Optical interferometers in various configurations have long been used for industrial surface measurements as a suitable means of obtaining sub-wavelength precision at high measurement speed. Throughout the technological evolution of optical interferometers, enhancing immunity to external vibration has been an ever-growing technical issue particularly for harsh environmental applications. In response to the technical demand, efforts have been made mainly in two directions. One is aimed to stabilizing interferometric fringes either by adopting common-path configurations or by active feedback control of fringe intensity fluctuation. The other is to avoid vibration disturbance by taking measurements with a single-shot fringe capturing, as demonstrated by spatial heterodyning with a predetermined fringe tilt or by devising special devices to realize simultaneous phase shifting using diffractive elements, pixelated phase masks, and micropolarizer arrays. This thesis is devoted to deve-lop a novel phase-shifting interferometer which cancels vibration disturbances by axial vibration through common-path configuration and generates nearly perfect reference wavefront by means of modal filtering in combination with point-diffraction of a single-mode optical fiber. The vibration-countervailing effects by common-path configuration is experimentally verified in comparison with non-common path configuration using 1 by 2 fiber coupler. Also, theoretical derivations about propagation characteristics on SMF waveguide and phase deviation from perfect sphericity are presented for verification of such SMF performance. Besides, for enhancement of vibration-desensitizing capability essentially required in on-machine measurement, two special algorithms capable of phase measurement free from intensity fluctuation caused by various environmental disturbances by isolating vibration effects through real-time acquisition of fringes using high-speed digital camera are presented. Firstly, phase measurement algorithm using filtering technique of vibration frequency is adopted to completely eliminate vibration residuals resulting from both PZT nonlinearity and step-wise phase-shifting motion. As a result, more robust sampling at each phase-shifting step using arbitrary-bucket algorithm can be performed. Secondly, continuous phase-scanning algorithm is proposed based on phase-extraction principle on a specific heterodyne frequency generated from multiple cycles of 2π-scanning by the uniform translation of PZT-driven stage. Using this algorithm, many drawbacks of conventional PSI algorithms, such as nonlinearity errors of PZT, measurement speed, complexity of phase analysis algorithm can be overcome remarkably. Through phase recovery simulation on modeled 2-D phase map under hypothetical environmental conditions by proposed measurement algorithm, superior measurement accuracy and repeatability are evaluated. Finally, actual embodiment and some measurement results about 1 inch spherical concave mirror surface are presented for performance verification of two proposed algorithm.
다양한 구조를 갖는 광간섭계는 높은 측정 속도로 파장 이하의 정밀도를 구현하는데 적합한 측정 수단으로 산업계의 표면 형상 측정 분야에 오랫동안 사용되어왔다. 이와 같은 광간섭계의 기술적인 진화과정 내내 외부 진동에 대한 둔감성을 향상시키는 문제는 거친 측정 환경에서 특별히 점점 커지는 기술적 이슈가 되어왔다. 이와 같은 기술적인 수요에 발맞추어 크게 두가지 방향으로 많은 연구들이 수행되어 왔다. 첫번째는 공통 경로 구조를 적용하거나 간섭무늬 광강도 변화를 능동되먹임 제어를 함으로써 간섭무늬 자체를 안정화시키는 방향이라고 할 수 있다. 다른 하나는 단일 간섭무늬만을 검출하여 측정에 사용함으로써 진동 교란의 영향을 피하는 방법인데, 이 방법에는 기준파면의 큰 기울기 성분을 이용하는 공간 헤테로다이닝 방법, 회절광학소자나 픽셀화되어있는 위상마스크, 마이크로 편광 어레이를 사용하여 동시다발적인 위상 천이를 구현하는 공간위상천이 장치를 들 수 있다. 본 논문은 공통경로구조를 통해 광축 방향 진동에 의한 효과를 상쇄시키고 단일모두 광섬유의 점회절과 모드 필터링 효과에 의해 기준파면으로 완벽한 구면파를 생성하는 새로운 개념의 위상천이 간섭계를 개발하는 것이 목표이다. 공통 경로 구조에 의한 진동 상쇄 효과는 1 by 2 coupler를 이용한 비공통 경로 구조 비교 실험을 통해 실험적으로 검증되었다. 또한 단일모드 광섬유 도파로 전파 특성 및 완벽한 구면파로부터의 위상 편차에 대한 이론적 검증을 통해 본 논문에서 사용된 단일모드 광섬유 성능을 확인할 수 있었다. 게다가 기상측정에 필수적으로 요구되는 진동 둔감 성능의 향상을 위해 고속 카메라를 이용한 실시간 간섭무늬 검출을 통해 진동 영향을 고립시킴으로써 다양한 환경 교란에 의해 유발되는 광강도 변화로부터 자유로운 위상 측정이 가능한 두 가지 알고리즘을 제안하였다. 먼저, 진동 주파수 필터링 기법을 이용한 위상 측정 알고리즘은 PZT stage의 구동 비선형 오차 및 계단식 위상 천이 구동으로부터 나타나는 잔류 진동 성분을 완벽히 제거하기 위해 적용되었다. 결과적으로 임의 위상 천이 알고리즘을 이용하여 각 위상 천이 단계에서 보다 유연한 광강도 샘플링이 수행될 수 있었다. 두번째로 PZT구동 스테이지의 등속 병진 구동에 의한 다중주기 2pi 위상 주사를 수행함으로써 발생되는 특정 헤테로다인 주파수 위치에서의 위상을 추출하는 방법에 기반한 연속 위상 주사 알고리즘을 제안하였다. 이 알고리즘을 사용함으로써 기존의 스템 구동 방식의 위상 천이 알고리즘이 가지고 있는 많은 한계점들, 예를 들어 PZT 구동 비선형 오차, 측정 속도, 위상 분석 알고리즘의 복잡성 등과 같은 문제들이 충분히 개선될 수 있었다. 이와 같이 제안된 측정 알고리즘을 이용하여 가정된 환경 조건하에서 모델링된 2차원 위상 map에 대한 위상 복원 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과 우수한 측정 정밀도와 반복능을 확인하였다. 최종적으로 실제 실험 셋업을 구성하고 1인치 오목 구면경에 대한 표면 형상 측정 실험을 통해 두 측정 알고리즘의 우수한 위상 복원 성능을 검증하였다.
