04a. 능동 조명 — 안 보이는 빛을 만들고 재기

앞 장에서 940nm의 감도 손해를 메우는 한 갈래로 "강한 IR 광량"을 들었다. 그 광량을 만드는 것이 능동 조명이다. 이 절은 IR 조명을 누가 만드는지(LED와 VCSEL), 그리고 그 세기를 어떤 단위로 재야 하는지(복사 vs 측광)를 본다. 그 빛이 운전자 눈에 안전한지는 다음 절(04b)에서 따로 다룬다.

왜 능동 조명이 필요한가 — 다시, 반사광이라서

01장의 결론을 한 번 더 끌어온다. NIR 카메라는 외부 광원이 비춘 빛의 반사를 본다. 물체가 스스로 940nm를 의미 있게 내지 않으니, 주변에 940nm 광원이 없으면 센서에 들어올 빛이 없다. 야간이나 어두운 차 실내가 그렇다. 그래서 NIR 카메라는 IR LED나 VCSEL로 장면을 직접 비추는 능동(active) 조명이 필요하다.

이것이 thermal/LWIR과의 결정적 차이다. LWIR 마이크로볼로미터는 물체가 스스로 내뿜는 열복사를 보므로 외부 광원이 전혀 필요 없는 passive(수동) 방식이다. 이 active vs passive 구분은 06장에서 응용별로 다시 정리한다.

위: 능동 NIR(위 경로)은 광원이 비춘 빛이 반사돼 카메라로 돌아온다. 수동 LWIR(아래 경로)은 물체가 낸 열복사가 곧장 카메라로 간다.

IR 광원 두 갈래 — LED와 VCSEL

능동 IR 광원에는 작동 원리가 다른 두 종류가 있다.

IR LED는 비간섭(incoherent) 광원이다. 칩에서 사방으로 빛을 흩뿌린다. 싸고 쓰기 쉽지만, 중심이 밝고 가장자리가 어두운 불균일한 배광(hot-spot), 수십 nm로 넓은 스펙트럼, 온도에 따라 파장이 밀리는 드리프트가 단점이다.

VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, 수직공진형 표면발광 레이저)은 칩 표면에서 수직으로 레이저를 쏘는 반도체 레이저다. 2차원 배열로 집적해 면 광원처럼 쓴다. 레이저라서 빔이 균일하고 직진성이 좋으며, 스펙트럼이 좁고 응답이 빠르다.

표의 투과율 84.88%/61.5%, 드리프트 0.072/0.3 nm/℃, 응답 2ns/15ns는 한 VCSEL 벤더 자료의 대표 비교값으로, 특정 부품 조합의 예시다. 절대값은 부품 데이터시트로 확인해야 한다.

VCSEL이 구조광·ToF(비행시간 측정)에 유리한 이유를 세 가지로 정리한다. 첫째, 빔이 균일하고 직진성이 좋아 디퓨저나 회절광학소자(DOE)와 결합해 정교한 점 패턴이나 균일 flood를 만들기 쉽다. 둘째, 스펙트럼이 좁아 카메라의 좁은 대역통과 필터와 잘 맞아(투과율이 높아) 같은 광량에서 배경광 억제·SNR이 유리하다. 셋째, 응답이 빨라 짧은 펄스를 정밀하게 쏠 수 있어 ToF 시간 측정과 strobe 동기에 맞다.

위: 비용 우선·단순 flood면 LED, 3D 센싱·좁은 필터 매칭이 필요하면 VCSEL을 고른다. VCSEL은 DOE를 붙이면 구조광 점 패턴, 디퓨저를 붙이고 펄스로 쏘면 ToF·flood가 된다.

조명의 세기는 복사 단위로 — lux는 IR에 쓰면 안 된다

IR 조명을 정량화할 때 반드시 짚어야 할 구분이 있다. 빛의 세기를 재는 단위계가 둘이라는 점이다.

radiometry(복사측정)는 전자기 스펙트럼 전체의 물리적 출력을 잰다. 사람 눈에 보이든 안 보이든 가중 없이 raw 물리량을 준다. 대표 단위는 복사출력 W(와트), 복사조도 irradiance W/m²(단위 면적에 도달하는 복사), 복사휘도 radiance W/(m²·sr)다.

photometry(측광)는 사람 눈에 보이는 정도로 가중한다. 광도함수(눈이 파장별로 얼마나 밝게 느끼는가, 약 555nm에서 최대)로 스펙트럼을 가중한 뒤 적분한다. 대표 단위는 광선속 lm(루멘), 조도 illuminance lux, 광도 cd다.

핵심은 이렇다. 비가시 IR(850·940nm)은 광도함수의 가중치가 0에 가깝다. 그래서 아무리 강한 IR 광원이라도 photometric 단위(lux)로 재면 사실상 0이 나온다. lux는 "사람 눈에 얼마나 밝은가"를 묻는 단위이므로, 안 보이는 IR에는 의미가 없다. "이 IR 조명이 몇 lux냐"는 질문 자체가 범주 오류(category error, 서로 다른 종류의 양을 같은 잣대로 재려는 실수)다. 그러므로 IR 조명의 세기·노출·안전은 전부 radiometric 단위로 다뤄야 한다. "몇 lux"가 아니라 "몇 mW/cm²"다(참고로 1 mW/cm² = 10 W/m²).

위: 복사량에 눈 감도 가중을 곱하면 측광량이 된다. 비가시 IR은 눈 감도가 거의 0이라 lux로 재면 0에 가깝다. 그래서 W/m²를 쓴다.

조명 품질을 볼 때 챙길 양도 같은 맥락이다. 균일도(화면 전체에서 밝기가 고른 정도)는 LED의 중심 hot-spot 탓에 떨어지기 쉽고, VCSEL+디퓨저로 화각에 맞춘 균일 배광을 만든다. 시야각(FOV)은 광원 배광을 카메라 화각에 맞추는 문제다. 그리고 복사조도(irradiance, W/m²)는 SNR과 눈 안전을 동시에 좌우하는 핵심량이다. irradiance가 높을수록 영상은 밝지만, 그만큼 눈 안전 한계에 가까워진다.

바로 이 지점에서 안전 문제가 시작된다. 운전자 얼굴을 운전 내내 비추는 빛이 정말 안전한가. 게다가 940nm는 안 보이는 빛이라, 직관과 달리 더 위험할 수 있다. 다음 절(04b)이 그 위험의 메커니즘과 안전 표준을 다룬다.