비용 효율적인 열화상 렌즈 통합 가이드: 국방 및 자율주행 자동차 응용 분야에 대해 알아야 할 사항

완전한 어둠 속에서도 연기, 눈부심 및 안개를 통과하는 열 적외선(IR) 이미징은 현대의 국방 및 자율주행 시스템에 필수적인 기술입니다. 자율주행 자동차(AV)가 야간에 보행자나 위협을 감지할 수 있게 하거나 무인 항공기 및 C-UAS 작전을 위한 중요한 감지 기능을 제공하는 열화상 이미징은 가시광 카메라 시스템이 기능하지 못할 때 필수적인 “눈”이 되었습니다.

IR 카메라 시스템을 특정 응용 분야에 맞게 적용할 때는 신중하고 적절한 렌즈 설계가 중요합니다. 가시광 카메라와 마찬가지로 열화상 카메라의 이미징 기능은 렌즈 어셈블리의 속성에 크게 의존합니다. 이는 비용, 생산 시간 및 가장 중요한 성능에 영향을 미칩니다.

IR 이미지 품질에서 광학의 역할

가시광 카메라 렌즈는 서로 다른 종류의 유리를 이용한 여러 렌즈 요소로 이루어져 있어, 수차를 완화하고 광범위한 조건에서 선명한 이미지를 제공합니다. 열화상 렌즈는 고유한 렌즈 구조와 재질을 사용하지만 감지기의 한계와 소재의 제약으로 인해 가시광 디지털 카메라에 사용되는 것과 다릅니다.

중파 IR(MWIR) 및 장파 IR(LWIR) 감지기는 따뜻한 물체에서 방출되는 훨씬 더 긴 파장을 감지합니다. IR 감지기 픽셀은 크고 저해상도 초점면 어레이를 생성하는 데 드는 비용은 가시광 카메라보다 훨씬 높습니다. 열화상 렌즈 설계는 특히 국방 및 AV 응용 분야에서 렌즈가 이미지 품질을 저하시키지 않도록 모든 픽셀의 효과적인 활용을 보장해야 합니다.

기존 유리는 IR 복사선을 차단하므로 열화상 시스템은 게르마늄, 실리콘, 셀렌화 아연 또는 칼코게나이드 유리와 같은 특수 렌즈 소재가 필요합니다. 이러한 소재는 최소한의 신호 손실로 MWIR 및 LWIR 파장을 투과시키는 반면, 반사 방지 코팅은 표면 반사를 추가로 줄여 IR 투과를 극대화합니다.

전반적으로, 열화상 렌즈는 빛을 수집하고 환경적 요인의 영향을 완화하는 데 매우 효율적이어야 하며, 제한된 종류의 렌즈 소재를 사용하여 감지기 어레이에 고대비 이미지를 투사해야 합니다.

표 1: 파장 대역 및 렌즈 소재

MWIR 및 LWIR 카메라의 주요 광학 고려사항

다음은 열화상 카메라에 대한 주요 광학 용어이며, 응용 분야에 필요한 수준의 성능에 중요한 광학 사양 또는 요구 사항의 정의가 나와 있습니다.

초점 길이, FOV 및 IFOV: 초점 길이는 카메라가 센서 초점면 어레이에서 캡처할 수 있는 전체 장면인 시야(FOV)를 결정합니다. 초점 길이가 짧을수록 넓은 화각의 영상을 제공하고, 길이가 길수록 좁고 확대된 영상을 제공합니다. 순간 시야(IFOV)는 픽셀당 검출 가능한 최소 세부 영역을 나타냅니다. 초점 길이는 시야 범위(FOV)와 미세 디테일 해상도(IFOV)의 균형을 결정합니다.

그림 1. FOV 및 초점 길이 시각화(이미지: Teledyne FLIR OEM)

F/값 및 투과율: F-값(f/#)은 초점 길이를 조리개 직경으로 나눈 값으로, 받아들이는 빛의 양을 결정합니다. 또한 영상을 흐리게 하는 광회절은 파장에 f/#을 곱한 값에 비례합니다. 낮은 f/#는 더 큰 구경과 더 나은 광 효율뿐만 아니라 회절로 인한 흐림 감소를 의미합니다. 투과율은 센서에 도달하는 열 복사를 측정합니다. 낮은 f/# 및 높은 투과율은 강한 센서 신호를 보장하지만 낮은 f/#는 렌즈 중량, 복잡성 및 비용을 증가시킵니다.

그림 2. F/# 표시(이미지: Teledyne FLIR OEM)

변조 전달 함수(MTF): 다양한 공간 주파수에서 명암 대비 재현을 정량화합니다. MTF가 높을수록 이미지가 더 선명해지고 인접한 픽셀 간의 작은 온도 차이를 더 잘 감지할 수 있습니다.

표준 또는 재이미징 구성: 일부 LWIR 및 거의 모든 MWIR 초점면은 작동 중에 저온으로 냉각되므로 초점면을 둘러싸는 듀어 인클로저가 필요합니다. 따라서 렌즈 조리개를 듀어 윈도우 근처에 배치해야 합니다. 이는 일반적으로 재이미징 렌즈 구성을 필요로 합니다.

그림 3. 비냉각형 감지기(왼쪽)는 일반적으로 표준 렌즈 시스템을 사용하며, 냉각형 감지기(오른쪽)는 일반적으로 재이미징 렌즈가 필요합니다(이미지: Teledyne FLIR OEM)

파장 대역: 두 대역 모두 열 복사를 감지하지만, 인체에서 방출되는 열은 LWIR에서 최고조에 이릅니다. 또한 LWIR 카메라는 대개 낮은 f/# 값의 렌즈와 함께 실온에서 작동합니다. MWIR 카메라는 냉각된 초점면이 필요하며 엔진이나 기계와 같은 열원을 감지하는 데 탁월합니다. 뛰어난 감도를 제공하지만 재이미징 렌즈 구성을 포함하여 복잡성과 비용이 증가합니다. 즉, f/# 요구 사항이 완화되고 MWIR에서 이용 가능한 광학 소자가 더 많아집니다.

열화상 촬영의 세 가지 주요 렌즈 설계 과제

열화상 시스템은 파장 효과, 열 관리 요구 사항 및 공급망 제약의 세 가지 주요 설계 과제에 직면해 있습니다.

회절은 렌즈 입구에서 파동이 확산되는 현상으로, 초점면 어레이의 이미지 선명도에 영향을 미칩니다. 감지기 픽셀이 작아지면 인접 픽셀 간의 이미지 대비를 보장하는 데 필요한 렌즈 f/#도 작아집니다. MWIR은 파장이 더 짧아서 회절이 적게 나타나기 때문에, 냉각형 감지기의 높은 감도를 보완하는 F/3-F/5 구경에서 허용 가능한 픽셀 대비 또는 MTF를 제공합니다. LWIR의 회절 블러링은 픽셀 대비를 제공하기 위해 더 넓은 F/1-F/2 구경을 필요로 하며, 더 큰 집광 구경도 비냉각형 센서의 낮은 광자 감도를 보상합니다.

IR 렌즈 소재는 온도에 민감합니다. 제어되지 않는 한, 최상의 초점 위치는 작은 온도 변화로 이동할 수 있습니다. 그러나 열화상 카메라는 매우 넓은 온도 범위에서 선명한 이미지를 제공해야 합니다. 렌즈는 두 가지 설계 방식을 통해 초점을 유지합니다. 수동 무열화는 열 팽창을 보정하는 광학 및 기계 소재를 활용하여 초점을 안정화하며 소형 경량 시스템에 이상적입니다. 능동 무열화는 전동식 초점 조정을 제어하는 온도 센서를 사용합니다. 이는 범위 보정을 위해 전동식 초점이 사용되는 대형 시스템에 적합합니다.

IR 렌즈 소재는 고순도 산업용 크리스탈 또는 칼코게나이드 유리이며, 모두 복잡한 국제 공급망을 갖추고 있습니다. 공급망 취약성은 앞서 언급한 모든 기술적 과제를 가중시킵니다. 게르마늄 공급은 특정 국가의 정제 작업에 의존합니다. 칼코게나이드 유리는 보다 광범위하게 상용화된 황, 셀레늄, 비소 및 텔루륨이 필요하지만, 유리 제조 작업은 여전히 지리적으로 제한적입니다. 대부분의 IR 소재는 지정학적 위험으로 인한 제약을 받기 때문에 지속 가능한 IR 렌즈 생산을 위해서는 공급원을 다양화하고 위험 완화 전략을 개발하는 것이 필수적입니다.

렌즈 선택 기준: 고정 렌즈와 연속 줌 렌즈 비교

고정 시야 렌즈 또는 연속 줌(CZ) 렌즈 중에서 선택하는 일은 비용, 복잡성 및 운영 능력에 영향을 미치는 근본적인 설계 결정입니다.

그림 4. 고정 렌즈 LWIR(왼쪽) 및 냉각형 CZ 렌즈 MWIR(오른쪽) 카메라 모듈(이미지: Teledyne FLIR OEM)

고정형 FOV 렌즈는 움직이는 부품이 적고 단일 초점 길이의 단순성을 제공하여 줌 렌즈보다 더 가볍고 저렴하며 신뢰할 수 있습니다. 이러한 렌즈 중 다수는 수동 무열화 방식이므로 공장에서 초점이 설정되며 고객이 이를 조정할 필요가 없습니다. 광각 구성(>60^o)은 더 적은 디테일로 더 넓은 장면을 촬영하는 반면, 중간 초점 거리 설계(10^o-50^o)는 시야 범위와 배율 사이에 균형을 이룹니다. 망원형 모델(<8^o)은 더 높은 배율과 장거리에서 식별할 수 있는 IFOV를 제공하지만, 움직임 감도 증가로 인해 더 뛰어난 안정화가 요구됩니다.

CZ 렌즈는 14~75mm 또는 50~1000mm와 같은 범위에서 초점 길이를 변경하면서도 초점을 유지하는 정교한 이동식 렌즈 그룹을 통해 동적으로 FOV 조정이 가능하며, 넓은 FOV와 매우 작은 IFOV가 필요한 동적 환경에 이상적입니다. 이러한 작동 유연성은 복잡성과 비용이 상당 수준 증가하는 것을 수반합니다. IR CZ 렌즈는 훨씬 더 많은 수의 부품을 사용하며, 제어 전자 장치가 필요한 전동식 줌 및 초점 작동 기능도 가지고 있습니다.

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그림 5. 접이식 MWIR 25-250 CZ 렌즈(왼쪽) 및 MWIR 15-300 CZ 렌즈(오른쪽)(이미지: Teledyne FLIR OEM)

요약하자면, 시스템 엔지니어는 IR 카메라 응용 분야에 가장 적합한 렌즈 구성을 결정할 때 응용 분야를 평가하고 이미지 품질, 비용 제약 및 유연성 요구의 균형을 맞춰야 합니다.

성능 및 감도 최적화

렌즈의 광 수집 효율은 MWIR 및 LWIR 카메라의 주요 감도 지표인 잡음 등가 온도차(NEdT)에 직접적인 영향을 미칩니다. NEdT는 밀리켈빈 단위로 검출 가능한 최소 온도 차이를 측정합니다. 예를 들어, NEdT가 20mK인 f/1.0 LWIR 카메라는 50mK의 f/1.55 카메라에 비해 2.5배 더 민감하지만, 감도는 NEdT와 정확하게 선형으로 비례하지는 않습니다.

광학 설계는 카메라 성능에 근본적으로 영향을 미칩니다. f/# 값이 낮을수록 에너지 투과율이 향상되어 이미지 선명도와 감도가 향상됩니다. 구성 요소의 소재 및 AR 코팅은 감지기에 도달하는 적외선을 최대화해야 합니다. 수차가 최소인 고품질 렌즈는 높은 MTF를 보장하며 초점 길이는 배율과 감지 범위를 결정합니다.

향후 전망 및 통합 고려사항

열화상 렌즈 개발은 경제적 지속 가능성을 위해 게르마늄과 같은 희귀 소재에 대한 의존도를 줄이면서 더 작고 가벼우며 비용 효율적인 설계로 계속 발전하고 있습니다. 이러한 발전은 AV 및 국방 응용 분야에서 열화상 이미징의 사용을 확대하여 어둠뿐 아니라 안개나 연기와 같은 시야 차단 요소를 투과해 시야를 확보할 수 있습니다.

성공적인 통합을 위해서는 광학 설계 선택과 시스템 성능 간의 기본적인 관계를 이해해야 합니다. 소재 제약, 파장별 효과 및 열 관리 요구 사항은 시스템 기능의 모든 측면에 영향을 미치는 상호 의존성을 형성합니다. 국방 시스템, 자율주행 차량 또는 산업용 모니터링 솔루션 개발 등 무엇이든, 열화상 이미징의 효과를 극대화하기 위해서는 최적의 광학 설계가 여전히 중요합니다.

자세한 내용은 https://oem.flir.com/categories/infrared-lenses/에서 확인하십시오.