비냉각형 적외선 카메라.볼로미터.신호취득회로.적외선 센서 모듈.암전류 억제.픽셀단위의 아날로그-디지털 변환기.온도 안정화 장치가 없는 신호 취득회로.초소형/ 고성능 적외선 카메라.uncooled infrared camera.bolometer.readout integrated circuit.infrared sensor module.background suppression.pixel-level analog-to-digital converter.TEC-less ROIC.compact and high-quality infrared camera.
초록 ▼
연구의 목적 및 내용 본 연구에서는 적외선 검출기와 영상/신호처리 보드를 보다 간소화하여 비냉각형 적외선 카메라의 크기, 비용 및 전력소모를 개선하고자 한다. 소형화에만 집중하면 영상의 성능이 다소 나빠질 우려가 있으나, 본 연...
연구의 목적 및 내용 본 연구에서는 적외선 검출기와 영상/신호처리 보드를 보다 간소화하여 비냉각형 적외선 카메라의 크기, 비용 및 전력소모를 개선하고자 한다. 소형화에만 집중하면 영상의 성능이 다소 나빠질 우려가 있으나, 본 연구에서는 영상의 성능을 개선하는 것 또한 중점을 두려고 한다. 이를 위한 신호취득회로의 연구 주제는 크게 네 개로 나뉜다. 첫 번째 연구는 적외선 센서의 신호 중에서 불필요한 부분을 효과적으로 제거하여 영상 신호의 잡음을 줄이는 연구이다. 두 번째 연구는 넓은 동작범위를 갖는 저전력 픽셀 단위의 아날로그-디지털 변환기(ADC)로서, 적외선 영상의 잡음과 동작범위를 개선하면서 센서 모듈의 크기와 전력소모를 개선하고자 한다. 이와 더불어, 온도 안정화 장치가 필요 없는(TEC-less) 신호취득회로(ROIC)에 영상/신호처리 기능을 내장함으로써, 원칩화된 적외선 카메라칩에 대한 가능성을 살펴보고자 한다.
연구결과 휴대용 적외선 카메라의 크기, 비용, 전력소모 및 영상의 성능 등을 개선하기 위해, 적외선 센서 모듈을 개선하고자 했으며, 이를 위한 신호취득회로의 구체적인 연구 결과는 다음과 같다. (1) 전류 모드 암전류 억제 방식: - 목표가 되는 센서를 규정하고, 신호취득회로 입력의 특성 및 범위 결정. - 제안하는 신호취득회로 한 픽셀을 구체적으로 설계하고, 동작 검증 및 특성 평가. - 인접한 네 개(2×2 배열)의 센서가 신호취득회로 한 픽셀을 공유하게 함. - 보정 값 저장 및 refresh를 위한 10-bit ADC/DAC 설계. - 각 픽셀에 적분된 아날로그 영상 신호를 디지털로 변환하기 위한 12-bit on-chip ADC 설계. - 2단계 암전류 억제 회로 검증 완료 및 목표치 달성. - 10-bit ADC/DAC 검증 완료 및 목표치 달성. (2) 넓은 동작범위를 갖는 저전력 픽셀 단위의 ADC: - 제안하는 신호취득회로 한 픽셀을 1차년도 결과를 참고하여 구체적으로 설계: 기 제안한 암전류 억제 방식과 ADC 회로를 보다 개선하여 설계함. - 각 픽셀의 디지털 값을 저장하기 위해 별도의 메모리 배열을 사용하는 대신 각 픽셀 내부에 메모리를 내장함. - 배열을 구동하기 위한 주변회로 설계. - 개선한 암전류 억제 회로와 제안하는 time-to-digital ADC에 대한 특성 평가 진행. - ADC의 해상도는 12bit 이상 13bit 이하. (3) TEC-less 신호취득회로: - 제안하는 TEC-less 신호취득회로와 2차년도에 진행한 Time-to-Digital ADC를 결합. - TEC-less 신호취득회로만 따로 평가하기 위해서, 이를 위한 독립적인 블록 설계. - Self-bias equalization을 위한 12-bit ADC/DAC 설계. - 기판 온도의 범위: -20 ~ 50∘C, 공간 잡음 < 0.5mV, NETD < 50mK. (4) 영상/신호처리 기능을 갖는 ROIC: - 아날로그 전원 회로부 및 디지털 신호처리 회로부 설계. - 측정 평가는 추후 진행하여 완료할 예정.
연구결과의 활용계획 적외선 카메라는 현재 군사용, 의료용, 산업용으로 널리 사용되고 있으며, 이 중에서도 본 연구는 자동차용 시야 보조 장치, 보안 카메라 및 군용 휴대 장비 등의 고성능 초소형 카메라에 적합하다. 현재 휴대용 카메라를 위한 비냉각형 센서에 대해서 국내/외 연구는 센서의 감지도와 카메라의 소형화에만 집중되어 있다. 따라서, 냉각형 방식에 비해 카메라 영상의 주요 성능이 크게 떨어지고 있는 실정이다. 특히, 우리나라의 경우 냉각형 적외선 센서 분야는 선진기술 수준에 도달해 있으나, 비냉각형 센서에서의 역량은 아직 부족한 실정이다. 따라서,본 연구 결과를 통해 휴대용 카메라의 성능에 대한 산업체의 요구를 어느 정도 만족시킬 수 있을 것이다. 더 나아가서 본 연구를 통해 얻을 수 있는 기술을 장기적으로 발전시키면, 현재 핸드폰에 들어가는 CMOS 기반 가시광 센서 모듈과 같이 활용분야가 광범위하게 확대되어 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 예상한다. 또한, 버클리 대학을 중심으로 연구되고 있는 SmartDust와 같은 유비쿼터스 센서에도 접목하여 미래형 스마트 감지 시스템의 핵심부품으로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
( 출처 : 한글요약문 4p )
Abstract ▼
Purpose&contents For improving the size, cost and power consumption of the uncooled hand-held infrared camera, we will study th...
Purpose&contents For improving the size, cost and power consumption of the uncooled hand-held infrared camera, we will study the new readout integrated circuit(ROIC), which simplifies the infrared sensor module and image/signal processing board. If we focus on the miniaturization of the infrared sensor module, the image performance can be slightly worsen. However, our study also focus on improving the image performance such as signal-to-noise ratio, dynamic range and spatial noise.
Result In order to improve the size, cost, power consumption, and image performance of a portable infrared camera, the infrared sensor module has been improved. Specific results of the readout integrated circuit for the infrared sensor module are as follows. (1) Current mode background suppression method: - Define the target sensor and determine the characteristics of the ROIC input. - Design of a unit cell of the proposed ROIC, operation verification and characterization. - Four adjacent (2 × 2 array) sensors share a unit cell ROIC. - 10-bit ADC / DAC design for storing and refreshing calibration data. - 12-bit on-chip ADC design for digital conversion of analog video signals integrated into each pixel. - Measurement of 2-step background suppression circuit and achievement of target value. - Complete 10-bit ADC / DAC verification and achieve target. (2) Low power pixel-level ADC with wide dynamic range: - Design of the proposed ROIC by referring to the results of the first year. - Memory is built into each pixel to store the digital values of each pixel. - Peripheral circuit design to drive the array. - Characterization of the improved background suppression circuit and the proposed time-to-digital ADC. - Resolution of ADC is 12 bit or more and 13 bit or less. (3) TEC-less ROIC: - Combines the proposed TEC-less ROIC with the Time-to-Digital ADC. - Independent block design for evaluating TEC-less ROIC only. - 12-bit ADC / DAC design for self-bias equalization. - Range of substrate temperature: -20 ~ 50 °C, spatial noise < 0.5mV, NETD < 50mK. (4) ROIC with image/signal processing function: - Design of analog power generation circuit and digital signal processing circuit. - Measurement evaluation will be done later.
Expected Contribution Infrared cameras are widely used in military, medical, and industrial applications. The proposed ROIC are suitable for high performance compact cameras such as automobile vision aids, security cameras, and military portable equipment. Currently, domestic and foreign researches are concentrated on sensor detectivity and miniaturization of camera for uncooled sensor systems. Therefore, the main performance of the camera image is significantly lower than that of the cooling type. In particular, Korea has reached the advanced technology level in the field of cooling infrared sensor, but the research level of the uncooled sensor is still insufficient. Therefore, the results of this study will be able to meet the demands of the industry for the performance of the portable camera to some extent. Furthermore, if the technology that can be obtained through this research is developed in the long term, it is expected that the application field will be widely expanded like a CMOS-based image sensor module to be incorporated in a mobile phone to create a new market. In addition, it is expected to be used as a key component of future smart sensing system by integrating with ubiquitous sensor such as SmartDust which is being studied mainly at Berkeley University.
