This paper introduces a new approach for the correction of bolometer detector array uniformity by analyzing mathematical characteristic of bolometer FPA(focal plane array). In this approach, called the real-time oversampling method, uses oversampled data which can estimate and correct the non-uniformity characteristic of bolometer pixel. Using proposed method, there is no require of blind bolometer and mechani-cal shutter. Real-time oversampling method performed in DSP level, it simplifies bolometer FPA ROIC(readout integrated circuit). We present here the correction result maintaining approximately 150 [mK] NEdT with 50 K change of room temperature. This approach is expected to allow removal of the TEC(thermoelectric cooler) from uncooled systems, thus making bolometer FPA design ideally suited for high-volume, low-cost, low-power, and low-weight production applications.
적외선 검출기에 사용되는 볼로미터의 비-균일성 보정에 관한 연구는 매우 오래 전부터 진행되어 왔다. 볼로미터의 비-균일성은 공정 과정상의 문제로 인하여 볼로미터 배열에 있어 공간적으로 나타난다. 이러한 비-균일성은 결국 적외선 검출기의 최종 출력 전압의 오프셋(offset)과 이득(gain)에 영향을 미치며 이는 결국 적외선 검출기의 성능 저하로 이어진다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 보편적으로 두-점 보정(two-point correction) 방법을 통해 오프셋 및 이득 값을 구하여 이들을 보정에 사용하는데, 주위 온도 변화에 따른 기판 온도의 변화가 볼로미터의 온도저항계수의 변화를 야기하는 경우에는 주위 온도가 변화하기 전에 구하였던 오프셋 및 이득 값을 더 이상 보정에 사용할 수 없게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 기계적인 장치인 셔터(shutter)를 사용하여 주기적으로 오프셋 및 이득 값을 갱신하는 방법 등을 사용하거나, 주위 온도의 변화에 상관없이 기판 온도를 일정하게 유지시켜주는 냉각 장치를 사용한다. 이러한 냉각 장치로 주로 사용하는 것이 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 열전냉각소자(Thermoelectric Cooler, TEC)이다. 하지만 이러한 열전냉각소자는 그 가격과 전력 소모가 매우 높기 때문에 적외선 검출기에서의 열전냉각소자의 사용은 적외선 검출기 설계의 저-비용화 및 저-전력화를 방해한다.
본 논문에서는 볼로미터 저항의 변화를 측정하기 위한 전압 샘플링을 두 번 하여 열전냉각소자를 사용하지 않는 볼로미터 초점면배열에서 셔터와 블라인드 볼로미터를 사용하지 않고 비-균일성을 실시간으로 보정할 수 있는 방법을 제안하였다. 이는 볼로미터의 저항 변화에 의해 야기되는 전류 신호의 선형성을 기반으로 하며, 이러한 전류 신호의 선형성은 기존에 제안되었던 볼로미터의 비-선형적인 수학 모델을 선형 근사하여 새롭게 제안되는 볼로미터의 모델로서 증명되었다. 또한 시뮬레이터를 이용하여, 기존의 비-선형 모델로부터 얻어진 보정되지 않은 데이터를 제안된 선형 모델을 기반으로 하는 보정 방식으로 보정함으로서 제안된 보정 방식의 유효성을 검증하였다. 제안된 보정 방식을 사용하는 경우, 기판 온도가 50 [K] 변화에 대하여 약 150 [mK]의 NETD를 보였으며, 기판 온도가 변화하지 않는 경우에는 매우 작은 NETD를 보였다. 이는 본 논문에서 제안된 방법이 적외선 검출기 설계의 저-비용화 및 저-전력화에 매우 적합하다는 것을 반증하는 결과이다.
