DE3625010C2 - Verfahren zur Übergabe von hintergrundsignalbefreiten Nutzsignalen - Google Patents

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.

Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist auch aus der DE 29 19 936 A1 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren sind für jeden IR-Detektor zwei Kondensatoren zur Speicherung der vom jeweiligen IR-Detektor gelieferten Ladungsmengen vorgesehen. Die beiden Kondensatoren werden periodisch unmittelbar nacheinander aufgeladen, wobei die im ersten Kondensator gespeicherte Ladungsmenge und somit auch die an ihm anliegende Spannung proportional zur Summe aus dem vom IR-Detektor erfaßten Nutzsignal und Hintergrundsignal ist und die anschließend im zweiten Kondensator gespeicherte Ladungsmenge und somit auch die an diesem anliegende Spannung proportional zu dem vom IR-Detektor erfaßten Hintergrundsignal ist. Die an den Kondensatoren anliegenden Spannungen dienen zur Ansteuerung eines Ladungstransferelementes. Im Ladungstransferelement werden Ladungsmengen erzeugt, die proportional zur Differenz der an den Kondensatoren anliegenden Spannungen und somit proportional zum vom IR-Detektor empfangenen Nutzsignal sind.

Bei diesem Verfahren werden somit die von den Detektorelementen gelieferten Ladungsmengen zunächst in Spannungen umgewandelt, um anschließend daraus wieder Ladungsmengen zu erzeugen. Infolgedessen weist eine nach diesem Verfahren arbeitende Schaltungsanordnung einen hohen Stromverbrauch auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, mit dem hintergrundsignalbefreite Nutzsignale auf einfache Weise und direkt aus den vom jeweiligen IR-Detektor gelieferten Ladungsmengen erzeugbar sind und mit dem bei gering gehaltenem Stromverbrauch 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 kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. In vorteilhafter Weise wird nun ein jedem einzelnen 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 reduziert 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 Feldeffekttransistoranordnung als Korrekturelektrode die Schwelle zum Abzug der Nutzsignalladungen optimal einstellen.

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 S1 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 sperrenden 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 S1 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 Übergabeschaltungen 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 Speicherbereich (31) und einem mit diesem elektrisch verbindbaren Hilfsspeicherbereich (92) der Übergabeschaltung gespeichert wird,
daß die Schwelle der Schwellenelektrode (5) unter Verwendung 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 Speicherbereich (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, S1) zur Entladung des ersten Speicherbereichs (31) dient und dessen zweiter Seitenkanal (91) über eine Trenn-Elektrode (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 Hilfsspeicherbereich (92) mit einer zweiten Feldeffekttransistor-Anordnung (10, D2) abgeschlossen ist.