JP2004117277A - 赤外線撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】赤外線イメージセンサにおける画素固有の１／ｆ雑音を効果的に低減することができ、低雑音・高感度化をはかる。
【解決手段】バイアス電流を流して信号を読み出す方式の赤外線イメージセンサ２００を用いた赤外線撮像装置において、センサ２００から出力されたフレームデータを少なくとも１フレーム期間保持する第１フレームメモリ２０１と、出力用フレームデータを保持する第２フレームメモリ２０５と、フレーム期間毎に、センサ２００の出力である現フレームデータと第１フレームメモリ２０１に保持された前フレームデータとの差分を画素単位で基準電圧Ｓｏと比較する比較器２０３とを設け、差分が基準電圧Ｓｏより大きい場合は第２フレームメモリ２０５のデータを現フレームデータに書き換えて出力し、差分が基準電圧Ｓｏより小さい場合は第２フレームメモリ２０５のデータをそのまま保持して出力する。
【選択図】 図３
【解決手段】バイアス電流を流して信号を読み出す方式の赤外線イメージセンサ２００を用いた赤外線撮像装置において、センサ２００から出力されたフレームデータを少なくとも１フレーム期間保持する第１フレームメモリ２０１と、出力用フレームデータを保持する第２フレームメモリ２０５と、フレーム期間毎に、センサ２００の出力である現フレームデータと第１フレームメモリ２０１に保持された前フレームデータとの差分を画素単位で基準電圧Ｓｏと比較する比較器２０３とを設け、差分が基準電圧Ｓｏより大きい場合は第２フレームメモリ２０５のデータを現フレームデータに書き換えて出力し、差分が基準電圧Ｓｏより小さい場合は第２フレームメモリ２０５のデータをそのまま保持して出力する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非冷却型の赤外線イメージセンサを用いた赤外線撮像装置に係わり、特に雑音低減化回路の改良をはかった赤外線撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線を利用した撮像装置は、昼夜に拘わらず撮像可能であると共に、可視光よりも煙や霧に対して透過性が高いという特長を有し、さらに被写体の温度情報をも得られるという特長を有する。このため、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
【０００３】
従来の主流素子である量子型赤外線固体撮像素子の最大の欠点は低温動作のための冷却機構を必要とすることであるが、近年このような冷却機構を必要としない非冷却型赤外線固体撮像素子の開発が盛んになってきている。非冷却型、即ち熱型の赤外線固体撮像素子においては、波長１０μｍ程度の入射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化を何らかの熱電変換手段により電気的信号に変換し、この電気的信号を読み出すことで赤外線画像情報を得ている。
【０００４】
非冷却型の赤外線固体撮像素子としては、一定の順方向電流により温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合をＳＯＩ領域に形成したものが報告されている（非特許文献１）。ＳＯＩ基板を用いたシリコンｐｎ接合型の素子は、シリコンＬＳＩ製造工程のみによる製造が可能であるという特長があり、従って量産性に優れた素子である。また、シリコンｐｎ接合型素子には、熱電変換手段であるｐｎ接合が整流特性を利用した画素選択機能を有していることから、画素の内部構造を単純化できるという特長もある。
【０００５】
ところで、非冷却型の赤外線固体撮像素子における画素部の温度変化は、赤外線吸収層の吸収率や光学系にもよるが、一般的には被写体の温度変化の５×１０−３倍程度であり、被写体温度が１［Ｋ］変化すれば画素温度は５［ｍＫ］変化する。シリコンｐｎ接合を８個直列接続した場合の、熱電変換効率は１０［ｍＶ／Ｋ］程度であるので、被写体温度が１［Ｋ］変化した場合には画素部に５０［μＶ］の信号電圧が発生する。実際には、被写体の温度変化として０．１［Ｋ］程度を識別することが要求されることが多いので、その場合に発生する５［μＶ］程度の信号電圧を読み出すことが必要となる。従って、この微弱な電気信号を認識するために、画素部の雑音電圧は上記の５［μＶ］程度に抑圧することが必要である。
【０００６】
このような非常に微弱な信号電圧を読み出す方法として、画素部で発生した信号電圧を増幅トランジスタのゲート電圧として電流増幅し、増幅された信号電流を蓄積容量で時間積分するという回路構成が知られている。この回路構成は、ゲート変調積分回路と呼ばれる回路であり、この回路構成を各列毎に配置して１行分の電流増幅を並列処理することで、信号帯域を制限しランダム雑音を低減できるという効果がある。
【０００７】
しかしながら、この種の赤外線固体撮像素子（赤外線イメージセンサ）においては、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサといった可視イメージセンサと異なる、赤外線撮像装置に固有であり除去することが困難な雑音がある。それは、画素部の温度情報を読み出すために必要不可欠なバイアス電流に起因する１／ｆ雑音の低周波成分である。ＣＣＤやＣＭＯＳセンサといった可視イメージセンサにおいては、信号成分を含む出力と信号成分を含まない出力（暗時出力）との差分処理を行うことで１／ｆ雑音の低周波成分を除去している。即ち、ＣＣＤにおいては出力アンプで発生する１／ｆ雑音を相関二重サンプリング法により除去することが一般的であり、ＣＭＯＳセンサにおいても画素部の増幅トランジスタで発生する１／ｆ雑音をカラム毎に除去することが一般的である。
【０００８】
ところが、バイアス電流を流して信号を読み出す方式の赤外線撮像装置においては、暗時出力に相当するものがなく、バイアス電流を流すことにより発生する１／ｆ雑音を除去することができなかった。１／ｆ雑音の周波数分布はその名のとおり１／ｆに比例するために、特にその低周波成分の強度が高く、問題となっていた。また、フレーム相関の弱いランダム雑音を除去するために、複数のフレームデータを加算する方法が知られているが、低周波成分の強度が強い１／ｆ雑音の場合は、フレーム相関が強いために複数のフレームデータを加算することで除去することはできなかった。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ， ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６９８， ｐ．５５６，１９９９
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の非冷却型の赤外線イメージセンサを用いた赤外線撮像装置においては、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサといった可視イメージセンサとは異なり、バイアス電流を流すことにより発生する１／ｆ雑音の影響を低減することが困難であった。
【００１１】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、１／ｆ雑音を効果的に低減することができ、低雑音・高感度化をはかり得る非冷却型の赤外線撮像装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１３】
即ち本発明は、半導体基板上に、電流を流して信号を読み出すタイプの赤外線検出画素が二次元的に配列された赤外線イメージセンサを用いた赤外線撮像装置において、前記赤外線イメージセンサから出力されたフレームデータを少なくとも１フレーム期間保持するための第１フレームメモリと、フレーム期間毎に、前記赤外線イメージセンサから読み出されている現フレームデータと第１フレームメモリに保持された直前フレーム期間における前フレームデータとを画素単位で比較する比較器と、この比較器による比較結果に応じた出力用フレームデータを保持するための第２フレームメモリと、前記比較器に対して所定の基準電圧を設定するための基準電圧設定手段と、前記赤外線イメージセンサへの入射赤外線を遮断するシャッター機構と、このシャッター機構によりシャッターが閉じられた際に第２フレームメモリ内部の出力用フレームデータを所望の初期データ値に設定する初期化手段とを具備してなり、前記比較器は、画素毎のデータに対して、現フレームデータと前フレームデータとの差分と前記基準電圧とを比較し、前記差分が前記基準電圧より大きい場合には第２フレームメモリ内部の画素データを現フレームデータの画素データに書き換え、前記差分が前記基準電圧より小さい場合には第２フレームメモリ内部の画素データを保持させることを特徴とする。
【００１４】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。
【００１５】
（１） 赤外線検出画素は、入射赤外線光を吸収して熱に変換する赤外線吸収構造部と、この赤外線吸収構造部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを有していると。
【００１６】
（２） 熱電変換素子は、熱による温度変化を抵抗体の抵抗変化として検出するボロメータであること。
【００１７】
（３） 熱伝変換素子は、熱による温度変化を順方向電流若しくは電圧の変化として検出するｐｎ接合ダイオードであること。
【００１８】
（４） シャッター機構は任意の間隔でシャッターを閉動作するものであること。
【００１９】
（５） 初期化手段は、第２フレームメモリに任意の初期値を書き込むものであること。
【００２０】
（６） 初期値は、シャッターが閉動作されたときの該シャッターからの赤外線輻射に相当する信号レベルであること。
【００２１】
（７） 基準電圧は、赤外線イメージセンサの画素において発生する画素固有の１／ｆ雑音に相当するレベルであること。
【００２２】
（作用）
本発明によれば、赤外線イメージセンサの各画素において独立に発生する１／ｆ雑音がフレーム間で強い相関を持つことに注目して、赤外線イメージセンサからのフレームデータを少なくとも１フレーム期間以上保持する第１フレームメモリを具備し、比較器により現フレームデータと前フレームデータとの差分を、任意に設定可能な基準電圧と比較し、その差分が基準電圧よりも小さければフレームデータの変化を雑音として認識し、前フレームにおける出力データを保持している第２フレームメモリのフレームデータをそのまま出力する。また、その差分が基準電圧よりも大きければフレームデータの変化が雑音ではないと認識して、現フレームデータを第２フレームメモリ内部に書き込み出力する。
【００２３】
その結果、フレーム相関の強い画素部の１／ｆ雑音の低周波成分は除去されるので、高感度な赤外線撮像装置を得ることができる。これにより、１／ｆ雑音を効果的に低減することができ、低雑音・高感度化をはかることが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２５】
（実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係わる赤外線撮像装置に使用した非冷却赤外線イメージセンサの構成を示す回路図である。図では、説明を簡単にするために３行３列の３×３画素構成のみを示しているが、より多数行，多数列のｍ×ｎ画素構成に適用できるのは勿論のことである。
【００２６】
入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１が半導体基板上に２次元的に配置されて撮像領域３を構成している。撮像領域３の内部には、複数本の行選択線４（４−１，４−２…）と複数本の垂直信号線５（５−１，５−２…）が配置されている。
【００２７】
画素選択のために、行選択回路４０と列選択回路７０が撮像領域３の行方向と列方向に各々隣接配置され、行選択回路４０には行選択線４が接続されている。列選択回路７０と撮像領域３との間には、読み出し回路（カラムアンプ）回路９と列選択トランジスタ６（６−１，６−２…）が配置されている。
【００２８】
各列の垂直信号線５の一端には、画素出力電圧を得るための定電流回路８０として、負荷ＭＯＳトランジスタ８（８−１，８−２…）が接続されている。負荷ＭＯＳトランジスタ８のソースには基板電圧Ｖｓが印加されている。垂直信号線５の他端にはカラムアンプ９が接続され、このカラムアンプ９に列選択回路７０により選択される列選択トランジスタ６が接続されている。カラムアンプ９は、ゲート変調積分回路（ＧＭＩ回路）と呼ばれるものであり、垂直信号線５に現れる検出信号を増幅するための増幅トランジスタ１０，増幅された信号電荷を蓄積するための蓄積容量１２，及び蓄積容量１２の電荷をリセットするためのリセットトランジスタ１４で構成されている。
【００２９】
このような構成において、行選択回路４０により選択された行選択線４には電源電圧Ｖｄが印加され、行選択回路４０により選択されない行選択線にはＶｓが印加される。図１は先頭の行が選択された状態であり、行選択回路４０により行選択線４−１に電源電圧Ｖｄが与えられ、その他の行選択線４−２他には基板電圧Ｖｓが与えられている。
【００３０】
その結果、選択された行の赤外線検出画素１内部のｐｎ接合が順バイアスとなりバイアス電流が流れ、画素内部のｐｎ接合の温度と順バイアス電流とにより動作点が決まり、各列の垂直信号線５に画素信号出力電圧が発生する。このとき、行選択回路４０によって選択されない画素１のｐｎ接合は逆バイアスとなる。即ち、画素内部のｐｎ接合は画素選択の機能を持っている。
【００３１】
垂直信号線５に発生する電圧は、極めて低電圧であり、この低電圧の信号電圧がカラムアンプ９により増幅される。行選択が完了すると、垂直信号線電位により変調された積分電圧が各カラムアンプ内部の蓄積容量１２に保持される。信号電流を積分する蓄積時間は、行選択回路４０により行選択線４に印加される行選択パルスにより決定される。そして、列選択回路７０により列選択トランジスタ６を順次選択し、積分電圧が出力端子２４に順次出力される。そして、列選択トランジスタ６による信号電圧の読み出しが完了した後に、リセットトランジスタ１４により蓄積容量１２の電圧をリセットするようになっている。
【００３２】
なお、図１においては、出力端子２４及びそれと接続されている読み出し配線の電位をリセットする構造は省略している。また、出力端子２４の出力は入力インピーダンスが高い回路、例えばソースフォロア回路に入力して読み出すことが一般的であるが、ここでは省略している。
【００３３】
図２は、本実施形態の赤外線イメージセンサにおける赤外線検出画素の平面構造（ａ）と断面構造（ｂ）とを説明するための概略構成図である。熱電変換のためのｐｎ接合を含むセンサ部１０１は、単結晶シリコン支持基板１０６の内部に形成された中空構造１０７の上に形成された、赤外線吸収層１１８，１１９と、熱電変換のために形成されたｐ型Ｓｉ層１１４とｎ型Ｓｉ層１１５とのｐｎ接合部を支持している埋め込みシリコン酸化膜層１０８とから成る。ここで、赤外線吸収層として用いる１１８は例えばシリコン窒化膜、１１９はシリコン酸化膜である。
【００３４】
また、このセンサ部１０１を中空構造１０７上に支持すると共にセンサ部１０１からの電気信号を出力するために支持部１１１が設けられている。そして、画素１のｐｎ接合を形成するｐ型Ｓｉ層１１４とｎ型Ｓｉ層１１５は、支持部１１に形成された支持脚配線１１７を介して行選択線４と垂直信号線５にそれぞれ接続されている。
【００３５】
このように、センサ部１０１及び支持部１１１が中空構造１０７上に設けられることにより、入射赤外線によるセンサ部１０１の温度の変調を効率良く行う構造になっている。なお、図２では、画素１が単一のｐｎ接合により構成されているが、必要に応じて複数個のｐｎ接合を直列接続することが可能であり、電圧読み出し型の場合に高感度化に有効であることが知られている。
【００３６】
図３は、本発明の一実施形態に係わる赤外線撮像装置の構成を説明するためのブロック図である。
【００３７】
本装置は、図１及び図２に示した赤外線イメージセンサ２００の出力をフレーム単位で蓄積するフレームメモリ（第１フレームメモリ）２０１と、赤外線イメージセンサ２００の出力と第１フレームメモリ２０１のデータを比較する比較器２０３と、比較器２０３による比較結果に応じて出力用フレームデータを格納する出力用フレームメモリ（第２フレームメモリ）２０５と、赤外線イメージセンサ２００への赤外線の入射を遮断するシャッター２０７と、シャッター２０７を開閉駆動するシャッター制御部２０９とを備えている。
【００３８】
第１フレームメモリ２０１は、赤外線イメージセンサ２００において１フレーム期間毎に得られる画像データであるフレームデータを順次記憶すると共に、各フレームデータを少なくとも１フレーム期間保持するものである。具体的には、例えば赤外線イメージセンサ２００のｍ×ｎ画素に対応するメモリを２組備え、一方に書き込みするときに他方を読み出しするように構成し、フレーム単位で書き込みと読み出しを切り換えるようにすればよい。また、データの書き込みと読み出しを工夫すれば、１組のメモリで構成することも可能である。
【００３９】
比較器２０３は、赤外線イメージセンサ２００で得られる現在のフレームデータである現フレームデータと、第１フレームメモリ２０１に記憶された１フレーム前のデータである前フレームデータとを画素単位で比較し、比較結果に応じて現フレームデータと前フレームデータを選択するものである。具体的には、基準信号Ｓｏを入力するための基準信号入力端子２０４が比較器２０３に設けられており、比較器２０３は現フレームデータと前フレームデータの差分が基準信号Ｓｏよりも大きい場合は現フレームデータを出力し、小さい場合は前フレームデータを出力するようになっている。
【００４０】
第２フレームメモリ２０５は、赤外線イメージセンサ２００のｍ×ｎ画素に対応するメモリを有する出力用フレームメモリであり、比較器２０３による比較結果に応じてデータが書き換えられる。具体的には、現フレームデータと前フレームデータの差分が基準信号Ｓｏよりも大きい場合はデータが書き換えられ、小さい場合はデータが保持される。そして、この第２フレームメモリに記憶されたデータが赤外線検出画像信号として出力されるようになっている。
【００４１】
シャッター２０７は、赤外線イメージセンサ２００への赤外線の入射を必要に応じて遮断するものであり、シャッター制御部２０９によって駆動される。また、シャッター制御部２０９は、シャッター２０７を閉じたときに、第２フレームメモリ２０５のデータを初期化する初期化回路の機能を有するものとなっている。ここで、初期化データは、シャッター２０７を閉じたときの赤外線イメージセンサ２００の出力画像、つまりシャッター２０７からの赤外線輻射に相当する信号レベルである。
【００４２】
このような構成において、赤外線イメージセンサ２００の出力は、第１フレームメモリ２０１と比較器２０３に入力される。第１フレームメモリ２０１には、赤外線イメージセンサ２００から出力されるフレームデータが少なくとも１フレーム期間蓄積される。
【００４３】
比較器２０３では、赤外線イメージセンサ２００から入力される現在のフレームデータＳｉｊ（ｔ） と、第１フレームメモリ２０１から入力される前フレームのフレームデータＳｉｊ（ｔ−１） との差が求められる。そして、この差が基準信号Ｓｏよりも小さいときには、出力用の第２フレームメモリ２０５の出力用フレームデータＯｉｊ（ｔ） を書き換えないで、前フレームの出力用フレームデータＯｉｊ（ｔ−１） を継続して保持する。つまり、１／ｆ雑音のように１フレーム期間における変化量の少ない画素に対しては、この画素のデータは書き換えないで前のデータを保持することになる。
【００４４】
逆に、赤外線イメージセンサ２００から入力される現在のフレームデータＳｉｊ（ｔ） と、第１フレームメモリ２０１から入力される前フレームのフレームデータＳｉｊ（ｔ−１） との差が基準信号Ｓｏよりも大きいときには、出力用の第２フレームメモリ２０５の出力用フレームデータＯｉｊ（ｔ） を現在のフレームデータＳｉｊ（ｔ） に書き換える。つまり、動きのある被写体の場合のように、１フレーム期間における変化量の多い画素に対しては、この画素のデータを書き換えて現在のデータに更新することになる。
【００４５】
即ち、１フレーム期間が経過した時点でのフレームデータの変化量が、任意に設定可能な基準信号Ｓｏと比較して小さい場合には、これを雑音と判断して変化を無視して前フレームのデータを継続保持し、第２フレームメモリ２０５から出力し、逆に大きい場合には有意な変化と判断して新しいデータに書き換え、新たなデータを第２フレームメモリ２０５から出力する。
【００４６】
これは、除去する対象となる雑音として画素内部で発生する１／ｆ雑音を想定し、その１／ｆ雑音がフレーム間で強い相関を持つことに注目し、これを除去するという方法である。従って、赤外線イメージセンサ２００の種類や特性に応じて、基準信号Ｓｏの値を任意に設定し、最適化することになる。
【００４７】
ここで、基準信号Ｓｏが大きすぎると被写体の実際の変化を雑音として処理してしまうし、逆に小さすぎると１／ｆ雑音の除去効果が低くなってしまう。このため、基準信号はＳｏは、赤外線イメージセンサ２００の画素において発生する画素固有の１／ｆ雑音に相当するレベルに設定するのが望ましい。また、出力用の第２フレームメモリ２０５内部のフレームデータＯｉｊ（ｔ）の初期化も重要である。
【００４８】
そこで、図３に示したように、赤外線イメージセンサ２００への赤外線入射を遮断するシャッター２０７とそれを制御するシャッター制御部２０９を設け、制御部２０９がシャッター２０７を閉にして赤外線イメージセンサ２００への赤外線入射が無い状態を作り、そのときを暗時レベルとして出力用の第２フレームメモリ２０５に初期フレームデータＯｉｊ（０） を書き込む。
【００４９】
このとき、初期フレームデータＯｉｊ（０） は、ゼロではなく任意の値を設定できるようにすることが望ましい。それは、可視光のイメージセンサにおける暗時レベルとは異なり、赤外線撮像装置においてシャッター２０７を閉じた状態というのは、ゼロレベルではなく、シャッター２０７からのカメラ温度の赤外線輻射が存在するためである。
【００５０】
従って、初期フレームデータＯｉｊ（０） をゼロにしてしまうと、上記のシャッター２０７からの赤外線輻射よりも低い赤外線入力、例えば低温の物体や、輻射率の低い物体を撮像した場合に、そのデータはゼロレベル以下になり出力されなくなってしまう。このようなことから、初期フレームデータＯｉｊ（０） は、ゼロレベルではない任意の値であることが望ましい。具体的には、初期フレームデータＯｉｊ（０） として、シャッター２０７が閉動作されたときの該シャッター２０７からの赤外線輻射に相当する信号レベルとすればよい。
【００５１】
また、この初期化動作は、赤外線撮像装置の起動時だけでなく、任意の間隔で定期的にリフレッシュ動作として実施することも可能であり、より好ましいといえる。それは、１／ｆ雑音の低周波成分と類似の被写体があった場合に、実際の赤外線データを雑音と誤認して除去してしまうことを防止するためである。
【００５２】
例えば、静止した状態の被写体が、その温度を緩やかに変化させている場合は、その撮像データは画素起因の１／ｆ雑音の低周波成分と同様に、フレーム間で強い相関を持ちながら緩やかに変化する撮像データを得ることになる。従って、このような被写体からの撮像データを１／ｆ雑音と分離するために、定期的な初期化を行うことがより好ましい。
【００５３】
この定期的な初期化動作の間隔は、赤外線撮像装置が撮像している被写体の種類により適当に設定することができる。即ち、被写体と赤外線撮像装置との相対的な位置関係の変化及び被写体の温度変化が緩やかな場合には、比較的短い間隔での初期化動作を行うことが好ましい。逆に、被写体と赤外線撮像装置との相対的な位置関係の変化および被写体の温度変化が急速な場合には、撮像データを１／ｆ雑音と誤認する可能性が低いので、比較的長い間隔での初期化動作でよいことになる。
【００５４】
このように本実施形態によれば、赤外線イメージセンサ２００からのフレームデータを少なくとも１フレーム期間保持する第１フレームメモリ２０１と出力用の第２フレームメモリ２０５を設け、比較器２０３により現フレームデータＳｉｊ（ｔ） と前フレームデータＳｉｊ（ｔ−１） との差分を、任意に設定可能な基準電圧Ｓｏと比較し、その差分が基準電圧よりも小さければフレームデータの変化を雑音として認識し、前フレームにおける出力データを保持している第２フレームメモリ２０５のフレームデータをそのまま出力する。また、その差分が基準電圧Ｓｏよりも大きければフレームデータの変化が雑音ではないと認識して、現フレームデータを第２フレームメモリ２０５に書き込み出力する。
【００５５】
従って、フレーム相関の強い画素部の１／ｆ雑音の低周波成分を効果的に除去することができる。即ち、１／ｆ雑音を効果的に低減することができ、低雑音・高感度化をはかることができる。また、赤外線イメージセンサ自体には何ら変更を要することなく、出力側に２つのフレームメモリと比較器を設けるのみの比較的簡易な構成で実現することができる利点もある。
【００５６】
（変形例）
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。赤外線イメージセンサの画素構成は、実施形態に示したもの以外にｍ×ｎの各種の画素構成に適用できる。赤外線検出画素は図２の構造に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。具体的には、半導体基板上に入射赤外線を吸収し熱に変換するための赤外線吸収手段と、赤外線吸収手段で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段と、熱電変換手段からの画素出力信号を読み出す画素を選択する画素選択手段と、画素選択手段により選択された赤外線検出画素からの画素出力信号を出力するための出力手段とを有するものであればよい。また、赤外線を直接電気信号に変換できる素子を使用することも可能である。
【００５７】
熱電変換手段として定電流源により順バイアスしたｐｎ接合を用いたが、定電圧バイアスしたｐｎ接合からの電流を読み出す場合にも同様に適用することができる。さらに、熱電変換手段として、抵抗体における抵抗値の温度変化を利用した、いわゆるボロメータを用いた場合にも適用可能である。
【００５８】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、非冷却型の赤外線イメージセンサを用いた赤外線撮像装置において、赤外線イメージセンサから読み出されている現フレームデータと第１フレームメモリに保持された前フレームデータとを、フレーム期間毎に画素単位で比較し、その比較結果に応じて第２フレームデータの内容を書き換える構成とすることにより、１／ｆ雑音の低減を効果的に低減することができ、低雑音・高感度化をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる赤外線撮像装置に使用した非冷却型赤外線イメージセンサを示す回路構成図。
【図２】図１の非冷却型赤外線イメージセンサの画素部構成を示す平面図と断面図。
【図３】本発明の一実施例に係わる赤外線撮像装置の全体構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…赤外線検出画素
３…撮像領域
４…水平選択線
５…垂直信号線
６…列選択トランジスタ
８…負荷ＭＯＳトランジスタ
９…カラムアンプ
１０…増幅トランジスタ
１２…蓄積容量
１４…リセットトランジスタ
２４…センサ出力端子
４０…行選択回路
７０…列選択回路
８０…定電流回路
１０１…センサ部
１０６…単結晶シリコン支持基板
１０７…中空構造
１０８…埋め込みシリコン酸化膜層
１１１…支持脚
１１４…ｐ型Ｓｉ層
１１５…ｎ型Ｓｉ層
１１７…支持脚配線
１１８…シリコン窒化膜
１１９…シリコン酸化膜
２００…赤外線イメージセンサ
２０１…第１フレームメモリ
２０３…比較器
２０４…基準信号入力端子
２０５…第２フレームメモリ
２０７…シャッター
２０９…シャッター制御部（初期化回路）
【発明の属する技術分野】
本発明は、非冷却型の赤外線イメージセンサを用いた赤外線撮像装置に係わり、特に雑音低減化回路の改良をはかった赤外線撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線を利用した撮像装置は、昼夜に拘わらず撮像可能であると共に、可視光よりも煙や霧に対して透過性が高いという特長を有し、さらに被写体の温度情報をも得られるという特長を有する。このため、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
【０００３】
従来の主流素子である量子型赤外線固体撮像素子の最大の欠点は低温動作のための冷却機構を必要とすることであるが、近年このような冷却機構を必要としない非冷却型赤外線固体撮像素子の開発が盛んになってきている。非冷却型、即ち熱型の赤外線固体撮像素子においては、波長１０μｍ程度の入射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化を何らかの熱電変換手段により電気的信号に変換し、この電気的信号を読み出すことで赤外線画像情報を得ている。
【０００４】
非冷却型の赤外線固体撮像素子としては、一定の順方向電流により温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合をＳＯＩ領域に形成したものが報告されている（非特許文献１）。ＳＯＩ基板を用いたシリコンｐｎ接合型の素子は、シリコンＬＳＩ製造工程のみによる製造が可能であるという特長があり、従って量産性に優れた素子である。また、シリコンｐｎ接合型素子には、熱電変換手段であるｐｎ接合が整流特性を利用した画素選択機能を有していることから、画素の内部構造を単純化できるという特長もある。
【０００５】
ところで、非冷却型の赤外線固体撮像素子における画素部の温度変化は、赤外線吸収層の吸収率や光学系にもよるが、一般的には被写体の温度変化の５×１０−３倍程度であり、被写体温度が１［Ｋ］変化すれば画素温度は５［ｍＫ］変化する。シリコンｐｎ接合を８個直列接続した場合の、熱電変換効率は１０［ｍＶ／Ｋ］程度であるので、被写体温度が１［Ｋ］変化した場合には画素部に５０［μＶ］の信号電圧が発生する。実際には、被写体の温度変化として０．１［Ｋ］程度を識別することが要求されることが多いので、その場合に発生する５［μＶ］程度の信号電圧を読み出すことが必要となる。従って、この微弱な電気信号を認識するために、画素部の雑音電圧は上記の５［μＶ］程度に抑圧することが必要である。
【０００６】
このような非常に微弱な信号電圧を読み出す方法として、画素部で発生した信号電圧を増幅トランジスタのゲート電圧として電流増幅し、増幅された信号電流を蓄積容量で時間積分するという回路構成が知られている。この回路構成は、ゲート変調積分回路と呼ばれる回路であり、この回路構成を各列毎に配置して１行分の電流増幅を並列処理することで、信号帯域を制限しランダム雑音を低減できるという効果がある。
【０００７】
しかしながら、この種の赤外線固体撮像素子（赤外線イメージセンサ）においては、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサといった可視イメージセンサと異なる、赤外線撮像装置に固有であり除去することが困難な雑音がある。それは、画素部の温度情報を読み出すために必要不可欠なバイアス電流に起因する１／ｆ雑音の低周波成分である。ＣＣＤやＣＭＯＳセンサといった可視イメージセンサにおいては、信号成分を含む出力と信号成分を含まない出力（暗時出力）との差分処理を行うことで１／ｆ雑音の低周波成分を除去している。即ち、ＣＣＤにおいては出力アンプで発生する１／ｆ雑音を相関二重サンプリング法により除去することが一般的であり、ＣＭＯＳセンサにおいても画素部の増幅トランジスタで発生する１／ｆ雑音をカラム毎に除去することが一般的である。
【０００８】
ところが、バイアス電流を流して信号を読み出す方式の赤外線撮像装置においては、暗時出力に相当するものがなく、バイアス電流を流すことにより発生する１／ｆ雑音を除去することができなかった。１／ｆ雑音の周波数分布はその名のとおり１／ｆに比例するために、特にその低周波成分の強度が高く、問題となっていた。また、フレーム相関の弱いランダム雑音を除去するために、複数のフレームデータを加算する方法が知られているが、低周波成分の強度が強い１／ｆ雑音の場合は、フレーム相関が強いために複数のフレームデータを加算することで除去することはできなかった。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ， ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６９８， ｐ．５５６，１９９９
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の非冷却型の赤外線イメージセンサを用いた赤外線撮像装置においては、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサといった可視イメージセンサとは異なり、バイアス電流を流すことにより発生する１／ｆ雑音の影響を低減することが困難であった。
【００１１】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、１／ｆ雑音を効果的に低減することができ、低雑音・高感度化をはかり得る非冷却型の赤外線撮像装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１３】
即ち本発明は、半導体基板上に、電流を流して信号を読み出すタイプの赤外線検出画素が二次元的に配列された赤外線イメージセンサを用いた赤外線撮像装置において、前記赤外線イメージセンサから出力されたフレームデータを少なくとも１フレーム期間保持するための第１フレームメモリと、フレーム期間毎に、前記赤外線イメージセンサから読み出されている現フレームデータと第１フレームメモリに保持された直前フレーム期間における前フレームデータとを画素単位で比較する比較器と、この比較器による比較結果に応じた出力用フレームデータを保持するための第２フレームメモリと、前記比較器に対して所定の基準電圧を設定するための基準電圧設定手段と、前記赤外線イメージセンサへの入射赤外線を遮断するシャッター機構と、このシャッター機構によりシャッターが閉じられた際に第２フレームメモリ内部の出力用フレームデータを所望の初期データ値に設定する初期化手段とを具備してなり、前記比較器は、画素毎のデータに対して、現フレームデータと前フレームデータとの差分と前記基準電圧とを比較し、前記差分が前記基準電圧より大きい場合には第２フレームメモリ内部の画素データを現フレームデータの画素データに書き換え、前記差分が前記基準電圧より小さい場合には第２フレームメモリ内部の画素データを保持させることを特徴とする。
【００１４】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。
【００１５】
（１） 赤外線検出画素は、入射赤外線光を吸収して熱に変換する赤外線吸収構造部と、この赤外線吸収構造部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを有していると。
【００１６】
（２） 熱電変換素子は、熱による温度変化を抵抗体の抵抗変化として検出するボロメータであること。
【００１７】
（３） 熱伝変換素子は、熱による温度変化を順方向電流若しくは電圧の変化として検出するｐｎ接合ダイオードであること。
【００１８】
（４） シャッター機構は任意の間隔でシャッターを閉動作するものであること。
【００１９】
（５） 初期化手段は、第２フレームメモリに任意の初期値を書き込むものであること。
【００２０】
（６） 初期値は、シャッターが閉動作されたときの該シャッターからの赤外線輻射に相当する信号レベルであること。
【００２１】
（７） 基準電圧は、赤外線イメージセンサの画素において発生する画素固有の１／ｆ雑音に相当するレベルであること。
【００２２】
（作用）
本発明によれば、赤外線イメージセンサの各画素において独立に発生する１／ｆ雑音がフレーム間で強い相関を持つことに注目して、赤外線イメージセンサからのフレームデータを少なくとも１フレーム期間以上保持する第１フレームメモリを具備し、比較器により現フレームデータと前フレームデータとの差分を、任意に設定可能な基準電圧と比較し、その差分が基準電圧よりも小さければフレームデータの変化を雑音として認識し、前フレームにおける出力データを保持している第２フレームメモリのフレームデータをそのまま出力する。また、その差分が基準電圧よりも大きければフレームデータの変化が雑音ではないと認識して、現フレームデータを第２フレームメモリ内部に書き込み出力する。
【００２３】
その結果、フレーム相関の強い画素部の１／ｆ雑音の低周波成分は除去されるので、高感度な赤外線撮像装置を得ることができる。これにより、１／ｆ雑音を効果的に低減することができ、低雑音・高感度化をはかることが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２５】
（実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係わる赤外線撮像装置に使用した非冷却赤外線イメージセンサの構成を示す回路図である。図では、説明を簡単にするために３行３列の３×３画素構成のみを示しているが、より多数行，多数列のｍ×ｎ画素構成に適用できるのは勿論のことである。
【００２６】
入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１が半導体基板上に２次元的に配置されて撮像領域３を構成している。撮像領域３の内部には、複数本の行選択線４（４−１，４−２…）と複数本の垂直信号線５（５−１，５−２…）が配置されている。
【００２７】
画素選択のために、行選択回路４０と列選択回路７０が撮像領域３の行方向と列方向に各々隣接配置され、行選択回路４０には行選択線４が接続されている。列選択回路７０と撮像領域３との間には、読み出し回路（カラムアンプ）回路９と列選択トランジスタ６（６−１，６−２…）が配置されている。
【００２８】
各列の垂直信号線５の一端には、画素出力電圧を得るための定電流回路８０として、負荷ＭＯＳトランジスタ８（８−１，８−２…）が接続されている。負荷ＭＯＳトランジスタ８のソースには基板電圧Ｖｓが印加されている。垂直信号線５の他端にはカラムアンプ９が接続され、このカラムアンプ９に列選択回路７０により選択される列選択トランジスタ６が接続されている。カラムアンプ９は、ゲート変調積分回路（ＧＭＩ回路）と呼ばれるものであり、垂直信号線５に現れる検出信号を増幅するための増幅トランジスタ１０，増幅された信号電荷を蓄積するための蓄積容量１２，及び蓄積容量１２の電荷をリセットするためのリセットトランジスタ１４で構成されている。
【００２９】
このような構成において、行選択回路４０により選択された行選択線４には電源電圧Ｖｄが印加され、行選択回路４０により選択されない行選択線にはＶｓが印加される。図１は先頭の行が選択された状態であり、行選択回路４０により行選択線４−１に電源電圧Ｖｄが与えられ、その他の行選択線４−２他には基板電圧Ｖｓが与えられている。
【００３０】
その結果、選択された行の赤外線検出画素１内部のｐｎ接合が順バイアスとなりバイアス電流が流れ、画素内部のｐｎ接合の温度と順バイアス電流とにより動作点が決まり、各列の垂直信号線５に画素信号出力電圧が発生する。このとき、行選択回路４０によって選択されない画素１のｐｎ接合は逆バイアスとなる。即ち、画素内部のｐｎ接合は画素選択の機能を持っている。
【００３１】
垂直信号線５に発生する電圧は、極めて低電圧であり、この低電圧の信号電圧がカラムアンプ９により増幅される。行選択が完了すると、垂直信号線電位により変調された積分電圧が各カラムアンプ内部の蓄積容量１２に保持される。信号電流を積分する蓄積時間は、行選択回路４０により行選択線４に印加される行選択パルスにより決定される。そして、列選択回路７０により列選択トランジスタ６を順次選択し、積分電圧が出力端子２４に順次出力される。そして、列選択トランジスタ６による信号電圧の読み出しが完了した後に、リセットトランジスタ１４により蓄積容量１２の電圧をリセットするようになっている。
【００３２】
なお、図１においては、出力端子２４及びそれと接続されている読み出し配線の電位をリセットする構造は省略している。また、出力端子２４の出力は入力インピーダンスが高い回路、例えばソースフォロア回路に入力して読み出すことが一般的であるが、ここでは省略している。
【００３３】
図２は、本実施形態の赤外線イメージセンサにおける赤外線検出画素の平面構造（ａ）と断面構造（ｂ）とを説明するための概略構成図である。熱電変換のためのｐｎ接合を含むセンサ部１０１は、単結晶シリコン支持基板１０６の内部に形成された中空構造１０７の上に形成された、赤外線吸収層１１８，１１９と、熱電変換のために形成されたｐ型Ｓｉ層１１４とｎ型Ｓｉ層１１５とのｐｎ接合部を支持している埋め込みシリコン酸化膜層１０８とから成る。ここで、赤外線吸収層として用いる１１８は例えばシリコン窒化膜、１１９はシリコン酸化膜である。
【００３４】
また、このセンサ部１０１を中空構造１０７上に支持すると共にセンサ部１０１からの電気信号を出力するために支持部１１１が設けられている。そして、画素１のｐｎ接合を形成するｐ型Ｓｉ層１１４とｎ型Ｓｉ層１１５は、支持部１１に形成された支持脚配線１１７を介して行選択線４と垂直信号線５にそれぞれ接続されている。
【００３５】
このように、センサ部１０１及び支持部１１１が中空構造１０７上に設けられることにより、入射赤外線によるセンサ部１０１の温度の変調を効率良く行う構造になっている。なお、図２では、画素１が単一のｐｎ接合により構成されているが、必要に応じて複数個のｐｎ接合を直列接続することが可能であり、電圧読み出し型の場合に高感度化に有効であることが知られている。
【００３６】
図３は、本発明の一実施形態に係わる赤外線撮像装置の構成を説明するためのブロック図である。
【００３７】
本装置は、図１及び図２に示した赤外線イメージセンサ２００の出力をフレーム単位で蓄積するフレームメモリ（第１フレームメモリ）２０１と、赤外線イメージセンサ２００の出力と第１フレームメモリ２０１のデータを比較する比較器２０３と、比較器２０３による比較結果に応じて出力用フレームデータを格納する出力用フレームメモリ（第２フレームメモリ）２０５と、赤外線イメージセンサ２００への赤外線の入射を遮断するシャッター２０７と、シャッター２０７を開閉駆動するシャッター制御部２０９とを備えている。
【００３８】
第１フレームメモリ２０１は、赤外線イメージセンサ２００において１フレーム期間毎に得られる画像データであるフレームデータを順次記憶すると共に、各フレームデータを少なくとも１フレーム期間保持するものである。具体的には、例えば赤外線イメージセンサ２００のｍ×ｎ画素に対応するメモリを２組備え、一方に書き込みするときに他方を読み出しするように構成し、フレーム単位で書き込みと読み出しを切り換えるようにすればよい。また、データの書き込みと読み出しを工夫すれば、１組のメモリで構成することも可能である。
【００３９】
比較器２０３は、赤外線イメージセンサ２００で得られる現在のフレームデータである現フレームデータと、第１フレームメモリ２０１に記憶された１フレーム前のデータである前フレームデータとを画素単位で比較し、比較結果に応じて現フレームデータと前フレームデータを選択するものである。具体的には、基準信号Ｓｏを入力するための基準信号入力端子２０４が比較器２０３に設けられており、比較器２０３は現フレームデータと前フレームデータの差分が基準信号Ｓｏよりも大きい場合は現フレームデータを出力し、小さい場合は前フレームデータを出力するようになっている。
【００４０】
第２フレームメモリ２０５は、赤外線イメージセンサ２００のｍ×ｎ画素に対応するメモリを有する出力用フレームメモリであり、比較器２０３による比較結果に応じてデータが書き換えられる。具体的には、現フレームデータと前フレームデータの差分が基準信号Ｓｏよりも大きい場合はデータが書き換えられ、小さい場合はデータが保持される。そして、この第２フレームメモリに記憶されたデータが赤外線検出画像信号として出力されるようになっている。
【００４１】
シャッター２０７は、赤外線イメージセンサ２００への赤外線の入射を必要に応じて遮断するものであり、シャッター制御部２０９によって駆動される。また、シャッター制御部２０９は、シャッター２０７を閉じたときに、第２フレームメモリ２０５のデータを初期化する初期化回路の機能を有するものとなっている。ここで、初期化データは、シャッター２０７を閉じたときの赤外線イメージセンサ２００の出力画像、つまりシャッター２０７からの赤外線輻射に相当する信号レベルである。
【００４２】
このような構成において、赤外線イメージセンサ２００の出力は、第１フレームメモリ２０１と比較器２０３に入力される。第１フレームメモリ２０１には、赤外線イメージセンサ２００から出力されるフレームデータが少なくとも１フレーム期間蓄積される。
【００４３】
比較器２０３では、赤外線イメージセンサ２００から入力される現在のフレームデータＳｉｊ（ｔ） と、第１フレームメモリ２０１から入力される前フレームのフレームデータＳｉｊ（ｔ−１） との差が求められる。そして、この差が基準信号Ｓｏよりも小さいときには、出力用の第２フレームメモリ２０５の出力用フレームデータＯｉｊ（ｔ） を書き換えないで、前フレームの出力用フレームデータＯｉｊ（ｔ−１） を継続して保持する。つまり、１／ｆ雑音のように１フレーム期間における変化量の少ない画素に対しては、この画素のデータは書き換えないで前のデータを保持することになる。
【００４４】
逆に、赤外線イメージセンサ２００から入力される現在のフレームデータＳｉｊ（ｔ） と、第１フレームメモリ２０１から入力される前フレームのフレームデータＳｉｊ（ｔ−１） との差が基準信号Ｓｏよりも大きいときには、出力用の第２フレームメモリ２０５の出力用フレームデータＯｉｊ（ｔ） を現在のフレームデータＳｉｊ（ｔ） に書き換える。つまり、動きのある被写体の場合のように、１フレーム期間における変化量の多い画素に対しては、この画素のデータを書き換えて現在のデータに更新することになる。
【００４５】
即ち、１フレーム期間が経過した時点でのフレームデータの変化量が、任意に設定可能な基準信号Ｓｏと比較して小さい場合には、これを雑音と判断して変化を無視して前フレームのデータを継続保持し、第２フレームメモリ２０５から出力し、逆に大きい場合には有意な変化と判断して新しいデータに書き換え、新たなデータを第２フレームメモリ２０５から出力する。
【００４６】
これは、除去する対象となる雑音として画素内部で発生する１／ｆ雑音を想定し、その１／ｆ雑音がフレーム間で強い相関を持つことに注目し、これを除去するという方法である。従って、赤外線イメージセンサ２００の種類や特性に応じて、基準信号Ｓｏの値を任意に設定し、最適化することになる。
【００４７】
ここで、基準信号Ｓｏが大きすぎると被写体の実際の変化を雑音として処理してしまうし、逆に小さすぎると１／ｆ雑音の除去効果が低くなってしまう。このため、基準信号はＳｏは、赤外線イメージセンサ２００の画素において発生する画素固有の１／ｆ雑音に相当するレベルに設定するのが望ましい。また、出力用の第２フレームメモリ２０５内部のフレームデータＯｉｊ（ｔ）の初期化も重要である。
【００４８】
そこで、図３に示したように、赤外線イメージセンサ２００への赤外線入射を遮断するシャッター２０７とそれを制御するシャッター制御部２０９を設け、制御部２０９がシャッター２０７を閉にして赤外線イメージセンサ２００への赤外線入射が無い状態を作り、そのときを暗時レベルとして出力用の第２フレームメモリ２０５に初期フレームデータＯｉｊ（０） を書き込む。
【００４９】
このとき、初期フレームデータＯｉｊ（０） は、ゼロではなく任意の値を設定できるようにすることが望ましい。それは、可視光のイメージセンサにおける暗時レベルとは異なり、赤外線撮像装置においてシャッター２０７を閉じた状態というのは、ゼロレベルではなく、シャッター２０７からのカメラ温度の赤外線輻射が存在するためである。
【００５０】
従って、初期フレームデータＯｉｊ（０） をゼロにしてしまうと、上記のシャッター２０７からの赤外線輻射よりも低い赤外線入力、例えば低温の物体や、輻射率の低い物体を撮像した場合に、そのデータはゼロレベル以下になり出力されなくなってしまう。このようなことから、初期フレームデータＯｉｊ（０） は、ゼロレベルではない任意の値であることが望ましい。具体的には、初期フレームデータＯｉｊ（０） として、シャッター２０７が閉動作されたときの該シャッター２０７からの赤外線輻射に相当する信号レベルとすればよい。
【００５１】
また、この初期化動作は、赤外線撮像装置の起動時だけでなく、任意の間隔で定期的にリフレッシュ動作として実施することも可能であり、より好ましいといえる。それは、１／ｆ雑音の低周波成分と類似の被写体があった場合に、実際の赤外線データを雑音と誤認して除去してしまうことを防止するためである。
【００５２】
例えば、静止した状態の被写体が、その温度を緩やかに変化させている場合は、その撮像データは画素起因の１／ｆ雑音の低周波成分と同様に、フレーム間で強い相関を持ちながら緩やかに変化する撮像データを得ることになる。従って、このような被写体からの撮像データを１／ｆ雑音と分離するために、定期的な初期化を行うことがより好ましい。
【００５３】
この定期的な初期化動作の間隔は、赤外線撮像装置が撮像している被写体の種類により適当に設定することができる。即ち、被写体と赤外線撮像装置との相対的な位置関係の変化及び被写体の温度変化が緩やかな場合には、比較的短い間隔での初期化動作を行うことが好ましい。逆に、被写体と赤外線撮像装置との相対的な位置関係の変化および被写体の温度変化が急速な場合には、撮像データを１／ｆ雑音と誤認する可能性が低いので、比較的長い間隔での初期化動作でよいことになる。
【００５４】
このように本実施形態によれば、赤外線イメージセンサ２００からのフレームデータを少なくとも１フレーム期間保持する第１フレームメモリ２０１と出力用の第２フレームメモリ２０５を設け、比較器２０３により現フレームデータＳｉｊ（ｔ） と前フレームデータＳｉｊ（ｔ−１） との差分を、任意に設定可能な基準電圧Ｓｏと比較し、その差分が基準電圧よりも小さければフレームデータの変化を雑音として認識し、前フレームにおける出力データを保持している第２フレームメモリ２０５のフレームデータをそのまま出力する。また、その差分が基準電圧Ｓｏよりも大きければフレームデータの変化が雑音ではないと認識して、現フレームデータを第２フレームメモリ２０５に書き込み出力する。
【００５５】
従って、フレーム相関の強い画素部の１／ｆ雑音の低周波成分を効果的に除去することができる。即ち、１／ｆ雑音を効果的に低減することができ、低雑音・高感度化をはかることができる。また、赤外線イメージセンサ自体には何ら変更を要することなく、出力側に２つのフレームメモリと比較器を設けるのみの比較的簡易な構成で実現することができる利点もある。
【００５６】
（変形例）
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。赤外線イメージセンサの画素構成は、実施形態に示したもの以外にｍ×ｎの各種の画素構成に適用できる。赤外線検出画素は図２の構造に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。具体的には、半導体基板上に入射赤外線を吸収し熱に変換するための赤外線吸収手段と、赤外線吸収手段で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段と、熱電変換手段からの画素出力信号を読み出す画素を選択する画素選択手段と、画素選択手段により選択された赤外線検出画素からの画素出力信号を出力するための出力手段とを有するものであればよい。また、赤外線を直接電気信号に変換できる素子を使用することも可能である。
【００５７】
熱電変換手段として定電流源により順バイアスしたｐｎ接合を用いたが、定電圧バイアスしたｐｎ接合からの電流を読み出す場合にも同様に適用することができる。さらに、熱電変換手段として、抵抗体における抵抗値の温度変化を利用した、いわゆるボロメータを用いた場合にも適用可能である。
【００５８】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、非冷却型の赤外線イメージセンサを用いた赤外線撮像装置において、赤外線イメージセンサから読み出されている現フレームデータと第１フレームメモリに保持された前フレームデータとを、フレーム期間毎に画素単位で比較し、その比較結果に応じて第２フレームデータの内容を書き換える構成とすることにより、１／ｆ雑音の低減を効果的に低減することができ、低雑音・高感度化をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる赤外線撮像装置に使用した非冷却型赤外線イメージセンサを示す回路構成図。
【図２】図１の非冷却型赤外線イメージセンサの画素部構成を示す平面図と断面図。
【図３】本発明の一実施例に係わる赤外線撮像装置の全体構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…赤外線検出画素
３…撮像領域
４…水平選択線
５…垂直信号線
６…列選択トランジスタ
８…負荷ＭＯＳトランジスタ
９…カラムアンプ
１０…増幅トランジスタ
１２…蓄積容量
１４…リセットトランジスタ
２４…センサ出力端子
４０…行選択回路
７０…列選択回路
８０…定電流回路
１０１…センサ部
１０６…単結晶シリコン支持基板
１０７…中空構造
１０８…埋め込みシリコン酸化膜層
１１１…支持脚
１１４…ｐ型Ｓｉ層
１１５…ｎ型Ｓｉ層
１１７…支持脚配線
１１８…シリコン窒化膜
１１９…シリコン酸化膜
２００…赤外線イメージセンサ
２０１…第１フレームメモリ
２０３…比較器
２０４…基準信号入力端子
２０５…第２フレームメモリ
２０７…シャッター
２０９…シャッター制御部（初期化回路）
Claims (6)
- 半導体基板上に、バイアス電流を流して信号を読み出す方式の赤外線検出画素が二次元的に配列された赤外線イメージセンサと、
この赤外線イメージセンサから出力されたフレームデータを少なくとも１フレーム期間保持するための第１フレームメモリと、
フレーム期間毎に、前記赤外線イメージセンサから読み出されている現フレームデータと第１フレームメモリに保持された直前フレーム期間における前フレームデータとを画素単位で比較する比較器と、
この比較器による比較結果に応じた出力用フレームデータを保持するための第２フレームメモリと、
前記比較器に対して所定の基準電圧を設定するための基準電圧設定手段と、
前記赤外線イメージセンサへの入射赤外線を遮断するシャッター機構と、
このシャッター機構によりシャッターが閉じられた際に第２フレームメモリ内部の出力用フレームデータを所望の初期データ値に設定する初期化手段とを具備してなり、
前記比較器は、画素毎のデータに対して、現フレームデータと前フレームデータとの差分と前記基準電圧とを比較し、前記差分が前記基準電圧より大きい場合には第２フレームメモリ内部の画素データを現フレームデータの画素データに書き換え、前記差分が前記基準電圧より小さい場合には第２フレームメモリ内部の画素データを保持させることを特徴とする赤外線撮像装置。 - 前記赤外線検出画素は、入射赤外線光を吸収して熱に変換する赤外線吸収構造部と、この赤外線吸収構造部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子と、を有することを特徴とする請求項１記載の赤外線撮像装置。
- 前記熱電変換素子は、熱による温度変化を抵抗体の抵抗変化として検出するボロメータ、又は順方向電流若しくは電圧の変化として検出するｐｎ接合ダイオードであることを特徴とする請求項２記載の赤外線撮像装置。
- 前記シャッター機構は任意の間隔で前記シャッターを閉動作するものであり、前記初期化手段は第２フレームメモリに任意の初期値を書き込むものであることを特徴とする請求項１記載の赤外線撮像装置。
- 前記初期値は、前記シャッターが閉動作されたときの該シャッターからの赤外線輻射に相当する信号レベルであることを特徴とする請求項４記載の赤外線撮像装置。
- 前記基準電圧は、前記赤外線イメージセンサの画素において発生する画素固有の１／ｆ雑音に相当するレベルであることを特徴とする請求項１記載の赤外線撮像装置。
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