SWIR(Short Wavelength InfraRed) sensor

단파적외선(SWIR)은 일반적으로 0.9 – 1.7μm 파장 범위의 빛으로 정의되지만, 0.7 – 2.5μm 범위의 빛으로도 분류될 수 있습니다. 실리콘 센서의 경우 상한선이 대략 1.0μm이므로 SWIR을 이용한 이미징 처리 시 특정 SWIR 범위에서 수행이 가능한 고유의 광학 및 전자 부품이 필요합니다. InGaAs(Indium gallium arsenide) 센서는 SWIR 이미징에서 주로 사용되는 센서로서 일반적인 SWIR 범위를 커버하지만 최저 550nm에서 최고 2.5μm까지 확장할 수 있습니다. 선형 라인 스캔 inGaAs 센서는 상업용으로 사용되는 데 반해 영역 스캔 inGaAs 센서는 대개 ITAR 규정에 따라 사용에 제한을 받습니다. ITAR(International Treaty and Arms Regulations) 규정은 미국에 의해 시행되는 법령으로서 이 ITAR 규정의 제한을 받은 제품을 미국 내외에서 제조 및/혹은 판매 시 수출입 관련 규정을 엄격히 준수해야 합니다. 이같은 철저한 규정에도 불구하고 SWIR 이미징 등의 렌즈는 적절한 라이센스를 취득하면, 다수의 상업 용도에서 사용할 수 있습니다.

그림 1:   SWIR 파장 범위를 보여 주는 전자기 스펙트럼

 

SWIR을 사용하는 이유는?

SWIR은 사물 자체에서 방출되는 중파적외선(MWIR) 및 장파적외선(LWIR)과 달리 광자가 사물에 의해 반사되거나 흡수된다는 점에서 가시광선과 유사하며, 고해상도 이미징에 필요한 강력한 콘트라스트(대비)를 제공합니다. 별 주변에 있는 빛과 배경 광도(야광)는 SWIR에서 자연스럽게 방출되는 빛으로서 야간 실외 이미징 용도에서 우수한 조도를 제공합니다.

SWIR 용도에서는 SWIR 파장 범위용으로 설계, 최적화, 코팅이 된 렌즈를 선택하는 것이 무엇보다 중요합니다. 가시광선용으로 설계된 렌즈를 사용하면 저해상도 이미지와 높은 광학 수차를 경험하게 됩니다. SWIR 파장은 SWIR용으로 설계된 유리, 렌즈, 기타 광학 부품(광학 필터, 윈도우 등)을 투과함에 따라 가시광용 부품에 사용되는 동일한 기술을 SWIR 광학 부품 제조 시 적용할 수 있어 비용 절감이 가능할 뿐만 아니라 시스템 내에서 보호용 윈도우와 필터 사용이 가능해집니다.

가시광선으로는 수행이 어렵거나 불가능한 대다수의 어플리케이션의 경우 SWIR을 사용하면 이미징 수행이 가능해집니다. SWIR에서 이미징을 할 때 물, 증기, 연무를 비롯해 실리콘과 같은 특정 물질은 투명하게 관찰됩니다. 이 밖에도 가시광선에서 유사하게 보이는 색상들이 SWIR에서는 쉽게 구분될 수 있습니다.

SWIR 용도

SWIR 이미징은 전자 보드 검사, 태양 전지 검사, 생산 검사, 식별 및 분류, 감시, 위조 방지, 프로세스 품질 관리 등 매우 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. SWIR 이미징이 가지고 있는 이점을 이해할 수 있도록 아래 이미지에서는 가시광선과 SWIR에서 각각 촬영된 일반 사물들을 예로 들어 보여줍니다.

그림 2a: 적사과를 가시광선에서 촬영한 이미지. 가시광선 이미징으로 사과의 색상이 완벽하게 적색으로 관찰됨을 알 수 있음. 단, 사과의 흠집은 쉽게 분별이 안 됨.

 

 

 

 

 

 그림 2b: 적사과를 SWIR에서 촬영한 이미지. SWIR 이미징으로 사과의 상처가 선명하게 구분됨. 사과 표면에 있는 흠집을 쉽게 감별할 수 있음.

 

 

 그림 3a: 베이비 파우더통을 가시광선에서 촬영한 이미지. 가시광 이미징으로 파우더통이 하얗고 광택있어 보임을 알 수 있음. 단, 파우더통 내부에 있는 파우더는 전혀 식별이 불가능함.

 

 

 그림 3b: 베이비 파우더통을 SWIR에서 촬영한 사진. SWIR 파장에서는 파우더통이 투명하게 관찰됨. 내부에 있는 파우더의 잔량을 쉽게 감별할 수 있음.

 

 

그림 4a: 디트로이트 미술관에 있는 Jan Provost의 작품인 Last Judgement와 이를 SWIR 대역을 이용해 촬영한 이미지. 페인트 레이어 아래에 숨겨진 밑그림을 조심스럽게 관찰함으로써 작가의 본래 의도를 파악할 수 있음. 이미지 저작권 디트로이트 미술관(사용 승인 후 게재).

 

그림 4b:실제 그림에서는 대천사 아래 5개의 트럼펫이 있는 것으로 나타나지만 밑그림을 통해 10개의 트럼펫이 있는 것을 알 수 있음. 또한 프럼펫의 위치로 인해 항해선의 방향을 바꾼 것으로 드러남. 구체 상단에 있는 발 역시 밑그림과는 위치가 다른 것을 알 수 있음. 이미지 저작권 디트로이트 미술관(사용 승인 후 게재).

 

그림 5a: 필라델피아 출신 미술 작가인 Nicole Koenitzer의 Bountiful Fruit 작품으로서 유화 작업 과정을 보여줌. SWIR 대역에서 그림을 검사하면 초기 스케치부터 완성작의 세밀함까지 작가의 사고 방식을 엿볼 수 있음.

 

그림 5b: 본래 그림에는 최종 그림에서 제외된 바나나와 액자가 있었음을 알 수 있음. 우측 하단에는 가시광선 대역에서 볼 수 없었던 브로치가 나타남. 아마도 초기에는 작품 배경에 여러 가지 재료를 그리려고 했거나 추후 마음을 바꾼 후 보정한 것으로 예측됨.

단파적외선(SWIR)은 광학 및 전자 부품이 설계 및 코팅되는 특정 파장 범위를 규정합니다. SWIR 이미징은 검사, 분류, 감시, 품질 관리와 기타 다양한 응용 분야에서 가시광선 이미징에 비해 더 많은 이점을 제공합니다. 해상도를 극대화하고 광학 수차를 줄이기 위해서는 SWIR 파장 범위에 맞도록 설계, 최적화, 코팅 과정을 거친 부품을 선정하는 것이 바람직합니다.

 

 

 

 

출처 : https://www.edmundoptics.co.kr/knowledge-center/application-notes/imaging/what-is-swir/

SWIR 이란? | 에드몬드 옵틱스