열화상 카메라가 어두운 곳에서 물체를 식별할 수 있는 원리는 무엇인가요?

Question

열화상 카메라는 어두운 곳에서도 물체를 잘 식별할 수 있어 다양한 분야에 활용되고 있습니다. 열화상 카메라가 어두운 곳에서 물체를 식별할 수 있는 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

열화상 카메라는 가시광선이 아닌 물체가 스스로 빛을 방출하는 적외선을 포착하여 시각적 영상으로 변환하기 때문에 빛이 전혀 없는 암흑 속에서도 물체를 선명하게 식별할 수 있습니다. 이와 관련하여 설명해 드릴게요.

절대온도 0K 이상의 온도를 가진 우주의 모든 물체는 내부 분자 운동에 의해 적외선 파장의 열에너지를 방출하기 때문에 사람을 포함하여 건물, 자동차, 차가운 바위나 얼음까지도 온도를 갖고 있으므로 빛이 없어도 각자의 온도에 해당하는 적외선 신호를 계속해서 방출하고 있습니다.

저마늄 등 특수 소재 렌즈를 사용하는 열화상 카메라는 렌즈를 통해 들어온 적외선 에너지가 센서에 도달하면 센서 표면의 미세한 소자들이 적외선 열을 흡수하여 온도가 올라가게 되고, 이때 발생하는 미세한 전기 저항 변화를 전기적 신호로 바꿉니다. 카메라의 신호 처리 장치에 의해 전기 신호를 분석하여 사람이 볼 수 없는 적외선을 우리가 시각적으로 인식할 수 있도록 영상으로 변환합니다.

Answer 2

안녕하세요. 질문해주신 열화상 카메라는 일반 카메라와 달리 빛을 보는 것이 아니라 물체에서 나오는 적외선, 특히 열복사 에너지를 감지하는 장치인데요, 모든 물체는 온도가 절대 영도보다 높다면 일정량의 전자기파를 방출하는데, 물체의 온도가 높을수록 방출하는 열복사 에너지가 많아집니다. 우리가 흔히 말하는 열화상 카메라는 이 가운데 주로 장파장 적외선 영역을 감지합니다. 이때 일반 카메라는 태양빛이나 조명 같은 가시광선이 물체에 반사되어 우리 눈이나 카메라 센서에 들어오는 것을 이용합니다. 그래서 주변이 완전히 어두우면 물체에서 반사되어 들어오는 빛이 없어 물체를 보기 어렵습니다. 반면 열화상 카메라는 외부에서 빛을 비춰줄 필요가 없습니다. 사람이나 동물, 자동차, 건물 등은 스스로 열에너지를 방출하고 있기 때문에 주변이 깜깜하더라도 그 열복사를 감지할 수 있습니다.

열화상 카메라 내부에는 마이크로볼로미터와 같은 적외선 센서가 들어 있는데요, 물체에서 나온 적외선이 렌즈를 통과해 센서에 도달하면 센서의 온도나 전기적 특성이 미세하게 변하고, 카메라는 이러한 차이를 전기 신호로 변환합니다. 이후 각 지점에서 측정된 적외선의 세기를 서로 다른 밝기나 색으로 표현하여 화면에 열화상 이미지를 만들어냅니다. 그래서 화면에서 밝게 나타나는 부분은 주변보다 상대적으로 따뜻한 부분이고, 어둡게 나타나는 부분은 상대적으로 차가운 부분인 식으로 표현할 수 있습니다. 예를 들어 밤에 사람이 숲속에 숨어 있다고 생각해 보면, 일반 카메라는 주변이 어두우면 사람의 모습을 제대로 촬영하기 어렵습니다. 하지만 사람의 피부와 옷, 주변 나뭇잎과 땅은 서로 다른 온도를 가지고 있기 때문에 열화상 카메라는 이 온도 차이를 이용하여 사람의 위치를 구별할 수 있습니다. 자동차의 엔진이나 배기관처럼 주변보다 뜨거운 물체 역시 어두운 환경에서 쉽게 찾아낼 수 있습니다. 다만 열화상 카메라가 모든 어둠 속의 물체를 일반 카메라처럼 선명하게 보여주는 것은 아닙니다. 열화상 카메라는 물체의 모양과 온도 분포를 보여주는 장치이기 때문에 같은 온도를 가진 물체가 서로 붙어 있으면 경계를 구분하기 어려울 수 있습니다. 또한 유리창은 가시광선과 달리 장파장 적외선을 대부분 통과시키지 않기 때문에, 일반적인 생각과 달리 열화상 카메라로 유리창 너머의 사람을 볼 수 없는 경우가 많습니다. 비나 안개, 연기 역시 적외선을 흡수하거나 산란시켜 관측 거리를 떨어뜨릴 수 있습니다. 감사합니다.