[논문]연속발진 레이저에 의한 CCD 영상센서의 손상 분석

윤성희; 장경영; 신완순

doi:10.9766/kimst.2016.19.6.690

연속발진 레이저에 의한 CCD 영상센서의 손상 분석
Damage Analysis of CCD Image Sensor Irradiated by Continuous Wave Laser 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.19 no.6, 2016년, pp.690 - 697

윤성희 (한양대학교 융합기계공학과) , 장경영 (한양대학교 기계공학부) , 신완순 (국방과학연구소 국방고등기술원 첨단기술연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

EOIS(electro-optical imaging system) is the main target of the laser weapon. Specially, the image sensor will be vulnerable because EOIS focuses the incident laser beam onto the image sensor. Accordingly, the laser-induced damage of the image sensor needs to be identified for the counter-measure against the laser attack. In this study, the laser-induced damage of the CCD image sensor irradiated by the CW(continuous wave) NIR(near infrared) laser was experimentally investigated and mechanisms of those damage occurrences were analyzed. In the experiment, the near infrared CW fiber laser was used as a laser source. As the fluence, which is the product of the irradiance and the irradiation time, increased, the permanent damages such as discoloration and breakdown appeared sequentially. The discoloration occurred when the color filter was damaged and then the breakdown occurred when the photodiode and substrate were damaged. From the experimental results, LIDTs(laser-induced damage thresholds) of damages were roughly determined.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 CCD 센서를 대상으로 연속발진 레이저에 의한 손상을 실험적인 방법으로 분석하였다. 이를 위해 CCD 영상센서에 레이저를 조사한 후 광학현미경을 사용하여 표면손상을 분석하였고, 이 손상이 영상품질에 미치는 영향을 알아보기 위해 손상된 센서로 이미지들을 획득하여 비교하였다.
본 연구에서는 근적외선 대역의 연속발진 레이저를 CCD 영상센서에 조사하여, 레이저 세기와 조사시간에 따라 발생하는 손상에 대하여 실험적으로 분석하였다. 컬러필터 손상에 의한 색상손상(Discoloration)이 나타난 후 영상을 획득할 수 없는 작동불능(Breakdown)이 발생하였다.
영상센서의 종류는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)방식과 CCD(Charged Coupled Device)방식이 있는데, 본 논문에서는 CCD 영상센서를 대상으로 연구하였다. CCD 영상센서는 빛에 의해 발생한 신호전자를 그대로 출력부까지 이동시키므로 도중에 노이즈가 들어오면 전압은 달라지더라도 전자의 수 자체는 변함이 없다.

제안 방법

100 W 이상의 레이저 출력은 금속에 조사하였을 때 하드 킬을 유발할 수 있는 출력에 해당하므로, 레이저 빔의 세기를 소프트 킬에 적합하도록 감소시키기 위해 1070nm 파장대역에서 투과율이 16 ± 0.5 %인 IR 차단필터를 제작하여 사용하였다.
그리고 CCD 영상센서의 크기가 작기 때문에 볼록렌즈를 이용하여 빔 직경을 줄여 레이저빔이 센서 중심에 조사되도록 하였다. IR 차단필터와 볼록렌즈를 통과한 레이저의 세기는 레이저파워미터(PM300F-19)로 측정하였으며, 실험에 사용된 CCD 영상센서는 전원 연결을 하지 않고 레이저를 조사하였다.
5 %인 IR 차단필터를 제작하여 사용하였다. 그리고 CCD 영상센서의 크기가 작기 때문에 볼록렌즈를 이용하여 빔 직경을 줄여 레이저빔이 센서 중심에 조사되도록 하였다. IR 차단필터와 볼록렌즈를 통과한 레이저의 세기는 레이저파워미터(PM300F-19)로 측정하였으며, 실험에 사용된 CCD 영상센서는 전원 연결을 하지 않고 레이저를 조사하였다.
이를 위해 CCD 영상센서에 레이저를 조사한 후 광학현미경을 사용하여 표면손상을 분석하였고, 이 손상이 영상품질에 미치는 영향을 알아보기 위해 손상된 센서로 이미지들을 획득하여 비교하였다. 그리고 레이저 출력과 조사 시간에 따른 영상센서의 손상 및 영상품질의 손상을 분석하여 레이저에 의한 손상 임계값(LIDT)의 범위를 구하였다. 단, 보안 관계상 LIDT의 수치는 상댓값으로 제시되었다.
85 mm 이다. 실험조건은 레이저 출력을 100 W 부터 400 W 까지 50 W 씩 증가시켰고, 레이저 조사 시간은 0.05, 0.1, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 s로 변화시켰다. 실험조건이 달라질 때마다 CCD 영상센서(IC-087C)를 하나 씩 교체하면서 실험하였다.
0 s로 변화시켰다. 실험조건이 달라질 때마다 CCD 영상센서(IC-087C)를 하나 씩 교체하면서 실험하였다. 100 W 이상의 레이저 출력은 금속에 조사하였을 때 하드 킬을 유발할 수 있는 출력에 해당하므로, 레이저 빔의 세기를 소프트 킬에 적합하도록 감소시키기 위해 1070nm 파장대역에서 투과율이 16 ± 0.
따라서 본 연구에서는 CCD 센서를 대상으로 연속발진 레이저에 의한 손상을 실험적인 방법으로 분석하였다. 이를 위해 CCD 영상센서에 레이저를 조사한 후 광학현미경을 사용하여 표면손상을 분석하였고, 이 손상이 영상품질에 미치는 영향을 알아보기 위해 손상된 센서로 이미지들을 획득하여 비교하였다. 그리고 레이저 출력과 조사 시간에 따른 영상센서의 손상 및 영상품질의 손상을 분석하여 레이저에 의한 손상 임계값(LIDT)의 범위를 구하였다.
한편, 본 연구에서는 이전 연구[5]에서와는 다르게 이러한 영상품질의 손상을 정량적으로 비교하였다. 이를 위해 Fig. 10과 같이 각 영상에 번호를 매긴 후 손상이 전혀 없는 1번 영상을 기준으로 R, G, B 성분 각각에 대해 식 (1)과 (2)로 정의한 상호 상관계수(Crosscorrelation coefficient) r₁과 밝기 변화율(Brightness change rate) r₂를 구하였다. 이때, I는 기준 영상화면의 RGB 값이고, I₀는 비교대상 영상화면의 RGB 값이다.
한편, 본 연구에서는 이전 연구[5]에서와는 다르게 이러한 영상품질의 손상을 정량적으로 비교하였다. 이를 위해 Fig.

대상 데이터

레이저에 의하여 손상된 CCD 영상센서로 얻은 영상의 품질을 확인하기 위하여 조사된 레이저 세기와 레이저 조사 시간이 다른 CCD 영상센서들을 렌즈 및 필터가 포함된 광학계와 결합한 후 Fig. 8과 같은 표준 표적(USAF1951)을 촬영하여 각각의 영상을 획득하였다. Fig.
5와 같이 구성하였다. 실험에 사용된 레이저는 파장 1070 nm의 근적외선대역 광섬유레이저로 출력범위가 100 W ~ 1 kW 이다. 빔 지름은 1/e² 기준으로 5.

이론/모형

색상의 손상이 발생한 경우는 레이저 빔에 의하여 컬러필터가 손상 된 경우이다. 본 연구에 사용된 CCD 영상센서의 컬러필터는 RGB 방식이다. 각 컬러필터는 해당 파장대역의 빛만 투과시키고 나머지 파장대역은 흡수하는 역할을 한다.

성능/효과

먼저, 상관계수의 경우 각 그룹에서 RGB에 따른 상관계수의 차이는 크지 않았다. 그리고 영상품질이 저하되지 않은 영상들은 0.7 정도의 높은 상관계수를 갖는데 비하여 색상손상 된 영상들은 이보다 작은 0.5 ~ 0.6 정도의 상관계수를 보이며 작동불능 된 영상들은 더 작은 0.03 ~ 0.05 사이의 상관계수 값을 나타내었다. 즉, 영상의 품질이 저하될수록 상관계수 값이 작아짐을 확인할 수 있다.
[5])에서와 유사하지만 CCD에서는 CMOS에서와 다르게 블루밍 현상이 나타났는데, 이는 CCD 영상 센서의 출력 신호 처리 방법의 특성 차이로 인한 결과라고 볼 수 있다. 또한 본 연구에서는 레이저에 의한 영상품질의 저하를 정량적으로 확인하기 위하여 R, G, B 영상의 상관계수와 밝기변화율을 분석하였고, 그 결과 손상 형태 별로 다르게 나타남을 확인할 수 있었다.
Table 1과 Table 2는 이렇게 구한 상관계수 및 밝기변화율을 정상(No-damage), 색상손상(Discoloration), 그리고 작동불능(Breakdown) 별로 그룹화 하여 평균과 표준편차를 구한 것이다. 먼저, 상관계수의 경우 각 그룹에서 RGB에 따른 상관계수의 차이는 크지 않았다. 그리고 영상품질이 저하되지 않은 영상들은 0.
색상손상은 컬러필터가 손상되어 본래의 기능을 상실하여 영상에서 특정 파장대역의 색이 두드러지게 나타나는 경우이고, 작동불능은 포토다이오드 및 배선부가 손상되어 영상 출력이 불가한 경우이다. 이 결과는 CMOS 센서(Ref. [5])에서와 유사하지만 CCD에서는 CMOS에서와 다르게 블루밍 현상이 나타났는데, 이는 CCD 영상 센서의 출력 신호 처리 방법의 특성 차이로 인한 결과라고 볼 수 있다. 또한 본 연구에서는 레이저에 의한 영상품질의 저하를 정량적으로 확인하기 위하여 R, G, B 영상의 상관계수와 밝기변화율을 분석하였고, 그 결과 손상 형태 별로 다르게 나타남을 확인할 수 있었다.
그러나 플루언스가 같다고 하여 반드시 동일한 손상이 일어난다고 볼 수는 없다는 것을 알 수 있다. 즉, 동일한 플루언스를 갖는 경우 조사시간이 짧더라도 레이저 세기가 큰 경우에 더 심각한 손상이 발생하였고, 레이저 조사시간이 길어도 레이저 세기가 낮으면 손상이 발생하지 않을 수 있다. 이는 CCD 영상 센서의 손상이 레이저 조사시간보다 레이저 세기에 더 큰 영향을 받는다는 것을 의미하며, 이는 CMOS 센서에서와 동일한 경향이다^[5].
05 사이의 상관계수 값을 나타내었다. 즉, 영상의 품질이 저하될수록 상관계수 값이 작아짐을 확인할 수 있다. 단, 정상 그룹에서 상관계수가 1.

후속연구

이와 같은 분석을 통해 근적외선 대역 연속발진 레이저에 의한 CCD 영상센서의 가시적인 표면손상과 영상품질의 손상 임계값(LIDT)을 구할 수 있고, 이 결과는 차후 CCD 영상센서의 레이저에 의한 손상을 예측할 때 근거자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 단, 레이저 세기와 조사시간이 증가할수록 손상정도가 심해지지만 단순한 선형비례관계를 갖지는 않았으며 레이저 조사시간보다는 레이저 세기가 더 치명적 영향을 미친다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컬러필터의 역할은 무엇인가?	컬러필터는 보통 RGB(Red, Green, Blue)방식과 CMY(Cyan, Magenta, Yellow)방식으로 이루어져 있고, 여러 파장대역의 빛 중에서 해당하는 파장대역의 빛만 통과시키는 역할을 한다[8]. 본 연구에 사용된 CCD 영상센서의 컬러필터는 Fig.
	CCD 영상센서는 무엇으로 구성되어 있는가?	CCD 영상센서는 Fig. 1과 같이 각 화소마다 구성된 포토다이오드(Photodiode)와 신호전자를 출력부로 전달하는 채널(Channel), 그리고 전달된 전자의 개수에 비례하는 전압을 외부로 출력하는 출력부(Output section)와 출력신호를 처리하는 신호처리부(Signal processor)로 구성되어 있다. 각 화소(Picture element)에서 축적한 신호전자를 받아서 수직방향으로 전달하는 CCD를 수직전송로(Vertical shift register)라 하고, 이를 받아서 수평방향으로 전달하는 기능을 하는 CCD를 수평전송로(Horizontal shift register)라고 한다.
	레이저 무기의 운용방식 중 하드 킬 방식이 높은 출력의 레이저가 필요한 이유는 무엇인가?	하드 킬은 박격포탄, 로켓탄, 미사일 등 주로 금속으로 이루어진 대상의 표면에 레이저를 조사하여 용융이나 용발(Ablation)을 발생시켜 피해를 입히는 방식이다. 이 방식은 공격대상에 직접파괴를 유발하여 물리적이고 가시적인 피해효과를 일으키는 방식으로써 매우 높은 출력의 레이저가 필요하다.

참고문헌 (8)

Lei Tang, Jianhua Wang, Jun Li, and Qun Hao, "Study on Damage Effect and Threshold of High Energy $1.06{\mu}m$ -Wavelength Long-Pulse Laser to Photo Detector," Electromagnetic Launch Technology(EML) 2012 16th International Symposium, pp. 1-5, 2012.
Joung R. Cook and John R. Albertine, "The Navy's High Energy Laser Weapon System," Free-Electron Laser Challenges(SPIE Proceedings), Vol. 2988, pp. 264-271, 1997.
Zhou Jianmin, Guo Jin, and Fu Youyu, "Analysis of the Disturbance of Remote Aerial Detector Induced by Laser," High-Power Lasers and Applications III (SPIE Proceedings), Vol. 5627, pp. 278-285, 2005.
Sungho Choi, Chungseok Kim, Kyung-Young Jhang, and Wan-Soon Shin, “Thermal Damage Characterization of Silicon Wafer Subjected to CW Laser Beam,” Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 36, No. 10, pp. 1241-1248, 2012.

원문보기 상세보기
Jin-Gyum Kim, Sungho Choi, Sunghee Yoon, Kyung-Young Jhang and Wan-Soon Shin, “High-Power Continuous-Wave Laser-Induced Damage to CMOS Image Sensor,” Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 31, No. 1, pp. 105-109, 2015.
Lijun Xu, Hongxing Cai, Changli Li, Yong Tan, Guangyong Jin, Xihe Zhang, "Degradation of Responsivity for Photodiodes under Intense Laser Irradiation," Optik, Vol. 124, pp. 225-228, 2013.

상세보기
Chenzhi Zhang, Ludovic Blarre, Rodger M. Walser, and Michael F. Becker, “Mechanisms for Laser-Induced Functional Damage to Silicon Charge-Coupled Imaging Sensors,” Applied Optics, Vol. 32, No. 27, pp. 5201-5210, 1993.

상세보기
Sangsik Park, "Principles of CCD/CMOS Image Sensor," Dooyangsa, Seoul, pp. 11-161, 2010.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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