KR20040067469A - 광섬유의 잔류 응력 측정 장치 - Google Patents

광섬유의 잔류 응력 측정 장치 Download PDF

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KR20040067469A
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Abstract

본 발명에 따른 광섬유의 잔류 응력 측정 장치에 있어서, 상기 광섬유의 잔류 응력을 측정하기 위한 광을 출력하는 광원과, 상기 광을 편광시켜서 측정하고자 하는 광섬유로 수렴시키는 편광계와, 잔류 응력 상태를 측정하고자 하는 광섬유가 위치되는 슬라이드 글라스와, 상기 광섬유를 투과한 광의 기설정된 편광 성분만을 투과시키며, 상기 슬라이드 글라스와 대향된 위치에서 상기 광섬유를 덮음으로써 상기 광섬유를 지지하는 어날라이저와, 상기 어날라이저를 통과한 광을 영상화시키는 검출부를 포함한다.

Description

광섬유의 잔류 응력 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING RESIDUAL STRESS OF OPTICAL FIBER}
본 발명은 광섬유의 잔류 응력 측정 장치에 관한 것으로, 특히 원형 비대칭 응력(stress) 분포를 갖는 광섬유의 잔류 응력을 측정하기 위한 광섬유의 잔류 응력 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 광섬유의 생산 과정인 고온의 인출 공정에서 발생되는 응력은 광섬유가 제작된 후 제거되지 못하고 일부가 광섬유 안에 남아있게 되는데, 이를 잔류 응력(residual stress)이라고 한다. 이러한 잔류 응력은 광섬유의 광 산란에의한 광 손실을 증가시키고, 광탄성(photoelastic)효과에 의해 굴절률 변화를 일으키게 된다. 따라서, 이러한 광섬유 내의 잔류응력의 분포와 그 크기를 정확하게 측정하고 최적으로 조절하는 기술이 필요하다.
통상, 광섬유의 잔류 응력은 광탄성 효과를 이용하여 측정한다. 광탄성 효과는 매질에 남아 있는 응력의 방향에 따라 굴절률이 변화하는 현상이며, 이러한 광탄성 효과에 의해 광섬유로 입사된 광은 광섬유 내에 형성된 잔류 응력으로 인해 위상이 변하게 된다.
도 1은 종래의 광섬유의 잔류 응력 측정 장치의 개략적 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 검출부와 측정부를 나타내는 부분도 이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 광섬유의 잔류 응력 측정 장치는 광섬유의 잔류 응력을 측정하기 위한 광을 출력하는 광원(110)과, 상기 광을 시준화시키는 렌즈계(130)와, 편광계(150)와, 측정부(160)와, 잔류 응력에 의해 발생된 상기 광의 위상 변화를 검출하기 위한 검출부(170)와, 상기 광원(110)과 상기 렌즈계(130)의 사이에 위치된 제1 반사경(120)과, 상기 렌즈계(130)와 상기 편광계(150)의 사이에 위치하는 제2 반사경(140)을 포함한다.
상기 광원(110)은 광섬유(162)의 잔류 응력 여부를 검출하기 위한 광(101)을 출력하며, 가간섭성이 우수하고, 편광 선택성이 좋은 레이저 등을 사용할 수 있다. 일반적으로, 헬륨-네온 레이저 등이 사용 가능하다.
상기 렌즈계(130)는 상기 광원(110)에서 출력된 광(101)을 발산시키기 위한 방산기(131)와, 상기 방산기(131)에서 발산된 광을 시준화시키는 시준화 렌즈(132)와, 상기 시준화 렌즈(132)의 전방에 위치하는 개구(133)를 포함한다. 통상적으로 상기 시준화 렌즈(132)는 콘백스(convex) 렌즈가 사용된다.
상기 제2 반사경(140)은 상기 렌즈계(130)에서 시준화된 광을 상기 편광계(150)로 그 경로를 변경시키는 소자로써, 기결정된 기울기로 상기 렌즈계(130)와 상기 편광계(150)의 사이에 위치된다.
일반적으로, 광섬유 및 광섬유 모재의 잔류 응력은 광탄성(Photoelasticity) 효과를 이용하여 측정한다. 상술한 광탄성 효과에 의한 광섬유 및 광섬유 모재의 잔류 응력 측정 방법은 기결정된 편광 성분의 광을 잔류 응력을 측정하고자 하는 소재에 투과시킨 후, 상기 편광 성분의 광의 변화 여부를 검출하는 방법이다.
다음은 광탄성 효과를 이용해 광섬유 및 광섬유 모재의 잔류 응력 및 기타 응력의 측정에 대한 대표적인 세 가지 논문이다.
1. P.L.Chu and T.Whotebread 등에 의해 Appl. Opt. 1982.21, PP 4241 ~ 4245 에 기재된 "Measurement of stress in optical fiber and preform" 의 첫 번째 논문은 광섬유의 잔류 응력을 광탄성 효과를 이용하여 광학적으로 측정하는 방법 및 이론을 처음으로 구체적으로 제안하였고, 광섬유 및 광섬유 모재에 대한 잔류 응력 프로파일의 측정에 대한 논문이다.
2. Th.Rose,D.Spriedgel and J.R.Kropp, 등에 의해 Meas. Sci. Technol. 4, PP 431 ~ 434(1993)에 기재된 "Fast photoelastic stress determination application to monomode fibers and splices" 의 두 번째 논문은 단일 모드 광섬유의 잔류 응력 및 융착 접합(Fusion splice) 시, 발생하는 응력을 조사하기 위해광탄성 효과를 이용한 광학적 측정 장치에 대한 논문이다.
3. K.W.Raine에 의해 "4th Optical Fiber Measurement Conference(NPL TEddington UK)"에서 1997년에 발표된 "A microscope for measuring axial stress profiles in optical fibers with high spatial resolution and low noise"의 세 번째 논문은 기존의 광탄성 효과를 이용한 측정 방법에 CCD 카메라 및 Half-Shade 방법을 응용한 빠르고, 분해능이 뛰어난 광섬유의 잔류 응력을 측정하는 방법에 관한 논문이다.
상기 편광계(150)는 상기 반사경(140)으로부터 입사된 광을 기설정된 편광 방향으로 선편광시키는 편광자(151)와, 상기 선편광된 광을 원편광으로 위상 변화시키는 λ/4 판(152)과, 상기 λ/4 판(152)에서 원편광된 광을 잔류 응력을 측정하고자 하는 광섬유(162)로 수렴시키는 렌즈(153)를 포함한다. 즉, 상기 편광계(150)는 상기 렌즈계(151)로부터 입력된 광을 원편광된 광으로 위상 변화시켜서 잔류 응력을 측정하고자 하는 광섬유(162)로 입력시킨다.
상기 측정부(160)는 잔류 응력 정도를 측정하기 위한 광섬유(162)와, 상기 광섬유(162)를 지지하는 슬라이드 글라스(161)와, 상기 광섬유(162)를 중심으로 상기 슬라이드 글라스(161)와 대향되게 위치하는 커버글라스(163)를 포함한다. 또한, 상기 슬라이드 글라스(161)와 상기 커버글라스(163)의 사이, 상기 광섬유(162)가 삽입된 주변에 상기 광섬유(162)의 굴절률과 유사한 굴절률의 매칭 오일(164)을 도포함으로써, 상기 광섬유(162)와 상기 커버글라스(163) 및 상기 슬라이드 글라스(161) 간의 굴절률 차로 인한 상기 측정부(160)를 통과한 광의 위상 변화 및측정 오차를 최소화시킨다.
상기 커버 글라스(163)는 단순히 상기 광섬유(162)를 고정시키는 역할을 한다. 상기 커버 글라스(163)는 상기 광섬유(162)와의 굴절률 차가 최소이고, 상기 커버 글라스(163)를 진행하는 광의 위상 변화를 최소화시키기 위하여 최대한 얇은 두께를 갖는다.
상기 검출부(170)는 상기 측정부(160)로부터 입력된 광의 편광 상태 변화를 검출함으로써, 상기 광섬유(162)의 잔류 응력의 발생 여부 및 정도를 검출하는 기능을 수행한다. 상기 검출부(170)는 상기 측정부로부터 입력된 광을 확대시키기 위한 고배율의 대물 렌즈(171)와, 상기 광섬유를 통과한 상기 광중에서 기결정된 편광 성분만을 통과시키는 어날라이저(172)와, 상기 어날라이저(172)로부터 입력된 광을 전기 신호로 변환하여 영상 신호로 출력하는 CCD 카메라(173)로 구성된다.
그러나, 커버 글라스는 광섬유를 통과한 원편광된 광의 위상 및 광경로를 교란함으로써, 광탄성 효과를 이용한 상기 광섬유의 잔류 응력을 측정하는 방법에 있어서 오차 요인으로 작용하는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 잔류 응력을 측정하고자 하는 광의 위상 및 경로의 교란을 방지하고, 광섬유 내의 상태를 보다 정확하게 검출해낼 수 있는 광섬유의 잔류 응력 측정 장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유의 잔류 응력 측정 장치는,
상기 광섬유의 잔류 응력을 측정하기 위한 광을 출력하는 광원과;
상기 광을 편광시켜서 측정하고자 하는 광섬유로 수렴시키는 편광계와;
잔류 응력 상태를 측정하고자 하는 광섬유가 위치되는 슬라이드 글라스와;
상기 광섬유를 투과한 광의 기설정된 편광 성분만을 투과시키며, 상기 슬라이드 글라스와 대향된 위치에서 상기 광섬유를 덮음으로써 상기 광섬유를 지지하는 어날라이저와;
상기 어날라이저를 통과한 광을 영상화시키는 검출부를 포함한다.
도 1은 종래 기술에 따른 광섬유의 잔류 응력 측정 장치를 나타내는 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 측정부와 검출부만을 나타내는 부분도,
도 3은 본 발명에 따른 광섬유의 잔류 응력 측정 장치를 나타내는 구성도,
도 4는 도 3에 도시된 검출부와 측정부만을 나타내는 부분도.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명에 따른 잔류 응력 측정 장치의 전체 구성을 나타내고, 도 4는 상기 잔류 응력 장치중 측정부와 검출부만을 나타낸다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 광섬유의 잔류 응력 측정 장치는 광을 출력하는 광원(210)과, 렌즈계(230)와, 상기 광을 편광 상태로 위상 변화시키는 편광계(250)와, 상기 광의 위상 변화를 측정하는 측정부(260)와, 광검출부(270)와, 상기 광원(210)과 상기 렌즈계(230)의 사이에 위치된 제1 반사경(220)과, 상기 렌즈계(230)와 상기 편광계(250)의 사이에위치하는 제2 반사경(240)을 포함한다.
상기 광원(210)은 광섬유(262)의 잔류 응력 여부를 검출하기 위한 광(201)을 출력하며, 가간섭성이 우수하고, 편광 선택성이 우수한 레이저 등을 사용한다. 특히, 광원으로는 헬륨-네온 레이저 등을 주로 사용하며, 그 일측에는 상기 광(201)을 상기 렌즈계(230)로 입력시키기 위한 반사경(220)이 위치한다.
상기 렌즈계(230)는 방산기(231) 및 시준화 렌즈(232)와, 개구(233)를 포함하며, 상기 광원으로부터 입력된 상기 광(201)을 시준화시킨다.
상기 시준화 렌즈(232)는 콘백스(convex) 렌즈가 사용되며, 상기 시준화 렌즈(232)와 상기 방산기(231)를 나란히 배열함으로써, 상기 광원(210)으로부터 입력된 광을 시준화시킨다.
상기 제2 반사경(240)은 상기 렌즈계(230)에서 시준화된 광의 경로를 수직으로 변경시켜서, 상기 편광계(250)로 입사시킨다. 상기 반사경(240)은 기결정된 각도의 기울기로 상기 렌즈계(230)와 상기 편광계(250)의 사이에 위치되어진다.
광섬유의 잔류 응력은 광탄성(Photoelasticity) 효과를 이용하여 측정한다. 광탄성 효과는 기설정된 편광 성분으로 편광된 광을 측정하고자 하는 광섬유로 조사시킨 후, 상기 광섬유내 잔류 응력 등으로 인하여 상기 편광된 광의 위상 변화가 발생함을 이용한 방법으로써, 위상 변화로 인한 상기 편광된 광의 세기 변화를 검출함으로써, 상기 광섬유의 잔류 응력 정도를 측정하는 방법이다.
편광계에 의해서 편광된 광이 광섬유를 통과하면서, 상기 광을 구성하는 일부 편광 성분이 잔류 응력에 의해 그 위상 불규칙적으로 변화되고, 상기 어날라이저는 상기 광섬유를 통과한 상기 광중에서 기결정된 편광 성분만을 통과시킨다. 따라서, 어날라이저를 통과한 광은 상기 어날라이저에 입사되기 전에 비해 그 세기가 변화되고, 이때 편광된 광의 세기를 측정함으로써 광섬유의 잔류 응력 정도를 검출하게 된다.
상기 편광계(250)는 상기 제2 반사경(240)으로부터 입사된 광을 기설정된 편광 방향으로 선편광시키는 편광자(251)와, 선편광된 광(510)을 원편광된 광(520)으로 위상 변화시키기 위한 λ/4 판(252)과, 상기 λ/4 판(252)에서 원편광된 광(521)을 잔류 응력을 측정하고자 하는 광섬유(262)로 수렴시키는 렌즈(253)로 구성된다.
즉, 상기 편광계(250)는 상기 렌즈계(230)로부터 시준화되어 입력된 상기 광을 원편광된 광(521)으로 위상 변화시켜서 상기 광섬유(262)에 입사시키는 역할을 한다.
상기 편광자(251)는 상기 렌즈계(230)로부터 입사된 광을 기설정된 편광 방향에 따른 광으로 선편광시킨 후, 상기 선편광된 광(510)을 상기 λ/4 판(252)에 대해 기결정된 각도로 입력시킨다.
하기 <수학식 1>은 상기 광의 편광 성분중 x축 성분(Ex)을, <수학식 2>는 상기 광의 편광 성분중 y축 성분(Ey)을 나타내는 시공간 함수이다.
상기 <수학식 1>의 Ex는 상기 광의 편광 성분중 x축 성분을 의미하며, Exo는 Ex성분의 진폭(amplitude)을,은 z축을 따라 진행하는 Ex성분의 파형을 나타낸다. 여기서, kz는 Ex성분이 k만큼의 파수를 가지고 z축을 따라 진행함을 의미하며, ω는 Ex성분의 각주파수를, δ1은 Ex성분의 초기 위상값을 의미한다.
상기 <수학식 2>의 Ey는 상기 광의 편광 성분중 y축 성분을 의미하며, Eyo는 Ey성분의 진폭(amplitude)을,은 z축을 따라 진행하는 Ey성분의 파형을 나타낸다. 여기서, kz는 Ey성분이 k만큼의 파수를 가지고 z축을 따라 진행함을 의미하며, ω는 Ey성분의 각주파수를, δ1은 Ey성분의 초기 위상값을 의미한다.
<수학식 1>은 광섬유의 잔류 응력을 측정하기 위한 광의 x 축 성분인 Ex성분을, <수학식 2>는 y축 성분인 Ey성분을 나타낸다.
즉, 상기 편광자(251)는 상기 렌즈계(230)로부터 입사된 광의 편광 성분을 기설정된 편광 방향에 따른 선편광으로 편광시키고, 상기 λ/4 판(252)에 상기 선편광된(510) 광이 45˚의 각으로 입력되도록한다.
상기 λ/4 판(252)은 방해석, 운모 등의 복굴절 결정 등을 사용한다. 상술한 복굴절 물질들은 서로 다른 두 개의 굴절률을 갖고 있어서 서로 다른 속도로 진행하는 편광 성분으로 나누어주는 역할을 한다. 즉, 방해석은 내부에 입사된 광중에서 일부는 굴절 법칙을 충족시키는 정상 광선(Ordianry ray)으로, 다른 일부는 굴절 법칙을 충족시키지 못하는 이상광선 (extraordinary ray)으로 분리시킨다. 이러한 현상을 복굴절이라 한다. 상술한 복굴절 현상은 매질 내의 굴절률 차에 기인한다. 따라서, 상술한 바와 같이 복굴절 매질을 진행하는 광은 서로 다른 굴절률 차로 인하여, 진행 경로 및 진행 속도가 달라지게 된다. 예를 들어, 이상광선의 속도가 정상광선의 속도 보다 작은 경우를 양성결정(positive crystal; 수정 등), 반대로 이상 광선의 속도가 정상 광선의 속도 보다 커지는 경우를 음성결정(negative crystal; 방해석 등)이라 한다. 즉, 복굴절 매질을 진행하는 광은 복굴절 매질의 서로 다른 굴절율로 인해 편광 성분을 구성하는 성분간 위상차 및 속도차를 유발한다.
상기 측정부(260)는 슬라이드 글라스(261)와, 상기 슬라이드 글라스(261)와 대향된 위치에서 광섬유(262)를 덮고 있는 어날라이저(263)를 포함하며, 상기 어날라이저(263)와 상기 슬라이드 글라스(261)의 사이에는 잔류 응력을 측정하고자 하는 광섬유(262) 등이 삽입되며, 상기 광섬유(262)가 실장된 주변에 상기 광섬유(262)의 굴절률과 유사한 매칭 오일(264)을 도포함으로써, 상기 측정부(260)를 구성하는 구성 요소간의 굴절률 차로 인한 원편광된 광의 위상 변화 및 측정 오차를 최소화시킨다.
상기 슬라이드 글라스(261)는 그 상면에 잔류 응력 상태를 측정하고자 하는 광섬유(262)가 위치된다. 따라서, 상기 슬라이드 글라스(261)는 상기 광섬유(262)의 굴절률과 비슷한 굴절률을 갖고, 가급적 얇은 두께를 가짐으로써, 상기 슬라이드 글라스(261)를 진행하는 동안 원편광된 광의 위상 및 경로 변화가 최소화되도록 한다.
상기 어날라이저(263)는 상기 광섬유(262)를 통과한 광 중에서, 상기 광섬유(262) 내의 잔류 응력에 의해 위상이 변화된 편광 성분은 차단시킨다. 또한, 상기 어날라이저(263)는 상기 슬라이드 글라스(261)와 대향된 위치에서 상기 광섬유(262)를 덮음으로써 상기 광섬유(262)를 지지하는 커버 글라스의 역할도 동시에 수행한다.
상기 검출부(270)는 상기 어날라이저로(263)부터 출력된 광(531)을 영상화시키는 역할을 하며, 상기 어날라이저(263)로부터 출력된 광(531)을 결상시키기 위한 대물렌즈(271)와, 상기 대물 렌즈(271)에서 결상된 상을 영상화시키는 CCD 카메라(272)를 포함한다.
상기 제어부(280)는 상기 검출부(270)에서 영상화된 광으로부터 상기 광섬유(262)의 상태를 모니터링한다.
본 발명은 어날라이저로 커버 글라스를 대체함으로써, 커버 글라스로 인한 선편광된 광의 편광 성분의 변형 및 그로 인한 잔류 응력 측정시 발생하는 오차 요인을 감소시킨다. 또한, 본 발명은 어날라이저로 커버 글래스를 대체함으로써, 대물 렌즈를 측정하고자 하는 광섬유에 최대한 밀착시킬 수 있기 때문에 광손실을 최소화할 수 있다.
본 발명은 어날라이저가 종래의 커버 글라스를 대체함으로써, 광섬유의 잔류 응력을 측정하고자 하는 광의 편광성분의 위상 및 경로 변화를 최소화시킴으로써, 응력 측정시 발생하는 오차 요인을 최소화시킬 수 있다는 이점이 있다. 또한, 대물 렌즈를 측정하고자 하는 광섬유에 근접하게 위치시킬 수 있으며, 고배율의 대물 렌즈의 사용이 가능하다. 즉, 어날라이저를 광섬유에 밀착되게 위치시킴으로써 적은 위상차로 인한 잔류 응력 측정시 발생하는 오차를 최소화시키고, 대물 렌즈의 배율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다. 이로 인해, 검출부에서 영상화된 이미지의 확대가 용이하다는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 광섬유의 잔류 응력 측정 장치에 있어서,
    상기 광섬유의 잔류 응력을 측정하기 위한 광을 출력하는 광원과;
    상기 광을 편광시켜서 측정하고자 하는 광섬유로 수렴시키는 편광계와;
    잔류 응력 상태를 측정하고자 하는 광섬유가 위치되는 슬라이드 글라스와;
    상기 광섬유를 투과한 광의 기설정된 편광 성분만을 투과시키며, 상기 슬라이드 글라스와 대향된 위치에서 상기 광섬유를 덮음으로써 상기 광섬유를 지지하는 어날라이저와;
    상기 어날라이저를 통과한 광을 영상화시키는 검출부를 포함함을 특징으로 하는 광섬유의 잔류 응력 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 검출부에서 영상화된 광으로부터 상기 광섬유의 상태를 모니터링하는 제어부와;
    상기 렌즈계에서 시준화된 광의 경로를 변경시키기 위해 상기 렌즈계와 상기 편광계의 사이에 기설정된 각도로 기울어지게 위치된 반사경을 더 포함함을 특징으로 하는 광섬유의 잔류 응력 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유를 중심으로 상호 대칭되게 위치된 상기 어날라이저와 상기 슬라이드 글라스의 사이에 매칭 오일을 주입함을 특징으로 하는 광섬유의 잔류 응력 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 검출부는,
    상기 어날라이저를 통과한 상기 광을 결상시키는 대물렌즈와;
    상기 대물렌즈에 의해 결상된 상을 영상화시키는 CCD 카메라로 구성됨을 특징으로 하는 광섬유의 잔류 응력 측정 장치.
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