DE68928628T2

DE68928628T2 - Vorrichtung zur Aufnahme thermischer Bilder

Info

Publication number: DE68928628T2
Application number: DE68928628T
Authority: DE
Inventors: Roger Voles
Original assignee: Pilkington Thorn Optronics Ltd
Current assignee: Thales Optronics Ltd
Priority date: 1988-12-13
Filing date: 1989-12-04
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2009-12-05
Also published as: GB8829035D0; DE68928628D1; ATE164703T1; EP0373807B1; EP0373807A3; US5036197A; EP0373807A2

Description

Diese Erfindung betrifft Wärmebildvorrichtungen und insbesondere Wärmebildvorrichtungen, umfassend eine Anordnung pyroelektrischer Detektorelemente, die auf Infrarotstrahlung ansprechen.
In unserer mitanhängigen Europäischen Patentanmeldung Nr. 89305496, die am 06.12.89 als EP-A-0 345 049 veröffentlicht wurde, ist eine Wärmebildvorrichtung offenbart, wie in Figur 1 der begleitenden Figuren dargestellt, wobei Figur 1(A) eine Draufsicht auf einen Teil einer Oberfläche der Vorrichtung zeigt, und Figur 1(B) einen Schnitt entlang der Linie A-A der Vorrichtung zeigt. Die Vorrichtung umfasst somit einen dünnen pyroelektrischen Film 1, wobei eine Anordnung von miteinander verbundenen Elektroden 2 auf einer Seite des Films ausgebildet ist, überzogen mit einer infrarot-absorbierenden Schicht 10. Eine Anordnung von diskreten Elektroden 3 ist auf der anderen Seite des Films 1 ausgebildet, wobei eine Anordnung von elektrisch leitenden Flecken in den Lücken zwischen den diskreten Elektroden 3 ausgebildet ist. Jeder Fleck 4 ist durch einen langen, schmalen elektrischen Leiter 5 mit einer jeweiligen diskreten Elektrode verbunden. Jeder Fleck 4 ist auch über eine jeweilige Säule oder Stütze 6 mit einem jeweiligen Eingang 7 einer Verarbeitungsschaltung 8 verbunden, die einen Pixelverstärker enthält und auf einem Substrat 9 ausgebildet ist, wobei die Stützen 6 auch dazu dienen, den Film 1 zu halten oder zu stützen. Andere Anordnungen von Elektroden auf einer pyroelektrischen Schicht und von tragenden Stützen sind ebenfalls vorgeschlagen worden.
Derartige Vorrichtungen leiden unter dem Nachteil, dass wenn die Detektoranordnung eine große Anzahl von Pixeln (z.B. 10&sup4; - 10&sup5;) aufweist, ein Multiplexieren der Ausgangsgrößen von den Pixelverstärkern vor ihrer Zufuhr zu einer getrennten Anzeigeeinheit teuer wäre und die Größe der Bildvorrichtung merklich vergrößern würde.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile abzumildern.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Wärmebildvorrichtung bereit, umfassend eine Anordnung von pyroelektrischen Detektorelementen, wie in Patentanspruch 1 beansprucht. Der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 basiert auf der EP-A-0 173 368.
Eine Wärmebildvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat somit den Vorteil einer Ausschaltung der Notwendigkeit von Multiplexier- und Demultiplexier-Vorrichtungen, die bei Wärmebildvorrichtungen des Standes der Technik erforderlich sind, sowie der Bereitstellung einer kompakten Konstruktion.
Das pyroelektrische Material in der Vorrichtung kann Material umfassen, das inhärent pyroelektrisch ist, oder Material, dessen pyroelektrische Eigenschaften induziert sind (z.B. durch eine geeignete Polung eines ferroelektrischen Materials).
Die Anzeigepixel können lichtemittierende Dioden (LEDs) umfassen. Die Schaltungseinrichtung umfasst zweckmäßigerweise integrierte Verstärker. Die Einrichtungen zum Übertragen von elektrischen Signalen verlaufen über jeweilige Elemente einer Anordnung von Stützen, die entweder elektrisch isolierend mit langgestreckten elektrisch leitenden Streifen entlang ihrer Länge oder elektrisch leitend sein knnen, wobei die Stützen auch die Anordnung von pyroelektrischen Detektorelementen halten.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren ausführlicher beschrieben, von denen:
Figur 1A und 1B die bereits beschriebene Anordnung zeigen,
Figur 2A eine Draufsicht auf einen Teil einer Oberfläche einer Detektoranordnung ist, die in eine erfindungsgemäße Wärmebildvorrichtung eingebaut ist;
Figur 2B ein Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 2A ist;
Figur 3 eine schematische Gesamtansicht der Wärmebildvorrichtung ist, welche die Anordnung aus Figur 2A und 2B enthält;
Figur 4A eine Draufsicht auf einen Teil einer Oberfläche einer in die Vorrichtung aus Figur 3 eingebauten alternativen Detektoranordnung ist;
Figur 4B ein Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 4A ist; und
Figur 5 eine Schnittansicht einer Abwandlung eines Teils der Vorrichtung aus Figur 3 ist.
Zuerst Bezug nehmend auf die Figuren 2A und 2B, in denen gleiche Komponenten, wie diejenigen, die in der Vorrichtung aus Figur 1 dargestellt sind, entsprechend gekennzeichnet sind, umfasst die Detektoranordnung der erfindungsgemäßen Wärmebildvorrichtung einen dünnen pyroelektrischen Film 1, zum Beispiel aus Polyvinylidenfluorid. Eine Anordnung von miteinander verbundenen Elektroden 2 ist auf einer Seite des Films ausgebildet, während auf der anderen Seite des Films eine Anordnung von diskreten Elektroden 3 ausgebildet ist. Die miteinander verbundenen Elektroden 2, der Film 1 und die diskreten Elektroden 3 definieren so eine Anordnung von Infrarotdetektor-Pixeln. Eine Anordnung von elektrisch leitenden Flecken 4 ist in den Lücken zwischen den diskreten Elektroden ausgebildet, wobei jeder Fleck durch einen langen, schmalen elektrischen Leiter 5 mit einer jeweiligen diskreten Elektrode verbunden ist. Jeder Fleck 4 ist auch über eine jeweilige Stütze 6 elektrisch mit einem jeweiligen Eingang 7 einer integrierten Verarbeitungsschaltung 8 verbunden, die auf einem Siliciumsubstrat 9 ausgebildet ist, wobei die Stützen 6 auch dazu dienen, den Film zu halten. Die Anordnung von miteinander verbundenen Elektroden 2 trägt eine infrarotabsorbierende Schicht 10.
So, wie bis hier beschrieben, ist die Anordnung allgemein wie bei der in den Figuren 1A und 1B dargestellten Anordnung. Die Anordnung aus den Figuren 2A und 2B unterscheidet sich jedoch insofern von derjenigen, die in den Figuren 1A und 1B dargestellt ist, als die integrierte Schaltung 8 auf der vom Film 1 entfernten Seite des Substrats 9 angeordnet ist. Der leitende Fleck 4 ist mit dem Eingang einer jeweiligen integrierten Schaltung 8 über einen dünnen, schmalen Leiter 32 verbunden, der entlang der Länge der jeweiligen isolierenden Stütze 6 verläuft, sowie über einen weiteren dünnen, schmalen Leiter 33, der sich entlang der zum Film 1 benachbarten Oberfläche des Substrats 9, durch eine Öffnung 34 im Substrat 9 erstreckt und am Eingang 7 einer jeweiligen integrierten Schaltung 8 endet. Jede Schaltung 8 ist so angeordnet, dass sie eine jeweilige lichtemittierende Diode (LED) 31 trägt und mit Strom versorgt.
Nunmehr auch Bezug nehmend auf Figur 3, wird beim Gebrauch der Vorrichtung ein Infrarot(IR)-Bild eines Schauplatzes 35 von einer Linse 36 auf die Oberfläche der Detektoranordnung fokussiert, welche die miteinander verbundenen Elektroden 2 und die darüberliegende infrarot-absorbierende Schicht 10 trägt. Die IR-Strahlung wird in regelmäßigen Zeitintervallen durch einen Zerhacker 37 unterbrochen. Eine sichtbare Darstellung des Schauplatzes 35 wird in Pixeln von den LEDs 31 erzeugt, wobei die Darstellung vom Auge 38 eines Beobachters über eine Linse 39 betrachtet werden kann. Es ist ersichtlich, dass indem man dafür sorgt, dass jedes Pixel 2, 1, 3 der Detektoranordnung über eine jeweilige integrierte Schaltung 8 mit einem jeweiligen Anzeigepixel 31 verbunden ist, die Verwendung von Multiplexier- und Demultiplexier-Vorrichtungen vermieden wird, womit der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht und Platz gespart wird.
Nunmehr Bezug nehmend auf die Figuren 4(A) und (B), ist die in diesen Figuren dargestellte Vorrichtung eine Abwandlung der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung, und somit sind entsprechende Merkmale entsprechend gekennzeichnet. Die Vorrichtung aus den Figuren 4(A) und (B) unterscheidet sich insofern von der Vorrichtung aus Figur 2, als sie dazu bestimmt ist, IR-Strahlung von der Substratseite 9 der Vorrichtung zu empfangen. Dementsprechend ist die infrarotabsorbierende Schicht statt wie zuvor auf den miteinander verbundenen Elektroden 2 auf den diskreten Elektroden 3 ausgebildet. Die IR-Strahlung tritt durch Öffnungen 41 im Substrat 9 hindurch und fällt auf die auf den diskreten Elektroden 3 ausgebildete infrarot-absorbierende Schicht 10. Die Stützen 5 sind hohl. Jeder Fleck 4 ist über einen dünnen, schmalen Leiter 42, der entlang der Länge der Stütze 6 verläuft, mit einem Eingang 7 einer jeweiligen Verarbeitungsschaltung 8 auf der Innenseite des Substrats 9 verbunden. Der Ausgang jeder Verarbeitungsschaltung 8 ist mit einer LED 43 auf der Innenseite des Substrats 9 und innerhalb der hohlen Stütze 6 verbunden. Licht von jeder LED scheint durch den pyroelektrischen Film 1 oder (falls notwendig) durch eine kleine Öffnung im pyroelektrischen Film hindurch.
Wenn das Substrat 9 ein infrarot-durchlässiges Material, wie beispielsweise Galliumarsenid, umfasst, sind die Öffnungen 41 in Figur 4 nicht notwendig, obwohl die den Öffnungen 41 entsprechenden Flächen des Substrats von jeglichen Verarbeitungsschaltungen oder anderen möglichen Hindernissen für die einfallende IR-Strahlung 1 freigehalten werden müssen. Bei dieser Anordnung ist die äußere Oberfläche des Substrats durchgehend, ohne Öffnungen oder abgeschiedene Materialien. Es wäre daher möglich, auf dieser Oberfläche eine elektrisch gesteuerte IR-Abdeckblende anzubringen, um den mechanischen Zerhacker 24 in Figur 2 zu ersetzen.
Die in Figur 5 dargestellte Anordnung beseitigt die Notwendigkeit für die in Figur 4 dargestellten Substratöffnungen 41, wobei die Infrarotstrahlung auf der Außenseite des pyroelektrischen Films empfangen wird, aus der die sichtbare Strahlung austritt. Ein dichroitischer Spiegel 51 läßt die ankommende Infrarotstrahlung durch, reflektiert jedoch die abgehende sichtbare Strahlung, wie dargestellt.
Bei einer Abwandlung der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Anordnungen brauchen die LEDs 43 nicht mit Öffnungen in den Mitten von Stützen 6 fluchten, sondern können an irgendeiner geeigneten Stelle auf dem Substrat 9 angebracht und (falls notwendig) mit Öffnungen im Film 1 ausgerichtet sein.
Die zuvor erwähnten Ausführungsformen sind mit Hilfe der Elektroden- und Stützenanordnungen aus Figur 1 veranschaulicht worden. Sie sind jedoch gleichfalls bei anderen Elektroden- und Stützenanordnungen anwendbar.
Statt einer Verwendung von LEDs, wie beispielsweise 31 und 43, könnten Flüssigkristallvorrichtungen (LCDs) verwendet werden; diese Vorrichtungen besitzen gegenüber LEDs den Vorteil, dass eine örtliche Wärmeerzeugung (die bei LEDs ein potentielles Problem darstellt) beseitigt wird.
Zweckmäßigerweise können die Verarbeitungsschaltungen 8 so konstruiert und ausgeführt sein, dass sie vor einer Zufuhr der Speisesignale zu den sichtbaren LED- oder LCD-Anzeigeelementen sowohl eine zeitliche und räumliche Verarbeitung durchführen.
Während die beispielhaft beschriebenen pyroelektrischen Detektoreinrichtungen einen dünnen pyroelektrischen Film, zum Beispiel aus Polyvinylidenfluorid, umfassen, ist ersichtlich, dass erfindungsgemäße Wärmebildvorrichtungen alternative pyroelektrische Materialien enthalten können, wie beispielsweise maschinell bearbeitete keramische pyroelektrische Tafeln, die selbsttragend sein können oder auf einer wärmeisolierenden Membran getragen werden können.

Claims

1. Wärmebildvorrichtung, umfassend eine Anordnung pyroelektrischer Detektorelemente, die von Elektroden (2, 3) gebildet werden, welche auf den entgegengesetzten Hauptoberflächen einer Schicht (1) aus pyroelektrischem Material ausgebildet sind, wobei sich die pyroelektrische Schicht (1) in einer Abstandsbeziehung über einem halbleitenden Substrat (9) erstreckt, das eine Mehrzahl von elektrischen Signalverarbeitungsschaltungen (8) trägt, und durch eine Mehrzahl von Stützen (6) in der besagten Abstandsbeziehung vom Substrat (9) gehalten wird, welche zusätzlich eine elektrische Verbindung zwischen den Detektorelementen und den elektrischen Schaltungen (8) liefern,

dadurch gekennzeichnet, dass:

a) beide Hauptoberflächen der pyroelektrischen Schicht (1) eine Mehrzahl diskreter Elektroden (2, 3) tragen, die zur Bildung der Detektorelemente zusammenwirken, wobei die jeweiligen Elektroden auf jeder Oberfläche der pyroelektrischen Schicht im Abstand angeordnet sind, um nicht mit Elektroden versehene Bereiche der Oberflächen frei zu lassen;

b) die diskreten Elektroden (2) auf der Oberfläche der pyroelektrischen Schicht, die von der Substratschicht (9) entfernt ist, elektrisch miteinander verbunden sind;

c) die Hauptoberfläche der pyroelektrischen Schicht (1), die der Substratschicht (9) benachbart ist, zusätzlich eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Flecken (4) trägt, die in einem nicht mit Elektroden versehenen Bereich der pyroelektrischen Schicht (1) ausgebildet und in seitlicher Richtung im Abstand von den Detektorelementen (2, 3) angeordnet sind, wobei jeder Fleck (4) jeweils durch einen langgestreckten Streifen (5) aus elektrisch leitendem Material mit einer Elektrode (3) auf derselben Hauptoberfläche elektrisch verbunden ist;

d) sich die Stützen (6) von den Flecken (4) bis zum Substrat (9) erstrecken, und

e) jede elektrische Signalverarbeitungsschaltung (8) frei von Multiplexier- und Demultiplexier-Vorrichtungen ist und ihre Ausgangsgröße an ein optisches Anzeigepixel (31) abgibt, das auf demselben Substrat (9) wie die Signalverarbeitungsschaltung (8) angebracht ist, wodurch jedes Anzeigepixel (31) eine sichtbare Ausgangsgröße liefert, die dem Infrarotsignal entspricht, das von dem Detektorelement, mit dem es verbunden ist, erfasst wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Anzeigepixel lichtemittierende Dioden (31) umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Anzeigepixel Flüssigkristallvorrichtungen umfassen.

4. Vorrichtung nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, bei welcher die Anordnung pyroelektrischer Detektorelemente (1, 2, 3) benachbart zu einer ersten Hauptoberfläche des Substrats (9) angeordnet ist, und die Anzeigepixel (31) auf der entgegengesetzten Hauptoberfläche des Substrats (9) getragen werden.

5. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Anordnung pyroelektrischer Detektorelemente (1, 2, 3) benachbart zu einer ersten Hauptoberfläche des Substrats (9) angeordnet ist, und die Anzeigepixel (31) auf dieser Oberfläche des Substrats (9) getragen werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher das Substrat (9) mindestens Bereiche enthält, die infrarot-durchlässig sind, wobei dafür gesorgt ist, dass einfallende Infrarotstrahlung auf diejenige Hauptoberfläche des Substrats (9) gelenkt wird, die zu der die Anzeigepixel (43) tragenden Hauptoberfläche entgegengesetzt ist, so dass sie nach einem Hindurchtritt durch die infrarot-durchlässigen Bereiche des Substrats (9) auf die Detektorelemente (1, 2, 3) einfällt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher ein dichroitischer Spiegel (51) zwischen der Quelle einfallender Infrarotstrahlung und der Anordnung pyroelektrischer Detektorelemente (1, 2, 3) angeordnet ist, wobei der Spiegel (51) wirksam ist, um einfallende Infrarotstrahlung auf die Anordnung pyroelektrischer Detektorelemente (1, 2, 3) zu lenken, und um sichtbares Licht von der Anordnung von Anzeigepixeln (43) in Richtung eines Detektors zu lenken.