1. 양자형 : 냉각식 열화상 카메라 센서에 사용
- 광자형 센서를 제조할 수 있는 국가는 미국, 영국, 프랑스, 독일, 이스라엘, 중국, 한국 정도이다.
2. 열형 : 비냉각식 열화상 카메라 센서에 사용
*참고로, MWIR 범위에서의 인식거리는 LWIR대역 탐지거리의 약 70%수준이다.
따라서, 탐지 목적으로는 LWIR열화상이 MWIR 열화상보다 더 멀리 떨어져 있는 물체에 대한 정보를 제공한다.
센서의 특징
1. 양자형 센서(냉각식)의 특징
양자 효율이 우수하고 매우 낮은 온도에서 동작하므로 열적 잡음(주위 환경에 대한 영향)이 작아 탐지도 및 잡음온도 분해능(Noise Equivalent Temperature Difference : NETD) 특성이 매우 우수하다.
에너지갭에 따라 적외선에 반응하는 영역이 정해져 있으며, 동작온도가 액체질소(77K) 온도 근처라, 이를 위해 반드시 진공을 유지해야 하는 단점이 있다.
이는, 냉각 모듈의 적용이 필수 불가결이라 냉각 모듈의 수명(약 10,000시간)에 따라 메인터넌스가 이루어져야 하는 단점 또한 있다.
2. 열형 센서(비냉각식)의 특징
온도에 따라 재료의 저항이 변하는 원리를 이용한 것이 볼로미터(Bolometer)이고, 상온의 온도 때문에 기본적인 열적 잡음이 높아 신호 대 잡음비(S/N)가 양자형에 비해 떨어진다.
가장 큰 특징으로 캘리브레이션을 위한 셔터를 내장하고 있다.
파장대역은 8~14㎛이다.
*위 열화상 이미지는 냉각식과 비냉각식 카메라 시스템으로 얻을 수 있는 최상의 클로즈업 확대 결과물이다. 좌측 이미지는 4x 클로즈업 렌즈와 13㎛피치 냉각식 카메라 조합으로 촬영된 3.5㎛ 스팟 크기의 결과물이다. 우측 이미지느 1x 클로즈업 렌즈와 25㎛피치 비냉각식 센서 조합으로 좔영된 25㎛스팟 크기의 결과물이다. 냉각식 카메라는 일반적으로 더 짧은 적외선 파장을 감지하기 때문에 비냉각식 카메라보다 더 우수한 확대 성능을 갖추고 있다. 냉각식 카메라는 우수한 감도 특성을 지니기 때문에 신호 대 잡음비를 저하시키지 않고 우수한 확대 성능을 가능하게 하는 더 많은 광학 렌즈나 두꺼운 렌즈를 사용할 수 있다.
또한, 냉각식 카메라는 비냉각식 카메라보다 더 작은 온도차를 더 오랫동안 감지할 수 있다. 즉, 냉각식 카메라는 표적에 더 많은 디테일을 제공하며 아주 희미한 열적 이상조차도 감시할 수 있다.
(양자형)냉각식 카메라의 구조
파장대역 : 3.7±0.2 ~ 4.8±0.2㎛
가장 큰 특징은, 냉각기(Cooler)를 가지고 있으며, 캘리브레이션을 위한 셔터가 없다.
센서 온도를 극저온으로 낮추는 이유는 회로내부의 열적 잡음을 측정대상 물체/장면의 열적 신호보다 더 낮은 수준으로 감소시켜야 초고정밀의 측정이 가능하기 때문이다.
*극저온 냉각기에는 가스 밀폐와 천천히 작용하는 헬륨 가스 뿐만 아니라 지속적으로 마모되는(기계적 압축 팽창으로) 기계적 공차에 매우 근접하게 제작된 부품이 적용되어 있기에 10,000~13,000시간의 수명이 존재한다.
따라서 주기적으로 수명이 다한 냉각기는 교체해줘야 하는 단점이 있다.(교체에 따른 시간과 비용이 크다는 단점이 있다.)
(열형)비냉각식 카메라의 구조
비냉각식 카메라는 센서(디텍터)를 극저온으로 냉각시키지 않는다.
일반적으로 열화상 카메라의 디텍터는 마이크로 볼로미터를 사용한다. 이것은 큰 온도계수를 가진 작은 산화바나듐 저항기를 열용량이 작고 단열이 잘 되어있는 넓은 규소 소자 위에 장착한 것이다. 대상 물체의 온도가 변화하면 볼로미터의 온도가 변화하고 이 변화는 전기적 신호로 변환되어 다시 열화상으로 만들어지는 것이다.
비냉각식 디텍터 센서는 지구상의 거의 모든 물체가 열에너지의 대부분을 방사하는 장파장 적외선(LWIR- 8~14㎛)을 측정한다.
비냉각식 열화상 카메라는 냉각식 카메라보다 가격이 훨씬 더 저렴하다.
비냉각식 센서는 냉각식 센서보다 제조 공정이 간단하고 수율이 높고 진공포장 비용이 낮을 뿐만 아니라 매우 고가의 극저온 냉각기가 필요 없기 때문이다. 또한 비냉각식 카메라는 냉각식 카메라에 비해 작동하는 부품 수가 적어 고장이 잘 발생하지 않으며 수명이 더 길다.
가장 큰 특징은 캘리브레이션을 위한 셔터를 내장하고 있다.
센서의 사용기준
디텍터는 그 종류별로 열적 및 스펙트럼 감도가 각기 다르다. 또한 종류 별로 가공 방법의 차이에 따라서 가격에도 차이가 있다.
사용 목적에 적할 할 경우, InSb 및 QWIP 종류의 양자 디텍터는 다음과 같은 다양한 장점을 가지고 있다.
- 높은 온도 분해능
- 디텍터의 높은 균일성, 즉 고정 패턴의 잡음이 매우 낮다.
- 스펙트럼 분해능에 일정 수준의 선택성이 있다.
- 제조 공정의 수율이 높다.
- 가격이 비교적 경제적이다.
- 고온 및 강한 복사선에 견딜 수 있다.
- 우수한 화질의 이미지를 제공할 수 있다.
카메라의 전자장치는 디텍터의 절대감도를 넓은 범위에 걸쳐서 처리할 수 있다. 예를 들어 복사 강도가 아주 높을 경우 디텍터를 포화 시킬 수 있는 수준의 높은 감도를 조리개를 제어하거나 ND(Neutral Density)필터를 사용하여 처리할 수 있다. 이 두 가지 해결책은 모두 FPA에 입사되는 복사 에너지를 감소 시키는 것이다.
특정한 용도로 사용하고자 하는 디텍터와 카메라를 선택할 때에는 가격 이외에 스펙트럼 감도가 중요시되는 경우 많다. 일단 디텍터를 선택한 후에는 렌즈 소재와 필터를 적절하게 선택하여 열화상 카메라 시스템의 전체적인 응답 특성에 변화를 줄 수 있다. 이하 그림은 다양한 디텍터 종류에 따른 시스템 응답 특성을 보여준다.
냉각식과 비냉각식의 차이
Offset값의 경우,
냉각식 : 센서 주변 온도에 영향을 덜 받기 때문에 Offset이 거의 일정하다.
비냉각식 : 센서가 주변 온도(PCB온도, 센서온도, 주변 반도체의 발열 등)에 영향을 받아 Offset이 변한다.
Gain은 냉각식이 비냉각식에 비해서 주변의 열원에 영향을 덜 받아 Offset이 안정적이고 기본 잡음이 작아서 NETD가 높다는 것이다.
열화상 카메라 시스템
열화상 센서의 보정(NUC) 및 용어의 이해
1.Intergration Time : 복사 에너지를 받아 들이는 시간
2.Gain : 복사 에너지를 받아 들이는 센서의 감도 능력
3.NETD : 잡음등가온도차(Noise Equivalent Temperature Difference) - 온도분해능
열화상 카메라가 구분할 수 있는 최소 온도차이
예) 50mK = 0.05도
4.NUC(None-Uniformity Correction) : 불균일 보정.
Pixel마다 Gain과 Offset이 달라서 모든 Pixel의 Gain정보를 추출해서 가지고 있어야 하며, 입력 복사에너지에 대해서 균일한 값이 출력되도록 해주는 작업을 말한다.
NUC 예)
1. 상온에서 블랙바디 온도를 25도에 두고 촬영
Pixel 1 : 80, Pixel 2 : 110
2. 상온에서 블랙바디 온도를 35도에 두고 촬영
Pixel 1 : 180, Pixel 2 : 230
3. 35도와 25도에서 촬영한 값을 뺀다.
Pixel 1 : 180-80 = 100
Pixel 2 : 230-110 = 120
따라서,
Pixel 1의 경우 10도 차이 값이 100이고, Pixel 2는 10도 차이 값이 120이다.
여기서, Pixel 1의 경우 NETD 80mK라고 하면,
0.08도 = 0.8
80이 들어오면 25도값을 출력하므로,
80 = 25도, 80.08 = 25.8도, 90 = 26도가 된다.
열화상 센서의 보정(NUC) 및 용어의 이해 – NUC의 개념 및 종류
현대의 열화상 이미징 시스템들은 군사, 민간, 화재감시, 보안, 항공우주 등 광범위하게 사용되고 있다. 이 기술의 핵심은 FPA(Focal Plan Array)로 열을 감지하는 디텍터들이 이미징 렌즈의 초점면에 모자이크 형태로 나열되어 있는 디텍터 들이다. 한 개의 디텍터가 감지한 열을 계산해서 열화상의 픽셀 한 개(한 개의 온도값)로 표현한다. 각 디텍터가 적외선을 감지해서 출력하는 값은 다음과 같이 리니어하게(1차 방정식으로)표현한다.
Signal output = gain x input radiation + offset
-Signal output : 열화상에 한 개 픽셀로 표현될 출력값(측정 온도값)
-gain : 각각의 디텍터가 갖는 적외선 에너지의 이득률
-input radiation : 감지한 적외선 에너지
-offset : 각각의 디텍터의 감응도에 따라서 차감되는 값
*픽셀마다 서로 다른 감응도는 픽셀마다 gain과 offset의 차이가 원인이다.
FPA기술 예 : 가로 32 x 세로 32개 = 1,024개의 디텍터들의 열화상으로 표현된다.
이 FPA 기술로 제작되어 나열된 디텍터들은 동일한 적외선을 받아들일 때 본질적으로 각각의 디텍터가 갖는 서로 다른 미세한 감응도의 차이에 의해서 gain과 offset 두 파라미터에 영향을 끼친다.
이 현상으로 열화상 데이터에 공간적인 비균일성(Non-Uniformity)을 보일 수 있다.
2-point NUC 개념
각 픽셀들간의 비균일성을 보정하는 방법은 모든 픽셀들에서 균일한 감응도로 계산된 보정표(Correction table)를 이용하는 방법이 있다. 최적의 작동조건에서 흑체의 서로 다른 두 온도 포인트(2-point)에서 측정하여 균일한 감응도를 계산한 표를 이용하기 때문에 이 방법을 보통 2-point NUC라고 한다.
저장된 열화상을 불러온 상태에서 이미 갖고 있는 기준이 되는 보정표를 Load해서 적용하면 영화상이 보정 된다. 픽셀들이 서로 다른 감응도에 의해서 각기 다른 gain과 offset을 가질 때 이 gain과 offset값을 흑체 기준으로 모두 보정하여 동일한 조건에서 동일한 출력을 내보내게 하는 원리이다. 감응도 차이는 결함이나 문제로 보기 보다는 현재 모든 열화상에 사용되는 반도체들의 FPA제조 방식상 내재된 본질적인 성격이라고 할 수 있다. 예)InSb, InGaAs, PbSe, MCT 등등
1-point offset correction 개념
1-point offset 개념도 보정하는 목적에서 2-point NUC와 크게 다르지 않다. 단지 한 개의 절대 기준 값을 사용하기 때문에 gain값은 그대로 두고 offset값만 보정한다.
열화상 센서의 보정(NUC) 및 용어의 이해 – NUC의 개념 및 종류
3-point NUC
gain과 offset값을 구하였다 하더라도 시간에 따라 열화가 되면서 offset값이 변한다.
따라서, 이러한 온도 변화에 따라 2-point NUC + 1-point offset로 처리하는 것을 3-point NUC라고 한다.
블랙바디를 이용해서 챔버 온도를 바꿔가며 2-point의 온도값을 구해서 gain과 offset값을 온도별로 저장하고, 이후 카메라에서 센서의 온도를 읽어서 적용한다.
참고 : intergration Time별 NUC – 냉각식의 경우 센서의 온도가 거의 일정하기 때문에, 온도 별 보정보다는 Intergration Time에 따라 gain과 offset을 구하여 NUC를 진행한다.
Fixed Pattern Noise(FPN), Calibration-based correction과 Scene-based correction 기술
열화상 데이터의 비균일성은 FPN이라고도 한다.
측정환경의 알 수 없는 여러 파라미터들에 의해서 어떤 픽셀들은 너무 밝고 또 다른 픽셀들은 너무 어둡게 나오는 현상이 있는데 이 악영향을 주는 파라미터들은 미리 인식 되어서 보정되기도 하지만 모든 파라미터들을 보정하는 것은 불가능하다. 알 수 없는 주변의 파라미터들에 의해 악 영향을 받은 열화상 데이터는 시간이 누적되면서 이미지에 FPN으로 겹쳐진 줄무늬 형태, blind curtain 모양 등으로 보일 수 있다.(왼쪽 보정 전, 오른쪽 보정 후)
이러한 비균일성 보정은 calibration-based correctio기술과 scene-based correction기술 두가지가 있다.
앞서 설명한 2-point NUC 기술을 calibration-based correction 이라고도 한다.
균일한 온도분포를 갖는 calibration열원(흑체)을 고정된 열화상 카메라가 최적의 작동조건에서 열원의 특정한 두 온도를 시간차를 두고 보게 한다. 이렇게 얻은 데이터들로 각각의 모든 디텍터들의 gain값들과 offset값을 계산, 교정하여 모든 디텍터들이 특정한 두 온도에서 정확하고 균일한 온도를 읽어 들여서 나태내도록 한다.
Scene-based correction기술은,
최적의 조건에서 흑체나 열원을 이용하는 대신 수치해석 알고리즘을 이용해서 효과적으로 열화상 이미지를 최적화하는 방법이다.
Scene-based correction 기술은 영화상 이미지들이 연속적으로 누적, 저장되는 경우에 적용하거나 열화상 화면 안에서 움직임이 추적되는 경우에 적용된다. 이때 Scene-based correction 기술은 열화상 화면 안에서 각각의 디텍터들이 표시할 수 있는 다양한 온도값들에 기준이 되는 Reference 를 입력, 적용하여 최적의 영화상 데이터로 표현할 수 있도록 표준화 한다. 예) 평균값을 기준으로 편차 범위를(알 수 없는 악영향에 의해) 예외적으로 벗어난 편차를 제거한다.(offset값의 보정)
장시간 카메라를 작동시키는 경우 디텍터들마다 감등도가 약간씩 흔들리는 것을 추후 저장된 열화상을 불러와서 보정하는 목적으로도 사용된다. Scene-based correction기술을 앞서 언급한 1-point offset correction이라고도 한다.
열화상 센서의 보정(NUC) 및 용어의 이해 – 보정과정
FPA에 있는 많은 디텍터들이 제각기 Gain(이득)과 Zero Offset에 약간씩 차이가 있다는 점이다. 따라서 사용할 수 있는 열화상 이미지를 얻으려면 각기 다른 Gain과 Offset을 정규화된 값으로 보정해줄 필요가 있다. 이과정은 여러 단계를 통하여 수행되며 카메라에 설치되어 있는 소프트웨어에 의하여 수행된다.
그 수행과정은 이하 그림과 같으며, 이러한 과정을 거쳐서 대상 물체 또는 장면 전체의 상대적인 온도를 열화상 이미지로 작성할 수 있는 것이다. 또한 ±0.1℃ 이내의 정밀도로 정확한 실제 온도를 측정할 수 있다.
1. FPA 디텍터의 Gain과 Offset 차이를 표준화 하는 첫 보정단계는 Offset보상이다. 이 보정을 거쳐 각 디텍터 소자는 카메라의 A/D변환회로의 동작 범위 내에서 응답할 수 있게 된다.
2. Offset 보상 이후의 단계는 기울기 보정이 실시된다.
3. 게인 계수(Gain Factor)를 모두 일치시킨 후에는 불균일 보정(NUC)을 실시하여 모든 디텍터들이 동일한 전자적 특성을 가지도록 한다.
열화상 센서의 보정(NUC) 및 용어의 이해 – 주변 온도 편차 보상(ADC)
교정 과정에서 또 다른 중요한 고려 요소는 카메라 자체의 가열과 냉각에 의하여 발생하는 복사 에너지이다. 카메라의 외부 또는 내부적인 환경에 의한 카메라 온도 편차는 디텍터에 입사되는 복사강도에 영향을 준다.
카메라에서 직접 방사되는 복사선을 기생방사(Parasitic Radiation)라 하고, 이것은 카메라 측정 출력값을 부정확하게 만들며 특히 열화상으로 교정된 카메라에서 더욱 심하게 나타난다. FLIR 제품의 경우 일부 열화상 카메라에는 카메라 자체의 온도를 모니터링하는 내부 센서가 내장되어 있다. 이런 종류의 카메라들은 교정 과정에서 환경 챔버 내에서 기준 흑체에 초점을 맞추어 준다. 그 다음 챔버와 흑체의 온도를 변화시키면서 내장 센서의 데이터를 기록한다. 이 데이터에서 보정 계수를 구하여 카메라에 저장시킨다. 실시간 동작에서 카메라 센서는 지속적으로 카메라 내부의 온도를 측정하여 카메라 프로세서에 피드백 신호를 보내준다. 이를 통하여 카메라 출력에 대한 기생방사의 영향을 보정해 준다. 이와 같은 기능을 보통 주변 온도 편차 보상(ADC)라 한다.
최종적으로 카메라는 대상 물체 자체의 복사 방출(Emission), 주변 복사 방출의 반사, 그리고 대기의 복사 방출에 총 복사법칙을 적용하여 물체의 온도를 산출하여야 한다. 카메라에 입력되는 총 복사 에너지는 아래 식으로 구할 수 있다.
여기서 ε은 물체의 방사율, τ는 대기의 투과율, Tamb는 물체 주위의(유효)온도 또는 반사 주변(배경) 온도이며, Tamb는 대기의 온도이다.
사용자가 관련되는 모든 변수에 대하여 알고 있는 값을 모두 메커니즘 소프트웨어에 입력해주면 최선의 결과를 얻을 수 있다. 광범위한 종류의 물질에 대하여 방사율표가 공개되어 있다. 그러나 확실한 데이터를 구할 수 없는 경우 실제 측정을 통하여 정확한 값을 구하여야 한다.
'열화상카메라 > 개념' 카테고리의 다른 글
| [써멀][Thermal] 상식!! 여름과 겨울 중 태양에 가장 가까워지는 시기는? (0) | 2021.08.18 |
|---|---|
| [써멀][Thermal] 열화상 영상 조정의 예 (0) | 2021.08.18 |
| [써멀][Thermal]열화상 영상 화질 개선 기초 개념 (0) | 2021.08.18 |
| [써멀][Thermal]방사율이란? (1) | 2021.08.17 |
| [써멀][Thermal]빛의 구조, 가시광선, 적외선, 전자기파란 무엇인가? (0) | 2020.08.28 |
