KR20030093288A - 스페클 이미지 처리를 사용하여 환경 섭동을 감지하고위치를 파악하는 멀티 광섬유 광학 2차원-어레이 소자 - Google Patents

스페클 이미지 처리를 사용하여 환경 섭동을 감지하고위치를 파악하는 멀티 광섬유 광학 2차원-어레이 소자 Download PDF

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채브라재그디쉬쿠마르
반디요파댜야솜나쓰
고엘프라모드쿠마르
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카운슬 오브 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치
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Abstract

섭동의 위치를 파악(존 식별)을 위하여 멀티모드 광섬유 어레이를 이용하여 분산 방식으로 섭동을 감지하는 시스템을 제공한다. 본 발명은, 특히, 여러 존에서 섭동을 감지하기 위한 4×3(12) 멀티모드 광섬유를 구비한 2차원 어레이 기반형 스페클 패턴 감지 시스템에 관한 것으로, 이러한 멀티모드 광섬유는 CCD(charge coupled device) 카메라에 의하여 병렬로 촬영되고 통상적 이미지 프로세싱 하드웨어에 의하여 그 스페클 패턴이 분석되어 섭동을 판정한다.

Description

스페클 이미지 처리를 사용하여 환경 섭동을 감지하고 위치를 파악하는 멀티 광섬유 광학 2차원-어레이 소자{A MULTI-FIBER OPTIC 2D-ARRAY DEVICE FOR SENSING AND LOCALIZING ENVIRONMENT PERTURBATION USING SPECKLE IMAGE PROCESSING}
한정되는 것은 아니지만 변위, 진동, 압력, 압축 응력, 인장 응력, 온도, 침입, 음파 등을 포함하는 각종 유형의 환경 섭동 측정에 관한 연구가 계속되고 있다. 스페클 패턴 원리 및 환경 섭동 감지에서의 그 용도는 잘 알려져 있다. 멀티모드 광섬유로부터 출력된 스페클 패턴의 변화에 대한 분석을 이용하여 광섬유의 섭동에 관한 정보를 얻을 수 있다. 현재까지 보고된 모든 경우에 있어서, 섭동 감지를 위하여 하나의 멀티모드 광섬유가 사용되고 하나의 스페클 패턴이 분석되었다. 광섬유의 분포 감지력은 넓은 감지 영역을 커버할 수 있지만, 감지 존은 단지 하나이다. 따라서, 섭동의 지역 식별은 항상 문제가 있다.
멀티모드 광섬유로부터의 출력 스페클-휘도 분포는 광섬유의 섭동에 의하여 영향을 받고, 이 분포는 감지에 사용될 수 있다는 점은 잘 알려져 있다. 즉, 광섬유 상태가 외부 섭동 때문에 변하는 경우, 출력 스페클 패턴도 또한 변한다. 스페클 분산을 예상한다는 것은 곤란하지만, 섭동 함수와 스페클 휘도 분산 사이의 대략적인 관계는 광섬유의 섭동이 판정될 수 있도록 밝혀질 수 있다.
멀티모드 광섬유로부터의 출력이 화면(예를 들면, 그라운드 유리판) 상으로 투사될 때, 균일한 원형 패턴이 관찰된다. 빛이 간섭하는 경우, 패턴은 휘도가 매끈한 휘도 분산으로 변하는 다량의 스페클로 구성되는 입자로 된다. 이들 스페클의 분산은 시간이 지나면서 서서히 변하지만, 총 원형 패턴의 휘도는 기본적으로 일정하게 유지된다. 상기 패턴은 여러 가지 모드로 광 경로를 변화시키는 광섬유 상의 섭동(예를 들면, 한정적은 아니지만 변위, 진동, 압력, 압축 응력, 인장 응력, 온도, 침입, 음파 등)에 매우 민감하다. 간섭광을 갖는 광섬유가 섭동될 때, 스페클 휘도의 분산은 섭동이 변하는 것으로 알 수 있는데, 일부 스페클은 더욱 밝아지고, 일부는 더욱 어두워지며, 일부는 전혀 변하지 않는다. 그러나, 패턴의 총 휘도는 변하지 않는다. 따라서, 총 휘도로서의 휘도 모듈식 센서는 항상 일정하지는 않다.
종래 시스템은 다음과 같이 사용된다. 멀티모드 광섬유는 분산식으로 감지되는 환경으로 유지되고, 예를 들면, 광섬유 길이 상의 어느 지점에서의 섭동 변화도 구분없이 동일하게 감지될 수 있다. 전술한 바와 같이, 광섬유는 각종 유형의 환경 섭동을 감지할 수 있다. CCD 카메라는 그라운드 유리판 상으로 낙하하는 광섬유 코어의 말단에서 발생되는 스페클 패턴을 감지한다. CCD 카메라는 2차원 어레이 형태로 배열된 광센서(전하결합식) 어레이를 갖는다. 각각의 광감지 소자는 하나의 이미지 요소 또는 픽셀을 이미지 프레임에 나타낸다. CCD 카메라 상으로 낙하하는 이미지는 컴퓨터에 내장된 이미지 포착 하드웨어에 의하여 포착될 수 있다. 섭동의 진폭은 스페클 패턴의 이미지 처리에 의하여 감지된다. 본 명세서에서 이미지의 일반적인 처리 요건은 현재의 스페클 이미지를 미리 저장되어 있는 이전 또는 기준 스페클 이미지로 미분시키는 것이다. 이와 같은 방식으로 섭동의 진폭이 측정될 수 있다.
섭동 감지에 대한 상기 해소책은 오늘날의 표준 카메라가 대략 768X574 이상의 이미지를 2차원으로 얻을 수 있다는 점을 알지 못하는 경우 해소되는 것처럼 보인다. 이러한 스페클 이미지 처리에 대한 실험 연구 결과가 개발되었을 때, 이미지를 설명하는 정보는 상기의 실시간 처리 하드웨어를 이용할 수 없기 때문에 스페클 패턴의 처리에 허용할 수 없을 만큼 많은 것으로 밝혀졌다. 텔레비젼 표준 이미지는 일반적인 멀티모드 광섬유에 의하여 형성된 스페클 패턴에 관한 불필요한 정보를 포함하는 것으로 문헌(1997년에 Kulchin 외에 의하여 발간된 Optical Engg. V. 36, No. 5)에 개시되어 있다. 스페클의 평균 치수는(Svelto, 1982) 다음과 같이 계산될 수 있다:
스페클의 평균 치수 = 2R(λ/D).
여기서, D는 광원(광섬유 코어)의 직경이고, R은 광원과 표시면 간의 거리이며, λ은 레이저 다이오드의 파장이다.
평면의 광섬유에 의하여 형성되고, 출력으로부터 거리 R에 위치된 광 필드의 직경은(1983, Synder & Love) 다음과 같이 계산될 수 있다:
광 필드의 직경 = 2·NA·R
여기서, NA는 광섬유의 개구수이다. 따라서, 스페클 패턴 내의 밝고 어두운 스페클의 총 개수는 다음 식으로 계산될 수 있다:
밝고 어두운 패턴의 총 개수 = NA2·D2/λ2
파라미터 NA=0.2 및 D=50㎛을 갖는 표준 멀티모드 광섬유에 의하여 레이저 다이오드(λ=0.6328㎛)를 사용하여 형성되는 경우, 원형 패턴 내의 상기 스페클 개수는 = 252이다. 765X582 픽셀을 갖는 표준 CCD 카메라는 스페클 분산에 영향을 미치는 섭동을 용이하게 감지할 수 있다. 가장 최근에 개발된 병렬 이미지 처리 하드웨어로 인하여 실시간으로 이미지 프레임 동작이 가능하다. 이것은 소자의 개발 기초를 형성하고, 멀티모드 광섬유 어레이에 의하여 보다 광범위한 감지 성능을 갖는다.
통계 모드 센서(Statistical Mode Sensor: SMS)의 용도에 대한 스필먼 외에 의한 연구(Applied Optics, V. 28, N0. 15, 1989)에는 한정적은 아니지만 침입, 검출, 구조적 진동 감지, 및 음향 감지를 포함한다. 이들의 센서에 있어서, 모든 이미지(128X128 어레이 광다이오드 사용) 처리는 전자적으로 일어난다. 새로운 픽셀이 프레임 버퍼에 저장되기 바로 직전에, 이전 픽셀 데이터가 제거되고, 이전 및 새로운 픽셀 데이터 양자 모두는 산술연산 회로를 통과한다. 산술연산 회로는 이전 픽셀과 새로운 픽셀 사이의 차이에 대한 절대값을 찾는다. 전체 프레임마다 차이에 대한 절대값 모두는 누적되어 소정의 단일값으로 표준화된다. 단일값은 포착된 프레임 사이에서 시간이 지나면서 일어나는 스페클 패턴의 변화량을 나타낸다.
본 발명은 섭동(perturbation) 위치를 식별(존 확인)하기 위하여 멀티모드 광섬유 어레이를 사용하여 섭동을 분산식으로 감지하는 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 복수 존의 섭동을 감지하는 4X3(12) 멀티모드 광섬유를 갖는 2차원 어레이식 스페클 패턴 감지 시스템에 관한 것으로서, 상기 멀티모드 광섬유는 전하결합소자(charge coupled device: CCD) 카메라, 및 섭동을 판정하는 종래의 이미지 처리 하드웨어에 의하여 분석된 섭동의 스페클 패턴에 의하여 병렬로 이미지 처리된다.
도 1은 상기 시스템의 전체적인 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 2는 상기 감지모듈 및 그의 다양한 소자들의 평면도, 측면도 및 단면도를 나타낸다.
도 3은 멀티광섬유 어댑터(Multi Fiber Adapter, MFA)의 디자인을 나타낸다.
도 4는 상기 12 멀티모드 광섬유로부터 상기 12 원형 스펙클을 묘사하는 상기 이미지 프레임을 나타낸다.
본 발명의 주된 목적은 복수 영역의 섭동을 동시에 감지할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 환경 섭동을 감지 및 지역 식별하는 멀티-섬유 광 2차원 어레이 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스페클 이미지 처리를 사용하여 섭동을 감지하는 멀티-섬유 광 2차원 어레이 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 감지 모듈이 멀티 광섬유 어댑터(Multi Fiber Adapter: MFA), 확산 유리판, 및 하나의 장치로서 작용할 수 있고 섭동을 분산식으로 감지 및 지역 식별하는 감지 시스템으로서 사용될 수 있는 렌즈 어셈블리를 포함하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 멀티모드 광섬유의 2차원 어레이를 사용하여 분산식으로 섭동을 감지 및 지역 식별(존 확인)하는 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은 하나 이상의 광원, 한 세트의 멀티모드 광섬유, MFA, 확산 유리판, 렌즈 어셈블리, CCD 카메라, 및 이미지 처리 하드웨어를 포함한다. 보다 구체적으로, 감지 모듈을 사용하는 개선된 시스템은 MFA, 확산 유리판, 및 하나의 장치로서 작용할 수 있고 섭동을 분산식으로 감지 및 지역 식별하는 감지 시스템을 개발하는데 사용될 수 있는 렌즈 어셈블리를 포함한다.
따라서, 본 발명은 멀티모드 광섬유(multimode fiber)의 2차원 배열을 이용하는 보급된 방식으로 섭동의 감지 및 측정(존 확인)을 위한 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 소스 모듈(Source Module), 하나 이상의 멀티모드 광섬유, 전하 결합 소자(CCD) 및 이미지 처리 장치를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 시스템은 변위, 진동, 압력, 압축 응력(stress), 인장 응력(strain), 온도, 침입(intrusion), 및 음파를 포함하지만 이것에만 한정되지는 않는 파라미터로부터 선택되는 섭동을 감지하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 소스 모듈은 표준 광접속 장치(standard coupling optics) 및 접속용 광섬유(fiber pigtail)를 구비한 12개의 레이저 다이오드로 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 레이저 다이오드는 0.6328㎛의 파장을 갖는 가간섭성 단색광(coherent monochromatic light)을 방사한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 50 내지 125㎛의 고정 직경을 갖고 개구수(Numerical Aperture; NA)=0.2인 12개의 멀티모드 광섬유가 사용된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 각각의 존에 대하여 하나 이상의 멀티모드 광섬유가 사용된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 섭동 감지가 요망되는 존을 멀티모드 광섬유가 통과하도록 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 멀티모드 광섬유로부터의 광신호는 멀티모드 광섬유와 동일한 사양을 갖는 접속용 광섬유(광섬유 조각)를 사용하는 감지 모듈(Sensing Module)로 안내된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 감지 모듈은 멀티광섬유 어댑터(MFA), 그라운드유리판(ground glass plate), 및 렌즈 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 MFA는 12개의 멀티모드 광섬유를 수용하기 위한 설비(provision)를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 광섬유는 FC 커넥터의 페룰(ferrule)을 사용하는 MFA 상에 장착된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 광섬유는 MFA에서 4×3 배열 형태로 배열된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 광섬유의 연마된 표면은 어댑터의 다른 쪽 단부에서 볼 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, MFA의 다른 쪽 단부는 각각의 존으로 이루어지는 12개의 멀티모드 광섬유로부터 빛을 방사하기 위해 제공되는 홀을 구비한 수직 평면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 홀의 심부가 5㎜ 떨어져 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판은 각각의 광섬유 출력에서 발생되는 스페클 이미지는 형성된 그대로 위치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판은 상기 스패클 패턴의 크기가 직경 5㎜로 되는 거리에 위치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판은 개구수(NA)=0.2를 갖는 멀티모드 광섬유의 단부로부터 12.5㎜의 거리에 위치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판은 둥근 형상이며 32㎜의 직경 및 2㎜의 두께를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판은 붕규산 크라운 유리(borosilicate crown glass), 특히 BK7 광학 유리로 만들어진다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판의 버블(bubble) 및 함량은 매우 낮고, 단면은 0.0029㎟/100㎤이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판의 병렬도(parallelism)는 아크(arc)의 1'의 계수이며 λ/2보다 양호한 표면 품질을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판의 그라운드면은 양질의 금강사(emery)로 마무리된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판의 그라운드면은 카메라의 대물 렌즈 쪽에 위치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판은 형성된 12개의 스페클 이미지 모두를 수용하게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리판 상에 형성되는 스페클 이미지는5㎜의 직경을 갖고, 이들이 공간 상에서 직선형으로 갈라짐으로써 서로 접촉하게 되는, 즉 스페클 패턴 이미지는 형성되었을 때 서로 중첩되지 않는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 스페클 이미지 패턴은 20×15㎜의 시계(field of view; FOV)를 커버한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 렌즈 어셈블리는 멀티소자 렌즈이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 멀티소자 렌즈는 상기 CCD 배열 상의 12개의 스페클 패턴 이미지 모두의 단일화된 이미지를 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 멀티소자 렌즈는 0.3의 광학 감쇠 계수(optical reduction factor)를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 멀티소자 렌즈는 95㎜의 작업 거리를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 CCD 카메라는 12개 존 모두로부터 동시에 섭동을 감지한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 각각의 스페클은 시계의 존에 대응한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 CCD 카메라는 6.4㎜×4.8㎜의 감지 영역, 756×582의 감지 요소, 및 각각의 크기가 8.6×8.3㎛인 픽셀을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 CCD 카메라의 해상도는 768×574 픽셀이다(이미지 획득 후).
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 이미지 처리 장치는 상기 CCD 카메라의 출력을 디지털화한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 해상도가 768×574 픽셀인 대략 정사각형의 픽셀을 디지털화하면 각각의 존에 대하여 원형인 스페클 패턴을 커버하는 191×191의 개별 스페클 패턴이 얻어진다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 대상 평면상의 공간적 해상도는 26㎛이다(해상도 768×574에서).
본 발명의 또 다른 실시예에서, 개별 그레인의 평균 직경은 대략 300㎛이다(스페클 패턴당 5㎜).
또한, 본 발명은 변위, 진동, 압력, 압축 응력, 인장 응력, 온도, 개입, 및 음파를 포함하지만 이것에만 한정되지는 않는 주위 섭동을 감지하는데 유용한 멀티광섬유 2차원 배열 기반 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 소스 모듈, 및 섭동 감지가 요망되는 존 형태의 시계 전체에 펼쳐진 하나 이상의 멀티모드 광섬유에 의해 상이한 존에서 발생하는 주위 섭동을 분석하기 위한 이미지 처리 장치를 포함하고, 상기 소스 모듈은 존 기반 감지가 요구되고 감지 모듈, 스페클 이미지를 캡쳐하기 위한 표준 CCD 카메라를 포함하는 수신 장치와 연결되며, 관심있는 시계 전체에 펼쳐진 광섬유에 빛을 개별적으로 공급하기 위한 레이저 다이오드(LD) 세트를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 소스 모듈은 0.6328㎛의 파장을 갖는 12개의 레이저 다이오드, 및 각각의 존에 대하여 광섬유에 빛을 내보내기 위한 종래의 발사(launching) 장치로 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 멀티모드 광섬유는 코어 직경이 50㎛인125㎛의 직경을 갖고, NA=0.2이며, 다른 쪽(수신) 단부에서 스페클 패턴 형성에 적합하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 감지 모듈은 관심있는 여러 존에 대응하는 광섬유를 수용하기 위한 멀티광섬유 어댑터(MFA), 및 스페클 이미지의 형성을 좌우하는 적절한 거리에 놓이는 확산 유리판(diffusing glass plate), 및 상기 CCD 평면상의 유리판 상에 형성되는 스페클 패턴을 이미지화하기 위한 렌즈 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 멀티광섬유 어댑터(MFA)는 4×3 배열 형태이고 어댑터의 다른 쪽 단부에서 이들의 연마면을 볼 수 있는 12개의 멀티모드 광섬유를 위치시키기 위한 설비를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 광섬유의 조사면으로부터 적절한 거리에 원형의 그라운드 유리판이 위치되고, 상기 유리판은 붕규산 크라운 유리, 특히 매우 낮은 버블 및 함량을 갖고 단면이 0.029㎟/100㎤보다 작으며 비교적 단단한 유리이며 쉽게 긁히지 않는 BK7 광학 유리로 만들어진다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 렌즈 어셈블리는 상기 CCD 카메라 상의 유리판에 형성되는 12개의 스페클 패턴을 이미지화하기 위한 0.3의 감쇠 계수를 갖는다.
본 발명의 실시예에서, 상기 표준 C-장착 CCD 카메라는 12개의 스페클 패턴을 포함하는 이미지를 캡쳐하기 위해 1/2인치의 CCD 포맷을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 이미지 처리 장치는 섭동의 크기를 추출하고 존 확인을 실행한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 소스 모듈은 12개의 멀티모드 광섬유에 단색광을 내보내기 위한 표준 광접속 장치 및 접속용 광섬유를 구비한 12개의 레이저 다이오드로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 광섬유는 필드로 향하는 소스 모듈(Source Module)로부터 다른 영역(zone)으로 방사되고 상기 광섬유의 타단부는 표준 SMA 커넥터를 사용하는 수신 유닛(Receiving Unit)에 도달한다.
본 발명의 다른 일 실시예에서, 광학 신호는 멀티모드 광섬유와 동일한 사양을 갖는 12 피스(piece)의 광섬유[12 테일(tails)]를 사용하는 감지 모듈(Sensing Module)로 안내되고, 상기 광섬유는 FC 커넥터의 페룰(ferrules)을 사용하는 멀티 광섬유 어댑터(MFA; Multi-Fibre Adapter)에 장착되고, 상기 MFA는 섭동 존(perturbing zone)으로부터 나오는 모든 12 멀티모드 광섬유로부터 빛의 방사를 제공하는 홀을 갖는 수직 평면으로서 타단부를 갖고 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 스페클 패턴 형성(speckle pattern formation)은 중심으로서 각 광섬유를 갖는 원뿔 공간에 발생되고, 적당한 거리에서 그라운드 유리판(ground glass plate)은 공간에서 선형으로 발산될 때에 서로 꼭 접촉하는 모든 스페클을 수용할 수 있고, 상기 유리판에 닿는 이미지는 적당한 거리에 위치되는 전용 렌즈를 갖는 1/2인치 CCD 카메라에 의하여 감지될 수 있고, 상기 CCD 카메라의 비디오 출력은 다른 분석을 위하여 이미지 프로세싱 유닛과 인터페이스로 직접 접속될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 멀티모드 광섬유는 공간으로 발산된 후 적당한 거리에서 서로 밀접하게 접촉하는 12 스페클 패턴을 구성하는 통일된 이미지를 형성할 뿐만 아니라 표준 커넥터를 사용하기 위하여 5mm의 간격으로 이격된 중심에 위치되고, 상기 구성된 간격은 그라운드 유리판이 유지되는 더 뒤의 거리에서 어떠한 두개의 스페클 패턴도 오버랩되지 않도록 5mm로 유지되고, 간격 R에 위치되는, 평면에서 광섬유에 의하여 형성되는 밝은 필드(light field)의 직경은 NA가 광섬유의 개구수인 2·NA·R로 주어진다.
본 발명의 다른 실시예에서, 유리판은 각 스페클 패턴 크기가 또 상기 공식에 의하여 5mm 직경으로 되는 방식으로 계산되는 간격에 위치되고, 이 간격은 NA=0.2를 갖는 멀티모드 광섬유에 대하여 12.5mm이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 그라운드 유리판은 32mm 직경 및 2mm 두께를 갖는, BK7 유리로 이루어지고, 상기 유리판의 병렬도는 λ/2보다 양호한 표면 품질을 갖는 아크(arc)의 대략 1'이고, 그라운드 표면은 상등급 금강사(fine grade emery)로 형성되고 카메라 대물 렌즈를 향하여 위치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 CCD 카메라는 유리판로부터 95mm의 작동 거리, 및 1/2인치 CCD 사이즈 카메라에 대하여 0.3의 광 감소를 갖는, 1/2인치 CCD의 20X15mm의 시계를 유지하도록 설계되는, 복수 소자 카메라 대물 렌즈를 구비한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, CCD 카메라 해상도는 스페클의 평균 크기가 2R(λ/D)로서 계산되기 때문에 768X574 픽셀(이미지 획득 후)을 갖는 상당히 표준이 요구되는데, 여기서 D는 광선의 소스(광섬유 코어)의 직경이고, R은 소스와 레지스트레이션(registration)의 평면 사이의 간격이고, 밝은 필드의 직경은 2·NA·R이고, 단일 패턴에서 밝고 어두운 스페클의 전체 수는 레이저 다이오드(λ=0.6328μm)를 사용하고, 광학 파라미터 NA=0.2, 및 D=50μm를 갖는 표준 멀티모드 광섬유에 의하여 형성된다면, NA2·D2/λ2로 계산될 수 있고, 단일 원형 패턴에서 상기한 스페클의 수는 대략 252와 같다.
본 발명의 다른 일 실시예에서, 상기 시스템에서 이용될 수 있는 공간 해상도(spatial resolution)는 26μm(768X574 해상도에서 20X15mm의 FOV를 갖는)이고, 개별 입자의 평균 직경은 표준 CCD 카메라로 쉽게 해상될 수 있는, 300μm(각각의 원형 스페클 패턴에 대하여 5mm 직경을 갖는)이다.
본 발명의 일 실시예에서, 768X574 해상도에서 디지털화된 이미지는 한 스퀘어(square)의 각 스페클 패턴에 대한 크기 191X191의 12 세그먼트(segments)를 제공하고, 이미지의 각 세그먼트는 존에 대응하고, 섭동 진폭의 측정에 더하여 식별 및 섭동의 양자화에 대한 스페클 패턴의 프로세싱은 사용자 적용 및 요구조건에 의존한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 해상도를 갖는 표준 CCD 카메라는 각 스페클이 필드의 존에 대응하는 12 존으로부터 동시에 섭동을 쉽게 감지한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 3개의 상기 장치는 3개의 동시 카메라 비디오 신호를 디지털화시킬 수 있는 이미지 프로세싱 시스템과 함께 사용될 수 있어,존의 수를 3배까지 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 감지 소자, 멀티모드 광섬유는 이미지 획득을 위하여 표준 CCD 카메라를 사용하는 12 존을 가능하게 하는 최소 4X3 형태로 배치된다.
본 발명의 다른 일 실시예에서, 해상도는 광섬유 존 길이 및 레이아웃으로 결정된다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서, 상기 시스템은 이미지 획득을 위하여 표준 CCD 카메라를 허용하고 적어도 12 다른 존으로부터 주위의 병렬 및 동시 감지를 가능케한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 시스템은 단번에, 하나의 장치를 사용하여 멀티플렉스화되는 다수의 섭동 인자를 모니터링하고 제어하기에 매우 적합한, 다수의 다른 주위 섭동 파라미터의 감지를 가능케한다.
본 발명의 일 실시예에서, 전체 시계는 4X3 멀티모드 광섬유에 대하여 20X14mm이고 원형 스페클 패턴의 각각에 대한 해상도는 191X191이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 여기 주어진 어레이 소자(array elements)의 수는 표준 커넥터의 물리적 한계까지 간격을 더 감소시키고 유리판의 간격을 적당하게 변경함으로써 증대될 수 있는, 4X3=12이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 감지 모듈이 존의 수의 더 증가에 대하여 함께 사용될 수 있고, 이것은 3개의 상기한 감지 모듈에 대하여 일반적으로 획득되는 3개의 동시 비디오 채널을 사용함으로써 가능하다.
주위 섭동을 감지하는 스페클 패턴의 원리가 주어짐으로써, 사용될 멀티 광섬유가 멀티 모드 광섬유의 섭동된 감지 능력에 2차원을 더하도록 할 수 있는 시스템의 개략적인 설계가 주어진다. 싱글 멀티모드 광섬유는 전체 CCD 이미지 상에 원형 스페클 패턴을 제공할 수 있지만 상기에 언급된 바와 같이, 전체 이미지는 싱글 스페클 패턴을 수용할 필요는 없다. 따라서, 여기서 주어진 설계는 그 스페클 이미지가 그라운드 유리판에 닿도록 되는 멀티모드 광섬유(4X3=12)의 2D-어레이를 사용한다. CCD 카메라는 싱글 768X574 픽셀 이미지로 디지털화되는 모든 스페클 패턴의 요구 시계를 이미지화한다. 이 방식에서, 12 스페클 패턴이 12 다른 존으로부터 병렬하여 섭동을 감지하는 다른 멀티모드 광섬유를 감지하는 CCD 어레이 상에 형성된다. 조닝(zoning)은 여기서 독립된 섭동 감지 능력을 갖고 있는 섭동(병렬하여)을 감지함에 있어서 다른 차원을 더한다. 주위 섭동을 감지하는 각 존은 191X191 픽셀을 갖는 컴퓨터 스페클 이미지로 볼 수 있다. 여러가지 형상의 모든 수단에 의하여, 이 해상도는 12(4X3) 스페클 패턴에서 변화에 이르게 하는 섭동을 감지하기에 충분하다. 이 구성은 광섬유 간격을 감소시킴으로써 쉽게 향상될 수 있다.
소스 모듈은 필드[존(zone)]으로 사용되도록 12 멀티모드 광섬유를 공급하는 12 레이저 다이오드[Laser Diodes(LDs)]로 이루어진다. 상기 광섬유는 다른 존에서 감지되도록 필요한 섭동을 위하여 바람직한 방식으로 필드에 위치된다. 모든 광섬유의 수신 단부는 표준 SMA 커넥터를 사용하는 수신 유닛(Receive Unit)에서 끝난다. 상기 수신 유닛은 광선을 각 존으로부터 멀티 광섬유 어댑터(MFA)로 이루어지는 감지 모듈로 안내한다. 이 어댑터는 FC 커넥터의 표준 페룰을 수용하는 홀-간격(5mm)을 갖는 12 홀(4X3)을 갖고 있다. 또한 상기 감지 모듈은 상기 판의 그라운드 표면이 이미지화가 준비된 모든 12 멀티모드 광섬유로부터 스페클 패턴을 갖고 있는 적당한 간격(12.5mm)에서 2mm 두께의 그라운드 유리판을 수용한다. 이 간격에서, 모든 패턴은 동일한 직경(5mm)을 갖고 있고 20X15mm의 시계를 형성하면서 서로 바로 접촉되어 있다.
상기 원형 유리판에 드리워지는 상기 스펙클(speckle) 이미지는, 12(4X3) 스펙클 패턴이 서로 접촉하고 5mm의 직경을 각각 가지는 20X15mm의 이미지를 커버하도록 만들어진다. 멀티소자 렌즈를 가진 렌즈 어셈블리는 그들 모두를 단일의 통합된 이미지로서 표준 CCD 카메라의 CCD 어레이에 투영할 수 있다. 상기 카메라 렌즈 어셈블리는 1/2인치 CCD 어레이에 적합하도록 95mm의 작업거리와 함께 0.3의 광학 감쇠계수(optical reduction factor)를 요구한다. 모니터에서 보았을 때 상기 CCD 이미지는 완전히 아날로그 형태로 보인다. 이 카메라의 출력은 추가적인 처리 및 분석을 위해서 컴퓨터 내에 존재하는 이미지 처리 하드웨어/소프트웨어를 사용하여 디지털화된다. 768X574 픽셀의 해상도의 대략 정사각형인 픽셀과 함께 사용된 디지털화는 각각의 존(zone)을 위한 원형 스펙클 패턴을 커버하는 191X191 정사각형에 개개의 스펙클 패턴을 제공한다. 컴퓨터에서 768X574 해상도를 가지고 디지털화된 상기 이미지는 개별적 또는 병합된 이미지 처리를 위해 요구되는 모든 존 이미지(이미지에 12 구획으로)를 가진다.
상기 시스템에 있어 상기 카메라는, 상기 다수의 멀티모드 광섬유(fiber)의스펙클 어레이를 겨우 커버하는 상기 그라운드 유리 영역에 드리워지는 상기 스펙클 패턴을 투영하기 위하여 현미경 렌즈를 사용한다. 상기 그라운드 유리판 상의 상기 스펙클 이미지 영역의 전체 시계(Field of View, FOV)는 20X15mm이다. 이 장치를 가지고, 상기 목표 평면에서의 공간 해상도는 26㎛(768X574 해상도에서)이며, 반면에 상기 개개의 그레인(grain)의 평균직경은 이 경우에 쉽게 해상(resolve)될 수 있는 대략 300㎛(스펙클 패턴 당 5mm을 가진)이다.
상기에 언급된 바와 같이, 사용된 상기 카메라는 6.4mmX4.8mm의 감지영역, 768X582 감지요소 및 8.6X8.3㎛의 각 픽셀 크기를 가지는 1/2인치 CCD로 구성된다. 0.3의 광학감쇠로 유도하는 현미경 렌즈를 가지고, 12 스펙클 패턴이 컴퓨터 또는 TV 모니터에 보여진다. 또한, 이미지 포착 하드웨어/소프트웨어를 가지고, 상기 이미지는, 추가적인 처리를 위해 각 스펙클 패턴에 191X191 픽셀을 제공하면서 적당한 크기, 말하자면 768X574로 디지털화된다. 각 멀티모드 광섬유에 대응하는 각 스펙클 패턴을 가지고, 섭동된 각 스페클을 파악하고, 요구에 따라 병렬적으로 또는 연속적으로 모든 상기 패턴을 분석하여 각 섭동의 위치측정이 가능하다. 그러나, 이러한 위치파악의 해상도는 어느 광섬유가 섭동되었는지를 식별하는 정도로 국한된다.
상기 센서의 특성 및 상기 센서가 어디에 사용될 수 있는 지는 다음과 같다.
a) 분산된 방식으로 환경 섭동(변위, 진동, 압력, 압축 응력, 인장 응력, 온도, 침입, 음파 등에 국한되지는 않지만 이들을 포함하는)을 감지하고, 또한 스펙클 이미지 처리를 사용하여 용이하게 식별될 수 있는 다수의 존에서 식별에 유용한시스템.
b) 이미지 포착을 위해 표준 CCD 카메라를 사용하고 상기 감지요소는 12 존을 허용하는 최소 4X3 형태로서 배열된 다수의 광섬유인, 여기에 청구된 시스템.
c) 상기 광섬유 존의 길이 및 배치에 의해 정해진 해상도를 가지고 상기 섭동의 위치측정(존 식별)을 위해 다수의 광섬유의 어레이를 사용하는 분산된 방식으로 섭동을 감지하는 데 유용한 시스템.
d) 이미지 포착용 표준 CCD 카메라를 허용하고, 적어도 다른 12 존으로부터의 병렬적이고 동시다발적인 환경 감지를 허용하는 시스템.
e) 한 번에 많은 다른 환경 섭동 매개변수의 감지를 허용하고, 단일의 장치를 사용하여 다중송신된 다양한 섭동 요소를 모니터링하고 제어하기에 매우 적합한 시스템.
f) 4X3 멀티모드 광섬유를 위해 20X14mm의 전체 시계를 가진 시스템.
g) 12 원형 스펙클 패턴 각각을 위해 191X191 픽셀의 해상도를 가진 시스템.
h) 여기에 주어진 어레이 요소의 수는 4X3=12 이다. 이것은 상기 표준 커넥터의 물리적 경계에 대한 간격을 추가적으로 줄이고, 유리판의 간격을 적절하게 변경함으로써 증가될 수 있다.
i) 1개 이상의 감지모듈이 존 수의 추가적인 증가를 위해 함께 사용될 수 있다. 이것은 그러한 3개의 감지모듈용 3개의 동시 비디오 채널을 전형적으로 얻는 것을 이용함으로써 가능하다.
실시예 1
실험용 테스트를 위해, 12 멀티모드 광섬유 어레이의 2D 어레이가 사용되었고 상기 MFA에 끼워넣어졌다. 사용된 상기 광섬유의 사양은 NA=0.2, 50/125μ, 타이트하게 버퍼되었고, 0.9mm 이였다. 레이저 다이오드(Laser Diode)(λ=0.6328㎛)가 12개의 광섬유 모두에 방사하기 위해 사용되었다. 형성된 상기 이미지는 그라운드 유리에 투영되었다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 처리 시스템과 더불어 상기 사양을 가진 4X3 멀티모드 광섬유 센서의 2D 어레이, 카메라, 컴퓨터 장치가 사용되었다. 상기 초기 상태에서의 스펙클 패턴이 상기 현재 상태에서의 스펙클 패턴으로부터 공제되는, 평균 절대 스펙클 강도 변화법(mean-absolute speckle-intensity variation method)을 사용하여, 상기 진동 또는 동적 상태가 감지된다. 이러한 감지기술은 상기 갱신된 스펙클 패턴과 상기 참조 스펙클 패턴 사이에서의 상기 평균 절대 스펙클 강도 변화를 감지하여, 상기 환경 섭동 요소를 결정한다. 그 다음, 상기 외적 섭동을 줄이기 위하여 사용될 수 있도록 상기 공제된 패턴의전체 강도가 통합된다. Kun Pan 등(응용광학, V.33, No. 10, 1994)이 이러한 접근법을 사용하여 온도측정뿐만 아니라 서브 마이크로(sub-micrometer) 변위를 결정하는 것을 이미 보고하였다.
본 출원에 있어서는, 2개의 프레임의 절대차(absolute difference)의 합을 산출하기 위한 처리 능력을 가진 실시간 이미지 처리 장비가 사용된다. 여기서, 상기 2개의 프레임은 상기 현재의 프레임과, 그 이전의 프레임이다. 이러한 결과는 상기 개개의 멀티모드 광섬유 센서에 가해진 압력의 형태로 다양한 광섬유에 생긴 섭동을 나타낸다. 압력이 없는 상태에서는, 상기 차이 이미지는 모든 경우에 있어 거의 검정에 가까운 패턴을 나타내었다. 광섬유 센서가 압력을 받는 경우에서는, 각 스펙클에 대해 집적된 값은 섭동을 나타내는 0이 아닌 높은 값을 나타내었다. 상기 센서의 어레이 구조로 인하여, 상기 섭동된 광섬유의 위치측정이 가능하다.
실시예 2
제안된 상기 시스템은 또한 침입감지용 안전 시스템에 사용될 수 있다. 침입자의 감지는 그러한 시스템의 기본적인 요구사항이지만, 상기 침입자의 위치측정 또는 상기 존의 대략적인 식별은 똑같이 중요하다.
실시예 3
1개의 비디오 채널을 각각 가진 그러한 감지모듈을 1개 이상(통상적으로 3) 추가적으로 사용함으로써, 많은 이미지 처리 시스템에서 가능한 이러한 채널의 동시다발적인 포착 작용으로 인해 추가적인 위치측정(즉, 보다 많은 지역을 구획)이 얻어질 수 있다.
1개 이상의 감지모듈이 존의 수를 추가적으로 증가시키기 위해 함께 사용될 수 있다.
3개의 동시 비디오 채널(simultaneous video channel)을 사용하여, 3개의 감지모듈은 동시에 작동될 수 있어, 존(zone)의 수를 36으로 증가시킨다.
여기에 주어진 어레이 요소의 수는 4X3 = 12m이며, 상기 수는 상기 표준 커넥터의 물리적 경계에 대한 간격을 줄이고 상기 유리의 간격을 적절하게 변경함으로써 추가적으로 증가될 수 있다.
상기 장치는, 각각의 상기 12 원형 스펙클 패턴에 대하여 상기 섭동하는 힘을 정하는 데 충분한 191X191 픽셀(pixel) 해상도를 제공한다.
상기 장치는 한 번에 많은 여러 환경섭동 매개변수를 감지하도록 한다.
상기 장치는 장치를 사용하여 다중송신된 다양한 섭동요소를 모니터링하고 제어하기에 적합하다.
상기 장치는 이미지 포착을 위해 표준 CCD 카메라를 허용하고, 또한 적어도 12 존으로부터의 환경에 대한 병렬적이고 동시다발적인 감지를 허용한다.

Claims (71)

  1. 소스 모듈(Source Module);
    섭동 감지(perturbation sensing)가 요청되는 존(zones)을 통과하는 하나 이상의 멀티모드 광섬유(multimode fibres); 및
    감지 모듈, CCD(charge coupled device) 카메라 및 이미지 프로세싱 유닛(image processing unit)을 포함하며, 멀드모드 광섬유의 2D 어레이를 이용하는 분산 방식(distributed manner)으로 섭동을 감지하고 위치를 파악(지역 식별)하기 위한 시스템으로서, 상기 감지 모듈에서 2D 멀티광섬유 어댑터(multifiber adapter : MFA)를 이용하는 것을 특징으로 하는
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템이 변위(displacement), 진동(vibration), 압력, 압축 응력(stress), 인장 응력(strain), 온도, 침입(intrusion), 및 음파를 포함하는 파라미터로부터 선택된 섭동을 감지하는데 이용될 수 있는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 모듈이 표준 광접속 장치(standard coupling optics) 및 광섬유 피그테일(fiber pigtail)을 구비하는 12개의 레이저 다이오드로 구성된 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드가 0.6328㎛의 파장을 갖는 가간섭성 단색광(coherent monochromatic light)을 방출하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    50 내지 125㎛의 정해진 직경(fixed diameter)과 개구수(numerical aperture : NA)=0.2를 갖는 12개의 멀티모드 광섬유가 이용되는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각 존(zone)마다 하나 이상의 멀티모드 광섬유가 이용되는 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티모드 광섬유는 섭동 감지가 요청되는 존을 통과하도록 구성되는 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티모드 광섬유로부터의 광신호(optical signals)가 상기 멀티모드 광섬유의 사양(specification)과 동일한 사양을 가진 피그테일(광섬유 다발)을 이용하는 상기 감지 모듈로 유도되는 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 모듈이 멀티광섬유 어댑터(Multi Fiber Adapter : MFA)와, 그라운드 유리판(ground glass plate)과, 렌즈 어셈블리(lens assembly)로 구성되는 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 MFA가 12개의 멀티모드 광섬유를 수용(accommodating)하기 위한 설비(provisions)를 갖는 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 광섬유가 FC 커넥터(connector)의 페룰(ferrules)을 이용하는 MFA 상에 장착되는 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 광섬유가 MFA 내에서 4×3 어레이 형태로 배열되는 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 광섬유의 연마된 표면(polished surfaces)이 상기 어댑터의 반대쪽 끝에서 보이는 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 MFA의 상기 반대쪽 끝은 각 존으로부터 오는 12개의 멀티모드 광섬유로부터의 광방출을 위하여 제공된 홀을 구비한 수직 평면(vertical plane surface)인 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 홀의 심부가 5mm 떨어져 있는 시스템.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 유리판은 각 광섬유의 출력에서 발생된 스페클 이미지(speckle image)가 상기 유리판 상에 형성되도록 배치되는 시스템.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 유리판은 상기 스페클 패턴의 사이즈의 직경이 5mm가 되는 거리에 배치되는 시스템.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 유리판이 개구수(NA) = 0.2를 갖는 상기 멀티모드 광섬유의 끝에서부터 12.5mm의 거리에 배치되는 시스템.
  19. 제 9 항에 있어서,
    상기 유리판이 32mm의 직경 및 2mm의 두께를 갖는 원형인 시스템.
  20. 제 9 항에 있어서,
    상기 유리판이 붕규산 크라운 유리(borosilicate crown glass), 정확하게 BK7 광학 유리로 구성되는 시스템.
  21. 제 9 항에 있어서,
    상기 유리판은 버블(bubble)과 함유물(includion content)이 매우 적고 단면(cross section)이 0.029mm2/100cm3미만인 시스템.
  22. 제 9 항에 있어서,
    상기 유리판의 평행도(parallelism)는 1'의 아크(arc)를 가지며 λ/2보다 더 양호한 표면 품질을 갖는 시스템.
  23. 제 9 항에 있어서,
    상기 유리판의 그라운드 표면이 상등급 금강사(fine grade emery)로 이루어진 시스템.
  24. 제 9 항에 있어서,
    상기 유리판의 그라운드 표면이 상기 카메라 대물렌즈(camera objective)를 향하여 배치되는 시스템.
  25. 제 9 항에 있어서,
    상기 유리판은 형성된 12개의 스페클 이미지 전체를 수용하는 시스템.
  26. 제 26항에 있어서,
    상기 유리판 상에 형성된 상기 12개의 스페클 이미지는 5mm의 직경을 가지며 공간에서 선형으로 발산할 때 서로 꼭 마주 닿아있는 시스템.
  27. 제 26항에 있어서,
    스페클 패턴이 각 광섬유를 중심으로 한 원뿔형태(conical shape)로 형성되는 시스템.
  28. 제 26항에 있어서,
    상기 스페클 패턴 이미지가 형성될 때 서로 중첩되지 않는 시스템.
  29. 제 26항에 있어서,
    상기 스페클 이미지 패턴이 20×15mm의 시계(field of view : FOV)를 커버하는 시스템.
  30. 제 9 항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리가 멀티-소자 렌즈(multi-element lenses)를 포함하는 시스템.
  31. 제 9 항에 있어서,
    상기 멀티-소자 렌즈는 CCD 어레이 상의 상기 12개의 스페클 패턴 이미지 전체의 단일 통합 이미지(single unified image)를 형성하는 시스템.
  32. 제 9 항에 있어서,
    상기 멀티-소자 렌즈가 0.3의 광학 감쇠 계수(optical reduction factor)를 갖는 시스템.
  33. 제 1 항에 있어서,
    상기 CCD 카메라가 동시에 12개의 존 전체로부터 섭동을 감지하는 시스템.
  34. 제 1 항에 있어서,
    각 스페클이 필드에서 하나의 존에 대응하는 시스템.
  35. 제 1 항에 있어서,
    상기 CCD 카메라가 6.4mm×4.8mm의 감지 영역과, 756×582개의 감지 소자와, 각각 8.6×8.3㎛의 사이즈를 갖는 픽셀을 포함하는 시스템.
  36. 제 1 항에 있어서,
    상기 CCD 카메라가 상기 유리로부터 95mm 떨어져 배치되는 시스템.
  37. 제 1 항에 있어서,
    상기 CCD 카메라의 해상도가 768×574 픽셀(이미지 획득 후)인 시스템.
  38. 제 1 항에 있어서,
    모니터 상에서 볼 때 상기 CCD 이미지는 아날로그 형태로 전체가 보여지는 시스템.
  39. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 프로세싱 유닛이 상기 CCD 카메라의 출력을 디지털화하는 시스템.
  40. 제 40 항에 있어서,
    768×574 픽셀의 해상도로 대략 정사각형인 픽셀의 상기 디지털화는 각 존에 대한 원형 스페클 패턴을 커버하는 191×191개의 정사각형으로 이루어진 개별 스페클 패턴을 제공하는 시스템.
  41. 제 1 항에 있어서,
    대상 평면(object plane) 상의 공간 해상도가 26㎛(768×574 해상도)인 시스템.
  42. 제 1 항에 있어서,
    개별 그레인(grain)의 평균 직경이 대략 300㎛ 정도(스페클 패턴 당 5mm)인 시스템.
  43. 변위, 진동, 압력, 압축 응력, 인장 응력, 온도, 침입, 및 음파를 포함하되 이로써 제한되지 않는 환경 섭동을 감지하기 위하여 유용한 멀티 광섬유 2D 어레이 기반형 시스템으로서,
    감지 모듈; 스페클 이미지를 획득하기 위한 표준 CCD 카메라; 및 섭동 감지가 요구되는 존 형태 필드에 걸쳐 분포하는 하나 이상의 멀티모드 광섬유에 의하여 서로 다른 존에서 발생하는 환경 섭동을 분석하기 위한 이미지 프로세싱 유닛으로 구성된 수신 유닛에 연결되며, 존 기반형 감지가 요구되는 관심의 대상이 되는 필드에 걸쳐 분포되는 광섬유에게 개별적으로 광선을 공급하기 위한 레이저다이오드(LD) 세트
    를 포함하는 멀티 광섬유 2D 어레이 기반형 시스템.
  44. 제 44 항에 있어서,
    상기 소스 모듈이 0.6328㎛의 파장을 갖는 12개의 레이저 다이오드와, 각 존에 대한 광섬유로 광선을 발사하는 기지의 발사 장치(conventional launching device)로 구성되는 시스템.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 멀티모드 광섬유가, 반대쪽(수신쪽) 끝에서 스페클 패턴 형성에 적합한, 50 내지 125㎛ 사이 범위의 직경과 개구수(NA)=0.2를 갖는 시스템.
  46. 제 44 항에 있어서,
    상기 감지 모듈이
    여러 관심 대상 존에 대응하는 광섬유를 수용하는 멀티모드 광섬유 어댑터(MFA);
    상기 스페클 이미지가 형성되는 적절한 거리에 배치된 확산 유리판(diffusing glass plate); 및
    상기 유리판 상에 형성된 스페클 패턴을 상기 CCD 평면상으로 비추는 렌즈 어셈블리로 구성되는 시스템.
  47. 제 47 항에 있어서,
    상기 멀티모드 광섬유 어댑터(MFA)는 4×3 어레이 형태로 12개의 멀티모드 광섬유를 배치하기 위한 설비를 구비하되, 상기 광섬유의 연마된 표면이 상기 어댑터의 반대쪽 끝에서 보이는 시스템.
  48. 제 47 항에 있어서,
    원형 그라운드 유리판이 상기 광섬유의 발광 표면으로부터 적절한 거리에 배치되고, 상기 유리판은 붕규산 크라운 유리, 보다 구체적으로 버블과 함유물이 매우 적고 단면이 < 0.029mm2/100cm3미만으로 상대적으로 하드 유리이며 쉽게 긁히지 않는 BK7 유리로 구성되는 시스템.
  49. 제 47 항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리가 상기 유리판 상에 형성된 상기 12개의 스페클 이미지를 상기 CCD 카메라로 비추기 위하여 0.3의 감쇠 계수를 갖는 시스템.
  50. 제 47 항에 있어서,
    표준 C-장착 CCD 카메라는 12개의 스페클 패턴으로 구성된 이미지를 캡쳐하기 위한 1/2인치 CCD 카메라인 시스템.
  51. 제 44 항에 있어서,
    상기 이미지 프로세싱 유닛이 존 식별을 수행할 뿐만 아니라 상기 섭동의 진폭을 검출하는 시스템.
  52. 제 44 항에 있어서,
    상기 소스 모듈은 표준 광접속 장치와 상기 12개의 멀티모드 광섬유로 단색광을 발사하기 위한 광섬유 피그테일을 구비한 12개의 레이저 다이오드로 구성되는 시스템.
  53. 제 44 항에 있어서,
    상기 광섬유는 소스 모듈로부터 상기 필드내의 전방으로 나와 섭동 존으로 들어가고 상기 광섬유의 반대쪽 끝은 표준 SMA 커넥터를 이용하여 상기 수신 유닛에 도달하는 시스템.
  54. 제 44 항에 있어서,
    상기 광신호가 멀티모드 광섬유와 동일한 사양을 가지는 12개의 광섬유(12개의 테일)를 이용하여 감지 모듈로 유도되고, 상기 광섬유는 FC 커넥터의 페룰을 이용하여 상기 MFA 상에 장착되며, 상기 MFA는 상기 섭동 존으로부터 나오는 상기 12개의 멀티모드 광섬유 전체로부터의 광방출을 위하여 제공된 홀을 구비한 반대쪽끝 수직 평면으로 갖는 시스템.
  55. 제 44 항에 있어서,
    상기 스페클 패턴이 각 광섬유를 중심으로한 원뿔형태로 형성되고, 적절한 거리의 상기 그라운드 유리판은 상기 모든 스페클이 공간에서 선형으로 발산할 때 서로 꼭 마주 닿아있는 상기 모든 스페클을 수용할 수 있으며, 상기 유리판 상으로 입사하는 이미지는 적절한 거리에 배치된 적절한 렌즈를 갖는 1/2인치 CCD 카메라에 의하여 감지될 수 있고, 상기 CCD 카메라의 비디오 출력은 추가적 분석을 위하여 컴퓨터 내에 존재하는 이미지 프로세싱 유닛과 직접 인터페이스될 수 있는 시스템.
  56. 제 44 항에 있어서,
    상기 멀티모드 광섬유가, 공간에서 발산된 다음 적절한 거리에서 서로 꼭 닿아있는 12개의 스페클 패턴으로 구성된 통합 이미지를 형성할 뿐만 아니라 표준 커넥터를 이용하기 위하여 5mm의 중심 이격거리로 배치되고, 상기 설계된 이격거리는 5mm로 유지되어 어떠한 두 개의 스페클 패턴도 그라운드 유리판이 유지되는 다음 거리에서 중첩되지 않고, 광섬유의 개구수가 NA일 때 거리 R에 배치된 평면내의 상기 광섬유에 의하여 형성된 밝은 필드의 직경이 2·NA·R로 주어지는 시스템.
  57. 제 44 항에 있어서,
    상기 유리판은 각 스페클 패턴 사이즈가 상기 2·NA·R에 의하여 다시 직경 5mm가 되는 방식으로 계산된 거리에 배치되고, 상기 거리는 NA=0.2의 멀티모드 광섬유를 위하여 12.5mm가 되는 시스템.
  58. 제 47 항에 있어서,
    상기 그라운드 유리판은 32mm 직경과 2mm 두께를 갖는 BK7 유리로 구성되고, 상기 유리판의 평행도는 λ/2보다 더 양호한 표면 품질을 1'의 아크이며, 상기 그라운드 표면은 상등급 금강사로 구성되고 카메라 대물렌즈를 향하여 배치되는 시스템.
  59. 제 44 항에 있어서,
    상기 CCD 카메라는 상기 유리판로부터 95mm의 작업 거리(working distance)를 갖는 1/2인치 CCD 상에 20×15mm의 시계를 유지하도록 설계되고 1/2인치 CCD 사이즈 카메라에 대해 0.3의 광학 감쇠 계수를 가지는 멀티 소자 카메라 대물 렌즈를 구비하는 시스템.
  60. 제 44 항에 있어서,
    D는 광원(광섬유 코어)의 직경이고, R은 소스와 표시 평면 간 거리 일 때 상기 스페클의 평균 사이즈가 2R(λ/D)로서 계산될 수 있으므로 필요한 상기 CCD 카메라 해상도는 명백히 768×574 픽셀(이미지 획득 후)의 표준이되, 밝은 필드의 직경은 2·NA·R이며, 광학 파라미터 NA=0.2와 D=50㎛를 가지는 표준 멀티모드 광섬유에 의하여 형성되고 레이저 다이오드(λ=0.6328㎛)를 이용하는 경우 단일 패턴에서의 밝은 스페클과 어두운 스페클의 전체 수가 NA2·D2/λ2로 계산될 수 있으며, 단일 원형 패턴 내의 스페클의 수는 대략 252인 시스템.
  61. 제 44 항에 있어서,
    표준 CCD 카메라로 용이하게 분석할 수 있는, 개별 그레인의 평균 직경은 300㎛(각 원형 스페클 패턴마다 5mm의 직경을 가짐)인는 반면 시스템에서 이용 가능한 공간 해상도는 26㎛(768×574 해상도에서 20×15mm의 시야를 가짐)인 시스템.
  62. 제 44 항에 있어서,
    768×574 해상도로 디지털화된 이미지는 정사각형 내에서 각 스페클 패턴마다 191×191 픽셀 사이즈의 12 세그먼트를 제공하고, 상기 이미지 내의 각 세그먼트는 하나의 존에 대응하며, 섭동 진폭의 측정과 섭동의 정량화를 위한 상기 스페클 패턴의 처리에 더한 위치 식별은 사용자 애플리케이션 및 요구 조건에 따르는 시스템.
  63. 제 44 항에 있어서,
    전술한 해상도를 갖는 상기 표준 CCD 카메라가 12개의 존으로부터 섭동을 동시에 감지하고 각 스페클은 상기 필드 내 하나의 존에 대응하는 시스템.
  64. 제 44 항에 있어서,
    세 개의 장치가 이미지 프로세싱 시스템과 함께 동시에 이용되어 세 개의 동시 카메라 비디오 신호가 디지털화될 수 있게 하여, 존 수를 세배로 증가시키는 시스템.
  65. 제 44 항에 있어서,
    상기 감지 소자, 상기 멀티모드 광섬유가 이미지 획득을 위하여 표준 CCD 카메라를 이용하는 12개의 존을 허용하는 최소 4×3 형태로 배열되는 시스템.
  66. 제 44 항에 있어서,
    상기 해상도가 광섬유 존 길이와 레이아웃에 의하여 결정되는 시스템.
  67. 제 44 항에 있어서,
    상기 시스템은 표준 CCD 카메라가 이미지 획득을 하도록 허용하고 적어도 12개의 서로 다른 존으로부터의 환경에 대한 병렬적이고 동시적인 감지를 허용하는 시스템.
  68. 제 44 항에 있어서,
    상기 시스템은 단일 장치를 이용하여 멀티플렉싱된 다양한 섭동 인자를 감시 및 제어하는데 매우 적합한, 상기 시스템은 한번에 많은 수의 서로 다른 환경 섭동 파라미터를 감지할 수 있는 시스템.
  69. 제 44 항에 있어서,
    4×3개의 멀티모드 광섬유에 대한 전체 시계는 20×14mm이고, 12개의 원형 스페클 패턴 각각에 대한 해상도는 191×191 픽셀인 시스템.
  70. 제 44 항에 있어서,
    상기 어레이 소자의 수는 4×3=12이고, 상기 어레이 소자의 수는 표준 커넥터의 물리적 한계에 대한 이격거리를 더 줄이고 유리판에 대한 이격거리를 적절하게 변경함으로써 증가될 수 있는 시스템.
  71. 제 44 항에 있어서,
    존 수를 더 증가시키기 위하여 둘 이상의 감지 모듈이 함께 이용될 수 있고, 이는 전형적으로 세 개의 감지 모듈에 대한 세 개의 동시 비디오 채널 획득을 이용함으로써 가능한 시스템.
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