KR20190006659A - 브릴루앙 산란을 이용한 형상 센싱 장치, 방법 및 시스템 - Google Patents

브릴루앙 산란을 이용한 형상 센싱 장치, 방법 및 시스템 Download PDF

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송용원
장민수
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한국과학기술연구원
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Abstract

광섬유의 브릴루앙 산란을 이용하는 형상 센싱 장치는 광원에 의해 출력된 광을 분배하여, 제1 광신호 및 상기 제1 광신호의 주파수와 상이한 주파수를 갖는 제2 광신호를 생성하는 광변조부; 상기 광변조부에 광학적으로 연결되어, 일 단에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호가 입사되고 타 단에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호가 반사 되며, 서로 상이한 복수의 광 경로를 포함하는 센싱부; 및 상기 센싱부에 광학적으로 연결되어, 상기 센싱부에서 서로 반대 방향으로 전파되는 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의해 발생한 브릴루앙 산란 광신호를 검출하는 광검출부를 포함한다.

Description

브릴루앙 산란을 이용한 형상 센싱 장치, 방법 및 시스템{SHAPE SENSING DEVICE, METHOD AND SYSTEM USING BRILLOUIN SCATTERING}
실시예들은 측정 대상의 형상을 센싱하는 장치, 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 브릴루앙 광 상관영역 분석법(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis, BOCDA)을 이용하는 형상 센싱 장치, 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유는 외부 환경, 예컨대 온도 변화나 변형(strain) 등과 같은 외부 물리량의 변화로 인해 광섬유에서 발생하는 산란 광의 특성이 민감하게 변화하므로 센서로 이용할 수 있다. 또한, 광섬유 자체는 가볍고 유연하며 소형화가 가능하고, 외부 전자기파에 둔감하고 유해한 환경에 강하다. 이러한 장점과 함께 광섬유는 포설이 용이하고 구조물에 장착하기 쉬운 구조로 되어 있어 센서용으로 매우 적합하다.
대표적인 광섬유 센서로는 광섬유 내의 코어의 굴절률을 일정한 간격으로 변화시켜 특정한 파장의 빛을 반사하도록 제작한 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating) 센서가 있으나, 이는 격자가 새겨진 부분만 센서의 역할을 하는 점 센서(Point sensor)이기 때문에 물리량 변화의 분포를 측정할 수 있는 분포형 광섬유 센서에 비해 상대적으로 제한적이다.
분포형 광섬유 센서는 펄스 광원 또는 연속파(Continuous Wave; CW) 광원을 사용하여, 센싱 광섬유 내부의 후방 산란광의 특성을 분석하여 광섬유와 접착된 각 지점의 물리량을 측정한다. 즉, 분포형 광섬유 센서는 광섬유가 배치된 전 구간에서 나타나는 물리량의 연속적인 분포를 측정하는 센서이다.
이때 측정에 사용되는 후방 산란광의 종류에 따라 레일리(Rayleigh) 산란 기반 광섬유 센서, 라만(Raman) 산란 기반 광섬유 센서, 브릴루앙(Brillouin) 산란 기반 광섬유 센서 등으로 구분된다. 레일리 산란 기반 광섬유 센서는 주로 광섬유에서 발생하는 손실의 분포를 측정하는 경우에 사용된다. 라만 산란 기반 광섬유 센서는 분포형 온도 센서로 사용되고 있다.
브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서는, 외부에서 작용하는 길이 방향의 변형률이나 온도 변화에 따라 광섬유 고유의 브릴루앙 주파수 값이 변화하는데, 이러한 브릴루앙 주파수의 변화량을 구하여 외부 물리량 변화를 측정하는 센서이다.
브릴루앙 산란 기반 분포형 광섬유 센서의 종류로는 브릴루앙 광 시 영역 반사 측정법(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry, BOTDR), 브릴루앙 광 시 영역 분석법(Brillouin Optical Time Domain Analysis, BODTA) 및 브릴루앙 광 상관 영역 분석법(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis, BOCDA) 등이 있다. 이 중 BOCDA는 주파수가 변조된 연속 발진파(Continuous wave, CW) 형태의 광원을 이용하여 브릴루앙 주파수의 분포를 측정하는 방식으로서, 광 펄스를 이용하는 BOTDR과 BOTDA 방식에 비해 측정 속도 및 위치 분해능 측면에서 장점을 가진다.
그러나, 일반적인 BOCDA 방식의 분포형 광섬유 센서는 고리형 구조로서 인체 관절, 또는 로봇팔과 같은 다자유도 관절을 측정하는 것에 한계가 있다.
특허공보 10-1447090
본 발명의 일 측면에 따르면, 브릴루앙 광 상관 영역 분석법(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis, BOCDA)을 이용하는 형상 센싱 장치, 방법 및 시스템이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따른 광섬유의 브릴루앙 산란을 이용하는 형상 센싱 장치는, 광원에 의해 출력된 광을 분배하여, 제1 광신호 및 상기 제1 광신호의 주파수와 상이한 주파수를 갖는 제2 광신호를 생성하는 광변조부; 상기 광변조부에 광학적으로 연결되어, 일 단에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호가 입사되고 타 단에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호가 반사되며, 서로 상이한 복수의 광 경로를 포함하는 센싱부; 및 상기 센싱부에 광학적으로 연결되어, 상기 센싱부에서 서로 반대 방향으로 전파되는 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의해 발생한 브릴루앙 산란 광신호를 검출하고, 검출된 광신호로부터 브릴루앙 주파수의 변화를 측정하는 광검출부를 포함할 수 있다.
상기 센싱부는 복수의 광섬유와 스위치를 포함하고, 상기 복수의 광섬유는 상기 복수의 광 경로에 대응하며, 상기 스위치는 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 상기 복수의 광섬유에 순차적으로 전달할 수 있다.
상기 센싱부는 광섬유를 포함하고, 상기 광섬유는 하나 이상의 부분에서 절곡되어 서로 상이한 방향으로 연장되는 복수 개의 부분을 포함하며, 상기 복수 개의 부분은 상기 복수의 광 경로에 각각 대응하고, 브릴루앙 주파수가 측정되는 상관점은 상기 복수의 광 경로에 위치할 수 있다.
상기 센싱부는 복수의 코어를 갖는 멀티코어 광섬유와 스위치를 포함하고, 상기 복수의 코어는 상기 복수의 광 경로에 대응하며, 상기 스위치는 상기 동일한 광 경로로 인가된 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 상기 복수의 광섬유에 순차적으로 전달할 수 있다.
상기 멀티코어 광섬유는 3개의 코어를 포함하고, 상기 코어는 상기 멀티코어 광섬유의 중심을 기준으로 서로 대칭적으로 배치될 수 있다.
실시예들에 따른 형상 센싱 시스템은 상기 실시예들 중 하나에 따른 형상 센싱 장치 및 상기 형상 센싱 장치에 의하여 측정된 브릴루앙 주파수의 변화를 이용하여 각 광 경로의 변형률을 산출함으로써 상기 측정 대상의 움직임을 분석하는 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 광섬유의 브릴루앙 산란을 이용한 형상 센싱 방법은, 센싱부에 서로 상이한 복수의 광 경로를 형성하는 단계; 광원에 의해 출력된 광을 분배하여, 제1 광신호 및 상기 제1 광신호의 주파수와 상이한 주파수를 갖는 제2 광신호를 생성하는 단계; 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를, 상기 광변조부에 광학적으로 연결되며 서로 상이한 복수의 광 경로를 포함하는 상기 센싱부의 일단에 입사시키는 단계; 상기 센싱부의 타단에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 반사시키는 단계; 상기 센싱부에서 발생한 브릴루앙 산란 광신호를 상기 센싱부에 광학적으로 연결된 광검출부에서 검출하는 단계; 및 상기 광검출부가 검출된 광신호로부터 브릴루앙 주파수의 변화를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 센싱부의 일단에 입사시키는 단계는 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 상기 복수의 광 경로에 순차적으로 입사시키는 단계를 포함할 수 있다.
센싱부에 서로 상이한 복수의 광 경로를 형성하는 단계는, 광섬유를 하나 이상의 부분에서 절곡되어 서로 상이한 방향으로 연장되는 복수 개의 부분으로 배치하는 단계; 및 브릴루앙 주파수가 측정되는 상관점이 상기 복수 개의 부분에 위치하도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
형상 센싱 방법은 상기 센싱부는 측정 대상의 관절 부위에 부착되며, 측정된 브릴루앙 주파수의 변화를 이용하여 각 광 경로의 변형률을 산출함으로써 상기 측정 대상의 움직임을 분석하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 BOCDA 방식을 이용하여 복수의 광 경로에서 위치에 따른 곡률 분포를 연속적으로 측정하는 형상 센싱 장치로서, 종래의 FBG를 기반으로 한 방식에 비해 다수의 측정점이 사용되므로 측정의 정확도를 높일 수 있고 광섬유에 FBG를 새길 필요가 없다. 아울러 BOTDA 방식을 이용하는 경우에 비해 위치 분해능이 높다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 광섬유의 브릴루앙 산란을 이용한 형상 센싱 장치, 방법 및 시스템을 이용하면, 프로브광과 펌프광이 센싱부의 일 단으로만 입사하므로, 양 단에서 입사하는 고리형 구조를 갖는 일반적인 BOCDA 방식에 비해 구조가 간단하여 인체, 로봇팔 등과 같은 관절부에 설치가 용이하다.
도 1은 실시예들에 따른 BOCDA 방식의 측정 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 형상 센싱 장치의 개념도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 검출된 브릴루앙 산란 광신호를 이용하여 상기 측정 대상의 움직임을 분석하는 형상 센싱 시스템의 블록도이다.
도 4은 일 실시예에 따른 센싱부가 변형된 경우 각 광섬유의 변형률을 도시한 센싱부의 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 측정 대상의 움직임에 의해 일부가 변형된 센싱부의 모습을 도시한 도면이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 실시예들에 따른 공간 선택적으로 일어나는 브릴루앙 산란을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1의 그래프에서 x축은 광섬유 상의 특정 지점을 원점으로 한 상대적인 위치를 나타내며, y축은 광학 주파수를 나타낸다. 광섬유 내에서 서로 반대 방향으로 진행하는 펌프(pump)광 및 프로브(probe)광의 주파수 차이(오프셋 주파수, Voff)가 광섬유 고유의 브릴루앙(Brillouin) 천이 주파수와 일치하거나 이에 근접하게 되면, 광섬유의 전 구간에 걸쳐 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나 프로브광의 세기가 증폭된다. 이 때, 펌프광과 프로브광의 주파수가 사인(sine)파형을 갖도록 광신호를 변조함으로써, 광섬유 내의 특정 위치에서만 선택적으로 브릴루앙 산란 신호를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 펌프광과 프로브광의 주파수는 시간적으로 변화하면서 공간적으로 서로 반대 방향으로 진행한다. 따라서, 펌프광의 주파수가 시간이 지남에 따라 감소하게 되면 프로브광의 주파수는 반대로 증가하게 된다. 그래서 시간 t일 때(실선으로 도시됨) 펌프광과 프로브광의 주파수 차이가 브릴루앙 주파수와 일치하게 되어 브릴루앙 산란이 일어나는 위치는 시간이 △t 만큼 경과한 후(점선으로 도시됨)에도 변하지 않고 공간상에 고정된다. 브릴루앙 산란이 일어나는, 공간상에 고정되는 위치를 상관점(correlation point)라고 한다. 따라서, 상관점에서는 두 광신호의 주파수 차이가 브릴루앙 주파수로 측정된다.
또한, 브릴루앙 산란에 따른 프로브광의 이득 스펙트럼을 형성하는 경우, 상관점은 광섬유의 공간상에 피크의 형태로 나타나게 되고, 이를 브릴루앙 이득 피크라 한다.
일 위치에서 광섬유가 물리적으로 변하는 경우(예를 들어, 온도 또는 변형(strain) 등), 일 위치의 브릴루앙 주파수가 변이되고, 브릴루앙 이득 피크가 이동한다. 브릴루앙 주파수 변이량 및 브릴루앙 이득 피크의 이동량은 변형률(strain)에 비례한다. 이를 통해 광섬유의 물리적 변화를 측정할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 형상 센싱 장치의 개략도이다. 상기 형상 센싱 장치(1)는 광변조부(2), 센싱부(3) 및 광검출부(4)를 포함한다.
광변조부(2)는 광원에 의해 출력된 광원 신호을 분배하여, 제1 광신호 및 상기 제1 광신호의 주파수와 상이한 주파수를 갖는 제2 광신호를 생성한다. 광변조부는 광원(21), 광커플러(coupler)(22 및 23), 제1 광변조기(24), 편광스위치(polarization switch)(25), 제2 광변조기(26), 지연 광섬유(27), 광 증폭기(28) 및 광 순환기(29)를 포함한다.
광원(21)은 브릴루앙 산란을 발생시키기 위해 사용될 광신호를 공급하기 위한 장치이다. 일 실시예에서, 광원(21)은 분포형 궤환 레이저 다이오드(Distributed Feed-Back laser diode, DFB-LD) 및 함수 발생기(미도시)를 포함할 수 있다. 함수 발생기를 이용하여 DFB LD에 대한 공급 전류를 변조하여 광원 신호를 변조할 수 있다. 예를 들어, DBF LD의 공급 전류를 변조하여 fm 을 변조 주파수로 갖고, △f를 변조 신호의 크기로 갖는, 사인파(sine) 형태로 변조된 광원 신호를 얻을 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 광원(21)은 다른 상이한 방식의 레이저 발생 장치 및/또는 상이한 형태의 파형을 발생시키는 함수 발생기를 포함할 수 있다.
광원(21)에서 출력되는 광원 신호의 특성(fm 및 △f)은 형상 센싱 장치(1)의 위치 분해능과 측정 범위에 영향을 미친다. 형상 센싱 장치(1)의 위치 분해능과 측정 범위는 [수학식 1] 및 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, Vg는 광신호의 속도이며, △vB는 브릴루앙 이득 스펙트럼의 선폭이고, fm은 광원의 변조 주파수이며, △f는 광원 변조파의 진폭이다.
광커플러(coupler)(22 및 23)는 입력된 광신호를 2개 이상으로 분배하여 진행시키거나, 또는 반대로 2개 이상으로 진행되어 온 광신호를 하나로 결합하는 장치이다. 일 실시예에서, 광커플러(22)는 광원(21)에서 출력된 광원 신호를 2개의 경로로 분기한다. 일 실시예에서, 광커플러(22)는 광원 신호를 50:50으로 분기할 수 있다.
제1 광변조기(24)는 광커플러(22 및 23) 사이에 광학적으로 연결되어, 제2 광신호와 주파수가 상이한 제1 광신호를 생성한다. 일 실시예에서, 제1 광변조기(24)는 단일측파 변조기(single sideband modulator, SSBM)(24)일 수 있다. 단일측파 변조기(24)는 광커플러(22)에 의해 분기된 광원 신호를 측대역(sideband) 신호를 포함하는 제1 광신호로 변조하여 출력한다. 단일측파 변조기(24)는 광원 신호의 변조 주파수(fm)가 오프셋(offset) 주파수만큼 주파수가 천이되도록 변조한다. 일 실시예에서, 단일측파 변조기(24)는 상향 천이된 변조 주파수 및 하향 천이된 변조 주파수 중 하향 천이된 변조 주파수만을 출력할 수 있다. 따라서, 주파수(fm)에 대해 오프셋 주파수만큼 하향 천이된 변조 주파수(fm-Voff)를 갖는 제1 광신호가 출력될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 광변조기(24)는 상향 천이된 변조 주파수 및 하향 천이된 변조 주파수 중 상향 천이된 변조 주파수만을 출력할 수 있다. 이 경우, 주파수(fm)에 대해 오프셋 주파수만큼 상향 천이된 변조 주파수를 제1 광신호로 출력할 수도 있다.
편광 스위치(polarization switch, PSW)(25)는 광커플러(22 및 23) 사이에 광학적으로 연결되어, 제1 광신호의 편광을 주기적으로 변경한다. 예를 들어, 편광 스위치(25)는 주기적으로 한번은 0°, 다른 한번은 90°로 번갈아 동작할 수 있다. 전술한 0° 및 90°의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 편광 스위치(25)는 제1 광신호의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수 있다. 편광 스위치(25)를 사용하여 제1 광신호의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용하여 편광 변화에 따른 신호 소멸 문제를 해결할 수 있다.
제2 광변조기(26)는 주기적으로 턴온 및 턴오프되어 이들 사이의 차이에 의해 브릴루앙 이득 스펙트럼을 형성한다. 또한, 제2 광변조기는 제2 광신호를 소정의 주파수(Ω)에 따라 변조 위상변조하고, 생성된 신호는 아래에서 서술하는 바와 같이, 락 인 앰프(Lock in amplifier)(43)에서 제2 광신호의 직접 반사에 의해 유도된 노이즈를 제거하는데 사용된다. 일 실시예에서, 제2 광변조기(26)는 위상 변조기(Phase modulator, PM)(26)일 수 있다. 위상변조기(26)에 의해 변조된 광신호는 입출력 전후의 주파수가 동일하므로, 제2 광신호의 주파수는 광원 신호의 주파수(fm)이다.
지연 광섬유(Delay fiber)(27)는 센싱부(3)에 위치하는 상관점의 차수(order)를 제어한다. 제1 광신호와 제2 광신호가 진행하는 광경로 차이가 '0'인 지점에서의 제1 광신호와 제2 광신호의 주파수 차이는 항상 브릴루앙 주파수와 일치하게 되며 브릴루앙 산란이 일어나게 된다. 이 때 두 신호의 광경로 차이가 '0'인 지점의 위치는 0번째 상관점을 의미하며, 브릴루앙 이득 스펙트럼에서 0번째 피크로 표시할 수 있다. 0번째 상관점의 위치는 광원의 주파수에 의해 변하지 않는다. 일 실시예에서, DFB LD의 공급전류의 변조 주파수(fm)이 변하더라도, 0번째 상관점의 위치(및 0번째 브릴루앙 이득 피크의 위치)는 변하지 않는다. 따라서, 센싱부(3)에 0번째 상관점이 위치하는 것을 방지해야 하며, 지연 광섬유(27)이 이를 수행한다. 일 실시예에서는 지연 광섬유(27)의 길이를 조절하여 센싱부(3)에 0번째 상관점으로부터 가장 멀리 떨어진(즉, 차수가 가장 높은) 상관점이 위치하게 할 수도 있다.
제1 주파수를 갖는 제1 광신호 및 제1 주파수와 상이한 제2 주파수를 갖는 제2 광신호는 광커플러(23)에 의해 결합되어 하나의 광 경로로 진행한다.
광증폭기(28)는 광커플러(23)와 광 순환기(29) 사이에 광학적으로 연결된다. 광증폭기(28)는 광커플러(23)에 의해 결합된 제1 광신호 및 제2 광신호를 증폭한다. 일 실시예에서, 광증폭기(26)는 EDFA(erbium-doped fiber amplifier)일 수도 있다.
광순환기(circulator)(29)는 광증폭기(28), 센싱부(3) 및 광검출부(4) 사이에 광학적으로 연결되어, 센싱부(3)에서 발생한 브릴루앙 산란 광신호를 광검출부(4)로 분기할 수 있다. 광순환기(29)는 광증폭기(28)에 의해 증폭된 제1 광신호 및 제2 광신호를 센싱부(3)로 진행하게 하고, 센싱부(3)에서 반사된 제1 광신호 및 제2 광신호가 광변조부(2)로 진행하는 것을 방지한다. 따라서, 브릴루앙 산란은 센싱부(3)에서만 발생할 수 있다.
센싱부(3)는 광변조부(2)에 광학적으로 연결된, 브릴루앙 산란이 발생하는 광 섬유를 포함한다. 센싱부(3)의 광 섬유는 일 단은 광변조부(2)에 광학적으로 연결되고, 타 단은 절단(cleave)된다. 제1 광신호 및 제2 광신호는 센싱부(3)에 입사하여 절단면까지 진행한 뒤, 반사되어 이전 진행 방향과 반대 방향으로 진행한다. 입사된 제1 광신호 및 제2 광신호의 진행 방향과 반사된 제1 광신호 및 제2 광신호의 진행 방향이 서로 반대되므로, 센싱부(3)에서 브릴루앙 산란이 발생한다. 센싱부(3)의 광섬유는 재질, 절단 방법 등에 의해 다양한 반사율(R)을 가질 수 있다.
센싱부(3)가 측정 대상의 형상을 센싱하기 위해서는 센싱부(3)의 변형 정도는 물론 센싱부(3)의 변형 각도도 측정할 수 있어야 한다. 이를 위해, 센싱부(3)는 상관점이 상이한 축에 각각 위치하도록 각각의 축이 상이한 복수의 광 경로를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 센싱부(3)는 스위치(31) 및 상기 복수의 광 경로에 대응하는 복수의 광섬유(32)를 포함할 수 있다.
스위치(31)는 광 순환기(29)와 복수의 광섬유(32) 사이에 광학적으로 연결되며, 하나의 경로로 입사한 제1 광신호 및 제2 광신호가 복수의 광섬유(32)로 진행할 수 있게 한다. 따라서, 스위치(31)는 광섬유 개수에 대응하여 제1 광신호 및 제2 광신호를 진행할 수 있게 하는 구조를 가진다. 예를 들어, 센싱부(3)가 3개의 광섬유(32)를 포함하는 경우, 스위치(31)는 1×3 스위치일 수도 있다. 또는 센싱부(3)가 7개의 광섬유(32)를 포함하는 경우, 스위치(31)는 1×7 스위치일 수도 있다.
스위치(31)는 제1 광신호 및 제2 광신호를 순차적으로 각 광섬유로 진행시킨다. 스위치(31)는 입사한 제1 광신호 및 제2 광신호를 광섬유(32a)에 입사시킨 뒤, 나머지 광섬유(32b, 32c)에 순차적으로 입사시킬 수 있다. 스위치(31)가 제1 광신호 및 제2 광신호를 복수의 광섬유(32)에 입사하는 순서는 위의 예시에 제한되지 않는다.
복수 개의 광섬유(32)는 센싱부(3)의 변형 각도를 보다 정확하게 측정하기 위해 센싱부(3)의 중심을 기준으로 서로 대칭적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 센싱부(3)가 3개의 광섬유(32)를 포함하는 경우, 센싱부(3)의 중심축을 중심으로 120° 간격으로 배치될 수도 있다. 또는 센싱부(3)가 7개의 광섬유(32)를 포함하는 경우, 일 광섬유는 센싱부(3)의 중심축에 위치하고, 나머지 6개의 광섬유는 상기 일 광섬유를 중심으로 60° 간격으로 위치할 수도 있다. 광검출부(4)는 센싱부(3)에서 발생한 브릴루앙 산란 광신호를 검출하기 위한 장치이다. 광검출부(4)는 광필터(41), 광전변환기(42), 락 인 앰프(43)를 포함한다.
광필터(41)는 센싱부(3)로부터 출력된 브릴루앙 산란 광신호에 남아있는 펌프광 성분을 필터링한다. 광필터(41)가 펌프광 성분을 필터링하여, 레일리 산란 및/또는 센싱부(3)에서 반사된 펌프광으로부터 유도된 스플라이싱(splicing) 및/또는 크랙(crack)이 발생하는 것을 억제한다. 일 실시예에서, 광필터(41)는 FBG(fiber bragg grating)일 수 있다.
광전변환기(42)는 광필터(41)를 거친 브릴루앙 산란 광신호를 수신하고, 이를 전기 신호로 변환한다. 예를 들어, 광전변환기(43)는 광검출소자(Photo Detector, PD)를 포함할 수 있다.
락 인 앰프(Lock-in amplifier)(43)는 변환된 전기 신호를 수신하고, 소정의 위상잠금(lock-in) 신호를 기준 신호로 사용하여 잡음(background nosie)을 제거한다. 이 경우, 제2 광신호의 초핑을 위하여 신호발생기(미도시)에서 생성된 초핑 신호(chopping signal)가 위상잠금 증폭기(43)에서 위상 잠금 신호로 이용될 수 있다. 락 인 앰프(43)는 교류신호 채널(AC signal channel), 믹서(mixer), 직류 증폭기(DC amplifier) 및 저역통과 필터(low-pass filter) 등으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 광검출부(4)는 데이터 수집부(data acquisition, DAQ)(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 데이터 수집부는 락 인 앰프(43)에서 출력된 직류 전압 신호를 수신하고, 수신된 신호를 브릴루앙 이득 스펙트럼의 형태로 변환하여 브릴루앙 주파수의 변화(즉, 브릴루앙 주파수의 변화 여부 및 변화량)를 측정할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 다른 상이한 하나 이상의 데이터 처리 수단을 이용하여 신호 처리 및 분석을 수행할 수도 있다.
도 3은, 일 실시예에 따른, 검출된 브릴루앙 산란 광신호를 이용하여 상기 측정 대상의 움직임을 분석하는 형상 센싱 시스템(100)의 블록도이다. 상기 시스템(100)은 형상 센싱 장치(1)와 측정 대상의 움직임을 분석하도록 구성된 제어부(5)를 포함한다.
형상 센싱 장치(1)는 측정 대상의 관절 부위에 부착된다. 상기 시스템(100)은 형상 센싱 장치(1)를 측정 대상에 부착하는 고정구를 더 포함할 수 있다.
형상 센싱 장치(1)를 부착한 측정 대상의 움직임에 의해 센싱부(3)가 변형되면, 위에서 설명한 바와 같이 브릴루앙 주파수의 변화가 발생한다. 제어부(5)는 측정된 브릴루앙 주파수의 변화를 이용하여 측정 대상의 움직임을 분석한다. 제어부(5)는 센싱부(3)를 변형시킨 측정 대상의 굽힘 방향(γ), 굽힘 각도(δ), 회전 방향 및/또는 회전 정도를 계산함으로써 측정 대상의 움직임을 분석한다.
도 4는, 일 실시예에 따른, 센싱부(3)가 변형된 경우 각 광섬유(32)의 변형률(εi)을 도시한 센싱부(3)의 단면도이다. 위에서 서술한 바와 같이, 센싱부(3)는 복수의 광 경로에 대응하는 복수의 광섬유를 포함할 수 있다.
제어부(5)는 각 광섬유(32)의 변형률(εi)을 산출할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 도 4와 같이 센싱부(3)는 1×3 스위치 및 3개의 광섬유(32a, 32b, 32c)를 포함하며, 제1 광섬유(32a)는 첨자 A로, 제2 광섬유(32b)는 첨자 B로, 제3 광섬유(32c)는 첨자 C로 표시한다.
측정 대상의 움직임으로 인해 부착된 센싱부(3)의 일부분이 변형된 경우, 위에서 서술한 바와 같이, 각 광섬유(32)의 변형 부분에서의 브릴루앙 주파수가 변하여 브릴루앙 이득 피크가 이동한다. 이때 센싱부(3)의 변형 방향에 따라서, 3개의 광섬유(32)는 서로 상이한 수준의 변형이 유발될 수 있어, 브릴루앙 주파수 변이량(amount of variation) 및 브릴루앙 이득 피크의 이동량이 상이할 수 있다.
굽힘 힘(F)이 센싱부(3)에 작용하는 경우, 제1 광섬유(32a)에 작용된 변형률(εB)의 크기는 다른 변형률(εA , εC)의 크기보다 상대적으로 크다. 따라서, 제1 광섬유의 브릴루앙 주파수 변이량이 가장 클 것이다. 브릴루앙 주파수 변이량에 따른 각 광섬유의 변형률(εi)은 [수학식 3]으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
여기서, △VBi는 각 광섬유(32)의 브릴루앙 주파수의 변이량이고, α는 상대적인 브릴루앙 주파수 변이(variation)의 변형률 민감도(strain sensitivity)이며, VB는 변형되기 전(initial) 브릴루앙 주파수이다. 스위치(31)를 통해 각 광섬유의 브릴루앙 주파수 변이량을 순차적으로 측정하여, 각 광섬유의 변형률(εi)을 계산할 수 있다.
반면, 변형률(εB)의 방향은 다른 변형률(εA , εC)의 방향과 반대 방향이므로, 브릴루앙 이득 스펙트럼에서 이동한 브릴루앙 이득 피크의 위치는 반대편에 위치할 것이다. 따라서, 각 상관점이 위치한 부위의 변형 방향을 알 수 있다.
이러한 상이한 변형률(εi)에 의해, 각 광섬유와 센싱부(3)의 굽힘 축(bending axis) 사이의 상대적인 각도 위치가 결정된다. 각 광섬유(32)의 변형률(εi)을 비교하면, 변형된 부분에서의 센싱부(3)의 곡률(k)은 아래의 [수학식 4]과 같이 계산할 수 있고, 변형 방향(γ)은 아래의 [수학식 5]과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
여기서, d는 센싱부(3)의 지름이고, εA는 변형된 부분에서 제1 광섬유(32a)가 변형된 정도를 나타내는 변형률이고, εB는 변형된 부위에서 제2 광섬유(32b)가 변형된 정도를 나타내는 변형률이며, εC는 변형된 부위에서 제3 광섬유(32c) 가 변형된 정도를 나타내는 변형률이다. 측정 대상의 굽힘 방향(bending direction)은 센싱부(3)의 변형 방향(γ)에 대응할 것이다.
따라서, 센싱부(3)의 광섬유(32a, 32b, 32c) 각각에서 발생하는 브릴루앙 주파수의 변이 여부를 측정하여 센싱부(3)의 어느 부분에서 변형이 발생하였는지 알 수 있다. 더불어, 각 광섬유의 변형률(εi)을 통해 센싱부(3)의 변형 방향을 계산하여 측정 대상의 굽힘 방향(예를 들어, 관절의 굽힘 방향)을 분석할 수 있다.
도 5는, 일 실시예에 따른, 측정 대상의 움직임에 의해 일부가 변형된 센싱부(3)의 모습을 도시한 도면이다. 상기 시스템(100)은 각 광섬유의 변형률(εi)을 산출함으로써 센싱부(3)에 적용된 변형률(εF)을 계산할 수 있다. 제어부(5)는 센싱부(3)의 변형률(εF)을 이용하여 측정 대상의 굽힘 각도(δ)를 분석할 수 있다.
예를 들어, 도 4의 센싱부(3)를 팔 관절에 부착하고, 센싱부(3)가 팔 관절의 움직임에 대응하여 변형될 수 있도록 고정하면, 제어부(5)는 센싱부(3)의 곡률을 통해 팔 관절의 굽힘 각도(δ)를 측정할 수 있다. 센싱부(3)의 곡률(k)과 팔 관절의 굽힘 각도(δ)는 아래의 [수학식 6] 내지 [수학식 8]의 관계를 가진다.
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
다만, 센싱부(3)는 관절에 대응하는 위치에 부착되는 것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 어깨와 연결되는 상박에 센싱부(3)가 부착되는 경우, 제어부(5)는 어깨 관절의 축방향을 기준으로 발생한 회전 운동(뒤틀림)의 방향을 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 센싱부(3)를 상박을 따라 사선 배치하고, 센싱부(3)를 상박 피부에 접하도록 배치하면, 상박의 회전 운동에 따라 센싱부(3)의 복수의 광섬유(32)가 각 광섬유가 위치한 어깨 관절의 움직임에 대응하여 변형된다. 제어부(5)가 어깨 관절의 굽힘 방향과 굽힘 각도를 계산하는 것은 앞서 설명하였다.
아울러, 제어부(5)는 측정 대상의 회전 방향 및 회전 정도까지 분석할 수 있다. 예를 들어, 각 광섬유에서 이동한 브릴루앙 이득 피크를 분석하면, 각 상관점이 위치한 부위의 변형 방향이 계산된다. 해당 변형 방향들을 종합하여 기준점(예를 들어, 어깨 관절)을 중심으로 하는 센싱부(3)의 형상 변화를 분석할 수 있다. 이를 통해 센싱부(3) 팁(tip)의 위치 변화를 계산함으로써 회전 방향(시계 방향 또는 시계 반대 방향) 및 회전 정도를 분석할 수 있다. 이로 인해, 상기 시스템(100)은 분석된 회전 방향 및 회전 정도에 기초하여 상박, 하박, 허벅지, 종아리와 같이 회전이 발생하는 신체 부위의 움직임을 모사할 수 있다.
일 예에서 측정 대상의 움직임에 연관된 정보를 분석하기 위해서 3개의 광섬유를 사용하였으나, 더 많은 수의 광섬유를 사용하면 측정 불확실성을 줄일 수 있다. 위에서 서술한 바와 같이, 예를 들어 센싱부(3)는 7개의 광섬유 및 1×7 스위치를 포함할 수 있다.
다만, 상기 [수학식 4] 및 [수학식 5]는 예시적인 것으로, 센싱부(3)에 포함된 광섬유(32)의 수, 광섬유의 배치 형태 등에 의해 곡률과 변형 방향의 관계식은 변경될 수도 있다.
다른 실시예에서, 센싱부(3)는 멀티코어 광섬유를 포함할 수 있다. 센싱부(3)가 멀티코어 광섬유를 포함하는 경우, 멀티코어는 복수의 광 경로에 대응한다. 상기 실시예가 형상 센싱 장치(1), 방법 및 시스템으로 동작하는 원리는 센싱부(3)가 복수의 광섬유(32)를 포함하는 형상 센싱 장치(1), 방법 및 시스템의 동작 원리와 유사하므로, 자세한 내용은 생략한다.
또 다른 실시예에서, 센싱부(3)는 광섬유를 포함하면서, 광섬유가 하나 이상의 부분에서 절곡되어 서로 상이한 방향으로 연장되는 복수 개의 부분을 포함할 수 있다. 상기 연장된 복수 개의 부분은 복수의 광 경로에 각각 대응한다. 상관점은 [수학식 2]에 기초하여 각 연장된 복수 개의 부분에 위치할 수 있다. 상기 연장된 복수 개의 부분에 브릴루앙 산란이 발생하는 상관점이 위치하면, 각각의 상관점을 측정하여, 상기 연장된 복수 개의 부분이 변형되는 것을 측정할 수 있다. 이를 종합하면, 측정 대상의 형상을 센싱할 수 있다.
예를 들어, 상기 실시예의 센싱부(3)가 그 단면이 도 4와 유사한 형태의 단면을 가지도록 광섬유가 배치되는 경우, 3개의 상관점이 상기 연장된 부분에 각각 위치할 수 있다. 센싱부(3)가 변형되는 경우, 각 연장된 복수 개의 부분은 상이하게 변형될 수 있다. 상기 실시예가 형상 센싱 장치(1), 방법 및 시스템으로 동작하는 원리는 센싱부(3)가 3개의 광섬유(32)를 포함하는 형상 센싱 장치(1), 방법 및 시스템의 동작 원리와 유사하므로, 자세한 내용은 생략한다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 광섬유의 브릴루앙 산란을 이용하는 형상 센싱 장치로서,
    광원에 의해 출력된 광을 분배하여, 제1 광신호 및 상기 제1 광신호의 주파수와 상이한 주파수를 갖는 제2 광신호를 생성하는 광변조부;
    상기 광변조부에 광학적으로 연결되어, 일 단에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호가 입사되고 타 단에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호가 반사 되며, 서로 상이한 복수의 광 경로를 포함하는 센싱부; 및
    상기 센싱부에 광학적으로 연결되어, 상기 센싱부에서 서로 반대 방향으로 전파되는 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의해 발생한 브릴루앙 산란 광신호를 검출하고, 검출된 광신호로부터 브릴루앙 주파수의 변화를 측정하는 광검출부를 포함하는 형상 센싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱부는 복수의 광섬유와 스위치를 포함하고,
    상기 복수의 광섬유는 상기 복수의 광 경로에 대응하며, 상기 스위치는 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 상기 복수의 광섬유에 순차적으로 전달하는 형상 센싱 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱부는 광섬유를 포함하고,
    상기 광섬유는 하나 이상의 부분에서 절곡되어 서로 상이한 방향으로 연장되는 복수 개의 부분을 포함하며,
    상기 복수 개의 부분은 상기 복수의 광 경로에 각각 대응하고, 브릴루앙 주파수가 측정되는 상관점은 상기 복수의 광 경로에 위치하는 형상 센싱 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱부는 복수의 코어를 갖는 멀티코어 광섬유와 스위치를 포함하고,
    상기 복수의 코어는 상기 복수의 광 경로에 대응하며, 상기 스위치는 상기 동일한 광 경로로 인가된 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 상기 복수의 광섬유에 순차적으로 전달하는 형상 센싱 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 멀티코어 광섬유는 3개의 코어를 포함하고, 상기 코어는 상기 멀티코어 광섬유의 중심을 기준으로 서로 대칭적으로 배치되는 형상 센싱 장치.
  6. 측정 대상의 관절 부위에 부착되는, 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 따른 형상 센싱 장치; 및
    상기 형상 센싱 장치에 의하여 측정된 브릴루앙 주파수의 변화를 이용하여 각 광 경로의 변형률을 산출함으로써 상기 측정 대상의 움직임을 분석하도록 구성된 제어부를 포함하는 형상 센싱 시스템.
  7. 광섬유의 브릴루앙 산란을 이용한 형상 센싱 방법으로서,
    센싱부에 서로 상이한 복수의 광 경로를 형성하는 단계;
    광원에 의해 출력된 광을 분배하여, 제1 광신호 및 상기 제1 광신호의 주파수와 상이한 주파수를 갖는 제2 광신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를, 상기 광변조부에 광학적으로 연결되며 서로 상이한 복수의 광 경로를 포함하는 상기 센싱부의 일단에 입사시키는 단계;
    상기 센싱부의 타단에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 반사시키는 단계;
    상기 센싱부에서 발생한 브릴루앙 산란 광신호를 상기 센싱부에 광학적으로 연결된 광검출부에서 검출하는 단계; 및
    상기 광검출부가 검출된 광신호로부터 브릴루앙 주파수의 변화를 측정하는 단계를 포함하는 형상 센싱 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 센싱부의 일단에 입사시키는 단계는 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 상기 복수의 광 경로에 순차적으로 입사시키는 단계를 포함하는 형상 센싱 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    센싱부에 서로 상이한 복수의 광 경로를 형성하는 단계는,
    광섬유를 하나 이상의 부분에서 절곡되어 서로 상이한 방향으로 연장되는 복수 개의 부분으로 배치하는 단계; 및
    브릴루앙 주파수가 측정되는 상관점이 상기 복수 개의 부분에 위치하도록 하는 단계를 포함하는 형상 센싱 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 센싱부는 측정 대상의 관절 부위에 부착되며,
    측정된 브릴루앙 주파수의 변화를 이용하여 각 광 경로의 변형률을 산출함으로써 측정 대상의 움직임을 분석하는 단계를 더 포함하는 형상 센싱 방법.
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