JP2006060512A - 赤外線撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走査時のスイッチングノイズを低減して精度良く増幅器のオフセット補正し、高精度に所望の画像を撮像することのできる赤外線撮像装置を提供する。
【解決手段】赤外線撮像装置１０１においては、赤外線撮像素子１の各画素に配置される検出素子に対して、その検出素子と電気特性が同じ基準素子を、赤外線撮像素子１の内部（第１の基準素子アレイ１０）および外部（第２の基準素子アレイ６）に配置し、赤外線撮像素子１を走査する第１走査手段と、第２の基準素子アレイ６を走査する第２走査手段とを同期して動作させる。その結果、各出力信号にスイッチングノイズが重畳したとしても、そのノイズの波形は同じものとなり、差動増幅器９おいて差分が検出されることにより、そのノイズはキャンセルされる。したがって、適切なオフセット補正値を検出し、オフセットを適切にキャンセルすることができ、オフセットを適切にキャンセルした高精度な撮像信号を得ることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、熱型赤外線検出素子を用いて所望の画像を撮像する赤外線撮像装置に関し、特に、走査切り換え時に生じるスイッチングノイズを低減し鮮明な画像を得ることができる赤外線撮像装置に関する。

赤外線撮像装置等に用いられる赤外線センサの一例として、熱型赤外線センサが知られている。熱型赤外線センサは、赤外線の持つ熱効果により素子の温度が上昇し、これにより素子の電気的性質が変化することを利用したセンサであり、素子を極低温に冷却する必要がなく常温で使用できるため、使い易く、広く使用されている。熱型赤外線センサは、通常、赤外線により温度上昇される検出素子、リファレンス用の基準素子、オフセット調整回路等を有し、後段にさらに増幅器を配して検出出力を増幅する構成となっている場合が多い。

そのような熱型赤外線センサは、周囲温度などの影響を受け易く測定中に温度変化などの環境変化が起こった時にはオフセットや感度が変化するため、オフセットや感度むらを随時補正することが望ましい。
そこで、そのような熱型赤外線センサを用いた従来の赤外線撮像装置においては、例えば、基準素子の出力を１サイクルごとに測定することにより、動作時に温度変化などの環境変化が起こっても増幅器のオフセットを直ちに補正するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特許３３３９２９１号公報

しかしながら、このような赤外線撮像装置において、サーモパイル（熱電対）等の高出力インピーダンスを持つ検出素子を用いる場合、走査時にその出力信号にスイッチングノイズが重畳する場合がある。そのような場合、検出素子の出力信号を精度良く取り出せなくなり、検出素子と同様の電気特性を有する基準素子の出力信号も正確に測定することが困難となる。そしてその結果、オフセット補正に誤差を生じてしまうという問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、走査時に発生するスイッチングノイズを低減し高精度な基準素子の増幅出力信号が得ることで、赤外線撮像装置の動作時に温度変化が起こっても精度良く増幅器のオフセット補正することができ、これにより高精度に所望の画像を撮像することのできる赤外線撮像装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明に係る赤外線撮像装置は、第１方向および第２方向に２次元に配列し、所定の電気特性と感度を有する検出素子と、前記検出素子と近接して前記第１方向にライン状に配列し、前記検出素子と同様の電気特性を有するが感度を異ならせて赤外線が入射しても信号値が変化しない第１基準素子とからなる赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子と近接して前記第１方向にライン状に配列し、前記検出素子と同様の電気特性を有するが感度を異ならせて赤外線が入射しても信号値が変化しない第２基準素子と、
前記赤外線撮像素子を前記第１方向および前記第２方向に順次走査し、前記検出素子および前記第１基準素子の走査読み出しを行なう第１走査手段と、
前記走査手段の前記第１方向の走査読み出しに同期して前記第２基準素子の走査読み出しを行なう第２走査手段と、
前記第１走査手段の前記第１方向の走査読み出しの出力と前記第２走査手段による走査読み出しの出力との差を検出し、当該差を増幅して出力する差動増幅回路と、
前記差動増幅回路において検出される前記第１基準素子の出力と前記第２基準素子の出力との差に基づいて、前記差動増幅回路のオフセットを設定するオフセット設定手段と
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。

このような構成の赤外線撮像装置においては、赤外線撮像素子の各画素に配置される検出素子に対して、その検出素子と電気特性が同じ基準素子を、赤外線撮像素子の内部（第１基準素子）および外部（第２基準素子）に配置し、赤外線撮像素子の各素子（検出素子および第１基準素子）を走査選択してその出力信号を順次出力する第１走査手段と、第２基準素子の各基準素子を走査選択してその出力信号を順次出力する第２走査手段とが同期して動作するようにしている。そして、差動増幅回路において、それら第１および第２の走査手段により同期して読み出しされた各出力信号の差を検出し、これに基づいて各画素の撮像信号を得るとともに、差動増幅回路のオフセットの補正値を検出している。したがって、各出力信号にスイッチングノイズが重畳したとしても、そのノイズの波形は同じものとなり、差動増幅器において差分が検出されることにより、そのノイズはキャンセルされる。したがって、適切なオフセット補正値を検出することができ、オフセットを適切にキャンセルすることができる。また、オフセットを適切にキャンセルすることにより、高精度な撮像信号を得ることができる。

好適には、前記第１走査手段は、前記赤外線撮像素子を前記第２方向に走査し、前記第１方向の列ごとに前記検出素子又は前記第１基準素子を走査読み出しする第２方向走査手段と、前記第２方向走査手段により走査読み出しされる前記第１方向の列ごとの前記検出素子又は前記第１の基準素子を前記第１方向に走査し、当該第１方向の列ごとに前記検出素子又は前記第１基準素子を走査読み出しする第１方向走査手段とを有し、前記第２走査手段は、前記第１方向走査手段の前記走査読み出しに同期して前記第２基準素子の走査読み出しを行なう。

また好適には、前記第１方向走査手段および前記第２走査手段は、前記第２方向走査手段での走査読み出しが切り替わるのと同時に、前記第１方向の走査読み出しとなる素子の信号を出力しない。

また、本発明に係る他の赤外線撮像素子は、第１方向および第２方向に２次元に配列し、所定の電気特性と感度を有する検出素子を有する赤外線撮像素子と、前記赤外線撮像素子と近接して前記第１方向にライン状に配列し、前記検出素子と同様の電気特性を有するが感度を異ならせて赤外線が入射しても信号値が変化しない基準素子と、前記赤外線撮像素子を前記第１方向および前記第２方向に順次走査し、前記検出素子の走査読み出しを行なう第１走査手段と、前記走査手段の前記第１方向の走査読み出しに同期して前記基準素子の走査読み出しを行なう第２走査手段と、前記第１走査手段により読み出しされる前記検出素子の出力および前記第２走査手段により読み出しされる前記基準素子の出力の差を検出し、前記検出された差に基づく信号を撮像信号として出力する出力回路とを有する。

本発明によれば、走査時に発生するスイッチングノイズを低減し高精度な基準素子の増幅出力信号が得ることで、赤外線撮像装置の動作時に温度変化が起こっても精度良く増幅器のオフセット補正することができ、これにより高精度に所望の画像を撮像することのできる赤外線撮像装置を提供することができる。

本発明の実施形態について図１〜図７を参照して説明する。
まず最初に、本発明の赤外線撮像装置に関わる通常の構成の赤外線撮像装置について図１〜図３を参照して説明する。
図１は、その赤外線撮像装置１００の構成を示す回路図である。
赤外線撮像装置１００は、図１に示すように、赤外線撮像素子部１、カウンタ２、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４、水平方向スキャナ５、処理部６および差動増幅器９を有する。

赤外線撮像素子部１は、図示のごとく、ｎ個×ｎ個の検出素子が画素１１〜ｎｎの各々に対応して２次元に配列して構成される。また、この２次元に配列された各画素の検出素子に近接した位置に、基準の出力信号を出力する基準素子が設けられた１つの画素ｓｌが配置されている。
これら検出素子および基準素子の具体的な構造については、図５および図６を参照して後に詳細に説明するが、検出素子として例えば後述するようなサーモバイル（熱電対）を仮定すると、その等価回路は、図１に示すように抵抗と電圧源の直列回路として表すことができる。またその場合、基準素子の等価回路は、図１に示すように抵抗として表すことができる。

赤外線撮像素子部１においては、垂直方向スキャナの役目をするＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１１〜Ｍｎｎが、各検出素子（検出素子２１１（図５参照））のプラス端子（１１４）に接続されている。また同様に、水平方向スキャナ５には、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１〜Ｍｎが検出素子列ごとに接続されている。なお、全検出素子（２１１）のマイナス端子（１１５）には、基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力される。
基準画素ｓｌに配置される基準素子（基準素子２１２（図６参照））においては、垂直方向スキャナの役目をするＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭｓｌｙが基準素子（２１２）のプラス端子（１１４）に接続され、その先に水平方向スキャナ５のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭｓｌｘが接続されている。この基準素子（２１２）のマイナス端子（１１５）にも、基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力される。

このような構成の赤外線撮像装置１００の動作について図２を参照して説明する。
図２は、図１に示した垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４および水平方向スキャナ５の各出力信号の波形を示すタイムチャートである。
まず、カウンタ２で、入力される基準クロックＣＬＫに基づき、赤外線撮像素子部１の画素数分（検出素子ｎ×ｎ個＋基準素子１個）のアドレスが生成され、垂直方向デコーダ３および水平方向デコーダ４に出力される。

垂直方向デコーダ３および水平方向デコーダ４では、カウンタ２より生成されたアドレスをデコードして、各行ごとの垂直方向選択信号Ｙ１〜ＹｎおよびＹｓｌ、および各列ごとの水平方向選択信号Ｘ１〜ＸｎおよびＸｓｌを生成する。生成された垂直方向選択信号Ｙ１〜ＹｎおよびＹｓｌは、赤外線撮像素子部１および基準画素ｓｌに対する垂直方向スキャナのＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１１〜ＭｎｎおよびＭｓｌｙのゲート端子に各々印加される。また、生成された水平方向選択信号Ｘ１〜ＸｎおよびＸｓｌは、水平方向スキャナ５のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１〜ＭｎおよびＭｓｌｘのゲート端子に各々印加される。
なお、ここでは、図２に示すタイムチャートのように、垂直方向選択信号Ｙ１〜ＹｎおよびＹｓｌ、および水平方向選択信号Ｘ１〜ＸｎおよびＸｓｌが各々Ｈ（ハイ）レベルになると、接続されている各Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチはオンする。

具体的に動作を説明すると、まず、垂直方向選択信号Ｙ１がＨレベルになると、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１１〜Ｍ１ｎがオンし、画素１１〜１ｎの出力信号Ｖ１〜Ｖｎが水平方向スキャナ５に送られる。同時に水平方向選択信号Ｘ１がＨレベルになって、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１がオンし、水平方向スキャナ５の出力信号Ｖｄｔとしては、画素１１の出力信号が出力される。その後、順次水平方向選択信号Ｘ２〜ＸｎがＨレベルとなり、出力信号Ｖｄｔとしては、画素１１の出力信号に続いて画素１２〜１ｎの出力信号が順次出力される。

次に、垂直方向選択信号Ｙ２がＨレベルとなり、これに合わせて前述したのと同様に水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎが順次Ｈレベルとなり、出力信号Ｖｄｔとしては画素２１〜２ｎの出力信号が順次選択される。
このような動作の繰り返しにより、出力信号Ｖｄｔとしては、画素１１〜１ｎ、画素２１〜２ｎ・・・画素ｎ１〜ｎｎの順に、各画素の出力信号が出力される。
最後に垂直方向選択信号Ｙｓｌと水平方向選択信号Ｘｓｌが同時にＨレベルとなり、出力信号Ｖｄｔとしては、基準画素ｓｌの出力信号が選択される。
そして、再び画素１１からの走査が繰り返される。

水平方向スキャナ５から出力される信号Ｖｄｔは、差動増幅器９において一定の基準電圧であるＶｒｅｆ１との間の差が求められる。求められた差分値は、処理部８から入力されるオフセット補正値によりオフセットが補正されて増幅され、撮像結果の出力信号として処理部８のＡＤコンバータ（ＡＤＣ）８ｂに出力される。
処理部８では、差動増幅器９からＡＤＣ８ｂに入力される信号から、赤外線画像化や差動増幅器９のオフセットを除去するために必要なオフセット補正値の算出を行なう。算出したオフセット補正値は、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）８ａより差動増幅器９に出力され（Ｖｒｅｆ２）、差動増幅器９のオフセットの除去に供される。

このような構成の赤外線撮像装置において、垂直方向選択信号Ｙ１〜ＹｎおよびＹｓｌと水平方向選択信号Ｘ１〜ＸｎおよびＸｓｌの立ち上がりと立ち下がり時の動作について、図３を参照して説明する。
図３は、水平方向選択信号Ｘ２の立下り時および水平方向選択信号Ｘ３の立ち上がり時の動作を説明するための図である。
図３に示すように、垂直方向選択信号Ｙ２がＨレベルで垂直方向２行目の画素が選択されており、また、水平方向選択信号Ｘ２が立ち上がっている状態だと仮定する。その状況において、図３に示すように水平方向選択信号Ｘ２が立ち下がり、それと同時に水平方向選択信号Ｘ３が立ち上がると、水平方向２列目のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ２がオフとなり、同時に３列目のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ３がオンになる。

この時、水平方向選択信号Ｘ３の立ち上がりのステップ状変化が、３列目のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ３のゲート−ドレイン間容量Ｃｇｄ３およびゲート−ソース間容量Ｃｇｓ３を介して、立ち上がり方向スイッチングノイズとして出力信号Ｖｄｔに重畳される。
これに加えて、水平方向選択信号Ｘ２の立ち下がりのステップ状変化が、２列目のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ２のゲート−ソース間容量Ｃｇｓ２を介して、立ち下がり方向スイッチングノイズとしてＶｄｔ出力に重畳される。
ゲート−ドレイン間容量Ｃｇｄ２を介したスイッチングノイズが重畳されないのは、２列目のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ２がオフしているので、ドレイン−ソース間がオープン（非導通）となったためである。

この結果、出力信号Ｖｄｔに重畳されるスイッチングノイズは、図３に示すように、立ち上がり方向スイッチングノイズとしては、容量Ｃｇｄ３，Ｃｇｓ３を介したものが、立ち下がり方向スイッチングノイズとしては、容量Ｃｇｓ２を介したものが、それぞれ重畳される。
これら２個のＭＯＳＦＥＴは何れも同一導電型（Ｎ型）で、トランジスタサイズは、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ２とＭ３は同等のものである。さらに、一般的にはＭＯＳＦＥＴのゲート−ドレイン間容量とゲート−ソース間容量が等しいので、２個のＭＯＳＦＥＴのゲート−ドレイン間容量，ゲート−ソース間容量の関係は、次式（１）のようになり、Ｃｇｄ３分の立ち上がりノイズが出力信号Ｖｄｔに重畳される。

数１
Ｃｇｄ３＋Ｃｇｓ３−Ｃｇｓ２ ＝ Ｃｇｄ３ …（１）
但し、Ｃｇｓ３＝Ｃｇｓ２、
立ち上がりを'＋'、立下りを'−'、
とする。

その結果、差動増幅器９には、図３に示すように、立ち上がりノイズの重畳した信号Ｖｄｔと、レベル一定の基準信号であるＶｒｅｆ１が入力されることとなり、差動増幅器９の出力信号Ｖｏｕｔは、信号Ｖｄｔの立ち上がりスイッチングノイズを重畳した信号となる。
処理部８は、基準素子ｓｌが走査されてその出力信号Ｖｓｌが差動増幅器９に入力された時の、差動増幅器９から処理部８に入力される信号Ｖｏｕｔに基づいてオフセット補正値を算出している。そのため、この基準素子ｓｌからの出力信号Ｖｓｌに基づいて差動増幅器に入力される信号Ｖｄｔにスイッチングノイズが重畳している場合には、処理部８に入力される信号Ｖｏｕｔにもスイッチングノイズが重畳しており、正確な基準素子（基準画素ｓｌ）の増幅出力信号を得ることができず、正確なオフセット補正値を算出することができないこととなる。
図１に示したような通常の構成の赤外線撮像装置１００には、このような不利益が発生する可能性がある。

そこで次に、このような問題を解決した本発明に係る赤外線撮像装置について、図４〜図７を参照して説明する。
図４は、その本発明に係る赤外線撮像装置の構成を示す回路図である。
図４に示すように、赤外線撮像装置１０１は、赤外線撮像素子部１、カウンタ２、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４、水平方向スキャナ５、第２の基準画素アレイ６、第２の基準素子アレイスキャナ７、処理部８および差動増幅器９を有する。

ここではまず、赤外線撮像装置１０１および第２の基準画素アレイ６において用いる検出素子および基準素子の構造について説明する。
図５は、その赤外線撮像装置１０１で用いる検出素子２１１の構造を示す図であり、（Ａ）は１つの検出素子２１１の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。

検出素子２１１において、基板１１６は（１００）面を表面とする基板であり、この表面上にＳｉＮの薄膜層１１８が形成されている。薄膜層１１８上には、ポリシリコンなどにより形成されＰ型にドープされたＰ型サーモパイル１１０と、Ｎ型にドープされたＮ型サーモパイル１１１が交互かつ直列に接続されて配置されている。また、この薄膜層１１８には、サーモパイル列間のスペースに、異方性エッチングで基板１１６の一部を除去して熱分離を良くするためのエッチング孔１１９が形成されている。

Ｐ型サーモパイル１１０とＮ型サーモパイル１１１の接続にはＡｌ電極が使用され、中心部が温接点１１３、周辺部が冷接点１１２となっている。温接点１１３を囲む領域は、エッチング孔１１９から異方性エッチングにより（１１１）面１２１を側面とする４角錐状に基板１１６の一部が除去され、熱分離構造に形成されている。また、層間絶縁膜１２０を介して温接点１１３の上部にＡｕ黒膜等による赤外線吸収膜１１７が設けられている。

このような検出素子１２において赤外線吸収膜１１７に赤外線が入射すると、その強度に応じて温接点１１３と冷接点１１２との間に温度差が生じ、結果的に、その温度差に応じた起電力がプラス端子１１４とマイナス端子１１５の間に発生する。これにより、照射される赤外線量に応じた信号が検出される。

図６は、図４に示した本実施形態に係る赤外線撮像装置１０１で用いる基準素子２１２の構造を示す図であり、（Ａ）は１つの基準素子２１２の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。
基準素子２１２も、前述した検出素子２１１と同様に、Ｐ型サーモパイル１１０、Ｎ型サーモパイル１１１、冷接点１１２および温接点１１３を有し、これらが検出素子２１１と同様に配置され、接続されて構成されている。

しかし、基準素子２１２の薄膜層１１８には、検出素子２１１のサーモパイル列間のスペースに形成されていたようなエッチング孔１１９がなく、また、そのエッチング孔１１９により異方性エッチングされて基板１１６の一部に形成されていた４角錐状の除去空孔もない。これにより、基準素子２１２は、温接点１１３と基板１１６との熱分離が行なわれない構造となっている。この結果、基準素子２１２おいては、温接点１１３と冷接点１１２とに温度差が生じないことになり、赤外線が入射してもプラス端子１１４とマイナス端子１１５の間に起電力が発生しなくなる。
このように、基準素子２１２は、検出素子２１１と同様の電気特性を有するが、赤外線が入射してもその強度に応じた信号を出力しない素子として構成される。

図４に戻り、赤外線撮像装置１０１の赤外線撮像素子部１は、ｎ×ｎの画素（画素１１〜ｎｎ）に対応して、前述した検出素子２１１又は基準素子２１２が２次元に配列して構成される。画素１１〜（ｎ−１）ｎには検出素子２１１が配置されて検出画素部を構成しており、また、画素ｎ１〜ｎｎ、すなわちｎ×ｎの画素の内の垂直方向最後のラインだけは、基準素子２１２がライン状に配置され、これが後述する第１の基準画素アレイ１０を構成している。
また、赤外線撮像装置１０１においては、赤外線撮像素子部１に近接するように、ライン状に基準素子２１２を配列して、第２の基準画素アレイ６が構成されている。

前述した赤外線撮像装置１００と同様に、検出素子２１１としてサーモパイル（熱電対）を仮定すると、その等価回路は、図４に示すように抵抗と電圧源の直列回路として表すことができる。またその場合、基準素子２１２の等価回路は、図４に示すように抵抗として表すことができる。

赤外線撮像素子部１においては、垂直方向スキャナの役目をするＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１１〜Ｍｎｎが、検出素子２１１および基準素子２１２の各プラス端子１１４に接続されている。また同様に、水平方向スキャナ５には、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１〜Ｍｎが素子列ごとに接続されている。
なお、赤外線撮像素子部１の全検出素子２１１および基準素子２１２のマイナス端子１１５には、基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力される。

また、第２の基準画素アレイ６においては、水平方向デコーダ４から出力される水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎが、第２の基準素子アレイスキャナ７のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＢ１〜Ｂｎのゲート端子に各々印加される。その結果、第２の基準素子アレイスキャナ７の出力信号Ｖｓｔは、水平方向スキャナ５の出力信号Ｖｄｔと水平方向に同期して出力される。

また、赤外線撮像素子部１の各画素（検出素子２１１と基準素子２１２を含む）と第２の基準素子アレイ６の画素（基準素子２１２を含む）との出力インピーダンスを同等にするため、第２の基準素子アレイ６にはＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＡ１〜Ａｎを配している。このＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＡ１〜Ａｎには、その各ゲート端子に常にＨレベルの信号Ｖｏｎを与えており、常にオン状態とされている。

次に、図４および図７を参照して、本発明に係る赤外線撮像装置１０１の動作について説明する。
図７は、赤外線撮像装置１０１の垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４、水平方向スキャナ５および基準素子アレイスキャナ７の各出力信号の波形を示すタイムチャートである。

まず、カウンタ２で、入力される基準クロックＣＬＫに基づき、赤外線撮像素子部１の画素数分（検出画素部（画素１１〜（ｎ−１）ｎ）の検出素子２１１と第１の基準画素アレイ１０（画素ｎ１〜ｎｎ）の基準素子２１２の総数）のアドレスが生成され、垂直方向デコーダ３および水平方向デコーダ４に出力される。
垂直方向デコーダ３および水平方向デコーダ４では、カウンタ２より生成されたアドレスをデコードして、各行ごとの垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｎ、および各列ごとの水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎを生成する。生成された垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｎは、赤外線撮像素子部１内の垂直方向スキャナのＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１１〜Ｍｎｎのゲート端子に各々印加される。また、生成された水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎは、水平方向スキャナ５のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１〜Ｍｎのゲート端子、および、基準素子アレイスキャナ７のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＢ１〜Ｂｎのゲート端子に各々印加される。
なお、ここでは、図７に示すタイムチャートのように、垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｎおよび水平方向選択信号Ｘ１〜ＸｎがＨ（ハイ）レベルになると、接続されているＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチがオンする。

具体的に動作を説明すると、前述した赤外線撮像装置１００と同様に、まず、垂直方向選択信号Ｙ１がＨレベルになると、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１１〜Ｍ１ｎがオンし、画素１１〜１ｎの出力信号Ｖ１〜Ｖｎが水平方向スキャナ５に送られる。また、同時に水平方向選択信号Ｘ１がＨレベルになって、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１がオンし、水平方向スキャナ５の出力信号Ｖｄｔとしては、画素１１からの信号が出力される。
その後、順次水平方向選択信号Ｘ２〜ＸｎがＨレベルとなることにより、出力信号Ｖｄｔとしては、画素１２〜１ｎの信号が順次出力される。

次に、垂直方向選択信号Ｙ２がＨレベルとなり、これに合わせて水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎが順次Ｈレベルとなることにより、出力信号Ｖｄｔとしては、画素２１〜２ｎの信号が順次出力される。そして、これら動作の繰り返しにより、信号Ｖｄｔとして、画素１１〜１ｎ、画素２１〜２ｎ・・・画素ｎ１〜ｎｎの順に、各画素の出力信号が走査選択される。
なお、この時の信号は、選択信号Ｙ１〜Ｙ（ｎ−１）に対応する出力信号は検出素子２１１からの出力であり、最後の行の選択信号Ｙｎに対応する出力信号は、第１の基準画素アレイ１０の画素（画素ｎ１〜画素ｎｎ）の出力信号である。

一方、第２の基準画素アレイ６の基準画素１〜ｎの出力Ｖｓ１〜Ｖｓｎは、常にオンしているＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＡ１〜Ａｎを介し、第２の基準素子アレイスキャナ７に送られる。
第２の基準素子アレイスキャナ７は、水平方向でコーダ４から入力される水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎにより、水平方向スキャナ５と常に同期して動作する。その結果、第２の基準素子アレイスキャナ７からは、第２の基準画素アレイ６の基準画素１〜ｎの出力信号が、赤外線撮像素子部１の水平方向走査と同期して出力される。

水平方向デコーダ４が水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎを順次切り換えていく際、赤外線撮像素子部１の出力信号Ｖｄｔと第２の基準素子アレイ６の出力信号Ｖｓｔには、図３を参照して前述したようにスイッチングノイズが重畳する。
このスイッチングノイズは、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴの走査選択の動作と検出素子２１１および基準素子２１２の電気的特性により発生するものである。赤外線撮像装置１０１においては、前述したように、検出素子２１１と基準素子２１２は同様な電気特性を有し、さらにこれらの素子は同様なサイズのＮ型ＭＯＳＦＥＴに接続されているので、水平方向スキャナ５を介した赤外線撮像素子部１からの出力Ｖｄｔと第２の基準素子アレイスキャナ７を介した第２の基準素子アレイ６からの出力Ｖｓｔとに重畳するスイッチングノイズ波形は同様な波形となる。

差動増幅器９には、これら赤外線撮像素子部１の出力信号Ｖｄｔと第２の基準素子アレイ６の出力信号Ｖｓｔが入力され、これらの差分が検出され、オフセットがキャンセルされた後に増幅して出力される。したがって、本実施形態の赤外線撮像装置１０１においては、出力信号Ｖｄｔと出力信号Ｖｓｔに重畳するスイッチングノイズの波形が同様であるため、これらのスイッチングノイズは差動増幅器９において相殺される。その結果、差動増幅器９からの出力信号Ｖｏｕｔは、スイッチングノイズの影響を受けていない適切な信号となる。

差動増幅器９のオフセット測定は、処理部８において、赤外線撮像素子部１内にある第１の基準素子アレイ１０と、第２の基準素子アレイ６が走査選択されている時に行なう。この時に得られる信号も、本実施形態の赤外線撮像装置１０１においては、前述したようにスイッチングノイズが相殺されたものとなる。そのため、処理部８は、高精度に基準素子２１２の出力信号を得ることができ、高精度にオフセット測定を行なうことができる。そしてその結果、適切にオフセットをキャンセルすることができる。
また、本実施形態の撮像装置１０１においては、図４に示すように、基準画素を第１の基準画素アレイ１０として赤外線撮像素子部１内に水平方向にライン状に配列した。この結果、基準素子の出力信号のサンプリング回数を増やすことができ、これによっても精度良く差動増幅器９のオフセット測定を行なうことができる。

このように、本実施形態の赤外線撮像装置１０１においては、走査選択時に発生するスイッチングノイズを低減し、高精度の基準素子２１２の出力信号が得ることができる。また、基準素子２１２をライン状に配列したことでサンプリング回数を増やすことができる。そのため、赤外線撮像装置の動作時に温度変化などの環境変化が起こっても、精度良く差動増幅器９のオフセット測定ができ、精度良く差動増幅器９のオフセットを補正することができる。

また、毎フレームにおいて第１の基準素子アレイ１０と第２の基準素子アレイ６の増幅出力が得られるため、赤外線撮像装置の動作時に温度変化などの環境変化が起こった時に、その変化に追従して精度良く差動増幅器９のオフセット補正をすることができる。
また、検出素子２１１の出力信号に含まれるスイッチングノイズが除去できるため、より鮮明な画像を得ることが可能である。

なお、垂直方向の走査選択が行なわれる時は、垂直方向走査信号と水平方向走査信号が同時に切り替わるため、赤外線撮像素子部１の出力Ｖｄｔには、垂直方向走査選択によるスイッチングノイズと水平方向走査選択によるスイッチングノイズが重畳する。しかし、第２の基準素子アレイ６の出力信号Ｖｓｔには、水平方向走査選択によるスイッチングノイズのみ重畳している。そのため、差動増幅器９ではスイッチングノイズが完全に相殺されない。したがって、このような垂直方向の走査選択が行なわれた直後は、読み飛ばすようにして、素子の信号を画像に出力しないのが好適である。
このようにすれば、スイッチングノイズの含まれないより鮮明な画像を得ることができる。

なお、本実施の形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施の形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

図１は、本発明に関係する通常の赤外線撮像装置の構成を示す回路図である。 図２は、図１に示した赤外線撮像装置の垂直方向デコーダ、水平方向デコーダおよび水平方向スキャナの各出力信号の波形を示すタイムチャートである。 図３は、図１に示した赤外線撮像装置において発生するスイッチングノイズを説明するための図である。 図４は、本発明の一実施形態の赤外線撮像装置の構成を示す回路図である。 図５は、図４に示した赤外線撮像装置で用いる検出素子の構造を示す図であり、（Ａ）は検出素子の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。 図６は、図４に示した赤外線撮像装置で用いる基準素子の構造を示す図であり、（Ａ）は基準素子の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。 図７は、図４に示した赤外線撮像装置の垂直方向デコーダ、水平方向デコーダ、水平方向スキャナおよび基準素子アレイスキャナの各出力信号の波形を示すタイムチャートである。

符号の説明

１００，１０１…赤外線撮像装置
１…赤外線撮像素子部
２…カウンタ
３…垂直方向デコーダ
４…水平方向デコーダ
５…水平方向スキャナ
６…第２の基準素子アレイ
７…第２の基準素子アレイスキャナ
８…処理部
８ａ…ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）
８ｂ…ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）
９…差動増幅器
１０…第１の基準素子アレイ
２１１…検出素子
２１２…基準素子
１１０…Ｐ型サーモパイル
１１１…Ｎ型サーモパイル
１１２…冷接点
１１３…温接点
１１４…プラス端子
１１５…マイナス端子
１１６…基板
１１７…赤外線吸収膜
１１８…薄膜層
１１９…エッチング孔
１２０…層間絶縁膜
１２１…（１１１ ）面

Claims (4)

1. 第１方向および第２方向に２次元に配列し、所定の電気特性と感度を有する検出素子と、前記検出素子と近接して前記第１方向にライン状に配列し、前記検出素子と同様の電気特性を有するが感度を異ならせて赤外線が入射しても信号値が変化しない第１基準素子とからなる赤外線撮像素子と、
   前記赤外線撮像素子と近接して前記第１方向にライン状に配列し、前記検出素子と同様の電気特性を有するが感度を異ならせて赤外線が入射しても信号値が変化しない第２基準素子と、
   前記赤外線撮像素子を前記第１方向および前記第２方向に順次走査し、前記検出素子および前記第１基準素子の走査読み出しを行なう第１走査手段と、
   前記走査手段の前記第１方向の走査読み出しに同期して前記第２基準素子の走査読み出しを行なう第２走査手段と、
   前記第１走査手段の前記第１方向の走査読み出しの出力と前記第２走査手段による走査読み出しの出力との差を検出し、当該差を増幅して出力する差動増幅回路と、
   前記差動増幅回路において検出される前記第１基準素子の出力と前記第２基準素子の出力との差に基づいて、前記差動増幅回路のオフセットを設定するオフセット設定手段と
   を有することを特徴とする赤外線撮像装置。
2. 前記第１走査手段は、
   前記赤外線撮像素子を前記第２方向に走査し、前記第１方向の列ごとに前記検出素子又は前記第１基準素子を走査読み出しする第２方向走査手段と、
   前記第２方向走査手段により走査読み出しされる前記第１方向の列ごとの前記検出素子又は前記第１の基準素子を前記第１方向に走査し、当該第１方向の列ごとに前記検出素子又は前記第１基準素子を走査読み出しする第１方向走査手段とを有し、
   前記第２走査手段は、前記第１方向走査手段の前記走査読み出しに同期して前記第２基準素子の走査読み出しを行なうことを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像素子。
3. 前記第１方向走査手段および前記第２走査手段は、前記第２方向走査手段での走査読み出しが切り替わるのと同時に、前記第１方向の走査読み出しとなる素子の信号を出力しないことを特徴とする請求項２に記載の赤外線撮像装置。
4. 第１方向および第２方向に２次元に配列し、所定の電気特性と感度を有する検出素子を有する赤外線撮像素子と、
   前記赤外線撮像素子と近接して前記第１方向にライン状に配列し、前記検出素子と同様の電気特性を有するが感度を異ならせて赤外線が入射しても信号値が変化しない基準素子と、
   前記赤外線撮像素子を前記第１方向および前記第２方向に順次走査し、前記検出素子の走査読み出しを行なう第１走査手段と、
   前記走査手段の前記第１方向の走査読み出しに同期して前記基準素子の走査読み出しを行なう第２走査手段と、
   前記第１走査手段により読み出しされる前記検出素子の出力および前記第２走査手段により読み出しされる前記基準素子の出力の差を検出し、前記検出された差に基づく信号を撮像信号として出力する出力回路と
   を有することを特徴とする赤外線撮像装置。

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