NL193390C

NL193390C - Thermische detector.

Info

Publication number: NL193390C
Application number: NL8501079A
Authority: NL
Original assignee: Secr Defence Brit
Priority date: 1984-04-16
Filing date: 1985-04-12
Publication date: 1999-08-03
Also published as: GB2186146A; DE3513617A1; US4808822A; NL8501079A; FR2712694A1; FR2712694B1; IT1236502B; NL193390B; GB8508639D0; AU579150B2; GB2186146B; IT8547959A0; AU4142385A; DE3513617C2

Description

1 193390

Thermische detector

De uitvinding heeft betrekking op een thermische detector omvattend: a. ten minste een rij thermische detectorelementen die zijn opgesteld om straling uit een tafereel te 5 ontvangen, b. een respectieve vermogensversterker die bij ieder detectorelement behoort, c. een rijuitgangslijn die is ingericht om detectorelementsignalen opnieuw uit te zenden naar een gemeenschappelijke rijuitgang, d. modulatiemiddelen die zijn ingericht om straling uit het tafereel te moduleren zodanig, dat elk detector-10 element afwisselend lichte en donkere tijdsintervallen waarneemt en achtereenvolgens wordt belicht langs de rij, en e. adresseringsmiddelen die zijn gesynchroniseerd met de modulatiemiddelen en zijn ingericht om de vermogensversterkers sequentieel te adresseren en hun signalen te bemonsteren naar de gemeenschappelijke rijuitgang teneinde afwisselende lichte en donkere groepen signalen te verschaffen. Een dergelijke 15 thermische detector is bekend uit A. Carlson et al. in een artikel getiteld ’’Solid-state pyroelectric imaging system”, SPIE, deel 267, Staring Infrared Focal Plane Technology, biz. 86-98 (1981). De uitvinding is van toepassing op zowel lineaire als tweedimensionale detectorstelsels.

Lineaire detectorstelsels zijn bijzonder geschikt voor toepassingen waar een relatieve verplaatsing bestaat tussen de detectorkop en enig afgebeeld object. Voorbeelden betreffen alarmdetectoren voor 20 indringers, waarbij het object voorbij de detectorkop beweegt, en zogenaamde drukbezemlijn- aftastdetectoren (pushbroom linescan detectors), waarin een bewegend voertuig de detectorkop aftast of langs de detectorkop sleept volgens een continue beweging door de scene. Stelsels van vele honderden detectorelementen kunnen noodzakelijk zijn, maar vanwege de afwezigheid van een volgens een lijn aftastende detector zijn de bandbreedten laag. In vele van deze toepassingen kan een bandbreedte van 25 minder dan 50 Hz worden bereikt. Bij het voorbeeld van de alarmdetector voor indringers, waar object-snelheden U0 meestal liggen in het gebied van 2 m/sec zal derhalve een gezichtsveld resolutie Q van 0,1 m leiden tot een bandbreedte 11,/20, wat minder dan 50 Hz bedraagt.

Tweedimensionale detectorstelsels zijn nuttig voor een breed gebied van infrarood bewakings-toepassingen.

30 De ontwikkeling van thermische detectoren is momenteel gericht op het bereiken van stelsels met een groot aantal elementen met kleine steek tussen de elementen.

Lineaire en tweedimensionale detectorstelsels zijn tot nu toe gebaseerd op het lezen van een stelsel van pyroëlektrische elementen door een ladinggekoppelde inrichting (charge-coupled device = CCD). In deze CCD-hybride inrichting wordt zowel het signaal als de ruis van elk element bemonsterd en op het beeld-35 element gehouden door toepassing van de CCD-ingangsbron. Dit resulteert in het zogenaamde aliasen van de ruis ter plaatse van het beeldelement. In het bijzonder geeft de thermische ruis in de CCD-poort, indien gealiast, aanleiding tot ruis van (4/3 kTa/C)y2 volt R.M.S., waarin C de detectorcapaciteit en α het injectie-rendement is. Omdat het ontwikkelde pyroëlektrische spanningssignaal onafhankelijk is van het element-gebied, A, is de signaal/ruisverhouding van deze dominante ruisbron evenredig met Avs·, dat wil zeggen 40 evenredig met de elementsteek.

De momentele trend wat betreft de ontwikkeling van grote stelsels is het reduceren van de elementsteek. Dit geschiedt in het CCD-ontwerp ten koste van het bedrag. De CCD-uitlezing wordt effectief beperkt tot een interelementsteek van 100 pm of meer, teneinde een acceptabele signaal/ruisverhouding met conventionele technologie te bereiken.

45 Als alternatief ten opzichte van de CCD-benadering worden de detectorelementen uitgelezen door middel van multiplex-matrixschakelaars en buslijnen. In één voorbeeld hiervan wordt een rij ferro-elektrische detectorelementen gekoppeld met een buslijn via een rij van een gelijk aantal metaal-oxidehalfgeleider-veldeffecttransistoren (MOSFET) in de vorm van schakelaars. Het buslijnsignaal wordt via een gemeenschappelijke versterker gerelayeerd naar een videoprocessor.

50 In de stand van de techniek volgens A. Carlson omvat de detector een rij pyroëlektrische thermische detectorelementen en een halfgeleider-dragerlaag. Ingangsvoorversterkers met hoge impedantie voor elk element, elk met bijbehorende schakelaar, zijn opgenomen in de laag, samen met een gemeenschappelijke buslijn. De rij pyroëlektrische elementen wordt met een buslijn gekoppeld via de schakelbare voorverster-kers, die ieder een junctie-veldeffecttransistor met dubbele poort (JFET) omvatten. Elk detectorelement is 55 met een poort van de bijbehorende JFET verbonden en de signaalspanning op deze poort stuurt de stroom die door het transistorkanaal vloeit. Deze voorversterker wordt geschakeld door middel van een spannings-adres, dat aan de andere poort wordt toegevoerd. Een probleem dat met de keuze van de voorversterker 193390 2 samenhangt is de relatief significante sterkte van de poortlekstroom. Deze stelt ernstige beperkingen aan de JFET-constructie en -werking. De JFET’s zijn geconfigureerd als een array siliciumelementen, die geproduceerd moet worden onder toepassing van speciale procestechnieken teneinde de bijbehorende lekstroom beneden 10‘13 A te houden. De buslijn wordt gevolgd door een impedante-omzetter en een analoog 5 schuifregister.

De hierin beschreven uitvinding is gericht op thermische detectoren die een groot aantal waarneem-elementen bevatten en is bedoeld voor implementaties waarin de inter-elementsteek relatief klein is (bijvoorbeeld kleiner dan 100 pm).

De onderhavige uitvinding verschaft een thermische detector van de bij de aanhef gedefinieerde soort, 10 met het kenmerk, dat i) elke vermogensversterker is ingericht om detectorelementsignalen te versterken ten behoeve van uitvoer daarvan naar de rijuitgangslijn en om detectorelementcapaciteit te ontkoppelen van degene van de rijuitgangslijn, ii) banddoorlaatfiitermiddelen die zijn ingericht om de lichte en donkere groepen signalen uit de gemeen-15 schappelijke rijuitgang te ontvangen, waarbij de filtermiddelen transmissiekarakteristieken hebben teneinde detectorelementuitgangssignalen door te laten en zowel een anti-aliasing laagdoorlaatfilter als een hoogdoorlaatfilter omvatten, die zijn ingericht om respectieve verschilsignalen uit de lichte en donkere uitgangssignalen van ieder element te onttrekken.

De uitvinding vermijdt een combinatie van problemen die optreedt bij bemonsterde thermische detector-20 stelsels. Gebleken is dat dergelijke stelsels voor vele toepassingen onacceptabele ruis leveren.

Verrassenderwijze is gebleken, dat een hoofdbron van de ruis afkomstig is van het aliasen van hoogfrequente ruis in de basisband geproduceerd door het bemonsteren van de afzonderlijke detectorelement-signaien. Zoals eerder besproken werd gemeend dat dit een probleem was dat beperkt was tot pyroëlektri-sche elementstelsels met CCD-uitlezing. Verder is het noodzakelijk gebleken te zorgen voor demping van l/f 25 ruis (f = frequentie).

Het is echter praktisch onmogelijk om betrekkelijk omvangrijke filtercomponenten te plaatsen naast afzonderlijke detectorelementen om bijvoorbeeld een vierkant van 50 μ. Dit probleem wordt opgelost door de detectorelementsignalen te multiplexen naar een gemeenschappelijke rijuitgang en van daar naar een bandfilter. Het filter kan dan buiten het stelsel worden geplaatst en behoeft niet samen te werken met een 30 afzonderlijk detectorelement. Uitvoeringsvormen van de uitvinding leveren een ruisvoordeel op van een factor 10 of meer, vergeleken met de bekende thermische detector met CCD-uitlezing en overeenkomstige geometrie. De uitvinding levert derhalve aanzienlijke verbeteringen, in het bijzonder voor stelsels met een inter-elementsteek kleiner dan 100 pm.

In een voorkeursuitvoeringsvorm bezit het bandfilter een hoge doorlaateigenschap verkregen door het 35 aftrekken van een verschilsignaal van paren lichte en donkere signalen die door elk detectorelement worden geproduceerd. Dit geschiedt door het voldoende vertragen van een signaal teneinde het te synchroniseren met een volgend signaal dat bij de aftrekking betrokken is. Signalen kunnen door een RC-filter op laag-doorlaat worden gefilterd en vervolgens worden gedigitaliseerd voorafgaand aan vertraging en aftrekking in digitale inrichtingen die het hoogdoorlaatfilter vormen. Het laagdoorlaatfilter kan een versterker bevatten en 40 een bemonster- en houdinrichting.

De thermische detectorelementen kunnen van de pyroëlektrische soort zijn met hoge impedantie en elk kan samenwerken met een respectievelijke schakelbare voorversterker met hoge impedantie zoals een MOSFET-bronvolginrichting. De voorversterkers kunnen worden ingebouwd in een siliciumlaag die de detectorelementen draagt. Zij kunnen ook adresseerbare MOSFET-schakelaars opnemen alsmede hun 45 bronaansluitingen en een gemeenschappelijke bronweerstand delen, die in de gemeenschappelijke rijuitgang is opgenomen. De schakelbare voorversterkers kunnen ook JFET-inrichtingen met dubbele poort zijn, maar de voorkeur wordt gegeven aan MOSFET’s vanwege hun lagere lekstroom en dienovereenkomstig lagere ruis.

De rij detectorelementen kan vergezeld gaan van een of meer equivalente extra rij-inrichtingen voor het 50 vormen van een tweedimensionaal stelsel met detectorelementen die volgens rijen en kolommen zijn opgesteld. De detectorelementen in elke rij kan synchroon worden gelezen door adresmiddelen die voor alle rijen gemeenschappelijk zijn, terwijl de signalen daarom kunnen worden gemultiplexed naar een enkele lijn via een schuifregister en na laagdoorlaatfilterwerking. Hoogdoorlaatfilterwerking kan dan worden uitgevoerd door een enkel filter voor het totale stelsel, welk filter zodanig kan zijn uitgevoerd dat het signalen ontvangt 55 van het schuifregister.

De thermische detectoren kunnen uit pyroëlektrisch materiaal bestaan, zoals loodzirkonaat (PZT), deuteraattriglycinesulfaat (TGS) of keramisch strontiumbariumniobaat (SBN). Ook kunnen thermisch 3 193390 reagerende diëlektrische materialen worden gebruikt, zoals een ferro-elektrische stof.

De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand van de volgende figuren.

Figuur 1 geeft een schematisch blokschema van een pyroëlektrische hybridische lineaire stelseldetector 5 met bijbehorende voorversterkers en gemeenschappelijk laagdoorlaatfilter; figuur 2 toont een schematisch blokschema, gedetailleerd in slechts enkele delen, van een tweedimensionaal pyroëlektrisch hybridisch stelsel, voorzien van rijen componenten die in de voorafgaande figuur zijn weergegeven; figuur 3 is een schematisch blokschema van een hoogdoorlaat-digitaal subtractief filter ten gebruike bij 10 de detectoren van de bovengenoemde figuren 1 en 2; figuur 4 toont een tijddiagram van de variatie van de stralingsintensiteit die op het stelsel valt en de variatie van de hieruit resulterende temperatuur van het stelselelement; figuur 5 toont een dwarsdoorsnede door een detectorelement, wat hier dient als een eenvoudig thermisch model voor de hieronder volgende analyse; 15 figuur 6 toont een equivalente ruisschakeling voor de in de hierboven vermelde figuur 2 weergegeven detector; figuren 7 t/m 10 zijn grafieken, die de afhankelijkheid tonen van de met de ruis equivalente temperatuur-detectiviteit (NETD) berekend als functie van de dikte van het detectorelement voor drie waarden van de thermische conductantie voor een stelsel van 300 elementen en twee waarden van de spanningsruis 20 respectievelijk voor een stelsel van 100 elementen en dezelfde twee waarden van de spanningsruis; figuur 11 toont in een grafiek de variatie van de RMS-ruis en het signaal met de elementdikte; en figuur 12 toont in een grafiek de berekende waarden van de met de ruis equivalente temperatuurdetecti-viteit (NETD) voor een bekende hybridische CCD-detector als functie van de chopperfrequentie en uitgezet voor drie verschillende pyroëlektrische materialen.

25

In figuur 1 is een lineair of uit een rij bestaand pyroëlektrisch stelsel 1 weergegeven, dat gebruik maakt van geschakelde MOSFET-uitlezing en een anti-aliaseerfilter. Afzonderlijke pyroëlektrische detectorelementen 3 zijn gearceerd weergegeven. Het lineaire stelsel 1 kan bestaan uit een rij van een tweedimensionaal stelsel, aangegeven in figuur 2 (hierna nog meer gedetailleerd beschreven). Elk pixel van het stelsel 1 omvat een 30 pyroëlektrisch detectorelement 3, een MOSFET-voorversterker 5 en een MOSFET-schakelaar 7, en is gekoppeld met een gemeenschappelijke buslijn 9. Een weerstand is gelegen nabij de uitgang van de buslijn. De weerstand R1 werkt als een bronvolgerbelasting voor elke afzonderlijke voorversterker 5 indien beurtelings verbonden met de buslijn 9. De schakelaars 7 worden geactiveerd door een X-adresinrichting 10. Elke voorversterker 5 dient voor het ontkoppelen van de detectorcondensator (ongeveer 1 pf) van de 35 veel grotere spreidingscapaciteit C, van de lijn (C^ 10-50 pf). Het lijnsignaal dat over de bronvolgerbelasting R, wordt opgewekt wordt toegevoerd aan de ingang van een versterker 11, en vandaar naar een anti-aliaseerlaagdoorlaatfilter 13 alsmede een bemonster-houdinrichting S/H. In dit ontwerp zijn de meest significante ruisbronnen die bij de detector 3 en de voorversterkeringang, en de spanningsruis op de lijnversterker 11.

40 Het pyroëlektrische stelsel 1 is zodanig uitgevoerd, dat het het thermische beeld ontvangt van een op afstand gelegen scene geleverd door een gebruikelijk afbeeldstelsel (niet weergegeven), dat in de stand van de techniek bekend is. Het afbeeldstelsel omvat een brandvlakchopper of stralingsmodulator op de gebruikelijke wijze uitgevoerd. De chopper levert afwisselend gelijke lichte en donkere tijdperioden bij elk detectorelement 3, waarbij elk element achtereenvolgens wordt belicht. Deze tijdperioden zijn zodanig dat zij 45 gelijk zijn aan xe van de lijntijd, dat wil zeggen de tijd dat een licht/donker chopperrand het hele stelsel of rij 1 doorloopt. De werking van de X-adresinrichting 10 wordt met de chopperrotatie gesynchroniseerd.

In de uitgang van de lijn 9 wordt de ruisbandbreedte beperkt door het filter 13 - eenvoudig weergegeven door een weerstand en condensatoronderdeel Rb en Cb. De uitgangsspanning van het filter 13 wordt bemonsterd en vastgehouden. Er zijn N detectoren in het lineaire stelsel 1 en de MOSFET-schakelaar 7 in 50 elk beeldelement wordt voor een tijd τ = τ/Ν gesloten. Het schakelen geschiedt opeenvolgend volgens het stelsel 1, zodat de lijnspanning bestaat uit een reeks pulsen met een duur τ, terwijl achter elkaar volgende elementen 3 worden geadresseerd. Dit leidt tot twee ontwerpcriteria betreffende de lijnuitgangsschakeling. Deze zijn: R.CVO+gJ^XT^TT (1) 55 RbCb ( t (2) waarin 1/gm de uitgangsimpedantie van elke voorversterker 3 is.

193390 4

In de praktijk als t, = 2x 10"2 seconden en N = 100 geldt voor C, = 30 pf, dat R., kleiner is dan 106 ohm. In het filter 13 moet de tijdconstructie xb(ib = RbCb) kleiner zijn dan τ/3. Omdat (1-e'x/xb) bij deze waarde gelijk is aan 0,95, gaat 5% van het signaal van het r-de beeldelement verloren in het (r-l)de beeldelement.

Dit resulteert in een reductie van de modulatieoverdraagfunctie (MTF) tot 90% bij de hoogste ruimtelijke 5 frequenties. Om de filtercomponenten binnen redelijke afmetingen te houden wordt voor praktische termen een filtertijdconstante xb=x/10 aangenomen als een meer passende waarde bij de analyse die hierna nog volgt. Dit levert een klein maar niet ernstig signaalverlies op tussen aan elkaar grenzende beeldelementen.

De vraag rijst wat de laagste grens is van de ruisbandbreedte. Dit is voor pyroëlektrische hybridische ontwerpen van bijzonder belang omdat de zogenaamde shotruis van een lekweerstand bij de detectoringang 10 over de detectorcapaciteit verschijnt en aanleiding geeft tot een l/f bijdrage bij de spanningsruis. Figuur 3 toont een digitaal filter 15 met hoogdoorlaatfilterwerking teneinde laagfrequente ruis te dempen. Het filter 15 omvat een analoog/digitaalomzetter (A/D) 16, die zowel direct als via een lijnopberginrichting 17 met een aftrekinrichting 18 is verbonden. De opberginrichting 17 levert een vertraging van τ€, zodat op elkaar volgende lichte en donkere signaalmonsters voor elk detectorelement 3 worden afgetrokken. Voor de 15 ruistermen zullen de lijnuitgangsmonsters een ruisbijdrage VQ(ruis) bezitten, als resultaat van het bemonsteren van de ruisspanning toegevoerd aan de bemonsterschakelaar S/H. Voor elk detectorelement wordt de spectrale component V,(ruis) van deze ruis bij frequentie f na aftrekking van de op elkaar volgende signaalmonsters bij 18 gegeven door: 2o Vf(ruis) = V0(ruis){ei“nTe-ei“(n'1 )T€} nl Vf(ruis) = 2 sin ^ (3)

De parameter n geeft het nde signaalmonster van een detectorelement aan en ω = 2jcf. De laagfrequente ruistermen worden doeltreffend gereduceerd door een filterfactor gegeven door 2 sinicox/Z). Zoals is vermeld bezit de (niet weergegeven) chopper lichte en donkere of open en gesloten perioden gelijk aan x€ 25 van de lijntijd. De signalen bemonsterd bij het einde van elke open en gesloten periode zijn dan in sterkte gelijk maar bezitten tegengesteld teken. De aftrekking uitgevoerd door het digitale filter 15 resulteert dienovereenkomstig in de dubbele bijdrage VD(signaal) tot het totale uitgangssignaal VQ en het opheffen van de verschuiving die bij elk element 3 behoort. De combinatie van hoogdoorlaatfilter 15 en laagdoorlaatfilter 13 levert een bandfilter op dat de uitgangspulsfrequentie doorlaat opgewekt door de geschakelde 30 MOSFET’s 5. Thans zullen uitdrukkingen worden afgeleid voor het gechopte signaal en de dominante ruistermen bij de lijnuitgang. Het digitale filter 15 wordt hieraan toegevoerd en na integratie van de ruis, over alle frequenties, zal de met de ruis equivalente temperatuurdetectiviteit (NETD) worden berekend.

De gechopte straling van een thermische scene en de resulterende temperatuurfluctuatie in elk pyroëlektrisch element 3 zijn in figuur 4 weergegeven. Alle temperaturen refereren naar de omgevings-35 temperatuur Ta bij de detectorcamerakop. Het niveau lm is dan de straling van de hoofdscenetemperatuur, Tm boven Ta, en kan als volgt worden geschreven: lm= Γ Tm d\ = 5x_l20 Tm watts/cm2 (4) m 4F2 J dT 3oo°k F2 m 40 waarin \Λ/λ watt/cm2 micron de spectrale straling is die door de scene wordt uitgezonden en F het F-getal van de optische middelen gebruikt voor het focusseren van de straling op het doelvlak. Gedurende de gesloten fase van de chopper is de straling l0 op elk element 3 een functie van de choppertemperatuur. Als de chopper stopt, waarbij het detectorelement 3 door de scene wordt belicht, is de evenwichtstemperatuur 45 in elk element 3 Tem, en dienovereenkomstig met de chopper gesloten, is de evenwichtstemperatuur Τ^.

Dan geldt:

Tem-Tec = (im-lc)/g (5) waarin g de thermische conductantie van elk element 3 per oppervlakte-eenheid is. Als de chopper roteert, 50 zodat de open en gesloten perioden gelijk aan aan xt, is de in figuur 4 weergegeven temperatuurfluctuatie gelijk aan:

Ti-T2 = ik^tanh(V2Tt) (6) 55 waar x, de thermische tijdconstante is van elk detectorelement 3.

Elk element 3 wordt bemonsterd bij het einde van elk open en gesloten veld en de pyroëlektrische lading behorende bij de temperatuursverandering wordt gegeven als pA(T, - T2) waarin p de pyroëlektrische 5 193390 coëfficiënt is en A het oppervlak van het element. Het spanningssignaal in elk element, gerefereerd naar het hoofdniveau tussen open en gesloten velden, wordt dan gegeven door:

Vm = ± 2gJcTÖJtanh 5 als de positieve en negatieve tekens wijzen naar de open respectievelijk gesloten velden, waarbij c de elektrische capaciteit van het detectorelement 3 is en Ca de elektrische ingangscapaciteit van de voorver-sterker MOSFET 5. Het signaalverschil AV van het detectorelement behorende bij de twee gebieden van de scene met 1°C temperatuurverschil, dat wil zeggen temperaturen Tm en Tm + 1 wordt gegeven door: ,0 AV. ) + VJCTJ -1 [VOIISTC] (8, 2g F2 (C + Ca)

In de bovengenoemde uitdrukking is aangenomen, dat het thermische gedrag van elk detectorelement 3 kan worden gemodelleerd door een eenvoudige thermische tijdconstante, τ, = c/g, waarin c, de thermische 15 capaciteit per eenheid van oppervlak is. Dit is in het algemeen niet het geval. Zoals in figuur 5 is weergegeven kan de inrichting voor het monteren van de pyroëlektrische elementen 3 bestaan uit een uit meerdere lagen opgebouwd pakket van materialen - bijvoorbeeld een isolatiemesa 19 en een siliciumsubstraat 21. De analyse moet dienovereenkomstig worden gewijzigd ter aanpassing aan elke specifieke montage-uitvoering.

Voor de eenvoudige in figuur 5 weergegeven constructie wordt de waarde van de thermische conductan-20 tie g in hoofdzaak bepaald door de thermische isolatiemesa 19, dat wil zeggen: g = KjA/diA (9) waarin kj, dj en A; respectievelijk het thermische geleidingsvermogen, de dikte en het oppervlak van de mesa 19 voorstellen. Voor een typische fotoweerstandsmesa met kj gelijk aan 1,5 10'3 W cm'1°C'1 en A/A 25 gelijk aan 0,1, is g gelijk aan 0,15 Wcm*2oC'1 bij een dikte van 10 pm.

De thermische capaciteit c, kan als eerste benadering worden aangenomen als de som van die van pyroëlektrische laag 3 en de mesa 19, dat wil zeggen: ct = cpdp + CjdjA/A = cp(dp + φ,Α/ορΑ) (10) 30 waarin cp het specifieke warmtevolume van het pyroëlektrische element 3 en q dat van het isolerende materiaal 19 is. De thermische belasting kan aldus worden uitgedrukt als een extra dikte van het pyroëlektrische materiaal wat ligt in het gebied van 1 pm (Cj/cp-0,5).

Het spanningssignaal van elk detectorelement (zie vergelijking (8)) wordt voor de tijd xe /N naar de buslijn 9 geschakeld. Het wordt versterkt door de voorversterkerbronvolger 5 met een versterker a0 = R^/O+R, 35 gm) en door de lijnversterker 11 met een versterking a. De signaalspanning V0(signaal) overgedragen naar de bemonster-houdcondensator S/H, betreffende het gemiddelde niveau tussen de open en gesloten velden is dan: ,, „ 5x10‘5pA tanh(T,/2t.) (1 -e - τ/τ-b) ....

Vp(signaal) = ± α0α-^·-- (11) 40 2g F2 (C + Ca) waar Tb = RbCb.

Als tenslotte deze spanning wordt toegevoerd aan het digitale filter 15, is na aftrekking van de donker van lichtsignalen, de resulterende signaalcomponent bij frequentie f gegeven door: 45 Vf(signaal) + 2 VQ(signaal) (12)

Het is deze spanning Vf(signaal) die gebruikt zal worden in samenwerking met de berekende filterruis voor het verkrijgen van NETD.

De ruisbronnen worden weergegeven in de equivalente schakeling volgens figuur 6. De bronnen bij 50 detector 3 en de voorversterkeringang 5 zijn in de hieronder staande tabel A aangegeven, onder toepassing van de standaard rms-ruisuitdrukkingen (zie: Porter, S.G., 1981, Ferro-electrics, 33, 193-206).

TABEL A

Temperatuurfluctuatieruis: jT = (4KT2gA)1/2p co/g(1+co2Tt2)1/2 55 Diëlektrische verliesruis: j = (4kTcoc tan δ)172 DC-weerstandsruis (Johnsonruis): j = (4kT/R)1/2 193390 6 TABEL A (vervolg)

Temperatuurfluctuatieruis: jT = (4KT2gA)1/2p ω/9(ι +ω\2γ/ζ

Voorversterker-spanningsruis: ea = (υ 2+z2ft)Vz

Voorversterker-stroomruis: ja = (2ei.,)1/2 5 a

In de hiervorenstaande tabel geeft tan δ de diëlektrische verliezen aan van het pyroëlektrische materiaal, is z de sterkte van de l/f-ruis van de MOSFET-voorversterker bij 1 Hz, is f de frequentie en is T de omgevingstemperatuur gemeten bij de detectorkop.

10 In de schakeling na de voorversterker 5 bevinden zich spannings- en stroomruisbronnen behorende bij schakelaar 7: es en is, en bij de lijnversterker 11: ea en ia en een ruisstroombron in behorende bij de bronweerstand R,.

Voor de ruisbronnen bij de detector- en voorversterkeringang wordt als voorbeeld genomen de voorversterkerspanningsruis ea en de ruiscomponent VQ(ruis) bij een hoekfrequentie ω. Het spanningsniveau 15 V0(ruis) wordt gegeven door: a0a eaei“nT€

Vo(ruis)(13) 20 waarin a0 de bronvolgerversterker is die dicht bij de eenheid is gelegen, a de lijnversterkerversterking is, xb = RbCb en j = V^T. Overeenkomstige uitdrukkingen voor de ruisspanning VG(ruis) afgeleid van de stroomruisbronnen bij de ingang, aangegeven in de bovenstaande tabel 1, kunnen worden verkregen door ea in vergelijking (13) te vervangen door i(ruis)/joü(C+Ca).

De ruisbronnen die optreden na de voorversterker 5, namelijk e, in en ia worden door de lage uitgangsim-25 pedantie 1/gm geshunt. Deze kunnen derhalve worden verwaarloosd. Anderzijds geeft de spanningsruis van versterker 11 aanleiding tot een uitgangssignaal gegeven door vergelijking (13), waarin echter ea is vervangen door ea/a0. Omdat ac dicht bij de eenheid ligt kan deze ruisbron belangrijk zijn en moet zij in kwadraat worden opgeteld bij de spanningsruis ea van de voorversterker.

Uit vergelijking (13) met de verschillende ruisbronnen ter vervanging van ea, kan de ruis in de digitale 30 filteruitgang worden afgeleid uit vergelijking (3), dat wil zeggen vergelijking (13) wordt vermenigvuldigd met factor 2 sin (coxf/2). De versterkingsfactor αα0 kan vervallen door vergelijking met het signaal: .. 2/ . ea24 sin2(ü)i,/2) ....

Vf2(ruis, ea) = -S-(14) (I + w2Tb2) 35 terwijl de totale ruis wordt gegeven door: cc ƒ Vf2(ruis, et) df (15) o 40 waarin e,2 = ea2 + ea 2/ab2 + (iT2+id2+iR2+ia2)ta2(C+Ca)2 (16)

De resultaten van de integratie worden gegeven in de hieronderstaande tabel: 45

TABEL B

03

Ruisintegralen: ƒ V(2df _o_ 50 Spanningsruis(dominante term: Va2/2xb'

l/f-ruis: 2z2J

Diëlektrische verliesruis: (41TC tan 5)J/n(C+Ca)2

Stroomruis: eiL(x€ - x)/C+Ca)2

Johnsonruis: 2kT(xf - xb)/R(C+Ca)2 55 T 2kT2p2A[xt(1 -e'T€/Tt)-rb(1 -e^b)] ^ Temperatuureis: - g(C+Ca)2(T2-rb2) 7 193390

In tabel B stelt het symbool J de volgende integraal voor: jBaaf(1^08«dZ

o z(z2+a2) 5 waarin a = xe/xb = N x/xb

Als xb = x/10, zoals is voorgesteld, zal a = 10N, waarin het aantal elementen 3 in de lijn 1 is. De integraal J is hieronder in tabel weergegeven voor een gebied van waarden voor a.

10 TABEL C

a 30 100 300 1000 3000 10.000 J 4.23 5.3 6.25 7.61 8.64 9.73

Onder toepassing van de waarden van de geïntegreerde gemiddelde ruisspanningen wordt NETD als 15 volgt berekend: . . 1l r5x10-5DAtanh(Ti/2Tt)(1-e-7rb)~ , 4 NETD= J V2(ruis, et) 2 -E-~1 <18> _ o J L 9 F (C+Ca) 20 Parameterwaarden en resultaten van de analyse:

De volgende typische parameterwaarden zijn gebruik voor het evalueren van de bovenstaande signaaluitdrukkingen en ruisuitdrukkingen:

Pyroëlektrisch-keramisch loodzirkonaat. p = 3,5 x 10'8 C cm'2 °C·1 e = 300 25 cp = 2,8 J.crrf3 p = 6 x 10 ohm.cm

tan δ = 5 x 10'3 MOSFET

υ a = 2 x 10‘8 V Hz -1/a z = 1,1 x 10'6 V

iL = 10'14 A C.= 1,0pf 30 Tijdgegevens: χί = 2χ10'2 N = 100-300 elementen xb = x/10 = xf/1 ON = 2 x 10'5 tot 7 x 10'8 s

De gegeven berekeningen zijn uitgevoerd voor een element met een typisch oppervlak van 50 pm in het 35 vierkant. Hierbij zijn thermische conductantiewaarden gebruikt in het gebied g = 0,1 tot 0,3 W cm'2k'\ terwijl de NETD’s zijn genormaliseerd tot een F/l-apertuur.

De resultaten zijn gegeven in termen van NETD van de detector 1 voor een F/l-apertuur (zie grafieken in de figuren 7 tot 10) voor stelsels 1 van 100 en 300 detectorelementen 3 met spanningsruis voor MOS-versterker 5 tot 10 respectievelijk 20 nVHz'1/2. Deze ruiswaarden kunnen worden verkregen bij drainstromen 40 van bij benadering 50 respectievelijk 10 μΑ. De grafiek in figuur 11 toont de afzonderlijke bronnen van de ruis (RMS) en het signaalniveau voor een temperatuurverschil in de scene van 0,1 °C. In deze grafiek stellen de symbolen A tot J het volgende voor: A: signaal voor 0,1 °C (g = 0,2 W cm'2 °C'1) B: diëlektrische ruis 45 C: spanningsruis (300 elementen: 20 nV Hz''/2) D: l/f-ruis E: spanningsruis (100 elementen: 20 nV Hz~1/2) F: spanningsruis (300 elementen: 10 nV Hz'1·^) 50 G: shotruis H: spanningsruis (100 elementen: 10 nV Hz"1/2) I: temperatuurruis J: Johnsonruis

De voorgaande berekeningen tonen aan dat het mogelijk is grote stelsels van pyroëlektrische detector-55 elementen 3 volgens een lineair of volgens een tweedimensionaal formaat te vervaardigen, voorzien van een NETD bij F/l in het gebied van 0,1-0,2°C (afhankelijk van de thermische isolatie en de reticulatiestructu-ren die in de constructie worden gebruikt). Een bekend stelsel met CCD-uitlezing met soortgelijke geometrie 193390 8 als besproken zou een NETD een factor van tien of meer slechter bezitten. Voor de pyroëlektrische structuren wordt het bedrag in hoofdzaak gedomineerd door elektrische verliesruis en de bovenstaande resultaten tonen het belang aan van het laag houden van de spanningsruis van de MOS-versterker 5, in het bijzonder bij zeer grote stelsels 1.

5 Het bovenvermelde uitleesschema maakt gebruik van standaard-MOS-technologie met slechts een klein aantal actieve elementen op beeldelementniveau. Een kleine detectorsteek kan worden bereikt zonder dat gebruik behoeft te worden gemaakt van de momenteel in de aandacht staande technologieën volgens welke met kleine afmetingen (bijvoorbeeld submicrons) wordt gewerkt.

Ter vergelijking zijn in figuur 12 karakteristieken weergegeven van de NETD uitgezet tegen de chopper-10 frequentie van de bekende ladinggekoppelde inrichting (CCD) met hybridische pyroëlektrische detectoren. Deze grafiek is afkomstig uit een recente publicatie ’’Performance and Technologies for Linear and Two Dimensional Pyroelectric Arrays”, van R. Watton et al, ICC Conference Publication Nr. 228, 2de Internationale Conferentie over Advanced Infrared Detectors and Systems, biz. 49-53 (1983). De drie weergegeven krommen betreffen verschillende hybridische pyroëlektrische materialen - hybridische CCD van loodzirko-15 naat (PZT), strontiumbariumniobaat (SBN) en gedeutereerd triglycinesulfaat (DTGS). Voor de berekening van de weergegeven krommen is de thermische conductantie 9 van elke detector aangenomen als zijnde 0,1 W/cm2oC, een waarde die bij toepassing van fotoresistieve-mesa-isolatie kan worden bereikt. Het detectormateriaal is 10 pm dik en de detectorelementsteek bedraagt 100 pm. Bij een typische chopperveld-frequentie van 50 Hz, = 2 x 10'2 seconden liggen de berekeningen bij de NETD’s tussen 0,3 en 0,5°C. Dit 20 kan worden vergeleken met de bovengegeven resultaten - waarvoor dezelfde dikte van 10 pm van keramisch loodzirkonaat (PZT) de berekende NETD’s ligt in het gebied van 0,1 0,15°C. Dit geeft aan dat met de uitvinding een zeer belangrijke verbetering van de werking kan worden bereikt, dat wil zeggen een verbetering tussen het tweevoudige en het vijfvoudige.

De voorgaande analyses zijn in hoofdzaak beperkt tot een lineair stelsel of rij van N detectorelementen. 25 Een tweedimensionaal stelsel van twee of meer van dergelijke rijen kan zoals kort hierboven aan de hand van figuur 2 is uiteengezet eveneens worden geconstrueerd. De elementen volgens figuur 2 die equivalent zijn aan die weergegeven in figuur 1 zijn met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven en afzonderlijke rijen van elementen 3 strekken zich verticaal uit, dat wil zeggen onder een rechthoek ten opzichte van de overeenkomstige richting in figuur 1. Drie rijen van detectorelementen 3 zijn weergegeven, aangegeven met 30 1a, 1b en 1c. Er zijn drie detectorelementen 3 per rij, dat wil zeggen N = 3. De centrale rij 1b bezit een detectorelement 3 met bijbehorende MOSFET’s 5 en 7, zoals weergegeven. Andere detectorelementen en overeenkomstige MOSFETs zijn schematisch aangegeven door blokken zoals 30. De centrale rij 1b is via de weergegeven weerstand R1t versterker 11, laagdoorlaatfilter 13 en S/H verbonden met een schuifregister 32. Rijen 1a en 1b zijn met het schuifregister 32 verbonden via equivalente schakelingen aangegeven door 35 blokken 34a en 34c. Het uitgangssignaal van het schuifregister 32 (o/p) wordt toegevoerd aan een in figuur 3 weergegeven digitaal hoogdoorlaatfilter. Het in figuur 2 weergegeven stelsel wordt dienovereenkomstig gekenmerkt door een laagdoorlaatfilter per rij maar vereist slechts een hoogdoorlaatfilter voor het totale stelsel. Het stelsel wordt geadresseerd in de x-richting (volgens elke rij) door de weergegeven x-adresinrichting.

40 De aan de hand van de figuren 2 en 3 beschreven uitvoeringsvorm werkt als volgt. De x-adresinrichting bedient de nde MOSFET-schakelaar 7 in alle rijen 1a tot 1c synchroon, waarin n = 1 tot N en in de onderhavige uitvoeringsvorm N = 3. Na het nde schakelsignaal houdt het schuifregister 32 signalen van het nde detectorelement in elk van de rijen 1a tot 1c, dat wil zeggen de inhoud van het schuifregister nadat het nde schakelsignaal het uitgangssignaal is van de nde kolom van het detectorelement 3. De rijen worden 45 synchroon uitgelezen in een totale lijntijd of τ^/Ν per detectorelement 3, zoals beschreven bij de uitvoeringsvorm volgens figuur 1. Het schuifregister 32 moet dienovereenkomstig volledig serieel worden uitgelezen in een tijd τ,/Ν en houdt M detectorelementsignalen vast, waarin M het geval van de rij van detectorelementen is en in de onderhavige uitvoeringsvorm gelijk is aan 3. De uitleestijd met detector-elementsignaal bedraagt derhalve τ€/ΝΜ. Dit levert een reeks NM-signalen op (overeenkomstig de volledige 50 uitlezing van het stelsel) gedurende de lijntijd τ(, die nu equivalent is aan een videobeeldtijd. Bovendien worden deze signalen serieel gemultiplexed op een enkele lijn of bus, wat voor het grootste deel van de gebruikelijke videoweergeefapparatuur wordt vereist. Zij zijn derhalve volledig toepasbaar voor een rasteraftastweergave. De laagfrequente ruiscomponent van de ruis in deze signalen wordt niet beïnvloed door de schuifregisteropberging en uitlezing, zodat het enkele digitale hoogdoorlaatfilter volledig geschikt is 55 voor het filteren van de schuifregisteruitgang die met het totale stelsel wordt verkregen.

Er zijn weergeefinrichtingen verkrijgbaar waarvan de afzonderlijke lijnen parallel zijn geadresseerd, dat wil zeggen gelijktijdig, in plaats van serieel zoals bij de gebruikelijke volgens een raster afgetaste kathode-

Claims

1. Thermische detector omvattend: a. ten minste een rij thermische detectorelementen die zijn opgesteld om straling uit een tafereel te 10 ontvangen, b. een respectieve vermogensversterker die bij ieder detectorelement behoort, c. een rijuitgangslijn die is ingericht om detectorelementsignalen opnieuw uit te zenden naar een gemeenschappelijke rijuitgang, d. modulatiemiddelen die zijn ingericht om straling uit het tafereel te moduleren zodanig, dat elk 15 detectorelement afwisselend lichte en donkere tijdsintervallen waarneemt en achtereenvolgens wordt belicht langs de rij, en e. adresseringsmiddelen die zijn gesynchroniseerd met de modulatiemiddelen en zijn ingericht om de vermogensversterkers sequentieel te adresseren en hun signalen te bemonsteren naar de gemeenschappelijke rijuitgang teneinde afwisselende lichte en donkere groepen signalen te verschaffen, met het 20 kenmerk, dat i) elke vermogensversterker is ingericht om detectorelementsignalen te versterken ten behoeve van uitvoer daarvan naar de rijuitgangslijn en om detectorelementcapaciteit te ontkoppelen van degene van de rijuitgangslijn, ii) banddoorlaatfiltermiddelen (13, 15) die zijn ingericht om de lichte en donkere groepen signalen uit de 25 gemeenschappelijke rijuitgang te ontvangen, waarbij de filtermiddelen transmissiekarakteristieken hebben teneinde detectorelementuitgangssignalen door te laten en zowel een anti-aliasing laagdoorlaatfilter als een hoogdoorlaatfilter omvatten, die zijn ingericht om respectieve verschilsignalen uit de lichte en donkere uitgangssignalen van ieder element te onttrekken.

2. Thermische detector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het laagdoorlaatfilter (13) is opgesteld 30 naast een uiteinde van de rij (1) van detectorelementen (3).

3. Thermische detector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de adresseringsmiddelen (5, 7, 9, 10, 11, R1) een respectieve, bij iedere vermogensversterker (5, 7, 9) behorende schakelaar (7) omvatten, welke schakelaar (7) is ingericht om de bijbehorende vermogensversterker te verbinden met of isoleren van de rijuitgangslijn in overeenstemming met het feit of de schakelaar wel of niet is geadresseerd.

4. Thermische detector volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat elke vermogensversterker (5, 7, 9) een veld-effect-transistor-”source”-volger (5, 9) is en dat iedere schakelaar (7) een tussen de respectieve ”source”-volger en de rijuitgangslijn verbonden transistor is.

5. Thermische detector volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de vermogensversterkers (5, 7, 9) en transistorschakelaars (7) zijn gevormd in naast de detectorelementen (3) gelegen halfgeleidermateriaal.

6. Thermische detector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vermogensversterkers een gemeenschappelijke belastingsweerstand (R1) delen, die is verbonden met de gemeenschappelijke rijuitgang.

7. Thermische detector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat: i) de rij (1a) van thermische detectorelementen (3) en vermogensversterkers (5, 7, 9) wordt vergezeld van ten minste een andere soortgelijke rij (1b) teneinde een in rijen en kolommen ingerichte array te 45 vormen, ii) de rijen (1a, 1b) respectieve rijuitgangslijnen hebben, die detectorvermogensversterkers verbinden met respectieve rijuitgangen, iii) de modulatiemiddelen zijn ingericht om straling uit het tafereel zodanig te moduleren, dat iedere kolom van detectorelementen afwisselende lichte en donkere intervallen ondergaat en sequentieel wordt 50 belicht, iv) de adresseringsmiddelen zijn ingericht om de vermogensversterkers (5, 7, 9) in elke rij sequentieel te adresseren en hun signalen te bemonsteren naar de respectieve gemeenschappelijke rijuitgang teneinde afwisselende lichte en donkere groepen van signalen te verschaffen, v) de banddoorlaatfiltermiddelen (13, 15) een respectief anti-aliasing langdoorlaatfilter (13) voor iedere rij 55 omvatten, die is ingericht om hoogfrequente ruis in uitgangssignalen uit de respectieve gemeenschappelijke rijuitgang te onderdrukken, alsmede hoogdoorlaatfiltermiddelen (15) die zijn ingericht om respectieve verschilsignalen uit de lichte en donkere signalen van ieder detectorelement te onttrekken na geschikte 193390 10 laagdoorlaatfiltering teneinde 1/f-ruis te onderdrukken.

8. Thermische detector volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de adresseringsmiddelen zijn ingericht om elke kolom van detectorelementen synchroon uit te lezen.

9. Thermische detector volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de rijuitgangen naar een enkelvoudige 5 arrayuitgang worden gemultiplext.

9 193390 straalbuizen. Een voorbeeld hiervan is een weergeefstelsel met licht-emitterende dioden. Bij dergelijke weergeefstelsels kan het multiplexschuifregister 32 achterwege blijven, waarbij elke weergeeflijn elke rijuitgang direct ontvangt via een respectievelijk digitaal filter. 5

10. Thermische detector volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de hoogdoorlaatfiltermiddelen een enkel hoogdoorlaatfilter (15) omvatten, dat is ingericht om signalen uit de enkelvoudige arrayuitgang te ontvangen. Hierbij 8 bladen tekening