05. 광학 필터 — 940nm만 남기고 나머지는 자른다

03장에서 940nm가 주간 햇빛 배경을 누른다고 했다. 그 배경 억제를 완성하는 부품이 광학 필터다. 흥미로운 점은, 일반 컬러 카메라와 IR 카메라가 정반대의 필터를 쓴다는 것이다. 일반 카메라는 IR을 잘라 내고, IR 카메라는 940nm만 통과시킨다. 이 정반대가 왜 생기는지를 알면 필터의 역할이 한눈에 정리된다. 이 장은 IR-cut·band-pass·dual-band 세 필터를 차례로 본다.

왜 일반 카메라는 IR을 잘라 내나 — IR-cut

먼저 실리콘 센서의 본성을 떠올려야 한다. 02a장에서 보았듯 실리콘은 NIR(~650nm 이상)에도 감도가 있다. 사람 눈은 NIR을 못 보지만 센서는 본다. 그래서 일반 컬러 카메라가 IR을 그냥 받아들이면, 사람 눈에 없는 NIR 성분이 색에 섞여 들어와 색이 오염된다. 채도가 떨어지고 색이 틀어진다.

그래서 일반 컬러 카메라는 IR-cut 필터로 약 650nm 이상의 NIR을 차단한다. 사람 눈과 맞는 자연색을 얻기 위해서다. 함의 하나를 챙겨 두자. NIR을 보려면 이 IR-cut을 제거하거나 NIR을 통과시키는 필터로 바꿔야 한다. IR-cut을 뺀 카메라 모듈을 "NoIR"이라 부른다.

940nm만 통과시키기 — NIR band-pass

IR 카메라는 정반대를 한다. NIR band-pass 필터는 940nm 부근의 좁은 대역만 통과시키고 가시광과 다른 IR을 차단한다. IR LED가 만든 신호만 받고 나머지 배경광은 막는 것이다. 그러면 대비가 오르고, 주간 강한 배경에서도 능동 IR 신호가 살아남는다.

실제 제품 스펙으로 감을 잡아 보자. MidOpt BN940(좁은 NIR 대역통과)의 실측값이다.

• 중심파장(CWL) 940nm, FWHM(반치전폭, 통과 대역의 폭) 55nm, 유효 범위 928~955nm.
• 피크 투과 ≥85%, 허용오차 ±10nm.
• 가시광과 940nm 밖 IR을 강하게 차단해, 강한 주변광에서도 940nm 이미징이 가능하게 한다.

940nm 카메라 모듈은 보통 이 940nm band-pass 필터에 940nm IR LED 조명을 묶어 둔다. 배경광을 누르고 능동 IR만 받게 하기 위해서다.

여기서 03장의 물 흡수 노치와 만난다. 노치가 햇빛의 940nm 배경을 미리 눌러 주고, band-pass 필터가 940nm 밖의 모든 빛을 마저 잘라 낸다. 둘이 겹쳐 주간 SNR을 크게 끌어올린다. 노치는 "자연이 깔아 준 배경 억제"고, band-pass는 "광학이 마무리하는 배경 억제"인 셈이다.

위 그림: IR-cut(가시 통과·NIR 차단)과 940nm band-pass(940만 통과)는 정확히 정반대 모양이다. IR-cut은 650nm부터 롤오프해 NIR을 막고, band-pass는 940nm 좁은 창에서만 90%대로 통과한다. 일반 카메라와 IR 카메라가 반대 필터를 쓰는 것을 한눈에 보여 준다.

주간 컬러와 야간 IR을 한 센서로 — dual-band

세 번째 필터는 두 대역을 동시에 통과시킨다. dual-band 필터는 가시광과 940nm NIR을 모두 통과시킨다. 주간에는 가시광으로 컬러 영상을, 야간에는 IR LED 반사광으로 IR 영상을 얻는다. 기계식 IR-cut 스위처(낮엔 IR을 막고 밤엔 여는 기계 장치)가 필요 없어, 24시간 무인 주야간 전환에 쓴다. 02b장의 RGB-IR 센서와 짝을 이루는 필터다.

MidOpt DB940(dual bandpass, 가시 + 940nm)의 실측 스펙은 이렇다.

• 통과 대역: 가시 405~650nm(FWHM ~250nm) + NIR 925~965nm(FWHM ~60nm).
• 피크 투과 ≥90%, 940nm·950nm LED 호환.
• 영상 선명도(MTF) 저하 없이 가시광과 940nm 반사광을 통과시킨다.

DB940 제품 설명은 "940nm LED는 850nm 등 낮은 NIR이 내는 희미한 붉은 글로우가 없다"는 점을 명시한다. 03장에서 본 무가시성 이점이 여기서도 강조된다.

위: dual-band 필터는 가시광과 940nm 두 대역을 통과시키고 그 사이를 막아, 한 센서로 주간 컬러와 야간 IR을 모두 얻는다. 기계식 IR-cut 스위처가 필요 없다.

필터를 읽는 네 가지 지표

세 필터를 다 봤으니, 필터 투과 곡선을 읽는 법을 짧게 정리한다. 투과 곡선은 파장별 투과율(%)을 보여 준다. 핵심 지표는 네 가지다.

• 중심파장(CWL) — 통과 대역의 한가운데 파장. 940nm 필터면 940nm.
• FWHM(반치전폭) — 투과율이 절반으로 떨어지는 두 지점 사이의 폭. 통과 대역이 얼마나 넓은가다.
• 피크 투과율 — 가장 잘 통과시키는 지점의 투과율(예: ≥85%, ≥90%).
• 차단 정도(OD) — 막아야 할 대역을 얼마나 강하게 막는가.

FWHM이 좁으면 배경 억제·대비에 유리하다. 대신 LED 파장과 정확히 맞아야 한다. 온도가 변하거나 빛이 비스듬히 들어오면 통과 대역이 밀리기 때문이다(04a장에서 본 VCSEL의 좁은 스펙트럼·작은 드리프트가 좁은 필터와 잘 맞는 이유가 이것이다). FWHM이 넓으면 더 많은 빛을 받지만 배경광도 더 들어온다. 좁은 필터와 좁은 광원을 맞추는 것이 배경 억제의 요령이다.

세 필터의 역할을 한 표로 마무리한다.

정반대 두 역할을 한 줄로 못 박자. 일반 카메라는 IR을 차단하고(IR-cut), IR 카메라는 940만 통과시킨다(band-pass). 같은 실리콘 센서를 쓰면서도 목적이 정반대라 필터가 정반대다. 다음 장에서는 이 NIR 카메라가 실제 어떤 일에 쓰이는지, 응용별로 왜 그 방식을 고르는지를 본다.