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Die Erfindung betrifft Wärmebilddetektoren,
insbesondere pyroelektrische Detektoren, die ein Bild einer
Szene in Infrarotlicht erzeugen sollen, und vor allem
Detektoren, die bei Umgebungstemperatur arbeiten.
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Pyroelektrische Detektoren arbeiten folgendermaßen:
Sie absorbieren die Infrarotstrahlung, um eine
pyroelektrische Schicht zu erwärmen, d.h. eine Schicht, die die
Eigenschaft hat, Oberflächenladungen in Abhängigkeit von der
Temperatur zu erzeugen. Die erzeugten Ladungen, die in
elektrische Spannung umgewandelt werden, werden verarbeitet,
um eine Messung der Intensität der vom Detektor empfangenen
Infrarotstrahlung zu liefern. Andere Arten von
Infrarotbilddetektoren beruhen auf anderen wirkungen als der
pyroelektrischen Wirkung, aber auch sie bewirken die Erwärmung einer
Schicht. Sie werden von der Erfindung betroffen, aber die
Erfindung wird nur in Bezug auf einen pyroelektrischen
Detektor beschrieben.
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Der Detektor kann punktförmig sein oder eine Spalte
von pyroempfindlichen Punkten aufweisen, um ein lineares
Infrarotbild zu erzeugen, oder auch ein Matrixnetz von
Punkten, um ein zweidimensionales Bild zu erzeugen; dieses
Bild kann insbesondere ein Bild der Temperaturverteilungen
einer beobachteten Szene sein.
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Es gibt hybride Detektoren, die zwei Substrate
verwenden, nämlich ein Substrat, das die pyroelektrische
Funktion gewährleistet, und ein Substrat, das die
Signalverarbeitungsfunktionen gewährleistet. Die beiden Substrate
sind aufeinander geklebt, um jeden pyroempfindlichen Punkt
des ersten Substrats mit einem Punkt des zweiten Substrats
zu verbinden.
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Vor kurzem wurden auch monolithische Detektoren
vorgeschlagen, die aus einem Substrat einer integrierten
Schaltung und einer Deckschicht aus einem pyroelektrischen
Material bestehen, das in einer dünnen Schicht aufgebracht
werden kann (pyroelektrisches Polymermaterial). Das Substrat
trägt die für die Verarbeitung des erzeugten
pyroelektrischen Signals notwendigen Schaltelemente.
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Da das pyroelektrische Material proportional zu
seiner Erwärmung Ladungen erzeugt und da diese Erwärmung ein
Integral der empfangenen Strahlungsintensität ist, muß der
pyroelektrische Detektor differential und nicht absolut
arbeiten, insbesondere wenn man unbewegte Szenen beobachten
will. Eine konstante Strahlungsstärke, die die Leuchtdichte
eines Punkts darstellt, erzeugt nämlich eine progressive
Erwärmung des Materials, bis zu einem Sättigungswert, der es
nicht mehr erlaubt, daraus die empfangene
Strahlungsintensität abzuleiten. Andererseits würde eine absolute
Temperaturmessung zu sehr von den Veränderungen der
Umgebungstemperatur des Detektors abhängen und wäre nicht ausreichen
repräsentativ für die Temperaturverteilung der beobachteten
Szene.
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Daher sieht man vor, daß der Detektor abwechselnd
belichtet, d.h. der Infrarotstrahlung ausgesetzt, und
verdeckt wird. Die Periode der Wechselfolge Belichtung -
Verdeckung muß ausreichend lang sein, damit das pyroelektrische
Material die Zeit hat, sich während der Belichtung zu
erwärmen und sich während der Verdeckung abzukühlen. Die Periode
beträgt z.B. 50 Hz (10 Millisekunden Belichtung und 10
Millisekunden Verdeckung). Was dann gemessen wird, ist nicht
die mittlere Erwärmung, sondern die Amplitude der
Veränderung der Erwärmung während der Wechselfolge. Diese Amplitude
ist aber repräsentativ für die empfangene
Strahlungsintensität, also sehr viel besser als die mittlere Erwärmung, die
zu sehr von anderen Parametern abhängt.
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Die Kurve der Figur 1 zeigt die Entwicklung der
Temperatur der pyroelektrischen Schicht, wenn die Belichtung
so abgewechselt wird. Die Kurve zeigt direkt die
zeitabhängige Spannung, wobei die angezeigte Spannung eine fiktive
Spannung ist, die ein Ausgangssignal des Detektors darstellt
und als proportional zur Erwärmung des pyroelektrischen
Materials angenommen wird.
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Die Temperatur steigt am Anfang einer
Belichtungsphase an und nähert sich einem oberen Sättigungswert an, der
nicht nur von der empfangenen Infrarotlichtstärke, sondern
auch von den Wärmeverlusten der pyroelektrischen Schicht
abhängt. Dann sinkt sie vom Beginn der Verdeckungsphase an
ab und nähert sich auch einem unteren Sättigungswert an, und
zwar mit einer Geschwindigkeit, die ebenfalls von den
Wärmeverlusten abhängt. Der Unterschied zwischen der Spannung am
Ende der Belichtungsphase und der Spannung am Ende der
Verdeckungsphase ist eine guter Meßwert für die empfangene
Infrarotstrahlungsintensität.
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Die Erfassung besteht dann grob darin, eine
Signaltastprobe VSH am Ende einer Belichtungsphase und eine
Signaltastprobe VSB am Ende einer Verdeckungsphase zu messen
und die Differenz VSH-VSB zu berechnen, um daraus einen
empfangenen Infrarotlichtstärkewert abzuleiten.
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Es ist klar, daß die Periode der Wechselfolge
Belichtung/Verdeckung so gewählt werden muß, daß die
pyroelektrische Schicht die Zeit hat, sich in jeder Phase zu
erwärmen und abzukühlen, damit die erzeugten Ladungsveränderungen
eine ausreichende Amplitude aufweisen. Wenn die Dauer jeder
Phase zu kurz ist, ist das Signal-Rausch-Verhältnis zu
gering, wobei das hier betrachtete Rauschen ein von der
Phasendauer unabhängiges Rauschen ist. Wenn sie zu lang ist,
wird die Pegelverstärkung des Signals nicht mehr verbessert
aufgrund der Sättigung der Signalkurve (siehe Figur 1). Aus
Gründen der Kompatibilität mit klassischen Bildsystemen
möchte man außerdem eine Abbildung mit einer Frequenz von
zwischen 25 und 60 Hz erhalten.
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Aus diesen Gründen muß man meist den Verschluß mit
einer Frequenz arbeiten lassen, die genau der
Bild-Ausgangsfrequenz entspricht (25, 30, 50 oder 60 Hertz), bei der der
erhaltene Signalpegel ausreichend ist, ohne dem
Sättigungsgrad zu nahe zu liegen.
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Es wurde jedoch festgestellt, daß manche Strukturen
von pyroelektrischen Detektoren gegen ein Rauschen
empfindlich sind, dessen Amplitude proportional zur
Integrationsdauer ist. Ohne alle Fälle aufzuzählen, bei denen dies
möglich ist, kann man als Beispiel sagen, daß es der Fall
ist bei einer Struktur eines monolithischen Detektors, bei
der jeder Bildpunkt von einer pyroelektrischen Kapazität
definiert wird und bei der die Kapazität mit einem
Halbleitersubstrat über eine in Sperrichtung vorgespannte Diode
verbunden ist. Die natürliche Wärmeerzeugung von
Ladungsträgern in dieser Diode stört die vom beobachteten Bild
erzeugte pyroelektrische Ladung. Diese Störung ist
proportional zur Dauer jeder Phase, wobei eine Rückführung auf den
Pegel des Potentials der Kapazität am Ende jeder Phase
durchgeführt wird, um eine permanente Drift zu vermeiden.
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Dieses Rauschen kann für die oben erwähnten
Phasendauern nicht vernachlässigbar sein.
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Die Erfindung schlägt ein Mittel vor, um das Signal-
Rausch-Verhältnis von Wärmedetektoren zu verbessern.
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Es ist z.B. anzumerken, daß im Stand der Technik
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RADIO FERNSEHEN ELEKTRONIK, Vol 39, No 4, BERLIN;
Deutschland, Seiten 128-221, Blaschke, Gutschwager, Kienitz
"Infrarot-Zeilenkamera mit pyroelektrischem Zeilensensor"
ein pyroelektrischer Bilddetektor bekannt ist, der
mindestens eine Spalte von pyroempfindlichen Punkten, die je mit
einer Stufe eines Schieberegisters verbunden sind, um in
diese Ladungen einer Menge entsprechend der
Veränderungsamplitude der Erwärmung zu leiten, einen Verschluß, ein
Mittel, um zyklisch ein Meßsignal eines während einer
Belichtungsphase beleuchteten Punkts zu liefern, und Mittel
aufweist, um durch die Bildung der Differenz zwischen den
Meßsignalen ein Signal betreffend die Amplitude der
Erwärmungsveränderung zu erzeugen.
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EP-A-0 435 773 einen Wärmebilddetektor mit einer
lichtempfindlichen Schicht und integrierten
Abtastschaltungen beschreibt, der unter anderen ein Schieberegister
aufweist, um die Lesesignale (TDI) zu addieren und zu
verzögern. Zwischen den verschiedenen Schritten dieses Verfahrens
werden die Lesesignale auch in dem Register vorwärts- und
rückwärtsgeschoben.
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Erfindungsgemäß wird ein Wärmebilddetektor
vorgeschlagen, der mindestens eine Spalte von pyroempfindlichen
Punkten, die je mit einer Stufe eines Schieberegisters
verbunden sind, um in dieses Ladungen zu leiten, deren Menge
von der Temperatur jedes Punkts abhängt, wobei die Anzahl
der Stufen des Registers größer ist als die Anzahl von
pyroempfindlichen Punkten der Spalte, einen Verschluß zum
abwechselnden Belichten und Verdecken des Detektors, und ein
Mittel enthält, um dem Register zyklisch mindestens ein
Meßsignal eines belichteten Punkts während einer
Belichtungsphase und mindestens ein Meßsignal des verdeckten
Punkts während einer Verdeckungsphase zu liefern, dadurch
gekennzeichnet, daß nicht mit den pyroempfindlichen Punkten
verbundene Registerstufen zwischen die mit den
pyroempfindlichen Punkten verbundenen Registerstufen geschoben sind und
daß ein Mittel, um den Inhalt des Registers zwischen dem
Einleiten von Meßwerten eines Zyklus, der mindestens eine
Belichtungsphase und eine Verdeckungsphase aufweist, um
einen Schritt vorwärtszubewegen, ein Mittel, um den Inhalt
des Registers vor dem Einleiten der Meßwerte des folgenden
Zyklus um eine Anzahl von Schritten nach rückwärts zu
verschieben, die der Anzahl der Vorwärtsschritte im vorherge
henden Zyklus entspricht, und um den Inhalt des Registers
von neuem um einen Schritt vorrücken zu lassen vor der
Einleitung der Meßwerte dieses folgenden Zyklus, und Mittel
vorgesehen sind, um das Register nach der Ausführung einer
Gruppe von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Zyklen zu
leeren, um ein Bildsignal zu liefern.
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Die Erfindung schlägt auch ein Betriebsverfahren
eines Wärmebilddetektors nach Anspruch 2 vor. Das Verfahren
besteht also darin,
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a) Messungen während eines ersten Zyklus
durchzuführen, der eine Wechselfolge von Belichtungs- und
Verdeckungsphasen aufweist, und die Meßwerte in aufeinanderfolgende
Stufen eines Schieberegisters einzuschreiben, indem das
Register nach dem Einschreiben eines Meßwerts und vor dem
Einschreiben des folgenden Meßwerts dieses Zyklus um einen
Schritt vorgerückt wird,
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b) den Inhalt des Registers um eine Anzahl von
Schritten nach rückwärts zu verschieben, die mit der Anzahl
von Vorwärtsschritten in diesem Zyklus verknüpft ist (im
allgemeinen ist die Anzahl der Rückwärtsschritte gleich der
der Vorwärtsschritte),
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c) Messungen während eines zweiten Zyklus
durchzuführen, der eine Wechselfolge von Belichtungs- und
Verdeckungsphasen aufweist, die Meßwerte in die Stufen des
Schieberegisters einzuschreiben, indem von neuem das
Register nach dem Einschreiben eines Meßwerts und vor dem
Einschreiben des nächsten Meßwerts im gleichen Zyklus um einen
Schritt vorwärtsbewegt wird,
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d) und schließlich das Register ganz zu entleeren, um
ein Bildsignal nach der Durchführung mindestens zweier
aufeinanderfolgender Zyklen zu liefern.
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Die Gruppe der Schritte b) und c) kann mehrmals
wiederholt werden, was heißt, daß das Register erst nach
einer Reihe von drei, vier oder mehr Zyklen geleert wird.
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Der Signalpegel wird durch die aufeinanderfolgende
Addition von Meßwerten in den gleichen Fächern des
Schieberegisters erhöht. Man kann die Betriebsgeschwindigkeit des
Verschlusses (und somit die Periodizität der durchgeführten
Messungen) vervielfachen. Die Ausgangssignal des endgültigen
Bildsignals kann jedoch konstant bleiben (50 Hz zum Beispiel
für eine Periodizität des Verschlusses von 100 Hz oder sogar
150 oder 200 Hz). Das Rauschen proportional zur Dauer der
Belichtungs- und Verdeckungsphasen wird sehr stark
verringert, da diese Dauer durch 2, 3 oder 4 geteilt wird.
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In der Praxis gibt man sich nicht mit einer Messung
während einer Phase zufrieden, sondern führt eher eine
Messung am Anfang der Phase, z.B. nach einem Schritt einer
Pegelrücksetzung, und eine Messung am Ende der Phase durch.
In diesem Fall rückt das Register während eines Zyklus um
drei Schritte vor und muß vor dem nächsten Zyklus um drei
Schritte zurückrücken.
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Das Ausgangssignal des Detektors wird ausgehend von
einer doppelten Differenz erstellt: Ein erstes
Differentialsignal stellt die Differenz zwischen den am Anfang und am
Ende der Belichtungsphase durchgeführten Messungen dar, die
vom Register während mindestens zwei aufeinanderfolgenden
Zyklen kumuliert werden; ein zweites Differentialsignal
stellt die Differenz zwischen den am Anfang und am Ende der
Verdeckungsphase durchgeführten und ebenfalls über zwei
Zyklen kumulierten Messungen dar. Ein Ergebnissignal wird
aus der Differenz zwischen den beiden Differentialsignalen
gebildet. Dieses Signal stellt die Temperatur oder die
Infrarot-Emissionsintensität eines Punkts einer projizierten
und auf den Detektor fokussierten Szene dar.
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Die Erfindung kann insbesondere bei monolithischen
Detektoren angewendet werden, bei denen die durch
pyroelektrische Wirkung erzeugten Ladungen dazu dienen, den Pegel
einer Potentialschwelle in einer Ladungstransfervorrichtung
zu steuern, bei denen aber eine Diode zwischen dem Substrat
dieser Vorrichtung und der Kapazität vorgesehen ist.
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Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus
der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden
Zeichnungen hervor.
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Die bereits beschriebene Figur 1 zeigt ein
Zeitdiagramm, das den Verlauf der in der pyroelektrischen Schicht
eines Detektors mit Verschluß erzeugten
Temperaturveränderungen
erklärt.
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Figur 2 zeigt die allgemeine Struktur eines
monolithischen pyroelektrischen Detektors, der
Verarbeitungsvorrichtungen mit Ladungstransfer aufweist.
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Figur 3 zeigt den Verlauf der Spannungsveränderungen
an den Klemmen der pyroelektrischen Kapazität in einem
Detektor mit periodischer Pegelrücksetzung.
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Figur 4 zeigt die Organisation des Detektors mit
pyroelektrischen Kapazitäten und Mitteln zur Injektion in
ein Ladungstransferregister.
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Die Figuren 5 bis 8 zeigen die aufeinanderfolgenden
Schritte des Betriebs des Schieberegisters.
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Um die Konstruktion und den Betrieb eines
pyroelektrischen monolithischen Matrixdetektors zu verstehen, wird
auf die Patentanmeldung FR 90/15476 der Anmelderin Bezug
genommen. Wie in Figur 2 gezeigt, enthält der Detektor
allgemein ein monolithisches Siliziumsubstrat 10, in dem
eine integrierte Schaltung ausgebildet ist, die
hauptsächlich Ladungstransfervorrichtungen und die zugehörigen
Steuerschaltungen enthält. Die Ladungstransfervorrichtungen sind
hauptsächlich Schieberegister mit Ladungstransfer in
parallelen Spalten, mit Mitteln, um in die Fächer dieses
Registers Ladungen einzuleiten, deren Menge mit der
Infrarotbelichtung in Verbindung steht, die man messen möchte, d.h.
die im allgemeinen mit der Temperatur jedes Punkts des
beobachteten Infrarotbilds in Verbindung steht. Die
Steuerschaltungen sind Schaltungen, die erst die Injektion von
Ladungen in die Register, dann die periodischen
Verschiebungen von Ladungspaketen entlang der Register und schließlich
das Auslesen dieser Ladungen, d.h. die Umkehrung der
Ladungspakete in elektrische Spannungen ermöglichen. Das
Halbleitersubstrat ist mit einer elektrischen und
thermischen Isolierung 12 bedeckt, z.B. aus Polyimid. Diese
Isolierung besitzt örtlich Löcher, die man mit leitendem
Material füllt, um leitende Wege 14 zwischen der Ober- und der
Unterseite der wärmeisolierenden Schicht zu bilden.
Unterhalb dieser Schicht stehen die Wege je mit einem Leiter 16
der unten anliegenden integrierten Schaltung in Kontakt.
Über der wärmeisolierenden Schicht 12 sind einzelne
Rechteckelektroden 18 in einem Matrixnetz angeordnet, das den
größten Teil der Oberfläche des Detektors bedeckt. Jede
Elektrode 18 definiert einen zu beobachtenden Bildpunkt und
ist mit einem leitenden Weg 14 verbunden, d.h. mit einem
Leiter 16 des Halbleitersubstrats. Über der wärmeisolieren
den Schicht und den mit der integrierten Schaltung
verbundenen Elektroden ist eine pyroelektrische Deckschicht 20,
vorzugsweise eine Schicht aus pyroelektrischem
Polymermaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit, vorgesehen.
Schließlich sind eine leitende Schicht 22 auf die Oberfläche der
pyroelektrischen Schicht und eine Schicht 24 aufgebracht,
die die Infrarotstrahlung im gewünschten Wellenlängenbereich
absorbiert (im allgemeinen 8 bis 14 Mikrometer). Die
Schichten 22 und 24 können eine gemeinsame Schicht bilden.
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Jede Elektrode definiert mit dem sie bedeckenden
Abschnitt der pyroelektrischen Schicht eine pyroelektrische
Kapazität CP mit einer eigenen unteren Platte 18 und einer
kollektiven oberen Platte 22; diese Kapazität lädt sich in
Abhängigkeit von ihrer Temperatur auf und ist mit der
darunterliegenden integrierten Schaltung verbunden, um in der
integrierten Schaltung ein elektrisches Signal aufgrund
dieser Ladung zu erzeugen.
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Die darunterliegende integrierte Schaltung ist eine
Ladungstransferschaltung, die durch nebeneinanderliegende
Elektroden 26, im allgemeinen aus polykristallinem Silizium,
symbolisch dargestellt wird. Diese Elektroden sind durch
eine dünne isolierende Schicht 28 gegen das
Halbleitersubstrat 10 isoliert, in dem elektrische Ladungen fließen. Der
Leiter 16, der mit dem leitenden Weg 14 einer Kapazität
verbunden ist, kann elektrisch mit einer dieser Elektroden
verbunden sein, die in Figur 2 mit 30 bezeichnet ist. Diese
Elektrode wirkt als Potentialbarriere variabler Höhe für die
im Substrat fließenden Ladungen, so daß man Ladungspakete
abhängig von der Ladung jeder pyroelektrischen Kapazität
modulieren kann. Die modulierten Ladungen werden in
Schieberegister verschoben, die dann diese Ladungen parallel zu den
Spalten der Kapazitäten des Netzes verschieben, d.h. in
einer Richtung senkrecht zur Ebene der Figur 2.
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Auch wenn dies in Figur 2 nicht zu sehen ist, ist der
mit der unteren Platte 18 der Kapazität verbundene Leiter 16
vorzugsweise mit einer diffundierten Zone vom Typ N+
verbunden, die mit dem Substrat eine im normalen Betrieb in
Sperrichtung vorgespannte PN-Verbindung bildet (Diode D1 in
Figur 4). Da diese Diode ein Ladungsrauschen durch
Wärmewirkung erzeugt, ist außerdem ein Transistor T1 (Figur 4) zur
periodischen Pegelrücksetzung der Spannung der Platte 18
vorgesehen. Die Pegelrücksetzung erfolgt synchron mit dem
Betrieb des Verschlusses. Nähere Einzelheiten dazu sind dem
erwähnten Patent FR 90 15476 zu entnehmen.
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In anderen Ausführungsformen mit Ladungstransfer sind
die pyroelektrischen Kapazitäten direkt mit dem Substrat für
eine direkte Injektion von pyroelektrischen Ladungen in den
Halbleiter verbunden. In anderen Anwendungsformen, die keine
Ladungstransfervorrichtungen verwenden, sind die
pyroelektrischen Kapazitäten mit Schaltungen zur direkten Messung
der Spannung an den Klemmen dieser Kapazitäten verbunden.
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Der so hergestellte Detektor wird im allgemeinen
hinter einer Optik angeordnet, die an der Oberfläche des
Detektors ein Infrarotbild einer beobachteten Szene erzeugt.
Eine Germaniumlinse ist für die Wellenlängen der
Größenordnung von 10 Mikrometern geeignet. Ein periodisch
betätigter Verschluß ist zwischen der zu beobachtenden Szene und
dem Detektor angeordnet, im Prinzip zwischen der Linse und
dem Detektor.
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Die absorbierende Schicht empfängt die
Infrarotstrahlung mit einer Intensität, die örtlich von der
beobachteten
Szene abhängt. Sie wärmt sich also örtlich gemäß einem
Temperaturenmotiv auf, das dem beobachteten Bild entspricht.
Die pyroelektrischen Kapazitäten erwärmen sich folglich in
Abhängigkeit von diesem Bild und definieren Bildpunkte, die
mit einer durch die Anzahl der Kapazitäten des Matrixnetzes
definierten Auflösung das Temperaturmotiv der absorbierenden
Schicht reproduzieren.
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Jede Kapazität erzeugt Oberflächenladungen in
Abhängigkeit von ihrer eigenen mittleren Temperatur, so daß zu
einem bestimmten Zeitpunkt eine gegebene Kapazität eine
Eigenladung aufweist, die in diesem Punkt und zu diesem
Zeitpunkt den Einfluß der vom Detektor empfangenen
Infrarotstrahlung darstellt.
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Wie weiter oben erklärt, erfordert die Erfassung
eines Infrarotbilds die Durchführung einer
Differentialmessung zwischen der bei der Belichtung gebildeten Ladung und
der im Dunkeln gebildeten Ladung. Der vor dem Detektor
angeordnete Verschluß ermöglicht diese Differentialmessung.
Der Verschluß kann mechanisch (lichtundurchlässige Lamelle,
die periodisch vor dem Detektor vorbeiläuft) oder
elektrooptisch sein (Flüssigkristallzelle).
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Man kann annehmen, daß die in einer pyroelektrischen
Kapazität erzeugte pyroelektrische Ladung von einer Spannung
dargestellt wird, daß diese Spannung entweder direkt an den
Klemmen der Kapazität gemessen wird oder eine von dieser
abgeleitete Spannung ist, oder daß die Spannung das Ergebnis
der Umkehrung eines Pakets pyroelektrischer Ladungen ist,
die von der Kapazität in das Substrat injiziert wurden, oder
aber daß die Spannung das Ergebnis der Umkehr eines
Ladungspakets ist, das von der Spannung an den Klemmen der
pyroelektrischen Kapazität moduliert wird. In jedem Fall
entspricht das Verhalten der die pyroelektrische Ladung
darstellenden Spannung dem anhand von Figur 1 erklärten.
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Das Meßprinzip für einen pyroempfindlichen Punkt
besteht dann darin, die Spannung VSB am Ende einer
Verdekkungsphase
und dann die Spannung VSH am Ende einer
Belichtungsphase zu bestimmen; man bildet die Differenz VSH-VSB,
die ein Signal ist, die die Infrarotstrahlung dieses Punkts
darstellt. Man verbessert die Qualität der Messung, und
insbesondere das Signal-Rausch-Verhältnis, indem zwei
aufeinanderfolgende Messungen für den gleichen Verdeckungs- und
Belichtungszyklus durchgeführt werden. Man mißt die zwischen
dem Anfang und dem Ende der Belichtungsphase erzeugte
Spannungsdifferenz und dann die Spannungsdifferenz zwischen dem
Anfang der Verdeckungsphase und dem Ende der
Verdeckungsphase. Schließlich ermittelt man die Differenz zwischen
diesen beiden Werten.
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Dieses Prinzip wird insbesondere in dem Fall
angewendet, wenn die Spannung der unteren Platte der
pyroelektrischen Kapazität am Ende jeder Phase rückgestellt wird (um
die Drifts zu vermeiden, die z.B. auf die thermische
Erzeugung von Ladungsträgern in der Diode D1 zurückzuführen sind,
die zwischen der pyroelektrischen Kapazität und dem Substrat
angeordnet ist und zur ursprünglichen Vorspannung des
pyroelektrischen Materials dient: siehe die oben erwähnte
Patentanmeldung FR 90 15476). In diesem Fall ist die Entwicklung
der Spannung an den Klemmen der pyroelektrischen Kapazität
in etwa die der Figur 3. Die Temperaturmessung eines Punkts
besteht dann darin, die zwischen dem Anfang und dem Ende der
Belichtungsphase und vorzugsweise auch die zwischen dem
Anfang und dem Ende der Verdeckungsphase erzeugte
Spannungsdifferenz und vorzugsweise auch die Differenz zwischen
diesen beiden Messungen zu bestimmen. Zum Beispiel mißt man
die Spannung VDE1 am Anfang der Belichtungsphase, direkt
nach einer Spannungsrücksetzung (RAZ); dann mißt man die
Spannung VFE1 am Ende der Belichtungsphase; dann führt man
eine Rücksetzung durch; man mißt die Spannung VDM1 am Anfang
der Verdeckungsphase direkt nach dieser Rücksetzung und die
Spannung VFM1 am Ende der Verdeckungsphase, man führt dann
eine neue Spannungsrücksetzung durch usw. Das Nutzsignal
wird durch die Differenz VFE1-VDE1 oder VFM1-VDM1 oder noch
besser durch (VFE1-VDE1)-(VFM1-VDM1) erhalten.
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Im folgenden Zyklus werden die gleichen Messungen
durchgeführt:
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Zyklus 2: VDE2, VFE2, VDM2, VFM2
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Zyklus 3: VDE3, VFE3, VDM3, VFM3.
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Die Spannungsrücksetzungen (RAZ) werden synchron mit
den Phasenänderungen des Verschlusses durchgeführt.
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Das Zeitintervall, das die Messung und die
Rücksetzung trennt, ist sehr gering im Vergleich zur Phasendauer,
zum Beispiel einige Mikrosekunden zwischen einer Messung und
einer Rücksetzung für eine Belichtungs- oder
Verdeckungsphase, die 3 Millisekunden dauert.
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Die vier einem Zyklus entsprechenden Messungen können
in vier benachbarten Fächern eines Schieberegisters
gespeichert werden.
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Figur 4 zeigt schematisch die Organisation des
Schieberegisters Rd, das einer Spalte von pyroelektrischen
Kapazitäten CP zugeordnet ist. Die Anzahl der Fächer des
Registers ist viermal so groß wie die Anzahl von
Kapazitäten. Die unteren Platten der Kapazitäten werden regelmäßig
von den Transistoren T1 auf den Pegel zurückgesetzt, die mit
einer Rücksetzungs-Spannungsquelle VDR verbunden sind. Ein
Ladungsinjektor INJ, der vom Potential der pyroelektrischen
Kapazität gesteuert wird, wird gleichzeitig für alle
Kapazitäten aktiviert. Der Injektor injiziert in das Register
Ladungen in einer Menge proportional zu den Meßsignalen
VDE1, VFE1 usw. Der Registerinhalt wird synchron mit den
verschiedenen Messungen, d.h. mit den verschiedenen
Injektionszeitpunkten verschoben. Die Diode D1 zwischen der
Kapazität und dem Substrat wird verwendet zur ursprünglichen
Vorspannung der pyroelektrischen Sicht, die die Neigung hat,
bei Normalbetrieb störendes Rauschen zu erzeugen.
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Vier Injektionsoperationen folgen aufeinander in
jedem Zyklus: Injektion eines die Größe VDE1 darstellenden
Signals, Verschiebung des Registers um ein Fach, Injektion
eines der Größe VFE1 entsprechenden Signals,
Pegelrücksetzung und Verschiebung des Registers um ein Fach, Injektion
von VDM1, Verschiebung um ein Fach, Injektion von VFM1,
Pegelrücksetzung.
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Beim Stand der Technik leert man nach dem Ende eines
Zyklus spaltenweise, um ein Bildsignal zu erhalten
(üblicherweise wird das letzte Fach jedes Registers spaltenweise
in ein entsprechendes Fach eines horizontalen Registers RH
entleert. Diese Operation wird viermal wiederholt. Dann wird
das horizontale Register sehr schnell nach jeder Serie von
vier Spaltenverschiebungen der Register entleert).
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Gemäß dem Stand der Technik sind nämlich die Zyklen
leicht in Bezug auf die obige Beschreibung verschoben: um
die Zeit zu haben, das Register während der ersten Phase des
folgenden Zyklus zu leeren, ohne die Messungen dieses
folgenden Zyklus zu verlieren, speichert man die folgenden
Messungen:
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Zyklus 1: VFE1, VDM1, VFM1, VDE2
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Zyklus 2: VFE2, VDM2, VFM2, VDE3 usw.
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Erfindungsgemäß erhöht man die Betriebsfrequenz des
Verschlusses und reduziert so die Dauer jeder Phase, wobei
Bildsignale weiter mit der gleichen Periodizität ausgegeben
werden.
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Während eines ersten Zyklus, der eine Wechselfolge
von Verdeckungs- und Belichtungsphasen enthält, leitet man
nacheinander in das Register RD durch den Injektor INJ die
Meßwerte ein, die während dieses Zyklus erhalten wurden. In
der einfachsten Version beginnt der Zyklus am Ende der
Belichtungsphase und endet am Ende der darauffolgenden
Verdeckungsphase, und man speichert während dieses Zyklus
nacheinander die Messungen VDE1, VFE1, VDM1, VFM1, indem der
Inhalt des Registers nach jeder Messung um einen Schritt
vorwärtsbewegt wird, insgesamt um drei Schritte. Figur 5
zeigt das daraus entstehende progressive Füllen des
Registers.
Nur vier Fächer des Registers werden berücksichtigt,
da die vier folgenden oder vorausgehenden Fächer nicht dem
gleichen Bildpunkt, sondern benachbarten Punkten der
gleichen Spalte entsprechen.
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Es ist anzumerken, daß der Zyklus kurz vor dem Ende
einer Belichtungs- oder Verdeckungsphase beginnen könnte,
z.B. kurz vor dem Einleiten der Größe VFE1. In diesem Fall
würde der Zyklus (wie auch die folgenden Zyklen) die
folgende Wechselfolge enthalten:
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Ende der Belichtungsphase, vollständige
Verdeckungsphase, und der größte Teil einer neuen Belichtungsphase.
Dieser Fall ist in Figur 6 dargestellt.
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Nach dem Ende des ersten Zyklus verschiebt man
schnell den Inhalt des Registers RD um drei Schritte
rückwärts vor dem Einleiten der dem folgenden Zyklus
entsprechenden Meßwerte. Wenn man nicht über genügend Zeit verfügt,
um den Inhalt des Registers zwischen dem Einleiten von VFM1
und dem von VDE2 um drei Schritte rückwärts zu verschieben,
wählt man besser die Zyklusstruktur der Figur 6 als die der
Figur 5.
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Der Inhalt des Registers während dieser
Rückwärtsschiebephase ist in Figur 7 dargestellt. Der ursprüngliche
Inhalt ist der, der der letzten Phase der Figur 5
entspricht. Der endgültige Inhalt ist so, daß die dem Meßwert
VDE1 entsprechende Ladung sich jetzt im Registerfach
befindet, das der Injektionsvorrichtung INJ gegenüberliegt.
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Man führt dann den zweiten Meßzyklus durch: Injektion
einer einem neuen Meßwert VDE2 zu Beginn der Belichtung
entsprechenden Ladung, Vorrücken des Registers um einen
Schritt, zweite Messung VFE2, Vorrücken um einen Schritt,
dritte Messung VDM2, Vorrücken um einen Schritt und letzte
Messung VFM2.
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Die bei jeder Messung eingeleiteten Ladungen addieren
sich zum vorhergehenden Inhalt des Registerfachs, das sich
der Injektionsvorrichtung gegenüber befindet. Daraus folgt,
daß sich die Meßwerte der Phasen, die sich in den beiden
Zyklen entsprechen, addieren. Die Entwicklung der Inhalte
ist in Figur 8 gezeigt.
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Man kann dann die Rückwärtsschiebe- (Figur 7) und
Meßschritte (Figur 8) mehrfach wiederholen, um mehrere
aufeinanderfolgende Meßwerte zu addieren, ehe das Register
geleert wird, um ein Bildsignal zu erhalten.
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Im allgemeinen Fall nutzt man die Dauer eines
vollständigen Belichtungs/Verdeckungs-Zyklus, um das Register zu
leeren, ohne Messungen durchzuführen; wenn aber die Dauer
einer Belichtungs- oder Verdeckungsphase ausreichend war, um
das Register zwischen der Messung des Beginns der Belichtung
und der Messung des Endes der Belichtung zu leeren, kann man
das Register leeren, ohne die Meßzyklen zu unterbrechen. Man
muß dann eine Zyklenstruktur verwenden, wie sie in Bezug auf
Figur 6 beschrieben wurde (Zyklusende direkt nach dem Beginn
einer Belichtungs- oder Verdeckungsphase).
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Die beim Leeren des Registers erhaltenen Signale
werden verwendet, um ein Differentialsignal, das die
Temperaturveränderungen während der Belichtungsphasen
(VFE1+VFE2)-(VDE1+VDE2) darstellt, ein Differentialsignal,
das die Temperaturveränderungen während der
Verdeckungsphasen (VFM1+VFM2)-(VDM1+VDM2) darstellt, und ein
Ergebnissignal zu erzeugen, das die Differenz zwischen den
Differentialsignalen:
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(VFE1+VFE2+VDM1+VDM2)-(VDE1+VDE2+VFM1+VFM2) darstellt.
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Dieses Signal stellt die Infrarotintensität dar, die
von einem Bildpunkt erzeugt wird, gemittelt über zwei
aufeinander folgende Zyklen.