자외선 영역을 이용한 비전 기술

가시광 영역을 초월한 비전 기술에는, X선 촬영이나 적외선 영상 분야가 있다. 자외선 비전 분야를 이들과 비교하면 기존 연구는 미흡한 편이다. 이 글에서는 자외선을 이용한 화상 촬영의 원리(광원, 렌즈, 카메라)와 응용 분야에 관해 자외선의 특성에 입각하여 소개한다.

첫머리에

자외선 비전 기술을 소개함에 있어 자외선의 특성과 자외선 촬영에 필요한 광학 렌즈, 광원, 카메라, 촬상(撮像) 파장 변환장치에 대해서 언급하도록 한다. 아울러 자외선 촬영의 방법과 그 응용에 대해서도 소개한다.

자외선의 특성

자외선의 발견

자외선은 1801년 독일의 물리화학자 리터(Johann Wilhelm Ritter : 1776-1810)에 의해 발견되었다. 이것은 천문학자 허셜이 적외선을 발견한 1800년에서 1년 후의 일로, 리터가 적외선의 추가시험을 실시할 때 우연히 발견된 것이다. 덧붙여 X선은, 이것보다도 90년 후에 발견됐다. 리터는 분광된 빛의 청색 영역에서 굴절이 한층 더 강한 위치에, 사람의 눈에는 반응하지 않아도 염화은에 반응하는 빛이 있다는 것을 알아냈다. 1800년 당시는, 현재 우리가 스마트하게 빛(전자파)을 포착하는 파장의 개념이 없었다. 태양광에 많은 빛의 성분이 있다는 것은 1600년대의 뉴튼의 연구에 따라 알고 있었지만, 그것이 파장 성분에 의해 이루어져 있다고 결정지어진 것은 1807년 영국의 물리의학자인 토마스 영에 의해서이다. 영은 의사의 관점에서 사람의 눈을 해부하여, 시세포에는 뉴튼이 주장하는 것처럼 많은 빛의 입자를 검출하는 기능이 갖춰져 있지 않다는 것을 밝혀냈다. 그는 단색광을 이용한 슬릿에 의한 실험으로 빛의 회절과 간섭 특성을 이끌어내어 빛이 파동인 것을 결정지었다. 영은 실험에 의해 파장 의존인 빛의 성질이 체계화되어 분광학의 발전을 이끌어냈다. 이에 따라 자외선도 가시광도, 적외선도 X선도 파장 의존의 전자파라는 것이 알려졌다.

자외선의 굴성

자외선은 파장이 400nm에서 10nm에 이르는 영역의 빛으로 높은 양자에너지(hv)를 가지는 전자파이다. 높은 양자에너지는 강한 화학반응 작용을 지니고, 유기물질의 분해와 물질을 여기시키는 형광 작용을 지닌다. 또, 파장이 짧은 것으로부터 입자에 가까운 특성을 가지고, 강한 산란강도를 보인다. 높은 에너지를 가지면서도 사람의 눈으로는 볼 수 없다. 반대로, 강한 자외선이 장기간 눈에 닿는 것은 위험하다. 생물 발생학적으로 보면, 생물은 본래 자외선을 느끼는 시각신경을 가지고 있었다. 그러나 사람은 그것이 퇴화되었다고 여겨지고 있다. 곤충 종류로는, 꿀벌이나 배추흰나비 등과 같이 자외선에 감도가 있는 시각기관을 가진 것이 있다.

자외선의 안전성

자외선은 양자에너지가 높은 것으로부터 세포에도 영향을 끼치고, 세포를 파괴한다. 이 때문에 살균작용으로써 자외선을 사용하는 경우가 있다. 자외선이 사람에게 미치는 영향으로는 피부의 화상이나 피부암이 있고, 눈의 악영향도 크다. 또, 자외선을 가진 높은 양자에너지는 유기물질을 분해하는 능력이 있어 이것이 수지 등의 열화나 인쇄물의 퇴화를 초래하고 있다.

자외선의 유효성

자외광을 이용한 비전 기술의 응용에 관해 간단히 소개한다.

인쇄물의 감정

지폐 등 위조가 엄격하게 규제되고 있는 인쇄물에는, 자외선으로 형광을 발하는 잉크를 이용하여 위조방지여부를 체크하고 있다. 지폐나 여권에는 자외 램프를 비추면 가시광으로는 보이지 않았던 문서나 문양이 떠오른다. 고문서의 감정 등에도 자외선을 비추어 가시광으로 볼 수 없는 문서의 위조를 체크하고 있다.

생물 분야

꿀벌이나 배추흰나비 등의 곤충은, 자외선을 시각 영역으로 지니고 있어 자외선을 이용한 행동을 취하고 있다. 피부에 생긴 반점이나 멜라닌색소 등은 자외선을 비추어 자외선 카메라로 관찰하면 가시광에서는 관찰할 수 없는 증상을 관찰하는 것이 가능하다.

형광관찰 분야

자외광을 조사(照射)하여 형광여기 물체를 가시광 촬영하는 응용방법이 있다. 흐름의 가시화 트레이서(추적자)를 사용한 관찰에선 이런 형광제를 사용해 흐름을 떠오르게 하는 수법이 채택되고 있다.

연소의 연구에서는, 자외 발광 현상을 관찰하는 것이 있다. 연소의 초기에는, OH래디컬(309nm)의 자외 발광을 동반하기 때문에 착화연구에 자외광 촬영이 행해진다(그림 9 참조). 또, LIF(레이저 여기형광법)에도 자외광 촬영이 실시된다. 플라스마 발광연구의 경우에도 자외 영역에서의 정보는 중요하다. 태양광(오존파괴)의 자외선 대책 연구에도 자외선촬영이 실시된다.

제품검사(결점 등)

가시광에서는 놓치고 마는 결점의 검사나 위조품의 체크에 자외광을 비추어 자외선 카메라로 검사를 실시하는 것이 있다. 반도체 제조광원으로는, 서브마이크로오더의 선건(線巾) 회로를 만들기 때문에 빔스폿을 작게 만들 수 있는 자외 광원은 중요하다. 수지를 경화시키는 목적에도 자외 광원이 사용된다.

분자분해광원

자외선은 양자에너지가 높기 때문에 유기물을 분해하는 기능을 지닌다. 또, 수지를 사용한 정밀가공에서의 가공용 광원으로써 자외선이 사용된다.

자외선 촬영법

자외선 촬영은, 크게 나누어 3종류가 있다(그림 1 참조). 세 가지의 샘플 화상은 위에서부터 화초의 형광촬영, 멜라닌색소의 자외반사 촬영, 연소의 발광촬영을 나타낸다.

형광촬영

형광촬영은, 형광체에 자외광을 비추어서 통상(가시광영역)의 카메라로 형광발광 상(像)을 촬영하는 것이다. 위조물 검사나 형광 트레이서를 이용한 흐름의 가시화에 이용된다.

자외광 반사촬영

자외광 반사촬영은 자외선을 대상물에 가하여 그 반사 상황을 자외선에 감도를 가진 카메라로 촬영하는 것이다. 가시광에선 인식할 수 없는 결점이나 패턴의 가시화에 사용된다. 이 수법은 광물이나 특이성분의 검출, 자외에 감도를 가지는 생태의 조사(배추흰나비, 꿀벌)에도 이용된다.

자발광(자외발광)촬영

자외 발광을 동반하는 대상물을, 자외선에 감도를 가진 카메라로 촬영한다. 연소발광은, 발광 초기에 자외 발광을 동반하기 때문에 이 방법이 사용된다.

자외선 광원

자외선을 발하는 광원에 대해 서술한다. 자외선은 양자에너지가 높기 때문에 가열발광에 의한 광원(백열램프)으로는 자외선이 방출되기 어렵다. 자외선 광원의 많은 부분은 방전발광 또는 양자발광에 의한 것이다.

수은등

수은은 전기에 의한 여기를 받으면 특유의 자외선을 방출한다. 수은을 이용한 광원에는 저압수은증기에 의한 형광등과 고압수은증기에 의한 수은등이 있다. 형광등은 수은이 방출하는 자외선(253.7nm)을 형광 물질에 의해 가시광으로 변환시킨 것이기 때문에 관내에 도포된 물질을 제거하면 자외선이 직접 방출된다. 블랙라이트는 형광등내의 형광물질을 도포하지 않은 자외선램프이다. 고압수은등도 기본적으로 수은을 지닌 자외 발광을 일으키기 때문에 자외선을 방사하는 자외선램프로써 사용된다.

크세논램프

크세논램프는 고압 크세논 안에서의 방전발광이다. 크세논가스의 방전발광은, 태양광의 방사 스펙트럼에 극히 가깝고, 자외광에서 적외광에 이르기까지 연속 스펙트럼을 얻을 수 있다. 영화관의 영사램프나 고속도로의 안내표지판 역광기, 카메라용 스트로보 광원으로써 사용되고 있다. 크세논램프는 기본적으로는 백색 광원이지만, 자외 영역에도 방사가 있기 때문에, 밴드버스필터를 램프에 장착하거나 자외선을 포함한 백색광으로써 사용한다.

HMI램프

최근 각광을 받고 있는 방전등으로 HMI(메탈할로겐)램프가 있다. HMI램프는 수은등의 한 종류로, 수은등의 황색성(태양광에 가까운 밸런스가 잡힌 백색광원 지수)을 개선하는 방법으로써, 희토류 금속을 넣어 연속 스펙트럼에 가까워지고 있다. 액정 프로젝터나 스터디움 조명, 고휘도(高輝度) 자동차램프(HID램프)에 사용되고 있다. 수은을 이용하고 있기 때문에 자외선을 방출한다. 크세논램프와 마찬가지로 밴드버스필터를 이용하거나 가시광을 섞은 백색광으로써 사용된다.

자외LED

LED(발광 다이오드)는 원래 적외로부터 적색의 발광이 강한 양자발광 광원이다. 청색 자외 발광이 약한 이유는, 높은 양자에너지를 얻는 반도체 재료를 만들 수 없었기 때문이다. 청색 발광 다이오드는 질화갈륨 제조기술이 확립되고 처음으로 가능해졌다. 자외LED도 질화갈륨을 토대로 개발되었다. 발광 다이오드는 사용하기 편리한 자외 광원으로써 지폐, 제품 검사의 광원, 살균광원으로써 이용된다.

자외 레이저

자외 레이저의 응용은 광범위하다. 반도체 제조장치의 광원으로는 자외 레이저가 사용된다. 자외 레이저는 엑시머 레이저가 유명하고, 다른 질소레이저도 자외광을 방출한다. YAG 레이저는 사용하기 편리해서 원발진(1.06um)을 광학적으로 변환해서 3배파(353nm)로써 추려내거나 색소레이저나 티탄사파이어레이저로 임의의 자외 파장을 얻고 있다.

엑시머램프

자외 레이저는 설비비가 높고 유독가스를 사용하기 때문에 취급이 간단한 엑시머램프가 개발되었다. 이 램프는 출력이 작은 반면, 취급하기가 편하기 때문에 강한 광원을 필요로 하지 않는 분야에서 주목을 끌고 있다.

자외선 렌즈

자외선을 사용하는 촬영에서는 자외선을 투과하는 자외 렌즈를 쓰지 않으면 안 된다. 시판되는 카메라 렌즈는 거의 대부분이 자외선을 투과하지 않고 흡수 혹은 반사해 버린다.

광학재료(자외선을 투과하는 재질)

광학 유리 중에 자외선을 투과시키는 것, 석영 유리와 플루오르화 칼슘(형석)의 두 종류 밖에 없다. 이 두 종류의 광학 유리를 사용하여 자외 렌즈가 제작되고 있다. 이 외에 사파이어도 자외역을 투과하지만 렌즈로써의 성능을 끌어내지 못하기 때문에 창재(窓材)로써 사용된다.

광학 렌즈의 성능을 크게 좌우하는 것으로 색수차가 있다(그림 7 참조). 통상의 단렌즈의 색수차는, 청색 영역으로 도달함에 따라 굴절이 강해져 그 정도는 직선이 된다. 색수차를 제거하기 위해 여러 장의 광학 유리를 조합하여 파장에 의존하는 굴절률을 상쇄하는 방법이 채택된다. 아크로마트 렌즈는 2파장의 수차를 동일하게 한 것으로 수차 곡선은 2차 곡선이 된다. 아보크로마트는 3파장의 색 보정을 더한 것으로 3차 보정 곡선이 된다. 이들 보정에는 많은 광학 유리가 필요하게 되는데, 자외 렌즈에서는 이하에 서술한 2종류 밖에 선택할 수가 없기 때문에, 자외역에서 가시역까지 수차를 취한 렌즈의 제작은 어렵다.

(1) 석영

석영 유리는 자외 영역에서 가시~적외역(170nm~2um)까지 양호한 투과 특성을 보이고, 균질한 재질을 얻을 수 있으며, 견고하고 온도 특성도 좋기 때문에 자외 렌즈의 기본 렌즈 엘리멘트로써 사용된다. 석영 렌즈 1장만으로는 색수차를 포함한 각종 수차를 제거할 수 없기 때문에 아래 형석과의 조합으로 자외 렌즈가 만들어진다.

(2) 플루오르화 칼슘(형석)

플루오르화 칼슘(CaF2)은 굴절률에 대한 분산이 지극히 낮기 때문에 색수차를 제거하는 특효약 같은 존재이다. 현미경 렌즈인 아보크로마트나 사진 촬영용 망원 렌즈에 사용되고 있다. 플루오르화 칼슘은 자외선에도 양호한 투과 특성(130nm∼8000nm)을 가지기 때문에 색수차를 제거하는 렌즈 엘리멘트로써 석영 렌즈와 함께 이용된다.

시판되는 자외 렌즈

(1) 가시역까지 색수차를 보정

시판되고 있는 자외 렌즈를 크게 나누면 가시광역까지 색수차를 보정한 것과 그렇지 않은 렌즈, 둘로 나눌 수 있다. 가시광 영역까지 색수차를 제거한 것은,

가시광으로 포커스 조정 가능
자외광 + 가시광 촬영이 가능
렌즈가 어둡다(F2.8~F4).
고가
종류가 적다.

는 특징이 있다. 시판되고 있는(있던) 자외 렌즈에는 이하의 제품이 있다.

Takumar f85mm F4(1970년대 중반, 제조중지)
UV Nikkor f105mm F4 → 토치기 니콘이 UV105로 판매
렌즈야(屋) UM25 f25mm F2.8
미츠토요 현미경 대물 렌즈

(2) 자외선에 감도를 가지는 렌즈

아래에 나타낸 렌즈, 자외광 광학 재료를 사용하여 자외역까지 감도를 갖춰두기는 했지만, 가시광역을 포함한 색수차가 제거되어 있지 않은 렌즈다. 때문에 포커스는 자외광으로 실행하지 않으면 안 되고, 자외역에 감도를 가진 카메라와 자외 필터, 거기에 자외 광원에서의 촬영이 이루어진다. 이들 자외 렌즈의 특징을 아래에 열거한다.

자외 영역에 감도를 가진다. → 코팅 처리 없음
가시광까지의 색수차 보정 없음
포커스는 자외 영역에서 실행
C마운트 렌즈가 많다.
비교적 저렴

시판 되고 있는 자외 렌즈는 이하의 제품이 있다.

Pentax Cosmicar f25mm F2.8
Pentax Cosmicar f78mm F3.8
Aspec f105mm F4 등

밴드 버스 필터 및 분광기

자외 투과 필터(밴드 버스 필터)

자외선 촬영을 할 때 필요하게 되는 것이 자외광만을 카메라(렌즈)에 담아 다른 빛을 커트하는 필터이다. 필터에는 넓은 파장 영역을 선택 투과시키는 와이드 밴드 필터와 수십 나노미터 정도의 투과건(透過巾)을 가진 내로우 밴드 필터가 있다. 와이드 밴드 필터는, 대략적인 파장 선택에 의한 촬영용에 쓰이고, 내로우 밴드 필터는 양자 발광을 행하는 발광체의 선별(특이 스펙트럼의 가시화)에 사용한다. 밴드 버스 필터는 지지모재(支持母材)에 석영 유리를 이용하고 있고, 거기에 다층막의 증착(蒸着)을 가하여 박막의 간섭 원리에 따라 파장의 선택 투과를 실시하고 있다. 투과 가능한 파장은, 250nm에서 반치건(半値巾) 25nm 정도로 임의의 대역(帶域)에서의 필터가 만들어진다.

분광기

밴드 버스 필터는 투과 파장건(波長巾)이 수십 나노미터로 넓기 때문에 추려내고 싶은 파장광보다도 백색광(팩 그랜드광)이 많이 포함되어 있거나 투과창의 저변에서 팩 그랜드광이 새어 들어갈 경우에는 희망하는 양자 발광의 가시화가 불가능하다. 분광기를 이용한 화상 가시화 장치(그림 10 참조)는, 회절격자를 채택하고 있기 때문에 파장 분리가 매우 좋고, 파장 분해 능력도 서브 나노미터까지 설정 가능하다. 이 장치는 팩 그랜드광이 강한 플라스마 현상의 자외 발광 연구에서 이용된다.

파장 변환 광증폭 장치

자외선을 이용한 촬영은 대부분의 경우 자외선의 광량이 불충분하고, 카메라의 노출 조건을 만족시키지 않는다. 또 카메라가 자외 에너지에 감도를 지니지 않는 경우도 있다. 이미지 인텐시파이어(광증폭 광학 장치, I.I.)는 이런 문제를 해결하는 장치이다.

특징

이미지 인텐시파이어(I.I.)는 미약광(微弱光)을 1,000배~100,000배 정도로 증폭하는 광학 장치로, 자외~적외 영역의 감도를 지닌다. 전자 셔터에 의해 단시간 노출(20ns~)도 가능하다. I.I.는 한가지 전자관으로 되어 있고, 입력면의 광전면과 출력면의 형광면, 거기에 튜브 내에 전자 증폭부로 구성된다. 광전면에 입사(入射)한 자외광상(像)은 전자상으로 변환되어 전자관 내부의 고전압장과 MCP(마이크로 채널 플레이트)로 수천 배로 전자 증폭되어 형광면에 도달한다. 형광면은 전자상을 청록의 가시광상으로 변환시킨다. 이것을 CCD 등의 촬상 소자로 촬상한다. I.I.와 카메라의 광학적 접촉(커플링)은 릴레이 렌즈 방식에 의한 것과 파이버에 의한 직접 커플링의 두 종류가 있다. 그림 11은 I.I.의 출력(형광면)을 파이버로 CCD 소자에 직접 커플링한 것이다. I.I는, X선 촬영에도 같은 목적으로 사용되고 있다.

자외 카메라

자외선 촬영을 실행하는 카메라의 종류에 대해 서술한다.

통상의 카메라

디지털 일안 리플렉스 카메라는 자외역에 감도가 없기 때문에 본격적인 자외 촬영은 불가능하다. 그러나 약간이지만 자외역에 감도가 있기 때문에 유사 촬영은 가능하다. 렌즈는 자외 렌즈를 이용한다. 통상의 가시광 렌즈를 이용해도 자외광을 조사하는 것에 따라 대상물이 형광을 발하기 때문, 가시광 촬영과는 다른 화상을 얻을 수 있다. 이것도 일종의 자외광 촬영이다.

일안 리플렉스로 자외역에 감도를 가지는 것에 후지필름이 미국 경찰용으로 개발한 Finepix S-3 Pro UVIR이 있다. 이 카메라는 촬상 소자에 통상 붙어있는 UV/IR 필터를 제거한 것이다. IR은 어떻든 간에 UV의 감도는 감도 특성상 그만큼 기대는 할 수 없다. 자료를 보아도 UV역의 감도가 어디까지인가 하는 명기(明記)는 없다.

자외역에 감도를 가진 카메라

산업용 CCD 카메라로 자외역에 감도를 가지는 것이 있다. 소니 XCD-SX910UV가 그것으로, 제조라인의 결점 검사용으로 제작되었다. 감도는 200nm부터 있고, 혈액의 반응 검사(범죄현장)에도 이용할 수 있다. 생산라인의 제조결점 검사에서는, 제품에 자외선을 비추어 촬영하면 가시광에서는 판별할 수 없는 흠집이나 얼룩을 검출할 수 있다. 카메라에는 저렴한 C마운트 자외 렌즈를 이용하고, 이것에 자외 필터를 장착하여 자외선 광원을 비추어 촬영한다.

자외역에 감도를 가진 초고감도 카메라

학술연구용 목적으로는 자외역에 감도를 가진 고감도 CCD 카메라가 사용된다. E2V사와 TI사에서 판매되고 있는 EM CCD(초고감도 CCD 카메라)는, 종래 CCD의 1,000배의 감도를 가지고 있고, 자외역에도 감도가 있다. 10분 정도의 장기간 노출에도 노이즈가 발생하지 않기 때문에 미약광을 다루는 라만 분광과 현미경 촬영에 위력(威力)을 발휘하고 있다. 자외역에 감도가 갖춰진 카메라로는 300nm부터 촬영이 가능하다.

이미지 컨버터 카메라

자외광을 가시광으로 변환해서 보는 뷰어가 자외 뷰어이다. 심장부에는 이미지 컨버터 튜브가 사용되고 있다. 이미지 컨버터 튜브는, I.I와 동류에 들어가는 전자관으로 광전면, 증폭단, 형광면으로부터 구성되어 있다. 그림 15의 뷰어는 자외광상을 변환해서 형광면에 가능한 가시상을 아이비스를 통해 직접 보는 것이다. 화질은 기대할 수 없지만 뷰어로써는 간편하다.

끝으로

자외광을 사용한 자외선 촬영은 흥미 있는 분야이며, 가시광으로는 얻을 수 없는 정보를 얻을 수 있다. 이 촬영에는 자외선을 포함하는 광원, 자외선을 통한 카메라 렌즈, 자외선에 감도를 가지는 카메라의 성능을 충분히 파악하여 목적으로 하는 자외 파장광의 가시화를 행하는 것이 중요하다.

<글 : Anfi(有) 안도 코시(Ando Kosh) 대표이사>

[월간 시큐리티월드 통권 제159호(info@boannews.com)]

3월 15일부터 시행되고 있는 개정 개인정보보호법과 관련해 가장 까다롭고 이행하기 어려운 조항은 무엇인가요?
	인공지능(AI) 등 자동화된 결정에 대한 정보주체 권리 구체화
	접근권한 관리 등 개인정보 안전성 확보조치 강화 및 고유식별정보 관리실태 정기조사
	영향평가 요약본 공개제도 도입 등 개인정보 영향평가제도
	영상정보처리기기 및 안전조치 기준
	개인정보 보호책임자의 전문성 강화 위한 전문CPO 지정
	국외 수집·이전 개인정보 처리방침 공개 등 개인정보 처리방침 평가제도
	손해배상책임 의무대상자 변경 및 확대
	공공기관 개인정보 보호수준 평가 확대
	기타(댓글로)