CN104344899B - 热辐射检测阵列的缺陷状态的诊断方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热辐射检测阵列的缺陷状态的诊断方法和设备。其用于诊断热辐射检测器的信号形成用链的缺陷状态的方法，检测器包括热辐射计的阵列，其中各链包括热辐射计、链的电气刺激电路和根据所施加的刺激来形成信号的电路，方法包括在阵列上形成大致均匀场景的图像；向链应用至少不同的第一刺激和第二刺激；读取所形成的信号；以及对于各链，定义由具有与热辐射计相邻的热辐射计形成的邻域；计算对由该链形成的信号的值插值的多项式的系数；计算对由相邻链形成的信号的值进行插值的多项式的系数；计算相邻链或由相邻链和该链形成的组的系数平均值和标准偏差；以及在系数的值在根据平均值和标准偏差所定义的余量外的情况下，诊断为该链有缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及红外热辐射成像和高温测量。更具体地，本发明涉及包括由悬挂在基板的上方的膜形成的热辐射计的阵列的热辐射红外检测器。
背景技术
在所谓的“热”红外检测器的领域中，已知使用能够在环境温度下工作的对红外辐射敏感的元件的一维或二维阵列。
传统上，热红外检测器利用所谓的“测温”或“热辐射”材料的物理量根据其温度的变化。目前，该物理量是所述材料的高度温度依赖的电阻率。检测器的单元敏感元件或“热辐射计”通常采用膜的形式，其中，这些膜各自包括一层测温材料，并且经由耐热性高的支撑臂悬挂在通常由硅制成的基板的上方，其中所悬挂的膜的阵列通常被称为“视网膜”。
特别地，这些膜实现吸收入射辐射的功能、将所吸收的辐射的功率转换成热功率的功能、和将所生成的热功率转换成测温材料的电阻率的变化的测温功能，其中这些功能可由一个或多个不同元件来实现。
此外，膜的支撑臂也具有传导性且连接至其测温层，并且在上方悬挂有膜的基板中，通常形成有用于顺次寻址并偏置膜的测温元件的部件和用于形成能够以视频格式使用的电信号的部件。该基板和集成部件通常被称为“读取电路”。
通常在非常低的压力下将检测器的读取电路和敏感视网膜集成在密封封装体内，其中对该检测器设置可透过波长在8～14微米的范围内的关注辐射的窗。该范围与大气的透明窗相对应，并且与源自于在300K附近的场景的大部分辐射相对应。
为了经由这种检测器获得热图像或高温测量图像，使场景经由适应性光学系统会聚到配置有视网膜的焦平面上，并且经由读取电路向各热辐射计或这些热辐射计的各行应用定时的电刺激，以获得形成图像的“视频”电信号或各所述基本检测器所达到的温度的测量值。该信号可以由读取电路直接地在一定程度上细致成形，然后以模拟或数字形式被发送至封装体外部的电子系统。该电子系统通常向检测器所传送的各视频帧应用各种校正、特别是空间偏移和增益色散的校正(“非均匀校正”，其简称为“NUC”)，以生成能够进行显示、或者更一般地能够用于这样从观察的场景所形成的信号的热图像或高温测量图像。
敏感膜的平均温度基本是由基板温度所施加的，其中在不稳定的情况下，该基板温度尤其是由于通过经由集成系统元件的热传导所大致反映的环境条件的变化而改变。这种温度变化在热辐射计的输出处的平均信号中引起漂移。热辐射检测器可以配备有通常为Peltier(珀耳帖)效应模块的用于使基板温度稳定的模块(“热电冷却器”，其简称为TEC)，以避免这种信号漂移。然而这种稳定部件使组件更加复杂且昂贵，并且意味着随着环境温度远离所选择的稳定温度而整体变高的电力消耗。
作为变形，检测器不包括温度稳定模块，并且在电子信号形成电路中与热辐射计的温度相关联地设置用于补偿焦平面温度(TPF)的元件，其中所述补偿元件自身存在热辐射，即其电气行为跟随基板温度、但保持对辐射基本不敏感。该结果例如是利用结构上设置有向着基板的耐热性较低的热辐射结构来获得，以及/或者是通过将这些结构遮蔽在对于要检测的热辐射不透明的屏幕后方来获得。使用这些补偿元件还具有消除了源自于成像或“有源”热辐射计的大部分所谓共模电流的优点。
图1是现有技术的包括共模补偿结构的无温度调节的热辐射检测器10或“无TEC”检测器的电气图，并且图2是用于形成所补偿的共模检测器的热辐射计的读取信号的电路的电气图。例如，在以下文献中说明了这种检测器：“Uncooled amorphous silicontechnology enhancement for 25μm pixel pitch achievement”；E.Mottin等，InfraredTechnology and Application XXVIII,SPIE,vol.4820E。
检测器10包括单元热辐射检测元件14或“像素”的二维阵列12，其中各单元热辐射检测元件14或“像素”包括采用如前面所述等的悬挂在基板上方的膜的形式的敏感电阻热辐射计16、并且具有电阻Rac。还称为“主动”或“检测用”热辐射计的各热辐射计16的一个端子连接至特别是检测器10的接地端的恒定电压VDET，并且其另一端子连接至以饱和状态工作的MOSFET偏置晶体管18(例如，NMOS晶体管)，从而利用栅极控制电压GAC来设置热辐射计16两端的电压Vac。像素14还包括选择开关20，其中该选择开关20连接在MOS晶体管18和针对阵列12的各列所设置的节点A之间，并且利用控制信号SELECT(选择)来驱动，从而使得能够选择热辐射计16以进行其读取。通常晶体管18和开关20在热辐射计16的膜的影响下形成在基板中。元件16和18形成所谓的“检测”分支。
检测器10在阵列12的各列的下部还包括通常还称为“略读(skimming)”结构的补偿结构22。结构22还包括对源自于要观察的场景的入射辐射不敏感的电阻为Rcm的补偿用热辐射计24。
热辐射计24由与热辐射计16相同的测温材料制成，但是热辐射计24是根据提供向着基板的非常低耐热性的结构配置来制成。例如，可以通过将热辐射计的阻抗元件直接构造成与基板相接触、或者利用处于悬挂状态的简单的无臂式阻抗热辐射结构、或者还通过在基板和补偿用热辐射计的本体之间保留导热材料，来容易地实现该结果。因而利用基板温度来基本表示热辐射计24的电阻，于是认为热辐射计24相对于基板被“热化”。
热辐射计24的一个端子连接至恒定电压VSK，并且补偿结构22还包括MOSFET偏置晶体管26，其中，该MOSFET偏置晶体管26以饱和状态进行工作，具有与检测像素14的晶体管18(例如，PMOS晶体管)的偏压相反的偏压，利用栅极控制电压GCM来设置热辐射计24两端的电压Vcm，并且连接在补偿热辐射计24的另一端子和节点A之间。元件24和26形成各列共用的所谓的补偿端子。尽管不必通过设计将热辐射计24的电阻Rcm调整为接近热辐射计16的电阻的值，然而需要将流经热辐射计24的电流调整为接近在读取期间经由该检测分支行进的电流的值。例如，通常，该结果利用比热辐射计16的电阻小的电阻以及以大致相同比例减小的偏置电压Vcm来获得。
检测器10在阵列12的各列的下部还包括CTIA(“电容跨阻放大器”)型的积分器28，其中该积分器28例如包括运算放大器30和连接在放大器30的反相输入和输出之间的电容器32。放大器30的反相端子和非反相端子进一步分别连接至节点A和恒定电压VBUS。因而，电压VBUS形成针对输出信号的基准，并且电压VBUS在VDET和VSK之间。还与电容器32并联设置利用信号Reset(复位)来驱动的开关34，以对电容器32进行放电。CTIA28的输出最终例如连接至采样-保持电路36，以利用多路复用器38以多路复用模式将CTIA的电压Vout传送至一个或多个串联输出放大器40。还可以在数字化部件的输出处对CTIA28的输出进行积分(模数转换：ADC)。最后，检测器10包括特别控制前面所述的不同开关的同步-视频处理单元42。在工作中，从阵列12逐行进行读取，由此所读取的行整体形成图像帧或“帧”。为了从阵列12的行进行读取，接通像素14的线的开关20并且断开其它线的开关20。
在通过先接通开关34然后再断开开关34所实现的、位于列的下部的CTIA电容器的放电阶段之后，如此针对正在读取的行的各像素获得诸如图2所示的电路。在利用MOSFET晶体管18偏置检测用热辐射计16的电压的影响下，电流Iac流经像素的检测用热辐射计16，并且在利用MOSFET晶体管26偏置补偿结构的补偿用热辐射计24的电压的影响下，电力Icm流经补偿用热辐射计24。在节点A处将这些电流彼此相减，并且在预定积分时间段Tint内利用CTIA28对由此得到的电流差进行积分。因而，由于电流Iac的未使用部分至少部分由为了再现该未使用部分而专门生成的电流Icm来补偿，因此CTIA28的输出电压Vout是由要检测的入射辐射所引起的检测用热辐射计16的电阻的变化的测量值。
此外，如前面所述，由于检测用热辐射计16并不严格相同，因此电压Vout的值在均匀场景的情况下展现出分散或“偏移分散”。同样，可以观察到检测器响应性的分散或“增益分散”、即在面对均匀场景的均匀变化的情况下电压Vout的变化的分散。在这些分散不利地影响了检测器所生成的图像的质量的情况下，通常利用单元42对电压Vout至少校正该偏移分散。通常将仅偏移分散的校正指定为“1点”校正，而当前将组合偏移分散和增益分散这两者的校正称为“2点”校正。
在下文，表述“原始信号”指定未校正信号，并且特别指定单元42的上游的信号。特别地，该表述以不同的方式指定模拟信号(例如，CTIA的输出处的电压Vout)或数字信号(例如，在以数字形式实现“1点”或“2点”校正的情况下的电压Vout的数字值)，其中根据使用该表述的上下文容易理解原始信号的模拟或数字形式。因而，表述“原始图像”或“原始帧”指定了通过从阵列12进行读取而产生的所有原始信号。
同样，表述“校正信号”指定经过了意在消除或补偿信号分散的校正(例如，“1点”或“2点”校正)的信号，因而，表述“校正图像”或“校正帧”指定根据原始值通过“1点”或“2点”校正来进行校正后的图像或帧。
缺陷像素是如下的单元检测元件，其中该单元检测元件的相应信号(例如，上述检测器示例中的电压Vout)被视为不能用于形成表示所观察的场景的图像元素。例如，无论所观察的场景如何，缺陷像素都产生在信号形成用链的输出动态范围的一侧或另一侧上饱和的信号。
更一般地，缺陷像素是在应用“1点”或“2点”校正之后可能生成具有相对于其近邻偏离的异常值的信号的像素，其中该信号无法被输入至所观察的场景并且在给定环境条件下在图像上或视频序列上可见。该偏离可能源自于各种物理原因，其中这些物理原因引起缺陷像素相对于其相邻像素的固有电气/或光学行为(被视为“正常”)的明显偏离。像素的“正常”行为是指接近视网膜的一组像素或一组图像形成用链的像素行为，以使得“1点”或“2点”校正未表现出相对于源自标准工作条件下的像素的校正信号的偏离。
下表列出与热辐射视网膜相关联的已知的复发性缺陷及其物理原因。这里，符号CL(连续水平的简称)是指在将视网膜暴露至温度大致均匀的场景的情况下源自于像素的原始信号的值。
为了得知是否存在可能的缺陷像素，通常在工厂中、即在将检测器投入使用之前，通过进行意在建立各像素的测量相对于预定功能一致性窗的一致性的各种测量和分析，来执行可操作性测试。所涉及的测量通常包括在各像素的水平提取特别是以下的功能参数：
·连续水平CL；
·响应性Resp，即相对于视网膜所暴露至的均匀场景的均匀变化的、源自于像素的信号变化；以及
·源自于像素的信号的时间噪声。
由此，可操作性测试使得能够建立缺陷像素的列表或者“可操作性表”、即定义所述像素在像素阵列中的位置的一系列行坐标和列坐标。然后将该可操作性表存储在单元42中并且由所述单元利用，以使用检测器来校正与缺陷像素相对应的图像的点、例如利用相邻像素所提供的信号的平均值来替换这些像素的信号。
然而，可操作性表是仅在特定时间、并且针对特定环境条件(特别是温度和照度)以及特定工作条件(特别是偏置条件)的检测器缺陷的图像。首先，像素对于针对可操作性测试所实现的特定环境和工作条件而言可能是有缺陷的，然而对于其它环境和工作条件而言可能被视为无缺陷的。因而，环境和工作条件的修改能够在初始被视为一致的某些像素上引入在新的环境和工作条件下被视为不一致的这些像素的输出信号的修改，由此使得该可操作性表与这些像素不相关。为了克服该问题，应如此针对多个环境和工作条件确定可操作性表。除了获得多个表所需的成本和持续时间以外，在初始工厂可操作性测试期间，无法再现检测器在其使用期间可能遇到的所有条件，因而，即便如此也会产生与检测器所遇到的条件有关的初始表的有效性的问题。
此外，对于特定环境和工作条件，特定像素的行为可能不期望地实质上漂移，并且特定像素甚至可能完全失去其功能。一旦检测器在使用中，则可操作性表可能被证明是不相关的。因而应定期更新可操作性表以考虑到该现象。如今，上述测量通常要求针对不同的温度使用复杂且昂贵的光学装置、特别是使用基准“黑体”。同样，热辐射计的电阻不是根据信号形成用链的输出信号可直接测量的，这是由于通常提供补偿以在形成这些信号时排除共模、而仅测量由于因所观察的场景的入射流引起的电阻变化而发生的小的信号变化这一事实。
因而，热辐射计的电阻的确定需要特定的过程和设备。由于通常仅制造人员具有这种设备，因此可操作性表的更新相应地需要将检测器返回至工厂以实现新的可操作性测试。
发明内容
本发明的目的在于提供如下方法，其中该方法仅基于检测器读取电路的下游的信号来诊断包括热辐射视网膜的检测器的缺陷状态，因而无需使用特定设备，并且即使在该检测器在使用中的情况下也能够实现该诊断。
为此，本发明的目的是一种诊断热辐射检测器的信号形成用链(后续称之为“链”)的缺陷状态的方法，所述热辐射检测器包括悬挂在基板的上方的检测用热辐射计的阵列，其中各链包括所述阵列的热辐射计、所述链的电气刺激电路和用于根据利用所述电气刺激电路应用于所述链的刺激来形成信号的电路，所述方法包括以下步骤：
a.在所述热辐射计的所述阵列上形成大致均匀场景的图像；
b.向所述链应用不同的至少第一刺激和第二刺激；
c.读取由与所应用的刺激相对应的链所形成的信号；以及
d.对于要诊断的预定一组链中的各链，进行以下操作：
·定义由具有与该链的检测用热辐射计近邻的检测用热辐射计的链形成的邻域；
·根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激来计算对由该链形成的信号的值进行插值的多项式的系数；
·针对该链的所述邻域的各链，根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激来计算对由所述邻域的链形成的信号的值进行插值的多项式的系数；
·计算所计算出的所述邻域的链或者由该链和所述邻域的链形成的一组链的所述系数的平均值和标准偏差；以及
·在所述系数的值在根据所计算出的平均值和标准偏差所定义的余量外的情况下，诊断为该链有缺陷。
如此，通过与源自于阵列的热辐射计的信号是否属于根据源自于其相邻热辐射计的信号所建立的间隔相关地判断该信号是一致还是不一致，来进行该诊断。“信号形成用链”或“链”意味着参与形成源自于检测用热辐射计的信号的电路和组件。
特别地，图像形成用链指定参与形成原始信号的电路和组件。在以上与图1和2有关所描述的检测器的示例中，与热辐射计16相关联的信号形成用链由此包括图2的电路而不包括原始信号校正电路。
作为变形，如果期望校正信号的一致性是已知的，则信号形成用链指定参与形成该校正信号的电路和组件。在以上与图1和2有关所描述的检测器的示例中，与热辐射计16相关联的信号形成用链包括图2的电路，由此特别包括包含热辐射计16的像素14以及用于对源自于热辐射计16的原始信号Vout进行校正的电路。
在根据本发明的一致性诊断的上下文中，术语“刺激”应从广义上理解，并且术语“刺激”指定对源自于各热辐射计的信号的形成进行控制的所有参数。特别地，该术语指定应用于从热辐射计阵列的读取的传统电气偏置(例如，偏置电压或电流)，而且例如还指定诸如积分持续时间和帧频等的促成形成信号的其它参数。此外，针对检测用热辐射计和补偿用热辐射计这两者的偏置将被称为“链刺激”，并且针对与链“刺激”相对应的供测试的信号的形成被称为“从热辐射计阵列的读取”。
因而，通过改变链所传送的信号的形成条件以及通过分析利用多项式插值所引起的信号的变化，可以以低的错误率来诊断链的缺陷状态。特别地，根据本发明的方法使得能够诊断由于检测用热辐射计的电阻或与检测用热辐射计相关联的响应性的非共形偏离所引起的缺陷。此外，该方法使用通常配备在检测器中的内部可编程元件，由此不必修改现有技术的检测器通常所设置的电路和处理单元的硬件。特别地，可以仅设想所述电路和单元的软件修改。
根据本发明的实施例，根据帧频来针对热辐射计阵列逐行进行链刺激，以及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在应用的帧频方面不同。
帧频与每秒在检测器输出处所传送的图像的数量相对应。换句话说，帧频设置向着热辐射计的电流注入的重复率，由此使得能够利用焦耳(Joule)效应的自发热来改变电阻，而无需修改热辐射计的偏置电压或电流或者施加电压或电流的持续时间的特性。因而，例如通过设置可变的电压或电流源、或者通过调整积分器的容量的大小以考虑到偏置电压或电流或积分持续时间的可变性，不必修改图像形成用链。
根据本发明的实施例，链刺激包括向所述热辐射计应用偏置电压，以及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在应用到热辐射计的偏置电压方面不同。
根据本发明的实施例，链刺激包括向所述热辐射计应用偏置电流，以及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在应用的偏置电流方面不同。
根据本发明的实施例，链刺激包括在偏置持续时间内向所述热辐射计应用偏置电压和/或偏置电流，以及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在所应用的偏置持续时间方面不同。
根据本发明的实施例，多次执行步骤a)、b)、c)和d)，将被诊断为有缺陷的各所述信号形成用链列出在一组有缺陷链中，以及要诊断的链的邻域包括以下的链：
·热辐射计属于以所述要诊断的链的热辐射计为中心的热辐射计窗的链；以及
·不属于所述一组有缺陷链的链。
这样使得能够不包括如下缺陷像素，其中这些缺陷像素由于它们的信号在计算不同参数时的不一致性而能够使分析失真。
根据本发明的实施例，根据从要诊断的链所提取的多项式系数以及从所述要诊断的链的邻域的链所提取的多项式系数来计算所述平均值和所述标准偏差，以及在所述要诊断的链被诊断为有缺陷的情况下，通过进行以下操作来使所述诊断有效或无效：
·仅计算所述要诊断的链的邻域中的链的插值多项式系数的平均值和标准偏差；以及
·在所述要诊断的链的插值多项式的系数的值在根据仅基于所述邻域所计算出的平均值和标准偏差所定义的余量外的情况下，确认所述诊断，否则使所述诊断无效。
换句话说，通过将热辐射计的初始被视为有缺陷的参数从平均计算中去除来使诊断有效或无效，以使得能够提高诊断的鲁棒性。
本发明的另一目的是一种诊断热辐射检测器(10)的信号形成用链的缺陷状态的设备，所述热辐射检测器(10)包括悬挂在基板的上方的检测用热辐射计(16)的阵列(12)，其中各链包括所述阵列(12)的热辐射计(16)、所述链的电气刺激电路(18)和用于根据利用所述电气刺激电路(18)应用于所述链的刺激来形成信号的电路(22,28)，所述设备包括：
a.在所述热辐射计(16)的所述阵列(12)上形成大致均匀场景的图像(108)的装置；
b.向所述链应用不同的至少第一刺激和第二刺激(110)的装置；
c.读取由与所应用的刺激相对应的链所形成的信号(112)的装置；以及
d.对于要诊断的预定一组链中的各链进行以下操作的装置：
·定义由具有与该链的检测用热辐射计近邻的检测用热辐射计(16)的链形成的邻域(132)；
·根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激来计算对由该链形成的信号的值进行插值的多项式的系数(130)；
·针对该链的所述邻域的各链，根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激来计算对由所述邻域的链形成的信号的值进行插值的多项式的系数(130)；
·计算所计算出的所述邻域的链或者由该链和所述邻域的链形成的一组链的所述系数的平均值和标准偏差(132)；以及
·在所述系数的值在根据所计算出的平均值和标准偏差所定义的余量外的情况下，诊断为该链有缺陷(136)。
附图说明
通过与附图相关联地阅读以下仅作为示例所提供的说明，将更好地理解本发明，其中相同的附图标记指定相同或相似的元件，其中：
·图1是以上已经说明的现有技术的红外热辐射检测器的电气图；
·图2是示出利用补偿结构从图1的检测器的检测用热辐射计的读取的电气图；
·图3是根据本发明的红外热辐射检测器的电气图；
·图4是利用图3的检测器所实现的根据本发明的方法的时序图；以及
·图5是详述利用图3的方法所实现的缺陷检测算法的时序图。
具体实施方式
现在将与图3有关地说明实现原始信号形成用链的诊断的根据本发明的检测器50。检测器50包括诸如以上与图1和2相关联地说明过的像素阵列10、补偿结构22、积分器28、采样-保持装置36、多路复用器38和放大器40。
以下针对热辐射计阵列12中的检测用热辐射计16的位置来参考信号、信号形成用链和可操作性表。特别地，根据本发明的可操作性测试所使用的原始图像是尺寸等于热辐射计阵列12的尺寸的“CL”阵列，其中图像的坐标(i,j)的分量CL(i,j)是与热辐射计阵列12中的坐标(i,j)的检测用热辐射计相关联的信号。同样，可操作性表Top以尺寸等于阵列12的尺寸的形式出现，其中表Top的坐标(i,j)的分量Top(i,j)描述与热辐射计阵列12中的坐标(i,j)的检测用热辐射计相关联的形成链的共形或缺陷状态。同样，将信号形成用链称为C(i,j)。在图像形成用链各自的检测用热辐射计在阵列12中是近邻的情况下，将这些图像形成用链称为“相邻”链。
检测器50还包括数据控制和处理单元，例如与RAM、ROM和大容量存储器相关联的一个或多个微处理器，它们自身是已知的。特别地，单元52包括视频处理器54、控制处理器56、RAM58以及ROM和/或大容量存储器60。
如上所述，视频处理器54使用同步块62来控制检测器的不同开关和偏置电路，以例如逐行读取热辐射计阵列12。视频处理器54还使用校正块64来接收通过对阵列12进行读取所生成的信号、例如连接至输出放大器40的模数转换器66所生成的信号。块64根据在检测器通电时从存储器60载入RAM58的区域65中并且如自身已知那样定期更新的偏移和增益表来向所接收到的信号应用“1点”或“2点”型校正。如以下所述，如此所获得的校正图像经过考虑到特定链的缺陷状态的附加校正，然后被传送至视频输出68上。
控制处理器56包括：块70，用于实现检测器50的缺陷信号形成用链的检测或“可操作性测试”；以及块72，用于计算对源自于利用块70检测为有缺陷的链的信号进行替换所用的信号。
检测块70连接至形成如下电信号时所涉及的一个或多个元件和电路，其中将这些电信号应用于检测用热辐射计16和补偿用热辐射计24以根据多个预定刺激来生成输出电压Vout，其中各刺激是由在检测器通电的情况下从存储器60载入RAM的区域74的一组参数来定义的。特别地，检测块70连接至同步块62以将用于控制检测器10的开关和偏置电路的信号传送至该同步块62，从而控制利用CTIA 28的积分时间Tint和/或从阵列12读取时的帧频ftrame。
作为变形或者另外，块70连接至用于对检测用热辐射计16和补偿用热辐射计24的偏置电压进行控制的电路76，以将偏置电压设置点、特别是偏置晶体管18和26的电压设置点GAC和GCM传送至电路76。还可以在该检测器中设置可控电压源以生成可控电压VDET和VSK，其中该电压源由块70来驱动以改变检测用热辐射计16和补偿用热辐射计24两端的偏置电压。
块70还连接至模数转换器66的输出，因而接收到原始数字信号并将这些原始数字信号存储在RAM58的缓冲器区域78中。
最后，如以下将进一步详细描述的那样，块70实现用于根据针对可操作性测试所应用的不同的刺激来检测有缺陷的信号形成用链的算法。特别地，块70识别有缺陷的链并将这些链列出在RAM的区域80和存储器60内所存储的可操作性表Top中。
替换信号计算块72连接至RAM58以访问可操作性表Top80和块64，从而从这两者接收校正图像。对于块64传送的所计算出的各校正图像，块72使源自于表Top中的被记录为有缺陷的链C(i,j)的关联校正图像的分量被其它值、例如源自于相邻链的图像的校正分量的平均值来替换。
现在将与图4和5的流程图相关联地说明利用上述检测器所实现的有缺陷的图像形成用链的检测方法。
参考图4，该方法从100开始，其中在该100中，在工厂内执行第一次可操作性测试(例如，诸如在现有技术中所执行等的可操作性测试)，以确定列出有缺陷的图像形成用链的初始的可操作性表Top。然后将该初始可操作性表Top存储在检测器的存储器60中，并且使用该初始可操作性表Top来校正源自于所列出的被视为有缺陷的链的信号。然而步骤100是可选的，这是因为在检测器在使用中的情况下可以通过后面所述的步骤来首次建立可操作性表。
在步骤102中，将多个刺激存储在检测器的存储器60中。特别地，将彼此改变了单一参数的所定义的最小值的至少两个刺激的至少一组存储在存储器60中，例如，该刺激可指偏置电压、积分持续时间或从阵列12读取的帧频。如以下将进一步详细说明的，可以存储多个刺激组，其中各组以单一刺激参数的变化为特征，并且包括至少两个刺激(有利地为三个刺激)。
优选地，如以下将进一步详细说明的，选择同一刺激组的可变参数以使得针对各刺激充分不同，从而暗示产生了足以获得针对这些信号的变化的鲁棒分析的充分不同的信号。优选地，选择各刺激组的至少两个参数值以获得这些信号的大致规则的分布，其中最大偏移内接在电气输出动态范围内。例如，在特定组的刺激数量等于2的情况下，选择表现该组的特征的参数的两个值以获得由此得到的信号之间的最大距离，同时确保这些信号在所读取的动态范围内。在刺激组的刺激数量以及表现该组的特征的参数的不同值的数量等于3的情况下，选择这三个值以在由此得到的信号之间获得相同或大致相同的间隔并且在最小信号和最大信号之间获得最大间隔，同时确保这些信号在所读取的动态范围内。
特别地，对于图1和2的检测器，刺激参数包括以下内容：
·用于设置检测用热辐射计16和补偿用热辐射计24的一个端子处的电压的偏置晶体管18的控制电压GAC和偏置晶体管26的控制电压GCM的值；以及/或者
·用于设置检测用热辐射计16和补偿用热辐射计24的另一端子处的电压的电压VDET和VSK的值；
·利用积分器28对流入检测用热辐射计16的电流和流入补偿用热辐射计24的电流之间的差进行积分所用的时间Tint；以及/或者
·针对阵列12的行的读取频率、即帧频。
并行地，还将对于根据本发明实现可操作性测试有用的不同操作参数存储在存储器60中，特别是用于触发可操作性表的更新的测试所使用的参数、检测算法所使用的参数等。
一旦检测器已投入使用，则在104中，触发用于更新测试表Top的处理。更具体地，该处理包括测试106，其中该测试106用于在实现检测块70之前，判断是否满足用于更新所述表的条件。例如，定期(特别是每次检测器通电时、定期地或按用户的请求)实现更新。此外，如就其自身而言已知的，“1点”或“2点”校正通常还要求进行一个或多个偏移表的更新，其中这种更新包括获取均匀场景。更新可操作性表Top的方法也使用这种获取，并且如以下所述，有利地，与检测器所实现的“1点”或“2点”校正的表的更新一起来实现可操作性表Top的更新，以使得所获取到的均匀场景可以由这两个更新处理共用。
如果满足更新条件，则该方法进入108，其中在该108中，针对检测用热辐射计16的阵列12形成大致均匀的场景。例如，在检测器10配备有放置在光学系统与内部配置有阵列12的焦平面之间的机械快门的情况下，该快门由控制该快门的闭合的检测块70来驱动。均匀场景由此由与阵列12面对的快门面形成。作为变形，特别是在检测器不包括快门的情况下，可以使检测器的光学系统散焦，并且/或者用户将检测器放置在均匀场景(例如，热均匀的灰色背景、或者例如晴朗天空或相反的多云天空等的对比度非常低的自然场景)的前方。
一旦使热辐射计16的阵列12暴露于大致均匀场景，则该方法继续根据区域74中所存储的刺激参数来将刺激组应用于阵列12，并且针对所应用的各刺激至少获取该均匀场景的原始图像。特别地，在110中，选择一组刺激，并且从存储器74中选择该组中的利用所存储的一组参数所定义的刺激。此外，在110中，可以如以下所述修改所选择的一组参数，并且应用与可能已修改的一组参数相对应的刺激。在112中，对阵列12进行读取以针对所应用的刺激获取至少一个原始图像。然后在120中实现测试，以得知是否已应用了所有组件的所有组参数。如果没有，则该方法循环回至步骤108以选择新的一组参数，并且相应地向阵列12应用新的刺激。
应用于阵列12的不同刺激的数量依赖于针对由此产生的信号所实现的分析的类型。有利地，如以下将进一步详细说明的，对于各刺激组，将涉及同一刺激参数的变化的三个不同刺激应用于阵列12以随后实现二阶多项式插值。
特别地，在步骤110中，检测块70在114中通过应用所选择的一组参数来控制阵列12的刺激，并且获取均匀场景的至少一个相应原始图像并将其存储在存储器58的区域78中。
然后，检测块70在116中对所获取到的原始图像执行分析以得知形成这些图像的原始信号的统计饱和状态。如果针对阵列12的不足刺激不适用于均匀场景的前方的当前环境条件，则该刺激确实可能导致数量不可忽略的信号发生饱和，而该饱和并不归因于图像形成用链中的缺陷。例如，如果均匀场景的温度相对于热辐射计的温度过高，则所施加的偏置电压可能会使信号发生饱和。特别地，检测块70在116中测试刚刚获取到的原始图像中的饱和信号是否可归因于这些信号在阵列的自然统计中的定位而不是归因于缺陷链。有利地，进行原始值的直方图的分析以得知所获取到的图像是曝光不足还是过曝光，并由此得知已饱和的原始值的数量是否可主要归因于所应用的不能进行所得图像的适当曝光的刺激而不是归因于缺陷链。
如果116中的测试结果为否定，则这意味着所获取到的原始图像由于所应用的一组参数而不令人满意，然后块70在118中对所选择的一组参数执行修改以使得减少饱和信号的数量，并且该方法循环回至测试步骤114，以应用修改后的一组参数并得知该修改后的组是否有效地实现了该目的。
有利地，块70修改初始刺激、即表现测试中的所选择组的特征的参数的初始值，以获得输出信号的平均值在电气输出动态范围内的中心。例如，块70调整所述参数，以使得包括在区间[M–s.SD,M+s.SD]内的各输出信号CL(i,j)与高饱和极限CLmax和低饱和极限CLmin相距了例如0.2V的预定余量。在该关系中，M和SD分别是输出信号的平均值和标准偏差，并且s是正实数(例如，等于3)。例如，可以对偏置电压和/或积分时间进行调整，以使这些信号远离动态范围的上限和下限。
特别地，针对各刺激参数P，与该参数相对应的输出信号的单调性是已知的。因而，根据与是否属于区间[M–s.SD,M+s.SD]有关的测试来检测给定参数值的饱和使得能够修改该最后一个值以求出在期望含义上起作用的静止点。这种修改可以利用已知方法来实现。例如，可以利用值P+/-p来替换该测试所使用的参数P，其中符号依赖于与该参数和所观察的饱和类型(高或低)相对应的信号的单调性，并且p是预定模拟增量或“间距”。然后应用新的参数并分析由此得到的信号。如果由此得到的全域CL(i,j)仍不可接受，则再继续该递增，直到找到可接受的工作点为止。还可应用对数递增或递减处理以对收敛时间进行限制。
如果测试116的结果为肯定、即如果可能修改后的所应用的参数的值被视为在信号的统计饱和方面令人满意，则该方法继续在112中存储相应的原始图像。
一旦在120中认为应用了实现诊断所需的所有刺激并且存储了相应的原始图像，则该方法继续进行122，其中在该122中，正常重新开始检测，使快门(在存在的情况下)打开，并且循环回至测试步骤106以判断是否再次满足用于更新可操作性表Top80的条件。
并行地或连续地，该方法继续在124中利用块78执行用于根据针对可操作性测试所应用的刺激和相应的所存储图像来检测有缺陷的图像形成用链的算法，并且在126中更新可操作性表Top80。
参考图5的流程图，针对所应用的各刺激，步骤124包括第一步骤128，其中该第一步骤128用于形成与该刺激相对应的所存储图像的平均值。步骤128是可选的，并且在针对各刺激获取到多个图像的情况下执行该步骤128。获取多个图像并且形成这些图像的平均值使得能够去除由于不同的链固有的噪声所引起的信号波动，并由此针对各链改进所提取的多项式的系数的值。
在步骤130中，针对各组刺激并且针对各链C(i,j)(有利地，仅针对可操作性表Top中没有被记录为有缺陷的各链)，执行多项式插值。更特别地，针对一组刺激并且针对链C(i,j)，块70计算阶次小于或等于N-1、并且优选等于N的多项式的系数并将这些系数存储在缓冲器区域58中，其中N是针对可操作性测试所应用的组中的刺激的数量，并且根据该组的可变参数的值来对与链C(i,j)相关联且存储在相应的所获取图像中的信号CL(i,j)的值进行插值(即，实现以下关系的表达式)。
其中，在该表达式中，
·CL(i,j)(k),k∈[1,N]是与所应用的第k个刺激相关联并且存储在相应的原始图像CL(k)中的原始信号CL(i,j)；
·p(k),k∈[1,N]是所应用的第k个刺激的可变参数的值；以及
·αm(i,j),m∈[0,N-1]是针对信号形成用链C(i,j)所计算出的m阶插值多项式的系数。
有利地，多项式阶次小于或等于N-1＝2，因而本发明实际观察到该低阶多项式足以获得以通常低于0.5％的误差来识别有缺陷的信号形成用链的高度可靠的可操作性测试。
根据该有利变形，例如针对各组应用三个刺激以获得阶次为2的插值，然后关系式1归结为以下关系式。
CL(i,j)(1)＝α0(i,j)+α1(i,j)×p(1)+α2(i,j)×p(1)2
CL(i,j)(2)＝α0(i,j)+α1(i,j)×p(2)+α2(i,j)×p(2)2 (2)
CL(i,j)(3)＝α0(i,j)+α1(i,j)×p(3)+α2(i,j)×p(3)2
在阶次为1的插值的情况下，应用两个刺激，从而将关系式(2)归结为仅涉及系数α0(i,j)和α1(i,j)的两个等式。
以就本身而言已知的方式计算多项式的系数。
在下一步骤132中，块70执行针对各链C(i,j)并且针对各组刺激所计算出的系数的空间分析，以突出生成相对于相邻链所生成的信号发生偏离的信号的信号形成用链。更特别地，对于链C(i,j)的各检测用热辐射计(i,j)，块70首先定义阵列12中的包括热辐射计(i,j)和不属于操作表Top中列出为有缺陷的相邻的检测用热辐射计的区域V(i,j)、例如包括坐标为(u,v)∈[i-u1,i+u2]×[j-v1,j+v2]的无缺陷链的热辐射计的矩形窗口，其中u1、u2、v1、v2是正整数，例如u1＝u2＝4并且v1＝v2＝3。
因而，块70根据以下关系式来计算邻域V(i,j)上的链C(i,j)的系数αm(i,j)的平均值Moy(i,j)和标准偏差Sig(i,j)。
其中，Card(V(i,j))是区域V(i,j)中的热辐射计的数量。例如，在窗口[i-u1,i+u2]×[j-v1,j+v2]的检测用热辐射计不属于可操作性表Top中列出为有缺陷的信号形成用链的情况下，Card(V(i,j))＝(u1+u2)×(v1+v2)。
在下一步骤134中，块70针对可操作性表Top中没有列出为有缺陷的各链C(i,j)并且针对各刺激组，根据以下关系式来计算上一致性余量MCsup(i,j)和下一致性余量MCinf(i,j)。
其中，S是预定正数。
然后，块70在136中针对可操作性表Top中没有列出为有缺陷的各链C(i,j)并且针对偏置参数的组的各集合，测试链C(i,j)的插值多项式的系数是否在一致性余量MCsup(i,j)和MCinf(i,j)内、即是否验证了以下关系式。
如果对于至少一个刺激组不是这种情况，则在可操作性表Top中将链C(i,j)标注为有缺陷，因此在步骤126中更新该链C(i,j)。
在可操作性测试期间所观察到的场景均匀的情况下，可以观察到以下：阶次系数α0(i,j)与链C(i,j)所生成的信号CL(i,j)的偏移相对应，并且阶次m的系数αm(i,j)分别与相对于信号CL(i,j)的刺激参数的偏移的m阶偏导数和局部导数相对应。因而，这些系数表示对链相对于其近邻的异常进行测量的不同灵敏度水平。特别地，本发明人已观察到在检测器的工作条件根据这些系数的空间变化而改变的情况下出现在校正图像上的对比度。因而，后者相关地预示了信号形成用链的共形或有缺陷状态。
有利地，步骤136循环回至步骤132，以执行新的关于一致性余量计算的空间分析和针对所述余量的关于链的一致性分析。特别是通过在计算标准偏差Sig(i,j)的值时考虑到有缺陷链而过高评价了该值，被视为有缺陷的链确实可能使检测算法无效。例如，在连续执行两次步骤132～136之后或者在没有将更多链检测为有缺陷的情况下，该检测算法停止。
作为变形，在无需考虑链C(i,j)的多项式系数的情况下，对区域V(i,j)进行平均值Moy(i,j)和标准偏差Sig(i,j)的计算。
已经说明了对刺激进行调整以使饱和信号的数量和/或信号总体的分散最小化的实施例。作为变形，不对刺激进行调整，而是无修改地直接应用这些刺激。
已经说明了应用几个刺激组、从而使得能够提高针对有缺陷链的检测或诊断的鲁棒性的实施例。作为变形，使用一个刺激组。可以观察到该检测仍具有鲁棒性，同时使可操作性测试所用的图像获取加速，并由此使检测器停用时间最短。
已经说明了针对所应用的各刺激获取多个图像、从而提供基本无噪声的平均图像的实施例。作为变形，通过计算图像的各信号CL(i,j)相对于其平均值的标准偏差来估计时间噪声，从而使得能够在信号CL(i,j)相对于其平均值偏离了与该标准偏差相对应的所确定余量以上的情况下，确定噪声方面的缺陷行为。
作为变形，或者另外，针对各刺激获取单一图像，并且执行多次可操作性测试以确定插值多项式的系数的多个值。因而，在多次获得了这些系数的不同值的情况下，可以判断这些值是否含噪声并且判断为图像形成用链在噪声方面有缺陷。
已经说明了对原始信号形成用链进行诊断的实施例。作为变形，如果期望对校正后的图像形成用链进行测试，则将块70连接至信号64的校正块以接收校正信号并将这些校正信号存储在区域78中，其中这些方法步骤也与上述的方法步骤相同。
Claims (8)
1.一种诊断热辐射检测器(10)的信号形成用链的缺陷状态的方法，所述热辐射检测器(10)包括悬挂在基板的上方的检测用热辐射计(16)的阵列(12)，其中各链包括所述阵列(12)的热辐射计(16)、所述链的电气刺激电路(18)和用于根据利用所述电气刺激电路(18)应用于所述链的刺激来形成信号的电路(22,28)，所述方法包括以下步骤：
a.在所述热辐射计(16)的所述阵列(12)上形成大致均匀场景的图像(108)；
b.向所述链应用不同的至少第一刺激和第二刺激(110)；
c.读取由与所应用的刺激相对应的链所形成的信号(112)；以及
d.对于要诊断的预定一组链中的各链，进行以下操作：
■定义由具有与该链的检测用热辐射计近邻的检测用热辐射计(16)的链形成的邻域(132)；
■根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激来计算对由该链形成的信号的值进行插值的多项式的系数(130)；
■针对该链的所述邻域的各链，根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激来计算对由所述邻域的链形成的信号的值进行插值的多项式的系数(130)；
■计算所计算出的所述邻域的链或者由该链和所述邻域的链形成的一组链的所述系数的平均值和标准偏差(132)；以及
■在所述系数的值在根据所计算出的平均值和标准偏差所定义的余量外的情况下，诊断为该链有缺陷(136)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据帧频来针对热辐射计阵列逐行进行链刺激，以及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在应用的帧频方面不同。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，链刺激包括向所述热辐射计应用偏置电压，以及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在应用的偏置电压方面不同。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，链刺激包括向所述热辐射计应用偏置电流，以及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在应用的偏置电流方面不同。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，链刺激包括在偏置持续时间内向所述热辐射计应用偏置电压和/或偏置电流，以及至少一个所述第一刺激和所述第二刺激仅在应用的偏置持续时间方面不同。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，多次执行步骤a、b、c和d，将被诊断为有缺陷的各所述信号形成用链列出在一组有缺陷链中，以及要诊断的链的邻域包括以下的链：
■热辐射计属于以所述要诊断的链的热辐射计为中心的热辐射计窗的链；以及
■不属于所述一组有缺陷链的链。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据从要诊断的链所提取的多项式系数以及从所述要诊断的链的邻域的链所提取的多项式系数来计算所述平均值和所述标准偏差，以及在所述要诊断的链被诊断为有缺陷的情况下，通过进行以下操作来使所述诊断有效或无效：
■仅计算所述要诊断的链的邻域中的链的插值多项式系数的平均值和标准偏差；以及
■在所述要诊断的链的插值多项式的系数的值在根据仅基于所述邻域所计算出的平均值和标准偏差所定义的余量外的情况下，确认所述诊断，否则使所述诊断无效。
8.一种诊断热辐射检测器(10)的信号形成用链的缺陷状态的设备，所述热辐射检测器(10)包括悬挂在基板的上方的检测用热辐射计(16)的阵列(12)，其中各链包括所述阵列(12)的热辐射计(16)、所述链的电气刺激电路(18)和用于根据利用所述电气刺激电路(18)应用于所述链的刺激来形成信号的电路(22,28)，所述设备包括：
a.在所述热辐射计(16)的所述阵列(12)上形成大致均匀场景的图像(108)的装置；
b.向所述链应用不同的至少第一刺激和第二刺激(110)的装置；
c.读取由与所应用的刺激相对应的链所形成的信号(112)的装置；以及
d.对于要诊断的预定一组链中的各链进行以下操作的装置：
■定义由具有与该链的检测用热辐射计近邻的检测用热辐射计(16)的链形成的邻域(132)；
■根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激来计算对由该链形成的信号的值进行插值的多项式的系数(130)；
■针对该链的所述邻域的各链，根据所应用的至少一个所述第一刺激和所述第二刺激来计算对由所述邻域的链形成的信号的值进行插值的多项式的系数(130)；
■计算所计算出的所述邻域的链或者由该链和所述邻域的链形成的一组链的所述系数的平均值和标准偏差(132)；以及
■在所述系数的值在根据所计算出的平均值和标准偏差所定义的余量外的情况下，诊断为该链有缺陷(136)。
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