KR101343954B1 - Optical fiber and, sensor system and sensing method using the same - Google Patents

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Abstract

소정 길이로 연장되는 클래딩과, 상기 클래딩의 내부에서 상기 클래딩의 길이방향을 따라 연장되는 코어를 포함하고, 상기 코어 내부에는 상기 코어와 굴절률이 상이하고, 상기 코어를 통과하는 빛의 경로를 간섭하도록 상기 코어의 길이방향을 따라 배치되는 복수의 격자가 형성되며, 상기 복수의 격자는 각각 서로 다른 간격으로 배치되고, 광 입구로 빛이 조사되면, 상기 코어를 통과하는 상기 빛의 일부가 상기 복수의 격자에 의해 반사되어 상기 광 입구를 통해 출력되며, 상기 광 입구를 통해 출력되는 반사광은 서로 다른 방향으로 편광된 제1반사광 및 제2반사광을 포함하고, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광은 서로 다른 대역의 파장 스펙트럼을 형성하는 광 파이버가 제공된다. A cladding extending to a predetermined length, and a core extending along the longitudinal direction of the cladding in the cladding, wherein the core has a refractive index different from the core and interferes with a path of light passing through the core. A plurality of gratings are formed along the longitudinal direction of the core, and the plurality of gratings are arranged at different intervals, and when light is irradiated to a light inlet, a portion of the light passing through the core is transferred to the plurality of gratings. The reflected light is reflected by a grating and output through the light inlet, and the reflected light output through the light inlet includes first and second reflected light polarized in different directions, and the first and second reflected light An optical fiber is provided that forms the wavelength spectrum of another band.

Description

광 파이버와 이를 이용한 센서 시스템 및 센싱 방법{Optical fiber and, sensor system and sensing method using the same}Optical fiber and sensor system and sensing method using the same
본 발명은 광 파이버와 이를 이용한 센서 시스템 및 센싱 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 광 파이버를 이용해 광 파이버가 굴절된 위치, 방향 및 곡률 등을 검출할 수 있는 센서 시스템 및 센싱 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an optical fiber, a sensor system and a sensing method using the same, and more particularly, to a sensor system and a sensing method capable of detecting a position, a direction, and a curvature in which an optical fiber is refracted by using one optical fiber. will be.
내시경 수술 등에 쓰이는 각종 내시경 장비는 침습에 의한 상처를 최소화할 수 있어 각광받고 있다. 하지만, 내시경 장비를 이용한 의료 행위는 인체 내에서 수시로 굴절되는 내시경 장비의 굴절 상태를 사용자가 육안으로 확인하기가 어렵기 때문에, 안전한 시술을 위해서 내시경 장비의 굴절 상태를 탐지해 사용자에게 알려줄 수 있는 방법이 강구될 필요가 있다. Various endoscope equipments used for endoscopy and the like are attracting attention because they can minimize wounds caused by invasion. However, in medical practice using endoscopy equipment, it is difficult for the user to visually check the state of refraction of the endoscope equipment that is frequently refracted in the human body. This needs to be taken.
이를 위해, 인체 내에서 다양한 방향으로 굴절되는 내시경 장비의 움직임에 대응하여 굴절 가능한 광 파이버를 센서로 이용하는 방법이 제안되고 있다. To this end, a method of using an optical fiber that can be refracted in response to the movement of the endoscope equipment refracted in various directions in the human body has been proposed.
도 1은 종래 기술에 따른 일 형태의 광 파이버 구조를 개략적으로 도시한 것이다. Fig. 1 schematically shows an optical fiber structure according to the prior art.
광 파이버(1)는 유리 재질로 형성되어 자유롭게 굴절될 수 있는 클래딩(cladding)(2)과, 상기 클래딩(2)의 중심에서 클래딩(2)의 길이방향을 따라 형성된 코어(core)(3)를 포함한다. 클래딩(2)의 굴절율은 n1이고, 코어(3)의 굴절율은 n0로 서로 상이하다. 광 파이버(1)의 양 단부에는 광원(미도시)로부터 빛이 입사하는 광 입구(5)와, 코어(3)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(6)가 형성된다. The optical fiber 1 includes a cladding 2 formed of a glass material and freely refractable and a core 3 formed along the longitudinal direction of the cladding 2 at the center of the cladding 2. The optical fiber 1 is made of glass, . The refractive index of the cladding 2 is n 1, and the refractive indices of the core 3 are different from each other with n 0 . At both ends of the optical fiber 1, a light inlet 5 through which light is incident from a light source (not shown) and a light outlet 6 through which light is output through the core 3 are formed.
광 파이버(1)가 굴절되었는지 여부를 검출하기 위하여, 코어(3)에는 코어(3)의 길이방향을 따라 동일한 간격(Λ)으로 배치되는 복수의 격자(grating)(4)들이 형성된다. 격자(4)는 광 파이버(1)의 제작 과정에서 적외선 빛을 통해 코어(3) 일부분의 물성을 변화시킨 부분으로, (n0+△n)의 굴절율을 가진다. A plurality of gratings 4 are formed in the core 3 at equal intervals A along the longitudinal direction of the core 3 in order to detect whether or not the optical fiber 1 has been refracted. Grid 4 is a portion through which the infrared light in the manufacturing process of the optical fiber 1 changes in the core 3, the physical properties of the part, and has a refractive index (n 0 + △ n).
격자(4)는 코어(3)를 통과하는 입사광(3)을 간섭하게 되고, 입사광(3)의 일부는 복수의 격자(4)에 의해 반사되어 광 입구(5)를 통해 반사광(8)으로 출력된다. The grating 4 interferes with the incident light 3 passing through the core 3, and a part of the incident light 3 is reflected by the plurality of gratings 4 to the reflected light 8 through the light inlet 5. Is output.
도 2(a)는 광 입구(5)를 통해 입사되는 입사광의 파장 대 크기에 대한 파장 스펙트럼을 도시한 것이고, 도 2(b)는 광 입구(5)를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다. FIG. 2 (a) shows the wavelength spectrum of the wavelength versus magnitude of the incident light incident through the light inlet 5, and FIG. 2 (b) shows the wavelength spectrum of the reflected light output through the light inlet 5 It is.
넓은 대역의 파장을 가지는 입사광이 코어(3)로 입사되더라도, 코어(3) 중간에 위치하는 복수의 격자(4)에 의한 간섭으로 광 입구(5)를 통해 특정 파장(λB)의 반사광만이 출력된다. 구체적으로, 광 입구(5)를 통해 입사된 입사광의 일부는 제일 처음 위치한 제1격자에 부딪히며 반사되고, 나머지 일부는 제1격자를 통과해 전진한다. 제1격자를 통과한 빛의 일부는 제2격자에 부딪히며 반사되고, 반사된 광은 제1격자와 다시 만나서 일부는 그대로 통과해 제일 처음으로 제1격자에 의해 반사된 빛과 합쳐지고, 나머지 일부는 제1격자에 의해 다시 반사되어 제2격자로 향한다. 이와 같은 현상은 제2격자 다음에 위치한 격자들에서도 동일하게 반복적으로 일어나고, 광 파이버(1)로 입사된 입사광은 복수의 격자(4)에 의해 반사와 통과를 거듭하면서 서로 간섭을 일으키게 된다. 결국, 도 2(a)에 도시된 형태의 파장 스펙트럼을 가지는 입사광이 입사되더라도, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 파장(λB) 외의 파장의 반사광들은 서로에 의한 간섭으로 거의 모두 소실되고, 파장(λB)을 가지는 반사광(8)만이 광 입구(5)를 통해 출력된다. Even though incident light having a broad band wavelength is incident on the core 3, only reflected light of a specific wavelength λ B through the light inlet 5 due to interference by a plurality of gratings 4 located in the middle of the core 3. Is output. Specifically, a part of the incident light incident through the light inlet 5 hits and reflects the first lattice located first, and the other part advances through the first lattice. Some of the light passing through the first lattice hits the second lattice and is reflected, and the reflected light meets again with the first lattice, some pass through it and merges with the first reflected light by the first lattice, and the rest Is reflected back by the first lattice to the second lattice. This phenomenon occurs repeatedly in the gratings located after the second grating, and the incident light incident on the optical fiber 1 interferes with each other while being repeatedly reflected and passed by the plurality of gratings 4. As a result, even though incident light having a wavelength spectrum of the form shown in FIG. 2 (a) is incident, as shown in FIG. 2 (b), almost all reflected light of wavelengths other than the wavelength λ B is lost due to interference by each other. , Only the reflected light 8 having the wavelength λ B is output through the light inlet 5.
이때, 반사광의 파장(λB)은 하기 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.
In this case, the wavelength λ B of the reflected light may be expressed as shown in Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
λB = 2·neff·Λλ B = 2 n eff
여기서, neff는 코어의 유효 굴절율을 나타내는 지표이다.
Here, n eff is an index which shows the effective refractive index of a core.
위와 같은 구성을 가지는 광 파이버(1)의 특정 부분에 굴절이 발생하면, 굴절된 부분의 격자 간격이 변화하면서 파장 스펙트럼에 변화가 일어난다. 이러한 파장 스펙트럼의 변화를 감지하여 광 파이버(1)의 굴절 여부를 확인할 수 있게 되는 것이다. When a refraction occurs in a specific portion of the optical fiber 1 having the above-described configuration, a change occurs in the wavelength spectrum while the lattice spacing of the refracted portion changes. By detecting the change of the wavelength spectrum, it is possible to confirm whether or not the optical fiber 1 is refracted.
하지만, 위와 같은 구성의 광 파이버(1)는 반사광을 분석해 광 파이버(1)의 굴절 여부는 확인할 수 있으나, 굴절의 위치 및 방향 등은 확인할 수 없다는 문제점이 있다. However, the optical fiber 1 of the above-described configuration can analyze whether the optical fiber 1 is refracted by analyzing the reflected light, but there is a problem in that the location and direction of refraction cannot be confirmed.
도 3은 종래 기술의 다른 형태에 따른 광 파이버(10)를 도시한 것이다. 3 shows an optical fiber 10 according to another form of the prior art.
광 파이버(10)는 앞서 설명한 구성과 마찬가지로 클래딩(20)과 코어(30)를 포함한다. 클래딩(20)과 코어(30)의 굴절율은 서로 상이하다. The optical fiber 10 includes the cladding 20 and the core 30 in the same manner as described above. The refractive indices of the cladding 20 and the core 30 are different from each other.
코어(30)에는 각각 세 개의 격자가 한 집합을 이루는 제1격자부 내지 제5격자부(41 내지 45)가 형성된다. 각각의 격자부를 형성하는 세 개의 격자들은 서로 동일 간격으로 배치되어 있다. 제1격자부 내지 제5격자부(41 내지 45)를 이루는 세 개의 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4, Λ5)은 Λ1<Λ2<Λ3<Λ4<Λ5의 관계를 가진다. 제1격자부 내지 제5격자부(41 내지 45) 사이의 간격(51, 52, 53, 54)은 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4, Λ5)에 비하여 현저히 크다. The core 30 is formed with first to fifth grid portions 41 to 45, each of which consists of three gratings. The three gratings forming each grating portion are arranged at equal intervals from each other. The spacings Λ 1 , Λ 2 , Λ 3 , Λ 4 , Λ 5 of the three lattices constituting the first to fifth grid portions 41 to 45 are Λ 1234 < Has a relationship of Λ 5 . The spacings 51, 52, 53, 54 between the first and fifth lattice portions 41 to 45 are significantly larger than the spacings of the lattice Λ 1 , Λ 2 , Λ 3 , Λ 4 , Λ 5 . .
위와 같은 구성에 따르면, 광 파이버(10)의 광 입구(50)로 입사된 빛에 대하여 격자부들에 의한 간섭이 발생하고, 광 입구(50)로 출력되는 반사광은 도 4에 도시된 바와 같은 파장 스펙트럼을 가진다. According to the above configuration, interference caused by the grating parts occurs with respect to the light incident to the light inlet 50 of the optical fiber 10, and the reflected light output to the light inlet 50 has a wavelength as shown in FIG. 4. Has a spectrum.
도 4의 파장 스펙트럼에 나타나는 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5)은 각 격자부의 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4, Λ5)을 상기 [수학식 1]에 대입하여 구한 값에 해당한다. 다시 말해서, 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5)은 각각 제1격자부 내지 제5격자부(41 내지 45)에 의해 반사되어 출력되는 반사광의 파장을 나타내는 것이다. The wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 , λ 5 appearing in the wavelength spectrum of FIG. 4 correspond to the intervals Λ 1 , Λ 2 , Λ 3 , Λ 4 , Λ 5 of the gratings of the respective grating portions. Corresponds to the value obtained by substituting Equation 1. In other words, the wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 , and λ 5 represent the wavelengths of the reflected light reflected and output by the first to fifth grid portions 41 to 45, respectively.
광 파이버(10)가 제2격자부(42)가 위치한 부분에서 굴절되는 경우, 제2격자부(42)를 구성하는 격자들의 간격(Λ2)이 변화하게 될 것이고, 이에 따라 상기 [수학식 1]의 관계에 의해 도 4의 파장 곡선들 중 파장(λ2)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는(shift) 것을 관찰할 수 있게 된다. 파장(λ2)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는 것이 관찰되면 광 파이버(10)가 제2격자부(42) 위치에서 굴절되었다는 것을 알 수 있다. When the optical fiber 10 is refracted at the portion where the second lattice portion 42 is located, the spacing Λ 2 of the gratings constituting the second lattice portion 42 will change, and according to the above equation 1], it is possible to observe the shift of the curve for the wavelength λ 2 of the wavelength curves of FIG. It can be seen that the optical fiber 10 is refracted at the position of the second lattice portion 42 when the curve for the wavelength λ 2 is observed to shift left and right.
한편, 광 파이버(10) 적어도 세 가닥을 한 다발로 묶어 사용하면 굴절 방향과 그 각도를 계산할 수 있다. 예를 들어, 제2격자부(42)가 위치한 부분이 구부러지게 되면, 구부러진 방향 쪽에 위치한 광 파이버(10)의 제2격자부(42)는 압축되어 반사광의 파장이 짧아지므로 파장 곡선이 왼쪽으로 이동하고, 반대쪽에 위치한 광 파이버(10)의 제2격자부(42)는 신장되어 반사광의 파장이 길어지므로 파장 곡선이 오른쪽으로 이동하는 현상이 발생한다. 따라서, 한데 묶인 세 가닥 이상의 광 파이버(10) 각각의 파장 스펙트럼의 변화를 분석하면 굴절의 방향 및 그 각도를 계산할 수 있게 되는 것이다. On the other hand, by using at least three strands of the optical fiber 10 in a bundle can be used to calculate the refraction direction and the angle. For example, when the portion where the second grid portion 42 is located is bent, the second grid portion 42 of the optical fiber 10 located in the bent direction is compressed to shorten the wavelength of the reflected light, so that the wavelength curve is leftward. The second grid portion 42 of the optical fiber 10 positioned on the opposite side of the optical fiber 10 is extended to extend the wavelength of the reflected light so that the wavelength curve is shifted to the right. Therefore, by analyzing the change in the wavelength spectrum of each of the three or more optical fibers 10 bound together, it is possible to calculate the direction and angle of refraction.
하지만, 위와 같은 광 파이버(10)는 격자부들 사이(51, 52, 53, 54)에서 굴절이 생기는 경우, 격자부들의 격자 간격이 변화하지 않아 굴절 위치를 찾을 수 없게 된다. 따라서, 격자부들 사이 간격(51, 52, 53, 54)은 굴절 위치를 확인할 수 없는 소위 "데드 존(dead zone)"을 형성하게 된다. 매우 큰 간격으로 "데드 존"의 존재로 인해 굴절 위치를 정밀하게 센싱할 수 없다는 문제점이 있다. However, in the optical fiber 10 as described above, when refraction occurs between the lattice portions 51, 52, 53, and 54, the lattice spacing of the lattice portions does not change, and thus the refraction position cannot be found. Thus, the gaps 51, 52, 53, 54 between the grating portions form a so-called "dead zone" in which the refraction position cannot be confirmed. There is a problem that the refractive position cannot be accurately sensed due to the presence of the "dead zone" at very large intervals.
또한, 하나의 격자부가 동일 간격으로 배치된 복수의 격자들로 구성되는 이유로 굴절 위치 계산을 정확히 계산하기 위한 해상도(Resolution)가 낮아진다. In addition, the resolution for accurately calculating the refraction position calculation is low because one grating portion is composed of a plurality of gratings arranged at equal intervals.
예를 들어 제2격자부(42)의 첫번째 격자 부근에서 굴절이 발생한 경우와, 마지막 격자 부근에서 굴절이 발생한 경우 모두 파장(λ2)에 대한 곡선이 동일한 양상을 이동하게 되므로, 파장 곡선의 변화를 통해 위 두 가지 경우를 구별할 수 없어 정확한 굴절 위치를 파악하기가 어렵다는 문제점이 있다. 첫 번째 격자와 마지막 격자 사이의 간격은 일반적으로 5-10mm 정도이다. For example, when the refraction occurs in the vicinity of the first grating of the second lattice portion 42 and when the refraction occurs in the vicinity of the last grating, the curve for the wavelength λ 2 is shifted in the same aspect, so that the change in the wavelength curve There is a problem that it is difficult to determine the exact location of the refraction because the two cases can not be distinguished through. The spacing between the first and last gratings is usually 5-10 mm.
나아가, 광 파이버(10)를 이용해 굴절 방향을 검측하기 위해서는 광 파이버(10) 여러 가닥을 묶어 사용하여야만 하므로, 광 파이버(10)를 센서로 이용하는 장비의 전체 크기가 같이 증가한다는 문제점이 있다. Furthermore, in order to detect the refraction direction using the optical fiber 10, since several strands of the optical fiber 10 must be bundled and used, there is a problem in that the overall size of the equipment using the optical fiber 10 is increased as well.
대한민국 특허공개 제10-1998-076791호Korean Patent Publication No. 10-1998-076791
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 광 파이버를 이용해 광 파이버가 굴절되었을 때 굴절된 위치, 방향과 그 각도 및 곡률을 모두 검출할 수 있어 내시경 장비 등의 굴절 상태를 파악하는 센서로 이용되기 적합한 광 파이버 및 이를 이용한 센서 시스템과 센싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, when the optical fiber is refracted by using one optical fiber can detect both the refracted position, the direction and the angle and curvature, the refractive state of the endoscope equipment, etc. An object of the present invention is to provide an optical fiber suitable for use as a sensor to grasp, a sensor system and a sensing method using the same.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 소정 길이로 연장되는 클래딩과, 상기 클래딩의 내부에서 상기 클래딩의 길이방향을 따라 연장되는 코어를 포함하고, 상기 코어 내부에는 상기 코어와 굴절률이 상이하고, 상기 코어를 통과하는 빛의 경로를 간섭하도록 상기 코어의 길이방향을 따라 배치되는 복수의 격자가 형성되며, 상기 복수의 격자는 각각 서로 다른 간격으로 배치되고, 상기 코어의 광 입구로 빛이 조사되면, 상기 코어를 통과하는 상기 빛의 일부가 상기 복수의 격자에 의해 반사되어 상기 광 입구를 통해 출력되며, 상기 광 입구를 통해 출력되는 반사광은 서로 다른 방향으로 편광된 제1반사광 및 제2반사광을 포함하고, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광은 서로 다른 대역의 파장 스펙트럼을 형성하는 광 파이버가 제공된다. According to an aspect of the present invention for achieving the above object, it comprises a cladding extending to a predetermined length, the core extending in the longitudinal direction of the cladding inside the cladding, the core and the refractive index inside the core A plurality of different gratings are formed along the longitudinal direction of the core so as to interfere with a path of light passing through the core, and the plurality of gratings are arranged at different intervals, respectively, to light inlets of the core. When light is irradiated, a part of the light passing through the core is reflected by the plurality of gratings and is output through the light inlet, and the reflected light output through the light inlet is polarized in the first reflection light polarized in different directions and An optical fiber comprising a second reflected light, wherein the first reflected light and the second reflected light form a wavelength spectrum of a different band; It is.
상기 복수의 격자의 간격은 상기 광 입구로부터 광 출구로 갈수록 일정한 함수로 증가 또는 감소할 수도 있다. The spacing of the plurality of gratings may increase or decrease in a constant function from the light inlet to the light outlet.
또한, 상기 코어는 상기 수평축 방향 밀도와 상기 수직축 방향 밀도가 서로 상이하여, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장차가 발생하도록 할 수도 있다. In addition, the core may have a density different from the horizontal axis direction density and the vertical axis direction density so that a wavelength difference between the first reflected light and the second reflected light may occur.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 광 파이버와, 상기 광 파이버의 광 입구에 빛을 조사하는 광원과, 상기 광 파이버의 광 입구로부터 출력되는 반사광의 파장을 분석하는 광 분석기를 포함하고, 상기 코어의 중심은 상기 광 파이버가 이용된 센서 전체의 굴절 중심과 이격되어 배치되고, 상기 센서가 굴절하는 경우, 상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 위치 및 방향을 검출하는 센서 시스템이 제공된다. According to another aspect of the invention, the optical fiber, a light source for irradiating light to the light inlet of the optical fiber, and an optical analyzer for analyzing the wavelength of the reflected light output from the light inlet of the optical fiber, the core The center of the optical fiber is disposed spaced apart from the center of refraction of the entire sensor used, the optical analyzer is refracted by detecting a change in the wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light when the sensor is refracted A sensor system is provided for detecting position and orientation.
상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 방향의 각도를 더 검출할 수도 있다. The optical analyzer may further detect an angle in a refracted direction by detecting a change in a wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light.
또한, 상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 곡률을 더 검출할 수도 있다. The optical analyzer may further detect the curvature of refraction by detecting a change in the wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light.
본 발명의 또 다른 측면에 다르면, 상기 센서 시스템를 이용해 상기 광 파이버의 굴절 상태를 검출하는 방법으로서, 상기 광 파이버의 광 입구에 빛을 조사하는 단계와, 상기 광 입구로부터 출력되는 제1반사광 및 제2반사광을 수집하는 단계와, 상기 제1반사광 및 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 분석하는 단계와, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 있는 경우 변화량을 계산하여 상기 광 파이버가 굴절된 위치 및 방향을 검출 단계를 포함하는 센싱 방법이 제공된다. According to still another aspect of the present invention, there is provided a method of detecting a refractive state of an optical fiber by using the sensor system, the method comprising: irradiating light to a light inlet of the optical fiber, first reflected light and a first light output from the light inlet; Collecting the reflected light, analyzing a change in the wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light, and calculating a change amount when there is a change in the wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light. A sensing method is provided that includes detecting a position and a direction in which a fiber is refracted.
상기 방법은 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 있는 경우 변화량을 계산하여 상기 광 파이버가 굴절된 방향의 각도 및 곡률을 검출하는 단계를 더 포함할 수도 있다. The method may further include detecting an angle and a curvature in a direction in which the optical fiber is refracted by calculating a change amount when there is a change in the wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light.
도 1은 종래 기술의 일 형태에 따른 광 파이버를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 광 파이버의 광 입구를 통한 입사광과 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 3은 종래 기술의 다른 형태에 따른 광 파이버를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 광 파이버의 광 입구를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버의 측면도 및 정면도이다.
도 7은 도 5의 광 파이버의 일 사용상태를 도시한 것이다.
도 8은 도 5의 광 파이버의 광 입구를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 9 및 도 10은 도 5의 광 파이버의 굴절 위치를 검측하는 원리를 도시하기 위한 도면이다.
도 11 및 도 12는 도 5의 광 파이버의 굴절 정도를 검측하는 원리를 도시하기 위한 도면이다.
도 13은 도 5 및 도 7과 함께 도 5의 광 파이버의 굴절 방향 및 그 각도를 검측하는 원리를 도시하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 시스템을 도시한 것이다.
Figure 1 shows an optical fiber according to an aspect of the prior art.
Fig. 2 shows the wavelength spectrum of incident light and reflected light through the light entrance of the optical fiber of Fig. 1. Fig.
3 shows an optical fiber according to another form of the prior art.
4 illustrates a wavelength spectrum of reflected light output through a light inlet of the optical fiber of FIG. 3.
5 and 6 are side and front views, respectively, of an optical fiber according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 illustrates a state of use of the optical fiber of FIG. 5.
FIG. 8 illustrates a wavelength spectrum of reflected light output through a light inlet of the optical fiber of FIG. 5.
9 and 10 are diagrams for illustrating the principle of detecting the refraction position of the optical fiber of FIG.
11 and 12 are diagrams for illustrating the principle of detecting the degree of refraction of the optical fiber of FIG.
FIG. 13 is a diagram for illustrating a principle of detecting a refractive direction and an angle of the optical fiber of FIG. 5 together with FIGS. 5 and 7.
14 illustrates a sensor system according to one embodiment of the invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is described as one embodiment, whereby the technical spirit of the present invention and its core configuration and operation are not limited.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버(100)의 측면도이고, 도 6은 도 5의 광 파이버(100)의 정면도이다. FIG. 5 is a side view of the optical fiber 100 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a front view of the optical fiber 100 of FIG. 5.
도 5 및 도 6을 참조하면, 광 파이버(100)는 소정 길이로 연장되는 클래딩(110)과, 클래딩(110)의 내부에서 클래딩(110)의 길이방향을 따라 연장되는 코어(120)를 포함한다. 클래딩(110)의 외주에는 클래딩(110)을 감싸는 버퍼(buffer)와 상기 버퍼를 감싸는 재킷(jacket)이 더 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 도시 생략하였다. 5 and 6, the optical fiber 100 includes a cladding 110 extending to a predetermined length and a core 120 extending along the longitudinal direction of the cladding 110 inside the cladding 110. do. A buffer for surrounding the cladding 110 and a jacket for enclosing the buffer may be formed on the outer periphery of the cladding 110, but are not shown in the present embodiment.
광 파이버(100)는 주로 실리카(silica, SiO2) 등의 유리 재질로 이루어진다. 클래딩(110)은 순수한 실리카, 코어(120)는 저마늄이 첨가된 실리카(Ge doped SiO2)로 이루어져 굴절률이 서로 다르게 된다. 광 파이버(100)의 양 단부에는 광원(미도시)으로부터 빛이 입사하는 광 입구(130)와, 코어(120)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(140)가 형성된다. The optical fiber 100 is mainly made of a glass material such as silica (SiO 2 ). The cladding 110 is made of pure silica and the core 120 is made of silica doped with germanium (Ge doped SiO 2 ), so that refractive indexes are different from each other. At both ends of the optical fiber 100, a light inlet 130 through which light is incident from a light source (not shown) and a light outlet 140 through which light is output through the core 120 are formed.
도 5에 도시된 바와 같이, 코어(120)에는 코어(120)의 길이방향을 따라 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)가 형성된다. 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)의 코어(120)의 굴절률과 상이하다. 한편, 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각의 굴절률을 서로 동일하다. As shown in FIG. 5, a plurality of gratings g 1 , g 2 ,... G a ,... G n are formed in the core 120 along the longitudinal direction of the core 120. Differs from the refractive index of the core 120 of the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ... g n . On the other hand, the refractive indices of the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n are equal to each other.
복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)들은 서로 다른 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)으로 이격되어 배치된다. 본 실시예에 따르면 광 입구(130)에서 광 출구(140)로 갈수록 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 증가한다. 본 실시예에 따르면 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)은 일정한 비율로 점진적으로 증가한다. 본 실시예에 따르면, 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 증가하지만, 필요에 따라서 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 감소하도록 할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. The plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n are spaced apart by different distances Λ 1 , Λ 2 , Λ a , ... Λ n-1 do. According to this embodiment, the spacing (Λ 1 , Λ 2 , ..., Λ a , ... Λ n-1 ) between the gratings increases from the light inlet 130 to the light exit 140 as a constant function. According to this embodiment, the spacing (Λ 1 , Λ 2 , ... Λ a , ... Λ n-1 ) between the gratings gradually increases at a constant rate. According to this embodiment, the spacing (Λ 1 , Λ 2 , ... Λ a , ... Λ n-1 ) between the gratings increases with a constant function, but the spacing (Λ 1 , Λ 2 , .. it will be understood that also a Λ a, ... Λ n-1 ) so as to decrease at a constant function.
한편, 광 파이버(100)의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 크다. 이러한 코어(120)의 수평축과 수직축 방향의 밀도 차이는 스트레스 강화부(160)에 의해 이루어진다. On the other hand, the core 120 of the optical fiber 100 has a density in the horizontal axis (x) direction larger than a density in the vertical axis (y) direction. The density difference between the horizontal axis and the vertical axis of the core 120 is achieved by the stress enhancing unit 160.
스트레스 강화부(160)는 클래딩(110)과 열팽창계수가 다른 물질을 클래딩(110)에 삽입하여 형성된 부분이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 두 개의 스트레스 강화부(160)가 코어(120)를 중심으로 광 파이버(100)의 수평축 상에 대칭으로 형성된다. The stress enhancing unit 160 is formed by inserting a material having a thermal expansion coefficient different from that of the cladding 110 into the cladding 110. As shown in FIG. 6, two stress intensifiers 160 are symmetrically formed on the horizontal axis of the optical fiber 100 about the core 120.
광 파이버(100)에 스트레스 강화부(160)를 형성하는 과정을 설명한다. 먼저, 광 파이버(100)를 형성하기 위한 원통형의 모재에 스트레스 강화부(160)가 형성될 위치에 드릴링 가공을 하고 스트레스 강화부(160)의 재료를 삽입한다. 높은 온도에서 광섬유의 모재 제조 공정이 완료되고, 모재를 드로잉(drawing)하여 냉각시키면 광 파이버(100)가 형성된다. 이때, 클래딩(110)과 스트레스 강화부(160)의 열팽창계수의 차이로 인해 수평방향의 수축과 수직방향의 수축 정도에 차이가 일어나 코어(120)에서 한쪽 방향으로만 인장응력이 발생하게 된다. A process of forming the stress enhancing portion 160 on the optical fiber 100 will be described. First, a cylindrical base material for forming the optical fiber 100 is drilled at a position where the stress-strengthening portion 160 is to be formed, and the material of the stress-strengthening portion 160 is inserted. When the base material manufacturing process of the optical fiber is completed at a high temperature, and the base material is drawn and cooled, the optical fiber 100 is formed. At this time, due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the cladding 110 and the stress-strengthening portion 160, there occurs a difference in shrinkage in the horizontal direction and shrinkage in the vertical direction, so that tensile stress is generated only in one direction in the core 120.
본 실시예에 따르면, 두 개의 스트레스 강화부(160)가 코어(120)를 중심으로 광 파이버(100)의 수평축 상에 대칭으로 형성되고, 스트레스 강화부(160)로는 열 팽창계수가 클래딩(110)의 열팽창계수보다 작은 물질이 쓰인다. 이경우 수축시 스트레스 강화부(160)가 클래딩(110) 보다 덜 수축되며, 스트레스 강화부(160)는 코어(120)를 광 파이버(100)의 수평축 방향으로 압축한다. 이러한 구성에 의해, 광 파이버(100)의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 커지게 된다. According to the present embodiment, the two stress-strengthening portions 160 are formed symmetrically on the horizontal axis of the optical fiber 100 about the core 120, and the thermal expansion coefficient of the stress- ) Are used. In this case, when the stress reinforcement 160 is contracted less than the cladding 110, the stress reinforcement 160 compresses the core 120 in the horizontal axis direction of the optical fiber 100. With this configuration, the core 120 of the optical fiber 100 has a density in the horizontal axis (x) direction larger than that in the vertical axis (y) direction.
광 파이버(100)의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 커지게 되면서, 수평축(x) 방향의 굴절율이 수직축(y) 방향의 굴절율보다 커지게 된다. 또한, 코어(120)의 물성을 변화시켜 형성한 복수의 격자들의 수평축(x) 방향의 굴절율이 수직축(y) 방향의 굴절율보다 크다. In the core 120 of the optical fiber 100, the density in the horizontal axis x direction becomes larger than the density in the vertical axis y direction, and the refractive index in the horizontal axis x direction becomes larger than the refractive index in the vertical axis y direction. . In addition, the refractive index in the horizontal axis (x) direction of the plurality of gratings formed by changing the physical properties of the core 120 is larger than the refractive index in the vertical axis (y) direction.
따라서, 코어(120)의 광 입구를 통해 입사되어 복수의 격자에 의한 간섭을 겪은 빛이 광 입구를 통해 다시 빠져나올 때 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 반사광은 서로 파장차(△λ)를 가지게 된다. Therefore, when light incident through the light entrance of the core 120 and having undergone interference by a plurality of gratings is again emitted through the light entrance, reflected light polarized in the horizontal axis (x) direction and reflected light polarized in the vertical axis (y) Have a wavelength difference DELTA lambda.
이하에서는, 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 광 파이버(100)의 반사광 특성을 더 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the reflected light characteristic of the optical fiber 100 according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIG. 7.
광 파이버(100)의 광 입구(130)를 통해 빛이 입사하면 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)에 의해 반사된 반사광이 광 입구(130)로 출력된다. A plurality of grid when light enters through the light entrance 130 of the optical fiber (100) (g 1, g 2, ... g a, ... g n) of the reflected light is the light entrance 130, reflected by the Is output.
앞서 설명한 바와 같이, 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 간의 간격은 일정한 비율로 증가하므로, 반사광의 파장 스펙트럼은 도 8에 도시된 바와 같이 넓은 대역대의 파장을 가지는 곡선(Cx, Cy)으로 표현된다. As described above, since the spacing between the plurality of gratings g 1 , g 2 ,... G a ,... G n increases at a constant rate, the wavelength spectrum of the reflected light has a wide band as shown in FIG. 8. It is represented by the curve (C x , C y ) having the wavelength of the band.
상기 [수학식 1]의 관계에 의해, 곡선(Cx, Cy)의 피크들은 각각 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각에 의한 반사광의 파장(λ1, λ2,... λa,...λn)을 나타낸다. The peaks of the curves C x and C y correspond to the peaks of the reflected light of each of the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n , respectively, (? 1 ,? 2 , ...? A , ...? N ).
상술한 바와 같이, 코어(120)의 광 입구를 통해 출력되는 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 반사광은 서로 파장차(△λ)가 발생한다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 반사광은 각각 서로 대역이 상이한 두 개의 곡선(Cx, Cy)으로 표시된다. 두 곡선(Cx, Cy)은 각각 독립적으로 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각에 의한 반사광의 파장을 나타낸다. 예를 들어, 곡선(Cx, Cy)에서 파장(λx1)과 파장(λy1)은 모두 격자(g1)에 의해 반사되는 반사광의 파장을 나타낸다. 파장(λx1)과 파장(λy1)은 △λ의 파장차를 가진다. As described above, the wavelength difference Δλ occurs between the reflected light polarized in the horizontal axis x direction and the reflected light polarized in the vertical axis y direction output through the light inlet of the core 120. Thus, as shown in FIG. 7, the reflected light polarized in the horizontal axis x direction and the reflected light polarized in the vertical axis y direction are represented by two curves C x and C y having different bands from each other. The two curves C x and C y independently represent the wavelength of the reflected light by each of the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n . For example, in the curves (C x , C y ), the wavelength (λ x1 ) and the wavelength (λ y1 ) both represent the wavelength of the reflected light reflected by the grating (g 1 ). The wavelength (λ x1 ) and the wavelength (λ y1 ) have wavelength differences of Δλ.
본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 종래기술과 유사하게 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 사이의 간격이 증가 또는 감소함에 따라서 감지되는 파장 변화를 통해 굴절 상태를 검측한다. 광 파이버(100)의 중심이 광 파이버(100) 전체의 굴절 중심과 동일한 경우, 광 파이버(100) 중심을 기준으로 한 격자 간격은 그 변화 정도가 평균이 0이 되므로(광 파이버 중심을 기준으로 일 부분에서는 인접한 두 격자의 간격이 늘어나는 반면, 그 반대쪽 부분에서는 두 격자의 간격이 줄어들기 때문에 평균 간격의 변화는 실질적으로 0이 된다), 정확한 굴절 상태를 계산할 수 없다. The optical fiber 100 according to the present embodiment has a wavelength that is detected as the distance between the plurality of gratings g 1 , g 2 ,... G a ,... G n increases or decreases similarly to the related art. Changes detect the state of refraction. When the center of the optical fiber 100 is equal to the center of refraction of the entire optical fiber 100, since the average of the lattice spacing based on the center of the optical fiber 100 is 0 The distance between the adjacent two gratings increases in one part, whereas in the opposite part, the distance between the two gratings decreases, so that the change in mean spacing is substantially zero).
따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 코어(120)의 중심이 광 파이버(100) 전체의 굴절 중심과 이격되도록 한다. 광 파이버(100)의 중심이 실제 굴절 중심과 이격되도록 하는 방법으로는, 도 8에 도시된 바와 같이 광 파이버(100)의 중심이 광 파이버(100)가 적용되는 내시경 장비(150)의 중심(즉, 굴절 중심)과 다른 부분에 위치하도록 하는 방법이 있다. 또한, 광 파이버(100)의 바깥쪽에 가늘지만 강도가 좋은 지지심(미도시)을 부착하여, 상기 지지심이 광 파이버(100)의 굴절 중심이 되도록 함으로써 광 파이버(100)의 중심에 위치한 코어(110)의 중심이 굴절 중심과 이격되도록 할 수도 있을 것이다. Therefore, as shown in FIG. 8, according to the present embodiment, the center of the core 120 is spaced apart from the center of refraction of the entire optical fiber 100. As a method of allowing the center of the optical fiber 100 to be spaced apart from the actual center of refraction, as shown in FIG. 8, the center of the optical fiber 100 is the center of the endoscope equipment 150 to which the optical fiber 100 is applied. That is, there is a method to be located in a different part from the center of refraction. In addition, a thin but strong support core (not shown) is attached to the outside of the optical fiber 100 so that the support core is a refractive center of the optical fiber 100 so that the core located at the center of the optical fiber 100 ( The center of 110 may be spaced apart from the center of refraction.
광 파이버(100)의 중심이 실제 굴절 중심과 이격된 상태에서, 예를 들어 내시경 장비(150)가 방향 1(도 8)로 구부러지는 경우, 구부러진 부분에서 광 파이버(100)의 격자들은 실질적으로 모두 압축되어 격자 간의 간격이 감소하게 된다. With the center of the optical fiber 100 spaced apart from the actual center of refraction, for example when the endoscope equipment 150 is bent in direction 1 (FIG. 8), the gratings of the optical fiber 100 at the bent portion are substantially All are compressed to reduce the spacing between the gratings.
이하에서는, 도 9 및 도 10을 참조하여 광 파이버(100)가 굴절된 위치를 검측하는 과정을 설명한다. Hereinafter, a process of detecting the position where the optical fiber 100 is refracted will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 굴절 상태를 파악하기 위하여 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 반사광을 모두 이용하지만, 도 10에서는 설명의 편의를 위해 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광의 파장 스펙터럼만을 도시하였다. 또한, 도 10에는 굴절이 발생하기 전 상태를 나타내는 곡선(Cbefore)과 굴절이 발생한 후를 나타내는 곡선(Cafter)을 동시에 도시하였다. As described above, the optical fiber 100 according to the present embodiment uses both the reflected light polarized in the horizontal axis (x) direction and the reflected light polarized in the vertical axis (y) direction to determine the refractive state. For convenience, only the wavelength spectrum of the reflected light polarized in the horizontal axis (x) direction is shown. In addition, FIG. 10 simultaneously shows a curve C before indicating a state before refraction occurs and a curve C after indicating after the refraction occurs.
광 파이버(100)가 굴절부분 1(도 9)에서 굴절되었다고 가정하면, 굴절부분 1에 위치하는 격자와 그와 인접한 격자 사이의 간격이 변화하게 된다(도 10은 굴절에 의해 굴절부분 1에서 격자 간격이 증가하는 방향으로 굴절된 경우이다). 이에 따라서, 굴절부분 1에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장도 변화하게 된다. 결과적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 파장(λ1)에서의 빛의 크기(R)는 감소하고, 굴절부분 1에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장 변화로 인해 파장(λ1) 인근 파장(변화된 반사광의 파장)의 빛의 세기가 증가하면서 피크(P1)가 발생하게 된다. Assuming that the optical fiber 100 is refracted at refracted portion 1 (FIG. 9), the spacing between the grating located at refracted portion 1 and its adjacent grating is varied (FIG. 10 shows the grating at refracted portion 1 due to refraction). If the gap is refracted in the increasing direction). Accordingly, the wavelength of the reflected light due to the grating located at the refracting portion 1 also changes. As a result, as shown in FIG. 10, the magnitude R of light at wavelength λ 1 decreases, and due to the change in wavelength of reflected light by the grating located at the refractive portion 1, the wavelength near wavelength λ 1 The peak P 1 is generated as the light intensity of the changed reflected light wavelength) increases.
광 파이버(100)가 굴절부분 2에서 더 한번 굴절되는 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 굴절부분 2에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장(λ2)이 옆쪽으로 이동하며 피크(P2)가 발생하게 된다. When the optical fiber 100 is refracted once more in the refraction portion 2, as shown in FIG. 10, the wavelength λ 2 of the reflected light by the grating located in the refraction portion 2 moves laterally, and the peak P 2 is moved. Will occur.
본 실시예에 따르면 광 파이버(100)가 굴절되지 않은 상태에서의 복수의 격자 각각에 의한 반사광의 파장을 알고 있으므로, 상기한 원리를 역으로 이용하여 반사광의 파장 스펙트럼 중에서 반사광의 크기가 감소하는 파장을 검출하여 해당 파장의 반사광에 대응하는 격자의 위치를 검출할 수 있게 된다. 즉, 광 파이버(100)가 굴절하는 경우 파장 스펙트럼 변화를 통해 어느 격자가 위치한 부분에서 굴절이 발생하였는지 검출할 수 있는 것이다. According to the present embodiment, since the wavelength of the reflected light by each of the plurality of gratings in the state where the optical fiber 100 is not refracted is known, the above-described principle is used in reverse and the wavelength at which the size of the reflected light in the wavelength spectrum of the reflected light decreases The position of the lattice corresponding to the reflected light of the wavelength can be detected. That is, when the optical fiber 100 is refracted, it is possible to detect the occurrence of refraction at a position where a lattice is located through the change of the wavelength spectrum.
이하에서는, 도 11 및 도 12를 참조하여 광 파이버(100)가 굴절된 정도를 검측하는 원리를 설명한다. Hereinafter, the principle of detecting the degree of refraction of the optical fiber 100 will be described with reference to FIGS. 11 and 12.
도 12에는 설명의 편의를 위해 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광의 파장 스펙터럼만을 도시하였다. 또한, 도 12에는 도 11(a)의 경우에 해당하는 파장 스펙트럼 곡선(R1)과, 도 11(b)의 경우에 해당하는 파장 스펙트럼 곡선(R2)를 동시에 도시하였다. 12 illustrates only a wavelength spectrum of reflected light polarized in the horizontal axis (x) direction for convenience of description. In addition, FIG. 12 simultaneously shows the wavelength spectral curve R1 corresponding to the case of FIG. 11A and the wavelength spectral curve R2 corresponding to the case of FIG. 11B.
도 11(a) 및 도 11(b)는 광 파이버(100)가 동일한 지점에서 굴절되었으나, 굴절 정도가 상이한 경우를 도시한 것이다. 도 11(a)가 도 11(b)에 비해 더 많이 굴절된 상태를 도시한다(즉, r1 < r2). 두 경우에, 도 12에 도시된 바와 같이, 곡선(R1)와 곡선(R2)은 거의 동일한 파장에서 피크가 발생하지만, 피크의 크기(R)가 서로 상이하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 굴절에 의해 발생하는 피크의 크기를 분석하여 광 파이버(100)가 굴절된 정도를 검출할 수 있다. 11 (a) and 11 (b) show a case in which the optical fiber 100 is refracted at the same point, but the degree of refraction is different. FIG. 11A shows a more refracted state than that in FIG. 11B (ie, r1 <r2). In both cases, as shown in Fig. 12, it is confirmed that the curves R1 and R2 generate peaks at almost the same wavelength, but the peaks R are formed to be different from each other. Therefore, the degree of refraction of the optical fiber 100 can be detected by analyzing the magnitude of the peak generated by the refraction.
이하에서는, 도 5, 도 8 및 도 13을 참조하여 광 파이버(100)가 굴절된 방향 및 그 각도를 검출하는 원리를 설명한다. Hereinafter, the principle of detecting the direction and the angle at which the optical fiber 100 is refracted will be described with reference to FIGS. 5, 8, and 13.
광 파이버(100)가 도 5의 격자(ga) 위치에서, 도 8의 방향 3으로 굴절되는 경우, 격자(ga)와 그와 인접한 격자의 x축 방향 간격(Λx) 및 y축 방향 간격(Λy)이 모두 증가하게 된다. The optical fiber 100 at the position lattice (g a) of Figure 5, when it is refracted in the direction 3 in FIG. 8, the grating (g a) and the x-axis direction interval (Λ x) and y-axis direction of the grating adjacent to the The interval Λ y is all increased.
격자의 x축 방향 간격(Λx)이 증가함에 따라서 격자(ga)에 의한 반사광의 파장(λax)도 증가한다. 따라서, 도 13(a)에 도시된 바와 같이, 파장 스펙트럼 곡선에서 파장(λax)을 가지는 빛의 크기가 감소하여 파장(λax)에서 R값이 감소하고, 파장(λax) 보다 우측에 위치한 파장(λax+△λx)에서 피크(P1x)가 발생한다. The increase in wavelength (λ ax) of the reflected light by the grating (g a) As the x-direction spacing of the lattice (Λ x) is increased. Therefore, even on the right side than the 13 (a), the reduction in size of the light having a wavelength (λ ax) at a wavelength spectrum curve to the R value is decreased at a wavelength (λ ax) and wavelength (λ ax) as shown in The peak P 1x occurs at the located wavelength λ ax + Δλ x .
한편, 격자의 y축 방향 간격(Λy)이 증가함에 따라서 격자(ga)에 의한 반사광의 파장(λay)도 증가한다. 따라서, 도 13(b)에 도시된 바와 같이, 파장 스펙트럼 곡선에서 파장(λay)을 가지는 빛의 크기가 감소하여 파장(λay)에서 R값이 감소하고, 파장(λay) 보다 우측에 위치한 파장(λay+△λy)에서 피크(P1y)가 발생한다. On the other hand, increases the wavelength (λ ay) of the reflected light by the grating (g a) As the y-axis direction interval between gratings (Λ y) is increased. Accordingly, on the right side than Fig. 13 (b), the reduction in size of the light having a wavelength (λ ay) at a wavelength spectrum curve to the R value is decreased at a wavelength (λ ay), and the wavelength (λ ay) as shown in The peak P 1y occurs at the located wavelength λ ay + Δλ y .
이와 다르게, 광 파이버(100)가 도 7의 방향 2로 굴절되는 경우, 격자(ga)와 그와 인접한 격자의 x축 방향 간격(Λx)은 증가하고, y축 방향 간격(Λy)은 감소하게 된다. Alternatively, if the optical fiber 100 is refracted in direction 2 of Figure 7, the grating (g a) and the x-axis spacing of the grating adjacent to the (Λ x) is increased, and the y-axis direction interval (Λ y) .
이 경우, x축 방향 간격(Λx)의 증가에 의해 곡선(Cx)에서 피크(P1x)는 파장(λax) 보다 우측에서 발생하고, y축 방향 간격(Λy)의 감소에 의해 곡선(Cy)에서는 피크(P1y)는 파장(λay) 보다 좌측에서 발생하게 될 것이다. With this case, the decrease in the curve (C x) peak (P 1x) occurs on the right side than the wavelength (λ ax) and, y-axis direction interval (Λ y) on the by the increase of the x-axis direction interval (Λ x) In the curve (C y ), the peak (P 1y ) will be generated on the left side of the wavelength (λ ay ).
도 8을 참조하여 광 파이버(100)가 굴절하는 경우에 따라 발생하는 현상을 정리하면 아래 표와 같다.
Referring to FIG. 8, the phenomenon occurring when the optical fiber 100 is refracted is summarized in the table below.
방향direction 곡선(Cx)The curve (C x ) 곡선(Cy)The curve (C y )
방향 1Direction 1 x축 방향 간격(Λx) 감소
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 좌측에 발생
Decrease the x-axis direction spacing (Λ x )
-> peak (P 1x ) occurs to the left of the reference wavelength
y축 방향 간격(Λy) 감소
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 좌측에 발생
Reduce the y-axis direction spacing (Λ y )
-> peak (P 1y ) occurs to the left of the reference wavelength
방향 2Direction 2 x축 방향 간격(Λx) 증가
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 우측에 발생
Increase in x-axis direction (Λ x )
-> peak (P 1x ) occurs to the right of the reference wavelength
y축 방향 간격(Λy) 감소
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 좌측에 발생
Reduce the y-axis direction spacing (Λ y )
-> peak (P 1y ) occurs to the left of the reference wavelength
방향 3Direction 3 x축 방향 간격(Λx) 증가
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 우측에 발생
Increase in x-axis direction (Λ x )
-> peak (P 1x ) occurs to the right of the reference wavelength
y축 방향 간격(Λy) 증가
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 우측에 발생
Increase in y-direction spacing (Λ y )
-> peak (P 1y ) occurs to the right of the reference wavelength
방향 4Direction 4 x축 방향 간격(Λx) 감소
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 좌측에 발생
Decrease the x-axis direction spacing (Λ x )
-> peak (P 1x ) occurs to the left of the reference wavelength
y축 방향 간격(Λy) 증가
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 우측에 발생
Increase in y-direction spacing (Λ y )
-> peak (P 1y ) occurs to the right of the reference wavelength
파장 스펙트럼 곡선(Cx, Cy)이 어떠한 형태로 변화하는지를 분석하여 광 파이버(100)가 굴절된 방향을 알 수 있게 된다. It is possible to determine the direction in which the optical fiber 100 is refracted by analyzing how the wavelength spectrum curve (C x , C y ) changes.
나아가, 광 파이버(100)가 굴절된 각도도 계산할 수 있다.Furthermore, the angle at which the optical fiber 100 is refracted can also be calculated.
다시 도 13을 참조하면, 곡선(Cx)에서 △λx를 상기 [수학식 1]에 대입하면 광 파이버(100)가 굴절되기 전 상태에서의 격자(ga)의 원위치에서 격자(ga)가 x 축 방향으로 얼만큼 이동하였는지를 계산할 수 있다. 동일하게, 곡선(Cy)에서 △λy를 상기 [수학식 1]에 대입하면 격자(ga)가 원위치에서 y 축 방향으로 얼만큼 이동하였는지도 계산할 수 있다. 격자(ga)의 x축 및 y축에 대한 변위를 알 수 있으므로, 격자(ga)가 회전한 각도를 계산해 낼 수 있다. Referring to FIG. 13 again, substituting Δλ x in [Equation 1] in the curve C x at the original position of the grating g a in a state before the optical fiber 100 is refracted, g a We can calculate how much) moves in the x-axis direction. Similarly, substituting Δλ y into the above equation (1) in the curve C y can calculate how far the grating g a moves from the original position in the y-axis direction. Can know the displacement of the x-axis and y-axis of the grating (g a), the grid (g a) is rotated can be calculated the angle.
상술한 원리에 의해 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 하나의 파이버를 이용해 굴절된 위치뿐만 아니라, 굴절된 방향 및 그 각도를 모두 측정할 수 있다. 따라서, 굴절된 방향 및 그 각도를 측정하기 위해서 적어도 세 가닥을 묶어 사용해야 하는 종래기술에 따른 광 파이버(도 3 참조)에 비해 매우 우수한 공간 특성을 가진다.The optical fiber 100 according to the present embodiment can measure not only the refracted position but also the refracted direction and the angle using the single fiber. Therefore, it has a very good spatial characteristics compared to the optical fiber according to the prior art (see FIG. 3), which requires at least three strands to be used in order to measure the refracted direction and the angle thereof.
또한, 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 복수의 격자들이 비교적 촘촘히 배치되므로 종래기술에 따른 광 파이버에 형성되는 "데드 존"이 거의 존재하지 않는다. In addition, in the optical fiber 100 according to the present embodiment, since a plurality of gratings are disposed relatively tightly, there are almost no "dead zones" formed in the optical fiber according to the prior art.
또한, 본 실시예에 따른 광 파이버(100)에 의하면 검출되는 굴절 위치의 해상도(Resolution)가 종래 기술에 따른 광 파이버에 비해 대폭 향상 가능하다는 것을 확인하였다. In addition, according to the optical fiber 100 according to the present embodiment it was confirmed that the resolution (Resolution) of the detected refraction position can be significantly improved compared to the optical fiber according to the prior art.
위와 같은 우수한 효과로 인해, 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 내시경 장비(150)와 같이 좁은 공간에서 이용되는 장비의 굴절 상태를 센싱하는 센서로 유용하게 이용될 수 있다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 시스템을 도시한 것이다. Due to the excellent effect as described above, the optical fiber 100 according to the present embodiment can be usefully used as a sensor for sensing the refractive state of the equipment used in the narrow space, such as the endoscope equipment 150. 14 illustrates a sensor system according to one embodiment of the invention.
본 실시예에 따르면, 센서 시스템은 광 파이버(100), 광 파이버(100)에 빛을 조사하는 광원(200) 및 광 파이버(100)로부터 출력되는 반사광을 분석하는 광 분석기(210)를 포함한다. According to the present embodiment, the sensor system includes an optical fiber 100, a light source 200 for irradiating light to the optical fiber 100, and an optical analyzer 210 for analyzing the reflected light output from the optical fiber 100. .
광 파이버(100)로부터 출력되는 반사광 중에서 수평축 방향으로 편광된 반사광과 수직축으로 편광된 반사광을 추출하는 것도 가능하지만, 본 센서 시스템에서는 동작의 간소화를 위해 광원(200)으로부터 출력되는 빛을 편광 제어기(240)로 통과시켜 수평축 방향으로 편광된 입사광과 수직축으로 편광된 입사광만을 추출한다.Although it is possible to extract the reflected light polarized in the horizontal axis direction and the reflected light polarized in the vertical axis from the reflected light output from the optical fiber 100, in the present sensor system, the light output from the light source 200 is simplified to simplify the operation. Only incident light polarized in the horizontal axis and incident light polarized in the vertical axis by passing through the line 240 is extracted.
따라서, 광 파이버(100)에는 수평축 방향으로 편광된 입사광과 수직축으로 편광된 입사광이 입사되며, 편광된 입사광들은 각각 수평축 방향으로 편광된 반사광과 수직축으로 편광된 반사광으로 출력된다. 출력된 반사광은 분배기(230)를 거쳐 광 분석기(210)로 보내진다. 광 분석기(210)는 수집된 수평축 방향으로 편광된 반사광과 수직축으로 편광된 반사광의 파장 스펙트럼을 실시간으로 분석하여 광 파이버(100)의 굴절 상태를 분석한다. Accordingly, incident light polarized in the horizontal axis direction and incident light polarized in the vertical axis are incident on the optical fiber 100, and the polarized incident light is output as reflected light polarized in the horizontal axis direction and reflected light polarized in the vertical axis, respectively. The reflected light is sent to the optical analyzer 210 via the distributor 230. The optical analyzer 210 analyzes the wavelength spectrum of the collected reflected light polarized in the horizontal axis direction and the reflected light polarized in the vertical axis in real time to analyze the refractive state of the optical fiber 100.

Claims (8)

  1. 소정 길이로 연장되는 클래딩과,
    상기 클래딩의 내부에서 상기 클래딩의 길이방향을 따라 연장되는 코어를 포함하고,
    상기 코어 내부에는 상기 코어와 굴절률이 상이하고, 상기 코어를 통과하는 빛의 경로를 간섭하도록 상기 코어의 길이방향을 따라 배치되는 복수의 격자가 형성되며,
    상기 복수의 격자는 각각 서로 다른 간격으로 배치되고,
    상기 코어의 광 입구로 빛이 조사되면, 상기 코어를 통과하는 상기 빛의 일부가 상기 복수의 격자에 의해 반사되어 상기 광 입구를 통해 출력되며,
    상기 광 입구를 통해 출력되는 반사광은 서로 다른 방향으로 편광된 제1반사광 및 제2반사광을 포함하고, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광은 서로 다른 대역의 파장 스펙트럼을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 파이버.
    A cladding extending to a predetermined length,
    A core extending along the longitudinal direction of the cladding within the cladding,
    In the core, a plurality of gratings are formed that are different in refractive index from the core and are disposed along the longitudinal direction of the core to interfere with a path of light passing through the core.
    Wherein the plurality of gratings are disposed at mutually different intervals,
    When light is irradiated to the light inlet of the core, a portion of the light passing through the core is reflected by the plurality of gratings and output through the light inlet,
    The reflected light output through the light inlet includes first and second reflected light polarized in different directions, and the first and second reflected light form a wavelength spectrum of different bands. Fiber.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 격자의 간격은 상기 광 입구로부터 광 출구로 갈수록 일정한 함수로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 광 파이버.
    The method of claim 1,
    And the spacing of the plurality of gratings increases or decreases in a constant function from the light inlet to the light outlet.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1반사광은 상기 코어의 수평축 방향으로 편광된 반사광이고,
    상기 제2반사광은 상기 코어의 수직축 방향으로 편광된 반사광이며,
    상기 코어는 상기 수평축 방향의 밀도와 상기 수직축 방향의 밀도가 서로 상이하여, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장차가 발생하는 것을 특징으로 하는 광 파이버.
    The method of claim 1,
    The first reflected light is reflected light polarized in the horizontal axis direction of the core,
    The second reflected light is reflected light polarized in the vertical axis direction of the core,
    The core has a density in the horizontal axis direction and a density in the vertical axis direction different from each other, so that a wavelength difference between the first reflected light and the second reflected light occurs.
  4. 청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 광 파이버;
    상기 광 파이버의 광 입구에 빛을 조사하는 광원;
    상기 광 파이버의 광 입구로부터 출력되는 반사광의 파장을 분석하는 광 분석기를 포함하고,
    상기 코어의 중심은 상기 광 파이버가 이용된 센서 전체의 굴절 중심과 이격되어 배치되고,
    상기 센서가 굴절하는 경우, 상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 위치 및 방향을 검출하는 것을 특징으로 센서 시스템.
    Claims 1 to 3 of the optical fiber of any one of;
    A light source for irradiating light to the light inlet of the optical fiber;
    An optical analyzer for analyzing a wavelength of reflected light output from the light inlet of the optical fiber,
    The center of the core is disposed spaced apart from the center of refraction of the entire sensor using the optical fiber,
    And when the sensor is refracted, the optical analyzer detects a refraction position and direction by detecting a change in a wavelength spectrum of the first and second reflected light.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 방향의 각도를 더 검출하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
    5. The method of claim 4,
    And the optical analyzer further detects a change in the wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light to further detect an angle in the refracted direction.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 곡률을 더 검출하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
    The method of claim 5,
    And the optical analyzer further detects a curvature of refraction by detecting a change in a wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light.
  7. 청구항 제4항의 센서 시스템를 이용해 상기 광 파이버의 굴절 상태를 검출하는 방법으로서,
    상기 광 파이버의 광 입구에 빛을 조사하는 단계;
    상기 광 입구로부터 출력되는 제1반사광 및 제2반사광을 수집하는 단계;
    상기 제1반사광 및 제2반사광의 파장 스펙트럼을 계산하는 단계;
    상기 제1반사광 및 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 분석하는 단계;
    상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 있는 경우 변화량을 계산하여 상기 광 파이버가 굴절된 위치 및 방향을 검출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
    A method of detecting the refractive state of the optical fiber using the sensor system of claim 4,
    Irradiating light onto a light inlet of the optical fiber;
    Collecting the first reflected light and the second reflected light output from the light inlet;
    Calculating a wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light;
    Analyzing a change in the wavelength spectrum of the first and second reflected light;
    And detecting a position and a direction in which the optical fiber is refracted by calculating a change amount when there is a change in the wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 있는 경우 변화량을 계산하여 상기 광 파이버가 굴절된 방향의 각도 및 곡률을 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
    The method of claim 7, wherein
    And calculating an amount of change when there is a change in the wavelength spectrum of the first reflected light and the second reflected light to detect an angle and curvature in the direction in which the optical fiber is refracted.
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