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스트로보스코프

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1. 개요

스트로보스코프는 일정한 주기로 빛을 점멸하여 회전하거나 빠르게 움직이는 물체의 움직임을 정지 또는 느리게 보이게 하는 장치이다. 기계식과 전자식이 있으며, 원통이나 램프를 사용하여 회전 속도를 측정하거나 움직임을 연구하는 데 활용된다. 벨기에의 조제프 플라토와 오스트리아의 지몬 리터 폰 슈탐퍼가 19세기 초에 발명했으며, 산업, 의학, 과학 교육, 엔터테인먼트 등 다양한 분야에서 응용된다. 특히, 축음기 턴테이블의 회전 속도 측정, 성대 관찰을 통한 발성 장애 진단, 고속 회전체의 속도 측정 등에 사용된다.

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스트로보스코프
개요
종류광원 장치
용도움직이는 물체의 움직임을 느리게 보이게 하거나 정지한 것처럼 보이게 함
회전 속도 측정
작동 원리
핵심 원리짧은 간격으로 반복되는 빛을 비추어 움직이는 물체의 위치를 특정 시점에서만 보이게 함
시각 효과빛의 간격과 물체의 움직임에 따라 다양한 시각적 효과 발생
물체가 느리게 움직이거나 멈춰있는 것처럼 보이게 할 수 있음
활용 분야
산업 분야기계의 움직임 분석 및 결함 진단
회전 기기의 속도 측정 및 제어
과학 분야고속 현상 연구
움직이는 물체의 궤적 추적
엔터테인먼트 분야무대 조명 효과
특수 촬영
종류
가변 속도 스트로보스코프램프 속도를 조절하여 움직이는 물체의 속도와 일치시킴
물체가 정지한 것처럼 보이게 함
다중 스트로보스코프여러 개의 램프를 사용하여 복잡한 움직임 분석
다양한 각도에서 물체의 움직임 관찰
추가 정보
어원그리스어 "strobos" (회전) + "skopeō" (보다)
관련 용어스트로보, 스트로보 효과

2. 원리

회전축에 스트로보스코프용 도형을 달고, 일정한 주기로 점멸하는 램프로 비추면, 어떤 부분은 왼쪽이나 오른쪽으로 도는 것처럼 보이거나 정지된 것처럼 보인다. 정지된 것처럼 보이는 것은 회전하여도 도형의 배치가 이전과 같기 때문이다. 원주의 등분수와 램프 점멸 주기로 축의 회전수를 측정할 수 있다. 이 방법은 회전축에 아무것도 닿아서는 안 되는 경우, 또는 무엇인가 회전축에 닿으면 회전 속도가 변화할 염려가 있는 경우에 흔히 이용된다.[10]

2. 1. 기계식 스트로보스코프

회전축에 스트로보스코프용 도형을 달고, 일정한 주기로 점멸하는 램프로 비추면, 어떤 부분은 왼쪽으로 도는 것처럼, 어느 부분은 오른쪽으로 도는 것처럼, 그리고 어떤 부분은 정지되어 있는 것처럼 보인다.

정지된 것처럼 보이는 것은 회전하여도 도형의 배치가 앞에서 비친 순간의 것과 같기 때문이다. 그러므로 원주의 등분수와 램프가 점멸하는 주기로써 축의 회전수가 측정되는 것이다. 이 방법은 회전축에 아무것도 닿아서는 안 되는 경우, 또는 무엇인가 회전축에 닿으면 회전속도가 변화할 염려가 있는 경우에 흔히 이용된다.[10]

가장 단순한 기계적 형태의 스트로보스코프는 관찰자와 움직이는 물체 사이의 시선에 균등하게 간격을 둔 구멍이나 슬롯이 있는 회전하는 원통(또는 가장자리가 올라온 그릇)일 수 있다. 관찰자는 양쪽의 구멍/슬롯을 동시에 들여다보며, 슬롯/구멍은 반대 방향으로 움직인다. 구멍/슬롯이 반대편에서 정렬되면 관찰자에게 물체가 보인다.

또는 고정된 구멍이나 슬롯과 함께 단일 움직이는 구멍이나 슬롯을 사용할 수 있다. 고정된 구멍이나 슬롯은 빛을 단일 시야 경로로 제한하고 움직이는 구멍/슬롯의 다른 부분을 통과하는 빛으로 인한 눈부심을 줄인다.

단일 구멍/슬롯 선을 통해 보면 스트로보 효과 없이 구멍/슬롯이 물체를 가로질러 쓸어넘어가는 것처럼 보이기 때문에 작동하지 않는다.

회전 속도는 관찰된 시스템의 움직임과 동기화되도록 조정되어 느려지고 멈추는 것처럼 보인다. 이러한 착시는 시간적 앨리어싱에 의해 발생하며, 일반적으로 스트로보 효과로 알려져 있다.

2. 2. 전자식 스트로보스코프

전자식 버전에서, 구멍 뚫린 원반은 짧고 빠른 빛을 방출할 수 있는 램프로 대체된다. 일반적으로 가스 방전 램프 또는 고체 램프가 사용되는데, 이는 전원이 인가될 때 거의 즉시 빛을 방출하고 전원이 제거될 때도 그만큼 빠르게 소등될 수 있기 때문이다.[10]

이에 비해, 백열전구는 전원이 켜질 때 짧은 예열 기간을 거치고 전원이 제거될 때 냉각 기간을 갖는다. 이러한 지연으로 인해 예열 및 냉각 기간 동안 부분적으로 조명된 물체의 세부 사항이 번지고 흐려진다. 대부분의 경우 백열전구는 명확한 스트로보스코프 효과를 얻기에 너무 느리다. 그러나 교류 전원에서 작동할 때는 대부분 필름 영사와 같은 광학 오디오 재생에서 가청 험(주 전원 주파수의 두 배)을 일으킬 정도로 충분히 빠르다.[10]

섬광의 주파수는 물체의 순환 속도와 같거나 그 단위 분수가 되도록 조정된다. 이 지점에서 물체는 섬광 주파수에 따라 정지해 있거나 천천히 뒤 또는 앞으로 움직이는 것으로 보인다.[10]

네온 램프 또는 발광 다이오드는 일반적으로 저강도 스트로보 응용 분야에 사용된다. 네온 램프는 고체 전자 제품이 개발되기 전에 더 흔했지만, 대부분의 저강도 스트로보 응용 분야에서 LED로 대체되고 있다.[10]

제논 플래시 램프는 중간 및 고강도 스트로보 응용 분야에 사용된다. 충분히 빠르거나 밝은 섬광은 제논 플래시 램프가 녹는 것을 방지하기 위해 강제 공기 또는 수냉각과 같은 능동 냉각이 필요할 수 있다.[10]

3. 역사

제너럴 라디오(General Radio)에서 제작한 전문가용 스트로보스코프인 1540 스트로블룸(Strobolume)


1540 스트로블룸 제어 상자 확대 사진


벨기에 출신의 조제프 플라토는 1832년, 방사형 슬릿이 있는 원반을 회전시키면서 별도의 회전하는 바퀴에 있는 이미지를 보면서 스트로보스코프를 발명한 것으로 일반적으로 알려져 있다. 플라토의 장치는 "페나키스토스코프"로 알려지게 되었다. 오스트리아의 지몬 리터 폰 슈탐퍼가 거의 동시에 독립적으로 이 장치를 발명했으며, 그는 "스트로보스코프"라고 명명했고, 오늘날 사용되는 용어는 그의 것이다. 어원은 "소용돌이"를 의미하는 그리스어 ''στρόβος - strobos''와 "보다"를 의미하는 ''σκοπεῖν - skopein''에서 유래되었다.

가장 초기의 발명품들은 과학 연구에 중요한 응용 분야를 가졌을 뿐만 아니라, 움직이는 사진을 제작하는 방법으로 즉각적인 대중적 성공을 거두었으며, 이 원리는 수많은 장난감에 사용되었다. 다른 초기 선구자들은 회전 거울 또는 거울 검류계로 알려진 진동 거울을 사용했다.

1917년, 프랑스 엔지니어 에티엔 오미헨은 최초의 전기 스트로보스코프를 특허냈으며,[1] 동시에 초당 1,000 프레임을 촬영할 수 있는 카메라를 제작했다.

해럴드 유진 에저턴("Doc" Edgerton)은 움직이는 기계 부품을 연구하기 위해 섬광 램프를 사용했다.[2] 제너럴 라디오사(General Radio Corporation)는 이 장치를 "스트로보탁"(Strobotac) 형태로 제작했고, 이는 상업적으로 성공한 스트로보스코프의 초기 사례였다.[3] 에저턴은 나중에 매우 짧은 섬광을 사용하여 비행 중인 총알과 같이 빠르게 움직이는 물체의 정지 사진을 제작하는 수단으로 사용했다.

광원의 발광이 아닌, 슬릿이 있는 회전체를 회전시키고 그 슬릿을 통해 대상 물체를 관찰하는 메커니즘이 스트로보스코프의 선조이다. (구조상 임의의 속도로 가능하며, 그 속도에 맞춘 애니메이션이 된다.) 원통을 이용한 조이트로프나, 원반을 이용한 페나키스토스코프, 거울 등 광학적 부품을 이용한 일종의 환등과 같은 효과를 얻는 프락시노스코프 등이 있다.

스틸 사진 촬영용 전자 플래시를 스트로보라고도 부르지만, 이것은 원래 스트로보스코프에서 유래되었다.[9]

4. 응용 분야

스트로보스코프는 다양한 분야에서 활용된다.

회전축에 스트로보스코프용 도형을 달고, 일정한 주기로 점멸하는 램프로 비추면 회전체의 회전수를 측정할 수 있다. 이 방법을 이용하면 회전축에 직접 닿지 않고도 회전수를 측정할 수 있다.[10]

축음기 턴테이블 위의 스트로보스코프


스트로보스코프는 움직이는 기계의 응력 연구, 내연 기관의 점화 타이밍 설정, 발성 장애 진단 등에도 활용된다. 또한, 축음기 턴테이블의 회전 속도 측정, 디스코텍이나 나이트 클럽의 조명 효과, 엔진이나 모터의 회전수 계측, 과학 교육 등에도 사용된다.

4. 1. 산업

회전축에 스트로보스코프용 도형을 달고, 일정한 주기로 점멸하는 램프로 비추면, 어떤 부분은 왼쪽으로, 어떤 부분은 오른쪽으로 도는 것처럼 보이거나, 정지된 것처럼 보인다. 정지된 것처럼 보이는 것은 회전하여도 도형의 배치가 이전과 같기 때문이다. 따라서 원주의 등분수와 램프 점멸 주기로 회전축의 회전수를 측정할 수 있다. 이 방법은 회전축에 닿으면 안 되거나, 닿으면 회전 속도가 변할 우려가 있는 경우에 유용하다.[10]

스트로보스코프는 움직이는 기계의 응력 연구 등 여러 연구에서 중요한 역할을 한다. 밝은 스트로보스코프는 주변 조명을 압도하여 어두운 환경 없이도 정지 동작 효과를 낼 수 있다. 또한 주기적인 속도를 측정하는 장치로, 타이밍 라이트로서 내연 기관의 점화 타이밍을 설정하는 데 사용된다.

의학에서는 성대를 관찰하여 발성 장애를 진단하는 데 사용된다. 환자가 마이크에 대고 콧노래를 부르거나 말하면, 스트로보스코프가 동일하거나 약간 다른 주파수로 활성화된다. 광원과 카메라는 내시경으로 배치된다.

많은 축음기 턴테이블에도 스트로보스코프가 사용된다. 플래터 가장자리에 특정 간격으로 표시가 있어, 주 전원 주파수로 작동하는 형광등 아래에서 볼 때 플래터가 올바른 속도로 회전하면 표시가 정지된 것처럼 보인다. 백열 전구는 스트로보 효과가 크지 않아 이 방법이 잘 작동하지 않는다. 그래서 일부 턴테이블에는 플래터 옆에 네온 램프나 발광 다이오드(LED)가 있다. LED는 주 전원 변압기의 반파 정류기나 발진기로 구동된다.

스트로브 조명은 디스코텍이나 나이트 클럽에서 조명 효과로 사용되어 느린 동작으로 춤을 추는 듯한 인상을 준다. 이러한 장치의 스트로브 속도는 정확하거나 빠르지 않은데, 이는 엔터테인먼트 용도로는 높은 성능이 필요하지 않기 때문이다.

산업 용도로는 엔진이나 모터 등 고속 회전체의 회전수나 이동 속도를 측정하는 데 사용된다. 과학 교육에서도 널리 사용되며, 실습, 연상, 교재 관찰, 교과서나 참고 자료 사진 등에도 많이 사용된다.

레코드 플레이어의 회전 속도 보정용 패턴에도 스트로보스코프가 이용된다. 턴테이블 측면에 패턴을 부착하고, 가정용 교류 전원(일본에서는 60Hz 또는 50Hz)을 반파 정류하여 점멸하는 램프로 비추어 패턴이 정지해 보이면 턴테이블이 규정된 속도로 회전하고 있다는 것이다.

4. 2. 의료

의학에서 스트로보스코프는 성대를 관찰하여 발성 장애 (쉰 목소리)를 유발하는 상태를 진단하는 데 사용된다. 환자는 마이크에 대고 콧노래를 부르거나 말을 하며, 이는 스트로보스코프를 동일하거나 약간 다른 주파수로 활성화시킨다. 광원과 카메라는 내시경으로 배치된다.

4. 3. 과학 교육

회전축에 스트로보스코프용 도형을 달고, 일정한 주기로 점멸하는 램프로 비추면, 어떤 부분은 왼쪽으로 도는 것처럼, 어느 부분은 오른쪽으로 도는 것처럼, 그리고 어떤 부분은 정지되어 있는 것처럼 보인다.

정지된 것처럼 보이는 것은 회전하여도 도형의 배치가 앞에서 비친 순간의 것과 같기 때문이다. 그러므로 원주의 등분수와 램프가 점멸하는 주기로써 축의 회전수가 측정된다. 이 방법은 회전축에 아무것도 닿아서는 안 되는 경우, 또는 무엇인가 회전축에 닿으면 회전 속도가 변화할 염려가 있는 경우에 흔히 이용된다.[10]

4. 4. 기타

스트로보스코프는 움직이는 기계의 응력 연구 등 여러 연구에서 중요한 역할을 한다. 밝은 스트로보스코프는 주변 조명을 압도하여 어두운 환경 없이도 정지 동작 효과를 낼 수 있다.

주기적인 속도를 측정하는 장치로도 사용되며, 타이밍 라이트로 내연 기관의 점화 타이밍을 설정하는 데 사용된다.

의학에서는 발성 장애 진단을 위해 성대를 관찰하는 데 사용된다. 환자가 마이크에 대고 콧노래를 부르거나 말하면, 스트로보스코프가 동일하거나 약간 다른 주파수로 활성화된다. 광원과 카메라는 내시경으로 배치된다.

축음기 턴테이블에도 스트로보스코프가 활용된다. 플래터 가장자리에 특정 간격으로 표시가 있어, 주 전원 주파수로 작동하는 형광등 아래에서 볼 때 플래터가 올바른 속도로 회전하면 표시가 정지된 것처럼 보인다. 백열 전구는 스트로보 현상이 뚜렷하지 않아 이 방법이 잘 작동하지 않으므로, 일부 턴테이블에는 네온 램프나 발광 다이오드(LED)가 플래터 옆에 있다.

스트로브 조명은 디스코텍과 나이트 클럽에서 조명 효과로 사용되어 느린 동작으로 춤을 추는 듯한 인상을 준다.

산업 용도로는 엔진이나 모터 등 고속 회전체의 회전수 계측, 이동 물체의 속도 계측 등에 사용된다. 과학 교육에서도 널리 사용되며, 실습, 교재 관찰 등에 활용된다.

레코드 플레이어의 회전 속도 보정용 패턴에도 스트로보스코프가 이용된다. 턴테이블 측면에 패턴을 부착하고, 가정용 교류 전원을 반파 정류하여 점멸하는 램프로 비추면 스트로보 효과로 패턴이 정지해 보이고, 이때 턴테이블이 규정된 속도로 회전하고 있음을 알 수 있다.

5. 기록 방법 (사진 촬영)

움직이지 않는 물체는 스트로보스코프의 빛을 여러 번 받기 때문에 노출 과다가 되어 하얗게 날아가기 쉽고, 특히 배경이 그렇게 되면 정작 중요한 대상이 선명하게 찍히지 않으므로, 배경을 충분히 검게 하거나 멀리하는 등의 대책이 필요하다. 플래시 미터(여러 번의 발광에도 대응할 수 있는 노출계)를 사용하면 피사체 상의 여러 지점에서 노출량을 조사할 수 있으므로, 촬영 전에 적정 노출을 확인할 수 있다.[1]

6. 페히너 색

페히너 색은 스트로보스코프 빛을 빠르게 깜빡일 때 흰색 빛이 색상으로 물드는 착시 현상이다. 특정 범위 내에서 겉보기 색상은 깜빡임의 주파수에 의해 제어될 수 있다. 효과적인 자극 주파수는 3 Hz 이상이며, 최적 주파수는 약 4–6 Hz이다. 이 색상은 관찰자의 마음속에서 생성되는 착시이며 실제 색상이 아니다. 벤햄의 팽이가 이러한 효과를 보여준다.

참조

[1] 웹사이트 Les grands Centraliens : Étienne Œhmichen (1884-1955) http://centrale-hist[...]
[2] 웹사이트 Studies at MIT: 1926–1931 " Harold "Doc" Edgerton http://edgerton-digi[...] 2009-11-28
[3] 웹사이트 Trade catalogs from General Radio Corp https://americanhist[...]
[4] 웹사이트 The artificial spectrum top https://scholar.goog[...] 1894-01-01
[5] 논문 Pattern-induced flicker colors. An ophthalmologic examination method (Article in German) 1993-01-01
[6] 논문 Changes in pattern induced flicker colors are mediated by the blue/yellow opponent process 1992-01-01
[7] 서적 Encyclopedia of Color Science and Technology http://imbs.uci.edu/[...] Springer Science+Business Media
[8] 문서 사진용 스트로보의 종류
[9] 문서 렌즈 뚜껑 필름의 스트로보 활용
[10] 웹인용 스트로보스코프에 의한 방법 https://ko.wikisourc[...]



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