热辐射检测阵列的缺陷状态的诊断方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种热辐射检测阵列的缺陷状态的诊断方法和设备。其用于诊断热辐射检测器的信号形成用链的缺陷状态的方法，检测器包括热辐射计的阵列，其中各链包括热辐射计、链的电气刺激电路和根据所施加的刺激来形成信号的电路，方法包括在阵列上形成大致均匀场景的图像；向链应用至少不同的第一刺激和第二刺激；读取所形成的信号；以及对于各链，定义由具有与热辐射计相邻的热辐射计形成的邻域；计算对由该链形成的信号的值插值的多项式的系数；计算对由相邻链形成的信号的值进行插值的多项式的系数；计算相邻链或由相邻链和该链形成的组的系数平均值和标准偏差；以及在系数的值在根据平均值和标准偏差所定义的余量外的情况下，诊断为该链有缺陷。
【专利说明】热辐射检测阵列的缺陷状态的诊断方法和设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及红外热辐射成像和高温测量。更具体地，本发明涉及包括由悬挂在基 板的上方的膜形成的热辐射计的阵列的热辐射红外检测器。
【背景技术】
[0002] 在所谓的"热"红外检测器的领域中，已知使用能够在环境温度下工作的对红外辐 射敏感的元件的一维或二维阵列。
[0003] 传统上，热红外检测器利用所谓的"测温"或"热辐射"材料的物理量根据其温度 的变化。目前，该物理量是所述材料的高度温度依赖的电阻率。检测器的单元敏感元件或 "热辐射计"通常采用膜的形式，其中，这些膜各自包括一层测温材料，并且经由耐热性高的 支撑臂悬挂在通常由硅制成的基板的上方，其中所悬挂的膜的阵列通常被称为"视网膜"。
[0004] 特别地，这些膜实现吸收入射辐射的功能、将所吸收的辐射的功率转换成热功率 的功能、和将所生成的热功率转换成测温材料的电阻率的变化的测温功能，其中这些功能 可由一个或多个不同元件来实现。
[0005] 此外，膜的支撑臂也具有传导性且连接至其测温层，并且在上方悬挂有膜的基板 中，通常形成有用于顺次寻址并偏置膜的测温元件的部件和用于形成能够以视频格式使用 的电信号的部件。该基板和集成部件通常被称为"读取电路"。
[0006] 通常在非常低的压力下将检测器的读取电路和敏感视网膜集成在密封封装体内， 其中对该检测器设置可透过波长在8?14微米的范围内的关注辐射的窗。该范围与大气 的透明窗相对应，并且与源自于在300K附近的场景的大部分辐射相对应。
[0007] 为了经由这种检测器获得热图像或高温测量图像，使场景经由适应性光学系统会 聚到配置有视网膜的焦平面上，并且经由读取电路向各热辐射计或这些热辐射计的各行应 用定时的电刺激，以获得形成图像的"视频"电信号或各所述基本检测器所达到的温度的测 量值。该信号可以由读取电路直接地在一定程度上细致成形，然后以模拟或数字形式被发 送至封装体外部的电子系统。该电子系统通常向检测器所传送的各视频帧应用各种校正、 特别是空间偏移和增益色散的校正（"非均匀校正"，其简称为"NUC"），以生成能够进行显 示、或者更一般地能够用于这样从观察的场景所形成的信号的热图像或高温测量图像。
[0008] 敏感膜的平均温度基本是由基板温度所施加的，其中在不稳定的情况下，该基板 温度尤其是由于通过经由集成系统元件的热传导所大致反映的环境条件的变化而改变。这 种温度变化在热辐射计的输出处的平均信号中引起漂移。热辐射检测器可以配备有通常为 Peltier (珀耳帖）效应模块的用于使基板温度稳定的模块("热电冷却器"，其简称为TEC)， 以避免这种信号漂移。然而这种稳定部件使组件更加复杂且昂贵，并且意味着随着环境温 度远离所选择的稳定温度而整体变高的电力消耗。
[0009] 作为变形，检测器不包括温度稳定模块，并且在电子信号形成电路中与热辐射计 的温度相关联地设置用于补偿焦平面温度（TPF)的元件，其中所述补偿元件自身存在热辐 射，即其电气行为跟随基板温度、但保持对辐射基本不敏感。该结果例如是利用结构上设置 有向着基板的耐热性较低的热辐射结构来获得，以及/或者是通过将这些结构遮蔽在对于 要检测的热辐射不透明的屏幕后方来获得。使用这些补偿元件还具有消除了源自于成像或 "有源"热辐射计的大部分所谓共模电流的优点。
[0010] 图1是现有技术的包括共模补偿结构的无温度调节的热辐射检测器10或"无 TEC"检测器的电气图，并且图2是用于形成所补偿的共模检测器的热辐射计的读取信号的 电路的电气图。例如，在以下文献中说明了这种检测器："Uncooled amorphous silicon technology enhancement for 25 U m pixel pitch achievement，';E.Mottin 等，Infrared Technology and Application XXVIII，SPIE, vol. 4820E。
[0011] 检测器io包括单元热辐射检测元件14或"像素"的二维阵列12,其中各单元热辐 射检测元件14或"像素"包括采用如前面所述等的悬挂在基板上方的膜的形式的敏感电阻 热辐射计16、并且具有电阻Ra。。还称为"主动"或"检测用"热辐射计的各热辐射计16的 一个端子连接至特别是检测器10的接地端的恒定电压VDET，并且其另一端子连接至以饱 和状态工作的MOSFET偏置晶体管18 (例如，NMOS晶体管），从而利用栅极控制电压GAC来 设置热辐射计16两端的电压Va。。像素14还包括选择开关20,其中该选择开关20连接在 MOS晶体管18和针对阵列12的各列所设置的节点A之间，并且利用控制信号SELECT (选 择）来驱动，从而使得能够选择热辐射计16以进行其读取。通常晶体管18和开关20在热 辐射计16的膜的影响下形成在基板中。元件16和18形成所谓的"检测"分支。
[0012] 检测器10在阵列12的各列的下部还包括通常还称为"略读（skimming) "结构的 补偿结构22。结构22还包括对源自于要观察的场景的入射辐射不敏感的电阻为R"的补 偿用热辐射计24。
[0013] 热辐射计24由与热辐射计16相同的测温材料制成，但是热辐射计24是根据提供 向着基板的非常低耐热性的结构配置来制成。例如，可以通过将热辐射计的阻抗元件直接 构造成与基板相接触、或者利用处于悬挂状态的简单的无臂式阻抗热辐射结构、或者还通 过在基板和补偿用热辐射计的本体之间保留导热材料，来容易地实现该结果。因而利用基 板温度来基本表示热辐射计24的电阻，于是认为热辐射计24相对于基板被"热化"。
[0014] 热辐射计24的一个端子连接至恒定电压VSK，并且补偿结构22还包括MOSFET偏 置晶体管26,其中，该MOSFET偏置晶体管26以饱和状态进行工作，具有与检测像素14的晶 体管18 (例如，PMOS晶体管）的偏压相反的偏压，利用栅极控制电压GCM来设置热辐射计 24两端的电压Vem，并且连接在补偿热辐射计24的另一端子和节点A之间。元件24和26 形成各列共用的所谓的补偿端子。尽管不必通过设计将热辐射计24的电阻R"调整为接近 热辐射计16的电阻的值，然而需要将流经热辐射计24的电流调整为接近在读取期间经由 该检测分支行进的电流的值。例如，通常，该结果利用比热辐射计16的电阻小的电阻以及 以大致相同比例减小的偏置电压Van来获得。
[0015] 检测器10在阵列12的各列的下部还包括CTIA( "电容跨阻放大器"）型的积分 器28,其中该积分器28例如包括运算放大器30和连接在放大器30的反相输入和输出之 间的电容器32。放大器30的反相端子和非反相端子进一步分别连接至节点A和恒定电压 VBUS。因而，电压VBUS形成针对输出信号的基准，并且电压VBUS在VDET和VSK之间。还 与电容器32并联设置利用信号Reset (复位）来驱动的开关34,以对电容器32进行放电。 CTIA28的输出最终例如连接至采样-保持电路36,以利用多路复用器38以多路复用模式 将CTIA的电压Vout传送至一个或多个串联输出放大器40。还可以在数字化部件的输出处 对CTIA28的输出进行积分（模数转换：ADC)。最后，检测器10包括特别控制前面所述的不 同开关的同步_视频处理单元42。在工作中，从阵列12逐行进行读取，由此所读取的行整 体形成图像帧或"帧"。为了从阵列12的行进行读取，接通像素14的线的开关20并且断开 其它线的开关20。
[0016] 在通过先接通开关34然后再断开开关34所实现的、位于列的下部的CTIA电容 器的放电阶段之后，如此针对正在读取的行的各像素获得诸如图2所示的电路。在利用 MOSFET晶体管18偏置检测用热辐射计16的电压的影响下，电流Ia。流经像素的检测用热 辐射计16,并且在利用MOSFET晶体管26偏置补偿结构的补偿用热辐射计24的电压的影响 下，电力Icm流经补偿用热辐射计24。在节点A处将这些电流彼此相减，并且在预定积分时 间段Tint内利用CTIA28对由此得到的电流差进行积分。因而，由于电流Ia。的未使用部分 至少部分由为了再现该未使用部分而专门生成的电流Iao来补偿，因此CTIA28的输出电压 Vout是由要检测的入射辐射所引起的检测用热辐射计16的电阻的变化的测量值。
[0017] 此外，如前面所述，由于检测用热辐射计16并不严格相同，因此电压Vout的值在 均匀场景的情况下展现出分散或"偏移分散"。同样，可以观察到检测器响应性的分散或"增 益分散"、即在面对均匀场景的均匀变化的情况下电压Vout的变化的分散。在这些分散不 利地影响了检测器所生成的图像的质量的情况下，通常利用单元42对电压Vout至少校正 该偏移分散。通常将仅偏移分散的校正指定为"1点"校正，而当前将组合偏移分散和增益 分散这两者的校正称为"2点"校正。
[0018] 在下文，表述"原始信号"指定未校正信号，并且特别指定单元42的上游的信号。 特别地，该表述以不同的方式指定模拟信号（例如，CTIA的输出处的电压Vout)或数字信 号（例如，在以数字形式实现"1点"或"2点"校正的情况下的电压Vout的数字值），其中 根据使用该表述的上下文容易理解原始信号的模拟或数字形式。因而，表述"原始图像"或 "原始帧"指定了通过从阵列12进行读取而产生的所有原始信号。
[0019] 同样，表述"校正信号"指定经过了意在消除或补偿信号分散的校正（例如，"1点" 或"2点"校正）的信号，因而，表述"校正图像"或"校正帧"指定根据原始值通过" 1点"或 "2点"校正来进行校正后的图像或帧。
[0020] 缺陷像素是如下的单元检测元件，其中该单元检测元件的相应信号（例如，上述 检测器示例中的电压Vout)被视为不能用于形成表示所观察的场景的图像元素。例如，无 论所观察的场景如何，缺陷像素都产生在信号形成用链的输出动态范围的一侧或另一侧上 饱和的信号。
[0021] 更一般地，缺陷像素是在应用"1点"或"2点"校正之后可能生成具有相对于其近 邻偏离的异常值的信号的像素，其中该信号无法被输入至所观察的场景并且在给定环境条 件下在图像上或视频序列上可见。该偏离可能源自于各种物理原因，其中这些物理原因引 起缺陷像素相对于其相邻像素的固有电气/或光学行为（被视为"正常"）的明显偏离。像 素的"正常"行为是指接近视网膜的一组像素或一组图像形成用链的像素行为，以使得"1 点"或"2点"校正未表现出相对于源自标准工作条件下的像素的校正信号的偏离。
[0022] 下表列出与热辐射视网膜相关联的已知的复发性缺陷及其物理原因。这里，符号 CL(连续水平的简称）是指在将视网膜暴露至温度大致均匀的场景的情况下源自于像素的 原始信号的值。
[0023]
【权利要求】
1. 一种诊断热福射检测器（10)的信号形成用链的缺陷状态的方法，所述热福射检测 器（10)包括息挂在基板的上方的检测用热福射计（16)的阵列（12)，其中各链包括所述阵 列（12)的热福射计（16)、所述链的电气刺激电路（18)和用于根据利用所述电气刺激电路 (18)应用于所述链的刺激来形成信号的电路（22, 28)，所述方法包括W下步骤： a. 在所述热福射计（16)的所述阵列（12)上形成大致均匀场景的图像（108); b. 向所述链应用不同的至少第一刺激和第二刺激（110); C.读取由与所应用的刺激相对应的链所形成的信号（112) 及 d.对于要诊断的预定一组链中的各链，进行W下操作： ?定义由具有与该链的检测用热福射计近邻的检测用热福射计（16)的链形成的邻域 (132)； ?根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激来计算对由该链形成的信号的 值进行插值的多项式的系数（130); ?针对该链的所述邻域的各链，根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激 来计算对由所述邻域的链形成的信号的值进行插值的多项式的系数（130); ?计算所计算出的所述邻域的链或者由该链和所述邻域的链形成的一组链的所述系数 的平均值和标准偏差（132) 及 ?在所述系数的值在根据所计算出的平均值和标准偏差所定义的余量外的情况下，诊 断为该链有缺陷（136)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，根据峽频来针对热福射计阵列逐行进行链刺激， W及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在应用的峽频方面不同。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，链刺激包括向所述热福射计应用偏置电压， W及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在应用的偏置电压方面不同。
4. 根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，链刺激包括向所述热福射计应用偏置电 流，W及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在应用的偏置电流方面不同。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，链刺激包括在偏置持续时间内向所 述热福射计应用偏置电压和/或偏置电流，W及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅 在应用的偏置持续时间方面不同。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，多次执行步骤a)、b)、C)和d)，将 被诊断为有缺陷的各所述信号形成用链列出在一组有缺陷链中，W及要诊断的链的邻域包 括W下的链： ?热福射计属于W所述要诊断的链的热福射计为中也的热福射计窗的链；W及 ?不属于所述一组有缺陷链的链。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，根据从要诊断的链所提取的多项式 系数W及从所述要诊断的链的邻域的链所提取的多项式系数来计算所述平均值和所述标 准偏差，W及在所述要诊断的链被诊断为有缺陷的情况下，通过进行W下操作来使所述诊 断有效或无效： ?仅计算所述要诊断的链的邻域中的链的插值多项式系数的平均值和标准偏差；W及 ?在所述要诊断的链的插值多项式的系数的值在根据仅基于所述邻域所计算出的平均 值和标准偏差所定义的余量外的情况下，确认所述诊断，否则使所述诊断无效。
8. -种诊断热福射检测器（10)的信号形成用链的缺陷状态的设备，所述热福射检测 器（10)包括息挂在基板的上方的检测用热福射计（16)的阵列（12)，其中各链包括所述阵 列（12)的热福射计（16)、所述链的电气刺激电路（18)和用于根据利用所述电气刺激电路 (18)应用于所述链的刺激来形成信号的电路（22, 28)，所述设备包括： a. 在所述热福射计（16)的所述阵列（12)上形成大致均匀场景的图像（108)的装置； b. 向所述链应用不同的至少第一刺激和第二刺激（110)的装置； C.读取由与所应用的刺激相对应的链所形成的信号（112)的装置；W及 d.对于要诊断的预定一组链中的各链进行W下操作的装置： ?定义由具有与该链的检测用热福射计近邻的检测用热福射计（16)的链形成的邻域 (132)； ?根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激来计算对由该链形成的信号的 值进行插值的多项式的系数（130); ?针对该链的所述邻域的各链，根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激 来计算对由所述邻域的链形成的信号的值进行插值的多项式的系数（130); ?计算所计算出的所述邻域的链或者由该链和所述邻域的链形成的一组链的所述系数 的平均值和标准偏差（132) 及 ?在所述系数的值在根据所计算出的平均值和标准偏差所定义的余量外的情况下，诊 断为该链有缺陷（136)。
【文档编号】G01J5/20GK104344899SQ201410364900
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2013年7月30日
【发明者】阿兰·杜兰德, 奥雷利·图维尼翁 申请人:Ulis股份公司