JP3998599B2

JP3998599B2 - 熱型赤外線固体撮像装置

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Publication number: JP3998599B2
Application number: JP2003124794A
Authority: JP
Inventors: 智広石川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: JP2004333132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射赤外線による温度変化を２次元配列された熱型赤外線センサで検出する赤外線フォーカルプレーンアレイ及び該赤外線フォーカルプレーンアレイを備えた熱型赤外線固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱型赤外線カメラは、人間の視覚を刺激しない物を見ることができ、また対象物の温度を遠方から非接触で瞬時に測定できるという特徴を備えており、製造ラインの計測・制御や医療・診断装置、人の検知装置など幅広い産業分野において多種多様な形で使用されている。一般的な熱型赤外線カメラは、赤外線フォーカルプレーンアレイに撮像光学系と信号処理回路を組み合わせて構成されている。赤外線フォーカルプレーン内には、入射した赤外線による温度変化を電気信号に変換する熱型赤外線センサが２次元マトリックス状に配列されており、個々の熱型赤外線センサの電気信号を周辺回路によって順次読出すことにより、赤外線画像に対応した信号が出力される。
【０００３】
２次元配列された個々の熱型赤外線センサ内には、温度に応じて電気特性が変化する温度センサが形成されている。温度センサは、高い熱抵抗を持つ薄膜支持脚によって基板の上方にブリッジ状に持ち上げられており、薄膜支持脚中にある配線でブリッジ下方の基板に形成された信号読出し回路と電気的に結合されている。温度センサとしては、温度に応じて抵抗値が変わる抵抗体（＝ボロメータ膜）か、ダイオードやトランジスタ等の半導体素子が多く用いられる。
【０００４】
例えばダイオードを温度センサに用いた赤外線フォーカルプレーンアレイでは、次のようにして各画素から信号が読出される（非特許文献１、Ｆｉｇ．７及びＦｉｇ．９参照）。画素として２次元配列された各ダイオードは、垂直走査回路によって行ごとに選択され、選択された行のダイオードは順方向にバイアスされる。ダイオードの電流値は各列ごとに配置された電流源によって決められている。赤外線の入射量に応じてダイオード両端の電圧が変化するため、垂直信号線の電圧が変化し、これが信号電圧になる。信号電圧はＭＯＳトランジスタによって電流に変換され、その電流によって容量（キャパシタ）が充放電される。この積分回路により、信号電圧が積分されると同時に増幅される。増幅された信号電圧は、サンプルホールド回路によって一水平期間保持され、その間に水平走査回路によってプリアンプを介して順次読出される。尚、温度センサにボロメータを用いた場合も、ほぼ同様にして信号を読出すことができる。
【０００５】
しかしながら、２次元配列された各画素の電流−電圧特性（例えば、ダイオード型では順方向電圧、ボロメータ型では抵抗）が各画素でばらつくため、画素からの出力信号電圧は一定にならない。この画素ごとの出力ばらつき（以下、「オフセット分布」）は、赤外線の入射によって発生する信号電圧と比べても比較的大きいため、撮像した画像に固定パターン雑音（以下、「ＦＰＮ」）が生じる。
【０００６】
そこで、赤外線フォーカルプレーンアレイを利用した赤外線カメラでは、オフセット分布により発生するＦＰＮを除去するために、光学系のシャッター等を使って画素アレイ全体に均一光を入射した状態でフォーカルプレーンから取り出したＦＰＮデータを記憶装置に保存し、赤外線カメラ内に設けた信号処理回路中で画像信号からＦＰＮの減算を行ってからビデオ信号を形成している。
【０００７】
また、特許文献１に開示された赤外線カメラでは、赤外線フォーカルプレーンアレイの出力電圧から画素を構成するボロメータの抵抗ばらつきを算出し、さらに各画素に流れる電流が一定電流になるように積分回路の制御電圧を算出してフィードバックする手法が示されている。
【０００８】
【非特許文献１】
T.Ishikawa, M. Ueno, K.Endo, Y. Nakaki, 「従来のシリコンＩＣプロセスを用いた低コスト３２０×２４０非冷却ＩＲＦＰＡ」, Par of the SPIE Confeernce on Infrared Technology and Applications XXV, SPIE Vol. 3698, 1990年4月，pp.556-564
【特許文献１】
特許第３２１２８７４号公報
【０００９】
【解決しようとする課題】
熱型赤外線フォーカルプレーンアレイでは、信号が非常に微弱であるため、画像のＳ／Ｎ比を向上するためにはノイズを減らすことが重要である。赤外線カメラでは、各熱型赤外線センサ（＝画素）の持つノイズ以外にも、赤外線フォーカルプレーン内の信号読出回路で発生するものや、赤外線カメラ内の信号処理回路で発生するものがある。画像信号のＳ／Ｎ比を向上するためには、信号読出回路と信号処理回路を合わせた回路系統の上流で信号増幅することが望ましい。回路上流で画像信号の強度を高めておけば、それよりも下流で発生するノイズの寄与を小さくすることができる。
【００１０】
しかしながら、回路上流、特に信号読出回路中の積分回路で高い増幅を行おうとした場合、画像信号には各画素の特性ばらつきによるオフセット分布が含まれているため、オフセット分布も同時に増幅することになる。このため、オフセット分布が大きい場合には、カメラの信号処理回路にあるＡ／Ｄ変換器の制限電圧を越える等の問題が起こり、増幅率を十分に上げることができない。
【００１１】
赤外線フォーカルプレーンアレイの持つオフセット分布は、温度センサ部を形成する際のプロセスパラメータばらつきや各部配線抵抗の画素間ばらつきに依存する。例えば、非特許文献１に示された赤外線フォーカルプレーンアレイの例では温度センサであるダイオードの順方向電圧ばらつきは、電流値が１０μＡの時に標準偏差で９ｍＶである。従って、赤外線フォーカルプレーンアレイ内のばらつきとして±標準偏差の範囲を考えると、１８ｍＶｐ−ｐになる。この値はそのまま積分回路で増幅されるので、積分回路自身あるいは素子の出力につながれるカメラの信号処理回路の許容範囲を考慮すると、積分回路の増幅率は１０〜２０倍程度以下にする必要があった。この程度の増幅率では、ダイオード雑音以外の回路起因成分の影響が大きいため、十分なＳ／Ｎ比を得ることが難しい。
【００１２】
一方、特許文献１に示された信号読出し方法であれば、積分回路の制御電圧にフィードバックをかけてオフセット分布を除去するため、積分回路の増幅率をある程度高くすることが可能である。しかしながら、赤外線フォーカルプレーンアレイの出力電圧から温度センサを構成するボロメータの抵抗ばらつきを算出し、さらに各画素に流れる電流が一定電流になるように積分回路の制御電圧を算出してフィードバックするという複雑な手法をとるため、フィードバックした電圧が真の値からわずかにずれる可能性がある。そのずれは積分回路の増幅率が低い場合には大きな問題とならないが、増幅率が高い場合には誤差も含めて増幅されてしまうため画像が乱れる原因となる。
【００１３】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、高いＳ／Ｎ比を実現可能な優れた熱型赤外線固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の熱型赤外線固体撮像装置は、（ａ）赤外線の入射量に応じて電流電圧特性が変化する複数の熱型赤外線センサが２次元に配列されたセンサアレイを有し、前記熱型赤外線センサから出力された信号を積分回路を通じて順次読出すと共に、前記積分回路で前記信号の増幅を行う赤外線フォーカルプレーンアレイと、（ｂ）前記熱型赤外線センサのオフセット分布を補正するための補正信号を蓄積できるメモリとを備え、前記積分回路が、前記熱型赤外線センサから出力された信号と参照信号との差分信号を形成し、該差分信号に基づく電流によって容量を充電または放電する差動積分回路から成り、前記メモリに蓄積された補正信号を、直接に又は加工して、前記差動積分回路の参照信号として入力することを特徴とする。
【００１５】
尚、本件明細書において、熱型赤外線固体撮像装置とは、熱型赤外線カメラの構成要素であって、少なくとも赤外線フォーカルプレーンアレイと補正信号蓄積用のメモリを備えるものを指す。また、赤外線フォーカルプレーンアレイとは、少なくとも熱型赤外線センサの２次元配列と該センサから信号を読出すための積分回路を備えたものを指す。積分回路とは、熱型赤外線センサの出力信号が電圧であれば電流に変換し、その電流によって容量を充電又は放電する回路を指す。また、差動積分回路とは、熱型赤外線センサから出力された信号と参照信号との差分信号を形成し、その差分信号に基づく電流によって容量を充電または放電する回路を指す。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像装置を備えた赤外線カメラを示すブロック図である。図１に示す熱型赤外線カメラは、赤外線フォーカルプレーンアレイに赤外線を入射するための光学系１２０、入射した赤外線に応じた画像信号を出力する赤外線フォーカルプレーンアレイ１３０、出力された画像信号を処理する信号処理回路１４０を備えている。
【００１７】
光学系１２０には、赤外線を入射するためのレンズ１００と赤外線の入射を遮断できるシャッタ１０３が設けられている。赤外線フォーカルプレーンアレイ１３０には、温度に応じて電流−電圧特性が変化する熱型赤外線センサ（＝画素センサ）１０１を２次元配列したセンサアレイが形成されており、各々の画素センサ１０１はセンサアレイの列毎に設けた定電流源１０２によって定電流駆動されている。尚、図１では、図面の簡単のためにセンサアレイ中の１つの画素センサ１０１のみを示している。
【００１８】
個々の画素センサ１０１は、例えば、図８（ａ）及び（ｂ）に示す構造を有する。温度センサとなるＰＮ接合ダイオード９０２が、２本の長い支持脚１１０１によってシリコン基板１１０２に設けられた中空部１１０３の上に支持されており、ダイオード９０２の電極配線１１０４が支持脚１１０１に埋め込まれている。中空部１１０３は、ダイオード９０２とシリコン基板１１０２との間の熱抵抗を高める断熱構造を形成している。ダイオード９０２は、ノイズを低減するためにＳＯＩ基板のＳＯＩ層（単結晶シリコン層）に形成されており、ＳＯＩ層下の埋め込み酸化膜は中空構造を支持する構造体の一部になっている。また、図の上方から入射する赤外線を効率良く吸収できるように、ダイオード部に熱的に接触している赤外線吸収構造１１０６が支持脚１１０１の上方に張り出した構造となっている。
【００１９】
画素センサ１０１に赤外線が入射すると、赤外線吸収構造１１０６を含めた画素センサ１０１全体によって吸収され、その吸収によって生じた熱がＰＮ接合ダイオード９０２に伝わる。ＰＮ接合ダイオード９０２の電流電圧特性は温度によって変化するため、ＰＮ接合ダイオードを定電流駆動して両端電圧をモニタすることにより、赤外線吸収量に応じた出力を得ることができる。赤外線フォーカルプレーンアレイ１３０では、画素センサ１０１が２次元に多数配列されており、それらを順にアクセスしていく構造となっている。
【００２０】
図１に示すように、各画素センサ１０１におけるダイオード両端電圧の変化は、積分回路１１０で積分、増幅された後、サンプルホールド回路１１１によって一水平期間保持され、その間に水平走査回路によって順次読出され、画像信号として赤外線フォーカルプレーンアレイから出力される。出力された画像信号は、信号処理回路１４０において、プリアンプ１１２やデジタルシグナルプロセッサ、アンプ等の回路（図示せず）を通じて信号処理され、モニタ用出力端子１５０から出力される。
【００２１】
本実施の形態に係る熱型赤外線カメラでは、赤外線フォーカルプレーン１３０の積分回路１１０は、電流−電圧変換差動変換器１０５と積分容量１０９を備えた差動積分回路になっており、熱型赤外線センサ１０１から出力された信号と参照信号との差分信号を形成し、差分信号に基づく電流によって積分容量１０９を充電または放電する。積分容量１０９は、リセット用のスイッチ１０７を介してバイアス線１０８に接続されており、一水平期間毎にバイアス電位にリセットされるようになっている。
【００２２】
一方、信号処理回路１４０内の補正信号処理部１１７には、Ａ／Ｄ変換器１１３、少なくとも１フレーム分の信号を蓄積できるメモリ１１４、レベル調整等を行う処理回路１１５、Ｄ／Ａ変換器が順に接続されている。メモリ１１４には、２次元配列された画素センサ１０１のオフセット分布に関する情報が蓄積されている。メモリ１１４に蓄積されたオフセット情報を補正信号として電流−電圧変換差動変換器１０５の参照信号用端子に入力することにより、画素センサ１０１の出力信号からオフセット分布を除去することができる。
【００２３】
図１に示す熱型赤外線カメラによれば、画素センサ１０１の出力信号を積分回路１１０で増幅を行う前にオフセット分布を除去できるため、積分回路１１０の増幅率を従来より高く設定しても、出力信号の振幅が信号処理回路１４０内のＡ／Ｄ変換器等の許容範囲を越えることがない。例えば、積分回路１１０の増幅率を３０倍以上、より好ましくは５０倍以上に設定することが可能である。このように、画素センサの出力信号が流れる回路系統のほぼ最上流にある積分回路１１０内で高い増幅を行えば、より回路下流にある信号読出回路や信号処理回路で発生する雑音の寄与を小さくすることができ、画像信号のＳ／Ｎ比を顕著に向上することができる。
【００２４】
また、図１に示す赤外線カメラによれば、簡易な回路構成によって精度良くオフセット分布の除去を行える。オフセット分布を補正するための補正信号は、各画素に均一光を入射し、積分回路１１０の増幅率を小さくして各画素１０１から信号を取り出すことで得られる。赤外線カメラのシャッタを利用すれば、容易に画素への入射光を均一にできる。例えば、積分回路１１０の増幅率を１倍にして出力した信号は、積分回路１１０の入力信号とほぼ同じレベルであるため、これを補正信号処理部１１７に保存して差動積分回路１１０の入力段にフィードバックし、画像信号との差分を使うと非常に簡単に、かつ精度良くオフセット成分を除去することができる。
【００２５】
図２を参照しながら、図１に示す赤外線カメラにおいて補正信号を取得する場合（＝図２（ａ））と赤外線像を撮像する場合（＝図２（ｂ））について、動作の概略を説明する。
【００２６】
まず、補正信号を取得する場合、図２（ａ）に示すように、光学系内のシャッター１０３を閉じて各画素センサ１０１に入射する光量を一定にする。各画素センサ１０１の出力信号は、電圧―電流変換差動入力装置１０５の一方の信号入力端子に入力される。もう一方の参照信号入力端子には、スイッチ１１８を介して接続されたバイアス電源１０６から、一定の電圧を持った基準信号が入力されている。
【００２７】
電流−電圧変換差動入力装置１０５は、画素センサ１０１の出力信号と基準信号の差分を取ると共に電流変換し、その電流によって積分容量１０９を充放電する。尚、積分容量１０９は、予めスイッチ１０７によってバイアス端子１０８と接続され、バイアス電位にリセットされている。こうして、各画素センサ１０１の出力信号は積分・増幅され、サンプルホールド回路１１１を通して出力される。この時、電流−電圧変換差動入力装置１０５と積分容量１０９で形成される差動積分回路１１０の電圧増幅率を撮像時よりも低く、好ましくは３倍以下、より好ましくは約１倍にしておく。
【００２８】
こうして得られた信号は、入射赤外線が一定なので、画素センサ１０１のオフセット分布を反映した補正信号となる。この補正信号を、信号処理回路内のＡ／Ｄ変換器１１３で変換した後、メモリ１１４に保存する。差動積分回路１１０の増幅率が低いため、オフセット分布が大きな場合であってもＡ／Ｄ変換器１１３の許容範囲を越えることはない。また、積分回路１１０の増幅率を約１倍にして出力した補正信号は、積分回路１１０の入力信号とほぼ同じレベルとなるため、これを差動積分回路１１０の入力段にフィードバックすれば、非常に簡単にオフセット成分を除去することができる。尚、積分回路１１０の増幅率が約１倍でない等、フィードバックされた補正信号と元の入力信号の間にレベル差がある場合には、処理回路１１５内で適切なレベル調整を行えば良い。
【００２９】
次に赤外線像の撮像を行う場合、図２（ｂ）に示すように、光学系内のシャッター１０３を開いて、撮像対象から放射された赤外線を画素センサ１０１に入射させる。また、電流−電圧変換差動入力装置１０５の参照信号入力端子には、基準信号ではなく、メモリ１１４に保存された画素毎の補正信号を入力する。メモリ１１４に保存された補正信号は、必要に応じて処理回路１１５で加工される。処理回路１１５では、例えば、レベル調整、ゲイン調整、レベル反転等の加工を行うことができる。補正信号は、さらにＤ／Ａ変換器１１６でアナログ信号に戻され、電流−電圧変換差動入力装置１０５にフィードバックされる。
【００３０】
フィードバックされた補正信号は、シャッター１０３を閉じた時に差動入力装置１０５に入力された信号をほぼ同レベルに再現できるため、製造ばらつきで個々の画素センサ１０１に発生したオフセット分布がキャンセルされ、差分電圧は赤外線入射量に応じて発生した信号成分だけとなる。従って、差動積分回路１１０の増幅率を、例えば３０倍以上（より好ましくは５０倍以上）に大きくしても、下流にある回路の許容範囲内に抑えることができる。
【００３１】
このように、本実施の形態では、赤外線フォーカルプレーンアレイにある差動積分回路１１０の増幅率を、補正信号取得時と一般の撮像時で異ならせる。一般の撮像時における増幅率の補正信号取得時の増幅率に対する比率を３０倍以上、より好ましくは５０倍以上とすることが望ましい。増幅率を異ならせることによって、補正信号の取得と一般の撮像取得を単一の積分回路を通じて行いながら、精度の良いオフセット除去とＳ／Ｎ比向上が可能となる。
【００３２】
積分回路１１０の増幅率は、積分容量１０９の容量値に逆比例し、電圧−電流差動入力装置１０５の電圧−電流変換効率と充放電時間の積に比例する。ここで、電圧―電流変換差動入力装置１０５の電圧−電流変換効率は、参照信号との差分に比例する。従って、補正信号取得時に参照信号出力端子に入力する基準電位、即ちバイアス電源１０６の電位を制御することによって、補正信号取得時の増幅率を自由に変更することができる。尚、次に説明する図３に示すように、バイアス電源１０６と各積分回路（画素センサの列数分だけ形成）の間は配線で共通接続することができる。即ち、赤外線フォーカルプレーンアレイの画素数に拠らず、バイアス電源１０６とスイッチ１１８は赤外線フォーカルプレーンアレイ内に１箇所設ければ良い。従って、赤外線フォーカルプレーンアレイのレイアウト設計は比較的容易である。
【００３３】
図３を参照しながら、本実施の形態に係る赤外線フォーカルプレーンアレイの具体的な回路構成と信号読出し動作について説明する。尚、赤外線フォーカルプレーンアレイ１３０には、外部に設けられた補正信号処理回路１１７から補正信号が入力されている。赤外線フォーカルプレーン１３０内において、画素センサ１０１は、２次元状に配列されてセンサアレイを構成している。画素センサ１０１の各行ごとに駆動線１０が共通して接続されており、各列ごとに信号線２０が共通して接続されている。
【００３４】
垂直走査回路２５０によって、各行の駆動線１０に順次電圧が印加され、画素センサ１０１が各行毎に順次駆動される。画素センサ１０１が接続した各信号線２０の終端には定電流源１０２が接続されており、画素センサを構成するダイオード１０１が一定電流で駆動されるようになっている。一定電流下でのダイオード１０１の順方向電圧は温度と共に変化するため、信号線２０の電位が赤外線の入射量に応じて変化することになる。
【００３５】
信号線２０の逆側の終端には、画素センサ１０１の信号を積分・増幅するための積分回路として、電流−電圧変換差動入力装置１０５と積分容量１０９が各信号線毎に接続されている。積分容量１０９は、リセット用スイッチ１０７を介してバイアス線１０８に接続されており、一水平期間毎に基準電位にリセットされる。積分容量１０９には、スイッチ１２２を介してサンプルホールド回路１１１が接続されている。サンプルホールド回路１１１には、信号読出し用のスイッチ１２１が接続されており、スイッチ１２１は水平走査回路２００によって駆動される。また、外部に設けられた補正信号処理部１１７から入力された補正データを順次読込むため、各信号線毎に保持容量１１９が設けられている。保持容量１１９には、スイッチ１２３が接続されており、スイッチ１２３は水平走査回路によって駆動される。
【００３６】
図３に示す回路における信号読出し動作について説明する。まず、補正データを取得する場合、シャッター（図示せず）を閉じた状態で動作を行う。また、スイッチ１１８と１２４は閉じられ、電圧−電流変換差動入力装置１０５の参照信号入力端子にはバイアス線１０６から所定の基準電位が入力される。この基準電位は、電圧−電流変換差動入力装置１０５と積分容量１０９から成る積分回路の増幅率が低くなるように、例えば１倍程度になるよう決定する。
【００３７】
垂直走査回路２５０によって、各行の駆動線１０に順次電圧が印加され、画素センサ１０１が各行毎に順次駆動される。画素センサ１０４に接続された各信号線２０の電位と基準電位との差分電圧が電圧−電流差動入力装置１０５によって電流変換され、あらかじめリセットされた積分容量１０９を一水平期間の間充電または放電する。
【００３８】
積分容量１０９の電位は、スイッチ１２２を介してサンプルホールド回路１１１に読込まれ、一水平期間の間保持される。サンプルホールド回路１１１に保持された電位は、水平走査回路２００を使って順次外部に出力され、赤外線フォーカルプレーンアレイの外部にある補正信号処理部１１７に蓄積される。この出力信号は、各画素センサ１０１に均一光が入射した状態で出力されるため、各画素センサのオフセット分布を反映したものとなっている。尚、補正信号を取得する際、１フレーム分の信号をそのまま補正信号として蓄積しても良いが、複数フレーム分の信号を平均化して補正信号とすれば、補正信号に含まれる雑音成分を低減できるため、より精度の高いオフセット補正を行うことができる。複数フレームの信号を平均化する場合、補正信号処理部１１７に適当な平均化回路を設けておく。
【００３９】
次に、撮像時の信号読出し動作について説明する。この場合、光学系のシャッタ（図示せず）は開いた状態となる。また、スイッチ１１８が開き、スイッチ１１８−２が閉じた状態となり、電圧−電流変換差動入力装置１０５の参照信号入力端子には保持容量１１９に保持された補正信号がスイッチ１２３を介して入力される。
【００４０】
まず垂直走査回路２５０によって、各行の駆動線１０に順次電圧が印加され、画素センサ１０１が各行毎に順次駆動される。１行分の画素センサ１０１が駆動されている間に、各信号線２０の電位と補正信号との差分電圧が電圧−電流差動入力装置１０５によって電流変換され、あらかじめリセットされた積分容量１０９を充電または放電する。積分容量１０９の電位は、スイッチ１２２を介してサンプルホールド回路１１１に読込まれ、一水平期間の間保持される。サンプルホールド回路１１１に保持された電位は、水平走査回路２００とスイッチ１２１を使って順次外部に出力される。また、水平走査回路２００は、スイッチ１２１と同じタイミングでスイッチ１２３をオンにし、外部にある補正信号処理部１１７から入力された補正信号中の１画素分のデータを保持容量１１９に順次読込む。
【００４１】
画素センサの出力信号と補正信号の読込みタイミングについて、図４を参照しながら説明する。まず、垂直走査回路２５０によって、Ｎ行目（Ｎは自然数）の画素行が選択された場合を考える。このＮ行目の選択期間の間に、次の行である（Ｎ＋１）行の補正データの読込みが行われる。即ち、外部にある補正信号処理部１１７のメモリに蓄積された補正信号が水平走査回路２００とスイッチ１２３によって各保持容量１１９に読込まれ、読込まれた補正信号が続く水平帰線期間（ブランク期間）にスイッチ１２４を介して差動入力装置１０５の参照信号入力端子に伝えられる。
【００４２】
一方、積分容量１０９では、Ｎ行目の選択期間の間に、Ｎ行目の画素センサ１０１の信号積分が行われる。即ち、電圧−電流変換差動積分回路１０５において、Ｎ行目の画素センサ１０４の出力電位と（Ｎ−１）行目の選択期間内に読込まれたＮ行目の補正信号との差分電圧が電流に変換され、その電流によって積分容量１０９が充放電される。Ｎ行目の選択期間の間に積分された信号は、続く水平帰線期間の間にスイッチ１２２を介してサンプルホールド回路１１１に読込まれる。
【００４３】
そして、サンプルホールド回路１１１からは、Ｎ行目の選択期間の間に（Ｎ−１）行目の出力信号が読出される。即ち、Ｎ行目の選択期間の間に、水平走査回路２００とスイッチ１２１によってサンプルホールド回路１１１に保持された（Ｎ−１）行目の出力信号が順次読出される。このようにして、各画素センサ１０１の出力を補正信号によって補正しながら順次読出すことができる。
【００４４】
本実施の形態によれば、電圧−電流差動入力装置１０５において、オフセット分布に対応する補正信号が一方の端子に入力されているため、出力される差分信号は赤外線の入射量に応じたものだけになる。従って、画素センサ１０１毎にオフセット電圧を取り除くことができる。また、電圧−電流変換差動入力装置１０５と積分容量１０９から成る積分回路の増幅率を高く設定しても、オフセット成分を除去した信号電圧のみの増幅であるので、出力信号の電位を小さく抑制することができる。このため、信号処理回路のほぼ最上流にある積分回路内で高い増幅を行うことが可能となり、後段の回路で発生する雑音の寄与を抑制して、Ｓ／Ｎ比を顕著に向上することができる。
【００４５】
尚、本実施の形態においては、画素センサ１０１内の温度センサが単一のダイオードから成る場合について説明したが、画素センサ１０１を構成するダイオードは、複数個のダイオードが直列に連結されたものであっても良い。例えば、図９に示すように、複数のＰＮ接合ダイオード１１０１を配線１１０２で直列に連結したものを画素センサとすることができる。複数のダイオードを連結することにより、抵抗温度係数を高めて赤外線に対する感度を向上することができる。また、画素センサ１０１の温度センサは、電流−電圧特性が温度依存性を持つものであれば良く、トランジスタやボロメータ膜等を使用することもできる。
【００４６】
また、本実施の形態では、積分回路内の電圧−電流変換差動入力装置１０５が一体の回路構成である場合について説明したが、電圧−電流変換機能と差分信号発生機能を有するものであれば良く、電圧−電流変換機能と差分信号発生機能を別々の回路構成で行っても良い。また、画素センサ１０１の出力が電流である場合には、電圧−電流変換機能のない差動入力装置を用いることもできる。
【００４７】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る赤外線カメラを示すブロック図である。尚、実施の形態１と同様である点については説明を省略する。
【００４８】
本実施の形態では、実施の形態１と異なり、補正信号を取得する時には差動積分回路１１０を介さずに、画素センサ１０１の出力信号をそのまま取り出す。即ち、本実施の形態における赤外線カメラは、差動積分回路１１０の前後にスイッチ３１０及び３１２を備えており、補正信号取得時には、図６（ａ）に示すように、シャッタ１０３を閉じた状態にして、スイッチ３１０及び３１２をバイパス側に接続することによって、差動積分回路１１０を介さずに出力信号を取り出す。この出力信号を実施の形態１と同様にしてメモリ１１４に保存しておく。
【００４９】
一般の撮像を行う場合には、図６（ｂ）に示すように、スイッチ３１０及び３１２を差動積分回路１１０側に接続することによって、画素センサ１０１の出力信号を差動積分回路１１０の一方の入力端子に入力する。差動積分回路１１０のもう一方の入力端子には、メモリ１１４に保存された画素センサ毎のオフセット補正信号をフィードバックする。フィードバックされた信号は、もともとシャッタ１０３を閉じた時に差動入力装置に入力されたであろう信号とほぼ同レベルにできるため、画素センサ間にオフセット分布がキャンセルされる。従って、積分回路１１０の出力電圧は赤外線入射量に応じて発生した信号成分だけとなり、積分回路の増幅率を高くしても出力分布を抑えることができる。
【００５０】
本実施の形態によれば、補正信号取得時と一般の撮像時に積分回路１１０の増幅率を変える必要がない。従って、実施の形態１のように積分回路１１０の参照信号用にバイアス電源を別途設ける必要がないため、比較的簡易な回路構成とすることができる。
【００５１】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る赤外線カメラを示すブロック図である。尚、実施の形態１と同様である点については説明を省略する。
【００５２】
本実施の形態においては、実施の形態１と異なり、メモリ１１４に蓄積された補正信号を差動積分回路１０５に直接入力するのではなく、もともとオフセット補正信号を取得する際に使用した基準信号とＡＣ結合させて入力する。
【００５３】
即ち、補正信号を取得する際には、スイッチ４０４を開いてバイアス電源４０６の基準信号を差動積分回路１０５に入力する。一方、一般の撮像時には、スイッチ４０４を閉じて、メモリ１１４に蓄積された補正信号とバイアス電源４０６の基準信号とを容量４０２を介してＡＣ結合させ、合成された信号を差動積分回路１０５に入力する。
【００５４】
本実施の形態によれば、差動積分回路１０５に入力するオフセット補正信号の電圧レベルをバイアス電源４０６の電圧レベルによって調整することができる。従って、バイアス電源４０６の電圧を調整することによって、オフセット分布が最も良好に行える条件設定を容易に行うことができる。
【００５５】
【発明の効果】
本件発明によれば、簡易な回路構成によって、積分回路で増幅を行う前に精度良くオフセット分布を除去できる。従って、積分回路の増幅率を高く設定し、回路下流にある信号読出回路や信号処理回路で発生する雑音の寄与を小さくすることにより、画像信号のＳ／Ｎ比を顕著に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る赤外線カメラを示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す熱型赤外線センサの補正信号取得時（図２（ａ））及び一般の撮像時（図２（ｂ））における動作状態を示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る赤外線フォーカルプレーンアレイを示す回路図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る赤外線フォーカルプレーンアレイの動作状態を示すタイミングチャートである。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係る赤外線カメラを示すブロック図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、図５に示す熱型赤外線センサの補正信号取得時（図６（ａ））及び一般の撮像時（図６（ｂ））における動作状態を示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３に係る赤外線カメラを示すブロック図である。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、熱型赤外線センサの構造を示す断面図及び斜視図である。
【図９】図９は、熱型赤外線センサに用いるＰＮ接合ダイオードの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０１熱型赤外線センサ、１０３シャッタ、１０５電圧−電流変換差動入力装置、１０９容量、１１０差動積分回路、１１１サンプルホールド回路、１１４メモリ

Claims

（ａ）赤外線の入射量に応じて電流電圧特性が変化する複数の熱型赤外線センサが２次元に配列されたセンサアレイを有し、前記熱型赤外線センサから出力された信号を積分回路を通じて順次読出すと共に、前記積分回路で前記信号の増幅を行う赤外線フォーカルプレーンアレイと、
（ｂ）前記熱型赤外線センサのオフセット分布を補正するための補正信号を蓄積可能なメモリとを備え、
前記積分回路が、前記熱型赤外線センサから出力された信号と参照信号との差分信号を形成し、該差分信号に基づく電流によって容量を充電または放電する差動積分回路から成り、
前記メモリに蓄積された補正信号を、直接に又は加工して、前記差動積分回路の参照信号として入力することを特徴とする熱型赤外線固体撮像装置。
前記メモリに蓄積された補正信号が、前記センサアレイ内の熱型赤外線センサの各々に均一な光を入射した状態で前記赤外線フォーカルプレーンから出力した信号であることを特徴とする請求項１に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
前記センサアレイに入力する赤外線を遮断するシャッタを備え、前記補正信号の取得時に前記シャッタを閉じることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
前記赤外線フォーカルプレーンアレイの出力と前記メモリの間にＡ／Ｄ変換器を備え、前記メモリと前記差動積分回路の参照信号入力の間にＤ／Ａ変換器を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
前記メモリに蓄積された補正信号が、前記差動積分回路の増幅率を該熱型赤外線固体撮像装置の撮像動作時よりも低下させた状態で、前記差動積分回路を通じて前記赤外線フォーカルプレーンアレイから出力された信号であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
前記メモリに蓄積された補正信号が、前記差動積分回路を介さずに、前記赤外線フォーカルプレーンアレイから出力した信号であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
赤外線の入射量に応じて電流電圧特性が変化する複数の熱型赤外線センサが２次元に配列されたセンサアレイと、前記熱型赤外線センサから出力された信号を積分回路を通じて順次読出すと共に、前記積分回路で前記信号の増幅を行う赤外線フォーカルプレーンアレイであって、
前記積分回路が、前記熱型赤外線センサから出力された信号と参照信号との差分信号を形成し、該差分信号に基づく電流によって容量を充電または放電する差動積分回路から成り、
前記参照信号として、外部入力された信号が供給されることを特徴とする赤外線フォーカルプレーンアレイ。
さらに所定の基準電圧を発生するバイアス電源を備え、前記差動積分回路に対する参照信号の入力が、前記バイアス電源と外部入力の間で切替可能であることを特徴とする請求項７に記載の赤外線フォーカルプレーンアレイ。
前記差動積分回路の前後にスイッチを備え、前記差動積分回路を通さずに前記熱型赤外線センサの出力を読出し可能であることを特徴とする請求項７に記載の赤外線フォーカルプレーンアレイ。
さらに所定の基準電圧を発生するバイアス電源を備え、前記差動積分回路に対する参照信号の入力が、（ａ）前記バイアス電源と（ｂ）外部入力がＡＣ結合された前記バイアス電源との間で切替可能であることを特徴とする請求項７に記載の赤外線フォーカルプレーンアレイ。
前記熱型赤外線センサが、ダイオードを含むことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の赤外線フォーカルプレーンアレイ。