KR101398295B1 - 초음파 측정용 레이저-간섭계 효율 증대 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

초음파 측정용 레이저-간섭계 효율 증대 장치가 소개된다.
이를 위해 본 발명은, 측정대상 표면에서 반사된 반사광을 그 내부에서 왕복시켜 간섭광을 출력할 수 있도록 일정 간격 이격되어 서로 대향 되도록 위치하는 두 개의 공진기거울(110)을 갖는 공진기(100); 상기 공진기(100)에 전송되는 입사광의 세기를 증대시키면서 상기 공진기(100) 내부에서 발생되는 구면 수차를 방지하기 위해 그 내부에 다수개의 광섬유(210)로 구성된 광섬유 다발(200); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 측정용 레이저-간섭계 효율 증대 장치 및 방법 {A INCREASING EFFICIENCY APPARATUS AND METHOD OF LASER-INTERFEROMETER FOR ULTRASONIC MEASUREMENT}

본 발명은 초음파 측정용 레이저-간섭계 효율 증대 장치 및 방법으로서, 보다 상세하게는 공진기에 전송되는 반사광의 세기를 증대시키고, 되도록 많은 양의 반사광이 전송됨으로써 레이저-간섭계의 효율을 증대시키는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명은 초음파 측정용 레이저-간섭계 효율 증대 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다수개의 코어 직경이 작은 광섬유들을 이용하여 반사광을 간섭계로 전송하고 각각의 광섬유로 전송된 각각의 신호광들을 개별적으로 간섭계에 입사시킴으로써 효율이 높은 다수의 간섭광을 얻어 초음파 측정효율을 향상시키는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

금속이나 복합재료 등의 기계적 특성이나 미세조직의 비파괴 검사는 통상 초음파 검사를 이용한다. 특히 제철소에서 생산되는 강판의 인장강도(tensile strength)나 항복강도(yield point)와 같은 재질(mechanical properties)은 매우 중요한 품질이기 때문에 재질편차를 줄이고 균질한 재질을 확보하는 것은 중요하기에 재질 편차 저감과 제품의 품질 보증을 위해서는 생산라인에서의 온라인 재질측정이 필수적이다.

초음파 검사는 측정대상 내에서의 초음파의 전파 특성을 이용하여 기계적 특성이나 미세조직을 파악하며, 기본적으로 비파괴적인 검사방법이기 때문에 다양한 분야에서 매우 광범위하게 사용된다. 초음파 검사는 통상 압전변환기(piezoelectric transducer)나 EMAT(electro-magnetic acoustic transducer)를 이용하여 왔다. 이 중 압전변환기는 측정대상과 변환기 사이에 초음파 전달매질이 필요하며, 고온하에서 그 기능이 저하되는 단점이 있다. 그리고 EMAT 는 통상의 mm 정도의 측정 대상에 근접하여 사용되어야 하는 단점이 있다. 이와 같은 단점들로 인해 상기와 같은 장치를 이용하는 종래의 초음파 검사는 생산라인, 특히 열악한 환경에서 고속 이송 중인 강판에 적용하는 것이 거의 불가능하였다.

이러한 단점을 해결하기 위하여 레이저-초음파 방법이 개발되었다. 레이저-초음파 기술은 레이저를 이용하여 초음파를 송수신하는 기술로써 비접촉, 비파괴식 원격 초음파 탐상이 가능하므로 이동 중이거나 고온 상태에 있는 측정대상에의 적용이 가능하다. 이에 따라 초음파 기술은 제철소 열간 공정에서 온라인으로 재질을 측정할 수 있는 유일한 기술로 인식되고 있다.

본 출원인은 이에 '초음파 측정을 위한 온라인 레이저 빔 검출장치 및 방법'에 대하여 등록받은바 있다.(등록번호 : 제10-0723234호, 2007.05.22)

일반적으로 산업현장의 생산라인은 실험실 환경에 비해 매우 열악하므로, 생산라인의 압연공정에서는 다양한 두께의 강판에서의 초음파 측정을 위하여 실험적인 테스트의 경우에 비해 높은 강도의 초음파를 발생시켜야 한다. 레이저 펄스 빔을 이용하여 초음파를 발생시키는 경우, 레이저 펄스 빔에 의한 측정대상 표면의 열탄성 효과(thermoelastic effect)나 융발(ablation)에 의해 초음파가 발생한다.(참고문헌:Scruby, C.B. et al.,"Laser-ULtrasonics : Techniques and Applications", Adam Hilger,Bristol,UK,1990.). 이 중에서 측정대상 표면의 융발은 레이저 펄스 빔의 세기가 큰 경우에 발생하게 된다. 이 경우 표면물질이 이온화(ionization) 및 기화(vaporization)되어 시편 표면에 대해 수직한 방향으로 전파하며 이에 따라 시편 표면에 반동력(recoil force)이 작용하고 이 반동력에 의해 초음파가 발생한다. 이와 같이 융발에 의해 발생한 초음파는 일반적으로 그 세기가 열탄성 효과에 의해 발생한 초음파에 비해 크며, 레이저 펄스가 입사한 측정대상 표면에 수직한 방향으로 전파하는 초음파(종파)를 효율적으로 발생시킨다.

측정대상에 레이저 빔을 조사하면 상기 측정대상에 초음파가 발생하고, 측정대상의 내부를 전파한 초음파는 결정립에 의한 산란, 측정대상 물질에 의한 흡수, 회절(diffraction) 등에 의해 그 세기가 감쇠 된다. 초음파의 감쇠를 이용하여 결정입경 등의 특성을 파악할 수 있다. 초음파의 발생과 측정이 동일면에서 수행되도록 하고자 하는 경우, 측정대상 표면에 대해 수직으로 전파하는 초음파를 발생시키고, 측정대상 표면의 반대 면에서 반사된 초음파를 초음파가 발생 된 지점과 동일한 지점에서 측정하는 것이 가장 효율적이다. 이는 측정대상 표면에 대해 일정한 각을 가지고 전파하는 초음파를 이용할 경우, 측정대상 표면의 반대 면에서 초음파가 반사할 때 모드 변환(mode conversion)에 의한 초음파 세기의 손실이 발생하며, 초음파의 발생 지점과 측정지점이 다를 경우 초음파의 전파경로 및 전파거리 계산이 매우 복잡해지기 때문이다. 상기와 같은 기술적인 이유로 인해 생산라인에서 온라인으로 결정입경을 측정하는 경우 융발 효과에 의한 초음파의 발생이 필요하다.

레이저 초음파 기술은 짧은 펄스 폭의 펄스형 레이저 빔을 측정대상의 표면에 조사하여 초음파를 발생시키고 시편 내부를 전파한 후 표면에 도달한 초음파를 공초점(confocal) 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계 등으로 측정한다. 도 1에 공초점(confocal) 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계를 이용한 초음파 측정장치의 구성을 나타내었다.

측정대상(10) 표면의 측정위치에 초음파 측정용 레이저 빔(1)을 조사하고,

이 레이저 빔은 측정용 레이저 빔 전송 광섬유(2)를 통해 전송되고, 측정대상(10) 표면에서 반사되어 반사광 포집장치(4)에 의해 포집된 후, 반사광 전송용 광섬유(3)를 통해 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계(13)로 전송된다.

즉, 반사광을 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계(13)로 전송하여 빛의 주파수 변화를 측정한다. 이 측정 위치에 초음파가 도달하면 표면 진동이 발생하고 도플러 효과에 의해 반사되는 초음파 측정용 레이저 빔(1)의 주파수가 변한다.

즉, 일반적으로 초음파가 측정대상(10) 물체의 표면에 도달하면 그 초음파에 의해 대상 물체의 표면이 진동한다. 이때, 레이저 빔을 측정 대상 물체의 표면에 조사하면 초음파에 의한 물체 표면의 진동에 의해 그 대상 물체의 표면에서 반사된 반사광은 미소하기는 하지만 조사 전의 주파수에 비해 주파수가 시프트한다. 이러한 현상은 이미 위에서 설명한 도플러 효과에 기인한 것이다.

도시된 바와 같이, υ 에서 υ+△υ로 주파수가 시프트 하였음을 확인할 수 있다.

주파수의 시프트량(△υ)은 대략 표면 변위의 속도, 즉 초음파에 의한 변위의 미분량에 비례한다. 이 현상을 이용하면 대상 물체에 전달된 초음파의 특성을 측정할 수 있다.

패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계(13)는 입사된 빛의 주파수를 간섭광의 세기로 변화시켜 초음파 측정을 가능케 한다. 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계에 의해 측정되는 초음파 신호의 세기는 측정대상 표면에서 반사되어 간섭계로 이송되는 입사광의 세기와 간섭계의 간섭효율에 의해 좌우된다. 본 발명은 이러한 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계의 간섭효율을 증대하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계(13)는 도 2에 도시된 바와 같이 한쪽 면이 반사 코팅된 두장의 공진기 거울(110)이 서로 대향 하도록 평행으로 고정시킨 구조를 갖는다. 상기 두 개의 공진기 거울(110)은 특정 반사율을 갖는 거울로서 작용하여 입사된 광을 해당 반사율로 부분적으로 서로 반사시켜 간섭을 발생시키게 한다.

상기 두 개의 공진기 거울(110)은 일정한 반사율(R)을 갖는 구형 오목거울로사용되는바 측정 대상(10) 표면에서 반사된 레이저 신호광(반사광)은 렌즈 등에 의해 광섬유에 유입(coupling)되어 간섭계(13)로 전송된다. 이때, 간섭계(13)로 전송되기 전에 광섬유로 전송된 반사광은 광평형기(collimator)(5)에 의해 빛의 퍼짐각이 최소화된 후에 간섭계로 전송된다. 간섭계로 들어온 입사광(6)은 오목 구면 거울에 의해 공진기 내에서 다중 반사를 하면서 간섭광(7,8)을 형성한다.

도시된 바와 같이, 입사광(6)은 투과 간섭광(7)과 간섭계(13) 내부에서 다중 반사된 반사 간섭광(8)으로 각각 광검출기(9)로 입사된다.

광평형기(collimator)(5)는 전송된 초음파 측정용 레이저 빔을 수광하고, 수광된 초음파 측정용 레이저 빔을 평행광으로 변환하는 기능을 수행함으로써 빛의 퍼짐각을 최소화시키는 기능을 수행한다.

그러나, 상기와 같이 구형 거울에 의해 구성되는 공진기를 갖는 간섭계(13)에 있어서 구형거울의 구면수차(spherical aberration) 는 간섭효율을 저하시키는 요인으로 작용한다.

구면수차(spherical aberration)란, 평행광선이 광축에서 멀어짐에 따라 초점을 맺는 위치가 앞뒤에서 어긋나는 현상을 말하며, 그 이유는 렌즈의 가장자리를 통과하는 빛은 중앙 부분을 통과하는 빛에 비하여 렌즈에서 가까운 지점에 초점을 맺기 때문이며, 결과적으로 이러한 구면수차에 의해 흐릿한 상이 만들어진다.

도 3에 구형 오목 거울에 의한 구면수차를 도시하였다. 이상적인 공진기 거울(110)은 거울의 반사면으로 입사하는 빛의 입사위치에 관계없이 반사된 빛이 공진기의 축과 만나는 지점이 동일해야 한다. 그러나, 반사된 빛이 만나는 지점이 동일하지 않게 되는 구면수차가 발생하는 경우, 간섭계의 효율을 저하시키는 가장 큰 요인이 된다.

상기와 같은 구면수차에 의한 간섭효율 저하는 간섭계(13)로 입사하는 빛의 단면의 크기가 클수록 심해진다. 이는 입사광의 단면 크기가 클 경우 구면거울의 반사면으로 입사하는 빛의 위치편차가 커서 그만큼 구면 수차가 발생 될 확률이 높기 때문이다.

도시된 바와 같이 입사광의 단면 크기가 큼으로써 간섭계로의 입사광(6)이 거울에 의해 반사되어 나오는 투과 간섭광(7)들이 서로 만나는 지점이 일치하지 않음을 나타내고 있다.

도 4는 반사광을 전송하는 광섬유의 코어(core) 직경에 따른 간섭계 입사광(6)의 퍼짐 정도인 α와β를 나타낸 도면으로, 측정대상 표면에서 반사된 빛은 렌즈로 포집되어 광섬유에 유입된 후 간섭계(13)로 전송된다. 이때, 간섭계(13)로 전송되는 반사광의 세기를 크게 하기 위해 코어 직경이 큰 광섬유를 사용할 경우 도시된 바와 같이 간섭계로 입사되는 반사광의 빛의 퍼짐 정도(divergence)가 커서 구면 수차에 의한 간섭효율이 저하되는 문제가 생긴다. 이는 광섬유 코어가 크면 렌즈를 이용하여 빛의 퍼짐을 축소시키는 작용에 한계가 있기 때문이다.

도시된 바와 같이 코어직경이 큰 경우 간섭계 입사광(6)의 퍼짐 정도가 α로써, 코어직경이 작은 경우의 퍼짐 정도인 β에 비하여 큼을 확인할 수 있다.

도 5는 코어 직경이 200(㎛)인 큰 광섬유를 사용할 경우의 초음파 측정신호 (a)와 코어 직경이 62.5(㎛)인 작은 광섬유를 사용할 경우의 초음파 측정신호 (b)를 나타낸 실시 예이다.

도시된 바와 같이, 코어 직경이 큰 광섬유를 사용할 경우 간섭계의 효율이 저하됨을 확인할 수 있다. 따라서, 간섭계의 효율을 증대시키기 위해서는 반사광 전송용으로 코어 직경이 작은 광섬유를 사용하는 것이 필요하다. 그러나, 간섭계 효율을 높이기 위해 코어 직경이 작은 광섬유를 사용시 광섬유를 통해 전송되는 광량이 작아져서 측정되는 초음파 신호의 세기가 저하되는 문제점이 다시 생긴다.

그러므로, 코어 직경이 작은 광섬유를 사용하되, 이 직경이 작은 광섬유를 사용하더라도 측정되는 초음파의 세기가 저하되는 것이 방지되는 광섬유의 개발이 필요하게 되었다.

도 6은 일반적인 반사광 전송용 광섬유 유입(coupling) 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

측정대상(10) 표면에서 반사된 반사광(12)이 렌즈(11)로 집광 되어 광섬유(3) 코어로 유입되는 경우 광섬유에 유입되는 반사광 즉 빛의 양은 코어의 직경이 작을수록 적어진다. 이로 인해, 광섬유(3)를 이용 반사광(12)을 전송하는 경우 가능한 한 많은 양의 반사광이 간섭계로 입사되고, 동시에 간섭계의 효율이 저하되는 것을 방지하기 위한 광섬유의 개발이 필요하게 되었다.

그러나, 종래 기술로는 이와 같은 이상적인 장치의 구성이 불가능하였다.

이와 관련하여, 한국등록특허공보 제10-0711353호인 '초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화 장치 및 방법'과 한국등록특허공보 제10-0723234호인 '초음파 측정을 위한 온-라인 레이저빔 검출장치 및 방법' 및 한국공개특허공보 제10-2012-0075194호인 '초음파 측정 장치 및 초음파 측정 방법' 이 참조 될 수 있다.

상기 '초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화 장치 및 방법'은 본 출원인이 발명한 것으로, 광검출기, 압전구동기, 안정화제어회로 및 압전구동기조절기를 통해 레이저-간섭계를 안정화하여 최적의 효율로 측정하는 장치 및 방법이나, 레이저 간섭계의 진동 등에도 안정적으로 간섭계에 적용될 수 있고, 레이저 간섭계로 입사되는 레이저 빔의 산란광 세기의 변화에 관계없이 항상 간섭계를 안정화할 수 있는 장점이 있으나, 두 공진기 거울간의 거리 변화에 따른 간섭광 신호의 세기 변화를 감지하여 두 공진기 거울 사이의 거리를 조정하기 위한 별도의 압전구동기가 필요하고, 간섭계를 안정화할 수는 있더라도 구면수차의 방지 및 광량을 크게 하여 초음파 신호를 강하게 하는데에는 여전히 한계가 있음을 인식하였다.

또한, 상기 '초음파 측정을 위한 온-라인 레이저빔 검출장치 및 방법' 은 빔평행기, 빛살가르개, 쿼터파장판 및 제1,2볼록렌즈, 오목렌즈 등을 통해 초음파의 발생 및 측정이 원격으로 이루어짐으로써 생산라인에서 이송 중에 있는 대상체의 온라인 초음파 측정이 가능하고, 융발(ablation) 효과에 의해 고강도의 초음파를 발생시킴으로써 두께가 두꺼운 측정 대상체에 대해서도 초음파 측정이 가능하게 되는 장점이 있으나, 이러한 장치를 통해 본 발명이 해결하고자 하는 구면수차도 방지되고, 광량을 크게 하여 초음파 신호를 강하게 함으로써, 초음파 측정효율을 향상시키는데에는 그 한계점을 노출하였다.

마지막으로 상기 '초음파 측정 장치 및 초음파 측정 방법' 은 편광유지 광섬유와 같이 편광방향에 의해 굴절률이 다른 공진기 매질이어도 안정적으로 고감도 측정이 가능한 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계를 이용하여 복굴절성 및 비복굴절성을 가지는 공진기 매질이어도 안정적으로 고감도의 측정이 가능한 장점이 있으나, 여전히 구면수차도 방지하고 동시에 초음파 신호도 강하게 하는데에는 그 한계가 있다.

(선행기술 1) 한국등록특허공보 제10-0711353호(2007.04.18) '초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화 장치 및 방법' (선행기술 2) 한국등록특허공보 제10-0723234호인 '초음파 측정을 위한 온-라인 레이저빔 검출장치 및 방법' (선행기술 3) 한국공개특허공보 제10-2012-0075194호 '초음파 측정 장치 및 초음파 측정 방법'

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 다수개의 코어 직경이 작은 광섬유들을 이용하여 반사광을 간섭계로 전송함으로써 구면수차의 방지 및 빛의 퍼짐정도를 감소시키고, 이 광섬유로 전송된 각각의 신호광들을 개별적으로 간섭계에 입사시킴으로써 광량을 크게 하여 초음파 신호를 강하게 함으로써 그 결과 초음파 측정효율이 높은 레이저-간섭계 효율 증대 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

초음파 측정용 레이저-간섭계 효율 증대 장치 및 방법이 소개된다.

이를 위해 본 발명은, 측정대상 표면에서 반사된 반사광을 그 내부에서 왕복시켜 간섭광을 출력할 수 있도록 일정 간격 이격되어 서로 대향되도록 위치하는 두 개의 공진기거울을 갖는 공진기와 상기 공진기에 전송되는 입사광의 세기를 증대시키면서 상기 공진기 내부에서 발생되는 구면 수차를 방지하기 위해 그 내부에 다수개의 광섬유로 구성된 광섬유 다발을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 광섬유 다발 내부에 형성되어 있는 다수개의 광섬유는 그 코어 직경이 동일하고, 상기 광섬유 다발을 형성하는 각각의 광섬유의 외측면이 이에 연접하여 형성되어 있는 광섬유와 서로 인접하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광섬유 다발을 구성하는 다수개의 광섬유를 각각 별도로 분리하는 분류기가 상기 광섬유 다발 일측에 연결되고, 상기 분류기에 의해 분리된 각각의 광섬유에 의해 전달되는 입사광들이 각각 별도로 상기 공진기로 입사되도록 각각의 광섬유 일측에 연결된 광평형기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 장치와 연계되어 초음파 측정용 레이저-간섭계 효율을 증대시키는 방법이 소개된다.

이를 위해 본 발명은, 측정대상 표면에서 반사된 반사광을 포집하는 제1단계, 상기 포집된 반사광이 다수개로 분리되어 전송되는 제2단계, 상기 다수개로 분리된 반사광을 각각 별도로 공진기로 전송하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 다수개로 분리된 반사광을 각각 별도로 공진기로 전송하는 제3단계는 상기 공진기에서 취득하는 초음파 신호들이 모두 동일한 위상을 갖도록, 상기 다수개로 분리된 반사광이 상기 공진기 내부에 설치된 공진기거울의 중심으로부터 동일한 거리를 유지하면서 입사되는 것을 특징으로 한다.

본 발명인 초음파 측정용 레이저-간섭계 효율 증대 장치 및 방법에 의하면 아래와 같은 다양한 이점이 있다.

첫째, 종래 문제가 되어 왔던 구면 수차에 의한 간섭효율의 감소를 코어 직경이 작은 다수개의 광섬유를 이용함으로써 간섭효율의 증대를 도모하는 이점이 있다.

둘째, 코어 직경이 작은 광섬유의 사용시 광량이 작아져 초음파 세기가 감소되는 문제점을 다중 광섬유를 이용함과 동시에 각각의 분리된 반사광을 별개로 간섭계로 전송함으로써 광량을 크게 하고, 초음파 신호를 강하게 하는 이점이 있다.

셋째, 공진기 거울로의 입사위치가 이 공진기 거울의 중심으로부터 모두 동일한 거리를 유지하도록 함으로써, 이들로부터 취득되는 초음파 신호들이 모두 동일한 위상을 갖도록 하여 최종적으로 증폭된 신호를 용이하게 취득할 수 있게 하는 이점이 있다.

도 1은 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계를 이용한 초음파 측정장치의 구성을 나타내는 개략도.
도 2는 오목거울로 구성되는 간섭계의 공진기 구조와 간섭광의 전파경로를 나타내는 개략도.
도 3은 오목거울에 입사된 반사광에 의한 구면 수차를 도시한 개략도.
도 4는 코어 직경에 따른 간섭계로 입사하는 반사광의 퍼짐 정도를 나타내는 도면.
도 5는 광섬유의 코어 직경에 따른 초음파 신호의 레벨 정도를 나타내는 도표.
도 6은 반사광 포집장치에 의해 측정대상 표면에서 반사된 반사광을 포집하고 이를 전송용 광섬유로 유입시키는 광학계를 도시한 개략도.
도 7은 본 발명인 다수개의 광섬유로 구성된 광섬유 다발의 단면도 및 사시도.
도 8은 본 발명인 반사광 포집장치에 의해 측정대상 표면에서 반사된 반사광을 포집하고 이를 광섬유 다발로 유입시키는 광학계를 도시한 개략도.
도 9는 간섭계의 공진기를 구성하는 구형 거울에 입사하는 다수개의 신호광의 입사위치와 이에 대응하여 다수개의 출력 간섭광의 출력 간섭광의 출력 위치를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 레이저-간섭계 효율을 증대하는 방법의 순서도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 7은 본 발명인 다수개의 광섬유로 구성된 광섬유 다발의 단면도 및 사시도이다.

본 발명은 크게 두 개의 공진기 거울(110)을 갖는 공진기(100)와 그 내부에 다수개의 광섬유(210)로 구성된 광섬유 다발(200)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

공진기(100)는 측정대상 표면에서 반사된 반사광을 그 내부에서 왕복시켜 간섭광을 출력할 수 있도록 일정 간격 이격되어 서로 대향 되도록 위치하는 두 개의 공진기 거울(110)로 구성되며, 이 개략도는 이미 도 1, 도 2 및 도 4에서 설명한바 여기서는 생략한다.

이 공진기(100)에 입사되는 입사광의 세기를 증대시키면서 공진기(100) 내부에서 발생 되는 구면 수차를 방지하기 위해 그 내부에 다수개의 광섬유(210)로 구성된 광섬유 다발(200)로 구성된 것을 특징으로 한다.

도시된 바와 같이 다수개의 코어 직경이 작은 광섬유(210)로 구성된 광섬유 다발(200)을 이용하는 경우, 코어 직경이 종래 광섬유에 비하여 작으므로 그동안 문제가 되어 왔던 코어 직경이 큼으로써 발생되는 구면 수차에 의한 간섭계의 효율 저하 문제가 개선된다.

또한, 이미 설명하였지만, 코어 직경이 작은 광섬유를 사용하는 것에 비하여 코어 직경이 큰 광섬유의 사용시 빛의 퍼짐 정도(divergence)가 커서 결국 구면 수차가 더 발생하여 간섭효율이 저하되는 문제점 및 이로 인한 간섭광의 퍼짐 정도도저하되는 것을 도 4 및 도 5를 참조로 설명하였으며, 본 발명은 이를 해결하기 위해 코어 직경이 작은 광섬유(210)로 구성된 광섬유 다발(200)을 이용하는 것이다.

본 발명은 광섬유 다발(200) 내부에 형성되어 있는 다수개의 광섬유(210) 코어 직경이 동일하고, 이 광섬유 다발(200)을 형성하는 각각의 광섬유의 외측면이 이에 연접하여 형성되어 있는 광섬유와 서로 인접하는 것을 특징으로 한다.

다만, 도 7은 이 다중 광섬유가 7개로 형성되어 있는 것을 나타내었으나, 일반적으로는 n 개의 광섬유로 구성될 수 있다. 즉 광섬유가 20개인 경우도 가능하며, 이를 나타낸 것이 도 7의 (b)이고, 이를 일반화한 것이 n개의 광섬유로 구성된 것이 도 7의 (c)이다.

문제는 코어 직경이 작은 광섬유를 이용하는 경우 빛의 퍼짐 정도가 개선되고, 구면 수차 저감의 효과를 구현할 수 있지만, 코어 직경이 작음으로써 전송되는 광량도 작아져 측정되는 초음파 신호의 세기가 저하되는 단점이 있는 것이다. 가장 이상적인 측정 장치는 이미 언급하였지만, 광섬유를 이용하여 반사광을 가능한 한 많이 간섭계로 입사시켜 간섭계의 효율을 향상시키는 것이다.

이를 위해 본 발명은 크게 분류기(300)와 다수개의 광섬유 광평행기(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성을 나타내는 개략도가 도 8이며, 도시된 바와 같이 광섬유 다발(200)을 구성하는 다수개의 코어 직경이 작은 광섬유(210)를 각각 별도로 분리하는 분류기(300)가 상기 광섬유 다발(200) 일측에 연결되고, 상기 분류기(300)에 의해 분리된 각각의 광섬유에 의해 전달되는 반사광들이 각각 별도로 상기 공진기(100)로 입사되도록 각각의 광섬유 일측에 연결된 광평형기(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

측정 대상에 레이저 빔이 전사되고, 그 반사광이 도플러 효과에 의해 주파수가 시프트한다. 이 시프트 된 반사광은 반사광 포집 장치(4) 내부에 설치된 렌즈(11)에 의해 포집된다.

포집된 반사광은 다수개의 광섬유로 구성된 광섬유 다발(200)을 통해 전송되고, 이때, 다수개의 코어 직경이 작은 광섬유(210)로 인해 빛의 퍼짐 정도가 감소 되고, 구면수차가 방지되는 효과가 발생한다.

이 광섬유 다발(200) 일측에는 분류기(300)가 연결되어 있으며, 이 분류기(300)는 광섬유 다발(200)을 형성하는 다수개의 광섬유(210)를 각각 별개로 분리하는 기능을 수행한다.

분류기(300)는 여러 장치가 사용될 수 있으며, 광섬유 다발(200)을 형성하는 다수개의 광섬유(210)를 별개로 분리할 수 있는 기능을 가진다면 어떤 장치라도 사용될 수 있음은 자명하다.

이 분류기(300)에 의해 분리된 광섬유 다발을 구성하는 각각의 광섬유 일측에는 공진기(100) 즉 간섭계로 반사광이 각각 별개로 입사될 수 있도록 광평형기(400)가 결합 된다.

이 광평행기(400)를 통해 각각의 광섬유에 의해 전송된 반사광이 공진기(100)에 입사됨으로써 코어 직경이 작음에 의한 빛이 양이 감소 되는 것을 방지하고, 광량을 크게 하여 초음파 신호를 강하게 하여 그 결과 간섭계의 효율 증대가 이루어지는 것이다.

본 발명은 위에서 언급한 레이저-간섭계 효율 증대 장치와 연계되어 레이저-간섭계 효율을 증대하는 방법도 소개된다.

도 10은 본 발명의 레이저-간섭계 효율을 증대하는 방법의 순서도이다.

이를 위해 본 발명은, 측정대상 표면에서 반사된 반사광을 포집하는 제1단계(S1), 상기 포집된 반사광을 다수개로 분리하여 전송하는 제2단계(S2), 상기 다수개로 분리된 반사광을 각각 별도로 공진기로 전송하는 제3단계(S3)로 이루어진다.

즉, 측정대상 표면에서 반사된 반사광을 포집한 후, 이 포집된 반사광을 다수개로 분리되어 전송되는 단계에 의한다면, 종래 포집된 반사광 전체를 전송하는 것에 비하여 구면 수차 방지 및 퍼짐 정도가 감소 되는 효과가 구현되며, 이 다수개로 분리된 반사광을 각각 별도로 공진기(100)로 전송하는 단계를 거침으로써 광량(quantity of light)을 크게 하고, 초음파 신호를 강하게 하는 효과가 구현되는 것이다.

본 발명은, 반사광 포집 장치에 설치된 렌즈를 통해 집광된 반사광이 다수개의 광섬유로 유입되고, 이 유입된 각각의 광섬유의 출력(I-1 ~ I-7) 이 각각 개별적으로 간섭계의 공진기(100)로 유입된다.

물론, 광섬유 다발을 구성하는 다수개의 광섬유가 n 개인 경우 이 광섬유의 출력(I-1 ~ I-n)이 각각 개별적으로 간섭계의 공진기로 유입된다.

각각의 코어 직경이 작은 광섬유로 전송된 신호광들이 간섭계의 공진기 거울로 입사하는 위치를 도 9에 도시하였다.

도시된 바와 같이, 출력 간섭광들은 T-n(n=1,2,3,....)으로 표시되어 있으며, T-n으로 표시된 출력 간섭광들은 I-n 으로 표시된 입사광의 간섭광이다.

이때, 다수의 코어 직경이 작은 광섬유로 전송된 반사광들의 입사위치(I-1 ~ I-7)는 공진기 거울의 중심으로부터 모두 동일한 거리(L)를 유지하도록 한다.

그 이유는 각각의 반사광 즉 신호광들이 모두 동일한 간섭 길이(L)를 갖도록 함으로써 이들 신호광들로부터 취득되는 초음파 신호들이 모두 동일한 위상을 갖도록 하기 위함이다.

이로써, 모든 다수의 n 개의 초음파 신호들이 동일한 위상을 갖게 되어 이들 신호들을 합함으로써 최종적으로 중복된 신호를 용이하게 얻을 수 있게 되는 효과가 구현되는 것이다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 공진기 110 : 공진기 거울
200 : 광섬유 다발 210 : 다수개의 광섬유
300 : 분류기 400 : 출력광 평행기

Claims (5)

1. 측정대상 표면에서 반사된 반사광을 그 내부에서 왕복시켜 간섭광을 출력할 수 있도록 일정 간격 이격되어 서로 대향되도록 위치하는 두 개의 공진기거울(110)을 갖는 공진기(100);
   상기 공진기(100)에 전송되는 입사광의 세기를 증대시키면서 상기 공진기(100) 내부에서 발생되는 구면 수차를 방지하기 위해 그 내부에 다수개의 광섬유(210)로 구성된 광섬유 다발(200); 을 포함하고,
   상기 광섬유 다발(200)을 구성하는 다수개의 광섬유(210)를 각각 별도로 분리하는 분류기(300)가 상기 광섬유 다발(200) 일측에 연결되고, 상기 분류기(300)에 의해 분리된 각각의 광섬유(210)에 의해 전달되는 입사광들이 각각 별도로 상기 공진기(100)로 입사되도록 각각의 광섬유(210) 일측에 연결된 광평형기(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 측정용 레이저-간섭계 효율 증대 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 광섬유 다발(200) 내부에 형성되어 있는 다수개의 광섬유(210)는 그 코어 직경이 동일하고, 상기 광섬유 다발(200)을 형성하는 각각의 광섬유의 외측면이 이에 연접하여 형성되어 있는 광섬유와 서로 인접하는 것을 특징으로 하는 초음파 측정용 레이저-간섭용 효율 증대 장치.
   
3. 삭제
4. 측정대상 표면에서 반사된 반사광을 포집하는 제1단계(S1);
   상기 포집된 반사광이 다수개로 분리되어 전송되는 제2단계(S2);
   상기 다수개로 분리된 반사광을 각각 별도로 공진기로 전송하는 제3단계(S3);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 측정용 레이저-간섭계 효율을 증대시키는 방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 다수개로 분리된 반사광을 각각 별도로 공진기(100)로 전송하는 제3단계(S3)에 있어서,
   상기 공진기(100)에서 취득하는 초음파 신호들이 모두 동일한 위상을 갖도록, 상기 다수개로 분리된 반사광이 상기 공진기 내부에 설치된 공진기거울(110)의 중심으로부터 동일한 거리(L)를 유지하면서 입사되는 것을 특징으로 하는 초음파 측정용 레이저-간섭계 효율 증대 방법.

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