KR20060096488A

KR20060096488A - 감도 조절이 가능한 적외선 센서

Info

Publication number: KR20060096488A
Application number: KR1020067008080A
Authority: KR
Inventors: 에르네스트 그림버그
Original assignee: 옵갈 리미티드
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2006-09-11
Also published as: IL158245A0; US20070018105A1; JP4554615B2; WO2005032126A1; KR101059483B1; EP1668894A1; JP2007507968A; EP1668894B1; IL174598A0; ATE410887T1; IL174598A; US7928395B2; DE602004017034D1

Abstract

적외선 센서는 센서 어레이 및 감도 조절기를 포함한다. 센서 어레이는 외경으로부터 적외선 에너지를 수집하고, 감도 조절기는 광 수집 및/또는 독출을 위해 픽셀 그루핑을 조절하고, 그 결과 요구되는 감도 수준의 적외선 이미지를 얻을 수 있다.

적외선, 센서, 촬상, 감도, 조절, 픽셀, 그루핑

Description

감도 조절이 가능한 적외선 센서{Infra-red (IR) Sensor with Controllable Sensitivity}

본 발명은 적외선 센서, 특히 감도 조절이 가능한 적외선 센서에 관한 것이다.

적외선 센서는 물체로부터 방출된 적외선을 검출하는 것으로서, 데이 앤 나이트 비전(day and night vision), 많은 산업분야에서의 비접촉식 온도측정장치, 보안장치 및 의료용 장치에 사용되며, 항공기 촬상 장치, 체온 센서, 감시 장치, 화재 경보장치, 및 나이트 비전 장치와 같은 분야에 적용된다.

적외선 센서는 일반적으로 경관(scene) 내의 다양한 물체의 열방사의 차이를 검출함으로써 동작한다. 상기 열방사의 차이는 전기신호로 전환된 후, 처리 및 분석 또는 표시된다. 전향 적외선(forward-looking IR; ZFLIR) 장치와 같은, 촬상 카메라 또는 방사계는 2차원 열화상을 제공하는 적외선 센서 어레이(array)를 이용한다.

센서 기술에는 열 검출기 및 광자 검출기의 2종류가 있다. 열 검출기는 적외선의 검출을 위해 전도성, 커패시턴스, 팽창 및 검출기의 온도 사이의 관계와 같은 부차적 효과를 이용한다. 열 검출기는 볼로 미터, 열전대, 열전대열, 및 집전 검출기를 포함한다. 광자 검출기는 직접 광자를 광전자로 변환시킨다. 축적된 전하, 전류, 또는 전도성의 변화는 경관 내의 물체의 방사량에 비례한다. 광자 검출기는 일반적으로 검출성능 및 반응시간 면에서 열 검출기에 비해 고성능이지만, 저온으로의 냉각이 필요하다.

저온 냉각식 검출기를 토대로 한 장치는 다음과 같은 장점이 있다. 상기 검출기 소자는 통상 마이크로 볼로 미터 검출기 소자에 비해 소형이다. 동일한 공간 분해능을 얻는 데보다 짧은 초점거리의 렌즈를 사용할 수 있다. 냉각식 검출기에 기초한 FLIR 카메라는 일반적으로 매우 감도가 매우 양호하고, 긴 초점거리의 광학 소자를 사용함에도 높은 f-넘버의 장치를 사용할 수 있으므로 그 크기가 적당하다.

과거 30년 동안 개발된 적외선 검출기 기술에 기초하여 4세대의 FLIR 카메라가 설계되었다. 각 세대는 각 그룹에 포함된 소자의 수에 따라 분류된다. 제1세대 FLIR 카메라는 소수의 검출기 및 기계적 스캐너를 이용하여 2차원 상을 생성하였다. 오늘날의 4세대 FLIR 카메라는 스캐닝 기구가 필요없는 적외선 센서의 2차원 초점면 어레이(focal plane array; FPA)를 포함한다.

상기 센서 어레이가 외광에 노출시간 동안 노출된 후, 독출 회로는 상기 센서 어레이를 스캐닝하여 그 센서 어레이를 구성하고 있는 개개 센서의 신호를 순차적으로 독출한다. 독출 회로는 집적 후 독출(integrate then read; ITR/또는 스냅 샷 독출) 및 집적 동시 독출(integrate while read; IWR)의 2가지 모드로 분류된다. 상기 집적 후 독출(ITR) 모드는 검출기의 노출 및 센서의 독출을 순차적으로 실행한다. 상기 센서 어레이는 노출, 독출, 재노출, 등으로 실행된다. 상기 직접 과 동시 독출(IWR) 모드는 이전단계의 노출 사이클로부터의 센서 신호를 아날로그 버퍼 또는 디지털 버퍼 내에 저장함으로써 센서의 노출 및 독출을 동시에 실행한다. FPA 검출기에는 통상 온칩 독출 집적회로(on-chip readout integrated circuit; ROIC)가 설치된다.

일반적으로 독출 시간은 센서 어레이의 크기에 따라 변화한다. 예를 들면, 640×480 개의 소자로 구성된 검출기의 전형적인 독출 시간은 약 10 밀리 초(10-2초)이고, 320×240 개의 소자로 구성된 검출기의 독출 시간은 불과 2.5 밀리 초이다.

도 1은 종래의 FLIR 카메라의 단순 블록도이다. FLIR 카메라(100)는 외경(external scene)으로부터 방출된 적외선을 적외선 검출기(115) 내에 장착된 센서 어레이(120) 상에 집속시키는 광학부(110)를 포함한다. 광학부(110)는 일반적으로 하나 이상의 렌즈로 구성되고, 이 렌즈는 초점 위치설정의 제어 및 광학 줌의 실행을 위해 조절할 수 있다. 센서 어레이(120)는 광자 검출기이고, 따라서 적외선 검출기(115)는 광자 검출기를 위해 요구되는 저온으로 냉각된다. 센서 어레이(120)에는 센서 어레이의 신호를 독출하는 독출 회로(120)가 접속된다. 제3의 검출기 구성요소는 검출기 동작 모드 제어기(135)로서, 이것은 센서 독출 윈도우의 치수 및 위치, 동작 모드(ITR/IWR), 검출기 노출시간, 및 바이어스 전류와 같은 추가의 변수와 같은 검출기 설정(setting)들을 포함하는 리지스터이다. 상기 독출 신호는 도 1에서 처리기(140)로 그룹화된 다양한 처리소자에 의해 처리된다. 상기 처리소자는 일반적으로 불균일보정(non-uniformity correction; NUC), 불량 픽셀 교체(bad pixel replacement; BPR), 및 상기 센서 어레이 신호 출력으로부터 비디오 신호를 얻기 위한 비디오 처리와 같은 과제를 수행한다.

적외선 검출기로부터 출력된 전류는 광전류 및 암전류의 2부분으로 분할된다. 광전류는 검출기의 유용한 반응으로서, 검출기 내의 적외선 광자의 흡수에 의해 발생하는 것이다. 이들 광자는 광전류로서 축전 될 수 있는 전하 담체를 형성한다. 암전류는 검출기 전류의 불필요한 부분으로서, 이것은 검출기에 광을 조사하지 않는 경우에도 발생한다. 암전류는 일반적으로 하전담체의 광여기(photo excitation)와 경합하는 과정인 하전담체의 열여기(thermal excitation)에 기인한다.

광자 검출기 센서 어레이를 구비하는 FLIR 카메라는 감도가 제한된 적외선 이미지를 제공한다. 광자 검출기 (SNR)는 다수의 인자에 의해 제한된다. 검출기는 제한된 수의 광자만을 흡수할 수 있다. 노출시간이 너무 길면, 많은 수의 센서 어레이 검출기는 포화 되고, 공백 이미지(blank image)가 얻어진다. 센서 어레이는 독출 중에 방전시켜야 하는데, 이에 의해 포화를 예방하는데 충분한 경우가 많다. 그러나 상기 센서 어레이를 너무 자주 방전시키면(검출기의 노출시간이 극히 짧은 것에 기인함), 단일 독출용 SNR은 적외선이 존재하지 않는 경우에도 발생하는 노이즈에 의해 제한된다. 노출시간이 너무 짧으면, 광자의 수집량이 불충분하여 어두운 이미지가 얻어진다. 현재의 FLIR 카메라는 일반적으로 비디오 프레임당 단일의 노출/독출 사이클을 수행한다. 따라서, 이미지 감도는 검출기 신호의 비율 및 처리에 관련된 총 노이즈의 양에 의해서 제한을 받게 된다. 노이즈는 신호 자 체에 관련된 변동(양자 노이즈), 독출 노이즈, 암전류의 변동 등을 포함한다.

FPA 기반 FLIR 카메라에 있어서, 광학 소자가 이상적이라고 가정하면, 이미지의 공간 해상도는 검출기 어레이의 픽셀 수에 의해 결정된다. 시판용 적외선 검출기의 통상의 포맷은 320(종렬)×240(횡렬)의 픽셀, 및 픽셀 간의 피치가 통상 20-50 um 범위인 640×480이다. 큰 시야(FOV) 및 높은 공간 해상도를 가지는 FLIR 카메라는 통상 640×480의 큰 검출기 포맷이나, 15 um 이하의 작은 피치를 가지는 1000×1000의 검출기 포맷, 또는 그 이상의 검출기 포맷을 기반으로 한다. 이와 같은 큰 검출기 포맷의 독출 시간을 비교적 길다. 비디오 신호에 대해 필요한 프레임 율(frame rate)을 얻기 위해, 낮은 f-넘버 시스템에 있어서도 검출기의 노출시간을 제한시키는 경우가 많다. 검출 시간을 제한하면 광 수집이 불충분해지고, 그 결과 신호 대 노이즈의 비율이 감소한다. 따라서, 독출 시간이 긴 고해상도의 FLIR 카메라는 감도가 나쁜 것이 많다.

그러므로 적외선 센서 및 전술한 한계가 없는 적외선 카메라의 필요성이 광범위 하게 인식되었으며, 그와 같은 적외선 센서 및 적외선 카메라를 제조하는 것이 매우 유리할 것이다.

본 발명의 제1관점에 따르면, 복수의 적외선 센서 및 감도 조절기로 구성되는 센서 어레이를 포함하는 적외선 센서가 제공된다. 상기 센서 어레이는 외경으로부터 적외선 에너지를 수집하고, 감도 조절기는 광 수집 및/또는 독출을 위한 픽셀 그루핑(grouping)을 조절함으로써 필요한 감도의 적외선 이미지를 얻을 수 있다.

상기 센서 어레이는 복수의 적외선 센서를 2차원 배열한 것이 바람직하다. 상기 센서 어레이는 광자 검출기의 어레이인 것이 바람직하다. 일 실시예에 있어서, 광자 검출기는 광 전도성 센서이다. 다른 실시예에 있어서, 상기 광자 검출기는 광전지 센서이다.

상기 센서 어레이는 적외선 초점면 조립체(infrared focal plane assembly; IRFPA)인 것이 바람직하다.

적외선 센서는 주기적인 센서 어레이 독출을 수행하기 위해, 상기 센서 어레이와 관련된 독출 요소를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 감도 조절기는 어레이 내의 독출 윈도우를 선택하기 위한 윈도우 선택기를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 감도 조절기는 적외선 에너지 수집 중에 픽셀 그루핑 인자를 선택하기 위한 그루핑 인자 선택기를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 독출 소자는 선택된 독출 윈도우의 크기에 따라 가변적인 독출 시간을 가지는 것이 바람직하다.

상기 독출 소자는 집적 동시 독출(IWR) 장치인 것이 바람직하다.

상기 독출 소자는 집적 후 독출(ITR) 장치인 것이 바람직하다.

상기 조절은 외부에서 제공된 제어 정보에 따르는 것이 바람직하다.

상기 적외선 센서는 상기 조절을 제어하기 위한 피드백 신호를 형성하기 위해, 센서 어레이 출력 신호 및/또는 독출 신호를 처리하기 위한 이미지 처리기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 이미지 처리기는 이미지 신호의 SNR을 검출하기 위한 SNR 검출기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 검출된 SNR은 평균 SNR, 최대 SNR, 및 최소 SNR 중의 하나 또는 이들의 조합으로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 이미지 처리기는 이미지 신호의 콘트라스트 수준을 검출하기 위한 콘트라스트 검출기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 검출된 콘트라스트 수준은 평균 콘트라스트 수준, 최대 콘트라스트 수준, 및 최소 콘트라스트 수준 중의 하나 또는 이들의 조합으로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 적외선 센서는 센서 노출시간을 선택하기 위한 노출시간 계산기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 선택은 외경의 총 광량에 따르는 것이 바람직하다.

상기 노출시간 계산기는 센서의 평균 수집 전하를 특정의 수준에 유지하도록 동작이 가능한 것이 바람직하다.

상기 선택은 사전에 얻은 센서 노출 수준에 따르는 것이 바람직하다.

상기 적외선 센서는 복수의 독출 사이클에 걸쳐 각 적외선 센서의 수준을 평균하기 위한 평균기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 평균 된 사이클의 수는 단일 비디오 프레임 타임에 포함된 완료된 센서 노출 및 독출 사이클의 최대 수인 것이 바람직하다.

상기 적외선 센서는 외부의 적외선을 센서 어레이에 집속시키기 위한 광학부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 적외선 센서는 고감도 동작 모드 및 저감도 동작 모드 사이에서 절환하기 위한 모드 선택기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 절환은 상기 피드백 신호에 따르는 것이 바람직하다. 상기 모드 선택기는 고감도 이미지 및 저감도 이미지를 제공하기 위해, 각각 소형 독출 영역 및 대형 독출 영역 및/또는 대형 픽셀 그루핑 및 소형 픽셀 그루핑 사이에서 절환하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2관점에 따르면, 센서 어레이, 감도 조절기 및 비디오 처리기를 포함하는 적외선 카메라가 제공된다. 상기 센서 어레이는 외경으로부터 적외선 에너지를 수집하고, 감도 조절기는 광 수집 및/또는 독출을 위해 픽셀 그루핑을 조절함으로써 요구되는 감도 수준의 적외선 이미지를 얻을 수 있다. 상기 비디오 처리기는 비디오 이미지를 형성하기 위해 센서 어레이 출력을 처리한다.

상기 적외선 카메라는 외부의 적외선을 상기 센서 어레이 상에 집속시키기 위한 광학부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 적외선 카메라는 주기적 센서 어레이 독출을 수행하기 위해 센서 어레이에 연결된 독출 소자를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 감도 조절기는 상기 어레이 내에서 독출 윈도우를 선택하기 위한 윈도우 선택기를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 적외선 카메라는 상기 조절을 제어하기 위한 피드백 신호를 형성하기 위해, 상기 이미지 신호 처리용 이미지 처리기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 피드백 신호는 평균 이미지 SNR, 최대 이미지 SNR, 최소 이미지 SNR, 평균 이미지 콘트라스트, 최대 이미지 콘트라스트, 및 최소 이미지 콘트라스트 중의 적어도 하나인 것이 바람직하다.

상기 적외선 카메라는 고감도 동작 모드 및 저감도 동작 모드 사이에서 절환하기 위한 모드 선택기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 적외선 카메라는 FLIR 장치인 것이 바람직하다.

상기 적외선 카메라는 특정의 특성을 확인하기 위해 비디오 이미지를 분석하기 위한 이미지 분석기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 적외선 카메라는 감시 장치인 것이 바람직하다.

상기 적외선 카메라는 표적 장치인 것이 바람직하다.

상기 적외선 카메라는 헤드업 디스플레이(HUD)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 추가의 실시예에 있어서, 상기 적외선 카메라는 항공기 시계강화 장치이다.

본 발명의 제3관점에 따르면, 요구되는 이미지 감도를 제공하기 위해 센서 어레이의 픽셀 그루핑을 조절하고, 센서 어레이의 조절된 픽셀 그루핑으로 외경으로부터 적외선 에너지를 수집함으로써 적외선 센싱하는 방법이 제공된다.

상기 방법은 센서 노출시간을 선택하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 선택단계는 센서의 평균 수집 전하를 특정 수준에 유지시키는 것이 바람직하다.

상기 방법은 상기 픽셀 그루핑 및 선택된 노출시간에 의해 허용되는 최대 율로 반복 수행되는 것이 바람직하다.

상기 선택단계는 사전에 얻은 센서 노출 수준에 따르는 것이 바람직하다.

상기 방법은 주기적인 센서 독출을 수행하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

사이 조절단계는 상기 어레이 내에서 독출 윈도우를 선택하는 단계로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 조절단계는 그루핑 인자를 선택하는 단계로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 방법은 센서 독출로부터 조절을 제어하기 위한 피드백 신호를 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 피드백 신호는 평균 이미지 SNR, 최대 이미지 SNR, 최소 이미지 SNR, 편균 이미지 콘트라스트, 최대 이미지 콘트라스트, 최소 이미지 콘트라스트 중의 적어도 하나인 것이 바람직하다.

상기 방법은 복수의 독출 사이클에 걸쳐 각 센서 수준을 평균하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 방법은 고감도 동작 모드 및 저감도 동작 모드 사이에서 절환시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 방법은 특정의 특성을 확인하기 위한 비디오 적외선 이미지를 분석하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 감도의 제어가 가능한 적외선 이미지를 제공하기 위해 픽셀 그루핑 제어를 가지는 적외선 센서를 제공함으로써 주지의 구성의 단점을 성공적으로 극복한다.

본 명세서에서 사용된 기술 용어 및 과학 용어는 특별히 다른 정의가 없으면 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가에 의해 통상적으로 이해되는 의미를 가진다. 본 발명의 실시 또는 실험시에 본 명세서에 개시된 것과 유사하거나 동일한 방법 및 재료를 사용하는 것이 가능하지만, 적절한 방법 및 재료는 아래와 같다. 일치하지 않는 경우, 본 명세서의 정의가 우선한다. 또 재료, 방법, 및 예시는 본 발명의 설명을 위한 것으로서 본 발명을 제한하려는 의도에서 제시된 것이 아니다.

본 발명의 방법의 실행 및 시스템은 선택된 과제 또는 단계를 수동 또는 자동, 이들의 조합으로 수행 또는 완수하는 것에 관련된다. 또, 본 발명의 방법 및 시스템의 바람직한 실시예의 실제의 설비에 따르면 복수의 선택된 단계는 하드웨어 또는 임의의 펌웨어의 임의의 오퍼레이팅 시스템상의 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 제공될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 선택된 단계는 칩이나 회로와 같이 하드웨어로서 제공될 수 있다. 본 발명의 선택된 단계는 임의의 적절한 명령 세트를 구비한 컴퓨터에 의해 실행되거나 축소명령 세트(RISC) 장치에 의해 실행되는 복수의 소프트웨어 명령과 같이 소프트웨어로서 제공될 수 있다. 어떤 경우든, 본 발명의 방법의 선택된 단계 및 시스템은 복수의 명령을 수행하는 컴퓨팅 플랫폼과 같은 데이터 프로세서에 의해 수행되는 것으로 설명할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일례를 설명한다. 도면은 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 위해 일례로서 제시된 것이며, 본 발명의 원리 및 개념을 용이하게 이해시킬 수 있는 가장 유용한 것으로 생각되는 내용을 제시한 것이다. 따라서, 본 발명의 기본적인 이해에 필요한 것 이상의 상세한 구조는 도시하지 않았으며, 본 기술 분야의 전문가는 본 발명의 다양한 형태의 구현 방법을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 FLIR 카메라의 단순화된 블록도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외선 센서의 단순화된 블록도이다.

도 3은 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에 따른 적외선 카메라의 단순화된 블록도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외선 카메라의 단순화된 블록도이다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 적외선 이미지 센싱을 수행하는 방법의 단순화된 블록도이다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 적외선 이미지 센싱을 수행하는 방법의 단순화된 블록도이다.

도 7a 및 7b는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감도 조절 및 감도 비조절 하에서의 적외선 비디오 카메라 내의 신호처리 흐름도이다.

도 8a 및 8b는 각각 640×480 검출기 및 216×112 검출기로 구성된 독출 윈도우를 이용하여 얻어진 적외선 이미지이다.

본 실시예는 외부의 적외선을 가변적인 감도로 검출할 수 있는 적외선 센서로 구성된다. 특히, 본 실시예는 센서의 광 수집 및 독출 특성을 필요한 감도 수준에 맞춘다. 이 필요한 감도 수준은 사용 조건, 외부 조건, 및 센서로부터 얻어진 적외선 이미지의 질과 같은 복수의 인자에 기초한다

본 발명에 따른 적외선 센서의 원리 및 동작은 첨부한 도면 및 설명을 참조함으로써 더 잘 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 먼저 본 발명은 이하의 설명 및 첨부한 도면에 개시된 구성 및 부품의 배열에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고, 다른 방법으로 실시할 수 있다. 또, 본 명세서에서 이용한 표현 및 용어는 설명을 위한 것이므로 제한적인 의미로 간주해서는 안 된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외선 센서의 단순화된 블록도이다. 적외선 센서(200)는 외경으로부터 적외선 에너지를 수집하는 센서 어레이(210) 및 필요한 이미지 감도를 제공하기 위해 센서 픽셀의 그루핑을 조정하는 감도 조절기(220)를 포함한다. 적외선 센서(200)는 검출기 동작 모드 제어기(215), 및/또는 센서 독출을 수행하는 독출 소자(250)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 검출기 동작 모드 제어기(215)는 감도 조절기(220)에 의해 설정된 설정치를 포함하는 검출기 제어 설정치를 유지하고 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 센서 어레이(210), 검출기 동작 모드 제어기(215), 및 독출 소자(250)를 일체로 결합 하여 감도 조절기(220)에 의해 제어되는 적외선 검출기를 형성한다.

후술하는 바람직한 실시예는 2종류의 픽셀 그루핑을 이용한다. 제1픽셀 그루핑은 센서 독출 윈도우를 선택한다. 센서 독출 윈도우는 센서 어레이 독출 시간을 결정한다. 독출 윈도우를 제한하면 독출 시간을 감소시키고, 그 결과 시퀀스 율(sequence rate), 즉 주어진 시간 내에 적외선 센서(200)로부터 얻어질 수 있는 적외선 이미지의 수를 증가시킨다. 다음에 복수의 이미지를 조합하여 후술하는 고감도 이미지를 형성한다. 제2픽셀 그루핑은 센서 어레이(210) 내의 복수의 적외선 센서를 일정수(이하, 그루핑 인자라 칭함)의 적외선 센서를 포함하는 복수의 그룹으로 분리한다. 그룹으로 분리된 센서는 노출시간 동안 연대하여 적외선을 수집한다. 그룹으로 분리된 센서를 이용한 적외선 검출에 의해 주어진 노출 사이클 동안 다량의 적외선을 수집할 수 있고, 검출기를 포화시키지 않고 더 많은 광자를 수집할 수 있다. 신호 대 노이즈 비(SNR)가 개선되므로 더욱 고감도의 신호가 얻어진다. 상기 2종류의 그루핑, 즉 윈도우 선택 및 센서 그루핑은 독립적으로 또는 결합하여 이용할 수 있다. 상기 2종류의 그루핑의 결합 사용시, 감도 조절기(220)는 독출 윈도우 및 그루핑 인자를 모두 선택함으로써 소망의 감도 수준을 얻는다. 제어가능한 독출 윈도우 및 센서 그루핑을 구비하는 적외선 센서는 현재 시판 중이다. 감도 조절기(220)는 검출기 동작 모드 제어기(215) 내에 선택된 설정치를 저장하는 것이 바람직하다.

냉각식 적외선 센서는 현재 시판중이며, 이것은 윈도잉(windowing) 및/또는 픽셀 그루핑 기능을 제공한다. 전술한 바와 같이, 사용자가 설정된 독출 윈도우 치수로부터 특정 윈도우를 선택할 수 있는 적외선 검출기는 시판 중에 있다. 마찬가지로, 픽셀 그루핑을 갖춘 적외선 검출기에 있어서는 사용자는 일반적으로 수개의 정해진 픽셀 그루핑 중에서 단일의 픽셀 또는 4개의 그룹화된 픽셀(각 축에 2개)를 선택할 수 있다. 4개의 그룹화된 검출기 소자는 4배의 전하량을 수집하는 수퍼-픽셀과 같은 기능을 수행함으로써 공간 해상도가 4 와 동일한 인수만큼 감소한다. 예를 들면, 수퍼-픽셀 모드에 있어서 640×480개의 소자를 포함하는 검출기는 320×240개의 소자로 된 검출기와 동일하게 동작한다. 그러나 각 소자는 4배의 전하를 수집하고, 독출 시간은 동일 인수만큼 감소 된다.

바람직한 실시예에 있어서, 감도 조절기(220)는 독출 윈도우를 선택하는 윈도우 선택기(230) 및/또는 그루핑 인자를 선택하는 그루핑 인자 선택기(240)를 포함한다. 이하, 이들 양 소자의 동작에 대해 더욱 상세히 설명한다.

센서 어레이(210)는 적외선 초점면 조립체(IRFPA)와 같은 적외선 검출기의 2차원 어레이인 것이 바람직하다. 센서 어레이(210)를 형성하는 적외선 센서는 광자 검출기, 광 전도성 센서 또는 광전지 센서인 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 광자 검출기는 일반적으로 적절한 동작을 위해 저온 냉각이 필요하다.

다음의 실시예는 FLIR 카메라와 같은 적외선 비디오 카메라 내에 장착되는 적외선 센서에 대해 실시된 것이다. 적외선 센서에 의해 수집된 적외선 이미지는 소정의 프레임 율로 일련의 비디오 신호 프레임을 구축하는데 이용된다. 그러나 본 실시예는 독립형식의 적외선 센서 및 다른 형식의 장치에 장착된 적외선 센서에 일반성이 상실되지 않은 상태로 적용된다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 감도 조절기(220)는 윈도우 선택기(230)를 포함한다. 윈도우 선택기(230)는 센서 독출 윈도우를 선택한다. 이 센서 독출 윈도우는 전체 어레이 또는 그 어레이 내의 한정된 서브-윈도우를 포함한다. 상기 독출 윈도우는 센서 어레이(210)의 임의의 위치에 배치된 m×n개의 픽셀부로 한정된다. 센서 독출 시간은 (ITR 모드에 대한) 검출기 독출의 회수, 또는 현재의 노출시간의 최대값 및 (IWR 검출기에 대한) 독출 시간의 고유 기능이므로, 상기 센서 어레이에는 주어진 시간 동안 더 많은 노출 사이클이 적용된다. 예를 들면, 640×480 센서 어레이 중의 320×240의 서브-윈도우의 독출 시간은 전체 검출기의 독출 시간의 약 1/4이다.

얻을 수 있는 시퀀스 율은 노출시간, 독출 시간, 및 독출 기법에 의해 결정된다. m×n개의 픽셀로 구성된 독출 윈도우에 있어서, ITR 모드에 대한 시퀀스 율은 다음 식과 같다:

시퀀스 율=1/{노출시간(scenery_radiation)+독출 시간(m,n)} (1)

한편, IWR 모드에 대한 시퀀스 율은 다음 식과 같다:

시퀀스 율=1/{최대(노출시간(외광),독출 시간(m,n))} (2)

따라서, 독출 시간을 줄이면 ITR 독출에 대한 시퀀스 율이 증가함과 동시에, (독출 시간이 검출기 노출시간을 초과하는 경우에) IWR 독출에 대한 시퀀스 율이 증가한다.

센서 노출 및 독출은 선택된 픽셀 그루핑에 대해 가능한 최대의 시퀀스 율로 반복시키는 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이, 다중 노출 사이클로부터의 센 서 레벨은 단일 노출 사이클로부터 얻어진 것에 비해 고감도의 이미지를 얻기 위해 추후에 결합 된다.

바람직한 실시예에 있어서, 적외선 센서(200)는 각 노출시간에 대해 센서 독출을 수행하는 독출 소자(250)를 포함한다. 독출 시간은 일반적으로 선택된 독출 윈도우의 크기에 따라 변화한다. 독출 소자(250)는 ITR 기법이나 IWR 기법을 이용할 수 있고, IWR 기법은 적절한 버퍼회로를 추가해 주어야 한다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 감도 조절기(220)는 그루핑 인지를 선택하는 그루핑 인자 선택기(240)를 포함한다. 그루핑 인자는 광자 검출 중에 다량의 적외선 에너지를 수집하기 위해 결합 되는 검출기의 수이다. 복수의 센서가 그룹화되면, 적외선 이미지 SNR는 그루핑 인자의 제곱근의 크기와 동일한 인자만큼 개선된다. 예를 들면, 그루핑 인자가 4이면, 4개의 인접 픽셀로 구성된 그룹이 독출 윈도우 상에 형성된다. 상기 SNR은 실질적으로 2배 증가하지만 적외선 이미지의 픽셀 수는 그룹화되어 있지 않은 센서의 픽셀의 수의 1/4로 구성된다. 따라서, 픽셀 그루핑 인자의 사용과 이미지 해상도의 감도는 상호 교환적이다. 2종류의 픽셀 그루핑을 결합하여 사용할 때 센서 어레이(210)의 전체 또는 특정 부분으로 구성되는 독출 윈도우는 그루핑 인자에 따라 선택되는 것에 주목해야 한다.

도 3은 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에 따른 적외선 카메라의 단순화된 블록도이다. 적외선 카메라(300)는 센서 어레이(310), 감도 조절기(320), 및 다음 중 하나 이상을 포함한다: 검출기 동작 모드 제어기(315), 독출 소자(330), 노출시간 계산기(340), 평균기(averager; 350), 및 이미지 처리기(360). 센서 어레 이(310), 검출기 동작 모드 제어기(315), 감도 조절기(320), 및 독출 소자(330)의 기본 동작은 전술한 바와 같다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 적외선 카메라(300)는 센서 어레이의 노출시간을 선택하는 노출시간 계산기(340)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 검출기 노출시간은 적외선 검출기로부터 얻어지는 프레임 율에 영향을 미친다. 상기 바람직한 실시예에 있어서, 검출기 노출시간은 소망의 웰 커패시티 백분율에서 평균 수집 전하를 일정하기 유지하는 폐루프에 의해 제어되고 갱신된다. 따라서, 선택된 노출시간은 센서 어레이(310)에 의해 검출되는 총 적외선 강도에 따라 달라진다. 현재의 노출에 대한 노출시간은 선행 노출 사이클 중에 얻어진 센서 출력 치로부터 산정하는 것이 바람직하다. 노출시간 계산기(340)는 선택된 노출시간을 검출기 동작 모드 제어기(315)에 저장하는 것이 바람직하다.

상기 식 1 및 식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 노출시간을 감소시키면 ITR 독출에 대한 시퀀스 율이 증가함과 동시에, (검출기 노출시간이 독출 시간을 초과할 때) IWR 독출에 대한 시퀀스 율이 증가한다. 그러나, 적외선의 강도가 일정한 상태 하에서 노출시간이 감소 되면 SNR도 감소 된다.

노출시간 계산기(340)는 단위 시간당 노출 사이클의 최대 수가 수행되도록 보장하는 한편 적외선 카메라(300)로부터 얻을 수 있는 이미지 시퀀스의 질을 유지하는 기능을 한다. 이미지의 명암을 구별하기 위한 충분한 광자가 검출되지만, 수집된 전하는 검출기를 포화시키지 않는다. 이것은 일정한 노출시간에 대해 프레임당 단일의 노출 사이클을 수행하는 종래의 많은 FLIR 카메라에 대비되는 작용이다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 적외선 카메라(300)는 평균기(350)를 포함한다. 이 평균기는 다중 노출/독출 사이클에 걸쳐 각 적외선 센서 신호를 평균화함으로써 적외선 이미지를 생성한다. 비디오 FLIR 카메라에 있어서, 평균기(350)는 선행 프레임 시간 중에 발생한 완결된 노출 사이클의 전체를 평균함으로써 각 비디오 프레임을 생성한다. 예를 들면, 출력 비디오 포맷이 초당 30프레임이면, 그 비디오 프레임은 이전의 1/30초 동안에 완전 수행된 노출/독출 사이클을 평균함으로써 구축된다. 일반적으로, 평균 된 사이클의 수는 일정하지 않고, 입사 적외선에 따라 달라진다.

다중 노출 사이클로부터 얻은 센서 값을 평균하면 센서 어레이 검출기에 의해 수집된 적외선 에너지를 효과적으로 증가시킬 수 있다. 얻어진 적외선 이미지의 SNR은 평균 노출 사이클의 제곱근에 비례한다. 윈도우 선택기(230)가 소형 독출 윈도우를 선택할 때, 주어진 시간 내에 수행되는 노출/독출 사이클의 수는 증가하고, 그 결과 노감도의 이미지를 증가시킨다. 전술한 예시에 있어서, 검출기 독출 윈도우를 640×480로부터 320×240로 감소시키면 프레임당 수행되는 노출/독출 사이클의 수는 4배가 된다.

FLIR 카메라에 있어서, 센서 어레이(310) 내에서 서브 윈도우를 선택하면, 센서 어레이(310) 상에 집속된 선택된 이미지 부분까지 FLIR 카메라의 FOV가 제한된다. 그러나 후술하는 바와 같이, 고감도 이미지를 얻을 수 있다. 많은 경우 이것은 큰 FOV 값을 유지하는 것보다 더 중요한 사항이다. 예를 들면, 항공기의 시계 강화를 위한 적용시, 상기 FLIR 카메라는 양호한 대기조건 동안에는 전시 야(FOV)를 사용할 수 있고, 불량한 대기 조건 동안에는 이미지의 선명도 및 미세부가 개선되도록 제한된 FOV를 사용할 수 있다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 감도 조절기(320)는 외부에서 제공된 제어 정보(예를 들면, 사용자의 선택 내용)로부터 요구되는 감도 수준을 결정한다. 상기 제어정보는 또한 항공기의 고도 센서 및 기후 센서와 같은 다른 시스템 부품에 의해서도 제공할 수 있다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 적외선 카메라(300)는 이미지 처리기(360)를 포함한다. 이 이미지 처리기는 센서 어레이 출력 신호를 처리하고, 감도 조절기(320)가 픽셀 그루핑(즉, 독출 윈도우 치수 및 위치 및/또는 센서 그루핑 인자)을 조절하기 위해 이용하는 피드백 신호를 형성한다. 이미지 처리기(360)는 도 3에 도시된 바와 같이 평균기(350)의 후측에 위치하거나 독출 소자(330)에 직접 접속할 수 있다. 이미지 처리기(360)는 적외선 이미지 또는 이미지 시퀀스를 처리하고, SNR 및 콘트라스트와 같은 이미지 특성을 분석한다. 이미지 처리기(360)로부터 발생된 상기 피드백 신호는 감도 조절기(320)에 의해 픽셀 그루핑 파라미터를 조절하는데 이용되어 원하는 질의 이미지를 얻는다. 예를 들면, 감도 조절기(320)는 현재의 SNR이 특정 역치보다 작으면, 독출 윈도의 치수를 감소시킬 수 있다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 이미지 처리기(360)는 이미지 신호 SNR을 판정하는 SNR 검출기를 포함한다. 상기 SNR 검출기는 이미지 최대 SNR, 최소 SNR, 및 평균 SNR의 모든 단일 조합 또는 가중 조합을 검출할 수 있다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 이미지 처리기(360)는 이미지 신호 콘트라 스트를 검출하기 위한 콘트라스트 검출기를 포함한다. 상기 콘트라스트 검출기는 이미지 최대 콘트라스트, 최소 콘트라스트, 및 평균 콘트라스트의 모든 단일 조합 또는 가중 조합을 검출할 수 있다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 감도 조절기(320)는 2개 이상의 재설정된 감도 모드 사이에서 적외선 카메라(300)의 모드를 절환시키는 모드 선택기를 포함한다. 상기 모드는 필요에 따라 고감도 동작 및 저감도 동작을 제공하기 위해 특정의 독출 윈도 및/또는 그루핑 인자로 구성된다.

적외선 카메라(300)는 렌즈와 같은 외부로부터의 적외선을 센서 어레이에 집속시키기 위한 광학부를 포함하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외선 카메라의 단순화된 블록도이다. 적외선 카메라(400)는 기본적으로 전술한 바와 같이 동작하는 센서 어레이(410), 검출기 동작 모드 제어기(415), 감도 조절기(420), 독출 소자(450), 및 비디오 이미지를 형성하기 위해 상기 센서 어레이를 처리하는 비디오 처리기(460)를 포함한다. 적외선 카메라(400)는 FLIR 카메라인 것이 바람직하다.

비디오 처리기(460)는 일련의 검출기 출력 치를 얻고, 그 검출기 출력지를 2차원 이미지로 처리한다. 비디오 처리기(460)는 NUC, BPR, 및 센서 값을 정확한 적외선 이미지로 변환시키는데 필요한 작용을 수행한다. 비디오 처리기(460)는 독출 소자(450)로부터 검출기 값을 얻는 것이 바람직하다.

적외선 카메라(400)는 렌즈와 같은 외부로부터의 적외선을 센서 어레이에 집속시키기 위한 광학부를 포함하는 것이 바람직하다.

감도 조절기(420)는 전술한 윈도우 선택기(430) 및/또는 그루핑 인자 선택기(440)를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 적외선 카메라(400)는 중요 특성을 확정하기 위해 비디오 처리기(460)에 의해 제공되는 비디오 이미지를 분석하는 이미지 분석기를 포함한다. 제1실시예에 있어서, 적외선 카메라(400)는 감시장치로서, 이 경우 비디오 처리기(460)는 행동 검출기로서 설계할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 적외선 카메라(400)는 타겟팅 장치(targeting device)로서, 비디오 처리기(460)는 적외선의 특성에 기초한 잠재적 타겟을 식별한다.

적외선 카메라(400)는 헤드업 디스플레이(HUD)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 바람직한 실시예에 있어서, 적외선 카메라(600)는 악천후 시 파일럿에게 제공된 적외선 이미지를 개선하기 위한 항공기 시계강화장치의 역할을 한다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 적외선 이미지 센싱을 수행하는 방법의 단순화된 블록도이다. 단일 노출 사이클은 단계 510을 구성한다. 이 단계에서 센서 어레이 픽셀 그루핑은 요구되는 이미지 감도를 제공하도록 조절된다. 다음 단계 520에서, 선택된 픽셀 그루핑에 따라 센서 어레이에 의해 외경으로부터 적외선 에너지가 수집된다. 상기 바람직한 실시예에 있어서, 픽셀 그루핑을 조절하는 단계는 독출 윈도우 및/또는 그루핑 인자를 선택하는 단계를 구성한다. 센서 독출은 각 노출 사이클에 대해 수행되는 것이 바람직하다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 바람직하게 수개의 독출치를 평균함으로써 적외선 이미지를 형성하도록 하나 이상의 센서 독출 신호가 처리된다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 상기 방법은 센서 노출시간을 선택하는 단계를 더 포함한다. 노출시간은 적외선 센서의 평균 수집 전하를 예를 들면 70%와 같은 수준에 유지하도록 선택하는 것이 바람직하다. 상기 선택은 이전에 얻은 센서 노출 강도를 기반으로 할 수 있다.

노출 사이클은 현재의 픽셀 그루핑 및/또는 선택된 노출시간에 의해 허용된 최대 율로 반복 수행되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 바람직한 실시예에 있어서, 적외선 이미지는 픽셀 그루핑의 조절을 위한 피드백 신호를 형성하기 위해 처리된다. 상기 피드백 신호는 평균 이미지 SNR, 최대 이미지 SNR, 최소 이미지 SNR, 평균 이미지 콘트라스트, 최대 이미지 콘트라스트, 및 최소 이미지 콘트라스트를 포함하는 이미지 특성의 함수로 할 수 있다.

적외선 비디오 시퀀스는 적외선 이미지 시퀀스로부터 형성하는 것이 바람직하다. 다음에 비디오 적외선 이미지를 분석하여 운동(motion)과 같은 중요한 특성을 확인할 수 있다.

상기 방법은 각각의 감도 수준을 가지는 적외선 이미지를 형성하기 위한 각각의 픽셀 그루핑의 2개 이상의 작동 모드 사이에서의 절환 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 적외선 이미지 센싱을 수행하기 위한 방법의 단순화된 블록도이다. 상기 방법은 FLIR 카메라의 적외선 비디오 이미지를 생성하기 위해 전술한 복수의 단계를 결합함으로써 도 5의 방법을 연장한 것이다. FLIR 카메라는 광자를 광전자로 변환시키는 광자 검출기의 2차원 어레이를 기반으 로 한다. 광자 수집은 외 광과 무관한 일정한 평균 광자 수집을 유지하는 폐루프 노출시간을 이용하여 수행된다. 광자 수집 후, 전자 독출 회로는 초점면 어레이의 임의의 위치에 위치한 m×n 개의 픽셀로 구성된 제어된 독출 윈도우로부터 어레이 내의 검출기 소자에 의해 수집된 전하를 순차적으로 독출한다. 검출은 ITR 모드나 IWR 모드로 수행할 수 있다.

상기 노출시간 및 독출 윈도우는 각각 단계 610 및 단계 620에서 선택된다. 윈도우 크기의 변경은 자동 또는 수동으로 수행할 수 있다. 자동 동작의 기준은 SNR, 콘트라스트, 또는 이것과 다른 변수의 가중과 같은 적외선 이미지의 질에 의존한다.

광자 검출은 단계 630에서 선택된 노출시간에 대해 수행된다. 단계 640에서, 폐루프 노출시간 제어 및 (선택된 독출 윈도우에 의해 결정된) 윈도우 독출 시간에 의해 허용되는 최대 시퀀스 율로 검출기의 수준이 독출된다. 비디오 프레임이 일반적으로 다중 센서 독출 치로부터 형성되므로, 상기 시퀀스 율은 비디오 출력 포맷과는 무관함에 주목해야 한다. 단계 650에서, 검출기의 독출 치의 정수(integer number)를 평균하여 비디오 프레임을 형성하므로 이미지의 감도가 개선된다. 평균 독출 치의 수는 하나의 비디오 프레임 시간 내에 포함된 완전 노출/독출 사이클의 최대 수로 하는 것이 바람직하다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외선 비디오 카메라 내의 신호 처리 흐름에 영향을 미치는 감도 조절 방법을 도시한 것이다. 도 7a는 감도 비조절 상태에서 적외선 카메라 내에서 수행되는 신호 처리 단계의 일례를 도 시한 것이다. 도 7b는 처리 흐름 내에 감도 조절을 개재시키는 방법의 비 제한적인 일례를 도시한 것이다.

도 7a의 단계 700에서 각 노출 기간의 말기에 적외선 검출기로부터 적외선 독출 신호가 얻어진다. 다음에 단계 705-770에서 각 독출 신호가 다음과 같이 처리된다. 단계 705에서는 단계 700에서 얻어진 미처리된 독출 신호가 분석되고, 노출시간 설정치가 설정된 후 적외선 검출기에 가해진다. 단계 710 및 단계 720에서, 본 기술분야에 주지된 NUC 및 BPR가 수행된다. BPR후 육안으로는 볼 수 없으나 추적 시스템, 운동 검출 시스템 등에 사용될 수 있는 미처리 비디오 이미지가 얻어질 수 있다. 미처리 비디오 이미지 스트림(stream)은 통계 블록 분석기(statistical block analyzer(SBA); 730)에 의해 분석되고, 그 결과는 단계 740에서 사용되어 후속 신호 처리 단계를 위한 제어 정보를 제공한다. 상기 비디오 신호는 단계 750에서 하이패스 필터링되고, 필터링 된 적외선 이미지는 단계 760에서 다시 한번 분석된다. 마지막으로 단계 770에서 단계 760에서 얻어진 통계 정보에 기초하여 이미지 정보에 대한 비선형 변환이 수행된다. 이 변환은 다이나믹 레인지 압축 및 리스케일링과 같은 기능을 수행하여 비디오 신호를 육안으로 볼 수 있는 신호로 변환한다.

도 7b는 감도 조절 처리 흐름을 도시한 것이다. 상기 처리 흐름은 도 7a와 유사하다. 다른 점은 단계 705에서 수행된 검출기 피드백 제어가 여기서는 SBA 단계 730중에 수행되어, 노출시간의 설정에 더하여 감도 설정(즉, 픽셀 그루핑)을 결정한다는 점이다. 따라서, 감도 설정은 단계 730중에 수집된 통계 데이터 및 미처 리된 검출기 독출 신호에 기초하여 이루어진다. 적절한 조사 조건하에서 노출시간은 감도 조절이 불필요하므로, 감도 조절 설정을 선택하기 이전에 노출시간을 선택하는 것이 바람직하다. 따라서, 새로운 제어 설정을 이용하여 후속 적외선 이미지가 검출된다. 검출기 제어는 또 SBA (단계 730) 중에 제공된 정보에 의존한다.

[일례]

다음의 예는 독출 윈도우의 픽셀 그루핑을 이용한 적외선 촬상을 위해 얻어진 결과를 나타낸다. 적외선 촬상은 640×480 및 216×112의 독출 윈도우를 이용하여 수행되었다. 이미지는 f-넘버가 1.5인 3 내지 5 마이크론 FLIR 카메라에 의해 수집되었다.

도 8a 및 도 8b는 움직이는 물체의 적외선 이미지이다. 도 8a는 640×480 검출기 소자로 구성된 독출 윈도우를 이용하여 얻은 저감도 이미지이고, 도 8b는 216×112 검출기 소자로 구성된 독출 윈도우를 이용하여 얻은 고감도 이미지이다. 도 8b는 도 8a에 도시된 이미지의 일부만이 나타나 있으나, 더 선명하고 상세하게 도시된 도면임을 알 수 있다.

내용	전체 시야 모드	윈도우잉 모드
사진의 크기	640×480 검출기 소자	216×112 검출기 소자
검출기 노출시간	1.47 밀리 초	1.47 밀리 초
검출기 도출시간	10.25 밀리 초	0.81 밀리 초
ITR모드에서 최대 프레임 율	60프레임/초	420 프레임/초
IWR모드에서 최대 프레임 율	90프레임/초	660 프레임/초
ITR모드에서 SNR	SNR	2.6*SNR
IWR모드에서 SNR	SNR	3.3*SNR

표 1

독출 윈도우를 제한하면 검출기 독출 시간이 10.25 밀리 초에서 0.81 밀리 초까지 감소 되고, 그 결과 ITR 및 IWR의 양 모드에 대한 시퀀스 율이 증가하고, SNR이 약 2.6배 향상된다.

적외선 촬상은 의료기기, 산업용 처리제어, 항공기 항법장치, 감시시스템 및 표적 시스템과 같은 많은 다양한 분야에서 사용되는 중요한 도구이다. 전술한 실시예들은 FOV 및/또는 해상도를 적외선 이미지 감도와 교환하기 위한 시스템 및 방법에 대해 설명한 것이다. 따라서, 최적의 시스템 성능을 얻는데 중요한 기능인 다양한 동작 상태 하에서 다양한 특성을 가지는 적외선 이미지를 제공할 수 있도록 시스템을 조정할 수 있다.

본 특허의 존속기간 중에 많은 관련 적외선 센서, 적외선 검출기, 광자 검출기, 독출 회로, 독출 모드, 및 FLIR 카메라가 개발될 것이고, 적외선 센서, 적외선 검출기, 광자 검출기, 독출 회로, 독출 모드, 및 FLIR 카메라라는 용어의 범위는 예상되는 모든 새로운 기술을 포함한다.

본 발명의 어떤 특징은 명확한 설명을 위해 복수의 실시예와 관련하여 설명하였으나, 이것을 단일의 실시예로 결합하여 설명할 수도 있다. 반대로, 간단한 설명을 위해 단일의 실시예와 관련하여 설명한 본 발명의 여러 가지 특징들은 임의의 적절한 소단위의 실시예로 분리하여 설명할 수도 있다.

이상에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 기술되었으나, 본 기술분야의 전문가는 본 발명에 대한 많은 대안, 변경, 개조가 가능함을 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 정신 및 범위 내에 포함되는 모든 대안, 변경, 개조를 포함한다. 본 명세서에 언급된 모든 특허공개, 특허 및 특허출원은 전체가 필요한 정도의 참조문헌으로서 본 명세서에 도입된 것이다. 또, 본 명세서에서 참조문헌을 인용하거나 확인하는 것을 본 발명에 대한 종래의 기술로서 인정하는 것으로 해석해서는 안 된다.

Claims

외경으로부터 적외선 에너지를 수집하기 위한 복수의 적외선 센서를 포함하는 센서 어레이; 및

시야 사이의 조절을 위해, 상기 센서 어레이에 연결됨과 동시에 요구되는 이미지 감도를 도출시키기 위한 센싱 픽셀의 그루핑에 관련된 감도 조절기를 포함하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 상기 센서 어레이는 상기 복수의 센서의 2차원 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 상기 센서 어레이는 광자 검출기의 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제3항에 있어서, 상기 광자 검출기는 광전도성 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제3항에 있어서, 상기 광자 검출기는 광전지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 상기 센서 어레이는 적외선 초점면 조립체(IRFPA)를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 주기적인 센서 어레이 독출을 수행하기 위해, 상기 센서 어레이에 연결된 독출 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 상기 감도 조절기는 상기 어레이 내의 독출 윈도우를 선택하기 위한 윈도우 선택기를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 상기 감도 조절기는 적외선 에너지 수집 중에 픽셀 그루핑 인자를 선택하기 위한 그루핑 인자 선택기를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제7항에 있어서, 상기 독출 소자는 선택된 독출 윈도우의 치수에 따라 가변 되는 독출 시간을 가지는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제7항에 있어서, 상기 독출 소자는 집적 동시 독출(IWR) 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제7항에 있어서, 상기 독출 소자는 집적 후 독출(ITR) 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 상기 조절은 외부에서 제공된 제어 정보에 따르는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 상기 조절을 제어하기 위한 피드백 신호를 형성하기 위해 센서 어레이 출력 신호를 처리하기 위한 이미지 처리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제7항에 있어서, 상기 조절을 제어하기 위한 피드백 신호를 형성하기 위해 독출 신호를 처리하기 위한 이미지 처리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제14항에 있어서, 상기 이미지 처리기는 상기 이미지 신호의 SNR을 검출하기 위한 SNR 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제16항에 있어서, 상기 검출된 SNR은 평균 SNR을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제16항에 있어서, 상기 검출된 SNR은 최대 SNR을 포함하는 것을 특징으로 하 는 적외선 센서.
제16항에 있어서, 상기 검출된 SNR은 최소 SNR을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제14항에 있어서, 상기 이미지 처리기는 상기 이미지 신호의 콘트라스트 수준을 검출하기 위한 콘트라스트 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제20항에 있어서, 상기 콘트라스트 수준은 평균 콘트라스트 수준을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제20항에 있어서, 상기 콘트라스트 수준은 최대 콘트라스트 수준을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제20항에 있어서, 상기 콘트라스트 수준은 최소 콘트라스트 수준을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 센서 노출시간을 선택하기 위한 노출시간 계산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제24항에 있어서, 상기 선택은 외경의 총 광량에 따르는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제24항에 있어서, 상기 노출시간 계산기는 상기 센서의 평균 수집 전하를 특정 수준에 유지하도록 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제24항에 있어서, 상기 선택은 사전에 얻은 센서 노출 수준에 따르는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제7항에 있어서, 복수의 독출 사이클에 걸쳐 각 적외선 센서 수준을 평균하기 위한 평균기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제28항에 있어서, 상기 평균 된 사이클의 수는 센서 노출 및 단일 비디오 프레임 시간 내에 포함된 독출 사이클의 최대 정수를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 상기 센서 어레이 상에 외부의 적외선을 집속시키기 위한 광학부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제1항에 있어서, 상기 감도 조절기는 고감도 동작 모드 및 저감도 동작 모드 사이에서 절환시키기 위한 모드 선택기를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제14항에 있어서, 상기 피드백 신호에 따라 고감도 동작 모드 및 저감도 동작 모드 사이에서 절환시키기 위한 모드 선택기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제8항에 있어서, 고감도 이미지 및 저감도 이미지를 각각 제공하기 위해, 소형 독출 영역 및 대형 독출 영역 사이에서 절환시키기 위한 모드 선택기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제9항에 있어서, 고감도 이미지 및 저감도 이미지를 각각 제공하기 위해, 대형 픽셀 그루핑 및 소형 픽셀 그루핑 사이에서 절환시키기 위한 모드 선택기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
외경으로부터 적외선 에너지를 수집하기 위한 복수의 적외선 센서를 포함하는 센서 어레이;

시야 사이의 조절을 위해, 상기 센서 어레이에 연결됨과 동시에 요구되는 이미지 감도를 도출시키기 위한 센싱 픽셀의 그루핑에 관련된 감도 조절기; 및

비디오 이미지를 형성하기 위해 센서 어레이 출력을 처리하기 위한 비디오 처리기를 포함하는 적외선 카메라.
제35항에 있어서, 상기 센서 어레이 상에 외부의 적외선을 집속시키기 위한 광학부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
제35항에 있어서, 주기적인 센서 어레이 독출을 수행하기 위해, 상기 센서 어레이에 연결된 독출 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제35항에 있어서, 상기 감도 조절기는 상기 어레이 내의 독출 윈도우를 선택하기 위한 윈도우 선택기를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
제35항에 있어서, 상기 감도 조절기는 적외선 에너지 수집 중에 픽셀 그루핑 인자를 선택하기 위한 그루핑 인자 선택기를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
제35항에 있어서, 상기 조절을 제어하기 위한 피드백 신호를 형성하기 위해 이미지 신호를 처리하기 위한 이미지 처리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
제40항에 있어서, 상기 피드백 신호는 평균 이미지 SNR, 최대 이미지 SNR, 최소 이미지 SNR, 평균 이미지 콘트라스트, 최대 이미지 콘트라스트, 및 최소 이미지 콘트라스트 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
제35항에 있어서, 고감도 동작 모드 및 저감도 동작 모드 사이에서 절환시키기 위한 모드 선택기를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
제35항에 있어서, 상기 적외선 카메라는 FLIR 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
제35항에 있어서, 특정의 특성을 확인하기 위해 상기 비디오 이미지를 분석하기 위한 이미지 분석기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
제44항에 있어서, 상기 적외선 카메라는 감시장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
제44항에 있어서, 상기 적외선 카메라는 표적 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
제35항에 있어서, 헤드업 디스플레이(HUD)를 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 적외선 카메라.
제47항에 있어서, 상기 적외선 카메라는 항공기 시계 강화장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
요구되는 이미지 감도를 제공하기 위해 센서 어레이의 픽셀 그루핑을 조절하는 단계; 및

상기 픽셀 그루핑에 따라 상기 센서 어레이를 이용하여 외경으로부터 가변 윈도우 상에 적외선 에너지를 수집하는 단계를 포함하는 적외선 센싱 방법.
제49항에 있어서, 센서 노출시간을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제50항에 있어서, 상기 선택단계는 상기 센서의 평균 수집 전하를 특정 수준에 유지하는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제50항에 있어서, 상기 방법은 상기 픽셀 그루핑 및 상기 선택 노출시간에 의해 허용되는 최대 율로 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제50항에 있어서, 상기 선택단계는 사전에 얻어진 센서 노출 수준에 따르는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제49항에 있어서, 주기적 센서 독출을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제49항에 있어서, 상기 조절단계는 상기 어레이 내의 독출 윈도우를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제49항에 있어서, 상기 조절단계는 그루핑 인자를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제55항에 있어서, 상기 조절단계는 그루핑 인자를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제54항에 있어서, 상기 센서 독출로부터 상기 조절을 제어하기 위한 피드백 신호를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제58항에 있어서, 상기 피드백 신호는 평균 이미지 SNR, 최대 이미지 SNR, 최소 이미지 SNR, 평균 이미지 콘트라스트, 최대 이미지 콘트라스트, 및 최소 이미지 콘트라스트 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방 법.
제54항에 있어서, 복수의 독출 사이클에 걸쳐 각 센서 수준을 평균하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제49항에 있어서, 고감도 동작 모드 및 저감도 동작 모드 사이에서 절환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센싱 방법.
제49항에 있어서, 특정의 특성을 확인하기 위해 상기 비디오 이미지를 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선
외경으로부터 적외선을 수집하기 위한 복수의 적외선 센서를 포함하는 센서 어레이; 및

시야 사이의 조절을 위해, 상기 센서 어레이에 연결됨과 동시에 요구되는 공간 해상도를 제공하기 위한 센싱 픽셀의 그루핑에 관련된 시야 조절기를 포함하는 적외선 센서.
외경으로부터 적외선 에너지를 수집하기 위한 복수의 적외선 센서를 포함하는 저온 냉각 센서 어레이; 및 요구되는 이미지 감도를 제공하기 위해 픽셀 그루핑을 조절하기 위한 센서 어레이와 연결된 감도 조절기를 포함하는 적외선 센서.