RU2454752C2 - Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе болометрических детекторов - Google Patents
Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе болометрических детекторов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2454752C2 RU2454752C2 RU2008123479/28A RU2008123479A RU2454752C2 RU 2454752 C2 RU2454752 C2 RU 2454752C2 RU 2008123479/28 A RU2008123479/28 A RU 2008123479/28A RU 2008123479 A RU2008123479 A RU 2008123479A RU 2454752 C2 RU2454752 C2 RU 2454752C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- bolometer
- ref
- blind
- column
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 27
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 10
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001447 compensatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- 230000028016 temperature homeostasis Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
- G01J5/22—Electrical features thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
- H04N25/67—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response
- H04N25/671—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response for non-uniformity detection or correction
- H04N25/672—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response for non-uniformity detection or correction between adjacent sensors or output registers for reading a single image
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области регистрации инфракрасного излучения. Устройство содержит матрицу болометрических детекторов (2), которые чувствительны к падающему излучению и называются «активными», и болометр (12), который нечувствителен к излучению и называется «слепым», сформированные на подложке, в которой сформирована считывающая схема для последовательного обращения к каждой из строк детекторов матрицы, причем каждый из активных болометров в одной строке получает смещение одновременно. Считывающая схема также содержит средство выработки опорного тока (Iref) на основе слепого болометра (12); средство одновременного копирования опорного тока (Iref) для каждого столбца матрицы; совокупность интеграторов (19) тока, каждый из которых связан с одним столбцом матрицы и способен интегрировать разность между током, текущим через активный болометр строки, которая считывается в данный момент, и скопированным таким образом указанным опорным током. Технический результат заключается в повышении точности. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для регистрации инфракрасного излучения, в котором используются болометрические детекторы. Областью применения изобретения является, в частности, формирование изображений в инфракрасном спектре.
Уровень техники
В области техники, связанной с инфракрасными детекторами, известно применение устройств, выполненных в виде матрицы, которые способны работать при температуре окружающей среды, т.е. не требуют охлаждения до очень низких температур, и этим они отличаются от регистрирующих устройств, именуемых «квантовыми детекторами», которые могут работать только при очень низкой температуре, обычно при температуре жидкого азота.
Эти неохлаждаемые детекторы традиционно используют изменение некоторой физической величины соответствующего материала как функцию температуры около 300 K. В случае болометрических детекторов, этой физической величиной является электрическое сопротивление.
Такой неохлаждаемый детектор в общем случае содержит:
- средство поглощения инфракрасного излучения и преобразования его в тепло;
- средство теплоизоляции детектора, чтобы его температура могла расти вследствие воздействия инфракрасного излучения, подлежащего регистрации;
- термометрическое средство, которое применительно к болометрическому детектору использует резистивный элемент и
- средство считывания электрических сигналов, обеспечиваемых термометрическим средством.
Детекторы, предназначенные для построения изображения в инфракрасном свете, традиционно имеют вид одно- или двухмерной матрицы элементарных детекторов, причем матрица «монолитно» сформирована или смонтирована на подложке, выполненной в общем случае из кремния и включающей в себя средство последовательного обращения к элементарным детекторам и средство электрического возбуждения (стимуляции) и предварительной обработки электрических сигналов, генерируемых этими элементарными детекторами. Эти средства последовательного обращения, электрического возбуждения и предварительной обработки сформированы на подложке и образуют считывающую схему.
Для получения сцены с использованием этого детектора сцена проецируется через соответствующее оптическое устройство на матрицу элементарных детекторов, каждый из которых составляет точку изображения или пиксель, и тактированные электрические стимулы подаются через считывающую схему на каждый из элементарных детекторов или на каждую строку таких детекторов для получения электрического сигнала, который является изображением температуры, которой достиг каждый из элементарных детекторов. Затем этот сигнал обрабатывается в большей или меньшей степени считывающей схемой, после чего, если применимо, внешним электронным устройством, для генерации теплового изображения наблюдаемой сцены.
Существенная трудность, возникающая при использовании болометрических детекторов, состоит в чрезвычайно малом относительном изменении их электрического сопротивления, которое соответствует локальным изменениям температуры в наблюдаемой сцене относительно среднего значения этих сопротивлений.
Конструктивно необходимое наличие определённого теплового сопротивления между болометром и подложкой означает, что температура болометра в значительно большей степени зависит от температуры подложки, чем от изменений температуры, обусловленных падающим потоком, которые являются единственными изменениями, которые следует принимать во внимание с точки зрения сигнала, подлежащего регистрации. Остаточные флуктуации температуры подложки при нормальных условиях термостабилизации, в особенности, если детектор не снабжен такой системой термостабилизации, что во все большем числе случаев относится к такому типу детекторов из соображений снижения стоимости, неизбежно приводят к возникновению нежелательной составляющей в сигнале, полученном от болометра, которая оказывает негативное влияние на качество сигнала. Традиционно предусмотрена терморегуляция подложки для предотвращения или, по меньшей мере, ограничения этого эффекта.
Кроме того, для минимизации влияния температуры фокальной плоскости на характеристику детектора используются «компенсационные» структуры. Эти структуры, которые обычно представляют собой так называемые «слепые болометры», т.е. болометры, нечувствительные к падающему потоку оптического излучения, но чувствительные к температуре подложки, используются для генерации так называемого тока компенсации, который вычитается из тока, полученного от болометров для построения изображения, т.е. регистрационных болометров, в соответствии с конфигурацией электронной схемы.
Эти компенсационные структуры обычно построены так, что они имеют очень низкое тепловое сопротивление относительно подложки, в отличие от болометров для построения изображения.
Таким образом, ток, именуемый «ток общего уровня», т.е. ток, который не представляет информацию о сцене, подлежащей регистрации, по большей части устраняется.
Дополнительно и преимущественно, поскольку компенсационные структуры находятся при, по существу, той же температуре, что и считывающая схема, а следовательно, фокальная плоскость, это фактически позволяет избавиться практически от любых флуктуаций температуры фокальной плоскости. «Идентичное» и периодическое размещение этих компенсационных структур в каждом столбце матрицы для снижения сложности и размеров схемы в целом является известной тактикой.
Каждый столбец болометра последовательно компенсируется одной и той же компенсационной структурой при построчном электронном сканировании изображения. Однако компенсационные структуры по природе своей демонстрируют пространственные изменения сопротивления по причине технологических процессов, используемых при их изготовлении (которые обычно происходят из полупроводниковой промышленности).
Кроме того, слепые болометры, наподобие болометров для построения изображения, а также определенные функции считывающей схемы подвержены шумовым явлениям в целом и так называемому шуму «1/f» в частности. Шум 1/f обычно создает низкочастотный дрейф, в особенности дрейф на очень низких частотах, выходного уровня датчиков, что оказывает негативное влияние на качество изображения. Столбчатое размещение компенсационных структур оказывает негативное влияние на качество изображения ввиду низкочастотных изменений скомпенсированного сигнала, которые асинхронны от столбца к столбцу. Помимо каких-либо особых мер в отношении конструкции и реализации, принимаемых для снижения этой изменчивости, алгоритмы компенсации должны, в целом, разрабатываться и применяться на выходе устройства построения изображения для повышения качества изображения.
Считывающие схемы для резистивных болометрических детекторов, в которых используются слепые болометры, описаны, например, в следующих статьях:
- «Uncooled amorphous silicon technology enhancement for 25 µm pixel pitch achievement», E. Mottin et al; Infrared Technology and Applications XXVIII, SPIE Vol. 4820;
- "320 × 240 uncooled microbolometer 2D array for radiometric and process control applications" B. Fieque et al; Optical Systems Design Conference, SPIE 5251, Sept 29;
- "Low cost amorphous silicon based 160 × 120 uncooled microbolometer 2D array for high volume applications" C. Trouilleau et al; Optical Systems Design Conference SPIE 5251-16.
Принцип считывания активной болометрической матрицы схематически описан со ссылкой на Фиг.1.
Пиксель 1 (термин «пиксель» используется здесь, в широком смысле, для обозначения всех структур, расположенных так, что они находятся под влиянием одной элементарной точки регистрации) содержит активный болометр 2, инжекционный n-канальный транзистор 3 структуры «металл-оксид-проводник» (МОП-транзистор) и переключатель 4, который соединяет пиксель 1 со столбцом 5 считывания, который представлен здесь пунктирной линией. Компенсационная структура 6, которая также называется «ограничителем снизу», в терминологии, используемой в данной области техники, содержит слепой болометр 7, подключенный к источнику питания VSK и инжекционному p-канальному МОП-транзистору 8. В ходе нормальной работы p-канальный МОП-транзистор находится в режиме насыщения. Его ток Icomp, который течет в плече компенсации, задается выражением
где Vcomp обозначает напряжение между выводами компенсационного болометра 7;
Rcomp обозначает сопротивление компенсационного болометра.
Ток, который течет через активное плечо, которое содержит инжекционный n-канальный МОП-транзистор 3, выражается соотношением
где Iac обозначает ток активного плеча;
Vac обозначает напряжение между выводами активного болометра 2;
Rac обозначает сопротивление активного болометра.
Напряжения смещения инжекционных МОП-транзисторов выбираются так, чтобы в отсутствие какого-либо падающего светового потока сцены, т.е., например, когда система оптически закрыта, разность токов dI = Icomp-Iac между активным плечом и слепым плечом компенсации, по существу, равна нулю.
Считывание активного болометра является двухэтапной операцией. Первый этап предусматривает активацию переключателя 9 «сброс», который закорачивает интегрирующую емкость 10 операционного усилителя 11. В результате:
Таким образом, столбец считывания 5, показанный пунктирной линией 5, доводится до потенциала VBUS. Затем переключатель 9 «сброс» размыкается, и переключатель 4 «выбор» замыкается для соединения пикселя 1 со столбцом 5 считывания. Разность токов dI интегрируется емкостью 10 Cint в течение конечного времени интегрирования Tint. Интегрирование создает уровень выходного напряжения, именуемый "непрерывным уровнем" или NC в опорном случае, когда наблюдается однородная температурная сцена, это обычно выявляет изменчивость матрицы построения изображения. Это стандартный способ построения характеристики считывания активных болометров
На болометры подается такое смещение, которое гарантирует как динамическую характеристику выходного сигнала, так и эффективную компенсацию.
Более точное выражение можно получить, рассмотрев для последнего понятия интеграл функции dI(t) по Tint, поскольку токи Iac и Icomp не являются постоянными. Однако, для ясности, вышеприведенного выражения достаточно для объяснения рассматриваемых параметров.
Эта система считывания имеет определенные ограничения, связанные с тем, каким образом столбчатый шаблон компенсации воспроизводится на считывающей схеме. Фактически, каждый столбец имеет компенсационный болометр и инжекционный p-канальный МОП-транзистор. Несовершенное воспроизведение этих различных элементов от столбца к столбцу, которое свойственно внутренней пространственной изменчивости используемых технологий изготовления, приводит к неоднородной эффективности компенсации. Эта статистическая изменчивость приводит к неоднородности тока компенсации от столбца к столбцу и приводит к появлению видимой столбчатой контрастности, что влияет на доступный сигнал.
Изменение ΔRcomp сопротивления Rcomp приводит к изменению тока в следующем виде:
Ток компенсации также можно выразить как функцию уравнения тока в инжекционном канальном полевом униполярном МОП-транзисторе согласно следующему выражению:
где µp обозначает подвижность положительных носителей;
Cox обозначает емкость оксидного затвора;
Wp обозначает ширину канала p-канального МОП-транзистора;
Lp обозначает длину канала p-канального МОП-транзистора;
VSGP обозначает напряжение затвора p-канального МОП-транзистора;
VthP обозначает пороговое напряжение p-канального МОП-транзистора.
Многие параметры в этом уравнении могут изменяться, тем самым создавая столбчатую неоднородность тока компенсации. Очевидно, литографические параметры Wp и Lp от столбца к столбцу обеспечивают различия в токе. Флуктуация длины канала является лишь одной возможной причиной этой неоднородности. Специалистам в данной области техники хорошо известны методы ограничения этих изменений.
Напротив, изменение порогового напряжения VthP создает проблему. Обозначив изменение порогового напряжения δVth, можно выразить столбчатое изменение тока следующим образом:
Помимо этого статического изменения, схема, показанная на Фиг.1, также чувствительна к низкочастотным флуктуациям, связанным с шумом 1/f. Мощность шума 1/f, заключенного между двумя частотами fmin и fmax, выражается путем интегрирования спектральной плотности шума между этими двумя границами согласно соотношению
где kB - постоянная Больцмана;
KF обозначает коэффициент шума 1/f материала.
Мощность шума, добавляемого компенсационной структурой, выражаемая вышеприведенным соотношением, возрастает с постоянным приращением для каждой дополнительной частотной декады, включенной между двумя границами интегрирования fmin и fmax. Компенсационные болометры постоянно получают смещение и поэтому нижнюю частотную границу fmin интегрирования можно считать очень низкой до тех пор, пока компонент остается возбужденным в течение удлиненного периода после активации детектора. Столбчатая помеха (аналитически выражаемая специалистами в данной области техники как вышеописанная мощность шума) проявляется как смещение, которое в первом приближении является неизменным от изображения к изображению, если рассматривать частоты ниже частоты кадров, но является переменным в течение более длинного периода времени, если камера, в которой применяется такой детектор, работает несколько минут.
Помимо этого ограничения, ориентация рынка на болометрические датчики с увеличенным количеством пикселей означает, что компенсационные болометры каждого столбца, которые эффективны в малых устройствах построения изображения в качестве опорной абсолютной температуры, действуют как «локальные» опорные температуры с точки зрения активных болометров, которые наиболее удалены. Таким образом, если источник тепла какой бы то ни было природы, например схемные элементы, которые локально излучают больше или меньше тепла, может влиять на все или некоторые из компенсационных болометров, последние будут подвергаться влиянию в соответствии с их расстоянием от источника помехи и таким образом воспроизводить распределение тока компенсации, которое не соответствует изменению температуры подложки, воспринимаемому чувствительными болометрами, которые не рассматриваются, или, в целом, подвергаться влиянию источника тепла по-разному.
Настоящее изобретение относится к регистрирующему устройству, которое использует единую компенсационную структуру и позволяет преодолеть ограничения качества изображения, в особенности связанные с различиями в столбчатой контрастности.
Раскрытие изобретения
Это устройство для регистрации инфракрасного излучения содержит матрицу болометрических детекторов, которые чувствительны к падающему излучению и называются «активными», и болометр, который нечувствителен к излучению и называется «слепым», сформированные на подложке, в которой предусмотрена считывающая схема для последовательного обращения к каждой из строк детекторов матрицы, причем каждый из активных болометров в одной строке получает смещение одновременно.
Согласно изобретению считывающая схема также содержит:
средство выработки опорного тока на основе слепого болометра;
средство одновременного копирования опорного тока для каждого столбца матрицы;
совокупность интеграторов тока, каждый из которых связан с одним столбцом матрицы и способен интегрировать разность между током, текущим через активный болометр строки, которая считывается в данный момент, и скопированным таким образом опорным током.
Иными словами, вся болометрическая матрица компенсируется единой структурой, что таким образом позволяет подавлять столбчатую контрастность, которая наблюдается при использовании детекторов согласно уровню техники.
Согласно изобретению средство выработки опорного тока содержит:
линию питания, подключенную к одному из выводов слепого болометра;
инжекционный транзистор, подключенный к другому выводу слепого болометра, для выработки опорного тока через напряжение, подаваемое на его затвор;
преобразователь ток-напряжение, который преобразует опорный ток в опорное напряжение.
Согласно изобретению слепой болометр может состоять из одного или нескольких элементарных слепых болометров, соединенных друг с другом. Этот слепой болометр или эти слепые болометры сформированы аналогично активным болометрам, но имеют пренебрежимо малое тепловое сопротивление относительно подложки.
Согласно изобретению средство одновременного копирования опорного тока для каждого столбца матрицы состоит из токовых зеркал, расположенных в каждом из столбцов, причем каждое из зеркал содержит преобразователь напряжение-ток.
Согласно одному преимущественному аспекту изобретения токовое зеркало, используемое в каждом из столбцов, является дифференциальным токовым зеркалом.
Краткое описание чертежей
Реализация изобретения и его соответствующие преимущества будут более понятны из нижеследующего описания, приведенного исключительно в порядке примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 - описанная выше схема, поясняющая принцип считывания матрицы активных болометров.
Фиг.2 - схема, аналогичная Фиг.1, но демонстрирующая общий принцип изобретения.
Фиг.3 - схема, аналогичная Фиг.2, демонстрирующая другой вариант осуществления изобретения, где показаны источник тока и дифференциальное токовое зеркало опорной структуры, и дифференциальное зеркало структуры для каждого столбца.
Осуществление изобретения
В оставшейся части этого описания одна и та же позиция используется для обозначения элементов, которые идентичны или принадлежат одному и тому же функциональному типу, если применимо.
В целом, и согласно вышеприведенному описанию, матрица болометрических детекторов сформирована на кремниевой подложке, в которой образована считывающая схема. Эта подложка традиционно покрыта в области своих активных структур, т.е. строго под оптически чувствительной областью, отражающим металлическим слоем. Этот слой призван известным образом формировать четвертьволновую полость между подложкой и поглощающими частями детектора.
Оптически активные области «вымощены» взвешенными мембранами, которые содержат над считывающей схемой болометрический материал. Эти мембраны поддерживаются посредством структур, которые, по существу, вертикальны и проводят электрический ток. Эти структуры, выполненные из металлического материала, также способны направлять потенциалы возбуждения, генерируемые считывающей схемой, на проводящие, также именуемые «электродами», детали мембраны каждого элементарного болометрического детектора через удлиненные структуры, которые также проводят электрический ток, но не проводят тепло.
Это тепловое сопротивление, которое также называется «теплоизоляцией», предназначено для того, чтобы температура болометра могла расти вследствие воздействия инфракрасного излучения, подлежащего регистрации.
Считывающая схема последовательно подает электрический ток, который течет через взвешенную структуру. Этот ток течет через материал, сопротивление которого изменяется с температурой, и который называется «болометрическим материалом». Наиболее широко используемыми материалами для этого применения являются оксид ванадия (общая формула VOx) и аморфный кремний (a-Si).
Эта матрица снабжена компенсационной структурой, способной, по большей части, шунтировать ток общего уровня, который течет через каждый из болометрических детекторов, которые образуют матрицу, принцип которой описан со ссылкой на Фиг.2.
Эта компенсационная структура уникальна для всей матрицы.
Согласно одному аспекту изобретения эта единая компенсационная структура 18 содержит слепой компенсационный болометр 12, точнее, нечувствительный к инфракрасному излучению, с сопротивлением Rcomp, состоящий из одного или нескольких элементарных болометров, соединенных друг с другом. Линия 13 питания (VSK) подключена к одному из выводов сопротивления Rcomp. Другой вывод резистора подключен к инжекционному транзистору 14 для создания опорного тока (Iref) через сопротивление Rcomp компенсационного болометра 12 посредством напряжения затвора (GSK), подаваемого на затвор транзистора. Таким образом, слепой болометр 12 постоянно получает смещение посредством инжекционного транзистора 14, которое регулируется напряжением затвора (GSK).
Преобразователь 15 ток-напряжение преобразует опорный ток (Iref) в опорное напряжение (Vref).
Этот опорный ток (Iref) дублируется для каждого из столбцов посредством токового зеркала 16, расположенного в столбцах 5, каждый из которых содержит преобразователь напряжения (Vref) в ток (Iref).
Токовые зеркала хорошо известны специалистам в данной области техники и поэтому не нуждаются в более подробном описании. Мы просто напоминаем читателю, что такое токовое зеркало - это особая схема, состоящая из транзисторов, которая позволяет отражать (дублировать) опорный ток Iref в качестве выходного тока, который в идеальном случае равен, но в любом случае пропорционален опорному току независимо от нагрузки, подключенной к выходному току, в этом случае, описанного ниже интегратора.
Фактически, интегратор 19 тока, образованный усилителем 11 и емкостью 10, связан с каждым из столбцов 5 матрицы. Этот интегратор способен интегрировать разность между током, текущим через активный болометр 2 строки, которая считывается в данный момент, и опорным током (Iref) из токового зеркала.
Опорный ток (Iref) таким образом копируется согласно току I2 во все столбцы матрицы посредством токового зеркала 16. Каждый из столбцов имеет дополнительное токовое зеркало 17 для обращения направления тока I2 в ток компенсации I3 для того, чтобы сделать опорный ток (Iref) совместимым с интегрирующей структурой, которая традиционно используется.
Таким образом, не нужно иметь компенсационные болометры в каждом из столбцов, а нужно иметь лишь один компенсационный болометр для всей матрицы.
Отметим, что токовое зеркало 17 необходимо только если активный болометр 2 привязан к заземлению детектора, причем это условие не является необходимым для функционирования детектора. Таким образом можно привязать активный болометр 2 к напряжению VSK или любому другому потенциалу, превышающему VBUS, чтобы токовое зеркало 17 напрямую не соединяло транзистор токового зеркала 16 со столбцом 5.
Конкретное устройство, отвечающее изобретению, позволяет преодолеть различие, связанное с распределенными компенсационными болометрами. Очевидно, что один из источников столбчатого изменения устраняется, причем это различие является одним из недостатков регистрационных матриц, отвечающих уровню техники.
Кроме того, исключение таких компенсационных болометров, которые традиционно связаны с каждым столбцом, позволяет значительно экономить место в смысле используемой площади поверхности подложки. Следует помнить, что эти компенсационные структуры должны иметь как можно более низкий уровень низкочастотного шума, чтобы не ухудшать общие характеристики устройства формирования изображения. Для этого необходимо использовать сравнительно большой объем чувствительного материала для создания малошумных компенсационных структур и, следовательно, требуется значительная площадь поверхности, поскольку эти структуры традиционно создаются с использованием тонких слоев.
Вариант осуществления изобретения, показанный на Фиг.2, может иметь ограничения, связанные с геометрической и технологической изменчивостью множественных используемых МОП-структур. Токовое зеркало, используемое для распределения тока на каждый столбец, нельзя спаривать с использованием подходов ближней конструкции, которые хорошо известны специалистам в данной области техники, поскольку расстояние между двумя плечами токового зеркала легко может достигать нескольких миллиметров в широко распространенных применениях. Кроме того, применительно к использованию зеркальной структуры для распределения тока невозможно использовать известные подходы обратной связи, поскольку опорное плечо является общим для всех зеркал.
Для преодоления этих ограничений изобретение предусматривает согласно одному преимущественному варианту осуществления, показанному на Фиг.3, использование токового зеркала с низкой дисперсией и с этой целью применение дифференциального зеркала.
В этой связи два ближних транзистора можно спаривать благодаря известным конструкционным решениям и тщательному подбору размеров транзисторов.
В этом случае, опорная компенсационная структура 18 сохраняется. Она образует источник опорного тока i1 = Iref. Она связана с дифференциальным преобразователем ток-напряжение 22, который содержит известным образом, по меньшей мере, одно токовое зеркало и генераторы тока.
В частности, этот преобразователь содержит:
источник 24 тока общего уровня Icom;
сумматор 25 тока, который осуществляет операцию Icom + Iref/2;
вычитатель 26 тока, который осуществляет операцию Icom - Iref/2.
Этот преобразователь обеспечивает преобразование тока в напряжение для задания следующих параметров:
- опорное напряжение Vcmd+, эквивалентное току Icom + Iref/2;
- опорное напряжение Vcmd-, эквивалентное току Icom - Iref/2,
причем эти два опорных напряжения распределены по всем столбцам детектора.
Поэтому он образует единую структуру, общую для всего детектора и обозначенную позицией 20.
Каждый из столбцов содержит преобразователь 23 напряжение-ток, содержащий:
два преобразователя 27, 28 напряжение-ток, которые соответственно обеспечивают преобразование опорного напряжения Vcmd+ в ток I1 = Icom + Iref/2 и преобразование опорного напряжения Vcmd- в ток I2 = Icom - Iref/2;
вычитатель 29 тока, который осуществляет операцию I1-I2.
Детали и преимущества конструкции, свойственные дифференциальным токовым зеркалам, хорошо известны специалистам в данной области техники и поэтому не нуждаются в более подробном описании применительно к настоящему изобретению.
Ток, полученный из этого преобразователя 23 напряжение-ток, дублируется для каждого из столбцов посредством токового зеркала 16, которое также располагается в каждом из столбцов 5. При этом опорный ток (Iref) копируется согласно току i1 во все столбцы матрицы посредством токового зеркала 16. Каждый из столбцов имеет дополнительное токовое зеркало 17 для обращения направления тока i1 в ток компенсации для того, чтобы сделать опорный ток (Iref) совместимым с вышеописанной интегрирующей структурой 19.
Очевидно, что согласно этому конкретному варианту осуществления изобретения транзисторы, составляющие единую компенсационную структуру 20, располагаются очень близко друг от друга, что позволяет легко их спаривать. Аналогично, транзисторы 27 и 28 располагаются в каждом столбце и потому их также легко спаривать. Напротив, последние нельзя спаривать с транзисторами структуры 20. Работа с двойным дифференциальным напряжением Vcmd+/Vcmd-, а не с одним напряжением Vref позволяет, по существу, ограничивать эффект пространственного изменения элементарной электронной структуры (МОП), распределенной в каждом столбце, в особенности в отношении изменения порогового напряжения. При этом достигается более высокая точность по сравнению с вариантом осуществления, показанным на Фиг.2, в том отношении, что в последнем случае невозможно спаривать транзисторы 15 и 16, поскольку они распределены по столбцу.
Независимо от выбранного варианта осуществления изобретения, не требуется иметь компенсационный болометр в каждом столбце. Это также устраняет шум 1/f, генерируемый в традиционных регистрационных структурах, например, показанных со ссылкой на Фиг.1.
Конечно, шум 1/f все же присутствует в ходе работы единичного компенсационного болометра, используемого согласно изобретению, но этот шум легко снизить до пренебрежимо малой величины с использованием достаточно большого объема болометрического материала за счет площади поверхности подложки, которая очень мала по сравнению с полной площадью поверхности устройства формирования изображения.
Кроме того, используемая площадь поверхности чрезвычайно мала по сравнению с площадью, необходимой слепым болометрическим компенсационным структурам, расположенным в каждом столбце в структурах, отвечающих уровню техники, показанных на Фиг.1.
Кроме того, этот эффект применяется ко всем пикселям матрицы, а не некоррелированным образом от столбца к столбцу, причем любой остаточный эффект гораздо менее вреден.
Наконец, шум 1/f, вносимый токовыми зеркалами, можно минимизировать методами, которые хорошо известны специалистам в данной области техники.
Изобретение имеет конкретные применения в области датчиков изображения, в которых используется болометрическая регистрация, независимо от оптического диапазона регистрации и типа используемого болометрического датчика (в частности, но без ограничения, на основе аморфного кремния (a-Si), оксидов ванадия (VOx) и металлов (Ti)).
Кроме того, благодаря возможности адаптации к различным рабочим температурам изобретение также применимо к терморегулируемым датчикам, а также к датчикам, работающим при переменной температуре фокальной плоскости.
Кроме того, характерная хорошая характеристика низкочастотного шума по столбцам позволяет интегрировать детекторы, созданные согласно изобретению, в камерах без затвора.
Очевидно, что изобретение также хорошо совместимо с традиционными камерами, имеющими затвор. Это позволяет значительно снизить стоимость изготовления таких камер, а также упростить их эксплуатацию для пользователя.
Claims (5)
1. Устройство для регистрации инфракрасного излучения, содержащее матрицу болометрических детекторов (2), которые чувствительны к падающему излучению и называются «активными», и болометр (12), который нечувствителен к излучению и называется «слепым», сформированные на подложке, в которой сформирована считывающая схема для последовательного обращения к каждой из строк детекторов матрицы, причем каждый из активных болометров в одной строке получает смещение одновременно, отличающееся тем, что считывающая схема также содержит: средство выработки опорного тока (Iref) на основе слепого болометра (12), средство одновременного копирования опорного тока (Iref) для каждого столбца матрицы, совокупность интеграторов тока (19), каждый из которых связан с одним столбцом матрицы и способен интегрировать разность между током, текущим через активный болометр строки, которая считывается в данный момент, и скопированным таким образом опорным током.
2. Устройство для регистрации инфракрасного излучения по п.1, отличающееся тем, что средство выработки опорного тока (Iref) содержит линию (13) питания, подключенную к одному из выводов слепого болометра (12), инжекционный транзистор (14), подключенный к другому выводу слепого болометра (12) для выработки опорного тока (Iref) через напряжение, подаваемое на его затвор, преобразователь (15) ток-напряжение, который преобразует указанный опорный ток (Iref) в опорное напряжение.
3. Устройство для регистрации инфракрасного излучения по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что слепой болометр (12) состоит из одного или нескольких элементарных слепых болометров, соединенных друг с другом.
4. Устройство для регистрации инфракрасного излучения по п.1, отличающееся тем, что средство одновременного копирования опорного тока (Iref) для каждого столбца матрицы состоит из токовых зеркал (16), расположенных в каждом из столбцов, причем каждое из зеркал содержит преобразователь напряжение-ток.
5. Устройство для регистрации инфракрасного излучения по п.4, отличающееся тем, что токовое зеркало, используемое в каждом из столбцов, является дифференциальным токовым зеркалом.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0756214A FR2918449B1 (fr) | 2007-07-02 | 2007-07-02 | Dispositif de detection de rayonnement infrarouge a detecteurs bolometriques |
| FR0756214 | 2007-07-02 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008123479A RU2008123479A (ru) | 2009-12-20 |
| RU2454752C2 true RU2454752C2 (ru) | 2012-06-27 |
Family
ID=39030895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008123479/28A RU2454752C2 (ru) | 2007-07-02 | 2008-06-09 | Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе болометрических детекторов |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7928387B2 (ru) |
| EP (1) | EP2012100B1 (ru) |
| CN (1) | CN101339074B (ru) |
| CA (1) | CA2632505C (ru) |
| FR (1) | FR2918449B1 (ru) |
| RU (1) | RU2454752C2 (ru) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IL167637A (en) * | 2005-03-24 | 2009-09-22 | Semi Conductor Devices An Elbi | Method and system for determining the rate of non uniformity of bolometer based systems |
| IL167641A (en) * | 2005-03-24 | 2011-07-31 | Semi Conductor Devices An Elbit Systems Rafael Partnership | A system for measuring and compensating for changes in the case temperature in systems based on bulometers |
| US8124937B2 (en) | 2009-01-15 | 2012-02-28 | Raytheon Company | System and method for athermal operation of a focal plane array |
| FR2944870B1 (fr) * | 2009-04-23 | 2011-06-24 | Commissariat Energie Atomique | Capteur a bolometre dote de moyens de regulation electrique des effets de la temperature |
| WO2012002496A1 (ja) * | 2010-07-01 | 2012-01-05 | パナソニック電工株式会社 | 対象物検出装置 |
| FR2963850B1 (fr) * | 2010-08-10 | 2012-09-07 | Soc Fr Detecteurs Infrarouges Sofradir | Dispositif de detection a conditions de polarisation ameliorees |
| JP5331091B2 (ja) * | 2010-11-18 | 2013-10-30 | パナソニック株式会社 | 通信システム、送信装置、受信装置および通信方法 |
| FR2969763B1 (fr) * | 2010-12-22 | 2013-02-15 | Commissariat Energie Atomique | Systeme de mesure et imageur comportant un tel systeme |
| US8610062B2 (en) | 2011-03-24 | 2013-12-17 | Raytheon Company | Apparatus and method for multi-spectral imaging |
| CN102494781B (zh) * | 2011-12-14 | 2013-04-10 | 电子科技大学 | 一种读出电路偏置结构 |
| CN108401497B (zh) | 2018-02-27 | 2020-11-13 | 深圳市汇顶科技股份有限公司 | 图像传感器和图像传感器的输出补偿电路 |
| FR3088512B1 (fr) * | 2018-11-09 | 2020-10-30 | Schneider Electric Ind Sas | Procede de traitement d'une image |
| CN109459141B (zh) * | 2018-12-18 | 2024-04-30 | 山西德润翔电力科技有限公司 | 双色红外测温装置 |
| CN110296761B (zh) * | 2019-07-25 | 2020-06-05 | 北京安酷智芯科技有限公司 | 一种读出电路 |
| US10827090B1 (en) * | 2019-09-16 | 2020-11-03 | Innolux Corporation | Electronic device and method for operating electronic device |
| CN111579095B (zh) * | 2020-04-30 | 2021-11-30 | 南京雷石电子科技有限公司 | 一种车载低温红外探测系统 |
| IL275896B (en) * | 2020-07-07 | 2022-07-01 | Frank Amit | Imaging apparatus and method |
| CN112082661B (zh) * | 2020-07-27 | 2021-09-14 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种基于像元合并的红外探测器结构及其合并方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1117250A2 (en) * | 2000-01-11 | 2001-07-18 | Agilent Technologies Inc. (a Delaware Corporation) | Active pixel sensor with improved reference signal |
| US7030453B1 (en) * | 1998-12-30 | 2006-04-18 | Commissariat A L'energie Atomique | Bolometric detector with an antenna |
| US7148481B2 (en) * | 2003-11-10 | 2006-12-12 | Ulis | Device for detecting infrared radiation with bolometric detectors |
Family Cites Families (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9404111D0 (en) * | 1994-03-03 | 1994-04-20 | Philips Electronics Uk Ltd | A charge storage device |
| US5784178A (en) * | 1996-03-06 | 1998-07-21 | Dyna Image Corporation | High performance contact image sensor |
| US6141048A (en) * | 1996-08-19 | 2000-10-31 | Eastman Kodak Company | Compact image capture device |
| JPH10122957A (ja) * | 1996-10-22 | 1998-05-15 | Nikon Corp | 熱型赤外線イメージセンサ |
| EP0923067B1 (en) * | 1997-03-12 | 2004-08-04 | Seiko Epson Corporation | Pixel circuit, display device and electronic equipment having current-driven light-emitting device |
| CA2304500A1 (en) * | 1997-09-26 | 1999-04-08 | The Secretary Of State For Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland | Sensor apparatus |
| US6384413B1 (en) * | 1998-10-13 | 2002-05-07 | California Institute Of Technology | Focal plane infrared readout circuit |
| US6704050B1 (en) * | 1999-04-23 | 2004-03-09 | Polaroid Corporation | Active-pixel image sensing device with linear mode voltage to current conversion |
| US6583416B1 (en) * | 1999-11-15 | 2003-06-24 | Sarnoff Corporation | Uncooled IR detector array having improved temperature stability and reduced fixed pattern noise |
| JP3866069B2 (ja) * | 2001-09-26 | 2007-01-10 | 株式会社東芝 | 赤外線固体撮像装置 |
| US6812465B2 (en) * | 2002-02-27 | 2004-11-02 | Indigo Systems Corporation | Microbolometer focal plane array methods and circuitry |
| WO2004097781A1 (en) * | 2003-04-25 | 2004-11-11 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Method and device for driving an active matrix display panel |
| US7119334B2 (en) * | 2003-11-03 | 2006-10-10 | Namal Technologies Ltd. | Thermal imaging system and method |
| US20050285822A1 (en) * | 2004-06-29 | 2005-12-29 | Damoder Reddy | High-performance emissive display device for computers, information appliances, and entertainment systems |
| GB0500111D0 (en) * | 2005-01-06 | 2005-02-09 | Koninkl Philips Electronics Nv | Inkjet print head |
| US7616231B2 (en) * | 2005-01-06 | 2009-11-10 | Goodrich Corporation | CMOS active pixel sensor with improved dynamic range and method of operation for object motion detection |
| JP2006292594A (ja) * | 2005-04-12 | 2006-10-26 | Nec Electronics Corp | 赤外線検知器 |
| WO2007015235A1 (en) * | 2005-08-04 | 2007-02-08 | Semi-Conductor Devices-An Elbit Systems-Rafael Partnership | Circuitry for balancing a differential type focal plane array of bolometer based infra-red detectors |
| JP4654857B2 (ja) * | 2005-09-26 | 2011-03-23 | ソニー株式会社 | Ｄａ変換装置、ａｄ変換装置、半導体装置 |
| US7435961B2 (en) * | 2006-03-17 | 2008-10-14 | Lucent Technologies Inc. | Imaging sensor |
| JP4901320B2 (ja) * | 2006-06-13 | 2012-03-21 | 三菱電機株式会社 | ２波長イメージセンサ |
-
2007
- 2007-07-02 FR FR0756214A patent/FR2918449B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2008
- 2008-05-28 US US12/127,976 patent/US7928387B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2008-05-29 CA CA2632505A patent/CA2632505C/fr active Active
- 2008-06-09 RU RU2008123479/28A patent/RU2454752C2/ru active
- 2008-06-10 CN CN2008101110592A patent/CN101339074B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2008-06-17 EP EP08300224A patent/EP2012100B1/fr not_active Not-in-force
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7030453B1 (en) * | 1998-12-30 | 2006-04-18 | Commissariat A L'energie Atomique | Bolometric detector with an antenna |
| EP1117250A2 (en) * | 2000-01-11 | 2001-07-18 | Agilent Technologies Inc. (a Delaware Corporation) | Active pixel sensor with improved reference signal |
| US7148481B2 (en) * | 2003-11-10 | 2006-12-12 | Ulis | Device for detecting infrared radiation with bolometric detectors |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008123479A (ru) | 2009-12-20 |
| CA2632505C (fr) | 2016-09-13 |
| FR2918449B1 (fr) | 2010-05-21 |
| EP2012100A1 (fr) | 2009-01-07 |
| US20090008555A1 (en) | 2009-01-08 |
| CA2632505A1 (fr) | 2009-01-02 |
| CN101339074A (zh) | 2009-01-07 |
| CN101339074B (zh) | 2011-12-28 |
| US7928387B2 (en) | 2011-04-19 |
| EP2012100B1 (fr) | 2012-11-14 |
| FR2918449A1 (fr) | 2009-01-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2454752C2 (ru) | Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе болометрических детекторов | |
| US7700919B2 (en) | Device for detecting electromagnetic radiation, especially infrared radiation | |
| Konnik et al. | High-level numerical simulations of noise in CCD and CMOS photosensors: review and tutorial | |
| US8080793B2 (en) | Device for detecting infrared radiation comprising a resistive imaging bolometer, a system comprising an array of such bolometers and a method for reading an imaging bolometer integrated into such a system | |
| Wood | Monolithic silicon microbolometer arrays | |
| US6809320B2 (en) | Solid-state infrared imager | |
| Blouke et al. | 800 X 800 charge-coupled device image sensor | |
| US20100181485A1 (en) | Device for the detection of an electromagnetic radiation and electromagnetic radiation detector comprising such devices | |
| JP2012525573A (ja) | 赤外放射を検出するためのシステム及び方法 | |
| CA2647365A1 (fr) | Dispositif pour la detection d'un rayonnement electromagnetique comportant un bolometre resistif d'imagerie, systeme comprenant une matrice de tels dispositifs et procede de lecture d'un bolometre d'imagerie d'un tel systeme | |
| US8368789B2 (en) | Systems and methods to provide reference current with negative temperature coefficient | |
| JP4009598B2 (ja) | 赤外線固体撮像素子 | |
| CA2451463C (en) | Method and apparatus for readout of compound microbolometer arrays | |
| JP3809653B2 (ja) | プログラミング可能なオフセット電流を有する光検知装置 | |
| CN111829670B (zh) | 一种非制冷红外焦平面阵列读出电路 | |
| Njuguna et al. | Current-mode CMOS imaging sensor with velocity saturation mode of operation and feedback mechanism | |
| US8283634B2 (en) | Device for detecting electromagnetic radiation | |
| JP4290034B2 (ja) | 赤外線固体撮像装置 | |
| JP4959735B2 (ja) | 熱型赤外線検出素子 | |
| RU2679272C1 (ru) | Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе матрицы болометрических детекторов со схемой компенсации неоднородности | |
| Wang et al. | Signal readout for pyroelectric detector based on relaxor ferroelectric single crystals | |
| Akçören | A low-cost uncooled infrared detector array and its camera electronics | |
| Dupont et al. | Toward lower uncooled IR-FPA system integration cost | |
| Qiu | A novel readout method for focal plane array imaging in the presence of large dark current | |
| Chesler | Design of pixel level CMOS readout circuitry for continuous bias uncooled bolometric long wave infrared focal plane arrays |