KR101824475B1 - 광섬유 센서 및 그를 포함하는 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 센서 및 그를 포함하는 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서는 광을 조사하는 광섬유 팁; 기 결정된 초점 거리를 갖는 프레넬 존 플레이트; 및 상기 광섬유 팁과 상기 프레넬 존 플레이트 사이에 위치하며, 소정의 굴절률을 갖는 매개 물질;을 포함할 수 있다.

Description

광섬유 센서 및 그를 포함하는 측정 장치{FIBER-OPTIC SENSOR AND MEASURING DEVICE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 광섬유 센서 및 그를 포함하는 측정 장치에 관한 것이다.

일반적인 전기적 센서와 달리 광섬유 센서는 빛의 특성을 기초로 외부 물리량을 측정하는데 사용된다. 광섬유 센서는 광섬유를 지나가는 빛의 세기, 광섬유의 굴절률 및 길이, 모드, 그리고 편광 상태의 변화 등을 이용하여 전압, 전류, 온도, 압력, 스트레인, 회전율, 음향, 가스 농도 등 다양한 물리량을 감지할 수 있다. 이러한 광섬유 센서는 초정밀도로 광대역 측정이 가능하며, 전자파의 영향을 받지 않으며, 원격 측정이 용이하다는 장점이 있다. 이뿐만 아니라, 광섬유 센서는 센서부에서 전기를 사용하지 않으며, 실리카 재질의 뛰어난 내부식성으로 사용 환경에 대한 제약이 거의 없어 재해 방지 등 산업 전반에 걸쳐 계측 장치로 사용되고 있다.

그러나, 기존의 광섬유 센서는 포토닉 크리스탈 광섬유를 이용한 간섭계나 플라즈모닉스와 같은 비싸고 구현이 힘든 기술을 사용하여 제작 및 활용이 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 간단한 작업을 통해 만들 수 있는 프레넬 존 플레이트(Fresnel Zone Plate, FZP)를 이용한 광섬유 센서 및 그를 포함하는 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서는 광을 조사하는 광섬유 팁; 기 결정된 초점 거리를 갖는 프레넬 존 플레이트; 및 상기 광섬유 팁과 상기 프레넬 존 플레이트 사이에 위치하며, 소정의 굴절률을 갖는 매개 물질;을 포함할 수 있다.

상기 광섬유 팁은 끝 부분이 볼록하게 돌출된 광섬유 렌즈를 포함할 수 있다.

상기 매개 물질은 상기 광섬유 팁을 구성하는 물질보다 굴절률이 클 수 있다.

상기 프레넬 존 플레이트는 상기 광섬유 팁과 마주보는 일면에 광을 반사시키는 물질로 패턴이 형성된 집광면을 포함할 수 있다.

상기 프레넬 존 플레이트는 타면에 광을 반사시키는 물질이 코팅된 반사면을 더 포함할 수 있다.

상기 광섬유 센서는 상기 프레넬 존 플레이트를 사이에 두고 상기 광섬유 팁과 마주보도록 배치되는 광 반사부를 더 포함할 수 있다.

상기 광은 상기 광섬유 팁으로부터 상기 매개 물질을 거쳐 상기 프레넬 존 플레이트의 집광면까지 발산하고, 상기 집광면으로부터 상기 반사면까지 직진하고, 상기 반사면에서 반사되어 상기 반사면으로부터 상기 집광면까지 직진하고, 상기 집광면으로부터 상기 매개 물질을 거쳐 상기 광섬유 팁까지 수렴할 수 있다.

상기 발산하는 광은 다중 파장을 가지며, 상기 직진하는 광, 상기 반사되어 직진하는 광, 및 상기 수렴하는 광은 단일 파장을 가질 수 있다.

상기 매개 물질은 주변의 물리량에 따라 굴절률이 변하는 가변 굴절률 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치는 다중 파장의 광을 생성하는 광원; 상기 생성된 광을 전달받아 단일 파장의 광을 제공하는 광섬유 센서; 및 상기 제공된 광의 파장에 대응하는 정보를 검출하는 검출기를 포함하되, 상기 광섬유 센서는: 광을 조사하는 광섬유 팁; 기 결정된 초점 거리를 갖는 프레넬 존 플레이트; 및 상기 광섬유 팁과 상기 프레넬 존 플레이트 사이에 위치하며, 소정의 굴절률을 갖는 매개 물질;을 포함할 수 있다.

상기 광원은: 각각의 파장에 대응하는 광을 동시에 생성하는 광대역 파장 광원; 및 각각의 파장에 대응하는 광을 순차적으로 생성하는 파장 가변 광원; 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 측정 장치는 상기 검출된 정보를 기반으로 상기 광섬유 센서가 위치한 지점의 물리량을 획득하는 처리부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 광섬유 센서에 프레넬 존 플레이트를 이용함으로써 보다 저렴하고 쉽게 광섬유 센서를 제작할 수 있다. 또한, 광섬유의 끝 부분에 프레넬 존 플레이트를 결합하여 센서부를 수십 내지 수백 μm 수준으로 제작 가능하므로 광섬유 센서의 소형화가 가능하며, 더 나아가 휴대용 광섬유 센서를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 센서의 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서에서 광의 이동 경로를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치의 블록도이다.

이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서(10)의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 상기 광섬유 센서(10)는 광섬유 팁(11), 프레넬 존 플레이트(12) 및 매개 물질(13)을 포함한다.

상기 광섬유 팁(11)은 광을 조사한다. 상기 프레넬 존 플레이트(12)는 기 결정된 초점 거리를 갖는다. 상기 매개 물질(13)은 상기 광섬유 팁(11)과 상기 프레넬 존 플레이트(12) 사이에 위치하며, 소정의 굴절률을 갖는다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광섬유 팁(11)은 끝 부분이 볼록하게 돌출된 광섬유 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광섬유 팁(11)의 끝 부분은 볼록렌즈의 표면과 같이 볼록하게 돌출되어 곡면을 형성할 수 있다.

그러나, 상기 광섬유 팁(11)은 끝이 볼록한 광섬유 렌즈로 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 광섬유 팁(11)은 끝이 오목하게 함몰된 광섬유 렌즈를 포함할 수 있으며, 실시예에 따라 끝이 볼록하거나 오목하게 형성되지 않고 평평하게 형성될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 매개 물질(13)은 상기 광섬유 팁(11)을 구성하는 물질보다 굴절률이 클 수 있다. 예를 들어, 상기 광섬유 팁(11)은 유리 또는 수지로 만들어질 수 있으며, 상기 매개 물질(13)은 그보다 굴절률이 큰 임의의 액체 또는 기체 상태의 물질일 수 있다.

상기 프레넬 존 플레이트(12)는 상기 광섬유 팁(11)과 마주보는 일면(도 1의 프레넬 존 플레이트(12)에서 좌측면)에 광을 반사시키는 물질로 패턴이 형성된 집광면을 포함한다.

도 1을 참조하면, 상기 프레넬 존 플레이트(12)는 광을 투과시키는 몸체(121)와, 광을 반사시키는 물질(122)을 포함하며, 일면(즉, 좌측면)에 패턴이 형성되어 소정의 초점 거리로 광을 굴절시킨다. 여기서, 상기 몸체(121)는 석영, 유리 등으로 만들어질 수 있으며, 상기 광을 반사시키는 물질(122)은 금과 같은 금속일 수 있다.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프레넬 존 플레이트(12)는 일면과 마주보는 타면(도 1의 프레넬 존 플레이트(12)에서 우측면)에 광을 반사시키는 물질이 코팅된 반사면을 더 포함할 수 있다.

도 1에서 상기 프레넬 존 플레이트(12)의 타면(즉, 우측면)은 전면에 걸쳐 광을 반사시키는 물질(122)이 덮여 있어 광을 반사시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 센서(10)의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 상기 광섬유 센서(10)는 광을 반사시키기 위해 상기 프레넬 존 플레이트(12)의 타면에 반사면을 형성하는 대신 별도의 광 반사부(14)를 더 포함할 수도 있다.

이 실시예에 따르면, 상기 광 반사부(14)는 상기 프레넬 존 플레이트(12)를 사이에 두고 상기 광섬유 팁(11)과 마주보도록 배치된다.

상기 프레넬 존 플레이트(12)와 마찬가지로 상기 광 반사부(14) 역시 몸체(141)와 광 반사 물질(142)을 포함한다. 상기 광 반사부(14)의 몸체(141) 및 광 반사 물질(142)은 각각 상기 프레넬 존 플레이트(12)의 몸체(121) 및 광 반사 물질(122)과 재질이 동일할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서(10)에서 광의 이동 경로를 예시적으로 나타내는 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 광섬유 센서(10)에서 광은 상기 광섬유 팁(11)으로부터 상기 매개 물질(13)을 거쳐 상기 프레넬 존 플레이트(12)의 집광면(즉, 좌측면)까지 발산할 수 있다.

도 3에서 상기 광섬유 팁(11)은 끝이 볼록하게 돌출되어 볼록렌즈와 같은 기능을 가지나, 상기 매개 물질(13)의 굴절률이 상기 광섬유 팁(11)을 구성하는 물질의 굴절률보다 크므로, 상기 광섬유 팁(11)에서 조사되는 광은 실초점으로 수렴하지 않고 허초점(f)을 중심으로 발산하게 된다.

그 뒤, 광은 상기 프레넬 존 플레이트(12)의 집광면으로부터 반사면(즉, 우측면)까지 직진하고, 도 4와 같이 반사면에서 반사되어 다시 반사면으로부터 집광면까지 직진하게 된다.

그러고 나서, 광은 도 3에 도시된 경로와 동일한 경로를 따라 도 4와 같이 상기 프레넬 존 플레이트(12)의 집광면으로부터 상기 매개 물질(13)을 거쳐 상기 광섬유 팁(11)까지 수렴하게 된다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 광섬유 팁(11)으로부터 상기 프레넬 존 플레이트(12)까지 발산하는 광은 다수의 파장을 포함하는 다중 파장을 갖지만, 상기 프레넬 존 플레이트(12)의 집광면을 지나서부터는 직진하는 광, 반사되어 직진하는 광 및 상기 프레넬 존 플레이트(12)로부터 상기 광섬유 팁(11)으로 수렴하는 광은 모두 단일 파장을 갖는다.

상기 광섬유 팁(11)의 허초점(f)을 중심으로 발산되는 다중 파장의 광 중에서 상기 프레넬 존 플레이트(12)의 집광면에서 굴절하여 반사면을 향해 평행하게 진행하는 광은 단일 파장으로 구성된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 프레넬 존 플레이트(12)의 집광면에서 굴절하여 평행하게 진행하는 광의 파장은 상기 매개 물질(13)의 굴절률에 의존한다. 따라서, 상기 광섬유 센서(10)는 상기 매개 물질(13)의 굴절률에 따라 다중 파장의 광으로부터 어느 한 파장의 광을 선택하여 내보낼 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 매개 물질(13)은 주변의 물리량에 따라 굴절률이 변하는 가변 굴절률 물질을 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 광섬유 센서(10)는 주변의 물리량(예컨대, 전기장, 자기장, 온도 등)에 따라 굴절률이 변하는 상기 매개 물질(13)에 의해 다중 파장의 광으로부터 특정 파장의 광을 선택하여 제공할 수 있다. 상기 광섬유 센서(10)가 제공하는 광의 파장은 상기 가변 굴절률 물질의 굴절률에 의해 결정된다.

이 실시예에서 상기 가변 굴절률 물질은 액정을 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치(100)의 블록도이다.

도 5를 참조하면, 상기 측정 장치(100)는 광원(110), 광섬유 센서(10) 및 검출기(130)를 포함한다.

상기 광원(110)은 다중 파장의 광을 생성한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광원(110)은 상기 다중 파장에서 각각의 파장에 대응하는 광을 동시에 생성하는 광대역 파장 광원을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 광원(110)은 각각의 파장에 대응하는 광을 순차적으로 생성하는 파장 가변 광원, 예컨대 파장 훑음 레이저(wavelength swept laser)를 포함할 수 있다.

이와 같이 상기 광원(110)에서 생성된 다중 파장의 광은 상기 광섬유 센서(10)로 전달된다.

상기 광섬유 센서(10)는 앞서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서(10)로서, 광섬유 팁(11), 프레넬 존 플레이트(12) 및 매개 물질(13)을 포함한다. 상기 광섬유 센서(10)는 다중 파장의 광을 전달받아 앞서 설명한 메커니즘대로 단일 파장의 광을 제공한다.

상기 광섬유 센서(10)가 제공하는 광의 파장은 상기 매개 물질(13)의 굴절률에 의존하며, 상기 매개 물질(13)이 가변 굴절률 물질인 경우 그 굴절률은 주변의 물리량에 따라 가변한다.

상기 검출기(130)는 상기 광섬유 센서(10)가 제공한 광의 파장에 대응하는 정보를 검출한다.

예를 들어, 상기 검출기(130)는 상기 광섬유 센서(10)로부터 제공된 광의 파장 정보를 검출할 수 있다. 그러나, 상기 검출기(130)는 광의 파장 정보를 검출하는 대신 광의 파장과 연관된 다른 종류의 정보를 검출할 수도 있다.

도 5의 측정 장치(100)에서 상기 광원(110), 상기 광섬유 센서(10) 및 상기 검출기(130)는 광학 써큘레이터(optical circulator)(150)를 통해 연결된다. 도 5에서 상기 광학 써큘레이터(150)는 시계 방향으로 광 신호를 전달하며 반시계 방향으로는 광 신호를 전달하지 않도록 구성된다.

그러나, 상기 측정 장치(100)에 포함되는 구성요소들의 배치 및 연결관계는 도 5에 도시된 형태로 제한되지 않는다. 나아가, 상기 측정 장치(100)는 반드시 상기 광학 써큘레이터(150)를 통해 구성요소들을 연결할 필요도 없다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 측정 장치(100)는 처리부(160)를 더 포함할 수 있다.

상기 처리부(160)는 상기 검출기(130)에 의해 검출된 정보를 기반으로 상기 광섬유 센서(10)가 위치하는 지점의 물리량을 획득할 수 있다. 상기 처리부(160)는 소정의 알고리즘대로 신호를 처리하는 프로세서, 예컨대 컨트롤러, MCU, CPU 등을 포함할 수 있다.

일 예로, 상기 처리부(160)는 상기 검출기(130)가 검출하는 파장 대응 정보와 그에 매칭된 물리량 정보를 포함하는 테이블 데이터를 저장 장치(미도시)에 저장할 수 있고, 상기 검출기(130)로부터 검출된 파장 대응 정보를 입력받으면 상기 테이블 데이터를 참조하여 그에 매칭된 물리량 정보를 불러와 결과값으로 출력할 수 있다. 실시예에 따라, 상기 처리부(160)는 상기 검출기(130)로부터 입력받은 파장을 미리 결정된 수학식에 따라 연산하여 물리량을 도출할 수도 있다.

이상에서 설명한 광섬유 센서(10) 및 그를 포함하는 측정 장치(100)를 이용하면, 광 신호를 기반으로 상기 광섬유 센서(10)가 위치하는 지점의 물리량을 측정할 수 있다. 나아가, 상기 광섬유 센서(10)에 포함되는 매개 물질(13)로 액정과 같은 가변 굴절률 물질을 이용한다면, 상기 가변 굴절률 물질의 굴절률에 영향을 미치는 전기장, 자기장, 온도 등과 같은 물리량의 변화를 측정할 수 있다.

이상에서 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 위 실시예는 단지 본 발명의 사상을 설명하기 위한 것으로 이에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 전술한 실시예에 다양한 변형이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위의 해석을 통해서만 정해진다.

10: 광섬유 센서
11: 광섬유 팁
12: 프레넬 존 플레이트
13: 매개 물질
14: 광 반사부
100: 측정 장치
110: 광원
130: 검출기
150: 광 써큘레이터
160: 처리부

Claims (12)

1. 광을 조사하는 광섬유 팁;
   기 결정된 초점 거리를 갖는 프레넬 존 플레이트; 및
   상기 광섬유 팁에서 조사되는 광을 발산시키도록, 상기 광섬유 팁의 끝 부분부터 상기 프레넬 존 플레이트까지 연속적으로 배치되며, 상기 광섬유 팁을 구성하는 물질보다 큰 굴절률을 갖는 매개 물질;
   을 포함하는 광섬유 센서.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 광섬유 팁은 끝 부분이 볼록하게 돌출된 광섬유 렌즈를 포함하는 광섬유 센서.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 프레넬 존 플레이트는 상기 광섬유 팁과 마주보는 일면에 광을 반사시키는 물질로 패턴이 형성된 집광면을 포함하는 광섬유 센서.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 프레넬 존 플레이트는 타면에 광을 반사시키는 물질이 코팅된 반사면을 더 포함하는 광섬유 센서.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 프레넬 존 플레이트를 사이에 두고 상기 광섬유 팁과 마주보도록 배치되는 광 반사부를 더 포함하는 광섬유 센서.
7. 광을 조사하는 광섬유 팁;
   기 결정된 초점 거리를 갖는 프레넬 존 플레이트; 및
   상기 광섬유 팁과 상기 프레넬 존 플레이트 사이에 위치하며, 소정의 굴절률을 갖는 매개 물질;
   을 포함하고,
   상기 프레넬 존 플레이트는 상기 광섬유 팁과 마주보는 일면에 광을 반사시키는 물질로 패턴이 형성된 집광면과, 타면에 광을 반사시키는 물질이 코팅된 반사면을 포함하고,
   상기 광은 상기 광섬유 팁으로부터 상기 매개 물질을 거쳐 상기 프레넬 존 플레이트의 집광면까지 발산하고, 상기 집광면으로부터 상기 반사면까지 직진하고, 상기 반사면에서 반사되어 상기 반사면으로부터 상기 집광면까지 직진하고, 상기 집광면으로부터 상기 매개 물질을 거쳐 상기 광섬유 팁까지 수렴하는 광섬유 센서.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 발산하는 광은 다중 파장을 가지며,
   상기 직진하는 광, 상기 반사되어 직진하는 광, 및 상기 수렴하는 광은 단일 파장을 갖는 광섬유 센서.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 매개 물질은 주변의 물리량에 따라 굴절률이 변하는 가변 굴절률 물질을 포함하는 광섬유 센서.
10. 다중 파장의 광을 생성하는 광원;
    상기 생성된 광을 전달받아 단일 파장의 광을 제공하는 광섬유 센서; 및
    상기 제공된 광의 파장에 대응하는 정보를 검출하는 검출기를 포함하되,
    상기 광섬유 센서는:
    광을 조사하는 광섬유 팁;
    기 결정된 초점 거리를 갖는 프레넬 존 플레이트; 및
    상기 광섬유 팁에서 조사되는 광을 발산시키도록, 상기 광섬유 팁의 끝 부분부터 상기 프레넬 존 플레이트까지 연속적으로 배치되며, 상기 광섬유 팁을 구성하는 물질보다 큰 굴절률을 갖는 매개 물질;
    을 포함하는 측정 장치.
11. 다중 파장의 광을 생성하는 광원;
    상기 생성된 광을 전달받아 단일 파장의 광을 제공하는 광섬유 센서; 및
    상기 제공된 광의 파장에 대응하는 정보를 검출하는 검출기를 포함하되,
    상기 광섬유 센서는:
    광을 조사하는 광섬유 팁;
    기 결정된 초점 거리를 갖는 프레넬 존 플레이트; 및
    상기 광섬유 팁과 상기 프레넬 존 플레이트 사이에 위치하며, 소정의 굴절률을 갖는 매개 물질;
    을 포함하고,
    상기 광원은:
    각각의 파장에 대응하는 광을 동시에 생성하는 광대역 파장 광원; 및
    각각의 파장에 대응하는 광을 순차적으로 생성하는 파장 가변 광원;
    중 적어도 하나를 포함하는 측정 장치.
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 검출된 정보를 기반으로 상기 광섬유 센서가 위치한 지점의 물리량을 획득하는 처리부를 더 포함하는 측정 장치.

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