KR20150070731A - 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로 - Google Patents

볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 형태는 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로에 관한 것이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로는, 바이어싱 전류를 생성하는 전류 바이어싱부; 복수의 가변저항들을 포함하고, 상기 바이어싱 전류를 수신하는 볼로미터부; 상기 복수의 가변저항들의 동작온도 변화에 대한 불균일도(non-uniformity)를 추출하고, 상기 추출된 불균일도를 저장하는 피드백부; 및 상기 불균일도에 대응하는 바이어싱 전압을 생성하고, 상기 생성된 바이어싱 전압을 상기 볼로미터부에 전송하여 볼로미터 전류를 생성하는 전압 바이어싱부; 를 포함한다.

Description

볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로{SIGNAL ACQUISITION CIRCUIT WHICH COMPENSATE NON-UNIFORMITY OF BOLOMETER}
본 발명은 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로에 관한 것이다.
볼로미터(bolometer)는 방사 에너지를 측정하는 저항 온도계이다. 볼로미터의 동작을 간략하게 설명하면, 먼저 볼로미터는 측정하고자 하는 물체에서 방사되는 적외선을 흡수한다. 적외선을 흡수한 볼로미터는 흡수된 적외선을 열에너지로 변환한다. 이때, 변환된 열에너지는 볼로미터의 저항체의 온도를 상승시킨다. 볼로미터는 이러한 온도상승으로 변화된 센서의 전기저항을 감지하여 빛의 양을 측정한다.
도 1은 볼로미터를 3행 3열로 배치한 적외선 검출기를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 적외선 검출기는 같은 반도체 물질로 형성된 9개의 볼로미터들을 포함한다. 같은 반도체 물질로 형성된 볼로미터들은 상온(300.0k)에서 각각의 볼로미터의 검출 온도가 301.9k 내지 302.3k까지 각각 다른 검출 온도를 나타낸다. 각각의 볼로미터들이 서로 다른 검출치를 나타내는 이유는 막 두께의 변형(film thickness variations), 임계 식각 치수 컨트롤(critical etch dimension control), 다른 공정의 변형(other process variations) 등의 요인 때문이다. 그러므로, 종래의 적외선 검출기로는 정확한 적외선 검출이 어려웠다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 도 2에 도시된 2점 방식의 보정이 제안되었다.
도 2a 내지 도 2c는 2점 보정 방식을 설명하기 위한 그래프이다. 구체적으로, 도 2a는 2점 보정 방식을 적용하기 전 상태를 나타내는 그래프이고, 도 2b는 2점 보정 방식 중 하나인 오프셋 보정을 적용한 상태를 나타내는 그래프이고, 도 2c는 2점 보정 방식 중 하나인 이득 보정을 적용한 상태를 나타내는 그래프이다.
여기서, 도 2a 내지 도 2c의 가로 축은 옵티컬 일루미네이션 레벨(optical illumination level)이고, 도 2a 내지 도 2c의 세로 축은 신호 출력(signal output)이다. 또한, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 선(A)는 볼로미터에서 측정된 값이고, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 선(B)는 측정하고자 하는 물체의 실제 값이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 선(A)의 기울기(이득) 및 크기(오프셋)는 선(B)의 기울기 및 크기와 일치하지 않는다.
따라서, 선(A)와 선(B)가 Qmin점에서 교차하도록 (A)의 크기(오프셋)를 보정한다(오프셋 보정).
또한, 선(A)와 선(B)가 완전히 일치하도록 Qmin을 기준으로 선(A)의 기울기(이득)를 선(B)의 기울기와 일치하도록 보정한다(이득 보정).
따라서, 상기 2종 보정 방식을 이용하면 동작온도 변화에 따라 오류가 발생하는 볼로미터들을 보정할 수 있다.
그러나, 상기 2점 보정 방식은 볼로미터 물질 자체에 존재하는 동작온도에 대한 반응도의 불균일도를 원천적으로 보정할 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 상기 2점 보정 방식은 적외선 검출기의 온도를 일정하게 유지시킨 상태에서 보정을 수행하여야 정확한 보정을 할 수 있다. 이러한 경우, 상기 적외선 검출기의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 T.E쿨러(thermo-electric cooler)와 같은 별도의 쿨러가 필요하게 된다. 하지만, 상기 쿨러가 사용되면 전력소모가 증대되고, 부피가 커지고, 가격이 증가하는 문제점이 있었다.
따라서, 불균일도를 원천적으로 보정하고, 별도의 쿨러를 사용하지 않고도 보정을 수행할 수 있는 신호취득회로의 연구가 필요하게 되었다.
본 발명은 볼로미터의 동작온도에 대한 반응도의 불균일도를 원천적으로 보정할 수 있는 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로를 제공한다.
또한, 본 발명은 별도의 쿨러를 사용하지 않고도 보정할 수 있는 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로는, 바이어싱 전류를 생성하는 전류 바이어싱부; 복수의 가변저항들을 포함하고, 상기 바이어싱 전류를 수신하는 볼로미터부; 상기 복수의 가변저항들의 동작온도 변화에 대한 불균일도(non-uniformity)를 추출하고, 상기 추출된 불균일도를 저장하는 피드백부; 및 상기 불균일도에 대응하는 바이어싱 전압을 생성하고, 상기 생성된 바이어싱 전압을 상기 볼로미터부에 전송하여 볼로미터 전류를 생성하는 전압 바이어싱부; 를 포함한다.
여기서, 상기 전류 바이어싱부는, 상기 바이어싱 전류를 생성하는 전류원 및 상기 바이어싱 전류를 복사하고, 상기 복수의 가변저항 각각에 상기 복사된 바이어싱 전류를 공급하는 전류미러를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 피드백부는 상기 불균일도를 n-비트(bit)의 디지털 신호(digital signal)로 변환하는 A/D 변환기(Analogue to Digital Converter, ADC)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 피드백부는 상기 A/D 변환기와 상기 볼로미터부 사이에 배치된 제1 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 제1 트랜지스터는 외부로부터 적외선 에너지가 수신되면 오프(off)될 수 있다.
여기서, 상기 전압 바이어싱부는 상기 n-비트의 디지털 신호를 상기 바이어싱 전압으로 변환하는 D/A 변환기(Digital to Analogue Converter, DAC)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전압 바이어싱부는 상기 D/A 변환기와 상기 볼로미터부 사이에 배치된 제2 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 제2 트랜지스터는 외부로부터 적외선 에너지가 수신되면 온(on)될 수 있다.
여기서, 상기 볼로미터 전류와 상기 바이어싱 전류를 이용하여 신호전류를 생성하고, 상기 생성된 신호전류를 적분하여 출력 전압을 생성하는 적분부; 및 상기 출력 전압을 외부로 출력하는 출력부; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로는 볼로미터의 동작온도에 대한 반응도의 불균일도를 원천적으로 보정할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태는 별도의 쿨러를 사용하지 않고도 보정이 가능할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 볼로미터를 3행 3열로 배치한 적외선 검출기를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 2점 보정 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 제1 실시 형태에 따른 신호취득회로의 블록도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 따른 신호취득회로의 회로도이다.
도 5a 및 도 5b는 제1 실시 형태에 따른 신호취득회로를 이용한 볼로미터의 불균일도의 보정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로의 블록도이다.
도 7은 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로의 회로도이다.
도 8a 및 도 8b는 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로를 이용한 볼로미터의 불균일도의 보정을 설명하기 위한 그래프이다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 실시 형태의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 따른 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로를 설명한다.
<제1 실시 형태>
이하에서는 먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하여 제1 실시 형태에 따른 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로를 설명하도록 한다.
도 3은 제1 실시 형태에 따른 신호취득회로의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 제1 실시 형태에 따른 신호취득회로는 바이어싱부(310), 볼로미터부(320), 오프셋 보정부(330) 및 출력부(340)를 포함할 수 있다.
바이어싱부(310)는 회로의 동작온도에 대해 지수함수적인 의존성을 갖도록 동작온도의 변화에 대해서 바이어싱 전류를 생성할 수 있다.
볼로미터부(320)는 픽셀(Pixel)단위로 적외선을 검출할 수 있다.
오프셋 보정부(330)는 볼로미터부(320)의 불균일도를 보정할 수 있다.
출력부(340)는 오프셋 보정부(330)의 보정된 신호를 증폭하여 출력할 수 있다.
도 4는 제1 실시 형태에 따른 신호취득회로의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 제1 실시 형태에 따른 신호취득회로는 바이어싱부(410), 볼로미터부(420), 오프셋 보정부(430) 및 출력부(440)를 포함할 수 있다.
바이어싱부(410)는 회로의 동작온도에 대해 지수함수적인 의존성을 가지며 동작온도의 변화에 대응하여 바이어싱 전류를 생성하도록 하기 위한 제1 트랜지스터(M41) 및 볼로미터 어레이(array)의 컬럼(column) 신호(Φcol)에 따라 온/오프(on/off)되는 제2 트랜지스터(M42)를 포함할 수 있다.
또한, 바이어싱부(410)는 넓은 동작 온도 범위에 대해서 바이어싱 전류를 일정하게 유지시키도록 버퍼드 다이렉트 인젝션(Buffered Direct Injection)부(412)를 포함할 수 있다.
여기서, 버퍼드 다이렉트 인젝션부(412)는 제5 트랜지스터(M45)와 제1 증폭기(A41)를 포함할 수 있다.
제5 트랜지스터(M45)는 제1 트랜지스터(M41)의 출력단자와 직렬 연결된다. 제1 증폭기(A41)의 출력은 제5 트랜지스터(M45)를 온/오프(on/off)되게 하고, 제1 증폭기(A41)는 제1 트랜지스터(M41)의 출력단자에 연결되는 네거티브 피드백(negative feed-back)으로 구성된다.
볼로미터부(420)는 각 픽셀단위의 적외선을 검출한다. 볼로미터부(420)는 가변저항(Rd), 제3 트랜지스터(M43) 및 제4 트랜지스터(M44)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 제3 트랜지스터(M43)는 상기 가변저항(Rd)의 일단과 연결되고, 볼로미터 어레이의 컬럼 신호(Φcol)에 따라 온/오프(on/off)된다.
또한, 제4 트랜지스터(M44)는 상기 가변저항(Rd)의 타단과 연결되고, 볼로미터 어레이의 로 신호(Φrow)에 따라 온/오프(on/off)된다.
오프셋 보정부(430)는 볼로미터부(420)의 불균일도를 보정하기 위하여, 제1 스위치(Φskim), 제2 스위치(Φreset), 제1 커패시터(C41), 제2 커패시터(C42) 및 제2 증폭기(A42)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 스위치(Φskim)의 일단은 제1 커패시터(C41)의 일단과 연결되고, 제1 스위치(Φskim)의 타단은 Vskim과 연결된다.
또한, 제1 커패시터(C41)의 일단은 제1 스위치(Φskim)의 일단과 연결되고, 제1 커패시터(C41)의 타단은 제2 증폭기(A42)의 (-)입력단, 제2 커패시터(C42)의 일단 및 제2 스위치(Φreset)의 일단에 공통으로 연결된다.
또한, 제2 커패시터(C42)의 일단은 제1 커패시터(C41)의 타단 및 제2 스위치(Φreset)의 일단의 공통단자와 연결되며, 제2 커패시터(C42)의 타단은 제2 증폭기(A42)의 출력단과 연결된다. 여기서, 제2 스위치(Φreset)는 제2 커패시터(C42)와 병렬 연결된다.
제1 내지 제5 트랜지스터(M41, M42, M43, M44, M45)는 게이트(gate)에 공급되는 전압의 크기 및 극성에 따라서 드레인(drain)에서 소오스(source)로(또는 그 역으로) 흐르는 전류의 양 및 방향이 결정되는 특성을 갖는 증폭 소자(Transistor)일 수 있다.
여기서, 상기 증폭 소자는 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT), 정션 전계 효과 트랜지스터(Junction Field Effect Transistor, JFET) 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) 및 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal semiconductor Field Effect Transistor, MESFET) 등일 수 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 제1 실시 형태에 따른 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로의 동작을 상세히 설명하도록 한다.
볼로미터의 적외선 감지물질로 사용하는 다양한 물질 중에, 반도체 물질은 다른 물질을 사용하는 경우에 비하여 높은 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR) 값을 얻을 수 있기에 널리 사용되고 있다.
여기서, 상기 반도체 물질은 비정질실리콘(amorphous silicon, a-Si), 폴리실리콘(poly-Si), 실리콘-게르마늄(Si-Ge) 등일 수 있다. 상기 반도체 물질의 저항은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, R0는 초기저항이고, b는 볼로미터 물질의 물리적 성질에 의해서 결정되는 상수이며, kT는 절대온도이다.
수학식 1을 참조하면, 볼로미터의 성질의 변화는 결과적으로 이와 같은 상수 값의 변화를 야기해서, 각각의 볼로미터가 동작온도 변화에 대해 서로 다른 저항곡선을 갖게 된다.
바이어싱부(410)의 제1 트랜지스터(M41)는 써브-쓰레솔드(subthreshold) 영역에서 동작하도록 동작영역이 설정된다. 제1 트랜지스터(M41)가 써브-쓰레솔드영역에서 동작하도록 설정되면, 바이어싱부(410)는 동작온도에 대해 지수함수적인 의존성을 갖게 된다.
즉, 회로의 동작온도 변화에 대한 바이어싱 전류(Ibias)는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, I0는 초기전류이며, VDAC는 제1 트랜지스터(M41)의 게이트 단자에 공급되는 전압이며, n은 상수이고, kT는 절대온도이다.
바이어싱부(410)는 컨버터(Digital to Analogue Converter, DAC)(411) 및 버퍼드 다이렉트 인젝션부(412)를 포함할 수 있다. 제1 트랜지스터(M41)는 n-비트(bit)의 디지털로 제어될 수 있도록 디지털 값을 아날로그 값으로 변경하는 컨버터(411)에 의해 바이어싱된다.
버퍼드 다이렉트 인젝션부(412)는 네거티브 피드백 형태로 구성된 제1 증폭기(A41)에 의해서 제5 트랜지스터(M45)의 소오스 전압이 레퍼런스 전압(Vb)과 같이 유지되도록 제5 트랜지스터(M45)의 게이트 전압을 구동한다.
이러한 버퍼드 다이렉트 인젝션부(412)에 의해, 제5 트랜지스터(M45)의 소오스와 드레인 단자 사이의 전압 변화를 최소화함으로써 바이어싱 전류(Ibias)는 제1 트랜지스터(M41)의 게이트 전압에 의해 변화하게 된다.
이렇게 생성된 바이어싱 전류(Ibias)는 볼로미터부(420)에 공급된다.
바이어싱 전류(Ibias)가 공급되면, 로 신호(Φrow) 및 컬럼 신호(Φcolumn)에 의해 볼로미터부(420)의 저항(Rd, 421)의 양단에 걸리는 전압(Vd)은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, R0와 b는 볼로미터의 물리적 성질에 의해 결정되는 상수이며, I0는 초기전류이며, VDAC는 제1 트랜지스터(M41)의 게이트 단자에 공급되는 전압이며, n은 상수이고, kT는 절대온도이다.
전압(Vd)은 출력단의 제2 스위치(Φreset)가 켜졌을 때에는 제1 캐패시터(C41)에 저장되며, 로 신호(Φrow), 컬럼 신호(Φcolumn) 및 제2 스위치(Φreset)가 오프(off)되고, 제1 스위치(Φskim)가 온(on)되는 경우에는 전압(Vd)의 신호로부터 컨버터(411)에 의해서 공급된 전압(Vskim)을 감하고 제1 및 제2 캐패시터(C41, C42)의 비(C41/C42)에 의해서 증폭과정을 거쳐 출력된다.
이와 같은 과정을 통해 오프셋 레벨을 제거하여 신호를 크게 증폭할 수 있게 된다. 제2 증폭기(A42)의 출력은 큰 출력 부하를 구동하기 위해서 출력부(440)에 포함된 제3 증폭기(A43)에 의해서 버퍼링 된다. 여기서, 제2 증폭기(A42)는 차지 증폭기로 구성되는 것이 바람직하다.
출력되는 전압(Vout)은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
여기서, Vref는 제2 증폭기(A42)의 레퍼런스 전압이며, C1 및 C2는 제1 및 제2 캐패시터의 캐패시턴스이다.
따라서, 본 발명에 따른 보정회로를 이용하여, 각각의 픽셀에 공급하는 바이어싱 전류 값을 D/A변환기의 출력 전압(VDAC)을 조절함으로써 볼로미터 간에 존재하는 불균일도를 제거하는 것이 가능하게 된다.
도 5a 및 도 5b는 제1 실시 형태에 따른 신호취득회로를 이용한 볼로미터의 불균일도의 보정을 설명하기 위한 그래프이다. 구체적으로, 도 5a는 불균일도를 보정하기 전 상태를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 불균일도를 보정한 후의 상태를 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 5a 및 도 5b의 가로 축은 동작 온도(operating temperature)이고, 도 5a 및 도 5b의 세로 축은 검출기 전류(detector current)이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 도 5a의 이차원 그래프는 볼로미터의 동작 온도에 대한 볼로미터의 전류 값을 보여주는 도면으로 동일한 광에 대해서 동작온도(T0, T1, T2)에 대해서 두 개의 볼로미터에서 측정된 값(P1, P2)을 나타내는 이차원 그래프이다.
여기서, 측정된 전류 값을 이용하여 두 개의 볼로미터 전류 값의 평균(Mean)값을 구하여, 온도에 대한 볼로미터의 신호변화를 각각의 픽셀 별로 가장 유사하도록 할 수 있는 값(Mean)을 구하여 초기저항(R0)와 상수(b)의 불균일도 보정 계수를 조절하게 되는 것이다.
이러한 방법으로 전술한 측정된 불균일도 보정 계수는 사전에 측정하여 비휘발성 메모리에 저장하고, 실제 적외선 검출기를 동작시킬 때 비휘발성 메모리를 참조하여 보정을 하는 것이다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 도 5b의 이차원 그래프는 볼로미터의 동작 온도에 대한 볼로미터의 전류값을 보여주는 것으로 동일한 광에 대해서 동작온도(T0, T1, T2)에 대해서 두 개의 볼로미터에서 측정된 값(P1, P2)이 보정된 후의 그래프를 나타낸다.
이러한 과정을 거쳐 계수를 구한 후 종래의 2점 보정을 다시 수행하는 것으로 볼로미터가 가지고 있는 불균일도의 원인 성분을 회로적으로 제거하는 것으로 볼로미터를 이용한 시스템에서 온도유지 장치의 필요성을 원천적으로 제거하게 되고, 보정을 위해 필요한 회로의 복잡도를 최소화시켜 전체 시스템을 단순화할 수 있게 된다.
<제2 실시 형태>
이하에서는, 도 6 내지 도 8을 참조하여 제2 실시 형태에 따른 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로를 설명하도록 한다.
도 6은 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로의 블록도이다.
도 6을 참조하면, 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로는 전류 바이어싱부(610), 볼로미터부(620), 피드백부(630), 메모리부(640), 전압 바이어싱부(650), 적분부(660) 및 출력부(670)를 포함할 수 있다.
전류 바이어싱부(610)는 동작온도와 무관하게 일정한 바이어싱 전류를 생성할 수 있다.
볼로미터부(620)는 복수의 가변저항들을 포함할 수 있다. 볼로미터부(620)는 전류 바이어싱부(610)로부터 상기 바이어싱 전류를 수신할 수 있다.
피드백부(630)는 볼로미터부(620)로부터 전압 형태의 불균일도를 추출하고, 상기 추출된 전압 형태의 불균일도를 디지털 신호(digital signal)로 변환한 후, 상기 변환된 디지털 신호를 메모리부(640)에 전송할 수 있다. 여기서, 불균일도는 볼로미터 배열(bolometer array)에 존재하는 둘 이상의 가변저항의 동작온도 변화에 대한 서로 다른 정도일 수 있다.
메모리부(640)는 피드백부(630)로부터 상기 디지털 신호를 수신하고, 상기 수신된 디지털 신호를 저장할 수 있다. 메모리부(640)는 휘발성 메모리(Volatile Memory) 또는 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory)를 포함할 수 있다.
전압 바이어싱부(650)는 메모리부(640)로부터 상기 디지털 신호를 수신하고, 상기 수신된 디지털 신호에 대응하는 바이어싱 전압을 생성할 수 있다. 상기 바어이싱 전압을 생성한 전압 바이어싱부(650)는 상기 바이어싱 전압을 볼로미터부(620)에 전송할 수 있다. 상기 바이어싱 전압을 수신한 볼로미터부(620)는 상기 바이어싱 전압을 가변저항에 각각 인가하여 볼로미터 전류 생성한다.
적분부(660)는 볼로미터부(620)로부터 상기 볼로미터 전류를 수신하고, 상기 볼로미터 전류 및 상기 바이어싱 전류를 이용하여 신호전류를 생성할 수 있다. 또한, 적분부(660)는 상기 생성된 신호전류를 적분하여 출력 전압을 생성할 수 있다.
출력부(670)는 적분부(660)로부터 상기 출력 전압을 수신한 후, 상기 출력 전압을 출력신호로 변환할 수 있다. 또한, 출력부(670)는 상기 출력신호를 출력할 수 있다.
도 7은 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로의 회로도이다.
도 7을 참조하면, 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로는 전류원(710), 전류 미러(720), 볼로미터부(730), 피드백부(740), 전압 바이어싱부(750), 적분부(760) 및 출력부(770)를 포함할 수 있다.
전류원(710)은 동작온도와 무관하게 일정한 바이어싱 전류(Ibias)를 생성할 수 있다.
전류 미러(720)는 생성된 바이어싱 전류(Ibias)를 복사하고, 볼로미터부(730)의 복수의 가변저항 각각에 복사된 바이어싱 전류(Ibias)를 공급할 수 있다. 여기서, 전류 미러(720)는 이후에 적분부(750)에서 적분되는 전류(이하, 암흑전류)가 볼로미터부(730)에 유입되지 못하게 할 수 있다.
여기서, 전류원(710) 및 전류 미러(720)는 도 6에서 설명된 전류 바이어싱부(610)에 포함되는 구성일 수 있다.
볼로미터부(730)는 가변저항(Rd)을 포함할 수 있다.
가변저항(Rd)은 전류 미러(720)로부터 바이어싱 전류(Ibias)를 수신할 수 있다. 여기서, 도 7에서는 설명의 편의와 이해의 증진을 위해서 하나의 가변저항만을 도시하였지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 볼로미터부(730)는 화소(pixel) 단위로 배치된 복수의 가변저항들을 포함할 수 있다.
피드백부(740)는 A/D 변환기(Analogue to Digital Converter, ADC)(741)를 포함할 수 있다. 피드백부(740)는 가변저항(Rd)의 전압(VADC)을 추출하고, 추출된 전압(VADC)을 n-비트(bit)의 디지털 신호로 변환한 후, 상기 변환된 n-비트의 디지털 신호를 저장할 수 있다.
또한, 피드백부(730)는 신호에 따라 A/D 변환기(741)를 온/오프(on/off)할 수 있는 제1 트랜지스터(M71)를 더 포함할 수 있다. 외부로부터 적외선 에너지가 차단되면, 제1 트랜지스터(M71)는 온(on)되어 A/D 변환기(741)가 가변저항(Rd)의 전압을 추출하도록 한다. 반면, 외부로부터 적외선 에너지가 수신되면, 제1 트랜지스터(M71)는 오프(off)되어 A/D 변환기(741)가 가변저항(Rd)의 전압을 추출하지 못하도록 한다.
여기서, 상기 디지털 신호의 저장은 도 6에 도시된 메모리부(640)에 저장되는 것일 수 있으며, 다른 저장 수단에 저장되는 것일 수 있다.
전압 바이어싱부(750)는 D/A 변환기(Digital to Analogue Converter, DAC)(751)를 포함할 수 있다. 전압 바이어싱부(750)는 상기 저장된 n-비트의 디지털 신호를 이용하여 바이어싱 전압(VDAC)을 생성하고, 생성된 바이어싱 전압(VDAC)을 볼로미터부(730)에 공급할 수 있다.
또한, 전압 바이어싱부(750)는 신호에 따라 D/A 변환기(751)를 온/오프(on/off)할 수 있는 제2 트랜지스터(M72)를 더 포함할 수 있다. 외부로부터 적외선 에너지가 차단되면, 제2 트랜지스터(M72)는 오프(off)되어 D/A 변환기(751)가 제1 증폭기(A71)에 바이어싱 전압(VDAC)을 공급하지 못하도록 한다. 반면, 외부로부터 적외선 에너지가 수신되면, 제2 트랜지스터(M72)는 온(on)되어 D/A 변환기(751)가 제1 증폭기(A71)에 바이어싱 전압(VDAC)을 공급하도록 한다.
바이어싱 전압(VDAC)을 수신한 볼로미터부(730)는 가변저항(Rd)에 바이어싱 전압(VDAC)을 인가하여 볼로미터 전류(Ibolo)를 적분부(760)에 전송할 수 있다.
적분부(760)는 볼로미터부(730)로부터 볼로미터 전류(Ibolo)를 수신하고, 전류 미러(720)로부터 바이어싱 전류(Ibias)를 수신하여 신호전류(Isig)를 생성할 수 있다. 적분부(760)는 커패시터(C71) 및 제4 트랜지스터(M74)를 포함할 수 있다.
커패시터(C71)는 상기 생성된 신호전류(Isig)를 적분하여, 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있다. 커패시터(C71)는 상기 생성된 출력 전압(VOUT)을 출력부(770)에 공급할 수 있다.
제4 트랜지스터(M74)는 외부로부터 수신되는 적분신호(Vreset)에 따라 온/오프(on/off)될 수 있다. 여기서, 적분신호(Vreset)는 신호전류(Isig)를 사전에 정해둔 적분시간 동안 적분될 수 있도록 하는 신호로, 상기 제4 트랜지스터(M74)가 오프(off)되면 커패시터(C71)는 신호전류(Isig)를 적분한다.
적분부(760)는 버퍼드 다이렉트 인젝션부(Buffered Direct Injection, BDI)(761)를 더 포함할 수 있다.
버퍼드 다이렉트 인젝션부(761)는 제1 증폭기(A61) 및 제3 트랜지스터(M73)를 포함하여 넓은 동작 온도 범위에 대해서 바이어싱 전압(VDAC)을 일정하게 유지시키고, 바이어싱 전압(VDAC)을 가변저항(Rd)에 정확하게 인가하는 네가티브 피드백(negative feed-back) 구조일 수 있다.
구체적으로, 제1 증폭기(A71)의 두 입력 중 제1 입력은 전압 바이어싱부(750)와 연결될 수 있다. 또한, 제1 증폭기(A71)의 제2 입력에는 볼로미터부(730)와 제3 트랜지스터(M73)가 공통으로 연결될 수 있다. 그리고, 제1 증폭기(A71)의 출력은 제3 트랜지스터(M73)의 게이트에 연결될 수 있다. 제3 트랜지스터(M73)는 볼로미터부(730)와 커패시터(C71) 사이에 직렬 연결될 수 있다.
출력부(770)는 버퍼(buffer) 역할을 할 수 있는 제2 증폭기(A62)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 버퍼는 전류를 차단하고, 전압만을 통과시킬 수 있는 소자이다. 출력부(770)는 적분부(760)로부터 공급된 출력 전압(VOUT)을 제1 증폭기(A62)를 이용하여 증폭한 후, 출력할 수 있다.
여기서, 제1 내지 제5 트랜지스터(M71, M72, M73, M74, M75)는 게이트에 공급되는 전압의 크기 및 극성에 따라서 드레인에서 소오스로(또는 그 역으로) 흐르는 전류의 양 및 방향이 결정되는 특성을 갖는 증폭 소자일 수 있다.
여기서, 상기 증폭 소자는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT), 정션 전계 효과 트랜지스터(JFET) 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 및 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(MESFET) 등일 수 있다.
이하에서는, 도 7을 참조하여 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로가 적용된 적외선 카메라를 설명하도록 한다.
일반적인 볼로미터의 적외선 감응 저항체를 의미하는 가변저항(Rd)은 적외선 에너지를 감지하기 위한 저항체로서, 흡수되는 적외선 에너지의 양에 따라 저항체의 온도가 변하고, 이는 다시 저항의 변화로 나타나는 특징을 지닌다. 또한, 가변저항(Rd)은 흡수되는 적외선 에너지에 의해서만 반응하는 것이 아니라 동작하는 주위온도(동작온도)에 따라서도 저항이 가변하며 적외선 에너지에 반응하는 정도도 변하게 된다.
따라서, 가변저항(Rd)의 저항(R)은 상기 수학식 1을 인용하여 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00005
여기서, R0는 초기저항, b는 볼로미터 물질의 물리적 성질에 의해서 결정되는 상수, Ts는 동작온도, TIR은 적외선 에너지에 의해 볼로미터부(730)의 가변저항이 증가된 온도이다.
상기 수학식 5에서 R0와 b가 가변저항(Rd)의 화소(pixel)별 불균일도를 나타내는 변수들이다.
따라서, 화소(Pixel)별 R0와 b의 값을 보정하면 불균일도 보정이 이루어질 수 있다.
외부 온도와 무관하게 일정한 전류를 생성하는 전류원(710)은 전류미러(720)에 의해 복사되어 볼로미터부(730)의 가변저항(Rd)에 일정한 전류를 가하게 된다.
적외선 카메라는 오프셋 보정을 위해 주기적으로 셔터가 닫힌다(제1 트랜지스터(M71)는 온(on), 제2 트랜지스터(M72)는 오프(off)). 셔터가 닫히면 외부로부터의 적외선 에너지가 차단된다.
적외선 에너지가 차단되면, 각 화소 별 가변저항에 걸리는 전압은 화소 별로 각각 A/D변환기(741)를 통해 추출된다. 상기 추출되는 전압(VADC)은 수학식 6와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00006
여기서, Ibias는 전류원(710)에서 가변저항(Rd)에 인가되는 전류이다. 또한, 전압(VADC)은 적외선 에너지가 차단된 상태이므로 적외선 에너지에 의한 온도 증가(TIR)는 포함되지 않고. 동작 온도(Ts)만을 포함한다.
이때, 적외선 카메라의 셔터가 열리면(제1 트랜지스터(M71)는 오프(off), 제2 트랜지스터(M72)는 온(on)), 적외선 에너지가 가변저항(Rd)에 수신된다.
적외선 에너지가 가변저항(Rd)에 수신되면, D/A변환기(751)는 A/D변환기(741)를 통해 추출된 바이어싱 전압(VDAC)을 볼로미터부(730)의 화소 별 가변저항(Rd)에 각각 가하게 된다.
여기서, 볼로미터부(730)의 가변저항(Rd)의 볼로미터 전류(Ibolo)는 수학식 7과 같다.
[수학식 7]
Figure pat00007

여기서, VDAC는 D/A변환기(751)에서 가변저항(Rd)에 인가되는 전압이다.
또한, 종래 회로의 볼로미터부의 가변저항의 볼로미터 전류(Ibolo)는 수학식 8과 같다.
[수학식 8]
Figure pat00008
여기서, Vbias는 가변저항에 인가되는 전압으로 수학식 7의 VDAC와 대응되는 전압이다.
수학식 7 및 수학식 8을 참조하면, 제2 실시 형태에 따른 볼로미터부(730)의 가변저항(Rd)의 볼로미터 전류(Ibolo)는 분자에 불균형 인자(R0, b)를 포함한다. 하지만, 종래 회로의 가변저항의 볼로미터 전류(Ibolo)는 분자에 불균형 인자(R0, b)를 포함하지 않는다.
따라서, 수학식 5에서 언급한 바와 같이, 가변저항의 R0, b 값의 차이로 인해 화소별 불균일도가 나타나게 되므로, 분자에 불균형 인자(R0, b)를 포함한 제2 실시 형태에 따른 볼로미터부(730)의 가변저항(Rd)의 볼로미터 전류(Ibolo)는 상기 분모에 있는 불균형 인자(R0, b)와 분자에 있는 불균형 인자(R0, b)들이 서로 상쇄되기 때문에 불균일도가 보정된 값을 나타낼 수 있다.
하지만, 분자에 불균형 인자(R0, b)가 없는 종래 회로의 가변저항의 볼로미터 전류(Ibolo)는 상기 분모에 있는 불균형 인자(R0, b)가 남아있기 때문에 불균일도가 보정되지 않는다.
여기서, 적분부(760)는 볼로미터부(730)의 가변저항(Rd)의 볼로미터 전류(Ibolo)와 전류미러(720)의 바이어싱 전류(Ibias)를 수신하여 수학식 9와 같이 신호전류(Isig)를 생성한다.
[수학식 9]
Figure pat00009
여기서, 수학식 9를 참조하면, 신호전류(Isig)는 보정된 값을 나타낼 수 있다.
적분부(760)는 신호전류(Isig)를 적분한다. 구체적으로, 적분부(760)의 커패시터(C71)는 적분신호(Vreset)에 의한 제4 트랜지스터(M74)의 온/오프(on/off)를 통해 신호전류(Isig)를 특정 적분시간(tint) 동안 적분하여 수학식 10과 같은 출력 전압(VOUT)을 생성한다
[수학식 10]
Figure pat00010
여기서, C는 적분부(760)의 커패시터(C71)의 크기이다.
적분시간(tint)은 커패시터(C71)에 의해 신호전류(Isig)가 적분되는 시간으로 영상의 처리속도를 의미하는 프레임(frame)에 의해 결정되고 시스템에 따라 요구되는 값이 달라질 수 있다.
제2 실시 형태에 따른 신호취득회로가 적용된 적외선 카메라는 역함수의 원리를 이용한 보정방법으로써, 셔터가 닫혔을 때의 각 화소(Pixel)별 정보(R0와 b 값을 포함한 정보)를 수집하고, 셔터가 열렸을 때, 상기 수집된 정보를 적용함으로써 각 화소(Pixel)별 불균일도를 이루는 변수들을 보정하게 된다.
따라서, 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로가 적용된 적외선 카메라는 동작 중 스스로 그 보정 값을 찾을 수 있다.
또한, 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로가 적용된 적외선 카메라는 적분형 회로를 이용함으로써 잡음특성이 개선되고, 동작이 단순하며, 화소(pixel)간의 회로적인 안정성이 우수하다.
도 8a 및 도 8b는 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로를 이용한 볼로미터의 불균일도의 보정을 설명하기 위한 그래프이다. 구체적으로, 도 8a는 불균일도를 보정하기 전 상태를 나타내는 그래프이고, 도 8b는 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로를 이용하여 보정한 후, 종래의 2점 보정 방식을 수행하여 불균일도를 보정한 후의 상태를 나타내는 그래프이다.
여기서, 도 8a 및 도 8b의 가로 축은 출력 전압(Output Voltage, Vout)이고, 도 8a 및 도 8b의 세로 축은 동작온도(Operating temperature)이다. 또한, 도 8a 및 도 8b의 P1는 일 화소(pixel)의 동작온도에 따른 출력 전압을 나타내고, 도 8a 및 도 8b의 P2는 P1과 다른 화소의 동작온도에 따른 출력 전압을 나타낸다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로를 이용하여 볼로미터의 불균일도를 보정한 후, 종래의 2종 보정 방식을 이용하면, 서로 다른 출력 전압을 나타내는 두 화소 P1 및 P2가 같은 출력 전압을 나타낼 수 있다.
이와 같이, 제1 실시 형태에 따른 신호취득회로는 화소 간의 불균일도 보정 값을 일일이 찾을 수 있고, 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로는 화소 별 불균일도 보정 값을 실시간으로 찾아 보정할 수 있는 이점이 있다.
또한, 제2 실시 형태에 따른 신호취득회로는 볼로미터가 가지고 있는 불균일도의 원인 성분을 회로적으로 제거하는 것으로 볼로미터를 이용한 시스템에서 온도유지 장치의 필요성을 원천적으로 제거하게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
610: 전류 바이어싱부 620: 볼로미터부
630: 피드백부 640: 메모리부
650: 전압 바이어싱부 660: 적분부
670: 출력부

Claims (7)

  1. 바이어싱 전류를 생성하는 전류 바이어싱부;
    복수의 가변저항들을 포함하고, 상기 바이어싱 전류를 수신하는 볼로미터부;
    상기 복수의 가변저항들의 동작온도 변화에 대한 불균일도(non-uniformity)를 추출하고, 상기 추출된 불균일도를 저장하는 피드백부; 및
    상기 불균일도에 대응하는 바이어싱 전압을 생성하고, 상기 생성된 바이어싱 전압을 상기 볼로미터부에 전송하여 볼로미터 전류를 생성하는 전압 바이어싱부;
    를 포함하는, 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 바이어싱부는,
    상기 바이어싱 전류를 생성하는 전류원 및 상기 바이어싱 전류를 복사하고, 상기 복수의 가변저항 각각에 상기 복사된 바이어싱 전류를 공급하는 전류미러를 포함하는, 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피드백부는 상기 불균일도를 n-비트(bit)의 디지털 신호(digital signal)로 변환하는 A/D 변환기(Analogue to Digital Converter, ADC)를 포함하는, 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 피드백부는 상기 A/D 변환기와 상기 볼로미터부 사이에 배치된 제1 트랜지스터를 더 포함하고,
    상기 제1 트랜지스터는 외부로부터 적외선 에너지가 수신되면 오프(off)되는, 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전압 바이어싱부는 상기 n-비트의 디지털 신호를 상기 바이어싱 전압으로 변환하는 D/A 변환기(Digital to Analogue Converter, DAC)를 포함하는, 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전압 바이어싱부는 상기 D/A 변환기와 상기 볼로미터부 사이에 배치된 제2 트랜지스터를 더 포함하고,
    상기 제2 트랜지스터는 외부로부터 적외선 에너지가 수신되면 온(on)되는, 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 볼로미터 전류와 상기 바이어싱 전류를 이용하여 신호전류를 생성하고, 상기 생성된 신호전류를 적분하여 출력 전압을 생성하는 적분부; 및
    상기 출력 전압을 외부로 출력하는 출력부; 를 더 포함하는, 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로.
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