KR20030082185A - Apparatus for detecting infrared detector - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 적외선 감지소자에 관한 것으로, 특히, 적외선 감지소자의 비균일성을 용이하게 보상할 수 있도록 하기 위한 초점면 어레이 방식의 적외선 감지소자에 관한 것이다.The present invention relates to an infrared sensing element, and more particularly, to an infrared sensing element of a focal plane array type to easily compensate for the nonuniformity of the infrared sensing element.
일반적으로, 적외선의 절대적 물리량을 감지하는 소자의 종류에는 여러 가지가 있으나, 최근에는 초점면 어레이(Focal Plane Array ; FPA)가 적외선 촬영과 관련하여 군사무기분야에서 관심이 높아지고 있는 추세이다.In general, there are many kinds of devices that detect the absolute physical quantity of infrared rays, but recently, focal plane arrays (FPAs) have been increasing in the field of military weapons in relation to infrared imaging.
도 1은 종래의 초점면 어레이 방식의 적외선 감지소자를 이용한 적외선 촬영시스템에 대한 블록도이다.1 is a block diagram of an infrared imaging system using a conventional focal plane array infrared sensing element.
도 1을 살펴보면, 종래의 초점면 어레이 방식의 적외선 감지소자를 이용한 적외선 촬영시스템(20)은 광학렌즈(21), 광학렌즈(21)에 연결된 초점면 어레이(22), 초점면 어레이(22)와 연결된 신호 처리기(23), 신호 처리기(23)와 연결되고 검출된 영상을 디스플레이 하기 위한 디스플레이 장치(25)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, an infrared imaging system 20 using a conventional focal plane array infrared sensing element includes an optical lens 21, a focal plane array 22 connected to an optical lens 21, and a focal plane array 22. And a display device 25 connected to the signal processor 23 and the signal processor 23 to display the detected image.
광학렌즈(21)는 목표영상(target)(10)으로부터의 적외선 신호를 초점면 어레이(22)의 표면으로 모은다.The optical lens 21 collects infrared signals from the target 10 onto the surface of the focal plane array 22.
초점면 어레이(22)는 n×m의 행과 열에 정렬된 다수의 검출기를 포함하며, 수신된 목표영상의 온도를 나타내는 적외선 신호를 그에 해당하는 전기적 신호로변환한다.The focal plane array 22 includes a plurality of detectors arranged in rows and columns of n × m, and converts an infrared signal representing the temperature of the received target image into a corresponding electrical signal.
신호처리기(23)는 초점면 어레이(22)에서 출력되는 전기적 신호를 전송받아 디스플레이장치(25)에서 디스플레이 하기에 적절한 신호로 변환한다.The signal processor 23 receives an electrical signal output from the focal plane array 22 and converts the electrical signal into a signal suitable for display on the display device 25.
디스플레이 장치(25)는 신호 처리기(23)에서의 출력신호에 의해 영상을 구현한다.The display device 25 implements an image by the output signal from the signal processor 23.
도 1을 참조하여 설명하면, 초점면 어레이를 이용한 적외선 촬영시스템(20)이 정확하게 목표 영상을 검출하여 영상화하기 위해서는 초점면 어레이(22)를 이루는 개개의 검출기들의 온도 감지능력이 균일해야 한다. 즉, 동일한 온도의 물체에 대한 초점면 어레이(22)의 각 검출소자들의 전기적 특성이 동일해야 한다.Referring to FIG. 1, in order for the infrared imaging system 20 using the focal plane array to accurately detect and image the target image, the temperature sensing ability of the individual detectors constituting the focal plane array 22 must be uniform. In other words, the electrical characteristics of the detection elements of the focal plane array 22 with respect to the object of the same temperature should be the same.
그러나, 초점면 어레이(22)를 이루는 각 픽셀 검출기들 간에는 각 검출기들을 구동하기 위한 바이오스전압, 열 및 행 스캔을 위한 멀티플렉싱 스위치등과 같은 소자들의 편차에 의한 고정 잡음신호에 의해 감도 오차가 존재한다. 이로 인해, 온도 분포가 균일한 물체의 온도를 검출한 결과가 픽셀 검출기간에 달라질 수 있다.However, there is a sensitivity error between the pixel detectors constituting the focal plane array 22 due to a fixed noise signal due to variations of devices such as a bios voltage for driving the respective detectors, a multiplexing switch for column and row scanning, and the like. . For this reason, the result of detecting the temperature of an object having a uniform temperature distribution may vary in the pixel detection period.
따라서, 종래에는 신호처리기(23)와 디스플레이 장치(25)사이에 비균일성 보상장치(24)가 마련하고, 이 비균일성 보상장치(24)에 의해 초점면 어레이(22)의 각 픽셀검출기들의 출력신호에 근거하여 이러한 픽셀 검출기들 간의 감도오차를 보상한다.Accordingly, in the related art, a nonuniformity compensator 24 is provided between the signal processor 23 and the display device 25, and the nonuniformity compensator 24 provides each pixel detector of the focal plane array 22. Compensate for the sensitivity error between these pixel detectors based on their output signal.
그러나, 초점면 어레이(22)의 각 픽셀검출기들의 출력신호에는 각각의 영상신호뿐만 아니라, 잡음신호가 함께 포함되어 있기 때문에, 각 픽셀검출기의 출력신호에서 잡음신호를 제외한 영상신호만을 얻기 위해서는 많은 하드웨어적인 구성과 복잡한 알고리즘이 필요하다.However, since the output signals of the pixel detectors of the focal plane array 22 include not only the respective image signals but also the noise signals, a large amount of hardware is required to obtain only the image signals excluding the noise signals from the output signals of the pixel detectors. Requires constructive and complex algorithms.
따라서, 초점면 어레이를 이용한 적외선 영상시스템을 소형화하기 어렵고 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라, 처리속도가 늦어지는 문제점이 있다.Therefore, it is difficult to miniaturize an infrared imaging system using a focal plane array, it is expensive, and there is a problem that the processing speed becomes slow.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 많은 하드웨어적인 구성과 복잡한 알고리즘 없이도 목표영상에 대한 각 픽셀검출기의 출력신호에서 영상신호만을 쉽게 얻을 수 있도록 기준잡음값을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a reference noise value so that only an image signal can be easily obtained from an output signal of each pixel detector for a target image without many hardware configurations and complicated algorithms. have.
도 1은 종래의 초점면 어레이 방식의 적외선 감지소자를 이용한 적외선 촬영시스템에 대한 블록도이다.1 is a block diagram of an infrared imaging system using a conventional focal plane array infrared sensing element.
도 2는 본 발명에 따른 적외선 감지소자의 개략도이다.2 is a schematic diagram of an infrared sensing element according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 적외선 차폐수단을 구비한 적외선 감지소자의 구성도이다.3 is a block diagram of an infrared sensing device having an infrared shielding means according to the present invention.
도 4는 도 3의 다른 실시예로 적외선 차폐수단이 적외선 검출기의 행 배열라인과 열 배열라인에 모두 마련된 것을 보인 도이다.4 is a view showing that the infrared shielding means is provided in both the row array line and the column array line of the infrared detector in another embodiment of FIG.
도 5는 도 3의 다른 실시예로 적외선 차폐수단이 적외선 감지소자의 최외곽측에 확대 마련된 것을 보인 도이다.5 is a view showing that the infrared shielding means is expanded to the outermost side of the infrared sensing element in another embodiment of FIG.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로 광학렌즈와 적외선 감지소자 사이에 적외선 차폐수단이 마련된 것을 설명하기 위한 도이다.6 is a view for explaining that the infrared shielding means is provided between the optical lens and the infrared sensing element in another embodiment of the present invention.
*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명** Description of the code for the main functions of the drawings
22 : 초점면 어레이 22a: 차폐부22: focal plane array 22a: shield
22b: 비차폐부 22c: 적외선 차폐수단22b: unshielded portion 22c: infrared shielding means
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 목표영상으로부터의 적외선 신호를 입력받아 전기적 신호로 출력하는 다수의 적외선 검출기가 행과 열로 정렬된 적외선 감지소자에 있어서, 상기 적외선 감지소자는 상기 다수의 적외선 검출기 중 일부를 차폐하기 위한 적외선 차폐수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is an infrared sensing device in which a plurality of infrared detectors for receiving an infrared signal from a target image and outputting the electrical signal as an electrical signal, the infrared sensing device is the plurality of infrared detectors It characterized in that it comprises an infrared shielding means for shielding some of.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2는 본 발명에 따른 적외선 감지소자의 개략도이다.2 is a schematic diagram of an infrared sensing element according to the present invention.
도 2를 살펴보면, 초점면 어레이는 320×240 의 행열로 정렬되어 있으며 전체 검출기의 수는 76800 개이다. 이때 각 픽셀 검출기(detector)들은 목표영상의적외선 방사에 반응하는 센서이다.Referring to FIG. 2, the focal plane arrays are arranged in rows 320 × 240 and the total number of detectors is 76800. Each pixel detector is a sensor that responds to infrared radiation of a target image.
또한, 초점면 어레이(22)는 행 주소신호를 수신하고 그에 기초하여 행 선택신호를 발생하기 위한 행 디코더(40)와 입력된 열 주소신호를 수신하고 그에 기초하여 열 선택신호를 발생하기 위한 열 디코더(50)를 포함하고 있다. 행 디코더(40)와 열 디코더(50)는 해당 검출기의 데이터값들을 읽어 들이는 데 사용된다.The focal plane array 22 also receives a row decoder 40 for receiving a row address signal and generating a row selection signal based thereon and a column for receiving an input column address signal and generating a column selection signal based thereon. The decoder 50 is included. Row decoder 40 and column decoder 50 are used to read the data values of the corresponding detector.
이하에서는 본 발명에 따른 적외선 감지소자의 일정영역을 차폐한 모습을 설명한다.Hereinafter will be described a state of shielding a certain area of the infrared sensing element according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 적외선 차폐수단을 구비한 적외선 감지소자의 구성도이다.3 is a block diagram of an infrared sensing device having an infrared shielding means according to the present invention.
도 3을 살펴보면, 본 발명에 따른 적외선 감지소자는 320×240 배열구조의 검출소자를 목표영상의 적외선 신호의 입력을 허용 또는 차단에 따라 차폐부(22a)와 비차폐부(22b)로 구분하고 있다.Referring to FIG. 3, the infrared detection device according to the present invention divides the detection elements of the 320 × 240 array into shielding portions 22a and unshielding portions 22b according to whether or not to input an infrared signal of a target image. .
차폐부(22a)에는 각 열 배열라인의 처음 1개의 소자에 외부의 목표영상(10)으로부터의 적외선이 흡수되지 않도록 적외선 차폐수단(22c)이 덮여 있다. 이 적외선 차폐수단은 동판과 같은 적외선 차폐 재료로 차단막을 형성한다. 이에 따라, 1×240의 검출소자는 적외선을 직접 흡수하지는 못하고 기준소자로서만 동작하게 된다.The shielding portion 22a is covered with the infrared shielding means 22c such that the infrared rays from the external target image 10 are not absorbed by the first one element of each column array line. This infrared shielding means forms a blocking film from an infrared shielding material such as a copper plate. Accordingly, the 1 × 240 detection element does not directly absorb infrared rays but operates only as a reference element.
따라서, 적외선 감지소자(22)에서는 차폐부(22a)의 픽셀검출기에서 출력되는 기준값과 비차폐부(22b)의 각 픽셀검출기에서 출력되는 검출값이 함께 출력되어 적외선 감지소자(22)의 후단에서 수행되는 비균일성 보상시 차폐부(22a)의 기준값을이용하여 쉽게 비차폐부(22b)의 검출값들에서의 비균일성을 간단히 보상할 수 있다.Therefore, in the infrared sensing element 22, the reference value output from the pixel detector of the shielding portion 22a and the detection value output from each pixel detector of the non-shielding portion 22b are output together to be performed at the rear end of the infrared sensing element 22. When the nonuniformity is compensated for, it is possible to easily compensate for the nonuniformity in the detection values of the non-shielding portion 22b by using the reference value of the shielding portion 22a.
이를 좀더 자세히 살펴보면, 차폐부(22a)의 기준소자에는 적외선 차폐수단(22c)이 덮여 있어 목표영상의 영상신호가 입사되지 않기 때문에 1×240의 기준소자에서의 출력신호는 기준신호값(A)과 그 픽셀검출기에서의 스위칭 또는 기타 다른 요인에 의해 생기는 고정잡음신호값(gk)이 함께 포함되어 있다.In detail, the reference element of the shielding portion 22a is covered with the infrared shielding means 22c, so that the image signal of the target image is not incident, so that the output signal from the 1 × 240 reference element is the reference signal value (A). And fixed noise signal value gk caused by switching or other factors in the pixel detector are included.
1×1 행열의 경우를 예를 들어 설명하면, 기준소자에서의 출력신호(A1)는 기준신호값(A)과 그 픽셀검출기에서의 고정잡음신호값(g1)이 함께 포함되어 있으며, 다음 식과 같이 표현할 수 있다.In the case of the 1 × 1 matrix, the output signal A1 of the reference element includes the reference signal value A and the fixed noise signal value g1 of the pixel detector together. Can be expressed as:
A1 = A + g1A1 = A + g1
또한, 기준소자를 제외한 비차폐부(22b)의 해당 행 배열라인상의 다른 픽셀들에서의 출력신호들(A2, A3…A320)은 목표영상의 영상신호값(signal n), 기준신호값(A) 및 고정잡음신호값(gn)이 함께 포함되어 있으며, 다음 식과 같이 표현할 수 있다.Also, the output signals A2, A3 ... A320 at other pixels on the corresponding row array line of the non-shielding portion 22b except for the reference element are the image signal value (signal n) and the reference signal value (A) of the target image. And the fixed noise signal value (gn) is included together, it can be expressed as the following equation.
An = A + gn + signal nAn = A + gn + signal n
이 고정잡음신호값(gn)은 고정잡음신호값(g1)과 잡음신호값(△gn)으로 나타낼 수 있으며, 다음과 같이 표현할 수 있다.The fixed noise signal value gn may be represented by a fixed noise signal value g1 and a noise signal value Δgn, and may be expressed as follows.
An = A + g1 + △gn + signal nAn = A + g1 + Δgn + signal n
상기의 식을 참조하여 나머지 A2, A3, …, A320에 대해서도 다음과 같이 표현할 수 있다.Remainder A2, A3,... , A320 can also be expressed as follows.
A2 = A + g1 + △g2 + signal 2A2 = A + g1 + Δg2 + signal 2
A3 = A + g1 + △g3 + signal 3A3 = A + g1 + Δg3 + signal 3
::
A320 = A + g1 + △g320 + signal 320A320 = A + g1 + Δg320 + signal 320
따라서, 적외선 감지소자의 후단에서 수행되는 비균일성 보상시 비차폐부(22b)에서의 출력신호 A2, A3, …, A320에서 차폐부(22a)에서의 출력신호 A1을 빼면, 종래와 같이 복잡한 과정 없이도 간단히 각 픽셀에서의 목표영상에 대한 영상신호값 만을 구할 수 있다.Therefore, in the non-uniformity compensation performed at the rear end of the infrared sensing element, the output signals A2, A3,... By subtracting the output signal A1 from the shielding portion 22a at A320, it is possible to simply obtain the image signal value for the target image at each pixel without the complicated process as in the prior art.
△g2 + signal 2 ≒ signal 2△ g2 + signal 2 ≒ signal 2
△g3 + signal 3 ≒ signal 3△ g3 + signal 3 ≒ signal 3
::
△g320 + signal 320 ≒ signal 320△ g320 + signal 320 ≒ signal 320
이러한 적외선 차단물은 적외선 감지소자의 제조공정에서 구현하는 게 바람직하나, 완성된 적외선 감지소자의 패키지 창에 테이핑(Taping)방식으로 장착하여도 무방하다.The infrared blocker may be implemented in the manufacturing process of the infrared sensing device, but may be mounted in a taping method on the package window of the completed infrared sensing device.
도 4는 도 3의 다른 실시예로 적외선 차폐수단이 적외선 검출기의 행 배열라인과 열 배열라인에 모두 마련된 것을 보인 도이다.4 is a view showing that the infrared shielding means is provided in both the row array line and the column array line of the infrared detector in another embodiment of FIG.
도 4를 살펴보면, 320×240 배열구조의 검출소자에서 각 라인(행 배열라인 및 열 배열라인)의 처음 2개의 소자에는 외부의 목표영상(target)으로부터의 적외선이 흡수되지 않도록 적외선 차폐수단이 마련된다. 이에 따라, 2×240 및 2×340의 검출소자는 적외선을 직접 흡수하지 못하고 기준소자로서만 동작하게 된다.4, an infrared shielding means is provided in the first two elements of each line (row array line and column array line) so that infrared rays from an external target are not absorbed. do. Accordingly, the detection elements of 2x240 and 2x340 do not absorb infrared rays directly but operate only as reference elements.
비균일성 보상은 우선 열 배열라인에 대해서 도 3의 보상을 행한 후 이어 행 배열라인에 대해서 보상을 행한다.Non-uniformity compensation first performs the compensation of FIG. 3 with respect to the column array line and then compensates for the row array line.
먼저, 해당 열 배열 상의 상측에 마련된 기준소자들에서 출력되는 데이터값들의 평균값을 취하고, 이 평균값을 그 기준소자가 포함된 열 배열라인(240개 열 배열)의 기준값으로 정한다. 이 기준값을 이용하여 라인상의 238개 검출기에서 출력되는 값들을 보상한다.First, the average value of the data values output from the reference elements provided above the column array is taken, and this average value is determined as the reference value of the column array line (240 column arrays) including the reference element. This reference value is used to compensate the values output from the 238 detectors on the line.
이어서, 해당 행 배열 상의 좌측에 마련된 기준소자들에서 출력되는 데이터값들의 평균값을 취하고, 이 평균값을 그 기준소자가 포함된 행 배열라인(320개 행 배열)의 기준값으로 정한다. 이 기준값을 이용하여 프레임의 그 라인상의 318개 검출기에서 출력되는 값들을 보상한다.Subsequently, the average value of the data values output from the reference elements provided on the left side of the row array is taken, and this average value is determined as the reference value of the row array line (320 row arrays) including the reference element. This reference value is used to compensate the values output from the 318 detectors on that line of the frame.
상술한 바와 같이 열라인과 행라인에 대하여 두 번에 걸쳐 보상을 함으로서 도 4에 비해 상대적으로 좀더 정밀한 영상신호값을 얻을 수 있다.As described above, by compensating the column line and the row line twice, a more precise image signal value can be obtained than in FIG. 4.
도 5는 도 3의 다른 실시예로 적외선 차폐수단이 적외선 감지소자의 최외곽측에 확대 마련된 것을 보인 도이다.5 is a view showing that the infrared shielding means is expanded to the outermost side of the infrared sensing element in another embodiment of FIG.
도 5를 살펴보면, 320×240 배열구조의 검출소자에서 각 라인(행 배열라인 및 열 배열라인)의 처음 2개의 소자에는 외부의 목표영상(target)으로부터의 적외선이 흡수되지 않도록 동판과 같은 적외선 차폐수단으로 차단 구조물을 만든다. 이에 따라, 2×320 및 2×240의 검출소자는 적외선을 직접 흡수하지 못하고 기준소자로서만 동작하게 된다.Referring to FIG. 5, the first two elements of each line (row array line and column array line) in a 320 × 240 array of detection elements are shielded from infrared rays such as copper so that infrared rays from an external target are not absorbed. By means of making a blocking structure. Accordingly, the detection elements of 2x320 and 2x240 do not absorb infrared rays directly but operate only as reference elements.
비균일성 보상은 우선 상측의 행 배열라인과 좌측의 열 배열라인에 대해서 도 4의 보상을 행한 후 이어 하측의 행 배열라인과 우측의 열 배열라인에 대해서 보상을 행한다.Non-uniformity compensation first compensates for the row arrangement line on the upper side and the column arrangement line on the left side, and then compensates for the row arrangement line on the lower side and the column arrangement line on the right side.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로 광학렌즈와 적외선 감지소자 사이에 적외선 차폐수단이 마련된 것을 설명하기 위한 도이다.6 is a view for explaining that the infrared shielding means is provided between the optical lens and the infrared sensing element in another embodiment of the present invention.
도 6을 살펴보면, 적외선 차폐수단(22a)은 적외선 감지소자(22)의 다수의 적외선 검출기로 조사되는 적외선의 경로 상에 적외선 감지소자(22)와 이격된 상태로 마련된다. 이에 따라, 적외선 차폐수단(22c)에 의한 그림자 효과에 의해 적외선 감지소자의 해당 픽셀검출기에는 적외선이 조사되지 않아 기준소자로서 동작하게 된다. 이때, 도 6에서는 적외선 차폐수단(22a)의 모양이 적외선 감지소자의 최외곽측 적외선 검출기를 차폐하는 구성을 보이고 있으나, 이에 한정되지 않으며 다수의 적외선 검출기 중 일부를 차폐하기 위한 구성이면 충분하다.Referring to FIG. 6, the infrared shielding means 22a is provided in a state spaced apart from the infrared sensing element 22 on a path of infrared rays irradiated by a plurality of infrared detectors of the infrared sensing element 22. Accordingly, due to the shadow effect of the infrared shielding means 22c, the corresponding pixel detector of the infrared sensing element is not irradiated with infrared rays to operate as a reference element. 6 shows a configuration in which the shape of the infrared shielding means 22a shields the outermost infrared detector of the infrared sensing element, but is not limited thereto. A configuration for shielding some of the plurality of infrared detectors is sufficient.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 초점면 어레이의 임의의 검출기에 입사되는 적외선 에너지를 광학적 또는 반도체 공정에서 강제 블로킹하면 간단한 신호 처리 과정만을 통하여도 초점면 어레이로부터 출력되는 적외선 데이터의 비균일성을 보상할 수 있게 되어 우수한 특성의 적외선 데이터를 획득할 수 있다.As described in detail above, the present invention provides a non-uniformity of the infrared data output from the focal plane array through simple signal processing when forced blocking of the infrared energy incident on any detector of the focal plane array in an optical or semiconductor process. In this case, infrared data having excellent characteristics can be obtained.
Claims (5)
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