KR20000049227A - 리트레이싱 광학 회로를 갖춘 주변 노이즈에 대한 높은 거부율을 갖는 물리량을 측정하는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물리량 또는 변수를 편광된 광비임의 편광 상태의 변화로 변환시키기 위해 광학 트랜스듀서를 사용한 형태의 물리량 측정 장치에 관한 것으로서, 트랜스듀서(38;48A;58A;68;78)가 편광 비임-스플리터 수단(33A;43A;53A;63A;73A)이 제공된 광학 회로(I) 내에 삽입되어 있으며, 편광 비임-스플리터 수단(33A;43A;53A;63A;73A)은 광비임을 상이한 상태의 편광을 갖는 성분들로 분리하고 성분들을 서로 상이한 제 1광학 경로(A)와 제 2광학 경로(B)를 따라 진수시키며, 제 1광학 경로(A)와 제 2광학 경로(B)가 광학 회로(I)의 출력부에 배열되어서 성분들을 재조합하는 다른 편광 비임-스플리터 수단(33A,33B;43A,43B;53A,53B;63A,63B;73A,73B)에서 만나며, 광학 회로(I)의 출력부에는 광비임을 상이한 상태의 편광으로 광학 회로(I) 내로 반사시키는 반사 소자(6;16;36;76)가 제공되어 있다.
Description
이러한 광학 센서는 물리량을 광학 센서내에서 전파되는 빛의 편광 상태로 변환시킨다.
측정된 물리량의 실체에 관한 정보는 편광 상태로 변조되는 편광 센서 시스템에 있어서, 통상적으로 광섬유에 의해 구현되는 센서에서 빛의 편광과 편광으로 변조된 신호의 투과선 모두를 조절하는데는 문제점이 발생된다.
이러한 문제점은 광섬유가 시스템의 여러 광학 소자들을 연결하고 편광으로 변조된 신호의 투과선을 구현하는데 사용되는 경우에 증가된다. 사실, 진동, 응력, 스트레인, 압력, 및 온도 변화와 같은 주변 인자는 섬유 복굴절을 변경시키고, 궁극적으로 광섬유에서 유도되는 광비임의 편광 상태를 변경시킨다.
소정의 섬유 광학 센서 시스템을 일반적인 산업 분야에서 실제로 구현하기 위해서는 주변 방해요소와 주변 상태에 의해 발생된 관련 측정 에러를 감소시키는 것이 필수적이다.
다양한 시스템이 상기한 에러를 방지하거나 감소시키기 위해 제안되어 왔다.
예컨대, 공지된 방법 중 하나는 편광-유지 단일 모드 광섬유라고 불리는 특별한 광섬유를 사용하는 것이다. 이들 섬유들은 유도된 광의 편광 상태(선형)를 유지할 수 있지만, 섬유의 길이가 길어질수록 유지되어야 할 편광 수준이 낮아지게 된다.
두번째로 공지된 방법은 능동식 또는 수동식 보상 방법을 사용하는 것으로서, 이러한 방법은 광의 편광 상태를 바람직한 상태에서 취하고 바람직하지 못한 노이즈를 보상할 수 있다.
따라서, 광학 장치를 필요로 하는 능동식 보상 시스템이 공지되어 있는데, 이러한 시스템은 적절한 보정을 수행하기 위해 통상적으로 전기 신호에 의해 작동된다. 보정량은 이전의 분석 신호로부터 유추된다. 그렇지만, 보정 신호 및 제어 신호를 전송하기 위한 전선에 대한 필요성은 광학 센서만을 기초로 한 방법의 고유의 전자기적 둔감을 감소시키며, 더욱이 필수적인 보정을 얻기 위한 신호의 첫번째 교정의 필요성은 분석 시간에 기인하여 시스템내를 통과하는 밴드를 감소시킨다.
종종 능동식 보상 시스템은 보정될 수 있는 최대 에러값에 의해 제한된다.
WO 95100046호에는 패러데이 센서로부터 배출된 광이 상이한 선형 편광을 갖는 두 개의 광비임으로 분리된다. 이러한 성분들은 전류의 세기 변화로 변환되고, 이후 센서의 온도 변화에 둔감한 최종 신호를 얻기 위해 합쳐져서 처리된다. 그렇지만, 상기 시스템은 광학 신호를 전기 신호로 즉시 변환시키며, 이러한 전기 신호는 결과적으로 전자기 노이즈에 노출되며, 또한 시스템은 교류 측정에서만 작동한다.
수동식 보상 시스템이 또한 공지되어 있는데, 이러한 신호 보정은 특별한 신호 처리 및/또는 광학 배열에 의해 구현된다. 예컨대, 미국 특허 5,008,611호에는 센서를 구성하는 광학 수단의 고유한 회전을 계산하는 특별한 방법이 개시되어 있는데, 이에 의해 광학 수단에 대한 복굴절의 효과가 패러데이 효과의 기여에 대해 최소화될 수 있다.
방해요소의 크기를 감소시키기 위해, 편광 상태 대신에 광세기의 변조를 이용한 정보를 변환하는 시스템이 또한 공지되어 있다. 사실, 이러한 경우에, 광세기는 동일한 주변 방해 요소에 대한 편광이 훨씬 덜 민감하다. 그렇지만, 광신호의 세기 변조시에 물리적 변수를 변환하는 센서 시스템은 아날로그 편광 형태보다 덜 민감하며, 종종 이들은 또한 덜 선형이며 감소된 역동 범위가 존재한다.
보상적인 방해요소를 제거하는 방법이 또한 공지되어 있다. 이러한 사실을 구현하기 위한 특별한 광학 배열은 리트레이싱 광학 회로에 의해 구성된다. 이러한 리트레이싱 광학 회로에서는 광이 동일한 광학 경로를 따라 양 방향(전진 방향 및 리턴 방향)으로 두 차례 전송되며, 리트레이싱 시스템의 공통적인 예로는 그의 단부 중 어느 하나에 미러를 갖춘 광섬유를 포함한다.
이러한 광학 시스템들에서, 섬유상에 작용하는 변수의 영향은 한정된 경로에서 전진 방향 및 리턴 방향으로 두 차례 전송되는 동안 추가되며, 이러한 변수의 영향은 복굴절 변화 또는 편광의 초기 상태에 의존한다.
직결합 반사기(orthoconjugate reflector)로 불리는 특별한 장치가 미러를 대신하는 경우, 광학 회로의 모든 지점에서 역진행하는 광비임의 편광 상태가 전진하는 광비임에 대해 직교한다. 이러한 특별한 경우의 광섬유에서, 배출되는 편광 상태는 유입되는 편광 상태에 대해 직교한다. 일반적으로 말하면, 직결합 반사기는 입사하는 비임에 대해 직각으로 편광된 광비임을 후방으로 반사시키는 광학 장치이다. 이러한 장치의 실질적인 실시예는 소위 "미러드 패러데이 회전자(Mirrored Faraday Rotator(MFR)"이며, 이는 미러 뒤에서 45°회전하는 패러데이 회전자로 구성된다. 이러한 장치는 크기에 상관없이 방해요소가 상호적인 경우에만, 즉 광의 전파 방향에는 의존하지 않는 경우에만 모든 방해요소를 보상한다. 비상호적인 효과, 즉 패러데이 효과는 복굴절 변화를 보상하기 위해 광학 회로의 수행력을 저하시킨다.
본 발명은 원하지 않는 환경적인 방해물과 노이즈에 대한 높은 거부율을 갖는 물리량을 측정하는 광학 센서에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 측정 장치의 개략적인 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예의 개략적인 다이아그램이다.
도 3은 도 1에 따른 실시예의 상세한 다이아그램이다.
도 4는 도 3에 따른 실시예의 일부를 변형한 제 1변형예의 다이아그램이다.
도 5는 도 3에 따른 실시예의 일부를 변형한 제 2변형예의 다이아그램이다.
도 6은 본 발명의 제 3실시예의 다이아그램이다.
도 7은 도 3에 따른 실시예의 일부를 변형한 제 3변형예의 다이아그램이다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 주변 방해요소에 대해 놓은 거부율을 가지면서 상이한 물리량을 측정할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
이러한 개념하에서, 본 발명의 목적은 주변 방해요소에 대한 그리고 광비임의 초기 편광 상태에 대한 전체 장치의 민감도를 감소시키기 위해 물리량을 광학 신호의 편광 상태의 변화로 변환시키고, 이후 광세기의 변화로 변환시킴으로써 물리량 또는 변수를 측정할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 물리량을 편광 상태의 변화로 변환시키고, 이후 광세기의 변화로 변환시킴으로써 물리량 또는 변수를 측정할 수 있으며, 주변 노이즈에 대한 높은 거부율을 갖는 트랜스듀서를 갖춘 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적들을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 물리량 측정 장치는 첨부된 청구범위들의 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 다른 목적들, 특징, 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 이하에 상세하게 설명한다.
도 1에서, 참조부호 1은 편광-비임 스플리터(3) 상으로 투사되는 시준된 광비임을 발생시키는 광원을 나타낸다. 편광-비임 스플리터(3)는 투사된 광비임을 직교 상태의 편광을 갖는 두 개의 별개의 비임으로 분리시킬 수 있으며, 이러한 별개의 비임은 두 개의 직교 방향을 갖는데, 이중 하나는 반사 방향이며, 다른 하나는 투과 방향이다.
결과적으로, 두 개의 비임 중 하나, 즉 반사된 비임은 광학 시스템으로부터 외부로 방출되는 반면, 다른 편광 비임, 즉 투과된 비임은 광학 경로(5)를 따라 센서(I)에 도달한다.
일반적으로, 센서(I)로의 입력시에 비임의 편광 상태는 광학 매체의 특성에 따라 불규칙할 것이며, 또한 이러한 편광은 광학 경로(5)를 따라 작용하는 주변 요인에 따라 변할 것이다.
센서(I)는 측정시에 색성(dichroism)의 비례적인 변화에 따라 물리량을 해석하는 목적을 갖는다. 따라서, 센서(I)로부터 방출된 광은 새로운 편광 상태를 가질 뿐만 아니라 측정된 물리량 또는 요인에 비례하여 세기가 감소된다. 출력 신호는 편광 직결합 반사기(polarization orthoconjugating reflector, 6)로 진행하는데, 이러한 반사기(6)는 센서(I)를 향해 출력 신호를 되반사시킨다. 직결합 반사기(6)의 특별한 특성은 센서(I)는 센서(I)로부터 방출되는 광에 대해 직교하는 재입력하는 편광 상태의 빛을 생성하는 것이다.
센서(I)의 색성이 상호 보완적인 형태를 가지기 때문에, 센서(I)를 통한 제 1경로를 통과하는 동안 영향을 받지 않은 편광 성분이 감소될 것이다.
결과적으로, 센서(I)의 출력부에서 광은 센서로 유입된 광에 대해 직교상태에 있는 편광 상태를 갖지만 측정된 물리량 또는 변수에 대해 비례적으로 감소되는 세기를 갖도록 수득된다. 더욱이, 전체적인 감쇠는 센서(I)로 유입되는 편광 상태에 의존하지 않는다.
변조된 광신호의 세기는 광학 경로(5)를 따라 뒤로 전파되며, 유사하게 편광 비임-스플리터에 의해 전송된 비임에 대해 직교상태의 편광을 갖는다. 따라서, 광비임의 세기 변조를 방출시의 전류의 비례 편차로 변환시키는 포토디텍터(2) 위의 편광 비임-스플리터(3)에 의해 지향될 것이다. 이러한 광학 회로의 주변 방해요소에 대한 감소된 민감도는 도 3을 참조하여 이하에 보다 상세하게 기술할 것이다.
광학 신호를 원격 위치로 전달하기 쉽기 때문에, 광섬유가 광원(1)과 센서(I)를 연결하는데 더 나아가 센서(I)와 직결합 반사기(6)를 연결하는데 편리하게 사용될 수도 있다. 도 2에는 광섬유를 사용하여 구현한 도 1과 동등한 광학 회로가 도시되어 있다. 광학 장치들은 도 1에 대해 참조부호 10을 더한 상태의 참조부호를 가지고 있으며(즉, 도 1의 광원(1)이 도 2에서는 11로 표기됨), 여러 소자에 대한 새로운 기술을 생략한다.
광원(11)으로부터 배출된 광은 렌즈(14)에 의해 광섬유로 구성된 편광 비임-스플리터(13) 내로 진행되는데, 편광 비임 스플리터를 또한 편광-유지 섬유 광학 커플러(polarization-maintaining fiber optic coupler)라고도 한다. 편광 비임-스플리터(13)의 출력 단부 중 하나는 광학 조인트(17)에 의해 광섬유(15)에 연결되며, 이러한 광섬유(15)는 어떠한 형태를 가질 수 있고 상호 영향을 받지 않으며, 다른 렌즈(14)가 광섬유(15)내에 광을 집중시키거나 렌즈의 방출부에서 광을 시준하기 위해 광학 회로에 배열되지만, 회로의 필수적인 작동은 동일하게 유지된다.
제안된 광학 회로에 의해서, 측정된 물리량 또는 변수가 얻어지며, 센서(I)에서 유도된 색성에만 연결되지만, 이러한 측정값은 광섬유 상의 주변 방해요소에 의해 유도된 편광 노이즈로부터 영향을 받지 않는다.
본 발명에 따른 물리 측정 센서의 광학적인 구성은 센서(I)의 가능한 구현을 따라 도 3에 도시되어 있다.
상기 센서를 상세하게 검사함으로써, 제 1길이의 광섬유(35)로부터 배출되는 광이 렌즈(34)에 의해 시준되며, 이후 편광 비임-스플리터(33A) 상에서 진행한다. 두 개의 직교하는 편광 성분은 광학 경로(A)를 따라 트랜스듀서(38)로 광학 경로(B)를 따라 미러(39)로 각각 전송된다.
광학 트랜스듀서(38)는 측정될 물리적인 변수를 그 내부에서 진행하는 편광의 비례적인 변화로 해석하는 장치이다. 상기 효과는 상호적이거나 비상호적일 수도 있는데, 측정될 물리량 또는 변수에는 전기장, 자기장(전압 및 전류), 및 온도가 있다. 트랜스듀서(38)를 통과한 후 광의 편광 상태의 변화에 기인하여, 광의 일부, 즉 듀랜스듀서(38)를 통과하기 전의 원래의 편광 방향에 따른 그의 요소가 센서(I) 외측의 제 2편광 비임-스플리터(33B)에 의해 전송될 것이며, 이에 의해 측정된 물리적 변수에 비례하는 신호의 감쇠가 얻어진다.
편광 비임-스플리터(33A)로부터 반사된 제 2비임은 두 개의 미러(39)와 편광 비임-스플리터(33B)에 의해 반사된다. 제 2광비임은 편광 비임-스플리터(33B)에서 트랜스듀서(38)를 통과함으로써 감쇠된 광의 성분과 재조합된다.
센서(I)로부터 방출된 비임은 이후 렌즈(14)에 의해 광섬유(35)에서 집중되어 직결합 반사기(36)를 향한다.
이러한 장치의 특성에 기인하여, 장치에 의해 반사되어서 광섬유(35)에서 뒤로 진행하는 광은 다시 편광 비임-스플리터(33B) 상의 센서(I)의 입력부에서 다시 진행하지만 직교하는 편광상태이다. 제 1경로를 따라 트랜스듀서(38)를 통과하면서 감쇠되는 광성분은 두 개의 미러(39)를 향해 반사되며, 어떠한 감쇠 없이 방출될 것이다. 반대로, 이전의 감쇠되지 않은 성분은 트랜스듀서(38)를 관통하며 측정될 물리량 또는 변수에 비례하여 감쇠될 것이며, 따라서 상기 장치는 이전에 기술한 색성 센서(I)와 같이 작동한다.
편광 비임-스플리터(33) 상의 광섬유(35)로부터 방출되는 광은 유입되는 광에 대해 직교하게 편향될 것이며, 세기는 측정된 물리량에 비례하지만, 주변 방해요소에 의해 유도된 편광 노이즈에 의한 영향을 받지 않는다. 사실, 광섬유(35)와 편광 직결합 반사기(36)의 조립체는 방해요소에 대해 높은 거부율을 갖는 리트레이싱 광학 회로를 구현한다. 더욱이, 편광 직결합 반사기(36)의 사용에 기인하여,광섬유(35)내의 경로를 따르는 광의 직교 변화가 결정된다. 이러한 광은 진행하는 경로에 대해 직교 편광을 가지지 때문에, 포토디텍터(32)에 대한 편광 비임-스플리터에 의해 완전히 반사될 것이다.
제안된 시스템은 특별한 측정 분야 및/또는 크기의 구속에 따라 개조될 수 있다. 예컨대, 센서(I)와 직결합 반사기(36) 사이의 제 2길이의 광섬유(35)는 시스템의 작동에 영향을 미치지 않으면서 제거될 수 있으며, 따라서 두 개의 렌즈를 줄일 수 있으며 보다 소형의 장치를 구현할 수 있다.
도 4는 변형된 센서(I)를 도시하고 있다. 여기서는 두 개의 미러(39)가 다른 두 개의 편광 비임 스플리터(43C,43D)에 의해 교체되며, 3개 이상의 트랜스듀서(48B,48C,48D)가 추가되어 있다. 이러한 구성에서, 편광 성분은 트랜스듀서(48A)를 통과하는 반면, 다른 요소는 도 3을 참조하여 기술한 방식과 유사한 방식으로 작동하는 다른 편광 비임-스플리터(43C,43D)와 트랜스듀서(48B,48C,48D)에 의해 분리 및 편광 회전에 당하게 된다. 상이하고 별개의 물리량이 동시에 측정될 수 있다. 도 5는 도 4와 유사하지만, 180°딜레이를 갖는 두 개의 반파형판(half-wave plate, 50)이 추가되어 있으며, 이들 판(5)은 편광 비임-스플리터(53A,53B,53C,53D)의 기준 축선에 대해 45°로 회전된다. 이러한 요소들을 추가함으로써, 센서(I)가 사용된 시스템의 형태에 기인하여 동일한 측부 상에 입력부 및 출력부를 가져야 할때, 센서(I)에 대한 광학 신호 입력부 및 출력부의 상이한 배열이 얻어질 수 있다.
전체 광섬유 구현에 있어서, 광섬유 편광 비임-스플리터와 편광 유지 광섬유에서 구현된 연결 길이를 사용하는 것이 가능하다.
도 6에서는, 두 개의 편광 비임-스플리터(63A,63B)가 광섬유에서 구현되며, 광학 트랜스듀서(68)가 비임-스플리터(63A,63B)의 두 출력부 사이에서 두 개의 렌즈(64) 사이에 위치되는 반면, 비임-스플리터(63A,63B)의 다른 두개의 배출 포트가 광학 조인트(67)를 통해 연결되어 있다. 편광 비임-스플리터(63A 또는 63B)의 단자를 구현하는 편광-유지 광섬유의 축선은 적용 분야에 따라 적절한 방식으로 회전된다.
또한, 두 개의 상이한 물리량을 측정하기 위해 제 2트랜스듀서에 의해 광학 조인트(67)를 교체할 수 있다.
또한, 편광-유지 형식을 가능하게 하는 광섬유에 의해 연결된 종래의 광학 소자(미세광학 소자)에 따른 편광 비임-스플리터의 조인트를 제공하는 형태를 구현할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 여기서, 센서(I)는 주변 방해요소에 대한 민감도가 현저하게 감소하도록 구성되어 있다. 광학 회로는 기본적으로 이전의 도면들에 도시된 것과 동일하며, 광원(71), 편광 비임-스플리터(73A,73B,73C), 포토디텍터(72), 광학 경로(75), 편광 직결합 반사기(76), 및 렌즈(74)를 갖추고 있다. 이전의 도면들에 도시된 실시예와 반대로, 본 실시예의 경우에는 편광 비임-스플리터(73A)에 의해 반사되지 않은 광이 광학 경로(B)를 따라 진행하여 이후 편광 비임-스플리터(73B)에 도달하며, 어떠한 변화없이 배출되며, 반사되어 직각으로 편광된 광비임은 트랜스듀서(78)가 배열되어 있는 광학 경로(A) 상으로 진행된다.
이러한 트랜스듀서는 도전체(85)를 둘러싸고 있는 광섬유(F)의 소정의 코일에 의해 형성된다. 트랜스듀서(78)는 이러한 경우에 도전체(85)를 통과하는 전류에 의해 형성된 자기장을 광섬유(F)에 의해 유도된 광의 편광에 비례한 방향으로 회전시킨다. 트랜스듀서(78)로부터 배출된 광학 비임은 광학 활성재료로 구성된 광학판(79)에서 시준되어, 패러데이 회전자(Faraday rotator, 80)로 진행된다.
패러데이 회전자는 원하는 회전 작용을 하도록 여러 회전 동력을 가지고 있다. 선택적으로, 패러데이 회전자(80) 대신에, 선형 복굴절판이 사용될 수 있는데, 이러한 복굴절판은 낮은 노이즈 민감도를 가지더라도 광비임의 편광 상태와 유사한 회전 변화를 제공한다. 광학 활성재료로 구성된 판(79)은 주변 방해요소ㅡ 특히 온도 변화에 대한 트랜스듀서(78)의 민감도를 제거하기 위해 사용된다.
도면에 도시된 바와 같이 광섬유가 도전체(85)를 둘러싸고 있는 트랜스듀서(78) 내에서 광섬유(F)를 권취하고 인장력을 가하는 동안, 선형 복굴절이 발생하여 광섬유 그 자체의 고유의 복굴절에 추가된다. 이는 이미 기술한 바와 같이 패러데이 효과에 대한 센서의 민감도를 감소시킨다.
이러한 문제점은 광섬유의 축선 둘레에 광섬유를 꼬음으로써 제거될 수 있는데, 이는 선형 복굴절보다 더 높은 원형 복굴절의 도입을 발생시키며, 따라서 패러데이 효과에 대한 민감도를 회복시킨다.
그렇지만, 원형 복굴절은 온도에 많이 의존하는데, 즉 전류 측정시 에러를 유발할 수 있는 온도 변화에 비례한다. 이러한 에러는 트랜스듀서(78)에 삽입된 광섬유(F)의 길이의 반을 시계방향으로 비틀고 나머지 반을 반시계방향으로 비틂으로써 제거될 수 있으며, 이러한 구성에서 선형 복굴절 및 온도에 대한 의존성이 최소화된다.
광학 활성판(79)이 온도 변화에 대한 광학 트랜스듀서(78)의 민감도를 더 감소시키기 위해 도입되는데, 이는 광섬유의 두 개의 절반부에서의 작은 차이를 보상한다. 활성판(79)은 트랜스듀서(78)에 의해 도입된 값과 동등한 값을 갖지만 부호가 반대인 온도에 의한 의존성을 도입한다.
패러데이 회전자(80)는 트랜스듀서(78)의 정적 작동점을 변화시키기 위해 사용되며, 이는 편향 회전각을 제공하여 출력 신호의 편향 감쇠를 제공한다. 결정된 작동점의 오프셋은 DC 전류 분포를 제거하는 반면, 시간에 따라 변화되고 감소된 값을 갖는 신호에 대한 높은 민감도를 유지한다.
트랜스듀서(78)는 또한 "스펀 섬유(Spun Fiber)"로서 공지된 특별한 광섬유(F)로 구현될 수도 있는데, 이러한 스펀 섬유는 기계적인 진동과 같은 기계적 방해에 대한 거부율을 강화시키기 위해 낮은 선형 복굴절을 가진다.
트랜스듀서(78)를 구현하는 광섬유(F)에서의 원형 복굴절의 유효한 효과를 결정하기 위한 선택적인 방법은 낮은 기계적 응력과 약간의 굽힘이 일어나도록 광섬유를 권취하고 그러는 동안 기하학적 효과를 위한 편광면의 변화를 구현하는 것이다. 이는 예컨대 적절한 직경을 갖는 토러스(torus) 상에 광섬유를 권취시킴으로써 얻어질 수 있다.
결과적으로, 광섬유(F)는 트랜스듀서(78)에 대해 사용될 수 있는데, 이러한 광섬유는의 선형 복굴절은 섬유 코일을 "어닐링"시킴으로써 감소되며, 비틀림에 의해 발생된 내부 응력이 제거되어 복굴절의 광원이 된다.
이러한 모든 해결 방법은 온도에 대한 의존성을 감소시킨다. 상기한 바에 의해, 본 발명의 장점이 명백해진다.
본 발명은 편광과 광학 신호의 세기 변조 모두의 가장 유리한 특성들을 결합하여, 측정될 물리량 또는 변수에 의해 발생된 편광의 변화를 광학 센서의 출력부에서 주변 방해요소에 대해 보다 덜 민감한 광비임의 세기의 변화에 대응하여 국부적으로 변환시키고, 이후 광섬유를 통해 간단한 포토디텍터로 유도시킨다.
본 발명의 다른 장점으로는 필요로 하는 광학 소자의 가격이 낮고 유용성이 우수하다는 점이다. 편광된 광의 전파를 고려한 비상호적인 특성이 존재하지 않는 경우에는 광원/센서(I)의 포토디텍터 부분을 연결하는데 사용되는 광섬유의 형태가 중요하지 않다. 표준 텔레콤 단일 모드 섬유가 가장 저렴한 섬유이다.
또한, 광원의 파장은 다른 모든 광학 소자와 트랜스듀서에서 조화하도록 제공되기 때문에 중요하지 않다. 레이저 다이오드 또는 텔레콤 LED는 가장 용이하게 선택될 수 있다. 편광 비임-스플리터는 상이한 형태를 가질 수 있는데, "올-화이버(all-fiber)"(편광-유지 섬유 광학) 또는 종래의 섬유 광학, 즉 편광 비임-스플리터 입방체 또는 방해석 스플리터와 같은 형태를 가질 수도 있다. 작은 비임-스플리터 입방체는 값이 싸면서도 회로의 성능을 우수하게 한다.
본 발명의 또다른 장점은 상이한 물리량을 측정하기 위해 상이한 트랜스듀서를 사용할 수 있다는 점이다.
전압 또는 전기장의 측정에 있어서, 트랜스듀서는 편광 비임-스플리터에 대해 광학 축선이 적절하게 회전되어 위치하고 있는 소정의 복굴절 소자와 전기-광학 결정체의 조합일 수 있다. 전기장 또는 전위차를 결정체에 적용함으로써, 전기-광학 효과에 기인하여 시스템의 출력부에서 편광이 회전하게 된다. 저전압을 측정하기 위해서는, 액체 결정 장치가 용이하게 사용될 수 있다.
자기장 또는 전류를 측정하기 위해, 트랜스듀서는 높은 베데트(Verdet) 상수를 갖는 광학 재료(예컨대, FR-5 유리, 또는 YIG 결정체)로 구성될 수 있다. 패러데이 효과에 기인하여, 트랜스듀서는 그의 내부를 통과하는 광의 편광 상태를 자기장의 크기와 회전에 따라 회전시킨다. 도전체에서 흐르는 전류에 의해 발생된 저기장에 있어서, 전류 그 자체를 측정하기 위해 도전체 둘레에 권취된 광섬유의 소정의 코일을 사용할 수 있다.
비록 마지막 효과가 비상호적이더라도, 제안된 회로는 상기한 사실에 의해 영향을 받지 않는다.
온도의 측정은 온도에 높게 의존하는 복굴절판(예컨대, 금홍석, TiO2)을 트랜스듀서로서 사용하여 용이하게 달성될 수 있다.
기계적인 변수, 즉 압력, 인장력, 및 응력을 측정하기 위해, 광섬유는 가장 다목적 형태의 센서이다.
특정한 적용 분야에 상관없이, 본 발명을 기초로한 전체 센서군은 다음과 같은 공통적인 특성을 갖는다.
- 선택된 트랜스듀서는 물리량 또는 변수를 대응하는 광학 신호의 편광 상태의 변화로 코드화시킨다. 이러한 편광 변화는 센서 그 자체내에서 광신호의 비례적인 세기 변화로 변환되며, 전체 리턴 신호, 변조된 세기는 포토디텍터에 의해 판별된다.
- 직결합 반사기가 존재함으로써, 광학 회로는 센서로 이어져 있는 광학 경로의 길이에서 광비임의 편광을 일정하게 제어할 필요가 없게 된다. 이러한 회로는 또한 동일한 광학 경로를 따라 존재하는 진동, 압력, 온도 변화와 같은 주변 방해요소에 의해 영향을 받지 않는다. 이들 방해요소의 거부는 광신호의 추가적인 감쇠가 일어나지 않을 때까지 유효하다.
더욱이, 본 발명은 측정 에러에 대한 자동 보상이 이루어지기 때문에 측정 에러를 보정하는 어떠한 장치를 필요로 하지 않는다.
에러가 없고 정확한 측정을 달성하기 위해, 시스템 내에서의 광의 진행 시간, 즉 두 방향(진행 및 후퇴)으로 신호가 통과할 때의 시간 간격은 신호 및 노이즈의 최소 시간 크기보다 작아야 한다. 따라서, 연결 수단 및 작은 트랜스듀서로서 사용되는 광섬유의 짧은 길이는 보다 확대된 대역을 보장한다.
본 발명의 신규한 원리를 벗어나지 않으면서 상기한 실시예에 따른 물리량 측정 장치는 당업자들에 의해 많은 개조가 이루어질 수 있음은 명백하며, 실시예에서 기술된 형태는 또한 상기한 것과 상이할 수 있으며, 기술적으로 동등한 소자로 대체될 수 있음은 명백하다.
Claims (23)
- 물리량의 물리적 변화를 편광된 광비임의 편광면 또는 편광 상태의 변화로 변환시키기 위해 트랜스듀서를 사용하는 물리량 측정 장치에 있어서,- 상기 트랜스듀서(38;48A;58A;68;78)는 편광 비임-스플리터 수단(33A;43A;53A;63A;73A)이 제공된 광학 회로(I) 내에 삽입되어 있으며, 상기 편광 비임-스플리터 수단(33A;43A;53A;63A;73A)은 상기 광비임을 상이한 상태의 편광을 갖는 성분들로 분리하고 상기 성분들을 서로 상이한 제 1광학 경로(A)와 제 2광학 경로(B)를 따라 진행시키며, 상기 제 1광학 경로(A)와 상기 제 2광학 경로(B)가 상기 광학 회로(I)의 출력부에 배열되어서 상기 성분들을 재조합하는 다른 편광 비임-스플리터 수단(33B;43B;53B;63B;73B)에서 만나며,- 상기 광비임의 편광면을 변화시키기 위해, 상기 광학 회로(I)의 출력부에는 반사 소자(6;16;36;76)가 상기 광학 회로(I) 내부로 상기 광비임을 반사하도록 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 트랜스듀서(38;48A;58A;68;78)가 상기 제 1광학 경로(A) 상에 배열되어 있는 반면, 상기 제 2광학 경로(B)에는 상기 광비임의 편광면에 영향을 미치지 않는 광학 소자(39,67)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 반사 소자(6;16;36;76)가 상기 편광된 광비임의 편광면을 직교 변화 및/또는 90°변화시키는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 상기 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 소자(6;16;36;76)가 직결합 편광 반사기인 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 반사 소자(6;16;36;76)에 의해 뒤로 반사된 광비임이 상기 광학 회로(I)와 다른 편광 비임-스플리터 수단(3;13;33;73)을 관통하는 광학 경로(5)를 통해 광세기 검출기(2,32)에 도달하는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 광학 회로(I)가 두 개의 편광 비임-스플리터(13A,13B)와, 상기 제 2광학 경로(B)에 위치한 두 개의 미러(19)와, 그리고 상기 측정된 물리량을 내부에서 전파되는 상기 광비임의 편광면의 변화로 변환시키는 상기 제1광학 경로(A)에 위치한 트랜스듀서를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 상기 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 비임-스플리터(3;13;33A;33B;43A;43B;53A;53B;63A;63B;73A;73B)가 특히 편광-유지 광섬유 커플러에 의해 광섬유에서 완전하게 구현되며, 및/또는 제 2광학 경로(B)는 광섬유에서 광학 조인트(67)로 구현되는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 제 1항에 있어서, 트랜스듀서(38,48A)가 두 개의 광학 경로(A) 중 어느 하나에 배열되어 있는 반면, 다른 광학 경로(B)에는 하나 이상의 트랜스듀서(48B;48C;48D)와 편광 비임-스플리터로서 작용하는 하나 이상의 광학 수단(43C;43D)이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 제 8항에 있어서, 상기 광학 회로(I)의 입력부 및 출력부의 기하학적 배열을 변화시키기 위해 상기 편광 비임-스플리터(53A;53B;53C;53D)의 축선에 대해 45°로 광학 축선이 회전된 두 개의 반파형판(50)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 상기 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 신장형 광섬유(5)가 상기 광학 회로(I)와 상기 반사 소자(6;16;36;76) 사이에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 상기 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스듀서 소자(38;48A;58A;68)가 전압 및/또는 전기장 변화에 민감한 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 상기 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스듀서 소자(38;48A;58A;68)가 전류 및/또는 자기장 변화에 민감한 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 상기 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스듀서 소자(38;48A;58A;68)가 온도 변화에 민감한 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 상기 항들 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스듀서 소자(38;48A;58A;68)가 기계량 또는 변수의 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
- 물리량을 측정하는 방법에 있어서,a) 광원에 의해 방출된 광비임을 편광시키는 단계와,b) 상기 광비임을 편광 비임-스플리터에 의해 직각으로 편광된 상태를 갖는 두 개의 성분으로 분리하는 단계와,c) 상기 두 개의 성분을 두 개의 상이한 광학 경로를 따라 진행시키는 단계로서, 제 1광학 경로가 측정될 물리량에 비례하는 편광 상태의 변화를 형성하며, 제 2광학 경로가 편광 상태를 유지하는, 단계와,d) 상기 광비임의 두 개의 직각으로 편광된 성분을 편광 비임-스플리터에서 재조합시키는 단계와,e) 상기 광비임을 반사시키고 그의 편광 상태를 직각 상태로 변화시키는 단계와,f) 상기 단계 b), c), 및 d)를 반복하는 단계와, 그리고g) 산출된 광비임의 세기를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 물리량, 특히 전류에 대한 편광식 트랜스듀서에 있어서,- 상이한 편광 상태를 갖는 성분들로 광비임을 분리하고 상기 성분들을 두 개의 상이한 광학 경로(A,B)를 따라 진행시키기 위한 광학 장치(3)가 제공된 광학 회로 내에 삽입되어 있으며, 상기 광학 수단(3)이 상기 광학 회로의 출력부에서 상기 성분을 재조합시키기 위해 제공되어 있으며,- 상기 광학 회로의 출력부에는 반사 소자(76)가 제공되어 있으며, 상기 반사 소자는 상기 광비임을 상기 광학 회로 내로 반사시키며 상기 광비임의 편광 상태를 변화시키며,- 상기 트랜스듀서 소자(78)는 상기 광학 회로의 제 1광학 경로(A)에 삽입되어 있는 반면, 제 2광학 경로(B)는 그를 통해 진행하는 상기 광비임의 편광 상태를 변경시키지 않는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
- 제 16항에 있어서, 상기 트랜스듀서 소자(78)의 광학 경로(A), 패러데이 회전자(80) 및/또는 광학 활성재료로 구성된 판(79)이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
- 제 16항에 있어서, 상기 트랜스듀서(78)가 측정될 전류가 통전하는 도전체(85) 둘레에 권취된 광섬유에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
- 제 18항에 있어서, 상기 광섬유(F)가 비틀리는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
- 제 19항에 있어서, 상기 광섬유(F)는 그의 길이의 반이 시계방향으로 비틀리고 나머지 반은 반시계방향으로 비틀리는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
- 제 18항에 있어서, 상기 광섬유(F)가 스펀 섬유인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
- 제 18항에 있어서, 상기 광섬유(F)가 토러스 둘레를 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
- 제 17항에 있어서, 상기 광섬유(F)가 권취된 후에 어닐링되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
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