KR102492239B1 - 광학식 굴절률 센서 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서는, 광 모듈; 상기 광 모듈에 연결된 광섬유 케이블; 및 상기 광섬유 케이블의 끝단의 단면에 부착되는 복수의 격자를 포함하고, 상기 격자를 통해 반사된 빛의 반사율을 이용하여 측정 대상물의 내부에서 상기 측정 대상물의 굴절률을 측정할 수 있다.

Description

광학식 굴절률 센서{OPTICAL REFRACTIVE INDEX SENSOR}
광학식 굴절률 센서가 개시된다. 구체적으로, 격자를 통해 반사된 빛의 반사율을 이용하여 측정 대상물의 내부에서 상기 측정 대상물의 굴절률을 측정하는 광학식 굴절률 센서가 개시된다.
굴절률은 진공에서의 빛의 속도와 어떤 매질에서의 위상 속도의 비로 정의되고, 빛과 물질의 상호작용과 관련된 매우 중요한 물질의 특성을 나타내며, 빛이 두 물질의 경계면을 지날 때, 빛의 진행방향이 바뀌는 현상을 굴절(refraction)이라고 한다.
굴절률 격자는 위상 격자의 일종으로 투명 매질에 빛의 파장 정도의 주기로 줄 모양의 굴절률 분포를 준 것을 말한다. 광섬유 내에서 빛의 전파 원리는 굴절률이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리에 있으며, 광섬유 코어(Core)로 입사된 빛은 굴절률이 높은 코어층과 굴절률이 낮은 클래딩(Cladding)층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파되게 된다. 이러한 광섬유의 주성분은 실리카(Silica) 유리로 이루어져 있으며, 그 구조는 굴절률이 약간 높아지도록 저마늄(Ge)을 첨가한 광섬유 중심(core) 부분과 그 중심을 보호하는 클래딩(cladding) 부분으로 구성되어 있다.
종래의 굴절률 센서는 용액에 투입되면 결함이 발생하고, 격자와 광섬유를 떨어지게 배치하는 구조는 빛을 주고받을 때에 빛의 정렬이 어렵다.
대한민국 공개특허공보 제10-2006-0102509호에는 광섬유 센서 케이블 및 광섬유 센싱 장치에 대해 개시되어 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시예의 목적은, 격자를 통해 반사된 빛의 반사율을 이용하여 측정 대상물의 내부에서 상기 측정 대상물의 굴절률을 측정하는, 광학식 굴절률 센서를 제공하는 것이다.
일 실시예의 목적은, 광섬유의 끝단에 격자가 장착되어 이동성이 좋고 혼합된 용액의 배합 비율을 측정하는, 광학식 굴절률 센서를 제공하는 것이다.
일 실시예의 목적은, 트랜스퍼 방식으로 격자가 광섬유의 끝단에 장착되어 제작되는, 광학식 굴절률 센서를 제공하는 것이다.
상기 실시예들에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 측에 따르면, 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서는 광 모듈; 상기 광 모듈에 연결된 광섬유 케이블; 및 상기 광섬유 케이블의 끝단의 단면에 부착되는 복수의 격자를 포함하고, 상기 격자를 통해 반사된 빛의 반사율을 이용하여 측정 대상물의 내부에서 상기 측정 대상물의 굴절률을 측정할 수 있다.
상기 격자는 길쭉한 형상으로 구성되고, 상기 복수의 격자는 상기 격자의 길이방향에 수직하는 방향으로 규칙적으로 배열될 수 있다.
상기 복수의 격자 간의 폭 길이는 입사하는 빛의 한 주기의 파장길이에 대응할 수 있다.
상기 복수의 격자는 지지 플레이트에 위치된 상태에서 스탬프에 의해 상기 지지 플레이트로부터 분리되어 상기 광섬유 케이블의 끝단의 단면에 부착될 수 있다.
상기 스탬프는 상기 복수의 격자를 상기 광섬유 케이블의 끝단의 단면에 압착하는 방식으로 부착시킬 수 있다.
상기 광 모듈은, 광원; 상기 광원에 대응되게 배치되는 광 검출기; 및 상기 광원 및 상기 광 검출기에 각각 연결되게 배치되는 광 서큘레이터를 포함하고, 상기 광 서큘레이터는, 상기 광섬유 케이블에 연결되고, 상기 광원으로부터 나온 빛을 상기 광섬유 케이블로 전달하며, 상기 격자로부터 반사되어 돌아온 빛을 상기 광 검출기로 전달할 수 있다.
일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서에 의하면, 격자를 통해 반사된 빛의 반사율을 이용하여 측정 대상물의 내부에서 상기 측정 대상물의 굴절률을 측정할 수 있다.
일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서에 의하면, 광섬유의 끝단에 격자가 장착되어 이동성이 좋고 혼합된 용액의 배합 비율을 측정할 수 있다.
일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서에 의하면, 트랜스퍼 방식으로 격자가 광섬유의 끝단에 장착되어 제작될 수 있다.
일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서의 사시도를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2c는 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서에 의한 빛의 투과와 반사를 시간 순서대로 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서의 격자의 최적 조건을 설정하기 위한 듀티 사이클에 따른 물과 에탄올의 반사율 차이를 나타낸다.
도 4는 도 3의 결과에 의한 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서의 격자의 최적 조건을 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서의 제작 프로세스를 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서의 광 모듈을 나타낸다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안 된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서(10)의 사시도를 나타내고, 도 2a 내지 도 2c는 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서(10)에 의한 빛의 투과와 반사를 시간 순서대로 나타내고, 도 3은 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서(10)의 격자(100)의 최적 조건을 설정하기 위한 듀티 사이클에 따른 물과 에탄올의 반사율 차이를 나타내며, 도 4는 도 3의 결과에 의한 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서(10)의 격자(100)의 최적 조건을 나타낸다. 또한, 도 6은 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서(10)의 광 모듈(300)을 나타낸다.
도 1을 참조하여, 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서(10)는, 광 모듈(300), 광 모듈(300)에 연결된 광섬유 케이블(200), 및 광섬유 케이블(200)의 끝단의 단면에 부착되는 복수의 격자(100)를 포함할 수 있으며, 격자(100)를 통해 반사된 빛의 반사율을 이용하여 측정 대상물의 내부에서 상기 측정 대상물의 굴절률을 측정할 수 있다.
도 6을 참조하여, 광 모듈(300)은 광원(310), 광원(310)에 대응되게 배치되는 광 검출기(320), 및 광원(310)과 광 검출기(320)에 각각 연결되게 배치되는 광 서큘레이터(330)를 포함할 수 있다. 광 서큘레이터(330)는 광섬유 케이블(200)에 연결되고, 광원(310)으로부터 나온 빛을 광섬유 케이블(200)로 전달하며, 격자(100)로부터 반사되어 돌아온 빛을 광 검출기(320)로 전달할 수 있다.
각각의 격자(110, 120, 130, 140, 150)는 길쭉한 직육면체 형상으로 구성되고, 복수의 격자(100)는 격자(100)의 길이방향에 수직하는 방향으로 규칙적으로 배열될 수 있다. 격자(100)의 개수는 설계의 목적에 따라 달라질 수 있고, 격자(100)는 일체형으로 되어 붙어 있을 수 있고, 경우에 따라 개별적으로 배치될 수도 있다.
복수의 격자(100) 간의 폭 길이는 입사하는 빛의 한 주기의 파장길이에 대응할 수 있다. 광원(310)에서 방출되는 빛의 한 주기의 파장길이에 따라서 각각의 격자(110, 120, 130, 140, 150) 간의 거리는 변화할 수 있다. 또한, 공간 상의 빛 이동을 광섬유로 설정하고, 측정 대상물의 외부에 광 모듈(300)이 배치되어 있다.
격자(100)는 다양한 나노(nano) 단위의 구조로 구성될 수 있고, 격자(100)의 크기가 작으면 작을수록, 굴절률이 민감하게 측정될 수 있다. 격자(100)는 고 대조 격자(High Contrast Grating)로 구성될 수 있고, 격자(100)는 빛이 오면 빛의 색을 분리(회절)하는 데 사용되고, 빛의 파장에 따라 반사하는 특성이 달라질 수 있으며, 격자(100)의 간격을 빛의 파장길이 정도와 비슷하게 맞추면 반사경의 역할을 할 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 광섬유 케이블(200)의 코어의 끝단에 격자(100)가 부착되고, 격자(100) 사이로 측정 대상물인 유체가 들어올 수 있고, 빛을 쏘여줄 때 격자(100)는 빛의 일부를 반사하고 빛의 다른 일부는 투과시킬 수 있다. 도 2a에서는 빛이 광섬유 케이블(200)을 따라 진행되고 있고 격자(100)에 도달하기 전 상태이고, 도 2b에서는 격자(100)가 빛과 상호작용하는 상태를 보여주고 있으며, 도 2c에서는 격자(100)와의 상호작용에 의해 빛의 일부는 투과되고 나머지는 반사되는 상태를 보여주고 있다. 공기 상에 있는 광학식 굴절률 센서(10)를 측정 대상물에 투입하여 빛을 쏘여줄 때에 격자(100) 사이 공간의 굴절률 변화에 의해 반사율이 변화하게 되므로, 이러한 차이를 이용하여 상기 측정 대상물의 굴절률을 측정할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 도 3은 격자 주기와 듀티 사이클(Duty cycle)의 변화에 따라 물(굴절률: 1.331)과 에탄올(굴절률: 1.361)에서 특정 파장(1550nm)에 대한 반사율의 차이를 보여주고 있다. 격자(100)를 통과하면서 반사율의 크기는 주기적으로 변화하는데, 이는 격자(100)의 폭(도 4에서의 a)과 높이(도 4에서의 b), 및 듀티 사이클로 인해 변화할 수 있다. 이러한 변수의 비율에 따라 빛을 반사하는 특성이 달라질 수 있다. 공기 중에 있는 광학식 굴절률 센서(10)를 측정 대상물(물과 에탄올이 섞인 혼합물)로 투입했을 때, 변화되는 반사율을 가지고 굴절율을 찾을 수 있다. 또한, 복수의 매질이 혼합된 측정 대상물의 굴절률로 상기 측정 대상물의 배합 비율을 알 수 있다. 예를 들어, 측정 대상물에 두 가지의 용액이 섞여 있다고 알고 있을 때, 그 두 가지의 용액의 비율을 알 수 있다(예를 들어, 술의 도수, 가스의 농도, 물의 맑기).
도 3에 도시된 바와 같이, 격자(100)의 듀티 사이클의 한 주기에 따라 반사율이 변화할 수 있다. 격자 주기와 듀티 사이클에 따라 측정 대상물(물과 에탄올이 섞인 혼합물)의 반사율을 측정하고, 이중 반사율의 가장 큰 차이 값을 확인하면, 5~7%(정확히는, 6.2057%)임을 확인할 수 있다. 이 때에, 듀티 사이클이 0.25~0.35이고, 복수의 격자(100) 간의 간격 길이가 1110~1210nm일 수 있다. 다시 말해, 도 4에 도시된 바와 같이, 격자의 폭(a)과 높이(b) 및 격자 간의 간격(c)에 따라 변경될 수 있는 듀티 사이클이 0.25~0.35이고, 격자 간의 간격 길이가 1110~1210nm일 때에 최대 약 6% 반사율 차이 값을 얻을 수 있다. 여기에서는 물과 에탄올의 배합 비율을 측정하기 위해 격자(100)의 최적 조건을 설정하는 방법을 설명하지만, 물과 에탄올에 한정하지 않고 다양한 복수의 매질이 혼합된 측정 대상물에 대해 광학식 굴절률 센서(10)를 이용하여 배합 비율을 측정할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서(10)의 제작 프로세스를 나타낸다.
도 5를 참조하여, 복수의 격자(100)는 지지 플레이트(30)에 위치된 상태에서 스탬프(20)에 의해 지지 플레이트(30)로부터 분리되어 광섬유 케이블(200)의 끝단의 단면에 부착될 수 있다. 구체적으로, 도 5의 (a)에서 격자(100)는 지지 플레이트(30)에 연결된 상태이고 공중에 떠 있는 상태일 수 있다. 그 다음 (b)와 (c)에 도시된 바와 같이 스탬프(20)는 격자(100)를 눌렀다가 빼내면 격자(100)만 딸려 나오고, 그 다음 (d), (e), (f)에 도시된 바와 같이 스탬프(20)는 복수의 격자(100)를 광섬유 케이블(200)의 끝단의 단면에 압착하는 방식으로 부착시킬 수 있다.
광섬유 케이블(200)의 끝단에 격자(100)를 배치하는 것은 빛의 정렬을 잘 되게 할 수 있고, 광섬유 케이블(200)의 끝단에 격자(100)를 배치함으로써 광학식 굴절률 센서(10)의 이동성이 향상될 수 있다.
이로써, 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서(10)에 의하면, 격자(100)를 통해 반사된 빛의 반사율을 이용하여 측정 대상물의 내부에서 상기 측정 대상물의 굴절률을 측정할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서(10)에 의하면, 광섬유 케이블(200)의 끝단에 격자(100)가 장착되어 이동성이 좋고 혼합된 용액의 배합 비율을 측정할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 광학식 굴절률 센서(10)에 의하면, 트랜스퍼 방식으로 격자(100)가 광섬유 케이블(200)의 끝단에 장착되어 제작될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
10: 광학식 굴절률 센서
100: 격자
110: 제1 격자
120: 제2 격자
130: 제3 격자
140: 제4 격자
150: 제5 격자
200: 광섬유 케이블
300: 광 모듈
310: 광원
320: 광 검출기
330: 광 서큘레이터
20: 스탬프
30: 지지 플레이트

Claims (6)

  1. 광 모듈;
    상기 광 모듈에 연결된 광섬유 케이블; 및
    상기 광섬유 케이블의 끝단의 단면에 부착되는 복수의 격자;
    를 포함하고,
    상기 격자를 통해 반사된 빛의 반사율을 이용하여 측정 대상물의 내부에서 상기 측정 대상물의 굴절률을 측정하고,
    상기 격자는 길쭉한 형상으로 구성되고,
    상기 복수의 격자는 상기 격자의 길이방향에 수직하는 방향으로 규칙적으로 배열되고,
    상기 격자 사이의 공간의 굴절률 변화에 의해 반사율이 변화하게 되어 상기 측정 대상물의 굴절률이 측정되며,
    상기 복수의 격자는 지지 플레이트에 위치된 상태에서 스탬프에 의해 상기 지지 플레이트로부터 분리되어 상기 광섬유 케이블의 끝단의 단면에 부착되며,
    상기 스탬프는 상기 복수의 격자를 상기 광섬유 케이블의 끝단의 단면에 압착하는 방식으로 부착시키는,
    광학식 굴절률 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 격자 간의 폭 길이는 입사하는 빛의 한 주기의 파장길이에 대응하는,
    광학식 굴절률 센서.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 모듈은,
    광원;
    상기 광원에 대응되게 배치되는 광 검출기; 및
    상기 광원 및 상기 광 검출기에 각각 연결되게 배치되는 광 서큘레이터;
    를 포함하고,
    상기 광 서큘레이터는,
    상기 광섬유 케이블에 연결되고,
    상기 광원으로부터 나온 빛을 상기 광섬유 케이블로 전달하며, 상기 격자로부터 반사되어 돌아온 빛을 상기 광 검출기로 전달하는,
    광학식 굴절률 센서.
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