KR101228761B1 - 파브리-페로 간섭계를 위한 빔 수집 장치 및 이를 이용한 분석 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파브리-페로 간섭계를 위한 빔 수집 장치 및 이를 이용한 분석 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명의 파브리-페로 간섭계를 위한 빔 수집 장치는 타겟으로부터 방출된 빔을 수집하는 측정 헤드, 상기 측정 헤드에서 전달된 빔의 형태를 고리형으로 변형하는 빔 형태 변형부, 상기 빔 형태 변형부에서 변형한 빔을 캐비티로 전달하는 출광부 및 상기 측정 헤드와 빔형태 변형부 및 출광부와 빔형태 변형부를 연결하는 광파이버를 포함한다.

Description

파브리-페로 간섭계를 위한 빔 수집 장치 및 이를 이용한 분석 시스템{beam collector for Fabry-Perot interferometer and analysis system using the same}

본 발명은 파브리-페로 간섭계에 적용되는 빔 수집 장치와 파브리-페로 간섭계 및 상기 빔 수집 장치를 이용한 분석 시스템에 관한 것이다.

종래의 대상물에 대한 검사법은 대상물을 파괴 또는 분해하여 대상물의 상태를 검사하는 방법이 주류를 이루었다. 하지만 상기의 파괴를 수반하는 검사법은 대상물이 동일 유사한 다수의 물품들 중 샘플링 된 하나의 물품인 경우에 적합한 방법이지 개별 대상물의 특성이 유니크한 경우 또는 대상물이 유일한 경우 등에는 적합하지 않은 검사법이었다.

이에, 근래에는 비파괴식 검사 방법들이 제안되고 있다.

그중 하나로, 레이저-초음파 기술은 측정 대상에 초음파를 발사하고 측정 대상에 펄스형 레이저를 조사하여 반사 산란된 레이저를 레이저 간섭계를 이용하여 측정하는 기술로써, 원격측정이 가능하고 측정대상의 진동에 내구성이 있는 등 현장 적용성이 우수하다. 이에, 비파괴 검사 공정 특히 온라인 결함 검출 또는 재질 계측등에 적용될 수 있다.

다만, 검사의 정확성을 높이기 위해서는 포집되는 레이저광의 세기를 향상시킬 필요가 있다.

본 발명은 파브리-페로 간섭계의 성능을 향상시킬 수 있는 빔 수집 장치 및 이를 이용한 레이저 초음파 방식의 분석 시스템을 제안한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 파브리-페로 간섭계를 위한 빔 수집 장치는 타겟으로부터 방출된 빔을 수집하는 측정 헤드, 상기 측정 헤드에서 전달된 빔의 형태를 고리형으로 변형하는 빔 형태 변형부, 상기 빔 형태 변형부에서 변형한 빔을 캐비티로 전달하는 출광부 및 상기 측정 헤드와 빔형태 변형부 및 출광부와 빔형태 변형부를 연결하는 광파이버를 포함한다.

상기 빔 형태 변형부는 두 개의 광파이버를 커플링시켜 빔 형태를 변형한다.

상기 빔 형태 변형부는 상기 제1 광파이버의 출력빔을 포커싱하는 렌즈를 더 포함하고, 상기 렌즈에서 포커싱된 빔은 상기 제2 광파이버에 기설정된 각도(θ)로 입사되며, 상기 렌즈의 초점거리(fc), 상기 렌즈와 상기 제2 광파이버 사이의 거리(d) 및 상기 기설정된 각도(θ)를 조절하여 상기 원형 빔을 상기 고리형 빔으로 변형한다.

상기 빔 수집 장치는 상기 출광부와 상기 캐비티 사이에 위치하며 상기 출광부에서 전달되는 빔을 평행광으로 변화시키는 렌즈부를 더 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 분석 시스템은 타겟에 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치, 상기 타겟으로부터 방출된 빔을 수집하고 빔의 형태를 변형하여 캐비티로 전달하는 빔 수집 장치, 상기 빔 수집 장치에서 전달된 빔을 공진시켜 특정 파장의 빔을 출력하는 캐비티, 상기 캐비티에서 출력되는 빔을 디지털 전기 신호로 변환하는 변환부, 및 상기 레이저 조사 장치, 상기 캐비티 및 상기 변환부를 제어하고 상기 변환부에서 변환한 디지털 전기 신호를 신호 처리하여 타겟에 대한 정보를 추출하는 프로세서를 포함하며, 상기 빔 수집 장치는 상기 타겟으로부터 방출된 빔을 수집하는 측정 헤드, 상기 측정 헤드에서 전달된 빔의 형태를 고리형으로 변형하는 빔 형태 변형부, 상기 빔 형태 변형부에서 변형한 빔을 캐비티로 빛을 전달하는 출광부, 및 상기 측정 헤드와 빔형태 변형부 및 출광부와 빔형태 변형부를 연결하는 광파이버를 포함한다.

삭제

상기 해결수단에 의한 본 발명의 파브리-페로 간섭계를 위한 빔 수집 장치 및 이를 이용한 분석 시스템에 따르면, 고리형 빔을 파브리-페로 간섭계로 전달함으로써, 보다 직경이 큰 광섬유를 활용할 수 있어 전달광의 강도를 높이면서도 간섭계 효율을 열화시키지 않을 수 있다.

또한, 상기 해결 수단에 의한 본 발명의 파브리-페로 간섭계를 위한 빔 수집 장치 및 이를 이용한 분석 시스템에 따르면, 레이저-초음파 측정 효율이 높아져서 빔 분석의 정확도가 향상되어 초음파 발진, 측정, 신호해석 및 모델링에 큰 발전을 이룰 수 있다.

도 1은 본 발명 및 종래의 빔 수집 장치 및 파브리-페로 간섭계의 구성을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 빔형태 변형부의 구조를 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 3은 본 발명의 빔 수집 장치가 적용된 분석 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명 및 종래의 빔 수집 장치 및 파브리-페로 간섭계의 구성을 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 빔 수집 장치(100)에 의해 캐비티(200)로 전달된 빔의 형태는 고리형(a)이며, 종래의 빔 수집 장치에 의해 캐비티(200)로 전달된 빔의 형태는 원형(b)이다.

레이저-초음파 측정 효율은 신호광의 세기와 간섭계의 효율에 의해 결정된다. 그런데, 최근 측정장치의 현장 적용성 증대를 위해 측정 헤드에 의해 포집된 신호광을 광파이버를 이용하여 간섭계 및 분석 시스템에 전송한다. 그리고, 측정 신호 대 잡음 비(SNR, signal to noise) 증대를 위하여 측정 헤드에서 보다 많은 신호광의 수신이 요구된다. 따라서, 코어 직경이 큰 광파이버의 적용이 필요하다.

그런데, 도 1을 참조하면, 신호광 전송용 광파이버 코어의 직경이 커지면 종래의 빔 수집 장치에서 간섭계로 입사한 신호광은 간섭계 주축의 수직 방향으로 퍼지게 된다. 파브리-패롯 간섭계의 캐비티(200) 내에서 다중 반사를 통해 자체 간섭한 후 출력되는 빛은 동일한 간섭조건을 가져야만 동시에 측정신호에 기여할 수 있다. 따라서, 다중 반사된 빛들은 동일한 광경로 길이(OPL, optical path length)을 가져야 한다.

하지만, OPL은 간섭계 주축으로부터의 거리에 따라 달라진다. 그러므로, 종래의 빔 수집 장치와 같이 빔 단면이 속이 찬 원형인 경우에는 중심부의 빛과 원주 근처의 빛의 광경로 길이가 달라서 측정신호에 동시에 기여할 수 없다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 빔을 협소한 폭을 가지도록 하는 방법이 제안될 수 있다. 하지만, 이를 실현하기 위해서는 광파이버의 코어 폭이 작아져야 하는 문제가 있다. 따라서 코어가 큰 광섬유를 사용하면서도 파브리-페로 간섭계의 효율을 저하시키지 않는 기술이 필요하다.

이에, 본 발명의 빔 수집 장치는 광섬유 출력 광의 형태을 고리형으로 하여 간섭계에 입사시켜, 빔 수집 장치의 출력광의 광경로 길이가 모두 동일하게 만든다. 따라서, 빔 수집 장치에서 출력되는 모든 광들이 동시에 측정신호에 기여할 수 있다.

특히, 코어직경이 큰 다중모드 광섬유의 출력광의 경우 빔의 전송 모드 중에는 고리형 모드가 포함된다. 이에, 측정 헤드와 간섭계의 연결에 2개의 광섬유를 이용하고, 이 두 광섬유의 커플링 조건을 조절하여 빔 형태를 변형하는 빔형태 변환부(120)를 두어 고리형 빔을 출력하는 빔 수집 장치를 구현할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 빔 수집 장치(100)는 측정 헤드(110), 빔형태 변환부(120), 출광부(130) 및 광파이버(141, 143)을 포함하여 구성될 수 있고, 렌즈부(150)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

측정 헤드(110)은 타겟에서 방출된 빔을 수집할 수 있다. 레이저 초음파 측정 방식의 비파괴 검사 등에서는 타겟에 레이저를 조사하여 발생하는 초음파에 의한 빔의 위상 변화를 측정하므로, 타겟에서 방출되는 빔을 효과적으로 수집하는 측정 헤드가(110)가 필요하다.

측정 헤드(110)에서 수집된 빔은 광파이버(141)을 통해서 빔형태 변형부(120)로 전달될 수 있다. 광파이버(141, 143)는 빔이 이동하는 경로인 코어(core) 및 코어를 둘러싼 클래딩으로 구성될 수 있다. 또한, 그 외부에는 충격으로부터 보호하기 위해 합성수지 피복을 1~2차례 입힐 수 있다.

보호피복을 제외한 전체 크기는 지름 백~수백㎛(1㎛ = 1/1000mm)로 되고, 코어 부분의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높게 되어 있어서, 빛이 코어 부분에 집속되어 잘 빠져나가지 않고 진행할 수 있게 되어 있다.

코어의 지름이 수㎛인 것을 단일모드 광섬유, 수십㎛인 것을 다중(多重) 모드 광섬유라 하고, 코어의 굴절률 분포에 따라 계단형, 언덕형 광섬유 등으로 나눈다.

빔형태 변형부(120)는 측정 헤드(110)에서 전달된 빔의 형태를 고리형으로 변형할 수 있다. 특히, 광파이버의 코어의 직경이 커질 경우 파이버를 통해 전달되는 빔은 원형을 띄게 되고 원형 내부의 위치에 따라서 빔의 광경로 길이가 차이나게 되므로, 이를 방지하기 위해서 빔 형태를 고리형으로 변형하여 빔들간의 광경로 길이가 일정 범위 내에서 일치되도록 할 수 있다.

빔형태 변형부(120)는 두 개의 광파이버(141, 143)를 커플링시켜서 고리형 빔을 만들 수 있다. 특히, 빔형태 변형부(130)는 두 개의 광파이버(141, 143)의 코어의 중심을 이격시켜서 커플링을 시켜 고리형 빔을 만들 수 있다.

빔형태 변형부(120)에서 형태가 변형된 빔은 광파이버(143)을 통해서 출광부(130)로 전달될 수 있다.

출광부(130)는 빔형태 변형부(120)에서 형태를 변형시킨 빔을 캐비티(200)로 전달할 수 있다. 출광부(130)는 단순히 광파이버(143)을 일정한 크기로 종단시켜 형성할 수도 있고, 포트를 부착하여 형성할 수도 있다.

렌즈부(150)는 출광부에서 출력되는 빔을 평행광으로 변화시켜 캐비티(200)로 전달할 수 있다.

도 2는 본 발명의 빔형태 변형부의 구조를 개략적으로 도시한 구조도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 빔형태 변형부(120)는 광파이버(141, 143)를 중심이 이격된 채로 경사지게 연결되게 하여 고리형 빔을 만들 수 있다.

측정 헤드(110)측 광파이버(141)의 종단에 포트(121)을 연결할 수 있고, 출광부(130)측 광파이버(143)의 종단에 포트(125)를 연결할 수 있다.

측정 헤드(110)측 광파이버(141)에서 출력된 원형 빔은 렌즈(123)에 의해서 일점으로 모아져서 출광부(130)측 광파이버(143)로 입사되며, 입사시 입사각이 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.

빔형태 변형부(120)는 상기 렌즈(123)의 초점거리(fc), 상기 렌즈와 출광부(130)측 광파이버(143) 사이의 거리(d) 및 상기 입사각(θ)을 조절하여 원형 빔에서 고리형 빔으로 변형시킬 수 있다.

도 3는 본 발명의 빔 수집 장치가 적용된 분석 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

도 3를 참조하면 빔 수집 장치에서 출력된 빔은 경로 설정 장치(400)를 통과하여 캐비티(200)로 입사된다.

도시하지는 않았으나, 본 발명의 분석 시스템은 타겟에 비파괴 검사를 위한 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치 및 타겟에서 방출되는 레이저빔을 수집하는 빔 수집 장치를 포함한다.

경로 설정 장치(400)는 빔 수집 장치에서 전달된 빔을 캐비티(200)으로 전달하고 캐비티(200)에서 출력된 빔을 분석 장치(300)로 전달할 수 있다.

캐비티(200)는 경로 설정 장치(400)에서 전달된 빔을 입사면에서 반사할 수도 있고 투과된 빔을 내부에서 공진시켜서 출력할 수도 있다.

상기 입사면에서 반사된 빔을 반사빔(R), 상기 투과되어 캐비티(200) 내부에서 공진되어 출력된 빔을 투과빔(T)라고 한다.

변환부(330)는 캐비티(200)에서 출력빔(R, T)을 디지털 전기 신호로 변환할 수 있다.

또한, 필요에 따라서는 분석 시스템은 증폭기(310) 및 신호 셔터(320)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

증폭기(310)는 반사빔(R) 및 투과빔(T)의 세기를 증폭시켜 빔 해석을 위한 전기적 신호로 변환하기에 적합한 세기로 만들 수 있다.

신호 셔터(320)은 입력되는 광신호를 기설정 타이밍마다 감지할 수 있다. 이는 광보다 주파수가 낮은 전파 대역의 신호에서 사용되는 샘플링 기법과 유사하다.

프로세서(340)는 상기 변환부(330)에서 생성된 디지털 전기 신호를 신호 처리하여 타겟에 대한 정보를 추출하며, 레이저 조사 장치, 캐비티 및 변환부의 동작을 제어할 수 있다.

본 발명의 빔 수집 장치를 이용한 분석 시스템은 타겟에 조사된 빔을 수집하고 이를 효율적으로 캐비티(200)로 전송할 수 있어 분석 시스템의 분석 성능을 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.

100: 빔 수집 장치 200: 캐비티
110: 측정 헤드 120: 빔 형태 변형부
130; 출광부 141, 143: 광파이버
150: 렌즈부
300: 분석 장치
310: 증폭부 320: 신호 셔터
330: 변환부 340: 프로세서
400: 경로 설정 장치

Claims (6)

1. 타겟으로부터 방출된 빔을 수집하는 측정 헤드;
   상기 측정 헤드에서 전달된 빔의 형태를 고리형으로 변형하는 빔 형태 변형부;
   상기 빔 형태 변형부에서 변형한 빔을 캐비티로 전달하는 출광부;
   상기 측정 헤드와 상기 빔형태 변형부를 연결하는 제1 광파이버; 및
   상기 출광부와 상기 빔형태 변형부를 연결하는 제2 광파이버를 포함하는 파브리-페로 간섭계를 위한 빔 수집 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 빔 형태 변형부는
   제1 및 제2 광파이버를 커플링시켜 빔 형태를 변형하는 파브리-페로 간섭계를 위한 빔 수집 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 빔 형태 변형부는 상기 제1 광파이버의 출력빔을 포커싱하는 렌즈를 더 포함하고,
   상기 렌즈에서 포커싱된 빔은 상기 제2 광파이버에 기설정된 각도(θ)로 입사되며,
   상기 렌즈의 초점거리(fc), 상기 렌즈와 상기 제2 광파이버 사이의 거리(d) 및 상기 기설정된 각도(θ)를 조절하여 원형 빔을 상기 고리형 빔으로 변형하는 파브리-페로 간섭계를 위한 빔 수집 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 빔 수집 장치는
   상기 출광부와 상기 캐비티 사이에 위치하며 상기 출광부에서 전달되는 빔을 평행광으로 변화시키는 렌즈부를 더 포함하는 빔 수집 장치.
5. 타겟에 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치;
   상기 타겟으로부터 방출된 빔을 수집하고 빔의 형태를 변형하여 캐비티로 전달하는 빔 수집 장치;
   상기 빔 수집 장치에서 전달된 빔을 공진시켜 특정 파장의 빔을 출력하는 캐비티;
   상기 캐비티에서 출력되는 빔을 디지털 전기 신호로 변환하는 변환부; 및
   상기 레이저 조사 장치, 상기 캐비티 및 상기 변환부를 제어하고 상기 변환부에서 변환한 디지털 전기 신호를 신호 처리하여 타겟에 대한 정보를 추출하는 프로세서를 포함하며,
   상기 빔 수집 장치는
   상기 타겟으로부터 방출된 빔을 수집하는 측정 헤드;
   상기 측정 헤드에서 전달된 빔의 형태를 고리형으로 변형하는 빔 형태 변형부;
   상기 빔 형태 변형부에서 변형한 빔을 캐비티로 빛을 전달하는 출광부; 및
   상기 측정 헤드와 빔형태 변형부 및 출광부와 빔형태 변형부를 연결하는 광파이버를 포함하는 파브리- 페로 간섭계를 이용한 분석 시스템.
6. 삭제

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