광학 가스 이미징(OGI)에 숨겨진 과학

검출기

광학 가스 화상 (OGI) 카메라는 매우 전문적인 적외선 또는 열 화상 카메라로 볼 수 있습니다. 여기에는 렌즈와 검출기, 검출기 신호를 처리하는 일부 전자부품, 사용자에게 카메라가 만든 이미지를 보여주는 뷰파인더나 화면 등이 있습니다. OGI 카메라에 쓰이는 검출기는 극저온 (약 70K 또는 -203°C)까지 냉각이 필요한 양자 검출기입니다. 메탄 같은 가스를 탐지하는 중파 카메라는 주로 3-5 μm 범위 내에서 작동하며, 안티몬화 인듐 (InSb) 검출기를 사용합니다. 6플루 오르화항 같은 가스를 탐지하는 장파 카메라는 8-12 μm 범위에서 작동하고, 양자 우물 적외선 광 검출기 (QWIP)를 사용합니다.

양자 검출기에 쓰이는 물질이 실온에 있을 때, 서로 다른 에너지 레벨의 전자들을 가지게 됩니다. 어떤 전자들은 전도대에 있을 만큼 열 에너지가 충분합니다. 즉, 그곳의 전자가 자유롭게 이동할 수 있고 그 물질이 전기 전류를 전도할 수 있다는 뜻입니다. 그렇지만 대부분의 전자들은 가전자대에서 발견되는데, 이곳은 자유롭게 이동을 할 수 없어 어떤 전류도 전달하지 못합니다.

선택한 물질에 따라 다르겠지만, 그 물질을 충분히 낮은 온도로 냉각하면, 그 전자의 열 에너지가 너무 낮아져 아무것도 전도대에 도달하지 못할 수 있습니다. 그러면 그 물질은 어떤 전류도 전달하지 못합니다. 그 물질이 입사 광자와 충분한 에너지의 광자에 노출되면, 그 에너지가 가전자대의 전자들을 자극하여 전도대로 이동하게 할 수 있습니다. 이제 그 기기는(검출기) 광전류를 전달할 수 있으며, 그것은 입사 방사선의 세기에 비례합니다.

전자가 가전자대에서 전도대로 넘어가게 해주는 입사 광자의 매우 정확한 에너지 허용 한도이 있습니다. 이 에너지는 특정 파장과 관련이 있는데, 이것을 차단 파장이라고 합니다. 광자 에너지는 그 파장과 반비례 하기 때문에, 그 에너지는 장파장 대역보다 단파장/중파장에서 더 높습니다. 따라서 장파장 검출기의 작동 온도는 단파장/중파장 검출기보다 낮은 것이 보통입니다. InSb 중파장 검출기의 경우, 필요 온도가 173 K (-100°C) 미만이어야 하지만, 훨씬 더 낮은 온도에서 작동할 수도 있습니다. 반면, 양자 우물 적외선 광 검출기(QWIP) 장파 검출기는 약 70 K (-203°C) 이하에서 작동해야 합니다. 입사 광자 파장과 에너지는 이 대역 차 에너지, ΔE을 극복할 만큼 충분해야 합니다.

냉각 방식

대부분의 OGI 카메라의 검출기는 스털링 쿨러를 이용해 냉각됩니다. 이 스털링 공정은 차가운 핑거 (그림 1)의 열을 뺏어 따뜻한 쪽에서 이것을 발산시킵니다. 이런 쿨러의 효율은 비교적 낮은 편이지만, 적외선 카메라 검출기를 냉각시키기에는 충분합니다.

그림 1. 헬륨 가스로 작동하는 통합 스털링 쿨러는 검출기를 -196ºC까지, 가끔은 그 이하로도 냉각시킬 수 있습니다.

이미지 표준화

또 다른 복잡한 점은 초점면 배열(FPA)의 개별 검출기마다 게인과 제로 오프셋이 약간씩 다르다는 점입니다. 유용한 온열 측정 이미지를 생성하려면, 서로 다른 게인과 오프셋을 표준화된 값으로 보정해야 합니다. 이러한 다단계 캘리브레이션 공정은 카메라 소프트웨어가 수행합니다. 이 공정의 마지막은 비균일 보정(NUC, Non-Uniformity Correction)입니다. 계측 카메라에서 이 캘리브레이션은 카메라가 자동으로 수행합니다. OGI 카메라에서 이 캘리브레이션은 수동 공정입니다. 그 이유는 균일한 온도 출처를 검출기에 제시할 내부 셔터를 해당 카메라가 가지고 있지 않기 때문입니다.

최종 결과물로, 표적 물체나 장면 전체의 상대적 온도들을 정확히 그려낸 온열 측정 이미지가 나옵니다. 분출도, 즉 표적 물체에서 다시 카메라로 반사된 다른 물체의 방사선에 대해서는 어떤 보정도 하지 않습니다(반사된 겉보기 온도). 그 이미지는 열 방사선의 근원에 상관 없이 방사선 세기를 보여주는 이미지입니다.

스펙트럼 적응

OGI 카메라는 고유의 스펙트럼 필터 방식으로 가스 화합물을 탐지해냅니다. 이 필터는 검출기 앞에 장착되며, 필터와 검출기 사이의 방사선 교환을 막기 위해 전체에 걸쳐 냉각됩니다. 이 필터는 검출기까지 통과하도록 허용된 방사선 파장을 밴드 패스라 불리는 매우 좁은 대역으로 한정시킵니다. 이 기술을 스펙트럼 적응이라 합니다.

그림 2. 광학 가스 화상 (OGI) 코어의 내부 디자인

가스 적외선 흡수 스펙트럼

대부분의 가스 화합물은 적외선 흡수 특성이 파장 길이에 좌우됩니다. 그림 3A와 3B에서, 그래프 투과율 선들의 급격한 하강으로 프로판과 메탄의 흡수 피크를 알 수 있습니다. 노란색 구역은 OGI 카메라에 사용된 샘플 스펙트럼 필터로, 대부분의 배경 적외선 에너지가 특정 가스에 의해 흡수될 파장들에 일치하도록 고안된 것입니다.

그림 3A. 프로판의 적외선 흡수 특성

그림 3B. 메탄의 적외선 흡수 특성

대부분의 탄화수소는 3.3 μm 근처의 에너지를 흡수합니다. 따라서 그림 3의 샘플 필터를 이용해 다양한 가스들을 탐지할 수 있습니다. 400 가지 이상 추가 화합물의 반응계수 (Response factors, RF)는 다음 사이트에서 구할 수 있습니다: http://rfcalc.providencephotonics.com.

에틸렌은 두 개의 강력한 흡수 대역을 가지고 있지만, 장파 센서가 아래 그림의 투과율 곡선에 기반한 중파 센서보다 더 높은 감도로 이 가스를 검출해냅니다.

그림 4. 에틸렌의 적외선 흡수 특성

카메라를 가스의 흡수 스파이크 (또는 전파 트로프)가 매우 높은 파장에서만 작동하도록 제한하는 필터를 선택하면 가스의 가시성이 개선됩니다. 이 가스는 배경의 연기 너머 물체에서 나오는 방사선을 더 많이 효과적으로 ‘차단’합니다.

왜 어떤 가스들은 적외선을 흡수하는가?

기계적 관점에서 가스 분자들을 스프링으로 모두 연결된 무게추들과 비교할 수 있습니다(아래 그림 5의 공들). 원자의 수, 각 크기와 질량, 스프링의 탄성 계수에 따라 분자들이 특정 방향으로 이동할 수 있고 축을 따라 진동할 수 있으며, 회전하거나 틀거나, 뻗거나 요동하거나 흔들릴 수 있습니다.

가장 단순한 가스 분자들은 헬륨 (He), 네온 (Ne), 크립톤 (Kr) 같은 단일 원자들입니다. 이들은 진동이나 회전할 방법이 없어서 한 번에 한 방향으로의 이행으로만 움직일 수 있습니다.

그림 5. 단일 원자

그 다음으로 가장 복잡한 카테고리의 분자가 수소 (H2), 질소 (N2), 산소 (O2) 같이 두 개의 원자로 이루어진 동핵 분자입니다. . 이들은 병진 운동과 더불어 축을 중심으로 왔다 갔다 할 수 있습니다.

그림 6. 두 개 원자

그 다음으로 이산화탄소 (CO2), 메탄 (CH4), 6플루 오르화황 (SF6), 스티렌 (C6H5CH=CH2) 같은 복잡한 이원자 분자입니다(이들도 몇 가지 예들에 불과합니다).

그림 7. 이산화탄소 – 분자 당 3 원자

그림 8. 메탄 – 분자당 5 원자

이러한 가설은 다원자 분자에도 유효합니다.

그림 9. 6플루 오르황-분자 당 7 원자

그림 10. 스티렌 – 분자 당 16 원자

물리적 자유도가 증가하면 다중 회전과 진동 전이가 가능해집니다. 이것은 복수의 원자로 만들어져 있기 때문에, 단순 분자보다 더 효과적으로 열을 흡수, 배출할 수 있습니다. 전이 주파수에 따라, 그 중 일부는 적외선 카메라가 감지하는 적외 구역에 위치한 에너지 범위로 분류됩니다.

표 1. 분자 이동의 주파수와 파장 범위

분자가 한 상태에서 다른 상태로의 전이를 통해 (적외선 에너지의) 광자를 흡수할 수 있도록 하려면, 그 분자가 입사 광자와 동일한 주파수에서 짧게 진동할 수 있는 쌍극자 모멘트를 가지고 있어야 합니다. 이러한 양자역학적 상호작용을 통해 광자의 전자기장 에너지가 분자에 의해 “전달”되거나 흡수될 수 있습니다.

OGI 카메라는 특정 분자의 이러한 흡수 특성을 이용해 본래의 환경에서 그 분자를 시각화할 수 있습니다. 이 카메라 FPA와 광학 시스템은 수 백 나노미터 차수로 매우 좁은 스펙트럼 범위에 맞춰져 있으며, 따라서 극도로 선택도가 높습니다. 좁은 대역 패스 필터에 의해 범위가 정해진, 이 적외 구역의 가스 흡수물질만 검출할 수 있습니다(그림 3, 4).

가스 스트림의 시각화

카메라가 가스 누출 없는 어떤 장면을 비추는 경우, 시야각 (FOV) 내의 물체들이 렌즈와 카메라 필터를 통해 적외선을 내뿜고 반사할 것입니다. 이 필터는 특정 파장의 방사선만 검출기까지 통과하도록 허용할 것이며, 여기에서 카메라는 보정되지 않은 방사선 세기의 이미지를 생성할 것입니다. 물체들과 카메라 사이에 가스 구름이 있고 그 가스가 필터의 밴드 패스 범위 내에 있는 방사선을 흡수하는 경우, 구름을 거쳐 검출기까지 오는 방사선의 양은 줄어들 것입니다(그림 11).

그림 11. 가스 구름의 영향

배경과 관련하여 구름을 볼 수 있으려면, 구름과 배경 사이에 방사 대비가 있어야 합니다. 다시 말해, 구름을 떠나는 방사의 량이 구름에 들어오는 방사의 양과 같지 않아야 합니다(그림 12). 그림 12의 청색 화살표가 적색 화살표와 같을 경우, 그 구름을 볼 수 있습니다

그림 12. 구름의 방사 대비

실제로 구름 속 분자들에서 반사된 방사의 양은 매우 작아 무시해도 됩니다. 따라서 구름을 보이게 만드는 데의 핵심은 구름과 배경 사이의 겉보기 온도 차이입니다(그림 13).

그림 13. 겉보기 온도 차이

가스 구름을 보이게 하는 것의 핵심 개념

• 가스는 카메라가 보는 주파대에서 적외 방사선을 흡수해야 합니다.
• 가스 구름은 반드시 배경과 방사 대비돼야 합니다.
• 구름의 겉보기 온도는 배경과 차이가 나야 합니다.
• 움직임은 구름을 더 잘 보이게 만듭니다.

• 온도를 측정하도록 OGI 장비를 캘리브레이션 하면, 델타 T (가스와 배경 사이의 겉보기 온도)를 평가할 수 있는 중요한 값이 나옵니다.