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적외선 시간차 이미징을 사용하여 로봇 기능 향상

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자료제공/Digi-Key’s North American Editors

이미징은 기본 작업 수행, 장애물 회피, 탐색, 기본 안전 보장 등 다양한 로봇 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 저가형 비디오 카메라를 사용하면 확실하게 이미징을 제공할 수 있으며, 스테레오 비전과 깊이 감지를 위해 카메라 두 대를 함께 사용할 수도 있다. 하지만 카메라를 두 대 사용하는 경우 몇 가지 단점이 있다.
3D 이미징에 듀얼 카메라를 사용할 경우 전력 소비와 공간 요구 사항이 높아질 뿐만 아니라 폼 팩터와 제조 프로세스가 복잡해지고 비용이 증가한다. 3D 이미징이 기본 ‘지원’ 장치, 자율 주행 자동차 등 다양한 응용 분야에서 널리 사용됨에 따라 설계자는 단순히 카메라를 추가하는 것보다 더 효율적인 대안을 요구한다.
이를 위해 설계자가 포장, 비용, 전력 소비, 데이터 감소, 전체 성능 등에서 이점이 있는 대안을 사용하는 경우가 증가하고 있다. 대안으로는 시간차(ToF) 이미징 시스템(라이더(Light Detection and Ranging, LIDAR)라고도 함)이 있다. 이러한 대안은 적외선(IR) 이미징(온도 기록법이라고도 함)에 의해 보완될 수 있다.

적외선 전자기파의 파장은 가시 스펙트럼의 적색 부분에 해당하는 파장보다 길고, IR 밴드 파장의 범위는 일반적으로 700nm(0.7μm) ~ 1mm(1000μm)로 간주된다. 간단히 말하면 물체에서 반사되는 열이라고 할 수 있다. 적절한 IR 이미징 시스템을 사용하여 이 IR ‘열지도’를 가시광선 이미지로 변환할 수 있다. 이때 상대 온도를 강조하기 위해 적외선 컬러 사진이 추가되는 경우도 있다(그림 1).
꼭지에서 물통으로 쏟아지는 물에 대한 적외선 이미지이다. 온도 차이를 보다 정확하게 전달하기 위해 ‘적외선 컬러 사진’을 사용한다. (FLIR Systems, Inc. 이미지 제공)
IR 이미징은 IR 감지와 다르다. 감지는 열원(예: 경보 시스템의 일부로 수동 적외선(PIR) 센서 앞을 지나가는 사람, 모니터링 중인 파이프에서 발생되는 과도한 열)을 감지하여 측정하는 데 사용되는 비접촉식 방법이며, 이미지 형태의 세부 정보나 이미지 분해능이 없다.
기존 가시광선 이미징을 사용하거나 추가하는 대신 IR을 사용하는 이유는 무엇인까? 여러 가지 이유가 있다.
• IR은 의도적으로 숨겨 놓거나 우연히 관심 물체가 배경에 섞여 있는 경우에 유용하다.
• IR을 사용하면 가시 범위 내에서 사람이나 온혈 동물을 찾을 수 있다.
• 또한 IR은 과열된 파이프, 스팀관, 연기를 피우며 타는 불, 전기 오작동을 비롯하여 국지적인 발열 상태를 초래하는 일반적인 결함을 찾는 데 유용하다.
이제 간편한 인터페이스를 지원하는 고집적 고성능 부품으로 인해 IR 이미징 서브 시스템을 매우 단순하게 구현할 수 있다. FLIR Systems, Inc.의 Lepton IR 카메라를 예로 들어 보자(그림 2). 이 카메라는 두께가 약 10mm × 12mm × 6mm이며, 고정 초점 렌즈 조립품, 80 × 60 픽셀 장파 적외선(LWIR) 마이크로볼로미터 센서 어레이(8μm~14μm IR용) 및 신호 처리 전자 기기를 내장하고 있다.
산업 표준 MIPI 및 SPI 동영상 인터페이스와 2선식 I2C형 직렬 제어 인터페이스를 사용하여 쉽게 상호 연결할 수 있다(그림 3). 작은 크기와 사용 편의성에도 불구하고 Lepton 장치는 0.5초 미만의 빠른 부팅 시간과 50mK 미만의 열 감도를 지원하는 우수한 성능을 제공한다. 작동 전력이 150mW(일반)로 낮다.
FLIR Lepton 장치의 이 간략한 제품 구성도에서는 일체형 이미지 처리 장치와 기본 센서 어레이, 사용자 시스템을 연결하는 간략한 인터페이스를 보여 준다.
이러한 제품은 실습형 사용자 경험에 유용하므로 FLIR은 ARM 기반 평가 기판 및 Raspberry Pi와 호환되는 카메라 모듈을 위한 브레이크아웃 기판을 제공한다(그림 4). 이 25mm × 24mm 기판은 단일 3V~5.5V 전원 공급 장치가 필요하며, 25MHz 시스템 클록, 추가 저소음 전원 레일을 위한 내장 LDO, 표준 상호 연결 헤더, Lepton용 32핀 Molex 헤더를 포함한다.
Lepton 브레이크아웃 기판(a)(minus Lepton 장치 그림)은 표준 커넥터와 인터페이스(b)의 덕택으로 다양한 평가 기판을 사용하여 장치를 평가 및 프로그래밍할 수 있다.