근적외선의 세계와 그 응용
적외선이란 무엇입니까?
이것이 가시 스펙트럼(위)입니다. 이는 우리 눈이 시각적으로 인식할 수 있는 전자기 스펙트럼의 유일한 부분입니다. 가시광선 스펙트럼의 파장 범위는 380~750나노미터(nm)입니다. 스펙트럼 왼쪽(380nm)의 짧은 파장은 보라색으로 인식되고, 스펙트럼 오른쪽(750nm)의 긴 파장은 빨간색으로 인식됩니다. 우리의 눈은 이 범위 위나 아래의 어떤 것도 볼 수 없습니다. 380나노미터 미만의 모든 것을 자외선(UV) 광선이라고 하며, 750나노미터 이상의 모든 것을 적외선(IR) 광선이라고 합니다.
또한, 적외선에는 다양한 범주가 있습니다. 근적외선(750~2500nm), 중적외선(2500~4000nm), 원적외선(4000nm~)이 있습니다. 근적외선과 원적외선은 성질과 용도가 완전히 다릅니다.
이 블로그에서는 매우 친숙한 예를 사용하여 "근적외선"에 대한 이해를 심화하는 것부터 시작하겠습니다.
최첨단 "근적외선" 장치를 소개합니다. . . 아이폰!!
우리 일상 속 근적외선 활용에 대한 아이디어를 드리기 위해 아이폰과 근적외선 카메라를 준비했습니다.
짜잔! 이제 근적외선 카메라가 생겼습니다.
이제 주요 주제로 돌아갑니다. 먼저 Face ID를 사용하여 이 iPhone의 잠금을 해제해 보겠습니다. 전원 버튼을 터치하는 순간 iPhone은 이미 잠금 해제되었습니다. 마치 아무런 인증 과정도 없었던 것 같았습니다. 그런데 근적외선 카메라를 통해 아이폰을 보면…
플래시! 플래시! 플래시!
이제 벽을 가리키면....
알고 보니 그 섬광의 정체는 무수히 많은 점들이 투영된 패턴인 것으로 밝혀졌다.
이 깜박임은 iPhone이 얼굴 인식 소프트웨어를 실행 중이거나 Memojis 등을 생성할 때 발생합니다.
이것이 아이폰의 'TRUE DEPTH' 기능의 정체다. 그 역할은 카메라에서 피사체까지의 정확한 거리를 측정하여 앞에 있는 피사체의 3차원 모양을 볼 수 있도록 하는 것입니다.
iPhone의 IR 카메라와 도트 프로젝터가 별도로 위치하기 때문에 도트가 IR 카메라에서 약간 벗어난 각도로 투사됩니다. 결과적으로 IR 카메라에 포착된 각 도트는 피사체의 거리에 따라 수평으로 이동합니다. 이 이동 정도를 계산하면 각 점의 거리를 결정할 수 있습니다. 이 3D 측정 방법을 액티브 스테레오 방법이라고 합니다.
이 방법은 피사체 얼굴의 입체적인 형태를 파악하고 아이폰의 얼굴 인증 정확도를 높이기 위해 사용된다. 선글라스를 착용하더라도 어느 정도 적외선을 투과하는 것이라면 인증을 통과할 수 있습니다. 미모티콘을 사용해 본 적이 있나요? 이 기능은 카메라 앞에서 피사체의 안면 근육을 읽을 수 있으며, 근적외선을 사용하여 "True Depth"가 할 수 있는 또 다른 기능입니다.
iPhone의 TRUE DEPTH 기능이 실제로 작동하는 모습을 보고 싶다면 IR 카메라로 촬영한 인접 비디오를 자유롭게 시청하세요.
미래: LiDAR와 자동 운전
최근 몇 년 동안 자동차 산업은 중요한 전환점을 맞이했습니다. 전기 자동차? 그것도 하나지만, 첨단 센서 기술의 발전은 완전 자율주행차라는 인류의 꿈을 실현할 수 있는 길을 열었습니다. 이를 가능하게 한 핵심 기술 중 하나가 바로 'LiDAR'입니다. LiDAR는 "빛 감지 및 범위 지정"을 의미합니다. "LiDAR"의 L은 "레이저(Laser)"를 의미할 수도 있으며 문자 그대로 일본어로 번역하면 "레이저에 의한 감지 및 범위 지정"입니다.
일반적으로 레이저는 건설 노동자, 골퍼, 군인이 사용하는 휴대용 거리 측정기 등 거리 측정 장치에 자주 사용됩니다. 사용하면 레이저빔이 방사되어 레이저빔이 물체에 닿으면 반사된 빛을 받아 측정합니다. LiDAR는 이 개념을 적용하고 1초도 안 되는 시간에 수천 개의 레이저를 반복적으로 발사하여 "포인트 클라우드 데이터"를 생성합니다(레이더와 비슷하지만 눈에 보이지 않는 레이저 포함). 이를 통해 LiDAR 장치는 물체의 모양과 거리를 효과적으로 "확인"할 수 있습니다.
*3D 포인트 클라우드 데이터 이미지
이제 LiDAR의 기본 메커니즘을 이해했는데, 자율주행차에 효과적으로 활용되기 위해서는 어떤 요소가 중요한가요?
예를 들어, 레이저 관측점 간의 거리가 너무 멀면 레이저 사이에 좁은 장애물이 통과하여 제대로 인식되지 않을 수 있습니다.
유효 범위도 중요합니다. 빠르게 움직이는 자동차의 제동거리를 고려하면 최소 100m 이상까지 정확한 측정이 필요하다. 그러나 거리가 멀수록 반사되는 빛의 양이 적어 측정이 더욱 어려워집니다. 따라서 이에 대한 대책으로 레이저의 출력을 높여 반사광을 증가시켜 검출을 쉽게 하는 방법이 있다.
그러나 이 방법에는 인간의 눈에 해를 끼친다는 큰 문제도 있습니다.
대부분의 주류 LiDAR 장치는 현재 주로 비용상의 이유로 905nm의 NIR 파장을 사용하지만 이 파장은 가시광선에 가깝기 때문에 망막을 손상시켜 실명에 이를 수 있습니다. 따라서 최근 몇 년 동안 정부 규정으로 인해 LiDAR는 더 긴 NIR 파장인 1500nm를 사용하도록 전환했습니다. 1500nm로 전환하면 눈에 미치는 손상 효과가 무효화되지 않더라도 크게 줄어듭니다.
그러나 1500nm를 사용하는 가장 큰 단점은 가격입니다. 실리콘으로 만들어진 대부분의 소비자 등급 센서는 1500nm 파장의 적외선을 효과적으로 보는 데 필요한 감도를 갖고 있지 않기 때문에 InGaAs(인듐 갈륨 비소)를 사용하여 만든 특수 센서가 필요합니다. 이 재료만으로도 실리콘보다 몇 배 더 비쌉니다. 예를 들어, 기본 실리콘 기반 자동차 LiDAR 시스템의 가격은 약 10만엔 이상이라고 합니다. 그렇다면 문제는 1500nm를 사용하는 고정밀 InGaAs 기반 LiDAR 시스템의 비용은 얼마입니까? LiDAR의 비용과 성능 측면의 균형을 맞추는 것이 자율주행차의 미래를 발전시키는 열쇠 중 하나가 될 것입니다.
이 블로그 게시물이 적외선의 놀라운 세계와 그 응용 분야에 대해 조금이라도 배우는 데 도움이 되었기를 바랍니다.
적외선 반사를 줄이려는 분이라면 NIR 빛을 99% 이상 흡수하는 IR 플록 시트를 확인해 보세요!
공유하다: