JP4501644B2

JP4501644B2 - 赤外線検出装置

Info

Publication number: JP4501644B2
Application number: JP2004331388A
Authority: JP
Inventors: 誠岩島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-11-16
Also published as: JP2006145214A

Description

本発明は赤外線検出装置に係る。

近年、被写体の温度分布をリアルタイムで撮像したいと言う要求が強く、２次元の赤外線検出装置の需要が高まっている。これに伴い、安価で高性能な赤外線検出装置開発が望まれている。

入射赤外線を熱に変換し、その熱による温度上昇を温度検出素子で検出することによって赤外線を検出する赤外線検出装置が知られている。そのような装置においては、赤外線の検出感度を高めるために、温度検出素子が細い梁で支持されている場合があり、その梁が機械的衝撃によって破損し、その結果、温度検出回路がオープン（断線状態）となる故障が起こる可能性がある。下記特許文献１には複数の温度検出素子より構成される温度検出装置が記載され、各温度検出素子のオープン故障を検出する構成が記載されている。

特開２００４−１１７２６０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された温度検出装置においては、オープン故障の検出を、温度検出とは別に行うようになっており、オープン故障の検出を行わないまま温度検出を続行した場合に、オープン故障が発生しても、それが故障として検出されずに、誤った温度検出の原因となってしまう。すなわち、温度検出素子の出力電圧は導線を通じて増幅器に入力されるのであるが、その導線が断線しても、増幅器の入力側に接続される容量や入力側の寄生容量により、直前に走査選択される温度検出素子の出力電圧にほぼ等しい入力電圧が保持されてしまい、その結果として、誤った温度が検出されてしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、発明が解決しようとする課題は、赤外線検出と並行して、赤外線検出素子のオープン故障を検出することが可能となる赤外線検出装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、基板上に配列され、入射赤外線を電気信号に変換して出力する複数の赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子の各々が出力する出力信号を順次走査選択して出力する走査選択手段と、走査選択タイミングに同期して出力電圧値が変化する基準電圧印加手段と、前記走査選択手段の出力信号を基準電圧と比較して差動増幅する差動増幅手段とを備えた赤外線検出装置であって、前記赤外線検出素子に印加する電圧と前記基準電圧とを等しくし、更に、前記基準電圧印加手段が、前記基準電圧を、前記赤外線検出素子の各々が出力する出力信号が走査選択されている時間内において変化させ、前記赤外線検出素子の各々が出力する出力信号が走査選択されている時間内における前記基準電圧の変化の波形は、直前あるいは直後に出力信号が走査選択される前記赤外線検出素子における前記基準電圧の変化の正負を逆にした波形であり、前記基準電圧の変化の波形の１基本周期は、前記赤外線検出素子の相隣合う２つが出力する出力信号を走査選択するに要する時間に等しいことを特徴とする赤外線検出装置を構成する。

本発明の実施により、赤外線検出と並行して、赤外線検出素子のオープン故障を検出することが可能となる赤外線検出装置を提供することができる。

本発明は、入射赤外線を電気信号に変換する複数の赤外線検出素子を利用する赤外線検出装置（例えば、被写体の温度分布を撮像する赤外線検出装置）に関し、より詳しくは、赤外線検出中においても、赤外線検出素子の故障を検出することが可能な赤外線検出装置に係わる。

以下に、本発明を以下の実施形態例によって説明する。

（第１の実施形態例）
図１は、本発明の一実施形態による赤外線検出装置を説明する回路構成図である。図において、１は、基板（図示せず）上に構成される２次元赤外線検出素子部、２は、２次元赤外線検出素子部１の画素数分のアドレスをカウントするカウンタ、３は垂直走査信号を出力する垂直方向デコーダ、４は水平走査信号を出力する水平方向デコーダ、５は水平方向スキャナ、６は差動増幅器、Ｒ１は抵抗、Ｃ１、Ｃ２は容量である。尚、２次元赤外線検出素子部１、水平方向スキャナ５の詳細回路については、図１中に記載しているが、差動増幅器６の詳細回路については、一般的に知られている差動増幅回路を図５に別に示す。

２次元赤外線検出素子部１は、画素ij（i,jは整数で、1≦i≦m、1≦j≦n）が基板上に、縦にｍ個、横にｎ個、２次元配列して構成され、各画素ijは赤外線検出素子（図中、直列接続された抵抗と電圧源によって表されている）とＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭijとの組合わせで構成されている。このように基板上に２次元配列された赤外線検出素子として、サーモパイル（複数の熱電対を、熱起電力が直列合成されるように接続したもの）を仮定すると、等価回路としては、図１に示したように、抵抗と電圧源の直列回路として表すことができる。この赤外線検出素子においては、入射赤外線が吸収され、それによってサーモパイル中の熱電対の温接点の温度が上昇し、その温度上昇に応じた熱起電力が発生し、それが出力電圧として出力される。すなわち、この赤外線検出素子は入射赤外線を電気信号に変換して出力する。

水平方向スキャナ５は、上記赤外線検出素子の出力信号を順次走査選択して出力する走査選択手段であり、赤外線検出素子列ごとに接続されたＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１〜Ｍｎによって構成されている。

差動増幅器６は、走査選択手段である水平方向スキャナ５の出力信号を基準電圧と比較して差動増幅する差動増幅手段である。

本実施形態例は、図１に示された構成で見る限りにおいては、従来例と変わらない。本実施形態例が従来例と異なる点は、各赤外線検出素子と差動増幅手段である差動増幅器６に印加する基準電圧Ｖrefが時間的に変化することにある。すなわち、本発明においては、赤外線検出素子に印加する電圧と基準電圧Ｖrefとを等しくし、更に、基準電圧Ｖrefを、赤外線検出素子の各々が走査選択されている時間内において変化させる。ここで、「赤外線検出素子の各々が走査選択され」は「赤外線検出素子の各々が出力する出力信号が走査選択され」を意味するものとする。

図２に、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４の各出力波形タイムチャート、及び、２次元赤外線検出素子部１と差動増幅器６に印加される基準電圧Ｖref、水平方向スキャナ５の出力電圧Ｖｐ、差動増幅器６の出力電圧Ｖoutの各電圧波形を示す。尚、サーモパイル型の赤外線検出素子としては、入射赤外線を吸収し熱に変換する受熱部がマイクロマシーニング加工により基板部に対して中空に置かれると共に、梁を介して基板に支えられ、該梁内に熱電対（抵抗）が配線されて、受熱部と基板部の温度差により電圧を発生して、入射赤外線を電気信号に変換する構成が一般的である。

次に、図１及び図２に従い、この赤外線検出装置の動作について説明する。

まず、カウンタ２では、入力する基準クロックＣＬＫに基づき、２次元赤外線検出素子部１の画素数分のアドレスがカウントされ、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４に出力される。垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４では、カウンタ２からのアドレスカウントをデコードして、各行ごとの垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍ、或いは各列ごとの水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎとして、垂直方向選択信号Ｙ１〜Ｙｍは２次元赤外線検出素子部１内の垂直方向スキャナ（Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ11〜Ｍmnのゲート端子）に、水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎは水平方向スキャナ５中のＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１〜Ｍｎのゲート端子に夫々印加される。

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〜Ｙｍ或いは水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎが順次Ｈ（ハイ）レベルになると、接続されているＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチが順次オン（導通）する。この結果、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の出力信号がＶ１〜Ｖｎとして水平方向スキャナ５に送られ、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の出力電圧Ｖｐとして画素11の出力信号が走査選択される。その後、順次水平方向選択信号Ｘ２〜ＸｎがＨレベルとなり、水平方向スキャナ出力電圧Ｖｐとして画素11の出力信号に続いて、画素12〜画素1nの出力信号が走査選択される。

次に、垂直方向選択信号Ｙ２がＨレベルとなり、又、水平方向選択信号Ｘ１〜Ｘｎが順次Ｈレベルとなる為、水平方向スキャナ出力電圧Ｖｐとして画素21〜画素2nの出力信号が走査選択される。従って、これら動作の繰り返しにより、水平方向スキャナ出力電圧Ｖｐとして画素11〜画素1n、画素21〜画素2n、‥、画素m1〜画素mnの順に、夫々の画素の出力信号が走査選択され、再び画素11からの走査選択が繰り返される。

差動増幅器６では、赤外線検出素子に印加する電圧が基準電圧Ｖrefに等しくなっているので、上記水平方向スキャナ５の出力電圧Ｖｐと基準電圧Ｖrefの差分電圧（赤外線検出素子にて発生した電圧）が増幅され、従って、出力電圧Ｖoutとしては、各赤外線検出素子にて発生した電圧分のみが増幅されて取り出されることとなる。

次に、２次元赤外線検出素子部１と差動増幅器６に印加される基準電圧Ｖref、水平方向スキャナ５の出力電圧Ｖｐ、差動増幅器６の出力電圧Ｖoutの各電圧波形の関係について考える。ここでは、基準電圧Ｖrefは、時間的に常に一定電圧（ＤＣ電圧）に保たれる（これは従来例の場合である）のではなく、各画素の走査選択時間内において変化し、その変化の波形は、走査選択タイミングに同期して電圧値が２値に変化する矩形波である。この場合、水平方向スキャナ５の出力電圧Ｖｐは、基準電圧Ｖrefの矩形波に各画素の入射赤外線に従った起電圧が重畳される波形となる。従って、差動増幅器６では、上記水平方向スキャナ５の出力電圧Ｖｐと基準電圧Ｖrefの差分電圧が増幅されるので、基準電圧Ｖrefのパルス成分（矩形波成分）は相殺され、基準電圧ＶrefにＤＣ電圧を印加した場合と同様、差動増幅器６の出力電圧Ｖoutとして各赤外線検出素子にて入射赤外線の強さに応じて発生した電圧分のみが増幅されて取り出されることとなる。なお、この場合に、図２に示したように、赤外線検出素子の各々が走査選択されている時間内における基準電圧の変化は、赤外線検出素子の各々において、タイミング、電圧の変化値、矩形波幅に関して、同一である。すなわち、赤外線検出素子の各々が走査選択されている時間内における基準電圧の変化の波形は、前記赤外線検出素子の各々において、同一である。

ここで、ある赤外線検出素子（ここでは画素22の素子）内の梁が折れ、熱電対を構成する抵抗が断線して、オープン故障が発生した場合を考える。この場合、水平方向スキャナ５の出力電圧Ｖｐは、梁折れ画素（画素22）以外の画素を走査選択している時は、上記の通り、基準電圧Ｖrefの矩形波に各画素の入射赤外線の強さに応じて発生した起電圧が重畳される波形となるが、梁折れ画素（画素22）の走査選択時は、差動増幅器６の入力に接続される容量Ｃ２や、差動増幅器６の入力側にある寄生容量により、直前に走査選択される画素（ここでは画素21）の走査選択終了時の出力電圧にほぼ等しい電圧が保持される。従って、梁折れ画素（画素22）の走査選択時は、基準電圧Ｖrefの矩形波に起電圧が重畳された波形とは異なる何らかの値のＤＣ電圧が水平方向スキャナ５より出力されることになる。この結果、梁折れ画素（画素22）走査選択時の差動増幅器６の出力電圧Ｖoutは、水平方向スキャナ５の出力電圧Ｖｐに基準電圧Ｖrefの矩形波が重畳されていないので、基準電圧Ｖrefの矩形波が反転増幅された波形（図２において「梁折れ」で表示した部分）となる。

差動増幅器６の出力に接続される図示していないＡ／Ｄ変換器にて、出力電圧Ｖoutを画素操作選択期間内で複数（２点以上）サンプリングすることにより、各画素の入射赤外線に従った起電圧を走査選択するのと並行して、上記の基準電圧Ｖrefの矩形波が反転増幅された波形を検出すれば、赤外線検出素子（画素）内の梁折れ、即ちオープン故障を検出することができる。このように、本発明に係る赤外線検出装置においては、赤外線検出中においても、それと並行して、赤外線検出素子のオープン故障の検出が可能となる。

従来技術においては、基準電圧Ｖrefが時間的に常に一定電圧（ＤＣ電圧）に保たれているので、上記のような、赤外線検出と赤外線検出素子のオープン故障検出とを並行して行うことはできない。

（第２の実施形態例）
上記の赤外線検出素子（画素）内の梁折れ（抵抗断線）に加え、次に、赤外線検出素子（画素）内の梁クラック等による熱電対の抵抗値変動、及びショート故障について考える。ここで、各赤外線検出素子（画素）は同一構成である為、熱電対を構成する抵抗値は各赤外線検出素子（画素）間で等しく、差動増幅器６の基準電圧が印加される入力端子部に接続されている抵抗Ｒ１も熱電対を構成する抵抗値と同一値に設定されている。又、差動増幅器６の両入力端子に接続されている容量Ｃ１、Ｃ２も同一の容量値に設定されている。又、基準電圧の変化の波形は、第１の実施形態例と同様に、走査選択タイミングに同期して電圧値が２値に変化する矩形波である。

次に、図３のタイムチャートを用い、赤外線検出素子（画素）の抵抗値変動、及びショート故障について説明する。尚、図３（ａ）は、図２に示したタイムチャートでの梁折れ部分の差動増幅器６の入出力波形（第１の実施形態例）を再度示したものである為、その説明は省略する。

まず、赤外線検出素子（画素）の抵抗値が増大した場合について、図３（ｂ）に従い説明する。基準電圧Ｖrefとして印加される矩形波は、差動増幅器６の反転入力側に接続される抵抗Ｒ１と容量Ｃ１から成るローパスフィルタにより帯域制限を受け、立上りと立下りが若干なまった波形となり、差動増幅器６に入力される。同様に、差動増幅器６の非反転入力側も赤外線検出素子（画素）内熱電対抵抗と容量Ｃ２から成るローパスフィルタにより帯域制限を受け、立上りと立下りが若干なまった波形となり、差動増幅器６に入力される。この時、熱電対抵抗に変動がなく、抵抗Ｒ１と同一抵抗値のままであれば、差動増幅器６の両入力に印加される波形は相等しく、当該赤外線検出素子（画素）の起電圧が正しく増幅されて出力される。

熱電対抵抗が増大した場合、赤外線検出素子（画素）内熱電対抵抗と容量Ｃ２から成るローパスフィルタの時定数が大きくなる為、帯域制限も重くなり、立上りと立下りが大きくなまった波形となる。結果として、差動増幅器６の両入力に印加される波形に差が生じ、矩形波立上りと立下りの直後の時間において、差動増幅器６の出力電圧Ｖoutとして図３（ｂ）に示す様な電圧変動が現れる。従って、差動増幅器６の出力に接続される図示しないＡ／Ｄ変換器にて、出力電圧Ｖoutを画素操作選択期間内で詳細にサンプリングすることにより、各画素の入射赤外線に従った起電圧を走査選択するのと並行して、赤外線検出素子（画素）内の抵抗値増大故障を検出することができる。

これに対し、赤外線検出素子（画素）の抵抗値が減少或いはショート故障した場合、図３（ｃ）に示す様に、赤外線検出素子（画素）内熱電対抵抗と容量Ｃ２から成るローパスフィルタの時定数が小さくなる為、帯域制限も軽くなり、立上りと立下りが鋭い波形となる。結果として、差動増幅器６の両入力に印加される波形に差が生じ、矩形波立上りと立下りの直後の時間において、差動増幅器６の出力電圧Ｖoutとして図３（ｃ）に示す様な電圧変動が現れる。従って、差動増幅器６の出力に接続される図示しないＡ／Ｄ変換器にて、出力電圧Ｖoutを画素操作選択期間内で詳細にサンプリングすることにより、各画素の入射赤外線に従った起電圧を走査選択するのと並行して、赤外線検出素子（画素）内の抵抗値減少故障及びショート故障を検出することができる。

尚、抵抗値増大故障時の差動増幅器６の出力電圧Ｖout波形に対し、抵抗値減少故障、及びショート故障故障時の差動増幅器６の出力電圧Ｖout波形は、矩形波立上りと立下りの直後の時間における電圧変動が正負逆特性となる為、抵抗値増大故障と抵抗値減少故障（ショート故障を含む）とを区別することが可能である。

本実施形態例においても、第１の実施形態例と同様に、赤外線検出素子の各々が走査選択されている時間内における基準電圧の変化を、赤外線検出素子の各々において、タイミング、電圧の変化値、矩形波幅に関して、同一としておくことによって、故障の検出の精度を上げることができる。

（第３の実施形態例）
上記２つの実施形態例では、印加する基準電圧Ｖrefの変化を矩形波として説明を行ったが、基準電圧Ｖrefは矩形波（図４（ａ）の上段に示す）に限らず、図４（ｂ）、（ｃ）の上段に示す様な台形波や正弦波でも良い。すなわち、赤外線検出素子の各々が走査選択されている時間内における基準電圧の変化の波形は台形波または正弦波であってよい。このように、台形波や正弦波を用いることにより、矩形波に対して周波数成分（スペクトラム）を低く抑えることができる為、差動増幅器６の周波数特性（増幅帯域）を高周波にする（高価な部品を使う）必要がなく、又、差動増幅器６の入力に接続される容量Ｃ１、Ｃ２の容量値を大きくして、耐ノイズ性を向上することが可能となる。

更に、図４（ａ）〜（ｃ）の下段に示す様に、各赤外線検出素子（画素）の走査選択の奇数番目と偶数番目では、電圧変動量は同一であるが、電圧変動方向を逆とし、２画素の走査選択で１基本周期となる波形として、印加波形の基本周波数を１／２に下げることにより、より周波数成分（スペクトラム）を低く抑えることができる為、前記効果を更に向上させることができる。すなわち、赤外線検出素子の各々が走査選択されている時間内における基準電圧の変化の波形を、直前あるいは直後に走査選択される赤外線検出素子における基準電圧の変化の正負を逆にした波形とし、基準電圧の変化の波形が赤外線検出素子２つを走査選択するに要する時間を１周期とするようにして、印加波形の基本周波数を１／２に下げることにより、より周波数成分（スペクトラム）を低く抑え、前記効果を更に向上させることができる。

以上に説明したように、本発明の実施形態によれば、２次元赤外線検出素子部１に印加する電圧と、差動増幅器６に印加する基準電圧とを同一とし、更にこの基準電圧について、各赤外線検出素子（画素）走査選択期間内にその電圧値を変化させる構成としたので、回路を追加することなく、赤外線検出素子（画素）の故障を、赤外線検出（例えば、被写体の温度分布の撮像）を行うのと並行して、常時検出することができる。又、走査選択タイミングに同期し、各画素の走査選択で同一のパターンにて基準電圧の電圧値を変動する構成としたので、出力電圧を画素操作選択期間内で最低２点サンプリングすれば、赤外線検出素子（画素）の故障を検出することができる。

更に、基準電圧を矩形波にし、出力電圧を画素操作選択期間内できめ細かくサンプリングすることにより、赤外線検出素子（画素）のオープン故障だけでなく、ショート故障や抵抗値変動故障も検出することができる。

或いは、基準電圧の変化を、周波数の低い成分（スペクトラム）で構成される台形波や正弦波とすることにより、差動増幅器の周波数特性（増幅帯域）等に制限を加えることなく、赤外線検出素子（画素）の故障を検出することができる。

更に、基準電圧として印加する波形を、各赤外線検出素子（画素）の走査選択の奇数番目と偶数番目では、電圧変動量は同一であるが、電圧変動方向を逆とし、２画素の走査選択で１周期となる波形として、印加波形の基本周波数を１／２に下げることにより、差動増幅器の周波数特性（増幅帯域）等に更に制限を加えることなく、赤外線検出素子（画素）の故障を検出することができる。

尚、前述の本発明の実施形態例では、赤外線検出素子としてサーモパイルを仮定したが、赤外線検出素子はサーモパイルに限定されるものではなく、熱電対、赤外線光電池等を用いてもよい。

又、前述の本発明の実施形態例では、赤外線検出素子を２次元に配列する場合について説明を行ってきたが、赤外線検出素子を１次元に配列する場合には、赤外線検出素子部１が画素11〜1nの１行で構成されることとなり、垂直方向デコーダ３、及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Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチが省略される以外は、前述した本発明の実施形態例と同一構成となる為、動作及び得られる効果も同一となる。

本発明の一実施形態を説明する回路構成図である。本発明の一実施形態における動作を説明するタイムチャートである。本発明の一実施形態における動作を説明する他のタイムチャートである。本発明の一実施形態における赤外線検出素子に印加される基準電圧の波形例である。図１の赤外線検出装置の構成要素である差動増幅器の詳細回路図である。

符号の説明

１：２次元赤外線検出素子部、２：カウンタ、３：垂直方向デコーダ、４：水平方向デコーダ、５：水平方向スキャナ、６：差動増幅器。

Claims

基板上に配列され、入射赤外線を電気信号に変換して出力する複数の赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子の各々が出力する出力信号を順次走査選択して出力する走査選択手段と、走査選択タイミングに同期して出力電圧値が変化する基準電圧印加手段と、前記走査選択手段の出力信号を基準電圧と比較して差動増幅する差動増幅手段とを備えた赤外線検出装置であって、
前記赤外線検出素子に印加する電圧と前記基準電圧とを等しくし、更に、前記基準電圧印加手段が、前記基準電圧を、前記赤外線検出素子の各々が出力する出力信号が走査選択されている時間内において変化させ、
前記赤外線検出素子の各々が出力する出力信号が走査選択されている時間内における前記基準電圧の変化の波形は、直前あるいは直後に出力信号が走査選択される前記赤外線検出素子における前記基準電圧の変化の正負を逆にした波形であり、前記基準電圧の変化の波形の１基本周期は、前記赤外線検出素子の相隣合う２つが出力する出力信号を走査選択するに要する時間に等しいことを特徴とする赤外線検出装置。
請求項１に記載の赤外線検出装置において、
前記赤外線検出素子の各々が出力する出力信号が走査選択されている時間内における前記基準電圧の変化の波形は矩形波であることを特徴とする赤外線検出装置。
請求項１に記載の赤外線検出装置において、
前記赤外線検出素子の各々が出力する出力信号が走査選択されている時間内における前記基準電圧の変化の波形は台形波または正弦波であることを特徴とする赤外線検出装置。