KR20120116873A - 검출기 픽셀 신호 리드아웃 회로 및 상기 회로의 이미징 방법 - Google Patents

검출기 픽셀 신호 리드아웃 회로 및 상기 회로의 이미징 방법 Download PDF

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Abstract

이미징 픽셀 어레이와 함께 사용되기 위한 픽셀 리드아웃 회로에 있어서, 상기 픽셀 리드아웃 회로는, 픽셀의 감광성 요소의 전기 출력에 대응하는 이미지 신호를 수신하기 위한 입력 채널과, 상기 입력 채널과 출력 리드아웃 유틸리티 간에 상호연결된 전자 회로를 포함한다. 상기 전자 회로는 용량성 유닛과 단일 분석기를 포함한다. 상기 용량성 유닛은 단일 프레임 주기 동안 상기 픽셀에 의해 발생된 수신 강도에 대응하는 전하를 축적하기 위해 상기 입력 채널로 제어 가능하게 링크되고, 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 이미지 데이터를 송신하기 위해 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 연결된다. 신호 분석기 유닛은 상기 이미지 신호의 적어도 일부분을 수신하고 분석하도록 상기 입력 채널에 제어 가능하게 링크되며 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 연결되고, 상기 수신 강도에 대응한 축적된 전하량을 결정함으로써, 이미지 신호의 적어도 일부분을 분석하도록 구성되고 동작하고, 상기 축적된 전하량이 지정 조건을 만족함이 검출되면, 검출된 이벤트를 나타내는 데이터를 발생시키고 상기 데이터를 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 송신한다.

Description

검출기 픽셀 신호 리드아웃 회로 및 상기 회로의 이미징 방법{A DETECTOR PIXEL SIGNAL READOUT CIRCUIT AND AN IMAGING METHOD THEREOF}
발명의 분야
본 발명은 검출기 픽셀 신호 리드아웃 및 프로세싱 분야에 속한다.
참조문헌
다음의 참조문헌은 본 발명의 배경지식을 이해하기 위한 목적으로 참조됨이 고려된다.
1. O. Nesher 및 P. Klipstein, "High performance IR detecotrs at SCD present and future", Preceedings of SPIE vol. 5957, Infrared Photoelectronics, 2005년8월, pp 0S1-OS12
광 검출 장치는, 정량화될 수 있는 전기적 효과를 생성함으로써, 수신된 광자에 반응하며, 따라서 수신된 광자 선속에 관한 정보를 제공한다. 검출기의 초점 평면 어레이(FPA: Focal plane array)가 물체의 이미지를 획득하기 위해 사용되며, 이로 인해, 각각의 검출기는 픽셀을 이미지 어레이로 제공한다. 이미지에서, 각각의 픽셀에 고유 주소 및 수치 값이 제공되며, 상기 고유 주소 및 수치 값은 이미지로부터 정보를 추출하기 위해 이미지를 조작하기 위해 더 사용될 수 있다.
이미징 파라미터들 간의 절충안은 종종 바람직한 이미지 파라미터를 획득하기 위해 가해지는 타협이다. 따라서 이미지 분해능 또는 이미지 크기를 희생하여 이미지 프레임 레이트를 증가시키는 것이 알려져 있다.
다양한 적용예에서, 가령, 감시 시스템(surveillance system) 및 탐색-및-추적 시스템(search-and-track system) 등에서, 다중-모드 센서가 중요한 구성요소가 되고 있다. 정확성 및 적절한 표적 획득을 보장하기 위해, 이미징되는, 예를 들어, 잠재적 표적을 검출 및 추적하는, 관심 영역에 대해 가능한 많은 정보를 획득하는 것이 점점 더 유용해진다.
다중-모드 이미징 장치의 한 가지 일반적인 예로는, 중파(mid-wave) 적외선 이미징 능력과 반-능동적(semi-active) 레이저 검출 및 추적을 조합한 미사일 시커(missile seeker)가 있다. 적외선이 표적의 발산된 열 또는 예측된 열 서명을 기초로 하는 추적을 가능하게 하는 반면에, 반-능동적 레이저(SAL) 검출기는 레이저 스팟으로 덮이는 표적의 검출을 가능하게 하다. 이들 모든 이점에도 불구하고, 다중-모드 검출기 장치에는 몇 가지 단점이 있다. 일반적으로 이러한 장치는, 조합되고 분석되어 진정한 다중-모드 검출 능력을 제공할 출력을 갖는 둘 이상의 이질적인 센서 시스템을 필요로 한다. 이로 인해서, 이러한 시스템이 비싸지고, 복잡해지며, 이러한 시스템의 현장에서의 사용이 제한된다.
해당 분야에, 이미징 픽셀 어레이와 함께 사용되기 위한 신규한 픽셀 리드아웃 회로에 대한 필요성이 존재한다. 이는 다음의 기재와 관련된다.
현대의 전자-광학 시스템은 기존 시스템에 비해 더 컴팩트하고, 저 전력의 저 비용 시스템이도록 설계된다. 복수의 구성요소 또는 기능부, 가령, 열상 이미저(thermal imager), 레이저 지시기(laser designator), 레이저 거리 파인더(LRF: laser range finder)를 하나의 다기능 검출기로 통합하는 것이 이러한 경향을 수행할 수 있다. LRF는, 이미징 시스템 사용자를 위한 높은 정확도의 표적 결합에 점점 필수적인 구성요소가 되어가고 있다. 정밀하고 정확한 표적까지의 거리(range-to-target) 정보가 오늘날의 정교한 무기의 발사 제어 솔루션에서 핵심적인 변수이다. 핸드헬드 군용 거리-파인더(range-finder)는 보통, 2㎞의 거리, 최대 5㎞의 거리에서 동작하며, 약 ±10m의 거리 정확도를 가진다. 거리-파인더의 더 능력있는 모델은 최대 25㎞의 거리를 측정하고, 보통 삼각대에 설치되거나, 차량이나 총 플랫폼에 직접 설치된다. 차량이나 총 플랫폼에 직접 설치되는 경우, 거리-파인더 모듈이 열상 야간 비전 및 주간 관측 시스템과 통합된다. 또한 레이저가 3-D 물체 인식을 위해 LIDAR(Light Detection And Ranging)로서 널리 사용된다. 최근 LIDAR 기술이 발전함에 따라, LIDAR 데이터의 가능한 정확도가 상당히 개선되었다. 종래의 LIDAR 시스템은 최대 100㎑의 펄스 반복률과, 수 센티미터의 거리 측정 정확도를 제공할 수 있다.
현재의 전자-광학 시스템은 복수의 구성요소, 가령, 열상 이미저, 레이저 지시기, 레이저 거리 파인더 등을 포함한다. 낮은 전력 소모량과 낮은 비용을 갖는 컴패트한 시스템에 대한 수요가, 기존의 시스템 기능 중 일부를 IR 검출기에 혼입시킴으로써, 해결될 수 있다.
본 발명은, 임의의 유형의 능동 행렬 광 검출기(광다이오드)와 통합될 픽셀 리드아웃 집적 회로(ROIC)를 제공하여, 온-칩 프로세싱을 갖춘 개선된 다기능 적외선 검출기를 생성한다. 본 발명은 또한, 개선된 온-칩 신호 프로세싱을 갖는 리드아웃 집적 회로(ROIC)를 포함하는 새로운 유형의 검출기를 제공한다. 예를 들어, 하이 레벨의 신호 프로세싱을 포함하는 ROIC는, 15㎛ 피치의 640×512 InSb에 접합되는 플립 칩일 수 있다.
따라서, 임의의 유형의 능동 행렬 광 검출기(광다이오드)와 통합될 픽셀 리드아웃 집적 회로가 제공된다. 예를 들어, 능동 행렬 검출기는, IR 이미징에 민감한 물질(예를 들어, InSb, InAsSb, InGaAs, CMT 등), 중파 IR 이미징, 또는 단파 IR 이미징, 또는 장파 IF 이미징에 민감한 물질로 만들어진 초점 평면 어레이 검출기(픽셀 행렬)일 수 있다. 통합 회로 온-칩에서 픽셀 리드아웃(pixel readout)이 수행된다. 리드아웃 회로는 전체 픽셀 행렬 검출 데이터를 수신하고 검출 데이터를 처리하여, 입력 펄스 신호의 존재로서 식별된 초점 평면에서의 이벤트의 단일-픽셀 검출을 제공하도록 구성되고 동작한다. 더 구체적으로, 리드아웃 회로가 픽셀당 두 개의 서로 다른 모드(이미징 모드와 이벤트 검출 모드)를, 동시에, 또는 거의 동시에 구현할 수 있으며, 이는 동일한 프레임의 데이터를 처리함으로써 구현된다. 단일-픽셀 이벤트 검출 모드에서, 리드아웃 회로가 특정 이벤트를 광전류의 양성 변화(positive change)로서 식별하며, 이러한 변화는 검출기 요소에 의해 전류로 변환되는 임의의 전자기 복사 펄스인 레이저 펄스 또는 무기 발사 펄스의 존재를 나타낼 수 있다. 이러한 고속 이벤트 검출이 동일한 프레임의 이미지의 획득과 동시에 수행된다는 사실로 인해, 고속 이벤트가 검출될 뿐 아니라, 관심 영역에서 이미징되는 프레임내 고속 이벤트의 위치까지 결정되고, 더 나아가, 픽셀-크기 분해능으로 결정된다. 따라서 본 발명의 한 가지 광범위한 양태에 따르면, 이미징 픽셀 어레이와 함께 사용되기 위한 픽셀 리드아웃 회로가 제공된다. 상기 픽셀 리드아웃 회로는, (a) 픽셀의 감광성 요소(photosensitive element)의 전기 출력에 대응하는 이미지 신호를 수신하기 위한 입력 채널과, (b)상기 입력 채널과 출력 리드아웃 유틸리티(output readout utility) 사이에 상호연결된 전자 회로를 포함하며, 상기 전자 회로는, (ⅰ) 단일 프레임 주기 동안 상기 픽셀에 의해 발생된 수신 강도에 대응하는 전하를 축적하기 위해 상기 입력 채널로 제어 가능하게 링크되며, 이미지 데이터를 출력 리드아웃 유틸리티로 송신하기 위해 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 연결되어 있는 하나 이상의 커패시터를 포함하는 용량성 유닛(capacitive unit)과, (ⅱ) 상기 단일 프레임 주기 동안 상기 픽셀에 의해 발생된 상기 이미지 신호의 적어도 일부분을 수신 및 분석하기 위해 상기 입력 채널로 제어 가능하게 링크되며, 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 연결된 신호 분석기 유닛을 포함한다.
단일 프레임 주기 동안의 픽셀에 의해 발생되는 이미지 신호의 적어도 일부분의 분석은, (수신 신호의 강도에 대응하는) 상기 단일 프레임 주기 동안의 축적된 전류의 시간적 변화의 검출과, 변화의 크기를 지정 문턱 레벨에 비교하는 것을 포함한다. 변화의 크기가 지정 조건(문턱값)보다 큰 경우, 신호 분석기 유닛은 검출된 이벤트를 나타내는 데이터를 발생하고, 데이터를 출력 리드아웃 유틸리티로 발생한다.
이와 관련해, 신호 강도의 변화(광전류 도함수)가 지정 문턱값(지정 조건)보다 큰 경우, 이벤트가 검출됨을 알아야 한다. 정확한 값은 적용예 절충안, 가령, 오류경고 또는 전력에 따라 달라진다.
일부 실시예에서, 전자 회로가 용량성 유닛의 변환 이득을 선택적으로 변화시켜, 단일 프레임 주기 동안 하나 이상의 커패시터에 의한 전하 축적의 선택된 통합 시간을 제공함으로써, 픽셀 동작의 높은 신호대잡음 비와 이보다 낮은 신호대잡음 비를 각각 갖는 서로 다른 이미지 획득 모드를 선택적으로 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 픽셀 리드아웃 회로는, 입력 채널로 연결되어 있으며, 이미지 신호의 적어도 일부분을 전자 회로의 하나 이상의 유닛으로 선택적으로 전달하도록 구성된 스위칭 조립체를 포함한다.
일부 실시예에서, 신호 분석기 유닛은, 전압차를 측정함으로써, 이미지 신호의 수신 강도에 대응하는 축적된 전하량을 결정하도록 구성되고 동작하는 비교기를 포함한다.
일부 실시예에서, 신호 분석기 유닛은, 프레임 동안 이미지 신호의 수신 강도에 대응하는 전하의 축적의 시간 프로파일을 결정하도록 구성되고 동작하며, 상기 검출된 이벤트가 시작된 관심 영역 내 위치까지의 거리를 나타내는 데이터를 생성한다.
일부 실시예에서, 신호 분석기 유닛은, 상기 시간 프로파일을 측정하고, 검출된 이벤트까지의 비행 시간(time of flight)을 측정함으로써 상기 거리를 나타내는 데이터를 발생하는 타임 카운터 회로를 포함한다. 이와 관련해서, 타임 카운터 회로는 온-칩(on-chip)으로 위치하는 전자 회로임을 알아야 한다. 타임 카운터 회로는 픽셀 회로 내부에, 또는 픽셀 회로 외부에 위치할 수 있다. 타임 카운터 회로는 전압 램프, 스위치, 및 리드아웃 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 광범위한 양태에 따르면, 이미징 픽셀 어레이와 함께 사용되기 위한 픽셀 리드아웃 회로가 제공되며, 여기서 리드아웃 회로는, (a) 상기 픽셀의 감광성 요소의 전기 출력에 대응하는 이미지 신호를 수신하기 위한 입력 채널과, (b) 복수의 전자 유닛으로서, 각각의 전자 유닛은 상기 입력 채널과 공통의 출력 리드아웃 유틸리티 사이에 상호연결되고, 각각의 전자 유닛은 상기 이미지 신호의 적어도 일부분에 서로 다른 프로세싱을 적용함으로써, 서로 다른 이미징 모드를 수행하도록 구성되고 동작하는 특징의, 상기 복수의 전자 유닛과, (c) 복수의 스위치를 포함하는 스위칭 조립체로서, 상기 스위칭 조립체는 상기 입력 채널로 연결되며, 입력 채널을 전자 유닛들 중 하나 이상으로 선택적으로 링크하여, 상기 이미지 신호의 적어도 일부분을 상기 전자 유닛들 중 하나 이상으로 선택적으로 전달하도록 제어 가능하게 동작하는 특징의, 상기 스위칭 조립체와, (d) 상기 스위칭 조립체로 연결되고, 스위치들 중 하나 이상을 선택적으로 활성화하여, 입력 채널과 서로 다른 전자 유닛들 중 하나 이상 간의 링크를 수행하도록 구성되고 동작하는 제어 시스템을 포함한다.
일부 실시예에서, 본 발명의 검출기는 다음의 4개의 서로 다른 동작 모드 중 하나로 동작될 수 있다. 제 1 동작 모드는 중파 IR 이미징(MWIR) 검출기의 기능과 성능을 가질 수 있는 열상 이미징이다. 제 2 동작 모드는 각각의 픽셀에 대해 열상 이미징과 비동기식 레이저 펄스 검출(ALPD)에 대한 정보 모두를 포함하는 정보 이중-기능 모드이다. 시간 프로파일에 의해 고속 변화 신호를 식별하기 위해 전용 픽셀내 회로(in-pixel circuit)를 통합함으로써, 레이저 펄스의 검출 확률이 상당히 증가한다. 각각의 픽셀은 전자기 복사의 펄스를 식별하기 위해 내부 프로세싱을 가지기 때문에, 트리거와 펄스의 검출 간의 경과된 시간을 측정하는 것도 가능하다. 이는 검출기가 펄스 소스(가령, 레이저)에 동기화되고 2차원 레이저 거리 파인더(TLRF)가 되는 제 3 동작 모드를 도출한다. 제 4 동작 모드는, 예를 들어 IR 복사 신호가 낮은 단파 적외선(SWIR) 대역에 대한 저 잡음 이미징(LNIM)에 특화되어 있다. 상기 제 4 동작 모드는 수동 이미징 또는 능동 이미징에서 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 리드아웃 회로는 복수의 서로 다른 동작 모드 중 하나로, (한 번에 하나씩) 선택적으로 동작하도록 구성되고 동작한다. 리드아웃 회로는 픽셀 출력 전류를 수신하고, 선택된 동작 모드에 따라 처리된 데이터를 발생한다. 리드아웃 회로는 복수의 서로 다른 데이터 프로세싱 모드를 수행하여, 이미지 스트림이 수집되는 관심 영역에 대한 여러 가지 유형의 정보를 제공한다. 이를 위해, 리드아웃 회로는 복수의(통상, 4개의) 개별 데이터 프로세싱 채널을 가지며, 각각의 데이터 프로세싱 채널은 자신 고유의 전자 회로를 가진다.
리드아웃 회로는 광다이오드 입력에 응답하고, 전자 회로들 중 하나 이상을 선택적으로 스위칭하도록 제어 가능하게 동작하는 스위칭 조립체(스위치들의 적절한 배열)를 포함한다. 이를 위해, 스위칭 조립체는 선택된 전자 회로에 의해 수행될 동작 모드에 대응하는 지정 변환 이득에 의해 특징지어지는 서로 다른 입력 회로를 형성한다. 일반적으로, 임의의 이미징 모드에 대해, 리드아웃 회로는 지정 변환 이득, 즉, 리드아웃 회로의 입력(광다이오드의 출력에 대응하는 전하)을 리드아웃 회로의 출력(전압)으로 변환으로 특징지어지는 것이 일반적이다. 이러한 변환 이득은 리드아웃 회로의 커패시턴스에 의해 정의되는 것이 일반적이다.
일부 실시예에서, 전자 회로들 중 하나가 용량성 유닛을 포함하고, 상기 용량성 유닛은, 단일 프레임 주기 동안 픽셀에 의해 발생되는 이미지 신호의 적어도 일부분에 대응하는 전하를 축적하기 위해 입력 채널로 제어 가능하게 링크되고, 출력 리드아웃 유틸리티로 이미지 데이터를 송신하기 위해 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 연결된 하나 이상의 커패시터를 포함한다.
이미징 픽셀 어레이 내에 통합된 본 발명의 통합형 리드아웃 회로는, 광소자(optics)와 검출 구성요소의 단일 세트로부터 이미지 데이터를 다중 모드로 검출하는 다중 모드 검출 시스템을 제공한다. 이들 서로 다른 모드는 기능적으로 다음과 같이 정의될 수 있다:
a) 픽셀 행렬에 의한 이미지 획득 모드인 정규 이미징. 여기서, 모든 픽셀은 관심 영역으로부터의 광에 동시에 노출되고, 그들의 전기 출력이 검출되고 추가로 판독(read out)된다.
b) 변환 이득이 상당히 더 높고, 따라서 비교적 약한 신호에 대해 신호대잡음 비가 더 높다는 점에서 정규 이미징과 차이 나는 이미지 획득 모드인 저 잡음 이미징. 이 모드는 훨씬 더 작은 통합 커패시터를 이용하여 구현된다. 다시 말하면, 정규 이미징과 저 잡음 이미징 모드의 변환 이득 간의 비가 높은데, 가령, 수 자릿수이다. 저 잡음 이미징은 전체 픽셀 행렬 검출 데이터에 대해, 전하에서 전압으로의 매우 높은 변환 비를 이용한다.
c) 단일 픽셀 및 단일 프레임 주기에 의한, 이벤트 검출 및 (2D 공간의 초점평면에서의) 프레임 내 이벤트의 공간 위치파악. 이 모드에 의해, 이벤트의 등장의 검출이 가능할 뿐 아니라, 관심 영역 내 특정 이벤트의 위치도 결정할 수 있다. 이벤트 검출 입력 회로는 단일 프레임 주기 동안 임의의 특정 픽셀에 대한 전하 축적을 검출하고, 축적 속도의 갑작스러운 변화를 식별한다. 따라서 입력 회로는 실시간으로 전류 변화를 검출한다. 각각의 프레임 동안 복사량 변화(가령, 레이저 펄스, 발포(gunshot) 등)를 나타내는 전류 변화를 측정함으로써, 이벤트가 검출된다. 일부 실시예에서, 전류의 적분 대신 전류 도함수(derivative)를 측정함으로써, 전류 변화가 검출된다.
d) 시간 척도 이벤트 위치파악(전자기 펄스) 및 이벤트의 시간의 정합. 이벤트 위치파악 모드는, 관심 영역에 대한 픽셀 행렬의 특정 배향에 대해 (비행 시간 측정을 통해) 이벤트까지의 거리를 검출함으로써, 구현된다. 거리를 올바르게 측정하기 위해, 비행 시간 측정은 특정하게, 광다이오드와, 리드아웃 회로의 대응하는 스위치를 포함하는 타임 카운터 회로 사이에 상호연결된 트리거 유닛에 의해 트리거된다. 광다이오드로부터의 신호는 생성되면서 동시에 트리거 유닛을 발동시킨다. 따라서 이 모드에 의해, 트리거 유닛에 의해 설정된 시작점을 이용한 "비행 시간(time of flight)" 측정치를 기초로 하는 거리 찾기가 가능해진다. 트리거 유닛은 거리를 측정하도록 구성되고 동작하는 시간 카운터 회로를 활성화시킨다.
모드(c)와 모드(d) 모두에서, 대역 통과 필터를 이용함으로써, 검출된 신호의 DC 성분이 제거된다. 따라서 관심 주파수 대역에서의 AC 성분의 변동이 검출되고, 따라서 이벤트 검출 및 (공간 및 시간에서의) 위치파악의 감도가 증가한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 리드아웃 회로는 이들 모드를 모두 포함하는 모드 (a) 내지 (d)의 임의의 조합을 수행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 리드아웃 회로는 모드(a)와 모드(b), 즉, 정규 이미징 모드와 저 잡음 이미징 모드의 조합을 수행할 수 있다. 이들 모드 각각은 스냅샷 방식으로 구현되는데, 즉, 검출기 픽셀 행렬의 모든 픽셀에 의해 동시에 구현된다. 이들 모드에 대해 상당히 상이한 변환 이득을 이용해, 정규 이미징 및 저 잡음 이미징은 교대로(한 번에 하나씩) 구현될 수 있다. 통상적으로, 정규 이미징 모드의 이득과 저 잡음 이미징 모드의 이득 간 비는 세 자릿수만큼 차이 난다. 따라서 이들 서로 다른 이미징 모드는 서로 다른 적용예 및 서로 다른 스펙트럼 범위에 적합하다. 따라서 리드아웃 회로는 하이브리드 스펙트럼 검출을 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 리드아웃 회로는 모드(b)와 모드(d)의 조합을 수행, 즉, 저 잡음 검출 회로의 출력을 거리 찾기 회로 교정부의 입력으로서 이용할 수 있다.
일부 실시예에서, 전자 회로들 중 하나는, 단일 프레임 주기 동안 픽셀에 의해 발생된 이미지 신호의 적어도 일부분을 수신하고 분석하기 위해, 입력 채널로 제어 가능하게 링크되고, 출력 리드아웃 유틸리티로 연결되는 신호 분석기 유닛을 포함한다. 단일 프레임 주기 동안 픽셀에 의해 발생된 이미지 신호의 적어도 일부분을 분석하는 것은 수신된 이미지 신호의 적어도 일부분에 대응하는 축적된 전하량을 결정하는 것과, 축적된 전하량이 지정 조건을 만족시킴이 검출되면 검출된 이벤트를 나타내는 데이터를 발생하고 상기 데이터를 출력 리드아웃 유틸리티로 전송하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 전자 회로들 중 하나 이상은 이미지 신호를 스냅샷 방식으로 획득하도록 구성되고 동작한다.
본 발명을 이해하고, 본 발명이 현장에서 수행될 수 있는 방식을 이해하기 위해, 지금부터, 첨부된 도면을 참조해, 실시예들이 제한하지 않는 예로서 기재될 것이다.
도 1A-1B는 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 개략적 기능 레이아웃이다.
도 2는 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 정규 이미징 모드의 한 가지 가능한 개략적 구성이다.
도 3은 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 저 잡음 모드의 한 가지 가능한 개략적 구성이다.
도 4는 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 정규 이미징 모드와 결합된 이벤트 검출 모드의 한 가지 가능한 개략적 구성이다.
도 5는 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 이벤트 검출 모드와 거리 찾기 모드의 한 가지 가능한 개략적 구성이다.
도 6은 서로 다른 4개의 검출 모드가 동시에 구현되는 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 가능한 개략적 구성이다.
도 7은 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 정규 이미징 모드에서의 잡음 등가 온도차(NETD) 히스토그램을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 정규 이미징 모드에서 노이드 등가 온도차(NETD) 2D 분포도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 정규 이미징 모드에서의 전역 잔류 불균일성(RNU)를 완전 충전(well fill)의 함수로서 나타낸다.
도 10은 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 저 잡음 이미징 모드에서의 잡음 등가 전력(NEP) 히스토그램을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 저 잡음 이미징 모드에서의 잡음 등가 온도 전력(NEP) 2D 분포도를 나타낸다.
도 12는 선형 근사 불균일성 수정 후의 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 저 잡음 이미징 모드에서의 전역 잔류 불균일성(RNU)을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 저 잡음 이미징 모드에 대한 55% 완전 충전에서의 수정된 이미지를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 이벤트 검출 모드에 대한 오류경고율(FAR) 및 펄스 검출 감도를 문턱 전압(vth)의 함수로서 나타낸다.
도 15는 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 거리 찾기 모드에 대한 오류경고율(FAR) 및 펄스 검출 감도를 나타낸다.
도 16은 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 거리 찾기 모드에 대한 30㎲ec의 시간 길이 및 0.2%의 FAR 레벨에 대한 감도 히스토그램을 나타낸다.
도 17A-17B는 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 거리 찾기 모드에 대한 레이저 펄스 딜레이를 도시하고(도 17A), 선형 근사의 편차를 신호의 함수로서 도시한다(도 17B).
도 18은 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 거리 찾기 모드에 대해 시간 딜레이의 함수로서 잔여 불균일성을 도시한다.
도 19는 본 발명의 통합 리드아웃 회로의 거리 찾기 모드에 대해 2.2㎲ec 레이저 딜레이에 대한 측정된 시간 딜레이의 수정된 2D 맵을 도시한다.
본 발명은 이미징 픽셀 어레이 내에 통합될 픽셀 리드아웃 회로(pixel readout circuit)를 제공하며, 여기서 리드아웃 회로는 특정 모드들을 동시에 또는 거의 동시에 (즉, 동일한 프레임의 데이터를 처리함으로써) 구현할 수 있으며, 상기 특정 모드들의 용도는 검출기로부터 리드아웃 회로로 전달되는 입력 신호의 특성에 따라 달라지거나, 리드아웃 회로로부터 요구되는 출력 신호의 특성에 따라 달라질 수 있다.
임의의 유형의 능동 행렬 광 검출기(광다이오드 어레이) 내에 통합될 픽셀 리드아웃 회로(100)를 도시하는 도 1A를 참조한다. 예를 들어, 능동 행렬 광 검출기는 320×256, 480×384, 및 640×512 요소의 포맷을 갖고, 15 내지 30㎛의 피치 크기를 갖는 여러 다른 유형의 InSb FPA일 수 있다. 광다이오드 어레이는 [1](평탄형 기술)에서 기재된 프로세스로 생성된 InSb 다이오드일 수 있다. ROIC의 다양한 기능을 가능하게 하기 위해, 본 발명의 픽셀 회로는 스위치 세트, 커패시터, 증폭기 및 메모리를 포함한다. 픽셀 내부에서 스위치 및 바이어스 레벨을 제어함으로써, 지정된 동작 모드에 따르는 여러 다른 기능이 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 리드아웃 회로(100)는 복수의 전자 회로(103)와, 각각의 전자 회로(103A-103D)로 연결된 스위치(105)의 배열과, 스위치(105)의 배열에 연결되고 하나 이상의 서로 다른 전자 회로(103A-103D)를 선택적으로 활성화시키도록 구성되고 동작하는 제어 시스템(107)을 포함한다. 각각의 전자 회로(103A-103D)는, 입력 채널을 형성하는 이미징 픽셀 어레이(101)로부터 이미지 신호를 수신하도록 구성되고 동작한다. 통합형 리드아웃 회로(100)는 광다이오드 어레이의 전기 출력에 대응하는 입력 채널(101)로부터 전체 픽셀 행렬 검출 데이터를 지속적으로 수신하고, 선택된 동작 모드에 따라 디지털 출력 프로세서를 이용함으로써, 처리된 데이터를 발생시키며, 이때, 각각의 d동작 모드는 서로 다른 전자 회로(103A-103D)에 의해 활성화된다. 제어 시스템(107)은 서로 다른 전자 회로(103A-103D)에 의해 (적어도 한 번에 하나씩) 형성된 서로 다른 동작 모드들을 선택적으로 스위칭하도록 구성되고 동작한다.
따라서 리드아웃 회로(100)는, 관심 영역에 대해 서로 다른 유형의 정보를 제공하는 복수의 서로 다른 데이터 프로세싱 모드를 수행하며, 이로부터 이미지 스트림이 수집된다. 이를 위해, 리드아웃 회로는 복수의(통상, 4개의) 개별적인 데이터 프로세싱 채널(103A-103D)을 가지며, 각각의 데이터 프로세싱 채널은 자신의 고유 전자 회로를 가진다. 스위칭 조립체(105)(스위치들로 구성된 적절한 배열)가 입력 채널(101)(가령, 광다이오드 데이터)에 반응하고 전자 회로(103A-103D) 중 하나 이상을 선택적으로 스위칭하도록 제어 가능하게 동작한다. 상기 스위칭 조립체(105)는, 선택된 전자 회로에 의해 수행될 동작 모드에 대응하는 변환 이득(conversion gain)에 의해 특징 지어지는 서로 다른 입력 회로를 활성화시키도록 구성되고 동작한다.
본 발명의 디지털 ROIC는 다음과 같이 기능적으로 정의될 수 있는 다음의 동작 모드 중 적어도 하나를 가질 수 있다: (ⅰ) 모든 픽셀은 동시에, 관심 영역으로부터의 광에 노출되고 픽셀의 전기 출력기 검출되고 더 판독(read out)되는, 픽셀 행렬에 의한 이미지 획득 모드인 표준 IR 이미징(SIM), 즉 정규 이미징 모드(103A), (ⅱ) (누적될 수 있는 전자의 최대 개수를 희생해) 신호대잡음 비가 상당히 더 높다는 점에서 정규 이미징과 상이한 이미지 획득 모드인 저 잡음 이미징 모드(103B), (ⅲ) 단일 픽셀 및 단일 프레임에 의한 이벤트 검출 모드(103C), (ⅳ) 이벤트의 시간이 등록되는 시간 척도 이벤트 위치파악 모드(time scale event location mode)(103D)(전자기 펄스). 리드아웃 회로(100)는 (ⅰ) 내지 (ⅳ)의 조합을 수행할 수 있다.
리드아웃 회로의 기능적 요소들의 일반적인 개략도를 도시한 도 1B를 참조한다. 검출기(101)는 검출기(101)로 입사하는 광자에 반응하여 전하 캐리어를 발생한다. 이러한 특정한, 그러나 제한하지 않는 예에서, 검출기는 P-on-N 구조를 기초로 한다. 그러나 본 발명은 이 예에 국한되지 않으며, 검출기는 N-on-P 구조분 아니라, 그 밖의 다른 임의의 적합한 구성을 이용할 수 있다. 검출기에 의해 발생된 전하 캐리어에 의해 생성된 전하에 의해, 검출기(101) 양단의 전압 변화가 발생한다. 이러한 전압 변화는 리드아웃 회로로의 입력 신호(광다이오드 데이터)를 생성하고, 그 후 상기 리드아웃 회로는 상기 입력 신호를 나타내는 전류 또는 전하를 출력한다. 예를 들어, 입력 신호가 특정 크기를 가질 때, 리드아웃 회로는, 입력 신호가 측정 가능한 레벨로 증폭될 수 있는 제 1 모드로 기능할 수 있고, 입력 신호가 또 다른 크기를 가질 때, 리드아웃 회로는 다르게 증폭되어 입력 신호가 판독될 수 있는 대안적 모드로 기능할 수 있다. 덧붙여, 동일한 입력 신호를 판독/프로세싱하도록 둘 이상의 모드가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 리드아웃 회로의 동작 모드의 선택은 수동으로 또는 자동으로 발동될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템에 의해, 리드아웃 회로의 적절한 동작 모드의 자동적인 선택이 가능해질 수 있다.
이 도면에서, 여러 다른 모드는 다음과 같이 정의된다: (ⅰ) 입력 회로가 수동 입력 스테이지(passive input stage)로 명명되는 정규 이미징 모드(103A), 예를 들어, 중파 IR 이미징(MWIR), (ⅱ) 입력 회로가 능동 입력 스테이지로 명명되는 저 잡음(매우 높은 이득) 입력 스테이지(LNIM)(103B), (ⅲ) 비동기식 레이저 펄스 검출(ALPD: Asynchronous Laser Pulse Detection)로 정의된 단일 픽셀 및 단일 프레임에 의한 이벤트 검출 모드(103C), (ⅳ) 이벤트의 시간의 등록이 2차원 레이저 거리 파인더(TLRF: Two-dimensional Laser Range Finder)로 정의되는 시간 척도 이벤트 위치파악 모드(103D)(레이저 펄스).
이와 관련해서, 수동 입력 스테이지에서 회로는 또 다른 전기 신호를 이용해 전류를 제어할 수 없는 구성요소를 가진다. 저 잡음 입력 스테이지는 회로 구성요소가 자신을 통과하는 전자 흐름을 전기적으로 제어(전기가 전기를 제어)할 수 있는 능동 입력 스테이지를 가진다.
이벤트 검출 모드는 이전에 알려져 있지 않으며 이미지 획득과 비동기식인, 임의의 유형의 우연한 펄스(accidental pulse)를 검출할 수 있다.
모든 처리된 출력 신호가 출력 버퍼 모듈(본원에서, 리드아웃 유틸리티라고도 지칭됨)로 전달되고, 상기 출력 버퍼 모듈은 처리된 신호 데이터를 ADC로 전달한다.
정규 이미징 모드에 대한 가능한 픽셀 아키텍처 구성을 나타내는 도 2를 참조한다. 이 모드는 픽셀 행렬에 의한 이미지 획득 모드이며, 여기서 모든 픽셀은 관심 영역으로부터의 광에 동시에 노출되고, 픽셀의 전기 출력이 검출되며 더 판독된다.
도 2의 회로는 픽셀 어레이 내 단일 픽셀에 대응한다. 제어 시스템(107)이 통합 스위치(integration switch)(207)를 폐쇄함(closing)으로써, 이 모드를 활성화시킨다. 광검출기(201)에 의해 생성된 입력 신호가 입력 채널을 통해, 통합형 커패시터(205)를 포함하는 용량성 유닛(capacitive unit)으로 제공되고, 특정 시간 주기(통합 시간(integration time)) 동안 통합된다. 예를 들어, 통합 커패시터(205)는 수 백만 전자(Million electrons)(Me)의 최대 저장 용량(full well capacity)을 가진다. 픽셀 신호는 직접 주입(DI: direct injection) 리드아웃 회로를 통해 내부 커패시터로 판독될 수 있다. 통합형 커패시터(205)는 직렬 통신을 통해 제어 시스템(107)에 의해 선택 가능한 2개의 리드아웃 커패시터를 포함할 수 있다. 2개의 리드아웃 커패시터는 서로 상당히 상이한 커패시턴스 값을 가질 수 있다. 큰 커패시터는, 통합후 판독(ITR: Integrate Then Read) 모드와 판독 동안 통합(IWR: Integrate While Read) 모드 모두로 판독될 수 있으며, 이보다 작은 커패시터는 ITR 모드로만 동작한다.
정규 이미징 모드뿐 아니라, (이하에서 더 설명될) 그 밖의 다른 모드까지 스냅샷 통합(snapshot integration)을 이용하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 픽셀 셀 구조는 픽셀 어레이의 동시 통합을 가능하게 하여, 이에 따라 "스냅샷" 이미지(행렬 내 모든 픽셀에 의한 동시 신호 획득 및 동기화)를 제공하도록 구성된다. 제어 시스템(107)은 전압 리드아웃을 제공하고, 다음의 동작 모드를 선택적으로 스위칭하도록 구성된다: 통합 후 판독(ITR) 및 판독 동안 통합(IWR). 용량성 유닛에 직렬로 연결된 리드아웃 유틸리티(204)는 처리된 이미지 신호 데이터를 커패시터(205)로부터 수신하고, 처리된 신호 데이터를 스위치(307)를 통해 컬럼 와이어(column wire)(307)로 전송한다. 통합 시간(integration time)은 일정한 장면 차원에 대해 유연할 수 있는데, 가령 0.5㎲보다 높을 수 있다.
저 잡음 이미징 모드 픽셀 설계의 가능한 개략적 구성을 도시하는 도 3을 참조한다. 이 모드는 저 선속(low flux) 시나리오에 대해 구성되는 높은 이득 모드이다. 이 모드에서, 광다이오드 전류가 용량성 트랜스임피던스 증폭기(CTIA: "Capacitive Trans-Impedance Amplifier) 스테이지(305)로 공급된다. CTIA 스테이지(305)는 극도로 작은 커패시터(수십 Ke)의 사용을 가능하게 하고, 안정화된 다이오드 바이어스를 제공한다. 저 선속 적용예의 경우, 극도로 낮은 암전류의 검출이 요구된다. 따라서 낮은 암전류 검출을 위한 개선된 InSb 제조 프로세스가 구현될 수 있고, 검출기는 68K로 동작될 수 있다. 대안적 선택사항이 구현되어, 낮은 암전류를 얻을 수 있다. 예를 들어, 충분히 낮은 암전류를 유지하면서, 더 높은 동작 온도에서 동작될 수 있는 검출 물질(detecting material), 가령, InGaAs, HOT CMT, InAsSb 장벽 다이오드를 이용하는 것이 있다. 또한, 이 모드는, 높은 선속 및 극도로 짧은 통합 시간을 갖는 동작(가령, 능동 이미징에서 동기식 레이저 조사 시나리오)의 경우, 사용될 수 있다.
이 경우, 낮은 암전류가 필요하지 않다. 도 2의 회로와 마찬가지로, 도 3의 회로는 이러한 픽셀 어레이 내 단일 픽셀 셀에 대응한다. 스위칭된 커패시터 통합기(capacitor integrator)(홀딩 커패시터)(213)를 효과적으로 활성화시켜, 상기 홀딩 커패시터보다 더 높은 커패시턴스를 갖는 커패시터 통합기(205)를 대체함으로써, 저-잡음의 고-감도 모드가 이뤄진다. 이 모드는, 약한 신호에 대해 신호대잡음 비가 상당히 더 높다는 점에서 정규 이미징과 상이한 이미지 획득 모드이다. 광검출기(201)에 의해 생성된 입력 신호가 증폭기(가령, CTIA(용량성 트랜스임피던스 증폭기))(305)의 "-" 입력에 제공된다. 증폭기(305)와 병렬로 연결된 피드백 커패시터(301)가 증폭기(305)를 위한 피드백 경로를 제공한다. 커패시터(301) 및 증폭기(305)와 병렬로 연결된 리셋 스위치(303)가, 폐쇄될 때, 광검출기(201)를 리셋한다. 스위치(07)는 폐쇄될 때 컬럼 와이어(203)로의 출력 경로를 제공한다. 증폭기(305)는, 광검출기(201)에 의해 생성된 입력 신호를 기준 레벨로 유지함으로써, 검출기 바이어스 전압을 직접 제어할 수 있게 해주는 차동 입력(differential input)을 가진다. 그 후, 입력 신호가 홀딩 커패시터(213)르 포함하는 용량성 유닛으로 제공되고, 지정 시간 간격(통합 시간) 동안 통합된다. 홀딩 커패시터는 CTIA의 출력 전압을 저장하기 때문에, 상기 홀딩 커패시터의 크기는 가변적이다. 전하가 CTIA(305) 내부에, 훨씬 작은 커패시터(수십 Ke)로 축적된다. 따라서 저-잡음 모드는, 통합 시간이 상당히 더 길다(커패시턴스는 더 작다)는 점에서 정규 이미징과 상이하다. 정규 이미징과 저 잡음 이미징 모드의 변환 이득 간의 비가 높은데, 가령, 수 자릿수만큼 높다. 저 잡음 이미징은 전체 픽셀 행렬 검출 데이터에 대해 매우 높은 전하-전압 변환 비를 이용한다. 통상적으로, 정규 이미징 모드(도 2)의 이득들 간 비와 저 잡음 이미징 모드(도 3)의 이득들 간 비는, 3자릿수만큼 차이난다. 따라서 이들 서로 다른 이미징 모드, 즉 정규 모드와 저-잡음 모드는 서로 다른 이미징 적용예 및/또는 서로 다른 스펙트럼 범위에 대해 적합하다.
저 잡음 모드는 최대 250㎐(13-비트)의 풀 행렬 프레임 레이트를 가질 수 있다. 제어 시스템(107)은 통합 후 판독(ITR) 동작 모드를 제공하도록 구성된다. 홀딩 커패시터(213)에 직렬로 연결된 리드아웃 유틸리티(204)가 홀딩 커패시터(213)로부터, 처리된 저 잡음 이미지 신호 데이터를 수신하고 처리된 신호 데이터를 스위치(307)를 통해 컬럼 와이어(203)로 전송한다. 따라서 본 발명의 검출기는 하이브리드 스펙트럼 검출을 할 수 있다. 최소 통합 시간은 비교적 짧은데, 가령, 수 1㎲ 정도이다.
따라서 제어 시스템(107)은, 교대하는 방식으로, 가령, 한 번에 하나의 스위치가 폐쇄되도록 프레임마다, (도 2의) 통합 스위치(207) 또는 (도 3의) 고 이득 통합 스위치(105)를 선택적으로 활성화(폐쇄)할 수 있다. 통합 스위치(207)의 폐쇄에 의해, 용량성 유닛, 가령, 도 2에 도시된 것과 같은 통합형 커패시터(205)를 포함하는 정규 이미징 획득 회로가 활성화되고, 반면에, 고 이득 통합 스위치(105)의 폐쇄에 의해, 도 3에 도시된 바와 같은 홀딩 커패시터(213)를 포함하는 저 잡음 이미징 획득 모드 회로가 활성화된다. 이와 관련해서, 도 2 및 3에 도시된 회로가 동일한 하나의 회로로 조합될 수 있음이 이해될 것이다.
단일 픽셀, 단일 프레임에 의한 이벤트 검출 모드의 가능한 구성을 도시하는 도 4를 참조한다. 이러한 이벤트 검출(ALPD) 모드는 IR 이미지를 제공하면서 동시에 짧은 광 펄스(비동기식)를 검출하도록 설계된다. 내부 회로는 들어오는 선속의 짧은 버스트(burst)를 검출한다. 각각의 픽셀에 대해, 지정 비트가 이전 판독 이래로, 버스트가 검출되었는지 여부를 가리킨다. 내부 회로는 이미지 프로세싱에 의한 레이저 스팟의 검출에 비교할 때 개선된 감도를 제공하도록 구성되고 동작한다. 이는, 검출 회로가 신호 잡음에 거의 영향받지 않는다는 사실 때문이다. ALPD 모드의 광다이오드 신호가 BDI(Buffered Directe Injection) 회로(도면에 도시되지 않음)를 통해 내부 커패시터로 판독된다. 또한 이 모드에서, 2개의 서로 다른 통합 커패시터가 이용 가능할 수 있다. 이 경우, IWR 모드는 큰 커패시터에 대해서만 이용 가능하며, ITR 모드는 두 커패시터 모두에 대해 이용 가능하다. BDI 회로에 의해, 직접 주입(DI) 판독에 비교할 때 개선된 다이오드 바이어스 안정화가 가능해지며, 이는 전자기 펄스에 의해 유도되는 급격한 자속 변화에서 필수이다. 그러나 BDI 구현예는 (각각의 커패시터에 대한) 다이내믹 레인지(dynamic range)가 SIM 모드에 비해 거의 3분의 1만큼 감소되는 것과 전력 소모량이 증가되는 것을 대가로 가진다. 이 모드에서, 따라서 서로 다른 입력 스테이지를 이용해 이미지가 캡처된다(BDI). 이 이미징 모드의 나머지 특징 및 파라미터는 정규 이미징 모드와 유사하다.
따라서 리드아웃 회로가 단일-픽셀 및 단일-프레임 모드에 의한 이벤트 검출을 수행할 수 있고, 따라서 상기 프레임에서의 이벤트의 위치 파악이 가능해진다.
이 모드는 모든 픽셀마다 구현된다. 이벤트 검출 입력 회로는, 단일 프레임 주기 동안 임의의 특정 픽셀에 대한 전하 축적을 검출하고 축적 속도(rate of accumulation)의 갑작스러운 변화를 식별하도록 구성되고 동작하는 비교기를 포함하는 신호 분석기 유닛을 포함한다.
따라서 입력 회로는 실시간으로 전류 변화를 검출한다. 각각의 프레임 동안 복사량(radiance) 변화를 나타내는 전류 변화를 측정함으로써, 이벤트(가령, 레이저 펄스)가 검출된다. 전류를 대역 통과 필터(BPF)(406)에 둠으로써, 전류를 적분하는 대신, 전류의 도함수(current derivative)를 측정함으로써, 전류 변화가 검출된다. BPF(406)는 광다이오드(201)의 입력 신호의 DC 성분을 제거한다. 따라서 AC 성분이 검출되고, (공간 및 시간에서의) 이벤트 검출 및 위치파악의 감도가 증가한다. 이와 관련해, 2D 이벤트 검출(공간 위치파악)이 검출기의 모든 픽셀에 의해 함께 제공되며, 어떠한 프로세싱도 필요하지 않음을 알아야 한다. 그 후, 비교기 및 플립-플롭 회로를 포함하는 신호 분석기 유닛에 의해 신호가 분석된다. 도 4의 회로는 픽셀의 어레이 내 단일 픽셀 판독을 나타낸다. 이벤트 검출 모드의 구현을 위해, 제어 시스템(107)은 스위치(207)를 폐쇄함으로써, 용량성 유닛(가령, 능동 입력 회로)을 동작시킨다. 그 후 정규 이미지 모드에 의해 이벤트/펄스 검출이 동시에 수행될 수 있다. 정규 이미징 신호 데이터가 용량성 유닛(205)을 통해 리드아웃 유틸리티(204)로 제공된다. 예를 들어, 각각의 픽셀은 정규 이미징을 위해 15-비트 장면 데이터를, 그리고 펄스 검출을 위해 1-비트를 출력한다.
이벤트 검출 회로는 도 2의 정규 이미징 획득 회로를 포함한다. 정규 이미징 획득 회로의 동작은 앞서 기재되었다. 이벤트 검출 회로의 경우와 같이, 상기 정규 이미징 획득 회로는 다음과 같이 동작한다: 광검출기(201)에 의해 생성된 입력 신호(상기 입력 신호는 동일 프레임 내 관심 영역에서 발원된 이벤트 신호를 포함할 수 있음)가 비교기(401)와 플립-플롭 회로(408)를 포함하는 신호 분석기 유닛으로 제공된다. 도 2와 관련해 기재된 바와 같이 상기 입력 신호는 통합 커패시터(205)로 제공되고, 지정 시간 주기 동안 통합된다. 획득된 이미지 데이터 중, 이벤트 신호를 포함할 수 있는 부분이 BPF(406)를 통해 비교기(401)로 입력된다. 고속 펄스 검출을 하기 위해, 비교기(401)는 자신의 입력 "+"와 "-" 간 가능한 적은 전압 차이를 검출하도록 구성되어야 한다. 비교기(401)는 이벤트 신호 데이터를 전송하며, 상기 이벤트 신호 데이터는 이진 출력 채널(202)에서 이진 출력의 형태로 출력된다. 예를 들어, 플립-플롭 회로(408)는 RS(리셋-셋) 래치일 수 있다. 상기 래치는 한 쌍의 교차-결합된 NOR 로직 게이트로 구성될 수 있다. 저장된 비트가 Q로 표시된 출력에 제공된다. S 및 R 입력이 모두 로우(low)인 동안, 피드백은
Figure pat00001
와
Figure pat00002
출력을 일정한 상태로 유지하며, 이때,
Figure pat00003
는
Figure pat00004
의 보수이다. R(리셋-reset)이 로우로 유지되는 동안 S(셋-set)가 하이(high)로 펄스화되는 경우,
Figure pat00005
출력은 강제로 하이가 되며, S가 로우로 돌아갈 때 하이 상태를 유지하는데, 마찬가지로, S가 로우로 유지되는 동안 R이 하이로 펄스화되는 경우,
Figure pat00006
출력이 강제로 로우가 되고 R이 로우로 돌아갈 때 로우 상태를 유지한다. 따라서 플립-플롭 회로(408)는 제어 시스템(107)으로부터 리셋 신호를 수신할 때까지 이벤트를 고정(lock)하도록 구성된다. 스위치(307)가 폐쇄될 때 컬럼 와이어(203)로 출력 경로를 제공한다.
이 모드에 의해 실질적으로 하한이 없는 ~10㎲ 보다 짧은 펄스를 검출할 수 있다.
시간 척도 이벤트 위치파악(레이저 펄스) 모드의 가능한 구성과 이벤트의 시간의 등록의 가능한 구성을 도시한 도 5를 참조한다. 이 모드에 의해, 트리거 유닛에 의해 설정된 시작점을 이용하는 "비행 시간(time of flight)" 측정치를 기초로 하는 거리 찾기(range finding)가 가능해진다. 시간 척도 이벤트 위치파악 모드는, 관심 영역에 대한 픽셀 행렬의 특정 배향에 대해 (비행 시간 측정치를 통해)이벤트까지의 거리를 검출함으로써 구현된다. 이러한 거리는 펄스의 시간 프로파일을 제공한다. 상기 거리는, 광의 펄스를 발산하고 상기 광이 돌아올 때까지의 딜레이를 측정함으로써, 또는 발산된 복사선과 반사된 복사된 간의 위상 차이를 측정함으로써, 결정될 수 있다.
시간 척도 이벤트 위치파악 모드 회로는, 시간 척도에서 위치를 찾을 수 있는 이벤트를 검출하기 위해 도 4의 검출 모드 회로와, 시간 척도에서 펄스 이벤트의 위치를 찾기 위한 타임 카운터 회로를 포함한다. 시간 카운터 회로는 TLRF 램프, 스위치(501) 및 리드아웃 커패시터(503)를 포함한다. 다시 말하면, 이벤트 시간 척도 위치파악은, 입력 신호가 발생되는 중일 때, 광다이오드로부터의 입력 신호에 의해 발동되거나, 비교기(401)를 통한 이벤트 검출 회로에 의해 발동되는 트리거 유닛에 의해 개시된다. 더 구체적으로, 이벤트가 발생하는 경우, 펄스를 포함하는 입력 신호에 의해, 비교기 신호는 제어 시스템(107)에 의해 정의된 문턱 전압 "vth"에 도달할 수 있고, 램프 값이 TLRF 램프에 의해 샘플링된다. 제어 시스템(107)은 스위치(501)로 연결되고, 상기 스위치(501)는 비교기(401)의 문턱 출력에 반응해(즉, 이벤트 신호의 식별의 결과로) 폐쇄 상태가 된다 .
제어 시스템(107)은 펄스화된 빔의 시퀀스를 표적 쪽으로 연속적으로 발생시키는 "레이저-발사된(laser-fired)" 트리거 유닛(도면에 도시되지 않음)을 포함한다. 반사된 빔이 표적으로부터 되돌아오면, 광다이오드(201)가 상기 반사된 빔을 수신하고, 수신된 반사된 신호에 대응한 전압이 BPF(406)를 통해 비교기(401)로 공급되며, 특정 전압 문턱값에 도달하는 경우, 트리거 유닛이 트리거 신호를 발생시켜 시간 값을 샘플링한다. TLRF 램프를 포함하는 타이머 카운터 회로는 매 레이어 펄스에 대해 트리거 유닛에 의해 트리거된다. 제어 시스템(107)은 TLRF 램프의 적절한 기울기를 결정한다. 타임 카운터 회로는 복사선의 펄스가 표적으로 이동하고 되돌아오기 위한 시간을 지속적으로 측정한다. 램프 변환 곡선에 의해 시간 딜레이가 지속적으로 전압으로 변환된다. 시간 척도 이벤트 위치파악 모드로 동작되게 하기 위해, 제어 시스템(107)은 스위치(501)를 폐쇄하도록 동작한다. 앞서 기재된 바와 같이, 비교기(401)에서 특정 전압 문턱값에 도달할 때, 제어 유닛(107)은 스위치(501)를 폐쇄하며, 다음 번 레이저 펄스까지, 커패시터(503)에서 램프의 전압 값이 누적 및 샘플링된다. 커패시터(503)는 펄스가 검출된 때의 램프 전압을 저장한다.
따라서, 리드아웃 커패시터 전압은 비행 시간에 비례하게 된다. 이 비행 시간 측정치가 리드아웃 유틸리티(204)에 의해 사용되어, 램프 변환 곡선을 이용해 이벤트까지의 거리가 결정될 수 있다. 리드아웃 유틸리티(204)는 비교기(401)로부터, 처리된 이벤트 검출 데이터를 수신하고, 동시에 처리된 이벤트 위치파악 데이터를 수신한다. 상기 리드아웃 유틸리티(204)는 컬럼 와이어(203)를 통해 픽셀 행렬 밖의 샘플링된 램프 전압을 구동시켜 디지털화한다. 그 후, 리드아웃 유틸리티(204)는 이들 데이터를 이진 출력 채널(202)로 전송하도록 동작한다. 알다시피, 그리고 도면에도 도시된 바와 같이, 이진 출력 채널(202)은 플립-플롭 회로(408)를 통해, 이벤트 검출 및 위치파악 및/또는 시간 척도 위치파악과 연계된 출력 데이터를 수신/송신하도록 선택적으로 동작한다. 따라서 데이터는 본 발명의 리드아웃 회로로부터, 병렬 연결된 이전 출력 채널(202)과 컬럼 와이어(203) 모두를 통해 출력된다. 따라서 이미지 획득 스테이지 후, 컬럼당 2개의 버스(202 및 203)를 이용해, 픽셀 어레이가 병렬 방식으로 판독된다. 이 모드가 모든 픽셀마다 구현된다.
TLRF 모드에서, 어떠한 열 이미지도 생성되지 않는다. 앞서 기재된 바와 같이, 각각의 픽셀 전용의 타임 카운터 회로가 (검출기로의 입력인) "레이저-발사된" 트리거 간의 경과된 시간을 측정하고, 픽세렝 의해 반사된 레이저 빔이 검출됐던 순간을 측정한다. 따라서 뷰(view)의 2D 거리 맵(range map)이 생성된다. 이 모드에서, 전력 소모량이 비교적 높다. 따라서 서브-윈도우에서의 동작이 구현될 수 있다. 종래 방식으로는, 레이저 거리 파인더(laser range finder)의 레이저 스팟은 이미지 내 수 십 픽셀들만 덮음을 알아야 한다. 따라서 일반적으로 이 모드를 32×32 픽셀의 서브-윈도우로 동작시키는 것이 충분하다. 서브-윈도우의 개수 및 어레이에서의 서브-윈도우의 위치는 직렬 통신을 통해 변경될 수 있다. 이 모드에서, 픽셀 리드아웃 회로가 2개의 출력(이벤트 시간(전압) 및 이벤트 검출 여부(이진)) 을 제공한다.
동일한 하나의 회로에 4개의 모드가 구현되는 것을 도시한 도 6을 참조한다. 상기 도면은 따로 설명이 필요 없다. 앞서 설명된 바와 같이, 제어 시스템(107)은 하나 이상의 스위치(103A-103D)를 선택적으로 개방/폐쇄하여, 이미징 모드들 중 하나 이상을 교대로 또는 동시에 활성화/비활성화시킨다.
일부 실시예에서, 제어 시스템(107)은 프레임당 저 잡음 검출 회로의 출력을 거리 찾기 회로 교정부(calibration)의 입력으로 제공하여, 하나의 프레임에서 저 잡음 검출 회로의 출력이 처리되어 또 다른 프레임을 교정한다. 따라서 모드 TLRF, LNIM, ALPD를 프레임 단위로 스위치하는 것이 가능하다. 이로써, 적용 요건을 충족하는 유연한 동작 시퀀스의 설계가 가능하다.
IR 시스템에서 본 발명의 검출기를 사용함으로써, 다음의 이점이 제공될 수 있다:
단파 적외선(SWIR)과 "전통적인" 열상 (MWIR) 이미징 능력을 모두 갖춘 시스템이 더 바람직한 전장 배향 및 정보를 제공한다. 가시 대역 이미지(visible-band image)와 유사하게, SWIR 이미지는 장면(scene)으로부터 반사된 광자에 의해 생성되며, 따라서 관측자(observer)에 의한 해석이 MWIR 대역의 방출 이미지보다 더 직관적으로 이뤄진다. 본 발명의 검출기를 이용한 분석 및 필드 테스트가, 빈번하게 발생하는 완벽하지 않은 대기 상태의 시나리오에서 SWIR-대역 이미징에 상당한 이점을 보인다. 기본적으로, 특정 개구(aperture)의 경우, 가시 대역 분해능 및 이에 따른 이미지 품질이 더 긴 파장 대역, 가령, SWIR 또는 MWIR 대역에서의 이미지 품질보다 더 우수해야 한다. 그러나 빈번히 발생하는 실제 대기 조건이 고려될 때는 이는 사실이 아니다. SWIR과 MWIR 대역 모두, 가시 대역보다 입자에 더 투과적이다. 그러나 특정 개구별로, MWIR 공간 분해능이 가시보다 훨씬 더 낮다. 이는 정확히, SWIR이 나타내는 "스위트 포인트(sweet point)"이다: SWIR 대역은 특정 개구마다, 가시 대역보다 더 우수한 대기 침투율에 덧붙여, MWIR 대역보다 약 2 내지 3배 더 우수한 공간 분해능을 가진다. 덧붙여, 가시 대역 이미지에 미치는 난류 효과(turbulence effect)를 고려할 때, SWIR 대역은 사용자의 첫 번째 선택이 될 수 있다. 광학 시스템을 적절하게 설계하면서, MWIR 및SWIR 대역 모두에 대해 동일한 검출기를 사용하는 것이 두 대역들 간에 거의 완벽한 정합(registration)을 제공할 수 있다. 두 개의 개별 광학 경로의 내재적인 잔상 한계 때문에, 두 개의 개별 검출기(MWIR용 제 1 검출기와 SWIR용 제 2 검출기(가령, InGaAs 행렬))를 이용할 때, 이는 용이하게 이뤄질 수 있는 것이 아니다.
덧붙여, 본 발명의 검출기의 ALPD 모드가 시스템에 진정한 "스팟 보기(see-spot)"(레이저 지시기(laser designator)의 스팟 검출) 능력을 제공한다. 현재 이용 가능한 시스템에서, 스팟-보기 능력은, 레이저 스팟 광자를 열 광자와 함께 동일한 FPA 픽셀에 누적시킴으로써, 얻어지며, 따라서 이들 시스템은 하이-레벨 배경을 갖는 장면(scene)에서 비교적 한정된 스팟-보기 거리라는 단점을 가진다. 본 발명의 검출기는, (일반적인 장면을 생성하기 위한) 물체로부터 지속적으로 발산되거나 반사되는 "보통(normal)" 이미지 광자와, 레이저 지시기 펄스로부터 발원된 광자를 구별한다. 본 발명의 검출기의 특유의 구별 메커니즘은, 레이저 광자가 장면 신호의 나머지에 "몰두(drowned)"되는 장면에서도, 레이저 스팟을 용이하게 볼(see) 수 있다. 레이저 스팟 이미징을 가능하게 하도록 사용되는 또 다른 종래의 기법으로는, 약 1.06㎛ 파장의 매우 좁은 대역통과 필터를 갖는 CCD 또는 CMOS 카메라를 추가하는 것이다. 이 방법에는 두 개의 단점이 있다: (a) 사용자가 레이저 스팟 뒤에 있는 장면을 볼 수 있을 때, 이 방법은 낮시간 동안에만 유용하다. (b) 스팟 이미지를 MWIR 이미지로 디지털 방식으로 투사하려 시도하는 것은 잔상(retention) 한계와, 이를 극복하기 위한 필드 교정의 필요성을 단점으로 가질 수 있다. 본 발명의 검출기는 잔상 효과가 전혀 없이 보통의 장면(ordinary scene) 위에 레이저 스팟의 직접적이고 진정한 이미지를 제공하며, 사용자는 항상 레이저가 목표로 하는 곳을, 작은 표적일지라도 실질적으로 정확히 본다.
본 발명의 검출기의 또 다른 개선된 능력은 TLRF 모드이다. 이 모드를 이용해 레이저-거리-파인더를 구현하기 위해, 시스템 설계자는 또 다른 검출기는 필요 없이, 펄스화된 레이저 소스를 자신의 시스템에 추가하지만 하면 된다. 나머지 작업은 본 발명의 검출기에 의해 이뤄지고, 따라서 현재의 솔루션에 비한 핵심 이점을 갖고, 시스템이 단순화되고 비용이 감소되며, 사용자는 (거리) 측정 중인 정확한 물체를 본다. 이는, 열상 이미징을 위해 사용되는 것과 동일한 픽셀이 비행 시간을 측정한다는 사실 때문에 이뤄진다. 이 특징에 의해, 개별적 LRF와 열상 이미저를 이용하는 현재 시스템에서는 있는 조준 잔상 효과에 대한 우려가 없기 때문에, 시스템은 사람만큼 작은 표적에 대해 거리를 측정할 수 있다. 적절한 광학 시스템이 설계될 때, TLRF 모드의 시스템 분석에 의해, 상용화된 시스템에서 현재 사용되는 것과 유사한 펄스화된 레이저를 이용함으로써, 수신기에서 APD(Avalanche Photo Detector)를이용하는 현재의 전통적인 솔루션과 동등한 거리가 제공됨이 밝혀졌다.
Dewar 실험실에서 특징지어진 정규 이미징 모드에서 본 발명의 검출기의 수행 결과를 나타내는 도 7-9를 참조한다. 검출기의 표준 모드의 높은 방사측정 성능은 4개의 핵심 파라미터(잡음 등가 온도차(NETD: Noise Equivalent Temperature Difference), 잔여 불균일성(RNU: Residual Non-Uniformity), 픽셀 동작도, 및 이미지 품질)에 의해 가장 잘 나타난다. 50% 완전 충전(well-fill)에서의 측정된 NETD 히스토그램이 도 7에 도시된다. 측정은, 27℃ 확장형 흑체(Extended Blackbody) 앞에 위치하는 3.6㎛-4.9㎛의 콜드 필터(cold filter)를 갖는 F/4 개구를 이용해 수행되었다. 표준 SCD InSb 검출기에서와 같이, 저 NETD에 도달한다. 덧붙여, NETD의 히스토그램은 평균 값을 중심으로 대칭이고, 비교적 좁은 분포를 가진다. 2D NETD 분포가 도 8에 제공되며, 랜덤 분포를 갖는 고 NETD 균일도를 입증한다. 척도는 mK 단위이다. 도 9는 서로 다른 흑체 온도 및 일정한 통합 시간에서 측정된 20-80% 완전 충전 용량에 대한 2-포인트 정정 후의 RNU를 도시한다. 각각의 포인트는 64개의 연속하는 프레임들의 평균이다. RNU는 전체 다이내믹 레인지에 걸쳐 공간 표준 편차(STD)의 단위로 제공된다. 나타나다시피, 본 발명의 검출기의 정규 이미징 모드에서의 RNU는 이 거리 내 신호에 대해 0.03% STD/전체 거리 이하이다. 이 결과는 넓은 범위의 완전 충전에 대해 고 품질 이미지가 얻어짐을 입증한다. 마지막으로, 본 발명의 검출기의 정규 이미징 모드에서의 픽셀 동작도(pixel operability)가, 표준 InSb 검출기에서와 동일한 결함 식별 기준을 이용해 측정되었다. 이러한 기준은 단축되고 단절된 픽셀, NETD 결함, RNU 결함, 및 적절하게 동작하지 않는 그 밖의 다른 결함 있는 픽셀을 포함한다. 통상적인 동작도는 99.9%보다 우수하다.
앞서 기재된 바와 같이, LNIM 모드는 매우 낮은 광 레벨 이미징에 특화되어서, 콜드 필터에 의해 MWIR 복사가 차단된 경우에만, 또는 매우 짧은 통합 시간을 갖는 능동 이미징에서만 사용될 수 있다. 암전류가 광전류에 비교할 때 낮아야 한다. 검출기를 68K의 온도로 동작시킴으로써, 픽셀당 35fA의 매우 낮은 암전류를 얻었다. 수동(긴 통합 시간) LNIM 모드의 방사측정 성능이 도 10-13에 도시된다. 모든 측정은, 적분 구(integrating sphere)의 출력에서 1.5㎛의 균일 조명을 대면하면서, F/A 개구 및 1.2-2.5㎛ 콜드 필터를 이용해 수행되었다. 최상의 성능을 위해 상관 이중 샘플링(CDS)된 픽셀이 사용되었다. 특정 거리에서, 잡음 등가 파워(NEP: Noise Equivalent Power)가 NETD를 대신해 감도를 정의하기 위해 사용되는 핵심 파라미터이다. 어레이의 통상의 NEP 히스토그램이 도 10에 도시되며, 여기서, 통합 시간은 2msec이고, 그 2D 분포는 도 11에 제공된다. 도 12에서 선형 근사(linear fit) 후의 LNIM의 RNU가, 서로 다른 조명 레벨 및 일정한 통합 시간에서 측정된 완전 충전 용량의 함수로서 도시된다. 각각의 포인트는 64개의 연속하는 프레임들의 평균이다. RNU는 전체 다이내믹 레인지에 걸친 STD 단위로 제공된다. LNIM 모드의 RNU는 20-60% 완전 충전 용량 사이에서 신호에 대해 0.3% STD/전체 거리 이하이다. 도 13에서, LNIM의 수정된 이미지가 제공되며, 이는 "화이트 공간 잡음"를 보여준다. 척도는 디지털 레벨이다.
앞서 이미 언급된 바와 같이, ALPD 동작 모드에서, 검출기는 IR 이미지(최대 15비트)와 펄스 파인더 정보(1 추가 비트)를, 매 픽셀마다 동시에 생성한다. ALPD 모드에서 펄스 검출을 위한 2개의 파라미터는, 오류경고율(FAR: False Alarm Rate)과 펄스 검출 감도이다. FAR은, 검출기의 FOV에 어떠한 펄스도 존재하지 않을 때 펄스의 도착을 지시하는 프레임당 픽셀의 평균 퍼센트율로 정의된다. ALPD 감도는, 검출기가 프레임들 중 적어도 90%에서 이벤트를 가리키는 경우의 픽셀당 최소 펄스 강도이다. 검출기 감도 문턱 레벨(Vth)에 의해, FAR과 ALPD 감도 모두가 튜닝될 수 있다. 이에 따라, 더 높은 FAR 레벨을 허용할 수 있는 적용예에서 검출기 감도가 증가된다. 또는, 장면에 따라 검출기 감도를 변화시키는 것이 가능하다. 대부분의 적용예에서, 복수의 반복되는 (레이저) 펄스를 이용하여 작업할 때, 비교적 높은 FAR 레벨이 있을지라도, FAR 픽셀의 공간 및 시간 분포 때문에, FAR과 레이저 이벤트 간의 시스템 레벨을 구별하는 것이 용이할 것이다. 둘 이상의 픽셀을 덮는 레이저 스팟이 용이하게 식별되어야 하도록, 임의의 문턱 레벨(vth)에서 픽셀로 구성된 어떠한 FAR 클러스터도 발견되지 않았다. 덧붙이자면, 모든 픽셀은 자신의 통상의 FAR 레벨(픽셀 FAR(PFAR))을 가지며, 상기 PFAR은 교정되고, 메모리 테이블에 저장될 수 있어서, 경고율의 변화가 실제 이벤트를 가리키도록 할 수 있다. 또는, FAR 결함이 정의 및 표시되며, 따라서 FAR 레벨이 급격하게 감소될 수 있다.
FAR 및 감도가 100개의 연속하는 프레임들의 평균으로 측정되었다. 통상의 FAR 레벨은 전체 범위의 문턱 레벨(vth)에 대해 0.1% 내지 10%이고, 감도는 1000e/픽셀 이상이다. 도 14는 vth의 함수로서의 FAR 및 중간 감도를 도시한다. 문턱 레벨을 갖는 FAR의 기하급수적 감소는 가우시안 잡음 제한 검출의 경우 일반적인 거동이다. 광 펄스에 대한 픽셀의 감도(광자/픽셀)는, 외부 양자 효율(External quantum efficiency)이~0.8이라는 사실을 이용해 계산될 수 있다.
이미 앞서 언급된 바와 같이, 물체까지의 거리를 결정하기 위한 널리 퍼진 방법은 레이저 펄스를 표적으로 발사하고, 펄스의 전송과 반사된 신호의 검출 간의 지속시간 (t)을 측정하는 것이다. 예를 들어, 검출기는 레이저에 동기화되거나, 레이저가 검출기에 동기화될 수 있다. 본 발명의 검출기에서, 동기화는, 타이머의 시작점을 표시하는 시스템에 의해 발생된 펄스를 트리거함으로써 이뤄진다. 검출기 특징화의 이러한 스테이지에서, 동기화의 모드를 이용함으로써, 테스트가 단순화됨으로써, 검출기가 레이저를 동기화할 때 여기서 제공되는 결과가 수행되었다. 측정 설정(measurement setup)은, 레이저, 펄스 발생기, 레이저 감쇠기(laser attenuator), 빔 스플리터(beam splitter), 레이저 펄스 모니터용 고속 다이오드(fast diode), 광소자 및 Dewar 실험실을 포함한다. 검출기로부터 온 프레임 시작 펄스에 의해 펄스 발생기가 트리거된다. 특정 딜레이에서 제어되는 펄스 폭을 갖는 신호를 발생한다. 이 신호가 사용되어, 1.064㎛ 다이오드 펄스화된 레이저를 구동시킬 수 있다. 레이저 파워는 모든 픽셀마다 LNIM 능동 모드에 의해 특징지어졌고, 진폭은 감쇠기에 의해 제어되었다. 비행 시간은, 실제 거리 대신 레이저 펄스 딜레이를 변화시킴으로써, 측정되었다. 시간 길이(time span)는 3-120㎲ec 사이에서 이산 단계(discrete step)로 변화되었다.
TLRF 모드에서, FAR 및 감도가 ALPD 모드에서와 동일한 방식으로 정의된다. ALPD 모드에서와 동일한 문턱 레벨(vth)이 TLRF 모드에서 FAR와 감도를 제어한다. 도 15는 3(또는 6㎲ec)의 짧은 시간 길이 동안 측정된 FAR과 중앙(median) TLRF 감도 대(vs.) 문턱 레벨(vth)를 도시한다. 동일한 감도에 대해, 더 긴 시간 길이는 FAR를 10%-20%만큼 낮춘다.
낮은 vth의 경우, 검출기가 매우 민감하고 대부분의 모든 픽셀이 오류경고(False Alarm)로 정의된다. vth가 증가할 때, FAR은 기하급수적으로 감소하며, 감도도 마찬가지이다. ALPD 및 TLRF 모드에서와 같이, FAR 레벨이 유의미하게 감소될 수 있도록 FAR 결함이 정의되고 저장될 수 있다. 30㎲ec의 시간 길이 및 0.2%의 FAR 레벨에 대한 통상의 TLRF 감도 히스토그램이 도 16에 도시된다.
TLRF 모드에서, 디지털 레벨(DL)에서의 검출기로부터의 신호가, 서로 다른 시간 길이에 대한 레이저 펄스 딜레이의 함수로서 측정된다. 각각의 시간 길이에 대해, 거리 교정부로의 새로운 신호가 필요하다. 선형 근사, 또는 표준 2 포인트 수정(standard two point correction)이 사용될 수 있지만, 이차 근사(quadratic fit)가 결과를, 특히 종말점(end point)에 가깝게, 개선한다. 레이저 펄스 딜레이(17A)와 선형 근사에서의 편차(17B)를 측정된 TLRF 신호의 함수로서 나타내는 도 17A-17B를 참조한다. 선형 근사로부터의 편차는 3㎲ec의 더 짧은 시간 길이에 대해 3nsec 이하이다.
서로 다른 시간 길이에 대해 32×32 픽셀 윈도우에 대해 공간 RNU도 계산되었다. 측정 및 분석 절차는 다음과 같다. 먼저, 100개의 연속하는 프레임의 평균으로서의 TLRF 신호 측정치의 세트가 서로 다른 레이저 펄스 딜레이에 대해 기록된다. 이 세트는 각각의 픽셀에 대한 이차 근사(quadratic fit )를 찾기 위해 사용되었다. 그 후, 상기 이차 근사가, 매 시마다 단 하나의 프레임만 기록된 제 2 측정치 세트에 적용되었다. 거리의 RNU가, 매 딜레이에 대한 정정된 TLRF 2D 맵의 공간(2D) 표준 편차로서 계산되었다. 도 18은 RNU가, 3㎲ec 시간 길이에 대해 전체 다이내믹 레인지에 대한 시간 길이의 약 0.1% 이하임을 나타낸다. 더 짧은 시간 실이에 대해, RNU는 3nsec 이하이다. 도 19는 2.2㎲ec 레이저 딜레이에 대해 최단 시간 길이(3㎲ec)의 정정된 시간 2D 맵을 나타낸다. 척도는 ㎲ec 단위이고, 시간 길이는 3㎲ec이다.
또한 검출기 신호는 1000-20000e/픽셀에 대해 동일한 펄스 딜레이에서의 레이저 펄스 강도의 함수로서 측정되었다. 5000e/픽셀 이하의 낮은 레이저 펄스 강도에 대해, 픽셀 시간 변화 응답에 의해 야기된 추가적인 딜레이가 존재한다. 강도가 알려져 있지 않다면, 측정된 비행 시간의 불확실도(uncertainty)가 시간 길이의 약 0.2%일 수 있다. 반복되는 레이저 펄스를 이용하는 적용예의 경우, 능동 LNIM/TLRF 조합 모드에서 검출기가 동작할 수 있고, 능동 LNIM에 의해 측정된 강도가 상기 낮은 강도 펄스에서의 추가 딜레이를 정정하기 위해 사용될 수 있다. 통상적으로 이러한 추가 딜레이는 레이저 펄스 강도의 역(inverse)에 비례한다. 다음의 표 1은 TLRF 모드에서의 본 발명의 검출기의 성능을 요약한 것이다.
시간 길이
[㎲ec]/[㎞]		 RNU
[nsec]/[m]		 거리 정확도
[nsec]/[m]		 높은, 또는 알려진 레이저 펄스 강도에 대한 거리 정확도
[nsec]/[m]
120㎲ec
18㎞		 80nsec
12m		 ±150nsec
±22.5m		 ±60nsec
±9m
30㎲ec
4.5㎞		 25nsec
3.75m		 ±50nsec
±7.5m		 ±20nsec
±3m
3㎲ec
450㎞		 3nsec
0.45m		 ±9nsec
±1.35m		 ±2nsec
±0.3m
높은 거리 정확도를 얻기 위해, 장면을 연구하기 위해, 더 긴 시간 길이(즉, 120㎲ec)를 이용할 수 있다. 표적이 식별되면, 사용자는 동작을 짧은 시간 길이(3㎲ec)로 수행할 수 있어서, 측정치의 거리 정확도가 0.3미터에 도달할 수 있다.
따라서 본 발명의 검출기는 MWIR에서 새로운 기능과 함께 높은 품질 표준 이미징을 보존한다. 이는 큰 포맷 및 작은 피체 ROIC에서 픽셀에서 추가 기능을 구현하는 도전과제를 충족시킨다. 0.18㎛ CMOS 기법을 이용함으로써 높은 기능성이 이뤄졌다. 본 발명의 검출기에 의해, IR 이미저, 레이저 거리 파인더, 레이저 지시기 파인더, 및 낮은 광 이미저의 기능을 포함하는 작고 컴팩트한 시스템의 개발이 가능해진다. 레이저 거리 파인더 모드(TLRF)의 측정 거리 정확도는, 현재 상용화된 LRF에 비교할 때 경쟁력이 있고, IR 이미지 및 LRF 신호 공간 대응성 및 표적 인식이라는 추가 가치를 가진다. 덧붙이자면, 더 짧은 시간 길이에 대해, 다중 레이저 펄스 동작에 의해, 2D 정확한 거리 맵이 얻어질 수 있다. 펄스화된 레이저에 동기화된 능동 LNIM이 5㎲ec까지 낮아진 매우 짧은 통합 시간(integration time)을 갖고 이용될 수 있으며, 따라서 MWIR의 다른 모드와 병렬로 사용될 수 있다. 매우 낮은 리드아웃 잡음 및 암전류에 의해, 수동 낮은 광 이미저를 위한 긴 통합 시간이 가능해진다. 마지막으로, 스팟-보기(see-spot) 기능과 동시에, IR 이미지를 획득하기 위한 ALPD 모드가 사용되어, 레이저 지시기로부터의 펄스 또는 그 밖의 다른 임의의 고속 이벤트를 식별할 수 있다. 최대 감도를 위한 펄스 지속시간이 25nsec 이하여야 하는 TLRF 모드와 달리, ALPD 모드는 최대 수 십 ㎲ec의 이벤트 지속시간에 대해 민감하다.

Claims (20)

  1. 이미징 픽셀 어레이와 함께 사용되기 위한 픽셀 리드아웃 회로(pixel readout circuit)에 있어서, 상기 픽셀 리드아웃 회로는,
    픽셀의 감광성 요소(photosensitive element)의 전기 출력에 대응하는 이미지 신호를 수신하기 위한 입력 채널과,
    상기 입력 채널과 출력 리드아웃 유틸리티(output readout utility) 사이에 상호연결된 전자 회로
    를 포함하며, 상기 전자 회로는
    단일 프레임 주기 동안 상기 픽셀에 의해 발생된 수신 강도에 대응하는 전하를 축적하기 위해 상기 입력 채널로 제어 가능하게 링크되며, 이미지 데이터를 출력 리드아웃 유틸리티로 송신하기 위해 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 연결되어 있는 하나 이상의 커패시터를 포함하는 용량성 유닛(capacitive unit)과,
    상기 단일 프레임 주기 동안 상기 픽셀에 의해 발생된 상기 이미지 신호의 적어도 일부분을 수신 및 분석하기 위해 상기 입력 채널로 제어 가능하게 링크되며, 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 연결된 신호 분석기 유닛
    을 포함하고, 상기 신호 분석기 유닛은 상기 수신 강도에 대응하는 축적된 전하량을 결정함으로써, 상기 이미지 신호의 적어도 일부분을 분석하도록 구성되고 동작하며, 상기 축적된 전하량이 지정 조건을 만족시킴이 검출되면, 검출된 이벤트를 나타내는 데이터를 발생하고, 상기 데이터를 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 송신하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전자 회로는 용량성 유닛의 변환 이득(conversion gain)을 선택적으로 변화시키도록 구성되어, 단일 프레임 주기 동안 하나 이상의 커패시터에 의한 전하 축적의 선택된 통합 시간(integration time)을 제공함으로써, 높은 신호대잡음 비의 픽셀 동작을 갖는 이미지 획득 모드와, 낮은 신호대잡음 비의 픽셀 동작을 갖는 이미지 획득 모드를 선택적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전자 회로는 둘 이상의 전자 유닛을 복수 개 포함하며, 상기 둘 이상의 전자 유닛 각각은 각각 상기 입력 채널과 상기 출력 리드아웃 유틸리티 사이에 상호연결되고, 상기 출력 리드아웃 유틸리티는 모든 전자 유닛에게 공통이며, 각각의 전자 유닛은, 동일한 이미지 신호의 적어도 일부분에 대해 서로 다른 프로세싱을 적용함으로써, 서로 다른 이미징 모드를 수행하도록 구성되고 동작하며, 따라서 상기 픽셀 리드아웃 회로는 둘 이상의 서로 다른 검출 모드로 동작 가능한 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 입력 채널로 연결되며, 상기 이미지 신호의 적어도 일부분을 전자 회로의 하나 이상의 유닛으로 선택적으로 전달하도록 구성된 스위칭 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 분석기 유닛은, 전압차를 측정함으로써 상기 수신 강도에 대응하는 축적된 전하량을 결정하도록 구성되고 동작하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 분석기 유닛은, 상기 프레임 동안 상기 수신 강도에 대응하는 상기 축적된 전하량의 시간 프로파일(time profile)을 결정하도록 구성되고 동작하며, 상기 검출된 이벤트가 시작된 관심 영역 내 위치까지의 거리를 나타내는 데이터를 발생하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 신호 분석기 유닛은, 시간 프로파일을 측정하고, 검출된 이벤트까지의 비행 시간을 측정함으로써 거리를 나타내는 데이터를 발생하는 타임 카운터 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석 유틸리티를 입력 채널로 선택적으로 링크하도록 구성되고 동작하는 제어 유틸리티를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  9. 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 전자 유닛 중 하나 이상을 선택적으로 동작시키도록 구성되고 동작하는 제어 유틸리티를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  10. 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 둘 이상의 전자 유닛은, (a) 관심 영역의 정규 이미징, (b) 상기 정규 이미징에 비교할 때, 용량성 유닛의 변환 이득이 상당히 더 높고, 따라서 비교적 약한 신호에 대해 신호대잡음 비가 더 높은 것을 특징으로 하는 저 잡음 이미징, (c) 단일 픽셀 및 단일 프레임 주기에 의해 검출되는 이벤트 검출 및 이벤트의 공간 위치파악, 및 (d) 시간 척도 이벤트 위치파악 및 이벤트 시간의 정합(registration) 중 둘 이상을 포함하는 둘 이상의 서로 다른 검출 모드를 가능하게 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  11. 제 10 항에 있어서, 저 잡음 검출을 위해 구성된 전자 유닛은 프레임당 저 잡음 검출 회로의 출력을 시간 척도 이벤트 위치파악 및 정합을 위해 구성된 전자 유닛의 입력으로 송신하여, 하나의 프레임에서 저 잡음 검출 회로의 출력이 처리되어 또 다른 프레임을 교정하도록 하는 교정(calibration)을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  12. 이미징 픽셀 어레이와 함께 사용되기 위한 픽셀 리드아웃 회로에 있어서, 상기 리드아웃 회로는,
    상기 픽셀의 감광성 요소의 전기 출력에 대응하는 이미지 신호를 수신하기 위한 입력 채널과,
    복수의 전자 유닛으로서, 각각의 전자 유닛은 상기 입력 채널과 공통의 출력 리드아웃 유틸리티 사이에 상호연결되고, 각각의 전자 유닛은 동일한 이미지 신호의 적어도 일부분에 서로 다른 프로세싱을 적용함으로써, 서로 다른 이미징 모드를 수행하도록 구성되고 동작하는 특징의, 상기 복수의 전자 유닛과,
    복수의 스위치를 포함하는 스위칭 조립체로서, 상기 스위칭 조립체는 상기 입력 채널로 연결되며, 입력 채널을 전자 유닛들 중 하나 이상으로 선택적으로 링크하여, 상기 이미지 신호의 적어도 일부분을 상기 전자 유닛들 중 하나 이상으로 선택적으로 전달하도록 제어 가능하게 동작하는 특징의, 상기 스위칭 조립체와,
    상기 스위칭 조립체로 연결되고, 스위치들 중 하나 이상을 선택적으로 활성화하여, 입력 채널과 서로 다른 전자 유닛들 중 하나 이상 간의 링크를 수행하도록 구성되고 동작하는 제어 시스템
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전자 유닛은, (a) 관심 영역의 정규 이미징, (b) 상기 정규 이미징에 비교할 때, 용량성 유닛의 변환 이득이 상당히 더 높고, 따라서 비교적 약한 신호에 대해 신호대잡음 비가 더 높은 것을 특징으로 하는 저 잡음 이미징, (c) 단일 픽셀 및 단일 프레임 주기에 의해 검출되는 이벤트 검출 및 이벤트의 공간 위치, 및 (d) 시간 척도 이벤트 위치파악 및 이벤트 시간의 정합(registration) 중 둘 이상을 포함하는 둘 이상의 서로 다른 검출 모드를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  14. 제 13 항에 있어서, 전자 회로들 중 하나는 용량성 유닛을 포함하고, 상기 용량성 유닛은, 단일 프레임 주기 동안 상기 픽셀에 의해 발생하는 수신 강도에 대응하는 전하를 축적하는 입력 채널로 제어 가능하게 링크되며, 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 이미지 데이터를 송신하기 위해 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 연결된 하나 이상의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 전자 회로들 중 하나는, 상기 단일 프레임 주기 동안 상기 픽셀에 의해 발생된 상기 이미지 신호의 적어도 일부분을 수신 및 분석하기 위해 상기 입력 채널로 제어 가능하게 링크되고, 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 연결된 신호 분석기 유닛을 포함하고, 분석하는 것은 수신 강도에 대응하는 축적된 전하량을 결정하는 것과, 상기 축적된 전하량이 지정 조건을 만족시킴이 검출되면 검출된 이벤트를 나타내는 데이터를 발생하고, 상기 데이터를 상기 출력 리드아웃 유틸리티로 송신하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 신호 분석기 유닛은, 전압차를 측정함으로써, 수신 강도에 대응하는 축적된 전하량을 결정하도록 구성되고 동작하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 신호 분석기 유닛은, 상기 프레임 동안 수신 강도에 대응하는 전하 축적의 시간 프로파일을 결정하도록 구성되고 동작하며, 상기 검출된 이벤트가 시작된 관심 영역 내 위치까지의 거리를 나타내는 데이터를 발생하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 신호 분석기 유닛은 상기 시간 프로파일을 측정하고, 검출된 이벤트까지의 비행 시간을 측정함으로써 거리를 나타내는 데이터를 발생하는 타임 카운터 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  19. 제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 상기 전자 유닛들 중 하나 이상의 용량성 유닛의 변환 이득을 선택적으로 변화시켜, 단일 프레임 주기 동안 하나 이상의 커패시터에 의한 전하 축적의 선택된 통합 시간을 제공함으로써, 높은 신호대잡음 비의 픽셀 동작을 갖는 이미지 획득 모드와, 낮은 신호대잡음 비의 픽셀 동작을 갖는 이미지 획득 모드를 선택적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
  20. 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 회로들 중 하나 이상은 스냅샷(snapshot) 방식으로 이미지 신호를 획득하도록 구성되고 동작하는 것을 특징으로 하는 픽셀 리드아웃 회로.
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