비냉각 마이크로 볼로미터 검출기를 사용하는 방사 측정 document_id A220623041543

IR 검출기는 일반적으로, 장면 내의 다양한 물체의 열방사 휘도의 차를 검출함으로써 동작한다. 차는 전기 신호로 변환되고, 그것은 이어서 처리되고, 해석되고, 또한/또는 표시된다. 전방시 IR(FLIR) 카메라와 같은 촬상 방사계는 IR 센서의 어레이를 이용하여 2차원 열화상을 제공한다. 시야 전체에 걸쳐 단순한 차이가 눈에 의미가 있는 화상을 제공하므로, 일반적으로 보다 단순한 검출기를 사용하여 화상이 제공된다. 그러나, 받은 방사선으로부터 온도를 측정하는 것을 의도하는 경우, 일반적으로 보다 정교한 장치가 필요하다. 대부분의 경우, 센서 어레이는 마이크로 볼로미터 어레이이다. 마이크로 볼로미터는 집적회로 제조기술을 사용하고, 기판 재료 상에 제작되는 IR 방사선 검출기이다. 마이크로 볼로미터 검출기 어레이는 입사 방사선을 감지하기 위해 사용할 수 있다. 어레이의 각 마이크로 볼로미터 검출기는 입사 방사선을 흡수하고, 그것은 그 온도의 변화에 따른 그 저항이 대응하는 변화를 도출한다. 각 마이크로 볼로미터는 화소로서 기능하고, 마이크로 볼로미터가 적절한 어레이를 사용하고, 입사 적외 방사선의 2차원 화상 또는 사진 표현을 생성할 수 있다. FLIR 카메라는 균일한 입사 적외 방사선에 대하여 불균일한 응답을 가진다. 이것은 a. 제조공정의 결과로서의 검출기의 전기특성 및 열특성이 작은 편차, b. 방출/흡수 각도의 함수로서의 전자파 강도의 편차, c. 광학계의 구경식(口徑蝕; optical vignetting), d. 광학계의 온도 변화때문이다. 마이크로 볼로미터의 응답 특성의 이러한 불균일성은 일반적으로 보정되어, 화상 처리 및 표시를 위한 적절한 신호 대 잡음비의 전기 신호가 생성된다. 당업자에게 있어 주지의 바와 같이, 각각의 검출기에 관련지어지는 오프셋 및 이득 정보는 마이크로 볼로미터 어레이를 다양한 레벨의 균등한 방사선의 몇몇 장면에 노출시키는 불균일성 보정(NUC)으로서 알려진 교정 기술에 의해 얻어진다. 통상의 사용 중에, 모든 센서가 균일한 온도 장면을 보도록, 마이크로 볼로미터 어레이의 시야(FOV)를 불명료화하기 위해 피제어 셔터가 닫혀진다. 각각의 검출기의 응답은 대응하는 오프셋값을 도출하기 위해 사용된다. 다음에 셔터가 열리고, 통상의 촬상 동작이 개시된다. 도출된 오프셋은 어레이 내의 각 화소로부터의 응답을 보정하기 위해 사용된다. 또한, 광학계 및 내부 카메라 부품 내의 새로운 온도 분포를 보상하기 위해, 응답이 비교적 안정되도록, 검출기 자체의 온도가 안정화된다. 셔터가 검출기의 FOV를 차단하는 동안, 불량화소 치환(BPR) 갱신이라고 불리는 마이크로 볼로미터 어레이 응답의 추가 보정을 실행할 수 있다. 각 검출기 화소로부터의 신호는 검사되고, 검출기 화소가 적정하게 기능하고 있는지 여부가 결정된다. 검출기 화소가 작동하지 않는 것이 판명되거나, 또는 그 신호 특성이 평균 특성과 크게 다른 경우에는 대응하는 화소의 값은 주위의 화소의 평균을 취하는 등 다른 수단에 의해 결정된다. 대체적 기술은 평균화 대신 소트(sort)를 실행하는 것이다. 특히 계기가 비냉각 마이크로 볼로미터 검출기 어레이에 기초한 경우, 촬상 방사계의 조립에 관련된 몇몇 주요한 장애가 있다. 단순한 비냉각 마이크로 볼로미터 어레이 검출기는 방사선 차폐체를 포함하지 않는다. 다시 말하면, 보다 정교한 검출기에는 내부 카메라 부품의 IR 방사선으로부터 검출기를 보호하는 방사선 차폐체가 있다. 단순한 검출기는 그와 같은 차폐체를 포함하지 않고, 패키지를 보다 작게 하고, 광학계를 보다 단순히 하고 있지만, 단순한 검출기는 2π 라디안의 입체각을 통하여 내부 카메라 부품 및 그 진공 패키지와 에너지를 교환하는 것을 의미한다. 실제로, 검출기는 항상 에너지를 2π 라디안의 입체각을 통해 교환하고 있는 것이 주목된다. 그러나, 종래의 보다 정교한 방사 측정 검출기는 전술한 방사선 차폐체를 사용하여, 검출기의 시야를 차단한다. 또한, 방사선 차폐체는 일정 온도로 유지되고, 따라서 그것은 비교적 용이하게 보상할 수 있다. 단순한 검출기로 돌아가면, 실제로 교환되는 에너지의 대부분은 검출기와 내부 카메라 부품 사이의 것이다. 결국, 내부 카메라 부품은 촬상 대상의 물체보다 훨씬 가까이에 있다. 검출기에 의해 교환되는 에너지의 매우 작은 부분(통상 약 10%)만이 촬상하는 것을 의도하고 있는 장면에 유래한다. 따라서, 내부 카메라 부품의 온도의 매우 작은 변화가 검출기의 출력 신호의 큰 변화를 만들어 내는 경우가 있다. NUC 및 BPR의 처리 후에 마이크로 볼로미터 검출기로부터 얻어지는 영상신호의 평균값 및 초저주파 성분은 검출기의 진공 패키지 및 내부 카메라 부품의 온도에 따라 크게 영향을 받는다. 일련의 해결책은 극저온 냉각 검출기 어레이이다. 냉각 검출기는 보다 큰 중량 및 복잡함 뿐만 아니라, 냉각을 위한 추가 전력 소비, 짧은 수명, 및 고비용과 같은 불리점을 가진다. 냉각 검출기의 이점은 이들이 짧은 파장, 예를 들면 3 내지 5 마이크론의 대역에서 작동하고, 따라서 보다 높은 해상도를 가지는 화상을 생성할 수 있다는 것이다. 냉각 장치에 기초한 FLIR은 비교적 높은 f 넘버(f#)에서도 우수한 감도를 가지고, 동시에 매우 짧은 시정수를 가진다. 한편, 비냉각 열마이크로 볼로미터 어레이는 다른 이점을 가진다. 예를 들면, 비냉각 장치는 보다 작은 물리 사이즈, 보다 낮은 중량, 및 보다 낮은 전력 소비를 가진다. 비냉각 장치는 전원 투입 직후에 영상 출력을 초래하고, 냉각 장치와 비교하여 긴 MTBF(평균 고장 간격)를 가지고, 일반적으로 보다 저렴하다. 총체적으로, 냉각 장치는 장거리 용도 및 보다 높은 경비를 정당화할 수 있는 용도에 사용되고, 비냉각 장치는 중거리 및 단거리 용도 및 예산이 한정되어 있는 용도에 사용된다. 상기 문제의 제2 해결책은 온도 안정화 냉각기 및/또는 가열기 없이 동작하는 온도 의존 초점면 어레이를 제시한 카우프만 등의 미국 특허 제6476392호에 제안되어 있다. 이득, 오프셋, 및/또는 바이어스 보정 테이블은 플래시 메모리에 부여되고, 메모리 내의 페이지는 초점면 어레이의 측정 온도에 의해 인덱싱된다. 각 화소의 이득, 오프셋, 및/또는 바이어스는 예를 들면 어레이를 제어된 노(盧) 내에 배치하고, 기지의 온도에 대한 어레이의 응답을 검사함으로써 온도 동작 범위 전체에 걸쳐 작은 온도 증가량마다 결정된다. 데이터베이스 내의 바이어스, 이득, 및 오프셋 데이터는 나중에 판독되고, 아날로그 형식으로 변환되어, 아날로그 회로에 의해 초점면 어레이의 응답을 보정하기 위해 사용된다. 신호 보정에 사용되는 데이터는 한 번만(따라서 정상인 동작 조건 하에서가 아니라) 결정된다. 카우프만 등은 경시적인 또는 다른 요인에 의한 검출기 응답의 편차를 고려하지 않고 있다. 또한, 카우프만의 특허는 검출기가 일정한 온도 안정화 작업점을 가지지 않을 경우의 검출기 응답을 취급하고 있다. 그러한 경우, 온도측정은 작은 온도 증가량마다 완전히 새로운 데이터셋을 필요로 한다. 그와 같은 방법은 비실용적이다. 촬상 IR 방사계의 추가 문제는 마이크로 볼로미터 검출기 어레이가 일반적으로 유한 공간 응답을 가지는 것이다. 동일 온도를 가지지만, 크기가 다른 두 개의 흑체, 또는 동일 온도이지만 카메라로부터의 거리가 다른 동일 물체가 검출기 출력에 다른 영상신호를 생성한다. 차동 영상신호의 온도에 대한 직접 변환은 큰 물체에 대해서만 비교적 정확하다. 더욱 상세하게는 영상신호의 온도에 대한 변환은 높은 공간 주파수에 대하여 한정된 변조전달함수(MTF) 응답에 의해 도입되는 오차를 피할 수 없다. 현재, 다수의 용도를 커버하는 다수의 비냉각 마이크로 볼로미터 FLIR(전방시 적외) 카메라를 구할 수 있다. 이들 카메라는 방사선 차폐체를 완전히 포함하지 않는 통상의 비냉각 마이크로 볼로미터 센서를 포함한다. 일반적으로, 이들 카메라는 초점 거리 35mm 또는 50mm의 표준렌즈, 또는 다른 초점 거리의 광학계를 탑재하고 있다. 문제는 매우 미소한 하드웨어 개량의 제약 조건 하에서 비냉각 검출기의 전술한 결점을 극복하고, 이들이 정확한 온도측정을 초래할 수 있도록 하기 위해, 이들 기존의 카메라를 업그레이드하는 방법을 찾는 것이다.