12미크론 비냉각 LWIR 검출기를 위한 렌즈 설계의 진화

다음 글은 12um 비냉각 검출기를 위한 렌즈 설계의 진화 논문에 대한 번역글입니다.

 

The evolution of lens designs for 12micron uncooled LWIR detectors

 

Electro-Optic Materials, 1 January 2019

John W. Franks (a), Thomas Hingant (b), Paul Vervoort (c)

 

요약

최근 몇 년 동안 장파 적외선 검출기의 픽셀 피치가 감소하는 추세가 계속되고 있습니다. 픽셀 피치는 2000년 50미크론의 최신 기술에서 12미크론의 현재 부상하는 표준으로 감소했습니다. 10미크론 픽셀 피치 검출기를 제공하는 일부 검출기 제조업체도 있으며 더 작은 픽셀 피치 검출기가 현재 개발 중이며 주류가 될 것으로 예상됩니다. 이 문서에서는 검출기 픽셀 피치와 광학 장치 제조 비용 간의 연관성을 살펴봅니다. 픽셀 피치와 방사 측정 간의 관계를 검토하고 이것이 렌즈의 광학 설계 요구 사항에 어떤 영향을 미치는지 확인합니다. 우리는 예상과 달리 광학의 기본 비용이 픽셀 피치에 따라 계속 감소하지 않는다는 것을 증명할 것입니다.

 

키워드 : LWIR, 마이크로 볼로미터, 픽셀, 렌즈 디자인, 비용

1. 소개

큰면적 FPA(Focal Plane Array) 감지기의 도입은 열화상 기술에 큰 영향을 미쳤습니다. LWIR(Long Wave Infra-Red) 열화상의 경우 1990년대 비냉각식 큰면적 어레이의 도입은 혁명이었습니다. 복잡한 냉각 메커니즘과 복잡한 스캐닝 메커니즘에 대한 요구 사항을 제거하여 처음으로 작고 가벼우며 저렴한 열화상 카메라를 사용할 수 있게 되었습니다. 이것은 차례로 열화상을 위한 최초의 대중 시장 응용을 가능하게 했습니다. 그 이후로 더 작은 픽셀 피치 감지기로 향하는 추세는 열화상 시스템 개발에서 변함없는 사실이었습니다. 20년 이상 동안 검출기 제조업체는 검출기의 크기와 비용을 줄이는 1차 효과와 렌즈 어셈블리의 크기와 비용을 줄이는 2차 효과가 있기 때문에 더 작은 픽셀 피치를 추구해 왔습니다. 검출기 및 렌즈 어셈블리는 최신 열화상 카메라에서 가장 큰 비용 항목이기 때문에 열화상 카메라 제조 비용을 획기적으로 절감할 수 있었습니다. 이러한 지속적인 추세의 결과로 자동차 애플리케이션 및 휴대폰을 포함한 최초의 소비자 애플리케이션에 열화상을 가져오는 것이 가능해졌습니다.

 

감지기 기술은 참신하고 감지기는 거의 모든 열화상 시스템에서 가장 고가의 품목이었기 때문에 혁신과 비용 절감을 위한 초기 노력은 감지기에 집중되었습니다. 그러나 다른 사람들은 기존의 광학 솔루션이 곧 열화상을 대중 시장에 도입하기에는 너무 비싸게 될 것이라는 사실을 깨달았습니다. 이는 칼코겐화물 유리와 몰딩과 같은 혁신적인 제조 공정을 사용한 솔루션의 개발 및 산업화로 이어졌습니다. 개발이 계속됨에 따라 12미크론 픽셀 피치 검출기로의 이동은 광학 설계에 대한 도전과제를 수반할 것이라는 것이 분명해졌습니다. 확실히 더 작은 픽셀 피치는 더 짧은 초점 거리를 허용하여 동일한 시야를 제공합니다.

 

이 문서의 첫 번째 부분에서는 기존 작업을 검토하여 더 작은 픽셀 피치 검출기가 렌즈 설계 및 렌즈 제조에 미치는 영향을 정의합니다. 두 번째 부분에서는 12미크론 검출기에 대한 일부 현재 렌즈 디자인을 예로 사용하여 이러한 영향을 검토하고 이러한 예에서 미래 세대의 광학 장치에 대한 영향을 살펴봅니다.

2. 일반 고려 사항

역사적으로 검출기의 픽셀 피치 감소는 검출기의 비용을 줄이는 데 사용되었습니다. 이는 픽셀 수가 일정하게 유지되어 감지기의 물리적 치수가 더 작아짐을 의미합니다. 이것은 가장 일반적인 검출기 형식을 보면 알 수 있습니다. 지난 20년 동안 이것은 분명히 QVGA 감지기(320x240 픽셀 또는 이와 유사한 것)였습니다. 감지기의 활성 영역 크기는 픽셀 크기와 픽셀 수를 알면 쉽게 계산할 수 있습니다(그림 1 참조). 활성 영역은 하나의 실리콘 웨이퍼에 몇 개의 디바이스를 배치할 수 있는지를 결정하고 디바이스로 가득 찬 웨이퍼를 제조하는 비용은 웨이퍼에 있는 디바이스의 수와 상관없이 대부분 고정되어 있기 때문에 활성 영역이 크게 정의된다는 것은 분명합니다. 지난 20년 동안 감지기의 활성 영역 크기는 50미크론 픽셀 피치 QVGA 감지기의 경우 16mm x 12mm에서 12미크론 픽셀 피치 QVGA 감지기의 경우 3.84mm x 2.88mm로 감소했습니다. 이것만으로도 웨이퍼당 17배 더 많은 검출기 및 검출기당 가격이 동일한 수준으로 감소함을 의미합니다. 당연히 고려해야 할 다른 많은 요소가 있습니다. 예를 들어 웨이퍼의 크기가 증가하고 제조 효율성과 수율도 향상될 것으로 예상됩니다.

 

그 결과 오늘날 검출기의 비용과 렌즈 어셈블리의 비용은 동일한 규모이므로 시스템 가격을 결정하는 데 있어 렌즈 비용이 중요합니다. 따라서 픽셀 피치 변경이 렌즈 사양 및 디자인에 미치는 영향을 고려할 것입니다.

 

이전 카메라와 관련하여 더 작은 픽셀 피치 감지기로 새 카메라를 정의합니다. 새 카메라와 이전 카메라 모두 사용자에게 동일한 이미지를 제공해야 합니다. 픽셀 수가 일정하게 유지되고 새 카메라의 시야가 이전 카메라와 동일하다고 가정합니다. 또한 검출기 효율이 일정하다고 가정합니다.

 

이러한 가정을 통해 간단한 삼각법을 통해 초점 거리가 픽셀 피치에 비례한다는 것을 계산할 수 있습니다. 그림 2a 및 2b는 등가 17미크론 및 12미크론 픽셀 피치 시스템을 보여줍니다. 초점 거리가 감소한 것을 확인하고 다음과 같은 관계를 계산할 수 있습니다.

흥미롭게도 카메라 수준 성능이 동일하게 유지되어야 한다고 정의했기 때문에 물체에서 동일한 양의 에너지를 수집해야 합니다. 이것은 물리적 조리개가 불변하므로 렌즈 어셈블리가 더 빠르다는 것을 의미합니다. f/넘버는 초점 거리와 같은 비율로 감소해야 합니다. 실제 예를 들어 17미크론 카메라 시스템에 50mm f/1.4 렌즈가 필요한 경우 12미크론 카메라 시스템에는 36mm f/1.0 렌즈가 필요하다고 계산합니다.

 

그림 2. a에 대한 등가 렌즈의 개략도. 17μm 피치 검출기 및 b. 동일한 수의 픽셀을 표시하는 12μm 피치 검출기. H 및 H'는 주요 평면입니다. 

 

동일한 이미지 선명도를 유지하려면 동일한 조리개 증가가 필요합니다. 이 파장대에서 모든 일반 렌즈는 효과적으로 회절 제한이 있는 것으로 간주할 수 있으므로 PSF의 너비는 다음과 같습니다.

여기서 D는 광학 시스템의 조리개 직경입니다. λ가 일정하기 때문에 PSF의 폭은 f/number인 f'/D에 비례합니다. 픽셀 피치가 감소함에 따라 이미지 선명도가 일정하게 유지되어야 하기 때문에 픽셀 피치에 따라 스케일링하려면 f/넘버가 필요합니다. 다시 한 번 이것은 우리의 공칭 50mm f/1.4 렌즈가 36mm f/1.0 렌즈가 되어야 한다는 것을 요구합니다. 이것은 그림 2c에 개략적으로 나와 있습니다.

 

이미지 선명도에 대한 요구 사항을 확인하는 또 다른 실용적인 방법은 검출기의 Nyquist 한계를 사용하는 것입니다. 렌즈의 이미지 선명도는 변조 전달 함수(MTF)으로 특징지을 수 있습니다. 검출기의 나이퀴스트 한계는 검출기의 픽셀 피치에 의해 다음과 같이 정의됩니다.

여기서 𝑏𝑝는 그림 1에 정의된 픽셀 피치입니다. 이미지 선명도 요구 사항을 Nyquist 주파수에서 일정한 MTF로 정의할 수 있습니다. 따라서 픽셀 피치가 줄어들면 Nyquist Limit가 증가합니다. 예에서는 29.4cy/mm에서 41.7cy/mm로 증가합니다. 렌즈 성능은 본질적으로 회절이 제한되어 있으므로 더 높은 공간 주파수에서 일정하게 유지되도록 렌즈의 MTF를 높이는 방법은 단 한 가지뿐입니다. 즉, 픽셀 피치 변화의 비율로 렌즈를 더 빠르게 만드는 것입니다.

 

따라서 픽셀 피치가 감소함에 따라 렌즈 설계에 두 가지 효과가 나타납니다. 첫 번째는 더 짧은 초점 거리이고, 두 번째는 더 빠른 렌즈를 제공하는 고정 조리개 크기입니다. 더 짧은 초점 거리의 이점은 일반적으로 더 컴팩트한 시스템으로 이어진다는 것입니다. 이것은 좁은 시야와 중간 시야에 특히 해당됩니다. 이러한 응용 분야에서 좁은 시야 렌즈의 길이는 초점 거리와 거의 같으며 일반적인 카메라 코어의 길이는 30mm입니다. 따라서 예제 시스템의 경우 17미크론 픽셀 피치 감지기용 카메라와 렌즈의 길이는 80mm일 수 있지만 12미크론 픽셀 피치 시스템은 66mm로 상당한 감소가 있을 수 있습니다. 더 빠른 f/넘버의 효과는 더 미묘합니다. 모든 시야에서 설계 작업이 더 까다로워질 것으로 예상할 수 있습니다.

 

좁은 화각의 경우 이는 제조의 어려움으로 표현되지만 넓은 화각의 경우 렌즈 요소의 수가 증가하고 이로 인해 때때로 시스템의 크기와 무게가 증가할 것으로 예상할 수 있습니다.

3. 더 빠른 광학 및 시스템 영향

이전 섹션에서는 픽셀 피치에 따라 초점 거리가 감소함에 따라 고정 조리개 크기에 대한 요구 사항을 정의했습니다. 이는 시스템 수준에서 동일한 성능을 제공하기 위한 것입니다. 한 걸음 물러서서 실제 시스템에서 이루어진 선택을 고려하는 것은 흥미로울 것입니다. 시스템 요구 사항이 감지기 진화에 대해 고려하는 기간(약 15~20년) 동안 일관되게 유지된 예를 선택하는 것이 중요합니다. 한 가지 예는 상업용 자동차 야간 투시 시스템입니다. 이를 위한 시스템 요구 사항은 사실상 일정하게 유지되었습니다. 검출기는 QVGA(320 x 240 픽셀) 검출기이며 픽셀 피치가 감소함에 따라 세 가지 버전이 있습니다. 1세대는 38미크론 픽셀의 검출기를 사용했고, 두 번째 25미크론 픽셀과 3세대는 17미크론 픽셀을 사용했습니다. 첫 번째 버전과 두 번째 버전 간에 시야가 변경되었지만 세 시스템 모두 비슷한 시야를 가지고 있습니다. 픽셀과 피치에 따라 변경된 광학계의 초점 거리와 f/넘버, 그리고 우리가 살펴볼 것은 이러한 변화입니다.

 

픽셀 피치에 따른 f/number의 변화는 그림 3에 나와 있습니다. 점선은 이미지 선명도와 에너지 수집을 유지하기 위한 이론적 요구 사항을 나타내고 실선은 시스템 엔지니어가 선택한 실제 선택을 나타냅니다. 시스템 엔지니어가 더 넓은 시스템 목표를 달성하기 위해 광학 사양을 타협하기로 일관되게 선택했음이 즉시 분명합니다. 자동차 환경에서 중요한 요소는 성능, 비용 및 크기입니다. 이 응용 프로그램에서는 무게가 덜 중요하지만 크기가 줄어들면 무게도 줄어듭니다.

 

이론적으로 동일한 시스템과 비교하여 실제 시스템의 조리개 변화는 감지기에서 수집된 에너지가 세대 간에 체계적이고 크게 떨어짐을 의미합니다. 25미크론 픽셀 피치의 2세대는 1세대(38미크론 픽셀 피치)가 수집한 에너지의 73%를 수집합니다. 17미크론 픽셀 피치의 3세대는 1세대에서 수집한 에너지의 51%를 수집합니다. 시스템에 대해 인용된 감지 범위가 3세대 모두에 대해 일정하게 유지되었기 때문에 감지기의 개선된 감도와 카메라의 개선된 이미지 처리로 에너지 감소가 보상되었습니다.

 

그림 4는 3개의 서로 다른 검출기에 사용된 3개의 렌즈 설계에 대한 정규화된 MTF 대 필드 각도를 보여줍니다. 직선은 3개의 시스템 각각에 대한 회절 한계를 나타내며, 조리개를 절충하기로 결정하면 최대 성능이 20% 저하됨을 알 수 있습니다. 점선은 렌즈의 공칭 성능을 나타내며 실제 이미지 선명도가 3가지 시스템 모두에서 유사함을 보여줍니다. MTF가 FOV에 대해 평균화되면 2세대와 3세대 모두 1세대에 비해 이미지 선명도가 실제로 향상됩니다. 그러나 2세대(+21%)에서 최대 이미지 선명도를 달성했으며 3세대에서는 1세대보다 5% 개선된 수준으로 다시 떨어집니다.

 

 

2세대의 개선은 광학 설계의 정교함 증가와 제조 방법의 개선 때문이었습니다. 이 두 가지 요소가 함께 작용한 이유는 제조 과정에서 구현된 개선으로 인해 더 까다로운 설계를 허용하고 더 엄격한 허용 오차를 포함할 수 있었기 때문입니다. 3세대 솔루션은 그 디자인의 정교함과 제조 방법의 개선을 계속했습니다. 3세대에서는 모든 표면이 비구면 처리되었으며 제조 허용 오차가 다시 증가했습니다. 그림 4는 각 세대에서 설계가 최대 이미징 성능을 정의하는 회절 제한에 가까워지는 것을 보여줍니다. 이미징 성능 σ에 대한 성능 지수를 계산할 수 있습니다.

여기서:

 

 

이 공식을 사용하면 1세대의 경우 σ = 66%, 2세대의 경우 σ = 85%, 3세대의 경우 σ = 88%입니다. 파면 오류가 파장의 1/4 미만인 경우 시스템은 일반적으로 회절 제한으로 간주됩니다. 파면 오류 파장의 4분의 1은 σ = 80%를 제공하므로 2세대 및 3세대 광학 장치가 "회절 제한"이라는 기존의 정의보다 이미 훨씬 더 우수하다는 것을 알 수 있습니다.

 

현재 시장이 12미크론 픽셀 피치의 검출기로 이동하면서 4세대 시스템이 가능합니다. 현재 대량 생산에 사용할 수 있는 4세대 자동차 제품이 없으므로 4세대 시스템이 어떤 모습일지 추측하는 것은 흥미롭습니다. 이미지 성능이 절대 회절 한계에 훨씬 더 가까워질 수 있다고 가정할 수 있지만 이 영역에서 개선 가능성이 제한적이라는 것은 이미 분명합니다. 이 연습의 목적을 위해 우리는 4세대에서 σ = 90%가 달성될 수 있다고 가정할 수 있습니다. 시스템 요구 사항이 일정하다고 가정하면 동일한 시야를 캡처하도록 초점 거리가 정의되고 픽셀 수는 일정하게 유지되며 유일하게 남은 변수는 시스템의 조리개입니다.

 

그림 5는 이전 3세대에 걸친 평균 MTF의 장기 추세와 차세대 12미크론 픽셀 피치 카메라에 대해 서로 다른 조리개를 선택했을 때 평균 MTF에 미치는 영향을 보여줍니다. 이 수치는 Nyquist 주파수에서의 회절 한계와 σ = 90%의 공칭 값에서 계산된 이론상입니다. f/1.0 케이스에 대한 설계 연구에 따르면 두 요소 솔루션이 가능하지만 두 요소의 한계 내에서 달성할 수 있는 시그마의 최대값은 σ = 85%입니다. 조리개가 빨라지면 시그마의 최대값이 빠르게 떨어지고 광학 수차를 제어하기 위해 추가 요소가 필요합니다. f/0.74 케이스에 대한 설계 연구가 완료되지 않았지만 적절한 수차 제어를 위해 4개 이상의 요소가 필요할 가능성이 있습니다.

 

 

적절한 f/number를 선택하는 결정 프로세스의 중요한 부분은 시스템의 에너지 예산입니다. 이것은 12미크론 검출기의 감도가 크게 향상되지 않았기 때문에 시스템 설계자에게도 어려운 영역입니다. 예를 들어, FLIR는 17미크론 상업용 카메라 시리즈의 경우 60mK, 동급 12미크론 카메라 시리즈의 경우 60mK의 NETD를 인용합니다. f/number를 일정하게 유지하면 이미 감지기에 도달하는 에너지를 줄인다는 것을 입증한 것입니다. 이렇게 하면 장면의 온도 차이에 대한 카메라 감도가 줄어들고 잠재적으로 카메라의 최대 범위가 줄어듭니다. 분명히 이것은 더 빠르고 더 비싼 광학 장치로 나아가고 있습니다.

4. 광학 설계 솔루션

Umicore는 17미크론 픽셀 피치 비냉각식 감지기를 위해 설계된 다양한 카탈로그 렌즈를 보유하고 있으며 2017년부터 12미크론 픽셀 감지기를 위한 다양한 렌즈를 설계 및 제조했습니다. Umicore는 렌즈 요소 제조에 자체 재료를 사용합니다. 주로 이것은 많은 장점이 있는 자체 칼코겐화물 유리 GASIR®입니다. 때때로 게르마늄은 광학 설계에 이점을 제공할 때도 사용됩니다. 이 광범위한 설계 데이터베이스는 12미크론 픽셀 피치 검출기의 광범위한 의미를 조사하는 데 사용됩니다.

역사적으로 자동차 케이스는 까다로운 응용 분야였으며 나머지 시장의 조리개 요구 사항은 덜 엄격했습니다. 

 

결과적으로 17미크론 검출기용 카탈로그 렌즈의 조리개는 f/1.0에서 f/1.5까지 다양하며 평균 값은 f/1.20입니다. 앞서 제시한 이론적 분석을 사용하면 12미크론 검출기에 대해 f/0.7에서 f/1.1 범위가 됩니다. 그러나 12미크론 렌즈의 조리개 범위는 f/1.0에서 f/1.1까지 훨씬 좁고 평균은 f/1.02라는 점에 유의하십시오. 이것은 시스템 엔지니어가 어려운 결정을 내리고 있음을 나타내는 또 다른 표시입니다. 조리개의 감소된 범위와 더 빠른 평균은 해상도와 감도의 일부 조합이 시스템 성능을 제한하기 때문일 수 있습니다. 다른 출처에서는 현재 시스템의 분해능 한계가 여전히 감지기[1]라고 명시하고 있기 때문에 제한 요인은 에너지 수집인 것 같습니다. 에너지 수집과 해상도를 모두 향상시키기 위해 더 빠른 광학 장치가 바람직할 수 있으며 렌즈 속도를 높이는 비용이 성능 이점을 정당화하지 못합니다.

 

12미크론 픽셀 피치 검출기의 f/넘버 범위가 훨씬 더 좁아지는 이유를 이해하려면 더 넓은 범위의 f/넘버에 대한 솔루션이 무엇인지 고려해야 합니다. 따라서 이 연구에서는 8° ~ 120°의 수평 시야와 f/0.8 ~ f/1.2의 f/넘버 범위에 대해 12미크론 픽셀 피치 렌즈를 고려했습니다.

 

f/넘버가 빨라질수록 만족스러운 성능을 제공하는 데 필요한 광학 요소의 수가 증가한다는 것은 가시광학계에서 잘 알려져 있습니다. 이것에 대한 많은 예가 있지만 아마도 가시 파장대에서 가장 명백한 예는 현미경 대물 렌즈의 설계일 것입니다. 우리의 경우 장파 적외선도 예외는 아니며 12마이크론 픽셀 피치 검출기로 처음으로 상당한 영향을 미치기 시작했습니다. 17미크론 픽셀 피치 VGA 검출기(640 x 480픽셀)의 경우 더 느린 f/넘버는 8°에서 120°의 전체 시야 범위에 걸쳐 2개의 요소 솔루션을 허용합니다. 12미크론 픽셀 피치 VGA 감지기의 경우 상황은 불행히도 다릅니다.

 

그림 6: 검출기가 12미크론 픽셀 피치 VGA 검출기인 경우 적절한 이미지 선명도를 제공하기 위해 추가 렌즈 요소가 필요한 경우 f/넘버와 수평 시야 간의 관계를 보여주는 그래프.

 

그림 6은 렌즈 f/넘버의 함수로 허용 가능한 이미지 선명도를 제공하기 위해 추가 요소가 필요한 f/넘버를 보여줍니다. 이 연구는 제한된 수의 실제 설계 솔루션을 기반으로 하므로 원활한 기능이 아닙니다. 그럼에도 불구하고 두 요소 시스템이 더 이상 가능하지 않은 경계선이 있음을 분명히 알 수 있습니다. 그래프는 또한 120°의 수평 시야각으로 f/0.8 렌즈를 얻기 위해 4개의 요소가 필요함을 보여줍니다. 추가 분석을 통해 이것이 유사한 경계선의 한 지점임을 입증할 것으로 예상됩니다.

세 가지 요소가 필요한 지점은 이야기의 일부일 뿐입니다. 현대 렌즈 디자인의 핵심 요소 중 하나는 비용 효율적인 시스템을 찾는 것입니다. 12미크론 픽셀 피치 검출기용 렌즈를 설계할 때 2요소 솔루션이 가능할 수 있지만 이 경계 영역에서는 3요소 솔루션이 더 비용 효율적일 수 있음을 확인했습니다. 단순한 분석은 3요소 솔루션이 2요소 솔루션보다 50% 더 비싸다는 결론을 내릴 수 있습니다. 실제 설계에서 비용을 분석할 때 3요소 설계의 비용 효율성을 향상시킬 수 있는 많은 요소가 있음이 분명해집니다. 여기에는 더 작은 직경과 더 얇은 렌즈의 가능성과 더 나은 공칭 성능으로 인한 수율 증가가 포함됩니다. 

 

f/넘버가 f/1.0인 최신 세대의 Umicore 렌즈의 경우, 열화상 카메라를 시장에 출시하는 데 비용이 매우 중요한 요소라는 점을 감안할 때 우리는 다양한 렌즈의 제조 비용을 살펴보았습니다. 이 렌즈는 모두 VGA 감지기와 함께 사용하도록 고안되었으며 수평 시야각과 f/넘버의 변화와 12 및 17 마이크론의 픽셀 피치를 살펴보았습니다. 당연히 실제 비용은 여러 요인에 따라 달라질 수 있으므로 비용을 비교할 수 있도록 비용을 정규화했습니다. 사양의 작은 변경이라도 비용에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 사양 및 이에 따른 설계도 비교가 가능하도록 수정되었습니다. 모든 비용은 현재 사용 가능한 최적화된 제조 경로를 사용하여 유사한 기준으로 계산됩니다.

 

그림 7에서 12미크론 픽셀 피치 VGA 검출기에 대한 f/number 및 수평 시야각의 함수로 제조 비용을 볼 수 있습니다. 곡선의 일반적인 모양을 보는 것은 아마도 놀라운 일이 아닙니다. 좁은 시야에는 긴 초점 거리가 필요하며, 이에 따라 더 큰 직경의 렌즈가 필요합니다. 렌즈 어셈블리의 비용은 최소 약 40°이며 최소 직경과 요소 수로 최적의 지점에 도달했습니다. 이 시점에서 렌즈 요소의 최소 직경은 초점 거리가 아닌 검출기 크기에 의해 제한됩니다. 수평 시야가 계속 증가함에 따라 렌즈 직경은 천천히 증가하고 필요한 렌즈 요소의 수는 압박을 받게 됩니다. f/0.8 및 120° 수평 시야각에서 적절한 성능을 얻으려면 4개의 요소가 필요하다는 것을 발견했습니다.

 

그림 7: 12미크론 VGA 검출기의 f/number 및 FOV의 함수로서의 제조 비용.

 

 

더 빠른 f/넘버를 선택하는 것의 영향을 분명히 볼 수 있습니다. f/0.8 렌즈의 비용은 f/1.0 렌즈 비용의 1.5배에서 2배 사이입니다. 2개 요소와 3개 요소 사이의 단계적 변화는 f/0.9의 f/넘버에서 볼 수 있는 불일치를 설명합니다. 그러나 일부 초점 거리의 경우 명목상의 비용 증가만으로 더 빠른 솔루션이 가능함을 나타냅니다.

 

그림 8: VGA 검출기의 픽셀 피치 및 시야각에 따른 제조 비용.

 

그림 8은 VGA 검출기의 수평 시야와 픽셀 피치의 함수로서의 제조 비용을 보여줍니다. 여기서 우리는 픽셀 피치가 감소함에 따라 곡선의 동일한 전체 모양이 변경되지 않는 것을 볼 수 있습니다. 흥미로운 점은 렌즈의 비용 절감이 좁은 시야에서만 분명히 나타난다는 것입니다. 12미크론 렌즈 어셈블리의 f/넘버가 저하되었음에도 불구하고 고려한 4가지 예 중 2가지에 대해 여전히 약간 더 비쌉니다.

 

우연히든 의도적으로든 렌즈 비용을 일정하게 유지하기 위해 12미크론 픽셀 카메라용 렌즈 어셈블리의 f/넘버가 선택된 것으로 보입니다.

 

그림 7과 8은 12미크론 픽셀 피치가 카메라 디자인의 전환점임을 강력하게 보여줍니다. 처음으로 같은 렌즈 제조 비용이 줄어들지 않습니다. 사용 가능한 10미크론 픽셀 피치 검출기와 더 작은 픽셀 피치가 제안됨에 따라 픽셀 피치의 크기를 더 줄여야 한다는 압력이 계속되고 있습니다. 따라서 광학 성능이나 더 비싼 렌즈에 대한 추가 타협이 필요하고 아마도 렌즈 어셈블리가 카메라 어셈블리 비용을 지배할 수 있는 카메라 설계자에게는 어려운 결정이 있습니다.

5. 결론

우리는 이론적으로 에너지 수집 및 이미지 선명도를 위해 렌즈의 조리개가 고정되어 있고 감지기의 픽셀 피치와 무관하다는 것을 보여주었습니다. 또한, 픽셀 피치가 12미크론으로 감소함에 따라 이것이 더 빠르고 더 비싼 렌즈 어셈블리에 대한 요구 사항으로 이어진다는 것을 보여주었습니다. 역사적 실제 사례에서 우리는 시스템 설계자가 광학 시스템의 이미지 선명도와 에너지 수집을 타협하기로 선택했음을 보여주었습니다. 이러한 관점에서 우리는 12미크론 픽셀 피치 검출기에 대한 현재 광학 설계를 살펴보고 이러한 타협의 비용 영향과 이루어진 절충안을 조사했습니다.

이것은 12미크론 픽셀 검출기가 장파 적외선 카메라 설계의 전환점임을 나타냅니다. 렌즈 어셈블리의 성능에 대한 타협에도 불구하고 좁은 시야를 제외하고는 예상되는 광학 비용 절감 효과를 더 이상 제공할 수 없습니다. 더 빠른 렌즈에 대한 요구 사항은 더 복잡한 광학 설계로 이어집니다. 이 두 가지 요소의 조합으로 인해 이전 세대 17미크론 픽셀 피치 검출기용 렌즈만큼 제조 비용이 많이 드는 12미크론 픽셀 피치 검출기용 렌즈가 탄생했습니다.