KR20070114225A - 볼로미터 타입 시스템에서의 케이스 온도 변화 측정 및보상을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 배경 방사를 감지하기 위한 볼로미터 타입의 i x j 픽셀 감지기 어레이; (b) 모든 i x j 픽셀 감지기의 감지 소자를 배경 방사에 노출시키는 전면부의 창을 갖고, 상기 감지기 어레이를 수용하는 케이스; (c) 하나 이상의 기준면에 의해 케이스 방사에 비례하는 방사에 조사되는 감지 소자를 포함하고, 케이스의 방사를 감지하기 위해 케이스 내의 j +1 열에 형성되는, 적어도 하나 이상의 볼로미터 타입 블라인드 감지기; (d) 어레이 내의 각각의 i x j 감지기에 의해 감지된 배경 방사와 상기 적어도 하나 이상의 블라인드 감지기에 의해 감지된 케이스 방사의 출력 신호를 판독하는 판독 회로; (e) 상기 적어도 하나 이상의 블라인드 감지기에 의해 감지된 케이스 방사 출력 신호에 근거하여, 각각의 감지기의 상기 배경 방사 출력 신호에 대해 케이스 방사에 의한 효과를 보상하는 보상 회로를 포함하는 볼로미터 타입 초점면 어레이 시스템에 관한 것이다.

블로미터, 블라인드감지기, 초점면 어레이

Description

볼로미터 타입 시스템에서의 케이스 온도 변화 측정 및 보상을 위한 시스템 및 방법{METHOD AND SYSTEM FOR MEASURING AND COMPENSATING FOR THE CASE TEMPERATURE VARIATIONS IN A BOLOMETER BASED SYSTEM}

본 발명은 광방사(light radiation)를 감지하는 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 볼로미터(bolometer) 타입 초점면 어레이(focal plan array)의 케이스 온도 변화를 보상하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

볼로미터는 일반적으로 적외선 대역에서의 약한 광방사를 감지하기 위해 널리 사용되고 있다. 종래의 볼로미터는 다수의 개별 감지 소자(이하 픽셀(pixel), 픽셀 감지기(pixel detector)로도 명명함)로 구성되는 초점면 어레이(focal plan array)의 형태이다. 볼로미터 타입 센서(sensor)의 가장 큰 장점은, 특히 극저온으로 냉각을 요구하지 않으므로, 경량이고 소비전력이 작다는 점이다. 나아가 냉각형에 비해 훨씬 저렴하다. 그러나 볼로미터 타입 센서는 냉각형에 비해 감도(sensitivity)가 현저히 낮은 편이다. 나아가 온도 변화에 매우 민감하므로 어레이 기판의 온도를 안정화시켜 주고, 위에서 언급한 온도 변화에 대하여 각각의 볼 로미터에 대한 온도 보상을 해 줄 별도의 수단을 필요로 한다. 초점면 어레이를 수용하고 있는 케이스가 광학(F/1 optics)상 적외선 열속의 약 80%를 담당한다. 따라서, 케이스의 온도(또는 방사)를 측정하는 것이 지극히 중요하다.

전형적인 볼로미터에는 바나듐산화물(Vanadium Oxide) 저항체가 광범위하게 사용되는데, 이는 바나듐산화물이 상대적으로 큰 저항온도계수(TCR:Temperature coefficient of resistance) 및 저주파 노이즈 기여도(1/f noise contribution) 특성을 갖기 때문이다.

전형적인 볼로미터 초점면 어레이는 방사를 감지하여 약 50°mK 정도의 분해능(resolution)으로 배경 온도(scenery temperature)를 측정할 정도의 성능이 요구된다. 배경 내에서의 열 변화에 기인한 볼로미터에서의 온도 변화는 약 0.01~0.1°mK 정도이다. 이러한 온도 변화를 표지하기 위해서는 볼로미터의 액티브 저항(active resistor; 배경에 노출된 저항을 말함)을 어느 정도의 온도라도 가열할 필요가 있음을 주목해야 한다. 볼로미터의 액티브 저항을 가열하는 것보다 적어도 40승(order) 작은 범위에서의 감도와 분해능을 확보하기 위해서는 차동 측정(differential measurement)이 요구된다. 차동 측정을 수행하기 위한 가장 흔하고 간단한 회로 구성은 휫스톤 브리지(Wheatstone bridge)인데, 실제로 볼로미터 타입 초점면 어레이에 광범위하게 사용되고 있다.

차동 측정을 수행하는 휫스톤 브리지를 사용하더라도, 종래 기술에 의한 비냉각형 초점면 어레이는 주위 온도(ambient temperature)의 변화에 여전히 매우 민감하므로 초점면 어레이 픽셀 수준에서의 보상을 위해 별도의 보상 회로(compensation circuitry)를 필요로 한다. 보다 구체적으로 말하자면, 감지기의 불균일성(non-uniformity)(즉, 감지기 들의 다른 오프셋, 게인)과, 나아가 케이스 온도 변화가 각 감지기에 미치는 불균일한 영향에 대한 특별한 보상 회로를 필요로 한다. 후자의 불균일성은 각 감지기가 케이스 벽으로부터 상대적으로 다른 위치에 있다는 사실에 기인한다.

초점면 어레이 픽셀 감지기의 불균일성을 해결하기 위해, 제조사나 사용자들 자신이 각 픽셀 감지기의 오프셋, 게인에 대한 선측정(pre-measurement)를 수행하는 것이 일반적이다. 선측정은 주위(케이스)와 기판의 온도를 미리 정한 온도 하에 일정하게 유지한 채로 수행된다. 그 측정값은 두 개의 매트릭스(참조 테이블(look up table)) 즉, 게인 불균일성 매트릭스(gain non-uniformity matrix)와 오프셋 불균일성 매트릭스(offset non-uniformity matrix)로 작성된다. 보다 구체적으로는, 각 픽셀 감지기의 오프셋과 게인은 초점면 어레이를 실제 사용하는 중에 이러한 두 매트릭스를 이용하여 보정된다. 또한 오프셋 매트릭스는 셔터가 닫히고 초점면 어레이가 배경 방사로부터 차단될 때 마다 정기적으로(예를 들자면 매 2, 3분) 재차 작성됨을 주목해야 한다. 물론 셔터가 닫히고 오프셋 매트릭스가 재차 작성되는 동안에는 초점면 어레이를 사용할 수 없다. 이러한 보정 과정을 일반적으로 불균일성 보정(NUC;Non Uniformity Correction)이라고 부른다.

상술한 바와 같이, 주위(케이스) 온도의 변화는 케이스 벽의 방사에 대한 각 픽셀 감지기의 노출 차이에 따라 각 픽셀 감지기에 다른 영향을 미친다. 예를 들면, 초점면 어레이의 말단에 위치하여 케이스 벽에 더 가까운 픽셀은 중앙에 위치한(따라서 케이스 벽으로부터 더 멀리 위치한) 픽셀보다는 케이스의 온도 변화에 더 민감하다. 따라서 이러한 케이스 벽에 대한 노출의 차이를 해결하기 위해, 종래의 볼로미터 제조사나 사용자 자신은 주위(케이스) 온도 변화에 대한 각 픽셀 감지기의 응답성에 대한 선측정을 수행한다. 이러한 후자의 측정은 주위(케이스) 온도의 변화에 따른(한편으로, 배경 방사와 기판온도는 일정하게 유지되는 가운데) 각 픽셀 감지기의 판독값 변화(readout variation)를 보여 준다. 그 결과로 세 번째인 케이스 온도 매트릭스(case temperature matrix)가 작성된다. 실제로 초점면 어레이를 사용하는 동안에, 추가로 구성된 보상 회로가 케이스 온도를 실제 측정하고 주위(케이스) 온도의 변화에 기인한 영향을 보정하기 위해, 상기의 케이스 온도 매트릭스를 이용하여, 픽셀 수준에서 판독값에 대한 추가적인 보상을 한다.

초점면 어레이의 실제 사용 동안에 온도 보상을 위해 케이스 온도를 측정하는 경우 뿐만 아니라, 세 번째 매트릭스를 얻기 위해 상기의 테스트를 하는 동안에 케이스 온도를 측정하는 경우에도 케이스 외부에 부착된 온도 센서를 사용한다. 그러나 다수의 픽셀 감지기는 케이스 벽의 적외선 방사 변화에 영향을 받는 것이고, 방사는 케이스 벽의 온도 변화(케이스 외부에 부착된 온도 센서를 통해 측정됨)와는 간접적인 상관관계만 존재한다. 이러한 간접적 상관관계로 인해 보상회로를 통한 보상이 부정확하게 된다. 일부의 종래 기술을 보면 상기의 측정의 간접성을 해결하기 위해 상기의 온도 매트릭스(temperature matrix)를 방사 데이터 매트릭스(radiation data matrix)로 변환하는 수단을 회로 구성으로 채용하고 있다.

본 발명의 목적은 직접적인 선측정 및 초점면 어레이 각 픽셀 감지기에 대한 다양한 수준의 케이스 적외선 방사의 영향을 직접적으로 선결정(pre-determination)할 수단을 제공하기 위함이다.

본 발명의 다른 목적은 초점면 어레이 케이스 내의 방사에 대한 직접적인 측정 수단을 제공하기 위함이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 선측정과 함께 상기 방사 측정을 이용하여, 각 픽셀 감지기의 각 판독값에 대한 케이스 방사의 영향을 보상할 회로적 구성 수단을 제공하기 위함이다.

본 발명의 여타 목적과 이점도 상세 설명을 통해 명확해 질 것이다.

본 발명은 (a) 배경 방사를 감지하기 위한 볼로미터 타입의 i x j 픽셀 감지기 어레이; (b) 모든 i x j 픽셀 감지기의 감지 소자를 배경 방사에 노출시키는 전면부의 창을 갖고, 상기 감지기 어레이를 수용하는 케이스; (c) 하나 이상의 기준면에 의해 케이스 방사에 비례하는 방사에 조사되는 감지 소자를 포함하고, 케이스의 방사를 감지하기 위해 케이스 내의 j +1 열에 형성되는, 적어도 하나 이상의 볼로미터 타입 블라인드 감지기; (d) 어레이 내의 각각의 i x j 감지기에 의해 감지된 배경 방사와 상기 적어도 하나 이상의 블라인드 감지기에 의해 감지된 케이스 방사의 출력 신호를 판독하는 판독 회로; (e) 상기 적어도 하나 이상의 블라인드 감지기에 의해 감지된 케이스 방사 출력 신호에 근거하여, 각각의 감지기의 상기 배경 방사 출력 신호에 대해 케이스 방사에 의한 효과를 보상하는 보상 회로를 포함하는 볼로미터 타입 초점면 어레이 시스템에 관한 것이다.

바람직하게는, 모든 초점면 어레이 감지기와 적어도 하나 이상의 블라인드 감지기가 방사에 대한 차동 측정을 수행한다.

바람직하게는, 각각의 감지기가 휫스톤 브리지 구조를 포함한다.

바람직하게는, 각각의 휫스톤 브리지 구조의 i x j 감지기가 (a) 어레이를 지지하고 있는 기판에 열을 누출하고(thermally shorted) 어레이 내의 모든 디코더(decoder)에 공통되는 첫 번째 저항 R_m과, 기준면 중 하나에 의해 조사되고 같은 행 내의 모든 디코더에 공통되는 두 번째 저항 R_r을 포함하는 첫 번째 분기선(branch);과 (b) 어레이를 지지하고 있는 기판에 열을 누출하고 j 열 내의 모든 디코더에 공통되는 세 번째 저항 R_c와, 배경에 노출되어 있고 디코더마다 개별적인 네 번째 저항 R_p를 포함하는 두 번째 분기선을 포함한다.

바람직하게는, 각각의 휫스톤 브리지 타입 구조의 블라인드 감지기가 (a) 어레이를 지지하고 있는 기판에 열을 누출하고 어레이 내의 모든 디코더에 공통되는 첫 번째 저항 R_{m (j+1)}과, 기준면 중 하나에 의해 조사되고 같은 행 내의 모든 디코더에 공통되는 두 번째 저항기 R_{r (j+1)}을 포함하는 첫 번째 분기선; (b) 어레이를 지지하고 있는 기판에 열을 누출하고 j 열 내의 모든 디코더에 공통되는 세 번째 저항 R_{c (j+1)}과, 기판과 단열되고 기준면에 의해 조사되고 각각의 블라인드 디코더마다 개별적이고 동일한 브리지내의 다른 저항들과는 방사에 대해 다른 감도를 갖는 네 번째 저항 R_{p (j+1)}을 포함하는 두 번째 분기선을 포함한다.

바람직하게는, 판독 회로가 한번에 어레이 내의 한 행씩을 선택하기 위한 행 선택기(row selector)와, 선택된 행 내의 각 디코더별로 감지된 방사를 수신하여 증폭하기 위한 j +1 개의 열 증폭기를 포함한다.

바람직하게는, 보상 회로가 케이스 방사에 대해 보상이 된 디코더 신호 (decoder signal)를 구하기 위하여 관계식

(β) V_{i ,j}(보정후) = G_{i ,j} * (V_{i ,j} - xCO_{i ,j}) +O_{i ,j}를 수행한다.

여기서의 V_{i ,j}는 A/D 변환 후의 픽셀 감지기 신호를 의미한다.

G_{i ,j}는 선측정 과정에 의해 구한 게인 보정 매트릭스이다.

O_{i ,j}는 선측정 과정 즉 셔터 폐쇄 중 측정에 의해 구한 오프셋 보정 매트릭스이다.

CO_{i ,j}는 상술한 블라인드 감지기를 이용한 선측정 과정에 의해 서 구한 케이스 오프셋 어레이이다.

x 는 어레이의 작동 중에 구한, j +1 열 내의 블라인드 감지기 모두의 평균 신호이다.

바람직하게, 상기 기준면이 케이스 벽이다.

바람직하게, 상기 기준면이 케이스 벽으로부터 확장된 면이다.

바람직하게, 상기 기준면이 케이스 벽과 열적으로 연결된(thermally coupled) 면이다.

바람직하게, 상기 기준면의 방사가 케이스 벽의 방사와 동일하다.

도 1은 전형적인 종래 볼로미터 타입 초점면 어레이의 일반적인 구조를 보여주는 도면,

도 2는 도 1에서의 초점면 어레이의 i x j 픽셀 감지기 중 하나의 일반적인 구조를 보여주는 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 타입 초점면 어레이와 그 케이스의 일반적인 시스템 구조를 보여주는 도면,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초점면 어레이의 일반적인 구조를 보여주는 도면,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 j+1 열 내 감지기 브리지의 일반적인 구조를 보여주는 도면,

도 6은 픽셀 수준에서의 오프셋, 게인, 케이스 온도 변화에 대한 보상 시스템의 블록선도,

도 7은 종래 기술에 따른 전형적인 2 x 2 픽셀 초점면 어레이의 구조를 보 여주는 도면이다.

전형적인 볼로미터 타입의 초점면 어레이 (1)의 일반적인 구조가 도 1에 도시되어 있다. 초점면 어레이 (1)은 i행 과 j열의 배열 구조를 가지고 있고 이에 따라 i x j 볼로미터 타입 픽셀 감지기로 구성된다. 행 선택기 (2)에 의해 하나의 행 전체에 속하는 모든 픽셀 감지기들이 선택됨으로써 초점면 어레이로부터 판독이 수행된다. 하나의 행이 선택되면 해당 행의 모든 감지기들에 의해 동시 감지가 이뤄지고 선택된 행의 각 픽셀 감지기로부터의 판독값이 각 열의 증폭기 A₁ - A_j의 입력값으로 부여된다. 이후에 자세히 설명되겠지만, 어느 행이 선택될 때, 모든 열의 증폭기에 대해 기준 신호(reference signal)는 공통이다.

도 2는 도 1의 초점면 어레이의 상기 i x j 픽셀 감지기 중 하나의 일반적인 구조를 도시하고 있다. 보이는 바와 같이, 감지기의 모든 저항은 차동 측정을 위한 휫스톤 브리지의 형태로 배열되어 있다. R_p 저항은 각 픽셀 감지기마다 위치하는 별개의 “액티브” 저항이다. 모든 R_p 저항은 단열되어 있고 배경에 노출된다. R_r 저항은 각 행의 모든 픽셀 감지기에 공통된 저항으로서, 배경에 노출되지 않도록 차폐되어(masked) 있는 바 이하 “블라인드” 저항으로 명명한다. R_m 저항은 초점면 어레이내 픽셀 감지기 모두에 공통인 하나의 저항으로서 초점면 어레이의 기판에 대해 열을 누출하는 상태에 있다. 저항기 R_c는 각 열 당 하나씩인 즉, 각 열의 픽셀 감지기 모두에 공통된 저항이고 역시 기판에 대해 열을 누출하는 상태에 있다. 따라서 도 1의 예시적인 초점면 어레이내에는 i x j 개의 R_p 저항기, j 개의 R_c 저항기, i 개의 R_r 저항기, 1 개의 R_m 저항기가 존재한다. 모든 저항기는 바나듐 산화물 타입(V_ox)이 바람직하고, 바람직하게는 가능한 한 동일한 물성을 가져야 한다. 보다 자세하게는 가능한 한 동일한 저항(resistance), 저항온도계수(TCR), 열용량(thermal capacitance), 열저항(thermal resistance)을 말한다. R_p, R_c, R_r, R_m 저항들 중 하나 이상이 병렬 연결된 수개의 저항기로 구성될 수도 있음을 주목해야 한다. 픽셀이 선택 될 때마다, 차동 판독값(differential readout)이 해당 열의 증폭기 A₁ - A_j로 인가된다.

모든 액티브 저항 R_p가 계속 조사되는 동안에 한 번에 한 행에 걸쳐 각 열의 증폭기를 통해 판독값이 분류되어 출력된다. 블라인드 저항 R_r은 액티브 저항 R_p의 다양한 변화에 대한 보상을 위해 사용된다. 따라서, 배경 방사로부터 차폐되고 단열된 위치에 자리 잡는다. 상기 R_r 저항은 특정 열의 판독이 수행되는 동안에만 전기적으로 연결된다. 반면에 다른 저항인 R_c와 R_m은 매 행의 판독이 수행되는 동안에 연결이 지속된다. 이들 저항은 과열에 의한 파손을 방지하기 위하여 기판에 열을 누출하도록 된다. 이리하여, 특정한 브리지가 활성이 될 때 두 분기선에는 거의 동일한 전류가 흐르게 되고 이러한 전류 I₁과 I₂로 인해 저항기 R_p에 조사된 배경 방사의 함수로 표현되는 차동 전압(differential voltage) V₀이 발생한다.

도 7은 전형적인 초점면 어레이 (1)의 구조를 모사하고 있다. 간명한 설명을 위해, 초점면 어레이를 2 x 2 사이즈의 픽셀 감지기로 축소하였다. 행 선택기 (2)의 행 선택 신호에 의해 순차적으로 행이 선택된다. 하나의 행이 선택되면 모든 초점면 어레이 내 픽셀 감지기에 공통되는 저항인 R_m에 걸린 전압이 기준 신호로서 각 열의 증폭기의 양 입력 단자 중 첫 번째 입력 단자에 인가된다. 선택된 행 내의 각 저항기 R_p에 걸린 전압이 각 열의 증폭기의 두 번째 입력 단자에 인가된다. 이러한 구조는 휫스톤 브리지에 해당하므로 각 감지기에서의 방사에 대한 측정은 차동 측정이다. 여타의 저항 R_c, R_r 들이 회로 구성에 포함된다.

상술한 바와 같이, 여러 종류의 초점면 어레이 픽셀 감지기들의 불균일성을 해결하기 위해 종래 볼로미터 타입 초점면 어레이 제조자나 사용자 자신은 각 픽셀 감지기의 오프셋과 게인 커브(gain curve)를 결정하기 위한 선측정을 수행한다. 이러한 선측정은 주위(케이스) 온도와 기판 온도를 미리 정한 일정 온도로 유지한 채 수행된다. 측정값은 게인 불균일성 매트릭스와 오프셋 불균일성 매트릭스라는 두개 의 매트릭스[즉 참조 테이블]로 작성된다. 보다 구체적으로는 초점면 어레이의 실제 사용시 초점면 어레이의 각 픽셀 감지기는 상기의 두 매트릭스를 이용하여 보정된다. 오프셋 매트릭스는 셔터가 닫혀 초점면 어레이가 배경 방사로부터 차폐될 때 마다 정기적으로(예를 들면 매 2~3분) 재작성됨을 주목해야 한다. 물론, 셔터가 닫히고 재차 작성 작업이 수행되는 동안에는 초점면 어레이를 사용할 수 없다. 상술한 보정의 과정을 일반적으로 불균일성 보정이라고 부른다.

이미 기술한 바와 같이, 종래 기술에 있어서도 케이스 온도의 변화에 따른 보상 과정이 제안되어 있다. 종래 기술에 있어서는 케이스 벽에 부착된 하나 이상의 외부 온도 센서에 의해 이러한 과정이 수행된다. 균일하고도 일정한 배경 방사(scenery radiation)가 조사되고 기판의 온도는 일정하게 유지되는 동안에 어레이의 각 픽셀 감지기에 대한 케이스 온도 변화의 영향을 결정하기 위한 선측정이 이뤄진다. 그 데이터 값은 세 번째 매트릭스로 작성되어 어레이 내 각 픽셀 감지기에 대한 케이스 온도의 변화에 대한 보상에 이용된다. 그러나 방사 측정이 아닌 온도 측정에 기반한 이러한 선측정과 보상 방법은 만족스러울 만큼 정확하지는 못하다.

도 4는 본 발명에 따른 초점면 어레이의 일반적 구조를 모사하고 있다. 모사된 바와 같이, 본 발명에 따른 초점면 어레이는 j +1 로 표시된 열의 센서들이 추가되어 있다. 상기 추가된 열의 픽셀 감지기 각각은 다음과 같은 두 가지 차이를 제외하고 초점면 어레이 내의 다른 감지기와 본질적으로 동일한 구조를 갖는다.

a. 추가된 열 내의 각 감지기 브리지에 속한 각 "액티브" 저항 R_{p (j+1)}은 동일한 브리지 내의 "블라인드" 저항 R_{r (j+1)}과 유사하게 케이스의 방사에 비례하는 기준면에 의해 조사되는 일종의 “블라인드” 저항이다.

b. j +1 열 내의 각 브리지 내의 "액티브" 저항의 응답속도 (response)는 "블라인드" 저항 R_{r (j+1)}에 비해 현저히 느리다. 예를 들자면, R_p(j+1) 저항의 흡수 효율(absorption efficiency) 과/또는 열 저항 또는 온도상승률을 감소시킴으로써 응답 속도를 느리게 할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 상기 j +1 열의 각 감지기 브리지의 구조를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 브리지는 특정 행의 모든 감지기 브리지에 공통되는 첫 번째 "블라인드" 저항 R_{r (j+1)}과 상술한 "액티브" 저항인 두 번째 "블라인드" 저항 R_{p (j+1)} 즉 두 개의 "블라인드" 저항으로 구성되어 있다.

j +1 열 내의 각 감지기 브리지에서의 판독(readout)도 다른 모든 픽셀 감지기에서와 유사한 방식으로 수행된다. 특정한 행이 선택될 때마다, 같은 행 내의 1부터 j 열의 모든 감지기로부터 판독값과 함께 동시에 j +1 열의 픽셀 감지기로부터 판독값을 구한다. 선택된 행의 j +1 열 내의 ''액티브" 저항이 케이스와 유사 한(또는 케이스에 비례하여 변하는) 온도와 방사율(emissivity)을 갖는 기준면에 의해 조사되기 때문에 판독값은 케이스 방사에 직접적으로 비례하게 된다. 종래 기술은 케이스 방사가 아닌 케이스 온도를 판독하기 때문에 케이스 방사를 파악하기 위해서 복잡한 변환이 요구된다는 점에서 본 발명과 대비된다. 본 발명의 목적을 구현하기 위해서라면 j +1 열 모두에 감지기 브리지를 구성할 필요는 없고, 본 발명에 따른 감지기 브리지를 j +1 열에 하나만 구성해도 충분함을 주지해야 한다. 다만 신호 대 잡음 비(SNR; signal to noise ratio) 또는 어레이의 균일성을 향상시키기 위해서라면 j +1 열 모두에 구성하는 것이 바람직하다고 본다. 열 모두에 구성하는 경우에, 각 행의 판독값과 함께 케이스 방사에 비례하는 판독값을 실시간으로 구할 수 있다. 대부분의 경우 이런 고속 판독이 불필요하겠지만 열 모두에 구성하면 모든 브리지의 판독값들의 평균을 구할 수 있으므로 더욱 정확한 출력 신호(indication)을 얻을 수 있게 된다. 도 4에 표시한 바와 같이, 증폭기 A_{j +1}의 출력 (이하

)은 본질적으로 케이스 내의 방사에 비례하는 신호이며, 배경에 노출된 픽셀 감지기들에서의 판독값과 함께 실시간으로 구할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 실시간, 프레임 전송율(frame rate)로 온도 보상이 가능하게 되므로, 종래 기술상 셔터의 폐쇄 중에 발생하는 어레이 감지기의 판독 성능의 심각한 저하를 방지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 타입 초점면 어레이와 그 케이스 의 시스템 구조를 모사하고 있다. 케이스 벽 (12)에는 열전도성 소재가 사용되어 기판 (13)과 R_m, R_c 저항(도면에는 도시 안 됨)에 대한 방열판(heat sink)의 기능을 수행한다. 초점면 어레이 (17)은 기판과 단열된 적어도 복수(i x j) 개의 액티브 픽셀 저항 R_p과 복수 개의 "블라인드" 저항 R_r으로 구성되어 있다. 투명한 창 (15)이 초점면 어레이의 상부에 형성되어 배경 방사가 액티브 저항 R_p에 조사될 수 있게 된다. 액티브 저항에 인접하여 형성되는 i 개의 블라인드 저항 R_r은 케이스 벽 (12)에 열적으로 연결(thermally connected and coupled)되어 있거나 케이스 벽에 비례하여 케이스 방사를 반사하는, 하나 이상의 기준면 (14)에 의해 배경 방사로부터는 차단된다. 도시된 바와 같이, R_{p (j+1)} 저항도 동일한 기준면에 의해 조사된다. 기준면은 열적으로 연결된 케이스 벽의 확장면이거나 케이스 벽의 방사를 반사하는 반사면일 수 있음을 주목해야 한다.

본 발명에 의하는 경우에도 어레이내 각 액티브 감지기에 대한 케이스 온도의 변화 영향을 결정하기 위한 선측정이 수행된다. 상술한 바와 같이, 배경 방사가 어레이에 균질하게 조사되고 기판 온도는 일정하게 유지되는 가운데 여러 특정 케이스 온도에서 선측정이 수행된다. 종래 기술에서는 케이스 온도가 매개변수이고 각 감지기의 보정을 위한 보정율을 나타내는 매트릭스가 종속변수인데 반하여, 본 발명에서는 매개변수가 j +1 열의 모든 감지기로 부터의 평균 판독값이고, 종속변 수는 마찬가지로 케이스의 온도 변동(drift)에 의해 발생하는 불균일성 때문에 각 감지기를 보정하기 위한 보정율을 나타내는 매트릭스가 된다. 상술한 바와 같이, 케이스 온도의 변동에 대한 불균일성은 케이스 벽으로부터의 각 감지기의 위치 차이 및 내재하는 프로세스 불균일성에 기인한다.

각 감지기의 교정 매개변수(calibration parameter)인 픽셀케이스게인(PIXELCASEGAIN)은 다음의 관계식을 이용하여 구할 수 있다.

(α)픽셀케이스게인

여기서

픽셀케이스게인은 j +1 열의 평균 전압 판독값의 변화에 대한 특정 감지기에서의 전압 판독값의 변화를 의미한다.

은 특정한 액티브 감지기의 전압 판독값의 변화를 의미한다.

는 케이스 온도의 변화를 의미한다.

는 j +1 열 내 모든 감지기의 전압 판독값의 평균 변화를 의미한다.

종래 기술과 달리, 픽셀케이스게인은

와 독립적이어서 넓은 범위의 주위(또는 케이스) 온도에 걸쳐 같은 보정 어레이(correction array)가 사용될 수 있다. 픽셀케이스게인는 케이스 기준 전압 변화에 대한 픽셀 전압 변화율을 의미하므로 픽셀케이스게인은

와는 독립적이다. 따라서 넓은 범위의 주위 온도에 걸쳐 같은 보정 어레이가 사용될 수 있다. 이러한 점에서 외부 온도의 변화를 전압 오프셋으로 변환하는 종래 기술과 대비된다. 종래 기술상으로는 신호가 플랑크 법칙을 따르므로 관계식이 고차수의 다항 함수가 되고 따라서 관련되는 온도 전 범위를 다루기 위해서는 여러 개의 보정 어레이가 필요하다. 결과적으로 본 발명에 의한 보상 방법 및 시스템는 단순한 계산식을 적용하므로 작동이 단순하고 더 정교하며 다뤄야 할 데이터 양도 줄여 준다.

케이스 온도의 변화가 각 감지기에 미친 영향으로 인한 불균일성을 특정한 픽셀 감지기 브리지마다 보상해주기 위해 필요한 케이스 오프셋 전압을 관계식 (α)을 이용하여 선측정의 결과로부터 구할 수 있다. 다양한 수준의

에 대한 데이터(케이스 온도 변화에 따른 것임)가 CO_{i ,j}(케이스 오프셋을 의미함) 매트릭스(즉, 참조 테이블)로 작성된다. 종래의 선측정 방법으로 구하는 게인 보정 매트릭스는 G_{i ,j}로, 종래의 선측정 방법으로 구하는 오프셋 보정 매트릭스는 O_{i ,j}로 표시된다.

본 발명에 의한 보정 회로는 픽셀 감지기의 판독값을 보정하기 위해 다음 관계식을 수행한다.

(β) V_{i ,j}(보정후) = G_{i ,j} * (V_{i ,j} - xCO_{i ,j}) +O_{i ,j}

여기서의

V_{i ,j}는 A/D 변환 후의 픽셀 감지기 신호를 의미한다.

G_{i ,j}는 선측정 과정에 의해 구한 게인 보정 매트릭스이다.

O_{i ,j}는 선측정 과정 즉 셔터를 활성시켜 구한 오프셋 보정 매트릭스이다.

CO_{i ,j}는 선측정 과정에 의해 구한 케이스 오프셋 어레이이다.

x 는 j +1 열 전체(바람직하게는) 픽셀 감지기로부터 구한 V_caseref의 평균계수이다.(이 값은 열 전체로부터 구하지 않아도 된다. j +1 열 내 픽셀 감지기 1개로부터 구하는 경우도 가능하다)

세 개의 계수 G_{i ,j} O_{i ,j} CO_{i ,j}에 대한 매트릭스가 있다는 점을 주목해야 한다.

도 6은 게인, 오프셋, 케이스 온도 변동에 대한 픽셀 수준에서의 보상을 위 한 시스템을 블록선도로 도시하고 있다. 도 6의 시스템은 상기 관계식 (β)를 수행한다. 초점면 어레이가 (1)로 표시되어 있다. 버스(bus) (20)가 모든 행에 걸쳐(선택된 행 내의 i부터 j 픽셀까지) 감지기 브리지의 차동 판독값(differential reading)을 증폭기 A₁ - A_j (22)로 전송한다. 아날로그 디지털 변환기(A/D Converter) (21)는 증폭된 판독값을 디지털 데이터로 변환하고 이는 합산부(summing unit) (24)의 (+) 입력 값으로 제공된다. 초점면 어레이 (1)내 선택된 행 및 j +1 열에서의 차동 판독값 V_caseref이 증폭기 A_{j +1} (25)로 제공된다. 증폭기 A_{j +1}을 통해서 증폭된 판독값이 케이스 기준 레지스터(case reference register) (26)으로 전송된다. 레지스터 (26)은 모든 열로부터 (즉, i 번의 판독 주기 동안에) 전송받은 판독값을 저장 후 이를 평균하고, 승산 매개변수(multiplication parameter) x를 산출하여 COi,j 매트릭스에 제공한다. 해당 승산값 xCO_{i ,j}이 합산부 (24)의 (-) 입력 값으로 제공된다. 따라서 합산 부 (24)는 (V_{i ,j} - xCO_{i ,j})를 도선(line) (29)에 출력한다. 도선 (29)의 출력값은 승산부(multiplication unit) (28)에 제공되어 게인 매트릭스 G_{i ,j}(블록 34)(선측정 과정에서 구해짐)만큼 곱해져 G_{i ,j} * (V_{i ,j} - x CO_{i ,j})가 된다. 승산부 (28)의 출력값 (30)은 합산부 (31)로 제공되고, 합산부 (31)은 오프셋 매트릭스 O_{i ,j} (35)(역시 선측정과정에서 구해짐)로부터 입력도 받는다. 합산부 (31)은 V_{i ,j}(보정후) = G_{i ,j} * (V_{i ,j} - xCO_{i ,j}) +O_{i ,j} 값을 산출 하여 도선 (34)에 출력하고, 이는 비디오 신호 형태를 취하게 된다. 전체적 이미지가 최종적으로 블록 (40)에 구현된다.

도시된 바와 같이 도 7의 시스템은 초점면 어레이의 판독값에 대해 실시간으로 또한 초점면 어레이 케이스로부터 방사와 직접 연관된 보상을 하고 있다.

본 발명은 실시예에 의해 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위내에서의 여러가지 수정, 변형, 개작은 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위를 넘지 않는 범위내에서 본 발명에 속한다.

본 발명에 의하여 볼로미터(bolometer) 타입 초점면 어레이(focal plan array)의 케이스 온도 변화를 보상하는 시스템 및 방법이 제공된다.

Claims (11)

1. a. 배경 방사를 감지하기 위한 볼로미터 타입의 i x j 픽셀 감지기 어레이;

   b. 모든 i x j 픽셀 감지기의 감지 소자를 배경 방사에 노출시키는 전면부의 창을 갖고, 상기 감지기 어레이를 수용하는 케이스;

   c. 하나 이상의 기준면에 의해 케이스 방사에 비례하는 방사에 조사되는 감지 소자를 포함하고, 케이스의 방사를 감지하기 위해 케이스 내의 j +1 열에 형성되는, 적어도 하나 이상의 볼로미터 타입 블라인드 감지기;

   d. 어레이 내의 각각의 i x j 감지기에 의해 감지된 배경 방사와 상기 적어도 하나 이상의 블라인드 감지기에 의해 감지된 케이스 방사의 출력 신호를 판독하는 판독 회로;

   e. 상기 적어도 하나 이상의 블라인드 감지기에 의해 감지된 케이스 방사 출력 신호에 근거하여, 각각의 감지기의 상기 배경 방사 출력 신호에 대해 케이스 방사에 의한 효과를 보상하는 보상 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼로미터 타입 초점면 어레이 시스템.
2. 제1항에 있어서, 모든 초점면 어레이 감지기와 적어도 하나 이상의 블라인드 감지기가 방사에 대한 차동 측정을 수행하는 것을 특징으로 하는 초점면 어레이 시스템.
3. 제2항에 있어서, 각각의 감지기가 휫스톤 브리지 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 초점면 어레이 시스템.
4. 제3항에 있어서, 각각의 휫스톤 브리지 구조의 i x j 감지기가

   a. 어레이를 지지하고 있는 기판에 열을 누출하고 어레이 내의 모든 디코더에 공통되는 첫 번째 저항 R_m과, 기준면 중 하나에 의해 조사되고 같은 행 내의 모든 디코더에 공통되는 두 번째 저항 R_r을 포함하는 첫 번째 분기선과,

   b. 어레이를 지지하고 있는 기판에 열을 누출하고 j 열 내의 모든 디코더에 공통되는 세 번째 저항 R_c와, 배경에 노출되어 있고 디코더마다 개별적인 네 번째 저항 R_p를 포함하는 두 번째 분기선을 포함하는 것을 특징으로 하는 초점면 어레이 시스템.
5. 제3항에 있어서, 각각의 휫스톤 브리지 타입 구조의 블라인드 감지기가

   a. 어레이를 지지하고 있는 기판에 열을 누출하고 어레이 내의 모든 디코더에 공통되는 첫 번째 저항 R_{m (j+1)}과, 기준면 중 하나에 의해 조사되고 같은 행 내의 모든 디코더에 공통되는 두 번째 저항기 R_r(j+1)을 포함하는 첫 번째 분기선과,

   b. 어레이를 지지하고 있는 기판에 열을 누출하고 j 열 내의 모든 디코더에 공통되는 세 번째 저항 R_{c (j+1)}과, 기판과 단열되고 기준면에 의해 조사되고 각각의 블라인드 디코더마다 개별적이고 동일한 브리지내의 다른 저항들과는 방사에 대해 다른 감도를 갖는 네 번째 저항 R_{p (j+1)}을 포함하는 두 번째 분기선을 포함하는 것을 특징으로 하는 초점면 어레이 시스템.
6. 제1항에 있어서, 판독 회로가 한번에 어레이 내의 한 행씩을 선택하기 위한 행 선택기와, 선택된 행 내의 각 디코더별로 감지된 방사를 수신하여 증폭하기 위한 j +1 개의 열 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초점면 어레이 시스템.
7. 제1항에 있어서, 보상 회로가 케이스 방사에 대해 보상이 된 디코더디코더디코더하기 위하여 관계식 (β) V_{i ,j}(보정후) = G_{i ,j} * (V_{i ,j} - xCO_{i ,j}) +O_{i ,j}를 수행하는 것을 특징으로 하는 초점면 어레이 시스템.

   여기서의 V_{i ,j}는 아나로그/디지탈 변환 후의 픽셀 감지기 신호,

   G_{i ,j}는 선측정 과정에 의해 구한 게인 보정 매트릭스,

   O_{i ,j}는 선측정 과정 즉 셔터 폐쇄 중 측정에 의해 구한 오프셋 보정 매트릭스,

   CO_{i ,j}는 상술한 블라인드 감지기를 이용한 선측정 과정에 의해서 구한 케이스 오프셋 어레이,

   x 는 어레이의 작동 중에 구한, j +1 열 내의 블라인드 감지기 모두의 평균 신호이다.
8. 제1항에 있어서, 상기 기준면이 케이스 벽인 것을 특징으로 하는 초점면 어레이 시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 기준면이 케이스 벽으로부터 확장된 면인 것을 특징으로 하는 초점면 어레이 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 기준면이 케이스 벽과 열적으로 연결된 것을 특징으로 하는 초점면 어레이 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 기준면의 방사가 케이스 벽과 동일한 것을 특징으로 하는 초점면 어레이 시스템.

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