KR101533236B1 - 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치 및 초점면 배열 이미징 장치 - Google Patents

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KR101533236B1 KR1020140056538A KR20140056538A KR101533236B1 KR 101533236 B1 KR101533236 B1 KR 101533236B1 KR 1020140056538 A KR1020140056538 A KR 1020140056538A KR 20140056538 A KR20140056538 A KR 20140056538A KR 101533236 B1 KR101533236 B1 KR 101533236B1
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이상국
김선아
최경용
박대웅
한석균
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한국과학기술원
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본 발명의 일 실시예와 관련된 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치는 수신 안테나를 통해 수신된 테라헤르츠파 신호를 검출하는 검출기와, 상기 검출기의 출력 전압에 따라 발진 주파수를 출력하는 전압제어 발진기 및 전압제어 발진기로부터 출력된 발진 주파수를 디지털 신호로 변환하는 주파수 디지털 변환기를 포함한다.

Description

실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치 및 초점면 배열 이미징 장치{IMAGING SENSOR APPARATUS AND FOCAL PLANE ARRAY APPARATUS USING FREQUENCY CONVERSION FOR REAL-TIME TERAHERTZ IMAGINIG}
본 발명은 보안검색, 제품식품 검사 또는 암화상 등의 생체 진단 등에 활용할 수 있는 테라헤르츠 이미징을 실현시키기 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치 및 초점면 배열 장치에 관한 것이다.
전자파의 투과성과 광파의 직진성의 두 가지 특징을 모두 가지는 테라헤르츠파를 이용한 테라헤르츠 카메라는 의료, 보안 등의 분야에 활용될 수 있다.
CMOS 기술을 사용하는 테라헤르츠 이미지 센서용 안테나는 실리콘 기판으로의 손실을 막기 위해 주로 패치 안테나를 사용한다. 패치 안테나의 크기는 입력 신호의 주파수에 반비례하여 서브-테라헤르츠 대역의 신호를 사용하는 경우, 안테나의 크기가 수백 마이크로미터 수준으로 비교적 크게 된다. 그런데 고해상도의 이미지를 얻기 위해서는 픽셀의 크기가 작아져야 하므로 신호의 주파수를 높여 안테나의 크기를 줄이는 방향으로 기술이 발전하고 있다.
일반적으로 고감도 수신을 필요로 하는 시스템의 경우 로크인 증폭기를 사용하게 된다. 이때, 참조 신호원은 로크인 증폭기를 사용하여 수신 감도를 높이기 위해 사용된다. 종래의 로크인 증폭기와 아날로그 디지털 변환기는 CMOS 회로에 집적하기 때문에, 크기가 매우 커서 현재까지 오프칩 회로나 별도의 장비로 구현되고 있는 실정이다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0115634호 (2012. 10. 19)에 개시되어 있다.
고해상도 실시간 테라헤르츠 이미징을 위한 이미지 센서 장치 및 초점면 배열 이미징 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치는 수신 안테나를 통해 수신된 테라헤르츠파 신호를 검출하는 검출기와, 검출기의 출력 전압에 따라 발진 주파수를 출력하는 전압제어 발진기 및 전압제어 발진기로부터 출력된 발진 주파수를 디지털 신호로 변환하는 주파수 디지털 변환기를 포함한다.
실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치는 전압제어 발진기에 인가되는 출력 전압을 조절하여 전압제어 발진기의 이득을 조절할 수 있는 조절기를 더 포함할 수 있다.
조절기는 출력 감도를 높여야할 경우 전압제어 발진기의 이득이 높아지도록 출력 전압을 조절하고, 잡음의 민감도를 줄여야할 경우 전압제어 발진기의 이득이 낮아지도록 출력 전압을 조절할 수 있다.
전압제어 발진기의 이득은 (주파수 제어 범위 / 전압 제어 범위) 값이다.
검출기가 전계효과 트랜지스터 검출기인 경우, 전계효과 트랜지스터의 드레인은 전압제어 발진기와 연결되고, 전계효과 트랜지스터의 소스와 접지 사이에는 조절기인 조절 전압 소스가 연결되고, 조절 전압을 조절하면 전압제어 발진기의 이득이 조절할 수 있다.
전압제어 발진기는 복수 개의 딜레이 셀이 직렬 연결된 형태로 구현될 수 있다.
실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치는 상기 수신안테나 및 상기 검출기를 포함하는 세트를 구동하는 시간 동안, 상기 검출기에 상기 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하도록 하는 제 1 제어 신호 및, 상기 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하지 않도록 하는 제 2 제어 신호를 입력하는 클록 생성부; 및 상기 제 1 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 1 발진 주파수와, 상기 제 2 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 2 발진 주파수의 차이 값에 기초하여 데이터를 생성하는 디지털 신호처리기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치는 테라헤르츠파 신호를 수신하는 수신 안테나 및, 수신 안테나를 통해 수신된 테라헤르츠파 신호를 검출하는 검출기로 구성된 세트가 행렬로 배치되는 안테나-검출기 어레이와, 행렬로 배치된 세트 중 특정 세트를 온/오프 시킬 수 있는 칼럼(column)/로우(row) 드라이버와, 세트로부터 출력된 출력 전압에 따라 발진 주파수를 출력하는 전압제어 발진기와, 전압제어 발진기로부터 출력된 발진 주파수를 디지털 신호로 변환하는 주파수 디지털 변환기; 및 변환된 디지털 신호에 기초하여 데이터를 생성하는 디지털 신호 처리기를 포함한다.
실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치는 초점면 배열 이미징 장치에 포함된 회로들의 동작을 위한 클록을 생성하고, 각 회로들의 동작 타이밍을 제어하는 클록 생성부를 더 포함할 수 있다.
클록 생성부는 1개의 세트를 구동하는 시간 동안, 상기 1개의 세트에 포함된 검출기에 상기 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하도록 하는 제 1 제어 신호 및, 상기 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하지 않도록 하는 제 2 제어 신호를 입력시키고, 상기 디지털 신호 처리기는 상기 제 1 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 1 발진 주파수와, 상기 제 2 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 2 발진 주파수의 차이 값에 기초하여 데이터를 생성할 수 있다.
검출기가 전계효과 트랜지스터 검출기인 경우, 상기 제 1 제어 전압 및 상기 제 2 제어 전압은 바이어스 전압일 수 있다.
실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치는 전압제어 발진기에 인가되는 출력 전압을 조절하여 전압제어 발진기의 이득을 조절할 수 있는 조절기를 더 포함할 수 있다.
조절기는 출력 감도를 높여야할 경우 전압제어 발진기의 이득이 높아지도록 출력 전압을 조절하고, 잡음의 민감도를 줄여야할 경우 전압제어 발진기의 이득이 낮아지도록 출력 전압을 조절할 수 있다.
전압제어 발진기의 이득은 (주파수 제어 범위 / 전압 제어 범위) 값이다.
검출기가 전계효과 트랜지스터 검출기인 경우, 전계효과 트랜지스터의 드레인은 전압제어 발진기와 연결되고, 전계효과 트랜지스터의 소스와 접지 사이에는 조절기인 조절 전압 소스가 연결되고, 조절 전압을 조절하면 전압제어 발진기의 이득이 조절할 수 있다.
개시된 발명에 따르면, 테라헤르츠 신호를 주파수 신호로 변환하고, 주파수 신호를 바로 디지털 신호로 변환하여 처리하므로, 이미지 센서를 작은 면적으로 구현할 수 있어 단위 화소의 면적을 줄일 수 있다. 이에 따라, 고해상도 테라헤르츠 이미징 센서 장치를 구현할 수 있다.
또한, 고감도 수신을 위한 로크인 증폭기 등의 추가 장비가 필요 없으므로, 장치의 크기를 현저히 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작 비용도 줄일 수 있다.
또한, 전압 제어 발진기를 사용하여 검출기에서 출력되는 신호를 1/f 잡음이 없는 높은 주파수로 변환함으로써, 1/f 잡음에 강해질 수 있다.
또한, 구동 시간 동안에 입력되는 제어 신호에 따라 생성되는 발진 주파수의 차이값에 기초하여 이미지 데이터를 생성함으로써, 입력되는 신호가 일정한 경우에도 전압제어 발진기에서 생성되는 주파수 드리프트(frequency drift)에 의해 생성될 수 있는 노이즈에 영향을 받지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 이미징 센서 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 전압제어 발진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 전압제어 발진기의 이득(KVCO)을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 조절기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 초점면 배열 이미징 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 전압제어 발진기의 출력 주파수를 시간에 따라 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 이미징 센서 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 이미징 센서 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 이미징 센서 장치는 수신 안테나(120), 검출기(130), 클록 생성부(125), 전압제어 발진기(140), 주파수 디지털 변환기(150) 및 디지털 신호 처리기(160)를 포함한다.
수신 안테나(120)는 테라헤르츠 신호원(100)에서 생성되어 송신 안테나(110)를 통해 송신된 테라헤르츠파를 수신할 수 있다.
검출기(130)는 수신 안테나를 통해 수신된 테라헤르츠파 신호를 검출할 수 있다. 예를 들면, 검출기(130)는 광대역 다이오드 또는 전계 효과 트랜지스터(FET) 등 일 수 있다.
클록 생성부(135)는 초점면 배열 이미징 장치에 포함된 회로들의 동작을 위한 클록을 생성하고, 각 회로들의 동작 타이밍을 제어할 수 있다.
예를 들면, 수신 안테나(120) 및, 검출기(130)로 구성된 1개의 세트('1개의 픽셀에 대응')가 구성된 경우를 가정하면, 클록 생성부(125)는 1개의 세트를 구동하는 시간 동안, 검출기(130)에 제 1 제어 신호 및, 제 2 제어 신호를 입력할 수 있다. 여기서, 제 1 제어 신호는 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하도록 하는 신호이며, 제 2 제어 신호는 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하지 않도록 하는 신호이다. 여기서, 구동하는 시간 동안 검출기(130)에 전원은 항상 인가되어 있으며, 제 1 제어 신호는 검출기(130)가 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하도록 하고, 제 2 제어 신호는 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하지 않도록 제어하는 신호를 의미한다. 예를 들면, 검출기(130)가 전계효과 트랜지스터 검출기인 경우, 제 1 제어 전압 및 제 2 제어 전압은 바이어스 전압일 수 있다. 구동하는 시간이란 1개의 픽셀(pixel)에 대응되는 세트에 전원을 온(on) 시키는 시각으로부터 오프(off) 시키는 시각 사이의 시간을 의미한다. 구동하는 시간을 다른 용어로 스캔하는 시간이라고도 한다.
전압제어 발진기(140)는 검출기(130)의 출력 전압에 따라 발진 주파수를 출력할 수 있다.
조절기(145)는 전압제어 발진기(140)에 인가되는 출력 전압을 조절하여 전압제어 발진기의 이득을 조절할 수 있다. 전압제어 발진기의 이득(KVCO) = (주파수 제어 범위) / (전압 제어 범위) 값이다.
조절기(145)는 시스템의 상황이 출력 감도를 높여야할 경우, 전압제어 발진기의 이득이 높아지도록 전압제어 발진기(140)에 인가되는 출력 전압을 조절할 수 있다. 이에, 작은 출력 전압의 변화에도 전압제어 발진기(140)의 출력 주파수의 변화가 커지게 되므로, 출력 감도가 높아진다.
반대로, 조절기(145)는 잡음의 민감도를 줄여야할 경우, 전압제어 발진기의 이득이 낮아지도록 전압제어 발진기(140)로 인가되는 출력 전압을 조절할 수 있다. 이에, 작은 출력 전압의 변화에도 전압제어 발진기(140)의 출력 주파수의 변화가 크지 않게 되므로, 출력이 잡음에 대해 민감하게 반응하지 않는다.
이와 같은 출력 전압의 조절은 사용자 등에 의한 수동 조절 또는 알고리즘 등을 통한 자동 조절이 가능하다.
전압제어 발진기(140)로 인가되는 출력 전압을 조절함으로써, 시스템의 상황에 맞게 최적의 상태에서 테라헤르츠를 검출하고 주파수 신호로 변환할 수 있다.
주파수 디지털 변환기(150)는 전압제어 발진기(140)로부터 출력된 발진 주파수를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 예를 들면, 주파수 디지털 변환기(150)는 계수기 등으로 구현할 수 있다.
디지털 신호 처리기(160)는 변환된 디지털 신호에 기초하여 데이터를 생성할 수 있다.
디지털 신호 처리기(160)는 제 1 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 1 발진 주파수와, 제 2 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 2 발진 주파수의 차이 값에 기초하여 데이터를 생성할 수 있다. 전압제어 발진기(140)에서 생성된 제 1 발진 주파수 및 제 2 발진 주파수는 주파수 디지털 변환기(150)에서 디지털 신호로 변환되어 디지털 신호 처리기(160)로 입력될 수 있다.
이미징 센서 장치는 테라헤르츠 신호를 주파수 신호로 변환하고, 주파수 신호를 바로 디지털 신호로 변환하여 처리하므로, 이미지 센서를 작은 면적으로 구현할 수 있어 단위 화소의 면적을 줄일 수 있다. 이에 따라, 고해상도 테라헤르츠 이미징 센서 장치를 구현할 수 있다.
또한, 고감도 수신을 위한 로크인 증폭기 등의 추가 장비가 필요 없으므로, 장치의 크기를 현저히 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작 비용도 줄일 수 있다.
또한, 전압 제어 발진기를 사용하여 검출기에서 출력되는 신호를 1/f 잡음이 없는 높은 주파수로 변환함으로써, 1/f 잡음에 강해질 수 있다.
또한, 샘플링 시간 동안에 입력되는 제어 신호에 따라 생성되는 발진 주파수의 차이값에 기초하여 이미지 데이터를 생성함으로써, 입력되는 신호가 일정한 경우에도 전압제어 발진기에서 생성되는 주파수 드리프트(frequency drift)에 의해 생성될 수 있는 노이즈에 영향을 받지 않을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 전압제어 발진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전압제어 발진기는 복수 개의 딜레이 셀이 직렬 연결된 링 형태로 구현된 링 전압제어 발진기일 수 있다. 예를 들면, 딜레이셀은 인버터(200, 210, 220, 230) 또는 차동 딜레이 셀 등으로 구현될 수 있다.
딜레이 셀은 인가되는 전압에 의해 전류를 제어하여 RC 시정수 제어가 가능하도록 구현된다.
이에, 복수 개의 딜레이 셀로 이루어진 전압제어 발진기는 검출기의 출력 전압(Vctrl)을 입력 받아 그에 따른 발진 주파수(fOSC)를 출력한다.
도 3은 전압제어 발진기의 이득(KVCO)을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3에는 전압제어 발진기의 제어 전압(Vctrl)에 따른 출력 주파수(fOSC) 곡선이다. 전압제어 발진기의 이득(KVCO) = (주파수 제어 범위) / (전압 제어 범위) 값이다.
따라서, 전압제어 발진기(KVCO)의 정의에 따라 도 3의 곡선의 기울기가 각 제어 전압(Vctrl)에 대한 전압제어 발진기(KVCO) 값이 된다. 곡선의 기울기가 높은 부분이 high KVCO 부분이 되고, 곡선의 기울기가 낮은 부분이 low KVCO 부분이 된다.
시스템의 상황이 출력 감도를 높여야할 경우, 전압제어 발진기의 이득이 높아지도록 전압제어 발진기에 인가되는 출력 전압을 조절(출력 전압을 high KVCO 부분으로 이동시킴)할 수 있다.
반대로, 잡음의 민감도를 줄여야할 경우, 전압제어 발진기의 이득이 낮아지도록 전압제어 발진기로 인가되는 출력 전압을 조절(출력 전압을 low KVCO 부분으로 이동시킴)할 수 있다.
이와 같이, 시스템의 상황에 맞게 출력 전압을 조절함으로써, 전압제어 발진기는 최적의 상황에서 발진 주파수를 출력할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 조절기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 검출기가 전계효과 트랜지스터 검출기(400)인 경우, 전계효과 트랜지스터(400)의 드레인은 전압제어 발진기(410)와 연결되고, 전계효과 트랜지스터(400)의 소스와 접지 사이에는 조절기(420)인 조절 전압 소스가 연결될 수 있다.
전계 효과 트랜지스터 검출기(400)가 게이트 전압에 의해 turn-on되면, 전류가 흐르지 않는 전계 효과 트랜지스터 검출기(400)의 드레인 전압(Vctrl)은 소스에 가해진 조절 전압(VS)과 거의 같아지게 된다.
드레인 전압(Vctrl) = 조절 전압(VS) + △V
△V는 테라헤르츠파에 의해 생성되는 DC 출력 전압이다. △V는 조절 전압(VS)과 비교하여 매우 작은 수준에 불과하다. 예를 들면, △V는 수~수백 uV의 값을 가질 수 있으나, 반드시 이 수치에 한정되는 것은 아니다.
이에 따라, 조절 전압(VS)을 조절함으로써, 전압제어 발진기(410)의 인가 전압(Vctrl)을 결정하게 된다. 이와 같이, 전압제어 발진기의 동작점을 소스와 접지 사이에 연결된 조절 전압 소스에 전압을 조절하여 변경함으로써, 전압제어 발진기(410)을 원하는 KVCO 값으로 동작시킬 수 있다.
검출기(400)가 전계효과 트랜지스터 검출기인 경우, 클록 생성부(미도시)에서 생성되는 제 1 제어 전압 및 제 2 제어 전압은 바이어스 전압일 수 있다.
검출기(400)에 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하도록 하는 제 1 제어 신호가 입력되는 경우, 전압제어 발진기(410)의 인가 전압(Vctrl)은 '조절 전압(VS) + △V'이다. 반면에, 검출기(400)에 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하지 않도록 하는 제 2 제어 신호가 입력되는 경우, 전압제어 발진기(410)의 인가 전압(Vctrl)은 '조절 전압(VS)'이다.
이에, 제 1 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 전압제어 발진기(140)에서 생성된 제 1 발진 주파수와, 제 2 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 전압제어 발진기(140)에서 생성된 제 2 발진 주파수의 차이 값은 '△f'가 된다. 여기서, △f는 제 1 제어 신호가 입력된 경우의 인가 전압(VS+△V)과 제 2 제어 신호가 입력된 경우의 인가 전압(VS)의 차이값인 △V에 의해 발생되는 출력 주파수의 차이값일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 초점면 배열 이미징 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 초점면 배열 이미징 장치는 안테나-검출기 어레이(501, 502, 503, 504, 505, 506, 507, 508, 509), 로우(row) 드라이버(510), 칼럼(column) 드라이버(511), 전압제어 발진기, 주파수 디지털 변환기, 디지털 신호 처리기, 클록 생성부(513), 전원 제어부(514)를 포함한다.
안테나-검출기 어레이(501, 502, 503, 504, 505, 506, 507, 508, 509)는 테라헤르츠파 신호를 수신하는 수신 안테나 및, 수신 안테나를 통해 수신된 테라헤르츠파 신호를 검출하는 검출기로 구성된 세트가 행렬로 배치된 어레이를 의미한다. 즉, 하나의 세트에는 수신 안테나 및 검출기가 포함되어 있으며, 어레이는 이러한 세트들이 복수 개 배열된 것을 의미한다.
로우(row) 드라이버(510) 및 칼럼(column) 드라이버(511)은 안테나-검출기 어레이에 존재하는 중 특정 세트를 온/오프 시킬 수 있다. 드라이버(510, 511)와 안테나-검출기 어레이는 전기적으로 연결될 수 있다.
전압제어 발진기, 주파수 디지털 변환기 및 디지털 신호 처리기는 하나의 블록(512)으로 표현하였다.
전압제어 발진기는 세트로부터 출력된 출력 전압에 따라 발진 주파수를 출력한다. 주파수 디지털 변환기는 전압제어 발진기로부터 출력된 발진 주파수를 디지털 신호로 변환한다. 디지털 신호 처리기는 변환된 디지털 신호에 기초하여 데이터를 생성하여 출력한다.
클록 생성부(513)는 초점면 배열 이미징 장치에 포함된 회로들의 동작을 위한 클록을 생성하고, 각 회로들의 동작 타이밍을 제어할 수 있다.
예를 들면, 수신 안테나(120) 및, 검출기(130)로 구성된 세트가 다수개 배치되는 안테나-검출기 어레이가 구성된 경우를 가정하면, 클록 생성부(125)는 1개의 세트를 샘플링하는 시간 동안, 1개의 세트에 포함된 검출기에 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하도록 하는 제 1 제어 신호 및, 상기 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하지 않도록 하는 제 2 제어 신호를 입력할 수 있다.
전원 제어부(514)는 초점면 배열 이미징 장치에 포함된 회로들에 전원을 공급할 수 있다.
조절기(미도시)는 전압제어 발진기에 인가되는 출력 전압을 조절하여 전압제어 발진기의 이득을 조절할 수 있다. 조절기와 관련된 내용은 이미 설명하였으므로 생략하겠다.
도 6은 본 발명의 전압제어 발진기의 출력 주파수를 시간에 따라 도시한 도면이다.
도 6에 기재된 그래프의 가로축은 시간이며, 세로축은 전압제어 발진기에서 생성되는 출력 주파수이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, t1, t3, t5, t7 등의 시간에 제 1 제어 신호가 입력되는 경우 또는 t2, t4, t6, t7 등의 시간에 제 1 제어 신호가 입력되는 경우에 전압제어 발진기에서 출력된 주파수의 절대값을 보면 일정하지 않다. 이와 같이 전압 제어 발진기의 출력 주파수가 일정하지 않은 이유는 주파수 드리프트(frequency drift) 현상 때문이다.
본 발명에 따른 디지털 신호 처리기는 전압제어 발진기에서 출력된 주파수의 절대값을 이용하지 않고, 제 1 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 전압제어 발진기에서 생성된 제 1 발진 주파수와, 제 2 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 전압제어 발진기에서 생성된 제 2 발진 주파수의 차이 값('△f')을 이용함으로써, 주파수 드리프트(frequency drift) 현상에 따른 노이즈를 없앨 수 있다. 여기서, △f는 제 1 제어 신호가 입력된 경우의 인가 전압(VS+△V)과 제 2 제어 신호가 입력된 경우의 인가 전압(VS)의 차이값인 △V에 의해 발생되는 출력 주파수의 차이값일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 이미징 센서 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 이미징 센서 장치가 4개의 픽셀(pixel)로 구성되어 있고, 4개의 픽셀에 대응되는 세트(수신 안테나 및 검출기를 포함)가 4개 존재하는 경우를 기준으로 설명하겠다. 그러나, 이미징 센서 장치에 포함된 픽셀의 개수는 이에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 세트 1, 세트 2, 세트 3 및 세트 4에는 구동 신호가 순차적으로 인가될 수 있다. 예를 들면, 각 구동 신호는 2ms 동안 인가될 수 있다.
클록 생성부(125)는 각각의 세트 1, 세트 2, 세트 3 및 세트 4들을 구동하는 시간 동안, 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호를 생성하여 검출기(130)에 입력할 수 있다. 여기서, 제 1 제어 신호는 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하도록 하는 신호이며, 제 2 제어 신호는 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하지 않도록 하는 신호이다. 제 1 제어 신호 및 제 2 제어신호의 인가 시간은 각각 1ms이다.
디지털 신호 처리기(160)는 제 1 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 전압제어 발진기(140)에서 생성된 제 1 발진 주파수를 읽어 들이고, 제 2 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 2 발진 주파수를 읽어 들일 수 있다. 예를 들면, 디지털 신호 처리기(160)는 제 1 제어 신호가 입력되는 '1ms' 내에, 전압제어 발진기(140)에서 생성된 제 1 발진 주파수를 읽어('리딩 신호')들이고, 제 2 제어 신호가 입력되는 '1ms' 내에, 전압제어 발진기(140)에서 생성된 제 2 발진 주파수를 읽어('리딩 신호') 들일 수 있다. 즉, 디지털 신호 처리기(160)는 리딩 신호('1ms') 마다 발진 주파수를 읽어 들일 수 있다.
예를 들면, 디지털 신호 처리기(160)는 제 1 제어 신호 또는 제 2 제어 신호가 검출기에 입력되었다가 없어 질 때 또는, 리딩 신호가 입력될 때, 직전 '1ms' 동안에 생성된 발진 주파수를 읽을 수 있다. 구체적으로는, 주파수 디지털 변환기(150)는 직전 '1ms' 동안 전압 제어 발진기(140)에서 생성된 발진 주파수를 읽어들이고, 디지털 신호 처리기(160)는 주파수 디지털 변환기(150)에서 생성된 발진 주파수 신호를 읽을 수 있다.
예를 들면, 디지털 신호 처리기(160)는 세트에 인가되는 구동 신호의 하강 에지(falling) 마다 제 1 발진 주파수 및, 제 2 발진 주파수의 차이값(△f)를 연산할 수 있다.
디지털 신호 처리기(160)는 읽어들인 제 1 발진 주파수와 제 2 발진 주파수의 차이 값에 기초하여 데이터를 생성할 수 있다.
설명된 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 테라헤르츠 신호원
110 : 송신 안테나
120 : 수신 안테나
130 : 검출기
135 : 클록 생성부
140 : 전압제어 발진기
145 ; 조절기
150 : 주파수 디지털 변환기
160 ; 디지털 신호 처리기

Claims (15)

  1. 수신 안테나를 통해 수신된 테라헤르츠파 신호를 검출하는 검출기;
    상기 검출기의 출력 전압에 따라 발진 주파수를 출력하는 전압제어 발진기;
    상기 전압제어 발진기에 인가되는 상기 출력 전압을 조절하여 전압제어 발진기의 이득을 조절할 수 있는 조절기; 및
    전압제어 발진기로부터 출력된 발진 주파수를 디지털 신호로 변환하는 주파수 디지털 변환기;를 포함하되,
    상기 검출기가 전계효과 트랜지스터 검출기인 경우, 전계효과 트랜지스터의 드레인은 상기 전압제어 발진기와 연결되고, 전계효과 트랜지스터의 소스와 접지 사이에는 조절기인 조절 전압 소스가 연결되고, 조절 전압을 조절하면 상기 전압제어 발진기의 이득이 조절되는, 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절기는,
    출력 감도를 높여야할 경우 상기 전압제어 발진기의 이득이 높아지도록 상기 출력 전압을 조절하고, 잡음의 민감도를 줄여야할 경우 상기 전압제어 발진기의 이득이 낮아지도록 상기 출력 전압을 조절하는 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압제어 발진기의 이득은 (주파수 제어 범위 / 전압 제어 범위) 값인 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압제어 발진기는
    복수 개의 딜레이 셀이 직렬 연결된
    링 형태로 구현되는 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신안테나 및 상기 검출기를 포함하는 세트를 구동하는 시간 동안, 상기 검출기에 상기 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하도록 하는 제 1 제어 신호 및, 상기 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하지 않도록 하는 제 2 제어 신호를 입력하는 클록 생성부; 및
    상기 제 1 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 1 발진 주파수와, 상기 제 2 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 2 발진 주파수의 차이 값에 기초하여 데이터를 생성하는 디지털 신호처리기;를 더 포함하는, 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 이미징 센서 장치.
  8. 테라헤르츠파 신호를 수신하는 수신 안테나 및, 수신 안테나를 통해 수신된 테라헤르츠파 신호를 검출하는 검출기로 구성된 세트가 다수개 배치되는 안테나-검출기 어레이;
    상기 배치된 세트 중 특정 세트를 온/오프 시킬 수 있는 칼럼(column)/로우(row) 드라이버;
    세트로부터 출력된 출력 전압에 따라 발진 주파수를 출력하는 전압제어 발진기;
    전압제어 발진기로부터 출력된 발진 주파수를 디지털 신호로 변환하는 주파수 디지털 변환기; 및
    상기 변환된 디지털 신호에 기초하여 데이터를 생성하는 디지털 신호 처리기를 포함하는 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    초점면 배열 이미징 장치에 포함된 회로들의 동작을 위한 클록을 생성하고, 각 회로들의 동작 타이밍을 제어하는 클록 생성부를 더 포함하는 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 클록 생성부는,
    1개의 세트를 구동하는 시간 동안, 상기 1개의 세트에 포함된 검출기에 상기 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하도록 하는 제 1 제어 신호 및, 상기 수신된 테라헤르츠파에 의한 DC 출력 전압을 생성하지 않도록 하는 제 2 제어 신호를 입력시키고,
    상기 디지털 신호 처리기는,
    상기 제 1 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 1 발진 주파수와, 상기 제 2 제어 신호가 검출기에 입력되는 동안 상기 전압제어 발진기에서 생성된 제 2 발진 주파수의 차이 값에 기초하여 데이터를 생성하는, 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 검출기가 전계효과 트랜지스터 검출기인 경우, 상기 제 1 제어 신호 및 상기 제 2 제어 신호는 바이어스 전압인, 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 전압제어 발진기에 인가되는 상기 출력 전압을 조절하여 전압제어 발진기의 이득을 조절할 수 있는 조절기를 더 포함하는 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치.
  13. 제 12 항 있어서,
    상기 조절기는,
    출력 감도를 높여야할 경우 상기 전압제어 발진기의 이득이 높아지도록 상기 출력 전압을 조절하고, 잡음의 민감도를 줄여야할 경우 상기 전압제어 발진기의 이득이 낮아지도록 상기 출력 전압을 조절하는 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 전압제어 발진기의 이득은 (주파수 제어 범위 / 전압 제어 범위) 값인 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 검출기가 전계효과 트랜지스터 검출기인 경우, 전계효과 트랜지스터의 드레인은 상기 전압제어 발진기와 연결되고, 전계효과 트랜지스터의 소스와 접지 사이에는 조절기인 조절 전압 소스가 연결되고, 조절 전압을 조절하면 상기 전압제어 발진기의 이득이 조절되는 실시간 테라헤르츠 이미징을 위해 주파수 변환을 이용한 초점면 배열 이미징 장치.
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