KR20020035581A - 고온에서 물체를 관찰하기 위한 광학적 관찰 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

고온의 물체들(2)을 시각적으로 관찰하기 위한 광학적 시스템이 개시된다. 이 시스템은 전자기적 방사광(26)을 부품 표면에 투사하여 반사되는 성분을 검출한다. 인가된 조명광의 변조 및/또는 파장에 기초하여, 부품의 표면 특성은 자기 방출되는 방사광으로부터 간섭받음이 없이 관측(30)될 수 있다.

Description

고온에서 물체를 관찰하기 위한 광학적 관찰 장치 및 방법{OPTICAL OBSERVATION DEVICE AND METHOD FOR OBSERVING ARTICLES AT ELEVATED TEMPERATURES}

많은 생산 업체에서, 작업자들은 여전히 고온의 빛나는 물체들에 대하여 맨눈으로 시각적 검사를 수행하고 있다. 그러나, 적외선(IR)에 대한 직접적 노출은 작업자들에게 신체적 상해를 가할 수 있다. 따라서, 어떤 경우에는, 방사광(radiation)을 감소시켜 IR 노출에 대한 어느 정도의 보호를 제공하는 광 차단기(shield)를 착용하기도 한다. 그러나, 광 차단기의 착용은 종종 작업자의 이동성을 제한한다. 예를 들어, 광 차단기의 착용은, 연장들이나 제어 장치들 등의 빛을 내지 않는 다른 물체들에 작업자가 물리적으로 상호 작용(interact)할 수 있는 능력을 제한할 수 있다.

통상의 광학적 검사 장치들이 또한 고온의 물체들의 관측/검사를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 소위 "수동적 방법"에서는 CRT 튜브, 전하 결합 소자(CCD) 카메라 또는 IR 카메라 중의 어느 하나와 함께 신호 채집기(signal collector)를고온 물체들로부터의 자기 방출 방사광을 수광하기 위해서 사용한다. 이러한 방법은 사람의 시각을 사용하는 방법과 유사하며, 신호 채집기들은 "눈"처럼 주요한 기능을 한다. 그러나, 수동적 방법은 "공동 방사기 효과(cavity radiator effect)"로 알려진 현상을 면하기 어렵다. 공동 방사기 효과는 1990년에 플랑크(Plank)에 의하여 예견되고 20세기 초에 아인시타인(Einstein)에 의하여 입증되었는데, 그에 의하여 시각적 관측된 물체의 본질을 오해할 수도 있다. 더 상세하게는, 이 원리에 의하여 자기 방출 방사광을 내는 물체의 오목한 표면 형체는 거의 완벽한 흑체(black body)인 것으로 보이게 된다. 따라서, 그것들은 볼록한 형체로 오해될 수 있다. 게다가, "조명"은 자기 방출에 의한(self-emitted) 것이고, 따라서 종종 원치않는 정보를 담기도 한다. 이러한 수동적 방법을 통해 채집된 영상은 일반적으로 자동 기계 시각적 응용들에 적합하지 않다.

다른 종래 기술의 접근인 소위 "능동적 방법"에서는 고온의 물체로 투사되는 외부 광을 사용한다. 카메라가 사용되어 고온 표면들로부터 반사되는 광 및 자기 방출되는 광을 채집한다. 능동적 방법의 아이디어는 매우 강한 외부 방사광을 사용하여 자기 방출 방사광의 세기를 넘도록 하는 것이다. 달리 말하면, 반사광은 광범위한 자기 방출 방사광의 스펙트럼 내에 있지만 그것의 세기에 기초하여 구별될 수 있다. 외부 광들은 윤곽이나 표면 굴곡들과 같은 관심있는 표면 정보를 눈에 띄게 하도록 설계될 수 있다. 외부 광은 고전력 램프나 또는 레이저와 같은 다양한 광 발생 장치들에 의해 제공될 수 있다.

하지만, 실제적 접근에 관련된 몇 가지의 문제점이 있다. 첫째, 1350℃의 물체에 의해 방사되는 광의 세기를 넘을 수 있는 광원이 드물다는 것이다. 둘째, 자기 방출 방사광이 반사광의 신호 질을 열악하게 하는 문제점을 여전히 나타낸다는 점이다. 매우 강력한 광원이 사용되지 않는다면 신호 대 잡음비(외부 광/자기 방출 방사광)은 일반적으로 낮다. 셋째, 이러한 외부 광원들은 지나치게 강한 세기를 갖기 때문에 작업 환경에 대해 바람직하지 못할 수 있다.

레이저들이 또한 고온 물체들로부터의 자기 방출 방사광의 세기를 넘기 위한 광원으로 사용되어왔다. 레이저들은 자기 방출 방사광의 현저성을 감소시키기 위해 극히 높은 전력 밀도를 운반한다. 예를 들어, 구리 기반의 레이저(550nm에서 방사)는, 일반적으로 230nm에서 장파장 IR에 이르는 방사를 내는 레이저 용접 풀(pool)(약 3000℃의 온도)의 자기 방출 방사광의 세기를 넘기 위해 사용되어 왔다.

다른 종래 기술에서는 275nm에서 장파장 IR에 이르는 스펙트럼을 방사하는 아크 용접(약 2500℃의 온도)에서 YAG 레이저(1060nm)를 사용한다. 그러나, 레이저의 사용은 실제적인 문제를 가진다. 레이저는 높은 전력 밀도를 전송하기 때문에 레이저 빔에 의하여 조사되는 영역의 면적이 작다. 결과적으로, 레이저가 조명 광원으로 사용될 경우에는 래스터 스캐닝(raster scanning)이 일반적으로 요구된다. 게다가, 이러한 고 전력 레이저들은 고가이고, 대형이며 그리고 다양한 위험요소를 가진다. 그리고, 레이저 기반의 시스템을 작동하기 위해서는, 사용자는 광차단기 및 다른 보호 장비를 착용하여 보호되어야만 한다.

수동적 방법의 시각 시스템에서의 적외선(IR) 센서들 또는 카메라들의 사용은 또한 몇 가지의 인자들에 의해 제한된 가치를 갖는다. 첫째, IR 센서들/ 카메라들은 CCD에 비하여 현저히 낮은 화소 해상도를 갖는다. 둘째, IR 방사광은 그 파장으로 인하여 가시광만큼 잘 집속될 수 없다. 셋째, IR 센서들/카메라들의 사용은 전술된 조명 또는 공동 방사기 효과에 관한 문제를 해결하지 못한다.

수동적 방법 및 능동적 방법의 조합을 사용하려는 노력들이 있어왔는데, 이런 접근은 공동 방사기 효과 및 자기 방출 방사광에 내재된 문제들을 해결하지 못한다.

과거에는, IR과 가시광 사이의 차이가 고온의 물체들의 눈부심(glare)과 관련된 문제를 해결하기 위한 촛점이 되어 왔다. 이 접근은 고온의 물체가 IR과 가시광을 모두 방사할 수 있기 때문에 잘못 착상된 것이다. 예를 들어, 강철은 650nm의 방사광을 낸다. 즉, 강철은 IR뿐만 아니라 적색광을 낸다. 게다가, 자기 방출 방사광이 채집된 신호로부터 제거되지 않는다면, 자기 방출 방사광에 의해 유발된 잡음은 그 고온 물체에 관한 상세하고 정확한 정보를 모으는 시스템의 성능을 악화시킨다. 종래 기술은 고온 물체의 채집된 신호로부터 자기 방출 방사광을 제거하는 유효한 수단을 갖지 않는다. 마지막으로, 종래 기술에 의해 구현된 어떠한 장치들도 휴대가능(portable)하지 않다고 보여진다. 이 사실은 특정한 응용들에서 이러한 장치들의 사용을 제한한다. 휴대용 장치는 고온 물체를 볼 필요가 있으나 정량적 측정을 필요로 하지 않는 사용자들에게는 바람직하다. 종래 기술의 장치들에서 사용되는 외부 광원들은 낮은 위험을 갖고 휴대용으로 사용되기엔 지나치게 고전력 및/또는 고중량이다. 요약하면, 종래 기술의 접근은 제한된 가치를 갖고 있다. 본 발명은 이러한 문제점들을 극복한다.

본 발명은 고온의 물체-강한 자기 방출 방사광(self-emitted radiation)을 내는 물체를 포함-를 광학적으로 관찰하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명을 도시하는 블록도를 나타낸다.

도 2는 자기 방출 방사광에 대해 구별하기 위해서 본 발명에 사용되는 파장들을 도시한다.

도 3은 카메라와 간섭 필터의 한 가능한 배열을 도시한다.

도 4는 카메라와 간섭 필터의 다른 한 가능한 배열을 도시한다.

도 5는 카메라와 간섭 필터의 또 다른 한 가능한 배열을 도시한다.

도 6은 바람직한 파장의 선택을 나타내는 그래프이다.

도 7은 본 발명의 컷 오프 필터의 사용을 나타낸다.

도 8은 본 발명의 FM 전력 변조기의 사용을 도시하는 그래프이다.

도 9는 본 발명의 FM 기계적 변조기의 사용을 도시하는 그래프이다.

도 10은 본 발명에 따른 휴대용 장치의 도면이다.

도 11은 본 발명의 2 카메라 실시 형태를 나타내는 개략도이다.

한 측면에 따르면, 본 발명은 고온 물체의 표면을 분석하기 위한 광학 시스템을 제공한다. 상기 광학 시스템은 고온의 물체로 전자기적 방사광(인가된 EMR(electromagnetic radiation))을 투사하는 조명 광원을 갖는다. 상기 인가된 전자기 방사광은 고온 물체에 부딪혀 자기 방출된 전자기 방사광 및 다른 주변(배경) 전자기 방사광과 함께 EMR 검출기로 반사된다. 인가되고 반사된 EMR(상기 고온 물체의 표면과 상호 작용함)의 적어도 한 성분이 선택적으로 상기 EMR 검출기에 검출된다. 한 측면에 따르면, 선택적으로 식별가능한 반사된 EMR은 상기 물체의 온도를 기초로 하여 결정되는 파장을 갖는 EMR을 포함한다. 즉, 파장을 기초로 광범위한 자기 방출된 EMR 및 배경 EMR로부터 식별가능하다. 이러한 방법으로, 반사된 EMR의 검출은 저온의(즉, 어떤 현저한 자기 방출 EMR을 공급하는 온도 아래의) 물체 표면을 자극하는 고온의 물체의 영상을 제공한다.

다른 한 측면에 따르면, 상기 검출기에 의해 식별되는 반사된 인가된 EMR의 성분은 인가된 EMR을 변조(modulation)함으로써 발생되는 식별 표시를 갖는다. 이 측면에 의해서, 본 발명의 광학 시스템은 EMR 변조기를 더 포함한다.

또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 핸드 헬드(hand-held) 장치에서 구현될 수 있다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 한 실시 형태에서는, 자기 방출 전자기 방사광(22)을 갖는 광 타겟 또는 물체(20)가 나타나 있다. 물체(20)는 통상 예를 들어 탄소 강 부품, 티타늄 합금 부품, 글래스 부품 또는 세라믹 부품일 수 있는 부품(part)을 포함한다. 많은 부품 가공 공정에서는 이러한 부품들이 900℃를 넘는 온도로 가열되는 것이 예상될 것이다. 이러한 고온에서는 이러한 부품들은 가열된 부품의 시각적 관측을 어렵게 하기에 충분한 양의 방사광을 방출하는 것이 또한 이해될 수 있다(즉, 광범위한 자기 방출 EMR 스펙트럼).

여전히 도 1을 참조하면, 전자기적 방사광(26)을 부품(20)의 표면으로 투사하는 광원(24)이 도시되어 있다. 방사광(26)은 인가되는 조명광이다. 인가된 조명광(26)의 한 성분은 부품(20)에 의하여 반사되며, 따라서 반사된 조명광(28)으로서 도 1에 도시된다. 반사된 조명광(28)과 일렬로 자기 방출 방사광(22)의 일부분 및 약간의 주변 방사광(도시되지 않음)이 반사된 조명광(28)과 동일한 경로를 갖게 된다.

반사된 조명광(28)(그리고 자기 방출 방사광(22'))은 검출기 또는 센서(30)에 입사한다. 여기서 더욱 자세히 논의되겠지만, 반사된 조명광(28)을 자기 방출된 방사광(22')(그리고 주변 방사광과 같은 어떠한 다른 "잡음")과 구별함으로써 검출기(30)는 그 부품이 마치 저온(본질적으로 자기 방출 방사광이 없음)인 것처럼 물체(20)를 볼 수 있게 된다.

본 발명의 이러한 실시 형태에서는, 반사된 방사광(28)의 파장은 광범위한 자기 방출된 방사광(22')의 파장으로부터 검출기(30)에 의하여 식별될 수 있도록 선택된다. 보다 상세하게는, 그리고 도 2를 참조하면, 본 발명은 물체(20)의 온도의 함수로서 인가된 조명의 파장을 식별가능한 엔벨로프(envelope)를 제공한다. 즉, 검출기(30)는 곡선 하부의 파장을 갖는 반사된 조명광(28)을 센싱 또는 검출한다. 자기 방출된 방사광(온도를 기초로)으로부터 식별가능한 반사된 조명광(28)의 바람직한 최대 파장은 아래의 표 1에 나타내어진다.

온도(℃)	센서(30)에 의한 검출을 위한 사용가능한최대 파장(nm)
< 800	700nm
800	680
1000	645
1200	596
1400	545
1600	596
1800	441
2000	385
2200	338
2400	283
2600	233
3000	220
4000	185

위의 파장들은 물체(20)가 흑체 방사를 한다는 가정하에 추산된 것이며, 모든 응용들에 적합한데 이는 주어진 온도에서 실제 표면에서 방출되는 특정 파장의 스펙트럼 상에서의 방사광의 세기가 항상 동일한 온도와 파장의 흑체에 의하여 방출되는 것보다 작기 때문이다. 본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 사용 가능한 조명광의 파장 λ₂(화살표 26)를 선택하기 위한 과정은 다음과 같이 정확히 정하여 질 수 있다(Ozisik(1985), Heat Transfer-A Basic Approach, McGraw-Hill):

1. 물체의 최고 온도 T를 정의한다.

2. 물체의 재료와 온도의 함수인 물체의 방사율(emissivity) ε(T, 재료)을 정의한다.

3. 다음의 흑체 방사 함수와 재료의 방사율 ε(T)를 기초로 자기 방출 방사광 스펙트럼을 얻는다:

(1)

여기서,

π = 파이, 원주율

c = 광속

h = 플랑크 상수

λ = 파장

k = 볼츠만 상수

ε = 경험적으로 얻는 방사율의 온도에 대한 함수

더불어 방사광 스펙트럼은:

(2)

만일 재료를 알고 있다면, 위의 수학식(2)는 다음과 같이 축약될 수 있다.

(3)

R(λ,T)는 일반적으로 도 6의 실선과 같이 표시될 수 있다. 더욱 단순화하기 위해서, ε(T)는 보통 상수로 가정될 수 있다.

4. R(λ,T)와 함께, R(λ_cut-off,T) 의 값이 외부 조명 광의 신호 세기 η(λ_ill)에 비하여 극히 작은 컷 오프 파장 λ_cut-off를 찾는 것이 가능하다. λ_ill은 보통 λ_cut-off보다 짧음에 주목하여야 한다.

(4)

여기서,

η(λ) = 파장 λ에서의 외부 조명광의 세기.

λ_ill= 외부 조명광을 위해 사용되는 파장.

γ = 외부 조명광 세기 및 자기 방출 광 세기의 신호 대 잡음 비.

γ₀= 응용에 적합한 구체적인 신호 대 잡음비의 한계.

η(λ)는 일반적으로 외부 조명광 장치의 함수이다. 예를 들어, 위에서 기술되었지만 할라이트(halite) 램프는 도 6에 나타낸 것과 같은 η(λ)를 가진다.

따라서, 투사된(반사된) EMR을 위해 받아들여질 수 있는 가장 긴 파장은, 관측시 고온 물체의 최고 온도에서 흑체가 5 ×10^-4W/cm2 nm(즉, 단위 면적 당 단위 파장 당 전력(와트 단위로))의 스펙트럼상 광도(radiance)를 방사하는 파장이다. 따라서, 위의 수학식 (1)의 I는 5 ×10^-4W/cm2 가 된다. T가 물체의 관측시 최대 온도와 같을 경우 λ에 대하여 풀어서 자기 방출 방사광으로부터 구별가능한 주어진 물체의 허용가능한 최대의 파장이 결정될 수 있다.

물론, λ_ill의 선택은 검출 센서(30)의 감도 스펙트럼을 만족시켜야 한다. 예를 들어, CCD는 도 6에 도시된 영역과 같은 감도를 가진다. λ_ill은 센서(30)이 검출할 수 있는 파장이어야 한다. 도 6의 λ₂는 1500℃정도의 고온에서의 응용들에 적합하다.

조명광원(24)은 많은 형태일 수 있지만, 필요로 하는 검출 가능한 파장을 포함하는 조명광을 발생시킬 수 있는 것이어야 한다. 달리 말하여, 645nm 이하의 파장이 자기 방출 방사광(22')으로부터 반사된 방사광(28)을 구별하기 위하여 필요하다면, 조명광원(24)은 645nm 이하의 EMR을 포함하여야 한다. 한 받아들여질 수 있는 조명광원(24)은 주로 435nm, 550nm 그리고 575nm의 EMR을 방출하는 할라이트 램프가 될 수 있다. 조명광원(24)을 위한 다른 바람직한 "광"의 소스(source)는 형광 램프나 크세논 램프가 될 수 있다.

레이저 조명기의 경우 레이저 조명의 간섭성 본질에 의하여 레이저의 파장은 위의 표 1에 부합하여 필요한 파장으로 맞추어져야 한다.

레이저는 점 조명 광원으로서 여기에서 사용될 수 있다. 검출기(30)는 레이저에 의하여 조명된 점에서 정보를 검출한다. 거울 세트와 같이 방향을 조절하는 세트와 결합되었을 때, 레이저는 래스터 스캐닝된 영상을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 레이저는, 빔 확장기와 같은 특정한 광학기기를 사용함을 통하여비교적 좁은 영역의 영역(zone) 조명 광원으로도 사용될 수 있다.

레이저는 구조화된 조명(원형 선들, 직선들, 단일 선들 또는 다수 선들 등)을 위해 특정 광학기기와 함께 사용될 수 있다. 이 구조화된 조명은 본 발명에 따른 고온 물체들의 윤곽을 추출하기 위해 사용될 수 있다. 다수의 레이저들은 다수의 점들, 선들 또는 영역들을 위하여 사용될 수 있다.

물론, 조명 광원(24)으로부터 투사되는 EMR의 세기(그리고 광원(24), 타겟(22) 및 검출기(30)의 거리)는 검출기(30)에서 충분한 신호 세기가 얻어질 수 있는 정도여야 한다.

당업자라면 본 발명이 전방 조명, 명 시야(bright field) 또는 암 시야(darkfield), 그리고 후방 조명(투과 조명) 등의 다른 조명 방법들과 결합되어 사용될 수 있음을 알 수 있다. 이 조명은 집속되거나 분산될 수 있고, 단일 파장 또는 다색상을 가진 것일 수 있으며, 구조화되거나 또는 비구조화된 것일 수 있다. 다수의 조명 설계들이 적용될 수 있다.

모든 산란된 파장들이 위의 조건을 만족하는 한, 반사된 조명광(28)의 다수의 파장이 시스템의 검출기(30)에 의하여 검출되도록 하는 것도 가능하다.

당업자는 또한 렌즈, 거울, 광학 화이버, 디퓨저(diffuser), 콜리메이터(collimator), 컨덴서(condenser), 프리즘(prism), 보로스코프(borescope), 내시경(endoscope), 및 광 가이드 등의 부가적 광학기기들(예시일 뿐 이에 한정되지는 않음)이 실시 형태의 설계와 관련되어 사용될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 광학기기들은 다수의 점들을 조명하거나, 다수의 물체들을 조명하거나 또는 다른 의도된 조명 설계의 목적에 부합하도록, 목표로 하는 고온 물체(들)에 조명광을 전달하기 위한 조명 장치(조명용 방사 광원 및 변조기)와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 광학기기들은 또한 공간상의 제약에 부합하도록 고온 물체(들)로부터의 방사광 신호들을 수신하거나 관측 각도를 변경하는 신호 수집기들과 함께 사용되어질 수 있다.

이제 검출기(30)를 살펴보면, 바람직한 검출기는 CCD(전하 결합 소자) 센서이다. CCD 센서는 통상 360nm 부터 1000nm의 파장에 민감하다. 청색 보강(blue enhanced) CCD 칩들과 같은 몇몇 더 새로운 영상 센서들은 175nm로부터 1000nm의 파장에 민감하다.

물론, 검출기(30)는 바람직한 반사 조명광(28)의 파장을 검출할 수 있어야 한다. 간섭 필터(32)는 실질적으로 모든 자기 방출된 EMR(그리고, 바람직한 영상화(imaging) 파장에 있지 않은 반사된 EMR)을 차단하는 것이 바람직하다.

간섭 필터(32)는 도 3에 가장 잘 나타나 있는 것처럼 검출기 렌즈(34)의 전방에 설치되거나 또는 도 4에 나타나 있는 것처럼 렌즈(34)와 영상화 센서(36)의 사이에 설치된다. 또한, 도 5에 나타나 있는 것처럼 영상화 센서 픽셀(pixel)의 (40)의 앞에 다수의 간섭 필터(38)들을 포함할 수도 있다. 나아가서 당업자는 도 5의 배열이 다수의 조명 파장들을 사용하기에 용이하게 하기 위하여 변형될 수 있음을 인식할 수 있다. 이러한 경우에, 서로 다른 간섭 필터들(38)-일부는 한 파장에서 동작하고 일부는 다른 파장에서 동작함-은 픽셀들(40)의 앞에 설치될 것이다. 이런 배열에서, 다른 픽셀들은 다른 파장들에 의하여 운반되는 신호들에 반응하도록 될 것이다. 각 픽셀이 다른 간섭 필터와 함께 설치된 2 X 3 또는 3 X 1 등의 화소들의 집합을 갖는 것도 가능하다. 이런 분포는 컬러 CCD 칩의 분포와 비슷하다. 영상화 센서의 한 영역에 한 타입의 간섭 필터를 설치하고 다른 타입의 필터를 다른 영역에 설치하는 것도 가능할 것이다.

다른 영상화 센서들의 앞에 다른 간섭 필터들을 둔 카메라 안의 다수의 영상화 센서들을 사용하여 다수 파장의 사용을 용이하게 하는 것도 또한 가능하다. 모든 영상화 센서들로 광학적 방사광을 전송하기 위하여 프리즘이 사용될 수 있다. 이러한 배열은 3-칩 CCD 컬러 카메라의 배열과 유사하다.

당업자는 또한 응용들에서 간섭 필터를 대신하여 컷 오프(cut-off) 필터가사용될 수 있음을 인식할 수 있다. 컷 오프 필터의 전송 곡선(transmittance curve)의 컷 오프 파장은 바람직한 파장이어야 한다. 도 7은 이 개념을 나타낸다. 이러한 셋업에서 단일한 바람직한 파장 또는 다수의 파장들이 사용될 수 있다. 다수 파장들의 경우, 모든 선택된 파장들에 의해 전송되는 신호들은 하나의 결합된(combined) 신호로 취급될 것이다.

고온 물체 영상화의 왜곡(distrotion)들이 몇몇 이유로 발생된다. 상술한 접근은 IR 눈부심(glare) 및 공동 방사기(cavity radiator)의 영향에 의한 왜곡을 해결한다. 또다른 일은 "신기루(mirage)"와 관련된 왜곡(국부적인 공기 밀도의 불균일에 의한 어른거림)을 창조적으로 해결하는 것이다. 이것은 뜨거운 여름날 운전할 때 흔히 경험된다. 도로 표면이 "떠있는" 것처럼 또는 "흔들리는" 것처럼 보일 수 있다. 이러한 "신기루" 효과는 영상화를 통하여 고온 물체들을 정확히 측정하는 것을 방해한다.

본 발명에 있어서, 고온 물체(20) 주변의 제어된 공기 흐름(43)은 고온 물체를 둘러싼 온도 경도(gradient)를 감소시켜 공기 밀도 왜곡을 제거한다. 공기 흐름(43)은 고온 물체의 온도 분포가 이 공기 흐름에 의하여 역으로 영향받는 일이 없도록 미리 선택된 온도를 갖도록 한다. 공기 흐름의 속도는 국부적인 공기 빌도 불균일을 피하기 위하여 약 0.01m/s 보다 빨라야 한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에서, 도 1을 다시 참조하여, 인가된 조명광(26)에 식별가능한 "흔적"을 남기기 위하여 신호 변조기(42)가 제공된다. 달리 말하면, 본 발명의 이러한 실시 형태에서 광원(24)으로부터의 EMR은 식별 가능한 표지(단지 파장과는 다른)를 가지며, 이것은 반사되는 EMR(28)이 자기 방출되는 EMR(22')과는 구별되도록 한다.

이러한 구현의 개략이 도 8에 또한 나타나 있다. 이 설계에서, 조명 광원(24)으로의 전력은 FM 소자(44)를 통하여 변조된다. 이러한 FM 표지는 광원(24)에 의하여 발생되는 조명 방사광(46)내에 있게 된다. 이 방사광은 고온 물체(20)의 표면에 투사된다. 반사된 신호(48)는 영상화 소자(30)에 의해 수신되고 그리고 비변조된 방사광(52), 즉 자기 방출된 방사광을 제거하기 위해서 현재의 FM 주파수를 기초로 FM 복조기(50)에 의해 복조된다(신호 처리를 통하여). 복조 신호 처리는 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 양자의 조합에 의해서 수행될 수 있다. 주파수 변조는 인가된 방사광이 반복되는 스퀘어 파(square wave)의 특성을 지니도록 하는 주파수들의 열(sequence)일 수 있고, 또는 동적 변조일 수도 있으며, 반사되는 방사광으로써 검출되고 변조될 수 있는 변화하는 주파수들의 사인파(sine wave)를 공급한다.

변조는 또한, 도 9에 나타낸 바와 같이 조명 방사광을 "펄스" 형태로 인가하기 위한 기계적 게이트를 사용하여, 기계적으로 구현될 수 있으며, 또는 세기(intensity) 변화가 사인파의 형태가 되도록 할 수도 있다.

실시 형태의 설계들을 구현하는 소자들은 부분 또는 전체가 이동형(mobile)일 수 있다. 한 경우에, 신호 채집기가 이동형이고 조명 장치 및 고온 물체는 고정된 것일 수 있다. 다른 한 경우에, 신호 채집기 및 조명 장치는 모두 이동형이고 고온 물체는 정지된 것일 수 있다. 신호 채집기 및 조명 장치가 정지한 것이거나이동형일 때, 고온 물체를 움직이는 것도 가능하다. 어떤 응용에서는 두 개의 신호 채집기 또는 두 개의 조명 장치-하나는 이동형 다른 하나는 고정되어 있음-를 사용하는 것도 가능하다.

또 다른 실시 형태에서, 본 발명은 핸드 헬드(hand-held) 장치(58)의 형태로 구현될 수 있다. 도 10을 참조하면, 투사 광(62)과 간섭 필터(64)를 가지는 핸드 헬드(hand-held) 캠코더(60)가 도시되어 있다. 디지털 또는 아날로그일 수 있는 캠코더(60)가 신호 채집기로써 사용된다. 간섭 필터(64)(바람직하게는 435nm의)가 렌즈 앞에 설치되어 있다. 외부 투사 광(62)은 인가되는 조명광을 제공하고 주요 광세기(significant intensity)(이 예에서는 435nm)로 방사광을 낸다. 광(62)은 캠코더(60)의 표면에 고정될 수 있고, 또는 다수의 조명 각도들을 제공하는 분리된 것일 수도 있다. 캠코더(60)는 자기 테이프, RAM, 또는 다른 적절한 데이터 저장 장치를 사용할 수 있으며, 장치는 단순히 디스플레이 모니터로써 사용될 수 있다. 비디오 신호는 TV, 모니터, 또는 PC 등으로 제공될 수 있다. 상기 핸드 헬드 장치(58)는 배터리로 작동하거나 AC 전원 공급을 통하여 작동할 수 있다. 이 장치는 본 발명에 의하여, 즉 바람직한 조명광을 고온 물체에 투사하고 상기 캠코더에 의해 영상(자기 방출된 방사광이 필터에 의해 제거된)을 봄으로써, 고온 공정들 또는 물체들의 관측에 사용될 수 있다.

다른 실시 형태에서, 카메라와 같은 다수의 신호 채집기가 고온 물체의 다수 관점들을 제공하기 위하여 한 시스템에서 사용될 수 있다. 다수 카메라들의 사용은 입체적 영상화를 용이하게 하여, 고온 물체의 3차원적 영상을 제공한다. 또한, 다수 카메라는 다수 파장에 대하여 사용될 수 있으며, 각각의 카메라는 한 파장에 의하여 전송된 신호를 복조한다.

다른 실시 형태에서 도 11을 참조하면, 본 발명은 고온 물체와 상호작용하여야 하는 개인들을 보호하기 위하여 사용될 수 있다. 보다 상세히는, 이 설계에서, 두 개의 카메라(70, 72)가 동일한 시야를 포착하기 위하여 사용될 수 있고, 하나는 컬러 또는 흑/백일 수 있는 정상적인 영상(74)을, 다른 하나는 빔 분할기(77) 및 간섭 필터(79)를 사용하는 본 발명에 기초한 영상(76)을 포착한다. 정상적인 영상(74)에서, 고온 물체(78)는 빛을 낸다. 빛나는 고온 물체(78)는 휴대용 신호 처리기(82)와 같은-그러나 그에 제한되는 것은 아님- 장치를 통하여 식별된다. 식별된 고온 물체(78)로, 빛나는 물체의 정상적인 영상은 그에 대응하는 상온에서의 외형(76으로부터 잘라져 74에 페이스트(paste)된)으로 대치될 수 있다. 상기 합성된 영상은 관측 시야에서 모두를 볼 필요가 있는 관측자들에게 디스플레이될 것이다. 디스플레이(80)는 모니터, TV, 또는 디스플레이형 보안경(displaying goggle)을 포함하는 다른 디스플레이 장치일 수 있다. 합성된 영상에서 고온 물체를 식별하기 위해서, 적색으로 명멸하는 경계선 등과 같은(이에 제한되지는 않음) 지시자가 고온 물체에 적용될 수 있다.

예

본 발명의 한 실시 형태에서의 구체적인 예가 다음에 기술된다.

1. 외부 조명 광원은 할라이트 램프이다. 할라이트의 방사광은 435nm, 550nm, 그리고 575nm인 세개의 주요 파장들을 포함한다. 435nm에서의 방사광은 고온 물체의 자기 방출된 방사광으로부터 가장 멀리 떨어진 것이기 때문에 가장 유용하다. 고온 물체가 흑체에 가깝다고 가정할 때, 자기 방출된 방사광이 435nm를 커버하기 위해서는 1800℃ 이상의 온도여야 한다.

2. 외부 방사광이 고온 물체에 투사되어 고온 물체의 표면과 상호작용한다. 메탈 할라이트 램프로부터 반사된 방사광(세 개의 구별되는 파장을 가지고), 고온 물체로부터 자기 방출된 방사광, 그리고 다른 존재하는 방사광은 모두 함께 혼합된다.

3. 혼합된 방사광은 이때 435nm의 작동 파장을 가진 간섭 필터를 통과한다. 즉, 435nm의 파장을 가진 방사광만이 이 간섭 필터를 통과할 수 있다. 다른 방사광은 모두 차단된다. 이 간섭 필터는 렌즈의 전방에 위치되거나, 또는 영상화 센서의 전방에 위치된다.

4. 단지 미리 선택된 파장만이, 이 경우엔 435nm, 영상화 센서에 도달할 수 있다.

5. 고온 물체는 마치 상온에 있는 것처럼 영상화 센서-즉 CCD 칩-에 나타난다.

6. 복조된 435nm 신호는 전자 신호로 변환된다.

7. 전자 신호는 CPU에 의하여 처리되며, 매체에 저장되어 사람에 의한 관측 또는 다른 형태의 처리를 위해 모니터에 디스플레이된다.

본 발명에 의하여 고온의 자기 방출 방사광을 내는 물체를 정확하고 안전하며 사용이 용이하게 광학적으로 관찰할 수 있는 장치 및 방법이 제공된다.

Claims (19)

1. 특징적이고 온도 의존성을 가지고 광범위한 자기 방출 EMR 스펙트럼을 가지는 물체 표면의 영상을 제공하기 위한 광학적 시스템에 있어서,

   상기 물체로 전자기적 방사광(electromagnetic radiation)을 투사하기 위한 EMR 소스(source); 및

   상기 투사된 EMR의 한 스펙트럼 성분을 선택적으로 검출하기 위한 EMR 검출기-상기 성분은 상기 물체의 표면에 의하여 반사되며 상기 EMR 검출기로 향하여짐-를 포함하며,

   여기서, 상기 투사된 EMR의 반사된 성분은 상기 자기 방출된 광범위한 EMR 스펙트럼과는 다른 파장을 가지며, 상기 반사된 성분은 파장에 기초하여 상기 자기 방출된 EMR로부터 구별될 수 있는 광학적 시스템.
2. 제1 항에 있어서,

   비디오 레코더를 더 포함하는 광학적 시스템.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 EMR 검출기는 전하 결합 소자인 광학적 시스템.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 EMR 소스는 메탈 할라이드 램프, 형광 램프, 그리고 크세논 램프로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 광학적 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 EMR 소스는 레이저인 광학적 시스템.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 레이저는 일정한 영역에 대한 조명광(zone illumination)을 투사하는 광학적 시스템.
7. 제5 항에 있어서,

   상기 투사되는 EMR의 방향을 조정하기 위한 거울 세트를 더 포함하는 광학적 시스템.
8. 제5 항에 있어서,

   상기 레이저는 구조화된(structured) 조명광을 투사하는 광학적 시스템.
9. 제1 항에 있어서,

   상기 검출기는 반사된 EMR의 다수 파장들을 검출하는 광학적 시스템.
10. 제3 항에 있어서,

    상기 전하 결합 소자는 175nm에서 1000nm까지의 파장에 반응하는 광학적 시스템.
11. 제1 항에 있어서,

    상기 EMR 검출기와 결합되는 간섭 필터(interference filter)를 더 포함하는 광학적 시스템.
12. 제11 항에 있어서,

    상기 간섭 필터는 상기 자기 방출된 EMR의 실질적으로 전부를 차단하는 광학적 시스템.
13. 제1 항에 있어서,

    상기 EMR 검출기와 결합되는 컷 오프 필터를 더 포함하는 광학적 시스템.
14. 제1 항에 있어서,

    공기 밀도의 왜곡을 제거하기 위하여 상기 물체로 공기를 제공하기 위한 공기 흐름 제어기를 더 포함하는 광학적 시스템.
15. 제1 항에 있어서,

    상기 투사되는 EMR의 주파수를 변조하기 위해서 상기 EMR 소스와 결합되는 주파수 변조기; 및

    상기 EMR 검출기와 결합되는 복조기를 더 포함하는 광학적 시스템.
16. 제1 항에 있어서,

    상기 투사되는 EMR의 펄스화(pulsing)를 위한 수단을 더 포함하는 광학적 시스템.
17. 제1 항에 있어서,

    상기 EMR 소스는 다수의 EMR 소스들인 광학적 시스템.
18. 제1 항에 있어서,

    상기 EMR 검출기는 다수의 EMR 검출기들인 광학적 시스템.
19. 특징적이고 광범위한 자기 방출 EMR 스펙트럼을 가지는 고온의 물체 표면의 영상을 제공하기 위한 광학적 시스템에 있어서,

    비디오 카메라;

    상기 자기 방출 EMR 스펙트럼의 실질적으로 전부를 차단하기 위하여 상기 비디오 카메라와 결합되는 간섭 필터; 및

    상기 비디오 카메라에 부착되는 광원을 포함하는 광학적 시스템.