볼로미터의 NETD와 시간상수와의 관계

본 논문은 "ULIS BOLOMETER IMPROVEMENTS FOR FAST IMAGING APPLICATIONS" 번역본으로 볼로미터의 NETD와 시간상수(τ)와의 관계 및 성능에 대해서 잘 설명되어 있습니다.

 

ABSTRACT

고급 응용 분야에 대한 열화상 이미지 센서 성능은 NETD 및 열 시간 상수(τ)를 기반으로 하는 FoM(Factor of Merit)를 사용하여 비교할 수 있습니다. 이 FoM은 FoM = NETDxτ로 정의되며 mK.ms로 표시됩니다. 최고의 볼로미터 FoM의 범위는 480~600mK.ms입니다. 장면에서 짧은 이벤트나 빠르게 움직이는 물체로 인해 감지기에서 빠른 응답이 필요한 경우 볼로미터는 현재 약 12ms인 τ에 의해 제한되어 이미지가 흐려질 수 있습니다. 번짐을 줄이기 위해 볼로미터 τ를 조정하면 NETD 성능이 허용되지 않아 FoM이 전체적으로 변경되지 않은 상태로 유지될 수 있습니다. τ가 크게 감소한 우수한 NETD를 요구하는 이러한 고속 애플리케이션을 위해 ULIS는 120mK.ms의 탁월한 FoM으로 개선된 17µm 픽셀을 개발했으며 이는 최신 기술보다 4배 더 우수합니다. 이 백서는 NETD 및 τ에서 얻은 성능을 설명하고 기존의 높은 프레임 속도 ROIC와 결합하여 머신 비전과 같은 빠른 이미징 응용 프로그램을 처리하는 방법을 설명합니다.

 

1.     STATE OF THE ART

지난 15년 동안 마이크로 볼로미터 기술은 지속적으로 개선되었습니다. 픽셀 피치 감소 경쟁은 2000년대 50μm에서 2005년 25μm, 2010년 17μm, 현재 12μm로 진행 중입니다. 성능 측면에서 모든 열화상 센서(TIS) 제조업체의 주요 초점은 픽셀 피치 감소에도 불구하고 NETD(노이즈 등가 온도 차이)를 유지하는 것이었습니다.

 

시장 및 애플리케이션에 따라 최신 전체 생산 17µm 픽셀 피치 기술에서 모든 주요 업체가 약 40~50mK의 NETD를 달성합니다. NETD 외에도 볼로미터 열 시간 상수(τ)는 다음과 같은 경우 시스템 성능에 중요한 매개변수입니다. 응용 프로그램은 빠른 응답 시간이 필요합니다. 일반적인 τ 값의 범위는 17µm 피치 볼로미터의 경우 10~16ms입니다. τ는 볼로미터의 고유 특성입니다. 이는 설계에 의해 정의되며 제품에서 모니터링할 수 없습니다.

볼로미터의 장점 계수는 FOM = NETD로 정의됩니다.

 

이 FoM은 일시적인 이벤트를 감지하는 볼로미터 기능을 설명합니다. 이 FoM을 사용하면 시스템의 빠른 응답이 필요한 고성능 애플리케이션에 대한 볼로미터 기술을 보다 정확하게 비교할 수 있습니다. NETD, τ 및 여러 볼로미터 제조업체에 대한 결과 FOM이 표 1에 설명되어 있습니다. 데이터는 VGA/17µm 제품에 대한 웹사이트에서 수집되었습니다.

 

Table 1: FOM 비교 위의 값을 보면 최상의 FoM 범위는 480mK.ms(40mK, 12ms)에서 600mK.ms(50mK, 12ms)입니다.

Manufacturer	Model	NETD(mk)	(ms)	(mK.ms) FOM
FLIR	Quark2	50	12	600
SCD	Bird640	40	16	640
DRS	U6160	50	14	700
ULIS	PICO640Gen2	40	12	480

 

2. BOLOMETER ACQUISITION CHAIN

2.1 Bolometer Thermal Time Constant descriptions

볼로미터의 열 시간 상수는 볼로미터가 들어오는 자속 변화에 얼마나 빨리 반응하고 예상 수준에 도달하는지 나타내는 시간 매개변수입니다. 볼로미터 플레이트는 온도에 의해 완전히 정의되는 저항 값이 특징입니다. 볼로미터의 온도는 많은 매개변수에 따라 달라지지만 열역학에서 파생된 간단한 열 방정식 법칙을 따릅니다.

 

Figure 1: 두 τ 값에 대한 단계 함수에 대한 볼로미터 응답

 

열 시간 상수는 시간 필터 τ의 매개변수입니다. Rth: 열 저항 및 Cth: 볼로미터의 열 용량의 곱으로 구성됩니다. 우리는 전자공학, 즉 커패시턴스와 저항에 의해 생성된 시간 필터와 평행선을 그릴 수 있습니다. 수학적 기능도 비슷합니다.

그림 1에서 볼 수 있듯이 볼로미터가 계단 함수에 반응하고 예상 출력 신호의 95%에 도달하려면 3*τ가 필요합니다.

 

2.2 Bolometer Read Out Integrated Circuit (ROIC)

2.2.1 ROIC global architecture

볼로미터 레이어는 전용 이미징 CMOS 판독 웨이퍼 위에서 직접 처리됩니다. 센서와 연결된 이 판독 집적 회로(ROIC)는 각 픽셀의 온도계 저항 값을 측정합니다. 롤링 셔터 모드로 작동됩니다. 각 이미징 픽셀은 공통 게이트 MOS 트랜지스터를 통해 지정되고 그림 2에 설명된 것처럼 스키밍 블라인드 볼로미터와 함께 작동하여 볼로미터를 통과하는 불필요한 오프셋 전류의 많은 부분을 제거합니다. 픽셀 신호는 ROIC의 입력단에서 사용되는 저잡음 CTIA(Capacitive Trans-Impedance Amplifier)를 통해 비디오 출력에 제공됩니다. 이 단계는 볼로미터의 전류를 전압 값으로 변환하고 Cint 및 Tint 커플(각각 통합 커패시터 및 통합 시간)을 사용하여 ROIC 이득의 크기를 조정합니다.

 

2.2.2 Integration time versus τ

적분 시간은 ROIC 설정 가능한 매개변수입니다. 이것은 볼로미터가 저항을 측정하기 위해 극성화되는 시간을 정의합니다. 롤링 셔터 구조로 인해 연속된 모든 볼로미터가 동시에 읽힙니다. 최대 통합 시간은 프레임 속도와 ROIC의 행 수에 따라 다릅니다. 320x240 해상도 센서와 60Hz의 프레임 속도의 경우 최대 적분 시간은 약 70µs(1/240/60)입니다. §2.1에 정의된 바와 같이 열 시간 상수는 볼로미터의 설계에 의해 정의됩니다. 이 매개변수는 제품 설정에서 구성할 수 없습니다. 통합 시간과 완전히 독립적입니다.

 

2.2.3 High Frame rate ROIC capability

ULIS Pico640Gen2 및 Pico1024Gen2(각각 VGA/17µm 및 XGA/17µm) 제품은 향상된 ROIC 아키텍처를 통합하여 초점면 배열을 초당 최대 120프레임으로 읽을 수 있습니다.

추가 데이터 흐름을 관리하기 위해 비디오 출력 및 관련 비디오 증폭기가 ROIC에 추가되었습니다. PICO640gen2는 하나의 출력으로 최대 60Hz에서 실행되며 60Hz 이상 및 최대 120Hz의 프레임 속도에 대한 두 번째 출력이 있습니다. Pico1024Gen2는 최대 60Hz까지 2개의 출력으로 실행되며 60~120Hz에서 4개의 출력이 필요합니다. §2.2.2에서 설명한 대로 통합 시간은 출력 수의 영향을 받지 않습니다. VGA 검출기의 경우 120Hz에서 적분은 약 17µs(1/480/120)입니다.

 

3. Bolometer limitations for fast imaging

3.1 Limitations due to τ

빠르게 움직이는 장면에서 볼로미터 τ는 중요한 역할을 합니다. 이미지 N이 이미지 N-1에서 볼 수 있는 이벤트의 영향을 받지 않기 위해서는 볼로미터의 τ가 픽셀 앞의 이벤트 지속 시간보다 최소 3배 낮아야 합니다. 즉, τ가 대략 10ms에서 볼로미터는 30ms 이벤트를 올바르게 감지할 수 있으며 평형 상태로 돌아오려면 약 30ms가 더 필요합니다. 더 짧은 이벤트(또는 더 빠른 장면 이동)의 경우 ULIS 볼로미터의 더 높은 프레임 속도 기능을 사용할 수 있습니다. 이것은 더 많은 시간 정보를 얻는 데 도움이 되지만 열 시간 상수는 S/N 비율과 이미지의 흐림이라는 두 가지 방식으로 이 정보의 관심을 제한할 수 있습니다.

 

3.1.1 Signal to Noise limitation

더 높은 프레임 속도로 인해 적분 시간이 감소함에 따라 볼로미터의 응답성이 감소합니다. 이 신호 감소는 열 시간 상수와 무관합니다. τ는 볼로미터가 예상 수준에 도달하는 데 필요한 시간을 정의하므로 S/N 비율은 τ로 인해 더 떨어질 것입니다. 짧은 이벤트(3*τ보다 짧음)에서는 볼로미터가 최적 온도까지 가열되지 않아 신호 손실이 발생하고 결과적으로 신호 대 잡음비가 감소합니다. 전체 신호를 얻으려면 τ를 줄여야 합니다.

 

3.1.2 Image blurring

장면 플럭스가 픽셀 시야에서 사라지면 볼로미터가 평형 온도로 돌아오려면 3τ가 필요합니다. 그 동안 픽셀은 새로운 평형 온도에 도달할 때까지 잔류 신호를 갖게 됩니다. 이로 인해 §5에 표시된 것처럼 이미지가 흐려집니다. 이 현상을 줄이기 위해서는 다시 짧은 τ가 필요하다.

 

3.2 Difficulties to reduce τ

마이크로 볼로미터 열 시정수 τ는 일반적으로 열 용량 Cth와 열 저항 Rth의 곱으로 설명됩니다.

 

τ = Cth*Rth.

 

Cth는 볼로미터 멤브레인의 부피와 관련되고 Rth는 볼로미터 암 형상에서 나오기 때문에 Cth와 Rth는 독립된 양인 경우가 많습니다. 분명히, 작은 시간 상수는 Cth 또는/및 Rth의 감소를 필요로 합니다. 이것은 그 자체로 디자인 과제가 아닙니다. 멤브레인 표면을 축소하거나 더 얇은 층을 사용하여 Cth를 줄이는 것이 가능하지만, 더 큰(따라서 제작하기 쉬운) 열 암을 사용하면 작은 Rth가 가능합니다. 이 열 시간 상수 감소가 다른 검출기 성능 지수, 특히 이 문서에서 NETD(노이즈 등가 온도 차이)로 표현되는 열 감도에 영향을 미치지 않아야 할 때 문제가 발생합니다. 볼로미터 광학 결합 계수는 흡수체 역할을 하는 멤브레인 표면에 크게 의존합니다. 따라서 볼로미터 멤브레인의 크기를 줄이면 이 결합 계수와 검출기 NETD가 직접적인 방식으로 저하됩니다. 또한 멤브레인 층의 두께를 줄이면 기계적 불안정성 증가와 같은 추가 문제가 발생할 수 있습니다. 마찬가지로 검출기 응답은 열 저항에 정비례하므로 감도 저하 없이 감소할 수 없습니다. 결과적으로 최첨단 감도를 유지하면서 볼로미터 열 시정수를 크게 줄이는 것이 주요 기술 과제입니다.

 

4. ULIS FAST BOLOMETER PERFORMANCE

몇 가지 낮은 열 시간 상수 볼로미터 구성이 ULIS 시설에서 설계, 제작 및 특성화되었습니다.

그림 3은 최신 17 µm 마이크로 볼로미터와 낮은 τ ULIS 프로토타입에 대해 플롯된 NETD 대 열 시간 상수입니다. 2.5ms에서 3.9ms 범위의 τ와 함께 43mK에서 51mK 범위의 NETD를 보여줍니다.

 

Figure 3: 3가지 테스트 구성(왼쪽)과 최신 마이크로볼로미터(오른쪽)에 대한 NETD 대 τ

 

τ, NETD 및 기계적 안정성을 기반으로 한 최적 구성(n°1)은 2.5ms / 48mK의 최고의 성능을 나타냅니다. 이 성능은 동등한 감도로 최신 기술보다 최소 4배 작은 τ를 보여줍니다. 해당 NETD*τ의 장점 수치는 우리가 아는 한 지금까지 보고된 것 중 최고인 120mK.ms입니다.

 

Figure 4: τ map

 

Figure 5: 어레이에 대한 일반적인 τ 분포

 

이러한 모든 구성은 타당성 시연의 첫 번째 배치에서 제조되었습니다. Focal Plane Array에 대한 τ의 균일성은 그림 4에 나와 있습니다. 그림 5의 분포는 0.04ms의 표준 편차와 함께 2.47ms의 평균 값을 보여줍니다. MILSTD-810 및 MIL-STD-883에 따른 첫 번째 기계적 인증은 표준 볼로미터 동작과 차이가 없습니다.

 

5. APPLICATION EXAMPLES

5.1. Simulation of fast moving object detection

이 첫 번째 예에서 비행 물체 감지는 그림 6의 건물 위에서 시뮬레이션됩니다. 왼쪽에서 시뮬레이션은 표준 마이크로 볼로미터(40mK, 12ms)로 수행됩니다. 오른쪽에서 동일한 물체 감지가 개선된 볼로미터(50mK, 2.5ms)로 시뮬레이션됩니다. 개체 속도는 초당 850픽셀입니다.

 

Figure 6: 12ms 볼로미터(왼쪽) 및 2.5ms 볼로미터(오른쪽)를 사용한 빠르게 움직이는 물체 감지 시뮬레이션

 

표준 볼로미터(왼쪽)를 사용하면 개선된 볼로미터(오른쪽)에 비해 물체가 흐려지고 배경과의 대비가 줄어듭니다. 더 낮은 τ 덕분에 개선된 볼로미터로 물체 위치도 더 정확합니다.

 

5.2 Chopper image

이 실제 테스트에서는 30Hz 프레임 속도로 실행되는 두 대의 카메라가 있습니다. 그림 7은 NETD가 약 50mk이고 τ=10ms인 표준 열화상 센서가 있는 초퍼의 이미지를 보여줍니다. 그림 8은 τ=2.5ms 볼로미터가 있는 동일한 장면을 보여줍니다. 초퍼는 초당 100회전의 속도로 회전합니다.

 

Figure 7: with τ =10ms

 

Figure 8: with τ =2.5ms

 

그림 7에서 §3.1에 설명된 것처럼 이미지 흐림으로 인해 초퍼 블레이드가 보이지 않는 것을 볼 수 있습니다. 블레이드와 배경 신호 사이에는 평균 신호만 있습니다. 그림 8에서 블레이드가 보이고 블레이드와 배경 사이의 대비가 명확합니다. 블레이드 모양 변형은 롤링 셔터 아키텍처로 인한 것입니다.

 

6. CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES

ULIS는 17µm 볼로미터의 FOM에 대한 새로운 기록을 수립했습니다. 120mK.ms에서 τ가 2.5ms인 이 볼로미터는 비슷한 수준의 NETD로 최신 기술보다 4배 이상 빠릅니다. 이 새로운 픽셀은 개념 증명입니다. ULIS의 목표는 이러한 픽셀의 타당성을 증명하고 이러한 성능에 대한 관심에 대한 고객 피드백을 수집하는 것입니다. 고객 피드백에 따라 이 픽셀은 높은 프레임 기능을 갖춘 향후 제품에 통합될 수 있습니다.