低成本且高性能测辐射热计电路和方法技术

一种测辐射热计电路包括基板，有效测辐射热计的焦平面阵列(FPA)设置在该基板上。每个有效测辐射热计配置成接收外部红外(IR)辐射以及与基板基本上热隔离。测辐射热计电路还包括屏蔽于外部IR辐射热并且与基板基本上热隔离的盲测辐射热计的一个或多个盲阵列。基于来自一个或多个盲阵列的对应列或行的输出的统计特性校正、减少或抑制来自FPA的每列和/或每行的输出中的噪声。还可以使用一个或多个盲阵列校正、减少或抑制FPA捕获的IR图像的每一帧中的噪声。

Circuit and method of low cost and high performance bolometer

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低成本且高性能测辐射热计电路和方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年2月22日提交的名称为“LOWCOSTANDHIGHPERFORMANCEBOLOMETERCIRCUITRYANDMETHODS(低成本且高性能测辐射热计电路和方法)”的美国临时专利申请No.62/462,321的优先权和权益，该临时专利申请通过引用整体并入本文。
本专利技术的一个或多个实施例总体上涉及热成像装置，并且更具体地，例如，涉及测辐射热计电路和相关的处理。
技术介绍
在本领域中经常使用测辐射热计(该测辐射热计响应于光学发热而改变其电阻)来检测入射红外(IR)辐射的强度或捕获入射IR辐射强度的多像素IR图像。通常，为了测量入射IR辐射，在热辐射测量计上施加偏置(例如，偏置电压或电流)，以便可以测量其电阻或其任何变化并将电阻或任何变化转换成指示在测辐射热计处所接收的IR辐射强度的信号。在这方面，许多传统的测辐射热计电路包括大量专用于在所需水平上产生和控制测辐射热计上的偏置的电路。例如，传统的偏置产生和控制电路可以在测辐射热计传导路径中包括晶体管或其他控制机构以及驱动这种晶体管或其他控制机构的电路，以在面对部件的操作特性的变化或不匹配和改变环境或内部条件时，产生并保持测辐射热计上的所需的偏置。遗憾的是，在测辐射热计传导路径中的这种附加的晶体管或其他控制机构不仅增加了传统测辐射热计电路的尺寸、成本、复杂性和功耗，而且还在敏感的测辐射热计传导路径中引入噪声。此外，因为这样的附加的晶体管或其他控制机构可以通过限制测辐射热计传导路径上的电流和/或电压来控制偏置，所以可用于偏置测辐射热计的电压和/或电流有效地减少到电源电压或电流的仅一部分，这反过来降低了传统的测辐射热计电路的灵敏度。即使采用这种昂贵的偏置产生和控制方法，传统的测辐射热计电路通常也表现出减小的用于表示IR辐射强度的可用信号范围(例如，减小的信号摆幅)，因为由于环境和内部条件的变化(例如，测辐射热计的自发热(也称为脉冲的偏置发热或脉冲偏置发热))或其他因素而需要允许对输出信号产生影响。因此，需要一种高性能测辐射热计电路，其在所需水平上产生并保持测辐射热计上的偏置和/或提供大的可用信号范围，而没有与传统测辐射热计相关的成本、尺寸、复杂性、噪声和功耗。
技术实现思路
公开了各种技术用于测辐射热计电路和方法，以提供测辐射热计上所需的偏置以产生输出信号。例如，在一个实施例中，一种测辐射热计电路可包括基板；有效测辐射热计，其配置成接收外部红外(IR)辐射并且与基板基本上热隔离；电阻性负载，其中，有效测辐射热计和电阻性负载配置成串联连接在从电源电压节点到公共电压节点的测辐射热计传导路径中；放大器电路，其包括具有第一输入的运算放大器(op-amp)，该第一输入耦接到电阻性负载和有效测辐射热计之间的测辐射热计传导路径中的节点；以及可变电压源，其耦接到运算放大器的第二输入以提供参考电压电平，其中放大器电路配置成响应于由于外部IR辐射的有效测辐射热计的电阻变化，通过保持运算放大器的第一输入处的参考电压电平而产生到放大器电路的电流，并且其中放大器电路还配置成将电流转换为运算放大器的输出处的输出电压，该输出电压指示在有效测辐射热计处接收的外部红外辐射的强度。根据一个或多个实施例，测辐射热计电路可以在具有多个行和列的有效测辐射热计的焦平面阵列(FPA)中实现，以使用合适的时间复用技术生成表示多像素IR图像的输出信号。在一些实施例中，还可以生成一系列这样的IR图像帧。在一些实施例中，电阻性负载包括串联连接的热短路(thermallyshorted)测辐射热计和晶体管(例如，MOSFET)，以作为产生到有效测辐射热计的负载电流的电流源操作。在一些实施例中，热短路测辐射热计的电阻大于有效测辐射热计的电阻，并且电源电压节点提供的电源电压电平高于适用于在热短路测辐射热计的电阻与有效测辐射热计的电阻近似的标称情况下产生负载电流的标称电压电平。在其他实施例中，电阻性负载的电阻近似于有效测辐射热计的电阻。在一些实施例中，放大器电路包括将运算放大器的输出耦接到运算放大器的第一输入的电阻性增益以将放大器电路配置成反馈放大器，电阻性增益包括热短路测辐射热计，其与基板热短路以操作成放大器电路的温度补偿增益，并且放大器电路配置成响应于参考电压电平，通过耦接到测辐射热计传导路径节点的运算放大器的第一输入，保持有效测辐射热计上的偏置电压和电阻性负载上的负载偏置电压，并响应于流过电阻性增益的电流产生输出电压。流到放大器电路的电流响应于通过施加到电阻性负载的负载偏置电压产生的电流与通过施加到有效测辐射热计的偏置电压产生的电流之间的差异而产生，该有效测辐射热计表现出由于外部IR辐射的电阻变化。在其他实施例中，放大器电路还包括电容器，其将运算放大器的输出耦接到运算放大器的第一输入以将放大器电路配置成积分放大器；缓冲器，其连接到测辐射热计传导路径节点；以及电阻器，其连接到运算放大器的第一输入，缓冲器和电阻器串联连接以将测辐射热计传导路径节点耦接到运算放大器的第一输入。放大器电路配置成保持连接到运算放大器的第一输入的电阻器的一端处的参考电压电平，并且电阻器的另一端配置成经由缓冲器接收在测辐射热计传导路径节点处的、响应于流过有效测辐射热计的负载电流而设置的电压电平，该有效测辐射热计表现出由于外部IR辐射的电阻变化。电阻器两端之间的电压差产生到放大器的电流，并且放大器电路配置成通过电容器对电流进行积分以产生输出电压。在一些实施例中，测辐射热计电路配置成基于与测辐射热计传导路径和放大器电路相关联的开关的选择性打开或关闭而在正常模式或低功率模式下操作，其中在正常模式下，运算放大器的输出提供表示在有效测辐射热计处接收的外部IR辐射强度的输出电压，在低功率模式下，运算放大器的输出被驱动到预定的电压电平，并且运算放大器、测辐射热计传导路径或两者都与电源断开。根据一个或多个实施例，在FPA中实现的测辐射热计电路可以包括多个有效测辐射热计，其布置在具有多个列和行的FPA中，多个列电路，每个都与一列测辐射热计FPA相关联并且每个包括电阻性负载、放大器电路和与测辐射热计传导路径和放大器电路相关联的开关，以及控制电路，其配置成控制开关以在正常成像模式或低功率检测模式下操作测辐射热计FPA，其中在正常成像模式下，测辐射热计FPA的所有列在正常模式下操作，并且其中在低功率检测模式中，测辐射热计FPA的一些列在正常模式下操作，而测辐射热计FPA的其余列在低功率模式。在一些实施例中，控制电路还可以配置成使用在正常模式下操作的测辐射热计FPA的那些列来检测外部IR辐射的变化，同时在低功率检测模式下操作测辐射热计FPA，并且响应于检测到外部IR辐射的变化从低功率检测模式切换到测辐射热计FPA的正常成像模式。在一些实施例中，当捕获每个IR图像帧时，从测辐射热计FPA的所有列以循环(round-robin)方式选择以正常模式操作的那些列，以便减少对测辐射热计FPA的列的老化效应。在一个实施例中，测辐射热计电路可包括：基板；有效测辐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测辐射热计电路，包括：/n基板；/n按行和列布置的有效测辐射热计的焦平面阵列(FPA)，所述有效测辐射热计配置成接收外部红外(IR)辐射并与所述基板基本上热隔离，/n屏蔽于所述外部红外辐射并与所述基板基本上热隔离的盲测辐射热计的盲阵列，所述盲阵列包括与所述焦平面阵列的行对应的行；/n控制电路，所述控制电路配置成根据定时信号选择所述焦平面阵列的每行和所述盲阵列的对应行，从而以逐行方式读出所述焦平面阵列和所述盲阵列的每行，以逐行方式读出的来自所述焦平面阵列的所有行的输出被组合以表示由所述焦平面阵列捕获的红外图像的帧；以及/n逻辑装置，所述逻辑装置配置成基于来自所述盲阵列的对应行的输出的统计特性来降低来自所述焦平面阵列的每行的输出中的噪声。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170222 US 62/4623211.一种测辐射热计电路，包括：
基板；
按行和列布置的有效测辐射热计的焦平面阵列(FPA)，所述有效测辐射热计配置成接收外部红外(IR)辐射并与所述基板基本上热隔离，
屏蔽于所述外部红外辐射并与所述基板基本上热隔离的盲测辐射热计的盲阵列，所述盲阵列包括与所述焦平面阵列的行对应的行；
控制电路，所述控制电路配置成根据定时信号选择所述焦平面阵列的每行和所述盲阵列的对应行，从而以逐行方式读出所述焦平面阵列和所述盲阵列的每行，以逐行方式读出的来自所述焦平面阵列的所有行的输出被组合以表示由所述焦平面阵列捕获的红外图像的帧；以及
逻辑装置，所述逻辑装置配置成基于来自所述盲阵列的对应行的输出的统计特性来降低来自所述焦平面阵列的每行的输出中的噪声。


2.根据权利要求1所述的测辐射热计电路，其中，所述盲阵列邻近所述FPA的一侧设置。


3.根据权利要求1所述的测辐射热计电路，其中，由所述逻辑装置确定的统计特性表示与在去除每行的有效测辐射热计和盲测辐射热计之间共同的噪声的影响的同时读出所述焦平面阵列和所述盲阵列的每行相关联的噪声。


4.根据权利要求1所述的测辐射热计电路，其中：
所述盲阵列包括与所述焦平面阵列相同数量的行和多个列；以及
所述统计特性包括针对所述盲阵列的每行的、来自所述盲阵列的所述多个列的输出的平均值。


5.根据权利要求4所述的测辐射热计电路，其中，所述平均值是来自所述盲测辐射热计的输出之和除以所述盲测辐射热计的数量。


6.根据权利要求4所述的测辐射热计电路，其中，所述逻辑装置配置成至少通过从所述焦平面阵列的行中的每个有效测辐射热计的输出中减去从针对该行的盲阵列的多个列确定的输出的平均值来降低来自所述焦平面阵列的每行的输出中的噪声。


7.根据权利要求1所述的测辐射热计电路，其中，所述逻辑装置还配置成基于来自盲测辐射热计的阵列的所有行的输出的统计特性来降低所述红外图像的帧中的噪声。


8.根据权利要求1所述的测辐射热计电路，其中，所述逻辑装置还配置成排除来自异常盲测辐射热计的输出，以确定来自所述盲阵列的对应行的输出的统计特性。


9.根据权利要求1所述的测辐射热计电路，其中：
所述盲阵列是第一盲阵列；
所述测辐射热计电路还包括屏蔽于外部红外辐射并且与基板基本上热隔离的盲测辐射热计的第二盲阵列，该第二盲阵列包括与所述焦平面阵列相同数量的列和多个行；以及
所述逻辑装置还配置成基于来自所述第二盲阵列的对应列的输出的平均值来降低来自所述焦平面阵列的每列的输出中的噪声。


10.根据权利要求9所述的测辐射热计电路，其中，所述逻辑装置还配置成基于来自所述第二盲阵列的所有列的输出的平均值来降低所述红外图像的帧中的噪声。


11.一种测辐射热计电路，包括：
基板；
按行和列布置的有效测辐射热计的焦平面阵列(FPA)，所述有效测辐射热计配置成接收外部红外(IR)辐射并与所述基板基本上热隔离；
屏蔽于所述外部红外辐射并与所述基板基本上热隔离的盲测辐射热计的盲阵列，所述盲阵列包括与所述焦平面阵列的列相关联的列；
多个列电路，每个列电路与所述焦平面阵列的列和所述盲阵列的对应列...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·F·卡纳塔，B·B·西蒙朗，N·Y·阿齐兹，
申请(专利权)人：菲力尔系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US