KR20130120206A - 광 파이버와 이를 이용한 센서 시스템 및 센싱 방법 - Google Patents

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Abstract

소정 길이로 연장되는 클래딩과, 상기 클래딩의 내부에서 상기 클래딩의 길이방향을 따라 연장되는 코어를 포함하고, 상기 코어 내부에는 상기 코어와 굴절률이 상이하고, 상기 코어를 통과하는 빛의 경로를 간섭하도록 상기 코어의 길이방향을 따라 배치되는 복수의 격자가 형성되며, 상기 복수의 격자는 각각 서로 다른 간격으로 배치되고, 광 입구로 빛이 조사되면, 상기 코어를 통과하는 상기 빛의 일부가 상기 복수의 격자에 의해 반사되어 상기 광 입구를 통해 출력되며, 상기 광 입구를 통해 출력되는 반사광은 서로 다른 방향으로 편광된 제1반사광 및 제2반사광을 포함하고, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광은 서로 다른 대역의 파장 스펙트럼을 형성하는 광 파이버가 제공된다.

Description

광 파이버와 이를 이용한 센서 시스템 및 센싱 방법{Optical fiber and, sensor system and sensing method using the same}
본 발명은 광 파이버와 이를 이용한 센서 시스템 및 센싱 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 광 파이버를 이용해 광 파이버가 굴절된 위치, 방향 및 곡률 등을 검출할 수 있는 센서 시스템 및 센싱 방법에 관한 것이다.
내시경 수술 등에 쓰이는 각종 내시경 장비는 침습에 의한 상처를 최소화할 수 있어 각광받고 있다. 하지만, 내시경 장비를 이용한 의료 행위는 인체 내에서 수시로 굴절되는 내시경 장비의 굴절 상태를 사용자가 육안으로 확인하기가 어렵기 때문에, 안전한 시술을 위해서 내시경 장비의 굴절 상태를 탐지해 사용자에게 알려줄 수 있는 방법이 강구될 필요가 있다.
이를 위해, 인체 내에서 다양한 방향으로 굴절되는 내시경 장비의 움직임에 대응하여 굴절 가능한 광 파이버를 센서로 이용하는 방법이 제안되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 일 형태의 광 파이버 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
광 파이버(1)는 유리 재질로 형성되어 자유롭게 굴절될 수 있는 클래딩(cladding)(2)과, 상기 클래딩(2)의 중심에서 클래딩(2)의 길이방향을 따라 형성된 코어(core)(3)를 포함한다. 클래딩(2)의 굴절율은 n1이고, 코어(3)의 굴절율은 n0로 서로 상이하다. 광 파이버(1)의 양 단부에는 광원(미도시)로부터 빛이 입사하는 광 입구(5)와, 코어(3)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(6)가 형성된다.
광 파이버(1)가 굴절되었는지 여부를 검출하기 위하여, 코어(3)에는 코어(3)의 길이방향을 따라 동일한 간격(Λ)으로 배치되는 복수의 격자(grating)(4)들이 형성된다. 격자(4)는 광 파이버(1)의 제작 과정에서 적외선 빛을 통해 코어(3) 일부분의 물성을 변화시킨 부분으로, (n0+△n)의 굴절율을 가진다.
격자(4)는 코어(3)를 통과하는 입사광(3)을 간섭하게 되고, 입사광(3)의 일부는 복수의 격자(4)에 의해 반사되어 광 입구(5)를 통해 반사광(8)으로 출력된다.
도 2(a)는 광 입구(5)를 통해 입사되는 입사광의 파장 대 크기에 대한 파장 스펙트럼을 도시한 것이고, 도 2(b)는 광 입구(5)를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
넓은 대역의 파장을 가지는 입사광이 코어(3)로 입사되더라도, 코어(3) 중간에 위치하는 복수의 격자(4)에 의한 간섭으로 광 입구(5)를 통해 특정 파장(λB)의 반사광만이 출력된다. 구체적으로, 광 입구(5)를 통해 입사된 입사광의 일부는 제일 처음 위치한 제1격자에 부딪히며 반사되고, 나머지 일부는 제1격자를 통과해 전진한다. 제1격자를 통과한 빛의 일부는 제2격자에 부딪히며 반사되고, 반사된 광은 제1격자와 다시 만나서 일부는 그대로 통과해 제일 처음으로 제1격자에 의해 반사된 빛과 합쳐지고, 나머지 일부는 제1격자에 의해 다시 반사되어 제2격자로 향한다. 이와 같은 현상은 제2격자 다음에 위치한 격자들에서도 동일하게 반복적으로 일어나고, 광 파이버(1)로 입사된 입사광은 복수의 격자(4)에 의해 반사와 통과를 거듭하면서 서로 간섭을 일으키게 된다. 결국, 도 2(a)에 도시된 형태의 파장 스펙트럼을 가지는 입사광이 입사되더라도, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 파장(λB) 외의 파장의 반사광들은 서로에 의한 간섭으로 거의 모두 소실되고, 파장(λB)을 가지는 반사광(8)만이 광 입구(5)를 통해 출력된다.
이때, 반사광의 파장(λB)은 하기 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
λB = 2·neff·Λ
여기서, neff는 코어의 유효 굴절율을 나타내는 지표이다.
위와 같은 구성을 가지는 광 파이버(1)의 특정 부분에 굴절이 발생하면, 굴절된 부분의 격자 간격이 변화하면서 파장 스펙트럼에 변화가 일어난다. 이러한 파장 스펙트럼의 변화를 감지하여 광 파이버(1)의 굴절 여부를 확인할 수 있게 되는 것이다.
하지만, 위와 같은 구성의 광 파이버(1)는 반사광을 분석해 광 파이버(1)의 굴절 여부는 확인할 수 있으나, 굴절의 위치 및 방향 등은 확인할 수 없다는 문제점이 있다.
도 3은 종래 기술의 다른 형태에 따른 광 파이버(10)를 도시한 것이다.
광 파이버(10)는 앞서 설명한 구성과 마찬가지로 클래딩(20)과 코어(30)를 포함한다. 클래딩(20)과 코어(30)의 굴절율은 서로 상이하다.
코어(30)에는 각각 세 개의 격자가 한 집합을 이루는 제1격자부 내지 제5격자부(41 내지 45)가 형성된다. 각각의 격자부를 형성하는 세 개의 격자들은 서로 동일 간격으로 배치되어 있다. 제1격자부 내지 제5격자부(41 내지 45)를 이루는 세 개의 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4, Λ5)은 Λ1＜Λ2＜Λ3＜Λ4＜Λ5의 관계를 가진다. 제1격자부 내지 제5격자부(41 내지 45) 사이의 간격(51, 52, 53, 54)은 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4, Λ5)에 비하여 현저히 크다.
위와 같은 구성에 따르면, 광 파이버(10)의 광 입구(50)로 입사된 빛에 대하여 격자부들에 의한 간섭이 발생하고, 광 입구(50)로 출력되는 반사광은 도 4에 도시된 바와 같은 파장 스펙트럼을 가진다.
도 4의 파장 스펙트럼에 나타나는 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5)은 각 격자부의 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4, Λ5)을 상기 [수학식 1]에 대입하여 구한 값에 해당한다. 다시 말해서, 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5)은 각각 제1격자부 내지 제5격자부(41 내지 45)에 의해 반사되어 출력되는 반사광의 파장을 나타내는 것이다.
광 파이버(10)가 제2격자부(42)가 위치한 부분에서 굴절되는 경우, 제2격자부(42)를 구성하는 격자들의 간격(Λ2)이 변화하게 될 것이고, 이에 따라 상기 [수학식 1]의 관계에 의해 도 4의 파장 곡선들 중 파장(λ2)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는(shift) 것을 관찰할 수 있게 된다. 파장(λ2)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는 것이 관찰되면 광 파이버(10)가 제2격자부(42) 위치에서 굴절되었다는 것을 알 수 있다.
한편, 광 파이버(10) 적어도 세 가닥을 한 다발로 묶어 사용하면 굴절 방향과 그 각도를 계산할 수 있다. 예를 들어, 제2격자부(42)가 위치한 부분이 구부러지게 되면, 구부러진 방향 쪽에 위치한 광 파이버(10)의 제2격자부(42)는 압축되어 반사광의 파장이 짧아지므로 파장 곡선이 왼쪽으로 이동하고, 반대쪽에 위치한 광 파이버(10)의 제2격자부(42)는 신장되어 반사광의 파장이 길어지므로 파장 곡선이 오른쪽으로 이동하는 현상이 발생한다. 따라서, 한데 묶인 세 가닥 이상의 광 파이버(10) 각각의 파장 스펙트럼의 변화를 분석하면 굴절의 방향 및 그 각도를 계산할 수 있게 되는 것이다.
하지만, 위와 같은 광 파이버(10)는 격자부들 사이(51, 52, 53, 54)에서 굴절이 생기는 경우, 격자부들의 격자 간격이 변화하지 않아 굴절 위치를 찾을 수 없게 된다. 따라서, 격자부들 사이 간격(51, 52, 53, 54)은 굴절 위치를 확인할 수 없는 소위 "데드 존(dead zone)"을 형성하게 된다. 매우 큰 간격으로 "데드 존"의 존재로 인해 굴절 위치를 정밀하게 센싱할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 하나의 격자부가 동일 간격으로 배치된 복수의 격자들로 구성되는 이유로 굴절 위치 계산을 정확히 계산하기 위한 해상도(Resolution)가 낮아진다.
예를 들어 제2격자부(42)의 첫번째 격자 부근에서 굴절이 발생한 경우와, 마지막 격자 부근에서 굴절이 발생한 경우 모두 파장(λ2)에 대한 곡선이 동일한 양상을 이동하게 되므로, 파장 곡선의 변화를 통해 위 두 가지 경우를 구별할 수 없어 정확한 굴절 위치를 파악하기가 어렵다는 문제점이 있다. 첫 번째 격자와 마지막 격자 사이의 간격은 일반적으로 5-10mm 정도이다.
나아가, 광 파이버(10)를 이용해 굴절 방향을 검측하기 위해서는 광 파이버(10) 여러 가닥을 묶어 사용하여야만 하므로, 광 파이버(10)를 센서로 이용하는 장비의 전체 크기가 같이 증가한다는 문제점이 있다.
대한민국 특허공개 제10-1998-076791호
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 광 파이버를 이용해 광 파이버가 굴절되었을 때 굴절된 위치, 방향과 그 각도 및 곡률을 모두 검출할 수 있어 내시경 장비 등의 굴절 상태를 파악하는 센서로 이용되기 적합한 광 파이버 및 이를 이용한 센서 시스템과 센싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 소정 길이로 연장되는 클래딩과, 상기 클래딩의 내부에서 상기 클래딩의 길이방향을 따라 연장되는 코어를 포함하고, 상기 코어 내부에는 상기 코어와 굴절률이 상이하고, 상기 코어를 통과하는 빛의 경로를 간섭하도록 상기 코어의 길이방향을 따라 배치되는 복수의 격자가 형성되며, 상기 복수의 격자는 각각 서로 다른 간격으로 배치되고, 상기 코어의 광 입구로 빛이 조사되면, 상기 코어를 통과하는 상기 빛의 일부가 상기 복수의 격자에 의해 반사되어 상기 광 입구를 통해 출력되며, 상기 광 입구를 통해 출력되는 반사광은 서로 다른 방향으로 편광된 제1반사광 및 제2반사광을 포함하고, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광은 서로 다른 대역의 파장 스펙트럼을 형성하는 광 파이버가 제공된다.
상기 복수의 격자의 간격은 상기 광 입구로부터 광 출구로 갈수록 일정한 함수로 증가 또는 감소할 수도 있다.
또한, 상기 코어는 상기 수평축 방향 밀도와 상기 수직축 방향 밀도가 서로 상이하여, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장차가 발생하도록 할 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 광 파이버와, 상기 광 파이버의 광 입구에 빛을 조사하는 광원과, 상기 광 파이버의 광 입구로부터 출력되는 반사광의 파장을 분석하는 광 분석기를 포함하고, 상기 코어의 중심은 상기 광 파이버가 이용된 센서 전체의 굴절 중심과 이격되어 배치되고, 상기 센서가 굴절하는 경우, 상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 위치 및 방향을 검출하는 센서 시스템이 제공된다.
상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 방향의 각도를 더 검출할 수도 있다.
또한, 상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 곡률을 더 검출할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 다르면, 상기 센서 시스템를 이용해 상기 광 파이버의 굴절 상태를 검출하는 방법으로서, 상기 광 파이버의 광 입구에 빛을 조사하는 단계와, 상기 광 입구로부터 출력되는 제1반사광 및 제2반사광을 수집하는 단계와, 상기 제1반사광 및 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 분석하는 단계와, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 있는 경우 변화량을 계산하여 상기 광 파이버가 굴절된 위치 및 방향을 검출 단계를 포함하는 센싱 방법이 제공된다.
상기 방법은 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 있는 경우 변화량을 계산하여 상기 광 파이버가 굴절된 방향의 각도 및 곡률을 검출하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
도 1은 종래 기술의 일 형태에 따른 광 파이버를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 광 파이버의 광 입구를 통한 입사광과 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 3은 종래 기술의 다른 형태에 따른 광 파이버를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 광 파이버의 광 입구를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버의 측면도 및 정면도이다.
도 7은 도 5의 광 파이버의 일 사용상태를 도시한 것이다.
도 8은 도 5의 광 파이버의 광 입구를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 9 및 도 10은 도 5의 광 파이버의 굴절 위치를 검측하는 원리를 도시하기 위한 도면이다.
도 11 및 도 12는 도 5의 광 파이버의 굴절 정도를 검측하는 원리를 도시하기 위한 도면이다.
도 13은 도 5 및 도 7과 함께 도 5의 광 파이버의 굴절 방향 및 그 각도를 검측하는 원리를 도시하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 시스템을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이버(100)의 측면도이고, 도 6은 도 5의 광 파이버(100)의 정면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 광 파이버(100)는 소정 길이로 연장되는 클래딩(110)과, 클래딩(110)의 내부에서 클래딩(110)의 길이방향을 따라 연장되는 코어(120)를 포함한다. 클래딩(110)의 외주에는 클래딩(110)을 감싸는 버퍼(buffer)와 상기 버퍼를 감싸는 재킷(jacket)이 더 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 도시 생략하였다.
광 파이버(100)는 주로 실리카(silica, SiO2) 등의 유리 재질로 이루어진다. 클래딩(110)은 순수한 실리카, 코어(120)는 저마늄이 첨가된 실리카(Ge doped SiO2)로 이루어져 굴절률이 서로 다르게 된다. 광 파이버(100)의 양 단부에는 광원(미도시)으로부터 빛이 입사하는 광 입구(130)와, 코어(120)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(140)가 형성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 코어(120)에는 코어(120)의 길이방향을 따라 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)가 형성된다. 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)의 코어(120)의 굴절률과 상이하다. 한편, 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각의 굴절률을 서로 동일하다.
복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)들은 서로 다른 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)으로 이격되어 배치된다. 본 실시예에 따르면 광 입구(130)에서 광 출구(140)로 갈수록 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 증가한다. 본 실시예에 따르면 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)은 일정한 비율로 점진적으로 증가한다. 본 실시예에 따르면, 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 증가하지만, 필요에 따라서 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 감소하도록 할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
한편, 광 파이버(100)의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 크다. 이러한 코어(120)의 수평축과 수직축 방향의 밀도 차이는 스트레스 강화부(160)에 의해 이루어진다.
스트레스 강화부(160)는 클래딩(110)과 열팽창계수가 다른 물질을 클래딩(110)에 삽입하여 형성된 부분이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 두 개의 스트레스 강화부(160)가 코어(120)를 중심으로 광 파이버(100)의 수평축 상에 대칭으로 형성된다.
광 파이버(100)에 스트레스 강화부(160)를 형성하는 과정을 설명한다. 먼저, 광 파이버(100)를 형성하기 위한 원통형의 모재에 스트레스 강화부(160)가 형성될 위치에 드릴링 가공을 하고 스트레스 강화부(160)의 재료를 삽입한다. 높은 온도에서 광섬유의 모재 제조 공정이 완료되고, 모재를 드로잉(drawing)하여 냉각시키면 광 파이버(100)가 형성된다. 이때, 클래딩(110)과 스트레스 강화부(160)의 열팽창계수의 차이로 인해 수평방향의 수축과 수직방향의 수축 정도에 차이가 일어나 코어(120)에서 한쪽 방향으로만 인장응력이 발생하게 된다.
본 실시예에 따르면, 두 개의 스트레스 강화부(160)가 코어(120)를 중심으로 광 파이버(100)의 수평축 상에 대칭으로 형성되고, 스트레스 강화부(160)로는 열 팽창계수가 클래딩(110)의 열팽창계수보다 작은 물질이 쓰인다. 이경우 수축시 스트레스 강화부(160)가 클래딩(110) 보다 덜 수축되며, 스트레스 강화부(160)는 코어(120)를 광 파이버(100)의 수평축 방향으로 압축한다. 이러한 구성에 의해, 광 파이버(100)의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 커지게 된다.
광 파이버(100)의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 커지게 되면서, 수평축(x) 방향의 굴절율이 수직축(y) 방향의 굴절율보다 커지게 된다. 또한, 코어(120)의 물성을 변화시켜 형성한 복수의 격자들의 수평축(x) 방향의 굴절율이 수직축(y) 방향의 굴절율보다 크다.
따라서, 코어(120)의 광 입구를 통해 입사되어 복수의 격자에 의한 간섭을 겪은 빛이 광 입구를 통해 다시 빠져나올 때 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 반사광은 서로 파장차(△λ)를 가지게 된다.
이하에서는, 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 광 파이버(100)의 반사광 특성을 더 구체적으로 설명한다.
광 파이버(100)의 광 입구(130)를 통해 빛이 입사하면 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)에 의해 반사된 반사광이 광 입구(130)로 출력된다.
앞서 설명한 바와 같이, 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 간의 간격은 일정한 비율로 증가하므로, 반사광의 파장 스펙트럼은 도 8에 도시된 바와 같이 넓은 대역대의 파장을 가지는 곡선(Cx, Cy)으로 표현된다.
상기 [수학식 1]의 관계에 의해, 곡선(Cx, Cy)의 피크들은 각각 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각에 의한 반사광의 파장(λ1, λ2,... λa,...λn)을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 코어(120)의 광 입구를 통해 출력되는 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 반사광은 서로 파장차(△λ)가 발생한다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 반사광은 각각 서로 대역이 상이한 두 개의 곡선(Cx, Cy)으로 표시된다. 두 곡선(Cx, Cy)은 각각 독립적으로 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각에 의한 반사광의 파장을 나타낸다. 예를 들어, 곡선(Cx, Cy)에서 파장(λx1)과 파장(λy1)은 모두 격자(g1)에 의해 반사되는 반사광의 파장을 나타낸다. 파장(λx1)과 파장(λy1)은 △λ의 파장차를 가진다.
본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 종래기술과 유사하게 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 사이의 간격이 증가 또는 감소함에 따라서 감지되는 파장 변화를 통해 굴절 상태를 검측한다. 광 파이버(100)의 중심이 광 파이버(100) 전체의 굴절 중심과 동일한 경우, 광 파이버(100) 중심을 기준으로 한 격자 간격은 그 변화 정도가 평균이 0이 되므로(광 파이버 중심을 기준으로 일 부분에서는 인접한 두 격자의 간격이 늘어나는 반면, 그 반대쪽 부분에서는 두 격자의 간격이 줄어들기 때문에 평균 간격의 변화는 실질적으로 0이 된다), 정확한 굴절 상태를 계산할 수 없다.
따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 코어(120)의 중심이 광 파이버(100) 전체의 굴절 중심과 이격되도록 한다. 광 파이버(100)의 중심이 실제 굴절 중심과 이격되도록 하는 방법으로는, 도 8에 도시된 바와 같이 광 파이버(100)의 중심이 광 파이버(100)가 적용되는 내시경 장비(150)의 중심(즉, 굴절 중심)과 다른 부분에 위치하도록 하는 방법이 있다. 또한, 광 파이버(100)의 바깥쪽에 가늘지만 강도가 좋은 지지심(미도시)을 부착하여, 상기 지지심이 광 파이버(100)의 굴절 중심이 되도록 함으로써 광 파이버(100)의 중심에 위치한 코어(110)의 중심이 굴절 중심과 이격되도록 할 수도 있을 것이다.
광 파이버(100)의 중심이 실제 굴절 중심과 이격된 상태에서, 예를 들어 내시경 장비(150)가 방향 1(도 8)로 구부러지는 경우, 구부러진 부분에서 광 파이버(100)의 격자들은 실질적으로 모두 압축되어 격자 간의 간격이 감소하게 된다.
이하에서는, 도 9 및 도 10을 참조하여 광 파이버(100)가 굴절된 위치를 검측하는 과정을 설명한다.
상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 굴절 상태를 파악하기 위하여 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 반사광을 모두 이용하지만, 도 10에서는 설명의 편의를 위해 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광의 파장 스펙터럼만을 도시하였다. 또한, 도 10에는 굴절이 발생하기 전 상태를 나타내는 곡선(Cbefore)과 굴절이 발생한 후를 나타내는 곡선(Cafter)을 동시에 도시하였다.
광 파이버(100)가 굴절부분 1(도 9)에서 굴절되었다고 가정하면, 굴절부분 1에 위치하는 격자와 그와 인접한 격자 사이의 간격이 변화하게 된다(도 10은 굴절에 의해 굴절부분 1에서 격자 간격이 증가하는 방향으로 굴절된 경우이다). 이에 따라서, 굴절부분 1에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장도 변화하게 된다. 결과적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 파장(λ1)에서의 빛의 크기(R)는 감소하고, 굴절부분 1에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장 변화로 인해 파장(λ1) 인근 파장(변화된 반사광의 파장)의 빛의 세기가 증가하면서 피크(P1)가 발생하게 된다.
광 파이버(100)가 굴절부분 2에서 더 한번 굴절되는 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 굴절부분 2에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장(λ2)이 옆쪽으로 이동하며 피크(P2)가 발생하게 된다.
본 실시예에 따르면 광 파이버(100)가 굴절되지 않은 상태에서의 복수의 격자 각각에 의한 반사광의 파장을 알고 있으므로, 상기한 원리를 역으로 이용하여 반사광의 파장 스펙트럼 중에서 반사광의 크기가 감소하는 파장을 검출하여 해당 파장의 반사광에 대응하는 격자의 위치를 검출할 수 있게 된다. 즉, 광 파이버(100)가 굴절하는 경우 파장 스펙트럼 변화를 통해 어느 격자가 위치한 부분에서 굴절이 발생하였는지 검출할 수 있는 것이다.
이하에서는, 도 11 및 도 12를 참조하여 광 파이버(100)가 굴절된 정도를 검측하는 원리를 설명한다.
도 12에는 설명의 편의를 위해 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광의 파장 스펙터럼만을 도시하였다. 또한, 도 12에는 도 11(a)의 경우에 해당하는 파장 스펙트럼 곡선(R1)과, 도 11(b)의 경우에 해당하는 파장 스펙트럼 곡선(R2)를 동시에 도시하였다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 광 파이버(100)가 동일한 지점에서 굴절되었으나, 굴절 정도가 상이한 경우를 도시한 것이다. 도 11(a)가 도 11(b)에 비해 더 많이 굴절된 상태를 도시한다(즉, r1 ＜ r2). 두 경우에, 도 12에 도시된 바와 같이, 곡선(R1)와 곡선(R2)은 거의 동일한 파장에서 피크가 발생하지만, 피크의 크기(R)가 서로 상이하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 굴절에 의해 발생하는 피크의 크기를 분석하여 광 파이버(100)가 굴절된 정도를 검출할 수 있다.
이하에서는, 도 5, 도 8 및 도 13을 참조하여 광 파이버(100)가 굴절된 방향 및 그 각도를 검출하는 원리를 설명한다.
광 파이버(100)가 도 5의 격자(ga) 위치에서, 도 8의 방향 3으로 굴절되는 경우, 격자(ga)와 그와 인접한 격자의 x축 방향 간격(Λx) 및 y축 방향 간격(Λy)이 모두 증가하게 된다.
격자의 x축 방향 간격(Λx)이 증가함에 따라서 격자(ga)에 의한 반사광의 파장(λax)도 증가한다. 따라서, 도 13(a)에 도시된 바와 같이, 파장 스펙트럼 곡선에서 파장(λax)을 가지는 빛의 크기가 감소하여 파장(λax)에서 R값이 감소하고, 파장(λax) 보다 우측에 위치한 파장(λax+△λx)에서 피크(P1x)가 발생한다.
한편, 격자의 y축 방향 간격(Λy)이 증가함에 따라서 격자(ga)에 의한 반사광의 파장(λay)도 증가한다. 따라서, 도 13(b)에 도시된 바와 같이, 파장 스펙트럼 곡선에서 파장(λay)을 가지는 빛의 크기가 감소하여 파장(λay)에서 R값이 감소하고, 파장(λay) 보다 우측에 위치한 파장(λay+△λy)에서 피크(P1y)가 발생한다.
이와 다르게, 광 파이버(100)가 도 7의 방향 2로 굴절되는 경우, 격자(ga)와 그와 인접한 격자의 x축 방향 간격(Λx)은 증가하고, y축 방향 간격(Λy)은 감소하게 된다.
이 경우, x축 방향 간격(Λx)의 증가에 의해 곡선(Cx)에서 피크(P1x)는 파장(λax) 보다 우측에서 발생하고, y축 방향 간격(Λy)의 감소에 의해 곡선(Cy)에서는 피크(P1y)는 파장(λay) 보다 좌측에서 발생하게 될 것이다.
도 8을 참조하여 광 파이버(100)가 굴절하는 경우에 따라 발생하는 현상을 정리하면 아래 표와 같다.
방향 곡선(Cx) 곡선(Cy)
방향 1 x축 방향 간격(Λx) 감소
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 좌측에 발생		 y축 방향 간격(Λy) 감소
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 좌측에 발생
방향 2 x축 방향 간격(Λx) 증가
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 우측에 발생		 y축 방향 간격(Λy) 감소
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 좌측에 발생
방향 3 x축 방향 간격(Λx) 증가
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 우측에 발생		 y축 방향 간격(Λy) 증가
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 우측에 발생
방향 4 x축 방향 간격(Λx) 감소
-> 피크(P1x)가 기준 파장보다 좌측에 발생		 y축 방향 간격(Λy) 증가
-> 피크(P1y)가 기준 파장보다 우측에 발생
파장 스펙트럼 곡선(Cx, Cy)이 어떠한 형태로 변화하는지를 분석하여 광 파이버(100)가 굴절된 방향을 알 수 있게 된다.
나아가, 광 파이버(100)가 굴절된 각도도 계산할 수 있다.
다시 도 13을 참조하면, 곡선(Cx)에서 △λx를 상기 [수학식 1]에 대입하면 광 파이버(100)가 굴절되기 전 상태에서의 격자(ga)의 원위치에서 격자(ga)가 x 축 방향으로 얼만큼 이동하였는지를 계산할 수 있다. 동일하게, 곡선(Cy)에서 △λy를 상기 [수학식 1]에 대입하면 격자(ga)가 원위치에서 y 축 방향으로 얼만큼 이동하였는지도 계산할 수 있다. 격자(ga)의 x축 및 y축에 대한 변위를 알 수 있으므로, 격자(ga)가 회전한 각도를 계산해 낼 수 있다.
상술한 원리에 의해 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 하나의 파이버를 이용해 굴절된 위치뿐만 아니라, 굴절된 방향 및 그 각도를 모두 측정할 수 있다. 따라서, 굴절된 방향 및 그 각도를 측정하기 위해서 적어도 세 가닥을 묶어 사용해야 하는 종래기술에 따른 광 파이버(도 3 참조)에 비해 매우 우수한 공간 특성을 가진다.
또한, 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 복수의 격자들이 비교적 촘촘히 배치되므로 종래기술에 따른 광 파이버에 형성되는 "데드 존"이 거의 존재하지 않는다.
또한, 본 실시예에 따른 광 파이버(100)에 의하면 검출되는 굴절 위치의 해상도(Resolution)가 종래 기술에 따른 광 파이버에 비해 대폭 향상 가능하다는 것을 확인하였다.
위와 같은 우수한 효과로 인해, 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 내시경 장비(150)와 같이 좁은 공간에서 이용되는 장비의 굴절 상태를 센싱하는 센서로 유용하게 이용될 수 있다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 시스템을 도시한 것이다.
본 실시예에 따르면, 센서 시스템은 광 파이버(100), 광 파이버(100)에 빛을 조사하는 광원(200) 및 광 파이버(100)로부터 출력되는 반사광을 분석하는 광 분석기(210)를 포함한다.
광 파이버(100)로부터 출력되는 반사광 중에서 수평축 방향으로 편광된 반사광과 수직축으로 편광된 반사광을 추출하는 것도 가능하지만, 본 센서 시스템에서는 동작의 간소화를 위해 광원(200)으로부터 출력되는 빛을 편광 제어기(240)로 통과시켜 수평축 방향으로 편광된 입사광과 수직축으로 편광된 입사광만을 추출한다.
따라서, 광 파이버(100)에는 수평축 방향으로 편광된 입사광과 수직축으로 편광된 입사광이 입사되며, 편광된 입사광들은 각각 수평축 방향으로 편광된 반사광과 수직축으로 편광된 반사광으로 출력된다. 출력된 반사광은 분배기(230)를 거쳐 광 분석기(210)로 보내진다. 광 분석기(210)는 수집된 수평축 방향으로 편광된 반사광과 수직축으로 편광된 반사광의 파장 스펙트럼을 실시간으로 분석하여 광 파이버(100)의 굴절 상태를 분석한다.

Claims (8)

  1. 소정 길이로 연장되는 클래딩과,
    상기 클래딩의 내부에서 상기 클래딩의 길이방향을 따라 연장되는 코어를 포함하고,
    상기 코어 내부에는 상기 코어와 굴절률이 상이하고, 상기 코어를 통과하는 빛의 경로를 간섭하도록 상기 코어의 길이방향을 따라 배치되는 복수의 격자가 형성되며,
    상기 복수의 격자는 각각 서로 다른 간격으로 배치되고,
    상기 코어의 광 입구로 빛이 조사되면, 상기 코어를 통과하는 상기 빛의 일부가 상기 복수의 격자에 의해 반사되어 상기 광 입구를 통해 출력되며,
    상기 광 입구를 통해 출력되는 반사광은 서로 다른 방향으로 편광된 제1반사광 및 제2반사광을 포함하고, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광은 서로 다른 대역의 파장 스펙트럼을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 격자의 간격은 상기 광 입구로부터 광 출구로 갈수록 일정한 함수로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 상기 수평축 방향 밀도와 상기 수직축 방향의 밀도가 서로 상이하여, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장차가 발생하는 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  4. 청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 광 파이버;
    상기 광 파이버의 광 입구에 빛을 조사하는 광원;
    상기 광 파이버의 광 입구로부터 출력되는 반사광의 파장을 분석하는 광 분석기를 포함하고,
    상기 코어의 중심은 상기 광 파이버가 이용된 센서 전체의 굴절 중심과 이격되어 배치되고,
    상기 센서가 굴절하는 경우, 상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 위치 및 방향을 검출하는 것을 특징으로 센서 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 방향의 각도를 더 검출하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광 분석기는 상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 굴절된 곡률을 더 검출하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
  7. 청구항 제4항의 센서 시스템를 이용해 상기 광 파이버의 굴절 상태를 검출하는 방법으로서,
    상기 광 파이버의 광 입구에 빛을 조사하는 단계;
    상기 광 입구로부터 출력되는 제1반사광 및 제2반사광을 수집하는 단계;
    상기 제1반사광 및 제2반사광의 파장 스펙트럼을 계산하는 단계;
    상기 제1반사광 및 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 분석하는 단계;
    상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 있는 경우 변화량을 계산하여 상기 광 파이버가 굴절된 위치 및 방향을 검출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1반사광과 상기 제2반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 있는 경우 변화량을 계산하여 상기 광 파이버가 굴절된 방향의 각도 및 곡률을 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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