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제품명 광센서 이론
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회사 CERIC
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◆ 빛의 개념  

빛은 전자파의 일종으로 광자라 불리는 에너지 패킷(다발)의 전파로서 간주한다.


◆ 반사와 굴절  

반사, 굴절, 회절, 간섭, 편광, 분산, 흡수, 산란

진공 상태의 빛의 속도 : C=3×108 m/sec

빛이 진공이 아닌 물질을 통과할 때 전파 속도는 감소한다.


◆ 빛의 성질

◆ 회절(Diffraction)

회절은 광선을 휘도록 하는 또 다른 작용이다. 회절은 굴절과 같은 방법으로 사용되며 회절 현상은 광의 파면이 날카로운 물체에 차단될 때 회절이 발생한다.


빛이 파장에 비하여 좁은 틈 또는 구멍을 통과할 때 회절이 발생한다. 이 과정은 광섬유가 파장보다 훨씬 클 때 적용되는 직선광의 전파와 대조된다.
슬리트를 통한 회절은 효율적인 회절 효과를 얻기 위한 회절 격자를 구성하는데 이용되며,
전송 회절 격자반사 회절 격자 두 가지 회절 격자가 있다.

◆ 흡수와 산란

빛이 매질을 통과할 때 그 에너지는 매질에서 발생하는 손실 때문에 감소된다.
이러한 손실은 여러 가지 효과에 기인하며 그 중 두 가지 요인이 흡수(Absorption)와 산란(Scattering)이다.
흡수와 산란은 모두 파장의 함수다. 유리에는 기본적으로 두 가지 흡수 요인이 있다.

하나는 고유흡수라 하며, 이는 광파와 물질의 상호 작용으로 특히 파장이 0.75㎛이하, 1.7㎛이상에서 현저하다.
우리에서 두 번째 손실 요인은 불순물이다.
불순물은 Cr, Cu, V, OH 등과 같은 다양한 금속이다. 이 흡수는 파장에 크게 의존한다.

OH 이온의 흡수 특성은 1차 피크(λ=1.38㎛)와 2차 피크(λ=1.24㎛, λ=0.95㎛)를 갖는 공진 회로와 유사하다.
섬유에서의 OH 이온은 고도의 제조 공정으로 최근에 감소하였지만, 전체 손실에서 OH 이온에 의한 손실은 아직도 크다.
불순물에 의한 손실은 상대적으로 적다.

두 번째 요인은 산란으로 방해물에 부딪친 빛에너지는 모든 방향으로 산란되고 대부분은 원래 방향으로 계속 전파되지 못한다.
이 산란된 에너지가 곧 손실이다. 방해물의 물질은 굴절률과 밀도상의 변동을 갖는다.
방해물의 크기가 파장보다 작을 때 레일리히 산란이라 한다. 방해물이 파장보다 클 때는 Mie 산란이라 부른다.
이런 종류의 산란은 제조 공정의 개선으로 이 손실은 상대적으로 무시할 정도로 감소되었다.

◆ 빛의 간섭

간섭(interference)은 파동만이 가지고 있는 특유한 성질의 하나로서 둘 이상의 동일한 진동수의 파동이 같은 지점에 도달할 때 각 지점에 따라 파동의 세기(intensity) 분포가 일정한 형태를 이루고 있는 것을 말한다.
이는 근본적으로 파동이 중첩의 원리를 만족하기 때문이다.

즉 음양의 값을 가지는 파동량이 벡터적으로 합성되어 지점에 따라 파동의 세기가 크게 달라지지만 합성되는 파동의 상대적인 위상이 일정하여 형성되는 세기의 분포가 일정한 경우를 말한다.

두 파동이 각 파의 마루와 골이 엇갈리게 합성될 때 진폭이 0이 되어 파의 세기가 0이 되고(상쇄간섭), 일치되게 합성될 때 하나의 파동에 비하여 진폭은 2배이지만 세기는 4배가 된다(보강간섭). 음파나 수면파 등의 경우 진동수가 다른 두 파동이 합성될 때 생겨나는 맥놀이도 넓은 의미의 간섭이라고 할 수도 있다.
그러나 보통의 경우 진동수가 동일하고 그 위상차이가 일정하게 유지되는 두 파 이상이 필요하며 이러한 조건을 충족하는 파동을 간섭이 일어날 가능성을 가진 파라는 의미에서 가간섭성(coherence)을 가졌다고 한다.

◆ 빛의 편광

빛은 전자기 파동으로서 전기장과 자기장이 진동을 하면서 전파되는 것이다.
이때 전기장이나 자기장은 서로 수직하면서 역시 진행방향에 수직으로 진동을 하게 되므로 횡파의 일종이다.

횡파의 경우, 방향이 진행방향에 수직한 진동방향은 2차원 면 위에 놓여 있을 수 있어 서로 수직인 두 성분으로 분해할 수 있다.
공간의 한 지점에서의 파는 그 평면상에서 같은 진동수로의 규칙적인 행동을 보이는데 그 양식을 파의 편광상태라 한다.

특히 빛의 경우는 전기장과 자기장 중, 물질에 더 큰 영향을 주게되는 전기장의 진동하는 방향을 편광방향이라 한다.
빛은 짧은 길이의 무수히 많은 파동줄기(wave train)가 모여서 형성된 것이므로 하나 하나의 편광상태가 어떻게 집합되어 있는가를 고려해야 하므로 통계적인 처리가 필요하다.

한 줄기의 빛은 근본적으로 흑체 복사나 전자의 전이에 의해 방출되므로 지속시간동안은 조화파의 모습을 하고 있고, 주로 편광방향이 변하지 않는 선형편광의 상태로 있다.

◆ 빛의 전파

대부분의 물질에서 굴절률은 파장에 따라 변하고 빛의 속도는 파장에 따라 달라진다.
결론적으로 굴절률이란 물질에서의 전파속도에 대한 진공에서 빛의 속도의 비이므로 물질에 따라 투과 속도가 다르게 된다.


◆ 빛의 전반사

공기와 코어 사이의 접면 점 A에서 굴절이 발생하고 광선은 중심축에 가까운 작은 각으로 진행한다.
즉, θL21 광선은 코어와 클래딩 접면으로 가서 굴절한 후 휘어져 클래딩에서 진행하다 공기 밖으로 진행한다.
이 입사각으로 진행된 빛은 광섬유내를 통과하지 못하고 손실된다.

αc 보다 큰각으로 입사하는 광선은 광섬유로 전파한다. 위의 그림 임계광선은 중심축과 θc의 각도를 이룬다.
θc보다 큰 광선은 전파하지 못한다. 즉, θ1c이면 θ1 광선은 광섬유를 벗어나며 θc를 임계 전파각이라 한다.

프리즘내에서의 내부 전반사로 빛의 전파

◆ 모드 전파

θc보다 작은 각도의 모든 광선은 섬유 내에서 전파된다.
전자파 이론에 근거하여 이 광선들은 다른 각도로 전파된다.
임계각으로 전파할 때 다른 광선은 임계각 미만의 다른 각도에서 전파할 것이다.
아래 그림과 같이 3개의 다른 광선을 보여 주고 이 광선들을 전파모드라 하고, θc가 증가하면 광섬유에서 전파하는 모드 수가 증가한다.
θc는 모드 수와 같이 n2/n1에 의존한다. 전체 모드 수는 상대 굴절률차(n2-n1/n1)가 증가함에 따라 증가한다.
임계각에 근접한 전파각을 갖는 고차 모드와 임계각보다 훨씬 작은 전파각을 갖는 저차 모드로 구분하는 것이 일반적이다.

고차 모드는 빛에너지를 클래딩으로 보내는 경향이 있고 따라서 손실의 가능성이 크다.

◆ 광변위센서 측정원리

■ 광량방식센서(휘도변조센서)

빛의 강도(세기)를 정량적으로 수식화하여 변위로 계산하는 방식

■ 위상의 변화(차이)를 이용한 센서

파장의 간섭의 원리를 이용하여 거리를 측정하는 방식

: 측량기, 간섭계

■ 회절 결자를 이용한 센서

회절 격자에서 반사되는 측정 주파수의 변화를 이용하여 변위를 계산하는 방식