KR20230092879A - 고속 이동 미립자 특성화를 위한 방법, 시스템, 및 조명 모듈 - Google Patents
고속 이동 미립자 특성화를 위한 방법, 시스템, 및 조명 모듈 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고속 이동 미립자 특성화를 위한 시스템, 방법, 및 조명 모듈을 제공한다. 조명 모듈은 비간섭성 또는 반간섭성 광의 광 빔을 발생시키기 위해 미립자들에 지향되는 광원; 및 트리거 신호의 수신시 광원을 지향시켜서 광 빔을 발생시키기 위해 광원에 결합된 펄스 발생기를 포함하고, 펄스는 나노초 스케일의 시간 주기를 포함한다. 경우에 따라, 광 빔은 광학 요소를 사용하여 균질한 플랫-톱 프로파일로 조정될 수 있다. 경우에 따라, 트리거 신호는 카메라 모듈에 의해 생성되고, 임의의 노이즈를 보상하기 위해 동기화 보드를 통과한다.
Description
본 발명은 일반적으로 미립자 이미징(particle imaging)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고속 이동 미립자 특성화(fast-moving particle characterization)를 위한 시스템, 방법, 및 조명 모듈(lighting module)에 관한 것이다.
스프레이 노즐들은 스프레이 냉각 시스템, 코팅 디바이스, 농업 산업에서의 관개(irrigation) 및 살충제 적용, 및 대부분 엔진의 연료 분사 시스템과 같은 다양한 적용 분야를 갖는다. 스프레이 노즐에 의해 형성되는 스프레이(spray)들은 노즐 형상, 유체 유동률과 압력, 및 유체 특성에 따라 달라지는 방울(droplet)들의 크기와 속도 분포에 의해 특정된다. 방울 크기 분포는 시스템이 스프레이를 사용하는 방식에 영향을 미치는 스프레이의 중요한 특징이다. 예를 들어, 방울 크기 분포는 냉각 속도와 냉각 균일성을 변경하여 최종 제품 품질을 변경한다. 액체 연료 연소 엔진에서, 연료 스프레이 방울 크기 분포는 연소 효율과 오염 발생률을 변경한다. 농업 산업에서, 살충제 방울의 크기는 농작물 적용 범위의 효율성을 나타내고 살충제 방울들이 바람에 의해 멀리 날려 환경에 대한 위험성의 가능성이 있다.
코팅 응용 분야에서, 코팅의 일관성과 코팅의 두께는 스프레이 노즐에 의해 생성되는 방울들의 크기에 따라 달라진다.
일 양태에서, 고속 이동 미립자 특성화를 위한 조명 모듈이 제공되고, 이 조명 모듈은 비간섭성(incoherent) 또는 반간섭성(semi-coherent) 광의 광 빔(light beam)을 발생시키기 위해 미립자들에 지향되는 광원(light source); 및 트리거 신호의 수신시 광원을 지향시켜서 광 빔을 발생시키기 위해 광원에 결합된 펄스 발생기(pulse generator)로서, 펄스는 나노초 스케일(nanosecond scale)의 시간 주기를 포함하는, 상기 펄스 발생기(pulse generator)를 포함한다.
특정 경우에, 광원은 적외선 레이저들을 포함한다.
특정 경우에, 광원은 하나 이상의 저배율 렌즈를 더 포함한다.
특정 경우에, 광원은 적어도 하나의 근적외선 레이저 다이오드를 포함한다.
특정 경우에, 광원은 근적외선 레이저 다이오드들의 어레이를 포함한다.
특정 경우에, 광원은 적어도 하나의 근적외선 발광 다이오드를 포함한다.
특정 경우에, 광원은 근적외선 발광 다이오드들의 어레이를 포함한다.
특정 경우에, 광원으로부터 생성된 광은 어레이에서 각 다이오드로부터의 빔들의 조합이다.
특정 경우에, 빔들은 광학 요소들을 사용하여 비간섭성 또는 반간섭성 광의 균질한 플랫-톱 프로파일(homogeneous flat-top profile)로 조정된다.
특정 경우에, 광학 요소들은 광을 균질화하고 디코히러하는(decohere) 균질화 라이트 로드(light rod)를 포함한다.
특정 경우에, 광학 요소들은 광을 디코히러하기 위한 디퓨저(diffuser)를 포함한다.
특정 경우에, 광학 요소들은 광을 시준하기 위한 콜리메이터(collimator)를 포함한다.
특정 경우에, 콜리메이터는 비구면 이중 렌즈이다.
특정 경우에, 광학 요소들은 마이크로렌즈 어레이를 포함한다.
특정 경우에, 광학 요소들은 액체 광 가이드를 포함한다.
특정 경우에, 광학 요소들은 광섬유 케이블(fiber optic cable)을 포함한다.
특정 경우에, 광 빔은 85uJ 미만의 광학 출력(optical power)을 갖는다.
특정 경우에, 광 빔은 65uJ 정도의 광학 출력을 갖고 펄스는 10ns 내지 100ns 정도의 지속 시간을 갖는다.
특정 경우에, 광원은 532nm의 파장을 갖는다.
특정 경우에, 광원은 905nm의 파장을 갖는다.
다른 양태에서, 고속 이동 미립자 특성화를 위한 장치가 제공되고, 이 장치는 비간섭성 또는 반간섭성 광의 광 빔을 발생시키기 위해 미립자들에 지향되는 광원; 트리거 신호의 수신시 광원을 지향시켜서 광 빔을 발생시키기 위해 광원에 결합된 펄스 발생기로서, 상기 펄스는 나노초 스케일의 시간 주기를 포함하는, 상기 펄스 발생기; 및 광 빔에 의해 조명될 때 미립자들의 이미지를 캡처하기 위한 카메라를 포함한다.
특정 경우에, 장치는 스프레이 환경에 삽입할 수 있다.
특정 경우에, 장치는 광원, 펄스 발생기 및 카메라를 둘러싸는 기계적 하우징을 더 포함한다.
특정 경우에, 하우징은 위험한 장소들에서 잠수 가능하고 작동 가능하다.
특정 경우에, 광원은 적외선 레이저들을 포함한다.
특정 경우에, 광원은 하나 이상의 저배율 렌즈를 더 포함한다.
특정 경우에, 카메라는 고해상도 카메라이다.
특정 경우에, 카메라는 특정 작업 거리에 초점을 맞추도록 미리 구성된다.
특정 경우에, 장치는 고투과율 및 저배율을 갖는 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)를 더 포함한다.
특정 경우에, 장치는 카메라와 미립자 사이에 배치된 윈도우(window)를 더 포함한다.
특정 경우에, 장치는 윈도우 상에 미립자들과 부스러기(debris)가 쌓이는 것을 방지하기 위해 윈도우와 미립자들 사이에 배치된 퍼지 플레이트를 더 포함한다.
특정 경우에, 장치는 퍼지 플레이트에 근접한 출구와 유체 연통하는 퍼지 입구를 더 포함하고, 퍼지 입구를 통해 유동하는 유체는 퍼지 플레이트를 따라 커튼(curtain)을 형성하여 윈도우 상에 미립자들과 부스러기가 쌓이는 것을 추가로 방지한다.
특정 경우에, 유체는 압축 공기, 불활성 가스, 용매, 물, 또는 알코올 중 하나이다.
특정 경우에, 윈도우는 윈도우 상에 미립자들과 부스러기가 쌓이는 것을 방지하기 위해 립(lip)을 더 포함한다.
특정 경우에, 하우징은 하우징의 윈도우를 청소하기 위한 에어 커튼(air curtain)을 포함한다.
특정 경우에, 장치는 크기, 형상, 속도, 수, 및 밀도 중 하나 이상을 포함하는 미립자들의 특성을 결정하기 위한 이미지 분석 모듈을 더 포함한다.
특정 경우에, 이미지 분석 모듈은 카메라와 광원을 또한 둘러싸는 하우징 내에 물리적으로 배치된다.
특정 경우에, 이미지 분석 모듈은 카메라와 광원을 둘러싸는 하우징으로부터 물리적으로 떨어져서 배치된다.
특정 경우에, 장치는 동기화 보드를 더 포함하고, 펄스 발생기는 동기화 보드에 의해 트리거되고, 동기화 보드는 카메라로부터 트리거 신호를 수신한다.
특정 경우에, 동기화 보드는 잡음 감소 알고리즘을 실행하여 잡음 감소 신호를 펄스 발생기로 출력한다.
특정 경우에, 광원은 적어도 하나의 근적외선 레이저 다이오드를 포함한다.
특정 경우에, 광원은 근적외선 레이저 다이오드들의 어레이를 포함한다.
특정 경우에, 광원은 적어도 하나의 근적외선 발광 다이오드를 포함한다.
특정 경우에, 광원은 근적외선 발광 다이오드들의 어레이를 포함한다.
특정 경우에, 광원으로부터 생성된 광은 어레이에서 각 다이오드로부터의 빔들의 조합이다.
특정 경우에, 빔들은 광학 요소들을 사용하여 비간섭성 또는 반간섭성 광의 균질한 플랫-톱 프로파일로 조정된다.
특정 경우에, 광학 요소들은 광을 균질화하고 디코히러하는 균질화 라이트 로드를 포함한다.
특정 경우에, 광학 요소들은 광을 디코히러하기 위한 디퓨저를 포함한다.
특정 경우에, 광학 요소들은 광을 시준하기 위한 콜리메이터를 포함한다.
특정 경우에, 콜리메이터는 비구면 이중 렌즈이다.
특정 경우에, 광학 요소들은 마이크로렌즈 어레이를 포함한다.
특정 경우에, 광학 요소들은 액체 광 가이드를 포함한다.
특정 경우에, 광학 요소들은 광섬유 케이블을 포함한다.
특정 경우에, 광 빔은 85uJ 미만의 광학 출력을 갖는다.
특정 경우에, 광 빔은 65uJ 정도의 광학 출력을 갖고 펄스는 10ns 내지 100ns 정도의 지속 시간을 갖는다.
특정 경우에, 카메라는 6 내지 9 메가픽셀(megapixels) 범위의 해상도, 0.9um 내지 3um 사이의 픽셀 크기(pixel size), 0.5 내지 3 사이의 배율, 및 100mm 내지 400mm 사이의 초점면 거리(focal plan distance)를 갖는다.
특정 경우에, 광원은 532nm의 파장을 갖는다.
특정 경우에, 광원은 905nm의 파장을 갖는다.
또 다른 양태에서, 고속 이동 미립자 특성화를 위한 방법이 제공되고, 이 방법은 미립자들에 광원을 지향시키는 단계로서, 상기 광원은 비간섭성 또는 반간섭성 광의 광 빔을 발생시키도록 구성된, 상기 지향시키는 단계; 트리거 신호의 수신시 광원을 지향시켜서 광 빔을 발생시키는 단계로서, 광 빔은 나노초 스케일의 시간 기간 동안 조명되는, 상기 발생시키는 단계; 및 광 빔에 의해 조명될 때 미립자들의 이미지를 캡처하는 단계;를 포함한다.
특정 경우에, 광 빔은 적외선 광 빔이다.
특정 경우에, 광 빔은 근적외선 광 빔이다.
특정 경우에, 광 빔은 특정 작업 거리에 초점을 맞추도록 미리 구성된 카메라에 의해 캡처된다.
특정 경우에, 카메라는 사용자에 의한 정렬을 요구하지 않는다.
특정 경우에, 이 방법은 복수의 광원들로부터 광 빔을 얻는 단계를 더 포함하고, 광원들의 각각으로부터의 광은 광학 요소들을 사용하여 비간섭성 또는 반간섭성 광의 균질한 플랫-톱 프로파일로 조정된다.
이들 및 다른 양태들은 본 명세서에서 고려되고 설명된다. 전술한 요약은 본 기술 분야의 통상의 기술자가 하기 상세한 설명을 이해하는 데 도움이 되는 시스템 및 방법의 대표적인 양태들을 제시하는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 특징들은 첨부된 도면들을 참조하는 하기 상세한 설명에서 더욱 명백해질 것이다:
도 1은 일 실시예에 따른 고속 이동 미립자 특성화를 위한 시스템의 개략도;
도 2는 일 실시예에 따른 조명 모듈의 개략도;
도 3은 일 실시예에 따른 하우징의 사시도;
도 4는 도 3의 하우징을 위한 전방 단부 편의 사시도;
도 5는 일 실시예에 따른 이미지 분석 모듈의 개략도;
도 6은 일 실시예에 따른 고속 이동 미립자 특성화를 위한 방법의 흐름도;
도 7은 예시적인 광-절연체(opto-isolator)의 개략도;
도 8은 다양한 예시적인 트리거링 모드들을 도시하는 도면;
도 9는 카메라 프로브의 예시의 절결도;
도 10은 레이저 프로브의 예시의 절결도;
도 11a는 도 1의 시스템을 사용하여 촬영한 예시적인 바이오디젤 스프레이 형성 이미지를 도시한 도면;
도 11b는 도 1의 시스템을 사용하여 촬영한 예시적인 물의 이미지를 방울들로 분산한 것을 도시한 도면;
도 12a는 도 1의 시스템을 사용한 예시적 실험으로부터의 크기 분포를 도시한 그래프; 및
도 12b는 예시적인 실험을 위한 상이한 스프레이들 사이의 누적 용적 분포의 비교를 도시한 도면.
도 1은 일 실시예에 따른 고속 이동 미립자 특성화를 위한 시스템의 개략도;
도 2는 일 실시예에 따른 조명 모듈의 개략도;
도 3은 일 실시예에 따른 하우징의 사시도;
도 4는 도 3의 하우징을 위한 전방 단부 편의 사시도;
도 5는 일 실시예에 따른 이미지 분석 모듈의 개략도;
도 6은 일 실시예에 따른 고속 이동 미립자 특성화를 위한 방법의 흐름도;
도 7은 예시적인 광-절연체(opto-isolator)의 개략도;
도 8은 다양한 예시적인 트리거링 모드들을 도시하는 도면;
도 9는 카메라 프로브의 예시의 절결도;
도 10은 레이저 프로브의 예시의 절결도;
도 11a는 도 1의 시스템을 사용하여 촬영한 예시적인 바이오디젤 스프레이 형성 이미지를 도시한 도면;
도 11b는 도 1의 시스템을 사용하여 촬영한 예시적인 물의 이미지를 방울들로 분산한 것을 도시한 도면;
도 12a는 도 1의 시스템을 사용한 예시적 실험으로부터의 크기 분포를 도시한 그래프; 및
도 12b는 예시적인 실험을 위한 상이한 스프레이들 사이의 누적 용적 분포의 비교를 도시한 도면.
실시예들은 이제 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 예시의 단순성과 명확성을 위해 적절하다고 고려되는 경우, 참조 번호들은 대응 또는 유사한 요소들을 나타내기 위해 도면들 중에 반복될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 설명된다. 그러나, 본 명세서에 설명된 실시예들이 이들 구체적인 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것은 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 다른 경우에, 공지된 방법들, 절차들, 및 구성요소들은 본 명세서에 설명된 실시예들을 모호하게 하지 않기 위해 상세히 설명되지 않을 수 있다. 또한, 설명은 본 명세서에 설명된 실시예들의 범위를 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다.
본 명세서 전반에 걸쳐 사용된 다양한 용어들은 문맥상 달리 나타내지 않는 한 다음과 같이 읽고 이해될 수 있다: 명세서 전반에 걸쳐 사용된 "또는(or)"은 "및/또는(and/or)"으로 기재된 바와 같이 포괄적이고; 명세서 전반에 걸쳐 사용된 단수 관사 및 대명사는 복수형을 포함하며 그 반대도 마찬가지이고; 유사하게, 성별 대명사는 그들의 대명사를 포함하므로 대명사가 본 명세서에 설명된 어떤 것도 단일 성(single gender)에 의한 사용, 구현, 성능 등으로 제한하는 것으로 이해되어서는 안 되고; "예시적인(exemplary)"은 "도시적인" 또는 "예시하는"으로 이해되어야 하며 반드시 다른 실시예들보다 "바람직한" 것으로 이해되어야 하는 것은 아니다. 용어들에 대한 추가 정의는 본 명세서에 설명될 것이고; 이들은 본 명세서의 설명을 읽음으로써 이해되는 바와 같이 해당 용어들의 이전 및 후속 예시들에 적용될 수 있다.
명령들을 실행하는 본 명세서에 예시된 임의의 모듈, 유닛, 컴포넌트, 서버, 컴퓨터, 터미널, 엔진 또는 디바이스는 저장 매체, 컴퓨터 저장 매체, 또는 예를 들어 자기 디스크, 광 디스크, 또는 테이프와 같은 데이터 저장 디바이스(이동식 및/또는 비이동식)와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하거나 또는 이들에 접근가능하다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독 가능 명령, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 다른 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현되는 휘발성 및 비휘발성(volatile and non-volatile), 이동식 및 비이동식(removable and non-removable) 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체의 예시들로는 RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리 또는 다른 메모리 기술, CD-ROM, 디지털 다기능 디스크(DVD) 또는 다른 광학 저장 장치, 자기 카세트, 자기 테이프, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 원하는 정보를 저장하기 위해 사용할 수 있고 애플리케이션, 모듈 또는 양자에 의해 액세스할 수 있는 다른 모든 매체를 포함한다. 이러한 컴퓨터 저장 매체는 디바이스의 일부일 수 있거나 또는 디바이스에 액세스 또는 연결할 수 있다. 또한, 문맥상 명백히 달리 나타내지 않는 한, 본 명세서에 명시된 임의의 프로세서 또는 컨트롤러는 단일 프로세서 또는 복수의 프로세서들로 구현될 수 있다. 복수의 프로세서들은 배열되거나 분포될 수 있고, 본 명세서에 언급된 모든 처리 기능은 단일 프로세서가 예시되더라도 하나 또는 복수의 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 본 명세서에 설명된 임의의 방법, 애플리케이션, 또는 모듈은 그러한 컴퓨터 판독 가능 매체에 의해 저장 또는 보유될 수 있고 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 판독 가능/실행 가능 명령들을 사용하여 구현될 수 있다.
하기 설명은 일반적으로 미립자 이미징에 관한 것이고. 보다 구체적으로는 고속 이동 미립자 특성화를 위한 시스템, 방법, 및 조명 모듈에 관한 것이다.
미립자 크기의 비접촉식 측정을 위한 다양한 예시적 접근 방법들은: (1) 광학 미립자 계수기(counter), (2) 레이저 회절 분석기(analyzer), 및 (3) 레이저 또는 위상 도플러 풍속계(phase doppler anemometry)를 포함한다. 이러한 접근 방법들 대부분은 검출된 산란광의 강도를 증가시키기 위해 여러 렌즈들과 집광 수단(collection optics)을 갖는다. 스프레이와 입자 유동(particulate flow)을 설비에서 멀어지게 유지하기 위해, 스프레이 또는 입자 유동은 일반적으로 광학 윈도우를 갖는 챔버에 있어야 하거나 또는 검출 장비는 스프레이로부터 멀리 떨어져서 배치되어야 한다. 일반적으로, 이러한 결과들은 고강도 광과 고출력 광학 양자가 필요하기 때문에 설비 비용이 크게 증가한다.
다른 접근 방법들은 방울 크기의 목적을 위해 스프레이들의 이미지를 지향시키는 것을 제공한다. 그러나, 이러한 접근 방법들 중 다수는 일반적으로 방수 및 방진이 아니므로, 스프레이 내부에 삽입될 수 없다. 따라서, 이러한 접근 방법들은 스프레이가 유동하는 챔버 외부에 또는 내부에 배치되어야 하며, 챔버에는 스프레이를 이미징하기 위한 광학 윈도우가 설치되어 있다. 다른 접근 방법들에서, 스프레이에 직접 노출됨 없이 시스템이 스프레이 외부에 배치될 수 있도록 카메라의 초점 길이는 충분히 크게 만들어진다. 이러한 접근 방법들의 경우, 강력한 광원은 일반적으로 스프레이를 통과하기 위해 필요하고 스프레이를 적절하게 조명하기에 충분한 발광력을 갖는다. 그러한 광원은 주로 레이저 광원이고 상대적으로 비싸기 때문에, 접근 방법 전체가 매우 비싸다.
양호하게는, 본 실시예들은 스프레이 환경에 삽입되는 미립자 특성화 장치를 사용하여 적어도 방울 크기 분포의 정확한 측정을 제공함으로써 종래 기술의 단점들 중 적어도 일부를 해결한다. 일부 실시예들에서, 미립자들의 이미징을 지향시키는 것은 미립자 움직임을 정지시키기 위한 나노-플래시(nano-flash) 및 미립자들을 캡처하기 위한 고속 카메라를 사용하여 수행된다. 경우에 따라, 조명과 카메라 양자는 기계적 하우징 내에 배치되어 위험한 장소들에서 잠수 가능하고 작동할 수 있다. 경우에 따라, 하우징은 적절한 이미징을 위해 하우징의 윈도우를 깨끗하게 유지하기 위해 에어 커튼을 포함한다.
일 예시에서, 본 명세서의 실시예들은 양호하게는 고속 미립자들을 추적하기 위한 고해상도 카메라를 나노초(nanosecond) 발광 다이오드(LED) 플래시 광(flash-light)과 결합할 수 있다. 이미징 결과들은 크기, 형상, 속도, 수, 및 밀도를 포함하는 고속 이동 미립자들의 특성화를 결정하기 위해 분석될 수 있다.
본 명세서의 실시예들은 매우 짧은 지속 시간의 플래시를 제공하여 고속 이동 미립자들의 움직임을 효과적으로 '정지(freeze)'시켜서 모션 블러(motion blur)를 방지한다. 본 명세서의 실시예들은 또한 상이한 광 파장을 제공하여 광이 매체를 통과하고 일반적으로 측정되는 미립자들 또는 방울들과만 상호작용하는 것을 보장한다. 본 발명의 실시예들은 또한 캡처된 이미지가 특정 작동 거리에 초점이 맞도록 보장하기 위한 접근 방법을 제공하여, 정렬 및 초점을 맞출 필요가 없고 또한 시스템을 완전히 잠수시킬 필요가 없기 때문에 양호하게는 사용자를 위해 쉽게 만들 수 있다. 본 명세서의 실시예들은 또한 미립자 및 방울 크기 및 형상 분포의 결정을 허용한다.
도 1은 일 실시예에 따른 고속 이동 미립자 특성화(fast-moving particle characterization)를 위한 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 시스템(100)은 조명 모듈(102), 카메라 모듈(104), 및 이미지 분석 모듈(106)을 포함한다. 모듈들은 상호연결될 수 있거나 또는 임의의 적합한 방식을 사용하여 연통될 수 있다. 경우에 따라, 시스템(100)은 카메라 모듈(104)과 조명 모듈(104)을 수용하기 위한 하우징(108)을 더 포함하고, 일부 경우에, 이미지 분석 모듈(106)을 또한 포함한다. 다른 경우에, 이미지 분석 모듈(106)은 하우징(108)으로부터 떨어져 있을 수 있다.
도 2는 광원(110)(예를 들어, 적층형 레이저 다이오드 어레이, 발광 다이오드(LED), 근적외선(NIR) 레이저 다이오드 등), 펄스 발생기(112)(전류 증폭기 또는 함수 발생기라고도 함), 동기화 보드(118), 및 빔을 조정하기 위한 광학 요소들(120)을 포함하는 조명 모듈(102)의 예시적인 실시예를 도시한다. 일 실시예에서, 레이저 다이오드 어레이는 밝고 콤팩트하기 때문에 광원(110)으로서 사용할 수 있다. 경우에 따라, 광원(110)은 레이저 다이오드 어레이를 위한 레이저 드라이버와 같은 적절한 드라이버를 포함할 수 있다. 대부분의 경우에, 짧은 나노초 플래시(short nanosecond flash)가 미립자들의 움직임을 정지시키기 위해 필요하기 때문에, 광 강도는 미립자들을 적절하게 조명하기 위해 충분히 높아야 한다. 통상적인 레이저 다이오드의 광 강도의 공칭 값이 사용되면, 짧은 지속 시간으로 인해 카메라 센서로 이미지를 캡처하기 위한 충분한 광 에너지가 제공되지 않을 수 있다. 따라서 이러한 짧은 지속 시간의 플래시들을 위해서는 광 출력이 상당히 높아야 한다. 이를 달성하기 위해, 조명 모듈(102)은 고강도 나노초 플래시를 허용하는 전류를 제공할 수 있는 펄스 발생기(112)를 포함한다. 예시로, 레이저 펄스 에너지는 65uJ 정도일 수 있고 플래시는 10ns 내지 100ns 정도일 수 있다.
양호하게는, 조명 모듈(102)은 저출력 가시 파장 레이저와 대조적으로 고출력 NIR 레이저 다이오드 또는 LED를 사용할 수 있다. 양호하게는, NIR 레이저는 동일한 출력을 갖는 가시 스펙트럼 레이저보다 더 콤팩트할 수 있다. 레이저 출력과 파장 사이에는 반비례 관계가 있다. 대부분의 다른 접근 방법이 가시 파장을 사용하는 반면, 조명 모듈(102)은 NIR 레이저 다이오드를 사용하여 캡처된 이미지에서 유사한 밝기를 얻지만 스프레이에 더 잘 침투하는 광을 얻을 수 있다.
광원(110)으로부터 생성된 광은 각각 개별 다이오드 또는 LED로부터의 빔들의 조합일 수 있다. 이미징을 위해, 빔(beam)은 광학 요소들(120)을 사용하여 비간섭성(incoherent) 또는 반간섭성(semi-coherent) 광의 균질한 플랫-톱 프로파일(homogeneous flat-top profile)로 조정될 수 있다. 대부분의 경우에, 빔은 이미지의 특정 부분들을 증폭하지 않기 위해 플랫-톱이어야 하고, 따라서 이미지 분석을 더 정확하게 한다. 균질한 플랫-톱 프로파일은 일반적으로 레이저를 가로지르는 다양한 영역들이 동일한 밝기임을 의미한다. 대부분의 레이저들은 자연적으로 빔의 중심에서 더 밝고 중심으로부터 멀어질수록 덜 밝다. 이미징을 위해, 이 속성은 이미지의 모든 부분에 걸쳐 균일한 조명이 선호되기 때문에 단점을 갖는다. 특정 부분들이 더 밝게 되면, 캡처된 이미지와 데이터의 일부가 손실되어 과다 노출될 수 있거나, 또는 증폭된 부분이 정확한 노출 레벨에 있으면, 이미지의 다른 부분들은 노출하에서 데이터가 손실될 수 있다. 광학 구성요소들이 사용되어 레이저 빔 전체의 장소들에서 동일하거나 유사한 밝기를 갖는 레이저 빔을 생성할 수 있다. 즉, 레이저의 프로파일은 "플랫(flat)"이라고 한다.
빔은 일반적으로 비간섭성 또는 반간섭성 광으로 형성되는데, 그 이유는 간섭성 광이 일반적으로 이미지 평면에서 물체들 주위에 상당한 회절 패턴들을 형성하여 이미지 분석을 더 어렵게 만들기 때문이다. 광학 요소들(120)의 예시들에서, 빔은 광을 균질화하고 디코히러(decoheres)하기 위해 작용하는 균질화 라이트 로드(light rod)를 먼저 통과시킴으로써 형성될 수 있다. 그런 다음, 빔은 광을 더 디코히러하기 위해 디퓨저(diffuser)를 통과할 수 있다. 그런 다음, 빔은 광을 시준하기 위해 디바이스, 예를 들어 비구면 이중 렌즈를 통과할 수 있다. 다른 경우에, 마이크로 렌즈 어레이, 액체 광 가이드, 및 광섬유 케이블이 사용될 수 있다. 광의 일관성을 떨어뜨리는 임의의 적절한 접근 방법이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
광원(110)은 동기화 보드(118)로부터 트리거 신호를 수신하는 펄스 발생기(112)에 의해 구동될 수 있다. 펄스 발생기(112)는, 예를 들어 1나노초 정도로 낮은 특정 지속 시간을 갖는 고전압 및/또는 고전류 펄스들을 생성할 수 있다. 광 펄스의 지속 시간 및 전압과 전류의 파라미터들은 동기화 보드(118)로부터 트리거 신호를 수신할 수 있는 펄스 발생기(112)를 사용하여 제어될 수 있다. 트리거 신호는 일반적으로 카메라 모듈(104)에 의해 발생되고, 이는 카메라 모듈(104) 출력과 조명 모듈(102) 사이의 임의의 노이즈를 보상하기 위해 동기화 보드(118)로 전달된다. 트리거 신호는 광원(110)을 트리거하여 시야를 작동시켜서 조명하기 위해 사용되는 카메라에 의해 출력되는 전기 펄스일 수 있다. 대부분의 경우에, 트리거 신호는 카메라가 이미지를 촬영하도록 설정되기 직전에 카메라에 의해 자동으로 생성될 수 있다.
카메라 모듈(104)의 카메라는 노이즈일 수 있는 동기화 신호를 출력한다. 경우에 따라, 이러한 노이즈로 인해, 동기화 신호가 펄스 발생기(112)에 직접 전송되면, 광원(110)은 잘못 트리거될 수 있다. 이러한 방식에서, 동기화 보드(118)는 카메라 모듈(104)과 펄스 발생기(112) 사이에서 사용될 수 있다. 경우에 따라, 동기화 보드(112)는 배경 노이즈에 걸쳐 카메라 신호를 정확하게 검출하여 노이즈 감소된 신호를 펄스 발생기(112)로 출력할 수 있다. 동기화 보드(118)는 임의의 적합한 노이즈 감소 알고리즘을 사용할 수 있다.
펄스 발생기(112)가 동기화 보드(118)로부터 트리거 신호를 수신하면, 펄스 발생기(112)는 광으로 변환되는 광원(110)에 펄스(대부분의 경우에, 고전압, 고전류 펄스)를 전송한다. 펄스 발생기(112)로부터 광원(110)으로의 연결은 일반적으로 매우 낮은 인덕턴스(inductance)를 갖는다. 많은 경우에, 광원(110)에 최대 에너지를 전달하기 위해, 펄스 발생기(112)는 광원(110) 가까이에 위치할 수 있다.
일반적으로, 다른 접근 방법들의 경우, 대물 렌즈들의 배율은 캡처된 물체의 거리에 따라 변경된다. 이것은 사용자가 무작위로 분포된 미립자들 및 방울(droplet)들을 공간에서 보정하기가 어렵다. 이러한 포커싱(focusing) 및 캘리브레이션(calibration)의 필요성을 배제하기 위해, 카메라 모듈(104)은 텔레센트릭 렌즈(Telecentric lens)를 사용할 수 있다. 텔레센트릭 렌즈들은 렌즈 표면에 수직인 광만을 수용하므로, 시야에 있는 모든 물체는 피사계 심도 내의 모든 거리에서 동일한 크기를 유지한다. 본 발명자들은 (i) 카메라 해상도 및 픽셀 크기(pixel size), 및 (ii) 적합한 배율, 초점 거리, 및 5㎛만큼 작은 미립자들을 포착하기 위한 피사계 심도를 갖는 텔레스코픽 렌즈의 적절한 조합을 결정하기 위해 예시적인 테스트를 수행했다. 본 발명자들은 시스템(100)이 위험한 장소 요건들에서 사용되는 미립자들을 5미크론(microns)까지 측정할 수 있다고 결정했다. 테스트에서, 해상도는 6 내지 18MPix 범위, 픽셀 크기는 0.9um 내지 3um 범위, 배율은 0.5x 내지 3x 범위, 초점면 거리(작업 거리)는 100mm 내지 400mm 범위이다.
경우에 따라, 광 출력은 위험한 장소(Haz Loc) 요건들을 충족하기 위해 제한될 수 있다. 그러한 경우에, 광 출력은 광원(110)이 본질적으로 안전한 것을 보장하기 위해 펄스당 85uJ 이하로 낮아질 수 있다. 양호하게는, 카메라 모듈(104)의 카메라와 렌즈 조합은 고투과율과 저배율을 갖는 텔레센트릭 렌즈, 뿐만 아니라 저배율 렌즈를 보완하기 위해 물리적으로 작은 픽셀을 갖는 카메라를 사용하는 낮은 조명/전력에 민감하다. 카메라 모듈(104)의 이러한 배열은 조명 모듈(102)이 소형 저출력 레이저를 사용할 수 있게 한다. 양호하게는, 시스템(100)은 측정 위치를 변경할 필요 없이 동일한 작동 거리에 대해 다양한 배율 렌즈들을 사용할 수 있다. 저배율 렌즈는 일반적으로 물리적으로 작기 때문에 이러한 렌즈들은 다른 접근 방식들보다 더 콤팩트한다.
하우징(108)은 양호하게는 광학 및 전자 구성요소들 모두를 둘러쌀 수 있다. 이러한 방식으로, 고정된 조명 모듈(102) 및 카메라 모듈(104) 위치들이 단순화된 측정 절차를 허용하므로 사용자는 일반적으로 정확한 설정을 찾는 것에 대해 걱정할 필요가 없다. 하우징(108)은 또한 스프레이의 미스트 환경 또는 임의의 다른 주변 조건들로부터 구성요소들을 양호하게 보호한다. 이 특성은 시스템(100)이 일반적으로 인라인(inline)으로 위치 설정되고, 경우에 따라 스프레이 또는 입자 유동(particulate flow) 내부에 위치 설정될 수 있기 때문에 중요한다. 따라서, 시스템(100)은 측정 구성요소들이 측정 중인 미립자들에 매우 가깝기 때문에 비용이 저렴하고 크기가 작으며 사용하기 쉽다. 이러한 환경에서, 하우징(108)은 습기로부터 시스템(100)의 구성요소들을 효과적으로 보호할 수 있다. 하우징(108)은 또한 양호하게는 하우징(108) 내부의 구성요소들을 외부 환경으로부터 분리시킨다. 경우에 따라, 시스템(100)은 미립자들의 화학적 구성으로 인해 매우 높은 폭발 위험성이 있을 수 있는 위험한 장소 또는 산업 지역과 같은 스프레이 환경에서 작동할 수 있다. 스파크 또는 작은 폭발이 하우징 내부에서 발생하면, 스프레이 환경 내에서 추가 점화 또는 폭발을 일으키지 않는 것이 중요하다.
양호하게는, 조명 모듈(102)은 더 작은 하우징(108)을 허용하고 전체 시스템(100)의 크기를 최소화한다. 본 발명자들은 시스템(100)을 구현하는 디바이스를 먼지 및 액체에 대해 보호하기 위해 테스트하였다. 이러한 테스트 하에서, 하우징(108)은 공기역학적이며 컴팩트할 뿐만 아니라 방수 및 방진인 것으로 결정되었다. 이러한 테스트에서, 시스템(100)은 산업용 스프레이 환경과 같은 위험한 장소에서 작동할 수 있도록 테스트되었다.
도 3은 하우징(108)의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 예시에서, 조명 모듈(102)을 포함하는 하우징(108)의 조명 프로브(354)는 원통형일 수 있다. 이 예시에서, 카메라 모듈(104)을 포함하는 하우징(108)의 카메라 프로브(352)는 또한 원통형일 수 있다. 적어도 이미지 분석 모듈(106)을 포함하는 하우징(108)의 이미징 섹션(356)은 카메라 프로브(352) 및 조명 프로브(354)에 연결될 수 있다. 하우징(108)은 시스템(100)의 구성요소들 사이에서 연통하기 위해 하우징 연통 채널들 내에서 도관(conduit)들을 포함할 수 있다. 다른 예시들에서, 하우징과 프로브의 임의의 적합한 배열이 사용될 수 있다는 것이 이해된다. 이 예시에서, 하우징(108)은 스테인리스 스틸로 만들어지고; 그러나 추가 예시들에서 알루미늄과 같은 임의의 다른 적합한 재료일 수 있다. 양호하게는, 이 예시에서 시스템(100)은 예를 들어, 0 내지 60℃의 광범위한 온도 범위에서 작동할 수 있다.
도 9는 카메라 프로브(352)의 예시의 절결도(cutaway view)를 도시하고, 도 10은 레이저 프로브(354)의 예시의 절결도를 도시한다. 경우에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 조명 프로브(354)와 카메라 프로브(352)는 각각 방진 및 액밀 인클로저를 형성하는 전방 윈도우를 가질 수 있다. 경우에 따라, 카메라 프로브(352) 윈도우의 전방에서, 퍼지 플레이트는 윈도우에 미립자와 부스러기(debris)가 쌓이는 것을 방지하기 위해 위치 설정될 수 있다. 압축 공기는 퍼지 흡입구(402)로부터 퍼지 플레이트로 들어가서 에어 커튼을 형성하여 전방 윈도우에 먼지와 액체가 쌓이는 것을 방지할 수 있다. 전방 윈도우는 또한 전방 윈도우에 먼지와 액체가 쌓이는 것을 방지하기 위해 립(404)을 가질 수 있다.
이 예시에서, 카메라 프로브(352)는 퍼지 입구(904)를 갖는 전면 커버(902), 렌즈 조립체(906), 및 카메라(908)를 포함한다. 이 예시에서, 레이저 프로브(354)는 퍼지 입구(1004)를 갖는 전면 커버(1002), 시준 광학계(collimating optics)(1006), 균질화 광학계(1008), 레이저(1010), 동기화 보드(synchronization board)(1012), 및 펄스 발생기(pulse generator)(1014)를 포함한다.
프로브들(302, 304)은 예를 들어, 윈도우를 위한 알루미늄 및 석영 디스크와 같은 임의의 적합한 재료들로 제조될 수 있다. 윈도우용 글래스는 내부 유지 링과 프로브 본체 사이에서 압축될 수 있다. 두 개의 O-링들은 각 윈도우를 밀봉하기 위해 사용될 수 있다. 하나는 그루브에 배치되어 프로브 본체 상에서 압축되고 다른 하나는 윈도우의 그루브에 배치되어 석영 글래스 주위에서 압축된다. 윈도우 본체에 있는 나사 구멍들과 프로브 본체에 있는 간극 구멍들이 사용되고, 예를 들어, 그러한 구멍들 중 하나가 공기 유동을 에어 커튼으로 바꾸는 윈도우 피스(window piece)를 향해 압축된 공기를 운반하여 방울들을 글래스의 표면으로부터 멀어지게 유지하고 시야 영역을 깨끗하게 유지한다.
프로브들(302, 304)의 윈도우를 깨끗하게 유지하기 위하여, 시스템(100)은 경우에 따라 윈도우를 깨끗하게 하는 압축 공기 또는 임의의 다른 불활성 가스를 갖고 와류의 형성을 회피하기 위해 평면 윈도우를 갖는다. 다른 경우에, 솔벤트, 물, 알코올 등을 사용하여 윈도우를 주기적으로 청소할 수 있다. 기술자가 윈도우를 수동으로 청소할 필요가 없도록 이러한 솔벤트 또는 다른 용액은 에어 커튼 라인들을 통해 펌핑될 수 있다. 다른 경우에, 두 개의 립들이 통합되어 윈도우 영역으로 들어가는 본체의 여러 부분들에 액체가 쌓이는 것을 방지할 수 있다. 다른 경우에, 퍼지 내부의 기울어진 표면이 사용되어 액체가 배출될 수 있게 한다. 다른 경우에, 단면적의 변화가 사용되어 윈도우의 전방과 퍼지의 외측에서 압력을 균형지게 하여 미립자들이 윈도우 상으로 강제로 들어가는 것을 방지한다.
도 5는 이미지 분석 모듈(106)의 예시적인 실시예의 개략도를 도시한다. 이 예시에서, 이미지 분석 모듈(106)은 프로세싱 유닛("PU")(260), 랜덤 액세스 메모리("RAM")(264), 입력/출력(I/O) 인터페이스(272), 데이터 저장소(280), 및 PU(260)이 다른 구성요소들과 통신할 수 있게 하는 로컬 버스(local bus)(284)를 포함하는 다수의 물리적 및 논리적 구성요소들을 포함할 수 있다. PU(260)은 중앙 처리 유닛 또는 그래픽 처리 유닛과 같은 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. RAM(264)는 PU(260)에 상대적으로 반응하는 휘발성 저장소를 제공한다. I/O 인터페이스(272)는 사용자가 예를 들어 키보드와 마우스를 통해 입력을 제공할 수 있게 한다. I/O 인터페이스(272)는 또한 디스플레이 또는 스피커와 같은 출력 디바이스로 정보를 출력할 수 있다. I/O 인터페이스(272)는 또한 다른 모듈 및/또는 다른 시스템 또는 컴퓨팅 디바이스와의 통신을 허용할 수 있다. 데이터 저장소(280)는 이미지 분석뿐만 아니라 임의의 파생 또는 관련 프로세스를 위한 컴퓨터 실행 가능 명령을 포함하는 운영 체계 및 프로그램을 저장한다. 시스템(200)의 작동 중에, 운영 체계, 프로그램 및 데이터는 데이터 저장소(280)로부터 검색되고 RAM(264)에 배치되어 실행을 용이하게 할 수 있다.
일 실시예에서, PU(260)은 다양한 개념적 서브모듈들, 예를 들어 트리거 서브모듈(290) 및 분석 서브모듈(292)을 실행하도록 구성될 수 있다.
추가 실시예들에서, 이미지 분석 모듈(106)의 기능들은 전용 하드웨어 또는 특정 마이크로프로세서로 적절하게 실행될 수 있다.
경우에 따라, I/O 인터페이스(272)는 예를 들어 웹 브라우저 또는 클라우드 컴퓨팅 인터페이스를 통해 기존 시스템과 쉽게 통합할 수 있는 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 일 예시에서, 사용자 인터페이스는 시스템(100)이 배치되는 서버에 직접 LAN 연결을 통해 또는 로컬 Wi-Fi를 통해 액세스할 수 있다.
이미지 분석 모듈(106)은 예를 들어, 페인트 스프레이와 관련하여 다수의 작업을 수행할 수 있다:
● 통계 및 시각적 결과들을 수행하여:
○ 노즐을 카메라의 시야로 가져오기,
○ 스프레이로부터 방울들의 이미지들을 캡처하기,
○ 실시간으로 방울 크기 분포에 대한 통계를 결정하기,
○ 필요에 따라 많은 다양한 노즐들 또는 스프레이들로부터 더 많은 데이터를 수집하기, 그리고
○ 후처리에서 비교를 위해 데이터를 저장함므로써, 다양한 노즐들을 비교하고,
● 노즐이 손상되지 않았는지 확인하고,
● 청소 주기 및/또는 페인트 색상 변경 사이에서 스프레이를 확인하여 스프레이 특징들이 페인트/노즐 제조업체 권장 사항들 또는 시설 사양들과 비교하여 변경되지 않은 상태로 유지하는 것을 보장하고,
● 페인트의 적용 전에 스프레이의 일관성을 보장하여 부적절한 페인팅을 방지하고, 그리고
● 전술한 바와 같이 방울 크기 속성들 및 통계들을 측정함으로써 스프레이 특징들이 페인트/노즐 제조업체 권장 사항들 또는 시설 사양들과 비교하여 변경되지 않은 상태로 유지되는 것을 보장하여, 시간이 지남에 따라 통계들이 특정 허용 오차 내에서 변경되지 않는 것을 보장한다.
이제 도 6을 참조하면, 도 6에는 일 실시예에 따른 고속 이동 미립자 특성화를 위한 방법(300)이 도시되어 있다. 이 방법(300)은 스프레이의 적어도 일부가 조명 프로브(354)와 카메라 프로브(352) 사이에 배치되도록 시스템(100) 및/또는 미립자들의 스프레이가 위치 설정될 때 수행될 수 있다.
블록 302에서, 트리거 서브모듈(290) 또는 카메라 모듈(104)은 예를 들어 수명 시간(time-to-live; TTL) 트리거 출력 신호를 사용하여 트리거를 조명 모듈(102)에 전송한다.
블록 304에서, 조명 모듈(102)은 레이저 펄스와 같은 펄스 출력을 발생한다.
블록 306에서, 카메라 모듈(104)은 이미지 센서에서 이미지를 캡처한다. 경우에 따라, 그러한 이미지는 조명 모듈(102)과 카메라 모듈(104) 사이에 배치된 미립자들의 섀도우그래피 이미지(shadowgraph image)일 수 있다.
블록 308에서, 분석 서브모듈(292)은 카메라 모듈(104)로부터 캡처된 이미지를 수신한다.
블록 310에서, 분석 서브모듈(292)은 크기 및/또는 형태학(morphology)과 같은 캡처된 이미지에서 검출된 미립자들의 특성들을 결정하고, 경우에 따라, 이러한 특성들에 기초하여 통계를 결정한다. 다양한 적합한 통계량은 미립자 특성들 예를 들어, 평균, 표준 편차, 사우터(Sauter) 평균 직경, 최소 크기, 최대 크기, 수 백분위수, 용적 백분위수, 기간(span) 등으로부터 결정될 수 있다.
블록 312에서, 분석 서브모듈(292)은 분석을 출력한다. 예를 들어, 섀도우그래피 이미지의 특성화, 크기 분포 및 통계량을 I/O 인터페이스(272)를 통해 데이터 저장소(280) 또는 디스플레이 또는 다른 컴퓨팅 디바이스로 출력한다.
예시적인 실시예에서, 카메라 모듈(104)은 이미지 센서, 광 분리(opto-decoupled) 트리거, 광원으로서의 플래시(flash), 및 2개의 GPIO(General Purpose Input/Output; 범용 입력/출력)를 포함한다. 플래시 출력들은 도 7의 개략도에 도시된 바와 같이 광절연체(opto-isolator)를 사용하여 갈바닉 절연되어, 카메라 모듈(104)과 이미지 분석 모듈(106)을 서지(surges)에 대해 보호한다. 광절연체의 출력은 오픈 콜렉터(open collector) 또는 오픈 이미터 출력으로 사용될 수 있고, 출력 신호가 접지 또는 공급 전압에 연결될 수 있음을 의미한다. 카메라 노출은 광원(110)과 동기화되어 이미지가 이미지 센서에 의해 기록될 수 있다. 형성된 이미지는 이미지 센서의 시야에 있는 미립자들의 섀도우그래피일 수 있다. 섀도우그래피는 미립자들의 형태학을 식별하기 위해 사용되는 새도우들을 생성한다. 형태학은 직경, 둘레, 면적, 종횡비, 편심률 등을 포함하는 미립자에 대한 기하학적 정보일 수 있다.
쉐도우그래피는 물체 자체가 아닌 물체의 새도우들을 생성하고 분석하는 기술이다. 섀도우그래피에서, 광원(110)이 이미지되는 물체 뒤에 배치되므로 물체는 광이 카메라로 들어가는 것을 차단하여 카메라 센서에 새도우들(어두운 영역)을 생성한다. 새도우들은 물체 자체와 정확히 동일한 형상을 가지므로, 물체의 형태학은 이미지에서 새도우를 검출하고 분석함으로써 결정될 수 있다.
대부분의 경우에, 이미지 분석 모듈(106)은 예를 들어, (i) 방울들 및 미립자들이 초점이 맞는지 또는 초점이 맞지 않는지, 그리고 그러한 효과들을 어떻게 식별하여 정정하는지; (ii) 이미지 품질 및 측정에서 방울 또는 미립자 움직임의 영향이 무엇인지; 및 (iii) 미립자 에지들이 얼마나 정확하게 정의되는지와 같은 다양한 인자들을 고려할 수 있다. 또한, 이미지 분석 모듈(106)은 이미지 획득, 이미지 처리, 및 사용자 인터페이스와 데이터 로깅(logging)을 자동으로 수행할 수 있다. 카메라 모듈(104)에 의해 캡처된 이미지들은 이미지 분석 모듈(106)에 의해 실시간으로 처리되거나, 또는 데이터 저장소(280)에 저장되어 나중에 처리될 수 있다.
카메라 모듈(104)의 플래시 출력을 위한 파라미터들은 사용자에 의해 설정될 수 있다. 경우에 따라, 플래시 출력은 고 활성과 저 활성의 두 가지 모드들을 가질 수 있다. 디지털 출력은 고 활성 모드에서의 노출 동안 "고(High)"로 설정된다. 디지털 출력은 저 활성 모드에서의 노출 동안 "저(Low)"로 설정된다. 플래시 지연은 디지털 출력을 위한 지연(delay)을 설정한다. 노출이 시작된 후에, 디지털 출력을 활성화하는 것은 플래시 지연에 설정된 시간만큼 지연된다. 지속 시간은 디지털 출력의 스위칭 시간을 설정한다. 디지털 출력은 지속 시간(Duration)에서 설정한 시간 동안 활성화된다.
미립자들의 스프레이의 고대비(high-contrast) 이미지들을 캡처하기 위하여, 예시에서 플래시(예를 들어, 발광 다이오드(LED)의 어레이)는 수백 나노초 동안 트리거될 수 있다. 노출 시간이 짧기 때문에, 매우 높은 조명 강도가 일반적으로 필요하다. 예시에서, 플래시는 고 전력 그린 LED(5200의 최대 광속을 구동하기 위해 5.9V에서 30A를 소모하는 PT-120 LED)를 포함할 수 있다. 예시에서, LED 드라이버 모듈이 사용되어 고 전류(최대 240A) 및 전압(최대 100V) 펄스를 LED에 적용할 수 있게 한다. LED 드라이버는 60ns 내지 1㎲의 펄스 폭을 발생한다. 펄스 폭은 트리거 입력 신호에 의해 결정될 수 있다.
경우에 따라, 일반적으로 카메라 모듈(104)에 의해 발생될 수 있는 최대 펄스 폭이 40㎲에 불과하기 때문에 카메라 모듈(104)로부터의 플래시 출력 신호로 LED 드라이버의 입력 신호를 트리거하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 짧은 제어 펄스들을 달성하기 위하여, 펄스 발생기(112)의 프로그래밍 가능한 버전을 사용하는 것이 가능하다.
예시에서, 펄스 발생기(112)는 도 8에 도시된 바와 같이 4개의 트리거링 모드들을 가질 수 있다. 그러나 적절한 수 또는 적절한 유형의 트리거링이 사용될 수 있다. 플래시의 적절한 위치 설정은 적합한 트리거링 모드를 선택함으로써 결정될 수 있다. 트리거링 모드 1 및 4(Trgmode 1 및 Trgmode 4)는 카메라 모듈(104) 플래시 출력 신호가 고 활성으로 설정된 경우에 사용될 수 있다. 트리거링 모드 0 및 5(Trgmode 0 및 Trgmode 5)는 카메라 모듈(104) 플래시 출력 신호가 저 활성으로 설정된 경우에 사용될 수 있다. 발생된 펄스들의 수는 샷 구문(shots syntax)을 통해 사용자에 의해 결정될 수 있다.
펄스 발생기(112)가 LED 드라이버에 연결되는 한편, 전압 모드는 자연스럽게 활성화될 수 있고 캘리브레이션을 위해 사용되어 이 모드를 전류 모드로 변경할 수 있다. Umin은 전압을 위한 최소값(다이오드의 임계 전압보다 약간 높은, 예를 들어 12V)이며, 과전류(Over-Current)는 캘리브레이션을 위해 사용되는 최대 다이오드 전류이다. 캘리브레이션 중에 오류가 발생하면, Umin은 증가되어야 함을 나타낸다. LED가 변경되면, 캘리브레이션은 펄스 발생기가 변경을 검출할 수 없기 때문에 다시 수행될 수 있다. 캘리브레이션이 완료되면, 이 모드는 자동으로 현재 모드로 변경될 수 있다. 레이저 다이오드(110)는 전류, 전압, 반복 속도, 트리거링 모드, 샷들이 적합한 구문을 사용하여 현재 모드로 조절된 후에 켜질 수 있다.
양호하게는, 본 발명자들은 시스템(100)이 예를 들어 5 미크론까지의 미립자 크기를 측정할 수 있는 것을 결정했다. 예시에서, 10 내지 100 나노초의 펄스 지속 시간이 발생될 수 있다. 예시에서, 광 파장은 532nm 또는 905nm이지만, 각 특정 용도에 따라 변경될 수 있다. 예시에서 광학 장치에 따라, 피사계 심도는 50㎛ 내지 1mm 범위일 수 있다.
양호하게는, 시스템(100)은 다수의 설정 및 산업에서 사용될 수 있게 하는 모듈러 디자인을 제공할 수 있다. 시스템(100)은 시스템(100)의 기능 또는 작동 원리를 변경함 없이 다른 적용을 위해 특정 구성요소들을 쉽게 상호 교환할 수 있게 한다. 예를 들어, 카메라는 더 높거나 더 낮은 해상도 또는 더 높거나 더 낮은 픽셀 크기를 위해 변경될 수 있거나, 또는 렌즈는 더 높거나 더 낮은 배율을 위해 변경될 수 있다.
부가적으로, 시스템(100)은 다른 솔루션들과 비하여 크기가 작고 무게가 가벼운, 예를 들어 20kg 내지 35kg 사이이다.
본 발명자들은 시스템(100)의 이점들을 입증하기 위해 예시적인 실험들을 수행하였다. 시스템(100)은 예비 테스트를 위해 미립자들의 스프레이 아래에 배치된다. 스프레이 부스는 탱크로부터 소용돌이 중공 원뿔형 노즐로 물을 순환시키기 위해 펌프와 함께 사용된다. 테스트 압력(60psi)에서 이 유형의 노즐의 평균 방울 크기는 40미크론이다. 노즐은 유동을 소용돌이치게 하여 방울들로 빠르게 부서지는 원형 액체 시트를 형성함으로써 유동을 방울들로 분해한다. 도 11a 및 도 11b는 방울을 캡처하고 스프레이가 노즐을 빠져나갈 때 스프레이를 즉시 이미징하는 시스템(100)의 예시들을 도시한다. 도 11a는 시스템(100)이 근접-노즐 스프레이들을 이미지할 수 있음을 도시하는 바이오디젤 스프레이(Biodiesel spray) 형성을 도시한다. 일반적으로, 다른 스프레이 측정 디바이스는 근접 노즐 특징들을 이미지할 수 없고 방울 크기 통계만 생성할 수 있다. 도 11b는 초당 4 프레임으로 60ns 플래시 지속 시간을 갖는 시스템(100)을 사용하여 촬영한, 물을 방울들로 분산하는 것을 도시한다. 이미지들은 만족스러운 해상도와 대비를 도시하고, 사용자가 인대(ligaments)의 형성을 연구하고 5미크론만큼 작은 방울들의 직경을 측정할 수 있게 한다. 도 12a는 예시적 실험으로부터의 크기 분포를 도시하는 그래프이고, 도 12b는 상이한 스프레이들 사이의 누적 용적 분포의 비교를 도시한다.
본 실시예들의 레이저, 렌즈, 및 카메라의 조합은 특히 양호하다. 대부분의 다른 접근 방법은 가시 파장을 사용하는 대형 고출력 레이저들을 필요로 하는 고배율 렌즈들을 사용하므로, 이러한 접근 방법들은 물리적으로 크고 번거롭다. 대조적으로, 본 실시예들은 저배율 렌즈들 및 고해상도 카메라를 갖는 적외선 레이저들을 사용할 수 있어서 다른 접근 방법들에 비해 시스템을 상당히 컴팩트하게 만들 수 있다.
본 발명이 특정한 구체적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 다양한 변경은 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남 없이 본 명세서 내에서 이루어질 수 있다는 것은 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는 명백하다. 상기 인용된 모든 참고문헌들의 전체 설명내용은 본 명세서에 참조로 합체되었다.
100, 200: 시스템 102: 조명 모듈
104: 카메라 모듈 106: 이미지 분석 모듈
108: 하우징 110: 광원
112: 펄스 발생기 118: 동기화 보드
120: 광학 요소 260: 프로세싱 유닛(PU)
264: 랜덤 액세스 메모리(RAM) 272: 입력/출력(I/O) 인터페이스
280: 데이터 저장소 284: 로컬 버스
290: 트리거 서브모듈 292: 분석 서브모듈
352: 카메라 프로브 354: 조명 프로브
402: 퍼지 흡입구 404: 립
902, 1002: 전면 커버 904, 1004: 퍼지 입구
906: 렌즈 조립체 908: 카메라
1006: 시준 광학계 1008: 균질화 광학계
1010: 레이저 1012: 동기화 보드
1014: 펄스 발생기
104: 카메라 모듈 106: 이미지 분석 모듈
108: 하우징 110: 광원
112: 펄스 발생기 118: 동기화 보드
120: 광학 요소 260: 프로세싱 유닛(PU)
264: 랜덤 액세스 메모리(RAM) 272: 입력/출력(I/O) 인터페이스
280: 데이터 저장소 284: 로컬 버스
290: 트리거 서브모듈 292: 분석 서브모듈
352: 카메라 프로브 354: 조명 프로브
402: 퍼지 흡입구 404: 립
902, 1002: 전면 커버 904, 1004: 퍼지 입구
906: 렌즈 조립체 908: 카메라
1006: 시준 광학계 1008: 균질화 광학계
1010: 레이저 1012: 동기화 보드
1014: 펄스 발생기
Claims (64)
- 고속 이동 미립자 특성화(fast-moving particle characterization)를 위한 조명 모듈로서,
비간섭성(incoherent) 또는 반간섭성(semi-coherent) 광의 광 빔(light beam)을 발생시키기 위해 미립자들에 지향되는 광원(light source); 및
트리거 신호의 수신시 상기 광원을 지향시켜서 상기 광 빔을 발생시키기 위해 상기 광원에 결합된 펄스 발생기(pulse generator)로서, 펄스는 나노초 스케일(nanosecond scale)의 시간 주기를 포함하는, 상기 펄스 발생기(pulse generator)를 포함하는, 조명 모듈. - 제1항에 있어서, 상기 광원은 적외선 레이저들을 포함하는, 조명 모듈.
- 제2항에 있어서, 상기 광원은 하나 이상의 저배율 렌즈를 더 포함하는, 조명 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 광원은 적어도 하나의 근적외선 레이저 다이오드(near infrared laser diode)를 포함하는, 조명 모듈.
- 제4항에 있어서, 상기 광원은 근적외선 레이저 다이오드들의 어레이를 포함하는, 조명 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 광원은 적어도 하나의 근적외선 발광 다이오드(near infrared light emitting diode)를 포함하는, 조명 모듈.
- 제6항에 있어서, 상기 광원은 근적외선 발광 다이오드들의 어레이를 포함하는, 조명 모듈.
- 제5항 또는 제7항에 있어서, 상기 광원으로부터 생성된 광은 상기 어레이에서 각 다이오드로부터의 빔들의 조합인, 조명 모듈.
- 제8항에 있어서, 상기 빔들은 광학 요소들을 사용하여 비간섭성 또는 반간섭성 광의 균질한 플랫-톱 프로파일(homogeneous flat-top profile)로 조정되는, 조명 모듈.
- 제9항에 있어서, 상기 광학 요소들은 상기 광을 균질화하고 디코히러하는(decoheres) 균질화 라이트 로드(light rod)를 포함하는, 조명 모듈.
- 제9항에 있어서, 상기 광학 요소들은 상기 광을 디코히러하기 위한 디퓨저(diffuser)를 포함하는, 조명 모듈.
- 제9항에 있어서, 상기 광학 요소들은 상기 광을 시준하기 위한 콜리메이터(collimator)를 포함하는, 조명 모듈.
- 제12항에 있어서, 상기 콜리메이터는 비구면 이중 렌즈(aspherical doublet lens)인, 조명 모듈.
- 제9항에 있어서, 상기 광학 요소들은 마이크로렌즈 어레이를 포함하는, 조명 모듈.
- 제9항에 있어서, 상기 광학 요소들은 액체 광 가이드를 포함하는, 조명 모듈.
- 제9항에 있어서, 상기 광학 요소들은 광섬유 케이블을 포함하는, 조명 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 광 빔은 85uJ 미만의 광학 출력(optical power)을 갖는, 조명 모듈.
- 제17항에 있어서, 상기 광 빔은 65uJ 정도의 광학 출력을 갖고 상기 펄스는 10ns 내지 100ns 정도의 지속 시간을 갖는, 조명 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 광원은 532nm의 파장을 갖는, 조명 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 광원은 905nm의 파장을 갖는, 조명 모듈.
- 고속 이동 미립자 특성화를 위한 장치로서,
비간섭성 또는 반간섭성 광의 광 빔을 발생시키기 위해 미립자들에 지향되는 광원;
트리거 신호의 수신시 상기 광원을 지향시켜서 상기 광 빔을 발생시키기 위해 상기 광원에 결합된 펄스 발생기로서, 펄스는 나노초 스케일의 시간 주기를 포함하는, 상기 펄스 발생기; 및
상기 광 빔에 의해 조명될 때 상기 미립자들의 이미지를 캡처하기 위한 카메라를 포함하는, 장치. - 제21항에 있어서, 상기 장치는 스프레이 환경에 삽입할 수 있는, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 장치는 상기 광원, 상기 펄스 발생기 및 상기 카메라를 둘러싸는 기계적 하우징을 더 포함하는, 장치.
- 제23항에 있어서, 상기 하우징은 위험한 장소(hazardous location)들에서 잠수 가능하고 작동 가능한, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 광원은 적외선 레이저들을 포함하는, 장치.
- 제25항에 있어서, 상기 광원은 하나 이상의 저배율 렌즈를 더 포함하는, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 카메라는 고해상도 카메라인, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 카메라는 특정 작업 거리에 초점을 맞추도록 미리 구성되는, 장치.
- 제21항에 있어서, 고투과율(high transmission) 및 저배율(low magnification)을 갖는 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)를 더 포함하는, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 카메라와 상기 미립자들 사이에 배치된 윈도우(window)를 더 포함하는, 장치.
- 제30항에 있어서, 상기 윈도우 상에 미립자들과 부스러기(debris)가 쌓이는 것을 방지하기 위해 상기 윈도우와 상기 미립자들 사이에 배치된 퍼지 플레이트를 더 포함하는, 장치.
- 제31항에 있어서, 상기 퍼지 플레이트에 근접한 출구와 유체 연통하는 퍼지 입구를 더 포함하고, 상기 퍼지 입구를 통해 유동하는 유체는 상기 퍼지 플레이트를 따라 커튼(curtain)을 형성하여 상기 윈도우 상에 미립자들과 부스러기가 쌓이는 것을 추가로 방지하는, 장치.
- 제32항에 있어서, 상기 유체는 압축 공기, 불활성 가스, 용매, 물, 또는 알코올 중 하나인, 장치.
- 제31항에 있어서, 상기 윈도우는 상기 윈도우 상에 미립자들과 부스러기가 쌓이는 것을 방지하기 위해 립(lip)을 더 포함하는, 장치.
- 제23항에 있어서, 상기 하우징은 상기 하우징의 윈도우를 청소하기 위한 에어 커튼(air curtain)을 포함하는, 장치.
- 제21항에 있어서, 크기, 형상, 속도, 수, 및 밀도 중 하나 이상을 포함하는 상기 미립자들의 특성을 결정하기 위한 이미지 분석 모듈을 더 포함하는, 장치.
- 제36항에 있어서, 상기 이미지 분석 모듈은 상기 카메라와 상기 광원을 또한 둘러싸는 하우징 내에 물리적으로 배치되는, 장치.
- 제36항에 있어서, 상기 이미지 분석 모듈은 상기 카메라와 상기 광원을 둘러싸는 하우징으로부터 물리적으로 떨어져서 배치되는, 장치.
- 제21항에 있어서, 동기화 보드(synchronization board,)를 더 포함하고, 상기 펄스 발생기는 상기 동기화 보드에 의해 트리거되고, 상기 동기화 보드는 상기 카메라로부터 트리거 신호를 수신하는, 장치.
- 제39항에 있어서, 상기 동기화 보드는 잡음 감소 알고리즘(noise reduction algorithm)을 실행하여 잡음 감소 신호를 상기 펄스 발생기로 출력하는, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 광원은 적어도 하나의 근적외선 레이저 다이오드를 포함하는, 장치.
- 제41항에 있어서, 상기 광원은 근적외선 레이저 다이오드들의 어레이를 포함하는, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 광원은 적어도 하나의 근적외선 발광 다이오드를 포함하는, 장치.
- 제43항에 있어서, 상기 광원은 근적외선 발광 다이오드들의 어레이를 포함하는, 장치.
- 제42항 또는 제44항에 있어서, 상기 광원으로부터 생성된 광은 상기 어레이에서 각 다이오드로부터의 빔들의 조합인, 장치.
- 제45항에 있어서, 상기 빔들은 광학 요소들을 사용하여 비간섭성 또는 반간섭성 광의 균질한 플랫-톱 프로파일로 조정되는, 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 광학 요소들은 상기 광을 균질화하고 디코히러하는 균질화 라이트 로드를 포함하는, 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 광학 요소들은 상기 광을 디코히러하기 위한 디퓨저를 포함하는, 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 광학 요소들은 상기 광을 시준하기 위한 콜리메이터를 포함하는, 장치.
- 제49항에 있어서, 상기 콜리메이터는 비구면 이중 렌즈인, 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 광학 요소들은 마이크로렌즈 어레이를 포함하는, 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 광학 요소들은 액체 광 가이드를 포함하는, 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 광학 요소들은 광섬유 케이블을 포함하는, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 광 빔은 85uJ 미만의 광학 출력을 갖는, 장치.
- 제54항에 있어서, 상기 광 빔은 65uJ 정도의 광학 출력을 갖고 상기 펄스는 10ns 내지 100ns 정도의 지속 시간을 갖는, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 카메라는 6 내지 9 메가픽셀(megapixels) 범위의 해상도, 0.9um 내지 3um 사이의 픽셀 크기(pixel size), 0.5 내지 3 사이의 배율, 및 100mm 내지 400mm 사이의 초점면 거리(focal plan distance)를 갖는, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 광원은 532nm의 파장을 갖는, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 광원은 905nm의 파장을 갖는, 장치.
- 고속 이동 미립자 특성화를 위한 방법으로서,
미립자들에 광원을 지향시키는 단계로서, 상기 광원은 비간섭성 또는 반간섭성 광의 광 빔을 발생시키도록 구성된, 상기 지향시키는 단계;
트리거 신호의 수신시 상기 광원을 지향시켜서 상기 광 빔을 발생시키는 단계로서, 상기 광 빔은 나노초 스케일의 시간 기간 동안 조명되는, 상기 발생시키는 단계; 및
상기 광 빔에 의해 조명될 때 상기 미립자들의 이미지를 캡처하는 단계를 포함하는, 방법. - 제59항에 있어서, 상기 광 빔은 적외선 광 빔인, 방법.
- 제59항에 있어서, 상기 광 빔은 근적외선 광 빔인, 방법.
- 제59항에 있어서, 상기 광 빔은 특정 작업 거리에 초점을 맞추도록 미리 구성된 카메라에 의해 캡처되는, 방법.
- 제62항에 있어서, 상기 카메라는 사용자에 의한 정렬을 요구하지 않는, 방법.
- 제59항에 있어서, 복수의 광원들로부터 상기 광 빔을 얻는 단계를 더 포함하고, 상기 광원들의 각각으로부터의 상기 광은 광학 요소들을 사용하여 비간섭성 또는 반간섭성 광의 균질한 플랫-톱 프로파일로 조정되는, 방법.
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