DE69328440T3

DE69328440T3 - Infrarot kamera mit thermoelektrischer temperaturstabilisierung

Info

Publication number: DE69328440T3
Application number: DE69328440T
Authority: DE
Inventors: Andrew R. Wood
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1992-06-19
Filing date: 1993-06-15
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2013-06-16
Also published as: KR100271083B1; RU2121766C1; KR950702370A; JP3261617B2; CA2117476C; DE69328440D1; JP2009085964A; AU4537993A; JP2002185852A; WO1994000950A1; JP2006081204A; CA2117476A1; US5420419A; JPH07508384A; JP4460515B2; JP4447648B2; AU669548B2; EP0672325B2; EP0672325B1; DE69328440T2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf die Technik der Videoabbildung und besitzt besondere Anwendbarkeit bei Videokameras, die in der Lage sind, sichtbare Bilder aus Infrarotstrahlung zu erzeugen und insbesondere in der Lage sind, solche Bilder mit relativ geringen Kosten vorzugeben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung findet Anwendung bei einer neuen Art von strahlungsempfindlicher Brennebene, die in der Nähe von Raumtemperatur arbeitet und durch eine zweidimensionale Anordnung von Mikrominiatur-Bolometern (Mikrobolometern) vorgegeben ist. Diese Erfindung beschreibt 1) eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung solcher Brennebenen in einer IR-Abbildungskamera ohne die Notwendigkeit der Verwendung eines Zerhackers; 2) eine Vorrichtung und ein Verfahren zum wirksamen Wiederaufsuchen der Information, die in der Brennebene enthalten ist; und 3) ein Kamerasystem, in welchem diese Brennebenen arbeiten können, um Video-Ausgangssignale zu erzeugen.
Die US-Patentbeschreibung US-A-4 752 694 beschreibt eine Bolometeranordnung mit einem Sequenzer zum Schließen von Schaltern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung gibt eine Infrarotkamera vor, wie sie im Patentanspruch 1 nachstehend definiert ist.
Die vorliegende Erfindung gibt ebenfalls eine Infrarotkamera vor, wie sie nachstehend im Patentanspruch 2 definiert ist.
Die vorliegende Erfindung kann irgendeines oder mehrere der Merkmale der abhängigen Ansprüche 3 bis 10 umfassen.
Die vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren zum Betrieb einer Infrarotkamera vor, wie es im Patentanspruch 11 nachstehend definiert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein dreidimensionales Blockdiagramm der Hauptkomponenten der Kamera gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
2 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Vakuumverpackung.
3 ist eine Seitenansicht der Vakuumverpackung.
4 ist ein elektrisches Blockdiagramm einer kleinen heuristischen Brennebenenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 ist ein elektrisches Verdrahtungsdiagramm eines kleinen Abschnittes des Steuerschaltkreises, der der Brennebenenanordnung des bevorzugten Ausführungsbeispieles zugeordnet ist.
6 ist eine Aufzeichnung der Zeit über der Temperatur und Spannung zur Veranschaulichung der Wirkung des Anlegen einer Impuls-Biasspannung an die passiven Elemente der Brennebenenanordnung über der Zeit.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
DIE KAMERA
Bezug nehmend zunächst auf 1 ist die Auslegung der Kamera 100 gezeigt. Licht oder Strahlung, die durch die Linse oder das reflektierende optische System 71 empfangen wird, tritt durch die Iris 72 auf die Oberfläche des Fensters auf der Packung 10 bzw. der Vakuumkammer 10 ein, die die Brennebenenanordnung (nicht gezeigt) enthält. Kleine gestrichelte Linien c zeigen an, daß viele Stifte die Packung 10 mit dem Rest der Kamera elektrisch verbinden.
Die Temperatur der Brennebenenanordnung wird konstant durch eine thermoelektrische Steuerung 73 gehalten, welche die Temperatur, beruhend auf dem Ausgang eines Temperatursensors innerhalb der Packung 10, einstellt. Die Temperatur, auf der die Anordnung gehalten wird, wird als eine Stabilisierungstempratur bezeichnet. Für die benutzten Mikrobolometer bewegt sich der Bereich, bei dem dies getestet worden ist, von Null bis 30°C, obgleich kein Grund vorliegt, sehr viel höhere oder niedrigere Stabilisierungstemperaturen zu verwenden.
Eine Leitung t zeigt an, daß Temperaturinformation durch die thermoelektrische Steuerung empfangen wird. Wenn die Temperaturinformation dem entspricht, was erwünscht ist, so werden keine Signale über die anderen Leitungen ta und tb gesendet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedoch die thermoelektrische Steuerung gesteuert durch Senden von Leistung entweder über die Leitung ta oder tb in Abhängigkeit von der Richtung (wärmer oder kühler) der gewünschten Temperaturänderung.
Die passiven Elemente der Brennebenenanordnung in der Packung 10 müssen aufgerufen oder abgefragt werden durch Vorgabe einer Spannung oder eines Stromes. Demgemäß wird eine Anordnungsvorspannung durch einen Anordnungs-Vorspannungsblock 76 erzeugt, wobei diese elektrische Einheit eine hoch stabile (geringes Rauschen, geringe Drift) Spannungsversorgung im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist. Die Erfinder hatten einigen Erfolg durch Verwendung einer einfachen Batterie, obgleich gewiß andere Quellen, die dem Fachmann wohlbekannt sind, verwendet werden können. Die Spannung muß den passiven Elementen in der Anordnung in einer bestimmten Reihenfolge in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgegeben werden. Demgemäß wird eine Gruppe von Decodierern 75 verwendet, die durch eine Logiksteuerung 77 gesteuert werden. Die Logiksteuerung 77 wird den Strom durch Steuerung der Decodierer (im wesentlichen als ein großer Multiplexer betrieben) in einer Schwebungsfolge steuern, so daß jede Zeile durch die Spaltenadresse über einer Schwebung einmal aufgerufen wird, bevor sie erneut in der zweiten Schwebung aufgerufen wird. Die Decodierer steuern sodann den Vorspannungsstrom, der durch die Anordnungsvorspannung 76 vorgegeben wird, zu den geeigneten Stiften c, die mit der Packung 10 verbunden sind.
Die Ausgangsstifte c sind alle mit einer Gruppe von Vorverstärkern verbunden, die hier als ein Block 74 veranschaulicht sind. Der Ausgang dieser Vorverstärker kann entweder seriell oder in einer gepufferten Form durch einen Analog/Digital-Umwandlungsmodul 78 aufgenommen werden, der sodann eine digitale Anzeige des Wertes des analogen Signalpegels vorgeben kann, der für jeden Ausgang von jedem Vorverstärker eingegeben wird. Die elektrische Charakteristik des Vorverstärkers ist stabil über der Zeit und mit der Temperatur ausgelegt oder es wird eine Korrektur für solche Änderungen in dem Bildprozessor zugeführt. Die Erfinder hatten einigen Erfolg mit der letzteren Technik unter Verwendung von Kalibriersignalen, die in die Vorverstärker injiziert werden. Alternativ kann dies erreicht werden durch Schaltkreisentwürfe, die von der Temperatur und der Zeit unabhängig sind, wie dies dem Fachmann wohlbekannt ist.
Bei dieser Kamera ist ebenfalls ein Bildprozessor 80 vorgesehen, an welchen eine Ansteuerkonsole 79 elektrisch und steuernd angeschlossen ist. Durch Steuerung, wie die digitalen Werte empfangen werden, die sich bereits in dem Bildprozessor befinden, kann mit anderen Worten eine Bedienungsperson die Empfindlichkeit verändern, eine festgehaltene Rahmeninformation empfangen und in verschiedener Weise das Videosignal korrigieren oder verändern, das durch den Bildprozessor 80 ausgegeben wird. Bildprozessoren sind hinreichend in der Technik von Videokameras bekannt und verwenden allgemein digitale Signalverarbeitungsschaltkreise und verschiedene Einstellungen des ankommenden Eingangssignales, um ein Ausgangs-Videosignal zu erzeugen, das hier auf der Leitung 82 veranschaulicht ist.
Eine Softwaresteuerung ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel, da die normalerweise verwendeten Algorithmen höchst passend durch Software anstelle durch fest verdrahtete Logik verwirklicht werden. Auf diese Weise können Dinge verwirklicht werden, die schwierig in Hardware zu verwirklichen sind, da unterschiedliche Algorithmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten erforderlich sind und da Signale von verschiedenen Bereichen der Anordnung mit unterschiedlichen Verarbeitungsalgorithmen behandelt werden können.
Einige Vorteile haften diesem Kameraentwurf an, die nicht einfach auf der Hand liegen.
Die Iris kann momentan geschlossen werden (z. B. nach der Kameraherstellung oder bei dem Kameraeinsatz), um dem Bildprozessor 80 zu gestatten, verschiedene Bildrahmen zu mitteln und diese Digitaldaten in einem langlebigen Digitalspeicher zu speichern (der sich in dem Bildprozessorsystem befinden kann). Ein einfaches Mittel einer Linsenkappe oder einer Blende kann statt dessen erwünschtenfalls verwendet werden. Während des normalen Kamerabetriebs bleibt die Iris 72 permanent geöffnet oder teilweise geschlossen, wenn dies erwünscht ist, um die Strahlungsintensität zu reduzieren, die auf die Brennebene fällt. Der Bildprozessor subtrahiert die eingehenden Signale von den Digitaldaten in seinem langlebigen Speicher auf einer Basis Pixel für Pixel. Dies gibt eine Offsetkorrektur für jedes Pixel in dem Bild vor, das durch einen menschlichen Beobachter betrachtet wird, welches Erfordernis und Verfahren für den Fachmann wohlbekannt ist. Unter der Voraussetzung, daß die Brennebene auf einer stabilen Temperatur durch den TE-Stabilisator gehalten wird, verändert sich die elektrische Charakteristik des Vorverstärkers nicht und es erfolgt keine Änderung beim elektrischen Aufruf der Anordnung und es ist kein Zerhacker erforderlich, um die Strahlung von der Szene zu unterbrechen. Die Abwesenheit eines Zerhackers erzeugt manchen erwünschten Nutzen: eine billigere und zuverlässigere Kamera, eine geringere Anforderung an die elektronische Geschwindigkeit und eine Eliminierung des Empfindlichkeitsverlustes, der durch die periodische Strahlungsabdeckung eines Zerhackers erzeugt wird.
DIE PACKUNG FÜR DIE ANORDNUNG
Bezug nehmend auf 2 ist die Vakuumverpackung in einer auseinandergezogenen Ansicht gezeigt. Die Verpackung besteht aus einer Grundplatte 11, die Ausnehmungen 12, 13, 14 und 15 (nicht gezeigt) für ihre Verbindung mit der Kamera enthält, mit einer Umgebungs-Wandstruktur 16 mit einer inneren Stufe 17, auf der Kissen 18 angeordnet sind. Drähte 19, von denen nur einige wenige gezeigt sind, sind mit diesen Kissen verbunden. Grundsätzlich ist diese auseinandergezogene Ansicht und ihre begrenzten Elemente für Veranschaulichungszwecke gezeigt und soll nicht in einer beschränkenden Weise betrachtet werden.
Die Wand 16 umrandet einen abgegrenzten Bereich 54, innerhalb welchem sich eine Öffnung 53 in der oberen Oberfläche der Grundplatte 11 befindet. Die Öffnung erstreckt sich in ein Rohr 50, dessen Innenraum durch gestrichelte Linien 52 definiert ist und das in dem endgültigen bevorzugten Ausführungsbeispiel bei 51 abgefalzt ist. Ein Getter 55 kann ebenfalls verwendet werden. Ein thermoelektrischer Temperaturstabilisator paßt in den abgegrenzten Raum 54 in der endgültigen Packung. Der thermoelektrische Temperaturstabilisator besteht allgemein (in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel) aus einer oberen Platte 20a und einer unteren Platte 20b gewöhnlicherweise aus Berylliumoxyd, das zwischen sich eine Schicht aus anderen Materialien, wie z. B. Wismut und/oder Antimon oder andere geeignete in der Technik bekannte Materialien zwischen sich einschließt. Spannungsleitungen "–" und "+" liefern Leistungen zu jeder der Platten, wodurch die Einrichtung entweder gekühlt oder gewärmt wird. Die Oberflächen, wie z. B. die obere Oberfläche 26 sind metallisiert zur Verbindung vorzugsweise durch Löten entweder mit der oberen Oberfläche des Substrates 11 auf der einen Seite oder mit der unteren Oberfläche der Brennebenenanordnung mit der Oberfläche 26. Eine Temperaturerfassungseinrichtung 27, zum Zwecke der Vereinfachung ein Thermistor, ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel mit der Oberfläche 26 des thermoelektrischen Temperaturstabilisators 20 befestigt. Zahlreiche Temperatursensoren befinden sich gegenwärtig in der Entwicklung oder sind leicht verfügbar und können in Abhängigkeit von der Wirtschaftlichkeit ebenfalls verwendet werden. Wenn der Temperatursensor klein genug ist, so kann er sich sogar auf dem Chip der Brennebenenanordnung selbst befinden. Dies wird den Erfordernissen und Wünschen des Designers überlassen. Alles was erforderlich ist, ist daß eine sehr genaue Ablesung der Temperatur der Brennebenenanordnung durch die Temperaturerfassungseinrichtung gegeben wird.
Die Erfinder hatten ebenfalls einigen Erfolg bei der Verwendung von Temperatursensoren, die auf den Brennebenen-Feldchips hergestellt wurden. Diese Sensoren werden periodisch durch die Brennebenen-Ausleseelektronik in der gleichen Weise wie die Mikrobolometer aufgerufen und die Temperaturdaten werden zu dem Bildprozessor in der gleichen Weise wie die Mikrobolometersignale gesendet. Die Erfinder hatten einigen Erfolg bei der Verwendung des Bildprozessors, um die Temperatursignale für die Verbesserung der Bildqualität zu benutzen, indem kleine Temperaturdriften in den Kameras korrigiert werden. Dies können Mikrobolometer sein, die absichtlich so hergestellt sind, daß sie auf Infrarotstrahlung nicht ansprechen.
Der Brennebenen-Feldchip 30 besitzt Lötkissen oder Leitungen 31 vorzugsweise entlang seiner Kanten. Die Brennebenen-Feldelemente, die auf Strahlung empfindlich sind, befinden sich im Bereich 33 in dem Chip gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wenn ein Temperatursensor in dem Brennebenenfeld zu verwenden war, so wurde er höchst bevorzugt in den Bereich 33 mit eingeschlossen.
Auf der Oberseite der Packung befindet sich ein Fenster 40, das für den erwarteten Strahlungstyp transparent ist, die durch das Brennebenenfeld 33 empfangen werden soll. Die unteren Umfangskanten dieses Fensters sollten im bevorzugten Ausführungsbeispiel metallisiert sein, um ein Verlöten zu gestatten. Die Brennebenen-Feldelemente sind passive Mikrobolometerelemente, die mit Vanadiumoxyd beschichtet sind, welche eine Widerstandsänderung auf Grund des Betrages an Infrarotstrahlung erzeugen, die durch jedes Element empfangen wird. In diesem infrarotempfindlichen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Germaniumfenster, das antireflektierend ist, als Fenster 40 verwendet. In der Packung gemäß dem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Grundplatte 11 und die sie umgebende Wand 16 eine kundengefertigte integrierte Schaltkreispackung, hergestellt durch die Firma Kyocera in Japan und besteht aus Aluminiumoxyd (Al&sub2; O&sub3;) bezüglich der Wand mit einer Grundplatte aus Kupferlegierung. Das Rohr gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht aus Kupfer und der Getter ist eine Metallegierung, die dem Fachmann wohlbekannt ist und die aktiviert wird, wenn das Rohr verwendet wird, um die Luft innerhalb der abgedichteten Packung 10 herauszupumpen. Der Getter wird sodann gegen die Packung in dem Rohr 50 verschoben und die Packung wird abgedichtet durch Abkröpfen des Rohres bei 51. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Löten für alles benutzt, außer den elektrischen Verbindungen, die verklebt sind. Da sich jedoch die Technologie und die Praxis verbessert, kann die Befestigung der elektrischen Drähte und der Komponenten miteinander im Rahmen dieser Erfindung auf unterschiedliche Weise erfolgen. In gleicher Weise können irgendwelche Materialien, die die zuvor beschriebenen leicht ersetzen, ebenfalls eingesetzt werden, ohne daß dies über den Rahmen dieser Erfindung hinausgeht.
Bezug nehmend nunmehr auf 3 ist eine Seitenansicht der Packung 10 gezeigt, bei der das Kupferrohr 50 mit der Grundplatte 11 verklebt ist und den Getter 55 in sich aufweist. Die elektrischen Drähte w, wt, wtb und wta legen Leistung an die drei Einrichtungen in dem Vakuumraum 53 an und lesen diese aus. Die Drähte oder Kissen auf der Stufe 17 dieser Drähte sind durch die Wand 16 mit Drähten 19 verbunden, die sodann mit Anschlüssen zu externen Elementen, wie z. B. den Vorverstärkern im Block 74 von 1, dem thermoelektrischen Regler des Blockes 73 von 1 und den Decodierern, die die Biasspannung über den Block 75 von 1 liefern, verklebt sein können. Strahlung, die das Fenster 40 mit der richtigen Wellenlänge (R1) erreicht, wird durch das Fenster verlaufen. Strahlung, die nicht die richtige Wellenlänge (R2) besitzt, wird durch das Fenster 40 reflektiert oder durch dieses absorbiert. Wie zuvor bemerkt, werden die verschiedenen Oberflächen in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch Löten zusammengehalten, so daß Verbindungsstellen 61, 62, 63 und 64 die Lötverbindungen bilden. Wie jedenfalls zuvor beschrieben, können diese Verbindungen durch andere Mittel hergestellt werden, wobei aber gegenwärtig das Löten bevorzugt ist.
Bezüglich des thermoelektrischen Temperaturstabilisators sind derartige Einrichtungen gegenwärtig von verschiedenen Herstellern erhältlich, wobei die bevorzugte Quelle momentan die Firma Marlow Industries in Dallas, Texas ist. Für ein Infraroterfassungs-Brennebenenfeld mit 80.000 Elementen bildet das Modell SP5030-03.BC der Firma Marlow Industries eine bevorzugte thermoelektrische Kühleinrichtung.
AUSLESEN AUS DEN PASSIVEN ELEMENTEN
Es sei nun Bezug genommen auf 4, in welcher ein schematisches Teildiagramm einer Brennebenenanordnung 33A heuristisch gezeigt ist, das eine Anzahl von Eingängen (hier vier aber eine vorgegebene Anzahl könnte durch m vorgegeben sein) und eine Anzahl von Ausgängen (hier drei, wobei aber die Anzahl n betragen könnte) besitzt. Die Eingangsleitungen geben einen Basisstrom vorzugsweise einer Eingangsleitung zu einem Zeitpunkt vor, welcher unter Verwendung dieser Darstellung, die gesamte Pixelreihe, wie z. B. das Pixel P an der Adresse 2, 3, hier als 2, n bekannt, ansteuert, um einen Ausgang vorzugeben, der ihren Zustand auf den Ausgangsleitungen 1 – m anzeigt. In diesem vereinfachten Diagramm empfängt jedes der Pixel, die ebenfalls als Elemente, Einheiten, Mikrobolometer oder Bolometer bezeichnet werden, den gepulsten Strom von der Eingangsleitung 1 – m über eine Diode d, wobei eine Diode in diesem Diagramm mit d(m1) bezeichnet ist.
Eine bevorzugte Verwirklichung ist in Wirklichkeit eine bipolare Transistorversion von 4 (beigefügt), da sie weniger durch die Zeile gezogenen Strom erfordert. Der Schaltungsbetrieb ist anderweitig der gleiche für Dioden und Transistoren. Es ist ebenfalls möglich, Feldeffekttransistoren zu verwenden, wobei sehr wenig verändert werden muß. Konzeptionsmäßig können die Dioden als Schalter irgendeiner Art angesehen werden.
Das Arbeitsprinzip kann vielleicht am besten unter Bezugnahme auf 6 beschrieben werden. In diesem Fall wird die elektrische Charakteristik des passiven Pixels modifiziert durch Empfang von Strahlung oder durch Temperaturänderung auf Grund von empfangener Strahlung, wobei die Darstellung der Temperatur und der Spannung über der Zeit für die Zwecke der Veranschaulichung wohl geeignet ist. In dem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind natürlich die Pixel oder Mikrobolometer und das Fenster für Infrarotstrahlung transparent. Die Mikrobolometer verändern die Temperatur auf Grund des Strahlungsempfanges durch das Fenster und der Betrag des Widerstandes über der Mikrobolometer-Oberflächenstruktur, ein Widerstand, wird vermindert, wenn die Wärme in der Mikrobolometeranordnung erhöht wird. Das Vanadiumoxyd-Material (ein Halbleiter) vermindert seinen Widerstand, wenn die Temperatur ansteigt. Es gibt andere Materialen (z. B. Metalle), deren Widerstand sich in entgegengesetzter Richtung verändert.
In 6 ist der durch die Linie 5 angezeigte Spannungspegel derjenige des gepulsten Bissstromes, der einem einzelnen Mikrobolometer in einer Brennebenenanordnung über der Zeit zugeführt wird. In einem Feld mit 80.000 Pixeln beträgt die Impulsbreite ungefähr 5 bis 6 us und beruht auf dem bevorzugten Adressierungsschema, das 14 Pixel auf einmal adressiert. Die Temperaturkurve 6 zeigt, daß die Temperatur eines einzelnen Mikrobolometers ungefähr um 2°C jedesmal angehoben werden kann, wenn es durch den Strom mit ungefähr 200 bis 300 uA gepulst wird. Die Linie bei 22°Celsius ist vorgegeben, um die bevorzugte Temperatur der Brennebenenanordnung zu zeigen. Es sei vermerkt, daß die Temperatur eines Einzelpixels unmittelbar oberhalb von 22°Celsius zu allen Zeiten schwebt, wenn es nicht mit einem Strom gepulst wird. Es sei vermerkt, daß über und oberhalb der Temperaturveränderung, die durch die Bias-Stromimpulse in 6 hervorgerufen wird, die eingehende Strahlung von der Szene eine zusätzliche Temperaturveränderung hervorruft.
22°Celsius werden als die Stabilisierungstemperatur für das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Brennebenenanordnung angesehen. Bei dieser Temperatur wird eine Temperaturänderung von 10 Grad in dem Mikrobolometer eine wahrnehmbare Widerstandsänderung von ungefähr 0,2% erzeugen.
Auf Grund der kurzen Zeitdauer, mit der Auslesesignale in einem Feld angelegt werden, um ein bewegliches Videobild zu erzeugen, das durch einen Menschen als Echtzeitbild erkennbar ist, werden Verstärker mit großer Bandbreite in dem Vorverstärker 74 von 1 verwendet. Der große Strom hat das Bestreben, die Rauschbehaftung dieser Verstärker mit großer Bandbreite zu kompensieren. Der große Biasstrom, der sicher bei einer gepulsten Vorspannung verwendet werden kann, bessert die Empfindlichkeit der Mikrobolometerproportional und besitzt das Bestreben, das anhaftende Rauschen dieser Verstärker mit großer Bandbreite zu kompensieren und eine empfindliche IR-Abbildung mit Bolometeranordnungen zu ermöglichen.
Gepulste Biasströme sind verwendet worden, um Information in passiven Einrichtungen auszulesen, wie dies zuvor in dem US-Patent Nr. US-A-3 900 716 für Speicherchips geschah. Nichtsdestotrotz ist dieses allgemeine Schema nicht für Brennebenenfeld-Technologien verwendet worden. Noch ist es in dem früheren Fall in der Weise angewendet worden, wie dies hier geschieht.
Es sei vermerkt, daß bei dieser Erfindung, da der Biasstrom in kurzen Impulsen angelegt wird, hohe Biasströme verwendet werden können, die die Pixel beschädigen würden, wenn sie kontinuierlich angelegt würden. Die Empfindlichkeit von Mikrobolometern ist höher mit einem gepulsten Biasstrom, da sich die Empfindlichkeit ungefähr proportional zu dem Biasstrompegel verbessert.
Es sei nun Bezug genommen auf 5, welche ein geringfügig detaillierteres schematisches Verdrahtungsdiagramm eines Teils einer Brennebenen Anordnung von passiven Pixeln zeigt. Das einzige hier veranschaulichte passive Pixel ist das, welches mit RP bezeichnet ist und das zwischen der Spalte 91 und der Zeile 95 durch den Transistor QP angeschlossen ist.
Bolometer RP und Pixeltransistoren QP sind an der Schnittstelle jeder Zeile und Spalte angeordnet (wobei diese an jeder Zeilen/Spalten-Schnittstelle vorliegen, aber nur eine hier gezeigt ist). Jede Zeile ist durch Transistoren QR(1–4) und Widerstände RR(1–4) gesteuert. Jede Spalte ist durch Transistoren QC1(1–4) und QC2(1–4) gesteuert. Die Zeilen sind in Zeilengruppen mit mehreren Zeilen in jeder Zeilengruppe (zwei gezeigt) gruppiert. Die Spalten sind in Spaltengruppen mit mehreren Spalten in jeder Spaltengruppe (zwei gezeigt) gruppiert. Diese Gruppierungsanordnung gestattet die Steuerung eines großen Feldes mit relativ wenig Steuerleitungen (Zeilengruppenauswahl, Zeilenauswahl, Spaltengruppenauswahl). Verschiedene Signalleitungen S1, S2 (zwei gezeigt) führen Signale zu verschiedenen Vorverstärkertransistoren und Widerständen (QAMP1, QAMP2, RC1, RC2 gezeigt), die verstärkte Ausgangssignale (OUT1, OUT2 gezeigt) vorgeben.
Im Betrieb wird eine Zeile auf ein "EIN"-Potential durch Anlegung von Steuersignalen an die Zeilenauswahl- und Zeilengruppenauswahl-Steuerleitungen vorgespannt und alle anderen Zeilen werden durch die RR-Widerstände mit "AUS"-Potential vorgespannt. Gleichzeitig werden Steuersignale an die Spaltengruppen-Auswahlleitungen angelegt, um Signale von mehreren (zwei gezeigt) Mikrobolometern RP in dieser ausgewählten Zeile gleichzeitig auszulesen. Das Auslesesignal besteht aus dem Strom, der in die Spalten der ausgewählten Spaltengruppe fließt. Die Auslese-Signalströme werden in verstärkte Spannungssignale durch Vorverstärkertransistoren (zwei gezeigt) umgewandelt. Steuersignale werden an die Spaltengruppen-Auswahlleitungen angelegt bis alle Mikrobolometer in der ausgewählten Zeile ausgelesen worden sind. Eine andere Zeile wird sodann zur Vorspannung mit "EIN"-Potential ausgewählt und das obige Verfahren wird wiederholt. Dies wird fortgesetzt bis alle Mikrobolometer in den gewünschten Zeilen und Spalten ausgelesen worden sind.
Bei diesem Betriebsmodus ist der Biasstrom, der durch die Bolometer fließt in der Form von kurzen Impulsen und die Temperatur der Bolometer variiert ebenfalls in einer gepulsten Weise. Dieser gepulste Vorspannbetrieb gestattet das Anlegen höherer Biasströme als dies mit kontinuierlichen Biasströmen möglich wäre (kontinuierliche Biasströme müssen sehr viel kleiner gehalten werden, um eine Zerstörung der Pixel oder Bolometer durch Überhitzung zu verhindern) und er erzeugt eine entsprechend höhere Empfindlichkeit auf Infrarotstrahlung.
Das gleichzeitige Auslesen mehrerer Pixel gestattet eine Auswahl der Stromimpulsdauer, so daß sie auf einem annehmbaren Wert für einen optimalen Betrieb der Anordnung liegt.
Die Gruppierung der Zeilen und Spalten in Zeilengruppen und Spaltengruppen gestattet die Steuerung eines großen Feldes mit relativ wenig Steuerleitungen.
VSUB ist ein Vorspannungspotential, das an den Schaltkreis von 5 angelegt wird. Sein Zweck liegt in der Vorspannung der Transistoren für einen geeigneten Betrieb und in der Vorgabe einer "Senke" für die gepulsten Biasströme. Sein Name stammt von der Tatsache, daß dieses Potential durch das Substrat des Siliciumchips gebildet wird. VROW wird an die Widerstände RR angelegt, um über diese Widerstände nicht verwendete Zeilen mit "AUS"-Potential vorzuspannen.
Belichtung der strahlungsempfangenden Oberfläche mit einer strahlenden Szene, deren Beobachtung gewünscht ist und somit Bildung einer Änderung im Widerstandswert der empfangenden Einheiten bezogen auf den Betrag der aus der Szene empfangenen Strahlung, und
Ablenkung der Empfangseinheiten mit einem Impuls kurzer Dauer eines Bias-Stromes, der die Sensoren aufheizt und von einem zu großen Amperewert ist und den Einheiten gestatten würde, stabil zu bleiben, wenn der Impuls von einer wesentlich längeren Dauer wäre, wobei die Schwebung mit einer solchen Rate erfolgt, daß jede Einheit Zeit besitzt zu einer Stabilisierungstemperatur zurückzukehren, bevor die Schwebung einen zweiten Bias-Impuls kurzer Dauer zu jeder Einheit erzeugt.

Claims

Infrarot-Kamera aufweisend: eine optische Anordnung (71), um Licht/Infrarotstrahlung in ein Brennebenen-Feld (33) von infrarotempfindlichen Mikrobolometern auf einem Halbleitersubstrat (30) zu bringen, wobei die Kamera dadurch gekennzeichnet ist, daß das Brennebenen-Feld abgelenkt wird, um Ausgangssignale durch einen Decodierer (75) zu erzeugen, der bestimmte Spalten- und Zeilenadressen in dem Feld auswählt, in dem ein Biasstrom an dieses in Impulsen kurzer Dauer von einer Bias-Stromquelle (70) angelegt wird, der die Mikrobolometer aufheizt, wobei die Ablenkung mit einer solchen Rate erfolgt, daß jedes Mikrobolometer Zeit besitzt, um zu einer Stabilisierungstemperatur zurückzukehren, bevor die Ablenkung einen zweiten Biasimpuls kurzer Dauer an jedes Mikrobolometer erzeugt, wobei die Auswertung der Zeilen- und Spaltenadressen durch eine Logiksteuerung (77) festgelegt wird, welche Signale erzeugt, die Schalter in dem Decodierer in einem Muster einstellen, das entworfen ist, um das gesamte Feld abzulenken, ein thermoelektrischer Temperaturstabilisierer (20), um das Brennebenen-Feld konstant auf einer ausgewählten Temperatur zu halten, wobei der thermoelektrische Temperaturstabilisierer durch einen Regler (73) basierend auf einem Signal geregelt wird, das von einem Temperatursensor (27) in enger thermischer Zuordnung zu dem Feld erhalten wird, wobei das in den Bolometern vorhandene Abtastungsmaterial Material aus Vanadium-Oxid umfaßt.
Infrarot-Kamera umfassend ein Substrat mit ersten und zweiten Oberflächen und einer darin gebildeten Öffnung, wobei die Öffnung durch einen Bereich der ersten Oberfläche mit einer angrenzenden Wandstruktur umgeben ist und der Bereich innerhalb der Wand ein abgegrenzter Oberflächenbereich ist; einen thermoelektrischen Temperaturstabilisierer (20), der fest mit der abgegrenzten Oberfläche verbunden ist, um die Öffnung nicht zu blockieren; ein Feld (30) von infrarotempfindlichen Mikrobolometern, die auf der gegenüberliegenden Oberfläche des thermoelektrischen Temperaturstabilisierers (20) angeordnet sind, wobei das Feld durch Impulse kurzer Dauer aus einer Bias-Stromquelle angesteuert wird, die die Mikrobolometer aufheizen, wobei eine Ablenkung des Feldes mit einer solchen Rate erfolgt, daß jedes Mikrobolometer Zeit besitzt zu einer Stabilisierungstemperatur zurückzukehren, bevor die Ablenkung einen zweiten Biasimpuls kurzer Dauer an jedes Mikrobolometer erzeugt; einen Temperatursensor, der auf einer Oberfläche des thermoelektrischen Temperaturstabilisierers (20) gegenüber dem abgegrenzten Oberflächenbereich in thermischer Nähe zu dem Feld (30) von infrarotempfindlichen Mikrobolometern angeordnet ist, wobei der Temperatursensor sich in elektrischer Verbindung mit einem Regler befindet, der den Temperaturstabilisierers (20) basierend auf einem Signal regelt, das von dem Temperatursensor empfangen wird; und ein Fenster für den Durchlass einiger Strahlung zu der infrarotempfindlichen Halbleitereinrichtung, das angeordnet ist, um den thermoelektrischen Temperaturstabilisierers (20), den Temperatursensor (27) und das Feld (30) von infrarotempfindlichen Mikrobolometern in dem Innenraum abzudichten, der durch die Oberfläche, das Fenster für den Durchlass einiger Strahlung und die Wandstruktur definiert ist, wobei das in den Bolometern vorhandene Abtastungsmaterial Vanadium-Oxid umfaßt.
Infrarot-Kamera nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein abdichtbares Röhrenelement (50) auf der zweiten Oberfläche um die Öffnung angeordnet ist.
Infrarot-Kamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Getter (55) in dem Rohr vor der Abdichtung angeordnet ist.
Infrarot-Kamera nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel des Bias-Stromimpulses zu jedem Pixel wesentlich größer als ein Sicherheitspegel für jedes Pixel ist, wenn der Impuls für eine lange Dauer sein wird.
Infrarot-Kamera nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch einen seriellen Ausgang von Analog-Signalwerten, die aus der Ablenkung des Brenneben-Feldes erhalten werden.
Infrarot-Kamera nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der serielle Ausgang erzeugt wird nach dem Empfang von im wesentlichen individuellen analogen Ausgängen der seriellen Zeilen- und Spaltenbewegung durch individuelle Vorverstärker für jede Pixeladresse, wobei der Ausgang der Vorverstärker durch einen Analog/Digital-Modul empfangen wird, welches jeden Analogwert in eine digitale Darstellung des Analogwertes umwandelt und sodann die gewandelten Werte zu einer Bildverarbeitungseinheit überträgt, welche die empfangenen Werte in ein Standard-Video-Ausgangssignal umwandelt.
Infrarot-Kamera nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stabilisierungstemperatur der Raumtemperatur annähert.
Infrarot-Kamera nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera keinen Zerhacker besitzt.
Infrarot-Kamera nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoelektrische Stabilisierer die Temperatur des Brennebenenfeldes so konstant hält, daß kein Zerhacker erforderlich ist.
Verfahren zum Betrieb einer Bolometer umfassenden Infrarot-Kamera, wobei das Abtastungsmaterial Vanadium-Oxid umfaßt, und wobei das Verfahren das Auslesen von Änderungen im Widerstandswert passiver Strahlungs-Empfangseinheiten in einem „n×m"-Feld umfaßt und aufweist: Belichtung der strahlungsempfangenden Oberfläche mit einer strahlenden Szene, deren Beobachtung gewünscht ist und somit Bildung einer Änderung im Widerstandswert der empfangenden Einheiten bezogen auf den Betrag der aus der Szene empfangenden Strahlung, und Ablenkung der Empfangseinheiten mit einem Impuls kurzer Dauer eines Bias-Stromes, der die Sensoren aufheizt und von einem zu großen Amperewert ist und den Einheiten gestatten würde, stabil zu bleiben, wenn der Impuls von einer wesentlich längeren Dauer wäre, wobei die Schwebung mit einer solchen Rate erfolgt, daß jede Einheit Zeit besitzt zu einer Stabilisierungstemperatur zurückzukehren, bevor die Schwebung einen zweiten Bias-Impuls kurzer Dauer zu jeder Einheit erzeugt.