heliCam™은 약한 광학 신호를 가시화할 뿐만 아니라, 적절한 물리적 측정 원리와 결합하여 카메라가 직접 감지할 수 없는 자기장이나 밀리미터파와 같은 정보도 제공할 수 있습니다.
세 가지 새로운 간행물은 두 가지 매우 다른 관점에서 이러한 잠재력을 보여줍니다. 한 연구는 루비듐 증기 셀과 heliCam™을 고해상도 자기장 카메라로 활용합니다. 다른 두 연구는 플라즈마를 사용하여 밀리미터파를 변조된 근적외선으로 변환하고 heliCam™으로 감지하는 방법을 탐구합니다.
자기장 카메라: 단일 증기 셀에서 7,000개 이상의 측정 지점
“자기장 카메라: 영장 조건”이라는 논문에서 Ronja Rasser와 동료들은 자기장 영점 근처에서 작동하는 카메라 기반 광학 펌핑 자력계를 제시합니다.
실제 센서 요소는 두께가 300 µm에 불과한 루비듐 증기 셀입니다. 레이저 빔이 전체 셀을 통과합니다. 국부 자기장은 루비듐 원자의 상태와 투과된 빛의 강도에 영향을 미칩니다. heliCam™ C4는 이러한 작고 변조된 강도 변화를 표면 전체에 걸쳐 병렬로 감지하고 각 픽셀에서 직접 복조합니다.
5 × 5 카메라 픽셀의 비닝을 통해 시스템은 직경 약 4mm의 원형 영역 내에서 7,000개 이상의 유용한 측정 지점을 구현합니다. 결과적인 공간 해상도는 약 40 µm입니다. 현재 설정에서는 원자 측정 원리가 아닌, 주로 증기 셀의 비코팅 창에서 발생하는 간섭으로 인해 카메라 픽셀의 비닝이 필요하여 해상도가 제한되었습니다.
연구원들은 특히 130Hz로 진동하는 자기장 기울기의 공간 분포를 기록했습니다. 이 연구는 단일 증기 셀로 많은 측정 채널을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 시간적으로 변화하는 자기장 패턴을 영상화할 수 있음을 보여줍니다.
밀리미터파 가시화: 광학 변환기로서의 플라즈마
“글로우 방전 플라즈마를 이용한 밀리미터파 감지를 위한 Lock-In 카메라 기반 광학 상향 변환 이미징의 첫 시연”이라는 연구는 완전히 다른 측정 원리를 따릅니다.
밀리미터파는 광학적으로 불투명한 재료를 통과할 수 있으며 비이온화됩니다. 그러나 민감한 2차원 검출기는 종종 비싸고 느리거나 기술적으로 복잡합니다. 따라서 저자들은 작은 글로우 방전 램프(글로우 방전 검출기라고도 함)를 변환기로 사용합니다.
변조된 밀리미터파 복사선이 램프 내 플라즈마에 닿으면 근적외선 방출이 미미하게 변합니다. 이 약한 변조는 훨씬 더 강한 연속적인 플라즈마 발광 위에 놓여 있습니다. 바로 이 지점에서 Lock-in 감지가 사용됩니다. heliCam™ C4는 밀리미터파 소스를 변조하는 것과 동일한 기준 신호를 수신합니다. 이를 통해 각 카메라 픽셀은 광학 방출의 동기화된 부분을 선택적으로 추출하고 상관 관계가 없는 배경광을 억제합니다.
실험에서 밀리미터파 소스는 100~105GHz 범위에서 작동했습니다. 단일 글로우 방전 검출기는 11 × 11 위치의 격자를 통해 기계적으로 이동되었습니다. 측정값을 통해 연구원들은 약 50 × 60mm 크기의 F자형 금속 물체 이미지를 재구성했습니다.
광학 획득 시간은 스캔 위치당 약 100ms였으며, 이전 카메라 기반 이미지 차감 방식의 약 90초에 비해 거의 세 자릿수 향상되었습니다. 그러나 시연기에서는 단일 검출기를 격자점 사이에서 기계적으로 이동해야 했기 때문에 전체 획득 시간이 더 길었습니다. 따라서 다음 단계는 기계적 스캔이 필요 없는 2차원 글로우 방전 검출기 어레이가 될 것입니다.
글로우 방전을 자연적인 픽셀 어레이로?
세 번째 논문 “Debye-length-resolved detection in glow discharge plasma: toward a self-contained focal plane array for millimeter-wave imaging”은 밀리미터파, 플라즈마 업컨버전, heliCam™ C4의 동일한 조합을 기반으로 하지만, 더 나아간 질문을 제기합니다: 면적형 검출기 어레이를 위해 실제로 많은 개별 글로우 방전 램프를 배열해야 하는가, 아니면 단일 램프 내의 플라즈마가 이미 공간적으로 분리된 측정 영역을 제공할 수 있는가?
출발점은 소위 디바이 길이입니다. 이는 플라즈마에서 전하가 차폐되는 특성 공간 스케일을 나타냅니다. 저자들은 이 크기의 국부 플라즈마 영역을 서로 구별 가능한 센서 요소로 간주할 것을 제안합니다. 위상 감응 카메라는 밀리미터파에 의해 변조된 이러한 영역의 공간적으로 분포된 근적외선 방출을 병렬로 판독할 수 있습니다.
초기 측정은 밀리미터파 여기에 대한 국부적으로 상이한 반응과 일치하는 플라즈마 방출의 공간적 차이를 보여줍니다. 그러나 이 연구는 의도적으로 개념 및 전망으로 이해되어야 합니다: 디바이 길이 스케일에서 입증된 분해능을 가진 검출은 현재 실험에서 아직 실현되지 않았습니다. 이 논문은 오히려 단일 플라즈마 방전 자체가 초점면 어레이의 기능을 담당하는 소형의 비용 효율적인 밀리미터파 검출기로 가는 가능한 경로를 설명합니다.
공통된 추세: 카메라가 센서의 일부가 되다
세 편의 논문은 매우 다른 두 가지 물리량을 다룹니다. 그러나 이들은 기본 원리를 공유합니다: 원하는 신호가 먼저 작고 공간적으로 분포된 광 변화로 변환됩니다. 그런 다음 heliCam™은 단순히 이미지를 캡처하는 것이 아니라 각 화소에서 병렬로 시간적 시그니처를 복조합니다.
자기장 카메라에서는 루비듐 증기 셀이 센서의 역할을 담당합니다. 밀리미터파 측정에서는 글로우 방전 램프의 플라즈마가 그 역할을 합니다. 두 경우 모두 화소별 Lock-in 검출을 통해 훨씬 더 강한 광학 배경으로부터 약한 변조 신호를 분리할 수 있습니다.
특히 흥미로운 것은 두 플라즈마 연구 내에서의 발전입니다: 첫 번째 논문은 재구성된 밀리미터파 이미지까지의 완전한 측정 체인을 입증합니다. 두 번째 논문은 이미 플라즈마 자체를 공간적으로 분해된 검출기로 어떻게 발전시킬 수 있는지를 묻습니다.
이러한 연구는 새로운 센서 매체와 이미징 Lock-in 기술의 결합으로부터 어떻게 새로운 측정 기기가 탄생할 수 있는지를 보여줍니다. 저희는 heliCam™과 함께 이러한 연구 그룹의 다음 단계를 지원하게 되어 기쁩니다.
이 논문 및 기타 연구는 저희 Lock-in 카메라 관련 논문 페이지에서 확인하실 수 있습니다.
Heliotis AG