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TECHNISCHES GEBIET
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Die
hier gegebenen Lehren beziehen sich allgemein auf Detektoren auf
Halbleiterbasis für
elektromagnetische Strahlung und, genauer gesagt, auf integrierte
Ausleseschaltungen (ROIC's),
welche mit Fokalebenenanordnungen (IRFPA's) für
Infrarotstrahlung (IR) verwendet werden, insbesondere solchen, welche
auf zwei oder mehr Spektralbänder („Farben") ansprechen.
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HINTERGRUND
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Infrarotabbildungssysteme,
welche auf zwei oder mehr Spektralbänder ansprechen, benötigen gegenwärtig gesonderte
und zusätzliche
Detektoren, elektronische Schaltungen, Spektralfilter und andere optische
Komponenten für
jedes Spektralband. Das resultierende Gewicht, die resultierende
Größe, Leistung
und Kompliziertheit verhindern die Entwicklung und/oder die Produktion
von kompakten und/oder wirtschaftlich tragbaren Mehrspektralabbildungssystemen
(oder Mehrfarbsystemen) im Infrarotbereich. Solche Systeme sind
typischerweise für
die Verwendung in zahlreichen kritischen Anwendungsfällen erforderlich,
beispielsweise Raketenabfangsystemen, Raketenabschuss-Erfassungs-
und Warnsystemen, Infrarot-Erfassungs- und Verfolgungssystemen,
einer automatischen Zielobjekterkennung und der Einstellung auf
sämtliche
Klimasituationen und Umgebungssituationen erforderlich. Viele dieser
Anwendungen benötigen
jedoch eine sehr nahe Registrierung bzw. Ausrichtung zwischen den
Spektralbändern
innerhalb des zusammengesetzten mehrspektralen Bildes (sowohl räumlich als
auch zeitlich), und herkömmliche
Techniken sind typischerweise nicht sehr gut zur Befriedigung solcher
kritischen und anspruchsvollen Anwendungen geeignet.
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Es
ist bekannt, eine Lösung
dieser Probleme durch eine multispektrale Betrachtung mit einer
Infrarot-Fokalebenenanordnung (im Gegensatz zu einer Abtastung)
anzustreben, wobei verschiedene Konstruktionsformen gegeben sind.
Diese Konstruktions formen haben eine Gruppenanordnung von Pixeln
typischerweise von Fotodioden gemeinsam, welche Strahlung in zwei
bestimmten Spektralbändern
detektieren. Die resultierenden Signale aus jedem Band werden dann
gesondert ausgelesen. Diese Signale unterscheiden sich in Details,
werden jedoch allgemein in zwei Kategorien unterteilt, welche jeweils
bestimmte Beschränkungen
bezüglich
der Erfüllung
der oben genannten ausgeführten
Systemanforderungen haben.
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Die
sogenannten sequentiellen Systeme detektieren und integrieren und
lesen Infrarotstrahlung in einem Band während einer Bildformatszeit
(beispielsweise 16,67 ms) und nehmen dann eine Detektierung bzw.
Integration und eine Auslesung des anderen Bandes während der
nächsten
Bildformatszeit vor. Als solches ist die zeitliche Fehlausrichtung
(oder Verzögerung)
zwischen der Detektierung der beiden Spektralbänder gleich der Bildformatszeit
des Sensorsystems.
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Genauer
gesagt arbeiteten bisherige Konstruktionen mit Infrarotstrahlungs-Fokalebenenanordnungen
so, dass der Detektor in einem sequentiellen Modus durch Umschaltung
der Detektorvorspannung bei alternativen (sequentiellen) Bildformatperioden
betrieben wurde. Mindestens eine Art einer herkömmlichen sequentiellen Zwei-Farben-IC-Ausleseschaltungszelle
enthält
einen einzelnen Kondensator, welcher mit dem Detektor über ein
Paar von Direct-Injection-Effekttransistoren (DI, FET) etwa MOSFET's verbunden ist.
Wenn der Detektor und die Vorspannungen des DI-MOSFET bei alternierenden Bildformaten
geschaltet werden, integriert das sequentielle ROIC/IRFPA-System und nimmt
eine Auslesung eines Spektralbandes je Bildformatzeit vor. Dies
resultiert in der oben erwähnten
zeitlichen Misintegration oder Verzögerung zwischen den beiden Bändern entsprechend
einer Bildformatzeit, typischerweise 16,67 ms. Diese herkömmliche
Technik kann analog zur Verwendung einer herkömmlichen Lösung mit einem rotierenden
Filterrad betrachtet werden.
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Im
Gegensatz hierzu arbeiten die sogenannten gleichzeitigen Konstruktionen
in der Weise, dass sie in beiden Spektralbändern gleichzeitig detektieren
bzw. integrieren, sie erfordern aber zwei gesonderte Kontakte zwischen
den beiden IR-Detektoren und ihren entsprechenden ROIC-Komponenten
für jedes
Pixel (d.h., in jeder IC-Auslesezelle oder ROIC-Einheitszelle).
In diesem Falle erhöhen
sich die erforderliche Pixelgröße und/oder
die Kosten über
die Werte, welche für
die sequentielle Zwei-Farben-IRFPA-Lösung
erforderlich sind und über
diejenigen Werte, welche in dieser Sache für herkömmliche Einfarben-IRFPA-Systeme
notwendig sind. Der zweite Detektorkontakt je Pixel, welcher zusätzliche
Einheitszellenfläche
benötigt,
verhindert typischerweise eine optimale räumliche Ausrichtung (oder Anordnung
auf gleichem Ort) zwischen den beiden erfassten Spektralbändern.
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Es
kann auf die folgenden US-Patente Bezug genommen werden, welche
verschiedene Aspekte von multispektralen IR-Detektoren behandeln:
US-Patent 5,113,076, 12 .
Mai 1992 „Two
Terminal Multi-Band Infrared Radiation Detector", von Eric F. Schulte;
US-Patent Nr. 5,373,182 , 13. Dezember 1994, "Integrated IR and
Visible Detector" von
Paul R. Norton; und
US-Patent
5,731,621 , 24. März
1998, "Three Band
an Four Band Multispectral Structures having Two Simultaneous Signal
Outputs" von Kenneth
Kosai. Die Offenbarung in diesen Schriften seien hier in ihrer Gesamtheit
einbezogen.
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Das
US-Patent 5,523,570 offenbart
eine Double-Direct-Injection-Dualbandsensorauslese-Eingangsschaltung,
welche eine gleichzeitige und separate Integration des Stromes von
zwei Sensoren ermöglicht,
welche sich eines gemeinsamen Knotenpunktes bedienen. Eine mehrfache
Integration des Signales von einem Sensor kann während der Integrationszeit
des anderen Sensor durchgeführt
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
vorstehenden Probleme und weitere Probleme werden durch Verfahren
und Einrichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung gelöst,
wie sie nachfolgend beansprucht ist.
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Diese
Techniken kombinieren in vorteilhafter Weise die Einfachheit der
Konstruktion eines sequentiellen Detektierens bzw. Integrierens
und Auslösens
und des entsprechenden Verfahrens mit der verbesserten zeitlichen
Ausrichtung des gleichzeitigen Detektierens bzw. Integrierens und
Auslösens durch
rasches Schalten eines sequentiellen Zweifarben-Detektors zwischen
den Spektralbändern,
während
unabhängige
Signalwege durch die integrierte Ausleseschaltung geschaffen werden,
nämlich
je einen für
jede detektierte Wellenlänge.
Die gegenwärtig
bevorzugte Einheitszellenarchitektur enthält (für eine Ausführungsform mit zwei Farben)
einen Kondensator, welcher zeitanteilsmäßig benutzt wird, so dass das
detektierte Signal aus einem der beiden Spektralbändern zu
einer Zeit integriert wird, und einen zusätzlichen Kondensator je Spektralband
zur Speicherung der Signalladung, welche in dem Integrationskondensator
integriert worden ist, sowie zur Schaffung von Mitteln zum Addieren
oder Mittelwertbilden mehrfach integrierter Signale für jedes
Band. Schalter (beispielsweise MOSFET's) in der Einheitszelle arbeiten in
der Weise, dass sie rasch die Integration nach rückwärts und vorwärts zwischen
den beiden Spektralbändern
bzw. Detektoren während
jeder Bildformatszeit alternieren lassen, gefolgt durch eine Auslesung
der Signale von beiden Bändern,
wodurch eine echte Gleichzeitigkeit sehr gut angenähert wird.
Diese Lösung,
welche als Zeitaufteilungsmultiplexbehandlung oder TDM hier zu bezeichnen
ist, verbessert wesentlich aufgrund der verminderten Kompliziertheit
gegenüber
herkömmlich
gleichzeitig arbeitenden Lösungen
die Herstellbarkeit kleiner Pixeldetektoren, da sie nur einen elektrischen
Kontakt oder Anschluss und eine entsprechende Verbindung je Pixeleinheitszelle
benötigt
(typischerweise einen Indiumhöcker).
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Die
integrierte Ausleseschaltung oder ROIC-Schaltung gemäß dieser
Lehre enthält
und bildet einen einzigen Kontakt zwischen dem Detektor und der
ROIC-Schaltung in jeder Einheitszelle kombiniert mit einer zeitlichen
Ausrichtung zwischen den Spektralbändern im Bereich von weniger
als einer Bildformatszeit (beispielsweise weniger als etwa 16 ms
und vorzugsweise als etwa 1 ms). Die ROIC-Schaltung gemäß diesen
Merkmalen enthält auch
das Merkmal einer raschen Schaltung der Detektorvorspannung und
anderer Schaltelemente, um die TDM-Integration von Signalen von
mehrfachen Detektoren innerhalb jeder Einheitszelle zu verwirklichen.
Die ROIC-Schaltung gemäß der hier
gegebenen Lehre kann auch das Merkmal mindestens eines Rückstellschalters
am Detektorknotenpunkt enthalten, um hierdurch eine rasche und genaue
Detektorvorspannungsschaltung zwischen den Spektralbändern während der
Zeit zwischen den TDM-Integrationsperioden zu verwirklichen, welche
auch als Unter-Bildformatszeiten oder Sub-Frame-Perioden zu bezeichnen
sind. Die integrierte Ausleseschaltung oder ROIC-Schaltung gemäß der Lehre,
welche hier gegeben wird, kann zusätzlich das Merkmal integrierter
Einschalter zwischen dem Detektorkontakt und jedem Integrationskondensator
in jeder Einheitszelle enthalten, um niedrige Störung und niedriges Gegensprechen
zwischen den Signalen zu verwirklichen, welche auf unterschiedlichen
Spektralbändern
beruhen. Die Verwendung der Unterbild-Durchschnittsbildung (SFA)
kann auch die Qualität
des Auslesesignals erhöhen
und es kann ein Paar von SFA-Kondensatoren vorgesehen sein, um die
detektierte Ladung während
der Bildformatzeit zu speichern und anzusammeln.
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Während des
Betriebes ist die verbesserte integrierte Ausleseschaltung elektrisch
mit Zweifarben-Dioden (R-Detektoren) gekoppelt und integriert die
Ladung von jedem Detektorspektralband auf einem einzelnen anteilsmäßig benutzen
Integrationskondensator in jeder Einheitszelle. Dies wird durch das
TDM-Verfahren für
die beiden Binder innerhalb jeder Integrationsperiode erreicht (,
was während
eines Bruchteils jeder Bildformatzeit geschieht). Um diese TDM-Funktion
zu erreichen arbeitet die integrierte Ausleseschaltung so, dass
sie die Detektor- und Eingangsschaltungsvorspannungen einige Male je
Integrationsperiode schaltet. Das Schalten kann in weniger als zehn
Mikrosekunden geschehen und das IRFPA-System kann zwischen Wellenlängenbändern alle
100 Mikrosekunden umschalten. Dies führt zu einer Integrationswirksamkeit
von mehr als 90 Prozent mit einer zeitlichen Deckung von Band zu
Band von etwa 100 Mikrosekunden, was etwa zwei Größenordnungen
geringer als bei herkömmlichen
Lösungen ist,
welche mit sequentiellen multispektralen Banddetektionen arbeiten.
Die Wirkungen der räumlichen Fehlausrichtung
auf die Wirkungsweise des Systems werden berücksichtigt und minimiert, da
die vereinfachte Konstruktion der Einheitszelle es ermöglicht, dass
diese innerhalb einer kleinen Fläche
der integrierten Schaltung angeordnet wird (beispielsweise eine
Fläche
der Einheitszellenschaltung von 20 μm2).
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Es
wird ein Verfahren zum Betrieb einer Einheitszelle einer integrierten
Ausleseschaltung angegeben, ebenso wie eine Einheitszellenarchitektur, welche
nach dem Verfahren arbeitet. Das Verfahren sieht Verfahrensschritte
vor, welche während
eines ersten Teiles einer Frameperiode oder Bildformatperiode eine
Integration eines ersten Signales, das in einem ersten Spektralband
detektiert worden ist, und während
eines zweiten Teiles der Frameperiode eine Integration eines ersten
Signales vorsehen, das in einem zweiten Spektralband detektiert
worden ist. An dem Ende der Frameperiode sieht das Verfahren ein Auslesen
der integrierten Signale für
jedes Spektralband vor. Der Schritt der Integration des ersten Signales,
das in dem ersten Spektralband detektiert worden ist, kann weiter
das Speichern des integrierten ersten Signales vorsehen. Der Schritt
des Integrierens des ersten Signales, welches in dem zweiten Spektralband
detektiert worden ist, kann weiter das Speichern des integrierten
ersten Signales vorsehen und das Verfahren kann dann auch während eines dritten
Teiles der Frameperiode eine Integration eines zweiten Signales,
welches in dem ersten Spektralband detektiert worden ist und ein
Kombinieren des integrierten zweiten Singales mit dem gespeicherten
integrierten ersten Signal vorsehen. Der Schritt des Auslesens sieht
dann ein Auslesen der kombinierten integrierten Signale und des
gespeicherten und integrierten ersten Signals in dem zweiten Spektralband
vor.
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Diese
technischen Lehren liefern ferner eine Einheitszelle einer integrierten
Ausleseschaltung, welche während
der Verwendung mit einem Multispektral-Strahlungsdetektor gekoppelt
ist (beispielsweise einer Zweifarben-Fotodiode oder eine Mehrzahl
von einzelnen Detektoren, welche auf verschiedene Spektralbänder ansprechen).
Die Einheitszelle enthält
eine Schaltungsanordnung, welche während eines ersten Teiles einer
Frameperiode (einer Unter-Frameperiode) zur Integrierung und Speicherung eines
ersten Signals arbeitet, welches in einem ersten Spektralband detektiert
wird, wobei die Schaltungsanordnung während eines zweiten Teiles
der Frameperiode zur Integrierung und Speicherung eines ersten Signals
arbeitet, das in einem zweiten Spektralband detektiert wird; und
die Schaltung arbeitet während
eines dritten Teiles der Frameperiode im Sinne einer Integrierung
und Speicherung eines zweiten oder zusätzlichen Signals, das in dem
ersten Spektralband detektiert wird, u.s.w. Die Schaltungsanordnung
kombiniert hierdurch, etwa durch Addieren oder Mittelwert bilden,
die Signale, welche während der
mehrfachen Unter-Frameperioden für
jedes Spektralband innerhalb jeder Frameperiode gespeichert werden.
In Abhängigkeit
von einer Endfeststellung der Frameperiode liest die Schaltungsanordnung
die gespeicherten Signale für
jedes Spektralband aus.
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Gemäß dem TDM-Betrieb,
welcher ein Merkmal dieser Technik ist, wird auch ein Verfahren
zum Betrieb der Einheitszelle der integrierten Ausleseschaltung
angegeben, so dass zeitlich ein Bild, das in dem ersten Spektralband
gewonnen wird, mit einem im zweiten Spektralband gewonnen Bild ausgerichtet wird.
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Ein
Merkmal dieser Technik ist eine Strahlungsdetektierungsanordnung
mit einer Vielzahl von Mehrspektral-Strahlungsdetektoren und einer
Vielzahl von Ausleseschaltungs-Einheitszellen. Einzelne der Ausleseschaltungs-Einheitszellen
sind elektrisch mit einem der Mehrfachspektral-Strahlungsdetektoren über einen
Knotenpunkt gekoppelt. Jede Ausleseschaltungs-Einheitszelle enthält eine
Schaltungsanordnung zum Auslesen von dem Mehrfachspektral-Strahlungsdetektor
in einem Zeitaufteilungs-Multiplexverfahren (TDM) für die elektrischen
Signale, welche durch die einfallende mehrspektrale Strahlung erzeugt
werden.
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Ein
weiteres Merkmal dieser Technik ist ein Verfahren zum Betrieb einer
Strahlungsdetektierungsanordnung. Das Verfahren umfasst das Vorsehen
einer Anzahl von Mehrfachspektral-Strahlungsdetektoren und einer
Anzahl von Ausleseschaltungseinheitszellen, wobei einzelne der Ausleseschaltungseinheitszellen
elektrisch mit einem der Mehrfachspektral-Strahlungsdetektoren über einen
Knotenpunkt gekoppelt sind; sowie das Auslesen von den Mehrfachspektral-Strahlungsdetektoren
im Zeitaufteilungs-Multiplexverfahren (TDM) für elektrische Signale, welche
durch die einfallende mehrfachspektrale Strahlung erzeugt werden.
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In
einer beispielsweisen, jedoch nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsform
entspricht das erste Spektralband langwelliger Infrarotstrahlung
(LWIR) und das zweite Spektralband entspricht Infrarotstrahlung
mittlerer Wellenlänge (MWIR).
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
oben dargestellten und weitere Merkmale dieser Technik werden noch
deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. In diesen stellen
dar:
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1 ein
schematisches Schaltbild einer Ausführungsform einer ROIC-Einheitszellenschaltung,
welche gemäß der hier
angegebenen Lehre aufgebaut ist, sowie ein Wellenformdiagramm, welches
beispielsweise Wellenformen an drei Schaltungspunkten verdeutlicht;
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2 ein
vereinfachtes schematisches Schaltbild einer ROIC-Einheitszellenschaltung
in Verbindung mit einem Einfarbendetektor, wobei das Schaltbild
für die
Untersuchung der Unterframeperioden-Mittelwertbildung (SFA) nützlich ist;
und
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3 einen
Teil der Mehrfachspektral-Einheitszelle für eine Ausführungsform, welches eine separate
Integrationskapazität
für jedes
Spektralband vorsieht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
sei auf 1 Bezug genommen, welche eine
Ausführungsform
einer ROIC-Einheitszellenschaltung 10 zeigt,
welche entsprechend der hier angegebenen Lehre ausgebildet ist.
Die Einheitszellenschaltung 10 eignet sich für die Fabrikation
in einem CMOS-Prozess, beispielsweise unter Verwendung von Konstruktionsparametern
von 0,5 μm
oder 0,35 μm.
Die Einheitszellenschaltung 10 ist im Gebrauch mit einer
Detektorgruppenanordnung oder einem Detektorarray 12 gekoppelt,
das als ein Array von rückseitig
gegeneinander geschalteten Fotodioden D1 und D2 aufgebaut ist. In
dem Ausführungsbeispiel spricht
die Diode D2 auf langwellige Infrarotstrahlung (LWIR, beispielsweise
9,5 bis 10,0 μm
Grenze) an und die Diode D1 spricht auf Infrarotstrahlung mittlerer
Wellenlänge
(MWIR) an, das bedeutet auf Infrarotstrahlung im Bereich von etwa
3 μm bis
8 μm. In anderen
Ausführungsformen
jedoch können
Fotodiodenpaare verwendet werden, welche in anderen spektralen Bereichen
ansprechen, beispielsweise Fotodioden für kurzwellige Infrarotstrahlung
(SWIR) und MWIR oder Dioden für
SWIR-Strahlung und LWIR-Strahlung, oder Dioden für SWIR-Strahlung (oder MWIR-Strahlung
oder LWIR-Strahlung) und sehr langwellige Infrarotstrahlung (VLWIR).
Die Einheitszellenschaltung 10 ist vorzugsweise mit dem
Fotodiodenpaar der Detektorgruppenanordnung oder des Detektorarrays 12 an
einem einzigen Kopplungspunkt angekoppelt, welcher hier als ein
Detektorknoten (DN) bezeichnet wird. Diese Kopplung kann über einen
elektrisch leitfähigen
Kontakt in Verbindung mit einem herkömmlichen Indiumhöcker vorgenommen werden
oder durch Verwendung einer elektrisch leitfähigen Durchgangbohrung oder
eines Vias. Der einzelne Kopplungspunkt, welcher durch den Detektorknoten
repräsentiert
wird, ist ein Aspekt der hier angegebenen Lehre, da er es ermöglicht,
das die Einheitszellenfläche
im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen
vermindert werden kann, welche einen elektrischen Kontakt für jede Fotodiode
benötigen.
In der Praxis werden die Detektorgruppenanordnung 12 und
die integrierte Ausleseschaltung typischerweise in Hybridtechnik
ausgeführt
und sowohl elektrisch als auch mechanisch zusammengefügt und sind
während
des Gebrauches an einer Fokalebene (FP) des Infrarotabbildungssystems
angeordnet. Die Kombination der Detektorgruppenanordnung 12 und
der integrierten Ausleseschaltung ROIC, welche die Auslese-Einheitszellenschaltungen 10 enthält, können als
eine Strahlungsdetektoranordnung 1 bezeichnet werden. Die
Infrarot-Strahlungsdetektorausführungsform
mit der Strahlungsdetektoranordnung 1 wird typischerweise
bei Kryogentemperaturen betrieben.
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Die
dargestellte Ausführungsform
der Einheitszelle 10 enthält zwei Detektorrückstellschalter S1
und S2, welche dazu verwendet werden, rasch die Vorspannung des Detektorknotens
DN rückzustellen,
wenn eine Schaltung zwischen den Spektralbändern erfolgt. Außerdem sind
mit dem Detektorknotenpunkt DN zwei Direktinjektions-FET's (DI1 und DI2) gekoppelt,
welche in Parallelschaltung zwischen den DN-Knotenpunkt und eine
Elektrode eines Integrationskondensators Cint gelegt sind. Es ist
auch ein Paar von Integratorkondensator-Rückstell-FET's (RST1 und RST2) vorgesehen, nämlich einer
für das LWIR-Band
und einer für
das MWIR-Band. Zusätzlich zu
dem Rückstellkondesator
Cint können
die Rückstell-FET's, nämlich RST1
und RST2 dazu verwendet werden, ein Ausblühen zu minimieren und können auch
dazu verwendet werden, bestimmte Gegenmaßnahmen zu detektieren und
zu unterdrücken.
Die angesammelte Ladung in dem Kondensator Cint an dem Ende einer
Integrationsperiode wird jeweils über einen der beiden FET-Schalter
(SF1, SF2) auf einen MWIR- oder LWIR-Unterframeperioden-Mittelwertbildungs-Integrationskondensator
(SFA), nämlich Cavg-MW
und Cavg-LW aufgeteilt. Die SFA-Kapazitäten können auch als zusätzliche
Integrationskapazitäten
funktionieren, wenn die SFA-Funktion für eine bestimmte Anwendung
nicht erforderlich ist. Der Knotenpunktausgang, welcher Cavg-MW
enthält, wird
zu einem ROIC-MW-Spaltenausgangssignalleiter gegeben und der Knotenpunktausgang,
welcher Cavg-LW enthält,
wird zu einem gesonderten ROIC-LW-Spaltenausgangssignalleiter gegeben, wodurch
die integrierte LWIR- und MWIR-Ladung (möglicherweise Mittelwert gebildet)
von den Zeilen der Einheitszellenschaltungsanordnung 10 zu
gesonderten und unabhängigen
ROIC-Spaltensignalpfaden ausgelesen wird, so dass sie für weitere
Signalverarbeitungen verfügbar
ist, beispielsweise Digitalisierung, Konditionierung und Bildverarbeitung,
was an einem Ausgang der integrierten Ausleseschaltung ROIC erfolgt.
Alternativ können
die LWIR- und MWIR-Ladungen über
einen einzigen Ausgangssignalpfad eine nach der anderen ausgelesen
werden.
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Die
Verwendung der SFA-Kapazitäten Cavg_MW
und Cavg_LW ist für
mindestens einige Anwendungen bevorzugt, da sie es ermöglicht zahlreiche
kurze Unter-Frameperioden (d.h. solche, welche eine Dauer von weniger
als der gesamten Integrationszeit haben) einer Mittelwertbildung
zu unterziehen und somit effektiv eine größere Elektronenmassengröße zu liefern,
beispielsweise mehr als 20 Millionen Elektronen (auf einer Einheitszellenfläche von
20 μm2) Selbst größere effektive Elektronenmas senkapazitäten können durch
die Verwendung kleinerer IC CMOS-Konstruktionsregeln erreicht werden.
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Durch
Verwendung der Technik der Unter-Frameperioden-Durchschnittsbildung
(SFA) kann eine Anzahl von kurzen Unter-Frameperioden-Integrationen
einer Mittelwertbildung unterzogen werden, um effektiv eine größere Elektronenmasse
zu erzielen, indem eine größere gesamte
Integrationszeit zugelassen wird, als sie in einer einzigen Integrationsperiode
erreicht würde,
unter Verwendung der gesamten verfügbaren Kapazität je Band.
Jede Unter-Integrationszeit wird auf eine jeweilige der Speicherkapazitäten Cavg_MW
und Cavg_LW verteilt. Jedes aufeinanderfolgende Aufteilen erhöht das gespeicherte
Signal derart, dass es dasjenige in dem Integrationskondensator
Cint zu einer Subintegrationsperiode annähert, während zur selben Zeit die Störung bei
jeder Mittelwertbildung vermindert wird. Die SFA-Technik ist besonders
zweckmäßig für den LWIR-Detektor
D2, an welchem höhere
Leckströme und
Fotoströme
herrschen, in Zusammenschau mit den Erfordernissen für hohe Empfindlichkeit.
Die MWIR-Flusspegel und Leckströme
sind im allgemeinen ausreichend klein, so dass eine übliche Integration
(Nicht-SFA-Integration) auf der parallelen kombinierten Kapazität (Cint
+ Cavg) je Band (beispielsweise 16,5 Millionen Elektronen im Bündel) keine
Auffüllung
bewirkt. Demgemäß ist die
SFA-Technik vorzugsweise nicht für
die Verwendung im MWIR-Spektralband
erforderlich. Die SFA-Technik kann jedoch auch für das MWIR-Band eingesetzt
werden, um eine größere effektive
Elektronenmassenkapazität
zu verwirklichen, falls sich die MWIR-Betriebsbedingungen ändern (beispielsweise
erhöhter
Fluss oder Integrationszeiten).
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Es
sei kurz auf 2 Bezug genommen und bemerkt,
dass SFA einen Störungsverbesserungsfaktor
(NIF) aufweist, der durch NIF = sqrt((1 + α)/(1 – α)) gegeben ist worin α = Cavg/(Cint
+ Cavg) ist. Als Beispiel sei angegeben dass dann, wenn Cavg 600 fF
und Cint 200 fF ist, der Störungsverbesserungsfaktor
NIF zu 2,65 wird. Wenn Cavg und Cint gleich sind, dann wird NIF
zu 1,7. Diese NIF-Größe ist eine vorteilhafte
Charakteristik der größeren Elektronenmassenkapazität, welche
ein Aspekt bei der hier angegebenen Lehre ist.
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Die
Einheitszellenschaltung 10 kann in einem weiten Bereich
von Systembetriebsbedingungen betrieben werden, beispielsweise mit
Bildformatraten von 30 Hz, 60 Hz und 120 Hz mit sehr niedrigen bis
zu sehr hohen Flusspegeln und Detektor-Leckströmen. Wenn eine hohe Rate der
Bildformate gewünscht
wird, (beispielsweise, wenn die verfügbare Integrationszeit begrenzt
ist), wenn die Umgebung in einem niedrigen Fluss anzusiedeln ist, dann
kann ein Mehrfach-Bildformat-Durchschnittsbetrieb (MFA) wünschenswert
sein, um eine Reduktion des eintreffenden Infrarotstrahlungsflusses
während einer
(kürzeren)
Bildformatszeit durch Ausdehnen der gesamten Integrationszeit über mehrfache
Bildformatzeiten oder Frameperioden zu kompensieren. Umgekehrt ist
ein SFA-Betrieb für
den Betrieb bei niedrigeren Frameperiodenraten und/oder höheren Strahlungsflüssen wünschenswert
(d.h. die verfügbare
Integrationskapazität
ist begrenzt).
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In
der Einheitszellenschaltung 10 von 1 wird eine
gleichzeitige zeitliche Ausrichtung für zwei Farben oder zwei Spektralbereiche
durch Integration des LWIR-Bandes für beispielsweise annähernd 1 ms
sowohl vor als auch nach einer längeren
Integrationsperiode von 2 bis 5 ms des MWIR-Bandes erreicht. Das
zeitaufgeteilte Multiplexverfahren für das LWIR-Band liefert also
eine nominelle gesamte Integrationsperiode von 2 ms, welche zeitlich
auf beiden Seiten der Integrationszeit von 2 bis 5 ms des MWIR-Bandes
aufgeteilt wird. Während
dies die gewünschte
zeitliche Deckung oder Ausrichtung des LWIR-Bildes auf das MWIR-Bild
liefert, können
andere Zeitvorgaben ebenfalls verwendet werden. In dem vorliegenden
Fall enthält
die gesamte LWIR-Erfassung eine Anzahl (beispielsweise 10)
kurzer Unterintegrationen von annähernd 0,1 ms im Einzelnen. Fünf solcher
LWIR-Unterintegrationen werden auf jeder Seite (d.h. vor und nach)
der längeren
MWIR Integrationsperiode vorgenommen, wie im allgemeinen in dem
Wellenformdiagramm von 1 dargestellt ist.
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Es
sei nun das schematische Schaltbild von 1 mehr im
einzelnen diskutiert. Ein Zweck der Detektorknoten-Rückstellschalter
S1 und S2 für
den Detektorknoten DN ist es, rasch den Detektorknoten DN nach Wahl
einer Änderung
der Fotodetektoren be züglich
der Vorspannung neu einzustellen (d.h., eine Änderung von dem LWIR-Detektor
D1 zu dem MWIR-Detektor D2 und umgekehrt). Die Rückstellfunktion, welche durch
die Schalter S1 und S2 vorgenommen wird, erzeugt einen Weg niedriger
Impedanz zur Entladung der Kapazität des gewählten Detektors und baut auch
rasch den gewünschten
Vorspannungspunkt für
das nächste
Band auf (beispielsweise innerhalb von annähernd einer Mikrosekunde). Die
Verwendung der Schalter S1 und S2 ist vorzuziehen, da sie zwei statische
Vorspannungsniveaus (vRstDetLW und vRstDetMW) zu errichten und zu schalten
ermöglicht,
wenn dies erwünscht
wird, nämlich
unter der Steuerung der Schaltsignale pDetRstLW und pDetRstMW. Die
Pegel der statischen Vorspannungsniveaus vRstDetLW und vRstDetMW können festliegen
oder sie können
programmierbar gemacht werden. In anderen Ausführungsformen kann nur ein einziger
Vorspannungsrückstellschalter für den DN-Knotenpunkt
verwendet werden und der einzelne Schalter kann mit einer programmierbaren Quelle
von Vorspannungen für
die Verwendung mit dem jeweiligen Fall von LWIR und MWIR versehen werden.
In einer weiteren Ausführungsform
kann überhaupt
kein Vorspannungsschalter für
den DN-Knotenpunkt
vorgesehen sein.
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Zusätzlich zu
den Rückstellschalter
S1 und S2, welche rasch eine neue Vorspannung des Detektorknotenpunktes
DN nach einer gewählten Änderung
in dem Fotodetektoren vornehmen, kann die gemeinsame Detektorvorspannung
(Vdetcom) auch zwischen zwei verschiednen Werten geschaltet werden.
Dies kann beispielsweise geschehen, um den dynamischen Bereich zu
erhöhen.
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Die
Direktinjektions-FET's
DI1 und DI2 werden in oder nahe ihrem Unterschwellwertbereich betrieben,
wobei ihre Source-Anschlüsse
(S) mit dem Detektorknotenpunkt (DN) und ihre Gateanschlüsse (G)
mit den geschalteten Vorspannungen (für die Bandumschaltungssteuerung)
gekoppelt sind. Ihre jeweiligen Drainanschlüsse (D) sind gemeinsam an den
Knotenpunkt angekoppelt, welcher den Cint-Kondensator enthält. Der
DI FET für
den LWIR-Fall (nämlich
DI2) ist vorzugsweise ein MOS-Gerät und leitet somit Strom aus
dem Cint-Kondensator in den Detektorknotenpunkt DN. Der MWIR-DI-FET
(nämlich
DI1) ist vorzugsweise ein NMOS-Gerät und leitet somit Strom von
dem Detektorknotenpunkt DN in den Kondensator Cint.
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Betrachtet
man nun die Integrationskondensator-Rückstell- und Ausblüh-Steuer- und Sensor-FET's RST1 und RST2,
so arbeiten diese Feldeffekttransistoren in Tandem miteinander während der Frameperiodenzeit.
Für den
MWIR-Fall stellt einer der FET's
den Cint-Kondensator zurück
und hält
ihn im Rückstellzustand
bis der Beginn der Integration gewünscht wird, während der
andere Transistor einen Ausblühsteuerungs-
oder Ableitweg für
Elektronen bietet, d.h., Elektronenmengenpegel, welche einen vom
Benutzer definierten Schwellwert überschreiten (beispielsweise
solche Pegel, welche von Sonneneinstrahlungsereignissen, Blitzen
oder Gegenmaßnahmen
u.s.w resultieren). Der LWIR-Fall verwendet eine entsprechende entgegengesetzte Funktion,
d.h., was der Ausblüh-Steuerungs-
und Detektierungs-FET war, wird der Cint-Rückstell-FET und umgekehrt.
Dieser Betrieb ist vorzuziehen, da während der MWIR-Integrationsperiode
die Integrationsrichtung an dem Cint-Kondensator aufwärts geht, während für die LWIR-Integrationsperiode
die Integrationsrichtung in dem Cint-Kodensator abwärts gerichtet
ist (es sei in Erinnerung gebracht, dass während der MWIR-Integration
der Strom in den Cint-Kondensator abgeleitet wird und während der LWIR-Integration
der Strom aus dem Kondensator Cint geleitet wird). Der FET-Austausch
wird somit dazu verwendet, die jeweiligen unterschiedlichen Spannungspotentiale
rückzustellen
und zu detektieren. Der Rückstellpotentialpegel
für RST1
ist vRstUCMW und das Steuersignal ist pRstMWUC, während der
Stellpotentialpegel für
RST2 der Pegel pRstUCLW ist und das Steuersignal dann pRstLWUC ist.
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Eine
Detektierung einer Bedrohung oder eines Artefaktes kann mit dem
Ausblühungs-Steuer- bzw.
-Detektierungs-FET's
durchgeführt
werden. Wenn die Flusspegel oder Strahlungpegel eine vom Benutzer
definierte Schwelle überschreiten,
welche durch den Versatzspannungspegel der pResetUC-Takte eingestellt
wird, dann wird Ladung zu dem Reihenbus vRstUCMW oder vRstUCLW ausgegeben.
Dieser Reihenbus kann einen Verstärker enthalten, um diese Ladung
zu detektieren und entweder eine Taktgabe zu verhindern, d. h.,
die Unter-Frameperioden-Mittelwertbildung, für die letzte Unterin tegration
und/oder kann ein Hostsystem benachrichtigen, wenn die Daten ausgelesen
werden, dass ein Schwellwert überschritten
worden ist.
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Ein
geeigneter Wert für
den Kondensator Cint ist 200 fF. Der Kondensator Cint kann physikalisch
aus zwei parallel geschalteten 100 fF-polyl-poly2-Kondensatoren
aufgebaut sein. Um die erforderliche Konstruktionsfläche für die integrierte Schaltung
zu minimieren, können
diese zwei Kondensatoren über
die mittelwertbildenden Kondensatoren Cavg-MW und Cavg-LW gestapelt
werden und können
ihre polyl-Platten gemeinsam haben. Nimmt man beispielsweise einen
3,3-Volt-Bereich an, wenn ein 0,35 μ CMOS-Verfahren verwendet wir,
dann erreicht die Unter-Frameperioden-Mittelwertbildung mit diesem
Cint-Kondensator eine effektive Elektronenmassenkapazität von über 40 Millionen
Elektronen. Die große
effektive Elektronenmassenkapazität wird mit 10 Unterintegrationen
erreicht, von denen jede auf eine 600 fF Speicherkapazität verteilt
wird, welche zur Verwirklichung des Cavg-LW-Kondensators verwendet
wird.
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Die
SFA-Schalter SF1 und SF2 isolieren die mittelwertbildenen Kondensatoren
Cavg-MW und Cavg-LW jeweils von dem Kondensator Cint während der
Unter-Integrationsperioden und gestatten alternativ die Aufteilung
der Ladung, wenn dies gewünscht
wird. Die Kondensatoren Cavg_LW und Cavg_MW arbeiten als Speicherkondensatoren
zur Ermöglichung
einer gleichzeitigen TDM-SFA-Operation.
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Durch
die Aufteilung jeder Subintegration oder Unterintegration bilden
die mittelwertbildenden Kondensatoren Cavg-LW und Cavg-MW das Signal langsam
und sind so der Verminderung einer Detektorabschneidstörung förderlich.
Dies ist für
den LWIR-Betrieb
sehr vorteilhaft, welcher im allgemeinen empfindlich gegenüber höheren Störpegeln
und größeren Leckströmen ist.
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Zwar
ist dies in 1 nicht gezeigt, doch kann ein
herkömmlicher
Zeilen-Kapazitäts-Transimpedanzverstärker (CTIA)
dazu verwendet werden, sowohl den Einheitszellenspeicherkondensator Cavg-LW
als auch den Einheitszellen-Speicherkondensator Cavg-MW über die
Zeileneinschaltschalter in Gestalt von FET's in einen Ausgangs multiplexer auszulesen.
Es kann je ein kapazitiver Transimpedanzverstärker (CTIA) pro LW- und MW-Spaltenausgang
vorgesehen sein oder es kann ein CTIA-Verstärker im Multiplexbetrieb zwischen
den beiden Spaltenausgängen
wirksam sein.
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Es
ist vorzuziehen, dass die Fläche
der Einheitszellenschaltung 10 klein gehalten wird, um
die Größe der zugehörigen Systemoptiken
zu minimieren, während
die Auflösung
der multispektralen Bilder maximal wird. Die offenbarte Ausführungsform
ist für
die Herstellung von Einheitszellenflächen innerhalb von 20 μm2 unter Verwendung sowohl von 0,35 μm-Konstruktionsregeln
als auch von 0,5 μm-Konstruktionsregeln
geeignet und führt
daher zu einer sehr wünschenswerten
Größe.
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Die
oben diskutierte TDM-ROIC-Schaltungsanordnung kann in vielerlei
Weise modifiziert werden, wie den Fachleuten auf diesem Gebiet gegeben
ist, wenn sie in Kenntnis der vorstehenden Beschreibung sind. Beispielsweise
kann, wie oben erwähnt,
ein einziger DN-Rückstell-FET
(oder überhaupt
keiner) verwendet werden, was im Gegensatz zu den zwei Schaltern
gemäß 1 steht.
Ebenfalls liegt es, und hier sei auf 3 Bezug
genommen, im Rahmen der hier gegebenen Lehre, zwei Integrationskapazitäten Cint1
und Cint2, jeweils für
jedes Spektralband vorzusehen. In diesem Falle können die SFA-Kapazitäten erwünscht sein
oder auch nicht.
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Es
sei auch bemerkt, dass der Schalter pS HN und der Kondensator Csh,
welche in 2 gezeigt sind, in den Ausführungsformen
nach den 1 und 3 vorgesehen
werden können,
da ihr Vorhandensein eine verbesserte Störungsbehandlung mit Bezug auf
SFA fördern
kann.
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Es
sei auch angemerkt, dass die vorstehend gegebenen Lehren auf das
Detektieren einfallender Infrarotstrahlung in mehr als zwei Spektralbändern sowie
auf die Detektierung elektromagnetischer Strahlung in Bändern außerhalb
des Infrarotbandes ausgeweitet werden kann, beispielsweise sichtbare elektromagnetische
Strahlung. Weiterhin sei angemerkt, dass die detektierten Spektralbänder nicht
getrennt sein müssen,
und dass ein gewisser Grad von Überlappung
zwischen den Spektralbändern
vorhanden sein kann.