DE3930360C2 - IR-Detektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen IR-Detektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Detektoren mit feststehender Optik liegt in der Brennebene dieser Optik ein Detektor-Chip mit einer Vielzahl von Detektorelementen in üblicherweise regelmäßiger zweidimensionaler Anordnung. Ein derartiger Detektor ist beispielsweise aus der Druckschrift: Fernseh- und Kinotechnik, Nr. 9, 1988, Seiten 423 bis 428 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Detektor werden die von den Detektorelementen erzeugten Ladungen gespeichert und anschließend über eine CCD-(Charged Coupled Device)-Auslesevorrichtung ausgelesen. Aus der DE 37 41 936 A1 ist ebenfalls ein Detektor mit zweidimensional angeordneten Detektorelementen und mit einer CCD-Auslesevorrichtung bekannt. Bei diesem Detektor werden von den Detektorelementen erzeugte Ladungen intermittierend gespeichert, in einem Vertikalschieberregister addiert und anschließend über die CCD-Auslesevorrichtung ausgelesen.

Ein gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeführte Detektor für IR-Strahlung ist aus der SPIE Vol. 686, Infrared Detectors, Sensors and Focal Plane Arrays, 1986, Seiten 86-92 bekannt. Bei diesem Detektor sind in einem orthogonalen Gitter Detektorelemente in 64 Spalten und 64 Zeilen vorgesehen. Die Integration der Detektorströme der einzelnen Detektorelemente, das Ableiten und Auslesen von entspre­ chenden Bildpunktsignalen erfolgt auf einem separaten Aus­ lese-Halbleiterchip, der vorzugsweise in CCD-Technik aus­ geführt ist. Für besonders einfache Verbindung der einzel­ nen Detektorelementausgänge mit dem Halbleiterchip wird die sogenannte Flip-Chip-Technik bevorzugt, bei welcher jedem Detektorausgang direkt gegenüberstehend ein Kontakt auf dem Auslese-Halbleiterchip zugeordnet ist und zur elektrischen Verbindung beispielsweise Indium an den je­ weiligen Kontaktstellen aufgebracht ist.

In der Detektorebene ergeben sich durch die Verteilung der Detektorelemente einzelne aneinandergrenzende Detektorzel­ len, die jeweils ein Detektorelement enthalten und zusam­ men die gesamte Detektorfläche, die über die Eigenschaften der abbildenden Optik den vom Detektor überwachten Raum­ winkel festlegt, bilden. Bei der Flip-Chip-Technik über­ trägt sich diese Zelleneinteilung einschließlich der Zel­ lengröße auch auf den Auslese-Halbleiterchip, so daß dort für jedes Detektorelement nur eine geringe Fläche zur Ver­ fügung steht, auf welcher sowohl ein CCD-Integrationsspei­ cher als auch Ausleseschaltungen und Steuerleitungen un­ tergebracht werden müssen. Von Bedeutung ist dabei vor al­ lem, daß dadurch die Fläche für den Integrationsspeicher und damit dessen Speicherkapazität und die maximal vorgeb­ bare Integrationszeit begrenzt sind. Die spezifische Kapa­ zität der Speicherfläche kann aus technologischen Gründen nicht beliebig erhöht werden.

Häufig ist die Zeit für einen Bildzyklus (frame time), d.h. die Zeit, in der von jedem Detektorelement einmal ein Bildsignal ausgelesen wird, durch das System vorgegeben.

Eine untere Grenze für die Bildzyklus-Zeit ist durch die maximal mögliche Taktrate der im Regelfall seriellen Aus­ lesung und die Vielzahl der einzelnen Detektorelemente ge­ geben.

Der optimale Betrieb hinsichtlich des Signal-Rausch-Ver­ hältnisses ergibt sich, wenn die Integrationszeit gleich der Bild-Zyklus-Zeit ist. Bei durch die Speicherfläche auf kleinere Werte begrenzter Integrationszeit verschlechtert sich das Signal-Rausch-Verhältnis.

Zur Erhöhung der für ein Detektorelement verfügbaren Spei­ cherkapazität wird in der genannten Literaturstelle aus SPIE vorgeschlagen, anstelle getrennter Speicherflächen und Flächen für ein serielles CCD-Ausleseregister Trans­ fer-Elektroden des CCD-Registers gleichzeitig als Integra­ tionsspeicherflächen zu benutzen. Alle Detektorelemente einer Spalte werden während einer vorgegebenen Integrati­ onszeit mit jeweils einer Elektrode des CCD-Auslegeregi­ sters, das in Mäanderform ausgebildet ist, verbunden. Nach Abschluß der Integrationszeit werden alle gespeicherten Ladungen seriell ausgelesen. Während des Auslegevorgangs können die Detektorelemente nicht mit den Ladungsspeichern verbunden werden. Die Integrationszeit beträgt auch bei diesem Detektor nur einen geringen Bruchteil der Bildzy­ klus-Zeit.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen IR-Detektor der eingangs genannten Art mit einem verbesserten S/N-Verhältnis anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Wesentlich an der Erfindung ist, daß zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses die für die Ladungsintergra­ tion verfügbare Fläche sich über die Fläche einer Detek­ torzelle hinaus erstrecken und damit die Integrationszeit wesentlich erhöht werden kann. Dies geht einher mit der Verringerung des für ein Detektorelement anteilig verfüg­ baren Zeitabschnitts der systembedingten Bildzykluszeit.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau­ licht. Dabei zeigt schematisch

Fig. 1 eine Flächenaufteilung für einen Ausschnitt des Auslese-Halbleiterchips,

Fig. 2 Einzelheiten für eine Detektorelement-Gruppe.

Bei konventioneller Ausführung von IR-Detektoren mit je einem individuellen Integrationsspeicher wird innerhalb der Bildzykluszeit (frame time) t_f jeder Speicher einmal durch das zugeordnete Detektorelement während einer Inte­ grationszeit t_i aufgeladen. Um eine Sättigung des Spei­ chers bei starkem Lichteinfall auf das Detektorelement zu vermeiden, muß t_i hinreichend kurz bemessen werden, so daß bedingt durch die geringe verfügbare Speicherkapazität t_f im allgemeinen wesentlich größer ist als t_i und sich somit beim Betrieb des Detektors für jedes Detektorelement eine große Totzeit t_t = t_f-t_i, während der keine Integration des Detektorsignals erfolgt, ergibt.

Werden nun zwei Detektorelemente an einen gemeinsamen Speicher angeschlossen, so steht als Einheitszelle die doppelte Fläche der Grundzelle ZD (Fig. 1) (Zelle des De­ tektor Arrays) zur Verfügung. Das erlaubt, die Fläche des gemeinsamen Speichers größer zu wählen als es der Fläche der Grundzelle entspricht. Wird durch eine Auswahlschal­ tung dafür gesorgt, daß jeweils nur der Strom von einem Detektorelement integriert wird, können sich die beiden Detektorelemente den vergrößerten Speicher im Time Sharing- Verfahren teilen. Die Gestaltung der Auswahlschaltung so­ wie einer Steuerschaltung zur zeitrichtigen Ansteuerung ist dem Fachmann geläufig und daher an dieser Stelle nicht weiter behandelt. Durch die zeitmultiplexe Verbindung je eines der beiden Detektorelemente steht für die Integra­ tion des Detektorstromes eines Detektorelements maximal eine Zeit von t_f2 = t_f/2 zur Verfügung. Andererseits steht für die Integration ein Ladungsspeicher mit größerer Flä­ che und damit längerer Integrationszeit t_i2 < t_i zur Ver­ fügung. Aus der Verlängerung der Integrationszeit ergibt sich unmittelbar eine Verbesserung des Signal-Rausch-Ver­ hältnisses.

Werden in verallgemeinerter Betrachtung K Detektorelemente zu einer Gruppe mit einem gemeinsamen Speicher zusammenge­ faßt, so ergibt sich in analoger Weise eine Verkürzung des auf ein Detektorelements entfallenden Zeitanteils t_fK an der Bildzyklus-Zeit t_f auf t_fK = t_f/K und eine Verlänge­ rung der durch den größeren Speicher begrenzten maximalen Integrationszeit t_iK. Die Integrationszeit t_iK wächst mo­ noton mit steigender Anzahl K von Detektorelementen, die in einer Gruppe zusammengefaßt sind, während der Zeitan­ teil t_fK monoton mit steigendem K geringer wird. Bei fest­ liegenden anderen Parametern des Detektors wie Bildzyklus- Zeit t_f oder maximal auftretendem Detektorelement-Strom wird K vorteilhafterweise so gewählt, daß die Dauer des Integrationsintervalls innerhalb der Begrenzung durch die Kapazität des Speichers, die mit K anwächst, einerseits und durch das Aufteilen der Bildzyklus-Zeit auf die K De­ tektoren einer Gruppe andererseits maximal wird, was für t_iK ≈ t_fK erfüllt ist. Die Wahl von K für die Optimierung der Integrationszeit kann eingeschränkt sein durch andere Parameter wie z.B. die Zusammenfassung von Elementen in gleich großen Gruppen.

Die Steuerschaltung verbindet zeitlich nacheinander die einzelnen Detektorelemente einer Gruppe jeweils für die Dauer eines Integrationsintervalls mit dem gemeinsamen Speicher. Vor jedem Integrationsintervall wird der Spei­ cher in einen definierten Zustand zurückgesetzt, z.B. durch einen Resetimpuls von der Steuerschaltung vollstän­ dig entleert, so daß die Ausgangsbedingungen der Integra­ tion für alle Detektorelemente identisch sind.

Vorteilhafterweise wird die Gesamtzahl der Detektorele­ mente in lauter zahlenmäßig und vorzugsweise auch geome­ trisch gleiche Gruppen aufgeteilt. Dabei können dann aus allen Gruppen einander entsprechende Detektorelemente syn­ chron mit dem jeweils zugeordneten Speicher verbunden wer­ den. Besonders vorteilhaft ist bei einer rechtwinkligen Anordnung von Detektorelementen in Zeilen und Spalten die gruppenweise Zusammenfassung von Detektorelementen nur in einer Dimension, z.B. in Spaltenrichtung und die gemein­ same Ansteuerung aller in derselben Zeile liegenden Detek­ torelemente über eine gemeinsame Zeilenleitung. Eine sol­ che Anordnung liegt den in den Abbildungen skizzierten Beispielen zugrunde.

Für die Auslesung von den integrierten Detektorsignalen entsprechenden Bildpunktsignalen kann im Prinzip auf aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahmen zurückgegriffen werden, beispielsweise durch Einsatz der in dem eingangs genannten Artikel beschriebenen seriellen CCD-Register. Einzelheiten der Ausleseschaltungen sind auch noch abhän­ gig von einem evtl. geforderten Ausleseformat, z.B. seri­ elles Auslesen eines kompletten Bildes in festgelegter Reihenfolge der Bildpunkte.

Zur Trennung des Auslesevorgangs von der Integration wird vorteilhafterweise jedem Ladungspeicher mindestens ein Zwischenspeicher zugeordnet, der nach dem Prinzip des Par­ titioning nach Abschluß eines Integrationsintervalls durch Sperren eines Partitioning Gates vom Ladungsspeicher abge­ trennt wird. Wenn jedem Detektorelement einer Gruppe ein getrennter Zwischenspeicher zu dem gemeinsamen Integrati­ ons-Ladungsspeicher zugeordnet ist, können Signale aller Detektorelemente bis zum Abschluß eines Bildzyklus zwi­ schengespeichert und dann gemeinsam ausgelesen werden. Die Ladungsabtrennung durch Partitioning ist insbesondere bei der erfindungsgemäßen Vergrößerung des Intergrations-La­ dungsspeichers auch für die Auslesung über serielle CCD-Register, deren Transferleistung geringer ist als die Ka­ pazität des Speichers, sinnvoll. Schließlich ermöglicht der Betrieb von Integrationsspeicher und Zwischenspeicher mit unterschiedlichen Potentialen das sogenannte Skimming, wie es im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt ist. Andere aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahmen wie bestimmte Ausführungen der seriellen CCD-Auslegeregister oder deren gemeinsamer Einsatz für zwei benachbarte Spal­ ten von Detektorelementen sind gleichfalls auf die Erfin­ dung übertragbar.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus dem Auslese-Halbleiter­ chip eines IR-Detektors mit in N Spalten und M Zeilen angeordneten Detektorelementen skizziert. Den Orten der Detektorelemente entsprechen auf dem Auslese-Halbleiter­ chip die Detektoranschlußkontakte KD, die wiederum ein Spalten-Zeilen-Gitter aufbauen. Durch den Abstand zweier unmittelbar benachbarter Detektorelemente in Spalten- bzw. Zeilenrichtung ist die Größe der mit unterbrochener Linie eingezeichneten Grundzelle ZD festgelegt. Jeweils vier (K=4) in Spaltenrichtung aufeinanderfolgende Detektorele­ mente sind in einer Gruppe zusammengefaßt und besitzen einen gemeinsamen Integrations-Ladungsspeicher LS_i, _j mit j als Spaltennummer SN und i als Gruppennummer von K in­ nerhalb einer Spalte aufeinanderfolgenden Detektorelemen­ ten bzw. Zellen mit den Zeilennummern ZN=Ki + 1-K bis ZN=K.i. Der gemeinsame Ladungsspeicher einer Gruppe er­ streckt sich über alle Zellenflächen der Gruppe und er­ reicht damit eine Fläche, die erheblich über der in einer einzelnen Zelle möglichen Speicherfläche liegt. Jede Zelle trägt eine Teilfläche zum gemeinsamen Speicher bei. In je­ der Zelle ZD ist außerdem ein Zwischenspeicher ZS vorgese­ hen, der dem zugehörigen Detektorelement zugeordnet ist. Während eines Integrationsintervalls ist der dem gerade mit dem Ladungsspeicher LS der Gruppe verbundenen Detektor­ element zugeordnete Zwischenspeicher ZS mit dem allen Elementen gemeinsamen Ladungsspeicher LS verbunden. Nach Abschluß des Integrationsintervalls wird der Zwischenspei­ cher vom Ladungsspeicher abgetrennt und die im Zwischen­ speicher enthaltene Ladung bleibt auch beim Rücksetzen des Ladungsspeichers LS erhalten und kann unabhängig vom näch­ sten Integrationsintervall ausgelesen werden. Insbesondere können innerhalb eines Bildzyklus alle Zwischenspeicher einmal mit dem Ladungsspeicher verbunden sein und nach Ab­ schluß des Zyklus gemeinsam ausgelesen werden. Das Ausle­ sen kann vorteilhafterweise über an sich bekannte serielle CCD-Register SR erfolgen, wobei wie skizziert und gleich­ falls an sich bekannt, ein gemeinsames Ausleseregister für jeweils zwei benachbarte Spalten gemeinsam benutzt ist. Die Übergabe der in den Zwischenspeichern einer vollstän­ digen Spalte gespeicherten Ladungen in das zugeordnete Ausleseregister kann für die gesamte Spalte gleichzeitig über Transfer-Gates TG erfolgen. Bei der skizzierten Grup­ penaufteilung werden vorteilhafterweise einander entspre­ chende Detektorelemente in den verschiedenen Gruppen gleichzeitig aktiviert, indem alle in derselben Zeile lie­ genden Zellen über eine gemeinsame Zeilenleitung synchron angesteuert werden. In einem Integrationsintervall sind vorzugsweise alle einander in den verschiedenen Zeilen­ gruppen entsprechenden Zeilen, z.B. K.i (mit i = 1 bis M/K) gleichzeitig mit Steuersignalen beaufschlagt. Zeilen­ leitungen und andere Steuerleitungen sind der Übersicht­ lichkeit halber in Fig. 1 nicht eingezeichnet.

Aus der Skizze nach Fig. 2 sind vorteilhafte Einzelheiten der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ersichtlich für eine Gruppe von K=4 photovoltaischen Detektorelementen PV. Für alle Detektorelemente der Gruppe ist der gemeinsame Inte­ grations-Ladungsspeicher LS vorhanden. Eines der Detektor­ elemente der Gruppe wird mit dem Speicher LS durch ein Steuersignal auf der allen Elementen derselben Zeile ge­ meinsamen Zeilenleitung RS verbunden. Die Zeilenleitung RS steuert gleichzeitig noch ein Partitioning Gate PG, das den dem einen Detektorelement zugeordneten Zwischenspei­ cher ZS mit dem Hauptspeicher LS verbindet, so daß auf be­ sonders einfache Weise mit einem Steuersignal eines der Detektorelemente mit dem Hauptspeicher LS und gleichzeitig der Hauptspeicher mit dem zugeordneten Zwischenspeicher ZS verbunden wird. Nach Abschluß des Integrationsintervalls werden über die Zeilenleitung RS das Detektorelement und der Zwischenspeicher vom Hauptspeicher LS abgetrennt und dieser zurückgesetzt, bevor das nächste Integrationsinter­ vall in der nächsten Zeile beginnt.

Wenn alle Zwischenspeicher aufgefüllt sind, wird die als Ladungsmengen gespeicherte Information über das serielle CCD-Register SR ausgelesen. Nach dem Transfer der Ladungen in das serielle CCD-Register kann der neue Integrationszy­ klus für die Detektorelemente einer Gruppe gestartet wer­ den, so daß sich durch den Auslesevorgang keine weitere Totzeit ergibt. Der Übertrag der Zwischenspeicher-Inhalte auf das serielle Register erfolgt für alle Zwischenspei­ cher einer Spalte gleichzeitig durch einen Spannungsimpuls am Transfergate TG. Zur niederohmigen Verbindung der De­ tektorelemente PV mit dem Ladungsspeicher LS sind auf dem Auslese-Halbleiterchip am Ort der Detektoranschlußkontakte besondere Eingangsdiffusionsbereiche ID vorgesehen. Über Detektor Gates DG, die vorzugsweise für mehrere Detektor­ elemente gemeinsam ausgeführt sind, können die Arbeits­ punkte der Detektoren eingestellt werden.

Die Erfindung ist wie für den Fachmann leicht ersichtlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiele beschränkt. Insbesondere können die Zwischenspei­ cher entfallen, wenn die Signale einer Zeile nicht in ei­ nem bestimmten seriellen Format ausgelesen werden müssen. In diesem Fall können auch geeignet angeordnete Transfer­ elektroden eines seriellen CCD-Registers als zusätzliche Speicherflächen genutzt werden. Die Auswahl der Detektore­ lemente innerhalb der Gruppen kann auch über das Detektor­ gate erfolgen, wenn die Detektorgates der Elemente einer Zeile miteinander verbunden sind. Zur Ankopplung der De­ tektorelemente an den Hauptspeicher können andere Struktu­ ren als die direkte Injektion verwendet werden. Die Ausle­ seschaltungen können auch als Schaltermatrix ausgeführt sein.

Claims (12)

1. IR-Detektor mit einer Mehrzahl von Detektorzellen mit jeweils einem Detektorelement in ebener zweidimensionaler Anordnung, mit zugeordneten integrierenden Ladungsspei­ chern mit Ausleseschaltungen und mit einer Steuerschaltung zur Verbindung der Detektorelemente mit Ladungsspeichern während einer vorgegebenen Integrationszeit und zur Steuerung der Ausleseschaltungen, wobei während eines Bildzyklus je ein Bildsignal aus jeder Detektorzelle aus­ gelesen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorele­ mente (PV) gruppenweise zusammengefaßt sind und allen (K) Detektorelementen einer Gruppe ein gemeinsamer Ladungs­ speicher (LS) zugeordnet ist, und daß die Steuerschaltung die Detektorelemente einer Gruppe innerhalb eines Bildzy­ klus zeitlich nacheinander je einmal für die Dauer eines Integrationsintervalls mit dem gemeinsamen Ladungsspeicher verbindet und vor jedem Inte­ grationsintervall den Ladungsspeicher in einen definierten Ausgangszustand zurücksetzt.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Ladungsspeicher (LS) einer Gruppe sich über eine Fläche erstreckt, die größer ist als die Fläche einer Detektorzelle (ZD).

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß von jeder Detektorzelle einer Gruppe eine Teil­ fläche zu der Fläche des gemeinsamen Ladungsspeichers bei­ trägt.

4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Detektorzellen in Zeilen und senk­ recht dazu verlaufenden Spalten angeordnet sind und die Detektorzellen einer Gruppe nur in Spaltenrichtung aufein­ anderfolgend benachbart sind.

5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gruppen dieselbe Anzahl (K) von Detektorzellen umfassen.

6. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einander entsprechende Detektorele­ mente in verschiedenen Gruppen synchron mit dem jeweils zugeordneten Ladungsspeicher verbindet.

7. Detektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für alle Detektorzellen einer Zeile eine gemeinsame Zeilenleitung (RS) vorgesehen ist.

8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zu jedem Ladungsspeicher (LS) mindestens ein Zwischenspeicher (ZS) vorgesehen ist, der nach Ab­ schluß eines Integrationsintervalls von dem Hauptspeicher abtrennbar ist.

9. Detektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Ladungsspeicher (LS) mehrere, jeweils einem der Detektorelemente der Gruppe zugeordnete Zwischenspeicher (ZS) vorgesehen sind.

10. Detektor nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zwischenspeicher (ZS) einer Spalte mit einem seriellen CCD-Register (SR) als Ausleseschaltung verbindbar sind.

11. Detektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils zwei benachbarte Spalten ein gemeinsames Regi­ ster vorgesehen ist.

12. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die durch Aufteilung der Bildzy­ klusdauer auf die Detektorelemente einer Gruppe maxi­ mal verfügbare Länge eines Integrationsintervalls kürzer ist als die durch den höchsten zu detektierenden Detektorelementstrom gegebene minimale Integrationszeit bis zur Sättigung des Ladungsspeichers.