.
  • the second measurement signal is a Fourier transform result of an interference spectrum formed by interference between the light reflected by the reference mirror 344 and the light reflected by the measurement target.
  • the calculation unit may calculate a position of the measurement target according to a position relative to the signal strength of the first measurement signal and the second measurement signal.
  • a first reference signal and a second reference signal may be generated using the pellicle light splitter 342 and the reference mirror 344.
  • the pellicle light splitter 342 may be a thin film having a thickness of several ⁇ m in the form of a membrane.
  • the size of the reference signal offset may be adjusted.
  • the magnitudes of the two reference signals can be adjusted by varying the coating conditions of the respective optical surfaces.
  • the time-of-flight sensor 160 measures a measurement object (or target mirror) and the first beam splitter (or the mode-locked optical comb laser) to solve the ambiguity in which a double length of an unambiguous section is repeated. You can measure the approximate distance between Accordingly, the flight time measuring sensor may calculate the number of times the distance corresponding to twice the non-ambiguity section is repeated. As a result, the ambiguity can be solved.
  • the flight time measuring sensor 160 may measure the flight time using a separate light emitting unit and a light receiving sensor. Alternatively, the flight time may be measured by using the mode-locked optical comb laser 110 as a light source and using a light receiving sensor synchronized with the mode-locked optical comb laser.
  • the time-of-flight sensor 160 measures a measurement object (or target mirror) and the first beam splitter (or the mode-locked optical comb laser) to solve the ambiguity in which a double length of an unambiguous section is repeated. May be replaced by other means capable of measuring the approximate distance between them. For example, a linear scale or a tape measure may be used for approximate distance measurement.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

본 발명은 절대거리 측정 장치를 제공한다. 이 절대거리 측정 장치는 모드 잠금 광빗 레이저; 상기 모드 잠금 광빗 레이저의 출력광을 제공받아 기준 경로와 측정 경로로 빔을 분할하는 제1 광 분할기; 상기 기준 경로의 기준 빔을 제공받아 제1 기준 거울와 제2 기준거울로 빔을 분할하는 제2 광 분할기; 상기 제1 광분할기로부터 상기 측정 경로의 측정 빔을 제공받아 반사시키는 측정 대상; 상기 측정 대상으로부터 반사된 빔을 상기 측정 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받고, 상기 제1 기준 거울로부터 반사된 빔, 그리고 상기 제2 기준 거울로부터 반사된 빔을 상기 기준 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받아 파장에 따른 스펙트럼을 측정하는 광 스펙트럼 분석기; 및 상기 광 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 분석하여 상기 측정 대상의 절대거리를 추출하는 연산부를 포함한다.

Description

측정 불가 구간과 방향 모호성이 없는 절대거리 측정을 위한 분광형 간섭계 시스템
본 발명은 측정 대상까지의 절대거리를 측정하기 위한 거리 측정 광학 장치에 관한 것으로, 모드잠금 광빗 레이저(mode-locked optical comb laser)와 광스펙트럼 분석기 기반의 절대거리 측정을 위한 분광형 간섭계에서 발생하는 측정 불가 구간과 방향 모호성을 제거할 수 있는 측정 기술에 관한 것이다.
광대역 광원과 분광기를 이용한 분광형 간섭계는 일반적인 광간섭계와 달리 위상모호성이 없고, 측정 속도가 빠르다는 장점으로 인해 3차원 형상 측정 분야에서 많이 사용되어 왔다.
광대역 광원으로는 백색광 램프, 발광다이오드(LED), SLD(Superluminescent diode) 등이 많이 사용되어 왔으나, 짧은 가간섭 거리로 인해 측정 가능한 절대거리 영역이 매우 제한될 수 밖에 없었다.
모드잠금 광빗 레이저는 매우 좁은 선폭을 가지는 수많은 모드들로 이루어져 있어 넓은 파장 대역폭을 가지면서 동시에 가간섭 거리가 매우 길다는 장점을 가지고 있어서 분광형 간섭계 기반의 긴거리 측정에 사용되기 시작하였다.
그러나, 모드잠금 광빗 레이저를 이용한 기존의 분광형 간섭계는 절대거리 측정에 있어서 근본적으로 ‘측정 불가 구간’과 ‘방향 모호성’이라는 문제를 가지고 있다.
본 발명에서는 이와 같은 기존의 분광형 간섭계가 가지고 있는 근본적인 두 가지 문제점을 동시에 해결 가능한 간섭계 시스템을 가지고 있으며, 이를 통해 임의의 위치에서의 절대거리 측정이 가능하다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 측정 불가 구간과 방향 모호성이 없는 절대거리 측정을 위한 분광형 간섭계를 구비한 거리 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절대거리 측정 장치는 모드 잠금 광빗 레이저; 상기 모드 잠금 광빗 레이저의 출력광을 제공받아 기준 경로와 측정 경로로 빔을 분할하는 제1 광 분할기; 상기 기준 경로의 기준 빔을 제공받아 제1 기준 거울와 제2 기준거울로 빔을 분할하는 제2 광 분할기; 상기 제1 광분할기로부터 상기 측정 경로의 측정 빔을 제공받아 반사시키는 측정 대상; 상기 측정 대상으로부터 반사된 빔을 상기 측정 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받고, 상기 제1 기준 거울로부터 반사된 빔, 그리고 상기 제2 기준 거울로부터 반사된 빔을 상기 기준 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받아 파장에 따른 스펙트럼을 측정하는 광 스펙트럼 분석기; 및 상기 광 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 분석하여 상기 측정 대상의 절대거리를 추출하는 연산부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 명확한 신호 구별을 위해 상기 제1 기준 거울의 반사율은 상기 제2 기준 거울의 반사율과 서로 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 측정신호는 상기 제1 기준거울에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭스펙트럼의 푸리에변환 결과이고, 제2 측정신호는 제2 기준거울에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환 결과이고, 상기 연산부는 상기 제1 측정신호와 상기 제2 측정신호의 신호 세기와 상대적인 위치에 따라 상기 측정 대상의 절대거리를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상과 상기 제1 광 분할기 사이의 대략적인 거리를 측정하는 비행시간 측정 센서 또는 리니어 스케일을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절대거리 측정 장치는 모드 잠금 광빗 레이저; 상기 모드 잠금 광빗 레이저의 출력광을 제공받아 기준 경로와 측정 경로로 빔을 분할하는 제1 광 분할기; 상기 기준 경로의 기준 빔을 제공받아 그 일면에서 상기 기준 빔의 일부를 반사시키고 그 타면에서 상기 기준의 잔부를 반사시키는 광학 윈도우; 상기 제1 광 분할기로부터 상기 측정 경로의 측정 빔을 제공받아 반사시키는 측정 대상; 상기 측정 대상으로부터 반사된 빔을 상기 측정 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받고, 상기 광학 윈도우의 일면으로부터 반사된 빔 그리고 상기 광학 윈도우의 타면으로부터 반사된 빔을 상기 기준 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받아 파장에 따른 스펙트럼을 측정하는 광 스펙트럼 분석기; 및 상기 광 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 분석하여 상기 측정 대상의 절대거리를 추출하는 연산부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광학 윈도우의 일면의 반사율은 상기 광학 윈도우의 타면의 반사율과 서로 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 측정신호는 상기 광학 윈도우의 일면에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭스펙트럼의 푸리에변환 결과이고, 제2 측정신호는 상기 광학 윈도우의 타면에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환 결과이고, 상기 연산부는 상기 제1 측정신호와 상기 제2 측정신호의 신호 세기와 상대적인 위치에 따라 상기 측정 대상의 위치를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상과 상기 제1 광 분할기 사이의 대략적인 거리를 측정하는 비행시간 측정 센서 또는 리니어 스케일을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절대거리 측정 장치는 모드 잠금 광빗 레이저; 상기 모드 잠금 광빗 레이저의 출력광을 제공받아 기준 경로와 측정 경로로 빔을 분할하는 제1 광 분할기; 상기 기준 경로의 기준 빔을 제공받아 그 일면에서 상기 기준 빔의 일부를 반사시키고 상기 기준 빔의 잔부를 투과시키는 펠리클 광분할기; 상기 펠리클 광분할기를 투과한 광을 반사시키는 기준 거울; 상기 제1 광 분할기로부터 상기 측정 경로의 측정 빔을 제공받아 반사시키는 측정 대상; 상기 측정 대상으로부터 반사된 빔을 상기 측정 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받고, 상기 펠리클 광분할기로부터 반사된 빔, 그리고 상기 기준 거울로부터 반사된 빔을 상기 기준 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받아 파장에 따른 스펙트럼을 측정하는 광 스펙트럼 분석기; 및 상기 광 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 분석하여 상기 측정 대상의 절대거리를 추출하는 연산부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 펠리클 광분할기의 반사율은 상기 기준 거울의 반사율과 서로 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 측정신호는 상기 펠리클 광분할기에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭스펙트럼의 푸리에변환 결과이고, 제2 측정신호는 상기 기준 거울에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환 결과이고, 상기 연산부는 상기 제1 측정신호와 상기 제2 측정신호의 신호 세기와 상대적인 위치에 따라 상기 측정 대상의 위치를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상과 상기 제1 광 분할기 사이의 대략적인 거리를 측정하는 비행시간 측정 센서 또는 리니어 스케일을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치는 측정 불가 구간과 방향 모호성이 없이 임의의 위치에서의 절대거리를 측정할 수 있다.
도 1은 통상적인 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 타겟 거울의 위치에 따른 간섭 스펙트럼, 푸리에 변환 결과, 및 거리 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 간섭계를 설명하는 개념도이다.
도 4는 도 3의 측정 대상의 위치(도 3의 A, B, 및 E 위치)에 따라 획득한 간섭스펙트럼의 푸리에 변환 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절대거리 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 절대거리 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 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 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 통상적인 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 타겟 거울의 위치에 따른 간섭 스펙트럼, 푸리에 변환 결과, 및 거리 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 마이켈슨 형태의 광간섭계(10)에서, 타겟 거울(14)이 이동하는 동안 지속적으로 신호 위치를 관찰함으로써 절대거리가 측정될 수 있다.
광원(11)은 넓은 스펙트럼을 가진 출력광을 광분할기(12)에 제공한다. 상기 광분할기(12)는 상기 출력광을 두 개의 서로 다른 경로로 분할하고, 기준 경로를 통하여 기준 빔을 제공하고 측정 경로를 통하여 측정 빔을 제공한다. 상기 측정 빔은 상기 광분할기(12)를 투과하고, 상기 타켓 거울(14)에서 반사되고, 상기 광분할기(12)에서 다시 반사되어 광스펙트럼 분석기(15)에 입사한다. 상기 기준 빔은 상기 광분할기(12)에서 반사되고, 기준 거울(13)에서 반사되고, 상기 광분할기(12)를 투과하여 상기 광 스펙트럼 분석기(15)에 입사한다.
도 2는 각각의 타겟 거울(14)의 위치(A, B, C, E)에 따라 획득하게 되는 간섭 스펙트럼의 형태와 이를 푸리에 변환한 진폭결과, 그리고 이를 통해 측정되는 타겟거울의 거리를 나타낸다.
A 위치는 광경로차가 영에 가까운 위치로 간섭스펙트럼에서 보듯이 간섭스펙트럼 상에 주기신호가 전혀 나타나지 않는다. 설령 주기신호의 측정이 가능하다고 하더라도 광원 자체의 스펙트럼 분포특성으로 인해 푸리에변환의 진폭 결과 상에서 타겟 거울의 광경로차 신호가 배경광 신호에 묻히게 되면 측정이 불가능하게 된다. 이와 같은 구간을 측정 불가 구간이라 부른다.
상기 타겟 거울(14)이 움직이면서 거리가 증가하게 되면 (B 위치 또는 C 위치) 간섭 스펙트럼에서 보듯이 간섭무늬 주기가 점차 촘촘해지는 형태를 보인다. 푸리에 변환의 진폭 결과 상에서도 타겟 거울 신호 피크의 위치가 광경로차가 증가하는 오른쪽 방향으로 이동하게 된다. 상기 광원(11)으로 사용하는 모드잠금 광빗 레이저는 펄스열 형태로 발진하는 레이저로 일정한 값의 반복률(f r, repetition frequency) 주파수를 가진다. 이와 같은 특성으로 인해 비모호성구간(non-ambiguity range)이 나타나게 된다. 비모호성 구간은 1/(4·f r)의 크기를 가지며, 타겟 거울의 위치가 비모호성 구간(D)을 지나가게 되면 간섭스펙트럼은 E와 같이 다시 점차 느슨해지면서 실제로 측정되는 광경로차의 값 또한 작아지게 된다.
E 위치는 B 위치보다 더 긴 거리를 가지고 있음에도 불구하고, 간섭스펙트럼 형태가 동일하게 나타난다. 이에 따라, 광경로차 측정값 또한 동일하게 나타나게 된다. 이와 같이 일반적인 분광형 간섭계에서는 비모호성 구간으로 인해 B와 E의 위치를 구별하지 못하는 방향모호성 문제가 발생하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 간섭계를 설명하는 개념도이다.
도 4는 도 3의 측정 대상의 위치(도 3의 A, B, 및 E 위치)에 따라 획득한 간섭스펙트럼의 푸리에 변환 결과를 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 모드 잠금 광빗 레이저(110); 상기 모드 잠금 광빗 레이저(110)의 출력광을 제공받아 기준 경로와 측정 경로로 빔을 분할하는 제1 광 분할기(122); 상기 기준 경로의 기준 빔을 제공받아 제1 기준 거울(144)와 제2 기준거울(142)로 빔을 분할하는 제2 광 분할기(124); 상기 제1 광분할기(122)로부터 상기 측정 경로의 측정 빔을 제공받아 반사시키는 측정 대상(130); 상기 측정 대상(130)으로부터 반사된 빔을 상기 측정 경로를 따라 상기 제1 광 분할기(122)를 통하여 제공받고, 상기 제1 기준 거울(142)로부터 반사된 빔, 그리고 상기 제2 기준 거울(144)로부터 반사된 빔을 상기 기준 경로를 따라 상기 제1 광 분할기(122)를 통하여 제공받아 파장에 따른 스펙트럼을 측정하는 광 스펙트럼 분석기(150); 및 상기 광 스펙트럼 분석기(150)의 측정 결과를 분석하여 상기 측정 대상의 절대 거리를 추출하는 연산부(160)를 포함한다.
상기 제1 기준 거울(142)의 반사율은 상기 제2 기준 거울(144)의 반사율과 서로 다를 수 있다. 제1 측정신호는 상기 제1 기준거울(142)에서 반사된 광과 상기 측정 대상(130)에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭스펙트럼의 푸리에변환 결과이고, 제2 측정신호는 제2 기준거울(144)에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환의 결과이다. 상기 연산부(160)는 상기 제1 측정신호와 상기 제2 측정신호의 신호 세기와 상대적인 위치에 따라 상기 측정 대상의 절대거리를 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모드잠금 광빗 레이저(110)를 이용한 분광형 간섭계가 가지고 있는 측정 불가 구간과 방향 모호성 문제를 해결하기 위해 두 개의 기준거울(142,144)을 사용할 수 있다. 상기 모드잠금 광빗 레이저(110)에서 나온 광은 제1 광분할기(110)를 통해 측정 경로와 기준경로로 분기된다. 상기 기준경로로 분기된 광은 제2 광분할기(124)를 통해 각각 제1 기준거울(142)과 제2 기준거울(144)로 분기된다. 상기 제1 기준 거울(142)은 상기 제2 광분할기의 입사광의 광 경로 상에 배치되고, 상기 제2 기준 거울(144)은 상기 제2 광분할기의 입사광의 경로에서 수직으로 배치될 수 있다.
측정경로로 분기된 광은 절대거리를 측정하고자 하는 상기 측정 대상(130)에서 반사되어 되돌아오고, 제1 광분할기(122)에서 반사되어 광스펙트럼 분석기(150)를 통해 측정된다.
상기 제1 기준거울(142)과 상기 제2 기준거울(144)에서 각각 반사된 광들도 상기 제2 광분할기(124) 및 상기 제1 광분할기(122)를 거쳐서 상기 광스펙트럼 분석기(150)로 들어가게 되고, 상기 측정 대상(130)에서 반사된 광과 간섭하여 간섭 스펙트럼을 형성하게 된다.
비행시간 측정 센서(Time-of-flight sensor,160)은 비모호성구간의 2배 길이가 반복되는 모호성을 해결하기 위하여 측정 대상( 또는 타겟 거울)과 상기 제1 빔 분할기(또는 상기 모드 잠금 광빗 레이저) 사이의 대략적인 거리를 측정할 수 있다. 이에 따라, 상기 비행시간 측정 센서는 비모호성구간의 2배에 해당하는 거리가 반복된 횟수를 계산할 수 있다. 이에 따라, 비모호성을 해결할 수 있다. 상기 비행시간 측정 센서(160)는 별도의 발광부와 수광 센서를 이용하여 비행시간을 측정할 수 있다. 또는 광원으로 상기 모드 잠금 광빗 레이저(110)를 사용하고 상기 모드 잠금 광빗 레이저와 동기화된 수광 센서을 사용하여 비행시간을 측정할 수 있다.
비행시간 측정 센서(Time-of-flight sensor,160)은 비모호성구간의 2배 길이가 반복되는 모호성을 해결하기 위하여 측정 대상( 또는 타겟 거울)과 상기 제1 빔 분할기(또는 상기 모드 잠금 광빗 레이저) 사이의 대략적인 거리를 측정할 수 있는 다른 수단으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 대략적인 거리 측정을 위하여 리니어 스케일 또는 줄자 등이 사용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 측정신호는 제1 기준거울(142)에서 반사된 광과 상기 측정 대상(130)에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭스펙트럼의 푸리에변환 결과이다. 제2 측정신호는 제2 기준거울(144)에서 반사된 광과 상기 측정 대상(130)에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환 결과를 나타낸다. 또한, 기준신호 옵셋은 상기 제1 기준거울(142)과 제2 기준거울(144)에서 각각 반사된 광들끼리 간섭에 의해 형성되는 신호를 의미한다. 상기 기준신호 옵셋은 상기 제2 광 분할기와 상기 제1 기준 거울(142) 사이의 거리(l1p)와 상기 제2 광 분할기(124)와 상기 제2 기준 거울 사이의 거리(l1s)를 조절하여 일정한 크기를 갖도록 사전에 설정된다.
A 위치는 제1 측정신호가 측정 불가 구간에 포함되어 보이지 않는 구간이지만, 기준신호 옵셋의 크기만큼 떨어진 위치에 제2 측정신호가 나타난다. 따라서, 제1 측정신호의 위치를 결정할 수 있다.
한편, 측정 대상의 거리가 증가함에 따라 B 위치에서는 제1 측정신호와 제2 측정신호가 모두 보이게 된다.
측정 대상의 절대거리가 계속 증가하게 되면, 비모호성 구간을 지나면서 제1 측정신호와 제2 측정신호는 광경로차가 감소하는 왼쪽 방향으로 이동하게 된다. 상기 제1 기준거울(142)에는 반사율이 큰 거울을 사용하고, 상기 제2 기준거울(144)에는 반사율이 상대적으로 작은 거울을 사용할 수 있다. 반사율 차이에 따른 간섭스펙트럼의 가시도 차이로 인해 제1 측정신호와 제2 측정신호의 크기 차이가 확연히 나타나게 된다. 따라서, 이를 통해 두 측정신호 중에 어떤 신호가 제1 측정신호인지 구별 가능하게 된다. 결국, 크기가 서로 다른 제1 측정신호에 대한 제2 측정신호의 상대적 위치에 따라서 B와 E 위치를 구별할 수 있게 된다. 제1 측정신호가 제2 측정신호의 왼쪽에 존재한다면, 현재 측정 대상의 위치가 비모호성 구간을 지나기 전의 B 위치이고, 그 반대의 경우라면 비모호성 구간을 지난 후의 E 위치가 된다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 두 개의 기준거울을 통해 비모호성 구간 내에서의 방향모호성 문제를 해결할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 5를 참조하면, 거리 측정 장치(200)는 모드 잠금 광빗 레이저(110); 상기 모드 잠금 광빗 레이저의 출력광을 제공받아 기준 경로와 측정 경로로 빔을 분할하는 제1 광 분할기(122); 상기 기준 경로의 기준 빔을 제공받아 그 일면에서 상기 기준 빔의 일부를 반사시키고 그 타면에서 상기 기준의 잔부를 반사시키는 광학 윈도우(240); 상기 제1 광 분할기(122)로부터 상기 측정 경로의 측정 빔을 제공받아 반사시키는 측정 대상(130); 상기 측정 대상으로부터 반사된 빔을 상기 측정 경로를 따라 상기 제1 광 분할기(122)를 통하여 제공받고, 상기 광학 윈도우(240)의 일면으로부터 반사된 빔 그리고 상기 광학 윈도우(240)의 타면으로부터 반사된 빔을 상기 기준 경로를 따라 상기 제1 광 분할기(122)를 통하여 제공받아 파장에 따른 스펙트럼을 측정하는 광 스펙트럼 분석기(150); 및 상기 광 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 분석하여 상기 측정 대상의 이동 거리를 추출하는 연산부(160)를 포함한다.
상기 광학 윈도우(240)의 일면의 반사율은 상기 광학 윈도우(240)의 타면의 반사율과 서로 다를 수 있다.
제1 측정신호는 상기 광학 윈도우(240)의 일면에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭스펙트럼의 푸리에변환 결과이고, 제2 측정신호는 상기 광학 윈도우(240)의 타면에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환 결과이다. 상기 연산부(160)는 상기 제1 측정신호와 상기 제2 측정신호의 신호 세기와 상대적인 위치에 따라 상기 측정 대상의 절대거리를 결정할 수 있다.
상기 광학 윈도우(240)는 일정한 두께를 가지면서 사용하는 광원에 대하여 광학적으로 투명한 재질의 판일 수 있다. 상기 광학 윈도우를 이용하여 일면과 타면에서 반사되는 두 개의 광을 각각 제1 기준신호와 제2 기준 신호로 사용할 수 있다. 상기 광학 윈도우(240)는 열팽창률이 매우 낮은 재료를 사용하여 기준신호 옵셋의 안정도를 높게 유지할 수 있다. 상기 광학 윈도우(240)의 일면 및 타면은 소정의 반사율을 가지도록 코팅될 수 있다.
비행시간 측정 센서(Time-of-flight sensor,160)은 비모호성구간의 2배 길이가 반복되는 모호성을 해결하기 위하여 측정 대상( 또는 타겟 거울)과 상기 제1 빔 분할기(또는 상기 모드 잠금 광빗 레이저) 사이의 대략적인 거리를 측정할 수 있다. 이에 따라, 상기 비행시간 측정 센서는 비모호성구간의 2배에 해당하는 거리가 반복된 횟수를 계산할 수 있다. 이에 따라, 비모호성을 해결할 수 있다. 상기 비행시간 측정 센서(160)는 별도의 발광부와 수광 센서를 이용하여 비행시간을 측정할 수 있다. 또는 광원으로 상기 모드 잠금 광빗 레이저(110)를 사용하고 상기 모드 잠금 광빗 레이저와 동기화된 수광 센서을 사용하여 비행시간을 측정할 수 있다.
비행시간 측정 센서(Time-of-flight sensor,160)은 비모호성구간의 2배 길이가 반복되는 모호성을 해결하기 위하여 측정 대상( 또는 타겟 거울)과 상기 제1 빔 분할기(또는 상기 모드 잠금 광빗 레이저) 사이의 대략적인 거리를 측정할 수 있는 다른 수단으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 대략적인 거리 측정을 위하여 리니어 스케일 또는 줄자 등이 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 거리 측정 장치(300)는 모드 잠금 광빗 레이저(110); 상기 모드 잠금 광빗 레이저의 출력광을 제공받아 기준 경로와 측정 경로로 빔을 분할하는 제1 광 분할기(122); 상기 기준 경로의 기준 빔을 제공받아 그 일면에서 상기 기준 빔의 일부를 반사시키고 상기 기준 빔의 잔부를 투과시키는 펠리클 광분할기(342); 상기 펠리클 광분할기(342)를 투과한 광을 반사시키는 기준 거울(344); 상기 제1 광 분할기(122)로부터 상기 측정 경로의 측정 빔을 제공받아 반사시키는 측정 대상(130); 상기 측정 대상으로부터 반사된 빔을 상기 측정 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받고, 상기 펠리클 광분할기로부터 반사된 빔, 그리고 상기 기준 거울로부터 반사된 빔을 상기 기준 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받아 파장에 따른 스펙트럼을 측정하는 광 스펙트럼 분석기(150); 및 상기 광 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 분석하여 상기 측정 대상의 절대거리를 추출하는 연산부(160)를 포함한다.
상기 펠리클 광분할기(342)의 반사율은 상기 기준 거울(344)의 반사율과 서로 다를 수 있다. 제1 측정신호는 상기 펠리클 광분할기(342)에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭스펙트럼의 푸리에변환 결과이다. 제2 측정신호는 상기 기준 거울(344)에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환 결과이다. 상기 연산부는 상기 제1 측정신호와 상기 제2 측정신호의 신호 세기와 상대적인 위치에 따라 상기 측정 대상의 위치를 산출할 수 있다.
상기 펠리클 광분할기(342)와 기준거울(344)을 이용하여 제1 기준신호와 제2 기준 신호가 생성될 수 있다. 상기 펠리클 광분할기(342)는 멤브레인 형태로 이루어진 수 μm 수준의 두께를 가지는 얇은 막일 수 있다. 상기 펠리클 광분할기(342)와 상기 기준거울(344) 사이의 거리를 조절함으로써 기준신호 옵셋의 크기를 조절할 수 있다. 두 기준신호의 크기는 각 광학면의 코팅조건을 다르게 함으로써 조절이 가능하다.
비행시간 측정 센서(Time-of-flight sensor,160)은 비모호성구간의 2배 길이가 반복되는 모호성을 해결하기 위하여 측정 대상( 또는 타겟 거울)과 상기 제1 빔 분할기(또는 상기 모드 잠금 광빗 레이저) 사이의 대략적인 거리를 측정할 수 있다. 이에 따라, 상기 비행시간 측정 센서는 비모호성구간의 2배에 해당하는 거리가 반복된 횟수를 계산할 수 있다. 이에 따라, 비모호성을 해결할 수 있다. 상기 비행시간 측정 센서(160)는 별도의 발광부와 수광 센서를 이용하여 비행시간을 측정할 수 있다. 또는 광원으로 상기 모드 잠금 광빗 레이저(110)를 사용하고 상기 모드 잠금 광빗 레이저와 동기화된 수광 센서을 사용하여 비행시간을 측정할 수 있다.
비행시간 측정 센서(Time-of-flight sensor,160)은 비모호성구간의 2배 길이가 반복되는 모호성을 해결하기 위하여 측정 대상( 또는 타겟 거울)과 상기 제1 빔 분할기(또는 상기 모드 잠금 광빗 레이저) 사이의 대략적인 거리를 측정할 수 있는 다른 수단으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 대략적인 거리 측정을 위하여 리니어 스케일 또는 줄자 등이 사용될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

Claims (12)

  1. 모드 잠금 광빗 레이저;
    상기 모드 잠금 광빗 레이저의 출력광을 제공받아 기준 경로와 측정 경로로 빔을 분할하는 제1 광 분할기;
    상기 기준 경로의 기준 빔을 제공받아 제1 기준 거울와 제2 기준거울로 빔을 분할하는 제2 광 분할기;
    상기 제1 광분할기로부터 상기 측정 경로의 측정 빔을 제공받아 반사시키는 측정 대상;
    상기 측정 대상으로부터 반사된 빔을 상기 측정 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받고, 상기 제1 기준 거울로부터 반사된 빔, 그리고 상기 제2 기준 거울로부터 반사된 빔을 상기 기준 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받아 파장에 따른 스펙트럼을 측정하는 광 스펙트럼 분석기; 및
    상기 광 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 분석하여 상기 측정 대상의 절대거리를 추출하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대거리 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    명확한 신호 구별을 위해 상기 제1 기준 거울의 반사율은 상기 제2 기준 거울의 반사율과 서로 다른 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    제1 측정신호는 상기 제1 기준거울에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭스펙트럼의 푸리에변환 결과이고,
    제2 측정신호는 제2 기준거울에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환 결과이고,
    상기 연산부는 상기 제1 측정신호와 상기 제2 측정신호의 신호 세기와 상대적인 위치에 따라 상기 측정 대상의 절대거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 절대거리 측정 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 측정 대상과 상기 제1 광 분할기 사이의 대략적인 거리를 측정하는 비행시간 측정 센서 또는 리니어 스케일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 거리 측정 장치.
  5. 모드 잠금 광빗 레이저;
    상기 모드 잠금 광빗 레이저의 출력광을 제공받아 기준 경로와 측정 경로로 빔을 분할하는 제1 광 분할기;
    상기 기준 경로의 기준 빔을 제공받아 그 일면에서 상기 기준 빔의 일부를 반사시키고 그 타면에서 상기 기준의 잔부를 반사시키는 광학 윈도우;
    상기 제1 광 분할기로부터 상기 측정 경로의 측정 빔을 제공받아 반사시키는 측정 대상;
    상기 측정 대상으로부터 반사된 빔을 상기 측정 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받고, 상기 광학 윈도우의 일면으로부터 반사된 빔 그리고 상기 광학 윈도우의 타면으로부터 반사된 빔을 상기 기준 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받아 파장에 따른 스펙트럼을 측정하는 광 스펙트럼 분석기; 및
    상기 광 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 분석하여 상기 측정 대상의 절대거리를 추출하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대거리 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 광학 윈도우의 일면의 반사율은 상기 광학 윈도우의 타면의 반사율과 서로 다른 것을 특징으로 하는 절대거리 측정 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    제1 측정신호는 상기 광학 윈도우의 일면에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭스펙트럼의 푸리에변환 결과이고,
    제2 측정신호는 상기 광학 윈도우의 타면에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환 결과이고,
    상기 연산부는 상기 제1 측정신호와 상기 제2 측정신호의 신호 세기와 상대적인 위치에 따라 상기 측정 대상의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 절대거리 측정 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 측정 대상과 상기 제1 광 분할기 사이의 대략적인 거리를 측정하는 비행시간 측정 센서 또는 리니어 스케일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 거리 측정 장치.
  9. 모드 잠금 광빗 레이저;
    상기 모드 잠금 광빗 레이저의 출력광을 제공받아 기준 경로와 측정 경로로 빔을 분할하는 제1 광 분할기;
    상기 기준 경로의 기준 빔을 제공받아 그 일면에서 상기 기준 빔의 일부를 반사시키고 상기 기준 빔의 잔부를 투과시키는 펠리클 광분할기;
    상기 펠리클 광분할기를 투과한 광을 반사시키는 기준 거울;
    상기 제1 광 분할기로부터 상기 측정 경로의 측정 빔을 제공받아 반사시키는 측정 대상;
    상기 측정 대상으로부터 반사된 빔을 상기 측정 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받고, 상기 펠리클 광분할기로부터 반사된 빔, 그리고 상기 기준 거울로부터 반사된 빔을 상기 기준 경로를 따라 상기 제1 광 분할기를 통하여 제공받아 파장에 따른 스펙트럼을 측정하는 광 스펙트럼 분석기; 및
    상기 광 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 분석하여 상기 측정 대상의 절대거리를 추출하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대거리 측정 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 펠리클 광분할기의 반사율은 상기 기준 거울의 반사율과 서로 다른 것을 특징으로 하는 절대거리 측정 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    제1 측정신호는 상기 펠리클 광분할기에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭스펙트럼의 푸리에변환 결과이고,
    제2 측정신호는 상기 기준 거울에서 반사된 광과 상기 측정 대상에서 반사된 광이 간섭하여 형성되는 간섭 스펙트럼의 푸리에 변환 결과이고,
    상기 연산부는 상기 제1 측정신호와 상기 제2 측정신호의 신호 세기와 상대적인 위치에 따라 상기 측정 대상의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 절대거리 측정 장치.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 측정 대상과 상기 제1 광 분할기 사이의 대략적인 거리를 측정하는 비행시간 측정 센서 또는 리니어 스케일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 거리 측정 장치.
PCT/KR2016/010612 2016-06-01 2016-09-23 측정 불가 구간과 방향 모호성이 없는 절대거리 측정을 위한 분광형 간섭계 시스템 Ceased WO2017209352A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2016-0068129 2016-06-01
KR1020160068129A KR101792632B1 (ko) 2016-06-01 2016-06-01 측정 불가 구간과 방향 모호성이 없는 절대거리 측정을 위한 분광형 간섭계 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017209352A1 true WO2017209352A1 (ko) 2017-12-07

Family

ID=60383075

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2016/010612 Ceased WO2017209352A1 (ko) 2016-06-01 2016-09-23 측정 불가 구간과 방향 모호성이 없는 절대거리 측정을 위한 분광형 간섭계 시스템

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101792632B1 (ko)
WO (1) WO2017209352A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112684461A (zh) * 2020-12-21 2021-04-20 武汉光目科技有限公司 一种抗振型面阵扫频测量装置和方法
CN119716883A (zh) * 2025-03-04 2025-03-28 中国民航大学 一种多脉冲光谱干涉的光学频率梳测距装置及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008008836A (ja) * 2006-06-30 2008-01-17 Sunx Ltd 距離測定装置
KR20090089684A (ko) * 2008-02-19 2009-08-24 한국과학기술원 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법 및 시스템
JP2010038558A (ja) * 2008-07-31 2010-02-18 Mitsutoyo Corp 光波干渉による距離測定方法及び装置
US20130188195A1 (en) * 2011-12-02 2013-07-25 Grintech Gmbh Optically Corrective Microprobe for White Light Interferometry
JP2016501379A (ja) * 2012-12-13 2016-01-18 ユニヴァーシティ オブ ハダーズフィールド 干渉装置およびそのような装置を使用する試料特性判定装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008008836A (ja) * 2006-06-30 2008-01-17 Sunx Ltd 距離測定装置
KR20090089684A (ko) * 2008-02-19 2009-08-24 한국과학기술원 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법 및 시스템
JP2010038558A (ja) * 2008-07-31 2010-02-18 Mitsutoyo Corp 光波干渉による距離測定方法及び装置
US20130188195A1 (en) * 2011-12-02 2013-07-25 Grintech Gmbh Optically Corrective Microprobe for White Light Interferometry
JP2016501379A (ja) * 2012-12-13 2016-01-18 ユニヴァーシティ オブ ハダーズフィールド 干渉装置およびそのような装置を使用する試料特性判定装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112684461A (zh) * 2020-12-21 2021-04-20 武汉光目科技有限公司 一种抗振型面阵扫频测量装置和方法
CN112684461B (zh) * 2020-12-21 2025-01-14 武汉光目科技有限公司 一种抗振型面阵扫频测量装置和方法
CN119716883A (zh) * 2025-03-04 2025-03-28 中国民航大学 一种多脉冲光谱干涉的光学频率梳测距装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101792632B1 (ko) 2017-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2288746C (en) Distributed sensing system
KR100916618B1 (ko) 반사광측정법에 근거한 분산 백색광 간섭법을 이용한박막두께 및 형상측정방법
CA2272033A1 (en) Arrangement for determining the temperature and strain of an optical fiber
EP4127775A1 (en) Method and apparatus for mapping and ranging based on coherent-time comparison
US20230062957A1 (en) Demodulation system and demodulation method of fiber-optic sensor for obtaining phase change parameters
CA2469817A1 (en) System and method for measuring optical distance
US11226188B2 (en) Low-coherence reflectometry method and device employing time-frequency detection
CN106802165A (zh) 基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法与装置
CN101187556A (zh) 一种光纤测距方法及装置
US11236995B2 (en) Optical shape sensing method and system
WO2017209352A1 (ko) 측정 불가 구간과 방향 모호성이 없는 절대거리 측정을 위한 분광형 간섭계 시스템
US9791259B2 (en) Interferometric distance sensing device and method with less dependency on environment disturbances on a fiber
US6462823B1 (en) Wavelength meter adapted for averaging multiple measurements
US7515275B2 (en) Optical apparatus and method for distance measuring
TWI715304B (zh) 差動式光學測距儀
KR100947731B1 (ko) 스펙트럴 간섭계를 이용한 광섬유 및 광도파로의 색분산측정장치 및 색분산 측정방법
Gritsenko et al. Distributed Strain Sensor Based on Double-Wavelength phi-OTDR
CA2552465C (en) Optical apparatus and method for distance measuring
US20180299256A1 (en) Optical thickness measuring device and method
CN108982418B (zh) 基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置和方法
JPS6225232A (ja) 光フアイバの波長分散測定方法および装置
JP2017032466A (ja) 光反射測定装置および光反射測定方法
JPH0587536A (ja) 透明な試料層の厚さを干渉測定する装置
ITMI980713A1 (it) Procedimento per effettuare misure di distanze e di spessori mediante retroriflessione ottica e relativa apparecchiatura
JPH0484739A (ja) 屈折率測定装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16904151

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16904151

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1