JP3839486B2 - Uncooled focal plane array sensor - Google Patents

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Description

発明の背景
1.発明の分野
本発明はサーマル・イメージング・システムに関し、更に詳細にはマイクロコンピュータベースのマイクロボロメーター配列非冷却焦点面配列センサに関する。
2.関連する技術の検討
サーマル・イメージング・システムは、ナイトビジョン等の多数の低光レベルアプリケーションや、可視性を低減された状態での撮像、または産業もしくは住宅環境におけるプロセスや条件付きモニタリングのための熱画像観察に有用である。これらの撮像装置は、一般にオペレータが観察するための二次元実時間表示を行う。実時間画像により、ユーザは、人間の目が正常に機能しない状態で、物体および風景またはそのいずれかを観察したり、物体の熱的特徴を見ることができる。
焦点面配列センサとして、画像増倍管または極低温で冷却したセンサを用いて動作するものがある。画像増倍管は、その場所にある0.4ミクロンから1.0ミクロンまでの波長を持つ可視光と近可視光を増幅する。このような画像増倍センサには、いくつか制限がある。画像増倍センサは、その場所にある光を増幅するため、まったくの暗闇では作動できない。また、突然の閃光があったり、周囲に明るい照明がある場合も作動しない。このようなセンサは、カムフラージュまたは煙等の障害物を介して信号を検出することができない。さらに、画像増倍管は、ある撮像アプリケーションにとっては重要な機能であるホットスポット検出を行わない。
従来のイメージング・システムとして、夜間に見える近赤外線放射を増幅して、画像を生成するものもある。この型式の放射線増幅は、一般に光電子増倍管を用いて行われる。光電子増倍管は、マイクロチャネル装置を用いて、例えば0.4ミクロンから1.0ミクロンまでの波長の光を増幅する。利用可能なマイクロチャネル装置はそれ自身、一方側に感光入力面を備え、他方側に出力表示面を備える。冷却は必要ない。
サーマルビジョン装置として、極低温で動作するPtSi、InsおよびHgCdTe等の二次元赤外線焦点面配列を利用するものもある。あいにく、このような焦点面は複雑な冷却システムを必要とする。
ナイトビジョン装置として、焦電配列および強誘電配列等の他の焦点面配列も使用される。これらの装置は、AC結合された焦点面配列を利用し、赤外線画像を生成するためにメカニカルスキャナまたはチョッパーを必要とする。このような焦点面配列は複雑な冷却システムを必要としないため、一般に「非冷却」焦点面配列と呼ばれる。しかし、これらは、他のセンサや本発明の非冷却センサと比較して、重く、感度が低く、望ましくない量の電力を消費する。
従来の装置に関する短所を克服するためには、可視から赤外線範囲のその場所の放射線を集め、ディジタル画像データを出力し、実時間可視表示を生成する独立した低コスト、低電力消費、軽量の携帯用熱センサを備えることが望ましい。また、単一チップ、処理電子回路、電源および表示装置に統合されたディジタル画像データ出力を有するマイクロボロメーター焦点面配列を使用して画像を生成するセンサを備えることが望ましい。
発明の要約
本発明は、放射線を輸送するために光路に沿って設けられた光学系を備えた凝視焦点面配列センサを提供する。輸送された放射線を受けるために光路に沿って設けられている焦点面配列および集積回路は、輸送された放射線から画像信号を敏感に生成する。集積回路は、ディジタル画像データ出力で画像信号をディジタル画像データに変換する手段を含む。
本発明の1側面では、従来の装置よりも小さく、軽く、低消費電力のモジュラー構造のパッケージに納められておりディジタル画像出力を有する一つの半導体回路に集積されたマイクロボロメーター焦点面配列を備える非冷却焦点面配列センサを提供する。非冷却焦点面配列は、自然発生するその場所の放射線の波長領域である8ミクロンから14ミクロンまでの波長領域で動作するように形成してもよい。可視光線を必要としないため、画像増倍装置が動作できないまったくの暗闇での動作が可能となる。また、日中も支障無く動作可能である。本発明の焦点面配列は、連続メカニカルチョッパーの冷却を必要としない。
本発明のその他の目的、特徴、および利点は、類似した参照番号が類似した素子を表している本明細書中の好適な実施態様、請求の範囲、および図面の記述を通して当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図1Aは本発明の非冷却焦点面配列センサの1つの実施態様の概略ブロック図である。
図1Bは本発明の1つの実施態様で利用される焦点面配列装置の概略ブロック図である。
図2は本発明の1つの実施態様の検出器配列の概略図である。
図3Aは4つの例示的な検出器と検出器電子回路を示す、本発明のマイクロボロメーター配列の一部の回路概略図である。
図3Bは複数個の検出器と検出器電子回路を示す、本発明のマイクロボロメーター配列の一部の別の実施態様の回路概略図である。
図4は本発明のマイクロボロメーター焦点面配列処理回路の回路概略図である。
図5および図6は例えばボロメーター・オフセット補償器を利用する本発明の集積回路におけるマイクロボロメーター焦点面配列処理回路の別の実施例を示す。
図7は本発明の変形実施態様によって意図されるボロメーター・オフセット補償器回路の別の実施態様を示す。
図8は本発明の変形実施態様によって意図される非線形補償電圧供給源の一例を概略的に示す。
図9は本発明の変形実施態様で利用される6ビット・データ・ラッチで使用される1ビット・ラッチの例を示す。
図10は水平バイポーラトランジスタを利用したバッファ直接注入(BDI)プリアンプの例を示す。
図11は本発明に従って実施されたマイクロボロメーター焦点面配列用の温度安定装置の1つの実施例のブロック図を概略的に示す。
図12は本発明に従ったアナログ/ディジタル・コンバータの概略ブロック図である。
図13は図12に図解される準安定性分解回路の概略ブロック図である。
図14は図12に図解されるアナログ波形生成器の概略ブロック図である。
図15は本発明に従ったアナログ/ディジタル・コンバータの配列の概略ブロック図である。
図16は図15に図解されるクロック逓倍位相固定ループの概略ブロック図である。
図17は図15に図解される90°位相器の概略ブロック図である。
図18は図15に図解される回路の変形実施態様の概略ブロック図である。
図19は図18の回路に使用される二相電圧制御発振器および二乗回路の概略ブロック図である。
図20は図19に図解される電圧制御発振器の詳細な概略回路図である。
図21は図19に図解される二乗回路の詳細な概略回路図である。
図22はグレー・コード信号の最下位ビットの間の時相関係性を図解するタイミング図である。
詳細な説明
図1Aは本発明の非冷却焦点面配列センサの1つの実施態様の概略ブロック図を示す。焦点面配列FPA100は、赤外線透過窓105を備えた封止真空パッケージ103に収容されている。焦点面配列FPA100は、集積回路上に形成した複数のマイクロボロメーターから構成される二次元焦点面配列を備えるのが有利である。その場所からの放射線13は、光学系101により、窓105を通りFPA100に集まる。FPA100は、焦点面配列に画像を生成する放射線を受け、FPA100を備えるマイクロボロメーター素子が、画像を表す複数の電子画像信号を敏感に生成する。二次元マイクロボロメーター配列FPA100は、集積回路チップ上に統合して構成されたアナログ/ディジタル回路によって読み出され、放射線をディジタル化される電子信号に変換する。集積回路チップも同様に、FPA100を備える。このように、ディジタル画像データが封止真空パッケージ103から処理電子回路30に送られる。集積回路および処理は、以下でさらに詳細に述べる。さらにここで述べるように、FPA100の温度は、動作中安定させることが有利である。
信号処理電子回路30は、封止真空パッケージ103の外部に設けるのが有利であり、FPA100に生成した画像を補償し、ディジタル画像データを再生成するように接続される。ディジタル画像データは、例えばテレビジョンモニタまたは同等のディスプレイに表示してもよい。
ディジタル画像データは、不均一補償のために処理電子回路30に送られる。不均一補償回路143は、レベル調整、利得補正、不良ピクセル除去、輝度、コントラスト調節を備えている。利得補正の1つの実施態様は、同時係属している1995年8月30日出願の「ボロメーター焦点面配列」と題するバトラー氏の米国特許出願第08/521,266号に述べられており、この特許は本発明と同じ譲受人に譲渡されており、この中で本発明は文献の援用をされている。本発明の1つの実施態様では、図4を参照して以下で述べるように、FPAチップ上にオフセット補正回路を集積してもよい。処理の後、データを再生成してディスプレイプロセッサ34に送る。
撮像装置を制御するために、制御パネル90を設けてもよい。制御パネル90は、ユーザが輝度、コントラスト、記号表示、オン/オフおよび本発明のイメージング・システムの動作を制御するのに必要な他の機能を調整する手段を備える。
システムは、電源92から電力を受け取る。一例として、電源92は、センサパッケージを有する好適なハウジング内に取り付けたバッテリ、または好適な外部電源もしくは同等の電源を備えてもよい。制御信号およびビデオ信号のために補助ポート98が設けられている。第1の補助入力ビデオポート98Aを外部電源に接続してもよく、本発明ではこのような外部電源からの他の画像を表示することも可能である。第2の補助ビデオ出力ポート98Bは、本発明によってどの画像が集められて表示されているか見たり、記録したりするための手段を設ける。本発明の診断、初期試験および較正またはそのいずれかにアクセスするために、テストインタフェース94を備えてもよい。
本発明の1つの実施態様では、光学系101は、広い視野のアプリケーションに対しては屈折光学系であるのが有利であり、また狭い視野のアプリケーションに対しては反射光学系であるのが有利である。光学系101は、可視スペクトルから赤外線スペクトルまで動作するために、従来の設計技術に従って選択してよい。FPA100は、熱電安定器326と温度感知素子325とを備える真空パッケージ103内に設けられる。1つの実施態様例では、温度感知素子325は、FPAを有する半導体チップに集積されてもよく、またはFPA自体を備えていてもよい。パッケージ103のカバーは、抗反射コーティングを有する窓105を備える。
制御パネル90のスイッチは、マイクロプロセッサ・マイクロコントローラ318への入力を供給する。マイクロプロセッサ・マイクロコントローラ318は、制御パネル90におけるスイッチの位置を分析し、適当なコマンド信号を送り出す。マイクロプロセッサは、プログラマビリティを提供する。本発明の1つの実施態様では、陰極線管(CRT)またはフラット・パネル・ディスプレイを使用してもよい。
図1Bは本発明の焦点面配列と統合信号プロセッサとを利用したシステムの概略ブロック図を示す。ディジタル・オフセット補正装置は、シャッター330を制御するために結合されたシャッター/チョッパー・コントローラ328を含む。特定のアプリケーションに応じて、ゲルマニウム・チョッパーまたは不透明チョッパーあるいはそれ以外の同等な光学素子がシャッター330の代わりに使用される可能性があることが理解されるだろう。シャッター330はシステムに進入する放射エネルギーを制御する。シャッターが開いているとき、放射エネルギーは焦点面配列(FPA)100に衝突する。チョッパー330をFPAフレーム速度と同期してもよい。FPA100は、連携する制御電子回路を有する統合マイクロボロメーター焦点面配列から構成されていることが有利である。統合マイクロボロメーター焦点面配列は、さらにピクセル素子から構成されてもよく、その場合、各ピクセル素子が、ピクセル素子により吸収される放射エネルギーの量を表す信号を供給する。FPA100は、FPA100が障害物によって妨害されないシャッタレスまたはビジコン・モードで操作される。ビジコン・モードでは画像は連続的に得られる。
タイミング生成器310は2個のタイミング信号348を供給し、焦点面配列100から2個のクロック信号350を受信する。タイミング生成器310は、FPA100クロック、システムクロックおよび必要なタイミング信号を生成する。タイミング生成器310は、ビデオ・タイミング不良ピクセル置換コントローラ312にもタイミング信号を供給する。利得コントローラ304は、利得調整信号333を供給する。グローバル画像補正コントローラ306は、ビデオ・インタフェース308に8ビット信号を供給する。
ビデオ生成器316には、コントローラ318のビデオ・タイミングおよび出力が供給される。ビデオ生成器316は、公知のディジタル/アナログ・コンバータを含んでいることが有利である。コントローラ318は、例えば、市販されているモデル80C186EC型マイクロプロセッサまたは同等なもののようなマイクロプロセッサを含んでいることが有利である。バックグランド・プロセッサ・インタフェース324は、プログラム・メモリ322およびデータ・メモリ320を備えている。本発明の1つの実施態様では、プログラム・メモリ322は256K×16のフラッシュ・メモリから構成され、データ・メモリ320は128K×16のRAMから構成されていてもよい。コントローラ318は、利得メモリ338、およびビデオ・メモリ314を含む各メモリからデータを読書きするために、バックグランド・プロセッサ・インタフェース324を通して接続されることが有利である。シリアル通信回線340は、コントローラ318に外部インタフェースを供給するために結合してもよい。ビデオ出力データはビデオディジタル/アナログコンバータ(DAC)316から得られ、フレーム・データは回線342上の外部フレーム・グラッバに利用できる。英数字情報等の記号情報は、記号生成器125によりビデオストリームにも組み込まれる。ディスプレイ・ドライバ電子回路123は、電子信号を目に見える画像に変換する。有用なディスプレイ・ドライバは、例えばRS170標準ドライバを備えるのが有利である。
コントローラ318は、ホスト・マイクロコンピュータを介してイメージング・システムを外部システムにインタフェースする。コントローラ318もヒストグラムを生成し、輝度曲線および等価曲線を生成し、チョッパーまたはシャッターを制御し、基準画像フレーム・タイミングを生成し、メモリ診断およびシステム診断を実行し、手動制御およびスイッチをモニタし、TE安定器326を制御する。
図2は、本発明の配列センサの概略図である。マイクロボロメーター配列102は、焦点面配列100の放射線感知部分を備えている。1つの実施態様では、配列102は80,000を超える個別マイクロボロメーターを備えていてもよい。各マイクロボロメーターに連携される電子回路は、図3Aにさらに詳細に示されている。検知器グランド126は、配列102上で均一に分散される。配列は、動的ロウ選択レジスタ104およびカラム回路110を使用して個々にアドレス指定されるカラム線114によってマイクロボロメーターの規則的なグリッド内に配置される。配列102および配列の電子回路は、配列生産中に試験してもよい。テスト・クロック122、テスト・データ124、テスト・モード・イネーブル116、グローバル・テスト・イネーブル128および検出器テスト・フォース118の信号は、配列を試験するために使用される制御信号を供給する。カラム処理回路200は、配列中の各カラム線114に供給される。カラム処理回路110は、以下にさらに詳細に示される。
配列102は、動的ロウ選択レジスタ104および動的カラム選択試験レジスタ108を使用してアドレス指定される。操作中、カラム回路200は、任意の特定のカラムをアドレス指定する。制御112はカラム回路の操作を制御する。当業者に理解されるように、マイクロボロメーター素子は、短時間バイアス電流でスイープされ、ロウおよびカラム選択線によって選択される特定のロウおよびカラムアドレスから出力信号を生成してもよい。
図3Aは、4個の検出器および連携する検出器電子回路の例を示す本発明のマイクロボロメーター配列のある部分の回路概略図である。マイクロボロメーター配列は、マルチプレクサ試験トランジスタを含む複数の基本ユニット・セルを備えている。1つの実施態様では、マイクロボロメーター焦点面配列は、328のカラム回路を備えるユニット・セルの328×246のマトリックスを備えていてもよい。特に、検出器共通グランド126は、ボロメーター218A、218B、218Cおよび218D、ならびにユニット・セル212A、212B、212Cおよび212Dのそれぞれの一方の側に接続される。ボロメーターは、試験トランジスタ220A、220B、220Cおよび220Dに並列に接続される。トランジスタ220A、220B、220Cおよび220Dの“オン”抵抗は、ボロメーター218A、218B、218Cおよび218Dのオン抵抗に近似する。このようにして、試験トランジスタは、ボロメーター信号をエミュレートする信号を供給するために使用することができる。エミュレートされた信号は、ボロメーターが作成される前に、マルチプレクサ回路を試験するために使用してもよい。不良チップをこのようにして最終的な製造の前に特定するため、このような試験の結果、製造がさらに安価になる可能性がある。スイッチ222A、222B、222Cおよび222Dは、ロウ選択線216Aおよび216Bに応答してボロメーターまたは試験トランジスタ信号を切り換える。試験モードでは、試験トランジスタは、グローバル試験イネーブル128によって活性化され、それぞれ個々のロウが、ロウ選択線のうちの1つを使用して選択されてもよい。出力114Aおよび114Bは、各カラム回路200Aと200Bで使用できる。試験モードでは、カラム回路200Aおよび200Bはバイパスされ、カラム・マルチプレクサによりアドレス指定される。
ここで図3Bを参照すると、複数の検出器3218と検出器の電子回路とを概念的に示す本発明のマイクロボロメーター配列の一部の変形実施態様の概略回路図が示されている。複数の検出器3218は各々、半導体チップ3223上に製造された集積回路を備えるマイクロボロメーター焦点面配列3221の上部レベル3219上に形成されるのが有利である。一連のスイッチ3214は半導体チップ3223の第2レベル3227上に形成されている。スイッチ3214はCMOSスイッチを備えていることが有利である。スイッチ3214は一対で活性化されるように接続されている。すなわち、スイッチは第1端子で共通バス3210に接続され、第2端子3225で検出器の一端に接続されている。ロウ選択線3233は一対のスイッチを活性化して検出器の一つを選択するように動作する。そして選択された検出器の出力はカラムバス3212上で検出されてもよい。例えば、操作中、ロウ選択2が制御信号に応答してスイッチ3235とスイッチ3237とからなる一対のスイッチを活性化し、それによって検出器3218Aからの信号はカラムバス3212に送られることが可能になる。この構成で有利であることには、検出器のカラムを切換えレベルに接続するために必要な接続線の数を検出器の数よりも1本多いだけの数に減らしてもよいことに留意されたい。
本発明の非冷却焦点面配列センサに特有の構造は、検出器間に高熱分離を提供し、その結果ハイコントラスト画像を生成する。非冷却焦点面配列は、他の熱撮像素子と比較してハイコントラスト画像を生成する。これらのハイコントラスト画像により、ユーザはより詳細な部分を観察でき、より鮮明な画像を生成する。ここで図4を参照すると、本発明により使用されるマイクロボロメーター配列処理回路の一例が示されている。処理回路を、例えばMOS技術を利用して単一の集積回路に焦点面配列と統合してもよいことが有利である。双方向垂直シフトレジスタ104が、配列のロウ選択として機能する。ロウ選択線216は、ボロメーター218または試験トランジスタ220から信号を選択するために、スイッチ222を活性化する。グローバル試験イネーブル128は、係合しているすべての試験トランジスタを活性化する。カラム線114は、電源703によりバイアスをかけられる。カラム線114は、プリアンプ・ステージおよび出力トランジスタ・ステージのあるバッファ直接注入(BDI)回路1704により感知される。積分コンデンサ180は、カラム感知線181上の信号を積分する。本発明の1つの実施態様では、積分コンデンサ180は約29マイクロ秒の積分時間を有するようにしてもよい。コンパレータ20が、アナログ・ランプ信号18をカラム感知線181上の積分信号と比較する。
以下に詳細に説明するランプ生成器33は、コンパレータにアナログ・ランプ信号18を供給する。1つの例では、ランプ信号は、名目上約5ボルトから10ボルトの間の範囲内となる34Asランプでよい。コンパレータ20は、アナログ/ディジタル・ラッチ150にバイナリ信号を供給する。ディジタル・ランプ信号151は13ビットのグレー・コード・カウンタ/エンコーダ146から得られる。13ビット・グレー・コード・カウンタ/エンコーダ146は、13ビット分解能の12x-クロックの4つの位相を使用するピクセル・クロックの12倍に等しい周波数を用いて動作してもよい。ディジタル・ランプ信号およびアナログ・ランプ信号は、それらが同時に開始、終了するように調整される。
カラム選択線113は出力ラッチおよびドライバ140のアドレス指定を供給する。選択されたカラムに応じて、出力ラッチおよびドライバはコンパレータ20によってイネーブルされたアナログ/ディジタル・コンバータ・ラッチ150のカウントを供給する。出力ドライバ148は、ディジタル・データ495をオフ焦点面回路に供給する。ディジタル・データ495は、ピクセル・クロックでクロックしてよい。
その実施態様例では、ボロメーター・オフセット補償器701は検出器素子と並列に接続されている。ボロメーター・オフセット補償器とその制御回路が、配列内の検出器の各カラムごとに複製されることが理解されるだろう。図4に示された実施態様は、負荷抵抗器115に結合された非線形補償電圧源703を任意で含むものである。負荷抵抗器115は、ボロメーター・オフセット補償器701に接続される。ボロメーター・オフセット補償器701の1つの実施態様は、図8を参照して以下にさらに詳細に記述される。ボロメーター・オフセット補償器701は、第1端子で負荷抵抗器115に、また、制御入力でデータ・ラッチ744に結合される。データ・ラッチ744は、図9を参照して以下にさらに詳細に記述される。ディジタル・オフセット・データ745は、データ・ラッチ744に供給される。ディジタル・オフセット・データは、カラム線114上の各ロウおよびカラム・ボロメーター信号に適用されるオフセットを表す。BDIプリアンプ1704は、さらなる処理のためにオフセット・ボロメーター信号を増幅する。
ここでは、負荷抵抗器115と直列に接続されるボロメーター・オフセット補償器701、および検出器素子を利用する、本発明のマイクロボロメーター配列補償回路の別の変形例を示す図5を参照する。低ノイズ・バイアス電源117が、電圧バイアスをボロメーター・オフセット補償器701に供給する。ボロメーター・オフセット補償器およびその制御回路が、配列中の検出器のカラムごとに複製されることが理解されるだろう。図5に図示される変形実施態様では、BDIプリアンプ1704の1つの入力と結合された非線形補償電圧源703が任意で含まれていてもよい。他の素子は、前記に類似した方法で接続される。
ここでは、負荷抵抗器115と結合される非線形補償電圧源703を利用した本発明のマイクロボロメーター配列補償回路の別の変形実施例を示す図6を参照する。他の素子は図4を参照して前述したものと類似した方法で接続される。非線形補償電圧源の動作は以下にさらに詳細に説明する。
ここでは、本発明によって意図されるボロメーター・オフセット・補償回路の変形実施態様を示す図7を参照する。前述したように、焦点面配列の各カラムは、ボロメーター・オフセット補償器701に結合される。従って、ボロメーター・オフセット補償器701および矢印707で示される連携する回路は、各々のMカラムごとにFPA集積回路チップ上で複製される。ここでMは、カラム回路の数を表す。カラム線114上のボロメーター信号は、ロウ選択線216で選択され、BDIプリアンプ1704に接続する。カラム線114上のボロメーターからの信号とは、ボロメーター・オフセット補償器701によって補償されている信号である。説明されている例では、ボロメーター・オフセット補償器701は、そのうちの幾つかが補償抵抗器702、704および708として図解のために示され、それぞれ個別に複数のスイッチ710A、710B、および710Dに結合される、第1補償抵抗器から第6補償抵抗器を備えている。複数のスイッチは、例えば6ビット・データ・ラッチ744の出力により結合され、制御される。6ビット・データ・ラッチ744は、水平シフトレジスタ106によってイネーブルされる。ディジタル・オフセット・データ745は、データ・ラッチ744を介して特定の抵抗器の組み合わせを選択する。本発明の1つの実施態様では、第1補償抵抗器から第6補償抵抗器に、1200オームから8200オームの名目範囲内の値が設定され、例えば約145キロオームの負荷抵抗器115に結合される。本明細書中に示される実施態様は、限定するものとしてではなく図示され、その他の等価の値、および補償抵抗または同等な回路の組み合わせを、本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく使用してもよい。1つの実施態様では、非線形補償電圧源703が電圧をボロメーター・オフセット補償器701に供給する。
ここでは、図8を参照し、本発明の変形実施態様により意図される非線形補償電圧源703の一例を概略図で示す。非線形補償電圧源は、抵抗754に並列接続されるコンデンサ752に接続されるスイッチ750を備えている。閉じられると、スイッチ750は、電圧VNCを増幅器756にかける。増幅器756は、出力抵抗760に直列接続される出力コンデンサ758を通る出力762を備える均一利得増幅器を備えていることが好ましい。再び図4を参照すると、出力762は、BDIプリアンプを制御するために、ノードV1に、あるいは変形実施態様においてはノードV3に接続されていてもよい。スイッチ750は、検出器ロウ選択と同期して活性化されることが有利である。この開示の利点を得る当業者には理解されるように、増幅器756は、集積回路技術に応じて、均一性利得反転演算増幅器または均一性利得非反転演算増幅器を含んでいてもよい。
ここでは、6ビット・データ・ラッチ744で使用される1ビット・ラッチ744Aの例を示す図9を参照する。ビット・ラッチ744Aは、入力から出力への電圧レベルを変更するために、レベルシフタ回路725に結合されていてもよい。レベル・シフタ725は、抵抗上のn−チャネルを減少するために構成されていることが有利である。図9の回路は、補償抵抗器ごとに複数回複製されていることが有利である。ボロメーター・オフセット補償器701が6個の補償抵抗器を利用する一例では、同一データ・ラッチ回路は、FPAチップ上のM個のカラムのそれぞれに6回製造されていることが有利である。好ましい実施態様では、データ・ラッチ744は、相補型金属酸化物半導体(CMOS)トランジスタを備えている。
入力では、各ビット・ラッチ744Aは、N番目のオフセット・ビットを動的にラッチし、選択するように構成されたロウ選択トランジスタ714、712を備えている。トランジスタ714は、水平シフトレジスタ106からのロウ選択出力によって制御される。トランジスタ716は、水平シフトレジスタ106からのNOTロウ選択出力によって制御される。トランジスタ716、722は、第2動的ラッチとして動作する。トランジスタ718および720は、活性化された時にnオフセット・ビットの状態をトランジスタ726に転送する制御信号TおよびNOT Tに応答してトランジスタ726を駆動する。NOT HVリセット信号は、転送信号TおよびNOT Tが活性化されていない間、トランジスタ726ないし724の出力をリセットする。リセット後、活性化された転送信号、およびトランジスタ718と720がトランジスタ726を駆動する。トランジスタ728および730は、トランジスタ726の出力に応答してトランジスタ710を駆動するために動作する。出力では、切換えトランジスタ710が、負荷タップNから負荷タップN+1に短絡させることによって、補償抵抗器の選択を制御する。複数個のスイッチ710A〜710Dは、前記の例の切換えトランジスタ710を含む。第1ラッチは、領域内のトランジスタを3×2ミクロンの範囲で操作するための第1電圧Vddでバイアスをかけられていてもよく、一方、Vddよりも実質上高い第2電圧Vdaは、トランジスタ710を操作するように選択されていてもよい。トランジスタ710は、約40×2ミクロンの面積を持つ半導体材料を含んでいてもよい。
ボロメーター・オフセット補償器回路の素子をこれまで記述したので、今度は、ボロメーター・オフセット補償器回路の動作を記述することが本発明に役立つであろう。さらなるバックグランドにより、マイクロボロメータ焦点面配列は、通常、検出器の不均一性と非常に低い信号レベルの双方を同時に処理するために、非常に大きな動的範囲の電子回路を必要とする。100万対1を超える動的範囲が典型的である。電子回路スイッチは、特に、大きな焦点面配列に適用可能な場合に、この難しい要件を満たすことができ、マイクロボロメーター技術の重大な利点および実践的なアプリケーションが得られる。図7に図示される実施態様では、非線形補償電圧源は、これが利用される場合、ボロメーター検出器、負荷抵抗器、プリアンプおよび補償抵抗器を具備する焦点面回路に接続されるオフ焦点面非線形補償電圧源であることが好ましい。電圧V1がかけれらると、複数のスイッチ710A〜710Dのうちの1個、またはそれ以上を開くことによって選択されるように、電流は検出器カラム線114、負荷抵抗器115、および少なくとも1個の補償抵抗器を通って流れる。負荷抵抗器115が必要とされない実施態様もある。電圧V1はBDIプリアンプ1704によって設定され、名目上M検出器回路のそれぞれに対して同じ電圧である。プリアンプに流れ込む電流は、信号電流を表す。検出器抵抗が検出器ごとに大きく変化する可能性のある検出器抵抗の差異を補償するために、補償抵抗器が利用されてもよい。このような補償抵抗器が利用されない場合には、プリアンプ回路は、有効信号電流だけではなく、検出器抵抗変動から生ずる大きな付加電流も処理するためにかなり増大した動的範囲を必要とする。
電流がボロメーター検出器にかけられると、J2 R加熱(すなわち抵抗を通って流れる電流の二乗に比例する加熱)は各検出器の温度を上昇させる。温度が上昇した結果、検出器抵抗が変化し、それによりBDIプリアンプ1704の入力動的範囲要件が増加する。外部の非線形補償電圧源703はノードViで電流の変化を感知しJ2 R加熱が誘発するプリアンプ電流の変化を正確に補償する非線形電圧を供給する。このようにして、非線形電圧は、プリアンプ回路の動的範囲要件も、焦点面上に集積される電子回路内で容易に達成できるレベルまで引き下げる。
ここで図10を参照すると、水平バイポーラトランジスタを利用したBDIプリアンプの例が示されている。BDIプリアンプは、例えばPNP水平バイポーラ入力ステージ802と、電流源負荷806と、P−MOSパス・トランジスタ804と、積分コンデンサ810と、リセット・スイッチ808とを備えている。カラム線114はPNP水平バイポーラ入力ステージとゲート801で接続されてもよい。ゲート801も適当な電圧VPAに結合してもよく、VPAは約10ボルトでよい。入力ステージ802のエミッタを、約8ボルトの第2電圧VBと結合してもよい。電流源負荷806を入力ステージ802のコレクタに結合してもよい。次に、カラム感知線181を積分コンデンサ810と結合してもよく、この積分コンデンサ810はリセット・スイッチ808によってリセットされてもよい。リセット・スイッチ808も水平バイポーラトランジスタとして実施してもよい。水平バイポーラトランジスタは、“1.2μmのディジタルCMOS技術用の小型で低ノイズの演算増幅器”のタイトルのホルマン氏およびコネリー氏の論文(1995年6月刊、IEEE固体回路ジャーナル第30巻第6号)にさらに詳細に記載されている。
ここで図11を参照すると、本発明に従って実現されるマイクロボロメーター焦点面配列用の温度安定器の1つの特定の例のブロック図が示されている。装置は、複数個のマイクロボロメーターのそれぞれから温度データを供給するためのマイクロボロメーター焦点面配列100を備えている。前記のように、FPA100からのデータは、利得/画像補正コントローラ304から利得補正済み信号621を作成するために処理されていてよい。TE安定器ループ調整548は、利得/画像補正コントローラ304からの利得補正済み信号に結合される平均信号912を決定する手段を含んでいてもよい。平均信号決定手段912は、フィードバック信号出力906を備えている。マイクロボロメーターの配列の平均温度を示す平均信号は、フイードバック信号出力906上でフィードバック信号を生成するために、利得補正済み信号から算出される。フィードバック信号は、平均信号に比例していることが有利である。TE安定器制御546は、フイードバック信号出力906を受け入れるための入力を含む、温度制御信号902を生成するための手段を含んでいてもよい。温度制御信号手段902は、フィードバック信号に比例する温度制御信号を搬送するための、温度制御出力904を含んでいる。温度安定器326は、マイクロボロメーター焦点面配列と接触する。温度安定器326には、温度制御出力に結合された入力があり、結合910で示されるように、温度制御信号に応答してマイクロボロメーター焦点面配列100の平均温度を調整する。
本発明の装置の1つの実施態様では、熱電気安定器326は、熱電冷却器を含んでいることが有利である。平均信号を決定するための手段912は、マイクロプロセッサを備えるか、またはコントローラ318内で実行されるコンピュータ・プログラムとして実施されることが有利であろう。温度制御信号生成手段902は従来形の電力増幅器を含んでいてもよい。
本発明の装置の有用な実施態様では、平均信号決定手段は、FPA内の各マイクロボロメーターから、または配列中のマイクロボロメーターの選択された部分からデータを受け取るために連結されていることが好ましい。このようにして、本発明の方法および装置は、初めに、FPAボロメーター素子の温度感度を利用し、配列自体を配列中のボロメーター素子の平均温度で安定化する。
操作中、本発明の方法は、コンピュータ制御された方法でマイクロボロメーター焦点面配列の温度安定化を図り、その場合、各プロセス・ステップは、コンピュータ生成されたコマンドに応えて実現される。コンピュータ制御された方法は、以下のステップを含む:
A.マイクロボロメーター焦点面配列中の複数個のマイクロボロメーターのそれぞれから温度データを読み出すステップ;
B.温度データから平均信号を決定するステップ;
C.フィードバック信号が平均信号に比例するフィードバック信号を生成するステップ;
D.フィードバック信号に比例する温度制御信号を生成するステップ;および
E.マイクロボロメーター焦点面配列の平均温度を温度制御信号に応えて調整することにより、マイクロボロメーター焦点面配列の温度を安定化するステップ。
1つの実施態様では、温度を安定化するステップは、マイクロボロメーター焦点面配列に結合される熱電気安定器の温度を調整するステップを含む。
別個の温度センサを配列基板上で使用する本発明の1つの変形実施態様では、TE安定器は、FPA温度を以下のパラメタに関して100マイクロ度ケルビン内で安定した状態に保ってもよい:
センサ抵抗:5KΩ≦R≦20KΩ
温度係数:−2%/度ケルビン
センサを差動ブリッジの1つの脚部の中に配置することによって、別個の温度センサ回路を実現してもよい。ブリッジまでの2本の電力リード線が、差動測定値を採取できるように自動的に切り換えられ、ブリッジは、dc駆動電源内でのドリフトを相殺するために両方向での電力の供給を受ける。ブリッジ抵抗器には、センサの抵抗に等しい値Rが設定される。1度ケルビン範囲内で正確な絶対温度を得るために、−2%/度Kの温度係数の場合、Rの値は2%以内の精度でなければならない。センサ抵抗の指定される範囲の場合、ブリッジにはN個の合計差異値が存在する場合がある。
1.02N=(20K/5K)
N=log(4)/log(1.02)
N=70
従って、各センサは、組立てに適した抵抗器を選択するために測定されなければならない。12ボルトである駆動電圧用のブリッジにわたる電圧差は、温度における変化が100μ度に対し、約6μVとなる。それから、この電圧は、約100,000で増幅され、バックグランド・プロセッサに対する入力のためにアナログ/ディジタル・コンバータによってサンプリングされる。プロセッサは、TE安定器用の電力駆動回路を制御するために使用してもよい。
本発明は、一般性を限定するためではなく、例示するためにのみ特定の実施態様および操作パラメータを参照して以下で述べる。しかし、当業者は、本発明が記述した特定の操作パラメータに限定されないことを理解するであろう。
ここでは、本発明のアナログ/ディジタル・コンバータの総合的な概略ブロック図である図12を参照する。変換対象のアナログ信号であるアナログ入力信号1015は、クロックされないアナログ・コンパレータ1020の1つの入力に接続される。コンパレータ1020のその他の入力は、アナログ・ランプ信号1018に接続される。アナログ波形生成器1030は、アナログ・ランプ信号1018を生成する。アナログ・ランプ信号1018が実質上、アナログ入力信号1015に等しい場合、コンパレータは出力信号1021を生成する。コンパレータ出力信号1021は、準安定性分解回路1035の制御入力に接続される。アナログ波形生成器1030に同期されるのは、ディジタル・グレー・コードバス1062上でディジタル・グレー・コードを生成するグレー・コード生成器1045である。ディジタル・グレー・コードバス1062は、準安定性分解回路1035のデータ入力に接続される。準安定性分解回路1035は、バス1062上のディジタル・グレー・コードの状態をコンパレータ出力信号1021の活性化状態に応じて記憶する。その結果、準安定性分解回路1035のディジタル出力信号1047は、アナログ・ランプ信号1018の大きさがアナログ入力信号1015の大きさと等しくなる場合のアナログ入力信号1015の大きさのディジタル表記となる。
ここでは、準安定性分解回路1035を更に詳細に示した図13を参照する。コンパレータ出力信号1021は、Nビット・データ・ラッチ1011の制御入力に接続される。Nは、アナログ信号1015がアナログ・ディジタル・コンバータによってディジタル化(変換)される分解能のビット数である。Nは任意の数であり、通常は、大部分のアプリケーションでは8と16の間である。Nビット・データ・ラッチ11のデータ入力は、グレー・コード生成器1045からディジタル・グレー・コードバス1062に接続される。Nビット・データ・ラッチ1011(グレー・コード生成器1045によって生成されるコードである)によってラッチされるデータは、回線1017上でNビット・フリップフロップ1019に供給される。Nビット・フリップフロップ1019は、Nビット・データ・ラッチ1011がグレー・コード生成器1045の状態を記憶した後のあらかじめ定められた期間、回線1017上のデータを記憶することによって、システムの準安定性を分解する。ディジタル出力1047は、前記のように供給される。
ここでは、図12に図解されるアナログ波形生成器1030の概略ブロック図を示す図14を参照する。演算増幅器1032は、出力信号を積分コンデンサ1028に供給することにより、アナログ・ランプ信号1018を供給する。RESET信号1034は、タイミング回路1033によって生成され、新しい変換が開始されなければならない時にコンデンサ1028を放電するために、スイッチ1028Aを活性化する。演算増幅器1032の1つの入力1039は、RAMP_BIAS信号に接続され、第2入力1023は、プログラマブル電流源1031の出力に接続される。プログラマブル電流源1031は、演算トランスコンダクタンス増幅器1027によって制御される。増幅器1027には、アナログ・ランプ信号1018に接続される第1入力がある。増幅器1027の第2入力は、ランプ基準電圧RAMP_REFに接続される。増幅器1027の第3入力は、ランプ調整回路1029の出力に接続される。アナログ・ランプの開始電圧は、RAMP_BIAS電圧を変更することにより調整可能である。アナログ・ランプ信号1018の傾斜は、増幅器1027によって制御される。プログラマブル電流源1031の出力をトランスコンダクタンス増幅器1027からの電流信号1027Aに応答して変更することにより、アナログ・ランプ信号1018の傾斜を変更できる。ランプ信号1018が終了しなければならない直前に送出されるタイミング回路1033からの制御信号1033Aに応答して、ランプ調整回路1029は制御信号1029Aを介して増幅器1027をターンオンしてRAMP_REF電圧とアナログ・ランプ信号1018の電圧の間の差異をサンプリングする。トランスコンダクタンス増幅器1027は、この電圧差を、プログラマブル電流源1031の制御に利用される電流1027Aに変換する。プログラマブル電流源1031が調整された後で、タイミング回路1033は、制御信号1033Aを介して、増幅器1027をオフにして、フィードバック・ループを開き、RESET信号1034を送出し、スイッチ1028Aを使用してコンデンサ1028を放電してから、スイッチ1028Aを開き、別の積分サイクルを開始する。
ここでは、並列アナログ/ディジタル・コンバータ1010Aおよび1010Bの概略ブロック図である図15を参照する。明解にするために、2つのコンバータだけが図示されており、配列中にはm個のコンバータがある場合がある。1つの好ましい実施態様では、配列中に328のコンバータがある。各アナログ/ディジタル・コンバータは、ディジタル・グレー・コードバス1062、および出力バス1057に接続される。ディジタル・グレー・コードバス1062は、m個のデータ・ラッチの各データ入力に接続される。明確を期すために、データ・ラッチ1024Aおよび1024Bへの接続だけが図示されている。各データ・ラッチのデータ入力は、グレー・コード生成器1045により駆動される。Nビット出力バス1057は、各転送ラッチ(図示されているラッチ1026Aおよび1026B)のデータ出力に接続され、マルチプレクサ読出し回路1059によって読み取られる。
変換対象の信号である回線1015A上のアナログ信号は、サンプリング・スイッチ1012Aが閉じられ、それによって電荷がコンデンサ1016Aに転送されるまで、コンデンサ1023Aに蓄積される。コンデンサ1016Aは、スイッチ1012Aが開かれるまでアナログ信号1015Aを積分する。あらかじめ定められた時間間隔が経過すると、スイッチ1012Aは開かれ、スイッチ1025Aは閉じられるので、コンデンサ1023Aを各変換期間の始めにリセットする。当業者は、あらゆる電荷転送素子または回路を、比較対象の信号の転送に使用できることを認識するであろう。読出し位相の間、サンプリングされた信号1014Aはコンパレータ1020Aによってアナログランプ信号1018と比較される。サンプリングされた信号1014Aがアナログ・ランプ信号1018に等しいか、あるいはそれに関してある程度のあらかじめ定められた電位にある場合、コンパレータ1020Aの出力1022Aがラッチ1024Aを活性化する。コンパレータ1020Aの出力は、ラッチ1024Aのイネーブル入力に接続される。ディジタル・グレー・コードバス1062に接続されるラッチ1024Aは、アナログ・ランプ信号1018がコンパレータ出力信号1022Aに応答してサンプリングされた信号1014Aに等しい時に、グレー・コード・カウントの状態を記憶する。ラッチ1024Aの出力は、転送ラッチ1026Aに供給される。転送ラッチ1026Aおよび1026Bに接続される出力制御シフトレジスタ1054は、コンバータの配列からある特定のアナログ/ディジタル・コンバータの出力を選択する。各転送ラッチの出力は、マルチプレクサ読出し回路1059の一部である、Nビット出力バス1057を介して感知増幅器1053に接続される。任意の一時点では、1つの転送ラッチのみがアクティブであり、バス1057に出力を供給している。出力制御レジスタ1054は、入力クロック1068と同期される。
ここでは、マルチプレクサ読出し回路1059を記述する。当業者は、マルチプレクサ読出し回路1059内の回路ブロックのそれぞれが、各転送ラッチからのビットの数を処理するためにNビット幅であることを理解するであろう。感知アンプ1053の出力は、入力クロック1068によりクロックされる入力レジスタ1055の入力に接続される。入力レジスタ1055は、転送ラッチがどちらかのNビットから出力制御シフトレジスタ1054によってイネーブルされた、Nビット出力バス1057上でデータをラッチする。レジスタ1055の出力は、やはり入力クロック1068によりクロックされる準安定性分解レジスタ1036の入力に接続される。準安定性分解レジスタ1036は、Nビット出力バス1057の状態が入力レジスタ1055の中にラッチされた後の1つの完全なクロック・サイクルである入力レジスタ1055からのデータが準安定性分解レジスタ1036の入力に供給されるようにクロックされる。レジスタ1036は、バス1062上のディジタル信号がアナログ・コンパレータ1020Aからの出力信号1022Aによってラッチされたときに発生した可能性がある変換の準安定性を分解する。このラッチ列配列の回路分析の結果、システムの準安定性が、準安定分解レジスタ1036を増設することにより、少なくとも230の係数で改善されることが示された。準安定性分解レジスタ1036の出力は、グレー・コード信号を標準バイナリ信号に変換するグレー・コード・デコーダ1038に接続される。グレー・コード・デコーダ1038は、準安定性分解レジスタ1036内の各ラッチの出力が、もう一つ別のビット等で順に排他的ORされた隣接ビットで排他的OR(XOR)される排他的ORを取る(XORを取る)プロセスを使用してもよい。グレー・コード・デコーダ1038によって出力される標準バイナリNビット・コードは、入力クロック1068に応答して出力値をラッチするNビット出力レジスタ1071のデータ入力に供給される。出力レジスタ1071の出力は、Nビット変換バイナリ出力信号1047を供給するN出力ドライバ1073に供給される。
入力クロック1068は、高速クロック1064を生成するクロック逓倍位相固定ループ回路1050にも供給される。本発明の1つの実施態様では、クロック乗算器は、12xクロック乗算器である。本発明の1つの実施態様では、例えば入力クロック1068は7MHzの名目クロックで、クロック乗算器1050は、これを12倍の84MHzに増加させる。
ここでは、グレー・コード生成器1045を記述する。本発明の1つの実施態様では、Nビット・バイナリ・グレー・コードである、バス1062上のディジタル・グレー・コードは、最下位ビット1060、最下位の次のビット1058、およびN−2ビット・グレー・コード・ワード1056という3つのビット・ストリームの連鎖により生成される。高速クロック1064はN−2ビット同期バイナリ・カウンタ1048をクロックする。N−2ビット同期カウンタ1048は、出力信号をN−2ビット・グレー・コード・エンコーダ1046に供給する。グレー・コード・エンコーダは、バス1062上のディジタル・グレー・コードのN−2最上位ビット1056を供給する。グレー・コード・エンコーダ1046は、カウンタ1048によって出力される各ビットと、隣接する出力ビットをXOR(排他的OR)することによって、グレー・コードを供給する。
高速クロック1064およびN−2ビット同期カウンタの最下位ビット1049は、負エッジ・トリガ・フリップフロップ1044に接続される。負エッジ・トリガ・フリップフロップ1044は、最下位の次のビット信号、LSB+1 1058をバス1062上のディジタル・グレー・コードの一部として供給する。
高速クロック1064は、90°アナログ位相器1042にも接続される。90°位相器1042は、高速クロック1064を90°シフトすることによって、最下位ビット信号LSB1060をバス1062上のディジタル・グレー・コードの一部として生成する。
1つの実施態様では、Nは13ビットと等しく、同期カウンタ1048およびグレー・コード・エンコーダ1046はグレー・コードバス1062上の11の最上位ビットを供給する。12番目のビット(LSB+1)は、(約)75MHzクロックを2で除算してから、それをフリップフロップ1044の75MHzクロックの降下エッジでラッチすることによって、供給される。13番目のビット(LSB)は、閉ループ位相器1042内の1つの完全なクロック・サイクルの1/4である正確な90°で、75MHzクロックを遅延させることによって生成される。この種の位相器は、遅延固定ループとも呼ばれる。
ここでは、図15のクロック逓倍位相固定ループ1050を更に詳細に図解する図16を参照する。クロック乗算器1050は、入力クロック1068と回線102上の高速クロック1064の周波数分割バージョンの間の位相差を検出する位相検出器10100を含むものである。位相検出器10100の出力10104は、周波数逓倍電圧制御発振器(VCO)10106を制御するために使用される。VCO10106は、あらかじめ定められた係数で入力クロック1068の周波数を増加させる。一例では、VCO10106は、係数12で入力クロック1068の周波数を増加させ、高速クロック1064を生成する。VCO10106の出力10108は、“二乗”回路10110に供給される。二乗回路10110の機能は、高速クロック1064が50%の衝撃係数、すなわち“二乗”出力を有するように、出力信号10112を整形することである。また、高速クロック1064は、回線10102上で伝送されるクロック信号の周波数が入力クロック1068の周波数と等しくなるように係数nで周波数を除算するn分割回路10114に供給される。前述のように、1つの実施態様では、VCO10106が係数12でクロック周波数を増加させる場合、その信号を位相検出器10100に供給する前に、n分割回路10114での除算によって高速クロック1064の周波数が係数12で縮減されるようにnは12となろう。1つの実施態様では、VCO10106はリング発振器を含んでいてもよい。
ここでは、図15に図解された90°アナログ位相器1042の概略ブロック図である図17を参照する。高速クロック1064およびクロック乗算器1050からのその補数は、4入力排他的OR(XOR)ゲート1080の第1クロック入力、および第2クロック入力に接続される。XORゲート1080は、高利得積分増幅器1082の反転入力に結合される出力を含んでいる。増幅器1082は、電圧制御遅延回路1078の制御入力に結合される制御信号1083を出力する。また、電圧制御遅延回路1078は、高速クロック1064からクロック駆動信号を受ける。増幅器1082の高利得は、構成要素値、およびクロック周波数に変動がある場合でも、遅延が常に90°となることを確実にする。電圧制御遅延回路1078は、制御信号1083、およびクロック1064に応答して“二乗”回路1077に遅延信号を出力する。二乗回路1077は、遅延信号が対称であり、50%の衝撃係数(すなわち“二乗”出力)を有するように遅延信号を整形し、ライン・ドライバ・インバータ1075の入力に信号を出力する。二乗回路1077は、前述の二乗回路10110と類似している。ライン・ドライバ・インバータ1075は、第1ライン・ドライバ・インバータ信号1075Aおよび第2ライン・ドライバ・インバータ信号1075Bを4入力排他的ORゲート1080の3番目の入力および4番目の入力に出力する。第1ライン・ドライバ・インバータ信号および第2ライン・ドライバ・インバータ信号は、遅延整合回路1081の第1入力および第2入力にも結合される。信号1075Aおよび1075Bは、相補遅延クロックを含んでいる。遅延整合回路1081は、信号が互いに適切な位相関係を保つように、各信号1075Aおよび1075Bが受ける遅延が同じであることを確実にする。遅延整合回路1081は、LSB1060を出力する。
ここでは、図15の回路の変形実施態様の概略ブロック図である図18を参照する。図18の回路では、図15の90°位相器1042が省かれている。更に、クロック乗算器1050は、LSB1060を直接供給するように修正されている。他の全ての点で、図18の動作は図15に関連して前述したものと同一である。
ここでは、図18のクロック乗算器1050の概略ブロック図である図19を参照する。図19では、図16の場合のように、入力クロック1068は、入力クロック1068および信号10102に応答して、電圧制御発振器10120制御信号10104を供給する位相検出器10100に供給される。VCO10120は、回線10112上で高速クロック1064を生成するために、回線10108上で二乗回路10110に供給される出力周波数を乗算する。二乗回路10110の出力は回線10112上で更に、図16に関して記載したのと同様の方法で制御信号10102を送るn分割回路10114に供給される。
VCO10120は、出力10108に対して90°位相を変えられ、その後、別の二乗回路10110に供給される第2出力10122を供給する。二乗回路10110は、図16に関して前述したように動作して、“二乗”出力を回線10124上のLSB1060用に供給する。
ここでは、VCO10120の概略図である図20を参照する。VCO10120は、互いに位相が90°外れている2つの出力10108、10122を供給する。VCO10120は、ループ内で接続される奇数個のインバータ・ステージから形成されるリング発振器である。より詳細には、VCO10120は、インバータ10126、10128、10130、10132および10134を含んでいる。インバータ10134の出力は、リングを形成するために回線10136を介してインバータ10126の入力に接続される。tを1つのインバータ内の時間遅延とし、pを発振器内の段数とすると、発振周波数fは下記のようになる。
(1)f=1/(2pt)
周波数の変更は、インバータ連鎖の電源電圧を変更し、時間tを変更することによって達成される。CMOSインバータの場合、搬送の遅延は電源電圧が低下するにつれて上昇する。
リング発振器内のステージ毎の位相偏位は下記のとおりである。
(2)位相/ステージ=180/p
例えば、図20に図解されている5段発振器では、ステージごとの位相偏位は36°である。従って、主出力から2段離れたタップは、72°の位相偏位となり、一方、主出力から3段離れたタップの位相偏位は108°となる。インバータの全てが同一である場合、90°の位相偏位は可能ではない。
しかし、リング発振器内の様々なインバータが同一に構成されていない場合には、リング発振器内のインバータ間の90°の位相偏位が得られる。CMOSインバータの場合は、インバータを介する遅延は構成要素のトランジスタのサイズと形状、およびその出力上での容量性負荷の量を含む多くの要因によって左右される。これらの要因のいずれかを調整し、インバータのうちの一つの搬送遅延をリング内の残りのインバータと比較して増加させることを利用して必要な90°位相偏位を達成できる。
図20に示したVCO120の場合は、インバータ10130の搬送遅延は常にオン状態になるようにバイアスをかけられる2個のトランジスタ10138と10140とを追加することによって調整される。それによってインバータ10130を介した搬送遅延が増加するので、インバータ10134、10126および10128を介した合計の遅延は修正されたインバータ10130およびインバータ10132を介した遅延とほぼ同じになる。インバータ10134、10136および10128を介した遅延は修正されたインバータ10130およびインバータ10132を介した遅延と同じである場合は、出力10108と10122との間の位相偏位は正確に90°になる。
ここで図16および19に図解した二乗回路10110の概略回路図である図21を参照する。図17の二乗回路1077も二乗回路10110と同様に動作する。
図21に示すように、VCO10120の出力は二乗回路10110に供給される。明らかに、図19に示した回路の場合は、VCO10120の各出力ごとに1個ずつである、2個の二乗回路が備えられている。
一般的には、VCO10120は残りの回路と比較して降下した電圧で動作し、従って、出力10108および10122は残りの回路のより高い電圧レベルに変換される必要がある。加えて、搬送遅延は一般に出力信号の立ち上がりエッジと降下エッジでは同一ではないので、リング発振器内の信号が対称であってもレベル変換回路の出力は対称にはならず、すなわち、“二乗”出力、または50%の衝撃係数を有するものとなる。このようにして回路10110は出力信号の対称性を保持するために必要とされる入力しきい値を調整する閉ループ・フィードバック回路内にレベル変換器を組込んでいる。
レベル・シフタは、トランジスタ10150と10152、およびインバータ10154と10156を含んでいる。2つの電流源トランジスタ10158および10160は、電圧VMINUSおよびVPLUSによって制御される。電圧VMINUSおよびVPLUSは、電流ミラー10162によって供給され、トランジスタ10158および10160によって送られる電流の量を制御する。信号10112または10124のフィードバック・ループは、トランジスタ10158、10160、10164を通ってレベルシフトトランジスタ10150および10152に供給される。出力信号10112または10124の波形が非対称になると、すなわち“二乗”ではなくなると、トランジスタ10158、10160は、出力の対称性を設定し直す方向で、入力ステージ電流源トランジスタ10150上でのゲート電圧を変更することにより応答する。更に、コンデンサとして使用されるトランジスタ10164は、あらゆるリプル電圧を濾波してこれを取り除き、フィードバック・ループの応答時間を設定する。
ここでは、LSB1060およびLSB+1 1058のタイミング図である図22を参照する。図22のタイミング図は図15の回路あるいは図18の回路の動作を示している。高速クロック1064は、時間3で低から高へと遷移する。N−2ビット・バイナリ・カウンタ1048上の最下位ビット1049は、高速クロック1064の低から高への遷移途上で遷移する。高速クロック1064から導出されるLSB1060は時間5で高レベルに、時間9で低レベルに遷移する。カウンタの最下位ビット1049から導出される。LSB+1058は、時間7で高レベルに遷移し、時間2で低レベルに遷移する。グレーコード化済み信号のN−2最上位ビット1056は、時間3においてのみ遷移し、一方、LSB1060およびLSB+1058信号は時間3では変化しない。時間2、5、7および9では、これらの信号のうちの1つだけが一時に変化するので、カウントに変化がある場合には単一ビット変化しかしないというグレー・コード要件を満たす。
当業者は、高速クロックを供給するために乗算される周波数を有する入力クロック信号を用いるのではなく、外部高速クロックを用いて、カウンタ1048、フリップフロップ1044、および90°位相器1042を制御できることを理解しよう。
本発明の1つの利点は、グレー・コード最下位ビット周波数が、回路を制御するために使用されるクロックの周波数と等しくなるという点にある。すなわち、最下位ビットの周波数は、フリップフロップの最大トグル周波数と等しくなるのである。従来、典型的なグレー・コードでは、マスター・クロック周波数は、グレー・コードの最下位ビットの4倍の周波数である。本発明では、対照的に、グレー・コードの最下位ビットの周波数はクロック周波数と等しくなることができる。従って、クロック周波数は、クロック・カウンタ回路自体の固有の周波数制限によってだけ制限される。これによって、従来達成可能であった変換速度より更に高速な変換速度が可能になる。
室温での通常2ミクロンのCMOSプロセスの場合、この周波数制限は約150MHzであり、80°Kで約500MHzである。通常1ミクロンのCMOSプロセスでは、この周波数制限は室温で約500MHzであり、80°Kでは1GHzを超える場合がある。本発明の1つの実施態様では、72MHzマスター・クロックは、30μsで13ビット変換を可能にする3.5ns分解能のグレー・コードを生成する。500MHzマスター・クロックは、500ps分解能のグレー・コードを生成し、33μsで16ビット変換または2μsで12ビット変換を可能にする。1つのチップ上にこれらのコンバータのうちの数100個を使用すると、総変換速度は、約100MHzであってもよい。概算される電力は、チャネル当たり50μwを下回る。その結果、このようなコンバータの配列が1個の単独のチップ上で使用され、比較的高速の変換速度をもたらすが、電力消費量が少ない場合は、本発明によりアナログ/ディジタル変換の比較的低速の単独傾斜方式が可能になる。更に、単独傾斜アナログ/ディジタル・コンバータの単純な設計は、特に、CMOS技術を使用する場合、電力を節約し、1つの単独の集積回路上でのこれらの大多数のコンバータの集積を可能にする。
グレー・コード・カウントは、定義ではコードの各増分ごとに1ビットしか変化しないため、コンパレータ活性化時に記憶されるディジタル信号として使用される。ラッチがイネーブルにされている時には、グレー・コード化されたビットのうちの1つしか変化のプロセスに入ることができないので、サンプリングされるビットのうちの1つしか準安定性を示すことができず、結果として生じるコードは、1つの最下位ビット分だけ不安定になる。これは、標準バイナリ・コードが記憶されるディジタル信号として使用される場合と対照的である。複数のビットがコードの各増分ごとに変化することができるので、サンプリングされた多くのビットが準安定性を示すことができる。
グレー・コード・カウントを用いると、それを完了するためにさらに時間がある場合、回路内のある一点で準安定性分解を有利に決定できるようになるので、回路の電力および速度の必要性が低減される。その結果、本発明では、データ速度が、データが各アナログ/ディジタル・コンバータにより供給される速度よりはるかに低い場合に、準安定性分解をデータの多重化の後まで延期することができる。特に従来の回路では、準安定性分解は通常、カウンタからのバイナリ・コードがNビット・データ・ラッチでクロックされるときに供給される可能性があった。そのためには、準安定性分解を比較的高速のクロック速度で非常に短期間の間隔で実行されることが必要になる場合があった。前述のように、これとは対照的に本発明では、回路の電力および速度の必要要件を低減する極めて低速のクロック速度を用いて、この機能を達成することができる。
例えば、(約)75MHzのクロックを用いてグレー・コードを生成してもよい。この75MHzのクロックは、(約)6MHzの入力クロックから生成される。75MHzのクロックは、アナログ/ディジタル変換だけに使用される。6MHzクロックは、集積回路の他の全ての機能に用いられる。
328個のコンバータからなる配列を用いることにより、変換は13ビットの分解能で約30マイクロ秒の間に完了する。従来の方法では、例えば、従来の2ミクロンのCMOSプロセスの能力よりも高い約300MHzのマスター・クロック周波数が必要になる。グレー・コードを使用することで、328個のコンパレータ上での300MHzではなく、13ビットでの6MHzという速度で準安定性分解を実行できるようになる。
本発明は更に、高速有効クロック速度のアナログ/ディジタル・コンバータの配列からのアナログ信号の変換方法、および分解能の増加をもたらすものである。コンバータごとに1つの多数の入力信号がサンプリングおよび保持される。信号は、アナログ・ソースからの電流を積分することによって形成される。この信号は、変換プロセスの期間中、コンデンサ上で一定に保たれる。次に、アナログ・ランプおよびディジタル・カウンタが同時に始動される。コンパレータ回路は、ランプの電圧をサンプリングおよび保持されている電圧と比較する。双方が等しい場合、コンパレータの出力は状態を変化させ、ディジタル・カウンタの値をNビット・ラッチ内に記憶させる。様々な入力電圧のディジタル表記であるラッチの配列に記憶される値は、並列でラッチの別の配列に転送される。それから、新たな一群の変換が実行され、一方では先の変換の結果が多重化され、ディジタル出力信号が形成される。
コンバータの配列の場合、ディジタル・カウンタおよびランプ生成器は全てのコンバータに共通である。各コンバータ自体には、サンプリングおよび保持、コンパレータおよびディジタル・ラッチの配列だけが必要である。
本発明の回路は、従来のCMOS技術を用いる半導体形式でモノリシック集積されてもよい。
これまで本発明の少なくとも1つの例示的な実施態様を記載したが、当業者には多様な変更、修正および改良が可能であろう。このような変更、修正および改良は、本発明の趣旨および範囲内で企図されるものである。従って、前記の記述は例示するためだけであり、限定を意図するものではない。本発明は以下の請求の範囲、およびそれと同等なもので定義されるように限定されるだけである。
Background of the Invention
1. Field of Invention
The present invention relates to thermal imaging systems, and more particularly to microcomputer-based microbolometer array uncooled focal plane array sensors.
2. Examination of related technologies
Thermal imaging systems are useful for many low light level applications such as night vision, imaging with reduced visibility, or thermal imaging for process or conditional monitoring in industrial or residential environments. is there. These imaging devices generally perform two-dimensional real-time display for an operator to observe. The real-time image allows the user to observe the object and / or landscape, and to see the thermal characteristics of the object, with the human eye not functioning properly.
Some focal plane array sensors operate using image intensifier tubes or sensors cooled at cryogenic temperatures. The image intensifier tube amplifies visible light and near visible light having a wavelength of 0.4 to 1.0 micron in its place. Such an image multiplication sensor has some limitations. The image intensifier sensor amplifies the light at that location and cannot operate in total darkness. It also does not work if there is a sudden flash or if there is bright lighting around. Such sensors cannot detect signals through obstacles such as camouflage or smoke. Furthermore, the image intensifier does not perform hot spot detection, which is an important function for certain imaging applications.
Some conventional imaging systems generate images by amplifying near-infrared radiation visible at night. This type of radiation amplification is generally performed using a photomultiplier tube. The photomultiplier tube amplifies light having a wavelength of, for example, 0.4 to 1.0 microns using a microchannel device. The available microchannel device itself has a photosensitive input surface on one side and an output display surface on the other side. No cooling is necessary.
Some thermal vision apparatuses utilize a two-dimensional infrared focal plane array such as PtSi, Ins, and HgCdTe that operates at extremely low temperatures. Unfortunately, such focal planes require complex cooling systems.
Other focal plane arrays such as pyroelectric arrays and ferroelectric arrays are also used as night vision devices. These devices utilize an AC coupled focal plane array and require a mechanical scanner or chopper to generate an infrared image. Such focal plane arrangements are generally referred to as “uncooled” focal plane arrangements because they do not require complex cooling systems. However, they are heavier, less sensitive and consume an undesirable amount of power compared to other sensors and the uncooled sensor of the present invention.
To overcome the shortcomings of conventional devices, an independent low cost, low power consumption, lightweight portable that collects radiation at that location in the visible to infrared range, outputs digital image data, and produces a real-time visual display. It is desirable to provide a thermal sensor for the vehicle. It would also be desirable to have a sensor that produces an image using a microbolometer focal plane array with digital image data output integrated into a single chip, processing electronics, power supply and display.
Summary of invention
The present invention provides a staring focal plane array sensor with an optical system provided along an optical path for transporting radiation. Focal plane arrays and integrated circuits provided along the optical path to receive the transported radiation sensitively generate image signals from the transported radiation. The integrated circuit includes means for converting the image signal into digital image data at the digital image data output.
One aspect of the present invention comprises a microbolometer focal plane array integrated in a single semiconductor circuit having a digital image output in a modular structure package that is smaller, lighter and consumes less power than conventional devices. An uncooled focal plane array sensor is provided. The uncooled focal plane array may be formed to operate in the wavelength region from 8 microns to 14 microns, which is the wavelength region of the naturally occurring radiation at that location. Since no visible light is required, it is possible to operate in the darkness where the image intensifier cannot operate. In addition, it can operate without trouble during the day. The focal plane arrangement of the present invention does not require continuous mechanical chopper cooling.
Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art through the description of the preferred embodiments, claims, and drawings, wherein like reference numerals represent like elements. It will be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a schematic block diagram of one embodiment of an uncooled focal plane array sensor of the present invention.
FIG. 1B is a schematic block diagram of a focal plane alignment apparatus utilized in one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a detector array of one embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a circuit schematic diagram of a portion of the microbolometer arrangement of the present invention showing four exemplary detectors and detector electronics.
FIG. 3B is a schematic circuit diagram of another embodiment of a portion of the microbolometer arrangement of the present invention showing a plurality of detectors and detector electronics.
FIG. 4 is a circuit schematic diagram of the microbolometer focal plane array processing circuit of the present invention.
5 and 6 show another embodiment of the microbolometer focal plane array processing circuit in the integrated circuit of the present invention utilizing, for example, a bolometer offset compensator.
FIG. 7 shows another embodiment of a bolometer offset compensator circuit contemplated by a modified embodiment of the present invention.
FIG. 8 schematically illustrates an example of a non-linear compensation voltage source contemplated by a modified embodiment of the present invention.
FIG. 9 shows an example of a 1-bit latch used in a 6-bit data latch utilized in a modified embodiment of the present invention.
FIG. 10 shows an example of a buffer direct injection (BDI) preamplifier using a horizontal bipolar transistor.
FIG. 11 schematically shows a block diagram of one embodiment of a temperature stabilizer for a microbolometer focal plane arrangement implemented in accordance with the present invention.
FIG. 12 is a schematic block diagram of an analog / digital converter according to the present invention.
FIG. 13 is a schematic block diagram of the metastable decomposition circuit illustrated in FIG.
FIG. 14 is a schematic block diagram of the analog waveform generator illustrated in FIG.
FIG. 15 is a schematic block diagram of an array of analog / digital converters according to the present invention.
FIG. 16 is a schematic block diagram of the clock multiplication phase locked loop illustrated in FIG.
FIG. 17 is a schematic block diagram of the 90 ° phaser illustrated in FIG.
FIG. 18 is a schematic block diagram of a modified embodiment of the circuit illustrated in FIG.
FIG. 19 is a schematic block diagram of a two-phase voltage controlled oscillator and a square circuit used in the circuit of FIG.
FIG. 20 is a detailed schematic circuit diagram of the voltage controlled oscillator illustrated in FIG.
FIG. 21 is a detailed schematic circuit diagram of the squaring circuit illustrated in FIG.
FIG. 22 is a timing diagram illustrating the temporal relationship between the least significant bits of the gray code signal.
Detailed description
FIG. 1A shows a schematic block diagram of one embodiment of the uncooled focal plane array sensor of the present invention. The focal plane array FPA 100 is accommodated in a sealed vacuum package 103 having an infrared transmission window 105. The focal plane array FPA 100 advantageously comprises a two-dimensional focal plane array composed of a plurality of microbolometers formed on an integrated circuit. The radiation 13 from that place passes through the window 105 and is collected in the FPA 100 by the optical system 101. The FPA 100 receives radiation that generates an image on a focal plane array, and a microbolometer element including the FPA 100 generates a plurality of electronic image signals representing the image with sensitivity. The two-dimensional microbolometer array FPA 100 is read out by an analog / digital circuit integrated on an integrated circuit chip, and converts radiation into digitized electronic signals. Similarly, the integrated circuit chip includes the FPA 100. In this way, digital image data is sent from the sealed vacuum package 103 to the processing electronics 30. Integrated circuits and processing are described in further detail below. As further described herein, it is advantageous to stabilize the temperature of the FPA 100 during operation.
The signal processing electronics 30 is advantageously provided outside the sealed vacuum package 103 and is connected to compensate for the image generated on the FPA 100 and to regenerate digital image data. The digital image data may be displayed on a television monitor or equivalent display, for example.
The digital image data is sent to processing electronics 30 for non-uniformity compensation. The non-uniformity compensation circuit 143 includes level adjustment, gain correction, defective pixel removal, brightness, and contrast adjustment. One embodiment of gain correction is described in Butler's US patent application Ser. No. 08 / 521,266, entitled “Bolometer Focal Plane Array,” filed Aug. 30, 1995, co-pending, This patent is assigned to the same assignee as the present invention, in which the present invention is incorporated by reference. In one embodiment of the invention, an offset correction circuit may be integrated on the FPA chip, as described below with reference to FIG. After processing, the data is regenerated and sent to the display processor 34.
A control panel 90 may be provided to control the imaging apparatus. The control panel 90 includes means for adjusting the brightness, contrast, symbol display, on / off and other functions necessary to control the operation of the imaging system of the present invention.
The system receives power from the power source 92. As an example, the power source 92 may comprise a battery mounted in a suitable housing having a sensor package, or a suitable external power source or equivalent power source. An auxiliary port 98 is provided for control signals and video signals. The first auxiliary input video port 98A may be connected to an external power source, and other images from such an external power source can be displayed in the present invention. The second auxiliary video output port 98B provides a means for viewing and recording which images are being collected and displayed in accordance with the present invention. A test interface 94 may be provided to access the diagnosis, initial test and / or calibration of the present invention.
In one embodiment of the invention, the optical system 101 is advantageously a refractive optical system for wide field applications and a reflective optical system for narrow field applications. It is. The optical system 101 may be selected according to conventional design techniques to operate from the visible spectrum to the infrared spectrum. The FPA 100 is provided in a vacuum package 103 that includes a thermoelectric ballast 326 and a temperature sensing element 325. In one example embodiment, the temperature sensing element 325 may be integrated on a semiconductor chip having an FPA or may comprise the FPA itself. The cover of the package 103 includes a window 105 having an anti-reflective coating.
A switch on the control panel 90 provides an input to the microprocessor microcontroller 318. Microprocessor microcontroller 318 analyzes the position of the switch on control panel 90 and sends out an appropriate command signal. The microprocessor provides programmability. In one embodiment of the invention, a cathode ray tube (CRT) or flat panel display may be used.
FIG. 1B shows a schematic block diagram of a system utilizing the focal plane arrangement and integrated signal processor of the present invention. The digital offset correction device includes a shutter / chopper controller 328 coupled to control the shutter 330. It will be appreciated that a germanium or opaque chopper or other equivalent optical element may be used in place of the shutter 330, depending on the particular application. Shutter 330 controls the radiant energy entering the system. When the shutter is open, the radiant energy strikes the focal plane array (FPA) 100. The chopper 330 may be synchronized with the FPA frame rate. The FPA 100 is advantageously composed of an integrated microbolometer focal plane array with associated control electronics. The integrated microbolometer focal plane array may further comprise pixel elements, where each pixel element provides a signal that represents the amount of radiant energy absorbed by the pixel element. The FPA 100 is operated in a shutterless or vidicon mode where the FPA 100 is not obstructed by an obstacle. In vidicon mode, images are obtained continuously.
The timing generator 310 provides two timing signals 348 and receives two clock signals 350 from the focal plane array 100. The timing generator 310 generates an FPA 100 clock, a system clock, and necessary timing signals. Timing generator 310 also provides a timing signal to video timing bad pixel replacement controller 312. The gain controller 304 provides a gain adjustment signal 333. Global image correction controller 306 provides an 8-bit signal to video interface 308.
Video generator 316 is supplied with the video timing and output of controller 318. The video generator 316 advantageously includes a known digital / analog converter. The controller 318 advantageously includes a microprocessor such as, for example, a commercially available model 80C186EC type microprocessor or equivalent. The background processor interface 324 includes a program memory 322 and a data memory 320. In one embodiment of the present invention, program memory 322 may comprise 256K × 16 flash memory and data memory 320 may comprise 128K × 16 RAM. The controller 318 is advantageously connected through a background processor interface 324 to read and write data from each memory, including gain memory 338 and video memory 314. Serial communication line 340 may be coupled to provide an external interface to controller 318. Video output data is obtained from a video digital / analog converter (DAC) 316 and the frame data is available to an external frame grabber on line 342. Symbol information such as alphanumeric information is also incorporated into the video stream by the symbol generator 125. The display driver electronic circuit 123 converts the electronic signal into a visible image. A useful display driver advantageously comprises, for example, an RS170 standard driver.
The controller 318 interfaces the imaging system to an external system via the host microcomputer. The controller 318 also generates histograms, generates luminance and equivalent curves, controls choppers or shutters, generates reference image frame timing, performs memory diagnostics and system diagnostics, monitors manual controls and switches, Control the TE ballast 326.
FIG. 2 is a schematic view of the array sensor of the present invention. The microbolometer array 102 comprises the radiation sensitive portion of the focal plane array 100. In one embodiment, the array 102 may comprise more than 80,000 individual microbolometers. The electronic circuit associated with each microbolometer is shown in more detail in FIG. 3A. The detector grounds 126 are evenly distributed on the array 102. The array is arranged in a regular grid of microbolometers by column lines 114 that are individually addressed using dynamic row selection register 104 and column circuit 110. The array 102 and the array's electronic circuitry may be tested during array production. Test clock 122, test data 124, test mode enable 116, global test enable 128 and detector test force 118 signals provide control signals used to test the array. The column processing circuit 200 is supplied to each column line 114 in the array. The column processing circuit 110 is shown in further detail below.
Array 102 is addressed using dynamic row selection register 104 and dynamic column selection test register 108. During operation, the column circuit 200 addresses any particular column. A control 112 controls the operation of the column circuit. As will be appreciated by those skilled in the art, the microbolometer element may be swept with a bias current for a short time to generate an output signal from a particular row and column address selected by a row and column select line.
FIG. 3A is a schematic circuit diagram of a portion of the microbolometer arrangement of the present invention showing an example of four detectors and associated detector electronics. The microbolometer array comprises a plurality of basic unit cells that contain multiplexer test transistors. In one embodiment, the microbolometer focal plane array may comprise a 328 × 246 matrix of unit cells with 328 column circuits. In particular, the detector common ground 126 is connected to one side of each of the bolometers 218A, 218B, 218C and 218D and the unit cells 212A, 212B, 212C and 212D. The bolometer is connected in parallel to the test transistors 220A, 220B, 220C and 220D. The “on” resistance of transistors 220A, 220B, 220C, and 220D approximates the on resistance of bolometers 218A, 218B, 218C, and 218D. In this way, the test transistor can be used to provide a signal that emulates a bolometer signal. The emulated signal may be used to test the multiplexer circuit before the bolometer is created. Such tests can result in even cheaper manufacturing, as defective chips are thus identified prior to final manufacturing. Switches 222A, 222B, 222C and 222D switch the bolometer or test transistor signal in response to row select lines 216A and 216B. In the test mode, the test transistors are activated by the global test enable 128, and each individual row may be selected using one of the row select lines. Outputs 114A and 114B can be used in each column circuit 200A and 200B. In test mode, column circuits 200A and 200B are bypassed and addressed by a column multiplexer.
Referring now to FIG. 3B, there is shown a schematic circuit diagram of a modified embodiment of a portion of the microbolometer arrangement of the present invention that conceptually illustrates a plurality of detectors 3218 and detector electronics. Each of the plurality of detectors 3218 is advantageously formed on an upper level 3219 of a microbolometer focal plane array 3221 comprising an integrated circuit fabricated on a semiconductor chip 3223. A series of switches 3214 are formed on the second level 3227 of the semiconductor chip 3223. The switch 3214 advantageously comprises a CMOS switch. The switches 3214 are connected so as to be activated in a pair. That is, the switch is connected to the common bus 3210 at the first terminal and to one end of the detector at the second terminal 3225. The row selection line 3233 operates to activate a pair of switches to select one of the detectors. The output of the selected detector may then be detected on the column bus 3212. For example, during operation, row select 2 activates a pair of switches consisting of switch 3235 and switch 3237 in response to a control signal, so that a signal from detector 3218A can be sent to column bus 3212. An advantage of this configuration is that the number of connection lines required to connect the detector column to the switching level may be reduced to one more than the number of detectors. I want.
The structure unique to the uncooled focal plane array sensor of the present invention provides high thermal separation between the detectors, thereby producing a high contrast image. The uncooled focal plane array generates a high contrast image compared to other thermal imaging elements. These high-contrast images allow the user to observe more detailed parts and produce a clearer image. Referring now to FIG. 4, an example of a microbolometer array processing circuit used in accordance with the present invention is shown. Advantageously, the processing circuit may be integrated with the focal plane arrangement into a single integrated circuit, for example using MOS technology. The bidirectional vertical shift register 104 functions as array row selection. Row select line 216 activates switch 222 to select a signal from bolometer 218 or test transistor 220. Global test enable 128 activates all engaged test transistors. The column line 114 is biased by the power supply 703. Column line 114 is sensed by a buffer direct injection (BDI) circuit 1704 with a preamplifier stage and an output transistor stage. The integrating capacitor 180 integrates the signal on the column sensing line 181. In one embodiment of the invention, integrating capacitor 180 may have an integration time of about 29 microseconds. Comparator 20 compares analog ramp signal 18 with the integrated signal on column sense line 181.
A ramp generator 33, described in detail below, provides an analog ramp signal 18 to the comparator. In one example, the ramp signal may be a 34 As lamp that nominally falls within the range of between about 5 volts and 10 volts. Comparator 20 provides a binary signal to analog / digital latch 150. The digital ramp signal 151 is obtained from a 13-bit gray code counter / encoder 146. The 13-bit gray code counter / encoder 146 may operate with a frequency equal to 12 times the pixel clock using four phases of 13x resolution 12x-clock. The digital ramp signal and the analog ramp signal are adjusted so that they start and end simultaneously.
Column select line 113 provides output latch and driver 140 addressing. Depending on the column selected, the output latch and driver provide a count of the analog / digital converter latch 150 enabled by the comparator 20. Output driver 148 provides digital data 495 to the off-focal plane circuit. Digital data 495 may be clocked with a pixel clock.
In that example embodiment, the bolometer offset compensator 701 is connected in parallel with the detector elements. It will be appreciated that the bolometer offset compensator and its control circuitry are replicated for each column of detectors in the array. The embodiment shown in FIG. 4 optionally includes a non-linear compensation voltage source 703 coupled to load resistor 115. The load resistor 115 is connected to the bolometer / offset compensator 701. One embodiment of the bolometer offset compensator 701 is described in further detail below with reference to FIG. The bolometer offset compensator 701 is coupled to the load resistor 115 at a first terminal and to the data latch 744 at a control input. Data latch 744 is described in further detail below with reference to FIG. Digital offset data 745 is provided to data latch 744. The digital offset data represents the offset applied to each row and column bolometer signal on the column line 114. The BDI preamplifier 1704 amplifies the offset bolometer signal for further processing.
Reference is now made to FIG. 5 showing another variation of the microbolometer array compensation circuit of the present invention that utilizes a bolometer offset compensator 701 connected in series with a load resistor 115 and a detector element. . A low noise bias power supply 117 provides a voltage bias to the bolometer offset compensator 701. It will be appreciated that the bolometer offset compensator and its control circuit are replicated for each column of detectors in the array. 5 may optionally include a non-linear compensation voltage source 703 coupled to one input of the BDI preamplifier 1704. The other elements are connected in a similar manner as described above.
Reference is now made to FIG. 6, which shows another variation of the microbolometer array compensation circuit of the present invention that utilizes a non-linear compensation voltage source 703 coupled to a load resistor 115. The other elements are connected in a manner similar to that described above with reference to FIG. The operation of the non-linear compensation voltage source is described in further detail below.
Reference is now made to FIG. 7 which shows a modified embodiment of the bolometer-offset-compensation circuit contemplated by the present invention. As described above, each column of the focal plane array is coupled to a bolometer offset compensator 701. Thus, the bolometer offset compensator 701 and the associated circuit indicated by arrow 707 are replicated on the FPA integrated circuit chip for each M column. Here, M represents the number of column circuits. The bolometer signal on the column line 114 is selected by the row selection line 216 and connected to the BDI preamplifier 1704. The signal from the bolometer on the column line 114 is a signal that is compensated by the bolometer offset compensator 701. In the illustrated example, the bolometer offset compensator 701 is shown for illustrative purposes as compensation resistors 702, 704, and 708, each individually associated with a plurality of switches 710A, 710B, and 710D. A first compensation resistor to a sixth compensation resistor are coupled. The plurality of switches are coupled and controlled by the output of a 6-bit data latch 744, for example. The 6-bit data latch 744 is enabled by the horizontal shift register 106. Digital offset data 745 selects a particular resistor combination through data latch 744. In one embodiment of the present invention, the first compensation resistor to the sixth compensation resistor are set to values in the nominal range of 1200 ohms to 8200 ohms, and are coupled to a load resistor 115 of, for example, about 145 kiloohms. . The embodiments shown herein are illustrated rather than limiting, and other equivalent values and combinations of compensating resistors or equivalent circuits may be used without departing from the spirit and scope of the present invention. May be. In one embodiment, a non-linear compensation voltage source 703 provides a voltage to the bolometer offset compensator 701.
Here, with reference to FIG. 8, an example of a non-linear compensation voltage source 703 intended by a modified embodiment of the present invention is shown schematically. The non-linear compensation voltage source includes a switch 750 connected to a capacitor 752 connected in parallel to a resistor 754. When closed, switch 750 applies voltage VNC to amplifier 756. Amplifier 756 preferably comprises a uniform gain amplifier with output 762 through output capacitor 758 connected in series with output resistor 760. Referring again to FIG. 4, output 762 may be connected to node V1 or, in a modified embodiment, to node V3 to control the BDI preamplifier. Switch 750 is advantageously activated in synchronism with detector row selection. As will be appreciated by those skilled in the art having the benefit of this disclosure, amplifier 756 may include a uniform gain inverting operational amplifier or a uniform gain non-inverting operational amplifier, depending on the integrated circuit technology.
Reference is now made to FIG. 9 which shows an example of a 1-bit latch 744A used in a 6-bit data latch 744. Bit latch 744A may be coupled to level shifter circuit 725 to change the voltage level from input to output. Level shifter 725 is advantageously configured to reduce the n-channel on resistance. The circuit of FIG. 9 is advantageously replicated multiple times for each compensation resistor. In an example where the bolometer offset compensator 701 utilizes six compensation resistors, the same data latch circuit is advantageously fabricated six times for each of the M columns on the FPA chip. In the preferred embodiment, data latch 744 comprises a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) transistor.
At the input, each bit latch 744A includes a row select transistor 714, 712 configured to dynamically latch and select the Nth offset bit. The transistor 714 is controlled by a row selection output from the horizontal shift register 106. The transistor 716 is controlled by a NOT row selection output from the horizontal shift register 106. Transistors 716 and 722 operate as a second dynamic latch. Transistors 718 and 720 drive transistor 726 in response to control signals T and NOT T that, when activated, transfer the state of the n offset bit to transistor 726. The NOT HV reset signal resets the outputs of transistors 726 through 724 while transfer signal T and NOT T are not activated. After reset, the activated transfer signal and transistors 718 and 720 drive transistor 726. Transistors 728 and 730 operate to drive transistor 710 in response to the output of transistor 726. At the output, switching transistor 710 controls compensation resistor selection by shorting from load tap N to load tap N + 1. The plurality of switches 710A to 710D includes the switching transistor 710 of the above example. The first latch may be biased with a first voltage Vdd for operating the transistors in the region in a 3 × 2 micron range, while a second voltage Vda substantially higher than Vdd is It may be selected to operate 710. Transistor 710 may include a semiconductor material having an area of about 40 × 2 microns.
Now that the elements of the bolometer offset compensator circuit have been described, it will now be useful to the present invention to describe the operation of the bolometer offset compensator circuit. Due to the additional background, microbolometer focal plane arrays usually require a very large dynamic range of electronics to handle both detector non-uniformities and very low signal levels simultaneously. A dynamic range of over 1 million to 1 is typical. Electronic circuit switches can meet this difficult requirement, especially when applicable to large focal plane arrays, resulting in significant advantages and practical applications of microbolometer technology. In the embodiment illustrated in FIG. 7, the non-linear compensation voltage source, if utilized, is an off-focal plane nonlinearity connected to a focal plane circuit comprising a bolometer detector, a load resistor, a preamplifier and a compensation resistor. A compensation voltage source is preferred. When voltage V1 is applied, current is selected by detector column line 114, load resistor 115, and at least one, as selected by opening one or more of the plurality of switches 710A-710D. Flows through the compensation resistor. In some embodiments, load resistor 115 is not required. The voltage V1 is set by the BDI preamplifier 1704 and is nominally the same voltage for each of the M detector circuits. The current flowing into the preamplifier represents the signal current. Compensation resistors may be utilized to compensate for differences in detector resistance that can vary greatly from detector to detector. If such a compensation resistor is not utilized, the preamplifier circuit requires a significantly increased dynamic range to handle not only the effective signal current but also the large additional current resulting from detector resistance variations.
When current is applied to the bolometer detectors, J2 R heating (ie, heating proportional to the square of the current flowing through the resistor) raises the temperature of each detector. As a result of the temperature increase, the detector resistance changes, thereby increasing the input dynamic range requirement of the BDI preamplifier 1704. An external nonlinear compensation voltage source 703 senses a change in current at node Vi and provides a nonlinear voltage that accurately compensates for the change in preamplifier current induced by J2R heating. In this way, the non-linear voltage also reduces the dynamic range requirements of the preamplifier circuit to a level that can be easily achieved in an electronic circuit integrated on the focal plane.
Referring now to FIG. 10, an example of a BDI preamplifier using a horizontal bipolar transistor is shown. The BDI preamplifier includes, for example, a PNP horizontal bipolar input stage 802, a current source load 806, a P-MOS pass transistor 804, an integrating capacitor 810, and a reset switch 808. The column line 114 may be connected to the PNP horizontal bipolar input stage by a gate 801. Gate 801 may also be coupled to a suitable voltage VPA, which may be about 10 volts. The emitter of input stage 802 may be coupled to a second voltage VB of about 8 volts. A current source load 806 may be coupled to the collector of the input stage 802. Next, the column sense line 181 may be coupled to an integration capacitor 810, which may be reset by a reset switch 808. The reset switch 808 may also be implemented as a horizontal bipolar transistor. The horizontal bipolar transistor is a paper by Holman and Connery entitled “Small and Low-Noise Operational Amplifier for 1.2 μm Digital CMOS Technology” (June 1995, IEEE Solid Circuit Journal Vol. 30, No. 6) In more detail.
Referring now to FIG. 11, there is shown a block diagram of one particular example of a temperature stabilizer for a microbolometer focal plane arrangement implemented in accordance with the present invention. The apparatus comprises a microbolometer focal plane array 100 for supplying temperature data from each of a plurality of microbolometers. As described above, data from FPA 100 may have been processed to create gain corrected signal 621 from gain / image correction controller 304. The TE ballast loop adjustment 548 may include means for determining an average signal 912 that is coupled to the gain corrected signal from the gain / image correction controller 304. The average signal determining unit 912 includes a feedback signal output 906. An average signal indicative of the average temperature of the microbolometer array is calculated from the gain corrected signal to generate a feedback signal on the feedback signal output 906. The feedback signal is advantageously proportional to the average signal. The TE ballast control 546 may include means for generating a temperature control signal 902 that includes an input for accepting a feedback signal output 906. The temperature control signal means 902 includes a temperature control output 904 for carrying a temperature control signal proportional to the feedback signal. The temperature stabilizer 326 is in contact with the microbolometer focal plane array. The temperature stabilizer 326 has an input coupled to the temperature control output and adjusts the average temperature of the microbolometer focal plane array 100 in response to the temperature control signal, as shown at coupling 910.
In one embodiment of the apparatus of the present invention, thermoelectric stabilizer 326 advantageously includes a thermoelectric cooler. The means 912 for determining the average signal may advantageously be implemented as a computer program comprising a microprocessor or running in the controller 318. The temperature control signal generating means 902 may include a conventional power amplifier.
In a useful embodiment of the apparatus of the present invention, the mean signal determining means is coupled to receive data from each microbolometer in the FPA or from a selected portion of the microbolometer in the array. preferable. In this way, the method and apparatus of the present invention initially utilizes the temperature sensitivity of the FPA bolometer elements to stabilize the array itself at the average temperature of the bolometer elements in the array.
During operation, the method of the present invention provides temperature stabilization of the microbolometer focal plane array in a computer controlled manner, where each process step is implemented in response to a computer generated command. The computer controlled method includes the following steps:
A. Reading temperature data from each of a plurality of microbolometers in the microbolometer focal plane array;
B. Determining an average signal from the temperature data;
C. Generating a feedback signal in which the feedback signal is proportional to the average signal;
D. Generating a temperature control signal proportional to the feedback signal; and
E. Stabilizing the temperature of the microbolometer focal plane array by adjusting the average temperature of the microbolometer focal plane array in response to a temperature control signal.
In one embodiment, stabilizing the temperature includes adjusting the temperature of a thermoelectric ballast coupled to the microbolometer focal plane array.
In one alternative embodiment of the invention using a separate temperature sensor on the array substrate, the TE ballast may keep the FPA temperature stable within 100 microdegree Kelvin for the following parameters:
Sensor resistance: 5KΩ ≦ R ≦ 20KΩ
Temperature coefficient: -2% / degree Kelvin
A separate temperature sensor circuit may be realized by placing the sensor in one leg of the differential bridge. The two power leads to the bridge are automatically switched so that differential measurements can be taken, and the bridge is supplied with power in both directions to offset the drift in the dc drive power supply. The bridge resistor is set to a value R equal to the sensor resistance. In order to obtain an accurate absolute temperature within the 1 degree Kelvin range, for a temperature coefficient of -2% / degree K, the value of R must be accurate to within 2%. In the case of a specified range of sensor resistance, there may be N total difference values in the bridge.
1.02N = (20K / 5K)
N = log (4) / log (1.02)
N = 70
Thus, each sensor must be measured to select a suitable resistor for assembly. The voltage difference across the bridge for the drive voltage, which is 12 volts, is about 6 μV for a change in temperature of 100 μ °. This voltage is then amplified by approximately 100,000 and sampled by an analog / digital converter for input to the background processor. The processor may be used to control a power drive circuit for the TE ballast.
The present invention is described below with reference to specific embodiments and operating parameters only for purposes of illustration and not limitation of generality. However, those skilled in the art will appreciate that the invention is not limited to the specific operating parameters described.
Reference is now made to FIG. 12, which is a general schematic block diagram of the analog / digital converter of the present invention. An analog input signal 1015 that is an analog signal to be converted is connected to one input of an analog comparator 1020 that is not clocked. The other input of the comparator 1020 is connected to the analog ramp signal 1018. Analog waveform generator 1030 generates an analog ramp signal 1018. If the analog ramp signal 1018 is substantially equal to the analog input signal 1015, the comparator generates an output signal 1021. Comparator output signal 1021 is connected to the control input of metastable decomposition circuit 1035. Synchronized to the analog waveform generator 1030 is a gray code generator 1045 that generates a digital gray code on the digital gray code bus 1062. Digital gray code bus 1062 is connected to the data input of metastable decomposition circuit 1035. The metastable decomposition circuit 1035 stores the state of the digital gray code on the bus 1062 according to the activation state of the comparator output signal 1021. As a result, the digital output signal 1047 of the metastable decomposition circuit 1035 is a digital representation of the magnitude of the analog input signal 1015 when the magnitude of the analog ramp signal 1018 is equal to the magnitude of the analog input signal 1015.
Reference is now made to FIG. 13, which shows the metastable decomposition circuit 1035 in more detail. Comparator output signal 1021 is connected to the control input of N-bit data latch 1011. N is the number of bits of resolution at which the analog signal 1015 is digitized (converted) by the analog-to-digital converter. N is an arbitrary number and is typically between 8 and 16 for most applications. The data input of the N-bit data latch 11 is connected from the gray code generator 1045 to the digital gray code bus 1062. Data latched by N-bit data latch 1011 (which is the code generated by gray code generator 1045) is provided on line 1017 to N-bit flip-flop 1019. N-bit flip-flop 1019 stores the data on line 1017 for a predetermined period after N-bit data latch 1011 stores the state of gray code generator 1045, thereby making the system metastable. Decompose sex. Digital output 1047 is provided as described above.
Reference is now made to FIG. 14 which shows a schematic block diagram of the analog waveform generator 1030 illustrated in FIG. The operational amplifier 1032 supplies the analog ramp signal 1018 by supplying the output signal to the integrating capacitor 1028. The RESET signal 1034 is generated by timing circuit 1033 and activates switch 1028A to discharge capacitor 1028 when a new conversion must be initiated. One input 1039 of the operational amplifier 1032 is connected to the RAMP_BIAS signal, and the second input 1023 is connected to the output of the programmable current source 1031. Programmable current source 1031 is controlled by operational transconductance amplifier 1027. Amplifier 1027 has a first input connected to analog ramp signal 1018. The second input of the amplifier 1027 is connected to the ramp reference voltage RAMP_REF. The third input of the amplifier 1027 is connected to the output of the lamp adjustment circuit 1029. The starting voltage of the analog ramp can be adjusted by changing the RAMP_BIAS voltage. The slope of the analog ramp signal 1018 is controlled by the amplifier 1027. By changing the output of programmable current source 1031 in response to current signal 1027A from transconductance amplifier 1027, the slope of analog ramp signal 1018 can be changed. In response to the control signal 1033A from the timing circuit 1033 sent just before the ramp signal 1018 must end, the ramp adjustment circuit 1029 turns on the amplifier 1027 via the control signal 1029A to turn on the RAMP_REF voltage and the analog ramp. The difference between the voltages of signal 1018 is sampled. The transconductance amplifier 1027 converts this voltage difference into a current 1027A used for controlling the programmable current source 1031. After the programmable current source 1031 has been adjusted, the timing circuit 1033 turns off the amplifier 1027, opens the feedback loop, sends out the RESET signal 1034, and outputs the RESET signal 1034 via the control signal 1033A, using the switch 1028A. After discharging 1028, switch 1028A is opened and another integration cycle begins.
Reference is now made to FIG. 15, which is a schematic block diagram of parallel analog / digital converters 1010A and 1010B. For clarity, only two converters are shown and there may be m converters in the array. In one preferred embodiment, there are 328 converters in the array. Each analog / digital converter is connected to a digital gray code bus 1062 and an output bus 1057. A digital gray code bus 1062 is connected to each data input of the m data latches. For clarity, only the connections to data latches 1024A and 1024B are shown. The data input of each data latch is driven by a gray code generator 1045. N-bit output bus 1057 is connected to the data output of each transfer latch (latch 1026A and 1026B shown) and is read by multiplexer read circuit 1059.
The analog signal on line 1015A, which is the signal to be converted, is stored in capacitor 1023A until sampling switch 1012A is closed, thereby transferring charge to capacitor 1016A. Capacitor 1016A integrates analog signal 1015A until switch 1012A is opened. When the predetermined time interval elapses, switch 1012A is opened and switch 1025A is closed, thus resetting capacitor 1023A at the beginning of each conversion period. One skilled in the art will recognize that any charge transfer element or circuit can be used to transfer the signal to be compared. During the readout phase, the sampled signal 1014A is compared with the analog ramp signal 1018 by the comparator 1020A. If the sampled signal 1014A is equal to or at some predetermined potential relative to the analog ramp signal 1018, the output 1022A of the comparator 1020A activates the latch 1024A. The output of comparator 1020A is connected to the enable input of latch 1024A. A latch 1024A connected to the digital gray code bus 1062 stores the state of the gray code count when the analog ramp signal 1018 is equal to the signal 1014A sampled in response to the comparator output signal 1022A. The output of the latch 1024A is supplied to the transfer latch 1026A. An output control shift register 1054 connected to transfer latches 1026A and 1026B selects the output of a particular analog / digital converter from the array of converters. The output of each transfer latch is connected to a sense amplifier 1053 via an N-bit output bus 1057, which is part of the multiplexer read circuit 1059. At any one time, only one transfer latch is active, providing an output to bus 1057. The output control register 1054 is synchronized with the input clock 1068.
Here, the multiplexer read circuit 1059 is described. Those skilled in the art will appreciate that each of the circuit blocks in multiplexer read circuit 1059 is N bits wide to handle the number of bits from each transfer latch. The output of sense amplifier 1053 is connected to the input of input register 1055 which is clocked by input clock 1068. Input register 1055 latches data on N-bit output bus 1057, where the transfer latch is enabled by output control shift register 1054 from either N-bit. The output of register 1055 is connected to the input of metastable decomposition register 1036, also clocked by input clock 1068. The metastable decomposition register 1036 receives data from the input register 1055 that is one complete clock cycle after the state of the N-bit output bus 1057 is latched into the input register 1055. Clocked to be supplied to the input. Register 1036 resolves the metastability of the conversion that may have occurred when the digital signal on bus 1062 was latched by the output signal 1022A from analog comparator 1020A. As a result of the circuit analysis of the latch array, the metastability of the system is at least 2 by adding the metastable decomposition register 1036. 30 It was shown that it was improved by a factor of. The output of metastable decomposition register 1036 is connected to a gray code decoder 1038 that converts the gray code signal to a standard binary signal. The gray code decoder 1038 is an exclusive OR in which the output of each latch in the metastable decomposition register 1036 is exclusively ORed (XOR) with adjacent bits that are sequentially exclusive ORed with another bit or the like. The process of taking (XORing) may be used. The standard binary N-bit code output by the gray code decoder 1038 is provided to the data input of an N-bit output register 1071 that latches the output value in response to the input clock 1068. The output of the output register 1071 is supplied to an N output driver 1073 that supplies an N-bit converted binary output signal 1047.
The input clock 1068 is also supplied to a clock multiplication phase locked loop circuit 1050 that generates a high-speed clock 1064. In one embodiment of the invention, the clock multiplier is a 12x clock multiplier. In one embodiment of the present invention, for example, the input clock 1068 is a 7 MHz nominal clock, and the clock multiplier 1050 increases this to 12 times 84 MHz.
Here, a gray code generator 1045 is described. In one embodiment of the present invention, the digital gray code on bus 1062, which is an N-bit binary gray code, comprises the least significant bit 1060, the least significant next bit 1058, and the N-2 bit code. It is generated by a chain of three bit streams, Gray Code Word 1056. A high speed clock 1064 clocks the N-2 bit synchronous binary counter 1048. The N-2 bit sync counter 1048 provides the output signal to the N-2 bit gray code encoder 1046. The gray code encoder provides the N-2 most significant bit 1056 of the digital gray code on bus 1062. Gray code encoder 1046 provides a gray code by XOR (exclusive OR) each bit output by counter 1048 with the adjacent output bit.
The fast clock 1064 and the least significant bit 1049 of the N-2 bit sync counter are connected to the negative edge trigger flip-flop 1044. Negative edge triggered flip-flop 1044 provides the least significant next bit signal, LSB + 1 1058, as part of the digital gray code on bus 1062.
High speed clock 1064 is also connected to 90 ° analog phaser 1042. The 90 ° phase shifter 1042 generates the least significant bit signal LSB 1060 as part of the digital gray code on the bus 1062 by shifting the high speed clock 1064 by 90 °.
In one implementation, N is equal to 13 bits, and sync counter 1048 and gray code encoder 1046 supply the 11 most significant bits on gray code bus 1062. The twelfth bit (LSB + 1) is provided by dividing the (about) 75 MHz clock by 2 and then latching it on the falling edge of the 75 MHz clock of flip-flop 1044. The thirteenth bit (LSB) is generated by delaying the 75 MHz clock by an exact 90 ° that is 1/4 of one complete clock cycle in the closed loop phaser 1042. This type of phaser is also called a delay locked loop.
Reference is now made to FIG. 16, which illustrates in further detail the clock multiplication phase locked loop 1050 of FIG. The clock multiplier 1050 includes a phase detector 10100 that detects the phase difference between the input clock 1068 and the frequency divided version of the high speed clock 1064 on the line 102. The output 10104 of the phase detector 10100 is used to control a frequency multiplied voltage controlled oscillator (VCO) 10106. The VCO 10106 increases the frequency of the input clock 1068 by a predetermined coefficient. In one example, the VCO 10106 increases the frequency of the input clock 1068 by a factor of 12 and generates a high speed clock 1064. The output 10108 of the VCO 10106 is supplied to a “square” circuit 10110. The function of the squaring circuit 10110 is to shape the output signal 10112 so that the high-speed clock 1064 has a 50% impact coefficient, or “squared” output. The high-speed clock 1064 is supplied to an n-dividing circuit 10114 that divides the frequency by a coefficient n so that the frequency of the clock signal transmitted on the line 10102 is equal to the frequency of the input clock 1068. As described above, in one embodiment, if the VCO 10106 increases the clock frequency by a factor of 12, the frequency of the high speed clock 1064 is reduced by division in the n divider circuit 10114 before supplying the signal to the phase detector 10100. N will be 12 as reduced by a factor of 12. In one embodiment, VCO 10106 may include a ring oscillator.
Reference is now made to FIG. 17, which is a schematic block diagram of the 90 ° analog phaser 1042 illustrated in FIG. High-speed clock 1064 and its complement from clock multiplier 1050 are connected to a first clock input and a second clock input of a four-input exclusive OR (XOR) gate 1080. XOR gate 1080 includes an output that is coupled to the inverting input of high gain integrating amplifier 1082. Amplifier 1082 outputs a control signal 1083 that is coupled to the control input of voltage controlled delay circuit 1078. The voltage control delay circuit 1078 receives a clock drive signal from the high-speed clock 1064. The high gain of amplifier 1082 ensures that the delay is always 90 °, even when there are variations in component values and clock frequency. The voltage control delay circuit 1078 outputs a delay signal to the “square” circuit 1077 in response to the control signal 1083 and the clock 1064. The squaring circuit 1077 shapes the delayed signal so that the delayed signal is symmetric and has a 50% impact coefficient (ie, “squared” output) and outputs the signal to the input of the line driver inverter 1075. The squaring circuit 1077 is similar to the squaring circuit 10110 described above. The line driver inverter 1075 outputs the first line driver inverter signal 1075A and the second line driver inverter signal 1075B to the third input and the fourth input of the 4-input exclusive OR gate 1080. The first line driver inverter signal and the second line driver inverter signal are also coupled to a first input and a second input of delay matching circuit 1081. Signals 1075A and 1075B include complementary delayed clocks. The delay matching circuit 1081 ensures that the delay experienced by each signal 1075A and 1075B is the same so that the signals remain in proper phase relationship with each other. The delay matching circuit 1081 outputs the LSB 1060.
Reference is now made to FIG. 18, which is a schematic block diagram of a modified embodiment of the circuit of FIG. In the circuit of FIG. 18, the 90 ° phase shifter 1042 of FIG. 15 is omitted. Further, the clock multiplier 1050 has been modified to provide the LSB 1060 directly. In all other respects, the operation of FIG. 18 is the same as described above in connection with FIG.
Reference is now made to FIG. 19, which is a schematic block diagram of the clock multiplier 1050 of FIG. In FIG. 19, as in FIG. 16, the input clock 1068 is provided to a phase detector 10100 that provides a voltage controlled oscillator 10120 control signal 10104 in response to the input clock 1068 and the signal 10102. The VCO 10120 multiplies the output frequency supplied to the squaring circuit 10110 on the line 10108 to generate the high speed clock 1064 on the line 10112. The output of the squaring circuit 10110 is further provided on line 10112 to an n-dividing circuit 10114 that sends a control signal 10102 in a manner similar to that described with respect to FIG.
The VCO 10120 is 90 ° out of phase with the output 10108 and then provides a second output 10122 that is fed to another squaring circuit 10110. Square circuit 10110 operates as described above with respect to FIG. 16 and provides a “square” output for LSB 1060 on line 10124.
Here, reference is made to FIG. 20, which is a schematic diagram of the VCO 10120. VCO 10120 provides two outputs 10108, 10122 that are 90 degrees out of phase with each other. VCO 10120 is a ring oscillator formed from an odd number of inverter stages connected in a loop. More specifically, VCO 10120 includes inverters 10126, 10128, 10130, 10132 and 10134. The output of inverter 10134 is connected to the input of inverter 10126 via line 10136 to form a ring. When t is a time delay in one inverter and p is the number of stages in the oscillator, the oscillation frequency f is as follows.
(1) f = 1 / (2pt)
The change of frequency is achieved by changing the power supply voltage of the inverter chain and changing the time t. In the case of a CMOS inverter, the transport delay increases as the power supply voltage decreases.
The phase deviation for each stage in the ring oscillator is as follows.
(2) Phase / stage = 180 / p
For example, in the 5-stage oscillator illustrated in FIG. 20, the phase deviation for each stage is 36 °. Therefore, a tap that is two steps away from the main output has a phase deviation of 72 °, while a phase deviation of a tap that is three steps away from the main output is 108 °. If all of the inverters are the same, a 90 ° phase excursion is not possible.
However, if the various inverters in the ring oscillator are not configured identically, a 90 ° phase shift between the inverters in the ring oscillator is obtained. In the case of a CMOS inverter, the delay through the inverter depends on many factors, including the size and shape of the component transistors and the amount of capacitive load on the output. Any of these factors can be adjusted to take advantage of increasing the carrier delay of one of the inverters relative to the remaining inverters in the ring to achieve the required 90 ° phase excursion.
In the case of the VCO 120 shown in FIG. 20, the carrier delay of the inverter 10130 is adjusted by adding two transistors 10138 and 10140 that are biased to always be on. This increases the transport delay through inverter 10130, so the total delay through inverters 10134, 10126, and 10128 is approximately the same as the delay through modified inverter 10130 and inverter 10132. If the delay through inverters 10134, 10136 and 10128 is the same as the delay through modified inverters 10130 and 10132, the phase excursion between outputs 10108 and 10122 will be exactly 90 °.
Reference is now made to FIG. 21 which is a schematic circuit diagram of the squaring circuit 10110 illustrated in FIGS. The square circuit 1077 in FIG. 17 operates in the same manner as the square circuit 10110.
As shown in FIG. 21, the output of the VCO 10120 is supplied to the squaring circuit 10110. Obviously, the circuit shown in FIG. 19 has two square circuits, one for each output of the VCO 10120.
In general, the VCO 10120 operates at a reduced voltage compared to the rest of the circuit, so the outputs 10108 and 10122 need to be translated to a higher voltage level of the rest of the circuit. In addition, the carrier delay is generally not the same at the rising and falling edges of the output signal, so even if the signal in the ring oscillator is symmetric, the output of the level translation circuit is not symmetric, ie, a “square” output Or having an impact coefficient of 50%. In this way, circuit 10110 incorporates a level converter in a closed loop feedback circuit that adjusts the input threshold required to maintain the symmetry of the output signal.
The level shifter includes transistors 10150 and 10152 and inverters 10154 and 10156. Two current source transistors 10158 and 10160 are controlled by voltages VMINUS and VPLUS. Voltages VMINUS and VPLUS are supplied by current mirror 10162 and control the amount of current delivered by transistors 10158 and 10160. The feedback loop of signal 10112 or 10124 is provided to level shift transistors 10150 and 10152 through transistors 10158, 10160, 10164. When the waveform of the output signal 10112 or 10124 becomes asymmetric, i.e., not "square", the transistors 10158, 10160 change the gate voltage on the input stage current source transistor 10150 in a direction to reset the output symmetry. To respond. In addition, transistor 10164 used as a capacitor filters out any ripple voltage and sets the response time of the feedback loop.
Here, reference is made to FIG. 22 which is a timing diagram of LSB 1060 and LSB + 1 1058. The timing chart of FIG. 22 shows the operation of the circuit of FIG. 15 or the circuit of FIG. The high speed clock 1064 transitions from low to high at time 3. The least significant bit 1049 on the N-2 bit binary counter 1048 transitions during the transition of the high speed clock 1064 from low to high. LSB 1060 derived from high speed clock 1064 transitions to a high level at time 5 and to a low level at time 9. Derived from the least significant bit 1049 of the counter. LSB + 1058 transitions to a high level at time 7 and transitions to a low level at time 2. The N-2 most significant bit 1056 of the gray coded signal transitions only at time 3, while the LSB 1060 and LSB + 1058 signals do not change at time 3. At times 2, 5, 7 and 9, only one of these signals changes at a time, thus meeting the gray code requirement of only a single bit change when there is a change in count.
One skilled in the art will be able to control counter 1048, flip-flop 1044, and 90 ° phase shifter 1042 using an external high-speed clock rather than using an input clock signal having a frequency that is multiplied to provide a high-speed clock. Let's understand.
One advantage of the present invention is that the gray code least significant bit frequency is equal to the frequency of the clock used to control the circuit. That is, the frequency of the least significant bit is equal to the maximum toggle frequency of the flip-flop. Traditionally, in a typical gray code, the master clock frequency is four times the least significant bit of the gray code. In the present invention, in contrast, the frequency of the least significant bit of the Gray code can be equal to the clock frequency. Thus, the clock frequency is limited only by the inherent frequency limitation of the clock counter circuit itself. As a result, a higher conversion speed than that which can be achieved in the past can be realized.
For a normal 2 micron CMOS process at room temperature, this frequency limit is about 150 MHz and about 500 MHz at 80 ° K. For a 1 micron CMOS process, this frequency limit is approximately 500 MHz at room temperature and may exceed 1 GHz at 80 ° K. In one embodiment of the present invention, a 72 MHz master clock generates a 3.5 ns resolution gray code that allows 13-bit conversion in 30 μs. The 500 MHz master clock generates 500 ps resolution gray code and allows 16-bit conversion at 33 μs or 12-bit conversion at 2 μs. Using several hundred of these converters on one chip, the total conversion rate may be about 100 MHz. The estimated power is below 50 μw per channel. As a result, such an array of converters can be used on a single chip, resulting in a relatively fast conversion speed, but if the power consumption is low, the present invention provides a relatively slow analog / digital conversion. It is possible to use a single tilt method. Furthermore, the simple design of single slope analog / digital converters saves power and allows integration of the majority of these converters on a single integrated circuit, especially when using CMOS technology. .
The gray code count is used as a digital signal that is stored when the comparator is activated because, by definition, only one bit changes for each code increment. When the latch is enabled, only one of the gray coded bits can enter the process of change, so only one of the sampled bits can exhibit metastability. Instead, the resulting code is unstable by one least significant bit. This is in contrast to the case where standard binary codes are used as stored digital signals. Since multiple bits can change for each increment of code, many sampled bits can exhibit metastability.
Using gray code count allows the metastable decomposition to be advantageously determined at a point in the circuit when there is more time to complete it, thus reducing the need for circuit power and speed. Reduced. As a result, in the present invention, metastable decomposition can be postponed until after data multiplexing when the data rate is much lower than the rate at which the data is supplied by each analog / digital converter. Particularly in conventional circuits, metastability decomposition could usually be provided when the binary code from the counter is clocked by the N-bit data latch. To that end, it may be necessary to perform metastable decomposition at very high clock rates and at very short intervals. As previously noted, in contrast to this, the present invention can achieve this function using a very slow clock speed that reduces the power and speed requirements of the circuit.
For example, a gray code may be generated using a (about) 75 MHz clock. This 75 MHz clock is generated from a (approximately) 6 MHz input clock. The 75 MHz clock is used for analog / digital conversion only. The 6 MHz clock is used for all other functions of the integrated circuit.
By using an array of 328 converters, the conversion is completed in about 30 microseconds with 13-bit resolution. Conventional methods require, for example, a master clock frequency of about 300 MHz, which is higher than the capabilities of a conventional 2 micron CMOS process. The use of gray code allows metastable decomposition to be performed at a rate of 6 MHz with 13 bits instead of 300 MHz on 328 comparators.
The present invention further provides a method for converting an analog signal from an array of analog / digital converters with a high effective clock speed and increased resolution. A number of input signals, one for each converter, are sampled and held. The signal is formed by integrating the current from the analog source. This signal is kept constant on the capacitor during the conversion process. The analog ramp and digital counter are then started simultaneously. The comparator circuit compares the lamp voltage with the sampled and held voltage. If they are equal, the output of the comparator changes state and the value of the digital counter is stored in an N-bit latch. Values stored in an array of latches, which are digital representations of various input voltages, are transferred in parallel to another array of latches. A new group of transformations is then performed, while the results of the previous transformations are multiplexed to form a digital output signal.
In the case of an array of converters, the digital counter and ramp generator are common to all converters. Each converter itself requires only an array of sampling and holding, comparators and digital latches.
The circuit of the present invention may be monolithically integrated in semiconductor form using conventional CMOS technology.
While at least one exemplary embodiment of the present invention has been described above, various changes, modifications and improvements will occur to those skilled in the art. Such alterations, modifications, and improvements are intended to be within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the foregoing description is by way of example only and is not intended as limiting. The present invention is limited only as defined in the following claims and the equivalents thereto.

Claims (3)

放射を検出する二次元グリッドとして配置された複数のセンサユニットセルにおいて、各ユニットセルが、検出した放射に基づくイメージ信号を出力するセンサと、その1つのセンサと並列に接続されイメージ信号をエミュレートするテスト信号を出力するテストトランジスタと、を含む、複数のセンサユニットセルと、
前記複数のセンサユニットセルからの前記イメージ信号を処理し、前記イメージ信号に基づく処理済イメージデータを出力する、処理回路と、を有する装置であって、
前記複数のセンサユニットセルおよび前記処理回路が、1つの集積回路チップ内にて半導体基板上にモノリシックに形成され、
前記処理回路は、前記テスト信号を出力させるよう前記各ユニットセルの前記テストトランジスタを作動させるテスト回路を含み、
前記処理回路は、前記テストトランジスタの作動時に、前記各ユニットセルからの前記テスト信号に基づいた前記処理済イメージデータを出力し、
前記センサはボロメータである、装置。
In a plurality of sensor unit cells arranged as a two-dimensional grid for detecting radiation, each unit cell emulates an image signal connected in parallel with the sensor that outputs an image signal based on the detected radiation. A plurality of sensor unit cells, including test transistors that output test signals to be
A processing circuit that processes the image signals from the plurality of sensor unit cells and outputs processed image data based on the image signals,
The plurality of sensor unit cells and the processing circuit are formed monolithically on a semiconductor substrate in one integrated circuit chip,
The processing circuit includes a test circuit that operates the test transistor of each unit cell to output the test signal;
The processing circuit outputs the processed image data based on the test signal from each unit cell when the test transistor is activated.
The apparatus, wherein the sensor is a bolometer.
請求の範囲1に記載の装置において、
前記センサはセンサ抵抗を有し、
前記作動されたテストトランジスタは、前記センサ抵抗に等しいオン時抵抗を有する、装置。
The device according to claim 1,
The sensor has a sensor resistance;
The activated test transistor has an on-time resistance equal to the sensor resistance.
請求の範囲1に記載の装置において、
前記二次元グリッドはユニットセルの列を含み、その各列は、前記ユニットセルからの前記イメージ信号および前記テスト信号を供給する列出力部を有し、
各ユニットセルはさらに、前記センサおよび前記テストトランジスタを、共通の供給バスと前記列出力部との間に接続するスイッチを含む、装置。
The device according to claim 1,
The two-dimensional grid includes a column of unit cells, each column having a column output for supplying the image signal and the test signal from the unit cell;
Each unit cell further includes a switch connecting the sensor and the test transistor between a common supply bus and the column output.
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