Устройство и способ для детектирования инфракрасного излучения с помощью матрицы резистивных болометров

Устройство и способ для детектирования инфракрасного излучения с помощью матрицы резистивных болометров

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

▪ R_est(i, j) представляет собой оценку сопротивления болометра,

▪ R_abs(i, j) представляет собой заданное опорное сопротивление болометра,

▪ C(T_mes) представляет собой параметр, зависимый от измеренной температуры T_mes фокальной плоскости, выраженной в градусах Кельвина.

Предпочтительно, параметр C(T_mes) рассчитывают в соответствии с выражением:

где

▪ E_A 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:

где R_comp-est(j) представляет собой оценку сопротивления компенсирующего болометра, R_comp-abs (j) представляет собой заданное опорное сопротивление компенсирующего болометра, и C(T_mes) представляет собой параметр, зависящий от измеренной температуры T_mes подложки. Более конкретно, параметр C(T_mes) рассчитывают в соответствии с выражением:

где E_A представляет собой заданную энергию активации формирования изображения болометра, k представляет собой константу Больцмана, и T_mes 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:

где α и β представляют собой заданные параметры, зависящие от тока считывания, I_comp(j) представляет собой ток, протекающий в компенсирующем болометре, рассчитанный по оценке его сопротивления, и I_ac(i, j) представляет собой ток, протекающий в болометре формирования изображения, рассчитанный по оценке его сопротивления; и

▪ коррекции сигнала N_brut(i, j), сформированного из болометра формирования изображения, в соответствии с выражением:

где N_corr(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.

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_ac=V_ac/R_ac, протекающим через болометр 14, и током I_comp=V_comp/R_comp, который протекает через компенсирующий болометр 54, выход которого выражен в форме напряжения на выводах конденсатора 46. Напряжения V_ac и V_comp, 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_int интеграции прошло от начала цикла считывания, переключатель 50 цикла переключают в его состояние выключено.

Напряжение или выходной уровень усилителя 44, который будет называться N_brut, который содержит сигнал от болометра 14 формирования изображения с сопротивлением R_ac, выражают, предполагая, с учетом упрощения, что R_ac незначительно изменяется во время времени ΔT_int интегрирования, в соответствии с выражением:

где

▪ V_ac представляет собой напряжение на выводах болометра 14 формирования изображения;

▪ R_ac представляет собой сопротивление болометра 14 формирования изображения;

▪ V_comp представляет собой напряжение на выводах компенсирующего болометра 54; и

▪ R_comp представляет собой сопротивление компенсирующего болометра 54.

Схема 24 преобразования, которая подключена к усилителю 44, преобразует аналоговое напряжение N_brut 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.

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_ref.

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:

В конкретном случае этапа 64 напряжение V_FID, 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,

▪ E_A представляет заданную энергию активации болометра,

▪ k представляет константу Больцмана,

▪ и T_ref представляет температуру подложки, измеренную на этапе 60.

После окончания этапа 60 инициализации получают двумерную таблицу R_abs 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.

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_est оценки сопротивления и таблица NC выходных уровней, сбрасывают в ноль и сохраняют в оперативном запоминающем устройстве 30.

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_mes.

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_brut, 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.

Если результат этого теста будет положительным, на этапе 78 рассчитывают оценку сопротивления R_est(i, j) для каждого болометра матрицы 12 с помощью модуля 26. Такую оценку сопротивления болометра рассчитывают как функцию соответствующего опорного сопротивления R_abs(i, j) таблицы R_abs в соответствии с выражением:

Значение R_est(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_est.

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:

Специалисты в данной области техники могут выразить I_comp, когда MOS 58 находится в режиме насыщения, по технологическим параметрам и конфигурации цепи в соответствии с выражением:

С другой стороны, I_ac выражают, когда MOS 52 находится в режиме насыщения, с помощью выражения:

где

▪ Ap и An представляют собой известные техноло