KR102248064B1 - 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템을 개시한다. 상기 시스템은, 광섬유 코어의 입력측으로 소정 크기의 피크 및 폭을 갖는 광신호를 출력하는 LD; 상기 LD로부터 출력되어 상기 광섬유 코어에 입력되는 상기 광신호의 파워를 측정하는 PD1; 상기 광신호가 상기 광섬유 코어의 특정의 벤딩 지점에서 산란되어 상기 입력측으로 되돌아오는 반사신호의 피크를 검출하는 TDC 파트; 상기 반사신호의 파워를 측정하는 PD2; 상기 LD, 상기 PD1, 상기 TDC 파트 및 상기 PD2의 동작을 제어하고, 상기 LD에서 출력한 상기 광신호의 피크와 상기 PD1에서 측정한 상기 광신호의 파워와 상기 TDC 파트에서 검출된 상기 반사신호의 피크와 상기 PD2에서 측정된 상기 반사신호의 파워에 근거하여, 상기 광섬유 코어의 상기 벤딩 지점 및 곡률을 계산하는 FPGA를 포함한다.

Description

특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템{SYSTEM FOR MEASURING 3D CURVED SHAPE USING SPECIAL OPTICAL FIBER}

본 발명은 3차원 곡선 형상을 측정하기 위한 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 공간에서 이루어지는 다양한 방향으로의 굽어짐에 대응하여 특정의 광학 효과를 발생시키는 특수 광섬유를 이용하여 임의의 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템에 관한 것이다.

최근 들어 광섬유 센서는 사물 인터넷(IoT)을 활용하는 다양한 분야에서 이용되고 있다. 즉, 광섬유 센서를 이용하여 감지되는 외부 환경의 변화가 초고속 인터넷 통신을 통해 인공지능 시스템에 전송되어 처리될 수 있다.

광섬유 센서에 의해 측정될 수 있는 외부 환경의 변화로는, 온도, 압력, 전기장, 자기장, 회전도, 화학 물질의 농도, 물리적 이동량 등을 포함할 수 있다.

광섬유 센서는, 광 신호를 기반으로 동작하기 때문에, 기존의 전자기 기반 센서에 비하여 매우 빠른 응답 특성을 가지며, 전극을 포함하지 않으므로 주변 환경으로부터 유래하는 전자기파에 의한 노이즈가 없고, 전기적인 누전이나 감전 등의 위험이 없으며, 센서 프로브인 광 섬유가 가벼우므로 제품화에 유리하다.

따라서, 광 섬유 센서는, 기존의 전자기 기반 센서가 동작하기 어려운 환경, 예를 들어 전자기파 장애가 많은 환경이나 고온/고압/다습한 환경 등에서도 사용될 수 있으므로, 통신용, 의료용, 산업용 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

한편, 광섬유는 3차원 곡선 형상을 측정하기 위한 센서로서도 용도가 확장되고 있다. 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 기술은, 현재 의료 분야나 산업 분야에서 그 활용 가치가 매우 높아 다양한 제품에 적용되고 있다. 특히, 광섬유 기반의 3차원 곡선 형상 측정 센서는, 광섬유 전체 길이 방향에 따른 모든 위치에서의 변형을 실시간으로 이미지화할 수 있기 때문에, 눈에 보이지 않는 영역에서의 구조물의 형상 및 변형을 계측하기에 적합하다.

한편, 종래의 광섬유 기반의 곡선 형상 측정 센서로서, 광섬유를 복수 개 배치한 다중 코어 광섬유를 이용하는 방식이 존재한다. 도 1은 종래의 FBG 기반의 다중 코어 광섬유를 사용하는 곡선 형상 측정 센서의 예시를 도시한다. 여기서, 종래의 곡선 형상 측정 센서에 사용되는 각각의 광섬유들은, 광섬유의 벤딩(bending)에 따른 광손실을 유도하기 위해, 코어 영역 내에 광섬유 격자(FBG; Fiber Bragg Grating 또는 LPG; Long Period Grating)가 형성되어 있다.

하지만, FGB를 이용하는 종래의 곡선 형상 측정 센서는, 단지 어느 위치에서 굽힘이 있다는 정도만 알 수 있을 뿐, 광섬유가 3차원 공간에서 어느 방향으로 굽어졌는지는 알 수 없다. 따라서, 종래에는 다수의 방향별로 광섬유를 배치하여 각 채널을 정의하고, 어느 채널에서 굽힘이 감지되었는지에 따라서 굽어진 방향을 측정하였다.

한편, 광섬유에 FBG를 형성하기 위해서는, 제조가 완료된 완전한 광섬유에 후처리 및 2차 가공 공정을 추가해야 한다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 광섬유는, FBG 형성 부위의 굽힘에 따른 광손실에 의해 굽어진 형상을 측정하기 때문에, 거리 분해능이 낮다는 단점이 있다.

또한, 종래의 FBG 기술을 기반으로 한 광섬유 센서는 광섬유 격자를 통한 광손실 및 파장 이동을 기반으로 하는데, 여기서, 파장 이동은 외부 온도 변화에 민감하게 변화한다. 따라서 측정시의 온도에 따른 보상 함수를 적용해야 하는 문제점이 있다.

(특허문헌 1) JP 특허 2015-510142

(특허문헌 2) JP 특허 평08-511343

(특허문헌 3) KR 공개특허 2017-0138768

본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 인출 등의 방식으로 제조가 완료된 광섬유, 즉, FBG가 형성되지 않은 광섬유를 센서 프로브로 활용하면서도, 3차원 벤딩 형상을 이미지화할 수 있는 새로운 형태의 3차원 곡선 형상 측정 센서 및 여기에 사용되는 특수 광섬유를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은, 상기한 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템은, 광섬유 코어의 입력측으로 소정 크기의 피크 및 폭을 갖는 광신호를 출력하는 LD; 상기 LD로부터 출력되어 상기 광섬유 코어에 입력되는 상기 광신호의 파워를 측정하는 PD1; 상기 광신호가 상기 광섬유 코어의 특정의 벤딩 지점에서 산란되어 상기 입력측으로 되돌아오는 반사신호의 피크를 검출하는 TDC 파트; 상기 반사신호의 파워를 측정하는 PD2; 및 상기 LD, 상기 PD1, 상기 TDC 파트 및 상기 PD2의 동작을 제어하고, 상기 LD에서 출력한 상기 광신호의 피크와 상기 PD1에서 측정한 상기 광신호의 파워와 상기 TDC 파트에서 검출된 상기 반사신호의 피크와 상기 PD2에서 측정된 상기 반사신호의 파워에 근거하여, 상기 광섬유 코어의 상기 벤딩 지점 및 곡률을 계산하는 FPGA를 포함하여 이루어진다.

한편, 상기 광섬유 코어는: 상기 광섬유 코어를 피복하는 내부 클래딩, 및 상기 내부 클래딩을 피복하는 외부 클래딩을 포함한다. 특히, 상기 광섬유 코어의 굴절률(n1)과 상기 내부 클래딩의 굴절률(n2)과 상기 외부 클래딩의 굴절률(n3)은 n1≥n3>n2의 관계로 설정되고, 상기 광섬유 코어를 피복하는 상기 내부 클래딩은 길이 방향으로 절개되어 상기 광섬유 코어의 일부를 노출시키는 절개 부분을 구비하고, 상기 절개 부분은 상기 광섬유 코어 또는 상기 외부 클래딩과 동일한 굴절률의 재질로 채워지도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 광섬유 코어를 피복하고 있는 상기 내부 클래딩이 상기 외부 클래딩의 내부에 복수 개 배치되어 각각의 채널을 구성하고, 각각의 상기 내부 클래딩은 상기 외부 클래딩의 단면의 중심으로부터 등방위각을 갖는 방사상으로 배치되고, 각각의 상기 내부 클래딩은 상기 절개 부분이 상기 외부 클래딩의 상기 중심을 등지도록 배치되는 방식으로 특수 광섬유가 구성될 수 있다. 더욱, 상기 LD, 상기 PD1, 상기 TDC 파트, 상기 PD2 및 상기 FPGA는 하나의 벤딩 측정 장치를 구성하고, 하나의 상기 벤딩 측정 장치는 하나의 상기 광섬유 코어에 대응하도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템은, 각 채널마다의 상기 벤딩 측정 장치들에서 출력하는 상기 벤딩 지점들 및 곡률들을 통합하여 3차원 곡선 형상을 재현하는 통합 데이터 프로세서를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 FPGA는: 상기 LD에서 제1 폭을 갖는 제1 펄스를 출력하고, 상기 TDC 파트를 통해서 상기 제1 펄스의 반사신호를 검출하고, 상기 반사신호에 근거하여, 제1 펄스가 출력된 이후에 반사신호가 나타나는 시점을 포함하는 샘플링 포인트를 설정하고, 상기 LD에서 제2 폭을 갖는 제2 펄스를 출력하고, 상기 샘플링 포인트에서 상기 TDC 파트에 의해 상기 제2 펄스의 반사신호의 피크를 검출하고 및 상기 PD2에 의해 상기 제2 펄스의 반사신호의 파워를 측정하고, 그리고 상기 검출된 피크에 의하여 상기 광섬유 코어의 벤딩 지점을 계산하고, 상기 측정된 파워에 의하여 상기 벤딩 지점의 곡률을 계산할 수 있다.

또한, 상기 제1 펄스의 폭은 상기 제2 펄스의 폭보다 작을 수 있다.

상기한 구성을 포함하는 본 발명에 따르면, FBG가 형성되지 않은 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상 측정 시스템을 구현할 수 있게 된다.

특히, 인출 등의 방식으로 제조가 완료된 FBG가 형성되지 않은 광섬유에 절개된 부분을 갖는 내부 클래딩과 외부 클래딩을 포함하는 코어 구조체를 형성하고, 코어 구조체를 등방위각으로 배치함으로써, 3차원 곡선 형상 측정용 특수 광섬유를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른, FBG 기반의 곡선 형상 측정 방식을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 동작을 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 곡선 형상 측정 시스템의 특수 광섬유의 단면 구조 및 굴절률 분포를 도시한다.
도 4는 본 발명의 특수 광섬유의 다양한 실시예에 따른 단면 구조들을 도시한다.
도 5는 본 발명의 특수 광섬유에 가이드 코어를 추가한 형태를 도시한다.
도 6는 본 발명에 따른 특수 광섬유를 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 곡선 형상 측정 시스템의 개략적인 구성을 나타낸다.
도 8은 3차원 곡선 형상 측정 시스템에서 TDC 파트의 구성 및 기능을 더욱 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 TDC 파트에 의해서 측정된 피크의 예시를 보여주는 도면이다.
도 10는 3차원 곡선 형상 측정 시스템에서 어느 한 채널에서 벤딩 지점 및 곡률을 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 11은 본 발명에 따른 3차원 곡선 형상 측정 시스템에 의한 3차원 곡선 형상 측정 방법의 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 달리 정의되지 않았다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 갖는다. 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 첨부된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예시로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성 요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 표시되고 있음에 유의해야 한다.

먼저, 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 곡선 형상 측정 시스템의 센서 프로브인 특수 광섬유의 단면 구조를 설명한다. 또한, 각 구성부의 굴절률 분포를 설명한다.

본 발명에서 개시하는 3차원 곡선 형상을 측정하기 위한 특수 광섬유(100)는 복수 개의 코어 구조체를 구비할 수 있다. 특히, 특수 광섬유(100)에 포함된 각각의 코어 구조체는, 광섬유 코어(110)와, 광섬유 코어를 피복하는 내부 클래딩(120)과, 다시 내부 클래딩을 피복하는 외부 클래딩(130)을 포함하는 3중 구조로 구성되며, 이들 각자의 굴절률이 서로 다르게 설정될 수 있다. 구체적으로, 내부 클래딩(120)의 굴절률(n2)은, 코어 구조체의 굴절률(n1)보다 낮게 (또는, 같을 수도 있으며, 특수한 경우에는 높을 수도 있음), 외부 클래딩(130)의 굴절률(n3)보다 높게 (또는, 같을 수도 있으며, 특수한 경우에는 낮을 수도 있음) 설정된다.

또한, 내부 클래딩(120)은 길이 방향으로 절개된 형태로 구성되고, 이 절개된 형태의 틈새(123)로 광섬유 코어(110)를 노출시키고 있으며, 절개된 틈새(123)에는 광섬유 코어(110) 또는 외부 클래딩(130)과 동일한 재질이 채워질 수 있다. 이러한 구조에 의해, 특수 광섬유(100)는 특정 방향으로 벤딩에 대하여 광손실이 더 커지는 특성을 갖는다. 즉, 절개된 부분(123)이 벤딩의 바깥쪽이 될 때, 절개된 부분(123)을 통해 광손실이 크게 발생하여, 벤딩을 더욱 민감하게 감지할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 특수 광섬유(100)는 코어 구조체를 복수 개 포함할 수 있다. 이때, 각 코어 구조체를 구성하는 광섬유 코어(110)는 특수 광섬유(100)의 단면의 중심을 따라 등방위각으로 배치되며, 광섬유 코어(110)를 피복하는 내부 클래딩(120)의 절개된 부분(123)은 특수 광섬유(100)의 중심을 등지고 외곽 방향을 향하도록 배치된다.

이러한 구조에서 광섬유의 길이 방향을 Z축으로 하면, 광손실이 발생한 지점의 Z 좌표는 OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer) 및 OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)을 활용하여 측정할 수 있다.

또한, 광섬유(100)의 단면을 따른 평면을 X축 및 Y축으로 설정하면, 광섬유(100)의 벤딩에 따른 광손실이 발생한 지점에서 각각의 광섬유 코어들에서의 광손실의 정보를 취합함으로써 벤딩 방향, 즉, X 좌표 및 Y 좌표를 측정할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에 따른 특수 광섬유(100)를 이용하면, 광섬유 길이 방향으로 다중 지점에서의 벤딩 방향과 곡률을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른, 특수 광섬유(100)는, 3차원 형상을 측정하는 경우, 온도의 영향을 무시할 수 있다.

종래의 FBG 기반의 광섬유는 온도 측정 용도로도 많이 사용되었다. 즉, 종래의 FBG 기반의 광섬유는 온도와 같은 물리적 변화에 대하여 FBG에 의해 형성되는 특정 파장에 대한 반사 특성이 변화하기 때문에, 온도 측정 용도로 사용될 수 있었다. 이는, FBG 기반의 광섬유를 이용하여 곡률을 측정할 때, 온도의 영향을 보상하는 것이 필수적이라는 의미이다.

하지만, 본 발명에 따른 특수 광섬유(100)는 FBG에 기반하는 것이 아니므로, 온도에 의한 영향이 거의 없어서, 별도의 온도 보상이 불필요하다.

또한, 붕소(Boron) 및 불소(Fluorine)가 함유된 온도 보상용 광섬유를 본 발명의 특수 광섬유(100)의 광섬유 코어(110)로 활용하면 그 활용성을 보다 확장할 수 있다. 또한, 본 발명의 특수 광섬유(100)를 라만 산란(Raman scattering) 및 브릴루앙 산란(Brillouin scattering) 특성을 기반으로 한 DTS(Distributed Temperature Sensor)와 연계하게 되면, 3차원 형상의 측정뿐만 아니라 길이 방향에 따른 온도 분포를 측정할 수 있게 되므로, 하나의 프로브로 다양한 정보를 동시에 얻을 수 있는 멀티 센서를 구현할 수도 있다.

이와 같은, 본 발명의 특수 광섬유(100)는, 도 3의 실시예에서는, 단면의 중심을 따라 120°의 등방위각 위치에 3개의 코어 구조체가 배치되어 있다.

각각의 코어 구조체는 절개된 부분(123)이 특수 광섬유(100)의 중심을 등지는 방향을 향하도록 배치되어 있다. 이로써, 특수 광섬유(100)는, 절개된 부분(123)이 벤딩되는 방향에 대하여 광손실이 더욱 민감해지므로, 각 광섬유 코어마다 특정 방향으로의 벤딩 방향 및 곡률을 세밀하고 정확하게 측정할 수 있게 된다. 따라서, 복수의 광섬유 코어들에서의 벤딩을 통합함으로써 3차원 벤딩 방향 및 곡률을 세밀하고 정확하게 측정할 수 있게 된다.

한편, 도 4를 참조하면, 특수 광섬유(100)에, 4개의 코어 구조체가 중심에서 90°의 등방위각 위치에 배치될 수 있는 구조, 6개 또는 8개의 코어 구조체를 구비하는 구조를 볼 수 있다. 코어 구조체의 개수가 많을수록 해당 방향으로의 벤딩에 더욱 민감해지므로, 더 세밀하고 정확하게 3차원 형상을 측정할 수 있게 된다.

광섬유 코어(110)는, 광신호가 전송되는 부분이다.

내부 클래딩(120)은, 광섬유 코어(110)를 피복하며, 광섬유 코어에서 전송되는 광신호를 광섬유 코어를 따라 흐르도록 전반사시킨다. 특히, 내부 클래딩(120)은 광섬유 코어(110)의 길이 방향을 따라 절개된 형태로 구성되며, 절개된 부분(123)으로는 광섬유 코어(110)를 노출시킨다. 바람직하게는, 절개된 부분(123)의 폭은 일정하다. 내부 클래딩의 절개된 부분(123)은 광섬유 코어(110)와 동일한 물질 또는 광섬유 코어(110)와 동일한 굴절률의 물질이 채워질 수 있다. 또는, 절개된 부분(123)에는 외부 클래딩(130)과 동일한 물질 또는 외부 클래딩(130)과 동일한 굴절률의 물질이 채워질 수 있다.

외부 클래딩(130)은, 내부 클래딩(120)을 피복하며, 특수 광섬유(100)의 외형을 구성한다. 외부 클래딩(130)은, 광섬유 코어(110)와 내부 클래딩(120)의 코어 구조체를 복수 개 포함할 수 있다. 도 3을 참조할 때, 외부 클래딩(130)은 광섬유 코어(110)와 내부 클래딩(120)의 주변 부분에 해당한다. 이러한 외부 클래딩(130)은, 특수 광섬유(100)가 벤딩될 때 곡률 반경에 따른 내부 클래딩(120) 또는 절개 부분(123)에 의한 광손실을 효과적으로 유도하게 된다.

특히, 본 발명에 있어서, 광섬유 코어(110)의 굴절률(n1)과 내부 클래딩(120)의 굴절률(n2)과 외부 클래딩(130)의 굴절률(n3)은, n1≥n3>n2의 방식으로 설정될 수 있다.

예를 들어 본 발명의 특수 광섬유(100)의 각 부분의 굴절률의 실질적인 값은, 633nm의 파장에 대하여, n1 = 1.4631, n2 = 1.4571 그리고 n3 = 1.4611으로 설정될 수 있다. 이것은, n1과 n2의 차인 Δn1-2 = 0.6%, n1과 n3의 차인 Δn1-3 = 0.2%, 그리고 n3와 n2의 차인 Δn3-2 = 0.4%에 대응한다. 각 부분의 굴절률의 차이 값에 따라 벤딩 측정의 민감도가 결정되므로, 3차원 형상 센서로의 적용시에는, 굴절률의 차이를 정확하게 설정하고 제작해야 한다. 이를 위해서, 각 부분은, 실리카 유리와 플라스틱 광섬유의 굴절률의 차이를 기준으로 설정하고, 굴절률을 높일 수 있는 게르마늄(Ge) 또는 알루미늄(Al)을 적용하거나, 굴절률을 낮출수 있는 붕소(B) 또는 불소(F)를 적용함으로써, 굴절률을 제어할 수 있다.

여기서, 광섬유 코어(110)와 외부 클래딩(130) 사이의 굴절률의 차이가 작으면, 광섬유(100)가 절개된 부분(123)을 바깥쪽으로 하는 벤딩(또는, '중심 방향으로의 벤딩'으로 정의함)에 민감하게 반응하게 된다. 즉, Δn1-3로 인해 중심 방향으로의 벤딩을 감지하는 민감도 및 벤딩의 곡률을 측정하는 정확도가 결정될 수 있다. 한편, Δn3-2은 클수록 벤딩 측정의 민감도 및 정확도를 높일 수 있다.

본 발명의 특수 광섬유(100)는 특수 광섬유의 최외곽을 구성하는 외부 클래딩(130)의 직경(d3)을 125㎛로 할 때, 광섬유 코어(110)의 직경(d1)은 9 ~ 10㎛로 설정할 수 있다. 내부 클래딩(120)은 너무 얇게 하면 모든 방향으로 벤딩에 대해 광섬유 코어(110)로부터의 광손실이 발생하여 벤딩 감지의 정확도를 저해할 수 있다. 따라서, 내부 클래딩(120)의 직경(d2)은 광섬유 코어(110)의 직경 대비 대략 2배수인 20㎛ 정도로 설정될 수 있다.

한편, 내부 클래딩(120)의 길이 방향을 따라 절개된 부분(123)은 벤딩 감지의 정확도에 중요한 인자로서 벤딩에 영향받는 민감도에 큰 영향을 미친다. 즉, 절개된 부분(123)은 폭이 좁을수록 벤딩을 감지하는 민감도가 향상되나, 너무 좁으면 광손실이 너무 적어서 길이 방향으로의 감지 민감도를 저해하게 된다. 반대로 절개된 부분(123)의 폭이 너무 넓으면 길이 방향으로 감지 민감도는 증대되나 벤딩 및 곡률 방향에 따른 민감도가 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 절개된 부분(123)의 폭을 약 3㎛ 정도로 설정하고 있다.

광신호는 기본적으로 전반사 원리를 통해 굴절률이 높은 부분으로 전송된다. 따라서, 광섬유 코어(110)의 굴절률을 내부 클래딩(120)의 굴절률보다 높게 하면, 벤딩이 없는 경우에는 광섬유 코어(110)를 따라 광신호가 전송되고 이때의 광손실은 광섬유 자체에서의 손실을 제외하고는 없다. 한편, 광섬유 코어(110)에 벤딩이 발생하면 내부 클래딩(120)에서도 벤딩에 따른 인장 및 압축 응력이 발생하는 부분이 생기며 이러한 변화에 의해 내부 클래딩(120)의 굴절률이 변하게 되고 (인장되는 부분의 굴절률이 상승함), 광섬유 코어(110)로 전송되던 광신호가 내부 클래딩(120)으로 빠져나가게 되어 광손실 발생한다.

한편, 외부 클래딩(130)의 외주면과 내부 클래딩(120)의 외주면 사이의 거리(b) 또한, 광섬유(100)의 길이 방향(Z축)의 벤딩 지점을 감지하는 민감도에도 관련있는 요소이다. 광섬유 코어들의 위치가 외부 클래딩(130)의 외주면에 가까울수록, 즉 (b) 값이 작아질수록, 특수 광섬유(100)의 벤딩에 의해 외부 클래딩(130)을 빠져나가는 광손실 증대된다. 즉, 특수 광섬유(100)를 통과하는 광의 손실이 많으므로, 벤딩이 발생하는 지점마다에서 광손실이 커지게 되어 원거리 감지에 불리하다. 따라서, 이 경우에는, 고출력의 광을 이용할 필요가 발생한다. 일반적으로, 광섬유를 이용한 3차원 형상 측정을 위해서는, 광출력 및 분해능이 우수하며 안정적인 파워 공급 및 광 감지를 위한 레이저 다이어오드(LD)와 포토 다이오드(PD)를 이용할 수 있으며, 이로써, 상기 문제점은 실질적으로 상쇄된다.

한편, 본 발명에서 개시하는 특수 광섬유의 추가의 실시예로서, 가이드 코어를 추가한 형태를 도 5를 참조하여 설명한다. 특수 광섬유는 길이 방향을 회전축으로 하여 비틀려져 있거나 꼬여 있으면 곡률 측정이 부정확하게 된다. 따라서, 측정을 수행하는 작업자가 또는 광학 장비가, 곡률 측정을 수행하기에 앞서, 특수 광섬유가 비틀려 있지 않음을 검사할 필요가 있다.

이를 위하여, 본 실시예에서는, 광섬유와 평행하게 광섬유의 내부에, 예를 들면, 어느 하나의 광섬유 코어의 근방에 가이드 코어를 배치하는 구조를 개시한다.

도 5의 (a)에는 하나의 광섬유 코어(110)에 절개홈이 형성된 내부 클래딩이 피복되고, 여기에 외부 클래딩이 형성된 특수 광섬유 형태가 도시되어 있다. 여기서, 외부 클래딩의 일측에는 가이드 코어(145)가 배치되어 있음을 확인할 수 있다. 이 가이드 코어에 특정 색상의 광을 입사시키거나, 가이드 코어를 구성하는 재질에 특성 색상을 혼합하거나, 가이드 코어의 굴절률을 적어도 외부 클래딩과 다르게 설정함으로써, 작업자가 육안으로 가이드 코어를 식별하거나 광학 장치가 가이드 코어를 광학적으로 센싱하여 식별함으로써, 특수 광섬유의 꼬임을 확인하고 이를 복구할 수 있게 된다.

도 5의 (b)에는 복수의 광섬유 코어가 등방향으로 배치된 특수 광섬유의 경우에 가이드 코어를 배치하는 예가 도시되어 있다. 가이드 코어는 어느 하나의 광섬유 코어에 인접한 위치에 배치될 수 있다.

복수의 광섬유 코어를 구비한 본 발명에 따른 특수 광섬유는, 광섬유가 꼬여있지 않음이 매우 중요하다. 따라서, 가이드 코어를 배치함으로써, 특수 광섬유의 비틀림 또는 꼬임을 식별하고 복구할 수 있다.

한편, 상기한 구조의 특수 광섬유(100)에 있어서, 광섬유 코어(110)와 외부 클래딩(130)은 게르마늄 실리카 유리(germano-silicate glass) 및 알루미늄 실리카 유리(alumino-silicate glass)를 적용할 수 있고, 굴절률을 높이기 위해 게르마늄 및 알루미늄의 농도가 높은 것을 적용할 수 있다. 또한, 내부 클래딩은, 굴절률을 낮추기 위해 불소와 붕소가 함유된 유리를 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 특수 광섬유(100)를 제조하는 방법은 도 6의 흐름도를 참조할 수 있다.

먼저, 특수 광섬유(100)의 기본 형태가 되는 외부 클래딩(130)이 준비될 수 있다(S1). 외부 클래딩(130)은, 순수 실리카 유리(Pure silica glass)로 형성하거나 굴절률을 높이기 위한 목적으로, 광섬유 코어용 유리 재질로 또는 그보다 약간 낮은 굴절률을 갖는 유리 재질로 형성될 수 있다.

그리고 외부 클래딩(130)에는, 광섬유 코어(110)가 외부 클래딩 내에서 단면의 중심으로부터 등방위각을 갖도록 설정된 지점에, 광섬유(100)의 길이 방향으로 드릴링함으로써 삽입공이 형성될 수 있다(S2).

한편, 광섬유 코어(110)가 광섬유용 유리봉으로 준비될 수 있다(S3).

한편, 광섬유 코어(110)가 삽입될 수 있도록 구성된 내부 클래딩(120)이 준비될 수 있다(S4). 내부 클래딩(120)은 불소와 붕소가 함유된 실리카 유리 튜브의 특정 부분을 길이 방향으로 절개하여 제작됨으로써, 단면이 C형이 되도록 절개된 형태의 튜브로 준비될 수 있다. 그리고 내부 클래딩(120)의 내부에 광섬유 코어(110)가 삽입될 수 있다(S5).

이어서, 광섬유 코어(110)가 삽입된 내부 클래딩(120)은, 외부 클래딩(130)에 형성된 삽입공에 삽입된다(S6). 그리고, 내부 클래딩(120)이 삽입된 외부 클래딩(130)은, 광섬유 인출 공정에 적용되고(S7), 이 공정에서 내부 클래딩의 외주면과 삽입공의 내면이 밀착되어 특수 광섬유(100)가 완성될 수 있다.

한편, 인출 공정(S7)에 적용되기 이전에, 내부 클래딩(120)의 C형으로 절개된 부분(123)을 광섬유 코어(110)와 굴절률이 동일한 물질 또는 외부 클래딩(130)과 굴절률이 동일한 물질로 채울 수 있다. 물론, 상기 절개된 부분(123)을 채우는 공정을 적용하지 않을 수도 있다.

하지만, 인출 공정을 통해서, 외부 클래딩(130)의 일부가 또는 광섬유 코어(110)의 일부가 용융되어 절개된 부분(123)을 채우게 될 수 있으므로, 결과적으로 상기 절개된 부분(123)은 채워지게 된다. 여기서, 가이드 코어를 외부 클래딩의 내부에 또는 외부 클래딩의 외부 표면에 형성하면서 인출 공정을 수행하게 되면, 인출 공정을 통해 인출되는 광섬유가 비틀리고 있는지를 육안으로 또는 광학 장비에 의해 쉽게 확인할 수 있게 된다. 이로써, 광섬유를 광 회로의 소정 부품에 결합시키는 경우, 실장의 편의성을 확보할 수 있게 된다.

한편, 다른 제조 방법으로서, 단계(S3)에서 준비된 광섬유 코어(110)를 부분적으로 피복하면서 인출하는 공정을 통해서, 즉, 광섬유 코어를 내부 클래딩용 유리가 단면이 C형이 되도록 피복하는 상태로 인출하는 로드-인-튜브(Rod-in-tube) 공정으로, 광섬유 코어(110)에 C형으로 피복된 내부 클래딩(120)을 형성할 수도 있다(S4'). 그 다음의 공정(S6 및 S7)은 상기와 동일하다.

더욱, 또 다른 제조 방법으로서, 단계(S3)에서 준비된 광섬유 코어(110)의 외측 표면 전체에 공지된 화학기상증착 공정 등을 이용하여 내부 클래딩의 물질을 피복할 수 있다(S4"). 그리고나서, 피복된 부분 중 일부를 절개하거나 에칭함으로써, C형의 절개 부분(123)을 형성할 수도 있다(S5"). 그 다음의 공정(S6 및 S7)은 상기와 동일하다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진, 특정 각도별로 배치된 복수의 코어 구조체를 구비한 특수 광섬유를 이용하여, 다음과 같은 시스템 및 방식을 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정할 수 있다. 도 7은, 전술한 바와 같은 원리로 구성되며 제작될 수 있는 본 발명에 따른 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 8은 도시된 3차원 곡선 형상 측정 시스템에서 TDC 파트의 구성을 더욱 상세하게 도시한 도면이고, 도 9은 상기 TDC 파트에 의해서 피크를 검출한 결과물의 예시를 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템(200)은, 하나의 광섬유 코어와 하나의 벤딩 측정 장치를 결합하여 하나의 채널을 구성하고, 이러한 채널을 복수 개 결합시킨다. 각각의 벤딩 측정 장치들(210, 220, 230)은 OTDR/OFDR 기술을 활용하여 각각의 광섬유의 길이에 따른 광손실을 측정함으로써 벤딩 지점들 및 곡률들을 계산한다. 시스템(200)은 각 채널별 벤딩 측정 장치들(210, 220, 230)이 계산한 벤딩 지점들 및 곡률들을 통합하여 하나의 3차원 형상을 재현한다.

이하에서는, 임의의 하나의 벤딩 측정 장치의 구성 및 동작을 설명한다.

LD는 대응하는 채널의 광섬유 코어의 입력측에 광신호를 출력한다. 광신호는 소정의 파워를 갖는 광으로서, 특정 크기의 피크 및 폭을 갖는 펄스광의 형태이거나 연속광의 형태로 구성될 수 있다.

PD1은, 광섬유 코어에 입력되는 광신호의 파워를 측정하도록 구성된다. 예를 들면, 펄스광의 경우에는 해당 펄스의 파워를 측정할 수 있으며, 연속광의 경우에는 특정 시간 구간 동안의 파워를 측정한다.

TDC 파트(Time to Digital Converter Part)는, LD에 의해 광섬유 코어에 입력된 광신호가 광섬유 코어의 특정 벤딩 지점에서 후방 산란되어 상기 입력측으로 되돌아오는 반사신호를 입력받아서, 프레스넬 반사 피크를 검출하고, 피크의 크기 또는 폭을 검출하고, 피크가 나타난 시간을 분석한다. 이어서, 시간 영역에서 샘플링된 신호는 평균화됨으로써 노이즈를 저감할 수 있다.

한편, TDC 파트는 ADC(Analog-Digital Converter) 기능을 구비할 수 있어서, 수집된 광신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 광신호는 시간 영역의 신호일 수 있으며, 이를 디지털 신호로 변환하고, OTDR에 근거하여 거리별로 각각의 디지털 신호를 샘플링함으로써, 거리별 물리량으로 환산할 수 있다.

PD2는, 상기 반사신호를 동일하게 입력받아서, 반사신호의 파워를 측정하도록 구성된다.

광신호는 고출력 연속광 또는 고속 고출력 펄스광일 수 있다. 각각의 채널별로 구비될 수 있는 광원으로부터의 광신호가 각 채널의 광섬유 코어로 입력된다. 반사신호는, 특정 길이 성분을 통과한 후 반사되어 되돌아오는 광신호로서 커플러(도시하지 않음)를 통해 TDC 파트 및 광검출기(PD2)로 입사되고, TDC 파트에서 피크를 검출하면 피크의 발생 시간에 근거하여 벤딩이 발생한 지점을 계산할 수 있게 되고 광검출기(PD2)에서 반사신호의 파워가 측정됨으로써 벤딩이 발생한 지점에 대한 길이에 따른 광손실이 계산되어 곡률이 계산될 수 있다. 광검출기(PD2)로 입사된 반사신호는 광섬유 내에서 레일리 반사(Raleigh reflection) 및 후방산란(Backscattering) 등으로 광신호의 진폭 감소가 발생하므로, 광검출기(PD2)에 의해 수신된 반사신호는 전기 신호로 변환된 후에 임의의 이득값으로 증폭처리될 수 있다.

광검출기(PD2)는 입사된 광량에 따라 전류량이 변화하며, 전류의 변화량은 TIA(Trans Impedance op-AMP)에 의해 1차 증폭된 후, 단파장 증폭, 장파장 고증폭, 장파장 저증폭, 프레스넬 반사(Fresnel Reflection)을 위한 증폭을 포함하는 신호처리가 이루어진다.

단파장 신호의 경우 증폭비가 너무 높으면 신호의 펄스폭이 손실되므로, 장파장 신호와 분류되어 증폭되어야 한다. 또한, 장파장 신호의 경우에는, 증폭비가 높더라도 신호의 펄스폭이 감쇠되는 양이 적으므로, 고증폭이 가능하다.

한편, 광섬유의 일측에서 접속이나 절단이 발생하면 프레스넬 반사가 나타나는데, 프레스넬 반사는 반사신호의 진폭이 크기 때문에 전기 신호의 증폭도를 작게하여 처리한다.

이처럼 증폭된 아날로그 신호는 FPGA를 통해서 디지털 신호로 변환되어 통합 데이터프로세서로 피드백된다.

FPGA는, LD, PD1, TDC 파트, PD2의 동작을 제어하며, 광섬유 코어에서 발생한 광손실의 지점을 식별하여 벤딩 지점 및 곡률을 계산할 수 있다.

벤딩 지점은 광신호의 피크 출력 시간과 반사신호의 피크 감지 시간의 차이에 근거하는 OTDR 방식으로, 또는, 광신호의 출력 주파수와 반사신호의 감지된 주파수의 차이에 근거하는 OFDR 방식을 선택적으로 또는 조합하여 계산될 수 있다.

벤딩 지점의 곡률은, 광신호의 피크 출력 파워와 반사신호의 피크 입력 파워의 차이에 의해서 계산될 수 있다.

이러한 구성에 의하여, 어느 하나의 채널에서의 벤딩 지점과 곡률이 계산되면, 각 채널별 벤딩 지점들 및 곡률들을 통합함으로써 3차원 벤딩 지점 및 벤딩 곡률이 계산될 수 있다.

본 발명에 따른 3차원 곡선 형상 측정 시스템은, 복수 개의 벤딩 측정 장치를 포함하고, 각 벤딩 측정 장치에서 출력하는 벤딩 지점들 및 곡률들을 통합하여 3차원 곡선 형상을 재현하기 위하여, 통합 데이터 프로세서를 더 포함할 수 있다. 또한, 재현된 3차원 곡선 형상을 시각적으로 표시하기 위한 그래픽 디스플레이를 더 포함할 수 있다.

통합 데이터 프로세서는, 각 채널별 광손실을 조합하한다. 특히, 각 채널별 벤딩 지점들 및 곡률들을 입력받아서, 각각을 서로 산술평균하거나 가중평균하는 등의 방식으로 최종 벤딩 지점들 및 곡률들을 계산한다.

펄스 변조된 광신호가 광섬유 코어에 입사된 후 반사되어 되돌아오는 반사신호가 광검출기(PD2)에 수신될 때, 반사신호의 파워를 계측함으로써 해당 지점의 벤딩 곡률이 계산된다. 또한, 광 펄스가 광섬유를 통과할 때에 거리에 따라 파워(또는, 주파수)가 약해지므로, 광검출기(PD2)에서 검출된 파워를 이용하여 벤딩이 발생한 지점을 계산할 수도 있다. FPGA는 광검출기(PD2)에서 수신된 이 후방산란된 반사신호를 시간의 함수로 계산하여 광섬유의 길이에 따른 광손실을 이미지로 구현할 수 있다. 이러한 반사신호의 측정시, 시간 분해능을 향상시키는 방안으로 여러 번의 측정 결과를 평균화함으로써 그 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

한편, 후방으로 산란되어 되돌아오는 반사신호의 파워가 워낙 낮아서 신호에 잡음이 추가될 수 있다. 따라서, 측정된 데이터의 SNR(Signal to noise ratio)이 높으면, 벤딩에 의해 광손실이 발생한는 지점을 구분하기 어려워질 수 있으므로, 이를 보완하기 위한 평균화 알고리즘을 적용할 수 있다.

즉, 잡음 신호는 불규칙하게 발생한다는 특성을 이용하여, 광검출기(PD2)에서 측정된 반사신호를 누적평균하여 잡음 신호를 상쇄시킬 수 있다. 이러한 평균화 알고리즘에 의하면, 벤딩에 의해 발생한 광손실을 두드러지게 하여 광섬유의 길이에 따른 상태 분석이 가능하게 된다.

이렇게 본 발명에 따른 특수 광섬유를 이용하여 광섬유의 벤딩 지점의 길이방향을 따른 Z축 좌표와, 각 채널별 벤딩 곡률을 조합하여 해당 지점에서의 벤딩 방향에 대한 X축 및 Y축 좌표를 계산할 수 있게 되며, 그래픽 디스플레이를 통해서 3차원 곡선 형상으로 이미지화할 수 있게 된다.

이러한 구성 및 동작의 본 발명에 따른 3차원 곡선 형상 측정 시스템에 의하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 임의로 구부린 광섬유의 3차원 곡선 형상을 정확하게 측정하여 시각적으로 이미지화할 수 있게 된다.

도 8은, 상술한 3차원 곡선 형상 측정 시스템에서 TDC 파트의 구성 및 기능을 더욱 상세하게 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 TDC 파트는 예를 들면 25ps의 분해능과 1ms 이상의 측정 시간 범위로 동작할 수 있다.

타이밍 선택 회로는 입력 신호(즉, LD에서 출력된 광신호의 반사신호)를 수신하면, 입력 신호의 모양과 크기에 따른 타임 웍(time walk)을 보정한 로직 펄스를 클럭 회로에 출력한다. 타이밍 선택 회로에서 출력된 신호에 근거하여 100MHz 클럭 회로에서 클럭이 계수되어 기본 타이밍이 측정된다.

한편, 상기 입력 신호는 셰이퍼(shaper)에 입력되어, 1ns 이하의 라이징 타임으로 세분화되어 셰이핑된다.

플래시 ADC는 클럭 회로와 동기되어 클럭을 공유할 수 있다. 플래시 ADC는 셰이퍼 출력의 라이징 에지를 디지털 변환하고, 셰이퍼에서 출력한 셰이핑된 신호가 시작된 시점을 추적한다. 이로써, 셰이퍼의 출력 신호가 10ns마다(즉, 미세 타이밍) 반복되는 100MHz 클럭(즉, 기본 타이밍) 사이의 어느 지점에서 시작했는지 알아냄으로써, 반사 신호의 입력 시점을 10ns 단위로 정확하게 찾아낼 수 있다.

일반적으로, 셰이퍼의 출력신호 파형은 비선형이므로, 플래시 ADC의 값과 펄스 시작 시간과의 관계는 룩업 테이블을 사용해서 얻을 수 있다.

프로세서는 룩업 테이블을 참고하여 기본 타이밍과 미세 타이밍을 결합하여, 반사신호의 발생 시점과 폭을 측정하게 된다.

이러한 방법의 장점은, 미세 타이밍 측정에 플래시 ADC를 사용하므로, 펄스 스트레칭 방식에서와 같은 디지타이저 데드타임이 발생하지 않으며, 기본 타임 카운터의 비트 개수를 증가시킴으로써 동작 범위를 크게 확장시킬 수 있다는 것이다.

도 9은 TDC 파트에 의해서 측정된 피크의 예시를 보여주는 도면이다. 측정 결과에서 보여지는 것과 같이 ADC 및 TDC 파트의 동기화된 측정 결과의 상호 비교 프로세서를 통해 노이즈와 같은 측정 오류를 제거함으로써, 낮은 SNR 신호의 정밀한 측정이 가능하게 된다.

TDC 파트의 정확도는 셰이퍼의 셰이핑 타임, ADC의 애퍼처 지터, ADC의 유효 비트수에 의존한다.

다음은, 어느 하나의 벤딩 측정 장치에서 어느 한 채널의 곡선 형상을 측정하는 방법을 설명한다. 각 동작들은 FPGA에 의해 제어될 수 있지만, 각 구성부가 능동적으로 판단하여 이루어지는 것으로 설명한다.

먼저, 해당 채널의 LD에서 제1 폭을 갖는 제1 펄스를 출력한다(S101).

TDC 파트는 출력된 제1 펄스의 반사신호를 검출한다(S102).

TDC 파트는, 검출된 반사신호를 디지털 신호로 변환한 후, 변환된 디지털 신호에 근거하여, 제1 펄스가 출력된 이후에 반사신호가 나타난 시점을 측정하고, 측정된 시점의 전후를 포함하는 샘플링 포인트를 설정한다(S103).

LD는 이번에는 제2 폭을 갖는 제2 펄스를 출력한다(S104).

TDC 파트는 앞서 설정된 샘플링 포인트에서 상기 제2 펄스의 반사신호의 피크를 검출한다(S105). 그리고 PD2는 상기 제2 펄스의 반사신호의 파워를 측정한다(S106).

FPGA는, 상기 TDC 파트에서 검출된 피크에 의하여 상기 광섬유 코어의 벤딩 지점을 계산하고, 상기 PD2에서 측정된 파워에 의하여 상기 벤딩 지점의 곡률을 계산한다(S107).

한편, 이와 같은, 각 채널별 정보를 결합하여 광섬유의 3차원 형상을 측정할 수 있게 되는데, 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 3차원 곡선 형상 측정 시스템에 의하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 방법을 설명한다.

먼저, 특정 물체 또는 임의의 형태의 3차원 곡선 형태를 측정하고자 하면, 본 발명에 따른 특수 광섬유(100)를 특정 물체의 표면에 밀착시켜 벤딩시킨다(S10).

이어서, 측정 시스템(200)의 각 채널별 벤딩 측정 장치들(210, 220, 230)이, 미리설정된 특성(예를 들면, 피크의 개수 및 크기, 파워 등)의 광신호를 특수 광섬유(100)의 대응하는 채널의 광섬유 코어의 입력측에 입사시킨다. 이어서, 상기 광섬유 코어 내에서 반사되어 상기 입력측으로 반사되는 반사신호의 피크 및 파워가 측정된다. 각 채널별 반사신호의 측정된 피크의 타이밍/크기 및 파워에 근거하여, 해당 채널에서의 벤딩 지점 및 곡률이 계산된다(S20).

이때, 계산된 벤딩 지점 및 곡률 측정값들의 개수(M)가 미리설정된 목표값의 개수(T)에 도달하였다면(S30), M개의 측정값들을 평균하고, 평균된 결과값을 해당 채널에서의 벤딩 지점 및 곡률에 대한 측정 결과값으로 결정한다(S40).

각 채널별 벤딩 측정 장치들(210, 220, 230)마다 측정 결과값이 결정될 수 있으며, 모든 채널에서의 측정 결과값을 결합하여 3차원 공간의 이미지가 구성된다(S50).

한편, 단계(S40)에서, 반사신호의 피크 및 파워가 측정될 때마다 해당 측정값들을 저장하고, 측정된 개수(M')가 목표 개수(T')에 도달했을 때, 목표 개수의 측정값들을 각각 평균하고, 평균된 측정값(즉, 피크의 평균값 및 파워의 평균값)을 이용하여 해당 채널의 벤딩 지점 및 곡률을 계산할 수도 있을 것이다.

추가로, 본 발명에 따른 특수 광섬유를, 광섬유의 라만(Raman) 및 브릴루앙 산란(Brillouin scattering) 특성을 기반으로 분포형 온도 센서(DTS; Distributed Temperature Sensor)와 연계하게 되면, 광섬유의 길이 방향에 따른 온도 분포를 측정할 수도 있다.

따라서, 하나의 광섬유를 이용하여, 3차원 곡선 형상뿐만 아니라, 곡선 형상의 각 지점에서의 온도까지도 측정할 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 광섬유 코어 및 상기 광섬유 코어를 피복하는 내부 클래딩을 포함하는 코어 구조체가 외부 클래딩 내에 복수 개 배치된 특수 광섬유로서,
   상기 광섬유 코어의 굴절률(n1)과 상기 내부 클래딩의 굴절률(n2)과 상기 외부 클래딩의 굴절률(n3)이 n1≥n3>n2의 관계로 설정되고,
   상기 광섬유 코어를 피복하는 상기 내부 클래딩은, 길이 방향으로 절개되어 상기 광섬유 코어의 일부를 노출시키는 절개 부분을 구비하고, 그리고
   상기 내부 클래딩의 상기 절개 부분은, 상기 광섬유 코어 또는 상기 외부 클래딩과 동일한 굴절률의 재질로 채워지고,
   상기 코어 구조체의 각각은, 상기 외부 클래딩의 단면의 중심으로부터 등방위각을 갖는 방사상으로 배치되고,
   각각의 상기 내부 클래딩은 상기 절개 부분이 상기 외부 클래딩의 상기 중심을 등지도록 배치되고,
   상기 복수의 코어 구조체 각각은 각각의 광신호가 입력되는 채널을 구성하는, 특수 광섬유;
   
   각 채널의 각 코어 구조체마다 구비된 복수의 벤딩 측정 장치로서,
   상기 광섬유 코어의 입력측으로 소정 크기의 피크 및 폭을 갖는 광신호를 출력하는 LD;
   상기 LD로부터 출력되어 상기 광섬유 코어에 입력되는 상기 광신호의 파워를 측정하는 PD1;
   상기 광신호가 상기 광섬유 코어의 임의의 벤딩 지점에서 산란되어 상기 입력측으로 되돌아오는 반사신호의 피크를 검출하는 TDC 파트;
   상기 반사신호의 파워를 측정하는 PD2; 및
   상기 LD, 상기 PD1, 상기 TDC 파트 및 상기 PD2의 동작을 제어하고, 상기 LD에서 출력한 상기 광신호의 피크와 상기 PD1에서 측정한 상기 광신호의 파워와 상기 TDC 파트에서 검출된 상기 반사신호의 피크와 상기 PD2에서 측정된 상기 반사신호의 파워에 근거하여, 상기 광섬유 코어의 상기 벤딩 지점 및 곡률을 계산하는 FPGA를 각각이 포함하는, 복수의 벤딩 측정 장치; 및
   
   각 채널마다의 상기 벤딩 측정 장치들에서 출력하는 상기 벤딩 지점들 및 곡률들을 통합하여 상기 특수 광섬유가 취하고 있는 3차원 곡선 형상을 재현하는 통합 데이터 프로세서를 포함하는, 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 FPGA는:
   상기 LD에서 제1 폭을 갖는 제1 펄스를 출력하고,
   상기 TDC 파트를 통해서 상기 제1 펄스의 반사신호를 검출하고,
   상기 반사신호에 근거하여, 제1 펄스가 출력된 이후에 반사신호가 나타나는 시점을 포함하는 샘플링 포인트를 설정하고,
   상기 LD에서 제2 폭을 갖는 제2 펄스를 출력하고,
   상기 샘플링 포인트에서 상기 TDC 파트에 의해 상기 제2 펄스의 반사신호의 피크를 검출하고 및 상기 PD2에 의해 상기 제2 펄스의 반사신호의 파워를 측정하고, 그리고
   상기 검출된 피크에 의하여 상기 광섬유 코어의 벤딩 지점을 계산하고, 상기 측정된 파워에 의하여 상기 벤딩 지점의 곡률을 계산하는 것을 특징으로하는, 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 펄스의 폭은 상기 제2 펄스의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는, 특수 광섬유를 이용하여 3차원 곡선 형상을 측정하는 시스템.

Images