METHOD AND CIRCUIT FOR SEPARATING THE THERMAL BACKGROUND SIGNAL OF AN IR DETECTOR FROM THE DESIRED SIGNAL

Abstract: 1. Method for the separation of the thermal background signal of an infra-red detector (1) from the useful signal with an equipment for the periodic blanking of the detector and with the use of two capacitors (C1, C2) of equal capacitance for the storing of charges proportional to the useful and to the background signal and for the generation of a difference voltage proportional to the useful signal, characterised thereby, that the two capacitors (C1, C2) of equal capacitance are charged up to the voltage of a reference voltage source (UR ), that subsequently the one capacitor (C1) is discharged by the illuminated detector (1) during a predetermined time interval, that subsequently the other capacitor (C2) is discharged by the unilluminated detector (1) during a like time interval and that the useful signal voltage corresponding to the difference between the capacitor voltages is fed to two neighbouring electrodes (G1, G2) of a charge transfer element (4).

Description: "Verfahren und Schaltungsanordnung zur Trennung des thermischen Hintergrundsignals eines IR-Detektors vom Nutzsignal" Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungs- anordnung zur Trennung des thermischen Hintergrundsignals eines Infrarot-Detektors (IR-Detektors) vom Nutzsignal. Die Aufnahme von Bildern unter Verwendung der IR-Strahlung des Aufnahmegegenstandes hat den Nachteil, dass die Strah- lungsunterschiede des Aufnahmegegenstandes oft sehr gering sind, insbesondere, wenn IR-Strahlung von Gegenstanden na- hezu gleicher Temperatur ausgeht. Die Strahlung, deren ntensität sich von der des thermischen Hintergrundsignals unterscheidet, bildet im wesentlichen das. Nutzsignal. Therminsche Hintergrundstrahlung tritt auch dann auf, wenn der zur Aufnahme der vom Aufnahmegegenstand ausgehenden IR-Strahlung verwendete IR-Detektor durch eine Blende von der aufzunehmenden Stahlung abgedeckt wird, da bekammtlich auch die Blende eine IR-Strahlung emittiert Die Erffindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Auf nahre eines Gegenstandes oder einer Landschaft mittels der von ihr ausgehenden IR-Strahlung, bei der zur Bildaufnahme mehrere IR-Detektoren benutzt werden, die zur Eliminierung der thermischen Hintergrundstrahlung periodisch abgebkendet werden. Es ist bekannt, zur Eliminierung der Hintergrundstrahlun jedem IR-Detektor einen eigenen Verstärker zuzuondnen un dessen jeweiligen Verstärkungsgrad an die exemplarstreu bedingte unterschiedliche Empfindlichkeit der IR-Detektoren anzupassen, derart, dass die Ausgangssignale der jeweiligen Verstärker bei gleicher IR-Bestrahlung der Detektoren gleiche Ausgangssignale abgeben. Mittels einer weiteren Schwellenschaltung oder einer Differenzverstärkers wird anschliessend vom Nutzsignal ein dem Hintergrundsignal entsprechender Betrag subtrahiert, so dass eine Erhöhung des Bildkon- trastes erzielt wird. Die beksnnten Schaltungsanordnungen haben jedoch dem Nachteil, dass tür jeden Detektor ein eigener Verstärker erfer- derlich ist, der ausserdem abgeglichen werden nu. Die be- kannten Lösungen erfordern folglich viel Platz, Aufwand und Justierarbeit. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Stand der Technik zu verbessern, Insbesondere soll eine Schaltungsanordnung angegeben werden, welche möglichst wenig Platz beansprucht, nicht abgeglichen zu werden braucht und bei der möglichst viele IR-Detektoren auf einer halb- leiter-Chip inklusive Auswerteeinheiten integrierbar sind. Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Enfin- dung gelöst. Dabei geben Anspruch 1 die Lehre für die Sig- nalverarbeitung, die durch verschiedene Schatungsanordnun gen realisiert werden kann, und Anspruch 2 bis 5 vorteilhafte Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Schaltungsamordnungen an. Dadurch, dass jeden IR-Detektor durch die Verwendung zweier Speicher sofort das gewünschte Differenzsignal ge tonnen wird, welches anschliessend zur Steuerung eines 2Ja- dungstransferelementes, beispielsweise eines CCD-Schiebe- registers, verwendet werden kann, wobei In vorteilhafter Weise die Speicher als Kondensatoren ausgebildet sein kön nen, die - wie das Ladungstransferelement - selbst nur we- nig- Platz beanspruchen und die in der gleichen Technologie ausführbar sind, ist ditL Anordnung chne weitere Verstärker und Abgleichelemente auf einem einzigen Halbleiter-Chip in grosser Anzahl integrierbar. Die Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 lässt sich in vorteilhafter Weise raumsparend integrieren. Die IR-Detektoren können in vorteilhafter Weise in das gleiche Halbleiter-Chip integriert werden und da dìe räum- liche Grösse der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung in der gleichen Grössenordnung liegt wie der IR-Detektor, kann sie für jeden Detektor einmal vorgesehen werden. Auf diese Weise lassen sich IR-Detektor-Arrays herstellen, deren Ausgangssignale sich ohne grossen Aufwand auswerten lassen. Zweckmässigerweise wird die erfindungsgemässe Schaltungsan- ordnung in MOS-Planar-Technologie realisiert, da Ladungstransferelmente, IR-Detektoren und Kondensatoren einfach und zuverlässig und ohne wesentliche Exemplarstreuungen erstellt werden können. Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und an Zeichungen näher erläutert. Es zeigen i- einzelnen: FIG. 1 Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung; FIG. 2 Inpulsplan zur Steuerung der in FIG. 1 angege- benen Schaltungsanordnung; FIG. 3 Prinzip der strahlungsabhängigen Ladungsein speisung in das Ladungstransferelement. In FIG. 1 ist mit 1 ein IR¯Detektorelement bezeichnet, dessen eines Ende auf Bezugspotential (Masse) liegt und dessen anderes Ende zum einen über einen ersten Feldeffekt-Tran- sistor (FET) T1 mit einem ersten Kondensator C1 und zum anderen über einem zweiten FET T2 mit einem zweiten Kondensator C2 verbindbar ist. Der Verbindungspunkt vnn Transistor C1 und Kondensator Cl ist ausserdem an einer ersten Steuer- elektrode G1 eines Ladungstransferelementes 4 angeschlossen und über einen dritten FET T3 mit einer Referenzesp quelle UR verbindbar. In gleicher Weise ist der Vebindungs- punkt von Transistor T2 und Kondensator C2 an einer zweiten Steuerelektrode G2 des Ladungstransferelementes 4 angeschlos sen und über einen vierten FET T4 mit der Referenzspannung UR verbindbar. Die jeweils anderen Anschlüsse aer toren Cl und C2 sowie der Referenzspannungsquelle UR liegen auf konstantem Potential, im Aufführungsbeispiel auf Massepotential. Das Ladungstransferelement 4 hat ein Substrat aus i-leiven- dem Silizium mit aufdotierter N-leitender Schicht 2, über der die Steuerelektroden G1, G2,... in an sich bekannter Weise isoliert aufgebraht sind. Die Steuerdelektroden G4, G5,... dienen zum Ladungstransfer der mittels einem, eine Diode bildenden PN-Übergang zwischen einem an eine Dioden- spannung Uo angeschlossenen P+-Gebiet 3 und den N-Gebiet 2 eingebrachten Ladung. Zum Betrieb der Schaltungsanordnung werden der IR-Detektor periodisch belichtet und die Gate-Elektroden der FET T1 bis T4 entsprechend dem in FIG. 2 gezeigten Impulspian ausge- steuert. Beim Ausführungsbeispiel sind MOS-FET vom P-Typ vorgesehen, so dass sie bei einer Gate-Spannung von Null Volt gesperrt und bei beispielsweise -15 Volt leitend sind. Zur Verein- fachung ist hier angenommen, dass die Nasse auf Bezugspo- tential liegt und die Referenzspannungsquele UR -15 Volt besitzt. Die Amplituden der in FIG. 2 gezeigten Spannungen haben ebenfalls -15 Volt. Die Transistoren T3 und T wer- den stets gleichzeitig ausgesteuert, so dass ihre Gates mit- einander verbunden sind. Während der Zeit to bis t1 wird der IR-Detektor 1 mit der Nutzstrahlung belichted. Dabei öffnet zunächst die Gatespannung U3 die Transistoren T3 und T4. Während dieser Zeit sind die Gatespannungen U1 und U2 der Transistoren T1 bzw. 22 Null und somit die Transistoren T1 und T2 ge- sperrt. Die Kondensatoren Cl und C2, die gleiche Kapazi- tät haben, werden nun über die Transistoren T3 und T4 auf die Referenzspannung UR aufgeladen. Nachdem die Gatespannung U3 auf Null Volt abgesunken ist, somit die Transistoren T3 und 24 gesperrt sind, wird zunächst die Spannung U1 angelegt, welche den Transistor T1 öffnet, so dass sich nun der Kondensator Cl über den der Nutzspannung bestrahlten IR-Detektor 1 entsprechend der Intenstät der Bestrahlung auf den Spannungswert UC entladen kann. Nun werden der Transistor T1 gesperrt und zur Zeit t1 (vergl. FIG. 2) die Blende geschlossen, so dass, wenn er Transistor T2 duruch die Gatesparnung U2 geöffnet wird, der Kondensator C2 entsprechend der Intesität der thermischen Hintergrundstrahlung auf die Spannung UC2 entladen wird. An der Steuerelektrode G1 liegt nun die Spannung UC1 und an der Steuerelektrode G2 die Spannung U52, Anchliessend wird die Diodenspannung Uo auf null Volt gesteuert. Dadurch kann eine aus Löchern bestehende positive Landung unter die Steuerelektroden G1 und G2 filie@en. Wird nun zur Zeit t2 die Diodenspannung Uo wieder auf beispielsweise -15 Volt gebraht, so ergibt eich ein örtlicher Potentialverlauf, wie er in FIG. 3 dargestellt ist. Hierin ist x eine Ortskoordinate. Das Gebiet A unter der P+-Diffusion 3 befindet sich auf einen der Spannung von -15 Volt entsprechenden Potential, das Gebiet B auf einem der Spannung Uc1 = U1 der Steuer- elektrode Gl, das Gebiet C auf einem der Spannung UC2 = U2 der Steuerelektroden G2 und das Gebiet auf einem der Span nung U4 der Steuerelektrode G4 entsprechendem Potertial. Die Spannung U4 ist zum Zeitspunkt t2 noch Null Volt. Di im Gebiet C befindliche Ladung kann daher in Richtung auf das Gebiet D nicht abfliessen, jedoch in Richtung auf das Gebiet Q nur soweit, wie es die Potentialschwelle in Ge- biet B zulässt. Die im Gebiet C verbleibende Landungsmenge ist also proportional der Spannungsdifferenz U2 - U1 = Uc2 - UC1 und damit proportional dem von der thermischen Hintergrundstrahlung befreiten Nutzsignal des IR-Detektors. Die Ladung im Gebiet C wird nun durch die Steuerspannungen UX, U5 und folgenae,die in an sich bekannter Weise an cie Steuerelektroden G4, G5 und folgende gelegt werden, durch das Ladungstransferelement geschoben und kann an seinem Ausgang abgegriffen werden. Das erfindungsgemässe Verfahren besteht folglich in wesent- lichen darin, das eine der Summe aus Nutt- und Hintergrund- signal proportionale erste Grösse (die Spannungsdifferenz U3 - UC1) in einem ersten Spiescher (Komndensator C1) gespeichert wird, dass eine dem Hintergrundsignal proportionale zweite. Grösse (die Spannungsdifferenz U3 - UC") in eine zweiten Speicher (Kondensator C2) gespeichert wir; und dass die Differenz der beiden Grössen (die Spannungsdifferenz UC2 - UC1) zur Steuerung eines Landungstransferelementes verwendet wird.

Claims: Patentansprüche 1. Verhafen yur ternnung des thermischen Hintergrundsig nals eines IR-Detektor vom Nutzignal, dadurch gekenn zeichnet, dass eine der Summe aus Nutzsignal un Hinter- grundsignal proportionale erste Grösse in einem ersten Speicher gespeichert wird, dass ein dem Hintergrundsignal proportionale zweite Grösse in einem zweiten Speicher gespeichert wird und dass die Differenz der beiden Grössen zur Steuerung eines adunstranferelementes verwendet wird. 2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens neon Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher Kondensatoren mit gleicher Kapazität ausgebildet sind. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gesemn- zeichnet, dass jeweils die einen Anschlüsse der Kondensato- ren (C1, C2) an den jeweiligen zugeordneten Steuerelektro- den (G1, G2) des Landungstransferelememtes (4) angenschlossen sind, über einen ersten und zweiten getrennt steuerbaren Schalter (T1, T2) mit dem IR-Detektor (1) und über einen dritten und vierten gemeinsamen steuerbaren Schalter (13, T4) mit einer Referentz-Spannungsquelle (UR) verbindbar sind und dass jeweils der andere Anschluss der Kondensatoren auf einem konstanten Potential(Masse) liegt. 4 Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeigh- net, dass sie für jeden IR-Detektor einmal vorgesehen und gemeinsam mit den IR-Detektoren auf einem Halbleiter-Chip integriert ist. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie in MOS-Planar-Technologie realisiert ist.

Inventors: MANCK, OTTO, DR. RER. NAT., RODDE, KLAUS, DIPL.-PHYS., SCHULZ, MAX, DR. RER. NAT. PROF., WULF, HANS-JURGEN, DIPL.-ING., Rödde, Klaus, Dipl.-Phys., Wulf, Hans-Jürgen, Dipl.-Ing.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH
Application year: 1980
Main classification: H04N5
IPC codes: F41G7, H04N5, H04N3