소형 픽셀 IR 센서: 임무 필수형 애플리케이션을 위한 SWaP-C 및 성능 최적화

방위, 전문 검사, 공공 안전, 산업 운영, 로봇 공학, 무인 시스템 및 자동차 안전을 위한 임무 필수형 애플리케이션에 사용되는 열화상 시스템은 보다 작고 가벼우며 전력 소모가 적고 비용 효율적인 설계와 함께 더 넓은 탐지 범위, 인식 능력 및 신뢰성을 제공해야 한다는 지속적인 압박을 받고 있습니다. 적외선 픽셀 피치의 크기를 줄이는 것은 흔히 SWaP-C 개선을 위한 직접적인 방법으로 여겨지지만, 픽셀 크기와 시스템 수준 성능 간의 관계는 복잡합니다. 장거리 MWIR 시스템, 특히 연속 줌 광학계를 사용하는 시스템에서는 감도, 공간 해상도, 광학 설계, 제조 가능성, 동적 범위, DRI 성능 및 전체 시스템 아키텍처와 함께 픽셀 피치를 종합적으로 평가해야 합니다.

주요 핵심 사항

• 픽셀 피치가 작을수록 일부 고정 FOV 시스템의 크기를 줄이는 데 도움이 될 수 있지만, 연속 줌 광학계가 탑재된 장거리 MWIR 시스템의 경우 이는 그렇게 단순하지 않습니다.
• 더 작은 픽셀에 요구되는 더 빠른 광학계는 설계 복잡성, 제조 난이도, 크기, 무게 및 비용을 증가시킬 수 있습니다.
• 시스템 수준 SWaP-C는 검출기, 광학계, 극저온 냉각기, 카메라 모듈, 이미지 처리 및 통합 요구 사항을 포함한 전체 이미징 체인에 따라 달라집니다.
• 일부 장거리 애플리케이션에서는 픽셀 피치가 클수록 전반적인 SWaP-C의 우위를 유지하면서 DRI 성능 측면에서 이점을 가져올 수 있습니다.
• 최적의 아키텍처는 미션, 플랫폼, 범위 요구 사항, 비용 목표 및 생산 전략에 부합하도록 설계되어야 합니다.

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배경

혁신을 통해 IR 픽셀 피치의 지속적인 감소가 가능해졌으며, 더 작고 가벼우며 전력 소모가 적고 비용 효율적인 적외선 열화상 카메라 모듈을 구현할 수 있게 되었습니다. 이러한 발전을 통해, 열화상 촬영으로 인식 능력, 효율성 및 안전성을 개선할 수 있는 임무 필수형 애플리케이션 전반에서 고정 시야각 렌즈가 장착된 소형 IR 코어의 사용이 확대되었습니다. 그러나 더 복잡한 장거리 IR 시스템에는 항상 동일한 가정이 적용되는 것은 아닙니다. 연속 줌(CZ) 렌즈를 사용하는 MWIR 시스템에서는 픽셀 피치가 크기, 무게, 비용 및 성능에 미치는 영향이 단순하지 않습니다. 최고의 아키텍처는 부품 및 시스템 레벨 모두에서의 트레이드오프 분석에 달려 있습니다.

그림 1. 8µm MWIR Neutrino SX8 - CZF 30-300(왼쪽) 및 15µm MWIR Neutrino LC - CZ 27-275(오른쪽)

Teledyne FLIR OEM은 ROIC, 검출기 및 극저온 냉각기에서 MWIR 및 LWIR 열화상 카메라 모듈, 연속 줌 광학계 및 인지 소프트웨어에 이르기까지 수직적 통합을 구현합니다. 이러한 센서에서 시스템까지를 아우르는 관점은 설계자가 하나의 구성 요소를 고립시켜 최적화하는 대신, 전체 이미징 체인을 평가하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 그림 1에 나와 있는 Neutrino IS 시리즈에는 여러 MWIR 픽셀 피치 및 CZ 렌즈 옵션이 포함되어 있어, 시스템 설계자가 특정 애플리케이션에 대한 SWaP-C, 비용, 제조 가능성 및 성능 트레이드오프를 평가할 수 있습니다.

주요 정의

다음 용어는 본 백서 전체에서 사용되는 광학 및 이미징 개념에 대한 빠른 참조를 제공합니다. 이러한 변수들이 상호 작용하는 방식을 이해하는 것은 전체 적외선 시스템 설계의 일환으로 픽셀 피치, 광학계, SWaP-C, 비용 및 미션 수준 성능을 평가할 때 필수적입니다.

광학 설계 SWaP-C

그림 2. 픽셀 피치를 줄이면 주어진 화각 및 해상도에 대해 초점 거리 및 배열 크기가 감소함

그림 2는 표적 내 픽셀 수, 픽셀 해상도 및 화각이 주어진 상태에서 픽셀 피치가 줄어들면 이론적으로 시스템 크기를 감소시킬 수 있는 것을 보여주는데, 이는 픽셀 어레이 크기 및 유효 초점 거리 모두가 비례하여 감소하기 때문입니다. 고정 FOV 시스템의 경우 이러한 이점이 매우 유의미할 수 있습니다. 그러나 CZ 렌즈가 장착된 장거리 MWIR 시스템의 경우, 추가적인 설계 요인을 통해 이론적인 SWaP-C 이점이 줄어들거나 심지어 상쇄될 수 있습니다. 특히 광학계가 SWaP-C 요인에서 큰 비중을 차지하는 경우, 임무 필수형 플랫폼은 전체 시스템 성능, 통합 복잡성, 신뢰성, 비용 및 크기 측면에서 최적화되어야 합니다.

감도

작은 픽셀의 경우 픽셀 크기 축소, 전반적인 양자 효율 감소, 암전류 증가 및 고정 패턴 노이즈 증가로 인해, 유사한 감도를 달성하기 위해서는 이에 비례하여 더 빠른 f 수치가 필요합니다. 그 결과, 전면 광학 소자 또는 입사동에 의해 결정되는 시스템 직경(Ø)은 동일한 감도를 갖는 더 큰 픽셀 시스템의 직경과 동일하거나 약간 더 큽니다.

공간 해상도

또한, 회절 제한 광학계를 가정할 때, 더 작은 픽셀은 동일한 공간 해상도 또는 블러 스팟당 픽셀을 달성하기 위해 더 빠른 f 수치를 필요로 합니다. ƒ/3보다 낮은 f 수치는 광학 수차가 더 넓은 각도로 제어되어야 하기 때문에 훨씬 더 비싸고 제조하기 까다롭습니다. 그 결과, 거의 회절 한계에 가까운 성능을 구현하는 것은 막대한 비용이 들거나 불가능할 수 있습니다.

광학 공차

더 빠른 f 수치는 더 엄격한 광학 설계 공차를 요구하여 설계를 복잡하게 만들고, 유사한 성능을 달성하기 위해 추가적인 렌즈 소자가 필요할 수 있습니다. 이로 인해 초점 거리가 더 짧은 EFL 렌즈 조립체의 길이가, 더 큰 픽셀 시스템에서 사용하는 더 느린 f 수치 조립체의 길이보다 길어질 수 있습니다. 크기, 무게 및 비용 측면 모두에서 부정적인 영향을 받게 됩니다.

동적 범위

일반적으로 픽셀 피치에 따라 용량이 감소하기 때문에, 더 작은 픽셀은 일반적으로 동적 범위를 감소시킵니다. 이렇게 하면 전반적인 시스템 성능이 저하될 수 있습니다.

픽셀 간 크로스토크

피치 대비 확산 거리의 비율이 감소하고 제작 공정의 난이도가 더욱 어려워짐에 따라, 픽셀 간 크로스토크를 완화하기가 더 어려워집니다. 이러한 크로스토크는 시스템 변조 전달 함수(MTF)와 전반적인 성능을 더욱 저하시킵니다.

더 작은 픽셀 피치가 주는 이점은 고정 FOV 시스템에서 더 명확하게 나타납니다. CZ 렌즈 시스템에서는 더 작은 픽셀 피치가 반드시 의미 있는 SWaP-C 절감으로 이어지는 것은 아닙니다. 표 1은 공간 해상도 또는 IFOV를 동일하게 유지한 상태에서 일반적인 10x CZ 렌즈 사양을 기준으로 도출한 세 가지 시스템 설계를 비교한 것입니다. 이 예에서, MWIR 픽셀 피치는 f 수치 요건을 결정하며, 이는 광학 소자의 개수와 전반적인 광학 설계에 직접적인 영향을 미칩니다. 픽셀 피치가 15µm에서 8µm로, 그리고 5µm로 감소함에 따라 광학계는 더 복잡해지고 무겁고 비용이 많이 들게 됩니다.

표 1. 5µm, 8µm, 및 15µm 픽셀 피치 센서용 일반적인 10X CZ 렌즈 사양

적외선 시스템 비용

IR 시스템 수준 비용에는 표 1에 명시된 광학계 비용 및 다이, 웨이퍼, 극저온 냉각기 및 기타 하위 구성 요소의 비용 투입 요소가 포함된 카메라 모듈 비용이 포함됩니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 시스템 레벨 비용은 카메라 모듈 비용이 최소화되는 지점이자 10x CZ 렌즈를 사용하는 본 예시 MWIR 시스템의 최소값인 8 µm에 도달할 때까지 픽셀 피치와 함께 감소합니다. 8µm 픽셀 피치는 5µm 및 15µm 픽셀 피치에 비해 시스템 수준 비용을 각각 9% 및 19% 절감하는 효과를 제공합니다. 간단히 말해서, 시스템 수준의 비용은 가장 작은 픽셀 센서를 사용할 때 수익 체감의 법칙에 따라 증가할 수 있습니다.

그림 3. 예시: 10X CZ 렌즈가 탑재된 MWIR 시스템의 시스템 수준 비용은 8µM에서 최소화됨

적외선 시스템 DRI 성능

비용, 크기 및 무게 고려 사항 외에도, 더 큰 픽셀 피치를 사용하는 시스템은 일부 장거리 애플리케이션에서 감지, 인식 및 식별(DRI) 성능 측면의 이점을 제공할 수 있습니다. DRI 기준은 열화상 카메라의 유효 범위를 설명하며, 이미징 시스템이 물체를 감지하거나, 그 종류를 인식하거나, 의사결정을 지원하는 데 필요한 세부 정보를 식별할 수 있는지 여부를 평가하는 데 일반적으로 사용됩니다. 이러한 작업은 감시, 공공 안전, 수색 및 구조, 산업 모니터링, 로봇 공학, 자율주행 플랫폼 및 자동차 안전 시스템을 포함한 임무 필수형 사용 사례 전반에 걸쳐 관련성이 높습니다.

식별(ID)

식별 작업을 위해 관찰자는 표적 세트에서 각 표적을 올바르게 식별해야 합니다.

인식(Rec)

인식 작업의 경우, 관찰자는 차량 유형, 객체 범주, 보행자, 동물, 장애물 또는 기타 임무 관련 분류와 같은 표적의 일반적인 종류를 올바르게 식별해야 합니다.

감지(Det)

감지 작업의 경우 관찰자는 장면 내에 표적이 존재함을 올바르게 감지해야 합니다.

10x CZ 렌즈 설계 예시를 이어가자면, NV-IPM 모델에서 목표 임계 치수 3.1m 및 목표 온도 편차 4.0K를 사용하여 세 시스템의 성능을 모델링할 수 있습니다. 또한 이 모델은 f/1.8, f/2.9 및 f/5.5 광학계에 대한 광학 수차 MTF의 일반적인 성능 저하, 5µm, 8µm, 15µm 픽셀 피치에 대한 신호 대 잡음비의 보수적인 감소, 고정 검출기 확산 MTF를 반영하며, 표적, 대기, 카메라 분광 투과율 및 디스플레이를 포함한 기타 매개변수는 동일하게 설정됩니다.

V50로 측정된 작업 난이도가 2.0(감지), 9.0(인식), 13.0(식별)일 때, 해당 작업 달성 확률이 50%가 되는 거리는 표 3에 제시되어 있습니다. 모델링된 데이터는 15µm 픽셀 피치 시스템이 5µm 픽셀 피치에 비해 감지 시 12%, 인식 시 10%, 식별 시 최대 12%의 거리 우위를 가지고 있음을 나타냅니다.

그림 4. 5, 8, 15µM 픽셀 피치 및 10X CZ 렌즈를 탑재한 MWIR용 NV-IPM DRI 모델링

소형 픽셀 피치 설계의 트레이드오프 요약

종합해 볼 때, 5µm, 8µm, 15µm 사례에서는 픽셀 피치가 더 작다고 해서 자동으로 더 나은 시스템 수준 SWaP-C, 비용 또는 성능을 제공하는 것은 아님을 보여줍니다. CZ 렌즈 아키텍처에서 더 작은 픽셀은 종종 더 빠른 f 수치를 필요로 하며 이는 광학 복잡성, 공차 감도, 무게 및 비용을 증가시킬 수 있습니다. 웨이퍼, 극저온 냉각기 및 기타 하위 구성 요소를 포함한 카메라 모듈 비용 또한 픽셀 피치가 감소함에 따라 비용 대비 효과가 감소하는 지점에 도달할 수 있습니다. 이 예시에서는 시스템 수준 비용이 8µm에서 최소화되는 반면, 15µm 시스템은 더 강력한 모델 DRI 성능을 제공합니다. 따라서 올바른 IR 아키텍처는 단순히 픽셀 피치에만 의존하는 것이 아니라, 전체적인 미션 프로파일, 감지 범위 요건, 플랫폼 제한, 광학계, 생산 목표 및 전체 시스템 설계를 종합적으로 고려하여야 합니다.

감지 범위, 신뢰성, SWaP-C 및 제조 가능성이 모두 중요한 임무 필수형 애플리케이션의 경우, 초기 단계에서의 시스템 수준 트레이드오프 분석이 필수적입니다. Teledyne FLIR OEM은 엔지니어링 팀으로 하여금 감지기, 광학계, 카메라 모듈, 극저온 냉각기, 이미지 처리 및 생산 고려 사항을 평가하여, 애플리케이션에 가장 적합한 열화상 아키텍처를 결정할 수 있도록 지원합니다. oem.flir.com을 방문하여 귀사의 다음 설계에 적합한 적외선 솔루션을 확인하십시오.