專利名稱：檢測紅外輻射的器件、系統(tǒng)及讀取電阻測輻射熱計(jì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外線成^f象和^f吏用測輻射熱計(jì)的高溫測量領(lǐng)域。
更具體地，本發(fā)明涉及一種用于檢測紅外輻射的、包括電阻成像測輻 射熱計(jì)的器件。本發(fā)明還涉及一種包括此類器件的陣列的系統(tǒng)以及用于讀 取集成到此類系統(tǒng)中的成像測輻射熱計(jì)的方法。
在紅外檢測器領(lǐng)域，已知使用以陣列形式配置并且能夠在環(huán)境溫度工 作(即不需要冷卻至極低溫度)的器件，這種器件與只能在極低溫度(一 般在液氮的溫度)工作的、稱為"量子檢測器"的檢測器件形成對比。
這些未冷卻的檢測器傳統(tǒng)上利用合適材料的物理單位隨在300K附近 的溫度的變化。在測輻射熱檢測器的情況下，該物理單位是電阻率。
此類未冷卻的檢測器通常包括
—吸收紅外輻射并將其轉(zhuǎn)化成熱量的裝置；
—使檢測器熱絕緣的裝置，使得檢測器的溫度能夠由于紅外輻射效應(yīng)
而升高；
-測溫裝置，其在測輻射熱檢測器的情況下，使用電阻元件；以及 -讀取由測溫裝置提供的電信號的裝置。
被設(shè)計(jì)用于紅外成像的檢測器常規(guī)地制造成基4^r測器或測輻射熱 計(jì)的一維或二維陣列，所述陣列的每個基^測器由通過支撐臂懸于一般 由硅制成的村底之上的膜形成。
襯底通常集成有對基本險(xiǎn)測器順序?qū)ぶ返难b置、電激勵基;^測器的 裝置以及預(yù)處理由這些基;^測器生成的電信號的裝置。因此這些順序?qū)?址、電激勵和預(yù)處理的裝置形成于襯底上并且構(gòu)成讀取電路。
為了使用這種檢測器得到場景，通過合適的光學(xué)器件將場景的圖像投 射到基本險(xiǎn)測器陣列上，并通過讀出電路向每個基^測器或每行此類檢
背景技術(shù)：
測器施加時鐘控制的電激勵，以獲得構(gòu)成每個所述基本險(xiǎn)測器達(dá)到的溫度 的圖像的電信號。該電信號直接連接到每個基^測器的電阻。該信號隨 后由讀出電路、適當(dāng)時由封裝之外的電子器件或多或少地進(jìn)行處理，以生 成所觀察場景的熱圖像。
但是， 一般而言，發(fā)現(xiàn)通常用于制造成像測輻射熱計(jì)的測輻射熱材料
(例如非晶硅(a-Si)或氧化釩(Vox))的電阻隨時間或多或少地漂移。
在本發(fā)明的情況下，術(shù)語"漂移"指以下事實(shí)在給定的環(huán)境和工作 條件(以下稱作"參考條件"，例如，測輻射熱計(jì)上的入射輻射、測輻射 熱計(jì)的環(huán)境溫度和讀取的電信號)下，成像測輻射熱計(jì)的電阻隨著時間漸 漸偏離其初始值(稱為在這樣的條件下的觀測參考值)。在檢測器交付使 用時、交付使用之前或在稱作校準(zhǔn)的特殊操作期間，該參考值可以在參考 條件下測量。
這樣的漂移的一個原因是傳統(tǒng)上使用的測溫材料的固有的相對不穩(wěn) 定性；該不穩(wěn)定性可以導(dǎo)致與計(jì)劃產(chǎn)生或達(dá)到的圖像或熱測量的精確度相 比不可忽略的電阻率變化。這種類型的漂移通常全面地產(chǎn)生于檢測器的所 有<象素，并導(dǎo)致總的校準(zhǔn)漂移。
也應(yīng)該提到，通過高光通量對檢測器過量照射(例如，當(dāng)極長時間觀 測強(qiáng)輻射源(太陽、聚光燈等)時)而導(dǎo)致的電阻的漂移。這些漂移源對 由檢測器產(chǎn)生的熱圖像的質(zhì)量是有害的。這種類型的漂移通常局部地產(chǎn)生 于檢測器的敏感表面的有限部分，并導(dǎo)致空間^的檢測器校準(zhǔn)餘溪。
發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是制造保持精確(即正確校準(zhǔn))的檢測器，更具體 地為以下檢測器在檢測器隨后在其整個壽命周期內(nèi)經(jīng)受所謂的參考IHt 時，甚至在其敏感元件受空間和/或時間的漂移影響時，檢測器的輸出信
號保持不變。
為此，本發(fā)明的目的是一種用于檢測紅外輻射的、包括電阻測輻射熱 計(jì)的器件。
根據(jù)本發(fā)明，該器件包括
-測量所述測輻射熱計(jì)的電阻相對于所述測輻射熱計(jì)的電阻的參考 值的漂移的測量裝置，所述參考值對應(yīng)于所述測輻射熱計(jì)的預(yù)定工作條件；以及
-校正所述漂移效應(yīng)的校正裝置，或者校正電阻的所述漂移的校正裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，該測量裝置包括 -受所述漂移影響的參考電阻測輻射熱計(jì)； —測量所述參考測輻射熱計(jì)的電阻的裝置；以及 —才艮據(jù)測得的電阻來確定所述漂移的裝置。
更具體地，所述參考測輻射熱計(jì)是與成像測輻射熱計(jì)相關(guān)聯(lián)的補(bǔ)償測 輻射熱計(jì)。
或者，所述參考測輻射熱計(jì)是成《象測輻射熱計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，測量參考測輻射熱計(jì)的電阻的裝置包括
—對流經(jīng)參考測輻射熱計(jì)的電流進(jìn)行積分的積分裝置；以及
—根據(jù)由積分裝置積分的電流來確定參考測輻射熱計(jì)的電阻的裝置。
才艮據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，測量參考測輻射熱計(jì)的電阻的測量裝置包
括
-具有預(yù)定電阻的電阻器，所述電阻器能夠連接到參考測輻射熱計(jì)； -對流經(jīng)參考測輻射熱計(jì)和電阻器的電流之差進(jìn)行積分的積分裝置；
以及
-根據(jù)由積分裝置積分的電流之差來確定參考測輻射熱計(jì)的電阻的 裝置。
更具體地， 一種用于通過對流經(jīng)成像測輻射熱計(jì)的電流進(jìn)行積分來測
量成像測輻射熱計(jì)的電阻的電路，所述電游^L設(shè)計(jì)為測量紅外輻射溫度， 積分裝置屬于所述測量電路。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，校正裝置包括控制成〗象測輻射熱計(jì)的溫度 以補(bǔ)償所述漂移的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，該器件還包括測量成像測輻射熱計(jì)的電阻
的裝置，以;s^艮據(jù)測得的電阻和取決于成《象測輻射熱計(jì)的電阻的至少一個 參數(shù)來確定測輻射熱計(jì)上的入射輻射的溫度的裝置，并且校正裝置能夠根 據(jù)測得的漂移來校正所述至少一個參數(shù)以校正所述漂移對溫度確定的影響。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，所述至少一個^^lbl對用于測量成l象測輻 射熱計(jì)的電阻的電路的溫度的電靈敏度。
本發(fā)明的目的還是一種包括用于檢測所述輻射的至少一行器件的系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，這些器件中每個都是上述類型。
本發(fā)明的目的還是一種用于讀取測輻射熱計(jì)陣列中的電阻測輻射熱 計(jì)的方法，所述測輻射熱計(jì)陣列構(gòu)成用于檢測紅外輻射的系統(tǒng)，所述方法 涉及
-測量所述測輻射熱計(jì)的電阻相對于所述測輻射熱計(jì)的電阻的參考 值的漂移的步驟，所述參考值對應(yīng)于所述測輻射熱計(jì)的預(yù)定工作條件；以 及
-用于校正所述漂移效應(yīng)的步驟，或者用于校正電阻的所述漂移的步。
通過下面的描述，本發(fā)明將會變得更容易理解，該描述僅以示例方式
給出，并與附圖相關(guān)。在附圖中，相同的標(biāo)號涉;M目同或相似的部件，其
中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的測輻射熱檢測器的
示意圖2是構(gòu)建圖1中的檢測器時所涉及的基礎(chǔ)電路布局的示意圖； 圖3是根據(jù)第一實(shí)施例的用于測量和補(bǔ)償漂移的方法的流程圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的用于測量和補(bǔ)償漂移的方法的流程
圖5是本發(fā)明的第三實(shí)施例和第四實(shí)施例的基礎(chǔ)電路布局的示意以及
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的對漂移進(jìn)行測量和補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地示出了測輻射熱檢測器10。這樣的檢測器10包括
—包括!l行和hl列成像像素14的二維陣列12，每個成傳J象素14包 括電阻測輻射熱計(jì)140,其中il和2l是大于或等于1的整數(shù)。成像陣列 12布置在對紅外輻射透明的光學(xué)器件(未示出)的焦平面中；
-補(bǔ)償電路24的行，每個補(bǔ)償電路24都與陣列12的列相關(guān)聯(lián)，并 且包括補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50;
-積分器16的行，每個積分器16都與陣列12的列相關(guān)聯(lián)；
—陣列12的逐行尋址電路18;
就其本身而言，眾所周知，電阻測輻射熱計(jì)140和補(bǔ)償測輻射熱計(jì) 50通常由通過支撐臂懸于襯底之上的膜組成，在襯底中形成了讀卑^操作 所需要的各種電子部件。這些電子部件通常用術(shù)語"讀取電路"指代。
這樣的測輻射熱檢測器結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)的，下面不再詳細(xì)說明。對于其他 信息，建i義讀者參閱例如以下題目的文獻(xiàn)"Uncooled amorphous silicon enhancement for 25pm pixel pitch achievement"(E. Mottin等人，Infrared Technology and Application XXVIII， SPIE， vol. 4820)。
根據(jù)本發(fā)明，該結(jié)構(gòu)由以下部分加以補(bǔ)充
-連接到積分器16的信息處理單元28，信息處理單元28包括4吏用 算法來處理積分器輸出的信號的單元30，以便確定^L射到陣列12上的紅 外圖像。為此，單元28使用包括積分器16對場景溫度的一個或更多個電 靈敏度值的計(jì)算M，這些值存儲在單元的存儲體32中。單元28還包括 補(bǔ)償測得的成像測輻射熱計(jì)14的漂移的校正單元34,如后面更詳細(xì)說明 的那樣；以及
-漂移電路38的行，每個漂移電路38與陣列12的列相關(guān)聯(lián)；
漂移電路38與積分器16相關(guān)聯(lián)，共同形成用于測量陣列12中的測 輻射熱計(jì)的漂移的模塊，如后面更詳細(xì)說明的那樣。
第一實(shí)施例
圖2示出了根據(jù)第一實(shí)施例的檢測器10的基礎(chǔ)布局，包括 —陣列12的成像像素14;—用于成傳J象素14的測輻射熱計(jì)140的測量的積分器16;
-用于補(bǔ)償在讀取成〗象測輻射熱計(jì)140時流經(jīng)成〗象測輻射熱計(jì)140的 共模電流的補(bǔ)償電路24;以及
-用于對在測輻射熱計(jì)140的電阻中的漂移進(jìn)4亍測量的漂移電路38。
積分器16包括
-運(yùn)算放大器40,其同相輸入端(+)保持在預(yù)定恒定電壓Vbus;
-電容器42，其具有預(yù)定電容Cmt ，并且連接在放大器40的反相輸入 端(-)和輸出端之間；
-復(fù)位開關(guān)44，與電容器42并聯(lián)，并且可以通過由尋址電路18所 控制的"復(fù)位"信號控制。
電路或"像素"14包括經(jīng)受來自場景的紅外輻射IR并通過第一端子 A連接到恒定電勢(類似于圖中的接地)的測輻射熱計(jì)140。像素還包括
-讀出開關(guān)46,其可以通過由尋址電路18控制的"選擇"信號控制， 并且其一端連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端(-);以及
-第一 MOS注入晶體管48，其柵極保持在預(yù)定的恒定電壓Vfid， 其源極連接到測輻射熱計(jì)140的第二端子B，并且其漏極連接到讀出開關(guān) 46的另一端。
用于補(bǔ)償流經(jīng)成像測輻射熱計(jì)140的共模電流的補(bǔ)償電路24包括電 阻補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50，電阻補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50與成l象測輻射熱計(jì)140由 相同材料制成，相對于村底具有可忽略的熱阻，并且可選地配備了屏蔽物 52以保護(hù)其免受來自場景的輻射的影響。
補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的端子之一連接到預(yù)定電壓VSK,而其另一端連 接到電路24的第二 MOS注入晶體管54的源極。晶體管54的漏極連接 到運(yùn)算放大器40的反相輸入端，而其柵極連接到預(yù)定電壓GSK。
漂移電路38包括與補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50和第二注入晶體管54類似布 置的電阻器56和第三MOS注入晶體管58。
漂移電路38還包括位于第三MOS晶體管58和運(yùn)算放大器40的反 相端子(-)之間的第一漂移測量開關(guān)60,所述開關(guān)可以由尋址電路18 通過"Deri"信號控制。
最后，補(bǔ)償電路還與位于補(bǔ)償電路支路24中的第二漂移測量開關(guān)62相關(guān)聯(lián)，第二漂移測量開關(guān)62可以由定時器電路18通過"Der 2"信號 控制，并且位于第二晶體管54和運(yùn)算放大器40的反相端子(-)之間。
電阻器56被選擇為在成像測輻射熱計(jì)140所經(jīng)受的溫度范圍上呈現(xiàn) 預(yù)定恒定電P且值&,。更具體地，電阻器56呈現(xiàn)的電阻值基本等于成像測 輻射熱計(jì)140在初始參考條件下的電阻值。電阻值i^,存儲在信息處理單 元28的存儲體32中。
在用于讀取成像陣列12的行以確定由陣列檢測到的場景溫度的讀取 循環(huán)期間，第一漂移測量開關(guān)60斷開，第二漂移測量開關(guān)62閉合。定時 器電路18使在電容器42的初始零復(fù)位循環(huán)期間閉合的復(fù)位開關(guān)44翻轉(zhuǎn) 到其斷開狀態(tài)。定時器電路隨后閉合讀取選擇開關(guān)46。電容器42對流經(jīng) 成4象測輻射熱計(jì)140的電流和流經(jīng)補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的電流之間的差進(jìn) 行積分。在讀取開關(guān)46閉合后過了預(yù)定的積分周期4時，定時器電路18 隨后斷開讀取開關(guān)。則積分器16的輸出端上的電壓乙由以下方程給出
f = f + '
'n，" FJl"C" ■
1 UJ加
十T J^',柳g (0 — t哪P ( 1 )
其中,是時間，是流經(jīng)成像測輻射熱計(jì)140的電流，而"是流經(jīng)補(bǔ)償 測輻射熱計(jì)50的電流。
因?yàn)榱鹘?jīng)補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的電流z，基本等于流經(jīng)成像測輻射熱 計(jì)140的共模電流，所以，成傳/測輻射熱計(jì)140的電阻和補(bǔ)償測輻射熱計(jì) 50的電阻之間的差(導(dǎo)致積分器16的輸入端上的電流差)基本上代表由 來自場景并入射到成^^測輻射熱計(jì)上的輻射所導(dǎo)致的、成# 測輻射熱計(jì) 140的電阻i —的變化A/ —。
電壓^隨后被施加到信息處理單元28的算術(shù)和邏輯單元30，例如在 取樣畫分組序列(sampling-blocking sequence)之后多路傳輸給一個或更 多串行的輸出放大器，如那些本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的那樣。
隨后ALU (算術(shù)邏輯單元)30根據(jù)電壓^和校準(zhǔn)參數(shù)來確定入射 到成像測輻射熱計(jì)140上的紅外輻射(IR)的溫度《_，所述校準(zhǔn)M包 括在存儲體32中存儲的、電壓匕相對于檢測器10的場景的溫度的靈敏 度S。
在稱作校準(zhǔn)的初始階段，通常通過使檢測器IO暴露于被設(shè)定為空間 上均勻的已知溫度的兩個黑體來獲得校準(zhǔn)參數(shù)，以提供二維的所謂增益/
ii偏置表的條目，這為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉。這些表中的每個元素對應(yīng)于
成像陣列的基;^險(xiǎn)測器。這里使用的術(shù)語"增益"、"敏感度"和"電響應(yīng)"
是指通常用毫伏每絕對溫度(degree KeMn)表示的量
已經(jīng)表明了檢測器10靈敏度S—般而言表示為一階近似，并且對于 電阻的微小變化，由以下方程表示
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中
—i —是在預(yù)定參考條件下測輻射熱計(jì)140的參考電阻；
一 K,是在讀取測輻射熱計(jì)140時測輻射熱計(jì)140的端子間的偏置電
壓；
- JUi 是隨測輻射熱計(jì)140的溫度而變化的測輻射熱計(jì)140的電阻變 化系數(shù)；
-&是在測輻射熱計(jì)140和測輻射熱計(jì)140懸于上面的村底之間的熱 阻；以及
一 o(U是測輻射熱計(jì)"0吸收的能量流，該能量流是場景溫度《_ 的函數(shù)。
顯然，作為一階近似，靈敏度s與值i —成反比。因此顯然，如果量《一 漂移，會歪曲溫度《，的測量結(jié)果。
與讀取成像測輻射熱計(jì)140相關(guān)的上述部件的布局和操作是常規(guī)的， 為了筒潔起見這里不作更具體的說明。對于其它細(xì)節(jié)，建i義讀者參閱例如 以下題目的文獻(xiàn)"Uncooled amorphous silicon enhancement for 25fim pixel pitch achievement"(E. Mottin 等人，Infrared Technology and Application XXVIII, SPIE， vol. 4820)。
'下面參照圖3中的流程圖,，描述用,于領(lǐng)，j，和補(bǔ)，由具有圖2所:布局 方法。
在檢測器10第一次使用之前(通常在工廠中)進(jìn)行第一初始化步驟 70，第一初始化步驟70涉及確定陣列12中的成像測輻射熱計(jì)140的電阻 在預(yù)定參考條件下的初始值。為此，在72中，檢測器10在整個電阻測量期間經(jīng)受參考條件。步驟 72尤其涉及在檢測器10上施加已知的均勻溫度&,并使檢測器10經(jīng)受已 知的均勻熱照射ov。為此，例如，檢測器10配備有用于控制其焦平面的 溫度的系統(tǒng)以及快門，這本身是已知的。在步驟72期間，溫度控制系統(tǒng) 將成像陣列12的溫度提高到^,并關(guān)閉快門使得陣列暴露于參考照射ov。
然后，在74中，將定時器電路18的行計(jì)數(shù)器A^和計(jì)量計(jì)數(shù)器《— 的值初始化為 "1"。
在76中，定時器電路18斷開陣列12的行A^的讀取開關(guān)46。定時 器電路18還斷開第一漂移測量開關(guān)60和第二漂移測量開關(guān)62并閉合積 分電路16的行的復(fù)位開關(guān)44。然后積分器16的電容器42幾乎瞬間放電。
在78中，定時器電路18然后閉合陣列12的行A^的讀取開關(guān)46。 此外，定時器電路18閉合第一漂移測量開關(guān)60并斷開積分器16的所述 行的復(fù)位開關(guān)44。對于行A^的在圖2中示出的每個布局，電容器42就 開始對流經(jīng)成〗象測輻射熱計(jì)140的電流z,，和流經(jīng)參考電阻i^56的電流 ^之間的差進(jìn)行積分。
過了周期 ;,之后，在80中，定時器電路18斷開行A^的讀取開關(guān)46 以及漂移電路38的行的第一漂移測量開關(guān)60。則圖2所示的布局中的積 分電路16的輸出端上的電壓^由以下方程給出<formula>formula see original document page 13</formula>在82中，然后該電壓乙在經(jīng)常規(guī)裝置傳遞之后由信息處理單元28 的校正單元34保存。還是在82中，單元34根據(jù)電壓^確定在成像測輻 射熱計(jì)140的電阻i —和參考電阻器56的電阻i^,之間的差。
然后，由于知道在單元28的存儲體32中存儲的值~，單元34確定 成像測輻射熱計(jì)140的電阻i —。然后在84中，計(jì)算出的值i —存儲在存 儲體32中。
在隨后的、可選的步驟86中，進(jìn)行測試以確定計(jì)量計(jì)數(shù)器iv^^的值 是否等于預(yù)定值C。如果不等于，則定時器電路在88中將計(jì)數(shù)器A^, 增加"1"，然后步驟88返回步驟76進(jìn)#^取行7\^的新讀取周期。
如果在86中進(jìn)行的測試結(jié)果是肯定的，則在卯中針對行A^中的每 個成像測輻射熱計(jì)140，校正單元34形成計(jì)算出的最后個電阻值i 一的時間平均值l一。平均值A(chǔ)一隨后存儲在存儲體32中。
然后在92中進(jìn)行測試以確定行計(jì)數(shù)器A^的值是否等于陣列12中的 行數(shù)n。如果不等于，則在94中定時器電路將該計(jì)數(shù)器的值增加"1"， 并且;驟94返回步驟76以讀取下一行。
如果等于，則讀取了所有成像測輻射熱計(jì)140的電阻，并且方法繼續(xù) 進(jìn)行步驟98，在步驟98中每個成像測輻射熱計(jì)140的值》—以成《象測輻 射熱計(jì)140在經(jīng)受參考條件時的電阻i i的參考表形式存儲在存儲體32 中。
對測得的電阻值進(jìn)行時間平均的優(yōu)點(diǎn)是，可以從平均值中濾除測量干 擾。平均值使得可以獲得更精確的測量電阻值。
這完成了初始化步驟70。因此在這階段，存儲體32包含陣列12的 測輻射熱計(jì)140的電阻參考值i ,i的矩陣。
此外，按照類似于定時器電路18的方式的讀取循環(huán)，使用利用具有 兩個不同溫度的輻射源(均勻黑體)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有技術(shù)的方法來測量n乘m 個成4象測輻射熱計(jì)140的靈敏度^,并且將靈敏度存儲在存儲體32中。 在存儲體32中靈敏度表^被復(fù)制到表S，并被用作用于配置檢測器的工 作靈敏度表。
檢測器10交付使用后，該方法繼續(xù)進(jìn)行步驟100以測量陣列12中每 個成像測輻射熱計(jì)140的電阻漂移，在步驟100之后繼續(xù)進(jìn)行步驟102以 便校正這些漂移。
例如，偏移測量步驟100和偏移校正步驟102定期地和/或周期性地 觸發(fā)，或者當(dāng)檢測器10的用戶懷疑檢測器10受到漂移的不利影響時由用 戶的請求觸發(fā)。
更具體地，漂移測量步驟IOO包括上述步驟72至步驟94。因此完成 步驟100時，每個成像測輻射熱計(jì)140的電阻的新平均測量值&，被存儲 在信息處理單元28的存儲體32中。
在校正步驟102中，單元28的校正單元34隨后通過用相應(yīng)的比率 J，乘以表L中的元素的每一個來修改存儲體32中的電靈敏度表S ，并
且在單元32中存儲所得到的成為新工作表的表s步驟102隨后以預(yù)定的時間間隔返回步驟100，以《更測量和校正陣列 12的成像測輻射熱計(jì)140的新漂移。所述時間間隔通?？梢允谴蠹s一個 月或一年。
顯然，本發(fā)明的第一實(shí)施例具有不需要"主動"校正成像測輻射熱計(jì) 的漂移的優(yōu)點(diǎn)。
第 一 實(shí)施例可應(yīng)用于微型測輻射熱計(jì)陣列以便例如調(diào)整或消除與從 一個到另一個微型測輻射熱計(jì)的電阻的差異化漂移(諸如通常由局部發(fā)光 產(chǎn)生)相關(guān)聯(lián)的空間靈^t度變化現(xiàn)象。在這種情況下，最好(但不必須) 通過所建議的實(shí)施方式對各靈敏度的整個表(本領(lǐng)域技術(shù)人員稱之為增益 表)重新校正。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這樣涉及"算法"處理來穩(wěn)定 增益表，而不是復(fù)雜得多的重新校準(zhǔn)操作。通過這種方式，在非常長的時 間期間保持了每個成像像素的靈敏度的精確性，而無需重新校準(zhǔn)。
應(yīng)該注意到，在第一實(shí)施例中，對成^f象測輻射熱計(jì)140的電阻的漂移 進(jìn)行校正要求在每次漂移測量期間精確地重構(gòu)在進(jìn)行電阻i 工的第 一次 "參考"測量時生效的參考條件。通過提供快門和檢測器中的溫度控制器 (這些是本領(lǐng)域中的慣用方式)來直接獲得這些條件。然而，在某些情況 下，可以證明il)寸于用戶是不^f更的。
第二實(shí)施例
發(fā)明人注意到，在大多數(shù)情況中，補(bǔ) 償測輻射熱計(jì)50的漂移隨時間 的變化與成像測輻射熱計(jì)140經(jīng)歷的變化基^t目同。這可以通過如下事實(shí) 來解釋針對兩種類型的結(jié)構(gòu)有意并有利地使用相同的敏感材料層制造， 隨后經(jīng)歷了基;^目同的受熱歷程。
但是，補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50被設(shè)計(jì)為對來自場景的輻射相對而言不敏 感、理想情況下完全不敏感。第二實(shí)施例通過以下方式有利地利用了該特 征測量補(bǔ)償測輻射熱計(jì)的漂移并才艮據(jù)在補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50上測得的漂 移來校正成像測輻射熱計(jì)140的漂移。因此這避免了在測量漂移時必須規(guī) 定特殊的照射(紅外通量)條件，這是因?yàn)檠a(bǔ)償測輻射熱計(jì)50對其不敏 感。因此這意味著對于用戶而言更加易于使用和/或即使提供規(guī)定照射的 裝置(諸如快門)是有利的，也無需提供這樣的裝置。
根據(jù)該第二實(shí)施例，檢測器10的包括成像測輻射熱計(jì)140、積分器 16、補(bǔ)償電路24以及漂移電路38的基礎(chǔ)布局與圖2中的布局相同。因此該第二實(shí)施例在^f吏用的方法方面不同于第一 實(shí)施例。該方法圖解
為圖4中的流程圖。
該方法始于階段112以測量電路24的行中的補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的電阻。
該階段112包括步驟114，在步驟114中檢測器10在整個電阻測量期 間經(jīng)受預(yù)定的條件。對于該實(shí)施例，這些條件涉及在檢測器10上施加已 知的均勻溫度&,。
然后，在116中，定時器電路18的計(jì)量計(jì)數(shù)器A^^被初始化為"1" 并且陣列12的所有讀取開關(guān)46被定時器電路18斷開。
然后，在118中，定時器電路18斷開第一漂移測量開關(guān)60和第二漂 移測量開關(guān)62，并閉合積分電路16的行的復(fù)位開關(guān)44。積分器16的電 容器42基本上瞬時放電。
然后，在120中，定時器電路18閉合第一漂移測量開關(guān)60和第二漂 移測量開關(guān)62，并斷開積分電路16的行的復(fù)位開關(guān)44。因此對于圖2所 示的補(bǔ)償電路24、漂移電路38以及積分器16的每個布局，電容器42開 始對流經(jīng)補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的電流z—和流經(jīng)參考電阻器56的電流^之 間的差進(jìn)行積分。
過了周期4之后，在122中，定時器電路18斷開漂移電路38的行 的第一漂移測量開關(guān)60和第二漂移測量開關(guān)62。則圖2所示的布局中的 測量電路22的輸出端上的電壓r。u(由以下方程給出
<formula>formula see original document page 16</formula> (4 )
然后在124中，該電壓f^在通過常規(guī)裝置傳遞之后，由信息處理單 元28的校正單元34保存。還是在124中，單元34 ^根據(jù)電壓P^來確 定補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的電阻^，和電阻器56的電阻i^,之間的差。然后， 由于知道在單元28的存儲體32中存儲的值i^ ，單元34確定補(bǔ)償測輻射 熱計(jì)50的電阻&，。然后在126中，將計(jì)算出的值i "存儲在存儲體32 中。
在隨后的、可選的步驟128中，進(jìn)行測試以確定計(jì)量計(jì)數(shù)器A^^的 值是否等于值A(chǔ)C^。如果不等于，則在130中定時器電路18將計(jì)數(shù)器 Iw。，增加"1"，然后步驟130返回步驟118進(jìn)行讀取補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的行的新讀取循環(huán)。
如果在128中進(jìn)行的測試結(jié)果是肯定的，則在132中針對補(bǔ)償電路 24的行中的每個補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50，補(bǔ)償單元34形成計(jì)算出的最后AC二 個電阻值i "的平均值l，。
然后在134中，將平均值l，存儲在專用于存儲體32的空間中，作 為補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的參考電P且值》。
此外，按照與定時器電路18的方式類似的讀取循環(huán)，使用利用具有 不同溫度的均勻輻射源的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有技術(shù)的方法來測量n乘m個成像測輻 射熱計(jì)140的響應(yīng)^，并且將該響應(yīng)存儲在存儲體32中。然后表i,被 復(fù)制到工作表s。
檢測器交付使用后，該方法繼續(xù)進(jìn)行步驟136以測量成像陣列12中 每行的電阻漂移，在步驟136之后繼續(xù)進(jìn)行步驟138以便校正該漂移。例 如，偏移測量步驟136和偏移校正步驟138定期地和/或周期性地觸發(fā)， 或者當(dāng)檢測器10的用戶懷^^r測器10受到漂移的不利影響時由用戶的請 求觸發(fā)。
更具體地，漂移測量步驟136包括上述步驟114至步驟132。因此完 成步驟132時，每個補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的電阻的新平均測量值L，被存 儲在信息處理單元28的存儲體32中。
在校正步驟138中，單元28的校正單元34隨后通過用相應(yīng)的比率 ^，乘以表^中元素的每一個來重新計(jì)算存儲體32中的工作電靈敏度表S。
在第一和第二實(shí)施例中，通常出現(xiàn)在檢測器IO中以讀取成像陣列12 的積分器16被用于測量陣列的漂移。
常規(guī)地選擇電容器42的電容值C^以便對流經(jīng)成像測輻射熱計(jì)140的 電流和流經(jīng)補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的電流之間的差進(jìn)行積分。
因此，必須使用漂移電路38，每個漂移電路38都包括接近電阻140 或50的電阻56， 4吏得電容器42在測量成^f象測輻射熱計(jì)140的漂移時不 飽和。但是，例如，由于與影響電阻器的電阻值&,的工藝離散(technological dispersion)相關(guān)聯(lián)的不準(zhǔn)確性，所以使用這樣的電阻器56使該測量精確 度較低。
根據(jù)下面描述的第三和第四實(shí)施例，通過測量成4象測輻射熱計(jì)140 的絕對電阻來實(shí)現(xiàn)成像測輻射熱計(jì)140的漂移的測量。
第三實(shí)施例
如圖示第三實(shí)施例的圖5所示，第三實(shí)施例的部件與結(jié)合圖l和圖2 所描述的兩個實(shí)施例的區(qū)別在于省略了漂移電路38。因此檢測器IO的基 礎(chǔ)布局包括像素14、積分器16以及補(bǔ)償電路24。
第三實(shí)施例使用的方法與上面結(jié)合圖3所描述的笫一實(shí)施例的方法 類似。
主要區(qū)別是以下事實(shí)在測量測輻射熱計(jì)140的漂移時，被電容器 42積分的電流不再是流經(jīng)成像測輻射熱計(jì)140和參考電阻56的電流之間 的差；實(shí)際上是流經(jīng)成《象測輻射熱計(jì)140的電流。
第二個區(qū)別是以下事實(shí)縮短積分周期以防止電容器42飽和。因此， 在積分循環(huán)結(jié)束時，積分器16的輸出端上的電壓乙,由以下方程給出
巧，
H+^了C (5)
其中r'int是縮短的積分周期，其被選擇為在測量成像測輻射熱計(jì)140的漂 移時不使電容器42飽和。然后算術(shù)和邏輯單元34根據(jù)電壓4,來確定成 像測輻射熱計(jì)140的電阻i —。
或者，不縮短積分周期，而是增大電容器42的電容值cJ吏得在積分 周期4t期間電容器42不飽和。
例如，積分器16包括兩個電容器，在讀取成像陣列12時定時器電路 18選擇第一電容器，而在測量成像測輻射熱計(jì)140的漂移時選擇第二電 容器。
第四實(shí)施例
在笫四實(shí)施例中，基于測量補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的漂移來對成像測輻射熱計(jì)140的漂移執(zhí)行測量和校正，以便利用與針對第二實(shí)施例提到的優(yōu) 點(diǎn)相同的優(yōu)點(diǎn)。
為此，在第四實(shí)施例中，檢測器IO的基礎(chǔ)布局和圖5中的布局相同。 用于測量和補(bǔ)償漂移的方法類似于結(jié)合圖4描述的第二實(shí)施例的方法。
主要區(qū)別是以下事實(shí)在測量測輻射熱計(jì)140的漂移時，被電容器 42積分的電流不再是流經(jīng)補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50和參考電阻56的電流之間 的差；實(shí)際上是流經(jīng)補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的電流。
笫二個區(qū)別是以下事實(shí)縮短積分周期以防止電容器42飽和。因此， 在積分循環(huán)結(jié)束時，積分器16的輸出端上的電壓^由以下方程給出
。int 0
然后校正單元34根據(jù)電壓乙,來確定補(bǔ)償測輻射熱計(jì)140的電阻i ，。
或者，不縮短積分周期，而是增大電容器42的電容值Q使得在積分 周期2^期間電容器42不飽和。
例如，積分器16包括兩個電容器，在讀取成像陣列12時定時器電路 18選擇第一電容器，而在測量補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的漂移時選擇第二電容 器。
顯然，根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例允許對成像陣列12的漂移進(jìn)行空間 校正。事實(shí)上，對于所述陣列中的每個測輻射熱計(jì)， 一次對一個測輻射熱 計(jì)補(bǔ)償成〗象測輻射熱計(jì)的漂移(在第一和第三實(shí)施例的情況下)，或者對 于成像陣列12中的每列， 一次對一列補(bǔ)償成^^測輻射熱計(jì)的漂移(在第 二和笫四實(shí)施例的情況下)。
第五實(shí)施例
根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例，檢測器配備有用于控制其焦平面的溫度的 系統(tǒng)。例如，檢測器配備有本身已知的珀耳帖效應(yīng)模塊或焦耳效應(yīng)加熱器。
在該實(shí)施例中，對成^/測輻射熱計(jì)的漂移的測量與上面結(jié)合圖1至圖 5所述的任一實(shí)施例中的測量相同。
與之相對，通過控制焦平面的溫度以校正測輻射熱計(jì)的電阻的漂移，來"主動"校正測輻射熱計(jì)的漂移，如圖6中的流程圖所示。
圖6中，用于測量和校正成〗象測輻射熱計(jì)140的漂移的方法涉及，例 如，包括第一實(shí)施例的步驟72至步驟94的第一初始步驟160，以及l(fā)^ 的與第一實(shí)施例中的測量步驟100相同的漂移測量步驟162，上面結(jié)合圖 3描述了步驟72-94和步驟100。
然后該方法繼續(xù)進(jìn)行階段164以校正測得的漂移；這才艮據(jù)與上面描述 的標(biāo)準(zhǔn)相同的標(biāo)準(zhǔn)來觸發(fā)。
校正階段164包括第一步驟166,其中信息處理單元28的校正單元 34計(jì)算成〗象陣列12中的n乘m個測輻射熱計(jì)140的平均漂移^,，或者 補(bǔ)償測輻射熱計(jì)50的平均漂移&￡，。更具體地，單元34確定與陣列12 中的成像測輻射熱計(jì)140相關(guān)聯(lián)的差見一-i i的平均值或者與補(bǔ)償測輻 射熱計(jì)50相關(guān)聯(lián)的差X， 的平均值。
在隨后的步驟166中，校正單元34才艮據(jù)平均漂移^,一 (或X^，)來 計(jì)算控制焦平面的溫度的系統(tǒng)的溫度設(shè)定rc。計(jì)算該設(shè)定點(diǎn)rc，使得將其 施加到焦平面時導(dǎo)致成像測輻射熱計(jì)140的電阻減小X^,一 (分別地， X^，)。已知，在檢測器10的工作范圍上，在成像測輻射熱計(jì)140的溫 度和成^/測輻射熱計(jì)140的電阻值之間實(shí)際上存在連續(xù)遞減的關(guān)系。因 此，控制成〗象測輻射熱計(jì)140的溫度等同于控制成《象測輻射熱計(jì)140的電 阻。
因此補(bǔ)償步驟164繼續(xù)進(jìn)行步驟170以將焦平面的溫度控制到溫度設(shè)
定r"
最后，步驟170返回步驟162以便測量新的平均漂移K^,，和對該新 漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男聹豃Li殳定rc 。
顯然，在檢測器10工作以形成場景的熱圖^象期間，在通過改變焦平 面溫度的該校正過程之后，成像測輻射熱計(jì)14的電阻值減小了K^，。因 此，主動補(bǔ)償了其電阻的漂移。
還應(yīng)該注意到，第五實(shí)施例中的漂移補(bǔ)償涉及補(bǔ)償成像陣列12中的 成像測輻射熱計(jì)的平均漂移。
本發(fā)明應(yīng)用于使用測輻射熱檢測的圖像傳感器領(lǐng)域，而不論檢測頻帶 或用于制造成像測輻射熱計(jì)和參考測輻射熱計(jì)的測輻射熱材料的類型，例 如，非晶硅(a-Si)、氧化釩(Vox)或金屬氧化物(Ti)。因此，本發(fā)明具有以下應(yīng)用 —紅外微型測輻射熱計(jì)高溫測量； -紅外微型測輻射熱計(jì)成像；
-通過紅外微型測輻射熱計(jì)成像來輔助駕駛交通工具和檢測行人; -通過紅外微型測輻射熱計(jì)成4象的氣體測量；或 -更一般地，4吏用微型測輻射熱計(jì)的物理測量。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測紅外輻射的器件，所述器件包括電阻成像測輻射熱計(jì)(140)，其特征在于所述器件包括-測量所述測輻射熱計(jì)(140)的電阻相對于所述測輻射熱計(jì)(140)的電阻的參考值的漂移的測量裝置(16，38；16，24，38；16，140；16，24)，所述參考值對應(yīng)于所述測輻射熱計(jì)(140)的預(yù)定工作條件；以及-校正所述漂移效應(yīng)的校正裝置(34)，或者校正電阻的所述漂移的校正裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測紅外輻射的器件，其特征在于，所 述測量裝置包括-受所述漂移影響的參考電阻測輻射熱計(jì)(140; 50);-測量所述參考測輻射熱計(jì)(140; 50)的電阻的裝置(16， 38; 16， 140);以及-才艮據(jù)測得的電阻來確定所述漂移的裝置(34)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于檢測紅外輻射的器件，其特征在于，所 述參考測輻射熱計(jì)是與所述成像測輻射熱計(jì)相關(guān)聯(lián)的補(bǔ)償測輻射熱計(jì)(50 )。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于檢測紅外輻射的器件，其特征在于，所 述參考測輻射熱計(jì)是成像測輻射熱計(jì)(140 )。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2、 3或4中任一項(xiàng)所述的用于檢測紅外輻射的器件， 其特征在于，測量參考測輻射熱計(jì)(140; 50)的電阻的所述測量裝置包 括一對流經(jīng)所述參考測輻射熱計(jì)的電流進(jìn)行積分的積分裝置(42 );以及—才艮據(jù)由所述積分裝置積分的電流來確定所述參考測輻射熱計(jì)的電 阻的裝置(34 )。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2、 3或4中任一項(xiàng)所述的用于檢測紅外輻射的器件， 其特征在于，測量所述參考測輻射熱計(jì)的電阻的所述測量裝置(16， 34, 38)包括-具有預(yù)定電阻的電阻器(56)，所述電阻器(56)能夠連接到參考測輻射熱計(jì)(140; 50);-對流經(jīng)參考測輻射熱計(jì)(140; 50)和電阻器(56)的電流之差進(jìn) 行積分的積分裝置(42);以及-根據(jù)由所述積分裝置積分的電流之差來確定所述參考測輻射熱計(jì) 的電阻的裝置(34)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6中任一項(xiàng)所述的用于檢測紅外輻射的器件，其 特征在于，所述器件包括用于通過對流經(jīng)所述成像測輻射熱計(jì)的電流進(jìn)行 積分來測量所述成像測輻射熱計(jì)的電阻的電路，所述電路被i殳計(jì)為測量紅 外輻射溫度，以及積分裝置(42)屬于所述測量電路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于檢測紅外輻射的器件，其 特征在于，校正裝置(34)包括控制所述成像測輻射熱計(jì)的溫度以補(bǔ)償所 述漂移的裝置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于檢測紅外輻射的器件，其 特征在于-所述器件還包括測量成像測輻射熱計(jì)(140)的電阻的裝置，以及 根據(jù)測得的電阻和取決于成〗象測輻射熱計(jì)(140)的所述電阻的至少一個 參數(shù)來確定所述測輻射熱計(jì)上的入射輻射的溫度的裝置(30)，以及-校正裝置(34)能夠根據(jù)測得的漂移來校正所述至少一個^lt，以 在確定所述溫度時校正所述漂移效應(yīng)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于檢測紅外輻射的器件，其特征在于， 所述至少一個參lbl對用于測量成《象測輻射熱計(jì)(140)的電阻的電路的 溫度的電靈^t度。
11. 一種用于檢測紅外輻射的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于檢測所述輻射 的至少一行器件，其特征在于，所述器件中每一個都符合權(quán)利要求1至 10中的任一項(xiàng)。
12. —種用于讀取測輻射熱計(jì)陣列(12 )中的電阻測輻射熱計(jì)(140 ) 的方法，所述測輻射熱計(jì)陣列(12 )構(gòu)成用于檢測紅外輻射的系統(tǒng)(10 )， 所述方法涉及-測量所述測輻射熱計(jì)(140 )的電阻相對于所述測輻射熱計(jì)的電阻 的參考值的漂移的步驟(100; 136; 162)，所述參考值對應(yīng)于所述測輻射 熱計(jì)的預(yù)定工作務(wù)泮；以及-校正所述漂移效應(yīng)的步驟(102; 138; 164)，或者校正電阻的所述 漂移的步驟。
全文摘要
本發(fā)明的目標(biāo)是一種檢測紅外輻射的器件、系統(tǒng)及讀取電阻測輻射熱計(jì)的方法，該器件包括電阻成像測輻射熱計(jì)(140)。根據(jù)本發(fā)明，該器件包括測量所述測輻射熱計(jì)(140)的電阻相對于所述測輻射熱計(jì)(140)的電阻的參考值的漂移的測量裝置(16，38；16，24，38；16，140；16，24)，所述參考值對應(yīng)于所述測輻射熱計(jì)(140)的預(yù)定工作條件；以及校正所述漂移效應(yīng)的校正裝置(34)，或者校正電阻的所述漂移的校正裝置。
文檔編號G01J5/20GK101676697SQ20091016683
公開日2010年3月24日 申請日期2009年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月16日
發(fā)明者克里斯托夫·米納西安, 奧利維耶·勒格拉 申請人:Ulis股份公司
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