KR101436925B1 - 광 파이버를 이용한 센서 장치 - Google Patents

광 파이버를 이용한 센서 장치 Download PDF

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신현준
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명에 따른 센서 장치는 길이 방향을 따라 복수의 격자가 형성된 광 파이버를 포함하는 센서체와, 서로 다른 파장을 가지는 제1입사광 및 제2입사광을 생성하여 상기 광 파이버로 입사시키는 광원과, 광의 파장 신호를 분석하는 광 분석기를 포함하고, 상기 광 파이버로 입사한 상기 제1입사광이 상기 복수의 격자에 의해 간섭 및 반사되어 굴절탐지 반사광을 형성하고, 상기 광 파이버로 입사한 상기 제2입사광이 상기 광 파이버의 광 출구를 통해 출력된 뒤 외부의 장애물에 의해 반사되어 제2반사광을 형성하며, 상기 제2반사광은, 상기 제2입사광이 기준면에 반사되어 형성된 기준 반사광과 간섭하여 거리탐지 반사광을 형성하고, 상기 광 분석기는, 상기 굴절탐지 반사광의 파장 대역의 변화를 검출하여 상기 센서체의 굴절 상태를 검출하고, 상기 거리탐지 반사광의 파장 대역을 검출하여 상기 센서체와 상기 장애물의 거리를 검출한다.

Description

광 파이버를 이용한 센서 장치{Sensor apparatus using Optical fiber}
본 발명은 광 파이버를 이용한 센서 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광 파이버로 조사된 빛의 간섭 및 반사 현상을 이용하여 센서 장치가 장치된 기기의 굴절 상태 및 장애물까지의 거리를 측정할 수 있는 센서 장치에 관한 것이다.
내시경 수술 등에 쓰이는 각종 내시경 장비는 침습에 의한 상처를 최소화할 수 있어 각광받고 있다. 하지만, 내시경 장비를 이용한 의료 행위는 인체 내에서 수시로 굴절되는 내시경 장비의 굴절 상태나 장비 끝 단부의 정확한 위치를 사용자가 육안으로 확인하기가 어렵기 때문에, 안전한 시술을 위해서 내시경 장비의 굴절 상태 및 인체 내부의 장애물(생체 조직의 외벽 등)까지의 거리를 탐지해 사용자에게 알려줄 수 있는 방법이 강구될 필요가 있다.
이를 위해, 인체 내에서 다양한 방향으로 굴절되는 내시경 장비의 움직임에 대응하여 굴절 가능한 광 파이버를 센서로 이용하는 방법을 강구할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 일 형태의 광 파이버 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
광 파이버(1)는 유리 재질로 형성되어 자유롭게 굴절될 수 있는 클래딩(cladding)(2)과, 상기 클래딩(2)의 중심에서 클래딩(2)의 길이방향을 따라 형성된 코어(core)(3)를 포함한다. 클래딩(2)의 굴절율은 n1이고, 코어(3)의 굴절율은 n0로 서로 상이하다. 광 파이버(1)의 양 단부에는 광원(미도시)로부터 빛이 입사하는 광 입구(5)와, 코어(3)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(6)가 형성된다.
광 파이버(1)가 굴절되었는지 여부를 검출하기 위하여, 코어(3)에는 코어(3)의 길이방향을 따라 동일한 간격(Λ)으로 배치되는 복수의 격자(grating)(4)들이 형성된다. 격자(4)는 광 파이버(1)의 제작 과정에서 적외선 빛을 통해 코어(3) 일부분의 물성을 변화시킨 부분으로, (n0+△n)의 굴절율을 가진다.
격자(4)는 코어(3)를 통과하는 입사광(3)을 간섭하게 되고, 입사광(3)의 일부는 복수의 격자(4)에 의해 반사되어 광 입구(5)를 통해 반사광(8)으로 출력된다.
도 2(a)는 광 입구(5)를 통해 입사되는 입사광의 파장 대 크기에 대한 파장 스펙트럼을 도시한 것이고, 도 2(b)는 광 입구(5)를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
넓은 대역의 파장을 가지는 입사광이 코어(3)로 입사되더라도, 코어(3) 중간에 위치하는 복수의 격자(4)에 의한 간섭으로 광 입구(5)를 통해 특정 파장(λB)의 반사광만이 출력된다. 구체적으로, 광 입구(5)를 통해 입사된 입사광의 일부는 제일 처음 위치한 제1격자에 부딪히며 반사되고, 나머지 일부는 제1격자를 통과해 전진한다. 제1격자를 통과한 빛의 일부는 제2격자에 부딪히며 반사되고, 반사된 광은 제1격자와 다시 만나서 일부는 그대로 통과해 제일 처음으로 제1격자에 의해 반사된 빛과 합쳐지고, 나머지 일부는 제1격자에 의해 다시 반사되어 제2격자로 향한다. 이와 같은 현상은 제2격자 다음에 위치한 격자들에서도 동일하게 반복적으로 일어나고, 광 파이버(1)로 입사된 입사광은 복수의 격자(4)에 의해 반사와 통과를 거듭하면서 서로 간섭을 일으키게 된다. 결국, 도 2(a)에 도시된 형태의 파장 스펙트럼을 가지는 입사광이 입사되더라도, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 파장(λB) 외의 파장의 반사광들은 서로에 의한 간섭으로 거의 모두 소실되고, 파장(λB)을 가지는 반사광(8)만이 광 입구(5)를 통해 출력된다.
이때, 반사광의 파장(λB)은 하기 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
λB = 2·neff·Λ
여기서, neff는 코어의 유효 굴절율을 나타내는 지표이다.
위와 같은 구성을 가지는 광 파이버(1)의 특정 부분에 굴절이 발생하면, 굴절된 부분의 격자 간격이 변화하면서 파장 스펙트럼에 변화가 일어난다. 이러한 파장 스펙트럼의 변화를 감지하여 광 파이버(1)의 굴절 여부를 확인할 수 있게 되는 것이다.
하지만, 위와 같은 구성의 광 파이버(1)는 반사광을 분석해 광 파이버(1)의 굴절 여부는 확인할 수 있으나, 굴절의 위치 및 방향 등은 확인할 수 없다는 한계가 있다.
또한, 광 파이버(1)를 내시경 장비 등에 장치하는 경우, 광 파이버(1)가 체 내에 삽입되었을 때 광 파이버(1)의 팁(tip)의 위치를 알 수가 없어, 시술시 내시경 장비의 끝단이 조직에 예기치 못하게 접촉하는 등의 상황이 발생할 수 있다.
대한민국 특허공개 제10-1998-076791호
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광 파이버를 이용해 광 파이버가 굴절되었을 때 굴절된 위치, 방향과 그 각도를 모두 검출할 수 있고, 광 파이버 끝단과 장애물 사이의 거리를 검출할 수 있어 내시경 장비 등의 상태를 파악하는 센서로 이용되기 적합한 센서 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 센서 장치는 길이 방향을 따라 복수의 격자가 형성된 광 파이버를 포함하는 센서체와, 서로 다른 파장을 가지는 제1입사광 및 제2입사광을 생성하여 상기 광 파이버로 입사시키는 광원과, 광의 파장 신호를 분석하는 광 분석기를 포함하고, 상기 광 파이버로 입사한 상기 제1입사광이 상기 복수의 격자에 의해 간섭 및 반사되어 굴절탐지 반사광을 형성하고, 상기 광 파이버로 입사한 상기 제2입사광이 상기 광 파이버의 광 출구를 통해 출력된 뒤 외부의 장애물에 의해 반사되어 제2반사광을 형성하며, 상기 제2반사광은, 상기 제2입사광이 기준면에 반사되어 형성된 기준 반사광과 간섭하여 거리탐지 반사광을 형성하고, 상기 광 분석기는, 상기 굴절탐지 반사광의 파장 대역의 변화를 검출하여 상기 센서체의 굴절 상태를 검출하고, 상기 거리탐지 반사광의 파장 대역을 검출하여 상기 센서체와 상기 장애물의 거리를 검출한다.
일 실시예에 따르면, 상기 기준면은 상기 센서체 단부면이고, 상기 제2입사광은 복수의 파장으로 이루어진 파장 대역을 가지는 광이며, 상기 기준 반사광은 상기 광 파이버로 입사되어 상기 센서체의 단부면에 의해 반사된 반사광이다.
다른 실시예에 따르면, 센서 장치는 상기 센서체와 길이가 동일한 기준 광로와, 상기 기준 광로의 단부면과 마주하여 배치되는 기준 반사체와, 상기 광원으로부터 생성된 제2입사광을 분기하여 상기 광 파이버 및 상기 기준 광로로 입력시키는 광 스플리터를 더 포함하고, 상기 기준면은 상기 기준 반사체의 반사면이고, 상기 제2입사광은 단일 파장으로 이루어진 광이며, 상기 기준 반사광은 상기 기준 광로로 입사되어 상기 기준 반사체에 의해 반사된 반사광이고, 상기 기준 반사체는 상기 기준 광로의 단부면에 대해 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동 가능하도록 구성된다.
또 다른 실시예에 따르면, 센서 장치는 상기 센서체와 길이가 동일한 기준 광로와, 상기 기준 광로의 단부면과 마주하여 배치되는 기준 반사체와, 상기 광원으로부터 생성된 제2입사광을 분기하여 상기 센서체 및 상기 기준 광로로 입력시키는 광 스플리터를 더 포함하고, 상기 기준면은 상기 기준 반사체의 반사면이고, 상기 제2입사광은 복수의 파장으로 이루어진 파장 대역을 가지는 광이며, 상기 기준 반사광은 상기 기준 광로로 입사되어 상기 기준 반사체에 의해 반사된 반사광이다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 센서체의 하류측 단부에는 상기 센서체로부터 출력되는 제2입사광의 집진도를 높이는 렌즈 조립체가 결합된다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 센서체는 두 개 이상의 광 파이버들로 형성되고, 상기 광 파이버들은, 소정 길이로 연장되는 클래딩과, 상기 클래딩 내부에서 상기 클래딩의 길이방향으로 따라 연장되는 코어를 포함하고, 상기 코어와 굴절률이 상이한 상기 복수의 격자는 상기 코어 내부에서 상기 코어의 길이방향으로 따라 배치되며, 복수의 격자가 동일 간격으로 배치되어 복수의 격자부를 형성하고, 상기 복수의 격자부는 각각 서로 다른 간격으로 배치되며, 상기 센서체가 굴절하는 경우, 상기 광 분석기는 상기 광 파이버들 각각으로부터 출력되는 굴절탐지 반사광들의 스펙트럼을 분석하여 굴절된 위치, 방향 및 굴절 각도를 계산한다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 센서체의 하류측 단부에는 상기 광 파이버들로 분배되어 진행하는 상기 제2입사광을 하나의 광으로 합치는 광 합성기가 구비된다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 센서체는 단일의 광 파이버로 형성되고, 상기 광 파이버는, 소정 길이로 연장되는 클래딩과, 상기 클래딩 내부에서 상기 클래딩의 길이방향으로 따라 연장되는 코어를 포함하고, 상기 코어와 굴절률이 상이한 상기 복수의 격자는 상기 코어 내부에서 상기 코어의 길이방향으로 따라 배치되며, 상기 복수의 격자는 각각 서로 다른 간격으로 배치되고, 상기 광 파이버로부터 출력되는 굴절탐지 반사광은 서로 다른 방향으로 편광된 제1굴절탐지 반사광과 제2굴절탐지 반사광을 포함하고, 상기 제1굴절탐지 반사광과 상기 제1굴절탐지 반사광과 상기 제2굴절탐지 반사광은 서로 다른 파장 스팩트럼을 형성하며, 상기 센서체가 굴절하는 경우, 상기 광 분석기는 상기 제1굴절탐지 반사광과 상기 제2굴절탐지 반사광의 파장 스팩트럼의 변화를 검출하여 굴절된 위치, 방향 및 굴절 각도를 검출한다. 이때, 상기 복수의 격자의 간격은 상기 센서체의 하류측 단부로 갈수록 일정한 함수로 증가 또는 감소하도록 할 수도 있다. 또한, 상기 코어는 수평축 방향 밀도와 수직축 방향의 밀도가 서로 상이하여, 상기 제1굴절탐지 반사광과 상기 제2굴절탐지 반사광의 파장 차이가 발생하도록 할 수도 있다.
도 1은 종래 기술의 일 형태에 따른 광 파이버를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 광 파이버의 광 입구를 통한 입사광과 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 센서 장치의 구성도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버의 측면도 및 정면도이다.
도 6은 도 4의 광 파이버의 광 입구를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 7은 도 4의 광 파이버의 일 사용상태를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 도 4의 광 파이버의 굴절 위치를 검측하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 4의 광 파이버의 굴절 정도를 검측하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 4 및 도 7과 함께 도 4의 광 파이버의 굴절 방향 및 그 각도를 검측하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14는 도 4의 광 파이버를 이용해 광 파이버의 단부면과 장애물 사이의 거리를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 센서 장치의 구성도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 파이버의 측면도이다.
도 17은 도 16의 광 파이버의 광 입구를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 18은 도 16의 광 파이버를 이용한 센서체의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 19는 도 15의 센서 장치를 이용해 장애물까지의 거리를 측정하는 일 예를 도시한 것이다.
도 20은 도 15의 센서 장치를 이용해 장애물까지의 거리를 측정하는 다른 예를 도시한 것이다.
도 21은 본 발명의 제3실시예에 따른 센서 장치의 구성도이다.
도 22는 본 발명의 제4실시예에 따른 센서 장치의 구성도이다.
도 23은 본 발명의 제5실시예에 따른 센서 장치의 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
[제1실시예]
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 센서 장치(10)의 구성도이다.
본 실시예에 따른 센서 장치(10)는 길게 연장되는 몸체(150) 내부에 수용된 하나의 광 파이버(100)로 구성된 센서체(21)와, 광 파이버(100)의 굴절상태를 파악하기 위한 제1입사광(Ir)을 생성하는 제1광원(13)과, 광 파이버(100)의 단부면과 장애물(m)의 표면 사이의 거리 측정을 위해 사용되는 제2입사광(Ig)을 생성하는 제2광원(12)과, 광의 파장 신호를 분석하는 제1광 분석기(14)와 제2광 분석기(15) 및, 제1입사광(Ir)과 제2입사광(Ig)을 광 파이버(100)로 보내고 광 파이버(100)로부터 출력되는 반사광(Rr, Rg)을 분리하여 각각 제1광 분석기(14)와 제2광 분석기(15)로 보내는 광 스필리터(splitter)(16, 17, 18)를 포함한다.
본 실시예에 따르면, 제1입사광(Ir)은 약 1530nm ~ 1570nm의 파장 대역을 가지는 광대역의 광(1550nm 대역 광)이고, 제2입사광(Ig)은 약 760nm ~ 800nm의 파장을 가지는 광대역의 광(780nm 대역 광)으로서, 두 입사광은 서로 중첩되지 않는 파장 대역을 가진다. 광 스필리터(18)는 1550nm 대역 광은 제1광 분석기(14)로 보내고, 780nm 대역 광은 제2광 분석기(14)로 보내도록 구성되어 있다.
설명한 1550nm 대역과 780nm 대역은 일 실시예로 설명된 것으로, 제1입사광(Ir)과 제2입사광(Ig)은 서로 중첩되지 않는 다른 파장 대역을 가질 수도 있음이 이해되어야 할 것이다.
후술하는 바와 같이, 제1광원(13)에 의해 생성된 제1입사광(Ir)은 광 파이버(100)로 입사된다. 제1입사광(Ir)은 광 파이버(100) 내부에 형성된 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)(도 4)에 의해 간섭 및 반사되어 1550nm 대역 광인 굴절탐지 반사광(Rr)으로 출력된다. 굴절탐지 반사광(Rr)은 광 스플리터(18, 17)에 의해 제1광 분석기(14)로 보내진다. 제1광 분석기(14)는 굴절탐지 반사광(Rr)의 파장 대역의 변화를 검출하여 센서체(광 파이버)(21)의 굴절 상태를 검출하게 된다.
제2광원(12)에 의해 생성된 제2입사광(Ig)은 광 파이버(100) 입사하여 광 파이버(100)의 단부에 형성된 광 출구를 통해 출력되었다가 장애물(m)에 의해 반사되고, 후술하는 바와 같이 기준 반사광과 간섭하여 780nm 대역 광인 거리탐지 반사광(Rg)으로 출력된다. 거리탐지 반사광(Rg)은 광 스플리터(18, 16)에 의해 제2광 분석기(15)로 보내진다. 제2광 분석기(15)는 거리탐지 반사광(Rg)을 검출하여 센서체(21)와 장애물(m)의 표면 사이의 거리를 검출하게 된다.
이하, 내부에 복수의 격자가 형성된 광 파이버(100)의 구성을 설명하고 이를 이용한 센서체(21)의 굴절 상태 검출 원리에 대해 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이, 굴절 상태 검출에 이용되는 광은 제1입사광(Ir)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버(100)의 측면도이고, 도 5는 도 4의 광 파이버(100)의 정면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 광 파이버(100)는 소정 길이로 연장되는 클래딩(110)과, 클래딩(110)의 내부에서 클래딩(110)의 길이방향을 따라 연장되는 코어(120)를 포함한다. 클래딩(110)의 외주에는 클래딩(110)을 감싸는 버퍼(buffer)와 상기 버퍼를 감싸는 재킷(jacket)이 더 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 도시 생략하였다.
광 파이버(100)는 주로 실리카(silica, SiO2) 등의 유리 재질로 이루어진다. 클래딩(110)은 순수한 실리카, 코어(120)는 저마늄이 첨가된 실리카(Ge doped SiO2)로 이루어져 굴절률이 서로 다르게 된다. 광 파이버(100)의 양 단부에는 광원(미도시)으로부터 빛이 입사하는 광 입구(130)와, 코어(120)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(140)가 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 코어(120)에는 코어(120)의 길이방향을 따라 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)가 형성된다. 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)의 코어(120)의 굴절률과 상이하다. 한편, 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각의 굴절률을 서로 동일하다.
복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)들은 서로 다른 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)으로 이격되어 배치된다. 본 실시예에 따르면 광 입구(130)에서 광 출구(140)로 갈수록 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 증가한다. 본 실시예에 따르면 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)은 일정한 비율로 점진적으로 증가한다. 본 실시예에 따르면, 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 증가하지만, 필요에 따라서 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 감소하도록 할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
한편, 광 파이버(100)의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 크다. 이러한 코어(120)의 수평축과 수직축 방향의 밀도 차이는 스트레스 강화부(160)에 의해 이루어진다.
스트레스 강화부(160)는 클래딩(110)과 열팽창계수가 다른 물질을 클래딩(110)에 삽입하여 형성된 부분이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 두 개의 스트레스 강화부(160)가 코어(120)를 중심으로 광 파이버(100)의 수평축 상에 대칭으로 형성된다.
광 파이버(100)에 스트레스 강화부(160)를 형성하는 과정을 설명한다. 먼저, 광 파이버(100)를 형성하기 위한 원통형의 모재에 스트레스 강화부(160)가 형성될 위치에 드릴링 가공을 하고 스트레스 강화부(160)의 재료를 삽입한다. 높은 온도에서 광섬유의 모재 제조 공정이 완료되고, 모재를 드로잉(drawing)하여 냉각시키면 광 파이버(100)가 형성된다. 이때, 클래딩(110)과 스트레스 강화부(160)의 열팽창계수의 차이로 인해 수평방향의 수축과 수직방향의 수축 정도에 차이가 일어나 코어(120)에서 한쪽 방향으로만 인장응력이 발생하게 된다.
본 실시예에 따르면, 두 개의 스트레스 강화부(160)가 코어(120)를 중심으로 광 파이버(100)의 수평축 상에 대칭으로 형성되고, 스트레스 강화부(160)로는 열 팽창계수가 클래딩(110)의 열팽창계수보다 작은 물질이 쓰인다. 이 경우 수축시 스트레스 강화부(160)가 클래딩(110)에 비해 덜 수축되며, 스트레스 강화부(160)는 코어(120)를 광 파이버(100)의 수평축 방향으로 압축한다. 이러한 구성에 의해, 광 파이버(100)의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 커지게 된다.
광 파이버(100)의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 크므로, 수평축(x) 방향의 굴절율이 수직축(y) 방향의 굴절율보다 커지게 된다. 또한, 코어(120)의 물성을 변화시켜 형성한 복수의 격자들의 수평축(x) 방향의 굴절율이 수직축(y) 방향의 굴절율보다 크다.
따라서, 코어(120)의 광 입구를 통해 입사되어 복수의 격자에 의한 간섭을 겪은 빛이 광 입구를 통해 다시 빠져나올 때 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 반사광은 서로 파장차(△λ)를 가지게 된다.
이하에서는, 도 6을 참조하여 본 실시예에 따른 광 파이버(100)의 반사광 특성을 더 구체적으로 설명한다.
광 파이버(100)의 광 입구(130)를 통해 제1입사광(Ir)이 입사하면 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)에 의해 반사된 굴절탐지 반사광(Rr)이 광 입구(130)로 출력된다.
앞서 설명한 바와 같이, 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 간의 간격은 일정한 비율로 증가하므로, 굴절탐지 반사광(Rr)의 파장 스펙트럼은 도 6에 도시된 바와 같이 1550nm 대역의 파장을 가지는 곡선(Cx, Cy)으로 표현된다.
상기 [수학식 1]의 관계에 의해, 곡선(Cx, Cy)의 피크들은 각각 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각에 의한 반사광의 파장(λ1, λ2,... λa,...λn)을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 코어(120)의 광 입구를 통해 출력되는 수평축(x) 방향으로 편광된 제1굴절탐지 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 제2굴절탐지 반사광은 서로 파장차(△λ)가 발생한다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 수평축(x) 방향으로 편광된 굴절탐지 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 굴절탐지 반사광은 각각 서로 대역이 상이한 두 개의 곡선(Cx, Cy)으로 표시된다. 두 곡선(Cx, Cy)은 각각 독립적으로 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각에 의한 반사광의 파장을 나타낸다. 예를 들어, 곡선(Cx, Cy)에서 파장(λx1)과 파장(λy1)은 모두 격자(g1)에 의해 반사되는 반사광의 파장을 나타낸다. 파장(λx1)과 파장(λy1)은 △λ의 파장차를 가진다.
본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 사이의 간격이 증가 또는 감소함에 따라서 감지되는 파장 변화를 통해 굴절 상태를 검측한다. 광 파이버(100)의 중심이 광 파이버(100) 전체의 굴절 중심과 동일한 경우, 광 파이버(100) 중심을 기준으로 한 격자 간격은 그 변화 정도가 평균이 0이 되므로(광 파이버 중심을 기준으로 일 부분에서는 인접한 두 격자의 간격이 늘어나는 반면, 그 반대쪽 부분에서는 두 격자의 간격이 줄어들기 때문에 평균 간격의 변화는 실질적으로 0이 된다), 정확한 굴절 상태를 계산할 수 없다.
따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 코어(120)의 중심이 광 파이버(100) 전체의 굴절 중심과 이격되도록 한다. 광 파이버(100)의 중심이 실제 굴절 중심과 이격되도록, 도 7에 도시된 바와 같이 광 파이버(100)의 중심이 센서체(21)의 몸체(150)의 중심(즉, 굴절 중심)과 다른 부분을 지나도록 배치한다. 여기서 센서체(21)의 몸체(150)는 인체 내로 삽입되는 내시경 장비의 삽입관이 될 수도 있고, 상기 삽입관에 부착되는 별도의 구성일 수도 있다.
광 파이버(100)의 중심이 실제 굴절 중심과 이격된 상태에서, 예를 들어 몸체(내시경 장비)(150)가 방향 1(도 7)로 구부러지는 경우, 구부러진 부분에서 광 파이버(100)의 격자들은 실질적으로 모두 압축되어 격자 간의 간격이 감소하게 된다.
이하에서는, 도 8 및 도 9를 참조하여 광 파이버(100)가 굴절된 위치를 검측하는 과정을 설명한다.
상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 굴절 상태를 파악하기 위하여 수평축(x) 방향으로 편광된 굴절탐지 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 굴절탐지 반사광을 모두 이용하지만, 도 9에서는 설명의 편의를 위해 수평축(x) 방향으로 편광된 굴절탐지 반사광의 파장 스펙터럼만을 도시하였다. 또한, 도 9에는 굴절이 발생하기 전 상태를 나타내는 곡선(Cbefore)과 굴절이 발생한 후를 나타내는 곡선(Cafter)을 동시에 도시하였다.
광 파이버(100)가 굴절부분 1(도 8)에서 굴절되었다고 가정하면, 굴절부분 1에 위치하는 격자와 그와 인접한 격자 사이의 간격이 변화하게 된다(도 9는 굴절에 의해 굴절부분 1에서 격자 간격이 증가하는 방향으로 굴절된 경우이다). 이에 따라서, 굴절부분 1에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장도 변화하게 된다. 결과적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 파장(λ1)에서의 반사광의 크기(R)는 감소하고, 굴절부분 1에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장 변화로 인해 파장(λ1) 인근 파장(변화된 반사광의 파장)의 빛의 세기가 증가하면서 피크(P1)가 발생하게 된다.
광 파이버(100)가 굴절부분 2에서 더 한번 굴절되는 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 굴절부분 2에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장(λ2)이 옆쪽으로 이동하며 피크(P2)가 발생하게 된다.
본 실시예에 따르면 광 파이버(100)가 굴절되지 않은 상태에서의 복수의 격자 각각에 의한 반사광의 파장을 알고 있으므로, 상기한 원리를 역으로 이용하여 반사광의 파장 스펙트럼 중에서 반사광의 크기가 감소하는 파장을 검출하여 해당 파장의 반사광에 대응하는 격자의 위치를 검출할 수 있게 된다. 즉, 광 파이버(100)가 굴절하는 경우 파장 스펙트럼 변화를 통해 어느 격자가 위치한 부분에서 굴절이 발생하였는지 검출할 수 있는 것이다.
이하에서는, 도 10 및 도 11을 참조하여 광 파이버(100)가 굴절된 정도를 검측하는 원리를 설명한다.
도 11에는 설명의 편의를 위해 수평축(x) 방향으로 편광된 굴절탐지 반사광의 파장 스펙터럼만을 도시하였다. 또한, 도 10에는 도 10(a)의 경우에 해당하는 파장 스펙트럼 곡선(R1)과, 도 10(b)의 경우에 해당하는 파장 스펙트럼 곡선(R2)를 동시에 도시하였다.
도 10(a) 및 도 10(b)는 광 파이버(100)가 동일한 지점에서 굴절되었으나, 굴절 정도가 상이한 경우를 도시한 것이다. 도 10(a)가 도 10(b)에 비해 더 많이 굴절된 상태를 도시한다(즉, r1 ＜ r2). 두 경우에, 도 12에 도시된 바와 같이, 곡선(R1)와 곡선(R2)은 거의 동일한 파장에서 피크가 발생하지만, 피크의 크기(R)가 서로 상이하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 굴절에 의해 발생하는 피크의 크기를 분석하여 광 파이버(100)가 굴절된 정도를 검출할 수 있다.
이하에서는, 도 4, 도 7 및 도 12를 참조하여 광 파이버(100)가 굴절된 방향 및 그 각도를 검출하는 원리를 설명한다.
광 파이버(100)가 도 4의 격자(ga) 위치에서, 도 7의 방향 3으로 굴절되는 경우, 격자(ga)와 그와 인접한 격자의 x축 방향 간격(Λx) 및 y축 방향 간격(Λy)이 모두 증가하게 된다.
격자의 x축 방향 간격(Λx)이 증가함에 따라서 격자(ga)에 의한 반사광의 파장(λax)도 증가한다. 따라서, 도 12(a)에 도시된 바와 같이, 파장 스펙트럼 곡선에서 파장(λax)을 가지는 빛의 크기가 감소하여 파장(λax)에서 R값이 감소하고, 파장(λax) 보다 우측에 위치한 파장(λax+△λx)에서 피크(P1x)가 발생한다.
한편, 격자의 y축 방향 간격(Λy)이 증가함에 따라서 격자(ga)에 의한 반사광의 파장(λay)도 증가한다. 따라서, 도 12(b)에 도시된 바와 같이, 파장 스펙트럼 곡선에서 파장(λay)을 가지는 빛의 크기가 감소하여 파장(λay)에서 R값이 감소하고, 파장(λay) 보다 우측에 위치한 파장(λay+△λy)에서 피크(P1y)가 발생한다.
이와 다르게, 광 파이버(100)가 도 7의 방향 2로 굴절되는 경우, 격자(ga)와 그와 인접한 격자의 x축 방향 간격(Λx)은 증가하고, y축 방향 간격(Λy)은 감소하게 된다.
이 경우, x축 방향 간격(Λx)의 증가에 의해 곡선(Cx)에서 피크(P1x)는 파장(λax) 보다 우측에서 발생하고, y축 방향 간격(Λy)의 감소에 의해 곡선(Cy)에서는 피크(P1y)는 파장(λay) 보다 좌측에서 발생하게 될 것이다.
도 7을 참조하여 광 파이버(100)가 굴절하는 경우에 따라 발생하는 현상을 정리하면 아래 [표 1]와 같다.
방향 곡선(Cx) 곡선(Cy)
방향 1 x축 방향 간격(Λx) 감소
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 좌측에 발생		 y축 방향 간격(Λy) 감소
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 좌측에 발생
방향 2 x축 방향 간격(Λx) 증가
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 우측에 발생		 y축 방향 간격(Λy) 감소
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 좌측에 발생
방향 3 x축 방향 간격(Λx) 증가
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 우측에 발생		 y축 방향 간격(Λy) 증가
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 우측에 발생
방향 4 x축 방향 간격(Λx) 감소
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 좌측에 발생		 y축 방향 간격(Λy) 증가
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 우측에 발생
파장 스펙트럼 곡선(Cx, Cy)이 어떠한 형태로 변화하는지를 분석하여 광 파이버(100)가 굴절된 방향을 알 수 있게 된다.
나아가, 광 파이버(100)가 굴절된 각도도 계산할 수 있다.
다시 도 12를 참조하면, 곡선(Cx)에서 △λx를 상기 [수학식 1]에 대입하면 광 파이버(100)가 굴절되기 전 상태에서의 격자(ga)의 원위치에서 격자(ga)가 x 축 방향으로 얼만큼 이동하였는지를 계산할 수 있다. 동일하게, 곡선(Cy)에서 △λy를 상기 [수학식 1]에 대입하면 격자(ga)가 원위치에서 y 축 방향으로 얼만큼 이동하였는지도 계산할 수 있다. 격자(ga)의 x축 및 y축에 대한 변위를 알 수 있으므로, 격자(ga)가 회전한 각도를 계산해 낼 수 있다.
상술한 원리에 의해 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 하나의 파이버를 이용해 굴절된 위치뿐만 아니라, 굴절된 방향 및 그 각도를 모두 측정할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 센서 장치(10)를 이용하면 센서체(21)와 장애물(m) 사이의 거리도 검출할 수 있다.
이하, 도 13 내지 도 14를 참조하여 센서체(21)와 장애물(m) 사이의 거리를 검출하는 원리에 대해 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이, 거리 검출에 이용되는 광은 제2입사광(Ig)이다.
광 파이버(100)의 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)들의 간격을 적절히 조절하면(크게 하면), 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)에 의한 780nm 대역의 빛들의 간섭 현상을 제거할 수 있다. 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)에 의한 780nm 대역의 빛들의 간섭 현상을 제거한 것으로, 제2입사광(Ig)이 가지는 780nm 대역의 빛에 대해서는 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)는 영향을 주지 않는다.
도 13에 도시된 바와 같이, 광 파이버(100)의 단부면(101)까지 입사한 제2입사광(Ig)의 일부는 단부면(101)에 의해 반사되어 제1반사광(Rg1)을 형성하고, 나머지 일부는 제1투과광(It)으로 광 출구(140)를 통해 출력된다.
제1투과광(It)이 복수의 조직층으로 이루어지는 장애물(m)과 만나는 경우, 제1투과광(It1)은 외부의 장애물의 표면(m1)에 의해 반사되어 제2반사광(Rg2)을 형성한다.
이때, 광 파이버(100)의 단부면(101)부터 장애물 표면(m1)까지의 거리(L)가 충분히 작은 경우, 제1반사광(Rg1)과 제2반사광(Rg2)은 그 경로차에 의해 서로 간섭하여 거리탐지 반사광(Rg)를 형성하고, 반사광(Rg)은 광 입구(130)를 통해 출력된다.
광대역의 파장 대역을 가지는 광이 서로 매우 근접해 위치하는 두 경계면에 의해 반사되는 경우, 두 경계면에 의한 반사광들은 도 14에 도시된 바와 같이 특정 파장(λa, λa+1, ...)에서 피크(peak)가 발생하는 파장 스팩트럼을 발생시킨다.
각 피크를 나타내는 파장의 값은 두 경계면 사이의 거리에 비례하게 되며, 도 14와 같이 얻어진 파장 데이터를 퓨리에(Fourier) 변환하면 두 경계면 사이의 거리를 계산해 낼 수 있다.
즉, 본 실시예에 따르면, 광 파이버(100)의 단부면(101)이 기준면이 되고, 광 파이버(101)에 의해 반사된 제1반사광(Rg1)이 제2반사광(Rg2)과 간섭을 일으키기 위한 기준 반사광이 된다. 기준 반사광은 제2반사광(Rg2)와 간섭하여 거리탐지 반사광(Rg)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 제2광 분석기(15)에 수집된 거리탐지 반사광(Rg)의 파장 데이터를 퓨리에 변환하면 광 파이버(100)의 단부면(101)과 장애물의 표면 사이의 거리(L)을 검출할 수 있다.
광 파이버(100)의 단부면(101)의 센서체(21)의 단부면과 일치시키고, 센서체(21)의 단부면을 내시경 장비의 삽입 기기 단부면과 일치시켜 형성하면, 계산된 거리(L)이 내시경 장비의 단부와 장애물 사이의 거리가 된다.
본 실시예에 따르면, 중첩되지 않는 파장 대역을 가지는 제1입사광(Ir)과 제2입사광(Ig)을 광 파이버(100)로 동시에 입사시키고, 그에 의한 반사광들을 각각 분석하여 광 파이버(100)의 굴절 상태 및 장애물까지의 거리를 독립적으로 검출해낼 수 있어 내시경 장비 등의 상태를 센싱할 수 있는 센서 장치로 적합하게 이용될 수 있다.
[제2실시예]
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 센서 장치(20)의 구성도이다.
본 실시예에 따른 센서 장치(20)는 제1실시예에 따른 센서 장치(10)와 비교하여, 센서체(22)의 구성에 차이가 있다.
도 15에서 도 3에 표시된 도면 부호와 동일하게 표시된 도면 부호는 제1실시예의 센서 장치(10)와 동일한 기능을 가지는 구성이므로 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 센서체(22)는 두 개 이상의 광 파이버를 구비한다. 도 15 및 도 18에서는 세 개의 광 파이버(200)를 구비한 센서체(22)가 도시되었다. 본 실시예에 따른 광 스필리터(18)는 1550nm 대역 광인 제1입사광(Ir)과 780nm 대역 광인 제2입사광(Ig)을 셋으로 분리하여 각각의 광 파이버(200)로 입사시킨다.
이하, 본 실시예에 따른 광 파이버(200)의 구성을 설명하고 이를 이용한 센서체(22)의 굴절 상태 검출 원리에 대해 설명한다. 본 실시예에서도 굴절 상태 검출을 위해 제1입사광(Ir)이 이용된다.
도 16은 본 실시예에 따른 광 파이버(200)의 측면도이다.
광 파이버(200)는 클래딩(220)과 코어(230)를 포함한다. 클래딩(220)과 코어(230)의 굴절율은 서로 상이하다.
코어(230)에는 각각 세 개의 격자가 한 집합을 이루어 제1격자부 내지 제5격자부(241 내지 245)가 형성된다. 각각의 격자부를 형성하는 세 개의 격자들은 서로 동일 간격으로 배치되어 있다. 제1격자부 내지 제5격자부(241 내지 245)를 이루는 세 개의 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4, Λ5)은 Λ1＜Λ2＜Λ3＜Λ4＜Λ5의 관계를 가진다. 제1격자부 내지 제5격자부(241 내지 245) 사이의 간격(251, 252, 253, 254)은 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4, Λ5)에 비하여 현저히 크다.
위와 같은 구성에 따르면, 광 파이버(10)의 광 입구(50)로 입사된 제1입사광(Ir)은 격자부들에 의한 간섭이 발생하고, 광 입구(250)로 출력되는 굴절탐지 반사광(Rr)은 도 17에 도시된 바와 같은 파장 스펙트럼을 가진다.
도 17의 파장 스펙트럼에 나타나는 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5)은 각 격자부의 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4, Λ5)을 상기 [수학식 1]에 대입하여 구한 값에 해당한다. 다시 말해서, 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5)은 각각 제1격자부 내지 제5격자부(241 내지 245)에 의해 반사되어 출력되는 반사광의 파장을 나타내는 것이다.
광 파이버(200)가 제2격자부(242)가 위치한 부분에서 굴절되는 경우, 제2격자부(242)를 구성하는 격자들의 간격(Λ2)이 변화하게 될 것이고, 이에 따라 상기 [수학식 1]의 관계에 의해 도 17의 파장 곡선들 중 파장(λ2)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는(shift) 것을 관찰할 수 있게 된다. 파장(λ2)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는 것이 관찰되면 광 파이버(200)가 제2격자부(242) 위치에서 굴절되었다는 것을 알 수 있다.
본 실시예에 따르면, 세 개의 광 파이버(200) 각각의 굴절탐지 반사광의 파장 스팩트럼 변화를 통해 센서체(22)의 굴절 방향 및 그 각도를 검출한다. 본 실시예에서는 광 파이버(200)가 세 개 구비되는 것으로 설명하였지만, 광 파이버(200)가 두 개 이상 구비되면 이하 설명하는 원리를 적용하여 센서체(22)의 굴절 방향 및 그 각도를 검출할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 실시예에 따르면 격자부에는 세 개의 격자가 한 집합을 이루도록 하고 있지만 이에 한정되는 것은 아니면, 격자부는 2개 이상의 격자가 한 집합을 이루도록 할 수 있다.
이하, 도 18을 참조하여 굴절 방향 및 각도 검출 원리를 설명한다. 도 18은 본 실시예에 따른 센서체(22)의 정면도이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 세 개의 광 파이버(200', 200", 200'")의 코어의 중심이 광 파이버(200) 전체의 굴절 중심과 이격되도록 하기 위해서 광 파이버들이 센서체(22)의 몸체(150)의 중심(굴절 중심)을 중심으로 정삼각형을 형성하도록 배치된다. 여기서 센서체(22)의 몸체(150)는 내시경 장비의 삽입관이 될 수도 있고, 삽입관에 부착되는 별도의 구성일 수도 있다.
도 18에서 센서체(22)가 1번 방향으로 굴절하는 경우, 광 파이버(200')은 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 간격이 감소하므로, 도 17과 같이 도시된 굴절탐지 반사광의 파장 스팩트럼 곡선 중 해당 파장의 곡선이 좌측으로 이동하는 현상을 검출할 수 있다.
반면, 다른 두 광 파이버(200", 200'")은 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 간격이 증가하게 되므로, 도 17과 같이 도시된 굴절탐지 반사광의 파장 스팩트럼 곡선 중 해당 파장의 곡선이 우측으로 이동하는 현상을 검출할 수 있다.
도 18을 참조하여 센서체(22)가 굴절하는 경우에 따라 발생하는 현상을 정리하면 아래 [표 2]와 같다.
방향 광 파이버(200') 광 파이버(200") 광 파이버(200'")
방향 1 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 사이 간격 감소
-> 도 17과 같은 상태의 기준 파장 곡선에서 일부 파장 곡선이 좌측으로 이동		 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 사이 간격 증가
-> 도 17과 같은 상태의 기준 파장 곡선에서 일부 파장 곡선이 우측으로 이동		 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 사이 간격 증가
-> 도 17과 같은 상태의 기준 파장 곡선에서 일부 파장 곡선이 우측으로 이동
방향 2 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 사이 간격 증가
-> 도 17과 같은 상태의 기준 파장 곡선에서 일부 파장 곡선이 우측으로 이동		 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 사이 간격 감소
-> 도 17과 같은 상태의 기준 파장 곡선에서 일부 파장 곡선이 좌측으로 이동		 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 사이 간격 증가
-> 도 17과 같은 상태의 기준 파장 곡선에서 일부 파장 곡선이 우측으로 이동
방향 3 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 사이 간격 증가
-> 도 17과 같은 상태의 기준 파장 곡선에서 일부 파장 곡선이 우측으로 이동		 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 사이 간격 증가
-> 도 17과 같은 상태의 기준 파장 곡선에서 일부 파장 곡선이 우측으로 이동		 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 사이 간격 감소
-> 도 17과 같은 상태의 기준 파장 곡선에서 일부 파장 곡선이 좌측으로 이동
따라서, 세 개의 광 파이버 각각으로부터 출력되는 굴절탐지 반사광(Rr)의 파장 변화를 분석하여 센서체(22)가 굴절된 방향을 알 수 있게 된다.
또한, 앞선 실시예에서도 설명한 바와 같이, 각각의 광 파이버에 대한 파장 변화값(△λ)을 상기 [수학식 1]에 대입하면 해당 광 파이버의 격자부의 변위를 계산할 수 있고, 이를 통해 센서체(22)가 굴절된 각도를 계산할 수 있음이 이해될 수 있을 것이다.
한편, 본 실시예에 따르면 앞선 제1실시예와 마찬가지로 광 파이버(200)에 형성된 격자들에 의한 780nm 대역 광들의 간섭 현상이 제거되어 있다. 본 실시예에서도 제1실시예와 동일한 원리를 이용하여 센서체(22)와 장애물(m) 사이의 거리를 검출한다.
다만, 본 실시예에 따른 센서체(22)에 의하면 도 19에 도시된 바와 같이, 세 개의 광 파이버(200', 200", 200'")를 통해 제2입사광(Ir)이 조사되므로, 한번에 세 군데 위치에 대한 거리(La, Lb, Lc)를 동시에 측정할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
각각의 광 파이버(200', 200", 200'")로부터 출력되는 거리탐지 반사광(Rg)을 구분하기 위하여, 도 15에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 센서체(22)에는 광 스위처(switcher)(162)가 구비되어, 각각의 광 파이버(200', 200", 200'")로부터 출력되는 거리탐지 반사광(Rr)을 선택적으로 제2광분석기(15)로 보내도록 구성할 수 있다.
한편, 제2입사광(Ig)을 셋으로 분기시킴에 따라서 발생하는 제2입사광(Ig)의 세기 저하를 방지하기 위해, 도 15 및 도 20에 도시된 바와 같이, 센서체(22)의 하류측 단부에는 셋으로 분기하여 진행한 제2입사광(Ig)을 하나의 광으로 합치는 광 합성기(161)가 구비될 수도 있다. 이 경우, 기준 반사광이 형성되는 기준면은 센서체(22)의 최하류 단부면인 광 합성기(161)의 단부면이 될 것이다.
기준 반사광과 장애물로부터 반사된 제2반사광의 간섭에 따른 거리 측정 원리는 제1실시예에서 설명한 것과 동일하므로 더 자세한 설명은 생략한다.
[제3실시예]
장애물과의 거리 측정을 위한 제2반사광과 기준 반사광의 간섭은 두 반사광의 경로차가 거의 없을 때 발생한다. 앞서 설명한 제1실시예의 경우, 기준면인 센서체(광 파이버)의 단부(101)가 장애물의 표면(m1)과 거의 밀착되어 거리(L)(도 13 참조)이 매우 작아야만 한다는 제한이 발생한다.
도 21은 위와 같은 제한 사항을 완화하기 위한 본 발명의 제3실시예에 따른 센서 장치(30)의 구성도이다.
본 실시예에 따른 센서 장치(30)는 센서체(23)의 길이(l1)와 동일한 길이(l2)를 가지는 기준 광로(300)와, 상기 기준 광로(300)의 단부면과 마주하여 배치되는 기준 반사체(302)를 더 포함한다. 광 스플리터(18)는 제2광원(12)으로부터 제2입사광(Ig)을 분기하여 센서체(23) 및 기준 광로(300)로 입력시킨다.
본 실시예에 따른 제1실시예와 같이 제1광원(13)이 1550nm 대역의 제1입사광(Ir)을 생성하지만, 제2광원은 1550nm 대역에 들지 않는 단일 파장의 제2입사광(Ig)을 생성한다.
위 구성 외에 본 실시예에 따른 센서 장치(30)의 다른 구성은 제1실시예에 따른 센서 장치(10)의 구성과 동일하다. 센서체(23)는 제1실시예에 따른 센서체(21)와 동일한 광 파이버(100)를 포함하도록 구성되어 있다.
도 21에서 도 3에 표시된 도면 부호와 동일하게 표시된 도면 부호는 제1실시예의 센서 장치(10)와 동일한 기능을 가지는 구성이므로 더 자세한 설명은 생략한다.
기준 광로(300)는 통상의 광 파이버로 구성되며 단부에는 출력되는 광을 집중시키기 위한 렌즈(301)가 구비되어 있다.
기준 반사체(302)는 기준 광로(300)의 단부와 소정 거리(Lb) 이격되어 있는 반사면(303)을 구비한다. 본 실시예에 따른 기준 반사체(302)는 기준 광로(300)의 단부면에 대해 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동 가능하다.
본 실시예에 따른 센서 장치(30)에서 제1입사광(Ir)을 이용하여 센서체(23)의 굴절 상태를 탐지하는 방법은 제1실시예와 동일하므로 설명을 생략하고, 여기서는 제2입사광(Ig)을 이용하여 거리를 탐지하는 방법을 설명한다.
본 실시예에 따르면, 기준 반사체(302)의 반사면(303)을 기준면이 되고, 제2반사광(Rg2)와 간섭을 일으키는 기준 반사광은 광 스플리터(18)에 의해 기준 광로(300)로 입사되었다가 반사면(303)에 의해 반사광이 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 장애물과의 거리 측정을 위한 제2반사광과 기준 반사광의 간섭은 두 반사광의 경로차가 거의 없을 때 발생한다.
기준 반사체(302)가 기준 광로(300)의 단부면에 대해 이동하는 도중에 반사면(303)과 기준 광로(300)의 단부면의 거리(Lb)가 센서체(23)의 단부면과 장애물(m) 사이의 거리(La)와 매우 근접한 경우가 생긴다(즉, Lx이 매우 작은 값이다).
이 경우, 기준 광로(300)로 입사된 제2입사광(Ig)이 반사면(30)에 의해 반사된 기준 반사광과, 광 파이버(100)로 입사된 제2입사광(Ig)이 장애물(m)의 표면에 의해 반사되는 제2반사광은 서로 간섭을 일으킬 정도로 경로차가 작다.
반사면(303)과 기준 광로(300)의 단부면의 거리(Lb)는 기계적 특성에 의해 알고 있는 값이므로, 기준 반사광과 제2반사광이 서로 간섭하여 제2광 분석기(15)에 단일 파장의 거리탐지 반사광이 탐지된 시점에서의 반사면(303)과 기준 광로(300)의 단부면의 거리(Lb)를 센서체(23)의 단부면과 장애물(m) 사이의 거리(La)로 계산할 수 있다(왜냐하면, Lx은 매우 작은 값이므로).
도 21을 참조하면, 제1실시예의 경우, 기준 반사광이 형성되는 기준면이 센서체의 단부면이므로, 간섭 현상을 통해 센서체의 단부면과 장애물 사이의 거리를 검출하기 위해서는 센서체의 단부면과 장애물이 거리(Lx) 정도로 매우 근접하여야 한다.
하지만, 본 실시예에 따르면, 센서체(23)의 길이가 반사면(303)과 기준 광로(300)의 단부면 사이의 거리(Lb)만큼 연장되는 것과 동일한 효과가 있으므로, 센서체(23)의 단부면이 제1실시예에 비해 거리(Lb)만큼 더 먼 거리에 위치한 상태에서도 거리 측정이 가능하다는 이점이 있다.
[제4실시예]
도 22는 본 발명의 제4실시예에 따른 센서 장치(40)의 구성도이다.
본 실시예에 따른 센서 장치(40)는 센서체(23)의 길이(l1)와 동일한 길이(l2)를 가지는 기준 광로(300)와, 상기 기준 광로(300)의 단부면과 마주하여 배치되는 기준 반사체(302)를 더 포함한다.
기준 광로(300)는 통상의 광 파이버로 구성되며 단부에는 출력되는 광을 집중시키기 위한 렌즈(301)가 구비되어 있다.
광 스플리터(18)는 제2광원(12)으로부터 제2입사광(Ig)을 분기하여 센서체(23) 및 기준 광로(300)로 입력시킨다.
위 구성 외에 본 실시예에 따른 센서 장치(30)의 다른 구성은 제1실시예에 따른 센서 장치(10)의 구성과 동일하다. 센서체(24)는 센서체(21)와 동일한 광 파이버(100)를 포함하도록 구성되어 있다.
도 21에서 도 3에 표시된 도면 부호와 동일하게 표시된 도면 부호는 제1실시예의 센서 장치(10)와 동일한 기능을 가지는 구성이므로 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 센서 장치(40)에서 제1입사광(Ir)을 이용하여 센서체(24)의 굴절 상태를 탐지하는 방법은 제1실시예와 동일하므로 설명을 생략하고, 여기서는 제2입사광(Ig)을 이용하여 거리를 탐지하는 방법을 설명한다.
본 실시예에 따른 제2입사광(Ig)을 이용하여 거리를 탐지하는 방법은 기준 반사체(302)의 반사면(303)이 기준면이 되고, 광 스플리터(18)에 의해 기준 광로(300)로 입사되었다가 반사면(303)에 의해 반사되는 반사광이 제2반사광(Rg2)와 간섭을 일으키는 기준 반사광이 된다는 점에서 앞선 제3실시예와 동일하다.
다만, 제2입사광(Ig)이 780nm 대역 광이라는 점과, 기준 반사체(302)가 기준 광로(300)의 단부면에 대해 거리(Lb)인 지점에 고정되어 있다는 점에서 제3실시예와 차이가 있다.
센서체(40)가 장애물(m)을 향해 이동하는 도중 반사면(303)과 기준 광로(300)의 단부면의 거리(Lb)가 센서체(24)의 단부면과 장애물(m) 사이의 거리(La)와 매우 근접한 위치까지 이동하는 경우(즉, Lx≒0), 기준 광로(300)로 입사된 제2입사광(Ig)이 반사면(30)에 의해 반사된 기준 반사광과, 광 파이버(100)로 입사된 제2입사광(Ig)이 장애물(m)의 표면에 의해 반사되는 제2반사광은 서로 간섭을 일으킬 정도로 경로차가 작아진다.
기준 광로(300)에서 출력된 기준 반사광과 광 파이버(100)로부터 출력된 제2반사광(Rg2)은 그 경로차에 의해 서로 간섭하여 거리탐지 반사광(Rg)를 형성하고, 거리탐지 반사광(Rg)은 제2광 분석기(15)로 보내진다.
경로차를 가지는 광대역의 반사광들은 도 14에 도시된 바와 같이 특정 파장(λa, λa+1, ...)에서 피크(peak)가 발생하는 파장 스팩트럼을 발생시키고, 도 14와 같이 얻어진 파장 데이터를 퓨리에(Fourier) 변환하면 거리를 계산할 수 있다는 것은 이미 설명하였다.
본 실시예에 다른 거리탐지 반사광(Rg)를 분석하면 거리(Lx)를 알 수 있고, 이 거리에 고정값인 거리(Lb)를 더해주면, 센서체(24)의 단부면과 장애물(m)의 표면 사이의 거리(La)를 비교적 정확하게 계산할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 기준 광로(300)의 단부면과 반사면(303)의 거리를 통해 센서체(24)의 단부면과 장애물(m)의 표면 사이의 거리를 유추하는 제3실시예에 비해 더 정확한 거리를 계산할 수 있다.
또한, 거리 탐지를 위해 기준 반사체(302)를 이동시키기 위한 구성을 별도로 구비하지 않아도 되므로, 센서 장치(40)의 구성이 간단해진다.
[제5실시예]
도 23은 본 발명의 제5실시예에 따른 센서 장치(50)의 구성도이다.
본 실시예에 따른 센서 장치(50)는 센서체(25)의 하류측 단부에 센서체(25)로부터 출력되는 제2입사광(Ig)의 집진도를 높이는 렌즈 조립체(151)를 포함한다.
위 구성 외에 본 실시예에 따른 센서 장치(30)의 다른 구성은 제4실시예에 따른 센서 장치(40)의 구성과 동일하다.
렌즈 조립체(151)를 구비하면, 광 파이버(100)로부터 출력되는 광과 광 파이버(100)로 입사되는 광의 집진도가 높아져 센서 장치(40)의 해상도를 높일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 굴절 탐지 원리와 거리 탐지 원리는 제4실시예와 실질적으로 동일하므로 더 자세한 설명은 생략한다.

Claims (10)

  1. 길이 방향을 따라 복수의 격자가 형성된 광 파이버를 포함하는 센서체;
    서로 다른 파장을 가지는 제1입사광 및 제2입사광을 생성하여 상기 광 파이버로 입사시키는 광원;
    광의 파장 신호를 분석하는 광 분석기를 포함하고,
    상기 광 파이버로 입사한 상기 제1입사광이 상기 복수의 격자에 의해 간섭 및 반사되어 굴절탐지 반사광을 형성하고,
    상기 광 파이버로 입사한 상기 제2입사광이 상기 광 파이버의 광 출구를 통해 출력된 뒤 외부의 장애물에 의해 반사되어 제2반사광을 형성하며,
    상기 제2반사광은, 상기 제2입사광이 기준면에 반사되어 형성된 기준 반사광과 간섭하여 거리탐지 반사광을 형성하고,
    상기 광 분석기는,
    상기 굴절탐지 반사광의 파장 대역의 변화를 검출하여 상기 센서체의 굴절 상태를 검출하고,
    상기 거리탐지 반사광의 파장 대역을 검출하여 상기 센서체와 상기 장애물의 거리를 검출하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준면은 상기 센서체 단부면이고,
    상기 제2입사광은 복수의 파장으로 이루어진 파장 대역을 가지는 광이며,
    상기 기준 반사광은 상기 광 파이버로 입사되어 상기 센서체의 단부면에 의해 반사된 반사광인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서체와 길이가 동일한 기준 광로;
    상기 기준 광로의 단부면과 마주하여 배치되는 기준 반사체;
    상기 광원으로부터 생성된 제2입사광을 분기하여 상기 광 파이버 및 상기 기준 광로로 입력시키는 광 스플리터를 더 포함하고,
    상기 기준면은 상기 기준 반사체의 반사면이고,
    상기 제2입사광은 단일 파장으로 이루어진 광이며,
    상기 기준 반사광은 상기 기준 광로로 입사되어 상기 기준 반사체에 의해 반사된 반사광이고,
    상기 기준 반사체는 상기 기준 광로의 단부면에 대해 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서체와 길이가 동일한 기준 광로;
    상기 기준 광로의 단부면과 마주하여 배치되는 기준 반사체;
    상기 광원으로부터 생성된 제2입사광을 분기하여 상기 센서체 및 상기 기준 광로로 입력시키는 광 스플리터를 더 포함하고,
    상기 기준면은 상기 기준 반사체의 반사면이고,
    상기 제2입사광은 복수의 파장으로 이루어진 파장 대역을 가지는 광이며,
    상기 기준 반사광은 상기 기준 광로로 입사되어 상기 기준 반사체에 의해 반사된 반사광인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서체의 하류측 단부에는 상기 센서체로부터 출력되는 제2입사광의 집진도를 높이는 렌즈 조립체가 결합되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서체는 두 개 이상의 광 파이버들로 형성되고,
    상기 광 파이버들은,
    소정 길이로 연장되는 클래딩과,
    상기 클래딩 내부에서 상기 클래딩의 길이방향으로 따라 연장되는 코어를 포함하고,
    상기 코어와 굴절률이 상이한 상기 복수의 격자는 상기 코어 내부에서 상기 코어의 길이방향으로 따라 배치되며,
    n개(n≥2, 자연수)의 상기 격자가 동일 간격으로 배치되어 복수의 격자부를 형성하고,
    상기 복수의 격자부는 각각 서로 다른 간격으로 배치되며,
    상기 센서체가 굴절하는 경우, 상기 광 분석기는 상기 광 파이버들 각각으로부터 출력되는 굴절탐지 반사광들의 스펙트럼을 분석하여 굴절된 위치, 방향 및 굴절 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 센서체의 하류측 단부에는 상기 광 파이버들로 분배되어 진행하는 상기 제2입사광을 하나의 광으로 합치는 광 합성기가 구비되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센서체는 단일의 광 파이버로 형성되고,
    상기 광 파이버는,
    소정 길이로 연장되는 클래딩과,
    상기 클래딩 내부에서 상기 클래딩의 길이방향으로 따라 연장되는 코어를 포함하고,
    상기 코어와 굴절률이 상이한 상기 복수의 격자는 상기 코어 내부에서 상기 코어의 길이방향으로 따라 배치되며,
    상기 복수의 격자는 각각 서로 다른 간격으로 배치되고,
    상기 광 파이버로부터 출력되는 굴절탐지 반사광은 서로 다른 방향으로 편광된 제1굴절탐지 반사광과 제2굴절탐지 반사광을 포함하고, 상기 제1굴절탐지 반사광과 상기 제1굴절탐지 반사광과 상기 제2굴절탐지 반사광은 서로 다른 파장 스팩트럼을 형성하며,
    상기 센서체가 굴절하는 경우, 상기 광 분석기는 상기 제1굴절탐지 반사광과 상기 제2굴절탐지 반사광의 파장 스팩트럼의 변화를 검출하여 굴절된 위치, 방향 및 굴절 각도를 검출하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 격자의 간격은 상기 센서체의 하류측 단부로 갈수록 일정한 함수로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 코어는 수평축 방향 밀도와 수직축 방향의 밀도가 서로 상이하여, 상기 제1굴절탐지 반사광과 상기 제2굴절탐지 반사광의 파장 차이가 발생하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
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