미광
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1. 개요
미광은 광학 시스템에서 의도한 파장 이외의 빛으로, 광학 측정 기기의 성능에 영향을 미치며, 천문학에서는 밤하늘의 빛에 의해 발생하여 희미한 천체 관측을 어렵게 한다. 미광은 회절 격자의 "고스트", 망원경 내 부유 입자에 의한 산란, 광학 부품의 발광, 렌즈 표면 반사 등 다양한 원인으로 발생하며, 광학 설계 프로그램들을 통해 모델링하고 최소화할 수 있다.
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| 미광 | |
|---|---|
| 광학 시스템 내 원치 않는 빛 | |
| 정의 | 광학 시스템에서 의도하지 않은 경로로 들어와 이미지 품질을 저하시키는 빛 |
| 영향 | |
| 대비 | 대비비율(Contrast ratio) 감소 |
| 신호 대 잡음비 | 광학 신호 대 잡음비 저하 |
| 원인 | |
| 표면 결함 | 긁힘, 먼지, 지문 등 |
| 반사 | 렌즈 표면, 하우징 내부 |
| 산란 | 광학 부품의 불완전성 |
| 제어 방법 | |
| 광학 설계 | 적절한 조리개 및 차단면 사용 |
| 코팅 | 반사 방지 코팅 적용 |
| 재료 선택 | 낮은 산란 특성을 가진 재료 사용 |
| 광학 블랙 | 내부 표면에 광학 블랙 코팅 |
| 청결 유지 | 광학 부품의 정기적인 청소 |
| 측정 | |
| PSV (Point Spread Value) | 점 확산 값(Point Spread Value)을 이용한 측정 |
| 관련 용어 | |
| 눈부심 | 광학 시스템에서 발생하는 원치 않는 빛 |
| 대비비율(Contrast ratio) | 이미지의 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분의 비율 |
| 눈부심 방지 | 눈부심을 줄이기 위한 기술 |
| 렌즈 플레어 | 강한 광원 때문에 렌즈 내부에 나타나는 아티팩트 |
| 광학 수차 | 렌즈의 결함으로 인해 발생하는 이미지 왜곡 |
| 눈부심(ocular straylight) | 눈 내부에서 빛이 산란되어 시각적 성능을 저하시키는 현상 |
2. 광학 시스템
광학 시스템에서 미광은 의도하지 않은 경로를 통해 검출기에 도달하는 빛으로, 측정의 정확도를 떨어뜨리는 주요 원인 중 하나이다.[9] 미광을 발생시키는 원인은 다양하며, 주요 원인은 다음과 같다.[13]
- 회절 격자의 주기적인 결함 등으로 인해 발생하는 '가짜 선(고스트)'.
- 광학 망원경 시야 내 부유 입자에 의한 산란광.
- 광학 부품 자체에서 발생하는 빛.
- * 특히 적외선 광학계는 부품의 열복사로 인한 미광에 취약하다.
- ** 적외선 미광을 줄이기 위해, optical chopper|광학 초퍼영어로 입사광을 특정 주파수로 변조하고 락인 증폭기를 사용하여 해당 주파수의 신호만 검출하는 방법을 사용하기도 한다. 하지만 이 방법은 미광이 너무 강해 검출기가 포화 상태일 때는 효과가 없다.
- 렌즈 표면에서의 반사.
- * 반사 방지막 코팅을 통해 렌즈 표면 반사를 줄여 미광을 억제할 수 있다.
- * 적외선 시스템에서는 검출기 자체의 열복사가 렌즈 표면에서 반사되어 다시 검출기로 돌아오는 나르시스 현상이 발생하기도 한다.[14]
- 광학계 내부 지지 구조물의 표면에서 빛이 산란되는 경우.
- 거울 표면에서의 확산 반사.
- 광학 기기의 외부 틈새를 통해 빛이 새어 들어오는 light leak|누설광영어.
2. 1. 단색광
`단색광`으로 작동하는 `분광광도계`와 같은 광학 측정 기기는 미광을 의도한 `파장`(색상) 이외의 시스템 내의 빛으로 정의한다.[9] 미광 수준은 기기의 가장 중요한 사양 중 하나이다.[2][9] 예를 들어, 강하고 좁은 흡수 대역은 샘플을 통과하는 빛의 `투과도`를 측정하는 기기의 능력이 미광 수준에 의해 제한되기 때문에 실제 흡광도보다 피크 흡광도가 낮게 나타날 수 있다.[9]이러한 시스템에서 미광을 줄이는 한 가지 방법은 `이중 단색화 장치`를 사용하는 것이다.[9] 투과된 미광과 신호의 비율은 각 단색화 장치에 대한 비율의 곱으로 감소한다. 따라서 각각 10−3의 미광 비율을 가진 두 개의 단색화 장치를 직렬로 결합하면 10−6의 미광 비율을 가진 시스템이 생성되어 훨씬 더 넓은 다이내믹 레인지를 측정할 수 있다.[9]
분광광도계에서 미광을 측정하고 보상하는 방법도 발명되었다.[3][10] `ASTM 표준` E387은 분광광도계에서 미광을 추정하는 방법을 설명하며,[4][11] 이때 사용되는 용어는 ''미광 복사력''(SRP) 및 ''미광 복사력 비율''(SRPR)이다.[4][11]
분광광도계의 미광 수준을 테스트하고 교정하는 데 도움이 되는 상업용 기준 물질도 시판되고 있다.[5][12]
2. 2. 천문학
광학 천문학 분야에서 밤하늘의 빛(야광) 때문에 발생하는 미광은 희미한 천체를 관측하는 것을 어렵게 만들 수 있다. 여기서 미광이란, 관측하려는 희미한 천체와 같은 방향에서 오는 다른 광원의 빛을 의미한다. 가시광선 천문학에서는 스카이글로(Skyglow) 때문에 생기는 미광이 어두운 천체를 찾아내는 능력을 방해하기도 한다.특히, 태양의 코로나를 관측하기 위해 사용하는 코로나그래프를 설계할 때 이 미광이 중요한 문제가 된다.
3. 광원
미광의 광원은 다양하다.[13] 주요 원인들은 다음과 같다.
- 회절 격자의 제작 결함으로 인해 발생하는 "가짜 선(고스트)". 이는 격자 간격의 주기적인 어긋남 등에 의해 발생한다.
- 망원경의 시선 경로 상에 있는 부유 입자나 광학계 내부 지지 구조 표면에서의 빛 산란.
- 광학계 부품 자체에서 발생하는 발광. 특히 적외선 광학계는 부품의 열복사에 의한 미광에 취약하다.
- 렌즈 표면이나 거울 표면에서의 반사. 확산 반사나 적외선 검출기 자체의 열복사가 반사되는 나르시스 현상[14] 등이 여기에 포함된다.
- 광학계의 밀폐 구조 결함으로 인한 light leak|누설광영어.
3. 1. 회절 격자
회절 격자에서 발생하는 미광의 한 원인으로는 격자 간격의 주기적인 어긋남 등으로 인해 나타나는 "가짜 선(고스트)" 현상이 있다.3. 2. 산란
미광을 일으키는 다양한 원인 중 하나는 빛의 산란이다.[13] 망원경 시선 경로 상에 떠다니는 작은 입자들은 들어오는 빛을 여러 방향으로 흩뿌리는데, 이것이 원치 않는 미광으로 작용할 수 있다. 또한, 망원경 내부의 지지 구조물 표면이나 거울 표면에서 빛이 확산 반사되는 것도 산란의 일종으로 미광의 원인이 된다.[13]3. 3. 발광
광학계 부품 자체에서 발생하는 발광 또한 미광의 원인이 될 수 있다.[13] 특히 적외선 광학계는 부품에서 발생하는 열복사의 영향을 받기 쉬운데, 이는 주요한 미광 요인으로 작용한다.이러한 적외선 미광의 영향을 줄이기 위한 한 가지 방법은 직류(DC) 신호를 그대로 사용하지 않고, 미광의 영향이 적은 특정 주파수 대역의 교류(AC) 신호를 사용하는 것이다. 예를 들어, optical chopper|광학 초퍼영어를 이용해 입사광의 세기를 주기적으로 변화시키고, 이 변화 주파수와 동기화된 락인 증폭기를 사용하여 원래의 신호 성분만을 분리해내는 방식으로 미광의 영향을 줄일 수 있다. 하지만 이 방법은 검출기가 처리할 수 있는 신호의 세기 범위, 즉 동적 범위(dynamic range) 내에서만 유효하다. 만약 미광 성분이 너무 강해 검출기를 포화시키는 경우에는 이 방법을 적용하기 어렵다.
3. 4. 반사
렌즈 표면에서의 반사는 미광의 주요 원인 중 하나이다. 이러한 반사는 반사 방지막을 사용하여 줄일 수 있다. 특히 적외선 시스템에서는 검출기 자체의 열복사가 렌즈 표면에서 반사되어 되돌아오는 현상이 발생하는데, 이를 나르시스 현상이라고 부른다.[14] 또한 거울 표면에서 발생하는 확산 반사도 미광의 원인이 될 수 있다.4. 설계 도구
다양한 광학 설계 소프트웨어를 이용하여 미광을 모델링하고 예측하여 최소화하는 데 활용할 수 있다.
4. 1. 소프트웨어 목록
다수의 광학 설계 프로그램은 광학 시스템에서 미광을 모델링할 수 있다. 예를 들어 다음과 같은 프로그램이 있다.이러한 모델은 최종 시스템에서 미광을 예측하고 최소화하는 데 사용될 수 있다.
참조
[1]
웹사이트
Section 4: Optical Signal-to-Noise Ratio and Stray Light
http://www.jobinyvon[...]
2009-02-06
[2]
웹사이트
Stray Light and Performance Verification
https://www.mt.com/c[...]
Mettler Toledo
2018-08-14
[3]
웹사이트
Stray light measurement and compensation – Patent 4526470
http://www.freepaten[...]
2009-02-06
[4]
웹사이트
ASTM E387 -04 Standard Test Method for Estimating Stray Radiant Power Ratio of...
http://www.astm.org/[...]
2009-02-06
[5]
웹사이트
Stray Light Reference Materials
http://starnacells.c[...]
2009-02-06
[6]
웹사이트
Stray light and ghost images – analyzed and reduced using simulation software.
http://files.hanser.[...]
2009-02-06
[7]
간행물
The Narcissus effect in infrared optical scanning systems
[8]
웹사이트
Section 4: Optical Signal-to-Noise Ratio and Stray Light
http://www.jobinyvon[...]
2009-02-06
[9]
웹사이트
Stray Light and Performance Verification
https://www.mt.com/c[...]
Mettler Toledo
2018-08-14
[10]
웹사이트
Stray light measurement and compensation – Patent 4526470
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http://starnacells.c[...]
2009-02-06
[13]
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Stray light and ghost images – analyzed and reduced using simulation software.
http://files.hanser.[...]
2009-02-06
[14]
간행물
The Narcissus effect in infrared optical scanning systems
[15]
웹인용
구글 특허 데이터 베이스:반사 굴절 광학계 및 이미지 촬영 장치
https://patents.goog[...]
2016년 9월 14일
2018-06-16
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