KR20120080670A

KR20120080670A - 광섬유 소자와 자유공간 광학계를 병용하는 편광식 광간섭 계측장치

Info

Publication number: KR20120080670A
Application number: KR1020110002016A
Authority: KR
Inventors: 현 정
Original assignee: 주식회사에스에이치시스템
Priority date: 2011-01-08
Filing date: 2011-01-08
Publication date: 2012-07-18

Abstract

본 발명은 광섬유식 간섭계와 자유공간 간섭계를 병합하여 사용하는 광간섭계측장치에 있어서, 상기 광섬유 광분배기(102)로 부터 분기되는 두개의 광섬유 중 하나의 광섬유는 한쌍의 빔 익스펜더(104)에 연결되도록 하되, 일측의 광섬유 중간에는 광섬유 광경로지연기(103)를 설치하여 간섭무늬를 발생하기 위한 광경로차가 형성되도록 하고, 상기 한쌍의 빔 익스펜더(104)는 자유공간 광분배기(105)에 근접하여 설치되어 광섬유에 의해 전달된 광을 자유공간 광분배기(105)에 확장시켜 조사할 수 있도록 하며, 자유공간 광분배기(105)와 샘플단(109) 사이에 편광자(111)가 형성되도록 구성되는 광섬유 소자와 자유공간 광학계를 병용하는 편광식 광간섭 계측장치를 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 자유공간 광분배기와 샘플단 사이에 편광자를 형성하여 보다 감도를 높여 미세한 측정이 가능하도록 하는 효과를 가지며, 또 광섬유 분배기를 사용함으로써 통상적으로 자유공간 간섭계 구성 시 미세 정렬이 어려운 단점을 해소할 수 있고, 계측장치의 소형화 및 광간섭계 배치가 용이하여 다양한 구조로 제작이 가능하게 된다.
또한 광섬유 소자와 자유공간 광학계를 동시에 사용하여 마젠더 간섭계 등에도 적용하여 사용할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

광섬유 소자와 자유공간 광학계를 병용하는 편광식 광간섭 계측장치{Fiber-optic hybrid interferometer}

본 발명은 광섬유 소자와 자유공간 광학계를 병용하는 편광식 광간섭 계측장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유식 간섭계와 자유공간 광학계를 병용함으로써 광간섭 측정에 있어 정확도를 높이고, 구조를 간단하게 하여 안정성을 높이기 위한 광섬유 소자와 자유공간 광학계를 병용하는 편광식 광간섭 계측장치에 관한 것이다.

일반적으로 대표적 광학 구조 중 하나인 간섭계는 센서, 바이오 등 다양한 분야에서 광계측기술로 사용되고 있으며, 기존 광간섭계는 크게 광섬유식 간섭계와 자유공간 간섭계로 구분할 수 있다.

상기 광섬유식 간섭계를 이용한 측정 장치는 광원의 선폭이 좁은 레이저 광원; 상기 광원에서 방출된 빛을 커플링하여 같은 세기의 빛으로 분할하여 단일모드 광섬유를 통해 상기 측정 경로와 상기 기준 경로로 전달하고, 반사되는 빛을 커플링하여 전달하는 광섬유 분배기; 상기 기준 경로상에 배치되어 상기 광섬유 결합기에서 분할되어 전달되는 빛을 반사시키는 광섬유 거울; 상기 기준 경로상에 배치되어 상기 광섬유 거울에 의해서 반사되는 빛의 편광상태와 상기 측정 경로로부터 반사되는 빛의 편광 상태를 일치시키는 광섬유 편광 조절기; 상기 측정 경로상에 배치되어 상기 광섬유 결합기에서 분할되어 전달되는 빛을 정렬시켜 직선으로 전달하고, 반사되는 빛을 상기 광섬유 결합기로 반사시키는 광섬유 콜리메이터; 상기 측정 경로상에 배치되어 상기 광섬유 콜리메이터에서 직선으로 전달되는 빛을 상기 광섬유 콜리메이터로 반사시키는 거울; 상기 광섬유 결합기의 커플링과정에 의해 발생하는 빛에 의한 간섭무늬의 세기를 검출하는 광검출기; 상기 광검출기에서 검출되는 상기 간섭무늬의 위상을 실시간으로 계산하여 측정자에게 디스플레이하는 마이크로 프로세서를 포함하도록 구성되며,

자유공간 간섭계(bulk optics)는 광원으로부터 나온 광은 집광렌즈를 거쳐 평행광이 되어 광속분할기에 의해 광간섭 대물렌즈로 입사된다. 광간섭 대물렌즈에 입사된 광은 광간섭 대물렌즈 내의 광속분할기에 의해 두개의 광으로 분리되는데, 두개의 광 중에서 한 개의 광은 기준광으로서 고정도로 가공된 기준면에 입사되고 다른 광은 측정광으로서 측정하고자 하는 측정물에 조사된다. 기준면과 측정면에 입사 후 반사된 광은 동일 광로에서 만나서 간섭현상을 일으키게 되며, 간섭광 신호는 결상렌즈를 거쳐 광검출기에 도달하게 함으로써 상기 광검출기를 통하여 획득되는 영상의 간섭 신호에 의해 측정이 가능하도록 한다.

그런데 상기 광섬유식 간섭계는 광손실이 적고, 광 정렬에 대해 매우 우수한 특성을 가지고 있으나, 면광원, 즉 2차원 데이터의 획득은 매우 취약한 단점을 가지고 있고, 자유공간 간섭계는 면광원의 크기, 모양 등 제어에 유리하지만, 손실이 크고 광 정렬이 어려워 고정밀 셋업이 필요한 단점을 갖는다. 또한 자유공간 간섭계의 경우는 광섬유소자를 사용하는 것보다 느리기 때문에 고속(高速) 데이터 획득은 불가능한 단점과, 광 정렬시 미세한 어긋남에도 간섭광이 달라지는 단점을 갖는다.

특히 종래 광섬유식 간섭계는 감도가 낮은 단점을 갖는다.

따라서 본 발명은 광섬유식 간섭계와 자유공간 간섭계를 병합하되 광분배기로 부터 분기되는 두개의 광섬유 중 하나의 광섬유는 한쌍의 빔 익스펜더에 연결되도록 하되, 일측의 광섬유 중간에는 광섬유 광경로지연기를 설치하여 간섭무늬를 발생하기 위한 광경로차가 형성되도록 하고, 상기 한쌍의 빔 익스펜더는 자유공간 광분배기에 근접하여 설치되어 광섬유에 의해 전달된 광을 자유공간 광분배기에 확장시켜 조사할 수 있도록 하며, 자유공간 광분배기와 샘플단 사이에 편광자를 형성하여 보다 감도를 높여 미세한 측정이 가능하도록 하고, 2차원 데이터와 고속으로 데이터의 획득이 가능하게 함을 특징으로 한다.

이처럼 본 발명은 자유공간 광분배기와 샘플단 사이에 편광자를 형성하여 보다 감도를 높여 미세한 측정이 가능하도록 하는 효과를 가지며, 또 광섬유 분배기를 사용함으로써 통상적으로 자유공간 간섭계 구성 시 미세 정렬이 어려운 단점을 해소할 수 있고, 계측장치의 소형화 및 광간섭계 배치가 용이하여 다양한 구조로 제작이 가능하게 된다.

또 본 발명을 이용하여 진동, 거리 측정용 센서, 의료바이오용 진단기, 표면검사기 등의 계측 정확도 및 안정성을 높일 수 있으며, 광섬유 소자와 자유공간 광학계를 동시에 사용하여 마젠더 간섭계 등에도 적용하여 사용할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

도 1은 본 발명 편광식 광간섭계측장치의 개략적인 평면 구성도.
도 2는 본 발명 편광식 광간섭계측장치의 개략적인 측면 구성도.

이하 첨부된 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 광원(101)과, 상기 광원을 50:50으로 분배하기 위한 광섬유 분배기(102)와, 상기 분배된 광원을 이용하여 광경로 조절을 위한 광섬유 광경로지연기(103)와, 상기 광원을 넓게 조사하고 조사된 광원을 집광하기 위한 광섬유 콜리메이터 기능을 겸하는 광 익스펜더(104)와, 상기 조사된 광원을 두개의 광(光)으로 분리하여 한 개의 광은 기준광으로서 기준면에 입사하고 다른 광은 측정광으로서 측정하고자 하는 샘플단(109)에 조사하기 위한 자유공간 광분배기(105)와, 상기 자유공간 광분배기(105)을 통과하는 광원을 반사하기 위한 거울(106)로 이루어지는 광섬유식 간섭계와 자유공간 간섭계를 병합하여 사용하는 광간섭계측장치에 있어서,

상기 광섬유 광분배기(102)로 부터 분기되는 두개의 광섬유 중 하나의 광섬유는 한쌍의 빔 익스펜더(104)에 연결되도록 하되, 일측의 광섬유 중간에는 광섬유 광경로지연기(103)를 설치하여 간섭무늬를 발생하기 위한 광경로차가 형성되도록 하고, 상기 한쌍의 빔 익스펜더(104)는 자유공간 광분배기(105)에 근접하여 설치되어 광섬유에 의해 전달된 광을 자유공간 광분배기(105)에 확장시켜 조사할 수 있도록 하며, 자유공간 광분배기(105)와 샘플단(109) 사이에 편광자(111)가 형성되도록 구성된다.

물론 본 발명은 빛에 의한 간섭무늬의 세기를 검출하는 광검출기와, 상기 광검출기에서 검출되는 상기 간섭무늬의 위상을 실시간으로 계산하여 측정자에게 디스플레이하는 마이크로 프로세서와 같은 공지의 광간섭 계측을 위한 구성을 포함하고 있음은 당연하다.

이처럼 본 발명은 자유공간 광분배기와 샘플단 사이에 편광자를 형성하여 보다 감도를 높여 미세한 측정이 가능하도록 할 뿜만 아니라, 일반적인 광섬유식 간섭계와 자유공간 간섭계를 단독으로 사용하는 것과는 달리 광원(101)의 광을 광섬유로 전달하되, 정렬오차 요인을 제거하고 광경로지연과 편광 등 부가적 요소를 쉽게 인가할 수 있으며, 또 이로 인해 2차원 데이터의 획득이 가능하게 되고, 고속데이터의 획득이 가능하도록 하기 위해 어느 일측의 광섬유 광분배기(102)와 빔 익스펜더(104) 사이에 광섬유 광경로지연기(103)를 설치하고, 자유공간 광분배기(105)에 근접하도록 빔 익스펜더(104)를 설치함으로써 이를 해결할 수 있도록 한 것이다.

이를 도 2에 의해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

즉 빔 익스펜더(104)에 의해 자유공간 광분배기(105)로 입사된 빛은 자유공간 광분배기(105)에 의해 분리되어 하나의 광은 아래쪽으로 조사되어 편광자(111)를 거쳐 샘플단(109)에서 조사되고 다시 반사된 광은 다시 거울(106)에 의해 광학계를 거쳐 CCD소자(107)에 입사된다. 이때 상기 자유공간 광분배기(105)는 편광분배기를 사용하여야 한다.

이처럼 편광요소가 추가되면 광신호의 세기는 약해지지만, 민감도는 증가하게 된다.

또한, 빔 익스펜더(104)에 의해 자유공간 광분배기(105)의 빈 공간(107)에 입사된 빛은 거울(106)을 거쳐 다시 자유공간 광분배기(105)에 입사되어 위쪽으로 반사되면서 샘플단(109)에서 반사되는 광원과 간섭을 일으키게 되며, 이때 간섭된 빔이 CCD소자(108)에 입사되어 진다.

또 본 발명은 광섬유 소자를 사용함으로써 오 정렬 요인을 제거할 수 있으며, 광손실 또한 최소화할 수 있는 것이다.

이처럼 본 발명에 있어서 간섭무늬 형성과정을 살펴보면, 광원(101)으로부터 입사된 광신호는 광섬유 분배기(102)를 통해 분기된 이후에도 두 광원은 물리적으로 같은 성질을 가지므로 광섬유 광경로지연기(103)을 통과하여 CCD소자(108)로 입사되는 광과 샘플단(109)를 거쳐 CCD소자(108)로 입사되는 광이 간섭을 일으키게 되는데 이때 광섬유 광경로지연기(103)을 이용하여 간섭무늬를 최대로 일으킬 수 있는 만큼 다양한 폭의 광경로를 조절할 수 있는 것이다.

이때 형성된 광간섭무늬는 다음과 같이 정의할 수 있다.

[수학식]

이처럼 광간섭계는 분기된 두 경로의 광경로차에 의해 간섭무늬의 위상이 다르고, 분기된 두 광도파로를 따라 전송되는 광세기의 비율에 따라 간섭무늬의 크기가 다르고, 측정하고자 하는 샘플이 한쪽에만 위치할 경우, 샘플의 조건에 따라 간섭무늬의 위상 및 크기가 달라지게 되므로 결과적으로 간섭무늬의 변화를 측정하면 샘플의 특성을 정의할 수 있게 되는 것이다.

이처럼 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다 할 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
101 : 광원 102 : 광섬유 분배기
103 : 광경로 지연기 104 : 빔 익스펜더(beam expander)
105 : 자유공간 광분배기 106 : 거울
107 : 빈 공간 108: CCD소자
109: 샘플단 111 : 편광자
A: 자유공간 간섭계

Claims

광원(101)과, 상기 광원을 50:50으로 분배하기 위한 광섬유 분배기(102)와, 상기 분배된 광원을 이용하여 광경로 조절을 위한 광섬유 광경로지연기(103)와, 상기 광원을 넓게 조사하고 조사된 광원을 집광하기 위한 광섬유 콜리메이터 기능을 겸하는 광 익스펜더(104)와, 상기 조사된 광원을 두개의 광(光)으로 분리하여 한 개의 광은 기준광으로서 기준면에 입사하고 다른 광은 측정광으로서 측정하고자 하는 샘플단(109)에 조사하기 위한 자유공간 광분배기(105)와, 상기 자유공간 광분배기(105)을 통과하는 광원을 반사하기 위한 거울(106)로 이루어지는 광섬유식 간섭계와 자유공간 간섭계를 병합하여 사용하는 광간섭계측장치에 있어서,
상기 광섬유 광분배기(102)로 부터 분기되는 두개의 광섬유 중 하나의 광섬유는 한쌍의 빔 익스펜더(104)에 연결되도록 하되, 일측의 광섬유 중간에는 광섬유 광경로지연기(103)를 설치하여 간섭무늬를 발생하기 위한 광경로차가 형성되도록 하고, 상기 한쌍의 빔 익스펜더(104)는 자유공간 광분배기(105)에 근접하여 설치되어 광섬유에 의해 전달된 광을 자유공간 광분배기(105)에 확장시켜 조사할 수 있도록 하며, 자유공간 광분배기(105)와 샘플단(109) 사이에 편광자(111)가 형성되도록 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 소자와 자유공간 광학계를 병용하는 편광식 광간섭 계측장치.