专利名称：用于检测红外辐射的系统和方法
技术领域：
本发明涉及利用测辐射热计的红外成像和高温测定技术领域。更具体地说，本发明涉及用于辐射热检测的图像传感器技术领域，而无关频带检测和所使用的辐射热材料的类型。
背景技术：
用于红外成像的检测器传统上被制造为基元检测器或者测辐射热计的一维或者二维阵列，所述测辐射热计取借助具有高热阻的支承臂悬在通常由硅制成的衬底之上的膜的形式。衬底通常结合用于对基元检测器进行顺序寻址的装置以及用于电激励和预处理这些测辐射热计产生的电信号的装置。该衬底和集成的装置通常被称为“读出电路”。为了利用该检测器获得场景红外图像，该场景被通过适当光学元件投影到测辐射热计阵列上，并且通过读出电路对每个测辐射热计或者对每行这种测辐射热计施加时钟电激励，以获得构成每个所述基元检测器所达到的温度的图像的电信号。然后，该读出电路以更大或者更小的范围处理该信号，然后，必要时，利用该封装之外的电子器件处理该信号， 以产生所观察场景的热图像。这种类型的检测器在其制造成本和实现方面具有许多优点，但是也具有限制采用这种检测器的系统的性能的缺点。特别地，所获得的图像的均一性存在问题。实际上，当暴露于统一的场景时，不是所有的测辐射热计都完全以相同的方式响应，并且这体现为由此获得的图像中的固定空间噪声。这种变化性有几个源泉。特别地，测辐射热计的电阻的技术变化性还导致图像中发生偏移变化和增益变化(缺陷不限于此)，即，对于偏移，暴露于均勻图像的测辐射热计的输出电平上的空间变化，以及对于增益，暴露于均勻场景温度变化的测辐射热计的输出电平上的绝对变化的变化性。偏移校正的方法有许多。校正偏移变化的第一方法包括使用在工厂校准操作之后制作的偏移校正表。然而，这些校正的稳定性取决于焦平面的温度稳定性，因此，在非温度受控应用(通常称为“TEC-less”)中，需要诉诸于获取并存储多个所谓校准的温度的增益和偏移表，然后，当使用检测器时通过例如插值来运用所述表，以确保在检测器的焦平面温度方面在整个工作动态范围上的数字校正的连续性。利用工厂校准测试台获得的这些表导致制造商的成本相当大，尤其是在安装在校准测试台上的设备和获取所有增益和偏移表花费的时间方面。例如在文献US 2002/002^38中公开的另一方法包括通过关闭机械快门来获取均勻参考场景的图像。获取了该图像之后，就打开快门并存储该参考图像，然后，利用数字方法或者模拟方法从该当前图像中减去该参考图像。该方法常被称为“快门校正”或者“一点校正”。其优点在于，在被用于获取参考图像的检测器室温附近实现高效校正，并且几乎不需要存储器和计算资源。
另一方面，该方法包括采用机械快门——成本不能忽略的机械装置因为含有运动部分而比较易损并且消耗能量。另外，如果工作条件发生变化，更尤其是检测器的热环境发生变化，则从该场景获取的图像因为重新出现偏移变化而恶化，因此，需要通过关闭机械快门来重新获取参考图像。实际上，至少在获取该参考图像的时间内，检测器是无法使用的。例如在文献WO 98/47102中公开的另一偏移校正方法涉及对在包括足够帧的滚动时间窗内含有的一系列连续图像执行数字处理，从而能够从该时间窗内提取连续分量。 然后，从当前获取的图像中数字性地减去与该偏移分布类似的该连续分量的空间分布。然而，这不仅抑制了实际偏移变化本身，而且它还抑制了来自该场景的所有静态信息。当然不需要使用机械快门，但是类似这样的偏移校正只在该场景基本上永久可变或者运动的情况下才真正可接受。实际上，等于或者大于滚动窗的时长的时长内的所有细节和固定局部对比度被作为非均勻性来处理，并且借此以与固定空间噪声相同的方式校正它们。一般而言，仅当图像被获取时，才应用根据现有技术的偏移校正方法，从而校正图像中的偏移变化的效果。然而，尽管偏移变化等因于与场景无关的噪声的存在而影响图像质量，其仍然对这些类型的技术未校正的可观察场景的动态范围有影响。为了校正该现象，
图1示出传统上用于测辐射热计阵列检测器的这种基本的检测和读出布置。该基本布置包括·图元或者像素10，尤其包括成像测辐射热计12和实现它所需的部件14和16。·积分电路18，用于读取成像测辐射热计12 ；以及·补偿电路20，用于在读取成像测辐射热计12时补偿流过成像测辐射热计12的共模电流。测辐射热计12受到源自场景的红外辐射顶的辐射，并通过第一端子A接地。积分电路18包括-运算放大器22，其非反相输入端(+)被保持在预定恒定电压VBUS；-电容器对，其具有预定电容Cint，并连接在放大器22的反相输入端(_)与放大器 22的输出端之间；以及-重置开关沈，其与电容器M并联，并且可以由“重置”信号控制。图元10还包括读开关16，其可以由“选择”信号控制，并连接到运算放大器的反相输入端(_)和第一MOS注入式晶体管14，该第一MOS注入式晶体管14的栅极由电压VFID 控制，以在测辐射热计12的端子之间施加电压Vac，其源极连接到测辐射热计12的第二端子B，而其漏极连接到读开关16的另一端子。补偿电路20用于补偿流过成像测辐射热计12的共模电流，其包括由与成像测辐射热计12相同的材料制成的电阻式补偿测辐射热计28。补偿测辐射热计观对源自场景的辐射基本上不敏感，这例如归因于其相对于衬底的热阻低并且其任意地或者可选地设置有阻光屏蔽30。补偿测辐射热计观的端子之一连接到预定电压VSK，而其另一端子连接到电路20 的第二 MOS注入式晶体管32的源极。注入式晶体管32的漏极连接到运算放大器22的反相输入端(_)，而其栅极连接到预定电压GSK。
为了读取测辐射热计12，使电容器M因为零重置开关沈闭合而放电，成像测辐射热计12和补偿测辐射热计观被偏压晶体管14、32的控制电压加偏压，并且流过成像测辐射热计12的电流Iac与流过补偿测辐射热计观的电流Iav之差被积分电路18对预定积分时长Tint积分。如本身为人所知的一样，代表场景温度的有用电流仅占流过成像测辐射热计12的总电流的很小部分(通常约为)，这证明需要使用补偿电路20在积分之前消除共模电流。积分器18的输出端上的电压Vout于是由下列等式给出
1 T intVout VBUS + ——^(Iac(t)- Iav(t))dt(i)
Cint ο因此，通过电路18的积分使得可以通过电容Cint的值来施加增益给有用信号的读出，同时确保将有用电流转换为更方便操纵的电压。这样，以同一方式，特别是通过施加相同的偏压电平，来读取该阵列检测器的所有成像测辐射热计。上面描述的部件的布置和操作是常规的，并且为了简短起见并未做更详细的解释。更多细节建议读者参考例如E. Mottin等人发表于hfraredTechnology and Application XXVIII, SPIE, vol. 4820 的题为"Uncooledamorphous silicon enhancement for 25 μ m pixel pitch achievement，，的文献。 例如，假定检测器的成像测辐射热计的电阻上的相对空间变化等于1 %，从而对于低偏压电平将导致电流Iac有的变化，并且假定补偿测辐射热计的偏压被选择为使得电流Iav约等于电流Iac的90 %，那么在已读完所有测辐射热计之后电压Vout上的空间变化约为10%。在传统的检测器中，这种变化代表其动态输出响应约为300mV。如果将成像测辐射热计的偏压也升高例如50%，以提高输出电平的值从而提高检测器的灵敏度的话， 则输出电压Vout上的变化也升高50%，从而达到450mV。考虑到可用的总动态响应通常被限制在2或3V，因此，单单是测辐射热计的自然变化性就已经用尽该动态响应的很大一部分。因此，仅仅是已有的偏移变化就已经用尽检测器的动态输出响应。通常利用术语 “剩余动态响应”或者“动态场景响应”表示当积分电路不饱和时电压Vout的最大幅值与当暴露于均勻场景时输出电压Vout的最大幅值之差，即，对有用信号的剩余动态响应。除了剩余动态响应仅因为存在偏移变化而小于积分电路的电动态响应以外，该剩余动态响应还随着用户所要求的灵敏度增大而降低。此外，当成像测辐射热计被加偏压时，它们的温度因为焦耳效应而升高，导致流过它们的电流(从而输出电压)上的变化的放大率增大，因此，导致剩余动态响应减小。当测辐射热计阵列所在的焦平面的温度升高时，也发生类似的现象。因为通常的测辐射热计材料热阻系数为负，所以这导致测辐射热计的输出电平的变化性迅速升高，从而使剩余动态响应显著减小。应当注意，根据现有技术的偏移变化校正并未以任何方式解决剩余动态响应减小的问题，并且将它们自身限制在追溯性地校正所述变化性对已经形成的图像的影响
发明内容
本发明的目的在于建议一种方法和一种测辐射热计检测装置，用于校正偏移变化性对所形成的图像和对剩余动态响应的影响。本发明的目的在于一种用于检测红外辐射的装置，包括·用于检测所述辐射的测辐射热计阵列；以及·用于读取每个测辐射热计的信号整形电路，其包括〇读出偏压电路，其能够将所述测辐射热计以预定电压加偏压，从而使电流流过所述测辐射热计；〇共模注入电路，其能够产生共模电流；以及〇积分电路，其能够对流过所述测辐射热计的电流与所述共模电流之间的差进行积分。根据本发明，该系统包括用于校正所述测辐射热计的电阻的校正电路，所述校正电路能够将电流注入每个测辐射热计，以使其电阻变化取决于其偏移的预定量，在读出所述该测辐射热计的偏压前先执行该电流注入，并且根据所述测辐射热计的电阻随温度变化的方向来执行该变化。换句话说，用于控制根据本发明的测辐射热计的电阻的电路单独改变该测辐射热计的电阻值，以便在测辐射热计的电阻随温度降低的情况下减小该电阻，或者在相反的情况下增大该电阻。优选地，测辐射热计的电阻被改变得使它们基本相同。在读取的上游(即在将测辐射热计加偏压和对电流进行积分之前)执行该校正。在积分阶段之前的阶段，采用电工具、通过焦耳效应来改变该电阻，而不改变从所观测的场景获得的热信息。根据本发明的具体实施例，所述装置包括以下一个或者多个方面。所述校正电路能够使所述测辐射热计的电阻向公共值变化。所述校正电路包括定时工具，所述定时工具能够在根据该偏移相关量确定的时长之后，停止电流注入。所述测辐射热计包括悬在衬底上的半导体类型的测辐射热计膜；以及定时工具 (142)，其能够在根据下列等式的一段时间后停止电流注入t{ij) = 二 ，.AR0(Ij)
hAyac其中，t(i，j)是预定时长，AR。(i，j)是取决于该偏移的量，k是波尔兹曼 (Boltzmann)常数，TPF是衬底的温度，Cth是测辐射热计的热容，Ea是制成测辐射热计的测辐射热计材料的热传导活化能，Vac是测辐射热计两端的电压。所述校正电路包括用于将电流注入测辐射热计的如下单元 恒定电流源； 第一可控开关，其能够将该恒定电流源与该测辐射热计连接或者断开连接；以及·比较电路，用于将测辐射热计两端的电压与取决于偏移的第一预定电压进行比较。所述比较电路包括·运算放大器，作为电压跟随器安装，其非反相输入端连接到所述测辐射热计；·电容器，通过其第一端连接到所述运算放大器的输出端；·比较器，通过其非反相输入端连接到所述电容器的第二端，通过所述比较器的输出来控制所述第一可控开关的断开和闭合，并且所述比较器的反相输入端接收所述第一预定电压；以及·第二可控开关，连接在所述电容器的第二端与第二预定电压之间。所述第一预定电压和所述第二预定电压满足以下等式Vref (i，j) = Vclamp-Iref. AR0(i, j)其中，Vref (i, j)是所述第一电压，Vclamp是所述第二电压，Iref是所述恒定电流源输出的恒定电流，而ARtl(Lj)是取决于所述测辐射热计的偏移的预定量。所述校正电路能够将其值取决于预定量的电流注入测辐射热计，所述预定量取决于该测辐射热计的偏移。该电流的值满足下列等式
权利要求
1.一种用于检测红外辐射的装置，包括用于检测所述辐射的测辐射热计(12)的阵列02)；以及用于对每个测辐射热计(1 进行读取的信号整形电路(14、46)，所述信号整形电路 (14,46)包括读出偏压电路(14)，能够以预定电压将所述测辐射热计加偏压，从而使电流流过所述测辐射热计；共模注入电路(20)，能够产生共模电流；以及积分电路(18)，能够对流过所述测辐射热计的电流与所述共模电流之间的差进行积分，其特征在于其包括用于校正所述测辐射热计的电阻的校正电路(52)，所述校正电路 (52)能够将电流注入每个测辐射热计，以使所述测辐射热计的电阻变化预定量，所述预定量取决于所述测辐射热计的偏移，在读出所述测辐射热计的偏压之前先执行所述电流注入，并根据所述测辐射热计的电阻随温度变化的方向执行所述变化；以及，所述校正电路 (52)能够使所述测辐射热计(12)的电阻向公共值变化。
2.根据权利要求1所述的用于检测红外辐射的装置，其特征在于，所述校正电路(52) 包括定时工具(142)，所述定时工具(14 能够在根据所述偏移相关量确定的时长之后停止电流注入。
3.根据权利要求2所述的用于检测红外辐射的装置，其特征在于每个测辐射热计 (12)均包括悬于衬底之上的半导体类型的测辐射热计膜；以及，所述定时工具(14 能够在根据下列等式的时间段后停止电流注入
4.根据权利要求1所述的用于检测红外辐射的装置，其特征在于，所述校正电路(52) 包括用于将电流注入所述测辐射热计(1 的以下单元恒定电流源(54)；第一可控开关(56)，能够将所述电流源与所述测辐射热计(1 连接或者断开连接；以及比较电路(58、60、62、64、66)，用于将所述测辐射热计(12)两端的电压与取决于所述偏移的第一预定电压进行比较。
5.根据权利要求4所述的用于检测红外辐射的装置，其特征在于，所述比较电路(58、 60、62、64、66)包括运算放大器(58)，被作为电压跟随器安装，且其非反相输入端连接到所述测辐射热计 (12)；电容器(60)，通过其第一端连接到所述运算放大器(58)的输出端；比较器(62)，通过其非反相输入端连接到所述电容器(60)的第二端，所述比较器(62)的输出控制所述第一可控开关(56)的断开和闭合，并且所述比较器(62)的反相输入端接收所述第一预定电压；以及第二可控开关(64)，连接在所述电容器(6 的第二端与第二预定电压之间。
6.根据权利要求5所述的用于检测红外辐射的装置，其特征在于，所述第一预定电压和所述第二预定电压满足下列等式Vref (i，j) = Vclamp 一 Iref. AR0(i, j)其中，Vref (i, j)是所述第一电压，V。lamp是所述第二电压，Iref是所述恒定电流源输出的恒定电流，以及ARtl(Lj)是取决于所述测辐射热计的偏移的所述预定量。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述校正电路能够将其值取决于所述预定量的电流注入所述测辐射热计，所述预定量取决于所述测辐射热计的偏移。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电流的值满足下列等式其中，Iref(i，j)是所述电流的值，AR0(i, j)是取决于所述偏移的值，k是波尔兹曼常数，TPF是所述衬底的温度，Cth是所述测辐射热计的热容，Ea是制成所述测辐射热计的测辐射热计材料的热传导活化能，Ra。(i，j)是所述测辐射热计的电阻，以及At是施加所述电流的时间。
9.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，控制所述测辐射热计的电阻的所述电路(5 能够临时推迟将电流注入预定的一组测辐射热计中的测辐射热计，以便基本上同时终止所述电流注入。
10.根据上述权利要求之一所述的用于检测红外辐射的装置，其特征在于对所述测辐射热计的阵列G2)逐行地进行读取；以及，包括电阻控制电路的所述校正电路(52)位于所述测辐射热计(1 的阵列0 中的每列的端部，并且能够连接到该列的每个测辐射热计(12)，以便控制每个测辐射热计的电阻。
11.一种方法，用于通过使用测辐射热计的阵列来检测红外辐射，所述方法包括下列步骤以对测辐射热计进行读取以预定电压将所述测辐射热计加偏压，从而使电流流过该测辐射热计；从流过所述测辐射热计的电流中减去共模电流；以及对流过所述测辐射热计的电流与所述共模电流之间的差进行积分，其特征在于，所述方法包括在对所述测辐射热计进行读取之前先将电流注入所述测辐射热计，以便根据所述测辐射热计的电阻随温度变化的方向使所述测辐射热计的电阻变化取决于所述测辐射热计的偏移的预定量，从而将所述测辐射热计的电阻调节到公共值。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过下列步骤来确定取决于与所述测辐射热计有关的偏移的所述预定值使所述阵列暴露于均勻场景中；确定所述测辐射热计的对应电阻；以及从所述电阻中减去在具有负电阻系数的测辐射热计的情况下，基本上等于所确定的电阻中的最小电阻的量；或者在具有负电阻系数的测辐射热计的情况下，从所述电阻中减去基本上等于所确定的电阻中的最大电阻的量。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测红外辐射的装置，其包括测辐射热计(12)的阵列(42)，用于检测所述辐射；以及包括电路(14)、电路(20)和电路(18)的信号整形电路(14、46)，用于读取每个测辐射热计(12)，其中电路(14)能够以预定电压对该测辐射热计加偏压从而使电流流过所述测辐射热计，电路(20)能够产生共模电流，电路(18)能够对流过测辐射热计的电流与共模电流之间的差进行积分。根据本发明，该装置包括电路(52)，电路(52)能够将电流注入每个测辐射热计，以使其电阻变化取决于其偏移的预定量，在读出该测辐射热计的偏压之前先执行该电流注入，并根据测辐射热计的电阻随温度变化的方向来执行该变化。此外，校正电路(52)能够使测辐射热计(12)的电阻向公共值变化。
文档编号G01J5/24GK102460096SQ201080029458
公开日2012年5月16日 申请日期2010年4月19日 优先权日2009年4月30日
发明者伯努瓦·杜邦, 米歇尔·维兰 申请人:Ulis股份公司