적외선 열화상 카메라의 원리와 산업현장에서의 적용사례
적외선 열화상 카메라는 각종 산업현장에서 아주 유용하게 활용되고 있다. 식품산업에서부터 자동차 분야에 이르기까지 그 활용도가 너무 높아 일일이 열거하기 힘들 정도이다. 이 카메라에 대한 이해를 돕기 위해 본지에서는 3회 시리즈를 통해 열화상 카메라의 이해와 머신비전을 위한 열화상 카메라의 적용사례를 수록한다.
|연재 순서|
01_열화상 카메라의 이해 (1)
02_열화상 카메라의 이해 (2)
03_머신비전을 위한 열화상 카메라와 적용사례
적외선 열화상 카메라
우리의 눈이 가시광선을 볼 수 있도록 설계된 디텍터라면 적외선은 사람의 눈으로는 볼 수 없는 영역을 보여주는 전자기파 스펙트럼의 일부분이다. 적외선은 전자기파 스펙트럼에서 가시광선과 마이크로파 사이에 있는 광선이다. 온도가 있는 물체, 즉 열을 가진 물체는 그 열을 적외선으로 방출한다. 절대온도(섭씨 -273.15℃ 또는 0도 Kelvin) 이상의 온도를 가지는 모든 물체는 적외선 영역의 광선을 방출한다. 심지어 온도가 아주 낮은 물체, 예를 들면 얼음도 적외선을 방출한다. 물체의 온도가 높을수록 더 많은 적외선이 방출된다.
적외선은 사람의 눈에는 보이지 않지만 적외선 카메라를 사용하여 눈으로 볼 수 있는 실화상으로 변환할 수 있다. 따라서 대상 물체 또는 임의의 범위에 존재하는 열의 차이(온도)를 조사할 수 있다. 전자기파의 스펙트럼에서 적외선이 차지하는 영역은 대략 900~14,000 나노미터(0.9 ~14㎛) 부분이다.
물체에서 방출되는 적외선 에너지(A)는 광학장치(B)에 의하여 디텍터(C) 위에 그 초점이 모아진다. 디텍터에서 검출된 정보는 센서의 전자회로(D)로 보내져 이미지로 처리된다. 전자장치는 디텍터에서 전달되는 데이터를 이미지(E)로 만들어서 뷰파인더나 표준 비디오 모니터, 또는 LCD 화면으로 볼 수 있게 한다. 적외선 기술은 적외선 열화상을 Radiometric 이미지로 변환하여 온도 값을 읽을 수 있도록 하는 기술이다. 이를 위하여 적외선 카메라에는 고도의 정교한 알고리즘이 내장되어 있다.
열화상은 대상 물체나 장면 내에 있는 온도 값의 차이를 보여주는 적외선 카메라를 사용하여 이미지로 작성하는 방법이라 할 수 있다. 그러므로 열화상은 대상 물체의 온도를 비접촉 방식으로 측정할 수 있는 것이다.
적외선 카메라의 기계적인 구조는 디지털 비디오 카메라와 비슷하다. 주요 구성부분은 입사되는 적외선이 디텍터 즉, 센서 위에 초점이 맺히도록 하는 렌즈 및 신호와 이미지를 처리하고 디스플레이 해주는 전자장치와 소프트웨어 등이다. 일반 비디오 및 디지털 스틸 카메라에서 사용되고 있는 CCD(Charge Coupled Device) 디텍터와 달리 적외선 카메라의 디텍터는 적외선 파장대에 민감한 다양한 물질로 만들어지는 마이크로미터 크기의 픽셀로 구성되는 초점면 배열(Focal Plane Array; FPA)이다. FPA의 분해능은 대략 160 × 120 픽셀부터 1024 × 1024 픽셀까지의 범위이다. 카메라 기종에 따라 FPA 상의 원하는 부분에 초점을 두고 그 부분을 집중적으로 온도를 계산할 수 있도록 해주는 소프트웨어를 내장하고 있는 모델도 있다. 또한 온도 분석을 지원하는 특수한 소프트웨어가 설치된 컴퓨터나 다른 데이터 시스템을 사용하기도 한다. 이런 방법들은 모두 ±1℃ 이내의 정밀도로 온도를 분석할 수 있다.
FPA 디텍터 기술은 열 디텍터(Thermal Detector)와 양자 디텍터(Quantum Detector)의 두 종류로 분류할 수 있다. 대표적인 열 디텍터로는 금속 또는 반도체를 소재로 제조되는 비냉각식 마이크로볼로미터(Uncooled Microbolometer)가 있다. 이 방식의 디텍터는 대개 양자 디텍터에 비해 가격이 저렴하며 더 넓은 범위의 적외선 스펙트럼을 검출할 수 있다. 마이크로볼로미터는 입사되는 적외선에 반응하며 양자 디텍터에 비해 그 반응속도와 민감도가 훨씬 더 낮다.
양자 디텍터는 InSb, InGaAs, PtSi, HgCdTe(MCT) 등의 재료로 제조되며, GaAs/AlGaAs 층을 형성하여 QWIP(Quantum Well Infrared Photon) 디텍터가 만들어 진다. 양자 디텍터의 동작 원리는 결정 내에 있는 전자의 상태가 입사 광자에 의해 달라지는 현상에 기반을 두고 있다. 양자 디텍터는 일반적으로 열 디텍터에 비해 속도와 민감도가 더 우수하다. 그러나 액화질소 또는 소형의 스털링 냉동냉각 장치를 사용하여 극
저온까지 냉각시켜 주어야 하는 단점이 있다.
적외선 스펙트럼의 이해
적외선 카메라는 적외선 스펙트럼 상에서 특정한 파장(주파수) 범위에 맞추어 설계되고 설정되는 것이 보통이다. 그러므로 사용하는 광학장치와 디텍터의 소재 역시 그 특정 범위에 가장 적합한 것이어야 한다. 그림 3은 다양한 디텍터 소재의 스펙트럼 응답 영역을 보여준다.
적외선은 가시광선과 동일한 반사·굴절·전달 등의 광학적 특성을 가지고 있으므로 열화상 카메라의 구조적인 설계 방법은 일반 실화상 카메라의 설계 방법과 거의 비슷하다. 그러나 실화상 카메라의 광학장치, 즉 렌즈에 사용되는 유리는 그 소재가 적외선을 잘 통과시키지 못하므로 적외선 카메라에는 사용할 수 없다. 또한 그 반대로 적외선을 잘 통과시키는 소재는 가시광선을 잘 통과시키지 못한다.
적외선 카메라의 렌즈 소재로는 규소(Si)와 게르마늄(Ge)이 사용된다. 대체로 규소는 중간 파장대의 적외선(MWIR) 카메라에 적합하며 게르마늄은 장파장 적외선(LWIR) 카메라에 적합하다. 규소와 게르마늄은 그 기계적인 물성이 양호하여 잘 파손되지 않고 수분을 흡수하지 않으며, 또한 현대의 선반 가공기술을 이용하여 렌즈로 가공할 수 있다.
실화상 카메라와 마찬가지로 적외선 카메라 렌즈도 반사방지 코팅을 한다. 양호한 설계 조건 하에서 적외선 카메라 렌즈는 입사광선을 100%에 가깝게 통과시킬 수 있다.
글 |FLIR 한국총판 MDS테크놀로지 이동구 과장(dongkue@mdstec.com)
