JP5794916B2 - 抵抗型ボロメータマトリックスを通じて赤外線を検出するためのデバイス - Google Patents
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Description
赤外線を吸収し、その赤外線を熱に変換するための手段と、
赤外線の作用の下で暖まるように、検出器を断熱するための手段と、
ボロメータ検出器に関連して、抵抗素子を使用する温度測定手段と、
温度測定手段によって供給される電気量を読み取るための手段とを伴う。
Rest(i,j)=Rabs(i,j).C(Tmes)
に従ってボロメータの抵抗を推定することができ、ただし、
式中、
Rest(i, j)はボロメータの推定された抵抗であり、
Rabs(i, j)はボロメータの所定の基準抵抗であり、
C(Tmes)はケルビンを温度単位として表される測定された焦点面温度Tmesに依存するパラメータである。
式中、
EAは所定のボロメータ伝導性活性化エネルギーであり、
kはボルツマン定数である。
Rcomp-est(j)=Rcomp-abs(j).C(Tmes)
に従って補償ボロメータの抵抗を推定することができ、ただし、
式中、
Rcomp-est(j)は補償ボロメータの推定された抵抗であり、Rcomp_abs(j)は補償ボロメータの所定の基準抵抗であり、C(Tmes)は基材の測定された温度Tmesに依存するパラメータである。より具体的には、パラメータC(Tmes)は、関係式
式中、
EAは所定のイメージングボロメータ伝導性活性化エネルギーであり、kはボルツマン定数であり、Tmesは温度単位ケルビンで表される測定された温度である。
関係式
NC(i,j)=α-β×(Icomp(j)-Iac(i,j))
に従って、測定された温度に実質的に等しい温度の均一なシーンにマトリックスを曝すことに対応して、イメージングボロメータから形成される信号の連続レベルを推定するステップであって、ただし、
式中、
αおよびβは読み取り回路に依存する所定のパラメータであり、Icomp(j)はその推定された抵抗から計算で求められる補償ボロメータ内を流れる電流であり、Iac(i,j)はその推定された抵抗から計算で求められるイメージングボロメータ内を流れる電流である、ステップと、
関係式
式中
Ncorr(i, j)は補正された出力信号であり、値
nおよびmを1以上の整数とする、つり下げられた膜を持つ抵抗型イメージングボロメータ14のn行m列の2次元イメージングマトリックス12。イメージングマトリックス12は、カメラの赤外線透過光学系の焦点面内に配列され、反射基材の上につり下げられる。
基板上に形成された読み取り回路16。読み取り回路16は、イメージングマトリックス12の行単位のアドレス指定のための回路を備え、その列毎に、測定回路をアドレス指定された列のそれぞれのイメージングボロメータ14に接続することができ、これらの測定回路は、ブロック18によってまとめて表されており、アナログ入力または出力に向かう信号を多重化するための手段をさらに備える。
読み取り回路16は、イメージングマトリックス12のそれぞれの列に関して1つまたは複数の補償ボロメータを備える補償回路の行20をさらに具備する。
基材内に形成され、その温度を測定する少なくとも1つの温度プローブ22。
読み取り回路16および温度プローブ22に接続され、これから送られてくるアナログ信号をデジタル信号に変換するための変換回路24。
マトリックス12のイメージングボロメータ14と、
イメージングボロメータ14を測定するための読み取り回路16の測定回路40と、
イメージングボロメータ14内を流れるコモンモード電流の補償を、その読み取り時に行う行20の補償回路42の好ましい基本レイアウトである。
一方の非反転端子(+)が所定の定電圧VBUSに設定されているオペアンプ44と、
オペアンプ44の反転端子(-)とその出力との間に接続されている、所定の容量Cintを持つキャパシタ46と、
キャパシタ46に並列に接続され、「リセット」信号を使って制御可能なリセットスイッチ48と、
セレクト信号を使って制御可能な、オペアンプの反転端子(-)に接続されている読み取りスイッチ50と、
ゲートが所定の定電圧GFIDに設定され、ソースがボロメータ14の第2の端子Bに接続され、ドレインが読み取りスイッチ50の他の端子に接続されている第1のMOSインジェクショントランジスタ52である。
ただし、式中、
Vacはイメージングボロメータ14の端子に現れる電圧であり、
Racはイメージングボロメータ14の抵抗であり、
Vcompは補償ボロメータ54の端子に現れる電圧であり、
Rcompは補償ボロメータ54の抵抗である。
非特許文献1(E. Mottinら、「Uncooled amorphous silicon enhancement for 25μm pixel pitch achievement」、Infrared Technology and Application XXVIII、SPIE、第4820巻。)
非特許文献2(B. Fiequeら、「320 x 240 uncooled microbolorneter 2D array for radiometric and process control applications」、Optical System Design Conference、SPIE、第5251巻。)
非特許文献3(C Trouilleauら、「Low cost amorphous silicon based 160 x 120 uncooled microbolometer 2D array for high volume applications」、Optical System Design Conference、SPIE、第5251巻。)
Vac≒VBUS-VDET
を想定することができる。
ただし、式中、
expは指数関数であり、
EAは所定のボロメータ活性化エネルギーであり、
kはボルツマン定数であり、
Trefはステップ60で測定された基材温度である。
ただし、式中、
ApおよびAnは、それぞれ、MOS 58および52の知られている技術的因子であり、
VthpおよびVthnは、それぞれ、MOS 58および52の知られている閾値であり、
VFIDおよびGSKはそれぞれトランジスタ52および58のゲートに印加される電圧であり、これも知られている。
ただし、式中、Ncorr(i, j)は補正され2値化された出力電圧であり、
Vcomp≒VSK-VBUS (11)
となる。
ただし、式中、
expは指数関数であり、
EAは所定のボロメータ活性化エネルギーであり、
kはボルツマン定数であり、
Trefはステップ60で測定された基材温度である。
ただし、式中、
ApおよびAnは、それぞれ、MOS 58および52の知られている技術的因子であり、
VthpおよびVthnは、それぞれ、MOS 58および52の知られている電圧閾値であり、
VFIDおよびGSKはそれぞれトランジスタ52および58のゲートに印加される電圧であり、これも知られている。
ただし、式中、Ncorr(i,j)は補正され2値化された出力電圧であり、
物理的モデルを使用することで、複数のテーブル補間で実現されるよりも精度の高い補正が可能になる。実際、物理的実在性をいっさい隠さない補間は、高い精度で現象の実在性を反映する物理的モデルに比べてボロメータ挙動のモデル化の精度が劣る。
物理的モデルを使用することで、補間用のテーブルの温度の範囲を外れたシーン温度を正確に説明することが可能になる、言い換えると、補外が可能である。
物理的モデルを使用するには、関係式(5)のモデルの場合に、限られた数のテーブルがあるだけでよい、さらにはただ1つのテーブルがあるだけでよい。こうして記憶容量が減らせるため、テーブルが読み取り専用メモリもしくはフラッシュメモリ内に格納される場合に有利である。
本発明によるオフセット補正は、例えばシャッターなどの機械的要素を必要としない。しかし、本発明による補正は、一般的に、均一なシーンを取得する最も効果的な手段である、したがって、ボロメータオフセットを決定するための最も正確な手段であるシャッターの使用をシミュレートするものである。
本発明を実現するために処理される計算の量は、十分に少なく、したがって今日のプロセッサ上でリアルタイムで実行することができる。したがって、本発明の利点は、補正の精度とアルゴリズムによる実装のコンパクトさとの間の有利な妥協点をもたらすという点にある。
14 抵抗型イメージングボロメータ
16 読み取り回路
18 ブロック
20 補償回路の行
22 温度プローブ
24 変換回路
26 データ処理ユニット
28 CPU
30 ランダムアクセスメモリ
32 大容量記憶装置
34 ディスプレイ画面
40 測定回路
42 補償回路
44 オペアンプ
46 キャパシタ
48 リセットスイッチ
50 読み取りスイッチ
50 選択スイッチ
52 第1のMOSインジェクショントランジスタ
54 補償ボロメータ
56 補償ボロメータ
58 第2のMOSインジェクショントランジスタ
60 第1の初期化フェーズ
Claims (10)
- 基材と、
赤外線を検出する素子の少なくとも1つのラインからなるマトリックスであって、前記各素子が抵抗型イメージングボロメータを構成する、前記基材の上に形成されたマトリックスと、
前記マトリックスの各イメージングボロメータに電気刺激を印加して、前記マトリックスにより検出された赤外線イメージを構成するアナログ電気信号を生成する、読み取り回路と、
前記基材の少なくとも1つのポイントにおいて温度を測定するプローブと、
前記読み取り回路およびプローブにより生成されたアナログ電気信号をデジタル値に変換するアナログ−デジタル変換器と、
データ処理ユニットと、
を備える赤外線検出デバイスであって、
前記データ処理ユニットが、均一のシーンに曝されたイメージングボロメータのマトリックスからの電気信号に対応するデジタル値NC(i,j)を格納し、
前記データ処理ユニットが、関係式
式中、N brut (i,j)が、イメージングボロメータのマトリックスがシーンに曝されたときのイメージングボロメータからのアナログ電気信号のデジタル値であり、Ncorr(i,j)が、イメージングボロメータの補正されたデジタル電気信号であり、
前記データ処理ユニットが、関係式
式中、E A はイメージングボロメータの所定のボロメータアクティベーションエネルギーであり、kはボルツマン定数であり、R ac (i,j)は基材の所定一定温度T ref での均一シーンに曝されたイメージングボロメータの所定の基準電気抵抗であり、
前記データ処理ユニットが、読み取り回路により生成された電気信号の所定の物理的モデルをイメージングボロメータの電気抵抗の関数で格納するように構成され、
前記データ処理ユニットが、関係式
電気抵抗Rest(i,j)のデジタル値および読み取り回路により生成された電気信号の所定の物理的モデルに基づいて、デジタル値NC(i,j)をコンピュートするステップと、
により、測定された基材温度T mes に実質的に等しい温度の均一シーンへのイメージングボロメータのマトリックスの曝露に前記デジタル値NC(i,j)を対応させるため、デジタル値NC(i,j)をコンピュートするように構成されていることを特徴とする赤外線検出デバイス。 - 前記赤外線検出デバイスが、コモンモード補償構造を備え、コモンモード補償構造が、イメージングボロメータのマトリックスの各列に関連付けられた補償ボロメータを含み、かつ前記読み取り回路は、前記各イメージングボロメータ内を流れる電流とそれに関連付けられた前記補償ボロメータ内を流れる電流との差から、前記マトリックスにより検出された赤外線イメージを構成する電気信号を生成可能であることを特徴とし、かつ前記読み取り回路により生成された電気信号の所定の物理的モデルが、前記補償ボロメータの電気抵抗の所定の物理的モデルを含むことを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出デバイス。
- 前記データ処理ユニットは、関係式
Rcomp−est(j)=Rcomp−abs(j).C(Tmes)に従って、各補償ボロメータ(54)の電気抵抗を推定し、
式中、Rcomp−est(j)は補償ボロメータの推定された電気抵抗であり、Rcomp_abs(j)は、単一セットのパラメータを格納する第2記憶空間に格納された第j列の補償ボロメータの所定の基準電気抵抗であり、C(Tmes)は前記基材の測定された温度Tmesに依存するパラメータであることを特徴とする請求項2に記載の赤外線検出デバイス。 - 前記データ処理ユニットは、関係式、すなわちデジタル値NC(i,j)=α−β×(Icomp(j)−Iac(i,j))に従って、各イメージングボロメータのデジタル値NC(i,j)をコンピュートし、
式中、αおよびβは、単一セットのパラメータを格納する第2記憶空間に格納された読み取り回路に依存する所定のパラメータであり、Icomp(j)は、その推定された電気抵抗から計算されたイメージングボロメータと関連付けられたj番目の補償ボロメータ内を流れる電流であり、Iac(i,j)は、その推定された電気抵抗から計算されたイメージングボロメータ内を流れる電流であることを特徴とする請求項3または4に記載の赤外線検出デバイス。 - 前記データ処理ユニットは、少なくとも部分的に前記基材内に実装されたことを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出デバイス。
- 前記マトリックスのイメージングボロメータの基準電気抵抗Rabsは、前記基材内に組み込まれた永続的メモリに表の形式で格納されることを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出デバイス。
- 前記ボロメータアクティベーションエネルギーEAが、すべてのイメージングボロメータで同じであることを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出デバイス。
- 前記データ処理ユニットが、基材温度の前回測定値と第1記憶空間に格納されたデジタル値NC(i,j)と関連づけられた温度との差分絶対値が、所定の閾値よりも大きいかどうかを確認し、前記差分絶対値が前記所定の閾値よりも大きい場合は新しいデジタル値NC(i,j)をコンピュートする請求項1に記載の赤外線検出デバイス。
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