УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МАТРИЦЫ РЕЗИСТИВНЫХ БОЛОМЕТРОВ
DEVICE AND METHOD FOR DETECTING INFRARED RADIATION USING ARRAY OF RESISTIVE BOLOMETERS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области формирования инфракрасных изображений и болометрической пирометрии. Более конкретно, изобретение относится к области коррекции пространственной неоднородности в отклике из матрицы резистивных болометрических детектиров.
Предшествующий уровень техники
В области инфракрасных детекторов известна технология использования устройств, расположенных в форме матрицы, которые способны работать при температуре окружающей среды, другими словами, им не требуется охлаждения до очень низких температур в отличие от устройств детектирования, известных как "квантовые детекторы", для работы которых требуется очень низкая температура, типично, температура жидкого азота.
В таких неохлаждаемых детекторах обычно используются вариации физической переменной, соответствующей материалу, как функции температуры, приблизительно на уровне 300 К. В случае болометрических детекторов эта физическая переменная представляет собой электрическое удельное сопротивление упомянутого материала.
В состав неохлаждаемого детектора такого типа обычно входит:
- средство для поглощения инфракрасного излучения и преобразование его в тепло;
- средство для тепловой изоляции детектора, предназначенное для обеспечения его нагрева под действием инфракрасного излучения;
- термометрическое средство, в качестве которого, в контексте болометрического детектора, используют резистивный элемент;
- и средство для считывания электрических переменных, подаваемых термометрическим средством.
Детекторы, предназначенные для формирования инфракрасных изображений, обычно производят в форме матрицы из элементарных болометрических детекторов, или болометров, расположенных в одном или двух измерениях, причем упомянутая матрица подвешена над подложкой, обычно изготовленной из кремния, с помощью опорных рычагов для каждого отдельного детектора.
Как правило, в подложке предусмотрено средство для последовательной адресации элементарных детекторов и средство для электрического возбуждения и предварительной обработки электрических сигналов, генерируемых этими элементарными детекторами. Такие средства последовательной адресации, электрического возбуждения и предварительной обработки, поэтому, сформированы на подложке и составляют схему считывания.
Для получения изображений сцены посредством такого детектора сцену проецируют через соответствующую оптику на матрицу элементарных детекторов, и синхронизированные по времени электрические стимулы передают через это средство для считывания цепей каждого из элементарных детекторов или каждого ряда упомянутых детекторов для получения электрического сигнала, представляющего изображение с температурой, достигнутой каждым из упомянутых элементарных детекторов. Такой сигнал обрабатывают более или менее сложным образом с помощью схемы считывания и затем, возможно, с помощью электронного устройства, расположенного за пределами корпуса, для генерирования теплового изображения наблюдаемой сцены.
Такой детектор имеет множество преимуществ в отношении его изготовления, стоимости его производства и использования, но также и недостатки, которые ограничивают его рабочие характеристики.
Более конкретно, существует проблема, связанная с однородностью формирования сигнала болометрической матрицы. Действительно, благодаря дисперсии поведения болометров, не все из которых формируют одинаковый выходной уровень, когда их приводят к одной и одинаковой рабочей температуре, и не все из которых реагируют точно одинаково при воздействии одним и таким же инфракрасным излучением, поступающим из сцены, изображения однородной сцены, формируемые детекторами, имеют шумы с фиксированной структурой.
Упомянутое распределение может иметь значительное количество причин. Можно отметить, что основная причина представляет собой технологический разброс болометров, который выражается как разброс сопротивления, в результате чего происходит вариация выходного уровня детекторов, даже когда на матрицу подают однородную сцену. Другая причина дисперсии сигналов болометров представляет собой температурный дрейф в подложке и ее пространственное распределение температуры, учитывая, что температура болометров связана с температурой подложки, на которой они установлены.
Обычно сдвиг выходного уровня одного конкретного болометра, относительно среднего выходного уровня болометров в матрице, когда на них подают однородную сцену, обозначают термином "смещение". Термин "непрерывный уровень (Niveau Continu)", или NC для упрощения, используется ниже для обозначения всех входных уровней при этих конкретных однородных условиях подачи сигнала.
Для компенсации дисперсии смещения болометра, которая представляет собой основную причину ограничения качества сигналов, подаваемых детектором, разработано множество технологий коррекции.
Первый тип коррекции смещения, как описано, например, в документе US 2002/022938, содержит получение опорного изображения, а именно однородной сцены. Такое опорное изображение затем сохраняют в системе (термин, используемый здесь, для обозначения всех электромеханических и программных функций, воплощающих детектор или датчик) с последующим его вычитанием, цифровым или аналоговым, из каждого изображения, полученного с ее помощью. Опорное изображение обычно формируют с использованием, по существу, изотермического затвора, который закрывают для получения однородной сцены.
Такая первая технология имеет недостаток, связанный с неработоспособностью детектора в течение всего времени получения опорного изображения. Кроме того, установка затвора предполагает существенные дополнительные затраты и увеличивает количество источников механического отказа в системе и количество потребляемой ею энергии.
Второй тип коррекции дисперсии смещения основан на том факте, что смещение резистивного болометра зависит от его температуры. В этом втором типе коррекции болометра, как описано, например, в документе US 5811808, в системе постоянно содержатся таблицы смещения для разных заданных температур датчика. В упомянутой системе предусмотрен термометрический датчик для измерения температуры подложки и модуль обработки данных, который выбирает одну из сохраненных таблиц смещения, как функцию измеренной температуры, и формирует новую таблицу смещения путем интерполяции сохраненных таблиц как функции измеренной температуры. Выбранную или сформированную таблицу смещения затем вычитают из текущего детектируемого изображения.
Для такого типа коррекции не требуется затвора, но, однако, он является менее эффективным, чем коррекция первого типа. Кроме того, чем выше количество опорных точек и степень многочлена интерполяции, тем выше точность коррекции, выполняемой путем интерполяции. Фактически, качественная интерполяция требует существенных вычислительных ресурсов и сохранения достаточного количества таблиц. Кроме того, время получения таблицы смещения является существенным. И последнее, но самое важное, в принципе, интерполяция имеет достоверную точность только в непосредственной близости к опорным точкам. Стоимость производства детектора, построенного в соответствии со второй технологией, таким образом, становится неприемлемой, если требуется точное выполнение выборки в рабочем диапазоне температуры детектора.
Назначение изобретения состоит в том, чтобы решить упомянутые выше задачи, предложив эффективную и точную технологию коррекции, для которой не требуется затвор, при использовании ограниченного количества таблиц.
Сущность изобретения
Цель изобретения представляет собой устройство детектирования инфракрасного излучения, которое содержит подложку, матрицу из по меньшей мере одной линии элементов для детектирования упомянутого излучения, каждый из которых содержит резистивный болометр формирования изображения, причем упомянутая матрица сформирована поверх подложки, упомянутое устройство содержит средство для измерения температуры по меньшей мере в одной точке упомянутой подложки (известна как температура фокальной плоскости или FPT (ТФП)) и средство для коррекции сигнала, сформированного из каждого болометра, как функции температуры, измеренной по меньшей мере в одной точке подложки.
В соответствии с изобретением средство коррекции выполнено с возможностью коррекции сигнала, сформированного из болометров, используя заданную физическую модель температурного поведения упомянутого сигнала и, в частности, посредством заданной физической модели температурного режима болометра.
Предпочтительно, упомянутая модель сформулирована компактным способом, другими словами, она пригодна для быстрых расчетов без необходимости поиска цифровых решений разных дифференциальных уравнений.
Температура резистивного болометра и, следовательно, его электрическое сопротивление зависят от температуры сцены, наблюдаемой, когда инфракрасную энергию проецируют на матрицу болометров через оптику и снимают с помощью каждого болометра, но прежде всего от температуры фокальной плоскости. Поскольку болометры представляют собой элементы детектирования тепла, они подвешены над подложкой, содержащей схему считывания, используя теплоизолирующие рычаги. В результате тепловой проводимости температура фокальной плоскости непосредственно воздействует на температуру болометра. Можно предположить, в качестве общей идеи, что вклад фокальной плоскости температуры болометра составляет приблизительно 99% по сравнению с 1% температуры сцены. Поведение выходного уровня болометра, при любой температуре сцены, поэтому, в основном, зависит от температуры фокальной плоскости. Температура фокальной плоскости, поэтому, устанавливает температурную рабочую точку болометров. Дисперсия сопротивления болометров также изменяется как функция температуры фокальной плоскости. Изменение сопротивления конкретного болометра можно оценить как функцию температуры фокальной плоскости и, следовательно, так же как изменение дисперсии (поскольку каждый из этих параметров может быть известен). Правильное моделирование поведения температуры сигнала, сформированного из болометра, и конкретное моделирование температуры болометра, таким образом, обеспечивают достоверность коррекции с течением времени, когда возникает изменение температуры в фокальной плоскости.
"Поведение" сигнала болометра представляет собой термин, используемый здесь для определения повторяемого соответствия между температурой фокальной плоскости, которая составляет статическую тепловую рабочую точку болометра, и результатом процесса формирования сигнала, который зависит от вариаций физических параметров элементов, участвующих при формировании упомянутого сигнала. Наиболее важный из этих параметров представляет собой электрическое сопротивление болометра, сформированного на этой подложке, для заданных условий яркости инфракрасного излучения при любой температуре фокальной плоскости, но другие параметры могут также участвовать в этом процессе, такие как, например электрическое сопротивление структуры компенсации.
Действительно, так называемая структура компенсации очень широко используется во время формирования сигнала с целью формирования так называемого синфазного тока, который представляет часть тока формирования изображения болометра, независимую от сцены. Этот ток вычитают из тока болометра формирования изображения перед формированием сигнала, как более подробно поясняется ниже. Типично такая структура сама по себе является болометрической и сформированной из того же материала, что и чувствительная структура формирования изображения. Таким образом, ток, используемый для формирования сигнала, уже в большей степени компенсирован вариациями, индуцированными флуктуациями температуры в фокальной плоскости, и, по существу, представляет тепловую сцену. При этом представленные выше соображения в отношении влияния температуры фокальной плоскости на сигнал и его дисперсию остаются применимыми в очень широкой степени.
Такое взаимное соответствие между температурой фокальной плоскости и формируемым сигналом, предпочтительно, установлено посредством "физической модели", которая выражает закон поведения сигнала, формируемого как функция температуры фокальной плоскости в этих эталонных оптических условиях.
Следует отметить, что физическая модель здесь обозначает одну или более математических взаимозависимостей, таких как функция или система дифференциальных уравнений, выходы которых, например, можно рассчитывать каждый раз, когда значение их входов получают из одного набора идентифицированных параметров поведения. Предпочтительно, цель изобретения представляет собой моделирование сигнала в "компактной" аналитической форме, которая обеспечивает возможность прямого и быстрого расчета без необходимости использовать сложные циклы разрешения.
Другими словами, физическая модель температурного поведения сигнала, формируемого из болометра, обеспечивает возможность смещения сигнала, предназначенного для определения, как функции измеренной температуры фокальной плоскости без необходимости использования затвора или интерполяции множества таблиц.
Кроме того, в физических моделях используется ограниченное количество параметров таким образом, что идентификация параметра является менее дорогостоящей, чем идентификация множества таблиц в предшествующем уровне техники.
В соответствии с изобретением средство измерения температуры содержит по меньшей мере один датчик для измерения температуры подложки.
В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления изобретения средство измерения температуры включает в себя множество датчиков измерения температуры, выполненных с возможностью измерения температуры подложки во множестве ее точек, и средство для моделирования пространственного распределения температуры подложки как функции температуры, измеренной во множестве точек подложки, и средство коррекции выполнено с возможностью коррекции сигнала, сформированного из болометра, как функции моделируемой температуры подложки в непосредственной близости к ней.
Другими словами, подложка может быть пространственно неоднородной в отношении ее температуры. В результате моделирования пространственного распределения температуры подложки становится возможным определять ее температуру под каждым болометром и, таким образом, повысить точность коррекции.
Предпочтительно, средство коррекции позволяет выполнять оценку непрерывного уровня (NC), соответствующего экспозиции матрицы для однородной сцены с температурой, по существу, равной измеренной температуре фокальной плоскости.
Упомянутое средство коррекции позволяет, с одной стороны, выполнять оценку сопротивления болометра в соответствии с отношением:
где
est
▪ R(i, j) представляет собой оценку сопротивления болометра,
abs
▪ R(i, j) представляет собой заданное опорное сопротивление болометра,
mes
mes
▪ C(T) представляет собой параметр, зависимый от измеренной температуры T фокальной плоскости, выраженной в градусах Кельвина.
mes
Предпочтительно, параметр C(T) рассчитывают в соответствии с выражением:
где
A
▪ E представляет собой заданную энергию активации проводимости болометра,
▪ k представляет собой константу Больцмана.
В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления изобретения устройство содержит структуру компенсации общего режима, которая включает в себя компенсирующий болометр, ассоциированный с каждым столбцом матрицы, средство считывания, выполненное с возможностью формирования сигнала по разности между током, протекающим в болометре формирования изображения, и током, протекающим в компенсирующем болометре, который ассоциирован с ним, и средство коррекции, выполненное с возможностью оценки сопротивления упомянутого компенсирующего болометра, в соответствии с экспозицией матрицы однородной сцены с температурой, по существу, равной измеренной температуре, для коррекции сигнала.
В частности, средство коррекции выполнено с возможностью оценки сопротивления компенсирующего болометра в соответствии с выражением:
comp-est
comp-abs
mes
mes
mes
где R(j) представляет собой оценку сопротивления компенсирующего болометра, R (j) представляет собой заданное опорное сопротивление компенсирующего болометра, и C(T) представляет собой параметр, зависящий от измеренной температуры T подложки. Более конкретно, параметр C(T) рассчитывают в соответствии с выражением:
A
mes
где E представляет собой заданную энергию активации формирования изображения болометра, k представляет собой константу Больцмана, и T представляет собой измеренную температуру, выраженную в градусах Кельвина.
В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления изобретения средство коррекции выполнено с возможностью:
▪ оценки непрерывного уровня сигнала, формируемого из болометра формирования изображения, соответствующего экспозиции матрицы для сцены с однородной температурой, по существу, равной измеренной температуре, в соответствии с выражением:
comp
ac
где α и β представляют собой заданные параметры, зависящие от тока считывания, I(j) представляет собой ток, протекающий в компенсирующем болометре, рассчитанный по оценке его сопротивления, и I(i, j) представляет собой ток, протекающий в болометре формирования изображения, рассчитанный по оценке его сопротивления; и
brut
▪ коррекции сигнала N(i, j), сформированного из болометра формирования изображения, в соответствии с выражением:
corr
где N(i, j) представляет собой скорректированный выходной сигнал, и  представляет собой среднее значение оценки непрерывных уровней.
Средство коррекции, с одной стороны, позволяет выполнять оценку непрерывного уровня сигнала (NC) по результатам такой оценки сопротивления и, исходя из конфигурации цепи, отвечающей за установление сигнала. В частности, средство коррекции позволяет выполнять оценку сопротивления структур компенсации общего режима, в соответствии с формулой, непосредственно выводимой из предыдущих взаимоотношений, где типично используют, в частности, одинаковую энергию активации электропроводности. Моделируемый сигнал устанавливают путем выражения разницы в токах, формируемых болометром формирования изображения и компенсирующим болометром, как будет описано ниже.
Средство коррекции, таким образом, позволяет корректировать выходные уровни дисперсии температурного поведения болометров матрицы.
Предпочтительно, средство коррекции, по меньшей мере, частично воплощено в упомянутой подложке.
Преимущественно, опорные сопротивления болометров матрицы можно представить в виде таблицы в постоянном запоминающем устройстве, которое встроено в подложку.
В соответствии с одним альтернативным вариантом осуществления средство коррекции воплощено в форме электронной схемы, которая встроена в подложку.
Другая цель изобретения представляет собой способ детектирования инфракрасного излучения с использованием матрицы из по меньшей мере одной линии элементов для детектирования упомянутого излучения, каждый из которых содержит резистивный болометр формирования изображения, причем упомянутая матрица сформирована над подложкой, упомянутый способ содержит этап считывания болометров матрицы, этап измерения температуры по меньшей мере в одной точке подложки и этап коррекции сигнала для каждого болометра как функции температуры, измеренной по меньшей мере в одной точке на подложке.
В соответствии с изобретением этап коррекции содержит коррекцию сигнала для болометра на основе заданной физической модели поведения упомянутого сигнала в соответствии с температурой фокальной плоскости.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет лучше понятно при чтении следующего описания, которое приведено исключительно в качестве примера и представлено в отношении приложенных чертежей, на которых идентичные номера ссылочных позиций используются для обозначения идентичных или аналогичных элементов и на которых:
на фиг.1 схематично показан вид устройства болометрического детектирования в соответствии с изобретением;
на фиг.2 схематично показана компоновка, представляющая болометр формирования изображения, схему компенсации и схему измерений, формирующих составляющие части устройства по фиг.1;
на фиг.3 показана блок-схема последовательности операций при работе системы, показанной на фиг.1, в соответствии с первым вариантом осуществления; и
на фиг.4 показана блок-схема последовательности операций системы по фиг.1 в соответствии со вторым вариантом осуществления.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления
На фиг.1 схематично показана схема, которая, в общем, обозначена номером 10 ссылочной позиции болометрического детектора, предназначенного для получения сцены, представленной в тепловом инфракрасном излучении, упомянутый детектор установлен в фокальной плоскости оптики инфракрасной камеры. Такой детектор содержит:
▪ двумерную матрицу 12 формирования изображения, которая включает в себя n строк и m столбцов соответствующих болометров 14 формирования изображения с подвешенной мембраной, где n и m представляют собой целые числа, больше или равные 1. Матрица 12 формирования изображения расположена в фокальной плоскости прозрачной для инфракрасных лучей оптики камеры и подвешена над отражающей подложкой;
▪ схему 16 считывания, сформированную на подложке. Схема 16 считывания включает в себя схему для адресации линии за строкой матрицы 12 формирования изображения и для каждого ее столбца, схему измерения, выполненную с возможностью ее подключения к каждому болометру 14 формирования изображения адресуемого столбца; такие измерительные схемы представлены совместно с блоком 18, который дополнительно включает в себя средство мультиплексирования сигналов в аналоговый выход или выходы;
▪ схему 16 считывания, дополнительно содержащую линию 20, состоящую из цепей компенсации, включающую в себя один или больше компенсирующих болометров, в отношении каждого столбца матрицы 12 формирования изображения;
▪ по меньшей мере один датчик 22 температуры, сформированный на подложке и измеряющий ее температуру; и
▪ схему 24 преобразования, подключенную к схеме 16 считывания и к датчику 22 температуры, предназначенную для преобразования аналоговых сигналов, подаваемых ею, в цифровые сигналы.
Упомянутая структура болометрического детектора является обычной и не поясняется более подробно ниже. Для дополнительной информации полезно сделать ссылку на документ "Uncooled amorphous silicon enhancement for 25μm pixel pitch achievement" by E. Mottin et al., Infrared Technology and Application XXVIII, SPIE, vol.4820.
Болометрический детектор 10, кроме того, подключен к модулю 26 обработки данных, который воплощает алгоритм обработки сигналов, подаваемых в него, для определения инфракрасного изображения сцены, проецируемого на матрицу 12, и для компенсации дисперсии поведения болометров 14 формирования изображения, как поясняется более подробно ниже.
Устройство 26 обработки данных используется, например, в персональном компьютере, который содержит, известным образом, модуль центральной обработки или ЦПУ 28, который связан с оперативным запоминающим устройством 30 или массовой памятью 32, такой как, например, жесткий диск. Модуль 26, кроме того, подключен к экрану 34 дисплея для просмотра инфракрасных изображений, снятых камерой. Очевидно, что варианты осуществления с гораздо лучше интегрированным материалом, на основе соответствующих цепей взаимной передачи данных, как известно в предшествующем уровне техники в данной области техники, можно использовать точно таким же способом.
На фиг.2 показана предпочтительная компоновка с представлением элементов:
▪ болометра 14 формирования изображения матрицы 12;
▪ схемы 40 измерений из схемы 16 считывания, предназначенной для измерения болометра 14 формирования изображения; и
▪ схемы 42 компенсации линии 20, предназначенной для компенсации тока общего режима, протекающего в болометре 14 формирования изображения во время его считывания.
Болометр 14 подвергают инфракрасному облучению IR (ИО), которое поступает от сцены, и он соединен с постоянным напряжением VDET через первый вывод A.
Схема 40 измерения включает в себя:
▪ операционный усилитель 44, на неинвертирующем выводе (+) которого установлено заданное постоянное напряжение VBUS;
▪ конденсатор 46 заданной емкости Cint, подключенный между инвертирующим выводом (-) усилителя 44 и его выходом;
▪ переключатель 48 сброса, подключенный параллельно к конденсатору 46 и управляемый сигналом "Reset" (сброс);
▪ переключатель 50 считывания, управляемый сигналом Select (выбор) и подключенный к инвертирующему выводу (-) операционного усилителя; и
▪ первый транзистор 52 типа MOS с инжекцией заряда, на затворе которого установлено заданное постоянное напряжение GFID, исток которого соединен со вторым выводом B болометра 14 и сток которого соединен с другим выводом переключателя 50 считывания.
Схема 42 компенсации тока общего режима, протекающего через болометр 14 формирования изображения, включает в себя резистивный компенсирующий болометр 54, выполненный из того же материала, что болометр 14 формирования изображения с низким тепловым сопротивлением в направлении подложки, в которой, в случае необходимости, предусмотрен экран 56 для защиты от излучения, поступающего из сцены.
Следует отметить, что сопротивление компенсирующего болометра 54 изменяется не существенно относительно сопротивления болометра 14 формирования изображения, когда на него воздействует падающий инфракрасный поток, поскольку компенсирующий болометр 54 нечувствителен к инфракрасному излучению из сцены. Таким образом, можно рассматривать, что сопротивление компенсирующего болометра является, по существу, постоянным при заданной температуре в фокальной плоскости.
Компенсирующий болометр 56 подключен одним из своих выводов к заданному напряжению VSK и другими своими выводами к истоку второго MOS транзистора 58 инжекции заряда схемы 42 компенсации. Сток транзистора 58 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 44, и затвор подключен к заданному напряжению GSK.
ac
ac
ac
comp
comp
comp
ac
comp
int
В начале цикла считывания болометра 14 переключатель 48 сброса, который находится в состоянии включено, после цикла разряда конденсатора 46 переключают в состояние выключено с помощью регулировки сигнала "Reset" до соответствующего уровня. Переключатель 50 считывания, который находится в состоянии выключено, переключают в состояние включено в результате регулирования управления "Select". Электронная схема выполняет операцию интегрирования разности между током I=V/R, протекающим через болометр 14, и током I=V/R, который протекает через компенсирующий болометр 54, выход которого выражен в форме напряжения на выводах конденсатора 46. Напряжения V и V, которые можно видеть на выводах активного и компенсирующего болометров соответственно, представляют собой результат различных напряжений питания и управления транзисторов 52 и 58 для определения соответствующей рабочей точки для активного болометра, с одной стороны, и эффективной компенсации общего режима компенсирующего болометра, с другой стороны, и при этом нет необходимости дополнительно рассматривать подробные взаимодействия, которые могут быть определены специалистом в данной области техники по схеме, показанной на фиг.2. Когда заданное время ΔT интеграции прошло от начала цикла считывания, переключатель 50 цикла переключают в его состояние выключено.
brut
ac
ac
int
Напряжение или выходной уровень усилителя 44, который будет называться N, который содержит сигнал от болометра 14 формирования изображения с сопротивлением R, выражают, предполагая, с учетом упрощения, что R незначительно изменяется во время времени ΔTинтегрирования, в соответствии с выражением:
где
ac
▪ V представляет собой напряжение на выводах болометра 14 формирования изображения;
ac
▪ R представляет собой сопротивление болометра 14 формирования изображения;
comp
▪ V представляет собой напряжение на выводах компенсирующего болометра 54; и
comp
▪ R представляет собой сопротивление компенсирующего болометра 54.
brut
Схема 24 преобразования, которая подключена к усилителю 44, преобразует аналоговое напряжение N в цифровое значение. Схема 24 передает это цифровое значение в модуль 26 обработки данных, который определяет, как его функцию, соответствующее значение пикселя изображения, как хорошо известно.
Размещение и работа элементов, которые были описаны выше, являются обычными и не поясняются дополнительно в интересах краткости изложения. Дополнительные детали можно найти по ссылке на следующие документы:
▪ "Uncooled amorphous silicon enhancement for 25μm pixel pitch achievement" by E.Mottin et al., Infrared Technology and Application XXVIII, SPIE, vol.4820;
▪ "320×240 uncooled microbolometer 2D array for radiometric and process control applications" by B. Fieque et al., Optical System Design Conference, SPIE, vol.5251; и
▪ "Low cost amorphous silicon based 160×120 uncooled microbolometer 2D array for high volume applications" by C Trouilleau et al., Optical System Design Conference, SPIE, vol.5251.
Ниже будет приведено описание показанной на фиг.3 блок-схемы последовательности операций способа компенсации смещений болометров 14 формирования изображения матрицы 12, осуществленного посредством устройства, которое только что было описано выше.
На первой фазе 60 инициализации, выполняемой перед первым использованием детектора, в соответствии с настоящим изобретением, например на фабрике, опорное сопротивление идентифицирует для каждого из болометров 14 формирования изображения матрицы 12.
ref
Фаза 60 инициализации включает в себя этап 62, во время которого детектор 10 открывает для однородной сцены с постоянной температурой, обеспечивая, чтобы температура фокальной плоскости детектора и, поэтому, болометров 14 формирования изображения на подложке была, по существу, равна температуре сцены. В то же время температуру подложки измеряют с помощью датчика 22 температуры, и результат измерений передают, после цифрового преобразования, в модуль 26 обработки данных и сохраняют в параметре T.
На следующем этапе 64 воплощен конкретный цикл матрицы считывания, в котором деактивируется компенсация тока общего режима, воплощенная схемами 42 компенсации.
Для конкретного болометра 14 формирования изображения только ток, протекающий через него, таким образом, интегрируют с помощью ассоциированной схемы 40 измерения. В конце считывания такого болометра выходное напряжение Vnul усилителя 44, поэтому, выражено в соответствии с выражением:
FID
В конкретном случае этапа 64 напряжение V, как правило, приводят к VDD. Последовательно включенное сопротивление транзистора 52 является пренебрежимо малым, и можно предположить следующее упрощенное выражение:
Предпочтительно, напряжения, VBUS и VDET выбирают так, чтобы они были близки друг к другу для предотвращения слишком значимого тока, протекающего через болометр формирования изображения и приводящего к тепловой нагрузке, которая может оказывать отрицательное влияние под действием эффекта Джоуля.
Следует отметить, что для воплощения этапа 64 считывания можно выбрать более короткое время интегрирования A7jnt и/или более существенную емкость Cint, которая, в этом случае, должна быть предусмотрена в цепи считывания для предотвращения насыщения конденсатора 46 или усилителя 44.
После окончания считывания матрицы 12 рассчитывают опорное сопротивление Rabs на следующем этапе 66 для каждого болометра 14 формирования изображения с помощью модуля 26 обработки данных по физической модели температурного поведения его сопротивления.
Более конкретно, на этапе 66, модуль 26 обработки данных рассчитывает опорное сопротивление в соответствии с выражениями:
где
▪ exp представляет собой экспоненциальную функцию,
A
▪ E представляет заданную энергию активации болометра,
▪ k представляет константу Больцмана,
ref
▪ и T представляет температуру подложки, измеренную на этапе 60.
abs
После окончания этапа 60 инициализации получают двумерную таблицу R опорных сопротивлений для болометров формирования изображения матрицы 12. Эту таблицу затем сохраняют в памяти 32 большого объема модуля 26 обработки данных.
После того как детектор будет выпущен из фабрики и будет передан пользователю, способ продолжается в отношении коррекции режима реального времени смещений матрицы 12 формирования изображения.
est
Во время включения питания системы загружается таблица опорных сопротивлений, на этапе 68, в оперативное запоминающее устройство 30 из устройства 26 обработки данных. Также, на этапе 68, две двумерные таблицы размерностей, соответствующих матрице 12 формирования изображения, а именно таблица R оценки сопротивления и таблица NC выходных уровней, сбрасывают в ноль и сохраняют в оперативном запоминающем устройстве 30.
mes
На следующем этапе 70 выполняют экспозицию матрицы 12 для наблюдаемой сцены. Затем в то же время, в которое выполняется этап 70, измеряют температуру подложки на этапе 72, используя датчик 22, и значение температуры сохраняют как параметр T.
brut
Способ затем продолжается обычным этапом 74 (с "ébasage" (ограничение), то есть компенсацией общего режима) болометров 14 формирования изображения матрицы 12, как было описано выше. Разные измеренные напряжения (или выходные уровни) N, ассоциированные с этими болометрами, преобразуют в цифровую форму и сохраняют в оперативном запоминающем устройстве 30.
Затем выполняют тест на этапе 76 с помощью модуля 26 для того, чтобы убедиться, превышает ли абсолютное значение разности между значениями Tref и Tmes заданное пороговое значение, например, равное 0,2 градуса Кельвина.
est
abs
abs
Если результат этого теста будет положительным, на этапе 78 рассчитывают оценку сопротивления R(i, j) для каждого болометра матрицы 12 с помощью модуля 26. Такую оценку сопротивления болометра рассчитывают как функцию соответствующего опорного сопротивления R(i, j) таблицы R в соответствии с выражением:
est
est
Значение R(i, j) затем заменяет соответствующее значение в таблице R.
est
После окончания этапа 78 получают рассчитанные оценки сопротивления для каждого болометра матрицы 12 формирования изображения и сохраняют в таблице R.
Способ затем продолжается на этапе 80 для расчета для каждого болометра формирования изображения по таблице 12 выходного уровня перед однородной сценой NC(i, j) с помощью модуля 26 в соответствии с выражением:
comp
Специалисты в данной области техники могут выразить I, когда MOS 58 находится в режиме насыщения, по технологическим параметрам и конфигурации цепи в соответствии с выражением:
ac
С другой стороны, I выражают, когда MOS 52 находится в режиме насыщения, с помощью выражения:
где
▪ Ap и An представляют собой известные технологические факторы для MOS 58 и 52 соответственно;
thp
thn
▪ V и V представляют собой известные пороговые значения MOS 58 и 52 соответственно; и
▪ VFID и GSK представляют собой напряжения, прикладываемые к затворам транзисторов 52 и 58 соответственно, также известные.
Вновь рассчитанные непрерывные уровни NC(i, j) затем заменяют значения таблицы NC, соответствующие болометрам формирования изображения. После окончания этапа 80 так называемый непрерывный уровень однородной сцены, таким образом, будет рассчитан для каждого болометра матрицы 12 формирования изображения и сохранен в таблице NC.
brut
После этапа 80 следует этап 82 коррекции модулем 26 преобразованного в цифровую форму выходного напряжения N(i, j) каждого болометра формирования изображения в соответствии с уравнением:
corr
где N(i, j) представляет собой скорректированное, преобразованное в цифровую форму напряжение, и NC представляет собой среднее значение выходных напряжений перед однородной сценой, рассчитанной на этапе 80.
Если тест, примененный на этапе 76, дает отрицательный результат, другими словами, если температура подложки не существенно изменилась между двумя циклами считывания матрицы 12 формирования изображения, этап 76 возвращается, образуя цикл на этап 82 коррекции. Непрерывный уровень затем корректируют на основе матрицы NC непрерывных уровней, рассчитанных в течение предыдущего цикла.
Этап 82 затем продолжается с отображением или, в более общем случае, использованием на этапе 84 скорректированного изображения сцены, снятой с помощью матрицы 12, и затем на этапе 86 выполняют регулирование значения Tref температуры до значения Tmes. С этапа 86 цикл возвращается на этап 70 экспонирования для осуществления нового цикла считывания.
ac
ac
В варианте осуществления, который был описан выше, болометр 14 формирования изображения учитывают как источник для дисперсии смещений выходных сигналов. Таким образом, как можно отметить при чтении отношения (6), непрерывные уровни NC(i, j) зависят от множества переменных, включающих в себя, в частности, ток I(i, j), протекающий через болометры 14 формирования изображения. В степени, в которой источник дисперсии отходит от неоднородного поведения болометров формирования изображения, непрерывные уровни NC(i, j), поэтому, рассчитывают как функцию токов I(i, j).
comp
Однако, как можно отметить при анализе отношения (6), непрерывные уровни NC(i, j) также зависят от других переменных, и в частности, от тока I, протекающего через компенсирующие болометры 54. В первом варианте осуществления, описанном выше, этот ток рассматривают как идентичный каждому из компенсирующих болометров 54, что означает, что они предлагают однородное температурное поведение, или хотя бы пренебрежимо малые дисперсии, относительно дисперсий болометров 14 формирования изображения.
comp
Фактически это необязательно так. Так же как и болометры 14 формирования изображения, компенсирующие болометры 54 реагируют по-разному, когда их подвергают воздействию идентичным условиям окружающей среды, индуцируя, таким образом, дисперсию в токах I, протекающих через них, и, таким образом, дисперсию в непрерывных уровнях NC(i, j).
Ниже приведено описание со ссылкой на фиг.4 варианта осуществления, который корректирует дисперсию смещения в выходных сигналах детектора, который также учитывает компенсирующие болометры 54 как источник упомянутой дисперсии. Структура детектора остается неизменной, и только способ компенсации смещения модифицирован.
Способ компенсации смещения, в соответствии со вторым вариантом осуществления, содержит этапы 62 и 64, идентичные описанным выше.
На следующем этапе 65 выполняют второй специфичный цикл считывания, в котором деактивируют ток от активных болометров, в то время как оставляют переключатель 50 выбора в состоянии выключено, при этом затвор транзистора 58 заземлен так, что его сопротивлением можно пренебречь.
out
Для конкретных компенсирующих болометров 54 только ток, протекающий через них, поэтому, интегрирует с помощью ассоциированной схемы 40 измерений. В конце считывания такого болометра выходное напряжение V усилителя 44, поэтому выражено в соответствии с выражением:
при, по существу:
int
int
Следует отметить, как указано выше, что для воплощения этапа 65 считывания разность между напряжениями VSK и VBUS на этапе 65, и/или времени ∆T интегрирования, и/или конденсатор C большой емкости можно выбрать для исключения насыщения усилителя 44.
abs
После окончания считывания матрицы 12 и линии 20 рассчитывают опорное сопротивление R на следующем этапе 66 для каждого из болометров 14 формирования изображения и компенсирующих болометров 54, используя модуль 26 обработки данных и по физической модели температурного поведения его сопротивления.
Более конкретно, на этапе 66 устройство обработки данных 26 рассчитывает опорное сопротивление в соответствии с выражениями:
где
▪ exp представляет собой экспоненциальную функцию,
A
▪ E представляет собой заданную энергию активации болометра,
▪ k представляет собой константу Больцмана, и
ref
▪ T представляет собой температуру подложки, измеренную на этапе 60.
abs
После окончания этапа 60 инициализации двумерную таблицу R опорных сопротивлений получают, таким образом, для болометров формирования изображения матрицы 12 и для компенсации линии 20. Эту таблицу затем сохраняют в памяти 32 большого объема модуля 26 обработки данных.
После того как детектор будет выпущен из фабрики и доставлен пользователю, способ продолжается в отношении выполняемой коррекции в режиме реального времени значений смещения матрицы 12 формирования изображения.
est
При включении системы загружают таблицу опорного сопротивления на этапе 68 в оперативное запоминающее устройство 30 модуля 26 обработки данных. Также на этапе 68 двумерные таблицы с размерами, соответствующими размерам матрицы 12 формирования изображения, а именно таблицу, R, оценки сопротивлений и таблицу NC выходных уровней, сбрасывают в ноль и сохраняют в оперативном запоминающем устройстве 30.
mes
На следующем этапе 70 матрицу 12 экспонируют для наблюдаемой сцены. Далее или одновременно с этим, на этапе 70 измеряют температуру подложки на этапе 72 с помощью датчика 22, и значение температуры сохраняют как параметр T.
brut
Способ затем продолжается на этапе 74 для обычного считывания (с компенсацией общего режима) болометров 14 формирования изображения 14 матрицы 12, как было описано выше. Разные измеренные напряжения (или выходные уровни) N, ассоциированные с болометрами, преобразуют цифровую форму и сохраняют в оперативном запоминающем устройстве 30.
ref
mes
Затем выполняют тест на этапе 76 с помощью модуля 26 для того, чтобы определить, превышает ли абсолютное значение разности между значениями T и T заданное пороговое значение, например, равное 0,2 градуса Кельвина.
est
abs
comp-abs
abs
Если результат этого теста является положительным, то оценку сопротивления R(i, j) рассчитывают на этапе 78 для каждого болометра матрицы 12 и линии 20 компенсации с помощью модуля 26. Такую оценку сопротивления болометра рассчитывают как функцию, соответствующую опорному сопротивлению R(i, j) и R(j) в таблице R, в соответствии с выражениями:
est
comp_est
Значение R(i, j) или R(j) затем заменяют соответствующие значения таблицы RS.
est
После окончания этапа 78 оценка сопротивления будет, таким образом, рассчитана для каждого болометра матрицы 12 формирования изображения и линии схем 20 компенсации и сохранена в таблице R.
Способ затем продолжается на этапе 80 для расчета для каждого болометра формирования изображения таблицы 12 с выходным уровнем перед равномерной сценой NC(i, j) с помощью модуля 26 в соответствии с выражением:
comp
Специалисты в данной области техники смогут выразить I, когда MOS 58 находится в насыщенном режиме, по технологическим параметрам и на основе конфигурации цепи в соответствии с выражением:
ac
С другой стороны, I выражают, когда MOS 52 находится в насыщенном режиме, с помощью:
где
▪ Ap и An представляют собой известные технологические факторы MOS 58 и 52 соответственно;
thp
thn
▪ V и V представляют собой известные пороговые напряжения MOS 58 и 52 соответственно; и
▪ VFID и GSK представляют собой напряжения, подаваемые на затворы транзистора 52 и 58 соответственно, которые также известны.
Вновь рассчитанными непрерывными уровнями NC (i, j) затем заменяют значения таблицы NC, соответствующие болометрам формирования изображения. После окончания этапа 80 так называемые непрерывные уровни однородной сцены будут рассчитаны для каждого болометра матрицы 12 формирования изображения и сохранены в таблице NC.
brut
После этапа 80 следует этап 82 для коррекции, выполняемой модулем 26 преобразованного цифрового выходного напряжения N(i, j) каждого болометра формирования изображения в соответствии с выражением:
corr
где N(i, j) представляют собой скорректированное, преобразованное в цифровую форму выходное напряжение и представляет собой среднее значение выходных напряжений перед однородной сценой, рассчитанное на этапе 80.
Если тест, выполненный на этапе 76, дает отрицательный результат, другими словами, если температура подложки незначительно изменилась, между двумя циклами считывания матриц 12 формирования изображения этап 76 циклически переходит на этап 82 коррекции. Непрерывный уровень затем корректируют на основе матрицы непрерывных уровней NC, рассчитанной во время предыдущего цикла.
ref
mes
Этап 82 затем продолжается отображением или, в более общем случае, использованием на этапе 84 скорректированного изображения сцены, снятой с помощью матрицы 12, и затем на этапе 86 выполняют регулировку значения температуры T до значения T. Этап 86 затем циклически переходит на этап 70 экспонирования для выполнения нового цикла считывания.
Как можно отметить, в системе детектирования, в соответствии с настоящим изобретением, используются следующие концепции.
Для коррекции непрерывного уровня для смещения болометра формирования изображения используется его физическая модель в соответствии с выражением (5). Для этой модели требуется только таблица опорного сопротивления и, возможно, дополнительно таблицы энергии активации (которые очень легко получить из исходной записи матрицы NC при двух достаточно разных температурах фокальной плоскости в пространственно изотермических условиях) для того, чтобы узнать поведение матрицы формирования изображения в пределах всего рабочего диапазона ее температуры фокальной плоскости.
Поэтому по физической модели формирования сигнала из болометра формирования изображения становится возможным прогнозировать смещение болометра путем имитации освещения матрицы формирования изображения однородной сценой. Действительно, в случае такого освещения, полностью выполненного с помощью механического затвора, температура каждого элемента матрицы 12, линии 20 компенсации, подложки и сцены будут, по существу, равными.
Таким образом, на каждом цикле считывания матрицы, используя физическую модель сигнала, сформированного из болометра формирования изображения, такого как болометр в выражении (6), подробно описанного с помощью выражений (7) и (8) и ассоциированного с выражением (5), специфичным для болометра (первый вариант осуществления), или такого как представлен в выражении (15), подробно описанного выражениями (8) и (16) и ассоциированного с выражениями (5) и (14) (второй вариант осуществления), обеспечивается возможность моделирования поведения выходного непрерывного уровня после освещения однородной сценой с температурой, равной измеренной температуре подложки.
Модель формирования сигнала может быть затем улучшена на основе выражения (5) или выражений (5) и (14), которые, в частности, моделируют поведение болометрического сопротивления для учета хорошо известного эффекта самонагрева, связанного с током поляризации болометров 14 во время считывания или даже остаточного самонагрева компенсирующих болометров 54.
est
Упомянутое моделируемое поведение представлено в таблицах R и NC. Соответствующие непрерывные уровни NC(i, j) сигнала, выводимого из упомянутой схемы 40, если их поместить перед однородной сценой при температуре фокальной плоскости, определяются выражением (6) (первый вариант осуществления) или (14) (второй вариант осуществления).
corr
Скорректированный выходной уровень перед любой сценой N(i, j) болометра, в соответствии с выражением (9), поэтому соответствует его выходному напряжению, в котором смещение  относительно среднего выходного напряжения  матрицы взаимно компенсируется.
Очевидно, что возможны другие варианты осуществления.
int
Поэтому для дополнительного повышения точности компенсации смещений, появляющихся в выходных сигналах матрицы 12, также может быть предпочтительным моделировать дисперсии, возникающие в напряжении VBUS, подаваемого в усилители 44, или снова дисперсии его емкостей C.
В вариантах осуществления, которые были описаны выше, энергия A активации, предоставляемая, например, изготовителем болометров формирования изображения, как предполагается, идентична для всех болометров формирования изображения. Это оправдано, в частности, в ситуации, где болометрический материал, используемый для болометров формирования изображения, представляет собой аморфный кремний. Действительно, в этом случае наблюдается, что дисперсия между энергий активации болометров абсолютно пренебрежима и что нет необходимости в ее учете.
Однако в специфичных вариантах использования, в которых требуется повышенная точность, или даже при использовании болометрического материала, который формирует весьма существенную дисперсию энергии активации с одного болометра к следующему, энергию активации получают на этапе 60 инициализации в отношении каждого болометра формирования изображения, если не делают это также для каждого компенсирующего болометра, поскольку отдельный протокол получения, упомянутый ранее, позволяет это выполнить таким же способом. Эти значения энергии затем сохраняют в памяти 32 большого объема в форме таблицы измерений, соответствующих измерениям матрицы формирования изображения (а также для линии 20 компенсации) и используют во время коррекции смещения.
A
Например, энергию E(i, j) активации болометра формирования изображения определяют на этапе 60 инициализации, на двух этапах 62 и 64 осуществления с разными значениями температуры фокальной плоскости, но перед однородной сценой с идентичной температурой.
Модуль 26 обработки данных затем рассчитывает энергию активации болометра 14 в соответствии с выражением:
ref1
ref2
где T и T представляют собой два заданных значения температуры фокальной плоскости, и R1(i, j) и R2(i, j) представляют собой измеренные значения сопротивлений болометра (i, j) для этих двух температур соответственно. Приложение такого же типа позволяет получить доступ к энергии активации компенсирующих болометров общего режима, если необходимо.
mes
Выше было описано устройство, в котором температуру измеряют с использованием одного датчика. В качестве альтернативы множество датчиков температуры встроено в подложку детектора, и они устанавливают таблицу температур, обозначенную как T(i, j), по сигналам, получаемым от множества температурных датчиков.
При этом выражение (5) заменяют следующим выражением:
mes
mes
Следует отметить, что если только датчик температуры не установлен в непосредственной близости к каждому болометру, что является непосредственно возможным для получения таблицы T(i, j), получают в высокой степени приемлемый результат с использованием уменьшенного количества датчиков, расположенных, например, по периметру матрицы. Таблицу T(i, j) затем устанавливают, например, с помощью пространственной тепловой модели, которая аппроксимирует распределение температуры фокальной плоскости в непосредственной близости к каждому болометру как функцию пространственной выборки, полученной от ограниченного количества температурных датчиков.
mes
В таком случае коррекция смещения болометра формирования изображения учитывает пространственную дисперсию температуры фокальной плоскости, включенной в непосредственной близости к компенсирующим болометрам, и влияние этой дисперсии устраняют с использованием цифровой коррекции, установленной посредством таблицы T(i, j). Таким образом повышают точность коррекции.
В этом отношении можно наблюдать, что болометры формирования изображения, поэтому, можно рассматривать индивидуально в отношении коррекции их смещения, если только отношение (9) остается неизменным по причинам, упомянутым выше, в отношении значения .
Было описано устройство детектирования, в котором устройство 26 обработки данных и таблица или таблицы параметров, используемые для физического моделирования болометров формирования изображения, являются внешними для камеры, которая является, например, инфракрасной.
В качестве альтернативы, модуль 26 обработки данных встроен внутрь корпуса камеры. В этой альтернативе память большого объема заменена постоянным запоминающим устройством, предназначенным для сохранения таблиц параметров. Модуль 26 обработки данных затем, например, воплощают в форме электронной карты.
В другой альтернативе таблицы параметров записывают в постоянном запоминающем устройстве или запоминающем устройстве типа флэш, которое непосредственно сформировано на подложке, в которой дополнительно определена цепь считывания.
В другой альтернативе, в которой модуль 26 встроен в камеру, схема 24 преобразования 24 и модуль 26 обработки данных воплощены на той же подложке, что и подложка, на которой дополнительно установлена цепь считывания.
Очевидно, что другие физические модели, кроме представленных выражением (5) или выражениями (5) и (14), можно использовать в зависимости от требуемой степени точности и от мощности обработки модуля 26 обработки данных, хотя представленное выражение (5) является предпочтительным в отношении его точности, его понятности и его соответствия для конкретного события при использовании аморфного кремния. Аналогично, другие способы моделирования формирования физического сигнала, представленные здесь элементами 40 и 42, описанные с использованием выражения (6) и подвыражений для тока (7) и (8) (первый вариант осуществления) или через выражение (15) и подвыражения (8) и (16) (второй вариант осуществления), можно использовать в зависимости от специфичных конфигураций и деталей схем формирования сигнала.
Устройство, которое было описано выше, имеет следующие преимущества:
- использование физической модели обеспечивает возможность более точной коррекции, достигаемой в результате интерполяции множества таблиц. Действительно, интерполяция, в основе которой не лежит какая-либо физическая реальность, остается менее точной при моделировании поведения болометра, чем ее физическая модель, которая отражает реальность явления с высокой степенью точности;
- использование физической модели позволяет точно учесть температуру сцены за пределами диапазона температур таблиц, предназначенных для интерполяции, другими словами, обеспечивается возможность экстраполяции;
- использование физической модели требует только ограниченного количества таблиц или даже требует использования только одной таблицы в случае модели в соответствии с выражением (5). Экономия места в памяти, таким образом, достигается, что является предпочтительным, в случае таблиц в постоянных запоминающих устройствах или в устройствах памяти типа флэш; и
- коррекция смещения, в соответствии с изобретением, не требует какого-либо механического элемента, такого как, например, затвор. Однако коррекция, в соответствии с изобретением, моделирует использование затвора, который обычно представляет собой наиболее эффективное средство получения однородной сцены и, поэтому, наиболее точное средство определения смещения болометров;
- объем расчетов, которые должны быть выполнены для воплощения изобретения, достаточно мал, что обеспечивает возможность их осуществления в режиме реального времени с использованием современного процессора. Преимущество изобретения, поэтому, состоит в том, что оно предлагает предпочтительный компромисс между точностью коррекции и компактностью алгоритмического осуществления.
Изобретение можно использовать в области формирования изображения или термометрических датчиков с болометрическим детектированием независимо от полос и частот детектирования или типа используемого болометрического материала, для производства болометров формирования изображения и компенсирующих болометров, таких как болометры из аморфного кремния (a-Si) или аналогичных материалов, легированных углеродом или германием и легированных различными способами оксидами ванадия (VOx), металлом (например, титаном).