KR101853018B1 - 폐루프 타입의 위상 보정기능을 갖는 광 위상 추출 시스템 및 그에 따른 3차원 이미지 추출 방법 - Google Patents

Abstract

광 위상 추출 시스템에서의 이미지 추출 방법이 개시된다. 그러한 이미지 추출 방법은, 2개의 경로를 통해 반사되는 반사 광신호들을 간섭시켜 얻은 출력 신호를 모니터링하여 광 섬유의 환경 변화에 기인하는 위상 에러가 발생하였는지를 체크하는 단계를 포함한다. 위상 에러의 발생 시, 상기 2개의 경로 중 하나의 경로를 통해 폐루프 타입의 위상 보정 제어 방식으로 에러가 보상되고, 대상체의 이미지를 설정된 만큼의 위상 이동된 상태에서 캡쳐함에 의해 이미지가 추출된다. 본 발명에 따르면, 환경적 외란에 기인하여 광섬유형 간섭계에서 발생되는 위상 에러가 최소화 또는 보정된다. 또한 임의의 다양한 위상 값에서 설정된 위상 값 만큼 정확하게 이동된 간섭 이미지를 카메라를 통해 얻을 수 있으므로 추출되는 3차원 위상정보의 신뢰성이 보장된다.

Description

폐루프 타입의 위상 보정기능을 갖는 광 위상 추출 시스템 및 그에 따른 3차원 이미지 추출 방법{Optic phase extracting system having phase compensation function of closed loop type and therefor 3D image extracting method}

본 발명은 형상 이미지 추출에 관한 것으로, 보다 구체적으로 광섬유를 사용하여 간섭계를 구성한 광 위상 추출 시스템 및 그에 따른 3차원 이미지 추출 방법에 관한 것이다.

전형적으로, 측정 대상체에 대한 넓은 영역에서의 미소변위나 진동을 실시간 으로 계측하기 위해 공간적 분해능이 높은 레이저 간섭법이 많이 이용된다.

레이저 간섭법을 이용한 3차원 형상정보 측정 방법은 측정대상과 계측환경에 따라 크게 ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferomety)와 셰어로그래피(searography)등으로 나눌 수 있다. 또한 사용하는 광소자의 형태에 따라서 레이저 간섭계는 광섬유(fiber-optic)형과 벌크(bulk)형으로 나뉘어진다.

벌크형 간섭계는 부피가 크고 광손실이 큰 단점이 있는 반면에 광섬유형 간섭계는 광학정렬이 용이하고, 간섭계에 적용되는 광학소자들이 작고 가볍다. 따라서, 광섬유형 간섭계는 휴대성이 좋고 시스템의 제작이 쉽다는 장점이 있다.

선행기술들 중의 하나로서, 미합중국 특허 USP 6,043,870는 광섬유 간섭계를 가지는 ESPI 시스템을 개시한다. 측정 대상체의 3차원 형상정보를 추출하기 위해서는 위상 이동된 상태에서 얻은 CCD 이미지들을 연산하는 과정이 필요하다. 따라서, 상기 ESPI 시스템은 위상변조기를 채용한다. 한편, 미합중국 특허 USP 6,362,873은 위상변조기의 사용 없이, 펄스 이미지 부가 ESPI 기술을 사용하여 이미지들의 콘트라스트를 개선하는 테크닉을 개시한다.

이미지 취득을 위하여 간섭계의 위상 이동에 사용되는 위상 변조기는 대부분 비선형 동작 특성을 지니기 때문에, 광학 시스템의 정렬이 측정할 때마다 흐트러진다. 그러므로 발생된 위상 측정 에러를 제거 또는 최소화하기 위한 위상 보정 대책이 필요하다.

또한 광섬유형 간섭계의 경우에 광섬유의 특성상 환경적인 변화, 예컨대 즉, 온도, 습도, 진동, 또는 스트레인을 포함하는 외란에 민감하여, 간섭계의 광출력 변화가 심하다. 따라서, 현장 적용에 어려움이 커서 시스템의 상용화 이슈에 큰 걸림돌들 중의 하나가 되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 광섬유형 간섭계에서 발생되는 위상 에러를 보정 또는 최소화할 수 있는 광 위상 추출 시스템을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 폐루프 타입의 위상 보정기능을 갖는 광 위상 추출 시스템 및 그에 따른 3차원 이미지 추출 방법을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 위상 변조기를 제어하여 환경적 외란과 무관하게 측정 대상체의 정확한 3차원 형상정보를 추출할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예의 일 양상에 따른 광 위상 추출 시스템에서의 이미지 추출 방법은:

2개의 경로를 통해 반사되는 반사 광신호들을 간섭시켜 얻은 출력 신호를 모니터링하여 광 섬유의 환경 변화에 기인하는 위상 에러가 발생하였는지를 체크하는 단계;

위상 에러의 발생 시에는 상기 2개의 경로 중 하나의 경로를 통해 폐루프 타입의 위상 보정 제어 방식으로 에러를 보상하는 단계; 및

위상 에러가 보상된 경우에 대상체의 이미지를 설정된 만큼의 위상 이동된 상태에서 캡쳐하여 이미지를 추출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 반사 광신호들은 커플러를 통해 간섭될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 출력 신호는 상기 커플러의 출력을 받아 전기적 신호를 생성하는 포토 다이오드를 통해 얻어진 것일 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 2개의 경로에는 위상 변조를 행하는 위상 변조기가 각기 제공될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 에러의 보상은 상기 하나의 경로로부터 반사되는 반사 광신호가 위상 에러 차만큼 위상 이동되도록 함에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 이미지의 캡쳐는 전하결합소자 카메라를 통해 수행될 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 발명의 실시 예의 다른 양상에 따라, 광 위상 추출 시스템에서의 3차원 이미지 추출 방법은:

변조된 광신호를 받아 렌즈를 통해 대상체에 제공하는 제1 광경로와, 광결합기 근방에 설치되며 폐루프 제어구조로 이루어지는 제2 광경로를 마련하는 단계;

상기 제1,2 광경로를 통해 반사되는 반사 광신호들을 간섭시켜 수광부에 제공하는 단계;

상기 수광부로부터 출력되는 출력 신호와 함수발생기로부터 출력되는 동기 신호를 이용하여 얻은 로크인 증폭신호를 모니터링하여 광 섬유 환경 변화의 요인에 기인하는 위상 에러가 발생하였는지를 체크하는 단계;

위상 에러의 발생 시에는 상기 제2 광경로로부터 반사되는 반사 광신호가 위상 에러 차만큼 위상 이동되도록 하여 에러를 보정하는 단계; 및

위상 에러가 존재하지 않거나 보정된 경우에 대상체의 이미지를 설정된 개수의 상대적인 위상들에서 상기 광결합기를 통해 캡쳐하여 3차원 이미지를 추출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 출력 신호는 커플러의 광 출력을 받아 전기적인 신호를 생성하는 포토 다이오드의 출력일 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 반사광 신호들이 부분 반사 코팅부에 의해 30% 정도로 각기 반사되어 생성된 경우에 상기 커플러는 9:1 커플러일 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예의 또 다른 양상에 따른 광 위상 추출 시스템에서의 3차원 이미지 추출 방법은:

제1 광 섬유의 제1 부분반사 코팅부와 제2 광 섬유의 제2 부분반사 코팅부로부터 반사되는 반사 광신호들을 커플러를 통해 간섭시켜 포토 다이오드에 제공하는 단계;

상기 포토 다이오드로부터 출력되는 출력 신호와 함수발생기로부터 출력되는 동기 신호를 이용하여 얻은 로크인 증폭신호를 모니터링하여 광 섬유 환경 변화의 요인에 기인하는 위상 에러가 발생하였는지를 체크하는 단계;

위상 에러의 발생 시에는 폐루프 타입의 위상 보정 제어 방식으로 에러를 보상하여 상기 제2 부분반사 코팅부로부터 반사되는 반사 광신호가 위상 에러 차만큼 위상 이동되도록 하는 단계; 및

위상 에러가 보상되거나 위상 에러가 없는 경우에 대상체의 이미지를 설정된 개수의 상대적인 위상들에서 캡쳐하여 3차원 이미지를 추출하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제1,2 광섬유들은 각기 단일모드 광섬유일 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 제1 부분반사 코팅부와 제2 광 섬유의 제2 부분반사 코팅부의 반사율은 30% 이상을 가질 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 폐루프 타입의 위상 보정 제어 방식은 PID 제어를 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예의 또 다른 양상에 따른 광 위상 추출 시스템은:

커플러를 통해 광원으로부터 분기된 제1 광경로부와 제2 광경로부를 포함하는 광섬유 간섭계; 및

상기 제2 광경로부와는 폐루프 제어 구조를 이루며, 상기 제1,2 광경로부를 통해 반사되는 반사 광신호들을 간섭시켜 얻은 출력 신호를 모니터링하여 광 섬유의 환경 변화에 기인하는 위상 에러의 존재 시에 상기 제2 광경로부를 통해 이를 보상하며, 위상 에러가 없거나 보상된 경우에 대상체의 이미지를 설정된 만큼의 위상 이동된 상태에서 캡쳐하여 이미지를 복원하는 보상 처리 추출부를 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 광섬유 간섭계는 광섬유 마이켈슨 간섭계일 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예의 또 다른 양상에 따른 광 위상 추출 시스템은:

비대칭 커플러를 통해 광원으로부터 분기된 제1 광경로부와 제2 광경로부를 포함하는 광섬유 간섭계; 및

상기 제2 광경로부와는 폐루프 제어 구조를 이루며, 상기 제1,2 광경로부를 통해 반사되는 반사 광신호들을 상기 비대칭 커플러를 통해 간섭시켜 얻은 출력 신호를 함수발생기로부터 출력되는 동기 신호에 따라 모니터링하여 광 섬유의 환경 변화에 기인하는 위상 에러의 존재 시에 상기 제2 광경로부를 통해 이를 보상하며, 위상 에러가 없거나 보상된 경우에 대상체의 이미지를 설정된 개수의 시프트 위상들에서 캡쳐하여 3차원 이미지로 추출하는 보상 처리 추출부를 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 광경로부와 상기 제2 광경로부에는 PZT로 이루어진 위상 변조기가 각기 설치될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제2 광경로부에 설치된 위상 변조기는 상기 보상 처리 추출부의 위상변조 제어신호에 따라 광 신호의 위상을 조절할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 보상 처리 추출부는 데이터 처리부를 포함하며 상기 대상체에 대하여 4개의 스페클 패턴을 연산함에 의해 광 위상을 추출할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예의 또 다른 양상에 따른 ESPI 시스템은:

PID 제어기를 포함하며,

적어도 두개의 광경로의 끝단에서 일정 반사율로 반사된 광신호들을 서로 간섭시켜 얻은 출력 신호를 모니터링하고 광섬유 외란에 기인하는 위상 에러를 보정하기 위해 상기 두개의 광경로 중 하나의 경로를 피드백 위상 제어하는 폐루프 위상보상 경로를 형성하며, 상기 모니터링 시에 이용되는 동기신호를 적응적 트리거 신호로서 생성하여 CCD 카메라 이미지를 취득하기 위해 구성된다.

본 발명의 실시 예적인 구성에 따르면, 환경적 외란에 기인하여 광섬유형 간섭계에서 발생되는 위상 에러가 최소화 또는 보정된다.

또한 임의의 다양한 위상 값에서 설정된 위상 값 만큼 정확하게 이동된 간섭 이미지를 카메라를 통해 얻을 수 있으므로 추출되는 3차원 위상정보의 신뢰성이 개선된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광 위상 추출 시스템의 블록도,
도 2는 도 1의 광 위상 추출 시스템에서 발생되는 위상 에러의 예를 보여주는 도면,
도 3은 도 1에 따라 위상 보정의 제어 예를 보여주기 위해 제시된 신호 파형들의 예시도.
도 4는 도 1중 데이터 처리부의 이미지 추출 제어 흐름도, 및
도 5는 도 4중 데이터 처리 과정의 세부 제어 흐름도.

위와 같은 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은, 이해의 편의를 제공할 의도 이외에는 다른 의도 없이, 개시된 내용이 보다 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 소자 또는 라인들이 대상 소자 블록에 연결된다 라고 언급된 경우에 그것은 직접적인 연결뿐만 아니라 어떤 다른 소자를 통해 대상 소자 블록에 간접적으로 연결된 의미까지도 포함한다.

또한, 각 도면에서 제시된 동일 또는 유사한 참조 부호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 가급적 나타내고 있다. 일부 도면들에 있어서, 소자 및 라인들의 연결관계는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 나타나 있을 뿐, 타의 소자나 회로블록들이 더 구비될 수 있다.

여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함될 수 있으며, 광섬유형 간섭계를 이용한 3차원 형상 정보의 추출 원리의 세부는 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 상세히 설명되지 않음을 유의(note)하라.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광 위상 추출 시스템의 블록도이다.

광 위상 추출 시스템은 커플러(3)를 통해 광원(1)으로부터 분기된 제1 광경로부(200)와 제2 광경로부(300)를 포함하는 광섬유 간섭계(250)를 구비한다. 따라서, 상기 광섬유 간섭계(250)는 레이저 광원(1), 커플러(3), CCD 카메라(7), 제1 위상 변조기(9), 제2 위상 변조기(8), 광 결합기(10), 제1,2 부분 반사 코팅부(13,11), 제1,2 렌즈(14,12)를 포함한다.

또한, 상기 광 위상 추출 시스템은,

상기 제2 광경로부(300)와는 폐루프 제어 구조를 이루며, 상기 제1,2 광경로부를 통해 반사되는 반사 광신호들을 간섭시켜 얻은 출력 신호를 모니터링하여 광 섬유의 환경 변화에 기인하는 위상 에러의 존재 시에 상기 제2 광경로부(300)를 통해 이를 보상하며, 위상 에러가 없거나 보상된 경우에 대상체의 이미지를 설정된 만큼의 위상 이동된 상태에서 캡쳐하여 이미지를 복원하는 보상 처리 추출부(100)를 포함한다. 따라서, 상기 보상 처리 추출부(100)는 수광부로서의 포토 다이오드(2), 함수 발생기(4), 로크인 앰프(5), 및 데이터 처리부(6)를 포함한다.

먼저, 도 1 내의 CCD 카메라(7)로 얻는 간섭 패턴으로부터 측정 대상체(15)의 3차원 형상정보를 얻기 위해서는 변형위상의 추출이 필요하다. 여기서, 측정하고자 하는 대상체(15)의 표면의 거칠기 정도(표면의 높이)분포함수는 다음과 같이 표현할 수 있다.

대상체의 형상정보를 얻기 위해서는 먼저, 위상(Φ(x, y))정보를 추출해야한다.

간섭패턴으로부터 위상을 추출하기 위해서는 위상 이동 방법이 주로 사용되고 있다. 간섭패턴을 형성하는 두 간섭 광 사이에 위상변화를 주어 초기 간섭패턴과 변형된 간섭패턴을 비교하면 위상 차가 구해진다.

광 간섭계의 간섭패턴을 CCD 카메라로 얻은 각 픽셀의 출력은 간섭이론으로부터 다음 식과 같이 정의 된다.

여기서, I₀ (x, y)는 간섭출력의 DC성분이고, Φ(x, y)는 측정 대상체의 표면 위상정보, δ₀는 위상변조기를 이용한 변조위상, Φ_i는 환경적 외란에 따른 위상변화량이다. 측정대상체의 표면 위상정보를 얻는 방법은 CCD 카메라 취득 영상 수에 따라 3, 4, 5 프레임 알고리즘(frame Algorithm)이 있다.

3 프레임 알고리즘의 경우 2π/3의 위상 이동을 가지며, 다음과 같이 3개의 간섭패턴을 얻는다.

위 식으로부터 대상체의 표면위상정보는 다음과 같이 구할 수 있다.

또한, 4 frame Algorithm의 경우 π/2의 위상 이동을 가지며, 다음과 같이 4개의 간섭패턴을 얻는다.

위 식으로부터 측정 대상체의 표면위상정보는 다음과 같이 구할 수 있다.

그리고, 5 frame Algorithm의 경우 임의의 위상이동량 α을 가지며, 다음과 같이 5개의 간섭패턴을 얻는다.

위의 5개의 간섭패턴에 대하여 다음과 같은 연산을 통해 측정 대상체의 표면위상정보는 다음과 같이 구할 수 있다.

따라서 광 간섭패턴으로부터 측정대상체의 3차원 형상정보를 얻기 위해서는 정확한 위상이동이 요구됨을 알 수 있다. 특히, 광섬유형 간섭계를 이용하는 ESPI 시스템의 경우 환경적 온도, 진동에 기인하여 광 섬유의 굴절률에 변화가 심하다. 그러므로 이에 따른 간섭출력의 변화를 보상해주어야 3차원 형상 정보가 정확하게 얻어질 수 있다.

다시 도 1로 돌아가면,

제1 렌즈(14)를 통해 출력된 광은 측정 대상체(15)에 조사된다. 상기 측정 대상체(15)에서 반사된 광신호는 광 결합기(10)에 인가된다. 한편, 제2 렌즈(12)를 통해 출력된 기준 광신호도 상기 광 결합기(10)에 인가된다. 상기 측정 대상체(15)로부터 반사된 광신호와 상기 기준 광신호가 서로 간섭된 스패클 패턴의 이미지는 CCD 카메라(7)에 의해 획득된다. 상기 CCD 카메라(7)에 의해 얻은 간섭 이미지를 이용하여 상기 측정 대상체(15)에 대한 3차원 형상정보를 얻는다. 3차원 형상 정보를 얻을 때, 전술한 바와 같이 3, 4, 5 프레임들의 알고리즘이 필요하다.

도 1에서는 상기 광원(1)은 가시도가 높은 HeNe 레이저(LASER)로 구현된다.

도 1의 광 위상 추출 시스템의 동작원리는 다음과 같다.

광섬유(OF1)를 통해 인가되는 광원(1)은 90:10의 비대칭 커플러(3)에 의해 커플링되어 제1 광섬유(OF2)으로 약 90% 정도 인가된다. 또한, 제2 광섬유(OF3)로 약 10% 정도 인가된다. 즉, 레이저 광은 9:1 의 비율로 상기 제1,2 광섬유들(OF2,OF3)에 분기되는 것이다.

상기 제1 광섬유(OF2)에 연결된 제1 위상 변조기(9)는 함수 발생기(4)의 출력라인(L9)을 통해 인가되는 발생신호에 따라 상기 제1 광섬유(OF2)의 광신호를 위상 변조한다. 이에 따라 광 경로가 변조된 상기 광신호는 제1 부분 반사 코팅부(13) 및 제1 렌즈(14)를 차례로 거쳐 측정 대상체(15)에 입사된다.

광 결합기(10)는 상기 측정 대상체(15)에서 반사된 광신호와 상기 제2 렌즈(12)를 통해 출력된 기준 광신호를 수신하여 수 신호가 서로 간섭된 스패클 패턴의 이미지를 출력한다. 상기 CCD 카메라(7)는 간섭 이미지를 캡쳐하여 신호 라인(L30)을 통해 데이터 처리부(6)로 제공한다. 상기 데이터 처리부(6)는 설정된 프레임 알고리즘을 이용하여 3차원 형상정보를 복원한다. 상기 데이터 처리부(6)는 기 측정 대상체(15)에 대하여 보통 4개의 스페클 패턴 이미지를 받아 연산을 수행함에 의해 광 위상을 효과적으로 추출할 수 있다.

도 1과 같은 마이켈슨 간섭계를 갖는 시스템에서는 온도, 습도나 진동 같은 외부 환경의 변화에 의해 위상 에러가 발생된다.

도 2는 도 1의 광 위상 추출 시스템에서 발생되는 위상 에러의 예를 보여주는 도면이다. 도 2에서 가로축은 시간을, 세로축은 진폭을 가리킨다. 여기서, 시간은 초(Sec) 단위로, 진폭은 전압(Volt) 단위로 주어진다.

참조부호 I1과 I2는 포토 다이오드의 출력 신호를 가리키고, D1,D2는 신호 라인(L20)을 통해 인가되는 제2 위상 변조기(8)의 위상변조 제어신호이다.

도 2의 상부에서 보여지는 파형들과 하부에서 보여지는 파형들을 비교 시에 환경적 외란에 기인하여 상기 포토 다이오드(2)의 출력 신호의 위상이 서로 차이를 가짐을 알 수 있다. 즉, 하부의 파형은 상부의 파형에 비해 위상 차(DE)만큼 시프트되어 있다. 광섬유 간섭계에 설치된 상기 제2 위상 변조기(8)는 25 Hz의 톱니파(20 V_{p -p})와 같은 위상변조 제어신호에 의해 구동될 수 있다. 이 경우에서 상기 제2 위상 변조기(8)는 PZT로 구성될 수 있다.

이와 같이, 환경변화에 기인하여 상기 포토 다이오드(2)로부터 얻어지는 간신호의 위상이 좌우로 흔들리게 되면 CCD 카메라(7)를 통해 3차원 이미지를 정확히 추출하기 어렵다. 따라서, 3차원 이미지를 정확히 얻기 위해서는 정확한 위상이동이 행해져야 한다. 위상 이동을 정확히 행하기 위해서는 환경적 외란에 기인하여 생기는 위상 변화량을 보정 또는 보상하는 작업이 매우 중요하게 된다.

이를 위해, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제2 위상 변조기(8)를 광섬유 간섭계에 추가로 설치하고 신호 라인(L20)의 제어를 받게 하였다. 즉, 광섬유 간섭계의 환경적 외란에 의해 위상 에러가 발생될 경우에는 폐루프 타입의 위상 보정 제어 방식으로 에러가 보상된다.

보다 구체적으로, 제1 광 섬유(OF2)의 제1 부분반사 코팅부(13)와 제2 광 섬유(OF3)의 제2 부분반사 코팅부(11)로부터 반사되는 반사 광신호들은 상기 커플러(3)로 인가된다. 상기 커플러(3)를 통해 서로 간섭된 반사 광신호들은 제3 광섬유(OF7)를 통해 포토 다이오드(2)에 제공된다.

상기 포토 다이오드(2)로부터 출력되는 출력 신호는 신호 라인(L13)을 통해 로크인 앰프(5)로 제공된다. 또한, 함수 발생기(4)로부터 출력되는 동기 신호(Sync)는 신호 라인(L11)을 통해 상기 로크인 앰프(5)로 제공되고, 신호 라인(L12)을 통해 상기 데이터 처리부(6)로 제공된다. 상기 로크인 앰프(5)를 통해 로크인 증폭신호를 수신하는 상기 데이터 처리부(6)는 상기 로크인 증폭신호를 모니터링하여 광 섬유 환경 변화의 요인에 기인하는 위상 에러가 발생하였는지를 초기에 체크한다.

따라서, 도 2에서 보여지는 바와 같이 위상 에러의 발생이 존재하는 경우에는 신호 라인(L20)을 통해 위상변조 제어신호를 제2 위상 변조기(8)에 인가하여 폐루프 타입의 위상 보정 제어 방식에 의해 에러가 보상되도록 한다. 이에 따라, 상기 제2 부분반사 코팅부(11)로부터 반사되는 반사 광신호가 위상 에러 차만큼 위상 이동된다.

위상 에러가 보상되거나 위상 에러가 없는 경우에 대상체의 이미지를 설정된 개수의 상대적인 위상들에서 캡쳐하여 3차원 이미지를 추출하는 동작이 수행된다.

결국, 간섭계의 양 끝단 광섬유(OF4,OF5)에서 약 30% 정도의 부분 반사를 행하는 제1,2 부분반사 코팅부(13,11)를 마련하여, 광신호들이 역으로 광섬유를 통해 반사되게 한다. 커플러(3)를 통해 서로 간섭된 반사 광신호들이 제3 광섬유(OF7)를 통해 포토 다이오드(2)에 제공되면, 포토 다이오드(2)는 간섭된 반사 광신호들의 세기에 따른 출력 신호를 신호 라인(L13)에 제공한다. 상기 로크인 앰프(5)는 상기 출력 신호(signal)를 상기 신호 라인(L11)을 통해 인가되는 동기 신호(sync)에 근거하여 로크인 증폭신호를 생성한다. 상기 로크인 증폭신호는 신호 라인(L15)를 통해 데이터 처리부(6)에 인가되어 광섬유계의 환경 외란에 따른 위상 변화량을 감지하는데 사용된다.

또한, 상기 제2 위상 변조기(8)는 환경 외란에 따른 위상 변화량의 감지에는 물론, 사용자가 원하는 상대적인 위상 이동을 위해서도 필요하므로, 폐루프 제어 구조를 갖는다.

신호 라인(L20)을 통해 데이터 처리부(6)가 제어 전압을 변화시키면, 상기 제2 위상 변조기(8)의 위상 변조 값이 변화된다. 이에 따라, 데이터 처리부(6)는 상대적인 위상 이동의 모니터링을 상기 신호 라인(L15)을 통해 인가되는 로크인 증폭신호를 수신하여 수행할 수 있다.

도 3은 도 1에 따라 위상 보정의 제어 예를 보여주기 위해 제시된 신호 파형들의 예시도이다. 도면에서 가로축은 시간을 나타내고 세로축은 진폭을 가리킨다. 여기서, 시간은 초(Sec) 단위로, 진폭은 전압(Volt) 단위로 주어진다.

참조부호 I3는 포토 다이오드(2)의 출력 신호를 가리키고, D3는 신호 라인(L20)을 통해 인가되는 제2 위상 변조기(8)의 위상변조 제어신호이다. 참조부호 CC는 도 1의 함수 발생기(4)로부터 부터 출력되는 동기 신호(sync)이다.

도 3은 제2 위상 변조기(8)를 제어함에 따라 상기 I3 신호의 위상이 타임 포인트 t10 이후에 180도 만큼 이동된 것을 보여준다. 실질적으로, 위상을 90도 시프트한 경우에 반사된 신호가 모니터링되므로 도 3에서는 시프트된 위상의 2배 즉 180도 시프트된 신호가 나타나 있다. 상기 동기 신호 CC는 CCD 카메라(7)의 이미지 취득을 위한 신호로서 사용될 수 있다. 즉, 상기 동기 신호 CC 의 타이밍에 맞추어 이미지 취득을 행하면 정확히 위상 이동된 간섭 이미지를 얻을 수 있는 것이다. 이와 같이 상기 동기 신호 CC를 카메라의 셔터 누름 신호로서 사용하는 경우에 획득된 3차원 이미지의 신뢰성이 높아진다.

도 4는 도 1중 데이터 처리부의 이미지 추출 제어 흐름도이다.

도면을 참조하면, 단계 S40에서 데이터 처리부(6)는 로크인 앰프(5)로부터 로크인 증폭신호를 수신한다. 상기 로크인 증폭신호를 체크하여 상기 데이터 처리부(6)는 광섬유계의 환경 외란에 따른 위상 변화량을 감지한다. 단계 S41에서 ㅇ우위상 에러의 발생 유무가 체크된다. 위상 변화량이 일정한 에러 허용값을 초과한 경우에 위상 에러로 판정된다. 위상 에러의 발생 시에는 단계 S42의 데이터 처리를 통해 위상 에러가 보상된다. 상기 단계 S42의 상세는 도 5에서 설명될 것이다.

한편, 위상 에러가 존재하지 않거나 보정된 경우에 단계 S43이 수행된다. 상기 단계 S43에서는 대상체의 이미지가 설정된 개수의 상대적인 위상들에서 상기 광결합기를 통해 캡쳐된다. 상기 캡쳐된 이미지는 3차원 이미지를 추출하는데 사용된다.

결국 도 4와 같은 제어 흐름을 통해, CCD 카메라 이미지 취득을 위한 트리거가 위상 에러가 보상된 상태에서 수행된다. 환경적 외란이나 위상 변조기의 비선형 오차에 기인하여 간섭계 위상 에러가 발생된 경우에 그 발생된 위상 에러는 보정된다. 위상 에러가 보정된 후에 임의의 다양한 위상 값에서 설정된 위상 값 만큼 정확하게 이동된 간섭 이미지를 카메라를 통해 얻게 된다.

도 5는 도 4중 데이터 처리 과정의 세부 제어 흐름도이다.

도면을 참조하면, 단계 S50에서는 설정된 위상 값 만큼의 위상 시프트가 수행된다. 단계 S51에서는 합산이 수행된다. 단계들 S53,S54,S55, 및 S56은 PID 콘트롤 수행에 필요하다. 상기 PID 콘트롤은 별도의 PID 콘트롤러에 수행될 수도 있고, 상기 데이터 처리부(6)의 마이크로프로세서의 PID 콘트롤 프로그램 수행에 의해서도 구현될 수 있다.

단계 S57에서는 상기 PID 제어의 결과가 증폭되어 수신되고, 수신된 신호를 통해 위상 이동의 필요 시에 단계 S58이 수행된다. 상기 단계 S58은 제2 위상 변조기를 제어하여 위상 이동이 되도록 하는 단계이다. 단계 S59에서 로크인 증폭신호가 다시 수신되고, 모니터링을 위해 상기 단계 S51로 동작이 리턴된다.

이와 같이 광섬유 간섭계의 환경적 외란이 보상되고, 로크인 앰프(Lock-in amp)의 출력 값이 정확한 위상 이동을 위해 모니터링된다.

결국, 본 발명의 실시 예에서는 환경적 외란의 취약성을 간섭계 내부에서 발생하는 간섭신호를 이용하여 해결한다. 또한 CCD 카메라로 얻은 간섭 이미지로부터 3차원 위상정보를 추출하기 위해서는 정확한 위상이동이 요구되는데, 본 발명의 실시 예에서는 폐루프 제어구조를 형성하여 다양한 위상값에 따른 상대적인 위상이동 제어가 가능하도록 하였다. 따라서 광섬유형 ESPI뿐만 아니라, 광섬유형 간섭계를 적용하는 다양한 계측 시스템에도 적용이 가능할 것으로 예상된다.

상기한 설명에서는 본 발명의 실시 예들을 위주로 도면을 따라 예를 들어 설명하였지만, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 또는 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이다. 예를 들어, 사안이 다른 경우에 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이, 위상 변조기의 세부 구성이나 위상 이동 및 보상을 위한 모니터링의 세부 제어 흐름을 다양하게 변경 또는 변형할 수 있을 것이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 보상 처리 추출부
250: 광섬유 간섭계

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10. 광 위상 추출 시스템에서의 3차원 이미지 추출 방법에 있어서:
    제1 광 섬유의 제1 부분반사 코팅부와 제2 광 섬유의 제2 부분반사 코팅부로부터 반사되는 반사 광신호들을 커플러를 통해 간섭시켜 포토 다이오드에 제공하는 단계;
    상기 포토 다이오드로부터 출력되는 출력 신호와 함수발생기로부터 출력되는 동기 신호를 이용하여 얻은 로크인 증폭신호를 모니터링하여 광 섬유 환경 변화의 요인에 기인하는 위상 에러가 발생하였는지를 체크하는 단계;
    위상 에러의 발생 시에는 폐루프 타입의 위상 보정 제어 방식으로 에러를 보상하여 상기 제2 부분반사 코팅부로부터 반사되는 반사 광신호가 위상 에러 차만큼 위상 이동되도록 하는 단계; 및
    위상 에러가 보상되거나 위상 에러가 없는 경우에 대상체의 이미지를 설정된 개수의 상대적인 위상들에서 캡쳐하여 3차원 이미지를 추출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 제1,2 광섬유들은 각기 단일모드 광섬유임을 특징으로 하는 방법.
    
12. 제10항에 있어서, 제1 부분반사 코팅부와 제2 광 섬유의 제2 부분반사 코팅부의 반사율은 30% 이상을 가짐을 특징으로 하는 방법.
    
13. 제10항에 있어서, 폐루프 타입의 위상 보정 제어 방식은 PID 제어를 포함함을 특징으로 하는 방법.
    
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16. 비대칭 커플러를 통해 광원으로부터 분기된 제1 광경로부와 제2 광경로부를 포함하는 광섬유 간섭계;
    상기 광원으로부터의 광 신호를 상기 제1 광경로부를 따라 변조하는 제1 위상 변조기 및 상기 광원으로부터의 광 신호를 상기 제2 광경로부를 따라 변조하는 제2 위상 변조기; 및
    상기 제2 광경로부와는 폐루프 제어 구조를 이루며, 상기 제1,2 광경로부를 통해 반사되는 반사 광신호들을 상기 비대칭 커플러를 통해 간섭시켜 얻은 출력 신호를 함수발생기로부터 출력되는 동기 신호에 따라 모니터링하여 광 섬유의 환경 변화에 기인하는 위상 에러의 존재 시에 상기 제2 광경로부를 통해 이를 보상하며, 위상 에러가 없거나 보상된 경우에 대상체의 이미지를 설정된 개수의 시프트 위상들에서 캡쳐하여 3차원 이미지로 추출하는 보상 처리 추출부를 포함함을 특징으로 하는 광 위상 추출 시스템.
    
17. 제16항에 있어서, 상기 제1,2 위상 변조기는 PZT로 이루어진 변조기인 것을 특징으로 하는 광 위상 추출 시스템.
    
18. 제17항에 있어서, 상기 제2 위상 변조기는 상기 보상 처리 추출부의 위상변조 제어신호에 따라 광 신호의 위상을 조절함을 특징으로 하는 광 위상 추출 시스템.
    
19. 제18항에 있어서, 상기 보상 처리 추출부는 데이터 처리부를 포함하며 상기 대상체에 대하여 4개의 스페클 패턴을 연산함에 의해 광 위상을 추출하는 것을 특징으로 하는 광 위상 추출 시스템.
    
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