KR101913027B1 - 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 테스트 장치의 온도, 압력 등 물리량 변화에 따라 상이한 파장의 광을 반사하는 광섬유 필터로부터 입력된 광량을 참조하여 테스트 장치의 물리량을 획득하고, 획득된 물리량을 이용하여 테스트 장치의 물리량을 제어하는 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치에 관한 것으로, 소정의 파장대역을 가지는 광을 출력하는 광원부; 상기 광원부에서 출력되는 광을 제1 서큘레이터를 통하여 수신하고, 수신된 광에 대하여 테스트 장치의 물리적 변화량에 따라 상이한 파장의 광을 상기 제1 서큘레이터로 반사시키는 반사 필터부; 상기 제1 서큘레이터를 통하여 상기 반사 필터부에서 반사된 광을 수신하고, 수신된 광 중 통과대역에 해당하는 광은 투과시키며, 수신된 광 중 천이대역에 해당하는 광은 파장 크기에 대응하여 선형적으로 일부 투과 및 일부 반사시키고, 수신된 광 중 차단대역에 해당하는 광은 반사시키는 대역 필터부; 상기 대역 필터부를 투과한 광의 광량을 측정하는 제1 감지부; 및 상기 제1 감지부에서 측정된 광량에 기반하여 상기 테스트 장치의 물리량을 제어하는 제1 데이터 처리부를 포함한다.

Description

광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING PHYSICAL QUANTITY USING LIGHT INTENSITY TO WAVELENGTH CONVERSION}
본 발명은 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 테스트 장치의 온도, 압력 등 물리량 변화에 따라 상이한 파장의 광을 반사하는 광섬유 필터로부터 입력된 광량을 참조하여 테스트 장치의 물리량을 획득하고, 획득된 물리량을 이용하여 테스트 장치의 물리량을 제어하는 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치에 관한 것이다.
외부 환경 변화에 따른 광파장 정보의 변화를 감지하는 광센서 시스템은 변화된 파장 정보를 획득하기 위하여 스펙트럼 분석기 또는 격자(Grating)를 이용하고 있다. 예를 들면, 광이 격자에 입사하는 경우 파장에 따라 격자에 반사되는 각도가 다른 성질을 이용하여, 수광 영역에 라인 디텍터를 배치하고 격자에 반사된 광이 라인 디텍터에 입사되는 위치 정보를 이용하여 파장 정보를 획득하고 있다.
일반적으로 사용되는 격자는 광섬유 브래그 격자(Fiber Gragg Grating, FBG)로, FBG는 적용된 테스트 장치의 온도 및/또는 스트레인의 변형에 반응하여 변하는 파장의 광을 반사한다. 즉, FBG는 테스트 장치의 스트레인게이지로서 에폭시, 용접(Weldable), 볼트온(Bolt-on) 또는 임베디드 방식으로 장착되어, 테스트 장치의 온도, 압력 등 물리량의 변화에 따라 팽창 또는 압축되고, 이에 따라 상이한 파장의 광을 반사하게 되어 테스트 장치의 물리량 정보를 제공할 수 있다.
그러나, 상술한 종래의 광센서 시스템에 의하면 FBG에서 반사되는 광의 파장 정보를 획득하기 위하여 가변 필터(Tunable Filter) 또는 라인 디텍터(Line Detector)를 구비해야 하므로, 테스트 장치의 물리량 제어 시스템에 장착되는 경우 시스템의 크기를 상대적으로 증가시킬 뿐 아니라 구현이 어렵고 제작에 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2003-0055564호
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 테스트 장치의 물리량을 반영하는 광 파장 정보를 파장분석기가 아닌 점 형태의 수광부에 입사되는 광량을 이용하여 획득함으로써, 물리량 제어 시스템의 크기를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 구현이 용이하고 제작 비용이 절감될 수 있는 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 제1 실시예는, 소정의 파장대역을 가지는 광을 출력하는 광원부; 상기 광원부에서 출력되는 광을 제1 서큘레이터를 통하여 수신하고, 수신된 광에 대하여 테스트 장치의 물리적 변화량에 따라 상이한 파장의 광을 상기 제1 서큘레이터로 반사시키는 반사 필터부; 상기 제1 서큘레이터를 통하여 상기 반사 필터부에서 반사된 광을 수신하고, 수신된 광 중 통과대역에 해당하는 광은 투과시키며, 수신된 광 중 천이대역에 해당하는 광은 파장 크기에 대응하여 선형적으로 일부 투과 및 일부 반사시키고, 수신된 광 중 차단대역에 해당하는 광은 반사시키는 대역 필터부; 상기 대역 필터부를 투과한 광의 광량을 측정하는 제1 감지부; 및 상기 제1 감지부에서 측정된 광량에 기반하여 상기 테스트 장치의 물리량을 제어하는 제1 데이터 처리부를 포함한다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 제2 실시예는, 상기 대역 필터부에서 반사된 광의 광량을 측정하는 제2 감지부를 더 포함하고, 상기 광원부는, 파장별로 광량이 상이한 광을 출력하며, 상기 제1 데이터 처리부는, 상기 광원부의 파장별 광량을 저장하고, 상기 제1 감지부에서 측정된 광량 및 상기 제2 감지부에서 측정된 광량을 합한 값과 저장된 파장별 광량을 참조하여 상기 반사 필터부에서 반사된 광의 파장을 산출하며, 산출된 파장에 의해 상기 테스트 장치의 물리량을 제어할 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 제2 실시예는, 상기 대역 필터부에서 반사된 광의 광량을 측정하는 제2 감지부를 더 포함하고, 상기 대역 필터부는, 고주파인 통과대역 및 저주파인 차단대역을 가지는 고역 필터이며, 상기 제1 데이터 처리부는, 상기 제1 감지부 및 상기 제2 감지부에서 모두 미리 설정된 값 이상의 광량이 측정됨에 따라, 상기 반사 필터부에서 반사된 광의 파장을 하기 수학식 1에 의하여 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017019289854-pat00001
-여기서,
Figure 112017019289854-pat00002
는 상기 반사 필터부에서 반사된 광의 파장, λ₁은 상기 대역 필터부의 차단대역과 천이대역의 경계파장, λ₂는 상기 대역 필터부의 통과대역과 천이대역의 경계파장, P₁은 상기 제1 감지부에서 측정된 광량, P₂는 상기 제2 감지부에서 측정된 광량임 -
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 제3 실시예는, 소정의 파장대역을 가지는 광을 출력하는 광원부; 상기 광원부에서 출력되는 광을 제2 서큘레이터를 통하여 수신하고, 수신된 광에 대하여 테스트 장치의 물리적 변화량에 따라 상이한 파장의 광을 상기 제2 서큘레이터로 반사시키는 반사 필터부; 상기 제2 서큘레이터를 통하여 상기 반사 필터부에서 반사된 광을 수신하고, 수신된 광 중 고주파인 통과대역에 해당하는 광은 제3 서큘레이터로 투과시키며, 수신된 광 중 천이대역에 해당하는 광은 파장 크기에 대응하여 선형적으로 상기 제3 서큘레이터로 일부 투과 및 상기 제2 서큘레이터로 일부 반사시키고, 수신된 광 중 저주파인 차단대역에 해당하는 광은 상기 제2 서큘레이터로 반사시키는 제1 고역 필터부; 상기 제3 서큘레이터를 통하여 상기 제1 고역 필터부에서 투과된 광을 수신하고, 수신된 광 중 고주파인 통과대역에 해당하는 광은 투과시키며, 수신된 광 중 천이대역에 해당하는 광은 파장 크기에 대응하여 선형적으로 일부 투과 및 상기 제3 서큘레이터로 일부 반사시키고, 수신된 광 중 저주파인 차단대역에 해당하는 광은 상기 제3 서큘레이터로 반사시키는 제2 고역 필터부; 상기 제2 고역 필터부를 투과한 광의 광량을 측정하는 제3 감지부; 상기 제2 서큘레이터를 통하여 수신된 상기 제1 고역 필터부로부터 반사된 광의 광량을 측정하는 제4 감지부; 상기 제3 서큘레이터를 통하여 수신된 상기 제2 고역 필터부로부터 반사된 광의 광량을 측정하는 제5 감지부; 및 상기 제3 감지부, 상기 제4 감지부 및 상기 제5 감지부에서 측정된 광량에 기반하여, 상기 제3 감지부 및 상기 제4 감지부에서 측정된 광량이 감소하고 상기 제5 감지부에서 측정된 광량이 증가하는 방향으로 상기 테스트 장치의 물리량을 제어하는 제2 데이터 처리부를 포함한다.
여기서, 상기 제2 데이터 처리부는, 상기 제3 감지부 및 상기 제4 감지부에서 측정된 광량을 상호 비교하여 상기 테스트 장치의 물리량 제어의 방향을 결정할 수 있다.
개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에 따른 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치는 필터링된 특정 파장의 광이 점 형태의 수광부에 입사한 경우에 입사된 광량을 이용하여 파장 정보를 획득하고, 이를 통하여 파장 분석기를 간단한 점 형태의 수광부로 대체할 수 있으므로 파장 측정 기능을 수행하는 구성요소의 소형화가 가능할 뿐만 아니라 장치의 구현이 용이하고 제작 비용이 절감되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 의한 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치의 대역 필터부의 필터링 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치의 대역 필터부의 일례를 나타낸 도면이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
'제1', '제2' 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치를 나타낸 도면으로, 본 발명의 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치는, 광원부(100), 3포트 서큘레이터(210), 반사 필터부(300), 대역 필터부(410), 제1 감지부(510) 및 제1 데이터 처리부(610)를 포함한다.
광원부(100)는, 소정의 파장대역을 가지는 광을 3포트 서큘레이터(210)를 향하여 출력한다. 이때, 광원부(100)는, 다양한 광원이 적용될 수 있으며 LED 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
3포트 서큘레이터(210)는, 한 단자에 입력된 신호를 바로 옆 단자에 출력시켜 주는 원형 구조의 수동 비가역 장치(Passive non-reciprocal device)로, 3개의 포트(Port)가 원형으로 배치되어, 광원부(100)로부터 출력된 광을 제1 포트로 입력받고, 제1 포트로 입력된 광을 제2 포트를 통하여 반사 필터부(300)로 출력하며, 반사 필터부(300)에서 반사된 광을 제2 포트로 입력받고, 제2 포트로 입력된 광을 제3 포트를 통하여 대역 필터부(410)로 출력한다.
반사 필터부(300)는, 광원부(100)에서 출력되는 광을 3포트 서큘레이터(210)의 제2 포트를 통하여 수신하고, 수신된 광에 대하여 테스트 장치(10)의 물리적 변화량에 따라 상이한 파장의 광을 3포트 서큘레이터(210)의 제2 포트로 반사시킨다. 여기서, 반사 필터부(300)는, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, FBG)일 수 있다. FBG는, 광섬유 코어의 굴절률이 광섬유 축을 따라 ㎛ 단위로 주기적으로 변화되도록 구비되고, 이를 통하여 광섬유를 통과하는 여러 파장의 광 신호 중 특정 파장의 광만을 투과 또는 반사시키게 된다. 즉, FBG는 광섬유에 가해지는 인장력이나 온도 변화에 따라 선택된 파장의 광을 반사 또는 투과하는 특성이 있다. 예를 들면, 테스트 장치(10)의 온도 등 물리량의 변화에 따라 FBG는 광섬유의 길이가 변화되고, 광섬유 길이의 변화에 따라 굴절률 변화 주기에 해당하는 길이도 변화하므로 투과 또는 반사되는 광의 파장이 변화될 수 있다.
대역 필터부(410)는, 3포트 서큘레이터(210)의 제3 포트를 통하여 반사 필터부(300)에서 반사된 광을 수신하고, 수신된 광 중 통과대역에 해당하는 광은 제1 감지부(510)로 투과시키며, 수신된 광 중 천이대역에 해당하는 광은 파장 크기에 대응하여 선형적으로 제1 감지부(510)로 일부 투과 및 일부 반사시키고, 수신된 광 중 차단대역에 해당하는 광은 반사시킨다.
도 2a는 대역 필터부(410)가 고역 필터(High pass filter)인 경우의 필터링 특성을 나타낸 그래프이고, 도 2b는 대역 필터부(410)가 저역 필터(Low pass filter)인 경우의 필터링 특성을 나타낸 그래프로서, 고역 필터의 경우 상대적으로 저주파인 차단대역(도 2a의 ①)과 상대적으로 고주파인 통과대역(도 2a의 ③) 및 파장의 크기에 비례하여 투과 비율이 증가하는 천이대역(도 2a의 ②)이 존재함을 알 수 있다. 한편, 저역 필터의 경우 상대적으로 저주파인 통과대역(도 2b의 ①)과 상대적으로 고주파인 차단대역(도 2b의 ③) 및 파장의 크기에 비례하여 투과 비율이 감소하는 천이대역(도 2b의 ②)이 존재함을 알 수 있다.
제1 감지부(510)는, 대역 필터부(410)를 통하여 투과된 광을 수신하고, 수신된 광의 광량을 측정하며, 측정된 광량을 제1 데이터 처리부(610)로 출력한다. 여기서, 제1 감지부(510)는, 점 형태의 하나의 수광 소자일 수 있다.
제1 데이터 처리부(610)는, 제1 감지부(510)에서 측정된 광량에 기반하여 테스트 장치(10)의 물리량을 제어한다. 고주파 영역(③)이 테스트 장치(10)의 유지되어야 하는 온도 또는 압력에 해당하는 안정 영역이라고 가정하면, 테스트 장치(10)의 온도, 압력 등 물리량이 변화함에 따라 반사 필터부(300)에서 반사하는 광의 파장이 변화하게 되고, 변화된 파장이 천이영역(②) 또는 저주파 영역(①)으로 진입함에 따라 제1 감지부(510)에서 측정된 광량이 감소(도 2a에 도시된 고역 필터의 경우)하거나 증가(도 2b에 도시된 저역 필터의 경우)하게 된다. 이때, 제1 데이터 처리부(610)는, 광량의 증가 또는 감소에 의하여 테스트 장치(10)의 물리량이 안정 영역을 벗어난 것을 감지하게 되고, 이에 따라 테스트 장치(10)의 물리량을 제어하게 된다. 즉, 제1 데이터 처리부(610)는, 테스트 장치(10)의 온도 하강으로 반사 필터부(300)에서 반사하는 광의 파장이 감소함에 따라 제1 감지부(510)에서 측정된 광량이 감소하게 되면, 테스트 장치(10)에 장착된 발열부(도시되지 않음)를 구동하여 테스트 장치(10)의 온도를 상승시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치를 나타낸 도면으로, 본 발명의 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치는, 광원부(100), 4포트 서큘레이터(220), 반사 필터부(300), 대역 필터부(410), 제1 감지부(510), 제2 감지부(520) 및 제1 데이터 처리부(610)를 포함한다. 여기서, 도 1에 도시된 장치와 유사한 구성요소에 대해서는 편의상 그 설명을 생략한다.
광원부(100)는, 파장별로 광량이 상이한 광을 출력하며, 앞서 언급한 LED의 경우에도 일반적인 광원과 같이 파장별로 광량이 상이한 광원에 해당한다.
4포트 서큘레이터(210)는, 한 단자에 입력된 신호를 바로 옆 단자에 출력시켜 주는 원형 구조의 수동 비가역 장치로, 4개의 포트가 원형으로 배치되어, 광원부(100)로부터 출력된 광을 제1 포트로 입력받고, 제1 포트로 입력된 광을 제2 포트를 통하여 반사 필터부(300)로 출력하며, 반사 필터부(300)에서 반사된 광을 제2 포트로 입력받고, 제2 포트로 입력된 광을 제3 포트를 통하여 대역 필터부(410)로 출력하며, 대역 필터부(410)로부터 반사된 광을 제3 포트로 입력받고, 제3 포트로 입력된 광을 제4 포트를 통하여 제2 감지부(520)로 출력한다.
제2 감지부(520)는, 4포트 서큘레이터(210)의 제2 포트를 통하여 대역 필터부(410)에서 반사된 광을 수신하고, 수신된 광의 광량을 측정하며, 측정된 광량을 제1 데이터 처리부(610)로 출력한다. 여기서, 제2 감지부(520)는, 점 형태의 하나의 수광 소자일 수 있다.
제1 데이터 처리부(610)는, 광원부(100)의 파장별 광량, 즉, 광원부(100)에서 출력하는 광의 스펙트럼 분포를 저장하고, 제1 감지부(510)에서 측정된 광량 및 제2 감지부(520)에서 측정된 광량을 합한 값과 저장된 파장별 광량을 참조하여 반사 필터부(300)에서 반사된 광의 파장을 산출하며, 산출된 파장에 의해 테스트 장치(10)의 물리량을 제어할 수 있다. 즉, 제1 감지부(510)에서 측정된 광량은 대역 필터부(410)를 투과한 광의 광량이고, 제2 감지부(520)에서 측정된 광량은 대역 필터부(410)에서 반사된 광의 광량이므로, 제1 감지부(510)에서 측정된 광량 및 제2 감지부(520)에서 측정된 광량을 합한 값은 반사 필터부(300)에서 반사된 광의 광량이 되며, 반사된 광의 광량과 저장된 광원부(100)의 파장별 광량을 비교하여 반사된 광의 파장을 획득할 수 있다. 또한, 제1 데이터 처리부(610)는, 테스트 장치(10)의 물리량, 예를 들면, 온도 또는 압력 별 반사 필터부(300)에서 반사되는 광의 파장을 미리 저장하고, 저장된 정보와 앞서 획득한 파장을 비교하여 테스트 장치(10)의 온도 또는 압력을 계산할 수 있다.
또한, 제1 데이터 처리부(610)는, 제1 감지부(510) 및 제2 감지부(520)에서 모두 미리 설정된 값 이상의 광량이 측정됨에 따라, 반사 필터부(300)에서 반사된 광의 파장을 다음 수학식 1에 의하여 산출할 수 있다.
Figure 112017019289854-pat00003
여기서,
Figure 112017019289854-pat00004
는 반사 필터부(300)에서 반사된 광의 파장, λ₁은 대역 필터부(410)의 차단대역과 천이대역의 경계파장, λ₂는 대역 필터부(410)의 통과대역과 천이대역의 경계파장, P₁은 제1 감지부(510)에서 측정된 광량, P₂는 제2 감지부(520)에서 측정된 광량이다. 또한, 대역 필터부(410)는, 고주파인 통과대역 및 저주파인 차단대역을 가지는 고역 필터인 것을 가정하여 상술한 식을 산출할 수 있으나, 저역 필터인 경우에도 위와 유사한 식을 산출할 수 있으므로, 대역 필터부(410)는 고역 필터에 한정되지 않는다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치를 나타낸 도면으로, 본 발명의 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치는, 광원부(100), 4포트 서큘레이터(230), 3포트 서큘레이터(240), 반사 필터부(300), 제1 고역 필터부(420), 제2 고역 필터부(430), 제3 감지부(530), 제4 감지부(540), 제5 감지부(550) 및 제2 데이터 처리부(620)를 포함한다. 여기서, 도 1 및 도 3에 도시된 장치와 유사한 구성요소에 대해서는 편의상 그 설명을 생략한다.
4포트 서큘레이터(230)는, 한 단자에 입력된 신호를 바로 옆 단자에 출력시켜 주는 원형 구조의 수동 비가역 장치로, 4개의 포트가 원형으로 배치되어, 광원부(100)로부터 출력된 광을 제1 포트로 입력받고, 제1 포트로 입력된 광을 제2 포트를 통하여 반사 필터부(300)로 출력하며, 반사 필터부(300)에서 반사된 광을 제2 포트로 입력받고, 제2 포트로 입력된 광을 제3 포트를 통하여 제1 고역 필터부(420)로 출력하며, 제1 고역 필터부(420)로부터 반사된 광을 제3 포트로 입력받고, 제3 포트로 입력된 광을 제4 포트를 통하여 제4 감지부(540)로 출력한다.
3포트 서큘레이터(240)는, 원형 구조의 수동 비가역 장치로, 3개의 포트가 원형으로 배치되어, 제1 고역 필터부(420)로부터 출력된 광을 제1 포트로 입력받고, 제1 포트로 입력된 광을 제2 포트를 통하여 제2 고역 필터부(430)로 출력하며, 제2 고역 필터부(430)에서 반사된 광을 제2 포트로 입력받고, 제2 포트로 입력된 광을 제3 포트를 통하여 제5 감지부(550)로 출력한다.
제1 고역 필터부(420)는, 도 2a에 도시된 바와 같은 필터링 특성을 보이는 필터로, 4포트 서큘레이터(230)의 제3 포트를 통하여 반사 필터부(300)에서 반사된 광을 수신하고, 수신된 광 중 고주파인 통과대역에 해당하는 광은 3포트 서큘레이터(240)로 투과시키며, 수신된 광 중 천이대역에 해당하는 광은 파장 크기에 대응하여 선형적으로 3포트 서큘레이터(240)로 일부 투과 및 4포트 서큘레이터(230)로 일부 반사시키고, 수신된 광 중 저주파인 차단대역에 해당하는 광은 4포트 서큘레이터(230)로 반사시킨다.
제2 고역 필터부(430)는, 도 2a에 도시된 바와 같은 필터링 특성을 보이는 필터로, 3포트 서큘레이터(240)의 제2 포트를 통하여 제1 고역 필터부(420)을 투과한 광을 수신하고, 수신된 광 중 고주파인 통과대역에 해당하는 광은 제3 감지부(530)로 투과시키며, 수신된 광 중 천이대역에 해당하는 광은 파장 크기에 대응하여 선형적으로 제3 감지부(530)로 일부 투과 및 3포트 서큘레이터(240)로 일부 반사시키고, 수신된 광 중 저주파인 차단대역에 해당하는 광은 3포트 서큘레이터(240)로 반사시킨다.
제3 감지부(530)는, 제2 고역 필터부(430)를 통하여 투과된 광을 수신하고, 수신된 광의 광량을 측정하며, 측정된 광량을 제2 데이터 처리부(620)로 출력한다. 여기서, 제3 감지부(530)는, 점 형태의 하나의 수광 소자일 수 있다.
제4 감지부(540)는, 4포트 서큘레이터(230)의 제4 포트를 통하여 제1 고역 필터부(420)로부터 반사된 광을 수신하고, 수신된 광의 광량을 측정하며, 측정된 광량을 제2 데이터 처리부(620)로 출력한다. 여기서, 제4 감지부(540)는, 점 형태의 하나의 수광 소자일 수 있다.
제5 감지부(550)는, 3포트 서큘레이터(240)의 제3 포트를 통하여 제2 고역 필터부(430)로부터 반사된 광을 수신하고, 수신된 광의 광량을 측정하며, 측정된 광량을 제2 데이터 처리부(620)로 출력한다. 여기서, 제5 감지부(550)는, 점 형태의 하나의 수광 소자일 수 있다.
제2 데이터 처리부(620)는, 제3 감지부(530), 제4 감지부(540) 및 제5 감지부(550)에서 측정된 광량에 기반하여, 제3 감지부(530) 및 제4 감지부(540)에서 측정된 광량이 감소하고 제5 감지부(550)에서 측정된 광량이 증가하는 방향으로 테스트 장치(10)의 물리량을 제어한다.
여기서, 테스트 장치(10)의 물리량이 바람직한 범위에 있는 경우 반사 필터부(300)에서 반사되는 광의 파장이 제1 고역 필터부(420) 및 제2 고역 필터부(430)의 천이대역에 속하도록 시스템이 구성될 수 있다. 반사 필터부(300)에서 반사되는 광이 저주파인 경우에는 제1 고역 필터부(420)에 의하여 반사되어 제4 감지부(540)로 입력되고, 반사 필터부(300)에서 반사되는 광이 천이대역의 파장을 갖는 경우(테스트 장치(10)의 물리량이 원하는 범위 내에 있는 경우)에는 제1 고역 필터부(420)을 투과하고 제2 고역 필터부(430)에서는 반사되어 제5 감지부(550)로 입력된다. 반사 필터부(300)에서 반사되는 광이 고주파인 경우에는 제1 고역 필터부(420) 및 제2 고역 필터부(430)를 투과하여 제3 감지부(530)로 입력된다. 따라서, 제2 데이터 처리부(620)는, 상대적으로 제5 감지부(550)로 입력되는 광량이 증가되고, 제3 감지부(530) 및 제4 감지부(540)에 입력되는 광량이 감소될 수 있도록, 테스트 장치(10)에 장착된 물리량 제어 수단, 예를 들면, 발열부, 가압부(도시되지 않음) 등을 제어할 수 있다.
상술한 바에 의하면, 도 2a와 같은 필터링 특성을 갖는 고역 필터에 의하여 천이대역을 이용한 제어를 수행하는 예를 들고 있으나, 도 2b와 같은 필터링 특성을 갖는 저역 필터 2개를 이용하여 그 천이대역을 이용하는 방식으로 도 4에 도시된 바와 같은 장치를 구성할 수도 있으므로 본 발명의 장치는 고역 필터를 적용하는 방식에 한정되지 않는다.
또한, 도 5에 도시된 제1 고역 필터부(420)만 도 2b와 같은 필터링 특성을 갖는 저역 필터로 대체되거나, 제2 고역 필터부(430)만 도 2b와 같은 필터링 특성을 갖는 저역 필터로 대체될 수도 있으며, 이 경우, 제2 데이터 처리부(620)는, 제3 감지부(530), 제4 감지부(540) 및 제5 감지부(550)에서 측정된 광량을 처리하는 방식을 적절히 변형하여 도 5에 도시된 장치의 기능을 구현할 수도 있다.
제2 데이터 처리부(620)는, 제3 감지부(530) 및 제4 감지부(540)에서 측정된 광량을 상호 비교하여 테스트 장치(10)의 물리량 제어의 방향을 결정할 수 있다. 즉, 제3 감지부(530)에서 광이 감지된 경우에는 반사 필터부(300)에서 반사되는 광이 바람직한 파장보다 큰 파장을 가지고 있는 것이므로 파장이 감소될 수 있도록 테스트 장치(10)에 장착된 물리량 제어 수단을 제어하고, 제4 감지부(540)에서 광이 감지된 경우에는 반사 필터부(300)에서 반사되는 광이 바람직한 파장보다 작은 파장을 가지고 있는 것이므로 파장이 증가될 수 있도록 테스트 장치(10)에 장착된 물리량 제어 수단을 제어할 수 있다.
제2 데이터 처리부(620)는, 광원부(100)의 파장별 광량, 즉, 광원부(100)에서 출력하는 광의 스펙트럼 분포를 저장하고, 제3 감지부(530)에서 측정된 광량, 제4 감지부(540)에서 측정된 광량 및 제5 감지부(550)에서 측정된 광량을 합한 값과 저장된 파장별 광량을 참조하여 반사 필터부(300)에서 반사된 광의 파장을 산출하며, 산출된 파장에 의해 테스트 장치(10)의 물리량을 제어할 수 있다. 즉, 제3 감지부(530)에서 측정된 광량은 제1 고역 필터부(420) 및 제2 고역 필터부(430)를 투과한 광의 광량이고, 제4 감지부(540)에서 측정된 광량은 제1 고역 필터부(420)에서 반사된 광의 광량이며, 제5 감지부(550)에서 측정된 광량은 제2 고역 필터부(430)에서 반사된 광의 광량이므로, 제3 감지부(530)에서 측정된 광량, 제4 감지부(540)에서 측정된 광량 및 제5 감지부(550)에서 측정된 광량을 합한 값은 반사 필터부(300)에서 반사된 광의 광량이 되며, 반사된 광의 광량과 저장된 광원부(100)의 파장별 광량을 비교하여 반사된 광의 파장을 획득할 수 있다. 또한, 제2 데이터 처리부(620)는, 테스트 장치(10)의 물리량, 예를 들면, 온도 또는 압력 별 반사 필터부(300)에서 반사되는 광의 파장을 미리 저장하고, 저장된 정보와 앞서 획득한 파장을 비교하여 테스트 장치(10)의 온도 또는 압력을 계산할 수 있다.
또한, 제2 데이터 처리부(620)는, 제3 감지부(530)에서 측정된 광량, 제4 감지부(540)에서 측정된 광량 및 제5 감지부(550)에서 측정된 광량을 합한 값이 미리 저장된 광량보다 감소한 경우에, 광원부(100)에 에이징 등의 현상이 있는 것으로 판단하고, 미리 저장된 파장별 광량 정보를 갱신할 수 있다. 예를 들면, 제2 데이터 처리부(620)는, 제1 고역 필터부(420) 및 제2 고역 필터부(430)의 차단대역과 천이대역의 경계파장 및 통과대역과 천이대역의 경계파장을 저장하고, 제3 감지부(530)에서 측정된 광량, 제4 감지부(540)에서 측정된 광량 및 제5 감지부(550)에서 측정된 광량에 의해 천이대역의 파장이 입력된 것으로 판정됨에도 불구하고 미리 저장된 천이대역 파장의 광량보다 임계치 이상 감소된 광량이 측정된 경우 파장별 광량 정보가 갱신되어야 하는 상황인 것으로 판단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치의 대역 필터부(410)의 일례를 나타낸 도면으로, 도 2a의 필터링 특성을 가지는 고역 필터부(440) 및 3포트 서큘레이터(250)를 이용하여 고역 투과 및 저역 투과 동작을 제공할 수 있는 구성을 도시하고 있다. 즉, 고역 필터부(440)의 출력을 통하여 도 2a의 필터링 특성이 반영된 출력을 얻고, 3포트 서큘레이터(250)의 제3 포트의 출력을 통하여 도 2b의 필터링 특성이 반영된 출력을 획득할 수 있다.
이때, 고역 필터부(440)는, 저역 필터로 대체될 수 있으며, 이 경우 각 출력 단자에서 획득되는 출력값은 도 5에 도시된 장치와 상보적이 될 수 있다.
이러한 개시된 기술인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 광원부
210, 240: 3포트 서큘레이터
220, 230: 4포트 서큘레이터
300: 반사 필터부
410: 대역 필터부
420: 제1 고역 필터부
430: 제2 고역 필터부
510: 제1 감지부
520: 제2 감지부
530: 제3 감지부
540: 제4 감지부
550: 제5 감지부
610: 제1 데이터 처리부
620: 제2 데이터 처리부

Claims (5)

  1. 파장별로 광량이 상이하며, 소정의 파장대역을 가지는 광을 출력하는 광원부;
    상기 광원부에서 출력되는 광을 제1 서큘레이터를 통하여 수신하고, 수신된 광에 대하여 테스트 장치의 물리적 변화량에 따라 상이한 파장의 광을 상기 제1 서큘레이터로 반사시키는 반사 필터부;
    상기 제1 서큘레이터를 통하여 상기 반사 필터부에서 반사된 광을 수신하고, 수신된 광 중 통과대역에 해당하는 광은 투과시키며, 수신된 광 중 천이대역에 해당하는 광은 파장 크기에 대응하여 선형적으로 일부 투과 및 일부 반사시키고, 수신된 광 중 차단대역에 해당하는 광은 반사시키는 대역 필터부;
    상기 대역 필터부를 투과한 광의 광량을 측정하는 제1 감지부;
    상기 대역 필터부에서 반사된 광의 광량을 측정하는 제2 감지부; 및
    상기 광원부의 파장별 광량을 저장하고, 상기 제1 감지부에서 측정된 광량 및 상기 제2 감지부에서 측정된 광량을 합한 값과, 상기 저장된 파장별 광량을 참조하여 상기 반사 필터부에서 반사된 광의 파장을 산출하며, 산출된 파장에 기반하여 상기 테스트 장치의 물리량을 제어하는 제1 데이터 처리부
    를 포함하고,
    상기 반사 필터부는,
    상기 테스트 장치의 물리적 변화량에 따라 광섬유의 길이가 변화되고, 광섬유 길이의 변화에 따라 굴절률 변화 주기에 해당하는 길이가 변화 함으로써 반사되는 광의 파장을 변화시키는
    광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 대역 필터부는, 고주파인 통과대역 및 저주파인 차단대역을 가지는 고역 필터이며,
    상기 제1 데이터 처리부는, 상기 제1 감지부 및 상기 제2 감지부에서 모두 미리 설정된 값 이상의 광량이 측정됨에 따라, 상기 반사 필터부에서 반사된 광의 파장을 하기 수학식 1에 의하여 산출하는
    [수학식 1]
    Figure 112018093308321-pat00013

    -여기서,
    Figure 112018093308321-pat00014
    는 상기 반사 필터부에서 반사된 광의 파장, λ₁은 상기 대역 필터부의 차단대역과 천이대역의 경계파장, λ₂는 상기 대역 필터부의 통과대역과 천이대역의 경계파장, P₁은 상기 제1 감지부에서 측정된 광량, P₂는 상기 제2 감지부에서 측정된 광량임 -
    광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치.
  4. 파장별로 광량이 상이하며, 소정의 파장대역을 가지는 광을 출력하는 광원부;
    상기 광원부에서 출력되는 광을 제2 서큘레이터를 통하여 수신하고, 수신된 광에 대하여 테스트 장치의 물리적 변화량에 따라 상이한 파장의 광을 상기 제2 서큘레이터로 반사시키는 반사 필터부;
    상기 제2 서큘레이터를 통하여 상기 반사 필터부에서 반사된 광을 수신하고, 수신된 광 중 고주파인 통과대역에 해당하는 광은 제3 서큘레이터로 투과시키며, 수신된 광 중 천이대역에 해당하는 광은 파장 크기에 대응하여 선형적으로 상기 제3 서큘레이터로 일부 투과 및 상기 제2 서큘레이터로 일부 반사시키고, 수신된 광 중 저주파인 차단대역에 해당하는 광은 상기 제2 서큘레이터로 반사시키는 제1 고역 필터부;
    상기 제3 서큘레이터를 통하여 상기 제1 고역 필터부에서 투과된 광을 수신하고, 수신된 광 중 고주파인 통과대역에 해당하는 광은 투과시키며, 수신된 광 중 천이대역에 해당하는 광은 파장 크기에 대응하여 선형적으로 일부 투과 및 상기 제3 서큘레이터로 일부 반사시키고, 수신된 광 중 저주파인 차단대역에 해당하는 광은 상기 제3 서큘레이터로 반사시키는 제2 고역 필터부;
    상기 제2 고역 필터부를 투과한 광의 광량을 측정하는 제3 감지부;
    상기 제2 서큘레이터를 통하여 수신된 상기 제1 고역 필터부로부터 반사된 광의 광량을 측정하는 제4 감지부;
    상기 제3 서큘레이터를 통하여 수신된 상기 제2 고역 필터부로부터 반사된 광의 광량을 측정하는 제5 감지부; 및
    상기 광원부의 파장별 광량을 저장하고, 상기 제3 감지부, 상기 제4 감지부 및 상기 제5 감지부에서 측정된 광량과, 상기 저장된 파장별 광량에 기반하여, 상기 반사 필터부에서 반사된 광의 파장을 산출하며, 상기 제3 감지부 및 상기 제4 감지부에서 측정된 광량이 감소하고 상기 제5 감지부에서 측정된 광량이 증가하는 방향으로 상기 테스트 장치의 물리량을 제어하는 제2 데이터 처리부
    를 포함하고,
    상기 반사 필터부는,
    상기 테스트 장치의 물리적 변화량에 따라 광섬유의 길이가 변화되고, 광섬유 길이의 변화에 따라 굴절률 변화 주기에 해당하는 길이가 변화 함으로써 반사되는 광의 파장을 변화시키는
    광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 데이터 처리부는,
    상기 제3 감지부 및 상기 제4 감지부에서 측정된 광량을 상호 비교하여 상기 테스트 장치의 물리량 제어의 방향을 결정하는 광량-파장 변환을 이용한 물리량 제어 장치.
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