[열화상카메라] 원리

[박종규]

열화상 카메라의 원리에 대해 알아보려고 합니다. 

1. 열화상 카메라… “개념부터 알자” 

▲ [그림 1] 일반 가정집에서 찍은 아이의 열화상 이미지

카메라인데 열화상을 보는 카메라라고 생각하면 될까요? 영어로는 ‘Thermal Imaging Camera(TIC)’라고 하는데 열로 구성된

이미지를 보여주는 카메라를 뜻합니다. 그럼 열을 어떻게 이미지화 할 수 있을까요? 

 가. 열화상 카메라에서 쓰는 재료, 다시 말해 이미지 소스(image source)는 무엇일까요? 우리가 일반적으로 사용하는 카메라는 눈에 보이는 빛인 가시광선(visual light)을 사용해 만들었는데요. 열화상 카메라는 이 빛보다 좀 더 긴 파장인 적외선(Infrared light)으로 이미지를 만듭니다. 시중에서 IR camera라고 부르는 방범 카메라도 적외선을 사용하긴 하지만 열화상 카메라는 IR camera와는 다른 영역의 적외선을 사용합니다. 

‘적외선’을 위키피디아에서 검색해 보니,  

적외선(赤外線, infrared, infrared radiation, infrared light)은 전자기파 중 하나로 가시광선보다 파장이 길고 전자레인지에 사용하는 마이크로파보다는 파장이 짧다. 일상적으로 어둠 속에서 열을 내는 물체를 가까이하면 피부로 온도를 느낄 수 있는데 이것이 바로 적외선이다. 

라고 나옵니다. 다시 말하자면 눈에 보이지 않는 파장이 있는데 물체들이 열을 갖고 있으면 이 열을 눈에 보이지 않는 특정 파장에 실어 보낸다는 겁니다. 바로 이 파장이 적외선인 거죠. 

열화상 카메라는 적외선을 재료로 하는 카메라고 ‘열화상 카메라는 적외선을 이용해서 열을 보여주는 카메라겠구나!’는 생각이 드시지 않나요? 

▲ [그림 2] 프리즘

프리즘은 아마 초ㆍ중ㆍ고등학교 때 많이들 해 보셨을 텐데요. 적외선의 존재와 열을 실어 나르는 특성은 1800년 독일 출신 영국 천체학자인 윌리엄 허셜에 의해 프리즘 실험을 하다 최초로 발견됐습니다.

허셜은 스펙트럼으로부터 분리되는 색깔 온도를 측정하기 위해 각 색깔에 수은 온도계를 설치해 온도를 측정했습니다. 이때 우연히 빛이 보이지 않는 부분에서도 온도가 상승한다는 것을 발견했습니다. 

바로 열기가 눈에 보이지 않는 빛의 상태로도 전달된다는 사실을 알아챈 거죠. 이런 현상이 발견된 후 더 나아가 파장에 대한 많은 연구가 진행되며 우리가 물리 시간에 배웠던 파장에 대한 이론이 [그림 3]과 같이 정립됩니다.

파장은 한 번쯤은 들어봤을 gamma rays, x-rays, ultraviolet, visible light, infrared, radio waves까지 여러 종류로 구성돼 있습니다. 허셜이 발견한 가시광선 옆 대역, 그게 적외선(IR, infrared) 인 거죠. 

[그림 3]에서는 적외선이 다섯 개로 나뉘는 것을 볼 수 있습니다. 나뉘는 개수는 학술지마다 3개 혹은 5개로 다른데 저는 5개로 정리해 보겠습니다.

▲ [그림 3] 파장의 종류

[표 1]의 노란색 부분인 SWIR(1,797-693°C), MWIR(693–89°C), LWIR(89–-80°C) 이 세 가지 영역으로 열화상 카메라가 만들어집니다. 

▲ [표 1] 적외선의 구성 및 온도 대역 특성

또 하나 알아둬야 할 점은 모든 절대 0도(-273.15℃) 이상의 물체는 적외선 파장을 방사(emit)한다는 것입니다.

그래서 빛이 없어도 이 적외선 대역을 이용해 이미지화가 가능한 거죠.

정리해보면 열화상 카메라는 열을 가진 물체가 사람의 눈에 보이지 않는 파형을 내보내고 이를 이용해 물체에서 온도에 따라 다르게 방출되는 파장을 증폭, 전기신호로 변환해 사람이 볼 수 있는 이미지로 이미지화하는 카메라입니다.      

냉각식 열화상 카메라와 비 냉각식 열화상 카메라인데요. 이름대로 냉각을 하느냐, 하지 않느냐에 따라 버전이 나뉘었다고 보시면 됩니다. 일반 현장에서 쓰는 포터블 열화상 카메라의 경우 비 냉각식 열화상 카메라가 대부분입니다. 이미지 센서가 

계속 에너지를 받으면  센서가 가열돼 더 이상 센싱이 안 됩니다.  이 때문에 적외선을 주기적으로 차단함으로써 과 부화를

방지하도록 제작됩니다. 

< 다음에는 냉각식 열화상 카메라에 대해서 한번 다뤄보겠습니다> 

[박종규]

소방방재신문 기사를 참조하였습니다.