METODO Y SISTEMA PARA DETERMINAR LA TASA DE NO UNIFORMIDAD DE SISTEMAS A BASE DE BOLOMETRO.

Un sistema de matriz de plano focal del tipo de bolómetro que tiene medios para determinar la tasa de no uniformidad que incluye:



a. una matriz de i x j detectores de pixeles del tipo de bolómetro para detectar radiación de paisaje;

b. una caja que aloja dicha matriz de detectores, teniendo dicha caja una ventana delantera que proporciona exposición al elemento detector de todos los i x j detectores de pixeles a radiación que entra del paisaje;

c. al menos una porción de columna j + 1 de detectores ciegos que están blindados al paisaje por una superficie de referencia homogénea;

d. circuitería de lectura para leer la indicación de la radiación de paisaje detectada por cada uno de los i x j detectores de la matriz, y para leer la indicación de la no uniformidad detectada por dichos detectores en columna (j + 1);

e. un registro para registrar los valores de radiación leídos de todos los detectores dentro de la columna (j + 1); y

f. una unidad de procesado para hallar la desviación estándar s de todos los valores en dicho registro, y para compararla con un umbral predeterminado Q, donde una desviación estándar anterior Q es una indicación de una no uniformidad superior al nivel permitido

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/IL2006/000048.

Solicitante: SEMI-CONDUCTOR DEVICES - AN ELBIT SYSTEMS - RAFAEL PARTNERSHIP.

Nacionalidad solicitante: Israel.

Dirección: P.O. BOX 2250,31021 HAIFA.

Inventor/es: MIZRAHI,UDI, FRAENKEL,AVRAHAM, KOPOLOVICH,ZVI, ADIN,AMNON, BIKOV,LEONID.

Fecha de Publicación: .

Fecha Concesión Europea: 14 de Abril de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01J5/20 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01J MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO, DE LA POLARIZACION, DE LA FASE O DE CARACTERISTICAS DE IMPULSOS DE LA LUZ INFRARROJA, VISIBLE O ULTRAVIOLETA; COLORIMETRIA; PIROMETRIA DE RADIACIONES.G01J 5/00 Pirometría de las radiaciones. › utilizando elementos resistentes, termorresistentes o semiconductores sensibles a las radiaciones.
  • H04N5/33 SECCION H — ELECTRICIDAD.H04 TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS.H04N TRANSMISION DE IMAGENES, p. ej. TELEVISION. › H04N 5/00 Detalles de los sistemas de televisión (detalles de la exploración o su combinación con la producción de las tensiones de alimentación H04N 3/00; adaptados especialmente para la televisión en color H04N 9/00; servidores especialmente adaptados para la distribución de contenido H04N 21/20; Dispositivos de cliente específicamente adaptados para la recepción de, o interacción con, contenidos H04N 21/40). › Transformación de radiación infrarroja.

Clasificación PCT:

  • G01J5/20 G01J 5/00 […] › utilizando elementos resistentes, termorresistentes o semiconductores sensibles a las radiaciones.
METODO Y SISTEMA PARA DETERMINAR LA TASA DE NO UNIFORMIDAD DE SISTEMAS A BASE DE BOLOMETRO.

Fragmento de la descripción:

Método y sistema para determinar la tasa de no uniformidad de sistemas a base de bolómetro.

Campo de la invención

El campo de la invención se refiere a matrices de plano focal no enfriadas del tipo de bolómetro usadas para detectar radiación IR. Más en concreto, la presente invención se refiere a un método y sistema para medir la degradación en la uniformidad de detección de la luz por los varios detectores de la matriz de plano focal, y para proporcionar una indicación de cuándo se deberán tomar medidas especiales con el fin de realizar recalibración de no uniformidad.

Antecedentes de la invención

Se utilizan ampliamente bolómetros para detectar baja radiación de luz, generalmente en la banda IR. En la mayoría de los casos convencionales, los bolómetros están dispuestos en forma de una matriz de plano focal (FPA), donde la matriz incluye una pluralidad de elementos detectores individuales (a continuación también denominados "pixeles", o "detectores de píxel"). Tal matriz se conoce, por ejemplo, por el documento US 6 583 416 B1. Una ventaja significativa de los sensores del tipo de bolómetro es su reducido peso y consumo de potencia, en particular debido al hecho de que no requieren enfriamiento criogénico. Además, generalmente son mucho menos caros en comparación con las matrices de plano focal enfriadas. Sin embargo, la sensibilidad típica de los sensores del tipo de bolómetro es significativamente menor que la de los sensores de tipo enfriado. Además, dado que los sensores del tipo de bolómetro son muy sensibles a la variación de temperatura, requieren medios especiales para estabilizar la temperatura del sustrato de matriz, y para compensar cada detector individual con respecto a dichas variaciones de la temperatura. Se deberá indicar que la caja que aloja la FPA contribuye aproximadamente en 80% del flujo IR. Así, es de vital importancia supervisar la temperatura de la caja o su radiación.

Se utilizan ampliamente resistencias de Vox (óxido de vanadio) en bolómetros típicos, puesto que el Vox tiene un TCR (coeficiente de resistencia a la temperatura) relativamente grande, y baja contribución 1/f.

Se precisan FPAs de bolómetros típicos para detectar la radiación con una resolución del orden de 50ºmK de la temperatura del paisaje. Las variaciones de la temperatura en el detector bolométrico debidas a las variaciones de calor dentro del paisaje son del orden de 0,01 -0,1ºmK. Se deberá indicar que, para poner el detector bolométrico en su punto operativo, hay que calentar la resistencia activa del detector (la resistencia expuesta al paisaje) a una temperatura del orden de 4º. Dicha necesidad de proporcionar una sensibilidad y resolución en el rango de al menos 40 órdenes menos que el calentamiento de la resistencia activa del bolómetro generalmente refuerza el uso de una medición diferencial. La circuitería más común y simple que aplica medición diferencial es el puente Wheatstone, y un detector que incluye un puente Wheatstone se usa de hecho comúnmente en FPAs del tipo de bolómetro.

Sin embargo, incluso aunque se use un puente Wheatstone que realice una medición diferencial, las FPAs no enfriadas de la técnica anterior del tipo de bolómetro todavía son muy sensibles a las variaciones de la temperatura ambiente, y se requiere circuitería de compensación especial para compensación en el nivel de píxel de FPA. Más en concreto, se precisa circuitería especial para compensar la no uniformidad de los detectores (es decir, para compensar su diferente desviación y ganancia), y para compensar más el efecto no uniforme del cambio de la temperatura ambiente en cada detector. Dicha última no uniformidad surge principalmente del hecho de que cada detector tiene una posición diferente relativa con respecto a las paredes de la caja.

Para explicar la no uniformidad de los detectores de pixeles FPA, los fabricantes de FPA del tipo de bolómetro de la técnica anterior, o los usuarios realizan comúnmente premediciones que determinan la ganancia y desviación de cada detector de píxel. Se realizan mediciones de las temperaturas constantes predefinidas ambiente (caja) y del sustrato. Los resultados de las mediciones se disponen en dos matrices (o tablas de consulta), una matriz de no uniformidad de ganancia, y una matriz de no uniformidad de desviación. Más en concreto, usando dichas dos matrices, la ganancia y la desviación de cada detector de píxel se regulan durante el uso real de la FPA. Se deberá indicar que la matriz de desviación también es actualizada periódicamente (por ejemplo, cada 2-3 minutos) cuando se facilita una imagen homogénea a la FPA. La imagen homogénea se aplica típicamente por medio de un obturador que se cierra y enmascara la FPA de la radiación de paisaje. Alternativamente, en algunos casos de la técnica anterior, la óptica en la parte delantera de la FPA se pone en un estado "de desenfoque total", proporcionando por ello a la FPA una imagen esencialmente homogénea. Durante el período de cierre del obturador (o el período de "estado de desenfoque"), naturalmente la FPA no puede ser usada. Durante dichos períodos, la matriz de desviación es actualizada. Dicho procedimiento de calibración se denomina en general NUC (corrección de no uniformidad). Se deberá indicar que cada procedimiento de calibración, que tiene lugar, por ejemplo, cada 2 a 3 minutos, tarda varios segundos.

En toda esta solicitud, siempre que se haga referencia a "cierre de obturador", se deberá indicar que se entiende cualquier acción que proporcione una imagen homogénea a la FPA, por medio de cierre del obturador, realizando "desenfoque", etc.

Como se ha indicado, la necesidad de recalibrar la desviación de cada detector FPA durante el cierre de un obturador elimina todo uso activo de la FPA durante dicho reprocedimiento de calibración. Dicho tiempo perdido que se dedica a recalibración puede ser crítico. Sin embargo, el hecho de que la técnica anterior carezca de medios para determinar la tasa de la degradación de no uniformidad, y con el fin de evitar la operación con una degradación demasiado alta, ha obligado a los usuarios a aplicar una tasa de calibración relativamente alta y constante (como se ha indicado, por ejemplo, cada 2 a 3 minutos). En muchos casos ésta es una tasa demasiado alta que se usa a efectos de precaución solamente.

Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar una disposición que permitirá una reducción significativa de la tasa de calibración (que tiene lugar cuando el obturador esté cerrado), incrementando por lo tanto de forma significativa el tiempo de operación real de la FPA.

Otro objeto de la invención es proporcionar una disposición que permitirá la realización de calibración de no uniformidad solamente cuando de hecho sea necesario.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una indicación de la tasa de no uniformidad de la matriz durante la operación real de la matriz, y en tiempo real.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar dicha disposición de manera que sea sencilla de fabricar.

Otros objetos y ventajas de la presente invención serán evidentes a medida que avance la descripción.

Resumen de la invención

La presente invención se refiere a un sistema de matriz de plano focal del tipo de bolómetro, que tiene medios para determinar la tasa de no uniformidad, que incluye: (a) una matriz de i x j detectores de pixeles del tipo de bolómetro para detectar radiación de paisaje; (b) una caja que aloja dicha matriz de detectores, teniendo dicha caja una ventana delantera que realiza la exposición al elemento detector de todos los i x j detectores de pixeles a la radiación que entra del paisaje; (c) al menos una porción de columna j + 1 de detectores ciegos que están blindados al paisaje por una superficie de referencia homogénea; (d) circuitería de lectura para leer la indicación de la radiación de paisaje detectada por cada uno de los i x j detectores de la matriz, y para leer la indicación de la no uniformidad detectada por dichos detectores en columna (j + 1); (e) un registro para registrar los valores de radiación leídos de todos los detectores dentro de la columna (j+1); y (f) una unidad de procesado para hallar la desviación estándar s de todos los valores en dicho registro, y para compararla con un umbral predeterminado Q, donde una desviación estándar superiora Q es una indicación de una no uniformidad superior al nivel permitido.

Preferiblemente, el sistema de matriz de plano focal incluye además un mecanismo para proporcionar una imagen...

 


Reivindicaciones:

1. Un sistema de matriz de plano focal del tipo de bolómetro que tiene medios para determinar la tasa de no uniformidad que incluye:

a. una matriz de i x j detectores de pixeles del tipo de bolómetro para detectar radiación de paisaje;
b. una caja que aloja dicha matriz de detectores, teniendo dicha caja una ventana delantera que proporciona exposición al elemento detector de todos los i x j detectores de pixeles a radiación que entra del paisaje;
c. al menos una porción de columna j + 1 de detectores ciegos que están blindados al paisaje por una superficie de referencia homogénea;
d. circuitería de lectura para leer la indicación de la radiación de paisaje detectada por cada uno de los i x j detectores de la matriz, y para leer la indicación de la no uniformidad detectada por dichos detectores en columna (j + 1);
e. un registro para registrar los valores de radiación leídos de todos los detectores dentro de la columna (j + 1); y
f. una unidad de procesado para hallar la desviación estándar s de todos los valores en dicho registro, y para compararla con un umbral predeterminado Q, donde una desviación estándar anterior Q es una indicación de una no uniformidad superior al nivel permitido.

2. Un sistema de matriz de plano focal según la reivindicación 1, incluyendo además un mecanismo para proporcionar una imagen homogénea a todos los detectores FPA, y una circuitería de calibración de desviación que calibra todos los detectores de la FPA, siendo activados dicho mecanismo y circuitería cuando se observa que dicha indicación de no uniformidad es superior a dicho umbral predeterminado Q.

3. Un sistema de matriz de plano focal según la reivindicación 1, donde dicha superficie de referencia homogénea es un deflector que se extiende de la caja.

4. Un sistema de matriz de plano focal según la reivindicación 1, donde todos los detectores de matriz de plano focal, incluyendo los de dentro de la columna (j + 1) realizan medición de radiación diferencial.

5. Un sistema de matriz de plano focal según la reivindicación 4, donde cada uno de los detectores tiene una estructura de un puente tipo Wheatstone.

6. Un sistema de matriz de plano focal según la reivindicación 5, donde cada uno de los i x j detectores del tipo de puente Wheatstone, y cada uno de los detectores dentro de la columna (j + 1) tiene dos bifurcaciones, como sigue:

a. una primera bifurcación incluyendo una primera resistencia Rm que está térmicamente cortocircuitada a un sustrato que soporta la matriz y es común a todos los decodificadores de la matriz y una segunda resistencia Rr común a cada uno de los decodificadores dentro de una de las filas i y que está blindada por dicha al menos única superficie de referencia homogénea; y
b. una segunda bifurcación incluyendo una tercera resistencia Rc que está térmicamente cortocircuitada a dicho sustrato de soporte y que es común a todos los decodificadores dentro de cada una de las columnas j y una cuarta resistencia Rp que es única para cada decodificador y que está expuesta al paisaje.

7. Un sistema de matriz de plano focal según la reivindicación 1, donde la circuitería de lectura incluye un selector de fila para seleccionar en cada tiempo una fila de la matriz, y j+1 amplificadores de columna para recibir y amplificar correspondientemente la radiación detectada por cada uno de los decodificadores dentro de la fila seleccionada.

8. Un método para determinar la tasa de la no uniformidad en una matriz de plano focal del tipo de bolómetro, incluyendo los pasos de:

a. proporcionar una matriz de plano focal de i x j detectores del tipo de bolómetro, estando expuestos todos al paisaje;
b. proporcionar al menos una porción de una columna adicional (j + 1) de detectores del tipo de bolómetro, estando enmascarados todos los detectores en la columna (j + 1) al paisaje por medio de una superficie homogénea;
c. predefinir un umbral de no uniformidad Q, relativo a la no uniformidad de comportamiento de los decodificadores;
d. leer secuencialmente fila a fila los valores detectados por los i x j detectores de la FPA y detectados por los detectores en la (j + 1) columna;
e. registrar en un registro de columna las lecturas detectadas por el decodificador de columna j + 1;
f. calcular la desviación estándar de todos los valores en dicho registro de columna y comparar la desviación estándar con el umbral Q;
g. si se halla que dicha desviación estándar está por debajo de Q, seguir operando normalmente el FPA; y
h. sin embargo, si se halla que la desviación estándar es superior a Q, parar la operación de la FPA, y realizar una calibración de no uniformidad de los decodificadores FPA.

 

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