볼로미터 타입 시스템에서의 케이스 온도 변화 측정 및보상을 위한 시스템 및 방법 document_id A220623054052

볼로미터는 일반적으로 적외선 대역에서의 약한 광방사를 감지하기 위해 널리 사용되고 있다. 종래의 볼로미터는 다수의 개별 감지 소자(이하 픽셀(pixel), 픽셀 감지기(pixel detector)로도 명명함)로 구성되는 초점면 어레이(focal plan array)의 형태이다. 볼로미터 타입 센서(sensor)의 가장 큰 장점은, 특히 극저온으로 냉각을 요구하지 않으므로, 경량이고 소비전력이 작다는 점이다. 나아가 냉각형에 비해 훨씬 저렴하다. 그러나 볼로미터 타입 센서는 냉각형에 비해 감도(sensitivity)가 현저히 낮은 편이다. 나아가 온도 변화에 매우 민감하므로 어레이 기판의 온도를 안정화시켜 주고, 위에서 언급한 온도 변화에 대하여 각각의 볼로미터에 대한 온도 보상을 해 줄 별도의 수단을 필요로 한다. 초점면 어레이를 수용하고 있는 케이스가 광학(F/1 optics)상 적외선 열속의 약 80%를 담당한다. 따라서, 케이스의 온도(또는 방사)를 측정하는 것이 지극히 중요하다. 미국등록특허 제6,583,416호에는 화면의 이미지 신호를 제공하기 위한 모놀리식 반도체 집적 회로 기판이 개시되어 있다. 미국등록특허 제6,515,285호에는 탐지된 방사 결과에 근거해서 영상 신호를 출력하는 적어도 하나의 방사 센서의 온도를 제어하는 방법이 개시되어 있다. 전형적인 볼로미터에는 바나듐산화물(Vanadium Oxide) 저항체가 광범위하게 사용되는데, 이는 바나듐산화물이 상대적으로 큰 저항온도계수(TCR:Temperature coefficient of resistance) 및 저주파 노이즈 기여도(1/f noise contribution) 특성을 갖기 때문이다. 전형적인 볼로미터 초점면 어레이는 방사를 감지하여 약 50°mK 정도의 분해능(resolution)으로 배경 온도(scenery temperature)를 측정할 정도의 성능이 요구된다. 배경 내에서의 열 변화에 기인한 볼로미터에서의 온도 변화는 약 0.01~0.1°mK 정도이다. 이러한 온도 변화를 표지하기 위해서는 볼로미터의 액티브 저항(active resistor; 배경에 노출된 저항을 말함)을 어느 정도의 온도라도 가열할 필요가 있음을 주목해야 한다. 볼로미터의 액티브 저항을 가열하는 것보다 적어도 40승(order) 작은 범위에서의 감도와 분해능을 확보하기 위해서는 차동 측정(differential measurement)이 요구된다. 차동 측정을 수행하기 위한 가장 흔하고 간단한 회로 구성은 휫스톤 브리지(Wheatstone bridge)인데, 실제로 볼로미터 타입 초점면 어레이에 광범위하게 사용되고 있다. 차동 측정을 수행하는 휫스톤 브리지를 사용하더라도, 종래 기술에 의한 비냉각형 초점면 어레이는 주위 온도(ambient temperature)의 변화에 여전히 매우 민감하므로 초점면 어레이 픽셀 수준에서의 보상을 위해 별도의 보상 회로(compensation circuitry)를 필요로 한다. 보다 구체적으로 말하자면, 감지기의 불균일성(non-uniformity)(즉, 감지기 들의 다른 오프셋, 게인)과, 나아가 케이스 온도 변화가 각 감지기에 미치는 불균일한 영향에 대한 특별한 보상 회로를 필요로 한다. 후자의 불균일성은 각 감지기가 케이스 벽으로부터 상대적으로 다른 위치에 있다는 사실에 기인한다. 초점면 어레이 픽셀 감지기의 불균일성을 해결하기 위해, 제조사나 사용자들 자신이 각 픽셀 감지기의 오프셋, 게인에 대한 선측정(pre-measurement)를 수행하는 것이 일반적이다. 선측정은 주위(케이스)와 기판의 온도를 미리 정한 온도 하에 일정하게 유지한 채로 수행된다. 그 측정값은 두 개의 매트릭스(참조 테이블(look up table)) 즉, 게인 불균일성 매트릭스(gain non-uniformity matrix)와 오프셋 불균일성 매트릭스(offset non-uniformity matrix)로 작성된다. 보다 구체적으로는, 각 픽셀 감지기의 오프셋과 게인은 초점면 어레이를 실제 사용하는 중에 이러한 두 매트릭스를 이용하여 보정된다. 또한 오프셋 매트릭스는 셔터가 닫히고 초점면 어레이가 배경 방사로부터 차단될 때 마다 정기적으로(예를 들자면 매 2, 3분) 재차 작성됨을 주목해야 한다. 물론 셔터가 닫히고 오프셋 매트릭스가 재차 작성되는 동안에는 초점면 어레이를 사용할 수 없다. 이러한 보정 과정을 일반적으로 불균일성 보정(NUC;Non Uniformity Correction)이라고 부른다. 상술한 바와 같이, 주위(케이스) 온도의 변화는 케이스 벽의 방사에 대한 각 픽셀 감지기의 노출 차이에 따라 각 픽셀 감지기에 다른 영향을 미친다. 예를 들면, 초점면 어레이의 말단에 위치하여 케이스 벽에 더 가까운 픽셀은 중앙에 위치한(따라서 케이스 벽으로부터 더 멀리 위치한) 픽셀보다는 케이스의 온도 변화에 더 민감하다. 따라서 이러한 케이스 벽에 대한 노출의 차이를 해결하기 위해, 종래의 볼로미터 제조사나 사용자 자신은 주위(케이스) 온도 변화에 대한 각 픽셀 감지기의 응답성에 대한 선측정을 수행한다. 이러한 후자의 측정은 주위(케이스) 온도의 변화에 따른(한편으로, 배경 방사와 기판온도는 일정하게 유지되는 가운데) 각 픽셀 감지기의 판독값 변화(readout variation)를 보여 준다. 그 결과로 세 번째인 케이스 온도 매트릭스(case temperature matrix)가 작성된다. 실제로 초점면 어레이를 사용하는 동안에, 추가로 구성된 보상 회로가 케이스 온도를 실제 측정하고 주위(케이스) 온도의 변화에 기인한 영향을 보정하기 위해, 상기의 케이스 온도 매트릭스를 이용하여, 픽셀 수준에서 판독값에 대한 추가적인 보상을 한다. 초점면 어레이의 실제 사용 동안에 온도 보상을 위해 케이스 온도를 측정하는 경우 뿐만 아니라, 세 번째 매트릭스를 얻기 위해 상기의 테스트를 하는 동안에 케이스 온도를 측정하는 경우에도 케이스 외부에 부착된 온도 센서를 사용한다. 그러나 다수의 픽셀 감지기는 케이스 벽의 적외선 방사 변화에 영향을 받는 것이고, 방사는 케이스 벽의 온도 변화(케이스 외부에 부착된 온도 센서를 통해 측정됨)와는 간접적인 상관관계만 존재한다. 이러한 간접적 상관관계로 인해 보상회로를 통한 보상이 부정확하게 된다. 일부의 종래 기술을 보면 상기의 측정의 간접성을 해결하기 위해 상기의 온도 매트릭스(temperature matrix)를 방사 데이터 매트릭스(radiation data matrix)로 변환하는 수단을 회로 구성으로 채용하고 있다.