KR20170036471A - 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법 및 이를 이용한 마이크로 볼로미터 - Google Patents

다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법 및 이를 이용한 마이크로 볼로미터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법은, 복수의 단위 기준셀이 기준 신호를 생성하는 단계, 적외선 신호를 흡수한 복수의 단위 감지셀이 감지 신호를 수신하는 단계, 및 감지 신호 및 상기 기준 신호를 이용하여 처리된 감지셀값에 기초하여 순수 적외선 신호만을 검출하는 단계를 포함하며, 단위 기준셀은, 상기 적외선 신호에는 반응하지 않되, 상기 단위 감지셀과 동일한 전기적 및 열적 특성을 가지는 암맹셀로 구성된다. 이에 의하여, 감지셀의 자기가열 효과를 정확하게 상쇄시킬 수 있으며, 전원 잡음 등 공통 잡음에 강인하고, 스키밍셀간의 부정합을 포함한 검출회로에서 생기는 고정패턴 잡음을 제거시킬 수 있다. 나아가, 아날로그 및 디지털 보정의 복잡도를 매우 줄이는 동시에 효율성을 향상시킬 수 있고, 열전 냉각기와 셔터를 제거할 수 있다.

Description

다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법 및 이를 이용한 마이크로 볼로미터{MULTI-REFERENCE CORRELATED DOUBLE SAMPLING DETECTION METHOD AND MICROBOLOMETER USING THE SAME}
본 발명은 마이크로 볼로미터 어레이를 이용한 검출 회로에서, 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법 및 마이크로 볼로미터 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 각 종 고정패턴 잡음을 줄이고, 열전냉각기 및 셔터 제거를 용이하게 할 수 있는 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법 및 이를 이용한 마이크로 볼로미터에 관한 것이다.
적외선 검출기는 일반적으로 원적외선 복사에 응답하는 광기반 검출기와 열기반 검출기로 나뉜다. 열기반 검출기는 열감지 센서 어레이를 이용하여 대상 물체의 온도 이미지를 생성한다. 이와 같이 피사체에서 방출되는 흑체 복사 에너지를 모아 온도 이미지를 획득하는 장치를 원적외선 열영상 시스템(Far-Infrared Thermal Imaging System)이라 한다.
열기반 검출기는 볼로미터(bolometer), 마이크로 볼로미터(microbolometer), 초전기 및 열전대열을 포함한다. 물체에서 흑체 복사하는 소정 대역의 원적외선이 렌즈에 의해 마이크로 볼로미터상에 집속되면, 마이크로 볼로미터의 온도가 상승하거나 하강하게 되어, 마이크로 볼로미터의 전기적 저항이 변화한다. 이를 이용해, 마이크로 볼로미터에 구비된 감지셀, 즉, 마이크로 볼로미터 어레이(microbolometer array)의 전기 저항값을 측정함으로써, 피사체의 온도 분포를 원격으로 이미징할 수 있게 된다.
마이크로 볼로미터 어레이를 이용한 열영상 센서는 수천 내지 수십만 개의 픽셀 배열을 마이크로 진공 패키징하여 제조되기 때문에 제조 수율이 매우 낮을 뿐만 아니라, 고정패턴 잡음(FPN, fixed pattern noise)도 매우 높다는 문제점이 있다.
마이크로 볼로미터 어레이의 최소 신호 레벨은 온도 분해능(NETD, Noise Equivalent Temperature Difference)으로 표시되는데, 이는 고정패턴 잡음보다 매우 작기 때문에(대략 1/10,000의 크기) 높은 반응도와 넓은 동적 범위를 동시에 만족시키기가 매우 어렵다. 이를 해소하기 위해서는, 매우 복잡한 시험과 보정과정이 필요하며, 하드웨어/소프트웨어적 요소, 열전 냉각기, 셔터 등의 추가 설비를 필요로 하기 때문에, 크기, 전력소모는 물론 비용적으로 큰 부담이 된다.
주요 고정패턴 잡음원은 대략 아래와 같다.
- 감지셀 및 스키밍셀에 대한 서미스터 저항, 열용량, 열저항, 적외선 흡수율 등에 대한 공정 편차에 따른 감지셀 간, 스키밍셀 간, 그리고 감지셀과 스키밍셀 간의 비균일성 내지는 부정합성
- 전원 및 바이어스, 트랜지스터의 문턱전압, 연산 증폭기의 입력 오프셋 전압 및 전류, 전류신호 적분시간, 스위칭 잡음 등에 의한 전압/전류 변동 잡음
- 기판, 렌즈, 하우징, 검출회로 등에서 발생한 열에 의한 온도 변화에 따른 서미스터 저항 변화
- 검출회로에 의한 자기가열(이는, 온도 변화에 따른 전기적 저항값 변화를 측정하는 원리로 동작하는 모든 서미스터 온도계의 공통적인 문제이다)
- 1/f 잡음(고정패턴 잡음과 랜덤 잡음의 2가지 특성을 모두 갖는다)
이러한 고정패턴 잡음이 생기면 적외선 신호가 이 잡음에 묻히게 되며, 이를 제거하기 위한 정교한 아날로그 보정 또는 디지털 보정 등이 불가피해진다.
고정패턴 잡음을 제거하기 위한 보정은 주로 기준 신호원으로서 일정한 온도를 가지는 기준 흑체(Black body)를 사용하여 이루어진다. 각 감지셀이 검출하는 원격 복사 온도에 대한 보정은, 통상 2개의 기준 흑체 온도를 이용하여 측정하고 이를 2개의 상수를 갖는 1차함수로 근사함으로서 측정된 값을 실제 온도로 내삽 혹은 외삽하여 이루어진다. 이와 같은 보정을 2 포인트 보정이라 하며, 이때 얻어진 두 개의 상수를 각각 이득 및 오프셋이라 한다.
그런데, 기판 온도 변화나 하우징 온도 변화 등으로 인해 실제 사용시 환경이 보정 상수 추출 때와는 많이 상이해, 필드에서 사용시 정확한 보정이 어렵다는 문제가 있다. 이를 극복하기 위해, 열전 냉각기와 셔터를 사용한다.
하지만, 열전 냉각기와 셔터의 사용은, 적외선 카메라의 무게, 크기, 전력소모, 가격 등의 상승 요인이 되므로, 적외선 카메라의 대량 보급, 특히 민수용 적외선 카메라의 대량 보급을 위해서는 반드시 제거될 필요가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 감지셀만을 이용한 신호 검출에 있어서, 감지셀과 스키밍셀 간의 차이 신호를 이용한 신호 검출 때문에 생기는 고정패턴 잡음원 중, 감지셀과 스키밍셀, 그리고 스키밍셀 간의 비균일성 내지는 부정합성, 전원 및 바이어스, 트랜지스터의 문턱전압, 연산 증폭기의 입력 오프셋 전압 및 전류, 전류신호 적분시간, 스위칭 잡음 등에 의한 전압/전류 변동 잡음, 그리고 감지셀과 스키밍셀 간의 자기가열 차이, 등에 의한 제반 고정패턴 잡음을 일거에 제거할 수 있는 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법 및 이를 이용한 마이크로 볼로미터를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 셔터 및 열전 냉각기 제거가 용이한 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법 및 이를 이용한 마이크로 볼로미터를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법은, 복수의 단위 기준셀이 기준 신호를 생성하는 단계; 적외선 신호를 흡수한 복수의 단위 감지셀이 감지 신호를 수신하는 단계; 및 상기 감지 신호 및 상기 기준 신호를 이용하여 처리된 감지셀값에 기초하여 순수 원격 열적외선 신호만을 검출하는 단계;를 포함하며, 상기 단위 기준셀은, 상기 열적외선 신호에는 반응하지 않되, 상기 단위 감지셀과 동일한 전기적 및 열적 특성을 가지는 암맹셀로 구성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 단위 기준셀은, m열×n행(m,n은 자연수) 어레이로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 감지셀값은, 각 열에 존재하는 n개의 단위 기준셀이 출력한 기준 신호의 평균값을 산출하고, 상기 단위 감지셀 각각이 출력한 감지 신호에서 상기 평균값을 차감하여 생성된 값일 수 있다.
또한, 상기 적외선 신호를 검출하는 단계는, 적외선 신호가 있는 상기 단위 감지셀과, 적외선 신호가 없는 상기 평균 기준셀값의 차이로부터 생성된 감지셀값을 이용하여, 셔터 없이 적외선 신호를 검출할 수 있다.
그리고, 각 열에 존재하는 n개의 단위 기준셀이 출력한 기준 신호의 평균값을 다시 m열에 대해 평균치를 취하여 칩 전체 대표 값을 구하고, 이를 열전 냉각 제거용 감지셀과 스키밍셀의 바이어스 제어 신호를 생성하기 위한 기준 신호로 이용하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 위에서 구한 칩 전체 기준셀에 대한 평균 출력값이 전원 전압의 중간값을 갖도록, 감지셀 및 스키밍셀의 바이어스 제어 신호를 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는, 원격 적외선 신호를 감지하는 마이크로 볼로미터로서, 적외선 신호를 흡수하여 감지 신호를 출력하는 복수의 단위 감지셀; 상기 적외선 신호에 반응하지 않되, 상기 감지셀과 동일한 전기적 및 열적 특성을 갖고, 기준 신호를 출력하는 복수의 단위 기준셀; 및 상기 감지 신호 및 상기 기준 신호의 DC 성분을 공통적으로 제거하는 스키밍셀;을 포함하고, 상기 감지 신호 및 상기 기준 신호에 기초하여, 각종 고정패턴 잠음을 제거하고 원격 적외선 신호만을 감지하기 위한 감지셀값을 생성할 수 있다.
또한, 상기 복수의 단위 기준셀은, m열×n행(m,n은 자연수) 어레이로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 감지셀값은, 각 열에 존재하는 n개의 단위 기준셀이 출력한 기준 출력 신호의 평균값을 산출하고, 상기 단위 감지셀 각각이 출력한 감지 신호에서 상기 평균값을 차감하여 생성된 값일 수 있다.
그리고, 상기 단위 기준셀은 상기 단위 감지셀과 동일한 열적 및 전기적 특성을 갖는 암맹셀일 수 있다.
또한, 상기 마이크로 볼로미터는, 적외선 신호가 있는 상기 단위 감지셀과, 적외선 신호가 없는 상기 각 열에 존재하는 n개의 단위 기준셀이 출력한 기준 출력 신호의 평균값의 차이로부터 검출된 감지셀 값을 이용하여, 셔터 없이 적외선 신호를 검출할 수 있다.
그리고, 각 열에 존재하는 n개의 단위 기준셀로부터 출력된 기준 신호의 평균값을, 다시 m열에 대해 평균값을 취하여 칩 전체의 대표 기준셀값을 산출하고, 이를 열전 냉각 제거용 감지셀과 스키밍셀의 바이어스 제어 신호를 생성하기 위한 기준 신호로 이용할 수 있다.
또한, 상기 산출된 칩 전체의 평균 기준셀값에 기초하여, 출력 영상 감지셀값의 평균이 전원 전압의 중간값을 갖도록, 감지셀과 스키밍셀의 바이어스 제어 신호를 조절할 수 있다.
상기 구성에 따른 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법 및 이를 이용한 마이크로 볼로미터에 의하면, 아래와 같은 효과를 도모할 수 있다.
1. 렌즈를 통해서 들어오는 적외선에 대한 감지셀 출력 신호와, 적외선 신호가 전혀 없는 기준셀 출력 신호의 차이만을 검출하기 때문에, 각 열에서 공통적으로 생기는 스키밍 셀에 의한 부정합을 포함해서 신호취득 회로에서 발생하는 각종 부정합에 의한 고정패턴 잡음을 상쇄할 수 있다.
2. 단위 기준셀로서 암맹셀을 사용하기 때문에, 단위 감지셀과 단위 기준셀 간의 자기 가열 및 냉각 과정을 동일하게 할 수 있어, 양 셀 사이의 자기가열 효과를 정확하게 상쇄시킬 수 있다.
3. 감지셀과 기준셀 신호의 차이만을 검출하기 때문에, 전원 잡음 등 공통 잡음에 강인하다.
4. 적외선 신호가 있는 감지셀의 출력 신호에서, 적외선 신호가 없는 기준셀의 출력 신호를 빼어줌으로써, 스키밍셀을 포함한 열(column)별 검출 회로에서 공통적으로 생기는 고정잡음 패턴을 제거하고 적외선 신호만을 효율적으로 검출할 수 있다. 이때, 단위 기준셀의 공정 편차 등에 의해 새로운 고정패턴 잡음과 열 및 1/f 잡음에 의한 랜덤 잡음이 생길 수 있는데, 복수의 기준셀의 출력 신호값의 평균을 취함으로서, 이들을 모두 크게 감소시킬 수 있다.
5. 기준셀 출력 신호의 평균값을 이용하여, 도 1의 VFID, GSK 및 Vref 바이어스 제어를 위한 안정된 기준 신호로 사용할 수 있다. 따라서, VFID를 이용한 이득의 제어와 GSK나 Vref를 이용한 DC 오프셋의 제어를 독립적으로 수행할 수 있다. 이는 아날로그 보정과 디지털 보정의 복잡도를 월등히 줄임으로서 보정 효율성을 향상시킬 수 있고, 열전 냉각기 제거에 도움을 준다.
6. 적외선 신호가 있는 감지셀과, 적외선 신호가 없는 기준셀 값의 차이를 이용하여 신호와는 상관없는 DC 오프셋 신호를 제거하고, 순수 적외선 신호만을 쉽게 찾아낼 수 있는 이중상관 표본화 기법을 사용함으로서, 셔터 제거를 용이하게 할 수 있다. 특히 여러 단위 기준셀의 평균값을 취함으로서, 기준셀 자체의 고정패턴은 물론 랜덤 잡음도 크게 줄일 수 있다. 그 결과 셔터 사용시보다도 더 작은 NETD(Noise Equivalent Temperature Difference)를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 마이크로 볼로미터에 이용되는 감지 및 스키밍 회로(skimming circuit)를 나타내는 도면이다.
도 2는 감지시간 동안 이루어지는 CTIA(Charge Transfer Impedance Amplifier) 출력 전압 신호의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 고정패턴 잡음을 제거하기 위한 아날로그 및 디지털 보정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 어느 특정 기판온도, Tsub=Tsub2에서 도 3의 그래프(a) 내지 그래프(d) 각각에 대한 여러 감지셀 및 기준셀 검출값 들에 대한 빈도 분포도와 보정 방법을 나타내는 도면이다. 여기서 Vo,ref는 여러개의 단위 기준셀 검출값에 대한 평균값이다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터의 회로도이다.
본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시하기에 충분하도록 상세히 설명된다. 특정 실시예 이외의 다른 실시예는 서로 상이하지만 상호배타적일 필요는 없다. 아울러, 후술의 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아님을 이해해야 한다.
첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대한 상세한 설명은, 그에 수반하는 도면들과 연관하여 읽히게 되며, 도면은 전체 발명의 설명에 대한 일부로 간주된다. 방향이나 지향성에 대한 언급은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 어떠한 방식으로도 본 발명의 권리범위를 제한하는 의도를 갖지 않는다.
구체적으로, "아래, 위, 수평, 수직, 상측, 하측, 상향, 하향, 상부, 하부" 등의 위치를 나타내는 용어나, 이들의 파생어(예를 들어, "수평으로, 아래쪽으로, 위쪽으로" 등)는, 설명되고 있는 도면과 관련 설명을 모두 참조하여 이해되어야 한다. 특히, 이러한 상대어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 장치가 특정 방향으로 구성되거나 동작해야 함을 요구하지는 않는다.
또한, "장착된, 부착된, 연결된, 이어진, 상호 연결된" 등의 구성 간의 상호 결합 관계를 나타내는 용어는, 별도의 언급이 없는 한, 개별 구성들이 직접적 혹은 간접적으로 부착 혹은 연결되거나 고정된 상태를 의미할 수 있고, 이는 이동 가능하게 부착, 연결, 고정된 상태뿐만 아니라, 이동 불가능한 상태까지 아우르는 용어로 이해되어야 한다.
도 1은 마이크로 볼로미터에 이용되는 스키밍 회로(skimming circuit)를 나타내는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는 높은 민감도와 넓은 동적 범위를 만족시키기 위해서 불필요한 DC 신호를 제거하는 스키밍 회로를 이용한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스키밍 회로는 감지셀(active cell, 100)로 구성된 감지회로(10)와 스키밍셀(skimming cell, 21)로 구성된 스키밍회로(20)에 흐르는 전류의 차이를 CTIA(Charge Transfer Impedance Amplifier)(30)를 이용해서 적분한 뒤, 출력 전압 신호(Vout)를 획득한다.
도 1에서는 원격 적외선 신호에 따라서 변화하는 감지회로(10)의 전류(Ia)와 스키밍 회로(20)에 흐르는 스키밍 전류(Ir)의 차이, Ir-Ia를 CTIA(30)로 전달한다. 이때, 스키밍 회로(20)에 흐르는 스키밍 전류(Ir)는 원격 적외선 신호와는 무관한 값으로, 동일한 열에 연결된 모든 감지셀(100)이 공유하는 값이다.
도 1에서 CTIA(30)에서 출력되는 출력 전압 신호(Vout)는 도 2에 도시된 바와 같이, 적외선 검출이 이루어지는 감지시간(Tsense)동안 초기 전압으로부터 점진적으로 상승하다가 적분이 끝나는 시간에서 최대 전압 신호(Vout)를 출력하고, 다시 초기 전압으로 방전한다. 여기서, 출력 전압 신호(Vout)는 아래의 수학식(1)에 의해 산출될 수 있다.
Figure pat00001
‥‥‥‥‥‥‥수학식(1)
여기서, VBUS는 CTIA(30)에 구비된 오피앰프(OP AMP)의 양단자에 입력되는 전압값, CINT는 CTIA(30)에 구비된 커패시터의 커패시턴스, tsense는 감지시간이며, Ia는 적외선 신호에 반응하는 감지회로(10)에 흐르는 전류이고, Ir은 스키밍 회로(20)에 흐르는 전류로서 적외선 신호에는 전혀 반응하지 않고, 단지 Vout의 DC 성분, 즉 오프셋을 조절하는 기능을 갖는다. 결과적으로 감지회로의 이득은 VFID로, Vout의 DC 성분, 즉 오프셋은 GSK-VSKIM으로 각각 조절한다. 스키밍셀(21)로서는 통상 자기 가열 효과가 없는 콜드셀 또는 자기가열 상쇄가 가능한 웜셀을 사용할 수 있다.
콜드셀은 자기 가열이 거의 없는 기준셀로서, 자기 가열이 있는 감지셀과의 열적 부정합성이 존재하지만, 웜셀을 이용하면 이와 같은 문제점을 해소할 수 있다. 웜셀은 감지셀과 동일한 공정을 이용하여 제조되며, 감지셀과 동일한 바디부를 갖고 동일한 전기적, 열적 흐름을 가지나, 레그부에 추가적 열전달 경로를 만들어주므로서 열전도도의 임의적 조절이 가능하도록 만들어진 스키밍셀의 일종이다. 웜셀을 사용하면 감지 시간동안 자기 가열된 감지셀의 평균 온도 상승을 정상상태의 웜셀 온도상승과 상쇄가 가능하다. 이러한 자기 가열 상쇄가 가능한 웜셀은 아래와 같은 특성을 갖는다.
(1) 전기적 저항값 및 전류 흐름에 대한 감지셀(100)과의 전기적 정합성이 우수하다.
(2) 바디부 내에서의 열 흐름에 대한 감지셀(100)과의 열적 정합성이 우수하다.
(3) 1/f잡음이 작고, 적외선에 대한 반응도가 낮다.
(4) 소정 범위의 열전도도를 조절하여, 자기가열량을 임의로 조정하므로서, 감지셀(100)과의 자기 가열 효과를 상쇄시킬 수 있다.
도 3(a)는 도 1에 도시된 검출회로의 출력 특성을 도시하는 도면, 도 3(b)는 VFID를 조절하여, 이득을 줄임으로써, 아날로그 포화를 막는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
그리고, 도 3(c) 및 3(d)는, 도 3(b)에서 생기는 반응도 열화 문제를 해결하기 위해 Tsub1보다 높은 기판 온도에서는 GSK 바이아스 전압을 바꿔서 출력 DC를 끌어내린 경우를 설명하기 위한 도면으로, 아래에서 각 그래프에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 3(a)는 도 1에 도시된 검출회로의 출력 특성을 도시하는 것으로, 전형적인 출력 특성을 나타낸다. BBH와 BBL은 각각 보정 파라미터 추출시 사용되는 2개의 흑체 기준 온도를, S로 표시된 점은 영상 검출시 얻어진 특정 감지셀의 출력값을 나타낸다. 여기서 각 감지셀별 오프셋과 이득값의 기판온도 의존성은 통상적으로 BBH와 BBL 커브를 내삽이나 외삽으로 근사하여 사용한다.
온도 신호 취득시의 보정 절차는 다음과 같다. 도 3(a)에서 어떤 특정 기판온도, Tsub2에서 S점으로 표시된 검출값이 측정되었다면, BBL에 해당하는 오프셋 값을 빼준 후, 이를 BBL과 BBH 사이에 선형보간함으로써 온도를 역산할 수 있다. 이는 도 3 (a) 내지 (c), 그리고 도 4(a) 내지 (c)에 화살표로 표시되어 있다.
도 3(a)의 출력 특성으로 가장 바람직한 것은 적외선 신호가 없을 때 Ir=Ia가 되어 Vout=Vbus=VSKIM/2가 되는 것으로, 이때 가장 큰 동적 범위를 갖는다. 그러나 실제로는 앞에서 언급한 공정 변화 등에 의한 각 종 고정패턴 잡음에 의해 각 감지셀의 Vout 값에 많은 산포를 갖게 되며 이로 인해 넓은 동적 범위와 높은 반응도를 동시에 얻기가 매우 힘들어지게 된다.
이때 특히, 감지시간(Tsense)동안 감지셀(100)은 서미스터 저항값을 읽어내기 위하여 걸어주는 전압과 이때 흐르는 전류와의 곱으로 주어지는 전력에 의한 주울 히팅(joule heating)에 의하여 온도가 올라가는 소위 자기가열(self-heating)에 의해 온도 상승이 이루어지는 반면, 스키밍셀로 사용하는 콜드셀은 자기가열이 없어 양자 간에 열적 부정합이 생기고 이는 결국 전기적 부정합로 이어진다. 즉 감지시간 동안 감지셀(100)의 평균온도와 스키밍셀(21)로 사용되는 콜드셀의 평균 온도가 매우 달라지게 되어 양자 간의 자기 가열 차이에 의한 부정합을 일으키는 요인이 되고, 이에 의한 고정패턴 잡음이 야기된다.
이러한 고정패턴잡음은 다음과 같은 문제를 일으킨다.
1. 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 고정잡음 패턴 잡음이 과도하게 크면, 스키밍 회로에 의한 DC성분 제거가 충분치 못해, 검출회로 출력(Vout)이 최대 혹은 최소 출력 레벨로 포화되어 의미 있는 신호를 획득할 수 없다. 이를 아날로그 포화현상이라고 하며, 도 3(a)에서 원(점선)으로 표시한 Z영역에 해당한다. 이것이 고정패턴 잡음에 대한 가장 심각한 칩 레벨 문제로서, 이를 해결하기 위해서는, 픽셀 전체에 공통적으로 가해주는 아날로그 바이어스(도 1의 VFID 그리고/또는 GSK)를 조정하거나, 열전 냉각기 등을 이용해 기판의 온도를 일정하게 유지해야 한다. 이를 아날로그 보정이라고 하며, 그 목적은 검출회로가 포화되지 않도록 하면서 동적 범위와 반응도를 제어하기 위한 것이다. VFID를 이용하여 이득을 줄여 검출회로가 포화되지 않도록 하는 방법이 도3b에 도시되어 있다. 그러나, 이 방법은 Y 부분에 원(점선)으로 표시된 영역에 해당하는 낮은 기판 온도 영역에서 적외선 신호에 대한 반응도가 작아지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
2. 도 3(a)와 같은 반응도를 가지면서 스키밍을 이용하여 출력 전압의 DC 성분만을 끌어내려 출력 분포를 CTIA 증폭기의 동적 범위 안에 넣는 방법이 도 3(c)에 도시되어 있으며, 이는 GSK 전압을 이용하여 스키밍 양을 조절하므로서 이루어진다. 이때 VFID는 바꾸지 않아, 반응도에는 전혀 변화가 없으며, 단지 GSK 조절을 통해 오프셋만을 독립적으로 조절하는 것이 가능하다. 그러나, 이 방법은 다음과 같은 문제가 있다. 첫 번째로, 도 3(c)에 표시된 Tsub1(A-line으로 표시) 기준으로 낮은 쪽과 높은 쪽에서의 오프셋에 대한 내삽이나 외삽값이 서로 상이한 경우, 매우 큰 적외선 신호 온도 신호 불연속이 발생할 수 있다는 점이다. 두 번째로, 온도 보상은 기판 온도에 매우 민감한 함수인 것에 비해 온도 감지 센서의 정확도는 이보다 훨씬 떨어져 정확한 제어 알고리즘을 적용하기가 힘들다는 점이다.
3. 임의의 열(column)이나 행(row)에서 비록 포화는 아니지만, 어떤 그레이 레벨의 줄무늬가 직선으로 생긴다. 이것은 어떤 행 혹은 열에 대한 공통 고정패턴잡음으로서, 주로 디지털 보정으로 해결한다. 또한, 각 감지셀별 고정패턴잡음도 디지털 보정으로 해결한다. 이를 디지털 NUC(Non-Uniformity Correction)라 하며, 각종 고정패턴잡음을 제거하여 정확한 픽셀 신호를 복원함에 그 목적이 있다. 통상 이러한 보정은 몇 개의 기준 기판 온도에서 몇 개의 흑체를 이용한 기준 열상을 이용하여 보정하나, 검출회로 출력(Vout)은 대상 적외선 신호 영상, 기판온도, 렌즈 하우징에서 방사되는 적외선 신호와는 무관한 열, 각 픽셀의 비균일성(non-uniformity) 및 자기 가열 등에 대한 매우 복잡한 함수가 되므로, 보정이 쉽지 않다. 이러한, 각 감지셀별 다차원 NUC 디지털 보정은 파라미터 추출에 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라, 많은 영상 보정 메모리와 연산 하드웨어/소프트웨어를 필요로 하므로, 비용 상승을 초래하게 된다.
상기 문제점을 해소하고자 종래에는 열전 냉각기와 셔터의 이용이 필수적이었다. 열전 냉각기는 기판의 온도를 일정하게 유지시켜 오프셋과 이득의 기판온도 의존성을 없애 보정의 복잡도를 많이 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 열전 냉각기의 사용은, 카메라의 크기, 무게, 전력 소모, 원가를 크게 상승시키는 요인이 되므로, 반드시 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 셔터를 사용하면 셔터를 연 상태에서 취득한 감지셀 검출값에서, 셔터를 닫은 상태에서의 적외선 신호가 없는 감지셀 값을 빼주어 순수한 적외선 신호만을 검출할 수 있다. 따라서, 이 경우 이득 보정만 필요할 뿐, 오프셋 보정은 따로 필요 없게 되므로 보정 복잡도를 크게 줄일 수 있다. 하지만 열전 냉각기와 마찬가지로, 셔터의 사용은, 카메라의 무게, 부피, 전력 소모, 및 원가를 상승시키고, 더욱이 셔터 작동시 영상이 끊기게 된다는 치명적인 문제점을 야기한다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해소하기 위한, 종래와 다른 구조의 마이크로 볼로미터 어레이 배열 및 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법을 제시한다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 어레이의 구성을 나타내는 도면이다. 기본적인 구성은 도 1과 동일하지만, 복수의 단위 감지셀(100-1,100-2,…,100-N)이 배치된 열마다, 복수의 단위 기준셀(reference cell)(200-1,200-2,…,200-n)이 구비된다.
감지셀(100-1,100-2,…,100-N)은 적외선 감지 소자로서, 적외선을 많이 흡수하면서, 민감도를 올리기 위하여 매우 큰 열저항값을 갖는데, 이로 인해 많은 자기가열을 갖는다. 이에 비하여, 스키밍셀(300)로 사용되는 콜드셀(cold cell)은 적외선은 반사하면서도 열저항값도 매우 작기 때문에, 자기 가열 효과가 거의 없다. 이에 따라 이들 간의 전기적 부정합이 발생하게 되고, 이는 결국 Vout에서 적외선 신호와는 무관한 DC 오프셋을 많이 야기시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법 및 이를 이용한 마이크로 볼로미터에서는, 단위 기준셀(200-1,200-2,…,200-n)로서, 적외선을 반사하는 것을 제외하고는 단위 감지셀과 동일한 특성 및/또는 구조를 갖는 암맹셀(blind cell)을 이용한다. 암맹셀은 적외선을 반사하는 것을 제외하고는 감지셀(100-1,100-2,…,100-N)과 동일한 열적 특성 및 전기적 특성을 갖는다. 즉, 각 셀 내에서 흐르는 전류의 흐름과 크기, 열의 흐름과 크기는 각각 동일할 수 있다.
종래 기술로서, 단 하나의 기준셀을 이용하여, 하나의 기준셀에 걸리는 기준 전압 신호를 여러 감지셀이 공유하는 휘트스톤 브릿지(wheatstone bridge) 구조의 마이크로 볼로미터가 있지만, 이는 다양한 종류의 저항과 전압 증폭기 간의 부정합에 따른 고정 패턴 및 랜덤 잡음이 증가한다는 문제를 안고 있다.
또 다른 종래 기술로서, 단 하나의 암맹셀을 기준셀로 이용하여 기준 신호를 만들고, 이를 회로적으로 복사하여 동일한 행에 연결된 감지셀이 공유하는 마이크로 볼로미터가 있지만, 이는 전류 복사 과정에서 생성되는 추가적인 잡음과 부정합이 생기므로 실용적이지 못하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터는 각 열(column)마다 복수의 단위 기준셀(200-1,200-2,…,200-n)이 구비된다. 여기서, 스키밍셀(300)은 감지셀이나 기준셀에 공통적으로 연결되어 출력 DC 레벨을 조절하기 위한 더미셀로서, 동일한 열에 연결된 모든 기준셀 및 감지셀(100-1,100-2,…,100-N)이 공유한다.
먼저, 제1열에 구비된 감지셀(100)과 기준셀(200)의 출력 신호를 읽는 순서는 다음과 같다.
우선 제1행에 존재하는 단위 기준셀(200-1)의 출력 신호를 읽고, 그 다음 제2 행에 존재하는 단위 기준셀(200-2)의 출력 신호를 읽는 방법으로, n행에 존재하는 단위 기준셀(200-n)까지 출력 신호를 순차적으로 읽는다.
다음으로, 제1행에 있는 감지셀(100-1)의 감지 전류 신호를 읽고, 제2행에 있는 감지셀(100-2)의 감지 전류 신호를 읽는 방법으로, N행에 존재하는 감지셀(100-N)까지 순차적으로 감지 전류 신호를 읽는다.
이때, n개의 단위 기준셀(200-1,200-2,…,200-n)에서 읽어들인 출력 신호의 평균값을 산출하여 이를 기준셀값으로 삼고, N개의 각 감지셀(100-1,100-2,…,100-N)에서 읽어낸 신호에서 위 기준셀값을 뺀 후, 이 값을 원격 적외선 검출을 위한 각 감지셀값으로 사용한다. 여기서, n 및 N은 1이상의 자연수이다.
상술한 감지셀(100-1,100-2,…,100-N)의 출력값 결정 과정이, 제2열 내지 제M열(M은 1이상의 자연수)에 대해서도 동일하게 이루어진다.
이렇게 감지셀과 여러 기준셀에 대한 평균 검출값의 차이로 적외선 신호를 검출하는 것을 다중 상관 이중 표본화 기법이라고 부르며, 이는 다음과 같은 여러 장점을 제공한다.
우선 여러 가지 고정패턴잡음을 제거할 수 있다. 즉, 각 열에서 사용하는 스키밍셀 간에 생기는 부정합이나, CTIA 등 검출 회로 간의 부정합도 제거할 수 있다는 효과를 갖는다. 아울러 기준셀 검출시와 감지셀 검출시 사이에 큰 변화가 없는 아주 느리게 변화하는 전원 잡음도 능히 제거가 가능하며, 특히, 단위 기준셀(200-1,200-2,…,200-n)로 쓰이는 암맹셀과 감지셀이 동일한 가열과 냉각 과정을 거치므로, 자기 가열 효과를 상쇄시킬 수 있는 장점을 갖는다.
그 다음으로 셔터를 제거할 수 있다. 전 술한 바와 같이 도3c 보인 기존의 셔터리스 방법은 보정파라미터 추출시 BBL로 표시된 오프셋 전압 값을 매우 정교한 기판온도, Tsub의 함수로 측정해야 하며, 이를 위해서는 보정시 Tsub 온도도 매우 정확하게 측정되어야 한다. 그러나 실제 사용시, Tsub의 정확한 온도 측정도 어려울 뿐만 아니라, 동적 범위를 조절하기 위해 어느 특정 온도에서 VSK 값을 바꿔줄 경우 오프셋 값의 불연속으로 인해, 정교한 보정이 매우 어렵게 된다. 이에 비해 본 발명의 경우 사용시 도 3(d)와 도 4(d)에 도시된 바와 같이, 적외선 신호가 있는 감지셀 출력값과(S 로 표시된 점), 적외선 신호가 없는 기준셀 출력 값의(Vo,ref로 표시) 차이를 검출 값으로 사용하기 때문에, 보정 파라미터 추출시 얻어진 BBL로 표시된 오프셋 커브를 굳이 측정, 저장, 보간하여 사용할 필요가 없다. 이런 면에서 본 발명은 셔터 사용과 거의 같은 효과를 가져다 준다.
여기에, 하나의 기준셀 값을 이용하는 것이 아니고, 동일한 여러 단위 기준셀(200-1,200-2,…,200-n)의 측정값을 평균하여 하나의 기준셀 값으로 사용하는 다중 상관 이중 표본화 기술은, 고정패턴잡음은 물론, 열 및 1/f와 같은 랜덤 잡음의 크기 또한 1/sqrt(n)으로 줄일 수 있다. 예를 들어, 16개의 기준셀을 사용한 경우, 고정패턴 및 랜덤 잡음이 각각 1/4로 줄어들게 되므로, 그 만큼의 NETD가 개선된다. 기존의 셔터를 이용한 적외선 검출시, 각 감지셀 별로 셔터를 열고 적외선을 검출한 다음 이 신호에서, 셔터를 닫은 상태에서 동일한 감지셀의 검출신호를 빼는 과정에서 고정패턴 잡음은 서로 상쇄가 되지만, 열잡음과 같은 랜덤잡음은 제거가 안 된다. 따라서 본 발명의 결과 셔터 사용시 보다 최대 sqrt(2)=1.4 배의 온도분해능(NETD) 개선 효과를 얻을 수 있다.
한편, 각 칩에 존재하는 m×n 개의 단위 기준셀이 출력한 기준 신호의 칩 전체 평균값을, 열전 냉각 제거용 감지셀과 스키밍셀의 바이어스 제어 신호를 생성하기 위한 기준 신호로 이용할 수 있다. 도 4(a)는 몇 개의 감지셀 출력이 아날로그 포화된 상태를 보여주고 있으며, 도 4(c)는 출력의 평균 값이 VSKIM의 중간 정도에 위치하도록 GSK가 잘 조절되어 최대의 동적 범위를 갖는 경우를 보여주고 있다.
기존에는 출력 신호의 평균을 구해서 그 값을 GSK를 조절하기 위한 제어 신호로 사용하였다. 그러나 출력 적외선 열영상 신호는 시간에 따라 매우 다이나믹하게 변화므로 최적 GSK 제어신호를 생성하기 위한 기준 신호로 사용하기에 적합하지 않다. 그러나 본 발명에서 얻어진 칩 전체에 대한 평균 기준셀 검출값은 오로지 기판 온도에만 의존하고 적외선 영상 신호와는 무관하기 때문에 GSK 제어를 위한 안정된 기준 신호로 사용하기에 아주 적합하다.
또, m×n개의 단위 기준셀(200-1,200-2,…,200-n)이 출력한 기준 신호의 칩 전체 평균값이 전원 전압의 중간값을 갖도록, 스키밍셀의 바이어스 제어 신호를 조절하는 과정이 더 포함될 수 있다. 도 4(d)는 출력 검출 신호의 평균이 VSKIM의 중간에 위치하도록 하기 위해, 기준셀 출력 평균값을 Vo,ref가 되도록 GSK를 조절하는 방법을 보여주고 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 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.
10‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥감지회로
20‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥스키밍 회로
21,300‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥스키밍셀
100‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥감지셀
200‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥기준셀

Claims (14)

  1. 복수의 단위 기준셀이 기준 신호를 생성하는 단계;
    적외선 신호를 흡수한 복수의 단위 감지셀이 감지 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 감지 신호 및 상기 기준 신호를 이용하여 처리된 감지셀값에 기초하여 순수 적외선 신호만을 검출하는 단계;를 포함하며,
    상기 단위 기준셀은, 상기 적외선 신호에는 반응하지 않되, 상기 단위 감지셀과 동일한 전기적 및 열적 특성을 가지는 암맹셀로 구성되는, 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 기준셀은, m열×n행(m,n은 자연수) 어레이로 구성된, 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 감지셀값은,
    각 열에 존재하는 n개의 단위 기준셀이 출력한 기준 출력 신호의 평균값을 산출하고, 상기 단위 감지셀 각각이 출력한 감지 신호에서 상기 평균값을 차감하여 생성된 값인, 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법.
  4. 제3항에 있어서
    상기 적외선 신호를 검출하는 단계는,
    적외선 신호가 있는 상기 단위 감지셀값과, 적외선 신호가 없는 평균 기준셀값의 차이로부터 생성된 감지셀값을 이용하여, 셔터 없이 적외선 신호를 검출하는, 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    각 열에 존재하는 n개의 단위 기준셀이 출력한 기준 신호의 평균값을, 열전 냉각 제거용 감지셀과 스키밍셀의 바이어스 제어 신호를 생성하기 위한 기준 신호로 이용하는 단계;를 더 포함하는, 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    각 열에 존재하는 n개의 기준셀이 출력한 기준 신호의 평균값이 전원 전압의 중간값을 갖도록, 감지셀과 스키밍셀의 바이어스 제어 신호를 조절하는 단계;를 더 포함하는, 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법.


  7. 원격 적외선 신호를 감지하는 마이크로 볼로미터로서,
    적외선 신호를 흡수하여 감지 신호를 출력하는 복수의 단위 감지셀;
    상기 적외선 신호에 반응하지 않되, 상기 감지셀과 동일한 전기적 특성 및 열적 특성을 갖고, 기준 신호를 출력하는 복수의 단위 기준셀;
    상기 감지 신호 및 상기 기준 신호의 DC 성분을 공통적으로 제거하는 스키밍셀; 및
    상기 감지 신호 및 상기 기준 신호에 기초하여, 원격 적외선 신호를 감지하기 위한 감지셀값을 생성하는 마이크로 볼로미터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 단위 기준셀은, m열×n행(m,n은 자연수) 어레이로 구성된, 마이크로 볼로미터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 감지셀값은,
    각 열에 존재하는 n개의 단위 기준셀이 출력한 기준 신호의 평균값을 산출하고, 이를 상기 단위 감지셀 각각이 출력한 감지 신호에서 상기 평균값을 차감하여 생성된 값인, 마이크로 볼로미터.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 스키밍셀로서 콜드셀 또는 웜셀을 이용하는, 마이크로 볼로미터.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 단위 기준셀은 상기 단위 감지셀과 동일한 열적 특성 및 전기적 특성을 갖는 암맹셀인, 마이크로 볼로미터.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로 볼로미터는,
    적외선 신호가 있는 상기 단위 감지셀과, 적외선 신호가 없는 각 열에 존재하는 n개의 단위 기준셀이 출력한 기준 출력 신호의 평균값의 차이로부터 검출된 감지셀 값을 이용하여, 셔터 없이 적외선 신호를 검출하는, 마이크로 볼로미터.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로 볼로미터는,
    각 열에 존재하는 n개의 기준셀이 출력한 기준 신호의 평균값을, 열전 냉각 제거용 감지셀과 스키밍셀의 바이어스 제어 신호를 생성하기 위한 기준 신호로 이용하는, 마이크로 볼로미터.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로 볼로미터는,
    각 열에 존재하는 n개의 기준셀이 출력한 기준 신호의 평균값이 전원 전압의 중간값을 갖도록, 상기 감지셀 및 스키밍셀의 바이어스 제어 신호를 조절하는, 마이크로 볼로미터.

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