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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen elektromagnetischer
Strahlung und außerdem
ihre Visualisierung in analoger Form.
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Obgleich
die folgende Erfindung vor allem im Zusammenhang mit der Erfassung
von Infrarotstrahlung beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung ebenfalls
auf dem Gebiet der Erfassung sichtbarer oder ultravioletter Strahlung
anwendbar.
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Die
Vorrichtung der Erfindung setzt Thermodetektoren des mikrobolometrischen
Typs ein. Dieser Detektorentyp kann nämlich bei Umgebungstemperatur
funktionieren, das heißt,
ohne die Notwendigkeit der Abkühlung,
im Gegensatz zu der Vorrichtung des Typs Quantendetektoren, welche
die Energie der empfangenen Strahlung direkt in freie elektrische Träger umwandeln.
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Dieser
Typ des ungekühlten
Detektors setzt die Veränderung
einer Eigenschaft eines der ihn bildenden Materialien in Abhängigkeit
von der Temperatur ein. Im Rahmen des Einsatzes bolometrischer Detektoren
ist diese Eigenschaft der spezifische Widerstand des Materials.
Auf bekannte Weise umfaßt ein
derartiger ungekühlter,
für jede
Photozelle oder jedes Pixel zusammengesetzter Detektor:
- – Mittel
zur Absorption der Strahlung zur Umwandlung dieser letzteren in
Wärme;
- – Mittel
zur thermischen Isolierung des Detektors, welche es diesem ermöglichen,
sich zu erwärmen;
- – Temperaturmeßmittel,
welche im Rahmen eines bolometrischen Detektors ein mit der Temperatur veränderliches
resistives Element verwenden, und;
- – Mittel
zum Lesen elektrischer Signale, von den Temperaturmeßmitteln
abgegeben werden, wobei die genannten Lesemittel eine Komponente
zur Kontaktaufnahme und zum Transport des Signals des bolometrischen
Materials zu einer Komponente zur Auswertung des Signals, im allgemeinen
von mikroelektronischer Beschaffenheit, beinhalten.
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Im
Rahmen der Infrarotbilder sind die eingesetzten Detektoren im allgemeinen
in Form von Matrizen aus Detektorelementen ausgebildet, welche auf
einem meist aus Silizium gebildeten Substrat angebracht sind.
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Der
Einsatz derartiger Vorrichtungen zur bolometrischen Erfassung erfolgt
nicht ohne Probleme technischer Art hervorzurufen.
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Zunächst hängt die
Leistung eines derartigen ungekühlten
bolometrischen Detektors von verschiedenen Faktoren ab, von denen
einer ganz offensichtlich das eingesetzte bolometrische Material
ist.
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Des
weiteren sollten diese bolometrischen Detektoren, damit sie funktionieren
können,
durch einen Vorspannungsstrom unter Vorspannung gesetzt werden.
Nun wird an einer Bolometermatrix eine Streuung bei dem Wert des
Nennwiderstandes der verschiedenen Detektoren beobachtet, welche
mit der gleichen konstanten Spannung unter Vorspannung gesetzt wurden.
Diese Streuung hat zur Folge, daß der Vorspannungsstrom der
Mikrobolometer nicht gleichförmig
ist. Daher bestand eine erste Lösung
dieses Problems darin, einen globalen Abgleich pixelspaltenweise,
durchgeführt
mittels eines thermalisierten Mikrobolometers, vorzunehmen.
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So
wurde in 1 ein schematisiertes Bildelement
oder Pixel 1 dargestellt, welches einen mittels eines spannungsgesteuerten
Transistors 3 unter Vorspannung gesetzten bolometrischen
Detektor 2 einsetzt. Der spezifische Widerstand des Detektors 2 ist proportional
zur Strahlungsmenge, die auf ihn auftrifft, was sich in einer Veränderung
seines Vorspannungsstroms äußert. Dieser
Strom ist aus einem ersten Abgleich, globaler Abgleich genannt,
mittels eines thermalisierten Mikrobolometers 8 hervorgegangen,
welches einer konstanten Abgleich-Spannung V/Abgleich ausgesetzt
wird. Unter thermalisiert versteht man ein Mikrobolometer, dessen
spezifischer Widerstand konstant und unabhängig von der erfaßten Strahlung
ist. Man spricht auch von einem blinden Mikrobolometer.
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In
dieser Figur wurde auch die Zeile 12 zur Zeilenauswahl
des fraglichen Pixels dargestellt, welche auf einen Schalter 4 einwirkt,
der die Weiterleitung des resultierenden Stroms von dem bolometrischen
Detektor 2 in den Bereich eines CTIA 11 (nach dem angelsächsischen
Ausdruck "Capacity Trans-Impedance Amplifier") ermöglicht,
dessen Aufgabe es ist, das genannte Signal zu verstärken und es über einen
Integrationskondensator 15 in Spannung umzuwandeln, bevor
es für
seine Wiedergabe insbesondere in Form von Videosignalen ausgewertet
wird.
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Dieser
globale Abgleich führt
zur Unterdrückung
starker Streuungen des Vorspannungsstroms der Mikrobolometer 2,
welche durch die Streuungen des spezifischen Widerstandes der genannten
Detektoren hervorgerufen werden.
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Das
eingesetzte thermalisierte Mikrobolometer 8 hat zur Folge,
daß der
durch die Leseschaltung integrierte Strom im größtmöglichen Maß von der Infrarotstrahlung
oder der erfaßten
Strahlung und nicht von dem Vorspannungsstrom abhängt.
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Deswegen
reicht dieser einzige, als global bezeichnete Abgleich nicht aus,
um ein zufrieden stellendes Ausgangssignal zu erhalten. Aufgrund
der Herstellungsweise der Detektoren, insbesondere der bolometrischen,
ist nämlich
zu beobachten, daß diese
gestreute Widerstandswerte aufweisen.
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So
können
bei einer bestimmten Strahlung und bestimmten Integrationskondensatoren
mehrere Mikrobolometer die außerhalb
des Dynamikbereichs der Eingangsstufe der Leseschaltung liegende
Sättigungszone
erreichen. Es wurde daher vorgeschlagen, der Vorrichtung zum globalen
Abgleich eine zusätzliche
Vorrichtung, adaptiver Abgleich genannt, zuzuordnen, welche jedem
der Pixel der Matrix der Erfassungsschaltung zugehörig ist,
was zu einer Verbesserung der Dynamik der Vorstufe führt.
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Diese
Funktion des adaptiven Abgleichs kann durch Einwirken auf die Gitterspannung
des Mikrobolometer-Vorspannnungs-Transistors VFID (siehe beispielsweise
US-A-6 028 309) realisiert werden.
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Um
diese adaptive Abgleichfunktion sicherzustellen, wurde ebenfalls
vorgeschlagen, für
jedes Pixel einen programmierbaren Stromerzeuger 9 hinzuzufügen, der
parallel zu dem globalen Vorspannungsstrom wirkt und einen von dem
durch den Detektor erzeugten Signal subtraktiven Strom erzeugt, in
Abhängigkeit
von der den fraglichen Pixeln inhärenten Streuung in bezug auf
ein Referenzsignal und in einem zugeordneten Speicher gespeichert.
In diesem Fall wird außerhalb
der Lese- und Erfassungsschaltung eine digitale, für den Streuungswert
für jedes
der Pixel repräsentative
Information gespeichert.
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Dieser
pixelweise adaptive Abgleich wird während der Integrationsphase,
das heißt
der Phase der Erfassung des Bildes, mittels einer programmierbaren
Stromquelle, auch " Abgleich-DAC" (DAC = digital analog
convertor Digital-Analog-Wandler) genannt, durchgeführt. Da
die Auflösung
des DAC 3 Bits beträgt,
sollte für
jedes Pixel der binäre
Abgleichwert auf drei verwendeten Bits gespeichert werden.
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Dieser
Wert wird während
einer Kalibrierphase ermittelt, welche auf folgende Weise abläuft:
- – eine
genau bestimmte Referenzphase wird der Detektormatrix bereitgestellt;
- – die
der Schaltung vor Integration zugeführten Abgleichdaten sind derart,
daß kein
Abgleichstrom eingespeist wird;
- – das
Lesen und die Analog-Digital-Wandlung des von diesem Bild abgegebenen
Videosignals werden mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers ausgeführt;
- – die
3 höchstwertigen
Bits jedes Pixels werden in einem Speicher außerhalb der Leseschaltung gespeichert.
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So
geht beim Nennbetrieb der Schaltung jeder Integrationsphase einer
Zeile der Matrix eine Phase der Erfassung der Abgleichdaten voraus,
welche in dem externen Speicher für die fragliche Pixel-Zeile
gespeichert sind. Die Übertragung
der Daten zwischen dem externen Speicher und der Leseschaltung erfolgt
seguentiell an drei digitalen Eingängen, das heißt, daß die 3
Bits als Bit/Pixel derselben Zeile programmiert sind.
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Wenn
auch der Einsatz eines derartigen adaptiven Abgleichs bezüglich der
Qualität
der so erfaßten,
in analoge Form umgewandelten Signale zufrieden stellend ist, erfordert
er dagegen, und dies geht sehr deutlich aus dem Vorangehenden hervor, den
Einsatz eines der Erfassungs-/Leseschaltung zugeordneten externen
Speichers, wodurch die Elektronik der Lese- und Erfassungsschaltung
komplex wird.
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Außerdem erfolgt
nach diesem Verfahren das Lesen der für die jedem Pixel zugehörigen drei höchstwertigen
Bits repräsentativen
digitalen Informationen während
der analogen Integration durch die genannten Detektoren, was ein
zusätzliches
Rauschen im Bereich der Leseschaltung hervorruft. Dies geht zudem
sehr klar aus dem für
das Abgleichlesen des Standes der Technik repräsentativen, in 2 dargestellten
Chronogramm hervor. Dieses Chronogramm entspricht dem in 3 dargestellten
Schaltbild. So werden die drei externen Abgleichdatenbits, die zuvor
in dem externen Speicher während
der Kalibrierphase gespeichert wurden, sequentiell gemäß einem
durch die Pixeluhr SYP festgelegten Rhythmus an die Leseschaltung übertragen.
Diese Daten werden vorübergehend
in einem LATCH genannten inneren Pufferspeicher gespeichert, der
die Abgleich-Informationen einer vollständigen Zeile während der
gesamten Dauer der Integration bewahrt. Es ergibt sich also, daß hinsichtlich
des Chronogramms das Lesen der Abgleichdaten der Zeile n während der Integration
der Zeile n – 1
in ein Register mit seriellem Eingang und parallelem Ausgang erfolgt.
Am Ende der Integrationsphase löst
der Übergang
in den hohen Zustand des Synchronisationssignals (Zeile SYL) die Übertragung
der Abgleichdaten in den Pufferspeicher LATCH aus, und die Integration
der Zeile n kann danach beim Übergang
in den niedrigen Zustand des genannten Synchronisationssignals SYL beginnen.
Es gibt also keine Störsicherheit
zwischen der analogen Verarbeitung und der digitalen Verarbeitung
der Signale im Bereich des Pixels und der Spalte, zu der es gehört, insbesondere
in der Phase des Beschreibens des Speichers. Dies hat eine Verschlechterung
der Leistung bei Rauschen der Leseschaltung zur Folge, die mit der
dem Detektor eigenen Kennlinie kompatibel bleiben muß (liegt
zwischen 250 μV
und 500 μV).
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In
dem Schaltbild der 3 codiert der externe Analog-Digital-Wandler
ADC das Videosignal auf drei Bits während der Kalibrierphase. Bei
dieser Konfiguration ist es die Steuerungselektronik der Schalttung,
welche die Steuerung des Schreibens/Lesens der Abgleichdaten im
Bereich des externen Speichers und der Leseschaltung sicherstellt.
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Das
Ziel der Erfindung ist es, diese verschiedenen Nachteile zu beseitigen.
Sie schlägt
insbesondere vor, im Bereich jedes Pixels den Speicher zu integrieren,
der zum Speichern der Information erforderlich ist, die zu der Streuung
jedes Pixels in bezug auf das Referenzsignal gehört.
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Mit
anderen Worten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung
elektromagnetischer Strahlung, welche eine einer Leseschaltung zugeordnete
Erfassungsschaltung einsetzt, wobei die Erfassungsschaltung von
einer Matrix aus Erfassungspixeln gebildet ist, wobei jedes der
genannten Pixel von einem Thermodetektor des unter Vorspannung gesetzten,
bolometrischen Typs gebildet ist und einen für die erfaßte Strahlung repräsentativen
elektrischen Strom abgibt, wobei der genannte Strom über einen doppelten
Abgleich geregelt wird, nämlich:
- – einen
mittels eines thermalisierten Bolometers ausgeführten globalen Abgleich, welcher
das Ausblenden eines ersten, der Vorspannung des genannten Thermodetektors
inhärenten
Stroms von konstantem Wert aus dem genannten elektrischen Stroms
sicherstellt,
- – einen
jedem der Pixel eigenen adaptiven Abgleich, welcher mittels eines
jedem der Pixel eigenen programmierbaren Stromerzeugers durchgeführt wird,
der einen von dem genannten Signal subtraktiven Strom erzeugt, in
Abhängigkeit
von der dem fraglichen Pixel inhärenten
Streuung in bezug auf ein Referenzsignal und in einem zugeordneten
Speicher gespeichert.
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Sie
ist dadurch gekennzeichnet, daß der
genannte zugeordnete Speicher im Bereich jedes der genannten Pixel
integriert ist.
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Hierdurch
werden im Bereich der Leseschaltung selbst ein Analog-Digital-Wandler und der Speicher
zum adaptiven Abgleich integriert, was es tatsächlich ermöglicht, ebenfalls die Steuerung
der Kalibrier- und der Lesephase der Abgleichdaten zu integrieren.
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Dies
vereinfacht erheblich die Elektronik in der Nähe der Erfassungsschaltung.
Darüber
hinaus findet die Lesephase der Daten jedes der zugeordneten Speicher
zwischen dem Ende der Integration einer Zeile n und dem Anfang der
Integration einer Zeile n + 1 statt.
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Die
Schaltungen in dem Pixel in Verbindung mit dem Lesen des Speichers
sind somit nicht mit der sensiblen Phase der Integration des Stroms
durch die nach dem angelsächsischen
Ausdruck "Capacity of
Trans Impetence Amplifier" CTIA
genannte Vorrichtung gekoppelt, das heißt einer Vorrichtung zur Umwandlung
der Ladung/Spannung am Ende einer Spalte.
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Die
Art und Weise der Ausführung
der Erfindung und die sich aus ihr ergebenden Vorteile gehen besser
aus dem folgenden, hinweisend und nicht einschränkend mit Hilfe der beigefügten Figuren
gegebenen Ausführungsbeispiel
hervor.
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1 stellt
das Grundschaltbild eines mikrobolometrischen Detektors gemäß dem Stand
der Technik dar.
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2 stellt
ein Chronogramm dar, das den Einsatz des Detektors des Standes der
Technik darstellt.
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3 ist
ein allgemeines Grundschaubild des Betriebs des Detektors, ebenfalls
gemäß dem Stand
der Technik.
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4 ist
eine Darstellung des Schaltbildes des erfindungsgemäßen Detektors.
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5 ist
eine vereinfachte schematische Darstellung des Abgleichspeichers,
welcher in das Erfassungspixel integriert ist und der am Spaltenende
befindlichen Lese- und Schreib-Verstärkungsvorrichtung zugeordnet
ist.
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6 ist
eine schematische Darstellung der Lesevorrichtung des integrierten
Abgleichspeichers.
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7 ist
ein Chronogramm, welches das Lesen des Abgleichspeichers darstellt.
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8 ist
eine Darstellung der im Bereich eines Pixels gemäß der Erfassungsvorrichtung
der Erfindung eingesetzten elektronischen Schaltung.
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Im
Zusammenhang mit 4 wurde also ein vereinfachtes
Schaltbild einer Spalte mit zwei Pixeln gemäß der Erfindung dargestellt.
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Die
verschiedenen in diesen Pixeln erscheinenden Elemente haben die
gleichen Bezugszeichen behalten wie diejenigen in bezug auf die
Figuren des zuvor beschriebenen Standes der Technik.
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Grundsätzlich wurden
die genannten Pixel durch zwei Rechtecke mit unterbrochenen Linien dargestellt.
In jedes Pixel ist gemäß dem Stand
der Technik ein mikrobolometrischer Detektor 2 integriert,
welcher einem Transistor 3 zugeordnet ist, der die Vorspannung
des Detektors sicherstellt. Dieser Transistor kann in 4 durch
ein elektrisches Signal geschlossen werden, welches durch eine Verbindung 12 von
der Leseschaltung gesandt wird und somit das Anschließen an einen
Abgleichzweig 13 herbeiführt, welcher auf bekannte Weise
ein thermalisiertes Mikrobolometer 8 aufweist, das einen
Wärmewiderstand
von nahezu Null in bezug auf den Wärmewiderstand des Erfassungsmikrobolometers 2 aufweist. Dieses
Mikrobolometer 8 wird eine durch den Ausdruck "V-ABGLEICH" dargestellte Abgleichspannung angeschlossen.
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Dieser
Abgleichzweig 13 gibt einen elektrischen Strom ab, der
dazu bestimmt ist, von dem Erfassungsstrom subtrahiert zu werden,
der von dem mikrobolometrischen Detektor 2 stammt und dann von
der Leseschaltung (nicht dargestellt) verarbeitet wird, in welcher
der elektrische Strom von einem am Spaltenende befindlichen Strom-Spannungs-Wandler 11 in
eine Spannung umgewandelt wird.
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Außerdem und
erfindungsgemäß wird ebenfalls
ein jedem der Pixel eigener adaptiver Abgleich durchgeführt.
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Dieser
besteht im vorliegenden Fall aus einem programmierbaren Stromerzeuger 9,
der ebenfalls einen von dem Erfassungsstrom, der von dem bolometrischen
Detektor 2 stammt, subtraktiven Strom erzeugt und im Bereich
des Strom-Spannungs-Wandlers 11 integriert ist.
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Diese
programmierbare Stromquelle, auch Abgleich-DAC nach DAC "Digital Analog Convertor", das heißt "Digital-Analog-Wandler", genannt, verfügt über eine
Auflösung
von drei Bits, welche für
jedes Pixel in einem zugeordneten Speicher gespeichert sind.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung sind diese drei Bits im Bereich von jedem
der Pixel zugeordneten Speichern gespeichert, wie gut in 4 zu beobachten
ist.
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Diese
Speicher bestehen typischerweise aus einem Inverter des Typs statischer
RAM-Speicher.
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In
diesen Speichern sind drei höchstwertige Bits
gespeichert, welche repräsentativ
für die
Streuung des Ausgangssignals des Mikrobolometers 2 sind,
dem sie zugeordnet sind und auf folgende Weise ermittelt werden.
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Eine
Referenzszene wird der Pixelmatrix zugeführt, wobei die der Erfassungsschalttung
gelieferten Abgleichdaten vor der Integration so beschaffen sind,
daß kein
Abgleichstrom zugeführt
wird.
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Das
Lesen und die Analog-Digital-Wandlung des von diesem Bild abgegebenen
Videosignals erfolgen mittels eines Analog-Digital-Wandlers, und
die 3 höchstwertigen
Bits jedes Pixels werden in den jedem der Pixel zugeordneten internen
Speichern gespeichert.
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Die
Lesephase der Daten wird zwischen dem Ende der Integration einer
Zeile n und dem Anfang der Integration einer Zeile n + 1 ausgeführt.
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Die
Schaltungen in dem Pixel in Verbindung mit dem Lesen des Speichers
sind somit nicht mit der sensiblen Phase der Integration des Stroms
durch den Ladungs-Spannungs-Wandler am Spaltenende gekoppelt. Hierdurch
wird ermöglicht,
den Nachteil in Verbindung mit der Koexistenz analoger Vorrichtungen
mit Signalen mit schwacher Amplitude und schwachem Rauschen mit
digitalen Systemen mit Signalen mit starker Amplitude zu überwinden,
welche Störungen
erzeugen, die die Leistung der Schaltung einschränken. Die Erfindung überwindet
so diese Phänomene,
indem sie keine Schaltungen in dem digitalen Teil während der
sensiblen Phasen der Integration und der Verstärkung analoger Signale ausführt. Dies
erscheint außerdem
sehr deutlich bei der vergleichenden Analyse der Chronogramme der 2 (Stand
der Technik) und 7 (Erfindung): im Falle des
Standes der Technik und wie bereits erwähnt, findet nämlich das
Lesen der Daten der Zeile n während
der Integration der Zeile n – 1
statt, während
dieses im Rahmen der Erfindung zwischen den Phasen der Integration
der Zeile n – 1
und der Zeile n stattfindet. Der Gewinn in bezug auf die Leistung bei
Rauschen der Leseschaltung erweist sich so als bedeutend.
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Erfindungsgemäß ist der
interne Speicher, physisch im Bereich des Pixels eingesetzt, zeilen- und
spaltenweise durch die am Spaltenende befindlichen Schreib- und
Leseverstärkern
(Bezugszeichen 14 in 4) adressierbar.
Das Schaltbild der 5 ermöglicht es, die Organisation
in Zeilen und Spalten des erfindungsgemäßen Systems zu würdigen.
Die Speicherpunkte im Bereich der Pixel sind in der Zeile durch
das logische Signal SEL adressierbar, und die Daten werden über die
Lese- und Schreibverstärker, gesteuert
durch die Signale RD (Lesebefehl) bzw. WR (Schreibbefehl), am Spaltenende
geschrieben oder gelesen.
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Aus
der vorliegenden Erfindung ergeben sich die folgenden Vorteile:
Die
Integration des Abgleichspeichers in der Oberfläche des Pixels ermöglicht es
zunächst,
die Steuerungselektronik der Schaltung zu vereinfachen. Sie ermöglicht es
außerdem,
die Sicherheit gegen Störungen
des digitalen Teils der Schaltung in bezug auf den analogen Teil
zum Lesen und zur Aufbereitung des erfaßten elektromagnetischen und
insbesondere Infrarot-Signals zu verbessern.