WO2015093826A1 - 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로 - Google Patents

볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로 Download PDF

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WO2015093826A1
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bolometer
unit
biasing
voltage
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PCT/KR2014/012413
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이희철
조영민
우두형
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한국과학기술원
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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G—PHYSICS
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    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G01J2005/202—Arrays

Definitions

  • the present invention relates to a signal acquisition circuit capable of correcting a nonuniformity of a bolometer.
  • a bolometer is a resistance thermometer that measures radiant energy. Briefly describing the operation of the bolometer, the bolometer absorbs infrared rays emitted from the object to be measured. The absorbed bolometer converts the absorbed infrared rays into thermal energy. At this time, the converted thermal energy raises the temperature of the resistor of the bolometer. The bolometer measures the amount of light by sensing the electrical resistance of the sensor changed by this temperature rise.
  • the bolometer before absorbing infrared rays has the same temperature (hereinafter, operating temperature) as the ambient environmental temperature, and the temperature of the bolometer absorbing infrared rays is represented by the sum of the temperature change due to the absorption of the infrared rays with the operating temperature.
  • 1 is a diagram showing an infrared detector in which the bolometer is arranged in three rows and three columns.
  • the infrared detector includes nine bolometers formed of the same semiconductor material.
  • Bollometers formed of the same semiconductor material exhibit different detection temperatures at room temperature (300.0k), each having a detection temperature of 301.9k to 302.3k.
  • the different bolometers show different detections due to infrared absorption due to factors such as film thickness variations, critical etch dimension control and other process variations. This is because the magnitude of thermal energy is different. Therefore, it is difficult to obtain a uniform infrared image with a conventional infrared detector.
  • FIG. 2A to 2C are graphs for explaining the two-point correction method. Specifically, FIG. 2A is a graph showing a state before applying the two-point correction method, FIG. 2B is a graph showing a state in which offset correction, which is one of the two-point correction methods, is applied, and FIG. 2C is one of the two-point correction methods. This graph shows a state where gain correction is applied.
  • the horizontal axis of FIGS. 2A to 2C is an optical illumination level
  • the vertical axis of FIGS. 2A to 2C is a signal output
  • the lines A and B shown in FIGS. 2A to 2C are magnitudes of thermal energy due to infrared absorption of the two pixels Pixel. In FIG. 2A, it can be seen that the two pixels have very different characteristics through the line A representing the first pixel and the line B representing the second pixel.
  • the inclination (gain) of the line A is corrected to coincide with the inclination of the line B on the basis of Q min so that the line A and the line B completely coincide with each other (gain correction).
  • the pixels of the non-uniform bolometer may be corrected.
  • the two-point correction method can be corrected only if the correction is performed in a state in which the operating temperature which is the temperature of the bolometer before absorbing infrared rays is kept constant.
  • a separate cooler such as a T-E cooler (thermo-electric cooler) is required to keep the temperature of the infrared detector constant.
  • T-E cooler thermo-electric cooler
  • the present invention provides a signal acquisition circuit capable of correcting the nonuniformity of the bolometer, which can fundamentally correct the nonuniformity of the responsiveness with respect to the operating temperature of the bolometer.
  • the present invention provides a signal acquisition circuit that can correct the non-uniformity of the bolometer, which can self-correct the non-uniformity of the bolometer according to the infrared absorption without using a separate cooler.
  • a signal acquisition circuit capable of correcting a nonuniformity of a bolometer includes a current biasing unit for generating a biasing current; A bolometer unit including a plurality of variable resistors and receiving the biasing current; A feedback unit for extracting a non-uniformity with respect to a change in operating temperature of the plurality of variable resistors and storing the extracted nonuniformity; And a voltage biasing unit generating a biasing voltage corresponding to the non-uniformity, and transmitting the generated biasing voltage to the bolometer to generate a bolometer current. It includes.
  • the integrator unit generates a signal current by using the bolometer current and the biasing current, and generates an output voltage by integrating the generated signal current;
  • the current biasing unit may further include: copying the current source generating the biasing current and the biasing current, supplying the copied biasing current to each of the plurality of variable resistors, and integrating the integrated unit. It may include a current mirror to prevent the current to be introduced into the bolometer unit.
  • the feedback unit may include an analog / digital converter (A / D converter) for converting the non-uniformity into an n-bit digital signal.
  • a / D converter analog / digital converter
  • the feedback unit may further include a first transistor disposed between the A / D converter and the bolometer unit, and the first transistor may be turned off when infrared energy is received from the outside.
  • the voltage biasing unit may include a digital analog converter (DAC) for converting the n-bit digital signal into the biasing voltage.
  • DAC digital analog converter
  • the voltage biasing unit may further include a second transistor disposed between the D / A converter and the bolometer unit, and the second transistor may be turned on when infrared energy is received from the outside.
  • the current biasing unit for generating a biasing current;
  • a bolometer unit including a plurality of variable resistors, and receiving a biasing current to generate a signal current;
  • a feedback switch and when the feedback switch is off, the non-uniformity of the operating temperature change of the plurality of variable resistors is fed back in the form of a voltage to extract the feedback switch, and the feedback switch is
  • a feedback integrator configured to generate an output voltage by integrating the signal current generated by the bolometer unit when it is turned on;
  • a signal processor which stores the feedback voltage extracted by the feedback integrator;
  • a voltage biasing unit generating a biasing voltage using the feedback voltage and transmitting the biasing voltage to the bolometer unit. It includes.
  • the current biasing unit may include a current source for generating the biasing current and a current mirror for copying the biasing current and supplying the copied biasing current to each of the plurality of variable resistors.
  • the feedback integrator may include an amplifier, and the amplifier may operate as a comparator when the feedback switch is off, and integrate the signal current when the feedback switch is on. .
  • the signal acquisition circuit capable of correcting the nonuniformity of the bolometer according to the embodiment of the present invention has an advantage of fundamentally correcting the nonuniformity of the reactivity with respect to the operating temperature of the bolometer.
  • the embodiment of the present invention has the advantage that can be corrected without using a separate cooler.
  • 1 is a diagram showing an infrared detector in which the bolometer is arranged in three rows and three columns.
  • 2A to 2C are graphs for explaining the two-point correction method.
  • FIG. 3 is a block diagram of a signal acquisition circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a signal acquisition circuit according to the first embodiment.
  • 5A and 5B are graphs for explaining the correction of the nonuniformity of the bolometer using the signal acquisition circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a block diagram of a signal acquisition circuit according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of a signal acquisition circuit according to the second embodiment.
  • 8A and 8B are graphs for explaining the correction of the nonuniformity of the bolometer using the signal acquisition circuit according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a signal acquisition circuit according to the third embodiment.
  • 10A and 10B are circuit diagrams of a signal acquisition circuit in two states that can be modified in accordance with the situation according to the third embodiment.
  • 11A and 11B are graphs for explaining the correction of the nonuniformity of the bolometer using the signal acquisition circuit according to the third embodiment.
  • each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description.
  • the size of each component does not entirely reflect the actual size.
  • FIG. 3 is a block diagram of a signal acquisition circuit according to the first embodiment.
  • the signal acquisition circuit may include a biasing unit 310, a bolometer unit 320, an offset correction unit 330, and an output unit 340.
  • the biasing unit 310 may generate a biasing current with respect to a change in the operating temperature so as to have an exponential dependence on the operating temperature of the circuit.
  • the bolometer 320 may detect infrared rays in units of pixels.
  • the offset correction unit 330 may correct the non-uniformity of the bolometer 320.
  • the output unit 340 may amplify and output the corrected signal of the offset corrector 330.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a signal acquisition circuit according to the first embodiment.
  • the signal acquisition circuit may include a biasing unit 410, a bolometer unit 420, an offset correcting unit 430, and an output unit 440.
  • the biasing unit 410 has an exponential dependence on the operating temperature of the circuit and has a column of the first transistor M 41 and a bolometer array for generating a biasing current in response to a change in the operating temperature. ) May include a second transistor M 42 that is turned on / off according to the signal ⁇ col .
  • the biasing unit 410 may include a buffered direct injection unit 412 to keep the biasing current constant over a wide operating temperature range.
  • the buffered direct injection unit 412 may include a fifth transistor M 45 and a first amplifier A 41 .
  • the fifth transistor M 45 is connected in series with the output terminal of the first transistor M 41 .
  • the output of the first amplifier A 41 turns the fifth transistor M 45 on / off, and the first amplifier A 41 is connected to the output terminal of the first transistor M 41 . It consists of negative feed-back.
  • the bolometer unit 420 detects infrared rays in each pixel unit.
  • the ballometer unit 420 may include a variable resistor R D , a third transistor M 43 , and a fourth transistor M 44 .
  • the third transistor M 43 is connected to one end of the variable resistor R D and turned on / off according to the column signal ⁇ col of the bolometer array.
  • the fourth transistor M 44 is connected to the other end of the variable resistor R D and turned on / off according to the low signal ⁇ row of the bolometer array.
  • the offset correction unit 430 may correct the non-uniformity of the bolometer unit 420 by using the first switch ⁇ skim , the second switch ⁇ reset , the first capacitor C 41 , and the second capacitor C 42. ) And a second amplifier A 42 .
  • one end of the first switch ⁇ skim is connected to one end of the first capacitor C 41 , and the other end of the first switch ⁇ skim is connected to the V skim .
  • one end of the first capacitor C 41 is connected to one end of the first switch ⁇ skim , and the other end of the first capacitor C 41 is a negative input terminal of the second amplifier A 42 , and a second end of the first capacitor C 41 .
  • One end of the capacitor C 42 and one end of the second switch ⁇ reset are commonly connected.
  • the second other end of the capacitor (C 42) one end has a first capacitor (C 41) the other end and a being connected to one common terminal of the second switch ( ⁇ reset) of the second capacitor (C 42) of the second It is connected to the output terminal of the amplifier A 42 .
  • the second switch ⁇ reset is connected in parallel with the second capacitor C 42 .
  • the first to fifth transistors M 41 , M 42 , M 43 , M 44 , and M 45 may vary from drain to source (or the source thereof) depending on the magnitude and polarity of the voltage supplied to the gate. Conversely, an amplifying element having a characteristic in which an amount and a direction of a flowing current are determined.
  • the amplifying device may include a bipolar junction transistor (BJT), a junction field effect transistor (JFET), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), and a metal semiconductor field effect. And a transistor (Metal semiconductor Field Effect Transistor, MESFET).
  • BJT bipolar junction transistor
  • JFET junction field effect transistor
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • MESFET Metal semiconductor Field Effect Transistor
  • TCR Temperature Coefficient of Resistance
  • the semiconductor material may be amorphous silicon (a-Si), polysilicon (poly-Si), silicon-germanium (Si-Ge), or the like.
  • the resistance of the semiconductor material may be represented by Equation 1.
  • R 0 is the initial resistance
  • b is a constant determined by the physical properties of the bolometer material
  • kT is the absolute temperature
  • Equation 1 the change in the properties of the bolometer results in such a change in the constant value, so that each bolometer has a different resistance curve with respect to the change in operating temperature.
  • the operating region of the first transistor M 41 of the biasing unit 410 is set to operate in a sub-threshold region.
  • the biasing unit 410 has an exponential dependence on the operating temperature.
  • biasing current I bias for the change in the operating temperature of the circuit can be expressed by Equation 2.
  • I 0 is an initial current
  • V DAC is a voltage supplied to the gate terminal of the first transistor M 41
  • n is a constant
  • kT is an absolute temperature
  • the biasing unit 410 may include a converter (Digital Analog Converter, DAC) 411 and a buffered direct injection unit 412.
  • the first transistor M 41 is biased by a converter 411 which converts the digital value into an analog value so that it can be digitally controlled in n-bits.
  • a fifth transistor buffered direct injection unit 412 so that the source voltage of the fifth transistor (M 45) by the first amplifier (A 41) consisting of a negative feedback type maintained as the reference voltage (V b), (M 45 Drive the gate voltage.
  • the bias current I bias is applied to the gate voltage of the first transistor M 41 by minimizing a voltage change between the source and drain terminals of the fifth transistor M 45 . To change.
  • the generated biasing current I bias is supplied to the bolometer unit 420.
  • the voltage V d across the resistors R D and 421 of the borosilicate unit 420 is represented by the low signal ⁇ row and the column signal ⁇ column . It can be expressed as Equation 3.
  • R 0 and b are constants determined by the physical properties of the bolometer
  • I 0 is the initial current
  • V DAC is the voltage supplied to the gate terminal of the first transistor M 41
  • n is a constant
  • kT Is the absolute temperature.
  • the voltage V d is stored in the first capacitor C 41 when the second switch ⁇ reset of the output terminal is turned on, and the low signal ⁇ row , the column signal ⁇ column , and the second switch ⁇ reset. Is off and the first switch ⁇ skim is on, the voltage V skim supplied by the converter 411 is subtracted from the signal of the voltage V d .
  • the amplification process is output by the ratio C 41 / C 42 of the second capacitors C 41 , C 42 .
  • the signal can be amplified by removing the offset level.
  • the output of the second amplifier A 42 is buffered by a third amplifier A 43 included in the output 440 to drive a large output load.
  • the second amplifier A 42 is preferably configured as a charge amplifier.
  • the output voltage V out may be expressed as Equation 4.
  • V ref is a reference voltage of the second amplifier A 42
  • C 1 and C 2 are capacitances of the first and second capacitors.
  • FIGS. 5A and 5B are graphs for explaining the correction of the nonuniformity of the bolometer using the signal acquisition circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 5A is a graph showing a state before the nonuniformity is corrected
  • FIG. 5B is a graph showing a state after the nonuniformity is corrected.
  • the horizontal axis of FIGS. 5A and 5B is an operating temperature
  • the vertical axis of FIGS. 5A and 5B is a detector current.
  • the two-dimensional graph of FIG. 5A shows the current value of the bolometer with respect to the operating temperature of the bolometer, in which two bolometers are used for operating temperatures T 0 , T 1 , T 2 for the same light. It is a two-dimensional graph showing measured values P1 and P2.
  • the mean value of the two bolometer current values is obtained using the measured current value, and the value (Mean) which makes the signal change of the bolometer with respect to the temperature most similar for each pixel is obtained.
  • R 0 ) and the nonuniformity correction coefficient of constant (b) are adjusted.
  • the measured nonuniformity correction coefficients described above are measured in advance and stored in the nonvolatile memory, and are corrected with reference to the nonvolatile memory when the actual infrared detector is operated.
  • the two-dimensional graph of FIG. 5B shows the current value of the bolometer versus the operating temperature of the bolometer, measured at two bolometers for the operating temperature (T 0 , T 1 , T 2 ) for the same light.
  • the coefficients are obtained and the conventional two-point calibration is performed again to remove the causative components of the non-uniformity of the bolometer, thereby eliminating the necessity of maintaining the temperature in the system using the bolometer.
  • the overall system can be simplified by minimizing the complexity of the circuits required for calibration.
  • FIG. 6 is a block diagram of a signal acquisition circuit according to the second embodiment.
  • the signal acquisition circuit includes a current biasing unit 610, a bolometer unit 620, a feedback unit 630, a memory unit 640, a voltage biasing unit 650, and an integrating unit. 660 and output unit 670.
  • the current biasing unit 610 may generate a constant biasing current regardless of the operating temperature.
  • the bolometer unit 620 may include a plurality of variable resistors.
  • the bolometer 620 may receive the biasing current from the current biasing unit 610.
  • the feedback unit 630 extracts the nonuniformity of the voltage form from the bolometer unit 620, converts the nonuniformity of the extracted voltage form into a digital signal, and then converts the converted digital signal into a memory unit ( 640.
  • the non-uniformity may be a different degree for the change in the operating temperature of the two or more variable resistors present in the bolometer array.
  • the memory unit 640 may receive the digital signal from the feedback unit 630 and store the received digital signal.
  • the memory unit 640 may include a volatile memory or a non-volatile memory.
  • the voltage biasing unit 650 may receive the digital signal from the memory unit 640 and generate a biasing voltage corresponding to the received digital signal.
  • the voltage biasing unit 650 generating the biasing voltage may transmit the biasing voltage to the bolometer unit 620.
  • the bolometer unit 620 receiving the biasing voltage generates the bolometer current by applying the biasing voltage to the variable resistor, respectively.
  • the integrator 660 may receive the bolometer current from the bolometer 620, and generate a signal current using the bolometer current and the biasing current. In addition, the integrator 660 may generate the output voltage by integrating the generated signal current.
  • the output unit 670 may receive the output voltage from the integrator 660 and then convert the output voltage into an output signal. In addition, the output unit 670 may output the output signal.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of a signal acquisition circuit according to the second embodiment.
  • the signal acquisition circuit includes a current biasing unit 710, a bolometer unit 720, a feedback unit 730, a voltage biasing unit 750, an integrating unit 760, and an output unit. 770 may be included.
  • the current biasing unit 710 may include a current source 711 and a current mirror 712.
  • the current source 711 may generate a constant biasing current I bias regardless of the operating temperature.
  • Current mirror 712 may be supplied to copy the biasing current (I bias) produced, and a biasing current (I bias) copying each of the plurality of variable resistor portion of the bolometer 720.
  • the current mirror 712 may prevent the current (hereinafter, dark current) integrated in the integrating unit 760 from being introduced into the bolometer unit 720.
  • the ballometer unit 720 may include a variable resistor R D.
  • variable resistor R D may receive a biasing current I bias from the current mirror 712.
  • the bolometer unit 720 may include a plurality of variable resistors arranged in units of pixels. have.
  • the feedback unit 730 may include an analog / digital converter (ADC) 731.
  • the feedback unit 730 is a variable resistor and then extract the voltage (V ADC) of (R D) and converts the extracted voltage (V ADC) into a digital signal of n- bits (bit), the converted bit n- Can store digital signals.
  • the feedback unit 730 may further include a first transistor M 71 capable of turning on / off the A / D converter 731 according to the signal.
  • the first transistor M 71 When the infrared energy is cut off from the outside, the first transistor M 71 is turned on to allow the A / D converter 731 to extract the voltage of the variable resistor R D.
  • the first transistor M 71 is turned off to prevent the A / D converter 731 from extracting the voltage of the variable resistor R D.
  • the digital signal may be stored in the memory unit 640 shown in FIG. 6 or may be stored in another storage means.
  • the voltage biasing unit 750 may include a digital analog converter (DAC) 751.
  • the voltage biasing unit 750 may generate a biasing voltage V DAC using the stored n-bit digital signal, and may supply the generated biasing voltage V DAC to the bolometer unit 720.
  • DAC digital analog converter
  • the voltage biasing unit 750 may further include a second transistor M 72 that may turn on / off the D / A converter 751 according to a signal.
  • the second transistor M 72 When the infrared energy is cut off from the outside, the second transistor M 72 is turned off to prevent the D / A converter 751 from supplying the biasing voltage V DAC to the first amplifier A 71 .
  • the second transistor M 72 when infrared energy is received from the outside, the second transistor M 72 is turned on so that the D / A converter 751 supplies the biasing voltage V DAC to the first amplifier A 71 . .
  • the bolometer unit 720 receiving the biasing voltage V DAC may transmit the bolometer current I bolo to the integrating unit 760 by applying the biasing voltage V DAC to the variable resistor R D.
  • the integrator 760 may receive the bolometer current I bolo from the bolometer unit 720 and receive the biasing current I bias from the current mirror 712 to generate a signal current I sig .
  • the integration unit 760 may include a capacitor C 71 and a fourth transistor M 74 .
  • the capacitor C 71 may generate the output voltage V OUT by integrating the generated signal current I sig .
  • the capacitor C 71 may supply the generated output voltage V OUT to the output unit 770.
  • the fourth transistor M 74 may be turned on / off according to an integrated signal V reset received from the outside.
  • the integrated signal V reset is a signal that allows the signal current I sig to be integrated for a predetermined integration time.
  • the capacitor C 71 is integrated. Integrates the signal current I sig .
  • the integration unit 760 may further include a buffered direct injection unit (BDI) 761.
  • BDI buffered direct injection unit
  • the buffered direct injection unit 761 includes the first amplifier A 71 and the third transistor M 73 to maintain the biasing voltage V DAC constant over a wide operating temperature range, and to adjust the biasing voltage ( V DAC ) may be a negative feed-back structure that accurately applies the variable resistor R D.
  • a first input of two inputs of the first amplifier A 71 may be connected to the voltage biasing unit 750.
  • the bolometer unit 720 and the third transistor M 73 may be commonly connected to the second input of the first amplifier A 71 .
  • the output of the first amplifier A 71 may be connected to the gate of the third transistor M 73 .
  • the third transistor M 73 may be connected in series between the bolometer portion 720 and the capacitor C 71 .
  • the output unit 770 may include a second amplifier A 72 that may serve as a buffer.
  • the buffer is a device capable of blocking current and passing only a voltage.
  • the output unit 770 may amplify the output voltage V OUT supplied from the integrator 760 using the first amplifier A 72 and then output the amplified output voltage V OUT .
  • the first to fifth transistors M 71 , M 72 , M 73 , M 74 , and M 75 are an amount of current flowing from drain to source (or vice versa) according to the magnitude and polarity of the voltage supplied to the gate. And an amplifying device having a characteristic in which a direction is determined.
  • the amplifying device may be a bipolar junction transistor (BJT), a junction field effect transistor (JFET), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), a metal semiconductor field effect transistor (MESFET), or the like.
  • BJT bipolar junction transistor
  • JFET junction field effect transistor
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • MESFET metal semiconductor field effect transistor
  • the variable resistor (R D ) which stands for an infrared sensitizer of a general bolometer, is a resistor for detecting infrared energy, and the temperature of the resistor changes according to the amount of infrared energy absorbed, which is characterized by a change in resistance.
  • the variable resistor R D is not only reacted by the absorbed infrared energy but also varies depending on the operating ambient temperature (operating temperature) and the degree of response to the infrared energy is also changed.
  • the resistance R of the variable resistor R D may be expressed by Equation 5 by citing Equation 1 above.
  • R 0 is the initial resistance
  • b is a constant determined by the physical properties of the bolometer material
  • T S is the operating temperature
  • T IR is the temperature at which the variable resistance of the bolometer unit 720 is increased by infrared energy.
  • R 0 and b are variables representing non-uniformity of each pixel of the variable resistor R D.
  • the current source 711 that generates a constant current regardless of the external temperature is radiated by the current mirror 712 to apply a constant current to the variable resistor R D of the bolometer unit 720.
  • the infrared camera periodically closes the shutter for offset correction (first transistor M 71 is on and second transistor M 72 is off). When the shutter is closed, infrared energy from the outside is blocked.
  • the extracted voltage V ADC may be represented by Equation 6.
  • I bias is a current applied to the variable resistor R D from the current source 711.
  • V ADC voltage
  • T IR increase in temperature
  • the D / A converter 751 converts the biasing voltage V DAC extracted through the A / D converter 731 into the variable resistor for each pixel of the bolometer unit 720. Each to (R D ).
  • Equation 7 the bolometer current I bolo of the variable resistor R D of the bolometer unit 720 is expressed by Equation 7 below.
  • V DAC is a voltage applied to the variable resistor R D in the D / A converter 751.
  • Equation (8) the bolometer current I bolo of the variable resistor of the conventional bolometer portion is expressed by Equation (8).
  • V bias is a voltage applied to the variable resistor and corresponds to the V DAC of Equation 7.
  • the bolometer current I bolo of the variable resistor R D of the bolometer unit 720 includes an imbalance factor R 0 and b in the molecule. .
  • the bolometer current I bolo of the variable resistor of the conventional circuit does not include an imbalance factor R 0 , b in the molecule.
  • the bolometer according to the second embodiment including the imbalance factors R 0 and b in the molecule.
  • bolometer current (I bolo) of the variable resistor (R D) of the unit 720 is a non-uniform, since they cancel each other imbalance factor (R 0, b) and the imbalance factor (R 0, b) in the molecule in the denominator May represent a corrected value.
  • the integrating unit 760 receives the bolometer current I bolo of the variable resistor R D of the bolometer unit 720 and the biasing current I bias of the current mirror 712 to receive a signal as shown in Equation (9). Generate a current I sig .
  • the signal current I sig may represent a corrected value.
  • the integration unit 760 integrates the signal current I sig .
  • the capacitor C 71 of the integrating unit 760 integrates the signal current I sig through the on / off of the fourth transistor M 74 by the integration signal V reset . Integrate for time t int to produce output voltage V OUT as shown in Equation 10
  • C is the size of the capacitor C 71 of the integration unit 760.
  • the integration time t int is a time at which the signal current I sig is integrated by the capacitor C 71.
  • the integration time t int is determined by a frame indicating the processing speed of the image and the required value may vary depending on the system. .
  • the infrared camera to which the signal acquisition circuit according to the second embodiment is applied is a correction method using the inverse function principle, and collects information (including information of R 0 and b values) for each pixel when the shutter is closed, When the shutter is opened, by applying the collected information, the variables forming the nonuniformity of each pixel are corrected.
  • the infrared camera to which the signal acquisition circuit according to the second embodiment is applied can find its correction value by itself during operation.
  • the infrared camera to which the signal acquisition circuit according to the second embodiment is applied has improved noise characteristics, simple operation, and excellent circuit stability between pixels by using an integrated circuit.
  • FIG. 8A and 8B are graphs for explaining the correction of the nonuniformity of the bolometer using the signal acquisition circuit according to the second embodiment. Specifically, FIG. 8A is a graph showing a state before the nonuniformity is corrected, and FIG. 8B is corrected by using the signal acquisition circuit according to the second embodiment, and then the conventional two-point correction method is performed to correct the nonuniformity. It is a graph showing the state after the completion.
  • the horizontal axis represents the output voltage (Output Voltage, V out) in Fig. 8a and 8b
  • the vertical axis is the operating temperature (Operating temperature) in Fig. 8a and 8b
  • 8A and 8B show output voltages according to operating temperatures of one pixel
  • P2 of FIGS. 8A and 8B show output voltages according to operating temperatures of pixels different from P1.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a signal acquisition circuit according to the third embodiment.
  • the signal acquisition circuit includes a current biasing unit 910, a bolometer unit 920, a feedback integrating unit 930, a signal processing unit 940, a voltage biasing unit 950, and an output. It may include a portion 960.
  • the current biasing unit 910 may generate a constant biasing current regardless of the operating temperature.
  • the bolometer unit 920 may include a plurality of variable resistors.
  • the bolometer unit 920 may receive the biasing current from the current biasing unit 910.
  • the feedback integrator 930 extracts the nonuniformity of the pixels of the bolometer unit 920 in the form of a voltage, and extracts the extracted nonuniformity information from the signal processor 940. ) Can be sent.
  • the nonuniformity may be a different degree of resistance change rate with respect to a change in operating temperature for two or more variable resistors present in a bolometer array.
  • the signal processor 940 may receive the nonuniformity information from the feedback integrator 930 and store the received nonuniformity information.
  • the signal processor 940 may include a volatile memory or a non-volatile memory.
  • the voltage biasing unit 950 may receive the nonuniformity information from the signal processor 940 and generate a biasing voltage based on the received nonuniformity information.
  • the voltage biasing unit 950 that generates the biasing voltage may transmit the biasing voltage to the bolometer unit 920.
  • the bolometer unit 920 receiving the voltage generates the bolometer current by applying the biasing voltage to the variable resistor, respectively.
  • the bolometer unit 920 absorbs the infrared rays so that the resistance is changed.
  • the feedback integrator 930 may generate an output voltage by integrating the signal current by the changed resistance.
  • the output unit 960 may output an output signal according to the output voltage.
  • the operation of the feedback integrator 930 may be changed to the feedback unit / integrator according to the opening / closing of the infrared camera shutter.
  • the operation of the feedback integrator 930 will be described below with reference to FIGS. 10A and 10B.
  • FIG. 10A and 10B are circuit diagrams of a signal acquisition circuit in two states that can be modified in accordance with the situation according to the third embodiment. Specifically, FIG. 10A is a circuit diagram when the feedback switch ⁇ feed-back is off, and FIG. 10B is a circuit diagram when the feedback switch ⁇ feed-back is on.
  • the signal acquisition circuit includes a current biasing unit 1010, a bolometer unit 1020, a feedback integrating unit 1030, a voltage biasing unit 1050, and an output unit ( 1060).
  • the current biasing unit 1010 may include a current source 1011 and a current mirror 1012.
  • the current source 1011 may generate a constant biasing current I bias regardless of the operating temperature.
  • the current mirror 1012 is copied to the bias current (I bias) produced, and it is possible to supply a biasing current (I bias) copying each of the plurality of variable resistive bolometer of unit 1020.
  • the current mirror 1012 may prevent the current (hereinafter, dark current) from flowing in the integrator 1032, which always flows regardless of absorption of the infrared signal among the current flowing in the bolometer unit 1020.
  • the integrating unit 1032 may integrate only the signal current generated by absorption of the infrared signal except the dark current.
  • the current mirror 1012 is not limited to the current mirror circuit shown in FIGS. 10A and 10B, and the current mirror 1012 may be various current mirrors in addition to those shown in FIGS. 10A and 10B.
  • the ballometer unit 1020 may include a variable resistor R D.
  • variable resistor R D may receive a biasing current I bias from the current mirror 1012.
  • the bolometer unit 1020 may include a plurality of variable resistors arranged in units of pixels. It may include.
  • the feedback integrator 1030 may include a first amplifier A 101 , a first transistor M 101 , a feedback switch ⁇ feed-back , an integration capacitor C int , and a reset switch ⁇ reset . .
  • a first input of two inputs of the first amplifier A 101 may be connected to the voltage biasing unit 1050.
  • the second input of the first amplifier A 101 may be connected to the bolometer unit 1020 and the first transistor M 101 in common.
  • an output of the first amplifier A 101 may be connected to a gate of the first transistor M 101 .
  • the first transistor M 101 may be connected in series between the bolometer portion 1020 and the integrating capacitor C int .
  • V bias Receiving a biasing voltage (V bias) is applied from the voltage biasing 1050 bolometer unit 1020 is a variable resistor (R D) bolometer current (I bolo) by applying a biasing voltage (V bias) to the Can flow through the bolometer portion 1020.
  • R D variable resistor
  • I bolo biasing voltage
  • the feedback integrator 1030 may operate as the feedback unit 1031 or the integrator 1032 according to the on / off of the feedback switch ⁇ feed-back .
  • the feedback unit 1031 may be formed.
  • the first amplifier A 101 of the feedback unit 1031 may serve as a comparator.
  • the output of the comparator may be connected to the signal processor 940 described with reference to FIG. 9.
  • the feedback unit 1031 may adjust the voltage generated by introducing the biasing current I bias from the current mirror 1012 into the bolometer unit 1020 and the voltage generated by the D / A converter 1051. By comparing using the comparator A 101 , the nonuniformity of the variable resistor R D in the bolometer 1010 may be determined and sent to the signal processor 940 described with reference to FIG. 9.
  • the integrating unit 1032 may be formed.
  • the integrator 1032 maintains the biasing voltage V bias supplied from the voltage biasing unit 1050 uniformly over a wide operating temperature range, and accurately adjusts the biasing voltage V bias to the variable resistor R D. It may be a negative feed-back structure that applies.
  • the integrator 1032 removes the dark current component from the bolometer current I bolo using the current mirror 1012, and integrates the remaining current component signal current I sig to the integral capacitor C int . It can be transmitted to the output unit 1060 in the form of.
  • the reset switch ⁇ reset inside the integrating unit 1032 may be turned on / off according to an integration signal received from the outside.
  • the integral signal is a signal that allows the signal current I sig to be integrated for a predetermined integration time.
  • the reset switch ⁇ reset is turned off, the integral capacitor C int becomes the signal current I sig ).
  • the voltage biasing unit 1050 may include a D / A converter 1051, a switch ⁇ row , and a capacitor C DAC , and different biasing voltages according to the signal of the signal processing unit 940 described in FIG. 9. Can be supplied. At this time, based on the nonuniformity of the variable resistors R D obtained through the feedback unit 1031, different biasing voltages may be supplied according to the variable resistors R D , which are obtained from the variable resistors R D. It is very helpful to correct the nonuniformity of the signal current (I sig ).
  • the output unit 1060 may include a second amplifier A 102 as illustrated in FIGS. 10A and 10B, and may include various circuits that may serve as a buffer.
  • the first to fifth transistors M 101 , M 102 , M 103 , M 104 , and M 105 are amounts of current flowing from drain to source (or vice versa) according to the magnitude and polarity of the voltage supplied to the gate. And an amplifying device having a characteristic in which a direction is determined.
  • the amplifying device may be a bipolar junction transistor (BJT), a junction field effect transistor (JFET), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), a metal semiconductor field effect transistor (MESFET), or the like.
  • BJT bipolar junction transistor
  • JFET junction field effect transistor
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • MESFET metal semiconductor field effect transistor
  • the signal acquisition circuit according to the third embodiment described above can be applied to an infrared camera.
  • the feedback switch ⁇ feed-back operates according to the infrared camera shutter. Specifically, when the infrared camera shutter is opened, the feedback switch ⁇ feed-back is turned on, and when the infrared camera shutter is closed, the feedback switch ⁇ feed-back is turned off.
  • an infrared camera to which the signal acquisition circuit according to the third embodiment is applied will be described with reference to FIGS. 10A and 10B.
  • the variable resistor (R D ) which stands for an infrared sensitizer of a general bolometer, is a resistor for detecting infrared energy, and the temperature of the resistor changes according to the amount of infrared energy absorbed, which is characterized by a change in resistance.
  • the variable resistor R D is not only reacted by the absorbed infrared energy but also varies depending on the operating ambient temperature (operating temperature) and the degree of response to the infrared energy is also changed.
  • the resistance R of the variable resistor R D may be expressed by Equation 11 below.
  • R 0 is the initial resistance
  • b is a constant determined by the physical properties of the bolometer material
  • kT is the temperature (T IR ) in which the variable resistance of the bolometer unit 1020 is increased by the operating temperature (T S ) and infrared energy.
  • R 0 and b are variables representing non-uniformity of each pixel of the variable resistor R D.
  • the current source 1011 that generates a constant current regardless of the external temperature is radiated by the current mirror 1012 to apply a constant current to the variable resistor R D of the bolometer portion 1020.
  • the infrared camera periodically closes the shutter for offset correction.
  • the shutter is closed, infrared energy from the outside is blocked.
  • the feedback switch ⁇ feed-back
  • the feedback unit 1031 is operated, and the first amplifier A 101 serves as a comparator.
  • the voltage applied to the variable resistor for each pixel may be extracted using the comparator A 101 inside the feedback unit 1031.
  • the extracted voltage V feed-back may be represented by Equation 12.
  • I bias is a current applied to the variable resistor R D from the current source 1011.
  • the D / A converter 1051 may apply the extracted feedback voltage V feed-back to the variable resistor R D for each pixel of the bolometer unit 1020. do.
  • the bolometer current (I bolo) is equal to equation (13), the signal current (I sig) of the variable resistor (R D) of the bolometer portion 1020 of the variable resistor (R D) of the bolometer unit 1020 formula Same as 14.
  • V feed-back is a voltage applied to the variable resistor R D in the D / A converter 1051.
  • the integration unit 1032 integrates the signal current I sig .
  • the integrating capacitor C int of the integrating unit 1032 may set the signal current I sig to a specific integral time t int through on / off of the reset switch ⁇ reset by the integrating signal. ) To generate an output voltage (V sig ) as shown in equation (15).
  • C int is the size of the capacitor (C int) of the integration section 1032.
  • the integration time t int is a time at which the signal current I sig is integrated by the capacitor C int and is determined by a frame representing the processing speed of the image, and a required value may vary depending on the system. .
  • variable resistor R D of the bolometer 1020 absorbs infrared rays and calculates the slope of the signal voltage V sig with respect to the changed temperature T IR .
  • R 0 of the unbalance parameter (R 0, b) of the variable resistance disappears is the subsequent, full correction in just a simple calibration, because a b was present in the exponential function to change the parameters of the molecule.
  • the infrared camera to which the signal acquisition circuit according to the third embodiment is applied is a correction method using the inverse function principle, and collects information (including information of R 0 and b values) for each pixel when the shutter is closed, When the shutter is opened, by applying the collected information, the variables forming the nonuniformity of each pixel are corrected.
  • the infrared camera to which the signal acquisition circuit according to the third embodiment is applied can find its correction value by itself during operation.
  • the infrared camera to which the signal acquisition circuit according to the third embodiment is applied has improved noise characteristics, simple operation, and excellent circuit stability between pixels by using an integrated circuit.
  • FIG. 11A and 11B are graphs for explaining the correction of the nonuniformity of the bolometer using the signal acquisition circuit according to the third embodiment. Specifically, FIG. 11A is a graph showing a state before the nonuniformity is corrected, and FIG. 11B is corrected by using the signal acquisition circuit according to the third embodiment, and then the nonuniformity is corrected by performing a conventional two-point correction method. It is a graph showing the state after the completion.
  • FIGS. 11A and 11B are operating temperature
  • the vertical axis of FIGS. 11A and 11B is a signal voltage V sig
  • Pixel 1 of FIGS. 11A and 11B represents an output voltage according to an operating temperature of one pixel
  • Pixel 2 and Pixel 3 of FIGS. 11A and 11B represent an output voltage according to an operating temperature of another pixel. Indicates.
  • three pixels showing different output voltages Pixel 1 3 to 3 may represent the same output voltage.
  • the signal acquisition circuit according to the first embodiment can find the nonuniformity correction value between pixels, and the signal acquisition circuit according to the second embodiment can find and correct the nonuniformity correction value for each pixel in real time. There is this.
  • the signal acquisition circuit according to the second and third embodiments eliminates the cause component of the nonuniformity of the bolometer by circuit, thereby eliminating the necessity of the temperature holding device in the system using the bolometer.

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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
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. 이 때, 변환된 열에너지는 볼로미터의 저항체의 온도를 상승시킨다. 볼로미터는 이러한 온도상승으로 변화된 센서의 전기저항을 감지하여 빛의 양을 측정한다. 적외선을 흡수하기 전의 볼로미터는 주위 환경온도와 동일한 온도(이하, 동작온도)를 가지며, 적외선을 흡수한 볼로미터의 온도는 동작온도와 적외선의 흡수로 인한 온도변화의 합으로 나타난다.
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 요인으로 인해 적외선 흡수에 의한 열에너지의 크기가 다르기 때문이다. 그러므로, 종래의 적외선 검출기로는 균일한 적외선 영상을 획득하기 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)와 선(B)는 두 화소(Pixel)의 적외선 흡수에 의한 열에너지의 크기이다. 도 2a에서 첫 번째 화소(Pixel)를 나타내는 선(A)과 두 번째 화소(Pixel)를 나타내는 선(B)를 통해 두 화소가 매우 다른 특성을 가진다는 것을 알 수 있다.
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.
따라서, 상기 2종 보정 방식을 이용하면 불균일한 볼로미터의 화소(Pixel)들을 보정할 수 있다.
그러나, 적외선을 흡수하기 전의 온도인 동작온도가 변할 경우 기울기(이득)과 크기(오프셋)의 값이 또다시 변화하기 때문에, 상기 2점 보정 방식은 볼로미터 물질 자체에 존재하는 동작온도에 대한 반응도의 불균일도를 원천적으로 보정할 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 상기 2점 보정 방식은 적외선을 흡수하기 전의 볼로미터의 온도인 동작온도를 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. 이를 위해 제안되었던 기존의 신호취득회로들은 픽셀(Pixel)사이의 불균일도(Non-uniformity)의 보정을 위해 그 보정 값을 미리 다 찾아주어야 하는 단점이 있다. 따라서, 불균일도(Non-uniformity)를 스스로 보정할 수 있는 신호취득회로의 연구가 필요하다.
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 적외선 흡수에 따른 볼로미터의 반응도의 불균일도를 스스로 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 볼로미터 전류와 상기 바이어싱 전류를 이용하여 신호전류를 생성하고, 상기 생성된 신호전류를 적분하여 출력 전압을 생성하는 적분부; 를 더 포함하고, 상기 전류 바이어싱부는, 상기 바이어싱 전류를 생성하는 전류원 및 상기 바이어싱 전류를 복사하고, 상기 복수의 가변저항 각각에 상기 복사된 바이어싱 전류를 공급하고, 상기 적분부에서 적분되는 전류가 상기 볼로미터부에 유입되지 못하게 하는 전류미러를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 피드백부는 상기 불균일도를 n-비트(bit)의 디지털 신호(digital signal)로 변환하는 A/D 변환기(Analog 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 Analog 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.
또한, 본 발명의 실시 형태에 따른 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로는, 바이어싱 전류를 생성하는 전류 바이어싱부; 복수의 가변저항들을 포함하고, 상기 바이어싱 전류를 수신하여 신호전류를 생성하는 볼로미터부; 피드백 스위치를 포함하고, 상기 피드백 스위치가 오프(off)되는 경우, 상기 복수의 가변저항들의 동작온도 변화에 대한 불균일도(non-uniformity)를 전압의 형태로 피드백하여 추출하고, 그리고 상기 피드백 스위치가 온(on)되는 경우, 상기 볼로미터부에서 생성되는 신호전류를 적분하여 출력 전압를 생성하는 피드백 적분부; 상기 피드백 적분부에서 추출된 피드백 전압을 저장하는 신호처리부; 및 상기 피드백 전압을 이용하여 바이어싱 전압을 생성하고, 상기 바이어싱 전압을 상기 볼로미터부에 전송하는 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 피드백 적분부는 증폭기를 포함하고, 상기 증폭기는, 상기 피드백 스위치가 오프(off)되는 경우, 비교기로 동작하고, 상기 피드백 스위치가 온(on)되는 경우, 상기 신호전류를 적분할 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.
도 9는 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로의 회로도이다.
도 10a 및 도 10b는 제3 실시 형태에 따른 상황에 따라 변형될 수 있는 두가지 상태의 신호취득회로의 회로도이다.
도 11a 및 도 11b는 제3 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 PCTKR2014012413-appb-M000001
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 PCTKR2014012413-appb-M000002
여기서, I0는 초기전류이며, VDAC는 제1 트랜지스터(M41)의 게이트 단자에 공급되는 전압이며, n은 상수이고, kT는 절대온도이다.
바이어싱부(410)는 컨버터(Digital Analog 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 PCTKR2014012413-appb-M000003
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 PCTKR2014012413-appb-M000004
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/A 변환기의 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 전류 바이어싱부(710), 볼로미터부(720), 피드백부(730), 전압 바이어싱부(750), 적분부(760) 및 출력부(770)를 포함할 수 있다.
전류 바이어싱부(710)는 전류원(711) 및 전류미러(712)를 포함할 수 있다.
전류원(711)은 동작온도와 무관하게 일정한 바이어싱 전류(Ibias)를 생성할 수 있다.
전류미러(712)는 생성된 바이어싱 전류(Ibias)를 복사하고, 볼로미터부(720)의 복수의 가변저항 각각에 복사된 바이어싱 전류(Ibias)를 공급할 수 있다. 여기서, 전류미러(712)는 이후에 적분부(760)에서 적분되는 전류(이하, 암흑전류)가 볼로미터부(720)에 유입되지 못하게 할 수 있다.
볼로미터부(720)는 가변저항(RD)을 포함할 수 있다.
가변저항(RD)은 전류미러(712)로부터 바이어싱 전류(Ibias)를 수신할 수 있다. 여기서, 도 7에서는 설명의 편의와 이해의 증진을 위해서 하나의 가변저항만을 도시하였지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 볼로미터부(720)는 화소(pixel) 단위로 배치된 복수의 가변저항들을 포함할 수 있다.
피드백부(730)는 A/D 변환기(AnalogDigital Converter, ADC)(731)를 포함할 수 있다. 피드백부(730)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(731)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(731)가 가변저항(RD)의 전압을 추출하도록 한다. 반면, 외부로부터 적외선 에너지가 수신되면, 제1 트랜지스터(M71)는 오프(off)되어 A/D 변환기(731)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 Analog 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(720)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(720)는 가변저항(RD)에 바이어싱 전압(VDAC)을 인가하여 볼로미터 전류(Ibolo)를 적분부(760)에 전송할 수 있다.
적분부(760)는 볼로미터부(720)로부터 볼로미터 전류(Ibolo)를 수신하고, 전류미러(712)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(A71) 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(720)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(720)와 커패시터(C71) 사이에 직렬 연결될 수 있다.
출력부(770)는 버퍼(buffer) 역할을 할 수 있는 제2 증폭기(A72)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(A72)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 PCTKR2014012413-appb-M000005
여기서, R0는 초기저항, b는 볼로미터 물질의 물리적 성질에 의해서 결정되는 상수, TS는 동작온도, TIR은 적외선 에너지에 의해 볼로미터부(720)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(711)은 전류미러(712)에 의해 복사되어 볼로미터부(720)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/D 변환기(731)를 통해 추출된다. 상기 추출되는 전압(VADC)은 수학식 6와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2014012413-appb-M000006
여기서, Ibias는 전류원(711)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.
이 때, 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/A 변환기(751)는 A/D 변환기(731)를 통해 추출된 바이어싱 전압(VDAC)을 볼로미터부(720)의 화소 별 가변저항(RD)에 각각 가하게 된다.
여기서, 볼로미터부(720)의 가변저항(RD)의 볼로미터 전류(Ibolo)는 수학식 7과 같다.
수학식 7
Figure PCTKR2014012413-appb-M000007
여기서, VDAC는 D/A 변환기(751)에서 가변저항(RD)에 인가되는 전압이다.
또한, 종래 회로의 볼로미터부의 가변저항의 볼로미터 전류(Ibolo)는 수학식 8과 같다.
수학식 8
Figure PCTKR2014012413-appb-M000008
여기서, Vbias는 가변저항에 인가되는 전압으로 수학식 7의 VDAC와 대응되는 전압이다.
수학식 7 및 수학식 8을 참조하면, 제2 실시 형태에 따른 볼로미터부(720)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(720)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(720)의 가변저항(RD)의 볼로미터 전류(Ibolo)와 전류미러(712)의 바이어싱 전류(Ibias)를 수신하여 수학식 9와 같이 신호전류(Isig)를 생성한다.
수학식 9
Figure PCTKR2014012413-appb-M000009
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 PCTKR2014012413-appb-M000010
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.
<제3 실시 형태>
이하에서는 도 9 내지 도 11을 참조하여 제3 실시 형태에 따른 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로를 설명하도록 한다.
도 9는 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로의 회로도이다.
도 9를 참조하면, 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로는 전류 바이어싱부(910), 볼로미터부(920), 피드백 적분부(930), 신호처리부(940), 전압 바이어싱부(950) 및 출력부(960)를 포함할 수 있다.
전류 바이어싱부(910)는 동작온도와 무관하게 일정한 바이어싱 전류를 생성할 수 있다.
볼로미터부(920)는 복수의 가변저항들을 포함할 수 있다. 볼로미터부(920)는 전류 바이어싱부(910)로부터 상기 바이어싱 전류를 수신할 수 있다.
피드백 적분부(930)는 적외선 카메라 셔터(shutter)가 닫힌 경우, 볼로미터부(920)의 여러 픽셀(Pixel)들의 불균일도를 전압의 형태로 추출하고, 상기 추출된 불균일도 정보를 신호처리부(940)에 전송할 수 있다. 여기서, 불균일도는 볼로미터 배열(bolometer array)에 존재하는 둘 이상의 가변저항에 대해 동작온도 변화에 대한 저항 변화율의 서로 다른 정도일 수 있다.
신호처리부(940)는 피드백 적분부(930)로부터 상기 불균일도 정보를 수신하고, 상기 수신된 불균일도 정보를 저장할 수 있다. 신호처리부(940)는 휘발성 메모리(Volatile Memory) 또는 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory)를 포함할 수 있다.
전압 바이어싱부(950)는 신호처리부(940)로부터 불균일도 정보를 수신하고, 상기 수신된 불균일도 정보를 바탕으로 바이어싱 전압을 생성할 수 있다. 상기 바어이싱 전압을 생성한 전압 바이어싱부(950)는 상기 바이어싱 전압을 볼로미터부(920)에 전송할 수 있다. 전압을 수신한 볼로미터부(920)는 상기 바이어싱 전압을 가변저항에 각각 인가하여 볼로미터 전류를 생성한다.
이때, 상기 적외선 카메라 셔터가 열린 경우, 볼로미터부(920)는 적외선을 흡수하여 저항이 변하게 된다.
또한, 피드백 적분부(930)는 상기 변화된 저항에 의한 신호전류를 적분하여 출력 전압을 생성할 수 있다.
출력부(960)는 상기 출력 전압에 따른 출력신호를 출력할 수 있다.
상술한 바에 따르면, 피드백 적분부(930)는 적외선 카메라 셔터의 개/폐에 따라 피드백부/적분부로 동작이 달라질 수 있다. 피드백 적분부(930)의 동작이 달라지는 것은 이하 도 10a 및 도 10b를 통해 설명하도록 한다.
도 10a 및 도 10b는 제3 실시 형태에 따른 상황에 따라 변형될 수 있는 두가지 상태의 신호취득회로의 회로도이다. 구체적으로, 도 10a는 피드백 스위치(Φfeed-back)가 오프(off)된 경우의 회로도이고, 도 10b는 피드백 스위치(Φfeed-back)가 온(on)된 경우의 회로도이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로는, 전류 바이어싱부(1010), 볼로미터부(1020), 피드백 적분부(1030), 전압 바이어싱부(1050) 및 출력부(1060)를 포함할 수 있다.
전류 바이어싱부(1010)은 전류원(1011) 및 전류미러(1012)를 포함할 수 있다.
전류원(1011)은 동작온도와 무관하게 일정한 바이어싱 전류(Ibias)를 생성할 수 있다.
전류미러(1012)는 생성된 바이어싱 전류(Ibias)를 복사하고, 볼로미터부(1020)의 복수의 가변저항 각각에 복사된 바이어싱 전류(Ibias)를 공급할 수 있다. 여기서, 전류미러(1012)는 이후에 볼로미터부(1020)에 흐르는 전류 중에서 적외선 신호의 흡수와 관계없이 항상 흐르는 전류(이하, 암흑전류)가 적분부(1032)에 유입되지 못하게 할 수 있다. 이 때, 적분부(1032)는 암흑전류를 제외하고 적외선 신호의 흡수에 의해 발생하는 신호전류만 적분할 수 있다.
여기서, 전류미러(1012)는 도 10a 및 도 10b에 도시된 전류미러 회로로 한정되는 것은 아니며, 전류미러(1012)는 도 10a 및 도 10b에 도시된 이외에 다양한 전류미러가 될 수 있다.
볼로미터부(1020)는 가변저항(RD)을 포함할 수 있다.
가변저항(RD)은 전류미러(1012)로부터 바이어싱 전류(Ibias)를 수신할 수 있다. 여기서, 도 10a 및 도 10b에서는 설명의 편의와 이해의 증진을 위해서 하나의 가변저항만을 도시하였지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 볼로미터부(1020)는 화소(pixel) 단위로 배치된 복수의 가변저항들을 포함할 수 있다.
피드백 적분부(1030)는 제1 증폭기(A101), 제1 트랜지스터(M101), 피드백 스위치(Φfeed-back), 적분 커패시터(Cint) 및 리셋 스위치(Φreset)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 증폭기(A101)의 두 입력 중 제1 입력은 전압 바이어싱부(1050)와 연결될 수 있다. 또한, 제1 증폭기(A101)의 제2 입력은 볼로미터부(1020)와 제1 트랜지스터(M101)가 공통으로 연결될 수 있다. 그리고, 제1 증폭기(A101)의 출력은 제1 트랜지스터(M101)의 게이트와 연결될 수 있다. 제1 트랜지스터(M101)는 볼로미터부(1020)와 적분 커패시터(Cint) 사이에 직렬 연결될 수 있다.
전압 바이어싱부(1050)로부터 인가되는 바이어싱 전압(Vbias)을 수신한 볼로미터부(1020)는 가변저항(RD)에 상기 바이어싱 전압(Vbias)을 인가하여 볼로미터 전류(Ibolo)가 볼로미터부(1020)를 통해 흐르도록 할 수 있다.
또한, 피드백 적분부(1030)는 피드백 스위치(Φfeed-back)의 온/오프(on/off)에 따라 피드백부(1031) 또는 적분부(1032)로 동작할 수 있다.
도 10a와 같이, 피드백 스위치(Φfeed-back)가 오프(off, 끊어짐)된 경우에는 피드백부(1031)가 형성될 수 있다.
피드백부(1031)의 제1 증폭기(A101)는 비교기로서의 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 비교기의 출력은 도 9에서 설명된 신호처리부(940)와 연결될 수 있다.
피드백부(1031)는 전류미러(1012)로부터의 바이어싱 전류(Ibias)를 볼로미터부(1020)로 유입시켜 생성되는 전압과 D/A 변환기(Digital Analog Converter, 1051)에 의해 생성되는 전압을 비교기(A101)를 이용하여 비교함으로서 볼로미터부(1020) 내부의 가변저항(RD)의 불균일도를 파악하고 이를 도 9에서 설명한 신호처리부(940)로 보낼 수 있다.
반면, 도 10b와 같이, 피드백 스위치(Φfeed-back)가 온(on, 연결)된 경우에는 적분부(1032)가 형성될 수 있다.
적분부(1032)는 넓은 동작 온도 범위에 대해서 전압 바이어싱부(1050)로부터 공급되는 바이어싱 전압(Vbias)을 일정하게 유지시키고, 바이어싱 전압(Vbias)을 가변저항(RD)에 정확하게 인가하는 네가티브 피드백(negative feed-back) 구조일 수 있다.
적분부(1032)는 상기 볼로미터 전류(Ibolo)중에서 암흑전류 성분을 전류미러(1012)를 이용하여 제거하고, 나머지 전류 성분인 신호전류(Isig)를 적분 커패시터(Cint)에 적분하여 전압의 형태로 출력부(1060)로 전송할 수 있다.
적분부(1032) 내부의 리셋 스위치(Φreset)는 외부로부터 수신되는 적분신호에 따라 온/오프(on/off)될 수 있다. 여기서, 적분신호는 신호전류(Isig)를 사전에 정해둔 적분시간 동안 적분될 수 있도록 하는 신호로, 상기 리셋 스위치(Φreset)가 오프(off)되면 적분 커패시터(Cint)는 신호전류(Isig)를 적분한다.
전압 바이어싱부(1050)는 D/A 변환기(1051), 스위치(Φrow) 및 캐패시터(CDAC)를 포함할 수 있고, 도 9에서 설명된 신호처리부(940)의 신호에 따라 다른 바이어싱 전압을 공급할 수 있다. 이 때, 피드백부(1031)를 통해 획득한 상기 가변저항(RD)들의 불균일도를 바탕으로 가변저항(RD)에 따라 다른 바이어싱 전압을 공급할 수 있고, 이는 가변저항(RD)으로부터의 신호전류(Isig)의 불균일도를 보정하는데 큰 도움이 된다.
출력부(1060)는 도 10a 및 도 10b에서와 같이 제2 증폭기(A102)를 포함하여 구성될 수 있고, 버퍼(buffer) 역할을 할 수 있는 다양한 회로로 구성될 수 있다.
여기서, 제1 내지 제5 트랜지스터(M101, M102, M103, M104, M105)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.
상술한 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로는 적외선 카메라에 적용할 수 있다. 이 때, 피드백 스위치(Φfeed-back)는 적외선 카메라 셔터에 따라 동작한다. 구체적으로, 적외선 카메라 셔터가 열리면, 피드백 스위치(Φfeed-back)가 온(on)되고, 적외선 카메라 셔터가 닫히면, 피드백 스위치(Φfeed-back)가 오프(off)된다. 이하에서는, 도 10a 및 도 10b를 참조하여 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로가 적용된 적외선 카메라를 중심으로 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 아래 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 11
Figure PCTKR2014012413-appb-M000011
여기서, R0는 초기저항, b는 볼로미터 물질의 물리적 성질에 의해서 결정되는 상수, kT는 동작온도(TS)와 적외선 에너지에 의해 볼로미터부(1020)의 가변저항이 증가된 온도(TIR)의 합이다.
상기 수학식 11에서 R0와 b는 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(1011)은 전류미러(1012)에 의해 복사되어 볼로미터부(1020)의 가변저항(RD)에 일정한 전류를 가하게 된다.
적외선 카메라는 오프셋 보정을 위해 주기적으로 셔터가 닫힌다. 셔터가 닫히면 외부로부터의 적외선 에너지가 차단된다. 이 때, 피드백 스위치(Φfeed-back)가 끊어지게 되며(off). 피드백부(1031)가 동작하게 되며, 제1 증폭기(A101)는 비교기로서의 역할을 하게 된다.
적외선 에너지가 차단되면, 각 화소 별 가변저항에 걸리는 전압은 피드백부(1031) 내부의 비교기(A101)를 이용하여 그 값을 추출할 수 있다. 상기 추출되는 전압(Vfeed-back)은 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 12
Figure PCTKR2014012413-appb-M000012
여기서, Ibias는 전류원(1011)에서 가변저항(RD)에 인가되는 전류이다.
이 때, 적외선 카메라의 셔터가 열리면 적외선 에너지가 가변저항(RD)에 수신된다.
적외선 에너지가 가변저항(RD)에 수신되면, D/A 변환기(1051)는 상기 추출된 피드백 전압(Vfeed-back)을 볼로미터부(1020)의 화소 별 가변저항(RD)에 각각 가하게 된다.
여기서, 볼로미터부(1020)의 가변저항(RD)의 볼로미터 전류(Ibolo)는 수학식 13과 같고, 볼로미터부(1020)의 가변저항(RD)의 신호 전류(Isig)는 수학식 14와 같다.
수학식 13
Figure PCTKR2014012413-appb-M000013
수학식 14
Figure PCTKR2014012413-appb-M000014
여기서, Vfeed-back은 D/A 변환기(1051)에서 가변저항(RD)에 인가되는 전압이다.
적분부(1032)는 신호전류(Isig)를 적분한다. 구체적으로, 적분부(1032)의 적분 커패시터(Cint)는 적분신호에 의한 리셋 스위치(Φreset)의 온/오프(on/off)를 통해 신호전류(Isig)를 특정 적분시간(tint) 동안 적분하여 수학식 15와 같은 출력 전압(Vsig)을 생성한다.
수학식 15
Figure PCTKR2014012413-appb-M000015
여기서, Cint는 적분부(1032)의 커패시터(Cint)의 크기이다.
적분시간(tint)은 커패시터(Cint)에 의해 신호전류(Isig)가 적분되는 시간으로 영상의 처리속도를 의미하는 프레임(frame)에 의해 결정되고 시스템에 따라 요구되는 값이 달라질 수 있다.
볼로미터부(1020)의 가변저항(RD)가 적외선을 흡수하여 변화된 온도(TIR)에 대한 신호 전압(Vsig)의 기울기를 계산해보면 수학식 16과 같다.
수학식 16
Figure PCTKR2014012413-appb-M000016
상기 수학식 16을 참조하면, 가변 저항의 불균형 인자(R0, b)중 R0는 사라지고 지수함수에 존재했던 b가 분자의 변수로 변경되기 때문에 이후, 단순한 보정만 거치면 완벽하게 보정이 된다.
제3 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, 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로가 적용된 적외선 카메라는 동작 중 스스로 그 보정 값을 찾을 수 있다.
또한, 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로가 적용된 적외선 카메라는 적분형 회로를 이용함으로써 잡음특성이 개선되고, 동작이 단순하며, 화소(pixel)간의 회로적인 안정성이 우수하다.
도 11a 및 도 11b는 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로를 이용한 볼로미터의 불균일도의 보정을 설명하기 위한 그래프이다. 구체적으로, 도 11a는 불균일도를 보정하기 전 상태를 나타내는 그래프이고, 도 11b는 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로를 이용하여 보정한 후, 종래의 2점 보정 방식을 수행하여 불균일도를 보정한 후의 상태를 나타내는 그래프이다.
여기서, 도 11a 및 도 11b의 가로 축은 동작온도(operating temperature)이고, 도 11a 및 도 11b의 세로 축은 신호 전압(Vsig)이다. 또한, 도 11a 및 도 11b의 Pixel 1은 일 화소(pixel)의 동작온도에 따른 출력 전압을 나타내고, 도 11a 및 도 11b의 Pixel 2와 Pixel 3은 Pixel 1과 다른 화소의 동작온도에 따른 출력 전압을 나타낸다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 제3 실시 형태에 따른 신호취득회로를 이용하여 볼로미터의 불균일도를 보정한 후, 종래의 2종 보정 방식을 이용하면, 서로 다른 출력 전압을 나타내는 세 화소 Pixel 1 내지 3이 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 및 제3 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.

Claims (9)

  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 볼로미터 전류와 상기 바이어싱 전류를 이용하여 신호전류를 생성하고, 상기 생성된 신호전류를 적분하여 출력 전압을 생성하는 적분부; 를 더 포함하고,
    상기 전류 바이어싱부는,
    상기 바이어싱 전류를 생성하는 전류원 및 상기 바이어싱 전류를 복사하고, 상기 복수의 가변저항 각각에 상기 복사된 바이어싱 전류를 공급하고, 상기 적분부에서 적분되는 전류가 상기 볼로미터부에 유입되지 못하게 하는 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(Analog 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 Analog 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. 바이어싱 전류를 생성하는 전류 바이어싱부;
    복수의 가변저항들을 포함하고, 상기 바이어싱 전류를 수신하여 신호전류를 생성하는 볼로미터부;
    피드백 스위치를 포함하고, 상기 피드백 스위치가 오프(off)되는 경우, 상기 복수의 가변저항들의 동작온도 변화에 대한 불균일도(non-uniformity)를 전압의 형태로 피드백하여 추출하고, 그리고 상기 피드백 스위치가 온(on)되는 경우, 상기 볼로미터부에서 생성되는 신호전류를 적분하여 출력 전압를 생성하는 피드백 적분부;
    상기 피드백 적분부에서 추출된 피드백 전압을 저장하는 신호처리부; 및
    상기 피드백 전압을 이용하여 바이어싱 전압을 생성하고, 상기 바이어싱 전압을 상기 볼로미터부에 전송하는 전압 바이어싱부; 를 포함하는, 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로.
  8. 제7항에 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.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 피드백 적분부는 증폭기를 포함하고,
    상기 증폭기는,
    상기 피드백 스위치가 오프(off)되는 경우, 비교기로 동작하고,
    상기 피드백 스위치가 온(on)되는 경우, 상기 신호전류를 적분하는, 볼로미터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호취득회로.
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