열화상 카메라를 올바로 선택하기 위해 알아야 할 것들
FLIR
소개
열화상 센서를 추가하려는 경우 필요한 기능을 확보하기 위해 고려해야 할 몇 가지 사항이 있다.
1. 오늘날 열화상 기술과 새로운 적용 분야
먼저 열화상이 실제로 무엇을 하는지를 이해해야 한다. 열화상 카메라는 물체에서 방출되거나 또는 반사되는 적외선 에너지의 강도의 차이를 감지하고 표시한다. 열화상 카메라는 열에너지 차이로 이미지를 생성하므로 열을 발생시키는 모든 것을 열로 볼 수 있다. 사람, 동물, 전자 기계 시스템 및 산업 공정에는 모두 열화상 카메라로 볼 수 있는 개별 열 특성이 있다. 적외선 이미징에 대한 군대와 범죄추적 관련 애플리케이션은 수십 년 동안 알려져 왔다. 그러나 최근의 열화상 기술 발전으로 인해, 상업과 소비자 분야에도 작고 가볍고 저렴하게 만들어졌다.
열화상 카메라는 연기 속에서도 볼 수 있어 소방과 수색 및 구조 작업을 위한 입증된 도구다. 연기와 먼지 그리고 완전한 암흑 속에서도 고장 및 마모되는 전기 기계 부품을 완벽하게 감지하기에, 새로운 적용 범위도 가능하다. 주거용 비디오 보안과 같이 사생활이 중요한 관심사인 애플리케이션 제품의 경우, 열화상 카메라는 창을 통해 얼굴을 볼 수 없다는 추가 이점을 제공한다. 열 기술은 카메라뿐만 아니라 센서로도 사용할 수 있다.
가시광 이미지를 보완하는 직교 기술로써, 보안 애플리케이션에서 잘못된 경보 그리고 ADAS(고급 운전자 보조 시스템) 및 자율주행차와 같은 새로운 분야에서의 LIDAR, 레이더 및 가시 카메라 등의 잠재력을 더할 수 있다. 열화상 카메라와 센서는 사람 또는 동물의 존재를 감지하기 위해서 빛이 필요하지 않다. 보안 카메라 및 홈 오토메이션용 실내 감지기부터 게임 콘솔에서의 제스처 인식과 자동차 애플리케이션의 운전자 비전 향상에 이르기까지 모든 용도에 적용할 수 있다.
2. 열화상이란?
열화상 카메라는 그레이 스케일 또는 컬러 이미지를 만들어 적외선 에너지의 차이를 감지하고 표시한다. 적외선 에너지는 사람의 눈으로는 볼 수 없을 만큼 파장이 긴 전자기 스펙트럼의 일부다. 이로 인해 열화상 카메라는 가시광선을 사용하지 않고 이미지를 생성할 수 있으므로 연기, 먼지 및 안개 등을 통해 완전 암흑에서 매우 작은 온도 차이를 감지할 수 있다.
지구상의 모든 것은 어느 정도 적외선 에너지를 방출하기에 적절한 조건에서 열화상 카메라로 감지할 수 있다(사실, 모든 분자 활동이 멈추는 온도인 Absolute Zero 이상에 있는 모든 것은 적외선 에너지를 방출하며, 심지어 얼음조차도 방출한다). 물체가 따뜻할수록 더 많은 열에너지가 방출된다.
가장 잘 알려진 전자기 에너지의 유형은 가시광선이다. 가시광선은 실제로 0.39~0.75µm의 범위만의 매우 좁은 파장 대역이다. 적외선 파장 대역 즉, 1.0µm 부근~1,000µm 범위에 비해 훨씬 크다. 적외선 에너지를 사용한 이미징에 관련된 논의는 다음의 같은 특정 에너지 집합과 관련된다.
- 약 0.9-1.7 µm의 단파장 적외선 (SWIR) 대역
- 3-5 µm의 중파 적외선 (MWIR) 대역
- 8-14 µm의 장파 적외선 (LWIR) 대역
3. 열상 카메라의 작동 방식
열화상 카메라는 우리 주변의 적외선 에너지를 포착하고 이 에너지를 사용하여 디지털 또는 아날로그 비디오 출력을 통해 이미지 또는 데이터 포인트를 만든다. 열화상 카메라는 일반적으로 앞에서 논의한 파장 대역 3-5µm의 MWIR 또는 8-14µm의 LWIR에 민감하다. 비록 예외가 있지만, 대부분의 MWIR 카메라는 이미지를 생성하기 위해 온 보드 극저온 냉각기를 사용하여 적외선 감지기를 약 77Kelvin으로 냉각시켜야 한다.
냉각기를 위해서 크기, 무게, 복잡성이 고려되고 비용이 추가되며 정기적인 유지 보수가 요구된다. Lepton과 Boson 같은 비냉각 LWIR 이미저는 주변 온도에서 이미지를 생성할 수 있으므로 냉각형 제품보다 작고, 가벼우며, 덜 복잡하고 비용이 적게 든다. 카메라 자체는 렌즈, 열 센서, 프로세싱 전자부품과 기계식 하우징으로 구성된다. 렌즈는 적외선 에너지를 센서(검출기라고도 함)에 집중시킨다.
FLIR의 LWIR 검출기는 Vanadium Oxide (VOx)로 만들어졌으며 Vanadium Oxide (VOx)는 장파 방사선을 감지하는데 가장 민감한 재료다. Amorphous Silicone과 같은 검출기 재료에서 생성되는 이미지 인공물을 생성하지 않는다. 이 검출기는 실제로 검출기 요소의 배열이며 다양한 픽셀 구성으로 제공될 수 있다. 그 중 가장 일반적인 검출기의 분해능은 320x256 와 640x512 이다.
이러한 해상도는 가시광 이미지와 비교하여 상당히 낮은 것처럼 보이지만 그 이유가 있다. 개별 검출기 요소 자체는 열화상 카메라가 가시 카메라보다 훨씬 크다. 가시 카메라에는 1-2μm의 픽셀만 있고 열화상 카메라 검출기 요소는 각각 12-17μm다. 열 감지기가 가시광에 비해 훨씬 더 큰 파장의 에너지를 감지할 수 있어야 하기 때문에 각 센서 요소의 크기가 커야 하기 때문이다. 결과적으로, 열화상 카메라는 동일한 기계 크기의 가시 센서와 비교할 때 일반적으로 훨씬 낮은 해상도(더 적은 픽셀)를 갖는다.
열에너지가 검출기에 닿으면 판독 전자 장치가 이를 카메라 밖으로 전달할 수 있는 신호로 변환하거나(FLIR Boson과 같은 최첨단 카메라를 사용하여) 시스템 온 칩 회로로 직접 이동한다. 이 SOC는 이미지 처리, 분석 및 통합자가 개발한 back-end 전자 장치를 필요로 하는 기타 고급 기능과 같은 카메라 내장 기능을 제공한다. FLIR 열화상 카메라에 사용되는 렌즈는 게르마늄(Germanium) 또는 칼코게나이드(Chalcogenide)로 만들어진다.
장파 복사에 매우 투명하기 때문이다. 열화상 카메라는 가시광선 카메라와 동일한 렌즈 재료를 사용할 수 없다. 게르마늄과 칼코게나이드는 모든 적외선 에너지가 탐지기에 도달하는 것을 차단하기 때문이다.
4. 통합 제품에 적합한 열화상 카메라를 선택하려면?
올바른 열화상 카메라를 선택하는 것은 주로 카메라가 원하는 작업에 따라 달라지며 여러 가지 요인들에 의해 결정된다.
필요한 해상도와 렌즈는?
이미지로 무엇을 찍어야 하는지, 얼마나 멀리 보아야 하는지 그리고 얼마나 세밀한 이미지 수준을 필요로 하는지에 따라 결정된다.
열화상 카메라는 스마트 폰에 들어가는 저가의 카메라부터 생명을 구하는 중요한 임무에 사용되는 고성능 카메라에 이르기까지 다양하다. Boson과 같은 FLIR 카메라는 qVGA(320x256) 해상도와 VGA(640x512) 해상도로 제공되며, 4°~92° 범위의 FOV를 갖는다. Lepton과 같은 저렴한 솔루션은 80x60와 160x120과 같은 낮은 해상도로 제공된다. 카메라의 해상도는 이미지 세부 사항과 감지 범위와 직접 연관된다.
물체를 감지하기만하면 작업을 수행하기에 단일 픽셀로 충분할 수 있다. 사람, 동물 또는 차량과 같은 물체를 인식해야 하는 경우 더 큰 픽셀 그룹이 필요하다. 무장한 사람, 사슴이 아닌 개, 자동차 대신 트럭과 같은 물체의 특성을 식별하려면 더 많은 픽셀이 필요할 수 있다. 해당 FOV의 너비를 수평 픽셀 수로 나누면 해당 거리에서 감지할 수 있는 가장 작은 특징을 알 수 있다. “iFOV(instantaneous field of view)”라는 사양을 사용하여 단일 픽셀의 각도 크기를 구하고 지정된 범위에서 크기를 계산할 수도 있다.
필요한 감도 정도는?
카메라의 감도는 NEDT(Noise Equivalent Differential Temperature)로 지정된다. 카메라의 시간 노이즈와 같은 신호를 생성하는데 필요한 온도 차이와 카메라가 해결할 수 있는 최소 온도 차이를 알려주는 신호 대 잡음 측정 방법이다. NEDT는 일반적으로 밀리 켈빈(mK)으로 표시되며, 숫자가 낮을수록 성능이 우수하다. FLIR Boson은 50mK 미만의 업계 최고의 감도를 제공한다.
5. 방사선 측정이 필요한지, 단지 이미지가 필요한지?
모든 열화상 카메라는 시야내에서 열에너지의 강도 이미지를 제공할 수 있지만 일부 카메라는 한 걸음 더 나아가 해당 물체의 교정된 비 접촉 온도 측정을 제공한다. 이것은 방사선 측정이라 하는 프로세스다.
이를 위해서는 카메라가 다른 방사선 소스(반사, 렌즈 재료), 대기 효과(습도, 날씨 조건과 대상까지의 거리) 그리고 보고 있는 물체의 재료 특성(특히 방사율)을 보정해야 한다. 이 요소가 결정되면, 카메라가 받는 방사선 량을 +/- 2°C에 가까운 정확도로 온도 값으로 변환할 수 있다. FLIR 카메라는 다양한 수준의 방사선 측정 기능과 정확도(촬영 전용, 간단한 중앙 스팟 미터 기능, 고급 방사선 측정 및 개선된 정확도에 이르기까지)로 제공된다.
6. IR 공급 업체를 선정하는 기준은?
열화상을 설계할 때는 기술에 대해 책임을 져야 하며, 회사 또한 설계자를 책임져야한다. 적외선 공급 업체는 다음과 같이 노력해야 한다.
- 제품의 설계 수명주기 동안 카메라가 ‘정상 작동’ 하도록 보장하는 품질과 안정성
- OEM 파트너의 성공을 위한 입증된 실적
- 질문에 답변할 수 있는 제품 기술 전담 직원
- 판매 후의 서비스
- 회사 웹 사이트 또는 이메일을 통해 제품 사양, 도면과 인터페이스 문서에 빠르고 쉬운 액세스
- 미래를 위한 안정적인 회사
- 지속적인 제품 개발과 개선이 항상 첨단 기술을 유지하게 된다.
- 특정 인터페이스, 규정과 제어 기능을 갖춘 보안, IoT 그리고 자동차와 같이 빠르게 발전하는 분야의 산업별 지식
7. 총 소유 비용은?
OEM 열화상 카메라의 가치 여부 결정에는 구입비용을 넘어 고려해야 할 중요한 사항이 많다.
- 경쟁력 있는 가격
- 통합을 용이하게 하는 전문 기술 지원 제공
- 쉽게 이용할 수 있는 문서, SDK, 솔루션 가속기 및 응용 프로그램 엔지니어 액세스
- 업계 최고의 보증으로 제품을 백업
- 성공할 수 있는 가격으로 시장에 진출
자료 제공: FLIR(www.flir.com)
