KR20050009060A - 절대온도 측정 가능 열상장치 - Google Patents

Abstract

비냉각형 적외선 검출기를 사용하는 열상 장치에서, 적외선 검출기의 현재 온도나 열상 장치의 사용기간에 따라 동일한 타깃의 온도에 대해서도 적외선 검출기의 온도 검출 신호가 달라 질 수 있어 타깃의 절대온도를 측정하지 못하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 어떤 온도의 온도 레퍼런스로 적외선 카메라의 화각을 가려 그 온도에 대한 적외선 검출기에서의 온도 검출 신호값을 검출하고, 장치의 초기 구성시에 저장된 온도 테이블의 온도 레퍼런스 온도에 대응하는 온도 검출 신호값과의 편차를 구한 후 그 편차를 모든 온도 범위에 대해 보상하여 주어서 현재 타깃의 절대 온도 분포 파악에 사용될 수 있도록 하는 방법과 그를 위한 장치가 제공된다.

Description

절대온도 측정 가능 열상장치{Infrared imaging apparatus able to measuring the absolute temperature of a target}

본 발명은 타깃의 절대온도를 알아낼 수 있는 열상 장치에 관한 것이다.

일반적으로 모든 물체는 절대온도 0도(섭씨 -273.16도) 이상에서 복사에너지를 방출한다. 이 에너지는 0 k 이상의 온도를 가진 물체 내부의 원자 및 분자의 진동과 회전에 의해 생성되며 에너지원으로부터 바깥쪽으로 직진하고 진공, 공기, 가스, 액체 및 고체 등의 물리적 전달체를 통하여 전파된다. 이와 같이 외부로부터 빛의 공급이 없더라도 타깃 자체에서 발하는 복사에너지를 모아서 눈으로 볼 수 있는 열상으로 변화시켜 관측가능하게 하는 장비를 열상 장치라 한다.

이러한 열상 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 타깃(100)을 열상 촬영하는 적외선 카메라(200)와 적외선 카메라(200)에서 출력된 영상신호를 다양한 목적에 맞게 분석하는 화상신호처리 시스템인 신호분석 처리기(300)로 나뉘어 진다.

도 2에 도시한 바와 같이, 적외선 카메라(200)는 타깃으로부터 발해진 적외선을 집속하는 렌즈부(210)와, 렌즈부(210)에서 집속된 적외선을 검출하여 그에 상응하는 온도 검출 신호를 출력하는 적외선 검출기(220)와, 적외선 검출기(220)에서 출력된 온도 검출 신호를 입력받아 신호처리하여 디스플레이에 적절한 영상신호로 출력하는 신호처리기(230)를 포함하여 구성된다.

산업용 및 의료용으로 쓰이는 적외선 카메라(200)의 종류는 여러 가지가 있다. 적외선 검출기(220)의 냉각 여부에 따라서 냉각형과 비냉각형으로 나뉘고, 적외선 검출기(220)의 화소 구성과 그에 따른 영상 구성 방식에 따라 스캔 방식과 비스캔 방식으로 나뉜다. 냉각형의 경우에는 적외선 검출기(220)를 상온 보다 훨씬 낮은 온도로 냉각시킨 상태에서 동작이 이루어지게 된다. 이러한 냉각형 적외선 검출기를 사용하는 경우에는 성능은 우수하나 고가의 검출기로 인하여 시스템 가격이 높아지고 냉각을 위한 별도의 냉매가 사용되어야 하기 때문에 유지비가 많이 드는 단점이 있다. 한편, 적외선 검출기(220)의 적외선 검출용 화소가 평면상으로 배열되어 있는 것이 아니라 선상으로 배열되어 있어 타깃의 전체 열분포를 감지하기 위해서는 스캐닝이 필요한 스캔 방식은 스캐너를 구현하기 위한 별도의 시스템이 추가되어야 하고, 고속 촬영의 어려움이 있어 동영상 카메라에 적용하기는 어렵다.

타깃(100)으로부터 발해진 적외선을 검출하여 그에 상응하는 온도 검출 신호를 출력하는 상기 적외선 검출기(220)는 타깃의 온도가 동일한 경우 동일한 크기의 온도 검출 신호를 출력하는 것이 바람직할 것이나 실제로는 동일한 세기의 적외선입력이 있더라도 적외선 검출기(220) 자체의 온도에 따라 출력이 달라진다. 따라서 타깃의 각 부위의 상대적인 온도 차이를 검출하는 것은 가능하지만 타깃의 절대 온도를 알아내지는 못한다. 비냉각형 적외선 검출기의 경우에도 TEC(Thermoelectric cooler)가 구비되어 있어 어느 정도의 온도 제어는 해주고 있지만 한계가 있어 주위 온도에 따른 온도의 변화를 완전히 방지하지 못하고 있으며, 냉매를 사용하여 검출기를 일정한 온도로 유지시켜주는 냉각형의 경우에도 기타의 변수로 인해 정확한 절대 온도를 읽어 내기는 어렵다.

따라서 상기한 바와 같은 문제점을 인식하여 창출된 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 타깃의 각 부위의 상대적인 온도 차이를 검출하는 것에 그치지 않고 절대 온도의 분포를 파악할 수 있도록 하는, 절대온도 측정 가능한 열상 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 비냉각형 검출기를 이용하는 열상 장치의 개념도.

도 2는 도 1의 종래 열상 장치를 구성하는 적외선 카메라의 블록도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 열상 장치에서 이루어지는 절대 온도 측정 방법을 보이는 흐름도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 열상 장치의 적외선 카메라 관련부를 보이는 블록도.

상기한 바와 같은 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위하여, 타깃으로부터 발해진 적외선을 집속하는 렌즈부와, 렌즈부에서 집속된 적외선을 검출하여 그에 상응하는 온도 검출 신호를 출력하는 비냉각형의 적외선 검출기를 포함하여 구성되는 열상 장치용 적외선 카메라에 있어서,

적외선 카메라의 측정 범위에 있는 온도에 대해서 타깃의 온도와 적외선 검출기의 온도 검출 신호값 간의 적외선 카메라 초기 구성시의 관계를 나타내는 온도 테이블을 저장하는 제 1 저장부;

필요시 원하는 절대 온도로 적외선 카메라의 전체 화각을 가리는 온도 레퍼런스;

상기 온도 레퍼런스의 절대 온도를 적외선 카메라로 입력하는 기준 온도 입력부;

상기 기준 온도 입력부의 온도 입력과 온도 레퍼런스를 열상 촬영하여 얻어진 실제의 온도 검출 신호값을 입력 받아, 상기 제 1 저장부에 저장된 온도 테이블의 상기 기준 온도 입력부의 입력 온도에 해당하는 온도 검출 신호값과 온도 레퍼런스를 열상 촬영하여 얻어진 실제의 온도 검출 신호값 사이의 편차를 구하고, 이 편차를 제 1 저장부에 저장된 온도 테이블의 각각의 온도 검출 신호값에 보상하여 새로운 온도 테이블을 얻는 연산부;

상기 연산부에서 얻어진 새로운 온도 테이블을 저장하여 타깃의 절대 온도 분포 파악에 사용될 수 있도록 하는 제 2 저장부를 포함하여 구성되는, 비냉각형 적외선 검출기를 이용한 열상 장치를 제공한다.

이하, 첨부도면에 도시한 본 발명의 실시예에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 절대온도 측정 가능 열상 장치에서 이루어지는 절대 온도 측정 방법을 보인 흐름도이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 이루어지는 방법은 적외선 카메라의 초기 구성시에 이루어지는 단계(S100)와, 타깃의 절대 온도를 측정하고자 하는 때에 이루어지는 단계들(S200, S300, S400, S500)로 구성된다.

구체적으로 설명하면, 먼저, 비냉각형 적외선 검출기를 이용하는 적외선 카메라의 초기 구성시에, 적외선 카메라의 측정 범위에 있는 온도에 대해서 타깃의 온도와 적외선 검출기의 온도 검출 신호값 간의 관계를 나타내는 온도 테이블을 얻어 저장하는 제 1 단계(S100)가 행해진다.

이러한 온도 테이블은 정확한 값이어야 하기 때문에, 장비를 켜서 안정화될 때까지 충분한 시간 동안 기다려야 하고 주위 온도가 변하지 않도록 하여야 한다. 장비 및 주위 온도가 안정되면 적외선 카메라의 화각 전체를 가릴 정도의 블랙 바디를 적외선 카메라의 앞에 두고서 적외선 카메라의 온도 측정 범위 내에서 온도를 변화시켜가면서 각 온도에 대한 화소들의 온도 검출 신호의 평균값을 측정하고 이를 바탕으로 해서 온도와 온도 검출 신호값 간의 관계를 온도 테이블로 얻는다. 모든 온도에 대해서 온도 검출 신호값을 측정하여 얻는 것은 현실적으로 불가능하므로 일정한 온도 간격으로 구한 후 직접 측정하지 않은 온도에 대해서는 보간하여 사용한다.

이와 같이 하여 적외선 카메라의 초기 구성시에 온도 테이블이 생성된 후, 실제 사용시에는 주위 온도가 달라지고 사용 기간의 경과에 의해 장비의 특성 변화도 있게 되어 온도에 따른 온도 검출 신호값이 상이하게 되므로 타깃의 상대적인 온도 분포는 가늠할 수 있지만 절대적인 온도 분포는 알 수 없는 상황이 된다.

이러한 상황에서, 장치 구성시에 작성된 이 온도 테이블을 임의의 환경에서 절대 온도 분포 파악을 위해 사용 가능하도록 하기 위해서 이하의 과정이 행해진다. 이하의 과정은 타깃의 절대 온도를 측정하고자 하는 때의 환경하에서 실시된다.

먼저, 온도를 알고 있는 온도 레퍼런스로 적외선 카메라의 전체 화각을 가려 온도 검출 신호값을 얻는 제 2 단계(S200)를 시행한다. 이렇게 하면 그 환경하에서의 모든 측정 가능 온도에 대한 온도 테이블이 얻어지는 것은 아니나 하나의 온도와 그 온도에 대한 온도 검출 신호값이 얻어지게 된다.

그 다음에는, 제 1 단계(S100)의 온도 테이블에서의 제 2 단계(S200)에 사용된 온도 레퍼런스의 온도에 대응하는 온도 검출 신호값과, 제 2 단계(S200)에서 실제로 얻어진 온도 검출 신호값 사이의 편차를 얻는 제 3 단계(S300)을 시행한다. 제 1 단계(S100)의 온도 테이블을 얻을 때와는 주위 환경이 상이하고 장비의 상태도 상이하므로 동일한 온도에 대해서 출력되는 온도 검출 신호값은 차이가 있게 된다.

이와 같이 하나의 온도에 대해서 출력되는 온도 검출 신호값의 편차를 얻은 다음에는, 다른 온도에 대해서도 그 정도의 편차가 있을 것이므로, 구해진 편차를 제 1 단계(S100)에서 구해진 온도 테이블의 각각의 온도 검출 신호값에 보상하여 새로운 온도 테이블을 얻는 제 4 단계(S400)를 시행한다. 이와 같이 하면 현재 상황에 적절한 온도 테이블이 얻어지게 되고 온도 검출 신호값과 절대 온도가 대응된다.

이와 같이 현재 상황에 맞는 보상된 온도 테이블이 얻어진 후에는, 마지막으로, 타깃을 열상 촬영하고 제 4 단계(S400)에서 얻어진 보상된 온도 테이블을 사용하여 타깃의 절대 온도 분포를 결정하는 제 5 단계(S500)를 시행하게 된다.

이와 같은 단계들을 거침에 의해서 타깃의 절대 온도를 결정하는 것이 가능하게 된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 열상 장치에서 적외선 카메라 관련부를 보인 것이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 비냉각형 적외선 검출기를 이용한 열상 장치에서의 적외선 카메라는 타깃(100)으로부터 발해진 적외선을 집속하는 렌즈부(210)와, 렌즈부(210)에서 집속된 적외선을 검출하여 그에 상응하는 온도 검출 신호를 출력하는 비냉각형의 적외선 검출기(220)를 포함하여 구성된다.

온도 검출 신호를 받아 신호 처리하는 신호처리기(240)의 내에는 적외선 카메라의 측정 범위에 있는 온도에 대해서 타깃의 온도와 적외선 검출기의 온도 검출 신호값 간의 적외선 카메라 초기 구성시의 관계를 나타내는 온도 테이블을 저장하는 제 1 저장부(241)가 있고, 아래에 설명하는 제 2 저장부(242)와 연산부(243)가 있다.

또한 필요시 적외선 카메라의 전체 화각을 가리는 온도 레퍼런스(250)와, 상기 온도 레퍼런스(250)의 절대 온도를 적외선 카메라의 연산부(243)로 입력하는 기준 온도 입력부(260)가 있다.

상기 연산부(243)는 상기 기준 온도 입력부(260)의 온도 입력과 온도 레퍼런스를 열상 촬영하여 얻어진 실제의 온도 검출 신호값을 입력 받아, 상기 제 1 저장부(241)에 저장된 온도 테이블의 상기 기준 온도 입력부(260)의 입력 온도에 해당하는 온도 검출 신호값에서 온도 레퍼런스(250)를 열상 촬영하여 얻어진 실제의 온도 검출 신호값을 뺀 편차를 구하고, 이 편차를 제 1 저장부(241)에 저장된 온도 테이블의 각각의 온도 검출 신호값에 일괄적으로 보상하여 새로운 온도 테이블을 얻는다.

제 2 저장부(242)는 상기 연산부에서 얻어진 새로운 온도 테이블을 타깃의 절대 온도 분포 파악에 사용될 수 있도록 저장한다.

도 4에서는 제 1 저장부(241)와 제 2 저장부(242)가 별도로 있는 것으로 도시되었으나 제 1 저장부(241)와 제 2 저장부(242)가 동일하고 기존의 온도 테이블을 삭제하면서 보상된 온도 테이블이 제 1 저장부로 저장되도록 하는 것도 가능하다.

상기와 같은 구조로 되는 본 발명에 의한 비냉각형 적외선 검출기를 이용한 적외선 카메라의 구조와 작용을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

타깃(100)으로부터 나온 적외선이 렌즈부(210)로 집속되어 적외선 검출기(210)로 입력되면 적외선 검출기(210)는 이를 온도 검출 신호로 변환하여 신호처리기(240)로 보내게 된다.

신호처리기(240) 내의 제 1 저장부(241)에는, 장치의 초기 구성시에 적외선 카메라의 측정 범위에 있는 온도에 대해서 타깃(100)의 온도와 적외선 검출기(210)의 온도 검출 신호값 간의 관계를 측정하여 얻어진 온도 테이블이 저장되어 있다.

종래의 신호처리기(230)의 경우에는 이와 같은 저장된 온도 테이블을 이용하여 적외선 검출기(210)의 각각의 화소로부터 출력된 온도 검출 신호의 값에 대응하는 온도값을 신호분석 처리기(300)로 출력하였다. 이렇게 출력된 온도값은 온도 테이블이 작성되던 당시의 상황과 모든 것이 동일하다면 타깃의 정확한 온도를 반영할 것이다. 그러나 실상은 적외선 검출기(210)의 온도, 장치의 사용에 따른 특성 변화로 인해 온도 테이블의 작성 당시와는 상황이 다르므로 이 온도값은 각 화소가 나타내는 온도의 상대적인 차이만을 짐작할 수 있을 뿐 절대적인 온도값은 알려주지 못한다.

그러나 본 발명의 경우에는 상기 온도 테이블에 대해서 현재의 상황을 감안한 보상이 이루어질 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 현 상태에서의 타깃(100)의 절대 온도를 측정하고자 하는 경우에는 적외선 카메라의 전체 화각을 가리는 온도 레퍼런스(250)가 있다. 이러한 온도 레퍼런스(250)는 평상시에는 적외선 카메라의 광학계인 렌즈부(210)를 가리지 않고 있다가, 현재의 상황이 감안된 정확한 온도 테이블을 얻고자 하는 경우에 렌즈부(210)를 가리게 된다.

온도 레퍼런스(250)는, 온도 레퍼런스(250)가 렌즈부(210)를 가리는 동작이 사용자의 스위치 조작에 의해 자동으로 이루어지도록 구성될 수도 있고 사용자가 수동으로 움직여서 상기 동작이 이루어지도록 구성될 수도 있다.

상기 온도 레퍼런스(250)의 절대 온도는 기준 온도 입력부(260)에 의해 적외선 카메라의 연산부(243)로 입력된다. 이러한 기준 온도 입력부(260)는 온도 레퍼런스(250)에 부착된 온도 센서와 그 온도 센서의 값을 읽어 연산부(243)로 입력하는 온도 입력부로 구성될 수 있다.

또 다르게는, 상기 기준 온도 입력부는 온도 레퍼런스(250)의 온도를 제어하여 적당한 온도로 만들고 그 제어된 온도를 연산부로 입력하는 제어 컴퓨터일 수도 있다.

이와 같이 하여, 상기 연산부(243)는 상기 기준 온도 입력부(260)의 온도 입력과 온도 레퍼런스를 열상 촬영하여 얻어진 실제의 온도 검출 신호값을 입력 받게된다. 이러한 값을 입력받은 연산부(243)는 상기 제 1 저장부(241)에 저장된 온도 테이블의 상기 기준 온도 입력부(260)의 입력 온도에 해당하는 온도 검출 신호값에서 온도 레퍼런스(250)를 열상 촬영하여 얻어진 실제의 온도 검출 신호값을 뺀 편차를 구하고, 이 편차를 제 1 저장부(241)에 저장된 온도 테이블의 각각의 온도 검출 신호값에 일괄적으로 보상하여 새로운 온도 테이블을 얻으며, 이 보상된 온도 테이블을 제 2 저장부(242)로 저장하여 타깃의 절대 온도 분포 파악에 사용될 수 있도록 한다.

상기와 같은, 본 발명에 의한 열상 장치는 적외선 검출기의 온도 및 사용기간의 경과와 같은 환경 변화가 있는 경우에도 타깃의 상대적인 온도 차이를 검출하는 것에 그치지 않고 절대 온도를 알아낼 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 열상 장치가 예를 들어 체열진단기와 같은 의료용으로 사용될 수 있고, 정확한 온도를 측정하는 것이 필요한 산업용으로 사용될 수 있게 한다.

Claims (4)

1. 타깃으로부터 발해진 적외선을 집속하는 렌즈부와, 렌즈부에서 집속된 적외선을 검출하여 그에 상응하는 온도 검출 신호를 출력하는 적외선 검출기를 포함하여 구성되는 적외선 카메라를 구비하는 열상 장치에 있어서,

   적외선 카메라의 측정 범위에 있는 온도에 대해서 타깃의 온도와 적외선 검출기의 온도 검출 신호값 간의 적외선 카메라 초기 구성시의 관계를 나타내는 온도 테이블을 저장하는 제 1 저장부;

   필요시 원하는 절대 온도로 적외선 카메라의 전체 화각을 가리는 온도 레퍼런스;

   상기 온도 레퍼런스의 절대 온도를 적외선 카메라로 입력하는 기준 온도 입력부;

   상기 기준 온도 입력부의 온도 입력과 온도 레퍼런스를 열상 촬영하여 얻어진 실제의 온도 검출 신호값을 입력 받아, 상기 제 1 저장부에 저장된 온도 테이블의 상기 기준 온도 입력부의 입력 온도에 해당하는 온도 검출 신호값과 온도 레퍼런스를 열상 촬영하여 얻어진 실제의 온도 검출 신호값 사이의 편차를 구하고, 이 편차를 제 1 저장부에 저장된 온도 테이블의 각각의 온도 검출 신호값에 보상하여 새로운 온도 테이블을 얻는 연산부;

   상기 연산부에서 얻어진 새로운 온도 테이블을 저장하여 타깃의 절대 온도 분포 파악에 사용될 수 있도록 하는 제 2 저장부를 포함하여 구성되는 절대온도 측정 가능 열상 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 저장부와 제 2 저장부는 동일한 것으로서 보상된 새로운 온도 테이블이 제 1 저장부로 저장되도록 구성되는 것을 특징을 하는 절대온도 측정 가능 열상 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 온도 입력부는 온도 레퍼런스에 부착된 온도 센서와 그 온도 센서의 값을 읽어 연산부로 입력하는 온도 입력부로 구성되는 것을 특징으로 하는 절대온도 측정 가능 열상 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 온도 입력부는 온도 레퍼런스의 온도를 제어하고 그 제어된 온도를 연산부로 입력하는 제어 컴퓨터인 것을 특징으로 하는 절대온도 측정 가능 열상 장치.