CN104019906B - 一种红外焦平面阵列探测器及其红外成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种红外焦平面阵列探测器及其红外成像系统，包括：探测器单元阵列、遮光探测器单元阵列及相应的读出电路。探测器单元能够吸收入射的红外辐射，而遮光探测器单元不吸收入射的红外辐射；读出电路分别读出探测器单元信号和遮光探测器单元信号。本发明的实施例中，红外焦平面阵列探测器中包括对红外辐射产生响应遮光探测器单元阵列，由遮光探测器单元阵列的信号可以拟合出无红外辐射时红外焦平面阵列的数据，从而据此实现红外焦平面阵列的非均匀性校正。这样，不需要额外的挡板即可实现实时非均匀性校正，适用范围广，操作简单易行。

Description

一种红外焦平面阵列探测器及其红外成像系统

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，尤其是涉及一种红外焦平面阵列探测器及其红外成像系统。

背景技术

随着CMOS超大规模集成电路技术、红外焦平面技术以及数字集成电路技术的不断发展，人们逐渐意识到将红外焦平面的模拟输出信号转变为数字信号输出，可以提高信号在传输过程中的抗干扰能力，提高信号的信噪比，同时这也是第三代红外焦平面技术不断小型化、不断提高集成度的发展趋势。

红外成像系统在实际工作中，由于环境温度的波动、偏置驱动电压的漂移等会导致工作状态不断变化，且对于同一探测系统中的不同探测单元漂移程度并不完全相同，这就相当于增加了系统响应的非均匀性。

系统响应的这种非均匀性需要进行校正。传统的作法是利用挡板周期性的对探测系统做遮光处理，利用挡板遮光时所获取的数据进行非均匀性校正。然而，机械控制挡板高速周期性的对探测系统进行非均匀性校正容易造成机械磨损，同时，挡板校正时会遮光不是完全的实时校正。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种无需额外的挡板即可实现对红外焦平面阵列进行实时非均匀性校正的红外焦平面阵列探测器及其红外成像系统。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种红外焦平面阵列探测器，其特征在于，包括：探测器单元阵列，所述探测器单元阵列包括多个探测器单元，所述探测器单元能够吸收入射的红外辐射；探测器单元读出电路，所述探测器单元读出电路连接到所述探测器单元上并且读出所述探测器单元产生的探测器单元信号；遮光探测器单元阵列，所述遮光探测器单元阵列包括多个遮光探测器单元，所述遮光探测器单元不吸收入射的红外辐射；遮光探测器单元读出电路，所述遮光探测器单元读出电路连接到所述遮光探测器单元上并且读出所述遮光探测器单元产生的遮光探测器单元信号。

本发明一个实施例中，还包括非均匀性校正电路，所述非均匀性校正电路接收根据所述遮光探测器单元信号产生的非均匀性校正信号，并根据所述非均匀性校正信号对所述探测器单元阵列进行非均匀性校正。

本发明一个实施例中，其特征在于，所述遮光探测器单元包括：测辐射热计，所述测辐射热计连接到所述遮光探测器单元读出电路；遮光层，所述遮光层覆盖所述测辐射热计，并阻挡入射的红外辐射入射到所述测辐射热计上。

本发明一个实施例中，所述探测器单元和所述遮光探测器单元具有相同的力学特性、相同电学特性和除了对红外辐射的响应之外相同的热学特性。

本发明的实施例中还提供了一种红外成像系统，其特征在于，包括：红外焦平面阵列探测器，所述红外焦平面阵列探测器包括：探测器单元阵列，所述探测器单元阵列包括多个探测器单元，所述探测器单元能够吸收入射的红外辐射；探测器单元读出电路，所述探测器单元读出电路连接到所述探测器单元上并且读出所述探测器单元产生的探测器单元信号；遮光探测器单元阵列，所述遮光探测器单元阵列包括多个遮光探测器单元，所述遮光探测器单元不吸收入射的红外辐射；遮光探测器单元读出电路，所述遮光探测器单元读出电路连接到所述遮光探测器单元上并且读出所述遮光探测器单元产生的遮光探测器单元信号；信号处理单元，所述信号处理单元连接到所述红外焦平面阵列探测器并接收所述探测器单元信号和所述遮光探测器单元信号，其中：所述信号处理单元包括非均匀性分析单元，所述非均匀性分析单元根据所述遮光探测器单元信号生成非均匀性校正信号。

本发明一个实施例中，所述红外焦平面阵列探测器还包括非均匀性校正电路，所述非均匀性校正电路接收所述非均匀性校正信号并根据所述非均匀性校正信号对所述探测器单元阵列进行非均匀性校正。

本发明一个实施例中，所述遮光探测器单元包括：测辐射热计，所述测辐射热计连接到所述遮光探测器单元读出电路；遮光层，所述遮光层覆盖所述测辐射热计，并阻挡入射的红外辐射入射到所述测辐射热计上。

本发明一个实施例中，所述信号处理单元还包括图像处理单元，所述图像处理单元根据所述探测器单元信号生成红外图像。

本发明一个实施例中，所述探测器单元和所述遮光探测器单元具有相同的力学特性、相同电学特性和除了对红外辐射的响应之外相同的热学特性。

本发明的实施例中，红外焦平面阵列探测器中包括遮光探测器单元阵列，该遮光探测器单元阵列不对红外辐射产生响应，由遮光探测器单元阵列的信号可以拟合出无红外辐射时红外焦平面阵列的数据，从而据此实现红外焦平面阵列的非均匀性校正。这样，不需要额外的挡板即可实现实时非均匀性校正，适用范围广，操作简单易行。

附图说明

图1是本发明一个实施例的红外焦平面阵列探测器的框图示意图。

图2是本发明一个实施例的探测器单元的结构示意图。

图3是本发明一个实施例的遮光探测器单元的结构示意图。

图4是本发明一个实施例的探测器单元及其相关电路的示意图。

图5是本发明一个实施例的遮光探测器单元及其相关电路的示意图。

图6是本发明一个实施例的红外成像系统的框图示意图。

图7是本发明另一个具体实施例的红外成像系统的框图示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的红外焦平面阵列探测器及其红外成像系统的结构。

图1为本发明一个实施例的红外焦平面阵列探测器的框图示意图。如图1所示，本发明一个实施例中，一种红外焦平面阵列探测器10包括探测器单元阵列101、探测器单元读出电路102、遮光探测器单元阵列103和遮光探测器单元读出电路104。

探测器单元阵列包括多个探测器单元，并且该探测器单元能够吸收入射的红外辐射。

图2为本发明一个实施例的探测器单元的结构示意图。如图2所示，该探测器单元包括测辐射热计，该测辐射热计连接到读出电路（探测器单元读出电路102）上。探测器单元读出电路102可以包括行选信号线（即图2中的“x金属”）和列选信号线（即图2中的“y金属”）。通过该行选信号线和列选信号线可以选中特定的探测器单元，从而使得该探测器单元读出电路102可以读出选中的探测器单元（测辐射热计）产生的信号，该信号本文中称之为探测器单元信号。

当红外辐射入射到测辐射热计上时，测辐射热计吸收该红外辐射，从而引起其自身电阻（Rs）的改变。电阻Rs的改变可以引起前述的探测器单元读出电路102读出的探测器单元信号的改变，该探测器单元信号的改变与入射的红外辐射强度相关，因此根据该探测器单元信号即可获得入射的红外辐射相关的信息从而获得红外图像。

本发明的实施例中，探测器单元读出电路102的结构可以是本领域内常用的红外焦平面阵列探测器读出电路的结构。例如，可以包括参比探测器单元、偏置电路、积分电路、采样保持电路等等，在此不再详述。

遮光探测器单元阵列103可以包括多个遮光探测器单元，该遮光探测器单元不吸收入射的红外辐射。

图3为本发明一个实施例的遮光探测器单元的结构示意图。如图2所示，遮光探测器单元可以包括测辐射热计和遮光层。测辐射热计连接到读出电路（遮光探测器单元读出电路104）上。该遮光探测器单元读出电路104可以读出遮光探测器单元（测辐射热计）产生的信号，该信号本文中称之为遮光探测器单元信号。

该遮光探测器单元中，遮光层覆盖该测辐射热计，并阻挡入射的红外辐射入射到测辐射热计上。例如，遮光层可以反射入射的红外辐射，使得入射的红外辐射不能入射到测辐射热计上。这样，遮光探测器单元中的测辐射热计的电阻（Rs_b）不会受到入射的红外辐射的影响，也就是前述的遮光探测器单元信号不会受到入射的红外辐射的影响。

可见，本发明的实施例中，探测器单元是感光的，其对于红外辐射有响应；而遮光探测器单元整体是不感光的，对于红外辐射无响应。

本发明的实施例中，遮光探测器单元阵列103的形式、数量、相对于探测器单元阵列101的位置等等可以灵活设置，本发明对此不作限制。例如，遮光探测器单元阵列103可以是一行或者多行遮光探测器单元、或者一列或者多列遮光探测器单元，也可以是设置在探测器单元阵列101的一侧或者多侧，等等。

本发明的实施例中，遮光探测器单元读出电路104的结构可以使用本领域内常用的红外焦平面阵列探测器读出电路的结构。例如，可以包括参比探测器单元、偏置电路、积分电路、采样保持电路等等，在此不再详述。

本发明的实施例中，探测器单元和遮光探测器单元之间除了遮光层之外，其他的结构可以是相同的，其对应的读出电路（即探测器单元读出电路102和遮光探测器单元读出电路104）的结构也可以是相同的，使得探测器单元和遮光探测器单元具有相同的力学特性、相同电学特性和除了对红外辐射的响应之外相同的热学特性。

本发明的实施例中，探测器单元读出电路102和遮光探测器单元读出电路104可以是相互独立的电路，也可以是共享至少一部分电路的电路。

遮光探测器单元读出电路104和探测器单元读出电路102可以包括单独的或者共享的读出通道电路106，其读出的信号通过各自的或者共享的读出通道电路106送到红外焦平面阵列探测器10之外（例如，送到下文详述的信号处理单元）。

本发明的实施例中，该红外焦平面阵列探测器10还可以包括非均匀性校正电路105。该非均匀性校正电路105接收根据前述的探测器单元信号和遮光探测器单元信号产生的非均匀性校正信号，并根据该非均匀性校正信号对探测器单元阵列101进行非均匀性校正。

本发明的实施例中，这里的非均匀性校正电路可以是任何可以根据非均匀性的影响而调节并将该非均匀性消除的电路。例如：采用改变参比探测器单元(Rb)的个数、偏压或在遮光探测器单元(Rs_b)以及探测器单元(Rs)支路上同时增加相同的小半导体电阻等方法整体校正偏移的电路；或逐点改变探测器单元(Rs)的偏置电流的逐点校正偏移的电路；等等。

例如，图4是本发明一个实施例中的探测器单元及其相关的电路的结构示意图，其中包括探测器单元Rs、参比探测器单元Rb、探测器单元偏置管M1、参比探测器单元偏置管M2、非均匀性逐点校正电路DAC1、非均匀性整体校正电路DAC2和积分及采样保持电路。

类似地，图5是本发明一个实施例中的遮光探测器单元及其相关的电路的结构示意图，其中包括遮光探测器单元Rs_b、参比探测器单元Rb、遮光探测器单元偏置管M1、参比探测器单元偏置管M2、非均匀性逐点校正电路DAC1、非均匀性整体校正电路DAC2和积分及采样保持电路。

本发明一个实施例中，图4中的探测器单元的相关电路（例如，图4中的参比探测器单元Rb、探测器单元偏置管M1、参比探测器单元偏置管M2、非均匀性逐点校正电路DAC1、非均匀性整体校正电路DAC2和积分及采样保持电路）与图5中的遮光探测器单元的相关电路（例如，图5中的参比探测器单元Rb、遮光探测器单元偏置管M1、参比探测器单元偏置管M2、非均匀性逐点校正电路DAC1、非均匀性整体校正电路DAC2和积分及采样保持电路）可以是相同的元件，即探测器单元和遮光探测器单元可以共享相同的参比探测器单元Rb、遮光探测器单元偏置管M1、参比探测器单元偏置管M2、非均匀性逐点校正电路DAC1、非均匀性整体校正电路DAC2和积分及采样保持电路。

本发明的一个实施例中，还提供了一种红外成像系统，该红外成像系统的框图示意图如图6所示。其中，该红外成像系统包括红外焦平面阵列探测器10和信号处理单元20。

本发明一个实施例中，红外焦平面阵列探测器10的结构可以与上文中的各个实施例中描述的红外焦平面阵列探测器10的结构相同，即包括探测器单元阵列101、探测器单元读出电路102、遮光探测器单元阵列103和遮光探测器单元读出电路104。探测器单元阵列101包括多个探测器单元，该探测器单元能够吸收入射的红外辐射；探测器单元读出电路102连接到探测器单元上并且读出该探测器单元产生的探测器单元信号；遮光探测器单元阵列103包括多个遮光探测器单元，并且该遮光探测器单元不吸收入射的红外辐射；遮光探测器单元读出电路104连接到遮光探测器单元上并且读出该遮光探测器单元产生的遮光探测器单元信号。

信号处理单元20连接到红外焦平面阵列探测器10并且接收红外焦平面阵列探测器10中输出的探测器单元信号和遮光探测器单元信号。

信号处理单元20中包括非均匀性分析单元201，该非均匀性分析单元201根据接收的探测器单元信号和遮光探测器单元信号生成非均匀性校正信号。

本发明一个实施例中，红外焦平面阵列探测器10还包括非均匀性校正电路105，该非均匀性校正电路105接收信号处理单元20中的非均匀性分析单元201产生的非均匀性校正信号，并根据该非均匀性校正信号对探测器单元阵列101进行非均匀性校正。本发明的实施例中，这里的非均匀性校正电路105可以与上文中各个实施例中的非均匀性校正电路105相同。

本发明一个实施例中，信号处理单元还包括图像处理单元202，该图像处理单元根据前述的探测器单元信号生成红外图像。这里，根据探测器单元信号生成红外图像的方法可以使用本领域内常用的根据红外探测器的信号形成红外图像的方法，在此不再详述。

图7是本发明一个实施例具体结构的示意图，其中相同或者相应的部分使用上文中各个实施例中描述的结构。

如图7所示，其中的红外焦平面阵列探测器包括由640列、542行探测器单元（Rs）构成的探测器单元阵列；探测器单元阵列的上下各增加一个由640列、10行遮光探测器单元（Rs_b）构成遮光探测器单元阵列；由640列、1行参比探测器单元（Rb）构成参比探测器单元阵列。

通常的542行行选电路增加一个使能控制端En，使能控制信号有效（“1”）时才允许探测器单元阵列的行选。

增加20行行选电路，以控制遮光探测器单元阵列被分别选中。上下增加的各10行遮光阵列分别行选完成，即20行行选完成后产生Over信号（由“0”变为“1”），作为542行行选电路的使能信号。每帧开始时Over信号复位为“0”。该模式使得遮光探测器单元信号在每帧的输出都在正式探测之前，给后续自热分析以充分的时间（接近1帧）。

在信号处理中，非均匀性分析单元根据遮光探测器单元信号分析非均匀性的影响，并产生非均匀性校正信号控制DAC1和DAC2消除非均匀性的影响。

本发明的实施例中，红外焦平面阵列探测器中包括遮光探测器单元阵列，该遮光探测器单元阵列不对红外辐射产生响应，由遮光探测器单元阵列的信号可以拟合出无红外辐射时红外焦平面阵列的数据，从而据此实现红外焦平面阵列的非均匀性校正。这样，不需要额外的挡板即可实现实时非均匀性校正，适用范围广，操作简单易行。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (7)

1.一种红外焦平面阵列探测器，其特征在于，包括：

探测器单元阵列，所述探测器单元阵列包括多个探测器单元，所述探测器单元能够吸收入射的红外辐射，所述探测器单元阵列由640列、542行所述探测器单元构成，542行行选电路增加一个使能控制端，使能控制信号有效时允许所述探测器单元阵列进行行选；

探测器单元读出电路，所述探测器单元读出电路连接到所述探测器单元上并且读出所述探测器单元产生的探测器单元信号；

遮光探测器单元阵列，所述遮光探测器单元阵列不对红外辐射产生响应，由所述遮光探测器单元阵列的信号可以拟合出无红外辐射时红外焦平面阵列的数据，实现红外焦平面阵列的非均匀性校正，所述遮光探测器单元阵列包括多个遮光探测器单元，所述遮光探测器单元不吸收入射的红外辐射，所述探测器单元阵列的上下各增加一个所述遮光探测器单元阵列，所述遮光探测器单元阵列由640列、10行所述遮光探测器单元构成，20行行选电路用于控制所述遮光探测器单元阵列被选中；

遮光探测器单元读出电路，所述遮光探测器单元读出电路连接到所述遮光探测器单元上并且读出所述遮光探测器单元产生的遮光探测器单元信号；

所述遮光探测器单元包括测辐射热计和遮光层，所述测辐射热计连接到所述遮光探测器单元读出电路，所述遮光层覆盖所述测辐射热计，所述遮光层可以反射入射的红外辐射，使得入射的红外辐射不能入射到所述测辐射热计上。

2.如权利要求1所述的红外焦平面阵列探测器，其特征在于：还包括非均匀性校正电路，所述非均匀性校正电路接收根据所述遮光探测器单元信号产生的非均匀性校正信号，并根据所述非均匀性校正信号对所述探测器单元阵列进行非均匀性校正。

3.如权利要求1所述的红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述探测器单元和所述遮光探测器单元具有相同的力学特性、相同电学特性和除了对红外辐射的响应之外相同的热学特性。

4.一种红外成像系统，其特征在于，包括：

红外焦平面阵列探测器，所述红外焦平面阵列探测器包括：

探测器单元阵列，所述探测器单元阵列包括多个探测器单元，所述探测器单元能够吸收入射的红外辐射，所述探测器单元阵列由640列、542行所述探测器单元构成，542行行选电路增加一个使能控制端，使能控制信号有效时允许所述探测器单元阵列进行行选；

探测器单元读出电路，所述探测器单元读出电路连接到所述探测器单元上并且读出所述探测器单元产生的探测器单元信号；

遮光探测器单元阵列，所述遮光探测器单元阵列不对红外辐射产生响应，由所述遮光探测器单元阵列的信号可以拟合出无红外辐射时红外焦平面阵列的数据，实现红外焦平面阵列的非均匀性校正，所述遮光探测器单元阵列包括多个遮光探测器单元，所述遮光探测器单元不吸收入射的红外辐射，所述探测器单元阵列的上下各增加一个所述遮光探测器单元阵列，所述遮光探测器单元阵列由640列、10行所述遮光探测器单元构成，20行行选电路用于控制所述遮光探测器单元阵列被选中；

遮光探测器单元读出电路，所述遮光探测器单元读出电路连接到所述遮光探测器单元上并且读出所述遮光探测器单元产生的遮光探测器单元信号，其中所述遮光探测器单元包括测辐射热计和遮光层，所述测辐射热计连接到所述遮光探测器单元读出电路，所述遮光层覆盖所述测辐射热计，所述遮光层可以反射入射的红外辐射，使得入射的红外辐射不能入射到所述测辐射热计上；

信号处理单元，所述信号处理单元连接到所述红外焦平面阵列探测器并接收所述探测器单元信号和所述遮光探测器单元信号，其中：

所述信号处理单元包括非均匀性分析单元，所述非均匀性分析单元根据所述遮光探测器单元信号生成非均匀性校正信号。

5.如权利要求4所述的红外成像系统，其特征在于：所述红外焦平面阵列探测器还包括非均匀性校正电路，所述非均匀性校正电路接收所述非均匀性校正信号并根据所述非均匀性校正信号对所述探测器单元阵列进行非均匀性校正。

6.如权利要求4所述的红外成像系统，其特征在于，所述信号处理单元还包括图像处理单元，所述图像处理单元根据所述探测器单元信号生成红外图像。

7.如权利要求4至6中任意一项所述的红外成像系统，其特征在于：所述探测器单元和所述遮光探测器单元具有相同的力学特性、相同电学特性和除了对红外辐射的响应之外相同的热学特性。