고출력 레이저에 의한 영상 센서의 손상 분석 연구를 수행하였다. 고출력 레이저에 의한 금속의 손상에 관한 연구는 많이 이루어져 있지만, 상대적으로 고출력 레이저에 취약한 영상 시스템의 손상 연구는 미비한 상태이다. 본 논문에서는 CMOS 영상 센서에 고출력 레이저가 조사 되었을 때, 영상 센서가 받는 손상에 대해 실험적으로 분석하였다. 고출력 레이저 소스로는 근적외선대역의 연속발진 광섬유 레이저를 사용하였으며, 레이저 세기와 조사시간에 따른 CMOS 영상 센서의 영구적 손상 및 영상 품질을 분석하였다. 그 결과 조사시간과 레이저세기가 증가함에 따라 먼저 색상 손상이 나타나고 이후 작동불능 상태가 되었으며, 이러한 손상은 조사시간보다 레이저 세기에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
고출력 레이저에 의한 영상 센서의 손상 분석 연구를 수행하였다. 고출력 레이저에 의한 금속의 손상에 관한 연구는 많이 이루어져 있지만, 상대적으로 고출력 레이저에 취약한 영상 시스템의 손상 연구는 미비한 상태이다. 본 논문에서는 CMOS 영상 센서에 고출력 레이저가 조사 되었을 때, 영상 센서가 받는 손상에 대해 실험적으로 분석하였다. 고출력 레이저 소스로는 근적외선대역의 연속발진 광섬유 레이저를 사용하였으며, 레이저 세기와 조사시간에 따른 CMOS 영상 센서의 영구적 손상 및 영상 품질을 분석하였다. 그 결과 조사시간과 레이저세기가 증가함에 따라 먼저 색상 손상이 나타나고 이후 작동불능 상태가 되었으며, 이러한 손상은 조사시간보다 레이저 세기에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
This paper presents the results of an experimental analysis of the high-power laser (HPL)-induced damage to a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) image sensor. Although the laser-induced damages to metallic materials have been sufficiently investigated, the damages to electric-optic imagi...
This paper presents the results of an experimental analysis of the high-power laser (HPL)-induced damage to a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) image sensor. Although the laser-induced damages to metallic materials have been sufficiently investigated, the damages to electric-optic imaging systems, which are very sensitive to HPLs, have not been studied in detail. In this study, we experimentally analyzed the HPL-induced damages to a CMOS image sensor. A near-infrared continuous-wave (CW) fiber laser was used as the laser source. The influences of the irradiance and irradiation time on the permanent damages to a CMOS image sensor, such as the color error and breakdown, were investigated. The experimental results showed that the color error occurred first, and then the breakdown occurred with an increase in the irradiance and irradiation time. In particular, these damages were more affected by the irradiance than the irradiation time.
This paper presents the results of an experimental analysis of the high-power laser (HPL)-induced damage to a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) image sensor. Although the laser-induced damages to metallic materials have been sufficiently investigated, the damages to electric-optic imaging systems, which are very sensitive to HPLs, have not been studied in detail. In this study, we experimentally analyzed the HPL-induced damages to a CMOS image sensor. A near-infrared continuous-wave (CW) fiber laser was used as the laser source. The influences of the irradiance and irradiation time on the permanent damages to a CMOS image sensor, such as the color error and breakdown, were investigated. The experimental results showed that the color error occurred first, and then the breakdown occurred with an increase in the irradiance and irradiation time. In particular, these damages were more affected by the irradiance than the irradiation time.
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문제 정의
본 논문에서는 근적외선 대역의 고출력 레이저를 CMOS 영상센서에 조사하였을 때, 레이저 세기와 조사시간에 따라 나타나는 손상의 변화에 대해 실험 분석하였다. 그 결과, 컬러 필터 손상에 의한 색상 손상(Color-error)이 먼저 나타나고, 그 후에 작동 불능(Breakdown)상태가 되었다.
본 연구에서는 고출력 CW 레이저에 의한 CMOS 영상 센서의 손상 분석을 실험적인 방법으로 수행하였다. 영상센서의 표면 손상을 분석하기 위해 광학현미경을 사용하였고, 이 손상이 영상품질에 미치는 영향을 알아보기 위해 손상된 센서에서 영상화된 이미지들을 비교분석 하였다.
제안 방법
(5) 이 때문에 휴대폰 카메라 및 CCTV등 소형 카메라에 많이 사용되고, 현재는 신호처리 및 전자기술의 발달로 균일성 및 잡음 문제도 개선되고 있어 앞으로는 UAV용 영상센서로도 많이 사용될 것이라 예상된다. 그러므로 고출력 레이저에 의한 CMOS 영상 센서의 손상 한계값(dagmage threshold)을 찾고, 이러한 손상이 영상 센서의 성능에 미치는 영향을 분석할 필요가 있게 되었다.
영상센서의 표면 손상을 분석하기 위해 광학현미경을 사용하였고, 이 손상이 영상품질에 미치는 영향을 알아보기 위해 손상된 센서에서 영상화된 이미지들을 비교분석 하였다. 그리고 레이저 출력과 조사 시간에 따른 영상센서 및 영상품질의 LIDT를 분석하였다.
센서 표면의 손상이 영상 품질에 미치는 영향을 알아보기 위해 레이저를 조사한 센서를 광학계 (렌즈 및 필터)와 결합한 뒤, Fig. 7 과 같은 USAF1951 Test target 을 촬영한 이미지를 출력하였다. 그 결과, Fig.
85 mm(출력 강도가 1/e2되는 폭)이다. 실험조건은 레이저 출력을 100W 부터 1000W 까지 100W 씩 증가시켰고, 레이저 조사 시간은 0.05, 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2 초로 나누어 실험하였다. 이러한 조건의 레이저 출력은 금속에 조사하였을 때 용융 및 Ablation 을 유발할 수 있는 출력이다.
본 연구에서는 고출력 CW 레이저에 의한 CMOS 영상 센서의 손상 분석을 실험적인 방법으로 수행하였다. 영상센서의 표면 손상을 분석하기 위해 광학현미경을 사용하였고, 이 손상이 영상품질에 미치는 영향을 알아보기 위해 손상된 센서에서 영상화된 이미지들을 비교분석 하였다. 그리고 레이저 출력과 조사 시간에 따른 영상센서 및 영상품질의 LIDT를 분석하였다.
전반적으로 총 에너지가 증가할수록 심각한 손상이 나타난다고는 할 수 있으나, 총 에너지가 같을 때에도 다른 종류의 손상이 나타나는 것을 알 수 있다. 이를 명확히 하기 위하여 Fig. 10 과 같이 Fig. 8 의 각 경우에 해당하는 상대적인 fluence 값을 구하여 비교하였다. 그 결과, 동일한 fluence 에서도 레이저 세기가 큰 경우에 더 심각한 손상이 발생함을 보여준다.
대상 데이터
Attenuator 로는 AOI (Angle of incidence)가 45°일 때, 1020 nm ~ 1100 nm 파장대역에서 반사가 90±1%, 투과가 10±1%인 빔스플리터와, 1070 nm 대역의 파장에서 투과율이 16±0.5%인 IR-Cut 필터 (HR coating)를 제작하여 사용하였다.
Attenuator 와 Pin-hole 마스크를 통과한 레이저의 세기는 파워미터를 사용해 측정 하였으며, 실험에서 사용된 CMOS 영상센서는 640×480 VGA 의 1/4” CMOS 센서이고, RGB24 방식으로 색상이 구현된다.
레이저에 의한 센서 표면의 손상을 확인하기 위해 광학현미경 (×150)을 사용하였다.
영상센서의 종류는 CCD 와 CMOS 가 있다. 본 논문에서는 CMOS 영상 센서를 대상으로 하였다. CMOS 영상 센서의 각 픽셀은 포토다이오드와 생성된 전자를 전압으로 변환하는 신호처리부 및 증폭기로 이루어져있다.
빔의 지름이 CMOS 영상 센서보다 크기 때문에, 동일 면적에 일정한 세기의 빔을 조사할 수 있도록 센서 표면에 스테인리스 재질의 Pin-hole (Φ = 1 mm) 마스크를 사용하였다.
4 와 같다. 실험에 사용된 레이저는 근적외선대역의 CW 광섬유 레이저로, 출력 범위가 100 W ~ 1 kW 이고, 파장은 1070 nm 이다. 그리고 빔 지름은 5.
성능/효과
따라서 Blue 필터가 먼저 손상되고, 필터의 기능을 상실하여 모든 파장의 빛을 통과시킴으로써 포토다이오드의 신호 출력이 증가하게 된다. 결과적으로 이 픽셀은 상대적으로 Blue 색상이 강한 것으로 인식한다. 따라서 Blue 계열의 색상손상이 가장 먼저 나타나는 것을 확인할 수 있다.
7 과 같은 USAF1951 Test target 을 촬영한 이미지를 출력하였다. 그 결과, Fig. 8 에 나타낸 바와 같이 손상을 입지 않은 센서, 색상이 손상된 센서와 작동 불능 상태의 센서로 분류 되었다.
8 의 각 경우에 해당하는 상대적인 fluence 값을 구하여 비교하였다. 그 결과, 동일한 fluence 에서도 레이저 세기가 큰 경우에 더 심각한 손상이 발생함을 보여준다. 이는 CMOS 영상 센서의 손상이 레이저의 조사시간보다 레이저 세기에 더 치명적인 영향을 받는 것을 의미한다.
본 논문에서는 근적외선 대역의 고출력 레이저를 CMOS 영상센서에 조사하였을 때, 레이저 세기와 조사시간에 따라 나타나는 손상의 변화에 대해 실험 분석하였다. 그 결과, 컬러 필터 손상에 의한 색상 손상(Color-error)이 먼저 나타나고, 그 후에 작동 불능(Breakdown)상태가 되었다. 이 결과로부터 고출력 레이저에 의한 영상센서의 형상학적 손상 및 영상 품질 저하의 손상 한계값(damage threshold)을 찾을 수 있다.
레이저 세기와 조사시간이 모두 영상센서의 손상에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 레이저 세기와 조사시간의 곱으로 이루어진 총 에너지(fluence)만으로 LIDT 를 파악할 수 없는 것으로 판단된다.
레이저 세기는 상대적인 값으로 변환하였다. 이를 통해 레이저 세기와 조사시간에 따른 영상센서의 형상학적 LIDT(Laser-induced damage threshold)를 얻을 수 있었고, LIDT 로 표시된 붉은 선이하에서는 어떠한 손상도 나타나지 않았다.
후속연구
(4) 이에 대응하여 국방 차원에서 고출력 레이저 무기의 위협으로부터 영상광학계의 생존성을 높이는 방법을 찾기 위해 고출력 레이저에 의한 영상광학계의 손상 기구를 규명하는 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
근적외선대역 파장의 레이저가 레이저 무기로 적합한 이유는 무엇인가?
또한, 전자기장의 영향도 받지 않고, 레이저의 발사 지점을 은닉하기 쉽다.(1) 특히, 근적외선대역 파장의 레이저는 공기 중의 산란이나 흡수가 작아 먼 거리를 전파할 수 있기 때문에 레이저 무기로 활용하기에 적합하다.(2,3)
CMOS 영상센서가 가지는 장점으로 어떤 분야에 사용되고 있고 미래에 예상되는 사용 분야는 무엇인가?
하지만, CMOS 영상센서는 빠른 화면 출력이 가능하며 CCD 센서에 비해 전력 소모가 적고 구동전압이 낮다.(5) 이 때문에 휴대폰 카메라 및 CCTV등 소형 카메라에 많이 사용되고, 현재는 신호처리 및 전자기술의 발달로 균일성 및 잡음 문제도 개선되고 있어 앞으로는 UAV용 영상센서로도 많이 사용될 것이라 예상된다. 그러므로 고출력 레이저에 의한 CMOS 영상 센서의 손상 한계값(dagmage threshold)을 찾고, 이러한 손상이 영상 센서의 성능에 미치는 영향을 분석할 필요가 있게 되었다.
레이저 무기의 장점은 무엇인가?
근적외선대역의 고출력 레이저를 무기로 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 레이저 무기의 장점은 광속으로 매우 빠르게 목표에 도달할 수 있고, 목표 지점을 국부적으로 정밀하게 타격할 수 있다. 또한, 전자기장의 영향도 받지 않고, 레이저의 발사 지점을 은닉하기 쉽다.(1) 특히, 근적외선대역 파장의 레이저는 공기 중의 산란이나 흡수가 작아 먼 거리를 전파할 수 있기 때문에 레이저 무기로 활용하기에 적합하다.
참고문헌 (9)
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