JP2007251481A - 赤外線検出装置、赤外線検出装置のオフセット補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線検出装置の出力信号におけるオフセット成分を補正する。
【解決手段】垂直方向デコーダ３から垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍを出力し、水平方向デコーダ４から水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎを出力して、スイッチＭ１１〜ＭｍｎおよびスイッチＭ１〜Ｍｎを制御することにより、画素１１〜画素ｍｎに設けられた増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａを順次選択する。そして、選択された増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａのいずれかと、黒画素１〜黒画素ｎの増幅トランジスタＭ１ａ〜Ｍｎａのいずれかを接続して差動増幅器を構成し、選択された当該増幅トランジスタから出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射赤外光を電気信号に変換する複数の赤外線検出素子を利用して被写体の温度分布を撮像する赤外線検出装置に関する。

従来、複数の赤外線検出素子を並べて配置することで、被写体の温度分布をリアルタイムに検出する赤外線検出装置が広く知られている。このような赤外線検出装置において、信号出力に混入するノイズを低減する様々な方法が提案されている。たとえば特許文献１には、ライン上に配列したダミー画素を用いて走査スイッチングノイズを低減する赤外線検出装置が開示されている。また特許文献２には、ＭＯＳＦＥＴを使用したときに生じる１／ｆノイズや固定パターンノイズを低減するボロメータ型の赤外線検出装置が開示されている。

特開平７−８７３９９号公報 特開平８−１０５７９４号公報

たとえば熱電対を赤外線検出素子のセンサ部分に使用したサーモパイル型の赤外線検出装置のように、センサ出力信号が微弱な赤外線検出装置では、各素子に増幅器を設け、センサ出力信号を増幅器によって増幅してから出力する必要がある。この増幅器には一般的にトランジスタが用いられ、センサ出力信号からの入力がない時には、オフセット電圧と呼ばれる出力が生じる。各素子の増幅器によってセンサ出力信号を増幅して得られる各素子からの出力信号には、上記のオフセット電圧の分がオフセット成分として含まれているが、特許文献１や２に開示される赤外線検出装置では、この出力信号のオフセット成分を補正することができない。

本発明による赤外線検出装置は、半導体基板上に配列された複数の赤外線検出素子と、赤外線検出素子の各々に対応して設けられており、各赤外線検出素子からその入射赤外線強度に応じて出力される検出信号を増幅して、個体毎の特性差に応じたオフセット成分を含む出力信号をそれぞれ出力する複数の増幅手段と、その複数の増幅手段を順次選択する選択手段と、増幅手段のいずれかと接続されることによって差動増幅器を構成する差動増幅手段とを備える。そして、選択手段により選択された増幅手段と差動増幅手段を接続し、その接続された増幅手段および差動増幅手段によって構成される差動増幅器を用いて、当該増幅手段から出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正する。
または、本発明による赤外線検出装置は、半導体基板上に配列された複数の赤外線検出素子と、赤外線検出素子の各々に対応して設けられており、各赤外線検出素子からその入射赤外線強度に応じて出力される検出信号を増幅して、個体毎の特性差に応じたオフセット成分を含む出力信号をそれぞれ出力する複数の増幅手段と、その複数の増幅手段を順次選択する選択手段と、外部から入力される制御信号の変化に応じて、赤外線検出素子の入出力間を短絡またはその赤外線検出素子を介して接続する短絡手段とを備える。そして、短絡手段により赤外線検出素子の入出力間を短絡したときに選択された増幅手段から出力される出力信号と、短絡手段により赤外線検出素子の入出力間をその赤外線検出素子を介して接続したときに選択された増幅手段から出力される出力信号とに基づいて、選択された増幅手段から出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正する。
本発明による赤外線検出装置のオフセット補正方法は、複数の増幅手段を順次選択し、選択された増幅手段と差動増幅手段を接続し、接続された増幅手段および差動増幅手段によって構成される差動増幅器を用いて、当該増幅手段から出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正する。
または、本発明による赤外線検出装置のオフセット補正方法は、外部から入力される制御信号の変化に応じて、赤外線検出素子の入出力間を短絡またはその赤外線検出素子を介して接続し、複数の増幅手段を順次選択し、赤外線検出素子の入出力間を短絡したときに選択された増幅手段から出力される出力信号と、赤外線検出素子の入出力間をその赤外線検出素子を介して接続したときに選択された増幅手段から出力される出力信号とに基づいて、選択された増幅手段から出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正する。

本発明によれば、赤外線検出装置の出力信号におけるオフセット成分を補正することができる。

−第１の実施の形態−
本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、第１の実施の形態による赤外線検出装置の回路構成図である。図１に示す赤外線検出装置は、赤外線検出素子部１、カウンタ２、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４および黒画素部５を備えている。

赤外線検出素子部１は、縦方向すなわち列方向にｍ個、横方向すなわち行方向にｎ個の画素が半導体基板上に二次元状に配列されている。図１では、縦方向にｐ番目、横方向にｑ番目に位置している画素を、画素ｐｑ（ｐ＝１〜ｍ、ｑ＝１〜ｎ）と表している。各画素にはそれぞれ、入射赤外線の強度に応じた電圧値を検出信号として出力することにより、入射赤外線を電気信号に変換するサーモパイル（熱電対）Ｔ１１ａ〜Ｔｍｎａが備えられている。サーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａは、図１に示すように抵抗と電圧源を直列して基準電圧Ｖｒｅｆを印加した等価回路として表すことができる。このような赤外線検出素子は、サーモパイル型の二次元赤外線検出素子と呼ばれる。

赤外線検出素子部１に用いられるサーモパイル型の赤外線検出素子は、入射赤外光を吸収して熱に変換する受熱部が基板部に対して梁を介して支えられることで中空に置かれ、その梁内にサーモパイルが配線された構造を有している。このような構造はマイクロマシーニング加工によって実現される。このような構造を有する画素１１〜画素ｍｎにおいて、受熱部と基板部の温度差によってそれぞれのサーモパイルに発生する電圧を検出することで、入射赤外光を電気信号に変換する。この時に発生する電圧の大きさは、入射赤外光の強度により異なるが、サーモパイル型の赤外線検出素子ではせいぜい±数十μＶ程度と微小であるため、そのままではノイズに弱く扱いにくい。したがって、各画素による検出信号を増幅して出力する必要が生じる。

赤外線検出素子部１の各画素に設けられたサーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａには、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）を用いた信号増幅用のトランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａのゲート端子がそれぞれ接続されている。この増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａのドレイン端子には電源電圧Ｖｃｃが入力されており、そのソース端子には、同じくＮ型ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチ用のトランジスタＭ１１〜Ｍｍｎのドレイン端子が接続されている。このスイッチＭ１１〜Ｍｍｎのスイッチング動作は、垂直方向デコーダ３からゲート端子に入力される垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍによって制御される。スイッチＭ１１〜Ｍｍｎのソース端子には、画素列ごとにそれぞれ定電流源Ｉ１〜Ｉｎが接続されている。

カウンタ２は、入力されるクロック信号（ＣＬＫ）に基づいて、赤外線検出素子部１の画素数に応じたアドレスカウント信号を垂直方向デコーダ３および水平方向デコーダ４に出力する。垂直方向デコーダ３は、カウンタ２から出力されたアドレスカウント信号に基づいて、垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍを赤外線検出素子部１の各画素に対して出力する。一方水平方向デコーダ４は、カウンタ２から出力されたアドレスカウント信号に基づいて、水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎを黒画素部５の各画素に対して出力する。

黒画素部５は、赤外線検出素子部１の最下行、すなわち画素ｍ１〜画素ｍｎによって構成される行に隣接して設置されており、横方向にｎ個の黒画素を有している。このｎ個の黒画素（黒画素１〜黒画素ｎと表す）は、赤外線検出素子部１の各画素と同様の構造および回路構成を有しているが、赤外線検出素子部１の各画素とは違って入射赤外線の強度に応じた電気信号を出力しない画素である。黒画素１〜黒画素ｎにはそれぞれ、図１に示すように基準電圧Ｖｒｅｆが印加された抵抗Ｒ１ａ〜Ｒｎａと、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いた増幅トランジスタＭ１ａ〜ＭｎａおよびスイッチＭ１〜Ｍｎとが備えられている。これらの各構成は、二次元状に配列された画素１１〜画素ｍｎの列ごとにそれぞれ一対ずつ設けられている。このような黒画素は、標準画素、光学黒画素またはダミー画素などとも呼ばれる。

黒画素部５の黒画素１〜黒画素ｎに設けられた増幅トランジスタＭ１ａ〜Ｍｎａのドレイン端子は、出力電圧Ｖｐに接続される。電源電圧Ｖｃｃと出力電圧Ｖｐの間には、出力抵抗ＲＬが接続されている。スイッチＭ１〜Ｍｎのゲート端子には水平方向デコーダからの水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎがそれぞれ入力され、これによってスイッチＭ１〜Ｍｎのスイッチング動作が制御される。

なお、黒画素部５は、赤外線検出素子部１と同一の半導体チップ内、すなわち同一の半導体基板上に設けられている。図２は、赤外線検出素子部１と黒画素部５のチップフロアプラン図の例を示している。この図では前述のように、赤外線検出素子部１の最下行（画素ｍ１〜画素ｍｎ）に隣接して黒画素部５（黒画素１〜黒画素ｎ）が配設、接続されていることが示されている。このようにして、赤外線検出素子部１の増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａと黒画素部５の増幅トランジスタＭ１ａ〜Ｍｎａを同一の半導体基板上に設けることにより、同一の特性が得られるようにしている。

次に、以上説明した赤外線検出装置の動作について説明する。図３は、図１の赤外線検出装置において出力される信号のタイムチャートを示している。カウンタ２は、入力される基準クロックＣＬＫに基づいて、赤外線検出素子部１の画素数分、すなわちｍ×ｎ個のアドレスをカウントし、アドレスカウント信号として垂直方向デコーダ３および水平方向デコーダ４に出力する。

垂直方向デコーダ３は、カウンタ２からのアドレスカウント信号をデコードし、図３の符号１１に示す垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍを、赤外線検出素子部１の画素１１〜画素ｍｎに設けられたスイッチＭ１１〜Ｍｍｎに対して出力する。また水平方向デコーダ４は、カウンタ２からのアドレスカウント信号をデコードし、図３の符号１２に示す水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎを、黒画素部５の黒画素１〜黒画素ｎに設けられたスイッチＭ１〜Ｍｎに対して出力する。

垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍと水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎは、符号１１および１２に示すようなタイミングで順次Ｈ（ハイ）レベルとなる。始めに、垂直方向選択信号Ｙ１と水平方向選択信号Ｘ１がＨレベルとなる。これにより、画素１１のスイッチＭ１１および黒画素１のスイッチＭ１がオンとなってドレイン−ソース間が導通し、画素１１が走査選択される。このとき、画素１１において検出された入射赤外線の強度に応じた電圧が、画素１１の出力信号として出力電圧Ｖｐに出力される。

次に、垂直方向選択信号Ｙ１がＨレベルとなっている間に水平方向選択信号Ｘ２〜Ｘｎが順次Ｈレベルとなることで、画素１２〜１ｎのスイッチＭ１２〜Ｍ１ｎおよび黒画素１のスイッチＭ１〜Ｍｎがオンとなり、画素１２〜１ｎが順次走査選択される。これにより、画素１２〜１ｎの入射赤外線の強度に応じた電圧が、画素１２〜１ｎの出力信号として出力電圧Ｖｐに順次出力される。その後は、垂直方向選択信号Ｙ２、Ｙ３・・・Ｙｍが順次Ｈレベルとなり、そのそれぞれで水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎが順次Ｈレベルとなることで、画素ｍｎまでが順次走査選択され、各画素の入射赤外線の強度に応じた電圧が出力信号として出力電圧Ｖｐに出力される。

以上説明したようにして、画素１１から画素ｍｎまでを順次走査選択することにより、符合１４に示すような波形の出力電圧Ｖｐが得られる。この出力電圧Ｖｐの値は、走査選択の間隔に合わせたタイミングで、各画素の入射赤外線強度に応じて変動している。なお、符号１３に示すように基準電圧Ｖｒｅｆは常に一定である。画素ｍｎまで走査選択されたら、再び画素１１から走査選択が繰り返される。

次に、各画素が走査選択されたときの回路動作について説明する。図４は、図１の画素１１と黒画素１に着目したときの回路構成を示す図である。図４に示されるように、画素１１の増幅トランジスタＭ１１ａのドレイン端子が電源電圧Ｖｃｃに接続されるとともに、黒画素１の増幅トランジスタＭ１ａのドレイン端子が抵抗ＲＬを介して電源電圧Ｖｃｃに接続される。そして、スイッチＭ１１またはＭ１を介して増幅トランジスタＭ１１ａ、Ｍ１ａの各ソース端子が定電流源Ｉ１に接続されている。また、増幅トランジスタＭ１１ａとＭ１ａのゲート端子には、画素１１のサーモパイルＴ１１ａと黒画素１の抵抗Ｒ１ａがそれぞれ接続されている。なお、サーモパイルＴ１１ａと抵抗Ｒ１ａの他方の端には、それぞれ基準電圧Ｖｒｅｆが印加されている。

図４に示す回路において、画素１１が選択されることによりスイッチＭ１１およびＭ１がオンされると、スイッチＭ１１およびＭ１のソース−ドレイン間が導通する。このとき図４の回路は、スイッチＭ１１およびＭ１を省いた図５の等価回路によって表すことができる。

図５に示す等価回路では、増幅トランジスタＭ１１ａと増幅トランジスタＭ１ａが接続されているため、サーモパイルＴ１１ａの電圧源から入射赤外光の強度に応じて発生した起電圧ΔＶが増幅トランジスタＭ１１ａに印加されると、増幅トランジスタＭ１１ａと増幅トランジスタＭ１ａの間に差電圧ΔＶが発生する。この差電圧ΔＶは基準電圧Ｖｒｅｆに対する変動分を表している。このとき図５の等価回路は、増幅トランジスタＭ１１ａおよびＭ１ａを差動対とする差動増幅器として動作する。その結果、発生した差電圧ΔＶが差動増幅されて出力電圧Ｖｐに出力される。このようにして、画素１１による検出信号が増幅されて出力される。

以上説明したのと同様の回路動作により、他の各画素についても、その画素の増幅トランジスタと黒画素１〜黒画素ｎのいずれかの増幅トランジスタを差動対として構成される差動増幅器により、サーモパイルからの出力が増幅され出力電圧Ｖｐに順次出力される。このように、画素１１〜画素ｍｎの増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａと、黒画素１〜黒画素ｎの増幅トランジスタＭ１ａ〜Ｍｎａのうち、同一の特性を得られるように構成されたいずれか対応するもの同士を接続することにより、差動増幅器を構成し、それを用いて各画素の検出信号を増幅して出力する。こうして同一特性の増幅トランジスタを差動対として構成される差動増幅器を用いて各画素の検出信号を増幅する。

トランジスタのしきい値電圧には一般に個体差があるため、そのしきい値電圧の個体差により、各画素の増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａにおいて個体ごとの特性差が生じる。各画素の検出信号を増幅して得られる出力信号にはオフセット電圧によるオフセット成分が含まれるため、たとえ入射赤外線の強度が同じであっても、上記のような増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａの特性差によってオフセット成分の大きさに差が生じ、各素子からの出力信号は一定とならない。このように、増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａから出力される出力信号をそのまま用いると、個体ごとのオフセット成分の違いによる誤差が生ずる。このような誤差は、オフセット誤差と呼ばれる。

しかし、上記のように同一特性の増幅トランジスタを差動対として構成される差動増幅器を用いると、差動増幅器の動作によってオフセット成分が打ち消され、出力信号の変動分のみが増幅される。このようにして、出力信号のオフセット成分を補正することができる。したがって、オフセット誤差のない正しい出力信号を得ることができる。

以上説明した第１の実施の形態によれば、次の作用効果を奏することができる。
（１）垂直方向デコーダ３から出力される垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍと、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により、スイッチＭ１１〜ＭｍｎおよびスイッチＭ１〜Ｍｎを制御することで、画素１１〜画素ｍｎに設けられた増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａを順次選択する。そして、選択された増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａのいずれかと、黒画素１〜黒画素ｎの増幅トランジスタＭ１ａ〜Ｍｎａのいずれかを接続して差動増幅器を構成する。こうして構成された差動増幅器を用いて、選択された当該増幅トランジスタから出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正することとした。このようにしたので、赤外線検出装置の出力信号におけるオフセット成分を補正することができる。

（２）画素１１〜画素ｍｎの増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａと、黒画素１〜黒画素ｎの増幅トランジスタＭ１ａ〜Ｍｎａは、同一の半導体基板上に設けられることとした。このようにしたので、両増幅トランジスタで同一の特性を得ることができる。したがって、オフセット成分を適切に補正できる差動増幅器を構成することができる。

（３）黒画素１〜黒画素ｎの増幅トランジスタＭ１ａ〜Ｍｎａは、二次元状に配列された画素１１〜画素ｍｎおよび増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａの列ごとにそれぞれ設けられることとした。このようにしたので、差動増幅器を構成するための増幅トランジスタの数を必要最小限とすることができる。

なお以上説明した第１の実施の形態では、二次元状に配列された画素１１〜画素ｍｎの列ごとに、黒画素１〜黒画素ｎの各構成がそれぞれ一対ずつ設けられている例を説明した。しかし、赤外線検出素子部１の縦と横を入れ替えることにより、二次元状に配列された画素１１〜画素ｍｎの行ごとに、黒画素１〜黒画素ｎの各構成をそれぞれ一対ずつ設けることとしてもよい。このようにしても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

−第２の実施の形態−
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は、第２の実施の形態による赤外線検出装置の回路構成図であり、赤外線検出素子部１Ａ、カウンタ２、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４および黒画素部５Ａを備えている。このうちカウンタ２、垂直方向デコーダ３および水平方向デコーダ４は、図１に示す第１の実施の形態による赤外線検出装置と同じものである。以下、第１の実施の形態との相違点を中心に、本実施形態について説明する。

赤外線検出素子部１Ａには、図１の赤外線検出素子部１と同様に画素１１〜画素ｍｎが配置されている。この画素１１〜画素ｍｎには、図１で説明したサーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａ、増幅トランジスタＭ１１ａ〜ＭｍｎａおよびスイッチＭ１１〜Ｍｍｎがそれぞれ設けられている。画素１１〜画素ｍｎにはさらに、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いたサーモパイル短絡用のスイッチＭ１１ｂ〜Ｍｍｎｂが設けられている。この短絡スイッチＭ１１ｂ〜Ｍｍｎｂは、外部から入力される制御信号Ｖｃｈｋの変化に応じてオン状態またはオフ状態のいずれかに切り替えられることより、サーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａの入出力間を短絡またはその赤外線検出素子を介して接続するように動作する。

黒画素部５Ａも、赤外線検出素子部１Ａと同様の構造を有している。すなわち、赤外線検出素子部１Ａの画素ｍ１〜画素ｍｎに隣接して黒画素１〜黒画素ｎが配置され、そのそれぞれにおいて、抵抗Ｒ１ａ〜Ｒｎａ、増幅トランジスタＭ１ａ〜ＭｎａおよびスイッチＭ１〜Ｍｎが設けられている。黒画素１〜黒画素ｎにはさらに、制御信号Ｖｃｈｋが入力されることによってオンし、抵抗Ｒ１ａ〜Ｒｎａを短絡するように動作する短絡スイッチＭ１ｂ〜Ｍｎｂが設けられている。

図７は、以上説明した赤外線検出装置において出力される信号のタイムチャートを示している。図３の場合と同様に、垂直方向デコーダ３は、カウンタ２からのアドレスカウント信号をデコードして符号２１に示す垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍを出力する。また水平方向デコーダ４は、カウンタ２からのアドレスカウント信号をデコードして符号２２に示す水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎを出力する。

垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍと水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎは、符号２１および２２に示すようなタイミングで順次Ｈ（ハイ）レベルとなる。始めに、垂直方向選択信号Ｙ１と水平方向選択信号Ｘ１がＨレベルとなる。これにより、画素１１のスイッチＭ１１および黒画素１のスイッチＭ１がオンとなってドレイン−ソース間が導通し、画素１１が走査選択される。このとき、画素１１において検出された入射赤外線の強度に応じた電圧が、画素１１の出力信号として出力電圧Ｖｐに出力される。

上記のようにして画素１１の出力信号が出力されているときに、符号２３に示すように制御信号ＶｃｈｋがＬレベルからＨレベルに変化すると、短絡スイッチＭ１１ｂがオンしてサーモパイルＴ１１ａの両端が短絡される。このときには、後で説明するような回路動作により、増幅トランジスタＭ１１ａによるオフセット電圧が出力電圧Ｖｐに出力される。制御信号ＶｃｈｋがＬレベルに戻ると、再び画素１１の出力信号が出力電圧Ｖｐに出力される。

次に、垂直方向選択信号Ｙ１がＨレベルとなっている間に水平方向選択信号Ｘ２〜Ｘｎが順次Ｈレベルとなり、そのそれぞれで制御信号ＶｃｈｋがＬレベルからＨレベルに変化する。これにより、画素１２〜１ｎが順次走査選択され、その出力信号が出力電圧Ｖｐに出力されるとともに、画素１２〜１ｎの増幅トランジスタＭ１２ａ〜Ｍ１ｎａによるオフセット電圧が出力電圧Ｖｐに出力される。その後は、垂直方向選択信号Ｙ２、Ｙ３・・・Ｙｍが順次Ｈレベルとなり、そのそれぞれで水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎが順次Ｈレベルとなって制御信号Ｖｃｈｋが変化することで、変化画素ｍｎまでが順次走査選択され、各画素の入射赤外線の強度に応じた電圧と増幅トランジスタのオフセット電圧が出力信号として出力電圧Ｖｐに出力される。

以上説明したようにして、画素１１から画素ｍｎまでを順次走査選択し、その間に制御信号Ｖｃｈｋをそれぞれ変化させることで、符合２５に示すような波形の出力電圧Ｖｐが得られる。この出力電圧Ｖｐの値は、走査選択の間隔に合わせたタイミングで各画素の入射赤外線強度に応じて変動するとともに、制御信号Ｖｃｈｋが変化するタイミングで増幅トランジスタのオフセット電圧に応じて変動している。なお、符号２４に示すように基準電圧Ｖｒｅｆは常に一定である。画素ｍｎまで走査選択されたら、再び画素１１から走査選択が繰り返される。

次に、各画素が走査選択されたときの回路動作について説明する。図８は、図６の画素１１と黒画素１に着目したときの回路構成を示す図である。この回路構成は、画素１１に短絡スイッチＭ１１ｂが設けられ、黒画素１に短絡スイッチＭ１ｂが設けられている点以外は、図４に示す回路構成と同じである。なお、短絡スイッチＭ１１ｂおよびＭ１ｂのゲート端子には制御信号Ｖｃｈｋが入力される。

図８に示す回路において、画素１１が選択されることによりスイッチＭ１１およびＭ１がオンされると、スイッチＭ１１およびＭ１のソース−ドレイン間が導通する。このとき図８の回路は、制御信号ＶｃｈｋがＬレベルである場合、すなわち短絡スイッチＭ１１ｂおよびＭ１ｂがオフであってソース−ドレイン間が導通していない場合には、スイッチＭ１１、Ｍ１および短絡スイッチＭ１１ｂ、Ｍ１ｂを省いた図９の等価回路によって表すことができる。この等価回路は、図５に示した等価回路と同じものである。すなわち前述したような回路動作により、出力電圧Ｖｐには画素１１による検出信号が増幅されて出力される。

また図８の回路は、画素１１が選択されて制御信号ＶｃｈｋがＨレベルである場合、すなわちスイッチＭ１１、Ｍ１および短絡スイッチＭ１１ｂ、Ｍ１ｂがいずれもオンであってソース−ドレイン間が導通している場合には、図１０の等価回路によって表すことができる。この等価回路では、スイッチＭ１１およびＭ１と、両端を短絡されたサーモパイルＴ１１ａおよび抵抗Ｒ１ａとが省略されている。

図１０に示す等価回路では、差動対を形成する増幅トランジスタＭ１１ａおよびＭ１ａには電圧源による差電圧が印加されないため、増幅トランジスタＭ１１ａとＭ１ａの特性が全く同一であれば増幅された電圧は出力されない。しかし、実際は増幅トランジスタＭ１１ａとＭ１ａの特性にばらつきがあるため、そのばらつきに応じたオフセット電圧が出力電圧Ｖｐとして出力される。こうして制御信号ＶｃｈｋがＨレベルのときに検出されるオフセット電圧の分を、制御信号ＶｃｈｋがＬレベルのときの出力信号、すなわちオフセット成分を含む出力信号から減算することで、オフセット成分を取り除いた画素１１による真の出力信号を得ることができる。

以上説明したのと同様の回路動作により、他の各画素についても、その画素の増幅トランジスタと黒画素１〜黒画素ｎのいずれかの増幅トランジスタを差動対として構成される差動増幅器により、増幅された検出信号とオフセット電圧が出力電圧Ｖｐに順次出力される。これを用いて、オフセット成分を取り除いた真の出力信号を各画素について求めることができる。

以上説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態で説明した作用効果に加えて、さらに次の作用効果を奏することができる。
（１）短絡スイッチＭ１１ｂ〜Ｍｍｎｂのスイッチ動作により、サーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａの入出力間を短絡または各サーモパイルを介して接続する。そして、サーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａの入出力間を短絡したときに増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａのうち選択された増幅トランジスタから出力される出力信号と、サーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａの入出力間を各サーモパイルを介して接続したときに当該増幅トランジスタから出力される出力信号とに基づいて、当該増幅トランジスタから出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正する。すなわち、オフセット電圧を表す前者の短絡時の出力信号を、オフセット成分を含む後者の接続時の出力信号から減算することにより、オフセット成分を補正することとした。このようにしたので、オフセット成分を取り除いた真の出力信号を各画素について求めることができる。したがって、赤外線検出装置の出力信号におけるオフセット成分をより正確に補正することができる。

（２）垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍおよび水平方向選択信号Ｘ１〜ＸｎによりスイッチＭ１１〜ＭｍｎおよびスイッチＭ１〜Ｍｎを制御することで、増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａのいずれかを選択する。こうして増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａのいずれかが選択される度に制御信号Ｖｃｈｋを変化させ、各増幅トランジスタの選択期間内で、短絡スイッチＭ１１ｂ〜ＭｍｎｂによりサーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａの入出力間の接続状態を短絡および接続の両状態に切り替えることとした。このようにしたので、各画素を走査選択する度に確実にオフセット誤差を補正することができる。

なお、上記の例では、図７のタイムチャートに示したように、１つの画素を走査選択している間に制御信号ＶｃｈｋがＬレベルとＨレベルの双方の状態を取ることができる。これにより、各増幅トランジスタの選択期間内で、短絡スイッチＭ１１ｂ〜ＭｍｎｂによりサーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａの入出力間の接続状態を短絡および接続の両状態に切り替える例を説明した。しかし、１つの画素を走査選択している間は制御信号Ｖｃｈｋを変化させずに、全画素を走査選択する度に制御信号Ｖｃｈｋを変化させても良い。

図１１は、以上説明したようにして制御信号Ｖｃｈｋを変化させたときに赤外線検出装置において出力される信号のタイムチャートを示している。垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍが符号３１に示すようなタイミングで順次Ｈレベルとなるとき、符合３２に示すように、最初の周期では制御信号ＶｃｈｋがＬレベル一定で変化しない。このとき符号３４に示す出力信号Ｖｐには、各画素の出力信号が順次出力される。しかし次の周期では、制御信号ＶｃｈｋがＨレベルに切り替えられて一定となる。このとき符号３４に示す出力信号Ｖｐには、各画素のオフセット信号が順次出力される。こうして得られたオフセット電圧を出力信号から減ずることで、オフセット電圧の分を取り除いた真の出力信号が各画素について得られる。なお図１１において、水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎは省略している。また符合３３に示すように基準電圧Ｖｒｅｆは常に一定である。

以上説明したようにすることで、増幅トランジスタＭ１１ａ〜Ｍｍｎａの全てが選択される度に制御信号Ｖｃｈｋを変化させ、各増幅トランジスタの選択期間内で、短絡スイッチＭ１１ｂ〜ＭｍｎｂによりサーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａの入出力間の接続状態を短絡または接続のいずれか一状態とすることができる。このようにすれば、各画素を走査選択する間隔を短くしても、確実にオフセット成分を補正することができる。

また、通常時は制御信号ＶｃｈｋをＬレベル一定としておき、特定の条件が満たされたときにのみ制御信号ＶｃｈｋをＨレベルに変化させてもよい。たとえば、赤外線検出装置が置かれている温度環境を調べるために周囲温度を測定し、測定された周囲温度が所定値以上変動した時に、制御信号ＶｃｈｋをＨレベルに変化してオフセット電圧を検出するようにすることができる。このように周囲温度に基づいて制御信号Ｖｃｈｋの変化を許可または禁止することとすれば、オフセット電圧の温度特性に応じて適宜オフセット成分を補正することができる。その結果、オフセット成分の補正を適切なタイミングで効率良く行うことができる。

−第３の実施の形態−
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図１２は、第３の実施の形態による赤外線検出装置の回路構成図であり、赤外線検出素子部１Ｂ、カウンタ２、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６を備えている。このうちカウンタ２、垂直方向デコーダ３および水平方向デコーダ４は、図１に示す第１の実施の形態による赤外線検出装置および図６に示す第２の実施の形態による赤外線検出装置と同じものである。以下、第１および第２の実施の形態との相違点を中心に、本実施形態について説明する。

赤外線検出素子部１Ｂには、図６の赤外線検出素子部１Ａと同様に画素１１〜画素ｍｎが配置されており、画素１１〜画素ｍｎにはそれぞれ、サーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａ、スイッチＭ１１〜Ｍｍｎおよびサーモパイル短絡用のスイッチＭ１１ｂ〜Ｍｍｎｂが設けられている。画素１１〜画素ｍｎにはさらに、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いた増幅トランジスタＭ１１ｃ〜Ｍｍｎｃおよび抵抗Ｒ１１〜Ｒｍｎが設けられている。

増幅トランジスタＭ１１ｃ〜Ｍｍｎｃはそれぞれ、ゲート端子にサーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａおよび短絡スイッチＭ１１ｂ〜Ｍｍｎｂ、ドレイン端子に抵抗Ｒ１１〜Ｒｍｎが接続されており、ソース端子はグランドに接続されて接地されている。抵抗Ｒ１１〜Ｒｍｎはいずれも電源電圧Ｖｃｃに接続されている。スイッチＭ１１〜Ｍｍｎと増幅トランジスタＭ１１ｃ〜Ｍｍｎｃのドレイン端子は、対応するもの同士が互いにそれぞれ接続されている。

水平方向スキャナ６はＮ型ＭＯＳＦＥＴによるスイッチＭ１〜Ｍｎによって構成されている。スイッチＭ１〜Ｍｎ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に応じて順次オンされる。この水平方向デコーダ４のスイッチＭ１〜Ｍｎと、各画素に設けられたスイッチＭ１１〜Ｍｍｎの動作により、前述したようにして画素１１から画素ｍｎまでが順次走査選択される。

次に、走査選択された回路の動作について説明する。たとえば画素１１が走査選択された場合を考えると、制御信号ＶｃｈｋがＬレベルであって短絡スイッチＭ１１ｂがオフであれば、増幅トランジスタＭ１１ｃと抵抗Ｒ１１によって構成される反転増幅器の動作により、サーモパイルＴ１１ａからの出力が反転増幅され、出力電圧Ｖｐとして出力される。一方、制御信号ＶｃｈｋがＨレベルであって短絡スイッチＭ１１ｂがオンのときには、反転増幅器によって基準電圧Ｖｒｅｆが増幅され、オフセット電圧として出力電圧Ｖｐに出力される。これにより、第２の実施の形態と同じようにオフセット電圧の分を取り除いた画素１１による真の出力信号を得ることができる。

他の画素についても、画素１１と同様に制御信号Ｖｃｈｋを変化させることにより、反転増幅器によって増幅された検出信号とオフセット電圧が出力電圧Ｖｐに順次出力される。これを用いて、オフセット電圧の分を取り除いた真の出力信号を各画素について求めることができる。

以上説明した第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

なお、以上説明した第３の実施の形態においても、前述の第２の実施の形態と同様に、１つの画素を走査選択している間は制御信号Ｖｃｈｋを変化させずに、全画素を走査選択する度に制御信号Ｖｃｈｋを変化させても良い。また、通常時は制御信号ＶｃｈｋをＬレベル一定としておき、特定の条件が満たされたとき、たとえば測定された周囲温度が所定値以上変動した時に、制御信号ＶｃｈｋをＨレベルに変化してオフセット電圧を検出するようにしてもよい。このようにすれば、第２の実施の形態で説明したのと同様の作用効果を得ることができる。

以上説明した各実施の形態では、入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出素子としてサーモパイルを用いる例を説明したが、本発明はこの内容に限定されるものではなく、赤外線検出素子にどのようなものを用いてもよい。また、赤外線検出素子が二次元状に配列された例を説明したが、一次元の配列であってもよい。その場合は、たとえは第１の実施の形態では、図１の赤外線検出素子部１が画素１１〜１ｎの一行で構成され、さらに垂直方向デコーダ３および赤外線検出素子部１内の垂直方向スキャナの役目をするスイッチＭ１１〜Ｍ１ｎが省略される。これ以外の点については、図１の赤外線検出装置と同一の構成となる。したがって、前述した作用効果と同一の作用効果を得ることができる。その他の実施の形態についても同様である。

以上説明した各実施の形態では、増幅トランジスタやスイッチにＭＯＳＦＥＴを用いた構成を説明したが、バイポーラ型のトランジスタを用いても同様の構成を実現することができる。

以上説明した各実施の形態では、赤外線検出素子をサーモパイルＴ１１ａ〜Ｔｍｎａ、増幅手段を増幅トランジスタＭ１１ａ〜ＭｍｎａまたはＭ１１ｃ〜Ｍｍｎｃ、選択手段をカウンタ２、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４、スイッチＭ１１〜ＭｍｎおよびスイッチＭ１〜Ｍｎ、差動増幅手段を増幅トランジスタＭ１ａ〜Ｍｎａ、短絡手段を短絡スイッチＭ１１ｂ〜Ｍｍｎｂによってそれぞれ実現することとした。しかし、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係には何ら限定も拘束もされない。

以上説明した各実施の形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されない。

本発明の第１の実施の形態による赤外線検出装置の回路構成図である。 チップフロアプラン図の例である。 第１の実施の形態による赤外線検出装置において出力される信号のタイムチャートである。 第１の実施の形態において画素１１と黒画素１に着目したときの回路構成を示す図である。 図４の回路構成においてスイッチＭ１１およびＭ１がオンされたときの等価回路を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による赤外線検出装置の回路構成図である。 第２の実施の形態による赤外線検出装置において出力される信号のタイムチャートである。 第２の実施の形態において画素１１と黒画素１に着目したときの回路構成を示す図である。 図８の回路構成においてスイッチＭ１１およびＭ１がオンされ、短絡スイッチＭ１１ｂおよびＭ１ｂがオフであるときの等価回路を示す図である。 図８の回路構成においてスイッチＭ１１およびＭ１がオンされ、短絡スイッチＭ１１ｂおよびＭ１ｂがオンであるときの等価回路を示す図である。 第２の実施の形態の変形例による赤外線検出装置において出力される信号のタイムチャートである。 本発明の第３の実施の形態による赤外線検出装置の回路構成図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ：赤外線検出素子部 ２：カウンタ
３：垂直方向デコーダ ４：水平方向デコーダ
５、５Ａ：黒画素部 ６：水平方向スキャナ

Claims (13)

1. 半導体基板上に配列された複数の赤外線検出素子と、
   前記赤外線検出素子の各々に対応して設けられており、各赤外線検出素子からその入射赤外線強度に応じて出力される検出信号を増幅して、個体毎の特性差に応じたオフセット成分を含む出力信号をそれぞれ出力する複数の増幅手段と、
   前記複数の増幅手段を順次選択する選択手段と、
   前記増幅手段のいずれかと接続されることによって差動増幅器を構成する差動増幅手段とを備え、
   前記選択手段により選択された増幅手段と前記差動増幅手段を接続し、その接続された増幅手段および差動増幅手段によって構成される差動増幅器を用いて、当該増幅手段から出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正することを特徴とする赤外線検出装置。
2. 請求項１の赤外線検出装置において、
   前記増幅手段と前記差動増幅手段は、同一の半導体基板上に設けられることを特徴とする赤外線検出装置。
3. 請求項１または２の赤外線検出装置において、
   前記赤外線検出素子および前記増幅手段は、前記半導体基板上に二次元状に配列されており、
   前記差動増幅手段は、二次元状に配列された赤外線検出素子および増幅手段の行または列ごとに設けられていることを特徴とする赤外線検出装置。
4. 請求項１〜３いずれか一項の赤外線検出装置において、
   外部から入力される制御信号の変化に応じて、前記赤外線検出素子の入出力間を短絡またはその赤外線検出素子を介して接続する短絡手段をさらに備え、
   前記短絡手段により前記赤外線検出素子の入出力間を短絡したときに当該増幅手段から出力される出力信号と、前記短絡手段により前記赤外線検出素子の入出力間をその赤外線検出素子を介して接続したときに当該増幅手段から出力される出力信号とに基づいて、当該増幅手段から出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正することを特徴とする赤外線検出装置。
5. 請求項４の赤外線検出装置において、
   前記選択手段によりいずれかの増幅手段が選択される度に前記制御信号を変化させ、各増幅手段の選択期間内で前記短絡手段により赤外線検出素子の入出力間の接続状態を短絡および接続の両状態に切り替えることを特徴とする赤外線検出装置。
6. 請求項４の赤外線検出装置において、
   前記選択手段により全ての増幅手段が選択される度に前記制御信号を変化させ、各増幅手段の選択期間内で前記短絡手段により赤外線検出素子の入出力間の接続状態を短絡または接続のいずれか一状態とすることを特徴とする赤外線検出装置。
7. 請求項４〜６いずれか一項の赤外線検出装置において、
   周囲温度を測定する温度測定手段をさらに備え、
   前記温度測定手段により測定された周囲温度に基づいて、前記制御信号の変化を許可または禁止することを特徴とする赤外線検出装置。
8. 半導体基板上に配列された複数の赤外線検出素子と、
   前記赤外線検出素子の各々に対応して設けられており、各赤外線検出素子からその入射赤外線強度に応じて出力される検出信号を増幅して、個体毎の特性差に応じたオフセット成分を含む出力信号をそれぞれ出力する複数の増幅手段と、
   前記複数の増幅手段を順次選択する選択手段と、
   外部から入力される制御信号の変化に応じて、前記赤外線検出素子の入出力間を短絡またはその赤外線検出素子を介して接続する短絡手段とを備え、
   前記短絡手段により前記赤外線検出素子の入出力間を短絡したときに前記選択された増幅手段から出力される出力信号と、前記短絡手段により前記赤外線検出素子の入出力間をその赤外線検出素子を介して接続したときに前記選択された増幅手段から出力される出力信号とに基づいて、前記選択された増幅手段から出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正することを特徴とする赤外線検出装置。
9. 請求項８の赤外線検出装置において、
   前記選択手段によりいずれかの増幅手段が選択される度に前記制御信号を変化させ、各増幅手段の選択期間内で前記短絡手段により赤外線検出素子の入出力間の接続状態を短絡および接続の両状態に切り替えることを特徴とする赤外線検出装置。
10. 請求項８の赤外線検出装置において、
    前記選択手段により全ての増幅手段が選択される度に前記制御信号を変化させ、各増幅手段の選択期間内で前記短絡手段により赤外線検出素子の入出力間の接続状態を短絡または接続のいずれか一状態とすることを特徴とする赤外線検出装置。
11. 請求項８〜１０いずれか一項の赤外線検出装置において、
    周囲温度を測定する温度測定手段をさらに備え、
    前記温度測定手段により測定された周囲温度に基づいて、前記制御信号の変化を許可または禁止することを特徴とする赤外線検出装置。
12. 半導体基板上に配列された複数の赤外線検出素子と、
    前記赤外線検出素子の各々に対応して設けられており、各赤外線検出素子からその入射赤外線強度に応じて出力される検出信号を増幅して、個体毎の特性差に応じたオフセット成分を含む出力信号をそれぞれ出力する複数の増幅手段と、
    前記増幅手段のいずれかと接続されることによって差動増幅器を構成する差動増幅手段とを備えた赤外線検出装置のオフセット補正方法であって、
    前記複数の増幅手段を順次選択し、
    選択された増幅手段と前記差動増幅手段を接続し、
    接続された増幅手段および差動増幅手段によって構成される差動増幅器を用いて、当該増幅手段から出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正することを特徴とする赤外線検出装置のオフセット補正方法。
13. 半導体基板上に配列された複数の赤外線検出素子と、
    前記赤外線検出素子の各々に対応して設けられており、各赤外線検出素子からその入射赤外線強度に応じて出力される検出信号を増幅して、個体毎の特性差に応じたオフセット成分を含む出力信号をそれぞれ出力する複数の増幅手段とを備えた赤外線検出装置のオフセット補正方法であって、
    外部から入力される制御信号の変化に応じて、前記赤外線検出素子の入出力間を短絡またはその赤外線検出素子を介して接続し、
    前記複数の増幅手段を順次選択し、
    前記赤外線検出素子の入出力間を短絡したときに選択された増幅手段から出力される出力信号と、前記赤外線検出素子の入出力間をその赤外線検出素子を介して接続したときに選択された増幅手段から出力される出力信号とに基づいて、選択された増幅手段から出力される出力信号に含まれるオフセット成分を補正することを特徴とする赤外線検出装置のオフセット補正方法。

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