JP2964988B2 - 赤外線センサ読み出し回路 - Google Patents
赤外線センサ読み出し回路Info
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- JP2964988B2 JP2964988B2 JP9116050A JP11605097A JP2964988B2 JP 2964988 B2 JP2964988 B2 JP 2964988B2 JP 9116050 A JP9116050 A JP 9116050A JP 11605097 A JP11605097 A JP 11605097A JP 2964988 B2 JP2964988 B2 JP 2964988B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線を利用した
撮像装置に用いられる熱型の赤外線センサに関し、特
に、センサからの信号の読み出し回路に関するものであ
る。
撮像装置に用いられる熱型の赤外線センサに関し、特
に、センサからの信号の読み出し回路に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の赤外線センサの読み出し
回路は、例えば特開平８−１０５７９号公報に記載され
ているように、ボロメータ型の赤外線センサに対して、
その信号を最も高いＳＮ比で読み出すことを目的として
用いられている。
回路は、例えば特開平８−１０５７９号公報に記載され
ているように、ボロメータ型の赤外線センサに対して、
その信号を最も高いＳＮ比で読み出すことを目的として
用いられている。
【０００３】図３は、従来の赤外線センサ読み出し回路
の一例を示す回路図であり、図４は、図３の読み出し回
路のタイミングチャートである。赤外線センサ１は、ボ
ロメータが２次元的に配置され（これを画素と呼び、そ
の抵抗をＲｂとする）、水平スイッチと垂直スイッチと
により任意の画素のボロメータを画素選択パルスによっ
て選択することができる構造となっている。
の一例を示す回路図であり、図４は、図３の読み出し回
路のタイミングチャートである。赤外線センサ１は、ボ
ロメータが２次元的に配置され（これを画素と呼び、そ
の抵抗をＲｂとする）、水平スイッチと垂直スイッチと
により任意の画素のボロメータを画素選択パルスによっ
て選択することができる構造となっている。
【０００４】読み出し回路は、赤外線センサ１にバイア
ス電圧Ｖｂを供給するための電源３、赤外線センサ１へ
流れる電流を読み出すトランジスタ２、信号電流を蓄積
するコンデンサ７、コンデンサ７をリセットするための
スイッチ６によって構成されている。
ス電圧Ｖｂを供給するための電源３、赤外線センサ１へ
流れる電流を読み出すトランジスタ２、信号電流を蓄積
するコンデンサ７、コンデンサ７をリセットするための
スイッチ６によって構成されている。
【０００５】次にその動作を、図３と図４を参照して説
明する。ボロメータは、Ｔｉなどの金属またはｐｏｌｙ
−Ｓｉなどの半導体を母材とする感熱素子であり、温度
によりその抵抗値が変化する。そこで、レンズを使って
ボロメータ上に赤外線を集光させると、そのエネルギー
によってボロメータの温度が上昇するので、それを抵抗
値Ｒｂの変化として読み出すことで赤外線センサが実現
できる。
明する。ボロメータは、Ｔｉなどの金属またはｐｏｌｙ
−Ｓｉなどの半導体を母材とする感熱素子であり、温度
によりその抵抗値が変化する。そこで、レンズを使って
ボロメータ上に赤外線を集光させると、そのエネルギー
によってボロメータの温度が上昇するので、それを抵抗
値Ｒｂの変化として読み出すことで赤外線センサが実現
できる。
【０００６】いま、図３の画素選択パルスによってある
画素が選択されているものとする。図５の１画素の期間
は、この画素が選択されている時間を示しており、この
期間内にその画素からの信号を読み出さなければならな
い。読み出しは、バイアス電源３とトランジスタ２を使
ってボロメータに一定電圧を印加し、流れる電流の変化
から抵抗値の変化を読みとる方式を採用している。これ
を行うのが読み出し回路であり、前記電流の変化はコン
デンサ７により電圧に変換され、次段（サンプルホール
ド回路）へ送られる。
画素が選択されているものとする。図５の１画素の期間
は、この画素が選択されている時間を示しており、この
期間内にその画素からの信号を読み出さなければならな
い。読み出しは、バイアス電源３とトランジスタ２を使
ってボロメータに一定電圧を印加し、流れる電流の変化
から抵抗値の変化を読みとる方式を採用している。これ
を行うのが読み出し回路であり、前記電流の変化はコン
デンサ７により電圧に変換され、次段（サンプルホール
ド回路）へ送られる。
【０００７】画素が選択されると、まず、スイッチ６に
よりコンデンサ７のリセットを行う。即ち、リセットパ
ルスΦＲＳＴによりスイッチ６がオンとなり、コンデン
サ７は電源Ｖｒによって電圧Ｖｒに充電される。一方、
ボロメータには下記の電流Ｉｅが流れており、リセット
中はこの電流は電源Ｖｒから供給されている。
よりコンデンサ７のリセットを行う。即ち、リセットパ
ルスΦＲＳＴによりスイッチ６がオンとなり、コンデン
サ７は電源Ｖｒによって電圧Ｖｒに充電される。一方、
ボロメータには下記の電流Ｉｅが流れており、リセット
中はこの電流は電源Ｖｒから供給されている。
【０００８】 Ｉｅ＝（Ｖｂ−Ｖｂｅ）／Ｒｂ （１） Ｖｂｅ：トランジスタ２のベース・エミッタ間電圧 スイッチ６がオフになると、コンデンサ７とボロメータ
の抵抗値Ｒｂによる積分動作がスタートする。
の抵抗値Ｒｂによる積分動作がスタートする。
【０００９】定電流源としてのトランジスタ２のコレク
タ電流Ｉｃはエミッタ電流Ｉｅとほぼ同じであり、この
コレクタ電流Ｉｃは積分期間中はコンデンサ７から供給
される。その結果Ｉｅ（即ちＩｃ）の大小、つまりボロ
メータの抵抗値Ｒｂの大小に応じてコンデンサ７の電圧
Ｖｉの変化の割合が異なることになる。
タ電流Ｉｃはエミッタ電流Ｉｅとほぼ同じであり、この
コレクタ電流Ｉｃは積分期間中はコンデンサ７から供給
される。その結果Ｉｅ（即ちＩｃ）の大小、つまりボロ
メータの抵抗値Ｒｂの大小に応じてコンデンサ７の電圧
Ｖｉの変化の割合が異なることになる。
【００１０】スイッチ６がオフになってから、次段の回
路でサンプルホールドされるまでの時間を積分時間Ｔｉ
とすると、積分終了時点でのコンデンサ７の電圧Ｖｏ
は、 Ｖｏ＝Ｖｒ−Ｉｃ・Ｔｉ／Ｃ （２） となる（Ｃは、コンデンサ７の容量値）。Ｖｏの変化分
をΔＶｏとすると、Ｉｃ≒Ｉｅであるから ΔＶｏ＝｛（Ｖｂ−Ｖｂｅ）／Ｒｂ｝・Ｔｉ／Ｃ （３） となる。
路でサンプルホールドされるまでの時間を積分時間Ｔｉ
とすると、積分終了時点でのコンデンサ７の電圧Ｖｏ
は、 Ｖｏ＝Ｖｒ−Ｉｃ・Ｔｉ／Ｃ （２） となる（Ｃは、コンデンサ７の容量値）。Ｖｏの変化分
をΔＶｏとすると、Ｉｃ≒Ｉｅであるから ΔＶｏ＝｛（Ｖｂ−Ｖｂｅ）／Ｒｂ｝・Ｔｉ／Ｃ （３） となる。
【００１１】また、ボロメータへの印加電圧（Ｖｂ−Ｖ
ｂｅ）に対するΔＶｏの比を積分ゲインＧと呼ぶことに
すると、積分ゲインＧは Ｇ＝Ｔｉ／Ｃ／Ｒｂ （４） となる。
ｂｅ）に対するΔＶｏの比を積分ゲインＧと呼ぶことに
すると、積分ゲインＧは Ｇ＝Ｔｉ／Ｃ／Ｒｂ （４） となる。
【００１２】このように、積分型の読み出し回路を用い
ることによって、ボロメータの抵抗値Ｒｂを電圧値に変
換することができる。
ることによって、ボロメータの抵抗値Ｒｂを電圧値に変
換することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】この積分型の読み出し
回路の特徴は、赤外線の強度の情報を含んだ信号（Ｉ
ｅ）を赤外線センサ１から読み出すと同時に電圧に変換
して増幅することができ、また、変換ゲイン（積分ゲイ
ン）Ｇを大きくすれほど、出力信号振幅を大きくするこ
とができ、後段の回路ノイズの影響を小さくすることが
できる。
回路の特徴は、赤外線の強度の情報を含んだ信号（Ｉ
ｅ）を赤外線センサ１から読み出すと同時に電圧に変換
して増幅することができ、また、変換ゲイン（積分ゲイ
ン）Ｇを大きくすれほど、出力信号振幅を大きくするこ
とができ、後段の回路ノイズの影響を小さくすることが
できる。
【００１４】しかしながら、積分ゲインＧを大きくする
と、コンデンサ７の電圧の変化分ΔＶｏも大きくなっ
て、それに見合う高電圧の電源が必要となり、装置の大
型化、高価格化、高消費電力化を招くという問題があ
る。
と、コンデンサ７の電圧の変化分ΔＶｏも大きくなっ
て、それに見合う高電圧の電源が必要となり、装置の大
型化、高価格化、高消費電力化を招くという問題があ
る。
【００１５】例えば、Ｒｂ＝３ｋΩ、ｃ＝１００ｐＦ、
Ｔｉ＝１μｓ、Ｖｂ−Ｖｂｅ＝６Ｖとした場合を考える
と、上式より変換ゲインＧは３．３となり、ΔＶｏ＝２
０Ｖとなる。したがって、リセット電圧Ｖｒは、 Ｖｒ＞（Ｖｂ−Ｖｂｅ）＋ΔＶｏ＋Ｖｃｅ＋Ｖｓ＞２
８．５Ｖ Ｖｃｅ：トランジスタ２のコレクタエミッタ間電圧ｍｉ
ｎ０．５Ｖ程度 Ｖｓ：信号電圧 ２Ｖ程度 となり、通常３０Ｖ以上の電圧が必要になる。変換ゲイ
ンＧを１倍にすれば、リセット電圧Ｖｒは１５Ｖ程度で
も積分回路として動作可能であるが、ＳＮ比の劣化は避
けられない。
Ｔｉ＝１μｓ、Ｖｂ−Ｖｂｅ＝６Ｖとした場合を考える
と、上式より変換ゲインＧは３．３となり、ΔＶｏ＝２
０Ｖとなる。したがって、リセット電圧Ｖｒは、 Ｖｒ＞（Ｖｂ−Ｖｂｅ）＋ΔＶｏ＋Ｖｃｅ＋Ｖｓ＞２
８．５Ｖ Ｖｃｅ：トランジスタ２のコレクタエミッタ間電圧ｍｉ
ｎ０．５Ｖ程度 Ｖｓ：信号電圧 ２Ｖ程度 となり、通常３０Ｖ以上の電圧が必要になる。変換ゲイ
ンＧを１倍にすれば、リセット電圧Ｖｒは１５Ｖ程度で
も積分回路として動作可能であるが、ＳＮ比の劣化は避
けられない。
【００１６】本発明は、上記の問題点に鑑み、センサの
読み出し回路を、変換ゲインを下げることなくより低電
圧の電源でも動作可能に構成することを目的とするもの
である。
読み出し回路を、変換ゲインを下げることなくより低電
圧の電源でも動作可能に構成することを目的とするもの
である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明の赤外線センサ読
み出し回路は、積分量を検出し基準量と比較するコンパ
レータと、コンパレータ出力に基づいてレベルを反転す
るトグルフリップフロップと、トグルフリップフロップ
出力により積分コンデンサの接続方向を反転させる２つ
のスイッチを有する。
み出し回路は、積分量を検出し基準量と比較するコンパ
レータと、コンパレータ出力に基づいてレベルを反転す
るトグルフリップフロップと、トグルフリップフロップ
出力により積分コンデンサの接続方向を反転させる２つ
のスイッチを有する。
【００１８】コンデンサの積分量、すなわちコンデンサ
の両端電圧は常に監視され、決められた電圧以上になる
ことはない。したがって、リセット電圧即ち電源電圧を
高電圧にする必要が無くなる。
の両端電圧は常に監視され、決められた電圧以上になる
ことはない。したがって、リセット電圧即ち電源電圧を
高電圧にする必要が無くなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１は、本発明による赤外線セン
サ読み出し回路の実施の形態を示す回路図であり、図２
は本発明の動作を説明するタイミングチャートである。
図１において、赤外線センサ１、トランジスタ２及びバ
イアス電源３は従来例と同一構成のものを用いる。
サ読み出し回路の実施の形態を示す回路図であり、図２
は本発明の動作を説明するタイミングチャートである。
図１において、赤外線センサ１、トランジスタ２及びバ
イアス電源３は従来例と同一構成のものを用いる。
【００２０】コンパレータ９は、コンデンサ７の下端の
電圧Ｖｉと基準電圧源８の基準電圧ＶＬを常時比較し、
その大小に応じて出力レベルを変化させる。トグルフリ
ップフロップ１０はコンパレータ９の出力を受けてその
出力を反転する。反転スイッチ４及び５はトグルフリッ
プフロップ１０の出力レベルに一義的に対応してその接
続点を決める。リセットスイッチ６はオンすることによ
ってコンデンサ７に蓄積した電荷を放電させる。
電圧Ｖｉと基準電圧源８の基準電圧ＶＬを常時比較し、
その大小に応じて出力レベルを変化させる。トグルフリ
ップフロップ１０はコンパレータ９の出力を受けてその
出力を反転する。反転スイッチ４及び５はトグルフリッ
プフロップ１０の出力レベルに一義的に対応してその接
続点を決める。リセットスイッチ６はオンすることによ
ってコンデンサ７に蓄積した電荷を放電させる。
【００２１】次に、本発明の動作を、図１と図２を参照
して説明する。いま、図１の画素選択パルスによってあ
る画素が選択されているものとする。本発明の回路にお
いても、図２の１画素の期間はこの画素が選択されてい
る時間を示しており、この期間内にその画素からの信号
を読み出さなければならない。読み出しは、バイアス電
源３とトランジスタ２を使ってボロメータに一定電圧を
印加し、流れる電流の変化から抵抗値の変化を読みとる
方式を採用している。前記電流の変化はコンデンサ７に
より電圧に変換され、次段（サンプルホールド回路）へ
送られる。
して説明する。いま、図１の画素選択パルスによってあ
る画素が選択されているものとする。本発明の回路にお
いても、図２の１画素の期間はこの画素が選択されてい
る時間を示しており、この期間内にその画素からの信号
を読み出さなければならない。読み出しは、バイアス電
源３とトランジスタ２を使ってボロメータに一定電圧を
印加し、流れる電流の変化から抵抗値の変化を読みとる
方式を採用している。前記電流の変化はコンデンサ７に
より電圧に変換され、次段（サンプルホールド回路）へ
送られる。
【００２２】画素が選択されると、まず、スイッチ６に
よりコンデンサ７のリセットを行う。但し、リセットは
リセットパルスΦＲＳＴによりスイッチ６がオンとなり
コンデンサ７に蓄積した電荷を放電させることによって
行う。即ち、リセットパルスΦＲＳＴによりスイッチ６
がオンとなると、コンデンサ７に蓄積された電荷は放電
され、出力電圧Ｖｉは電源電圧Ｖｒにセットされる。
よりコンデンサ７のリセットを行う。但し、リセットは
リセットパルスΦＲＳＴによりスイッチ６がオンとなり
コンデンサ７に蓄積した電荷を放電させることによって
行う。即ち、リセットパルスΦＲＳＴによりスイッチ６
がオンとなると、コンデンサ７に蓄積された電荷は放電
され、出力電圧Ｖｉは電源電圧Ｖｒにセットされる。
【００２３】一方、ボロメータには（１）式の電流Ｉｅ
が流れており、リセット中はこの電流はリセットスイッ
チ６を経由して電源Ｖｒから供給されている。
が流れており、リセット中はこの電流はリセットスイッ
チ６を経由して電源Ｖｒから供給されている。
【００２４】スイッチ６がオフになると、コンデンサ７
とボロメータの抵抗値Ｒｂによる積分動作がスタートす
る。トランジスタ２のコレクタ電流Ｉｃは、積分期間中
はコンデンサ７を経由して電源Ｖｒから供給される。そ
の結果、コンデンサ７に電荷が蓄積されて電圧が発生
し、Ｖｉの電位は低下していく（図２（Ａ））。この電
位が基準電圧ＶＬを下回ると、コンパレータ９はハイレ
ベルとなり（図２（Ｃ））、トグルフリップフロップ１
０を反転させて（図２（Ｄ））、コンデンサ７の接続方
向を１８０度反転させる。するとＶｉは瞬間的に（２Ｖ
ｒ−ＶＬ）に上昇し（図２（Ａ））、再び積分動作を開
始する。そしてＶｉがＶＬに達すると上記の動作が繰り
返される。
とボロメータの抵抗値Ｒｂによる積分動作がスタートす
る。トランジスタ２のコレクタ電流Ｉｃは、積分期間中
はコンデンサ７を経由して電源Ｖｒから供給される。そ
の結果、コンデンサ７に電荷が蓄積されて電圧が発生
し、Ｖｉの電位は低下していく（図２（Ａ））。この電
位が基準電圧ＶＬを下回ると、コンパレータ９はハイレ
ベルとなり（図２（Ｃ））、トグルフリップフロップ１
０を反転させて（図２（Ｄ））、コンデンサ７の接続方
向を１８０度反転させる。するとＶｉは瞬間的に（２Ｖ
ｒ−ＶＬ）に上昇し（図２（Ａ））、再び積分動作を開
始する。そしてＶｉがＶＬに達すると上記の動作が繰り
返される。
【００２５】出力電圧Ｖｉは予め決められた電圧の範囲
（ＶＬ〜２Ｖｒ−ＶＬ）を超えることはなく、よって、
サンプルホールドされる出力電圧もＶＬ〜２Ｖｒ−ＶＬ
の範囲となるが、ボロメータの抵抗値Ｒｂの変化範囲、
コンデンサ７の容量値、あるいは１画素の読みとり期間
との関係を適当に設定することにより、ボロメータの抵
抗値ＲｂとＶＬ〜２Ｖｒ−ＶＬの範囲のサンプルホール
ド出力電圧値とを一対一に対応させることができる。
（ＶＬ〜２Ｖｒ−ＶＬ）を超えることはなく、よって、
サンプルホールドされる出力電圧もＶＬ〜２Ｖｒ−ＶＬ
の範囲となるが、ボロメータの抵抗値Ｒｂの変化範囲、
コンデンサ７の容量値、あるいは１画素の読みとり期間
との関係を適当に設定することにより、ボロメータの抵
抗値ＲｂとＶＬ〜２Ｖｒ−ＶＬの範囲のサンプルホール
ド出力電圧値とを一対一に対応させることができる。
【００２６】また、本発明の回路の場合も、積分ゲイン
Ｄは（４）式で表すことができる。したがって、本発明
の赤外線センサ読み出し回路は、必要とする積分ゲイン
を確保した上で、電源Ｖｒの電圧を下げることができ
る。例えばＶＬ＝１０Ｖとすれば、前記の条件の場合に
おいてもＶｒを１５Ｖとすれば十分であり、この種の赤
外線センサ読み出し回路を、ＳＮ比を低下させることな
く低電圧の電源によって実現することができる。
Ｄは（４）式で表すことができる。したがって、本発明
の赤外線センサ読み出し回路は、必要とする積分ゲイン
を確保した上で、電源Ｖｒの電圧を下げることができ
る。例えばＶＬ＝１０Ｖとすれば、前記の条件の場合に
おいてもＶｒを１５Ｖとすれば十分であり、この種の赤
外線センサ読み出し回路を、ＳＮ比を低下させることな
く低電圧の電源によって実現することができる。
【００２７】
【発明の効果】本発明の赤外線センサ読み出し回路は、
電源電圧を低電圧化することが可能な構成となっている
ので、装置の小型化、低コスト化及び低消費電力化を図
ることができる。
電源電圧を低電圧化することが可能な構成となっている
ので、装置の小型化、低コスト化及び低消費電力化を図
ることができる。
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態を示す回路図である。
【図２】図１の動作を説明するタイミングチャートであ
る。
る。
【図３】従来例の回路図である。
【図４】図３の動作を説明するタイミングチャートであ
る。
る。
１ 赤外線センサ ２ トランジスタ ３ バイアス電源 ４，５ 反転スイッチ ６ リセットスイッチ ７ コンデンサ ８ 基準電源 ９ コンパレータ １０ トグルフリップフロップ
Claims (4)
- 【請求項１】 ボロメータ型熱電変換素子を用いた赤外
線センサからの出力を読み出す赤外線センサ読み出し回
路において、 前記読み出し回路は、赤外線センサの抵抗値を電流値に
変換するトランジスタと、該トランジスタの出力端と電
源の間に直列に接続され、前記電流値を電圧値に変換す
る積分用コンデンサと、該積分用コンデンサの両端間に
接続されたリセットスイッチと、前記トランジスタと前
記積分用コンデンサの接続点から出力される積分出力電
圧を所定の基準電圧と比較するコンパレータと、該コン
パレータの出力に基づいて前記積分用コンデンサの接続
方向を反転するスイッチを備えていることを特徴とする
赤外線センサ読み出し回路。 - 【請求項２】 前記赤外線センサは、複数のボロメータ
型熱電変換素子がそれぞれ画素として２次元状に配置さ
れており、画素選択手段により任意の素子が前記読み出
し回路に選択接続可能に構成されていることを特徴とす
る請求項１記載の赤外線センサ読み出し回路。 - 【請求項３】 前記コンパレータの出力に基づいてレベ
ルを反転するトグルフリップフロップを備え、前記スイ
ッチは、前記トグルフリップフロップの出力によって前
記積分用コンデンサの接続方向を反転させることを特徴
とする請求項１又は２記載の赤外線センサ読み出し回
路。 - 【請求項４】 前記積分出力電圧を入力するサンプルホ
ールド回路を備え、前記抵抗値を電圧値として読み出す
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の赤外線セン
サ読み出し回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9116050A JP2964988B2 (ja) | 1997-04-21 | 1997-04-21 | 赤外線センサ読み出し回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9116050A JP2964988B2 (ja) | 1997-04-21 | 1997-04-21 | 赤外線センサ読み出し回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10300572A JPH10300572A (ja) | 1998-11-13 |
| JP2964988B2 true JP2964988B2 (ja) | 1999-10-18 |
Family
ID=14677473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9116050A Expired - Fee Related JP2964988B2 (ja) | 1997-04-21 | 1997-04-21 | 赤外線センサ読み出し回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2964988B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100411733B1 (ko) * | 2002-03-22 | 2003-12-18 | 한국과학기술원 | 배경전류억제, 불균일 보상, 불량 화소 복원 등의 기능을내장한 스마트 신호취득회로 |
| FR2946139B1 (fr) * | 2009-05-27 | 2011-07-01 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif electronique d'ebasage du courant issu de detecteurs de rayonnement electromagnetique. |
-
1997
- 1997-04-21 JP JP9116050A patent/JP2964988B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10300572A (ja) | 1998-11-13 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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