DE69830731T2

DE69830731T2 - Verfahren und schaltung zur korrektur von temperaturfehlern in einer fokalen planaren mikrobolometermatrixanordnung

Info

Publication number: DE69830731T2
Application number: DE69830731T
Authority: DE
Inventors: J. William PARRISH; T. James WOOLAWAY
Original assignee: Indigo Systems Corp
Current assignee: Indigo Systems Corp
Priority date: 1997-02-11
Filing date: 1998-02-11
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2018-02-12
Also published as: DE69830731D1; AU6263498A; EP1007920A1; EP1007920B1; US6028309A; WO1998035212A1; EP1007920A4

Description

Hintergrund der Erfindung
Während der 80er Jahre des 19. Jahrhunderts wurde ein Infrarotdetektor entwickelt, der als Bolometer bezeichnet wurde. Das Bolometer funktioniert nach dem Prinzip, dass sich der elektrische Widerstand des Bolometermaterials bezüglich der Bolometertemperatur ändert, die sich ihrerseits im Ansprechen auf die absorbierte einfallende Infrarotstrahlung ändert. Diese Eigenschaften können dahingehend ausgenutzt werden, dass die auf das Bolometer auftreffende Infrarotstrahlung gemessen wird, indem die resultierende Veränderung seines Widerstands erfasst wird. Wenn es als ein Infrarotdetektor verwendet wird, ist das Bolometer allgemein von dem es tragenden Substrat oder der Umgebung thermisch isoliert, um es so der absorbierten auftreffenden Infrarotstrahlung zu ermöglichen, im Bolometermaterial eine Temperaturveränderung zu erwirken.
Moderne Mikrobolometerstrukturen wurden durch die Honeywell Corporation entwickelt. Eine neuere Zusammenfassung von Druckschriften findet sich im US-Patent Nr. 5,420,419. Mikrobolometerfelder werden typischerweise auf monolithischen Siliziumsubstraten oder integrierten Schaltungen hergestellt, indem zweidimensionale Felder eng beieinanderliegender Luftbrückenstrukturen geschaffen werden, die mit einem temperaturempfindlichen Widerstandsmaterial, wie zum Beispiel Vanadiumoxid, beschichtet sind, das Infrarotstrahlung absorbiert. Die Luftbrückenstruktur ergibt eine gute thermische Isolation zwischen dem Mikrobolometerdetektor und dem Siliziumsubstrat. Eine typische Mikrobolometerstruktur hat die Abmessungen von ungefähr 50 μm mal 50 μm.
Mikrobolometerfelder können zum Erfassen einer Brennebene von eintreffender Strahlung (typischerweise Infrarotstrahlung) durch Absorbieren der Strahlung und durch Erzeugen einer entsprechenden Veränderung der Temperaturen und daher der Widerstände eines jeweiligen Mikrobolometers im Feld verwendet werden. Wenn jedes Mikrobolometer als ein Pixel fungiert, kann ein zweidimensionales Bild bzw. eine bildliche Darstellung der eintreffenden Infrarotstrahlung durch Übersetzen der Widerstandsänderungen eines jeden Mikrobolometers in ein zeitmultiplexiertes elektrisches Signal erzeugt werden, das dann auf einem Bildschirm angezeigt oder in einem Computer gespeichert werden kann. Die zur Durchführung dieser Übersetzung eingesetzte Schaltung wird üblicherweise als integrierte Ausleseschaltung (Read Out Integrated Circuit/ROIC) bezeichnet und als eine integrierte Schaltung auf dem Siliziumsubstrat hergestellt. Das Mikrobolometerfeld wird dann über der ROIC hergestellt. Die Kombination der ROIC und des Mikrobolometerfelds wird üblicherweise als ein Mikrobolometer-Infrarot-Brennebenenfeld (Vocal Plane Array/FPA) bezeichnet. Es wurden Mikrobolometer-FPAs gezeigt, die bis zu 320 × 240 Detektoren enthalten.
Auch wenn die Bolometer als ein Teil eines Mikrobolometer-FPA hergestellt werden, werden die einzelnen Mikrobolometerdetektoren auf gleichförmig auftreffende Infrarotstrahlung eine ungleichmäßige Antwort haben. Dies liegt an kleinen Variationen in den elektrischen und thermischen Eigenschaften der Detektoren, die vom Herstellungsvorgang herrühren. Diese Ungleichmäßigkeiten in den Mikrobolometer-Antworteigenschaften müssen korrigiert werden, um zur Bilddarstellung oder -verarbeitung ein elektrisches Signal mit entsprechendem Signal-Rausch-Verhältnis zu erzeugen.
Unter Bedingungen, bei denen an ein Feld von Mikrobolometer-Detektoren eine gleichmäßige elektrische Vorspannung und auftreffende Infrarotstrahlung angelegt wird, treten Unterschiede in der Detektorantwort auf. Dies wird üblicherweise als räumliche Ungleichmäßigkeit bezeichnet und liegt an den Variationen in der Anzahl kritischer Leistungseigenschaften der Mikrobolometerdetektoren. Dies ist eine natürliche Auswirkung des Mikrobolometerherstellungsvorgangs. Die zur räumlichen Ungleichmäßigkeit beitragenden Eigenschaften sind zum Beispiel der Infrarotstrahlungs-Absorptionskoeffizient, der Widerstand, der Temperaturkoeffizient des Widerstands (Temperature Coefficient of Resistance/TCR), die Wärmekapazität und die thermische Leitfähigkeit der einzelnen Detektoren.
Die Stärke der Antwortungleichmäßigkeit kann wesentlich größer als die Stärke der von der eintreffenden Infrarotstrahlung tatsächlich hervorgerufenen Antwort sein. Das resultierende ROIC-Ausgangssignal ist schwierig zu verarbeiten, da es eine Systemschnittstellenelektronik erforderlich macht, die einen sehr großen dynamischen Bereich aufweist. Um ein durch den Pegel der auftreffenden Infrarotstrahlung dominiertes Ausgangssignal zu erzielen, wird eine Verarbeitung zur Korrektur der Detektorungleichmäßigkeit benötigt.
Bisherige Verfahren zur Implementierung einer ROIC für Mikrobolometerfelder haben eine Architektur verwendet, bei der der Widerstand eines jeden Mikrobolometers durch Anlegen einer gleichmäßigen Spannung und eines gleichmäßigen Stroms sowie einer resistiven Last an das Mikrobolometerelement erfasst wird. Der aus der angelegten Spannung resultierende Strom wird von einem Verstärker über die Zeit integriert, um einen Ausgangsspannungspegel zu erzeugen, der zum Wert des integrierten Stroms proportional ist. Dann wird die Ausgangsspannung an das Signalakquisitionssystem multiplexiert.
Verstärkungs- und Versatzkorrekturen werden an das Ausgangssignal angelegt, um die Fehler zu korrigieren, die aus den Mikrobolometereigenschafts-Ungleichmäßigkeiten entstehen. Dieser Vorgang wird üblicherweise als Zwei-Punkt-Korrektur bezeichnet. Bei diesem Verfahren werden auf das abgetastete Signal eines jeden Elements zwei Korrektureffizienten angewendet. Die Verstärkungskorrektur wird durch Multiplizieren der Ausgangsspannung mit einem eigenen Verstärkungskoeffizienten implementiert. Die Versatzkorrektur wird durch Addieren eines eigenen Versatzkoeffizienten zur Ausgangsspannung implementiert. Zur Durchführung einer Zwei-Punkt-Ungleichmäßigkeitskorrektur wurden sowohl analoge als auch digitale Verfahren eingesetzt.
Der aktuelle Stand der Technik der Mikrobolometer-Feld-ROICs leidet an zwei hauptsächlichen Problemen. Das erste Problem besteht darin, dass die große Stärke der durch das Mikrobolometer eingeführten Ungleichmäßigkeiten im ROIC-Ausgangssignal einen großen unmittelbaren dynamischen Bereich bei der Sensorschnittstellenelektronik erforderlich macht, was die Kosten und den Aufwand des Systems erhöht. Bei aktuellen hochentwickelten ROIC-Architekturen ist ein Teil der Korrektur auf der ROIC integriert, um die Anforderungen an den unmittelbaren dynamischen Bereich bei der Akquisitionssystemschnittstelle zu minimieren.
Das zweite Problem besteht darin, dass die Anwendung eines Zwei-Punkt-Verstärkungs- und -Versatz-Korrekturverfahrens mit festem Koeffizienten zum Minimieren der Feldungleichmäßigkeit nur für einen sehr kleinen Bereich von Substrattemperaturen in der Größenordnung von zwischen 0,005 und 0,025 Grad Kelvin, gut funktioniert. Um die Substrattemperatur innerhalb dieses Bereichs zu halten, sind ein thermoelektrischer Kühler, ein Temperatursensor und eine Temperaturregelelektronik erforderlich, was das System wiederum kostenintensiv und aufwendig macht.
Die Druckschrift US-A-5,486,698 offenbart ein thermisches Bilderkennungssystem mit thermischem Chopper.
Betrieb des Mikrobolometers.
Die 1A, 1B und 1C zeigen drei mögliche Konfigurationen für Mikrobolometerdetektoren. Auf jeden der Mikrobolometerdetektoren wird auftreffende Infrarotstrahlung 1 projiziert. Der in 1A gezeigte Mikrobolometerdetektor 2 ist mit dem Substratmaterial thermisch kurzgeschlossen. Dies ist eine allgemein übliche Form des Bolometers und ist für die meisten Bolometer und Thermistoren mit einem einzigen Detektor repräsentativ. Mikrobolometer können so hergestellt werden, dass sie eine hohe thermische Leitfähigkeit zum Substrat aufweisen, diese Eigenschaft kann jedoch auch über eine Nachbearbeitung hergestellt werden, bei der ein thermisch leitfähiges Material selektiv an diesen Mikrobolometerdetektoren angebracht wird. Auch wenn dieser Detektor mit dem Substrat thermisch verbunden ist, so sind die Widerstandseigenschaften und der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) dieser Detektoren zum in 1B gezeigten thermisch isolierten Mikrobolometerdetektor 3 äquivalent. Diese Detektoren haben einen hohen TCR (1% bis 5%/C), der im Widerstandssymbol durch den Pfeil bezeichnet ist.
Am häufigsten wird das thermisch isolierten Mikrobolometer 3 zum Erfassen von Infrarotstrahlung verwendet. Das Mikrobolometer 3 ist vom es abstützenden Substrat bzw. seiner Umgebung thermisch isoliert, um es absorbierter auftreffender Infrarotstrahlung zu erlauben, im Mikrobolometermaterial eine Temperaturveränderung hervorzurufen. In 1B ist diese Isolation durch den gestrichelten rechteckigen Kasten um den Detektor herum gekennzeichnet.
Die in 1C gezeigte letzte Konfiguration ist das abgeschirmte Mikrobolometer 4. Das abgeschirmte Mikrobolometer 4 ist mit dem isolierten Mikrobolometer 3 identisch, außer dass hier die auftreffende Infrarotstrahlung 1 vom Mikrobolometer abgeschirmt wird. Die Strahlungsabschirmung ist in 1C durch eine durchgehende Linie 5 gekennzeichnet.
Die Funktionsprinzipien der in den 1A–1C gezeigten Mikrobolometer sind wie folgt. Die Temperatur des nicht isolierten Mikrobolometers 2 wird von der hohen thermischen Leitfähigkeit zum Substrat hin dominiert. Daher haben die auftreffende Infrarotstrahlung und die in das Mikrobolometer abgeleitete elektrische Leistung nur geringe Auswirkungen auf die Temperatur des Mikrobolometers. Das Mikrobolometer 2 hat denselben hohen TCR wie das thermisch isolierte Mikrobolometer 3 und liefert daher eine hochempfindliche Referenz zur Substrattemperatur.
Das thermisch isolierte Mikrobolometer 3 verändert seine Temperatur im Ansprechen auf den Pegel der auftreffenden Strahlung, Veränderungen in der Substrattemperatur und die während der Messung des Mikrobolometerwiderstands im Detektor abgeleitete elektrische Leistung. Die Erwärmung aufgrund der Widerstandsmessung wird als Selbsterwärmung bezeichnet. Herstellungsbedingt ist das thermisch isolierte Mikrobolometer gegenüber dem Substrat nicht perfekt isoliert. Daher verfolgt die Temperatur des thermisch isolierten Mikrobolometers die Substrattemperatur zu einem gewissen Grad, auch wenn die von diesem Mechanismus hervorgerufene Rate der Temperaturveränderung viel langsamer als diejenige aufgrund der auftreffenden Strahlung oder der Selbsterwärmung ist.
Das abgeschirmte isolierte Mikrobolometer 4 verändert seine Temperatur im Ansprechen auf den Pegel der auftreffenden Strahlung nicht, verändert seine Temperatur jedoch aufgrund der Selbsterwärmung und der Temperaturveränderungen im Substrat.
Die 2–4 zeigen drei häufig eingesetzte Verfahren zum Messen des Widerstandes des Mikrobolometerdetektors. 2 zeigt das Verfahren mit angelegter Spannung zum Erfassen des Detektorwiderstands. Eine angelegte Spannung wird zum Erzeugen mit lout bezeichneten Stroms in der Schaltung verwendet. Durch Messen des Stroms lout kann der Widerstand des Mikrobolometerdetektors bestimmt werden. Das Verhältnis zwischen der angelegten Spannung und dem gemessenen Strom wird durch das Ohmsche Gesetz definiert.
Wobei lout der gemessene Strom, Vapplied die angelegte Spannung und Rbolometer der Mikrobolometer-Detektorwiderstand ist.
Ein zweites Verfahren zum Messen des Mikrobolometerwiderstands ist in 3 gezeigt. Hier wird ein konstanter Strom durch den Mikrobolometerdetektor 3 geleitet, und es wird die Spannung gemessen, die sich als Ergebnis hiervon am Mikrobolometer entwickelt. Wieder definiert das Ohmsche Gesetz das Verhältnis zwischen dem eingeleiteten Strom und der gemessenen Spannung. Vout = Iapplied·Rbolometer
Ein drittes Verfahren zum Messen des Mikrobolometerwiderstands ist in 4 gezeigt. Diese Schaltung weist eine resistive Last 6 auf. An der Reihenschaltung des Mikrobolometers 3 und der Last 6 wird eine Spannung angelegt. Der Mikrobolometerwiderstand kann durch Messen der Spannung am Mikrobolometer bestimmt werden. Der folgende Ausdruck beschreibt den Mikrobolometerwiderstand in Abhängigkeit von der angelegten Spannung, dem Lastwiderstand und der am Mikrobolometer gemessenen Spannung.
wobei Rload der Wert des Lastwiderstands 6 ist.
Diese Schaltungsimplementierungen können zum Messen der auf dem Mikrobolometer auftreffenden Infrarotstrahlung durch Erfassen der Veränderung der Mikrobolometertemperatur aufgrund der vom Detektor absorbierten optischen (infraroten) Energie verwendet werden. Der Temperaturanstieg im Mikrobolometerdetektor aufgrund der Selbsterwärmung ist allgemein beträchtlich größer als der Temperaturanstieg der auftreffenden Infrarotstrahlung. Der relativ kleine Beitrag der auftreffenden Strahlung zur Veränderung des Mikrobolometerwiderstands ist schwierig zu erfassen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, komplexere Schaltungen unter der Verwendung von innerhalb der Schaltung geltenden Referenzverfahren zu integrieren, um den Beitrag der Selbsterwärmung im Ausgangssignal zu minimieren. Wenn eine resistive Lastschaltung verwendet wird (4), kann der Lastwiderstand 6 so konstruiert sein, dass er einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat, oder er kann mit dem Substrat thermisch kurzgeschlossen werden, oder er kann gegenüber der auftreffenden Infrarotstrahlung abgeschirmt werden.
Es wurden auch Schaltungsbrückenkonzepte konstruiert, um die Fehler bei der Widerstandsmessung aufgrund der Selbsterwärmung zu minimieren. 5 zeigt ein Mikrobolometer-Brückenkonzept, das zum Isolieren und zum Messen lediglich des Pegels der auftreffenden Infrarotstrahlung verwendet wird. Hier ist ein Mikrobolometer, das thermisch isoliert ist und gegenüber auftreffender Strahlung abgeschirmt ist, in einer Brückenkonfiguration mit drei herkömmlichen Widerständen 6a, 6b und 6c mit niedrigem TCR gezeigt. In 5 wird die Ausgangsspannung trotz einer Veränderung der Umgebungstemperatur relativ konstant bleiben, weil der Widerstand des Mikrobolometerdetektors und des abgeschirmten Mikrobolometers um ungefähr die gleiche Menge erhöht wird und die Spannungsabfälle über den Elementen der Brückenschaltung annähernd unverändert bleiben.
Mikrobolometer-Brennebenenfelder
In Systemen, bei denen ein einzelner Detektor verwendet wird, können zwei Leiter am Mikrobolometermaterial befestigt werden, die ein Mittel zum Leiten von Strom durch das Bolometer zum Erfassen seines Widerstands bereitstellen. 6 zeigt die elektrischen Anschlüsse des Mikrobolometerdetektors. In diesem Fall ist ein thermisch isoliertes Mikrobolometer 3 in Anwesenheit einer auftreffenden Infrarotstrahlung 1 gezeigt, wobei zwei Leitungen die Verbindung zu den Mikrobolometeranschlüssen R+ und R– herstellen. 7 zeigt die physische Implementierung eines Mikrobolometers der von Honeywell entwickelten Art. Die elektrischen Verbindungen R+ und R– zum Mikrobolometer werden an den Enden der Beine 9 geschaffen, wo das Mikrobolometer mit dem Substrat 8 in Kontakt kommt.
In Fällen, wo es gewünscht wird, den Widerstand oder die Temperatur einer Anordnung von Mikrobolometerdetektoren zu erfassen, wird es physisch unpraktikabel, für jeden Detektor eigene Drahtleiterverbindungen vorzusehen. Die 8 und 9 zeigen das Verfahren zur Schaffung von Zwischenverbindungen für ein Mikrobolometerdetektorfeld. In den 8 und 9 ist ein Detektorfeld von drei mal drei Detektoren gezeigt, die neun positive und negative Zwischenverbindungen erforderlich machen. Zwischenverbindungen für die einzelnen Mikrobolometerdetektoren 3 im Feld werden als Teil des Herstellungsvorgangs hergestellt und sind mit der Schaltung im Siliziumsubstrat 8 in Kontakt.
Große zweidimensionale Felder von Mikrobolometern können eine integrierte Ausleseschaltung (Read Out Integrated Circuit/ROIC) zur Bereitstellung der erforderlichen Bolometerschnittstelle verwenden. Die ROIC weist Schaltungen auf, die in räumlicher Nähe zu den Detektoren angeordnet ist, um die Funktionen der Detektorschnittstelle und des Multiplexierens durchzuführen. Die einem bestimmten Mikrobolometerdetektor zugeordnete Schaltung ist oft direkt unter dem Detektor im Siliziumsubstrat angeordnet und wird als die Einheitszelle bezeichnet.
Durch ein Zeitmultiplexieren von Signalen der Mikrobolometerdetektoren kann die Anzahl erforderlicher elektrischer Verbindungen beträchtlich verringert werden. 10 zeigt schematisch ein eindimensionales Multiplexierungsverfahren für ein Mikrobolometerfeld. Drei Mikrobolometerdetektoren 3 werden auf einen einzigen Spaltenverstärker 15 multiplexiert. Eine Zeilenfreigabeleitung 16 wird zum Steuern eines Adressschalters 10 in einer Einheitszelle 14 verwendet. Dies erlaubt den selektiven Anschluss der Einheitszellenbolometer an den Spaltenverstärker 12. Der durch den jeweiligen Mikrobolometerdetektor fließende Strom wird zur Integration durch den Verstärker sequenziell abgetastet. Die Reihenfolge der Sequenzierung und der Zeitraum einer jeden Abtastung wird durch die Sequenzierung und die Zeitdauer der aktiven Periode des jeweiligen Zeilenfreigabesignals bestimmt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird zu der Zeit, da jeder Detektor adressiert wird, eine gleichmäßige Vorspannung 11 an das Mikrobolometerfeld angelegt. Im Spaltenverstärkerblock 15 ist ein herkömmlicher invertierender Verstärker 12 und sein Rückkopplungselement 13 gezeigt. In einer wirklichen ROIC wären die in 10 gezeigten Adressschalter 10 als MOS oder Bipolartransistoren implementiert, und sind hier zur einfacheren Darstellung als Schalter gezeigt.
Die Multiplexierung kann durch eine Anordnung der in 10 gezeigten eindimensionalen Konfiguration in einem Feld auf eine zweite Dimension erweitert werden. Die resultierende zweidimensionale Konfiguration aus drei mal drei Elementen ist in 11 gezeigt. Das zweidimensionale Feld wird durch das Hinzufügen von Spaltenzwischenverbindungen und das Integrieren von Spaltenmultiplexierungsschaltern 18 implementiert. Die in 10 gezeigten Spaltenverstärker 15 wurden modifiziert, so dass in ihnen eine Abtastungs- und Haltestufe 12A enthalten ist, um eine zeitsimultane Abtastung des Signals in der Spaltendimension zu ermöglichen. Die Ausgangssignale aus den Abtastungs- und Haltestufen 12A werden vom Spaltenfreigabesignal 19 ausgewählt, das den Spaltenschalter 18 steuert. Eine allen Spalten gemeinsame Ausgangsleitung 17 wird zum Weiterleiten der Ausgangssignale aus den Spaltenverstärkern 15 zum Ausgang der ROIC in der Art eines Busses verwendet.
Zum Vereinfachen des Multiplexierungsvorgangs und der Systemschnittstelle enthält die ROIC digitale Logikschaltungen zum Erzeugen der zum Steuern der Zeilen- und Spaltenadressschalter erforderlichen Signale. Die 12 und 13 zeigen eine Implementierung einer Logikschaltung, die zum Erzeugen der Adressierungssignale für die Zeilen- und Spaltenadressschalter fähig ist. In jedem Fall wird eine Kette von D-Flip-Flops 21 verwendet, um ein Adressierungssignal durch die Zeilen- und Spaltenfreischaltungen zu verschieben. Der Multiplexierungsvorgang wird durch Freischalten einer Zeile und dann sequenzielles Freischalten der Spaltenauswahlen durchgeführt.
Die Adressierungssynchronisationssignale RowSync und ColumnSync (12 bzw. 13) sind Eingangssignale an die ROIC oder werden durch eine auf der ROIC angeordneten Logikschaltung erzeugt. Diese Signale werden zur Ansteuerung des Anschlusses "D" des ersten D-Flop 21 verwendet und durch einen Inverter 20 auf den Anschluss "D-bar" invertiert. Zeilen- und Spaltentakte werden zum Verschieben der Synchronisationspulse die Schieberegister hinunter verwendet. UND-Gatter 22 werden zum Dekodieren eines eindeutigen Adressierungszustands für jeden der Zeilen-Freigabe- und Spalten-Freigabe-Ausgänge verwendet.
14 zeigt die Anordnung der Komponenten zur Bereitstellung einer ROIC für ein Feld von acht mal acht Mikrobolometerdetektoren. Die Anordnung von Einheitszellen, Spaltenverstärker, ein Spaltenmultiplexer 25 und ein Zeilenmultiplexer 26 sind auf einem einzigen ROIC-Siliziumchip integriert. Das Mikrobolometerfeld ist auf der Einheitszellenanordnung konstruiert. Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Schaltungen sind noch eine Vorspannungserzeugungs- und eine Zeitabstimmungssteuerungsschaltung 24 sowie ein Ausgangsverstärker 27 vorhanden. Die ROIC stellt kritische Schnittstellen sowohl für das Mikrobolometerdetektorfeld als auch das externe System zur Verfügung.
Mikrobolometer-Ungleichmäßigkeitskorrektur
Beim Anlegen einer gleichmäßigen elektrischen Vorspannung und auftreffender Infrarotstrahlung an ein Feld von Mikrobolometerdetektoren werden Unterschiede in der Detektorantwort auftreten. Dies wird, wie oben erwähnt, allgemein als räumliche Ungleichmäßigkeit bezeichnet und rührt von der Verteilung der Werte einer Anzahl kritischer Leistungseigenschaften der Mikrobolometerdetektoren her, was sich natürlich aus dem Mikrobolometer-Herstellungsvorgang ergibt. Die Eigenschaften, die einen Anteil an der Detektorungleichmäßigkeit haben, sind zum Beispiel der Infrarotstrahlungs-Absorptionskoeffizient des Detektors, der Widerstand, der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR), die Wärmekapazität und die thermische Leitfähigkeit.
Die Stärke der Antwortungleichmäßigkeit kann wesentlich größer als die Stärke der auf der auftreffenden Infrarotstrahlung beruhenden Antwort sein. Das resultierende ROIC-Ausgangssignal ist schwierig zu verarbeiten, da es eine Systemschnittstellenelektronik erfordert, die einen sehr großen dynamischen Bereich hat. Um ein Ausgangssignal zu erzielen, das von der auf der eintreffenden Infrarotstrahlung beruhenden Antwort dominiert wird, wird eine Bearbeitung zur Korrektur der Detektorungleichmäßigkeit benötigt.
15 zeigt ein herkömmliches Verfahren zum Korrigieren von Mikrobolometerungleichmäßigkeiten. Der Einfachheit halber ist ein einziger Detektorsignalpfad gezeigt. Hier wird an alle Mikrobolometerfelddetektoren 3 eine gleichmäßige Vorspannung 11 angelegt. Der Strom aus dem Mikrobolometer wird durch die Integrationsstufe 28 integriert. Versatz-29- und Verstärkungs-30-Korrekturfunktionen sind am Ausgang der Integrationsstufe gezeigt. Bei der Versatz- und Verstärkungskorrektur handelt es sich um Additions- bzw. Multiplikationsfunktionen. Diese Funktionen werden üblicherweise zusammen als eine Zwei-Punkt-Korrektur bezeichnet. Bei der Versatz- und der Verstärkungskorrektur ist es möglich, sie als ein Teil der Integrationsstufe oder nach der Integrationsstufe auf der ROIC oder nicht auf der ROIC und entweder in analoger oder digitaler Form zu implementieren. Außerdem kann die Versatzkorrektur entweder vor oder nach der Verstärkungskorrektur durchgeführt werden.
Die 16A, 16B und 16C zeigen das herkömmliche Zwei-Punkt-Korrekturverfahren. Die Kurve in 16A zeigt die Transferfunktion für zwei Detektoren, die auf denselben optischen (infraroten) Stimulus unterschiedliche Antworten haben. Qmin und Qmax sind der maximale bzw. der minimale antizipierte Pegel der Infrarotstrahlung. Die Kurve von 16B zeigt die Anwendung der Versatzkorrektur. Bei Qmin werden für diesen Vorgang Versatzkorrekturkoeffizienten benötigt. Die Kurve von 16C zeigt die Anwendung sowohl der Versatz- als auch der Verstärkungskorrektur. Die Verstärkungskoeffizienten werden hier für eine Signalantwort zwischen Qmin und Qmax berechnet. Für Anordnungen mit linearen Signaltransferfunktionen kann dieses Verfahren zu einem hohen Grad der Korrektur führen und ein Bild erzeugen, das für das Auge gefällig ist. Da Mikrobolometerfelder jedoch gegenüber der Substrattemperatur höchst empfindlich sind, sind herkömmliche Zwei-Punkt-Korrekturverfahren nur für einen sehr kleinen Bereich von Substrattemperaturen erfolgreich.
Werte für die Verstärkungs- und Versatzkorrekturausdrücke bzw. -Koeffizienten sind für jeden Mikrobolometerdetektor spezifisch und werden während eines Kalibrierungsvorgangs erzeugt und gespeichert. Für eine konstante Substrattemperatur können zwei gleichmäßige Infrarotbeleuchtungspegel (wie zum Beispiel Qmin und Qmax) verwendet werden, um den Verstärkungs- und den Versatz-Korrekturkoeffizienten zu beschaffen. Bei einer Substrattemperatur T₁ und einem gleichmäßigen Infrarotbeleuchtungspegel Qmin können die Ausgangssignale der Detektoren zum Herleiten der Versatzkoeffizienten verwendet werden. Dann können durch Verändern der gleichmäßigen Infrarotbeleuchtung auf einen anderen Pegel Qmax, während die Substrattemperatur bei T₁ gehalten wird, die Verstärkungskoeffizienten aus den Ausgangssignalen berechnet werden.
Die auf diese Weise erzeugten Verstärkungs- und Versatzkorrekturkoeffizienten werden normalerweise in einem Korrekturkoeffizientenspeicher abgelegt. Das vom Sensor ausgegebene Signal wird in digitale Form umgewandelt und durch Verstärkungs- und Versatzvorgänge (Multiplikation bzw. Addition) bearbeitet. In den Multiplikations- und Additionsvorgängen werden Korrekturkoeffizientendaten aus dem Korrekturkoeffizientenspeicher abgerufen und auf die Ausgangsdaten angewendet.
Der Zwei-Punkt-Korrekturvorgang ist in C. G. Bethea et al. "Long Wavelength Infrared 128 × 128 Al_xGa_1-xAs/GaAs Quantum Well Infrared Camera and Imaging System", IEEE Transactions On Electron Devices, Band 40, Nr. 11, November 1993, Seiten 1957–1963, weiter beschrieben, auf deren Offenbarungsgehalt in vollem Umfang Bezug genommen wird.
Der herkömmliche Zwei-Punkt-Korrekturvorgang kann eine räumliche Ungleichmäßigkeitskorrektur unter dem theoretischen zeitlichen Rauschen der Mikrobolometerdetektoren erzielen. Dieses Korrekturverfahren ist jedoch nur für einen kleinen Bereich von Mikrobolometer-Substrattemperaturvariationen (in der Größenordnung von 0,01° Kelvin) wirksam.
Die 17A–17C sind Kurven, welche die Anzahl von Elementen in einem Mikrobolometerfeld (senkrechte Achse) zeigen, die in der Anwesenheit gleichmäßiger Eingangssignale (Vorspannung und auftreffende optische Strahlung) ein bestimmtes Ausgangssignal (waagrechte Achse) aufweisen. 17A zeigt die simulierte unkorrigierte Signalverteilung für ein Mikrobolometerteld. 17B zeigt die simulierte resultierende Verteilung nach der Anwendung einer Zwei-Punkt-Korrektur. 17C zeigt die simulierte resultierende Signalverteilung, nachdem die Mikrobolometer-Substrattemperatur verändert wurde.
Es ist daher ersichtlich, dass Mikrobolometertelder gegenüber der ROIC-Substrattemperatur sehr empfindlich sind. Veränderungen der Substrattemperatur führen bei den Ungleichmäßigkeits-Korrekturergebnissen zu beträchtlichen Fehlern. 18 zeigt die zwei-punkt-korrigierte Signalverteilung für ein Feld von Mikrobolometern in Abhängigkeit von der Substrattemperatur. Die Temperatur T₁ wurde als die Substrattemperatur für den Kalibrierungsvorgang verwendet. Für eine Substrattemperatur, die gleich T₁ ist, wurde eine fast ideale räumliche Ungleichmäßigkeitskorrekturerzielt. Je weiter sich die Substrattemperatur von T₁ weg bewegt, desto größer wird die räumliche Ungleichmäßigkeit.
19 zeigt die Ungleichmäßigkeit in Abhängigkeit vom optischen Signal für ein Mikrobolometer-ROIC-Feld, das unter der Verwendung des herkömmlichen Zwei-Punkt-Verfahrens korrigiert wurde. Die senkrechte Achse steht für den Sigma-Mittelwert des Ausgangssignals des Felds, der ein Maß für die räumliche Ungleichmäßigkeit des ROIC-Felds ist. Qmin und Qmax sind die optischen Beleuchtungspegel, die zum Erzeugen der Zwei-Punkt-Verstärkungs- und -Versatzkorrekturkoeffizienten verwendet wurden. Bei optischen Beleuchtungspegeln über Qmax oder unter Qmin wird die räumlich Ungleichmäßigkeit für den Sensor schnell schlechter. Außerdem ist zu bemerken, dass die räumliche Ungleichmäßigkeit zwischen Qmin und Qmax zwar schlechter wird, aufgrund der Nonlinearität jedoch nur in begrenztem Umfang.
Für ein Mikrobolometersensorfeld, das unter der Verwendung des herkömmlichen Zwei-Punkt-Verfahrens mit einer Substrattemperatur bei Tnominal (dem Mittelpunkt zwischen der maximalen und der minimalen zu erwartenden Temperatur) korrigiert wurde, wird die räumliche Ungleichmäßigkeit schnell schlechter, wenn sich die Substrattemperatur von Tnominal entfernt. Dieser Effekt ist in 20 gezeigt. Es sind zwei Punkte gezeigt, bei denen die räumliche Ungleichmäßigkeit an einen Minimum ist. Diese sind bei Qmin und Qmax, bei denen das Substrat bei Tnominal ist. Mit einer Veränderung der Substrattemperatur wird auch die räumliche Ungleichmäßigkeit und der Sigma-Mittelwert schnell schlechter.
Bekannte Mikrobolometer-Infrarotdetektor-Techniken einsetzende Systeme haben Kühlsysteme, Vakuumverpackungssysteme und eine komplexe Verarbeitungselektronik nötig gemacht, um die Substrattemperatur in einem sehr engen Toleranzbereich (z.B. 0,01° Kelvin) zu halten. Die zusätzlichen Kosten für diese Systeme haben die Entwicklung eines Massenmarktes billiger im Handel erhältlicher Infrarotbilderkennungssysteme behindert. Ein Mikrobolometerinfrarotdetektorfeld, das keine Hochtoleranzkühlung erforderte, hätte das Potenzial, die erste Infrarottechnik zu werden, die das Eindringen in einen Massenmark billiger im Handel erhältlicher Detektoren möglich macht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die folgende Offenbarung beschreibt eine Erfindung, die ein neues und wesentlich verbessertes Verfahren zur Durchführung einer Ungleichmäßigkeitskorrektur bei Mikrobolometer-Brennebenenfelder bereitstellt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine beträchtliche Verringerung der Komplexität und der Kosten im Zusammenhang mit der Korrektur der räumlichen Ungleichmäßigkeit der Mikrobolometerdetektoren und löst daher ein bedeutendes technisches Problem, das bisher die billige Herstellung von Mikrobolometer-Infrarotbilderkennungssystemen behindert.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt Ausführungsformen einer Schaltung, die aus einer Substrattemperatur-Kompensationsschaltung besteht, die die Fähigkeit besitzt, eine Ungleichmäßigkeitskorrektur für einen Bereich von Substrattemperaturen über 0,1° Kelvin durchzuführen (im Stand der Technik war der Bereich zwischen 0,005 und 0,025° Kelvin).
Die erste offenbarte Ausführungsform ist eine Schaltung, die einen üblichen Gate-Verstärker mit einer substrattemperaturkompensierten Last aufweist. Diese Schaltung liefert eine Substrattemperaturkompensation für die Lastimpedanz und den Versatzstrom. Das Mikrobolometerfeld wird von einem Vorspannungsgenerator und dem Source-Potential des Gate-Verstärkers gleichmäßig vorgespannt. Ein zweiter Vorspannungsgenerator liefert die Gate-Vorspannung des Gate-Verstärkers. Ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer wird als Last für die Schaltung verwendet. Eine Lastvorspannung kann zum Optimieren des Arbeitspunkts für die Schaltung verwendet werden. Ein zweiter Verstärker wird zum Verstärken des Signalpegels an dem den Lastwiderstand und den Drain des Gate-Verstärkers verbindenden Knoten verwendet. Als ein Ergebnis der bei der vorliegenden Schaltung vorgesehenen Substrattemperaturkompensation wird der Bereich der Substrattemperaturveränderung, der möglich ist, während die zwei-punkt-korrigierte Ungleichmäßigkeitssignal-Verteilung unter dem Pegel des zeitlichen Rauschens des Mikrobolometers gehalten wird, um mehr als eine Größenordnung gegenüber Schaltungen erhöht, die nicht kompensiert sind.
Anspruch 1 definiert die Hauptausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Zusätzliche Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die 1A, 1B und 1C sind Illustrationen von Mikrobolometersymbolen.
2 ist eine Darstellung eines Verfahrens zum Messen des Mikrobolometerwiderstands mit einer angelegten Spannung.
3 ist eine Darstellung eines Verfahrens zum Messen des Mikrobolometerwiderstands mit einem angelegten Strom.
4 ist eine Darstellung eines Verfahrens zum Messen des Mikrobolometerwiderstands mit einem Lastwiderstand.
5 ist ein Schaltplan einer Brückenkonfiguration unter der Verwendung eines abgeschirmten Mikrobolometers zum Messen des Mikrobolometerwiderstands.
6 ist ein Schaltplan eines einzelnen Mikrobolometers mit zwei Klemmenzwischenverbindungen.
7 ist eine perspektivische Darstellung eines einzelnen Mikrobolometerdetekors.
8 ist ein Schaltplan eines Felds von drei mal drei Bolometern mit zwei Klemmen, wobei neun positive und negative Zwischenverbindungen gezeigt sind.
9 ist eine Darstellung eines Felds von drei mal drei Mikrobolometern mit zwei Klemmen, die neun positive und neun negative Zwischenverbindungen erforderlich macht.
10 ist ein Schaltplan eines eindimensionalen Multiplexers mit drei Detektoren.
11 ist ein Schaltplan eines zweidimensionalen Felds von Mikrobolometern und einer zugeordneten Adressierungs-Vorspannungs- und Verstärkungsschaltung.
12 ist ein Schaltplan, der zum Adressieren der Zeilenfreigabetransistoren verwendeten Logik.
13 ist ein Schaltplan, der zum Adressieren der Spaltenfreigabe-Auswahltransistoren verwendeten Logik.
14 ist eine Darstellung einer ROIC für Bolometer.
15 ist ein Schaltplan für den herkömmlichen Zwei-Punkt-Verstärkungs- und -Versatz-Korrekturvorgang für die Korrektur einer Ungleichmäßigkeit von Mikrobolometern.
Die 16A, 16B und 16C zeigen einen herkömmlichen Zwei-Punkt-Korrekturvorgang unter der Verwendung analoger oder digitaler Korrekturverfahren.
Die 17A, 17B und 17C sind Darstellungen der simulierten Korrekturvorgangsergebnisse und der Substrattemperaturempfindlichkeit für eine gleichmäßige angelegte Mikrobolometervorspannung.
18 ist eine Darstellung des Korrekturvorgangs der Temperaturstabilität für eine gleichmäßige angelegte Mikrobolometervorspannung.
19 zeigt die Ergebnisse der bei einer konstanten Substrattemperatur, die gleich Tnominal ist, auf die ROIC angewendeten Zwei-Punkt-Korrektur.
20 ist eine Darstellung einer Substratgleichförmigkeitsstabilität in Abhängigkeit von der Temperatur um die Kalibrierungstemperatur Tnominal herum.
21 ist ein Schaltplan eines Gate-Verstärkers, der eine thermisch kurzgeschlossene Mikrobolometerlast zum Vorsehen einer Substrattemperaturkompensation aufweist.
22 ist ein Schaltplan eines Gate-Verstärkers mit einer substrattemperaturkompensierten Lastschaltung unter der Verwendung einer Versorgungsseite des Mikrobolometer-Zeilen-Freigabe-Auswahltransistors.
23 ist ein Schaltplan eines Gate-Verstärkers mit einer substrattemperaturkompensierten Lastschaltung unter der Verwendung der Gate-Verstärkerseite des Mikrobolometer-Zeilen-Freigabe-Auswahltransistors.
24 ist ein Schaltplan eines Transimpedanzverstärkers mit einem substrattemperaturkompensierten Versatz.
Die 25A, 25B und 25C sind Darstellungen der Korrekturvorgangsergebnisse und der Substrattemperaturempfindlichkeit für eine gleichmäßige angelegte Mikrobolometervorspannung unter der Verwendung von substrattemperaturkompensierten Schaltungskonfigurationen.
26 ist ein Schaltplan eines vorspannungskorrigierten Mikrobolometers mit einer Zwei-Punkt-Versatz-Ungleichmäßigkeitskorrektur.
27 ist ein Schaltplan eines vor-vorspannungskorrigierten Mikrobolometers mit einer Zwei-Punkt-Verstärkungs- und -Versatz-Ungleichmäßigkeitskorrektur.
Die 28A, 28B und 28C sind Darstellungen der Korrekturvorgangsergebnisse und der Temperaturempfindlichkeit für ein vorspannungs- oder vor-vorspannungskorrigiertes Mikrobolometerdetektorfeld.
29 ist ein Schaltplan für einen mikrobolometervorspannungskorrigierten Gate-Verstärker mit einer temperaturkompensierten Last unter der Verwendung einer Gateeinstellung der Mikrobolometervorspannung.
30 ist ein Schaltplan eines mikrobolometervorspannungskorrigierten Gate-Verstärkers mit einer temperaturkompensierten Last unter der Verwendung einer Versorgungseinstellung der Mikrobolometervorspannung.
31 ist ein Schaltplan eines vorspannungskorrigierten Mikrobolometer Gate-Verstärkers mit einer temperaturkompensierten Last unter der Verwendung einer Spannungsteilerversorgungseinstellung der Mikrobolometervorspannung.
32 ist ein Schaltplan eines mikrobolometervorspannungskorrigierten Transimpedanzverstärkers mit einem substrattemperaturkompensierten Versatz unter der Verwendung einer Gate-Einstellung der Mikrobolometervorspannung.
33 ist eine bevorzugte Schaltungsimplementierung des oben in 32 gezeigten Spaltenverstärkers.
34 ist ein Schaltplan eines mikrobolometervorspannungskorrigierten Transimpedanzverstärkers mit einem substrattemperaturkompensierten Versatz unter der Verwendung einer Versorgungseinstellung der Mikrobolometervorspannung.
35 ist ein Schaltplan eines mikrobolometervorspannungskorrigierten Transimpedanzverstärkers mit einem substrattemperaturkompensierten Versatz unter der Verwendung einer Spannungsteilerversorgungseinstellung der Mikrobolometervorspannung.
36 ist ein Schaltplan eines eindimensionalen Multiplexers mit drei Detektoren, welche die Anwendung des Vorspannungskorrekturverfahrens an der Detektorvorspannungsversorgung zeigen.
37 ist ein Schaltplan eines Multiplexers für ein zweidimensionales Feld aus drei mal drei Detektoren, wobei die Anwendung des Vorspannungskorrekturverfahrens am Spaltenverstärkereingang gezeigt ist.
38 ist ein Schaltplan eines Multiplexers für ein zweidimensionales Feld aus drei mal drei Detektoren, wobei die Anwendung des Vorspannungskorrekturverfahrens am Referenzpotential für jeden Spaltenverstärkereingang gezeigt ist.
39 ist ein Schaltplan eines Multiplexers für ein zweidimensionales Feld von drei mal drei Detektoren, wobei die Anwendung des Vorspannungskorrekturverfahrens an der Detektorvorspannungsversorgung für jede Spalte gezeigt ist.
40 ist eine Darstellung der Vorspannungskorrektur-Schaltungskomponenten.
41 ist ein Schaltplan der Funktionselemente für den Vorspannungskompensations-Schaltungsblock.
42 ist eine Darstellung der Zeitabstimmung für den Korrektur-Daten-Lastvorgang unter der Verwendung eines Digital-Analog-Wandlers (DAC).
43 ist eine Darstellung der Zeitabstimmung für den ROIC-Daten-Lastvorgang.
44 ist eine Darstellung einer Mikrobolometer-ROIC mit einer Vorspannungskorrekturschaltung und Schnittstellensystemelektronik.
Die 45A, 45B, 45C und 45D zeigen einen vorspannungskorrigierten Zwei-Punkt-Verstärkungs-Kompensationsvorgang unter der Verwendung von Zwölf-Bit-Koeffizienten.
46 ist ein Blockdiagramm eines vorspannungskorrigierten Drei-Punkt-Ungleichmäßigkeits-Kompensationsverfahrens.
Die 47A und 47B zeigen das vorspannungskorrigierte Drei-Punkt-Ungleichmäßigkeits-Kompensationsverfahren.
47A zeigt zwei Detektor-Transferfunktionen vor der Kompensation. 47B zeigt die mittlere Verstärkung bei den Substrattemperaturen Tmin und Tmax.
Die 48A und 48B sind eine Darstellung des vorspannungskorrigierten Drei-Punkt-Ungleichmäßigkeits-Kompensationsverfahrens. 48A zeigt zwei Detektortransferfunktionen nach der Vorspannungskorrekturkompensation. 48B zeigt die beiden Detektoren nach der Vorspannungskorrekturkompensation und der herkömmlichen Verstärkungs- und Versatzbearbeitung.
49 ist eine Darstellung der resultierenden räumlichen Ungleichmäßigkeit für eine vorspannungskorrigierte Drei-Punkt-Kalibrierung.
Die 50A und 50B zeigen ein Flussdiagramm für die vorspannungskompensierte Verstärkungs-Zwei-Punkt-Korrektur-Koeffizienten-Erzeugung.
Die 51A und 51B zeigen ein Flussdiagramm für die vorspannungskorrigierte drei-punkt-kompensierte Verstärkungs-Verhältnis-Korrektur-Koeffizienten-Erzeugung.
52 ist ein Schaltplan für eine Schaltung zum Durchführen einer auf dem ROIC durchgeführten Substrattemperatursteuerung.
53 ist ein Schaltplan für ein Mikrobolometer-Brennebenenfeld mit einer auf der ROIC integrierten thermischen Steuerungsschaltung.
54 ist ein Schaltplan einer Schaltung zum Anlegen einer einstellbaren Lastvorspannung an das thermisch kurzgeschlossene Mikrobolometer zum Vorsehen eines einstellbaren Spannungsversatzes.
55 ist ein Schaltplan einer Schaltung zum Anwenden einer einstellbaren Vorspannung an einem Transistor, der mit dem thermisch kurzgeschlossenen Mikrobolometer in Reihe geschaltet ist, um einen einstellbaren Stromstärkenversatz vorzusehen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der erste Abschnitt der vorliegenden detaillierten Beschreibung bezieht sich auf Schaltungsausführungsformen, die Substrattemperatur-Kompensationsschaltungen enthalten und die Fähigkeit ermöglichen, für einen Bereich von Substrattemperaturen über 0,1° Kelvin eine Ungleichmäßigkeitskorrektur durchzuführen.
Der zweite Abschnitt der vorliegenden detaillierten Beschreibung bezieht sich auf Beispiele von Verfahren, durch die an ein Mikrobolometerteld eine ungleichmäßige Vorspannung angelegt wird, wodurch die Fähigkeit ermöglicht wird, für einen Bereich von Substrattemperaturen über 10° Kelvin eine Ungleichmäßigkeitskorrektur durchzuführen.
Der dritte Abschnitt der vorliegenden detaillierten Beschreibung bezieht sich auf Beispiele von Schaltungen, die an ein Mikrobolometerteld eine nicht gleichmäßige Vorspannung anlegen und Substrattemperatur-Kompensationsschaltungen enthalten, wodurch die Fähigkeit ermöglicht wird, für einen Bereich von Substrattemperaturen über 10° Kelvin eine Ungleichmäßigkeitskorrektur durchzuführen.
Der vierte Abschnitt der vorliegenden detaillierten Beschreibung bezieht sich auf ein Beispiel von Schaltungen zur Durchführung einer auf der ROIC durchgeführten Substrattemperaturregelung für Mikrobolometer-Infrarot-Brennebenenfelder.
Der fünfte Abschnitt der vorliegenden detaillierten Beschreibung bezieht sich auf ein Beispiel von auf der ROIC befindlichen Schaltungen zur Korrektur des Versatzes des Spannungs- oder Strom-Ausgangssignals eines jeden Mikrobolometerdetektors im Feld.
I. Ausführungsformen von Schaltungen, die eine Substrattemperatur-Kompensationsschaltung enthalten.
Die erste offenbarte Schaltung weist einen Gate-Verstärker mit einer substrattemperaturkompensierten Last, wie in 21 gezeigt, auf. Diese Schaltung sieht eine Substrattemperaturkompensation für die Lastimpedanz und den Versatzstrom vor. Ein thermisch isoliertes Detektormikrobolometer 3 wird durch einen Vorspannungsgenerator 11 und das Source-Potential eines Gate-Verstärkers oder MOSFET 31 gleichmäßig vorgespannt. Ein zweiter Vorspannungsgenerator 33 liefert die Gate-Vorspannung für den Gate-Verstärker 31. Ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer 2 wird als eine substrattemperaturkompensierte Last für die Schaltung verwendet. Die Vorspannung Vload wird zum Optimieren des Arbeitspunktes für die Schaltung durch Einstellen von Vout an einem gewünschten Punkt innerhalb eines Bereichs von Ausgangsspannungen eingestellt. Ein zweiter Verstärker 32 wird zum Verstärken des Signalpegels an dem den Lastwiderstand (Mikrobolometer 2) und den Drain des Gate-Verstärkers 31 verbindenden Knoten verwendet. Der gezeigte Gate-Verstärker 31 ist ein PMOS-Transistor; es ist jedoch auch möglich, hierfür einen NMOS-Transistor zu verwenden.
Um diese Schaltung in einer in einem Feld angeordneten Konfiguration zu implementieren, wird, wie in den 10 und 11 gezeigt, ein Teil der Schaltung in der Einheitszelle und ein Teil im Spaltenverstärker angeordnet. Außerdem wird ein Auswahltransistor benötigt, um die Zeilenadressierung zum Multiplexieren zu unterstützen. 22 zeigt eine Anordnung eines Auswahltransistors 10 auf der Versorgungsseite des Mikrobolometers 3. 23 zeigt eine Anordnung des Auswahltransistors 10 auf der Seite des Gate-Verstärkers des Mikrobolometers 3. Für diese Schaltungen wird der Auswahltransistor 10 und das Mikrobolometer 3 in der Einheitszelle angeordnet. Der Gate-Verstärker 31, das Mikrobolometer 2 und der Verstärker 32 sind im Spaltenverstärker angeordnet.
Die auftreffende Strahlung 1 erwärmt das Mikrobolometer 3, was den Widerstand des Mikrobolometers 3 verringert. Während des Vorspannungs-Integrationszeitraums wird der Strom durch das Mikrobolometer 3 durch die an das Mikrobolometer 3 anliegende Spannung und seinen Widerstand bestimmt. Die am Mikrobolometer 3 anliegende Spannung ist gleich der Differenz zwischen der Spannung des Vorspannungsgenerators 11 und dem Source-Potential des Gate-Verstärkers 31. Höhere Pegel der auftreffenden Strahlung 1 verursachen, dass die Temperatur des Mikrobolometers 3 ansteigt und der Widerstand des Mikrobolometers 3 fällt, weshalb ein größerer Strom durch die Source des Gate-Verstärkers 31 fließt. Da der Source- und der Drain-Strom des Gate-Verstärkers 31 ungefähr gleich sind, fließt auch derselbe Strom durch das thermisch kurzgeschlossene Mikrobolometer 2. Die am Mikrobolometer 2 anliegende Spannung wird durch den Spannungsverstärker 32 verstärkt. Erhöhte Pegel auftreffender Strahlung 1 führen daher zu einem höheren durch das Mikrobolometer 2 fließenden Strom und einer höheren an ihm anliegende Spannung, und diese Spannungsänderung wird durch den Spannungsverstärker 32 verstärkt, um die Ausgangsspannung Vout zu erzeugen.
Die in 21 gezeigte Schaltung hat aufgrund der Temperaturnachverfolgung zwischen dem Mikrobolometer 3 und dem thermisch kurzgeschlossenen Mikrobolometer 2 eine begrenzte Antwort auf Veränderungen der Substrattemperatur. Bis zur ersten Ordnung verfolgen das Mikrobolometer 3 und das thermisch kurzgeschlossene Mikrobolometer 2 Veränderungen der Substrattemperatur. Da durch die Mikrobolometer 2 und 3 im Wesentlichen derselbe Strom fließt und der Widerstand der Mikrobolometer 2 und 3 die Substrattemperaturveränderungen nachverfolgt, verändern sich die entsprechenden an den Mikrobolometern 2 und 3 anliegenden Spannungen nicht merklich mit Veränderungen der Substrattemperatur.
Die Vorspannung Vload wird zum Verändern der am thermisch kurzgeschlossenen Mikrobolometer 2 anliegenden Spannung und daher zum Einstellen des Potentials am Eingang des Spannungsverstärkers 32 verwendet. Auf diese Art und Weise wird der Arbeitspunkt des Spannungsverstäkers 32 eingestellt.
Die in den 21–23 gezeigten Schaltungen haben den Vorteil, dass die Substrattemperaturfluktuationen durch die Last bis zur ersten Ordnung kompensiert werden. Dies liegt daran, dass die Temperatur (und daher die Widerstände) des aktiven Bolometers 3 und des thermisch kurzgeschlossenen Mikrobolometers 2 beide Veränderungen der Substrattemperatur nachverfolgen. Ein zweiter Vorteil dieser Schaltungen besteht darin, dass die Signalverstärkung am Eingang des Verstärkers 32 dadurch eingestellt werden kann, dass der Widerstandswert des Lastmikrobolometers 2 auf ein gewünschtes Verhältnis zum aktiven Detektormikrobolometer 3 eingestellt wird. Und der zweite Vorspannungsgenerator 33 wird zum Ansteuern des Gates des Gate-Verstärkers 31 verwendet, um für das Mikrobolometer 3 eine variable Vorspannung vorzusehen.
Eine zweite Mikrobolometerverstärkerschaltung, die einen Transimpedanzverstärker mit einem substrattemperaturkompensierten Versatz aufweist, ist in 24 gezeigt. Hierbei wird Strom vom thermisch isolierten Detektormikrobolometer 3 vom Verstärker 34 verstärkt und durch die kapazitive Rückkopplungsschaltung 35 integriert, die zusammen einen Transimpedanzverstärker 34A bilden. Ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer 2 wird zum Liefern eines substrattemperaturkompensierten Versatzstroms für die Schaltung verwendet. Das Mikrobolometer 3 reagiert, wie oben beschrieben, auf Veränderungen der auftreffenden Strahlung 1. In diesem Fall fließt jedoch der Drain-Strom des Gate-Verstärkers 31 in den invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers 34A. Die am thermisch kurzgeschlossenen Mikrobolometer 2 anliegende Spannung erzeugt einen zweiten Strom, der aus dem invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers 34A herausfließt. Der Transimpedanzverstärker 34A erzeugt eine Ausgangsspannung, die von der Differenz zwischen diesen beiden Strömen abhängt.
Ein erhöhter Pegel der Strahlung 1 erzeugt einen stärkeren durch den Gate-Verstärker 31 und in den invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers 34A fließenden Strom. Da die Impedanz am invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers niedrig ist, bleibt die am thermisch kurzgeschlossenen Mikrobolometer 2 anliegende Spannung von der Veränderung des vom Mikrobolometer 3 und vom Gate-Verstärker 31 kommenden Stroms unberührt. In ähnlicher Weise bleibt der durch das Mikrobolometer 2 fließende Strom bis zur ersten Ordnung von der Veränderung des vom Mikrobolometer 3 und vom Gate-Verstärker 31 kommenden Stroms unberührt. Da der durch das thermisch kurzgeschlossene Mikrobolometer 2 fließende Strom derselbe ist wie der aus dem invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers 34A fließende Strom, hängt der Differenzstrom am invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers nur von Veränderungen des durch das Mikrobolometer 3 fließenden Stroms ab.
Da, wie oben beschrieben, die Widerstände der Mikrobolometer 2 und 3 Veränderungen der Substrattemperatur nachverfolgen und die an den Mikrobolometern 2 und 3 anliegenden Spannungen konstant sind, führen Veränderungen der Substrattemperatur zu keiner Nettoveränderung des Differenzstroms am invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers 34A.
Die Vorspannung Vload wird zum Einstellen des vom Mikrobolometer 2 kommenden Versatzstroms verwendet und kann zum Einstellen des Arbeitspunkts des Transimpedanzverstärkers 34A eingesetzt werden.
Wie in den in den 22 und 23 gezeigten Schaltungen können die Zeilenauswahltransistoren in der Einheitszelle entweder auf der einen oder der anderen Seite des Detektormikrobolometers 3 angeordnet sein. Und der zweite Vorspannungsgenerator 33 wird zum Ansteuern des Gates des Gate-Verstärkers 31 verwendet, um für das Mikrobolometer 3 eine variable Vorspannung vorzusehen.
Die 25A, 25B und 25C zeigen die Ergebnisse einer Durchführung einer Zwei-Punkt-Korrektur unter der Verwendung der in den 21–24 gezeigten substrattemperaturkompensierten Schaltungen. Die 25A–25C entsprechen den jeweiligen 17A–17C. Wie in den 17A–17C wird die Ungleichmäßigkeitsverteilung unter der Verwendung eines Zwei-Punkt-Verstärkungs- und -Versatz-Korrekturalgorithmus korrigiert. Dann wird die Temperatur des Substrats geändert, und es erhöht sich, wie in 25C gezeigt, die räumliche Ungleichmäßigkeit schnell. Dennoch wird aufgrund der Substrattemperaturkompensation bei diesen Schaltungen der Bereich der Substrattemperaturveränderung, die unter einer Beibehaltung der zwei-punkt-korrigierten Ungleichmäßigkeitssignalverteilung unterhalb des temporalen Rauschpegels des Mikrobolometers möglich ist, um mehr als eine Größenordnung im Vergleich zu Schaltungen, bei denen keine Kompensation durchgeführt wird, erhöht.
II. Beispiele von Verfahren, die an ein Mikrobolometerfeld eine ungleichmäßige Vorspannung anlegen
Bei den bisher erörterten Schaltungen wird an das Mikrobolometerfeld eine gleichmäßige Vorspannung angelegt. Bei diesen Schaltungen werden alle Detektoren im Feld unter der Verwendung eines einzigen Vorspannungs-Versorgungswerts vorgespannt. Während des Vorspannungszeitraums erhöht sich die Temperatur eines Mikrobolometerdetektors beträchtlich für kurze Arbeitszyklen, da: Trise = Pbias·Time/ThermalMasswobei Pbias die elektrische Eingangsleistung zum Erzeugen eines Detektorausgangssignals, Time der Vorspannungszeitraum und ThermalMass die Wärmeenergie ist, die zum Erwärmen des Mikrobolometerdetektors um ein Grad Kelvin benötigt wird.
Zum Maximieren des Signal-Rausch-Verhältnisses beim Detektor muss das Frequenzband des Signals begrenzt werden. Das am häufigsten verwendete und effektivste Verfahren der Bandbegrenzung ist eine Signalintegration über den Vorspannungszeitraum. Der Widerstand des Mikrobolometers ändert sich während des Vorspannungszeitraums aufgrund der Temperaturveränderung des Mikrobolometerdetektors. Der Integrationsvorgang hat einen Durchschnitt der Antwort während dieses Zeitraums zum Ergebnis, um einen einzigen integrierten Wert zu erhalten.
Der Mikrobolometerdetektorwiderstand, Rdet(T), kann wie folgt modelliert werden: Rdet(T) = Ro·exp(alpha·To2·(To–1 – T–1))wobei Ro der Mikrobolometerwiderstand bei einer Standardtemperatur To (üblicherweise 300 Grad Kelvin), alpha der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) bei To und T die Substrattemperatur ist.
Der integrierte Strom (die Ladung), der über einen Integrations-/Vorspannungs(Vbias)-Zeitraum Tint bei einer festen Vorspannung fließt, ist dann:
Ähnliche Ausdrücke können für eine Stromvorspannung oder für eine resistive Vorspannung mit einer Integration der Ausgangsspannung abgeleitet werden.
Wenn in einem nicht gleichmäßigen Mikrobolometerfeld an alle Detektoren eine gleichmäßige Vorspannung angelegt wird, dann ändert sich das Verhältnis der Antwort ihrer integrierten Ausgangssignale zum optischen Signal auch über einen kleinen Bereich der Substrattemperatur beträchtlich. Erfindungsgemäß werden an die Mikrobolometerfelddetektoren jeweils eigene Kompensationsvorspannungen angelegt. Es werden zwei Verfahren beschrieben, um dies zu bewerkstelligen.
A. Vorspannungskorrekturverfahren
Gemäß dem Vorspannungskorrekturverfahren wird während des Integrationszeitraums zum Unterstützen der Gleichmäßigkeitskorrektur an jeden Detektor eine eigene Vorspannungsamplitude angelegt.
Das Vorspannungskorrekturverfahren kann als eine Vorspannung in Form einer einstellbaren Spannung, eines Stroms oder einer Last implementiert werden, die während des Integrationszeitraums (des Messzeitraums) an die Mikrobolometerdetektoren angelegt wird. 26 zeigt konzeptuell eine Implementierung des Vorspannungskorrekturverfahrens unter der Verwendung einer einstellbaren Spannung. Hier wird der Vorspannungskorrekturwert unter der Verwendung einer einstellbaren Spannungsquelle 36 während des Integrationszeitraums des Mikrobolometerdetektors angelegt. Der Vorspannungskorrekturwert wird durch das Ausgangssignal eines (nicht gezeigten) Digital-Analog-Wandlers (DAC) gesteuert. Die einstellbare Bolometervorspannung kann zum Korrigieren der optischen Verstärkung des Signals für ein gleichmäßiges Ausgangssignal bei einer bestimmten Substrattemperatur im Zusammenhang mit einer Einzel-Punkt-Versatzkorrektur 30 zum Entfernen verbleibender fester Versätze verwendet werden.
Eine Ungleichmäßigkeitskorrektur kann über einen sehr großen Bereich der Substrattemperaturen erzielt werden, wenn das Vorspannungskorrekturverfahren zum Vorspannen der Mikrobolometerdetektorfelder derart eingesetzt wird, dass das Verhältnis der Antwort der einzelnen integrierten Mikrobolometerausgangssignale zur mittleren optischen Signalantwort des Felds bei Veränderungen der Substrattemperatur fast konstant bleibt. Nachdem das Vorspannungskorrekturverfahren angewendet wurde, wird eine standardmäßige Zwei-Punkt-Verstärkungs-29 und -Versatz-30-Ungleichmäßigkeitskorrektur verwendet. Bei diesem Verfahren wird die Vorspannungskorrektur vor dem Integrationsvorgang auf der ROIC durchgeführt.
B. Vor-Vorspannungs-Korrekturverfahren
Gemäß dem Vor-Vorspannungs-Korrekturverfahren wird während eines ausgewählten Zeitintervalls vor dem Integrationszeitraum zum Unterstützen einer Gleichmäßigkeitskorrektur an jeden Detektor eine eigene Vorspannungsamplitude angelegt.
Das Vor-Vorspannungs-Korrekturverfahren kann unter der Verwendung einer einstellbaren Spannung, eines einstellbaren Stroms oder einer einstellbaren Last implementiert werden, die vor dem Integrationszeitraum an die Mikrobolometerdetektoren angelegt wird. 27 zeigt konzeptuell eine Implementierung des Vorspannungskorrekturverfahrens unter der Verwendung einer einstellbaren Spannung. Hier wird der Vor-Vorspannungs-Korrekturwert 36 während eines spezifischen Zeitintervalls (der "Vor-Vorspannungsperiode") vor dem Integrationszeitraum über den Schalter 37 an den Mikrobolometerdetektor angelegt. Während der Vor-Vorspannungsperiode ist der Schalter 37 geschlossen und der Schalter 10 offen. Während des Integrationszeitraums werden die Zustände der Schalter umgekehrt.
Während des Integrationszeitraums wird an alle Mikrobolometerdetektoren eine gleichförmige Vorspannung 11 angelegt. Zur Entfernung verbleibender fester Versätze kann die einstellbare Bolometer-Vor-Vorspannung zum Korrigieren der optischen Verstärkung des Signals für ein gleichmäßiges Ausgangssignal bei einer bestimmten Substrattemperatur im Zusammenhang mit einer Einzel-Punkt-Versatzkorrektur 30 verwendet werden.
Eine Ungleichmäßigkeitskorrektur kann über einen sehr großen Bereich von Substrattemperaturen erzielt werden, wenn das Vor-Vorspannungs-Korrekturverfahren zum Vor-Vorspannen des Mikrobolometerdetektorfelds verwendet wird, so dass das Verhältnis der Antwort der einzelnen integrierten Mikrobolometer-Ausgangssignale zur mittleren optischen Signalantwort des Felds bei Veränderungen der Substrattemperatur fast konstant bleibt. Die Vor-Vorspannung verringert oder erhöht das Ausgangssignal des integrierenden Verstärkers 28 um einen ausgewählten Wert. Nachdem das Vor-Vorspannungs-Korrekturverfahren angewendet wurde, wird eine standardmäßige Zwei-Punkt-Verstärkungs-29 und -Versatz-30-Ungleichmäßigkeitskorrektur verwendet. Die Vor-Vorspannungskorrektur muss vor dem Integrationsvorgang auf der ROIC durchgeführt werden.
Die Anwendung des Vorspannungs- bzw. Vor-Vorspannungs-Korrekturverfahrens, gefolgt von der herkömmlichen Zwei-Punkt-Verstärkungs- und -Versatz-Korrektur ermöglicht eine hervorragende Ungleichmäßigkeitskorrektur über einen viel größeren Bereich von Substrattemperaturen, als das bisher möglich war. Beide Korrekturverfahren führen zu einer Verringerung der Substrattemperaturempfindlichkeit, die um zwei bis drei Größenordnungen besser als bisherige Korrekturverfahren ist. Die 28A, 28B und 28C stellen die simulierte verringerte Empfindlichkeit gegenüber Substrattemperaturveränderungen für das Vorspannungs- bzw. das Vor-Vorspannungs-Korrekturverfahren dar. 28A zeigt die Signalverteilung vor einer Korrektur, 28B zeigt die Signalverteilung nach einer Zwei-Punkt-Korrektur und 28C zeigt die Signalverteilung nach den Korrekturverfahren Zwei-Punkt und Vorspannung oder Vor-Vorspannung.
Die Anwendung von Korrekturkoeffizienten auf zwei Schaltungsimplementierungen für das Vorspannungs-Korrekturverfahren
Es folgt eine Beschreibung der spezifischen Implementierung von zwei Möglichkeiten der Schaltungskonstruktion unter der Verwendung des Vorspannungs-Korrekturverfahrens für Mikrobolometer-Infrarotdetektoren: Der mikrobolometer-vorspannungs-korrigierte Gate-Verstärker mit einer temperaturkompensierten Last und der mikrobolometer-vorspannungskorrigierte Transimpedanzverstärker mit einem Substrat substrattemperaturkompensierten Versatz. Für jede Möglichkeit der Schaltungskonstruktion sind drei Versionen für die Anordnung und Implementierung der Vorspannungskorrekturschaltungen gezeigt.
Der Einfachheit halber sind die folgenden Schaltpläne jeweils ohne Darstellung des Zeilenauswahltransistors gezeigt. Wie bei der temperaturkompensierten Gate-Lastschaltung (22 und 23), können die Zeilenauswahltransistoren in der Einheitszelle entweder auf der einen oder auf der anderen Seite des Mikrobolometerdetektors angeordnet werden.
Mikrobolometer-vorspannungskorrigierter Gate-Verstärker mit temperaturkompensierter Last
Der mikrobolometer-vorspannungskorrigierte Gate-Verstärker mit temperaturkompensierter Last sieht eine Substrattemperaturkompensation für die Lastimpedanz und den Versatzstrom sowie eine Vorspannungskorrektur für den Mikrobolometerdetektor vor. Es werden drei Implementierungen für den Vorspannungskorrekturteil dieser Schaltung beschrieben.
29 zeigt einen Schaltplan einer Schaltung für den mikrobolometervorspannungskorrigierten Gate-Verstärker mit temperaturkompensierter Last unter der Verwendung einer Gate-Einstellungskonfiguration zum Variieren der Mikrobolometervorspannung. (Hierbei ist zu bemerken, dass 29 mit 21 identisch ist, außer dass ein DAC 36 anstelle der Vorspannungsquelle 33 eingesetzt wird.) Das Mikrobolometer 3 wird durch die Spannungsquelle 11 und das Source-Potential des Gate-Verstärkers 31 vorgespannt. Ein Digital-Analog-Wandler (DAC) 36 wird zum Ansteuern des Gates des Gate-Verstärkers verwendet, um für das Mikrobolometer 3 eine variable Vorspannung vorzusehen. Ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer 2 wird durch Vload vorgespannt und wird als eine Last für die Schaltung verwendet. Ein zweiter Verstärker 32 wird zum Verstärken des Signals am Knoten zwischen dem Mikrobolometer 2 und dem Drain des Gate-Verstärkers 31 verwendet.
30 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Schaltung für den mikrobolometer-vorspannungskorrigierten Gate-Verstärker mit temperaturkompensierter Last unter der Verwendung einer Versorgungseinstellungskonfiguration zum Variieren der Mikrobolometervorspannung. Das Mikrobolometer 3 wird durch den DAC 36 und das Source-Potential des Gate-Verstärkers 31 vorgespannt. Eine unveränderliche Spannungsquelle wird zum Ansteuern des Gates des Gate-Verstärkers verwendet. Der DAC liefert eine variable Vorspannung für das Mikrobolometer 3 mit einer Eingabe von n Bits für die Verstärkungskorrektur. Ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer 2 wird durch Vload vorgespannt und wird als eine Last für die Schaltung verwendet. Ein zweiter Verstärker 32 wird zum Verstärken des Signals am Knoten zwischen dem Mikrobolometer 2 und dem Drain des Gate-Verstärkers 31 verwendet.
31 zeigt einen Schaltplan noch einer weiteren Schaltung für den mikrobolometer-vorspannungskorrigierten Gate-Verstärker mit temperaturkompensierter Last unter der Verwendung eines Spannungsteilers und eines DAC 36 zum Einstellen der Mikrobolometervorspannung. Das Mikrobolometer 3 ist durch den Spannungsteiler, der durch die Widerstände 6 und 7 gebildet und vom DAC 36 angesteuert wird, sowie durch das Source-Potential des Gate-Verstärkers 31 vorgespannt. Eine unveränderliche Spannungsquelle 33 wird zum Ansteuern des Gates des Gate-Verstärkers 31 verwendet. Der DAC 36 liefert eine variable Vorspannung für den Mikrobolometerdetektor. Ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer 2 wird als eine Last für die Schaltung verwendet. Ein zweiter Verstärker 32 wird zum Verstärken des Signals am Knoten zwischen dem Mikrobolometer 2 und dem Drain des Gate-Verstärkers 31 verwendet.
Mikrobolometer-vorspannungskorrigierter Transimpedanzverstärker mit substrattemperaturkompensiertem Versatz
Der mikrobolometer-vorspannungskorrigierte Transimpedanzverstärker mit substrattemperaturkompensiertem Versatz liefert eine Substrattemperaturkompensation für den Versatzstrom sowie eine Vorspannungskorrektur für den Mikrobolometerdetektor. Es werden drei Implementierungen für den Vorspannungskorrekturteil dieser Schaltung beschrieben.
32 zeigt einen Schaltplan einer Schaltung für den mikrobolometervorspannungskorrigierten Transimpedanzverstärker mit substrattemperaturkompensiertem Versatz unter der Verwendung einer Gate-Einstellungskonfiguration zum Variieren der Mikrobolometervorspannung. (Es ist zu bemerken, dass 32 mit der 22 identisch ist, außer dass hier ein DAC 36 anstelle der Vorspannungsquelle 33 verwendet wird.) Das Mikrobolometer 3 wird durch die Spannungsquelle 11 und das Sourcepotential des Gate-Verstärkers 31 vorgespannt. Ein DAC 36 wird zum Ansteuern des Gates des Gate-Verstärkers verwendet, um für den Mikrobolometerdetektor eine variable Vorspannung vorzusehen. Ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer 2 wird zum Erzeugen eines kompensierten Versatzstroms für die Schaltung eingesetzt. Ein Transimpedanzverstärker mit einem Verstärker 34 und einer Rückkopplungsschaltung 35 wird zum Verstärken und Integrieren des Signals am Knoten zwischen dem Mikrobolometer 2 und dem Drain des Gate-Verstärkers verwendet. Die Komponente Z in der kapazitiven Rückkopplungsschaltung 35 kann als ein geschalteter Kondensator implementiert werden, um die Integration zu ermöglichen.
33 zeigt eine detaillierte bevorzugte Implementierung der Schaltung für das in 32 gezeigte Funktionsdiagramm. Es ist hier eine gefaltete Kaskadenimplementierung für einen CMOS-Differenzverstärker in einer Konfiguration eines kapazitiven Transimpedanzverstärkers zum Implementieren des Verstärkers 34 und der Rückkopplungsschaltung 35 von 32 gezeigt. Das Zeilenfreigabesignal 16 spannt gemäß der Figur das Gate des Zeilenfreigabe-Auswahl-P-Kanal-Transistors 10 vor. Das Mikrobolometerdetektorelement 3 wird gemäß der Figur vom DETCOM vorgespannt, der durch den Zeilenfreigabetransistor 10 freigeschaltet wird, und das Source-Potential des Gate-P-Kanal-Verstärkers 31 vorgespannt. Die Steuerungsvorspannung für den Gate des Verstärkers 31 wird von einem herkömmlichen (nicht gezeigten) CMOS-DAC über ein substrattemperaturkompensiertes Teilernetz geliefert, das thermisch kurzgeschlossene Mikrobolometer 2A und 2B verwendet. Ein zweiter herkömmlicher (nicht gezeigter) DAC wird zum Liefern einer Vorspannung an ein Versatznetz unter der Verwendung thermisch kurzgeschlossener Mikrobolometer 2C und 2D zur Steuerung des in die Ladungsintegrierungs-Verstärker-Rückkopplungsschaltung 35 fließenden Versatzstroms verwendet, der durch die Anwendung von RST auf das Gate eines Kurzschlusstransistors entladen werden kann.
34 zeigt einen Schaltplan einer Schaltung für den mikrobolometervorspannungskorrigierten Transimpedanzverstärker mit substrattemperaturkompensiertem Versatz unter der Verwendung einer Versorgungseinstellungskonfiguration zum Variieren der Mikrobolometervorspannung. Das Mikrobolometer 3 wird durch den DAC 36 und das Source-Potential des Gate-Verstärkers 31 vorgespannt. Eine unveränderliche Spannungsquelle 33 wird zum Ansteuern des Gates des Gate-Verstärkers 31 verwendet. Der DAC 36 liefert eine variable Vorspannung für den Mikrobolometerdetektor. Ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer 2 wird zum Erzeugen eines kompensierten Versatzstroms für die Schaltung verwendet. Ein Transimpedanzverstärker, der einen Verstärker 34 und eine Rückkopplungsschaltung 35 aufweist, wird zum Verstärken und Integrieren des Signals am Knoten zwischen dem Mikrobolometer 2 und dem Drain des Gate-Verstärkers 31 verwendet. Die Komponente Z in der Rückkopplungsschaltung 35 kann als eingeschalteter Kondensator zur Ermöglichung der Integration implementiert werden. In diesem Fall kann die Verstärkung für den Integrator durch Verändern der Größe des Kondensators variiert werden.
35 zeigt einen Schaltplan einer Schaltung für den mikrobolometervorspannungskorrigierten Transimpedanzverstärker mit substrattemperaturkompensierten Versatz unter der Verwendung einer Spannungsteiler-Versorgungs-Einstellung einer Mikrobolometervorspannung. Das Mikrobolometer 3 wird durch einen Spannungsteiler, der durch Widerstände 6A und 6B, die durch den DAC 36 angesteuert werden, gebildet wird, und das Source-Potential des Gate-Verstärkers 31 vorgespannt. Eine unveränderliche Spannungsquelle 33 wird zum Ansteuern des Gates des Gate-Verstärkers verwendet. Der DAC liefert eine variable Vorspannung für das Mikrobolometer 3. Ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer 2 wird zum Erzeugen eines kompensierten Versatzstroms für die Schaltung verwendet. Ein Transimpedanzverstärker, der einen Verstärker 34 und eine Rückkopplungsschaltung 35 enthält, wird zum Verstärken und/oder Integrieren des Signals am Knoten zwischen dem Lastwiderstand und dem Drain des Gate-Verstärkers 31 verwendet. Die Rückkopplungskomponente Z des Transimpedanzverstärkers kann als ein geschalteter Kondensator zur Ermöglichung der Integrierung implementiert werden.
In den in den 29–35 gezeigten Schaltungen könnte die Ausgangsspannung auch an anderen Punkten, zum Beispiel an der kapazitiven Rückkopplungsschaltung 35 abgegriffen werden.
III. Beispiel von Schaltungen, die an ein Mikrobolometerteld eine ungleichmäßige Vorspannung anlegen und eine Substrattemperaturkompensationsschaltung enthalten
Um das Vorspannungs-Korrekturverfahren anzuwenden, muss an jeden der Mikrobolometer-Felddetektoren eine einstellbare Vorspannung geliefert werden. 36 zeigt die Implementierung einer einzelnen Spalte von drei Detektoren. Hier wird die Mikrobolometervorspannung durch drei einstellbare Spannungsquellen, die hier als V₁, V₂, V₃ gezeigt sind, modifiziert. Diese Spannungsquellen sind zwischen der Detektor-Vorspannungsversorgung 11 und dem Einheitszellen-Mikrobolometer-Auswahltransistor 10 in Reihe angeordnet. Der durch den jeweiligen Mikrobolometerdetektor fließende Strom wird dann zur Integration durch den Spaltenverstärker 15 sequenziell abgetastet. Der Spaltenverstärker 15 hat eine inhärente Abtast- und Haltefähigkeit, so dass das Ausgangssignal des Verstärkers 12 eine feste Spannung beibehält, nachdem der Strom aufgehört hat zu fließen und der Integrationsvorgang beendet wurde. Die Reihenfolge der Sequenzierung und der Zeitraum einer jeweiligen Abtastung wird durch die Sequenzierung und Zeitdauer der aktiven Periode eines jeden Zeilenfreigabesignals bestimmt.
In 37 ist ein zweidimensionales Feld aus drei mal drei Detektormultiplexern mit einer Implementierung des Vorspannungs-Korrekturverfahrens gezeigt. Hier ist gezeigt, dass die Quellen V₁, V₂ und V₃ mit den Eingängen der Spaltenverstärker 15 in Reihe geschaltet sind. Jeder Spaltenverstärker 15 hat eine inhärente Abtast- und Haltefähigkeit, so dass sein Ausgangssignal des Verstärkers 12 eine feste Spannung beibehält, nachdem der Strom aufgehört hat zu fließen und der Integrationsvorgang abgeschlossen ist. Während eines jeden Vorspannungszeitraums wird der durch den jeweiligen Mikrobolometerdetektor 3 in einer bestimmten Zeile fließende Strom zur Integration durch den entsprechenden Spaltenverstärker 15 sequenziell abgetastet. Die Reihenfolge der Sequenzierung und der Zeitraum einer jeden Abtastung wird durch die Sequenzierung und Zeitdauer der aktiven Periode eines jeden Zeilenfreigabesignals bestimmt. Werte für die Vorspannungsquellen V₁, V₂ und V₃ werden für jede Zeile von Detektoren 3 eingestellt, wodurch für jeden Mikrobolometerdetektor eigene Vorspannungswerte vorgesehen werden. In 37 gezeigte einzelne Spaltenverstärker 15 werden durch das Spaltenfreigabesignal 19 ausgewählt, das den Spaltenschalter 18 steuert. Eine Ausgangsleitung 17, die allen Spalten gemeinsam ist, wird zum Ausgeben der Signale aus den Spaltenverstärkern 15 zum ROIC-Ausgang in der Art eines Busses verwendet.
Eine zweite mögliche Konfiguration zur Implementierung des Vorspannungs-Korrekturverfahrens ist in 38 gezeigt. Hier ist gezeigt, dass die Vorspannungsquellen V₁, V₂ und V₃ an das Massereferenzpotential am nicht invertierenden Eingang eines jeden Spaltenverstärkers 15 angelegt werden. Werte für diese Vorspannungsquellen werden für jede Zeile von Detektoren eingestellt, wodurch für jeden Mikrobolometerdetektor 3 ein eigener Vorspannungswert vorgesehen wird.
In 39 ist eine dritte mögliche Konfiguration zum Implementieren des Vorspannungs-Korrekturverfahrens gezeigt. Hier ist gezeigt, dass die Vorspannungsquellen V₁, V₂ und V₃ getrennt an die Detektor-Vorspannungsversorgung für jede Spalte angelegt werden. Werte für diese Vorspannungsquellen werden für jede Zeile von Detektoren eingestellt, wodurch für jeden Mikrobolometerdetektor 3 ein eigener Vorspannungswert vorgesehen wird.
Es versteht sich, dass eine beliebige der in den 29–35 gezeigten Schaltungen in die in den 37–39 gezeigten zweidimensionalen Anordnungen integriert werden können, indem die Komponenten an verschiedenen Orten im Feld angeordnet werden.
40 zeigt die Integrierung der Vorspannungs-Korrekturschaltungen 39 in eine ROIC 40. Die Explosionsdarstellung des Vorspannungs-Korrektur-Schaltungsblocks zeigt die vier Hauptkomponenten: das Adressschieberegister 41, das Datenregister 42, die Datenzwischenspeicher 43 und die Spalten-Digital-Analog-Wandler (DACs) 44. Die Datenzwischenspeicher 43 steuern die digitalen Eingänge der Spalten-DACs 44 an. Eine herkömmliche CMOS-DAC-Architektur, wie sie zum Beispiel in einem CMOS-Datenbuch von National Semiconductor beschrieben ist, wird zum Vorsehen der Spalten-DACs eingesetzt. In anderen Ausführungsformen kann auch ein einziger DAC von mehr als einer Spalte gemeinsam genutzt werden, so dass es weniger DACs als Spalten gibt.
41 zeigt die Funktionsweise dieser Blöcke. Das Adressschieberegister 41 ist als D-Flip-Flop-Reihenregister mit einem Eingang "Sync" und einem steuernden Taktgeber "Clk" implementiert. Durch den "Sync" wird ein aktiver oder Freigabezustand eingegeben und von "Clk" das Schieberegister 41 hinuntergetaktet. Das Datenregister 42 besteht aus n-Bit-Zwischenspeichern, wobei "n" die Anzahl der DAC-Datenbits ist. Die Gesamtzahl der n-Bit-Zwischenspeicher im Datenregister 42 ist gleich der Anzahl von Spalten im Detektorfeld. Das Datenhilfsregister 41 schaltet sequenziell einen jeden der Datenregisterzwischenspeicher 42 zu einer eindeutigen Zeit frei und speichert diese zwischen, wodurch in jeden Speicherplatz des Datenregisters 42 eindeutige DAC-Korrekturkoeffizientendaten geladen werden können. Nachdem das Datenregister 42 geladen wurde, wird ein "Leitungs-Lade"-Takt zum Transferieren der Daten vom Datenregister 42 zu den Datenzwischenspeichern 43 verwendet. Die Datenzwischenspeicher 43 steuern den digitalen Eingang der Spalten-DACs 44 an. Diese Datenregister- und Datenzwischenspeicher-Konfiguration ist ähnlich einem "Master-Slave"-Zwischenspeicher, der ein stabiles "Slave"-Ausgangssignal von Korrekturkoeffizienten an die Spalten-DACs unterhalten kann, während für die nächste Zeile von Korrekturkoeffizienten neue Daten in den Eingang des "Masters", des Datenregisters 42, geladen werden.
42 zeigt die Zeitabstimmung für die in den 40 und 41 gezeigte Vorspannungs-Korrekturschaltung 39. "Clk" ist der Takt an das Adressschieberegister 41. "Sync" ist das Eingangssignal in das Adressschieberegister 41. "Q1" ist das Ausgangssignal der Freigabe der Spalte 1 des Adressschieberegisters 41, "Q2" ist das Ausgangssignal der Freigabe der Spalte 2 des Adressschieberegisters 41 und so weiter. "Daten" repräsentieren die Dateneingangssignale in die Datenregister 42. Hierbei ist zu bemerken, dass ein Verfahren zum binären Dekodieren oder für eine graue Codezählung ebenfalls zur Adressierung der Datenregisterzwischenspeicher 42 zum Speichern der digitalen Korrekturdaten verwendet werden können.
Ein serieller digitaler Datenstrom von n-Bit-Wörtern wird an die integrierte Ausleseschaltung zur Speicherung in den DAC-Datenzwischenspeichern geliefert. 43 zeigt die Datenladezeitabstimmung im Verhältnis zur Gesamt-ROIC-Zeitabstimmung. Ein "Frame-Sync"-Puls wird zur Etablierung der Rahmensynchronisation geliefert. "Line-Sync"-Pulse werden am Start einer jeden Zeilenzeit geliefert. Ein Mastertakt "Clk" wird zum Treiben der Feldschieberegister verwendet. Während des Auslesens einer Zeile werden die Spaltenausgangssignale auf das ROIC-Ausgangssignal multiplexiert. Zu der Zeit, da eine bestimmte Spalte am ROIC-Ausgang erscheint, werden Daten in das Datenregister für diese Spalte geladen, um dann während der nachfolgenden Zeilen-Signal-Integrationszeit angelegt zu werden.
Wie oben bemerkt, ist die in 41 gezeigte Schaltung eine Master-Slave-Implementierung einer digitalen Parallel-Seriell-Datenschnittstelle. Es können auch viele andere bekannte Implementierungen zum Laden der Korrekturkoeffizienten in die DACs verwendet werden.
Die zum Erzeugen der Vorspannungsquellen V₁, V₂ und V₃ verwendeten DAC-Datenwörter werden nicht auf dem Sensor, sondern in der Systemelektronik erzeugt. 44 veranschaulicht die zugeordnete Systemelektronik. Die integrierte Ausleseschaltung 40 ist in dieser Figur oben links gezeigt. Von der ROIC 40 kommende Ausgangssignale werden von einem Analog-Digital-Wandler 50, der auf der ROIC angeordnet sein kann oder nicht, digitalisiert. Die umgewandelten digitalen Daten werden in einen digitalen Framespeicher 51 eingegeben. Die Daten im Framespeicher 51 sind dann für die Systembilderkennungselektronik 52 und den Datenprozessor 55 des Systems zur Verfügung.
Die Erzeugung von Vorspannungs-Korrektur-Datenwörtern (oder Korrekturkoeffizienten) wird vom Prozessor 55 unter der Verwendung eines Korrekturalgorithmus bewerkstelligt. Der Datenprozessor 55 sequenziert den ROIC-Stimulus, die Akquisition von ROIC-Daten sowie die Berechnung von Korrekturkoeffizienten. Dann speichert der Datenprozessor 55 die Korrekturkoeffizienten im Korrekturkoeffizientenspeicher 57 ab. Die mit dem Korrekturkoeffizientenspeicher 57 in Verbindung stehende Datenregister-Ladeschaltung 53 wird zum Laden der Korrekturdaten in die Vorspannungs-Korrekturschaltung 39 auf der ROIC 40 verwendet, indem zu der Zeit, da das Datenregister 42 vom Schieberegister 41 zwischengespeichert wird, gültige Daten an die serielle Datenbusschnittstelle geliefert werden. 44 zeigt eine 12-Bit-Implementierung für die Datenpfade im System.
Die Erzeugung der Vorspannungs-Kompensations-Korrekturkoeffizienten wird durch vom Datenprozessor 55 verarbeitete Korrekturalgorithmen bewerkstelligt. Diese Algorithmen und der Datenprozessor 55 sequenzieren einen Kalibrierungsstimulus sowie die Akquisition der erforderlichen Frames von Daten. Der Datenprozessor 55 berechnet dann die Korrekturkoeffizienten und speichert die Koeffizienten im Korrekturkoeffizientenspeicher 57 ab. Mit dem Korrekturkoeffizientenspeicher verbundene Schaltungen werden zum Laden der Korrekturdaten in die ROIC 40 verwendet.
Zum Erzeugen der Korrekturkoeffizienten können vielfältige lineare und rekursive Verfahren verwendet werden. Das einfachste Verfahren ist ein lineares inkrementelles Verfahren. Für dieses Verfahren wird jeder Spalten-DAC auf denselben Wert, beginnend mit dem niedrigsten Wert, gesetzt und wird dann durch Inkrementieren der DAC-Zählung durch das niedrigstwertigste Bit zum jeweils höheren Wert gestuft. Bei jeder DAC-Zählung werden vier Frames Daten vom Datenprozessor von der ROIC kommend akquiriert. Zwei der vier Frames werden an der unteren Grenze des Substrattemperaturbereichs (Tmin) an zwei unterschiedlichen optischen Beleuchtungspegeln (Qmax und Qmin) abgegriffen. Die zwei verbleibenden Frames werden an der oberen Grenze des Substrattemperaturbereichs (Tmax) an denselben beiden optischen Beleuchtungspegeln abgegriffen. Die Substrattemperaturen werden so gewählt, dass sie die Substrattemperaturgrenzen widerspiegeln, die ein bestimmtes System für die ROIC erzeugt, und die optischen Stimuluspegel werden so ausgewählt, dass sie optische Szenenbeleuchtungspegel widerspiegeln. Während die ROIC bei der ersten Substrattemperatur (Tmin) ist, werden die DAC-Werte inkrementiert, und es werden Ausgangsdaten für die beiden optischen Beleuchtungspegel erhalten. Nachdem der Ausgabeframe bzw. Bilddaten für alle DAC-Werte bei der ersten Substrattemperatur und für die zwei optischen Beleuchtungspegel erhalten wurden, wird der Vorgang bei der zweiten Substrattemperatur (Tmax) wiederholt. Die beschafften Daten werden zeitweise im Speicher oder auf einem Plattenspeichermedium abgelegt. Nachdem die Datenframes beschafft wurden, berechnet der Datenprozessor 55 die optische Verstärkung beim jeweiligen Substrattemperaturpegel für jedes Element der Anordnung und bei der DAC-Einstellung. Die optische Verstärkung ist gleich: G = (VQmax – VQmin)/(Qmax – Qmin)wobei VQmax und VQmin die Ausgaben bei den auftreffenden Strahlungspegeln Qmax bzw. Qmin sind. Die DAC-Einstellungen werden dann so gewählt, dass für jedes Feldelement die DAC-Einstellung dieselbe optische Verstärkung des Elements als ein Verhältnis zur mittleren optischen Verstärkung der Anordnung bei der jeweiligen Kalibrierungstemperatur erzeugt. Das heißt also:
wobei G1(Tmax) ... Gn(Tmax) und G1(Tmin) ... Gn(Tmin) die optischen Verstärkungen jeweils der einzelnen Detektoren an der ersten bzw. der zweiten Substrattemperatur und Gm(Tmax) und Gm(Tmin) die mittleren optischen Verstärkungen aller Detektoren im Feld bei der ersten und der zweiten Substrattemperatur sind.
Wenn man die obigen Gleichungen nach Gm(Tmax)/Gm(Tmin) auflöst, so bekommt man:
Die DAC-Einstellungen, die durch diesen Vorgang bestimmt werden, werden dann als Korrekturkoeffizienten im Korrekturkoeffizientenspeicher 57 abgespeichert. An diesem Punkt können die Zwischendaten verworfen werden.
Hierbei ist es wichtig zu erkennen, dass die optischen Verstärkungen für die korrigierten Feldelemente bei der hohen und bei der niedrigen Temperatur nicht alle notwendigerweise dieselben sein müssen. Vielmehr müssen die optischen Verstärkungsverhältnisse der verschiedenen Detektoren zwischen den Substrattemperaturen auf das mittlere optische Verstärkungsverhältnis zwischen den Substrattemperaturen stabilisiert und angeglichen werden. Nachdem die optischen Verstärkungsverhältnisse stabilisiert wurden, kann eine standardmäßige Zwei-Punkt- Korrektur angewendet werden, um, wie oben in den 26 und 27 gezeigt, die abschließende Verstärkungs- und Versatzkorrektur durchzuführen.
Auch wenn das lineare Verfahren effektiv ist, erfordert es doch während der Kalibrierung einen großen Teil des Systemprozessorspeichers zum Speichern der Zwischen-Ausgabedaten (d.h. des Ausgabepegels bei der jeweiligen Substrattemperatur, jeden Pegel der auftreffenden Strahlung und jede DAC-Einstellung). Aus diesem Grund ist es wünschenswert, rekursive Verfahren zur Durchführung der Kalibrierung einzusetzen. Hier wird die optische Verstärkung bei zwei unterschiedlichen Substrattemperaturen gemessen. Dann werden die DAC-Koeffizientenwerte iteriert und es wird wieder die optische Verstärkung bei der jeweiligen Temperatur gemessen. Die Verstärkungsverhältnisse werden analysiert, um zu bestimmen, ob sie sich verbessert oder verschlechtert haben, und die DAC-Koeffizienten werden dementsprechend eingestellt. Es ist gewünscht, dass für jedes Element das Verhältnis der optischen Verstärkung zur mittleren optischen Verstärkung bei jeder Substrattemperatur konstant bleibt. Der Vorgang wird unter der Verwendung einer allmählichen Annäherung solange iteriert, bis das Verhältnis der optischen Verstärkung zur mittleren Verstärkung bei beiden Substrattemperaturen stabilisiert ist.
Das bevorzugte Verfahren zur Generierung von Korrekturkoeffizienten ist eines, bei dem sowohl lineare als auch rekursive Verfahren zur Herstellung der Korrekturkoeffizienten verwendet werden, um die Verstärkungen zu stabilisieren. Hier können die rekursiven Verfahren zum Minimieren des zum Unterstützen des Sensorsystems erforderlichen Speicherplatzes und die linearen Verfahren zur Feineinstellung der Kalibrierung verwendet werden.
Vergleich des herkömmlichen und des neuen Mikrobolometer-Vorspannungs-Korrekturverfahrens
Wie oben beschrieben, nutzen bisherige Verfahren zum Durchführen einer Ungleichmäßigkeitskorrektur ein Zwei-Punkt-Kompensationsverfahren. Das Zwei-Punkt-Kompensationsverfahren korrigiert Versatz- und Verstärkungs-Transferfunktionsfehler und kann auf der ROIC oder nicht auf der ROIC implementiert werden.
Das Vorspannungs-Korrekturverfahren kann zum Ersetzen der Verstärkungskorrektur beim standardmäßigen Zwei-Punkt-Korrekturvorgang für Mikrobolometerdetektoren verwendet werden. Die 45A, 45B, 45C und 45D veranschaulichen die Verarbeitung von zwei Detektoren hinsichtlich der Verstärkungs- und Versatzkorrektur unter der Verwendung des Vorspannungs-Korrekturverfahrens. Die Kurve in 45A zeigt die unkorrigierten Detektor-Transferfunktionen bei den Temperaturen Tmin und Tmax. Wie in der Kurve von 45B gezeigt, wird die Vorspannungskorrektur auf die Detektorelemente angewendet und die Verstärkungen der Detektoren normalisiert. Schließlich wird, wie in der Kurve von 45C gezeigt, der Versatz korrigiert. Die Versatzkorrektur kann auf der ROIC oder nicht auf der ROIC durchgeführt werden. Es wird vorgezogen, diese Funktion auf der ROIC durchzuführen. Ein Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Zwei-Punkt-Verfahren besteht darin, dass die Vorspannungskorrektur zur Verstärkungseinstellung die abgeleitete Leistung pro Feldelement gleichmäßiger einstellt und die Substrattemperaturempfindlichkeit der räumlichen Ungleichmäßigkeit des Felds verringert.
Zur beträchtlichen Verbesserung der Gleichmäßigkeitskompensation bei Veränderungen der Substrattemperatur kann das vorspannungskorrigierte Drei-Punkt-Verfahren angewendet werden. Die Anwendung der Vorspannungskorrektur auf das Mikrobolometerfeld erzeugt einen Zustand, bei dem das Ausgangssignal temperaturkompensiert und mit der herkömmlichen Zwei-Punkt-Versatz- und -Verstärkungskorrektur kompatibel ist. 46 zeigt das Blockdiagramm für dieses Verfahren. Der erste Schritt besteht darin, die Mikrobolometerelemente selektiv vorzuspannen. Hierauf folgt dann ein herkömmlicher Zwei-Punkt-Korrekturvorgang. Die Vorspannungskorrekturkoeffizienten werden berechnet, um einen Zustand herzustellen, bei dem die optischen Verstärkungen der Mikrobolometerelemente im Verhältnis zur mittleren optischen Verstärkung des Felds bei jeder Kalibrierungstemperatur dieselben sind.
Zur Darstellung des Vorgangs der vorspannungskorrigierten Drei-Punk-Ungleichmäßigkeitskompensation ist eine Reihe dreidimensionaler Kurvendarstellungen in den 47A, 47B und 48A, 48B gezeigt. Die 47A und 47B zeigen eine Kurve der Transferfunktionen von zwei Detektoren bei den beiden Substrattemperaturen Tmin und Tmax. Es ist gezeigt, dass die Transferfunktionen zwischen den optischen Beleuchtungspegeln Qmin und Qmax verlaufen, wobei die senkrechte Achse die Signalausgangsleistung zeigt. Hier ist gezeigt, dass sich die optische Verstärkung der beiden Detektoren zwischen den beiden Substrattemperaturen ändert. 47B zeigt die mittlere Verstärkung (breite graue Linie) für die beiden Detektoren bei Tmin und Tmax. Der Verstärkungsverhältnis-Kompensationsschritt stellt die Vorspannung für jedes Mikrobolometerelement so ein, dass das Verhältnis der optischen Verstärkung des jeweiligen Detektors zur mittleren optischen Verstärkung aller Detektoren im Feld bei jeder Substrattemperatur gleich bleibt. 48A zeigt die beiden Detektoren nach einer Vorspannungskorrektur zur Verstärkungsverhältniskompensation. Dieser Vorgang führt zu einer substrattemperaturkompensierten räumlichen Ungleichmäßigkeit, die unter der Verwendung der herkömmlichen Zwei-Punkt-Verstärkungs- und -Versatzkorrektur korrigiert werden kann. Es werden die optischen Verstärkungsverhältnisse des Detektors an der minimalen und der maximalen Substrattemperatur (Tmin und Tmax) kompensiert. 48B zeigt das Ergebnis dessen, das die herkömmliche Zwei-Punkt-Korrekturkompensation nach der Vorspannungskorrektur angewendet wurde.
49 zeigt die räumliche Ungleichmäßigkeit nach dem Anwenden des vorspannungskorrigierten Drei-Punkt-Korrekturvorgangs. Es ist zu sehen, dass der Bereich zwischen den optischen Signalpegeln Qmin und Qmax und im Substrattemperaturbereich zwischen Tmin und Tmax ein geringerer Pegel der räumlichen Ungleichmäßigkeit vorherrscht.
Bevorzugte Verfahren für Zwei- und Drei-Punkt-Kompensation unter der Verwendung des Vorspannungs-Korrekturverfahrens.
Zwei Flussdiagramme sollen den Vorgang zum Erzeugen der Vorspannungs-Korrekturkoeffizienten zeigen, welche die digitalen Wörter sind, die in die DACs eingegeben werden, welche die einstellbaren Spannungsquellen, wie zum Beispiel die einstellbare Spannungsquell 36 in 26, darstellen. Das erste Diagramm ist in den 50A und 50B gezeigt, und es veranschaulicht die Berechnung von Vorspannungskoeffizienten für das vorspannungskorrigierte Zwei-Punkt-Kompensationsverfahren. Es sind zwei Korrekturschleifen gezeigt. Die erste Schleife, die in 50A gezeigt ist, setzt Tsub (Substrattemperatur) und Qoptical (optischer Beleuchtungspegel) auf einen Wer in der Mitte des Bereichs. Die Vorspannungskoeffizienten werden dann derartig iteriert, dass das Ausgangssignal auf einen Wert in der Mitte des Bereichs getrieben wird. Das Ergebnis dieses Vorgangs ist die Zentrierung des dynamischen Bereichs und die Erzeugung von "Flachfeld"-Korrekturkoeffizienten.
Die zweite Schleife, die in 50B gezeigt ist, erzeugt die Vorspannungs-Korrekturkoeffizienten. Die Feldtemperatur wird auf Tnominal (Mittelpunkt zwischen Tmin und Tmax) gesetzt, und der Beleuchtungspegel wird so gesteuert, dass je nach Erfordernis das Signal Qmin und Qmax geliefert wird. Die "Flachfeld"-Koeffizienten werden als ein Startwert verwendet, und der Zähler der zweiten Schleife wird auf die Anzahl gewünschter Iterationen (zum Beispiel 46 bis 128 je nach der Stärke der Verstärkungsungleichmäßigkeit) voreingestellt. Bei jeder Iteration wird die optische Verstärkung des jeweiligen Detektors gemessen und die mittlere optische Verstärkung des Felds berechnet. Für Detektoren mit einer optischen Verstärkung, die größer als die mittlere optische Verstärkung ist, werden Vorspannungs-Korrekturkoeffizientenwerte dekrementiert, und für Detektoren mit einer optischen Verstärkung, die kleiner als die mittlere optische Verstärkung ist, werden Vorspannungs-Korrekturkoeffizientenwerte inkrementiert. Die resultierenden Vorspannungs-Korrekturkoeffizienten werden zum Liefern einer Verstärkungsausdruckskorrektur durch Anwenden einer Vorspannungskompensation auf jeden Detektor verwendet. Vorspannungskoeffizienten sind in dem Flussdiagramm als DAC-Koeffizienten dargestellt.
Das zweite Diagramm ist in den 51A und 51B gezeigt und veranschaulicht die Berechnung von Vorspannungskoeffizienten für das vorspannungskorrigierte Drei-Punkt-Kompensationsverfahren. Es sind zwei Korrekturschleifen gezeigt. Die erste Schleife, die in 51A gezeigt ist, setzt Tsub (Substrattemperatur) und Qoptical (optische Beleuchtungspegel) auf einen Wert in der Mitte des Bereichs. Dann werden die Vorspannungskoeffizienten derartig iteriert, dass das Ausgangssignal auf einen Wert in der Mitte des Bereichs getrieben wird. Das Ergebnis dieses Vorgangs ist die Zentrierung des dynamischen Bereichs und die Erzeugung von "Flachfeld"-Korrekturkoeffizienten.
Die zweite Schleife, die in 51B gezeigt ist, erzeugt die Vorspannungs-Korrekturkoeffizienten für das vorspannungskorrigierte Drei-Punkt-Verfahren durch Sammeln der Daten, die dazu notwendig sind, die Korrekturkoeffizienten zu wählen, welche die beste Verstärkungsverhältnis-Temperaturkompensation liefern. Die "Flachfeld"-Koeffizienten, minus die Anzahl der Iterationen der zweiten Schleife, geteilt durch zwei, wird als Vorspannungskorrekturkoeffizienten-Startwert verwendet. Der Zähler der zweiten Schleife wird auf die Anzahl gewünschter Iterationen (zum Beispiel 64–128, je nach der Stärke der Verstärkungsungleichmäßigkeit) voreingestellt. Bei jeder Iteration wird das Mikrobolometerfeldsignal für Qmin und Qmax für die Substrattemperaturen Tmin und Tmax gemessen. Dann werden die Vorspannungs-Korrekturkoeffizienten vor dem Start der nächsten Iteration um eins inkrementiert. Nachdem alle Ausgabedaten beschafft wurden, wird für jeden Detektor, für jede Vorspannungs-Korrekturkoeffizienteneinstellung und für jede Substrattemperatur die optische Verstärkung berechnet. Die mittlere optische Verstärkung wird dann für Tmin und Tmax unter der Verwendung der "Flachfeld"-Vorspannungs-Korrekturkoeffizientenwerte berechnet. Der mittlere optische Verstärkungswert bei Tmin wird dann durch den mittleren optischen Verstärkungswert bei Tmax geteilt, um das mittlere optische Verstärkungsverhältnis zu beschaffen. Für jede in der zweiten Schleife verwendete Vorspannungskorrekturkoeffizienteneinstellung wird das Verhältnis der optischen Verstärkung bei Tmin zur optischen Verstärkung bei Tmax für jeden Detektor berechnet. Dann werden die optischen Verstärkungsverhältnisse des Detektors analysiert, um denjenigen Vorspannungs-Korrekturkoeffizientenwert auszuwählen, der das optische Verstärkungsverhältnis des Detektors liefert, das dem mittleren optischen Verstärkungsverhältnis zwischen Tmin und Tmax am nächsten kommt. Die resultierenden DAC-Koeffizienten werden zum Vorsehen einer Verstärkungsausdruckskorrektur durch Anwenden einer Vorspannungskompensation auf jeden Detektor verwendet.
IV. Auf der ROIC durchgeführtes Substrattemperatur-Steuerungsverfahren für Mikrobolometerdetektorfelder
Aufgrund der Einschränkungen der Ungleichmäßigkeitskorrektur haben bisherige Mikrobolometer-Brennebenenanordnungen eine präzise Steuerung der Substrattemperatur erforderlich gemacht. Durch die Anwendung von Vor- Vorspannungs- oder Vorspannungs-Korrekturverfahren, wie sie oben beschrieben wurden, können die Anforderungen an die Substrattemperatursteuerung gelockert werden, so dass nun eine auf der ROIC stattfindende Substrattemperatursteuerung möglich ist.
52 veranschaulicht eine Schaltung zur Durchführung einer auf der ROIC stattfindendenden Substrattemperatursteuerung. Hier liefert eine Stromquelle 40 einen konstanten Strom durch ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer 2. Diese Schaltung wird zum Erfassen der Substrattemperatur verwendet. Ein Verstärker 42 steuert einen auf der ROIC befindlichen Widerstand 60 zum Erwärmen des ROIC-Substrats auf eine konstante Temperatur an. Eine Spannungsquelle 43 wird zum Einstellen der gewünschten Substrattemperatur verwendet. Ein Tiefpassfilter 41 wird am Eingang des Verstärkers verwendet, um die thermische Regelschleife zu stabilisieren.
53 zeigt die zum Implementieren der ROIC-Schaltungen zum Regeln der Temperatur des ROIC-Substrats 8 erforderlichen Widerstandselemente. Gezeigt sind der Substrattemperatur-Sensorwiderstand (thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer 2) und der Heizelementwiderstand 60. Dieses Heizelement erwärmt das Substrat der Anordnung und steuert die Substrattemperatur über der Zimmertemperatur. Ein Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Kieselglas 44, wird zum Vorsehen einer thermischen Isolierung gegenüber der Umwelt verwendet.
Die bei der vorliegenden Anwendung offenbarten Verfahren und Schaltungen ermöglichen es nun, die Substrattemperatur der Anordnung durch Heizen anstelle von Kühlen, zu steuern. Der Vorteil des Heizen des Substrats besteht darin, dass es viel einfacher und billiger ist, die Substrattemperatur durch Heizen als durch Kühlen zu steuern, da der Stand der Technik eine Kühlung unterhalb der Zimmertemperatur und eine Steuerung auf einen Bruchteil eines Grads erforderlich machte. Die in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Verfahren und Schaltungen vereinfachen daher die Anforderungen für den praktischen Betrieb von Mikrobolometer-Infrarot-Brennebenenfelder beträchtlich.
V. Auf der ROIC durchgeführtes Versatzkorrekturverfahren für Mikrobolometerdetektorfelder
Viele der vorhergehenden Ausführungsformen zeigen eine Spannungsvorspannung Vload, die mit dem thermisch kurzgeschlossenen Mikrobolometer verbunden ist (siehe zum Beispiel 21–24 und 29–35). Die Vorspannung Vload wird zum Einstellen des Laststroms und daher zum Optimieren des Arbeitspunkts der Schaltung durch Einstellen der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms an einem gewünschten Punkt innerhalb des Bereichs von Ausgangsleistungen verwendet. In diesen Ausführungsformen ist die Vorspannung Vload typischerweise ein einziger Spannungspegel, der für das gesamte Feld von Mikrobolometern eingestellt wird.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird an jedes thermisch kurzgeschlossene Mikrobolometer eine eigene Spannungsvorspannung angelegt, um eine Feineinstellung der Lastspannung bzw. des Laststroms vorzusehen und dadurch Versatzfehler in den Ausgangssignalen der thermisch isolierten Mikrobolometer zu korrigieren. Diese auf der ROIC durchgeführte Versatzeinstellung kann entweder die herkömmliche Versatzkorrektur am Ausgangssignal, die in den 26 und 27 dargestellt ist, oder sowohl die Versatz- als auch die Verstärkungskorrektur ersetzen.
54 veranschaulicht eine erste Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung. Es ist zu bemerken, dass 54 mit 29 identisch ist, außer dass ein zweiter DAC 70 anstelle der Vorspannung Vload eingesetzt wird. DAC 70 liefert an den negativen Anschluss des thermisch kurzgeschlossenen Mikrobolometers 2 eine eigene Ausgangsspannung.
Wie in 29 steuert der DAC 36 das Gate des Gate-Verstärkers oder MOSFET 31 an, um so eine variable Vorspannung für das thermisch isolierte Mikrobolometer 3 zu liefern. Das Potential der Spannungsquelle 11 und die Spannung an der Source des P-Kanal-MOSFET 31 ergeben die am aktiven Mikrobolometer 3 anliegende Spannung. Die Spannung am Drain des MOSFET 31 wird typischerweise so vorgespannt, dass der MOSFET 31 gesättigt ist. Da der Verstärker 32 einen Eingang mit hoher Impedanz hat, sind die durch die Mikrobolometer 2 und 3 fließende Ströme im Wesentlichen gleich. Daher ist die am Mikrobolometer 2 anliegende Spannung gleich dem Produkt von (i) dem durch das Mikrobolometer 3 fließenden Strom und (ii) dem Widerstand des Mikrobolometers 2. Die am Eingang des Verstärkers 32 anliegende Spannung ist ihrerseits gleich der Summe dieses Produkts und der vom DAC 70 gelieferten Spannung. Da das Mikrobolometer 3 und die Kombination des Mikrobolometers 3 und des MOSFET 31 als ein Spannungsteiler fungieren, wobei der Eingang des Verstärkers 32 der Mittelpunkt ist, kann die Spannung am Eingang des Verstärkers 32 durch Verändern des vom DAC 70 kommenden Ausgangssignals eingestellt werden. Der DAC 70 kann auf diese Weise effektiv zum Entfernen des Versatzes vom Ausgang der Schaltung verwendet werden.
In 55 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Die Schaltung von 55 ist der in 32 gezeigten Schaltung ähnlich, außer dass ein N-Kanal-MOSFET 72 zwischen dem Drain des P-Kanal-MOSFET 31 und das Mikrobolometer 2 geschaltet ist, wobei der Gate des MOSFET 72 durch einen DAC 74 angesteuert wird. (Außerdem ist in 55 auch kein Zeilenfreigabetransistor 16 gezeigt).
Während Die 54 und 55 die Anwendung dieses Aspekts der Erfindung auf Schaltungen der in 29 bzw. 32 gezeigten Art zeigen, versteht es sich, dass die Einstellung des Versatzes durch Variieren der an das thermisch kurzgeschlossene Mikrobolometer angelegten Vorspannung auch auf andere Schaltungen angewendet werden kann, einschließlich derjenigen, die für das thermisch isolierte Mikrobolometer eine nicht gleichmäßige Vorspannung vorsehen (siehe z.B. 30, 31, 34, 35) und denjenigen, die für das thermisch isolierte Mikrobolometer eine gleichmäßige Vorspannung vorsehen (siehe zum Beispiel 21–24).
Der Ladungsintegrator oder Transimpedanzverstärker 34A ist am gemeinsamen Punkt zwischen dem Drain des P-Kanal-MOSFET 31 und dem N-Kanal-MOSFET 72 angeschlossen. Da der Transimpedanzverstärker 34A einen Ausgang mit niedriger Impedanz hat, ist der durch den Transimpedanzverstärker 34A fließende Strom die Differenz zwischen dem Strom im Mikrobolometer 3 und dem Strom im thermisch kurzgeschlossenen Mikrobolometer 2. Der durch das Mikrobolometer 2 fließende Strom bestimmt sich aus der am Mikrobolometer 2 anliegenden Spannung, die von der vom DAC 74 angelegten Vorspannung Vload bestimmt wird. Diese Spannung ist gleich der Differenz zwischen minus Vload und der Spannung an der Source des MOSFET 72, die im Wesentlichen einem Schwellenabfall unterhalb der vom DAC 74 angelegten Gatespannung entspricht. Der durch das Mikrobolometer 3 fließende Strom bestimmt sich aus dem Widerstand des Mikrobolometers 3 und der Differenz zwischen der Spannungsquelle 11 und dem Source-Potential des MOSFET 31, der typischerweise in einem gesättigten Zustand betrieben wird. Der Nettoeffekt besteht darin, dass das Ausgangssignal des DAC 74 zum Steuern des Teils des durch das Mikrobolometer 3 fließenden Stroms verwendet werden, die in den invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers 34A fließt. Die Einstellung des DAC 70 in 54 wird für jeden Mikrobolometerdetektor im Feld getrennt bestimmt und wird synchron mit dem Eingangssignal an den DAC 36 angelegt. In ähnlicher Weise wird die Einstellung des DAC 74 in 55 für jeden Mikrobolometerdetektor im Feld getrennt bestimmt und wird synchron mit dem Eingangssignal an den DAC 36 angelegt.
Diese Einstellungen werden durch einen Kalibrierungsvorgang bestimmt, der so konzipiert ist, dass die Versätze der Ausgangssignale der Mikrobolometer im Feld angeglichen werden. Anfänglich wird der DAC 36, wie oben beschrieben, kalibriert, wobei das an den DAC 70 oder 74 gehende Eingangssignal in der Mitte des Bereichs ist. Nachdem der DAC 36 kalibriert wurde, wird die Substrattemperatur auf den Mittelpunkt zwischen Tmin und Tmax gesetzt und der Pegel der auftreffenden Strahlung auf den Mittelpunkt zwischen Qmin und Qmax gesetzt. Der DAC 70 oder 74 wird dann durch einen iterativen Vorgang solange nach oben oder nach unten inkrementiert, bis das Ausgangssignal des Verstärkers 32 (in der vorliegenden Ausführungsform von 54) bzw. der in den Transimpedanzverstärker 34A (in der Ausführungsform von 55) fließende Strom auf dem gewünschten Pegel ist.
Die Verwendung der "Versatz-DAC" 70 und 74 kann dazu führen, dass die in den 26 und 27 gezeigte herkömmliche Versatzkorrektur ganz weggelassen werden kann. Auch wenn die herkömmliche Versatzkorrektur nicht ganz weggelassen werden kann, verbessert der Einsatz der DACs 70 und 74 die Gleichmäßigkeit und Qualität der Signale an den Ausgängen der Mikrobolometer beträchtlich. Dies vereinfacht dann wieder die Schaltungen, die zur Durchführung der herkömmlichen Korrekturen benötigt werden.
Die Versatz- und Verstärkungskorrekturen werden normalerweise als ein Teil der Integrationsstufe oder nach der Integrationsstufe auf der ROIC oder nicht auf der ROIC und entweder in analoger oder in digitaler Form implementiert. Die für diese normalen Korrekturen erforderlichen Schaltungen sind typischerweise teuerer, komplizierter und aufwendiger als die zum Durchführen der Versatzkorrektur auf der ROIC benötigten zusätzlichen Schaltungen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn das System beträchtlichen Temperaturdifferenzen standhalten muss.
Auf diese Weise können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auf eine große Vielzahl von Schaltungsvorrichtungen und Werkstoffen angewendet werden. Demgemäß sind die oben beschriebenen Ausführungsformen nur Beispiele der Prinzipien der vorliegenden Erfindung und sollen die Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungsformen einschränken.

Claims

Mikrobolometerdetektorschaltung, die folgendes aufweist: ein Substrat (8); einen ersten Mikrobolometerdetektor (3), der an dem Substrat (8) angebracht ist, aber im wesentlichen von dem Substrat thermisch isoliert ist; einen zweiten Mikrobolometerdetektor (2), der mit dem Substrat (8) thermisch kurzgeschlossen ist, wobei der zweite Mikrobolometerdetektor (2) dazu dient, eine Temperaturkompensation für den ersten Mikrobolometerdetektor (3) zu schaffen; eine erste Spannungsquelle (11), wobei die ersten (3) und zweiten Mikrobolometer (2) in einem Leitungsweg in Serie geschaltet sind, der durch die erste Spannungsquelle (11) versorgt wird; und einen Transistor (31), der zwischen dem ersten Mikrobolometerdetektor (3) und dem zweiten Mikrobolometerdetektor (2) in diesem Leitungsweg geschaltet ist, wobei ein Gateanschluß des Transistors (31) mit einer zweiten Spannungsquelle (33) verbunden ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 1, die einen ersten Ausgangsanschluß aufweist, der an einen ersten Knoten in dem Leitungsweg zwischen dem Transistor und dem zweiten Mikrobolometerdetektor gekoppelt ist, und einen zweiten Ausgangsanschluß aufweist, der an einen zweiten Knoten in dem Leitungsweg zwischen dem zweiten Mikrobolometerdetektor und der ersten Spannungsquelle gekoppelt ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 2, die einen ersten Verstärker aufweist, der an einen der Ausgangsanschlüsse gekoppelt ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 3, bei der der erste Verstärker einen invertierenden Eingang, der an eine erste Seite des zweiten Mikrobolometerdetektors gekoppelt ist, und einen nicht-invertierenden Eingang aufweist, der an eine zweite Seite des zweiten Mikrobolometerdetektors gekoppelt ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 1, die eine variable Spannungsquelle aufweist, die an den zweiten Mikrobolometerdetektor gekoppelt ist zum Bereitstellen einer variablen Spannung über den zweiten Mikrobolometerdetektor.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 5, bei der die variable Spannungsquelle einen Digital/Analog-Wandler aufweist, der mit einem negativen Anschluß des zweiten Mikrobolometerdetektors verbunden ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 5, bei der die variable Spannungsquelle einen zweiten Transistor aufweist, der in Serie zwischen dem ersten Mikrobolometerdetektor und dem zweiten Mikrobolometerdetektor geschaltet ist, und einen zweiten Digital/Analog-Wandler aufweist, der mit einem Gateanschluß des zweiten Transistors verbunden ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der die zweite Spannungsquelle einen Digital/Analog-Wandler aufweist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 8, bei der der Digital/Analog-Wandler zum Bereitstellen einer Vorspannung zur Korrektur von Änderungen der Eigenschaften des ersten Mikrobolometerdetektors dient.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 9, die eine variable Spannungsquelle aufweist, die an den zweiten Mikrobolometerdetektor gekoppelt ist zum Bereitstellen einer variablen Spannung über den zweiten Mikrobolometerdetektor.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 10, bei der die variable Spannungsquelle einen Digital/Analog-Wandler aufweist, der mit einem negativen Anschluß des zweiten Mikrobolometerdetektors verbunden ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 10, bei der die variable Spannungsquelle einen zweiten Transistor aufweist, der in Serie zwischen dem ersten Mikrobolometerdetektor und dem zweiten Mikrobolometerdetektor geschaltet ist, und einen zweiten Digital/Analog-Wandler aufweist, der mit einem Gateanschluß des zweiten Transistors verbunden ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, die einen Digital/Analog-Wandler aufweist, der an einen dritten Knoten in dem Leitungsweg zwischen der ersten Spannungsquelle und dem ersten Mikrobolometerdetektor gekoppelt ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 7, bei der der Digital/Analog-Wandler zum Bereitstellen einer Vorspannung zur Korrektur von Änderungen der Eigenschaften des ersten Mikrobolometerdetektors dient.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 4, bei der der erste Verstärker mit einer negativen Rückkopplungsschleife ausgestattet ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 3 oder 4, die eine dritte Spannungsquelle aufweist, die an den zweiten Mikrobolometerdetektor gekoppelt ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 1, die folgendes aufweist: einen Widerstand zum Bereitstellen einer Wärmeenergie für das Substrat; und eine Rückkopplungsschaltung, die den zweiten Mikrobolometerdetektor und den Widerstand verknüpft, so dass das Substrat bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 17, bei der die Rückkopplungsschaltung einen Verstärker aufweist, wobei ein Ausgang des Verstärkers an den Widerstand gekoppelt ist und ein erster Eingang des Verstärkers an den zweiten Mikrobolometerdetektor gekoppelt ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 18, die eine Spannungsquelle aufweist, die an einen zweiten Eingang des Verstärkers gekoppelt ist zum Einstellen einer Temperatur des Substrates.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 19, die einen Tiefpaßfilter aufweist, das zwischen den zweiten Mikrobolometerdetektor und den ersten Eingang des Verstärkers geschaltet ist.
Zweidimensionales Feld, das eine Vielzahl von Mikrobolometerdetektorschaltungen nach Anspruch 1 aufweist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 1, die ferner folgendes aufweist: eine Vielzahl von ersten Mikrobolometerdetektoren, die in einem Feld von Mikrobolometerzellen angeordnet sind, wobei jede einen der ersten Mikrobolometerdetektoren aufweist, die an dem Substrat angebracht aber im wesentlichen thermisch von diesem isoliert sind; einen Analog/Digital-Wandler zum Konvertieren der Ausgaben der ersten Mikrobolometerdetektoren in digitale Wörter; einen Datenprozessor, der programmiert ist, um einen Korrektur-Algorithmus an den digitalen Wörtern anzuwenden zum Erzeugung von Vorspannungs-Korrekturkoeffizienten; einen Korrekturkoeffizienten-Speicher zum Speichern der Vorspannungs-Korrekturkoeffizienten; und eine Ladeschaltung zum Laden der Vorspannungs-Korrekturkoeffizienten in die Vorspannungs-Korrekturschaltung, wobei die Vorspannungs-Korrekturschaltung an die einzelnen Mikrobolometerzellen in dem Feld gekoppelt ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 22, die einen oder mehrere Digital/Analog-Wandler zum Konvertieren der Vorspannungs- Korrekturkoeffizienten in Korrektur-Vorspannungen aufweist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 23, bei der jeder der Digital/Analog-Wandler ausgelegt ist, um den Vorspannungs-Korrekturkoeffizienten bei einer Gruppe der Mikrobolometerdetektorzellen durch jeweilige Freigabeschalter anzuwenden.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 23, die eine Vielzahl von Ausgangs-Verstärkern aufweist, wobei jeder der Analog/Digital-Wandler mit einem der Ausgangs-Verstärker verbunden ist.
Mikrobolometerdetektorschaltung nach Anspruch 23, bei der jeder der Digital/Analog-Wandler mit einem Gateanschluß eines Transistors innerhalb einer der Mikrobolometerzellen gekoppelt ist.