KR101432544B1 - 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치 및 방법 - Google Patents

펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 유동 가시화 장치는, 펄스 레이저를 발생시키는 펄스 발생부, 상기 발생된 펄스 레이저를 분할하는 펄스 분할부, 상기 펄스 분할부와 일 단이 연결되고, 타 단이 피사체를 향하도록 형성되며, 상기 펄스 분할부로부터 분할된 펄스 레이저를 상기 피사체에 방출하는 제1 및 제2 광섬유 및 상기 피사체에 방출되는 상기 분할된 펄스 레이저를 이용하여 상기 피사체에 대한 영상을 촬영하는 카메라를 포함하며, 상기 제1 및 제2 광섬유는, 서로 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용하는 것을 특징으로 한다.

Description

펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치 및 방법{A FLOW VISUALIZATION DEVICE AND METHOD USING A PULSED LASER}
본 발명은 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치 및 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 발광 입자의 비산 속도를 측정하기 위하여 펄스 레이저를 촬영의 광원으로 이용한 유동 가시화 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 고속 영상 저장 장치는 여러 가지 형태가 있으나 대부분 카메라의 전자셔터를 단속하거나, 섬광관의 스트로보를 조정하여 시간에 따른 연속적인 영상을 얻는 방법을 이용하였다. 이러한 경우, 영상 사이의 지연 시간이 길어 초음속으로 비산하는 물체들의 연속적인 정지 영상을 얻기에는 시간 정밀도가 떨어진다. 또한 폭발물과 같이 측정 대상이 스스로 발광하여 매우 밝은 빛을 내는 경우, 분석이 가능한 형태로 영상을 취득하는 것이 불가능하다. 따라서, 자체적으로 발광하면서 빠른 속도로 비산하는 물체의 연속적인 영상을 얻는 방법에 관한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 폭발물과 같이 빠른 속도로 비산하며 자체적으로 발광하는 입자의 궤적과 속도를 추적하기 위한 다중 노출 영상을 획득하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 단일 펄스 레이저를 이용하여 연속적으로 중첩된 다중 노출 영상을 획득하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 단일 펄스 레이저를 이용하여 정확한 시간 간격으로 촬영을 위한 복수의 광원을 제공하는 유동 가시화 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시 예와 관련된 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치는, 단일 펄스 레이저를 발생시키는 펄스 발생부, 상기 발생된 펄스 레이저를 분할하는 펄스 분할부, 상기 펄스 분할부와 일 단이 연결되고, 타 단이 피사체를 향하도록 형성되며, 상기 펄스 분할부로부터 분할된 펄스 레이저를 상기 피사체에 방출하는 제1 및 제2 광섬유 및 상기 피사체에 방출되는 상기 분할된 펄스 레이저를 이용하여 상기 피사체에 대한 영상을 촬영하는 카메라를 포함하며, 상기 제1 및 제2 광섬유는, 서로 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 카메라는, 상기 제1 및 제2 광섬유에 의하여 서로 다른 시간 지연을 갖는 펄스 레이저들을 광원으로 이용하여 다중 노출에 의한 정지 영상을 촬영하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치는, 상기 피사체와 상기 카메라 사이에 위치하며, 상기 피사체에 방출되어 반사된 펄스 레이저들을 투과하도록 형성되는 레이저 라인 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치는, 상기 피사체와 상기 제1 및 제2 광섬유 사이에 위치하며, 상기 제1 및 제2 광섬유로부터 방출되는 펄스 레이저들을 상기 피사체에 확대 조사하는 확대 광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 펄스 발생부는, 상기 펄스 레이저가 발생한 경우, 발생 신호를 상기 카메라에 전송하고, 상기 카메라는, 상기 발생 신호를 수신한 때로부터 제1 기준 시간이 경과하면, 상기 영상을 제2 기준 시간 동안 촬영하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 피사체는, 자체적으로 발광하는 입자인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 실시 예와 관련된 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 방법은, 펄스 레이저를 발생시키는 단계, 상기 발생된 펄스 레이저를 여러 개로 분할하고, 분할된 펄스 레이저들을 서로 다른 길이를 가진 광섬유들로 전송하는 단계, 상기 광섬유들에 의하여 서로 다른 시간 지연을 갖는 상기 분할된 펄스 레이저들을 피사체에 방출하는 단계 및 상기 분할된 펄스 레이저를 투과하도록 형성된 레이저 라인 필터를 부착한 카메라를 이용하여 상기 피사체에 대한 영상을 촬영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상은, 서로 다른 시간 지연을 갖는 상기 분할된 펄스 레이저들에 대한 다중 노출에 의하여 연속적으로 촬영된 정지 영상인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 피사체는, 자체적으로 발광하는 입자인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 단일 펄스 레이저를 복수 개로 분할하고, 분할된 펄스 레이저들을 서로 다른 길이를 갖는 광섬유에 의하여 시간 지연을 발생시킨다. 서로 다른 시간 지연이 발생한 펄스 레이저들을 촬영을 위한 조명 광원으로 사용하기 때문에, 다중 촬영에 의한 영상을 획득할 수 있다. 즉, 나노 초 이하의 짧은 시간의 펄스 레이저를 조명 광원으로 사용하여 광원에 노출되는 시간을 최소화하기 때문에, 피사체가 고속으로 비산으로 인하여 영상이 흐려지는 효과를 방지하며, 선명한 정지 영상을 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치의 구성을 나타내는 블록도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 방법을 설명하기 위한 순서도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유동 가시화 장치를 설명하기 위한 도면
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전 체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명은 단일 펄스 레이저 빔을 광섬유에 의하여 지연시켜 다중 레이저 펄스를 만들어 초고속의 자체 발광 입자의 유동 가시화 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 단일 펄스 레이저를 길이가 서로 다른 여러 개의 광섬유로 분할·전송하고, 광섬유를 이용하여 시간 지연을 발생시켜 자체 발광하는 유동 물질에 입사하고 레이저 라인 필터가 부착된 카메라로 펄스 레이저들에 의한 시간 지연된 중첩 영상을 촬영하는 방법에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유동 가시화 장치(100)는 펄스 발생부(110), 카메라(160), 펄스 분할부(120), 복수의 광섬유들(130a, 130b) 및 메모리(170)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 유동 가시화 장치(100)의 피사체는 빠른 속도로 고온에서 비산하는 발광체일 수 있다. 예를 들어, 폭발물의 폭발 시, 빠른 속도로 고온에서 비산하는 물질이 피사체에 해당할 수 있다.
이때, 발광체는 흑체 복사를 통해 연속된 넓은 스펙트럼 영역의 빛을 자체적으로 방사하며 초음속의 속도로 운동하므로 기존의 카메라로는 계조도가 우수한 정지 영상을 얻기가 매우 어렵다. 따라서, 본 발명에 따른 유동 가시화 장치(100)는 나노 초 이하의 강렬하고 빠른 펄스 레이저를 조명의 광원으로 사용한다.
즉, 펄스 발생부(110)는 조명의 광원으로 사용될 펄스 레이저를 발생시키는 구성이다. 펄스 발생부(110)는, 예를 들어, 펄스폭수가 나노 초인 극초단 펄스 레이저를 발생시킬 수 있다.
카메라(160)는 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지영상, 동영상 등의 화상 프레임을 처리한다. 카메라(160)에 의해 처리된 화상 프레임은 디스플레이부(미도시)에 표시될 수 있다. 그리고, 이러한 화상 프레임은 메모리(170)에 저장되거나 무선 통신부(미도시)를 통하여 외부로 전송될 수 있다. 카메라(160)는 사용 환경에 따라 2개 이상이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 유동 가시화 장치(100)는 카메라(160)와 피사체의 사이에 매우 좁은 스펙트럼 폭을 가진 레이저 라인 필터(도 3 참조, 162)를 설치하여 피사체에서 자체적으로 방사되는 빛을 차단한다.
이때, 피사체에서 자체적으로 방사된 빛 중 극히 일부만이 레이저 라인 필터(162)의 좁은 영역을 투과하여 카메라(160)의 이미지센서에 도착하므로, 피사체로부터 산란되어 레이저 라인 필터(162)를 투과하여 카메라(160)의 이미지센서에 도착한 레이저 광선의 세기에 비하여 상대적으로 매우 적다. 따라서, 피사체의 발광은 영상에 영향을 거의 미치지 않게 되며, 영상은 펄스 레이저에 의한 조명에만 크게 의존하게 된다. 이로써, 카메라(160)는 펄스 레이저에 의한 조명만으로 피사체를 촬영할 수 있다.
또한, 피사체의 비산 방향과 속도를 산출하기 위해서는, 다중 노출에 의하여 연속적으로 찍힌 정지 영상이 필요하며, 다중 노출의 시간 간격을 측정할 수 있어야 한다. 즉, 하나의 프레임에 두 개의 정지 영상이 촬영된 경우, 이동 거리를 측정할 수 있으며, 두 개의 정지 영상이 촬영된 시간 간격을 이용하여 속도를 산출할 수 있다.
다중 노출(multiple exposure)이란, 한 번 노출되었던 단일 프레임이 여러 번 재노출을 받아 결과적으로 한 프레임 안에 여러 영상이 겹치게 되는 촬영 기법을 의미한다.
이를 위하여, 동일한 펄스 발생부(110)에서 발생한 단일 펄스 레이저를 펄스 분할부(또는 광섬유 빔 분할기, 120)를 통하여 여러 개로 분할하고, 분할된 펄스 레이저들을 서로 다른 길이를 가진 광섬유들(130)을 이용하여 피사체에 방출한다.
이때, 분할된 펄스 레이저들은 서로 다른 길이를 가진 광섬유들(130에 의하여 서로 다른 시간 지연이 발생한다. 이러한 시간 지연은 광섬유의 길이에 선형적으로 비례할 수 있다. 예를 들어, 광섬유 길이가 "d"일 때, 시간 지연이 "t"만큼 발생한다면, 광섬유 길이가 "2d"일 때는 시간 지연이 "2t"만큼 발생할 수 있다.
단일 펄스 레이저는 펄스 분할부(160)에 의하여 적어도 2개 이상으로 분할될 수 있으며, 분할된 펄스 레이저들의 수만큼 광섬유들(130a, 130b, ..., 130n)이 펄스 분할부(120)와 연결되어 피사체에 분할된 펄스 레이저를 방출할 수 있다.
이러한 광섬유들의 일 단은 펄스 분할부(1120)와 연결되고, 타 단은 하나로 묶여 피사체 방향으로 향할 수 있다. 피사체 방향으로 방출되는 분할된 펄스 레이저들은 광섬유들의 타 단과 피사체 사이에 위치하는 확대 광학계에 의하여 확대 조사되며, 피사체에 반사된 펄스 레이저를 레이저 라인 필터(162)가 부착된 카메라로 촬영하면 연속된 정지영상을 얻게 된다.
메모리(170)는 카메라(160)에 의하여 촬영된 영상을 저장하며, 플래시 메모리(flash memory), 하드디스크(hard disk), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 저장매체를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 단일 펄스 레이저를 복수 개로 분할하고, 분할된 펄스 레이저들을 서로 다른 길이를 갖는 광섬유에 의하여 시간 지연을 발생시킨다. 서로 다른 시간 지연이 발생한 펄스 레이저들을 촬영을 위한 조명 광원으로 사용하기 때문에, 다중 촬영에 의한 영상을 획득할 수 있다. 즉, 나노 초 이하의 짧은 시간의 펄스 레이저를 조명 광원으로 사용하여 광원에 노출되는 시간을 최소화하기 때문에, 피사체가 고속으로 비산으로 인하여 영상이 흐려지는 효과를 방지하며, 선명한 정지 영상을 획득할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유동 가시화 방법은, 펄스 레이저를 발생시키는 단계(110)를 포함한다. 다음으로, 상기 펄스 레이저를 여러 개로 분할하고, 분할된 펄스 레이저들을 서로 다른 길이를 가진 광섬유로 전송하는 단계(S120)가 진행될 수 있다.
다음으로, 상기 광섬유들을 통과한 상기 분할된 펄스 레이저들을 피사체에 방출하는 단계(S130)가 진행될 수 있다. 펄스 분할부(도 1 참조, 120)에 의하여 2 개 이상으로 나눠진 펄스 레이저는 서로 다른 길이를 가진 광섬유를 통과하면서 광섬유의 길이에 비례한 서로 다른 시간 지연을 가지게 된다.
다음으로, 카메라를 이용하여 상기 피사체에 대한 영상을 촬영하는 단계(S140)가 진행될 수 있다. 펄스 발생부(도 1 참조, 110)는 펄스 레이저를 발생시킨 경우, 발생 신호를 카메라(도 1 참조, 160)에 전송할 수 있다.
이때, 카메라(160)는, 상기 발생 신호를 수신한 때로부터 제1 기준 시간이 경과하면 셔터를 열어 촬영을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1 기준 시간은 첫 번째 분할된 펄스 레이저가 광섬유를 통과하여 피사체에 방출되기 위해 필요한 시간일 수 있다.
그리고 카메라(160)는, 제2 기준 시간 동안 영상을 촬영할 수 있다. 제2 기준 시간은 분할된 모든 펄스 레이저들이 피사체에 방출되는데 걸리는 시간일 수 있다.
예를 들어, 광섬유에 의하여 시간 지연이 "t"만큼 발생하고, 단일 펄스 레이저가 총 2개로 분할되는 경우, 단일 펄스 레이저가 발생한 때로부터, "t" 시간 후, 첫 번째 분할된 펄스 레이저가 피사체에 방출되고, "2t" 시간 후, 두 번째 분할된 펄스 레이저가 피사체에 방출될 수 있다. 이러한 경우, 제1 기준 시간은 "t"보다 약간 작을 것이며, 제2 기준 시간은 "t"보다 약간 클 것이다. 시간 지연은 광섬유의 길이에 따라 변화하기 때문에, 제1 및 제2 기준 시간은 광섬유들의 길이에 의하며 변화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유동 가시화 장치를 설명하기 위한 도면이다. 유동 가시화 장치(100)의 세부 구성들(110-162)과 촬영의 대상이 되는 피사체(200)가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 펄스 발생부(110)에서 발생한 단일 펄스 레이저는 펄스 분할부(120)에 전송된다. 이때, 펄스 발생부(110)는 펄스 레이저를 발생시킨 경우, 발생 신호를 카메라(160) 또는 지연 발생부(150)에 전송할 수 있다.
이때, 지연 발생부(150)는 펄스 레이저가 발생한 때로부터 첫 번째 분할된 펄스 레이저가 피사체(200)에 도달되기까지의 제1 기준 시간 동안 시간을 카운팅한다. 제1 기준 시간이 도래하면, 카메라(160)에 촬영 명령을 전송한다. 이러한, 지연 발생부(150)는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 카메라(160) 내부에 구현될 수도 있다.
펄스 분할부(120)는 수신된 단일 펄스 레이저를 2개 이상의 분할된 펄스 레이저들로 분할하고, 분할된 펄스 레이저들을 각각 기 설정된 광섬유로 방출한다.
광섬유들(130)의 길이는 서로 다르기 때문에, 광섬유를 통과한 펄스 레이저들은 서로 다른 시간 지연을 가지며, 지연된 시간이 되면 광섬유의 타단으로 방출된다. 광섬유들(130)의 타 단은 묶여져 방향이 가지런하게 하여 서로 평행이 되며, 피사체 방향으로 형성된다. 이로써, 분할된 펄스 레이저들은 일정한 지연 시간들을 가지고 연속적으로 피사체(200)에 방출된다.
피사체(200)와 광섬유들(130)의 타 단 사이에는 확대 광학계(140)가 위치하며, 분할된 펄스 레이저들을 확대 광학계(140)를 통과하여 피사체(200)에 투영된다.
카메라(160)는 제1 기준 시간이 지나면, 피사체(200)에 대한 촬영을 시작한다. 레이저 라인 필터(162)에 의하여 피사체에 반사된 펄스 레이저를 조명의 광원으로 이용하므로, 다중 노출에 의한 정지 영상을 촬영할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 광섬유의 길이를 조절함으로써 분할된 펄스 레이저의 시간 지연을 조절할 수 있기 때문에, 간단하고 저렴한 비용으로 중첩 영상에 대한 시간 간격을 측정할 수 있다. 섬유에 의하여 지연된 다중 펄스 레이저를 조명의 광원으로 사용하기 때문에, 한 개의 정지 영상에 정확한 시간 지연 간격을 가진 정지 영상을 다중 노출에 의해 획득할 수 있다. 이로써, 피사체의 비산 방향과 속도를 확인할 수 있게 한다.
뿐만 아니라, 레이저 라인 필터를 카메라에 부착하여 발광체의 영향을 줄여 균등한 노출에 따른 높은 계조의 영상을 얻을 수 있다. 즉, 발광체 자체가 영상에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예 및 응용 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예 및 응용 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.

Claims (9)

  1. 펄스 레이저를 발생시키는 펄스 발생부;
    상기 발생된 펄스 레이저를 분할하는 펄스 분할부;
    상기 펄스 분할부와 일 단이 연결되고, 타 단이 피사체를 향하도록 형성되며, 상기 펄스 분할부로부터 분할된 펄스 레이저를 상기 피사체에 방출하는 제1 및 제2 광섬유; 및
    상기 피사체에 방출되는 상기 분할된 펄스 레이저를 이용하여 상기 피사체에 대한 영상을 촬영하는 카메라를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 광섬유는, 서로 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 카메라는, 상기 제1 및 제2 광섬유에 의하여 서로 다른 시간 지연을 갖는 펄스 레이저들을 광원으로 이용하여 다중 노출에 의한 정지 영상을 촬영하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 피사체와 상기 카메라 사이에 위치하며, 상기 피사체에 방출되어 반사된 펄스 레이저들을 투과하도록 형성되는 레이저 라인 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 피사체와 상기 제1 및 제2 광섬유 사이에 위치하며, 상기 제1 및 제2 광섬유로부터 방출되는 펄스 레이저들을 상기 피사체에 확대 조사하는 확대 광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 발생부는, 상기 펄스 레이저가 발생한 경우, 발생 신호를 상기 카메라에 전송하고,
    상기 카메라는, 상기 발생 신호를 수신한 때로부터 제1 기준 시간이 경과하면, 상기 영상을 제2 기준 시간 동안 촬영하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 피사체는, 자체적으로 발광하는 입자인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 장치.
  7. 펄스 레이저를 발생시키는 단계;
    상기 발생된 펄스 레이저를 여러 개로 분할하고, 분할된 펄스 레이저들을 서로 다른 길이를 가진 광섬유들로 전송하는 단계;
    상기 광섬유들에 의하여 서로 다른 시간 지연을 갖는 상기 분할된 펄스 레이저들을 피사체에 방출하는 단계; 및
    상기 분할된 펄스 레이저를 투과하도록 형성된 레이저 라인 필터를 부착한 카메라를 이용하여 상기 피사체에 대한 영상을 촬영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 영상은, 서로 다른 시간 지연을 갖는 상기 분할된 펄스 레이저들에 대한 다중 노출에 의하여 연속적으로 촬영된 정지 영상인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 피사체는, 자체적으로 발광하는 입자인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 유동 가시화 방법.
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