[논문]양방향 반사율 분포함수 측정시스템

황지수

doi:10.3807/kjop.2010.21.2.046

양방향 반사율 분포함수 측정시스템
Measurement System of Bidirectional Reflectance-distribution Function 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.21 no.2, 2010년, pp.46 - 52

초록
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본 논문에서는 양방향 반사율 분포함수의 이론과 제작된 측정시스템 및 측정불확도의 평가방법을 소개한다. (380~1500) nm의 분광 양방향 반사율 분포함수를 $(-75{\sim}75)^{\circ}$의 각도 범위에서 측정할 수 있는 측정시스템을 제작하였고, 상관관계가 있는 불확도 성분과 상관관계가 없는 불확도 성분으로 나누어 측정불확도를 평가하였다. 평가 결과, 제작된 양방향 반사율 분포함수 측정시스템의 상대확장불확도는 3% (k=2) 이하로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A theory of bidirectional reflectance-distribution function (BRDF), a newly developed BRDF measurement system, and a method for evaluating the uncertainty of BRDF measurements are presented. The BRDF measurement system which measures BRDF in a wavelength range of (380~1500) nm with an angle range of $(-75{\sim}75)^{\circ}$ was installed. The measurement uncertainties, consisting of correlated terms and uncorrelated terms, were evaluated for the BRDF measurement system, resulting in the relative expanded uncertainty less than 3% (k=2).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

반사율 표준판은 등방성 시료로 가정할 수 있고, 또한 디스플레이를 평가할 때 극각을 변화시키며 양뱡향 반사율 분포함수를 측정한다.^[7] 따라서 본 실험에서는 극각을 변화시킬 수 있는 2차원 양방향 반사율 분포함수 측정시스템을 제작하였다. 또한 복사선속은 측정신호를 검출기의 감응도로 나눈 양에 해당하므로, 식 (4)를 식 (6)으로 표현할 수 있다.
한국표준과학연구원에서는 (380~1500) nm의 파장범위에서 3% (k=2) 이하의 측정불확도로 측정 가능한 절대측정 방식의 분광 양방향 반사율 분포함수 측정시스템을 개발하였다. 본 논문에서는 양방향 반사율 분포함수를 소개하고 측정 시스템의 제작과 불확도 평가방법을 소개하고자 한다. 2절에서 양방향 반사율 분포함수 측정 이론을 소개하고, 3절에서는 개발된 양방향 반사율 분포함수 측정시스템을 설명한다.
본 논문에서는 양방향 반사율 분포함수의 측정 이론과 절대측정 방식의 양방향 반사율 분포함수 측정시스템 제작 및 측정불확도 평가에 관하여 설명하였다. 구축된 양방향 반사율 분포함수 측정시스템의 측정불확도는 (380∼1500) nm 파장 영역에서 3% (k=2) 이하로 평가되었고, 양방향 반사율 분포함수 측정의 예로써 백색 확산반사 시료의 측정결과를 소개하였다.

가설 설정

등방성 시료의 경우, 입사각과 반사각의 극각 변화에 대한 양방향 반사율 분포함수를 측정하여 시료의 반사분포 특성을 결정할 수 있다. 반사율 표준판은 등방성 시료로 가정할 수 있고, 또한 디스플레이를 평가할 때 극각을 변화시키며 양뱡향 반사율 분포함수를 측정한다.^[7] 따라서 본 실험에서는 극각을 변화시킬 수 있는 2차원 양방향 반사율 분포함수 측정시스템을 제작하였다.

제안 방법

불확도의 주요 원인은 광원의 안정도와 관련된 측정신호의 반복성으로서, 측정신호의 불확도를 낮추기 위하여 광원의 안정도를 향상시키고 입사 모니터링 검출기를 사용하는 추가적인 장치 구축을 계획하고 있다. 개발된 양방향 반사율 분포함수 측정시스템은 절대측정 방식의 시스템으로서 분광 양방향 반사율 분포함수와 양방향 반사율 인수의 절대 눈금을 실현하며, 관련된 측정량의 소급성을 제공하여 색채, 디스플레이, 조명 산업 등에 활용된다.
시료의 선형 이동을 위하여 각조정기의 중앙에 3축 선형 스테이지를 설치하고, 그 위에 시료대를 설치하였다. 검출기는 시료를 중심으로 회전하며, 시료와 검출기 간의 입체각을 결정하기 위하여 구경 조리개와 렌즈 및 광다이오드로 구성된 검출 시스템을 사용하였다. 파장영역에 따라 (380∼1100) nm 파장영역에는 Si 광다이오드, (1100∼1500) nm의 영역에는 InGaAs 광다이오드를 사용하였다.
단색기 내에 섬광 파장(blaze wavelength)과 그루브(groove)가 각각 240 nm, 750 nm인 2400 lines/mm, 1200 lines/mm의 두 개의 회절 격자를 설치하여 각각 가시광선 영역 및 근적외선 파장에서 사용하였다. 고회절 차수(higher diffraction order) 성분에 의한 잡광(stray light)을 제거하기 위하여 파장 범위에 따라 5 종류의 회절차수 분리필터(장파 대역 필터)를 사용하였다.
1% 이하로 평가되었다. 광전류 측정의 불확도 성분은 전압계의 교정 성적서에 명시된 교정 불확도 및 락-인 증폭기의 정확성으로부터 평가하였다. 산란광에 의해 시료에서 되반사되는 잡광에 의한 불확도는 광경로를 백색판으로 막은 상태에서 측정하여 산출하였고, 0.
반사된 선속을 측정할 때, 구경 조리개의 면적과 시료와 구경 조리개 간의 거리는 반사 입체각 Ω_r을 결정하며 광다이오드의 검출 면적은 시야 조리개에 해당한다. 구경 조리개와 렌즈 및 광다이오드를 직경 2인치의 경통 내에 설치하고, 렌즈와 광다이오드 사이에 배플을 설치하여 후방 반사에 의한 잡광을 억제하였다.(그림 3)
구축된 양방향 반사율 분포함수 측정시스템의 측정불확도는 (380∼1500) nm 파장 영역에서 3% (k=2) 이하로 평가되었고, 양방향 반사율 분포함수 측정의 예로써 백색 확산반사 시료의 측정결과를 소개하였다.
반복성은 광원 및 검출기의 안정성 및 동일 시료에 대한 반복성을 포함하여 평가하였다. 그림 4(a)는 파장 600 nm에서 Si 광다이오드를 사용하여 24분간 측정한 광원 안정도이다.
06%이하로 평가되었다. 반사각의 불확도는 검출 시스템의 구경 조리개 위치에 조리개를 놓고 구경 면적을 조절하며 측정하였다. 재현성 0.
반사된 복사선속 측정신호의 상대불확도 u_r(S_r)_uncorr는 반복성, 신호 측정의 직선성, 광전류 측정, 산란광에 의해 시료에서 되반사되는 잡광, 반사각의 불확도를 합성하여 산출하였다. 입사 복사선속 측정신호의 상대불확도 u_r(S_i)_uncorr는 반복성, 신호 측정의 직선성, 광전류 측정의 불확도 성분을 포함한다.
1°이하로 평가되었다. 시료 표면의 중앙으로부터 검출 시스템의 구경 조리개까지의 거리 측정에 따른 불확도와 구경 조리개의 단면적 측정에 따른 불확도는 반복측정을 통하여 산출하였다.
여기에서 λ와 σ는 각각 파장과 편광을 나타낸다. 입사 면적 dAi에 균일하고 시준된 등방성 빛이 입사할 경우, 빛의 진행 경로 상에서 시료를 제거하고 수광기의 구경 조리개 내로 모든 빛이 입사되도록 하여 입사 복사조도를 측정한다. 따라서 입사 복사조도는 파장과 편광만의 함수 E_i(λ, σ)로 표현된다.
입사각 0°에 대하여 (-70~70)°범위내의 반사각을 10°간격으로 변화시키고, (380~1500) nm의 파장 영역에서 400 nm부터 100 nm 간격으로 파장을 변화시키며 측정하였다.
제작된 양방향 반사율 분포함수 측정시스템을 사용하여 백색 세라믹으로 제작된 확산반사 시료의 양방향 반사율 분포 함수를 측정하였다. 입사각 0°에 대하여 (-70~70)°범위내의 반사각을 10°간격으로 변화시키고, (380~1500) nm의 파장 영역에서 400 nm부터 100 nm 간격으로 파장을 변화시키며 측정하였다.
신호 측정의 직선성은 별도의 실험을 통하여 산출하였다. 즉, 적분구에 2개의 LED를 설치하여 한 개의 LED가 각각 켜졌을 때 측정된 신호들의 합과 두개의 LED가 켜졌을 때의 신호를 비교하여 산출하였다. Si 광다이오드의 경우 상대불확도는 0.
파장 632.8 nm의 HeNe laser를 사용하여 0.005%이하의 단색기의 이색성 잡광을 측정하였고, 1064 nm Nd:YAG laser를 사용한 실험을 통하여 근적외선 영역에서도 동일한 수준의 잡광이 측정되었다. 그림 4(b)는 632.
파장 교정용 램프 (HgNe, Kr, Ar)를 사용하여 파장을 교정하고 파장 오프셋 및 재현성을 측정하여 파장의 불확도 u(λ)를 산출하였다.

대상 데이터

9 인 1/8 m 단색기와 회절차수 분리필터를 부착하여 사용하였다. 단색기 내에 섬광 파장(blaze wavelength)과 그루브(groove)가 각각 240 nm, 750 nm인 2400 lines/mm, 1200 lines/mm의 두 개의 회절 격자를 설치하여 각각 가시광선 영역 및 근적외선 파장에서 사용하였다. 고회절 차수(higher diffraction order) 성분에 의한 잡광(stray light)을 제거하기 위하여 파장 범위에 따라 5 종류의 회절차수 분리필터(장파 대역 필터)를 사용하였다.
식 (3)에서 볼 수 있듯이, 양방향 반사율 분포함수를 결정하기 위해서는 시료로부터 검출 시스템의 구경 조리개 간의 입체각을 측정해야 한다. 본 실험에서는 직경 40 mm의 구경 조리개와 렌즈 및 광다이오드로 구성된 검출 시스템을 사용하였다. 입사 선속을 측정할 때, 모든 빛살은 구경 조리개 안을 통과한 후 렌즈에 의해 광다이오드의 감지 면적 내로 초점이 모아져 검출된다.
수광기는 파장영역에 따라 (380∼1100) nm 파장영역에는 Si 광다이오드, (1100∼1500) nm의 영역에는 InGaAs 광다이오드를 사용하였다.
파장영역에 따라 (380∼1100) nm 파장영역에는 Si 광다이오드, (1100∼1500) nm의 영역에는 InGaAs 광다이오드를 사용하였다.
표 1은 위에서 기술한 양방향 반사율 분포함수의 측정불확도 평가 방법으로 산출한 불확도 총괄표이다. 확산반사 시료에 대하여 파장 400 nm, 800 nm, 1200 nm에서 산출하였다. 제작된 양방향 반사율 분포함수 측정시스템의 불확도는 (380 ∼1500)nm의 파장 영역에 대하여 3% (k=2)이하로 평가되었다.

이론/모형

시준된 빛살의 직경은 약 17 mm이며 발산각은 2°미만이다. 편광에 따른 양방향 반사율 분포함 수의 측정을 위하여 글랜-테일러(Glan-Taylor) 편광기를 사용하였고, 편광된 빛은 배플(baffle)을 거쳐 시료에 입사된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물체의 색 현시(color appearance) 특성을 나타내는 양은 무엇이 있는가?	양방향 반사율 분포함수(Bidirectional reflectance-distribution function:BRDF)와 양방향 반사율 인수(Bidirectional reflectance factor)는 물체의 색 현시(color appearance) 특성을 나타내는 양이다. 즉, 빛이 입사하는 방향과 관찰자가 보는 방향에 따른 정반사와 확산반사 등의 물체의 반사 특성을 측정하여 물체의 양방향 반사율 분포를 결정하고, 외부 조명 환경에 따른 물체의 색 현시 특성을 예측할 수 있다.
	양방향 반사율 분포함수의 정의는 무엇인가?	양방향 반사율 분포함수는 미소 입체각 (dωi, dωr)에 대하여 입사각 (Θi, Φi)의 방향으로 시료에 입사한 복사조도 Ei에 대한 시료의 동일한 면적에서 반사각 (Θi, Φi)의 방향으로 반사되는 복사휘도 Lr의 비로 정의된다.(그림 1) 빛이 입사하는 시료의 면적에 대한 균일성과 등방성을 가정하면, 양방향 반사율 분포함수 fr은 식 (1)로 표현될 수 있다.
	양방향 반사율 분포함수와 양방향 반사율 인수로 물체의 색 현시(color appearance) 특성을 예측하는 과정은 어떠한가?	양방향 반사율 분포함수(Bidirectional reflectance-distribution function:BRDF)와 양방향 반사율 인수(Bidirectional reflectance factor)는 물체의 색 현시(color appearance) 특성을 나타내는 양이다. 즉, 빛이 입사하는 방향과 관찰자가 보는 방향에 따른 정반사와 확산반사 등의 물체의 반사 특성을 측정하여 물체의 양방향 반사율 분포를 결정하고, 외부 조명 환경에 따른 물체의 색 현시 특성을 예측할 수 있다. 양방향 반사율 분포함수의 측정기술은 색채 산업뿐만 아니라 e-paper 등의 반사형 디스플레이의 평가기술로 사용되며, 광측정과 복사 측정기기 교정에 사용된다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
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KRISS-99-070-SP, KRISS Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (Korea Research Institute of Standards and Science, 1999).
ISO/IEC Guide 98-3:2008, Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (International Organization for Standardization, 2008).

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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