KR20010079256A - 조명등 및 신호등의 3차원 배광분포 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 공간에서 조명등 및 신호등의 빛의 광도분포를 측정할 수 있는 램프의 배광분포 측정장비에 관한것으로, 더욱 상세하게는 램프를 3차원 공간의 세 축 (X, Y, Z)을 회전시킬 수 있는 장치에 설치한 후 빛의 세기를 측정할 수 있는 광도계와 회전체 제어장치를 이용하여 3차원 공간에서 램프를 회전시키면서 정밀하게 빛의 분포를 측정할 수 있는 배광측정기에 관한것이다.

이를 위하여 본 발명은, 램프를 3차원 공간에서 회전시키기 위한 수단으로 세 개의 회전모터를 사용한 회전체 제어장치를 이용하여 램프를 X축, Y축과 Z축에 따라 정밀하게 회전시키고, 별도의 모터 구동장치를 이용하여 램프의 회전중심을 조절할 수 있도록 하여 램프가 회전체 중심에 위치할 수 있도록 하였다. 또한, 다양한 램프의 모양과 구조에 따라 가변적으로 램프를 축에 따라 이동시키거나, 교환설치가 가능한 램프거치대, 원거리에 위치하여 회전체에 설치된 램프로부터 나오는 빛을 정밀하게 측정할 수 있는 광도계, 사용자의 램프 배광측정 환경에 따라 배광측정장치를 구동시키고, 측정된 배광 데이타를 분석하고 출력하는 기능을 가진 컴퓨터와 응용 프로그램 등으로 구성된 배광분포 측정장비를 고안하였다. 배광분포 측정장비의 각 구성부분들은 독립적으로 작동이 가능할 뿐 만 아니라 네트웍에 연결하여 컴퓨터로부터 네트웍을 통한 명령을 받아 작동할 수 있도록 하여 다양한 용도에 다양한 형식의 응용이 가능토록 하였다.

Description

조명등 및 신호등의 3차원 배광분포 측정장치{3-Dimensional Light Distribution Measurement System for Illumination and Signal Lamps}

본 발명은 3차원 공간에서 조명등 및 신호등의 빛의 세기분포를 측정할 수 있는 램프의 배광분포 측정장비에 관한것으로, 더욱 상세하게는 램프를 3차원 공간의 세 축 (X, Y, Z)을 회전시킬 수 있는 장치(goniometer)에 설치한 후 빛의 세기를 측정할 수 있는 광도계와 회전체 제어장치를 이용하여 3차원 공간에서 램프를 움직이면서 정밀하게 빛의 분포를 측정할 수 있는 배광측정기에 관한것이다.

빛은 공간에 존재하는 다양한 전자파의 일부분으로 파장에 따라 X 선, 자외선, 가시광선, 적외선 등으로 구분된다. 그 중에서 우리의 눈으로 구분할 수 있는 파장영역의 빛을 가시광선(380-780 nm)이라 부르며, 1931년 국제조명위원회(Commission Inter-nationale del'Eclairage, CIE)에 의하여 인간의 눈이 2°시야 각에서 나타내는 평균감응도에 바탕을 둔 표준 관측 값이 제정되었다

광도측정법(photometry)은 인간의 눈에 의하여 인지된 광학 복사에너지 (optical radiation)를 계측하는 것을 말하며, 빛이 간여하는 수많은 분야에서 매우 중요한 역할을 하고있다.

인간의 눈에 잘 보이도록 하는 조명등, 신호등 등은 본래의 목적에 따라 빛의 밝기, 공간적 분포, 빛의 방향 등에 대한 자세한 정보를 가지고 있을 때 원하는 목적을 효율적으로 달성할 수 있다. 자동차에 쓰이는 전조등, 후미등, 방향지시등은 각기 사용하는 목적이 다르며, 예로 전조등은 야간주행을 위한 조명등으로 전방 100M 이상에 있는 목표물을 확인할 수 있는 밝기를 필요로 한다. 또한 공항의 활주로에 쓰이는 유도등, 신호등의 항공등화는 ICAO (International Civil Aviation Organization)에서 정하는 엄격한 규정(Aerodromes, Annex14)에 따라 제작, 설치 및 운용되고 있다. 만약 어떠한 용도로 쓰이도록 만들어진 램프가 정해진 규정에 따라 작동하지 않을 때 그에 따라 발생할 수 있는 인간의 눈의 장애 혹은 오차는 경우에 따라 엄청난 혼란과 재난을 불러올 수도 있다. 따라서, 이러한 다양한 용도로 쓰이는 각종 램프의 개발과 생산 및 사용시에 램프의 공간적 배광분포의 측정은 그 중요함이 아무리 강조해도 지나침이 없다하겠다.

일반적으로 램프의 3차원 공간에서의 광도측정은 도 1에 도시한 바와 같은 회전체를 이용하고 있다. 램프 4의 밝기는 램프로부터 일정거리에 놓인 광센서 5에 의하여 측정되며, 램프는 회전체의 중앙에 설치되어 3차원 공간에서 X, Y, Z 축에 따라 이동할 수 있도록 하고 있다. 이러한 램프의 3차원 공간에서의 배광측정은 사용목적에 따라 밝기의 분포, 방사각에 따른 광도변화등을 측정하며, 이때 램프로부터 나오는 빛이 분포되는 면에 따라 도 2에 도시한 바와 같이 세 가지 면이 존재하며, 이러한 면에 따른 빛의 분포측정은 CIE 규정(CIE 121)에 따라 3 가지형으로 분류된다. 도 2에 도시한 바와 같이 A 면에 대한 광도분포를 측정하기 위해서는 X 축과 Z 축을 고정시킨 상태에서 램프를 Y축에 따라 회전시키면서 Z 축의 일직선상 일정거리에 놓인 광센서로 측정한다. 또한, B 면에 대한 광도분포를 측정하기 위해서는 Y 축과 Z 축을 고정시킨 상태에서 램프를 X축에 따라 회전시키면서 램프의 밝기를 측정한다. 마찬가지로, 램프의 C 면에 따라 분포되는 밝기를 측정하기 위해서는 X 축과 Y 축을 고정시킨 상태에서 Z 축을 회전시키면서 램프의 광도를 측정한다.

종래의 방법에 의한 램프의 3차원 공간에서의 배광분포 측정은 상기한 CIE 규정에 따라 이루어지며, 램프의 종류와 측정 목적에 따라 하나 혹은 두축을 회전시키면서 광도계로 빛의 분포를 측정한다. 그러나, 도 2에 상술한 바와 같이 램프의 회전장치를 구성시 램프의 3차원 공간에서의 배광분포는 한 면 (A, B or C plane) 또는 두 면 (A,B or A,C, or B,C)에 따라 분포되는 램프의 배광곡선만을 얻을 수 있어 실제 세 면 (A, B, C)에 걸친 빛의 분포는 볼 수가 없었다. 특히, 자동차 하향 전도등이나 공항의 유도등과 같이 빛의 방향성이 중요한 경우에는 정밀하게 빛의 3차원 공간에서의 진행각도를 측정하여 조정할 수 있어야 한다. 그러나, 현재까지는 도 2에 상술한 바와 같이 필요에 따라 측정방식을 바꾸거나, 또는 다른 형태의 배광분포 측정장치를 사용하여 사용자가 원하는 측정면에 대한 배광곡선을 별도로 측정하여야만 한다.

본 발명에서는 상술한 바와 같은 문제점을 고려하여 다음과 같은 기술적 과제를 해결하고, 국제 조명위원회(CIE)에서 규정한 3차원 공간에서 램프의 배광분포를 측정할 수 있는 장치를 제공하는 것이 본 발명의 궁극적 목적이다.

1. CIE 에서 규정한 세 면에 대한 램프의 광도분포를 측정하기 위하여 X, Y, Z 축을 별도의 회전장치를 통하여 램프를 회전시켜 실질적인 램프의 3차원 배광곡선을 측정할 수 있는 배광분포 측정장치를 제공한다.

2. 다양한 측정조건과 램프의 모양과 크기를 고려하여 사용자가 손쉽게 램프가 고정되는 X, Y, Z 축의 길이를 조절할 수 있도록 하여 다양한 램프의 3차원 배광곡선을 측정할 수 있는 배광분포 측정장치를 제공한다.

도 1 : 램프의 3차원 배광분포 측정원리

도 2 : 램프의 3차원 측정평면

도 3 : 램프의 3차원 배광분포 측정장치의 구성도

도 4 : 램프의 3차원 회전체 (goniometer)

도 5 : 램프의 3축 회전장치

도 6 : 전형적인 램프의 3차원 배광분포 측정곡선

〈대표도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

6-9 : 광센서

10 : 다중신호 선택기 (multiplexer)

11 : 광도계 (radiometer/photometer)

12 : 주사신호 제어부 (scanning controller)

13 : 모터 드라이버

14-16 : 모터

17 : 컴퓨터

본 발명에 의한 램프의 3차원 배광분포 측정장치의 전체 구성도를 도 3에 도시하였다. 본 발명에 의한 램프의 3차원 배광분포 측정장치는 광센서 6-9, 다중신호 선택기 10, 광도측정기 11, 회전모터 주사신호 제어부 12, 모터 드라이버 13, 3개의 회전축 (X,Y,Z)에 연결되는 회전모터 14-16, 그리고 외부에 RS-485 네트웍으로 연결되는 컴퓨터 17로서 구성된다. 본 발명에 의한 램프의 광도측정기 11은 4개의 램프를 동시에 측정할 수 있기 때문에 다중신호 선택기 10을 통해 광센서 6, 7, 8, 9의 4개를 동시에 연결하여 사용할 수 있으며, 4개 이상의 램프를 측정해야 할 경우에는 도 3에 도시되지 않은 별도의 다중신호 선택 및 광도계 (multiplexer/radiometer)를 도 3의 다중신호 선택기 10에 연결하여 입력신호 채널을 확장할 수 있도록 하였다. 4개의 광센서를 통하여 입력된 신호는 다중신호 선택 기 10에 의하여 일정 시점에서 어느 하나의 신호만이 선택되어 광도계 11에 입력된다. 광도계 11은 10단계의 10배 증폭기가 (최대 10¹⁰배) 내장되어 있으며, 사용자의 작동모드 프로그램 설정에 따라 혹은 자동 신호증폭 모드에 따라 신호를 증폭하고 잡음을 제거한 후 16-bit 고분해능 analos-to-digital converter (ADC)에 의하여 디지탈화 된다. 측정대상 램프에 대한 디지탈 신호는 광도계의 LCD 스크린에 나타나며, 배광분포 측정장치를 외부의 컴퓨터와 연결하여 사용시는 RS-485 네트웍을 통하여 외부 컴퓨터로 전송된다.

램프를 3차원 공간에서 회전시키면서 광도변화를 측정하고자 할 경우에는 램프 회전용 goniometer 를 작동시켜야 한다. 램프 회전용 goniometer 는 램프를 3차원 공간에서 X, Y, Z 축에 따라 회전할 수 있도록 하는 회전장비이다. 따라서, 회전장비의 각 축을 회전시키기 위해서는 정밀모터를 사용하여야 하며, 이러한 모터는 도 3에 도시한 바와 같이 주사신호 제어부 12와 모터를 전기적으로 구동시키는 역할을 하는 드라이버 13 에 의하여 작동된다. 3차원 공간에서 램프의 배광분포를 측정하기 위해서는 최소 0.1°분해능을 갖도록 모터의 구동장치를 설계하여야 한다. 또한, 회전체 구동시 필요한 토크를 얻기 위하여 각 모터와 회전축을 연결시 미끌림이 없는 (backlashless) 감속기를 사용하였다. 모터 14, 15, 16은 측정 등기구의 크기와 무게에 따라 스텝모터 혹은 서보모터를 사용할 수 있으며 각각 회전축 X축, Y축, Z축에 연결되어 사용된다. 모터의 구동에 의한 회전축이 회전시 회전각도와 원점을 감지할 수 있도록 각 모터의 회전축에 엔코더와 포토 커플러에 의한 원점검출기를 부착하였다.

램프의 배광분포를 측정하기 위하여 다중신호 선택기 10, 광도계 11, 그리고 주사신호 제어부 12는 RS-485 네트웍을 통하여 외부 컴퓨터와 연결되며, 외부 컴퓨터의 프로그램에 따라 램프의 광도를 측정하고, 각 축에 따라 램프를 회전시키며, 데이타를 송수신하고, 측정된 데이타를 분석하여 출력하는 작업이 진행된다. 본 발명에 의한 램프의 배광분포 측정장치는 각 구성부분을 RS-485 네트웍으로 연결하여 사용하기 때문에 측정장비의 확장성과 응용성을 높였다. 예로 4 개 이상의 램프를 측정해야 할 경우엔 별도의 다중신호 선택 및 광도계 (multiplexer/radiometer)를필요한 만큼 설치한 후 네트웍에 연결시키면 되며, 여러 곳에 산재하는 램프를 동시에 측정코자 할 경우엔 각각의 램프에 별도의 다중신호 선택 및 광도계 (multiplexer /radiometer)를 필요한 만큼 설치한 후 RS-485 네트웍에 연결시키면 된다.

램프를 3차원 공간에서 X, Y, Z 축에 따라 회전시키기 위한 회전체 구동장치 goniometer 를 도 4에 도시하였다. 본 발명에서는 램프의 크기와 무게 등을 고려하여 두 가지형을 고안하였으며, 첫 번째 A 형은 공항에 쓰이는 큰 등기구, 자동차 전조등처럼 크기가 크고 무거운 등기구용이며, 두 번째 B 형은 L 자형으로 각종 소형 전구, 형광등처럼 가볍고 작은 크기를 가지는 등기구용으로 사용할 수 있도록 하였다. 중량급 등기구용 첫 번째 A 형 goniometer는 도 4에 도시된 바와 같으며, 램프 18은 도 5에 표시된 바와 같은 회전장치에 부착된 모터 20에 의하여 Y축에 따라 회전되고, 회전모터 19에 의하여 램프를 Z축에 따라 회전시키며, X축은 도 4에 도시한 바와 같이 회전축 23과 회전모터 24에 의하여 360°회전 시킬 수 있도록 하였다. 램프의 크기가 커서 넓은 회전공간이 필요할 경우에는 회전축 21의 회전모터 22에 연결된 볼스크류를 이용하여 높이를 조절할 수 있도록 하였다. 또한, 회전체 및 램프의 무게가 무거워 X축에 따라 회전시 회전모터 24에 걸리는 토크를 상쇄시키기 위하여 도 4의 21과 같은 이동식 추를 (counter balance) 달아 X축을 중심으로 양쪽의 균형을 맞추었다. 램프의 크기와 무게가 작을 경우엔 도 4에 도시된 바와 같은 B 형 goniometer 를 사용할 수 있다. 램프 27은 회전축 28에 연결된 모터에 의하여 Y축을 따라 360°회전 시킬 수 있으며, 회전축 26에 연결된 모터 25에의하여 X축을 따라 램프를 회전시킬 수 있으며, Z축에 대한 회전은 모터 29에 의하여 이루어진다. 회전축 30에 연결된 회전손잡이 31은 램프의 종류와 크기에 따라 화살표 방향으로 회전중심의 위치를 조절할 수 있도록 하여 램프가 항상 회전축의 중심에 놓일 수 있도록 하였다. 회전축 32와 이에 연결된 모터 33은 회전체의 방향을 바꿀 수 있도록 하기 위한 것으로 필요시 광센서와 램프의 빛의 방향 등을 조절시 사용한다.

램프를 X, Y, Z축에 따라 회전시킬 수 있도록 하기 위해서 램프거치대를 도 5에 도시된 바와 같은 굽은 형으로 고안하였으며, 나선형으로 제작된 X, Y, Z축의 끝에 각각 회전핸들(H1, H2, H3)을 설치하여 도 5에 도시된 화살표 방향으로 각각 회전축의 중심을 이동시킬 수 있도록 하여 램프의 다양한 크기와 모양에 따라 사용자가 램프의 중심을 세 회전축의 중심에 설치 및 조정할 수 있도록 하였다. 램프는 회전모터 M1 에 의하여 Y축을 중심으로 회전하며, 회전모터 M2에 의하여 Z축을 중심으로 회전되며, 회전모터 M3에 의하여 x축을 중심으로 회전한다. 따라서, 도 5에 도시한 바와 같은 장치를 이용하면 3차원 공간에서 램프를 X, Y, Z축에 따라 모두 회전시킬 수 있으므로 램프의 실질적인 3차원 광도분포를 측정할 수 있다.

본 발명에 의한 3차원 공간에서 램프의 전형적인 배광분포 측정그래프를 도 6에 도시하였다. X축과 Y축을 회전시키면서 램프의 광도변화를 측정하여 도시하면 중앙의 등고선 좌표와 같은 광도변화를 볼 수 있으며, 이 등고선 좌표의 어느 한점에 대한 X축과 Y축의 각도변화에 대한 광도분포는 도 6의 상부 및 오른쪽에 표시된 바와 같이 별도의 광도변화를 알 수 있다. 또한, 주어진 X, Y좌표에서 측정한 Z축에 대한 배광분포는 도 6의 왼쪽과 같이 나타낼 수 있다.

상술한 바와 같은 회전장치에 의하여 3차원 공간에서 램프의 배광분포를 측정하면 국제조명위원회 (CIE)에서 규정한 3면에 대한 램프의 실제적인 광도변화를 측정할 수 있다. 본 발명에 의한 3차원 공간에서 램프의 배광분포 측정장치는 램프의 용도 및 사용자의 측정조건에 따라 1차원 공간에서의 광도변화를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 2차원 공간에서의 광도변화도 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 램프의 3차원 배광분포 측정장치는 X, Y, Z축의 각각에 별도의 회전모터를 사용하여 램프를 회전시킬 수 있으므로 1차원 공간 혹은 2차원 공간에서 램프의 광도변화를 측정시 사용자의 필요에 따라 회전축과 측정면을 자유로이 선택하여 측정할 수 있다.

램프는 사용목적에 따라 다양한 크기와 무게 및 형상을 가질 수 있으며, 이러한 다양한 램프를 사용하여 배광분포를 측정시 램프를 자유로이 설치할 수 있어야 한다. 본 발명에 의한 3차원 공간에서 램프의 배광분포 측정장치는 나선형의 X, Y, Z축 각각에 회전축의 중심을 이동시킬 수 있는 손잡이를 부착하여 필요시 각각의 축을 이동시켜 측정대상 램프가 항상 세 회전축의 중심에 위치할 수 있도록 하였다. 이러한 가변 회전축은 측정기기의 활용성을 한층 확장시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 3차원 공간에서 램프의 배광분포를 측정하는 장치를 구성함에 있어

   (1) 4개의 광센서를 통하여 동시에 4개 램프의 광도를 측정할 수 있는 광도계, 램프를 회전시키기 위한 goniometer, 모터의 회전을 위한 모터 주사신호 제어 부 및 모터 드라이버, 그리고 상기 각 구성부분들과 외부 컴퓨터가 RS-485 네트웍에 연결되어 램프의 광도분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 배광분포 측정장치.

   (2) 상기 제 1항의 3차원 goniometer 에 설치된 X, Y, Z축의 각각에 별도의 회전축과 회전모터를 사용하여 국제조명위원회에서 규정한 3면에 대한 램프의 실제적인 광도변화를 측정할 수 있도록 하는 회전장치.

   (3) 상기 제 1항의 회전장치에 있어서 나선형 회전축 X, Y, Z축의 각각에 회전 중심을 이동시킬 수 있도록 회전손잡이를 부착시켜 램프의 중심이 3개의 회전축의 중심에 위치할 수 있도록 하는 램프위치 조정장치.