CN101339073A - 检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备 - Google Patents

Abstract

检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备包括入射辐射敏感(活动)的单元测辐射热仪的阵列和基本上辐射不敏感(盲)的附加行的测辐射热仪，活动和盲测辐射热仪形成于基底，基底形成有顺序寻址阵列每个行和盲测辐射热仪的行的读取电路，同时偏压同一行测辐射热仪。电路包括基于附加盲测辐射热仪产生参考电流的源，及电流镜构成的复制参考电流到阵列每列的装置。阵列每列包括分流大部分本底电流或共模电流的补偿结构，包括附加行的盲测辐射热仪，并与电流积分器相关联，积分器对流过当前正读取的行的活动测辐射热仪的电流和盲测辐射热仪输出的补偿电流间的电流差积分。形成信号或读取附加行期间，参考电流的副本源于盲测辐射热仪经开关输出的电流。

Description

检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备

技术领域

本发明涉及一种用于检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备，该检测设备使用辐射热检测器(bolometric detectors)。本发明的应用领域尤其涉及红外成像。

背景技术

在红外检测器领域中，已知可以使用设计成阵列形式、能够在环境温度下工作(即，不需要冷却到非常低的温度)的设备，这些设备与被称作“量子检测器”的检测设备形成对比，后者只能在非常低的温度下(通常是在液氮温度下)工作。

这些非冷却检测器传统上利用合适材料的、作为在大约300K的温度的函数的物理量的变化。在辐射热检测器的情形下，该物理量为电阻率。

这种非冷却检测器一般涉及：

-吸收红外辐射并将其转化为热的装置；

-使检测器热绝缘从而使其温度由于要检测的红外辐射的影响而升高的装置；

-在辐射热检测器的情形中，使用电阻元件的测温装置；

-以及读取所述测温装置提供的电信号的装置。

打算用于红外成像的检测器传统上被制成单元检测器的一维或二维阵列，所述阵列被“单片”形成或安装在通常由硅构成的基底上，而该基底合并了顺序寻址单元检测器的装置以及对由这些单元检测器产生的电信号进行电激发(激励)的装置和进行预处理的装置。这些顺序寻址装置、电激发装置和预处理装置形成在基底上，并构成读取电路。术语“读取”表示基于感测元件的状态形成电信号。

为了使用该检测器来获得景象，通过合适的光学系统将景象投影到单元检测器阵列上，其中每个单元检测器构成图像点或像素，时钟驱动的电激励通过读取电路被施加到每个单元检测器或者施加到这种检测器的每一行，以便获得电信号，该电信号是由每个所述单元检测器所达到的温度的图像。然后，该信号由读取电路或多或少地进行处理，然后，如果可用，则由封装之外的电子设备进行处理，以便产生所观察景象的热图像。

当使用辐射热检测器时所遇到的最主要的困难是，相对于这些检测器的电阻的平均值而言，表示所观察景象的局部温度变化的这些电阻的相对变化是非常小的。

测辐射热仪和基底之间由构造所决定的有限热阻的存在意味着：基底温度对测辐射热仪温度的影响比入射通量所导致的温度变化要敏感得多，而从要检测信号的角度看，入射通量所导致的温度变化是唯一要考虑的变化。因此，在正常的热稳定条件下基底温度的残余起伏会在从测辐射热仪所获得的信号中产生不想要的成分，该成分会对信号质量产生不利影响，如果检测器没有这种热稳定系统的话就更是如此，而使用没有这种热稳定系统的检测器以降低成本的情形越来越多。传统地，对基底进行热控制以便防止或者至少是限制这种效应。

另外，使用“补偿”结构，以便使焦平面温度对检测器响应的影响最小。使用这些结构来产生所谓的补偿电流，这些结构通常是称作“盲测辐射热仪”的测辐射热仪，即，对入射的光通量不敏感而对基底温度敏感的测辐射热仪，其中，根据电路的配置方式，从成像测辐射热仪(即，检测测辐射热仪)所获得的电流中减去所述补偿电流。

通常，建立这些补偿结构，使得它们相对于基底具有非常低的热阻，具体说是可以忽略的热阻，不像成像测辐射热仪一样。

这样，消除了大部分所谓的“共模电流”，即不代表源于要检测的景象的信息的电流。

另外，有利的是，由于所述补偿结构基本上与读取电路从而与焦平面具有同样的温度，所以，这实际上允许显著地抑制焦平面温度的任何波动。将这些补偿结构“同一地”、重复地安排在阵列的每个列中以减小电路的复杂性和总尺寸是一种已知的手段。

当每次一行地对图像进行电子扫描时，用同一补偿结构对每个测辐射热仪列顺序进行补偿。然而，补偿结构固有地呈现出电阻的空间变化性，这是由于在其制造过程中所使用的技术处理(这些技术处理通常源自半导体工业)所造成的。

另外，盲测辐射热仪(像成像测辐射热仪)以及读取电路的某些功能通常受噪声现象(具体说是所谓的“1/f”噪声)的影响。1/f噪声通常使传感器输出水平产生低频漂移(特别是极低频漂移)，这对图像质量有不利的影响。补偿信号的低频变化从一个列到下一个列是不同步的，该低频变化使得补偿结构的列排列对图像的质量有负面影响。除了采取某些特殊设计和实现措施以减小这种变化性之外，一般地，必须开发补偿算法并将之运用到成像器的输出上以便提高图像质量。

因此，为了形成图像样本(帧)，对第一行中的全部测辐射热仪同时进行寻址(施加偏压)并通过使用位于列尾的盲补偿结构对其电流进行补偿。对所获得的“行”信号进行处理并将其传送到输出，同时对第二行进行寻址，重复进行该过程直到最后一行以完成该帧，然后对下一帧重新开始同样的处理(参见图2)。很明显，补偿电流的低频变化最初对每个列中的全部元件有同样的影响而对不同的列有不同的影响，该低频变化会产生轻微的缓慢变化的列差异，这会对图像质量产生不利影响。除了进行设计和技术改进以便减小固定的变化性以及低频噪声之外，还应该开发和使用补偿算法以便将这些影响减小到最低水平。

近来，成像部件使用算法处理来校正与焦平面的温度波动相关的输出信号的残余漂移。这种方法的目标是摆脱热控制设备(基于珀尔帖效应(Peltier-effect)的“热电”模块)，这种设备相对于实际部件自身及其相关的使用而言很贵。这些简化了的部件通常被称作“无TEC(不含热电冷却器)”(TEC代表热电冷却器，ThermoElectric Cooler)。这些处理的功效显著地依赖于在打算使用的焦平面的温度变化范围内对这些补偿结构的变化性做出正确而精确的估计。

在例如下列应用中说明了使用盲测辐射热仪的电阻型辐射热检测器的读取电路：

●“Uncooled amorphous silicon technology enhancement for 25μm pixelpitch achievement”，E.MOTTIN et al；Infrared Technology andApplications XXVIII，SPIE Vol.4820；

●“320×240 uncooled microbolometer 2D array for radiometric andprocess control applications”，B.FIEQUE et al，Optical Systems DesignConference，SPIE 5251，Sept 29；

●“Low cost amorphous silicon based 160×120 uncooled microbolometer2D array for high volume applications”，C.TROUILLEAU et al，OpticalSystems Design Conference SPIE 5251-16。

结合现有技术说明的电子结构主要被设计为对活动(active)阵列中的测辐射热仪进行读取，但如果调整了读取时序图的话，也可以用来对盲测辐射热仪进行读取。这些情况在图2中示意地予以说明。

下面参考图1说明读取测辐射热仪的活动阵列的原理。

像素1(在这里，术语“像素”的解释延伸为是指在一个单元检测点的影响下的全部结构)包括活动测辐射热仪2、NMOS电荷注入晶体管3以及将像素1连接到读取列5的开关4，像素1在这里用虚线表示。补偿结构6在所讨论的技术领域中使用的术语中也被称作基准限幅器(baseclipper)，它包括与电源VSK和PMOS电荷注入晶体管8相连的盲测辐射热仪7。在正常的操作期间，PMOS晶体管处于饱和模式。其电流I_comp由下面的表达式来定义：

$\mathrm{Icomp}=\frac{\mathrm{Vcomp}}{\mathrm{Rcomp}}$

其中：

●V_comp表示横跨补偿测辐射热仪7终端的电压；

●R_comp表示所述补偿测辐射热仪的电阻。

作为活动臂，流经NMOS电荷注入晶体管3的电流由下述关系表示：

$\mathrm{Iac}=\frac{\mathrm{Vac}}{\mathrm{Rac}}$

其中：

●I_ac表示活动臂的电流；

●V_ac表示横跨活动测辐射热仪2终端的电压；

●R_ac表示所述活动测辐射热仪的电阻。

选取MOS电荷注入晶体管的偏压，使得在没有任何入射的景象光通量时(即，例如，当系统光关闭时)，活动臂和盲臂(blind arm)之间的电流差dI＝I_comp-I_ac基本上为零。

读取活动臂是两步操作。第一步包括闭合“复位”开关9，使运算放大器11的积分电容10短路。于是有：

V_out＝V_BUS

因此，由虚线5所示的读取列5的电势为V_BUS。然后，断开“复位”开关9并闭合“选择”开关4从而将像素1连接到读取列5上。在有限的积分时间T_int内由电容C_int10对电流差dI进行积分。在参考情形中，即在观察温度均匀的景象的情形中，积分产生了被称作“连续电平”或NC的输出电压电平，这通常显示了成像阵列的变化性。这是用来表征读取活动测辐射热仪的标准方法。

$\mathrm{NC}=\mathrm{VBus}-\frac{\mathrm{Tint}}{\mathrm{Cint}}\mathrm{dI}$

对测辐射热仪施加偏压以确保动态输出信号响应和活动补偿。

通过对最后一项考虑函数dI(t)在T_int上的积分可以获得更严格的表达式，这是因为电流I_ac和I_comp不是常数。然而，为了清楚起见，上述表达式足以说明要考虑的参数了。

该读取系统有某些局限，这些局限与在读取电路上复制列补偿模式(columnar compensation pattern)的方式相关。事实上，每个列都有补偿测辐射热仪和PMOS电荷注入晶体管。这些不同元件从一列到下一列的不完美复制会导致不均匀的补偿效率，而这种不完美的复制是所采用的制造技术的本征的空间变化性所固有的。该统计上的变化性使得补偿电流从一列到下一列是不均匀的，并引起出现可看到的列差异，而这个列差异会影响有用信号。

可以使用活动测辐射热仪的传统读取电路，以便读取盲补偿测辐射热仪。为了实现这一点，在帧的末尾(即，在读取最后一行之后)，进行所述第一个电容复位步骤。再一次有：

V_out＝V_bus

然后将“复位”开关9断开，但仍然使“选择”开关4保持断开，以便其自身测量盲测辐射热仪7的电阻值。因此，流过补偿臂的所有电流由电容C_int10在时间T_int上进行积分。在这种情形中，系统的输出电压V_out可以表示为：

$\mathrm{Vout}=\mathrm{Vbus}-\frac{\mathrm{Tint}}{\mathrm{Cint}}\×\mathrm{Icomp}=\mathrm{Vbus}-\frac{\mathrm{Tint}}{\mathrm{Cint}}.\frac{\mathrm{Vcomp}}{\mathrm{Rcomp}}$

因此，传统的读取电路可以通过系统的输出电压来得到盲测辐射热仪的电阻值。

$R_{\mathrm{comp}}=\frac{\mathrm{Cint}}{\mathrm{Tint}\×\mathrm{Vcomp}}\×(\mathrm{Vbus}-\mathrm{Vout})$

与该具体实现相关的这种类型的电路的优点是，对每个帧可以直接获得盲补偿测辐射热仪的电阻值，原则上提供校正算法(消除列图像干扰)所需要的数据。然而，它的确有某些局限。

首先，系统对测辐射热仪的所有偏置电流进行积分。该电流一般比在标准补偿模式中读取活动测辐射热仪时通常进行积分的电流大20到50倍。因此，与读取一行活动测辐射热仪相比，应该缩短积分时间以防止积分电容C_int在积分时间远没有结束前就变饱和了。从管理激励时序的角度看，这就使读取的实现复杂化了。

另外，该周期会对补偿测辐射热仪(该测辐射热仪的热阻通常很小，但不是零)产生热扰动，从而对其电阻产生热扰动。当对活动行进行读取时，在一段恒定的时间内周期性地(依赖于行频率)对补偿测辐射热仪施加偏压。与补偿电流通过这些测辐射热仪流过相关的焦耳效应会使这些测辐射热仪在每个积分周期(对于每行)开始时达到相同的温度，或者更准确地说，使这些测辐射热仪在每个积分周期期间具有精确重复的热分布，直到读完最后一行。当随后对盲补偿测辐射热仪的行进行读取时，该周期受到扰动，这是因为应该应用短得多的积分时间T_int(短20到50倍，如上所述)。这导致短暂的热扰动，该热扰动引起连续电平的漂移，因此，对于任何景象，都会在下一帧开始时引起图像的扰动。

如果在比图像刷新时间短的时间内对帧进行扫描，则也会产生具有同样起源的干扰。在相继的帧读取之间，即在一帧读取的末尾和下一帧读取的开始之间有一个等待时间，这个时间可能是相当大的。

通过例如将读取电路做得更复杂以便保持补偿测辐射热仪的温度基本上恒定或者至少在帧的全部行上保持温度时序分布的周期性，可以解决这个问题。为了实现这一点，可以通过使用专用设备注入与积分时间内流过盲测辐射热仪的平均电流类似的“预热”或“替代”电流，以便在没有积分时段的间隔内保持盲测辐射热仪的温度。该设备通常包括附加的恒定电流源，这个恒定电流由重复切换系统来补充，同时对活动臂进行驱动，以便消除周期之间的中断。在两行读取之间以及在读取最后一行(在此情形中为盲测辐射热仪行)和重新开始下一帧的第一行之间的时间间隔中启动该替代电流的切换。因此，补偿测辐射热仪的温度、因而还有电阻基本上随时间是恒定的：不再有任何瞬时热扰动。

如果部件的温度发生变化并且没有温度稳定设备(通常是这种情况)，那么就会产生问题。通常，检测器名义上的工作温度范围为-40℃到+120℃。于是调整预热电流源的大小以给出中值工作点，例如30℃。在该温度下，调节替代电流，使得其代表活动臂的平均电流。如果焦平面的温度与该工作点有很大的不同，则这个调节就变得不够了，且再次面临至少一些热变化缺陷，该缺陷会在一帧与下一帧之间的读取时间间隔内影响盲测辐射热仪。该问题也通过下述的发明解决了。

与该电路/实现组合相关的另一个更有问题的局限涉及图像列问题(image columning)的软件(算法)校正。事实上，算法校正的相关点不是盲测辐射热仪的电阻的绝对值，而是其变化性，即其在一列到另一列上的分布。如果所述变化严格等于零，则没有图像的列问题(columning)，不管补偿电阻的普通值为多少。从这点来看，根据上述现有技术的用于读盲测辐射热仪的系统不适合精确地估计电阻之间的差异。令人感兴趣的是输出电压随盲测辐射热仪的电阻变化的灵敏度，该灵敏度由下述关系给出：

$\frac{\mathrm{\δVout}}{\mathrm{\δRcomp}}=\frac{\mathrm{Tint}}{\mathrm{Cint}}\×\frac{\mathrm{Vcomp}}{{\mathrm{Rcomp}}^2}$

对于盲测辐射热仪的电阻值和上述积分时间所受到的限制，这样定义的灵敏度的值相对小。考虑一个数字表示的例子：

●C_int＝6pF

●T_int＝3μs

●V_comp＝3V

●R_comp＝1.6MΩ

●输出电压摆幅＝3V

$\frac{\mathrm{\δVout}}{\mathrm{\δRcomp}}=586e-9V/\mathrm{\Ω}$

结构的增益(该术语等同于“灵敏度”)相对小，想要的信号更加难以分析(不够准确)。3kΩ的电阻变化实际上表示2mV的想要信号。对本领域的技术人员来说，假设采用12位模拟数字转换器(ADC)，该模拟数字转换器覆盖检测器的整个动态响应(通常为3V)，则想要的信号表示2.7个最低有效位(Least Significant Bit，LSB)，即，小于实际上可用的两个位，这通常完全不够对有效算法校正进行供给。

本发明提出一种方法，用来准确地估计这些补偿测辐射热仪的电阻变化(分布)及其随时间的任何漂移。主要吸引人的地方是，为算法开发器提供数据，这些数据比现有技术所能提供的数据要更加准确，因此，提供改进的校正图像质量。

发明内容

用于检测电磁辐射、尤其是检测红外辐射的设备包括对入射辐射敏感并被称作“活动”测辐射热仪的单元测辐射热仪阵列，以及基本上对所述辐射不敏感并被称作“盲”测辐射热仪的附加行的测辐射热仪，所述活动和盲的测辐射热仪被形成在基底上，在基底上形成有读取电路，用来顺序地对所述阵列的每个行和对所述盲测辐射热仪行进行寻址，处于同一个行中的每个测辐射热仪被同时施加偏压。

根据本发明：

-读取电路也包括用于基于也形成在基底上的附加盲测辐射热仪来产生参考电流(I_ref)的源，以及由电流镜构成的将参考电流(I_ref)复制到阵列的每一列的装置；

-阵列的每一列包括用来分流大部分本底电流或者共模电流的补偿结构，补偿结构包括附加行的盲测辐射热仪，并与电流积分器相关联，电流积分器用来对流过当前正被读取的行中的活动测辐射热仪的电流和盲测辐射热仪所输出的补偿电流之间的电流差进行积分；

-在形成信号或者在读取附加行期间，参考电流(I_ref)的副本源于由盲测辐射热仪通过开关输出的电流。

换句话说，本发明涉及到，当上述开关闭合时，即在读取所述补偿测辐射热仪期间，使用补偿结构来提供补偿，以便可以准确地确定构成所述补偿结构的盲测辐射热仪的电阻的变化以及会随时间影响它们的任何漂移，从而可以建立合适的补偿处理算法。

根据本发明，补偿结构包括：

-具有电阻R_comp的所谓补偿测辐射热仪；

-与所述电阻R_comp的端子之一相连的电源线(VSK)；

-电荷注入晶体管，电荷注入晶体管首先与电阻的另一端子相连，以便通过其栅极上的电压(GSK)施加补偿电流(I_comp)流过电阻R_comp，其次与积分器的负端子相连。

根据本发明，所述用来产生参考电流(I_ref)的源包括：

-具有电阻R_comp-ref的附加盲测辐射热仪；

-电荷注入晶体管，该晶体管与所述电阻R_comp-ref的端子之一相连，并保证所述电阻的偏置；

-与所述电阻R_comp-ref的另一端子相连的电源线；

-与所述晶体管的另一端子相连的电流镜。

根据本发明，每个盲测辐射热仪由一个或更多个单元盲测辐射热仪构成，单元盲测辐射热仪彼此连接，且相对于基底总体上具有可忽略不计的热阻。

所用的电流镜包括：

-第一参考晶体管，第一参考晶体管位于接近参考电流的源，其源极与系统的地相连，其漏极和栅极与参考电流源的电荷注入晶体管的源极相连；

-列复制晶体管，其栅极与第一参考晶体管的栅极共同(等电势)，其源极接地，其漏极与开关相连，开关将用于读取盲测辐射热仪的系统连接到积分器的输入端。

构成所述电流镜的晶体管可以是NMOS型晶体管也可以是PMOS型晶体管。

众所周知，使用这种电流镜会产生寄生噪声，这是希望尽可能减小的。为了实现这一点，本发明的一个有利的版本提出，将适合于产生欧姆电压降的部件，特别是长电阻器或晶体管，与构成所述电流镜的两个晶体管相关联。

术语“长晶体管”对于那些本领域的技术人员来说是众所周知的，它是指这样一种晶体管，其长度，即其漏极和源极之间的距离，比其宽度大得多。

另外，电流镜的复制准确度会因电流镜中的晶体管所固有的变化效应而打折。为了减小这种效应，本发明的另一个有利的版本提出，使用级联电流镜，该电流镜将同类型的两个晶体管串联起来，末端晶体管的源极接地。

根据本发明，当活动像素的全部选择开关断开时，将参考电流Iref连接到积分器的输入端的开关保持闭合。换句话说，所述设备包括逻辑电路，该电路能够在没有选择任何行进行读取的时候，即在全部行寻址开关断开时，使所述开关一直保持闭合。

本发明也涉及到一种使用上述红外检测设备的成像系统。该系统包括一种算法功能，该算法功能根据在读取盲测辐射热仪的行时通过闭合将参考电流Iref连接到积分器的输入端的开关而获得的具体的“行”信号来校正每个帧的每行的输出信号。

附图说明

通过下面参考附图并且仅由示例方式所给出的说明，更容易理解本发明的实现方式及其优点。

图1是用来读取活动测辐射热仪阵列的原理的示意图，如上所述；

图2示出根据现有技术的配备有盲测辐射热仪的行的测辐射热仪阵列的读取循环；

图3a示出根据现有技术的用于读取测辐射热仪阵列的活动行的时序图；

图3b是根据现有技术的用于读取盲测辐射热仪行的时序图；

图4是类似于图1的、但示出在电流镜中使用NMOS型晶体管的本发明的一般原理的示意图；

图5是类似于图4的示意图，其中，用PMOS型晶体管替换了电流镜的NMOS型晶体管；

图6是用于所谓的“低噪声”应用中的本发明的更高级版本的示意图，该版本能够减小电流镜所产生的噪声；

图7是用于所谓的“低偏移”应用中的本发明的更高级版本的示意图，该版本能够减小电流镜所固有的变化。

具体实施方式

在其余说明中，在可应用时，使用相同的附图标记来识别相同的或者具有同样功能类型的元件。

一般来说，如已经说明的，在生成了读取电路的硅基底上形成辐射热检测器的阵列。该基底在其活动结构的区域，即在辐射热检测材料所构成的那些区域的正下方，传统地覆盖了金属反射层。该反射层采用已知方式来设计，用来反射任何没有被吸收的辐射。

利用“铺砌的”悬浮膜来形成光敏活动区(optically active area)，该悬浮膜位于读取电路之上，包括辐射热检测材料。这些膜由基本垂直而导电的结构来支撑。这些结构由金属材料制成，也用来通过导电但不导热的伸长结构将读取电路所产生的激发电势导向每个单元辐射热检测器的膜的导电部分(也称作“电极”)。

该热阻也被称作“热隔离”，用来允许测辐射热仪的温度由于要检测的红外辐射效应的缘故而升高。

读取电路顺序应用流过悬浮结构的电流。该电流流过一种材料，该材料的电阻率随着温度而变化，并被称为“辐射热检测材料”。在这种应用中最广泛使用的材料是氧化钒(一般分子式为VO_x)和非晶硅(a-Si)。

为该阵列提供补偿结构，该补偿结构用来分流流过构成阵列的每个辐射热检测器的大部分共模电流，其原理根据图4进行说明。事实上，所述阵列的每列都包括这种补偿结构，因此，该补偿结构构成了所谓的“盲”行，这是因为该行是由盲测辐射热仪构成的，所述行由读取电路进行读取，方式与读取活动行相同。

根据本发明的一方面，与每列相关的该补偿结构包括由连在一起的一个或几个单元测辐射热仪所形成的电阻为R_comp的盲补偿测辐射热仪12。所述电阻R_comp的一端接地。所述电阻的另一端与电荷注入晶体管14的漏极相连，以便由施加在所述晶体管的栅极上的栅极电压(GSK)来为补偿测辐射热仪12的电阻R_comp两端施加电压V_comp，从而确保该电阻的偏置电压。电荷注入晶体管14的源极与一个积分结构相连，该积分结构包括：

-作为积分器的运算放大器11；

-积分电容10C_int，该电容被连接在放大器的输出端和放大器的负输入端之间，在该电容上，对所述放大器负输入端的输入有用电流进行积分；

-复位开关9，该开关被连接在放大器的输出端与放大器的负输入端之间，其确保积分电容10所存储的电荷复位；

-参考电压V_bus，与放大器11的正输入端相连，以设定结构的工作点。

根据本发明，所述补偿结构与位于所述阵列之外的整个阵列的单个参考电流相关联。在图4到图7中，这个参考电流13用虚线表示。

它包括盲测辐射热仪R_comp-ref 16，该盲测辐射热仪由电荷注入晶体管15恒定地施加偏压，而电荷注入晶体管15由栅极电压GSK来控制。该栅极电压等于每个列的补偿结构中的电荷注入晶体管14的栅极电压。然后，通过使用电流镜17将参考电流I_ref复制给全部列，其中电流镜17通过开关18来切换。

本领域技术人员对电流镜是很熟悉的，所以这里不需要详细对其进行说明。只是简单地提醒读者，这种电流镜是一种特殊的电路，它包括两个晶体管19、20，这两个晶体管可以将参考电流I_ref反映为输出电流，该输出电流理想情况下等于参考电流，但实际上总是与参考电流成比例，不管与输出电流相连的负载(在本情形中为上述积分器)为多少。

在上述例子中，电流镜17通过使用两个NMOS晶体管19、20来产生。很明显，要小心地调整所述晶体管的大小，以便使这些晶体管的阈值电压的变化最小，而阈值电压的变化会通过引入复制误差来干扰对盲电阻12的变化的测量。

这里，第一参考晶体管19的源极与系统的接地相连。其漏极和栅极与参考电流源的电荷注入晶体管15的源极相连。

因此，电流镜包括列复制晶体管(column-copying transistor)20。该晶体管与所述第一参考晶体管19共栅极，并且它的源极也接地。它的漏极与开关Lec 20相连，该开关将盲测辐射热仪12的读取系统连接到上述放大器11的负输入端。

在图4的例子中，电流镜中的晶体管19、20为NMOS型晶体管。图5示出本发明的另一个实施例，其中电流镜使用PMOS晶体管构成。

当需要读取补偿结构中的盲测辐射热仪R_comp12时，开始先将复位开关9关闭(如同在读取每个活动行时那样)，以便使积分电容C_int10中所存储的电荷复位。此后，打开复位开关9，并且关闭开关18，开关18将电流镜17同时连接到全部列的补偿结构上。

如果补偿测辐射热仪12的电阻没有变化，则流过每个补偿结构的电流是相同的。因此，参考电流I_ref等于流过每列的补偿结构的电流。则电容10中的积分电流为零，对于每列，有下面的关系：

V_out＝V_bus

另一方面，如果盲测辐射热仪12的电阻从一列到另一列变化(从技术上来说通常是这种情况)，则补偿结构的电流I_comp将与电流镜17的电流有轻微的不同。因此，对于每一列，差分电流被积分：

dI_comp＝I_comp-I_ref

应该理解，电流I_comp从一列到另一列是有轻微不同的。

因此，在读取活动测辐射热仪时，与盲补偿测辐射热仪相对应的“信号”线的连续输出电平NC(下文中用NC_comp来表示)满足上面谈及现有技术时所描述的关系，即：

${\mathrm{NC}}_{\mathrm{comp}}=\mathrm{Vbus}-\frac{\mathrm{Tint}}{\mathrm{Cint}}{\mathrm{dI}}_{\mathrm{comp}}$

因此，输出电平NC_comp的分布直接表示了补偿测辐射热仪12的电阻的分布(围绕静态工作点V_bus)，而不是测辐射热仪的绝对电阻，这是因为共模成分已经完全被减去了。

于是可以使用这一系列很准确的信号NC_comp，以便对所获得的每个帧进行算法校正。

根据本发明的结构可以更准确地读取盲补偿测辐射热仪的变化性。下面的公式仍然适用：

$\frac{\mathrm{\δVout}}{\mathrm{\δRcomp}}=\frac{\mathrm{Tint}}{\mathrm{Cint}}\×\frac{\mathrm{Vbolo}}{{\mathrm{Rcomp}}^2}$

但在本发明的情形中，没有必要减少积分时间，这是因为要积分的电流与读取活动测辐射热仪时的电流有相同的量级。取下面的数字表示的应用作为例子：

●C_int＝6pF

●T_int＝60μs

●V_bolo＝3V

●R_bolo＝1.6MΩ

●输出电压摆幅＝3V

$\frac{\mathrm{\δVout}}{\mathrm{\δRcomp}}=117.18e-6V/\mathrm{\Ω}$

在这种情形下，与现有技术相比，有20倍的准确度增益(所用积分时间之比)。该提高了的准确度代表了4.3个附加的校正位，总共就等价于7个校正位，这个水平完全满足可能的算法质量校正。

这种算法校正通常包括下面的处理过程(假设成像膜有N列和M行)：

-获取帧的M个激活的行的N个电平V_out[1-N](即，获取原始图像)；

-根据上述方法获取N个电平NC_comp[1-N]，等价于读取补偿行；

-校正每行的N个输出电平，通过下面类型的计算相继将所述校正运用到M个行：

V_corr[1-N]＝V_out[1-N]-NC_comp[1-N]+NC_comp

其中NC_comp表示N个值NC_comp[1-N]的平均值。

很明显，一旦对V_out和NC_comp数据流进行了模拟-数字转换，就可以数字化应用该计算。

因此，所述结构可以简化辐射热传感器的控制电路。事实上，就用户而言，盲行和活动行之间没有区别。不再有任何需要特别为读取盲测辐射热仪的行来修正积分时间。控制信号是相同的。

另外，对盲测辐射热仪行的寻址不再干扰热循环(thermal cycle)，这是因为该行的测辐射热仪耗散同样量的由焦耳效应所产生的能量，不管它们是处于“补偿”模式还是处于“读取”模式。在读取盲测辐射热仪之后读取行时，不再有任何扰动。

最后，本发明可以以彻底而漂亮的方式克服盲测辐射热仪的“热管理”问题。事实上，当不使用盲测辐射热仪12时，即，当它们没与积分器相连时，连接读取电流镜17以替代现有技术电路中所使用的恒定电流源就足够了。根据本发明，使用盲参考测辐射热仪16R_comp-ref来产生参考电流源。因此，通过结构设计，参考电流自动跟踪读取电路的温度，使得它成为理想的“替代”电流，用来使补偿测辐射热仪的温度一行接着一行保持恒定，不管帧和基底的温度时序图(temperature timing diagram)如何。

在电路方面，除了在任何一行选择开关4被闭合时，开关18闭合，并且一直保持闭合。这样，复制电流I_ref就恒定地流过每个补偿测辐射热仪。

在读取盲测辐射热仪时，电流镜以已知的方式引入附加的噪声。事实上，因为电流镜使用多MOS结构，所以，由于所用多MOS结构的几何上的变化性和工艺上的变化性，根据图4产生的电路会有局限。

为了减小电流镜的内在时域噪声(temporal noise)，可以使用比图4所示的本发明的实施例更高级的构造，如图6所示。在这种情形下，所提出的构造的目标是，通过使用连接到晶体管19和20中每一个的各自的漏极的两个电阻R1和R2(在图6中用21和22表示)，使电流镜“简并(degenerate)”(专用术语)。使用电阻21、22使电流镜17简并，其方式为本领域的技术人员所熟悉。电阻21、22两端的欧姆电压降使电流复制准确度提高。

因此，由NMOS晶体管19、20形成的电流镜所引入的噪声被减小，复制精度更好。

电阻21、22可以由长NMOS晶体管来替换，以便获得同样的目的。

根据图7所示的本发明的另一个有利的实施例，进行了努力来减小所用晶体管的变化性的影响，该变化性有可能影响电流镜的空间复制准确度。

为了实现这一点，使用“级联”电流镜，其中，图4所示的基本配置中的两个NMOS晶体管19、20的漏极分别与两个NMOS晶体管23、24的源极相连，且晶体管23、24的漏极接地。

很明显，构成电流镜的晶体管的特性的选择要使电路对几何上的变化不敏感。

所述级联结构可以限制阈值电压V_t的变化对复制准确度的影响。本实施例特别有利，因为它也可以通过读取盲测辐射热仪的结果(NC_comp值)来估计盲测辐射热仪12的PMOS电荷注入晶体管14的变化性，从而(通过使用合适的算法)对其进行数字化校正。事实上，使用图7所示的系统，电流镜17中的NMOS晶体管20的阈值电压V_t的变化与PMOS电荷注入晶体管14的V_t的变化是同一个量级，但其对电流I_comp变化的影响要比PMOS晶体管14的V_t的变化的影响要小得多。

最后，出于相同的理由，该电路可以测量与1/f噪声相关的测辐射热仪和PMOS电荷注入晶体管12的电阻的低频漂移。因此，就有可能用软件不仅来补偿残余偏移(固定的列效应)，而且可以补偿极低频噪声，其中，极低频噪声源于所观察信号中的可变残余列效应的发生，在没有机械快门的应用的情形下，这是有问题的。

本发明在使用辐射热进行检测的图像传感器领域中有特殊的应用，而不管光学检测带和所用的辐射热传感器的类型(特别是基于非晶硅(a-Si)、氧化钒(VO_x)和金属(Ti)，但不限于此)。

除此以外，由于本发明能够适应各种工作温度，所以本发明也可用于热控传感器以及用于焦平面温度可变的通常被称作“无TEC”的传感器。

此外，由于有高准确度的校正算法，所以本发明在各列上具有固有的好的低频噪声性能，这就可以将本发明所述的检测器集成在没有快门的照相机中。

很显然，本发明也完全兼容具有这种快门的传统相机。这就使这种相机的制造和集成成本有实质性的减少，并且也简化了用户的使用。

Claims (11)

1.一种检测电磁辐射、尤其是检测红外辐射的设备，包括对入射辐射敏感并被称作“活动”测辐射热仪的单元测辐射热仪阵列，和基本上对所述辐射不敏感并被称作“盲”测辐射热仪的附加行的测辐射热仪(12)，所述活动和盲的测辐射热仪被形成在基底上，在基底上形成有读取电路，用来顺序地对所述阵列的每个行和对所述盲测辐射热仪行进行寻址，处于同一个行中的每个测辐射热仪被同时施加偏压，其特征在于：

所述读取电路也包括用于基于也形成在所述基底上的附加盲测辐射热仪(16)来产生参考电流(I_ref)的源，以及由电流镜(17)构成的将所述参考电流(I_ref)复制到所述阵列的每一列的装置；

所述阵列的每一列包括用来分流大部分本底电流或者共模电流的补偿结构，所述补偿结构包括所述附加行的盲测辐射热仪(12)，并与电流积分器(9、10、11)相关联，所述电流积分器用来对流过当前正被读取的行中的活动测辐射热仪的电流和盲测辐射热仪(12)所输出的补偿电流之间的电流差进行积分；

在形成信号或者在读取所述附加行期间，参考电流(I_ref)的副本源于由盲测辐射热仪(12)通过开关(18)输出的电流。

2.根据权利要求1所述的检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备，其特征在于，所述补偿结构包括：

具有电阻R_comp的补偿测辐射热仪(12)；

与所述电阻R_comp的端子之一相连的电源线(VSK)；

电荷注入晶体管(14)，所述电荷注入晶体管首先与所述电阻的另一端子相连，以便通过其栅极上的电压(GSK)施加补偿电流(I_comp)流过所述电阻R_comp，其次与所述积分器(9、10、11)的负端子相连。

3.根据权利要求1和2中任一个所述的检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备，其特征在于，所述用于产生参考电流(I_ref)的源由以下构成：

具有电阻R_comp-ref的附加盲测辐射热仪(16)；

电荷注入晶体管(15)，所述电荷注入晶体管与所述电阻R_comp-ref的端子之一相连，并保证所述电阻的偏置；

与所述电阻R_comp-ref的另一端子相连的电源线(VSK)；

与所述晶体管的另一端子相连的电流镜(17)。

4.根据权利要求2和3中任一个所述的检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备，其特征在于，每个盲测辐射热仪(12)由一个或更多个单元盲测辐射热仪构成，所述单元盲测辐射热仪彼此连接，且相对于基底总体上具有可忽略不计的热阻。

5.根据权利要求1到4中任一个所述的检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备，其特征在于，所述电流镜(17)包括：

第一参考晶体管(19)，所述第一参考晶体管位置接近参考电流的源，其源极与系统的地相连，其漏极和栅极与所述参考电流源的电荷注入晶体管(15)的源极相连；

列复制晶体管(20)，其栅极与所述第一参考晶体管(19)的栅极共同(等电势)，其源极接地，其漏极与开关(18)相连，开关(18)将用于读取所述盲测辐射热仪的系统连接到所述积分器的输入。

6.根据权利要求5所述的检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备，其特征在于，构成所述电流镜(17)的晶体管是NMOS型的或PMOS型的。

7.根据权利要求5和6中任一个所述的检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备，其特征在于，将适合于产生欧姆电压降的部件与构成所述电流镜(17)的两个晶体管(19、20)中的每一个晶体管相关联。

8.根据权利要求7所述的检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备，其特征在于，所述保证欧姆电压降的部件由电阻(21、22)或长晶体管构成。

9.根据权利要求5和6中任一个所述的检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备，其特征在于，所用的电流镜为级联型电流镜，其中电流镜(17)的每个臂(19、20)包括附加晶体管(23、24)，附加晶体管(23、24)的漏极分别与栅极和晶体管(19、20)的源极相连，和与电路的地相连的源极。

10.根据权利要求4和5中任一个所述的检测电磁辐射、尤其是红外辐射的设备，其特征在于，当全部选择开关(4)断开时，将参考电流Iref连接到所述积分器的输入的开关(18)保持闭合。

11.一种成像系统，其使用权利要求5到9中任一个所述的用于检测红外辐射的设备，并包括一种算法功能，所述算法功能根据在读取所述盲测辐射热仪的行时通过闭合将所述参考电流I_ref连接到所述积分器的输入的开关(18)而获得的具体“行”信号来校正每个帧的每行的输出信号。

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