KR100902045B1 - System for Measuring Surface Vibration using Interferometer and Method therefor - Google Patents
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Abstract
표면 탄성파 응용 소자의 개발 또는 특성 분석에 필요한 탄성파 측정에 적용될 수 있는 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템 및 방법이 개시된다.Disclosed is a system and method for measuring surface vibration using an interferometer that can be applied to measurement of acoustic waves required for development or characterization of surface acoustic wave application devices.
본 발명은, 광 간섭계의 원리를 이용하여 표면 탄성파의 진폭, 주파수 또는 위상 등의 정보를 최소한의 구성으로 효과적으로 측정할 수 있는 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 광을 발생시키는 광발생수단; 발생된 광을 진행시키는 광섬유; 상기 광섬유의 끝단에서 되반사된 광과 표면 탄성파가 진행하는 매질에서 반사된 광 간의 간섭 신호를 검출하는 광검출수단; 을 포함한다.The present invention relates to a surface vibration measuring system and method using an interferometer that can effectively measure information such as amplitude, frequency, or phase of surface acoustic waves with a minimum configuration by using the principle of an optical interferometer. Generating means; An optical fiber for propagating the generated light; Light detecting means for detecting an interference signal between the light reflected back from the end of the optical fiber and the light reflected from the medium through which the surface acoustic wave travels; It includes.
본 발명에 따르면, 최소한의 광학적, 전기적 부품으로 구성되면서도, 종래 기술보다 우수한 성능을 가지며 부피가 작고 경제적인 측정 시스템을 제공할 수 있고, 신속한 반응 속도를 가지는 간단한 되먹임 회로를 이용하여 진동에 의한 변위값을 실시간으로 직접 읽어내는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to provide a measurement system that is superior to the prior art while having a minimum optical and electrical component, and has a small, economical measurement system. This has the effect of reading the value directly in real time.
표면 탄성파, 광섬유 간섭계, 되먹임, 변위 정보 Surface acoustic wave, fiber optic interferometer, feedback, displacement information
Description
본 발명은, 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면 탄성파 응용 소자의 개발 또는 특성 분석에 필요한 탄성파 측정에 적용될 수 있으며, 광 간섭계의 원리를 이용하여 표면 탄성파의 진폭, 주파수 또는 위상 등의 정보를 최소한의 구성으로 효과적으로 측정할 수 있는 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a surface vibration measurement system and method using an interferometer, and more particularly, to be applied to the measurement of the acoustic wave required for the development or characterization of the surface acoustic wave application device, the amplitude of the surface acoustic wave using the principle of the optical interferometer The present invention relates to a surface vibration measurement system and method using an interferometer that can effectively measure information such as frequency, phase, or the like with a minimum configuration.
표면 탄성파(Surface Acoustic Wave : SAW) 소자는 고체의 표면을 통해 전파되는 음파를 이용하는 소자로서 전기적 대역 투과 필터, 음향 광학 소자 또는 압력 센서 등으로 널리 사용되고 있다.Surface acoustic wave (SAW) devices are devices that use sound waves that propagate through a solid surface, and are widely used as electric band pass filters, acoustic optical devices, or pressure sensors.
도 1 에 표면 탄성파 소자의 기본적인 구조를 나타내었는 바, 압전 물질로 이루어진 기판 상에 빗 형상의 인터디지털 변환기(Interdigital Transducer, 이하 IDT라 한다.)를 제작하고, 여기에 전기 신호를 가하면 표면을 따라 음파가 진행한다. 이러한 음파 신호는 두 번째 전극에서 다시 전기 신호로 변환된다.1 shows a basic structure of a surface acoustic wave device. A comb-shaped interdigital transducer (hereinafter referred to as IDT) is fabricated on a substrate made of a piezoelectric material, and an electric signal is applied to the substrate. Sound waves proceed. This sound wave signal is converted back to an electrical signal at the second electrode.
이때 전기→음파 또는 음파→전기의 변환 효율은 전기 신호의 주파수, IDT 전극의 주기 또는 음파의 속도 등에 의하여 영향을 받으며, 위상 정합 조건을 만족하는 주파수에서만 효율적인 변환이 가능하다.At this time, the conversion efficiency of the electric-sound wave or the sound-wave-electricity is influenced by the frequency of the electric signal, the period of the IDT electrode, or the speed of the sound wave, and can be converted efficiently only at a frequency satisfying the phase matching condition.
따라서, 입력된 전기 신호의 여러 주파수 성분 중에서 특정한 주파수만 출력단에서 검출되고, 다른 주파수 성분들은 열로 변환되거나 되반사된다. 이것이 바로 전기적 대역 필터의 원리이다.Therefore, only a specific frequency among the various frequency components of the input electrical signal is detected at the output stage, and the other frequency components are converted to heat or reflected back. This is the principle of electrical bandpass filters.
또한, 일정한 주파수의 신호가 입력되더라도 압전 물질에 다른 물체가 접촉하거나 압력 또는 온도 조건이 변화하면, 압전 물질의 음파 속도가 변화하게 되어 위상 정합 조건이 달라지고 출력단의 신호 크기가 변화하는 현상이 있는데, 이러한 현상을 응용한 것이 표면 탄성파 센서이다.In addition, even when a signal of a constant frequency is input, when another object comes into contact with the piezoelectric material or when the pressure or temperature condition changes, the sound wave velocity of the piezoelectric material changes, so that the phase matching condition is changed and the signal size at the output terminal is changed. The surface acoustic wave sensor is applied to this phenomenon.
한편, 표면 탄성파를 이용한 광학 소자에서는 기판 자체에 광 도파로 구조를 함께 제작하여 도파로를 진행하는 빛이 음파와 반응하도록 함으로써 투과되는 빛의 파장이나 편광 등을 제어한다.On the other hand, in the optical element using the surface acoustic wave, the optical waveguide structure is also fabricated on the substrate itself to control the wavelength or polarization of the transmitted light by allowing the light traveling through the waveguide to react with the sound wave.
특정 물체의 결함 등을 조사하는 비파괴 검사의 경우에는 검사 대상 물체에 표면 탄성파를 보내고 표면 결함 등에 의해 반사되어 돌아오는 음파를 측정한다.In the case of a non-destructive inspection for inspecting a defect of a specific object, a surface acoustic wave is sent to the object to be inspected, and a sound wave reflected by the surface defect or the like is measured.
1887년 Lord Rayleigh에 의하여 표면 탄성파가 발견된 이후, 표면 탄성파의 측정에 관하여 많은 연구들이 있어 왔다.Since surface acoustic waves were discovered by Lord Rayleigh in 1887, a great deal of research has been done on the measurement of surface acoustic waves.
그 중 하나로서, 도 2 에 도시된 바와 같은 표면파에 의한 광회절 방법이 있다. 상기 도 2 에 도시된 바와 같이, 표면에 비스듬히 입사된 레이저 광은 탄성파의 모멘텀에 의해 그 반사각이 달라지게 된다. 즉, 반사 또는 투과되는 각과 그 광 의 세기를 측정하면 이로부터 탄성파의 주기 및 진폭을 예측할 수 있게 된다.As one of them, there is a light diffraction method by surface waves as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the reflection angle of the laser light obliquely incident on the surface is changed by the momentum of the acoustic wave. In other words, by measuring the angle of reflection or transmission and the intensity of the light, it is possible to predict the period and amplitude of the acoustic wave.
그러나, 탄성파의 주기 및 진폭의 절대값을 구하기 위해서는 매질의 굴절율, 회절 효율 등 다수의 추가 정보들이 요구되며, 특히 탄성파 자체가 여러 주파수 성분으로 이루어진 경우에는 그 분석이 매우 복잡한 문제점이 있다.However, in order to obtain the absolute value of the period and amplitude of the acoustic wave, a lot of additional information such as refractive index and diffraction efficiency of the medium is required. In particular, the analysis is very complicated when the elastic wave itself is composed of several frequency components.
다른 측정 방법으로는, 반사되는 광의 도플러 주파수 천이 값을 측정하는 도플러 진동계(Doppler Vibrometer)를 이용한 방법이 있다. 이 방법은 진동하는 물체의 진폭 또는 속도를 측정할 수 있고, 레이저 스캔을 통해 2차원 영역 내의 정보를 얻는 것이 가능하다.Another measuring method is a method using a Doppler Vibrometer for measuring the Doppler frequency shift value of reflected light. This method can measure the amplitude or velocity of a vibrating object, and it is possible to obtain information in a two-dimensional region through a laser scan.
그러나, 역시 단일 주파수의 진동에 대해서만 측정이 가능하다는 문제점이 있으며, 수 MHz 이상의 진동은 측정이 어렵고 측정 장비가 고가라는 문제점이 있다.However, there is also a problem that can be measured only for the vibration of a single frequency, the vibration of several MHz or more has a problem that the measurement is difficult and expensive measuring equipment.
그 외에, 짧은 레이저 펄스를 이용하여 탄성파에 의한 레이저의 반사각을 측정하는 방법이 있으나, 장비가 고가이며 변위에 대한 정보를 간접적으로 계산하는 방법이므로 부정확하다는 단점이 있어서 실용화하기는 곤란하다.In addition, there is a method of measuring the reflection angle of the laser by the acoustic wave using a short laser pulse, but since the equipment is expensive and indirectly calculates information about the displacement, it is difficult to put to practical use because it is inaccurate.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 표면 탄성파와 같이 변위가 빛의 파장보다 작고 그 진동 주파수가 높은(100 kHz 이상) 경우에 적합하며, 종래 기술보다 우수한 성능을 가지는 표면 진동 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to solve the above problems, and is suitable for the case where the displacement is smaller than the wavelength of light and the vibration frequency is high (100 kHz or more), such as surface acoustic waves, and has better performance than the prior art. It is to provide a surface vibration measuring system and method.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 최소한의 광학적, 전기적 부품으로 구성되어 부피가 작고 경제적인 측정 시스템을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to solve the above problems, to provide a measurement system with a small volume and economical consisting of a minimum of optical and electrical components.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 신속한 반응 속도를 가지는 간단한 되먹임 회로를 이용하여 진동에 의한 변위값을 실시간으로 직접 읽어낼 수 있는 표면 진동 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to solve the above problems, using a simple feedback circuit having a fast response speed surface vibration measurement system and method that can directly read the displacement value due to vibration in real time To provide.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 표면 탄성파 외에 다른 측정계 또는 센서에도 적용할 수 있는 표면 진동 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a surface vibration measuring system and method that can be applied to other measurement systems or sensors in addition to surface acoustic waves.
본 발명은, 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템에 관한 것으로서, 광을 발생시키는 광발생수단; 발생된 광을 진행시키는 광섬유; 상기 광섬유의 끝단에서 되반사된 광과 표면 탄성파가 진행하는 매질에서 반사된 광 간의 간섭 신호를 검출하는 광검출수단; 을 포함한다.The present invention relates to a surface vibration measurement system using an interferometer, comprising: light generating means for generating light; An optical fiber for propagating the generated light; Light detecting means for detecting an interference signal between the light reflected back from the end of the optical fiber and the light reflected from the medium through which the surface acoustic wave travels; It includes.
바람직하게는, 상기 광발생수단은 레이저 다이오드(Laser Diode)인 것을 특징으로 한다.Preferably, the light generating means is characterized in that the laser diode (Laser Diode).
또한 바람직하게는, 상기 광섬유는 그 끝단이 반사 코팅된 것을 특징으로 한다.Also preferably, the optical fiber is characterized in that the end is coated with a reflection.
또한 바람직하게는, 상기 광섬유의 끝단에 시준기(Collimator)가 장착된 것을 특징으로 한다.Also preferably, a collimator is mounted at the end of the optical fiber.
또한 바람직하게는, 상기 광검출수단은 검출된 간섭 신호를 이용하여 상기 광섬유 끝단과 상기 매질 사이의 간격을 측정하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the light detecting means may include a function of measuring a distance between the end of the optical fiber and the medium using the detected interference signal.
또한 바람직하게는, 광 커플러(Coupler) 및 광 서큘레이터(Optical Circulator) 중에서 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, it further comprises any one of an optical coupler (Coupler) and an optical circulator (Optical Circulator).
또한 바람직하게는, 상기 간섭 신호를 분석하여 광 출력이 상기 매질의 진동 변위의 1차 함수로 표현되도록 상기 광섬유 끝단과 상기 매질 표면 사이의 거리 조절 신호를 전송하는 피드백수단; 및 상기 거리 조절 신호를 전송받아 상기 광섬유 끝단과 상기 매질 표면 사이의 거리를 조절하는 액츄에이터; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, feedback means for analyzing the interference signal and transmitting a distance adjustment signal between the end of the optical fiber and the surface of the medium such that the light output is expressed as a linear function of the vibration displacement of the medium; And an actuator configured to receive the distance control signal to adjust a distance between the optical fiber end and the surface of the medium. It characterized in that it further comprises.
또한 바람직하게는, 상기 피드백수단은 상기 간섭 신호의 교류 성분의 크기가 최대가 되도록 되먹임하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the feedback means feeds back the maximum magnitude of the alternating current component of the interference signal.
또한 바람직하게는, 상기 1차 함수는 다음의 수학식으로 표현되는 1차 함수인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the linear function is a linear function represented by the following equation.
(상기 수학식에서, I(t)는 광의 세기를 나타내며, R1과 R2는 각각 상기 광섬유 끝단에서의 반사율 및 상기 매질에서 반사되어 상기 광섬유로 재입사된 경우의 실제 반사율을 나타내고, A(t)는 탄성파의 변위를 나타낸다.)In the above equation, I (t) represents the intensity of light, R 1 and R 2 represent the reflectance at the end of the optical fiber and the actual reflectance when the light is reflected from the medium and re-entered into the optical fiber, and A (t ) Represents the displacement of the acoustic wave.)
또한 바람직하게는, 상기 액츄에이터는 인가된 전압에 따라 상기 광섬유의 길이를 조절할 수 있는 압전 소자인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the actuator is characterized in that the piezoelectric element that can adjust the length of the optical fiber according to the applied voltage.
그리고 바람직하게는, 상기 액츄에이터는 광 출력을 규격화하여 진동 변위의 절대값을 구하기 위하여, 상기 광섬유 끝단과 상기 매질의 표면 사이의 거리를 1/4 파장 이상 스캔하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.And preferably, the actuator includes a function of scanning the wavelength between the optical fiber end and the surface of the medium by a quarter wavelength or more to obtain an absolute value of the vibration displacement by standardizing the light output.
한편, 본 발명은 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템에 관한 것으로서, 광을 발생시키는 광발생수단; 발생된 광을 분리하는 광선분리수단; 상기 광선분리수단에 의해 분리된 일부의 광을 굴절시켜 표면 탄성파가 진행하는 매질에서 반사되도록 하는 렌즈; 상기 광선분리수단에 의해 분리된 다른 일부의 광을 되반사시키는 반사수단; 및 상기 반사수단에서 되반사된 광과 표면 탄성파가 진행하는 매질에서 반사된 광 간의 간섭 신호를 검출하는 광검출수단; 을 포함한다.On the other hand, the present invention relates to a surface vibration measurement system using an interferometer, the light generating means for generating light; Ray separating means for separating the generated light; A lens for refracting a part of light separated by the light beam separating means to be reflected in a medium in which surface acoustic waves travel; Reflecting means for reflecting back the other part of the light separated by said light separating means; And light detecting means for detecting an interference signal between the light reflected back from the reflecting means and the light reflected from the medium through which the surface acoustic wave travels; It includes.
바람직하게는, 상기 간섭 신호를 분석하여 광 출력이 상기 매질의 진동 변위 의 1차 함수로 표현되도록 상기 반사수단의 위치 조절 신호를 전송하는 피드백수단; 및 상기 위치 조절 신호를 전송받아 상기 반사수단의 위치를 조절하는 액츄에이터; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, feedback means for analyzing the interference signal and transmitting a position adjustment signal of the reflecting means such that the light output is expressed as a linear function of the vibration displacement of the medium; And an actuator configured to receive the position adjustment signal and adjust the position of the reflecting means. It characterized in that it further comprises.
또한 바람직하게는, 상기 피드백수단은 상기 간섭 신호의 교류 성분의 크기가 최대가 되도록 되먹임하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the feedback means feeds back the maximum magnitude of the alternating current component of the interference signal.
그리고 바람직하게는, 상기 액츄에이터는 광 출력을 규격화하여 진동 변위의 절대값을 구하기 위하여, 상기 반사수단의 위치를 1/4 파장 이상 스캔하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.And preferably, the actuator comprises a function of scanning the position of the reflecting means by a quarter wavelength or more to obtain the absolute value of the vibration displacement by standardizing the light output.
한편, 본 발명은 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 방법에 관한 것으로서, (a) 광을 발생시켜 광섬유 내부로 진행하도록 함으로써, 상기 광섬유 끝단에서 되반사된 광 및 표면 탄성파가 진행하는 매질에서 반사된 광이 간섭을 일으키도록 하는 단계; (b) 간섭 신호를 검출하는 단계; (c) 검출된 간섭 신호를 이용하여 광 출력이 상기 매질의 진동 변위의 1차 함수로 표현되도록 상기 광섬유 끝단과 상기 매질 표면 사이의 거리를 조절하는 단계; 및 (d) 표면 탄성파 정보를 출력하는 단계; 를 포함한다.On the other hand, the present invention relates to a surface vibration measurement method using an interferometer, (a) by generating light to proceed to the inside of the optical fiber, the light reflected back from the optical fiber end and the light reflected from the medium through which the surface acoustic wave proceeds Causing interference; (b) detecting the interfering signal; (c) using the detected interference signal to adjust the distance between the optical fiber tip and the surface of the medium such that the light output is expressed as a first-order function of vibration displacement of the medium; And (d) outputting surface acoustic wave information; It includes.
바람직하게는, 상기 (c) 단계는, (c-1) 상기 간섭 신호의 교류 성분의 크기가 최대가 되도록 되먹임하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step (c) comprises the steps of: (c-1) feeding back the maximum amount of the alternating current component of the interference signal; Characterized in that it comprises a.
그리고 바람직하게는, 상기 (c) 단계는, (c-2) 광 출력을 규격화하여 진동 변위의 절대값을 구하기 위하여, 상기 광섬유 끝단과 상기 매질의 표면 사이의 거리를 1/4 파장 이상 스캔하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.And preferably, in the step (c), (c-2) scanning the distance between the optical fiber ends and the surface of the medium by 1/4 wavelength or more to obtain the absolute value of the vibration displacement by normalizing the light output (c-2) step; Characterized in that it comprises a.
본 발명에 따르면, 표면 탄성파와 같이 변위가 빛의 파장보다 작고, 그 진동 주파수가 높은(100 kHz 이상) 경우에 적합한 효과가 있다.According to the present invention, an effect is suitable when the displacement is smaller than the wavelength of light, such as surface acoustic waves, and the vibration frequency is high (100 kHz or more).
본 발명에 따르면, 최소한의 광학적, 전기적 부품으로 구성되면서도, 종래 기술보다 우수한 성능을 가지며, 부피가 작고 경제적인 측정 시스템을 제공하는 효과가 있다.According to the present invention, while having a minimum optical and electrical components, it has an excellent performance than the prior art, and has the effect of providing a small and economical measurement system.
본 발명에 따르면, 신속한 반응 속도를 가지는 간단한 되먹임 회로를 이용하여 진동에 의한 변위값을 실시간으로 직접 읽어내는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of directly reading the displacement value due to vibration in real time using a simple feedback circuit having a fast reaction speed.
본 발명에 따르면, 표면 탄성파 외에 다른 측정계 또는 센서에도 적용이 가능한 효과도 있다.According to the present invention, there is also an effect that can be applied to other measuring systems or sensors in addition to the surface acoustic wave.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 발명의 기술적 요지와 직접적 관련이 없는 구성에 대하여는 본 발명의 기술적 요지를 흩뜨리지 않는 범위 내에서 생략하였음을 유의하여야 할 것이다.Before describing the details for carrying out the present invention, it should be noted that configurations that are not directly related to the technical gist of the present invention are omitted within the scope of not distracting the technical gist of the present invention.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.In addition, the terms or words used in the present specification and claims are consistent with the technical spirit of the present invention on the basis of the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain the invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept.
이하, 본 발명에 따른 광섬유 간섭계를 이용한 표면 진동의 측정 원리에 대하여 도 3 내지 도 4 를 참조하여 설명한다.Hereinafter, the measuring principle of the surface vibration using the optical fiber interferometer according to the present invention will be described with reference to FIGS.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계를 이용한 표면 진동의 측정 원리를 나타내는 개략도이며, 도 4 는 시간에 따른 변위 및 출력 신호 측정 결과의 예시도이다.FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a measurement principle of surface vibration using an optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an exemplary diagram of displacement and output signal measurement results over time.
상기 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 광섬유 간섭계를 구성하여 표면 탄성파의 시간에 따른 변위를 직접 측정하는 방식을 사용한다.As shown in FIG. 3, in an embodiment of the present invention, a fiber interferometer is used to directly measure the displacement of the surface acoustic wave over time.
레이저 다이오드(Laser Diode)로부터 발생한 레이저 광의 일부는 단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber) 끝단의 유리-공기 경계면에서 되반사되며, 일부는 표면 탄성파가 진행하는 매질의 표면에서 반사된다. 이 두 빛의 간섭 신호를 검출기(Detector)로 검출하여 이로부터 광섬유와 매질 간의 간격 d를 측정한다.Part of the laser light generated from the laser diode is reflected back at the glass-air interface at the end of the single mode fiber, and part is reflected at the surface of the medium through which the surface acoustic wave propagates. The interference signal of the two lights is detected by a detector, and the distance d between the optical fiber and the medium is measured therefrom.
상기 단일 모드 광섬유는 광선을 단일 전송하기 위해 설계된 광섬유로서, 멀티 모드 광섬유(Multi Mode Fiber)에 비해 데이터 손실이 적어서 주로 장거리 신호 전송에 사용된다.The single mode optical fiber is an optical fiber designed to transmit a single beam of light, and has a low data loss compared to a multi mode optical fiber, and thus is mainly used for long distance signal transmission.
본 발명에서는 적절한 되먹임 회로를 통해 단일 모드 광섬유와 매질 간의 평균 간격을 항상 일정한 값으로 유지함으로써 신호 처리가 거의 필요 없다. 이 방법은 표면 탄성파와 같이 그 변위가 파장보다 항상 작은 경우에는 매우 효과적이어서 변위 정보를 그대로 출력광의 세기로 변환할 수 있다.In the present invention, there is little signal processing by keeping the average distance between the single mode optical fiber and the medium at a constant value through an appropriate feedback circuit at all times. This method is very effective when the displacement is always smaller than the wavelength, such as surface acoustic waves, so that the displacement information can be converted into the intensity of the output light as it is.
도 4 에 측정 결과의 예를 나타내었는 바, 측정 시스템의 출력단에서 얻게 되는 최종적인 신호는 표면 탄성파의 시간에 따른 변위를 그대로 보여주고 있음을 알 수 있다. 이는 기존의 측정 장치들이 탄성파의 평균 변위, 중심 주파수 또는 중심 파장 등을 보여주는 것과는 달리, 시간에 따른 변위의 정보를 그대로 보여줄 수 있음을 의미하는 것으로서, 탄성파 관련 연구 개발에 있어서 매우 효과적이다.4 shows an example of the measurement result, it can be seen that the final signal obtained at the output of the measurement system shows the displacement of the surface acoustic wave over time as it is. This means that the existing measuring devices can show the information of displacement over time as it is, unlike the average displacement, the center frequency, or the center wavelength of the seismic wave.
또한, 도 3 에 도시된 바와 같은 본 발명에서의 간섭계 구조는 간섭하는 두 광이 두께 d의 공기층 외에는 정확히 같은 경로의 광섬유를 지나게 되는 구조이므로 여기서 겪게 되는 편광의 변화도 정확히 일치하게 되어 간섭 신호의 크기가 항상 최대로 유지된다. 즉, 광섬유를 지나는 편광이 쉽게 변하여 간섭 신호의 크기(Visibility)를 불안정하게 하는 문제점이 발생하지 않는다.In addition, since the interferometer structure in the present invention as shown in FIG. 3 has a structure in which two interfering light passes through an optical fiber of exactly the same path except for the air layer having a thickness d, the change in polarization that is experienced here is exactly matched. The size is always kept at maximum. That is, the polarization passing through the optical fiber is easily changed so that the problem of unstable visibility of the interference signal does not occur.
따라서, 본 발명에 따른 표면 탄성파 측정 시스템은 최소한의 광학적, 전기적 구성을 가지며, 표면 탄성파의 변위를 직접 읽어내는 장치로서, 일정한 주파수의 탄성파 외에도 무작위로 변화하는 탄성파의 진폭을 실시간으로 그대로 읽어낼 수 있다.Therefore, the surface acoustic wave measuring system according to the present invention has a minimum optical and electrical configuration and is a device for directly reading the displacement of the surface acoustic wave, and in addition to the elastic wave of a constant frequency, the amplitude of the randomly changing elastic wave can be read in real time. have.
탄성파의 파장 정보는 탄성파의 진행 방향으로 광섬유 프로브(Probe)를 스캔함으로써 얻어낼 수 있으며, 이때 평균적인 파장뿐만 아니라 각 위치에 따른 파장 변화도 측정이 가능하여 유용성이 최대화된다. 특히, 측정 시스템의 프로브가 휘어지기 쉬운 광섬유로 구성되므로 측정 대상으로의 접근성이 우수하며 주위 전자파 등의 영향을 최소화하여 측정 결과의 신뢰성이 향상된다. The wavelength information of the acoustic wave can be obtained by scanning the optical fiber probe in the direction of the elastic wave, and in this case, the wavelength can be measured not only with the average wavelength but also with each position, thereby maximizing usefulness. In particular, since the probe of the measurement system is made of a flexible fiber, the accessibility to the measurement target is excellent, and the reliability of the measurement result is improved by minimizing the influence of ambient electromagnetic waves.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템의 구성에 관하여 도 5 내지 도 6 을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the configuration of the surface vibration measurement system using the optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템의 전체 구성도이며, 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 프로브 부분의 확대도이다.5 is an overall configuration diagram of a surface vibration measurement system using an optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is an enlarged view of a portion of the optical fiber probe according to an embodiment of the present invention.
상기 도 5 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템은 광발생수단(10), 단일모드 광섬유(20), 50/50 커플러(21), 광검출수단(30), 피드백수단(40), 액츄에이터(Actuator, 50), 마운트(Mount, 51) 및 출력수단(60)을 포함한다.As shown in FIG. 5, the surface vibration measuring system using the optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention includes a light generating means 10, a single mode optical fiber 20, a 50/50 coupler 21, and a photodetector. Means 30, feedback means 40, actuators 50, mounts 51 and output means 60.
상기 광발생수단(10)은 간섭광 발생의 전단계로서, 광을 발생시켜 상기 단일모드 광섬유(20) 내부로 진행하도록 한다.The light generating means 10 is a step of generating the interference light, and generates light to proceed into the single-mode optical fiber 20.
상기 광발생수단(10)은 레이저 광을 발생시키는 레이저 다이오드(Laser Diode)인 것이 바람직하다.The light generating means 10 is preferably a laser diode (Laser Diode) for generating a laser light.
상기 레이저 광은 빅셀(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback Laser : DFB Laser)와 같은 도파로형 반도체 레이저(Semiconductor Waveguide Laser) 등으로 구현될 수 있다.The laser light may be implemented as a semiconductor waveguide laser such as a vertical cavity surface emitting laser or a distributed feedback laser (DFB laser).
상기 분포 궤환형 레이저는 광도파로가 주기 구조가 되도록 함으로써 파장 선택성을 지니게 한 공진기를 갖춘 레이저로서, 광섬유 내부에서 전송되는 광의 속도가 동일하게 되어 신호 파형이 붕괴되지 않는다.The distributed feedback laser is a laser having a resonator that has a wavelength selectivity by allowing an optical waveguide to have a periodic structure, and the speed of light transmitted inside the optical fiber is the same so that the signal waveform does not collapse.
다음으로, 상기 단일모드 광섬유(20)는 상기 광발생수단(10)에서 발생된 광 이 그 내부로 진행하여, 진행한 광의 일부는 끝단의 유리-공기 경계면에서 되반사되도록 하고, 다른 일부는 표면 탄성파가 진행하는 매질의 표면에서 반사되도록 한다.Next, the single mode optical fiber 20 causes the light generated by the light generating means 10 to proceed therein, so that a part of the propagated light is reflected back at the glass-air interface at the end, and the other part is a surface. The acoustic waves are reflected at the surface of the traveling medium.
본 발명의 일 실시예에서, 광섬유는 단일모드 광섬유(20)로 설정하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.In an embodiment of the present invention, the optical fiber is set as the single mode optical fiber 20, but the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
바람직하게, 상기 단일모드 광섬유(20)의 끝단에는 적절한 반사 코팅을 함으로써 반사율을 증가시킬 수 있다.Preferably, the reflectance may be increased by applying an appropriate reflective coating to the end of the single mode optical fiber 20.
또한, 상기 단일모드 광섬유(20)의 끝단에 시준기(Collimator, 도면에는 미도시됨)를 장착함으로써 표면 탄성파가 진행하는 매질의 표면에서 반사된 광이 상기 단일모드 광섬유(20)로 재입사되는 양을 최대화시키는 것이 바람직하다.In addition, by mounting a collimator (not shown in the figure) at the end of the single-mode optical fiber 20, the amount of light reflected from the surface of the medium through which the surface acoustic wave propagates back into the single-mode optical fiber 20 It is desirable to maximize.
상기 시준기는 평행 광선을 형성시키기 위한 광학 장치로서, 대물 렌즈의 초점면에 접안부의 슬릿, 핀홀 또는 십자금 등의 마크를 접안부 쪽으로부터 광을 입사시키면 대물 렌즈를 나와 평행 광선이 되는 것이 일반적이다.The collimator is an optical device for forming parallel light rays, and when light is incident on the focal plane of the objective lens from the eyepiece side with a mark such as a slit, pinhole, or crosshair of the eyepiece, the light beam exits the objective lens and becomes a parallel light beam.
다음으로, 상기 50/50 커플러(21)는 상기 광발생수단(10)에 의하여 발생된 광을 분배한다.Next, the 50/50 coupler 21 distributes the light generated by the light generating means 10.
상기 50/50 커플러(21)는 통상의 광 커플러(Coupler)로 설정될 수 있다.The 50/50 coupler 21 may be set as a conventional optical coupler (Coupler).
검출되는 간섭 신호의 크기가 최대가 될 수 있도록, 상기 50/50 커플러(21)는 광을 광의 세기 기준으로 50%씩 분배하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다.In order to maximize the size of the detected interference signal, the 50/50 coupler 21 preferably distributes the light by 50% based on the light intensity, but is not limited thereto.
또한, 본 발명은 상기 50/50 커플러(21) 대신, 상기 광발생수단(10)에 의하 여 발생된 광의 분배를 위하여, 광 서큘레이터(Optical Circulator, 도면에는 미도시됨)로 구현될 수도 있다.In addition, the present invention may be implemented as an optical circulator (not shown in the figure) in order to distribute the light generated by the light generating means 10 instead of the 50/50 coupler 21. .
상기 광 서큘레이터는 투명한 자성체에서의 패러데이 효과를 이용하는 서큘레이터이다. 광절연체와 마찬가지로 배치하며, 편광 프리즘 대신에 복상 편광 프리즘을 사용하여 구성하는 것이 통상적이다.The optical circulator is a circulator using a Faraday effect in a transparent magnetic material. It arrange | positions like an optical insulator and it is common to comprise using a bipolar polarizing prism instead of a polarizing prism.
상기 도 5 에 도시된 바와 같이, 상기 50/50 커플러(21)를 사용하는 경우 광섬유가 네 가닥으로 구성되므로 그 중 한 가닥에서 광의 손실이 발생한다. 반면, 상기 광 서큘레이터는 일반적으로 광섬유 세 가닥으로 구성되므로, 광의 손실이 없는 장점이 있다.As shown in FIG. 5, when the 50/50 coupler 21 is used, the optical fiber is composed of four strands, so light loss occurs in one strand thereof. On the other hand, the optical circulator is generally composed of three optical fibers, there is an advantage that there is no loss of light.
다음으로, 상기 광검출수단(30)은 상기 단일모드 광섬유(20)로부터 간섭광을 검출한다. Next, the light detecting means 30 detects the interference light from the single mode optical fiber 20.
검출된 간섭광으로부터 광섬유 끝단과 매질 사이의 간격을 측정할 수 있는 바, 이하, 측정한 광섬유 끝단과 매질 사이의 간격을 이용하여 표면 탄성파의 변위를 직접 구하는 원리를 상세히 설명한다.Since the distance between the optical fiber end and the medium can be measured from the detected interference light, the principle of directly calculating the displacement of the surface acoustic wave using the measured distance between the optical fiber end and the medium will be described in detail.
상기 단일모드 광섬유(20) 끝단과 매질 사이의 간격을 d라고 했을 때, d는 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.When the interval between the end of the single mode optical fiber 20 and the medium is d, d may be expressed as
상기 [수학식 1]에서, d0는 탄성파가 없는 경우의 상기 단일모드 광섬유(20) 끝단과 매질 사이의 간격을 나타내며, A(t)는 표면 탄성파의 변위를 나타낸다.In
상기 광검출수단(30)에 도달하는 광 출력의 세기는 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.The intensity of the light output reaching the light detecting means 30 can be expressed by Equation 2 below.
상기 [수학식 2]에서, R1과 R2는 각각 상기 단일모드 광섬유(20) 끝단에서의 반사율 및 상기 매질에서 반사되어 상기 단일모드 광섬유(20)로 재입사된 경우의 실제 반사율을 나타낸다.In Equation 2, R 1 and R 2 respectively represent reflectances at the ends of the single mode optical fiber 20 and actual reflectances when reflected from the medium and re-entered into the single mode optical fiber 20.
이때, A(t)를 추출하기 위하여, A(t)≪λ라는 조건(표면 탄성파의 경우, 일반적으로 이러한 조건을 만족한다.) 하에서 다음의 [수학식 3]과 같은 특수한 경우에는 상기 [수학식 2]를 다음의 [수학식 4]와 같이 근사시킬 수 있다.At this time, in order to extract A (t), under the condition of A (t) < λ (in the case of surface acoustic waves, these conditions are generally satisfied). Equation 2 can be approximated as in Equation 4 below.
상기 [수학식 4]에서, 광 출력의 세기가 표면 탄성파 진폭의 1차 함수로 나타나므로 특별한 신호 처리 없이도 표면 탄성파의 변위 A(t)를 직접 관찰할 수 있음을 알 수 있다.In Equation 4, since the intensity of the light output is expressed as a linear function of the surface acoustic wave amplitude, it can be seen that the displacement A (t) of the surface acoustic wave can be directly observed without special signal processing.
다음으로, 상기 피드백수단(40)은 상기 [수학식 3]의 조건을 유지시키기 위하여, 상기 광검출수단(30)으로부터 검출되는 신호를 분석하여 되먹임한다.Next, the feedback means 40 analyzes and feeds back the signal detected from the photodetecting means 30 to maintain the condition of Equation (3).
상기 [수학식 3]의 조건이 만족되는 경우에는 상기 [수학식 4]가 성립되는 한편, 주어진 A(t)에 대해 I(t)의 변화량이 최대가 된다. 이러한 성질을 이용하여 상기 광검출수단(30)으로부터 검출되는 신호의 교류(AC) 성분의 크기가 최대가 되는 방향으로 상기 액츄에이터(50)로 거리 조절 신호를 전송한다.When the condition of Equation 3 is satisfied, Equation 4 is established while the change amount of I (t) is maximum for a given A (t). By using this property, the distance control signal is transmitted to the actuator 50 in the direction in which the magnitude of the alternating current (AC) component of the signal detected from the photodetector 30 is maximized.
전송된 거리 조절 신호에 따라 상기 액츄에이터(50)가 이동함으로써 상기 [수학식 3]의 조건을 유지할 수 있다.By moving the actuator 50 according to the transmitted distance control signal, the condition of Equation 3 can be maintained.
상기 d0는 주변의 진동 또는 온도 변화 등에 민감하므로 10 Hz 내지 1000 Hz의 속도로 되먹임 루프를 가동하는 것이 바람직하다.Since d 0 is sensitive to ambient vibration or temperature change, it is preferable to operate the feedback loop at a speed of 10 Hz to 1000 Hz.
다음으로, 상기 액츄에이터(50)는 상기 단일모드 광섬유(20)와 표면 탄성파 가 진행하는 매질 간의 간격을 조절한다.Next, the actuator 50 adjusts the distance between the single mode optical fiber 20 and the medium through which the surface acoustic wave travels.
구체적으로, 상술한 바와 같이 상기 피드백수단(40)으로부터 거리 조절 신호를 전송받은 경우 또는 변위의 절대값을 구하는 경우 등에 있어서 상기 액츄에이터(50)가 상기 단일모드 광섬유(20)와 상기 매질 간의 간격을 조절한다.Specifically, as described above, when the distance control signal is received from the feedback means 40 or when the absolute value of the displacement is obtained, the actuator 50 may adjust the distance between the single mode optical fiber 20 and the medium. Adjust.
변위의 절대값을 구하기 위해서는 상기 [수학식 4]에서의 C1 및 C2를 결정하여야 하는데, 상기 d0를 변화시키면서 쉽게 구할 수 있다. 즉, 상기 [수학식 2]에서, d0를 1/4 파장 이상 변화시키면서 I(t)의 최대값 및 최소값을 얻으면 이로부터 C1 및 C2를 결정할 수 있다.In order to obtain the absolute value of the displacement, C 1 and C 2 in Equation 4 should be determined, which can be easily obtained by changing d 0 . That is, in Equation 2, C 1 and C 2 may be determined from the maximum and minimum values of I (t) while changing d 0 by at least 1/4 wavelength.
상기 C1 및 C2 값에 영향을 미치는 광의 파장 또는 반사율 등은 거의 고정된 값이므로, 필요에 따라서 한 번씩만 d0를 스캔하여 상기 C1 및 C2를 결정하면 충분하다.C 1 and C 2 Since the wavelength or reflectance of light or the like affecting the value is almost a fixed value, it is sufficient to determine the C 1 and C 2 by scanning d 0 only once as necessary.
바람직하게, 상기 액츄에이터(50)는 압전 소자로 구현될 수 있다.Preferably, the actuator 50 may be implemented as a piezoelectric element.
본 실시예에 따른 상기 액츄에이터(50)는 표면 탄성파의 파장 스케일로 이동하는 등 그 이동량이 미미하므로 압전 소자를 사용하는 것이 효과적이다. Since the actuator 50 according to the present embodiment has a small amount of movement such as moving on the wavelength scale of the surface acoustic wave, it is effective to use a piezoelectric element.
다음으로, 상기 마운트(51)는 상기 액츄에이터(50)을 지지하는 기능을 수행한다.Next, the mount 51 performs a function of supporting the actuator 50.
마지막으로, 상기 출력수단(60)은 상기 광검출수단(30)으로부터 검출되는 신호를 이용하여 표면 탄성파에 관한 정보를 출력한다.Finally, the output means 60 outputs information on the surface acoustic wave by using the signal detected from the photodetecting means 30.
상술한 바와 같이, 상기 출력수단(60)은 상기 단일모드 광섬유(20)와 상기 매질 간의 간격을 출력하거나 표면 탄성파의 시간에 따른 변위를 직접 디스플레이할 수 있다. 또한 표면 탄성파 변위의 절대값을 출력할 수도 있으며, 표면 탄성파의 평균적인 파장 정보 및 매질의 위치에 따른 파장 정보를 출력할 수도 있다.As described above, the output means 60 may output the distance between the single mode optical fiber 20 and the medium or directly display the displacement according to the time of the surface acoustic wave. Also, the absolute value of the surface acoustic wave displacement may be output, and the average wavelength information of the surface acoustic wave and the wavelength information according to the position of the medium may be output.
상기 출력수단(60)은 오실로스코프로 설정되는 것이 바람직하다.The output means 60 is preferably set to an oscilloscope.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템에 대한 실험 결과에 관하여 도 7a 내지 도 7b 를 참조하여 설명한다.Hereinafter, the experimental results of the surface vibration measurement system using the optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7A to 7B.
도 7a 는 압전 트랜스듀서(이하, PZT라 한다.)에 의한 원뿔(Horn)의 진동 측정 실험의 개략적인 구성도이며, 도 7b 는 진동 측정 실험 결과를 나타내는 그래프이다.7A is a schematic configuration diagram of a vibration measurement experiment of a cone by a piezoelectric transducer (hereinafter referred to as PZT), and FIG. 7B is a graph showing the results of vibration measurement experiments.
간섭광을 발생시키는 광원으로는 분포 궤환형 레이저를 사용하였으며, 상기 PZT에는 1.4 MHz, 10 V의 전기 신호를 인가하여 A(t)=A0sin(wt)의 변위가 주어졌다.A distributed feedback laser was used as a light source for generating the interference light, and a displacement of A (t) = A 0 sin (wt) was given to the PZT by applying an electric signal of 1.4 MHz and 10 V.
그리고, 도 7a 에 도시된 바와 같이, PZT 디스크(Disc)에 부착된 원뿔 표면의 진동을 측정하였다. 이 원뿔은 광섬유 음향 광학 소자에 사용되는 음파 발생기이다.And, as shown in Figure 7a, the vibration of the cone surface attached to the PZT disc (Disc) was measured. This cone is a sound wave generator used in fiber optic acoustooptics.
XYZ 트랜슬레이터(Translator)를 이용하여 광섬유 프로브(Fiber Probe)와 원뿔 간의 간격 d0를 변화시켰을 때, 각각의 경우 오실로스코프 상에서 얻은 파형을 도 7b 에 나타내었다.When the distance d 0 between the fiber probe and the cone is changed using an XYZ translator, the waveform obtained on the oscilloscope in each case is shown in FIG. 7B.
상기 도 7b 에서, d0값의 변화에 따라 광 신호의 평균 세기 및 진폭이 달라지는데 이는 상기 [수학식 2]에서 예측된 결과와 일치한다. 특히, 상기 도 7b 의 중앙에 도시된 파형 c의 경우에는 그 진폭이 최대가 되며, 출력 파형 역시 사인 함수에 가장 근접하게 나타난다. 이때가 바로 상기 [수학식 3]의 조건이 만족되는 경우이다.In FIG. 7B, the average intensity and amplitude of the optical signal vary according to the change of the value of d 0 , which is consistent with the result predicted by Equation 2 above. In particular, in the case of the waveform c shown in the center of FIG. 7B, the amplitude thereof is maximum, and the output waveform also appears closest to the sine function. This is the case where the condition of [Equation 3] is satisfied.
탄성파의 진동 변위는 약 100 nm로 측정된다.The vibration displacement of the seismic wave is measured at about 100 nm.
상술한 바와 같이, 광 출력의 교류 진폭이 최대가 되도록 되먹임 회로를 구성한다면 안정적으로 상기 도 7b 의 파형 c와 같은 상황을 유지할 수 있음을 알 수 있다.As described above, it can be seen that if the feedback circuit is configured such that the AC amplitude of the light output is maximized, the situation as in the waveform c of FIG. 7B can be stably maintained.
한편, 본 발명은 상술한 광섬유 간섭계 대신에, 자유공간 마이켈슨 간섭계를 이용하여 구현할 수도 있다.Meanwhile, the present invention may be implemented using a free space Michelson interferometer instead of the above-described optical fiber interferometer.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자유공간 마이켈슨 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템에 관하여 도 8 을 참조하여 설명한다. 상술한 광섬유 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템의 구성 요소와 그 기능 또는 작용에 있어서 동일성이 있는 구성 요소에 대하여는 가능한 한 설명을 생략하기로 하며, 동일한 식별 번호를 부여하였음을 유의하여야 할 것이다.Hereinafter, a surface vibration measurement system using a free space Michelson interferometer according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8. It is to be noted that the components of the surface vibration measuring system using the optical fiber interferometer and the components having the same function or function are omitted as much as possible and the same identification numbers are assigned.
도 8 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자유공간 마이켈슨 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템의 구성도이다.8 is a block diagram of a surface vibration measurement system using a free space Michelson interferometer according to another embodiment of the present invention.
상기 도 8 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자유공간 마이켈슨 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템은 광발생수단(10), 광검출수단(30), 피드백수단(40), 액츄에이터(50), 출력수단(60), 광선분리수단(70), 렌즈(71) 및 반사수단(72)을 포함한다.As shown in FIG. 8, the surface vibration measurement system using the free space Michelson interferometer according to another embodiment of the present invention includes a light generating means 10, a light detecting means 30, a feedback means 40, and an actuator. 50, an output means 60, a light beam separating means 70, a lens 71 and a reflecting means 72.
상기 광검출수단(30)은 상기 반사수단(72)에서 되반사된 광과 표면 탄성파가 진행하는 매질의 표면에서 반사된 광 간의 간섭 신호를 검출한다.The light detecting means 30 detects an interference signal between the light reflected back from the reflecting means 72 and the light reflected from the surface of the medium through which the surface acoustic wave travels.
다음으로, 상기 액츄에이터(50)는 상술한 본 발명의 일 실시예의 경우와 유사하게, 상기 반사수단(72)의 위치를 조절함으로써 상기 광검출수단(30)의 광 출력이 매질의 진동 변위의 1차 함수로 표현될 수 있도록 한다.Next, the actuator 50 is similar to the case of the embodiment of the present invention described above, by adjusting the position of the reflecting means 72, the light output of the light detecting means 30 is 1 of the vibration displacement of the medium. It can be expressed as a difference function.
다음으로, 상기 광선분리수단(70)은 상기 광발생수단(10)으로부터 발생된 광을 분리하여, 분리된 광의 일부는 상기 렌즈(71)로 진행하도록 하며, 광의 다른 일부는 상기 반사수단(72)으로 진행하도록 한다.Next, the light beam separating means 70 separates the light generated from the light generating means 10, so that a part of the separated light proceeds to the lens 71, and the other part of the light is the reflecting means 72. Proceed to).
또한, 상기 광선분리수단(70)은 상기 렌즈(71)를 통과하여 표면 탄성파가 진행하는 매질의 표면에서 반사된 광 및 상기 반사수단(72)에서 되반사된 광을 굴절 또는 반사시켜 상기 광검출수단(30)으로 진행하도록 한다.In addition, the light separation means 70 refracts or reflects the light reflected from the surface of the medium through which the surface acoustic wave propagates through the lens 71 and the light reflected back from the reflecting means 72 to detect the light. Proceed to the means 30.
상기 광선분리수단(70)은 통상적인 광선분리기(Beam Splitter)로 구현될 수 있다.The light beam splitter 70 may be implemented as a conventional beam splitter.
광선분리기는 입사 광선 다발을 강도 또는 분광선을 이용하여 2 개 이상으로 나누는 광학 소자를 말한다. 강도로 나누기 위해서는 하프 미러를 사용하며, 분광적으로 나누기 위해서는 색 선별 거울을 사용한다.A beam splitter is an optical device that divides incident light bundles into two or more using intensity or spectral lines. Half mirrors are used for dividing by intensity, and color screening mirrors are used for spectroscopically.
다음으로, 상기 렌즈(71)는 상기 광선분리기(70)에 의해 분리된 광을 굴절시켜 표면 탄성파가 진행하는 매질의 표면에서 반사될 수 있도록 한다. 반사된 광은 상기 광선분리기(70)에서 굴절되어 상기 광검출수단(30)으로 진행한다.Next, the lens 71 refracts the light separated by the ray separator 70 so that the surface acoustic wave can be reflected on the surface of the medium through which the surface acoustic wave propagates. The reflected light is refracted by the light separator 70 and proceeds to the light detecting means 30.
다음으로, 상기 반사수단(72)은 상기 광선분리기(70)에 의해 분리된 광을 되반사시켜 상기 광선분리기(70)를 통해 상기 광검출수단(30)으로 진행하도록 한다.Next, the reflecting means 72 reflects the light separated by the light separator 70 back to the light detecting means 30 through the light separator 70.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 방법에 관하여 도 9 를 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of measuring surface vibration using an optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 방법에 관한 전체 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating a method of measuring surface vibration using an optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention.
먼저, 상기 도 9 에 도시된 바와 같이, 광을 발생시키고 발생된 광을 분배함으로써 분배된 광이 간섭을 일으킬 수 있도록 한다(S10).First, as shown in FIG. 9, by generating light and distributing the generated light, the distributed light may cause interference (S10).
상기 S10 단계에서 분배된 광의 일부는 광섬유 끝단에서 되반사되며, 다른 일부는 탄성파가 진행하는 매질의 표면에서 반사되는데, 이러한 두 광이 간섭을 일으키게 된다.A part of the light distributed in the step S10 is reflected back at the end of the optical fiber, and the other part is reflected at the surface of the medium through which the seismic wave propagates, and these two lights cause interference.
다음으로, 발생한 간섭 신호를 검출한다(S20).Next, the generated interference signal is detected (S20).
다음으로, 상기 광섬유 끝단과 상기 매질 표면 사이의 거리를 조절한다(S30).Next, the distance between the end of the optical fiber and the surface of the medium is adjusted (S30).
상기 S30 단계의 거리 조절은, 광섬유 끝단과 매질 사이의 간격을 측정하고, 이를 이용하여 광 출력이 상기 매질의 진동 변위의 1차 함수로 표현되도록 함으로 써 추가적인 신호 처리의 필요 없이 매질의 진동 변위를 직접 읽어낼 수 있도록 하는 의미가 있다.In the step S30, the distance between the optical fiber ends and the medium is measured, and the light output is expressed as a linear function of the vibration displacement of the medium by using the same. It is meant to be read directly.
마지막으로, 표면 탄성파 정보를 출력한다(S40).Finally, surface acoustic wave information is output (S40).
상기 S40 단계에서 출력되는 정보는 광섬유 끝단과 매질 사이의 간격, 시간에 따른 표면 탄성파의 진동 변위 또는 표면 탄성파 변위의 절대값 등이 될 수 있다.The information output in step S40 may be a distance between the end of the optical fiber and the medium, the vibration displacement of the surface acoustic wave or the absolute value of the surface acoustic wave displacement over time.
상술한 바와 같은 S20 단계 내지는 S40 단계는 반복적으로 수행될 수 있는 바, 상기 S40 단계 이후 상기 S20 단계로 절차를 이행한다.Steps S20 to S40 as described above may be repeatedly performed, and the procedure is performed after step S40 to step S20.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.As described above and described with reference to a preferred embodiment for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as shown and described as described above, it is a deviation from the scope of the technical idea It will be understood by those skilled in the art that many modifications and variations can be made to the invention without departing from the scope of the invention. Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.
도 1 은 표면 탄성파 소자의 기본적인 구조에 관한 개략도.1 is a schematic diagram of the basic structure of a surface acoustic wave element;
도 2 는 종래 기술에 따른 표면파에 의한 광회절 방법에 관한 모식도.2 is a schematic diagram of an optical diffraction method using surface waves according to the prior art.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 간섭계를 이용한 표면 진동의 측정 원리를 나타내는 개략도.Figure 3 is a schematic diagram showing the principle of measurement of surface vibration using an interferometer according to an embodiment of the present invention.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 대한 변위 및 출력 신호 측정 결과의 예시도.4 is an exemplary view of a displacement and output signal measurement result with respect to time according to an embodiment of the present invention.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템의 전체 구성도.5 is an overall configuration diagram of a surface vibration measurement system using an optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 프로브 부분의 확대도.6 is an enlarged view of a fiber optic probe portion in accordance with an embodiment of the present invention.
도 7a 는 PZT에 의한 원뿔의 진동 측정 실험의 개략적인 구성도.7A is a schematic configuration diagram of an experiment for measuring vibration of a cone by PZT.
도 7b 는 진동 측정 실험 결과를 나타내는 그래프.7B is a graph showing the results of vibration measurement experiments.
도 8 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이켈슨 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 시스템의 전체 구성도.8 is an overall configuration diagram of a surface vibration measurement system using a Michelson interferometer according to another embodiment of the present invention.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 간섭계를 이용한 표면 진동 측정 방법의 전체 흐름도.9 is an overall flow chart of the surface vibration measurement method using an interferometer according to an embodiment of the present invention.
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