볼로미터 타입 시스템에서의 불균일도를 결정하는 방법 및시스템 document_id A220623054053

볼로미터는 일반적으로 적외선 대역에서의 약한 광 방사(light radiation)를 감지하기 위해 널리 사용되고 있다. 종래의 경우에 있어서, 볼로미터는 다수의 개별 감지 소자(이하 픽셀, 픽셀 감지기(pixel detector)로도 명명함)로 구성되는 초점면 어레이(focal plan array)의 형태로 공급된다. 볼로미터 타입 센서의 가장 큰 장점은, 특히 극저온으로 냉각을 요구하지 않으므로, 경량이고 소비전력이 작다는 점이다. 게다가 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, 상기 언급한 온도 변화에 대하여 각각의 볼로미터에 대한 온도 보상을 해 줄 별개의 수단을 필요로 한다. 초점면 어레이를 수용하고 있는 케이스(case)가 적외선 열속의 약 80%를 담당한다. 따라서 케이스의 온도(또는 방사)를 측정하는 것이 매우 중요하다. 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. 볼로미터 감지기를 작동시키기 위해서는 볼로미터의 액티브 저항(active resistor;배경에 노출된 저항을 말함)를 4°로 가열할 필요가 있음을 주목해야 한다. 볼로미터의 액티브 저항을 가열하는 것보다 적어도 40승(order) 적은 범위에서의 감도(sensitivity)와 분해능(resolution)을 확보하기 위해서는 일반적으로 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 특별한 보상 회로(compensation circuitry)를 필요로 한다. 보다 구체적으로 말하자면, 감지기의 불균일성(non-uniformity)(즉, 감지기들의 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 사실로부터 발생한다. 초점면 어레이 픽셀 감지기의 불균일성을 해결하기 위해, 제조사나 사용자들 자신이 각 픽셀 감지기의 오프셋, 게인에 대한 선측정(pre-measurement)을 수행하는 것이 일반적이다. 선측정은 주위(케이스)와 기판의 온도를 미리 정한 온도 하에 일정하게 유지한 채로 수행된다. 그 측정값은 두 개의 매트릭스(참조 테이블) 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 균질한 상이 초점면 어레이에 도입될 때 마다 정기적으로(예를 들자면 매 2, 3분 마다) 재작성됨을 주목해야 한다. 균질한 상이 도입되는 전형적인 예로서 셔터가 닫히고 초점면 어레이가 배경 방사로부터 차단되는 때를 들 수 있다. 이와 달리, 종래 기술상 일부 경우에 있어서는 초점면 어레이 전면에서 광학적으로 초점을 완전히 흩뜨리는 본질적인 방법으로 균질한 상을 도입하기도 한다. 셔터가 닫힌 동안에는(또는 초점이 흩뜨려진 동안에는) 초점면 어레이를 사용할 수 없다. 이 동안에 오프셋 매트릭스가 재작성된다. 이러한 교정(calibration) 과정을 일반적으로 불균일성 보정(NUC;Non-Uniformity Correction)이라고 부른다. 예를 들자면, 매 2, 3분 마다 일어나는 이러한 교정 과정에 수 초의 시간이 소요된다는 점을 주목해야 한다. 본 명세서에서의 “셔터의 닫힘”이 언급될 때마다, 이는 셔터의 닫힘, 초점 흩뜨림 등에 의해 초점면 어레이에 균질한 상을 형성하는 모든 행위를 의미함을 주목해야 한다. 상기 언급한 대로, 셔터가 닫힌 동안에 초점면 어레이 감지기 각각의 오프셋을 재교정(recalibration)할 필요가 있기 때문에 이러한 재교정 과정 동안에는 초점면 어레이의 어떠한 적극적 사용도 가능하지 않다. 재교정을 위해 할애되는 이러한 불용시간(lost time)이 심각한 문제가 될 수도 있다. 그러나, 종래 기술상으로는 불균일도(rate of non-uniformity)의 심화(degradation)를 결정할 수단이 고안되어 있지 않는 바, 불균일화가 심각한 상태에서의 작동을 예방하기 위해 사용자에게 상대적으로 자주 그리고 정기적으로(언급한 바와 같이 예를 들자면 매 2, 3분 마다) 교정을 하도록 요구하고 있다. 대부분의 경우에 있어서, 이러한 빈번한 교정은 예방적인 경고의 목적으로만 제안될 수준이다.