소자가 발광하는 형태를 가지며 매우 작은 크기의 광원인 LED는 특유의 형태 때문에 자체의 발광특성을 점광원으로 가정하여 부가적인 광학제품들이 설계되어 왔다. 하지만, 실제적인 설계에서는 이러한 점광원으로의 가정에서 오차를 불러일으킬 수 있으며, 세밀한 제어를 요구하는 조명시스템의 제어에서는 작은 오차라 해도 큰 에러를 발생시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 점광원이 아닌 실제적인 부피를 지니는 광원으로서의 LED를 분석하여 그에 대한 2차적인 광학 시스템의 설계법을 제시하고자한다.
법광원(Forensic Light Source)은 증거물을 훼손하지 않는 비파괴적 방법으로 증거물을 증강하기 위해 주로 사용된다. 현장에 유류된 지문 증거는 사건 해결과 개인 식별을 하는데 있어 매우 중요하다. 다양한 파장 대역의 광원을 사용하면 형광분말이 처리된 지문과 형광시약이 처리된 지문을 증강할 수 있어 실무에서 널리 활용되고 있다. 본 연구에서는 널리 사용되고 있는 아미노산 반응 형광시약인 DFO(1,8-Diazafluoren-9-one)와 1,2-IND(1,2-Indanedione)을 처리한 표준 지문에 레이저 광원과 LED광원을 조사하여 증강 효과를 비교하여 보았다. 비교 결과, 전반적으로 레이저 광원이 LED 광원에 비해 더 나은 지문 증강 효과를 보였다. 하지만, 각 광원은 성능과 휴대의 측면에서 장단점을 가지므로 연구자들은 감식환경과 상황에 따라 레이저 광원과 LED 광원을 상호 보완적으로 사용하는 것을 권고한다.
원점(초점)에 놓인 광원(점광원)으로부터 방사된 ray들을 광축과 평행하게 진행하도록 그 진로의 방향을 바꾸어주는 것이 대형등명기의 광학부(중심렌즈부, 굴절링부, 절사프리즘부) 역할이다. 그래서 광학부에 대한 정밀한 설계가 이루어져야 하지만, 기존의 광학부 설계법은 어떤 설계 조건과 제작환경에 맞지 않는다. 따라서 본 논문에서는 Ray Tracing과 배광예측 프로그램인 Photopia 시뮬레이션을 통해 그 설계의 문제점을 찾고, 설계조건과 제작환경에 맞는 최적의 설계가 되도록 개선안을 제시하고 설계법을 도출하였다. 단, 초점에 위치한 광원은 모두 점광원으로 하였다.
정상적인 부화 여부를 판별하기 위한 1차 검란은 일반적으로 5일~7일 이후에 시행된다. 미부화란을 이보다 더 빠른 시간 안에 검출할 경우 부화에 소요되는 에너지의 감소 효과 및 미부화란을 다른 용도로 활용하는 것을 기대할 수 있다. 시중에서 쉽게 구입할 수 있는 산란계인 하이라인 브라운 품종의 유정란 29개와 인위적인 미부화란을 만들기 위한 동일 품종의 무정란 11개를 사용하였으며 $38^{\circ}C$, 70% 조건의 항온항습기에서 96시간 동안 부화하였다. 스펙트럼 획득 장치의 광원은 녹색영역을 발광하는 LED램프와 일반 할로겐 광원을 별도로 사용하였으며 스펙트로미터는 VIS/NIR 영역인 520~1,180nm영역과 NIR영역인 900~1,700nm영역의 것을 사용하였다. 부화 시작 전과 부화 시작 후 1일 간격으로 각각 1개의 샘플에 대한 1개의 스펙트럼을 측정하였다. 측정 영역은 LED광원을 이용한 경우는 520~1,1800nm, 할로겐광원을 이용한 경우에는 520~1,180nm와 900~1,700nm이었다. 정상 부화여부는 4일차에서 할란하여 확인하였고, 측정 일자별로 PLS-DA분석법을 이용한 판별 모델을 개발하였다. 4일차에서 유정란 29개 중 11개가 정상 부화하였고, 18개는 미부화하였다. 3일차에서 판별 모델의 정확도는 LED광원의 VIS/NIR 영역 스펙트럼을 이용한 경우는 100%, 할로겐 광원의 VIS/NIR 영역 스펙트럼을 이용한 경우는 70%, 할로겐 광원의 NIR영역 스펙트럼을 이용한 경우는 70%였다. 4일차에서 판별 모델의 정확도는 LED광원의 VIS/NIR 영역 스펙트럼을 이용한 경우는 100%, 할로겐 광원의 VIS/NIR 영역 스펙트럼을 이용한 경우는 90%, 할로겐 광원의 NIR영역 스펙트럼을 이용한 경우는 100%였다. 부화 3일차는 정상 부화할 경우 피가 생성되는 시기이다. 피가 형성된 이후의 부화 여부를 판단하는 광원으로는 할로겐램프보다 LED램프를 사용하는 것이 더 적합한 것으로 나타났다.
무전극 형광램프는 발광하는 부분의 사이즈가 크고 광원의 특성상 점광원으로 볼 수 없기 때문에 효율적인 광학기구를 설계하기 어렵다. 특히 반사판 설계시 반사광이 램프로 재흡수 되는 것을 고려하여야 한다. 본 논문은 무전극 형광램프에 대하여 반사광이 램프로 재흡수 되는 것을 막고 효율을 높이며 목표배광에 맞출 수 있는 2차원 축대칭형 반사판 설계법을 제시하였다. 그리고 이 설계법의 문제점과 해결방법에 대하여 고찰하였다.
영사식 무아레 토포그래피에서 실제 물체에 대한 측정오차를 줄이기 위해서는 물체높이에 따른 무늬차수의 변화율인 무늬 민감도에 대한 조사가 필수적이며, 또한 무늬 민감도를 활용을 하면 절대 차수 결정이 매우 편리하고 정확해진다. 영사기를 사용한 영사식 무아레 토포그래피에서 무늬차수를 결정하기 위한 변수는 광원의 위치와 물체의 위치, 격자주기이다. 이 변수들 중에서 광원의 위치를 횡축으로 움직이는 광원 횡축 이동법과 물체를 종축으로 움직인 물체 종축 이동법에 따른 무늬 민감도를 격자주기에 따라 서로 비교하고 이를 분석하였다. 그 결과 광원 횡축 이동법에서 광원과 상검출기 사이의 간격이 클수록 민감도가 높았으나, 물체 종축 이동법에서 물체와 결상렌즈 사이의 거리가 작을수록 민감도가 높았다. 그리고 두 방법에서 격자주기가 작을수록 민감도가 더 높았으며 변수 변화에 따른 무늬 민감도 변화량은 더 컸다.
범죄현장에 남겨진 지문은 대부분 잠재지문의 형태이기 때문에 육안으로는 쉽게 식별되지 않으므로 눈에 잘 보이도록 현출해야 한다. 그러나 잠재지문을 현출한 이후에도 배경으로부터 지문이 잘 보이도록 추가적인 증강이 필요하며 주로 사용하는 방법에는 광학적 방법이 있다. 광학적 방법은 일부 분말 또는 시약에 적절한 광원을 비췄을 때 형광을 보이는 성질을 이용한다. 따라서 적절한 파장의 광원과 필터를 사용하면 지문 이미지를 증강할 수 있으므로 광원과 필터의 조합이 매우 중요하다. 하지만 적용한 기법과 사용한 광원에 따라서 배경에서 반사된 빛의 파장 대역과 필터가 가진 파장 대역이 서로 겹쳐서 반사광을 잘 차단(cut-off)하지 못하는 경우에는 이상적인 증강의 효과를 얻기 어렵다. 이 연구에서는 450 nm 파장의 녹색 광원과 505 nm 파장의 청색 광원에 low-pass 필터를 광원에 장착함으로써 광원의 파장을 개선한 결과 더 좋은 품질의 지문 이미지를 얻을 수 있었다.
점광원 가정법은 광학계의 초점거리를 LED die 표면의 중심점으로 설정하고 LED 패키지의 발산형태는 이상적인 점광원으로 가정하여 설계하는 방법이며, 가초점 설계법은 focal smear라고 불리우는 초점영역의 가초점을 기준점으로 잡아 설계를 시행하는 방법이다. 실제 LED에서 빛이 발산하는 부분은 점광원이 아닌 부피를 가지고 있는 형태이기 때문에 점이외의 면에서 발생하는 오차와 가초점 영역 설정을 통한 설계는 결과에 오차를 발생시키게 된다. 따라서 구조 분석 실험 장비를 이용한 LED내부 구조를 분석한 후 이를 시뮬레이션 설계에 적용한 결과 기존 설계법에 비해 약 5%의 오차범위를 줄일 수 있었다.
특정한 배광 구현을 위하여 부피를 갖는 실제 광원에 대한 프리즘 설계법을 연구하였다. 입사각을 알고 목표 방향으로 광선을 보내려 할 때, 프리즘 정각을 구하는 수식을 유도하였고, 순차적으로 프리즘 정각을 구하였다. 점광원으로 가정한 설계 결과의 문제점을 분석한 후 이를 보완하여 부피를 갖는 광원에 적용할 수 있는 설계법을 도출하였다. 각각의 설계 결과로 나온 배광과 효율을 비교, 분석하였고 보완된 설계법을 통해 개선된 결과를 얻을 수 있었다.
기존의 램프(백열등, HID 램프 등)를 사용하여 반사갓을 설계하면 광원중심의 기하학적 위치, 점등 자세, 램프 자체의 크기로 인한 반사갓이 커지는 등 여러 가지 제약조건에 부딪히게 된다. 근래 개발된 PLS 광원은 기존의 램프보다 그 크기가 매우 작아 조명기구의 반사갓 설계에 있어서 보다 효율적인 설계가 가능하게 되었다. 본 논문에서는 900W PLS 광원용 4각 투광기용 반사갓 설계를 위하여 개발한 기법을 소개하고 그 성능을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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