열상카메라 자동온도보정 시스템 및 방법 I
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열상카메라 자동온도보정 시스템 및 방법 I
  • CCTV뉴스
  • 승인 2009.04.10 00:00
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본 기술은 열상 카메라의 자동 온도보정 시스템 및 이를 이용한 열상 카메라의 자동 온도보정 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 열상 카메라를 흑체소스와 분리된 공간에 위치시키고, 각 면이 서로 다른 온도로 설정될 수 있는 다면의 흑체 어셈블리를 사용함으로써, 흑체소스의 온도 안정화 시간과 열상 카메라의 주변온도 안정화 시간을 줄여, 미세하고 정확한 온도 데이터가 요구되는 열상 카메라의 온도보정 작업을 짧은 시간 내에 행할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

종래에는 열상 카메라를 테스트하고 온도 보정을 행하기 위해  흑체소스(10)를 사용해 왔다. 흑체소스는 방사율(emissivity)이 대략 1이어서, 자신이 가진 에너지를 거의 100% 방출하는 물체이다. 열상 카메라(20) 내에는 흑체소스(10)를 감지하는 검출기(detector)(30)가 있다. 검출기(30)는 수많은 검출센서로 이루어진 센서 어레이로 되어 있는데, 일례로서 하나의 검출기는 가로 320개×세로 240개, 즉 76,800개의 센서가 모여있는 센서 어레이로 되어 있으며, 이러한 어레이를 통상 FPA(Focal Plane Array)라고 부른다.

그런데, 센서 어레이를 구성하는 각각의 센서는 제조과정 등에서의 오차로 인해 각 센서마다 그 성능에 조금씩 편차를 보인다. 특히, 열상의 검출기는 이러한 현상(성능의 비 균일)이 매우 커 실제 전자회로를 구성하여 영상 구현 시 영상을 거의 알아보지 못할 정도로 각 센서의 성능의 차이가 매우 크다. 이러한 특성을 사전에 보상과 보정이란 과정을 통해 거의 일정한 성능을 나타낼 수 있도록 주변 온도와 흑체소스의 온도를 이용하여 열상 카메라에서 각 센서의 상이한 성능을 보상하게 하는 장비가 필요하게 된다.


그림 2. 열상 카메라의 센서 어레이의 각 센서가 온도 상승에 따라 나타내는 성능 특성

그림 2는 온도 상승에 따른, 센서 어레이의 각 센서가 나타내는 성능특성에 대한 일례를 개략적으로 도시한 것이다. 그림 2의 그래프에서 좌표의 세로축은 게인, 가로축은 시간을 나타내고, 일례로서 3개의 센서에 대한 게인 그래프를 표시하였다. 시간이 지나면서 온도가 상승함에 따라 센서의 게인이 증가하는데, 온도 증가에 대한 반응이 모든 센서에 걸쳐 일정하지 않고 도시된 것처럼 센서마다 조금씩 다르게 반응한다.

따라서, 센서 어레이를 구성하는 모든 센서에 대해 특정 온도에서 전체 센서가 일관된 값을 가지도록 보정을 해야 할 필요성이 생기고, 이를 위해, 예컨대 t1시점에서(즉, t1 시점에 대응하는 특정 온도에서) 모든 센서가 특정값(P)를 갖도록 각 센서를 온도보정 해야 한다.

그런데 이러한 온도보정은 한번에 끝나면 좋겠지만 현실은 그렇지 못한데, 그 이유로는 센서의 성능 편차가 흑체소스 온도에 따라서도 다를 뿐 아니라 주변온도에 따라서도 모두 다르게 나타나기 때문이다. 즉, 열상 카메라의 주변 온도와 흑체소스의 온도에 따라 센서마다 각기 다른 비 선형성을 갖는다.

따라서, 실제로 열상 카메라를 테스트하기 위해서는 흑체소스 온도와 주변 온도를 계속 변화시키면서 카메라를 테스트해야 한다. 예컨대, 주변 온도를 10도로 맞추어 놓고 흑체소스 온도를 0도, 10도, 20도, 30도, 40도... 등으로 계속 증가시키면서 각 온도에서의 흑체소스의 열상 이미지를 열상 카메라로 촬영하고, 그 다음 주변온도를 20도로 올린 뒤 흑체 소스 온도를 다시 0도, 10도, 20도, 30도, 40도... 등으로 계속 증가시키면서 열상 카메라를 테스트하고, 그 다음 주변온도를 30도로 올린 뒤 흑체소스 온도를 다시 0도부터 계속 증가시키면서 열상 카메라를 테스트하며, 이러한 작업을 주변온도가 40도, 50도 등이 될 때마다 반복하며 수행해야 한다.

이러한 테스트에서의 문제점은 흑체소스의 안정화 시간이 상당히 많이 소요된다는 것이다. 흑체소스의 목적은 열상 카메라의 기준 값을 얻기 위한 것인데 만약 흑체소스의 온도 정확도가 떨어지게 되면 열상 카메라의 정확도 역시 떨어지게 된다. 따라서, 흑체소스의 정확도를 바람직하게는 10mK 이내, 더 바람직하게는 1mK이내, 보다 더 바람직하게는 0.1mK 이내가 되도록 한다.

물론, 카메라의 검출기의 기본 성능 즉 온도 분해능 보다 약 10배 정도의 정확도를 가진 상태에서의 흑체소스의 온도 안정도를 요구하게 되는데, 예를 들면, 검출기(30)의 온도 분해능이 100mK인 경우에는 흑체소스의 정확도가 10mK인 범위내에서 흑체소스의 온도를 안정화시키면 되지만, 검출기(30)의 온도 분해능이 예컨대 10mK인 경우라면 흑체소스를 더 높은 정확도, 즉 1mK의 정확도를 가지고 흑체소스의 온도를 안정화시켜야 한다.

열상 카메라의 테스트를 위해 흑체소스 온도를 10도에서 20도로 증가시킬 경우, 10mK의 정확도로 측정해야 한다면 온도를 올리는데 통상 2~3분 정도 소요되지만, 1mK의 정확도로 측정하기 위해 흑체 온도를 올려서 정확히 20도로 안정화시키기 위해서는 20~30분 가량이 소요된다.

따라서, 주변온도를 10도로 설정하고 흑체소스를 0도, 10도, 20도, 30도... 등의 각 온도에서 안정화시킨 뒤 흑체소스를 촬영하고, 주변온도를 20도로 올린 뒤 흑체소스를 다시 0도, 10도, 20도, 30도...의 각 온도에서 안정화시킨 뒤 흑체소스를 촬영해야 한다. 이러한 온도보정 작업에서는, 전체 온도보정 작업에 소요되는 시간이 길어지게 되고 결국 열상 카메라 제조 후 상기 설명한 온도보정 작업 등의 각종 테스트를 거쳐 포장하기까지는 수일 내지 길게는 보름까지도 걸리는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 그림 3과 같은 시스템을 사용하였다.


그림 3. 종래 기술에 따른 열상 카메라 온도보정 시스템의 다른 실시 예

그림 3은 종래 기술에 따른 열상 카메라 온도보정 시스템을 개략적으로 도시한 것으로, 그림 3을 참조하면, 실험실과 같은 일정 공간 내에 복수의 흑체소스(10-1,10-2,10-3,...,10-n)를 일렬로 배열하고 그 앞에 레일(40)을 설치한다. 레일(40) 위에는 테스트해야 할 열상 카메라(20)를 올려놓는다. 이러한 시스템을 이용하여 테스트를 할 때에, 흑체소스(10-1,10-2,10-3,...,10-n)의 각각을 서로 상이한 특정 온도로 미리 설정해 둔다.

예를 들어, 일실시 예에서 흑체소스(10-1)는 온도(T1)(예컨대 10도)으로 설정하고 흑체소스(10-2)는 온도(T2)(20도)로 설정하고 흑체소스(10-3)는 온도(T3)(30도)으로 미리 설정해 놓는다. 이 상태에서 열상 카메라(20)로 흑체소스(10-1)의 열상 이미지를 촬영하고, 그 후 레일(40) 위의 열상 카메라(20)를 흑체소스(10-2) 쪽으로 이동시켜 흑체소스(10-2)를 촬영하고 그 후 다시 열상 카메라(20)를 흑체소스(10-3) 쪽으로 이동시켜 흑체소스(10-3)를 촬영하고, 이러한 작업을 모든 흑체소스(10-1 내지 10-n)에 대해 반복한다. 즉, 열상 카메라(20)를 조금씩 움직여 흑체소스(10-1 내지 10-n)를 하나씩 차례로 촬영하는 것이다.

이와 같은 방법을 사용하게 되면 흑체소스(10-1 내지 10-n)를 각기 다른 온도로 미리 설정해 놓은 상태에서 열상 카메라를 테스트할 수 있기 때문에 흑체소스가 특정 온도로 안정화하는데 소요되었던 시간이 필요 없게 되므로 종래 방식에 비해 단 시간 내에 테스트를 행할 수 있는 이점이 있었다.

그러나 상기 방식은 복수의 흑체소스를 사용해야 하므로 고가의 장비 구입에 따른 비용증가의 문제가 있고, 더욱이 주변온도를 변경할 수 없다는 문제점이 있었다. 즉, 복수의 흑체소스(10-1 내지 10-n)를 일렬로 배치하고 그 앞으로 레일(40)이 설치된 오픈 공간에서 테스트를 해야 하므로 주변온도를 높은 정확도를 가지고 특정온도로 단계적으로 변화시키면서 주변 온도 변화에 따른 테스트를 할 수 없다는 문제가 있다.이러한 문제를 해결하기 위해 그림 4에서와 같은 시스템이 종래에 사용되기도 하였다.


그림 4. 종래 기술에 따른 열상 카메라 온도보정 시스템의 또 다른 실시 예

그림 4를 참조하면, 열상 카메라의 주변온도가 제어될 수 있는 챔버(50)를 실험실 내에 설치하고, 이 챔버(50) 내에 흑체소스(10) 및 테스트해야 할 열상 카메라(20)를 위치시킨다. 흑체소스(10)의 온도를 제어하기 위한 제어장치(60)가 흑체소스(10) 및 열상 카메라(20)와 연결된다. 이러한 시스템에서, 챔버온도 제어 장치에 의해 챔버(50) 내부의 온도를 특정 온도로 설정하고, 챔버(50)내의 온도가 안정화된 후 제어장치(60)에 의해 흑체소스(10)의 온도를 상승 또는 하강시키면서 열상 카메라(20)를 테스트한다.

상기 시스템은 챔버(50) 내부의 온도를 여러가지 온도로 설정함으로써 열상 카메라(20)의 주변 온도를 변경할 수 있다는 장점이 있지만, 흑체소스(10)로부터 방사되는 열 대류 현상으로 인해 챔버(50) 내부의 온도를 특정 온도로 안정화시키는 데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

이 시스템은 챔버(50) 내부의 온도 안정화를 위해 쿨링 작업을 수행하게 되는데, 이러한 쿨링 작업은 반대로 흑체소스(10)의 온도 안정화를 방해하는 역할을 하여 흑체소스(10)의 온도 안정화에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다. 흑체소스(10)의 온도가 챔버(50) 내부의 온도보다 낮은 온도로 설정될 때는 결로현상이 발생하는 문제점이 있었다. 

여전히 단일 흑체소스(10)의 온도를 상승 또는 하강시키면서 테스트를 하기 때문에 흑체소스를 특정 온도에서 안정화시키는데 많은 시간이 소요되어 높은 정확도가 요구되는 열상 카메라의 온도보정 작업을 수행함에 있어서 여전히 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있었다.

위와 같은 문제점을 해결하기 위해 흑체소스의 온도 및 열상 카메라의 주변온도를 용이하게 변경하면서도 흑체소스의 온도 안정화 시간 및 열상 카메라의 주변온도 안정화 시간을 줄여 신속하고 정확하게 열상 카메라의 온도보정 작업을 할 수 있는 열상 카메라의 자동 온도보정 시스템을 제공하는 것이다. 한편 흑체소스의 온도 및 열상 카메라의 주변온도를 용이하게 변경하면서도 흑체소스의 온도 안정화 시간 및 열상 카메라의 주변온도 안정화 시간을 줄여 신속하고 정확하게 열상 카메라의 온도보정 작업을 할 수 있는 열상 카메라의 자동 온도보정 방법 또한 제공할 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열상 카메라의 자동 온도보정 시스템은, 제1 챔버 내에 위치되어 있으며, 복수의 흑체소스를 구비한 흑체 어셈블리와 이격되어 제1 챔버 내에 위치되어 있는 제2 챔버, 그리고 제2 챔버 내에 위치되어 있는 적어도 하나 이상의 열상 카메라 및 제2 챔버의 내부 온도를 제어하는 제1 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

흑체 어셈블리는 중공의 다각기둥 형상으로 되어 있고, 상부와 하부가 개방되어 있는 어셈블리 본체와 어셈블리 본체 외부의 각 측면에 부착된 복수의 흑체소스, 어셈블리 본체 내부의 각 측면을 나머지 측면과 공간적으로 분리하도록 어셈블리 본체 내부에 수직으로 설치되어 있는 단열벽과 단열벽에 의해 구획된 각각의 내부공간과 개별적으로 연통하기 위해 어셈블리 본체 하부에 설치된 공기 흡입구 그리고 어셈블리 본체 상부에 설치된 적어도 하나 이상의 냉각팬 어셈블리 본체를 회전시키기 위한 구동모터 및 복수의 흑체소스, 구동모터, 냉각팬과 각각 전기적으로 연결되어 각각을 제어하는 제2 컨트롤러를 포함한다.

제2 컨트롤러는 복수의 흑체소스 각각이 서로 상이한 온도로 설정될 수 있도록 각 흑체소스의 온도를 제어하고, 복수의 흑체소스 각각이 열상 카메라에 대해 정면으로 향할 수 있도록 구동모터를 구동시켜 어셈블리 본체의 회전을 제어하며, 제1 챔버 외부의 공기가 어셈블리 본체 내부로 흡입되도록 냉각팬의 회전을 제어한다.

이와 같은 흑체 어셈블리를 사용함으로써 일 흑체소스가 촬영되는 동안 다른 흑체소스의 온도 안정화에 따른 시간을 확보할 수 있으므로 흑체소스 온도 안정화에 소요되는 시간을 절약할 수 있는 이점이 있다. 또한, 열상 카메라를 흑체소스와 동일한 공간이 아닌 분리된 공간 즉, 제2 챔버 내에 위치시킴으로써, 열상 카메라의 주변온도를 다양하게 변화시킬 수 있으면서도 흑체소스로부터 방사되는 열에 의한 대류현상 등에 의해 영향 받지 않게 되어 열상 카메라 주변온도의 정확성을 높일 수 있다.

흑체소스 역시 열상 카메라의 주변온도 안정화를 위한 쿨링 작업에 의해 영향 받지 않게 되어 흑체소스 온도 안정화에 소요되는 시간을 단축할 수 있다. 열상 카메라가 내부에 위치되어 있는 제2 챔버에는 복수의 흑체소스 중 열상 카메라를 바라보고 있는 흑체소스로부터 방사된 적외선이 반사되지 않고 손실 없이 투과될 수 있도록 적외선이 들어오는 측면에 윈도우가 설치되어 있는 것이 바람직하다.

이 때 윈도우는 게르마늄, 실리콘 및 사파이어로 이루어진 그룹으로 선택된 하나이고, 무반사 코팅 처리되어 있다. 본 기술에 따른 열상 카메라의 자동 온도보정 시스템은 복수의 흑체소스 중 일 흑체소스의 온도가 제1 챔버 내부의 온도보다 낮은 온도로 설정될 때 발생하는 결로현상을 방지하기 위해 제1 챔버 내에 위치된 제습장치를 더 포함한다.

또한 본 기술에 따른 열상 카메라의 자동 온도보정 시스템은 흑체 어셈블리와 열상 카메라의 거리에 관계없이 일정한 적외선이 열상 카메라에 도달되도록 제1 챔버 내에 위치된 콜리메이터를 더 포함한다.

한편, 다른 목적을 달성하기 위한 본 기술에 따른 열상 카메라의 자동 온도보정 방법은, 위에서 기술한 열상카메라의 자동 온도보정 시스템을 이용하여 열상 카메라의 온도보정을 수행하는 방법으로서, 복수의 흑체소스의 온도를 제2 컨트롤러에 의해 각각 상이한 온도로 설정하는 단계이다.

복수의 흑체소스 중 제1 온도를 갖는 제1 흑체소스를 기준 흑체로 하여, 제1 컨트롤러에 의해 제2 챔버의 내부 온도를 변화시키면서 열상 카메라로 온도 데이터를 획득하는 단계 및 제1 흑체소스에 대한 온도 데이터 획득이 완료된 후, 복수의 흑체소스 중 제2 온도를 갖는 제2 흑체소스가 열상 카메라를 바라보도록 제2 컨트롤러에 의해 어셈블리 본체를 회전시키는 단계이다.

또한 제2 흑체소스를 기준 흑체로 하여, 제1 컨트롤러에 의해 상기 제2 챔버의 내부온도를 변화시키면서 열상 카메라로 온도데이터를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 기술에 따른 열상 카메라의 자동 온도보정 방법은 제2 흑체소스가 열상 카메라를 바라보도록 어셈블리본체를 회전시킨 후, 제2 컨트롤러에 의해 제1 흑체소스의 온도를 제3 온도로 재설정하는 단계를 더 포함할 수있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열상 카메라의 자동 온도보정 시스템 및 방법은 각 면이 상이한 온도로 설정될 수 있는 흑체 어셈블리를 사용함으로써 일 흑체소스가 촬영되는 동안 다른 흑체소스의 온도 안정화에 따른 시간을 확보할 수 있으므로 흑체소스 온도 안정화에 소요되는 시간을 절약하는 효과를 도모할 수 있다.

또한, 열상 카메라가 제2 챔버내에 위치됨으로써, 열상 카메라의 주변온도를 다양하게 변화시킬 수 있으면서도 흑체소스로부터 방사되는 열에 의한 대류현상 등에 의해 영향 받지 않게 되어 열상 카메라 주변온도의 정확성을 높일 수 있고, 흑체소스 역시 열상 카메라의 주변온도 안정화를 위한 쿨링 작업에 의해 영향 받지 않게 되어 흑체소스 온도 안정화에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.

한편 제1 챔버내에 위치된 제습장치로 인해, 흑체소스의 온도가 제1 챔버 내부의 온도보다 낮은 온도로 설정될 때 발생하는 결로 현상을 방지하는 효과 또한 도모할 수 있다. 실시 예를 통하여 좀 더 구체적으로 살펴보자. 단, 하기 예에 본 기술의 범주가 한정되는 것은 아니다.

그림 5는 본 발명에 따른 열상 카메라의 자동 온도보정 시스템 및 방법에서 사용되는 흑체 어셈블리의 일 실시예 를 도시한 것이다.


그림 5. 열상 카메라의 자동 온도보정 시스템에 사용되는 흑체 어셈블리의 일 실시

그림 5를 참조하면, 흑체 어셈블리(100)는 어셈블리 본체(110)를 포함하고 있다. 어셈블리 본체(110)는 대략 정육면체 형상으로 되어 있고 바깥쪽 측면의 각 면에 4개의 흑체소스(120)가 부착되어 있다. 그림 5는 어셈블리 본체(110)의 측면이 4개인 것으로 도시하고 있으나, 어셈블리 본체 측면에 5개 또는 6개 등의 흑체소스를 부착할 수 있도록 어셈블리 본체가 5각 기둥 또는 6각 기둥 형태로 되어 있을 수 있다.

어셈블리 본체(110)의 각 외측면에 부착된 흑체소스(120)는 열을 방사하는 역할을 하는데, 방사율이 거의 1에 가까운 기존의 공지된 흑체 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 그림 5에 도시된 흑체소스(120)의 형상은 어셈블리 본체(110)의 각 외측면에 부착될 수 있는 정사각형 형태의 얇은 판상으로 되어 있으나 대안적인 실시 예에서는 다양한 형상을 가질 수 있다.


그림6. 그림5에 도시된 흑체 어셈블리 본체의 구조

어셈블리 본체(110)에 대한 보다 자세한 구조가 그림 6에 도시되어 있다. 그림 6을 참조하면, 어셈블리 본체(110)는 그 내부가 중공의 형상을 띄고 있으며, 상부와 하부는 개방되어 있고, 어셈블리 본체(110) 내부에는 본체 중심부와 각 모서리를 연결하는 단열벽(130)이 수직으로 설치되어 그 내부를 네 부분으로 구분하고 있다.

<다음호에 연재>

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