KR20150100846A - 벨로우즈 및 간섭측정 변환기를 가지는 미기압계 - Google Patents
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Abstract
벨로우즈를 가지는 미기압계가 기준 베이스(11), 하나의 연부가 베이스의 기준 표면에 체결되고, 기준 표면에 수직인 연신 방향을 가지는, 벨로우즈(12), 외부로부터 밀봉 방식으로 벨로우즈를 격리시키기 위해서 벨로우즈의 다른 연부를 폐쇄하는 커버(13)로서, 벨로우즈의 연신의 변동이 주변의 초저주파 불가청 파동에 의해서 유도되는 압력 변동에 직접적으로 비례하는 조건으로 벨로우즈가 배치되는, 커버를 포함하고; 미기압계는 커버와 일체형인 반사 부재(14) 및 간섭측정 구성요소(16)를 더 포함하고, 그러한 간섭측정 구성요소는 공급원으로부터 비임을 수신할 수 있도록 설계되고 베이스의 기준 표면과 일체형이며, 반사 요소로 비임 분율을 방출하고 이러한 반사 요소 상에서의 반사 이후에 비임을 수집할 수 있도록 하기 위해서, 벨로우즈의 연신 방향에 평행하게, 반사 요소와 대면하는 입력/출력 광학 경로를 가지며, 이러한 구성요소는, 집적 기술을 이용하여, 동일한 기판 내에서 광학적 안내 라인, 및 광학적 분리 및 조합 지역을 포함한다.
Description
발명은 벨로우즈를 가지는 미기압계에 관한 것이다.
이러한 기구는 초저주파 불가청음(infrasound)으로도 지칭되는 초저주파 불가청 파동(infrasonic wave), 즉 주파수가 20 Hz 미만인 매우 작은 압력 변동(variation)(전형적으로, 밀리파스칼(millipascal) 내지 약 백 파스칼 범위에 포함된다)을 가지는 파동의 측정을 위해서 통상적으로 이용되고; 이러한 기구는 상응하는 신호의 세기 보다 파동의 형상을 측정한다. 이러한 기구는, 약 백, 또는 천 파스칼 수준의 정확도로, 대기압 즉, 105 Pa 단위의 값을 측정하는 기압계의 유형과 매우 상이한 유형이다.
초저주파 불가청 파동은, 자연적이든지 또는 그렇지 않든 간에, 적용예의 범위에 관한 개념을 제공하는 이하의 (비배타적) 목록의 이벤트에 의해서 특히 생성된다: 화산 분출에 관한 연구, 수명의 말기의 위성 또는 운석의 대기 내로의 재진입에 대한 연구 및 모니터링, 눈사태(avalanche)의 계수 및 위치결정(location), 핵폭발의 모니터링, 대기 중의 대류의 이동에 의해서 유도되는 중력 파동의 측정, 대기 모델에 관한 연구, 풍력 터빈, 기차, 항공기, 지하철에 의해서 생성되는 불가청 파동에 관한 연구.
초저주파 불가청 파동의 매우 낮은 주파수로 인해서, 초저주파 불가청 파동은, 가청 범위 내의 파동 보다 상당히 적게 감쇠되면서, 대기의 다양한 층에서 먼 거리에 걸쳐서 전파되는 성질을 가진다: 핵폭발과 같은 고-에너지 현상의 경우에 지구 주위로 몇 차례, 화산 분출과 같은 특정 자연 현상의 경우에 수천 킬로미터.
초저주파 불가청 파동을 효율적으로 측정하기 위해서, 미기압계가 이하의 성능을 가져야 한다:
- mPa 단위의, 즉 주변 대기압 보다 10-8 낮은 단위의 감도,
- 지구의 표면에서 측정된 최소 소음 보다 낮은 내재적 소음,
- 커버하고자 하는 유효 검출 대역(0.001 Hz 내지 10 Hz) 그리고, 가능한 경우에, 위치의 절대 정압(static pressure)을 가능하게 하는 대역폭,
- 대역폭 내의 평탄한 응답(flat response; 평탄 특성),
- 저주파수(중력 파동)를, 또는 심지어, 고도에 따라서 가변적인, 위치의 압력인 연속적인 성분을 필터링할 필요가 없이, 모든 현상을 검출하기 위한 가장 높은 가능한 동적 측정 범위,
- 검출 대역 외부에 위치되어야 하는 공진 주파수,
- 저주파수 파동과 혼동될 수 있는, 외부 온도에 의해서 센서에 미치는 매우 적은 영향.
벨로우즈를 가지는 미기압계가 약 50년 동안 존재하여 왔다. 그러한 미기압계는 영으로부터 20 Hz까지의 압력의 변동에 접근(access)하기 위해서 기압 측정의 원리를 이용한다. 기준 압력은, 베이스 상에서 대체로 수직으로 배치되는 벨로우즈 형태의 무산소(anaerobic) 캡술 내에 봉입된(enclosed) 일차적인 진공이다. 압력의 임의 변동은, 벨로우즈의 상부 부분의 선형 변위를 생성하면서, 벨로우즈를 변형시킨다. 기존의 기술에서, 이러한 변위는 LVDT 유형(LVDT는 "선형 가변 차동 변압기(Linear Variable Differential Transformer)"의 약어이다)의 전자기적 센서에 의해서 측정되고, 다시 말해서, "LDG 미기압계: 설명 및 성능 - 네트워크 디자인 - Gerard Ruzie - Ghislain Claque - CTBTO Informal infrasound workshop May 2 to 4 , 1996 CEA Bruyeres-le-Chatel France"라는 간행물에서 특히 설명된 바와 같은 선형 변위의 수동형(passive) 전기(유도) 센서에 의해서 측정된다.
전자기적 센서와 연관된, 벨로우즈를 가지는 미기압계는, 정밀 기계 및 전자기학에 통상적으로 숙달된 초저주파 불가청 파동에 관한 전문가에 의해서 수십 년에 걸쳐서 최적화되어 왔다. 이는, 1970년대 이후에 CEA에 의해서 개발된 MB 2000 및 MB 2005 유형의 마이크로바로그래프(microgarograph)의 경우에 해당된다.
수 많은 최적화에도 불구하고, 벨로우즈를 가지는 현재의 미기압계는 제한된 측정 스펙트럼 대역을 가지고, 민감한 전자기적 섭동(perturbation)을 가지며, 장착으로 인한 열적 민감도를 여전히 가진다.
본 발명은, 작은 전체 용적(bulk)으로 인해서, 실험실 상황의 외부에서 이용될 수 있는 능력과 함께, 전술한 한계들을 극복할 수 있게 하는 디자인을 가지는 미기압계에 관한 것이다.
그러한 목적을 위해서, 발명은 벨로우즈를 가지는 미기압계를 제공하고, 그러한 미기압계는:
· 기준 베이스(reference base),
· 하나의 연부가 그러한 베이스의 기준 표면에 체결되는 한편, 그러한 기준 표면에 수직인 연신(elongation) 방향을 가지는, 벨로우즈,
· 외부와 관련하여 유밀(fluid-tight) 방식으로 벨로우즈를 격리시키기 위해서 벨로우즈의 다른 연부를 폐쇄하는 커버로서, 벨로우즈의 연신의 변동이 주변의 초저주파 불가청 파동에 의해서 유도되는 압력 변동에 직접적으로 비례하는 조건으로 벨로우즈가 배치되는, 커버,
· 그러한 커버에 결합되는 반사 부재, 및
· 반사 부재로 비임 분율(beam fraction)을 방출하고 반사 부재 상에서의 반사 이후에 비임을 수집할 수 있도록 하기 위해서, 공급원으로부터 비임을 수신할 수 있도록 구성되고, 베이스의 기준 표면에 결합되고, 벨로우즈의 연신 방향에 평행하게, 반사 부재와 대면하는 입력/출력 경로를 가지는, 간섭측정 구성요소로서, 그러한 구성요소는, 집적 기술(integrated technology)을 이용한, 동일한 기판 내의, 광학적 안내 라인, 광학적 분할 구역 및 조합의 구역을 포함하는, 간섭측정 구성요소를 포함한다.
그에 따라, 발명은, 완전히 상이한 기술을 도입하는 것에 의해서, 벨로우즈를 가지는 미기압계의 전문가에 의해서 50년 동안 이루어진 LVDT 전자기적 기술을 포기할 수 있게 한다. 이를 위해서, 발명은, 벨로우즈를 가지는 미기압계 분야의 당업자에게 이제까지 공지되지 않은, 전자기적 변환기 대신에 그리고 그 대체물로서 간섭측정 변환기를 이용하는 것을 제공한다.
광학적 기술의 이용이 변위 측정을 위해서 이미 고려되고 있다는 것을 주목하여야 한다.
그에 따라, 약간 상이한 분야에서, 몇몇 실험실이, 예를 들어 Zumberge M., Berger J., Dzieciuch M.A., 및 Parker R.L.,의 “구상 줄무늬의 실시간 분해(Resolving quadrature fringes in real time)”, Applied Optics, Vol. 43, No. 4, 2004라는 간행물에서 설명된 바와 같이, 지진계 내에서 간섭측정 변환기를 이용하기 위한 시도를 하였다. 분해능이 2 Hz에서 5.10-13 m.Hz-1/ 2 인 광대역폭 및 넓은 동적 범위를 가지는 변위 변환기를 제공하기 위해서 2개의 구상 줄무늬가 실시간으로 분석되는 미켈슨(Michelson) 간섭계가 제안되었다.
그러한 간섭계는 복수의 파장판(waveplate), 비임 분할기 및 입방형 반사부를 구현하고, 구성에 있어서 각각의 광학적 요소의 정밀한 조정을 요구하고, 이는 그러한 광학적 요소의 구현을 복잡하게 만들고 많은 해(year)에 걸친 현장에서의 이용과 관련하여 취약하게 만든다.
그러한 복잡성 및 그러한 이용 상의 제약이 이제까지 미기압계 분야의 전문가가 이러한 기술에 관심을 가지는 것을 방해하였다고 생각할 수 있을 것이다.
이러한 편견과 대조적으로, 발명은 특별한 광학적 기술의 이용을 제공하고, 다시 말해서, 이제까지 특히 생물학적 및 천문학적 기구 적용예로 한정되었던, 집적 광학 기술로서 지칭되는 것을 제공한다(Malbet F., Kern P., Schanen-Duport I., Berger J.-P., Rousselet-Perraut K. 및 Benech P.의 "천문학적 간섭법을 위한 집적된 광학장치" I : 개념 및 천문학적 적용예. 천문학 및 천체 물리학 자료("Integrated optics for astronomical interferometry" I : Concept and astronomical applications. Astronomy and Astrophysics supplement) vol. 138, pp. 135-145, July 1999 라는 문헌 참조); 그러한 과학적 적용예에서 구현되었던 광학적 회로가 발명에 포함된 것들과 매우 상이한 광학적 안내부의 배치 및 간섭측정 혼합을 가진다는 것이 추가적으로 언급될 수 있을 것이다.
보다 특히, 발명에서, 초기 비임을 2개의 분율로 하위 분할하는 것, 그러한 분율 중 하나를 벨로우즈에 의해서 반송되는(carried) 거울을 향해서 안내하는 것, 반사된 분율을 수집하는 것 그리고 간섭계 신호를 출력하기 전에 그러한 분율을 다른 분율과 조합하는 것이, 마이크로기술(microtechnology)(나노기술이라는 용어가 오늘날 또한 사용된다)에서 공지된 마이크로-규모의(micrometric-scale) 또는 심지어 나노-규모의 식각 기술을 이용하여, 전형적으로 실리카인 기판 내로 광학적 안내부를 식각하는 것에 의해서 이루어진다.
여러 가지 광학적 요소(분할기, 지연기, 조합기 뿐만 아니라, 그러한 것들을 연결하는 안내 경로)가 동일한 기판 내에 형성되기 때문에, 그러한 광학적 요소의 개별적인 구성 및 그들의 상대적인 구성이 높은 정밀도로 형성될 수 있을 것이고, 이는 어떠한 추후의 조정도 배제하는 한편, 섭동되는 분위기, 일부 또는 다른 외부 지역에서 이용되는 경우에 잘못 조정될 위험을 제거한다.
이러한 기술은 치수의 최소화를 가능하게 하는 장점을 가진다: 분할 기능 및 혼합 기능이 집적된 광학 기판이 센티미터 단위의 크기를 가질 수 있을 것이고, 즉 그러한 기판이 미기압계 내로(또는 심지어 벨로우즈 내로 - 이하 참조) 집적될 수 있을 것이다.
조합될 수 있는 광학적 특징에 따라서:
· 벨로우즈가 기준 표면과 간섭측정 구성요소 사이에 배치되고, 반사 부재가 커버의 외측 면 상에 장착되고; 그러한 구성은 외부 요소, 특히 가간섭성(coherent) 광학적 공급원 또는 프로세싱 장치와의 임의 연결을 용이하게 만든다.
· 간섭측정 구성요소는 벨로우즈 주위에 배치된 기둥(pillar)을 통해서 기준 표면에 결합되고; 이는, 섭동되는 분위기의 경우에도, 조립체의 양호한 강성(rigidity) 획득에 기여하며,
· 전술한 구성에서, 기둥이 금속 및 인바(invar)의 혼합물로 형성되고, 그러한 혼합은, 기준 표면에 수직한 열 팽창 계수가 벨로우즈의 열 팽창 계수와 실질적으로 동일하도록 하는 비율로 이루어지고; 이는 주면 온도의 변동으로부터 실질적으로 독립된 측정을 획득할 수 있게 한다.
· 다른 구성에 따라서, 반사 부재 및 집적된 광학 간섭측정 구성요소가 벨로우즈 내부에 배치되고, 반사 부재는 커버의 내측 면 상에 장착되고 간섭측정 구성요소는 베이스의 기준 표면을 따라서 위치되며; 이는 용적의 최소화뿐만 아니라 외부 공격과 관련하여 부재를 벨로우즈 내부에서 보전하는 것을 초래한다. 기둥이 사라짐에 따라, 이러한 구성은 또한 측정에 미치는 온도의 영향을 최소화하는 상당한 장점을 실제로 가진다.
· 간섭측정 구성요소가 실리카 기판으로 형성되고, 그러한 실리카 기판의 구역들이, 전술한 광학적 라인, 분할 및 조합 구역을 형성하기 위해서, 예를 들어, 식각, 노출 및/또는 이온 확산에 의해서 변경되며; 이는, 나노기술 분야에서의 성질들이 양호하게 제어되는 기판을 기초로, 형성 지수 구배(forming index gradient), 또는 심지어 광학적 안내부의 경계를 정하는 불연속부에 상응한다(amount to).
· 미기압계는 벨로우즈 및 간섭측정 구성요소를 둘러싸는 덮개를 더 포함하고, 그러한 덮개는 베이스에 체결되고 유입구 개구 및 연결 도관을 포함하고, 유입구 개구는 덮개와 벨로우즈 주위의 기준 표면 사이에 구성된 봉입된 공간 내로 외부 공기가 유입될 수 있게 하고, 연결 도관은 복사선의 가간섭성 단색 공급원에 대한 그리고 간섭측정 신호를 프로세싱하기 위한 장치에 대한 광학적 연결을 가능하게 하도록 구성되고; 이러한 봉입된 공간은, 개구와 별개로, 유밀 방식으로 외부로부터 격리된다. 이러한 부피는, 지역적인 바람으로 인한 섭동이 어떠하든 간에, 벨로우즈 주위의 외부 압력의 균형을 가능하게 한다. 이러한 공기 유입구 개구가 일반적으로 필터링 관의 외부 네트워크에 연결되어, 지역적인 바람으로 인한 작은 변동을 최소화한다. 이는, 주변 분위기의 분진 및 응축물로부터 벨로우즈를 보호하면서, 외부 압력의 가능한 변동이 벨로우즈까지 접근하는 것을 보장할 수 있게 한다.
· 집적된 광학 간섭측정 구성요소는 입력 신호를 위한 입력부 및 4개의 출력부를 포함하고, 4개의 출력부 중 2개의 출력부는 구상의 간섭측정 신호를 위한 것이고, 1개의 출력부는 입력 신호 분율을 위한 것이며, 1개의 출력부는 반사 부재에 의해서 반사된 신호를 위한 것이며; 이는 간섭 신호의 매우 정확한 프로세싱을 가능하게 하여, 베이스에 대한 벨로우즈의 커버의 변위의 그에 따라 압력 변동의 그리고 그 원점(origin)에 있는 초저주파 불가청 파동의 정확한 평가를 유도한다.
· 반사 부재는, 반사 부재의 특히 단순한 형태인 평면형 거울이다(많은 다른 형태가 가능하고, 특히 고양이 눈 또는 코너 큐브(corner cube)가 가능하다).
· 벨로우즈의 부피는 저진공(rough vacuum)을 가지며, 이는 벨로우즈에 예비-응력을 가하고(pre-stress), 압력 변동과 그로부터 초래되는 벨로우즈의 연신의 변동 사이의 양호한 비례성을 향상시키는 것 뿐만 아니라, 외부 온도가 변동하는 경우에도, 벨로우즈의 내부 압력을 일정하게 유지하는데 기여한다. 그러나, 저진공 대신에, 벨로우즈가, 예를 들어 스프링 형태의, 본질적으로 기계적인 예비-응력형 부재에 의한 탄성적인 변형 체제(regime)가 될 수 있을 것이다.
발명의 목적, 특징 및 장점이, 첨부 도면을 참조한 예시적인 비제한적 예로서 제공된 이하의 설명으로부터 확인될 수 있을 것이다.
도 1은, 완전한 광학적 시스템 내의, 제1 예시적 실시예의, 발명에 따른 미기압계의 개략도이다.
도 2는, 완전한 광학적 시스템 내의, 발명의 다른 예시적 실시예에 따른, 다른 미기압계의 개략도이다.
도 3은 도 1 및 도 2 중 하나 또는 다른 하나의 미기압계에서 구현될 수 있는 집적된 광학 구성요소의 개략도이다.
도 4는, 도 3에 따른 유닛이 집적된, 도 1 또는 도 2의 미기압계로 구현된 완전한 간섭측정 시스템의 개략도이다.
도 5a 내지 도 5j는 도 3의 유닛의 형성에서의 연속적인 단계를 나타낸다.
도 6은, 덮개가 없는 상태로, 도 1의 도면에 따른 미기압계를 도시한 사시도이다.
도 7은 덮개와 함께 미기압계를 도시한 사시도이다.
도 2는, 완전한 광학적 시스템 내의, 발명의 다른 예시적 실시예에 따른, 다른 미기압계의 개략도이다.
도 3은 도 1 및 도 2 중 하나 또는 다른 하나의 미기압계에서 구현될 수 있는 집적된 광학 구성요소의 개략도이다.
도 4는, 도 3에 따른 유닛이 집적된, 도 1 또는 도 2의 미기압계로 구현된 완전한 간섭측정 시스템의 개략도이다.
도 5a 내지 도 5j는 도 3의 유닛의 형성에서의 연속적인 단계를 나타낸다.
도 6은, 덮개가 없는 상태로, 도 1의 도면에 따른 미기압계를 도시한 사시도이다.
도 7은 덮개와 함께 미기압계를 도시한 사시도이다.
도 1은 제1 예시적 실시예에 따른 벨로우즈 및 광학적 변환기를 가지는 미기압계의 개략도를 도시한다. 미기압계는 전체적으로 참조번호 '10'으로 표시되어 있고 이하의 부재로 구성된다:
- 센서 내의 임의 이동에 대한 기준으로서의 역할을 하는 베이스(11),
- 부피의 내부와 외부 사이의 압력의 변동에 따라 베이스에 대해서 선형적으로 변형되도록 구성된, 주름형 금속으로 이루어진 유밀 벨로우즈(12); 이러한 벨로우즈는 유밀 방식으로 베이스에 체결되는 연부를 가지며,
- 베이스에 반대되는 극단부에서 유밀 방식으로 벨로우즈를 폐쇄하고 그에 따라 베이스에 대한 벨로우즈의 변형을 "따르는(follow)" 커버(13)를 형성하는 완전한(full) 디스크,
- 완전한 디스크(3)에 결합되는 측정 거울(14),
- 이러한 실행예에서 여기에서 기둥으로 지칭되는 이격부재(11A)에 의해서 베이스에 연결되는, 베이스에 대해서 고정되고 베이스에 대한 거울(14)의 변위를 측정하도록 구성되는 광학적 간섭계(또한 여기에서 간섭측정 구성요소로 지칭된다)(15). 그에 따라, 이러한 간섭측정 구성요소 및 연관된 거울은 변위의 간섭측정 변환기를 형성한다.
구체적으로 후술되는 바와 같이, 광학적 간섭계(15)는 집적된 광학 유닛 또는 구성요소(16), 광학적 안내부(17A)에 의해서 유닛(16)에 연결되는 복사선 공급원(17), 및 광학적 안내부(또는 광학적 안내부의 번들(bundle))(18A)에 의해서 유닛(16)에 연결되는 프로세싱 장치(18)를 포함한다.
최소의 의미에서, 미기압계는 구성요소(16) 만을 포함하고, 공급원(17) 및 프로세싱 장치(18)는, 동작 시간에만 해당 최소 조립체에 연결되는 부속물이 될 수 있을 것이다. 이하에서 확인할 수 있는 바와 같이, 프로세싱 장치는 광학적 구성요소로부터 수신된 광학적 신호의 실시간 프로세싱을 필수적으로 제공할 필요가 없고, 추후의 이용을 위해서 그러한 신호를 단순히 저장할 수 있을 것이다.
벨로우즈가 체결되는 베이스의 표면(여기에서 베이스의 상부 표면으로서, 벨로우즈는 임의 위치에 배치될 수 있을 것이다)은 기준 표면을 구성하고, 그러한 기준 표면에 대한 벨로우즈 커버의 변위가 측정되어야 할 것이고; 이러한 표면은 바람직하게 평면형이다.
벨로우즈(12)는 탄성적인 성질을 가지고; 사실상, 초저주파 불가청 파동에, 보다 정확하게 그러한 초저주파 불가청 파동과 연관된 압력의 변동에 감응하는 구성요소이다. 벨로우즈는 일 단부에 위치하는 베이스(11) 및 타 단부에 위치하는 완전한 디스크(13)에 의해서 단부들이 폐쇄되는 주름형 시트 금속으로 형성된 실린더이다.
벨로우즈 내부의 압력은 기준 압력이며, 초저주파 불가청 파동으로 인한 외부 압력의 변동이 그러한 기준 압력에 대해서 측정된다.
바람직하게, 벨로우즈의 내부가 저진공하에 놓이고, 이는, 벨로우즈가 그 탄성 영역 내에 놓이도록 벨로우즈를 예비-응력 구성으로 배치하는 동작을 하고; 이는, 벨로우즈의 탄성적 변형 체제에서, 벨로우즈에 압축적 예비-응력을 가하기 위한 효과적인 수단이고, 그에 의해서, 초저주파 불가청 파동에 의해서 유도된 압력의 임의 변동이 그러한 변동에 비례하는 연신(또는 수축)을 초래하도록 보장한다. 이러한 저진공은 또한 일정하게 유지되는 기준 압력을 규정하도록 동작하고, 그러한 기준 압력에 대해서 측정이 이루어진다. 벨로우즈의 외부(일반적으로 대기압)와 내부 사이의 압력차는 평형을 형성하고, 그에 따라 벨로우즈의 기준 위치를 형성한다. 그에 따라, 벨로우즈가 기밀 상태가 되어 저진공을 유지하여야 한다. 여기에서 "대기압"(주변 압력이라는 용어가 또한 종종 이용된다)은, 초저주파 불가청 파동이 내부에서 전파될 수 있는 분위기와 관련한 임의의 상당한 제약(confinement)이 없는 경우에, 벨로우즈의 외부에 존재하는 압력을 나타내고; 어떠한 초저주파 불가청음도 고려하지 않을 때, 그러한 압력의 값은 또한 외부 온도 및 측정 고도에 실질적으로 의존할 수 있을 것이다.
커버(13)는 유사하게 기밀 상태이고; 벨로우즈와 베이스 사이, 그리고 벨로우즈와 커버 사이의 연결부가 또한 유밀 상태이다.
여기에서, 거울(14)은 평면형 판의 형태로 표시되어 있다. 유리하게, 외부 압력의 변동이 회전이 없는 해당 커버의 순수한 병진운동을 초래하도록, 벨로우즈의 변형 특성이 구성되고; 이러한 방식에서, 거울(14)은 벨로우즈가 취할 수 있는 평행 관계를 모든 구성에서 유지하고, 언제든지 광학적 간섭계로부터 수신된 비임을 주어진 방향으로 복귀시킬 수 있는 능력을 유지한다. 그러나, 비임을 입사 방향으로 정확하게 복귀시키는 성질을 가지는 모서리 반사부(corner reflector)와 같은, 이러한 조건을 피할 수 있게 하는 기하형태를 가지는 거울이 존재한다.
광학적 간섭계가 3개의 부재로 형성되는 것으로서, 다시 말해서 전형적으로 단색 레이저 공급원인 가간섭성 광학적 공급원(17), 입사 비임의 분율을 거울을 향해서 지향시키도록 그리고 거울에 의해서 반사된 비임을 수집하도록, 입사 비임 및 반사된 비임의 분율들을 조합하도록, 그리고 그러한 분율들을 프로세싱 장치로 전송하도록 구성된 집적된 광학 유닛으로서 표시되어 있다. 적어도 하나의 유닛(16)이 베이스에 대해서 고정되나; 이러한 모든 부재가 베이스에 대해서 고정되게 할 수 있다.
해당 유닛을 베이스에 대해서 체결하기 위한 이격부재(11A)가, 베이스의 기준 표면에 수직으로, 벨로우즈의 팽창 계수와 동일한 팽창 계수를 유리하게 가지며; 이는 주변 온도의 변동이 미치는 영향이 최소화될 수 있게 한다.
벨로우즈의 근접부 내에 초저주파 불가청 신호가 도달하는 것은 대기압의 변동을 초래한다. 이어서, 벨로우즈(12)의 평형이 변경되어, 베이스(11)에 대한 디스크(13)의 위치의 변동을 초래한다. 그에 따라, 초저주파 불가청 신호를 측정하는 것은, 베이스(11)에 의해서 형성된 기준 표면에 대한 디스크(13)의 변위를 측정하는 것에 상당한다.
공지된 미기압계에 대한 미기압계의 특이성은, 디스크(13)의 변위를 측정하기 위해서 간섭측정 기술을 이용한다는 것에 있다. 보다 특히, 입사 복사선의 분율과 벨로우즈 커버에 결합된 거울(14)에 의해서 반사된 복사선의 분율 사이의 조합이 이루어지고, 이는 간섭 줄무늬를 제공하고; 이러한 간섭 줄무늬는 거울이 이동할 때 변화된다.
발명의 보완적인 명세서에 따라서, 간섭계 내의 복사선의 분율을 안내하는 것이, 집적된 광학장치를 형성하기 위해서 부피 내에서 변경된 기판 내에서 실시되며; 이는 이하에서 명백해질 것이다.
도 2는 벨로우즈 및 광학적 변환기를 가지는 이러한 제1 미기압계의 변형예를 도시한다. 도 1에 도시된 것과 균등한 이러한 미기압계의 부분이 숫자 10을 더하는 것에 의해서 도 1의 부분으로부터 추정가능한 참조 기호로 표시되어 있다.
그에 따라, 전체적으로 참조 번호 '20'으로 표시된 이러한 제2 미기압계는 베이스(21), 벨로우즈(22), 벨로우즈를 폐쇄하는 커버(23), 및 커버 및 간섭계에 의해서 반송되는 거울(24)을 포함하고, 간섭계는 집적된 광학 유닛(26), 레이저 공급원(27) 및 신호 프로세싱 장치(28)를 포함한다.
도 1의 미기압계와 달리, 거울 및 적어도 집적된 광학 유닛이 벨로우즈 내에 위치되고; 보다 구체적으로, 거울(24)이 벨로우즈의 내측 면 상으로 체결되는 한편, 도 1의 예에서와 같이 베이스에 대해서 고정되는 유닛(26)이 여기에서 베이스의 기준 표면에, 다시 말해서 벨로우즈가 체결되는 상부면에 직접적으로 체결된다. 유리하게, 벨로우즈의 내부 부피가 진공하에 있기 때문에, 거울 및 유닛이 벨로우즈 외부의 공간을 차지하지 않고, 거울뿐만 아니라 유닛이 분진, 응축물 또는 주위 공기의 광학적 성질의 변경과 같은 외부 공격에 대해서 보호되고; 그에 의해서, 분위기로부터 보다 잘 독립된, 미기압계 성능의 양호한 정도의 항상성이 초래된다. 다른 장점은, 기준 표면과 간섭측정 장치 사이에 어떠한 기둥도 더 이상 없기 때문에, 온도에 대한 측정 민감도가 크게 최소화된다.
소위 "집적된" 광학 유닛의 구현은, 통상적인 광학 시스템과 대조적으로, 공급원(27)에 의해서 방출되는 비임뿐만 아니라 거울에 의해서 반사되는 비임이 실리카로 이루어진 기판의 본체 내에, 다시 말해서 침착(deposition)-식각 기술의 적용이 공지되어 있는 재료 내에 형성된 광학적 안내부에 의해서 지향된다는 장점을 가지며; 이는 "칩"이라는 명칭의 유닛을 형성할 수 있게 한다. 보다 구체적으로, 이러한 광학적 안내부는 여기에서 실리카 안내부를 내부에 형성하기 위한 실리콘 기판의 본체의 지역적인 변형에 의해서 생성된다.
이러한 안내부가 실리카 내로 특히 식각되고, 안내부는, 그러한 안내부가 형성하는 회로 전체와 함께, 시간에 걸쳐 매우 안정적이고 외부의 제약에 거의 민감하지 않으며, 이는 통상적인 광학적 조립체의 경우와 상이하다.
도 3은, 광의 경로가 구성요소 내로 직접적으로 새겨진, 안내형 광학 간섭측정 구성요소의 예의 개략도이며; 여기에서 Y-형상의 구역 및 혼합 구역이 식별될 수 있고, 그러한 Y-형상의 구역은 비임이 2개로 분리될 수 있게 하고, 혼합 구역은 2개의 비임이 조합되어 간섭 줄무늬를 형성할 수 있게 한다.
이러한 간섭계 구성요소는, 원칙적으로 단색적이 되도록, 주어진 주파수의 입력 비임을 수신하도록 구성된 입력 라인(31)을 포함하고; 이러한 입력 라인은 분할 구역(32)으로 이어지고, 그러한 분할 구역에서 입사 비임이 2개의 분율로 분할되고, 그러한 각각의 분율은 기준 라인(34) 및 순환 라인(33)을 따르고, 순환 라인은 거울과 대면하여 배치되도록 구성된 개구에 도달하고, 거울의 변위가 검출되며; 개구 근처의 그러한 라인의 배향은, 거울을 향해서 지향될 비임 분율이 거울을 타격하게 될 방향을 결정한다. 바람직하게, 구성요소와 거울 사이의 구성요소 외부에서 발생하는 손실을 고려하여, 거울을 향하는 분율이, 구성요소 내에서 안내되어 유지되는 분율 보다 크다.
기준 라인(34)은 분할 구역(35)까지 계속되고, 그러한 분할 구역에서 라인(34) 내에서 순환하는 비임 분율이 2개의 분율로 분리되고, 그러한 각각의 분율은 출력 기준 라인(36) 및 제1 혼합 라인(37)을 따른다.
라인(33)의 출력 개구가 거울에 의해서 반사된 복사선을 수집하도록 배향되고(그에 따라 그러한 개구가 입력-출력 개구가 된다); 이러한 라인(33)은 반사된 복사선의 대부분을 검출 라인(39)을 따라서 라인(33) 외부에서 발산시키도록 구성된 분할 구역(38)을 포함한다(그러한 복사선의 임의 분율이 라인(31)의 입력부를 향해서 역으로 진행하는 경우에, 이는 거울 변위의 검출에 참여하지 않을 것이다).
검출 라인(39)이 분할 구역(40)에 도달하고, 그러한 분할 구역에서 라인(39)의 비임이, 각각 출력 검출 라인(41) 및 제2 혼합 라인(42)을 따르는 2개의 분율로 분할된다.
혼합 라인(37 및 42)이 조합 구역(43)에 도달하고, 그러한 조합 구역에서 이러한 라인을 따라서 수신된 비임들이 조합되어 간섭 줄무늬를 만들고(간섭 패턴 형성이라는 용어가 이용된다); 그에 따라, 자체적으로 공지된 방식으로, 2개의 조합된 비임이, 각각 '44' 및 '45'로 표시된 출력 측정 라인을 따라서, 구상으로(in quadrature), 방출된다.
그에 따라, 입력 라인의 입력부에서, 'R1'으로 표시된 입사 비임, 'R2'로 표시된 방출되고 반사된 비임, 및 함께 'R3'로 표시된 출력 비임들의 그룹이 존재한다. 이러한 간섭계 구성요소는 간섭의 단순한 형성으로 제한되지 않는데, 이는 간섭계 구성요소가 거울을 향한 그리고 거울로부터의 여러 가지 분율의 안내를 또한 제공하기 때문이다.
도 4는, 도 1의 미기압계의 다른 부재를 포함하는 광학적 회로에서 도 3의 유닛을 도식적으로 그리고 개략적으로 나타낸다(그러나, 유닛은 또한 도 2의 미기압계의 상응하는 부재와 협력할 수 있을 것이다).
그에 따라, 유닛은, 입력 라인(31)의 입력부에서, 공급원(17)에 의해서 방출된 비임을 수신하고, 그 일부를 거울(14)로 전송하고 거울에 의한 반사 이후에 부분적인 비임을 수집하고, 이어서 그러한 반사된 비임을, 프로세싱 장치를 향해서 직접적으로 전송되는 분율과 조합 구역(43)으로 인가되는 분율 사이에서 분할하고; 또한, 이러한 유닛은 입력부에서 수신된 비임의 다른 부분을 분할 구역으로 전송하여, 그 중 하나의 분율이 프로세싱 장치로 직접적으로 향하여 전송되게 하고 다른 분율이 조합 구역(43)을 향해서 전송되게 한다. 유사하게, 유닛은 그러한 구역(43)으로부터 떠나는 조합된 비임을 프로세싱 장치를 향해서 방출한다.
유리하게, 렌즈(16A)가, 거울에 대면하여, 입력 라인의 출력부에 배치된다.
이러한 프로세싱 장치는 간섭측정 줄무늬 내에서 발견되는 변동을 분석하여, 그러한 변동을 유발하는 거울의 변위를 특성화하고(characterize), 그로부터 해당 변위를 유발한 압력 변동을 추정한다. 변형예로서, 프로세싱 장치가 디지털화 및 저장(또는 기록)을 위한 장치로 제한되어, 추후의, 독립적이고 보상적인(offset) 방식의, 출력 신호의 해석을 가능하게 할 수 있을 것이다.
라인(33)과 같은 광학적 라인의 생산이, Malbet 등의 전술한 문헌에서 발견될 수 있는 것에 따라, 도 5a 내지 도 5j에 개략적으로 도시되어 있다.
균질한 기판(100)으로 시작되고(도 5 참조), 그러한 기판 상에서 임의의 적절한 수단에 의해서 세정이 시작된다.
다음에 보호 층(105)이 형성되고(도 5b 참조); 이는, 예를 들어, 진공 하에서의 증발에 의해서 형성되는 알루미늄 층이다.
다음에, 감광 층(110)이 전형적으로 수지로 형성된다(도 5c 참조).
다음에, 예를 들어 UV 복사선에 의해서, 마스크(115)를 통해서, 층(110) 상에서 노광이 실시된다(도 5d 참조).
수지가 현상되고, 이는 노광이 일어난 위치에서의 층(110)을 제거하는 것에 상당한다(도 5e 참조).
이어서, 보호 층이 감광 층 내에 형성된 개구부를 통해서 공격된다(도 5f 참조).
이어서 감광 층을 제거하고(도 5g 참조), 기판(100)을 적절한 조성의 용융조(molten bath)에서 처리하여, 보호 층 내에 형성된 개구부를 통한 이온 확산을 유도한다(도 5h 참조). 기판(100)이 실리카일 때, 기판 내에서 확산시키기 위한 이온은 은 이온이며, 그러한 은 이온은 실리카의 광학적 성질을 지역적으로 변경한다.
보호 층을 제거한 후(도 5i 참조)에, 변경된 구역이 최종 기판 내에 매립되도록, 그렇게 변경된 기판의 구역이 층으로 커버된다. 이렇게 변경된 구역이 광학적 안내부를 형성한다(도 5j 참조). 변경된 구역을 커버하는 것이, 기판을 구성하는 재료와 동일한 재료의 층을 기상 증착하는 것에 의해서, 또는 상보적인 기판을 기판(100)에 접합하는 것(전형적으로 분자 접합(molecular bonding)에 의한다)에 의해서 획득될 수 있을 것이다.
그러한 집적 광학 기술의 장점은 이용의 단순성에 있다. 통상적인 광학 기술과 대조적으로, 광학 비임이 구성요소 내에서 완전하게 안내된다. 그에 따라, 추후의 조정을 필요로 하지 않는다. 충분한 정밀도로 도 3의 레이아웃을 위해서 필요한 여러 가지 광학적 경로를 생산할 수 있기만 하면 된다.
또한, 기판 내에 광학적 경로를 집적하는 이러한 기술이, 광학적 회로의 마지막 부분에서의 소정 품질의 줄무늬를 획득하는데 필요한 정밀도로, 도 3 및 도 4와 관련하여 언급한 광학적 라인뿐만 아니라, 여러 가지 분할 구역(단순히 Y-형상의 구역일 수 있을 것이다) 또는 조합 구역을 형성할 수 있게 한다는 것이 분명하다.
예시적인 실시예
도 6은, 영 내지 100 Hz의 압력 변동을 측정할 수 있는, 발명에 따른 벨로우즈 및 광학적 변환기를 가지는 미기압계의 예시적인 실시예의 사시도를 도시한다.
미기압계는 이하의 부재에 의해서 구성된다:
- 도 3의 일반적인 레이아웃에 따른 집적된 광학 간섭측정 구성요소(51),
- 해당 지지부의 열적 변형을 최소화하기 위해서 해당 재료의 낮은 열 팽창 계수의 장점을 취하기 위한, 인바로 이루어진 간섭계 지지부(52),
- 열이 측정에 미치는 영향을 최소화하기 위한, 알루미늄 및 인바로 이루어진 3개의 2개(bi)-재료 기둥(53),
- 베이스(54),
- 벨로우즈의 열 팽창을 최소화하기 위해서 인바로 이루어진, 초저주파 불가청 파동에 감응하는 벨로우즈(55),
- 알루미늄을 이루어진 완전한 디스크, 및 측정 거울(간섭계 지지부에 의해서 은폐되기 때문에 보여지지 않는다).
간섭계 지지부와 베이스 사이의 연결이, 알루미늄 및 인바로 이루어진, 3개의 2개-재료 기둥(5)에 의해서 만들어진다. 유리하게, 벨로우즈(55)의 팽창과 동일한 팽창을 위해서, 기둥을 구성하는 재료, 즉 알루미늄 및 인바의 상대적인 비율이 조정된다. 그에 따라, 벨로우즈의 열 변형, 및 그에 따른 열 영향만으로 인한 완전한 디스크의 변위가 기둥의 팽창에만 연계된 간섭계의 지지부의 변위와 동일하다. 측정에 미치는 온도의 영향이 최소화된다.
이용 가능한 원격 통신 구성요소의 신뢰성의 장점을 취하기 위해서, 이용된 간섭계는 유리하게 1550 nm의 복사선으로 동작한다. 간섭계는, 전술한 바와 같은, 소위 집적 광학 기술로부터 형성된 구성요소를 포함한다.
거울은, 예를 들어, 도 1 및 도 2와 관련하여 표시된 바와 같이 평면형 거울이다. 도시되지 않은 변형예에서, 거울이 고양이 눈 또는 코너 큐브 또는 임의의 다른 반사 장치일 수 있을 것이다.
구상의 2개의 간섭 신호뿐만 아니라 광도측정 정보가 기판을 빠져 나가고 참조번호 '56'으로 표시된 광학적 경로들 중 하나에 의해서 빠져 나갈 수 있을 것이다(광학적 공급원으로부터 오는 비임의 도달은 다른 경로에 의해서 이루어진다). 기판으로 입력되고 기판으로부터 출력되는 광학적 신호가 광섬유(미도시)를 통해서 외부로 연결된다.
도 7은, 폐쇄된 공간(58)을 형성하는 덮개의 배치 이후의 도 6의 광학적 변환기 및 벨로우즈를 가지는 미기압계의 외부도를 제공하고, 폐쇄된 공간은, 베이스에 체결된, 광학적 변환기 및 벨로우즈를 가지는 미기압계 주위의 대기압의 균질화를 보장한다. 덮개는, 1550 nm 공급원으로부터의 광학적 신호가 입력 및 출력으로서 전달될 수 있게 하는 2개의 광학적 연결부(57), 및 벨로우즈에 외부 압력이 가해지도록 외부 압력이 센서로 진입할 수 있게 하는 4개의 공기 유입구(60)를 포함하고; 베이스에 대해서 유밀 방식으로 체결되는 덮개를 가지는 것의 장점은, 폐쇄된 공간 내에서, 벨로우즈가 외부 공기를 위한 유입구 개구로부터 유래되는 압력의 변동에만 감응한다는 것이다. 변형예로서, 미기압계가, 양호한 유밀성을 가능하게 하면서, 부피 내에 배치되고 그에 따라 경계지어지도록, 이러한 덮개가 미기압계로부터 독립적으로, 예를 들어 베이스에 체결될 수 있을 것이다.
발명의 장점
이러한 발명의 장점은 이하와 같다:
- 연속적인 것(continuous)으로부터 50 Hz 까지의, 스펙트럼 측정 대역의 확장,
- 대기압으로부터 몇 밀리파스칼의 변동까지 걸쳐질 수 있게 하는 동적(dynamic) 범위,
- 초저주파 불가청 파동의 측정에 유용한 대역의 전체에 걸친, 지구의 표면에서 측정되는 최소 소음(초저주파 불가청 파동의 측정에 유용한 대역의 전체에 걸친, 지구의 표면에서 측정되는 최소 소음 보다 작은 기구 소음(참조: Bowman, Shields, O’Brien, "초저주파 불가청 스테이션 주변 소음 추정 및 모델(Infrasound station ambient noise estimates and models): 2003-2006", Infrasound Technology Workshop, Tokyo, Japan, November 13-16, 2007) 보다 작은 기구 소음,
- 특히 구성 2에서, 열적 민감도의 최소화,
- 광섬유로 인한, 검출 및 획측 전자 장치의 원거리의 배치,
- 광학적 간섭 측정으로 인한 전자기적 섭동에 대한 둔감성.
부수적인 기반에서, 발명에 따른 미기압계가 작은 용적을 가지고, 그에 따라 미기압계가 용이하게 운반될 수 있고 초저주파 불가청 파동을 모니터링하기를 원하는 공간 내에 용이하게 설치될 수 있을 것이다. 미기압계의 높이의 감소는 센서 자체 상에서 바람에 의해서 유도되는 기계적 진동에 대해서 상당히 덜 민감하게 만든다.
Claims (10)
- 벨로우즈를 가지는 미기압계이며:
· 기준 베이스(11, 21),
· 하나의 연부가 상기 베이스의 기준 표면에 체결되는 한편, 상기 기준 표면에 수직인 연신 방향을 가지는, 벨로우즈(12, 22),
· 외부와 관련하여 유밀 방식으로 벨로우즈를 격리시키기 위해서 벨로우즈의 다른 연부를 폐쇄하는 커버(13, 23)로서, 벨로우즈의 연신의 변동이 주변의 초저주파 불가청 파동에 의해서 유도되는 압력 변동에 직접적으로 비례하는 조건으로 벨로우즈가 배치되는, 커버(13, 23),
· 상기 커버에 결합되는 반사 부재(14, 24), 및
· 반사 부재로 비임 분율을 방출하고 상기 반사 부재 상에서의 반사 이후에 비임을 수집할 수 있도록 하기 위해서, 공급원으로부터 비임을 수신할 수 있도록 구성되고, 베이스의 기준 표면에 결합되고, 벨로우즈의 연신 방향에 평행하게, 반사 부재와 대면하는 입력/출력 경로를 가지는, 간섭측정 구성요소(16, 26)로서, 상기 구성요소는, 집적 기술을 이용한, 동일한 기판 내의, 광학적 안내 라인(31, 33, 34, 39, 36, 41, 42, 44, 45), 광학적 분할 구역 및 조합 구역(32, 38, 35, 40, 43)을 포함하는, 간섭측정 구성요소(16, 26)을 포함하는, 미기압계. - 제1항에 있어서,
벨로우즈(12)가 기준 표면(11)과 간섭측정 구성요소(16) 사이에 배치되고, 반사 부재(14)가 커버의 외측 면 상에 장착되는, 미기압계. - 제2항에 있어서,
간섭측정 구성요소가, 벨로우즈 주위에 배치된 기둥(11A)을 통해서, 기준 표면에 결합되는, 미기압계. - 제3항에 있어서,
기둥이 금속 및 인바의 혼합물로 형성되고, 금속 및 인바의 기준 표면에 수직한 열 팽창 계수가 벨로우즈의 열 팽창 계수와 실질적으로 동일하도록 금속 및 인바의 비율이 구성되는, 미기압계. - 제1항에 있어서,
반사 부재(24) 및 집적된 광학 간섭측정 구성요소(26)가 벨로우즈(22) 내부에 배치되고, 반사 부재(24)는 커버의 내부 면 상에 장착되고, 간섭측정 구성요소가 베이스의 기준 표면(21)을 따라서 위치되는, 미기압계. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
간섭측정 구성요소가 실리카 기판으로 형성되고, 실리카 기판의 구역이 변경되어 상기 광학적 라인, 분리 구역 및 조합 구역을 형성하는, 미기압계. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
벨로우즈 및 간섭측정 구성요소를 둘러싸는 덮개(58)를 더 포함하고, 덮개는 베이스에 체결되는 한편 유입구 개구(60) 및 연결 도관(57)을 포함하고, 유입구 개구는 벨로우즈 주위의 봉입된 공간 내로 공기가 유입될 수 있게 하고, 연결 도관은 복사선의 가간섭성 단색 공급원에 대한 그리고 간섭측정 신호를 프로세싱하기 위한 장치에 대한 광학적 연결을 가능하게 하는, 미기압계. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
집적된 광학 간섭측정 구성요소는 입력 신호를 위한 입력부 및 4개의 출력부를 포함하고, 4개의 출력부 중 2개의 출력부는 구상의 간섭측정 신호를 위한 것이고, 1개의 출력부는 입력 신호 분율을 위한 것이며, 1개의 출력부는 반사 부재에 의해서 반사된 신호를 위한 것인, 미기압계. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
반사 부재가 평면형 거울인, 미기압계. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
벨로우즈의 부피가 저진공 상태가 되는, 미기압계.
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