KR20060090936A - 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대상체에 발생된 초음파를 측정하기 위한 레이저 빔을 간섭시키는 초음파 측정용 레이저-간섭계의 안정화장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 일정한 간격으로 이격되어 서로 대향하도록 위치되며, 입사된 레이저빔을 내부에서 왕복시켜 간섭광을 출력하는 두 개의 공진기거울을 갖는 공진기를 포함하는 초음파 측정용 레이저 간섭계의 안정화장치에 있어서, 상기 공진기로부터 출력되는 레이저빔에 의한 간섭광 신호의 세기를 검출하는 광검출기; 상기 두 공진기거울의 간격을 조정하여 상기 간섭광 신호의 세기를 조절하는 압전구동기; 상기 검출된 간섭광 신호의 세기를 설정된 광신호 세기의 허용범위와 비교하여 소정의 제어신호를 출력하는 제어회로; 및 상기 제어신호에 따라 상기 압전구동기의 구동을 조절하는 압전구동기조절기를 포함한다.

본 발명에 따르면, 레이저 간섭계로 입사되는 레이저 빔의 산란광 세기의 변화에 관계없이 레이저 간섭계를 안정화할 수 있어 초음파 측정효율이 높일 수 있다.

초음파, 레이저, 간섭계, 공진기, 압전구동기, 광신호, 안정화

Description

초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치 및 방법{A Stabilizing Apparatus and Method of Laser-Interferometer for Ultrasonic Measurement}

도 1은 본 발명의 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치가 적용되는 레이저-초음파 발생 및 측정 시스템의 예시도이다.

도 2는 본 발명의 레이저-간섭계 안정화장치가 적용되는 초음파 측정용 레이저-간섭계의 예시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치의 구성에 대한 개략도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치의 구성에 대한 개략도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치의 구성에 대한 개략도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 패브리-페로 간섭계에서의 반사 간섭광 및 투과 간섭광 사이의 관계를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정용 레이저-간섭계를 안정화하는 방법을 보이는 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 초음파 발생용 레이저 11 : 초음파 발생용 레이저 빔

20 : 초음파 측정용 레이저 21,26,31 : 편광유지 광섬유

27 : 초음파 측정용 레이저 빔 28 : 산란광

30 : 산란광 포집헤드 40 : 레이저-간섭계

50 : 초음파 신호검출기 61,107 : 빔평행기(collimator)

62,63 : 공진기거울 64 : 반사 간섭광

65 : 투과 간섭광 66 : 공진기

67,105,108 : 편광형 빛살가르개 68,106,109 : 쿼터파장판

69 : 공진기내 초음파 측정용 간섭광 101 : 광검출기

102 : 안정화제어회로 103 : 압전구동기조절기

104 : 압전구동기 70 : 측정 대상체

본 발명은 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 대상체에 발생된 초음파를 측정하기 위한 레이저 빔을 간섭시키는 초음파 측정용 레이저-간섭계를 안정화하는 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치 및 방법에 관한 것이다.

금속이나 복합재료 등의 기계적 특성이나 미세조직은 통상 초음파 검사를 이 용한다. 초음파 검사는 측정대상 내에서의 초음파의 전파 특성을 이용하여 기계적 특성이나 미세조직을 파악하며, 기본적으로 비파괴적인 검사방법이기 때문에 다양한 분야에서 매우 광범위하게 사용된다. 초음파 검사에는 통상 압전변환기(piezoelectric transducer)나 EMAT(electro-magnetic acoustic transducer)를 이용하여 왔다. 이중 압전변환기는 측정대상과 변환기 사이에 초음파 전달매질이 필요하며, 고온하에서 그 기능이 저하되는 단점이 있다. 그리고 EMAT는 통상 수 mm정도까지 측정 대상에 근접하여 사용되어야 하는 단점이 있다. 이와 같은 단점들로 인해 상기한 바와 같은 장치를 이용하는 종래의 초음파 검사는 생산라인, 특히 열간 압연공정과 같은 열악한 환경하에서의 온-라인 적용은 불가능하였다.

이러한 단점을 해결하기 위하여 레이저-초음파 방법이 개발되었다. 레이저-초음파 방법은 펄스형 레이저를 이용하여 초음파를 발생시키고 측정대상 내부를 전파한 상기 초음파를 레이저-간섭계를 이용하여 측정하는 방법으로서 기본적으로 비접촉식 방법이기 때문에 고온인 측정대상의 초음파 탐상이 가능하고 생산라인에서의 온-라인 적용에도 용이한 장점이 있다.

일반적으로 산업현장의 생산라인은 실험실 환경에 비해 매우 열악하므로, 생산라인의 압연공정에서는 다양한 두께의 강판에서의 초음파 측정을 위하여 실험적인 테스트의 경우에 비해 높은 강도의 초음파를 발생시켜야 한다. 레이저 펄스 빔(beam)을 이용하여 초음파를 발생시키는 경우, 레이저 펄스 빔에 의한 측정대상 표면의 열탄성 효과(thermoelastic effect)나 융발(ablation)에 의해 초음파가 발생한다(참고문헌 : Scruby, C.B. et al., "Laser-Ultrasonics : Techniques and Applications", Adam Hilger, Bristol, UK, 1990.). 이 중에서 측정대상 표면의 융발은 레이저 펄스 빔의 세기가 큰 경우에 발생하게 된다. 이 경우 표면물질이 이온화(ionization) 및 기화(vaporization)되어 시편 표면에 대해 수직인 방향으로 전파하며 이에 따라 시편 표면에 반동력(recoil force)이 작용하고 이 반동력에 의해 초음파가 발생한다. 이와 같이 융발에 의해 발생한 초음파는 일반적으로 그 세기가 열탄성 효과에 의해 발생한 초음파에 비해 크며, 레이저 펄스가 입사한 측정대상 표면에 수직한 방향으로 전파하는 초음파(종파)를 효율적으로 발생시킨다.

측정대상에 레이저 빔을 조사하면 상기 측정대상에 초음파가 발생하고, 측정대상의 내부를 전파한 초음파는 결정립에 의한 산란, 측정대상 물질에 의한 흡수, 회절(diffraction) 등에 의해 그 세기가 감쇠된다. 초음파의 감쇠를 이용하여 결정입경 등의 특성을 파악할 수 있다. 초음파의 발생과 측정이 동일면에서 수행되도록 하고자 하는 경우, 측정대상 표면에 대해 수직으로 전파하는 초음파를 발생시키고, 측정대상 표면의 반대 면에서 반사된 초음파를 초음파가 발생된 지점과 동일한 지점에서 측정하는 것이 가장 효율적이다. 이는 측정대상 표면에 대해 일정한 각을 가지고 전파하는 초음파를 이용할 경우, 측정대상 표면의 반대 면에서 초음파가 반사할 때 모드 변환(mode conversion)에 의한 초음파 세기의 손실이 발생하며, 초음파의 발생 지점과 측정지점이 다를 경우 초음파의 전파경로 및 전파거리 계산이 매우 복잡해지기 때문이다. 상기와 같은 기술적인 이유로 인해 생산라인에서 온-라인으로 결정입경을 측정하는 경우 융발 효과에 의한 초음파의 발생이 필요하다.

통상적으로, 레이저-초음파 측정에는 레이저 간섭계가 사용된다. 간섭계는 빔의 간섭을 관측하는 장치로서, 1개의 광원에서 나온 빛을 2개 또는 그 이상으로 나누어 적당한 방법으로 파면을 변경시켜 간섭시킨다. 광선을 여러 개로 나누는 다광선 간섭계에는 패브리－페로 간섭계와 룸머－게르케 평행판이 있고, 간섭분광기로서 파장·스펙트럼의 미세구조 측정, 분광측광 등에 쓰인다. 이들 중에서 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계가 생산라인 현장에서 가장 널리 사용되고 있으며 상기 패브리-페로 간섭계는 한 쪽면을 은으로 도금한 유리판 두 장을 서로 대향하도록 평행으로 고정시킨 구조를 갖는다. 상기 두 개의 은도금 유리판은 특정 반사율을 갖는 거울로서 작용하여 입사된 광을 해당 반사율로 부분적으로 서로 반사시켜 간섭을 발생시키게 된다.

종래의 생산라인에서는 초음파 측정용 간섭계의 성능이 저하되는 문제점이 있다. 통상적으로 측정대상의 표면에 도달한 초음파의 비접촉식 측정에 사용되는 레이저 간섭계는 통상 외부적 진동에 민감한 특성을 갖는다. 즉, 측정장치가 설치된 위치에 진동이 있을 경우 레이저 간섭계의 성능이 저하되는 문제가 있다. 이러한 측면에서 다양한 레이저 간섭계 중 공초점 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계는 원리적으로 외부적 진동에 의한 영향이 적기 때문에 외부적 진동이 상존하는 생산라인에서의 온-라인 측정에 가장 적합하다. 이는 공초점 Fabry-Perot 간섭계가 외부적 진동과 같이 초음파에 비해 상대적으로 주파수가 낮은 진동에 대해서는 둔감하기 때문이다. 또한 공초점 Fabry-Perot 간섭계는 산란광 포집효율(light gathering efficiency)이 높기 때문에 생산라인에 있는 강판과 같이 거친 표면을 갖는 측정대상에 대해서도 용이하게 초음파를 측정할 수 있는 장점이 있다. 그러나 이와 같은 공초점 Fabry-Perot 간섭계도 생산라인에 온-라인으로 적용할 경우에는 별도의 안정화가 필요하다는 단점이 있다. 즉, 공초점 Fabry-Perot 간섭계를 구성하는 공진기(cavity)는 양단에 곡면의 부분반사 거울로 구성되며 이 두 곡면거울 사이의 거리는 항시 일정하게 유지되어야 한다. 이 두 곡면거울 사이의 거리는 주변 온도나 두 곡면겨울의 정렬상태의 변화 등에 영향을 받으며 이와 같은 두 곡면거울 사이의 거리의 미세한 변화도 초음파 측정 효율에 큰 영향을 미친다. 따라서 공초점 Fabry-Perot 간섭계가 열악한 환경의 생산라인에서 효율적으로 사용되기 위해서는 두 곡면거울 사이의 거리를 일정하게 유지시킴으로써 항시 높은 초음파 측정효율을 유지하도록 하는 안정화가 필요하다.

한편, 초음파 측정용 레이저 간섭계에 대한 종래기술로서 미국특허(4,659,224 ; Optical interferometric reception of ultrasonic energy)가 있다. 이 특허에서는 공초점 Fabry-Perot 간섭계를 이용하여 시편 표면에 도달한 초음파를 측정하는 방법을 제공하고 있으며, 상기한 바와 같은 간섭계의 안정화 방법도 제시하고 있다. 그러나 이 특허에서 제시하는 방법에 의해 간섭계를 안정화하기 위해서는 Rock-in 증폭기, 전기광학 셀(electro-optic cell) 등과 같이 규모가 크고 고가이며 복잡한 회로 구성을 갖는 장치를 사용하여야 한다. 또한 이 종래기술(미국특허 4,659,224)에서는 공초점 Fabry-Perot 간섭계의 최적 조건을 유지하기 위하여 초음파 측정용 레이저의 주파수를 항시 조절해야 하므로 매우 복잡하며 민감한 제어회로를 구성하여야 하는 단점이 있다. 근래에는 레이저를 이용하는 측정장치를 구성할 때 장치 구성을 용이하게 하기 위하여 상용화된 레이저를 사용하는 추세이며, 이와 같은 상용화된 레이저는 그 내부구성을 변경하는 것이 용이하지 않다. 또한 상기 미국특허 4,659,224)에 의하면 상용화된 레이저를 그대로 사용할 수 없고, 상용화된 레이저의 내부 구성을 변경하거나 측정장치의 목적에 맞게 레이저를 자체적으로 제작하여야 하므로 특허의 내용을 구현하는 것이 매우 어렵다.

따라서, 당 기술분야에서는 생산라인에서 실제 적용되는 초음파 측정용 레이저 간섭계를 안정화시킬 수 있는 장치 및 방법의 개발에 대한 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 대상체에 발생된 초음파에 의한 레이저 빔의 산란광을 간섭시키는 초음파 측정용 레이저-간섭계를 안정화하여 최적의 효율로 초음파를 측정하기 위한 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 측정용 레이저 간섭계 안정화장치는, 일정한 간격으로 이격되어 서로 대향하도록 위치되며, 입사된 레이저빔을 내부에서 왕복시켜 간섭광을 출력하는 두 개의 공진기거울을 갖는 공진기를 포함하는 초음파 측정용 레이저 간섭계의 안정화장치에 있어서,

상기 공진기로부터 출력되는 레이저빔에 의한 간섭광 신호의 세기를 검출하 는 광검출기; 상기 두 공진기거울의 간격을 조정하여 상기 간섭광 신호의 세기를 조절하는 압전구동기; 상기 검출된 간섭광 신호의 세기를 설정된 광신호 세기의 허용범위와 비교하여 소정의 제어신호를 출력하는 안정화제어회로; 및 상기 제어신호에 따라 상기 압전구동기의 구동을 조절하는 압전구동기조절기를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서 상기한 레이저 간섭계 안정화장치는, 상기 공진기로부터 출력되는 원편광의 간섭광을 선편광의 간섭광으로 변환시키는 제1 쿼터파장판; 및 상기 제1 쿼터파장판을 통과한 간섭광을 반사시켜 상기 광검출기로 출력시키는 제1 편광형 빛살가르개를 추가로 포함할 수 있으며, 이때, 상기 공진기로 입사되는 레이저빔을 평행광으로 변환하는 빔평행기; 상기 평행광으로 변환된 레이저 빔을 반사시키는 제2편광형 빛살가르개; 상기 반사된 레이저 빔의 편광방향을 45도 회전시켜 상기 공진기로 출력하는 제2 쿼터파장판을 추가로 포함할 수도 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 측정용 레이저 간섭계 안정화방법은, 일정한 간격으로 이격되어 서로 대향하도록 위치되며, 입사된 레이저빔을 내부에서 왕복시켜 간섭광을 출력하는 두 개의 공진기거울을 갖는 공진기를 포함하는 초음파 측정용 레이저 간섭계의 안정화방법에 있어서,

상기 공진기로 입사된 레이저빔에 의한 간섭광 신호의 세기를 검출하는 제1단계; 상기 검출된 간섭광 신호의 세기를 설정된 광신호 세기의 허용범위와 비교하는 제2단계; 상기 비교결과 상기 검출된 간섭광 신호의 세기가 상기 설정된 광신호 세기의 허용범위를 벗어나면 상기 두 공진기거울의 간격을 조정하기 위한 제어신호 를 출력하는 제3단계; 및 상기 제어신호에 따라 상기 두 공진기거울의 간격을 조정하여 상기 간섭광 신호의 세기를 조절하는 제4단계를 포함한다.

본 발명은 레이저-초음파를 이용하여 초음파를 측정하는 경우 레이저 간섭계의 측정 효율을 높이기 위한 레이저 간섭계의 안정화장치 및 방법을 제공한다. 보다 구체적으로는 제철소에서 생산하는 각종 강판의 열간 또는 냉간압연 공정에서 효율적인 압연작업에 필요한 결정입경 정보를 실시간으로 제공하기 위하여, 펄스형 레이저를 이용하여 강판 표면에 초음파를 발생시키고 강판 내부를 전파한 상기 초음파를 레이저 간섭계를 이용하는 측정하는 경우 생산라인의 열악한 환경에서도 레이저 간섭계의 초음파 측정 효율이 저하되지 않도록 레이저 간섭계를 안정화시키는 장치 및 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치가 적용되는 레이 저-초음파 발생 및 측정 시스템의 예시도이다. 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 초음파 측정용 레이저 간섭계 안정화장치(100)가 적용되는 레이저-초음파 발생 및 측정 시스템을 간단하게 설명하면, 먼저 초음파 발생용 레이저(10)에서 특정 대상체(70) 내부에 초음파가 발생하도록 상기 대상체(70)의 상면(71)에 펄스형 레이저 빔(11)을 실질적으로 수직으로 조사한다. 이로써 상기 대상체(70) 내부에는 초음파가 발생하게 되고 상기 발생된 초음파는 상기 대상체(70)의 상부면(71)에서 내부로 진행하고 하부면(72)에서 반사되어 다시 상부면(71)으로 되돌아 온다. 이어 초음파 측정용 레이저(20)에서 상기 대상체(70)의 상부면(71)으로 되돌아온 초음파를 측정하기 위한 레이저 빔을 제1 광섬유(25)를 통해 산란광 포집헤드(30)로 출력한다. 상기 산란광 포집헤드(30)는 상기 출력된 레이저 빔을 수광하여 상기 대상체(70)의 상부면(71)에 조사한다. 이와 같이 상기 산란광 포집헤드(30)에 의해 조사된 초음파 측정용 레이저 빔(27)은 상기 상부면(71)에 발생된 초음파에 의해 주파수가 편이된다. 이때, 상기 산란광 포집헤드(30)는 상기 산란광(28)을 포집하여 제2 광섬유(31)을 통해 레이저 간섭계(40)로 출력한다. 상기 레이저-간섭계(40)는 상기 산란광(28)을 내부에서 왕복시켜 간섭을 발생시키고 상기 초음파에 기인한 서로 반대 위상의 투과 간섭광 및 반사 간섭광을 초음파 신호검출기(50)로 출력한다. 상기 초음파 신호검출기(50)는 상기 두 간섭광의 세기를 전기적 신호로 각각 변환하고 상기 전기적 신호를 이용하여 초음파 신호를 검출한다. 상기 초음파 신호검출기(50)는 예를 들어 오실로스코프가 될 수 있다.

여기서, 도 1에 도시된 일 실시형태에서 본 발명에 따른 초음파 측정용 레이 저 간섭계 안정화장치(100)는 상기 초음파 측정용 레이저(20)에서 출력되는 초음파 측정용 레이저 빔 중에서 일부를 수광하여 상기 레이저 간섭계(40)의 안정화 작용을 수행한다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, 도 1에 도시된 일 실시예와 같이 상기 초음파 측정용 레이저(20)에서 발생된 선형 편광된(linearly polarized) 레이저 빔은 반파장 판(half waveplate)(21)과 편광형 빛살가르개(polarizing beamsplitter)(22)에 의해 두 개의 빔으로 분리된다. 즉, 상기 반파장판(21)은 선형 편광된 레이저 빔의 편광방향을 회전시키는 광소자이다. 상기 반파장판(21)의 결정축(crystal axis) 회전을 통해 상기 초음파 측정용 레이저(20)에서 출력된 레이저 빔의 편광방향을 적절히 회전시킴으로써 상기 편광형 빛살가르개(22)에 의한 반사율을 조정한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 반파장판(21)의 결정축을 적절히 회전시켜 상기 편광형 빛살가르개(22)의 반사율을 조정함으로써 상기 초음파 측정용 레이저 빔의 일부는 제1 집광렌즈(23)로 투과시키고 나머지는 제2 집광렌즈(24)로 반사시킨다.

상기 편광형 빛살가르개(22)를 투과하여 상기 제1 집광렌즈(23)에 의해 집광된 제1 레이저 빔은 제1 편광유지 광섬유(polarization maintaining fiber;PMF)(25)를 통해 산란광 포집헤드(30)로 전송된다. 상기 제1 편광유지 광섬유(25)에 의해 전송된 레이저 빔은 상기한 바와 같이 산란광 포집헤드(30) 내부의 광소자들을 거쳐 측정 대상체(70)의 상부면(71)에 집광됨으로써 반대면(72)에서 반사되어 상부면(71)에 되돌아온 초음파(종파)의 측정에 사용된다. 한편, 상기 편광형 빛살가르개(22)에서 반사된 제2 레이저 빔은 제2 편광유지 광섬유(26)를 통해 본 발명의 레이저 간섭계 안정화장치(100)로 전송된다. 이로써 본 발명의 레이저 간섭계 안정화장치(100)는 상기 제2 편광유지 광섬유(26)를 통해 전송된 레이저 빔을 이용하여 상기 레이저 간섭계(40)의 안정화 작용을 수행하는 것이다.

다시 도 1을 참조하면, 초음파 발생용 레이저(10)에서 발생된 펄스형 레이저 빔(11)은 대상체(70) 표면에 수직으로 입사되어 각종 초음파(종파, 횡파 및 표면파)를 발생시킨다(참고문헌: Scruby, C.B). 이와 같이 펄스형 레이저 빔(11)의 입사에 의해 발생된 각종 초음파의 발생효율은 상술한 바와 같이 입사된 펄스 빔의 세기밀도(power density)에 의해 결정되며, 펄스형 레이저 빔(11)의 세기밀도가 커지면(측정대상 표면에서 대략 5x10⁸W/cm² 이상이면), 주로 표면물질의 융발(ablation)에 의해 초음파가 발생된다. 전술한 바와 같이 생산라인에서의 초음파 탐상에는 고강도의 초음파가 필요하므로 바람직하게는 융발 효과에 의한 초음파의 발생이 요구된다. 이와 같은 측정대상 표면의 융발에 의한 초음파의 발생을 위하여 수 나노 초(nano-seconds)에서 수십 나노 초의 짧은 펄스 폭의 레이저 빔을 발생시키는 Q-switched 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 초음파 발생용 레이저(10)는 상기 측정 대상체(70) 표면물질의 융발 효과에 의한 초음파가 발생하도록 상기 측정 대상체(70)의 두께에 따라 펄스형 레이저 빔의 세기를 조절하는 것이 가능하다.

도 2는 본 발명의 레이저 간섭계 안정화장치가 적용되는 초음파 측정용 레이 저 간섭계의 개략적인 예시도이다. 도 2에는 일례로 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계를 도시하고 있다. 먼저, 도 2(a)는 패브리-페로 간섭계의 기본적인 구성의 일 예시도로서, 산란광 포집헤드(31)로부터 제2 광섬유(31)를 통해 전송된 산란광(28)은 빔평행기(collimator)(61)에 의해 평행광으로 변환되어 공진기(cavity)(66)로 입사된다. 상기 공진기(66)는 바람직하게는 양단에 곡면의 부분반사 공진기거울(62,63)로 구성되는데, 상기 각 공진기거울(62,63)은 한쪽면이 소정의 반사율을 갖는 거울이며 다른 반대면은 유리로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 두 거울(62,63)은 일정한 간격을 두고 거울인 면이 서로 대향하여 배치되며 소정의 반사율을 갖는다. 따라서, 상기 공진기(66)로 입사된 산란광(28)은 상기 두 공진기거울(62,63)의 일부 반사에 의해 왕복되면서 간섭광(69)을 발생시킨다. 이때, 상기 두 공진기거울(62,63)은 소정의 반사율을 가지므로 일부 광은 투과시킨다. 따라서 상기와 같이 왕복되면서 제1 공진기거울(62)을 통해 출력되는 반사 간섭광(64)은 초음파 신호검출기(50)(도 1에 도시됨) 내의 제1 광검출기(51)로 입사된다. 또한 상기와 같이 왕복되면서 제2 공진기거울(63)을 통해 출력되는 투과 간섭광(65)은 초음파 신호검출기(50)(도 1에 도시됨) 내의 제2 광검출기(52)로 입사된다.

이와 같이, 제2 광섬유(31)를 통해 전송된 산란광(28)은 레이저 간섭계(40)에 의해 그 주파수가 분석되어 초음파 신호에 기인하는 광신호를 출력한다. 상기 레이저 간섭계(40)는 초음파에 의한 산란광의 파장 편이(shift)를 내부에서 반사 간섭광(64) 및 투과 간섭광(65)의 세기 변화로 변환한다. 다시 말하면 상기 산란광 포집헤드(30)에서 포집된 산란광(28)을 내부에서 왕복시켜 간섭을 발생시키고 초음 파에 기인한 서로 반대 위상의 반사 간섭광(64) 및 투과 간섭광(65)을 출력한다.

도 2(b)는 패브리-페로 간섭계의 다른 구성에 대한 예시도로서, 도 2(a)에서 다수의 광학소자가 추가된 구성을 나타낸다. 도 2(b)를 참조하면, 산란광 포집헤드(30)로부터 제2 광섬유(31)를 통해 전송된 산란광(28)은 빔평행기(collimator)(61)에 의해 평행광으로 변환된 후 편광형 빛살가르개(67) 및 쿼터(1/4)파장판(68)을 통과함으로써 상기 산란광(28)의 편광방향이 45도 회전하게 된다. 상기 회전된 산란광(28)은 공진기(66)에 입사되며 도 2(a)에서 설명한 바와 같이 내부에서 왕복되어 간섭을 발생시킨다. 이후의 과정은 도 2(a)에서 설명한 과정도 동일하므로 설명을 생략한다. 다만, 제1 공진기거울(62)을 통과한 반사 간섭광(64)은 다시 쿼터파장판(68)을 통과하면서 그 편광방향이 45도 더 회전하게 되고 이로써 상기 편광형 빛살가르개(67)를 투과하지 못하고 반사되어 제1 광검출기(51)로 입사하게 된다.

도 2(c)는 패브리-페로 간섭계의 또 다른 구성에 대한 예시도로서, 도 2(b)의 레이저 간섭계에서 제2 광검출기(52)의 전단에 또 다른 쿼터파장판(73) 및 편광형 빛살가르개(74)를 추가한 것이다. 도 2(c)에서는 상기 공진기(66)로부터 출력되는 투과 간섭광(65)을 상기 쿼터파장판(73)에서 수광하여 그 편광방향을 45도 회전시키고 상기 편광형 빛살가르개(74)에서 상기 편광방향이 회전된 투과 간섭광(65)을 통과시켜 제2 광검출기(52)에 입력되도록 한다. 도 2에는 본 발명이 적용되는 레이저 간섭계의 다양한 구성을 도시하고 있으나 본 발명이 적용되는 레이저 간섭계는 이에 한정되지 않는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치의 구성에 대한 개략도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 측정용 레이저 간섭계 안정화장치의 구성에 대한 개략도이며, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 측정용 레이저 간섭계 안정화장치의 구성에 대한 개략도이다. 도 3 내지 도 5에는 본 발명의 바람직한 실시 형태로서 본 발명에 따른 레이저 간섭계 안정화장치가 도 2에 도시된 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계에 적용되는 예를 도시하고 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 본 발명은 다른 간섭계에서 적용될 수 있음을 밝혀둔다.

먼저, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 간섭계에 적용된 레이저 간섭계 안정화장치를 예시하고 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 간섭계 안정화장치(100)는, 일정한 간격으로 이격되어 서로 대향하도록 위치되며, 입사된 레이저빔을 내부에서 왕복시켜 간섭광(110)을 출력하는 두 개의 공진기거울(62,63)을 갖는 공진기(66)를 포함하는 초음파 측정용 레이저 간섭계에서, 상기 공진기(66)로 입사된 레이저빔에 의한 간섭광(110) 신호의 세기를 검출하는 광검출기(101), 상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정하여 상기 간섭광(110) 신호의 세기를 조절하는 압전구동기(104), 상기 검출된 간섭광(110) 신호의 세기를 설정된 광신호 세기의 허용범위와 비교하여 소정의 제어신호를 출력하는 안정화제어회로(102) 및 상기 제어신호에 따라 상기 압전구동기(104)의 구동을 조절하는 압전구동기조절기(103)를 포함하여 구성된다.

도 3을 참조하여 본 발명의 레이저 간섭계 안정화장치(100)를 보다 구체적으 로 설명한다. 도 3을 참조하면, 상기한 바와 같이 초음파 측정용 레이저(20)에서 출력된 일부 초음파 측정용 레이저 빔이 제2 광섬유(31)로 전송되어 레이저 간섭계의 공진기(66)로 입사된다. 상기 입사된 레이저 빔은 상기 공진기(66) 내부의 두 공진기거울(62,63)에 의해 왕복되어 간섭광(110)을 발생시킨다. 이때, 광검출기(101)는 상기 공진기(66)로부터 출력되는 간섭광(110) 신호의 세기를 검출한다. 안정화제어회로(102)는 상기 검출된 간섭광(110) 신호의 세기(Is)를 수신하여 미리 설정된 광신호 세기(Ir)와 비교하고 두 신호의 세기 차(

)가 최소가 되도록 소정의 제어신호(Vc)를 출력한다. 상기 두 신호의 세기의 차이와 제어신호의 관계는 하기 식과 같이 나타낼 수 있다.

[식]

상기 식에서 C는 변환상수이며, Vc는 압전구동기(104)에 인가되는 전압에 해당된다. 즉, 두 신호의 세기 차(

)가 존재할 경우 압전구동기(104)에 전압(Vc)을 인가하여 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정함으로써 두 신호의 세기의 차이(

)를 저감하는 것이다. 이와 같은 안정화제어회로(102)에 의해 두 신호의 세기 차가 미리 설정된 허용범위(△Ir) 보다 크지 않으면 레이저 간섭계는 안정화된 것이다. 여기서, 상기 미리 설정된 광신호 세기는 상기 초음파 측정용 레이저(20)로부터 전송된 레이저 빔에 의해 결정된다. 즉, 상기 레이저 빔의 세기가 커지면 간섭광(110) 신호의 세기(Is)도 커지므로, 미리 설정된 광신호 세기(Ir)도 이에 비례하여 증대시킨다.

상기 제어신호를 수신한 압전구동기조절기(103)는 상기 제어신호에 따라 압전구동기(104)의 구동을 조절한다. 상기 압전구동기(104)는 하나의 공진기거울에 고정되며, 상기 압전구동기조절기(103)의 조절신호에 따라 상기 하나의 공진기거울의 위치를 조정하여 상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정함으로써, 상기 간섭광(110) 신호의 세기를 조절하도록 한다.

이와 같이, 본 발명의 레이저 간섭계 안정화장치(100)는, 열악한 외부 환경에서 주변 온도나 진동 등에 의해 레이저 간섭계의 두 공진기거울(62,63) 사이의 거리의 미세한 변화하는 경우 상기 두 공진기거울(62,63) 간의 거리 변화에 따른 간섭광(110) 신호의 세기를 검출하고 그 검출결과에 따라 상기 두 공진기거울(62,63) 사이의 거리를 재 조정함으로써, 상기 두 공진기거울(62,63) 간의 간격을 항상 일정하게 유지하도록 하여 상기 레이저 간섭계가 항상 안정된 상태가 되도록 한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계에 적용된 레이저 간섭계 안정화장치를 예시한 것으로서, 도 3에 일례로 도시된 레이저 간섭계 안정화장치에 상기 공진기(66)로부터 출력되는 간섭광(110)의 편광방향을 45도 회전시키는 제1 쿼터파장판(106) 및 상기 제1 쿼터파장판(106)을 통과한 간섭광을 반사시켜 상기 광검출기(101)로 출력시키는 제1 편광형 빛살가르개(105)가 추가로 포함된 것이다.

또한, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계에 적용된 레이저 간섭계 안정화장치를 예시한 것으로서, 도 4에 일례로 도시된 레이저 간섭계 안정화장치에 상기 공진기(66)로 입사되는 초음파 측정용 레이저 빔을 평행광으로 변환하는 빔평행기(107), 상기 평행광으로 변환된 레이저 빔을 반사시키는 제2 편광형 빛살가르개(108), 상기 반사된 레이저 빔의 편광방향을 45도 회전시켜 상기 공진기(66)로 출력하는 제2 쿼터파장판(109)이 추가로 포함된 것이다. 상기한 도 3 내지 도 5에서의 동일한 구성요소는 동일한 동작을 수행하며, 제3광섬유(26)를 전송된 레이저 빔은 빔평행기(107)에서 수광되어 공진지(66) 또는 제2 편광형 빛살가르개(108)로 입사된다.

한편, 상기 공진기(66) 내부에서 다중반사에 의해 간섭되는 간섭광(110)의 세기는 간섭조건에 의해 결정된다. 이 때 간섭광(110)의 세기를 결정하는 간섭조건은 도 6에 나타낸 바와 같이 빛의 주파수(υ)와 두 공진기거울(62,63) 사이의 거리(d)에 의해 결정된다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 Fabry-Perot 간섭계에서의 반사 간섭광 및 투과 간섭광 사이의 관계를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 측정 대상체 표면에 도달한 초음파에 의해 산란광(28)의 주파수(υ)가 변하거나 상기 공진기(66)의 두 공진기거울(62,63) 간의 거리(d)가 변하면 레이저 간섭계에 의해 반사되는 빛의 세기(A)와 투과되는 빛의 세기(B)가 변한다. 따라서 두 공진기거울(62,63) 간의 거리(d)가 일정할 경우 간섭계에 의해 반사되는 빛의 세기(A)와 투과되는 빛의 세기(B) 변화는 초음파의 측정에 이용될 수 있다. 도 6에 표시한 레이저 간섭계 안정화 영역은 일정한 산란광(28)의 주파수(υ) 변화에 대해 반사되는 빛의 세기(A)와 투과되는 빛의 세기(B) 변화가 가장 큰 영역을 나타낸 것이며, 레이저 간섭계가 이 영역에 있을 때 초음파 측정효율이 가장 높다. 따라서 레이저 간섭계의 간섭조건은 항시 이 영역에 있는 것이 요구된다. 산란광의 중심 주파수는 항시 일정하므로 레이저 간섭계의 간섭조건 변화는 주로 두 공진기거울(62,63) 간의 거리(d) 변화에 기인하며, 본 발명에서는 레이저 간섭계를 안정화할 경우 도 3 내지 도 5에 표시한 압전구동기(PZT actuator)(104)를 이용한다. 즉, 상기 압전구동기(104)로 두 공진기거울(62,63)간의 거리를 조정하여 레이저 간섭계가 항시 도 6에 표시한 간섭계 안정화 영역에 있도록 하는 것이다.

다시 도 5를 참조하면, 도 1에서와 같이 초음파 측정용 레이저(20)에서 출력되는 레이저 빔의 일부를 편광형 빛살가르개(22)로 반사시킨 후 집광렌즈(24)를 이용하여 제3광섬유(26)로 전송한다. 상기 제3광섬유(26)로 전송된 레이저 빔은 도 5에 나타낸 바와 같이 빔평행기(107)에 의해 평행광으로 변환되고 제2편광형 빛살가르개(108)에서 반사되어 제2 쿼터파장판(109)을 통과하면서 편광방향이 45도 회전하여 원편광으로 변환된 후 레이저 간섭계의 공진기(66)로 입사된다. 상기 레이저 간섭계는 간섭광(110)을 형성하며, 이 레이저 간섭계를 통과한 간섭광(110)은 제1 쿼터파장판(106)을 통과하면서 편광방향이 45도 더 회전되어 원편광에서 선편광으로 다시 변환됨과 동시에 결과적으로는 최초의 편광방향에서 90도 회전한 후 제1 편광형 빛살가르개(105)에 의해 반사되어 광검출기(101)로 입사된다. 상기 광검출기(101)는 상기 간섭광 신호의 세기를 측정한다. 이 때 도 5에 도시된 안정화제어회로(102) 및 압전구동기조절기(103)에 의해 상기 광검출기(101)의 출력신호가 항 상 도 6에 나타낸 간섭계 안정화 영역에 있도록 조절된다. 이와 같이 초음파 측정을 위한 간섭광(69) 이외에 별도의 레이저 간섭계 안정화를 위한 또 다른 간섭광(110)을 발생시켜 이를 레이저 간섭계의 안정화에 사용하는 것이다.

이와 같은 레이저 간섭계의 안정화방법은 다음과 같은 장점이 있다. 첫째로, 초음파 측정에 사용되는 간섭광(69)에 손실을 발생시키지 않으며, 둘째로, 레이저 간섭계로 입사되는 산란광의 세기 변화에 관계없이 항시 안정적으로 레이저 간섭계를 안정화하는 것이 가능하다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정용 레이저 간섭계의 안정화방법을 보이는 흐름도이다. 먼저 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 일정한 간격으로 이격되어 서로 대향하도록 위치되며, 입사된 레이저빔을 내부에서 왕복시켜 간섭광(110)을 출력하는 두 개의 공진기거울(62,63)을 갖는 공진기(66)를 포함하는 초음파 측정용 레이저 간섭계에서 상기 공진기(66)로 입사된 레이저빔에 의한 간섭광(110) 신호의 세기를 검출한다(S10). 상기 검출된 간섭광 신호의 세기를 설정된 광신호 세기의 허용범위와 비교하고(S12), 상기 검출된 간섭광 신호의 세기가 상기 설정된 광신호 세기의 허용범위를 벗어나면(S14) 상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정하기 위한 제어신호를 출력한다(S16). 이어, 상기 제어신호에 따라 상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정하여(S18) 상기 간섭광 신호의 세기를 조절한다(S20). 만약 상기 단계(S14)에서의 비교결과 상기 검출된 간섭광 신호의 세기가 상기 설정된 광신호 세기의 허용범위를 벗어나지 않으면 상기 단계(S10)로 되돌아 가 계속해서 간섭광(110) 신호의 세기를 검출한다(S10).

상기 레이저 간섭계의 공진기(66) 내 두 공진기거울(62,63) 사이의 간격이 변화하면 상기 레이저 간섭계에서 출력되는 간섭광(110) 신호의 세기가 변하게 되는데, 본 발명의 초음파 측정용 레이저 간섭계의 안정화방법에서는 두 공진기거울(62,63)간의 거리 변화에 따른 간섭광(110) 신호의 세기 변화가 감지하여 압전구동기(104)의 구동을 통해 상기 두 공진기거울(62,63) 사이의 거리를 조정함으로써, 상기 두 공진기거울(62,63) 간의 거리가 항상 일정하게 유지되도록 하는 것이다. 이로써 초음파 측정을 위한 간섭광(69) 이외에 별도의 레이저 간섭계 안정화를 위한 또 다른 간섭광(110)을 이용하여 레이저 간섭계의 안정화를 구현하는 것이다.

상기한 상세한 설명 및 도면의 내용은 본 발명의 일 실시예에 한정하여 설명한 것이므로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변경 또는 삭제가 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 상세한 설명 및 도면에 의해 결정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되어져야 할 것이다.

본 발명에 따르면, 열악한 생산라인에서 외부환경의 특정 요인에 의한 레이저 간섭계의 진동 등에도 안정적으로 간섭계를 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 레이저 간섭계로 입사되는 레이저 빔의 산란광 세 기의 변화에 관계없이 항시 간섭계를 안정화할 수 있어 초음파 측정효율이 높이는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 일정한 간격으로 이격되어 서로 대향하도록 위치되며, 입사된 레이저빔을 내부에서 왕복시켜 간섭광을 출력하는 두 개의 공진기거울(62,63)을 갖는 공진기(66)를 포함하는 초음파 측정용 레이저 간섭계의 안정화장치에 있어서,

   상기 공진기(66)로부터 출력되는 레이저빔에 의한 간섭광 신호의 세기를 검출하는 광검출기(101);

   상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정하여 상기 간섭광 신호의 세기를 조절하는 압전구동기(104);

   상기 검출된 간섭광 신호의 세기를 설정된 광신호 세기의 허용범위와 비교하여 소정의 제어신호를 출력하는 안정화제어회로(102); 및

   상기 제어신호에 따라 상기 압전구동기(107)의 구동을 조절하는 압전구동기조절기(103); 를 포함함을 특징으로 하는 초음파 측정용 레이저 간섭계 안정화장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 공진기(66)로부터 출력되는 간섭광의 편광방향을 90도 회전시키는 제1 쿼터파장판(106); 및

   상기 제1 쿼터파장판(106)을 통과한 간섭광을 반사시켜 상기 광검출기(101)로 출력시키는 제1 편광형 빛살가르개(105); 를 추가로 포함함을 특징으로 하는 초 음파 측정용 레이저 간섭계 안정화장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 공진기(66)로 입사되는 레이저빔을 평행광으로 변환하는 빔평행기(107);

   상기 평행광으로 변환된 레이저빔을 반사시키는 제2 편광형 빛살가르개(108);

   상기 반사된 선편광의 레이저 빔을 원편광의 레이저 빔으로 변환시켜 상기 공진기(66)로 출력하는 제2 쿼터파장판(109); 을 추가로 포함함을 특징으로 하는 초음파 측정용 레이저 간섭계 안정화장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 안정화제어회로(102)는,

   상기 검출된 간섭광 신호의 세기가 상기 설정된 광신호 세기의 허용범위를 벗어하는 경우 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정하기 위한 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 초음파 측정용 레이저 간섭계 안정화장치.
5. 일정한 간격으로 이격되어 서로 대향하도록 위치되며, 입사된 레이저빔을 내부에서 왕복시켜 간섭광을 출력하는 두 개의 공진기거울(62,63)을 갖는 공진기(66)를 포함하는 초음파 측정용 레이저 간섭계의 안정화방법에 있어서,

   상기 공진기(66)로 입사된 레이저빔에 의한 간섭광 신호의 세기를 검출하는 제1단계;

   상기 검출된 간섭광 신호의 세기를 설정된 광신호 세기의 허용범위와 비교하는 제2단계;

   상기 비교결과 상기 검출된 간섭광 신호의 세기가 상기 설정된 광신호 세기의 허용범위를 벗어나면 상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정하기 위한 제어신호를 출력하는 제3단계; 및

   상기 제어신호에 따라 상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정하여 상기 간섭광 신호의 세기를 조절하는 제4단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 측정용 레이저 간섭계 안정화방법.

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