KR101250895B1 - 아크 위치 검출 장치 - Google Patents
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Abstract
광학렌즈 및 광부품을 이용하여 아크 발생 여부 및 아크 발생 위치를 검출하는 기술이 개시된다. 표면에 결상된 가시광 영역의 빛을 2차원 이미지 신호로 변환하는 이미지 센서; 아크 발생이 예상되는 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치에서 발생되는 아크광을 상기 이미지 센서에 결상시키는 자외선용 광학렌즈; 상기 아크광 중 자외선 영역의 빛만을 선택적으로 투과시키고 다른 파장 대역의 빛을 차단하는 자외선 선택 투과 필터; 및 상기 자외선 선택 투과 필터를 투과한 자외선 영역의 빛이 입사되면 가시광 영역의 빛으로 방출하는 자외선 반응 형광체를 포함하는 아크 위치 검출 장치에 의하면, 광학렌즈 및 광부품을 이용하여 아크 위치를 동시에 검출하여 아크 검출에 있어서 성능이 우수하고 높은 신뢰성을 갖는 효과가 있다.
Description
본 발명은 아크 위치 검출 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광학렌즈 및 광부품을 이용하여 아크 발생 여부 및 아크 발생 위치를 검출하는 기술에 관한 것이다.
누전은 절연이 나빠서 전류가 새어 나가는 상태를 의미하며, 감전 및 화재의 원인이 된다. 전기기계기구나 전선의 절연이 열화되거나 손상을 받으면 절연 효력이 상실되고, 전기기계기구의 케이스 등을 통해서 전류가 흐르게 되는데, 이를 누전이라 한다.
종래에는 이러한 누전을 검출하기 위해서 화재에 위험이 되는 직접적인 누전 검출 방식을 이용하는 것이 아니라, 간접적으로 전기적 신호를 검출하는 방식을 이용하였다. 공개특허 제2011-0101497호는 누전차단기의 누전 검출 회로에 관한 것으로서, 상간 전류 불평형 현상이 발생하는 경우 누전이 발생한 것으로 검출하는 기술이 개시되어 있다.
이처럼 종래의 누전 검출 방법은 간접적인 전기적 신호의 검출을 이용하기 때문에 누전 이외의 전기신호적인 영향 등과 같은 외부 노이즈에 의해 오검출이 될 수 있는 문제점이 있었다.
그리고 종래의 누전 검출 방법은 누전의 위치에 상관없이 전체 전기 신호에 의한 검출에 의하기 때문에 누전 위치 이외에 전기신호 검출기에 하나로 연결되는 전체 누전 부위에서의 누전으로 오인하여 개별적인 누전 부위를 제어하는 것이 불가능한 문제점이 있었다.
누전이 발생하는 경우 아크(arc)도 발생하게 되어 화재 및 정전 사태로 인한 많은 피해가 일어나게 되는 바, 직접적 피해의 원인인 아크 자체를 정확하게 검출하여 문제 발생 전에 선조치를 취하는 것이 중요하므로, 직접 아크를 그 위치까지 검출할 수 있도록 할 필요가 있다.
본 발명은, 광학렌즈 및 광부품을 이용하여 아크 발생 여부 및 아크 위치를 동시에 검출하여 아크 검출에 있어서 성능이 우수하고 높은 신뢰성을 갖는 아크 위치 검출 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 아크 검출 시 아크 위치를 함께 검출하여 위치 선택적 누전 차단이 가능한 아크 위치 검출 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 아크 발생 시 수반되는 빛을 광학적 방식으로 검출하여 안정적이면서도 우수한 아크 감지 성능을 갖는 광학식 아크 감지 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 자외선 선택 투과 필터를 통해서 아크 이외의 외부 노이즈 신호에 반응하지 않음으로써 아크 감지를 효율적으로 하는 광학식 아크 감지 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 아크 발생 여부 및 아크 위치를 검출하는 장치로서, 표면에 결상된 가시광 영역의 빛을 2차원 이미지 신호로 변환하는 이미지 센서; 누전 발생이 예상되는 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치에서 발생되는 아크광을 상기 이미지 센서에 결상시키는 자외선용 광학렌즈; 상기 아크광 중 자외선 영역의 빛만을 선택적으로 투과시키고 다른 파장 대역의 빛을 차단하는 자외선 선택 투과 필터; 및 상기 자외선 선택 투과 필터를 투과한 자외선 영역의 빛이 입사되면 가시광 영역의 빛으로 방출하는 자외선 반응 형광체를 포함하는 아크 위치 검출 장치가 제공된다.
상기 자외선용 광학렌즈는 광학 재질이 1.49<굴절율(nd)<1.78이고, 46.0<아베수(vd)<91.0인 렌즈들로 이루어질 수 있다.
상기 자외선용 광학렌즈의 각 광학면은 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않은 특정 파장대역 무반사 코팅될 수 있다.
상기 자외선 선택 투과 필터는 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않는 광학 파장선택 필터일 수 있다.
상기 자외선 반응 형광체는 380nm이하의 임의의 파장의 빛이 조사될 때 380nm부터 780nm까지의 임의의 파장의 빛이 방출되는 형광 특성을 가질 수 있다.
상기 이미지 센서는 2차원 이미지 신호의 2차원 위치에 따른 광량 정보를 분석하여 2차원 이미지 신호 내에서의 발광 지점의 존부 및 위치로부터 누전 발생 여부 및 누전 발생 위치를 검출할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 자외선용 광학렌즈의 광축을 기준으로 입사되는 아크광의 고도각과 방위각이 x 및 y 좌표로 표시되는 2차원 이미지 신호를 생성할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 아크 발생 여부 및 아크 위치를 검출하는 장치로서, 일 끝단 단면에 결상된 2차원 이미지를 타 끝단 단면으로 전달하는 광섬유 다발; 누전 발생이 예상되는 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치에서 발생되는 아크광을 상기 이미지 센서에 결상시키는 자외선용 광학렌즈; 상기 아크광 중 자외선 영역의 빛만을 선택적으로 투과시키고 다른 파장 대역의 빛을 차단하는 자외선 선택 투과 필터; 상기 자외선 선택 투과 필터를 투과한 자외선 영역의 빛이 입사되면 상기 광섬유 다발의 일 끝단 단면에 대하여 가시광 영역의 빛으로 방출하는 자외선 반응 형광체; 및 상기 광섬유 다발의 타 끝단 단면에 결상된 2차원 이미지를 촬상하여 2차원 이미지 신호로 변환하는 이미지 센서를 포함하는 아크 위치 검출 장치가 제공된다.
상기 자외선용 광학렌즈는 광학 재질이 1.49<굴절율(nd)<1.78이고, 46.0<아베수(vd)<91.0인 렌즈들로 이루어질 수 있다.
상기 자외선용 광학렌즈의 각 광학면은 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않은 특정 파장대역 무반사 코팅될 수 있다.
상기 자외선 선택 투과 필터는 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않는 광학 파장선택 필터일 수 있다.
상기 자외선 반응 형광체는 380nm이하의 임의의 파장의 빛이 조사될 때 380nm부터 780nm까지의 임의의 파장의 빛이 방출되는 형광 특성을 가질 수 있다.
상기 광섬유 다발은 상기 일 끝단에 입사된 이차원 광량 분포 정보를 상기 타 끝단으로 동일한 이차원 광량 분포 정보로 전달할 수 있다.
상기 이미지 센서는 2차원 이미지 신호의 2차원 위치에 따른 광량 정보를 분석하여 2차원 이미지 신호 내에서의 발광 지점의 존부 및 위치로부터 아크 발생 여부 및 아크 발생 위치를 검출할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 자외선용 광학렌즈의 광축을 기준으로 입사되는 아크광의 고도각과 방위각이 x 및 y 좌표로 표시되는 2차원 이미지 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광학렌즈 및 광부품을 이용하여 아크 발생 여부 및 아크 위치를 동시에 검출하여 아크 검출에 있어서 성능이 우수하고 높은 신뢰성을 갖는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 아크 검출 시 아크 위치를 함께 검출하여 위치 선택적 누전 차단이 가능하며, 아크 발생 시 수반되는 빛을 광학적 방식으로 검출하여 안정적이면서도 우수한 아크 감지 성능을 갖고, 자외선 선택 투과 필터를 통해서 아크 이외의 외부 노이즈 신호에 반응하지 않음으로써 아크 감지를 효율적으로 하는 효과가 있다.
또한, 외부 노이즈에 의한 성능 저하가 되지 않으며, 아크 시 발생하는 강한 전자기 충격에 높은 신뢰성을 갖고, 광학 방식을 이용함으로써 정밀한 검출이 가능하며, 누전 발생 시 직접적 위험 요소인 아크 자체를 측정함으로써 효율적인 아크 검출이 가능한 효과가 있다.
또한, 누전 검출이 필요한 옥내 및 옥외에 설치함으로써 다양한 응용이 가능하며, 아크 이외에 자외선 측정이 필요한 다양한 어플리케이션에도 적용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 2는 도 1에 도시된 아크 위치 검출 장치를 이용하여 위치별 아크를 검출하는 방법을 나타낸 도면,
도 3은 자외선용 광학렌즈에 포함되는 렌즈에 적합한 광학 재질 중 굴절율(nd)/분산(vd) 분포도, 도 4는 자외선용 광학렌즈에 포함되는 렌즈에 적합하지 않은 광학 재질 중 굴절율/분산 분포도,
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 레이아웃,
도 6은 도 5에 도시된 자외선용 광학렌즈의 수차도,
도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 자외선용 광학렌즈의 공간주파수에 따른 MTF 특성을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 레이아웃,
도 9는 도 8에 도시된 자외선용 광학렌즈의 수차도,
도 10a 및 도 10b는 도 8에 도시된 자외선용 광학렌즈의 공간주파수에 따른 MTF 특성을 나타낸 도면,
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 레이아웃,
도 12는 도 11에 도시된 자외선용 광학렌즈의 수차도,
도 13a 및 도 13b는 도 11에 도시된 자외선용 광학렌즈의 공간주파수에 따른 MTF 특성을 나타낸 도면,
도 14는 자외선 선택 투과 필터의 분광 투과율을 나타낸 도면,
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 16은 자외선이 자외선 반응 형광체를 투과한 후의 분광 그래프,
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 위치별 아크를 검출하는 방법을 나타낸 도면,
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 19는 이미지 전달을 위한 광섬유 다발의 구조를 나타낸 단면도,
도 20은 기구물을 이용하여 구성한 아크 위치 검출 장치의 예시도.
도 2는 도 1에 도시된 아크 위치 검출 장치를 이용하여 위치별 아크를 검출하는 방법을 나타낸 도면,
도 3은 자외선용 광학렌즈에 포함되는 렌즈에 적합한 광학 재질 중 굴절율(nd)/분산(vd) 분포도, 도 4는 자외선용 광학렌즈에 포함되는 렌즈에 적합하지 않은 광학 재질 중 굴절율/분산 분포도,
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 레이아웃,
도 6은 도 5에 도시된 자외선용 광학렌즈의 수차도,
도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 자외선용 광학렌즈의 공간주파수에 따른 MTF 특성을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 레이아웃,
도 9는 도 8에 도시된 자외선용 광학렌즈의 수차도,
도 10a 및 도 10b는 도 8에 도시된 자외선용 광학렌즈의 공간주파수에 따른 MTF 특성을 나타낸 도면,
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 레이아웃,
도 12는 도 11에 도시된 자외선용 광학렌즈의 수차도,
도 13a 및 도 13b는 도 11에 도시된 자외선용 광학렌즈의 공간주파수에 따른 MTF 특성을 나타낸 도면,
도 14는 자외선 선택 투과 필터의 분광 투과율을 나타낸 도면,
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 16은 자외선이 자외선 반응 형광체를 투과한 후의 분광 그래프,
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 위치별 아크를 검출하는 방법을 나타낸 도면,
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 19는 이미지 전달을 위한 광섬유 다발의 구조를 나타낸 단면도,
도 20은 기구물을 이용하여 구성한 아크 위치 검출 장치의 예시도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 아크 위치 검출 장치를 이용하여 위치별 아크를 검출하는 방법을 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치(100)는 누전에 의한 아크(arc)를 검출하기 위해 아크에서 나온 빛 중 자외선 영역의 빛을 검출함과 동시에 아크에서 나온 자외선 빛의 위치를 측정하여 특정한 위치에서 발생한 누전을 분별하여 개별적인 누전 부위의 조치가 가능하도록 하는 특징을 가진다.
소정의 위치에서 누전으로 인해 아크가 발생할 때 아크를 그 발생 위치와 함께 직접 검출하고자 할 때, 아크에서 발생하는 빛(이하 '아크광'이라 함)뿐만 아니라 자연 상태의 태양광 혹은 형광등과 같은 인공조명에서 방출되는 빛(이하 '인공조명광'이라 함) 등이 같이 검출될 수 있다. 이 경우 태양광 및 인공조명광은 노이즈 역할을 하는 외광이기 때문에 이를 제거하기 위해서, 본 실시예에서는 태양광 및 인공조명광의 분광분포에서는 거의 분광 피크가 존재하지 않지만 아크광의 분광분포에서는 분광 피크가 존재하는 파장 대역인 자외선 영역(예를 들어, 380nm이하의 파장 대역)의 빛만을 선택적으로 투과시키게 된다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치(100)는 자외선용 광학렌즈(110), 자외선 선택 투과 필터(120), 이미지 센서(130)를 포함한다.
자외선용 광학렌즈(110)는 서로 구분되는 누전 발생 예상 위치들(도 2의 Arc 1~4 참조)에서 누전 발생으로 인해 아크가 발생할 때 아크에서 발생하는 빛(이하, '아크광'이라 함)이 입사되어 소정 크기의 이미지 센서(130)에서 결상되도록 한다.
전술한 것과 같이 외광의 영향을 받지 않는 아크 검출을 위해 자외선 영역의 빛을 이용해야 하는 바, 자외선용 광학렌즈(110)는 자외선 영역의 빛의 투과율이 우수한 광학재질로 이루어진 렌즈들로 구성된다.
일반 렌즈의 경우 자외선 영역의 빛의 투과율이 좋지 않은 재질들로 구성되어 있어 본 실시예에서 구현하고자 하는 자외선용 광학렌즈(110)의 광학재질로는 적합하지 않은 바, 이에 대해서는 관련 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
또한, 자외선용 광학렌즈(110)는 도 2에 도시된 것과 같이 모든 고도각과 방위각에 해당하는 넓은 영역을 커버하기 위해 광각렌즈로 구성될 수 있다. 아크 검출 대상이 되는 누전 발생 예상 위치들(Arc 1~4)은 임의의 고도각 및 방위각을 가질 수 있는 바, 자외선용 광학렌즈(110)는 모든 고도각 및 방위각을 커버할 수 있도록 광각의 특성을 가질 필요가 있다.
자외선 선택 투과 필터(120)는 자외선 영역의 빛만을 투과시키고 다른 파장 대역의 빛은 차단한다. 예를 들면, 자외선 선택 투과 필터(110)는 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않는 광학 파장선택 필터로 구성될 수 있다.
자외선용 선택 투과 필터(120)에 의해 외광이 제거된 아크광의 일부, 즉 자외선 영역의 빛이 자외선용 광학렌즈(110)를 통해 이미지 센서(130)에서 결상되어 전기신호로 변환되고, 도선을 통해 2차원 이미지 신호로 디스플레이된다.
2차원 이미지 신호의 2차원 위치에 따른 광량 정보를 분석하여 아크의 발생 여부(누전 발생 여부) 및 아크의 발생 위치(누전 발생 위치)를 검출할 수 있다. 아크가 검출되는 경우, 도 2에 도시된 것과 같이 이미지 센서(130)에서 생성된 2차원 이미지 신호에는 주변 영역과 구분되는 발광 지점(주변 영역과 비교할 때 상대적으로 소정의 임계치 이상으로 밝은 지점)이 존재하게 되며, 이러한 발광 지점의 2차원 위치 정보로부터 아크가 발생한 위치, 즉 누전이 발생된 위치를 산출할 수 있다.
자외선용 광학렌즈(110)의 광축을 기준으로 입사되는 빛의 고도각과 방위각은 2차원 이미지 신호에서 x 및 y 좌표로 표시되고, 간단한 변환 공식을 통하여 공간 상에서 실제 아크의 발생 위치를 검출할 수 있다.
이하에서는 전술한 자외선용 광학렌즈(110)의 광학 재질 및 렌즈 구성에 대하여 관련 표 및 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
전술한 것과 같이 외광의 영향을 받지 않는 아크 검출을 위해 자외선 영역의 빛을 이용해야 하는 바, 자외선용 광학렌즈는 자외선 영역의 빛의 투과율이 우수한 광학재질로 이루어진 렌즈들로 구성될 필요가 있다.
하기의 표 1 및 표 2를 참조하면, 일반적인 광학 재질을 가지는 렌즈에서 굴절율(nd)과 아베수(Abbe number)(분산)(vd)에 따라 320nm에서 400nm까지의 자외선 영역의 빛에 대하여 5mm 두께의 광학 재질의 내부 투과율이 나타나 있다.
도 3은 자외선용 광학렌즈에 포함되는 렌즈에 적합한 광학 재질 중 굴절율(nd)/분산(vd) 분포도이고, 도 4는 자외선용 광학렌즈에 포함되는 렌즈에 적합하지 않은 광학 재질 중 굴절율/분산 분포도이다.
도 3은 표 1에 있는 광학 재질들의 굴절율과 분산에 따른 분포도이며, 도 4는 표 2에 있는 광학 재질들의 굴절율과 분산에 따른 분포도이다.
표 1 및 표 2에 있는 광학 재질들은 가시광 영역에서는 내부 투과율이 거의 비슷하게 좋은 투과율을 보이지만, 자외선 영역에서는 차이가 있다. 표 1에 있는 광학 재질들의 경우 자외선 영역에서도 좋은 내부 투과율을 가지고 있지만, 표 2에 있는 광학 재질들의 경우 자외선 영역에서는 내부 투과율이 낮음을 알 수 있다.
표 1에 있는 굴절율과 분산을 가지는 광학 재질들의 경우 320nm의 자외선에 대해서도 5mm 두께의 내부 투과율이 50% 이상인 것에 비해, 표 2에 있는 굴절율과 분산을 가지는 광학 재질들의 경우 340nm의 자외선에 대해서도 5mm 두께의 내부 투과율이 50% 이하임을 알 수 있다.
따라서, 전술한 것과 같이 아크 검출 및 아크 위치 검출을 동시에 하기 위해서 자외선 영역의 빛을 이용해야 하는 조건 하에서, 표 1에 있는 굴절율과 분산을 갖는 광학 재질들로 이루어진 렌즈를 포함하는 자외선용 광학렌즈를 구성할 필요가 있다. 즉, 자외선용 광학렌즈를 구성하는 각 렌즈의 광학재질은 1.49<굴절율(nd)<1.78이고, 46.0<아베수(vd)<91.0인 특징을 가진다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 레이아웃이고, 도 6은 도 5에 도시된 자외선용 광학렌즈의 수차도이며, 도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 자외선용 광학렌즈의 공간주파수에 따른 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈는 최대 입사각이 55도이며 F 넘버(F number)가 2.0인 렌즈로서, 굴절율이 1.713이고 분산이 53.94인 재질과, 굴절율이 1.6968이고 분산이 55.46인 재질과, 굴절율이 1.5168이고 분산이 58.96인 재질의 3가지 종류의 광학 재질을 이용하고 있다.
각 렌즈의 곡률반경(Radius)과 거리(Distance), 굴절율 및 분산이 물체(Object)측으로부터 상(Image)측 방향으로 표 3에 예시되어 있다.
제1 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 각 광학면(s1~s15)은 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않도록 특정 파장대역 무반사 코팅되어 있을 수 있다.
제1 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈는 320nm에서 400nm까지의 파장 대역에서 도 6에 도시된 것과 같은 수차도 특성을 가지며, 도 7a 및 도 7b에 도시된 것과 같은 MTF 특성을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 레이아웃이고, 도 9는 도 8에 도시된 자외선용 광학렌즈의 수차도이며, 도 10a 및 도 10b는 도 8에 도시된 자외선용 광학렌즈의 공간주파수에 따른 MTF 특성을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 제2 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈는 최대 입사각이 55도이며 F 넘버가 2.0인 렌즈로서, 굴절율이 1.6228이고 분산이 56.91인 재질과, 굴절율이 1.7130이고 분산이 53.94인 재질과, 굴절율이 1.7725이고 분산이 49.62인 재질과, 굴절율이 1.5182이고 분산이 58.96인 재질과, 굴절율이 1.4565이고 분산이 90.27인 재질과, 굴절율이 1.7570이고 분산이 47.71인 재질의 6가지 종류의 광학 재질을 이용하고 있다.
각 렌즈의 곡률반경과 거리, 굴절율 및 분산이 물체측으로부터 상측 방향으로 표 4에 예시되어 있다.
제2 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 각 광학면(s1~s13)은 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않도록 특정 파장대역 무반사 코팅되어 있을 수 있다.
제2 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈는 320nm에서 400nm까지의 파장 대역에서 도 9에 도시된 것과 같은 수차도 특성을 가지며, 도 10a 및 도 10b에 도시된 것과 같은 MTF 특성을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 레이아웃이고, 도 12는 도 11에 도시된 자외선용 광학렌즈의 수차도이며, 도 13a 및 도 13b는 도 11에 도시된 자외선용 광학렌즈의 공간주파수에 따른 MTF 특성을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 제3 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈는 최대 입사각이 55도이며 F 넘버가 2.0인 렌즈로서, 굴절율이 1.6228이고 분산이 56.91인 재질과, 굴절율이 1.7130이고 분산이 53.94인 재질과, 굴절율이 1.7725이고 분산이 49.62인 재질과, 굴절율이 1.5168이고 분산이 58.96인 재질과, 굴절율이 1.4565이고 분산이 90.27인 재질과, 굴절율이 1.7570이고 분산이 47.71인 재질의 6가지 종류의 광학 재질을 이용하고 있다.
각 렌즈의 곡률반경과 거리, 굴절율 및 분산이 물체측으로부터 상측 방향으로 표 5에 예시되어 있다.
제3 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈의 각 광학면(s1~s13)은 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않도록 특정 파장대역 무반사 코팅되어 있을 수 있다.
제3 실시예에 따른 자외선용 광학렌즈는 320nm에서 400nm까지의 파장 대역에서 도 12에 도시된 것과 같은 수차도 특성을 가지며, 도 13a 및 도 13b에 도시된 것과 같은 MTF 특성을 나타낸다.
도 1에 도시된 자외선 선택 투과 필터(120)의 경우, 그 분광 투과 특성이 도 14에 도시되어 있다. 도 14는 자외선 선택 투과 필터의 분광 투과율을 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 자외선 선택 투과 필터(120)의 파장 대역별 빛의 투과율 그래프가 예시되어 있다. 380nm 이하의 자외선 영역의 빛은 85% 내지 90% 정도 투과되지만, 타 파장 대역의 빛은 거의 0% 정도의 투과율을 가져 실질적으로 차단됨을 알 수 있다.
아크광이 도 14에 예시된 것과 같은 자외선 선택 투과 필터를 투과하면 380nm 이하의 파장 대역에서 2개의 분광 피크를 가지는 빛이 된다. 한편 태양광 혹은 인공조명광과 같은 외광이 도 14에 예시된 것과 같은 자외선 선택 투과 필터를 투과하면 거의 모든 파장 대역의 빛이 차단된 것과 같은 효과가 나타난다.
이러한 분광 투과율 특성을 가지는 자외선 선택 투과 필터(120)는 도 5, 8 혹은 11에 예시된 것과 같은 자외선용 광학렌즈의 전단 혹은 후단, 또는 자외선용 광학렌즈를 구성하는 렌즈들 사이 중 어디에 배치되더라도 자외선 영역의 빛만을 투과시키고 그 외 파장 대역의 빛을 차단하는 역할을 할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치(100)에서는 외광이 제거된 아크광만을 검출하기 위해 자외선 영역만을 선택할 필요가 있는 바 이를 위해 자외선 선택 투과 필터(120)가 이용되고 있으며, 자외선 영역의 빛이 높은 입사각을 가지고서도 잘 투과할 수 있는 광학 재질의 렌즈로 구성되도록 자외선용 광학렌즈(110)가 구현되어 있다.
전술한 2차원 이미지 센서(130)는 자외선 감도가 좋을 것을 요하는 바, 가시광 감도가 좋은 일반적인 2차원 이미지 센서를 이용할 경우의 실시예에 대하여 이하 설명하기로 한다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 16은 자외선이 자외선 반응 형광체를 투과한 후의 분광 그래프이다.
일반적으로 2차원 이미지 센서는 가시광 영역에서는 우수한 광감도를 가지고 있지만, 아크 발생 시 많은 광량을 가지고 있는 파장 대역인 380nm이하의 자외선 영역(특히, 325nm 혹은 380nm)에서는 광감도가 좋지 않다.
이를 해결하기 위해 본 실시예에서는 자외선을 입사시키면 가시광 대역의 빛을 방출하는 자외선 반응 형광체(phosphor)를 이용한다.
도 15를 참조하면, 본 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치(200)는 자외선용 광학렌즈(210), 자외선 선택 투과 필터(220), 자외선 반응 형광체(240), 이미지 센서(230)를 포함한다.
자외선용 광학렌즈(210)는 여러 누전 발생 예상 지점이 모여있는 소정의 위치에 설치되어, 2차원적으로 넓은 영역에서 발생하는 아크광 중 자외선 영역의 빛을 거의 감쇠되지 않고 진행하여 후단의 이미지 센서(230)에서 소정 크기의 상으로 결상되도록 한다.
자외선 선택 투과 필터(220)는 아크가 발생한 경우 방출되는 아크광, 자연상태의 태양광, 인공조명으로부터 방출되는 인공조명광 중 자외선 영역의 빛만을 투과시킨다. 아크광, 태양광, 인공조명광 중 자외선 영역의 빛은 아크광의 일부만이 해당한다.
자외선 반응 형광체(240)는 자외선 선택 투과 필터(220)를 투과한 자외선 영역의 빛이 입사되면 가시광 영역의 빛을 방출한다. 도 16을 참조하면, 380nm 이하의 자외선 영역의 빛을 녹색 형광체에 입사시킨 경우 방출되는 빛의 분광 분포가 예시되어 있다. 이와 같이 자외선 반응 형광체에서 방출되는 가시광 대역의 빛은 보다 일반적이고 다양하며 저가인 광센서에 의하여 쉽게 검출될 수 있게 된다.
자외선 반응 형광체(240)는, 예를 들어 380nm이하의 임의의 파장의 빛이 조사될 때 380nm부터 780nm까지의 임의의 파장의 빛이 방출되는 형광 특성을 가질 수 있다.
이러한 자외선 반응 형광체(240)는 자외선 선택 투과 필터(220)와 일체화 구성될 수 있다. 예를 들어, 자외선 반응 형광체(240)는 자외선 선택 투과 필터(220)의 이면에 도포될 수 있다. 자외선 선택 투과 필터(220)의 이면은 필터로 입사된 광 중 선택된 자외선 영역의 빛만이 투과되어 방출되는 표면을 나타낸다.
이미지 센서(230)는 가시광 영역의 빛을 감지하여 전기신호로 변환하여 2차원 이미지 신호로 출력한다. 이미지 센서(230)에 입사되는 가시광 영역의 빛은 전술한 것과 같이 아크광만이 될 수 있기 때문에, 이미지 센서(230)에서 출력되는 2차원 이미지 신호 내에 표시되는 발광 지점의 존부로부터 아크 발생 여부를 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 2차원 이미지 신호에서 발광 지점에 대한 2차원 위치 정보를 획득하고, 간단한 변환 공식을 통해 공간 상에서 실제 아크의 발생 위치를 검출할 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 위치별 아크를 검출하는 방법을 나타낸 도면이고, 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이며, 도 19는 이미지 전달을 위한 광섬유 다발의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 20은 기구물을 이용하여 구성한 아크 위치 검출 장치의 예시도이다.
누전이 발생하여 아크가 발생하면 강한 전자기파가 발생하게 되어 전자기파에 영향을 받는 전기회로 부품들은 원하지 않는 오동작을 일으킬 수 있다. 따라서, 2차원 이미지 센서 및 2차원 이미지 센서에서 나온 전기신호를 처리하는 회로부는 아크가 발생하는 위치에서 멀리 떨어져 전자기적 차폐가 된 곳에 배치하는 것이 유리하다.
도 17을 참조하면, 이를 위해 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치(300)에서는 전기적 동작과 무관한 자외선용 광학렌즈(310), 자외선 선택 투과 필터(320)를 아크가 발생할 가능성이 있는 곳에 배치하고, 이미지 센서(330)를 전자기적 차폐가 이루어진 곳에 배치시키며, 두 공간 사이를 광섬유 다발(350)을 이용하여 연결한다.
광섬유 다발(350)의 일 끝단 단면에 자외선용 광학렌즈(310)를 통한 빛이 결상되면 이 결상된 영상을 광섬유 다발의 각각의 단일 광섬유(355)를 통해 서로 간섭하지 않고 타 끝단 단면까지 이미지 전달이 이루어지게 된다(도 19 참조).
광섬유 다발(350)을 통해 전달된 영상을 2차원 이미지 센서(330)를 이용하여 검출하면, 전자기파에 의한 2차원 이미지 센서(330)의 오동작을 방지할 수 있게 된다.
도 18을 참조하면, 광섬유 다발(350)의 일 끝단 단면에 자외선 반응 형광체(340)를 도포함으로써 광섬유 다발(350)이 자외선 영역의 빛이 아닌 가시광 영역의 빛을 전달하도록 하여 타 끝단 단면까지 전달되어야 할 자외선 신호가 광섬유에 흡수되어 없어지게 되는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 광섬유 다발(350)의 타 끝단 단면과 마주보는 2차원 이미지 센서(330)를 가시광 감도가 좋은 일반적인 이미지 센서를 이용할 수 있는 장점도 있다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 아크 위치 검출 장치는, 렌즈 경통(410), 광섬유 다발 렌즈부 결합 기구부(420), 광섬유 다발 센서부 결합 기구부(430) 등의 기구물을 이용하여 자외선용 광학렌즈(310), 자외선 선택 투과 필터(320), 자외선 반응 형광체(340), 광섬유 다발(350), 2차원 이미지 센서(330)가 광학적으로 연결되는 구조를 가지도록 구성할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200, 300: 아크 위치 검출 장치
110, 210, 310: 자외선용 광학렌즈
120, 220, 320: 자외선 선택 투과 필터
130, 230, 330: 이미지 센서
240, 340: 자외선 반응 형광체
350: 광섬유 다발
110, 210, 310: 자외선용 광학렌즈
120, 220, 320: 자외선 선택 투과 필터
130, 230, 330: 이미지 센서
240, 340: 자외선 반응 형광체
350: 광섬유 다발
Claims (15)
- 아크 발생 여부 및 아크 위치를 검출하는 장치로서,
표면에 결상된 가시광 영역의 빛을 2차원 이미지 신호로 변환하는 이미지 센서;
누전 발생이 예상되는 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치에서 발생되는 아크광을 상기 이미지 센서에 결상시키는 자외선용 광학렌즈;
상기 아크광 중 자외선 영역의 빛만을 선택적으로 투과시키고 다른 파장 대역의 빛을 차단하는 자외선 선택 투과 필터; 및
상기 자외선 선택 투과 필터를 투과한 자외선 영역의 빛이 입사되면 가시광 영역의 빛으로 방출하는 자외선 반응 형광체를 포함하는 아크 위치 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 자외선용 광학렌즈는 광학 재질이 1.49<굴절율(nd)<1.78이고, 46.0<아베수(vd)<91.0인 렌즈들로 이루어진 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 자외선용 광학렌즈의 각 광학면은 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않은 특정 파장대역 무반사 코팅된 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 자외선 선택 투과 필터는 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않는 광학 파장선택 필터인 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 자외선 반응 형광체는 380nm이하의 임의의 파장의 빛이 조사될 때 380nm부터 780nm까지의 임의의 파장의 빛이 방출되는 형광 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 이미지 센서는 2차원 이미지 신호의 2차원 위치에 따른 광량 정보를 분석하여 2차원 이미지 신호 내에서의 발광 지점의 존부 및 위치로부터 아크 발생 여부 및 아크 발생 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제6항에 있어서,
상기 이미지 센서는 상기 자외선용 광학렌즈의 광축을 기준으로 입사되는 아크광의 고도각과 방위각이 x 및 y 좌표로 표시되는 2차원 이미지 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 아크 발생 여부 및 아크 위치를 검출하는 장치로서,
일 끝단 단면에 결상된 2차원 이미지를 타 끝단 단면으로 전달하는 광섬유 다발;
아크 발생이 예상되는 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치에서 발생되는 아크광을 상기 이미지 센서에 결상시키는 자외선용 광학렌즈;
상기 아크광 중 자외선 영역의 빛만을 선택적으로 투과시키고 다른 파장 대역의 빛을 차단하는 자외선 선택 투과 필터;
상기 자외선 선택 투과 필터를 투과한 자외선 영역의 빛이 입사되면 상기 광섬유 다발의 일 끝단 단면에 대하여 가시광 영역의 빛으로 방출하는 자외선 반응 형광체; 및
상기 광섬유 다발의 타 끝단 단면에 결상된 2차원 이미지를 촬상하여 2차원 이미지 신호로 변환하는 이미지 센서를 포함하는 아크 위치 검출 장치. - 제8항에 있어서,
상기 자외선용 광학렌즈는 광학 재질이 1.49<굴절율(nd)<1.78이고, 46.0<아베수(vd)<91.0인 렌즈들로 이루어진 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제8항에 있어서,
상기 자외선용 광학렌즈의 각 광학면은 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않은 특정 파장대역 무반사 코팅된 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제8항에 있어서,
상기 자외선 선택 투과 필터는 380nm이하의 빛은 투과하고 다른 파장 대역의 빛은 투과하지 않는 광학 파장선택 필터인 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제8항에 있어서,
상기 자외선 반응 형광체는 380nm이하의 임의의 파장의 빛이 조사될 때 380nm부터 780nm까지의 임의의 파장의 빛이 방출되는 형광 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제8항에 있어서,
상기 광섬유 다발은 상기 일 끝단에 입사된 이차원 광량 분포 정보를 상기 타 끝단으로 동일한 이차원 광량 분포 정보로 전달하는 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제8항에 있어서,
상기 이미지 센서는 2차원 이미지 신호의 2차원 위치에 따른 광량 정보를 분석하여 2차원 이미지 신호 내에서의 발광 지점의 존부 및 위치로부터 아크 발생 여부 및 아크 발생 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치. - 제14항에 있어서,
상기 이미지 센서는 상기 자외선용 광학렌즈의 광축을 기준으로 입사되는 아크광의 고도각과 방위각이 x 및 y 좌표로 표시되는 2차원 이미지 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 아크 위치 검출 장치.
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