DE3625010A1 - Verfahren zur uebergabe von hintergrundsignalbefreiten nutzsignalen - Google Patents
Verfahren zur uebergabe von hintergrundsignalbefreiten nutzsignalenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übergabe von
hintergrundsignalbefreiten Nutzsignalen einer Vielzahl von
Infrarot-Detektoren eines Infrarot-Bildsensorarrays an
mindestens einen CCD-Kanal gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 und eine Übergabeschaltung zur Durch
führung des Verfahrens.
Hochempfindliche moderne Wärmebildgeräte sind gekennzeich
net durch die Vielzahl von Einzeldetektoren in der Fokus
sierebene. Eine hohe Bildauflösung wird durch eine dichte
Packung der Detektorelemente in ein- oder zweidimensionale
Arrays erreicht. Die IR-Detektoren haben eine typische
Betriebstemperatur von 4 K bis 100 K und sind deshalb zur
Kühlung in ein Dewargehäuse eingebaut. Bei einer Vielzahl
von IR-Detektoren ist dabei eine individuelle Herausfüh
rung der Signalleitung von jedem Detektorelement zum
zugehörigen Vorverstärker unmöglich. Die räumlich verteil
ten Detektorsignale werden deshalb bereits in dem gekühl
ten Dewar in ein Zeitmultiplex-Signal umgewandelt. Für die
Auslesung dieses Zeitmultiplex-Signals sind dann nur noch
wenige elektrische Verbindungen von dem gekühlten Dewar
zur Außenwelt erforderlich.
Ladungsgekoppelte Bauelemente (Charge Coupled Devices =
CCD) sind hervorragend geeignet für die Parallel-Seriell-
Wandlung und für die Auslesung von analogen Signalen.
Vorteilhaft ist vor allem auch bei hohen Signalauslese
frequenzen die geringe Leistungsaufnahme. Der dynamische
Bereich der CCDs beträgt 70 dB-80 dB und ist damit
deutlich geringer als der Dynamikbereich eines Verstär
kers.
Der zu detektierende Körper hat üblicherweise nur eine
geringe Temperaturdifferenz zu seiner Umgebung bzw. zu
seinem Hintergrund. Daher entspricht das Nutzsignal nur
einem Bruchteil des Hintergrundsignals (z.B. 1/100 bis
1/1000).
Um die vom IR-Detektor abgegebene Ladungsmenge an die von
der CCD-Ausleseschaltung verarbeitbare Ladungsmenge anzu
passen, wird mittels Partitionierung nur ein Teil der
detektierten Ladungsmenge weiterverarbeitet und um den
vollen Dynamikbereich der CCD-Ausleseschaltung auszunüt
zen, ist das Hintergrundsignal vor dem Auslesen zu sub
trahieren.
Ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der im Ober
begriff des Patentanspruchs 1 genannten Art, bei dem
zusätzlich das Partitioning-Verfahren eingesetzt ist, ist
z.B. aus IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.
ED-29, No. 1, Jan. 1982, Seiten 3 bis 13 bekannt. Die
Schaltung ist in Fig. 1 dargestellt. Mit 1 ist ein leitend
dotierter Bereich der Übergabeschaltung bezeichnet, der
mit dem IR-Detektor Di in Verbindung steht. Unter einer
Speicherelektrode 3 befindet sich ein Speicherbereich mit
den Kapazitäten C o und C N , die durch eine von einer Elek
trode 4 erzeugten Potentialschwelle trennbar sind. Am
Eingang des Speicherbereichs ist eine Eingangselektrode 2
angeordnet und am Ausgang des Speicherbereichs eine Aus
gangselektrode 5. Mit 6 ist eine Schwellenelektrode
(skimming gate) bezeichnet, die gleichzeitig Eingangelek
trode der CCD-Ausleseschaltung 71 ist. Die Gegenelektrode
der Speicherelektrode 3 ist im Halbleiter-Chip, auf dem
sich die Übergabeschaltung befindet, als Drainbereich
eines Feldeffekttransistors realisiert, dessen Gate in
Fig. 1 mit 8 bezeichnet ist.
Bei dieser bekannten Schaltung wird für alle Detektoren,
unabhängig von deren Empfindlichkeit, der gleiche Hinter
grundanteil subtrahiert. Die Detektoren innerhalb eines
IR-Detektor-Arrays weisen jedoch aufgrund von Materialin
homogenitäten sowie wegen technologischer Bearbeitungspro
bleme unterschiedliche Temperaturempfindlichkeiten auf.
Bei einer für alle Detektoren gleichen Hintergrundstrah
lung, z.B. eines auf 300 K befindlichen Körpers, liefern
sie sehr unterschiedliche Ladungsmengen. Mit einer Hinter
grundsignalunterdrückung, die von jeder Signalladung den
gleichen Ladungsbetrag subtrahiert, kann der Dynamikbe
reich der CCD-Ausleseschaltungen nicht voll ausgenutzt
werden, denn der schlechteste Detektor bestimmt den zu
subtrahierenden Ladungsbetrag.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der
Technik zu verbessern. Insbesondere sollen die Nutzsignale
effektiver vom Hintergrundsignal befreit werden, so daß der
volle Dynamikbereich der CCD-Ausleseschaltung ausnutzbar
ist.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 genannten Art durch die im kenn
zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale
gelöst. In vorteilhafter Weise wird nun ein jedem einzel
nen Detektor zugeordnetes Hintergrundsignal subtrahiert,
so daß lediglich die reinen Nutzsignalladungen an die
CCD-Ausleseschaltungen weitergegeben werden. Dadurch wird
das Rauschen im zu detektierenden Bild wesentlich redu
ziert und ein höherer Bildkontrast erzielt.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Anspruch
2 gibt eine vorteilhafte, wenig Platz beanspruchende
Übergabeschaltung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1. Durch die Weiterbildung der Erfindung nach
Anspruch 3 läßt sich über das Gate einer zweiten Feld
effekttransistoranordnung als Korrekturelektrode die
Schwelle zum Abzug der Nutzsignalladungen optimal ein
stellen.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:
Fig. 2 Die Übergabeschaltung gemäß der Erfindung;
Fig. 3 das Layout der Übergabeschaltung.
In den Fig. 2 und 3 ist aus Gründen der besseren Über
sicht eine hybride IR-Detektor-Übergabeschaltung mit CCD-
Ausleseschaltung 7, 71 dargestellt. Hybrid bedeutet, daß
die Infrarot-Detektoren und die Übergabeschaltungen auf
zwei voneinander getrennten Halbleiter-Chips, z.B. über
einander angeordnet, und über Leitungsbrücken miteinander
verbunden sind.
Fig. 3 zeigt die Schaltung nach Fig. 2 als Layout in
Draufsicht. Gleiche Elemente mit gleicher Funktion sind
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Leitungsbrücke eines Detektors D i ist jeweils mit
einem leitend dotierten Bereich 1 des Halbleiter-Chips 100
verbunden. Der andere Anschluß 20 des Detektors D i liegt
auf einem konstanten Potential. Mit 2 ist eine am Eingang
der Übergabeschaltung angeordnete Eingangselektrode (Ein
gangstransferelektrode), mit 3 eine einem ersten Speicher
bereich 31 zugeordnete Speicherelektrode, mit 5 eine
Schwellenelektrode (skimming gate), mit 6 eine am Ausgang
der Übergabeschaltung angeordnete Ausgangselektrode (Aus
gangstransferelektrode), mit 7 eine Übergabeelektrode
(Transferelektrode) des senkrecht zur Zeichnungsebene
verlaufenden CCD-Schieberegisters (CCD-Ausleseschaltung),
mit 8 eine Reset-Elektrode, mit 9 eine zu einem Hilfs
speicher 92 führende Trennelektrode (Transferelektrode)
und mit 10 eine Korrekturelektrode (Offset-Korrektur-Elek
trode) bezeichnet. Jedem IR-Detektor des IR-Bildsensorar
rays ist eine Übergabeschaltung gemäß den Fig. 2 und 3
zugeordnet.
Vor der Nutzsignalauswertung werden alle IR-Detektoren des
Arrays mit einer Referenzstrahlungsquelle, z.B. einem
Körper, der sich auf einer konstanten Temperatur von z.B.
300 K befindet, bestrahlt. Die jeweilige, von einem IR-
Detektor - z.B. D i - abgeleitete Ladungsmenge wird, von
der Eingangselektrode 2 gesteuert, in dem unter der Spei
cherelektrode 3 liegenden Speicherbereich 31 gespeichert.
Gleichzeitig ist die Trennelektrode 9 so gesteuert, daß
der Speicherbereich 31 mit dem Hilfsspeicherbereich 92
elektrisch verbunden ist. Die Potentialtöpfe beider Spei
cherbereiche nehmen dadurch gleiches Potential an. Da der
Hilfsspeicherbereich über eine Verbindung 51 mit der
Schwellenelektrode 5 verbunden ist, wird eine dem Hilfs
speicherpotential entsprechende Schwelle unter der Elek
trode 5 aufgebaut.
An die Trennelektrode 9 wird nun ein die Speicherbereiche
31 und 92 elektrisch trennendes Potential angelegt und der
Speicherbereich 31 anschließend durch ein einen Seiten
kanal 81 leitend steuerndes Potential, das an die Reset
-Elektrode 8 angelegt wird, entladen.
Die Elektroden der Übergabeschaltung können jeweils als
Gate eines Feldeffekttransistors aufgefaßt werden. Der
Bereich 81 des einen Seitenkanals bildet z.B. den Drain-
Bereich, der Bereich 82 den Source-Bereich und die Elek
trode 8 das Gate eines Feldeffekttransistors, dessen
Source-Bereich 82 mit der Source-Elektrode S 1 kontaktiert
ist. In Fig. 2 sind die entsprechenden Bereiche der mit 81
und 91 beginnenden Seitenkanäle daher als Feldeffekttran
sistoren dargestellt.
Nach der Entladung des Speicherbereichs 31 werden nun die
IR-Detektoren mit dem auszuwertenden Bild bestrahlt.
Dadurch gelangt jetzt z.B. die vom Detektor D i abgeleitete
Ladungsmenge bei gesperrten Seitenkanälen 81 und 91 über
den von der Eingangselektrode 2 leitend gesteuerten Be
reich in den Speicherbereich 31. Über die vom Hilfsspei
cher 92 mittels der Elektrode 5 gesetzte Schwelle wird nun
über den von der Ausgangselektrode 6 geöffneten Weg die
Nutzladung aus dem Speicherbereich 31 abgezogen und mit
tels dem entsprechend gesteuerten Potential der Elektrode
7 der CCD-Ausleseschaltung 71 übergeben.
Die hierzu erforderlichen Steuerspannungen der Elektroden
außer Elektrode 5, werden von einer Steuerschaltung ge
liefert. Der zeitliche Verlauf der Steuerspannungen ergibt
sich aus den beschriebenen Verfahrensschritten, so daß
hierauf nicht weiter eingegangen zu werden braucht.
Es ist zweckmäßig, die vom Potential der Elektrode 5
bestimmte Schwelle zu korrigieren, da die Temperatur der
Referenzspannungsquelle unter Umständen von der Temperatur
des zu detektierenden Gegenstandes abweicht. Diese Off
set-Korrektur läßt sich in einfacher Weise durch eine
weitere Elektrode 10 im Anschluß an den Hilfsspeicherbe
reich 92 erreichen.
In Fig. 2 sind die Bereiche 92 und 93 wiederum als Feld
effekttransistor mit Source-Bereich 92, Drain-Bereich 93
und Gate 10 (=Korrekturelektrode 10) dargestellt. Der
Drain-Bereich 93 ist an kein Potential angeschlossen.
Dieser Feldeffekttransistor ist durch ein an die Elektrode
10 angelegtes Potential ständig gesperrt, wobei die Höhe
dieses sperrendes Potentials der Elektrode 10 lediglich
die Tiefe des Potentialtopfes des Hilfsspeichers 92 und
des Drainbereichs 93 bestimmt, nicht jedoch die Höhe des
Schwellenpotentials für die Elektrode 5, die bei geöffne
tem Weg zwischen den Bereichen 91 und 92 nur vom Referenz
signal und den Eigenschaften des Detektors D i bestimmt
wird. Durch Variation des Potentials an der Elektrode 10
kann daher bei geschlossenem Weg zwischen den Bereichen 91
und 92 die Tiefe des Potentialtopfes des Hilfsspeichers 92
entsprechend angehoben oder abgesenkt werden und damit die
Höhe der Schwelle im Bereich der Elektrode 5 korrigiert
werden.
Die Anschlüsse 20, 10 und S 1 aller Übergabeschaltungen
eines IR-Arrays sind jeweils miteinander verbunden, so daß
z.B. alle Elektroden 10 eines Arrays gleiches Potential
aufweisen und zur Schwellenwertkorrektur aller Übergabe
schaltungen in vorteilhafter Weise lediglich ein Potential
eingestellt zu werden braucht. Dadurch wird von jedem
Detektorsignal entsprechend der Empfindlichkeit des Detek
tors das individuelle Hintergrundsignal subtrahiert und
somit die von Detektorstreuungen unabhängigen Nutzsignale
der CCD-Ausleseschaltung übergeben, so daß der volle
Dynamikbereich der Ausleseschaltung ausgenutzt werden kann
und dadurch kontrastreichere und weniger verrauschte
Bilder zur Auswertung zur Verfügung stehen. Eine Signal
verarbeitung zur Korrektur der Dunkelstrominhomogenitäten
kann auf diese Weise eingespart werden.
Claims (3)
1. Verfahren zur Übergabe von hintergrundsignalbefreiten
Nutzsignalen einer Vielzahl von Infrarot-Detektoren eines
Infrarot-Bildsensorarrays an mindestens einen CCD-Kanal
mittels den einzelnen IR-Detektoren zugeordneten Übergabe
schaltungen mit jeweils einer Eingangselektrode, einem
ersten Speicherbereich, einer Schwellenelektrode und einer
Ausgangselektrode, dadurch gekennzeichnet,
daß die IR-Detektoren vor der Nutzsignal-Auswertung von
einer Referenzquelle bestrahlt werden,
daß die jeweilige, von einem IR-Detektor (D i ) abgeleitete
Ladungsmenge in dem ihm zugeordneten ersten Speicherbe
reich (31) und einem mit diesem elektrisch verbindbaren
Hilfsspeicherbereich (92) der Übergabeschaltung gespei
chert wird,
daß die Schwelle der Schwellenelektrode (5) unter Ver wendung der Ladungsmenge des Hilfsspeicherbereichs (92) gesetzt wird,
daß anschließend der erste Speicherbereich (31) entladen wird,
daß nach der Leerung des ersten Speicherbereichs (31) die IR-Detektoren mit dem auszuwertenden Bild bestrahlt werden und die von dem jeweiligen IR-Detektor (D i ) abgeleitete Ladungsmenge in dem ihm zugeordneten ersten Speicherbe reich (31) gespeichert wird und
daß über die vom Hilfsspeicher (92) gesetzte Schwelle (5) und die Ausgangselektrode (6) das Nutzsignal aus dem ersten Speicherbereich (31) abgezogen und dem CCD-Kanal (7; 71) übergeben wird.
daß die Schwelle der Schwellenelektrode (5) unter Ver wendung der Ladungsmenge des Hilfsspeicherbereichs (92) gesetzt wird,
daß anschließend der erste Speicherbereich (31) entladen wird,
daß nach der Leerung des ersten Speicherbereichs (31) die IR-Detektoren mit dem auszuwertenden Bild bestrahlt werden und die von dem jeweiligen IR-Detektor (D i ) abgeleitete Ladungsmenge in dem ihm zugeordneten ersten Speicherbe reich (31) gespeichert wird und
daß über die vom Hilfsspeicher (92) gesetzte Schwelle (5) und die Ausgangselektrode (6) das Nutzsignal aus dem ersten Speicherbereich (31) abgezogen und dem CCD-Kanal (7; 71) übergeben wird.
2. Übergabeschaltung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem ersten
Speicherbereich (31) zwei Seitenkanäle vorgesehen sind,
dessen erster Seitenkanal (81) in an sich bekannter Weise
mittels einer Feldeffekttransistor-Anordnung (8, S 1) zur
Entladung des ersten Speicherbereichs (31) dient und
dessen zweiter Seitenkanal (91) über eine Trenn-Elektro
de (9) mit einem Hilfsspeicherbereich (92) verbindbar ist,
der mit der Schwellenelektrode (5) der Übergabeschaltung
verbunden ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Seitenkanal (91) im Anschluß an den Hilfs
speicherbereich (92) mit einer zweiten Feldeffekttran
sistor-Anordnung (10, D 2) abgeschlossen ist.
Priority Applications (1)
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DE3625010A DE3625010C2 (de) | 1986-07-24 | 1986-07-24 | Verfahren zur Übergabe von hintergrundsignalbefreiten Nutzsignalen |
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DE3625010A Expired - Fee Related DE3625010C2 (de) | 1986-07-24 | 1986-07-24 | Verfahren zur Übergabe von hintergrundsignalbefreiten Nutzsignalen |
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- 1986-07-24 DE DE3625010A patent/DE3625010C2/de not_active Expired - Fee Related
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