KR102322871B1

KR102322871B1 - 필터 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서 및 적외선 카메라

Info

Publication number: KR102322871B1
Application number: KR1020150011870A
Authority: KR
Inventors: 정지혁; 이창혁
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2021-11-08
Also published as: KR20160091586A

Abstract

필터 어레이가 개시된다. 본 발명에 따른 필터 어레이는 적외선 카메라의 이미지 센서에 적용가능한 필터 어레이로서, 제1최저파장값 내지 제1최고파장값을 갖는 제1파장영역의 적외선을 필터링하는 제1적외선필터와, 제2최저파장값 내지 제2최고파장값을 갖는 제2파장영역의 적외선을 필터링하는 제2적외선필터를 포함한다. 또한, 상기 필터 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 적외선 카메라가 개시된다.

Description

필터 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서 및 적외선 카메라{FILTER ARRAY AND IMAGE SENSOR AND INFRARED CAMERA COMPRISING THE SAME}

본 발명은 필터 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서 및 적외선 카메라에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 방사율을 이용한 보정 과정없이도 적외선 카메라에 결상된 물체의 절대온도를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 필터 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서와 적외선 카메라에 관한 것이다.

최근 들어, 적외선 카메라는 군사용, 산업용, 의료용의 목적으로 다양한 분야에서 활용되고 있다. 예를 들어, 전자제품 발열성능시험, PCB 발열 테스트 등 연구개발단계에서의 사용, 금속시편의 피로한계 검사 또는 태양전지 결함검사 등 비파괴검사, 전기설비 점검 또는 에너지 진단, 및 건축물의 단열 성능 평가 등 예방유지보수 차원에서의 사용, 각종 자동화 시스템 및 프로세스 제어 시스템, 보안감시 및 화재 감시용, 체열진단 등 의료목적에서의 사용 등 그 사용처는 점점 더 확대되고 있는 실정이다.

적외선 카메라는 피사체의 온도를 비접촉식으로 측정할 수 있는데, 흑체복사법칙에 따라 특정 온도의 물체에서 방사되는 적외선을 센서에 결상하여 결상된 상의 밝기를 측정하는 방식 등으로 물체의 온도를 측정할 수 있다. 그러나, 종래의 적외선 센서를 이용하는 경우에는 물체 표면의 성질에 의존하는 방사율(emissivity)에 따라 측정된 상의 밝기를 직접 이용하여 온도를 측정하면 실제 온도보다 낮은 온도로 잘못 측정하게 되는 경우가 발생한다. 이러한 적외선 센서의 문제점을 해결하기 위해 2색 온도계(dichroic thermometer)가 제안된 바 있다. 그러나, 2색 온도계는 매우 좁은 파장 범위를 이용하여 센싱을 하므로 night vision과 같이 어두운 작은 단위 픽셀을 형성하는 구조에서는 필요한 SNR(Signal to noise ratio; 신호대잡음비)을 구현할 수 없다는 단점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 방사율을 이용한 보정없이도 적외선 카메라에 결상된 물체의 절대온도를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 필터 어레이를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은, 방사율을 이용한 보정없이도 물체의 절대온도를 정확하게 측정할 수 있는 필터 어레이를 이용하여, 높은 감도를 갖는 이미지 센서를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 우수한 노이즈 특성을 갖는 이미지 센서와 적외선 카메라를 제공하고자 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 필터 어레이는, 적외선 카메라의 이미지 센서에 적용되는 필터 어레이로서, 제1최저파장값 내지 제1최고파장값을 갖는 제1파장영역의 적외선을 필터링하는 제1적외선필터와, 제2최저파장값 내지 제2최고파장값을 갖는 제2파장영역의 적외선을 필터링하는 제2적외선필터를 포함한다.

실시 예에 있어서, 상기 제1최저파장값은 상기 제2최저파장값보다 작고, 상기 제1최고파장값은 상기 제2최고파장값보다 작을 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 제1적외선필터는 상기 제1파장영역 범위에서 포물선 형태의 투과율을 가지며, 제2적외선필터는 상기 제2파장영역 범위에서 포물선 형태의 투과율을 가질 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 제1적외선필터는 상기 제1파장영역 범위에서 포물선 형태의 투과율을 가지며, 상기 제2적외선필터는 상기 제2파장영역 범위 전체에서 투과율 1 을 가질 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 제1적외선필터와 상기 제2적외선필터는 상호 교차되어 행열로 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 상기 필터 어레이와, 상기 필터 어레이 각각에 대응되는 광전변환소자를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 카메라는 상기 실시예에 따른 이미지 센서를 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 방사율을 이용한 보정없이도 적외선 카메라에 결상된 물체의 절대온도를 정확하게 측정할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 높은 감도를 가지며, 우수한 노이즈 특성을 갖는 이미지 센서 및 적외선 카메라를 구현할 수 있다.

도 1(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 어레이 구성도이다.
도 1(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 어레이를 구성하는 필터의 투과율 그래프이다.
도 2(a)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터 어레이 구성도이다.
도 2(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터 어레이를 구성하는 필터의 투과율 그래프이다.
도 3(a)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필터 어레이 구성도이다.
도 3(b)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필터 어레이를 구성하는 필터의 투과율 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 어레이를 적용한 이미지 센서에서 보간 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 5(a)는 플랑크 법칙에 따른 흑체의 복사 스펙트럼 그래프이다.
도 5(b)는 마이크로볼로미터를 이용하는 적외선 센서의 감도 곡선 그래프이다.
도 5(c)는 적외선 센서가 감지하는 파장범위에서 절대온도에 따른 흑체복사 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 포함하는 적외선 카메라의 블록구성도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 어레이(10)와 필터 어레이(10)를 구성하는 필터(A, B)의 투과율을 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 어레이(10)는 서로 다른 영역의 적외선을 필터링하는 이종의 적외선 필터(A,B)를 포함하여 이루어진다. 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 필터A와 필터B는 상호 교차되어 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 필터A 와 필터B가 구현되는 각각의 단위면적의 크기는 같다.

필터A는 제1최저파장값(

)내지 제1최고파장값(

)을 갖는 제1파장영역의 적외선을 필터링하고, 필터B는 제2최저파장값(

) 내지 제2최고파장값(

)을 갖는 제2파장영역의 적외선을 필터링할 수 있다. 이 때, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 필터A의 투과율은 제1최저파장값(

)과 제1최고파장값(

)에서 최저투과율(예를 들어, 0)을 갖고, 제1최저파장값(

)과 제1최고파장값(

)의 중간값에서 최고투과율(예를 들어, 1)을 갖는 포물선 형태일 수 있다. 또한, 필터B의 투과율은 제2최저파장값(

)과 제2최고파장값(

)에서 최저투과율(예를 들어, 0)을 갖고, 제2최저파장값(

)과 제2최고파장값(

)의 중간값에서 최고투과율(예를 들어, 1)을 갖는 포물선 형태일 수 있다. 상술한 예에서는 필터A 와 필터B 의 파장에 따른 투과율이 중심축을 기준으로 대칭인 형태인 경우에 대해 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 필터의 파장에 따른 투과율이 비대칭인 경우도 가능하다 할 것이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터 어레이(10)와 필터 어레이(10)를 구성하는 필터(A,C)의 투과율을 도시한다. 도 1의 실시예와 마찬가지로, 도 2에 개시된 필터 어레이(10)도 이종의 적외선 필터(A,C)를 포함하여 이루어진다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 필터A와 필터C는 상호 교차되어 행렬로 배열될 수 있다.

필터A는 도 1과 관련하여 상술한 바와 같이, 제1최저파장값(

)내지 제1최고파장값(

)을 갖는 제1파장영역의 적외선을 필터링한다. 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 필터A의 투과율은 제1최저파장값(

)과 제1최고파장값(

)에서 최저투과율(예를 들어, 0)을 갖고, 제1최저파장값(

)과 제1최고파장값(

)의 중간값에서 최고투과율(예를 들어, 1)을 갖는 포물선 형태일 수 있다. 또한, 필터C의 투과율은 통과파장영역 전체에서 투과율 1 (투과율 100%)일 수 있다. 예를 들어, 필터C는 7um(

) 내지 15um(

)의 파장영역 전체에서 투과율 1 을 갖는 필터일 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 2(a)의 필터 어레이(10)에서 필터C를 제거하고, 필터C 자리에 필터를 전혀 배치하지 않는 실시예도 가능하다 할 것이다.

한편, 도 3의 실시예와 같이, 필터B와 필터C를 상호 교차배열하여 필터 어레이(10)를 구성하는 것도 가능하다. 필터B는 도 1과 관련하여 상술한 바와 같이 제2최저파장값(

) 내지 제2최고파장값(

)을 갖는 제2파장영역의 적외선을 필터링할 수 있다. 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 필터B의 투과율은 제2최저파장값(

)과 제2최고파장값(

)에서 최저투과율(예를 들어, 0)을 갖고, 제2최저파장값(

)과 제2최고파장값(

)의 중간값에서 최고투과율을 갖는 포물선 형태일 수 있다. 한편, 필터C는 도2와 관련하여 상술한 바와 같이, 파장영역 전체(예를 들어, 7~15nm)에서 투과율 1 (투과율 100%)을 갖는 필터일 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3(a)의 필터 어레이(10)에서 필터C를 제거하고, 필터C 자리에 필터를 전혀 배치하지 않는 실시예도 가능하다 할 것이다.

다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 어레이(10)를 이용한 이미지 센서의 보간 방법을 설명한다. 도 4에 도시된 4*4 매트릭스는 도 1에 도시된 5*5 매트릭스의 일부이다. 본 발명에서의 보간 방법은 각 픽셀에 인접한 나머지 색 정보를 이용하여 구하는 방식을 사용할 수 있다. 예를 들어, A픽셀의 B색 정보는 이웃하는 B픽셀로부터 구할 수 있다. 즉,

픽셀의 B색 정보는 이웃하는 B색 픽셀(

,

)에서 구할 수 있다. 즉, 픽셀의 B색 정보(

)는 아래의 수학식 1 과 같다.

[수학식 1]

= (

+

)/4

한편, B픽셀의 A색 정보는 이웃하는 A픽셀로부터 구할 수 있다. 즉,

픽셀의 A색 정보는 이웃하는 A색 픽셀(

,

)에서 구할 수 있다. 즉, 픽셀의 A색 정보(

)는 아래의 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

=(

+

)/4

다음으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서가 물체의 절대온도를 측정하는 방식에 대해 설명한다. 흑체는 플랑크(Plank) 법칙에 의하여 표면에서 전자기파를 방사한다. 플랑크 법칙을 파장 λ의 함수로 나타내면, 아래의 수학식 3과 같다.(λ는 전자기파의 파장, T는 절대온도, h는 플랑크 상수, k는 볼츠만 상수, c는 광속임.)

[수학식 3]

도 5(a)는 상기 수학식 3에 따라 계산된 몇 가지 절대온도에 대한 흑체의 복사 스펙트럼을 도시한다. 플랑크 법칙에 의하여 흑체의 표면에서 방사된 전자기파를 특정 감도를 갖는 센서에 결상하면 센서에서 측정되는 전자기파의 power에 의해 흑체의 절대온도를 알 수 있다. 그러나, 상기와 같은 방법으로 물체의 절대온도를 측정하는 것은 물체가 흑체, 즉, 플랑크 법칙에 완전히 따르는 물체일 때만 가능하다. 즉, 통상의 물체는 표면 특성에 따라 플랑크 법칙의 power 보다 작은 power를 방사하게 된다. 방사율(emissivity)은 실제로 물체에서 방사되는 power와 동일한 절대온도를 가진 흑체의 방사 power의 비율로 정의된다. 방사율은 물체의 표면 특성에 따라 달라지므로, 종래의 통상적인 적외선 카메라는 절대온도를 측정하고자 하는 물체의 방사율을 참조표로 적용하여 측정된 온도를 보정하게 된다. 도 5(b)와 도 5(c)를 참조하여 물체의 절대온도 보정 방법의 일 예에 대해 설명한다. 도 5(b)는 종래의 마이크로볼로미터를 이용하는 적외선 센서의 감도 곡선 그래프이며, 도 5(c)는 적외선 센서가 감지하는 파장범위에서 절대온도에 따른 흑체복사 분포를 나타내는 그래프이다. 도 5(b)의 센서 감도 곡선에서의 파장과 power의 곱과 도 5(c)의 흑체복사 분포곡선에서의 파장과 power의 곱의 총합을 비교하면 절대온도에 따라 센서가 감지하는 power가 다름을 확인할 수 있다. 또한, 도 5(c)를 참조하면 흑체 복사 분포에서 power의 총합 뿐만 아니라 파장에 따른 분포도 다름을 알 수 있다.

도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(10)를 포함하는 적외선 카메라(20)의 블록구성도이다. 상기 적외선 카메라(20)는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(10)를 포함하는 이미지 센서(12)를 포함한다. 이미지 센서(12)는 픽셀 어레이(10)를 구성하는 각각의 필터에 대응하는 광전변환소자(미도시)를 더 구비할 수 있다. 적외선 카메라(20)는 픽셀 어레이 및 이미지 센서(12)의 동작을 제어하기 위한 제어부(14)를 더 포함할 수 있다. 또한, 적외선 카메라(20)는 인터페이스부(16)를 더 포함할 수 있다. 인터페이스부(16)는 영상표시장치일 수 있으며, 입출력 장치일 수도 있다. 영상표시장치는 상기 제어부(14)의 제어 하에 이미지 센서(12)로부터 출력된 데이터를 디스플레이할 수 있다. 또한, 적외선 카메라(20)는 이미지 센서(12)로부터 출력되는 영상을 저장할 수 있는 메모리(18)를 더 포함할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시 예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10 : 필터 어레이
12: 이미지 센서
14: 제어부
16: 인터페이스부
18: 메모리
20 : 적외선 카메라

Claims

적외선 카메라의 이미지 센서에 적용되는 필터 어레이로서,
제1최저파장값 내지 제1최고파장값을 갖는 제1파장영역의 적외선을 필터링하는 제1적외선필터와,
제2최저파장값 내지 제2최고파장값을 갖는 제2파장영역의 적외선을 필터링하는 제2적외선필터를 포함하고,
상기 제1적외선필터와 상기 제2적외선필터는 상호 교차되어 매트릭스 형태로 배열되고,
상기 제1적외선필터는 상기 제1파장영역 범위에서 포물선 형태의 투과율을 가지며, 상기 제2적외선필터는 상기 제1파장영역 범위를 포함하는 상기 제2파장영역 범위 전체에서 투과율 1 을 갖는 필터 어레이.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제1최저파장값은 상기 제2최저파장값보다 작고, 상기 제1최고파장값은 상기 제2최고파장값보다 작은 것을 특징으로 하는 필터 어레이.
제 3 항에 있어서,
상기 제1적외선필터는 상기 제1파장영역 범위에서 포물선 형태의 투과율을 가지며, 제2적외선필터는 상기 제2파장영역 범위에서 포물선 형태의 투과율을 갖는 것을 특징으로 하는 필터 어레이.
삭제
제 1 항의 필터 어레이; 및
상기 필터 어레이를 구성하는 각각의 필터에 대응되는 광전변환소자를 포함하는 이미지 센서.
제 6항의 이미지 센서를 포함하는 적외선 카메라.