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NETD(Noise Equivalent Temperature Difference)

열화상 카메라의 기술적인 세부 사항을 보면 "NETD"라는 표현을 접할 수 있습니다. 이 표현은 "Noise Equivalent Temperature Difference" 의 약자입니다. 이것은 열화상 감지기가 이미지에서 열 복사의 아주 작은 차이를 얼마나 잘 구별할 수 있는지에 대한 척도입니다. 

NETD는 일반적으로 밀리 켈빈(mK)으로 표시됩니다. 때로는 "열 대비"라고도 합니다. 노이즈가 측정 가능한 가장 작은 온도 차이와 같을 때 감지기는 유용한 열 신호를 분석할 수 있는 능력의 한계에 도달한 것입니다. 노이즈가 많을수록 검출기의 NETD 값이 높아집니다.

비냉각식열화상 카메라의 일반적인 값은 45mK 정도입니다. 광자 기반 및 극저온 냉각 카메라 는 약 18mK의 NETD 값을 얻을 수 있습니다. 노이즈 측정 값은 측정에 영향을 미치므로 특정 물체 온도에서 지정해야 합니다. 

예: NETD @ 30C: 60mK

NETD 측정 방법

검출기의 노이즈 등가 온도차를 측정하기 위해서는 카메라가 온도가 조절되는 흑체를 향해야 합니다. 측정을 시작하기 전에 흑체가 안정화되어야 합니다. 그런 다음 특정 온도에서 노이즈 등가 온도 차이를 측정합니다. 이것은 단일 스냅샷 측정이 아니라 노이즈의 시간적 측정입니다. NETD 값은 mK로 변환된 히스토그램(STDEV)의 표준 편차입니다.

NETD가 측정에 미치는 영향

아래 이미지는 두 대의 다른 카메라로 촬영한 동일한 장면을 보여줍니다. 한 카메라의 NETD는 60mK이고 두 번째 카메라의 값은 80mK입니다. 온도가 매우 낮은 이미지 영역은 80mK 카메라로 촬영한 이미지에서 훨씬 더 많은 노이즈를 보여줍니다. 20mK 차이는 별로 없어 보이지만 이미지 품질과 측정 정확도에 큰 영향을 미칠 가능성이 있습니다.

NETD에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 요인이 있습니다. 

열화상 카메라는 때때로 하나 이상의 보정된 온도 측정 범위와 함께 제공됩니다. 

1.  노이즈 측정값은 선택한 범위와 물체 온도에 따라 달라질 수 있습니다. 이미지에 상당한 열 대비가 있고 관심 온도가 배경 온도보다 훨씬 높으면 측정 정확도에 큰 영향을 미치지 않습니다. 

2.  NETD값을 비교할 때는 동일한 검출기 해상도와 프레임 속도에 대해 비교하는 것이 중요합니다. 검출기 해상도와 프레임 속도에 따라 검출기가 적외선을 누적하는 량이 달라지면 노이즈도 달라지기 때문입니다.

3.  광학 조리개(f-stop)의 값은 NETD에 제곱근만큼 영향을 줍니다. 가시광선 이미징에서는 광학 조리개 또는 F-stop이 렌즈에 의해 수집되는 빛의 양에 해당합니다. 열화상에서는 대부분 0.8에서 1.6사이의 F-number로 표시됩니다. 검출기 단독의 경우 NETD는 일반적으로 F/1로 제공됩니다. 모듈이나 카메라의 경우 NETD는 F-number에 의존합니다.

NETD = NETD 검출기 x (F-number 의 제곱)

예를 들어 NETD가 50mK @F/1 검출기의 경우

F/1.2이면 NETD는 72mK

F/0.8이면 NETD는 32mK

4.  노이즈 수준은 감지기 또는 카메라 온도의 영향도 받을 수 있습니다. 카메라가 높은 주변 온도에 노출되면 시스템 노이즈가 증가할 수 있습니다. 이는 카메라가 내부적으로 얼마나 잘 안정화되었는지에 달려 있습니다. 이 내부 온도 드리프트의 영향은 불균일 보정 또는 NUC 사이에서 관찰될 수 있습니다. 

IR 검출기(Detector)

적외선 분류에 따라 주요 활용처가 달라집니다. 다음 표는 적외선 분류에 따른 주요 활용처를 나타냅니다.

IR 검출기는 빛이 없는 어두운 상태에서도 물체에서 방출되는 적외선을 탐지하여 적외선의 양을 영상으로 표출해 줍니다.

IR 검출기는 적외선 에너지를 전기 신호로 변환하는 변환기 역할을 합니다. 이 변환의 품질은 열화상 시스템의 성능을 크게 결정합니다.

IR 검출기는 광자 검출기와 열형 검출기의 두 그룹으로 나눌 수 있습니다.

광자(또는 양자) 검출기에서 단일 단계 변환은 IR 방사선에서 광자를 흡수할 때 검출기 요소의 자유 전하 캐리어의 농도 또는 이동도를 변화시킵니다. 입사 방사선이 비평형 전하 캐리어를 생성하면 검출기 소자의 전기 저항이 변경되거나 추가 광전류가 생성됩니다.

이 검출기는 극도로 민감하므로 냉각이 필요합니다.

열형 검출기는 입사된 방사선을 흡수하여 재료의 온도 변화에 의해 발생되는 검출소자의 전기적 특성(기전력, 저항, 전하 등)을 측정하는 방법입니다.

다음 표는 적외선 검출기 비교를 보여주고 있습니다.

IR 검출기는 파장이 7~14μm인 적외선 복사에 민감한 작은 열 감지 센서 어레이입니다. 각 어레이 요소의 치수는 약 17 x 17µm(0.025 x 0.025mm)입니다. 적외선 에너지가 개별 볼로미터 요소에 부딪치면 요소의 온도가 상승하고 전기 저항이 변경됩니다. 이 저항 변화를 측정한 다음 열화상으로 그래픽으로 나타낼 수 있는 온도 값으로 처리합니다.

다음 그림은 열화상 카메라의 마이크로 볼로미터 감지기의 단일 픽셀을 보여줍니다. 픽셀은 기판에서 분리되고 아래에서 집적 회로(ROIC)를 판독하는 두 개의 다리가 있는 테이블 모양입니다. "테이블"은 VOx와 같은 전기 전도성 재료로 만들어지며 기본 전자 장치와 함께 완전한 회로를 형성합니다. 입사 LWIR 에너지가 "탁상"에 부딪치면 재료의 전기 저항이 변경됩니다. 더 많은 입사 방사선은 저항의 더 큰 변화를 일으킵니다. 이 저항 변화는 장치에 전류를 통과시켜 조사할 수 있습니다. 따라서 온도 변화를 전자 신호로 읽어 이미지를 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 픽셀 디자인이 복잡해지는 이유 중 하나는 "다리"가 픽셀을 열적으로 격리(응답을 생성하기 위해)하고 전기를 전도해야(응답을 조사할 수 있도록)하기 때문입니다.

마이크로볼로미터 센서는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 공정을 사용하여 제조되며, 일반적으로 특수 VOx 처리 기능을 갖춘 맞춤형 주조 공장에서 사용됩니다. 먼저 맞춤형 ROIC 웨이퍼가 제조됩니다. 여기에는 열 유도 저항 변화를 해석하는 데 필요한 복잡한 회로가 포함됩니다. 그런 다음 픽셀 어레이가 이 웨이퍼에 증착됩니다. 일반적인 픽셀 디자인은 상당히 복잡하며 기본 CMOS 레이어가 포함될 때 30개 이상의 마스크 레이어가 필요할 수 있습니다. 픽셀 어레이가 증착되면 웨이퍼는 개별 다이로 절단되어 완성된 마이크로볼로미터 센서를 생성하기 위해 진공 포장됩니다. 그런 다음 센서는 제어 및 처리 전자 장치에 통합되고 LWIR 광학 장치도 부착됩니다. 전체 엔진은 주변 온도에 대한 성능을 위해 보정되고 판매 준비가 완료됩니다.

방사율 증가시키는 방법

물질의 표면 특성에 따라 방사율이 결정됩니다. 물질의 방사율을 높이려면 표면의 방사율을 높여야 합니다. 

다음은 방사율을 높이기 위해 재료의 표면을 변경하는 몇 가지 방법입니다. 

적용/제거가 가장 쉽고 재료의 온도에 최소한의 영향을 미치는 방법을 선택하면 됩니다.

코팅, 처리제, 액체, 테이프 또는 분말을 가능한 한 얇게 도포하여 원래 재료의 열 거동을 변경하지 않도록 합니다.

테이프를 얇게 바르고 페인트, 래커 또는 기타 고방사 코팅을 얇게 바르는 방법

베이비파우더나 풋파우더를 얇게 펴 바르고 기름, 물 또는 기타 고방사율 액체를 얇게 바르는 방법

아노다이징 등의 표면처리로 표면을 거칠게(실질적으로 거칠게 해야 할 수 있음) 하는 방법

방사율 계산 방법

소프트웨어 적으로 방사율이 1 미만인 재료에 대해 방사율을 조정하여 정확한 온도 측정을 수행할 수 있습니다. 

그러나 측정의 정확도는 방사율 값과 주변 온도를 알고 있어야 정확도를 높일 수 있습니다.

또한 환경에 있는 물체의 온도는 균일해야 합니다. 주변보다 뜨겁거나 차가운 물체의 복사는 대상에서 반사되어 방사율 보정의 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.

물체의 방사율의 작은 변화는 측정된 온도에 눈에 띄는 영향을 줄 수 있습니다. 

예를 들어, 방사율이 0.02 감소하면 100°C에서 측정된 물체의 온도가 약 2°C 감소할 수 있습니다. 

마찬가지로 주변 온도의 변화는 측정된 온도에 영향을 줄 수 있습니다. 

예를 들어 주변 온도가 5°C 증가하면 방사율이 0.80인 40°C에서 물체의 측정 온도가 약 1°C 증가할 수 있습니다.

물체의 방사율을 보상하려면 먼저 물체의 방사율을 결정해야 합니다. 

표면 방사율을 결정하는 두 가지 기본 접근 방식이 있습니다. (표면 처리와 재료 가열)

표면 처리는 물체의 표면에 알려진 높은 방사율의 처리(보통 테이프 또는 페인트)를 적용한 다음 표면을 가열하는 방법입니다. 

재료 가열은 주변 온도보다 높은 알려진 정상 상태 온도로 물체를 균일하게 가열하는 방법입니다.

1.    표면 처리

이 방법은 물체의 크기와 모양이 마스킹 테이프로 적용 가능할 때 사용됩니다.

마스킹 테이프는 균일한 방사율(0.95)과 두께로 인해 100°C 미만의 물체 온도에 선호되는 표면 처리입니다. 

또는 테이프를 붙일 수 없는 표면이 작거나 고르지 않은 물체에 페인트나 흰색을 얇게 칠할 수도 있습니다. 

페인트 또는 화이트아웃 사용의 단점은 도포 두께의 변화로 인한 코팅 방사율 및 열확산의 편차가 발생할 수 있습니다. 그러나 코팅을 적용할 때 주의를 기울이면 균일한 결과를 얻을 수 있습니다.

표면 처리 방법을 사용하여 물체의 방사율을 결정하려면 다음 단계를 따릅니다.

관심 영역에 마스킹 테이프의 작은 부분을 적용하고 원래 표면의 일부가 노출되도록 둡니다.

표면을 100°C 미만의 온도로 가열하십시오. 가열은 장치에 전원을 공급하거나 가열판 또는 열풍 총을 사용하여 표면을 가열하는 등 다양한 방법으로 수행할 수 있습니다.

가열된 표면의 열화상 영상을 캡처합니다.

테이프를 둘러싸는 작은 영역과 노출된 표면을 둘러싸는 두 번째 작은 영역을 그립니다.

테이프를 둘러싸는 영역의 방사율을 0.95로 설정합니다.

두 영역 내의 온도가 같아질 때까지 노출된 표면을 둘러싸는 영역의 방사율을 조정합니다. 물체의 방사율을 기록하십시오.

2.    재료 가열

이 방법은 물체의 크기가 작거나 표면의 특성으로 인해 표면에 테이프나 페인트를 칠할 수 없는 경우에 사용합니다. 재료 가열은 또한 다양한 표면을 가진 복잡한 물체를 구성하는 다양한 재료의 방사율을 결정하는 데 사용할 수 있습니다.

재료 가열 방법을 사용하여 물체의 방사율을 결정하려면 다음 단계를 따릅니다.

알려진 균일한 정상 상태 온도로 물체를 가열합니다. 반도체 칩과 같이 작고 얇은 물체를 가열하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 가열판을 사용하는 것입니다. 열 챔버는 물체를 이미지화하기 위해 챔버에 개구부 또는 적외선 창이 있는 경우에도 사용할 수 있습니다.

열화상에서 방사율이 높은 영역의 온도를 측정하거나 접촉식 온도 프로브를 사용하여 물체의 정상 상태 온도를 측정합니다.

측정할 각각의 다른 표면을 둘러싸는 작은 영역을 그립니다.

영역 내의 온도가 2단계에서 측정한 물체의 온도와 같아질 때까지 각 영역의 방사율을 조정합니다. 각각의 다른 표면의 방사율을 기록합니다.

접촉 온도 프로브에 대한 참고 사항

적절한 상황에서 사용하고 올바르게 적용하면 열전대, 서미스터 및 RTD와 같은 접촉 온도 프로브를 사용하여 표면 온도를 정확하게 측정할 수 있습니다. 

그러나 작은 물체와 얇은 표면은 이러한 장치를 사용하여 정확하게 측정하기에 충분한 열 질량을 포함하지 않을 수 있습니다. 이러한 경우 접촉 프로브가 방열판 역할을 하여 재료의 온도를 낮추어 잘못된 판독값을 생성할 수 있습니다. 또한 프로브를 재료와 동일한 온도로 가열하기에 충분한 열 에너지를 전달하려면 재료와 접촉 프로브 사이에 양호한 열 결합이 있어야 합니다. 많은 경우 열 결합이 불량하면 실제 온도보다 훨씬 낮은 잘못된 온도 측정이 발생합니다.

방사율 값

방사율은 재료의 복사 효율을 측정한 것입니다. 1의 방사율은 재료가 에너지를 방출하는 데 100% 효율적임을 의미합니다. 0.2의 방사율은 물질이 복사할 수 있는 것의 20%만 복사한다는 것을 의미합니다.

방사율 값 표는 실제 재료에 대한 대략적인 값일 뿐입니다. 방사율 값의 범위는 일반적으로 표면 거칠기 또는 마감의 영향을 받을 수 있는 방사율을 가진 많은 재료에 대해 제공됩니다. 

또한 플라스틱과 같은 얇은 재료 시트는 적외선에서 반투명할 수 있으므로 방사율이 감소합니다.

재료의 표면 온도 측정을 최적화하려면:

주변의 고온 물체로부터 재료를 차폐하여 반사를 피하십시오.

플라스틱 필름과 같은 반투명 재료의 경우 배경이 균일하고 재료보다 온도가 낮은지 확인하십시오.

방사율이 약 0.90보다 작을 때마다 재료 표면에 수직으로 측정을 수행합니다. 모든 경우에 수직에서 30도보다 큰 각도를 초과하면 안됩니다.

방사율 정리

모든 물체들은 재료나 표면 상태에 따라 적외선 에너지를 다르게 방출하고 있습니다. 방사율은 물질이 적외선 에너지를 방출하는 효율성을 설명합니다.

방사율의 물리학

적외선 에너지는 고체, 액체 또는 기체와 같은 물질에 입사할 때 흡수, 반사 및 투과 특성을 나타냅니다.

흡수(Absorption)

흡수는 적외선 에너지가 물질에 흡수되는 정도입니다. 플라스틱, 세라믹 및 섬유와 같은 재료는 좋은 흡수제입니다. 실제 물체에 의해 흡수된 적외선 에너지는 일반적으로 전도, 대류 또는 복사에 의해 주변으로 재전송됩니다.

투과(Transmission)

투과율은 적외선 에너지가 물질을 통과하는 정도입니다. 7~14µm 사이의 적외선 영역에서 에너지를 효율적으로 전달하는 재료는 거의 없습니다. 게르마늄은 적외선 에너지를 잘 투과시키므로 적외선 카메라의 렌즈 재료로 자주 사용됩니다.

반사(Reflection)

반사는 적외선 에너지가 재료에서 반사되는 정도입니다. 알루미늄, 금, 니켈과 같은 광택이 나는 금속은 매우 좋은 반사체입니다.

에너지 보존은 입사 에너지의 양이 흡수, 반사 및 투과 에너지의 합과 같다는 것을 의미합니다.

입사 에너지 = 흡수 에너지 + 투과 에너지 + 반사 에너지

일정한 온도에서 진공 상태의 물체는 입력되거나 출력되는 다른 에너지원이 없습니다. 

물체에 의해 흡수된 에너지는 열 에너지를 증가시키지만 투과 및 반사 에너지는 증가하지 않습니다. 물체의 온도가 일정하게 유지되기 위해서는 물체가 흡수하는 에너지와 동일한 양의 에너지를 방출해야 합니다. 따라서 좋은 흡수체인 물체는 좋은 방출체이고 열악한 흡수체인 물체는 나쁜 방출체입니다.

방출 에너지 = 흡수 에너지

흡수 에너지를 방출 에너지로 대체하면 다음 식으로 교체됩니다.

입사 에너지 = 방출 에너지 + 투과 에너지 + 반사 에너지

입사 에너지를 100%로 설정하면 다음 식으로 교체됩니다.

100% = %(방출된 에너지) + %(투과된 에너지) + %(반사된 에너지)

방사율은 물질이 에너지를 방출하는 효율과 같기 때문에 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

100% = 방사율 + %(투과 에너지) + %(반사 에너지)

%(투과 에너지) 및 %(방출 에너지)는 다음 식과 같이 교체 가능합니다.

100% = 방사율 + 투과율 + 반사율

위의 식에 의하면 방사율, 투과율 및 반사율 사이에 균형이 있습니다. 

물체의 방사율이 증가하면 투과율과 반사율의 합은 감소해야 합니다. 마찬가지로 물체의 반사율이 증가하면 방사율과 투과율의 합은 감소해야 합니다.

대부분의 고체 물체는 적외선 에너지의 투과율이 매우 낮습니다. 입사 에너지의 대부분은 흡수되거나 반사됩니다. 

투과율을 0으로 설정하면 다음과 같이 다시 표현할 수 있습니다.

100% = 방사율 + 반사율

에너지를 전달하지 않는 물체의 경우 방사율과 반사율 사이에는 단순한 균형이 있습니다. 방사율이 증가하면 반사율은 감소해야 합니다. 반사율이 증가하면 방사율은 감소해야 합니다. 

예를 들어,

방사율이 0.92인 플라스틱 재료의 반사율은 0.08입니다. 

방사율 = 0.12인 광택 처리된 알루미늄 표면은 반사율 = 0.88입니다.

대부분의 재료의 방사 및 반사는 전자기 스펙트럼의 가시광선 및 적외선 영역에서 유사합니다. 예를 들어 광택 처리된 금속은 가시광선과 적외선 모두에서 방사율이 낮고 반사율이 높습니다.

방사율의 영향

열화상 카메라는 카메라 디텍터의 감도에 의해 결정되는 파장 범위에서 적외선 에너지의 합을 감지하고 측정합니다. 인간의 눈이 가시광선 파장의 빛을 색상으로 구별할 수 있는 것처럼 열화상 카메라는 7µm의 에너지와 14µm 사이의 에너지를 구별할 수 있습니다. 디텍터는 작동 파장 범위에서 방출된 에너지를 감지하고 정량화하여 물체의 온도를 계산합니다. 온도는 측정된 에너지를 플랑크의 흑체 법칙에 따라 동일한 양의 에너지를 방출하는 흑체의 온도와 연관시켜 계산됩니다.

물체의 방사율은 물체가 방출하는 에너지 양에 영향을 미치므로 방사율은 카메라의 온도 계산에도 영향을 줍니다. 동일한 온도에 있는 두 물체, 즉 하나는 방사율이 높고 다른 하나는 낮은 경우를 고려해 보면, 두 물체의 온도가 같더라도 방사율이 낮은 물체는 더 적은 에너지를 방출합니다. 결과적으로 카메라에서 계산한 온도는 방사율이 높은 물체에 대해 계산된 온도보다 낮습니다.

겉보기 온도 (Apparent Temperature)

열화상 카메라는 실제 온도를 계산하기 위해 물체의 방사율을 감지할 수 없습니다. 열화상 카메라는 물체의 "겉보기" 온도만 계산할 수 있습니다.

물체의 겉보기 온도는 물체의 온도와 방사율의 함수로 구해집니다. 

실제 온도는 같지만 방사율이 다른 두 물체가 주어지면 방사율이 더 높은 물체에 대해 더 높은 겉보기 온도가 계산됩니다. 

방사율은 같지만 실제 온도가 다른 두 물체가 주어지면 실제 온도가 더 높은 물체에 대해 더 높은 겉보기 온도가 계산됩니다. 

물체의 겉보기 온도는 실제 온도와 크게 다를 수 있습니다.

물체의 방사율이 알려진 경우에만 열화상 카메라가 방사율을 보정하고 실제 온도를 계산할 수 있습니다.

반사율 (Reflectivity)

반사율이 높은 물체는 다른 물체에서 방출되는 에너지를 반사할 수 있습니다. 

예를 들어 광택 처리된 알루미늄은 표면에 입사하는 에너지의 약 90%를 반사합니다. 

열화상 카메라가 물체의 실제 온도를 계산하기 위해 필요한 물체의 방사율과 반사율을 감지할 수 없습니다. 따라서 열화상 카메라는 물체의 겉보기 온도를 계산할 때 물체에서 방출되는 에너지와 물체 표면에서 반사되는 에너지를 감지하고 정량화합니다. 

물체가 더 높은 온도의 다른 복사원으로부터 에너지를 반사하는 경우 물체에 대해 계산된 겉보기 온도는 실제 온도보다 더 높을 것입니다. 

마찬가지로 물체가 더 낮은 온도의 다른 방사원으로부터 에너지를 반사하는 경우, 실제 온도는 같지만 방사율이 다른 두 물체가 주어지면 방사율이 더 높은 물체에 대해 더 높은 겉보기 온도가 계산됩니다.

방사율은 같지만 실제 온도가 다른 두 물체가 주어지면 실제 온도가 더 높은 물체에 대해 더 높은 겉보기 온도가 계산됩니다. 

물체의 겉보기 온도는 실제 온도와 크게 다를 수 있습니다. 물체의 방사율이 알려진 경우에만 열화상 카메라가 방사율을 보정하고 실제 온도를 계산할 수 있습니다.

방사율 예

재료의 방사율은 파장에 따라 달라질 수 있습니다. 그러나 대부분의 재료는 열화상 카메라가 작동하는 파장 범위 전체에 걸쳐 비교적 균일한 방사율을 가지고 있습니다. 예를 들어, 대부분의 플라스틱, 세라믹 및 금속의 방사율은 7~14µm의 파장 범위에서 크게 변하지 않습니다.

재료마다 방사율 값이 0~1 범위 내에서 변합니다. 

플라스틱, 세라믹, 물 및 유기 물질을 포함한 많은 일반적인 물질은 높은 방사율을 가지고 있습니다. 

코팅되지 않은 금속은 방사율이 매우 낮을 수 있습니다. 예를 들어 광택 처리된 스테인리스 스틸은 방사율이 약 0.1이므로 동일한 온도에서 흑체 에너지 양의 10분의 1만 방출합니다.

특정 물질의 방사율은 특정 화학적 구성과 표면 특성에 따라 다릅니다. 예를 들어 매끄럽고 반짝이는 표면은 반사율이 높아 방사율이 낮은 경향이 있습니다.