A novel interferometric scheme that attempts to measure the absolute position of a three-dimensionally moving target with respect to a reference station is proposed. The target transmits two orthogonal pairs of lateral-shearing interferograms generated using four near-perfect spherical waves emitted from single-mode fibers by means of point diffraction. The interferograms are modulated with varying amounts of phase shifting and monitored by the reference station holding a 2-D array of photodetectors. Captured interferograms are analyzed by use of a modified version of the Rimmer-Wyant technique and reconstructed as the spherical wavefront emitted form the center of four fibers in the target. The absolute position of the target is then determined by fitting the reconstructed wavefront into Zernike polynomials. Its measurement precision is proved by simulation comparable to the wavelength of light. Practically achievable precision is affected by the presence of external disturbances such as temperature fluctuation and vibration, deteriorating the temporal and spatial stability of the spherical wavefronts emitted from the fibers. The overall performance is expected to improve gradually if the size of the photodetector array is further increased or the shearing offset between the fibers in the target is made larger.
본 논문에서는 구면파면의 이차원 간섭을 이용하여 기준 좌표계에 대해 물체의 삼차원 절대위치를 측정하는 새로운 간섭계를 제안했다. 삼차원 공간상에서 점회절 광원으로부터 발산되는 구면파면을 근사하여 Zernike 다항식으로 표현하면 defocus항과 astigmatism 항들로부터 점광원까지의 절대거리와 점광원의 삼차원 절대좌표를 유도해 낼 수 있다. 따라서 구면파면의 형상정보를 구할 수 있으면 점광원의 위치를 측정할 수 있다. 점광원에서 발산되는 구면파면은 반경이 동일할 때 같은 형태의 파면을 가지므로 층밀림 간섭계를 응용하여 구면파면을 측정할 수 있다. 간섭계는 기본적으로 점회절 광원으로 단일모드 광섬유를 이용하여 두 개의 서로 수직한 간섭무늬를 생성하는 타겟과 간섭무늬를 측정하고 기준좌표계가 위치하는 광검출기 부분으로 구성된다. 두 개의 간섭무늬에서 위상천이를 통해 두 개의 파면차를 구할 수 있고 이로부터 Rimmer-Wyant 방법을 이용하여 타겟의 중앙에서 발산되는 구면파면을 복원할 수 있다. 본 간섭계에 좀더 적당하도록 Rimmer-Wyant 방법을 수정했고 층밀림 거리 오차에 대한 보정을 하여 좀더 정확한 측정이 되도록 하였다. 실제 실험을 통해 본 간섭계의 성능을 평가했으며 주요 오차원인으로는 주변의 온도 변화와 진동, 전기적 노이즈 등이었다. 광검출기의 면적을 넓히고 층밀림 거리를 키우면 좀더 향상된 측정성능을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
