KR101167260B1 - 비냉각 마이크로 볼로미터 검출기를 사용하는 방사 측정 - Google Patents

Abstract

적외선 촬상 카메라는 외부의 장면으로부터의 적외선 에너지를 수집하기 위한 집속광학계와, 적외선 에너지를 검출하도록 배치된 비냉각 비차폐 검출기를 포함한다. 카메라의 온도 응답의 근사와 함께 내부 온도를 감지함으로써 검출기에서 받은 적외선 에너지가 카메라의 시야 내의 대상을 위한 온도측정으로서 사용하는 것을 가능하게 하는 시간변동교정을 부여한다.

적외선 카메라, 집속광학계, 비냉각, 비차폐, 온도측정

Description

비냉각 마이크로 볼로미터 검출기를 사용하는 방사 측정{RADIOMETRY USING AN UNCOOLED MICROBOLOMETER DETECTOR}

본 실시형태는 비냉각 마이크로 볼로미터 검출기를 사용하는 방사 측정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이전의 보다 많은 전력 소비 및 보다 복잡한 진공 패키지를 개선하는 것으로서, 처음 실현 가능했던 영역에 그 유용한 적용 범위를 넓히도록, 비냉각 마이크로 볼로미터에 의해 보다 정확한 결과를 얻는 것에 관한 것이지만, 그것에 한정되는 것은 아니다. 적외선(IR) 검출기는 물체로부터 방사되는 IR 방사를 검출하는 것으로서, 많은 공업 및 의료 용도로 온도의 비접촉 측정에 사용된다. 이것들의 용도는 전자 부품의 응력 시험, 사람의 체온의 측정, 장거리 및 야간 감시 시스템을 포함하는 감시 시스템, 화재탐지, 및 휴대 암시 장치를 포함한다.

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.

본 발명의 제1 실시예에서는 적외선 촬상 카메라로서,

적외선 에너지를 검출하도록 구성된 비냉각 및 비차폐 검출기와,

외부의 장면에 유래하지 않는 에너지를 무시하고, 그것에 의해 상기 검출기의 에너지를 온도로서 독출할 수 있도록, 상기 비냉각 센서로 검출된 에너지를 보정하기 위해 사용할 수 있는 적어도 1회의 교정온도측정을 상기 카메라에 대하여 행함으로써 주기적 교정동작을 실행하는 교정기를 구비한 적외선 촬상 카메라를 제공한다.

바람직하게는 상기 보정은 상기 교정온도측정으로부터 얻어지는 온도를 초기 오프셋으로서 사용하고, 상기 외부 장면으로부터 수집된 상기 적외선 에너지의 온도측정값을 보정하는 것을 포함한다.

바람직하게는 상기 보정은 상기 초기 측정으로부터의 값을 두번째의 교정온도측정으로부터 얻은 제2 값과 조합시킴으로써 달성되고, 상기 조합은 시간의존함수를 사용하고, 상기 교정온도측정 후의 시점들에 대해 상기 보정의 외삽값을 생성한다.

바람직하게는 상기 시간의존함수는 가장 최근의 교정온도측정으로부터의 수학적 외삽함수를 포함한다.

카메라는 상기 카메라의 셔터의 온도측정값의 함수인 초기 오프셋을 사용하여, 상기 보정을 행하도록 구성할 수 있다.

카메라는 상기 카메라의 케이스의 온도측정값의 함수인 초기 오프셋을 사용하여, 상기 보정을 행하도록 구성할 수 있다.

카메라는 제1 기간의 카메라 열시정수를 가질 수 있고, 상기 제1 기간 중에 복수회의 상기 교정온도측정을 행할 수 있다.

바람직하게는 상기 복수란 10회 이하이다.

바람직하게는 제1 서미스터는 상기 카메라의 셔터 상에 배치되고, 제2 서미스터는 상기 카메라의 검출기의 진공 패키징의 외면에 배치되고, 제3 서미스터는 상기 카메라의 광학계를 포위하는 케이싱에 배치되고, 상기 교정온도측정은 상기 서미스터의 각각으로부터 판독할 수 있는 것을 포함한다.

바람직하게는 상기 셔터는 시트를 포함한다.

바람직하게는 시트는 상기 검출기에 의해 사용되는 스펙트럼 주파수 범위 내에서, 실질적으로 1에 가까운 방사율을 가진다.

바람직하게는 상기 비냉각 센서는 상기 셔터로부터의 방사를 측정함으로써 상기 교정온도측정을 행하도록 구성된다.

바람직하게는 상기 셔터는 상기 검출기에 의해 사용되는 스펙트럼 주파수 범위 내에서, 실질적으로 1에 가까운 반사율을 가지는 시트를 포함한다.

바람직하게는 상기 비냉각 센서는 상기 셔터로부터 반사되는 방사를 측정함으로써 상기 교정온도측정을 행하도록 구성되고, 상기 방사는 상기 비냉각 센서의 온도를 나타낸다.

바람직하게는 상기 셔터는 상기 카메라의 집속광학계를 불명료화하는(obscuring) 제1의 안정적인 기계적 위치와, 상기 집속광학계와 상기 검출기 사이의 자유 시선을 가능하게 하는 제2의 안정적인 기계적 위치를 가지도록 장착된다.

바람직하게는 상기 비냉각 검출기는 마이크로 볼로미터 어레이를 포함한다.

바람직하게는 상기 검출기는 내부 기준 유닛의 영상신호로부터 교정온도측정값을 얻도록 구성된다.

상기 외부 장면의 상기 적외선 에너지로부터의 상기 비냉각 센서에서의 온도측정은 높은 공간 주파수에 대하여 상기 카메라의 변조전달함수에 의해 도입되는 오차를 받게 되어 있고, 상기 비냉각 검출기는 그 변조전달함수의 역함수를 조합함으로써 상기 오차를 극복하도록 장비되는 것이 바람직하다.

카메라는 카메라의 열시정수 미만의 시간 간격으로 상기 교정온도측정을 행하도록 작동할 수 있다.

바람직하게는 상기 검출기는 마이크로 볼로미터 어레이를 포함하고, 상기 카메라는 또한 상기 어레이를 위한 불균일 보정행렬을 얻는 것과 동시에 상기 교정온도측정을 얻도록 구성된다.

카메라는 상기 어레이의 모든 화소에 동일 신호를 온도로 변환하는 함수를 사용하도록 구성할 수 있다.

바람직하게는 상기 카메라의 셔터를 측정에 사용하고, 상기 어레이의 불량화소 치환을 가능하게 한다.

본 발명의 제2 실시예에서는 국소적 카메라 온도를 따라 방사계의 응답을 보정하기 위한 온도보정장치로서,

상기 방사계가 IR 센서의 시야(FOV)에 입사하는 IR 방사선을 따라 온도화상을 형성하기 위해 화상응답을 제공하기 위한 비차폐 비냉각 적외(IR) 센서와,

내부 온도기준 유닛용의 측정면을 형성하는 내면을 가지는 셔터로서,

상기 FOV를 제어 가능하게 불명료화하기 위한 셔터를 포함하고,

상기 온도보정장치가

상기 측정면을 사용하여 기준온도를 결정하기 위한 온도센서와,

국소적 카메라 기준응답 및 상기 기준온도를 사용하여, 상기 국소적 온도의 온도 드리프트의 일시적 작용을 근사화하기 위한 레퍼런서와,

상기 온도센서 및 상기 레퍼런서에 관련되어 상기 근사화된 일시적 작용을 따라 상기 화상의 보정을 생성하도록 구성된 신호보정장치를 포함하여 이루어지는 온도보정장치를 제공한다.

바람직하게는 상기 기준온도 및 상기 기준응답은 상기 셔터에 의한 상기 FOV의 불명료화 중에 결정된다.

바람직하게는 상기 IR 센서는 마이크로 볼로미터를 포함한다.

바람직하게는 상기 IR 센서는 마이크로 볼로미터의 어레이를 포함한다.

바람직하게는 상기 근사화는 이전의 측정 데이터에 기초한 수학적 함수 근사화이다. 바람직하게는 상기 근사화는 두 개 또는 그 이상의 연속적 온도측정의 외삽이다.

바람직하게는 상기 IR 센서 어레이는 2차원 화상을 제공하도록 작동 가능하다.

바람직하게는 상기 신호보정장치는 또한 상기 측정면을 사용하여 불균일성 보정(NUC)을 실행하도록 작동 가능하다.

이 장치는 복수의 화소를 가지는 어레이를 포함할 수 있고, 상기 어레이는 상기 어레이의 각 화소에서 동일한 신호를 온도로 변환하는 함수를 사용하여 온도를 얻도록 구성된다.

바람직하게는 상기 신호보정장치는 또한 상기 측정면을 사용하여 불량화소 치환(BPR)을 실행하도록 작동 가능하다.

바람직하게는 상기 측정면은 관심이 있는 IR 스펙트럼 주파수 범위에 대하여 실질적으로 흑체이다.

바람직하게는 상기 온도센서는 상기 측정면에 관하여 그 온도를 측정하도록 구성된다.

바람직하게는 상기 온도센서는 상기 측정면에 의해 방출되는 방사를 측정하도록 작동 가능하다.

바람직하게는 상기 측정면은 관심이 있는 IR 주파수 범위에 대하여 실질적으로 반사면이다.

바람직하게는 상기 온도센서는 상기 측정면에 관하여 그 온도를 측정하도록 구성되고, 상기 온도는 상기 장치의 온도이다.

바람직하게는 상기 신호보정장치는 서브 센서 레벨과 각각의 기준 레벨 사이의 차를 산출하고, 상기 차이에 상기 기준온도를 가산하도록 작동 가능하다.

온도보정장치는 수치 처리를 사용하여 상기 보정화상을 생성하도록 구성할 수 있다.

보정장치는 불명료화 위치와 노출위치 사이에 상기 셔터의 위치를 제어하기 위한 셔터 제어 장치를 더 포함할 수 있다.

보정장치는 상기 보정화상으로부터 카메라의 변조전달(MTF) 효과를 보상하기 위한 필터를 포함할 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에서는 국소 온도를 따라 방사계의 응답을 보정하기 위한 방법으로서, 상기 방사계가 상기 IR 센서의 시야(FOV)에 입사하는 IR 방사선을 따라 온도화상을 형성하기 위해 화상응답을 제공하기 위한 적외선(IR) 센서와, 상기 FOV를 제어 가능하게 불명료화하기 위한 셔터를 포함하고,

상기 FOV가 상기 셔터에 의해 불명료화되어 있는 동안에 상기 셔터의 방사율을 따라 선택된 위치의 기준온도를 결정하는 단계, 및

상기 기준온도를 따라 상기 화상의 보정을 생성하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

이 방법은 상기 기준온도에 대한 상기 방사선 센서의 시간의존 기준응답을 결정하는 단계, 및 상기 기준온도의 결정 동안에서의 상기 보정의 수정에 상기 기준응답을 사용하는 단계를 포함한다.

바람직하게는 상기 IR 센서는 마이크로 볼로미터 어레이를 포함한다.

이 방법은 불균일성 보정(NUC)을 실행하는 단계를 포함할 수 있다.

이 방법은 상기 어레이의 각 화소에 동일 신호를 온도로 변환하는 함수를 사용하고, 온도를 얻는 단계를 포함할 수 있다.

이 방법은 불량화소 치환(BPR)을 실행하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 셔터는 관심이 있는 IR 스펙트럼 주파수 범위에서 실질적으로 흑체인 내면을 포함하고, 상기 기준온도의 상기 결정은 상기 면의 온도의 측정을 포함한다.

바람직하게는 상기 셔터는 관심이 있는 IR 스펙트럼 주파수 범위에서 실질적으로 완전 반사하는 내면을 포함하고, 상기 기준온도를 결정하는 단계는 상기 면의 온도를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 온도는 상기 IR 센서를 나타낸다.

이 방법은 상기 보정화상응답을 필터링하고, 카메라의 MTF 효과를 보상하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 5 실시예에서는

외부 장면으로부터 적외선 에너지를 수집하기 위한 집속광학계와,

상기 집속광학계로부터의 상기 적외선 에너지를 검출하도록 구성된 비냉각 적외선 센서와,

하이 패스 필터로서,

상기 외부 장면의 상기 적외선 에너지로부터의 상기 적외선 센서에서의 온도측정이 높은 공간 주파수에 대하여 카메라의 변조전달함수에 의해 도입되는 오차를 받게 되어 있고, 상기 카메라의 변조전달함수의 역함수를 조합함으로써 상기 오차를 극복하도록 구성된 고역필터를 포함하는 적외선 카메라를 제공한다.

바람직하게는 상기 적외선 센서는 비냉각 적외선 센서다.

바람직하게는 상기 적외선 센서는 비냉각 마이크로 볼로미터 어레이이다.

본 발명의 제6 실시예에서는 온도측정을 행하기 위한 적외선 촬상 카메라를 업그레이드하는 방법으로서,

기존의 적외선 카메라는 외부 장면으로부터 적외선 에너지를 수집하기 위한 집속광학계와,

상기 카메라의 내부 부품으로부터 차폐되어 있지 않고, 또한 적외선 에너지를 검출하도록 구성된 비냉각 검출기와,

상기 집속광학계와 상기 비냉각 센서 어레이 사이에 그 자체를 주기적으로 개재시켜, 상기 검출기가 상기 셔터면에 걸친 온도측정으로부터 주기적 균일성 보정동작을 실행할 수 있도록 제어 가능하게 탑재된 셔터를 포함하고,

상기 업그레이드는 수신한 화상의 교정에 사용하기 위해 주기적 간격으로 국소화된 온도측정을 할 수 있도록, 상기 카메라 내에 적어도 하나의 온도센서를 적용하는 것을 포함하여 이루어지는 방법을 제공한다.

바람직하게는 상기 적어도 하나의 온도센서를 적용하는 것은 온도센서를 상기 셔터에 고정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는 상기 적어도 하나의 온도센서를 적용하는 것은 제1 온도센서를 상기 셔터에, 또한 추가 센서를 상기 카메라의 검출기 케이스에 고정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는 상기 적어도 하나의 온도센서의 상기 적용은 상기 셔터가 상기 집속광학계와 상기 센서와의 사이에 개재될 때에 상기 적어도 하나의 센서가 상기 국소적 온도를 측정하도록 구성하는 단계를 포함한다.

상기 외부 장면의 상기 적외선 에너지로부터의 상기 적외선 검출기에서의 온도측정은 높은 공간 주파수에 대하여 카메라의 변조전달함수에 의해 도입되는 오차를 받게 되어 있고, 상기 업그레이드는 상기 카메라에 관련하여 고역필터를 형성하는 것을 더 포함하고, 상기 고역필터는 상기 카메라의 변조전달함수의 역함수를 조합함으로써 상기 오차를 극복하도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제 7 실시예에서는 시야 내의 물체의 온도를 측정하는 기존의 적외선 촬상 카메라를 업그레이드하는 방법으로서, 기존의 적외선 검출기는

외부 장면으로부터 적외선 에너지를 수집하기 위한 집속광학계와,

적외선 에너지를 검출하도록 구성된 비냉각 비차폐 검출기를 구비하고,

상기 외부 장면의 적외선 에너지로부터의 상기 적외선 검출기에서의 온도측정은 높은 공간 주파수에 대하여 카메라의 변조전달함수에 의해 도입되는 오차를 받게 되어 있고,

상기 업그레이드는 상기 광학계, 검출기, 및 신호 처리에 관련하여 고역필터를 제공하는 것을 포함하고, 상기 고역필터는 상기 카메라의 변조전달함수의 역함수를 조합함으로써 상기 오차를 극복하도록 구성되어 이루어지는 방법을 제공한다.

바람직하게는 상기 고역필터는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합을 포함하는 군의 어느 하나이다.

이 방법은 상기 적외선 촬상 카메라에 의해 실행되는 신호 처리에 의해 도입되는 오차를 보상하도록 상기 고역필터를 배치하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 제8 실시예에서는 마이크로 볼로미터 검출기 어레이를 가지는 적외선 촬상 카메라로서, 불균일성 보정행렬을 형성하여 상기 어레이의 화소간의 편차를 극복하는 편차보상기구를 포함하고, 상기 어레이의 상기 화소에 대하여 수신신호를 온도로 변환하기 위한 동일 전달함수를 사용하도록 구성된 적외선 촬상 카메라를 제공한다.

본 명세서에 사용되는 기술용어와 과학용어는 모두 특별히 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 공통으로 이해하고 있는 것과 같은 의미를 가지고 있다. 본 명세서에 기재되어 있는 것과 유사하거나 또는 균등한 방법과 재료는 본 발명을 실시 또는 시험하기 위해 사용할 수 있지만, 적절한 방법과 재료는 이하에 설명한다. 모순되는 경우, 정의를 포함하여 본 특허 명세서가 기준이다. 또한, 본 명세서의 재료, 방법 및 실시예는 예시만을 목적으로 하는 것으로서 본 발명을 한정하는 것이 아니다.

본 발명의 방법 및 시스템을 실행하는 것은 선택된 태스크 또는 스텝을 수동 조작에 의해, 자동적으로 또는 이들을 조합시켜 실행 또는 완료하는 것을 포함한다. 또한, 본 발명의 방법과 시스템의 바람직한 실시예의 실제 기기나 장치에 의해 몇 개나 선택된 스텝을 어느 펌웨어의 어느 오퍼레이팅 시스템의 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 실행할 수 있다. 예를 들면 본 발명의 선택된 스텝은 칩 또는 회로와 같은 하드웨어로서 실시할 수 있다. 본 발명의 선택된 스텝은 컴퓨터가 적절한 오퍼레이팅 시스템을 사용하여 실행하는 복수의 소프트웨어의 명령과 같은 소프트웨어로서 실시할 수 있다. 어쨌든, 본 발명의 방법과 시스템의 선택된 스텝은 데이터 프로세서, 예를 들면 복수의 명령을 실행하는 계산 플랫폼에서 실행된다고 할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명을 간단히 예시하여 도면을 참조하여 설명한다. 특히 상세하게 도면을 참조하여, 도시되어 있는 상세한 사항이 예시이며 본 발명의 바람직한 실시예를 예시 고찰하는 것만을 목적으로 하고, 본 발명의 원리나 개념의 측면의 가장 유용하고 동시에 용이하게 이해되는 설명이라고 생각되는 것을 제공하기 위해 제시하고 있는 것을 강조하는 것이다. 이 점에 대하여, 본 발명을 기본적으로 이해하기에 필요한 이상으로 상세하게 본 발명의 구조의 상세한 사항을 도시하지는 않았지만, 도면에 대하여 행하는 설명에 따라 본 발명의 몇몇 형태를 실시하는 방법은 당업자에게는 잘 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 적합한 실시형태에 따른 적외선 검출기의 간이 블록도를 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 적합한 실시형태에 따른, 셔터가 불명료화 위치에 있는 상태의 비냉각 마이크로 볼로미터에 기초한 센서를 도시한다.

도 3은 셔터가 후퇴하여 센서가 노출된 상태의 도 2의 센서를 도시한다.

도 4는 온도센서가 셔터 상, 및 검출기 내의 다른 장소에 배치되어 있는 도 1의 실시형태의 변형예를 나타내는 개략도이다.

도 5는 마이크로 볼로미터를 나타내는 개략도이다.

도 6은 320 x 40 소자 어레이를 위한 FLIR 역변조전달함수(MTF^-1)의 실시예를 제시한다.

도 7은 광학계의 f#가 1이라고 가정하고, 센서와 외부 시야 사이에 교환되는 에너지를 나타내는 그래프이다.

도 8은 센서와 광학계와의 사이에 교환되는 에너지를 나타내는 유사한 그래프이다.

도 9는 카메라와 내부 카메라 부품과의 사이의 에너지 교환을 나타내는 개략도이다.

도 10은 총 에너지의 비례로서 시야의 에너지를 나타내는 그래프이다.

도 11은 온도 오차 대 진공 패키지 서미스터(온도측정 센서) 온도의 그래프이다.

도 12는 오차값에 대한 최소 평균 자승 오차의 선형 맞춤을 나타내는 그래프이다.

도 13은 온도에 대한 검출기의 출력 신호의 그래프이며, 수학 모델의 출력을 나타낸다.

도 14a 및 도 14b는 ２차 다항식 전개를 나타내는 그래프이다.

도 15a 및 도 15b는 ３차 다항식 근사를 나타내는 그래프이다.

도 16a 및 도 16b는 4차 다항식 근사를 나타내는 그래프이다.

도 17은 광학계 검출기 및 전자기기를 포함하는 1mm당 주기 단위의 카메라 임펄스 응답의 퓨리에 변환이다.

본 실시형태는 비냉각 마이크로 볼로미터 어레이를 사용하고, 표준 광학계를 가지고, 방사선 차폐체를 포함하지 않는 검출기 또는 검출 기구가 부착된 FLIR 카메라와 같은 적외선 카메라다. 이 실시형태는 그러한 카메라를 온도측정에 사용하는 것을 가능하게 한다. 이 실시형태는 카메라의 온도변화 응답함수를 개산함으로써 내부 온도 및 온도 효과를 무시한다. 통상의 광학계는 입력 광학계 개구부(aperture)를 방사선 차폐체 상에 재결상 하지 않는 광학계를 의미한다. 오늘까지 통상의 검출기용의 그러한 장치는 존재하지 않는다.

설계상의 고려점, 온도 드리프트 모델, 및 기대되는 정밀도의 개략 설명을 제시한다. 실시형태는 설령 검출기가 방사 측정용의 것이 아닌 경우에도, NUC 플래그를 극저주파 초퍼로서 사용함으로써 비냉각 마이크로 볼로미터에 기초한 FLIR에 대하여 비교적 고정밀도의 온도측정을 가능하게 한다.

본 실시형태에 따른 적외선 검출기 및 관련된 온도보정 기구의 원리 및 동작은 도면 및 부수되는 설명을 참조함으로써 더욱 잘 이해할 수 있다.

본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 이하의 설명에 기재되어 있거나 또는 도면에 예시되어 있는 요소의 구조의 상세한 사항과 배치에 그 용도가 한정되지 않는다고 해석해야 한다. 본 발명에는 기타 실시예가 있거나 또는 다양한 방법으로 실행 혹은 실시할 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용되는 용어와 어구는 설명을 목적으로 하는 것이며 본 발명을 한정하는 것으로 간주해서는 안된다.

도 1을 참조하면, 그것은 적외선 검출기(14)를 나타내는 간이 블록도이다(부호 10은 광학계, 셔터, 및 검출기를 포함한다). 시커(seeker)(10)는 외부 장면으로부터 적외선 에너지를 수집하기 위한 집속광학계(12)를 구비한다. 일반적으로, 집속광학계는 하나 또는 그 이상의 렌즈를 구비하고, 그 중 하나는 초점 거리를 바꾸기 위해 제어 가능하게 부착된다. 집속광학계는 용도 및 검출기의 작동 스펙트럼 주파수 범위를 위해 그리고 요구되는 공간 해상도를 위해 최적화되는 것이 바람직하다.

광학계(12)의 배후에 배치되는 것은 집속광학계(12)로부터의 적외선 에너지를 검출하도록 구성된 비냉각 IR 센서(14)이다. 센서의 주위에 방사선 차폐체는 없고, 따라서 센서에 입사하는 IR 방사선은 집속광학계를 통해 도착하는 장면으로부터의 IR 정보 뿐만 아니라, 카메라의 주위 부품으로부터의 에너지도 포함한다. 또한, 카메라의 주위 부품은 장면의 IR원 보다 상당히 가깝고, 또한 카메라는 비냉각식이므로, 검출기와 카메라 내부 부품과의 사이의 에너지 교환은 장면으로부터의 신호보다 훨씬 크다. 배경으로 나타낸 바와 같이, 검출기와 광학계를 포함하는 카메라 내부 부품 사이에 교환되는 에너지는 비냉각 검출기에 의해 장면으로부터 수집되는 신호를 약 10 대 1로 압도하는 경향이 있다.

광학계와 센서 사이에는 내부 온도기준 유닛(16)이 있다. 기준 유닛은 집속광학계(12)와 비냉각 센서(14) 사이에 주기적으로 개재하도록, 제어 가능하게 탑재되는 셔터를 구비한다. 마운트(18)는 셔터가 광학계와 센서 사이에 개재하는 위치와, 개재되지 않는 제2 위치 사이에서 이동하는 것을 가능하게 하고, 일반적으로 컴퓨터 제어 액추에이터를 통하여, 광경을 불명료화하지 않도록 충분히 높은 주파수에서 셔터가 두 개의의 위치 사이에서 이동할 수 있도록 제어가 제공된다. 특히, 셔터는 의미있는 기간에 걸쳐 광경을 불명료화하지 않도록 충분히 고속으로 이동한다. 또한, 셔터는 적어도 몇 개의 프레임의 수집을 가능하게 하는 기간동안 폐위치를 유지한다. 1회의 셔터 화상 불명료화와 차회 사이의 기간은 통상 수분으로 설정된다. 이 기간은 카메라의 열시정수보다 훨씬 짧게 해야 하고, 실제로 훨씬 짧다. 카메라 자체는 밀폐되고, 따라서 일반적으로 반시간 정도의 온도 변화에 대하여 비교적 긴 열시정수를 가진다. 따라서 셔터는 예를 들면 수분마다 온도측정을 하고, 이어서, 현재 및 앞의 측정으로부터 수학적 외삽을 행함으로써 다음 측정을 실행할 수 있을 때까지의 시간을 사용하여 교정을 행할 수 있다. 다시 말하면, 내부 카메라 부품은 온도를 가지고, 그 온도는 변동한다. 카메라의 환경에 있어서 일어날 수 있는 최대한의 온도 변동의 경우에도, 카메라 내의 온도 변화는 특정한 시정수에 의해 한정되므로, 온도측정이 이 시정수보다 빈번하도록 행해지는 한, 측정은 유효하게 계속된다.

이 메커니즘은 검출기가 온도기준 유닛에 대하여, 또한 카메라의 다른 위치, 예를 들면 검출기 및 카메라의 내부 본체에서 교정온도측정을 하는 것에 의해 주기적 교정동작을 실행하는 것을 가능하게 한다. 다시 말하면, 셔터 및 다른 위치의 온도가 측정되어, 내부 카메라 부품의 영향을 무시하도록 검출기 신호에 적용할 수 있는 시간의존 오프셋을 초래하는 함수에 대한 입력으로서 사용할 수 있다. 따라서, 수정된 검출 신호는 촬상되는 물체의 정확한 온도측정을 달성할 수 있다. 이 메커니즘 및 외삽 능력은 일반적으로 내부 온도기준 유닛이 주기적 개재 위치에 있을 필요성을 비교적 낮은 빈도로 하는 것을 확실하게 한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 이들은 셔터(22)가 부착된 비냉각 마이크로 볼로미터에 기초한 센서(20)를 나타낸다. 간결하게 하기 위해 광학계는 제거되었다. 도 2에서, 셔터는 광학계와 센서 사이에 개재하는 위치에 있고, 도 3에서는 셔터는 후퇴하고, 센서가 노출되어 있다. 셔터 및 센서는 하우징(24) 내에 탑재되고, 셔터는 제어 가능한 마운트(26)를 통하여 케이스에 부착할 수 있다.

내부 기준 유닛은 셔터로 구성되고, 셔터는 일반적으로 플랫 시트이다. 시트는 금속제 또는 다른 적절한 재료로 제작할 수 있다. 시트는 집속광학계와 비냉각 센서 어레이 사이에 개재했을 때에, 그것이 외부 장면을 센서로부터 실질적으로 불명료화하지만, 검출기의 내부 구조를 반드시 불명료화하지 않는 크기로 만들어진다. 검출기의 나머지 부분에 관련된 일반적 사이즈는 전술한 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같다.

하나의 예시적 실시형태에서는 셔터의 내면은 검출기에 의해 사용되는 스펙트럼 주파수 범위에 걸쳐, 가능한 1에 가까운 방사율을 가진다. 다시 말하면, 마이크로 볼로미터 검출기가 방사 에너지를 교환하는 소정의 스펙트럼 주파수 범위에 걸쳐 흑체 특성을 초래하는 표면 코팅이 실시된다.

그러한 실시형태에서는 비냉각 센서 자체가 셔터의 흑체 표면으로부터의 방사를 측정함으로써 교정온도측정을 행하도록 구성할 수 있다. 다시 말하면, 센서는 장면의 경우와 마찬가지로 단지 셔터를 촬상하고, 수신한 화상을 온도로 변환한다. 셔터는 흑체이며, 따라서 실질적으로 반사가 없으므로, 방사를 통해 외부에서 측정되는 온도는 셔터 자체의 온도이며, 주위의 특징의 온도가 아니다. 따라서 센서는 내부 기준 유닛의 영상신호로부터 온도측정을 얻도록 구성된다.

도 4를 참조하면, 이것은 온도센서(30)가 셔터 상에 배치된 도 1의 실시형태의 변형예를 나타내는 개략도이다.

온도센서는 접촉형 온도측정을 한다. 흑체의 경우 내부 온도 및 그 방사 온도는 동일하므로, 이 경우 흑체의 접촉형 측정은 셔터의 온도를 나타낸다. 추가 온도센서(32)를 케이스 상에 배치할 수 있다.

대체 실시형태에서는 셔터는 검출기에 의해 사용되는 스펙트럼 주파수 범위 내에서 가능한 한 1에 가까운 반사율을 가진다. 다시 말하면, 셔터의 내면은 거울이다. 다시, 비냉각 센서는 내부 기준 유닛으로부터의 방사를 측정함으로써 교정온도측정을 행하도록 구성된다. 이 경우, 반사되는 방사선은 비냉각 센서 자체의 온도를 나타낸다. 반사 셔터의 경우, 기준온도는 마이크로 볼로미터가 안정화되는 온도이다. 마이크로 볼로미터 검출기가 예를 들면 30 ℃로 안정화되는 경우, 기준온도는 고정되어 30 ℃와 같다.

도 5를 참조하면, 그것은 마이크로 볼로미터(40)를 나타내는 개략도이다. 마이크로 볼로미터는 IR 센서로서 널리 사용되고 있고, 각 마이크로 볼로미터가 어레이형 이미지 센서 상의 화소가 되도록 작게 하여, 어레이 내에 패키징할 수 있다. 마이크로 볼로미터의 구조 및 기능은 당업자에게 주지이다.

비냉각 센서에 의해 행해지는 온도측정은 카메라의 변조전달함수에 의해 도입되는 오차를 피할 수 없다. 본 발명의 예시적 실시형태에서, 비냉각 센서는 각각의 FLIR 카메라의 변조전달함수의 역함수를 조합함으로써 오차를 극복하도록 장비되어 있다. 도 6은 320 x 40 소자 어레이의 경우의 역함수를 나타낸다. 함수는 고역필터로서 실현된다.

국소적 온도가 결정됨과 동시에, 셔터는 비냉각 센서의 불균일성 보정행렬을 갱신하기 위해 사용된다. 다시 말하면, 셔터는 초점이 맞지 않으므로 셔터를 촬상하는 모든 화소는 동일 측정값을 얻을 것이다. 따라서, 다른 검출기의 일차 불균일성 응답은 훨씬 복잡한 다른 보정 프로세스에 의해 보정되므로, 불균일성 보정 프로세스 후의 화소간의 편차는 진공 패키지의 내면의 새로운 온도 분포에 의한 것이다. 화소간의 편차의 행렬을 작성하고, 후에 수신 화상을 보정하기 위해 사용할 수 있다.

NUC 갱신 프로세스용의 기준 사진이 취득되는 것과 동일 기간 중에 기준온도가 측정되고, AS_n이라고 불리는 평균 영상신호에 관련된다. NUC 및 BPR 후의 영상신호는 평균 계산을 위해 사용된다.

그 후, 셔터가 비불명료화 위치에 있을 때에, 검출기의 시야 내의 임의의 위치의 온도는 다음 식으로부터 산출할 수 있다.

T_ij = F(p_ij_AS_n,E_ij,temp_amb,etc)+Reference_temperature

식 중, Reference_temperature는 위에서 정의된 기준온도를 나타낸다.

T_ij는 pi,j 영상신호 소자값의 각각에 관련되는 온도값을 나타낸다.

p_i,j는 불균일성 보정 및 불량화소 치환 후의 소자 i, j의 영상신호를 나타내거나, 혹은

p_i,j는 불균일성 보정, 불량화소 치환, 및 MTF 역필터 후의 소자 i, j의 영상신호 중 어느 하나이다.

E_i,j는 위치 i, j에서의 검출기에 의해 보여지는 표면의 방사율을 나타내고,

temp_amb는 관찰되는 장면의 주위 온도를 나타낸다.

F(...)는 영상신호, NUC 갱신 프로세스 중에 측정된 평균 영상신호, 방사율, 주위 온도 등과 같은 다양한 입력 변수를 사용하여, 검출기의 영상신호를 온도로 변환하는 일반함수를 나타낸다.

센서 및 내부 기준 유닛이 관여하는 같은 측정 프로세스는 셔터를 촬상하여 불량화소 치환을 가능하게 하는 것을 포함한다. 따라서, 작동하지 않고 있는 것이 촬상 프로세스에 의해 결정된 화소는 무시하고, 그 신호는 예를 들면 주위 화소의 평균에 의해 치환할 수 있다.

이하에서는 마이크로 볼로미터 검출기와 광경, 광학계, 및 내부 카메라 부품과의 사이에서 교환되는 에너지의 비교적 상세한 모델을 제시한다. 검출기 신호 대 목표 온도를 기술하는 수학 모델을 도출하고, 그 결과, 온도측정용의 다항식 모델을 얻는다. 측정되는 온도 드리프트를 전술한 바와 같이 저감하기 위해 실현된 해결책 및 얻어진 정밀도에 대해서도 논한다.

에너지 교환 모델

마이크로 볼로미터 출력의 영상신호는 검출기의 소자와,

* 광경

* 광학계

* 내부 카메라 부품과의 사이에 교환되는 에너지에 의해 생성된다.

신호 자체는 과도(transient) 프로세스로서 형성된다. 판독 프로세스는 중단된다고 가정하고, 에너지 교환은 정상상태에 도달할 때까지 행해진다. 에너지 교환 프로세스의 시정수는 현가(懸架) 구조의 열용량(Thermal_Capacity)과 열전도율(Thermal_Conductance) 사이의 비율과 동일하다.

비제한 시간 간격을 가정하고, 광경을 흑체 방사원(방사율=1)으로서 모델화할 수 있다고 가정하면, 검출기와 광경 사이에 교환되는 에너지는 다음 식에 의해 나타낼 수 있다.

방정식 1. 검출기와 광경 사이에서 교환되는 줄 단위의 에너지

P_view는 하나의 검출기 소자와 장면 사이에서 교환되는 에너지[줄 단위]를 나타낸다.

L(λtemp₀ + △temp)은 W/(sr㎥)의 단위로 평균 흑체 방사원으로서 모델화된 광경을 나타낸다.

Temp₀은 캘빈 온도 단위의 검출기의 현가 구조 온도를 나타낸다.

A_det는 단일 검출기의 소자의 m² 단위의 유효 면적을 나타낸다.

f#는 광학계의 f 넘버를 나타낸다.

λ는 미터 단위의 파장을 나타낸다.

λ_₁은 적분 하한을 나타낸다.

λ_₂는 적분 상한을 나타낸다.

Trans_optics(λ)는 광학계의 투과율을 나타낸다.

ε(λ)는 검출기의 현가 구조의 방사율을 나타낸다.

t는 초단위의 시간을 나타낸다.

시간 변수에 대하여 방정식 1을 풀면, 하나의 검출기의 소자와 광경과의 사이에 교환되는 에너지는 다음 식에 의해 설명된다.

방정식 2. 검출기와 광경과의 사이에서 교환되는 줄 단위의 에너지

도 7은

* f 넘버가 1과 동일한 것

* 고투과율의 광학계 (93%)

* 검출기의 방사율이 0.8과 동일

* 유효 검출기 면적이 (41*10^-6)² 미터와 동일

* 스펙트럼 대역이 8*10^-6으로부터 12.5*10^-6 미터까지의 범위인 것을 가정하고, 검출기와 광경과의 사이에서 교환되는 에너지를 개시하고 있다.

전술한 바와 같은 조건을 가정하고, 검출기와 광학계와의 사이에서 교환되는 에너지 P_optics(△Temp)는 다음 수식에 의해 부여된다.

방정식 3. 검출기와 광학계와의 사이에서 교환되는 줄 단위의 에너지

도 7은 센서와 외부 광경과의 사이에서 교환되는 에너지를 나타내는 그래프이며, 도 8은 센서와 광학계와의 사이에서 교환되는 에너지를 나타내는 유사한 그래프다.

L(λ,Temp₀ + △Temp)은 Watts/(sr?㎥) 단위로 평균 흑체 방사원으로서 모델화된 광학계를 나타내고, 방사율은 (1-Trans_optics(λ)와 동일하다.

θ는 집광에 관련된 평면 원추각의 반을 나타낸다.

f#=1일 때 θ=0.464 라디안이다.

도 9는 카메라와 내부 카메라 부품과의 사이의 에너지의 교환을 나타내는 개략도이다. 전술한 바와 같은 조건을 가정하고, 검출기와 내부 카메라 부품과의 사이에서 교환되는 에너지 P_camera(△Temp)는 다음 수식으로 주어진다.

L(λ,Temp₀ + △Temp)은 Watts/(sr?㎥)단위로 평균 흑체 방사원으로서 모델화된 내부 카메라 부품을 나타내고, 방사율은 1과 동일하다.

검출기와 내부 카메라 부품과의 사이에서 교환되는 에너지는 최대인자이며, 검출기와 광학계와의 사이에서 교환되는 에너지가 그 다음으로 큰 인자이다. 검출기와 광경과의 사이에서 교환되는 에너지는 최소인자이다.

동시에, 검출기와 광경과의 사이, 검출기와 광학계와의 사이, 및 카메라 내부 부품에 대한 검출기의 동일한 온도차를 가정하면, 검출기와 광경과의 사이에서 교환되는 에너지의 양은 약 10%이다. 광경 에너지를 총 에너지의 비율로서 나타내는 그래프인 도 10에, 이 상황이 도시된다.

얻어진 결과의 분석은 광경 에너지가 그와 같은 작은 비율이므로, 수집된 영상신호로부터 광경 온도를 재구축할 수 있도록 하는 것이 매우 어렵다는 것을 보여준다. 검출기와 내부 카메라 부품에 의해 교환되는 에너지는 내부 카메라 부품의 온도 분포에 의존한다. 이 분포는 카메라의 열시정수가 매우 길고(약 반시간), 또한 통상 환경 조건은 그러한 긴 기간 안정되어 있지 않다는 사실 때문에 일정하지 않다. 내부 카메라 부품의 온도 분포에 기초한 동적 모델은 너무 복잡하고, 기존의 하드웨어에 실현할 가능성을 넘고 있다. 따라서, 현재의 적합한 실시형태에서는 내부 카메라 부품의 영향을 해소하기 위해, 불균일성 보정(NUC) 갱신 프로세스를 사용한다. NUC 갱신 프로세스 중에 검출기 앞에 삽입되는 플래그(또는 셔터)는 극저주파 초퍼(chopper)로서 사용된다. 검출기에 대면하는 플래그의 표면은 1 실시형태에서는 이상적 흑체 표면에 가능한 한 가깝게 거동하도록 처리하여 피복하는 것이 가능하다. 다시 도 5의 실시형태에 관하여, 다음에 수개의 매우 정밀한 서미스터(± 0.025 ℃)를 다음의 위치에 설치할 수 있다.

플래그 또는 셔터면의 배후에 하나의 서미스터(30).

검출기의 진공 패키지의 외면 위에 하나의 서미스터(34).

두 개의 서미스터(하나만을 도시)(32)가 광학계의 외부 메탈 케이스에 접착된다.

온도 측정 설명

단지 간결하게 하기 위해, 광학계의 영향은 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하자. (후에, 이 가정을 재검토한다). NUC 갱신 프로세스는 주기적으로 실행되므로, 프로세스 #n 중에, NUC 갱신 및 불량화소 치환(BPR)이 실행된 후의 평균 검출기 신호 AS_n이 산출되었다고 가정할 수 있다. 또한, 같은 NUC 갱신 프로세스 번호 n 중에, 설치된 모든 서미스터의 온도가 취득되었다고 가정한다.

Tf_n은 n번째의 NUC 갱신 프로세스 중에 플래그로 측정된 온도를 나타낸다.

Td_n은 번호 n의 NUC 갱신 프로세스 중에 검출기의 진공 패키지의 외면에서 측정된 온도를 나타낸다.

To_n은 번호 n의 NUC 갱신 프로세스 중에 외부 광학계 케이스로 측정된 평균 온도를 나타낸다.

임의의 비교적 큰 관심 면적의 평균 온도를 측정해야 한다(MTF 문제에 대해서는 후에 나타낸다)고 가정하자. 또한, 지정된 면적이 이상적인 흑체 방사원에 속한다고 가정하자.

측정 온도의 제1 근사는 테일러 급수에 의해 나타낼 수 있다.

식 중 T_mes는 측정 온도의 제1 근사를 나타낸다.

Sig는 n번째 및 n+1번째의 NUC 갱신 프로세스 간의 어느 시점에서의 전술한 관심 영역의 NUC 및 BPR 후의 평균 영상신호를 나타낸다.

As를 번호 n의 NUC 갱신 프로세스 중에 플래그로 측정된 평균 검출기 신호값이라고 정의한다. 따라서 정의상 다음 식을 얻을 수 있다.

방정식 4. 측정 온도의 제1 근사

식 중, F는 영상신호를 온도로 변환하는 변환 함수이다.

방정식 4는 기준원으로서 초퍼를 사용하는 일반 개념을 나타낸다. 초퍼의 영상신호는 측정되는 영상신호로부터 감산된다. 이 방법에 의해, 시차 측정이 실행된다. 영상값 Sig-As_n은 온도로 변환되고, 오프셋값 Tf_n이 최종적으로 가산된다. 이 일반적인 방법은 As_n 및 Tf_n이 연속 샘플간에 거의 일정한 경우에 매우 잘 기능한다. 그러나, 위에서 설명한 바와 같이, 이 경우는 적합하지 않다. 실제 물체 온도와 제1 근사식에 의해 재구축된 것 사이의 오차를 10분을 넘는 기간 중에 검출기의 진공 패키지의 외면에서 측정된 온도(Td)에 대하여 표시하였다. 결과를 온도 오차 대 진공 패키지 서미스터 온도의 그래프인 도 11에 나타낸다. 도 11에 도시된 그래프는 전형적인 거동을 나타낸다. 도 12는 오차값에 대한 최소 평균 자승 오차 선형 맞춤(minimum mean square error linear fit)을 도시한다. 그러나, 선형 최선 맞춤의 구배는 시간적으로 일정하지 않다. 높은 구배값은 카메라가 열표적 정상상태로부터 매우 먼 것을 의미하고, 매우 낮은 구배는 카메라가 열평형 상태에 있는 것을 의미한다.

NUC 갱신 순서가 실행될 때마다 내부 카메라 온도의 변동에 의해 야기되는 측정된 온도 T_mes의 오차는 해소된다. 도 11 및 도 12에 도시된 일반적인 거동은 제1 근사(방정식 4)에 추가항을 첨가함으로써 보다 양호한 해를 얻을 수 있다는 것을 시사한다.

방정식 5.

식 중, Td_n은 n번째의 NUC 갱신 프로세스 중에 검출기의 주위 진공 패키지의 외면에서 측정된 온도를 나타낸다.

방정식 5로 나타내는 일반 개념은 직접 실현할 수 없다. 이 개념의 근사는 값 As_n, Tf_n 및 Td_n을 사용하여 실현되고, 방정식 6이 생성되었다.

방정식 6. 제2 근사

식 F(As_n-As_n-1)은 검출기에 의해 측정된 온도의 총 플래그 변화를 추정한다. 그러나, 이 값은 내부 카메라 부품의 온도 변화 및 플래그의 온도에 실제의 변화에 의해 야기되는 오차를 포함한다.

이제, F 함수 근사를 처리한다. 신호를 온도로 변환하는 능력을 추정하기 위해, NUC 및 BPR 프로세스 후의 검출기의 신호를 기술하는 수학 모델이 작성되었다. 온도에 대한 검출기의 출력 신호의 그래프인 도 13은 수학 모델의 출력을 개시한다. 이 수학 모델은 모델화된 영상신호의 최소 평균 자승 오차 다항식 근사를 사용하여 얻어지는 정밀도를 조사하기 위해 사용되었다. 60 ℃의 비교적 작은 다이나믹 레인지의 경우, ２차 다항식 전개는 적절한 정밀도를 초래한다. 예를 들면, 영상신호에 대한 광학계의 기여를 모델화하기 위해, ２차 다항식 전개는 적합하다. ３차 다항식 근사는 용인할 수 있는 오차로 300 ℃의 범위에 적용되고, 4차 다항식 근사는 약 400 ℃의 범위에 걸쳐 적용된다.

Q개의 다른 값으로 데이터를 샘플링하는 차수 L의 최소 평균 자승 오차 다항식 전개는 L+1개의 선형 집합의 방정식의 해를 필요로 한다. 그러나, 선형 집합의 방정식을 풀기 위해 사용되는 계산법은 신중히 선택해야 한다. 방정식의 선형 집합에 포함되는 최소값은 Q이고, 최대값은

이다. 도 14a 및 도 14b는 2차 다항식 근사를 나타내는 그래프이다. 도 14a에 정규화 오차를 나타내고, 도 14b에 온도 오차를 나타낸다. 도 15a 및 도 15b는 3차 다항식 근사를 나타내는 그래프이다. 도 15a는 정규화 오차를 나타내고, 도 15b는 온도 오차를 나타낸다. 도 16a 및 도 16b는 4차 다항식 근사를 나타내는 그래프이다. 도 16a는 정규화 오차를 나타내고, 도 16b는 온도 오차를 나타낸다.

도 14a 및 14b, 도 15a 및 15b, 및 도 16a 및 16b에 제시한 그래프는 높은 연산 정밀도를 사용하여 계산되었다. 실제의 해는 각 영역에서 저차의 다항식 전개를 사용하고, 온도 범위를 다수의 작은 영역(영역 간에 작은 오버랩을 포함함)으로 분할하는 것이 있어도 좋다. 이 시점까지, 광학계의 온도의 영향을 무시해 왔다. 다음 그래프는 광학계의 온도의 영향을 처리하기 위해 새로운 해를 나타낸다.

방정식 6에 기술된 온도의 ２차 근사는 검출기 신호를 온도로 변환하는 함수 F의 존재에 기초하고 있다.

방정식 7.

위에서 설명한 바와 같이, 검출기와 광학계 사이에서 교환되는 에너지의 양은 무시할 수 있을 만큼 작지는 않다. 광학계의 온도의 영향을 차수 R의 다항식 전개에 의해 나타낼 수 있다고 가정하고, 또한 검출기 신호의 온도에 대한 변환이 차수 L의 다항식 전개에 의해 기술할 수 있다고 가정하면, 함수 F의 가장 일반적인 형은 다음 식에 의해 부여된다.

(캘빈 온도)

방정식 8.

다양한 광경 및 광학계의 온도에 대하여 검출기의 신호가 취득되었다고 가정하고, 최소 평균 자승 오차 알고리즘은 정수 a_r,l을 계산할 수 있다. 동시에 풀어야 하는 선형 방정식의 수는 (L+1)(R+1)이다. 32 비트의 부동 소수점 연산 장치는 그와 같은 태스크에 대하여 적절한 정밀도를 달성하지 않는다. 따라서, 광경 온도를 광학계의 영향으로부터 분리한다. 단일의 F 함수를 가지는 대신, 광학계의 주위 온도 범위를 5도씩으로 나누어 커버하는 몇 개의 함수 F_T0(Sig)가 있다.

방정식 9.

광학계의 온도 변화는 비교적 늦다. 따라서, 새로운 광학계의 온도에 대하여 필요한 a_To,_l 정수를 선형내삽에 의해 계산하기 때문에, 디지털 신호 프로세서(DSP)에 의해 실행되는 추가 작업은 무시할 수 있다.

실제의 방사계를 작성하기 위해, 목표 방사율 및 주위 온도의 영향과 같은 추가 변수를 고려해야 한다. 특히, 온도측정 정밀도에 대한 시스템의 변조전달함수(MTF)의 영향에 대해 언급한다. 이 영향 때문에, 소정의 물체는 만약 일정 온도인 경우에도 카메라로부터 다른 거리에서는 다른 온도를 나타낸다. MTF의 영향은 적어도 어느 한정된 공간 주파수 범위에 대해서는 보상할 수 있다.

그와 같은 응답을 도 17에 나타낸다. 도 17은 광학계 검출기 및 전자기기를 포함하는 1mm당의 사이클수 단위의 카메라 임펄스 응답의 퓨리에 변환이다.

도 17은 비냉각 마이크로 볼로미터 카메라의 전형적인 2차원 퓨리에 변환을 나타낸다. MTF 열화 대 공간 주파수를 보상하기 위해, MTF 응답의 역필터가 설계되고, 소프트웨어로 실현된다. 전술한 도 6은 MTF 열화를 보상하기 위해 설계된 역필터의 고영역 통과 주파수 응답을 나타낸다.

(실시예)

발열하고 있는 인간을 검출하도록 설계된 계기를 제공하기 위해, 전술한 실시형태의 실현을 구축했다. 계기는 얼굴의 온도를 감시하고, 화상 내에 미리 정해진 온도 역치보다 높은 영역이 있으면 점멸한다. 그와 같은 용도의 경우, 계기는 비교적 매우 작은 온도 범위를 커버하면 좋다. 30℃ 내지 40℃의 범위는 충분한 정도이며, ±0.25 ℃의 정밀도로 커버할 수 있다. 그와 같은 실시형태는 공항에서 SARS 및 같은 감염증의 보인자를 선별하기 위한 편리한 비침습성 검출기로서 사용하는 용도를 가진다.

통상의 비냉각 마이크로 볼로미터 검출기를 사용하는 온도측정의 기본적 개념은 이렇게 하여 달성된다. 온도측정 능력을 위해 필요한 추가적 하드웨어는 한정되고, 또한 저렴하므로, 기존 장치를 용이하게 업그레이드할 수 있다. 내부의 온도를 측정하고, 동시에 필요한 보상을 달성하는 능력은 통상의 비냉각 마이크로 볼로미터 FLIR 카메라의 적용 범위를 확대하는 것이 기대되는 것은 당연하다.

본 특허의 유효기간 중에, 많은 관련 마이크로 볼로미터 및 다른 적외선 검출기 화소 및 어레이가 개발되는 것이 기대되고, 대응하는 용어의 범위는 선험적으로 모든 그와 같은 신기술을 포함시킬 생각이다.

명확히 하기 위해 별개의 실시예로 설명되고 있는 본 발명의 특정한 특징은 단일의 실시예에 조합시켜서 제공할 수도 있다는 것은 알 수 있을 것이다. 반대로, 간결하게 하기 위해 단일 실시예로 설명되어 있는 본 발명의 각종 특징은 별개로 또는 적절한 하위 조합으로 제공할 수도 있다.

본 발명은 그 특정 실시예에 따라 설명되었으나, 많은 다른 방법, 변경 및 변형이 있을 수 있다는 것은 당업자에게 확실하다는 것은 명백하다. 따라서, 본 발명은 본원의 청구항의 정신과 넓은 범위 안에 들어가는 이러한 다른 방법, 변경 및 변형 모두를 포함하는 것이다. 본원에서 예로 든 간행물, 특허 및 특허출원은 모두 각각의 간행물, 특허 및 특허출원이 각각 구체적이고, 또한 각각에 인용 제시되어 있는 것과 같은 정도로, 전체를 본 명세서에 인용하는 것이다. 또한, 본원에서 인용 또는 확인한 것은 본 발명의 선행 기술로서 이용할 수 있다는 자인하는 것으로 간주해서는 안 된다.

Claims (62)

1. 적외선 촬상 카메라로서,

   적외선 방사 에너지를 검출하도록 구성된 적외선 센서의 어레이를 포함하는 비냉각 및 비차폐 검출기, 및

   i) 외부의 장면으로부터 유래하지 않는 적외선 방사 에너지를 나타내는 제1기준온도를 측정하기 위해 셔터에 위치하는 제1 온도센서를 이용하여 상기 셔터가 닫혀 있는 동안에 상기 적외선 촬상 카메라의 셔터 온도의 교정온도측정을 행하는 단계,

   ii) 상기 교정온도측정시에 상기 적외선 센서의 어레이의 평균 출력을 포함하는 평균 영상신호를 결정하는 단계, 및

   iii) 상기 적외선 센서의 어레이에 있어서 각 적외선 센서에 대해 신호를 온도로 변환하는 동일 함수를 사용하여, 상기 셔터가 개방되어 있는 사이에 불균일 보정 후에 얻어진 상기 적외선 센서의 각각의 출력으로부터 상기 평균 영상신호를 뺀 것에서 적외선 센서의 각각에 대하여 온도를 산출하는 단계에 의해 교정동작을 실행하는 교정기를 포함하고,

   상기 제1 기준온도는 신호를 온도로 변환하는 함수의 옵셋인 것을 특징으로 하는 적외선 촬상 카메라.
2. 제1항에 있어서,상기 교정기는 초기 교정온도 측정으로부터 얻은 초기 제1 기준온도를 후속되는 교정온도측정으로부터 얻어지는 후속되는 제1기준온도와 조합시키도록 구성되고, 상기 조합하는 것은 시간의존함수를 사용하여 상기 교정온도측정 후의 시점에 대해 상기 제1 온도의 외삽치를 생성하는 것을 특징으로 하는 적외선 촬상 카메라.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 카메라의 셔터의 온도측정값의 함수인 초기값을 사용하여 상기 보정을 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 적외선 촬상 카메라.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 교정기는 상기 적외 촬상 카메라의 하우징 상에 배치된 제2온도센서를 이용하여 상기 셔터가 개방되어 있는 동안에 제2기준온도를 측정하도록 더 구성되어 있고, 상기 제2기준온도는 상기 제2기준온도의 측정시점에 대하여 상기 신호를 온도로 변환하는 함수의 추가의 파라메터인 것을 특징으로 하는 적외선 촬상 카메라.
5. 제3항에 있어서, 상기 셔터는 상기 비냉각 및 비차폐 검출기에 의해 이용되는 스펙트럼 주파수 범위 내의 방사율을 가지는 시트를 포함하고, 상기 셔터로부터 반사된 방사는 상기 셔터의 온도를 표시하고, 상기 교정기는 상기 셔터로부터의 방사를 측정하는 것에 의해 상기 신호를 온도로 변환하는 함수의 추가의 파라메터인 추가의 기준온도를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 촬상 카메라.
6. 제3항에 있어서, 상기 셔터는 상기 비냉각 및 비차폐 검출기에 의해 사용되는 스펙트럼 주파수 범위 내의 반사율을 가지는 시트를 포함하고, 상기 셔터로부터 반사된 방사는 상기 비냉각 및 비차폐 검출기의 온도를 나타내고, 상기 교정기는 상기 셔터로부터 반사된 방사를 측정하는 것에 의해 상기 신호를 온도로 변환하는 함수의 추가의 파라메터인 추가의 기준온도를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 촬상 카메라.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 교정기는 적외촬상 카메라의 열시정수 미만의 시간 간격으로 상기 교정온도 측정을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 촬상 카메라.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비냉각 및 비차폐 검출기는 마이크로볼로미터 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 촬상 카메라.
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11. 교정온도 측정에 따라 비냉각 및 비차폐 방사계의 응답을 보정하는 방법으로서, 상기 방사계가 IR 센서의 어레이에 입사하는 IR방사선에 따라 온도화상을 형성하기 위해 화상 응답을 제공하기 위해 상기 IR 센서의 어레이와 제어가능한 개폐를 위한 셔터를 포함하고,

    상기 방법이, 상기 셔터가 폐쇄되어 있는 동안에 상기 셔터의 온도를 포함함과 동시에 외부의 장면으로부터 유래하지 않는 적외방사를 표시하는 제1기준 온도를 결정하기 위해 교정온도 측정을 실행하는 단계;

    상기 교정온도 측정의 시점에서의 IR 센서의 어레이의 평균 출력을 포함하는 평균 화상 신호를 결정하는 단계;

    비냉각 및 비차폐 방사계에 의해 검출된 적외방사 에너지에 대한 균일 응답을 가지는 복수의 균일한 출력을 제공하기 위해 상기 셔터가 개방되어 있는 동안에 얻어진 IR 센서의 어레이의 복수의 출력 상에서 비균일성 보정(NUC)을 수행하는 단계;

    상기 균일 출력의 각각에 대하여 신호를 온도로 변환하는 동일 함수를 사용하여 각각의 균일 출력과 상기 평균 화상 신호와의 차이로부터 IR 센서의 어레이에서 각 IR 센서에 대한 온도를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 제1기준온도는 상기 신호를 온도 변환하는 함수의 파라메터인 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 일련의 교정온도 측정에 걸쳐 상기 셔터의 온도에 대한 상기 IR 센서의 어레이에서의 상기 IR 센서의 시간의존응답을 결정하는 단계; 및

    상기 온도 산출의 수정에 시간의존응답을 사용하는 단계를 포함하는 방법.
13. 제11항에 있어서, 일련의 온도측정에 걸쳐 상기 IR 센서의 어레이의 상기 출력 신호로부터 산출된 물체의 온도와 상기 물체로부터 직접 측정된 온도와의 차이를 결정하는 것에 의해 일련의 오차를 얻는 단계를 더 포함하고;

    후속 온도측정을 위해, 상기 IR 센서의 어레이에서의 각 IR 센서에 대하여 온도를 산출하는 단계는 후속 오차를 감소시키기 위해 상기 일련의 오차에 따라 상기 균일 출력을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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