KR102564602B1 - 용접 전,후 및 용접 중에 최적의 영상을 획득하기 위해 더욱 개선된 광량 제어 방법과, 이를 구현한 소형화 및 경량화된 용접 카메라 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접 중 및 용접 전, 후에 최적 밝기의 영상을 획득하기 위해 소형화 및 경량화된 용접 카메라를 개시한다. 본 발명은 광이 입사되는 경로에 광축과 중심이 일치하는 원형 형상의 제1 개구부가 구비된 전방케이스부, 및 전방케이스의 후방에 연결되고, 내부에 단초점 렌즈가 설치된 본체케이스부를 포함하고, 단초점 렌즈의 전방 선단에는, 필터절환모듈 홀더를 매개로 필터절환모듈이 상기 단초점 렌즈에 밀착되어 장착되고, 필터절환모듈의 전방에는 전단 광학필터가 장착되는 것과 필터절환모듈에 로우패스필터와 제2 개구부가 형성된 광 차단막이 용접 상황에 맞춰 작동되는 것을 특징으로 한다.

Description

용접 전,후 및 용접 중에 최적의 영상을 획득하기 위해 더욱 개선된 광량 제어 방법과, 이를 구현한 소형화 및 경량화된 용접 카메라{Method of further advanced controlling the amount of light to obtain an optimal image before, after, and during welding, and miniaturized and lightweight weld camera implementing the same}

본 발명은 용접 카메라에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용접 전,후 및 용접 중에 최적의 영상을 획득하기 위해 더욱 개선된 광량 제어 방법과, 이를 구현한 소형화 및 경량화된 용접 카메라에 관한 것이다.

일반적으로, 아크(Arc)를 열원(熱源)으로 이용한 용접법은 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding, 일명: TIG 용접), GMAW(Gas Metal Arc Welding, 일명: MIG 용접)와 PAW(Plasma Arc Welding; 플라즈마 아크 용접) 방식이 산업현장에서 광범위하게 사용되고 있다. 근래에는 고출력 레이저를 활용한 LBW(Laser Beam Welding; 레이저 용접) 방식도 활발하게 이용되고 있다.

한편 아크 용접이나 레이저 용접은 고열과 함께 강한 빛(光)이 필연적으로 발생된다. 그리고 용접 종류에 따라 용접 흄(Weld Fume, 열에 의해 증발한 금속산화물 등)과 스패터(Spatter, 용접 중 주위로 튀어 나가는 용융금속의 미세한 입자)가 발생된다. 여기서 용접 광(빛)은 강한 자외선(Ultra Violet)과 강한 가시광선(Visible Light) 및 강한 적외선(Infrared)이 포함된다.

먼저, 본 발명에서 사용되는 빛(광)과 관련된 용어를 살펴보면, 빛의 세기(Light Intensity)는 광원에서 발하는 빛의 밝은 정도를 뜻하며, 광량(光量)은 광속(光束; 빛이 진행하는 방향에 수직인 단위 면적을 단위 시간에 지나가는 빛의 양)과 시간을 곱한 값으로 정의된다.

용접 작업 중, 영상을 통해 용접 이행상황을 효과적으로 모니터링하기 위해서는 흑백 영상과 같은 단색으로 구성된 영상보다는 육안으로 물체를 식별할 때와 같이 용접부위의 색을 컬러 영상으로 표출하는 것이 효과적이다. 이를 위해 용접 중에 용접아크에 의해 발생한 빛(이하 ‘용접 광’이라 함)이 촬상소자로 입사되는 경로에 일명 로우패스필터(Low Pass Filter)를 배치하여 용접광에 포함된 자외선과 적외선을 차단하고 가시광선만을 이용하기도 한다.

그러나 용접 광은 통상적으로 촬상소자가 적당한 밝기의 영상을 획득할 수 있는 빛의 세기보다 훨씬 강하다. 이 때문에 유입되는 광량(光量)을 적절하게 감쇠시켜야만 적당한 밝기의 영상을 얻을 수 있다. 통상적으로 유입되는 광량을 감쇠시키기 위해서는 촬상소자의 전면에 배치된 렌즈에 조리개가 구비되어 있는 경우에는 조리개(Iris)를 줄임으로써 광량 감쇠의 효과를 얻을 수 있다. 그런데 조리개를 구비한 렌즈는 소형화 및 경량화에 적합하지 않을 뿐만 아니라, 용접 전,후와 용접 중의 광량 변화에 대응하여 그때마다 매번 조리개를 적절하게 조절해야 하는 번거로움이 있다.

또한, 파이프를 이어 붙이기하여 파이프의 길이를 연장하는 작업에서 작업자가 수동용접을 하는 경우에는 작업자의 용접작업 자세와 공간적 제약 등으로 인해 파이프의 360°둘레를 균일한 품질로 용접하기 어렵다.

이를 해소하기 위해 종래에는 고정된 파이프 원주를 따라 궤도(Orbit)를 설치해 놓고 용접 토치가 그 위를 주행하면서 자동 용접되도록 한 오비탈 용접(Orbital Welding)을 실시하고 있다. 이러한 오비탈 용접을 하면 일반적으로 수동용접에 비해 대략 1.5 ~ 3배까지 작업능률을 높일 수 있을 뿐만 아니라 용접품질도 균일하게 확보할 수 있다.

용접작업을 영상으로 모니터링하기 위해서는, 용접 토치를 궤도 위에서 주행하게 하는 이송장치(캐리지) 주행방향의 전방과 후방에, 용접카메라를 장착하고 있다. 여기서 주행방향의 전방에 설치된 카메라를 선행 카메라라 하고, 후방에 설치된 카메라를 후행 카메라라고 지칭하며, 선행 카메라와 후행 카메라는 용접토치를 기준으로 서로 마주보는 방향으로 설치된다.

선행 카메라는 토치를 향하여 촬영하면서 용가재의 공급상태, 용가재의 끝이 용융하여 액체금속으로 이루어지는 용융금속이행(또는 용적이행; Transfer of Molten metal) 및 용가재와 모재가 용융지에서 용해되는 현상을 관찰할 수 있다. 또한 용접전극의 마모나 훼손 및 오염 등을 용접 작업 중에 즉시 파악할 수 있다. 후행 카메라는 토치를 향하여 촬상하면서 전방 카메라가 촬상할 수 없는 용접토치 뒷면의 용융지를 관찰하고, 용접에 의해 생긴 용접비드를 관찰한다. 이를 통해 용접 작업 중에 이상 현상이 발생하는 즉시 대응조치를 할 수 있어 용접품질을 균일하게 유지할 수 있다.

그러나, 상기와 같이 이송장치(캐리지)에는 추가로 장착할 수 있는 부가장치의 크기와 무게가 매우 제한적이기 때문에 용접 카메라의 소형화와 경량화가 필수적으로 요구된다. 이러한 이유로, 용접 카메라를 소형화 및 경량화하기 위해서는 소형의 렌즈를 채용하는 것이 중요하다. 통상적으로 소형 렌즈로는 초점거리가 단일 초점 거리인 단초점 렌즈가 적용되고 있으나, 이러한 단초점 렌즈는 유입 광량을 조절할 수 있는 조리개(Iris)를 구비하고 있지 않는다.

이에 따라 단초점 렌즈가 적용된 용접 카메라는 강한 용접광이 렌즈에서 집광되어 매우 큰 광량의 빛이 촬상소자에 그대로 유입된다. 이렇게 유입된 큰 광량의 빛은, 촬상소자에서 셔터속도(광전변환시간)를 가장 빠르게(광전변환 시간을 가장 짧게)하여도, 촬상된 영상이 포화(노출 과다)되어 적당한 밝기의 영상을 얻을 수 없다. 따라서 강한 용접광이 촬상소자에 도달하기 전에 광량을 적절하게 줄이는 수단이 구비되어야 한다.

일반적으로 광량을 줄이는 수단으로서는 소정의 매체를 투과할 때 빛 에너지가 전(全) 파장대에서 감쇠되어 빛의 세기를 소정량만큼 감쇠시키는 ND(Neutral Density)필터가 사용된다.

용접 카메라가 강한 용접 아크광에 대응하여 적당한 밝기의 영상을 촬상하는 것은 충분히 높은 수치의 ND필터를 사용하는 것만으로도 목적을 달성할 수 있다.

그러나 단초점 렌즈는, 피사계 심도(Depth of Field)가 얕기 때문에 피사체의 아주 일부분 영역에서만 초점이 맞은 영상이 촬상되어 화면에 고르게 초점이 맞은 선명한 영상(심도가 깊은 영상)을 얻을 수 없는 문제점이 있다.

그러므로, 용접 영상을 전체의 화면에서 초점이 잘 맞은 선명한 영상과 적당한 밝기의 영상으로 촬상하기 위해서는 피사계 심도를 깊게 확보하도록 적당한 광량으로 감쇠된 빛이 촬상소자에 입사되어야 한다.

즉, 용접광이 렌즈에 이르는 경로상에 있어서 렌즈의 전방에 광축을 중심으로 하는 소정의 크기(들)를 갖는 하나 이상의 원형(圓形) 개구부를 개재하여 빛이 유입되는 면적을 렌즈의 외부에서 줄임(광속(光束)을 감소 시킴)으로써 광량을 감쇠시키는 수단을 고려할 수 있다.

광학에서 F값은 기본적으로 렌즈의 초점거리를 입사동공의 직경으로 나눈 값으로 계산된다. 입사동공은 빛이 유입되는 면적을 말한다. 동일한 초점거리에 대해 면적의 지름이 커지면 F값은 작아지고, 빛이 유입되는 양은 많아진다(즉 밝아진다). 반면, 면적의 지름이 작아지면 F값은 커지고, 빛이 유입되는 양은 적어진다(즉 어두워진다).

일반적으로 동일한 초점거리인 렌즈에서 F값이 작아지면 피사계 심도는 얕아져서 피사체의 전,후로 극히 좁은 영역에서만 초점이 선명하게 맞은 영상이 촬상되며, F값이 커지면 피사계 심도가 깊어져서 화면 전체에서 피사체의 초점이 선명한 영상을 촬상할 수 있다.

카메라를 소형화하기 위해 채용된 단초점 렌즈는, 초점 길이와 F값이 렌즈의 특성에 의해 특정된 고정값이기 때문에, 본 발명은 전술한 것처럼 렌즈의 전방에 광축을 중심으로 하는 소정의 크기(들)를 갖는 하나 이상의 원형 개구부를 개재하여 빛이 유입되는 면적을 렌즈의 외부에서 줄이는 것으로써, F값을 높게하여 화면 전체에서 피사체의 초점이 선명한 영상을 촬상할 수 있다.

한편, 기존 용접 작업에서는 모재의 두께가 두꺼울수록 V형태의 홈(V Groove, 개선)을 형성하여 초층(Root pass) 용접을 한다. 이어서 초층 용접의 비드(Bead) 위에 다층(Multi pass)으로 용접을 한다.

이때 소정의 높은 수치의 ND필터를 렌즈의 전면에 배치하면, 용접이 이루어지는 동안 강한 용접 빛의 세기를 적절히 줄일 수 있기 때문에 촬상소자가 적당한 밝기의 영상을 촬상할 수 있다.

그러나 적당한 밝기의 용접영상을 촬상하기 위해 도입된 ND필터는 빛의 세기를 크게 감쇠시키므로 용접이 완료되고, 용접 아크가 꺼지면 일상 작업 조명만으로는 거의 암흑과 같은 영상이 촬상되어, 용접 토치나 모재의 형상을 확인할 수 없다. 따라서 이어지는 용접의 조건을 세팅(Setting)하기 위해 토치의 위치와 높이를 조절하고 용가재의 선단을 맞추는 것과 같은 용접 전에 사전 설정을 할 수 없는 문제점이 있다.

한편 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 출원인의 기출원인, 대한민국 특허출원 제10-2021-0060958호(용접 전,후 및 용접 중에 최적의 영상을 획득하기 위한 광량 제어 방법과, 이를 구현한 소형화 및 경량화된 디지털 용접 비전 카메라)가 제안된 바가 있다. 이 선행출원에서는 필터절환모듈을 개시하고 있다.

구체적으로 선행출원은 “용접 전 및 용접 후에는, 로우패스필터가 필터창에 노출되도록 이동되어 로우패스필터를 통과한 빛이 촬상소자에 유입되고, 용접 중에는, ND필터가 필터창에 노출되도록 이동되어 ND필터를 통과한 빛이 촬상소자에 유입되는 것”으로써 용접 전과 용접 후에 밝은 영상을 촬상하는 개선을 기대할 수 있다.

선행출원은 “단초점 렌즈에 근접 배치된 제2 개구부는, 렌즈로 유입되는 광량을 감쇠시키도록 제1 개구부 보다 작게 형성되어, 광량 감쇠와 피사계 심도를 개선”하는 방식을 제공하는 것으로, 용접 중에는 필터절환모듈의 ND필터와 상기 제2 개구부의 조합에 의해 광량 감쇠와 함께 피사계 심도도 확보할 수 있다.

그러나, 용접 전 또는 용접 완료 후에 필터절환모듈이 로우패스필터로 절환되었다 하더라도, 상기 제2 개구부는 여전히 고정상태로 있으므로 상기 제2 개구부에 의한 광량 감쇠가 발생한다. 따라서 일상 작업 조명에 의한 피사체의 실상 광량이 감쇠되어 용접 전 및 용접 후의 영상의 밝기가 충분히 확보할 수 없는 문제가 있다.

<선행문헌 1> : 대한민국 특허출원 제10-2021-0060958호(출원일: 2021년 5월 11일)

본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 피사계 심도와 적정한 광량을 모두 확보하고, 용접 시작 전 및 용접 완료 후에 보다 개선된 밝기로 영상을 촬상할 수 있는 용접 카메라를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 전단에 보호윈도우로 밀폐된 전방케이스부, 및 상기 전방케이스부의 후방에 연결되고 내부에 단초점 렌즈가 설치된 본체케이스부를 포함하고, 상기 전방케이스부의 중앙부에는 원형 형상으로 된 제1 개구부가 형성되고, 또한 상기 전방케이스부의 후방에는 LED조명 PCB가 밀착되어 장착되고, 상기 본체케이스부의 내부에는, 상기 단초점 렌즈의 전방 선단부에 필터절환모듈 홀더가 배치되고, 상기 필터절환모듈 홀더는 필터절환모듈이 상기 단초점 렌즈에 최대한 밀착하여 장착되게 하고, 상기 필터절환모듈은 원형 형상으로 된 제2 개구부가 필터창에 노출될 때 제2 개구부의 중심이 상기 단초점 렌즈와 광축이 일치하도록 배치된 용접 카메라가 제공된다.

여기에서 제2 개구부는 광 차단막의 중앙부에 개재되어 용접광을 통과시키는 유일한 통로이고, 광 차단막은 제2 개구부를 형성하기 위해 도입된 광을 차폐하는 수단으로서, 설명의 명확성을 위해 필요에 따라 병기 또는 교차하여 사용하는 경우를 제외하고 이하에서는 제2 개구부가 광 차단막을 포함하는 대표적 표현으로 사용된다.

상기 필터절환모듈은, 일정면적의 필터창이 형성된 필터 프레임, 상기 필터 프레임의 내부에 횡방향으로 이동가능하게 설치되어 구동부재에 의해 구동되어 상기 필터창에 선택적으로 노출되는 로우패스필터와 광 차단막(제2 개구부)을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 필터절환모듈 홀더는, 전방에는 전단 광학필터를 수용할 수 있는 개방공간이 형성되고, 측방에는 필터절환모듈이 삽입되는 필터절환모듈 삽입구가 형성되고, 후방에는 렌즈의 외경이 끼워져 맞춤 삽입되는 원형으로 된 렌즈헤드 삽입구가 형성되는 것으로서, 렌즈헤드 삽입구는, 깊이 방향의 중심축이 렌즈의 광축과 동축으로 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 필터절환모듈 삽입구는 상기 필터절환모듈이 광축에 직교한 면(직각인 면)으로부터 소정의 각도로 기울어지게 고정되도록 경사지어 형성될 수 있다. 이로써 필터절환모듈의 전방에서 밀착되어 장착되는 전단 광학필터 또한 필터절환모듈과 동일한 각도를 갖는다.

상기 필터절환모듈은, 용접 전 및 용접 후에, 상기 로우패스필터가 상기 필터창에 노출되도록 이동되어 상기 로우패스필터를 통과한 빛이 촬상소자에 유입되고, 용접 중에는, 상기 제2 개구부가 상기 필터창에 노출되도록 이동되어 상기 제2 개구부를 통과한 빛이 촬상소자에 유입되도록 작동되는 것이 바람직하다. 여기에서 제2 개구부의 크기는 입사되는 광량을 충분히 감쇠시킬 수 있는 작은 크기가 바람직하다.

또한 본 발명은 용접작업 상황에 대응하여 카메라의 영상처리부(미 도시)에서 용접아크의 존재를 판정하는 아크감지 기준값과, 아크가 소멸되었음을 판정하는 아크소멸 기준값을 설정하고, 상기 촬상소자에 유입되는 광량을 모니터하여 상기 기준값들과 비교하여 상기 필터절환모듈이 자동으로 로우패스필터 또는 제2 개구부를 선택적으로 상기 필터창에 노출하는 용접 카메라의 제어방법이 제공된다.

또한 본 발명은 용접 카메라에서 최적의 영상을 획득하기 위한 광량 제어 방법으로서, 용접광이 통과하는 경로 상에 상기 제1 개구부를 통과하면서 상기 용접광의 광량을 감쇠시키는 것과, 상기 제2 개구부에 의해 광속(光束)이 더욱 감쇠되어 상기 용접광의 입사량을 감쇠시키는 것의 상기의 두가지 광량 감쇠 수단을 조합함으로써 촬상소자에 유입되는 적정 광량을 확보할 수 있는 용접 전, 후 및 용접 중에 최적의 영상을 획득하기 위한 광량 제어 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 용접 중에 촬영되는 영상은 피사계 심도와 적정한 광량을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 용접 전 및 용접 후에 촬영된 영상은 더욱 개선된 밝기의 영상을 획득할 수 있고 카메라의 소형화 및 경량화를 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용접 카메라의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용접 카메라의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 용접 카메라의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 용접 카메라의 필터절환모듈 조립체의 전방 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 용접 카메라의 필터절환모듈 조립체의 후방 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 용접 카메라의 필터절환모듈 조립체의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 용접 카메라의 필터절환모듈 조립체의 측단면 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 용접 카메라의 필터절환모듈의 용접 전과 용접 후 촬상시의 작동상태도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 용접 카메라의 필터절환모듈의 용접 중 촬상시의 작동상태도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 갖는다. 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 첨부된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.

<구성 및 연결 관계에 대한 설명>

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 용접 카메라는 전방케이스부(10), 본체케이스부(20), 및 후방케이스부(30)를 포함한다.

구체적으로 도 2 및 3을 참조하면, 전방케이스부(10)의 전방으로는 보호윈도우(11)가 윈도우커버링(12)을 통해 장착된다. 여기서 전방케이스부(10)의 중앙에는 단초점 렌즈(60)의 광축이 중심이 되는 제1 개구부(10h)가 형성된다.

또한 전방케이스부(10)의 내측 후방으로는 LED조명 PCB(13)가 전방케이스부(10)에 밀착되어 장착된다. 물론 용접광이 입사되는 경로에 형성된 LED조명 PCB(13)의 개구홀은 제1 개구부(10h)보다 크게 형성되어 입사광을 방해하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

한편 본체케이스부(20)의 내부에는, 단초점 렌즈(60)의 전방 선단부에 필터절환모듈 홀더(51)가 배치되고, 필터절환모듈 홀더(51)에는 필터절환모듈(50)이 횡방향으로 삽입된 상태로 설치된다. 여기서 필터절환모듈(50)은 제1 개구부(10h)와 필터절환모듈(50) 내에 형성된 제2 개구부(55h)의 중심점이 단초점 렌즈(60)의 광축과 일치하도록 배치된다.

여기서 필터절환모듈(50)은 단초첨 렌즈(60)의 전방에서 단초첨 렌즈(60)에 최대한 밀착되도록 근접하여 배치되는 것이 바람직하다. 이는 제2 개구부(55h)가 단초점 렌즈(60)에서 원거리로 배치될수록 영상의 주변부에 광량저하(비네팅) 또는 빛 가림(Shade) 현상이 발생될 소지가 높기 때문이다.

한편 단초점렌즈(60)는 렌즈홀더(61)에 결합된 상태로 본체케이스부(20)의 내부에 장착된다. 또한 단초점렌즈(60)의 후방으로는 후단 광학필터(71), 촬상소자(70) 및 회로기판(PCB)이 순차적으로 배치된다.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 필터절환모듈 홀더(51)는, 전방에는 전단 광학필터(52)를 수용할 수 있는 개방공간이 형성되고, 측방에는 필터절환모듈(50)이 삽입되는 필터절환모듈 삽입구(51s)가 형성되고, 후방에는 렌즈의 외경이 끼워져 삽입맞춤되는 원형의 렌즈헤드 삽입구(54)가 형성된다. 여기서 이 렌즈헤드 삽입구(54)는 깊이 방향의 중심축이 렌즈의 광축과 동축으로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 필터절환모듈 삽입구(51s)는 필터절환모듈(50)이 광축에 직교한 면(수직면; S1)으로부터 소정의 각도(θ)로 경사진 면(S2)에 경사지어 형성될 수 있다. 이로써 필터절환모듈(50)의 전방에서 밀착되어 장착되는 전단 광학필터(52) 또한 필터절환모듈(50)에 동일한 각도로 경사진 상태를 이루도록 장착된다.

이렇게 함으로써 광축 중심의 주변으로 입사된 용접광이 단초점 렌즈(60)의 표면에서 반사되고, 그 반사광은 다시 보호윈도우(11)의 내측면에서 반사되어 고스트(Ghost)상이 형성되는 것을 방지할 수 있다.

또한 필터절환모듈(50)은 필터절환모듈 홀더(51)의 필터절환모듈 삽입구(51s)에 끼워져 삽입되고, 필터절환모듈 홀더(51)의 선단부 측면에 마련된 2개의 모듈 조임볼트(BT-m)에 의해 고정된다. 또한, 전단 광학필터(52)는 필터절환모듈 홀더(51)의 전방에 마련된 개방공간에서 필터절환모듈에 밀착되게 수용되고, 전단 광학필터 덮개(53)에 의해 고정된다. 여기서 이러한 과정에 의해 조립된 결과물을 본 명세서에서는 ‘필터절환모듈 조립체’라 한다.

이러한 필터절환모듈 조립체는 필터절환모듈 홀더(51)의 렌즈헤드 삽입구(54)에 단초점 렌즈(60)의 헤드를 밀어 넣고 2개의 홀더 조임볼트(BT-h)에 의해 고정이 이루어진다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 필터절환모듈(50)은 외부에 필터창(50h)이 형성되고, 내부에는 길이방향으로 이동가능하게 필터 프레임(56a)이 장착된다. 여기서 필터 프레임(56a)은 구동부재(58)(여기서, 구동 선로는 미도시함)에 연결된 구동레버(57)에 의해 필터절환모듈(50)의 몸체(50a)의 내부에서 길이방향으로 이동가능하게 된다. 또한 필터 프레임(56a)에는 로우패스필터(56)와 광 차단막(55; 제2 개구부; 55h가 형성됨)이 나란하게 배치된다. 이에 따라 구동부재(58)의 구동력에 의해 필터 프레임(56a)이 길이방향으로 이동하면, 필터창(50h)에 선택적으로 로우패스필터(56)나 제2 개구부(55h)가 위치된다. 이는 용접 중이나 용접 전,후에 따라 필터의 배치를 달리하기 위한 구성으로서, 이에 대해서는 후술되는 작용 및 효과 설명에서 보다 구체적으로 설명한다.

<작용 및 효과에 대한 설명>

앞서 설명한 각 구성요소의 기능에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다. 보호윈도우(11)는, 전방케이스부(10)의 선단 돌출부 외주경에 개재된 나사산에 윈도우커버링(12)에 의해 나사결합으로 체결된다.

전방케이스부(10)는, 카메라 내부의 구성품을 보호하는 외부 케이스로서 기능을 한다. 여기서 제1 개구부(10h)는 강한 용접광이 유입되는 면적을 줄여줌(즉, 광속을 감소시킴)으로써 1차적으로 광량을 감쇠시킨다. 덧붙여, 오염 물질이 보호윈도우(11)에 부착될 경우 제1 개구부(10h)의 구경보다 큰 가장자리 영역에 부착된 오염물질로부터 산란된 빛이 유입되는 것을 차단할 수 있다.

필터절환모듈(50)은, 내부에 로우패스필터(56)와 제2 개구부(55h)로 구성된 광량조절 부재가 구비되어, 용접 아크가 발생되지 않을 때(용접 전 및 완료 후)는 로우패스필터(56)를 필터창(50h)에 일치하도록 이동시킨다. 반면 용접아크가 존재할 때(용접 중)는 제2 개구부(55h)를 필터창(50h)과 일치하도록 이동시키는 기능을 한다.

한편 필터절환모듈 홀더(51)는, 전단 광학필터(52)를 장착하는 기능, 필터절환모듈(50)을 단초점 렌즈(60)에 밀착되게 장착하는 기능, 및 필터절환모듈(50)이 단초점 렌즈(60)의 광축에 직교한 면과 소정의 각도(θ)로 기울어지게 장착하기 위한 홀더부재로서 기능을 제공한다.

제2 개구부(55h)는 강한 용접광이 유입되는 면적을 렌즈의 외부에서 더욱 줄여줌으로써 촬상소자(70)에 유입되는 광량을 적당하게 조절하고, 피사계 심도를 깊게 하는 기능을 한다. 여기서 단초점 렌즈(60)는, 광량조절 조리개가 구비되어 있지 않은 단일초점을 갖는 소형렌즈이다.

렌즈홀더(61)는, 촬상소자(70)의 이미지 중심에 렌즈(단초점 렌즈; 60)의 광축을 일치시켜 장착하기 위한 구성요소로서, 그의 내주면은 렌즈 몸통과 나사결합되고 렌즈홀더(61)의 몸체는 본체케이스부(20)의 내측 벽에 장착된다.

전단 광학필터(52)와 후단 광학필터(71)는, 용접 중 발생하는 강한 자외선과 적외선을 차단하고 가시광선만을 촬상소자에 통과시키는 로우패스필터나 광량을 더욱 감쇠시키는 ND필터 등을 필요에 따라 조합하거나 자유롭게 선택적으로 구성할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명은 단초점 렌즈(60)의 전방 렌즈면에 최대한 근접하여 렌즈의 광축과 동축으로 형성된 제1 및 2 개구부(10h, 55h)를 형성함으로써, 광속을 줄여 광량을 감쇠시킬 뿐 아니라 피사계 심도를 깊게 개선할 수 있다.

또한 로우패스필터(56)와 제2 개구부(55h)를 전기적 구동에 의해 절환하는 필터절환모듈(50)를 구비하여, 용접 아크 광의 유무에 대응하여 로우패스필터(56) 또는 제2 개구부(55h)를 각각 개재함으로써 용접 전, 후 및 용접 중에 최적 밝기의 영상을 촬상할 수 있다.

이와 같이 최적 밝기의 영상을 촬상하기 위한 용접 광에 대한 광량의 감쇠는 제1 개구부(10h)와 제2 개구부(55h)의 크기의 조합에 의해 최적의 감쇠량을 설정할 수 있다. 즉, 예를 들어 제2 개구부(55h)의 면적을 크게하면 피사계 심도가 얕아지며 초점이 맞은 범위가 좁아질 뿐만 아니라 촬상소자(70)에 유입되는 광량이 증가한다. 따라서, 제2 개구부(55h)의 크기를 적절하게 줄임으로써 유입되는 광량을 최적의 광량이 되도록 설정할 수 있다. 한편, 제2 개구부(55h)를 너무 작게하면 피사계 심도는 깊게되지만 빛이 회절되어 촬상 영상의 품질이 저하될 수 있기 때문에 제1 개구부(10h)와 제2 개구부(55h)의 조합에 의한 광량 감쇠 배분에 의해 최적의 입사광량을 얻기 위한 개구부의 크기를 설정하는 것이 중요하다.

한편 필터절환모듈(50)은 로우패스필터(56)와 제2 개구부(55h)의 2가지의 광량 조절 부재를 구비하고 있다.

이를 통해, 용접 전 및 후에는 로우패스필터(56)를 통과한 빛이 촬상소자(70)에 유입되고, 용접 중에는 제2 개구부(55h)를 통과한 빛이 촬상소자(70)에 유입되도록 한다. 즉 용접작업 상황에 따라 수동조작 또는 자동으로 필터를 절환하는 것으로 필터선택을 결정할 수 있다.

이에 더하여 용접작업 상황에 대응하여 영상처리부에서 용접아크의 존재를 판정하는 '아크감지 기준값'과 아크가 소멸되었음을 판정하는 '아크소멸 기준값'을 설정하고, 촬상소자에 유입되는 광량을 모니터하여 상기 기준값들과 비교함으로써 카메라가 자체적으로 필터를 절환하여 용접 아크의 유무에 따른 필터선택을 결정할 수 있다.

즉, 카메라의 영상처리부에서 촬상소자에 유입되는 광량에 대해 광전변환된 디지털 영상 데이터 수치를 실시간으로 모니터하여, 영상데이터 수치가 아크감지 기준값을 초과하는 것이 감지되면 용접아크가 발생한 것으로 판정한다. 그리고 필터절환모듈(50)에서 제2 개구부(55h)가 필터창(50h)에 일치하도록 배치한다.

한편 영상데이터 수치가 아크소멸 기준값 미만으로 감지되면, 용접아크가 소멸한 것으로 판정하여 필터절환모듈(50)에서 로우패스필터(56)가 필터창(50h)에 일치하도록 배치할 수 있다.

한편, 카메라의 최선단으로부터 촬상소자(70)까지 광 입사 경로상의 구성품의 배치를 살펴보면, 본 발명은 보호윈도우(11), 제1 개구부(10h), 전단 광학필터(52), 필터절환모듈(50)(즉 로우패스필터(56) 또는 제2 개구부(55h)), 단초점 렌즈(60), 후단 광학필터(71), 및 촬상소자(70)의 순서로 배치된다.

이러한 구성을 통해, 강한 용접광이 촬상소자(70)까지 전달되는 경로에서 광량 감쇠가 일어나는 과정을 살펴보면, 용접시에 용접아크에서 발생된 강한 빛은 보호윈도우(11)를 통과하여 1차적으로 제1 개구부(10h)에서 광량 감쇠가 일어난다.

다음으로 필터절환모듈(50) 내에 형성된 제2 개구부(55h)가 필터창(50h)과 일치되도록 이동 배치되어 2차적으로 제2 개구부(55h)가 빛의 세기를 감쇠시킨다. 이어서 필요에 따라 3차적으로 후단 광학필터(71)에 ND필터를 사용하여 최종적으로 광량 감쇠가 일어난다. 이때 제2 개구부(55h)는 피사계 심도를 깊게 개선하는 역할도 한다.

한편, 강한 용접광은 여러 구성품을 통과하는 과정에서 각 구성품의 표면에서 반사될 수 있다. 그로 인해 고스트(Ghost, 다중의 반사광에 의한 허상)가 발생될 수 있다.

참고로, 아래의 설명에서 각 구성품의 표면에 대해 '외측'은 용접 광원을 향하는 면을 칭하며, '내측'은 촬상소자(70)를 향하는 면을 지칭한다.

한편 다시 반사광에 의한 허상에 대해 부가적으로 설명하면 다음과 같다. 예를 들어 전단 광학필터(52)가 개재되지 않았을 경우, 렌즈의 광축에 대해 약간의 입사각(入射角)으로 유입되는 강한 용접광은 보호윈도우(11)를 통과한 후, 필터절환모듈(50) 내의 제2 개구부(55h)를 통과하여 렌즈(단초첨 렌즈; 60)의 외측에서 반사되고, 이 반사광은 제2 개구부(55h)를 역진행 방향으로 통과하여 보호윈도우(11)의 내측에서 또다시 반사되어 제2 개구부(55h)를 지나 렌즈에서 집광되어 촬상소자에 허상이 맺힌다.

이러한 예시는 구성품들 사이에서 반사가 일어날 수 있는 가능성을 예시한 것이며, 하나 이상의 반사가 일어날 경우 반사된 빛은 본래 유입광에서 벗어난 위치로 유입되어 촬상된 영상에서 고스트(허상) 이미지로 나타난다. 이로 인해 영상에 이중상이 생기거나 고스트가 중요 촬상 부위의 영상에 겹치게 되어 영상 품질을 떨어뜨리는 요인이 된다.

이를 해소하기 위해 본 발명에서는, 도 7에 개시된 바와 같이 전단 광학필터(52)가 광축에 직교한 면(직각인 면)(S1)으로부터 소정의 각도(θ)로 기울어지게(S2) 장착된 필터절환모듈(50)에 밀착되어 장착된다. 즉 전단 보호윈도우(11)와 평행하지 않도록 소정의 각도로 경사지게 설치된다. 따라서 반사된 빛이 광축 중심축에서 멀어지게 되어 고스트가 촬상하고자 하는 목표 피사체로부터 멀리 벗어나는 구성을 제공한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.

10: 전방케이스부
10h: 제1 개구부
11: 보호윈도우
12: 윈도우커버링
13: LED조명 PCB
20: 본체케이스부
30: 후방케이스부
50: 필터절환모듈
50h: 필터창
51: 필터절환모듈 홀더
51s: 필터절환모듈 삽입구
52: 전단 광학필터
53: 전단 광학필터 덮개
53h: 개구창
54: 렌즈헤드 삽입구
55: 광 차단막
55h: 제2 개구부
56: 로우패스필터
56a: 필터 프레임
57: 구동레버
58: 구동부재
60: 단초점 렌즈
61: 렌즈홀더
70: 촬상소자
71: 후단 광학필터
BT-m: 모듈 조임볼트
BT-h: 홀더 조임볼트

Claims (6)

1. 전방케이스부(10) 및 본체케이스부(20)를 포함하되, 상기 전방케이스부(10) 또는 상기 본체케이스부(20)의 내부에 제1 개구부(10h), 필터절환모듈(50), 제2 개구부(55h), 단초점 렌즈(60) 및 촬상소자(70)가 구비된 용접 카메라로서,
   상기 전방케이스부(10)의 전면(前面)에는 상기 단초점 렌즈(60)의 광축에 중심이 일치된 상기 제1 개구부(10h)가 형성되고,
   상기 제1 개구부(10h)의 후방에는 입사된 빛에 대해 용접 전,후 또는 용접 중의 상황에 따라 선택적으로 사용되는 로우패스 필터(56)와 광 차단막(55)이 구비된 상기 필터절환모듈(50)이 배치되며,
   상기 광 차단막(55)의 중앙부에는 선택적 사용시 상기 제1 개구부(10h)와 동축선상에 위치하는 상기 제2 개구부(55h)가 형성되고,
   선택적으로 사용되는 상기 로우패스 필터(56) 및 상기 제2 개구부(55h)의 후방에는 상기 단초점 렌즈(60)가 장착되며,
   상기 단초점 렌즈(60)의 후방에는 상기 촬상소자(70)가 장착되는 것을 특징으로 하는 용접 카메라.
2. 제1항에 있어서,
   상기 필터절환모듈(50)이 장착되는 필터절환모듈 홀더(51)를 더 포함하고,
   상기 필터절환모듈 홀더(51)의 전방에는 개방공간이 마련되고,
   상기 필터절환모듈 홀더(51)의 측방에는 상기 필터절환모듈(50)이 삽입되는 필터절환모듈 삽입구(51s)가 형성되며,
   상기 필터절환모듈 홀더(51)의 후방에는 렌즈의 외경이 끼워져 맞춤 삽입되는 원형의 렌즈헤드 삽입구(54)가 마련되는 것을 특징으로 하는 용접 카메라.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 필터절환모듈(50)의 전방에는 전단 광학필터(52)가 장착되고,
   상기 전단 광학필터(52)는 상기 광축에 직교한 면을 기준으로 일정 각도로 기울어진 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 용접 카메라.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 필터절환모듈(50)은,
   상기 로우패스 필터(56) 및 상기 광 차단막(55)이 필터 프레임(56a)에 나란하게 배치 장착되어 필터창(50h)에 선택적으로 노출되되,
   용접 전 및 용접 후에는, 상기 로우패스필터(56)가 상기 필터창(50h)에 노출되도록 이동되어 상기 로우패스필터(56)를 통과한 빛이 상기 단초점 렌즈(60)를 거쳐 상기 촬상소자(70)에 유입되고,
   용접 중에는, 상기 광 차단막(55)이 상기 필터창(50h)에 노출되도록 이동되어 상기 광 차단막(55)의 중앙부에 형성된 원형상의 상기 제2 개구부(55h)를 통과한 빛이 상기 단초점 렌즈(60)를 거쳐 상기 촬상소자(70)에 유입되도록 작동되는 것을 특징으로 하는 용접 카메라.
5. 청구항 4에 기재된 용접 카메라의 제어방법으로서,
   용접작업 상황에 대응하여 용접아크의 존재를 판정하는 아크감지 기준값과, 아크가 소멸되었음을 판정하는 아크소멸 기준값을 설정하고,
   상기 촬상소자(70)에 유입되는 광량을 모니터하여, 상기 촬상소자(70)에 유입되는 광량이 아크감지 기준값보다 크면 상기 광 차단막(55)이, 아크소멸 기준값보다 작으면 상기 로우패스필터(56)가 자동으로 선택되어 상기 필터창(50h)에 노출되는 것을 특징으로 하는 용접 카메라의 제어방법.
6. 청구항 3에 기재된 용접 카메라에서 최적의 영상을 획득하기 위한 광량 감쇠 방법으로서,
   상기 단초점 렌즈(60)와 상기 촬상소자(70)의 사이에는 후단 광학필터(71)가 배치되고,
   상기 제1 개구부(10h)와 상기 제2 개구부(55h)에 의해 입사된 용접광을 감쇠시키는 것과 함께, 상기 전단 광학필터(52)와 상기 후단 광학필터(71)의 조합에 의해 광 감쇠량을 보완시키는 것을 특징으로 하는 용접 카메라의 광량 감쇠 방법.