KR100414920B1 - Apparatus for monitoring internal stress and flow condition of optical fiber - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태를 모니터링하기 위한 장치는, 백색광을 출력하는 광원과; 상기 백색광을 선형 편광시키며, 그 편광 방향이 상기 광섬유 모재의 길이 방향과 엇갈리게 설정된 편광자와; 상기 광섬유 모재를 지난 백색광을 입사받으며, 그 편광 방향이 상기 광섬유 모재의 길이 방향 및 상기 편광자의 편광 방향과 엇갈리게 설정된 검광자와; 상기 검광자를 지난 광을 검출하며, 그 검출된 이미지 정보를 나타내는 전기 신호를 출력하는 디텍터와; 상기 디텍터로부터 상기 전기 신호를 입력받으며, 상기 전기 신호가 나타내는 이미지의 등색 패턴을 분석하고, 상기 분석된 결과로부터 상기 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태에 대한 데이터를 산출하는 제어부를 포함한다.An apparatus for monitoring the internal stress and flow state of the optical fiber base material according to the present invention, the light source for outputting white light; A polarizer which linearly polarizes the white light and whose polarization direction is staggered from the longitudinal direction of the optical fiber base material; An analyzer which receives white light passing through the optical fiber base material, and whose polarization direction is staggered from the longitudinal direction of the optical fiber base material and the polarization direction of the polarizer; A detector for detecting light passing through the analyzer and outputting an electrical signal representing the detected image information; And a controller configured to receive the electrical signal from the detector, analyze the orange pattern of the image represented by the electrical signal, and calculate data on the internal stress and the flow state of the optical fiber base material from the analyzed result.
Description
본 발명은 광섬유 모재에 관한 것으로서, 특히 상기 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 상기 내부 스트레스의 급격한 변동을 나타내는 유동 상태를 모니터링하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber base material, and more particularly, to an apparatus for monitoring a flow state indicating an internal stress of the optical fiber base material and a sudden change in the internal stress.
광섬유는 석영을 주원료로 해서 만든 유리선으로서 실리카(silica) 등의 원료로 만들며 직경이 머리카락 정도로 가늘기 때문에 취급 및 포설이 용이하다. 광섬유는 내부에 빛을 전파하는 코어(core), 코어 내로 진행하는 빛을 가두는 역할을 하는 클래드(clad) 및 클래드를 감싸는 피복으로 구성된다. 텔레비젼(televisioN) 화상이나 컴퓨터(computer)의 데이터(data)를 비롯한 각종 정보가 광신호로 변환되어 광섬유로 전송된다. 광섬유 모재는 코아와 클래드로 구성되는 점이 광섬유와 동일하나, 그 직경이 광섬유에 비해 매우 크다. 따라서, 상기 광섬유 모재의 특성이 그로부터 인출된 광섬유에도 유사하게 나타나게 된다.The optical fiber is a glass wire made of quartz as the main raw material, and is made of a raw material such as silica, and is easy to handle and install because its diameter is as thin as hair. The optical fiber is composed of a core that propagates light inside, a clad that serves to trap light propagating into the core, and a cladding that surrounds the clad. Various information including a television image or data of a computer is converted into an optical signal and transmitted to an optical fiber. The optical fiber base material is composed of the core and the clad as the optical fiber, but the diameter is much larger than the optical fiber. Therefore, the characteristics of the optical fiber base material are similarly shown in the optical fiber drawn therefrom.
그러나, 종래에는 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태를 모니터링할 수 있는 적절한 수단이 없었기 때문에, 상기 광섬유 모재의 결함이 그로부터 인출된 광섬유의 불량으로 이어진다는 문제점이 있다.However, conventionally, since there was no suitable means for monitoring the internal stress and flow state of the optical fiber base material, there is a problem that the defect of the optical fiber base material leads to the failure of the optical fiber drawn therefrom.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태를 모니터링할 수 있는 장치를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, an object of the present invention is to provide an apparatus capable of monitoring the internal stress and flow state of the optical fiber base material.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태를 모니터링하기 위한 장치는,In order to achieve the above object, the apparatus for monitoring the internal stress and flow state of the optical fiber base material according to the present invention,
백색광을 출력하는 광원과;A light source for outputting white light;
상기 백색광을 선형 편광시키며, 그 편광 방향이 상기 광섬유 모재의 길이 방향과 엇갈리게 설정된 편광자와;A polarizer which linearly polarizes the white light and whose polarization direction is staggered from the longitudinal direction of the optical fiber base material;
상기 광섬유 모재를 지난 백색광을 입사받으며, 그 편광 방향이 상기 광섬유모재의 길이 방향 및 상기 편광자의 편광 방향과 엇갈리게 설정된 검광자와;An analyzer that receives white light passing through the optical fiber base material, and whose polarization direction is staggered from the longitudinal direction of the optical fiber base material and the polarization direction of the polarizer;
상기 검광자를 지난 광을 검출하며, 그 검출된 이미지 정보를 나타내는 전기 신호를 출력하는 디텍터와;A detector for detecting light passing through the analyzer and outputting an electrical signal representing the detected image information;
상기 디텍터로부터 상기 전기 신호를 입력받으며, 상기 전기 신호가 나타내는 이미지의 등색 패턴을 분석하고, 상기 분석된 결과로부터 상기 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태에 대한 데이터를 산출하는 제어부를 포함한다.And a controller configured to receive the electrical signal from the detector, analyze the orange pattern of the image represented by the electrical signal, and calculate data on the internal stress and the flow state of the optical fiber base material from the analyzed result.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태를 모니터링하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면,1 is a view for explaining a method for monitoring the internal stress and flow state of the optical fiber base material according to the present invention,
도 2는 등색 패턴을 나타내는 도면,2 shows an orange pattern;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태를 모니터링하기 위한 장치를 나타내는 도면.Figure 3 shows an apparatus for monitoring the internal stress and flow state of the optical fiber base material according to a preferred embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions and configurations are omitted in order not to obscure the subject matter of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태를 모니터링하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에는 광원(110), 편광자(120), 투명 플레이트(transparent plate, 120), 검광자(140) 및 스크린(screen, 150)으로 구성된다.1 is a view for explaining a method for monitoring the internal stress and flow state of the optical fiber base material according to the present invention. 1 includes a light source 110, a polarizer 120, a transparent plate 120, an analyzer 140, and a screen 150.
상기 광원(110)은 백색광(115)을 출사하며, 상기 백색광(115)은 비편광된 광이다.The light source 110 emits white light 115, and the white light 115 is unpolarized light.
상기 편광자(120)는 편광 방향(125)을 가지며, 상기 편광자(120)는 입사된 상기 백색광(115)을 상기 편광 방향(125)을 따라 선형 편광시켜서 출사한다.The polarizer 120 has a polarization direction 125, and the polarizer 120 emits the incident white light 115 by linearly polarizing along the polarization direction 125.
상기 투명 플레이트(130)는 복굴절성을 가지며, 상기 복굴절성을 나타내는두 축들, 즉 서로 직교하는 N1축 및 N2축(N1 > N2)이 도시되어 있고, 상기 N1 축은 상기 편광자(120)의 편광 방향(125)과 45°를 이룬다. 이 때, 상기 투명 플레이트로 입사된 백색광(115)은 그 편광 방향(125)이 상기 N1축 또는 N2축과 일치하지 않기 때문에, N1축 성분과 N2축 성분으로 나누어지게 된다. 이 때, N1축 성분이란 상기 투명 플레이트(130)의 N1축을 지나는 백색광(115)을 지칭하며, N2축 성분이란 상기 투명 플레이트(130)의 N2축을 지나는 백색광(115)을 지칭한다. 또한, 상기 N1축 성분은 상기 N2축 성분보다 느리게 상기 투명 플레이트(130) 내를 진행하기 때문에, 상기 N1축 성분과 상기 N2축 성분 사이에는 소정의 위상차 또는 경로차가 발생하게 된다.The transparent plate 130 has birefringence, and two axes representing the birefringence, that is, an N1 axis and an N2 axis (N1> N2) orthogonal to each other are shown, and the N1 axis is a polarization direction of the polarizer 120. It is 45 degrees with 125. At this time, the white light 115 incident on the transparent plate is divided into an N1-axis component and an N2-axis component because the polarization direction 125 does not coincide with the N1-axis or N2-axis. In this case, the N1-axis component refers to the white light 115 passing through the N1-axis of the transparent plate 130, and the N2-axis component refers to the white light 115 passing through the N2-axis of the transparent plate 130. In addition, since the N1-axis component progresses in the transparent plate 130 more slowly than the N2-axis component, a predetermined phase difference or path difference occurs between the N1-axis component and the N2-axis component.
상기 검광자(140)는 편광 방향(145)을 가지며, 상기 검광자(140)는 입사된 상기 백색광(115)을 상기 편광 방향(145)을 따라 선형 편광시켜서 출사한다. 또한, 상기 편광 방향(145)은 상기 N1축 또는 N2축과 45°를 이루며, 상기 편광자(120)의 편광 방향(125)과는 90°를 이룬다. 따라서, 상기 검광자(140)로 입사한 백생광(115)의 N1축 성분과 N2 축 성분이 상기 편광 방향(145)과 일치하지 않기 때문에, 상기 검광자(140)를 출사하는 백색광(115)에는 상기 N1축 성분과 N2축 성분이 함께 존재하게 되며, 상기 N1축 성분과 N2축 성분 사이에는 소정의 위상차가 존재하게 된다. 상기 N1축 성분과 N2축 성분 사이의 광로차(OPD, optical path difference)는 하기 <수학식 1>로 정의된다.The analyzer 140 has a polarization direction 145, and the analyzer 140 emits the incident white light 115 by linearly polarizing it along the polarization direction 145. In addition, the polarization direction 145 forms 45 ° with the N1 axis or N2 axis and forms 90 ° with the polarization direction 125 of the polarizer 120. Therefore, since the N1-axis component and the N2-axis component of the white light 115 incident on the analyzer 140 do not coincide with the polarization direction 145, the white light 115 exiting the analyzer 140. The N1-axis component and the N2-axis component are present together, and a predetermined phase difference exists between the N1-axis component and the N2-axis component. An optical path difference (OPD) between the N1-axis component and the N2-axis component is defined by Equation 1 below.
이 때, 상기 T는 상기 투명 플레이트(130)의 두께를 나타낸다.At this time, T represents the thickness of the transparent plate 130.
또한, 상기 투명 플레이트(130)에 수직한 주요 스트레스(principal stress)가 0이고 상기 투명 플레이트(130)에 수직하게 상기 백색광(115)이 입사하다고 가정하면, 하기 <수학식 2>가 성립한다.In addition, assuming that a principal stress perpendicular to the transparent plate 130 is zero and the white light 115 is incident perpendicularly to the transparent plate 130, Equation 2 is established.
이 때, 상기 S1은 상기 N1축에 따른 주요 스트레스, 상기 S2는 상기 N2축에 따른 주요 스트레스, 상기 N3는 상기 투명 플레이트(130)에 수직한 축에 따른 굴절률, C는 압력 단위의 역을 그 단위로 하는 광탄성 계수(photoelastic coefficient)를 나타낸다.At this time, S1 is the major stress along the N1 axis, S2 is the major stress along the N2 axis, N3 is the refractive index along the axis perpendicular to the transparent plate 130, C is the inverse of the pressure unit The photoelastic coefficient in units is shown.
또한, 굴절률은 파장의 함수이며 가시광선에서의 파장은 색깔로 나타낼 수 있으므로, 파장에 따라 광로차가 달라짐에 따라서 상기 백색광(115)을 구성하는 어느 한 색의 광은 위상 정합이 되어 그 세기가 커지고, 다른 색의 광은 위상 부정합이 되어 그 세기가 작아지게 된다. 이에 따라서, 상기 검광자(140)를 지난 백색광(115)이 상기 스크린(150)에 입사되면, 상기 스크린(150) 상에는 간섭색(interference color)이 나타나게 된다. 또한, 도 1에는 투명 플레이트(130)가 일정한 두께를 가지는 것으로 되어 있으나, 두께가 일정치 않은 투명 물체를 이용한다면, 상기 스크린 상에는 도 2에 도시된 바와 같은 등색 패턴(isochromatic pattern)이 나타나게 된다.In addition, since the refractive index is a function of the wavelength and the wavelength in the visible light can be represented by color, the light of any color constituting the white light 115 becomes phase matched as the optical path difference varies depending on the wavelength, and the intensity thereof increases. The light of different colors becomes phase mismatched, and the intensity thereof becomes smaller. Accordingly, when the white light 115 passing through the analyzer 140 is incident on the screen 150, an interference color appears on the screen 150. In addition, although the transparent plate 130 has a predetermined thickness in FIG. 1, if a transparent object having a constant thickness is used, an isochromatic pattern as shown in FIG. 2 appears on the screen.
상술한 바와 같이, 투명 물체에 대한 등색 패턴과 굴절률은 상기 <수학식 1>과 같은 일정한 관계가 있으며, 상기 굴절률과 내부 스트레스는 상기 <수학식 2>와 같은 관계가 있다. 따라서, 상기 투명 물체에 대한 등색 패턴을 분석함으로써 상기 내부 스트레스에 대한 데이터를 산출할 수 있게 된다. 또한, 이러한 데이터를 이용하여 상기 투명 매질에 대한 내부 스트레스와 상기 내부 스트레스와 관련된 유동 상태를 모니터링하는 것이 가능해진다.As described above, the orange pattern and the refractive index of the transparent object have a constant relationship as shown in Equation 1, and the refractive index and the internal stress have a relationship as shown in Equation 2. Therefore, the data on the internal stress can be calculated by analyzing the orange pattern of the transparent object. It is also possible to use this data to monitor the internal stresses on the transparent medium and the flow conditions associated with the internal stresses.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태를 모니터링하기 위한 장치를 나타내는 도면이다. 도 3에는 광원(210), 편광자(220), 제1 1/4 파장판(230), 광섬유 모재(240), 제2 1/4 파장판(250), 검광자(260), CCD 카메라(270) 및 제어부(280)로 구성된다. 이하, 중복되는 기술은 생략하기로 한다.3 is a view showing an apparatus for monitoring the internal stress and flow state of the optical fiber base material according to a preferred embodiment of the present invention. 3, the light source 210, the polarizer 220, the first quarter wave plate 230, the optical fiber base material 240, the second quarter wave plate 250, the analyzer 260, and the CCD camera ( 270 and the control unit 280. Hereinafter, overlapping descriptions will be omitted.
상기 광원(210)에서 출사된 백색광(215)은 상기 편광자(220)를 지나면서 도시된 편광 방향(225)으로 편광되며, 상기 편광자(220)를 지난 백색광(215)은 상기 제1 1/4 파장판(230)은 지나면서 원형 편광된다. 이 때, 상기 제1 및 제2 1/4 파장판(220 및 250)은 복굴성을 가지는 소자로서, 수정, 방해석, 운모 등을 그 예로 들 수 있다. 이후, 상기 광섬유 모재(240)를 지난 백색광(215)은 상기 제2 1/4 파장판(250)을 지나고, 상기 제2 1/4 파장판(250)을 지난 백색광(215)은검광자(260)로 입사하게 되며 도시된 편광 방향(265)을 따라 편광된다. 상기 검광자(260)를 지난 백색광(215)은 CCD 카메라(270)로 입사하게 되며, 상기 CCD 카메라(270)에 포착된 이미지가 나타내는 등색 패턴은 상기 광섬유 모재(240)의 굴절률 정보를 담고 있다. 상기 CCD 카메라(270)는 상기 포착된 이미지 데이터를 상기 제어부(280)로 출력하며, 상기 제어부(280)는 상기 이미지의 등색 패턴을 분석하고, 상기 분석된 결과로부터 상기 광섬유 모재(240)의 내부 스트레스 및 유동 상태에 대한 데이터를 산출한다.The white light 215 emitted from the light source 210 is polarized in the polarization direction 225 as it passes through the polarizer 220, and the white light 215 past the polarizer 220 is the first quarter. The wave plate 230 is circularly polarized as it passes. In this case, the first and second quarter wave plates 220 and 250 are birefringent elements, and examples thereof include crystal, calcite, mica, and the like. Thereafter, the white light 215 passing through the optical fiber base material 240 passes through the second quarter wave plate 250, and the white light 215 passing through the second quarter wave plate 250 is an analyzer 260. And is polarized along the polarization direction 265 shown. The white light 215 passing through the analyzer 260 is incident on the CCD camera 270, and the orange pattern represented by the image captured by the CCD camera 270 contains refractive index information of the optical fiber base material 240. . The CCD camera 270 outputs the captured image data to the controller 280, and the controller 280 analyzes the orange pattern of the image, and the inside of the optical fiber base material 240 from the analyzed result. Calculate data on stress and flow conditions.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태를 모니터링하기 위한 장치는 상기 광섬유 모재를 투과한 백색광이 나타내는 등색 패턴을 분석하고, 그 분석된 결과로부터 상기 광섬유 모재의 내부 스트레스 및 유동 상태에 대한 데이터를 산출할 수 있다는 이점이 있다.As described above, the apparatus for monitoring the internal stress and flow state of the optical fiber base material according to the present invention analyzes the orange pattern represented by the white light transmitted through the optical fiber base material, and the internal stress and The advantage is that data on the state of flow can be calculated.
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