KR102255265B1 - 터빈 엔진들에서 사용하기에 적절한 광섬유 기반 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

터빈 엔진들에서 사용하기에 적절한 광섬유 기반 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 대상물 평면(Po)에서의 시야로부터 수신된 광(I)은 광학 변조 디바이스(102)를 통해 이미지 평면(Pi) 상에 투사되고 그리고 이미지 도관(104)을 통해 센서 어레이(106)에 전달된다. 센서 어레이는 이미지 도관으로부터 수신된 광에 기초하여 감지 베이시스에서, 샘플링된 이미지 신호들의 세트를 생성한다. 마지막으로, 샘플링된 이미지 신호들은 감지 베이시스로부터 표현 베이시스로 변환되고 그리고 샘플링된 이미지 신호들로부터, 추정된 이미지 신호들의 세트가 생성된다. 추정된 이미지 신호들은 터빈 엔진 내의 관심 구역의 이미지 및/또는 모션-비디오를 재구성하기 위해 이용된다.

Description

터빈 엔진들에서 사용하기에 적절한 광섬유 기반 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR OPTICAL FIBER BASED IMAGE ACQUISITION SUITABLE FOR USE IN TURBINE ENGINES}
본원에서 설명되는 본 발명은 적어도 부분적으로, 지멘스 에너지 인코포레이티드(Siemens Energy Incorporated)와 미국 에너지부(United States Department of Energy) 사이의 계약 번호 제DE-FC26-05NT42644호 하에서 수행된, 진화된 터빈 개발 프로그램(Advanced Turbine Development Program)의 과정에서 개발되었다. 따라서, 미국 정부는 본 발명에 대한 특정한 권리들을 가질 수 있다.
본 발명은 일반적으로 이미징 시스템(imaging system)들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 터빈 엔진(turbine engine)에서 사용하기에 적절한 광섬유 기반 이미지 포착(optical fiber based image acquisition)을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
당해 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 광섬유 기술은, 다양한 산업용 애플리케이션(application)들에서 광범위하게 이용되는 산업용 내시경(endoscope)들(또는 보스코프(borescope)들)로서 알려진 이미징 시스템들의 실현을 가능하게 했다. 이러한 이미징 시스템들은 예컨대, 산업용 기계 내에 밀봉된 그러한 내부 구조들을 검사하기 위한 수단을 제공하는데, 그 내부 구조들은 다른 방식으로는 접근불가하고 그리고 산업용 기계를 먼저 공들여 분해함이 없이는 직접적인 시선 이미징 방식들(direct line of sight imaging modalities)로 검사될 수 없다.
이러한 이미징 시스템들은 본질적으로, 섬유 다발(fiber bundle)을 이미지 도관(image conduit)으로서 이용하는 것에 기초한다. 이미지 도관의 근단부(proximal end)에서, 광학 어레인지먼트(optical arrangement)는 관심 구역(region of interest)으로부터 모아진 광을 광섬유 다발의 평면 상에 포커싱(focus)한다. 섬유 다발은 광을 개별 픽셀(pixel)들 ― 섬유 다발에 포함된 광섬유 당 하나의 픽셀 ― 의 형태로 근단부(proximal end)로부터 원단부(distal end)로 투과시킨다. 이미지 도관의 원단부에서, 다른 광학 어레인지먼트가 광을 이미지 평면 상에 포커싱한다. 전하-결합 디바이스(CCD; charge-coupled device) 어레이(array), 상보형 금속-산화물 반도체(CMOS; complementary metal-oxide semiconductor) 어레이, 포토그래픽 필름(photographic film) 등과 같은 광 감지 엘리먼트(light sensing element)들의 세트(set)가 이미지 평면에서 수신되는 광을 감지하기 위해 이미지 평면을 따라 배열되어서, 이미지가 그에 따라 생성된다. 통상의 사용 경우에서, 이미지 도관의 근단부는 기계의 내부 또는 기계의 컴포넌트(component) 내의 다른 방식으로는 접근불가한 영역에 도달되게 작은 개구를 통해 삽입된다. 이러한 이미징 시스템들은, Morito 등에 의해 발표된 미국 특허 제5,986,752호, Franklin 등에 의해 발표된 미국 특허 제4,849,626호, Lord 등에 의해 발표된 미국 특허 제4,281,929호 등에서 개시된 것들과 같이 당해 기술분야에 일반적으로 알려져 있다.
이러한 이미징 시스템들이 일반적으로 광범위하게 이용가능하고 그리고 여러 원하는 애플리케이션들을 만족스럽게 처리하지만, 이러한 이미징 시스템들의 사용은 특정 애플리케이션들에서 특정한 난제들을 제기한다. 하나의 이러한 애플리케이션은 터빈 엔진들에서의 온라인 컨디션 모니터링(online condition monitoring)이다.
가스 터빈(gas turbine) 또는 연소 터빈으로 또한 알려진 통상의 터빈 엔진에서, 상류측(upstream)의 회전 압축기가 하류측(downstream)의 터빈에 결합되고, 그리고 연소 챔버(combustion chamber)가 그 중간에 위치된다. 가스 스트림(gas stream)이 압축기 단부로부터 터빈 엔진에 진입하고 그리고 상류측의 압축기에서 고도로 가압되며; 압축된 가스 스트림은 그 후에 고속으로 연소 챔버에 진입하고, 연료가 그에 추가되고 그리고 가스 스트림에 추가의 에너지(energy)를 주기 위해 점화되며; 에너지가 가해진 가스 스트림은 그 후에 하류측의 터빈을 구동시킨다.
이러한 터빈 엔진들은 섭씨 1,200도를 초과할 수 있는 매우 높은 온도들에서 동작한다. 더욱이, 가스 스트림은 터빈 엔진을 통해 극히 고속으로 전파되고 그리고 또한, 터빈 엔진은 동작 동안 높은 기계적 응력을 초래하는 강한 기계적 진동들을 경험한다. 따라서, 가스 터빈에서의 온라인 컨디션 모니터링을 위해 사용되도록 요구되는 이미징 시스템은, 가스 터빈 내에서 맞닥뜨리게 되는 이러한 고응력 환경을 견디도록 설계되어야 한다.
최근 수년간, 터빈 엔진들 및 다른 이러한 가혹한 환경들에서의 온라인 컨디션 모니터링에 적절한 이미징 시스템들을 설계하기 위해 철저한 연구 및 개발 작업이 수행되었으며; 이를 위해 다양한 시스템들 및 방법들이 제안되었다.
하나의 이러한 시스템 및 방법은, Diatzikis에 의해 발표되고 지멘스 에너지 인코포레이티드(Siemens Energy, Inc.)에 양도된 미국 특허 제7,486,864호로부터 알려져 있다. 상술된 특허는, 이미징 단부 및 프로세싱 단부를 가진 적어도 하나의 광자 결정 섬유(photonic crystal fiber); 적어도 하나의 광자 결정 섬유의 프로세싱 단부에 동작가능하게 연결된 이미징 카메라; 및 이미징 카메라에 동작가능하게 연결된 이미징 프로세서를 포함하는 이미징 시스템을 개시한다. 광자 결정 섬유는 사파이어 클래딩(sapphire cladding)을 포함하고 그리고 중공 코어(hollow core)를 정의할 수 있다. 적어도 하나의 광자 결정 섬유의 이미징 단부는 관심 영역(area of interest)의 광을 캡쳐하고 그리고 그 광을 이미징 카메라로 안내할 수 있다. 프로세서는 그 광에 기초하여 이미지를 생성할 수 있다.
또다른 이러한 시스템은 Zombo 등에 의해 발표되고, 지멘스 에너지 인코포레이티드에 양도된 미국 특허 제8,184,151호로부터 알려져 있다. 상술된 특허는 가스 터빈 엔진 내의 내부 컴포넌트를 이미징하기 위한 이미징 시스템을 개시한다. 이미징 시스템은 엔진의 고온 가스 경로의 컴포넌트를 이미징하기 위한 이미징 단부 및 고온 가스 경로로부터 변위된 위치의 컴포넌트의 이미지를 제공하는 뷰잉 단부(viewing end)를 포함하는 가요성 이미징 다발(flexible imaging bundle)을 포함한다. 이미징 단부는 컴포넌트의 이미지를 수신하기 위한 이미징 평면을 정의하는 복수의 리셉터 사이트(receptor site)들을 포함한다. 가요성 이미징 다발은 복수의 고온 광학 엘리먼트들에 의해 정의된 복수의 개별 광 경로들을 정의하고, 각각의 광 경로는 리셉터 사이트에 대응한다. 뷰잉 단부는 복수의 방출 사이트(emission site)들을 포함하고, 각각의 방출 사이트는 리셉터 사이트에 대응하며, 가요성 이미징 다발을 통해 이미징 단부로부터 뷰잉 단부로 코히런트 이미지(coherent image)의 송신을 실시하기 위해, 뷰잉 단부를 형성하는 방출 사이트들의 위치 및 수는 이미징 단부를 형성하는 이미징 사이트들의 위치 및 수와 일-대-일 대응을 갖는다.
상당한 발전들에도 불구하고, 다양한 최신기술의 산업용 내시경들은 터빈 엔진의 컨디션 모니터링과 관련하여 여러 단점들에 시달린다.
현재의 이미징 시스템들에서, 산업용 광섬유들은 광학적으로 상호 격리되며; 각각의 광섬유는 포착된 이미지의 개별 픽셀에 대응하는 광을 투과한다. 그러므로, 만족스러운 해상도 레벨(resolution level)을 가진 이미지를 획득하기 위해, 비교적 매우 큰 수의 광섬유들을 가진 섬유 다발이 이용되어야 한다. 이는 결국, 이러한 이미징 시스템들에서 사용되는 이미지 도관의 원하지 않는 총 두께를 초래한다. 결과적으로, 터빈 엔진 내의 여러 원하는 관심 구역들, 이를테면, 베인(vane) 내측에 위치된 구역들에는 여전히 접근불가하다.
고온 및 다른 가혹한 주변 컨디션들을 견디기 위해 요구되는 추가 조치들로 인해, 터빈 엔진들에서의 온라인 컨디션 모니터링을 위해 설계된 이미징 시스템들의 경우에서 적절하지 않은 형태-인자(form-factor)의 문제가 추가로 심화된다. 특히, 섬유 다발들은 강건성(robustness)을 위해 개개의 섬유들에 대해 특수 코팅(coating)들을 갖도록 형성되며, 이는 원하지 않게 광섬유들의 고밀도 패킹(packing)을 방해한다. 이를테면, 베인 인서트(vane insert) 내측과 같은 제약된 구역들을 통과하기 위해 섬유 다발의 두께를 충분히 작게(예컨대, 8mm 미만) 유지하는 것이 바람직한 경우, 섬유 다발에 포함될 수 있는 광섬유들의 수는 수백개로 제한된다. 수백개로의 섬유들의 총 수의 제한은 임의의 유형의 이미징 애플리케이션들을 매우 낮은 해상도로 제한한다.
전술한 내용을 고려하면, 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 개선된 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다. 개선된 시스템 및 방법은, 터빈 엔진 내의 다양한 제약된 구역들의 접근성(accessibility)이 개선되도록, 시스템 그리고 특히, 시스템 내의 이미지 도관의 컴팩트한(compact) 그리고 얇은 형태-인자를 보장해야 한다. 동시에, 개선된 시스템 및 방법은 만족스럽게 높은 해상도 레벨을 가진 이미지 포착을 용이하게 해야 한다.
본 발명의 목적은 온라인 컨디션 모니터링을 위해 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 터빈 엔진 내측에 위치된 다양한 관심 구역들에 대한 접근성이 개선되도록, 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이미지들 및/또는 모션-비디오(motion-video)들의 해상도가 증가되도록, 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 전술한 목적들은 청구항 제1항 및 청구항 제11항에 따른 터빈 엔진에서 사용하기 위한 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법에 의해 각각 달성된다. 본 발명의 추가의 실시예들은 종속 청구항들에서 처리된다.
본 발명의 근본적인 개념은, 고온 컨디션들을 견디도록 제조된 제한된 수의 이미징 섬유(imaging fiber)들을 이용하여 형성된 이미지 도관을 제공하고, 그리고 효율적인 온라인 컨디션 모니터링을 가능하게 하도록 터빈 엔진 내의 관심 구역의 고해상도 이미지 및/또는 모션-비디오를 생성하기 위해 희소-신호 재구성 기법(sparse-signal reconstruction technique)을 구현하는 것이다.
본 발명의 제1 양상에서, 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 광학 변조 디바이스(optical modulation device), 이미지 도관(image conduit), 센서 어레이(sensor array), 및 신호 프로세싱 디바이스(signal processing device)를 포함한다. 광학 변조 디바이스는 대상물 평면(object plane)에서의 시야(field of view)로부터 수신된 광을 이미지 평면 상에 투사하도록 구성된다. 광학 변조 디바이스는 제1 전달 함수를 특징으로 한다. 이미지 도관은 이미지 포착 단부(image acquisition end) 및 이미지 프로세싱 단부(image processing end)를 형성하도록 배열된 이미징 섬유들의 세트를 포함한다. 각각의 이미징 섬유가 이미지 평면 내의 대응하는 구역 상에 투사된 광을 포착하도록, 이미지 포착 단부는 이미지 평면과 실질적으로 일치(coincide)하도록 배열된다. 이미지 포착 단부를 통해 포착된 광은 이미지 프로세싱 단부에 전달된다. 이미지 도관은 제2 전달 함수를 특징으로 한다. 센서 어레이는, 이미지 프로세싱 단부에서 개별 이미징 섬유들로부터의 광을 수신하고 그리고 감지 베이시스(sensing basis)에서 대응하는 샘플링된 이미지 신호(sampled image signal)들을 생성하도록 배열된 광 감지 엘리먼트들의 세트를 포함한다. 신호 프로세싱 디바이스는, 샘플링된 이미지 신호들을 감지 베이시스로부터 표현 베이시스(representation basis)로 변환하고 그리고 그로부터 상기 제1 및 제2 전달 함수들에 기초하여, 추정된 이미지 신호들의 세트를 생성하도록 구성되며, 표현 베이시스는 감지 베이시스에 비하여 샘플링된 이미지 신호들의 더 희소 표현(sparser representation)을 제공하고, 그리고 추가로, 추정된 이미지 신호들의 수는 샘플링된 이미지 신호들의 수보다 더 많다.
본 발명의 제2 양상에서, 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 방법이 제공된다. 제1 단계에서, 대상물 평면에서의 시야로부터 수신된 광이 광학 변조 디바이스를 통해 이미지 평면 상에 투사된다. 광학 변조 디바이스는 제1 전달 함수를 특징으로 한다. 이후, 광은 이미지 도관을 통해 전달된다. 이미지 도관은 이미지 포착 단부 및 이미지 프로세싱 단부를 형성하도록 배열된 이미징 섬유들의 세트를 포함한다. 이미지 포착 단부는, 개별 이미징 섬유들에 대응하는 이미지 평면 내의 개별 구역들 상에 투사된 광이 이미지 프로세싱 단부에 전달되도록, 이미지 평면과 실질적으로 일치하게 배열된다. 이미지 도관은 제2 전달 함수를 특징으로 한다. 그 후에, 이미지 프로세싱 단부에서 개별 이미징 섬유들로부터 수신된 광에 기초하여 감지 베이시스에서, 샘플링된 이미지 신호들의 세트가 생성된다. 마지막으로, 샘플링된 이미지 신호들은 감지 베이시스로부터 표현 베이시스로 변환되고 그리고 그로부터 상기 제1 및 제2 전달 함수들에 기초하여, 추정된 이미지 신호들의 세트가 생성되며, 표현 베이시스는 감지 베이시스에 비하여 샘플링된 이미지 신호들의 더 희소 표현을 제공하고, 그리고 추가로, 추정된 이미지 신호들의 수는 샘플링된 이미지 신호들의 수보다 더 많다.
따라서, 본 발명은 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 기법들에 따르면, 컴팩트한 형태-인자를 가진 이미지 도관에 기초하는 시스템이 달성되며, 이에 의해, 터빈 엔진 내의 다양한 관심 구역들에 대한 접근성이 개선된다. 동시에, 본 발명의 기법들에 따라 생성된 이미지 및/또는 모션-비디오의 해상도는, 포함된 이미징 섬유들의 수가, 본 발명에 포함된 이미징 섬유들의 수보다 10의 수 승 배만큼 더 많은, 다양한 최신기술의 해결책들을 이용하여 달성되는 해상도와 적어도 동등하거나 또는 더 많다.
본 발명은 추가로, 첨부 도면들에서 도시되는 예시된 실시예들을 참조하여 이하에서 설명되며, 도면들에서:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템의 개략도를 예시하고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부호화된-개구 마스크(coded-aperture mask)의 3개의 상이한 구성들의 개략도를 예시하고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부호화된-개구 마스크의 3개의 상이한 구성들에 대응하는 3개의 상이한 시야들의 개략도를 예시하고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 도관의 단면을 예시하고,
도 5는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템의 개략도를 예시하고,
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학 필터 어셈블리(optical filter assembly)의 개략도를 예시하고,
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학 필터 어셈블리의 개략도를 예시하고,
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 방법의 흐름도를 예시하고, 그리고
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 방법의 흐름도를 예시한다.
도면들을 참조하여 다양한 실시예들이 설명되며, 동일한 참조 번호들은 전체에 걸쳐 동일한 엘리먼트들을 나타내기 위해 이용된다. 다음의 설명에서, 설명의 목적으로, 하나 이상의 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 특정 상세들이 제시된다. 이러한 실시예들이 이러한 특정 상세들 없이 실시될 수 있음은 명백할 수 있다.
터빈 엔진들의 컨디션 모니터링은, 잠재적 문제들을 미리 식별하기 위해 그리고 예방적 유지보수를 수행하기 위해 그리고 이에 의해, 터빈 엔진들의 안전한 동작을 보장하기 위해 필요하다. 이러한 컨디션 모니터링은 종종, 다양한 내부 컴포넌트들의 무결성을 검증하기 위해 다양한 내부 컴포넌트들의 시각적 검사를 요구한다. 이러한 시각적 검사는 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법을 이용하여 수행된다.
오프-라인 검사(off-line inspection)가 일상적인 유지보수 활동들의 부분으로서 수행될 수 있지만, 터빈 엔진의 일상적인 동작 동안에는 터빈 엔진의 온라인 컨디션 모니터링을 수행하는 것이 바람직하다. 터빈 엔진의 정지시간(downtime) 동안에는 내부 컴포넌트들의 검사를 위해 다양한 구조들 및 재료들이 이용될 수 있지만, 터빈 엔진의 동작 동안의 시각적 컨디션 모니터링은 전술한 설명에서 설명된 바와 같이 이미징 시스템들에 여러 제한들을 부과한다.
본 발명은, 압축 감지(compressive sensing)의 이론에 따라 희소 신호 복원(sparse signal recovery)과 관련된 기법들을 활용하는 것을 통해 이러한 제한들이 극복되는, 터빈 엔진들에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법을 제공한다.
신호 포착의 새로운 이론인 압축 감지는, E. Candes, J. Romberg, 및 T. Tao에 의해 제시되었으며, 명칭이 "Robust uncertainty principles: Exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information"인, IEEE Transactions on Information Theory, 2004에서의 그들의 발행물에서, 신호 포착 및 프로세싱 시스템들을 최적화하기 위해 데이터 신호(data signal)에서의 희소성(sparsity)을 활용한다. 이러한 이론에 따르면, 적어도 하나의 베이시스(basis)에서 희소 표현(sparse representation)을 가진 신호는, 2개의 베이시스들이 상호 인코히런트(incoherent)하는 한, 다른 베이시스에서, 제한된 세트의 비-적응적 선형 측정들(non-adaptive linear measurements)로부터 재구성될 수 있다.
압축 감지 기법에 따르면, 선형 범함수(linear functional)들을 이용하여 수행된 샘플링(sampling)이 행렬 곱셈(matrix multiplication)의 항들로 표현될 수 있는 것이 필요하다. 그 기법은 추가로, 적절한 알고리즘(algorithm)들을 이용한 신호의 효율적인 재구성을 보장하기 위해, 이러한 행렬이 랜덤 행렬(random matrix)이어야 함을 규정한다. 그러므로, 압축 감지의 이론에 따르면, 신호는 랜덤하게 샘플링된다(randomly sampled). 샘플링 후에, 신호는 랜덤 샘플(random sample)들을 이용하여 재구성된다. 이를 위해, 반복적인 최적화 절차들을 포함하는 다양한 재구성 알고리즘들이 이미 제안되었다.
일반적으로, 이미지 신호들은 하 웨이블렛 변환(Haar Wavelet transform), 이산 코사인 변환(DCT; Discrete Cosine Transform) 등과 같은 대안적인 베이시스에서 희소 표현을 갖는다. 따라서, 다음의 설명에서 제시되는 바와 같이 효율적인 이미지 포착을 달성하기 위해 압축 감지의 이론이 활용된다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 터빈 엔진(도시되지 않음)에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템(100)의 개략도가 제공된다.
본 발명이 터빈 엔진들의 맥락에서 논의되지만, 본 발명의 다양한 기법들이 임의의 다른 이미징 애플리케이션에 용이하게 적용가능함이 유의되어야 한다.
시스템(100)은 광학 변조 디바이스(102), 이미지 도관(104), 센서 어레이(106), 및 신호 프로세싱 디바이스(108)를 포함한다. 추가하여, 도 1은 또한, 대상물 평면(Po) 및 이미지 평면(Pi)을 도시한다. 시스템(100)을 통한 광의 경로는 'l'로 마킹된(marked) 점선들을 통해 표시된다.
광학 변조 디바이스(102)는 대상물 평면(Po)에서의 시야로부터 광을 수신하고 그리고 그 광을 이미지 평면(Pi) 상에 투사한다. 이미지 도관(104)은 이미지 포착 단부(104a) 및 이미지 프로세싱 단부(104b)를 형성하도록 배열된 이미징 섬유들의 세트를 포함한다. 이미지 도관(104)은 이미지 포착 단부(104a)에서 수신된 광을 이미지 프로세싱 단부(104b)로 전달한다. 이와 같이 전달된 광은 이미지 프로세싱 단부(104b)로부터 나와서 센서 어레이(106) 상에 투사된다. 센서 어레이(106)는 광 감지 엘리먼트들의 세트를 포함하고, 광 감지 엘리먼트들 각각은 개별 이미징 섬유들로부터 수신된 광을 감지 베이시스에서, 대응하는 샘플링된 이미지 신호들로 변환한다. 그 후에, 센서 어레이(106)는 샘플링된 이미지 신호들을 신호 프로세싱 디바이스(108)에 제공한다. 신호 프로세싱 디바이스(108)는 샘플링된 이미지 신호들을 감지 베이시스로부터 표현 베이시스로 변환하고, 그리고 그로부터, 추정된 이미지 신호들의 세트를 생성한다. 표현 베이시스는 감지 베이시스에 비하여 샘플링된 이미지 신호들의 더 희소 표현(sparser representation)을 제공한다. 이와 같이 생성된, 추정된 이미지 신호들의 수는 샘플링된 이미지 신호들의 수보다 더 많다.
광학 변조 디바이스(102)는 개별적으로 구성가능한 투과성, 반사성, 및/또는 불투명 구역들의 어레이들과 같은 일련의 패턴(pattern)들을 이용하여, 광학 변조 디바이스(102) 상에 입사되는 광을 변조할 수 있다. 광학 변조 디바이스(102)는, 이러한 디바이스가 대상물 평면(Po)으로부터 수신된 광에 대해 선택적으로 투과성임을 표시하기 위해 연관 도면에서 점선들을 이용하여 도시되었다. 광학 변조 디바이스는, 특정 실시예와 함께 아래에서 설명되는 바와 같이 제1 전달 함수를 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 광학 변조 디바이스(102)는 부호화된-개구 마스크(coded-aperture mask)(202)이다. 부호화된-개구 마스크는 유리하게, 이를테면, 터빈 엔진 내의 가혹한 환경을 견디도록 고온 재료(high-temperature material)들을 이용하여 제조된다. 사실상, 부호화된-개구 마스크는, 대상물 평면(Po)으로부터의 광을 포착하여 이미지 평면(Pi) 상에 포커싱(focus)하기 위해 광학 렌즈-기반 어레인지먼트(optical lens-based arrangement)를 대체하는 것을 용이하게 한다.
일반적으로 이미징 시스템들에 기초하는 종래의 렌즈-어셈블리(lens-assembly)를 이용하여 이미징하기에 적절하지 않은 이러한 파장 범위들에서의 방사를 캡쳐하기 위한 부호화된-개구 마스크는 일반적으로 당해 기술분야에 알려져 있다.
부호화된-개구 마스크는 개구들의 어레이를 포함한다. 각각의 개구는 대상물 평면(Po)에서의 대응하는 시야의 개별 이미지를 이미지 평면(Pi) 상에 생성한다. 따라서, 이미지 평면(Pi) 상에 투사된 광은 개별 개구들을 통해 형성된 오버랩핑하는 일련의 이미지들(overlapping series of images)에 대응한다. 그러나, 부호화된-개구 마스크 상의 개별 개구들의 공간 어레인지먼트와 관련된 정보를 고려하는 재구성 프로세스(reconstruction process)를 이용하여 실제 시야의 이미지를 재구성하는 것이 가능하다. 이러한 의미에서, 부호화된-개구 마스크는 대상물 평면(Po)으로부터 수신된 광을 변조하고 그리고 이미지 평면(Pi) 상에 이미지를 생성한다.
수학적 항들에서, 이미지 평면(Pi) 상의 광의 강도 패턴(intensity pattern)은 제1 전달 함수(A1)를 통해 대상물 평면(Po)에서의 광의 강도 패턴과 관련되고, 수학적으로 다음과 같이 표현되며:
Figure 112016012463984-pct00001
여기서, x는 대상물 평면(Po)에서의 실제 광 강도이고 그리고 y는 이미지 평면(Pi)에서의 결과적인 광 강도이다.
이전에 유의된 바와 같이, 압축 감지는, 선형 범함수들을 이용하여 수행된 샘플링이 행렬 곱셈의 항들로 표현될 수 있을 것을 요구하며, 여기서 행렬은 적절한 알고리즘들을 이용한 신호의 효율적인 재구성을 보장하기 위해 랜덤 행렬이어야 한다. 제1 전달 함수(A1)는 필요한 랜덤 행렬을 본 발명의 기법들에 따른 신호 포착으로부터 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 부호화된-개구 마스크는 고정형 마스크 패턴(fixed mask pattern) 또는 재구성가능 마스크 패턴(reconfigurable mask pattern) 또는 이들의 조합을 가질 수 있다.
부호화된-개구 마스크가 전기적으로 재구성가능한 실시예가 이제 도 2 및 도 3을 참조하여 설명될 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 부호화된-개구 마스크(202)의 3개의 상이한 구성들(A, B, C)의 개략도가 도시된다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부호화된-개구 마스크(202)의 3개의 상이한 구성들(A, B, C)에 대응하는 3개의 상이한 시야들(fields of view)(F)의 개략도를 예시한다.
실시예에서, 부호화된-개구 마스크(202)는 부호화된-개구 마스크(202)의 적어도 부분 구역에서 재구성가능하다. 재구성가능한 구역은 다수의 서브-구역(sub-region)들로 분할되고; 각각의 이러한 서브-구역은, 특정된 파장 범위 내의 방사와 관련하여 투과 특성들을 변경하도록 개별적으로 구성가능하다. 연관 도면에서 도시된 바와 같이, 부호화된-개구 마스크(202) 내에서 백색 상자들은 투과성 서브-구역들을 나타내는 반면, 흑색 상자들은 불투명 서브-구역들을 나타낸다. 그러므로, 부호화된-개구 마스크(202)와 연관된 제1 전달 함수(A1)가 구성가능하다.
일 예에서, 부호화된 개구 마스크(202)는 가시 대역 및 적외선 대역에서 동작가능한 액정 디바이스이다. 그러나, 다양한 대안적인 예들에서, 관심 방사(radiation of interest)의 주파수 대역에 따라 부호화된-개구 마스크(202)를 구현하기 위해, 최신기술에서 알려진 임의의 적절한 전기-광학 변조기가 이용될 수 있다. 또한, 당해 기술분야에 알려진 임의의 적절한 기법에 따라 부호화된-개구 마스크(202)의 구성들을 조절하기 위해, 적절한 어레인지먼트가 제공된다.
부호화된-개구 마스크(202)의 유효 해상도를 제어하기 위해, 부호화된-개구 마스크(202) 상의 개별 개구들의 유효 개구 크기들 및 간격이 조절될 수 있다.
부호화된-개구 마스크(202) 상의 개구들의 패턴을 재구성하는 능력은 또한, 부호화된-개구 마스크(202)를 이용하여 캡쳐되는 시야를 통한 제어를 허용한다. 따라서, 부호화된-개구 마스크(202)의 3개의 상이한 구성들(A, B, C)에 대해 도 3에 도시된 바와 같이 부호화된-개구 마스크(202)를 이용하여 상이한 시야들(fields of view)(F)이 달성될 수 있다.
본 발명이, 상이한 애플리케이션들을 위해 적외선 파장 범위, 가시 파장 범위, 및 자외선 파장 범위를 포함하는 다양한 파장 범위들에서의 이미징을 위해 구성된 부호화된-개구 마스크들(202)의 사용을 고려함이 유의되어야 한다. 게다가, 부호화된-개구 마스크(202)는 가시광 스펙트럼(visible light spectrum) 내의 선택적 파장 범위들에 대해 구성될 수 있다.
현재의 실시예에서, 광학 변조 디바이스(102)가 대상물 평면(Po)과 이미지 포착 단부(104a) 중간에 배치되지만, 본 발명의 다양한 대안적인 실시예들에서는, 광학 변조 디바이스(102)가 시스템(100)의 임의의 다른 부분들을 변경함이 없이, 이미지 프로세싱 단부(104b) 뒤에 배치될 수 있음이 유의되어야 한다. 게다가, 부호화된-개구 마스크(202)는 본원에서, 광학 변조 디바이스(102)의 비-제한적 예로서만 설명되었다. 예컨대, 본 발명의 대안적인 실시예에서, 광학 변조 디바이스(102)는, 이미지 프로세싱 단부(104b) 뒤에 배치되고 그리고 이미지 프로세싱 단부(104b)로부터 나오는 광을 센서 어레이(106)에 선택적으로 반사하도록 구성되는 디지털 마이크로-미러 디바이스(digital micro-mirror device)를 이용하여 구현될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 이미지 포착 단부(104a)가 이미지 평면(Pi)과 실질적으로 일치하게 배열되도록, 이미지 도관(104)이 배열된다. 이러한 배열의 결과로, 각각의 이미징 섬유는 이미지 평면(Pi) 내의 대응하는 구역 상에 투사되는 광을 포착한다. 이미지 포착 단부(104a)를 통해 포착된 광은 이미지 프로세싱 단부(104b)에 전달된다. 이미지 도관(104)은 제2 전달 함수(A2)를 특징으로 하고, 수학적으로 다음과 같이 표현되며:
Figure 112016012463984-pct00002
여기서, x는 이미지 포착 단부(104a) 상에 입사되는 실제 광 강도이고 그리고 y는 이미지 프로세싱 단부(104b) 상에서의 결과적인 광 강도이다.
이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 도관(104)의 단면이 도시된다.
이미지 도관(104)은 이미징 섬유들(402)의 세트 및 선택적으로는 조명 섬유들(illuminating fiber)(404)의 세트를 포함한다. 이미징 섬유들(402)은 이전의 도면들과 함께 참조할 때 동일하다. 조명 섬유들(404)은 이미지 프로세싱 단부(104b)에 인접하게 배열된 광원(도시되지 않음)으로부터 조명 광을 수신하도록 그리고 이를테면, 상기 대상물 평면(Po)을 조명하기 위해 상기 조명 광을 이미지 포착 단부(104a)에 전달하도록 구성된다.
또한, 광섬유들(402, 404)은 고온 애플리케이션들에 적절한 이러한 기법들을 이용하여 제조된다. 일 예에서, 터빈 엔진 내에서 만나는 가혹한 환경들에 맞서는 강건성을 개선하기 위해, 광섬유들(402, 404)에는 금(gold)의 금속성 코팅(metallic coating)이 제공된다.
연관 도면에 도시된 광섬유들(402, 404)의 특정 기하학적 구조 및 상대적 어레인지먼트는 사실상 단지 예시적임이 유의되어야 한다. 최신기술에서, 이미징 섬유들(402) 및 조명 섬유들(404)의 여러 상이한 상대적 어레인지먼트들이 일반적으로 잘 알려져 있고, 임의의 적절한 어레인지먼트가 선택될 수 있다. 또한, 광섬유들(402, 404) 및 이미지 도관(104)은 임의의 원하는 단면을 가질 수 있고, 단면이 반드시 원형일 필요는 없다.
터빈 엔진에 대한 다양한 관심 구역들은 잘 조명되지 않고, 따라서 일반적으로 이미징이 어렵다. 조명 섬유들(404)이 이용되는 경우, 터빈 엔진 내의 광 컨디션들이 개선되고, 따라서, 결국 생성된 이미지 및/또는 모션-비디오의 품질이 또한 개선된다. 그러나, 이는 선택적인 기술적 특징이며, 예컨대, 이미징이 독점적으로 적외선 파장 범위에서 수행되는 경우에는 요구되지 않을 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 이미지 도관(104)을 통해 전달된 광은 이미지 프로세싱 단부(104b)로부터 나와서, 센서 어레이(106) 상에 투사된다.
센서 어레이(106)는 광 감지 엘리먼트들의 세트를 포함한다. 각각의 광 감지 엘리먼트는 이미지 프로세싱 단부(104b)에서 개별 이미징 섬유들(402)로부터 광을 수신하고, 이와 같이 수신된 광을 감지 베이시스에서, 대응하는 샘플링된 이미지 신호들로 컨버팅한다. 그 후에, 센서 어레이(106)는 샘플링된 이미지 신호들을 신호 프로세싱 디바이스(108)에 제공한다.
용어 '감지 베이시스(sensing basis)'는 물리적 신호가 샘플링되는(sampled) 도메인(domain)을 나타낸다. 본 발명의 맥락에서, 감지 베이시스는, 본 발명의 시스템 및 방법을 이용하여 이미징되도록(imaged) 의도된 관심 구역에 대응하는 2차원 또는 3차원 공간 도메인이다. 샘플링된 이미지 신호들이 연속적인 시간 인터벌(time interval)들 동안 포착되어 집합적으로 고려되는 경우에서, 감지 베이시스는 시공간적 도메인(spatio-temporal domain)이다.
센서 어레이(106)에 포함된 광 감지 엘리먼트들은 관심 스펙트럼 범위(spectral range of interest)에 기초하여 선택된다. 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들에서, 근적외선 및 가시 범위들에 대해, 전하-결합 디바이스(CCD; charge-coupled device) 어레이, 상보형 금속-산화물 반도체(CMOS; complementary metal-oxide semiconductor) 어레이 등이 이용될 수 있다. 유사하게, 원적외선 범위에 대해서는, 최신기술에 따라 임의의 적절한 감지 방식(sensing modality)이 이용될 수 있다.
본 발명은, 상이한 스펙트럼 범위(spectral range)들에 대한 광 감지 엘리먼트들이 함께 이용되는 센서 어레이들(106)의 사용을 고려한다. 일 실시예에서, 상이한 스펙트럼 범위들에 대응하는 광 감지 엘리먼트들은 2차원 어레이를 형성하도록 랜덤하게 배열된다. 대안적인 실시예에서, 상이한 스펙트럼 범위들에 대응하는 광 감지 엘리먼트들은, 상이한 스펙트럼 범위들에 대응하는 개별적 구역(distinct zone)들을 가진 통합 센서 어레이(integrated sensor array)를 형성하도록 인접할 수 있는 개별 2차원 어레이들로 배열된다. 본 발명의 이러한 양상들은 나중에 도 5 내지 도 7과 함께 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1을 계속 참조하면, 센서 어레이(106)는 샘플링된 이미지 신호들을 신호 프로세싱 디바이스(108)에 제공한다.
신호 프로세싱 디바이스(108)는 터빈 엔진 내의 관심 구역의 원하는 이미지 및/또는 모션 비디오를 재구성하기 위해 샘플링된 이미지 신호들을 프로세싱하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 센서 어레이(106)로부터 수신된 샘플링된 이미지 신호들은 아날로그 신호(analog signal)들이다. 신호 프로세싱 디바이스(108)는 먼저, 하나 이상의 아날로그-투-디지털 컨버터(analog-to-digital converter)들을 이용하여, 샘플링된 이미지 신호들을 아날로그 포맷(analog format)으로부터 디지털 포맷으로 컨버팅한다.
이를 위해, 신호 프로세싱 디바이스(108)는 압축 감지 재구성 기법을 구현한다. 샘플링된 이미지 신호들은 변환 연산자(transform operator)(T)에 기초하여, 감지 베이시스(공간 또는 시공간 도메인)로부터 표현 베이시스로 변환된다.
본 발명의 다양한 실시예들에서, 표현 베이시스는 감지 베이시스에 비하여 샘플링된 이미지 신호들의 더 희소 표현을 제공하는 임의의 적절한 대안적 도메인일 수 있다. 표현 베이시스를 선택하는 동안, 중요한 고려사항은 감지 베이시스 및 표현 베이시스가 인코히런트 베이시스 쌍(incoherent basis pair)을 제공해야 한다는 것이다. 다시 말해, 표현 및 감지 베이시스에서의 신호 표현은 최소 상관(least correlation)을 가져야 한다. 이러한 표현 베이시스의 예들은 하 웨이블렛 변환(Haar Wavelet transform), 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform) 등(그러나, 이에 한정되지 않음)을 포함한다.
표현 베이시스로의 변환 이후, 추정된 이미지 신호들의 세트는 상기 제1 및 제2 전달 함수들(A1 및 A2)에 기초하여, 샘플링된 이미지 신호들의 세트로부터 생성된다. 이와 같이 생성된 추정된 이미지 신호들의 수는 샘플링된 이미지 신호들의 수보다 더 많다. 따라서, 본 발명의 기법들은 유리하게, 이미지 도관(104)에 포함된 주어진 수의 이미징 섬유들(402)에 대해 훨씬 더 높은 해상도 이미지를 생성하는 것을 용이하게 한다.
이전에 언급된 바와 같이, 광학 변조 디바이스(102)는 제1 전달 함수(A1)를 특징으로 하고, 그리고 이미지 도관(104)은 제2 전달 함수(A2)를 특징으로 한다. 이러한 전달 함수들(그리고 유사하게, 대상물 평면(Po)으로부터 센서 어레이(106)로의 광의 경로에 배치된 임의의 다른 광학 엘리먼트들의 광학 전달 함수들) 각각은, 추정된 이미지 신호들의 생성을 위해 고려된다. 대상물 평면(Po)과 센서 어레이(106) 사이에 배치된 광학 엘리먼트들의 조합된 전달 함수는 Ac를 이용하여 표기될 수 있고, 수학적으로 다음과 같이 표현될 수 있으며:
Figure 112016012463984-pct00003
여기서, x는 대상물 평면(Po)에서의 실제 광 강도이고 그리고 y는 센서 어레이(106) 상에서 수신된 결과적인 광 강도이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 신호 프로세싱 디바이스(108)는,
Figure 112016012463984-pct00004
의 L2 놈(norm) 및
Figure 112016012463984-pct00005
의 L1 놈의 조합된 최소화 문제에 대한 해결책을 찾도록 구성되며, 여기서,
Figure 112016012463984-pct00006
는 역 변환 연산자(inverse transform operator)를 나타낸다. 그러나, 앞서의 접근방식은 사실상 단지 예시적이다. 신호 프로세싱 디바이스(108)는, L0 최소화(L0 minimization), L1 최소화(L1 minimization); 그리디 알고리즘들(greedy algorithms); 콘벡스-최적화 알고리즘들(convex-optimisation algorithms); 및 비터비 알고리즘(Viterbi algorithm)을 포함한(그러나, 이에 한정되지 않음) 알려진 추정 알고리즘들 중 임의의 추정 알고리즘에 기초하여 추정된 이미지 신호들을 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 신호 프로세싱 디바이스(108)는 하나의 대상물 평면(Po)에 대해, 제1 및 제2 전달 함수들(A1, A2)을 평가하도록 구성된다. 제1 및 제2 전달 함수들(A1, A2)에 기초하여 이와 같이 생성된 추정된 이미지 신호들은, 시야 내의 관심 구역의 2차원 이미지를 재구성하는 것을 용이하게 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 신호 프로세싱 디바이스(108)는, 이미지 평면(Pi)에 대해 다양한 깊이들에 위치된 다수의 대상물 평면들(Po)에 대해, 제1 및 제2 전달 함수들(A1, A2) 각각의 다수의 세트들을 평가하도록 구성된다. 제1 및 제2 전달 함수들(A1, A2)의 다수의 세트에 기초하여 이와 같이 생성된 추정된 이미지 신호들은 시야 내의 관심 구역의 3차원 이미지를 재구성하는 것을 용이하게 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 신호 프로세싱 디바이스(108)는 연속적인 시간 인스턴스(time instance)들 동안 생성된 샘플링된 이미지 신호들을 통합 프로세싱(integrated processing)하도록 구성된다. 그러므로, 샘플링된 이미지 신호들은 3차원 시공간 도메인에 존재한다. 추정된 이미지 신호들은, 최적화된 방식으로 모션-비디오를 재구성하기 위해 통합 방식으로 연속적인 시간 인스턴스들에 대해 생성된다.
모션-비디오 재구성과 관련하여, 관심 구역이 회전자 블레이드(rotor blade)인 경우에서와 같이, 관심 구역이 미리 정의된 주기적 모션을 따르도록 되는 경우, 재구성 프로세스는, 심지어 더 신속한 재구성을 용이하게 하기 위해 관심 구역의 경로에 대한 이러한 지식을 활용하도록 이미지 상관 기법들을 이용하여 적절하게 적응될 수 있음이 유의되어야 한다.
이제 도 5를 참조하면, 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템(500)의 개략도가 도시된다.
시스템(500)에서, 다양한 시스템 엘리먼트들(502 내지 508)은 도 1과 함께 설명된 바와 같은 대응하는 시스템 엘리먼트들(102 내지 108)과 동일하다.
이러한 실시예에서, 광학 필터 어셈블리(510)는 이미지 프로세싱 단부(504b)와 센서 어레이(506) 중간에 배치된다. 광학 필터 어셈블리(510)는, 필터 엘리먼트(filter element)들의 다수의 세트들을 포함하고, 그리고 특히 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 필터 엘리먼트들의 제2 세트를 적어도 포함한다. 필터 엘리먼트들의 각각의 세트는 특정 파장 범위의 광에 대해 투과성이다. 광학 필터 어셈블리(510)는, 이를테면, 필터 엘리먼트들과 광 감지 엘리먼트들 사이의 일-대-일 대응을 유지하게 센서 어레이(506)에 대해 배열된다. 따라서, 센서 어레이(106)는 적어도 2개의 상이한 스펙트럼 구역들에 대응하는 샘플링된 이미지 신호들을 생성한다.
이미지 도관(504), 광학 필터 어셈블리(510), 및 센서 어레이(506) 사이의 상이한 대응을 가진 여러 어레인지먼트들이 가능한 동안, 2개의 예시적인 어레인지먼트들이 이제 도 6 및 도 7과 함께 제시될 것이다.
이제 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학 필터 어셈블리(510)의 개략도가 도시된다.
이러한 실시예에서, 광학 필터 어셈블리(510)는 필터 엘리먼트의 어레이(602)를 포함한다. 연관 도면에서 도시된 필터 엘리먼트들의 어레이(602)에서, ('o'로 마킹된) 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 ('x'로 마킹된) 필터 엘리먼트들의 제2 세트는 통합된 2차원 어레이를 형성하도록 랜덤하게 배열된다. 또한, 이러한 실시예에서, 광학 필터 어셈블리(510)는, 이를테면, 이미지 프로세싱 단부(504b)에서 개별 이미징 섬유들(402)로부터 나오는 광이 필터들의 제1 세트 및 제2 세트들 중 하나에만 제공되게, 개별 이미징 섬유들(402)과의 일-대-일 대응을 제공하도록 배열된다.
이제 도 7을 참조하면, 본 발명이 제2 실시예에 따른 광학 필터 어셈블리(510)의 개략도가 도시된다.
이러한 실시예에서, 광학 필터 어셈블리(510)는 필터 엘리먼트들의 어레이(702) 및 빔-분할 어레인지먼트(beam-splitting arrangement)(704)를 포함한다.
연관 도면에서 도시된 필터 엘리먼트들의 어레이(702)에서, ('o'로 마킹된) 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 ('x'로 마킹된) 필터 엘리먼트들의 제2 세트는 개별 2차원 어레이들로 배열된다. 도시된 바와 같이, 2개의 개별 2차원 어레이들은 인접한 방식으로 배열된다. 빔-분할 어레인지먼트(704)는 이미지 프로세싱 단부(504b)로부터 나오는 광(B)이 복수의 빔들(B1, B2)로 분할되게 한다. 각각의 개별 빔(B1, B2)은 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 제2 세트의 어레이들 중 하나에 제공된다.
연관 도면은 빔-분할 어레인지먼트(704)를 구현하기 위한 하프-미러(half-mirror)들의 어레인지먼트를 도시한다. 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들에서, 당해 기술분야에 알려진 임의의 적절한 빔-분할 어레인지먼트, 이를테면, 빔-분할 큐브(beam-splitting cube) 등이 이용될 수 있다.
예시적인 목적들을 위해 단지 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 제2 세트만이 논의되었음이 유의되어야 한다. 실제로는, 대상물 평면으로부터 수신된 광을 이용하여 이미징되기를 원하는 상이한 스펙트럼 범위들의 수에 따라, 임의의 수의 이러한 필터 엘리먼트들의 세트들이 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 적외선 범위, 가시 스펙트럼(visible spectrum) 내의 적색, 청색, 녹색 파장 범위들 등에 대응하는 필터 엘리먼트들의 개별 세트들을 가진 필터 엘리먼트들의 어레이들(602, 702)을 고려한다.
다시 도 5를 참조하면, 신호 프로세싱 디바이스(508)는 상이한 스펙트럼 구역들에 대응하는 샘플링된 이미지 신호들을 통합 프로세싱하도록 구성된다. 신호 프로세싱 디바이스(508)는 앞서의 논의에서 설명된 본 발명의 기법들에 따라, 샘플링된 이미지 신호들로부터 추정된 이미지 신호들을 생성한다. 이와 같이 생성된 추정된 이미지 신호들은, 대상물 평면(Po)에서의 시야의 다중스펙트럼 이미지(multispectral image)의 재구성을 가능하게 한다.
이제 도 8을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 방법에 대한 흐름도가 도시된다.
단계(802)에서, 대상물 평면에서의 시야로부터 수신된 광은 광학 변조 디바이스를 통해 이미지 평면 상에 투사된다. 광학 변조 디바이스는 제1 전달 함수를 특징으로 한다.
단계(804)에서, 광은 이미지 도관을 통해 전달된다. 이미지 도관은 이미지 포착 단부 및 이미지 프로세싱 단부를 형성하도록 배열된 이미징 섬유들의 세트를 포함한다. 이미지 포착 단부는, 개별 이미징 섬유들에 대응하는 이미지 평면 내의 개별 구역들 상에 투사된 광이 이미지 프로세싱 단부에 전달되도록, 이미지 평면과 실질적으로 일치하게 배열된다. 이미지 도관은 제2 전달 함수를 특징으로 한다.
단계(806)에서, 이미지 프로세싱 단부에서는 개별 이미징 섬유들로부터 수신된 광에 기초하여 감지 베이시스에서, 샘플링된 이미지 신호들의 세트가 생성된다.
단계(808)에서, 샘플링된 이미지 신호들은 감지 베이시스로부터 표현 베이시스로 변환되고 그리고 그로부터 상기 제1 및 제2 전달 함수들에 기초하여, 추정된 이미지 신호들의 세트가 생성되며, 표현 베이시스는 감지 베이시스에 비하여 샘플링된 이미지 신호들의 더 희소 표현을 제공하고, 그리고 추가로, 추정된 이미지 신호들의 수는 샘플링된 이미지 신호들의 수보다 더 많다.
또한, 이러한 단계에서, 이미지 및/또는 모션-비디오가 재구성된다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 전달 함수들은 하나의 대상물 평면에 대해 평가된다. 제1 및 제2 전달 함수들에 기초하여 이와 같이 생성된 추정된 이미지 신호들은, 시야 내의 관심 구역의 2차원 이미지를 재구성하는 것을 용이하게 한다.
다른 실시예에서, 제1 및 제2 전달 함수들 각각의 다수의 세트들이 평가되고, 전달 함수들의 다수의 세트들은 이미지 평면에 대해 다양한 깊이들에 위치된 다수의 대상물 평면들에 대응한다. 제1 및 제2 전달 함수들의 다수의 세트에 기초하여 이와 같이 생성된 추정된 이미지 신호들은 시야 내의 관심 구역의 3차원 이미지의 재구성을 용이하게 한다.
또 다른 실시예에서, 연속적인 시간 인스턴스들 동안 샘플링된 이미지 신호들이 생성된다. 그러므로, 샘플링된 이미지 신호들은 3차원 시공간 도메인에 존재한다. 추정된 이미지 신호들은, 최적화된 방식으로 모션-비디오를 재구성하기 위해 샘플링된 이미지 신호들의 통합 프로세싱에 기초하여 연속적인 시간 인스턴스들에 대해 생성된다.
이전에 설명된 바와 같이, 모션-비디오 재구성과 관련하여, 관심 구역이 회전자 블레이드인 경우에서와 같이, 관심 구역이 미리 정의된 주기적 모션을 따르도록 되는 경우, 재구성 프로세스는 심지어 더 신속한 재구성을 용이하게 하기 위해 관심 구역의 경로에 대한 이러한 지식을 활용하도록 이미지 상관 기법들을 이용하여 적절하게 적응될 수 있음이 유의되어야 한다.
이제 도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 방법에 대한 흐름도가 도시된다.
단계들(902 및 904)은 도 8과 함께 설명된 단계들(802 및 804)과 동일하다.
단계(906)에서, 적어도 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 필터 엘리먼트들의 제2 세트가 제공된다. 필터 엘리먼트들의 제1 및 제2 세트는 각각 제1 및 제2 파장 범위의 광에 대해 투과성이다. 이미지 프로세싱 단부에서 개별 이미징 섬유들로부터 나오는 광은, 단계(908)에서 그 광으로부터 샘플링된 이미지 신호들을 생성하기 전에, 샘플링된 이미지 신호들이 적어도 2개의 상이한 스펙트럼 구역들에 대응하도록 제1 및 제2 필터 엘리먼트들 중 적어도 하나를 이용하여 독립적으로 필터링된다(filtered). 단계(908)는 도 8과 함께 설명된 단계(806)와 동일하다.
단계(910)에서, 추정된 이미지 신호들에 기초하여 다중스펙트럼 이미지가 재구성되며, 추정된 이미지 신호들은 상이한 스펙트럼 구역들에 대응하는 샘플링된 이미지 신호들의 통합 프로세싱에 기초하여 생성된다.
따라서, 본 발명은 온라인 컨디션 모니터링을 위해 터빈 엔진에서 사용하기에 적절한 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명은 유리하게, 비교적 더 적은 수의 광섬유들의 요건으로 인한 컴팩트한 형태-인자를 가진 이미지 도관에 기초하는 이미지 포착을 위한 시스템 및 방법을 제공하고, 이에 의해, 터빈 엔진 내의 다양한 관심 구역들에 대한 접근성이 개선된다. 동시에, 결과적인 이미지 및/또는 모션-비디오의 해상도가 개선된다.
본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명이 그러한 실시예들로 제한되지 않음이 인식되어야 한다. 본 개시내용을 고려하면, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이, 많은 수정들 및 변형들이 그 자체로 당업자들에게 존재할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범주는 전술한 설명에 의해서 보다는 다음의 청구항들에 의해서 표시된다. 청구항들의 의미 및 등가의 범위 내에서 비롯되는 모든 변경들, 수정들, 및 변형들이 청구항들의 범주 내에서 고려될 것이다.

Claims (20)

  1. 터빈 엔진에서 사용하기 위한 이미지 포착을 위한 시스템으로서,
    광학 변조 디바이스, 이미지 도관, 센서 어레이, 신호 프로세싱 디바이스를 포함하고,
    상기 광학 변조 디바이스는 대상물 평면에서의 시야로부터 수신된 광을 이미지 평면 상에 투사하도록 구성되고, 상기 광학 변조 디바이스는 제1 전달 함수를 특징으로 하고,
    상기 이미지 도관은 이미지 포착 단부 및 이미지 프로세싱 단부를 형성하도록 배열된 이미징 섬유들의 세트를 포함하고, 상기 이미지 포착 단부는, 각각의 이미징 섬유가 상기 이미지 평면 내의 대응하는 구역 상에 투사된 광을 포착하도록 그리고 상기 광을 상기 이미지 프로세싱 단부에 전달하도록, 상기 이미지 평면과 일치하게 배열되고, 상기 이미지 도관은 제2 전달 함수를 특징으로 하고,
    상기 센서 어레이는, 상기 이미지 프로세싱 단부에서 개별 이미징 섬유들로부터의 광을 수신하고 그리고 감지 베이시스(sensing basis)에서, 대응하는 샘플링된 이미지 신호들을 생성하도록 배열된 광 감지 엘리먼트들의 세트를 포함하고,
    상기 신호 프로세싱 디바이스는, 상기 샘플링된 이미지 신호들을 상기 감지 베이시스로부터 표현 베이시스(representation basis)로 변환하고 그리고 그로부터 상기 제1 및 제2 전달 함수들에 기초하여, 추정된 이미지 신호들의 세트를 생성하도록 구성되고,
    상기 표현 베이시스는 상기 감지 베이시스에 비하여 상기 샘플링된 이미지 신호들의 더 희소 표현(sparser representation)을 제공하고, 그리고 추가로, 추정된 이미지 신호들의 수는 샘플링된 이미지 신호들의 수보다 더 많은,
    시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 도관은, 상기 이미지 프로세싱 단부에 인접하게 배열된 광원으로부터 조명 광을 수신하고 그리고 상기 조명 광을 상기 대상물 평면에 전달하도록 구성된 조명 섬유들의 세트를 더 포함하는,
    시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학 변조 디바이스는 상기 대상물 평면에서 상기 시야를 변화시키도록 전기적으로 재구성가능한,
    시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 프로세싱 디바이스는, 하나의 대상물 평면에 대해 상기 제1 및 제2 전달 함수들을 평가하도록 그리고 2차원 이미지를 재구성하기 위해 상기 제1 및 제2 전달 함수들에 기초하여 상기 추정된 이미지 신호들을 생성하도록 구성되는,
    시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호 프로세싱 디바이스는, 상기 이미지 평면에 대해 다양한 깊이들에 위치된 대상물 평면들의 세트에 대해 상기 제1 및 제2 전달 함수들을 평가하도록 그리고 3차원 이미지를 재구성하기 위해 상기 제1 및 제2 전달 함수들에 기초하여 상기 추정된 이미지 신호들을 생성하도록 구성되는,
    시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호 프로세싱 디바이스는, 연속적인 시간 인스턴스(time instance)들 동안 생성된 상기 샘플링된 이미지 신호들을 통합 프로세싱(integrated processing)하도록 그리고 모션-비디오를 재구성하기 위해 연속적인 시간 인스턴스들에 대해 추정된 이미지 신호들을 생성하도록 구성되는,
    시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 프로세싱 단부와 상기 센서 어레이 중간에 배치된 광학 필터 어셈블리를 더 포함하고,
    상기 광학 필터 어셈블리는 적어도, 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 필터 엘리먼트들의 제2 세트를 포함하고,
    상기 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 제2 세트는 각각 제1 및 제2 파장 범위의 광에 대해 투과성이고,
    상기 광학 필터 어셈블리는, 상기 센서 어레이가 적어도 2개의 상이한 스펙트럼 구역들에 대응하는 샘플링된 이미지 신호들을 생성하도록, 상기 필터 엘리먼트들과 상기 광 감지 엘리먼트들 사이에 일-대-일 대응을 유지하도록 배열되는,
    시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 제2 세트는, 상기 이미지 프로세싱 단부에서 개별 이미징 섬유들로부터 나오는 광이 상기 필터들의 제1 세트 및 제2 세트 중 하나에 제공되도록, 개별 이미징 섬유들과 일-대-일 대응으로, 통합된 2차원 어레이로 랜덤하게 배열되는,
    시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 제2 세트는 개별 2차원 어레이들로 배열되고, 그리고
    상기 광학 필터 어셈블리는, 상기 이미지 프로세싱 단부로부터 나오는 광이 복수의 빔들로 분할되도록 빔-분할 어레인지먼트를 더 포함하고,
    각각의 개별 빔은 상기 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 제2 세트의 상기 2차원 어레이들 중 하나에 제공되는,
    시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 신호 프로세싱 디바이스는, 상기 상이한 스펙트럼 구역들에 대응하는 상기 샘플링된 이미지 신호들을 통합 프로세싱하도록 그리고 다중스펙트럼 이미지를 재구성하기 위해 추정된 이미지 신호들을 생성하도록 구성되는,
    시스템.
  11. 터빈 엔진에서 사용하기 위한 이미지 포착을 위한 방법으로서,
    대상물 평면에서의 시야로부터 수신된 광을 광학 변조 디바이스를 통해 이미지 평면 상에 투사하는 단계 ― 상기 광학 변조 디바이스는 제1 전달 함수를 특징으로 함 ―,
    이미지 도관을 통해 광을 전달하는 단계 ― 상기 이미지 도관은 이미지 포착 단부 및 이미지 프로세싱 단부를 형성하도록 배열된 이미징 섬유들의 세트를 포함하고, 상기 이미지 포착 단부는, 개별 이미징 섬유들에 대응하는 상기 이미지 평면 내의 개별 구역들 상에 투사된 광이 상기 이미지 프로세싱 단부에 전달되도록, 상기 이미지 평면과 일치하게 배열되고, 상기 이미지 도관은 제2 전달 함수를 특징으로 함 ―,
    상기 이미지 프로세싱 단부에서 개별 이미징 섬유들로부터 수신된 광에 기초하여 감지 베이시스에서, 샘플링된 이미지 신호들의 세트를 생성하는 단계, 및
    상기 샘플링된 이미지 신호들을 상기 감지 베이시스로부터 표현 베이시스로 변환하고 그리고 그로부터 상기 제1 및 제2 전달 함수들에 기초하여, 추정된 이미지 신호들의 세트를 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 표현 베이시스는 상기 감지 베이시스에 비하여 상기 샘플링된 이미지 신호들의 더 희소 표현을 제공하고, 그리고 추가로, 추정된 이미지 신호들의 수는 샘플링된 이미지 신호들의 수보다 더 많은,
    방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이미지 도관은, 상기 이미지 프로세싱 단부에 인접하게 배열된 광원으로부터 조명 광을 수신하고 그리고 상기 조명 광을 상기 대상물 평면에 전달하도록 구성된 조명 섬유들의 세트를 더 포함하는,
    방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광학 변조 디바이스는 상기 대상물 평면에서 상기 시야를 변화시키도록 전기적으로 재구성가능한,
    방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 추정된 이미지 신호들에 기초하여 2차원 이미지를 재구성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 추정된 이미지 신호들은 하나의 대상물 평면에 대응하는 상기 제1 및 제2 전달 함수들에 기초하여 생성되는,
    방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 추정된 이미지 신호들에 기초하여 3차원 이미지를 재구성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 추정된 이미지 신호들은, 상기 이미지 평면에 대해 다양한 깊이들에 위치된 대상물 평면들의 세트에 대응하는 상기 제1 및 제2 전달 함수들에 기초하여 생성되는,
    방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 추정된 이미지 신호들에 기초하여 모션-비디오를 재구성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 추정된 이미지 신호들은 연속적인 시간 인스턴스들 동안 생성된 상기 샘플링된 이미지 신호들의 통합 프로세싱에 기초하여 연속적인 시간 인스턴스들에 대해 생성되는,
    방법.
  17. 제11항에 있어서,
    적어도 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 필터 엘리먼트들의 제2 세트를 제공하는 단계 ― 상기 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 제2 세트는 각각 제1 및 제2 파장 범위의 광에 대해 투과성임 ―, 및
    상기 이미지 프로세싱 단부에서 개별 이미징 섬유들로부터 나오는 광을, 상기 광으로부터 상기 샘플링된 이미지 신호들을 생성하기 전에, 상기 샘플링된 이미지 신호들이 적어도 2개의 상이한 스펙트럼 구역들에 대응하도록 상기 제1 및 제2 필터 엘리먼트들 중 적어도 하나를 이용하여 독립적으로 필터링(filtering)하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 이미지 프로세싱 단부에서 개별 이미징 섬유들로부터 나오는 광이 상기 필터들의 제1 세트 및 제2 세트 중 하나에 제공되도록, 상기 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 제2 세트를, 개별 이미징 섬유들과 일-대-일 대응으로, 통합된 2차원 어레이로 랜덤하게 배열하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 제2 세트를 개별 2차원 어레이들로 배열하는 단계,
    상기 이미지 프로세싱 단부로부터 나오는 광을 복수의 빔들로 분할하는 단계, 및
    각각의 개별 빔을 상기 필터 엘리먼트들의 제1 세트 및 제2 세트의 상기 2차원 어레이들 중 하나에 제공하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  20. 제17항에 있어서,
    추정된 이미지 신호들에 기초하여 다중스펙트럼 이미지를 재구성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 추정된 이미지 신호들은 상기 상이한 스펙트럼 구역들에 대응하는 상기 샘플링된 이미지 신호들의 통합 프로세싱에 기초하여 생성되는,
    방법.
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