KR100553109B1 - 물질검사용광원 - Google Patents

Abstract

난방, 환기 및 공조 시스템 등에서 누출 검사 분야를 시험하는데 사용하는 광원에서는 누출의 존재를 측정하도록 냉매 내부에 형광-발생 염료를 사용하였다. 광원은, 광원에서 방사된 광의 파장 폭을 좁게 제공하기 위한, 다이크로익(dichroic) 반사기를 램프 및 간섭 필터와 결합한다.

Description

물질 검사용 광원

본 발명은 난방, 환기, 및 공기 조화 시스템에서 누출 검출용 광원에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광원에서 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질 검출을 할 수 있는 광원에 관한 것이다.

클로로플르오르 카본(CFC) 냉매가 오존층을 파괴하기 때문에 환경친화적인 대체 냉매를 개발할 필요성이 대두되었다. 두퐁, 인터내셔날케미칼, 및 다른 제조업체들은 환경을 위해 보다 안전하며 오존 소모율을 영에서 CFC 냉매의 오존 소모율의 몇분의 일까지의 범위를 갖는 하이드로플르오르 카본(HFC) 냉매를 개발하였다.

냉매 또는 나프탈리미드, 페릴렌, 다이옥산세인, 또는 형광성과 같은 윤활제에 특정 염료를 첨가함으로써, 누출은 광원이 갖는 특수한 또는 특정한 특성하에서 실험될 때 누출측(site)에 존재하는 형광성의 여부에 의해 검출할 수 있게 된다. 그와 같은 누출 검출 기술은 1994년 10월 25일 및 1995년 6월 6일자로 리차드 지.헨리에 허여된 미국특허 제 5,357,732 호 및 5,421,192호에 공지 및 기술되어 있으며, 이들 각각의 현재 실시권은 동일 양수인에 양도되었다.

300 내지 700 나노미터 사이의 발광 파장을 갖는 광하에서 누출이 검출될 때, 형광의 최적 가시성이 나타나도록 하는 검출 응용에서 형광 존재의 검출이 결정된다. 종래의 자외선 광원이 이러한 특별한 용법을 위해 사용되었으나, 300 내지 450 나노미터 사이에서 통상적으로 발견되는 자외선 범위 내에서는 본래의 광을 발생하는 만큼의 최적 성능을 제공하지 못하였다.

본 발명의 주제를 나타내는 배경기술의 조사로서 미국 특허 및 상표청 개시에 따르는 미국 특허번호를 안내한다.

4,558,014 4,775,853 5,059,790

5,131,755 5,156,976 5,192,510

5,347,438 5,349,468 5,394,133

5,399,499 5,441,531

추가의 특허는 이하에서 포함하는 본 출원의 출원인으로 공지되었다:

4,758,366 5,149,453 5,357,782 5,421,192

상술된 특허들 중 어느 것도 본 발명에서 개시하고 있는 기능 및 부재들의 새로운 조합을 설명하거나 또는 공개하고 있지 않다.

본 장치의 목적은 형광으로 야기되는 물질에서의 특정 파장 내의 광의 조준에 요구되는 연관 산업 또는 기술에서 사용하기 위한 최적화된 유닛을 제공하도록 작용하는 광원을 제공하는 것이다. 이는 비파괴 검사 산업에서와 같은 누출 검출 산업 분야에서 수행된다. 양쪽의 예로서, 염료와 같은 물체는 300 내지 500 나노 미터 범위에서 발광되는 광원하에서 보다 밝은 형광을 낼 수 있는데 반하여, 발광하지 않거나 또는 극소 형광은 통상적으로 파장의 광 환경하에서 검출된다.

역사적으로, 그와 같은 형식의 적용을 위해 사용된 광원으로는 110 이나 220 볼트 중 하나로 작동되는 대용량 교류 램프가 사용되었다. PAR 38로 공지된 상기 램프는 필립스와 다른 제조사에 의해 제조되었다. 통상적으로, 상기 램프는 100 - 200 와트 범위에서, 소정의 형광 응답을 형성하기 위해 소정 범위 이상의 실제 발광 양이 생산된다. 이 램프는 또한 다량의 열을 발생시킴으로써, 안정기를 사용하여 추가적인 부피와 무게를 제공하였다.

이후 실제적으로 이전의 단점들을 극복하기 위한 자체-안정화 램프가 개발되었다. 그러나 이는 상대적으로 긴 예열 주기 경향이 있으며, 전압 서지에 매우 민감하여 광을 끄는 원인으로 작용하게 되며, 결과적으로 다른 예열 주기에 따르는 긴 냉각 주기가 필요하였다.

근래에 할로겐 타입 소형 직류 램프 또는 제논(xenon)과 같은 가스를 충전한 유사 램프가 개발되었다. 상기 램프는 작은 치수, 경량, 안정기가 없어 전압 서지 또는 스파이크 발생에 영향을 받지 않는 이점들을 가진다. 이는 또한 휴대성을 제공하며 동력을 배터리에 의해 제공할 수 있다. 그러나, 상기 램프는 소정 범위의 광의 거대 출력을 제공하지 않으며, 따라서 모든 사용자가 요구하는 충분한 밝기로서 재료를 관찰하도록 효율적인 형광이 행해지지 않았다. 이는 아마도 알루미늄과 같은 매끄로운 금속 반사기를 사용한 결과에 기인하며, 형광 영역, 즉 누출 영역에서 광의 충분한 촉광 결과에 대한 비임 초점이 결여된다.

따라서 본 발명의 목적은 내구성을 가지며, 전압 서지를 받지 않는 경량, 소형인 광원을 제공하며, 상기-언급된 형광 염료로서 형광에 요구되는 파장의 고출력 광을 효과적으로 생산하는 것이다.

누출 분야와 크랙 검출과 비파괴 검사에 관련하여, 다른 파장의 형광에는 다른 염료가 사용된다. 형광은 시험을 수행하는 장소에서 통상적으로 광원으로부터 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 것으로서 규정된다.

본 발명의 광시스템 요소는 일체형 반사기를 갖는 텅스텐 할로겐 램프의 사용에 기초하며, 반사기를 갖는 램프의 배치와 마찬가지인 램프를 포함하고, 반사기 설계에 의해서 결정되는 특성을 갖는 효과적인 광 시스템을 제공한다. 본원에 기술된 것과 같은 일반 싱글-엔디드(single-ended) 텅스텐 할로겐 램프는 뒤를 향하는 반사기 정점으로부터 지시되는 베이스와 함께 반사기 축에 장착된다. 제공된 반사기는 반사기 및 반사기 축으로부터 떨어져 있는 지점을 한정하거나 또는 보다 큰 또는 보다 작은 내장 램프에 의해서 발생된 광을 집중시키는 흔히 초점 반사기이다. 이와 같은 목적을 위해 사용되는 반사기 외형은 통상의 타원형이며, 램프 필라멘트는 상기 타원형의 제 1 초점에 놓이며, 제 2 초점에 집중된다. 그러나, 반사기가 포물 형상(parabolic shape)일 경우, 이는 광의 평행 비임을 발생하는 콜리메이터 반사기(collimating reflector)가 될 수 있다.

할로겐 램프에 사용되는 다수의 반사기들은 광 분포를 수정하도록 매끄로운 면보다는 작은 평면(faceted) 또는 구조면을 사용한다. 이와 같이 배치함으로써, 광의 균등성을 개선하고 비임 각을 증가할 수 있으며 또는 라이트-다크(light-dark) 에지를 분쇄하거나 또는 매끄럽게 한다. 반사기 면상의 작은 평면 범위는 겨우 볼 수 있는 미세 그레인(grain)으로부터 명확히 볼 수 있는 작은 평면까지이며, 작은 평면이 갖는 효과는 보다 적게 또는 더욱 명백히 대응된다. 정확한 포물 형상 또는 타원 형상의 조합을 갖는 상기 램프는 초점 제어를 정밀하게 할 수 있다. 매끄로운 알루미늄 반사기 사용으로는 최근 할로겐 램프에 기초하는 유리 반사기에서 제공되는 기하학적 균형 및 치수안정성이 가능하지 않다. 따라서, 상기 반사기를 위한 재료 선택이 유리일 경우, 내부 반구형을 갖는 반사기면은 소정의 반사 특성을 얻도록 적절하게 코팅된다. 이와 같은 코팅은 통상적으로 증착에 의해 적용된다. 공지된 상기 유리 반사기는 완전한 치수의 안정성을 가지며, 표면은 반사면을 위한 코팅을 적용함으로써 쉽게 수정될 수 있다.

물질 시험시 요구되는 형광의 검출은 광원에서 방사되는 광의 파장을 더욱 근접하여 한정한다. 해상력의 정밀도 및 파장의 제어는 다이크로익 코팅을 갖는 반사기를 사용함으로써 제어될 수 있다. 다이크로익 코팅은 간섭 현상을 통해서 그 반사 특성을 발생시킨다. 이는 복수의(수 다스 이상) 매우 얇은 층으로 이루어지며, 광 두께의 각각 1/4 파장만이 각각 높거나 낮은 굴절률의 물질 사이에서 교호된다. 층 두께의 미세 조정 및 수단들로 이루어지게 될, 실제로 허용하는 여러 반사곡선들이 조합된다. 최대 반사력은 거의 100 %이며, 저반사력 영역에서는 실제로 방사 흡수가 존재하지 않는다. 따라서, 다이크로익 반사기는 손실이 없으며, 반사기에서 반사되지 않고 관통한다.

다이크로익계 중에서 가장 알려진 부재는 냉광 반사기이며, 300 내지 750 나노미터 사이에서 가시광을 반사하고, 뒤로 유리 반사를 통해서 방해되지 않고 통과하도록 복사된 열을 허용한다. 이와 같은 배치는 조명면 또는 물건상의 열 부하를 매우 감소시킨다. 청광 반사기(blue reflector)와 자외선 반사기는 다른 형식의 반사기이다. 청광 반사기 경우에서는 스펙트럼(400 내지 500나노미터 사이)의 청색광 영역에서만 반사되며, 한편 자외선 반사기의 경우에서는 램프에 의해 방사된 자외선 범위에서만 반사된다. 이 범위는 통상적으로 약 300 내지 400 나노미터 사이에서 측정된다.

모든 형광 염료에서 극히 만족되는 상기 냉광 반사기 형광 염료는 냉광 반사기로부터 생산되는 것과 같은 동일 나노미터 범위 이내, 즉 300 내지 500 나노미터에서 광에 의해 형광을 위해 여기시킨다. 이 범위 밖에서 생산된 광은 대량으로 허비되어 요구되는 형광을 생산할 수 없고, 형광을 명확히 보기 위한 사용자의 능력을 저하시킬 수 있다. 그러므로 다이크로익 반사기는 램프에서 반사되는 광출력의 좁은 대역폭으로 제공하는 여기 파장(형광 물질을 위한)을 이상적으로 제공하며, 다른 타입의 반사기를 사용하여 실행할 수 없는 정밀도를 제공한다.

상기 램프는 형광을 위한 소정의 범위 내의 스택트럼의 폭에서 또한 효과적이며, 누출 검출 기술을 위해 요구되는 정밀 집중되는 광의 극히 강력한 밀도를 제공한다. 상기 배치 결과에서 초점은 특히 6°내지 14°비임 스프레드(beam spread)의 극히 작은 광원으로부터 10,000 내지 15,000 촉광만큼 높게 생산할 수 있다. 대개 좁은 비임 스프레드는 더욱 큰 촉광 및 더욱 큰 형광 밀도를 야기한다.

이는 또한 광 필터의 사용에 의해 상기 반사기 램프로부터 스팩트럼의 출력을 더욱 좁혀지게 한정할 수 있다. 상기 광 필터는 반사기 유닛의 일체부로 될 수 있거나 또는 그와 관련하여 사용되는 반사기 램프로부터 독립될 수 있다. 양쪽 모두의 예에서, 반사기 램프로부터의 광출력은 적용을 위해 요구된 파장만을 통과하도록 감소된다. 이는 통과하는 광의 밴드폭을 제한하지 않는 투명 유리를 사용함으로써 안전 목적을 위해 단독으로 사용되는 필터를 위해 가능할 수 있다. 통상적으로, 이는 흡수 필터 또는 다이크로익 필터로 사용되어 질 수 있는 두 형식의 필터가 가능하다. 색선별 필터는 색선별 필터의 사용에 관해 상기에 논의 된 것과 같이 간섭의 동일 원리상에서 재차 작동한다.

또한, 사용자가 소정 파장의 광만을 통과시키도록 차폐물 또는 안경류를 사용함으로써 본 발명에 따른 광원에서 광출력을 맞추는 것 또한 가능하다. 안경류는 안경, 보호 안경 및 얼굴 차폐물을 포함하는 다수 형태를 취할 수 있다. 그러므로, 안경류는 필터와 조합되어 사용할 때 형광의 검출을 위한 파장의 궁극의 미세 조정을 허용한다.

본 발명에 따르는 배치에서는 하우징을 구성하는 부재에서 필라멘트를 포함하는 램프의 부분을 감싸는 반사하는 작은 평면 선별 필터면과 함께 여기에 포함하는 램프를 갖는 다이크로익 반사기를 포함하는 광원이 고정된다. 추가로, 램프 조립체의 전방은 다이크로익 반사기에 의해 반사되는 특정범위 내에서 그로부터 방사되는 광을 제어하며, 광원에서 방사된 광의 특정 파장을 또한 제한하도록 작용하는 흡수 형식 필터인 모든 경우에서의 필터 렌즈이다. 마지막 필터는 청광 및 자외선 광반사기로 사용될 때 제거될 수 있다.

온/오프 스위치는 광원을 위한 외부 동력원과의 접속 제어를 제공하는 컨테이너 내부에 또한 포함한다. 따라서, 이는 광원의 전방에 위치한 다이크로익 반사기 및 흡수 형식 필터의 조합의 수단에 의해 볼 수 있으며, 미리 결정된 좁은 비임의 광은 현재 유닛의 광원으로부터 방사될 수 있다. 발명의 추가적인 특징 및 이점은 다음에 설명되는 발명의 적합한 실시예의 상세한 설명에서 나타나게 된다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참고로 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이며, 도면들에 있어서 유사 부품은 동일 참조 부호로 나타내었다.

도 1 및 2에 있어서, 본 발명에 따른 광원의 적합한 실시예는 페놀릭, 플라스틱 또는 적합한 재료로 구성된 하우징으로 이루어진다. 유닛은 원통 구조 중공형이고, 어느 한쪽 단에 부착되며, 그의 전방캡(2)과 후방캡(3) 모두는 알루미늄 또는 다른 적합한 물질로 구성된다. 도면에 도시된 바와 같이, 전방캡(2)은 외측으로 개방되며, BIS 필터 렌즈 No. PS-600을 구성하는 적합한 실시예인 필터 렌즈(4) 뒤에 일직선으로 위치된다. 이 필터는 대략 400 나노미터의 파장에서 최대 광투과를 제공하며, 상기 파장에서 광의 약 82%는 필터 렌즈를 통해서 투과된다.

압축 스프링(5)은 필터 뒤에 직접 위치하여 하우징 내에 적절한 간격으로 필터 렌즈(4) 및 반사기(6)를 위치시키는 작용을 하며, 충격-흡수 기능을 제공한다.

필터 렌즈(4) 뒤에 위치하며 압축 스프링(5)에 의해 분리되는 반사기(6)는 조명 산업 분야에서는 문자 "MR"로 명명되는 일반 형식의 성형 유리 반사기이다. "MR" 문자를 따르는 숫자는 반사기 직경의 3.18㎜(1/8") 증가를 나타낸다. 본 실시예에서, MR16 반사기는 약 51㎜ 즉 약 2.0" 의 직경을 가진다.

이와 같은 형식의 유닛은 미국, 유럽, 및 일본의 몇몇의 주요 조명 업체에 의해 생산된다. 상기 반사기는 제너랄 일렉트릭 컴퍼니, 오슬람-실바니아, 등에 의해 생산된다.

대부분의 반사기는 디스플레이 조명과 같은 적용을 위해 사용되는 저-전압, 고-명암도 램프가 되도록 널리 사용된다. 상술된 바와 같이, 언급된 형식의 성형 반사기는 통상적으로 전방면(9) 상에 반사하는 코팅으로 표면 처리된다. 이와 같은 표면은 통상적으로 반사기로부터 가시광을 반사하도록 배치되는 다층 간섭 필터이다. 전방 표면(9)은 램프(10)로부터 조명의 균일한 비임을 제공하는 한 작은 평면(7A)을 갖는다. 특히 본원에서 선정된 램프(텅스텐 할로겐)는 약12°확산되는 좁은 스폿 형식의 비임을 제공하는 MR16 형식 EXT 일 수 있다. 반사기(6)의 후방 표면(8)으로부터의 연장부는 장착 부분(14)에 고정된다. 정점에서의 반사기를 통해 확장되는 구경은 통상 연장되는, 램프(10)와 같이 적합한 범위의 램프(벌브)를 허용하도록 통상 직사각형 구경으로 배치된다. 램프(10)는 필라멘트 부분(10A) 및 목부분(10B)을 가지며, 본원에 포함되는 필라멘트(11)는 램프 후방에서 단자(12) 및 단자(13)(도시되지 않음)에 연결된다. 단자(13)는 단자(12)와 평행하므로 보이지 않는다. 상기 램프는 봉입 구성된 필라멘트 부분(10A) 및 유리 또는 수정으로 구성된 목부분(10B)을 갖는 할로겐 램프와 같은 통상의 백색 광원이다. 상기 램프(10)는 반사기(6)의 전방 표면(9)을 지나서 연장되는 필라멘트 부분(10A)을 갖는 목부분(14) 내에 고정된다. 단자(12 및 13)를 수용하는 소켓(15)은 회로 전도체(16 및 17)를 접속 제공한다. 소켓(15)은 세라믹 또는 유사 물질로 구성된다. 전도체 부분(16A)은 온/오프 스위치(18)로 연장되며, 전도체 부분(16B)을 통해 외부 동력원(20)으로 계속된다. 다른 전도체(17)는 소켓(15)으로부터 동력원(20)까지 직접 연장된다.

본원에서 도시된 MR16 램프는 통상적으로 12볼트 전압으로 작동되며 약 50와트의 전력을 소모한다. 동력원(20)은 배터리, 발전기 또는 다이나모 등으로 구성될 수 있다. 스위치(18)는 본 발명의 광원에서 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질의 시험에서 현재의 새로운 광원이 사용되는 동안 광원의 온 또는 오프로 전환하기 위해 사용된다.

열 차폐물(19)은 반사기(6)의 후방 부분, 고정 부분(14), 소켓(15)의 둘레로 연장되고, 후방캡(3) 부분에 의해 반사기의 후방에 대항하는 장소에 유지된다. 후방 표면(8)을 통하는 열과 같이 전송되는 반사기(6)에 의해 전방 방향으로 전송되지 않는 광이 있는 한, 열 차폐물이 필요하며, 반사기(6)의 목부분(14)은 작동시 접촉이 용이하도록 현재 유닛을 지속시키는 역할을 한다.

완전한 MR16 형식 반사기를 갖는 본원에 포함하는 할로겐 램프는 이전에 언급된 다른 소스 및 오슬람-실바니아로부터 이용 가능할 수 있다. 램프(10)는 실리콘 또는 에폭시를 기본으로 한 접착제와 같은 적합한 접착제로서 입증할 수 있는 고정 부분(14)에 부착되는 것이 바람직하다.

상술된 바와 같은 유닛은 다이크로익 반사기를 포함한다. 다이크로익 반사되는 코팅은 간섭 현상을 통해 특정 반사 특성을 산출한다. 이들은 많은 층(40 이상의 매우 얇은 층)으로 구성되며, 각각 광 두께의 파장의 1/4 만이 높거나 낮은 반사 지수를 갖는 물질 사이에서 교호된다. 따라서, 낮은 반사력을 갖는 영역에서 실질적인 흡수가 거의 없으므로, 반사력은 거의 100%가 된다. 본 실시예에 따른 광원에서 그와 같은 그룹의 일원으로 잘 알려진 부재는 약 400 내지 700 나노미터 사이의 가시광만을 반사하고, 또한 유리 반사기를 통해 후방으로 방해받지 않고 통과하도록 어떠한 열방사도 허용하는 냉광 반사기로 언급되는 형식일 수 있다. 따라서, 조명면 또는 물체상의 열부하는 매우 감소된다.

광원의 효과는 사용자가 본 발명의 광원으로부터 광의 파장을 추가로 제한하도록 장파장 통과 물질(31 또는 41)을 포함하는 차폐물(40) 또는 안경류(30)를 사용할 때 강화된다.

도 1은 본 발명의 적합한 실시예에 따른 광원에서 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질의 시험에 사용하는 광원의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 광원의 분해도.

도 3은 본 발명의 광원과 함께 사용하는 장파장 통과 물질을 포함하는 안경류의 사시도.

도 4는 본 발명의 광원과 함께 사용하는 장파장 통과 물질을 포함하는 차폐물의 사시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

2: 프론트 캡 3: 리어캡

4: 필터 렌즈 5: 압축 스프링

Claims (3)

1. 광원에서 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질의 검사용 광원에 있어서,

   상기 광원은 램프 조립체를 포함하며, 상기 램프 조립체는,

   400 내지 700 나노미터 사이의 파장에서 광을 반사하는 냉광 반사기(cold-light reflector)인 다이크로익(dichroic) 반사기와;

   상기 다이크로익 백색광 반사기와 물질 사이에 위치된 램프; 및

   상기 램프 조립체와 물질 사이에 위치된 필터 렌즈를 구비하며,

   상기 다이크로익 백색광 반사기는 집속 반사기(focusing reflector)이며,

   상기 램프는 전력원에 연결되고, 또한 광을 방사하기 위해 상기 전력원에 반응하여 작동하며,

   상기 다이크로익 백색광 반사기는 상기 램프에서 방사된 광의 선택된 부분을 반사하도록 작용하며,

   상기 필터 렌즈는 상기 램프로부터의 광과 상기 다이크로익 백색광 반사기에 의해 반사된 광을 추가로 제한하도록 작용하며,

   상기 광원에서 방사되는 광은 상기 물질로부터 광의 재방사를 강화하는데 유효한 소정 범위로 제한되는 것을 특징으로 하는 물질 검사용 광원.
2. 광원을 포함하는 누출 검사용 광원 시스템에 있어서,

   상기 광원 시스템은,

   램프 조립체; 및

   상기 광원으로부터 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질을 포함하며,

   상기 램프 조립체는,

   파라볼릭(parabolic) 광 반사기; 및

   상기 반사기와 상기 물질 사이에 위치된 램프를 구비하며,

   상기 램프는 전력원에 연결되고, 또한 광을 방사하기 위해 상기 전력에 반응하여 작동되며,

   상기 광원에서 방사되는 광은 상기 물질로부터의 광의 재방사를 강화하는데 유효한 소정 범위로 제한되는 것을 특징으로 하는 누출 검사용 광원 시스템.
3. 광원에서 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질의 검사용 광원에 있어서,

   상기 광원은 램프 조립체를 포함하며, 상기 램프 조립체는,

   램프; 및

   상기 램프와 물질 사이에 위치된 다이크로익 필터 렌즈를 구비하며,

   상기 다이크로익 필터 렌즈는 상기 램프로부터의 광과 상기 다이크로익 반사기에 의해 반사된 광을 추가로 제한하도록 작용하며,

   상기 다이크로익 반사기는 400 내지 700 나노미터 사이의 파장에서 광을 반사하는 냉광 반사기이며,

   상기 광원에서 방사되는 광은 상기 물질로부터의 광의 재방사를 강화하는데 유효한 소정 범위로 제한되는 것을 특징으로 하는 물질 검사용 광원.

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