[논문]방향 판별 분산간섭계의 최적 분산 조건 연구

윤영호; 김대희; 주기남

doi:10.7736/kspe.2017.34.4.259

방향 판별 분산간섭계의 최적 분산 조건 연구
Optimal Dispersion Condition to Distinguish OPD Directions of Spectrally-Resolved Interferometry 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.34 no.4, 2017년, pp.259 - 264

윤영호 (조선대학교 광기술공학과) , 김대희 (조선대학교 광기술공학과) , 주기남 (조선대학교 광기술공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Spectrally resolved interferometry (SRI) is an attractive technique to measure absolute distances without any moving components. In the spectral interferogram obtained by a spectrometer, the optical path difference (OPD) can simply be extracted from the linear slope of the spectral phase. However, SRI has a fundamental measuring range limitation due to maximum and minimum measurable distances. In addition, SRI cannot distinguish the OPD direction because the spectral interferogram is in the form of a natural sinusoidal function. In this investigation, we describe a direction determining SRI and propose the optimal conditions for determining OPD direction. Spectral phase nonlinearity, caused by a dispersive material, effects OPD direction but deteriorates spectral interferogram visibility. In the experiment, various phase nonlinearities were measured by adjusting the dispersive material (BK7) thickness. We observed the interferogram visibility and the possibility of direction determination. Based on the experimental results, the optimal dispersion conditions are provided to distinguish OPD directions of SRI.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

특히, 분산 물질을 추가하게 되면 분산에 의해 간섭 신호의 가시도(Visibility)가 저하되는 문제점이 발생되는데, 이러한 문제점에 대해서 방향 판별 유무와 더불어 종합적으로 고려할 필요가 있다. 그래서 본 연구에서는 분산간섭계에서 OPD의 방향성 판별을 위한 분산 물질의 두께 변화에 따른 가시도 저하와 방향성 판별 유무에 대해 실험적으로 검증하고, 최적의 두께를 찾는 연구를 진행하였다.

제안 방법

분산량에 따른 가시도의 변화와 방향성 판별 유무를 확인하기 위해 분산 물질의 두께를 변화시키면서 방향 판별 분산간섭계에서 거리를 측정하였다. 분산 물질로는 BK7으로 만들어진 현미경용 커버 유리(Cover Glass)를 이용하였고, 분산량 변화는 단순하게 커버 유리를 겹치는 형태로 구현하였으며, 커버 유리 표면의 반사에 의한 영향을 고려하여 광량을 일정하도록 조절하였다.
본 연구에서는 방향 판별 분산간섭계에 대해 방향 판별 유무와 더불어 가시도, 분산량 등을 이론적, 실험적으로 제시하고 이를 통해 최적의 조건을 확인하였다. 일반적인 분산간섭계의 한계인 방향 모호성을 해결하기 위해 분산 물질을 이용한 방향 판별 이론을 설명하였고 이를 실험적으로 검증하였다. 또한 방향성 판별에 대한 분산량의 최적의 조건을 찾기 위해 가시도 변화와 위상의 비선형 성분을 동시에 측정하였다.

대상 데이터

먼저, 일반적인 분산간섭계의 방향 모호성을 확인하기 위하여 분산 물질을 삽입하지 않은 일반적인 분산간섭계로 간섭 신호를 획득하였다. 광원은 880 nm 중심파장에서 50 nm의 대역폭을 가지는 LED를 이용하였고, 거리 측정을 위해 측정거울(M₂)을 모터 구동 스테이지에 설치하여 6 μm의 간격으로 0.9 mm까지 이동하며 분광기를 통해 간섭 신호를 측정하였다. 측정된 간섭 신호로부터 푸리에 변환 기반 측정 알고리즘을 통해 식(8)과 같은 광주파수 별 위상을 추출하였으며, Fig.
먼저, 일반적인 분산간섭계의 방향 모호성을 확인하기 위하여 분산 물질을 삽입하지 않은 일반적인 분산간섭계로 간섭 신호를 획득하였다. 광원은 880 nm 중심파장에서 50 nm의 대역폭을 가지는 LED를 이용하였고, 거리 측정을 위해 측정거울(M₂)을 모터 구동 스테이지에 설치하여 6 μm의 간격으로 0.

이론/모형

한편, 분산 물질의 두께 변화에 따라 측정되는 간섭 신호의 가시도를 비교하기 위해 본 연구에서는 광주파수 별 간섭 신호의 푸리에 변환 결과에서 검출되는 첨두(Peak)의 크기를 이용하였다. 첨두의 푸리에 크기(Fourier Amplitude)는 간섭 신호의 가시도에 대한 정확한 표현은 아니지만, 가시도의 변화에 따라 동일한 경향성을 가지기 때문에, 이를 이용하여 분산 물질의 두께에 따른 가시도를 비교하였다.

성능/효과

2 mm 이상일 때 가시도 저하로 인해 측정 영역이 제한되었다. 또한 분산 물질의 두께에 따른 위상의 비선형 계수는 BK7의 두께가 0.45 mm부터 측정 거리에 따라 부호가 상이하게 나오는 것을 확인하였다. 방향 판별 분산간섭계에서 방향성 판별에 대한 최적의 분산량은 위상의 비선형 효과가 측정 길이에 따라 부호가 상이하게 나오는 -7.
45 mm부터 측정 거리에 따라 부호가 상이하게 나오는 것을 확인하였다. 방향 판별 분산간섭계에서 방향성 판별에 대한 최적의 분산량은 위상의 비선형 효과가 측정 길이에 따라 부호가 상이하게 나오는 -7.510 μm/μm 부터 가시도가 측정 길이에 영향을 미치지 않는 -20.03 μm/μm 이하가 최적 조건임을 확인하였다.
또한 방향성 판별에 대한 분산량의 최적의 조건을 찾기 위해 가시도 변화와 위상의 비선형 성분을 동시에 측정하였다. 실험 결과, 가시도는 분산물질의 두께가 증가함에 따라 저하되는 것을 확인하였으며, BK7의 두께가 1.2 mm 이상일 때 가시도 저하로 인해 측정 영역이 제한되었다. 또한 분산 물질의 두께에 따른 위상의 비선형 계수는 BK7의 두께가 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분산간섭계의 문제점은 무엇인가?	그러나 분산간섭계는 위와 같은 두 가지 한계점을 개선하더라도 OPD의 방향성에 의해 전체 측정 영역의 1/2만을 사용할 수밖에 없는 문제점이 있다. 이는 기준거울이 측정 거울보다 같은 거리만큼 가깝거나 멀 경우, 동일한 간섭 신호가 획득되기 때문에 발생하는 현상으로 광의 파동적 성질에 기인한다.
	분산간섭계의 특징은 무엇인가?	분산간섭계(Spectrally-Resolved Interferometry, SRI)는 변위측정 간섭계(Displacement Measuring Interferometry)와는 달리 고정된 길이를 바로 측정할 수 있는 거리측정 간섭계(Distance Measuring Interferometry)인 동시에, 실시간 고속으로 거리 및 형상 측정이 가능하여 산업계에서 널리 사용되고 있다. 1 분산간섭계는 일반적으로 넓은 주파수 대역의 광원을 이용하여 기준광(Reference Beam)과 측정광(Measurement Beam) 사이의 광학적 거리 차이(Optical Path Difference, OPD)를 측정하며, 분광기(Spectrometer)를 통해 광주파수 별 간섭 신호(Spectral Interferogram)를 획득하기 때문에 백색광 주사 간섭계(White Light Scanning Interferometry)와 달리 구동부 없이 거리 측정이 가능한 장점이 있다.2 하지만 분산간섭계는 측정 영역에 있어 최대 측정 거리(Lmax)와 최소 측정 거리(Lmin)가 존재하고, 이로 인해 측정 영역에 한계가 있다.
	분광기의 분해능이 유한한 한계를 가진다는 문제를 극복하기 위해 어떠한 방법이 제안되었는가?	식(1)을 살펴보면, 분광기의 분해능이 작을수록 Lmax가증가하지만, 현실적으로 분광기의 분해능은 유한한 한계를 가지기 때문에 실제로 Lmax는 mm 이상의 값을 가지기 어렵다. 이러한 한계점을 극복하기 위해, 펨토초 레이저(Femtosecond Pulse Laser)를 이용한 최대 측정 거리를 개선한 연구가 제안되었으며, 펨토초 레이저의 주파수 모드들을 분광기에서 각각 분리하고, 모드들의좁은 선폭(Linewidth)을 이용하여 최대 측정 거리를 확장하였다. 4

참고문헌 (8)

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Hlubina, P., "Experimental Demonstration of the Spectral Interference between Two Beams of a Low-Coherence Source at the Output a Michelson Interferometer," Journal of Modern Optics, Vol. 44 No. 1, pp.163-173, 1997.
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Yun, Y. H., Seo, Y. B., and Joo, K.-N., "Elimination of the Direction Ambiguity and the Dead Zone in Spectrally Resolved Interferometry," Measurement Science and Technology, Vol. 27, Paper No. 035004, 2016.

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