CN101419094A - 具有测辐射热像素的矩阵热图像传感器和降低空间噪声的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测辐射热类型的矩阵图像传感器，其中每一个像素包括其值根据由所述像素接收的热流变化的测辐射热电阻器(Rb)。所述电阻器(Rb)通过具有值Vpol的偏置电压进行偏置。通过补偿电流Icomp对经过其的电流进行补偿，对这些电流之间的差值进行积分以产生测量信号。例如在校准阶段期间，逐像素地调节所述偏置电压(或所述补偿电流)，以使得尽管测辐射热电阻器的标称值具有差量，所有像素仍然具有明显相同的灵敏度。通过将专用于每一个像素的单个电压(VG)存储到专用于该像素的灵敏度调整电容器(Ca)而以模拟方式执行该调节。所述电容器直接作用于所述偏置电压的调节或在所述像素的灵敏度中起作用的其它参数(例如积分时间)。从而，明显地降低了空间噪声。

Description

具有测辐射热像素的矩阵热图像传感器和降低空间噪声的方法
技术领域
本发明涉及测辐射热类型的矩阵热图像传感器，其中每一个像素包括其值根据所述像素接收的热流变化的测辐射热电阻器。
背景技术
按行和列的形式组织像素并且可以逐行地寻址该矩阵。信号读取电路与像素的每一列相关联并且读取电路与列的数目一样多。在寻址行期间在每一列上读取的信号对应于该行的像素的读取；在开始读取后续行的同时，存储所述信号并且随后通过多路复用器从矩阵中提取所述信号。
在寻址行期间，对测辐射热电阻器施加偏置电压，但测辐射热电阻器的值根据其温度变化；温度一方面取决于偏置电压，另一方面取决于像素接收的热流；其结果是，经过电阻器的电流具有共模分量和取决于像素接收的热流的分量。
通常，为了从电流中减少或消除共模分量，从经过测辐射热电阻器的电流中减去补偿电流。例如，补偿电流等于当测辐射热电阻器接收平均热流时经过其的电流；按照这种方式，根据热流变化为高于平均热流或低于平均热流，由所述减法产生的差动电流做正变化或负变化。例如，平均热流可以是在环境温度下黑体像素接收的流。
将源于所述减法的剩余电流传输到与像素所在的列相关联的读取电路，并且将该电流积分到形成读取电路一部分的积分电容器中；该积分产生代表在积分期间由像素接收的热流的电压。积分周期略小于寻址所讨论的行的周期。特别地，如果寻址周期持续64微秒，则积分周期可以为50微秒。
在对于被寻址的行的所有像素共用的积分周期结束时，存储读取电路的输出信号值，例如，通过使积分电容器的电荷或一小部分电荷流入与所讨论的列的读取电路相关联的存储电容器中。
在寻址后续行的过程发生时，例如在模拟多路复用器的帮助下，从存储电容器中提取全部存储的信号，其中所述模拟多路复用器在矩阵的输出总线上连续地提供存储在存储电容器上并且对应于刚刚被读取的行的像素的所有信号。还可以设想该读取电路包括模数转换器，以将读取的电压转换为数字形式。在这种情况下，多路复用器自然为数字形式。
测辐射热像素矩阵面临的关键问题是电阻器值的巨大技术差量，其引起对统一热照明的响应的巨大差量。例如，在将会面临的同一个矩阵上，在300K的温度下，对于在该温度下为500千欧姆的理论标称值的电阻器，具有从450千欧姆到550千欧姆的值，即，差量约为10％。
由于在热照明的有效范围内电阻器的变化只是几千欧姆，可以设想，在开始时几十千欧姆的差量会很不方便；特别地，随后从矩阵提取的信号将相比于希望检测的热图像而代表更多的制造测辐射热电阻器的技术差量。因此，图像被淹没在非常巨大的固定空间噪声中，使其成为不可读。
为此，在现有技术中已经提出：
-在校准阶段期间，数字化地确定固定空间噪声，
-然后，在校准阶段之外，从有效载荷信号中减去该噪声。
信号的处理是数字形式的。在校准阶段期间，在统一热照明时将每个像素的响应确定为数字值。随后，从像素的响应中***地减去像素的响应与希望的理论响应(可以是所有像素的响应平均值)之间的差值。这是源于每一个像素的数字化信号的单独加法校正。
如果希望加强空间噪声的抑制，还可以进行乘法校正；通过不同于第一统一热照明的第二统一热照明对所有像素进行照明。对于每一个像素，根据所述热流推断响应变化的一般斜率(已经通过加法校正将其校正为水平)。并且随后对源于每一个像素的信号进行校正以使得经过双重校正(加法校正和乘法校正)的信号的变化斜率对于所有像素都相同。
然而，实际上，该双重校正在应用上很麻烦，并且在公开的现有技术实践中，通过计算机来应用，其中所述计算机接收来自传感器的图像并且为了消除其中的空间噪声而对其进行完全再处理；计算能力的成本很可观。
发明内容
根据本发明的建议是以一种方式修改矩阵传感器，使得可以在从矩阵提取信号之前减小甚至消除空间噪声，从而不必对源于热成像仪的信号进行数字化再处理。
为此，本发明提出一种矩阵热图像传感器，其包括可以被逐行寻址的像素的行和列的矩阵以及一行信号读取电路，所述信号读取电路的每一个与像素的列相关联以在寻址所述行的同时连续地接收源于所述列的像素的电流，所述矩阵的每一个像素包括其值Rb取决于所述像素接收的热流的测辐射热电阻器，所述电阻器通过具有值Vpol的偏置电压被偏置，所述读取电路包括积分电路以将经过所述测辐射热电阻器的电流Vpol/Rb与补偿电流之间的差值积分到积分电容器，所述传感器的特征在于，对于所述矩阵的每一列，所述传感器包括反馈回路和模拟灵敏度调整电路，所述反馈回路起始于所述列的所述像素共用的所述读取电路的所述积分电容器并且终止于专用于每一个像素且位于所述像素中的调整电容器，以在所述调整电容器中存储专用于所述像素的调整电压，所述模拟灵敏度调整电路位于所述像素中并且响应于所述调整电压进行操作以在读取所述像素所属的所述行时修改所述测辐射热电阻器的所述偏置电压，所述反馈回路包括用于存储由所述读取电路提供的模拟电压VS的存储电容器、所讨论的所述列的所述像素共用的基准电容器、用于将所述基准电容器预充电为确定的电压值的装置、用于将代表所述确定的电压与由所述读取电路提供的所述模拟电压之间差值的电荷加到所述基准电容器的装置、以及用于将相应的电荷加到所述调整电容器以根据位于所述基准电容器端子处的所述模拟电压而增加或降低位于所述调整电容器端子处的电压的装置。
因此，所述调整电容器将接收专用于每一个像素的调整电压，并且将在所述传感器的使用期间保持该电压，直到有新的值施加到其上。
本发明还涉及用于降低矩阵热图像传感器中的固定空间噪声的方法，其中所述传感器包括可以被逐行寻址的像素的行和列的矩阵以及一行信号读取电路，所述信号读取电路的每一个与像素的列相关联以在寻址所述行的同时连续地接收源于所述列的像素的电流，所述矩阵的每一个像素包括其值Rb取决于所述像素接收的所述热流的测辐射热电阻器，所述电阻器通过具有值Vpol的偏置电压被偏置，所述读取电路包括积分器以将经过所述测辐射热电阻器的所述电流Vpol/Rb与补偿电流之间的差值积分到具有值Cint的积分电容器，所述方法的特征在于，
-测量源于像素的模拟电压VS，
-将取决于所述测量的电压的电平的带符号的电荷量加到专用于所述像素且位于所述像素中的调整电容器，
-基于存储在所述调整电容器上的所述电压，向位于所述像素中并且在读取所述像素所属的所述行时作用于所述偏置电压Vpol的调整电路发出指令。
可以在校准阶段期间产生所述调整电压，在所述校准阶段期间，所述矩阵接收统一热照明，并且在所述校准阶段期间，在所述调整电容器上建立电压以使得所有像素对于该统一照明值提供同一个输出信号。因此，所述调整电容器对于每一个像素保持适合于该像素的灵敏度校正电平。可以一次性地执行或周期性地执行该校准阶段。在统一温度处使用固定图像的校准阶段之后，可以固定对于每一个像素确定的所述调整值，但如将看到的，也可以允许取决于正常使用中接收的图像的变化。在第一种情况下，提供用于在校准阶段期间允许所述反馈回路的操作(即，对所述调整电容器的所述电荷的操作)并且在校准阶段之后的使用阶段期间阻止所述操作的装置。在第二种情况下，所述反馈回路始终操作。
如果与为所有像素提供统一照明的热源一起使用校准阶段，则优选地可以通过时间常数为几秒钟(几十个图像)的累进方法进行处理。在这种情况下，在校准阶段期间循环地测量模拟电压VS并且加到所述调整电容器的所述电荷量为很小的电荷量，以使得所述调整电路以很小的百分比，优选地小于10％，修改对于给定照明由所述像素提供的电压差值VS-Vgris，所述Vgris为对应于由像素提供的所述模拟电压的基准电压值，所述像素具有对于用于所述校准的所述热源的平均照明的所有像素的希望灵敏度。
还可以不使用校准阶段并且仅使用具有较长时间常数的所述调整电压的从属作用，以使得所述调整电压逐渐地匹配于像素灵敏度的平均值，出于统计学原因，对于大量图像之后的所有像素，该像素灵敏度的平均值都相同。
“较长时间常数”意味着至少一百个连续图像的读取周期，优选地为几百个连续图像。
在这种情况下，在传感器的正常使用期间测量模拟电压VS并且加到所述调整电容器的电荷量为很小的电荷量，以使得所述调整电路以更小的百分比，优选地小于1％，修改对于给定照明由所述像素提供的电压差值VS-Vgris，其中该Vgris为对应于由像素提供的所述模拟电压的基准电压值，所述像素具有对于平均照明的所有像素的希望灵敏度。
最后，可以使用具有短时间常数和统一屏幕的校准阶段，以快速地接近其中所有像素都具有相同灵敏度的状态，然后使用具有长时间常数的从属作用，其使用由正常使用的传感器接收的连续图像以继续沿朝向匹配于所有像素共用的像素灵敏度的平均值来调节每一个像素的所述调整电压。
优选地，由所述灵敏度调整电路调节的值为值Vpol，即在所述行的寻址期间施加到所述测辐射热电阻器的所述模拟偏置电压；然后，所述灵敏度调整电路专用于所述像素，并且与所述灵敏度调整电路类似，所述调整电容器在地理位置上位于所述像素本身中。
所述灵敏度调整电路优选地包括作为电压跟随器安装的晶体管，其源极连接到所述测辐射热电阻器并且其栅极连接到所述调整电容器。
所述测辐射热电阻器优选地连接在所述晶体管的源极与所述矩阵的所有像素共用的固定电势之间。所述晶体管的漏极经由行寻址开关连接到其上施加有所述补偿电流(Icomp)的列导线。
实际上，可以提供下列设置：将由所述读取电路提供的模拟电压VS存储在存储电容器中并且所述反馈回路包括所讨论的所述列的所述像素共用的基准电容器、用于将该电容器预充电为确定的电压值的装置、用于将代表所述确定的电压和由所述读取电路提供的模拟电压VS之间差值的电荷加到所述基准电容器的装置、以及用于将相应的电荷加到所述调整电容器以根据所述读取电路的所述模拟电压而增加或降低所述调整电容器的端子处的电压的装置。
用在所述反馈回路中的所述存储电容器可以与位于所述电流积分电路的输出处并且在所述读取行之后且寻址后续行期间用于保持信号信息VS的项的电容器相同。但是所述存储电容器也可以是具有较小值的辅助电容器，其从所述积分电路接收输出信息VS的相同项。
优选地，将所述灵敏度调整电容器和相应的调整电路置于所述像素本身中，但是也可以设想将所述调整电容器置于所述像素矩阵之外并且其本身以矩阵形式组织(对应于所述像素矩阵的各自像素的电容器矩阵的调整电容器)的实施例。然后，提供寻址装置以在传感器的使用期间对应于像素行的寻址而寻址所述调整电容器的行。
优选地，所述反馈电路包括用于在使用阶段以所述读取电路的所述模拟输出电压VS与用于定义对于平均照明的所述像素的希望灵敏度的基准电压(Vgris)之间差值的一小部分(一般小于1％)增加所述调整电容器的所述电压的装置，以使得所述调整电容器的所述电压缓慢地稳定于平均值附近；所述平均值使得所述像素对于作为在使用期间接收的照明平均值的照明提供所述基准电压。从统计学上来说，该平均值对于所有像素都相同。
附图说明
通过阅读下列结合附图的详细描述，本发明的其他特点和优点将变得明显，其中：
图1代表测辐射热矩阵红外传感器的一般框图；
图2代表传感器的像素以及位于列底部的信号读取电路的细节；
图3代表具有反馈回路的列的结构，其可以调节像素的灵敏度；
图4代表图3的可变实施例。
具体实施方式
图1示出了被设计以产生代表热图像的信号的矩阵传感器的示意图，该热图像通过其传感器为灵敏元件的红外照相机获取。
传感器包括对红外线灵敏的像素的行和列的矩阵。将位于第i行与第j列交叉点处的像素Pi，j连接到用于连接该行所有像素的至少一条行导线Li并且可以将该像素Pi，j连接到用于连接该列所有像素的列导线Cj。
行导线Li用于寻址像素的行；行寻址电路ADL连续地寻址矩阵的不同行并且第i行的寻址产生该行的每一个像素到对应于该像素的列导线的有效连接。在每一列的底部设置有读取电路，对于第j列的读取电路由CLj表示，其能够读取通过被寻址的行像素施加到相应的列导线Cj的信号。
多路复用器MUX接收所有读取电路CLj的输出并且使得可能快速地提供给源于每一个读取电路的输出SV信号。例如，多路复用器MUX向输出SV传输按照列的顺序的一连串信号，每一个信号对应于各自的列；高速传输该一连串信号以使得在寻址该矩阵行结束时产生的所有信号在寻址矩阵的后续行期间被传输到输出SV。
图2代表单个像素Pi，j的基本示意图，其灵敏元件为测辐射热元件。
由电阻器Rb表示测辐射热元件，该电阻器Rb的值根据其温度变化并且其温度根据接收的红外辐射流的积分显著变化。
在后面的所有描述中，使用相同的名称(例如，Rb)表示电阻性(或电容性)硬件对象或该对象的数字值(电阻或电容)。
测辐射热电阻器Rb具有连接到基准电势VR(对于矩阵的所有像素共用)的第一端和连接到晶体管T1的源极的第二端，该晶体管T1的栅极接收电势VG。晶体管T1的漏极通过开关K1连接到列导线Cj。通过行导线Li控制开关K1；该开关在像素Pi，j与列导线Cj之间建立或断开连接；通过在寻址行Li时关断开关K1而建立连接；通过在未寻址行时打开开关K1而断开连接。
由于列导线Cj的电势随后大于基准电势VR并且由于选择电势VG以比电势VR大至少一个值VT，所以晶体管T1在寻址该行期间导通；VT为晶体管T1的阈值电压并且通常为0.6伏特。
在寻址行Li期间，电阻器Rb将在其端子之间接收偏置电压Vpol＝(VG-VT-VR)并且因此将有测量电流Im流过所述电阻器，Im＝(Vpol/Rb)。
该电流引自电阻器通过晶体管T1和开关K1连接到其上的列导线Cj。
此外，从位于列顶部的电源将补偿电流Icomp在列的顶部处施加到列导线Cj。如即将看到的，列的底部保持为基准电势Vref。如果通过定值电阻器Rcomp将预定电压Vcomp施加到列导线，则列顶部的补偿电流为Icomp＝(Vcomp-Vref)/Rcomp。可以通过不同于对定值电阻器施加定值电压的方式来产生电流Icomp：特别地，可以通过具有已知值Icomp的电流源对其进行固定。
在列的底部处，将列导线Cj连接到与第j列相关联的测量电路CLj。该电路将测量经过该列导线到列底部的剩余电流Id。该剩余电流Id为电流Icomp与测量电流Im之间的差值，所述测量电流Im在将像素连接到列导线时由该像素引起。
因此，测量的剩余电流为Id＝Icomp-Im，否则：
Id＝Icomp-Vpol/Rb
读取电路CLj包括电流积分电路，其在为该像素行的测量保留的周期TL期间对该剩余电流进行积分。实际上，在寻址后续行之前，在略长于周期TL的周期期间对行Li进行寻址，但是仅在周期TL期间进行积分；例如，对于64微秒的行寻址周期，周期TL为50微秒。在下文中，如果是感兴趣的行，则认为热流的积分在时刻0开始并且在时刻TL结束。
电流积分电路包括具有值Cint的电流积分电容器并且该电流积分电路向该电容器的端子提供与剩余电流Id的积分成比例的电压Vci：
Vci = 1 / Cint ∫ 0 T L [ Vpol / Rb - Icomp ] dt .
作为示例，积分电路包括运算放大器AOP，所述运算放大器AOP的同相输入端接收基准电势Vref并且其反相输入端连接到列Cj以从其接收剩余电流Id。电容器Cint连接在运算放大器AOP的反相输入端和输出端之间。连接在电容器的端子之间的开关K2使得能够短路积分电容器Cint，并且因此能够在定义周期为TL的新积分开始的零基准时刻使该电容器端子处的电压为零。因此，在用于寻址先前行的周期结束时(或者在用于寻址行Li的周期开始时)，短暂地(例如，持续4微秒)关断开关K2，并且在对于每一行定义信号测量周期开始的时刻0打开开关K2。通过打开开关K2，允许开始到电容器的积分。
按照传统方式，由于具有大增益和大输入阻抗并且经由反馈电容器形成回路的运算放大器AOP的存在，可以认为，连接到运算放大器反相输入端的列导线Cj的电势保持等于施加到同相输入端的电势Vref。这就是前面提到的列导线Cj的电势等于基准电势Vref的原因。
因此，在积分周期结束时，存在于运算放大器的输出S处的电势VS为电势Vref与电势Vci之和：
VS＝Vref+Vci，否则
VS = Vref + 1 / Cint ∫ 0 T L [ Vpol / Rb - Icomp ] dt
放大器的输出S经由开关K3连接到存储电容器Cst，该存储电容器Cst的功能是在积分周期结束之后并且在读取后续行期间存储电压VS的值。积分周期即将结束时短暂地(例如，持续1微秒)关断开关K3，并且随后在时刻TL重新打开开关K3，其中所述时刻TL标志着一行积分周期的结束。存储电容器Cst端子处的电压等于在时刻TL处通过电压VS达到的值。
通过高阻抗输入缓冲放大器将存储电容器Cst端子处的电压施加到多路复用器MUX的第j级的各自输入端(以防止电容器的电荷损失)。多路复用器可以在为读取源于行Li的像素保留的时隙期间，即在寻址第i+1级的后续行的时隙期间，的任意时刻传输对应于该电压的信号。
因此，在该测辐射热矩阵传感器结构中，将通过多路复用器传输的测量信号与下述量VS成比例：
VS = Vref + 1 / Cint ∫ 0 T L [ Vpol / Rb - Icomp ] dt
或者
VS = Vref + 1 / Cint ∫ 0 T L [ ( VG - VT - VR ) / Rb - Icomp ] dt
优选地，通过操作Vcomp和Rcomp来选择补偿电流Icomp，以使得在基准温度下的剩余电流Id为0。例如，该基准温度为300K的环境温度。因此，在环境温度下，并且对于在300K下具有希望的标称电阻Rb0的理想像素而言，选择参数VG、VR和Icomp以使得(VG-VT-VR)/Rb0＝Icomp。通过技术固定VT。可以自由选择VG、VR和Icomp。因此，该理想像素将提供具有以Vref为中心的电压VS的信号：当该像素暴露于高于300K的温度时电压VS高于Vref，并且当该像素暴露于低于300K的温度时电压VS低于Vref。
但是，正如先前所述的，Rb为高的技术差量，并且在基准温度下，对于矩阵的不同像素可能具有与标称值Rb0相差很多的值。
这里讨论的传感器结构是具有逐行寻址的结构：只有在寻址该行时(一般小于64微秒)才通过偏置电流驱动像素。这就是在那时在电阻器Rb中提供相对较强的偏置电流的原因。然后，相对于通过将像素暴露于红外辐射中产生的电流变化，该电流的影响相当大。例如，由于技术差量，电阻器的标称值变化15％，而根据接收的最小照明和最大照明之间的照明，电阻器仅改变1％。因此，该差量极大地破坏了在传感器上获得相对于接收的照明具有实际意义的图像。
本发明提出在专用于该像素的模拟灵敏度调整电路的帮助下单个校正每一个像素，该调整电路反应于存储在调整电容器中的调整电压值。通过反馈电路提供该电压值，其中所述反馈电路接收来自列位于列底部的测量电路的信息项并且向专用于该像素的调整电容器提供电荷；可以在存在于传感器矩阵的统一照明(优选地为在例如300K的基准温度下的照明)中的校准阶段期间显著地(并非强制地)提供调节值。
因此，在基准温度下具有电阻器RbijO的像素Pi，j将使得可以经由反馈回路在专用于该像素(但不必在地理位置上位于该像素本身内)的调整电容器上建立电压。对于基准热流(或温度)的照明，存储在该电容器上的电压值使得位于列底部的测量电路的输出具有预定值，这对于所有像素相同。反馈电路能够自校正并且调整电容器上的电压被逐渐建立，以使得所有像素在一定时间结束时对于基准热流提供相同的测量信号，即使其阻值RbijO在由该流产生的温度下彼此不同。
本发明提出专用于该像素的调整电路作用于下列参数之一：
VG、Vref、TL、Icomp，优选地为在寻址行期间定义测辐射热电阻器的偏置电压的VG。
具有控制其的调整电容器的调整电路不必位于像素本身内，但相对于那些具有位于像素外的调整电容器的实施例，调整电容器位于像素内的实施例是有利的。
关于这个主题，对每个像素中的电压VG采取行动的实施例是尤其有利的。并且现在将参照图3描述该实施例。矩阵网络的整体构成与图1和图2中的相同，并且下面将说明由本发明加入的特定特征。与图2中标号相同的元件与图2的元件相同。
由Ca表示专用于该像素并且位于该像素中的调整电容器。调整电路简单地由已经在图2中出现的晶体管T1组成；由于将晶体管安装为跟随器并且在一个阈值电压降VT之内，其源极电压直接跟随其栅极电压，因此晶体管起到调整电路的作用。该栅极电压现在是调整电容器Ca上的调整电压，其中所述调整电容器Ca安装在晶体管T1的栅极和接地零电势之间。可能将晶体管T1的栅极-基底电容器认为是调整电容器Ca的一部分。
如先前解释的，调整电压或跟随器晶体管的栅极电压VG直接确定测辐射热电阻器的偏置电压：
Vpol＝VG-VT-VR，VG现在为能够对于每一个像素单独变化的电压。
图3代表两个相邻的像素Pi，j和Pi-1，j，每一个像素包括通过跟随器晶体管偏置的测辐射热电阻器；测辐射热电阻器Rb连接在跟随器晶体管的源极和所有像素共用的基准电势VR端之间。可以认为晶体管的阈值电压VT对于所有像素都相同。
用于在电容器Ca上建立适当的调整电压的反馈电路包括电荷增长电路CQ，其功能是读取行之后，将带符号的电荷量加到调整电容器，当像素的灵敏度不同于所有像素希望的标称灵敏度时，所述带符号的电荷量较大。所述电荷量为正或者为负，并且将其加到先前存储在调整电容器上的电荷量。这样加得的电荷量的符号使得像素的灵敏度更接近于希望的标称灵敏度。
为了确定要增加或减少的电荷量，增长电路CQ用于控制由读取电路CLj在读取所述行结束时并且因此在定义读取结束的时刻TL之后收集的电压VS的电平。对于给定照明，该电平就是代表像素灵敏度的电平。
然而，为了在电容器Ca上逐渐地而不是瞬间地建立调整电压的电平，该方法优选地按照下列方式以很小的增量进行：将在读取所述行结束时存储在存储电容器Cst中的电压电平VS施加到被预充电为平均电压电平的较大尺寸的电容器Cdiv，下面将解释所述平均电压并且在本示例中将其称为Vgirs。Vgris优选地等于Vref。优选地在用于电流积分的周期TL结束时的短暂时隙期间执行预充电。在该时隙期间，开关K5将电容器Cdiv连接到电压基准Vgris。开关K5的控制实际上与开关K3的控制同时。
在电容器Cdiv的预充电之后，将存在于存储电容器Cst端子处的电压施加到该电容器，该电压表示在读取像素结束时的输出电压VS。开关K4用于将电容器Cst连接到电容器Cdiv。短暂地关断开关K4并且该关断可以仅在重新打开开关K5之后执行。
电容器Cdiv的作用是构成一种电容性分配器以使得由于预充电而初始处于Vgris的电容器Cdiv端子处的电压增长为VS与Vgris差值的一小部分。更精确地，电压从Vgris变化为：
Vgris+(VS-Vgris)·Cst/(Cst+Cdiv)
因此，如果电压VS等于Vgris，则预充电的电容器Cdiv上的电压就没有增加或降低。但是，如果电压VS高于或低于Vgris，则电容器Cdiv端子处的电压略微地改变VS与Vgris之间差值的一小部分。
然后，为了与差值(VS-Vgris)·Cst/(Cst+Cdiv)成比例地修改调整电容器Ca的电荷，即与刚刚对电容器Cdiv进行的电压的小的增加或降低成比例，将电容器Cdiv端子处的电压作为控制电压施加到电荷增长电路CQ。在图3中，将电荷增长电路表示为在地理位置上位于每一个像素中。也可以设想所有像素共用的增长电路。
自然地，沿着将像素的灵敏度带到希望标称值的方向进行电容器Ca的电荷变化。
因此，优选地通过永久地测量模拟电压VS并且通过将少量电荷加到调整电容器来执行像素灵敏度的校准以使得所述调整电路以很小的百分比修改对于给定照明由所述像素提供的电压差值VS-Vgris，该Vgris为对应于由对于平均照明具有希望灵敏度的像素提供的模拟电压的基准电压值。如果在基于统一照明源的特定校准阶段执行该校准，则“较小百分比”一定意味着低于10％，并且如果在使用其自身而没有统一照明源期间执行该校准，则“较小百分比”一定意味着低于1％或更低。
电容器Cdiv一定要连接到像素的电荷增长电路，该像素的电压VS刚刚被测量。为此，可以通过返回导线Cr将电容器Cdiv连接到像素，其中所述返回导线Cr对于像素的整个列(第j列)共用。
只有当导线Cr传送相对于该像素的电压信息项时，而不是在导线Cr传送相对于另外像素上的测量的信息项时，像素Pi，j的增长电路CQ一定将电荷传输到电容器Ca。这就是开关K6将电路CQ的输入连接到导线Cr的原因，并且只有在寻址行期间才关断该开关，而在这之后将其打开。
自然地，如果像素Pi，j引起导线Cr上的电压(VS-Vgris)·Cst/(Cst+Cdiv)，则一定要注意是像素Pi，j在寻址第i行结束时接收该电压，而不是先前的像素或后续的像素。
根据信号的顺序，有两种可能的假设：
-在第一种假设中，行Li的寻址在定义电容器Cint中电流的积分结束的时间TL处结束；新的第i+1行的寻址在该时刻处开始；电压(VS-Vgris)·Cst/(Cst+Cdiv)只有在周期TL之后在返回导线Cr上可用；在该假设中，如图3中所示，通过用于寻址第i+1行的控制，而不是通过用于寻址第i行的控制，关断相应的开关K6；因此，即使后续行的寻址已经开始，确实是像素Pi，j接收由该相同像素的读取建立的信息项；
-在第二种假设中，在开始寻址后续行之前，先花时间将电压施加到返回导线Cr，使得能够随后通过对应于像素Pi，j的行导线Li而不是通过第i+1级的导线来控制开关K6；在该第二种假设中，优选地提供辅助存储电容器C’st以用于在返回导线Cr上建立电压，电容器C’st与电容器Cst接收相同的电压VS。
第一种假设用于图3的框图中，而第二种假设用于图4的框图中。在图4中，通过相同的标号表示与图3中共有的元件。
因此，在图3中，反馈回路在电流积分电路和调整电容器之间包括：
-存储电容器Cst和开关K3，二者同时形成读取电路CLj的一部分；
-电容器Cdiv、复位电压Vgris的开关K5、使得在初始化之后可能修改其电压的开关K4、将信息项传输到相关像素的返回导线Cr(每列一条)，
-在地理位置上位于像素中的开关K6和电荷增长电路CQ。
在图4中，通过开关K6实现返回导线Cr和像素Pi，j之间的连接，其中所述开关K6在寻址对应于像素Pi，j的行Li期间关断而不是在寻址对应于像素Pi+1，j的行Li+1期间关断。此外，尽管电容器Cst在图3中起到存储要发送到多路复用器的电压VS和控制电容器Cdiv的电压电平的双重作用，但是这两个作用现在分离，其第二个作用被分配给辅助电容器C’st。
由于连接在放大器AOP输出和电容器C’st之间的开关K7，可以在周期TL结束时的短暂时刻期间将电容器C’st充电为电压VS。开关K7与开关K3和开关K5同时致动。开关K4不再连接在电容器Cst和电容器Cdiv之间，而是连接在电容器C’st和电容器Cdiv之间。电容器Cst随后可以具有高于电容器C’st的值。作为示例，在图4的框图中，Cst具有1皮法的值并且C’st具有0.1皮法的值，然而为了既能实现正常使用中存储像素电平的主要功能又能实现在返回导线Cr上产生调整电压的辅助功能，在图3框图中的Cst具有0.1皮法的值。
在图4的框图中，用于在电容器Ca上产生调整电压VG的反馈电路主要包括：
-附加电容器C’st和开关K7，这使得可能向其施加源于所述像素的输出电压VS；
-电容器Cdiv、将其重置为电压Vgirs的开关K5、可以在初始化之后修改其电压的开关K4、将信息项传输到相关像素的返回导线Cr(每列一条)，
-位于像素中的开关K6和电荷增长电路CQ。
无论通过图3的框图还是图4的框图，应该理解，在持续具有统一照明的几十个图像的校准阶段期间，所有像素将随着其调整电容器Ca逐渐地充电或放电以补偿VS与Vgris之间出现的差值而逐渐地提供等于Vgris的相同电压电平VS。Cst/(Cst+Cdiv)或C′st/(C′st+Cdiv)的电容比值越小，用于建立调整电压的时间常数就越长。
根据电荷增长电路CQ的构成来选择电压Vgris。特别地，电荷增长电路CQ的功能是将电压(VS-Vgris)·Cst/(Cst+Cdiv)转换为与(VS-Vgris)成比例的电荷量dQ。例如，通过承认以对称的方式构建该进行电压/电荷转换的电荷增长转换电路并且在0伏特的低电源电压和Vdd的高电源电压之间提供该电荷增长转换电路，可以理解，如果将Vgris选择为等于Vdd/2，则能够简单地执行与VS-Vgris成比例的电荷量的产生。如果是这种情况(并非是必须的)，将选择Vgris＝Vdd/2并且将开关K5连接到例如通过位于电势0和Vdd之间的电阻性分频桥而获得的电压Vdd/2。
在图3和图4的描述中，可以看出，通过用于控制测辐射热电阻器的晶体管电压VG的单独调整来执行像素的灵敏度调整，并且由于在这些实施例中Vpol＝VG-VT-VR且VT和VR为固定量，该调整相当于调节在行的读取期间施加到该像素的偏置Vpol。
作为变型，也可以提供调整电压以用于控制在寻址对应于相关像素的第i级的行期间施加到列导线的补偿电流Icomp。例如，可以在像素中提供通过由反馈电路获得的调整电压控制的电流到地的分流。
同样地，可以为要修改的基准电压Vref提供反馈电路，并且可以为每个像素提供。但是应该理解，在这种情况下，由于电压Vref不在地理位置上位于像素中，该反馈电路不能返回到像素。这意味着，需要在传感器矩阵的本身之外需要提供能够以与图3和图4中的调整电容器Ca作用于电压Vpol相同的方式作用于基准电压Vref的调整电容器网络。如果两个操作不同，则既在校准期间又在正常使用期间，该调整电容器网络与像素的行被同时寻址以能够使特定的调整电容器对应于给定像素。
另一种可能性存在于对积分周期TL进行操作，以使得每一个像素具有调节的积分周期，从而对于基准照明，像素的明显灵敏度对于所有像素都相同。特别地，如所见到的，信号电平VS直接取决于积分周期TL。这里再次强调，需要在像素之外提供能够与测辐射热矩阵的行同时寻址的调整电容器的网络，对于每一个寻址的行(当然也对于在寻址该行期间考虑的每一列)，每个电容器都可以作用于读取电路CLj以调节特定的积分时间。
最后，应该记得，具有基准热照明屏幕的校准阶段不是必须的，并且该校准可以简单地存在于使调整电压逐渐地具有对应于对于所有像素的同一平均灵敏度值的稳定值。当认为在大量图像上所有像素都一定遵循热照明的相同统计学分布时，前述的在像素提供不同于平均基准Vgris的信号时将小的带符号的电荷增量加到调整电容器的递归方法特别地导致所有像素逐渐地稳定于平均灵敏度附近。如果使用这种自动校准方法，则时间常数一定非常大(几百个图像，即至少几秒钟)并且结果电容比值Cst/(Cst+Cdiv)或C′st/(C′st+Cdiv)一定非常小(优选地小于或等于0.01)。对于像素的每个新照明，仅略微地修改存储在电容器Ca上的调整电压VG的情形是有效的。
如果采取混合的方法，即由将整个矩阵暴露于统一热流的初始校准阶段到使用永久自动校正的阶段，则优选地需要提供用于修改两个阶段之间的时间常数的装置(校准越短，例如10个图像到50个图像的周期，则使用越长，例如100个图像到500个图像)；可以通过使用具有不同值的另一电容器替换电容器C’st来进行该修改。
如果暴露于统一基准热流的校准方法为唯一使用的方法(优选地，时间常数非常短(小于1秒钟或几十个图像))，则需要提供在校准阶段允许反馈回路的操作并且随后在使用阶段阻止该反馈回路的操作的装置(在图3和图4中未示出)。在校准阶段期间产生的调整电压在使用阶段期间保持在电容器Ca上，直到新的校准阶段。

Claims (13)

1、一种矩阵热图像传感器，包括具有多行和多列像素的矩阵以及一行信号读取电路(CLj)，所述具有多行和多列像素的矩阵可以被逐行寻址并且所述一行信号读取电路的每一个与像素的列相关联以在寻址所述行时连续地接收源于所述列的像素(Pi，j)的电流，所述矩阵的每一个像素包括其值Rb取决于由所述像素接收的所述热流的测辐射热电阻器，所述电阻器利用具有值Vpol的偏置电压来进行偏置，所述读取电路包括积分电路以将经过所述测辐射热电阻器的电流Vpol/Rb与补偿电流之间的差值积分到积分电容器中，所述传感器的特征在于，对于所述矩阵的每一列，所述传感器包括反馈回路(K4、Cdiv、Cr、K6、CQ)和模拟灵敏度调整电路(T1)，所述反馈回路起始于所述列的所述像素共用的所述读取电路的所述积分电容器并且终止于专用于每一个像素且位于所述像素中的调整电容器(Ca)，以在所述调整电容器中存储专用于所述像素的调整电压(VG)，所述模拟灵敏度调整电路位于所述像素中，响应于所述调整电压进行操作以在读取所述像素所属的所述行时修改所述测辐射热电阻器的所述偏置电压，所述反馈回路包括用于存储由所述读取电路(CLj)提供的模拟电压VS的存储电容器(Cs、C’st)、所讨论的所述列的所述像素所共用的基准电容器(Cdiv)、用于将所述基准电容器预充电到确定的电压值(Vgris)的装置、用于将代表所述确定的电压与由所述读取电路提供的所述模拟电压(VS)之间差值的电荷加到所述基准电容器的装置、以及用于将相应的电荷加到所述调整电容器以根据位于所述基准电容器的端子处的模拟电压而增加或降低位于所述调整电容器端子处的电压的装置。
2、根据权利要求1所述的矩阵热图像传感器，其特征在于，所述灵敏度调整电路包括作为电压跟随器安装的晶体管(T1)，所述晶体管的源极连接到所述测辐射热电阻器并且所述晶体管的栅极连接到所述调整电容器。
3、根据权利要求2所述的矩阵热图像传感器，其特征在于，所述测辐射热电阻器连接在所述晶体管的所述源极与所述矩阵的所有像素所共用的固定电势(VR)之间。
4、根据权利要求2或3所述的矩阵热图像传感器，其特征在于，所述晶体管的漏极经由行地址开关连接到施加有所述补偿电流(Icomp)的列导线(Cr)。
5、根据权利要求1到4中的任意一项所述的矩阵热图像传感器，其特征在于，所述基准电容器(Cdiv)位于所述列的底部并且经由返回导线(Cr)连接到所述列的所述像素。
6、根据权利要求1到6中的任意一项所述的矩阵热图像传感器，其特征在于，所述存储电容器为在读取一行之后并且在寻址后续行之前用于维持信号信息VS的项的主存储电容器(Cst)。
7、根据权利要求1到6中的任意一项所述的矩阵热图像传感器，其特征在于，所述存储电容器为用于接收与施加到主存储电容器上的电压相同的电压的辅助电容器(C’st)，其中所述主存储电容器在所述读取一行之后并且在所述寻址后续行期间用于维持信号信息VS的项。
8、根据权利要求1到7中的任意一项所述的热图像传感器，其特征在于，所述热图像传感器包括用于在校准阶段期间允许所述反馈回路的操作并且在所述校准阶段之后的使用阶段期间阻止所述反馈回路的操作的装置。
9、根据权利要求1到8中的任意一项所述的热图像传感器，其特征在于，提供用于在所述使用阶段中以所述读取电路的所述输出电压VS与定义对于平均照明的所述像素的希望灵敏度的基准电压(Vgris)之间差值的一小部分增加所述调整电容器的所述电压的装置，使得所述调整电容器的所述电压缓慢地稳定于一个值，以使得所述像素提供对于作为在使用期间接收的所述照明的平均的照明的所述基准电压。
10、一种用于降低矩阵热图像传感器中的固定空间噪声的方法，其中所述传感器包括可以被逐行寻址的具有多行和多列的像素的矩阵以及一行信号读取电路(CLj)，所述一行信号读取电路的每一个与像素的列相关联以在寻址所述行时连续地接收源于所述列的像素的电流，所述矩阵的每一个像素包括其值Rb取决于由所述像素接收的所述热流的测辐射热电阻器，所述电阻器利用具有值Vpol的偏置电压来进行偏置，所述读取电路包括积分器以将经过所述测辐射热电阻器的电流Vpol/Rb与补偿电流之间的差值积分到具有值Cint的积分电容器中，该方法的特征在于，
-测量源于像素的模拟电压VS，
-将取决于所述测量的电压的电平的带符号的电荷量加到专用于所述像素并且位于所述像素中的调整电容器(Ca)，
-基于存储在所述调整电容器上的所述电压，向位于所述像素中并且在读取所述像素所属的所述行时基于所述偏置电压Vpol作用的调整电路发送命令。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在校准阶段期间测量所述模拟电压VS，在所述校准阶段期间，通过统一基准照明对所述矩阵进行照明。
12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述校准阶段期间循环地测量所述模拟电压VS并且加到所述调整电容器的所述电荷量为很小的电荷量，以使得所述调整电路器以小于10％的百分比修改对于给定照明由所述像素提供的电压差值VS-Vgris，所述Vgris为与由对于所述基准照明具有希望灵敏度的像素提供的所述模拟电压对应的基准电压值。
13、根据权利要求10到12中的任意一项所述的方法，其特征在于，在所述传感器的所述正常使用期间循环地测量所述模拟电压VS并且加到所述调整电容器的所述电荷量为很小的电荷量，以使得所述调整电路器以小于1％的百分比修改对于给定照明由所述像素提供的所述电压差值VS-Vgris，所述Vgris为与由对于平均照明具有希望灵敏度的像素提供的所述模拟电压对应的基准电压值。
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