CN106908151B - 多基准相关的双采样检测方法及使用该方法的微测辐射热计 - Google Patents
多基准相关的双采样检测方法及使用该方法的微测辐射热计 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106908151B CN106908151B CN201610847293.6A CN201610847293A CN106908151B CN 106908151 B CN106908151 B CN 106908151B CN 201610847293 A CN201610847293 A CN 201610847293A CN 106908151 B CN106908151 B CN 106908151B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- unit
- signal
- activation
- value
- micro
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 34
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims abstract description 87
- 238000012937 correction Methods 0.000 abstract description 23
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 20
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000004925 denaturation Methods 0.000 description 2
- 230000036425 denaturation Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000006690 co-activation Effects 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000010076 replication Effects 0.000 description 1
- 230000003362 replicative effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000005619 thermoelectricity Effects 0.000 description 1
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
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
-
- 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
- G01J5/34—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors
-
- 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
-
- 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
- G01J5/02—Constructional details
- G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
- G01J5/061—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by controlling the temperature of the apparatus or parts thereof, e.g. using cooling means or thermostats
-
- 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
- G01J2005/106—Arrays
-
- 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
- G01J5/80—Calibration
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
本发明公开了一种多基准相关的双采样检测方法，其包括：由多个单位基准单元产生基准信号；由已吸收红外信号的多个单位激活单元接收感测信号；以及在使用所述基准信号处理的所述感测信号和激活单元值的基础上检测纯红外信号，其中所述单位基准单元对红外信号不反应并且配置成具有与所述单位激活单元相同的电特性和热特性的盲单元。因此，可以精确地抵消激活单元的自加热效应，所述方法对于诸如电源噪声等常见噪声是具有鲁棒性的，且可以去除在感测电路中发生并且包括撇取单元之间的非相干性的固定模式噪声。此外，所述方法可以提高效率并大大降低模拟校正和数字校正的复杂性，并可去除热电冷却器和快门。
Description
相关申请的交叉引用
本申请依据35 U.S.C.§119请求2015年9月24日递交的申请号为10-2015-0135675的韩国专利申请的优先权以及由此产生的所有权益，该申请的内容通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明涉及使用微测辐射热计阵列的检测电路中的多基准相关的双采样检测方法以及使用该方法的微测辐射热计，并且尤其涉及一种多基准相关的双采样检测方法以及使用该方法的微测辐射热计，其能够降低各种固定模式噪声且容易去除热电冷却器和快门。
背景技术
红外线检测器被分类为基于光的检测器和基于热的检测器。基于热的检测器通过使用热传感器阵列产生目标物体的温度图像。以这种方式，用于通过收集从对象辐射的块体辐射能量来获得温度图像的装置被称为远红外热成像系统。
基于热的检测器包括辐射热测量计、微测辐射热计、热电和热电堆。当从物体黑体辐射的规定频带中的远红外线被透镜收集在微测辐射热计上时，微测辐射热计的温度上升或下降以改变微测辐射热计的电阻。通过利用这一点，能够通过测量多个微测辐射热计(也就是微测辐射热计阵列)中设置的激活单元的电阻值将对象的温度分布远程成像。
由于由数千乃至几十万的真空封装像素阵列制造而成，使用微测辐射热计的热图像传感器具有非常高的固定模式噪声(FPN)以及低的制造产量的限制。
微测辐射热计的最小信号电平用噪声等效温差(NETD)表示，并且由于这比FPN小很多(大约为1/10,000的幅度)，因此很难同时满足高反应性和宽的动态范围。为了解决这些限制，因为非常复杂的测试和校正处理是必要的，并且诸如硬件/软件元件、热电冷却器和快门的附加的设施也是必要的，因此在成本以及尺寸和功耗方面产生负担。
主要的FPN的来源大致为以下几点。
-根据激活单元和撇取单元中热敏电阻器电阻、热容量、热电阻或红外线吸收率的工艺变化，各个激活单元之间、各个撇取单元之间以及激活单元与撇取单元之间的非均匀性或非相干性；
-由于运算放大器的电源和偏置、晶体管的阈值电压、或输入偏移电压和电流、电流信号积分时间或开关噪声等引起的电压/电流变化噪声；
-根据由于衬底、透镜、外壳或检测电路等产生的热量等引起的温度变化的热敏电阻器电阻变化；
-检测电路的自加热(这是用根据温度变化测量电阻值的变化的原理工作的所有热敏电阻温度计共有的限制)
-1/f噪声(具有FPN和随机噪声的两种特性)
当发生这种FPN时，红外信号被埋没在噪声中，并且用于去除此噪声的精细的模拟校正或数字校正等是不可避免的。
使用具有恒温作为基准信号源的基准块体执行用于去除FPN的校正。用于由每个激活单元检测的远程辐射温度的校正代表性地通过测量两个基准黑体的温度、将所测量的温度近似为具有两个常数的一阶函数并且将测量值插值或外推到实际的温度来执行。这种校正被称为双点校正，并且在此点获得的两个常数分别称为增益和偏移。
然而，因为由于衬底温度变化或外壳温度变化，实际使用中的环境与提取校正常数时的非常不同，所以难以在现场使用中执行准确的校正。为了解决该限制，使用热电冷却器和快门。
然而，因为使用热电冷却器和快门成为红外摄像机的重量、尺寸、功耗以及价格等增加的主要原因，有必要为大量分布的红外摄像机，特别是大量分布的民用需求的红外摄像机去除热电冷却器和快门。
发明内容
本发明提供一种多基准相关的双采样检测方法和使用该方法的微测辐射热计，其能够在单个行程中去除激活单元与撇取单元之间以及各个撇取单元之间的非均匀性或非相干性的所有固定模式噪声、由于电源和偏置、晶体管的阈值电压或输入偏移电压和电流、电流信号积分时间引起的电压/电流变化噪声、或运算放大器的切换噪声以及激活单元与撇取单元之间的自加热差异，在来自固定模式噪声源当中，这些噪声是由于使用激活单元与撇取单元之间的不同信号的信号检测产生的，在信号检测中仅使用典型的激活单元。
本发明还提供了一种能够容易地去除快门和热电冷却器的多基准相关的双采样检测方法和使用该方法的微测辐射热计。
根据本发明的示例性实施例，一种多基准相关的双采样检测方法包括：由多个单位基准单元产生基准信号；由已吸收红外信号的多个单位激活单元接收感测信号；以及在使用所述基准信号处理的所述感测信号和激活单元值的基础上检测纯红外信号，其中所述单位基准单元对红外信号不反应并且配置成具有与所述单位激活单元相同的电特性和热特性的盲单元。
所述多个单位基准单元可以配置成n×m阵列，其中n和m是自然数。
所述激活单元值可以是通过计算从每列中存在的n个单位基准单元输出的基准输出信号的平均值并且从单位激活单元分别地输出的感测信号中减去所述平均值获得的值。
检测纯红外信号可以是通过使用带有红外信号的单位激活单元与无红外信号的平均基准单元值之间的差产生的激活单元值来无快门地检测红外信号。
所述多基准相关的双采样检测方法还可以包括：使用从每列中存在的n个单位基准单元输出的基准信号的平均值作为用于产生激活单元和撇取单元的偏置控制信号的基准信号，用于去除热电冷却器。
所述多基准相关的双采样检测方法还可以包括：调节所述激活单元和撇取单元的所述偏置控制信号，使得从每列中存在的n个单位基准单元输出的基准信号的平均值具有电源电压的中间值。
根据本发明的另一示例性实施例，一种微测辐射热计检测远程红外信号，其包括：多个单位激活单元，配置为吸收红外信号以接收感测信号；多个单位基准单元，配置为对红外信号不反应，并且具有与所述激活单元相同的电特性和热特性并且输出基准信号；以及撇取单元，配置为共同地去除所述感测信号和所述基准信号的直流分量；其中在所述感测信号和所述基准信号的基础上产生用于感测远程红外信号的激活单元值。
所述多个单位基准单元可以配置成n×m阵列，其中n和m是自然数。
所述激活单元值可以是通过计算从每列中存在的n个单位基准单元输出的基准信号的平均值并且从单位激活单元分别地输出的感测信号中减去所述平均值获得的值。
冷单元或温单元可以用作所述撇取单元。
所述单位基准单元可以是具有与所述单位激活单元相同的热特性和电特性的盲单元。
通过使用带有红外信号的从所述单位激活单元输出的基准输出信号的平均值与无红外信号的从每列中存在的n个基准单元输出的基准输出信号的平均值之间的差所检测的激活单元值可以无快门地检测红外信号。
从每列中存在的n个基准单元输出的基准信号的平均值可以用作用于产生激活单元和撇取单元的偏置控制信号的基准信号，用于去除热电冷却器。
可以调节所述激活单元和撇取单元的所述偏置控制信号，使得从每列中存在的n个单位基准单元输出的基准信号的平均值具有电源电压的中间值。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述可以更详细地理解示例性实施例，附图中：
图1示出典型的微测辐射热计中使用的感测电路和撇取电路；
图2是示出感测时间过程中电荷转移阻抗放大器(CTIA)的输出电压信号的变化的曲线图；
图3(a)至图3(d)是用于说明模拟校正和数字校正以去除固定模式噪声的视图；
图4(a)至图4(d)示出在具体衬底温度Tsub＝Tsub2处，当Vo,ref是多个单位基准单元检测值的平均值时，相对于图3(a)至图3(d)所示曲线图的各种激活单元和基准单元检测值的频率分布和校正方法；以及
图5是根据本发明的微测辐射热计的电路图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的详细描述，附图示出了本发明的具体实施例。参考附图中所示的具体实施例，将给出详细描述使得本发明所属技术领域的普通技术人员可以很容易地实施本发明。除了具体实施例以外的其它实施例彼此不同，但不一定是相互排斥的。此外，应该理解的是，下面的详细描述在适当解释的情况下并非是试图具有限制意义的描述。
附图中示出的关于具体实施例的详细描述应被解读为与附图相关联，附图被认为是整个说明书的一部分。参考方向或指向性仅是为了描述方便的目的，并非意在限制本发明的范围。
具体而言，方向性术语，诸如“顶部、底部、水平、垂直、上部、下部、向上或向下”，或它们的派生词(例如，“水平地、向下地、向上地等)应参照所有附图和相关的描述理解。特别是，这种相对术语仅仅是为描述方便的目的，并且因此，本发明的装置不要求在特定方向上配置或进行操作。
此外，除非另有说明，表示相互联接关系的术语，诸如“安装、附接、连接或相互连接”，可以指单个配置直接或间接地附接、连接或固定的状态。因此，术语应当被理解为包括不可移动的状态以及可移动地附接、连接或固定的状态。
图1示出在典型的微测辐射热计中使用的撇取电路。根据本发明的实施例的微测辐射热计使用撇取电路用于去除不必要的DC信号，以便满足高灵敏度和宽动态范围。如图1所示，撇取电路通过使用电荷转移阻抗放大器(CTIA)30对流经激活单元100所配置的感测电路10的电流与流经撇取单元21所配置的撇取电路20的电流之间的差进行积分，然后获得输出电压信号Vout。
在图1中，根据远程红外信号变化的感测电路10的电流Ia与流经撇取电路20的撇取电流Ir之间的差Ir-Ia被传送到CTIA 30。在这一点上，流经撇取电路20的撇取电流Ir与远程红外信号不相关并且由连接到相同列的所有激活单元100共享。
当执行红外线检测时，在感测时间Tsense过程中，从图1中的CTIA 30输出的输出电压信号Vout逐渐从初始电压上升，在积分完成时成为最大值，然后被释放到初始电压。这里，输出电压信号Vout可以用下面的等式(1)进行计算。
其中，VBUS表示输入到CTIA 30中设置的运算放大器的正端的电压值，CINT表示设置于CTIA 30的电容器的电容，Tsense表示感测时间，Ia表示与红外信号反应的流经感测电路10的电流，并且Ir表示不与红外信号反应并具有用于调节Vout的DC分量(即偏移)的功能的撇取电路20的电流。因此，感测电路10的增益被调节到VFID并且Vout的DC分量(即偏移)被调节到GSK-VSKIM。不具有自加热效应的冷单元或能够消除自身发热的热单元作为撇取单元21可被代表性地使用。
冷单元是几乎没有自加热并且与激活单元具有热非相干性的基准单元。当使用温单元时，可以解决这样的限制。温单元通过与激活单元相同的工艺制造并具有与激活单元相同的本体部分和相同的电流动和热流动。温单元是一种撇取单元，其制作为使得通过设置至腿部的额外的传热路径可任意调节热导率。当使用温单元时，自加热激活单元在感测时间过程中的平均温度上升可以被正常状态下的温单元的温度上升抵消。可消除自身发热的这样的温单元具有以下特点。
(1)在电阻值和电流动方面与激活单元100的电一致性良好。
(2)在本体部分内侧的热流动方面与激活单元100的热一致性良好。
(3)1/f噪声小，并且对于红外光反应性低。
(4)可通过在预定范围内调节导热系数以任意地调节自发热量而消除激活单元100的自加热效应。
图3(a)示出图1中所示的感测电路10的输出特性，并且图3(b)示出用于通过调节VFID以减少增益来防止模拟饱和的方法。
此外，图3(c)和图3(d)是用于说明在衬底温度高于Tsub1时，通过改变GSK偏置电压拉低输出DC，以便解决图3(b)中发生的反应性降低的情况的视图。下面将详细描述每个曲线图。
首先，图3(a)示出图1中所示的感测电路10的典型的输出特性。BBH和BBL分别表示用于提取校正参数的两个黑体基准温度，并且S表示的点代表具体的激活单元的输出值，其是在图像检测中获得的。这里，通过内插或外推BBH和BBL曲线每个激活单元的偏移和增益值对衬底温度的因变性可以是近似的。
在获得温度信号时的校正过程如下所示。在图3(a)中，当在Tsub2的具体衬底温度下测量到以S点表示的检测值时，可以通过从检测值中减去对应于BBL的偏移值，并且将减后的值线性插值在BBL和BBH之间来反向计算温度。这在图3(a)至图3(c)和图4(a)至图4(c)中用箭头表示。
如图3(a)的输出特性所示，当没有红外信号并且Ir＝Ia时，可以在Vout＝VBUS＝VSKIM/2处实现最大的动态范围。然而，在现实中，由于上述工艺变化等造成的各种FPN，每个激活单元的Vout值具有广泛分散性，并且因此，很难同时获得宽的动态范围和高的反应性。
在这一点上，虽然在感测时间Tsense过程中激活单元100由于所谓的自加热发生温度上升，其中温度通过焦耳加热上升，所述焦耳加热是由于将用以读取热敏电阻器电阻值所施加的电压与此点处通过的电流相乘所给出的功率而导致的，用作撇取单元的冷单元不具有自加热，从而引起两个单元之间的热非相干性并且随后引起电非相干性。换句话说，在感测时间过程中，由于两个单元之间的自加热的差别以及由此引起的FPN，激活单元100的平均温度变得不同于用作撇取单元21的冷单元的平均温度，引起非相干性。
这样的FPN导致以下限制。
1.如图3(a)所示，当FPN过大时，由于感测10的输出Vout饱和至最大或最小输出电平，所以通过撇取电路不能充分去除DC分量并且不能获得有意义的信号。这称为模拟饱和现象，并且对应于图3(a)中圆圈(虚线)表示的Z区域。这是FPN的最严重的芯片级限制，并且为了解决此限制，有必要调节共同施加到整个像素的模拟偏置(图1的VFID和/或GSK)或借助于热电冷却器等保持恒定的衬底温度，这被称为模拟校正并且其目的是控制动态范围和反应性，同时不允许检测电路10饱和。图3(b)示出用于通过使用VFID降低增益以允许感测电路10不饱和的方法。然而，该方法具有在低衬底温度区域中对红外信号的反应变低的限制，低衬底温度区域对应于Y部分的圆圈(虚线)表示的区域。
2.图3(c)示出一种用于通过撇取来仅降低输出电压的DC分量的方法，以使得输出分布在CTIA的动态范围内，同时反应性如图3(a)所示。通过用GSK电压调节撇取量来执行该方法。在这一点上，VFID不改变，使得反应性没有变化，并且通过GSK仅调节偏移是可独立调节的。然而，这种方法具有以下限制。首先，当在图3(c)中的Tsub1(用A线表示)的基础上用于偏移的内插值或外推值在下侧和上侧不同时，可能会发生红外信号和温度信号的非常大的不连续性。其次，虽然温度补偿是对衬底温度非常敏感的函数，但是温度感测传感器的准确性非常低，使得其难以在其上应用精确的控制算法。
3.虽然不饱和，但是在任意的列或行上产生一定灰度级的直条纹。这是特定行或列的共同的FPN，并且主要用数字校正来解决。此外，每个激活单元的FPN也用数字校正来校正。这称为非均匀性校正(NUC)并且用于去除各种类型的FPN和恢复准确的像素信号。代表性地，使用基准热图像来执行这样的校正，基准热图像是通过在几个基准衬底温度下使用几个黑体获得的，但由于感测电路输出Vout变成目标红外信号图像、衬底温度、与从透镜外壳辐射出的红外信号无关的热、以及非均匀性和每个像素的自加热等的非常复杂的函数而使得校正并不容易。这种每个激活单元的多维和数字NUC需要很长时间来提取参数，并且需要大量的图像校正存储和工作硬件/软件，这会导致成本增加。
为了解决这样的限制，通常使用热电冷却器和快门。热电冷却器具有以下优势：通过保持衬底温度恒定以去除偏移和增益对衬底温度的因变性，从而大大降低校正复杂性。然而，由于使用热电冷却器是尺寸、重量、功耗和生产成本增加的主要原因，最好还是去除热电冷却器。
另外，当使用快门时，可以通过从快门打开状态中获得的激活单元的检测值中减去快门关闭状态中的无红外信号的激活单元的检测值来仅检测纯的红外信号。因此，在这种情况下，由于仅需要增益校正而不需要偏移校正，所以可大大降低校正的复杂性。然而，与热电冷却器类似，使用快门增加了摄像机的重量、体积、功耗和生产成本，并会导致在快门操作的时间上视频冻结的严重限制。
本发明提供了结构与通常不同的微测辐射热计阵列以及一种多基准相关的双采样检测方法。
图5示出根据本发明的微测辐射热计的配置。基本配置与图1相同，但在布置多个单位激活单元100-1、100-2、…、和100-N的每列设置多个基准单元200-1、200-2、...、和200-n。
激活单元100-1、100-2、…、和100-N是红外线感测装置并且具有非常大的热阻值以便吸收大量红外光并增加灵敏度，由此产生许多自加热。相反，由于用作撇取单元300的冷单元反射红外线并具有非常低的热阻值，它几乎没有自加热效应。因此，在其间出现电非相干性，并且在Vout中显著地引起与红外信号不相关的DC偏移。
多基准相关的双采样检测方法和使用该方法的微测辐射热计使用作为单位基准单元200-1、200-2、...、和200-n的盲单元，这些盲单元除了反射红外光以外具有与单位激活单元相同的特性和/或结构。盲单元除了反射红外光以外具有与激活单元100-1、100-2、…、和100-N相同的热特性和电特性。换句话说，流经相应的单元的电和热的流动和幅值可以相同。
存在惠斯通桥结构的微测辐射热计，其中施加到一个基准单元的基准电压信号由使用所述唯一一个基准单元的各种激活单元共享，但是这种微测辐射热计具有根据各类电阻器和各个电压放大器之间的非相干性而增加FPN和随机噪声的限制。
存在另一种微测辐射热计，其中使用一个盲单元作为基准单元产生基准信号并且在电路形式中复制基准信号以被连接到相同列的激活单元共享，这是不实际的，因为会在电流复制过程中产生额外的噪声和非相干性。
如图5所示，根据本发明的微测辐射热计，每列设置有多个单位基准单元200-1、200-2、...、和200-n。这里，作为共同连接到激活单元或基准单元并且调节输出DC电平的虚设单元的撇取单元300，由连接到相同列的所有的基准单元和激活单元100-1、100-2、…、和100-N共享。
首先，第一列中设置的激活单元100和基准单元200的读取输出信号的顺序如下。
首先，读取第一行中的单位基准单元200-1的输出信号，然后读取第二行中的单位基准单元200-2的输出信号。以这种方式，对第n行中的单位基准单元200-n的输出信号执行顺序读取。
然后，读取第一行中的激活单元100-1的感测电流信号，然后读取第二行中的激活单元100-2的感测电流信号。以这种方式，对第N行中的单位基准单元100-N的感测电流信号执行顺序读取。
在这一点上，计算从n个单位基准单元200-1、200-2、...、和200-n读取的输出信号的平均值作为基准单元值，从N个激活单元100-1、100-2、…、和100-N读取的信号中减去基准单元值，然后将减后的值作为用于检测远程红外光的相应的激活单元值。这里，n和N是1或大于1的自然数。
激活单元100-1、100-2、…、和100-N的上述输出值确定过程也同样应用于第二列至第M列，其中M是1或大于1的自然数。
以这种方式，通过激活单元与各种基准单元之间的平均检测值差来检测红外信号被称为多基准相关的双采样检测方法，并提供各种优势。
首先，可以去除各种类型的FPN。换句话说，具有能够去除在用于每列的各个撇取单元之间发生的非相干性或诸如CTIA的各个感测电路之间的非相干性的效果。此外，可以去除在基准单元与激活单元的检测之间没有大的变化的非常缓慢变化的功率噪声，并且，特别地，由于用作单位基准单元200-1、200-2、...、和200-n的盲单元和激活单元经历相同的加热和冷却过程，所有可以消除热加热效应。
接着，可以去除快门。如上所述，在如图3(c)所示的通常的无快门方法中，在提取校正参数时，需要用非常精细的衬底温度Tsub的函数来测量表示为BBL的偏移电压值，并且为此目的，校正时的温度Tsub也需要非常精确的测量。然而，在现实中，很难精确地测量Tsub的温度，并且当VSK的值在具体温度下变化时，为了调节动态范围，由于偏移值的不连续性而使得精细的校正变得非常困难。与此相反，如图3(d)和图4(d)所示，根据本发明，由于带有红外信号的激活单元的输出值(表示为S的点)与无红外信号的基准单元的输出值(用Vo,ref表示)之间的差用作检测值，所以无需测量、存储和内插在提取校正参数时获得的表示为BBL的偏移曲线。在这个方面，本发明具有与使用快门几乎相同的效果。
这里，多基准相关的双采样技术不使用一个基准单元值，而是使用各种相同单位基准单元200-1、200-2、...、和200-n的平均测量值作为一个基准单元值，可以将随机噪声(诸如热噪声和1/f噪声)的幅度以及FPN的幅度降低到1/sqrt(n)。例如，当使用16个基准单元时，FPN和随机噪声分别被减少到1/4并且NETD得到同样程度的提高。当使用通常的快门检测红外光时，为每个激活单元打开快门，检测红外光，然后从红外光的检测信号中减去在关闭快门的状态中检测的相同激活单元的检测信号，在此过程中，FPN被消除，但没有去除诸如热噪声的随机噪声。根据本发明，可以获得最大大于快门情况的sqrt(2)＝1.4倍的NETD改善效果。
换句话说，从每个芯片中存在的n×m个单位基准单元输出的基准信号的整个芯片平均值可以用作一个基准信号，用于产生激活单元和撇取单元的偏置控制信号，用于去除热电冷却器。。图4(a)示出几个激活单元输出模拟饱和的状态。图4(c)示出适当调节GSK使得平均输出值被定位在VSKIM的中间值以具有最大动态范围的情况。
代表性地，获得输出信号的平均值并且将平均值用作用于调节GSK控制信号。然而，由于输出红外热图像信号根据时间非常动态地变化，所以使用输出红外热图像信号作为基准信号产生最佳的GSK控制信号并不适合。然而，由于在本发明中获得的整个芯片的平均基准单元检测值只取决于衬底温度并且与红外线图像信号不相关，所以非常适合使用平均基准单元检测值作为GSK控制的稳定的基准信号。
此外，可以进一步包括用于调节撇取单元的偏置控制信号的过程，使得从n×m个单位基准单元200-1、200-2、...、和200-n输出的基准信号的整个平均芯片值具有电源电压的中间值。图4(d)示出用于调节GSK使得平均基准单元输出值变为Vo,ref以便允许输出检测信号的平均值被定位在VSKIM的中心的方法。
根据多基准相关的双采样检测方法和根据的上述配置的使用该方法的微测辐射热计，可以实现以下各项。
1.由于仅检测通过透镜输入的红外光的激活单元输出信号与没有红外信号的基准单元输出信号之间的差，可以抵消由各种类型的非相干性产生的FPN，其在信号获取电路中产生并且包括由撇取单元在每列中产生的非相干性。
2.由于盲单元用作单位基准单元，所以单位激活单元与单位基准单元之间的自加热和冷却过程可以相同，两个单元之间的自加热效应可以准确地抵消。
3.由于激活单元与基准单元之间的信号差，其对于诸如电源噪声的常见噪声是具有鲁棒性的。
4.通过从带有红外信号的激活单元的输出信号中减去无红外信号的基准单元的输出信号，去除了为包括撇取单元的每列在检测电路中共同产生的FPN，并且可以有效率地仅检测红外信号。在这一点上，可能通过单位基准单元的工艺变化产生新的FPN和由于热和1/f噪声产生的随机噪声，但是可以通过将多个基准单元的输出信号值平均化来大大减少新的FPN和随机噪声。
5.可以使用基准单元输出信号的平均值作为用于VFID、GSK和图1的Vref的偏置控制的稳定的基准信号。因此，可以独立执行使用VFID的增益控制或使用GSK或Vref的DC偏移控制。这可能会显著降低模拟校正和数字校正的复杂性，以有效地提高校正效率，并有助于去除热电冷却器。
6.通过去除与带有红外信号的激活单元与无红外信号的基准单元之间的差的信号无关的DC偏移信号，以及通过使用能够容易地找到纯红外信号的双相关的采样检测方法，可以容易地去除快门。特别是，可以通过各种单位基准单元的值平均化大大降低基准单元本身的随机噪声以及FPN。其结果是，可以获得小于快门使用中的噪声等效温度差(NETD)。
虽然已参照若干其说明性实施例描述了实施例，但是应该理解的是，本领域的技术人员可以作出许多将落入本发明原理的精神和范围内的其它的修改和实施例。更具体而言，在本说明书、附图和所附权利要求的范围内，对主题组合布置的组成部件和/或布置的各种变化和修改是可能的。除了组成部件和/或布置的变化和修改以外，选择性应用对本领域技术人员也是显而易见的。
Claims (14)
1.一种多基准相关的双采样检测方法，其包括：
由多个单位基准单元产生基准信号；
由已吸收红外信号的多个单位激活单元接收感测信号；
由撇取单元共同地去除所述感测信号和所述基准信号的直流分量；
在使用所述基准信号和所述感测信号处理的所述激活单元值的基础上检测纯红外信号，
其中所述单位基准单元对所述红外信号不反应并且配置成具有与所述单位激活单元相同的电特性和热特性的盲单元。
2.如权利要求1所述的多基准相关的双采样检测方法，其特征在于，所述多个单位基准单元配置成n×m阵列，其中n和m是自然数。
3.如权利要求2所述的多基准相关的双采样检测方法，其特征在于，所述激活单元值是通过计算从每列中存在的n个单位基准单元输出的基准输出信号的平均值并且从单位激活单元分别地输出的所述感测信号中减去所述平均值获得的值。
4.如权利要求3所述的多基准相关的双采样检测方法，其特征在于，检测所述纯红外信号是通过使用带有所述红外信号的所述单位激活单元值与无所述红外信号的平均基准单元值之间的差产生的激活单元值来无快门地检测所述红外信号。
5.如权利要求1所述的多基准相关的双采样检测方法，其特征在于，还包括：
使用从每列中存在的n个单位基准单元输出的基准信号的平均值作为用于产生激活单元和撇取单元的偏置控制信号的基准信号，用于去除热电冷却器。
6.如权利要求5所述的多基准相关的双采样检测方法，其特征在于，还包括：调节所述激活单元和所述撇取单元的所述偏置控制信号，使得从每列中存在的n个基准单元输出的所述基准信号的所述平均值具有电源电压的中间值。
7.一种微测辐射热计，其检测远程红外信号，包括：
多个单位激活单元，配置为吸收红外信号以接收感测信号；
多个单位基准单元，配置为对所述红外信号不反应，并且具有与所述激活单元相同的电特性和热特性并且输出基准信号；以及
撇取单元，配置为共同地去除所述感测信号和所述基准信号的直流分量；
其中在所述感测信号和所述基准信号的基础上产生用于感测远程红外信号的激活单元值。
8.如权利要求7所述的微测辐射热计，其特征在于，所述多个单位基准单元配置成n×m阵列，其中n和m是自然数。
9.如权利要求8所述的微测辐射热计，其特征在于，所述激活单元值是通过计算从每列中存在的n个单位基准单元输出的所述基准信号的平均值并且从单位激活单元分别地输出的所述感测信号中减去所述平均值获得的值。
10.如权利要求7所述的微测辐射热计，其中冷单元或温单元用作所述撇取单元。
11.如权利要求7所述的微测辐射热计，其特征在于，所述单位基准单元是具有与所述单位激活单元相同的热特性和电特性的盲单元。
12.如权利要求7所述的微测辐射热计，其特征在于，通过使用带有所述红外信号的从所述单位激活单元输出的基准输出信号的平均值与无红所述外信号的从每列中存在的n个单位基准单元输出的基准输出信号的平均值之间的差所检测的激活单元值来无快门地检测所述红外信号。
13.如权利要求7所述的微测辐射热计，其特征在于，从每列中存在的n个单位基准单元输出的基准信号的平均值用作用于产生激活单元和撇取单元的偏置控制信号的基准信号，用于去除热电冷却器。
14.如权利要求7所述的微测辐射热计，其特征在于，调节所述激活单元和所述撇取单元的偏置控制信号，使得从每列中存在的n个基准单元输出的所述基准信号的平均值具有电源电压的中间值。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150135675A KR101732346B1 (ko) | 2015-09-24 | 2015-09-24 | 다중 기준 상관 이중 표본화 감지 방법 및 이를 이용한 마이크로 볼로미터 |
| KR10-2015-0135675 | 2015-09-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106908151A CN106908151A (zh) | 2017-06-30 |
| CN106908151B true CN106908151B (zh) | 2019-11-29 |
Family
ID=58408799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610847293.6A Active CN106908151B (zh) | 2015-09-24 | 2016-09-23 | 多基准相关的双采样检测方法及使用该方法的微测辐射热计 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20170089764A1 (zh) |
| KR (1) | KR101732346B1 (zh) |
| CN (1) | CN106908151B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101881461B1 (ko) * | 2018-04-02 | 2018-07-27 | (주)시리우스 | 마이크로 볼로미터 기반 적외선 검출기 |
| FR3088512B1 (fr) * | 2018-11-09 | 2020-10-30 | Schneider Electric Ind Sas | Procede de traitement d'une image |
| KR102228266B1 (ko) * | 2019-02-12 | 2021-03-18 | (주)유우일렉트로닉스 | 열화상 카메라를 이용한 온도 측정 장치, 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체 |
| EP3985367A4 (en) * | 2019-06-12 | 2022-07-06 | Mitsubishi Electric Corporation | INFRARED IMAGING DEVICE |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7366564B2 (en) * | 2002-08-23 | 2008-04-29 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Nonlinear blind demixing of single pixel underlying radiation sources and digital spectrum local thermometer |
| CN100587419C (zh) * | 2007-06-22 | 2010-02-03 | 电子科技大学 | 一种红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路 |
| JP5261102B2 (ja) * | 2008-09-25 | 2013-08-14 | パナソニック株式会社 | 赤外線センサおよび赤外線センサモジュール |
| FR2966596B1 (fr) * | 2010-10-26 | 2012-12-07 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de detection d'un rayonnement electromagnetique. |
| CN102109381B (zh) * | 2010-11-30 | 2012-05-23 | 南京理工大学 | 微测辐射热计自适应动态范围设计方法 |
| US20140091220A1 (en) * | 2012-10-01 | 2014-04-03 | Teledyne Dalsa Inc. | Microbolometer architecture |
| CN103308184B (zh) * | 2013-05-13 | 2015-08-05 | 浙江大立科技股份有限公司 | 红外成像系统及校正方法 |
| CN106355244B (zh) * | 2016-08-30 | 2019-08-13 | 深圳市诺比邻科技有限公司 | 卷积神经网络的构建方法及系统 |
-
2015
- 2015-09-24 KR KR1020150135675A patent/KR101732346B1/ko active IP Right Grant
-
2016
- 2016-09-23 CN CN201610847293.6A patent/CN106908151B/zh active Active
- 2016-09-23 US US15/274,177 patent/US20170089764A1/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20170036471A (ko) | 2017-04-03 |
| KR101732346B1 (ko) | 2017-05-04 |
| US20170089764A1 (en) | 2017-03-30 |
| CN106908151A (zh) | 2017-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106908151B (zh) | 多基准相关的双采样检测方法及使用该方法的微测辐射热计 | |
| US20160065848A1 (en) | Thermography for a thermal imaging camera | |
| CN104006889B (zh) | 具有温度自适应偏置的辐射热检测器 | |
| US6433333B1 (en) | Infrared sensor temperature compensated response and offset correction | |
| Budzier et al. | Calibration of uncooled thermal infrared cameras | |
| 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 | |
| US6476392B1 (en) | Method and apparatus for temperature compensation of an uncooled focal plane array | |
| CN103308184B (zh) | 红外成像系统及校正方法 | |
| US7235785B2 (en) | Imaging device with multiple fields of view incorporating memory-based temperature compensation of an uncooled focal plane array | |
| RU2518348C2 (ru) | Устройство и способ для детектирования инфракрасного излучения с помощью матрицы резистивных болометров | |
| JP2008185465A (ja) | 赤外線センサの温度補償方法および装置 | |
| KR101158259B1 (ko) | 적외선 센서의 신호 검출 회로 및 그 보정방법 | |
| CN103335717B (zh) | 一种基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法 | |
| CN107607229A (zh) | 用于热层析探头的温度校准装置及进行温度校准的方法 | |
| KR101322801B1 (ko) | 기준패턴을 이용한 적외선 열화상 카메라의 방사율 설정 시스템 및 그 방법 | |
| Jovanovic et al. | Temperature measurement of photovoltaic modules using non-contact infrared system | |
| TWI676010B (zh) | 微阻器讀出電路與校正方法 | |
| CN111595458A (zh) | 红外热像仪辐射定标方法和装置 | |
| Pedreros et al. | Compensating internal temperature effects in uncooled microbolometer-based infrared cameras | |
| KR101291303B1 (ko) | 적외선 열화상 카메라의 방사율 설정 시스템 | |
| Dong et al. | A calibration method for removing the effect of infrared camera self-radiance on the accuracy of temperature measurement | |
| US20200200609A1 (en) | Microbolometer Readout Circuit and Calibration Method Using The Same | |
| Rabie et al. | External thermal camera exposure control workaround for low-cost security thermal cameras | |
| KR101833365B1 (ko) | 다중 차동 신호 검출을 이용한 ｍｂａ | |
| JP2023150616A (ja) | 感温素子の温度変動下で黒体の温度測定を修正する方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |