JP2005521034A - 再構成可能検出器アレイ - Google Patents

Abstract

検出器のアレイが、別々の検出器として読まれるように、又は、より大きなグループ、例えば４つのグループ（２×２アレイ）に接続されるように構成される。これにより、相対的に高い鮮明度イメージを構成でき、低解像度イメージのより早い構成をすることができる。これは、エアバッグに対する運転者の位置に関して安全なエアバッグの展開を制御するように自動車内で使用されうる。アレイは、６４×６４アレイの熱検出器であるのが好ましい。

Description

本発明は、再構成可能検出器アレイに関し、特に、熱検出器のｘ、ｙアレイに関し、各検出器はピクセルを構成する。

かかるアレイは、例えば部屋、通路、又は駐車場領域などの関心のある場面の熱イメージを提供するためのイメージングシステムの焦点面に通常は配置される。熱イメージは、追加のイルミネーションなしで自然の放射を使用することができるので、有用であり、特に夜に有用である。熱イメージングは通常、３乃至１４μｍの間の放射バンドで作動する。他の赤外線波長、及び可視光波長アレイは、本発明によって使用されうる。

赤外線のある用途は、フレームレートの変更又はリアルタイムの感度を呼び出すことができる。この例は、事故の際の車両のエアバッグの正確な展開のための頭の位置の検出である。事故に導入する時間は、３次元的に占める頭の位置が重要であり、事故の間、頭の運動を追跡することが重要である。捕捉タスクは、比較的遅いが、頭の境界線が適切に捕捉されることを保証するような高感度が要求される。逆に言えば、事故の間、頭の位置は、正確なエアバッグが正確な時間に発射されるのを保証するように高速に追跡される必要がある。

現在の温度イメージは通常、固定された読み出しレート及びピクセル数を有する。続くフレームのデータの平均は、信号・雑音比を改良する一般的な方法である（イデアシステムでは、レートは加えられたフレームの数の平方根で改良される）。ビジュアルバンドコムコーダにより、隣接するピクセルを加えることができ、高感度で空間的な解像度を交換する。ランダムアクセスはまた、より高速で、焦点面のより小さなサブセットを読み出すことができ得るデバイスにおいて可能である。個々のエレメントを一緒に接続するための他の配置は、GB-2332585A, WO-97/21080-A1, US-5229609に記載されている。

現在入手可能なデバイスでは、隣接するピクセル及びデータの連続するフレームの追加は、焦点面ではなくカメラ処理で達成される。

市場での現在のエアバッグ制御システムは、事故の際の占有を守るための６つのエアバッグ以上を制御するように加速度計を使用する。最適なタイミング及び各バッグの膨張の度合いは、最高の保護を保証するように変化させることができる。加速導入の信頼は、占有の位置を考慮するだけではなく、エラーが生じうる。バッグが人に近すぎる位置で膨らみ、又は、バッグが人に届く前にすぼむ。正しいバッグをふくらませることの失敗はまた、人を傷つける。

可視イメージャは、サンルーフを開けたような熱帯の日光から薄明まで広いダイナミックレンジを要求する。夜間は活性化したイルミネーションシステムを要求する。

熱イメージャは、イメージすることができる人の頭が放射するので、日中又は夜間でも作動する。しかし、占有者に近い車のインテリアパーツ（ヘッドセット、座席の背もたれなど）の明白な温度が占有者の頭の温度と近い又は同じときもある。後者の場合、イメージャの感度は、頭の位置を正確に捕捉するために増大させなければならない。

本発明により、別の時間で各検出器を別々に保持し、要求されるので、種々の別々の検出器を一緒に接続することにより、上記の問題は解決される。

本発明による再構成可能検出器アレイは、
検出器のｘかけるｙアレイを搭載する基板と、を有し、各検出器はピクセルを構成し、
各検出器から独立して電気信号を受信する電極と、
を有し、独立して読まれうる別々の検出器を接続し、効率的なインピーダンスを実質的に変更することなく要求されたより大きなグループ内に接続することを特徴とする。

基板は、各検出器の出力を処理し、効率的なインピーダンスを変更することなく、例えば、４（２×２）、９（３×３）、又は１６（４×４）等の検出器のグループ内にアレイを再構成することができる、電気回路、アンプ、スイッチなどを搭載するのが好ましい。

アレイは、検出器にシーンを差し向けるための光学的手段を含む。

少なくともｘ又はｙの値が、２４乃至９６の範囲である。

例えば、抵抗ボロメータである熱検出器のアレイに関して、電気回路を備えた基板及びアレイは、周囲の環境から検出器を隔離するのが好ましい。

６４×６４ピクセル焦点面は、例えば３０Ｈｚで、標準的なフレームレートで１００ｍＫの感度を提供する。

検出器は小さな抵抗器であり、読取回路は、所定の入力インピーダンスで作動するように最適化される。

焦点面アレイが、パラレルで２つの検出器と、シリアルで２つのペアのパラレルの検出器とを接続することにより３２×３２アレイを作るように４つの検出器のセットを接合することにより再構成するならば、検出器の４倍の抵抗が残り、同様に読み出しアンプに関する限り、ブリッジの熱時間定数は前と同じように維持される。しかしながら、４つの信号が平均されているならば、ノイズは、４の平方根、即ち２だけ減少する。それにより感度は、５０ｍＫに改善される。個々の検出器に対するバイアスパワーが応答の際に損失を回避するように維持される必要があることは了解されるべきである。これはアレイに供給される全てのバイアス電圧を増大させることにより達成されるのが便利である。

また、読み出されるべきノードの数が６４×６４ではなく３２×３２だけであり、更にクロッキングレートが（時間定数が変更されていないときに）同じのを維持しているとき、単一の６４×６４アレイを読み出すように、同じ時に３２×３２の読み出しの４セットを得ることが可能である。

かくして４つの３２×３２イメージが、関連したエレクトロニクスにデジタルで平均され、改善されたノイズパフォーマンスに関して別の１／２を提供する。これにより、２５ｍＫに感度が低下し、オリジナルフレームレートを維持する。焦点面を再構成することにより信号／イメージ処理オーバーヘッドを最小にし、フレームレートを維持することができる。更に、３２×３２アレイは、ヘッド追跡速度を改善することができる、１２０Ｈｚで５０ｍＫパフォーマンスの可能性を有する。

次いでフレームレートが１／４に減少したならば、２倍の更なる改善が得られ、この例では7.5Ｈｚで12.5ｍＫ感度を提供する。これは、エアバッグ位置検出アプリケーションにおいて非常に有用である。

上述の改良は、信号処理エレクトロニクスの慎重な設計に依存し、得られうる裁量の改善を示す。

本発明に適用することができるある検出器アレイを図１及び２に示す。熱イメージングアレイ１は、アンプゲートなどのような回路３が組み立てられるシリコンのベースプレート２を有する。回路３は、図７にリストしたプロセスを実行するコンポーネントを含むのが好ましい。アレイ１は、６４×６４アレイに配置された４０９６の検出器を有する。各検出器４は、各検出器４に電圧を加え、各検出器４から出力を読みとる２つの行電極５，６及び列電極７と関連する。行電極５，６は、行ドライバ８を介して作動し、全ての列電極７は、列ドライバ９を介して作動する。両ドライバは、制御回路１０によって制御され、図示していない外部回路と通信する。

各検出器は、WO/GB00/03243に記載したように作られる。係るデバイスでは、マイクロボロメータ１４は、例えばチタンの層が約１乃至４μｍ、典型的には2.5μｍ、細い脚１７，１８によって基板表面１６から間隔が隔てられたマイクロブリッジ１５のように形成される。典型的には、チタンは、1.5乃至６Ω/sqのレンジでは、3.3Ω/sqのシート抵抗で、0.05乃至0.3μｍのレンジで0.1乃至0.25μｍ厚である。チタン検出器マイクロブリッジ１５は、約λ/4の厚さを備えた酸化シリコンの層１９を下から支える。かかるチタン検出器は、８から１４μｍの間の赤外線放射バンドにおけるそれらを含む波長の変化を検出するように適合することができる。赤外線エネルギは、層１５及び１９の組み合わせにより吸収され、続いて温度変化により、チタンの抵抗を変化させることができる。よって、検出器の抵抗を測定することは、入射放射の大きさの値を提供する。

検出器は、壁２０と、窓又はレンズを形成する蓋２１で大気散乱光コンテナ内に全て収容される。壁２０は、酸化シリコンからできていてよく、窓２１は、ゲルマニウム、シリコン、又はカルコゲニドガラスである。典型的には、内部の圧力は、コンテナが10Paより小さい。

図３は、典型的な従来の読み出し回路を示す。抵抗Ra,Rb...は、アレイのピクセルを示し、それらの抵抗値は温度で変化し、それ故、放射が差し向けられる温度検出器アレイを形成する。

抵抗アレイは、電圧（＋Ｖバイアス）によってバイアスされる。各検出器は、頂部行に対してＳ１をスイッチングさせることにより連続して読み出しをすることができ、要求された調整時間の間Ｓａ，Ｓｂを連続的にスイッチングする。

アレイ抵抗器に対する等しい名目上の値の抵抗Ｒrefをバランスさせるために、＋Ｖバイアスと等しい大きさの負バイアス電圧（―Ｖバイアス）に接続する。例えばＲａであるアレイ抵抗器及びＲrefが同じ温度であれば、電流が集積キャパシタを変化させることはなく、信号はゼロである。しかしながら、異なる抵抗が、選択された時間の間にわたって統合されれば、アレイ抵抗器及びリファレンス抵抗との間に異なる温度が観念的に現れる。

アレイ抵抗器は、それらの温度容量及び温度伝導度の関数である固定された温度時間定数を有する。活動中のアンプは、所定の入力インピーダンス、バンド幅、及びダイナミックレンジについて最適化される。

図４は、各検出器が６４×６４アレイで個々に読み出される仕方、及び３２×３２アレイで読み出されうる４つのグループに一緒に接続される仕方を示す。２つのラインは、各々３つの検出器を備えていることを示す。第１のラインの検出器は、スイッチS4を介して＋Ｖバイアス電極３１に一端が各々接続された抵抗Ｒ_1-1乃至Ｒ_1-64によって示される。抵抗の他端は、スイッチＳ１を介して、リファレンス抵抗Ｒ１の一端と、集積キャパシタアンプ３５とに接続された読み出し電極にスイッチＳ_1-1乃至Ｓ_1-64を介して接続可能である。リファレンス抵抗Ｒ１は、＋Ｖバイアスに対して等しい大きさの負バイアス電圧に接続される。

同様に、検出器の第２のラインは、＋ＶバイアスにスイッチＳ５を介して接続された抵抗Ｒ_2-1乃至Ｒ_2-64を有し、スイッチＳ_2-1乃至Ｓ_2-64及びＳ２介して、集積キャパシタアンプ３４と、リファレンス抵抗Ｒ２に接続される。更に、スイッチＳ３及びＳ５により、以下に示すような接続の異なる組み合わせをすることができる。

比較的高い鮮明度の温度イメージは、窓又はレンズ２１を介してシーンを照射することができる各検出器４によって達成され、各検出器４それぞれを読みとる。この熱放射は、各検出器の温度を変換し、それ故、その抵抗値を変化させる。次いで、第１のラインの各検出器は、Ｓ_1-1乃至Ｓ_1-64を介して統合時間の間、アンプ３５に順次接続される。従って、アンプ３４出力電圧は、各検出器の温度に比例する。同様に、全ての他のラインが読み出される。全ての６４×６４検出器の収集出力は、熱シーンの電気的な画像を詳細が標準的に良好に与える。係る６４×６４アレイの例を図５に示す。

１／４の数のピクセルを効率的に収容するように焦点面アレイを変更するために、４つのアレイ抵抗器は、図４に示したような追加のスイッチＳ３及びＳ５を導入することによりシリアル／パラレル仕様で接続されうる。

Ｓ１及びＳ５が開回路のままで、Ｓ２，Ｓ３及びＳ４が閉じられているならば、アレイは、４つのピクセルレベルスイッチのグループをいったん閉じることにより走査され、即ち、４つの抵抗Ｒ_1-1，Ｒ_1-2，Ｒ_2-1及びＲ_2-2からなる「スーパーピクセル」を読み出すようにＳ_1-1，Ｓ_1-2，Ｓ_2-1及びＳ_2-2を閉じ、結合された抵抗はＲrefと名目上等しく、熱時間定数は変化しない。

この結果は、２倍だけ「スーパーピクセル」のノイズが減少し（４の平方根だけ改善されたノイズ）、４倍のフレームレートの改善（同時のサンプリングレートで読み出すことができるピクセルの数の１／４）をもたらす。

パルスバイアス法を使用したアレイのパフォーマンスを維持するために、各エレメントを介して同様の電流を達成するように２倍のバイアス電圧を増加させる必要がある。これは、十分なダイナミックレンジを有するような行アンプを要求しうる。

S３は、小さいが、「スーパーピクセル」に追加の抵抗を導入し、これは、例えば、＋Ｖバイアスをわずかに増加させ、又は直列にＲrefとマッチングスイッチを導入することにより、バイアス電圧を調整することにより修正され得る。

４つのグループ内に検出器ピクセルを接続した結果は、３２×３２アレイであり、これの一例を図６に示す。図５の６４×６４アレイと比較すると、鮮明度の損失が明確である。より高い鮮明度が頭の位置を突き止める際に有用であるが、より低い鮮明度であるが、例えば、事故の際に素早い計算に使用されるより早い読み出しイメージが有用である。

図８a-dは、グループ内に検出器ピクセルを接続するための別の配置を示す。ピクセルの６４かける６４のライン及び列は、３つの行部分による４つの列だけを示しているが、更に連続的に続く６４の行Ｒ_64-1乃至Ｒ_64-64を備えた検出器抵抗Ｒ_1-1乃至Ｒ_1-64の第１のラインを包含する。バイアス電圧ラインＶバイアスは、スイッチａ₁乃至ａ₆₄を介して抵抗器の各列に接続する。各抵抗器から列出力ラインへの出力は、ｃ_1-1乃至ｃ_64-64でマークされたスイッチを介してなされる。各列からの出力は、スイッチｄ₁乃至ｄ₆₄を介してなされる。スイッチｂ₁乃至ｂ₆₃は、ある列の出力ラインをその隣のバイアスラインに接続する。

最大解像度出力で作動させることは、図８ｂに示したように各抵抗Ｒ個々の効果を減ずる。全てのスイッチａ₁乃至ａ₆₄及びｄ₁乃至ｄ₆₄は閉じられる。各ラインは、全てのラインが読まれるまで、ラインにおける全てのｃスイッチを閉じることにより同時にラインで順次読み出される。

１／４解像度での作動をするために、抵抗器は、それらの結合インピーダンスが、単一の抵抗器のモノとなるように、シリアル及びパラレルアレンジメントの４つのグループに一緒に接続される。これを図８ｃに示し、抵抗Ｒ_1-1，Ｒ_1-2，Ｒ_2-1，及びＲ_2-2は、閉スイッチａ₁，ｂ₁、ｃ_1-1、ｃ_1-2、ｃ_2-1、ｃ_2-2、ｄ₂と一緒に接続され；残りの抵抗は、同様に一緒に接続される。

１／９の解像度で作動させるために、抵抗器は、それらの結合したインピーダンスが、単一の抵抗器のものとなるように、シリアル及びパラレルのアレンジメントで９つのグループに一緒に接続される。これは図８ｄに示され、抵抗Ｒ_1-1乃至Ｒ_1-3、Ｒ_2-1乃至Ｒ_2-3、Ｒ_3-1乃至Ｒ_3-3が閉スイッチａ₁，ｂ₁，ｂ₂、ｃ_1-1乃至ｃ_1-3、ｃ_2-1乃至ｃ_2-3、ｃ_3-1乃至ｃ_3-3、ｄ₃と一緒に接続し、残りの抵抗器が同様に６つのグループに一緒に接続される。

同様な仕方で、抵抗器は４かける４、８かける８、１６かける１６、及び３２かける３２のグループに一緒に接続され、各グループは、単一の抵抗として同じ公称インピーダンスを有する。抵抗器はまた、例えば５かける５、６かける６などのグループに配置することもできるが、この場合は、各ラインにおいて６３個の抵抗器だけが使用される図８ｄの３かける３アレイの場合のように、いくつかのピクセルが使用されない結果を生ずる。

示したような異なる配置では、抵抗器は、一緒に接続された隣接する抵抗とグループ化される。隣接する手郁夫と接続することなくグループを形成することも可能である。例えば、４エレメントグループは、同様の方法で一緒に接続された他の抵抗器と抵抗Ｒ_1-1、Ｒ_1-3、Ｒ_3-1、Ｒ_3-3を一緒に接続することにより形成することができ、アレイを完全に読み出す。かかる配置は、４エレメントの異なるグループに差し込むことができる。例えば、グループは、Ｒ_1-2、Ｒ_1-4、Ｒ_3-2、Ｒ_3-4及び／又はＲ_2-1、Ｒ_2-3、Ｒ_4-1、Ｒ_4-3などによって形成される。

オフ・チップ技術を使用して感度を増大させるために、デジタルイメージ処理が、４ピクセルのグループをディジタル的に平均するように使用することができる。これは、ノイズを1/2に改善するが、フレームレートを増加させない。本発明は、この改善されたノイズ値を（望むならば）より早いフレームレートに加え、又は、1/2の信号・雑音比の更なる改良を得た４フレームのデジタル平均を使用することにより提供する。フレームのオフチップ時間的平均は、効率的な時間定数の増大が、所望しないイメージのシミ（ブラブ）を生成することを意味する。

本発明の技術は、ノイズに関して２倍良好であり、オフチップデジタル技術と比較してフレームレートにおいて４倍増加のオプションを可能にする。これらは、レンズ系のコストを低減させることができ、高速移動事象で必要とされるときに収集される高速情報について非常に有用な利点がある。

検出器と関連する回路のアレイの概略平面図である。 図１の一部の断面図である。 従来のアレイの各検出器への接続を示した概略ブロック図である。 本発明の第１の実施形態による各検出器への再構成可能接続を示す概略ブロック図である。 ６４×６４アレイの検出器でとった自動車の運転手の熱イメージである。 ３２×３２アレイの検出器でとった自動車の運転手の熱イメージである。 検出器アレイの出力を処理する際のステップを示すアルゴリズムである。 本発明の他の実施形態による各検出器への再構成可能接続を示す概略ブロック図である。

Claims (9)

1. ｘかけるｙアレイの検出器（４，１４，１５）を搭載する基板（２）とを有し、各検出器がピクセルを構成し、
   独立して各検出器から電気信号を受信する電極（５，６，７）と、を有する、再構成可能な検出器アレイであって、
   別々に読むために別の検出器を接続し、効果的なインピーダンスを実質的に変更することなく要求されたより大きなグループ内に接続する接続手段（Ｓ，ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を有することを特徴とする、再構成可能な検出器アレイ
2. 検出器が抵抗ボロメータであることを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
3. アレイが、３乃至１４μｍの範囲内の温度検出器感度のアレイであることを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
4. 少なくとも１つのｘ及びｙの値が、２４乃至９６の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
5. 基板が、各検出器の出力を処理し、検出器のグループ内にアレイを再構築する電子回路を搭載することを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
6. 検出器が、２×２構成を与える４つの隣接する検出器のグループに一緒に接続されることを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
7. 検出器が、４×４構成を与える１６の隣接する検出器のグループに一緒に接続されることを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
8. アレイにシーンを差し向けるための手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のアレイ。
9. アレイ及び基板が、周囲の環境から隔離された検出器を備えた単一のモジュールにカプセル化されることを特徴とする請求項１に記載のアレイ。

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