KR102069811B1 - 가스분석을 위한 ir 초분광 영상 장치 및 분석 방법 - Google Patents

가스분석을 위한 ir 초분광 영상 장치 및 분석 방법 Download PDF

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Abstract

유해가스의 대기 중 누출이나 인위적 살포에 따른 문제를 해결하기 위하여 가스의 고유 특징인 가스 흡수 스펙트럼 대역인 IR 대역에서 작용하는 센서로써 가스가 존재하는 또는 가스가 있을 것으로 예상되는 장면을 촬영하여서 간편하고 정확하게 가스의 종류를 특정하는 발명이 제안되었다. 발명의 한 측면으로, 상기 캡쳐할 장면을 일정 부분씩 나누어서 부분영상을 캡쳐할 수 있도록 장면을 스캔하는 장면스캔부, 상기 장면영상을 이루는 부분영상의 파장을 분해하여 각 부분영상별로 파장이 분해된 파장분해영상을 출력하는 파장분해부, 상기 장면영상을 파장분해부로 보내기 전에 상기 파장분해부의 요구조건에 맞도록 영상을 가공하는 영상가공부, 상기 파장분해부에서 출력된 파장분해영상을 포커싱하는 결상부, 상기 포커싱된 파장분해영상을 감광하여 영상 데이터로 변환하는 영상센서, 상기 영상센서에서 출력된 영상 데이터를 수신하여 상기 장면영상으로부터 가스 흡수 스펙트럼을 인식하고 이 스펙트럼으로부터 장면에 존재하는 가스의 종류를 특정하는 영상분석부를 포함하는 가스분석을 위한 IR 초분광 영상 장치가 제공된다.

Description

가스분석을 위한 IR 초분광 영상 장치 및 분석 방법 {An IR hyperspectral imaging apparatus for gas analysis and a method of analyzing gas}
본 발명은 IR 영역에서의 초분광 영상 분석을 통하여 가스를 분석하여 그 종류를 식별하는 초분광 영상 장치와 그 분석 방법에 관한 것이다.
산업용 또는 민수용 가스인 NOx, CO2, CO, NH3, HCl, O3, PFC, HFC, SF6 등, 군사용 화학가스인 VX, 독성을 갖는 사린가스 등의 대기 중 누출이나 인위적 살포에 따른 문제가 대두되고 있다.
이들 가스가 대기 중에 누출되어 구름과 같이 존재하게 될 경우의 해악은 매우 크고 치명적이다. 그나마 색이 있거나 냄새가 나는 가스의 경우는 좀 더 나은데, 많은 가스는 무색 무취 무미의 성질을 갖고 있어서 육안 또는 일반 카메라에 의한 식별이 곤란하다. 가스의 존재 자체의 식별을 넘어 존재 가스의 종류를 특정해 내는 것은 더더욱 어렵다.
가스가 갖는 다양한 고유 특성 중에 흡수 또는 방출 스펙트럼(absorption or emission spectrum)이 있다. 각 종류의 가스마다 에너지 준위가 달라서 가스분자들이 흡수 또는 방출되는 특정 파장 대역이 달라지게 된다. 가스의 흡수/방출 스펙트럼은 특정 주파수(파장) 영역에 걸쳐 가스 분자에 의해 흡수 또는 방출된 전자기 복사의 일부를 보여준다. 여기서 흡수 스펙트럼은 방출 스펙트럼과는 정반대 현상이다. 모든 화학적인 요소들은 그것의 원자 궤도의 에너지 준위 사이의 차이와 상응하는 몇 가지의 특정한 파장에서 흡수선을 가진다. 예를 들면, 파란 빛, 초록 빛, 그리고 노란 빛을 흡수하는 물체는 하얀 빛 아래에서 볼 때는 붉은색으로 나타날 것이다. 그러므로, 이들 흡수선의 위치와 배열 등은 가스 내의 화학적 원소들의 종류를 확인하는 데 사용할 수 있다.
유해가스의 대기 중 누출이나 인위적 살포에 따른 문제를 해결하기 위하여 가스의 고유 특징인 가스 흡수 스펙트럼 대역인 IR 대역에서 작용하는 센서로써 가스가 존재하는 또는 가스가 있을 것으로 예상되는 장면을 촬영하여서 간편하고 정확하게 가스의 종류를 특정하는 발명을 제안하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1측면에 따르면, 상기 캡쳐할 장면을 일정 부분씩 나누어서 부분영상을 캡쳐할 수 있도록 장면을 스캔하는 장면스캔부, 상기 장면영상을 이루는 부분영상의 파장을 분해하여 각 부분영상별로 파장이 분해된 파장분해영상을 출력하는 파장분해부, 상기 장면영상을 파장분해부로 보내기 전에 상기 파장분해부의 요구조건에 맞도록 영상을 가공하는 영상가공부, 상기 파장분해부에서 출력된 파장분해영상을 포커싱하는 결상부, 상기 포커싱된 파장분해영상을 감광하여 영상 데이터로 변환하는 영상센서, 상기 영상센서에서 출력된 영상 데이터를 수신하여 상기 장면영상으로부터 가스 흡수 스펙트럼을 인식하고 이 스펙트럼으로부터 장면에 존재하는 가스의 종류를 특정하는 영상분석부를 포함하는 가스분석을 위한 IR 초분광 영상 장치가 제공된다.
여기서, 상기 장면스캔부는 장면의 한 부분에서 다른 부분으로 장면을 바라보는 방향을 조금씩 바꾸어서 장면을 반사해서 광로를 변경시키는 스캐닝미러, 상기 스캐닝미러가 장면을 바라보는 방향을 바꾸도록 스캐닝미러를 회전시키는 스캔메커니즘을 포함할 수 있다.
또한, 상기 파장분해부는 상기 부분영상의 파장을 분해하여 IR 초분광스펙트럼 영상을 출력하는 회절격자를 포함할 수 있다. 이때 상기 영상가공부는 상기 회절격자의 0차 오더(order)를 배제하고 1차 오더를 선택하도록 하기 위하여. 포커싱 렌즈, 애퍼처(aperture), 분산 렌즈를 포함하는 공간필터를 포함할 수 있다. 이 포커싱 렌즈는 부분영상을 집속하여 애퍼처로 집중시키고 애퍼처를 통과한 영상은 분산 렌즈에 의해 분산되어 상기 회절격자로 입사된다.
또한, 상기 영상분석부는 상기 영상센서에서 출력된 영상 데이터를 입력받아서 장면영상을 파장별로 생성하는 수단, 영상처리 기법을 사용하여, 가스가 없는 배경이 촬영된 백그라운드영상과 상기 파장별 장면영상을 비교하는 수단, 백그라운드영상과 비교된 파장별 장면영상에서 파장대 에너지 관계를 도출하여 장면영상 내 관심영역의 가스 흡수 스펙트럼을 얻는 수단, 상기 얻어진 가스 흡수 스펙트럼을 가스 흡수 스펙트럼 라이브러리에 질의하여 가스의 종류를 특정하는 수단을 포함할 수 있다.
한편 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제측면에 따르면, 장면영상의 파장을 분해하여 각 부분영상별로 파장이 분해된 파장분해영상을 출력하는 파장분해 단계, 상기 파장분해부에서 출력된 파장분해영상을 포커싱하여, 상기 포커싱된 파장분해영상을 감광하여 영상 데이터로 변환하는 단계, 상기 영상 데이터가 나타내는 장면영상으로부터 가스 흡수 스펙트럼을 인식하고 이 스펙트럼으로부터 장면에 존재하는 가스의 종류를 특정하는 영상분석 단계를 포함하는 IR 초분광을 이용한 가스분석 방법이 제공된다.
여기서 상기 영상분석 단계는, 상기 영상센서에서 출력된 영상 데이터를 입력받아서 장면영상을 파장별로 생성하는 단계, 영상처리 기법을 사용하여, 가스가 없는 배경이 촬영된 백그라운드영상과 상기 파장별 장면영상을 비교하는 단계, 백그라운드영상과 비교된 파장별 장면영상에서 파장대 에너지 관계를 도출하여 장면영상 내 관심영역의 가스 흡수 스펙트럼을 얻는 단계, 상기 얻어진 가스 흡수 스펙트럼을 가스 흡수 스펙트럼 라이브러리에 질의하여 가스의 종류를 특정하는 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 소개한 본 발명 사상의 구성과 효과는 이하에서 도면과 함께 설명하는 발명의 상세한 설명에 의해 보다 더 명확해질 것이다.
본 발명에 따르면 IR 센서로 가스가 존재하는 또는 가스가 있을 것으로 예상되는 장면을 촬영하여서 간편하고 정확하게 가스의 종류를 특정할 수 있어서, 유해가스의 대기 중 누출이나 인위적 살포에 따른 문제를 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 측정의 원리 설명도
도 2는 본 발명의 한 실시형태에 따른 가스분석용 IR 초분광 영상 장치의 구성도
도 3은 도 2의 각 구성블록의 상세 구성도
도 4는 본 발명의 한 측면에 따른 가스분석을 위한 IR 초분광 영상 장치의 영상분석부(60)의 구성 및 작용 설명도 및 본 발명의 다른 측면에 따른 가스분석을 위한 IR 초분광 영상 분석 방법 구성도
도 5는 파장별로 생성된 장면영상 예시도
도 6은 파장별 장면영상에서 도출된 파장대 에너지 관계도
도 7은 가스 종류별 흡수 스펙트럼의 예시도
먼저 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 가스 측정의 원리를 설명한다.
대기 중에 가스(1)가 마치 구름처럼 떠 있고, 열화상 카메라 등의 IR센서(2)로 이 가스(1)가 있는 영역 또는 있을 것으로 예상되는 장면을 캡쳐하여 영상화하고 이 장면의 영상을 IR 초분광 분석하여 가스(1)의 종류를 알아낸다. 가스(1) 뒤에는 산, 하늘 등의 배경(3)이 존재하므로 센서(2)로 캡쳐한 영상에는 가스(1)와 함께 배경(3)이 포함될 것이다. 만일 가스(1)가 없는 경우라면 배경(3) 만이 영상화될 것이다.
광속을 c라 할 때, 임의의 파수 ν(=1/λ=ν/c)에서의 흡수량 A(ν)는 동일한 파수에서의 방출량과 동일하다. 즉, 방출량
Figure 112018065218094-pat00001
이다. 따라서 약식으로 표기하면 A+R+T=1이다(A=흡수량, R=반사량, T=투과량). 옅은 농도의 가스의 경우에 반사량 R=0이므로, 결국 T=1-A가 된다.
플랑크 함수를 적용하여
Figure 112018065218094-pat00002
의 관계를 수식으로 표기하면 다음과 같다.
Figure 112018065218094-pat00003
.
그리고
Figure 112018065218094-pat00004
이다.
가스에 의해 흡수된 에너지
Figure 112018065218094-pat00005
와 가스가 없을 때의 배경 에너지
Figure 112018065218094-pat00006
는 각각 다음과 같다.
Figure 112018065218094-pat00007
.
따라서
Figure 112018065218094-pat00008
와
Figure 112018065218094-pat00009
의 차는
Figure 112018065218094-pat00010
이다.
이와 같이 센서(2)로 촬영한 영상에서
Figure 112018065218094-pat00011
(IR 영역에서 가스에 의해 흡수된 에너지)와
Figure 112018065218094-pat00012
(IR 영역에서 가스가 없을 때의 배경 에너지)를 고려하여 가스(1)의 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있고 이 IR 영역에서의 가스 흡수 스펙트럼을 분석하면 가스(1)의 종류를 알아낼 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시형태에 따른 가스분석용 IR 초분광 영상 장치의 구성도이다.
장면스캔부(10) - 캡쳐할 장면(4)에 구름처럼 형성된 가스(1) 구름이 비교적 넓게 분포되어 있어서, 한 번에 '장면영상'을 캡쳐하는 것은 곤란하다. 따라서 일정 부분씩 나누어서 피사체 장면을 캡쳐하여 '부분영상'을 촬영할 수 있도록 장면(4)을 스캔한다.
영상가공부(20) - 장면을 스캔하면서 캡쳐한 다수의 부분영상을 포함하는 장면영상은 여러 파장이 혼합되어 있는 영상이다. 이 장면영상의 파장을 분해하기 위해 파장분해부(30)로 보내기 전에 파장분해부(30)의 특성 또는 요구조건 등에 맞도록 영상을 가공해야 할 필요가 있다.
파장분해부(30) - 장면영상을 이루는 부분영상의 파장을 분해하여 각 부분영상별로 파장이 분해된 영상('파장분해영상'), 가령, 초분광스펙트럼 영상을 출력한다.
결상부(40) - 파장분해영상이 영상센서의 감광면에 결상되도록 포커싱한다.
영상센서(50) - 마이크로 볼로미터(산화바나듐, a-Si 계열), Quantum Well IR detector 등(AlGaAs:GaAs, SiGe), 화합물 반도체(HgCdTe, InSb) 등의 열화상 센서등으로, 그 감광면에 결상된 파장분해영상을 픽셀단위로 또는 다른 방식으로 전기신호 데이터로 변환한다.
영상분석부(60) - 영상센서(50)에서 출력된 전기신호 데이터를 수신하여 해당 장면영상과 백그라운드영상과 비교해서 가스 흡수 스펙트럼을 인식하고 이 스펙트럼으로부터 장면영상에서 포착된 가스의 종류를 특정한다.
이상의 도 2의 각 구성블록의 더 구체적인 구성과 작용은 도 3을 참조하여 더 상세히 설명한다. 도 3은 도 2의 구성을 실시하기 위한 더 구체적인 한 가지 실시형태를 나타내는 것으로, 도 2의 구성이 도 3의 형태에만 제한되어 실시되는 것이 아님은 당연하다.
도 2의 장면스캔부(10)는 도 3에서 스캐닝미러(12)와 스캔메커니즘(14)으로 구현할 수 있다.
스캐닝미러(12)는 장면(4)의 한 부분에서 다른 부분으로 장면을 바라보는 방향을 조금씩 바꾸어서 장면을 반사해서 광로를 변경시키는 미러로 구현할 수 있다. 도 3에 스캐닝미러(12)의 회전 모습을 16번 화살표로 나타내었다. 스캔메커니즘(14)은 스캐닝미러(12)가 장면(4)을 바라보는 방향을 바꾸도록 스캐닝미러(12)를 소정 각도로 회전시킨다. 이와 같이 스캔메커니즘(14)은 스캐닝미러(12)를 단계적으로 조금씩 회전시켜야 하고 이 회전을 제어신호(64)로써 제어해야 하므로 스텝 모터와 그에 관련된 기어박스 등의 메카니즘으로 구현할 수 있다.
스캐닝미러(12)를 이용하여 스캔되는 부분적인 영상(부분영상)은 장면을 이루는 공간의 X 축 방향으로 스캔되는 부분영상, 또는 Y 축 방향으로 스캔되는 부분영상, 또는 이들 두 축 방향으로 스캔되는 부분영상 모두 가능하다(도 4 및 도 5에 관한 설명 참조). 따라서 본 발명을 실시하기 위해 필요한 조건에 따라 스캔 방향을 결정하고 이에 상응하도록 스캐닝미러(12)와 스캔메커니즘(14)을 설계하는 것은 당업자의 몫이다.
도 2의 영상가공부(20)는 그 뒤에 있는 파장분해부(30)의 특성 또는 요구조건 등에 맞도록 영상을 가공하는 역할을 한다고 하였다. 따라서 도 3에서 이 영상가공부(20)를 어떻게 구현할 수 있는지의 설명은, 그 뒤의 파장분해부(30)와 함께 설명하기로 한다.
도 2의 파장분해부(30)는 도 3에서 IR 영역의 회절격자(grating)(32)로 구현할 수 있다(그러나 이에 한정되지는 않는다). 회절격자(32)는 영상가공부(20)에서 온 부분영상(28)의 파장을 분해하여 IR 초분광스펙트럼 영상을 출력한다. 여기서 사용하는 회절격자(32)는 공지된 회절격자 설계 공식 내지는 원리에 의거하여 원하는 IR 파장 영역에서 파장분해 성능을 발휘하도록 설계할 수 있다.
다시, 도 2의 영상가공부(20)는 도 3에서 포커싱 렌즈(22), 애퍼처(aperture)(24), 분산 렌즈(26)로 구성되는 공간필터로 구현된다.
이 공간필터는 파장분해부(30)를 회절격자(32)로 구현할 경우에 회절격자(32)의 0차 오더(order)를 배제하고 1차 오더를 선택하도록 하기 위한 것이다. 따라서 파장분해부(30)를 회절격자(32)로 구현하지 않을 경우에는 영상가공부(20)는 도 3에서와 같이 구성되는 포커싱 렌즈(22), 애퍼처(24), 분산 렌즈(26)로 구성되는 공간필터로 구현되지 않을 것이다. 포커싱 렌즈(22)는 스캐닝미러(12)에서 스캔된 부분영상을 집속하여 애퍼처(24)의 홀(25)로 집중시키고 애퍼처(24)를 통과한 영상은 분산 렌즈(26)에 의해 분산되어 파장분해부(30)인 회절격자(32)로 입사된다. 애퍼처(24)의 홀(25)은 길이 약 70mm 폭 약 1mm 이하의 슬릿이나 다른 선형 형태의 마스크로 구현가능하다.
회절격자(32)에 입사된 부분영상(28)은 회절격자(32)의 파장 분해 작용에 의해 파장분해된다. 이해 편의를 위해 도 3에 파장분해된 광선을 34-1, 34-2, 34-3, 34-4로 단순하게 표시하였다. 이렇게 파장분해된 광선(34-1, 34-2, 34-3, 34-4)은 포커싱렌즈(42)에 의해 영상센서(52)의 감광면에 결상된다.
즉, 도 2의 결상부(40)는 도 3에서와 같이 포커싱렌즈(42)로 구현될 수 있다. 포커싱렌즈(42)는 회절격자(32)에서 파장 분해된 영상을 파장별로 결상하기 위한 것으로, 다수의 렌즈의 조합으로 구성될 수도 있고 특수하게 설계된 단일 렌즈로 구현될 수도 있다.
영상센서(50)에서 출력되는 전기신호 영상 데이터(63)는 컴퓨터(62)로 전달되어, 여기에 구현된 영상분석부(60)에서 분석된다. 컴퓨터(62)에서는 또한 스캔메커니즘(14) 제어신호(64)가 출력되어 스캔메커니즘(14)을 제어한다. 여기서, 영상센서(50)에서 출력되는 전기신호 영상 데이터(63)를 분석하는 컴퓨터와 스캔메커니즘(14) 제어신호(64)를 출력하는 컴퓨터가 같은 것일 필요는 없다.
컴퓨터(62)의 영상분석부(60)는 파장별 영상을 분석하여 백그라운드영상(즉, 장면(4)에서 가스(1)가 없는 상태의 배경(3)만 있는 영상)과 비교하여서 관심영역의 파장별 투과도를 분석해서 흡수 스펙트럼을 생성한다. 이 흡수 스펙트럼을 고유 특성으로 갖는 가스의 종류를 찾아내면 영상분석부(60)의 태스크가 완성된다.
영상분석부(60)의 구성 및 그 분석 작용에 대해서 도 4를 참조하여 자세히 설명한다. 도 4는 본 발명의 한 측면에 따른 가스분석을 위한 IR 초분광 영상 장치의 영상분석부(60)의 구성 및 작용을 설명한 것이기도 하지만, 본 발명의 다른 측면에 따른 가스분석을 위한 IR 초분광 영상 분석 방법의 설명을 위한 것이기도 하다.
파장별 장면영상 생성 단계(110)는 도 2 및 도 4에서 영상센서(50, 52)에서 출력된 영상 데이터를 입력받아서 해당 장면의 완전한 영상(장면영상)을 파장별로 생성하는 단계이다. 영상센서(50, 52)에서 출력되는 영상 데이터는 장면스캔부(10)의 스캐닝미러(12)에 의해서 스캔되어 각각 필터링되고 파장분해된 다수의 부분영상이므로 이들을 장면 공간에 상응하도록 전체적인 장면영상으로 만들어야 한다. 단, 파장별로 장면영상을 생성한다.
도 5는 이 단계에서 파장별로 생성된 장면영상(112)을 나타낸다. X 축과 Y 축으로 이루어지는 공간(즉, 장면)을 점하는 장면 영상이 다양한 파장 λ1, λ2, λ3, ... 별로 생성되었다. 생성된 장면영상 데이터를 가스분석에 의미있는 파장별 영상 이미지 처리 과정에 대하여 수학적으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112018065218094-pat00013
좌측 항
Figure 112018065218094-pat00014
는 스캐닝미러(12)를 이용하여 Y 축으로 j번 픽셀까지 취득된 부분영상을 m개의 파장 λ로 분해한 모든(Σ) 부분영상들이 X 축 방향으로 i번만큼 스캔된 영상을 의미하고,
이렇게 취득한 영상 데이터로부터 우측 항
Figure 112018065218094-pat00015
과 같이 X 방향으로 i개, Y 방향으로 j개의 부분영상을 합쳐서 장면영상이 만들어지고, 이를 m개의 파장별로 모은다.
파장별 장면영상을 백그라운드영상과 비교하는 단계(120)에서는 Differential 영상 처리, Threshold 영상 처리, Blob 영상 처리 등의 영상처리 기법을 사용하여 백그라운드영상과 상기 파장별 장면영상을 비교한다. 여기서 백그라운드영상이란 도 2의 장면(4)에서 가스(1)가 없을 때의 배경(3)이 촬영된 영상이고, 그에 따라 특정 파장 λ0에서의 장면영상이라고 할 수 있다.
본 단계(120)에서의 파장별 장면영상과 백그라운드영상의 비교는 아래 식과 같이 설명할 수 있다.
Figure 112018065218094-pat00016
즉, 좌측항의 λ0의 장면영상과 우측항의 λm (m=1, 2, 3, ...)의 장면영상의 차를 구하는 단계이다. 따라서 본 비교 단계(120)에서는, 앞의 파장별 장면영상 생성 단계(110)에서 출력되는 영상이 포함되어 λ1, λ2, λ3, ... 별 장면영상이 출력된다.
다음, 파장별 투과도 분석 단계(130)에서는 장면영상(4) 내 관심영역(즉, 가스가 존재하는 또는 존재할 것으로 예측되는 영역)의 가스 흡수 스펙트럼(투과 스펙트럼)을 얻는다. 이를 위해 파장별 장면영상에서 도 6과 같은 파장대 에너지 관계를 도출한다.
도 6의 (a)는 가스가 없는 경우의 백그라운드영상에서 도출된 파장-에너지 관계이다. 도 2에 나타낸 장면(4)에 가스(1)가 없는 경우에 캡쳐된 영상은 배경(3)만 포함되어 있고, 이 배경은 지구복사 에너지를 그대로 반영하므로 (a)와 같이 플랑크 곡선과 유사한 형태의 파장-에너지 관계가 나타난다.
도 6의 (b)는 도 2에 나타낸 장면(4)과 같이 가스(1)가 배경(3) 앞에 있는 경우의 영상에서 도출된 에너지 곡선으로서, 가스의 위치에 해당되는 영역(132)이 특정 파장대에 나타나 있다.
도 6의 (c)는 본 단계(120)에서 파장별 장면영상과 백그라운드영상을 비교하여 차를 구한 경우에 도출된 에너지 곡선으로서, (b) 곡선에서 (a) 곡선을 감산하여서 (c)와 같은 에너지 투과 스펙트럼(=흡수 스펙트럼)이 얻어진다.
이렇게 얻어진 가스의 흡수 스펙트럼을 영상분석부(60) 내에 또는 컴퓨터 내 다른 곳에 저장된 가스 흡수 스펙트럼 라이브러리(134)를 조회하여서 해당 가스의 종류를 특정한다(140).
도 7은 가스 흡수 스펙트럼의 예시도이다. (a)의 경우에는 λ1과 λ2 사이에 큰 투과율의 저하가 있고(즉, 큰 흡수율의 증가) λ3에서 작은 투과율 저하가 있다. 이에 해당되는 것으로 알려진 가스 종류를 가스 스펙트럼 라이브러리(134)에서 조회해서 알아낼 수 있다. (b)은 λ1과 λ2 사이에서만 큰 투과율의 저하가 있는 종류의 가스 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
이상에서, 본 발명을 구체적인 실시예를 예로 들어 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 범위는 이러한 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라, 이하의 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 정해지는 것이다.
가스(1), IR센서(2), 배경(3), 장면(4), 스캐닝미러(12), 스캔메커니즘(14), 스캐닝미러의 회전 모습(16), 포커싱 렌즈(22), 애퍼처(24), 분산 렌즈(26), 부분영상(28), 회절격자(32), 파장분해된 광선(34-1, 34-2, 34-3, 34-4), 포커싱렌즈(42), 영상센서(52), 컴퓨터(62), 영상 데이터(63), 스캔메커니즘 제어신호(64),파장별 생성된 장면영상(112), 가스의 위치에 해당되는 영역(132), 가스 흡수 스펙트럼 라이브러리(134)

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 센서로 캡쳐한 장면의 영상으로부터 IR 영역에서의 가스 흡수 스펙트럼을 분석하여 가스의 종류를 특정하는 장치로서,
    상기 캡쳐할 장면을 일정 부분씩 나누어서 부분영상을 캡쳐할 수 있도록 장면을 스캔하는 장면스캔부,
    상기 장면영상을 이루는 부분영상의 파장을 분해하여 각 부분영상별로 파장이 분해된 파장분해영상을 출력하는 파장분해부,
    상기 장면영상을 파장분해부로 보내기 전에 상기 파장분해부의 요구조건에 맞도록 영상을 가공하는 영상가공부,
    상기 파장분해부에서 출력된 파장분해영상을 포커싱하는 결상부,
    상기 포커싱된 파장분해영상을 감광하여 영상 데이터로 변환하는 영상센서, 및
    상기 영상센서에서 출력된 영상 데이터를 수신하여 상기 장면영상으로부터 가스 흡수 스펙트럼을 인식하고 이 스펙트럼으로부터 장면에 존재하는 가스의 종류를 특정하는 영상분석부를 포함하되,
    상기 장면스캔부는
    장면의 한 부분에서 다른 부분으로 장면을 바라보는 방향을 조금씩 바꾸어서 장면을 반사해서 광로를 변경시키는 스캐닝미러, 및
    상기 스캐닝미러가 장면을 바라보는 방향을 바꾸도록 스캐닝미러를 회전시키는 스캔메커니즘을 포함하는 가스분석을 위한 IR 초분광 영상 장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에서,
    상기 파장분해부는 상기 부분영상의 파장을 분해하여 IR 초분광스펙트럼 영상을 출력하는 회절격자를 포함하고,
    상기 영상가공부는 상기 파장분해부의 상기 회절격자의 0차 오더(order)를 배제하고 1차 오더를 선택하도록 하기 위하여. 포커싱 렌즈, 애퍼처(aperture), 분산 렌즈를 포함하는 공간필터를 포함하되,
    상기 영상가공부의 상기 포커싱 렌즈는 부분영상을 집속하여 애퍼처로 집중시키고, 상기 애퍼처를 통과한 영상은 상기 분산 렌즈에 의해 분산되어 상기 파장분해부의 회절격자로 입사되는 것을 특징으로 하는 가스분석을 위한 IR 초분광 영상 장치.
  5. 제2항에서, 상기 영상분석부는
    상기 영상센서에서 출력된 영상 데이터를 입력받아서 장면영상을 파장별로 생성하는 수단,
    영상처리 기법을 사용하여, 가스가 없는 배경이 촬영된 백그라운드영상과 상기 파장별 장면영상을 비교하는 수단,
    백그라운드영상과 비교된 파장별 장면영상에서 파장대 에너지 관계를 도출하여 장면영상 내 관심영역의 가스 흡수 스펙트럼을 얻는 수단, 및
    상기 얻어진 가스 흡수 스펙트럼을 가스 흡수 스펙트럼 라이브러리에 질의하여 가스의 종류를 특정하는 수단을 포함하는 가스분석을 위한 IR 초분광 영상 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 센서로 캡쳐한 장면의 영상으로부터 IR 영역에서의 가스 흡수 스펙트럼을 분석하여 가스의 종류를 알아내는 방법으로서,
    장면의 한 부분에서 다른 부분으로 장면을 바라보는 방향을 조금씩 바꾸어서 장면을 반사해서 광로를 변경시켜서 장면의 부분영상을 캡쳐하는 스캐닝 단계,
    상기 장면의 부분영상의 파장을 회절격자를 이용해 분해하여 각 부분영상별로 파장이 분해된 파장분해영상을 출력하는 파장분해 단계,
    상기 파장분해 단계에서 출력된 파장분해영상을 포커싱하여, 상기 포커싱된 파장분해영상을 감광하여 영상 데이터로 변환하는 단계, 및
    상기 영상 데이터가 나타내는 장면영상으로부터 가스 흡수 스펙트럼을 인식하고 이 스펙트럼으로부터 장면에 존재하는 가스의 종류를 특정하는 영상분석 단계를 포함하되,
    상기 파장분해 단계는 상기 회절격자의 0차 오더(order)를 배제하고 1차 오더를 선택하도록 하기 위한 공간필터링 단계를 포함하는 IR 초분광을 이용한 가스분석 방법.
  10. 제9항에서, 상기 영상분석 단계는
    상기 포커싱된 파장분해영상을 감광하여 영상 데이터로 변환하는 단계에서 출력된 영상 데이터를 입력받아서 장면영상을 파장별로 생성하는 단계,
    영상처리 기법을 사용하여, 가스가 없는 배경이 촬영된 백그라운드영상과 상기 파장별 장면영상을 비교하는 단계,
    백그라운드영상과 비교된 파장별 장면영상에서 파장대 에너지 관계를 도출하여 장면영상 내 관심영역의 가스 흡수 스펙트럼을 얻는 단계, 및
    상기 얻어진 가스 흡수 스펙트럼을 가스 흡수 스펙트럼 라이브러리에 질의하여 가스의 종류를 특정하는 단계를 포함하는 IR 초분광을 이용한 가스분석 방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009039280A (ja) 2007-08-08 2009-02-26 Arata Satori 内視鏡システム及び内視鏡システムを用いた被写体の検出方法
JP2015148473A (ja) * 2014-02-05 2015-08-20 佐鳥　新 対象物探索装置、対象物探索プログラムおよび人命救助用探索システム
JP2015529807A (ja) 2012-07-23 2015-10-08 コーニング インコーポレイテッド 遠隔物体を撮像するためのハイパースペクトルイメージングシステム及び方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101594442B1 (ko) * 2014-07-09 2016-02-16 국방과학연구소 초분광 영상큐브의 밴드별 영상을 이용한 원거리 화학 가스 탐지 시스템 및 그 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009039280A (ja) 2007-08-08 2009-02-26 Arata Satori 内視鏡システム及び内視鏡システムを用いた被写体の検出方法
JP2015529807A (ja) 2012-07-23 2015-10-08 コーニング インコーポレイテッド 遠隔物体を撮像するためのハイパースペクトルイメージングシステム及び方法
JP2015148473A (ja) * 2014-02-05 2015-08-20 佐鳥　新 対象物探索装置、対象物探索プログラムおよび人命救助用探索システム

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