CN102396075A - 红外探测器 - Google Patents

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Abstract

在至少一种实施方式中，提供了用于产生物体图像的红外(IR)探测器。红外(IR)探测器包括布置成具有M列和N行的阵列的多个热感应元件。每个热感应元件被配置成接收至少一个振荡信号和探测来自物体的热输出的至少一部分。每个热感应元件还被配置成产生表示所检测的热输出的至少一部分的电输出信号，以及用至少一个振荡信号调制电输出信号来产生表示物体图像的至少一部分的调制的输出信号。

Description

红外探测器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年4月12日提交的美国临时申请序列号61/168601的权益，该美国临时申请据此通过引用全部并入本文。
背景
1.技术领域
本发明的实施方式大体上涉及红外(IR)探测器等。
2.背景技术
IR探测器通常被定义为响应IR辐射的光探测器。一种类型的红外探测器是基于热的探测器。基于热的探测器可以在摄像机内实现以根据大体上与物体相关的热特性来产生该物体的图像。基于热的探测器已知包括辐射热测量计、微辐射热测量计、热电物质和热电堆。
微辐射热测量计基于从物体接收到的辐射能的量改变它的电阻。热电堆包括许多将来自物体的热能转换成电能的热电偶。这种设备以这种或那种形式被包含在摄像机内用于热成像目的。
概述
在至少一种实施方式中，提供了用于产生物体图像的红外(IR)探测器。IR探测器包括被布置成M列和N行的阵列的多个热感应元件。每个热感应元件被配置成接收至少一个振荡信号以及响应于所述至少一个振荡信号来探测来自物体的至少一部分热输出。每个热感应元件还被配置成产生表示至少一部分所探测的热输出的电输出信号，以及用至少一个振荡信号调制电输出信号来产生表示物体图像的至少一部分的调制的输出信号。
附图的简要描述
本发明的实施方式在所附的权利要求中被特别指出。然而，通过参考下面的结合附图的详细描述，各种实施方式的其他特征将变得更明显和更容易理解，其中：
图1描绘了传统的基于微辐射热测量计的探测器；
图2描绘了传统的基于热电堆的探测器；
图3描绘了根据本发明的一种实施方式的IR探测器；
图4描绘了根据本发明的一种实施方式，在图3的IR探测器内实现的函数发生器；
图5描绘了根据本发明的一种实施方式，在图3的IR探测器内实现的热电堆阵列；
图6描绘了根据本发明的一种实施方式的另一IR探测器；以及
图7描绘了根据本发明的一种实施方式，在图6的IR探测器实现的热电堆阵列。
详细描述
本文公开了本发明的详细实施方式。然而，应该理解所公开的实施方式只是示例性的，可以用各种和可选的形式实施本发明。附图不一定成比例绘制；一些特征可能被放大或缩小以出示特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应该被解释为限制，而只是权利要求的代表性基础和/或教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的一种或更多实施方式的代表性基础。
本发明的各种实施方式大体上提供(但不限于)包括基于热感应器件的阵列的IR探测器。阵列包括多个热感应元件，每个热感应元件都包括被分布成M列和N行(例如，MxN热电堆阵列)的热电堆(或其他热感应器件)。函数发生器(或其他适于产生相应的频率的振荡信号的合适的设备)可以用彼此不同的频率的振荡信号驱动阵列内的热感应元件(为了调制每个热电堆的输出信号)中的每一列(或行)，以便为每一列(或行)提供电输出信号。来自列(或行)中的每一热电堆的调制电输出信号可以被提供在单一的调制电输出端上，并且由给定的列(或行)的放大器(或其他合适的设备)进行放大。解调电路可以在对每一列(或行)放大之后接收每个单一的调制电输出信号，并且解调被放大的输出信号(例如，对于每一列(或行)去除来自振荡信号的常数值)以产生恒定的电学值。恒定的电学值可以表示整个被探测图像的一部分。整个被探测的图像可以通过汇集从阵列内的每一行(或列)读出的所有恒定电学值来重构。
可以设想本文描述的实施方式可以用于除了所描述的那些之外的目的，并且本文可能提到的挑战不旨在是可以被本发明的实施方式克服的挑战的全部列表。本文可能描述的这样的挑战出于示例目的被提到，并且出于简洁的目的，没有描述可能被本发明的各种实施方式克服的所有挑战。而且，可以设想，本文描述的实施方式可以提供任意数量的优势，以及所提到的那些不旨在是可以获得的优势的全部列表。本文公开的这些优势出于示例目的被提到，并且还为了简洁目的，没有描述本发明的实施方式所获得的所有优势。另外，出于示例目的公开了本文提供的例子，并且不旨在是能够实现的例子的全部列表，以及不旨在以任何方式限制本发明的实施方式的范围。
在图3-8提到的本发明的实施方式大体上图示和描述了多个电路或其他电气设备。对所有的电路和其他电气设备以及由每一个所述电路和电气设备提供的功能的参考，不旨在限于只包含本文所图示和描述的。虽然特定的标签可能被分配到所公开的各种电路或其他电气设备，但这样的标签不旨在限制电路和其他电气设备的运行范围。这样的电路和其他电气设备可以基于在摄像机中所需要的特定类型的电气实现以任何方式彼此结合和/或分离。可以认识到，本文公开的任何电路或其他电气设备可以包括任意数目的微处理器、集成电路、存储器件(例如，FLASH、RAM、ROM、EPROM、EEPROM或其其他合适的变形)和彼此共同作用来产生振荡信号以执行阵列输出的模数转换和解调阵列输出的软件。
图1描绘了传统的基于微辐射热测量计的探测器20。探测器20可以在摄像机内实现。探测器20可以包括被布置成320x240阵列(例如，320列和240行)的多个像素22。每个像素22包括微辐射热测量计24和开关28。开关28可以实现为场效应晶体管(FET)。已知微辐射热测量计24和开关28形成在半导体衬底上。探测器20可以用3.3V、0.5um互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实现为具有45um的像素间距。
可选择的基于DC的电源(没有示出)依次逐行地关闭开关28(例如，一行中的所有开关同时被关闭，而在不同行的所有其他开关都开着)，以便来自一个微辐射热测量计24的电流从那流动。在循环重复之前，在1/N(其中N对应行的数目)的一个时间片内测量单一辐射热测量计的情况通常被定义为时分复用(TDM)。
对于给定的列，电容跨阻放大器(CTIA)30被耦合到每个像素22的输出端。电容器32被耦合到每个CTIA 30。电容器32的大小控制CTIA输出端的增益。每个CTIA 30通过对电容器32上的电荷进行累积执行电流-电压转换。开关34可有助于复位由CTIA 30执行的电流到电压的转换。
开关36和电容器42被耦合到CTIA 30的输出端，来执行对于给定列的采样保持(S&H)操作。当电容器32两端的电荷量累积到适当的量，开关36瞬间关闭以传送电荷给电容器42。S&H操作的目的是保持从电容器32收集的电荷以等待数字化。
布置额外的放大器38和开关40，以便可以读来自每一列的输出。开关40可以被配置成关闭以使相应列的输出能通过多路器。一旦确定了对于给定列的输出，开关28和40打开，并且前一行的开关28和40关闭，以便可以确定对这一行的读取。这一序列对于阵列内的每一行来说都发生一次。如上所述，探测器20使用TDM方法以便给定行的FET开关28每次关闭一个，以便确定给定行的相应的输出。每一列的输出通过信号VIDEO_OUTPUT被传输至模-数(A/D)转换器(没有示出)。当结合使用TDM方法时，探测器20可能展现出噪声混叠现象。噪声混叠可能改变噪声频谱的形状(例如，噪声展现出非线性模式)并且变得较难预测。这样一来，如果人们不能预测噪声，那么就不能使用设计选项，可以其他方式消除这样的可预测噪声的影响，来增加摄像机的性能。
图2描绘了传统的基于热电堆的探测器50。探测器50可以在摄像机内部实现。探测器50通常被包装，安装在电路板上，并且由罩子包围，其中镜头布置在罩子中。探测器50包括可以布置成320x240(例如，320列和240行)阵列的多个像素52。每一像素52包括热电堆感应元件54和开关56。开关56被实现为FET。
提供了列解码器58，其包括DC电源，DC电源基于列可选择性地关闭开关56，每次关闭一列(即，探测器50使用TDM方案)。在相应列中的每个热电堆54响应于开关56关闭都产生输出电压。低噪声放大器60被可操作地耦合到在给定行中的每一个热电堆54。放大器60通常被配置成提供比和探测器20结合使用的放大器(例如，基于微辐射热测量计的探测器)的输出增益更高的输出增益。可以用于增大来自热电堆54的增益的代表性放大器是由1630 McCarthy Blvd.，Milpitas，CA 95035-7417的线性技术提供的LT6014。导线62被安装用于分配来自热电堆54的输出电压到未包括在探测器50内的设备。放大器56增大由热电堆54提供的输出电压。
一般来讲，在给定列内的每个热电堆54由相应的FET开关56启用之后，被耦合到热电堆54的每个放大器60都需要一设置时间。在达到这样的设置时间后，被热电堆54提供的输出电压被数字化，以便图像能被呈现为电子图像。
已知热电堆通常具有良好的信噪比。还已知热电堆通常展现出低响应和低噪声。为了增加响应，低噪声放大器60可能需要增大特定行的像素52的增益。然而，这样的低噪声放大器的应用仍然可能在探测器50的读数中增加显著的噪声。尤其是对于包含在与探测器50相同的硅衬底上的放大器。探测器50也可能经历噪声混淆现象。如上所述，这一状况可能降低预测噪声的能力。如果噪声不能被预测，那么可能不能实现可以减轻可预测的噪声模式的影响的设计选择。
图3描绘了根据本发明的一种实施方式的热电堆IR探测器70。探测器70可以在成像设备69如(但不限于)摄像机内实现。探测器70通常被包装并安装在电路板71上。探测器70和电路板71由罩73包围，其中镜头74布置在罩73中。探测器70大体上包括函数发生器72和热电堆阵列76。函数发生器72可以用振荡载波(或振荡信号)在同一时间驱动热电堆的每一行(或列)。每一热电堆响应于从物体捕捉的热能产生电输出信号。由热电堆产生的相应的电输出信号用振荡载波信号进行振幅调制并由此被发送。热电堆的每一列(或行)在彼此不同的唯一的频率处被驱动。一般来讲，函数发生器72被配置成激活所有列(或行)中的所有热电堆以用振荡载波(对每一列(或行)来说，都具有唯一的频率)来振幅调制来自每一个热电堆的输出信号(例如，通过使用可能被耦合到每一个热电堆的一个或多个开关)。所有的热电堆可以在同一时间工作。包括多个放大器的增益电路78被可操作地耦合到热电堆阵列76。每个放大器被耦合到热电堆的特定列(或行)来增加每一列(或行)的热电堆的信号强度。为了产生被捕捉的原始图像的电子图像，解调电路84通常被耦合到增益电路78并且被配置成分离每一列(或行)的热电堆的正交载波，以便可以确定来自每一列热电堆的相应的电压输出信号。可以设想，本发明的实施方式可以使用频率调制或相位调制。
用对于每一列具有唯一频率的振荡载波调制所有列(或行)的所有热电堆(其中，所有的载波都被同时提供给每一列(或行)并在阵列内被调制)的概念通常被定义为频分复用(FDM)方法。FDM方法使得能够使用待增加到热电堆76中的每一行的专用放大器，来增加信号强度而不考虑由这样的放大器产生的噪声量。例如，对于，用预定频率的唯一载波信号振幅调制给定列(或行)的每个热电堆，接着同时提供这样的信号给具有增益电路78的放大器的自然结果是，信道的宽带噪声变大了(例如，宽带噪声的标准差增大列(或行)上的热电堆的数目的平方根)。如果宽带信道噪声相比于宽带放大器噪声“较大”，由于信道和放大器两者的宽带噪声加起来作为正交和(例如，噪声标准差的平方和的平方根)所以由电子引入的噪声量被认为是微不足道的这个事实，由给定列(行)上的放大器产生的宽带噪声变得显著。
还可以设想，用来构建阵列76中的热电堆的材料可以包括(Bi1-xSbx)2(Te1-ySey)3家族(例如，铋-碲家族)中的化合物。为简便起见，化合物家族将通过Bi2Te3来表征。使用Bi2Te3来构建阵列76中的热电堆可能引起热电堆的电阻下降到低于10K欧姆，这将引起热电堆(或探测器)的噪声量下降。虽然基于Bi2Te3的材料可以用来构建TDM方法的热电堆以减少热电堆噪声，当与由放大器(例如，参见图2中的放大器60)产生的噪声量相比时，这样的噪声减少可以最小化，由此引起仍将导致上面提到的噪声混淆问题的噪声混淆现象。由放大器产生的较大数量的噪声，因为上面提到的原因，在很大程度上由于FDM方法的实施可以被减轻。
一般来讲，如果放大器是理想无噪声的，Bi2Te3的使用可以制作基于热电堆的非常高性能的探测器。因为基于Bi2Te3的热电堆的阻抗(或电阻)如此低，它的噪声也低。为了读出低阻抗热电堆并且不增加任何噪声到输出信号，可能需要非常低噪声的放大器。这对于TDM方法而言可能是个问题，因为可能须要用非常高性能的放大器读出高性能的热电堆。高性能可能意味着高功率，因为来自放大器的噪声被减少，放大器的输入级消耗的功率越多。另一方面，FDM方法可以包括串联(参见图5)的低电阻(例如，高性能)热电堆来增加提供给放大器的总噪声。由于总的噪声标准差通过热电堆标准差(所有串联的)和放大器标准差的平方和的平方根计算，总的噪声可能被来自热电堆的噪声占主导地位。虽然在解调之前的总信号可能有噪声，这样的噪声信号可以在较长的时间(例如，图像帧率时间)上被平均(例如，通过积分)。因为总信号可以在这一较长时间被积分，所以信号在解调后可以被恢复到单一热电堆探测器的噪声比，这接近它的原始值，并且可以证明放大器噪声的影响几乎消失。这种情况可以说明预测噪声和在设计方案内使用措施来消除其影响的概念。
下面说明与TDM方法相比，FDM方法可以减少电子噪声的方式。特别地，对于TDM方法和FDM方法，将会计算信噪(SNR)比。在TDM方法中，来自ith探测器(热电堆)的信号可以写作：
ri(t)＝vsi+nd(t)+ne(t)                    (1)
其中：
ri(t)＝从第i个探测器接收的信号
vsi＝来自第i个探测器的信号电压(V)
nd(t)＝具有谱高度
Figure BPA00001446524400081
的零均值白高斯探测器噪声
ne(t)＝具有谱高度
Figure BPA00001446524400082
的零均值白高斯电子噪声
E[nd(t)ne(t)]＝0
E[·]＝统计期望值
Var[·]＝统计方差
在TDM方法中，关于帧时间T帧的片段对探测器进行采样。基于在一行中需要被复用的探测器数目N列确定时间片段。标准积分器的输出是：
Figure BPA00001446524400083
SNR由下面的公式给出：
Figure BPA00001446524400084
TDM的SNR现在可以估算为：
Figure BPA00001446524400085
对于FDM方法，每一个探测器在唯一的正交载波Si(t)上调制。后面将会示出，对于FDM方法，所有的探测器一直都在行总线上存在。这一结果是每一个探测器的噪声方差都被加在一起。在行总线上的信号变成：
其中：
r(t)＝接收的信号
Si(t)＝正交载波i
vsi＝热电堆信号或正交载波i(V)
nd(t)＝具有谱高度
Figure BPA00001446524400091
的零均值白高斯探测器噪声
ne(t)＝具有谱高度
Figure BPA00001446524400092
的零均值白高斯电子噪声
E[nd(t)ne(t)]＝0
以及
在FDM方法中，在全帧时间T帧对探测器采样，因为所有的探测器一直都是打开的。标准积分器的输出是：
Figure BPA00001446524400094
现在可以对ith分量估算FDM的SNR：
Figure BPA00001446524400095
比较公式8和公式4，可以看到，使用FDM方法，电子噪声方差基于可被复用的探测器的数目(例如，N列)而降低。
一般来讲，可以认识到振荡载波可以包括(但不限于)如沃尔什(Walsh)函数、正弦和余弦函数等函数的任何正交集。
如本文使用的沃尔什函数可以表示为wal(0，θ)、sal(i，θ)和cal(i，θ)(其中，θ是归一化时间t/T)。沃尔什函数可以大体上形成完整的正交函数系统，其可能类似于正弦和余弦函数的系统。在sal函数和正弦函数之间以及在cal函数和余弦函数之间有密切的联系。一般来讲，认为沃尔什函数形成了完整的正交集，并且因此是正交的。
图4描绘了根据本发明的一种实施方式，在图3的探测器70内实现的函数发生器72。函数发生器72被配置成产生如sal(x，t)和cal(y，t)的沃尔什函数。例如，函数发生器72产生从sal(1，t)到sal(8，t)以及从cal(1，t)到cal(8，t)的函数。在一个例子中，函数发生器72可以是4位同步计数器。可以认识到函数发生器72可以被配置成适合任何位数，并且位数的选择通常依赖于热电堆阵列的大小(例如，列和/或行的数目)。此外，还可以认识到函数发生器72可以是异步的。
函数发生器72包括用于接收一个或多个位(例如，4位)的多个异或(XOR)门86来产生函数sal(1，t)-sal(8，t)和函数cal(1，t)-cal(7，t)。一般来讲，配置XOR门86和时钟的布局以便于sal(x，t)和cal(y，t)函数中的每一个都在彼此不同的时间段被发送，以便在sal(x，t)和cal(y，t)的每一个函数之间保持预定的频率。sal(x，t)和cal(y，t)函数中的每一个都被发送到阵列76内的不同列。例如，sal(1，t)和cal(1，t)可能被发送到阵列内的热电堆的第一列等，其中sal(8，t)和cal(8，t)被发送到阵列76内的第八列。因为sal(x，t)和cal(y，t)函数中的每一个都在彼此不同的时间段被发送以便在彼此间保持预定的频率，所以这样的情况可以确保热电堆的每一列都在唯一的频率通过正交集(例如，sal和/或cal函数的正交设置)进行调制。
图5描绘了根据本发明的一种实施方式，在图3的探测器70内实现的热电堆阵列76。阵列76包括被布置成8xN阵列的多个像素90(或热感应元件)。例如，阵列76包括8列像素90和任意行数的像素90。每一像素90包括第一对开关92、第二对开关94、热电堆96和开关98。可以认识到，在每一像素内的开关和热电堆的数量可以基于所需要的特定实现的标准而改变。开关92和94可以与热电堆共同作用来将热电堆的输出信号调制到振荡信号上。像素90的列被配置成接收来自函数发生器72的函数sal(1，t)-sal(8，t)和cal(1，t)-cal(8，t)。例如，在列1中的像素90接收函数sal(1，t)和cal(1，t)；在列2中的像素90接收函数sal(2，t)和cal(2，t)，依次类推，在列8中的像素接收函数sal(8，t)和cal(8，t)。
可以认识到阵列的大小可以改变并且可以基于特定实现所需要的标准选择列和行的数目。还可以认识到开关92、94的数目和配置可以基于特定实现所需要的标准而改变。这样的函数的使用也可以基于特定实现所需要的标准而改变。在阵列76内(或在探测器70中的其他地方)描绘的电路被用于示例目的，而不旨在证明本发明的实施方式只可以用这种方式来实现。
如上所述，sal(x，t)和cal(y，t)中的每一个函数都以唯一的频率发送到像素90的每一个相应列(例如，列1在第一频率接收sal(1，t)和cal(1，t)，列2在第二频率接收sal(2，t)和cal(2，t)，列3在第三频率接收sal(3，t)和cal(3，t)等等)。每一唯一的频率可以间隔预定的量以确保来自每一个像素90的输出信号可以在解调期间被唯一地恢复。在一个例子中，间隔频率可以是30Hz。
一般来讲，像素90的每一列都用函数sal(x，t)和cal(y，t)驱动并且在彼此不同的唯一频率操作，以便来自每一个热电堆96的电压输出都在行的基础上被读出。虽然每一个热电堆96可以是sal(x，t)或cal(y，t)的特定函数，由于正交载波(例如，sal(x，t)和cal(y，t))的周期性，在相应行上的一半热电堆96可以在向前的方向上(在行总线的+侧)以及热电堆96的另一半可以在相反的方向上(在行总线的-侧)。可以认识到，因为热电堆96的一半可能在向前的方向而热电堆96的剩下一半在相反的方向，所以来自给定行的电压输出信号通常接近零。保持了总体的动态范围(例如，最高可测量信号与最低可测量信号的比率)。每一个像素90接收sal(x，t)和cal(y，t)函数，因为这样的函数为每一个像素90内的合适的开关提供非重叠的时钟。
阵列76通过信号v1(t)到vn(t)传送每一行的电压输出信号(其中，N＝在阵列中的行的数目)。增益电路78包括接收电压输出信号v1(t)-vn(t)并且为它们增大振幅以产生电压输出信号v1’(t)-vn’(t)的多个放大器102。在一个例子中，每一个放大器102可以是类似于来自Santa Clara，CA 95052的国家半导体公司2900半导体驱动器的LMC6022的CMOS放大器。每一个放大器102可以被集成在与阵列76相同的硅衬底上。可以认识到所使用的放大器的类型可以基于特定实现所需要的标准而改变。如上所述，联系图2，热电堆通常展现出低响应并且需要额外的增益来增大输出信号。热电堆96在给定行中彼此串联，并且相应的电压输出信号被提供到放大器102的非反相输入端。由于这样的布置，开关98被加在每个热电堆96的两端，在热电堆96被毁坏的情况下来永久关闭它的对应像素。在特定行中串联的热电堆96的耦合以及提供从那一行输出的电压信号到放大器102的非反相输入端，由于有小电流流入放大器102的非反相输入端，增大了增益的电压输出信号和减小了1/f噪声的电势。
多路器80从增益电路80接收输出电压v1’(t)-vn’(t)。模数(A/D)转换器82通过单一的电线总线接收输出电压v1’(t)-vn’(t)。A/D转换器82将输出电压v1’(t)-vn’(t)从模拟电压信号转换成数字电压信号。A/D转换器82可以包括能实现模数转换的任何硬件和软件的组合。
解调电路84被配置成接收阵列76中的每一行的来自A/D转换器82的数字输出信号。解调电路84可以是匹配的滤波器、快速沃尔什变换或任何其他包括硬件和软件的任意组合的合适电路以确定阵列76中的给定行的热电堆96的电压输出信号。来自A/D转换器82的输出信号包括来自热电堆96的行的输出电压的数字表示、其以常量形式被乘到相应的正交载波上(例如，在针对每一列的唯一频率处被发送的函数sal(x，t)和cal(y，t))。
唯一的正交载波中的每一个包括热电堆信号信息。用sal(i，t)(或cal(i，t)——如果使用cal(i，t)，只会发生符号改变)乘以被接收的信号来执行解调。然后被解调的信号被平均来估算热电堆信号。来自行的接收信号通过公式9给出：
Figure BPA00001446524400121
根据场景和热时间常数，m(t)可以被认为是常量或要被估算的随机变量。假设要被估算的参数是常量，最佳的估算通过下式给出：
Figure BPA00001446524400122
其中：
Figure BPA00001446524400131
＝估算的来自第i个探测器的热电堆输出信号
由于sal(i，t)在数字信号处理器(DSP)中是+1或者是-1实现，或现场可编程ate阵列(FPGA)可能简单些。
图6描绘了根据本发明的另一实施方式的热电堆IR探测器150。探测器150包括多个振荡器152(或函数发生器)、阵列154、增益电路156、多路器电路158、A/D转换器160、存储器电路162和解调电路164。多个振荡器72被配置成产生预定频率的振荡载波信号，以用于激活在给定列(或行)内的所有热电堆，以便调制后的信号从那发送。例如，每一个振荡器72被配置成产生唯一频率的振荡信号，并且将其传送到阵列154内的相应列的像素。像素中的每一列在同一时间但以彼此不同的频率被驱动。探测器150使用与图3相关地描述的FDM方法。
经由电压源166对多个振荡器72进行电压控制。设想可以使用不同类型的振荡器代替压控振荡器。例如，这样的振荡器可以被耦合到机械谐振器(例如，但不限于晶体)。用于产生具有唯一频率的振荡信号的设备类型可以基于特定实现所需要的标准而改变。多个电阻155位于振荡器152和电压源166之间，来调整电压源的电压输出信号。可以选择每一个电阻155的电阻值来确保不同的电压输入信号被提供给每一个振荡器152。这样的情况可以确保在振荡器152受到电压控制的情况下振荡器152产生彼此不同的唯一频率。振荡器72每一个都产生正弦函数形式(例如，sin(x，t))或余弦函数形式(例如，cos(y，t))的振荡信号。
图7描绘了热电堆154的更详细的图。阵列154包括被布置成MxN阵列的像素202(或热感应元件)。每一像素202包括热电堆204和基于FET的开关206。在给定像素内实现的热电堆和开关的数目可以基于特定实现所需要的标准而改变。所有的振荡器152一直都在工作，以便像素的所有列都用彼此不同的频率进行振幅调制。例如，在列1中的热电堆204在第一频率被第一振荡信号驱动，以及列M中的热电堆204在第二频率被第二振荡信号驱动，其中，第一频率不同于第二频率。在一个例子中，第一频率可能是30Hz而第二频率可能是60Hz。用于每一列的特定频率通常被定义为：
f(i)＝i*30Hz，(11)
其中，i对应列的数目。
可以认识到，可以使用金属薄膜辐射热测量计(或低电阻辐射热测量计)来代替FDM方法的热电堆。
如关于图3和图5所描述的，每个振荡器152通常被配置成，用具有唯一频率的振幅调制的正交载波激活相应列(或行)的所有热电堆，以便在该列(或行)中的所有热电堆对于整个帧时间都是打开的。这可以对阵列154内的所有列执行。这样一来，可以说阵列154内的所有热电堆在同一时间都在工作。
放大器208可以增大每一行的电压输出信号。多路器电路158通过单一的线路传送一行的每一个电压输出信号到A/D转换器160。A/D转换器160将电压输出信号转换成基于数字的输出信号。A/D转换器160可以包括执行转换的硬件和软件的任意组合。存储器电路162存储数字化的输出信号以便能够传输到解调电路164。在一个例子中，存储器电路162可以被实现为直接存储器存取(DMA)存储设备或其他合适的存储机制。解调电路164对数字化的输出信号执行快速傅里叶变换(FFT)。解调电路164可以包括执行FFT的硬件和软件的任意组合。描绘被捕捉的图像的图像结果从此就产生了。
可以认识到，在探测器70和探测器150(或其他合适的变化形式)内，基于热电堆的阵列可以展示出增大的热稳定水平，并因此可以容易保持在较广的环境温度范围内的辐射测量的校准。还可以认识到，在使用FDM方法的探测器70和探测器150(或其他合适的变化形式)内，基于热电堆的阵列可以适合如(但不限于)灭火应用的能力范围，像这样的应用，阵列可以不需要专门的图像处理技术(例如，将高噪声低增益的图像与低噪声高增益的图像进行组合)来显示在捕捉的图像中的热物体和冷物体都有的图像。也可以认识到，在探测器70和探测器150(或其他合适的变化形式)内，基于热电堆的阵列可以线性响应从物体传入的辐射。由于这样的线性响应，可以获得低成本的厂内辐射测量校准。也可以认识到，来自探测器70和探测器150(或其他合适的变化形式)内的热电堆的基于热电堆输出的信号通常是有差异的和不偏的以及可能没有展示出较大的漂移偏移。这样一来，辐射测量校准可以更容易在较广的环境温度范围内保持。也可以认识到，探测器70和探测器150(或其他合适的变化形式)由于使用FDM方法可以不展示出1/f噪声，这通过以足够高的频率(在那，放大器的1/f噪声是微不足道的)调制热电堆的输出信号几乎消除来自放大器的1/f噪声。也可以认识到，探测器70和探测器150(或其他合适的变化形式)能够捕捉(但不限于)短暂时间的事件，因为在阵列内的所有热电堆一直都在捕捉能量。
虽然图示和描述了本发明的实施方式，但这些实施方式不旨在图示和描述本发明的所有可能形式。相反，在说明书中使用的语言是描述性语言而不是限制，并且要理解不偏离本发明的精神和范围可以进行各种改变。

Claims (44)

1.一种用于产生物体的图像的红外(IR)探测器，所述IR探测器包括：
多个热感应元件，其被布置成具有M列和N行的阵列，每个热感应元件被配置成：
接收至少一个振荡信号；
响应于所述至少一个振荡信号，探测来自所述物体的热输出的至少一部分；
产生表示所探测的热输出的至少一部分的电输出信号，以便所述电输出信号；以及
用所述至少一个振荡信号调制所述电输出信号来产生表示所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
2.如权利要求1所述的IR探测器，其中，在M列中的每列内的每个热感应元件还被配置成在唯一的频率处接收所述至少一个振荡信号。
3.如权利要求1所述的IR探测器，其中，在N行中的每行内的每个热感应元件还被配置成在唯一的频率处接收所述至少一个振荡信号。
4.如权利要求1所述的IR探测器，其中，所述调制输出信号是振幅调制的输出信号。
5.如权利要求1所述的IR探测器，还包括可操作地耦合到所述阵列来增大每个调制输出信号的增益电路。
6.如权利要求5所述的IR探测器，其中，所述增益电路包括多个放大器，每个放大器具有反相输入端和非反相输入端，以及其中每个放大器的所述非反相输入端可操作地耦合到所述阵列。
7.如权利要求1所述的IR探测器，其中，每个调制输出信号都包括常量分量和振荡分量，以及其中所述IR探测器还包括被配置成从每个调制输出信号中去除所述振荡分量的解调电路。
8.如权利要求1所述的IR探测器，其中，所述至少一个振荡信号包括至少一个沃尔什函数及至少一个正弦和余弦函数这两者中的一个。
9.如权利要求8所述的IR探测器，其中，所述至少一个沃尔什函数包括sal(x，t)和cal(y，t)函数中的至少一个，其中x是第一整数，y是第二整数，t是时间。
10.如权利要求9所述的IR探测器，还包括被配置成产生sal(x，t)和cal(y，t)函数中的所述至少一个的函数发生器。
11.如权利要求1所述的IR探测器，其中，每个热感应元件包括至少一个开关及热电堆和微辐射热测量计中的一个。
12.如权利要求1所述的IR探测器，其中，每个热感应元件包括由铋和碲中的至少一种形成的热电堆。
13.如权利要求1所述的IR探测器，其中，在所述阵列内的所述多个热感应元件被配置成响应于每个热感应元件接收所述至少一个振荡信号，在同一时间保持活跃。
14.一种用红外(IR)探测器产生物体的图像的方法，所述IR探测器包括被布置成具有M列和N行的阵列的多个热感应元件，所述方法包括：
在所述热感应元件的每个处接收振荡信号；以及
响应于所述振荡信号，从所述热感应元件中的每个发送对应所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
15.如权利要求14所述的方法，其中，在每个所述热感应元件处接收所述振荡信号还包括在所述M列的每列内的每个热感应元件处接收具有唯一频率的所述振荡信号。
16.如权利要求14所述的方法，其中，在每个所述热感应元件处接收所述振荡信号还包括在所述N行的每行内的每个热感应元件处接收具有唯一频率的所述振荡信号。
17.如权利要求14所述的方法，还包括在接收所述振荡信号之前用函数发生器产生所述振荡信号。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述调制输出信号是振幅调制的输出信号。
19.如权利要求14所述的方法，还包括解调每个调制输出信号来确定所述物体的图像的所述至少一部分。
20.如权利要求14所述的方法，其中，每个热感应元件包括至少一个开关及热电堆和微辐射热测量计中的一个。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述热电堆由铋和碲中的至少一种形成。
22.如权利要求14所述的方法，还包括响应于每个热感应元件接收所述振荡信号，在同一时间激活在所述阵列内的所述多个热感应元件。
23.一种用于产生物体的图像的红外(IR)探测器，所述IR探测器包括：
多个热感应元件，其被布置成具有M列和N行的阵列，在所述M列内的每个热感应元件被配置成：
接收至少一个振荡信号以便在所述M列内的所有热感应元件在同一时间被激活；以及
响应于所述至少一个振荡信号，发送对应所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
24.如权利要求23所述的探测器，还包括被配置成解调所述调制输出信号来获得所述物体的图像的所述至少一部分的解调电路。
25.一种用于产生物体的图像的红外(IR)探测器，所述IR探测器包括：
多个热感应元件，其被布置成具有M列和N行的阵列，在所述N行内的每个热感应元件被配置成：
接收至少一个振荡信号，以便在所述N行内的所有热感应元件在同一时间被激活；以及
响应于所述至少一个振荡信号，发送对应所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
26.如权利要求25所述的探测器，还包括被配置成解调所述振幅调制的输出信号来获得所述物体的图像的所述至少一部分的解调电路。
27.一种基于所探测的物体的热输出来产生所述物体的图像的成像设备，所述摄像机包括：
镜头；
电路板；
被支撑在所述电路板上的红外(IR)探测器，所述IR探测器包括被布置成具有M列和N行的阵列的多个感应元件，每个热感应元件被配置成：
接收至少一个振荡信号；
通过所述镜头接收来自所述物体的热输出，以探测来自所述物体的热输出的至少一部分；
产生表示所探测的热输出的至少一部分的电输出信号；以及
用所述至少一个振荡信号来调制所述电输出信号，以提供表示所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
28.如权利要求27所述的成像设备，其中，每个热感应元件包括至少一个开关及热电堆和微辐射热测量计中的一个。
29.如权利要求27所述的成像设备，其中，每个热感应元件包括由铋和碲中的至少一种形成的热电堆。
30.如权利要求27所述的成像设备，其中，在所述M列的每列内的每个热感应元件还被配置成在唯一的频率处接收所述至少一个振荡信号。
31.如权利要求27所述的成像设备，其中，在所述N行的每行内的每个热感应元件还被配置成在唯一的频率处接收所述至少一个振荡信号。
32.如权利要求27所述的成像设备，其中，所述调制输出信号是振幅调制的输出信号。
33.如权利要求27所述的成像设备，还包括被可操作地耦合到所述阵列以增大每个调制输出信号的增益电路。
34.如权利要求27所述的成像设备，其中，所述增益电路包括多个放大器，每个放大器具有反相输入端和非反相输入端，以及其中每个放大器的所述非反相输入端被可操作地耦合到所述阵列。
35.如权利要求27所述的成像设备，其中，每个调制输出信号包括常量分量和振荡分量，以及其中所述IR探测器还包括被配置成去除每个调制输出信号的所述振荡分量的解调电路。
36.如权利要求27所述的成像设备，其中，所述至少一个振荡信号包括至少一个沃尔什函数及至少一个正弦和余弦函数这两者中的一个。
37.如权利要求36所述的成像设备，其中，所述至少一个沃尔什函数包括sal(x，t)和cal(y，t)函数中的至少一个，其中x是第一整数，y是第二整数，t是时间。
38.如权利要求37所述的成像设备，其中，所述IR探测器还包括被配置成产生sal(x，t)和cal(y，t)函数中的所述至少一个的函数发生器。
39.如权利要求27所述的成像设备，其中，所述整个热感应元件阵列被配置成响应于在所述阵列内的每个热感应元件接收所述至少一个振荡信号，在同一时间保持活跃。
40.一种基于所探测的物体的热输出来产生所述物体的图像的成像设备，所述摄像机包括：
镜头；
电路板；
被支撑在所述电路板上的红外(IR)探测器，所述IR探测器包括被布置成阵列的多个感应元件，每个热感应元件被配置成：
接收至少一个振荡信号；
响应于所述至少一个振荡信号，通过所述镜头探测来自所述物体的热输出；以及
基于所探测的所述物体的热输出，发送对应所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
41.如权利要求40所述的成像设备，其中，每个热感应元件包括至少一个开关及热电堆和微辐射热测量计中的一个。
42.如权利要求41所述的成像设备，其中，每个热电堆由铋和碲中的至少一种形成。
43.如权利要求40所述的成像设备，其中，所述调制输出信号是振幅调制的输出信号。
44.如权利要求40所述的成像设备，其中，所述热感应元件的整个阵列被配置成响应于在所述阵列内的每个热感应元件接收所述至少一个振荡信号，在同一时间保持活跃。
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