고속카메라는 산업체, 연구소, 대학교 등의 실험 및 연구 분야에서 인상적인 활약을 펼치고 있는 광학 기기다. 이들은 우리의 눈이나 일반적인 카메라 장비로 쫓을 수 없는 빠른 피사체의 움직임을 고속으로 촬영해 아주 느린 화면으로 보여준다. 일반 카메라가 주로 초당 30장씩 촬영이 가능하다면, 고속카메라는 수백 장부터 최대 수십만 장까지 촬영할 수 있다. 고속카메라를 통해 계측하는 피사체는 눈에 보이는 사물뿐만 아니라 기체, 유체 또한 포함하는데 여기에는 특수한 장비를 필요로 한다. 광굴절의 원리를 이용하는 쉴리렌 시스템이다. 불가시 현상을 가시화하는 쉴리렌 시스템, 그리고 이를 통해 실현한 고속촬영의 신비에 대해 다뤄본다.

에디터 박지인 | 자료제공 KOMI(코미)

쉴리렌 시스템의 시작

쉴리렌(Schlieren)이란 인간의 눈으로 볼 수 없는 투명한 물질에서의 광학적인 불균일성을 말한다. 쉴리렌을 최초로 관찰한 사람은 1665년 Robert Hooke다. 그는 촛불 두 개와 큰 볼록렌즈로 촛불에서 일어나는 따뜻한 공기의 움직임을 통해 쉴리렌(불균일한 줄무늬)현상이 일어남을 발견했다. 이후 쉴리렌 시스템이 본격적으로 개발된 것은 1866년 August Toepler에 의해서다. 토플러의 시스템은 렌즈를 만드는 유리를 관찰할 때 유리에 생겨나는 쉴리렌 현상을 탐지하기 위해 고안되었고 이를 통해 렌즈 표면의 불균일 현상의 원인을 파악할 수 있었으며, 고사양의 렌즈 개발 및 발전에 일조하였다.

쉴리렌 시스템의 적용분야 :

- 유체 밀도가 변화는 이벤트(dφ/dx)

- 혼합, 자연, 강제 열대류 현상 관찰

- 풍동에서의 충격파 과정

칼라 쉴리렌 (Color Schlieren)

칼라 쉴리렌은 흑백 기기를 통해 관찰할 수 있는 데이터보다 많은 데이터가 필요한 연구나 실험에서 효과적으로 사용된다. 쉴리렌 시스템의 연구학자 Walter는 흑백의 쉴리렌 이미지에서는 방향의 구별 없이 크기를 측정하는 스칼라만을 표현하기 때문에, 가로의 평면에서 벡터의 변위와 각도의 데이터를 얻을 수 있는 또 다른 색 차원이 필요하다고 주장했다. 쉴리렌 영상의 분석에는 HSI(Hue(색깔), Saturation(채도), Intensity(빛의 명도)가 사용된다. 칼라 쉴리렌은 촬영하는 대상체가 넓은 범위와 높은 감도를 동시에 요구하는 시험에서 보다 탁월한 관찰력을 보이며 유체, 유동분석의 까다로운 시험에서 섬세한 기술적 표현으로 큰 각광을 받고 있다.

칼라 쉴리렌의 응용사례

위의 그림은 가스버블에 비비탄 총알을 쐈을 때의 버블의 변화를 칼라 쉴리렌 장치로 촬영한 것이다. 가스버블의 변화가 매우 순간적임은 물론 투명하기 때문에 일반 카메라로 촬영할 수 없다. 작은 가스버블 속으로 탄이 뚫고 지나간 다음 구멍이 서서히 변하는 과정을 보여주고 있다. 최후에는 버블이 완전히 사라지고 없다. 이번실험에는 Phantom V2511 고속카메라가 사용됐으며, 이미지는 1280x720 해상도에서 초당 10,000장으로 촬영된 결과물이다.

가스버블에 가스라이터를 켰을 때의 반응이다. Phantom V2511 고속카메라를 사용하였으며, 앞서 진행된 실험과 카메라 조건으로 해상도와 촬영속도로 촬영했다. 가스버블이 라이터 불에 의해 서서히 터지면서 불꽃이 일어난다. 달 모양의 형상이 나타나기도 하며, 버블 안에 있던 공기가 마치 연기가 모아진 형상을 하고 있다 커다란 꽃 봉우리의 모습으로 변화한다.

휘발유에 성냥불이 떨어졌을 때의 반응을 실험한 영상이다. 이번 실험에 사용한 고속카메라는 Phantom VEO 640S로 1920x1080 해상도에서 초당 2,500장으로 촬영했다. 성냥불이 휘발유에 떨어지는 순간 불이 양옆으로 퍼지면서 피어오르는 것을 관찰 할 수 있다. 막 피어오르는 불꽃은 마치 꽈배기 모양의 현상을 보여주며 빛을 방출한다. 성냥불이 떨어질 때 공기의 흐름에도 변화가 일어나는 것을 관찰할 수 있었다.

캠프를 가면 토치를 이용하여 불을 지피는데, 그 토치를 이용하여 가스버블에 불을 가했을 때의 형상을 촬영했다. 가스버블 속에 있던 공기층들이 흔들리고 약간의 간격을 두고 가스에 불이 퍼지면서 그림과 같은 형상으로 불이 타오른다. 이번에 사용한 고속카메라는 Phantom VEO710S로 1280x720 해상도에 초당 7,000장으로 촬영하였다.

Phantom V2512 고속카메라

현존하는 고속카메라 중에서 가장 높은 촬영속도를 제공하는 고속카메라로 풀해상도 1280x800에 초당 25,700장을 제공하며, 해상도 축소 시 최대 초당 1백만 장까지 촬영이 가능하다.

Phantom VEO 시리즈 고속카메라

Phantom VEO 시리즈는 작고 가벼우면서 견고하며, 성능까지 매우 우수하다. 또한, 설치가 손쉬워서 까다로운 환경에서의 사용 시 아주 적합한 고속카메라이다. VEO640은 풀해상도 2560x1600에 최대 초당 1,400장을 제공하고 해상도 축소 시 최대 초당 290,000장까지 촬영할 수 있다. VEO710은 풀해상도 1280x800에서 최대 초당 7,400장을 제공하며, 해상도를 줄일 경우 최대 1백만 장까지 제공한다.

Phantom 한국공식대리점, 코미

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박지인 기자  wldls9077_vdcm@naver.com

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