CN101458124A - 检测红外辐射的器件和系统、读取成像测辐射热计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测红外辐射的器件和系统、以及读取成像测辐射热计的方法，其中该用于检测红外辐射的器件包括电阻成像测辐射热计(102)，其旨在电连接到用于测量测辐射热计的电阻的电路(22)。所述器件包括通过将电流注入测辐射热计来控制成像测辐射热计(14)的电阻的装置(32)。

Description

检测红外辐射的器件和系统、读取成像测辐射热计的方法

技术领域

本发明涉及红外线成像和使用测辐射热计的测高温学领域。

更具体地，本发明涉及一种用于检测红外辐射的、包括电阻成像测辐射热计的器件。本发明还涉及一种包括此类器件的阵列的系统以及用于读取集成到此类系统中的成像测辐射热计的方法。

背景技术

在红外检测器领域，已知使用以阵列形式配置并且能够在环境温度工作(即不需要冷却至极低温度)的器件，这种器件与称作“量子检测器”的检测器件形成对比，所述检测器件只能工作在极低温度，一般在液氮的温度。

这些未冷却的检测器传统上利用合适材料的物理单位根据300K附近温度的变化。在测辐射热检测器的情况下，所述物理单位是电阻率。

此类未冷却的检测器通常包括：

-吸收红外辐射并将其转化成热量的装置；

-使所述检测器热绝缘的装置，使得检测器的温度可由于红外辐射效应而升高；

-测温装置，在测辐射热检测器的情况下，使用电阻元件；以及

-读取由测温装置提供的电信号的装置。

被设计用于红外成像的检测器常规地制造成基本检测器或测辐射热计的一维或二维阵列，所述测辐射热计通过支撑臂悬于一般由硅构成的衬底之上。

衬底通常集成有对所述基本检测器进行顺序寻址的装置、电激励基本检测器的装置以及预处理由这些基本检测器生成的电信号的装置。该衬底和所集成的装置常被称作“读出电路”。

为了用所述检测器获取景物，通过合适的光学器件使景物投射到基本检测器阵列上，通过读出电路向每个基本检测器或每行此类检测器施加时钟控制的电激励，以便获得构成每个所述基本检测器达到的温度的图像的电信号。然后，所述信号由读出电路、适当时然后由封装之外的电子器件或多或少地进行处理，以便生成所观察景物的热图像。

然而，显然的是，与基本测辐射热计的热容C_th相关联的支撑臂的热阻R_th限定基本测辐射热计的热时间常数τ_th，所述热时间常数τ_th等于R_thC_th乘积并通常是约10ms量级。

所述热时间常数是每个测辐射热计中固有的，并具有有害效应，即限制未冷却测辐射热检测器对于例如涉及机载视觉系统或跟踪移动目标的应用的市场推广。

测辐射热计的时间常数τ_th较高，这限制了其响应时间。因此如果景物易于发生迅速的对比度变化，例如具有比景物背景温度更高(或更低)温度的对象(称作“热”或“冷”对象)的侵入，测辐射热计很难跟上此类变化。结果，测辐射热计呈现从一个读取帧到下一个读取帧的热记忆效应。因此，景物中的热(或)冷对象的移动导致所形成图像中的模糊或拖尾。

当处理局部存在快速温度波动的固定景物时，此效应同样也是有害的。测辐射热计很难响应比其时间常数更快的变化，因此很难如实地再现景物。

此外，各个基本导体的分散电阻值导致在读出期间流经它们的电流分散。这导致对于均匀景物的信号分散(此分散称作“偏移”)以及对温度变化的灵敏度(或增益)分散。

电阻分散主要是由于各种制造工艺中固有的变化与衬底温度和辐射环境的空间分布。

通常，在试验性地获得偏移和增益分散参数之后，在聚焦平面外通过称作“两点”校正的图像校正计算功能来补偿此分散。

可以尝试减小测辐射热计的时间常数τ_th来克服这些缺陷。

然而，在测辐射热计的热容C_th依赖于为了制造测辐射热计所用的材料量的情况下，很难减小测辐射热计的热容C_th。减小测辐射热计的质量的直接结果是增加测辐射热计的电噪声，因为至少在使用具有不可忽略的低频噪声水平的测温材料时，电噪声功率与测辐射热计的体积相关。此外，如果结构材料的量不足够，则不再能够确保敏感结构的几何稳定性，并且材料量不能简单地随意减少。

更甚者，减小热阻R_th也不是令人满意的解决方案。事实上，这样做会降低测辐射热计对于衬底的热绝缘，即灵敏度，因为热阻R_th与测辐射热计的热检测灵敏度直接相关，并且它是限定测辐射热检测器的热分辨率的关键因素。

显然的是，鉴于现有技术的现状，不可能获得不受模糊现象影响并且在热分辨率方面提供高性能(即高信噪比)的测辐射热检测器。

一般而言，现有技术的测辐射热检测器被设计用于特定应用。通常，通过由结构装置(constructional means)增加R_th直至达到在所考虑的应用的环境中被认为是可接受的模糊水平，使此类测辐射热计的时间常数τ_th最大化。

本发明的目的是消除测辐射热计的时间常数和其热分辨率之间的不利折衷。

因此，本发明的目的是借助于简单、鲁棒的装置来提供基本不受模糊现象影响同时在热分辨率方面提供高性能的测辐射热检测器。

发明内容

为此，本发明的目的是一种用于检测红外辐射的器件，其包括电阻成像测辐射热计，所述电阻成像测辐射热计旨在电连接到用于测量测辐射热计的电阻的电路。

根据本发明，该器件包括通过将电流注入测辐射热计来控制成像测辐射热计的电阻的装置。

因此，借助于这种控制装置，可将测辐射热计的电阻在测辐射热计的每个读取周期中至少一次被设定到预定参考值。这样做的效果是每次读取测辐射热计之前消除其热记忆效应，从而消除背景噪声和任何模糊现象，以及与景物无关地消除杂散电阻变化效应。

事实上，通过以这种方式将测辐射热计的电阻调整到参考电阻，所读出的测辐射热计电阻在当前读取周期期间不依赖于前一周期结束之前发生的事件，尤其是不依赖于景物和先前衬底的热变化的发展。

该电阻也基本与线性或阵列构造中的测辐射热计的空间位置无关。

本发明还在检测器的偏移和增益分散方面很大程度地改进了检测器，由此允许简化其实施。

在下文中，如下测辐射热计称为“成像测辐射热计”：对来自景物的入射通量敏感并且被设计成生长所观察景物的热画面元素的测辐射热计。

在本发明的具体实施例中，用于控制成像测辐射热计电阻的装置包括将预定参考电流(I_ref)注入测辐射热计的装置。

所述控制装置有利地包括当成像测辐射热计的端子上的电压基本等于预定参考电压时将电流注入装置断开的装置。在激活电流注入装置期间并且当所述电流基本上等于所述参考电流I_ref时，所述参考电压本身有利地被调整到小于成像测辐射热计两端的电压的值。

在本发明的一个具体实施例中，所述控制装置能够将所述成像测辐射热计的电阻固定到依赖于衬底温度的参考电阻，其中所述成像测辐射热计形成于所述衬底上。

更具体地，所述控制装置包括具有从被热化的测辐射热计到衬底的反馈的放大器；所述放大器的输出形成对于预定初始温度确定的初始参考电阻修正。

可替选地，所述控制装置包括传感器和信息处理单元(28)，所述传感器检测衬底的温度，所述信息处理单元(28)能够根据温度测量来对于预定初始温度确定初始参考电阻修正。

这样，通过根据聚焦平面的温度来控制热化，不管聚焦平面的温度，所有成像测辐射热计保持的参考电阻的当前值保持所需的恒定值，即优选地在成像测辐射热计的电阻自然分布的最小值附近。

还应当注意，用来温度控制参考电阻的电路形式(不管它们是模拟的或数字的)不仅允许在工作温度变化时保持足够的热化定位，还允许在测辐射热计的实际电阻在恒定温度上随时间变化时确保足够的热化定位。事实上，在检测器的使用寿命中，结合到测辐射热膜中的敏感材料具有很慢但是基本上均匀偏离的倾向。随时间过去，所述偏离限制了初始激励设置的相关性，即使检测器工作在稳定的恒定温度上。

本发明的目的还是一种用于检测红外辐射的系统，其包括至少一行器件的阵列，每个器件包括：

-电阻成像测辐射热计；以及

-测量电路，所述测量电路能够电连接到成像测辐射热计，以便读取测辐射热计的电阻，

根据本发明，这些器件是上述类型中的每个。

根据本发明，控制成像测辐射热计电阻的装置能够将所述电阻调整到对于所述阵列中的所有成像测辐射热计共同的预定电阻值。

有利地，控制成像测辐射热计电阻的装置在每次测辐射热计所述读取之后被激活。

此外，所述系统还包括用于根据读出电路的预定电动态响应来控制由该阵列检测的景物的热动态范围的装置。所述用于控制所检测的景物的动态范围的装置包括能够一旦在停用用于控制成像测辐射热计电阻的装置之后过去预定的曝光时间就激活读出电路的装置。

在这种情况下，曝光时间被选择使得关于所检测的景物产生的信号的动态范围等于或小于相应的读出电路的动态响应。

根据本发明的一个具体实施例：

-所述读出电路能够一次一行地读取所述阵列；

-所述用于控制成像测辐射热计电阻的装置能够一次一行地控制所述阵列；

-所述系统还包括用于对测辐射热计读取和电阻控制进行时钟控制的装置，使得在阵列中读取一行与在阵列中控制一行的电阻偏离预定数量的行。

根据本发明的另一个有利方面，所述检测系统包括用于控制与测辐射热阵列中的每个成像测辐射热计相关联的电阻的电路，所述电路能够控制所述测辐射热计的电阻。

可替选地，所述系统包括用于控制与所述阵列中的每列相关联的电路，所述电路能够控制所述列中每个测辐射热计的电阻。

本发明的目的还是一种读取测辐射热计阵列中的电阻成像测辐射热计的方法，所述测辐射热计阵列构成用于检测红外辐射的系统，其中在所述系统的每个读取周期中至少一次地将所述系统的电阻调整到对于阵列中的所有测辐射热计共同的预定电阻值。

附图说明

通过下面描述，本发明将会变得更容易理解，其中该描述仅以示例方式给出，并与附图相关。在附图中，相同的标号涉及相同或相似的部件，其中：

图1是根据本发明的测辐射热检测器的示意图；

图2是全都是图1所示的检测器的一部分的成像测辐射热计、补偿电路、测量电路以及热化电路的布局的示意图；

图3是示出图1中的检测器的操作的流程图；

图4是示出图1所示的检测器中一行的输出电平的动态热范围随时间变化的图，其中该检测器位于具有高温度动态特性的景物前面；以及

图5是根据本发明一个具体实施例的测辐射热检测器的示意图。

具体实施方式

图1示意性示出一种测辐射热检测器，其包括：

-包括n行和m列的电阻成像测辐射热计102的二维成像阵列12，其中n和m是大于或等于1的整数。成像阵列12设置在对红外辐射透明的光学器件(未示出)的聚焦平面中；

-实施在成像阵列12表面之下的读出电路16。读出电路包括逐行寻址电路18，并且对于成像阵列12的每列，包括测量电路22，其能够通过电装置连接到该列中的每个成像测辐射热计；

-补偿测辐射热计阵列24，其包括一个或更多个位于成像阵列12的每列对面但是离开所述成像阵列的补偿电路26。对于成像阵列12的每列，阵列24例如包括能够连接到该列中的每个成像测辐射热计的补偿电路26；以及

-连接到读出电路16的信息处理单元28；信息处理单元28利用算法来处理由读出电路输出的信号，以便确定投射到阵列12上的景物的红外图像。

此类测辐射热检测器结构是标准的，因此下面不作进一步详细说明。对于其它信息，建议读者参阅例如下面文献：“Uncooled amorphoussilicon enhancement for 25μm pixel pitch achievement”(E.Mottin等人，Infrared Technology and Application XXVIII，SPIE，vol.4820)。

根据本发明，此检测器结构由成像测辐射热计阵列12的热快门电路30补充，其中热快门电路30由寻址机构18控制，并且逐行地由阵列12的热化电路32(即控制测辐射热计电阻的电路32)形成，下面将对此加以详细说明。对于成像阵列12的每列，快门电路30包括能够连接到该列中每个成像测辐射热计的热化电路32。

图2示出以下各项的优选基本布局：

-画面元件14，包括阵列12的成像测辐射热计102和为了实现其而所需的部件46和48；

-读出电路16的测量电路22，用来测量成像测辐射热计102；

-阵列24的补偿电路26，用来补偿在读取成像测辐射热计102时流入成像测辐射热计102的共模电流；以及

-热快门电路30的热化电路32，用来热调节成像测辐射热计102。

测辐射热计102经受从景物获得的红外辐射IR并通过第一端A接地。

测量电路22包括：

-运算放大器40，其同相端(+)保持在预定的恒定电压Vbus；

-电容器42，其具有预定电容C_int并且连接在放大器40的反相端(-)和放大器的输出之间；

-复位开关44，其与电容器42并联连接并且可通过由寻址电路18控制的“复位”信号来控制；

-读出开关46，其可通过由寻址电路18控制的“选择”信号来控制并且连接到读出列101，所述读出列101本身连接到运算放大器的反相端(-)；以及

-位于画面部件14中的第一MOS注入晶体管48；该晶体管的栅极保持在预定的恒定电压Vfid；其源极连接到测辐射热计102的第二端B以及其漏极连接到读出开关46的另一端。

用来补偿流经成像测辐射热计102的共模电流的补偿电路26包括电阻补偿测辐射热计50，该电阻补偿测辐射热计50与成像测辐射热计102采用同种材料构成，相对于衬底具有低的热阻，以及可选地配备了屏蔽物52来保护它免受源于景物的辐射。

补偿测辐射热计50的一端连接到预定电压VSK，而其另一端连接到电路26的第二MOS注入晶体管54的源极。晶体管54的漏极连接到运算放大器40的反相输入端(-)，而其栅极连接到预定电压GSK。

上述部件的布局和工作是常规的，因此为了简洁起见而不作更具体的说明。对于其它细节，建议读者参阅例以下文献：“Uncooled amorphoussilicon enhancement for 25μm pixel pitch achievement”(E.Mottin等人，Infrared Technology and Application XXVIII，SPIE，vol.4820)。

根据本发明，存在能够控制成像测辐射热计102的电阻的热化电路32。

更具体地，热化电路32包括电流源56，所述电流源56经由第一和第二可控热化开关58、60连接到成像测辐射热计102的B端-成像测辐射热计102的B端遥远地位于画面部件14中。当热化开关58、60处于闭合状态时，电流源56将预定强度的电流I_ref注入成像测辐射热计102。

热化电路32还包括比较器62，其第一端通过例如热化开关58、60连接到成像测辐射热计102的B端，而其第二端连接到预定参考电压V_ref。

比较器62还连接到第一热化开关58，其中比较器62根据成像测辐射热计102的B端上的电压V_B与参考电压V_ref的比较结果来控制第一热化开关58的状态。

最后，第二热化开关60的状态通过寻址电路18的“擦除”信号来控制。

现在结合图3描述用于热化和读取成像阵列12的方法。

在例如在测辐射热计检测器10上电之后触发的第一步骤70中：

-将寻址电路18的读取指针N_lect初始化为1；

-以后面将会更详细说明的方式来选择V_ref的一个值和I_ref的一个值；

-通过寻址电路18来使与阵列12中的每个成像测辐射热计102相关的“复位”、“选择”以及“擦除”信号调整到零，零值对应于开关44、46、60的断开状态。

然后，步骤70继续进入宏步骤72来读取阵列12的行N_lect。

读取步骤72包括步骤76，步骤76涉及通过寻址电路18将测量电路22的“复位”信号调整到正值，以便闭合复位开关44。因此，行N_lect中的电容器42几乎立即放电。

步骤76继续进入步骤80，其中通过寻址电路18使“复位”信号切换到零以便断开复位开关44。同时地并且还是在步骤80中，通过寻址电路18使“选择”信号切换到正值以便闭合行N_lect中的读取开关46。

因此，对于图2中所述的行N_lect的每个布置，流经成像测辐射热计102的电流和流经补偿测辐射热计50的电流之差被电容器42积分。

因为流经补偿测辐射热计50的电流基本上等于流经成像测辐射热计102的共模电流，所以测量电路22的输入端的电流差基本等于成像测辐射热计102的电阻R_bolo的变化ΔR_bolo，所述变化ΔR_bolo由来自景物的、入射到成像测辐射热计上的辐射产生。

在下一步骤82期间，电路22的输入端的电流差在电容器42中在时间T_int内积分。

一旦积分时间结束，则在步骤84中，寻址电路18将行N_lect的“选择”信号的值切换到零，以便断开相应的读取开关46。在步骤84结束时，所有“选择”和“复位”信号为零。因此，各个开关断开。

于是，积分器42的输出端的电压V_out是相关成像测辐射热计102的电阻变化ΔR_bolo的图像。

跟在步骤84之后、用于使行N_lect热化的宏步骤74包括步骤86，其中通过寻址电路18将该行的“擦除”信号切换到正值，以便闭合该行的热化开关60。

应当注意，在这个时刻，行N_lect的读取开关46处于断开状态。

在如图2所示的行N_ther的每个布置中，由此通过向成像测辐射热计102注入电流I_ref来使其偏置，因此其温度由于焦耳效应而升高。

在传统上用来生产成像测辐射热计的半导体材料(如非晶硅或氧化钒)的情况下，该材料的热系数为负并且成像测辐射热计102的电阻R_bolo根据下面所示的阿列纽斯(Arrhenius)方程变化：

$R_{\mathrm{bolo}}=R_{\mathrm{abs}}\×e^{\frac{\mathrm{Ea}}{\mathrm{KT}}}---\left(1\right)$

其中：

-Ea是用于测辐射热计中的材料传导性的热激发能量；

-K是玻尔兹曼(Boltzmann)常数；

-T是测辐射热计的绝对温度；以及

-R_abs是当测辐射热计的温度很高时它的渐近电阻值。

这样，从关系式(1)推导出的电阻R_bolo对于温度的相对变化因子通过下述关系式表示：

TCR＝1/R(dR/dT)＝-Ea/(KT²)

因此，因子TCR为负，并且电阻R_bolo随着温度升高而减小。

在下一步骤88期间，进行测试以便确定成像测辐射热计102的电阻R_bolo是否基本等于预定电阻R_ref。如果该测试的结果为负，则成像测辐射热计102的热化继续。否则，测试步骤88通过以下操作而终止，即通过在步骤90中使成像测辐射热计102与相应的电流源56断开来停止成像测辐射热计102的热化。

更具体地，通过比较器62来执行步骤88和90。

根据欧姆定律，成像测辐射热计102两端的电压V_bolo可以用下述方程式表示：

V_bolo＝V_B＝R_bolo×I_ref      (2)

然后，当电压V_ref基本等于V_B时，即当R_bolo满足下述条件时，比较器62将第二热化开关58切换到断开状态，由此将电流源56与成像测辐射热计102断开。

$R_{\mathrm{bolo}}=R_{\mathrm{ref}}=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{I_{\mathrm{ref}}}---\left(3\right)$

这终止了成像测辐射热计102的热化。

应当注意，成像测辐射热计102在热化结束时所呈现的电阻R_ref不依赖于测辐射热计所接收的红外辐射的量。

事实上，利用关系式(1)可以证明，在比较器62将成像测辐射热计102与电流源56断开的时刻，成像测辐射热计102经历的温度升高θ由下述方程式近似表示：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{\mathrm{TCR}}\×\ln \left(\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_0\×I_{\mathrm{ref}}}\right)---\left(4\right)$

显然的是，该温度升高不依赖于所接收的红外辐射，它只依赖于成像测辐射热计102的内部参数以及热化电路32的参数(即电流I_ref和电压V_ref)。

用于使行N_lect热化的步骤最后在步骤92中终止，在步骤92期间，寻址电路18将该行的“擦除”信号切换到零，以便断开相应的热化开关60。

然后，读取和热化步骤74继续至步骤94，一旦步骤74结束，步骤94就被触发，其中将读取指针N_lect的值调整为N_lect+1(mod n)，这里mod是取模运算符。实际上，一旦N_lect＝n，则下一步骤将是N_lect＝1。

然后，步骤94循环回到步骤72的输入，以便读取下一行。

以下述方式在步骤70期间选择电流I_ref的值和电压V_ref的值：

-使得为了让成像测辐射热计的电阻R_bolo达到值R_ref所需的温度升高期间尽可能小。这样，可保持符合当前技术的“复位”和“选择”信号的时钟控制。

-当成像测辐射热计的热化被触发时，V_ref的值小于该成像测辐射热计的B端上的电压V_B。这样，相关的比较器62的切换条件不会立即满足。否则，参考测辐射热计26的热化将被禁止。

电流I_ref和电压V_ref的值在初期确定，例如，在工厂、在该检测器投入使用之前传统地进行的检测器校准期间。此类初期尤其包括以下步骤：

a)检测器被接通并经受预定的参考热环境条件(即检测器聚焦平面的已知的稳定温度)和源于景物的均匀的辐射条件，所述辐射条件一般通过暴露给保持于所预期的检测器在使用时所检测的最大温度的黑体来获得。

b)成像测辐射热计102经受具有如下值的电流I_ref和高的比较电压V_ref，其中电流I_ref的值接近于在测辐射热计读取期间用来偏置成像测辐射热计的电流，比较电压V_ref例如是基本等于电压VDDA的电压。在此阶段，成像测辐射热计102的电阻不被热化电路32修改，因此测量电路22的输出端的相应电压V_out对应于成像测辐射热计102在被均匀景物照明时的典型的连续输出电平分布，即所谓“偏移”分散。

c)然后，电压V_ref逐渐降低。于是，当由于电压V_ref的逐渐降低而大多数电阻成像测辐射热计的电阻被热化电路32热修改时，由于电压V_out的低分布值而发生限幅(clipping)。当基本上所有电压V_out已被向上修改并接近于在电压V_ref降低之前观察到的最高电压V_out时，电压V_ref的降低停止。

d)然后，这样获得的电流I_ref和电压V_ref被用来在检测器被使用时热化成像测辐射热计102。

上述调整电流I_ref和电压V_ref的过程可手动或自动执行。在自动执行的情况下，该过程由信息处理单元28执行，其中信息处理单元28输出数字控制电平I_ref和V_ref，然后传统的数/模转换装置将其转换成模拟电流和电压。然后，信息处理单元28例如用软件执行对应于电压V_out的连续电平表的处理，其中电压V_out是在电压V_ref递减时的每个阶段形成的。

应当注意，可使用有限数量的可能对(I_ref，V_ref)来获得期望电阻R_ref。然而，由于在读取期间相关的晶体管48的偏置效应，优选接近于流经成像测辐射热计102的偏置电流的电流I_ref，只要这些晶体管的所得热化时间相容于检测器上施加的时间约束(尤其是积分时间)。然而，可优选更大电流I_ref以便减少导致电阻R_ref的热化时间。电流I_ref优选是恒定的并通过传统的模拟电路部件直接施加，因为这简化了热化电路的设计。

在上述实施例中，读取和热化宏步骤(分别是72和74)顺序地链在一起。因此，阵列被一次一行地寻址、读取然后热化。

在另一实施例中，引入对相应行进行寻址的第二指针N_ther，以便热化与被读取的行不同的行。

将读取与热化隔离的行数N_exp被有利地选择，以便如图4所示，控制由成像阵列12检测到的景物的动态范围。

图4示出阵列12的行N的成像测辐射热计102的总体(population)(或在M行的分布已被累积之后的整个阵列12)的输出电平分布的时间序列图。每个分布对应于热化和读出之间不同的等待时间。图4示出这样一种情况，其中所观察景物的热动态特性稍微超过在没有根据本发明的热化器件的情况下检测器的景物动态范围，该检测器景物动态范围将被称作“参考景物的动态范围”。

在t＝T0时，行N经历上述热化。因而，测辐射热计总体的温度分散很小。由于制造公差和成像测辐射热计以及检测器的各个元件之间的连接不是严格一致的事实，该分散主要是检测器的自然变化性中固有的。

应当注意，测辐射热计的热化时间大大小于其曝光时间，即在其被热化的时间和其被读取的时间之间的期间。作为数值示例，曝光时间是若干毫秒量级而热化时间是若干微秒量级。

一旦热化完成，行N的成像测辐射热计冷却下来。每个测辐射热计根据其接收的热辐射(依赖于相关的景物像素的温度)具有自己的冷却速率。可观察到：由行N形成的分布信号在曝光时间结束被读取时，随着时间逐渐扩散，这是由于该行中的测辐射热计的各自温度分布引起的。因此，如图4所示，行N中最冷的测辐射热计和最热的测辐射热计的温度差随时间增加，相应的极端输出电平的差值也是随时间增加。

在超过量级为测辐射热计的热时间常数几倍的曝光时间时，此分布逐渐稳定在热平衡状态，并且不再扩散。

测量电路22自身也具有固定的动态读取响应，其被定义为运算放大器40的输出可提供的最大和最小电压之间的差值。此类动态响应示出在两个虚线之间。

显然的是，假定景物具有超过参考动态范围的动态范围，如果在行N的热化时间和行N被读取的时间之间存在过长的曝光时间，例如16ms，则输出信号的动态范围被动态读取响应限幅。成像测辐射热计的对应于冷却温度的相当大部分不能由检测器的读出电路以典型方式读取。

根据本发明的检测器允许通过调整曝光时间来容纳由检测器检测的景物的动态范围。

有利地，在通过选择适当的行数N_exp来使景物产生的电动态输出范围超过读出电路的动态响应之前，触发行N的读出，这里，N_exp是使热化指针N_ther与读取指针N_lect隔离的行数。

事实上，曝光时间 $T_{\exp }=\frac{N_{\exp }}{F_{\mathrm{row}}}$ 过去，这里F_row是寻址电路18在读取和热化行N之间的预定寻址频率。因此，该时间可通过选择N_exp来控制。

优选地，将曝光时间T_exp选择成使得景物产生的输出图像动态范围等于或小于动态读取响应。

如果聚焦平面的温度相当大地偏离确定电流和电压V_ref并由此确定电阻R_ref的温度，则对于在初始定义的动态范围容限处的景物温度，存在以下危险：电阻R_ref在热平衡状态下显著小于成像测辐射热计102的最小电阻，或者甚至在热化阶段结束时难以在几个测辐射热计或甚至所有测辐射热计上施加电阻R_ref。

在第一型式中，检测器配备有用于调节珀耳帖(Peltier)型聚焦平面温度的元件，和/或加热聚焦平面以便在用来执行电流I_ref和电压V_ref调整的温度周围调节聚焦平面的温度的元件。

在第二型式中，检测器配备有测量聚焦平面温度的传感器和在所选恒定电流I_ref或电流/电压对(I_ref，V_ref)的情况下电压V_ref的预校准，并且根据温度测量来询问检测器，以便确定所用的电流/电压对。

因此，这些型式采用温度调节检测器，因此需要昂贵、庞大且非标准的器件或者费时且昂贵的工厂校准设置确定。

图5示出本发明的实施例，其可以使得景物的动态范围对聚焦平面的温度变化不敏感，同时避免使用热调节部件或执行温度校准。

在此实施例中，根据衬底所在的聚焦平面的温度来选择恒定电流I_ref并控制电压V_ref。

在此实施例中，热化模块32复制关于图2描述的电路，但是它还包括电路100来控制比较器62的反相端(-)上的电压V_ref。对于测辐射热阵列，如图5所示，只设置一个电路100，例如在热化电路线路的端部，并且电路100的输出限定了将电压V_ref分配到各列的总线的电位。

控制电路120包括与补偿测辐射热计50相同或相似的测辐射热计104和固定电阻108，其中测辐射热计104具有电阻R_probe，并在运算放大器106的反相端(-)和输出端之间反馈连接到运算放大器106，固定电阻108连接在放大器106的反相端(-)和初始参考电压V_ref-init之间。

测辐射热计104变得对来自景物的辐射不敏感，使得其电阻值基本上依赖于衬底的温度。

电流I_ref和电压V_ref-init针对聚焦平面的温度和电阻108的值R_probe-init被确定，其中聚焦平面的温度在如上所述的调整步骤期间被确定，电阻108的值R_probe-init基本等于在测辐射热计104经受在此调整步骤期间使用的热条件时测辐射热计104的电阻值。(R_probe/R_probe-init)的比值定义了施加到初始电压V_ref-init上的修正增益。

控制电路120还包括运算放大器110以便反转放大器106的输出极性，运算放大器110通过固定电阻112在反相端(-)和输出端之间反馈连接；并且控制电路包括固定电阻114，其具有与电阻112相同的值并且连接在放大器106的输出端和放大器110的反相端(-)之间。放大器110的输出端连接到比较器62的同相端(+)，由此定义了用于热化成像测辐射热计102的电压V_ref-act。

这样，比较器62连续地根据下面方程式来引用电压V_ref-act：

$V_{\mathrm{ref}-\mathrm{act}}=V_{\mathrm{ref}-\mathrm{init}}\×\frac{R_{\mathrm{sonde}}}{R_{\mathrm{sonde}-\mathrm{init}}}---\left(5\right)$

因为测辐射热计104的电阻值R_probe基本上取决于衬底的温度，所以供给比较器62的电压V_ref的相对修正等于由衬底温度变化引起的R_ref对于电阻R_ref-init的相对变化，R_ref-init是为了确定初始温度的电压V_ref-init而假定的。因此，施加热化过程将更新的电阻值R_ref-act(适合于聚焦平面的当前温度)施加给所有成像测辐射热计。

换句话说，控制电路100的输出端上的电压表现得如同“温度跟随器”一样，其成比例地并自然地再现响应衬底温度变化的测辐射热检测器104的电阻变化而不必知道所述温度，并且连续地将自身保持接近于理想的工作点，该工作点在预先的调节期间被初始选择。

可替选地，利用按照相同的原理对电流I_ref的控制，而不是根据温度来控制电压V_ref-act。

在另一实施例中，在电流I_ref实际上保持恒定的情况下，根据温度传感器进行的衬底温度测量，通过信息处理单元28来以数字方式确定施加到热化电路的比较器62的电压设定点。

这样，信息处理单元28根据下述方程式提供更新的参考电压设定点V_ref-act：

V_ref-act＝V_ref-init.exp[Ea.(1/T-1/T_ref)]   (6)

其中V_ref-init如上所述是初始定义的电压，T是在所考虑时刻由传感器测得的温度，以及T_ref是在对应于电压V_ref-init的初始调整时刻由传感器测得的温度。

这样，成像测辐射热计102以电阻 $R_{\mathrm{ref}-\mathrm{act}}=\frac{V_{\mathrm{ref}-\mathrm{act}}}{I_{\mathrm{ref}}}$ 被热化并因此根据衬底当前温度被热化。

阿列纽斯(Arrhenius)方程是作为示例给出的。一般而言，本发明旨在计算最适于根据衬底温度来保持最优工作条件的电压V_ref-act。例如，可利用其它关系，其例如通过下述方式来定义：对于与初始设定对应的景物条件，根据基于衬底温度对成像测辐射热计的经验性校准来调整V_ref-act。

可替选地，在电压V_ref保持恒定的情况下，按照与方程式(6)相同类型的估计，根据衬底温度来控制电流。

通过根据聚焦平面的温度来控制热化，不管聚焦平面的温度，所有成像测辐射热计保持的参考电阻的当前值保持所需的恒定值，即在当检测器在景物动态范围的最大温度上观察均匀的景物时成像测辐射热计的电阻自然分布的最小值附近。

换句话说，按照这些型式的检测器具有基本独立于成像测辐射热计电阻的自然分散的景物动态特性，而不管聚焦平面的温度。根据现有技术的景物动态特性主要在高聚焦平面温度方面被电阻自然分散所限制。使用根据本发明这些型式的检测器除了已经说明的优点之外还会产生显著的动态响应增益。

应当注意，用来温度控制参考电阻的电路形式(不管它们是模拟的还是数字的)不仅允许在工作温度变化时保持足够的热化定位，它们还允许在测辐射热计的实际电阻在恒定温度上随时间变化时确保足够的热化定位。事实上，在检测器的使用寿命期间，结合到测辐射热膜中的敏感材料具有很慢但是基本上均匀偏离的倾向。随着时间过去，该偏离限制了初始激励设置的相关性，即使检测器工作在稳定的恒定温度上。

本发明具有以下优点：

-基本上消除了成像阵列12的热记忆效应并因此消除了模糊效应。事实上，在任何读取操作之前，成像测辐射热计的电阻R_bolo被调整到不依赖于景物的参考值R_ref。这样，只有在测辐射热计在热化和读取之间的曝光期间的电阻变化被检测到。

-通过在时钟逻辑电路中使用热化指针，简单且有效地控制可由成像阵列12访问的景物的动态范围；通过在信号被积分之前形成在所有成像测辐射热计上基本相同的电阻，基本上消除了偏移和增益空间分散效应；可能去除传统的机械光学快门-这显著提高了经济吸引力、在观察期间检测器的使用连续性以及系统的使用寿命。

-显著提高景物动态特性，而不管聚焦平面的温度(如果能够变化)。

已经描述了本发明的具体实施例。

在可替选实施例中，电流源56是可控制的。例如，可事先确定在热化期间可变的电流轮廓，以便进一步优化该期间。

类似地，描述了成像阵列12的逐行热化。可替选地，可对成像阵列12中的每个成像测辐射热计提供热化电路32。如果也对每个成像测辐射热计提供测量电路22，这尤其有利。这实现了所有成像测辐射热计的同步热化并且显著减少了由成像阵列的逐行热化所产生的赝像。

类似地，描述了与补偿结构相关联的成像阵列的热化。显然地，本发明也适用于与所谓的“参考”结构相关联的成像阵列，其中“参考”结构如下面文献中所述：“Performance of 320 x 240 Uncooled Bolometer-typeInfrared Focal Plane Arrays”(Yutaka Tanake等人，Proc.SPIE，vol5074)。

而且，本发明可应用于使用其它共模电流注入技术的读取模式，例如通过偏置惠斯通电桥型测辐射热桥。

本发明用于利用测辐射热检测的图像传感器领域，而不管检测频带和用来制造成像测辐射热计和参考测辐射热计的测辐射热材料的类型，如非晶硅(a-Si)、氧化钒(Vox)(一种金属)。

由于能够适应于利用测辐射热检测的图像传感器的各种工作温度，本发明既适用于热调节传感器，又适于在可变聚焦平面温度的情况下工作的传感器(通常称作“TEC-less”)，而不管是否设置与光学器件相关联的快门。

Claims (23)

1.一种用于检测红外辐射的器件，包括电阻成像测辐射热计，所述电阻成像测辐射热计能够电连接到用于测量测辐射热计电阻的电路，其中所述器件包括通过将电流注入成像测辐射热计来控制成像测辐射热计的电阻的装置。

2.如权利要求1所述的用于检测红外辐射的器件，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置包括用于将预定参考电流(I_ref)注入测辐射热计的装置。

3.如权利要求2所述的用于检测红外辐射的器件，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置包括用于当成像测辐射热计的端子上的电压基本等于预定参考电压时将电流注入装置断开的装置。

4.如权利要求3所述的用于检测红外辐射的器件，其中在激活电流注入装置期间并且当所述电流基本上等于所述参考电流(I_ref)时，所述参考电压被调整到小于成像测辐射热计两端的电压的值。

5.如权利要求1所述的器件，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置能够将所述成像测辐射热计电阻固定到依赖于衬底温度的参考电阻，所述成像测辐射热计形成于所述衬底上。

6.如权利要求5所述的器件，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置包括具有从被热化的测辐射热计到所述衬底的反馈的放大器，所述放大器的输出形成对于预定初始温度确定的初始参考电阻修正。

7.如权利要求5所述的器件，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置包括传感器和信息处理单元，所述传感器检测衬底的温度，所述信息处理单元能够根据温度测量来对于预定初始温度确定初始参考电阻修正。

8.一种用于检测红外辐射的系统，包括至少一行器件的阵列，每个器件包括：

-电阻成像测辐射热计；以及

-测量电路，所述测量电路能够电连接到所述成像测辐射热计，以便

读取所述测辐射热计的电阻，

其中每个器件包括用于通过将电流注入成像测辐射热计来控制成像测辐射热计电阻的装置。

9.如权利要求8所述的用于检测红外辐射的系统，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置包括用于将预定参考电流(I_ref)注入测辐射热计的装置。

10.如权利要求9所述的用于检测红外辐射的系统，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置包括用于当成像测辐射热计的端子上的电压基本等于预定参考电压时将电流注入装置断开的装置。

11.如权利要求10所述的用于检测红外辐射的系统，其中在激活电流注入装置期间并且当所述电流基本上等于所述参考电流(I_ref)时，所述参考电压被调整到小于成像测辐射热计两端的电压的值。

12.如权利要求8所述的用于检测红外辐射的系统，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置能够将所述成像测辐射热计的电阻固定到依赖于衬底温度的参考电阻，所述成像测辐射热计形成于所述衬底上。

13.如权利要求12所述的用于检测红外辐射的系统，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置包括具有从被热化的测辐射热计到所述衬底的反馈的放大器，所述放大器的输出形成对于预定初始温度确定的初始参考电阻修正。

14.如权利要求12所述的用于检测红外辐射的系统，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置包括传感器和信息处理单元，所述传感器检测衬底的温度，所述信息处理单元能够根据温度测量来对于预定初始温度确定初始参考电阻修正。

15.如权利要求8所述的用于检测红外辐射的系统，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置能够将所述电阻调整到对于阵列中的所有成像测辐射热计共同的预定电阻值。

16.如权利要求8所述的用于检测红外辐射的系统，其中用于控制成像测辐射热计电阻的装置在每次所述测辐射热计被读取之后被激活。

17.如权利要求8所述的用于检测红外辐射的系统，包括在所述成像阵列的表面之下的衬底中实施的读出电路，其中所述系统还包括用于根据读出电路的预定动态响应来控制可被所述系统访问的景物的热动态范围的装置。

18.如权利要求17所述的用于检测红外辐射的系统，其中用于控制景物动态范围的装置包括能够一旦在停用用于控制成像测辐射热计电阻的装置之后过去预定的曝光时间就激活成像测辐射热计的读取的装置。

19.如权利要求18所述的用于检测红外辐射的系统，其中所述曝光时间被选择使得关于所检测的景物产生的信号的动态范围等于或小于相应的读出电路的动态响应。

20.如权利要求17所述的用于检测红外辐射的系统：

-其中所述读出电路能够一次一行地读取所述阵列；

-其中所述用于控制成像测辐射热计电阻的装置能够一次一行地控制所述阵列；以及

-其中所述系统还包括用于对所述测辐射热计的读取和电阻控制进行时钟控制的装置，使得在阵列中读取一行与在阵列中控制一行的电阻偏离预定数量的行。

21.如权利要求8所述的用于检测红外辐射的系统，其中所述系统包括用于控制与所述测辐射热阵列中的每个成像测辐射热计相关联的电阻的电路，所述电路能够控制所述测辐射热计的电阻。

22.如权利要求8所述的用于检测红外辐射的系统，其中所述系统包括用于控制与所述阵列中的每列相关联的电阻的电路，所述电路能够控制所述列中每个测辐射热计的电阻。

23.一种用于读取测辐射热计阵列中的电阻成像测辐射热计的方法，所述测辐射热计阵列构成用于检测红外辐射的系统，其中通过将电流注入测辐射热计中，在测辐射热计的每个读取周期中至少一次地将测辐射热计的电阻调整到对于阵列中的所有测辐射热计共同的预定电阻值。

Images