KR100297228B1

KR100297228B1 - 외부 공진기형 링레이저를 이용한 고정밀도 링레이저 간섭계

Info

Publication number: KR100297228B1
Application number: KR1019990021962A
Authority: KR
Inventors: 손정영; 스트릴렛츠이반에이.; 최용진; 반지은
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2001-09-22
Also published as: KR20010002250A; US6441907B1; GB0011205D0; GB2351148A; GB2351148B; JP3037949B1; JP2001004324A

Abstract

링레이저의 반사경을 통해 링레이저 내의 두 반대방향 진행빔의 일부를 출력시켜 이것을 외부 반사경을 이용하여 후방진행파(back travelling wave)로 만들어 다시 링레이저 공진기내로 주입시킴으로써 록인 존(lock-in zone)을 넓게 함과 동시에 외부 반사경과 링 레이저 사이의 거리, 즉 광 경로의 길이(optical path length)를 피 측정량에 의해 조절함으로써 달라지는 두 반대방향 진행파의 빔 강도(intensity) 및 위상변화(phase change)에 따른 간섭무늬(interference fringe)수의 변화율(variation)을 측정하여 이를 이용하여 피 측정량을 측정하는 링레이저 간섭계 및 이를 이용하는 방법에 관한 것이다. 외부 반사경과 링 레이저 사이에 감쇄기를 두어 후방진행파의 세기를 외부에서 조절 가능하게 함으로써, 링레이저를 록인 존 영역 내에서만 동작시키도록 한다.

변위(displacement), 길이(length), 위치(position), 온도(temperature), 굴절율(refractive index), 압력(pressure) 등의 여러가지 물리량(physical quantity)이 피 측정량이 될 수가 있다. 본 발명의 간섭계의 출력은 두 반대방향 진행파의 출력빔 강도의 합과 차이 그리고 위상차이(phase difference)에 의한 간섭 무늬의 변화율이고, 이들의 일부는 부궤환(negative feedback)되어 인가 전압의 변동 및 기타 외부 영향에 의한 링레이저의 출력빔 강도 및 주파수 변화를 억제 또는 상쇄시켜, 고 정도 측정을 가능하게 한다. 또한 링레이저를 록인 존에서 동작시키므로 링레이저의 미세 움직임이 측정량에 미치는 영향도 최소화할 수 있다.

Description

외부 공진기형 링레이저를 이용한 고정밀도 링레이저 간섭계{HIGH ACCURACY RING LASER INTERFEROMETER BASED ON EXTERNAL CAVITY RING LASER}

본 발명은 일반적으로 링 레이저를 이용하는 간섭계에 관한 것으로, 특히 링레이저 자이로(ring laser gyroscope)의 두 개의 반사경을 통해 나오는 두 개의 빔을 이 링레이저로부터 일정한 거리만큼 떨어져 있는 대응하는 외부 반사경을 이용하여 링레이저로 다시 되돌리는 구조의 외부 공진기(external cavity)를 달아 이 외부 공진기의 길이를 피측정 물리량(physical quantity)으로 제어할 수 있도록 하여, 이 외부 공진기의 길이 변화에 따라, 링레이저 공진기내에서 서로 반대방향으로 진행하는 두 레이저빔의 간섭에 의해 생성되는 펄스의 수를 계수함으로써 물리량을 측정하는 고정밀도(high accuracy) 링레이저 간섭계(ring laser interferometer)에 관한 것이다. 이와 같은 구조의 본 발명의 간섭계에서 링레이저는 고정시키고 단지 링레이저의 후방산란(back scattering)을 증가시킴으로써 록인 존(lock-in zone)의 범위를 넓게 하여, 간섭계를 록인 존 범위 내에서 동작하도록 함으로써 간섭계의 발진주파수는 거의 변화하지 않는다.

레이저 간섭계는 다양한 종류가 있으나 근본적으로는 레이저빔이코히어런트(coherent)하다는 특성을 이용하여, 한 개의 레이저로부터 발생된 레이저빔을 두 개로 분할시켜 한 빔은 기준파로서 직접 진행시키며, 다른 한 빔은 피 측정량에 의해 변조시켜 이 두 빔을 다시 합쳐 간섭시킴에 의해 형성되는 간섭무늬의 형태, 수, 시간당 변화율 또는 그 간격을 계산하여 피 측정량, 즉 굴절율, 변위, 길이, 밀도 등의 물리량을 측정하는 것으로서, 미리 특성이 알려진 간섭무늬를 피 측정체에 투사하여, 이 간섭무늬의 형태변화에 의해 이 피 측정체의 형상(shape) 또는 표면 굴곡(surface profile)등을 측정하는 것도 있다. 레이저 간섭계에서는 측정 정도를 높이기 위해서 각각의 간섭무늬를 등 간격으로 세분하여 디지털적으로 측정하고 있다. 링레이저 자이로[정밀 자이로스코프 개발, 한국과학기술 연구원, 연차 보고서 #BSU112-4680-4]는 다른 레이저 간섭계가 수동형임에 비해 능동형으로 레이저 발진 주파수 자체의 변화를 이용하는 간섭계의 하나이다.

링레이저 자이로는 링형의 공진기(resonator)내에서 서로 반대방향으로 진행하는(counter propagating) 두 파가 사낙 효과(Sagnac effect)(F. Aronowitz, 'The Laser Gyro' in Laser Application, Vol 1, Ed. M. Ross, Academic Press, London, 1971 참조)에 의한 발진주파수의 차이에 의해 만드는 맥놀이(beat)의 시간당 변화 수를 계수(count)함으로써 각속도(angular speed)를 측정한다. 링 레이저 자이로가 어느 한 방향으로 회전하게 되면 사낙 효과에 의해 공진기의 실효 길이(effective length)가 회전하는 방향으로 진행하는 파에 대해서는 길어지고 그 반대방향으로 진행하는 파에 대해서는 짧아지게 된다. 이 공진기의 길이 차이에 의해 두 파의 중심주파수가 서로 달라지게 되어, 두 파가 합쳐지는 경우는 이 중심주파수의 차이에 의해 맥놀이가 생기므로 이 맥놀이의 수를 계수함으로써 각속도를 고 정도로 측정할 수 있다.

링레이저 자이로 각속도의 정도는 현재 0.001도/시간에 이르고 있다. 링 레이저 자이로는 회전이 어느 정도 이상이 되기 전까지는 두 반대방향으로 진행파의 중심주파수가 변하지 않는 영역이 있는데 이 영역을 록인 존이라 한다. 이 록인 존은 링 레이저 자이로에서 사용하는 반사경(mirror)에 의해 각 진행파의 일부가 진행방향과 반대방향으로 산란되어 반대방향 진행파와 합쳐지게 됨으로서 발생하게 된다. 이 반대방향 산란파를 소위 후방 산란파(back scattering wave)라 하며, 록인 존의 크기는 이 후방 산란파의 세기가 클수록 넓어지게 된다. 링레이저 자이로를 록인 존 내에서 동작시키는 경우는 회전을 주지 않는 경우와 마찬가지로 두 반대방향 진행파의 발진주파수에는 변화가 없으므로 맥놀이가 생기지 않으므로 단순한 링레이저에 불과하다. 링레이저는 여러 개의 반사경을 사용하여 공진기가 3각형, 4각형 또는 그 이상의 변(side)을 갖는 도형의 테두리(circumference)와 같은 형태를 가지도록 만든 것으로, 보통의 경우 공진기 내에는 시계방향(CW: clockwise) 및 그 반대방향(CCW: counter clockwise)으로 진행하는 두 개의 동일한 파장의 레이저빔이 존재한다.

본 발명은 링 레이저를 이용하여 다양한 물리량을 측정하는 고 정도의 측정장치 및 이를 이용하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 링 레이저를 이용하는 간섭계에서 링 레이저의 미세한 움직임이 측정에 주는 영향을 최소화하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 링레이저의 반사경을 통해 링레이저 내의 두 반대방향 진행빔의 일부를 출력시키고, 출력된 빔을 외부 반사경을 이용하여 후방진행파로 만들어 다시 링레이저 공진기내로 주입시킴으로써 록인 존을 넓게 하는 외부 공진기형 링 레이저를 포함하는 링 레이저 간섭계가 제공되었다. 본 발명의 링 레이저 간섭계에서는 외부 반사경과 링 레이저 사이의 거리, 즉 광 경로 길이(optical path length)를 피측정량에 의해 조절함으로써 달라지는 두 반대방향 진행파의 빔 강도(intensity)와 위상변화(phase change)에 따른 간섭무늬(interference fringe)수의 변화율(variation)을 측정하여 이를 이용하여 피측정량을 결정한다.

후방진행파의 세기는 외부 반사경과 링 레이저 사이에 감쇄기를 두어 외부에서 조절 가능하게 하여, 링레이저가 록인 존 내에서만 동작하도록 한다. 피측정량으로는 변위(displacement), 길이(length), 위치(position), 온도(temperature), 굴절률(refractive index), 압력(pressure) 등의 여러 가지 물리량이 될 수가 있다.

본 간섭계의 출력은 두 반대방향 진행파의 출력빔 강도의 합과 차이 그리고 위상차이에 의한 간섭무늬의 변화율로, 이들의 일부는 부궤환되어 인가전압의 변동 그리고 기타 외부 영향에 의한 링레이저의 출력빔 강도 및 주파수의 변화를 억제 또는 상쇄시켜, 고 정도 측정을 가능하게 한다. 또한 링레이저를 록인 존 영역에서 동작시킴에 의해 링레이저의 미세 움직임에 의한 측정의 영향도 최소화할 수 있다.

구체적으로 본 발명에서는 링레이저를 이용하여 피측정량을 측정하는 간섭계에서 사용하기 위한 광센싱 장치로서, 상기 광센싱 장치는 링레이저 공진기 및 하나 이상의 외부 반사경을 포함하고, 상기 링레이저 공진기는 다수의 내부 반사경을 포함하고, 상기 링레이저 공진기 내에는 서로 반대방향으로 전파하는 파장이 동일한 두 개의 레이저빔이 존재하고, 상기 두 반대방향 진행빔의 일부가 상기 다수의 내부 반사경을 통해 투과되고, 상기 외부 반사경은 상기 다수의 내부 반사경 중 두 개의 서로 다른 내부 반사경 각각으로부터 투과된 빔 중 한 개씩 선택하되 선택된 두 개의 투과빔은 서로 다른 반대방향 진행빔들의 조합이 되도록 선택하여, 선택된 두 개의 투과빔을 반사시켜 후방 진행파로 만들어 상기 투과빔의 경로를 역으로 따라 상기 두 개의 서로 다른 내부 반사경을 통해 다시 상기 링레이저 공진기 내로 주입시키는 역할을 하고, 상기 두 개의 내부 반사경으로부터 이에 대응하는 외부 반사경에 이르는 광 경로를 상기 피측정량에 따라 변화시키도록 구성되어 있는 광 센싱 장치가 제공되었다.

또한, 상기 광 센싱 장치와, 상기 광 경로를 변화시키기 위한 플랫폼과, 상기 광 경로의 변화에 따른 상기 링레이저 공진기내를 전파하는 두 반대방향 진행파의 강도의 차이(intensity difference)값의 파형의 펄스의 수를 측정하기 위한 수단을 포함하고, 측정된 펄스의 개수로부터 상기 피측정량을 결정하는 간섭계가 제공되었다.

도 1은 일반적인 4 반사경형(Four Mirror Type) 링 레이저에 외부반사경이 부착된 외부 공진기형 링레이저의 구조를 도시한 도면.

도 2는 수학식 14의 값을 () /와 () /2를 두 축으로 하여 도시한 3차원 도표.

도 3는 링 레이저 간섭계 안정화 회로의 개략도.

도 4는 외부 반사경과 링레이저 사이의 광 경로상에 정의된 시간 함수들을 좌표계에 도시한 도면.

도 5는 수학식 21(도 5(a)) 및 수학식 22(도 5(b))의 값을 도시한 파형.

도 6은 피측정체에 의해또는중의 하나만 변하거나 또는 서로 독립적으로 변하는 경우의 파형.

도 7은 두 개의 외부 반사경이 한 개의 플랫폼에 의해 피측정체에 따라 이동하는 경우, 광 경로의 변화를 나타내는 도면.

도 8은 안정화 회로가 동작하는 경우, 시간에 따른 수학식 23의 각 변수들의 변화와 차 증폭기의 출력 및 피에조 변환기 인가전압의 변화를 나타내는 도면.

도 9는 안정화 회로가 동작하지 않은 상태에서 측정시, 시간에 따른 각 변수들의 변화와 차 증폭기의 출력 및 피에조 변환기 인가전압의 변화를 나타내는 도면.

도 10은 본 발명의 링레이저 간섭계의 전체 구성 개략도.

도 11은 링레이저 자체의 회전에 의한 영향을 받지 않는 링레이저 간섭계의 광학부 구조를 도시하는 도면.

도 12는 간섭계의 광 센싱부 구조를 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101, 102, 103, 104 : 내부 반사경

105 : 링레이저

106, 107 : 외부 반사경

118, 119 : 광 감쇄기(attenuator)

124, 125 : 광 검지기

126, 127 : 안정화 전압원(regulated voltage supply)

128, 129 : 전치증폭기(pre-amplifier)

130 : 차 증폭기(difference amplifier)

131 : 적분기

132 : 출력 증폭기

141, 142 : 피에조 변환기

147, 148 : 광 경로

149, 150, 153 : 플랫폼(platform)

166 : 표유빔(stray beam)

170 : 빔 조준기(beam collimator)

171 : 제어 및 표시 회로부

172, 173 : 안정화 회로부

174 : 광 센싱부

175 : 모노블록

180 : 광 감쇄기

181 : 빔 분할기

183, 184 : 입사 경로

185, 186, 192, 193, 194, 195, 199, 200 : 광 검지기

187, 189 : 외부 반사경

191 : 안정화 전원

196 : 빔 결합 프리즘

201, 202, 208 , 209: 증폭기

203 : 계수기

204 : 컴퓨터

205 : 비교기

206 : 타이머

207 : 신호 발진기

210 : 시스템 제어부

211, 212, 213 : 차 증폭기

214 : 적분기

215, 217 : 출력 증폭기

216 : 합 증폭기

218 : 링 레이저

219, 220, 223, 224 : 링레이저 반사경

221, 238, 247 : 빔 조준기

225, 250 : 피에조 변환기

227 : 냉각 장치

222, 233, 234, 235, 236, 237 : 반사경

239 : 감쇄기

240, 241, 256, 257 : 코너반사경

242, 243, 258 : 빔 분할기

244, 245, 259 : 외부 반사경

246, 252, 253 : 반사경

248, 249 : 분할된 빔

251 : 빔 결합 프리즘

260 : 피에조 변환기

280 : 내 각(inner angle)

281, 282 : 블록(Monoblock)

287 : 링레이저

296, 297 : 진공부

298, 300 : 측정 셀

299 : 마개

도 1은 일반적인 4 반사경형(four mirror type) 링레이저에 외부반사경을 부착한 본 발명의 광 센싱부의 기본 구조이다. 링레이저(105)의 각 내부 반사경(101, 102, 103, 104)의 투과도(transmissivity)가 0이 아닌 경우 링레이저(105) 내를 서로 반대방향으로 진행하는 빔들, 즉 오른쪽 방향 진행빔(117)과 왼쪽방향 진행빔(116)의 일부가 내부반사경으로부터 투과되여 나온다. 예를 들어 링레이저(105)의 오른쪽 방향 진행빔(117)의 일부가 두 반사경(101 및 102)을 투과하여 각각 빔(108)과 빔(113)이 되고 왼쪽방향 진행빔(116)의 일부가 두 반사경(101 및 102)을 투과하여 각각 빔(112)과 빔(109)이 된다. 이 투과된 빔들(108, 109, 112, 113) 중에서 각 반사경을 통해 나온 빔을 하나씩 선택하되 선택된 빔들은 링레이저(105)내에서 서로 반대방향으로 진행하는 파에 의해 투과된 빔이 되도록 하여, 예를 들어 빔(108)과 빔(109)을 선택하여 외부 반사경(106 및 107)을 사용하여 링레이저 내로 되돌리게 되면 이 되돌아가는 빔들(110, 111)은 각각 링레이저(105) 내에서 자신들과 반대로 진행하던 빔(116, 117)에 합쳐지게 되므로 후방진행파의 역할을 하게 된다.

후방진행파(110, 111)의 진폭(amplitude)은 광 경로(Optical Path)내에 광 감쇄기(attenuator)(118, 119)를 설치함으로써 조절 가능하다. 링레이저(105)를 고정시킨 상태에서 외부 반사경(106, 107)에 의해 후방진행파가 링레이저(105)에 가해지는 경우, 두 반사경(106, 107)로부터 각기 투과되어 나오는 또 다른 투과빔들(112, 113)의 빔 강도의 차이는 외부반사경(106, 107)과 링레이저(105) 사이의 거리인과의 함수로 주어지게 된다. 외부 반사경(106, 107)은 자신이 장착된플랫폼(149, 150)에 의해 투과빔(108, 109) 또는 후방진행파(110, 111)의 방향으로 필요에 따라서는 피측정량에 따라 이동할 수 있다. 이상의 논의는 링레이저가 어떤 형태를 가져도 적용이 가능하다. 투과빔(112, 113)의 강도를과로 나타내면, 외부 반사경의 이동 속도가 수cm 이하일 경우는-는 다음 수학식 1로 정의된다.

상기 식에서와는 각각 링레이저(105) 이득매질(gain medium)의 비선형 분극(nonlinear polarizability)의 자기(self) 및 상호(cross) 포화계수(saturation coefficient)의 허수부(imaginary part)를 링레이저 펌핑계수(pumping parameter)를 정규화(normalized)한 값인로 나누어 준 값이며, δ는 두 반대방향 진행파(116, 117)의 펌핑계수의 상대적인 차이를 표시하는 값,는 링레이저(105)의 회전 각속도를 나타내고,,과는 링레이저(105)내의 서로 반대방향 진행파들(116, 117)에 더해지는 외부 반사경(106, 107)로부터의 후방진행파(110, 111)와 링레이저의 내부 반사경(101, 102, 103, 104)에 의한 후방진행파(114, 115)들에 의해 정의되는 함수로 아래와 같이 표시된다.

수학식 2, 3 및 4에서과는 각각 링레이저에 더해지는 외부 및 내부 반사경에 의해 야기되는 후방진행파의 크기를즉 링레이저의 선폭(Line Width)으로 나누어 정규화한 함수로 다음과 같이 주어진다.

수학식 5 및 6에서(i = 1, 2)는 링레이저에 주어지는 전체 후방진행파의 위상이며,과(i = 1, 2)는 각각 외부 및 내부반사경으로부터 후방으로 진행 또는 산란되는 빛의 진폭(amplitude)을값으로 나눈 것이며, 보통≫이다.(i = 1,2)는 내부반사경에 의해 주어지는 후방 산란파의 위상(phase) 그리고(i = 1,2)는 외부반사경과 링레이저 사이의 거리에 의해 주어지는 위상이다. 그리고,는 록인 주파수에 대응하는 회전 각속도(angular velocity)로 다음과 같이 표시된다.

본 발명에서와 같이 링레이저를 고정시킨 상태에서 외부반사경에 의해 후방진행파만 링레이저 내로 주입시키는 경우는= 0 이며, δ는 아주 적고, 또한 외부진행파에 의한 링레이저의 중심주파수는 거의 변하지 않으므로= 0 되어, 수학식 1은 다음과 같이 단순화 할 수 있다.

여기서은의 일차 Perturbation 상수이며,는 다음과 같이 주어진다.

는 0보다 적지 않으며, 그 최대치 와 최소치는가 각각 -1 과+1일 경우로 그 값은과로 주어진다. 여기서 두 개의 외부반사경과 링레이저 사이의 거리를 각각과, 그리고 링레이저의 두 이웃 반사경 사이의 거리를라면,(는의 초기치,는 파수(wave number), n은 링레이저와 외부 반사경 사이를 채우고 있는 매질의 굴절률,는 공기 중에서 링레이저 출력빔의 파장) 그리고(는의 초기치)로 둘 수 있고, 또한==그리고==이고,이에 비해 아주 작다면, 매질이 공기라면 n=1이므로 수학식 6은 다음과 같이 간략화 되어진다.

상기 식에서 C는와의 곱에 의해 정의되는 상수(constant)이며,(i = 1,2)는(i = 1, 2)의 차와 합,(i = 1, 2) 그리고에 의해 주어지는 위상성분이다. 외부 반사경(106, 107)에 의한 후방진행파(110, 111)의 영향으로 두 반대방향 진행파(116, 117)사이에 생기는 위상차(phase difference)는,

으로 주어진다. 이 위상차는 링레이저의 한 반사경에서 나오는 두 투사빔을간섭시킴으로써 감지할 수 있다. 만약 이 두 투사빔의 강도를와라 한다면 이 두 투사빔의 간섭에 의해 생기는 신호,는

로 주어진다. 이 식에서는 두 빔의 간섭시키는 과정에서 야기되는 위상 값(phase value)이다. 수학식 12는의 함수이므로과의 값에 따라 달라지고 따라서과의 변화에 따른의 변화, 즉 간섭무늬의 변화량을 측정함으로써또는의 변화량을 측정 가능하다. 링레이저에서 외부 반사경에 의한 후방진행파가 없는 경우는, 링레이저내의 두 반대방향 진행파의 강도는 거의 동일하므로 그 강도를로 하면는 다음과 같이 주어진다.

수학식 10을로 나누어 정규화시키면 다음과 같다.

와가 링레이저 내 발진매질의 특성을 나타내는 값으로과와는 상관이 없으므로 수학식 10과 14는 동일한 형태의 파형을 가진다. 수학식 14는 크게4가지 동작 영역(operating regime)으로 나눌 수가 있다. 첫 번째 동작영역은또는중의 하나만 변화시키는 경우이며, 두 번째는가 일정한 경우, 세 번째는가 일정한 경우, 그리고 네 번째는과를 동시에 변화시키는 경우이다. 두 번째의 경우, 즉가 일정한 경우는 수학식 10은의 함수로서 나타내어지고,가 일정한 경우는 수학식 10은의 함수로만 주어진다.

수학식 14를 () /와를 두 좌표축으로 하는 3차원 도표로 나타내면 도 2와 같다. 도 2는또는가 일정할 경우 간섭계의 동작영역을 나타낸다.가 일정한 경우는 () /값의 범위가 선분(122) 또는(123)내에 오도록 그리고가 일정한 경우는값의 범위가 선분(120) 또는(121)내에 있게 하여 수학식 14의 값이 가능한 큰 값을 가질 수 있도록 하는 것이 즉, 반대 방향 진행파의 강도차이의 파형의 첨두값을 최대화하는 것이 측정정도 향상을 위해 중요하다.

도 3은 수학식 10을 이용하여 물리량을 측정하기 위한 본 발명에 따른 링레이저 간섭계의 광 센싱부와 광 안정화(stabilization) 회로의 개략도(schematic diagram)이다. 도 3(a)은또는중의 하나만 피측정 물리량에 의해 변화시키거나 또는가 일정하도록 외부 반사경 두 개를 동일 방향으로 동시에 움직이는 경우의 개략도이며, 도 3(b)는가 일정하도록 두 외부 반사경을 연동시켜서 움직이는 경우의 개략도이다.

도 3(a)에서 링레이저(105)의 서로 이웃하는 두 반사경(101, 102) 중반사경(101)으로부터 투과되어 나오는 링레이저(105) 내의 두 반대방향 진행빔의 일부인 투과빔(108)은 링레이저(105)로부터만큼 떨어져 있는 외부반사경(106)에 의해 그 진행방향이 원래의 빔의 역으로 되도록 반사된다. 이에 따라 투과빔은 반사경(101)을 거쳐 링레이저(105)내로 되돌아가는 후방진행파(110)가 된다. 투과빔(112)는 광 검지기(photodetector)(124)에 의해 검출되어 그 강도에 비례하는 전압이 광 검지기에서 출력된다. 광 검지기의 출력은 전치증폭기(pre-amplifier)(128)에 의해 다시 증폭되어 차 증폭기(difference amplifier)(130)의 입력단(input terminal)(143)에 인가된다.

반사경(102)로부터의 투과빔(109)도 반사경(101)로부터 투과빔과 마찬가지로, 링레이저(105)로부터만큼 떨어져 있는 외부반사경(107)에 의해 그 진행방향이 역으로 되도록 반사되어 반사경(102)을 거쳐 링레이저(105)내로 되돌아가는 후방진행파(111)가 된다. 투과빔(113)은 광 검지기(125)에 의해 검출되어 광 검지기에서 투과빔(113)의 강도에 비례하는 전압이 출력되고, 이는 전치증폭기(129)에 의해 다시 증폭되어 차 증폭기(130)의 입력단(144)에 인가된다. 광 검지기(124, 125) 그리고 전치증폭기(128, 129)는 각기 동일한 특성을 가진다.

차 증폭기(130) 출력파형은 수학식 10의-에 비례하며, 차 증폭기 출력의 일부(139)는 제어 및 표시부(171)로 입력되어 직접 측정된다. 안정화 전압원(regulated voltage supply)(126, 127)은 피에조 변환기(141, 142)의 한 입력단(136, 137)에 연결되어 전압을 인가하고, 이때 인가 전압은 차 증폭기에서 최대 첨두의 파형이 출력되도록 피에조 변환기를 미세 조정한다. 이 미세 조정에 의해 차 증폭기(130)의 동작범위가 도 2의 선분(122) 내지는(123) 또는 선분(120) 내지는(121) 내에 있게 된다. 이 동작범위(122) 또는(123), 또는(120) 또는(121)의 선택은 피에조 변환기(141, 142) 각각의 입력단(134, 136) 그리고 입력단(135, 137)의 극성에 따라 정해진다. 차 증폭기(130) 출력의 다른 일부는 적분기(131)의 입력단(138)에 입력되어 적분된다. 이 적분된 출력은 출력증폭기(132)의 입력단(140)에 입력되어 다시 증폭되고 출력증폭기(132)의 출력은 외부 반사경(108)에 부착되어 있는 피에조 변환기(piezo-transducer)(141)의 다른 입력단(134) 또는 외부반사경(109)에 부착되어 있는 피에조 변환기(142)의 다른 입력단(135)에 인가된다. 이 입력은 링레이저를 안정시켜,-를 0으로, 즉 링레이저내 두 반대방향 진행빔의 강도의 차이를 극소화시키기 위해 사용된다.

만약또는에 의한 광 경로 중 어느 하나만 피측정체에 의해 변화하는 경우는 변화와 관련된 피에조 변환기에만 출력증폭기(132)의 출력이 인가되며,가 일정한 경우는 두 피에조 변환기(141, 142) 모두에 출력증폭기(132)의 출력이 인가된다. 적분기(131)는 차 증폭기(130)와 출력증폭기(132)를 격리시키고 차 증폭기(130)의 출력 변화에 따라 피에조 변환기(141, 142)에 인가되는 출력증폭기(132)의 출력전압을 일정 시간 유지시킴으로써 간섭계를 안정화시키며 또한 정밀 측정이 가능하게 한다. 적분기(131)가 없으면, 차 증폭기의 출력이 평균적으로 일정한 값을 유지하게 되므로 측정정도가 떨어지게 된다. 출력증폭기의 다른 출력(133)은 어떤 전압 이상이 되면 적분기(131)을 방전시킬 수 있도록 하기위하여 간섭계의 제어 및 표시회로부(171)에 입력된다.또는가 일정할 경우 피에조 변환기(141, 142)에 인가되는 안정화 전압원(126, 127)으로부터의 전압의 절대값이 동일해야 하므로 안정화 전압원(126, 127) 중 어느 하나에 의해서만 안정화 전압을 공급하는 것이 가능하다. 외부 반사경(106, 107)에 부착된 피에조 변환기(141, 142)는 외부 반사경(106, 107)과 링레이저(105)와 사이의 거리가 피측정량에 의해 변화할 때, 링레이저(105)내에 생기는 교란(disturbance)에 의한-의 변화를 억제하여 간섭계를 안정화(stabilization)시키는 역할을 한다.

출력증폭기(132) 출력에 의해 피에조 변환기(141, 142)가 수축하고 팽창함에 따라, 외부 반사경(106, 107)은 투과빔(108, 109) 또는 후방진행파(110, 111)의 방향으로 움직이게 된다. 이 움직임은 외부 반사경과 링레이저 사이의 거리를 일정하게 유지시키는 방향으로 진행된다. 간섭계의 제어 및 표시회로부(171)는 적분기를 방전시키기 위해 적분기(131)의 나머지 입력단(131)에 연결되어 있으며, 또한 출력증폭기(132)를 리셋(Reset)시키기 위해 출력증폭기(132)의 나머지 입력단(146)에 연결되어 있다. 내부 반사경(101)과 외부 반사경(106)에 의해 구성되는 광 경로 내에 놓인 광 감쇄기(118)는 외부 반사경(106, 107)에 의한 후방 진행파(110, 111)의 진폭을 동일하게 만들기 위한 것이다. 안정화 회로부(172)는 광 검지기(124, 125), 전치 증폭기(128, 129), 안정화 전압원(126, 127), 차 증폭기(130), 적분기(131) 그리고 출력증폭기(132)를 포함한다.

도 3(b)의 경우도 도 3(a)와 동일하나, 두 반사경(106, 107)이 서로 연동되어 움직여 광 경로들(147, 148)의 길이과의 합은 항상 일정하다.전치증폭기(128, 129)의 증폭율(amplification rate)은 반사경(101, 102) 사이의 투과율 차이에 기인하는과의 강도의 차이를 보상할 수 있게 조정되어 있다.

도 4는 본 발명의 간섭계에서 외부 반사경과 링레이저 사이의 광 경로 상에 정의되는 시간 함수들을 좌표계에 도시한 것이다. 광 경로(147 또는 148)는 피 측정량에 의해 시간에 따라 변하므로 그 길이는 시간의 함수로 나타낼 수 있다.가 피에조 변환기(141)의 인가전압이 0인 경우, 링레이저(105)의 내부 반사경(101)과 외부 반사경(106) 사이의 거리를 나타내고,가 피에조 변환기(141)의 인가전압(Applied Voltage)이 0인 아닌 경우, 링레이저(105)의 반사경(101)과 외부 반사경(106)사이의 거리를 나타내며, 또한가 외부 반사경(106)이 장착(mount)된 플랫폼(platform)(149)와 이 반사경(106) 사이의 거리를 나타낸다면,는 다음과 같이 주어진다.

수학식 15에서와의 정방향(positive direction)은 서로 반대로 정의되었다. 반사경(102)를 포함하는 광 경로에 대해서도 수학식 15와 동일한 관계식이 성립되므로 이것을로 나타내면,는 다음과 같이 표시된다.

수학식 15와 16에서와는 링레이저와 외부 반사경 사이의 거리를 나타내므로 수학식 10과 14의과와 동일하다. 수학식 15와 16에서 시간 t = 0인 경우는,와는 0이므로,=,=이다.와는 각각 링레이저(5)와 플랫폼(149)의 전면(151) 그리고 링레이저(105)와 플랫폼(150)의 전면(152) 사이의 거리로 하고, 초기에 외부반사경(106)은 플랫폼(149)의 전면(151)과 동일한 평면에 그리고 외부반사경(107)은 플랫폼(150)의 전면(152)와 동일한 평면에 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한 t≠0 인 경우는 간섭계를 안정시키기 위해 피에조 변환기(141)가 동작하게 되므로,와는 피에조 변환기(141, 142) 각각에 인가되는 전압및와 피에조 변환기 각각의 변환계수(conversion coefficient),(㎛/volt) 및의 곱으로 주어진다.

수학식 16에서는 1 또는 2를 나타낸다. 수학식 15 및 16를 더하고 수학식 17을 대입하면,

이고 수학식 15에서 수학식 16식을 빼고 수학식 17을 대입하면,

이다.

가 일정한 경우는 외부반사경(106, 107)이 한 개의 플랫폼에 위치하고, 동일한 방향으로 움직이는 경우이며 또한 각 피에조 변환기에는 출력증폭기(132)와 안정화 전압원(126, 127)로부터 동일한 전압이 인가되므로,로 둘 수 있어,

가 성립한다.

수학식 20에서는과의 평균이다. 또한 플랫폼에 의해 두 광 경로가 동시에 동일한 거리를 움직이게 되므로로 두고,가 일정한 경우,를 포함한 sin항도 일정하게 되므로 이 항을이라면 수학식 10은

로 나타낼 수 있다.

수학식 21을 적용하기 위한 간섭계의 구성은 외부 반사경들(106, 107)을 동일한 반사경으로 하여 한 개의 피에조 변환기에 의해 구동시키게 되면 간단해진다.

를 일정하게 하려면 도 3(b)에 도시된 구조에서 두 외부 반사경을 연동시켜과를 동일 방향으로 이동시킨다. 따라서와도 같은 방향으로 이동해야 한다. 그러므로 피에조 변환기(141, 142)에 인가되는 전압은 서로 반대 방향이 되어야 하므로 수학식 19에서로 둘 수 있고,=로 두게 되면, 수학식 10은 다음과 같이 표시된다.

수학식 22에서는를 포함하는 상수값의 sin항을 표시한다.

수학식 10과 14에서또는중의 하나는 피측정체에 따라 변화하고 다른 하나가 기준 광 경로로 사용되는 경우는 피에조 변환기에 인가되는 초기치만 중요하며, 피측정체의 측정에는 수학식 10보다는 수학식 12에 의해 주어지는 간섭무늬의 변화량을 측정하는 것이 바람직하다.

도 5는 수학식 21(도 5(a))과 수학식 22(도 5(b))를 도시한 파형으로 도 2의 단면(cross section)파형을 나타낸다. 파형은/2의 배수 N₁(도 5(a))과 N₂(도 5(b))를 사용하여 표시했다. 일반적으로 수학식 5와 6에서 일반적으로는에 비해 아주 적으므로 무시하면,가 되어, 수학식 9에서는의 함수로 정의되게 되어가 일정할 경우는,도 일정해지게 되어는 거의 상수값에 가깝게 된다. 이것이 도 5(a)와 5(b)의 파형 형태(waveform shape)가 달라지는 이유이다.

가 일정한 경우의 파형인 도 5(a)의 경우, 파형의 모양은의 영향으로 첨탑(pinnacle) 형태(154)가 되며,가 일정한 경우의 파형인 도 5(b)는가 일정하므로 일반적인 정현파의 파형(155) 형태를 가지게 된다. 수학식 21과 22에서 보이는 것과 같이 도 5의 파형은 링레이저 출력빔의 반파장, 즉의 주기를 가지고 이 주기(160, 161)동안 2개의 펄스(156 과 157 또는 158과 159)가 계수되므로 각 펄스의 폭은/4가 된다. 이 파형들은 전자적으로 측정이 가능하며, 이 파형에서 펄스의 수를 계산함으로써또는의 변화로 주어지는 여러 가지 물리량을 측정할 수 있다.

도 6은또는중의 하나만 또는 모두가 독립적으로 피측정체에 의해 그 길이가 변하는 경우의 파형이다. 이 경우 수학식 10의 파형이 복합적으로 나타나므로 파형은 계수하기가 힘들다. 따라서, 이 경우는 전술한 바와 같이 측정기간 동안에 있어 수학식 12로 주어진 간섭무늬 파형의 변화량을 측정함으로써 광 경로 변화 (,의 변화)를 측정하면 된다.

도 7은 도 4와 같이 광 경로상에 정의된 함수를 나타낸 도면으로서 두 개의 외부반사경이 한 개의 플랫폼에 의해 같이 피측정체에 따라 이동하는 경우 광 경로의 변화를 도시한 것이다. 도 3의 측정 시스템이 시간 t = 0에 온 되면, 출력증폭기(132)의 출력은 0이므로 피에조 변환기(141, 142)에 인가되는 전압도 0이 되어 외부반사경(106, 107)은 고정되어 있다. 링레이저(105)의 내부 반사경(101)과 외부 반사경(106) 사이의 거리가이며, 내부 반사경(102)과 외부 반사경(107) 사이의 거리가이다. 그러나 측정 시스템이 온 되는 순간에 링레이저(105)에 야기되는 교란에 의해 차 증폭기(130)에 0이 아닌 전압 출력이 발생되므로 이 출력전압에의해 적분기(131)에서 적분된 전압이 출력된다. 적분기의 전압출력은 출력증폭기(132)에 의해 증폭되어 피에조 변환기(141, 142)에 인가된다. 이 인가전압에 의해 피에조 변환기(141, 142)가 수축 또는 팽창되므로 이 수축과 팽창에 의해 외부 반사경(106, 107)이 이동하게 된다. 이 이동에 의해 링레이저(105)내의 교란이 줄어들게 되므로 차 증폭기(130)의 출력전압이 줄어들게 되고 따라서 적분기(131)의 출력전압 증가가 둔화되기는 하나 출력전압은 이전보다 더 커지게 되므로 외부 반사경(106, 107)은 먼저와 같은 방향으로 더욱 이동하게 되어 링레이저(105)내의 교란이 더욱 줄어들게 되고 t₁초 후에는 차 증폭기(130)의 출력은 0이 된다.

차 증폭기(130)의 출력이 0이 되면 적분기(131)의 출력이 일정하게 되므로, 피에조 변환기(141, 142)에 인가되는 전압도 일정하게 되어 피에조 변환기(141, 142)의 수축 또는 팽창이 중지되어 외부반사경(106, 107)도 그 위치에 고정되어 더 이상 움직이지 않는다. 결과적으로 차 증폭기(130)와 적분기(131), 출력증폭기(132) 그리고 피에조 변환기(141, 142)는 측정시스템을 안정화시키기 위한 일종의 부궤환 루프를 형성한다. 따라서 외부 반사경(106, 107)은 플랫폼의 이동방향과 반대방향으로 이동하여, 광 경로의 길이를 일정하게 유지하려고 한다. 시간 t = 0 와 t = t₁사이에 피에조 변환기(141, 142)에 의해 외부반사경(106, 107)이 이동한 거리는 각각와로 표시되며, 이 거리는 피에조 변환기(141, 142)에 인가되는 전압에 의해 정해지므로 이 전압을 측정함으로써와를 계산할 수 있다. 시간 t = t₁에서 링레이저(105)의 내부 반사경(101)과 외부 반사경(106) 사이의 거리가이며, 내부 반사경(102)와 외부 반사경(107) 사이의 거리는이다. 만약 시간 t =t₁에서부터 플랫폼(153)을 피측정체에 의해 움직이다가 시간 t = t₂서 움직임을 정지시키게 되면, 시스템의 안정화를 위해 차 증폭기(130)의 출력이 0이 되도록 피에조 변환기에 의해 반사경이 이동되므로,와는 이 때 피에조 변환기(141, 142)에 인가되는 전압을 구하면 계산할 수 있다. 이 때 링레이저(105)의 내부 반사경(101)과 외부 반사경(106) 사이의 거리가이며, 내부 반사경(102)와 외부 반사경(107) 사이의 거리가이다. 이 시스템에서==,==이고=+,=+,=+,=+,=+그리고=+라 하면, 플랫폼이 움직인 거리는-이고,

표시된다.

플랫폼이 움직임에 따라 도 3에 도시된 회로에 나타나는 각 블록의 입출력값의 파형은 플랫폼의 이동속도에 따라 달라진다. 굴절률, 온도, 응력(stress), 압력 등과 같은 물리량을 측정하는 경우는 광 경로 차가 크지 않으므로, 플랫폼의 이동 속도를 아주 작게 하여 안정화 회로의 동작속도와 유사하게 하고, 변위나 거리측정과 같이 광 경로차가 큰 경우는 플랫폼의 이동속도를 크게 하여, 안정화 회로가 동작하지 않는 상태에서 간섭계를 동작시킨다.

도 8은 안정화 회로가 동작하는 경우, 즉 플랫폼의 이동속도가 피에조 변환기의 변환속도보다 적을 경우, 시간에 따른 수학식 23의 각 변수의 변화와 차 증폭기의 출력 및 피에조 변환기 인가전압에 있어 변화를 도시한 것이다. 이미 설명한 것과 같이 시간 t = 0에 측정 시스템이 온 되면, 이때까지 출력증폭기(132)의 출력은 0이므로 피에조 변환기(141, 142)에 인가되는 전압도 0이 되어 외부반사경(106, 107)은 원래 위치에 고정되어 있다. 즉이며이다. 그러나 측정 시스템이 온 되는 순간에 링레이저(105)에 야기되는 교란에 의해 차 증폭기(130)에서 0이 아닌 부전압(negative voltage) 출력이 발생되고, 이 출력전압에 의해 적분기(131)에서 적분된 전압출력이 발생되고 이 전압출력은 출력증폭기(132)에 의해 증폭되어 피에조 변환기(141, 142)에 인가된다. 이 인가전압에 의해 피에조 변환기(141, 142)가 수축(contract)되고 따라서 피에조 변환기에 부착된 외부 반사경(106, 107)이 링레이저(105)와 반대쪽으로 이동하게되어=이지만는보다만큼 커지게 된다. 이 이동에 의해 링레이저(105)내의 교란이 줄어들게 되므로 차 증폭기(130)의 출력전압이 줄어들게 되고, 이에 따라 적분기(131)의 출력전압 증가가 둔화되기는 하나 출력전압은 이전보다 더 커지게 되므로 외부 반사경(106, 107)은 먼저와 같은 방향으로 더욱 이동하게 되므로 링레이저(105)내 교란이 더욱 줄어들게 되므로 결과적으로 시간후에는 차 증폭기(130)의 출력은 0이 된다. 차 증폭기(130)의 출력이 0이 되면 적분기(131)의 출력이 일정하게 되므로, 피에조 변환기(141, 142)에 인가되는 전압도 일정하게 되어 피에조 변환기(141, 142)의 수축이 중지되어 외부반사경(106, 107)도 더 이상 움직이지 않고 제 위치를 유지하게 된다. 즉과이 일정하게 유지되어 링레이저(105)가 안정상태가 된다.

만약 t =t₁+에 플랫폼을 링레이저(105)의 반대쪽으로 움직이게 되면, 차 증폭기(130)의 출력이 증가하게 되고, 결과적으로 피에조 변환기(141, 142)가 팽창(expand)하여 외부반사경(106, 107)은 링레이저(105)의 방향으로 이동하여 하게 된다. 플랫폼의 이동이 동일 방향으로 계속되면, 부궤환 작용에 의해 차 증폭기(130)의 출력은 거의 일정한 값으로 유지되고, 적분기(131)의 출력은 계속 증가하게 되어 출력증폭기(132)의 출력도 증가하게 되므로 외부 반사경(106, 107)은 계속 링레이저(105)의 방향으로 이동을 계속한다. 출력증폭기(132)의 출력전압이 피에조 변환기(141, 142)를/2만큼 팽창시키는 전압, 즉가/2가 되는 전압(162)인에 도달하면, 적분기가 순간적으로 방전되도록 되어 출력증폭기(132)의 출력도 순식간에 0에 가까운 값(163)으로 줄어들게 된다. 그러므로 피에조 변환기(141, 142)도 이 적분기(130)의 방전 기간동안/2의 팽창상태에서 정상상태, 즉 수축 또는 팽창이 되지 않은 상태로/2 거리만큼 이동하게 된다. 이 방전기간 동안은 안정화 회로가 동작하지 않아, 차 증폭기(130)의 출력은 도 5에 주어진 반파장(half wavelength)에 대응하는 파형(164)와 같다. 이 파형의 시간주기(165)는적분기(130)의 방전기간과 동일하며,/2를 플랫폼의 이동속도로 나누어 준 것과 같으며, 외부반사경에 의해 주어지는 록인 주파수의 주기보다 길어야 한다. 안정화 회로는 플랫폼의 움직임을 상쇄시키는 방향으로 피에조 변환기를 동작시키므로,는 출력증폭기(132)의 출력이에 도달할 때까지는 변동을 하지 않고,만 플랫폼이 움직인 거리와 같은/2 만큼 변화한다. 그러므로 적분기(131)가 방전을 하게 되면 방전이 끝날 때까지,는/4를 거처 0으로 줄어들며 이에 대응하여는+/4,+/2의 순서로 변하게 된다. 방전이 끝나고 나면, 링레이저(105)의 교란 보상을 위해 차 증폭기의 출력이 크게 증가되어, 안정화 회로의 동작에 의해 간섭계가 순시적으로 안정되므로, 플랫폼이 계속 움직이는 경우는 같은 동작을 반복하게 된다.는 적분기(131)가 방전하는 기간동안에/2씩 증가가 된다. 만약 시간 t =t₃에서 플랫폼의 이동이 정지되면 안정화 회로의 동작에 의해 차 증폭기(130)의 출력은 순식간에 0이 되어 적분기(131)와 출력증폭기(132)의 전압은 일정해지고 간섭계는 안정된다. 만약 플랫폼의 이동기간 동안 발생되는 차 증폭기(130)의 출력 파형의 수가 m개라면 수학식 23은 다음과 같이 표시된다.

도 9는 플랫폼의 이동속도가 피에조 변환기의 동작속도보다 빨라 안정화 회로가 동작하지 않는 상태에서 측정하는 경우의 시간에 따른 수학식 23의 각 변수의변화와 차 증폭기의 출력 및 피에조 변환기 인가전압에 있어 변화를 도시한 타이밍도이다. 시간 t = 0에 측정 시스템이 온 되어 플랫폼이 피측정량에 의해 이동하기 전까지는 도 8의 경우와 동일하다. 그러나, 간섭계가 안정된 후 t =t₁+에서 플랫폼을 피에조 변환기의 변환속도보다 더 빠르게 움직여 가면, 링레이저(105)에 교란이 가속적으로 증가되므로 이 차 증폭기(130)의 출력(254)은 연속적으로 증가하게 되어 적분기(131)의 출력증가로 출력증폭기(132)의 출력이 피에조 변환기(141, 142)를/2만큼 팽창시키는 전압,에 도달하도록 한다. 이에 따라, 적분기가 순간적으로 방전이 되어 출력증폭기(132)의 출력도 순식간에 0에 가까운 값으로 줄어들며, 차 증폭기(130)의 출력에는 도 5에 주어진 반파장에 대응하는 파형(255)이 나타난다. 이 이후는 플랫폼의 이동속도가 빨라 안정화 회로가 동작하지 않게 되어 플랫폼이 이동하는 기간 동안은 도 5에 주어진 파형이 계속적으로 차 증폭기(130)의 출력에 나타나게 된다. 플랫폼이 정지하게 되면 안정화 회로가 동작하게 되므로 전체 동작 파형은 도 8의 경우와 같게 된다.

도 10은 본 발명의 링레이저 간섭계 전체 시스템 구성을 보여주는 개략도이다. 광 센싱부(174)에서는 링레이저(218)의 여러 반사경 중에서 두 반사경(219, 220)으로부터 링레이저(218) 내를 서로 반대방향으로 진행하는 빔이 투과한 투과빔(169, 168)을 선택한다. 빔(169)은 빔 조준기(beam collimator)(170)에 의해 평행빔(collimated beam)으로 되어 광 감쇄기(180), 빔 분할기(beam splitter)(181)를 거쳐 외부 반사경(187)에 입사된다. 빔(168)은 빔 조준기(221)를 거쳐 피에조 변환기(190)가 부착된 외부반사경(189)에 의해 반사되어 다시 반사경(222)에 의해 빔(169)과 평행하게 되어 외부 반사경(187)에 입사된다. 빔(169)은 외부 반사경(187)에 의해 반사된 후 빔 분할기(181)에 의해 분할되어 분할된 일부의 빔은 광 검지기(186)에 의해 전류로 변환되어 증폭기(209)를 거쳐 전체시스템 제어부(210)에 입사되며, 분할된 나머지 빔은 원래의 전파경로(183)를 따라 반사경(219)을 통해 링레이져(218) 내로 입사된다. 빔(168)은 외부 반사경(187)에 의해 반사된 후 빔 분할기(181)에 의해 분할되어 분할된 일부의 빔은 광 검지기(185)에 의해 전류로 변환되어 증폭기(208)에 입사되어 증폭되어 전체시스템 제어부(210)에 입사되며, 분할된 나머지는 원래의 전파경로(184)를 통해 반사경(220)을 거쳐 링레이저(218)내로 입사된다. 광 검지기(185, 186)는 광 경로 내에서 야기되는 교란 예를 들어 측정시 빔이 장애물 등에 의해 소멸됨으로써 발생하는 측정에러(measurement error)를 탐지하기 위해 사용된다. 외부반사경(187)과 이에 부착된 피에조 변환기(188)는 플랫폼(153)에 장착되어 피측정량에 따라 좌우로 이동된다.

외부 반사경(189)에 부착된 피에조 변환기(190)는 안정화 전원(191)에 의해 차 증폭기(213)에 최고와 최저 전압의 차이가 가장 큰 출력이 나오도록 조절하기 위한 것이다.

링레이저(218)의 공진기는 플라즈마(plasma)상태로 되어 있으므로 반사경(219)과 (220)를 통해 나오는 빔은 두 반대방향 진행파 외에도 가스 플라즈마에 의한 인코히어런트한(incoherent) 표유빔(stray beam)(166)이 중복되어 나오므로, 정확한-의 측정이 곤란하게 되므로 표유빔(166)을 따로 측정하여과에서 미리 빼줌으로써-를 정확히 측정할 수 있다. 광 검지기(193, 194)에 의해 표유빔(166)을 측정한다. 두 반대방향 진행빔(167)은 각각 광 검지기(192, 195)에 의해 검지되어 차 증폭기(211, 212)에서 각각 표유빔의 크기를 빼 줌으로써 정확한과의 값을 구하고, 차 증폭기(211, 212)의 출력은 다른 차 증폭기(213)에 입사되어 정확한 반대방향 진행파의 강도 차이값-이 구해진다.

차 증폭기의 출력은 적분기(214)를 통해 출력증폭기(215)에 입사된다. 출력증폭기의 출력(226)은 외부반사경(187)에 부착된 피에조 변환기(188)에 인가되어 링레이저(218)을 안정화시키며, 비교기(comparator)(205)에 입사되어 기준전압인(도 8)과 비교되어 이것보다 크거나 같을 경우는 전체시스템 제어부(210)을 통해 적분기(214)를 방전시킨다.

링레이저(218)의 다른 반사경(223)으로부터의 두 반대방향 진행빔은 빔 결합 프리즘(beam combining prism)(196)에 의해 서로 합쳐져서 코사인 성분(197)은 광 검지기(200)을 통해 증폭기(201)로 입사되며 사인성분(198)은 광 검지기(199)를 통해 증폭기(202)로 입사된다. 각 증폭기(201, 202)의 출력은 계수기(counter)(203)에 입사되어, 수학식 12로 주어지는 간섭무늬의 변화량을 측정하기 위해 사용된다. 사인과 코사인 성분의 검출에 의해 간섭무늬의 이동방향을 측정 가능하므로 플랫폼의 이동방향도 측정이 가능하다. 계수기(203)에는 차 증폭기(213)의 출력도 입사되어 출력 파형의 펄스수가 계수된다. 또한 전체시스템 제어부(210)의 출력이 계수기(203)를 제어하기 위해 계수기(203)에 입력된다. 계수기(203)의 출력은 계산 및 표시를 위한 컴퓨터(204)에 입사되며, 경우에 따라서는 피측정량의 정확한 굴절률(refractive index) 값을 이용하여 피측정량의 측정결과를 보상함으로써 정확한 측정이 가능하게 할 수도 있다. 도 12의 장치를 동시에 사용하여 피측정 환경과 관련한 굴절율 값을 연속적으로 측정하여 이것에 의해 피측정량의 측정 정도를 보상할 수 있다.

차 증폭기(211, 212) 출력의 일부는 합 증폭기(sum amplifier)(216)에 의해 합쳐지는데, 이 합 증폭기(216)의 출력은 온도 변화에 따른 링레이저(218)의 공진기 길이 변화에 대한 정보를 포함하고 있다. 합 증폭기(216)의 출력은 출력증폭기(217)를 통해 링레이저(218)의 다른 반사경(224)에 부착된 피에조 변환기(225) 또는 링레이저(218)의 온도변화를 줄이기 위한 선풍기(fan)와 같은 냉각장치(227)를 구동시켜, 링레이저(218)의 온도변환에 따른 영향을 보상하는데 사용된다. 타이머(206)는 적분기(214)의 시간정수(time constant)를 조절하기 위해 사용된다.

신호발진기(207)의 출력은 피에조 변환기의 공진 주파수와 같거나 이보다 작은 일정 주파수의 교류 신호로서 이는 전체시스템 제어부(210)를 거쳐 출력증폭기(215)의 다른 한 입력단에 입사된다. 이 출력은 링레이저(218)내의 두 반대방향 진행파가 간섭하여 내부 반사경(219, 220, 223, 224등) 유전체 코팅(dielectric coating) 표면에 만드는 정지(standing) 간섭무늬(interference fringe)에 의해 형성되는 격자에 의해 야기되는 회절빔에 의한 측정 오차를 줄이기 위해, 측정이 시작되기 전에 외부 반사경을 진동시켜, 링레이저내 두 반대방향 진행빔의 위상을 흩뜨려 내부 반사경에 정지 간섭무늬가 생기지 않도록 한다.

제어 및 표시회로부(171)는 전체시스템 제어부(210)를 포함, 광 검지기(199, 200, 185, 186), 증폭기(201, 202, 208, 209), 계수기(203), 컴퓨터(204), 비교기(205), 타이머(206), 신호발진기(207) 등으로 구성되어 전체시스템의 동작제어, 신호처리 및 측정 결과의 표시를 행한다. 안정화 회로부(173)은 도 3에서와 달리 광 검지기(192, 193, 194, 195), 차 증폭기(211, 212, 213), 안정화 전압원(191), 적분기(214) 그리고 출력증폭기(215) 외에도 합 증폭기(216)와 출력증폭기(217)를 포함하여, 측정환경 변화에 의한 링레이저(218)의 공진기의 길이 변화도 보상한다. 광 센싱부(174)에서 이동 플랫폼(153)에 장착된 외부반사경을 제외한 모든 구성요소와 광 검지기는 한 개의 모노블럭(Mono Block)(175)으로 구성하는 것이 가능하므로 실제 간섭계는 이 고정블럭, 전자회로 및 외부반사경 관련부의 3개의 블럭으로 구성할 수 있다.

도 11은 링레이저 자체의 회전에 의한 사낙 효과의 영향을 서로 상쇄하도록 두 반대방향 진행파를 전파시키는 공진기 구조를 가진 링레이저를 사용하는 링레이저 간섭계의 광학부 구조이다. 도 11(a)의 경우는 두 외부반사경이 서로 독립적으로 움직이는 경우이며, 도 11(b)의 경우는 두 외부 반사경이 같은 플랫폼 상에서 함께 움직이는 것과 마찬가지로서 광 경로는 하나의 외부반사경(259)에 의해 조정되는 경우이다. 도 11(a)에서 링레이저(263)는 그 공진기내의 서로 반대방향 진행파(261, 262)가 서로 교차(cross)되도록 배치된 4개의 반사경(233, 234, 235와 236)으로 구성된다.

반사경(235)로부터의 두 투과빔(264, 265) 중 투과빔(264)은 반사경(237)에의해 반사되고 빔 조준기(238)에 의해 평행빔이 되어 빔 감쇄기(239)를 거쳐 내각(inner angle)(280)이인 코너반사경(corner mirror)(240) 또는 이와 유사 기능을 가진 소자에 의해 반사되어 빔 분할기(242)를 거쳐 외부반사경(244)에 수직방향으로 입사한다. 외부반사경(244)에 의해 반사된 빔(268)은 빔 분할기(242)에 의해 분할되어 그 분할된 일부빔(248)은 빔(264)의 전파 경로 내에 생기는 교란을 검지하기 위하여 광 검지기에 입사되며, 분할된 나머지 빔은 원래의 빔 전파경로를 역방향으로 반사경(235)으로 입사한다.

반사경(236)으로부터 투과되는 두 투과빔(266, 267)중 투과빔(266)은 반사경(246)에 의해 반사되고 빔 조준기(247)에 의해 평행빔이 되어 거쳐 코너반사경(241)에 의해 반사되어 빔분할기(243)을 거쳐 외부반사경(245)에 수직방향으로 입사한다. 외부반사경(245)에 의해 반사된 빔(269)은 빔 분할기(243)에 의해 분할되어 그 분할된 일부 빔(249)은 빔(266)의 전파 경로 내에 생기는 교란을 검지하기 위하여 광 검지기에 입사되며, 분할된 나머지 빔은 원래의 빔 전파경로를 역방향으로 반사경(236)에 입사한다.

외부반사경(244, 245)에 부착된 피에조 변환기(270, 271)는 도 3과 관련하여 설명한 바와 마찬가지 방식으로 간섭계를 안정화시키기 위해 사용되며, 반사경(235, 236)으로부터의 다른 투과빔(265, 267)은 광 검지기를 거쳐-와+를 측정하기 위해 차 및 합 증폭기(도시되지 않음)에 입사한다.

반사경(233)에 부착된 피에조 변환기(250)는 도 10의 피에조 변환기(225)와 마찬가지로 링레이저(263)의 공진기 길이가 온도 등의 측정환경에 의해 변화하는것을 보상하기 위해 사용된다. 반사경(234)에 접착된 빔 결합 프리즘(251)은 도 10의 빔결합 프리즘(196)과 마찬가지로 링레이저(263)의 두 반대방향 진행빔(261, 262) 사이의 간섭에 의한 간섭무늬의 변동량을 측정하기 위해 사용된다.

피측정량의 측정은 외부반사경(244, 245)이 부착된 피에조 변환기(270, 271)을 고정시키고, 피측정량에 따라 코너반사경(240, 241) 또는 이와 유사 기능을 가진 소자가 장착된 이동 가능한 플랫폼(273, 274)을 이동시킴으로써 가능하다. 측정량의 종류에 따라, 코너반사경(240, 241)을 동시에, 따로 또는 둘 중의 하나만 이동할 수 있다. 반사경(237)에 의해 반사된 투과빔(264)의 진행방향은 플랫폼(273)의 이동방향과 평행이며 코너반사경(240)의 단면(278)에 수직이고 또한 단면(278)은 외부반사경(244)과 평행인 것이 바람직하다. 반사경(246)에 의해 반사된 투과빔(266)은 플랫폼(274)의 이동방향과 평행이며 또한 코너반사경(241)의 단면(279)에 수직이고 또한 단면(279)은 외부반사경(245)과 평행인 것이 바람직하다. 도 11(a)에서 코너 반사경을 하나만 사용하여 기준 광경로로 사용하고, 외부 반사경을 피측정량에 따라 움직이거나 또는 외부 반사경으로 기준 광경로를 형성하고 코너 반사경을 피측정량에 따라 움직이게 하는 것도 가능하다.

도 11(b)에서는 반사경(235)로부터의 두 투과빔(264, 265) 중 투과빔(265)이 빔 조준기(238)에 의해 평행빔이 되고 감쇄기(239)를 거쳐 반사경(253)에 의해 반사되고 다시 양면반사경(256)의 한 면에서 반사되어 코너반사경(257)과 분할기(258)를 거쳐 외부 반사경(259)에 입사된다. 외부반사경(259)에 의해 반사된 빔(268)은 빔 분할기(258)에 의해 그 일부가 광 검지기로 입사되며, 그 나머지는 원래의 빔 전파경로를 역으로 따라 반사경(235)을 거쳐 링레이저(263)내에 입사한다.

반사경(236)으로부터의 두 투과빔(266, 267)중 투과빔(267)은 빔 조준기(247)에 의해 평행빔이 되고 반사경(252)에 의해 반사되어 다시 양면반사경(256)의 다른 한 면에서 반사되어 코너반사경(257)과 빔 분할기(258)를 거쳐 외부 반사경(259)에 입사된다. 외부반사경(259)에 의해 반사된 빔(269)은 빔 분할기(258)에 의해 그 일부가 광 검지기로 입사되며, 그 나머지는 원래의 빔 전파경로를 역으로 따라 반사경(236)을 거쳐 링레이저(263) 내에 입사한다. 투과빔(265, 267)은 양면반사경(256)에서 반사된 이 후는 서로 평행하게 진행하며, 또한 코너 반사경(257)이 장착되어 있는 플랫폼(275)의 이동방향과도 평행해야 하며, 코너반사경(257)의 전면(277)은 외부반사경(259)과 평행이어야 한다. 반사경(253)에 부착된 피에조 변환기(272)는 안정화 전원(276)에 의해 차 증폭기에 최고와 최저 전압의 차이가 가장 큰 출력이 나오도록 즉 최대 첨두 파형이 나오도록 조절하기 위한 것이다. 외부 반사경(259)에 부착된 피에조 변환기(260)는 코너반사경(257)이 이에 부착된 플랫폼(275)에 의해 이동될 때 간섭계를 안정화시키기 위한 것이다.

반사경(233)에 부착된 피에조 변환기(250)는 링레이저(263)의 공진기 길이가 측정환경에 의해 변화하는 것을 보상하기 위해 사용된다. 반사경(234)에 접착된 빔 결합 프리즘(251)은 링레이저(263)의 두 반대방향 진행빔(261) 과 (262) 사이의 간섭에 의한 간섭무늬의 변동량을 측정하기 위해 사용된다.

코너반사경(240, 241, 257)은 반사면이 내면인 2개의 반사경(283, 284)을 내각이가 되도록 접합한 것으로 입사빔(285)이 반사경(283, 284)에서 반사되어 입사빔(285)과 평행이며 동일평면상에 있는 빔(286)이 되어 되돌아 나온다. 반사경(246, 252, 253)은 빔(268)과 빔(269)을 평행하게 만들도록 회전할 수 있다. 링레이저(263)내의 두 반대방향 진행파의 편광 방향은 동일해야 한다. 도 11(a) 와 11(b)에서 코너 반사경(240, 241, 257) 또는 이와 유사 기능을 가진 소자 및 이들이 장착된 플랫폼(273, 274, 275)을 제외한 모든 부분들은 한 개의 블럭(monoblock)(281, 282)으로 구성하는 것이 가능하다.

도 12는 링레이저의 반사경과 외부 반사경 사이의 실질적인 거리를 변화시키지 않으면서 피 측정체에 의한 광 경로의 변화가또는중의 어느 하나에만 일어나도록 할 수 있는 본 발명에 의한 간섭계의 광센싱부 구조이다. 도 12(a) 와 도 12(b)는 각각이 측정 셀을 포함하는 경우와 아닌 경우를 나타낸다.

도 12(a)서는 링레이저(287)의 두 내부 반사경(288, 289)로부터 링레이저(287)내를 전파하는 두 반대방향 진행빔의 일부를 투과시켜 측정 셀(298)를 통해 반사경(288)으로부터의 투과빔은 외부 반사경(290)에 그리고 반사경(289)으로부터의 투과빔은 외부 반사경(293)에 입사한다. 외부 반사경(290, 293)은 이것들에 입사하는 투과빔과 반사되는 빔이 서로 평행으로 동일 평면상에 위치하도록 배열되어 있다. 측정 셀(298)은 기준으로 작용할 투과빔이 통과하는 진공부(297)와 측정에 사용될 투과빔이 통과하는, 피측정량에 해당하는 가스로 채워질 진공부(296)로 구획이 나누어져 있다. 마개(299)를 통해 피측정량에 해당하는 가스가 진공부(296)에 주입된다. 외부 반사경(290)에는 피에조 변환기(291)가 부착되어 안정화 전원(292)에 의해 초기 안정화되며 그리고 외부 반사경(293)에는 피에조 변환기(294)가 부착되어 안정화 전원(295)에 의해 초기 안정화된다. 시간 t = 0에서 간섭계가 온 되면 안정화 전원과 출력증폭기의 초기전압에 의해 링레이저가 안정화되며, 시간 t = t₁에서 피측정량에 해당하는 가스가 주입되면 이것에 의해 광 경로에 변화가 야기되므로 수학식 12에 의한 출력이 발생한다.

도 12(b)는 기준으로 작용할 투과빔이 측정 셀(300)을 통하지 않는 경우로 측정 셀(300)은 진공으로 되어있고 피측정량에 해당하는 가스로 채워진다.

본 간섭계의 출력은 두 반대방향 진행파의 출력빔 강도의 합과 차이 그리고 위상차이(phase difference)에 의한 간섭무늬의 변화율로, 이들의 일부는 부궤환되어 인가전압의 변동 그리고 기타 외부 영향에 의한 링레이저의 출력빔 강도 및 주파수의 변화를 억제 또는 상쇄시켜, 고 정도 측정을 가능하게 한다. 또한 링레이저를 록인 존 영역에서 동작시킴에 의해 링레이저의 미세 움직임에 의한 측정의 영향도 최소화할 수 있다.

Claims

링레이저를 이용하여 피측정량을 측정하는 간섭계에서 사용하기 위한 광센싱 장치에 있어서,

상기 광센싱 장치는 링레이저 공진기 및 하나 이상의 외부 반사경(106, 107; 187; 244, 245; 259; 290, 293)을 포함하고,

상기 링레이저 공진기는 다수의 내부 반사경(101, 102, 103, 104; 219, 220, 223, 224; 233, 234, 235, 236; 288, 289)을 포함하고,

상기 링레이저 공진기 내에는 서로 반대방향으로 전파하는 파장이 동일한 두 개의 레이저빔(116, 117; 167; 261, 262)이 존재하고,

상기 두 반대방향 진행빔의 일부가 상기 다수의 내부 반사경을 통해 투과되고,

상기 외부 반사경은 상기 다수의 내부 반사경 중 두 개의 서로 다른 내부 반사경(101, 102; 219, 220; 235, 236; 288, 289) 각각으로부터 투과된 빔 중 한 개씩 선택하되 선택된 두 개의 투과빔(108, 109; 168, 169; 264, 266; 265, 267)은 서로 다른 반대방향 진행빔들의 조합이 되도록 선택하여, 선택된 두 개의 투과빔을 반사시켜 후방 진행파(110, 111)로 만들어 상기 투과빔의 경로를 역으로 따라 상기 두 개의 서로 다른 내부 반사경을 통해 다시 상기 링레이저 공진기 내로 주입시키는 역할을 하고,

상기 두 개의 내부 반사경으로부터 이에 대응하는 외부 반사경에 이르는 광경로를 상기 피측정량에 따라 변화시키도록 구성되어 있는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 외부 반사경에 입사되는 두 투과빔 및 외부 반사경으로부터 반사되는 두 후방 진행빔은 각각 서로 평행이며 동일한 평면상에 놓여 있는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 링레이저는 록인 존(lock-in zone)에서 동작하는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 링레이저 공진기는 자체의 회전에 의한 영향을 받지 않는 구조로 되어 있는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 링레이저 공진기를 구성하기 위한 상기 내부 반사경의 수가 3개 이상인 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 두 개의 내부 반사경과 이에 대응하는 외부 반사경 사이의 광 경로 내에 상기 후방 진행파의 세기를 조절하기 위한 광 감쇄기(118, 119; 180; 239)를 더 포함하는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 광 센싱 장치는 상기 하나 이상의 외부 반사경을 장착시키기 위한 하나 이상의 이동 가능한 플랫폼을 더 포함하고, 상기 플랫폼을 상기 피측정량에 따라 움직임으로써 광 경로가 변화하는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 두 내부 반사경과 이에 대응하는 외부 반사경 사이의 광 경로의 길이를 각각과라고 할 때,

피측정량에 의해과중 어느 하나만 변화시키거나, ±(-) 또는+를 일정하게 유지되도록 하면서 두 광 경로를 동시에 변화시키거나,과를 독립적으로 움직이는 등 4 가지 서로 다른 방법으로 작동시킬 수 있도록 구성되어 있는 광센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 두 내부 반사경과 이에 대응하는 외부 반사경 사이의 광 경로의 길이를 각각과라고 할 때, ±(-)를 일정하게 유지하도록과에 대응하는 광 경로를 동시에 변화시키면서 작동되고, 이를 위해 두 개의 외부반사경이과를 각각 조절하고, 상기 두 개의 외부반사경이 장착되어 있는 상기 두 개의 외부반사경을 동시에 이동시키기 위한 단일한 플랫폼을 더 포함하는 광센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 두 내부 반사경과 이에 대응하는 외부 반사경 사이의 광 경로의 길이를 각각과라고 했을 경우,+가 일정해지도록과에 대응하는 광 경로들을 연동시켜 변화시키면서 작동되고, 이를 위해 두 개의 외부반사경이과를 각각 조절하고, 상기 두개의 외부반사경을 연동시켜 이동시키기 위해 상기 두 개의 외부반사경이 각각 장착된 두 개의 플랫폼을 더 포함하는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 링레이저의 광 경로 상에 내부 반사경에 가까운 쪽에 배치되어 있는 빔 조준기(beam collimator, 170, 221; 238, 247)를 더 포함하고, 상기 빔 조준기는 상기 내부 반사경을 투과한 빔을 평행빔(collimated beam)으로 만들어 상기 외부 반사경에 입사하도록 하는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 두 내부 반사경과 이에 대응하는 외부 반사경 사이의 광 경로의 길이를 각각과라고 할 때, ±(-)를 일정하게 유지하도록과에 대응하는 광 경로를 동시에 변화시키면서 작동되고, 이를 위해과을 하나의 외부 반사경(187)이 동시에 조절하는 광센싱 장치.
제12항에 있어서, 상기 광센싱 장치는 상기 두 개의 투과빔(168, 169)을 서로 평행인 인접하는 빔으로 만들기 위한 반사경(189)을 더 포함하고,

상기 평행하고 인접하는 두 개의 투과빔은 상기 하나의 외부 반사경에 입사되는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 링레이저 자체의 회전에 의한 영향을 없애기 위해, 링레이저 내의 두 반대방향 진행빔(261, 262)이 서로 교차되도록 상기 링레이저 공진기가 구성되어 있는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 광센싱 장치는 상기 광 경로내에 상기 투사빔을 상기 외부 반사경으로 입사시키기 위한 하나 이상의 코너 반사경(240, 241; 257)을 더 포함하는 광 센싱 장치.
제15항에 있어서, 상기 외부반사경(244, 245; 259)은 링레이저 본체에 고정되어 있고,

상기 코너반사경을 장착시기 위한 이동 가능한 플랫폼(273, 274; 275)을 더 포함하고, 상기 플랫폼을 상기 피측정량에 따라 움직임으로써 광 경로가 변화하는 광 센싱 장치.
제15항에 있어서 상기 코너 반사경의 입력 개구(entrance aperture)은 상기 외부반사경의 전면과 평행하도록 배치되어 있는 광 센싱 장치.
제15항에 있어서, 상기 광센싱 장치는 상기 각각의 광 경로 내에 상기 각각의 투사빔을 대응하는 외부 반사경으로 입사시키기 위한 하나씩의 코너 반사경(240, 241)을 포함하는 광 센싱 장치.
제15항에 있어서, 상기 광센싱 장치는 상기 두 개의 투과빔을 서로 평행인 인접하는 빔으로 만들기 위한 하나 이상의 반사경(272, 252, 256)을 더 포함하고,

상기 두 개의 광 경로 내에 배치되어 상기 두 개의 평행인 인접빔을 상기 외부 반사경(259)으로 입사시키기 위한 단일한 코너 반사경(257)을 포함하는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 광 센싱부는 상기 두 개의 광 경로를 구성하도록 배치되어 있는 진공셀(298)을 포함하고,

상기 진공셀은 각각의 광 경로가 구성되는 부분을 포함하는 두 개의 진공부(297, 296)를 포함하고,

상기 두 개의 진공부 중 하나의 진공부(297)는 계속 진공을 유지하되 다른 하나의 진공부(296)는 피측정 물체로 채워서 상기 피측정 물체의 굴절률을 측정하는 광센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 광센싱 장치는 상기 광 경로 중 한 개의 광 경로 내에 배치된 진공 셀을 더 포함하고,

상기 피측정량은 피측정 물체의 굴절률이고, 상기 대상 물체로 상기 진공 셀을 채워서 상기 한 개의 광 경로를 변화시켜서 상기 피측정 물체의 굴절률을 측정하는 광센싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 두 개의 내부 반사경과 이에 대응하는 외부 반사경 사이의 두개의 광 경로 중 어느 하나만 피측정량에 따라 변화시키고 다른 하나는 기준 광 경로로 고정시켜 피측정량을 측정하는 광 센싱 장치.
링레이저를 이용하여 피측정량을 측정하는 간섭계에 있어서,

상기 간섭계는 광 센싱부를 포함하고,

상기 광 센싱부는

링레이저 공진기 및 하나 이상의 외부 반사경(106, 107; 187; 244, 245; 259; 290, 293)을 포함하고,

상기 링레이저 공진기는 다수의 내부 반사경(101, 102, 103, 104; 219, 220, 223, 224; 233, 234, 235, 236; 288, 289)을 포함하고,

상기 링레이저 공진기 내에는 서로 반대방향으로 전파하는 파장이 동일한 두 개의 레이저빔(116, 117; 167; 261, 262)이 존재하고,

상기 두 반대방향 진행빔의 일부가 상기 다수의 내부 반사경을 통해 투과되고,

상기 외부 반사경은 상기 다수의 내부 반사경 중 두 개의 서로 다른 내부 반사경(101, 102; 219, 220; 235, 236; 288, 289) 각각으로부터 투과된 빔 중 한 개씩 선택하되 선택된 두 개의 투과빔(108, 109; 168, 169; 264, 266; 265, 267)은 서로 다른 반대방향 진행빔들의 조합이 되도록 선택하여, 선택된 두 개의 투과빔을 반사시켜 후방 진행파(110, 111)로 만들어 상기 투과빔의 경로를 역으로 따라 상기두 개의 서로 다른 내부 반사경을 통해 다시 상기 링레이저 공진기 내로 주입시키는 역할을 하고,

상기 두 개의 내부 반사경으로부터 이에 대응하는 외부 반사경에 이르는 광 경로를 상기 피측정량에 따라 변화시키도록 구성되어 있으며,

상기 간섭계는

상기 광 경로를 변화시키기 위한 플랫폼과,

상기 광 경로의 변화에 따른 상기 링레이저 공진기내를 전파하는 두 반대방향 진행파의 강도의 차이(intensity difference)가 만드는 파형의 시간적 변화율로 주어지는 파형의 펄스의 수를 측정하기 위한 수단을 더 포함하고,

측정된 펄스의 개수로부터 상기 피측정량을 결정하는 간섭계.
제23항에 있어서,

상기 간섭계는 상기 두 반대방향 진행파의 간섭에 의한 간섭무늬의 변화율을 측정하기 위한 수단을 더 포함하고,

상기 측정된 파형의 개수 또는 상기 변화율을 이용하여 상기 피측정량을 측정하는 간섭계.
제24항에 있어서, 상기 광 센싱부는 상기 두 반대방향 진행빔을 합치기 위한 빔 결합 프리즘(196, 251)을 포함하고,

상기 간섭계는 상기 빔 결합 프리즘에서 합쳐진 빔의 사인 성분 및 코사인성분을 검출하기 위한 광 검출기를 더 포함하고,

상기 사인 및 코사인 성분으로부터 상기 반대방향 진행파의 간섭에 의한 간섭무늬의 변화율을 측정하는 간섭계.
제23항에 있어서,

상기 광 센싱부는 상기 내부 반사경 중 하나 이상의 내부 반사경을 미세 조정하기 위한 피에조 변환기(225, 250)를 더 포함하고,

상기 간섭계는

상기 두 반대방향 진행빔의 강도의 합을 측정하기 위한 합 증폭기(216)와,

합 증폭기의 출력을 상기 피에조 변환기에 인가될 전압으로 증폭시키기 위한 출력증폭기(217)를 더 포함하고,

상기 피에조 변환기가 상기 내부 반사경을 미세 조정함으로써 온도변화에 의한 공진기의 길이 변화를 보상할 수 있는 간섭계.
제23항에 있어서,

상기 간섭계는 링레이저 본체(body)를 냉각시키기 위한 냉각 장치와,

상기 두 반대방향 진행빔의 강도의 합을 측정하기 위한 합 증폭기(216)와,

온도변화에 의한 공진기의 길이 변화를 보상하도록, 상기 강도의 합을 상기 냉각 장치의 구동에 필요한 전압으로 증폭시키기 위한 출력증폭기

을 더 포함하는 간섭계.
제23항에 있어서. 상기 간섭계는 상기 외부반사경을 미세 이동시키기 위해 외부반사경에 부착되어 있는 피에조 변환기(141, 142; 260; 294)를 더 포함하고,

상기 피에조 변환기에 인가되는 전압은 상기 링레이저 내 두 반대방향 진행파의 강도의 차이를 이용하여 발생시키는 간섭계.
제23항에 있어서. 상기 간섭계는

상기 외부반사경을 미세 이동시키기 위해 외부반사경에 부착되어 있는 피에조 변환기(188; 270, 271; 291, 294)와,

상기 피에조 변환기에 일정 전압을 인가하는 안정화 전원(126, 127; 276)을 더 포함하고,

상기 안정화 전원은 링레이저 내 두 반대방향 진행파의 강도에 있어 차이로 주어지는 파형의 첨두값이 최대가 되도록 피에조 변환기의 초기 인가 전압을 결정하는 간섭계.
제28항에 있어서,

상기 외부 반사경에 부착된 피에조 변환기는 두개의 입력단을 포함하고, 상기 두 개의 입력단 중 하나(134, 135)에는 상기 링레이저 내 두 반대방향 진행파의 강도의 차이를 이용하여 발생된 전압을 인가하고,

상기 간섭계는 상기 피에조 변환기의 두 개의 입력단 중 다른 하나(136,137)에 전압을 인가하기 위한 안정화 전원(126, 127)을 더 포함하고, 상기 안정화 전원은 링레이저 내 두 반대방향 진행파의 강도의 차이값의 파형의 첨두값이 최대가 되도록 피에조 변환기에 전압을 인가하는 간섭계.
제28항에 있어서, 상기 간섭계는 안정화 회로부(172, 173)를 더 포함하고,

상기 안정화 회로부는

상기 두 반대방향 진행빔의 강도의 차를 측정하기 위한 차 증폭기(130, 213)와,

상기 차 증폭기의 출력을 적분하는 적분기(131, 214)와,

상기 적분기의 출력을 상기 피에조 변환기의 구동에 필요한 전압으로 증폭하는 출력증폭기(132, 215)

을 포함하는 간섭계.
제31항에 있어서,

상기 피에조 변환기가 링레이저 발진파장의 1/2 만큼 수축 또는 팽창되었을 때에 상기 적분기를 순간적으로 방전시켜 상기 출력 증폭기의 출력을 0이 되도록 하는 간섭계.
제23항에 있어서,

상기 간섭계는

상기 두 내부 반사경을 통해 투과되는 링레이저 내 두 반대방향 진행파를 검출하기 위한 제1 광 검지기(192, 194)와,

상기 두 내부 반사경을 통해 링레이저 내 두 반대방향 진행파와 함께 투과되는 공진기내의 기체 플라즈마(gas plasma)에 의한 인코히어런트 광 성분(166)을 측정하기 위한 제2 광 검지기(193, 195)와,

상기 인코히어런트 광 성분을 상기 제1 광 검지기(192, 194)에서 검출된 반대방향 진행파의 각각의 크기로부터 빼주기 위한 차 증폭기(211, 212)를 포함하는 간섭계.
제23항에 있어서,

상기 간섭계는 상기 두 개의 투과빔(168, 169)을 서로 평행인 인접하는 빔으로 만들기 위한 제2 외부 반사경(189)과,

상기 제2 외부 반사경에 부착된 피에조 변환기(190)와,

상기 피에조 변환기에 전압을 인가하기 위한 안정화 전원(191)을 더 포함하고,

상기 안정화 전원은 링레이저 내 두 반대방향 진행파의 강도의 차이로 주어지는 파형의 첨두값이 최대가 되도록 피에조 변환기에 전압을 인가하는 간섭계.
제34항에 있어서,

상기 평행하고 인접하는 두 개의 투과빔은 하나의 외부 반사경에 입사되고,상기 두 내부 반사경과 상기 하나의 외부 반사경 사이의 광 경로의 길이를 각각과라고 할 때, ±(-)를 일정하게 유지하도록과에 대응하는 광 경로를 동시에 상기 하나의 외부 반사경(187)이 조절하는 간섭계.
제31항에 있어서,

안정화 회로부내의 상기 출력증폭기에 상기 적분기의 출력 이외에 상기 피에조 변환기의 공진 주파수와 같거나 작은 일정 주파수의 교류신호를 입력시켜, 내부 반사경상에 두 반대방향 진행빔의 간섭에 의해 내부 반사경의 유전체 코팅(Dielectric Coating)에 형성되는 격자에 의한 회절파를 없애기 위해 외부 반사경에 부착된 피에조 변환기를 진동하게 함에 의해 링레이저 내 두 반대방향 진행빔의 위상을 흩뜨려 상기 내부 반사경 상에 간섭무늬가 생기지 않도록 하는 간섭계.
제23항에 있어서, 내부 반사경과 이에 대응하는 외부 반사경 사이의 광 경로 내에 외부 반사경에 의해 반사되는 빔을 분할하기 위한 빔 분할기(181; 242, 243, 258)를 더 포함하고, 상기 분할된 빔의 일부는 검출되어 광 경로 내에서 야기되는 교란을 탐지하는 데에 이용하는 간섭계.
제23항에 있어서, 상기 간섭계는 피측정체를 측정하기 위한 상기 광센싱 장치와 별도로, 굴절률 변화를 측정하는 제2 광센싱 장치를 포함하고, 상기 제2 광센싱 장치에 의해 굴절률 변동에 의한 보상을 행함으로써 측정의 정밀도를 향상시키는 간섭계.
제33항에 있어서 상기 적분기가 방전하는 기간동안 상기 차 증폭기의 출력에는 상기 광 경로의 길이의 상호 관계에 따라 그 형태가 결정되고 주기가 상기 링레이저 출력빔의 반파장()인 파형의 한 주기가 나타나는 간섭계.
제23항에 있어서,

상기 플랫폼이 레이저의 발진파장의 1/2씩 움직일 때마다, 상기 차 증폭기의 출력이 첨탑 형태의 파형의 연속 중 한 주기의 파형을 나타내는 간섭계.
제23항에 있어서,

상기 플랫폼이 레이저의 발진파장의 1/2씩 움직일 때마다, 상기 차 증폭기의 출력이 정현파 파형의 연속 중 한 주기의 파형을 나타내는 간섭계.
제31항에 있어서,

상기 플랫폼의 이동 속도가 상기 피에조 변환기의 변환 속도보다 빠를 경우는 상기 안정화 회로가 동작하지 않고,

상기 차 증폭기의 출력은 첨탑 형태의 파형의 연속인 간섭계.
제31항에 있어서,

상기 플랫폼의 이동속도가 상기 피에조 변환기의 변환 속도보다 낮은 경우는 상기 안정화 회로가 정상적으로 동작하고 상기 차 증폭기의 출력은 정현파의 연속 파형인 간섭계.
제39항에 있어서, 상기 적분기가 방전하는 시간 간격동안, 상기 차 증폭기의 출력은 첨탑 형태 파형 또는 정현파의 한 주기를 나타내는 간섭계.
제23항에 있어서, 상기 광 경로의 변화에 의해 주어지는 피측정량의 값은 플랫폼의 이동기간 동안 계수된 상기 차 증폭기 출력 파형의 개수를 링레이저의 발진파장을 4로 나눈 값으로 곱한 값에다 안정화 회로에 의한 광 경로의 변화 전후에 피에조 변환기에 의한 외부 반사경의 이동분을 더해준 것과 같은 간섭계.
제23항에 있어서, 상기 광 센싱부에서 이동 플랫폼에 장착된 외부반사경을 제외한 모든 구성요소를 한 개의 모노블럭(Mono Block)으로 구성하여, 상기 고정블럭, 전자회로 및 외부반사경을 포함하는 부분의 3개의 블럭으로 구성된 간섭계.
제1항에 있어서, 상기 광 센싱부의 이동 플랫폼에 장착된 코너 반사경을 제외한 광 센싱부의 구성 요소가 한 개의 모노블럭으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
제1항에 있어서, 한 개의 외부 반사경은 링레이저에 부착되어 있고, 다른 하나는 기준 광경로로 작용하는 광 센싱 장치.
제48항에 있어서, 링레이저에 부착된 외부 반사경과 코너 반사경으로 구성되는 광경로를 기준 광 경로로 고정시키고, 다른 외부 반사경에 의해 만들어지는 광 경로를 피측정량에 의해 변화시키는 광 센싱 장치.
제23항에 있어서, 광 센싱부의 광 경로 길이가 서로 독립적으로 또는 하나만 피측정체에 의해 변화되는 경우는 빔 결합 프리즘으로부터 출력 파형의 변화량을 계산함으로써 피측정량을 측정하는 간섭계.
제50항에 있어서, 피측정량은 링레이저의 발진 파장을 2로 나눈 값으로 곱한 값에다 안정화 회로에 의한 광 경로의 변화 전후에 피에조 변환기에 의한 외부 반사경의 이동분을 더해준 것에 비례하는 간섭계.