열화상 기술: 숨겨진 디테일 드러내 정밀 분석 실현

우리는 여름 햇살의 따뜻한 광선을 사랑하고, 차가운 음료나 상쾌한 수영으로 더위를 식힙니다. 타인의 따뜻한 손길을 감사히 여기고, 겨울엔 뜨거운 차나 따뜻한 벽난로를 즐깁니다. 우리는 온도를 느끼지만, 눈으로는 '볼 수' 없습니다.

열화상기로 보이지 않는 것 보기

열화상기는 우리 눈에 숨겨진 전자기 스펙트럼 부분을 가시화합니다. 사실상 우리 환경의 모든 물체가 열복사를 방출하므로, 열화상기는 절대 어둠 속에서도 주변 환경 이미지를 생성할 수 있습니다. 보안·감시용으로 사용될 때 열화상기에서 숨길 수 있는 것은 거의 없습니다.

완전 방사측정 보정으로 이 이미저들은 온도 차이를 가시화할 뿐만 아니라 절대 온도 측정도 제공합니다. VGA 센서와 60Hz 프레임레이트 열화상기는 초당 1,840만 개 이상의 개별 온도 측정을 제공할 수 있습니다.

소형화와 성능 최적화

열(즉, 고려 중인 장면의 상대적 열 분포를 감지하고 표시 이미지로 변환)을 시각화하는 단순한 열화상기 제작은 더 이상 최첨단이 아닙니다. 200달러 미만으로 아이폰에 열화상기 애드온을 장착할 수 있습니다. 진정한 기술적 과제는 감도와 측정 정확도 요구 증가(가장 작은 온도 차이 표시나 최대한 정밀한 온도 측정)와 동시에 열화상기를 소형화하면서 더 넓은 시장의 성능 니즈를 충족하는 것에서 시작됩니다.

오늘날 선도적 열화상 이미저 제조사들은 최저 NETD(잡음 등가 온도 차이)와 최고 온도 측정 정확도를 단일 장치에 결합합니다. 역사적으로 이러한 고성능 카메라는 민감하고 정확했지만 크고 무거웠습니다. 이곳에서 소형화와 시스템 통합 트렌드가 열화상기의 새로운 애플리케이션을 열고 있습니다.

점점 더 많은 애플리케이션이 열화상 이미저를 사용하며, 컬러 비디오 카메라나 라이다 센서 같은 다른 센서들과 연결합니다. 애플리케이션은 공공·민간 보안용 지능형 감시 카메라, 빌딩 자동화, 제조 공정 제어, 소방·구조 지원, 자율주행차 야간 비전 솔루션, 예지보전 등 다양합니다.

핵심 성능 파라미터

이 애플리케이션들이 다양한 만큼, 열화상 이미저 기술 소형화와 시스템 통합 요구사항도 다양합니다. 측정 특성, 탐지기, 광학, 데이터 인터페이스, 하우징 등 설계·제조 파라미터가 특정 애플리케이션에 맞게 최적화돼야 합니다. 그러나 강력한 열화상 이미저가 제한된 구성가능성을 가진 표준 제품으로만 제공되는 경우가 많아 많은 OEM과 시스템 통합업체에게 특정 애플리케이션 시스템 솔루션으로의 쉬운 통합은 특별한 과제입니다.

가장 효과적인 열화상 이미저는 이러한 과제를 극복하고 정확히 이 시장 공백을 메우도록 맞춤화됩니다. 열화상 이미저 성능과 통합 용이성에 영향을 미치는 세 영역은 탐지기, 이미저 방사측정 능력, 제공되는 광학·전기적 특징입니다.

탐지기 기술 발전

첨단 탐지기 기술은 픽셀 간 간격을 지속적으로 줄이고 있습니다. 이 트렌드는 주로 휴대폰 산업이 주도했으며 가시광 카메라에서 가장 뚜렷했지만 열화상 이미저 개선에도 도움이 되었습니다. 감도(NETD)와 노이즈 성능을 유지하거나 개선하면서 탐지기 픽셀 피치가 작을수록 열화상 이미저가 더 효과적입니다. 더 작은 피치는 일반적으로 낮은 전력, 더 작은 기계적 설계 제약, 더 느린 f/# 광학 수용(추가 시스템 크기·무게 절감)을 지원합니다. 또한 더 작은 픽셀 피치 FPA는 크기, 무게, 전력에서 큰 페널티 없이 더 높은 해상도 열화상 이미저를 허용합니다.

방사측정 성능 특성

방사측정 성능 특성에는 관심영역(ROI) 전용 측정에서 FPA 모든 픽셀에 대한 완전 방사측정 측정으로의 확장, 향상된 온도 측정 정확도, 확장된 타겟 온도 범위가 포함됩니다.

전자 부품 발전과 광학 제조 기술

게임, 가상·증강현실, 스마트폰, 통신, 자율주행차 산업의 극심한 시장 경쟁이 전자 처리 능력을 극적으로 증가시키면서 부품 풋프린트와 전력 소모를 낮췄습니다. 결과적으로 열화상 이미저 설계자들은 몇 년 전엔 존재하지 않았던 더 다양한 전자 부품 옵션을 선택할 수 있게 되었습니다. 더 넓은 부품 옵션 다양성은 더 콤팩트하고 효율적이며 고성능 시스템 설계·통합을 용이하게 합니다. 한편 광학·광기계 제조 기술도 발전해 기존 광학을 비전통적 광학으로 대체해 광학 서브어셈블리 크기와 무게를 추가로 줄일 수 있게 되었습니다. 이러한 광범위한 산업 트렌드는 열화상 세그먼트 내 지속적인 탐지기·방사측정 발전과 결합돼, 적절한 열화상 이미저가 이러한 옵션을 지원할 때 OEM과 시스템 통합업체에게 넓은 유연성 범위를 제공할 수 있습니다.

방사측정 열화상 이미저 시장 샘플

표 1은 QVGA 픽셀 포맷의 현재 방사측정 열화상 이미저 5개 주요 성능 파라미터를 요약합니다.

앞서 식별한 주요 성능 파라미터 중 일부를 설명하기 위해 표 첫 번째 항목인 JENOPTIK EVIDIR에 초점을 맞춥니다. EVIDIR 알파는 다양한 표준 구성 옵션을 제공하는 콤팩트한 '플러그앤플레이' 적외선 이미저 패밀리입니다: 비디오 포맷(VGA 또는 QVGA), 프레임레이트, 기계식 셔터 또는 장기 안정 셔터리스 동작, 다중 표준 통신 인터페이스(USB, GigE, CMOS), 5°~60° 이미저 시야각 허용 렌즈 옵션.

이 이미저들은 독립 장치로 완전히 기능하지만 OEM(원래 장비 제조사) 애플리케이션에 통합을 용이하게 하도록 설계되었습니다. EVIDIR의 사용 가능한 구성 옵션 '툴박스' 접근법은 쉬운 맞춤화를 위해 사용됩니다. 렌즈, 셔터, 비디오 포맷, 통신 인터페이스 같은 옵션이 모듈식이라 고객이 애플리케이션에 가장 적합하게 조합할 수 있습니다.

이미저와 방사측정 이미저의 QVGA·VGA 버전은 공통 기계·광학·전기·명령 인터페이스를 공유해 쉬운 업그레이드와 OEM 개발 시간 최소화를 허용합니다. 이미저는 최첨단 12μm 픽셀 비냉각 마이크로볼로미터 초점면 어레이 중심으로 구축되며, 표준 30mK 미만 NETD로 안정적이고 균일한 열화상 이미지를 제공합니다. 이미저 코어는 초점면 어레이(인쇄 회로 어셈블리에 통합)와 프로세서 보드로 구성된 2보드 스택입니다.

이미저 네이티브 출력 포맷은 CMOS이며 OEM 통합업체는 이 포맷을 사용해 크기와 전력을 최소화하거나 원하는 표준 이미지 포맷(예: USB, GigE)으로 변환하는 인터페이스 보드를 선택할 수 있습니다. 60Hz 구동 QVGA 이미저 CMOS 버전은 950mW 미만 소모합니다. 이미저 알루미늄 하우징 어셈블리는 20×30×30mm, 렌즈 제외 27g입니다. 다양한 렌즈 어댑터로 다수의 기성 렌즈를 활용해 애플리케이션에 최적 매칭 가능합니다. 방사측정 카메라는 향상된 보정을 받지만 그 외엔 이미저 버전과 동일합니다.

요약

오늘날 최첨단 열화상 이미저는 시판 중인 이전 QVGA·VGA 열화상·방사측정 카메라 대비 더 높은 성능, 더 낮은 비용의 대안을 OEM에게 제공합니다. 적절히 설계되면 열화상 이미저 맞춤화로 OEM이 카메라를 애플리케이션에 최적 맞춤화해 비용을 최소화할 수 있습니다.

지속적인 산업 발전으로 고객에게 정확히 니즈에 맞는 제품을 제공할 것입니다: 12μm 피치 SXGA(1280×1024) 센서, 향상된 XGA(1024×768) 센서와 VGA(640×480) 기술, 해상도 향상, 서브프레임, 디지털 전자 줌(e-zoom), 전자 이미지 안정화, 셔터/셔터리스 동작, 추가 선택 가능 프레임레이트, CameraLink 등 선택적 전기 인터페이스 포함.

이 기사는 예노프틱 옵티컬 시스템즈 GmbH(예나, 독일) 빛·광학 사업부 다니엘 브레너 박사(MBA)가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 클릭하세요.