KR910000604B1 - 표면의 미소 변위를 검출하기 위한 개량된 광학섬유 감지기 - Google Patents

표면의 미소 변위를 검출하기 위한 개량된 광학섬유 감지기 Download PDF

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로렌스 더블유. 오스븐
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Abstract

내용 없음.

Description

표면의 미소 변위를 검출하기 위한 개량된 광학섬유 감지기
제1도는 본 발명을 설명하기 위한 개략도.
제2a도 내지 제2d도는 광원과 검출기의 사이에서 이동하는 파동열(wavetrain)이 취할 수 있는 4개의 가능한 경로를 나타내는 도면.
제3a도 내지 제3d도는 제2a도 내지 제2d도의 경로를 따르는 4개의 파동열이 표면 및 검출기에 도달하는 상대적인 도달시간을 나타내는 타이밍도.
제4도는 제2 및 제3파동열과 샘플(sample)표면과의 상호 작용을 나타내는 표면.
제5도는 검출기(48)에서의 파동열2와 파동열3의 합을 나타내는 벡터(vector)가산도.
제6도는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 도면.
제7도는 감지기의 출력전압과 표면 변위 사이의 관계를 나타내는 그래프.
제8도는 감기지의 주파수응답을 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 광원 14 : 광학섬유
16 : 샘플 18 : 검사표면
22 및 24 : 방향성 결합기 28 : 검출기
30 : 변환기 40 및 42 : 파동열
60 : 위상변조기 62 : 지연 루우프
64 : 로크-인 증폭기 68 : 편광제어기
본 발명은 일반적으로 표면의 미소 변위를 검출하기 위한 감지기에 관한 것으로서, 특히 본 발명은 광학섬유 간섭계를 사용하는 개량된 표면 음파 감지기에 관한 것이다.
본 발명은 종래 기술의 표면 음파 검출기보다 매우 개량된 감도를 가진 표면 음파 검출기로서 유용하다. 표면 음파는 고체를 통해 전달되어 고체의 표면에 기복이 생기게 하는 진동을 나타내는 파이다.
본 발명은 또한 다른 분야에도 응용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 본 발명은 반사 표면의 변위의 진폭 및 주파수를 검출할 수 있기 때문에, 본 발명은 표면의 미소한 운동을 검출할 필요가 있는 다른 분야에서 사용될 수도 있다. 전형적으로, 본 명세서에 기술된 본 발명에 의해 감지될 수 있는 표면의 변위는 0.0003옹스트롬(angstrom)정도로 낮은 범위일 수 있다. 1옹스트롬은 10-10미터이다.
한가지 예로서, 본 발명은 변조 신호에 따라 기계적으로 이동되는 거울과 같은 반사 표면의 미소 변위들에 비례하여 1개의 광파동열의 위상을 다른 파동열에 대해 상대적으로 변화시키기 위한 매우 민감한 변조기로서 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 컴퓨터 응용시에 기억을 증대시키기 위한 자기 기억 디스크를 지지하기 위해 사용되는 회전 디스크 지지표면의 상대적인 평면도를 감지하기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 디스크들이 높은 회전비로 회전할 때에 이 디스크상의 부동(浮動)헤드가 표면에 충돌하여 헤드 및 디스크가 파괴되지 않도록, 이 디스크들은 회전비가 높을 때에도 흔들리지 말아야 한다.
본 발명은 또한 공기 또는 물 속에서 이동하는 음파(이 경우의 음파는 매우 약하지만 반사 표면을 이동시킬 수 있다)를 픽업(pick up)하기 위한 마이크로폰으로서 사용될 수도 있다.
본 발명의 주요한 응용은 고체를 통해 이동하는 음파의 주파수 및 진폭 등과 같은 전달특성을 상세하게 알고자 하는 것이다. 이러한 정보를 이용하면 표면 음파 지연선, 휠터 및 음향 도파관과 같은 다른 장치들을 평가할 수 있다. 또한, 어떤 샘플 표면내의 균열부 주위에서는 표면 음파의 전달특성이 달라지게 되므로, 본 발명은 균열부분의 검사에도 이용될 수 있다. 육안으로는 볼 수 없는 매우 작은 틈은 제트 엔진용 터어빈 깃(turbine blade), 자동차의 동력열 및 엔진내의 각종 부품들과 같은 매우 높은 응력을 받는 부분들내에서 이러한 방법으로 검출될 수 있다.
표면 음파의 전달특성을 특정하기 위한 종래의 장치는 샘플 표면을 향해 간섭성 광선비임을 비추기 위한 레이저를 필요로 하는 벌크 광학식이었다. 이 비임들은 표면에 의해 반사되고, 어떤 형태의 검출기에 의해 전기신호로 변환되었다. 이러한 종래 기술의 시스템은 매우 불편하였는데, 그 이유는 이러한 시스템을 성공적으로 동작시키는데 필요한 정확한 제어에 도움이 되지 않는 온도 및 진동 상태를 갖고 있는 제조공장내의 작업편(workpiece)에 레이저를 가져와야 할 필요도 있기 때문이다. 제조공장내의 온도변화, 진동 및 기계내의 모터로부터의 전자기 잡음과 같은 무작위적이고 제어가 불가능한 주위현상에 의하여서는, 광학장치를 정확히 배열시킬 수 없다는 문제점 및 이러한 시스템에 사용된 민감한 전자 장치내에서 전자기 잡음이 나타난다는 문제점이 야기될 수 있다. 상술한 장치는 광학 데이터를 신호(관심사인 표면 변위의 전달특성을 유도하기 위해 해석될 수 있는 신호)로 변환시키는데 사용되는 것이다.
본 발명은 광선을 반사시킬 수 있는 표면내의 매우 미소한 변위를 검출하기 위한 광학섬유 감지기이다. 본 발명은 모든 광학섬유로 구성될 수 있으며, 대규모의 광학적 부품들이 필요없다. 본 발명의 구조에 있어서는, 시스템의 광학 검출기 및 그 외의 다른 광학 소자들에 접속된 민감한 전자장치를, 전자기 잡음이 차폐될 수 있고 온도가 제어될 수 있으며 진동이 존재하지 않는 광학 실험실의 제어된 주위환경내에 배치시킬 수 있다는 장점이 있다. 이때, 광신호는 긴 광학섬유에 의해 제조공장내의 작업편에 보내질 수 있다. 본 발명은 고르지 못한 표면을 주사하였을때에 나타나는, 또는 광학섬유의 길이 변동이나 제조공장내의 온도 혹은 진동의 영향에 의해 발생된 광학섬유의 광학특성상의 변동으로 인해 나타나는 경로 길이의 변동에 둔감하다. 그 이유는, 상술한 영향들에 의하면 기하학적인 경로는 같지만 이동 방향은 반대인 역방향 광신호내에 동일한 위상변화가 발생되므로, 상대적인 위상전이가 0으로 되기 때문이다.
따라서, 본 발명의 목적은 기타의 분야에도 적용될 수 있는 개량된 표면 음파 감지기를 제공하려는 것이다. 본 발명의 주요한 특징은 검사 표면내의 진동을 감지하기 위해 광학섬유 간섭계를 사용하는 것이다.
본 발명은 하나의 간섭성 광신호를 2개의 간섭성 광버스트(burst)또는 파동열(wavetrain)로 분리시켜서 각각 상이한 경로를 통해 검사표면으로 이동시키며, 이때 각각의 경로로 이동하는 파동열에는 상이한 시간지연이 부과되도록 하는 구조를 포함한다. 따라서, 상이한 경로에 의해 이동되는 2개의 파동열은 상이한 시간에 검사표면에 도달하게 되며, 이때 2개의 경로에 대한 지연시간의 차이는 광원의 간섭시간보다 크기 때문에 상기 2개 파동열은 서로 비간섭성으로 된다. 2개의 파동열은 검사표면의 주위에서 1개의 광학경로상에 결합되어 검사표면을 향하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 검사표면을 향하는 2개의 광학경로는 2개의 방향성 결합기에 의해 결합되는 기하학적인 길이가 상이한 2개의 단일모우드 광학섬유 도파관인데, 이 결합기들 중 광원측의 결합기는 광원으로부터의 하나의 파동열을 2개의 간섭성 파동열(각각의 광학섬유내에서는 1개의 파동열이 이동함)로 분리시키고, 검사표면측의 결합기는 상이하게 지연된 2개의 파동열이 하나의 광학섬유 탐침내에 결합되어서 검사표면을 향하도록 한다. 이러한 바람직한 실시예에서, 원래의 단일 간섭성 광신호는 레이저 다이오드에 의해 공급된다. 또한, 탐침은 표면으로부터 반사된 파동열을 수집하고, 이 파동열들을 제2방향성 결합기로 되돌려 보낸다.
검사표면내에서 전달되는 표면 음파로 인해 검사표면에 기복이 생기거나, 혹은 검사표면이 탐침의 단부에 대하여 왕복운동을 하면(즉, 진동표면), 상이한 시간에 표면에 도달하는 2개의 파동열들은 탐침 단부로부터 표면까지의 사이에서 상이한 기하학적인 경로를 이동하게 될 것이다. 이러한 기하학적인 경로는 기하학적 경로의 길이와 굴절률과의 곱(積)과 동일한, 광학경로가 아닌 물리적인 경로 길이이다. 2개의 도달 펄스 파동열에 대한 기하학적인 경로들의 차이에 의하여서는, 1개의 반사 파동열이 다른 파동열에 대하여 위상전이를 일으키게 된다.
샘플표면으로부터의 반사광선 파동열은 각각 2개의 파동열로 분리된 다음, 상이한 시간지연을 부과하는 경로를 통하여 샘플표면의 반대쪽으로 이동한다. 그러므로, 4개의 반사광선 파동열이 존재하게 된다. 바람직한 실시예에서, 반사신호는 샘플표면을 향해 이동해오는 2개의 입사 파동열의 경로와 동일한 경로를 거쳐 표면의 반대쪽으로 이동하여, 상기 2개의 입사 파동열과 동일한 시간지연을 이루게 된다.
바람직한 실시예에서, 광원의 간섭성 길이는 2개의 방향성 결합기들 사이의 광학경로의 길이차 보다 짧다. 즉, 2개의 입사 펄스가 제1방향성 결합기로부터 제2방향성 결합기까지 이동하는데 걸리는 시간에 있어서의 시간지연의 차 T는 레이저 광원의 간섭성 시간보다 크다. 이것은, 2개의 파동열이 샘플에 도달할 때에 이들 2개의 파동열이 시간 T만큼 분리되어 서로에 대해 비간섭성으로 된다는 것을 의미한다. 2개의 반사신호의 각각은 2개의 부분으로 재차 분리되는데, 분리된 각각의 부분은 제1 및 제2방향성 결합기 사이의 2개의 광학섬유들 중 하나씩 광학섬유상에서 이동하게 된다. 그러므로, 최초의 간섭성 광신호로부터 유도된 4개의 파동열 또는 에너지성분들에 대해서는 4개의 경로가 가능하게 된다. 이 경로들 중 2개의 경로는 샘플표면내의 파동 또는 진동에 의해 탐침의 단부로부터 샘플표면까지의 길이가 다른 점을 제외하면 동일한 기하학적인 길이를 갖고 있다. 이 경로들중의 제1 및 제4경로는 상이한 기하학적인 길이를 갖고 있다. 그 결과, 4개의 반사광선 파동열들 중의 2개의 파동열은 방향은 다르지만 동일한 기하학적인 경로를 거쳐 검출기로 되돌아가게 되고, 2개의 파동열은 상이한 기하학적인 길이의 경로를 취하게 된다. 4개의 반사광선 신호들이 제1방향성 결합기에 도달하면, 이 신호들은 1개의 도파관상에서 결합되어 검출기로 입력되며, 이때 각각의 성분들이 취하였던 상이한 기하학적인 경로의 길이에 관련된 상대적인 시간차를 갖는 3개의 펄스가 연속적으로 도달하게 된다. 제1 및 제3펄스는 서로에 대하여 비간섭성인데, 그 이유는 이 펄스들이 시간 지연 2T만큼 분리되어 있기 때문이다. 그러나, 제2 및 제3펄스들은 샘플에서는 비간섭성이었지만 검출기에서는 간섭성으로 된다. 이것은, 이들 2개의 파동열이 샘플에 도달할 때에는 레이저의 간섭성 시간보다 긴 지연시간 T만큼 분리되어 있었지만, 먼저 도달한 파동열은 검출기에 되돌아가는 동안에 시간 T만큼 지연되고 나중의 파동열은 그렇게 지연되지 않는다는 사실에 기인하는 것이다.
검출기는 결합된 간섭 파동열의 세기(즉, 진폭의 제곱)에 비례하는 출력전류를 발생시킨다. 결합된 파동열의 진폭은, 탐침과 검사표면 사이의 기하학적 경로 길이내의 작은 변화를 제외하고는, 레이저로부터 검출기까지의 동일한 전체의 기하학적인 경로 길이를 취하며 검사샘플로부터 도달하는 광신호들 사이의 위상차에 따라 변한다. 정확히 동위상(同位相)이며 진폭 A 및 주파수가 동일한 2개의 간섭성 파동열에 의하여서는 진폭이 2A인 파동열이 나타나게 되고, 주파수 및 진폭 A가 동일하기는 하지만 위상이 180°차이가 있는 2개의 파동열에 의하여서는 0진폭을 갖는 신호가 나타나게 된다.
표면내에서 시간에 따라 변화하는 미소한 변위를 검출하는 방법은, 간섭성 광선 파동열을 발생시키고, 이 버스트를 제1 및 제2의 간섭성 광선 파동열(즉, 버스트)로 분리시키는 것을 포함한다.제1파동열 또는 버스트는 제1의 시간지연을 부과하는 제1광학 경로를 따라 안내된다. 제2파동열 또는 버스트는 제1경로보다 짧은 시간지연을 부과하는 제2경로를 따라 안내된다. 시간지연의 차이 T는 광파의 연속적인 작동을 위한 광원의 간섭성 시간보다 크거나, 혹은 광원을 버스트 형태로 작동시키기 위한 버스트 지속시간보다 크다. 이와 같은 시간지연과 간섭성 시간 사이의 조건이 필요한 이유는 검사샘플의 표면에 도달하는 2개의 광신호가 간섭성일 경우에는 이들이 중첩되지 않도록 상이한 시간에 도달하여야 하기 때문이며, 혹은 이들 광신호가 시간적으로 중첩되는 경우에는 샘플에서 2개 신호들 사이에 어떠한 간섭도 생기지 않도록 이들 광신호가 중첩 부분에서 비간섭성이어야 하기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제2광학경로는 제1광학경로에 비해 기하학적으로 짧기 때문에, 시간지연차 T가 발생된다.
검사샘플의 표면에서, 제1 및 제2버스트 또는 파동열의 일부로부터의 에너지의 일부는 탐침내에서 결합되어 표면을 향해 이동한다. 시간지연차 T 때문에, 제1 및 제2버스트 또는 파동열은 순차적으로 도달한다. 그 다음, 탐침은 표면으로부터 반사된 에너지를 각각의 파동열 또는 버스트로부터 받아들여서 분리수단으로 안내하며, 각각의 반사된 버스트는 이 분리수단에 의해 2개씩의 반사된 버스트 또는 파동열로 분리된다. 분리된 각각의 버스트 또는 파동열은 개별적인 광학경로를 따라 광검출기로 안내된다.
제1 및 제2광학경로로부터 반사된 4개의 신호가 검출기에 도달하기 전, 이들 4개의 신호들의 각각으로부터의 에너지의 일부는 광검출기의 입력부에 결합된 제4광학경로내의 방향성 결합기에 의해 결합된다. 그 다음, 입사되는 파형에 대한 2개의 상이한 도달시간에 있어서의 탐침의 단부와 표면 사이의 기하학적인 경로 길이의 차이를 제외하고는 광원으로부터 검출기까지의 동일한 기하학적인 경로 길이를 이동하였던 버스트들 사이의 위상차가 광검출기에 의해 검출된다. 이 위상차는, 버스트의 세기에 비례하는 신호를 발생시킴으로써 결합된 버스트의 진폭을 감지함에 의해 검출된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명을 나타내는 개략도이다. 부분적으로 간섭성이 있는 광원(10)은 펄스 또는 버스트(12)의 형태로, 혹은 예정된 간섭성 길이를 갖는 광선의 연속파(CW)의 형태로, 부분적으로 간섭성이 있는 광선의 파동열을 공급하는 역할을 한다. 광원(10)은 제1의 단일모우드 광학섬유 도파관(wave guide)(14A)의 단부와 밀착결합되거나 혹은 기타의 방법으로 일렬로 배열되는데, 도파관(14A)는 검사표면(18)을 가진 샘플(16)을 향하는 제1광학경로를 제공한다. 제1광학섬유(14)는 포오트(A)(B)(C)(D)를 갖고 있는 제1방향성 결합기(22)에 의해 제2의 단일모우드 광학섬유 도파관(20)에 결합된다. 이러한 방향성 결합기는 1980년 3월 27일 발행된 "엘렉트로닉스 레터즈(Electronics Letters)" 16권 제7호의 260-1페이지 및 1980년 4월 11일자 출원된 미합중국 특허출원 제139,511호에 상세하게 기술되어 있다.
결합기(22)의 포오트(A)로 유입된 광학섬유(14A)는 결합기를 계속 통과하여 포오트(C)에서 광학섬유(14)로 빠져 나온다. 방향성 결합기(22)는 제1광학섬유(14)내의 광에너지를 아무리 소량일지라도 모두 제2광학섬유(22)에 결합시키도록 조정될 수 있다. 제2광학섬유(20)은 제2의 광학경로를 제공한다. 제2광학섬유(20)은 결합기(22)의 포오트(D)로 유입되어서 포오트(B)에서 광학섬유(20B)로 빠져 나온다. 실제로는, 광학섬유(14A)(14)는 동일한 광학섬유의 일부분들이고, 광학섬유(20B)(20)도 동일한 광학섬유의 일부분들이다.
제1 및 제2광학섬유(14)(20)은 포오트(A)(B)(C)(D)를 갖고 있는 제2방향성 결합기(24)에 의해 검사샘플의 부근에서 다시 결합된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 방향성 결합기(22)(24)사이의 광학섬유(14)(20)의 길이는 동일하지 않고, 제1광학섬유(14)의 기하학적 길이가 제2광학섬유(20)에 비하여 길다. 이하, 결합기(22)(24)사이의 광학섬유(14)의 기하학적인 길이와 결합기(22)(24)사이의 광학섬유(20)의 길이와의 차이를 경로 길이차라고 부르기로 한다. 경로 길이차의 목적은 어느 방향으로든지 제1광학섬유(14)를 통과하는 모든 파동열상에, 동일한 방향으로 광학섬유(20)내에서 이동하는 파동열에 대하여 시간지연차 T를 부과하기 위한 것이다. 연속파(CW)의 작동을 위하여서는 지연시간 T가 간섭성 광원(10)의 간섭성 시간보다 커야 하는데, 그 이유는 본 발명의 작동을 설명할 때에 후술하기로 한다.
광섬유 탐침(20D)는 제2방향성 결합기(24)의 포오트(D)에 결합된다. 바람직한 실시예에서, 제2광학섬유(20)은 포오트(B)에서 제2방향성 결합기(24)로 유입되어서 결합기를 통해 중단됨이 없이 진행하여 포오트(D)에서 광학섬유 탐침(20D)로 빠져 나온다. 바람직한 실시예에서, 이 광학섬유 탐침은 표면을 향해 이동하는 광선의 반사광선을 가능한한 많이 받아들이도록 표면(18)에 충분히 근접하게 배치된다. 광선을 수집하는 효율을 최대로 하기 위해, 검사될 표면과 광학섬유의 단부 사이에 현미경렌즈 시스템을 배치할 수도 있다. 예를들어 비교적 높은 전력의 레이저가 사용되거나 혹은 검출기의 출력부에 증폭기가 사용될 경우에는, 거리를 측정하기 위해 더욱 큰 탐침을 사용할 수도 있다.
제2광학섬유(20)의 다른 단부는 포오트(D)에서 제1방향성 결합기(22)로 유입되어서 이 방향성 결합기를 통해 중단됨이 없이 진행되어 포오트(B)에서 광학섬유 도파관(20B)로 빠져 나온다. 이 광학섬유 도파관(20B)는 결합된 반사펄스를 검출기(28)로 이송시키는 것이다. 바람직한 실시예에 있어서는, 검출기(28)은 광학섬유 부분(20B)에 결합되는 광다이오드이다. 광학섬유 도파관(20)의 부분(20B)와 다이오드(28)과의 상대적인 위치는, 이 부분(20B)의 단부로부터 나오는 광펄스가 광다이오드(28)의 접합점에 가능한한 가까운 지점에서 입력되어서 입사광선에 대한 다이오드의 감도가 최대가 되도록 결정된다. 입사광선이 광다이오드의 접합지점으로부터 어느 정도 떨어진 거리에서 광다이오드에 입력되면 반도체물질내에 정공-전자(hole-electron)쌍들이 형성된다는 사실은 공지되어 있다. 그러나, 이들 정공 및 전자가 모두 접합점에 도달하는 것은 아니다. 다이오드내에서 발생된 전류의 일부분은 손실되는데, 그 이유는 정공 및 전자들이 반도체물질을 통해 이동하는 동안에 재결합되기 때문이다. 실제로, 소정의 광선 세기에 대한 출력전류는 접합점과 조사(照射)지점 사이의 거리의 함수로서 감쇠한다. 그러므로, 본 발명에서는 광학섬유 도파관의 부분(20B)가 검출기(28)의 광다이오드내의 접합점의 위치에 대하여 정밀하게 배치되는 경우에 최대의 감도가 달성된다.
설명의 편의상, 도면에서는 변환기(30)에 의해 샘플(16)의 검사표면(18)이 이동하고, 이 변환기(30)은 전기적 구동신호를 제공하는 구동기(32)에 의해 구동되는 것으로 도시되어 있다. 도체(34)상의 구동신호는 변환기(30)에 의해 기계적 운동으로 변환되며, 이때의 진동은 샘플(16)을 통해 전달된다. 이러한 진동은 표면음파로서 나타나게 되고, 검사표면(18)은 표면음파의 주파수 및 진폭에 따라 파동된다. 도시된 예로서, 구동기(32)는 주파수 ωA의 정현파 구동파형을 공급한다. 그러나, 구동파형이 반드시 정현파일 필요는 없다. 다른 적용예의 경우, 샘플(16)은 표면 음파를 발생시키는 진동을 전달하는 대신에, 화살표(36)으로 표시된 방향으로 왕복운동을 할 수도 있다. 이러한 왕복운동도 제1도의 장치에 의해 역시 감지될 수 있다.
방향성 결합기(22)(24)는 초기의 1개 파동열(12)를 4개의 광선 파동열로 분리시켜서 검출기(28)에 도달하게 하는 역할을 한다. 4개의 파동열의 각각은 서로 다른 광학 경로를 취하지만, 이 경로들중의 2개는 탐침(20D)의 단부와 샘플(16)의 검사표면(18)사이의 기하학적인 경로에서의 차이를 제외하고는 동일한 기하학적 길이를 갖는다. 광선(12)의 제1파동열은 제1방향성 결합기(22)에 의해 2재의 파동열로 분리되어서, 각각의 광학섬유내에서 표면(18)을 향해 이동한다. 바람직한 실시예에서, 방향성 결합기(22)는 입사 에너지의 약 절반이 결합기내의 다른 광학섬유 도파관과 결합하도록 3㏈의 결합으로 조정된다. 즉, 광학섬유 부분(14A)에 유입되는 파동열(12)내의 에너지의 50%는 제2광학섬유(20)에 결합되고, 광학섬유 부분(14A)상의 에너지의 나머지 50%는 제1광학섬유(14)내에 잔류되어 포오트(C)에서 배출된다.
광학섬유(14)내에서 표면(18)을 향해 이동하는 광신호 부분은 광학섬유(20)내에서 표면(18)을 향해 이동하는 광신호 부분에서 나타나는 지연에 대하여 시간지연 T를 갖게 된다. 바람직한 실시예에서는, 제2방향성 결합기(24)도 역시 3㏈(50%)결합기이다. 제2방향성 결합기(24)의 포오트(A)에서 유입되는 에너지의 일부를 탐침(20D)내에 결합시키고, 포오트(B)에서 유입되는 에너지의 일부를 광학섬유(14)에 결합시켜서 포오트(C)에서 배출하며, 포오트(B)에서 유입되는 에너지의 나머지 부분을 광학섬유(20)내에 잔류시켜서 포오트(D)에서 배출시키면, 제2방향성 결합기(24)의 포오트(A)와 포오트(D)에서의 2개의 입사 광신호가 탐침(20D)내에 결합된다. 탐침(20D)내에서 지연시간 T만큼 분리된 2개의 파동열은 표면(18)을 향해 보내진다. 표면을 향해 이동하는 2개의 파동열(40)(42)사이의 시간 변위는 제1도에 참조부호(38)로 대략적으로 도시되어 있다.
각각의 입사 파동열(40)(42)의 일부분은 표면(18)에서 반사되어 탐침(20D)에 의해 받아들여진다. 이러한 2개의 반사 파동열은 탐침(20D)를 통해 이동하여 제2방향성 결합기(24)의 포오트(D)로 들어간다. 2개의 반사파동열의 각각에 있어서의 에너지의 일부는 제1광학섬유(14)내로 결합되어 표면(18)의 반대쪽으로 이동하여서 포오트(A)로부터 배출된다. 즉, 바람직한 실시예에서, 각각의 반사 파동열내의 에너지의 1/2은 제1광학섬유(14)에 결합되어 표면(18)의 반대쪽으로 이동하고, 포오트(D)로 유입된 에너지의 나머지 1/2은 제2광학섬유(20)에 잔류하여 포오트(B)로부터 배출된다. 포오트(A)와 포오트(B)로부터 배출되는 2개의 반사 파동열은, 표면(18)에서의 파동열(40)(42)들의 상이한 도달시간에 있어서의 탐침(20D)의 단부와 표면(18)사이의 거리차에 의해 발생하는 지연시간차 △t와 시간지연 T를 합친 시간의 간격을 두고 표면(18)의 반대쪽으로 이동한다.
광학섬유(14)(20)내에서 이동되는 각각의 반사 파동열쌍에는, 이들이 결합기(24)와 결합기(22)의 사이를 이동하는 동안에 또 다른 시간지연이 나타나게 된다. 그러나, 광학섬유(14)내에서 이동되는 반사 파동열쌍에 나타나는 시간지연은 광학섬유(20)내에서 이동되는 반사파동열쌍에 나타나는 시간지연보다 크며, 그 차이는 지연시간차 T와 같다.
각각의 파동열이 방향성 결합기(22)에 도달하면, 포오트(C)로 유입되는 각각의 반사 파동열로부터의 에너지의 1/2은 광학섬유(20)내에 결합된다. 이들 2개의 파동열은 포오트(B)로부터 배출되어 광학섬유 부분(20B)를 따라 검출기(28)로 향한다. 광학섬유(20)내에서 표면의 반대쪽으로 이동하였던 각각의 반사 파동열의 에너지의 1/2은 광학섬유 부분(14)에 결합된 다음, 포오트(A)로부터 광원(10)을 향해 배출되어 손실된다. 에너지의 나머지 절반은 결합기(22)를 통과하여 포오트(B)에서 배출된다. 이들 2개의 반사 파동열은 광학섬유 부분(20B)를 따라 안내되어 검출기(28)로 향한다.
4개의 반사 파동열의 각각은 간섭성 광원(10)으로부터 검출기(28)까지에 있어서 상이한 광학경로를 취한다. 이와 같은 4개의 가능한 경로들은 제2a도 내지 제2d도에 도시되어 있다. 제2a도는 광원(10)으로부터 검출기(28)까지의 가장 짧은 가능한 기하학적 경로를 도시한 것이다. 제2a도의 경로에서는, 광학섬유 부분(14A)를 통해 이동하는 광에너지의 일부가 제1방향성 결합기(22)내에서 제2광학섬유(20)으로 전달된 다음, 제2방향성 결합기(24)의 포오트(B)로 유입되어 포오트(D)로 배출되는 방식으로 제2방향성 결합기(24)를 통과하고, 그 후 탐침부분(20D)를 통해 표면(18)로 이동함을 나타내고 있다. 제2a도의 경로를 이동한 제1파동열은 표면(18)로부터 탐침부분(20D)내로 다시 반사된 후, 이 파동열은 제2방향성 결합기(24)의 포오트(D)로 유입되어 포오트(B)로 배출됨으로써 제2방향성 결합기(24)를 통과한다. 그 다음, 이 파동열은 제2광학섬유(20)을 통해 이동하여 제1방향성 결합기(22)의 포오트(D)로 유입되어 포오트(B)로 배출된다. 그 다음, 이 제1파동열은 광학섬유 부분(20B)내에서 검출기(28)로 이동한다. 제2a도의 경로는 광원으로부터 검출기(28)까지의 가능한 최단의 기하학적 경로이기 때문에, 이 제1파동열은 제1도에 참조부호(50)으로 대략적으로 도시된 펄스 중에서 검출기에 제일 먼저 도달하는 펄스(44)가 된다.
제2b도의 경로를 따르는 제2파동열은 제1방향성 결합기(22)의 포오트(A)로 유입되고 포오트(C)에서 배출된 다음, 광학섬유(14)내에서 제2방향성 결합기(24)의 포오트(A)로 이동된다. 이 파동열의 에너지의 일부는 제2광학섬유(20)내로 결합되어 포오트(D)를 통해 배출되며, 이 파동열은 탐침 부분(20D)에 의해 표면(18)로 안내된다. 광학섬유(14)내에 잔류하는 나머지 에너지는 포오트(C)에서 배출되어 손실된다. 에너지의 일부는 표면(18)로부터 탐침(20D)내로 다시 반사되어 제2결합기(24)의 포오트(D)로 유입되어 포오트(B)에서 배출된다. 이 반사 파동열은 그 다음에 광학섬유(20)내에서 표면(18)의 반대쪽으로 이동하여, 제1결합기(22)의 포오트(D)로 유입되고 포오트(B)에서 배출된 후에 검출기(28)로 안내된다.
제2c도의 경로를 이동하는 제3의 파동열은 제1결합기(22)의 포오트(A)로 유입되어 제2광학섬유(20)에 결합된 다음, 포오트(D)에서 배출된다. 그 다음, 이 파동열은 제2광학섬유(20)내에서 제2결합기(24)의 포오트(B)로 유입되어 포오트(D)로 배출되고, 탐침부분(20D)를 통해 안내되어 표면(18)을 향해 이동한다. 에너지의 일부는 표면(18)로부터 탐침(20D)내로 다시 반사된다. 이와 같이 반사된 파동열은 제2결합기(24)의 포오트(D)로 유입되고, 그 에너지의 일부는 제1광학섬유(14)내로 결합된다. 이와 같이 결합된 에너지는 제2결합기(24)의 포오트(A)에서 배출되고, 광학섬유(14)내에서 표면(18)의 반대쪽으로 이동하여 제1결합기(22)의 포오트(C)로 유입된다. 파동열 에너지의 약1/2은 제1결합기(22)내에서 제2광학섬유(20)내로 결합되고, 이 파동열은 포오트(B)에서 배출되어 광학섬유 부분(20B)에 의해 검출기 (28)로 안내된다. 에너지의 나머지 1/2은 결합기(22)의 포오트(A)에서 배출되어 손실된다.
제2b도 및 제2c도에 도시된 2개의 기하학적 경로는, 표면(18)이 이동할 경우에 이 표면(18)과 탐침(20D)의 단부 사이의 기하학적인 거리에 있어서의 차이를 제외하고는, 광원(10)으로부터 검출기(28)까지의 기하학적인 길이가 동일하다. 제2b도 및 제2c도의 경로를 따르는 파동열은 표면(18)의 이동으로 인해 발생된 시간차△t를 제외하고는 거의 동일한 시간에 검출기(28)에 도달한다. 이들 2개의 파동열은 검출기(28)에 도달할때에 간섭성이 있으므로, 이 파동열들은 서로 간섭한다. 상술한 시간차△t에 의하여서는, 제2b도와 제2c도에 도시된 제2 및 제3파동열 사이의 위상 전이가 야기된다. 이러한 위상 전이는 이들 2개의 파동열이 표면(18)에 도달하는 2개의 상이한 시간에 탐침(20D)의 단부와 표면(18)사이의 기하학적인 경로길이의 차이에 의해 발생되는 것으로서, 이에 대하여는 이후에 상세히 설명하기로 한다.
제2b도 및 제2c도의 파동열들은 광학섬유(20B)내에서 결합 및 간섭함으로써 제1도의 펄스(46)을 발생시킨다. 이 펄스(46)의 진폭은 제2 및 제3파동열 사이의 위상차에 따라 달라지며, 이 진폭을 해석하면 탐침(20D)의 단부에 대한 표면(18)의 이동폭을 결정할 수 있다.
제2d도는 도시된 경로를 이동하는 파동열은 광원으로부터 검출기(28)까지의 가장 긴 기하학적 경로를 이동한다. 이 파동열은 제1결합기(22)의 포오트(A)로 유입되어 그 에너지의 1/2이 포오트(C)를 통해 결합기(22)에서 배출되며, 그 후 제1광학섬유(14)내에서 표면(18)을 향해 이동한다. 그 다음, 이 파동열은 제2결합기(24)의 포오트(A)로 유입되고, 그 에너지의 1/2은 제2광학섬유(20)내로 결합된다. 이 에너지는 결합기(24)의 포오트(D)에서 배출되고, 탐침부분(20D)에 의해 표면(18)을 향해 안내된다. 에너지의 일부는 표면(18)로부터 탐침(20D)내로 다시 반사된 다음, 제2결합기(24)의 포오트(D)로 향한다. 포오트(D)로 유입된 에너지의 1/2은 제1광학섬유(14)내로 다시 결합되어 제2결합기(24)의 포오트(A)에서 배출된다. 이러한 반사 파동열은 광학섬유(14)내에서 표면(18)의 반대쪽으로 이동하여 제1결합기(22)의 포오트(C)로 유입된다. 포오트(C)로 유입되는 에너지의 1/2은 제2광학섬유(20)내로 결합되어 포오트(B)로부터 배출되며, 그 후 광학섬유 부분(20B)에 의해 검출기(28)로 안내된다. 에너지의 나머지 1/2(즉, 결합되지 않은 에너지)는 포오트(A)로 배출되고, 광학섬유 부분(14A)를 통해 전달되어 손실된다. 제2d도의 경로를 따르는 파동열은 검출기(28)에 도달하는 4개의 파도열 중에서 시간적으로 가장 마지막으로 도달한다. 이 제4의 파동열은 제1도에 참조부호(50)으로 대략적으로 도시되어 있는 펄스 중에서 펄스(48)로 나타나 있다.
제3a도 내지 제3d도는 제2a도 내지 제2d도에 도시된 경로에 대응하는 4개 파동열의 다양한 도달시간을 나타내는 타이밍도이다. 제3a도는 제2a도에 대응하고, 제3b도는 제2b도에 대응하는 등이다.
제3a도를 참조하면, 파동열1(42)는 제1도에서 제2광학섬유(20)을 통해 전달될 때의 지연을 나타내는 시간 t2후에 표면(18)에 도달한다. 파동열1(42)가 탐침부분(20D)의 단부를 떠난 후, 광선이 탐침의 단부로부터 샘플표면(18)로 이동하여 다시 탐침으로 돌아오는데 걸리는 시간에 해당하는 지연△tA1이 파동열1(42)에 더욱 나타나게 된다. 그 후, 파동열1(42)가 제2광학섬유(20)내에서 검출기(28)을 향해 다시 이동할 때에 또다른 시간지연 t2가 나타난다. 파동열1은 시간 2t2+△tA1이 경과한 후에 광학섬유 부분(20B)로부터 제1도의 펄스(44)로서 발생된다.
제3b도에는 파동열2의 타이밍이 도시되어 있다. 파동열2는 더 긴 제1광학섬유(14)를 통과하는 전달시간을 나타내는 시간 t1후에 샘플에 도달한다. 기하학적 경로의 길이차에 의하여서는, t1-t2와 같은 지연시간차 T가 발생된다. 연속파 레이저의 작동이 이용되는 경우에 신호(40)(42)들이 루우프의 샘플 단부에서 서로 간섭하지 않도록, 경로 길이차 및 지연시간차 T는 광원(10)의 간섭성 길이 및 간섭성 시간보다 각각 커야 한다. 그러나, 지연시간차 T보다 짧은 지속시간을 갖는 버스트들을 이용하여서 제1도의 파동열(40)(42)들이 간섭성일지라도 시간적으로 중첩되지 않도록 함으로써 샘플에서의 간섭을 모두 방지할 수만 있다면, 경로 길이차보다 긴 간섭성 길이를 갖는 간섭성 광원을 사용할 수도 있다.
파동열2에는, 이 파동열이 탐침(20D)를 떠나서 표면(18)로 이동한 후에 다시 탐침(20D)로 되돌아오는데 걸리는 시간에 해당하는 지연시간△tA2가 나타난다. 그 다음, 파동열2에는 제2광학섬유(20)을 통과하는 이동시간에 해당하는 전달지연 t2가 나타난다. 결국, 파동열2는 시간 t1+t2+△tA2이 경과한 후에 검출기(28)에 도달한다.
파동열3은 파동열2와는 역방향으로 결합기(22)(24)사이의 루우프를 이동한다. 제3c도를 참조하면, 파동열3은 제2광학섬유(20)을 통과하는 전달시간을 나타내는 시간 t2후에 샘플에 도달함을 알 수 있다. 파동열3에는, 이 파동열이 탐침으로부터 표면(18)까지 이동하여 다시 탐침으로 되돌아오는데 걸리는 시간에 해당하는 △tA3의 지연시간차가 나타난다. 그 다음, 파동열3이 제1광학섬유(14)를 이동하는데 시간 t1이 소요되므로, 파동열3은 t1+t2+△tA3의 시간지연 후에 검출기에 도달한다. 그러므로, 파동열2 및 파동열3은 △t=△tA2-△tA3만큼 시간적으로 전이되는 것을 제외하고는 거의 동일한 시간에 검출기(28)에 도달한다.
제3d도는 파동열4가 시간 2t1+△tA4후에 검출기(28)에 도달함을 나타내고 있다. 이것은 파동열1의 도달시간과는 실질적으로 상이한 도달시간이다. 파동열4는 제1도에 참조부호(50)으로 대략적으로 표시한 펄스 중의 펄스(48)로서 시간적으로 마지막에 제1도의 광학섬유 부분(20B)로부터 발생된다.
제3a도 및 제3c도를 살펴보면, 샘플에 도달하는 펄스(42)는 시간 t2에 도달하는 파동열1과 파동열3의 결합으로 구성된다는 것을 알 수 있다. 이와 마찬가지로, 제3b도 및 제3d도에서 알 수 있는 바와 같이, 샘플(16)에 도달하는 펄스(즉, 파동열)(40)은 t1의 지연시간 후에 도달하는 파동열2와 파동열4의 결합으로 구성되어 있다.
파동열1 및 4는 약2T의 시간지연만큼 분리되어 검출기에 도달하기 때문에, 파동열1 및 4는 이들이 시간적으로 중첩될지라도 간섭하지는 않는다. 이것은, 지연시간차 T가 광원(10)의 간섭성 시간보다 크기 때문에 상기 파동열들이 상호 비간섭성으로 되기 때문이다. 그러나, 파동열2와 3은 거의 동일한 시간에 도달하며, 그 도달시간의 차이는 각각의 파동열이 탐침의 단부로부터 표면(18)까지 전달되었다가 탐침으로 되돌아오는데 걸리는 전달시간의 차이이다. 파동열2와 3은 지연시간 T만큼 시간적으로 분리되어 있기 때문에 이들이 샘플(16)에 도달될 때에는 상호 비간섭성으로 되기는 하지만, 이 지연시간T는 먼저 도달하는 파동열(즉, 파동열3)의 도달속도를 늦추어서 이 파동열이 나중에 도달하는 파동열(즉 파동열2)와 다시금 간섭성이 될 수 있도록 검출기로 되돌아오는 경로상에서 앞서와는 반대의 방식으로 부과된다.
제4도는, 표면 음파의 진폭 또는 탐침에 대해 왕복운동하는 표면(18)의 평면 이동이, 신호(42)(40)을 포함하는 파동열1 내지 4에 대하여 표면(18)까지의 경로길이를 어떻게 변화시키는가를 도시한 것이다. 제4a도는 신호(42)가 표면(18)에 도달할 때의 시간 t2를 나타내고 있으며, 제4b도는 파동열(40)이 표면(18)에 도달할 때의 시간 t1(이때 t1＞t2이다)을 나타내고 있다. 설명의 목적상 3개의 축이 설정되어 있는데, 이 3개의 축들중 수직방향인 y는 탐침(20D)의 단부와 표면(18)사이에서의 파동열의 이동방향이고, x는 표면(18)을 따르는 표면음파의 이동방향이며, z는 광학섬유를 따르는 이동방향이다.
광학섬유상의 임의의 점 z에 있어서의 파동열(42)의 진폭에 대한 수학적인 표현은 아래의 식(1)에 나타나 있다.
즉, 어떤 시간 t에서 탐침내의 임의의 지점 z에서의 반사파의 진폭은 다음과 같다.
Figure kpo00001
이때, ω는 광선의 각 주파수, t는 시간이며, k는 광선의 파수(wave number), 즉
Figure kpo00002
인데, 이때 λ는 광선의 파장을 나타낸다. 파장은 1주기동안 이 광파가 이동한 거리인
Figure kpo00003
와 동일한데, 이 때 C는 광속(m/sec)이고, f는 주파수(cycle/sec)이다. 파수 곱하기 이동거리와 같은 z는, 광학섬유내의 지점 z에서의 광파를 표시하는 페이서(phasor)의 각을 나타낸다.
마지막 식 2kA sin ωAt는 파동열이 탐침(20A)의 단부로부터 표면(18)까지 이동한 경로△y에 대한 이동시간에 의해 발생된 위상 전이를 나타내며, 이때 A sin wAt는 주파수 wA이고 진폭이 A인 정현파 형태의 표면 음파를 나타낸다. 2kA sin ωAt의 항은 표면과의 진폭이 A sin wAt일 때, 표면(18)로 이동하여 다시 되돌아오는데 걸리는 전달시간 동안에 도달된 페이서각을 나타낸다.
제4a도에서, 파동열(42)에 있어서의 탐침(20A)의 단부로부터 표면(18)까지의 경로차△yt2는 다음과 같다.
Figure kpo00004
이때, D는 표면 변위가 없을 때에 표면까지의 고정거리이다.
제4b도에서, 파동열(40)에 있어서의 탐침(20A)의 단부로부터 표면(18)까지의 거리차 △yt2은 다음과 같다.
Figure kpo00005
t1은 t2보다 매우 크기 때문에, 파동열(42)(40)사이에는 위상차가 나타난다. 다른 방법으로 표현하면, 파동열(42)로부터의 반사 파동열과 파동열(40)으로부터의 반사 파동열 사이의 위상차 øA는 다음과 같이 된다.
Figure kpo00006
즉, øA는 파수 곱하기 2곱하기 상이한 시간 t1및 t2에서의 표면(18)까지의 경로차와 같다.
요점을 말하자면, 필요한 미지수(즉, 표면 음파의 진폭A)를 결정하기 위하여서는 반사 파동열들 사이의 위상차를 측정할 필요가 있다는 것이다.
동일한 주파수를 갖는 2개의 간섭성 광파가 공간 및 시간적으로 중첩되고 동일한 편광(polarization)을 가질 경우에는, 이들 광파가 서로 간섭한다는 것은 공지되어 있다. 공간 및 시간적으로 임의의 지점에 있어서, 간섭파로부터 발생한 진폭은 공간 및 시간적으로 동일한 지점에서 간섭하는 파의 모든 진폭의 합계와 동일하다. 파동열2 및 3이 결합기(22)에 의해 광학섬유 부분(20B)내에 결합되면, 이 파동열들은 공간 및 시간적으로 공존하여 간섭하게 되는데, 왜냐하면 이 파동열들이 간섭성이 있기 때문에, 즉1개 파의 임의의 지점과 어떤 다른 파의 대응하는 지점들 사이의 위상차가 모든 지점에 있어서 동일하기 때문이다. 신호(46)[검출기(28)에서의 제2신호]의 진폭은 파동열2와 파동열3 사이의 위상차에 따라 변한다. 검출기에서의 신호(46)의 진폭 A46은 다음과 같이 된다.
Figure kpo00007
여기서, A46,A2및 A3은 각각 신호(46)과 파동열2 및 3을 정의하는 페이서를 나타낸다. 페이서는, 수직축(y축)이 연산자 j=-1로 표현되는 허축이고 수평축이 실축인 복소평면내의 회전벡터이다. 식(5)는 벡터 가산을 나타낸다.
제5도는 식(5)로 표시된 벡터 가산을 도시한 것이다. 파동열2는 진폭이 A2인 페이서(52)로 나타나 있다. 파동열3은 진폭이 A3이며 페이서(52)에 대해 위상각이 øA만큼 뒤지는 페이서(54)로 나타나 있다. 각각의 페이서의 진폭은 화살표의 길이와 같고, 페이서의 위상각은 x축에 대한 각이다. 이 각들은 제3b도 및 제3c도에 파동열2 및 3의 경우에 대해 도시한 바와 같은 검출기에 도달하는 시간과 페이서의 회전 각속도와의 곱(積)을 나타낸다. 벡터의 가산은, 페이서(52)를 취하여 그 꼬리부분을 처음과 동일한 각도øA로 페이서(54)의 머리부분에 위치시킴으로써 이루어진다(제5도의 점선 참조). 최종 페이서(A46)은 검출기(28)에서의 신호(46)(제1도)를 나타낸다.
페이서(52)(54)(56)을 실축 x상에서 투영시키면, 시간에 따른 신호의 진폭을 표시하는 정현파 함수가 나타난다. 즉, 페이서도의 하부에 도시한 정현파(54a)는 페이서(54)의 실축상의 투영을 나타내고, 정현파(52a)는 페이서(52)의 실축상의 투영을 나타낸다. 함수(52a)는 다음과 같다.
Figure kpo00008
또, 함수(54a)는 다음과 같다.
Figure kpo00009
검출기(28)은 단지 세기를 감지하지만, 세기는 진폭의 함수이다. 진폭이 A2및 A3인 2개의 간섭파로부터의 전체 세기Ⅰ는 다음 식(8)과 같이 2개의 성분의 진폭에 관련된다.
Figure kpo00010
그러므로, 검출기(28)에서의 세기는 다음과 같다.
Figure kpo00011
이때,
Figure kpo00012
및
Figure kpo00013
는 파동열2 및 3을 표시하는 페이서이다. 결합된 파동열2 및 3으로부터 발생된 검출기의 전류 출력은 검출기에서의 신호(46)의 세기(Ⅰ46)에 비례한다. 단지 마지막 항
Figure kpo00014
만이 표면(18)의 이동의 진폭 A에 따라 달라지게 되는데, 그 이유는
Figure kpo00015
의 크기만이 파동열2와 파동열3 사이의 위상차øA에 따라 달라지기 때문이다. 마지막 항
Figure kpo00016
를 정현파 형태로 나타내면 다음과 같이 된다.
Figure kpo00017
이때, φA는 상기 식(2), (3) 및 (4)에 의해 A와 관련되고, 간단한 삼각함수 정의에 의해 위 식은 다음과 같이 된다.
Figure kpo00018
식(11)에서의 øA는 제1전력에 대한 표면파의 진폭A에 비례하여 변화한다는 것을 식(4)로부터 알 수 있다. 또한, 표면 변위가 없을 때에π/2의 고정된 위상 전이가 파동열2와 3의 사이에 가해지면, 식(11)내의 최종항은 sinøA로 된다. 만약øA가 작으면, 이때 Ⅰ46에는, øA와 선형적으로 변하며 따라서 표면파의 진폭A에 선형적으로 비례하고 주파수가 wA이 출력항이 나타나게 된다. 이러한 사실은 유용한데, 왜냐하면 적분 로크-인 증폭기를 사용하여 식(10)의 바람직한 최종항만을 여파해낼 수 있기 때문이다. 이러한 여파과정의 일부는 장시간에 걸쳐 적분하여 신호 대 잡음비를 개량하는 과정을 포함한다. 로크-인 증폭기로부터의 출력 전압은 표면 이동이 없는 경우 0으로 되고, 변위가 있을 경우에는 변위의 진폭 A와 선형적으로 변화한다.
표면파의 진폭에 선형적으로 비례하고 표면의 변위가 없을 경우에는 출력 전압이 0으로 되는 출력신호를 발생시키는 민감한 선형 감지기를 갖추는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 달성하기 위하여서는, 로크-인 증폭기를 추가로 포함시키는 등의 변형이 도움이 된다. 제6도에는, 제1도의 구조에 대한 변형예가 도시되어 있다.
제6도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면음파(SAW)감지기의 개략도이다. 레이저 다이오드(10)은 광학섬유(14A)에 접속되고, 검출기(28)은 광학섬유(20B)에 접속된다. 광학섬유(14A)(20B)는 3㏈방향성 결합기(22)를 통과하는데, 이 방향성 결합기(22)는 레이저 다이오드(10)으로부터의 광학신호를 선(14)(20)의 사이에 동일하게 분리시킨다. 방향성 결합기(22)를 통과한 광학섬유(14)는 위상변조기(60)을 통과한 다음, 지연선으로서 작용하는 광학섬유로 된 다수의 코일(62)를 통과한다. 편광 제어기(68)은 어떤 편광면내의 입력광선을 향하여 어떠한 방향으로 제어기를 떠나는 광선에 대해 어떤 편광면이 선택될 수 있도록 하여준다. 이에 의하면, 광학섬유 부분(20B)내에서 간섭될 광신호들의 편광을 제어함으로써 역방향으로 전달되는 2개의 파동열이 동일한 편광으로 검출기에 도달할 수 있게 되며, 또한 역방향으로 전달되어 간섭할 파동열 사이에 일정한 상대적인 위상 전이를 선택할 수 있게 된다. 그 다음, 광학섬유(14)(20)은 제2방향성 결합기(24)를 통과하며, 이 결합기(24)로부터는 광학섬유(20D)가 뻗어나와서 광학신호를 샘플(16)의 표면(18)로 보낸다. 광학신호는 그 후 광학섬유 탐침(20D)내로 다시 반사된다. 방향성 결합기(22)(24)사이의 광학섬유(14)(20)은 폐쇄된 루우프 형태의 광학섬유 간섭계를 구성한다. 표면으로부터 접속된 광선의 양을 증가시키기 위하여서는 샘플과 광학섬유의 사이에 랜즈(도시하지 않았음)가 추가될 수도 있다.
위상 변조기(60)은 주파수가 wM인 전기신호에 의해 구동되는 압전물질로 된 블록(block)으로서, 이 블록의 물리적 크기는 방사상 팽창에 의해 변화된다. 광학섬유(14)는, 시간에 따라 변하는 힘이 광학섬유(14)상에 가하여져서 광학섬유를 신장시킬 수 있도록, 블록의 주위에 감겨진다. 광학섬유가 이와 같이 신장되면, 역방향으로 전달되는 파동열들의 경로 길이가 위상변조기에 대한 구동신호의 주파수에서 정현파적으로 변하게 된다. 또한 이에 의하면, 역방향으로 전달되는 각각의 파동열이 위상 변조기가 없을 때에 동일한 광학섬유를 통해 이동하는 동일한 파동열에 대하여, 시간에 따라 변하는 위상전이에 의해 위상 변조되게 한다.
위상변조기(60)을 필요로 하는 근본적인 이유는, 다음에 설명할 바와 같이 주파수의 차이를 작게하여 검출기가 더욱 민감해지도록 하려는데에 있다. 상대적인 위상이 정현파적으로 변하는 근본적인 이유는, 광학섬유(14)내에서 역방향으로 전달되는 파동열들의 전달시간과 위상변조기가 없을 경우의 이 파동열들의 전달시간과의 상대적인 비율이 증가 및 감소되기 때문이다. 변조기(64)의 주파수 ωM에서의 이러한 위상전이와 주파수 ωA에서 표면 변위에 의해 발생된 위상전이가 합쳐지면, 주파수합 및 주파수차(ωA-ωM)에서 위상전이를 발생시키는 변조효과가 발생된다(즉, 상부 및 하부 측대역이 생기게 된다). 이때, 약간의 부수적인 조파들도 발생한다.
즉, 위상변조기가 존재하면 헤테로다이닝(heterodyning)또는 간섭 비팅(beating)이 검출기에 나타나게 되며, 따라서 상술한 상부 및 하부 에너지 측대역이 존재하게 된다. 하부 측대역의 주파수 ωA-ωM은 음파 주파수 ωA보다 낮기 때문에, 이 하부 측대역은 바람직한 것이다. 이러한 하부 주파수는 검출기(28)이 더욱 민감하게 되는 주파수 범위 내에 있으므로, 제6도의 감지기는 위상변조기가 없을 때보다는 위상변조기(60)이 있을 때에 더욱 민감하게 된다[그러나, 위상변조기(60)이 없어도 본 발명을 실시할 수 있다].
위상변조기(60)은 이론적으로는 제2 및 제3파동열의 광학섬유 경로내의 어느 곳에나 배치될 수 있지만, 결합기(22)(24)의 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 임의의 다른 형태의 변조를 사용하여서도, 상이한 하부 주파수의 헤테로다이닝을 발생시킬 수 있다. 즉, 예를 들어 주파수 변조 또는 세기 변조를 사용할 수도 있고, 이 목적들을 달성하기 위한 기타의 공지된 구조[예컨대, 광원(10)을 세기 변조하기 위한 회로]를 위상변조기(60)의 대신에 사용할 수도 있다. 이러한 기술을 이용하면, 기존의 위상변조기의 경우에 비하여 더 높은 주파수에서 레이저 다이오드의 세기 변조가 이루어질 수 있다는 장점이 있다. 이것은, 하부 측대역 주파수가 언제나 검출기(28)의 최대 감도의 주파수범위내에 있을 수 있기 때문에, 훨씬 높은 주파수의 표면 음파가 감지될 수 있다는 것을 의미한다.
SAW의 최대 진폭을 결정하기 위하여서는, 신호(40)(42)가 음파 또는 표면 변위의 가장 긴 파장의 피이크 및 파곡(trough)에 도달할 수 있을 정도로 상대적 지연시간 T가 충분히 길어질 수 있도록, 광학섬유(14)내의 광학섬유 지연루우프(62)의 길이를 선택하여야만 한다. 즉, T는 최대 진폭이 측정될 수 있는 최저 주파수의 음파를 결정한다. 하부 주파수의 유무는 주어진 T값에 의해 감지될 수 있지만, T를 증가시키지 않고서는 이 주파수의 최대 진폭을 결정할 수 없다. 루우프(62)의 길이도 역시, 이 루우프를 통하는 광학 전달시간이 레이저의 간섭성 시간보다 더 길도록 선택되어야 한다. 광학섬유(20)에 대한 광학섬유(14)의 전달 시간의 차이는, 제1도의 신호(40)(42)가 2개의 상태 중의 어느 하나의 상태(즉, 간섭성이지만 시간적으로 중첩되지 않는 상태, 또는 시간적으로 중첩되기는 하지만 1개의 파동열이 다른 파동열에 대하여 비간섭성인 상태)로 도달하도록 결정되어야 한다는 사실은 중요하다.
그 이유는, 상이한 시간에 도달하는 2개의 개별적이고 독립적인 파동열이 관찰될 수 있도록 탐침 내에서의 간섭이 방지되어야 하기 때문이다 1개의 파동열이 탐침내에서 다른 파동열과 간섭하면, 표면 이동에 의해 생긴 위상전이 효과가 관찰될 수 없으므로 표면(18)의 이동의 진폭 및 주파수를 결정할 방법이 없게 된다. 그러므로, CW작동을 위하여서는, 광학섬유(14)(20)사이의 경로 길이차가 광원(10)의 간섭성 길이보다 커야한다는 것 이외에는 광학섬유(20)의 길이가 중요하지는 않다. 낮은 전력의 레이저를 사용할 경우에는 신호대잡음비의 측면에서 연속과 작동이 더욱 훌륭하게 되는데, 그 이유는 검출기(28)의 출력이 장시간에 걸쳐 적분될 수 있기 때문이다. 이에 의하면, 시스템 내에서 발생된 레이저잡음, 쇼트(shot)잡음 및 열잡음에 대하여, 선(29)상의 검출기 출력신호의 바람직한 하부 측대역 성분을 더욱 잘 식별할 수 있게 된다. 연속파 작동을 위하여서는, 간섭성 길이가 경로 길이 차보다 더 짧아야 한다.
이러한 관계는, 예컨대, 제너럴 옵트로닉스(General Optronics)에서 제조한 GO-ANA 레이저 다이오드 등과 같은 다중 측방향 모우드 레이저 다이오드를 사용함으로써 이루어질 수 있다. 비교적 높은 전력의 레이저는 짧은 펄스 또는 버스트로 작동될 수 있는데, 이때 샘플에서 신호(40)(42) 및 그 반사 신호들의 사이에서 어떠한 파동열도 시간적으로 중첩되지 않도록 버스트의 지속시간이 시간 지연차 T와 관련되어 있기만 하면 간섭성 길이는 문제되지 않는다.
바람직한 실시예에서는 광학섬유(14)를 코일형으로 하여서 시간지연을 발생시키지만, 다른 실시예에서는 1982년 11월 12일자 출원된 국제 특허출원 제PCT/US 82/01609호 또는 1982년 11월 12일자 출원된 국제 특허출원 제PCT/US 82/01608호 및 1982년 11월 11일자 발행된 엘렉트로닉스 레테즈(Electronics Letters), 제18권, 제23호, 999 내지 1000페이지에 수록된 논문 "광학섬유 가변 지연선"에 기술된 구조 등과 같은 가변 지연선이나 그외의 다른 지연선 구조가 사용될 수도 있다.
로크-인 증폭기(64)는 검출기(28)로부터 출력된 도선(66)상의 전기적 출력신호를 여파하여 적분하기 위해 사용된다. 이 로크-인 증폭기의 상부 차단주파수는 100k㎐이기 때문에, 음향주파수를 로크-인 증폭기의 주파수 응답내의 범위로 낮추기 위해서는 예를 들어 위상변조기(60)의 사용에 의해 발생되는 것과 같은 헤테로다이닝이 필요하다. 다음에 기재될 식(12)으로부터, 검출기(28)로부터의 출력신호는 D.C. 성분, 0항, 그리고 상부 및 하부 측대역 성분 및 이 성분의 조파를 갖고 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 하부 측대역성분의 진폭은 표면 변위의 진폭이 작을 경우에 그 표면 변위의 진폭과 선형으로 변화하며, 하부 측대역 성분의 주파수는 표면 변위 주파수 wA와 위상변조기의 주파수ωM의 차(ωA-ωM)와 동일하다. 이것은 유일한 관심(interest)성분으로서, 검출기(28)의 출력내의 나머지 주파수 성분들로부터 여파되어야 한다.
로크-인 증폭기는 매우 좁은 대역통과 휠터로서 작동하기 때문에, 이 증폭기가 존재하면 도선(66)상의 출력신호의 모든 불필요한 성분들을 여파하게 되므로 시스템의 감도가 크게 향상된다. 즉, 이 증폭기는 바람직한 하부 측대역 성분만을 선택하여 시간에 걸쳐 적분하고 증폭시킨다. 시간에 걸쳐 적분하면, 양호한 신호 대 잡음비가 보장된다. 로크-인 증폭기는 바람직한 성분의 주파수에 고정된 기준 주파수와 입사 주파수를 비교함으로써, 바람직한 주파수 성분을 선택하여 여파해낸다. 이 경우, 기준 신호는 하부 측대역 주파수 ωA-ωM에 고정되며, 위상변조기(60) 및 SAW변환기(30)에 대한 2개의 구동신호로부터 유도된다. 본 발명의 시스템은 로크-인 증폭기를 예컨대 오실로스코우프(oscilloscope)로 대체시키는 등의 방식으로 로크-인 증폭기가 없이 작동될 수도 있기는 하지만, 로크-인 증폭기를 사용하는 것이 바람직한 실시예이다. 기존의 어떠한 로크-인 증폭기를 사용하더라도 적절한 상부 차단주파수(즉, 낮은 측대역 주파수 또는 차주파수보다 큰 차단 주파수)로 작동할 수 있다.
편광제어기(68)은, 두 방향 중 어느 한 방향으로 이 편광제어기를 떠나는 광선의 편광을 제어할 수 있도록 제1 및 제2결합기 사이의 광학섬유(14)내에 배치된다. 어떤 편광으로 광학섬유 내에서 이동하는 광선은 다른 편광으로 동일한 광학섬유 내에서 이동하는 광선과 상이한 속도로 이동한다(복굴절성 때문에), 복굴절성은, 서로 다른 배향으로 편광된 광선을 동일한 광학섬유를 통해 상이한 속도로 이동시킬 수 있는 광학섬유의 특성이다. 이 경우, 다른 광학섬유들 내에서 이동하는 2개의 파동열들 사이의 위상 전이에 있어서의 정밀한 제어가 유지되어야 한다는 것은 중요하다. 이러한 이유 때문에 다중모우드 광학섬유는 양호하게 작동하지 못하는데, 왜냐하면 다중모우드 광학섬유내의 가능한 형태 분산에 의하여서는 상대적인 위상 전이를 정밀하게 제어할 수 없기 때문이다. 편광제어기(68)는 임의의 편광을 기준으로 하여 고정될 수 있다. 역방향으로 전달되는 각각의 파동열에 대하여서는 제어기(68)로부터 검출기(28)까지의 기하학적인 경로가 상이하며, 또한 상이한 편광모우드에서는 전달속도가 상이하기 때문에, 역방향으로 전달되는 광신호들이 이동할 광학경로들을 서로 상이하게 조정할 수 있다. 그러므로, 제어기를 조정하면, 간섭될 파동열들 사이에 일정한 상대적 위상전이를 발생시킬 수 있다.
상기 내용을 더욱 설명하면, 2개의 상이한 굴절률도 전달되는 2개의 직교 편광모우드가 단일모우드 광학섬유 내에 존재한다는 것이 공지되어 있다. 이들 2개의 상이한 편광모우드는 상이한 굴절률을 갖고 있으며 또한 굴절률은 전달속도를 정의하는 다른 방법으로 되므로, 이 편광모우드들은 상이한 속도로 전달된다. 편광제어기(68)의 위치가 광원으로부터 검출기까지의 경로의 기하학적 중심으로부터 편기되어 있기만 한다면, 이 편광제어기(68)는 결합기 (22)(24)사이의 임의의 위치에 배치될 수 있다. 동일한 편광으로 이동하는 역전달 파동열2 및 3에 있어서 제어기로부터 검출기까지의 기하학적인 경로가 상이하므로 각각의 파동열에 대한 전달 시간이 다르게 된다. 이에 따라, 파동열들 사이에는 일정하게 선택된 위상차가 생기게 된다.
즉, 역방향으로 전달되는 파동열 중에서 어떤 편광을 가진 하나의 파동열이 이동한 짧은 거리에 비하여 동일한 편광을 가진 다른 파동열이 이동한 상이하고 긴 거리에 있어서, 동일한 경로를 통과하는 상이한 전달시간 때문에 2개의 파동열들 사이에는 상대적인 위상전이가 나타나게 된다.
바람직한 실시예에 있어서는, 표면(18)의 변위가 없을때에 파동열2와 3이 동일한 편광으로π/2 래디안의 위상차를 갖도록 제어기(68)를 조정한다. 최대의 간섭을 위하여서는 2개의 파동열이 검출기(28)에서 동일한 편광이어야 한다. 상술한 바와 같이 편광은 동일하고 방향은 반대인 루우프 주위의 기하학적 경로의 길이를 상이하게 하여주면, π/2로 고정된 위상전이가 나타나게 된다. 제6도의 실시예에서 작동 가능한 편광제어기의 구조 및 작동방식에 관한 상세한 설명은 1980년 9월 4일 출원된 미합중국 특허출원 제183,975호 및 1980년 9월 25일 발행된 "엘렉트로닉스 레터즈", 제16권, 제20호에 수록된 허베 레브레(Herve Levre)의 논문 "단일 모우드 광학섬유 편파장치 및 편광제어기"에 기술되어 있다. 물론, 본 명세서에 기술된 개념에 따라 편광 및 상대적 위상전이를 제어할 수 있는 다른 구조를 사용할 수도 있다.
편광제어기(68) 및 위상변조기(60)의 동작에 의해, 역방향으로 전달되는 파동열2와 3의 사이에는 일정한 상대적 위상전이가 나타나며, 이때 파동열2와 3의 각각은 위상변조기(60)의 주파수에서 시간에 따라 변하는 위상차로 변조된다.
광학섬유(20B)상에서 검출기로 입력되는 2개의 간섭 정현파 입력성분들 사이에π/2의 상대적인 위상차가 있다는 것은 2개의 입력이 sin 및 cos 함수로 표시될 수 있다는 것을 의미한다(sin함수와 cos함수는 π/2래디안 만큼의 위상차를 갖기 때문에).
결합에 의해 제2의 펄스 또는 광신호(46)을 형성하는 파동열2와 3사이의 합성 위상변화는 다음과 같이 표면파의 진폭에 따라 변한다. 즉, 제2b도 및 제2c도의 경로를 이동하는 파동열에 샘플(16)에서 위상전이가 나타나지 않는다고 가정하면 이들 2개의 신호는 π/2 만큼의 위상차를 갖게 되며, 이때 최종 함수의 1주기 동안에(sin함수)×(cos함수)를 적분하면 0으로 되기 때문에, 상기 2개의 신호가 재결합되면 제2신호(46)으로부터 발생된 로크-인 증폭기(64)로부터의 출력 전압의 진폭이 0으로 된다. 즉, (sin함수)×(cos함수)의 주기의 임의의 배수(倍數)동안에 도선(66)을 통해 검출기(28)로부터 나오는 sin과 cosine의 곱(積)을 로크-인 증폭기(64)에 의해 적분하면 0으로 되는 것이다.
그러나, 샘플(16)상에 음파가 존재하면, 재결합된 신호(46)의 진폭을 증가시키게 된다. 음향의 진폭이
Figure kpo00019
이고(여기서 λ는 광학 파장임), 제2b도 및 제2c도의 경로를 이동하는 2개의 파동열이 음파의 최대치 및 최소치를 만날 때, 신호(46)의 진폭은 제1 및 제3신호(44)(48)의 진폭의 2배로 증가된다. 그러므로, 제1신호(42)(제1도)가 이동 표면파의 피이크으로부터 반사되고 제2신호(40)(제1도)가 표면파의 파곡으로부터 반사되도록 신호(40)(42)들 사이의 시간지연을 조정하면, 표면파의 진폭을 유도하는 것으로 해석될 수 있는 2개의 반사된 신호들 사이에 위상차가 생기게 된다. 따라서, 음파의 진폭은 신호(46)의 진폭을 관찰함으로써 검출될 수 있고, 음파의 주파수는 신호(44)(58)의 위치에 대한 중심 펄스의 시간 변화로부터 결정되거나 혹은 표면 음파의 피이크 및 파곡에 대응하는 가변 시간지연차 T를 이용함으로써 결정될 수 있다.
음향의 주기보다 짧은 지속시간을 갖는 광학펄스가 사용되면, 음향의 중심주파수보다 큰 검출 대역폭이 필요하다. 중요한 것은, 재결합된 2개의 파동열은 동일한 광학섬유 경로(그러나, 방향은 반대임)를 따르기 때문에, 시간지연 T에 비하여 변동(fiuctuation)이 느리게 일어난다면, 온도 또는 압력에 의해 유도된 광학섬유 길이의 변화는 출력전압의 진폭에 영향을 미치지 않는다는 것이다. 이와 마찬가지로, 평평한 샘플을 비광학적으로 주사함으로써 탐침과 샘플 표면간의 거리가 변하게 되더라도, 중심 신호(46)와 외부 신호(44)(48)사이의 비율이 변하지 않는다.
제6도에 도시된 감지기를 검사하면, 편광제어기(68)에 의해 발생된π/2의 위상전이가 없을 때에 출력신호가 (kA)2에 비례함을 알 수 있다(여기서 k는 광파수이며, A는 음파의 진폭이다). 진동 또는 온도의 변화로 인해 광학 섬유의 복굴정성이 변하게 되면, 이러한 π/2의 위상전이는 보장될 수 없다. 그러므로, 추가적인 예방책으로서, 위상변조기(60)을 루우프내의 주파수 ωM로 사용하고 출력을 주파수차 ωA-ωM에서 검출하면, 비교적 큰 감도 및 kA에 대한 선형성이 얻어질 수 있다. 위상변조기(60)을 사용하여 도선(66)상에서의 검출기(28)의 출력을 분석하면, 출력전압은 다음과 같이 된다.
Figure kpo00020
여기서
Figure kpo00021
이고,
Figure kpo00022
이며, M은 위상변조기에 의해 신장된 광학섬유의 길이이고, Ji는 차수 i의 제1종 베셀(Bessel)함수이며, V0는 다음과 같다.
Figure kpo00023
여기서, R은 검출기의 부하 임피이던스이고, η는 검출기의 양자 효율이며 Io는 광학섬유에 결합된 레이저 전력이고, α는 샘플에서 반사되어 광학섬유 코어내로 다시 결합된 광선의 상대량이다. 식(12)는, 표면 변위에 의해 발생된 위상전이를 나타내는 지수함수[즉, 식(1)]의 급수전개를 취하고 이것을 위상변조기(60)에 의해 발생된 위상전이를 나타내는 지수함수의 급수전개와 곱하여 줌으로써 유도된다. 특정한 예로서, 위 변수들은 T=1μs, fA=500k㎐, fM=400kHz, Io=450μW, R=10kΩ, η=0.8, α=(10)의 값을 가질 수 있다. 대부분의 경우에, 음향의 진폭은 광학 파장보다 낮은 차수의 크기이고, 주파수 wA-wM에서의 출력(Vout)은 Vout=γA이다. J1(kM)가 최대로 되도록 위상변조기에 인가된 전압을 조정할 때, 비례상수 γ는 이론적으로는 52μVrms/Å으로 될 것으로 예상된다.
제7도에는, 중심주파수가 0.5M㎐이고 폭이 6㎝인 PZT변환기에 의해 여기된 광택 스테인레스 스틸제 샘플을 사용할 경우의 음향전력에 따른 출력전압의 변화가 도시되어 있다. 110㏈의 음향전력의 범위에 걸쳐, 이들의 관계가 선형이라는 것을 알 수 있다. 제7도에는 또한, 2ωM에서의 전력 출력이 위상변조기 전력의 함수로서 도시되어 있다. 이 감지기는 2ωM에서의 최대 출력(즉, 이 실시예에서는 26mVrms)과 주파수차 ωA-ωM에서의 출력을 비교함으로써 용이하고도 정확하게 조정될 수 있다.
이러한 방식으로, 표면음파의 진폭과 출력 실효치(rms)전압 사이의 비례상수 γ는 γ=24μV/Å이 된다는 것을 알게 되었다. 로크-인 증폭기의 적분시간이 0.1초일 때, 잡음레벨의 실효치는 0.01μV였고, 이에 따른 감도는 0.0003Å으로 되었다. 이미 보고된 최대 감도는 동일한 적분시간에 대하여 0.002Å이었다.
더 작은 음향 진폭이 검출될 수 있는 한가지 이유는, 위상변조기의 주파수를 적절히 조정하면 저주파 출력(ωA-ωM=2π100k㎐)이 얻어지기 때문이다. 따라서, 입력 임피이던스가 큰 증폭기를 검출기에 접속하면, 열잡음이 쇼트(shot) 및 레이저잡음에 비해 작게 되도록 출력 신호를 충분히 크게 하여줄 수 있다. 그러나, "어플라이드 옵틱스(Applied Optics) "제8권, 제1567호(1969년)에 수록된 알. 엘. 휘트먼(R.L.Whitman)과 에이. 코펠(A.Korpel)의 논문에 기재된 바와 같은 종래 기술의 한가지 감지기에 있어서는, 2개의 비교적 높은 주파수들의 검출되어야 하기 때문에 제1증폭기의 열잡음이 제한적 요소로 되는 경우가 자주 있다. 광학섬유 위상변조기의 가용주파수에 비하여 음향 주파수가 상당히 높은 경우의 광학섬유 탐침에 있어서는, 주파수 ωLD에서 레이저 다이오드의 세기를 변조시킴으로써 저주파 출력이 역시 얻어질 수 있다. 이 경우에, 주파수차 출력은 ωA-ωLD±ωM이 주파수에서 얻어진다. 출력신호는 8㏈정도 감소하는데, 그 이유는 (1) 레이저 다이오드가 사용된 경우, 1.3G㎐까지의 변조주파수에 대해 I1/Io=1/4로 되고, (2) 신호의 1/2이 ωA+ωLD±ωM으로 상향 전이되기 때문이다.
감지기 감도의 주파수 종속성은 중요하다. 이러한 중속성은 식(12)에서의 γA와 wA사이의 관계에 의해 주어지며, 제8도에는 이와 같은 종속성이 2개의 루우프 길이 T에 대하여 도시되어 있다. 루우프의 길이는 결합기들이 제조된 후에 고정되는 것이 전형적이지만, 순전한 광학섬유 가변지연선에 의하면 주파수 응답을 넓은 범위에 걸쳐 조정할 수 있다. 더 높은 조파 f=n 1/T(n=1,2,…)중의 어느 하나가 사용될 수도 있다. 제8도에서는, 32M㎐변환기에서의 LiNbO3지연선을 1μs저연차 루우프의 33번째 조파와 함께 사용하여 시험점을 얻었다. LiNbO3장치의 동적 영역(dynamic range)은 78㏈이었다. 동적 영역은 110㏈이하인데, 그 이유는 (1) 변환기에 대한 일정한 입력 전력에 대해 음향 진폭이 1/ω정도 감소하고, (2)상술한 레이저 다이오드 변조 방식이 사용될 때 출력이 8㏈만큼 감소되기 때문이다.
이 경우에 단일모우드 광학섬유를 사용하면, 반사된 광선을 광선을 광학섬유의 단일모우드내로 다시 입사시킬 때에 문제점이 나타날 수 있다. 광학섬유와 기질간의 거리는 10μm인 것이 주사(走査)에 편리하며, 이때 반사성이 큰 광택 표면의 경우에는 25%의 입사 광선이 코어내로 다시 결합하게 되고, 0.5μm의 조도(組度)를 갖고 있는 표면의 경우에는 13%가 결합하게 된다. 광학섬유내로 다시 결합된 광선량을 증가시키고 전형적으로 거친 샘플을 비파괴적인 평가로써 검사하기 위해서는, 광학섬유와 샘플 사이에 SELFOC렌즈를 사용할 수도 있다.
다른 실시예에 있어서, 레이저 다이오드는 주파수 ωLD에서 강도 변조될 수 있고, 바람직한 신호는 ωLD또는 ωM과 음향주파수 ωA와의 주파수합 및 주파수차의 어느 주파수에서도 검출될 수 있다. 전형적으로는 주파수차의 최저값이 검출되므로, 신호 대 잡음비를 증가시키는 높은 임피이던스의 포스트(post)검출 증폭기를 사용할 수 있게 된다.
또한, 샘플의 반사도가 주사표면에 걸쳐 변화한다면, 공간적으로 변하는 반사도 α를 참조하여 식(12) 및 (13)에서 알 수 있는 바와 같이, 음향의 진폭을 검출할 때에 오차가 발생할 수 있다. wA를 포함하지 않는 부가적인 주파수(예를 들어 ωLD±ωM)에서 검출을 행하면, 상술한 오차의 발생을 최소화할 수 있다. 이때, 맨 처음에 검출된 신호는 부가적으로 검출된 신호에 의해 분배되므로, 샘플 반사도에 대한 종속성이 제거된다.
이상에서는 감도 및 안정도가 개량된 표면 음파용의 순전한 광학섬유 감지기에 대해 기술하였다. 특정한 실시예에 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 이것은 본 발명을 설명하기 위한 것으로서 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 첨주된 특허 청구의 범위에서 정의된 바와 같은 본 발명의 원리 및 범위를 벗어나지 않고도 본 발명을 다양하게 변경 및 응용할 수 있을 것이다.

Claims (24)

  1. 하나의 간섭성 광신호(32)를 제1 및 제2간섭성광신호로 분리시키기 위한 방향성 결합기(22)와, 상기 제1간섭성 광신호를 상기 제2간섭성 광신호에 대하여 제1지연기간만큼 지연시킴으로써 지연된 제1광신호(40)가 제공되도록 하기 위한 제1지연선(14)와, 상기 지연된 제1광신호(40) 및 상기 지연된 제2광신호(42)의 각각을 표면에 유도함으로써 상기 지연된 제1광신호(40)에 대응하는 제1반사광 신호 및 상기 제2광신호(42)에 대응하는 제2반사광 신호가 발생되도록 하기 위한 도파관(20D)와, 상기 제2의 반사광 신호를 상기 제1지연기간만큼 지연시킴으로써 제2의 지연된 반사광 신호가 발생되도록 하기 위한 제2지연선(14)와, 상기 제1반사광 신호와 상기 제2의 지연된 반사광 신호 사이의 위상차를 측정함으로써 상기 도파관과 상기 표면사이의 기하학적 경로의 길이에 있어서의 변화를 측정하기 위한 검출기(28)로 구성되는 표면의 미소 변위를 검출하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합기(22)에 의해 분리되는 상기 하나의 간섭성 광신호(32)가, 상기 제1지연기간보다 짧은 간섭성 시간을 갖고 있는 광선의 연속파로 되어 있는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 결합기(22)에 의해 분리되는 상기 하나의 광신호(32)가, 상기 제1지연선에 의해 부과된 상기 제1지연기간보다 짧은 지속 기간을 갖고 있는 간섭성 광선 펄스로 구성되어 있는 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 방향성 결합기(22)가, 상기 제1간섭성 광신호를 상기 제1 및 제2간섭성 광신호로 균등하게 분리시키기 위한 3㏈결합기로 되어 있는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1지연선(14)는 제1광학섬유 도파관(14)이고, 상기 제2간섭성 광신호는 상기 제1간섭성 광신호를 상기 제2간섭성 광신호에 대하여 상기 제1지연기간만큼 지연시키기에 충분한 양만큼 상기 제1광학섬유 도파관(14)보다 짧은 제2광학섬유 도파관(20)에 의해 상기 제1도파관에 안내되도록 되어 있는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2광학섬유 도파관(14)(20)이 제2방향성 결합기(24)에 의해 함께 결합되고, 상기 도파관(20D)은 상기 제2방향성 결합기(24)에 의해 상기 제1 및 제2광학섬유 도파관에 결합되도록 되어 있는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2방향성 결합기(24)가 상기 지연된 제1광신호(40)과 상기 제2간섭성 광신호를 상기 도파관(20D)내의 2개의 광신호에 재결합시키도록 되어 있는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2방향성 결합기(24)가, 상기 제1반사광 신호를 상기 제2광학섬유 도파관(20)내로 결합되는 제3반사광 신호와 상기 제1광학섬유 도파관(14)내로 결합되는 제4반사광 신호로 분리시키고, 상기 제2반사광 신호가 상기 제2광학섬유 도파관(20)내로 결합되는 제5반사광 신호와 상기 제1광학섬유 도파관(14)내로 결합되는 제6반사광 신호로 분리되도록 쌍방향성으로 되어 있는 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 방향성 결합기(22)가, 각각의 상기 제3, 제4, 제5 및 제6반사광 신호 부분을 상기 검출기(28)의 입력에 결합시키도록 쌍방향성으로 되어 있는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 검출기(28)이, 상기 제3 및 제6반사광 신호로부터 발생된 결합된 신호의 세기를 검출하기 위한 광검출기로 되어 있는 장치.
  11. 제5항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2광학섬유 도파관내에서 이동하는 각각의 광신호들내에 주기적으로 시간에 따라 변하는 연속적인 위상차를 발생시키기 위해 상기 제1광학섬유 도파관(14) 또는 상기 제2광학섬유 도파관(20)내에 배치된 위상변조기 수단(60)을 더욱 포함하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 검출기(28)에 의해 발생된 출력신호 성분의 진폭이 표면 변위의 진폭에 비례하며, 이 진폭은 표면 변위의 주파수와 상기 위상변조기 수단(60)의 주파수 사이의 차(差)주파수에서 시간에 따라 변하도록 되어 있는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 검출기(28)이, 상기 차주파수 이외의 다른 주파수에서 출력신호 성분을 여파하고 또한 상기 차주파수의 다수의 주기에 걸쳐서 상기 차주파수 성분을 적분하기 위한 수단을 포함하고 있는 장치.
  14. 제3항에 있어서, 상기 펄스들의 지속기간이 감지될 표면 변위의 주기보다 짧게 되어 있는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 검출기(28)의 대역폭이 감지될 표면 변위의 중심 주파수보다 크게 되어 있는 장치.
  16. 제6항 내지 제10항 또는 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합기들 사이의 동일한 기하학적인 경로 길이를 이동하는 상기 제1 및 제2반사광 신호부분들이 동일한 편광으로 상기 검출기(28)에 도달하도록 하기 위해 상기 방향성 결합기(22)와 상기 제2방향성 결합기(24)의 사이에서 상기 제1광학섬유 도파관 내에 또는 상기 제2광학섬유 도파관내에 배치되어 있는 편광제어기 수단(68)을 더욱 포함하는 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1광신호(32)는 상기 표면으로 이동하였다가 상기 검출기(28)로 되돌아올 때에 최장의 기하학적 경로를 이동하는 광선이 최단의 기하학적 경로를 이동하는 광선과 간섭하지 않도록 하는 간섭성 길이를 갖고 있고, 상기 편광제어기 수단은 상기 검출기(28)를 향하여 동일한 기하학적 경로를 이동하는 상기 제1 및 제2광신호 부분이 π/2래디안만큼 상대적인 위상이 전이되어 상기 검출기에 도달하게 하여주도록 되어 있는 장치.
  18. 시간 T만큼 제2광학신호보다 선행하는 제1광학신호와 제2광학신호를 표면으로 향하게 하고, 상기 제1 및 제2광학신호에 응답하여 상기 표면으로부터 반사된 제4광학신호보다 선행하는 제3광학신호와 제4광학신호를 수신하고, 시간 T만큼 상기 제3광학신호를 지연시킴으로써 지연된 제3광학신호를 제공하고, 상기 지연된 제3광학신호와 상기 제4광학신호가 간섭되도록 하여줌으로써 이 신호들 사이의 상대적인 위상전이를 결정하는 단계들로 구성되는 표면의 미소 이동 감지방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 간섭에 의해 발생된 결합신호의 진폭을 검출하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 제1 및 제2광학신호가 펄스로 되어 있는 방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 제1 및 제2광학신호가 간섭성 길이가 짧은 광원에 의해 발생된 CW신호로 되어 있는 방법.
  22. 제19항에 있어서, 변조주파수와 표면이동 주파수 사이의 차주파수가 예정된 범위내에 있도록 상기 표면이동 주파수에 관련된 변조주파수에서 제1 및 제2광학신호를 위상변조시키고, 상기 차주파수에서 상기 결합신호의 진폭을 검출하는 단계들을 더욱 포함하는 방법.
  23. 제19항에 있어서, 차주파수가 예정된 범위내에 있도록 상기 표면이동 주파수에 관련된 변조주파수에서 상기 제1 및 제2광학신호를 세기변조시키고, 상기 차주파수에서 상기 결합신호의 진폭을 검출하는 단계들을 더욱 포함하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 제2변조주파수에서 상기 제1 및 제2광학신호를 세기변조시키고, 상기 변조주파수와 상기 제2변조주파수 사이의 합주파수 또는 차주파수에서 상기 결합신호의 진폭을 검출함으로써 제1검출신호를 제공하고, 상기 변조주파수와 상기 표면이동 주파수 사이의 차주파수에서 상기 결합신호의 진폭을 검출함으로써 제2검출신호를 제공하고, 상기 제1검출신호에 의해 상기 제2검출신호를 분리시킴으로써 샘플 반사도에 실질적으로 무관한 표면이동의 진폭의 측정치를 제공하는 단계들을 더욱 포함하는 방법.
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