KR20100032676A - 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템 - Google Patents

레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템 Download PDF

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야수아키 나가타
박현철
쇼헤이 하시구찌
나오야 하마다
히로히사 야마다
임충수
오기장
강명구
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Abstract

본 발명의 일 측면은 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 레이저 초음파 측정의 대상물체에서의 레이저 초음파 측정을 위해 복수 개의 광섬유를 통하여 전송된 고출력 레이저 펄스를 대상물체의 특정위치에 집광시키는 광학 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템은, 레이저 초음파 측정의 대상물체에 레이저 초음파를 발생시키기 위해 복수 개의 광섬유를 통하여 전송된 레이저 펄스를 집광시키는 광학 시스템에 있어서, 상기 복수 개의 광섬유에서 나온 복수 개의 레이저 펄스의 빔을, 가상의 동일한 광원에서 나오는 것과 같은 경로를 갖도록 굴절시키는 프리즘; 및 상기 프리즘에서 굴절된 복수 개의 레이저 펄스의 빔을 대상물체의 특정위치에 집광시키는 집광렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure P1020080091657
광섬유, 레이저 펄스, 집광렌즈, 다이크로익 미러, 프레넬 렌즈

Description

레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템{Optic system for oscillating laser ultrasonic}
본 발명의 일 측면은 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 레이저 초음파 측정의 대상물체에서의 레이저 초음파 측정을 위해 복수 개의 광섬유를 통하여 전송된 고출력 레이저 펄스를 대상물체의 특정위치에 집광시키는 광학 시스템에 관한 것이다.
금속이나 복합재료 등의 기계적 특성이나 미세조직은 통상 초음파 검사를 이용한다. 초음파 검사는 측정대상 내에서의 초음파의 전파특성을 이용하여 기계적 특성이나 미세조직을 파악하는 방법인데, 기본적으로 비파괴 검사방법이기 때문에 다양한 분야에서 매우 광범위하게 사용된다.
초음파 검사에는 통상 압전변환기(piezoelectric transducer)나 EMAT(electro-magnetic acoustic transducer)가 이용되어 왔다. 이 중에서 압전변환기는 측정대상과 변환기 사이에 초음파 전달 매질이 필요하며, 고온하에서 그 기능이 저하되는 단점이 있다. 그리고, EMAT는 통상 수 mm정도까지 측정 대상에 근접하여 사용되어야 하는 단점이 있다. 이와 같은 단점들로 인해 압전변환기나 EMAT를 이용하는 종래의 초음파 검사는 고속 이송 중인 대상 또는 고온의 생산라인과 같은 열악한 환경하에서 온라인 적용이 불가능하였다.
이러한 단점을 해결하기 위하여 레이저 초음파 방법이 개발되었다. 레이저 초음파 방법은 펄스형 레이저를 이용하여 초음파를 발생시키고, 측정대상의 내부를 전파한 초음파를 레이저 간섭계를 이용하여 측정하는 방법인데, 기본적으로 비접촉식 방법이기 때문에 고온인 측정대상의 초음파 탐상이 가능하고, 생산라인에서의 온라인 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 의 빔(beam)을 이용하여 초음파를 발생시키는 경우, 레이저 펄스의 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 펄스의 빔의 세기가 큰 경우에 발생하게 된다. 이 경우에 표면물질이 이온화(ionization) 및 기화(vaporization)되어 시편 표면에 대해 수직인 방향으로 전파하게 되며, 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 측정대상에 초음파가 발생하고, 측정대상의 내부를 전파한 초음파는 내부의 특성에 따라 속도나 세기가 변화된다. 초음파의 발생과 측정을 동일면에서 수행되도록 하고자 하는 경우, 측정대상 표면에 대해 수직으로 전파하는 초음파를 발생시키고, 측정대상 표면의 반대 면에서 반사된 초음파는 초음파가 발생된 지점과 동일한 지점에서 측정하는 것이 가장 효율적이다. 이는 측정대상 표면에 대해 일정한 각을 이루며 전파하는 초음파를 이용할 경우, 측정대상 표면의 반대 면에서 초음파가 반사할 때 모드 변환(mode conversion)에 의한 초음파 세기의 손실이 발생하며, 초음파의 발생지점과 측정지점이 다를 경우에는 초음파의 전파경로 및 전파거리 계산이 매우 복잡해지기 때문이다. 상기와 같은 기술적인 이유로 인해 생산라인에서 온라인으로 내부 특성을 측정하는 경우 융발 효과에 의한 초음파의 발생이 필요하다. 이러한 융발 효과에 의한 초음파의 발생을 이루기 위해서는 고출력의 레이저 펄스를 측정대상에 조사하여야 한다.
그러나, 통상 고출력 레이저 시스템은 그 규모가 크고 주기적인 정비가 필요하며 외부 환경에 민감하여 산업적 응용이 제한되고 있다. 즉, 복잡한 구조를 갖거나 열악한 환경 하에 있는 대상의 경우에는 상기한 바와 같은 고출력 레이저 시스템을 접근시키기 어렵기 때문에 고출력 레이저 펄스의 빔의 원격 전송이 필요하다.
이와 같은 고출력 레이저 펄스의 빔의 원격 전송을 구현하는 통상적인 광학적 방법은 그 구조가 매우 복잡하며, 실제적인 구현이 극도로 어렵다. 이와 같은 고출력 레이저 펄스의 원격 전송은 광섬유를 이용하면 용이하게 실현될 수 있다.
그러나, 이와 같은 광섬유를 이용한 레이저 펄스의 전송은 하나의 광섬유가 전송할 수 있는 최대 전송 에너지가 제한되기 때문에 고출력의 레이저 펄스의 빔이 필요한 경우에는 그 동안 광섬유 전송의 적용이 실제적인 효과를 갖지 못하는 문제점이 상존하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 여러 개의 광섬유를 사용하면 된다. 이를 상세히 설명하면, 총 에너지를 갖는 레이저 펄스 빔을 하나의 광섬유가 전송할 수 있는 최대 펄스 빔 에너지보다 작은 에너지를 갖는 다수의 펄스 빔으로 분기 (split)한 후, 각각의 개별적인 레이저 펄스의 빔들을 여러 개의 광섬유로 개별적으로 전송함으로써 고출력의 레이저 펄스의 광섬유 전송을 구현하면 된다. 이러한 방법으로 주위 환경의 영향을 최소화하며 고출력 레이저 펄스의 전송은 가능하지만, 레이저 초음파를 안정적으로 발생시키기 위해서는 여러 개의 광섬유를 통해 개별적으로 전송된 레이저 펄스를 한 지점으로 모으는 과정이 필요하다. 생산라인에서 온라인 적용을 하기 위해서는 측정대상 물체와의 충분한 거리가 확보되어야만 측정대상의 상태(고온, 고속이동 등)에 관계없이 적용할 수 있다.
이와 같이 먼 거리에서 한 지점에 여러 개의 레이저 펄스를 집광시키기 위해서는 대구경, 고배율의 렌즈를 사용하여야 한다. 예를 들어, 광섬유에서의 크기와 같게 집광시킨다 하더라도 집광렌즈부터 대상물체까지의 거리가 50cm라고 하면 광섬유와 렌즈까지의 거리도 50cm가 필요하며 광섬유에서 나온 빛의 퍼짐 각을 고려하면 렌즈의 직경은 40cm 이상이 되어야 한다.
이 경우에는 집광장치의 크기도 커질 뿐 아니라, 렌즈의 크기나 무게도 많기 때문에 적용하기에 쉽지 않다. 물론, 여러 매의 렌즈를 사용하여 광학장치를 구성하면 작은 구경의 렌즈들로 먼 거리에서 집광하는 것이 가능하지만 이 경우에는 광 손실이 크기 때문에 적합하지 않다.
본 발명의 일 측면은 레이저 초음파 발진을 위해 복수 개의 광섬유를 통하여 전송된 고출력 레이저 펄스를 대상물체의 특정위치에 집광시킴에 있어 소형의 광학계와 저렴한 비용으로 구현이 가능하게 하는 광학 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은, 레이저 초음파 측정의 대상물체에 레이저 초음파를 발생시키기 위해 복수 개의 광섬유를 통하여 전송된 레이저 펄스를 집광시키는 광학 시스템에 있어서, 상기 복수 개의 광섬유에서 나온 복수 개의 레이저 펄스의 빔을, 가상의 동일한 광원에서 나오는 것과 같은 경로를 갖도록 굴절시키는 프리즘; 및 상기 프리즘에서 굴절된 복수 개의 레이저 펄스의 빔을 대상물체의 특정위치에 집광시키는 집광렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 레이저 초음파 측정의 대상물체에 레이저 초음파를 발생시키기 위해 복수 개의 광섬유를 통하여 전송된 레이저 펄스를 집광시키는 광학 시스템에 있어서, 상기 복수 개의 광섬유에서 나온 복수 개의 레이저 펄스의 빔을 대상물체의 특정위치에 집광시키는 프레넬 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 측정을 위한 광학 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 복수 개의 광섬유와 프레넬 렌즈 사이에 구비되어, 상기 대상물체의 특정위치에서 산란된 레이저 빔의 산란광을 특정한 위치로 집광시키는 다이크로익 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 복수 개의 광섬유의 길이 방향은 서로 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 복수 개의 광섬유의 일측 선단부가 향하는 방향의 각도를 조절하여 상기 레이저 펄스의 빔이 나오는 방향을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 복수 개의 광섬유로부터 상기 레이저 펄스의 빔이 나오는 방향이 서로 대칭적으로 형성되도록 상기 광섬유의 일측 선단부가 향하는 방향의 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 초음파 발진을 위해 복수 개의 광섬유를 통하여 전송된 고출력 레이저 펄스를 대상물체와의 거리를 충분히 유지하면서 초음파 발생을 위한 효과적인 위치에 작은 크기로 집광시킴에 있어 소형의 광학계와 저렴한 비용으로 구현하는 것이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 초음파 측정을 위한 광학 시스템은, 복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c), 광섬유(100a, 100b, 100c)를 통과한 복수 개의 레이저 펄스의 빔을 대상물체(300)의 특정위치에 집광시키는 집광장치 (200)를 포함한다.
레이저 초음파 측정을 위한 광학 시스템은, 복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c)에서 나온 복수 개의 레이저 펄스의 빔이 동일한 집광장치(200)를 통과하여 집광장치(200)로부터 긴 오프셋 거리(offset distance)를 갖는 대상물체(300)의 특정위치에 집광되는 원리를 갖는 시스템이다.
복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c)와 대상물체(300)의 사이에 위치하는 집광장치(200)로는 (1)프리즘 및 집광렌즈, (2) 프레넬 렌즈(Fresnel lens) 및 (3) 다이크로익 미러(색선별 거울, dichroic) 및 프레넬 렌즈가 이용될 수 있다. 이들에 대해서는 각각 도 2 내지 도 4에서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 집광장치로 프리즘 및 집광렌즈를 이용한 경우의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c)에서 나온 복수 개의 레이저 펄스의 빔은 각각 서로 다른 프리즘(211, 212, 213)에서 굴절하게 된다. 이때, 프리즘(211, 212, 213)은 복수 개의 레이저 펄스의 빔이 가상의 동일한 광원에서 나오는 것과 같은 경로를 갖도록 굴절시킨다.
그리고, 각각의 프리즘(211, 212, 213)에서 굴절된 레이저 펄스의 빔들은 동일한 집광렌즈(220)를 통과한 후, 집광렌즈(220)로부터 긴 오프셋 거리를 갖는 대상물체(300)의 특정위치에 집광된다.
복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c)의 길이 방향은 서로 평행하게 배치되어 있고, 레이저 펄스의 빔이 나오는 방향이 서로 대칭적으로 형성되도록 광섬유(100a, 100b, 100c)의 일측 단면이 향하는 방향의 각도를 조절하여 레이저 펄스의 빔이 통과하는 방향을 조절하도록 할 수 있다.
각각의 프리즘(211, 212, 213)에서 굴절된 레이저 펄스의 빔들은 점선으로 표시된 바와 같이 다수 개의 레이저 펄스의 빔이 가상의 동일한 위치에서 여러 방향으로 조사되는 것과 같은 경로를 갖게 되므로 집광되는 레이저 펄스의 빔의 크기를 효과적으로 작게 할 수 있다.
도 3은 도 1의 집광장치로 프레넬 렌즈를 이용한 경우의 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c)에서 나온 각각의 레이저 펄스의 빔은 큰 구경을 갖는 프레넬 렌즈(230)를 통과한 후, 프레넬 렌즈(230)로부 터 긴 오프셋 거리를 갖는 대상물체(300)의 특정위치에 집광된다. 복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c)의 일측 끝과 프레넬 렌즈(230)는 어느 정도 이격된 거리가 필요하고, 프레넬 렌즈(230)와 대상물체(300)는 긴 오프셋 거리를 갖는다. 프레넬 렌즈(300)는 집광렌즈의 한 종류로, 두께를 줄이기 위하여 몇 개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에 프리즘 작용을 갖게 하여 수차를 작게 한 렌즈이다.
복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c)의 길이 방향은 서로 평행하게 배치되어 있고, 레이저 펄스의 빔이 나오는 방향이 서로 대칭적으로 형성되도록 광섬유(100a, 100b, 100c)의 일측 단면이 향하는 방향의 각도를 조절하여 레이저 펄스의 빔이 나오는 방향을 조절하도록 할 수 있다.
집광장치로 프레넬 렌즈(230)를 이용하는 경우에는 프레넬 렌즈(230)가 크기 때문에 전체 시스템의 크기가 커지는 단점이 있지만 저렴한 비용으로 시스템을 구현하는 것이 가능하다.
도 4는 도 1의 집광장치로 다이크로익 미러 및 프레넬 렌즈를 이용한 경우의 구성도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c)에서 나온 각각의 레이저 펄스의 빔은 다이크로익 미러(240)와 큰 구경을 갖는 프레넬 렌즈(230)를 차례로 통과한 후, 프레넬 렌즈(230)로부터 긴 오프셋 거리를 갖는 대상물체(300)의 특정위치에 집광된다. 복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c)의 일측 끝과 프레넬 렌즈(230)는 어느 정도 이격된 거리가 필요하고, 프레넬 렌즈(230)와 대상물체(300)는 긴 오프셋 거리를 갖는다.
다이크로익 미러(240)는 투명한 다층박막 코팅을 한 평면거울에서 광의 입사각을 45°로 했을 때 박막 내의 광의 간섭효과에 의해서 어떤 파장의 광은 반사하고, 다른 파장의 광은 투과하는 성질을 갖게 한 미러이다. 평면판상 모양과 프리즘 모양의 것이 있는데, 막의 두께나 층수를 조절하거나 재료에 따라 가시광선의 일부를 선택하여 사용할 수 있다.
복수 개의 광섬유(100a, 100b, 100c)의 길이 방향은 서로 평행하게 배치되어 있고, 레이저 펄스의 빔이 나오는 방향이 서로 대칭적으로 형성되도록 광섬유(100a, 100b, 100c)의 일측 단면이 향하는 방향의 각도를 조절하여 레이저 펄스의 빔이 통과하는 방향을 조절하도록 할 수 있다.
집광장치로 프레넬 렌즈(230)를 이용하는 경우에는 프레넬 렌즈(230)가 크기 때문에 전체 시스템의 크기가 커지는 단점이 있지만 저렴한 비용으로 시스템을 구현하는 것이 가능하다.
집광장치로 광섬유(100a, 100b, 100c)와 프레넬 렌즈(230) 사이에 다이크로익 미러(240)를 더 배치하는 경우에는, 레이저 펄스의 빔을 집광시키는 기능 이외에도, 점선으로 표시된 바와 같이 초음파 검출용 레이저 빔이 대상물체(300)의 특정위치에 조사되어 발생한 산란광을 대상물체 외측의 특정한 위치로 집광시키는 기능을 동시에 갖는다. 이로 인하여, 대상물체(300)의 특성을 측정할 때 더 많은 산란광을 포집하여 큰 신호를 얻을 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부 된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 집광장치로 프리즘 및 집광렌즈를 이용한 경우의 구성도이다.
도 3은 도 1의 집광장치로 프레넬 렌즈를 이용한 경우의 구성도이다.
도 4는 도 1의 집광장치로 다이크로익 미러 및 프레넬 렌즈를 이용한 경우의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100a, 100b, 100c : 광섬유 200 : 집광장치
211, 212, 213 : 프리즘 220 : 집광렌즈
230 : 프레넬 렌즈 240 : 다이크로익 미러
300 : 대상물체

Claims (6)

  1. 레이저 초음파 측정의 대상물체에 레이저 초음파를 발생시키기 위해 복수 개의 광섬유를 통하여 전송된 레이저 펄스를 집광시키는 광학 시스템에 있어서,
    상기 복수 개의 광섬유에서 나온 복수 개의 레이저 펄스의 빔을, 가상의 동일한 광원에서 나오는 것과 같은 경로를 갖도록 굴절시키는 프리즘; 및
    상기 프리즘에서 굴절된 복수 개의 레이저 펄스의 빔을 대상물체의 특정위치에 집광시키는 집광렌즈;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템.
  2. 레이저 초음파 측정의 대상물체에 레이저 초음파를 발생시키기 위해 복수 개의 광섬유를 통하여 전송된 레이저 펄스를 집광시키는 광학 시스템에 있어서,
    상기 복수 개의 광섬유에서 나온 복수 개의 레이저 펄스의 빔을 대상물체의 특정위치에 집광시키는 프레넬 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 광섬유와 프레넬 렌즈 사이에 구비되어, 상기 대상물체의 특정위치에서 산란된 레이저 빔의 산란광을 특정한 위치로 집광시키는 다이크로익 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 복수 개의 광섬유의 길이 방향은 서로 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 광섬유의 일측 선단부가 향하는 방향의 각도를 조절하여 상기 레이저 펄스의 빔이 나오는 방향을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수 개의 광섬유로부터 상기 레이저 펄스의 빔이 나오는 방향이 서로 대칭적으로 형성되도록 상기 광섬유의 일측 선단부가 향하는 방향의 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 발진을 위한 광학 시스템.
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