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KR101956839B1 - 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR101956839B1
KR101956839B1 KR1020170165388A KR20170165388A KR101956839B1 KR 101956839 B1 KR101956839 B1 KR 101956839B1 KR 1020170165388 A KR1020170165388 A KR 1020170165388A KR 20170165388 A KR20170165388 A KR 20170165388A KR 101956839 B1 KR101956839 B1 KR 101956839B1
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KR
South Korea
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laser beam
mirror assembly
change
lens
intensity
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KR1020170165388A
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유훈
유재승
남창우
Original Assignee
주식회사 한화
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Publication date
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    • 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
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
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Abstract

본 발명은 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 레이저 소자로부터 발산되는 레이저 빔을 반사시키는 거울 조립체, 반사된 레이저 빔을 통과시키는 렌즈를 포함하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치에 있어서, 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 제1 레이저 빔 측정부, 상기 렌즈의 초평면에 스크린을 위치시켜, 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역을 조절하는 레이저 빔 영역 조절부, 상기 거울 조립체의 위치를 변경시키는 거울 조립체 위치 변경부, 조절된 레이저 빔의 영역과 상기 거울 조립체의 위치 변경에 따른 각도 오차에 대응하여 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 제2 레이저 빔 측정부 및 상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화와 상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 거울 조립체의 위치 변경 시 발생되는 각도 오차를 측정하는 각도 오차 측정부를 포함한다.

Description

링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING ANGLE ERROR HAVING RING LASER RESONATOR}
본 발명은 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 볼록렌즈를 이용하여 거울 조립체의 각도 오차를 정량적으로 측정하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 사물의 미세한 위치 변화는 마일켈슨 간섭계와 같은 광학적 간섭계를 이용하여 측정할 수 있다. 레이저 공진기의 거울 조립체 역시, 마이켈슨 간섭계를 이용하여 거울 조립체의 위치 변화 시 유발되는 각도 오차를 측정할 수 있다. 즉, 간섭계를 구성하는 두 빔 중 하나의 경로에 거울 조립체를 이용하여 빔의 경로를 조절하면 거울 조립체의 위치 또는 각도 변화에 따른 간섭무늬 변화를 관찰할 수 있다. 이때, 마이켈슨 간섭계의 간섭무늬는 링의 형태로 나타나도록 정렬한 뒤 거울 조립체의 변화에 따른 간섭무늬 변화를 관찰할 수 있다. 거울 조립체의 위치 변화는 링 형태의 간섭무늬의 동심도를 유지하며 공간에 따른 간섭무늬의 위상만을 변화 시키는 반면에 거울 조립체의 각도 변화는 간섭무늬의 동심도를 변화시키기 때문에 동심도의 변화를 측정하여 거울 조립체의 위치 변화 시 발생하는 각도 오차를 측정할 수 있다. 그러나 간섭계를 이용하면, 레이저 파장단위 이하의 변화를 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있지만 조립체의 위치 변화에 따른 각도 오차를 정량적으로 측정하는 데는 어려움이 있다.
또한, 거울 조립체의 각도 오차를 측정하는 또 다른 방법으로, 레이저 빔을 거울 조립체에 수직입사 시킨뒤 반사되어 나오는 레이저 빔의 위치 변화를 측정하여 각도 오차를 측정하거나, 거울에서 반사된 빔의 위치 변화를 거울에서부터의 거리에 따라 측정하여 반사된 빔의 위치 변화가 거울 위치 변화에서 온 것인지 또는 각도변화에서 기인한 것인지 구별하는 방법이 있으나 두 방법 모두 높은 정렬 정밀도를 요구하여 측정 오차가 크다는 단점이 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2013-0104353호는 "초소형으로 제작 가능한 외부 공진기형 레이저 장치"에 관하여 개시하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 볼록렌즈를 이용하여 거울 조립체에서 반사되어 나오는 레이저 빔의 위치 변화를 볼록렌즈의 푸리에 평면에서 측정하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 가해지는 주파수 성분에 따른 레이저 빔의 세기를 측정하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치는 레이저 소자로부터 발산되는 레이저 빔을 반사시키는 거울 조립체, 반사된 레이저 빔을 통과시키는 렌즈를 포함하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치에 있어서, 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 제1 레이저 빔 측정부; 상기 렌즈의 초평면에 스크린을 위치시켜, 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역을 조절하는 레이저 빔 영역 조절부; 상기 거울 조립체의 위치를 변경시키는 거울 조립체 위치 변경부; 조절된 레이저 빔의 영역과 상기 거울 조립체의 위치 변경에 따른 각도 오차에 대응하여 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 제2 레이저 빔 측정부; 및 상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화와 상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 거울 조립체의 위치 변경 시 발생되는 각도 오차를 측정하는 각도 오차 측정부;를 포함한다.
또한, 상기 렌즈는 볼록 렌즈인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 빔 영역 조절부는 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역이 절반이 되도록 상기 렌즈의 초평면에 상기 스크린을 위치시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 거울 조립체 위치 변경부는 상기 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 전압을 가하여 상기 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켜 위치를 변경하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 레이저 빔 측정부는 상기 렌즈의 초평면에 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역이 절반이 되도록 상기 스크린을 위치시킨 후, 상기 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켰을 때 각도 변화에 의해 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각도 오차 측정부는, 상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정된 레이저 빔의 세기를 측정하는 제1 레이저 빔 정보를 추출하여 분석하는 제1 레이저 빔 정보 분석부; 상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정된 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동된 상기 거울 조립체에서 반사되되, 상기 렌즈의 초평면에 위치되는 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기를 측정하는 제2 레이저 빔 정보를 추출하여 분석하는 제2 레이저 빔 정보 분석부; 및 분석된 제1 레이저 빔 정보와 제2 레이저 빔 정보를 비교하여, 상기 거울 조립체 가 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동했을 때 발생되는 각도 오차를 추출하는 각도 오차 추출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 거울 조립체의 위치 변경 시, 상기 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 가해지는 전압의 주파수 성분에 해당하는 레이저 빔의 변화를 측정하여, 상기 레이저의 출력 변화에 따른 신호를 분리하는 레이저 출력 변화 인식부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법은 레이저 소자로부터 발산되는 레이저 빔을 반사시키는 거울 조립체, 반사된 레이저 빔을 통과시키는 렌즈를 포함하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치를 이용한 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법에 있어서, 제1 레이저 빔 측정부에 의해, 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 세기를 측정하는 단계; 레이저 빔 영역 조절부에 의해, 상기 렌즈의 초평면에 스크린을 위치시켜, 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역을 조절하는 단계: 거울 조립체 위치 변경부에 의해, 상기 거울 조립체의 위치를 변경시키는 단계; 제2 레이저 빔 측정부에 의해, 조절된 레이저 빔의 영역과 상기 거울 조립체의 위치 변경에 따른 각도 오차에 대응하여 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 단계; 및 각도 오차 측정부에 의해, 상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기변화와 상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 거울 조립체의 위치 변경 시 발생되는 각도 오차를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 렌즈의 초평면에 스크린을 위치시켜, 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역을 조절하는 단계는, 상기 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 전압을 가하여 상기 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시 발생하는 각도변화에 기인한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 거울 조립체의 위치를 변경시키는 단계는, 상기 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 전압을 가하여 상기 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켜 위치를 변경하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 거울 조립체의 위치를 변경시키는 단계 이후에, 상기 거울 조립체의 위치 변경 시, 상기 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 가해지는 전압의 주파수 성분에 해당하는 레이저 빔의 변화를 측정하여, 상기 레이저의 출력 변화에 따른 신호를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 조절된 레이저 빔의 영역과 상기 거울 조립체의 위치 변경에 따른 각도 오차에 대응하여 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 단계는, 상기 렌즈의 초평면에 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역이 절반이 되도록 상기 스크린을 위치시킨 후, 상기 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켰을 때 각도 변화에 의해 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화와 상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 거울 조립체의 위치 변경 시 발생되는 각도 오차를 측정하는 단계는, 상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정된 레이저 빔의 세기 정보를 포함하는 제1 레이저 빔 정보를 추출하여 분석하는 단계; 상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정된 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동된 상기 거울 조립체에서 반사되되, 상기 렌즈의 초평면에 위치되는 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 정보를 포함하는 제2 레이저 빔 정보를 추출하여 분석하는 단계; 분석된 제1 레이저 빔 정보와 제2 레이저 빔 정보를 비교하여, 상기 거울 조립체가 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동했을 때 발생되는 각도 오차를 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치 및 그 방법은 볼록렌즈를 이용하여 거울 조립체에서 반사되어 나오는 레이저 빔의 위치 변화를 볼록렌즈의 푸리에 평면에서 측정하여 거울 조립체의 위치 변화에 따라 발생하는 각도 오차를 측정함으로써, 링 레이저 공진기의 출력 방향을 일정하게 하고 출력 세기를 안정적으로 유지시켜 줄 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 가해지는 주파수 성분에 따른 레이저 빔의 세기를 측정하여 링 레이저의 공진기의 출력 변화에 따른 신호 변화를 제외함으로써, 링 레이저 공진기의 출력 세기를 안정적으로 유지시켜 줄 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치에 채용되는 각도 오차 측정부의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법의 순서를 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따른 거울 조립체의 위치 변화에 따른 각도 변화 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 스크린의 위치 변화에 따른 각도 변화 측정 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도오차 측정 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도오차 측정 장치는 레이저 소자, 레이저 소자로부터 발산되는 레이저 빔을 반사시키는 거울 조립체(10), 반사된 레이저 빔을 통과시키는 렌즈(20)를 포함한다.
여기서, 거울 조립체(10)는 PZT와 같이 미세 거리 조절이 가능한 소자를 부착하여 링 레이저 공진기의 길이를 미세하게 변화시킬 수 있도록 한다. 또한, 렌즈(20)는 볼록 렌즈로 구성하여, 거울 조립체(10)에서 반사된 레이저 빔의 위치 변화를 볼록 렌즈의 푸리에 평면에서 관측되도록 하였다. 또한, 렌즈(20)의 초평면에 스크린(30)을 위치시켜, 렌즈(20)를 통과하는 레이저 빔의 영역을 조절하였다.
이를 통해, 본 발명은 레이저 빔을 거울 조립체(10)에 반사시킨 뒤, 반사된 레이저 빔을 렌즈(20)에 통과시켜 레이저 빔의 세기 변화를 측정하였다. 렌즈(20)의 초평면에 스크린(30)을 빔의 절반을 가리도록 위치시킨 뒤, 거울 조립체를 (a) 방향으로 평행이동시켰을 때 스크린(30)을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하면 거울 조립체(10)의 평행이동 시 발생하는 (b) 방향의 각도 오차를 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치(100)는 크게 제1 레이저 빔 측정부(110), 레이저 빔 영역 조절부(120), 거울 조립체 위치 변경부(130), 레이저 출력 변화 인식부(135), 제2 레이저 빔 측정부(1400 및 각도 오차 측정부(150)를 포함한다.
레이저 빔 측정부(110)는 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정한다.
레이저 빔 영역 조절부(120)는 렌즈의 초평면에 스크린을 위치시켜, 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역을 조절한다.
즉, 레이저 빔 영역 조절부(120)는 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역이 절반이 되도록 렌즈의 초평면에 스크린을 위치시킨다.
거울 조립체 위치 변경부(130)는 거울 조립체의 위치를 변경시킨다.
거울 조립체 위치 변경부(130)는 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 전압을 가하여 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켜 위치를 변경한다.
레이저 출력 변화 인식부(135)는 거울 조립체의 위치 변경 시, 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 가해지는 전압의 주파수 성분에 해당하는 레이저 빔의 변화를 측정하여, 레이저의 출력 변화에 따른 신호를 분리한다.
제2 레이저 빔 측정부(140)는 조절된 레이저 빔의 영역과 거울 조립체의 위치 변경에 따른 각도 오차에 대응하여 렌즈로부터 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정한다.
즉, 제2 레이저 빔 측정부(140)는 렌즈의 초평면에 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역이 절반이 되도록 스크린을 위치시킨 후, 거울 조립체를 평행 이동시켰을 때 각도 변화에 의해 렌즈로부터 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정한다.
각도 오차 측정부(150)는 제1 레이저 빔 측정부(110)로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화와 제2 레이저 빔 측정부(140)로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 거울 조립체의 위치 변경 시 발생되는 각도 오차를 측정한다.
도 3은 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치에 채용되는 각도 오차 측정부의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 각도 오차 측정부(150)는 제1 레이저 빔 측정부(110)로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화와 제2 레이저 빔 측정부(140)로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 거울 조립체의 위치 변경 시 발생되는 각도 오차를 측정한다.
이를 위해, 각도 오차 측정부(150)는 제1 레이저 빔 정보 분석부(151), 제2 레이저 빔 정보 분석부(152) 및 각도 오차 추출부(153)를 포함한다.
제1 레이저 빔 정보 분석부(151)는 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정된 렌즈를 통과한 레이저 빔의 세기 정보를 분석한다.
제2 레이저 빔 정보 분석부(152)는 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정된 레이저 빔의 세기를 토대로 조립체의 축 방향으로 평행 이동된 거울 조립체에서 반사되되, 렌즈의 초평면에 위치되는 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 정보를 분석한다.
각도 오차 추출부(153)는 분석된 제1 레이저 빔 정보와 제2 레이저 빔 정보를 비교하여, 거울 조립체가 조립체의 축 방향으로 평행 이동했을 때 발생되는 각도 오차를 추출한다.
이와 같이, 각도 오차를 추출하는 것은 다음과 같은 수식 1로 나타낼 수 있다.
[수식 1]
Figure 112017120924628-pat00001
여기서, ｈ와 θ는 렌즈를 통과하기 직전의 레이저 빔의 광축으로부터의 높이와 레이저 빔과 광축과의 각도를 의미한다. 거울 조립체를 평행이동 시 레이저의 ｈ가 변하게 되고, 각도 변화 시 θ변하게 된다. 상기의 수식에서 ｆ는 렌즈의 초첨거리를 의미하고, ｄ는 렌즈와 스크린 사이의 거리를 나타내고 ｈ′과 θ′는 스크린에서의 레이저 빔의 높이와 레이저 빔의 진행 방향과 광축과의 각도를 의미한다. 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기는 ｈ′의 함수이고 거울의 평행이동 시 발생하는 ｈ′변화는 포토다이오드(본 발명의 제1 레이저 빔 측정부 및 제2 레이저 빔 측정부)에서 검출되는 레이저 빔의 세기를 변화시킨다.
이때, 스크린이 렌즈의 초평면에 위치할 경우는 h'=θf와 같으며, 포토다이오드의 신호 변화의 원인을 각도 변화의 함수로만 기술할 수 있다.
한편, 레이저의 세기가 가우시안의 공간분포를 가지고 스크린이 최초 가우시안빔의 절반을 가릴 경우, h' 변화에 의한 슬릿을 통과하는 레이저 세기 I의 변화는 다음과 같은 수식 2로 나타낼 수 있다.
[수식 2]
Figure 112017120924628-pat00002
여기서, z는 렌즈의 초평면에서부터의 광축 방향의 길이를 의미하고, zR은 렌즈를 통과하는 가우시안빔의 Rayleigh 길이를 나타낸다. 스크린이 렌즈의 초평면에 정확히 위치하지 못할 경우, h'은 거울의 평행이동 양과 각도 변화의 함수가 된다. 평행이동에 의한 변화율은 그 값이 (1-d/f)배로 영향이 작아지고 각도변화에 의한 값은 θd로 변하게 되나 가우시안 빔의 크기 증가로 인한 dI/dh'값 변화를 함께 고려하면 초평면을 벗어났을 경우의 값을 수학적으로 해석할 수 있다.
이때, 레이저의 출력 요동은 각도 측정 오차를 유발하게 된다. 이를 무시하기 위하여 앞서 설명한 레이저 출력 변화 인식부를 통해 거울 조립체의 위치를 특정 진동수로 변화시키고 포토다이오드에서 해당 주파수 성분만을 검출하여 거울 조립체의 움직임에 의한 각도 변화만을 측정할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법의 순서를 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에서 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법은 앞서 설명한 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치를 이용하는 것으로, 이하 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 제1 레이저 빔 측정부를 통해 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정한다(S100).
다음, 렌즈의 초평면에 스크린을 위치시켜, 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역을 조절한다(S200). S200 단계는 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역이 절반이 되도록 렌즈의 초평면에 스크린을 위치시킨다.
다음, 거울 조립체의 위치를 변경시킨다(S300). S300 단계는 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 전압을 가하여 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켜 위치를 변경한다. 또한, S300 단계에서 거울 조립체의 위치 변경 시, 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 가해지는 전압의 주파수 성분에 해당하는 레이저 빔의 변화를 측정하여, 레이저의 출력 변화에 따른 신호를 분리할 수도 있다.
다음, 제2 레이저 빔 측정부를 통해 조절된 레이저 빔의 영역과 거울 조립체의 위치 변경에 따른 각도 오차에 대응하여 렌즈로부터 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기를 측정한다(S400). S400 단계는 렌즈의 초평면에 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역이 절반이 되도록 스크린을 위치시킨 후, 거울 조립체를 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켰을 때 각도 변화에 의해 렌즈로부터 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정한다.
다음, 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화와 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 거울 조립체의 위치 변경 시 발생되는 각도 오차를 측정한다(S500).
도 5는 본 발명에 따른 거울 조립체의 위치 변화에 따른 각도 변화 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 링 레이저 공진기에 이용되는 4개의 개별 거울 조립체의 위치 변화에 따른 각도변화 측정 결과는 각 2.24±0.1 Arcsec/λ, 0.50±0.03 Arcsec/λ, 1.24±0.04 Arcsec/λ, 2.35±0.1 Arcsec/λ로 측정되었다. 이 때, λ는 측정장치에 사용된 레이저 소자에서 발산하는 레이저의 파장으로 본 측정장치에서 λ = 633 nm를 의미한다. 실제 측정에 있어서 λ는 어떠한 파장의 레이저 소자를 사용해도 무관하다.
도 6은 본 발명에 따른 스크린의 위치 변화에 따른 각도 변화 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 스크린이 초평면을 벗어났을 때 각도 오차 측정결과 초평면 ±3 mm 변화시 각도 오차의 최대 편차 0.47 Arcsec/λ로 측정되었다.
이처럼, 본 발명에 따른 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치 및 그 방법은 볼록렌즈를 이용하여 거울 조립체에서 반사되어 나오는 레이저 빔의 위치 변화를 볼록렌즈의 푸리에 평면에서 측정하여 거울 조립체의 위치 변화에 따라 발생하는 각도 오차를 측정함으로써, 링 레이저 공진기의 출력 방향을 일정하게 하고 출력 세기를 안정적으로 유지시켜 줄 수 있다.
또한, 본 발명은 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 가해지는 주파수 성분에 따른 레이저 빔의 세기 변화를 측정하여 링 레이저의 공진기의 출력 변화에 따른 신호 변화를 제외함으로써, 링 레이저 공진기의 출력 세기를 안정적으로 유지시켜 줄 수 있다.
이상 본 명세서에서 설명한 기능적 동작과 본 주제에 관한 실시형태들은 본 명세서에서 개시한 구조들 및 그들의 구조적인 등가물을 포함하여 디지털 전자 회로나 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어에서 혹은 이들 중 하나 이상이 조합에서 구현 가능하다.
본 명세서에서 기술하는 주제의 실시형태는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품, 다시 말해 데이터 처리 장치에 의한 실행을 위하여 혹은 그 동작을 제어하기 위하여 유형의 프로그램 매체 상에 인코딩되는 컴퓨터 프로그램 명령에 관한 하나 이상이 모듈로서 구현될 수 있다. 유형의 프로그램 매체는 전파형 신호이거나 컴퓨터로 판독 가능한 매체일 수 있다. 전파형 신호는 컴퓨터에 의한 실행을 위하여 적절한 수신기 장치로 전송하기 위한 정보를 인코딩하기 위하여 생성되는 예컨대 기계가 생성한 전기적, 광학적 혹은 전자기 신호와 같은 인공적으로 생성된 신호이다. 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 기계로 판독 가능한 저장장치, 기계로 판독 가능한 저장 기판, 메모리 장치, 기계로 판독 가능한 전파형 신호에 영향을 미치는 물질의 조합 혹은 이들 중 하나 이상이 조합일 수 있다.
컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 어플리케이션, 스크립트 혹은 코드로도 알려져 있음)은 컴파일되거나 해석된 언어나 선험적 혹은 절차적 언어를 포함하는 프로그래밍 언어의 어떠한 형태로도 작성될 수 있으며, 독립형 프로그램이나 모듈, 컴포넌트, 서브루틴 혹은 컴퓨터 환경에서 사용하기에 적합한 다른 유닛을 포함하여 어떠한 형태로도 전개될 수 있다.
컴퓨터 프로그램은 파일 장치의 파일에 반드시 대응하는 것은 아니다. 프로그램은 요청된 프로그램에 제공되는 단일 파일 내에, 혹은 다중의 상호 작용하는 파일(예컨대, 하나 이상이 모듈, 하위 프로그램 혹은 코드의 일부를 저장하는 파일) 내에, 혹은 다른 프로그램이나 데이터를 보유하는 파일의 일부(예컨대, 마크업 언어 문서 내에 저장되는 하나 이상이 스크립트) 내에 저장될 수 있다.
컴퓨터 프로그램은 하나의 사이트에 위치하거나 복수의 사이트에 걸쳐서 분산되어 통신 네트워크에 의해 상호 접속된 다중 컴퓨터나 하나의 컴퓨터 상에서 실행되도록 전개될 수 있다.
부가적으로, 본 특허문헌에서 기술하는 논리 흐름과 구조적인 블록도는 개시된 구조적인 수단의 지원을 받는 대응하는 기능과 단계의 지원을 받는 대응하는 행위 및/또는 특정한 방법을 기술하는 것으로, 대응하는 소프트웨어 구조와 알고리즘과 그 등가물을 구축하는 데에도 사용 가능하다.
본 명세서에서 기술하는 프로세스와 논리 흐름은 입력 데이터 상에서 동작하고 출력을 생성함으로써 기능을 수행하기 위하여 하나 이상이 컴퓨터 프로그램을 실행하는 하나 이상이 프로그래머블 프로세서에 의하여 수행 가능하다.
컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 프로세서는, 예컨대 범용 및 특수 목적의 마이크로프로세서 양자 및 어떤 종류의 디지털 컴퓨터의 어떠한 하나 이상이 프로세서라도 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 읽기 전용 메모리나 랜덤 액세스 메모리 혹은 양자로부터 명령어와 데이터를 수신할 것이다.
컴퓨터의 핵심적인 요소는 명령어와 데이터를 저장하기 위한 하나 이상이 메모리 장치 및 명령을 수행하기 위한 프로세서이다. 또한, 컴퓨터는 일반적으로 예컨대 자기, 자기광학 디스크나 광학 디스크와 같은 데이터를 저장하기 위한 하나 이상이 대량 저장 장치로부터 데이터를 수신하거나 그것으로 데이터를 전송하거나 혹은 그러한 동작 둘 다를 수행하기 위하여 동작가능 하도록 결합되거나 이를 포함할 것이다. 그러나, 컴퓨터는 그러한 장치를 가질 필요가 없다.
본 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 당업자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
따라서, 상술한 예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다. 요컨대 본 발명이 의도하는 효과를 달성하기 위해 도면에 도시된 모든 기능 블록을 별도로 포함하거나 도면에 도시된 모든 순서를 도시된 순서 그대로 따라야만 하는 것은 아니며, 그렇지 않더라도 얼마든지 청구항에 기재된 본 발명의 기술적 범위에 속할 수 있음에 주의한다.
100 : 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치
110 : 제1 레이저 빔 측정부
120 : 레이저 빔 영역 조절부
130 : 거울 조립체 위치 변경부
135 : 레이저 출력 변화 인식부
140 : 제2 레이저 빔 측정부
150 : 각도 오차 측정부

Claims (13)

  1. 레이저 소자로부터 발산되는 레이저 빔을 반사시키는 거울 조립체, 반사된 레이저 빔을 통과시키는 렌즈를 포함하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치에 있어서,
    상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 제1 레이저 빔 측정부;
    상기 렌즈의 초평면에 스크린을 위치시켜, 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역을 조절하는 레이저 빔 영역 조절부;
    상기 거울 조립체의 위치를 변경시키는 거울 조립체 위치 변경부;
    조절된 레이저 빔의 영역과 상기 거울 조립체의 위치 변경에 따른 각도 오차에 대응하여 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 제2 레이저 빔 측정부; 및
    상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화와 상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 거울 조립체의 위치 변경 시 발생되는 각도 오차를 측정하는 각도 오차 측정부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서.
    상기 렌즈는 볼록 렌즈인 것을 특징으로 하는 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서.
    상기 빔 영역 조절부는 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역이 절반이 되도록 상기 렌즈의 초평면에 상기 스크린을 위치시키는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 거울 조립체 위치 변경부는 상기 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 전압을 가하여 상기 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켜 위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔 측정부는 상기 렌즈의 초평면에 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역이 절반이 되도록 상기 스크린을 위치시킨 후, 상기 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켰을 때 각도 변화에 의해 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각도 오차 측정부는,
    상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정된 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 거울 조립체에서 반사되어 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 세기 정보를 포함하는 제1 레이저 빔 정보를 추출하여 분석하는 제1 레이저 빔 정보 분석부;
    상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정된 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동된 상기 거울 조립체에서 반사되되, 상기 렌즈의 초평면에 위치되는 스크린을 통과하는 레이저 빔과 광축과의 각도 정보를 포함하는 제2 레이저 빔 정보를 추출하여 분석하는 제2 레이저 빔 정보 분석부; 및
    분석된 제1 레이저 빔 정보와 제2 레이저 빔 정보를 비교하여, 상기 거울 조립체가 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동했을 때 발생되는 각도 오차를 추출하는 각도 오차 추출부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 거울 조립체의 위치 변경 시, 상기 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 가해지는 전압의 주파수 성분에 해당하는 레이저 빔의 변화를 측정하여, 상기 레이저의 출력 변화에 따른 신호를 분리하는 레이저 출력 변화 인식부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치.
  8. 레이저 소자로부터 발산되는 레이저 빔을 반사시키는 거울 조립체, 반사된 레이저 빔을 통과시키는 렌즈를 포함하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 장치를 이용한 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법에 있어서,
    제1 레이저 빔 측정부에 의해, 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 단계;
    레이저 빔 영역 조절부에 의해, 상기 렌즈의 초평면에 스크린을 위치시켜, 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역을 조절하는 단계:
    거울 조립체 위치 변경부에 의해, 상기 거울 조립체의 위치를 변경시키는 단계;
    제2 레이저 빔 측정부에 의해, 조절된 레이저 빔의 영역과 상기 거울 조립체의 위치 변경에 따른 각도 오차에 대응하여 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기를 측정하는 단계; 및
    각도 오차 측정부에 의해, 상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기와 상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 거울 조립체의 위치 변경 시 발생되는 각도 오차를 측정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 거울 조립체의 위치를 변경시키는 단계는,
    상기 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 전압을 가하여 상기 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켜 위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 거울 조립체의 위치를 변경시키는 단계 이후에,
    상기 거울 조립체의 위치 변경 시, 상기 거울 조립체에 구비되는 PZT 소자에 가해지는 전압의 주파수 성분에 해당하는 레이저 빔의 변화를 측정하여, 상기 레이저의 출력 변화에 따른 신호를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    조절된 레이저 빔의 영역과 상기 거울 조립체의 위치 변경에 따른 각도 오차에 대응하여 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 단계는,
    상기 렌즈의 초평면에 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 영역이 절반이 되도록 상기 스크린을 위치시킨 후, 상기 거울 조립체를 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동시켰을 때 각도 변화에 의해 상기 렌즈로부터 상기 스크린을 통과하는 레이저 빔의 세기 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화와 상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정되는 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 거울 조립체의 위치 변경 시 발생되는 각도 오차를 측정하는 단계는,
    상기 제1 레이저 빔 측정부로부터 측정된 레이저 빔의 세기를 토대로 상기 거울 조립체에서 반사되어 상기 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 세기 정보를 포함하는 제1 레이저 빔 정보를 추출하여 분석하는 단계;
    상기 제2 레이저 빔 측정부로부터 측정된 레이저 빔의 세기 변화를 토대로 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동된 상기 거울 조립체에서 반사되되, 상기 렌즈의 초평면에 위치되는 스크린을 통과하는 레이저 빔의 광축으로부터의 높이와 레이저 빔과 광축과의 각도 정보를 포함하는 제2 레이저 빔 정보를 추출하여 분석하는 단계;
    분석된 제1 레이저 빔 정보와 제2 레이저 빔 정보를 비교하여, 상기 거울 조립체가 상기 조립체의 축 방향으로 평행 이동했을 때 발생되는 각도 오차를 추출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 링 레이저 공진기에 구비되는 거울 조립체 각도 오차 측정 방법.
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