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KR101439081B1 - 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법 - Google Patents

적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법 Download PDF

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KR101439081B1
KR101439081B1 KR1020130020606A KR20130020606A KR101439081B1 KR 101439081 B1 KR101439081 B1 KR 101439081B1 KR 1020130020606 A KR1020130020606 A KR 1020130020606A KR 20130020606 A KR20130020606 A KR 20130020606A KR 101439081 B1 KR101439081 B1 KR 101439081B1
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김태현
김희연
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 메모리를 사용하지 않고 아날로그 회로단에서 자동으로 적외선 이미지 보정이 가능한 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법을 위하여, 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부; 일단이 상기 적외선 감지부의 타단에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항이 소정의 기준저항값을 가지도록, 상기 적외선 감지부에 줄열(Joule heat)을 인가할 수 있는, 셀프 히팅부; 상기 셀프 히팅부의 타단의 전압과 기준전압의 차이를 적분하여 적분된 값을 적외선 신호로 출력하는 적분기; 및 일단이 상기 적분기에 전기적으로 연결되고, 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 상기 적외선 감지부를 히팅 또는 냉각시키기 위하여 상기 적분기의 실시간 출력신호를 비교 및 제어할 수 있는, 피드백 제어부;를 포함하는, 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법을 제공한다.

Description

적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법{Circuits and methods of processing signal for acquisition of infrared image data}
본 발명은 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 적외선 영상데이터의 불균일도를 보정할 수 있는 신호처리 회로 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 적외선을 감지하기 위해서는 감지하고자 하는 적외선 파장영역에 따라서 다양한 방법들을 사용한다. 근적외선을 감지하기 위해서는 주로 광자형 적외선 감지소자를 사용한다. 광자형 적외선 감지소자는 반도체의 광기전 효과를 이용하여 흡수된 적외선에 의해 야기된 광자를 검출하는 것으로써 감도가 매우 좋으며, 응답속도가 빠른 장점을 갖고 있다. 그러나 최고의 감도에서 동작하기 위해서는 극저온의 냉각시스템을 필요로 하는 단점이 있다. 이에 반하여 중, 원적외선을 감지하는 감지소자의 경우는 대체로 적외선에 의하여 생성된 열을 감지할 수 있는 소자를 주로 사용하고 있다. 열을 감지하는 비냉각형 적외선 감지소자는 그 감지방식에 따라서 볼로미터형, 열전대형, 그리고 초전형으로 나뉠 수 있다.
특히, 볼로미터와 같은, 적외선 감지소자를 이용한 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법에서는 픽셀 및 회로의 불균일도를 보정하기 위하여 메모리를 이용하여 디지털 도메인에서 보정한다. 픽셀 및 회로에 기인한 불균일도를 메모리에 저장한 후, 이미지 신호 프로세서(ISP, Image Singal Processor)에서 오리지널 영상 신호와 메모리에 저장된 불균일도를 가감한 후에 데이터를 전송한다.
그러나 이러한 종래의 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법에서는 픽셀의 불균일도가 클 경우에 디지털 보상이 어려워지며 다이내믹 레인지(dynamic range)가 작아지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 이득(gain)을 키워 감도를 개선하고 다이내믹 레인지를 향상시키며, 메모리를 사용하지 않고 아날로그 회로단에서 자동으로 이미지 보정이 가능한 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로가 제공된다. 상기 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로는 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부; 일단이 상기 적외선 감지부의 타단에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항이 소정의 기준저항값을 가지도록, 상기 적외선 감지부에 줄열(Joule heat)을 인가할 수 있는, 셀프 히팅부; 상기 셀프 히팅부의 타단의 전압과 기준전압의 차이를 적분하여 적분된 값을 적외선 신호로 출력하는 적분기; 및 일단이 상기 적분기에 전기적으로 연결되고, 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 상기 적외선 감지부를 히팅 또는 냉각시키기 위하여 상기 적분기의 실시간 출력신호를 비교 및 제어할 수 있는, 피드백 제어부;를 포함한다.
상기 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에서, 상기 셀프 히팅부는 제1회로부를 포함하며, 상기 피드백 제어부는, 상기 제1회로부를 통하여 상기 적외선 감지부에 제1줄열을 인가하여 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 아날로그 방식으로 보정하며, 상기 제1회로부를 통하여 상기 적외선 감지부에 제1줄열을 인가할 수 있도록 함으로써, 적외선 영상데이터를 취득할 수 있다.
상기 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에서, 상기 셀프 히팅부는 서로 병렬로 연결된 제1회로부 및 제2회로부를 포함하며, 상기 피드백 제어부는, 상기 제1회로부를 통하여 상기 적외선 감지부에 제1줄열을 인가하여 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 아날로그 방식으로 보정하며, 상기 제2회로부를 통하여 상기 적외선 감지부에 제2줄열을 인가할 수 있도록 함으로써 적외선 영상데이터를 취득할 수 있다.
상기 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에서, 상기 적분기는 상기 셀프 히팅부의 타단과 전기적으로 연결되는 반전단자, 상기 기준전압이 인가되는 비반전단자, 및 상기 적외선 신호를 출력하는 출력단자를 갖는 증폭기; 상기 증폭기의 반전단자와 출력단자 사이에 연결되는 커패시터부; 및 상기 커패시터부와 병렬로 연결되는 저항부;를 포함할 수 있고, 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 아날로그 방식으로 보정하는 과정은 상기 적분기의 저항부에 의하여 이루어지며, 상기 적외선 감지부의 전기저항을 아날로그 방식으로 보정한 이후에 적외선 영상데이터를 취득하는 과정은 상기 적분기의 커패시터부를 통하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로가 제공된다. 상기 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로는, 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부를 복수개 갖는 적외선 감지부 어레이; 일단이 상기 적외선 감지부의 타단에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항이 소정의 기준저항값을 가지도록, 상기 적외선 감지부에 줄열을 인가할 수 있는, 셀프 히팅부를 복수개 갖는 셀프 히팅부 어레이; 상기 셀프 히팅부의 타단의 전압과 기준전압의 차이를 적분하여 적분된 값을 적외선 신호로 출력하는 적분기; 일단이 상기 적분기에 전기적으로 연결되고, 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 상기 적외선 감지부를 히팅 또는 냉각시키기 위하여 상기 적분기의 실시간 출력신호를 비교 및 제어할 수 있는, 피드백 제어부; 및 상기 적외선 감지부 어레이 중 적어도 하나의 적외선 감지부를 선택하는, 감지부 선택회로;를 포함할 수 있다.
상기 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에서 상기 감지부 선택회로는 상기 적외선 감지부 어레이 중에서 적어도 하나의 상기 적외선 감지부를 순차적으로 선택할 수 있고, 상기 셀프 히팅부는, 적외선을 흡수하기 전에 상기 순차적으로 선택된 적외선 감지부의 전기저항을 모두 균일하게 소정의 기준저항값으로 유지하도록, 상기 적외선 감지부에 줄열을 인가할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 방법이 제공된다. 상기 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 방법은 적외선 감지부 어레이 중에서 적어도 하나의 적외선 감지부를 순차적으로 선택하는 단계; 상기 순차적으로 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부의 전기저항에 전류를 흐르게 하여 셀프 히팅시킴으로써, 별도의 메모리장치를 이용하지 않고서도 모든 적외선 감지부가 균일한 소정의 기준저항값을 가지도록 아날로그 보정하는 단계; 및 상기 아날로그 보정된 적외선 감지부 어레이에 대하여 적외선 유무에 의한 반응을 감지하여 이에 대한 적외선 신호를 출력하여 적외선 영상데이터를 취득하는 단계;를 포함한다.
상기 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 방법에서, 상기 모든 적외선 감지부가 균일한 소정의 기준저항값을 가지도록 아날로그 보정하는 단계는, 상기 순차적으로 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부를 소정의 전기저항 범위 내에 도달할 때까지 히팅하여 조대보정(coarse trimming)하는 단계; 및 상기 순차적으로 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부를 소정의 기준저항값에 도달할 때까지 히팅하여 미세보정(fine trimming)하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 메모리를 사용하지 않고 아날로그 회로단에서 자동으로 적외선 이미지 보정이 가능할 뿐만 아니라, 이득(gain)을 키워 감도를 개선하고 다이내믹 레인지를 향상시킬 수 있는 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에 대한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에 대한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에 대한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 방법을 도해하는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 실시예를 설명하는 과정에서, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소 "(전기적으로) 연결"된다고 언급할 때는, 상기 다른 구성요소에 직접 (전기적으로) 연결되는 것을 의미할 수도 있으나, 나아가, 하나 또는 둘 이상의 개재하는 구성요소들이 그 사이에 존재할 수 있음을 의미할 수도 있다. 하지만, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "(전기적으로) 직접 연결"된다고 언급할 때는, 별도의 언급이 없다면 그 사이에 개재하는 구성요소들이 존재하지 않음을 의미한다.
본 실시예를 설명하는 과정에서, 줄열(Joule heat)이라 함은 저항체에 전류가 흐를 때 발생하는 열을 의미한다. 예를 들어, 저항체에 전류가 흐를 때에 발생하는 열량은 전류크기의 제곱과 저항크기의 곱에 비례할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에 대한 회로도이며, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에 대한 회로도이며, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에 대한 블록도이며, 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 방법을 도해하는 개념도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로(1)는 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부(10); 일단이 적외선 감지부(10)의 타단에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 적외선 감지부(10)의 전기저항이 소정의 기준저항값(예를 들어, 도 4의 R1)을 가지도록, 적외선 감지부(10)에 줄열(Joule heat)을 인가할 수 있는, 셀프 히팅부(20); 일단이 셀프 히팅부(20)의 타단에 전기적으로 연결되고, 타단이 제1기준전압(VREF1)에 전기적으로 연결되는, 기준저항부(30); 셀프 히팅부(20)의 타단의 전압과 제2기준전압(VREF2)의 차이를 적분하여 적분된 값을 적외선 신호로 출력하는 적분기(40); 및 일단이 적분기(40)에 전기적으로 연결되고, 적외선 감지부(10)의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값(예를 들어, 도 4의 R1)으로 유지하도록 적외선 감지부(10)를 히팅 또는 냉각시키기 위하여 적분기(40)의 실시간 출력신호를 비교 및 제어할 수 있는, 피드백 제어부(50);를 포함한다. 한편, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에서는, 기준저항부(30)를 전압부에 연결된 다른 회로구성요소로 대체할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로(1)에서, 적외선 감지부(10)는, 예를 들어, 마이크로 볼로미터로 구성될 수 있는데, 입사된 적외선을 흡수하여 변화된 감지 소자의 온도 변화에 따른 전기저항 변화를 이용하여 적외선을 감지할 수 있다. 즉, 볼로미터형 적외선 감지부(10)는 물체에서 방사되는 적외선을 흡수하여 열에너지로 바뀔 때 그로 인한 온도상승으로 전기저항이 변화하는 것을 이용하여 적외선을 검출할 수 있다.
온도의 변화를 감지하는 볼로미터용 저항체로는 산화물인 산화 바나듐(vanadium oxide), 산화 티타늄(titanium oxide) 등이 있으며, 금속으로는 티타늄, 플래티늄(platinum) 등과 같은 물질들이 있다. 현재 마이크로 볼로미터용 저항체의 재료로 통상적으로 사용되는 것은 산화 바나듐이다. 그 조성에 따라서 대표적인 것으로써 V2O5와 VO2가 존재하는데, 이 중에서 마이크로 볼로미터용 저항체로 많이 사용되는 재료는 VO2이다. 산화 바나듐은 도핑에 사용되는 금속재료의 성분 및 산소의 함유량에 따라서 매우 다양한 TCR(Temperature Coefficient of Resistance) 값을 나타내는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 산소량이 적절히 조절된 VO2가 저항체로 사용되었을 경우 TCR은 -2 ~ -4 %/K 정도를 나타낸다고 알려져 있다. 제조된 박막의 저항이 비교적 낮아 존슨(Johnson) 잡음이 거의 없으며, 주파수의 변화에 따른 잡음도 매우 낮다고 알려져 있다.
일반적으로 이러한 산화 바나듐을 제조하기 위해서는 스퍼터링법을 사용하는데, VO2의 경우는 조성을 정확하게 조절하기가 매우 어렵다고 알려져 있다. 이러한 산화 바나듐을 이용한 공정의 어려움을 극복하기 위하여 비정질 실리콘을 저항체로 이용하는 마이크로 볼로미터에 대한 연구도 상당히 많이 진행되고 있다. 그러나 일반적으로 비정질 실리콘의 경우는 산화 바나듐을 저항체로 이용한 경우보다 TCR 이 상대적으로 낮으며, 신호 재생시 잡음의 수준에 영향을 주는 저항값이 크게 나타나는 것으로 알려져 있다.
적외선 감지부(10)는 적외선을 흡수할 때 전기저항값이 감소하는 특성을 가질 수 있는데, 예를 들어, 적외선이 흡수되는 경우 흡수되는 적외선의 에너지에 의해 온도가 상승하고, 이 온도 변화에 의하여 전기저항값이 감소할 수 있다. 따라서, 감소되는 전기저항의 양은 흡수되는 적외선의 양에 따라 변하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 적외선 감지부(10)는 적외선을 감지할 수 있게 된다. 적외선 감지부(10)는 일단이 접지에 연결될 수 있고, 타단은 셀프 히팅부(20)의 일단에 연결된다. 물론, 회로의 구성에 따라서는 적외선 감지부(10)의 일단이 접지되지 않을 수도 있으며, 이는 통상의 기술자의 수준에서 충분히 변형가능하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 셀프 히팅부(20)는 제1회로부(22, 24)를 포함할 수 있다. 피드백 제어부(50)는, 제1회로부(22, 24)를 통하여 적외선 감지부(10)에 제1줄열을 인가하여 적외선을 흡수하기 전에 적외선 감지부(10)의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값(예를 들어, 도 4의 R1)으로 유지하도록 아날로그 방식으로 보정한 이후에, 실제 적외선 신호를 읽기 위하여 다시 제1회로부(22, 24)를 통하여 적외선 감지부(10)에 제1줄열을 인가할 수 있도록 함으로써 적외선 영상데이터를 취득할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 셀프 히팅부(20)는 서로 병렬로 연결된 제1회로부(22, 24) 및 제2회로부(26, 28)를 포함할 수 있다. 피드백 제어부(50)는, 제1회로부(22, 24)를 통하여 적외선 감지부(10)에 제1줄열을 인가하여 적외선을 흡수하기 전에 적외선 감지부(10)의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값(예를 들어, 도 4의 R1)으로 유지하도록 아날로그 방식으로 보정한 이후에, 실제 적외선 신호를 읽는데 사용되는 회로부인 제2회로부(26, 28)를 통하여 적외선 감지부(10)에 제2줄열을 인가할 수 있도록 함으로써 적외선 영상데이터를 취득할 수 있다. 여기에서 상기 제2줄열은 상기 제1줄열보다 더 작은 값을 가질 수 있으나, 다른 변형된 실시예에서 상기 제1줄열은 상기 제2줄열과 동일한 값을 가질 수 있다.
한편, 적분기(40)는 셀프 히팅부(20)의 타단과 전기적으로 연결되는 반전단자, 제2기준전압(VREF2)이 인가되는 비반전단자, 및 상기 적외선 신호를 출력하는 출력단자를 갖는 증폭기(42); 증폭기(42)의 반전단자와 출력단자 사이에 연결되는 커패시터부(48); 및 커패시터부(48)와 병렬로 연결되는 저항부(46);를 포함할 수 있다. 커패시터부(48)의 앞단에는 단락을 조절하는 스위치부(47)가 구성될 수 있으며, 저항부(46)의 앞단에도 단락을 조절하는 스위치부(44)가 구성될 수 있다.
적분기(40)의 동작을 살펴보면, 적외선 감지부(10)의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값(예를 들어, 도 4의 R1)으로 유지하도록 아날로그 방식으로 보정하는 과정은 적분기(40)의 저항부(46)에 의하여 이루어질 수 있으며, 적외선 감지부(10)의 전기저항을 아날로그 방식으로 보정한 이후에 적외선 영상데이터를 취득하는 과정은 적분기(40)의 커패시터부(48)를 통하여 이루어질 수 있다.
피드백 제어부(50)는, 피드백 비교기(52) 및/또는 오실레이터 제어부(54)를 포함할 수 있다. 피드백 비교기(52)는 적외선을 흡수하기 전에 적외선 감지부(10)의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값(예를 들어, 도 4의 R1)으로 유지하도록 적외선 감지부(10)를 히팅 또는 냉각시키기 위하여 적분기(40)의 실시간 출력신호를 비교할 수 있다. 오실레이터 제어부(54)는 도 3을 참조하여 후술할 아날로그 보정 중에서 미세보정(fine trimming)을 수행하기 위하여 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에 대한 블록도를 도시한다. 도 3의 신호처리 회로는 복수의 적외선 감지부를 포함하여 복수의 적외선 신호를 출력함으로써, 적외선 영상을 획득할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로는, 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부(10)를 복수개 갖는 적외선 감지부 어레이(310); 일단이 적외선 감지부(10)의 타단에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 적외선 감지부(10)의 전기저항이 소정의 기준저항값(예를 들어, 도 4의 R1)을 가지도록, 적외선 감지부(10)에 줄열을 인가할 수 있는, 셀프 히팅부(20)를 복수개 갖는 셀프 히팅부 어레이(320); 일단이 셀프 히팅부(20)의 타단에 전기적으로 연결되고, 타단이 제1기준전압(VREF1)에 전기적으로 연결되는, 기준저항부(30)를 복수개 갖는 기준저항부 어레이(330); 셀프 히팅부(20)의 타단의 전압과 제2기준전압(VREF2)의 차이를 적분하여 적분된 값을 적외선 신호로 출력하는 적분기(340); 일단이 적분기(340)에 전기적으로 연결되고, 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값(예를 들어, 도 4의 R1)으로 유지하도록 적외선 감지부(10)를 히팅 또는 냉각시키기 위하여 적분기(340)의 실시간 출력신호를 비교 및 제어할 수 있는, 피드백 제어부(350); 및 적외선 감지부 어레이(310) 중 적어도 하나의 적외선 감지부를 선택하는, 감지부 선택회로(360);를 포함한다.
적외선 감지부 어레이(310)는, 예를 들어, 도 1 또는 도 2의 적외선 감지부(10)와 동일 또는 유사한 적외선 감지부를 복수개 가지며, 복수의 적외선 감지부는 소정의 배열방식에 따라 배열되며, 바람직하게는 M개의 행과 N열의 열을 갖는 매트릭스 배열을 가질 수 있으며, 이 경우, 상기 복수의 적외선 감지부 각각은 적외선 영상의 각 화소 또는 픽셀에 대응한다.
셀프 히팅부 어레이(320)는, 예를 들어, 도 1 또는 도 2의 셀프 히팅부(20)와 동일 또는 유사한 셀프 히팅부를 복수개 가지며, 상기 복수의 셀프 히팅부는 소정의 배열방식에 따라 배열된다. 한편, 셀프 히팅부 어레이(320)에 포함된 복수의 셀프 히팅부의 개수는 전체 신호 처리회로의 크기를 고려하여, 예를 들어, 적외선 감지부 어레이(310)의 행의 개수와 같거나, 또는 적외선 감지부 어레이(310)의 열의 개수와 같을 수 있다.
기준저항부 어레이(330)는, 예를 들어, 도 1 또는 도 2의 기준저항부(30)와 동일 또는 유사한 기준저항부를 복수개 가지며, 상기 복수의 적외선 감지부는 소정의 배열방식에 따라 배열된다. 한편, 기준저항부 어레이(330)에 포함된 기준저항부의 개수는 전체 신호 처리회로의 크기를 고려하여, 예를 들어, 적외선 감지부 어레이(310)의 행의 개수와 같거나, 또는 적외선 감지부 어레이(310)의 열의 개수와 같을 수 있다. 한편, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로에서는, 기준저항부 어레이(330)는 전압부에 연결된 다른 회로구성요소를 복수개 갖는 어레이로 대체할 수도 있다.
적외선 신호 출력부(340)는 예를 들어, 도 1 또는 도 2의 적분기(40)와 동일 또는 유사한 적분기를 복수개 가지며, 상기 복수의 적분기는 소정의 배열방식에 따라 배열된다. 한편, 적외선 신호 출력부(340)에 포함된 적분기의 개수는 전체 신호 처리회로의 크기를 고려하여 적외선 감지부 어레이(310)의 행의 개수와 같거나, 또는 적외선 감지부 어레이(310)의 열의 개수와 같을 수 있다. 또는, 적분기(40)의 개수는 셀프 히팅부 어레이(320)에 포함된 셀프 히팅부의 개수와 같을 수 있다.
피드백 제어부(350)는 예를 들어, 도 1 또는 도 2의 피드백 제어부(50)와 동일 또는 유사한 피드백 제어부를 복수개 가지며, 상기 복수의 피드백 제어부는 소정의 배열방식에 따라 배열된다. 한편, 상기 복수의 피드백 제어부의 개수는 전체 신호 처리회로의 크기를 고려하여 적외선 감지부 어레이(310)의 행의 개수와 같거나, 또는 적외선 감지부 어레이(310)의 열의 개수와 같을 수 있다.
이와 같은 적외선 감지부 어레이(310), 셀프 히팅부 어레이(320), 기준저항부 어레이(330), 적외선 신호 출력부(340) 및 피드백 제어부(350)는 감지부 선택회로(360)가 적외선 감지부 어레이(310)에서 하나의 적외선 감지부를 선택함에 따라, 선택된 적외선 감지부와, 이와 대응되는 기준저항부, 대응되는 적외선 신호 출력부 및 대응되는 피드백 제어부와 연결되어 도 1 또는 도 2와 같은 연결 구조를 갖는 회로가 형성된다.
이러한 적외선 감지부 어레이(310)의 복수의 적외선 감지부는 각각의 어드레스를 가지며, 감지부 선택회로(360)는 복수의 적외선 감지부 중 선택되는 적외선 감지부의 어드레스를 입력받아 해당 적외선 감지부를 선택하게 된다. 상기 복수의 적외선 감지부가 매트릭스 배열을 가지는 경우, 상기 복수의 적외선 감지부 각각의 어드레스는 행의 어드레스와 열의 어드레스의 조합으로 이루어질 수 있다. 이 때, 감지부 선택회로(360)는 행의 어드레스를 선택하는 행 디코더와 열의 어드레스를 선택하는 열 디코더를 포함하고, 상기 행 디코더에서 적외선 감지부 어레이(310)의 행을 선택하고, 상기 열 디코더에서 적외선 감지부 어레이(310)의 열을 선택함으로써, 해당 적외선 감지부를 선택할 수 있다.
또한, 감지부 선택회로(360)는 적외선 감지부 어레이(310)의 복수의 적외선 감지부를 순차적으로 선택할 수 있으며, 적외선 신호 출력부(340)가 상기 복수의 적외선 감지부에 대한 적외선 신호를 순차적으로 출력한다. 이에 따라, 적외선 감지부 어레이(310)에 포함된 모든 적외선 감지부로부터의 적외선 신호가 출력될 수 있으며, 이를 이용하여 적외선 영상을 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 방법을 도해하는 개념도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 방법은, 적외선 감지부 어레이(310) 중에서 적어도 하나의 적외선 감지부(110a, 110b)를 순차적으로 선택하는 제1단계; 상기 순차적으로 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부(110a, 110b)의 전기저항체에 전류를 흐르게 하여 셀프 히팅시킴으로써, 별도의 메모리장치를 이용하지 않고서도 모든 적외선 감지부가 균일한 소정의 기준저항값(예를 들어, 도 4의 R1)을 가지도록 아날로그 보정하는 제2단계(도 4에서 시간 t1내지t3의 단계); 및 상기 아날로그 보정된 적외선 감지부 어레이에 대하여 적외선 유무에 의한 반응을 감지하여 이에 대한 적외선 신호를 출력하여 적외선 영상데이터를 취득하는 제3단계(도 4에서 시간 t3내지t4의 단계);를 포함한다.
특히, 상기 모든 적외선 감지부가 균일한 소정의 기준저항값(R1)을 가지도록 아날로그 보정하는 제2단계(도 4에서 시간 t1내지t3의 단계)는, 도 1 또는 도 2에 도시된 셀프 히팅부(20)의 제1회로부(22, 24)를 통하여, 상기 제1단계에서 상기 순차적으로 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부(110a, 110b)를 소정의 전기저항 범위 내에 도달할 때까지 제1줄열만큼 히팅하여 조대보정(coarse trimming)하는 단계(도 4에서 시간 t1내지t2의 단계); 및 도 1 또는 도 2에 도시된 셀프 히팅부(20)의 제1회로부(22, 24)를 통하여, 상기 순차적으로 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부(110a, 110b)를 소정의 기준저항값(R1)에 도달할 때까지 제2줄열만큼 히팅하여 미세보정(fine trimming)하는 단계(도 4에서 시간 t2내지t3의 단계);를 포함할 수 있다. 여기에서 상기 제2줄열은 상기 제1줄열보다 더 작은 값을 가질 수 있다. 또는, 상기 제1줄열과 상기 제2줄열은 동일한 값을 가질 수 있다. 미세보정하는 단계를 효율적으로 수행하기 위해서 피드백 제어부(50)는 오실레이터 제어부(54)를 포함할 수 있다. 상술한 조대보정과 미세보정 과정에서 전기저항이 낮아지는 경우는 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부(110a, 110b)를 상대적으로 히팅함으로써 구현되며, 상술한 조대보정과 미세보정 과정에서 전기저항이 높아지는 경우는 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부(110a, 110b)를 상대적으로 냉각함으로써 구현될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 방법에서는, 예시적으로, 모든 적외선 감지부가 균일한 소정의 기준저항값(R1)을 가지도록 아날로그 보정하는 상기 제2단계가 조대보정과 미세보정의 두 단계로 구성되는 경우를 설명하였으나, 아날로그 보정하는 단계를 구성하는 서브단계의 횟수는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 모든 적외선 감지부가 균일한 소정의 기준저항값(R1)을 가지도록 아날로그 보정하는 제2단계는 제1회로부(22, 24)를 통하여 한 번의 보정단계로 구성될 수도 있으며, 또는 세 번 이상의 다단의 보정단계로 구성될 수도 있다.
한편, 상기 아날로그 보정된 적외선 감지부 어레이에 대하여 적외선 유무에 의한 반응을 감지하여 이에 대한 적외선 신호를 출력하여 적외선 영상데이터를 취득하는 제3단계(도 4에서 시간 t3내지t4의 단계)는, 도 1에 도시된 셀프 히팅부(20)의 제1회로부(22, 24)를 통하여 적외선 감지부(10)에 제1줄열을 인가함으로써, 적외선 영상데이터를 취득할 수 있는 단계를 포함하거나 도 2에 도시된 셀프 히팅부(20)의 제2회로부(26, 28)를 통하여 적외선 감지부(10)에 제2줄열을 인가함으로써, 적외선 영상데이터를 취득할 수 있는 단계를 포함할 수 있다.
여기에서 적외선 영상 데이터의 취득은 적분기(40)의 커패시터부(46)를 통해서 이루어지며, 보정 기간 동안에서 적분기(40)의 저항부(46)의 저항을 통해 모니터링할 수 있다. 적외선 감지부(10)의 저항을 보정하는 과정에서 저항부(46)를 통하여 출력 신호를 읽을지 또는 커패시터부(48)를 통하여 출력 신호를 읽을지를 결정하기 위해서는 저항부(46)와 커패시터부(48)의 앞단에 각각 스위치(44, 46)가 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법에 의하면, 마이크로 볼로미터에 셀프 히팅부를 부가함으로써 모든 픽셀의 저항을 균일하게 유지시킨 상태에서 적외선에 의한 반응을 감지하는 회로 및 방법을 구현하고자 한다.
예를 들어, 마이크로 볼로미터 센서가 동작할 때 행 어드레스(row address)로 순차적으로 데이터를 취득하게 되는데, 행 어드레스가 선택되었을 때, 적외선 신호 출력을 보고 원하는 저항 범위에 도달할 때까지 히팅을 시킨다(coarse trimming). 픽셀마다 저항이 달라 원하는 저항 범위에 도달하는데 걸리는 시간이 모두 다르므로, 모든 저항이 원하는 범위까지 도달할 때까지 기다린 후, 그 후에 미세 보정을 하게 된다. 이렇게 보정된 상태에서 적외선에 의한 반응을 감지하여 출력 신호로 보내진다. 물론, 제품군에 따라서는, 상기 행 어드레스가 선택되기 이전 단계에서 상술한 보정 작업이 이루어질 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법에 의하면, 볼로미터의 불균일도를 보정하기 위하여 센서부 출력을 받아 비교기와 비교하여 메모리에 저장시킨 후에 센서 동작 시 적분시간을 각각 조절하여 불균일도를 보정하는 것이 아니라, 센서 출력을 받아 비교기 제어를 통해 불균일도를 보정하되, 센서 출력을 받아 픽셀에 인가되는 전압 또는 전류를 제어함으로써 셀프 히팅되는 양을 조절하여 불균일도를 보정할 수 있다. 이러한 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법에 의하면, 마이크로 볼로미터의 불균일도를 용이하게 개선할 수 있으며 나아가 다이내믹 레인지(dynamic range)의 현저한 개선도 가능하다. 그리고 메모리가 필요없이 아날로그 회로부에서 자동적으로 보정이 이루어지기 때문에 테스트 비용 및 메모리 비용도 줄어들 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로 및 방법이 최적화되는 경우, 열전냉각소자(TEC, Thermo-Electric Cooler)나 셔터(shutter)를 사용하지 않고 적외선 영상데이터를 취득할 수도 있다. 이는 센서의 온도를 감지하고 온도가 변화할 때마다 보정을 진행하지 않아도 적외선 영상데이타를 취득할 수 있으며, 동작할 때마다 보정작업이 이루어지기 때문이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 적외선 감지부
20 : 셀프 히팅부
30 : 기준저항부
40 : 적분기
50 : 피드백 제어부

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부;
    일단이 상기 적외선 감지부의 타단에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항이 소정의 기준저항값을 가지도록, 상기 적외선 감지부에 줄열(Joule heat)을 인가할 수 있는, 셀프 히팅부;
    상기 셀프 히팅부의 타단의 전압과 기준전압의 차이를 적분하여 적분된 값을 적외선 신호로 출력하는 적분기; 및
    일단이 상기 적분기에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 상기 적외선 감지부를 히팅 또는 냉각시키기 위하여 상기 적분기의 실시간 출력신호를 비교 및 제어할 수 있는, 피드백 제어부;를 포함하고,
    상기 셀프 히팅부는 제1회로부를 포함하며,
    상기 피드백 제어부는, 상기 제1회로부를 통하여 상기 적외선 감지부에 제1줄열을 인가하여 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 아날로그 방식으로 보정하며, 상기 제1회로부를 통하여 상기 적외선 감지부에 제1줄열을 인가할 수 있도록 함으로써, 적외선 영상데이터를 취득할 수 있는, 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로.
  3. 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부;
    일단이 상기 적외선 감지부의 타단에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항이 소정의 기준저항값을 가지도록, 상기 적외선 감지부에 줄열(Joule heat)을 인가할 수 있는, 셀프 히팅부;
    상기 셀프 히팅부의 타단의 전압과 기준전압의 차이를 적분하여 적분된 값을 적외선 신호로 출력하는 적분기; 및
    일단이 상기 적분기에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 상기 적외선 감지부를 히팅 또는 냉각시키기 위하여 상기 적분기의 실시간 출력신호를 비교 및 제어할 수 있는, 피드백 제어부;를 포함하고,
    상기 셀프 히팅부는 서로 병렬로 연결된 제1회로부 및 제2회로부를 포함하며,
    상기 피드백 제어부는, 상기 제1회로부를 통하여 상기 적외선 감지부에 제1줄열을 인가하여 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 아날로그 방식으로 보정하며, 상기 제2회로부를 통하여 상기 적외선 감지부에 제2줄열을 인가할 수 있도록 함으로써, 적외선 영상데이터를 취득할 수 있는, 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 적분기는 상기 셀프 히팅부의 타단과 전기적으로 연결되는 반전단자, 상기 기준전압이 인가되는 비반전단자, 및 상기 적외선 신호를 출력하는 출력단자를 갖는 증폭기; 상기 증폭기의 반전단자와 출력단자 사이에 연결되는 커패시터부; 및 상기 커패시터부와 병렬로 연결되는 저항부;를 포함하고,
    상기 적외선 감지부의 전기저항을 적외선을 흡수하기 전에 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 아날로그 방식으로 보정하는 과정은 상기 저항부에 의하여 이루어지며,
    상기 적외선 감지부의 전기저항을 아날로그 방식으로 보정한 이후에 적외선 영상데이터를 취득하는 과정은 상기 적분기의 커패시터부를 통하여 이루어지는, 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로.
  5. 삭제
  6. 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부를 복수개 갖는 적외선 감지부 어레이;
    일단이 상기 적외선 감지부의 타단에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항이 소정의 기준저항값을 가지도록, 상기 적외선 감지부에 줄열을 인가할 수 있는, 셀프 히팅부를 복수개 갖는 셀프 히팅부 어레이;
    상기 셀프 히팅부의 타단의 전압과 기준전압의 차이를 적분하여 적분된 값을 적외선 신호로 출력하는 적분기;
    일단이 상기 적분기에 전기적으로 연결되고, 적외선을 흡수하기 전에 상기 적외선 감지부의 전기저항을 상기 소정의 기준저항값으로 유지하도록 상기 적외선 감지부를 히팅 또는 냉각시키기 위하여 상기 적분기의 실시간 출력신호를 비교 및 제어할 수 있는, 피드백 제어부; 및
    상기 적외선 감지부 어레이 중 적어도 하나의 적외선 감지부를 선택하는, 감지부 선택회로;를 포함하고,
    상기 감지부 선택회로는 상기 적외선 감지부 어레이 중에서 적어도 하나의 상기 적외선 감지부를 순차적으로 선택하고,
    상기 셀프 히팅부는, 적외선을 흡수하기 전에 상기 순차적으로 선택된 적외선 감지부의 전기저항을 모두 균일하게 소정의 기준저항값으로 유지하도록, 상기 적외선 감지부에 줄열을 인가할 수 있는, 적외선 영상데이터 취득용 신호처리 회로.
  7. 적외선 감지부 어레이 중에서 적어도 하나의 적외선 감지부를 순차적으로 선택하는 단계;
    상기 순차적으로 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부의 전기저항체에 전류를 흐르게 하여 셀프 히팅시킴으로써, 별도의 메모리장치를 이용하지 않고서도 모든 적외선 감지부가 균일한 소정의 기준저항값을 가지도록 아날로그 보정하는 단계; 및
    상기 아날로그 보정된 적외선 감지부 어레이에 대하여 적외선 유무에 의한 반응을 감지하여 이에 대한 적외선 신호를 출력하여 적외선 영상데이터를 취득하는 단계;를 포함하는, 적외선 영상데이터 취득용 신호처리방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모든 적외선 감지부가 균일한 소정의 기준저항값을 가지도록 아날로그 보정하는 단계는,
    상기 순차적으로 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부를 소정의 전기저항 범위 내에 도달할 때까지 히팅하여 조대보정(coarse trimming)하는 단계; 및
    상기 순차적으로 선택된 적어도 하나의 적외선 감지부를 소정의 기준저항값에 도달할 때까지 히팅하여 미세보정(fine trimming)하는 단계;를 포함하는, 적외선 영상데이터 취득용 신호처리방법.
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