NL8501079A - Thermische detektor. - Google Patents

Description

* N.0. 33.132 1 Ί*-·' t

Thermische detektor.

Technisch gebied 5

De uitvinding heeft betrekking op een thermische detektor van het type dat bestaat uit een stelsel van thermische detektorelementen. De uitvinding is van toepassing op zowel lineaire als twee-dimensionale detektorstelsels.

10 Lineaire detektorstelsels zijn bijzonder geschikt voor toepassingen waar een relatieve verplaatsing bestaat tussen de detektorkop en enig afgebeeld objekt. Voorbeelden betreffen alarmdetektoren voor indringers, waarbij het objekt voorbij de detektorkop beweegt, en zogenaamde druk-bezemlijn-aftastdetektoren (pushbroom linescan detectors), waarin een 15 bewegend voertuig de detektorkop aftast of langs de detektorkop sleept volgens een kontinue beweging door de scene. Stelsels van vele honderden detektorelementen kunnen noodzakelijk zijn, maar vanwege de afwezigheid van een volgens een lijn aftastende detektor zijn de bandbreedten laag. In vele van deze toepassingen kan een bandbreedte van minder dan 50 Hz 20 worden bereikt. Bij het voorbeeld van de alarmdetektor voor indringers, waar objektsnelheden Uo meestal liggen in het gebied van 2m/sec zal derhalve een gezichtsveldresolutie Q van 0,1 m leiden tot een bandbreedte Uo/2Q, wat minder dan 50 Hz bedraagt.

Tweedimensionale detektorstelsels zijn nuttig voor een breed gebied 25 van infra-rood bewakingstoepassingen.

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

30 Achtergrond van de stand van de techniek

Lineaire en twee-dimensionale detektorstelsels zijn tot nu toe gebaseerd op het lezen van een stelsel van pyroëlektrische elementen door een ladinggekoppelde inrichting (charge-coupled device = CCD). Deze 35 CCD-hybride detektoren worden besproken in een recent artikel door R. Watton et al, getiteld "Performance and Technologies for Linear and Two-Dimensional Pyroelectric Arrays", IEEE Conference Publications No. 228, 2nd International Conference on Advanced Infrared Detectors and Systems, biz. 49-53 (1983). In deze CCD-hybridische inrichting wordt zo~ 40 wel het signaal als de ruis van elk element bemonsterd en op het beeld- .y· t /· o 2 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 ge-aliasd, aanleiding tot ruis van (y kToc/c)5 volt R.M.S., waarin C de 5 detektorkapaciteit is en öd. het injektierendement. Omdat het ontwikkelde pyroëlektrische spanningssignaal onafhankelijk is van het elementgebied, A, is de signaal/ruisverhouding van deze dominante ruisbron evenredig

A

met A^, dat wil zeggen evenredig met de elementsteek.

De momentele trend wat betreft de ontwikkeling van grote stelsels, 10 is het reduceren van de elementsteek, maar, door het bovengenoemde resultaat, geschiedt dit in het CCD-ontwerp ten koste van het gedrag. De CCD-uitlezing wordt effektief beperkt tot een inter-elementsteek van 100 /um of meer, teneinde een acceptabele signaal/ruisverhouding met kon-ventionele technologie te bereiken.

15 Andere nuttige momentele referenties die betrekking hebben op CCD-pyroëlektrische hybridische inrichtingen zijn de volgende: R. Watton et al, Infrared Physics 22, biz. 259-275 (1982); R. Watton et al, SPIE Proceedings Col. 395 (1983); en D. Buss et al, IEEE Trans EL Devices, Vol. ED-27, blz. 998-1000 (1980). 20 Als alternatief ten opzichte van de CCD-benadering worden de detek- torelementen uitgelezen door middel van multiplex-matrixschakelaars en buslijnen. Voorbeelden van deze alternatieve benadering worden beschreven door G.S. Hopper, U.S. Patent Serial No. 4,162,402. Zoals hierin wordt beschreven wordt een rij ferro-elektrische detektorelementen ge-25 koppeld met een buslijn via een rij van een gelijk aantal metaal-oxide-halfgeleiderveldeffekttransistoren (MOSFET) in de vorm van schakelaars. Het buslijnsignaal wordt via een gemeenschappelijke versterker gerelay-eerd naar een videoprocessor.

Een detektor zoals hierboven beschouwd, wordt beschreven door A. 30 Carlson et al in een artikel getiteld "Solid-state pyroelectric imaging system", SPIE, deel 276, Staring Infrared Focal Plane Technology, blz. 86-89 (1981), Deze detektor omvat een rij pyroëlektrische thermische detektorelementen, een halfgeleider-dragerlaag, een respektievelijke in-gangsvoorversterker met hoge impedantie met bijbehorende schakelaar op-35 genomen in de laag en aanwezig voor elk element, samen met een gemeenschappelijke buslijn. De rij pyroëlektrische elementen wordt met een buslijn gekoppeld via de schakelbare voorversterkers, elk waarvan een junktie-veldeffekttransistor met dubbele poort (JFET) bevat. Elk detek-torelement is met een poort van de bijbehorende JFET verbonden en de 40 signaalspanning op deze poort stuurt de stroom die door het transistor-ö r A * 'il 7 ü Ö ;> v ! ‘ v 3 kanaal vloeit. Deze voorversterker wordt geschakeld door middel van een spanningadresj dat aan de andere poort wordt toegevoerd. Een probleem dat met de keuze van de voorversterker samenhangt is de relatief signi- fikante sterkte van de poortlekstroom. Deze stelt ernstige beperkingen 5 aan de transistorkonstruktie en de transistorwerking. Het siliciumstel- sel van JFET's moet worden geproduceerd onder toepassing van speciale -13 procestechnieken teneinde de lekstroom beneden 10 A te houden.

De buslijn wordt gevolgd door een impedantieomzetter en een analoog schuifregister.

10

Samenvatting van de uitvinding

De hierin beschreven uitvinding is gericht op thermische detektoren die een groot aantal waarneemelementen bevatten en is bedoeld voor 15 implementaties waarin de inter-elementsteek relatief klein is (bijvoorbeeld kleiner dan 100 ^um).

De onderhavige uitvinding verschaft een thermische detektor voorzien van: (1) een rij thermische detektorelementen zodanig geplaatst dat de stra- 20 ling van een scene wordt ontvangen; (2) moduleermiddelen zodanig uitgevoerd, dat zij de straling van de scene moduleren, en wel zodanig dat elk detektorelement afwisselende lichte en donkere tijdperioden ervaart, en achtereenvolgens volgens de rij worden belicht; 25 (3) adres seermiddelen gesynchroniseerd met de moduleermiddelen en zoda nig uitgevoerd, dat lichte en donkere signalen van elk detektorelement in de reeks worden bemonsterd tot een uitgangssignaal van een gemeenschappelijke rijuitgang; en (4) een bandfilter, zodanig uitgevoerd, dat de uitgangssignalen van het 30 detektorelement worden ontvangen van het uitgangssignaal van de ge meenschappelijke rij, welk filter passende transmissie-eigenschap-pen bezit teneinde zowel de gealiasde ruis als de 1/f-ruis te reduceren.

De uitvinding vermijdt een kombinatie van problemen die optreedt 35 bij bemonsterde thermische detektorstelsels. Gebleken is dat dergelijke stelsels voor vele toepassingen onacceptabele ruis leveren. Verrassen-derwijze 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 detektorelementsignalen. Zoals eerder be-40 sproken werd gemeend dat dit een probleem was dat beperkt was tot pyro- 85-0 1 0 7 5 4 elektrische elementstelsels met CCD-uitlezing. Verder is het noodzakelijk gebleken te zorgen voor demping van 1/f ruis (£ = frequentie).

Het is echter praktisch onmogelijk om betrekkelijk omvangrijke fil-terkomponenten te plaatsen naast afzonderlijke detektorelementen om bij — 5 voorbeeld een vierkant van 50 ^u. De uitvinding lost dit probleem op door de detektorelementsignalen te multiplexen naar een gemeenschappelijke rij-uitgang en van daar naar een bandfilter. Het filter kan dan buiten het stelsel worden geplaatst en behoeft niet samen te werken met een afzonderlijk detektorelement. Uitvoeringsvormen van de uitvinding 10 leveren een ruisvoordeel op van een faktor 10 of meer, vergeleken met de bekende thermische detektor met CCD-uitlezing en overeenkomstige geometrie. De uitvinding levert derhalve aanzienlijke verbeteringen, in het bijzonder voor stelsels met een inter-elementsteek kleiner dan 100 ^um.

In een voorkeursuitvoeringsvorm bezit het bandfilter een hoge door-15 laateigenschap verkregen door het aftrekken van een verschilsignaal van paren lichte en donkere signalen die door elk detektorelement 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-door-20 laat worden gefilterd en vervolgens worden gedigitaliseerd voorafgaand aan vertraging en aftrekking in digitale inrichtingen die het hoogdoor-laatfilter vormen. Het laagdoorlaatfilter kan een versterker bevatten en een bemonster- en houdinrichting.

De thermische detektorelementen kunnen van de pyroëlektrische soort 25 zijn met hoge impedantie en elk kan samenwerken met een respektievelijke schakelbare voorversterker met hoge impedantie zoals een MOSFET-bron-volginrichting. De voorversterkers kunnen worden ingebouwd in een sili-ciumlaag die de detektorelementen draagt. Zij kunnen ook adresseerbare MOSFET-schakelaars opnemen alsmede hun bronaansluitingen en een gemeen-30 schappelijke bronweerstand delen, die in de gemeenschappelijke rij-uitgang is opgenomen. De schakelbare voorversterkers kunnen ook JFET-in-richtingen met dubbele poort zijn, maar de voorkeur wordt gegeven aan MOSFET's vanwege hun lagere lekstroom en dienovereenkomstig lagere ruis.

De rij detektorelementen kan vergezeld gaan van een of meer equiva-35 lente extra rij-inrichtingen voor het vormen van een twee-dimensionaal stelsel met detektorelementen die volgens rijen en kolommen zijn opgesteld. De detektorelementen 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 40 een schuifregister en na laagdoorlaatfilterwerking. Hoogdoorlaatfilter- 8 5 0 1 (3 7 9 5 ;, werking kan dan worden uitgevoerd door een enkel filter voor het totale stelsel, welk filter zodanig kan zijn uitgevoerd dat het signalen ontvangt van het schuifregister.

De thermische detektoren kunnen uit pyroelektrisch materiaal be-5 staan, zoals loodzirkonaat (PZT), deuteraattriglycinesulfaat (TGS) of keramisch strontiumbariumniobaat (SBN). Ook kunnen thermisch reagerende diëlektrische materialen worden gebruikt, zoals een ferro-elektrische stof.

Korte beschrijving van de tekeningen 10

Fig. 1 geeft een schematisch blokschema van een pyroëlektrische hybridische lineaire stelseldetektor met bijbehorende voorversterkers en gemeenschappelijk laagdoorlaatfilter; fig. 2 toont een schematisch blokschema, gedetailleerd in slechts 15 enkele delen, van een twee-dimensionaal pyroëlektrisch hybridisch stelsel, voorzien van rijen komponenten die in de voorafgaande figuur zijn weergegeven; fig. 3 is een schematisch blokschema van een hoogdoorlaat-digitaal subtraktief filter ten gebruike bij de detektoren van de bovengenoemde 20 fig. 1 en 2; fig. 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; fig. 5 toont een dwarsdoorsnede door een detektorelement, wat hier 25 dient als een eenvoudig thermisch model voor de hieronder volgende analyse; fig. 6 toont een equivalente ruisschakeling voor de in de hierboven vermelde fig. 2 weergegeven detektor; fig. 7 t/m 10 zijn grafieken, die de afhankelijkheid tonen van de 30 met de ruis equivalente temperatuurdetektiviteit (NETD) berekend als funktie van de dikte van het detektorelement voor drie waarden van de thermische konduktantie voor een stelsel van 300 elementen en twee waarden van de spanningsruis respektievelijk voor een stelsel van 100 elementen en dezelfde twee waarden van de spanningsruis; 35 fig. 11 toont in een grafiek de variatie van de RMS-ruis en het signaal met de elementdikte; en fig. 12 toont in een grafiek de berekende waarden van de met de ruis equivalente temperatuurdetektiviteit (NETD) voor een bekende hybridische CCD-detektor als funktie van de chopperfrequentie en uitgezet 40 voor drie verschillende pyroëlektrische materialen.

850 1 0 7 P

6

Beschrijving van voorkeursuitvoeringsvormen

Uitvoeringsvormen van de uitvinding samen met een analyse van hun werking zullen thans, echter uitsluitend als voorbeeld worden beschreven 5 aan de hand van de bijgaande tekeningen.

In fig. 1 is een lineair of uit een rij bestaand pyroëlektrisch stelsel 1 weergegeven, dat gebruik maakt van geschakelde MOSFET-uitle-zing en een anti-aliaseerfilter. Afzonderlijke pyroëlektrische detektor-elementen 3 zijn gearceerd weergegeven. Het lineaire stelsel 1 kan be-10 staan uit een rij van een twee-dimensionaal stelsel, aangegeven in fig. 2 (hierna nog meer gedetailleerd beschreven). Elk pixel van het stelsel 1 omvat een pyroëlektrisch detektorelement 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 bus-15 lijn. De weerstand werkt als een bronvolgerbelasting voor elke afzonderlijke voorversterker 5 indien beurtelings verbonden met de buslijn 9. De schakelaars 7 worden geaktiveerd door een X-adresinrichting 10. Elke voorversterker 5 dient voor het ontkoppelen van de detektorkonden-sator (ongeveer 1 pf) van de veel grotere spreidingskapaciteit C1 van 20 de lijn (C^ 10-50 pf). Het lijnsignaal dat over de bronvolgerbelas ting R^ wordt opgewekt wordt toegevoerd aan de ingang van een versterker 11, en vandaar naar een anti-aliaseer-laagdoorlaatfilter 13 alsmede een bemonster-houdinrichting S/H. In dit ontwerp zijn de meest significante ruisbronnen die bij de detektor 3 en de voorversterkeringang, en 25 de spanningsruis op de lijnversterker 11.

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 30 stralingsmodulator op de gebruikelijke wijze uitgevoerd. De chopper levert afwisselend gelijke lichte en donkere tijdperioden bij elk detektorelement 3, waarbij elk element achtereenvolgens wordt belicht. Deze tijdperioden zijn zodanig dat zij gelijk zijn aan Tg van de lijntijd, dat wil zeggen de tijd dat een licht/donker chopperrand het hele stelsel 35 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 kondensator-onderdeel R^ en C^. De uitgangsspanning van het filter 13 wordt be- 8 5 0 1 0 7 § 7 monsterd en vastgehouden. Er zijn N detektoren in het lineaire stelsel 1 en de MOSFET-schakelaar 7 in elk beeldelement wordt voor een tijd = fg /N gesloten. Het schakelen geschiedt opeenvolgend volgens het stelsel 1, zodat de lijnspanning bestaat uit een reeks pulsen met een duur 'C' , 5 terwijl achter elkaar volgende elementen 3 worden geadresseerd. Dit leidt tot twee ontwerpkriteria betreffende de lijnuitgangsschakeling. Deze zijn:

RlCl/(1+SmRl)< T (1) 10

RbCb * ^ waarin l/gm de uitgangsimpedantie van elke voorversterker 3 is.

In de praktijk als "tg - 2 x 10”^ sekonden en N = 100 geldt voor 15 = 30 pf, dat kleiner is dan 10^ ohm. In het filter 13 moet de tijdkonstante = R^C^) kleiner zijn dan 'Γ/3. Omdat (1-e” Tl 'T’^) 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 reduktie van de modulatieoverdraagfunktie (MTF) tot 90% bij de hoog-20 ste ruimtelijke frequenties. Om de filterkomponenten binnen redelijke afmetingen te houden wordt voor praktische termen een filtertijdkon-stante T710 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.

25 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 detektoringang over de detektorkapaciteit verschijnt en aanleiding geeft tot een 1/f bijdrage bij de spanningsruis. Fig. 3 toont een digitaal filter 15 met 30 hoogdoorlaatfilterwerking teneinde laagfrequente ruis te dempen. Het filter 15 omvat een analoog/digitaalomzetter (A/D) 16, die zowel direkt als via een lijnopberginrichting 17 met een aftrekinrichting 18 is verbonden. De opberginrichting 17 levert een vertraging van , zodat op elkaar volgende lichte en donkere signaalmonsters voor elk detektorele-35 ment 3 worden afgetrokken. Voor de ruistermen zullen de lijnuitgangsmon-sters een ruisbijdrage VQ(ruis) bezitten, als resultaat van het bemonsteren van de ruisspanning toegevoerd aan de bemonsterschakelaar S/H. Voor elk detektorelement wordt de spektrale komponent V^iruis) van deze ruis bij frequentie f na aftrekking van de op elkaar volgende sig-40 naalmonsters bij 18 gegeven door: 8¾ ö1f7? (3) 8 V£(ruis) - V^ruis) [ e’“nÏé - . „ , . \ 0 · u>TU. v jv-^n-i)^ nl Vf(ruis) - 2 sin —^ V e fc.

i 2 ° 5 De parameter n geeft het nde signaalmonster van een detektorelement aan en Co= 2Tdf. De laagfrequente ruistermen worden doeltreffend gereduceerd door een filterfaktor gegeven door 2 sin(u>t^/2). Zoals is vermeld bezit de (niet weergegeven) chopper lichte en donkere of open en gesloten perioden gelijk aan van de lijntijd. De signalen bemonsterd 10 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 VQ(signaal) tot het totale uitgangssignaal VQ en het opheffen van de verschuiving die bij elk element 3 behoort. De kombinatie van hoogdoor-15 laatfilter 15 en laagdoorlaatfilter 13 levert een bandfilter op dat de uitgangspulsfrequentie doorlaat opgewekt door de geschakelde 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, 20 zal de met de ruis equivalente temperatuurdetektiviteit (NETD) worden berekend.

Het signaal

De gechopte straling van een thermische scene en de resulterende temperatuurfluktuatie in elk pyroëlektrisch element 3 zijn in fig- 4 25 weergegeven. Alle temperaturen refereren naar de omgevingstemperatuur bij de detektorkamerakop. Het niveau Im is dan de straling van de hoofdscenetemperatuur, Tm boven Tg, en kan als volgt worden geschreven: ^ A1* dW 5x10 ’τη '77 I —^ Tm d ^--— T„ watte/c«2 U)

4F 8 dT 300-K F

waarin watt/cm^ mikron de spektrale straling is die door de scene 35 wordt uitgezonden en F het F-getal van de optische middelen gebruikt voor het fokusseren van de straling op het doelvlak. Gedurende de gesloten fase van de chopper is de straling I op elk element 3 een funktie van de choppertemperatuur. Als de chopper stopt, waarbij het detektorelement 3 door de scene wordt belicht, is de evenwichtstemperatuur in 40 elk element 3 Tem, en dienovereenkomstig met de chopper gesloten, is de 8501071 9 de evenwichtstemperatuur T . Dan geldt:

Tem - Tec ‘ <*« ‘ rc>^ <5> 5 waarin g de thermische konduktantie van elk element 3 per oppervlakte-eenheid is. Als de chopper roteert, zodat de open en gesloten perioden gelijk zijn aan , is de in fig. 4 weergegeven temperatuurfluktuatie gelijk aan:

10 (lm - V

Tj - T2 = - tanh ( ^ /2^) (6) 8 waar Ύ t de thermische tijdkonstante is van elk detektorelement 3.

Elk element 3 wordt bemonsterd bij het einde van elk open en geslo-15 ten veld en de pyroëlektrische lading behorende bij de temperatuursverandering wordt gegeven als pA(Tj - T2) waarin p de pyroëlektrische koëf-ficient 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: 20 PA(lm - Ic) vm = + ---— tanh ( -K, /2 r ) (7) 2g (C + Ca) als de positieve en negatieve tekens wijzen naar de open respektievelijk 25 gesloten velden, waarbij C de elektrische kapaciteit van het detektorelement 3 is en Cfl de elektrische ingangskapaciteit van de voorver-sterker MOSFET 5. Het signaalverschil 4V van het detektorelement behorende bij de twee gebieden van de scene met 1° C temperatuurverschil, dat wil zeggen temperaturen Tm en Tm + 1 wordt gegeven door: 30 5x10 ^pA tanh (7^/2^) AV = V(T +1) + V(T ) = + - [Volts/ °C] (8) mm m m — o . .

2g F2 (C + Ca)

In de bovengenoemde uitdrukking is aangenomen, dat het thermische 35 gedrag van elk detektorelement 3 kan worden gemodelleerd door een eenvoudige thermische tijdkonstante, T t = ct/g, waarin ct de thermische kapaciteit per eenheid van oppervlak is. Dit is in het algemeen niet het geval. Zoals in fig. 5 is weergegeven kan de inrichting voor het monteren van de pyroëlektrische elementen 3 bestaan uit een uit meerdere 40 lagen opgebouwd pakket van materialen - bijvoorbeeld een isolatiemesa 19 8 5 0 1 0 7 § 10 en een siliciumsubstraat 21. De analyse moet dienovereenkomstig worden gewijzigd ter aanpassing aan elke specifieke montage-uitvoering.

Voor de eenvoudige in fig. 5 weergegeven konstruktie wordt de waarde van de thermische konduktantie g in hoofdzaak bepaald door de ther-5 mische isolatiemesa 19, dat wil zeggen: g = k^/d^ (9) waarin k^, d^ en respektievelijk het thermische geleidingsvermogen, 10 de dikte en het oppervlak van de mesa 19 voorstellen. Voor een typische _ o i 1 fotoweerstandsmesa met k£ gelijk aan 1,5 10 0 W cm eC en A^/A gelijk aan 0,1, is g gelijk aan 0,15 Wem" °C bij een dikte van 10 yum.

De thermische kapaciteit ct kan als eerste benadering worden aangenomen als de som van die van de pyroëlektrische laag 3 en de mesa 19, 15 dat wil zeggen:

Ct = Cpdp + CiWA = Cp(dp + CidiAi/CpA) (10) waarin Cp het specifieke warmtevolume van het pyroëlektrische element 20 3 en c^ dat van het isolerende materiaal 19 is. De thermische belas ting kan aldus worden uitgedrukt als een extra dikte van het pyroëlektrische materiaal wat ligt in het gebied van 1 /um (c^/c 0,5).

Het spanningssignaal van elk detektorelement (zie vergelijking (3)) wordt voor de tijd /N naar de buslijn 9 geschakeld. Het wordt ver-25 sterkt door de voorversterkerbronvolger 5 met een versterker et = R£fm/(1+R£ gm) en door de lijnversterker 11 met een versterking oó . De signaalspanning Vo(signaal) overgedragen naar de bemonster-houdkonden-sator S/H, betreffende het gemiddelde niveau tussen de open en gesloten velden is dan: 30 5xl0"5pA tanhC't"; /2 'f"t) (l-e -'V/'tb) VQ(signaal) = +_ esc -—-— (H) 2g F2 (C + Ca) waar rb = RbCb.

35 Als tenslotte deze spanning wordt toegevoerd aan het digitale fil ter 15, is na aftrekking van de donker van lichtsignalen, de resulterende signaalkomponent bij frequentie f gegeven door:

Vj:(signaal) = 2 Vo(signaal) (12) c j 0 1.07 f 11

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

Ruisbronnen en sterkten

De ruisbronnen worden weergegeven in de equivalente schakeling vol-5 gens fig. 6. De bronnen bij detektor 3 en de voorversterkeringang 5 zijn in de hieronder staande tabel 1 aangegeven, onder toepassing van de standaard rms-ruisuitdrukkingen (Zie: Porter, S.G., 1981, Ferro- electrics, 33, 193-206).

10 Tabel 1:

Temperatuurfluktuatieruis, i^, = (4kT^gA)2p -o/g( 1+ ^,^)2

Dielektrische verliesruis: i^ = (4kTouc tan 8 )2 i DC-weerstandsruis (Johnsonruis): i^ = (4kT/R)z 15 Voorversterker-spanningsruis: e_ = ("ν' ^+z2/f)2 3 3

X

Voorversterker-stroomruis: i = (2eii)2

3 X

In de hierbovenstaande tabel geeft tan & de dielektrische verliezen aan van het pyroëlektrische materiaal, is z de sterkte van de 1 /f— 20 ruis van de MOSFET-voorversterker bij 1 Hz, is f de frequentie en is T de omgevingstemperatuur gemeten bij de detektorkop.

In de schakeling na de voorversterker 5 bevinden zich spannings- en stroomruisbronnen behorende bij schakelaar 7: eg en i , en bij de lijnversterker 11: e^ en i^ en een ruisstroombron i behorende bij 25 de bronweerstand R^.

Voor de ruisbronnen bij de detektor- en voorversterkeringang wordt als voorbeeld genomen de voorversterkerspanningsruis e en de ruiskom-ponent VQ(ruis) bij een hoekfrequentie lo . Het spanningsniveau VQ(ruis) wordt gegeven door: 30 ui *. e e^ V0(ruis) = - (13) 1 + j^'^b waarin oL de bronvolgerversterker is die dicht bij de eenheid is ge-35 legen, <*, de lijnversterkerversterking is, V^ = R^C^ en j = 'Ί~-\, Overeenkomstige uitdrukkingen voor de ruisspanning VQ(ruis) afgeleid van de stroomruisbronnen bij de ingang, aangegeven in de bovenstaande tabel 1, kunnen worden verkregen door efl in vergelijking (13) te vervangen door i(ruis)/jeo(C+C ).

3 40 De ruisbronnen die optreden na de voorversterker 5, namelijk e, o 0 10 7 9 12 i en worden door de lage uitgangsimpedantie 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 efl is vervangen door e^/Au Q. Omdat «je 5 dicht bij de eenheid ligt kan deze ruisbron belangrijk zijn en moet zij in kwadraat worden opgeteld bij de spanningsruis e_ van de voorverster- <2 ker.

Uit vergelijking (13) met de verschillende ruisbronnen ter vervanging van e , kan de ruis in de digitale filteruitgang worden afgeleid o 10 uit vergelijking (3), dat wil zeggen vergelijking (13) wordt vermenigvuldigd met faktor 2 sin (Cc /2). De versterkingsfaktor oc oc0 kan vervallen door vergelijking met het signaal: e 2 4 sin2(t£ /2) 15 Vf (ruis, e ) = —- (14) £ a (1 +u.-2Ï-b2> terwijl de totale ruis wordt gegeven door: oo 20 ^ V^^iruis, et) df (15) o waarin et2 = ea2 + e* 2/-o2 + (iT2+id2+iR2+ia2)/Lc2(C+Ca)2 (16) 25

De resultaten van de integratie worden gegeven in de hieronder-staande tabel:

Tabel 2 30 e»

Ruisintegralen: ƒ Vf2df _o_

Spanningsruis (dominante term): Vg2/2^^

I/f-ruis: 2z2J

35 Dielektrische verliesruis: (41TC tan Ê)J/vV(C+C )2 α r\

Stroomruis: ei^i ?^ - ^)/C+Ca)z

Johnsonruis: 2kT('?^ - ^)/R(C+Ca)2 2kT2p2A[rt(l-e- ^ tVi) - T h{l-e~"e /Tb)} Temperatuurruis: -—-——- 40 g(0+ca)2 Ctc2 - i b2) 8ii0 1 07? 13

In tabel 2 stelt het symbool J de volgende integraal voor: (1-cos z)dz -TT- (17> z(z2+a2) J o waarin a = ^ = nT/'C^

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

Tabel III

15 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 volgt berekend: 20 ' η | Γ 5xl0"p A tanh (/2^t) (l-e-T/rb) NETD = [ Vf2(ruis, e,.) ----- (18)

Li J L gF2(C+Ca) J

25 Parameterwaarden en resultaten van de analyse:

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

Pyroëlektrisch-keramisch loodzirkonaat.

30 p = 3,5 x 10-8 C cm"2 "C-1 € = 300 -3

Cp = 2,8 J.cm p = 6 x 10 ohm.cm tanS = 5 x 10'3

MOSFET

35 a = 2 x ΙΟ"8 V Hz z = 1,1 x ΙΟ"6 V

iL = ΙΟ”14 A Ca = 1,0 pf

Tijdgegevens: = 2 x 10 2 N = 100-300 elementen 40 'Γ^= Γ/10 = £·, /10N - 2 x 10-5 tot 7 x 10“8 s 850107» 14

De gegeven berekeningen zijn uitgevoerd voor een element met een typisch oppervlak van 50 /um in het vierkant. Hierbij zijn thermische konduktantiewaarden gebruikt in het gebied g = 0,1 tot 0,3 W

cm k , terwijl de NETD's zijn genormaliseerd tot een F/l-apertuur.

5 De resultaten zijn gegeven in termen van NETD van de detektor 1 voor een F/l-apertuur (zie grafieken in de fig. 7 tot 10) voor stelsels 1 van 100 en 300 detektorelementen 3 met spanningsruis voor MOS-verster-ker 5 tot 10 respektievelijk 20 nVHz z. Deze ruiswaarden kunnen worden verkregen bij drainstromen van bij benadering 50 respektievelijk 10 ^A.

10 De grafiek in fig. 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 H cm ^ ‘C *) B: dielektrische ruis

_A

15 C: spanningsruis (300 elementen: 20 nV Hz”^) D: I/f-ruis E: spanningsruis (100 elementen: 20 nV Hz 2) F: spanningsruis (300 elementen: 10 nV Hz 2) G: shotruis 20 H: spanningsruis (100 elementen: 10 nV Hz 2) I: temperatuurruis J: Johnsonruis

De voorgaande berekeningen tonen aan dat het mogelijk is grote stelsels van pyroelektrische detektorelementen 3 volgens een lineair of 25 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 reticulatiestrukturen die in de konstruktie worden gebruikt). Een bekend stelsel met CCD-uitlezing met soortgelijke geometrie als besproken zou een NETD een faktor van tien of meer slechter be- 30 zitten. Voor de pyroelektrische strukturen wordt het gedrag 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.

Het bovenvermelde uitleesschema maakt gebruik van standaard-MOS- 35 technologie met slechts een klein aantal aktieve elementen op beeld-elementniveau. Een kleine detektorsteek kan worden bereikt zonder dat gebruik behoeft te worden gemaakt van de momenteel in de aandacht staande technologieën volgens welke met kleine afmetingen (bijvoorbeeld sub-mikrons) wordt gewerkt.

40 Ter vergelijking zijn in fig. 12 karakteristieken weergegeven van 8501079 BK!'·': 15 de NETD uitgezet tegen de chopperfrequentie van de bekende ladinggekop-pelde inrichting (CCD) met hybridische pyroëlektrische detektoren. Deze grafiek is afkomstig uit een recente publikatie "Performance and Technologies for Linear and Two Dimensional Pyroelectric Arrays", van R.

5 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 loodzirkonaat (PZT), strontiumbariumniobaat (SBN) en gedeutereerd triglycinesulfaat (DTGS).

10 Voor de berekening van de weergegeven krommen is de thermische konduk- tantie 9 van elke detektor aangenomen als zijnde 0,1 W/cm^°C, een waarde die bij toepassing van fotoresistieve-mesa-isolatie kan worden bereikt.

Het detektormateriaal is 10/um dik en de detektorelementsteek bedraagt v* —2 100 /um. Bij een typische chopperveldfrequentie van 50 Hz, = 2 x 10 15 sekonden liggen de berekeningen bij de NETD's tussen 0,3 en 0,5 °C. Dit kan worden vergeleken met de bovengegeven resultaten - waarvoor dezelfde dikte van 10 /um 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, 20 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 detektorelementen. Een tweedimensionaal stelsel van twee of meer van dergelijke rijen kan zoals kort hierboven aan de hand 25 van fig. 2 is uiteengezet eveneens worden gekonstrueerd. De elementen volgens fig. 2 die equivalent zijn aan die weergegeven in fig. 1 zijn met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven en afzonderlijke rijen van elementen 3 strekken zich vertikaal uit, dat wil zeggen onder een rechthoek ten opzichte van de overeenkomstige richting in fig. 1. Drie rijen 30 van detektorelementen 3 zijn weergegeven, aangegeven met la, lb en lc. Er zijn drie detektorelementen 3 per rij, dat wil zeggen N = 3. De centrale rij lb bezit een detektorelement 3 met bijbehorende MOSFET's 5 en 7, zoals weergegeven. Andere detektorelementen en overeenkomstige MOSFET's zijn schematisch aangegeven door blokken zoals 30. De centrale rij 35 lb is via de weergegeven weerstand , versterker 11, laagdoorlaatfliter 13 en S/H verbonden met een schuifregister 32. Rijen la en lb zijn met het schuifregister 32 verbonden via equivalente schakelingen aangegeven door blokken 34a en 34c. Het uitgangssignaal van het schuifregister 32 (o/p) wordt toegevoerd aan een in fig. 3 weergegeven digitaal 40 hoogdoorlaatfilter. Het in fig. 2 weergegeven stelsel wordt dienovereen- 8501070 ίτ·' 16 komstig gekenmerkt door een laagdoorlaatfilter per rij maar vereist slechts een hoogdoorlaatfilter voor het totale stelsel. Het stelsel wordt geadresseerd in de χ-richting (volgens elke rij) door de weergegeven x-adresinrichting.

5 De aan de hand van de fig. 2 en 3 beschreven uitvoeringsvorm werkt als volgt. De χ-adresinrichting bedient de nde MOSFET-schakelaar 7 in alle rijen la tot 1c synchroon, waarin n = 1 tot N en in de onderhavige uitvoeringsvorm N = 3. Na het nde schakelsignaal houdt het schuifregis-ter 32 signalen van het nde detektorelement in elk van de rijen la tot 10 lc, dat wil zeggen de inhoud van het schuifregister nadat het nde schakelsignaal het uitgangssignaal is van de nde kolom van het detektorelement 3. De rijen worden synchroon uitgelezen in een totale lijntijd of Tj? /N per detektelement 3, zoals beschreven bij de uitvoeringsvorm volgens fig. 1. Het schuifregister 32 moet dienovereenkomstig volledig 15 serieel worden uitgelezen in een tijd /N en houdt M detektorelement-signalen vast, waarin M het getal van de rij van detektorelementen is en in de onderhavige uitvoeringsvorm gelijk is aan 3. De uitleestijd met detektorelementsignaal bedraagt derhalve /NM. Dit levert een reeks NM signalen op (overeenkomstig de volledige uitlezing van het stelsel) ge-20 durende de lijntijd , 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 videoweergeef-apparatuur wordt vereist. Zij zijn derhalve volledig toepasbaar voor een rasteraftastweergave. De laagfrequente ruiskomponent van de ruis in deze 25 signalen wordt niet beïnvloed door de schuifregisteropberging en uitlezing, zodat het enkele digitale hoogdoorlaatfilter volledig geschikt is voor het filteren van de schuifregisteruitgang die met het totale stelsel wordt verkregen.

Er zijn weergeefinrichtingen verkrijgbaar waarvan de afzonderlijke 30 lijnen parallel zijn geadresseerd, dat wil zeggen gelijktijdig, in plaats van serieel zoals bij de gebruikelijke volgens een raster afgetaste kathodestraalbuizen. Een voorbeeld hiervan is een weergeefstelsel met licht-emitterende dioden. Bij dergelijke weergeefstelsels kan het multiplexschuifregister 32 achterwege blijven, waarbij elke weergeeflijn 35 elke rijuitgang direkt ontvangt via een respektievelijk digitaal filter.

850 1 ö 7 S

Claims (10)

1. Thermische detektor voorzien van: a. een rij (1) van thermische detektorelementen (3) die zodanig zijn op-5 gesteld, dat zij de straling van een scene ontvangen; b. moduleermiddelen die zodanig zijn uitgevoerd, dat zij straling van de scene moduleren, zodat elk detektorelement (3) onderhevig is aan afwisselende lichte en donkere tijdperioden en achtereenvolgens volgens de rij (1) wordt verlicht; en 10 c. uitleesmiddelen (5, 7, 9, 10, 11, R^) die met de moduleermiddelen zijn gesynchroniseerd en uitgevoerd voor het bemonsteren van detektorelement signalen; met het kenmerk, dat de uitleesmiddelen (5, 7, 9, 10, 11, R^) zodanig zijn uitgevoerd dat zij licht- en donkersignalen van elk 15 detektorelement (3) achtereenvolgens bemonsteren en toevoeren aan een gemeenschappelijke rijuitgang en dat deze uitgang zodanig is uitgevoerd dat dergelijke signalen worden toegevoerd aan een bandfilter (13, 15) dat zodanig is uitgevoerd dat uitleessignalen worden doorgelaten, welk filter (13, 15) passende transmissie~eigenschappen bezit voor het redu-20 ceren van zowel gealiaseerde ruis als l/f-ruis.

2. Thermische detektor volgens conclusie l,met het kenmerk, dat het bandfilter (13, 15) zodanig is uitgevoerd dat een ver-schilsignaal wordt afgezonderd van paren licht- en donkersignalen van 25 elk van de detektorelementen (3) teneinde hoogdoorlaateigenschappen te verschaffen.

3. Thermische detektor volgens conclusie 2,met het kenmerk, dat het bandfilter (13, 15) is opgesteld naast een einde van de 30 rij (1) detektorelementen (3).

4. Thermische detektor volgens conclusie 2,met het kenmerk, dat de adresseermiddelen (5, 7, 9, 10, 11, Rj) een respektie-velijke vermogensversterker (5, 7, 9) bevatten voor elk detektorelement 35 (3), welke versterker (5, 7, 9) kan worden geschakeld tussen toestanden waarbij het respektievelijke detektorelement (3) met de gemeenschappelijke rijuitgang is verbonden en nagenoeg van de gemeenschappelijke rijuitgang is geïsoleerd.

5. Thermische detektor volgens conclusie 4, met het ken- 8 5 0 1 - 7 S merk, dat elke vermogensversterker (5, 7, 9) een veldeffekttranssis-torbronvolger (5, 9) omvat met een schakelaar (7) in serie met zijn bronaansluiting, waarbij de vermogensversterkers (5, 7, 9) zijn uitgevoerd in een halfgeleiderlaag (21) die de detektorelementen (3) dragen. 5

6. Thermische detektor volgens conclusie 5,met het kenmerk, dat de vermogensversterkers (5, 7, 9) een gemeenschappelijke bronvolgerbelastingweerstand (R^) delen die verbonden is met de gemeenschappelijke rijuitgang. 10

7. Thermische detektor volgens conclusie 1, 2, 4, 5 of 6, me t het kenmerk, dat de rij (1) detektorelementen (3) de eerste rij (la) is van een twee-dimensionaal stelsel voorzien van ten minste een extra rij (lb) voor het verschaffen van een rij- en kolomstelsel, 13 waarbij de detektorelementen (3) alle zodanig zijn geplaatst dat straling wordt ontvangen gemoduleerd door de moduleermiddelen en samenwerkend met ten minste equivalente uitleesmiddelen (5, 7, 9, 10, 11, R^) en filtermiddelen (13, 13).

8. Thermische detektor volgens conclusie 7,met het ken merk, dat de detektorelementen (3) in elk kolomstelsel zijn uitgevoerd voor het synchroon adresseren door middel van gemeenschappelijke adresseermiddelen.

9. Thermische detektor volgens conclusie 8, met het ken merk, dat uitgangssignalen van elke rij (la, lb, lc) van detektorelementen (3) zijn uitgevoerd voor het doorlopen van een respektieve-lijke laagdoorlaatsektie (13) van het bandfilter (13, 15) en achtereenvolgens worden gemultiplexed naar een enkele stelseluitgang. 30

10. Thermische detektor volgens conclusie 9,met het kenmerk, dat het bandfilter (13, 15) een enkele hoogdoorlaatsektie (15) bevat die is uitgevoerd voor het ontvangen van signalen van de enkele stelseluitgang. ***** 8 ü ö I 0 7 g