JP4462925B2 - 複合マイクロボロメータアレイの読出し方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明はマイクロボロメータ焦点面アレイに関し、特にマイクロボロメータアレイの読み出しを改善する技術に関する。

熱赤外線検出器は赤外線放射の加熱効果を検出することにより動作する検出器である。一般に熱検出器は室温以下に冷却する必要がなく、このことが実用上の重要な利点になっている。室温で動作する熱赤外線検出器は過去２００年間に亘り知られているが、最近ではこの分野において集積回路及びマイクロマシン（微細加工）技術の利用可能性に注目が集まっている。室温で良好に動作する何千もの熱赤外線検出器を備えたアレイは既に実用化されている。

ボロメータは熱赤外線検出器の一種であり、入射した電磁放射（代表的に赤外線放射）を吸収し、吸収した赤外線エネルギーを熱に変換し、その結果生じる検出器の温度変化を、温度の関数である、検出器の電気抵抗の変化として検出する。マイクロボロメータは代表的に側面の大きさが数十ミクロンの小さなボロメータである。代表的に、マイクロボロメータ赤外線撮像システムは長波領域の赤外線、代表的には約８〜１２ミクロン（マイクロメートル）の波長領域の長波赤外線を感知するように設計されている。この種のマイクロボロメータ２次元アレイ、代表的には１２０×１６０マイクロボロメータのアレイは視野内の物体から出る放射量の変化を検出し、その２次元画像を形成する。典型的なアレイは８０，０００より大きいマイクロボロメータを持つことができる。同様に線形アレイのマイクロボロメータは線画像を形成する。この種のマイクボロメータアレイでは、マイクロボロメータの信号対雑音比を損なうことなくアレイを構成する個々のマイクロボロメータの全ての抵抗を測定する必要がある。アレイの全マイクロボロメータの電気抵抗を測定するために数千もの電気導線をアレイに取り付けることは実用的でないので、代表的にはマイクロボロメータアレイを読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）と呼ばれるモノリシィクシリコン上に形成し、このＲＯＩＣにより「フレーム時間」と呼ばれる短時間内にアレイの全個々のマイクロボロメータの電気抵抗を測定する。用語「フレーム時間」は物体の全画像（一枚分）を生成するのに要する時間である。代表的にフレーム時間は１／３０秒程度であるが、これより長くても短くてもよい。マイクロボロメータアレイが検出赤外線放射の時間依存変化に十分に追従できるようにするために、各マイクロボロメータの熱応答時間は代表的にフレーム時間にほぼ同じ値に調整される。

アレイの全マイクロボロメータの電気抵抗を測定するためにＲＯＩＣが行う典型的な方法はアレイの各マイクロボロメータに電圧（又は電流）の「バイアスパルス」を供給し、その結果生じる電流（又は電圧）信号を測定することである。広く用いられているのはアレイの各マイクロボロメータに電圧バイアスパルスを印加し、各フレーム時間中にアレイの各マイクロボロメータから発生した電流を測定する方法である。ただし、ＲＯＩＣに組み込まれるような大きなアレイの場合、通常、この種のバイアスパルスを２以上のマイクロボロメータに同時に印加し、その結果として生じる電流信号を同時に測定する。しかしながら、アレイの各マイクロボロメータの読み出しを１フレーム時間内に行うことが困難になる。そこで、そのような大きなアレイを複数の小アレイに分割して、大きなアレイの読み出し処理を容易にすると都合がよい。その場合、各小アレイは自己の読み出しポートを使用する個々のアレイであり且つ各小アレイに関連する対応する測定回路にデータを供給するように、各小アレイは読み出されるであろう。大きなアレイの分割は物理的な分割である必要はない。

しかしながら、大きいアレイの読み出しを容易にするために自己の測定回路を持つ各小アレイにアレイを分割する方式は、形成される画像に望ましくない欠陥を発生する。その要因は、オフセット電圧、オフセット電流、ゲイン等、様々な測定回路特性の変化により誘導される小アレイの出力信号における異なるドリフトによる。

したがって、自己のデータ読み出しポートを持つ複数の小アレイを含む大きなアレイの設計と動作に対し、各小アレイに関連する測定回路におけるドリフトに起因して生成画像に望ましくないパターンアーティファクトを現れないようにする技術上の要請がある。

本発明は複数の小アレイから成るマイクロボロメータアレイが発生する望ましくない画像パターンアーティファクト（artifacts）を低減する技術を提供するものである。その実現方法として、複数の小アレイの各マイクロボロメータにバイアスパルスを供給し、供給したバイアスパルスに対応する応答信号を上記複数の小アレイに対応する複数の測定回路を用いて上記フレーム時間中に上記小アレイの各マイクロボロメータ毎に測定する。さらに、本技術は、上記フレーム時間中に上記複数の小アレイにそれぞれ対応する上記複数の測定回路に１以上の既知のバイアスパルス（較正用信号）を供給するともに、上記フレーム時間中に上記供給した上記較正用バイアスパルスに対応する１以上の較正応答信号を測定する。その後、本技術は、各上記測定した較正応答信号に基づいて各小アレイ毎にオフセットパラメータを計算し、各計算したオフセットパラメータにより上記測定した応答信号を補正して上記小アレイ間において発生した望ましくない画像パターンアーティファクトを低減した出力信号を生成する。

本発明の他の特徴は図面を参照してなされる以下の説明から明らかである。

本書は各測定回路に結合した複数の小アレイにより構成したマイクロボロメータアレイが発生する画像に含まれる望ましくない欠損を低減する技術について説明する。
図１は撮像システム１００におけるマイクロボロメータアレイ１１０の実施形態を示したものである。さらに撮像システム１００は赤外線透過レンズ１２０を備える。アレイ１１０は１次元又は２次元アレイである。アレイ１１０はモノリシィクシリコンの読出し集積回路（ＲＯＩＣ）１１５上に形成される。図１に示す実施形態において、アレイ１１０は赤外線透過レンズ１２０の焦点面に配置されているため、放射赤外線１３０は焦点面上に集束され、写真用フィルムをカメラレンズの焦点面に置いたときにフィルムに画像が形成されるのと同様にして、遠くの物体又はシーン１４０の画像が形成される。焦点された画像の加熱効果によりアレイ１１０を構成する個々のマイクロボロメータに温度変化が起きる。アレイ１１０を構成する個々のマイクロボロメータの温度変化により、アレイ１１０を構成する個々のマイクロボロメータの抵抗値が変化する。ＲＯＩＣ１１５はアレイ１１０の各マイクロボロメータを呼び掛け、各マイクロボロメータの抵抗値の変化を測定する。アレイ１１０の各マイクロボロメータの抵抗変化はフレーム時間内に測定される。一般に、フレーム時間は１／３０秒程である。アレイ１１０の各マイクロボロメータの熱応答時間は一般にフレーム時間にほぼ等しくなるように調整される。アレイ１１０の各マイクロボロメータの抵抗変化を測定する上記動作はフレーム時間毎に繰り返され、シーンおよび／または物体１４０の実時間画像として表示される。

図２は２つの小アレイ２８０から成るマイクロボロメータアレイ１１０を形成する際に用いるＲＯＩＣ１１５の１例の実施形態を示したものである。アレイ１１０の各マイクロボロメータは電気抵抗２２０として表記している。アレイ１１０の各マイクロボロメータ２２０に関連して電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２３０が設けられる。マイクロボロメータ２２０とＦＥＴ２３０は図２に示すように薄膜の金属性導体２４０を介して相互接続される。さらに、ＲＯＩＣ１１５は列及び行のシフトレジスタ２５０及び２６０を備える。列シフトレジスタ２５０はアレイ１１０の列に制御電圧を印加し、シフトレジスタ２６０は行マルチプレクサ２７０に制御電圧を供給する。グローバルなバイアス電圧ＶＤＤＲがアレイ１１０の全マイクロボロメータに印加される。２つの各小アレイ２８０に関連する２つの出力信号ライン２８５は２つの測定回路２９０によりゼロボルトに保持される。

動作において、典型的にＲＯＩＣ１１５は各種制御電圧により２つの各小アレイ２８０に含まれる１つのマイクロボロメータのみにＶＤＤＲが印加されるようにし、信号電流が対応する薄膜の金属性導体２４０を通り、マルチプレクサ２７０を経て出力信号ライン２８５に出力される。各小アレイに関連する電流源２９１から供給される電流により正味の出力電流はゼロ近くになる。電流源２９１は、マイクロボロメータ２２０がバイアスされる各時間間隔中に、アレイ１１０の異なるマイクロボロメータ２２０に対して供給するバイアス電流値を異ならせることができ、その結果、アレイ１１０における異なるマイクロボロメータ２２０間の小さい製造バラツキによりマイクロボロメータの抵抗がマイクロボロメータ間で若干異なる抵抗値を持つ場合でも、出力電流をゼロ近くに保持することができる。

この信号ゼロ処理は「粗い不均一補正」と呼ばれ、粗い不均一補正のための補正を行う他の方法及び装置とともに米国特許第4752694号に開示されている。出力信号２９４は対応する積分器及びＡ／Ｄ変換器２９６に入力されてデジタル信号値２９８に変換される。較正用バイアスパルスを供給するための較正回路２９２が２つの測定回路２９０に接続され、これにより各出力信号には各積分器及びＡ／Ｄ変換器２９６における望ましくないドリフトを補正するための較正信号も含まれる。

図３はデジタル信号処理装置３４０に接続される典型的な測定回路２９０を示したものである。出力信号２８５はコンデンサ３２０及び増幅器３１０により積分された後でフレーム時間中にスイッチ３３０を介して放電される。信号２９４はＡ／Ｄ変換器２９６によりデジタル信号値２９８に変換される。デジタル信号処理装置３４０はデジタルメモリ３５０とともに補正回路３６０を備える。デジタルメモリ３５０は各小アレイ２８０の各マイクロボロメータに関する補正値を記憶する。補正回路３６０はデジタル信号値２９８とデジタルメモリ３５０に記憶された関連補正値とから最終出力信号３６５を生成する。補正は代表的に、小さなゼロ誤差信号を除去する「ファインオフセット補正」である。また、補正はアレイ１１０の異なるマイクロボロメータ２２０間の異なる感度を補正する「ゲイン補正」を含んでもよい。さらに補正は、マイクロボロメータアレイ１１０において動作が不良のマイクロボロメータ２２０の信号を隣接するマイクロボロメータ２２０の信号値に置換する「デッドピクセル置換」を含んでよい。さらに、補正にコントラスト、明るさ、及び／又は擬似カラーに関する補正を含めて、観察者に容易に知覚され得る画像が得られるようにしてもよい。

図４は本発明に係るプロセス４００の一実施形態の全体図である。ステップ４１０に示すように、本プロセス４００は複数の小アレイに分割されたマイクロボロメータアレイの各マイクロボロメータに対してフレーム時間中に個別のバイアスパルスを供給する。フレーム時間とはマイクロボロメータアレイが物体の全画像（一枚分）を生成するのに要する時間である。バイアスパルスは電圧のバイアスパルスであってよい。バイアスパルスの長さは約０．１〜２０マイクロ秒の範囲でよい。実施形態によっては、フレーム時間内において大きさが実質的に等しく且つ実質的にシーケンシャルである複数のバイアスパルスを供給するようにしてもよい。複数のバイアスパルスは、約２〜１００個のバイアスパルスの範囲であってよい。

ステップ４２０では、フレーム時間中に小アレイの各マイクロボロメータに対して供給したバイアスパルスに対する結果として生じた信号を各小アレイ用測定回路により測定する。幾つかの実施形態において、結果として生じた信号は電流信号である。ステップ４３０ではフレーム時間中に各小アレイ用測定回路毎に１以上の較正用バイアスパルスを供給する。ステップ４４０ではフレーム時間中に供給した較正用バイアスパルスに対応して発生した１以上の結果として生じた較正信号を測定する。ステップ４５０では測定した各結果として生じた較正信号に基づいて各小アレイ毎に補正パラメータを計算する。幾つかの実施形態において、補正パラメータはオフセット電圧、オフセット電流、及び／又はゲイン補正である。ステップ４６０では計算したそれぞれ対応する補正パラメータにより結果として生じた測定信号を補正することで、小アレイ間の生成画像に含まれる望ましくない欠損が減少した出力信号を生成する。プロセス４００はフレーム時間毎に以上のステップを反復することにより専用測定回路を持つ各小アレイが生成した画像に含まれる望ましくない欠陥を低減する。

幾つかの実施形態において、プロセス４００はさらに、各小アレイを構成する１以上のマイクロボロメータ間の抵抗の不均一性を補正するため各出力信号に訂正電気信号を供給して実質的より均一な出力信号が得られるようにすることができる。また、幾つかの実施形態において、アレイの各マイクロボロメータに係る均一な出力信号をデジタル信号値に変換する。幾つかの実施形態において、プロセス４００はさらに、アレイの各マイクロボロメータに関わる各デジタル信号値をデジタル画像処理装置に渡して画像不良を補正する。幾つかの実施形態において、画像不良にはオフセット、欠損、ゲイン不均一性、及び／又はデッドピクセルが含まれる。

図５は本発明に基づいて、赤外線放射検出装置５００の主要素とともにそれらの相互接続関係を示したものである。赤外線放射検出装置５００はマイクロボロメータアレイ１１０を備える。そしてマイクロボロメータアレイ１１０は複数の小アレイ２８０に分割される。図５に示す例示の実施形態では、マイクロボロメータアレイ１１０を２つのより小さいアレイに分割している。さらに赤外線放射検出装置５００はそれぞれ第１と第２のタイミング回路５１０、５２０を備える。さらに赤外線放射検出装置５００は各小アレイ２８０に対応して複数の較正回路及び測定回路２９２、２９０を備える。第１のタイミング回路５１０はマイクロボロメータアレイ１１０に接続される。第２のタイミング回路５２０は各較正回路に接続される。さらに赤外線放射検出装置５００は積分器及びＡ／Ｄ変換器２９６、及びデジタル画像処理装置３４０を備える。デジタル画像処理装置３４０は補正回路３６０とデジタルメモリ３５０により構成される。

動作において、第１のタイミング回路５１０はフレーム時間中に小アレイ２８０の各マイクロボロメータにバイアスパルスを供給する。幾つかの実施形態において、バイアスパルスは実質的に等しい大きさの複数のバイアスパルスを含み得る。また、複数のバイアスパルスを実質的に等間隔で供給してもよい。幾つかの実施形態において、バイアスパルスは電圧バイアスパルスである。バイアスパルスの持続時間は１〜１００マイクロ秒であり得る。フレーム時間とは、アレイ１１０が該アレイ１１０により視認され得る物体の完全な画像を生成するために要する時間である。

複数の測定回路２９０はフレーム時間中に供給した各バイアスパルスに関わる結果として生じた信号を測定する。幾つかの実施形態において、結果として生じた信号は電流信号である。第２のタイミング回路５２０はフレーム時間中に１以上の較正用バイアスパルスを各測定回路２９０に供給する。このとき測定回路２９０は供給した１以上の較正用バイアスパルスに対応する１以上の結果として生じた較正信号を測定する。そして測定回路２９０は測定した１以上の結果として生じた較正信号のそれぞれに基づいて各小アレイ毎に補正パラメータを計算する。さらに、測定回路２９０は計算した各補正パラメータを測定された結果として生じた信号に適用することにより複数の小アレイ２８０から成るマイクロボロメータが生成した画像に含まれる欠損を低減した出力信号を生成する。補正パラメータは、オフセット電圧、オフセット電流、及び／又はゲイン補正であり得る。

幾つかの実施形態において、積分器及びＡ／Ｄ変換器２９６は小アレイ２８０の各マイクロボロメータ毎に出力信号をデジタル信号値に変換する。幾つかの実施形態において、補正回路３６０を有するデジタル画像処理装置３４０は小アレイ２８０の各マイクロボロメータに関わるデジタル信号値を読み込み、オフセット、ゲイン不均一性、及び／又はデッドピクセル等の画像不良を補正する。また、幾つかの実施形態において、補正回路３６０は小アレイ２８０の各マイクロボロメータに係る抵抗の不均一性を補正するために訂正の電気信号を適用して実質的に均一な出力信号値を得る。アレイ１１０の各マイクロボロメータに関する補正電気信号はデジタルメモリ３５０に記憶される。
結論
上記方法及び装置は自己の測定回路を含む複数の小アレイに分割されたマイクロボロメータアレイにより生成される画像に含まれる望ましくない欠損を低減するものである。

以上の説明は例示を目的とするものであり、制限されることを意図しない。多くの実施形態が当業者には明らかである。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等の全範囲に基づいて定められるべきである。

撮像システムにおけるマイクロボロメータの利用を説明する図である。 読出し処理を容易にするために複数の小アレイを含む典型的なＲＯＩＣ回路示す図である。 複数の小アレイのそれぞれから出力される出力信号をデジタル信号値に変換するために用いられる積分器及びＡ／Ｄ変換器を含む典型的な読出し回路を示す図である。 自己の読出し回路を有する複数の小アレイを使用したときに発生する望ましくない欠陥を低減する方法を示す図である。 本発明に基づいた赤外線検出装置の主要素とそれらの相互接続関係を示す図である。

Claims (22)

1. 複数のより小さい小アレイに分割されたマイクロボロメータアレイにより発生される画像における望ましくない欠損を低減する方法において、
   Ａ） フレーム時間中に上記小アレイの各マイクロボロメータに個別のバイアスパルスを供給するステップと、
   Ｂ） 上記供給されたバイアスパルスに対応して結果として生じた第１の信号を、対応する各上記小アレイに各々が接続された複数の測定回路（２９０）において上記フレーム時間中に各マイクロボロメータに対し測定するステップと、
   Ｃ） 上記フレーム時間中に各上記測定回路（２９０）に１以上の較正バイアスパルスを供給するステップと、
   Ｄ） 上記フレーム時間中に上記供給された上記較正バイアスパルスに対応する１以上の結果として生じた第２の較正信号を測定するステップと、
   Ｅ） 各上記測定された１以上の結果として生じた第２の較正信号の各々に基づいて各小アレイに対して補正パラメータを計算するステップと、
   Ｆ） 各上記計算された補正パラメータにより上記測定された結果として生じた第１の信号を補正して上記小アレイ間において発生した画像における望ましくない欠損を低減する出力信号を生成するステップと、
   を有し、上記補正パラメータはオフセット電圧、オフセット電流、及び／又はゲイン補正からなることを特徴とする方法。
2. さらに、上記ステップＡ）乃至Ｆ）を連続的に反復して各フレーム時間中に上記複数の小アレイの各マイクロボロメータに対応する出力信号を計算し、上記複数の小アレイにより発生した画像における望ましくない欠損を低減することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. さらに、各上記小アレイにおけるマイクロボロメータ間の抵抗の不均一性についての粗い不均一補正のために各小アレイ出力信号に訂正の電気信号を適用してより均一な出力信号を得るステップを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. さらに、上記小アレイにおける各マイクロボロメータに関連する上記のより均一な出力信号をデジタル信号値に変換するステップを含むことを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. さらに、上記小アレイにおける各マイクロボロメータに関連する各上記デジタル信号値をデジタル画像処理装置に渡して画像不良を補正するステップを含むことを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 上記画像不良はオフセット、欠損、ゲインの不均一性、及び／又はデッドピクセルを含むことを特徴とする、請求項５記載の方法。
7. 上記ステップＡ）は上記フレーム時間中に大きさが等しく且つシーケンシャルである複数のバイアスパルスを供給するステップを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
8. 上記ステップＡ）において、上記バイアスパルスは電圧バイアスパルスであることを特徴とする、請求項１記載の方法。
9. 上記ステップＢ）において、上記結果として生じた第１の信号は電流信号であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
10. 上記ステップＡ）において、上記バイアスパルスの持続時間は約０．１〜２０マイクロ秒の範囲内であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
11. 上記フレーム時間は上記マイクロボロメータアレイが該マイクロボロメータアレイにより視認される物体の完全な画像を生成するのに要する時間であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
12. 複数のより小さいマイクロボロメータアレイを含むマイクロボロメータアレイと、
    上記マイクロボロメータアレイに接続され、フレーム時間中に上記小アレイにおける各マイクロボロメータに対し第１のバイアスパルスを供給する第１のタイミング回路であって、前記第１のバイアスパルスは結果として生じる第１の信号を生成する、第１のタイミング回路と、
    対応する上記小アレイに接続され、フレーム時間中に各上記供給されたバイアスパルスに関連する結果として生じた第１の信号を測定する複数の測定回路（２９０）と、
    対応する上記測定回路（２９０）に接続される複数の較正回路と、
    上記較正回路に接続され、フレーム時間中に各上記測定回路（２９０）に１以上の較正バイアスパルスを供給することにより、上記測定回路（２９０）が上記供給された１以上の較正バイアスパルスに対応する１以上の結果として生じた第２の較正信号を測定する、第２のタイミング回路と、
    を備え、
    上記測定回路（２９０）は上記測定された１以上の結果として生じた第２の較正信号のそれぞれに基づいて各上記小アレイに対し補正パラメータを計算し、
    さらに上記測定回路（２９０）は上記計算された補正パラメータのそれぞれを上記測定された結果として生じた第１の信号に適用して複数の小アレイを含む上記マイクロボロメータアレイにより生成された画像における望ましくない欠損を低減する出力信号を生成し、
    上記補正パラメータはオフセット電圧、オフセット電流、及び／又はゲイン補正からなる
    ことを特徴とする赤外線放射検出装置。
13. さらに、上記小アレイにおける各マイクロボロメータに対し、出力信号をデジタル信号値に変換する積分器及びＡ／Ｄ変換器を有することを特徴とする、請求項１２記載の赤外
    線放射検出装置。
14. さらに、上記Ａ／Ｄ変換器に接続され、上記小アレイの各マイクロボロメータに関連する上記デジタル信号値を受信し、オフセット、ゲインの不均一性、及び／又はデッドピクセル等の画像不良を補正する補正回路（３６０）を含むデジタル画像処理装置を有することを特徴とする、請求項１３記載の赤外線放射検出装置。
15. 補正値に基づいて、小さなゼロ誤差信号を除去し、異なるマイクロボロメータ（２２０）間の異なる感度を補正し又は動作が不良のマイクロボロメータ（２２０）からの信号を置換するための訂正の電気信号を上記出力信号に適用し、上記小アレイの各マイクロボロメータにおける抵抗の不均一性を補正して均一な出力信号値を得る補正回路（３６０）を含むデジタル画像処理装置をさらに有することを特徴とする、請求項１３記載の赤外線放射検出装置。
16. 上記画像処理装置はさらに、上記小アレイにおける各マイクロボロメータに関連する訂正の電気信号を記憶するデジタルメモリを有することを特徴とする、請求項１５記載の赤外線放射検出装置。
17. 上記第１のタイミング回路により供給される上記バイアスパルスは大きさが等しい複数のバイアスパルスを含むことを特徴とする、請求項１２記載の赤外線放射検出装置。
18. 上記複数のバイアスパルスは時間の間隔が等しいことを特徴とする、請求項１７記載の赤外線放射検出装置。
19. 上記第１のタイミング回路により供給される上記バイアスパルスは電圧バイアスパルスであることを特徴とする、請求項１２記載の赤外線放射検出装置。
20. 上記複数の測定回路（２９０）において、上記結果として生じた第１の信号は電流信号であることを特徴とする、請求項１２記載の赤外線放射検出装置。
21. 上記第１のタイミング回路により供給される上記バイアスパルスは約０．１〜２０マイクロ秒の範囲の持続時間であることを特徴とする、請求項１２記載の赤外線放射検出装置。
22. 上記フレーム時間は上記アレイが該アレイにより視認される物体の完全な画像を生成するのに要する時間であることを特徴とする、請求項１２記載の赤外線放射検出装置。

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