KR101220602B1 - 초음파 측정 장치 및 초음파 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 측정 장치 및 초음파 측정 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명의 측정 대상물에 레이저 빔을 조사하여 상기 측정 대상물을 전파하는 초음파에 의한 상기 레이저 빔의 반사광의 도플러시프트량을 복굴절성 및 비복굴절성 물질을 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계를 이용하여 측정하여 상기 측정 대상물을 전파하는 초음파를 측정하는 초음파 측정 장치는 상기 측정 대상물로부터의 레이저 빔의 반사광인 신호광과 측정 대상물에 조사하는 레이저 빔의 일부를 분기해 얻을 수 있는 안정화 광을 입력으로 하고 상기 신호광과 상기 안정화광의 중 하나를 출력해 상기 화브리-페로 간섭계에 입력하는 광스윗치; 상기 화브리-페로 간섭계의 출력을 검출하는 광검출기; 상기 광검출기의 출력을 입력하는 샘플-고정부; 상기 샘플-고정부의 출력을 입력해 상기 입력에 따라 화브리-페로 간섭계의 공진기 길이를 조정하는 신호를 출력하는 안정화 회로; 상기 광스윗치의 출력광을 새로 바꾸는 타이밍 및 상기 샘플-고정부의 샘플 고정 동작의 타이밍을 제어하는 제어 신호를 발생하는 신호 발생부; 및 상기 샘플 고정부는 상기 광스윗치가 안정화광을 출력하는 시간 동안은 상기 광검출기로부터 입력된 값을 그대로 출력하며, 상기 광스윗치가 안정화광을 출력하는 시간 동안에 상기 광검출기에서 입력된 값을 샘플하고 고정(sample and hold)하여 상기 광스윗치의 출력이 신호광인 시간 동안은 상기 고정값을 출력한다.

Description

초음파 측정 장치 및 초음파 측정 방법{ultrasound measuring apparatus and method}

본 발명은 화브리-페로 간섭계를 이용한 초음파 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 화브리-페로 간섭계를 구성하는 매질이 복굴절성 및 비복굴절성을 가지는 경우에 초음파 측정의 안정성과 감도를 향상시킨 화브리-페로 간섭계 방식의 초음파 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로 초음파가 측정 대상 물체의 표면에 도달하면 그 초음파에 의해 대상 물체의 표면이 진동한다. 이 때 레이저 빔을 측정 대상 물체의 표면에 조사하면 초음파에 의한 물체 표면의 진동에 의해 그 대상 물체의 표면에서 반사·산란된 산란광은 미소하기는 하지만 조사 전의 주파수에 비해 주파수가 시프트한다.

이것은 도플러시프트로 불리는 현상이며 주파수의 시프트량은 대략 표면 변위의 속도, 즉 초음파에 의한 변위의 미분량에 비례한다. 이 현상을 이용하면 대상 물체에 전달된 초음파의 특성을 측정할 수 있다.

도플러시프트에 의한 초음파의 측정에는 화브리-페로 간섭계가 널리 이용되고 있다. 화브리-페로 간섭계는 입력된 주파수 변조된 빛을 강도 변조된 빛으로 변환해 출력하는 것으로 출력된 빛을 고속 광검출기로 검출해 고속 오실로스코프(oscilloscope)로 관측하면 초음파의 변위 속도에 비례하는 초음파의 진동 파형을 얻을 수 있다

또한, 측정 대상 물체의 표면에 레이저 펄스 빔을 조사해 아브레이션 현상이나 열탄성 현상을 일으켜 초음파를 발생시키는 방법이 있다. 이것들을 아울러 이용하면 초음파의 발생 및 검출을 모두 비접촉으로 실시할 수 있다.

이러한 초음파의 측정 기술은 레이저 초음파 기술로서 알려져 있어 금속이나 복합재료 등 대상 물체의 기계적 특성이나 미세 조직 등 재질 물성의 측정 방법으로 광범위하게 이용된다. 레이저 초음파 기술은 비접촉방식으로 측정이 가능하여 특히 고온이나 틈새부 등 초음파의 발생이나 검출에 사용하는 센서가 이용되기 곤란한 환경 하에서 유효한 방법이다.

J.-P. Monchalin and R. Heon “Laser ultrasonic generation and optical detectionwith a confocal Fabry-Perot interferometer” Mater. Eval. 44 (1986) 1231-1237에는 공진기 매질이 공기로 공진기 미러의 초점이 일치하도록 배치된 공초점형 화브리-페로 간섭계를 초음파의 검출에 이용하는 방법이 기재되어 있다.

화브리-페로 간섭계로부터의 광출력에는 안정화광과 신호광이 혼합되고 있지만 둘의 편광상태의 차이를 이용하고 편광 빔 분할기 등의 편광 소자를 이용하면 공간적으로 분리할 수 있다. 화브리-페로 간섭계로부터 출력된 안정화광의 광강도가 최대치의 반이 되도록 피에조(piezo) 소자로 간섭계의 공진기 길이를 미소량만 제어하는 것으로 감도를 높게 해 안정적으로 S/N가 좋은 초음파 신호를 얻을 수 있다.

그러나 공기를 매질로 하는 공초점형 화브리-페로 간섭계는 공진기 길이를 길게 하면 진동 등의 외란에 약해지고 또 공진기 길이조정에도 시간이 들기 때문에 실질적으로 공진기 길이를 길게 할 수 없다.

이것에 대해서 공진기로서 광섬유를 이용한 화브리-페로 간섭계에서는 광섬유의 길이를 바꾸는 것으로 공진기 길이를 쉽게 바꿀 수 있다.

일본등록특허 제3979961호에는 공진기로서 편광유지 광섬유를 이용한 파이버형 화브리-페로 간섭계를 사용하는 발명이 개시되고 있다. 이 화브리-페로 간섭계는 공진기 길이가 되는 광섬유의 길이를 바꾸는 것으로 측정하는 초음파의 대역에 최적인 주파수 특성을 갖게 하는 것이 가능하다.

파이버형 화브리-페로 간섭계는 광대역의 화브리-페로 간섭계를 용이하게 구성할 수 있는 점으로 공초점형 화브리-페로 간섭계보다 우수하다.

파이버형 화브리-페로 간섭계의 공진기인 편광유지 광섬유는 복굴절성을 가지므로 굴절률의 가장 작은 빠른축 방향, 또는 굴절률이 가장 큰 빠른축 방향에 직교하는 느린축 방향에 나란한 직선 편광만을 그 편광상태를 바꾸는 일 없이 전파시킬 수 있다.

편광유지 광섬유는 편광방향에 의해 굴절률이 다르기 때문에 편광방향에 따라 간섭계의 출력광의 투과 특성도 달라 진다.

도 6에 각각 빠른축 방향과 느린축 방향으로 나란한 직선 편광을 파이버형 화브리-페로 간섭계에 입사시켜 공진기 길이인 편광유지 광섬유의 길이를 변화시켰을 경우의 투과 특성의 일례를 나타낸다. 가로축은 편광유지 광섬유의 길이의 변화량, 세로축은 투과율을 나타내고 있다. 그림 6에 나타나듯이 투과율이 최대치의 반이 되는 파이버의 길이(간섭계의 동작점)가 빠른축 방향과 느린축 방향에서는 다르다.

이 때문에 화브리-페로 간섭계에 편광이 다른 안정화광과 신호광을 입사했을 경우 둘의 투과 특성은 다른 것이 된다. 그 결과 간섭계의 공진기 길이를 안정화광의 광강도가 최대치의 반이 되는 길이에 조정해도 안정된 감도가 높은 초음파 신호를 얻을 수 없다.

또 편광이 다른 안정화광과 신호광을 파이버형 화브리-페로 간섭계에 입사했을 경우 편광유지 광섬유내에서 편광 모드간의 결합이 일어나 둘 사이에 에너지를 교환해 편광상태를 유지할 수 없게 된다. 이러한 이유에 의해 공초점형 화브리-페로 간섭계와 같이 그 출력을 편광상태에 의해 공간적으로 분리할 수 없다.

이상과 같이 편광방향에 의해 굴절률이 다른 편광유지 광섬유를 공진기 매질로서 이용한 파이버형 화브리-페로 간섭계에서는 안정화광과 신호광의 출력을 공간적으로 분리할 수 없기 때문에 안정화가 곤란했다.

상기의 문제를 해결하기 위해서 일본등록특허 제3979961호에서는 물체로부터의 반사 산란빛인 신호광만을 간섭계에 넣어 광검출기로 상기 신호로 변환한 후 상기 신호를 2분기해 한편은 초음파의 검출에 다른 한편은 저역투과 필터를 통한 후 안정화광으로서 이용하고 있다. 측정 대상물이 반사 산란빛의 강도가 거의 일정한 표면이라면 이 방법으로 안정화가 가능하고 초음파 신호를 좋은 감도로 검출 가능하다.

그렇지만 측정 대상 물체의 표면 상태에 따라서는 신호광의 강도가 크게 변화하기 때문에 동작점의 투과광 강도의 설정이 곤란하고 또 측정 대상물로부터의 반사 산란빛이 약한 경우에는 안정화하지 못하고 초음파 신호를 검출할 수 없다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 편광유지 광섬유와 같이 편광방향에 의해 굴절률이 다른 공진기 매질이어도 안정적으로 고감도 측정이 가능한 화브리-페로 간섭계를 이용한 초음파 측정 장치 및 초음파 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 측정 대상물에 레이저 빔을 조사하여 상기 측정 대상물을 전파하는 초음파에 의한 상기 레이저 빔의 반사광의 도플러시프트량을 복굴절성 및 비복굴절성 물질을 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계를 이용하여 측정하여 상기 측정 대상물을 전파하는 초음파를 측정하는 초음파 측정 장치는 상기 측정 대상물로부터의 레이저 빔의 반사광인 신호광과 측정 대상물에 조사하는 레이저 빔의 일부를 분기해 얻을 수 있는 안정화 광을 입력으로 하고 상기 신호광과 상기 안정화광의 중 하나를 출력해 상기 화브리-페로 간섭계에 입력하는 광스윗치; 상기 화브리-페로 간섭계의 출력을 검출하는 광검출기; 상기 광검출기의 출력을 입력하는 샘플-고정부; 상기 샘플-고정부의 출력을 입력해 상기 입력에 따라 화브리-페로 간섭계의 공진기 길이를 조정하는 신호를 출력하는 안정화 회로; 상기 광스윗치의 출력광을 새로 바꾸는 타이밍 및 상기 샘플-고정부의 샘플 고정 동작의 타이밍을 제어하는 제어 신호를 발생하는 신호 발생부; 및 상기 샘플 고정부는 상기 광스윗치가 안정화광을 출력하는 시간 동안은 상기 광검출기로부터 입력된 값을 그대로 출력하며, 상기 광스윗치가 안정화광을 출력하는 시간 동안에 상기 광검출기에서 입력된 값을 샘플하고 고정(sample and hold)하여 상기 광스윗치의 출력이 신호광인 시간 동안은 상기 고정값을 출력한다.

상기 화브리-페로 간섭계의 공진기 매질은 편광유지 광섬유이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 측정 대상물에 레이저 빔을 조사하여 상기 측정 대상물을 전파하는 초음파에 의한 상기 레이저 빔 반사광의 도플러시프트량을 복굴절성 및 비복굴절성 물질을 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계를 이용해 측정하여 상기 대상물을 전파하는 초음파의 특성을 측정하는 초음파 측정 방법은　상기 측정 대상물로부터의 레이저 빔의 반사광인 신호광과 측정 대상물에 조사하는 레이저 빔의 일부를 분기해 얻을 수 있는 안정화광을 광스윗치에 입력하는 단계;　상기 광스윗치에서 신호 발생부의 제어 신호에 따라 상기 반사광과 상기 신호광중 하나를 출력하는 단계;　상기 광스윗치로부터의 출력을 상기 화브리-페로 간섭계에 입력하는 단계;　상기 화브리-페로 간섭계의 출력을 광검출기에 입력하는 단계;　상기 광검출기의 출력을 샘플-고정부에 입력하는 단계;　상기 신호 발생부의 제어 신호에 따라 상기 광스윗치가 안정화광을 출력하는 시간 동안은 상기 광검출기로부터의 입력을 그대로 출력하고, 상기 광스윗치가 안정화광을 출력하는 시간 동안에 상기 광검출기에서 입력된 값을 샘플하고 고정(sample and hold)하여 광스윗치의 출력이 신호광인 시간 동안은 상기 고정값을 출력하는 단계; 상기 샘플-고정부의 출력을 안정화 회로에 입력하는 단계; 및 상기 안정화 회로의 출력에 따라 상기 화브리-페로 간섭계의 공진기 길이를 정하는 단계를 포함한다.

상기 화브리-페로 간섭계의 공진기 매질은 편광유지 광섬유이다.

본 발명에 의하면 화브리-페로 간섭계에 복굴절성 및 비복굴절성을 가지는 공진기 매질을 이용할 경우에도 안정적으로 고감도의 초음파 측정이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 2A는 본 발명의 편광유지 광섬유를 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2B는 본 발명의 편광유지 광섬유를 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계의 다른 구성을 나타내는 도면이다.
도 2C는 본 발명의 편광유지 광섬유를 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계의 다른 구성을 나타내는 도면이다.
도 2D는 본 발명의 편광유지 광섬유를 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계의 다른 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시의 방법의 각 신호의 타이밍과 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서 각 신호의 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 대해 검출된 초음파의 스펙트럼 신호를 나타내는 도면이다.
도 6은 편광유지 광섬유를 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계의 파이버의 길이를 변화시켰을 때의 빠른축, 느린축 방향의 투과 특성을 나타내는 도면이다.

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

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

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

도 1은 본 발명의 복굴절 물질을 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계를 이용하는 초음파 측정 장치를 개략적으로 설명하는 도면이다.

초음파 검출용 레이저 1로부터 출력된 편광방향이 지면에 평행한 직선 편광인 레이저 빔은 빔 분할기 2에 의해 측정 대상 물체 3에 조사되는 조사광 101과 화브리-페로 간섭계 6의 출력을 안정화 시키기 위한 안정화광 102로 분기된다.

조사광 101은 측정 대상 물체 3의 표면에서 측정 대상 물체 3의 내부를 전파하는 초음파 301이 측정 대상 물체 3의 표면에 도달해 발생하는 진동에 의해 주파수 시프트되어 반사된 신호광 103이 된다. 안정화광 102와 신호광 103은 각각 집광렌즈 201, 202에 의해 집광되어 편광유지 광섬유 401, 402를 거치고 지면에 평행한 편광방향을 가지는 직선 편광 상태를 유지한 채로 광스윗치 4에 입력된다.

광스윗치 4는 신호 발생기 5의 제어 신호 Vc1에 의해 입력된 안정화광 102와 신호광 103중 하나를 출력한다. 예를 들면 제어 신호 Vc1가 High 때 신호광 103을 Low 때는 안정화광 102를 출력한다.광스윗치 4의 출력광은 편광유지 광섬유 403과 콜리메이터 렌즈 203을 거쳐 화브리-페로 간섭계 6에 입력된다.

화브리-페로 간섭계 6에서 출력된 신호광 103은 고속광검출기 204로 검출되며 안정화광 102는 광검출기 205로 검출한다. 또 검출기 205의 출력 Vin는 샘플-고정 회로 7(sample and hold circuit))에 입력된다.

샘플-고정 회로는 연속적으로 변화하는 신호치를 외부에서 제공받은 트리거 타이밍에 맞추어 샘플링하고 샘플링한 값을 일정한 시간동안 유지하기 하는 회로로서, 일반적으로 사용되는 회로 중 하나이다.

여기서 안정화광 102와 신호광 103은 광스윗치 4에 의해서 출력되는 시간이 다를 뿐 공간적으로 분리된 것은 아니다. 따라서 안정화광 102가 출력되고 있는 시간 동안에는 고속광검출기 204에서 안정화광 102가 검출되며, 신호광 103이 출력되고 있는 시간 동안에는 광검출기 205에서 신호광 103이 검출된다.

샘플-고정 회로 7은 광검출기 205에 안정화광 102가 입력되는 시간 동안은 입력을 그대로 출력한다.

그리고 광검출기 205에 입력되는 빛이 안정화광 102에서 신호광 103으로 바뀌기 전에 입력된 레벨을 샘플링하여 고정한다. 샘플링은 광검출기 205에 안정화광 102가 입력되는 시간 동안 입력되는 빛이 신호광 103으로 바뀌기 이전에 1 회 실시한다. 샘플링 타이밍은 상기 시간 동안 내이면 족하다.

그 후 광검출기 205에 신호광 103이 입력되는 시간 동안은 상기의 고정된 레벨로 샘플-고정 회로 7에서 출력한다.

샘플-고정 회로 7의 출력 Vout는 저대역통과필터(Low pass filter) 8을 거쳐 안정화 회로 9로 입력된다. 저대역통과필터 8은 안정화 회로 9의 출력이 발진하지 않도록 하기 위해 사용한다.

안정화 회로 9는 입력이 목표치에 이르도록 PI(비례 적분형) 제어를 통해 화브리-페로 간섭계 6의 공진기 길이를 제어해 화브리-페로 간섭계의 출력을 안정화한다. 이를 통해 안정화한 조건으로 고속광검출기 204의 출력을 고속 오실로스코프(oscilloscope)나 A/D변환 보드에 전달해 초음파의 파형을 측정할 수 있다.

도 2A는 화브리-페로 간섭계의 공진기 매질로서 편광유지 광섬유를 이용하는 경우의 상세도이다.

광스윗치 4로부터의 출력은 편광유지 광섬유 403과 콜리메이터 렌즈 203을 거치고 지면에 평행 방향의 편광면을 가지는 수평 편광 빔 104로서 편광 빔 분할기 601에 입사한다. 편광 빔 분할기 601에 입사한 수평 편광 빔 104는 수평 편광을 유지한 채로 편광 빔 분할기를 통과해 패러데이 회전자 602에 입사한다.

수평 편광 빔 104는 패러데이 회전자 602를 통과 후 편광면이 지면에 평행 방향에 대해 45도 기운 편광 빔 105가 되어 집광렌즈 603을 통해 편광유지 광섬유 604에 입사한다.패러데이 회전자 602는 45도 편광 빔 105가 편광유지 광섬유 604 내에서 직선 편광 상태를 유지하도록 편광유지 광섬유의 고유축 또는 느린축 방향을 45도 편광 빔 105의 편광방향에 평행 또는 수직이 되도록 한다.

편광유지 광섬유 604는 부분 반사 미러 605 606을 양단에 가지는 편광유지 광섬유 607에 고유축 및 느린축 방향이 일치하도록 연결된다. 편광유지 광섬유 607은 화브리-페로 간섭계 6의 공진기 역할을 하며 압전성을 가지는 원통형의 PZT 튜브 608에 감겨 있다.

PZT 튜브에 인가되는 안정화 회로 9의 출력에 의해 PZT 튜브의 지름이 변화해 편광유지 광섬유 607의 길이 즉 화브리-페로 간섭계 6의 공진기 길이가 변화한다. 도 6에 나타나듯이 광섬유의 길이가 0.1μm정도 변화하면 화브리-페로 간섭계의 투과 강도가 변화하므로 광섬유 607의 길이는 미소 길이만 바꿀 수 있으면 된다.

여기에서는 공진기 길이를 미소 길이만 변화시키기 위해서 원통형의 PZT 튜브를 이용하는 예를 들었지만 원통형의 PZT 튜브 대신에 편광유지 파이버를 직선형의 PZT 라드에 접착시켜 PZT 라드를 신축시켜도 괜찮다.

부분 반사 미러 606을 거쳐 출력되는 편광유지 광섬유 607의 출력은 편광방향이 45도인 채 콜리메이터 렌즈 609를 거쳐 45도 편광 빔 106으로 광검출기 205에 입사한다.

부분 반사 미러 605를 거쳐 출력되는 편광유지 광섬유 607의 출력은 편광방향이 45도인 채 렌즈 603을 거쳐 패러데이 회전자 602에 입사해 편광면이 45도 회전하여 지면에 수직인 편광을 가지는 수직 편광 빔 107이 된다. 수직 편광 빔 107은 편광 빔 분할기 601으로 반사 후 고속광검출기 204로 검출된다.

이하에서는 광스윗치 4 및 샘플-고정 회로 7을 이용한 초음파 측정 방법에 대해서 도 1, 도 2 A 및 도 3을 이용해 설명한다.

신호 발생기 5로 발생시킨 Vc1와 Vc2의 2개의 제어 신호는 각각 광스윗치 4로 샘플-고정 회로 7에 입력된다. 양 제어 신호는 서로 동기가 잡힌 구형파로 한다. 여기서 광스윗치 4는 제어 신호 Vc1에 대한 응답에 일정한 지연이 있는 것이 일반적이고 그 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 제어 신호 Vc2의 펄스의 폭이나 위상을 제어 신호 Vc1에 대해서 늦추는 것이 좋다.

도 3에서는 제어 신호 Vc1 제어 신호 Vc2는 반복 펄스열로서 예시되고 있지만 초음파 측정의 목적에 의해서 (예를 들면, 초음파 발생과 초음파 검출을 한번만 실시하면 좋은 경우) 제어 신호 Vc1 제어 신호 Vc2는 각각 1개만의 펄스일 수 있다. 이 경우에는 신호 발생기 5는 본초음파 측정 장치의 조작자에 의한 펄스 발생 트리거 신호(도시하지 않음)를 입력받아 제어 신호 Vc1 및 제어 신호 Vc2의 발생 타이밍을 제어할 수 있다.

광스윗치 4는 제어 신호 Vc1가 High때에 신호광 103을, Low때에 안정화광 102를 출력해 화브리-페로 간섭계 6에 입력한다. 화브리-페로 간섭계 6의 광출력은 광검출기 205로 검출되어 샘플-고정 회로 7의 입력 신호 Vin가 된다.

샘플-고정 회로 7으로부터의 출력 신호 Vout는 광스윗치 4의 출력이 안정화광 102의 기간은 광검출기 205의 입력을 그대로 출력한 신호이다.

그리고 안정화광 102로부터 신호광 103에 바뀌기 전에 샘플-고정 회로 7에 입력되는 제어 신호 Vc2가 High가 되었을 때에 광검출기 205의 입력을 샘플링해 고정한다.

광스윗치의 출력이 신호광 103의 기간은 안정화광 102가 광검출기 205로부터 출력되지 않는다. 제어 신호 Vc2가 Low가 될 때까지 상기의 고정된 레벨로 샘플-고정 회로 7으로부터 출력 신호 Vout를 출력한다.

샘플-고정 회로 7의 출력 신호 Vout는 저대역 통과 필터를 거쳐 안정화 회로 9에 입력되어 초음파 신호가 안정적으로 고감도로 검출될 수 있도록 화브리-페로 간섭계 6의 공진기 길이를 제어한다.

이때 펄스 레이저 등으로 측정 물체 3에 초음파를 발생시키고 고속광검출기 204에 고속 오실로스코프(oscilloscope)나 A/D변환 보드를 연결하고 고속광검출기 204의 출력을 이용하면 발생한 초음파의 파형을 관측할 수 있다.

샘플-고정 회로 7에 의해 샘플-고정부의 일 실시예가 구현된다. 또 신호 발생기 5에 의해 신호 발생부의 일 실시예가 구현된다.

이상의 본 발명의 측정 장치 및 방법에 의하면, 공진기 매질로서 편광유지 광섬유를 이용함으로써, 소형이고 진동 등의 외란에 강하며 광학 소자등의 조정 작업이 불필요해지므로 어려운 환경의 작업 현장에 용이하게 적용 가능하다. 동시에 편광유지 광섬유의 길이를 조정함으로서 대역폭을 조절할 수 있으며,특히 광섬유의 길이를 길게 함으로써 광대역의 초음파 측정이 가능해진다.

본 실시예에서는 초음파 발생용 펄스 레이저(도시하지 않음)로서 파장 1064 nm의 YAG 펄스 레이저 레이저를 이용하고, 초음파 검출용 레이저 1으로서 파장 532 nm의 그린 YAG 레이저를 이용했다. 광스윗치 4는 입력 포트 2 및 출력 포트 1로 파장 532 nm 용의 파이버 접속형의 광스윗치를 이용했다.

화브리-페로 간섭계 6의 공진기 매질로서 편광유지 광섬유 607을 이용하여 도 2A에 도시된 반사형 화브리-페로 간섭계를 구성했다. 부분 반사 미러 605, 606은 편광유지 광섬유 607의 양단을 반사율 95%의 반사 코팅처리를 하여 만들었다. 편광유지 광섬유 607를 압전성을 가지는 PZT 튜브의 외경에 감고 안정화 회로 9의 출력을 인가하여 파이버 공진기 길이 조정을 실시했다.

신호 발생기 5에는 2 CH의 위상 동기가 가능한 것을 이용해 1 CH을 광스윗치 4의 제어 입력에 2 CH을 샘플-고정 회로 7의 제어 입력에 접속했다. 또 신호 발생기 5의 제어 신호에 동기화된 트리거 출력을 신호 발생기 5로부터 지연 펄스 발생기(도시하지 않음)에 입력해 지연 펄스 발생기로부터 출력된 트리거 출력인 초음파 발생 제어 신호를 초음파 발생용 펄스 레이저에 입력해 초음파의 발생 타이밍을 제어했다.

도 4는 광스윗치 4로 스위칭했을 때의 광검출기 205로 검출한 안정화광의 출력 Vs, 광스윗치의 제어 신호 Vc1, 샘플-고정 회로의 제어 신호 Vc2 및 초음파 발생 제어 신호 Vg의 타이밍을 도시한다. t1r과 t1f는 광스윗치의 제어 신호 Vc1의 상승과 하강의 타이밍, t2r와 t2f는 샘플-고정 회로의 상승와 하강의 타이밍을 각각 나타낸다.

광스윗치 4의 출력은 광스윗치의 제어 신호 Vc1에 대해서 상승(또는 하강)의 지연이 있으므로 제어 신호 Vc1의 펄스폭은 상승(또는 하강) 시간의 3배 이상이 되도록 설정했다. 또 안정화광의 출력 Vs가 하강 시작부터 다시 상승할 때까지 시간을 커버하도록 샘플-고정 회로 7의 제어 신호 Vc2의 펄스폭과 위상을 조정했다. 초음파의 발생 타이밍이 안정화광 대신에 신호광이 광스윗치 4에서 출력되는 시간 내에 들어가도록 초음파 발생 제어 신호 Vg의 타이밍을 설정했다.

본 실시예에서는 측정 대상 물체 3으로서 강종 SS400의 두께 2 mm의 강판을 이용했다.측정 대상 물체 3에 발생시키는 초음파는 발생 위치의 강판 내부에 길게 체류해 발생 효율이 높고 강재등의 재질 계측에 유용한 군속도 0의 판파(plate wave, 또는 램파(Lamb wave)라고도 함)의 대칭 1차 모드(S1모드)로 했다.

측정 대상 물체 3상에서 초음파 발생용 펄스 레이저와 검출용 YAG 레이저 1의 집광위치가 일치하도록 양 레이저 빔의 조사 위치를 조정해 초음파 발생용 펄스 레이저를 강판에 조사하고 열탄성 효과로 판파를 발생시켰다.

발생한 판파의 시간 파형을 고속광검출기 204에서 밴드 패스·필터 및 앰프를 통과하고 고속 오실로스코프(oscilloscope)로 관측했다. 고속 오실로스코프(oscilloscope)로 얻을 수 있던 시간 파형을 고속 푸리에 변환해 주파수 영역의 스펙트럼을 얻었는데 도 5에 나타나듯이 S1모드에 상당하는 피크를 안정적으로 고감도에 검출할 수 있었다.

이상 화브리-페로 간섭계 6으로부터 출력되는 신호광과 안정화광을 다른 광검출기 204 205로 검출해 신호광을 화브리-페로 간섭계 6의 입사 방향과 같은 방향에서 출력하는 반사형의 화브리-페로 간섭계의 실시의 형태를 나타냈다. 그 밖에 아래와 같이 여러가지 변형예가 가능하다.

도 2B는 도 2 A의 안정화광 검출용의 광검출기 205와 초음파 검출용의 고속광검출기 204의 배치를 바꿔 넣은 예를 도시한다. 이와 같이 안정화광을 화브리-페로 간섭계의 입사 방향과 같은 방향에서 출력하고 신호광을 입사 방향과 반대측에서 출력하는 투과형의 화브리-페로 간섭계로 하는 것도 가능하다.

도 2C에 도시된 바와 같이, 광검출기 204를 사용하지 않고 고속광검출기 205의 출력을 둘로 분기해 하나는 안정화를 위한 신호로서 샘플-고정 회로 7에 입력하고 다른 하나는 초음파 신호로서 고속 오실로스코프(oscilloscope) 11로 관측하는 반사형의 배치로 하는 것도 가능하다.

도 2D에는 광스윗치 4의 편광유지 파이버 403으로 편광유지 파이버 604의 빠른축 또는 느린축 방향을 일치시키고 파이버·연결기 610으로 연결한 투과형 화브리-페로 간섭계의 예를 나타낸다. 안정화광과 신호광을 같은 고속광검출기 204로 검출한 후 분기해 한편을 안정화 신호로서 샘플-고정 회로 7에 입력하고 한편을 초음파 신호로서 고속 오실로스코프(oscilloscope) 11으로 관측하는 것도 가능하다.

실시예에 대해서는 초음파 발생 수단으로서 YAG 펄스 레이저를 이용했지만 로렌츠 힘이나 자왜효과 압전 효과로 초음파를 발생시켜도 괜찮다.

제어 신호 Vc1와 Vc2 및 초음파 발생 제어 신호 Vg의 발생 타이밍은 신호 발생기 5의 내부에서 설정 가능한 주기인 일정한 타이밍일 수 있고 신호 발생기 5에 외부 트리거로 입력한 임의의 타이밍일 수도 있다.

실시예로서 편광유지 광섬유를 가지는 공진기 매질로 하는 파이버·화브리 페로 간섭계를 이용하는 초음파 측정 장치에 대해 설명했지만 복굴절성 및 비복굴절성을 가지는 공진기 매질로서 광도파로를 이용해도 괜찮다.

본 발명에 의하면 화브리-페로 간섭계에 비복굴절성 매질 뿐만 아니라 편광방향에 의해 굴절률이 다른 복굴절성을 가지는 공진기 매질을 이용해도 안정적으로 고감도인 초음파 측정이 가능해져 본 발명은 비접촉으로의 재료 물성의 측정 방법 등에 적용할 수 있다.

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

1: 초음파 검출용 레이저 2: 빔 분할기
3: 측정 대상 물체 4: 광스윗치
5: 신호 발생기 6: 화브리-페로 간섭계
7: 샘플-고정 회로 8: 저대역 통과 필터
9: 안정화 회로 11: 고속 오실로스코프(oscilloscope)
101: 검출용 레이저로부터의 조사빛
102: 안정화광 103: 신호광
104: 수평방향 직선 편광 105,106: 45도방향 직선 편광
107: 수직방향 직선 편광
201, 202, 203: 콜리메이터 렌즈
204: 고속광검출기 205: 광검출기
301: 초음파
401, 402: 광스윗치의 입력측편광유지 광섬유
403: 광스윗치의 출력측편광유지 광섬유
601: 편광 빔 분할기 602: 패러데이 회전자
603,609: 콜리메이터 렌즈 604, 607: 편광유지 광섬유
605, 606: 부분 반사 미러 608: PZT 튜브
610: 파이버·연결기

Claims (4)

1. 측정 대상물에 레이저 빔을 조사하여 상기 측정 대상물을 전파하는 초음파에 의한 상기 레이저 빔의 반사광의 도플러시프트량을 복굴절성 및 비복굴절성 물질을 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계를 이용하여 측정하여 상기 측정 대상물을 전파하는 초음파를 측정하는 초음파 측정 장치에 있어서,
   상기 측정 대상물로부터의 레이저 빔의 반사광인 신호광과 측정 대상물에 조사하는 레이저 빔의 일부를 분기해 얻을 수 있는 안정화 광을 입력으로 하고 상기 신호광과 상기 안정화광의 중 하나를 출력해 상기 화브리-페로 간섭계에 입력하는 광스윗치;
   상기 화브리-페로 간섭계의 출력을 검출하는 광검출기;
   상기 광검출기의 출력을 입력하는 샘플-고정부;
   상기 샘플-고정부의 출력을 입력해 상기 입력에 따라 화브리-페로 간섭계의 공진기 길이를 조정하는 신호를 출력하는 안정화 회로;
   상기 광스윗치의 출력광을 새로 바꾸는 타이밍 및 상기 샘플-고정부의 샘플 고정 동작의 타이밍을 제어하는 제어 신호를 발생하는 신호 발생부; 및
   상기 샘플 고정부는 상기 광스윗치가 안정화광을 출력하는 시간 동안은 상기 광검출기로부터 입력된 값을 그대로 출력하며, 상기 광스윗치가 안정화광을 출력하는 시간 동안에 상기 광검출기에서 입력된 값을 샘플하고 고정(sample and hold)하여 상기 광스윗치의 출력이 신호광인 시간 동안은 상기 고정값을 출력하는 초음파 측정 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 화브리-페로 간섭계의 공진기 매질은 편광유지 광섬유인 초음파 측정 장치.
   
3. 측정 대상물에 레이저 빔을 조사하여 상기 측정 대상물을 전파하는 초음파에 의한 상기 레이저 빔 반사광의 도플러시프트량을 복굴절성 및 비복굴절성 물질을 공진기 매질로 하는 화브리-페로 간섭계를 이용해 측정하여 상기 대상물을 전파하는 초음파의 특성을 측정하는 초음파 측정 방법에 있어서,
   상기 측정 대상물로부터의 레이저 빔의 반사광인 신호광과 측정 대상물에 조사하는 레이저 빔의 일부를 분기해 얻을 수 있는 안정화광을 광스윗치에 입력하는 단계;
   상기 광스윗치에서 신호 발생부의 제어 신호에 따라 상기 반사광과 상기 신호광중 하나를 출력하는 단계;
   상기 광스윗치로부터의 출력을 상기 화브리-페로 간섭계에 입력하는 단계;
   상기 화브리-페로 간섭계의 출력을 광검출기에 입력하는 단계;
   상기 광검출기의 출력을 샘플-고정부에 입력하는 단계;
   상기 신호 발생부의 제어 신호에 따라 상기 광스윗치가 안정화광을 출력하는 시간 동안은 상기 광검출기로부터의 입력을 그대로 출력하고, 상기 광스윗치가 안정화광을 출력하는 시간 동안에 상기 광검출기에서 입력된 값을 샘플하고 고정(sample and hold)하여 광스윗치의 출력이 신호광인 시간 동안은 상기 고정값을 출력하는 단계;
   상기 샘플-고정부의 출력을 안정화 회로에 입력하는 단계; 및
   상기 안정화 회로의 출력에 따라 상기 화브리-페로 간섭계의 공진기 길이를 정하는 단계를 포함하는 초음파 측정 방법.
   
4. 제3항에 있어서, 화브리-페로 간섭계의 공진기 매질은 편광유지 광섬유인 초음파 측정 방법.

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