CZ306216B6 - Method of processing signal from bolometer of bolometer array and electronic system for making the same - Google Patents
Method of processing signal from bolometer of bolometer array and electronic system for making the same Download PDFInfo
- Publication number
- CZ306216B6 CZ306216B6 CZ2015-645A CZ2015645A CZ306216B6 CZ 306216 B6 CZ306216 B6 CZ 306216B6 CZ 2015645 A CZ2015645 A CZ 2015645A CZ 306216 B6 CZ306216 B6 CZ 306216B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- bolometer
- output
- integrator
- radiation
- output signal
- Prior art date
Links
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Způsob zpracování signálu z bolometru z pole bolometrů a elektronický systém k jeho prováděníMethod of signal processing from a bolometer from a bolometer array and an electronic system for its implementation
Oblast technikyField of technology
Vynález se týká způsobu zpracování signálu z bolometru z pole bolometrů při detekci IR záření dopadajícího na membránu bolometru, při kterém se zjišťuje změna elektrického odporu teplotního odporového snímače každého bolometru způsobená dopadem IR záření na membránu bolometru, načež se z této změny elektrického odporu určí množství dopadajícího IR záření na příslušný bolometr, přičemž se výstupní signál bolometru zpracovává vyhodnocovacím obvodem, kterým se zpracovává referenční výstupní signál bolometru a měřený výstupní signál bolometru a zjišťuje se rozdíl mezi oběma signály.The present invention relates to a method of processing a bolometer signal from a bolometer array to detect IR radiation incident on a bolometer membrane, detecting a change in electrical resistance of each bolometer temperature resistance sensor caused by IR radiation on the bolometer membrane, and determining the amount of incident IR radiation to the respective bolometer, the bolometer output signal being processed by an evaluation circuit which processes the bolometer reference output signal and the measured bolometer output signal and determines the difference between the two signals.
Vynález se také týká elektronického systému pro detekci IR záření pomocí pole bolometrů, které je uspořádáno za optickou soustavou s řiditelně otevíratelnou a uzavíratelnou clonou, přičemž poli bolometrů jsou přiřazeny obvody pro zjišťování elektrického odporu teplotního odporového snímače každého z bolometrů a vyhodnocovací elektronika výstupního signálu bolometrů, která je napojena na zobrazovací a záznamové prostředky.The invention also relates to an electronic system for detecting IR radiation by means of a bolometer array arranged behind an optical system with a controllably openable and closable diaphragm, the bolometer array being associated with circuitry for detecting electrical resistance of each thermometer and the bolometer output signal evaluation electronics. which is connected to the display and recording means.
Dosavadní stav technikyPrior art
Mikrobolometry jsou systémy obvykle používané na detekci infračerveného (IR) záření v oblasti 8 až 12 pm, případně i delší. Mikrobolometry jsou založeny na principu ohřevu tepelně izolované membrány dopadajícím IR zářením a následném měření změny teploty této membrány, přičemž tato změna teploty odpovídá množství membránou absorbované energie. Pomocí signálů z pole bolometrů je pak možné vytvořit IR obraz, např. pro tzv. termovizi. Takové bolometry jsou popsány např. v US 5 756 999.Microbolometers are systems commonly used to detect infrared (IR) radiation in the range of 8 to 12 μm, or even longer. The microbolometers are based on the principle of heating a thermally insulated membrane by incident IR radiation and subsequently measuring the change in temperature of this membrane, this change in temperature corresponding to the amount of energy absorbed by the membrane. Using signals from the bolometer array, it is then possible to create an IR image, eg for so-called thermal imaging. Such bolometers are described, for example, in U.S. Pat. No. 5,756,999.
Pole bolometrů, resp. mikrobolometrů, je schopné detekce tepelné energie emitované člověkem na vzdálenost až půl kilometru i více. Vzhledem k tomu, že množství tepla emitované člověkem je velmi malé, musí být bolometr velmi citlivá součástka, aby i toto malé množství tepelné energie bylo schopné ohřát membránu bolometru tak, aby se tato změna dala detekovat. Do membrány bolometru je pro zjišťování její teploty integrován teplotní odporový snímač s typickou nominální hodnotou elektrického odporu mezi 2 kQ a 10 kQ. Výstupní signál tohoto snímače je nutné patřičně zesílit. Problém však je, že celková změna odporu tohoto snímače v důsledku ohřevu membrány bolometru dopadajícím IR zářením může být i jen 0,3 Ω a pro vytvoření standardního obrazu z IR kamery potřebujeme rozlišení minimálně 8 bitů. Samozřejmě vliv nominální hodnoty elektrického odporu řečeného teplotního snímače na výstupní signál se musí odstranit nejlépe analogově s velkým potlačením souhlasného signálu, tzv. common mode rejection (CMR), aby bylo možné patřičně zesílit složku, která obsahuje informaci o IR záření absorbovaném membránou bolometru.Field of bolometers, resp. microbolometers, is capable of detecting thermal energy emitted by humans at a distance of up to half a kilometer or more. Due to the fact that the amount of heat emitted by humans is very small, the bolometer must be a very sensitive component so that even this small amount of thermal energy is able to heat the membrane of the bolometer so that this change can be detected. A temperature resistance sensor with a typical nominal value of electrical resistance between 2 kQ and 10 kQ is integrated into the bolometer membrane to determine its temperature. The output signal of this sensor must be amplified accordingly. However, the problem is that the total change in the resistance of this sensor due to the heating of the bolometer membrane by incident IR radiation can be only 0.3 Ω and to create a standard image from the IR camera we need a resolution of at least 8 bits. Of course, the effect of the nominal value of the electrical resistance of said temperature sensor on the output signal must be removed analogously with a large common mode rejection (CMR) in order to properly amplify the component that contains information about IR radiation absorbed by the bolometer membrane.
Hodnota elektrického odporu teplotního snímače membrány bolometru 15 se zjišťuje měřením elektrického proudu po přiložení elektrického napětí (Frank Niklaus, Christian Vieider & Henrik Jakobsen, MEMS-Based Uncooled Infrared Bolometer Arrays - A Review, Proc, of SPIE Vol. 6836, 68360D (2007). Membrána bolometru je tepelně izolována od okolí, a proto v důsledku protékajícího proudu membránou bolometru dojde k jejímu ohřevu. Tento jev se nazývá vlastní ohřev, tzv. self-heating (SH), a je nutné ho kompenzovat. Pro jeho kompenzaci se používá metoda porovnávání dvou signálů, kdy jeden signál pochází z měřeného bolometru a druhý signál pochází z identického bolometru, který neabsorbuje IR záření, typicky z bolometru buď umístěného za clonou, takže na něj IR záření nedopadá, nebo z bolometru opatřeného tenkou vrstvou kovu, např. hliníku, který IR záření odrazí.The electrical resistance value of the bolometer diaphragm temperature sensor 15 is determined by measuring the electric current after applying an electrical voltage (Frank Niklaus, Christian Vieider & Henrik Jakobsen, MEMS-Based Uncooled Infrared Bolometer Arrays - A Review, Proc, of SPIE Vol. 6836, 68360D (2007) The bolometer diaphragm is thermally insulated from the environment and therefore heats up due to the current flowing through the bolometer diaphragm.This phenomenon is called self-heating (SH) and must be compensated for. comparing two signals, where one signal comes from the measured bolometer and the other signal comes from an identical bolometer that does not absorb IR radiation, typically from a bolometer either located behind the diaphragm so that the IR radiation does not fall on it, or from a bolometer with a thin layer of metal, eg aluminum which reflects IR radiation.
- 1 CZ 306216 B6- 1 CZ 306216 B6
Dalším problémem u měření IR záření pomocí bolometrů je nehomogenita parametrů jednotlivých bolometrů v poli bolometrů, tzv. fixed pattern noise (FPN). Pole bolometrů termovizní kamery s vyšším rozlišením má typicky velikost 320 x 240 pixelů. Při jeho výrobě však není technicky možné dosáhnout toho, aby všechny bolometry celého pole bolometrů měly teplotní snímač s identickou nominální hodnotou elektrického odporu. Bohužel je tento rozptyl parametrů podstatně větší, než je změna elektrického odporu teplotního snímače v důsledku IR záření pohlceného membránou bolometrů a v poli bolometrů tak dochází ke vzniku FPN, který je rovněž nutné kompenzovat. Kompenzace FPN spočívá v tom, že se IR kamera zamíří na plochu, která nemá žádný kontrast, tedy například se zavře clona IR kamery, takže IR kamera, resp. její pole bolometrů, zobrazuje pouze clonu. Obraz vzniklý při zavřené cloně ukazuje nehomogenitu parametru jednotlivých bolometrů, tj. jednotlivých pixelů vytvářeného IR obrazu. Kompenzace FPN se v současné době provádí tak, že se podle obrazu vytvořeného se zavřenou clonou IR kamery vypočítají velikosti korekčních signálů pro každý jednotlivý bolometr, a tyto korekční signály se následně přes D/A převodník posílají zpět do čipu pole bolometrů tak, aby vznikl homogenní obraz při zavřené cloně, čímž se kompenzuje nerovnoměrnost parametrů jednotlivých bolometrů celého pole bolometrů. Toto řešení je známo např. z US 5 489 776 a také z článku: Paul Kruše, Uncooled Infrared Imaging Arrays and Systems, 1997 Academie Press. ISBN 0-12-752155-0.Another problem in measuring IR radiation using bolometers is the inhomogeneity of the parameters of individual bolometers in the field of bolometers, the so-called fixed pattern noise (FPN). The bolometer array of a higher resolution thermal imaging camera typically has a size of 320 x 240 pixels. However, during its production, it is not technically possible to achieve that all bolometers of the entire bolometer array have a temperature sensor with an identical nominal value of electrical resistance. Unfortunately, this scattering of parameters is significantly greater than the change in the electrical resistance of the temperature sensor due to IR radiation absorbed by the membrane of the bolometers, and thus an FPN is formed in the bolometer array, which must also be compensated. FPN compensation consists in that the IR camera focuses on an area that has no contrast, i.e. for example the iris of the IR camera closes, so that the IR camera, resp. its bolometer array, displays only the aperture. The image created with the aperture closed shows the inhomogeneity of the parameter of the individual bolometers, ie the individual pixels of the generated IR image. FPN compensation is currently performed by calculating the magnitudes of correction signals for each individual bolometer according to the image created with the IR camera shutter closed, and these correction signals are then sent back to the bolometer array chip via a D / A converter to produce a homogeneous image with the aperture closed, which compensates for the unevenness of the parameters of the individual bolometers of the entire bolometer array. This solution is known, for example, from U.S. Pat. No. 5,489,776 and also from the article: Paul Kruše, Uncooled Infrared Imaging Arrays and Systems, 1997 Academie Press. ISBN 0-12-752155-0.
Dalším známým způsobem zpracování signálu z pole bolometrů je zdigitalizovat celý signál s 20 až 22 bitovým rozlišením a následně pomocí digitálního zpracování signálu (DSP) získat IR obraz.Another known way of processing the signal from the bolometer array is to digitize the entire signal with 20 to 22 bit resolution and subsequently obtain an IR image using digital signal processing (DSP).
UI obou výše uvedených způsobů, tj. u zavádění korekčního signálu do čipu pole bolometrů i u digitalizace signálu a následného zpracování DSP, však vyvstává problém v podobě dosažení potřebné rychlosti převodu při daném rozlišení IR kamery. IR kamery pro snímání v reálném čase totiž pracují buď v systému PAL nebo v systému NTSC, a navíc se obvykle používá dvojnásobná frekvence obrazu než je nominální frekvence pro každý z uvedených systémů. Znamená to tedy, že u PAL systému je nezbytné provést 25 x 320 x 240 převodů za sekundu a u NTSC systému je to ještě více, neboť tento systém používá 30 obrázků za sekundu. Bohužel je signál odpovídající IR záření dopadajícímu na membránu bolometrů v oblasti převodu nejméně významných bitů, tzv. least significant bits (LSB), zatímco nejvíce významné bity, tzv. most significant bits (MSB) obsahují pouze nezajímavou část obsahující CMR, FPN a SH.However, the UI of both of the above methods, i.e., the introduction of the correction signal into the bolometer array chip as well as the signal digitization and subsequent DSP processing, raises the problem of achieving the required conversion rate at a given IR camera resolution. This is because IR cameras for real-time shooting work in either the PAL system or the NTSC system, and in addition, twice the image frequency is usually used than the nominal frequency for each of these systems. This means that for the PAL system it is necessary to perform 25 x 320 x 240 conversions per second and for the NTSC system it is even more, because this system uses 30 images per second. Unfortunately, the signal corresponding to the IR radiation incident on the membrane of the bolomers in the conversion area of the least significant bits (LSBs), while the most significant bits (MSBs) contain only the uninteresting part containing CMR, FPN and SH.
Cílem vynálezu odstranit nevýhody dosavadního stavu techniky při zpracování signálu z pole bolometrů, zejména zjednodušit systém odstraněním FPN a kompenzaci SH a CMR a snížit nároky na výkonnost systému zpracování signálu při zachování kvality a přesnosti.The object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art in signal processing from the bolometer array, in particular to simplify the system by removing FPN and SH and CMR compensation and to reduce the performance requirements of the signal processing system while maintaining quality and accuracy.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Cíle vynálezu je dosaženo způsobem zpracování signálu z bolometrů z pole bolometrů při detekci IR záření dopadajícího na membrány bolometrů, jehož podstata spočívá v tom, že referenční výstupní signál a měřený výstupní signál se odděleně zpracovávají integrátorem ΣΔ modulátoru prvního řádu, přičemž se ΣΔ modulátorem brání v přetečení integrátoru, na kterém se integruje signál odpovídající amplitudě absorbovaného IR záření, přičemž výstupní signály se odděleně zpracovávají tak, že se provede referenční měření bez IR záření, jehož výsledná hodnota napětí (V4(0)) na výstupu integrátoru se uloží do paměti a posléze se tato hodnota odečte od hodnoty napětí (V4(IR)) na výstupu integrátoru následně zjištěné při měření s IR zářením a výsledná rozdílová hodnota napětí (V4(IR) - V4(0)) se předá k dalšímu zpracování.The object of the invention is achieved by a method of processing a bolometer signal from an array of bolometers in detecting IR radiation incident on bolometer membranes, the essence of which is that the reference output signal and the measured output signal are processed separately by a first-order modulator integrator. an integrator overflow on which a signal corresponding to the amplitude of the absorbed IR radiation is integrated, the output signals being processed separately by performing a reference measurement without IR radiation, the resulting voltage value (V 4 (0)) at the integrator output being stored in memory and then this value is subtracted from the voltage value (V 4 (IR)) at the integrator output subsequently determined during the IR measurement and the resulting voltage difference value (V 4 (IR) - V 4 (0)) is passed on for further processing.
Podstata elektronického systému k provádění způsobu spočívá v tom, že vyhodnocovací elektronika výstupního signálu bolometrů obsahuje ΣΔ modulátor prvního řádu, který zpracovává výstupní signály bolometrů a dále obsahuje paměť pro uložení hodnot výstupních signálů bolometrů ve dvou různých okamžicích s odlišnou intenzitou dopadajícího IR záření, přičemž vyhodnocovací elektronika dále obsahuje prostředky pro určení rozdílu mezi hodnotami výstupních signálůThe essence of the electronic system for carrying out the method lies in the fact that the evaluation electronics of the bolometer output signal contains a first-order modulator which processes the bolometer output signals and further contains a memory for storing values of bolometer output signals at two different times with different intensity of incident IR radiation. the electronics further comprise means for determining the difference between the values of the output signals
-2CZ 306216 B6 bolometru v těchto dvou různých okamžicích pro každý bolometr z pole bolometrů a prostředky pro přenesení těchto rozdílů do zobrazovacích a záznamových prostředků.-2EN 306216 B6 bolometer at these two different moments for each bolometer from the bolometer array and means for transmitting these differences to the display and recording means.
Tím, že se zpracovává rozdílový signál mezi měřeným bolometrem a referenčním bolometrem pomocí sigma-delta modulátoru (ΣΔ) prvního řádu se automaticky provádí potlačení CMR a také se do značné míry eliminuje SH. ΣΔ modulátor je vlastně integrátor, u něhož při správném nastavení nedojde k saturaci výstupu. Integruje se pak rozdíl mezi měřeným bolometrem a referenčním bolometrem, přičemž tento rozdíl obsahuje pouze složku, která odpovídá FPN a pohlcenému IR záření, čímž se současně automaticky potlačuje šum z bolometru i elektroniky. Další výhodou řešení podle vynálezu je to, že tento integrátor v systému ΣΔ modulátoru prvního řáduje automaticky ochráněn proti saturaci.By processing the difference signal between the measured bolometer and the reference bolometer by means of a first order sigma-delta modulator (ΣΔ), CMR suppression is performed automatically and SH is also largely eliminated. ΣΔ The modulator is actually an integrator which, when set correctly, does not saturate the output. The difference between the measured bolometer and the reference bolometer is then integrated, this difference containing only the component corresponding to the FPN and the absorbed IR radiation, which automatically suppresses the noise from both the bolometer and the electronics. Another advantage of the solution according to the invention is that this integrator in the system of the first modulator is automatically protected against saturation.
Vynálezem je tak vytvořen jednoduchý způsob a systém pro odstranění FPN, SH a CMR z výstupního signálu bolometru, resp. pole bolometrů, což umožňuje vypustit dříve užívanou kalibraci IR kamery pro určení korekční hodnoty pro jednotlivé bolometry z pole bolometrů, ukládání řady těchto hodnot do paměti, vytváření korekčního signálu a jeho posílání do čipu pole bolometrů, takže se celý systém elektronického zpracování signálů z pole bolometrů díky tomuto vynálezu velmi zjednodušuje.The invention thus provides a simple method and system for removing FPN, SH and CMR from the output signal of a bolometer, respectively. array of bolometers, which allows to omit the previously used calibration of the IR camera to determine the correction value for individual bolometers from the array of bolometers, storing a number of these values in memory, generating a correction signal and sending it to the array of bolometer array, so the whole system of electronic signal processing from the bolometer array thanks to the present invention it greatly simplifies.
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention
Vynález bude popsán na příkladu zapojení obvodu pro zpracování signálu bolometru 1 z pole bolometrů. Obvod obsahuje referenční bolometr 11 a měřený bolometr 10, které jsou napojeny na první a druhé napájecí napětí Vj a V2 s referenčním proudem Iref. Měřený bolometr 10 představuje 1 pixel vytvářeného obrazu IR kamery, tj. 1 pixel z pole bolometrů.The invention will be described on the example of the connection of the signal processing circuit of the bolometer 1 from the bolometer array. The circuit comprises a reference bolometer 11 and a measured bolometer 10, which are connected to the first and second supply voltages Vj and V2 with a reference current Iref. The measured bolometer 10 represents 1 pixel of the generated IR camera image, i.e. 1 pixel from the bolometer array.
Oba bolometry jsou připojeny k prvnímu vstupu 200 integrátoru 20, na jehož druhý vstup 201 je připojeno první referenční napětí Vž. Výstup 202 integrátoru 20, který je současně výstupem V4 celého obvodu, je zpětnou vazbou 210 s kondenzátorem 21 napojen na první vstup 200 integrátoru 20. Hodnota kapacity kondenzátoru 21 se zvolí podle požadované měřicí doby. Referenční bolometr 11 má výstupní napětí V7, jak je schematicky znázorněno na obrázku.Both bolometers are connected to the first input 200 of the integrator 20, to the second input 201 of which the first reference voltage V ž is connected. The output 202 of the integrator 20, which is at the same time the output V4 of the whole circuit, is connected by feedback 210 to the capacitor 21 to the first input 200 of the integrator 20. The capacitance value of the capacitor 21 is selected according to the required measuring time. The reference bolometer 11 has an output voltage V7, as schematically shown in the figure.
Výstup 202 integrátoru 20 je dále napojen na první vstup 220 komparátoru 22, na jehož druhý vstup 221 je připojeno druhé referenční napětí Vé. Komparátor 22 je současně napojen na časovač 222. Výstup 223 komparátoru 22 je veden na spínač 23 přívodu třetího napájecího napětí V3 o referenčním proudu 1^ napojeného na první vstup 200 integrátoru 20.The output 202 of the integrator 20 is further connected to the first input 220 of the comparator 22, to the second input 221 of which a second reference voltage V é is connected. The comparator 22 is simultaneously connected to a timer 222. The output 223 of the comparator 22 is fed to a switch 23 for the supply of a third supply voltage V 3 of reference current 1 connected to the first input 200 of the integrator 20.
Integrátor 20 tvoří společně s komparátorem 22 sigma-delta (ΣΔ) modulátor prvního řádu.The integrator 20 together with the sigma-delta (ΣΔ) comparator 22 forms a first order modulator.
Výše popsaný a na obrázku znázorněný obvod měří ve třech fázích:The circuit described above and shown in the figure measures in three phases:
1. fáze je fáze referenční, kdy se příslušný měřený bolometr 10 měří při zavřené cloně, čímž se tento měřený bolometr 10 de-facto měří jako referenční bolometr j_L Tímto měřením se získá hodnota napětí VdO) na výstupu 202 integrátoru 20 pro konkrétní bolometr 10. Provedením měření na všech bolometrech 10 se získá hodnota napětí VdO) na výstupu 202 integrátoru 20 pro každý bolometr 10 a tato hodnota se pro každý bolometr 10 se zapíše do paměti.Phase 1 is the reference phase, where the respective measured bolometer 10 is measured with the diaphragm closed, whereby this measured bolometer 10 is de-facto measured as a reference bolometer 11 This measurement obtains a voltage value VdO) at the output 202 of the integrator 20 for a particular bolometer 10. By performing measurements on all bolometers 10, a voltage value VdO) is obtained at the output 202 of the integrator 20 for each bolometer 10, and this value is stored for each bolometer 10.
2. fáze je fáze měření IR záření, kdy se příslušný měřený bolometr 10 měří při otevřené cloně, čímž se získá hodnota napětí V4QR) na výstupu 202 integrátoru 20 pro konkrétní bolometr 10. Provedením měření na všech bolometrech 10 se získá hodnota napětí VdlR) na výstupu 202 integrátoru 20 pro každý bolometr 10 a tato hodnota se pro každý bolometr 10 se zapíše do paměti.Phase 2 is the IR radiation measurement phase, where the respective measured bolometer 10 is measured with the diaphragm open, thus obtaining the voltage value V4QR) at the output 202 of the integrator 20 for a particular bolometer 10. Performing measurements on all bolometers 10 output 202 of the integrator 20 for each bolometer 10 and this value is stored for each bolometer 10.
3. fáze je fáze zpracování rozdílových napětí VdlR) - VďO). kdy se pro každý bolometr 10 vzájemně odečtou hodnoty napětí VdlR) a V4(0) uložené do paměti během měření.Phase 3 is the phase of processing differential voltages VdlR) - VďO). when for each bolometer 10 the voltage values Vd1R) and V4 (0) stored in the memory during the measurement are subtracted from each other.
-3 CZ 306216 B6-3 CZ 306216 B6
Pokud napětí Vs = V2, pak ΣΔ modulátor prvního řádu podle vynálezu zjišťuje, kolikrát byl výstup komparátoru 22 pozitivní v poměru k celkovému počtu kroků a tato hodnota se vynásobí referenčním proudem υ integrátoru 20. Výsledkem je hodnota rozdílového signálu, což v případě bolometrů j_0, 11 odpovídá hodnotě FPN. Vlastní hodnota amplitudy absorbovaného IR záření přitom ovlivňuje pouze hodnotu napětí V4 na výstupu integrátoru 20, která se měří jako výstupní signál, u něhož automaticky dochází ke zvýšení CMR a k potlačení SH a FPN.If the voltage Vs = V 2 , then the first order modulator according to the invention determines how many times the output of the comparator 22 was positive in relation to the total number of steps and this value is multiplied by the reference current υ of the integrator 20. The result is the difference signal. , 11 corresponds to the FPN value. The actual value of the amplitude of the absorbed IR radiation affects only the value of the voltage V4 at the output of the integrator 20, which is measured as an output signal, in which the CMR automatically increases and SH and FPN are suppressed.
Způsobem podle vynálezu se referenční výstupní signál a měřicí výstupní signál zpracovává ΣΔ modulátorem prvního řádu, přičemž se ΣΔ modulátor využívá na zabránění přetečení integrátoru 20, na kterém se integruje signál odpovídající amplitudě absorbovaného IR záření. Při měření se ΣΔ modulátor prvního řádu nastaví pro zamezení saturace výstupu integrátoru 20.In the method according to the invention, the reference output signal and the measuring output signal are processed by a first-order modulator, the modulator being used to prevent overflow of the integrator 20, on which a signal corresponding to the amplitude of absorbed IR radiation is integrated. During the measurement, the first-order modulator is set to prevent saturation of the integrator output 20.
Elektronický systém podle vynálezu obsahuje pole bolometrů 10, které je uspořádáno za optickou soustavou s řiditelně otevíratelnou a uzavíratelnou clonou. Pole bolometrů 10 má v jednom příkladu provedení standardních 320 x 240 bolometrů 10 (pixelů) a pracuje v systému PAL, tj. 25 snímků za sekundu.The electronic system according to the invention comprises an array of bolometers 10, which is arranged behind an optical system with a controllably openable and closable aperture. In one example, the array of bolometers 10 has standard 320 x 240 bolometers 10 (pixels) and operates in the PAL system, i.e. 25 frames per second.
V jiném příkladu provedení má pole bolometrů 10 jiný vhodný počet řádků a sloupců bolometrů 10.In another exemplary embodiment, the bolometer array 10 has another suitable number of rows and columns of bolometers 10.
Poli bolometrů 10 jsou přiřazeny obvody pro zjišťování elektrického odporu teplotního odporového snímače každého z bolometrů 10 a také vyhodnocovací elektronika výstupního signálu bolometrů 10, která je napojena na další prostředky IR kamery, zejména na digitální zpracování signálů, zobrazovací a záznamové prostředky, např. IR kamery.The bolometer array 10 is associated with circuits for detecting the electrical resistance of the temperature resistance sensor of each of the bolometers 10 and also the evaluation electronics of the bolometer 10 output signal, which is connected to other IR camera means, especially digital signal processing, display and recording means, e.g. IR cameras. .
Vyhodnocovací elektronika výstupního signálu bolometrů přitom obsahuje ΣΔ modulátor prvního řádu, který je opatřen alespoň jedním vstupem referenčního napětí pro nastavení potlačení saturace svého výstupu.The evaluation electronics of the bolometer output signal contain a first-order modulator, which is provided with at least one reference voltage input for setting the saturation suppression of its output.
Vyhodnocovací elektronika výstupního signálu bolometrů 10 dále obsahuje paměť pro uložení informací o množství IR záření dopadajícího na membránu každého bolometru 10 ve dvou různých okamžicích, z nichž v každém okamžiku má dopadající IR záření odlišnou intenzitu, a dále obsahuje prostředky pro určení rozdílu mezi hodnotami dopadajícího IR záření v těchto dvou různých okamžicích pro každý bolometr 10. Vyhodnocovací elektronika dále obsahuje prostředky pro přenesení těchto rozdílů do dalších prostředků IR kamery, zejména zobrazovacích a záznamových prostředků IR kamery.The evaluation electronics of the bolometer output signal 10 further comprise a memory for storing information on the amount of IR radiation incident on the diaphragm of each bolometer 10 at two different times, each time having incident IR radiation of different intensity, and further means for determining the difference between incident IR values. radiation at these two different times for each bolometer 10. The evaluation electronics further comprise means for transmitting these differences to other means of the IR camera, in particular the imaging and recording means of the IR camera.
V příkladu provedení IR kamery podle vynálezu je celé pole bolometrů rozděleno tak, že se signál zpracovává po řádcích, kdy se posuvným registrem zvolí řádek bolometrů 10 a každý sloupec bolometrů 10 má přiřazen vlastní obvod pro zpracování signálu z bolometru 10 patřícího do zvoleného řádku a tímto obvodem se provedou obě měření, tj. jak při zavřené tak i otevřené cloně IR kamery. To znamená, že poli bolometrů 10 je přiřazen systém posuvného registru řádků bolometrů 10 a každému sloupci bolometrů 10 je přiřazen jeden vyhodnocovací obvod se ΣΔ modulátorem prvního řádu podle vynálezu. Paralelně se tak měří všechny sloupce bolometrů 10, ale postupně se zpracovávají signály ze všech bolometrů v řádku, tzn. čas je počet řádků krát (x) dlouhý, než kdyby se snímalo celé pole bolometrů 10 po jednotlivých bolometrech 10 (pixelech). Je tedy k dispozici okolo 100 ps na zpracování signálu z jednoho bolometru JO.In an exemplary embodiment of an IR camera according to the invention, the entire array of bolometers is divided so that the signal is processed line by line, with the shift register selecting the bolometer line 10 and each bolometer column 10 having its own signal processing circuit from the bolometer 10 belonging to the selected line. the circuit performs both measurements, ie with both the IR camera closed and open. That is, the bolometer array 10 is assigned a bolometer row shift register system 10, and each bolometer column 10 is assigned one evaluation circuit with a first-order modulator according to the invention. Thus, all columns of bolometers 10 are measured in parallel, but signals from all bolometers in a row are gradually processed, ie. time is the number of lines times (x) longer than if the whole array of bolometers 10 were scanned after each bolometer 10 (pixels). Thus, about 100 ps is available for signal processing from one JO bolometer.
V jiném příkladu provedení je posuvný registr přiřazen sloupcům bolometrů 10 a každému řádku bolometrů je přiřazen jeden vyhodnocovací obvod s ΣΔ modulátor prvního řádu podle vynálezu.In another exemplary embodiment, the shift register is assigned to the columns of bolometers 10, and each row of bolometers is assigned one evaluation circuit with a first-order modulator according to the invention.
Při zachování snímkové frekvence dvojnásobné, než je nominální snímková frekvence pro systém PAL (nebo NTSC), je potřeba zpracovat signály z celého pole bolometrů 10 50x (nebo 60x) za sekundu s přesností 20 až 22 bitů, přičemž informace o amplitudě absorbovaného infračerveWhile maintaining a frame rate twice the nominal frame rate for the PAL (or NTSC) system, signals from the entire bolometer array of 10 50x (or 60x) per second must be processed with an accuracy of 20 to 22 bits, with the infrared absorbed amplitude information
-4CZ 306216 B6 ného záření je obsažena pouze v nejméně významných bitech. Použitím ΣΔ modulátoru prvního řádu podle vynálezu pracujícím s hodinovým kmitočtem (taktovací frekvencí) 10 MHz se během doby 100 ps dosáhne převodu analogové podoby signálu do digitální podoby 10 bitů. V těchto 10 bitech je přitom informace o statickém rozdílu v hodnotách odporu mezi měřeným bolometrem 10 a referenčním bolometrem 11, přičemž těchto 10 bitů neobsahuje informaci o amplitudě absorbovaného IR záření. Minimálně se tedy pracuje s hodinovým kmitočtem ΣΔ modulátoru prvního řádu o hodnotě 100 kHz a během doby, která je rovna neboje kratší, než je doba určená podílem počtu snímků za sekundu a počtem řádků nebo sloupců, se analogový signál převede do digitálního signálu.-4GB 306216 B6 only contains the least significant bits. By using a first order modulator according to the invention operating with a clock frequency (clock frequency) of 10 MHz, the conversion of the analog form of the signal to the digital form of 10 bits is achieved in a time of 100 ps. In these 10 bits there is information about the static difference in the resistance values between the measured bolometer 10 and the reference bolometer 11, these 10 bits not containing information about the amplitude of the absorbed IR radiation. Thus, at least the clock frequency ΣΔ of the first-order modulator of 100 kHz is operated, and during a time equal to or less than the time determined by the ratio of the number of frames per second and the number of rows or columns, the analog signal is converted into a digital signal.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Vynález je využitelný v tzv. termovizi, tj. sledování teplo vyzařujících objektů a k detekci IR záření s velmi dlouhou vlnovou délkou, případně až pro oblast THz.The invention can be used in the so-called thermovision, ie monitoring of heat-emitting objects and for the detection of IR radiation with a very long wavelength, or even for the THz region.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-645A CZ306216B6 (en) | 2015-09-21 | 2015-09-21 | Method of processing signal from bolometer of bolometer array and electronic system for making the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-645A CZ306216B6 (en) | 2015-09-21 | 2015-09-21 | Method of processing signal from bolometer of bolometer array and electronic system for making the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2015645A3 CZ2015645A3 (en) | 2016-10-05 |
| CZ306216B6 true CZ306216B6 (en) | 2016-10-05 |
Family
ID=57045749
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2015-645A CZ306216B6 (en) | 2015-09-21 | 2015-09-21 | Method of processing signal from bolometer of bolometer array and electronic system for making the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ306216B6 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0019269A1 (en) * | 1979-05-17 | 1980-11-26 | Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH | Method and circuit for separating the thermal background signal of an IR detector from the desired signal |
| US4795904A (en) * | 1986-08-06 | 1989-01-03 | Plessey Overseas Limited | Electrical detector arrangements |
| US5489776A (en) * | 1994-08-30 | 1996-02-06 | Hughes Aircraft Company | Microbolometer unit cell signal processing circuit |
| US5756999A (en) * | 1997-02-11 | 1998-05-26 | Indigo Systems Corporation | Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array |
| US20140015700A1 (en) * | 2011-03-18 | 2014-01-16 | Fujitsu Limited | Mash sigma-delta modulator and da converter circuit |
-
2015
- 2015-09-21 CZ CZ2015-645A patent/CZ306216B6/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0019269A1 (en) * | 1979-05-17 | 1980-11-26 | Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH | Method and circuit for separating the thermal background signal of an IR detector from the desired signal |
| US4795904A (en) * | 1986-08-06 | 1989-01-03 | Plessey Overseas Limited | Electrical detector arrangements |
| US5489776A (en) * | 1994-08-30 | 1996-02-06 | Hughes Aircraft Company | Microbolometer unit cell signal processing circuit |
| US5756999A (en) * | 1997-02-11 | 1998-05-26 | Indigo Systems Corporation | Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array |
| US20140015700A1 (en) * | 2011-03-18 | 2014-01-16 | Fujitsu Limited | Mash sigma-delta modulator and da converter circuit |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2015645A3 (en) | 2016-10-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9595934B2 (en) | Gain calibration for an imaging system | |
| JP5845301B2 (en) | Infrared radiation detection device with resistive imaging bolometer and system with an array of such bolometers | |
| US8158942B2 (en) | Device and method for detecting infrared radiation through a resistive bolometer matrix | |
| Ochs et al. | High dynamic range infrared thermography by pixelwise radiometric self calibration | |
| JP6540519B2 (en) | Infrared imaging device | |
| CN101431597B (en) | Method of reading a two-dimensional pixel matrix and device for implementing the method | |
| US8526780B2 (en) | Thermographic camera and method for the recording and/or modification and reproduction of thermal images of a scene and/or of an object | |
| CN106797440A (en) | Adaptive Adjustment of Operational Bias of Imaging System | |
| JP7143558B2 (en) | Infrared imaging device and program used therefor | |
| EP2579578B1 (en) | Method for acquiring data with an image sensor | |
| US20120211648A1 (en) | On-board non-uniformity correction calibration methods for microbolometer focal plane arrays | |
| US20120239330A1 (en) | Radiometric calibration method for infrared detectors | |
| JP2017515354A (en) | High dynamic range device for integrating current | |
| TW201306569A (en) | Solid-state camera | |
| JP4462925B2 (en) | Method and apparatus for reading composite microbolometer array | |
| EP1366344B1 (en) | Method and apparatus for the read-out of a bolometer array by using multiple bias pulses | |
| US11659292B2 (en) | Image output adjustment responsive to integration time changes for infrared imaging devices | |
| Chen et al. | Nonuniformity Correction for Variable-Integration-Time Infrared Camera | |
| CZ306216B6 (en) | Method of processing signal from bolometer of bolometer array and electronic system for making the same | |
| JP2001245222A (en) | Semiconductor device and control method thereof | |
| CZ28903U1 (en) | Electronic system for detection of IR radiation by means of bolometer array | |
| KR101731287B1 (en) | Method and apparatus for compensating output of infrared sensor | |
| Tremblay et al. | Pixel-wise real-time advanced calibration method for thermal infrared cameras | |
| Kumar et al. | A novel algorithm and FPGA based adaptable architecture for correcting sensor non-uniformities in infrared system | |
| TW201246928A (en) | Black level compensation circuit, image sensor and associated method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20220921 |