단파장 적외선(SWIR) 이미지 센서를 사용한 레이저 이미징 활용 방법
레이저 기반 기술은 산업 기계 가공, 통신, 지형 매핑, 의료 영상등 현대의 모든 경이로움을 가능하게 하는 유비쿼터스 기술로 자리 잡았다. 이러한 현대적 혁신의 이면에는 레이저 기술의 발전이 자리 잡고 있다. 레이저 물리학 분야가 발전하는 주요 방법 중하나는 이미지 센서를 사용하여 레이저 방출을 이미징하는 것이다.
소니는 전체 단파장 적외선(SWIR) 스펙트럼을 아우르고 가시광선을 통해 자외선 스펙트럼까지 확장하는 이미징 기능을 개척함으로써 차세대 레이저 혁신을 실현하고 있다. 이 기사에서는 새로운 레이저 제품 개발뿐만 아니라 새롭고 흥미로운 레이저 이미징 애플리케이션을 구현하는데 고해상도, 넓은 시야각, 확장된 SWIR(eSWIR) Acuros 카메라가 어떻게 활용되고 있는지 살펴보기로 한다.
SWIR 이미징 및 Acuros CQD 센서
SWIR 스펙트럼은 약 900nm에서 2µm를 넘어서는 범위이며 가시 스펙트럼에 비해 몇 가지 고유한 성능 특성을 제공한다. 이국적인 소재 요구 사항과 제한된 시장 규모 때문에 일반적으로 SWIR 기반 이미지 센서의 가격이 높고 옵션이 제한적이었다. 그러나 SWIR가 제공하는 장점은 계속해서 실현되고 있으며 차세대 이미터와 센서 혁신에 영향을 미치고 있다.
Swir Vision System이 개발한 콜로이드 퀀텀닷(CQD) SWIR 센서는 특허를 받은 CQD 반도체 기술을 통해 업계 표준보다 낮은 픽셀당 비용으로 SWIR 감지 기능을 제공한다. CQD 이미지 감지 기술은 퀀텀닷 증착이 적용된 표준 CMOS 설계를 활용하여 세계 최고 해상도의 SWIR 이미징 카메라를 구현한다. Swir Vision System에서는 고유한 CQD 기술과 생산 방법을 적용하여 기존 레이저 기술의 최첨단 기술을 발전시키고 여러 시장에서 새롭고 흥미로운 레이저 기반 혁신을 실현하고 있다.
SWIR 레이저
다양한 응용 분야에서 적외선(IR) 레이저의 고유한 성능 속성을 오랫동안 인정해 왔다. 예를 들어, 더 긴 파장의 레이저 방출은 사람의 눈의 수분 함량에 크게 흡수되어 비슷한 출력의 가시광선 레이저에 비해 눈 손상 위험을 완화한다. SWIR 방사선은 사람의 눈에 보이지 않기 때문에 다른 스펙트럼 영역에서는 불가능한 수준의 은밀한 감지 기능을 유지할 수 있다.
최근에는 900nm 이상의 파장을 가진 저비용 레이저 소스에 대한 수요를 해결하기 위해 점점 더 많은 반도체 SWIR 레이저가 개발되고 있다. 수직 공동 표면 방출과 같은 반도체 레이저 기술은 대규모로 비용 시너지 효과를 활용할 수 있다.
레이저(VCSEL)는 통신, 모션 감지, 생체 인식, 생물의학, 산업 자동화 등 대용량 애플리케이션에 적용되고 있다. 고체 반도체 레이저는 더 높은 전력 밀도, 더 나은 월 플러그 효율, 더 낮은 비용 으로 SWIR 영역으로 파장이 길어지는 방향으로 발전하고 있다.
레이저 이미징 기초
레이저 기반 애플리케이션은 방출되는 광학 에너지에 대한 정확한 이해가 필요하고 기초 물리학에 대한 엄격한 조사가 필요한 경우가 많다.
이미지센서는 눈에 보이지 않는 SWIR 레이저 방출을 표현하고 방출 특성을 직접 측정할 수 있다. 레이저 프로파일링은 방출 특성을 특성화하고 중요한 진단 정보를 얻는데 사용된다. 근거리 및원거리 레이저 프로파일 모두 이러한 정보를 얻는 데 유용하다. 이미지 센서는 이러한 측정을 용이하게 하기 위해 전용 레이저 분석 소프트웨어와 함께 사용된다. Swir Vision Systems는 완벽한 레이저 프로파일링 시스템을 제공하는 선도적인 업체인 DataRay와 협력하여 턴키 레이저 프로파일링 솔루션을 제공한다.
근거리 필드(Near-Field)
근거리 레이저 프로파일링에서는 고출력 렌즈를 사용하여 능동 조명 발광 다이오드 조리개를 초점면 어레이(FPA) 센서에 초점을 맞춘다. 활성 조명 조리개를 이미징하여 고체 레이저 방출과 관련된 전기 광학 및 열 거동을 관찰할 수 있다. <그림1>에 표시된 설정은 기본 개념을 설명하는 데 사용된다. 실제로는 필요한 조리개 디테일을 캡처하기 위해 일반적으로 고출력 현미경이 필요하다.
<그림1> 렌즈를 장착하고 레이저 다이오드의 방출 조리개에 초점을 맞춘 Swir Vision Systems 카메라를 보여주는 근거리 이미징 설정의 CAD 도면
<그림2> 조명이 켜진 940nm VCSEL 어레이의 근거리 SWIR 이미지(왼쪽)와 단일 940nm 조명이 켜진 VCSEL 개구부의 현미경 사진(오른쪽). 두 가지 유형의 이미지는 모두 VCSEL 품질을 평가하는 데 필수적인 도구이다.
<그림2>의 왼쪽에서 볼 수 있듯이, 이미터 다이의 수율과 열 구배를 검사하기 위해 VCSEL 어레이의 근거리 방출 프로파일을 이미지화하는 경우가 많다. 이 시나리오에서 Acuros 카메라의 높은 다이내믹 레인지는 어레이 전체의 평균 전력 분포뿐만 아니라 피크 강도 정보를 모두 캡처하는데 유리하다.
또 다른 예로, 신뢰성 있는 엔지니어는 <그림2>의 오른쪽에 표시된 VCSEL 조리개와 같은 반도체 레이저의 현미경 사진을 사용 하여 신뢰성 및 가속 수명 테스트 중에 헤어라인 균열 및 기타 응력 유발 결함을 감지할 수 있다. 이와 같은 근거리 이미지는 전류 밀집, 핫스팟 및 기타 다중 물리 현상과 관련된 고장 모드를 파악 하는데 매우 중요할 수 있다. 여기서 Acuros 카메라의 고해상도와 넓은 스펙트럼 범위는 근거리 레이저 이미징에서 정보 내용을 극대화하기 위한 표준을 설정한다.
원거리 필드(Far-Field)
원거리 레이저 프로파일링은 일반적으로 <그림3>과 같이 완전히 발달된 레이저 방출 파면이 카메라 표면에 직접 입사되도록 렌즈 없이 수행된다. 원거리 레이저 프로파일은 광학 파워, 발산, 모드 모양 및 편광과 같은 레이저 특성을 측정하는 데 사용된다. 이러한 측정에는 각각 고유한 문제가 있으며 대부분의 카메라는 이러한 고려 사항을 염두에 두고 설계되지 않았다. 그러나 Acuros 중파장 적외선 카메라 제품군은 이러한 문제를 해결하도록 설계되 었으며 원거리 레이저 프로파일링에 이상적인 선택이다.
<그림3> Acuros CQD 이미지 센서를 사용한 원거리 이미징. 33mm, 210만 화소 FPA는 레이저 프로파일 분석에 이상적이다. 그림은 스탠드오프 거리를 최소화하면서 필터 장착을 용이하게 하는 맞춤형 플랜지를 보여준다.
모든 레이저 방출이 센서의 활성 영역에 떨어지도록 이미지 센서를 방출 조리개 근처에 배치하는 것이 일반적이다. 대부분의 카메라 설계에는 센서 어레이 표면에 근접 접근을 방지하는 통합 렌즈 부착물이 포함되어 있다. 반면 Acuros 카메라는 레이저와 카메라간 이격 거리를 최소화하는 맞춤형 전면 플랜지가 장착되어 있다.
또한 센서 포맷이 소형화되는 업계 추세로 인해 특히 발산이 심한 반도체 레이저 다이오드의 경우 전체 레이저 빔 프로파일을 캡처하는 것이 어려울 수 있다. Full-HD(2.1 MP) Acuros 카메라에는 33.1mm 대각선 액티브 센서가 장착되어 있어 전체 빔 프로파 일을 캡처할 수 있다.
마지막으로, 원거리 빔 프로파일 분석에 사용되는 분석 방법은 최대 및 최소 레이저 빔 특징을 동시에 표현하는 데 의존하기 때문에 원거리 레이저 프로파일링 애플리케이션에서 다이내믹 레인지가 중요한 역할을 한다. Acuros SWIR 및 eSWIR 카메라는 70dB(14비트 모드)의 다이내믹 레인지를 제공하여 레이저 프로 파일링 정확성과 편의성을 위한 업계 최고의 솔루션을 제공한다.
간섭 프린징(Interference Fringing)
간섭 프린지(Interference fringe)는 일반적으로 미관을 해치거나 골치 아픈 골칫거리로 여겨진다. 이를 구분하는 요소는 보통 의도적인지 아니면 예상치 못한 것인지에 따라 달라진다. 일반적으로 간과되고 매우 바람직하지 않은 것으로 간주되는 프린징의 한가지 잠재적 원인은 센서를 환경으로부터 보호하기 위해 일반적으로 커버 글래스가 사용되는 센서 표면이다.
거의 평행한 반사 표면으로 인한 광학 간섭은 모든 종류의 레이저 이미징 애플리케이션에 큰 혼란을 야기할 수 있다. 이러한 효과를 완화하기 위해 커버 유리에 파장에 따른 반사 방지 코팅을 적용했음에도 불구하고 레이저 이미징 애플리케이션에서는 여전히 광학 간섭이 문제가 될 수 있다.
<그림4> 이미징 유리에서 일관된 광원으로 인한 간섭 프린징의 표현. 평평한 유리 커버(왼쪽)는 비스듬한 반사로 인해 간섭이 발생하고, 쐐기형 유리 커버(오른쪽)는 이미지 센서의 광원 입사각 변경으로 인해 프린징을 감쇠시킨다.
<그림4>의 왼쪽 그래픽은 레이저 이미징을 염두에 두고 설계 되지 않은 이미지 센서에서 일반적으로 발생하는 상황을 보여준다. 빨간색 화살표는 (1) 입사된 코히어런트 레이저 방출이 부분적으로 반사되는 커버 유리 표면과 만나 (2) 반사 및 (3) 투과 전파 벡터를 모두 생성하는 것을 나타낸다. 경로 (2)는 설정의 다른 곳에 위치한 거의 평행한 반사기가 위상 편향 반사를 이미지 센서 평면에 다시 도입할 때 간섭의 잠재적 원인이 된다.
<그림5> 기존 평면 유리 커버(왼쪽)와 Acuros 쐐기형 유리 커버(오른쪽)로 측정한 1550nm 원거리 레이저 프로파일. 쐐기형 유리 커버는 프린징의 영향을 크게 줄이고 레이저 빔 프로파일을 보다 정확하게 표현한다.
전송 경로(3)은 <그림5>의 왼쪽에 표시된 측정된 빔 프로파일에서 볼 수 있듯이 센서와 공기-유리 인터페이스 사이의 다중 반사가 전파 벡터(4) 및 (5)로 표시되어 건설적 및 파괴적으로 간섭할 때 간섭 프린징의 가능성이 훨씬 더 높은 원인이 된다.
Swir Vision System은 다이 레벨부터 센서 패키지를 설계 및제작하고 맞춤형 웨지 유리 솔루션을 활용하여 1차 입사 경로(1') 와 (3') 사이의 평행성과 외부에서 발생할 수 있는 모든 반사 경로를 차단한다. 웨지 디자인은 필수적인 보호 기능을 제공할 뿐만 아니라 <그림5>의 오른쪽에서 측정한 것처럼 Acuros 레이저 시리즈 카메라의 간섭 프린징을 사실상 제거할 수 있는 충분한 경사를 부여한다.
실제 SWIR 레이저 이미징
Swir Vision Systems의 Acuros 레이저 이미징 센서는 다양한 레이저 이미징 애플리케이션에 적합하도록 설계되었다. 28.8mm x 16.2mm(대각선 33.1mm) 활성 영역 1920x1080 FPA 폼 팩터로 제공되는 시중 최고 해상도(Full HD, 2.1MP) SWIR 센서인 Acuros 레이저 이미지 센서 라인은 탁월한 유연성을 제공한다.
의료
SWIR 대역 레이저는 신장 결석의 최소 침습적 치료를 위한 쇄석술 시술의 표준이다. 일반적으로 1900nm 흡수 피크에 가까운 레이저는 열팽창을 일으켜 신장 결석을 제거한다. 결석 조각이 방해 받지 않고 통과할 수 있도록 입자 크기를 크게 줄여서 절제한다.
가장 일반적이고 성숙한 기술은 홀뮴(Holmium) 이다. 이것은 2120nm에서 작동하는 AG 고체 레이저이다. 1908nm 또는 1940nm에서 작동하는 툴륨 파이버 레이저(TFL)는 홀뮴 레이저에 비해 저렴한 비용, 향상된 효율성, 유리한 빔 프로파일로 인해 유망한 후속 기술로 검토되고 있다. 쇄석술 부문에서 TFL이 혁신 적인 기술이라는 전망에 따라 기존 InGaAs 카메라 기술의 스펙트럼 범위를 훨씬 뛰어넘는 1900nm 이상의 고해상도 레이저 빔 프로파일러에 대한 연구가 확대되고 있으며 이에 대한 필요성이 커지고 있다.
<그림6>에 표시된 1900nm TFL의 강도 프로파일은 보다 안전하고 효율적인 쇄석술을 지원하고 촉진하는 고유한 기능을 보여주는 Swir Vision Systems Acuros eSWIR 레이저 시리즈 카메라로 캡처한 것이다.
<그림6> 1900nm 툴륨 파이버 레이저의 강도 맵(Acuros eSWIR 풀 HD(2.1MP) 카메라로 캡처한 이미지
다른 의료 분야에서는 최근 의료용 이미징 기술의 발전으로 산란으로 인해 이미지 투과 깊이가 감소하는 것으로 알려진 근적외선 및 가시광선 기술에 비해 SWIR 파장의 조직 산란이 감소하는 이점을 활용하고 있다. 물, 지질, 콜라겐을 포함한 조직 구성 물질의 흡수 특성도 근적외선 및 가시광선 영역에 비해 SWIR 대역에서 더 뚜렷하게 나타나는 경향이 있다.
이러한 광학적 상호 작용은 레이저 기반 조명의 시간적 일관성 특성뿐만 아니라 공간적 프로파일과 결합되어 비침습적 혈당 모니터링, 다양한 형태의 암 감지 및 동맥경화 진단을 위한 SWIR 기반 이미징의 타당성에 대한 지속적인 조사의 기초가 된다. 초분광 의료 이미징은 SWIR 기반 레이저 이미징이 진단과 수술대 모두에서 흥미롭고 새로운 기능을 가능하게 하는 또 다른 첨단 기술의 예이다.
전례 없는 스펙트럼 범위를 자랑하는 Acuros eSWIR 카메라는 조직 이미징과 초분광 이미징 애플리케이션 모두에서 SWIR 스펙트럼을 최대한 활용할 수 있게 해준다. 전례 없는 해상 도와 높은 SNR이 결합된 Acuros 카메라는 이러한 새로운 생체 의학 이미징 애플리케이션에 이상적인 감지 플랫폼이다.
군사 및 보안
SWIR 레이저 이미징은 은밀한 감지 방식이 필요한 국방 및 보안 분야에서 중요한 역할을 한다. 이러한 애플리케이션에는 가시성 향상을 위한 은밀한 조명, 장거리 표적/식별, 다양한 형태의 은폐된 통신이 포함된다.대기 전송 모델은 분산 감소로 인해더 긴 SWIR 파장이 안개 및 기타 열악한 대기 조건을 통해 더 쉽게 전파된다는 것을 예측하고 실제 시연을 통해 검증했다.
대부 분의 이미징 애플리케이션이 발생하는 대기의 밀도가 높은 표면 층에서 장거리 이미징은 특히 파장의 4승에 반비례하는 Mie and Rayleigh 분산으로 인해 어려움을 겪는다.
SWIR 기반 이미지 센서는 이러한 대기 효과로 인해 더 선명한 이미지를 제공할 뿐만 아니라, 향상된 작동 모드를 통해 더 높은 정확도와 범위로 SWIR 레이저를 감지할 수 있다. 최근 미군과 함께 레이저 거리 측정 애플리케이션을 위한 Acuros 카메라의 시연을 통해 2km 이상의 휴대용 1550nm 펄스 레이저 소스를 감지하는 데 성공했다.
<그림7> Acuros SWIR 카메라를 사용하여 1km 및 2km 목표 거리에서 태양광 아래에서 1550nm 레이저 범위 측정.
ToF 깊이 감지
레이저 광원을 이용한 비행 시간(ToF) 측정은 반도체 기술이 필요한 처리 속도를 달성하기 시작하면서 2000년대 초반에 등장하기 시작했다. 최근에는 소비자 전자 기기가 안면 인식, 자율 주행및 기타 라이더 기반 기능을 대중에게 선보이고 있다. 이러한 상업용 페이싱 애플리케이션의 특징 중 하나는 주어진 애플리케이 션의 범위, 시야각, 전력 요구 사항을 해결할 수 있는 눈에 안전한 레이저 솔루션이 필요하다는 것이다. SWIR 파장은 본질적 으로 눈에 더 안전하기 때문에 더 낮은 NIR 파장에 비해 중요한 이점을 제공한다.
또한 위에서 설명한 것과 동일한 산란 특성은 특히 열악한 환경에서 SWIR 기반 ToF 시스템의 범위 성능에 유리하게 작용한다. ToF 시스템이 고파장 이미 터의 이점을 계속 탐구함에 따라, SWIR 기반 카메라는 방출및 반사 방출 필드를 모두 감지하고 분석하는 데 점점 더 효과적인 도구가 되고 있다. Acuros CQD 카메라 기술은 이러한 스펙트럼 범위의 진단 도구뿐만 아니라 새로운 센싱 아키텍처를 구현하는 도구로서 이러한 노력을 촉진하는 가치를 입증했다.
요약
Swir Vision Systems는 레이저 기반 이미징 애플리케이션에 맞게 조정된 독점적인 CQD 카메라 제품군을 설계, 제작 및 판매한다. 넓은 센서 활성 영역, 특수 마운팅 솔루션, 높은 다이나믹 레인지, 프린지리스 이미징과 같은 고유한 특성 덕분에 Acuros 카메라는 모든 SWIR 레이저 이미징 애플리케이션에 선호되는 선택이다. Acuros 카메라는 1.7µm 이상의 eSWIR 영역에서 새로운 애플리케이션의 문을 열었을 뿐만 아니라, Acuros 레이저 시리즈 카메라는 근본적으로 새로운 레이저 기술을 구현하는 데 핵심적인 역할을 하고 있다.
자료제공: Swir Vision Systems(www.swirvisionsystems.com)
