기성 MWIR 영상 시스템의 발전으로 개발 시간 2년 단축
MWIR 및 연속 줌 렌즈 통합 솔루션
중파장 적외선(MWIR) 카메라는 방위, 카운터 UAS, 보안, UAS 및 기타 장거리 감시 애플리케이션에서 1킬로미터(km) 초과 거리의 선명한 열화상 이미지 세부 정보를 얻는 주요 솔루션으로써 오랫동안 사용되었습니다. 이러한 이미징 요구 사항을 충족하기 위해 일반적으로 연속 줌(CZ) 렌즈 어셈블리와 통합됩니다. 맞춤형 카메라와 CZ 렌즈의 개발은 시간과 자원 측면에서 비용이 많이 들 수 있으며 복잡해질 수 있습니다. 그러나 MWIR 플랫폼 개발에 사용할 수 있는 기성 솔루션의 최근 기술 혁신은 이제 통합업체에 상당한 비용 절감, 성능 최적화, 기술 위험 감소 및 일정 개선을 제공합니다. 통합업체는 2년 또는 그 이상의 개발 시간을
단축할 수 있습니다.
일반적으로 MWIR 이미징 플랫폼의 통합업체는 센서 어셈블리, 광학 및 전기 하위 시스템 구성품을 소싱하기 위해 여러 회사와 협력해야 했습니다. Teledyne FLIR가 2021년부터 다수의 새로운 MWIR 카메라 및 CZ 렌즈 어셈블리를 출시함에 따라 통합업체는 이제 단일 제조 파트너로부터 설계, 통합, 서비스 및 지원 이점을 제공하는 기성 또는 세미커스텀 시스템에 액세스할 수 있게 되었습니다.
이 백서에서는 MWIR 이미징 플랫폼 설계의 기존 과제를 검토하고 단일 솔루션 제공업체를 활용하여 출시 시간, 복잡성 및 경제성을 줄이는 동시에 크기, 무게 및 성능(SWaP)을 개선하는 방법을 설명합니다.
MWIR 카메라 및 CZ 렌즈 기술의 발전
고온 작동 온도(HOT) MWIR 센서의 발전으로 카메라 시스템 수준에서 SWaP가 개선되고 이미지 촬영 시간이 단축되어 UAS, 인텔리전스, 감시 및 정찰(ISR) 및 총기 조준경과 같은 사람이 휴대할 수 있는 애플리케이션에 적합한 HOT MWIR 카메라 모듈이 탄생했습니다.
MWIR CZ 렌즈 기술에서도 마찬가지로 중요한 발전이 일어나고 있습니다. 눈에 보이는 줌 렌즈와는 대조적으로, MWIR CZ 광학은 특히 넓은 온도 범위에서 작동하는 동안 전체 줌 범위 내에서 초점을 유지하는 데 필요한 독특한 소재와 내재적인 어려움으로 인해 전통적으로 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 이제 통합업체는 개선된 엔지니어링 설계 도구, 새로운 광학 재료 및 자동화된 제조 기술을 활용해 새로운 SWaP 및 성능 최적화 CZ 렌즈 어셈블리들을 개발할 수 있게 되었습니다.
디자인에 관한 오랜 문제
그림 1. 19-290 CZ 렌즈가 통합된 Teledyne FLIR Neutrino LC의 분해 조립
MWIR 카메라 시스템은 여러 하위 시스템으로 구성됩니다. 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면(그림 1) 연속 줌 광학이 카메라의 시야(FOV) 또는 광학 배율을 결정합니다. 렌즈는 통합 듀어 냉각기 어셈블리(IDCA)에 패키징된 초점면 배열(FPA)에 MWIR 에너지를 수집하고 초점을 맞춥니다. 카메라 전자 장치는 IDCA의 정보를 사용 가능한 데이터 또는 카메라 출력과 명령 및 제어 소프트웨어를 지원하는 이미지로 처리합니다.
이러한 솔루션을 조달하고 통합하는 전통적인 방법은 종종 별도의 하위 어셈블리 요건을 개발하고 여러 소스와 협력하여 MWIR CZ 시스템을 개발해야 했습니다. 별도의 하위 어셈블리 요구 사항을 개발할 때 통합업체는 렌즈 및 IDCA 공급업체를 지원하기 위해 여러 성능 매개변수를 고려하고 시스템 수준에서 통합해야 합니다. 고려 사항의 예시는 아래 표 1을 참조하십시오. 고유한 요구 사항이 있고 기간이 더 긴 리소스가 잘 갖춰진 프로젝트의 경우, 이는 효과가 있을 수 있지만 CMOS 카메라 솔루션과 마찬가지로 업계는 합리적인 가격의 고성능 기성 솔루션을 최대한 빨리 제공할 수 있는 단일 공급업체와 협력하고 솔루션을 조달하는 것의 가치를 인식하고 있습니다.
표 1에 설명된 고려 사항 외에도, 이러한 MWIR 영상 시스템은 호환성 절충으로 인해 시스템 성능 및 신뢰성이 저하될 수도 있습니다. 이로 인해 시스템 개발 프로세스 및 통합, 조달, 제조 및 최종 시스템 지원에서 효율성이 떨어지고 불필요한 복잡성이 가중될 수 있습니다.
표 1. CZ Optics가 장착된 MWIR 카메라의 설계 고려 사항 예시
| 줌 광학 | 카메라 & 전자 장치 | 소프트웨어 및 드라이브 전자 장치 |
| 온도 대비 성능 | 해상도 & 픽셀 크기 | 제어 |
| 설치 | 프레임률 | 데이터 인터페이스 |
| 초점 이동 | 파장 & f/# | 전력 처리량 |
| 허용 오차 분석 | 화상 처리 | 카메라 통신 |
| 시야 & 범위 | 신뢰성(MTTF) | |
| DRI | 동영상 형식 | |
| 온도 보정 | 크기 및 무게 | |
| 범위 보정 |
별도의 하위 시스템 통합 및 지원
설계 후 여러 공급업체의 하위 시스템을 통합하면 추가적인 문제가 발생할 수 있습니다. 적외선 CZ 렌즈는 매우 복잡하며 5축에서 정밀 정렬이 필요합니다. 이를 위해서는 상당한 자본 지출이 필요합니다. 예를 들어 시준기, 온도 챔버, 흑체, MTF 테스트 장비 및 진동 테스트 스테이션과 같은 장비의 구매를 위해 40만 달러 이상을 추가로 지출할 수 있습니다. 그런 다음 고도로 전문화된 테스트 기술자와 엔지니어는 통합을 지원하기 위한 교육을 받고 자금을 지원받아야 합니다. 소프트웨어 프로토콜은 통합 및 지원에 대한 각 하위 시스템마다 다를 수 있습니다.
통합 솔루션이 현장에 이미 구축되어 있는 경우 지원 및 서비스를 실행하기 어려울 수도 있습니다. 일반적으로 만족스러운 해결을 위해 IDCA 및 렌즈 하위 시스템 공급업체와 함께 통합업체가 고객에 대한 기술 지원을 처리해야 합니다. 서비스 또는 수리를 위해 반환된 장치도 통합자가 처리 및 배치한 후에, 추가 처리를 위해 관련 하위 시스템을 공급업체에 반환해야 합니다. 이로 인해 시간과 지출이 늘어납니다.
그림 2. 지원 및 보증 서비스에는 통합업체 및 주요 공급업체의 의견이 필요할 수 있음
기성 및 세미커스텀 솔루션
요약하자면, 맞춤형 렌즈/카메라 솔루션을 개발하는 것과는 달리 Neutrino® IS 시리즈와 유사한 기성 솔루션은 종종 다음과 같은 장점으로 인해 종종 우수한 제품을 제공합니다.
- 최적화된 SWaP, 이용 가능성 및 이미지 성능
- 광학-카메라 공차로 동급 최고의 조준 유지력 보장
- 단순화된 공통 전기 및 소프트웨어 제어로 인터페이스 문제 해결
- 이동 부품, 커넥터, 케이블 및 소프트웨어 SDK의 수 감소
- 카메라와 렌즈는 최고 이미지 품질을 위해 공장에서 정밀하게 정렬 및 보정
- 모든 서비스 및 기술 지원을 위한 단일 연락 창구
Teledyne FLIR는 고객이 기존 기성품 옵션에서 애플리케이션에 적합한 솔루션을 결정하거나 Neutrino SWaP 시리즈 공통 인터페이스를 고려하여 맞춤형 솔루션보다 더 빠르고 저렴한 비용으로 세미커스텀 솔루션을 설계하고 통합할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 통합업체는 IR 검지기, 냉각 엔진, 줌 렌즈, 카메라/렌즈 전자 장치 및 포장을 포함하는 솔루션을 위해 한 공급업체와 협력할 수 있습니다.
그림 3. Teledyne FLIR’s Neutrino IS 시리즈 포트폴리오(2022년 7월)
출시 영향
통합업체는 리드 타임에 따라 잠재적으로 3~4개월 내에 사용할 수 있는 광범위한 기성 솔루션 포트폴리오를 통해 시간과 개발 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 한편, 일반적으로 약 18개월이 필요한 세미커스텀 솔루션은 6~9개월 이내에 확보할 수 있습니다. 이에 비해 맞춤형 솔루션을 사용하는 인수 프로그램의 경우 개발자는 요구 사항 정의부터 최종 자격 검증까지 24~30개월을 계획해야 합니다. 이러한 맞춤형 솔루션은 상업용 실화상 카메라 시스템에 일반적으로 사용되는 더 높은 어셈블리 수준의 요구 사항을 지정하여 크게 간소화할 수 있다는 점에 주목하는 것이 중요합니다. 단일 수직 통합 솔루션 제공업체와 협력하면 설계 주기가 짧아지고 조달 프로세스가 간소화되며 신뢰할 수 있는 솔루션을 만들 수 있는 능력이 향상됩니다.
Teledyne FLIR 고성능 MWIR 카메라 및 솔루션에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 맞춤형, 세미커스텀 및 기성 솔루션에 대한 요구 사항, 개발, 통합 및 자격 평가 비교
