KR100557208B1 - 물질검사용광원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난방, 환기 및 공조 시스템 등에서 누출 부위를 검사하는데 사용되는 광원에 관한 것이며, 상기 시스템에서는 누출의 여부를 판정하기 위해 냉매내에 형광-발생 염료를 사용한다. 상기 광원은 광원으로부터 방사된 광의 파장을 보다 좁게 방사하기 위해 램프 및 간섭 필터와 다면 반사경을 조합한다.

Description

물질 검사용 광원

본 발명은 난방, 환기 및 공조 시스템에서의 누출 검출에 사용하기 위한 광원에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광원에서 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질을 검출할 수 있는 광원에 관한 것이다.

클로로플루오르 카본(CFC) 냉매가 오존층을 파괴하기 때문에, 환경친화적인 대체 냉매를 개발하는 것이 필요해졌다. 듀퐁, 인터내셔널 케미컬스 및 다른 제조 업체들은 환경을 위해 보다 안전하고 영(zero) 내지 CFC 냉매의 오존 파괴율의 몇분의 일 정도의 범위의 오존 파괴율을 갖는 하이드로플루오르 카본(HFC) 냉매를 개발하였다.

나프탈이미드, 페릴렌, 티옥산탄(thioxanthane), 쿠마린(coumarin) 또는 형광 물질(fluorescene)과 같은 특정한 염료를 냉매 및/또는 윤활제에 첨가하면, 적절한 또는 특정한 특성값을 갖는 광원 하에서 검사될 때 누출 부위에 존재하는 형광 물질에 의해 누출이 검출될 수 있다. 이러한 누출 검출 기술은 1994년 10월 25일 및 1995년 6월 6일자로 각각 리차드 지. 헨리에 허여되고 본 출원인에게 양도된 미국특허 제5,357,782호 및 제5,421,192호에 공지 및 공개되어 있다.

이러한 검출 용도에 사용되는 형광 물질을 검출하는데 있어서, 300 내지 700 나노미터의 방사 파장을 갖는 광 하에서 누출이 검출될 때 상기 형광 물질을 최적의 가시성으로 검출할 수 있음이 밝혀졌다. 종래에는, 이러한 특수한 용도를 위해 자외선 광원이 사용되었지만, 이들은 통상적으로 300 내지 450 나노미터의 자외선 영역에서 주로 광을 생성하는 만큼 최적의 성능을 제공하지 못하였다.

미국 특허 상표청에서 발행된 본 발명의 요지에 대한 배경 기술 조사 결과 하기와 같은 미국 특허가 있었다:

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

본 발명의 출원인이 인지하고 있는 다른 특허로는 하기와 같은 미국특허가 있다.

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

상술한 종래 기술의 특허들 중 어떠한 것도 본 발명에 제시된 구성 요소 및 기능의 신규한 조합을 청구하거나, 개시하거나, 또는 공개하지 않는다고 사료된다.

본 발명의 목적은 소정의 물질에 형광을 유발하기 위해 특정 파장의 광을 조준할 필요가 있는 산업 또는 기술 분야에 사용하기 위한 최적화된 유닛을 제공하는 광원을 제공하고자 하는 것이다. 이는 비파괴 검사 산업계 및 누출 검출 산업계에서 수행된다. 양쪽 모두에서, 염료와 같은 물질은 300 내지 500 나노미터 범위의 광을 방사하는 광원 하에서는 보다 밝은 형광을 낼 수 있는데 반하여, 통상적인 파장의 대기중의 광 하에서는 형광이 전혀 검출되지 않거나 또는 극소의 형광만이 검출된다.

역사적으로, 이러한 형태의 용도에 사용되는 광원은 110 볼트나 220 볼트에서 작동되는 대용량 교류 램프였다. PAR 38로 공지된 이러한 램프는 필립스 등의 제조업체에 의해 제조되었다. 통상적으로, 상기 램프는 100 내지 200 와트 범위이고, 원하는 형광 반응(fluorescent response)을 나타내기 위해 상당한 양의 광이 소정 범위를 벗어나서 방사된다. 또한, 이러한 램프에서는 다량의 열이 발생하며 추가적인 부피와 무게를 요구하는 안정기(ballast)를 사용할 필요가 있었다.

종래 기술의 몇몇 단점들을 극복하는 자동 안정기 램프(self ballasted lamp)가 실질적으로 나중에 개발되었다. 그러나, 이들은 예열 기간이 비교적 긴 경향이 있으며 서지 전압(voltage surge)에 매우 민감하여 불이 꺼지게 될 수 있고, 실질적으로 긴 냉각 기간 이후에 다른 예열 기간이 필요하였다.

보다 최근에는, 크세논(xenon)과 같은 가스를 충전한 할로겐 형태의 소형 직류램프 또는 유사물이 개발되었다. 이러한 램프는 안정기가 필요없고, 치수가 작으며, 경량이고, 서지 전압 또는 스파이크(spike) 발생에 영향을 받지 않는다는 이점들을 가진다. 또한, 상기 램프는 휴대성을 제공하며 배터리에 의해 동력을 제공받을 수 있다. 그러나, 이러한 램프는 원하는 범위의 큰 출력의 광을 제공하지 못하며, 따라서 대부분의 사용자의 요구에 맞는 충분한 밝기로 물질을 관찰할 수 있을 정도의 효과적인 형광을 발하지 못한다. 이는 아마도 형광 부위 즉, 누출 부위에서 충분한 캔들 파워(candle power)의 광을 유발하기에는 적절한 비임 초점이 부족한 반사경을 사용하였기 때문일 것이다.

따라서 본 발명의 목적은, 소형이고, 경량이며, 서지 전압의 영향을 받지 않고, 내구성이 있으며, 상술한 형광 염료를 효과적으로 발광시키는데 필요한 파장의 광을 대량 출력하는 광원을 제공하는 것이다.

누출 및 크랙 검출과, 관련된 비파괴 검사 분야에서는, 상이한 파장으로 형광을 발하는 상이한 염료들이 사용된다. 형광은 일반적으로 검사를 수행하는 광원으로부터 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 것으로 정의된다.

본 발명의 조명(lighting) 시스템의 요점은 일체형 반사경을 갖는 텅스텐 할로겐 램프를 사용하는 것이며, 그 사용은 반사경의 디자인과, 포함된 램프, 및 상기 램프와 반사경의 정렬에 의해 결정되는 특징들을 효과적인 조명 시스템에 제공한다. 본원에서 설명되는 일반적인 싱글-엔디드(single-ended) 텅스텐 할로겐 램프는 그 베이스(base)가 반사경의 정점으로부터 후방을 향하도록 반사경의 축에 장착된다. 제공되는 반사경은 종종, 내장된 램프에 의해서 발생된 광을 반사경 및 반사경의 축으로부터 일정 거리에서 그 이상 또는 보다 작은 또는 정해진 지점(defined spot)에 집중시키는 초점 반사경(focusing reflector)이다.

상술된 할로겐 램프에 사용되는 많은 반사경은 광 분포를 수정하기 위해 매끄러운 면보다는 오히려 다면(faceted; 다수의 각진 면으로 이루어진) 표면 또는 구조화된(structured) 표면을 사용한다. 이러한 배치는 광의 균등성(evenness)을 개선하며, 비임 각도를 증가시키거나 또는 명-암의 경계를 완화 또는 해소할 수 있다. 반사경의 표면 상의 다면들은 미세하고 잘보이지 않는 크기(grain)로부터 명확히 볼 수 있는 다면까지의 범위이며 이에 따라 그 효과가 적어지거나 또는 더 명확하게 된다. 정확한 반사경 형상으로 조합하면, 상기 램프는 초점을 정밀하게 제어할 수 있다. 매끄러운 알루미늄 반사경이 사용되었지만, 최근 할로겐 램프에서 볼 수 있는 글래스 반사경에 의해 제공되는 기하학적 균형 및 치수 안정성을 허용하지는 않는다. 따라서, 이러한 반사경을 위한 재료는 보통 글래스로 선택되며, 내측의 돔형(domed) 반사경 표면은 필요한 반사 특성을 얻도록 적절하게 코팅된다. 이러한 코팅은 통상적으로 기상 증착(vapor deposition)에 의해 적용된다. 상기 글래스 반사경은 반사면에 코팅을 적용함으로써 용이하게 수정될 수 있는 표면과 절대적인 치수 안정성을 갖는 것으로 알려져 있다.

가장 최근에는 정밀가공된 알루미늄 반사경을 포함하는 램프가 개발되었다. 고성능의 축방향 필라멘트 램프와 혁신적인 다면 반사경 디자인을 조합하면, 매우 높은 중심 비임(center beam)의 캔들 파워와 매끄러운(smooth) 비임 패턴을 갖는 램프가 제공된다. 내구성이 있고 경량인 다면 반사경을 갖는 이러한 램프는 내부 돔형 다면 반사경 표면을 갖는 글래스 램프가 사용되는 대부분의 동일한 적용분야에서 만족스러운 것으로 입증되었다.

검사될 물질이 형광 검출을 요구하는 경우에, 광원에서 방사되는 광의 파장은 보다 엄밀하게 한정되어야 한다. 이러한 파장의 한정 및 제어의 정확성은 다면 표면을 갖는 반사경을 사용하여 제어할 수 있다.

일부 백색광(white-light) 반사경은 염료로부터 형광이 아주 잘 나오게 하는 바, 대부분의 형광 염료들은 백색광 반사경으로부터의 출력에 포함되는 동일한 나노미터 범위, 즉 400 내지 700 나노미터의 광에 의해 형광을 발하도록 여기된다. 이 범위를 벗어나서 생성된 광은 대부분 폐기되어 원하는 형광을 생성하지 않으며, 형광을 명확하게 확인할 수 있는 사용자의 능력을 저하시킬 수 있다. 그러므로 다면 반사경은 (형광을 발하는 물질에)적합한 여기 파장을 제공함에 있어서, 그리고 다른 형태의 반사경을 사용해서는 불가능한 정밀도를 제공함에 있어서 이상적이다.

상기 램프는 또한, 형광 반응을 위해 요구되는 범위내의 스펙트럼 폭에서 효과적이며, 누출 검출 기술을 위해 요구되는 정확한 포커싱을 갖는 매우 강한 강도의 광을 제공한다. 이러한 배치 구조로 인해, 특히 4°내지 11°의 비임 분산도에서, 극히 작은 광원으로부터 50,000 캔들 파워만큼 높은 광도를 낼 수 있는 초점이 얻어진다. 일반적으로, 비임 분산도가 좁아질수록, 캔들 파워는 커지고 생성되는 형광의 강도가 커진다.

또한, 광학 필터를 사용하여 상기 반사경 램프로부터의 스펙트럼 출력을 보다 좁게 한정할 수 있다. 반사경 램프로부터의 광 출력은 소정의 적용 파장만을 통과하도록 감소된다. 통상적으로, 흡수 필터 또는 이색(dichroic) 필터의 두 가지 형식의 필터가 사용될 수 있다. 상기 이색 필터는 간섭 원리로 작동한다.

또한, 일정한 파장의 광만이 통과할 수 있도록 사용자가 차폐물 또는 안경류를 사용함으로써 본 발명에 따른 광원으로부터의 광출력을 추가로 조정할 수 있다. 이러한 안경류는 안경, 고글 및 안면 보호구를 포함하는 몇가지 형태를 취할 수 있다. 따라서, 안경류는 필터와 조합되어 사용될 경우에 형광을 검출하기 위한 파장을 극히 정밀하게 조정할 수 있다.

본 발명에 따른 배치 구조에서, 하우징 내에 광원이 장착되며, 상기 광원은 램프가 내장된 반사경과 필라멘트를 갖는 램프 부분을 둘러싸는 다면 반사면을 구비한다. 부가로, 램프 조립체의 전방에는 필터 렌즈가 배치되며, 이 필터 렌즈는 대부분의 경우, 광원에서 방사되는 광의 특정 파장을 더욱 제한하고 상기 방사되는 광을 다면 반사경에 의해 반사되는 특정 범위 내로 제어하도록 작용하는 흡수형 필터 렌즈이다.

광원을 위해 외부 전원에 대한 접속을 제어하기 위한 온/오프 스위치가 컨테이너 내부에 또한 포함된다. 따라서, 광원의 전방에 위치한 흡수형 필터 렌즈와 다면 반사경의 조합에 의하면 광원으로부터 소정의 협폭의 광선이 방사될 것임을 알 수 있다. 본 발명의 다른 특징 및 이점은 하기에 제시하는 본 발명의 양호한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명은 도면을 참조하여 잘 이해할 수 있으며, 도면에서 유사한 구성 요소에는 동일한 도면부호로 지시하였다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 광원의 적합한 실시예는 페놀, 플라스틱 또는 적합한 재료로 구성된 하우징(1)을 포함한다. 상기 유닛(하우징)은 중공 원통 구조이고 양단에 전방 캡(2)과 후방 캡(3)이 부착되며, 이들 양 캡은 알루미늄 또는 다른 적합한 재료로 구성된다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 전방 캡(2)은 외측으로 개방되며, 그 바로 뒤에 필터 렌즈(4)가 위치되고, 이 필터 렌즈는 양호한 실시예에서 BSI 필터 렌즈 No. PS-600으로 구성된다. 이 필터 렌즈는 대략 400 나노미터의 파장에서 최대의 광 투과율을 제공하며, 상기 파장에서 광의 약 82%가 필터 렌즈를 통해 투과된다.

상기 필터 렌즈(4) 바로 뒤에는 압축 스프링(5)이 위치되며, 이 압축 스프링은 하우징 내에 적절한 공간 관계로 상기 렌즈와 반사경(6)을 위치 조정하는 것을 도우며 다소의 충격-흡수 작용을 또한 제공한다.

필터 렌즈(4) 뒤에 위치하며 압축 스프링(5)에 의해 분리되어 있는 반사경(6)은 알루미늄 처리된 다면 반사면을 갖는 성형된 글래스 반사경(TRU-AIM BRILLIANT MR16)이거나 다면 표면을 가지는 알루미늄 반사경(AR 70) 중 하나이다.

다른 램프(10)로서 오스람-실바니아(Osram-Sylvania)에 의해 제조된 모델 AR111 램프를 사용할 수 있는 것으로 판명되었다. 이는 정밀하게 장착된 자외선 정지 전구(stop bulb)를 구비하는 정밀 가공된 다면 알루미늄 반사경을 포함하는 알루미늄 반사경 램프이다. 이 유닛은 형광 물질의 재방사에 있어서 우수한 특성을 나타내며, 4°의 비임 분산도를 제공한다. 상술한 AR 70 램프보다 약간 크다면, 하우징도 이에 비례하여 증가되어야 한다. 또한, 이러한 램프는 검사될 물질과 램프 사이에서 필터를 사용하지 않고도 우수한 결과값(325 내지 700 나노미터 사이)을 나타내는 것으로 밝혀졌다.

대부분의 반사경들은 디스플레이 조명과 같은 적용분야에 사용되는 저-전압, 고-강도의 램프를 제조하도록 광범위하게 사용된다. 상술한 바와 같이, 상술한 형태의 성형된 반사경은 일반적으로 다면 반사 전방면(7)으로 마무리처리된다. 상기 전방면은 반사경으로부터의 가시광을 반사하도록 구성된다. 전방면(7)은 다면(7A)을 구비하며, 램프(10)로부터 균일한 조명 비임을 제공한다. 본 실시예에서 선택된 특정(텅스텐 할로겐) 램프는 좁은 스폿(narrow spot) 형태의 비임을 제공한다. 반사경(6)의 후방면(8)으로부터는 장착부(14)가 연장된다. 램프(10)는 필라멘트 부분(10A)과 목 부분(10B)을 가지며, 그 내부에는 필라멘트(11)가 포함되고, 이 필라멘트는 후방에서 단자(12) 및 단자(13)(도시되지 않음)에 연결되어 있다. 단자(13)는 단자(12)에 평행하므로 도면에서는 보이지 않는다. 이러한 광원은 일반적으로, 필라멘트 부분(10A)과 글래스 또는 수정으로 구성된 목 부분(10B)으로 이루어진 엔벨로프(envelope)를 갖는 할로겐 전구와 같은 백색광을 나타내는 광원이다. 램프(10)는 필라멘트 부분(10A)이 반사경(6)의 전방면(7)을 지나 연장하여 장착부(14)에 장착된다. 단자들(12, 13)을 수용하는 소켓(15)은 회로 도체(16, 17)에 대한 접속을 제공한다. 소켓(15)은 세라믹 등의 물질로 구성된다. 도체 부분(16A)은 온/오프 스위치(18)로 연장되며 도체 부분(16B)을 통해 외부 전원(20)까지 계속 연장된다. 다른 도체(17)는 소켓(15)으로부터 전원(20)까지 직접 연장한다.

본원에서 설명한 램프들 중의 하나는 통상적으로 12볼트 전압으로 작동되며 약 50와트의 전력을 소모한다. 전원(20)은 배터리, 발전기 또는 다이나모(dynamo)로 구성될 수 있다. 스위치(18)는 본 발명의 광원으로부터 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질을 검사하기 위해 본 발명의 신규한 광원의 사용중에 광원을 온 또는 오프로 전환하기 위해 사용된다.

열 차폐물(19)은 반사경(6)의 후방 부분, 장착부(14), 및 소켓(15)의 주위로 연장되며, 후방 캡(3)의 부분에 의해 반사경(6)의 후방에 대해 제위치에 유지된다. 상기 열 차폐물은 작동 중에 본 발명의 장치를 쾌적하게 만질 수 있는 상태로 유지한다.

본원에 포함되는 할로겐 램프와 함께 완전하게 도시된 다면 반사경은 상술한 바와 같이 오스람-실바니아 및 다른 구입원으로부터 구할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 램프(10)는 양호하게는 실리콘 또는 에폭시계 접착제와 같은 적절한 접착제를 사용하여 장착부(14)에 접합될 수 있다.

상술한 본 발명의 장치는 다면 반사경을 포함한다는 점에 유의해야 한다. 다면 반사경은 간섭 현상을 통해 특정한 반사 특성을 나타낸다.

본 발명의 광원으로부터의 광의 파장을 더욱 제한하기 위해 사용자가 장파장 통과물질(31 또는 41)을 포함하는 차폐물(40) 또는 안경류(30)를 사용하면, 광원의 효율이 개선된다.

본 발명은 내구성 있고, 서지 전압의 영향을 받지 않으며, 경량, 소형인 광원을 제공하고, 상술한 형광 염료에 의해 형광에 요구되는 파장의 고출력의 광을 효과적으로 생성한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 광원으로부터 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질의 시험에 사용하기 위한 광원의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 광원의 분해도.

도 3은 본 발명의 광원과 함께 사용하기 위한 장파장 통과물질을 포함하는 안경류(eyewear)의 사시도.

도 4는 본 발명의 광원과 함께 사용하기 위한 장파장 통과물질을 포함하는 차폐물의 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 하우징 2: 전방 캡

3: 후방 캡 4: 필터 렌즈

5: 압축 스프링 6: 반사경

7: 전방면 7A: 다면

8: 후방면 10: 램프(광원)

10A: 필라멘트 부분 10B: 목 부분

11: 필라멘트 12, 13: 단자

15: 소켓 16, 17: 회로 도체

18: 온/오프 스위치 19: 열 차폐물

20: 전원 30: 안경류

40: 차폐물 31, 41: 장파장 통과물질

Claims (3)

1. 광원에서 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질 검사용 광원으로서,

   초점 반사경(focusing reflector)인 다면(faceted) 백색광 반사경, 및

   상기 다면 백색광 반사경과 상기 물질 사이에 위치되는 램프로 이루어진 램프 조립체를 포함하고,

   상기 램프는 전기 전원에 연결되며 상기 전기 전원에 의해 작동되어 광을 방사하고,

   상기 다면 백색광 반사경은 상기 램프에서 방사된 상기 광의 선택된 부분을 반사하도록 작용하며,

   상기 램프 조립체와 상기 물질 사이에 위치되는 필터 렌즈를 또한 포함하고,

   상기 필터 렌즈는 상기 램프로부터의 상기 광 및 상기 다면 백색광 반사경에 의해 반사된 상기 광을 제한하며,

   상기 다면 백색광 반사경 및 상기 필터 렌즈는 상기 광원에 의해 방사된 상기 광을 상기 물질의 여기 파장들을 포함하는 소정의 범위로 제한하도록 선택되는 물질 검사용 광원.
2. 광원에서 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질 검사용 광원으로서,

   주로 400 내지 700 나노미터의 파장을 갖는 방사 범위 내의 광을 반사하는 초점 반사경인 다면 백색광 반사경, 및

   상기 다면 백색광 반사경과 상기 물질 사이에 위치되는 램프로 이루어진 램프 조립체를 포함하고,

   상기 램프는 전기 전원에 연결되며 상기 전기 전원에 의해 작동되어 광을 방사하고,

   상기 다면 백색광 반사경은 상기 램프에서 방사된 상기 광의 선택된 부분을 반사하도록 작용하며,

   상기 다면 백색광 반사경은 상기 광원에 의해 방사된 상기 광을 상기 물질의 여기 파장들을 포함하는 소정의 범위로 제한하도록 선택되는 물질 검사용 광원.
3. 광원에서 방사된 광의 파장보다 큰 파장으로 광을 재방사하는 물질 검사용 광원 시스템으로서,

   상기 재방사된 광을 이를 통해서 관찰할 수 있는 필터 렌즈, 및

   다면 백색광 반사경과, 상기 반사경과 상기 물질 사이에 위치되는 저전압 램프로 이루어진 램프 조립체를 포함하고,

   상기 저전압 램프는 전기 전원에 연결되며 상기 전기 전원에 의해 작동되어 광을 방사하고,

   상기 반사경은 상기 광원에 의해 방사된 상기 광을 상기 물질의 여기 파장들을 포함하는 소정의 범위로 제한하도록 선택되는 물질 검사용 광원 시스템.