SE503643C2 - Sensor device comprising a matrix of detectors, each detector being a radiation sensitive component - Google Patents
Sensor device comprising a matrix of detectors, each detector being a radiation sensitive componentInfo
- Publication number
- SE503643C2 SE503643C2 SE9400239A SE9400239A SE503643C2 SE 503643 C2 SE503643 C2 SE 503643C2 SE 9400239 A SE9400239 A SE 9400239A SE 9400239 A SE9400239 A SE 9400239A SE 503643 C2 SE503643 C2 SE 503643C2
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- oscillator
- detector
- sensor device
- detectors
- radiation sensitive
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/20—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming only infrared radiation into image signals
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
Description
vfii. sos 643 2 - I det följande beskrivs uppfinningen för enkelhets skull under hänvis- ning till en matris med detektorer i rader och kolumner. Uppfinningen är dock inte begränsad till en detektormatris av sådan utformning. Vad som nedan sägs om rader och kolumner kan utan problem av fackmannen utbytas mot andra grupper av detektorer som i dessa sammanhang fram- står som självklara för fackmannen. vfii. sos 643 2 - In the following, the invention is described for the sake of simplicity with reference to a matrix with detectors in rows and columns. However, the invention is not limited to a detector array of such a design. What is said below about rows and columns can be easily replaced by the person skilled in the art with other groups of detectors which in these contexts appear to be obvious to the person skilled in the art.
Den grundläggande tanken vid uppfinningen är att utnyttja en oscilla- tor för integrering och utläsning av detektorsignalen. Detektorsigna- len omvandlas till frekvens, vilken sedan normalt avläses parallellt en rad eller kolumn i taget. Uppfinningen reducerar bruset på pixel- nivå genom integrationen under tiden mellan utläsningarna. Ett lämp- ligt sätt att realisera uppfinningen är att som oscillator använda en RC-oscillator, där antingen en resistor, R, eller en kondensator, C, utgör själva detektorn. Det är emellertid möjligt att i stället använ- da andra typer av oscillatorer. En typ av oscillator, som kan användas vid uppfinningen i stället för en RC-oscillator, är en ringoscillator.The basic idea of the invention is to use an oscillator for integrating and reading the detector signal. The detector signal is converted to frequency, which is then normally read in parallel one row or column at a time. The invention reduces the noise at the pixel level through the integration during the time between the readings. A suitable way of realizing the invention is to use as an oscillator an RC oscillator, where either a resistor, R, or a capacitor, C, constitutes the detector itself. However, it is possible to use other types of oscillators instead. One type of oscillator that can be used in the invention instead of an RC oscillator is a ring oscillator.
I fig 5 visas, ett exempel med en sådan, uppbyggd av tre inverterare och en kondensator som den strâlningskänsliga komponenten.Fig. 5 shows, an example with one, built up of three inverters and a capacitor as the radiation-sensitive component.
I en första utföringsform av uppfinningen är varje detektor permanent kopplad till en oscillator, dvs. det finns en oscillator per pixel.In a first embodiment of the invention, each detector is permanently connected to an oscillator, i.e. there is one oscillator per pixel.
Varje detektor är således permanent tillordnad en eller flera icke- strâlningskänsliga kompletterande komponenter, vilka tillsammans med detektorn är anordnade att bilda oscillatorn.Each detector is thus permanently assigned one or more non-radiation-sensitive supplementary components, which together with the detector are arranged to form the oscillator.
I figur 1 visas ett exempel med en array av 100x100 detektorer. För att förklara funktionen ges nedan ett numeriskt exempel för denna array med linjereset var 20:e ms. Eftersom den kapacitiva, C, eller resistiva, R, detektorn ingår i en RC-oscillator kommer dess frekvens att bero av den detekterade storheten. Oscillatorfrekvensen antas nominellt vara l0kHz, dvs periodtiden är 0.1 ms.Figure 1 shows an example with an array of 100x100 detectors. To explain the function, a numerical example of this array is given below with the line reset every 20 ms. Since the capacitive, C, or resistive, R, detector is included in an RC oscillator, its frequency will depend on the detected magnitude. The oscillator frequency is assumed to be nominally l0kHz, ie the period time is 0.1 ms.
I intervallet 19.8-20.0 ms från reset av linjen öppnas ett observa- tionsfönster där tiden för de ca 200 perioderna av oscillatorsignalen sedan reset observeras (häri ligger integrationen), se figur 2. Tiden från fönstrets början fram till den första positiva flanken avläses.In the interval 19.8-20.0 ms from the reset of the line, an observation window opens where the time for the approximately 200 periods of the oscillator signal since the reset is observed (here is the integration), see figure 2. The time from the beginning of the window to the first positive edge is read.
Dessutom avläses periodtiden genom att mäta tiden mellan två- -_ P 3 3 - sos 643 konsekutiva positiva flanker. Avsikten med den senare avläsningen är att avgöra antalet pulser sedan reset.In addition, the period time is read by measuring the time between two consecutive positive edges. The purpose of the later reading is to determine the number of pulses since the reset.
Avläsningen sker i detta exempel med en frekvens av l0MHz. En extern räknare startas vid observationsfönstrets början. Vid varje avläsning av fönstret vidtas ingen åtgärd om oscillatorsignalen är låg. Första gången signalen är hög sätts en minnescell som tillhör den aktuella pixeln lika med räknarens värde.The reading takes place in this example with a frequency of 10 MHz. An external counter is started at the beginning of the observation window. At each reading of the window no action is taken if the oscillator signal is low. The first time the signal is high, a memory cell belonging to the current pixel is set equal to the value of the counter.
Genom att avläsningen sker med l0MHz i ett fönster efter nästan 20 ms blir den relativa upplösningen ca 1:200 000. Dynamiken inom ett fönster blir l:l000 (antalet avläsningar på periodtiden 0.1ms). Genom att avläsa periodtiden kan antalet pulser sedan reset bestämmas och därigenom kan man erhålla en dynamik som är en multipel av 1000. Om man exempelvis har en variation med +/-4 pulser sedan reset innebär det en dynamik på 1:16 000 motsvarande 14 bitar.Because the reading takes place at 10 MHz in a window after almost 20 ms, the relative resolution is about 1: 200 000. The dynamics within a window will be 1: 1000 (the number of readings in the period time is 0.1ms). By reading the period time, the number of pulses after the reset can be determined and thereby you can obtain a dynamics that is a multiple of 1000. If, for example, you have a variation of +/- 4 pulses since the reset, it means a dynamics of 1:16 000 corresponding to 14 bits .
Genom att utnyttja resterande 99 st 0.2 ms intervall kan vi läsa ut resten av kolumnerna eller raderna i en l00x100 bild med samma hårdvara.By using the remaining 99 0.2 ms intervals, we can read the rest of the columns or rows in a l00x100 image with the same hardware.
Avläsningsfrekvens respektive avläsningsfönster kan väljas beroende på oscillatorfrekvens och krav pâ upplösning och dynamik. Vid större arrayer kan man välja att läsa ut flera linjer åt gången.Reading frequency and reading window, respectively, can be selected depending on the oscillator frequency and requirements for resolution and dynamics. For larger arrays, you can choose to read out several lines at a time.
I det givna exemplet med resistansbolometer lägger man en kondensator vid varje pixel som en del av matrisen. Kapacitansen och därmed yt- âtgången kan hållas låg om detektorresistansen är hög eller om man kan använda en hög oscillatorfrekvens. Utöver den brusreducering som sker genom integrationen på pixelnivâ erhålls en brusfri utläsning från sensormatrisen eftersom utläsningen sker digitalt.In the given example with resistance bolometer, a capacitor is added to each pixel as part of the matrix. The capacitance and thus the surface output can be kept low if the detector resistance is high or if a high oscillator frequency can be used. In addition to the noise reduction that takes place through the integration at pixel level, a noise-free reading is obtained from the sensor matrix because the reading takes place digitally.
Denna utföringsform av uppfinningen ger ett system som medför 1) AD-omvandling på pixelnivå, vilket ger digital, dvs brusfri, utläsning från pixeln, 2) brusreduktion genom integration på pixelnivå och sos 643 4 - 3) att kondensatorns kapacitans och därmed ytåtgång på chipet kan hållas nere genom att vi utnyttjar upprepad upp- resp urladd- ning i oscillatorn.This embodiment of the invention provides a system that entails 1) AD conversion at pixel level, which provides digital, ie noise-free, readout from the pixel, 2) noise reduction through integration at pixel level and so on 643 4 - 3) that the capacitor's capacitance and thus surface consumption on the chip can be kept down by using repeated recharging or discharging in the oscillator.
I en andra utföringsform av uppfinningen är varje grupp av detektorer tillordnad en eller flera icke-strålningskänsliga kompletterande komponenter. Ett ledningsnät med omkopplare är anordnat att succesivt koppla samman olika detektorer i gruppen med den eller de kompletter- ande komponenterna och därvid bilda oscillatorn. En sådan grupp kan lämpligen utgöras av en kolumn i matrisen.In a second embodiment of the invention, each group of detectors is assigned one or more non-radiation sensitive supplementary components. A wiring network with switches is arranged to successively connect different detectors in the group with the additional component or components and thereby form the oscillator. Such a group may suitably consist of a column in the matrix.
Att endast använda en oscillator per kolumn istället för en oscillator per pixel medför såväl fördelar som nackdelar.Using only one oscillator per column instead of one oscillator per pixel has both advantages and disadvantages.
*I det följande antar vi att vi använder en detektormatris med NxN resistiva eller kapacitiva detektorer. Den elektriska integrationen sker då endast under en Nzte del av bildperioden. Brusundertryckningen av oscillator och detektor sjunker därför med en faktor VÛT jämfört med integration under hela bildperioden. Mot detta skall ställas de fördelar som erhålls.* In the following, we assume that we use a detector array with NxN resistive or capacitive detectors. The electrical integration then takes place only during a nzte part of the image period. The noise suppression of the oscillator and detector therefore decreases by a factor VÛT compared with integration during the entire image period. Against this must be weighed the benefits obtained.
Med endast en oscillator per kolumn istället för en i varje pixel så kan varje oscillator tillåtas att dels uppta en väsentligt större chiparea och dels förbruka N gånger högre effekt. Detta kan utnyttjas till att utforma oscillatorer med lägre fasbrus, eftersom större ytor och bias-strömmar för kritiska transistorer kan användas samt ett större kapacitansvärde i RC-produkten. Man kan dessutom erhålla ett lägre fasbrus genom att i konstruktionen bygga in en lägre känslighet mot brus på matningsspänningen genererat av bland annat andra oscilla- torer men också genom att bygga in en effektivare kompensering av oscillatorns 1/f-brus.With only one oscillator per column instead of one in each pixel, each oscillator can be allowed to occupy a significantly larger chip area and consume N times higher power. This can be used to design oscillators with lower phase noise, since larger surfaces and bias currents for critical transistors can be used as well as a larger capacitance value in the RC product. In addition, a lower phase noise can be obtained by incorporating in the construction a lower sensitivity to noise on the supply voltage generated by, among other things, other oscillators, but also by incorporating a more effective compensation of the oscillator's 1 / f noise.
Effekterna av oscillatorns 1/f-brus som ligger lägre än bildfrekvensen kan emellertid också kompenseras tillsammans med den termiska kompen- seringen av kiselbrickan. Detta sker om en rad av separata strålnings- skyddade resistanser vid sensormatrisens övre och undre kant används som referenser vid varje bild. Den kolumnvis uppkomna frekvensändring- - A 5 - ses 643 en på grund av 1/f-bruset hos respektive oscillator kan då inte sär- skiljas från temperaturvariationer och kommer därför att kompenseras på samma sätt.However, the effects of the oscillator 1 / f noise which is lower than the frame rate can also be compensated together with the thermal compensation of the silicon wafer. This occurs if a series of separate radiation-protected resistances at the upper and lower edges of the sensor matrix are used as references for each image. The frequency change occurring in columns - A 5 - is seen 643 due to the 1 / f noise of the respective oscillator can then not be distinguished from temperature variations and will therefore be compensated in the same way.
En bättre seperation mellan oscillatorerna är också möjlig eftersom matnings- och biasledningar kan vara väl tilltagna. Det blir dessutom N gånger färre oscillatorer inkopplade samtidigt, varför ömsesidig påverkan bör minska kraftigt. En fördel vid frekvens till digital- omvandlingen uppnås genom att oscillatorn hela tiden är kopplad till den efterföljande logiken. Omvandlingen blir då säkrare, eftersom risken att räkna fel på antalet cykler bortfaller.A better separation between the oscillators is also possible because supply and bias lines may be large. In addition, there will be N times fewer oscillators connected at the same time, which is why mutual influence should be greatly reduced. An advantage in frequency to the digital conversion is achieved by the oscillator being constantly connected to the subsequent logic. The conversion then becomes safer, as the risk of miscalculating the number of cycles disappears.
Ett exempel på en IR-sensor med NxN resistiva detektorer visas i figur 3. Varje pixel innehåller ett resistivt detektorelement, R, och två switchar för att kontaktera detektorresistansen till oscillatorn. I varje pixel finns också två vertikala bussledningar och en horisontal adressledning som via switcharna kopplar detektorresistansen till oscillatorn. Den inkopplade detektorresistansen ingår tillsammans med en kapacitans, C, som frekvensbestämmade komponent i RC-oscillatorn. I detta exempel ingår också referensdetektorer i sensormatrisens över- och underkant. Dessa är skärmade från IR-strålning och reagerar enbart på kislets egen temperatur, så att dess ändring kan kompenseras bort från signalerna från de övriga elementen. Placeringen i över- och underkant möjliggör även kompensering av en linjär temperaturgradient över detektormatrisen.An example of an IR sensor with NxN resistive detectors is shown in Figure 3. Each pixel contains a resistive detector element, R, and two switches for contacting the detector resistance of the oscillator. Each pixel also has two vertical bus lines and a horizontal address line that connects the detector resistance to the oscillator via the switches. The connected detector resistance is included together with a capacitance, C, as a frequency-determined component in the RC oscillator. This example also includes reference detectors at the top and bottom edges of the sensor array. These are shielded from IR radiation and only react to the silicon's own temperature, so that its change can be compensated away from the signals from the other elements. The placement in the upper and lower edges also enables compensation of a linear temperature gradient over the detector matrix.
RC-oscillatorerna kopplas upp för en detektorrad i taget. Låt 1/Tb vara bildfrekvensen. Avläsningstiden T] för varje detektorrad blir då lb/N om de tvâ referensdetektorerna försummas. Med en oscillatorfrek- vens, fo så kommer cirka 2fOT] halvcykler att registreras per avläs- ning. Det kommer normalt endast att röra sig om i storleksordningen 100-1000 cykler och ger i sig själv en för låg upplösning. Med en väldefinierad startpunkt genom nollställning av oscillatorn vid avläs- ningsperiodens början, ger en avläsning av oscillatorns slutvärde ytterligare upplösning. Figur 4 illustruerar förfarandet. En dynamik runt 15 bitar bör vara möjlig. ses sas ï 6 - För att kunna utnyttja he1a ïinjetiden ti11 avïäsning av detektorn, måste pipeïining utnyttjas vid A/D omvand1ingen av osciïïatorns sïut- värde. Detta kan utföras så att osciïïatorns sïutvärde sampïas och hâ11s varvid A/D omvandïingen kan ske para11e11t med avïäsningen av nästa rad. Observera att upp? och ur1addningsför1oppet är oïinjärt, varför man måste korrigera för detta.The RC oscillators are connected for one detector line at a time. Let 1 / Tb be the frame rate. The reading time T] for each detector line then becomes lb / N if the two reference detectors are neglected. With an oscillator frequency, fo, approximately 2fOT] half cycles will be registered per reading. It will normally only be in the order of 100-1000 cycles and in itself gives a too low resolution. With a well-defined starting point by resetting the oscillator at the beginning of the reading period, a reading of the oscillator's final value provides additional resolution. Figure 4 illustrates the procedure. A dynamic around 15 bits should be possible. see sas ï 6 - In order to be able to use the entire line time for reading the detector, the pipe line must be used in the A / D conversion of the oscillator's set value. This can be done so that the oscillator's side value is sampled and held, whereby the A / D conversion can take place in parallel with the reading of the next row. Note that up? and the discharge process is non-linear, so one must correct for this.
Claims (4)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE9400239A SE503643C2 (en) | 1994-01-26 | 1994-01-26 | Sensor device comprising a matrix of detectors, each detector being a radiation sensitive component |
PCT/SE1995/000077 WO1995020750A1 (en) | 1994-01-26 | 1995-01-26 | Sensor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE9400239A SE503643C2 (en) | 1994-01-26 | 1994-01-26 | Sensor device comprising a matrix of detectors, each detector being a radiation sensitive component |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SE9400239D0 SE9400239D0 (en) | 1994-01-26 |
SE9400239L SE9400239L (en) | 1995-07-27 |
SE503643C2 true SE503643C2 (en) | 1996-07-22 |
Family
ID=20392695
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SE9400239A SE503643C2 (en) | 1994-01-26 | 1994-01-26 | Sensor device comprising a matrix of detectors, each detector being a radiation sensitive component |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
SE (1) | SE503643C2 (en) |
WO (1) | WO1995020750A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TWI705235B (en) | 2019-07-19 | 2020-09-21 | 財團法人工業技術研究院 | Sensing devices |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3879992A (en) * | 1970-05-12 | 1975-04-29 | California Inst Of Techn | Multiple crystal oscillator measuring apparatus |
CH636959A5 (en) * | 1979-05-08 | 1983-06-30 | Haenni & Cie Ag | Solari meter. |
DE3111417A1 (en) * | 1981-03-24 | 1982-10-07 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Irradiation meter |
DE3404151A1 (en) * | 1984-02-07 | 1985-08-08 | Richard Hirschmann Radiotechnisches Werk, 7300 Esslingen | Signalling device |
GB2186146B (en) * | 1984-04-16 | 1988-06-22 | Secr Defence | Thermal detector |
US4617593A (en) * | 1984-08-07 | 1986-10-14 | Texas Instruments Incorporated | Visible and near infrared imaging system |
GB2219655B (en) * | 1988-06-07 | 1992-09-09 | Philips Electronic Associated | Thermal radiation detection apparatus |
US5268576A (en) * | 1991-04-04 | 1993-12-07 | Texas Instruments Incorporated | Infrared focal plane array processor with integration and low pass filter per pixel |
EP0630510B1 (en) * | 1992-03-09 | 1999-12-08 | The Commonwealth Of Australia | Infrared intrusion sensor |
-
1994
- 1994-01-26 SE SE9400239A patent/SE503643C2/en not_active IP Right Cessation
-
1995
- 1995-01-26 WO PCT/SE1995/000077 patent/WO1995020750A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
SE9400239L (en) | 1995-07-27 |
SE9400239D0 (en) | 1994-01-26 |
WO1995020750A1 (en) | 1995-08-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6583416B1 (en) | Uncooled IR detector array having improved temperature stability and reduced fixed pattern noise | |
US4145748A (en) | Self-optimizing touch pad sensor circuit | |
EP2690416B1 (en) | Infrared image sensor and signal read method | |
US7724000B2 (en) | Method of automatically testing an electronic circuit with a capacitive sensor and electronic circuit for the implementation of the same | |
US5747805A (en) | Fully integrating resistive array electronic multiplexor | |
US5078220A (en) | Multiple sensor capacitive measurement system | |
JP2011174919A (en) | Detection circuit for thermal sensor, thermal sensor device, and electronic device | |
MXPA01001551A (en) | Method for capacitive image acquisition. | |
US20050121617A1 (en) | Radiation detector, as well as a method for synchronized radiation detection | |
US20140091220A1 (en) | Microbolometer architecture | |
JP6295328B2 (en) | Electro-optic (EO) / infrared (IR) staring focal plane with high-rate region-of-interest processing and event-driven forensic lookback | |
US4682236A (en) | Read and clear readout circuit and method of operation of an IR sensing charge injection device | |
SE503643C2 (en) | Sensor device comprising a matrix of detectors, each detector being a radiation sensitive component | |
JP3516956B2 (en) | Temperature compensated integral analog-to-digital converter | |
SE460997B (en) | STRAALNINGSDOSIMETER | |
JP2000283790A (en) | Low frequency noise removing method and cmos sensor circuit | |
EP2873968B1 (en) | Capacitive sensing system and method | |
JP3011212B1 (en) | Infrared imaging device | |
US5969336A (en) | Radiation sensor arrangement for detecting the frequency of radiation impinging thereon | |
JP3518181B2 (en) | Thermal infrared image sensor | |
SU468102A1 (en) | Digital Measuring Instrument Strain Balance | |
JPH0325274Y2 (en) | ||
JPH07128362A (en) | Capacitive sensor and air bag system for vehicle | |
Xie et al. | Readout circuit design for uncooled infrared focal plane arrays | |
SU409230A1 (en) | DEVICE FOR CONTROLLING DIGITAL DEVICES OF POSITIVE EQUALIZATION |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NUG | Patent has lapsed |