SE503643C2 - Sensoranordning innefattande en matris av detektorer, där varje detektor utgörs av en strålningskänslig komponent - Google Patents

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.

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.

I fig 5 visas, ett exempel med en sådan, uppbyggd av tre inverterare och en kondensator som den strâlningskänsliga komponenten.

I en första utföringsform av uppfinningen är varje detektor permanent kopplad till en oscillator, dvs. det finns en 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Att endast använda en oscillator per kolumn istället för en oscillator per pixel medför såväl fördelar som nackdelar.

*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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (4)

Patentkrav:

1. Sensoranordning innefattande en matris av detektorer, där varje detektor utgörs av en strâiningskänsiig komponent viiken tiiisammans med en eiier fiera permanent tiiiordnade icke-strâiningskänsiiga kompietterande komponenter biidar en osciiiator, exempeivis en stråiningskänsiig resistor eiier kondensator ingående i en RC- osciiiator, där osciiiatorns frekvens används som ett mått på den detekterade storheten, k ä n n e t e c k n a d a v a t t den innefattar en styr- och beräkningsanordning som successivt beräknar och iäser ut osciiiatorsignaier gruppvis paraiieiit genom att, under ett observationsfönster som sträcker sig tiii tiden för nästa grupps utiäsning, med hög uppiösning mäta tiden tiii osciiiatorsignaiens första positiva fiank och tiden meiian tvâ konsekutiva fianker och från det senare beräkna antaiet puiser sedan det föregående observa- tionsfönstret för den aktueiia gruppen och sammantaget få ett integrerat mått från det föregående observationsfönstret.

2. Sensoranordning eniigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v a t t grupperna utgöres av en eiier fiera rader detektorer.

3. Sensoranordning eniigt patentkravet 1 eiier 2, k ä n n e - t e c k n a d a v a t t det finns en eiier fiera stråiningsskyddade osciiiatorer anordnade att ge en referenssignai som används för att kompensera för temperaturdrift.

4. Sensoranordning eniigt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a d a v a t t det finns en eiier fiera strâiningsskyddade osciiiatorer anordnade på vardera ömse sidan av detektormatrisen, sett i en rikt- ning, viika är anordnade att ge en referenssignai som används för att kompensera för en iinjär temperaturgradient över detektorn.