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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Kompensation
für Subtraktionsdetektoren.
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Das
Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Systeme zur thermischen
Abbildung, die eine Subtraktionsarchitektur verwenden, um die Gleichstromkomponente
des integrierten Stroms zu beseitigen. Das Prinzip eines Subtraktionsdetektors
ist im
französischen Patent Nr. 2 756 666 beschrieben
und an dieses wird in den
1a und
1b erinnert.
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Wie
in vereinfachter Weise in
1a dargestellt
ist, umfasst ein Detektor gemäß dem
französischen Patent Nr. 2 756 666 auf
einem Substrat gestapelt:
- – eine Kontaktschicht C2
- – eine
aktive photoleitende Schicht D2
- – eine
gemeinsame Kontaktschicht Cc
- – eine
aktive photoleitende Schicht D1
- – und
eine Kontaktschicht C1
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Die
aktiven photoleitenden Schichten D1, D2 können Schichten eines photoleitenden
Halbleiters wie Silicium sein. Sie können auch in Form eines Stapels
von Schichten, die Quantenquellendetektoren bilden, verwirklicht
werden. Die zwei aktiven Schichten D1, D2 sind in ein und demselben
Bereich von Wellenlängen λ photoleitend.
Eine der aktiven Schichten ist so entworfen, dass sie für den Bereich von
Wellenlängen λ sehr absorbierend
ist, während die
andere Schicht so vorgesehen ist, dass sie sehr wenig oder fast
nicht absorbierend ist. Dies kann durch unterschiedliche Dicken
der aktiven Schichten oder durch stärkere Dotierung der Quantenquellenschichten
der stärker
absorbierenden aktiven Schicht vorgesehen werden. Die Kontaktschichten
C1, C2, Cc können
nicht die ganze Oberfläche
der photoleitenden Schichten bedecken.
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Wenn
der Detektor durch die zu erfassende Strahlung bestrahlt wird, wie
es in 1a dargestellt ist, empfängt die
aktive Schicht D2 als erste die Strahlung RZ.
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In
dem Fall, in dem die Schicht D1 stärker als die Schicht D2 absorbiert,
wird vorzugsweise in Zuordnung zu der Fläche der Schicht D1, die die
Kontaktschicht C1 trägt,
ein Beugungsgitter vorgesehen. Dieses Gitter empfängt das
Licht, das beim ersten Durchgang durch die Schicht D1 nicht absorbiert
wurde und beugt es zur Schicht D1. Das gebeugte Licht wird durch
die Schicht D1 absorbiert oder fast absorbiert.
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Die
Kontaktschichten C1 und C2 ermöglichen
das Anlegen von Steuerpotentialen. Die Kontaktschicht Cc ist den
zwei Detektorelementen mit den aktiven photoleitenden Schichten
gemeinsam.
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Sie
wird auf ein Referenzpotential gesetzt und ermöglicht die Erfassung der durch
die Detektoren D1, D2 erzeugten Photoströme.
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Das
Substrat ist für
den Bereich von zu messenden Wellenlängen transparent. Der Detektor empfängt folglich
die Strahlung RZ durch das Substrat.
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Wenn
eine Strahlung RZ vom Detektor empfangen wird, wird zum Erfassen
der Wellenlänge λ (oder des
Bereichs von Wellenlängen)
folgendes angelegt:
- – ein Potential V1 an die Kontaktschicht
C1
- – ein
Potential V2 an die Kontaktschicht C2
- – ein
schwebendes Potential Vc (oder Masse) zwischen V1 und V2 an die
gemeinsame Kontaktschicht Cc.
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In
der Struktur D1 fließt
ein Strom I1 = I1d + I1opt und in der Struktur
D2 fließt
ein Strom I2 = I2d + I2opt
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Die
Ströme
I1d und I2d sind die Dunkelströme
in D1 und D2. Die Ströme
I1d und I2d können auch
die Summe eines Dunkelstroms und eines Szenenstroms darstellen.
Die Ströme
I1opt und I2opt sind die Ströme
auf Grund der zu erfassenden Wellenlänge λ in D1 und D2.
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Gemäß 1b hat
der durch die Leseschaltung gesammelte Strom i als Wert: I = I1 – I2
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Durch
Einstellen der Spannung V1 oder V2 ist es möglich, I1d = I2d einzustellen.
Der Wert des erfassten Stroms ist folglich: I
= I1opt – I2opt
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Durch
Vorsehen, dass eine der aktiven Schichten nur sehr wenig Energie
der Welle λ absorbiert,
ist der Strom I folglich jener, der durch die aktive Schicht erzeugt
wird, die die stärkste
Antwort aufweist.
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Der
Gesamtstrom einer thermischen Abbildungsvorrichtung ist die Summe
eines Offsetstroms, der aus dem thermisch aktiven Dunkelstrom gemäß einem
Gesetz des Arrhenius-Typs
I = I0exp(–hc/λ)kT) und dem Strom des optischen
Signals, der durch die Veränderungen
des Emissionsvermögens
und der Temperatur der Szene erzeugt wird, besteht. Die Architektur
einer Subtraktionsbrennebene ermöglicht es,
die Gleichstromkomponente vor der Integration zu subtrahieren und
folglich vollständig
die verfügbare
Einzelbildzeit zum Integrieren des Signals zu verwenden, ohne die
individuelle Speicherkapazität
von jedem Pixel zu sättigen,
was den Rauschabstand der De tektoren verbessert. Die zwei Stufen
QWIP1 und QWIP2 weisen identische Strukturen auf, die mit –Vs polarisierte Stufe QWIP1 ist die Erfassungsstufe
und die mit +Vref gegenpolarisierte Stufe
QWIP2 ist die Referenzspiegelstufe, was es ermöglicht, den Strom vollständig oder
teilweise zu subtrahieren. Der Zwischenkontakt ist mit der entsprechenden
Speicherkapazität
des Multiplexers verbunden und ermöglicht es folglich, den resultierenden
Strom, d. h. die Differenz der Ströme, die die zwei Stufen durchfließen, zu
sammeln.
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Eine
thermische Abbildungsanlage umfasst ein Kühlorgan (Stirling-Maschine,
Joule-Thomson-Druckminderer, Flüssigstickstoffbad
...) und ein Regelsystem, das die Temperatur der Brennebene T0 auf nahe ±ΔT stabilisieren kann. Die langsame
Temperaturschwankung mit einer Variationsamplitude 2ΔT erzeugt
eine Variation des thermischen Stroms von jeder der Stufen.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, dieses Problem zu lösen.
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Die
Erfindung betrifft folglich eine Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischen
Wellen mit mindestens zwei Photoleiter-Detektoren für elektromagnetische
Wellen, die jeweils umfassen:
- – mindestens
zwei aktive Photoleiter-Detektorelemente, die in ebener Form gestapelt
sind und durch eine gemeinsame Lese-Kontaktschicht getrennt sind,
wobei die Gesamtheit zwischen zwei Steuer-Kontaktschichten eingebettet
ist;
- – Mittel
zum Anlegen von Steuerspannungen an jede Steuer-Kontaktschicht,
wobei eine an die gemeinsame Lese-Kontaktschicht angelegte Spannung
einen Wert zwischen den an die Steuer-Kontaktschichten angelegten
Spannungen aufweist;
wobei Mittel, die mit dem gemeinsamen
Kontakt verbunden sind, es ermöglichen,
die Differenz der Photoleitungs ströme der zwei Detektorelemente
zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren auf einer
ihrer ebenen Flächen
mit Ausnahme mindestens eines Detektors (DET') ohne Beugungsgitter mit einem Beugungsgitter
versehen sind, und dass sie eine Subtraktionsschaltung zum Subtrahieren
des Lesesignals eines Detektors ohne Beugungsgitter vom Lesesignal
eines mit einem Beugungsgitter versehenen Detektors umfasst.
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Die
verschiedenen Aufgaben und Merkmale der Erfindung zeigen sich deutlicher
in der folgenden Beschreibung und in den beigefügten Figuren, in denen:
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1a und 1b einen
Subtraktionsdetektor gemäß dem Stand
der Technik zeigen;
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2 ein
vereinfachtes Beispiel einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung zeigt;
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3a und 3b eine
erfindungsgemäße Erfassungsmatrix
zeigt;
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4 eine
Organisation einer Matrix gemäß der Erfindung
zeigt;
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5 die
Verteilung der verschiedenen Beiträge zum Gesamtstrom zeigt;
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6 eine
elektronische Schaltung zeigt, die ermöglicht, bei der Ablesung eines
Detektors einer Matrix die Ablesung eines Detektors, der zum Messen
des thermischen Stroms dient, zu subtrahieren.
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2 stellt
eine erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung
dar. Sie umfasst im Wesentlichen mindestens zwei Detektoren DET
und DET'.
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Der
Detektor DET ist in ähnlicher
Weise zum Detektor von 1a hergestellt. Er umfasst die
aktiven photo leitenden Schichten D1, D2 und die Kontaktschichten
C1, C2, Cc.
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Vorzugsweise
ist der Detektor in ein Isolationsmaterial IS eingekapselt. Kontaktstellen
P1, P2, PC ermöglichen
die Verbindung mit den Kontaktschichten und durchqueren das Material
IS, wenn dieses vorgesehen wurde.
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Ein
Beugungsgitter ist an der Oberfläche
der Schicht D1 vorgesehen.
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Der
Detektor DET ist ähnlich
zum Detektor DET. Er kann sogar in den Schichten vorgesehen sein,
die zu jenen des Detektors DET fast identisch sind. Er umfasst folglich
die photoleitenden Schichten D1',
D2' und die Kontaktschichten
C1', C2' und Cc'. Dagegen umfasst
der Detektor DET' kein
Beugungsgitter. Unter diesen Bedingungen die Subtraktion der Messung
des Stroms des Detektors DET' bei der
Messung des Stroms des Ein Beispiel einer Schaltung, die es ermöglicht,
diese Subtraktion auszuführen,
wird später
in Anwendung auf eine Matrix von Detektoren beschrieben.
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Zuallererst
wird eine Matrix von Detektoren gemäß der Erfindung beschrieben.
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Die 3a und 3b stellen
in einer Draufsicht und im Schnitt eine Matrixausführungsform
eines doppeltspektralen Detektors gemäß der Erfindung dar.
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Die
verschiedenen Detektoren sind auf einer Steuer-Kontaktschicht C2
hergestellt, die allen Detektoren gemeinsam ist. Die Kontaktstelle
P2 ist folglich der ganzen Matrix gemeinsam. Jeder Detektor der
Matrix umfasst ein Detektorelement D1 und ein Detektorelement D2
sowie Kontaktschichten C1 und Cc und die Kontaktstellen P1 und Pc.
Die Kontaktstellen P1 sind alle miteinander verbunden, um ein Potential
V1 (siehe vorher) an alle Detektorelemente D1 der Matrix anzulegen.
Da die Kontaktschicht C2 und die Kontaktstelle P2 der ganzen Matrix
gemeinsam sind, wird das an die Kontaktstelle P2 angelegte Potential
V2 an alle Detektorelemente D2 der Matrix angelegt.
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Für das Lesen
der Detektoren der Matrix liegt jeder Detektor am Kreuzungspunkt
eines Netzes von Leitern von Zeilen und Spalten. An jedem Kreuzungspunkt
ist beispielsweise ein Transistor Tr vorgesehen, dessen Basis mit
dem Zeilendraht verbunden ist. Der Emitter und der Kollektor sind
mit einer Kontaktstelle Pc bzw. mit einem Spaltendraht verbunden. Das
Anlegen eines geeigneten Potentials an einen Zeilendraht ermöglicht es,
alle Transistoren der Zeile zu steuern und alle Kontaktstellen Pc
einer Zeile mit den Spaltendrähten
zu verbinden. Folglich ist es möglich,
an jedem Spaltendraht den Photostrom zu lesen, der durch den mit
diesem Spaltendraht verbundenen Detektor erzeugt wird.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind alle Schichten C1 miteinander verbunden und werden durch ein
und dasselbe Potential gesteuert. Dasselbe gilt für die Kontaktschichten
C2, die mit der Kontaktstelle P2 verbunden sind.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante
ist jedoch vorgesehen, dass die Steuer-Kontaktschicht C2 in Bänder geschnitten
ist, so dass jedes Band einer Zeile von Detektoren gemeinsam ist.
Folglich ist eine Kontaktstelle P2 pro Kontaktband C2, d. h. pro
Zeile von Detektoren, vorhanden.
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In ähnlicher
Weise werden, anstatt alle Kontaktstellen P1 miteinander zu verbinden,
diese durch Detektorzeilen verbunden. Eine Kontaktstelle P1 ist pro
Zeile von Detektoren vorhanden.
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Die
Kontaktstellen PC der Detektoren sind durch Spaltendrähte der
Matrix miteinander verbunden.
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Die
Funktion der Matrix von Detektoren erfolg folglich sequentiell nach
Zeile.
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Wie
in 3b zu sehen ist, umfassen die Detektoren DET1
bis DET3 an der Oberfläche
ihrer photoleitenden Schicht D1 ein Beugungsgitter. Dagegen umfasst
der Detektor DETn kein derartiges Beugungsgitter.
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4 stellt
eine andere Draufsicht auf eine so entworfene Matrix von Detektoren
dar. Die erste Zeile der Matrix umfasst die Detektoren DET1, DET2, ...
DETn. Links ist auch ein Detektor DETn' vorgesehen, der zum Detektor DETn ähnlich ist
(folglich ohne Beugungsgitter). Die Detektoren DETn, DETn' dienen zum Liefern
des Temperaturkompensationssignals für die Detektoren der Zeile.
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Die
anderen Zeilen der Matrix sind in derselben Weise entworfen.
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In
einer nominalen Betriebsart muss die Subtraktionsrate geringer als
100% sein, um eine Dynamikreserve für das System zu bewahren (siehe 5).
Unter diesen Bedingungen bleibt folglich im integrierten Strom ein
Teil des Stroms thermischen Ursprungs bestehen und das in der Integrationskapazität gespeicherte
Signal variiert langsam gemäß den Temperaturschwankungen.
Der unerwünschte
Effekt ist eine Offsetdrift des Ausgangssignals der Brennebene und
folglich eine langsame Schwankung der mittleren Graustufe des Bildes.
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Das
Prinzip der Erfindung besteht darin, zur Verarbeitungselektronik
der Kamera die Information hinsichtlich des restlichen Pegels des
Stroms thermischen Ursprungs in den integrierten Signalen unter den
Bedingungen einer Subtraktionsrate und einer Betriebstemperatur jedes
Videoeinzelbildes zu liefern. Die Nah-Elektronikkarte der Kamera
umfasst eine Vergleicherschaltung, die es ermöglicht, das Offsetniveau einzustellen
(6).
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Das
Prinzip des Subtraktionsdetektors beruht auf der Tatsache, dass
das auf der oberen Elektrode des Pixels hergestellte Beugungsgitter
einerseits die Verstärkung
der Antwort und andererseits die Differenzierung der optischen Antwort
zwischen den zwei Stufen sicherstellt (R
1/R
2 = β)
. Ohne Gitter besitzen die zwei Stufen eines Subtraktionspixels denselben
geringen Wert der optischen Antwort R
0/R
1/η
res. Für
eine Subtraktionsrate γ ist
das an den mit Gitter versehenen Pixeln integrierte Signal folglich:
und hat für Pixel ohne Gitter den Wert:
Iss res = (1 – γ)Ith(T) + R0Popt(1 – γ) -
Im
Fall eines Betriebs bei einer Temperatur, bei der der thermisch
erzeugte Strom überwiegt ("Hochtemperatur"-Bereich, für den R1Popt > Ith(T)), wird
das an den Pixeln ohne Gitter integrierte Signal näherungsweise
auf die thermische Komponente des integrierten Stroms reduziert,
d. h. (1 – γ)Ith(T).
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Als
Beispiel liefert eine numerische Anwendung die folgenden Werte:
γ = 0,9, β = 5, ηres = 10: Ires opt = 0,82. R1Popt kann zu (1 – γ)Ith(T)
vergleichbar sein,
während Iss res opt =
0,01. R1Popt << (1 – γ)Ith(T)
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Die
Schaltung von 6 ermöglicht es, das Lesen eines
Detektors wie DETn' durchzuführen und die
Ablesung im Kondensator CA1 aufzuzeichnen. Für dieses Lesen wird der Eingang
E1 mit der Lesekontaktstelle (Pc) von DETn' verbunden. Anschließend wird der Eingang E1 durch
nicht dargestellte Mittel nacheinander mit den Lesekontaktstellen
Pc der verschiedenen Detektoren DET1, DET2 etc. einer Zeile verbunden.
Bei jedem Lesen eines Detektors wie DET1 wird ein Strom, der dem
Lesestrom des Detektors DETn' entspricht,
dessen Ablesung im Kondensator CA1 aufgezeichnet wurde, vom Lesestrom
des gelesenen Detektors DET1 subtrahiert und zwar durch die Differenzschaltung
DF1. Der Ausgang S1 liefert somit an seinem Ausgang S1 den Lesestrom,
der um den Strom auf Grund des thermischen Rauschens reduziert wurde.
Die Messungen erfolgen so weiter für die verschiedenen Detektoren
einer Zeile, dann für
die folgenden Zeilen von Detektoren.
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Der
Vollständigkeit
halber kann schließlich das
System der Nah-Elektronik das thermische Referenzsignal der Spalte
0 und n + 1 des Einzelbildes i mit den Referenzsignalen des Einzelbildes
i – 1
vergleichen, um das Risiko einer unberechtigten Korrektur zu beseitigen,
die durch das Auftreten eines heißen Punkts am Umfang des Sichtfeldes
der Abbildungsvorrichtung verursacht wird und durch den sehr geringen
(aber von Null verschiedenen) Restpegel der optischen Antwort an
diesen Referenzpixeln erfasst wird.
