УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, СОДЕРЖАЩЕЕ РЕЗИСТИВНЫЙ БОЛОМЕТР ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ, СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ МАТРИЦУ ИЗ ТАКИХ УСТРОЙСТВ, И СПОСОБ СЧИТЫВАНИЯ БОЛОМЕТРА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ТАКОЙ СИСТЕМЫ
DEVICE FOR DETECTING ELECTROMAGNETIC RADIATION HAVING RESISTIVE IMAGING BOLOMETER, SYSTEM HAVING ARRAY OF SAID DEVICES AND METHOD OF READING IMAGING BOLOMETER OF SAID SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к области детектирования электромагнитного излучения и, более конкретно, инфракрасного излучения на основе микроболометрических устройств.
Более конкретно, изобретение относится к устройству для детектирования электромагнитного излучения, содержащего резистивный болометр формирования изображения, чувствительный к этому излучению, предназначенный для электрического подключения к схеме формирования сигналов, и резистивный болометр ослабления синфазного сигнала, электрически связанный с болометром формирования изображения таким образом, что ток, текущий через болометр ослабления синфазного сигнала, вычитается из тока, текущего через болометр формирования изображения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области инфракрасных детекторов, известно использование устройств, расположенных в форме матрицы и подходящих для работы при температуре окружающей среды, а именно, не требующих охлаждения до очень низких температур, в противоположность детекторам, называемым «квантовые детекторы», которые требуют работы при очень низкой температуре, обычно при температуре жидкого азота.
Эти неохлаждаемые детекторы обычно используют вариацию в физическом количестве соответствующего материала как функцию температуры в окрестности 300 К. В случае болометрических детекторов этим физическим количеством является электрическое удельное сопротивление.
Такой неохлаждаемый детектор обычно связывает:
- средство для поглощения инфракрасного изучения и для преобразования его в теплоту,
- средство для тепловой изоляции детектора таким образом, чтобы дать ему возможность быть нагретым под действием инфракрасного излучения,
- средство для измерения температуры, который, в контексте болометрического детектора, использует резистивный элемент и
- средство для считывания электрических сигналов, подаваемых средством для измерения температуры.
Детекторы для формирования инфракрасного изображения обычно сделаны в форме матрицы из элементарных детекторов в одном или двух измерениях, причем упомянутая матрица образована способом, называемым «монолитным», или перенесена на подложку, обычно сделанную из кремния, в которой содержатся средство для последовательной адресации элементарных детекторов и средство для электрического возбуждения и предварительной обработки электрических сигналов, генерируемых этими элементарными детекторами. Эта подложка и интегрированные средства обычно обозначаются термином «схема считывания».
Для получения некоторой сцены посредством этого детектора эта сцена проецируется через линзу, адаптированную к матрице из элементарных детекторов, и синхронизированные электрические управляющие воздействия прилагаются через схему считывания к каждому из элементарных детекторов или к каждому ряду таких детекторов для получения электрического сигнала, составляющего изображение температуры, достигнутой каждым из таких элементарных детекторов. Этот сигнал обрабатывается более или менее сложным образом схемой считывания, а затем, возможно, электронным устройством вне этого модуля для генерации тепловизионного изображения наблюдаемой сцены.
Существенная трудность в использовании болометрических детекторов состоит в очень малой относительной вариации их электрического сопротивления, соответствующей вариациям локальной температуры наблюдаемой сцены, по сравнению со средним значением этих сопротивлений.
2
В самом деле, физические законы теплового излучения в инфракрасном диапазоне сцены, наблюдаемой между 8 и 14 мкм (что соответствует полосе прозрачности земной атмосферы, в которой обычно используются болометрические детекторы), приводят к дифференциалу мощности dP около 50 мкВт/см в фокальной плоскости детектора, когда температура сцены изменяется на 1 К вокруг 300 К. Определение этого значения является легким в пределах области знаний специалиста в данной области техники путем применения вышеупомянутых физических законов.
Этот расчет имеет силу для линзы с апертурой f/1, высокой передачи между сценой и детектором и когда детектор принимает лишь незначительное количество энергии вне определенного диапазона длин волн, например, и обычно если модуль снабжен окном, которое является прозрачным в этом интервале и непроницаемым на каждой стороне указанных пределов.
Как следствие вариация температуры dT болометра при тепловом равновесии, зависящая от мощности dP инфракрасного излучения, поглощенной на его поверхности S, задается следующим выражением:
dT = Rth·dP,
где Rth - тепловое сопротивление между чувствительной частью болометра, которая нагревается под действием инфракрасного излучения, и изотермальной подложкой, поддерживающей ее.
-6
2
Таким образом, для болометра, имеющего типичные размеры около 30 мкм × 30 мкм, которые представляют собой площадь 9·10 см, типичное тепловое сопротивление согласно предшествующему уровню техники составляет около 20-60 мК/Вт, что приводит к увеличению температуры болометра от около 0,01 К до 0,03 К при изменении температуры элемента сцены, видимого этим болометром, на 1 К.
b
b
Если R обозначает электрическое сопротивление, видимое между двумя полюсами поступления тока в болометрическом чувствительном материале, то результирующая вариация dR сопротивления задается выражением:
b
dR = TCR·dT,
-4
-4
где TCR - коэффициент относительной вариации сопротивления материала, составляющего чувствительную часть болометра в окрестности рабочей температуры, которая обычно близка к -2% на К для обычно используемых в этой области материалов (оксиды ванадия, аморфный кремний). Следовательно, относительная вариация сопротивления dR/R, являющаяся результатом дифференциала 1 К в сцене, равна около 0,02-0,06%, или 2·10-6·10/К.
-6
Сегодня, однако, требуемые разрешения тепловых изображений являются гораздо более хорошими, чем 1 К, и обычно равны 0,05 К или даже меньше. Такие результаты могут быть получены путем подготовки структур, имеющих очень высокие тепловые сопротивления Rth, включающей в себя использование усложненных способов. Однако остается необходимость измерения бесконечно малых относительных вариаций сопротивления и обычно, как указано ранее, около нескольких 10 для разрешения пространственно-временных вариаций в несколько десятков милликельвинов.
b
DDA
Для прояснения трудности использования такой малой вариации Фиг. 1 схематично показывает схему считывания резистивного болометра 12, имеющего сопротивление R, подвергнутую инфракрасному излучению и подключенную в одном из ее контактов к заданному постоянному напряжению V смещения. Схема считывания содержит интегратор 10, образованный из:
- операционного усилителя 14, необращающий вход (+) которого установлен на заданное постоянное напряжение Vbus;
int
- конденсатора 16, имеющего заданную емкость C, подключенного между обращающим входом (-) усилителя 14 и его выходом;
- переключателя 18 сброса, подключенного параллельно конденсатору 16 и управляемого посредством сигнала Reset.
Схема считывания дополнительно содержит:
- первый переключатель 20 считывания, управляемый посредством сигнала “Select” и подключенный к обращающему входу (-) операционного усилителя;
- МОП-транзистор 22 с инжекцией, сетка которого установлена при заданном постоянном напряжении GFID, исток которого подключен к другому контакту болометра 12, исток которого подключен к другому контакту первого переключателя 20 выбора; и
out
- блок 23 обработки данных, подключенный к выходу операционного усилителя 14 и определяющий, согласно напряжению V на его выходе, вариацию сопротивления болометра 12, вызываемую инфракрасным излучением, принимаемым упомянутым болометром, и, следовательно, инфракрасное излучение.
int
out
b
В начале цикла считывания болометра 12, переключатель 18 сброса, который находится в замкнутом состоянии после цикла разрядки конденсатора 16, переключается в разомкнутое состояние посредством установки сигнала Reset в соответствующее значение. Первый переключатель 20 считывания, который находится в разомкнутом состоянии, переключается в замкнутое состояние посредством регулировки сигнала “Select”. Ток, протекающий через болометр 12, затем интегрируется конденсатором 16. При окончании заданного времени ΔT от начала цикла считывания, первый переключатель 20 считывания переключается в его разомкнутое состояние. Тогда напряжение V на выходе этого интегратора, изображение сопротивления R болометра, задается выражением:
bolo
b
где V - напряжение в контактах болометра 12 в предположении, для простоты, что R изменяется лишь незначительно в течение времени Tint интеграции.
Таким образом, матрица из N сопротивлений (болометров) могла бы считываться по этому принципу с использованием одновременной интеграции (посредством N интеграторов) или последовательной интеграции (на интеграторе, помещенном в конце ряда или в конце столбца, или даже единственном интеграторе для матрицы).
out
out
out
Когда приготовленная таким образом матрица освещается проецированием инфракрасной сцены, V будет показывать пространственные вариации (выходящие из каждого болометра), которые соответствуют этой сцене. Можно вспомнить, что ранее выраженное напряжение V в основном из постоянной части от одного детектора к другому (сигнал, называемый «обычным режимом»), который, следовательно, не является интересным с точки зрения формирования изображения. Только бесконечно малые вариации V, связанные с локальными различиями (между одним и другим болометрами), и временная вариация (сцена изменяется со временем) в принимаемой оптической мощности составляют полезный сигнал наблюдаемой сцены.
b
int
В самом деле, ограничения, присущие микроэлектронным схемам в терминах напряжения (несколько вольт), доступные и управляемые значения болометрических сопротивлений R (от нескольких десятков до нескольких сотен кОм) и необходимость использования достаточно коротких времен интеграции привели бы к использованию очень высоких емкостей С, в любом случае несовместимых с областью, доступной в каждой элементарной точке или пикселе детектирования (около такой области болометра), и даже на практике несовместимых с переносом этой емкости к внешней части поверхности схемы считывания, соответствующей данной чувствительной матрице, где эта область, тем не менее, не ограничена. Следовательно, необходимо установить режимы считывания, которые ограничивают ток, подлежащий интеграции, до уровней, совместимых с разумными получаемыми емкостями.
Кроме того, из-за существования тепловой связи между подложкой и болометром тепловые вариации, которым подвергается подложка, переносятся в болометр. Поскольку обычные болометры имеют очень высокую чувствительность к таким вариациям, следствием этого является то, что полезный выходной сигнал возмущается этим фоновым компонентом, который наносит вред качеству детектирования инфракрасного излучения.
Для того чтобы преодолеть эти недостатки, была предложена первая резистивная структура, спроектированная для подавления тока синфазного сигнала, называемого «эталонным» током, описанная в документе “Performance of 320×240 Uncooled Bolometer-type Infrared Focal Plane Arrayes” Yutaka Tanake и др., Proc. SPIE, том 5074.
Принцип эталонной резистивной структуры состоит в связывании резистивного болометра 12 на Фиг. 1 со вторым идентичным резистивным болометром, поляризованным и соединенным с подложкой идентично первому болометру. Этот второй болометр дополнительно выполнен по существу нечувствительным к потоку от сцены, обычно посредством непроницаемой металлической мембраны. Первый и второй резистивные болометры также связаны таким образом, что ток, протекающий через второй болометр, вычитается из тока, протекающего через первый болометр, и именно эта разность токов используется схемой считывания.
Для различения функций этих двух болометров выражение болометр «формирования изображения» используется для первого болометра, а выражение «эталонный» болометр используется для второго болометра, хотя в некоторых приложениях, например в термометрии, необязательно формируется изображение, а выполняется, например, измерение температуры.
Эталонная структура 24 схематично показанная на Фиг. 2А, резюмирует элементы на Фиг. 1, с которыми связана схема, называемая «эталонной» схемой 24. Эталонная схема 24 содержит эталонный болометр 26, МОП-транзистор 28 с поляризацией и второй переключатель 30 считывания, соответственно, по существу идентичные болометру 12 формирования изображения, МОП-транзистору 22 с инжекцией и первому переключателю 20 считывания.
Элементы 26, 28 и 30 также поляризованы и выполнены так же, как и элементы 12, 22 и 20, с единственной разницей, что эталонный болометр 26 снабжен непроницаемой металлической мембраной 32, защищающей его от излучения, идущего от сцены.
2
Резистивная эталонная структура также содержит токовое зеркало 34, одна входная ветвь которого подключена к контакту А второго переключателя 30 считывания, а другая входная ветвь которого подключена к контакту В первого переключателя 20 считывания. Это токовое зеркало 34 по существу воспроизводит ток i, протекающий через эталонный болометр 26, в контакте В.
Использование токовых зеркал помогает иметь единственную эталонную структуру на ряд, причем комбинация этих структур расположена вдоль эталонного «столбца» для матричного детектора. Токовые зеркала являются структурами, известными специалисту в данной области техники. Они служат в общем для копирования эталонного тока в удаленной структуре и, в частности, они позволяют иметь распределение этого эталонного тока во множестве элементов схем независимо от их резистивной нагрузки.
2
1
2
1
2
1
2
Таким образом, ток i, протекающий через эталонный болометр, по существу равен току синфазного сигнала, и эталонный болометр подвергается тем же самым тепловым вариациям от подложки, что и болометр формирования изображения. Разность i-i между током i, протекающим через болометр формирования изображения, и током i, протекающим через эталонный болометр соответственно по существу свободна от возмущений, которые являются током синфазного сигнала и компонентом, связанным с тепловыми вариациями подложки. Эта разность токов i-i, следовательно, по существу соответствует току, индуцированному вариацией сопротивления болометра 12 формирования изображения, обусловленной его нагреванием инфракрасным излучением, исходящим от сцены.
Однако резистивная эталонная структура технически сложна в изготовлении. В самом деле, для получения ее удовлетворительной работы необходимо, чтобы металлическая мембрана 32, защищающая эталонный болометр, была полностью непроницаемой для потока, исходящего от сцены, и при этом термально изолированной от других элементов структуры для того, чтобы избежать любого теплового возмущения на эталонном болометре. Легко видеть, что такую мембрану трудно спроектировать и изготовить.
Для того чтобы преодолеть недостатки, упомянутые выше, была также предложена вторая резистивная структура для подавления тока синфазного сигнала, названная «компенсационной» резистивной структурой, описанная в документе “Uncooled amorphous silicon enhancement for 25 µm pixel pitch achievement” E.Mottin и др., Proc. SPIE, Technology and Application XXVIII, том 4820.
Фиг. 2В схематично показывает эту компенсационную структуру 52, которая содержит болометр 50, обычно сконструированный с использованием того же самого материала, что и активный болометр 12, но в сущности нечувствительный к падающему излучению из-за теплового сопротивления, которое является очень слабым посредством конструкции по сравнению с подложкой, и, возможно, дополнительно снабженный оптическим экраном, а также транзистор 54 для поляризации болометра 50. Болометр 50, названный «термализованным», подключен на одном из своих контактов к фиксированному источнику VSK напряжения, а на другом контакте к истоку транзистора 54, сетка которого поднята до фиксированного потенциала GSK, исток которого подключен к обращающему входу (-) усилителя 14.
3
1
1
1
3
Значение сопротивления 50 и поляризации устанавливаются таким образом, чтобы создавать ток I синфазного сигнала с интенсивностью, сравнимой с током I, который вычитается из тока I в точке суммирования интегратора 10, который, следовательно, интегрирует ток I-I.
3
Эта структура является эффективной в терминах ослабления синфазного сигнала, если тепловое сопротивление болометра 50 является очень низким по сравнению с тепловым сопротивлением болометра 12 формирования изображения, обычно на множитель по меньшей мере около 10, так как если это не так, то образуются нежелательные контрасты, вредные для качества изображения, не соответствующие сцене, когда очень теплая зона сцены формирует изображение на этих структурах. Этот результат высокой теплопередачи может быть достигнут, например, путем конструирования болометрических элементов 50 непосредственно в контакте с подложкой.
Однако такая конструкция создает проблемы, которые трудно контролировать в терминах ровности структур во время технологической сборки, и на практике приходится формировать болометры 50 на том же самом уровне, что и чувствительные мембраны болометров 12. Отсюда следует, что между элементом 50 и подложкой обычно существует ненулевое тепловое сопротивление, если не предпринимаются сложные технологические меры, которые являются вредными для промышленного выпуска и стоимости приготовляемых таким образом детекторов.
В этом случае применения эталонной структуры, которая является по меньшей мере полезной во время использования компенсационной структуры, следовательно, необходимо обеспечить непроницаемый экран оптической десенсибилизации на этих структурах ослабления синфазного сигнала, тогда как существенное усложнение, которое подразумевает приготовление такой мембраны, с необходимостью влечет за собой дополнительные издержки из-за дополнительных этапов в изготовлении и более низкий выход продукции.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является решение вышеупомянутых проблем путем предложения структуры, имеющей болометр ослабления синфазного сигнала, который эффективно изолирован от излучения, исходящего от сцены без использования физического защитного экрана.
Для этой цели изобретение относится к устройству для детектирования электромагнитного излучения, содержащему резистивный болометр формирования изображения, чувствительный к этому излучению, предназначенный для электрического подключения к схеме формирования сигналов, и резистивный болометр ослабления синфазного сигнала, электрически связанный с болометром формирования изображения таким образом, что ток, протекающий через болометр ослабления синфазного сигнала, вычитается из тока, протекающего через болометр формирования изображения.
Согласно изобретению это устройство содержит средство для управления сопротивлением болометра ослабления синфазного сигнала посредством инжекции тока в него.
Таким образом, посредством использования средства для управления сопротивлением болометра ослабления синфазного сигнала можно установить упомянутое сопротивление на значение, не зависимое от излучения, исходящего от сцены, и тем самым изолировать болометр ослабления синфазного сигнала от этого излучения этими электрическими средствами.
Согласно конкретным вариантам осуществления изобретения это устройство содержит одно или несколько следующих особенностей.
Средство для управления сопротивлением болометром ослабления синфазного сигнала содержит средство для инжекции в него заданного эталонного тока.
Это управляющее средство содержит средство для отключения средства инжекции тока, когда напряжение в контакте болометра ослабления синфазного сигнала по существу равно заданному эталонному напряжению.
Эталонное напряжение устанавливается на более высокое значение, чем напряжение на контакте болометра ослабления синфазного сигнала во время активации средства инжекции тока.
Болометр ослабления синфазного сигнала является эталонным болометром, и он содержит токовое зеркало, подходящее для электрического подключения на первой ветви к контакту болометра формирования изображения и на второй ветви к контакту эталонного болометра.
Болометр ослабления синфазного сигнала является болометром компенсации.
Это управляющее средство является подходящим для фиксации сопротивления болометра ослабления синфазного сигнала на эталонном сопротивлении, зависящем от температуры подложки, над которой сформирован болометр формирования изображения.
Болометр формирования изображения и болометр ослабления синфазного сигнала расположены в мосте Уитстона.
Изобретение также относится к системе для детектирования электромагнитного излучения, содержащей матрицу по меньшей мере из одного ряда устройств, каждое из которых содержит резистивный болометр формирования изображения, чувствительный к этому излучению, и резистивный болометр ослабления синфазного сигнала, электрически связанный с болометром формирования изображения таким образом, что ток, протекающий через болометр ослабления синфазного сигнала, вычитается из тока, протекающего через болометр формирования изображения. Она также содержит схему формирования сигналов, подходящую для электрического подключения к болометру формирования изображения, для считывания вариации его сопротивления. Устройства детектирования этой системы имеют вышеупомянутый тип.
Согласно конкретным вариантам осуществления изобретения эта система содержит одну или несколько следующих особенностей.
Средство для управления сопротивлением болометра ослабления синфазного сигнала является подходящим для настройки его сопротивления на значение, не зависящее от сцены.
Схема формирования сигналов является подходящей для инициализации перед считыванием болометра формирования изображения, и в том, что средство для управления сопротивлением болометра ослабления синфазного сигнала является подходящие для настройки упомянутого сопротивления во время инициализации схемы интеграции.
Изобретение также относится к способу считывания вариации сопротивления резистивного болометра формирования изображения из матрицы из болометров, составляющих систему для детектирования электромагнитного излучения.
Этот способ состоит в:
- циркуляции тока синфазного сигнала матрицы в болометре ослабления синфазного сигнала,
- генерации разности токов между токами, протекающими в болометре формирования изображения и болометре ослабления синфазного сигнала,
- формирования сигнала, относящегося к болометру формирования изображения, согласно этой разности токов.
Согласно изобретению перед этапом циркуляции тока синфазного сигнала в болометре ослабления синфазного сигнала делается настройка сопротивления болометра ослабления синфазного сигнала на значение ниже, чем значение всех этих болометров, когда они подвергаются воздействию сцены, имеющей температуру, близкую к верхнему пределу динамики заданной сцены.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет лучше понято из чтения следующего описания, предоставленного исключительно в качестве примера, и в сопряжении с прилагаемыми чертежами, в которых идентичные ссылочные позиции идентифицируют идентичные или подобные элементы, в которых:
Фиг. 1 является схематичным видом чувствительного болометра и его устройства считывания согласно предыдущему уровню техники;
Фиг. 2А является схематичным видом, дополняющим Фиг. 1 компенсацией обычного режима с использованием резистивной эталонной структуры согласно предыдущему уровню техники и связанных с ней элементов схем;
Фиг. 2В является схематичным видом, дополняющим Фиг. 1 компенсацией обычного режима с использованием резистивной компенсационной структуры согласно предшествующему уровню техники и связанных с ней элементов схем;
Фиг. 3А является схематичным представлением, дополняющим Фиг. 2А компенсацией синфазного сигнала с использованием резистивной эталонной структуры согласно изобретению;
Фиг. 3В является схематичным представлением, дополняющим Фиг. 2В компенсацией синфазного сигнала с использованием резистивной компенсационной структуры согласно изобретению;
Фиг. 4 является блок-схемой способа считывания болометра формирования изображения с использованием схем, схематично показанных на Фиг. 3А и 3В;
Фиг. 5А является схематичным видом болометрического детектора согласно изобретению с использованием эталонных структур;
Фиг. 5В является схематичным видом болометрического детектора согласно изобретению с использованием компенсационных структур.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Резистивная эталонная структура согласно изобретению расположена в болометрическом детекторе, который содержит:
одномерную или двумерную матрицу формирования изображения из болометров формирования изображения, расположенную в фокальной плоскости линзы, прозрачной для инфракрасного излучения,
схему считывания, образованную в подложке под поверхностью матрицы и содержащую средство для адресации матрицы ряд за рядом и интеграции матрицы столбец за столбцом;
один или несколько болометров компенсации синфазного сигнала, расположенных в каждом ряду или, альтернативно, в каждом столбце матрицы формирования изображения, но вне чувствительной зоны, формирующей изображение для применений формирования изображения.
Такая схема организации болометрических детекторов является стандартной и не объясняется более подробно ниже. Для дальнейшей информации может быть сделана ссылка, например, для применения эталонных болометров, расположенных в конце ряда, на документ “Performance of 320x240 Uncooled Bolometer-type Infrared Focal Plane Arrays” Yutaka Tanake и др., Proc. SPIE, том 5074, и для применения болометров компенсации, расположенных в конце столбца, на документ “Uncooled amorphous silicon enhancement for 25 µm pixel pitch achievement” E.Mottin и др., Proc. SPIE, Technology and Application XXVIII, том 4820.
По отношению к Фиг. 3А и 5А будет теперь объяснена первая предпочтительная схема организации болометра формирования изображения, его схема считывания и болометр ослабления синфазного сигнала согласно изобретению типа, называемого «эталонным».
Как показано на Фиг. 3А, эталонная структура согласно изобретению содержит эталонный столбец 38, в котором вместо защитной металлической мембраны, десенсибилизирующей от излучения эталонный болометр предшествующего уровня техники, показанный на Фиг. 2А, обеспечена схема 40 для управления сопротивлением эталонного болометра 26.
Следовательно, можно наблюдать, что эталонный болометр 26 может быть подвергнут инфракрасному излучению, исходящему от сцены таким же образом, как и болометр 12 формирования изображения.
ref
Управляющая схема 40 содержит источник 42 постоянного тока, подключенный к контакту С эталонного болометра 26 через первый переключатель 44 калибровки, управляемый сигналом Calib. Источник 42 тока подает в эталонный болометр 26 ток заданной интенсивности I, когда первый переключатель 44 калибровки находится в своем замкнутом состоянии.
Управляющая схема 40 также содержит второй переключатель 46 калибровки, управляемый посредством сигнала , который является дополнительным сигналом для сигнала Calib. Этот второй переключатель калибровки расположен между контактом С болометра и истоком МОП-транзистора 28.
C
ref
Схема 40 дополнительно содержит компаратор 45, который сравнивает напряжение V контакта С эталонного болометра 26 с заданным эталонным напряжением V.
ref
C
ref
C
Наконец, третий переключатель 48, управляемый выходным сигналом компаратора 45, расположен между источником 42 тока и эталонным болометром 26. Более конкретно, компаратор 45 поддерживает третий переключатель 48 в его замкнутом состоянии, когда напряжение V выше, чем напряжение V в контакте С, и переключает третий переключатель 48 в его разомкнутое состояние, когда напряжение V по существу равно напряжению V.
Болометрический детектор, содержащий матрицу формирования изображения, считываемую схемой считывания с отражением тока синфазного сигнала от эталонных структур, содержащих элементы, описанные выше, показан на Фиг. 5А.
Способ считывания чувствительного болометра 12, используемый управляющей схемой 40, будет теперь описан по отношению к Фиг. 4.
ref
ref
Первым этапом этого способа является этап 50 инициализации. Этап 50 состоит, в частности, в выборе значения для тока I и значения для напряжения V способом, который более подробно объясняется ниже.
ref
ref
ref
Этап 52 предварительного нагревания эталонного болометра 26 при постоянном токе I и инициализации интегратора 10 затем запускается посредством замыкания переключателя 18 “Reset”. Термин «предварительное нагревание» используется здесь для обозначения, что перед стандартным циклом считывания болометра 12 формирования изображения реализуется дополнительный цикл относительно работы предшествующего уровня техники. Этот дополнительный цикл состоит в повышении температуры эталонного болометра 26 до конкретного значения, зависящего от значений I и V, как объясняется ниже.
Можно отметить, что для болометра эквивалентно говорить о его температуре или о его сопротивлении, так как эти две величины фактически связаны взаимно однозначно.
С этой целью значение сигнала Select настраивается для переключения первого и второго переключателей 20 и 30 считывания в их разомкнутое состояние. В то же самое время значение сигнала Calib настраивается для переключения первого переключателя 44 калибровки в его замкнутое состояние и для переключения второго переключателя 46 калибровки в его разомкнутое состояние.
ref
Эталонный болометр 26, таким образом, поляризуется посредством инжекции в него тока I и, следовательно, подвергается нагреванию посредством эффекта Джоуля.
b
В случае материала, обычно используемого для изготовления болометра, подобного, например, аморфному кремнию или оксиду ванадия, сопротивление R болометра изменяется согласно закону Аррениуса по уравнению:
где:
Еа - энергия активации удельной электропроводности болометрического материала;
ABS
R - значение сопротивления эталонного болометра, когда его температура стремится к бесконечности;
К - постоянная Больцмана; и
Т - абсолютная температура, до которой нагревается мембрана болометра.
b
Коэффициент относительной вариации температуры “TCR” сопротивления R, который выводится из равенства (1), выражается следующим образом:
b
Эта величина, следовательно, является отрицательной, и сопротивление R уменьшается с увеличением температуры.
Все еще в 52, уровень управления “Reset” также настраивается для переключения переключателя 18 сброса в его замкнутое состояние, тем самым запускается разрядка конденсатора 16, который поддерживается в этом состоянии до наступления этапа 58, описываемого ниже.
b
ref
Во время следующего этапа 54 выполняется тест на определение того, равно ли по существу сопротивление R заданному сопротивлению R. Если результат этого теста является отрицательным, то продолжается предварительное нагревание эталонного болометра 26. Если нет, то этап 54 теста завершается посредством остановки предварительного нагревания эталонного болометра 26 путем отключения эталонного болометра 26 от источника 42 тока.
Более конкретно, этап 54 выполняется компаратором 45.
b
Согласно закону Ома напряжение V на контактах эталонного болометра 26 может быть смоделировано согласно равенству:
ref
C
b
b
Компаратор 45 затем переключает третий переключатель 48 в его разомкнутое состояние, тем самым отключая источник 42 тока от эталонного болометра 26, когда напряжение V по существу равно V = VDDA-V, а именно когда R удовлетворяет равенству:
Предварительное нагревание эталонного болометра 26, таким образом, завершается.
ref
Можно отметить, что сопротивление R, проявляемое эталонным болометром в конце предварительного нагревания, является независимым от величины инфракрасного излучения, принятого эталонным болометром. Эталонный болометр, таким образом, десенсибилизируется.
Можно фактически показать, что подъем температуры θ, испытываемый эталонным болометром 26 во время отключения от источника 42 тока компаратором 45, может быть приближен до первого порядка равенством:
ref
ref
Как можно видеть, этот подъем температуры не зависит от инфракрасного излучения, а зависит только от внутренних параметров болометра и, следовательно, параметров управляющей схемы 40, а именно тока I и напряжения V.
Во время следующего этапа 58 инициируется считывание болометра формирования изображения, как только эталонный болометр 26 предварительно нагрет и конденсатор 16 разряжен.
В этом этапе 58 значение сигнала “Calib” настраивается для переключения первого переключателя 44 калибровки в его разомкнутое состояние и для переключения второго переключателя 46 калибровки в его замкнутое состояние.
В то же самое время уровень управления “Select” настраивается для переключения первого и второго переключателей 20, 30 считывания в их замкнутое состояние.
В то же самое время уровень управления “Reset” настраивается для размыкания переключателя 18 для инициации интеграции тока на входе (-) интегратора 10.
2
1
Ток i, протекающий через эталонный болометр 26, таким образом, воспроизводится в точке В. Следовательно, он вычитается на входе интегратора 10 из тока i, протекающего через болометр 12 формирования изображения.
int
Этап считывания болометра формирования изображения, таким образом, завершается в 60 по истечении времени ΔТ интеграции с момента замыкания первого и второго переключателей 20, 30 считывания.
ref
ref
Значения тока I и напряжения V выбираются во время этапа 50, так что:
ref
C
значение V ниже, чем напряжение V контакта С во время инициации предварительного нагревания эталонного болометра. Таким образом, условие переключения компаратора 45 первоначально не удовлетворяется. В противоположном случае предварительное нагревание эталонного болометра 26 не было бы подавлено и эталонный болометр, таким образом, был бы чувствительным к излучению;
ref
ref
в конце этапа 54 сопротивление эталонных болометров 26 ниже, чем сопротивление наименее резистивного из эталонных болометров 26 столбца 38 компенсации, когда последний видит элемент сцены, имеющий температуру, близкую к верхнему пределу динамики заданной сцены. Альтернативно и выгодно, поскольку эталонные болометры 26 обычно эквивалентны болометрам 12 формирования изображения, это значение может быть вычислено из считывания предыдущего кадра или, более широко говоря, из заданного числа предыдущих кадров. Фактически перед этапом 54 эталонные болометры 26 являются чувствительными к сцене. В результате, если I и V плохо выбраны, компаратор 45 может мгновенно переключить и немедленно остановить нагревание эталонных болометров 26. Другими словами, рекомендуется выбирать температуру θ согласно равенству (4) выше, чем максимальная температура, которую может создать сцена, а именно налагать сопротивление ниже, чем сопротивление, которое может быть создано сценой в ее наиболее горячей точке. Без этого условия десенсибилизация потока излучения, возможно, будет неэффективной на одном или нескольких рядах, если наиболее горячая зона изображения сканирует столбец (столбцы) эталонных пикселов и
ref
время нагревания, необходимое для достижения сопротивлением эталонного болометра значения R, меньше, чем допустимое расчетное фиксированное время, учитывающее частоту кадров. Фактически, разрядка конденсатора 16 по существу является немедленной по сравнению с временем нагревания эталонных болометров. Таким образом, синхронизация сигналов Reset и Select может быть сохранена.
Вторая предпочтительная схема организации, которая будет объяснена по отношению к Фиг. 3В и 5В, касается болометра формирования изображения, его схемы считывания и болометра ослабления синфазного сигнала согласно изобретению и имеет тип, называемый «компенсационным».
Как показано на Фиг. 3В, структура ослабления синфазного сигнала согласно второму варианту осуществления изобретения содержит ряд 52 компенсации, в которой обеспечена схема 40 для управления сопротивлением болометра 50 компенсации, идентичная ранее описанной схеме и выполняющая ту же самую функцию. Каждый болометр 50 может содержать один или несколько болометрических элементов, термализованных к подложке таким образом, чтобы иметь низкое тепловое сопротивление по сравнению с тепловым сопротивлением болометров 12 формирования изображения, но тем не менее не пренебрежимо малое, а именно, обычно получаемое посредством упрощенных способов и, в частности, без образования экрана, который является не проницаемым для излучения.
ref-comp
D
ref-comp
ref-comp
D
ref-comp
D
Схема 40 подает, с одной стороны, в болометр 50 компенсации ток заданной силы I, когда первый переключатель 44 калибровки находится в своем замкнутом состоянии, а второй переключатель 46, расположенный между контактом D болометра 50 и истоком МОП-транзистора 54, одновременно находится в своем разомкнутом состоянии; с другой стороны, схема 40 посредством компаратора 45 сравнивает напряжение V контакта D болометра 50 компенсации с заданным эталонным напряжением V; наконец, компаратор 45 поддерживает третий переключатель 48 в его замкнутом состоянии, когда напряжение V выше, чем напряжение V в контакте D, и переключает третий переключатель 48 в его разомкнутое состояние, когда напряжение V по существу равно напряжению V.
Фиг. 5В показывает болометрический детектор, содержащий матрицу формирования изображения, считываемую схемой считывания с отражением тока синфазного сигнала от структур компенсации, содержащих элементы, описанные выше.
ref-comp
ref
ref-comp
ref
D
C
comp
b
comp
Способ считывания чувствительного болометра 12, используемый управляющей схемой 40, может быть описан в точности таким же образом, что и был развит ранее, через последовательность идентичных этапов 50-54, рассматривая соответственно «компенсационный» вместо «эталонный» V вместо V, I вместо I, «болометр 50» вместо «болометр 26», «контакт D» вместо «контакт С», V вместо V, VSK вместо VDDA, R вместо R, причем R является сопротивлением болометра 50 компенсации.
comp-ref
ref-comp
ref-comp
После завершения этапа 54 сопротивление болометра 50 компенсации увеличивается до заданного значения R, равного V/I.
Этапы 58 и 60 идентичны тому, что было описано ранее, с единственной разницей, что переключатель 20 рассматривается для выбора болометра, подлежащего считыванию.
ref-comp
ref-comp
Перед этапом 54 эталонные болометры 26 являются слегка, но измеримым образом чувствительными к сцене. В результате, если I и V являются плохо выбранными, компаратор 45 может мгновенно переключить и немедленно остановить нагревание болометров 26 компенсации. Другими словами, рекомендуется выбирать температуру θ согласно равенству (4) выше, чем максимальная температура, которую сцена может индуцировать на болометры компенсации, а именно налагать сопротивление ниже, чем сопротивление, которое сцена может индуцировать в ее наиболее горячей точке. Без этого условия десенсибилизация потока излучения, возможно, будет неэффективной на одной или нескольких столбцах, если наиболее горячая зона изображения сканирует ряд (ряды) болометров компенсации.
ref-comp
ref-comp
В результате значения тока I и V выбираются во время этапа 50 таким образом, что:
ref-comp
D
значение V ниже, чем напряжение V контакта D во время инициации предварительного нагревания болометра компенсации. Таким образом, условие переключения компаратора 45 первоначально не выполнено. В противном случае предварительное нагревание болометра 50 компенсации было бы подавлено и болометр компенсации не был бы десенсибилизирован для излучения;
comp-ref
в конце этапа 54 сопротивление R болометров 50 компенсации ниже, чем сопротивление наименее резистивного из болометров компенсации, когда последний видит элемент сцены, показывающий температуру, близкую к верхнему пределу динамики заданной сцены.
ref-comp
ref-comp
comp-ref
Альтернативно, значения I и V выбираются таким образом, что сопротивление R болометров 50 компенсации ниже, чем сопротивление наименее резистивного из болометров компенсации после предыдущего кадра. Выгодно, что это значение выделяется из считывания предыдущего кадра в конце которого будет выполнено считывание сопротивления ряда компенсации. Более широко говоря, результат считываний ряда компенсации может использоваться по отношению к заданному числу предыдущих кадров и
comp-ref
время нагревания, требуемое для того, чтобы сопротивление болометра компенсации достигло значения R, ниже, чем допустимое расчетное фиксированное время, рассматривающее частоту считывания рядов. Фактически, разрядка конденсатора 16 является по существу немедленной по сравнению со временем нагревания болометров компенсации. Таким образом, синхронизация сигналов Reset и Select может быть сохранена.
Благодаря изобретению во время считывания болометра 12 формирования изображения получается следующее, без применения физического защитного устройства против излучения, исходящего от сцены:
десенсибилизация болометра ослабления синфазного сигнала относительно инфракрасного излучения, исходящего от сцены. В самом деле, время считывания составляет около 50-100 микросекунд, тогда как тепловая временная постоянная активного или эталонного болометра составляет около нескольких миллисекунд. Следовательно, можно показать, что в наихудшем случае вариация температуры эталонного болометра, обусловленная излучением, исходящим от сцены во время цикла считывания, вызывает вариацию обычно ниже чем 1% тока на входе интегратора. В случае использования частично термализованного болометра компенсации тепловая временная постоянная может быть равна примерно той же самой величине, что и время интеграции, и десенсибилизация является, соответственно, менее эффективной в относительных значениях, хотя чувствительность этих болометров к тепловому потоку уже является низкой из-за конструкции, так что результат изобретения является удовлетворительным, поскольку вариация тока на интегрированном входе становится пренебрежимо малой;
более низкая стоимость изготовления, так как схема для управления сопротивлением болометра ослабления синфазного сигнала состоит непосредственно из схемы считывания, что экономит изготовление экрана для десенсибилизации к излучению, необходимое или по меньшей мере полезное для болометров ослабления синфазного сигнала предшествующего уровня техники; и
существенное ослабление эффектов естественной дисперсии сопротивлений болометров ослабления синфазного сигнала благодаря тому факту, что сопротивление этих элементов вводится при общем значении для целого столбца эталонных болометров или для целого ряда болометров компенсации.
Был описан конкретный вариант осуществления изобретения.
В качестве альтернативы, источник тока является управляемым. Например, профиль переменного тока в течение времени предварительного нагревания может заранее определяться для дополнительной оптимизации этого времени.
ref
ref
ref-comp
ref-comp
b
comp
В качестве дополнительной альтернативы выбор значений V и I, или I и V, осуществляется таким образом, чтобы в конце приведения болометров ослабления синфазного сигнала к однородной температуре перед считыванием ввести сопротивление, более низкое на заданную абсолютную или относительную величину, чем среднее значение при тепловом равновесии сопротивлений R или R, когда схема для управления сопротивлением болометров ослабления синфазного сигнала не активирована.
Следующее обсуждение проясняет значение термина «заданный» для случая использования эталонных или компенсационных структур.
В самом деле, увеличение равновесной температуры или, что эквивалентно той же вещи, сопротивление при тепловом равновесии эталонного или компенсационного болометра под действием максимального излучения, которое детектор предназначен детектировать, а именно, когда он видит сцену, температура которой близка к верхнему пределу ожидаемой динамики сцены, легко получить из его конструктивных особенностей, в частности, его теплового сопротивления, эффективной площади его чувствительной мембраны и его коэффициента интегрированного поглощения в спектральной полосе, к которой он чувствителен. Это сопротивление также непосредственно выводимо из калибровки характерного детектора, помещенного перед черным телом, нагретым до упомянутой температуры.
ref
comp-ref
ref
ref
ref
ref
ref
ref-comp
ref-comp
comp-ref
Следовательно, достаточно ввести значение сопротивления R или R, полученное в ранее указанных условиях, посредством изобретения, и подбор подходящих значений V и I (или проще - единственную из этих двух величин, если другая корректно задана априори), взаимосвязанных уравнением V/I = R, или V/I = R.
Возможно, может быть полезным дополнить уменьшение сопротивления, заданное десенсибилизацией к ожидаемой динамике сцены согласно предыдущим указаниям, дополнительным уменьшением, предназначенным для подавления эффекта естественных дисперсий сопротивлений ослабления синфазного сигнала.
Для обеспечения полезного порядка величины и прояснения этого утверждения, для получения десенсибилизации структур ослабления синфазного сигнала к сцене, нагретой до 100°С выше температуры фокальной плоскости, необходимо нагреть эталонные болометры перед интеграцией на около 2°С по сравнению с их равновесной температурой, когда детектор видит сцену при температуре окружающей среды и в отсутствие электрической термализации согласно изобретению. Это эквивалентно уменьшению их сопротивления на около 4%, если рассматривать обычные болометрические материалы в данной области.
Если естественная дисперсия эталонных сопротивлений также составляет около 1%, что представляет собой наихудший случай, необходимо уменьшить эталонные сопротивления в целом на около 5% посредством изобретения перед фазой интеграции, для устранения пространственно рассеивающих эффектов этого естественного распределения эталонных сопротивлений на формирование сигнала, независимо от температуры сцены вплоть до 100°С. Выше этой температуры десенсибилизация эффективна в лучшем случае на части рядов детектора, и естественная дисперсия ослабления синфазного сигнала постепенно появляется повторно.
ref-comp
ref-comp
Что касается этого отбора значений I и V, подлежащих применению к болометрам компенсации, существенно меньшая разница сопротивления, чем в предыдущем случае будет эффективной для десенсибилизации ослабления синфазного сигнала на идентичной динамике сцены.
В самом деле, для болометра компенсации, который, например, в 100 раз менее чувствителен к излучению, чем активные болометры, предыдущее электрическое нагревание фазы интеграции на около 20 милликельвинов является адекватным.
comp
comp
ref-comp
ref-comp
В противоположность ранее описанному случаю скорее именно естественная дисперсия сопротивлений R независимо от теплового потока определяет уменьшение сопротивления, подлежащего введению перед интеграцией для обеспечения того, что все столбцы десенсибилизированы. В самом деле, если, как и прежде, принята пространственная дисперсия около 1% на R, то предыдущее нагревание должно привести к уменьшению сопротивления по меньшей мере на 1%, а именно величине до около 1°С. Такое увеличение температуры можно получить для так называемых термализованных структур текущего способа в интервале нескольких микросекунд, что совместимо с обычной хронологией работы детектора, с использованием напряжений V и токов I, которые легко получить в стандартных схемах данной области.
Именно эта относительная или абсолютная разница, рассматриваемая в целом, способом, который, возможно, менее усовершенствован, чем ранее предложенный, с использованием вычислений, выводимых из сигнала изображения, или специфических для болометров компенсации, но выгодно применен просто из-за независимости от текущей сцены, и называется «заданной разницей».
Комментарии, приведенные ранее в поддержку предложенных альтернатив, номинально и точно применяются к детектору, поддерживаемому при фиксированной температуре фокальной плоскости, например, регулируемой модулем эффекта Пельтье (TEC), или посредством регулируемого нагревания схемы считывания.
Если ожидается, что температура фокальной плоскости изменяется, что все более происходит по экономическим причинам, обычно является существенным обеспечить сопутствующую и соответствующую вариацию в условиях термализации болометров ослабления синфазного сигнала для получения удовлетворительного результата для десенсибилизации теплового потока сцены при любой температуре в рабочем диапазоне детектора.
ref
ref-comp
ref
ref-comp
С этой целью, например, могут быть обеспечены электронные схемы подобного типа, обычно содержащие по меньшей мере один элемент, предназначенный для адекватного управления напряжением V (соответственно, V) или током I (соответственно, I), как функцией температуры фокальной плоскости (подложки, поддерживающей схему считывания). Типичным элементом, например, является операционный усилитель с обратной связью в виде болометра, который термализован посредством конструкции (компенсационного типа, и расположен снаружи от области, связанной со сценой), причем упомянутый болометр определяет коэффициент усиления этого усилителя пропорционально его сопротивлению, что является характерным законом температуры подложки схемы считывания.
Другая схема организации с этой целью функционального управления температурой фокальной плоскости должна подавать в процессор 28 измерение температуры фокальной плоскости, например, посредством зонда, образованного в поверхности подложки, причем упомянутый процессор осуществляет численную коррекцию или коррекции, подлежащие применению к источникам напряжения и/или тока, управляющим болометрами ослабления синфазного сигнала.
Таким образом, рассмотрения, выраженные по всему документу неявно для конкретной температуры фокальной плоскости, применимы для любой другой температуры в широком диапазоне в окрестности температуры окружающей среды.
Подобным же образом, в качестве альтернативы, болометр формирования изображения и болометр ослабления синфазного сигнала расположены в мосте Уитстона, как описано в документе US 2003/0146383.
Данное изобретение имеет применение в области формирователей сигналов изображения с болометрическим детектированием независимо от диапазона частот детектирования или типа болометрического материала, используемого для изготовления болометров формирования изображения и эталонных болометров, такого как, например, аморфный кремний (a-Si), оксид ванадия (Vox), металл (Ti).
Благодаря своей способности адаптироваться к различным рабочим температурам датчика сигналов изображения с болометрическим детектированием изобретение также равным образом применимо к термально регулируемым датчикам и к датчикам, работающим при переменной температуре фокальной плоскости (обычно называемым выражением “TEC-LESS”), и независимо от того, был ли обеспечен затвор в комбинации с оптикой.