장파장 적외선(LWIR) 변위층초격자 (SLS) 열화상 카메라의 이점

열화상 적외선 카메라는 연구 및 과학 시험을 위한 열 측정 방법을 재창조했습니다. 최근 새로운 기술과 카메라 전자장치의 발전으로 인해 해상도와 속도 그리고 감도의 한계를 극복하게 되었습니다. 이를 통해 우리는 에어백의 고속 열 측정, 마이크론 크기 전자장치에서 고장 분석, 육안으로는 식별할 수 없는 기체의 광학 가스 이미징과 같은 대부분의 가장 까다로운 열화상 검사 관련한 문제점을 해결할 수 있습니다. 그러나 열화상에서 유의미한 변화가 일어난 것은 최근에 타입 II 변위층초격자 (SLS)가 소개되면서부터 입니다. 새로운 감지기 재료를 통해 열화상 카메라 성능을 판독출력통합회로 (ROIC)와 카메라 전자장치 대응품과 비슷한 수준으로 발전시켰습니다. 변위층초격자 (SLS)를 상업적으로 이용 가능한 열화상 카메라로 통합함으로써 아날로그 감지기 재료보다 저렴한 비용으로 속도, 온도 범위, 균일성 및 안정성을 대폭 향상시킨 새로운 장파장 적외선 솔루션을 제공했습니다.

속도 개선

변위층초격자 (SLS)는 장파장 및 중파장 적외선 대역 모두에서 작동하는 반면 장파장 적외선(LWIR) 대역으로 필터링하는 경우 가장 큰 성능 이점을 얻을 수 있습니다. 사실상, 다른 적외선 카메라 재료와 비교했을 때 변위층초격자 (SLS)의 주요 이점 중 하나는 짧은 노출 시간 또는 스냅샷 속도입니다. 표 1과 2는 장파장 적외선(LWIR) 변위층초격자 (SLS)와 중파장 적외선 (MWIR) 안티몬화 인듐(안티몬화 인듐(InSb)) 성능 매트릭스 간 차이점을 보여줍니다. 첫 번째 온도 범위를 보면 변위층초격자 (SLS)가 중파장 적외선 (MWIR) 안티몬화 인듐(InSb) 감지기 카메라의 동일한 범위보다 12.6배 더 빠른 스냅샷 속도를 제공한다는 점을 알 수 있습니다.

더 빠른 스냅샷 속도를 통해 고속 표적에서 스톱 모션을 촬영 할수 있어 정확한 온도 측정이 가능합니다. 노출 시간이 너무 느린 경우 결과물에 블러 현상이 발생해 온도 검침에 영향을 미칠 수도 있습니다. 마찬가지로 스냅샷 속도가 빠를 수록 프레임 속도가 빨라집니다. 안티몬화 인듐(InSb)와 기타 감지가 재료의 긴 노출 시간 요구조건으로 인해 카메라가 감지기 최대 속도보다 낮은 프레임 속도로 작동하게 됩니다. 예를 들어, 초 당 1000 프레임으로 640 x 512의 이미지를 촬영할 수 있는 카메라가 있다고 가정할 경우, 이는 1.2 ms의 노출 시간이 필요한 밴드패스에서 작동합니다. 이 카메라는 오랜 노출 시간 제약으로 인해 최대 프레임 속도를 얻을 수 없을 것입니다. 이로 인해 빠르게 가열도는 표적을 이미지화할 때 문제가 발생할 수 있습니다. 샘플링 속도가 느려질 경우 부품의 열과도 특성을 부정확하게 측정하게 되어 전자 장치 보드에서 시동 시 임계 온도 상승을 간과할 수도 있습니다.

넓은 온도 범위

장파장 적외선(LWIR) 변위층초격자 (SLS) 열화상 카메라의 두 번째 이점은 넓은 온도 대역입니다. 표 1에서 장파장 적외선(LWIR) 변위층초격자 (SLS) 카메라의 시작 온도는 한 번의 노출 시간에 -20°C ~ 150°C 범위인 걸 알 수 있습니다. 중파장 적외선 (MWIR) 안티몬화 인듐(InSb)로 동일한 온도 범위를 얻으려면 각각 다른 온도 범위를 나타내는 3번의 노출 시간을 반복해야 합니다. 하나의 -20°C ~ 150°C 온도 범위와 중첩되도록 3번의 온도 범위를 반복할 경우 카메라에서 캡쳐된 3 프레임 당 1개의 중첩 이미지만 나타납니다. 이는 전체 프레임 속도가 1/3 감소될뿐만 아니라 카메라 보정 시 3배 더 많은 작업을 해야 함을 의미합니다.

표 1과 2를 다시 보면 고려해야 할 또 다른 사항을 확인할 수 있습니다: 장파장 적외선(LWIR) 변위층초격자 (SLS) 카메라를 통해 ND 필터를 사용하기 전에 더 높은 온도 범위를 측정할 수 있습니다. 평가된 변위층초격자 (SLS) 카메라는 ND 필터 없이 최대 650°C까지 측정이 허용되는 반면 중파장 적외선 (MWIR) 안티몬화 인듐(InSb) 카메라는 ND 필터 없이 최대 350°C까지만 측정합니다. 이는 장파장 적외선(장파장 적외선(LWIR)) 대역에서의 변위층초격자 (SLS) 작동과 중파장 적외선 (MWIR) 주파대에서의 안티몬화 인듐(InSb) 작동이 부분적으로 관련이 있음을 보여줍니다.

이해를 돕기 위해 그림 1의 그래프에서 30°C의 이상적인 흑체의 스펙트럼 방출력을 볼 수 있습니다. 곡선 아래 영역은 주파대 내 출력을 의미하며 장파장 적외선(LWIR) 대역이 중파장 적외선 (MWIR) 대역보다 훨씬 더 큽니다. 그림 2를 보면 물체가 가열되고 대표되는 스펙트럼 복사 발산도 곡선이 피크가 왼쪽으로 이동하고 테일이 오른쪽으로 이동했음을 알 수 있습니다. 장파장 적외선(LWIR) 대역의 출력 변화는 중파장 적외선 (MWIR) 대역에서 극적인 변화가 발생하는 반면 온도 범위에서는 덜 극적입니다. 이와 같은 방법으로 장파장 적외선(LWIR) 변위층초격자 (SLS) 감지기는 중파장 적외선 (MWIR) 안티몬화 인듐(InSb) 감지기와 비교해 주어진 노출 시간 동안 노출 과도나 노출 부족을 방지할 수 있습니다. 중파장 적외선 (MWIR) 대역에서 출력 변화가 상당하기 때문에 물체가 가열될 때 카메라는 단일 노출 시간 동안 금방 포화될 것입니다.

요약하면 변위층초격자 (SLS)를 통해 연소 연구 분야와 같은 넓은 온도 범위에서 신속하게 표적이 가열되는 까다로운 분야에 도전할 수 있습니다.

그러나 장파장 적외선(LWIR) 대역에서 작동하는 것만이 유일한 요소는 아닙니다. 장파장 적외선(LWIR) 텔루르화수은카듀뮴(MCT) 감지기를 보면 중파장 적외선 (MWIR) 안티몬화 인듐(InSb) 감지기와 유사하게 범위가 제한적임을 알 수 있습니다. 장파장 적외선(LWIR) MCT 카메라에는 신호 차단을 위한 ND 필터를 사용하기 전에 측정값 상한과 그리고 노출 시간 당 더 짧은 개별 범위가 존재한다는 점을 알게 될 것입니다(표 3 참조).

저렴한 비용으로 우수한 균일성과 안정성

다른 장파장 적외선(LWIR) 냉각식 카메라 옵션을 포함해 특히 장파장 적외선(LWIR) MCT 카메라와 비교했을 때 장파장 적외선(LWIR) 변위층초격자 (SLS) 카메라가 가진 최고의 특징 중 하나는 냉각을 통한 대폭 향상된 균일성과 안정성입니다. 장파장 적외선(LWIR) MCT 감지기는 일반적으로 빈약한 균일성과 안정성을 갖습니다. 그결과 사용자가 장파장 적외선(LWIR) MCT 카메라를 켤 때마다 마지막에 수행된 균일성 보정을 업데이트해야 합니다(그림 3 참조).

현장에서 사용하는 경우 이러한 불편함은 문제점을 초래할 수 있으며 이 문제는 환경 조건으로 인해 게인 (gain), 오프셋 및 불량 화소 맵을 업데이트 해야 하는 장비에만 국한되는 것은 아닙니다. 여기에는 시험 챔버에 앉아 카메라를 원격으로 제어하거나 정부 시험 범위를 위한 폭발 영역 밖에서 제어하는 것을 포함합니다. 이와 비교해 장파장 적외선(LWIR) 변위층초격자 (SLS)는 전원을 켜고 시험을 시작한다는 점에서 중파장 적외선 (MWIR) 안티몬화 인듐(InSb)와 유사하게 작동합니다(그림 4 참조). 실험실에서 이뤄진 균일성 보정은 카메라 내부 NUC 플래그를 이용해 1포인트 오프셋 업데이트 외에 어떠한 추가 이미지 균일성 업데이트 없이 현장에서도 적용됩니다. NUC는 장시간 여러 냉각을 통해 고정됩니다. 본 문서에서 시험된 카메라는 2년 전에 카메라를 최초 현장 보정했기 때문에 새 NUC가 필요하지 않았습니다.

변위층초격자 (SLS) 카메라는 중파장 적외선 (MWIR) 안티몬화 인듐(InSb) 대응품보다 비싸기 때문에 비슷한 장파장 적외선(LWIR) MCT 카메라보다 40% 가격이 낮습니다. 따라서 냉각식 장파장 적외선(LWIR) 감지기 카메라로만 제공이 가능한 더 짧은 노출 시간과 더 넓은 온도 범위 또는 스펙트럼 신호가 필요한 경우, 변위층초격자 (SLS)는 현 냉각식 장파장 적외선(LWIR) MCT 감지기 옵션보다 명확한 비용 및 균일성 관련 이점을 제공합니다.

요약

현 장파장 적외선(LWIR) MCT 카메라보다 우수한 균일성과 안정성 그리고 저렴한 가격 외에도 변위층초격자 (SLS) 장파장 적외선(LWIR) 감지기 재료는 중파장 적외선 (MWIR) 안티몬화 인듐(InSb) 및 장파장 적외선(LWIR) MCT 재료보다 더 짧은 노출 시간과 더 넓은 온도 범위를 제공하기 때문에 성능/가격 범위에서 완벽한 재료입니다. 특별한 성능과 가격 조합을 요구하는 경우 변위층초격자 (SLS) 장파장 적외선(LWIR) 감지기는 가장 매력적인 제품입니다.