JP4581672B2 - 赤外線検出装置 - Google Patents

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。

下記特許文献１には、入射赤外線の吸収による温度上昇を検出するマイクロボロメータを２次元に配列して、入射赤外線の２次元強度分布を知る赤外線撮像装置が記載されている。

特開２００２−１３１１３７号公報

上記のような、赤外線のエネルギーを熱に変えて、赤外線の２次元強度分布をを知る２次元赤外線検出素子においては、強度分布の測定の精度を上げるために、その素子を保持している基板部の温度を精度良く検知しておくことが重要である。これを解決する為に、従来の赤外線検出装置では、例えば、赤外線検出チップ上に温度検知回路を配し、赤外線検出チップ基板部の温度を検知しているが、チップ中央には２次元赤外線検出素子部が配設されているので、温度検知回路はチップ周辺部に配設されている。チップ周辺部は、赤外線検出素子の走査選択回路（カウンタ、デコーダ類）や基準電圧源、又、必要により信号増幅回路等が配設されており、当該回路の電力消費による発熱等により、その部位にある温度検知回路は、２次元赤外線検出素子部での基板温度とは異なる温度を検知してしまい、結果として、被写体の温度計測に誤差を生じてしまうと言う問題がある。

又、上記問題を解決する為に、温度検知回路を２次元赤外線検出素子部中の赤外線検出素子間の配線領域に配設することが考えられるが、画素の２次元配列を等間隔に保つ必要があることから、温度検知回路、及び温度検知回路からの出力信号の配線に要する領域と同一の領域を、他の画素部にも確保する必要があり、結果としてチップサイズが大きくなり、コストアップに繋がると言う問題がある。 本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、チップサイズを大きくすることなく、２次元赤外線検出素子部の基板温度を高精度に検知し、被写体の温度分布を高精度に計測することが可能な赤外線検出装置を提供することである。

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基板上に配列し、該赤外線検出素子の１つ或いは複数を、該基板の温度を検知する温度検知手段で置き換え、前記赤外線検出素子の各出力信号と前記温度検知手段の出力信号とを走査選択し出力する走査選択手段を備えた赤外線検出装置を構成する。

本発明の実施によって、チップサイズを大きくすることなく、２次元赤外線検出素子部の基板温度を高精度に検知し、被写体の温度分布を高精度に計測することが可能な赤外線検出装置を提供することが可能となる。

本発明に係る赤外線検出装置おいては、基板上に配列され、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と、赤外線検出素子の各出力信号を走査選択し出力する走査選択手段とを備え、赤外線検出素子中の１素子或いは複数素子を、基板の温度を検知する温度検知手段で置き換え、該温度検知手段からの温度検知信号を、前記走査選択手段により走査選択し出力する構成としたので、チップサイズを大きくすることなく、２次元赤外線検出素子部の基板温度を高精度に検知し、被写体の温度分布を高精度に計測することが可能となる。

以下に本発明の詳細を、実施の形態例によって説明する。尚、以下の説明においては、本発明に係る赤外線検出装置によって、入射赤外線の２次元分布から、被写体の温度分布を計測する場合について説明を行う。

（実施の形態例１）
図１は、本発明の第１の実施の形態例による赤外線検出装置を説明する回路構成図であり、同時に、該回路構成が形成されている基板である赤外線検出チップ１０のフロアプラン図を兼ねている。

図１において、１は２次元赤外線検出素子部、２はカウンタ、３は垂直方向デコーダ、４は水平方向デコーダ、５は水平方向スキャナ、６は基準電圧源、７１は温度検知回路、８はＡ／Ｄ変換器、９はマイクロコンピュータである。

又、図２は、２次元赤外線検出素子部１及び水平方向スキャナ５の詳細回路を示している。ここで、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２に示すように、抵抗と電圧源の直列回路として表すことができ、この赤外線検出素子は入射赤外線の強度に応じた電気信号を出力する。

尚、サーモパイル型の赤外線検出素子は、被写体から発する被写体温度に応じた強度の赤外光を受光、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チップ基板部に対して中空に置かれると共に、梁を介してチップ基板部に支えられ、該梁内に熱電対が配線されて、受熱部とチップ基板部の温度差を熱電対により電圧に変換し、被写体温度を非接触で計測する構成が一般的である（本発明に係る構成を付加して成る構成の一例を図８に示す）。

又、画素２２部分においては、赤外線検出素子が、基板の温度を検知する温度検知手段である温度検知回路７１で置き換えられている（図１において、温度検知回路７１が配設された画素全体を灰色で示す、図４、５においても同様）。この点が、従来例と大きく異なる点である。温度検知回路７１としては、例えば、図１０に示した回路を用いることができる。図において、Ｒｔｈは、温度によって抵抗値が大きく変わる抵抗（例えば、感温抵抗）であり、Ｒは固定抵抗であり、ＲとＲｔｈとが直列に接続され、Ｒの、接続点と反対側の端が接地電位（Ｇｎｄ）に保たれている。抵抗Ｒｔｈの開放端を入力側とし、これに基準電圧Ｖｒｅｆを入力し、接続点から出力を取り出す。その出力電圧をＶｒｅｆ−Ｖｔｈとすると、Ｖｔｈは（Ｒｔｈ/(Ｒ＋Ｒｔｈ))Ｖｒｅｆに等しく、温度に応じて大きく変わる抵抗値Ｒｔｈの関数となっているので、この回路は、赤外線検出チップ１０の基板温度情報信号(温度検知信号）を出力する温度検知回路としての役割を果たす。

垂直方向ｍ行、水平方向ｎ列の赤外線検出素子の配列を有する２次元赤外線検出素子部１（ただし、上記のように、一部の赤外線検出素子は温度検知回路で置き換えられている）には、垂直方向スキャナの役目をするＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１１〜Ｍｍｎが各赤外線検出素子及び温度検知回路に接続されており、同様に、水平方向スキャナ５にはＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１〜Ｍｎが赤外線検出素子列ごとに接続されている。

このようにして、基板上に配列され、入射赤外線の強度に応じた電気信号を出力する複数の赤外線検出素子と、その赤外線検出素子の各出力信号を走査選択し出力する走査選択手段である、垂直方向スキャナの役目をするＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１１〜Ｍｍｎ、及び、水平方向スキャナ５とを備えた赤外線検出装置において、その赤外線検出素子中の１素子或いは複数素子を、基板の温度を検知する温度検知手段である温度検知回路（例えば７１）で置き換え、温度検知回路（例えば７１）からの温度検知信号を、前記走査選択手段により走査選択し、出力する赤外線検出装置を構成することができる。

更に、図３に、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４、水平方向スキャナ５の各出力波形（Ｙ１、Ｙ２、Ｙｍ；Ｘ１、Ｘ２、Ｘｎ；Ｖｏｕｔ）、及び、２次元赤外線検出素子部１での走査選択画素のタイムチャートを示す。

次に、図１〜図３に従い、本発明の第１の実施の形態例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（Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１〜Ｍｎのゲート端子）に夫々印加される。

尚、図３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〜画素１ｎの赤外線検出素子出力信号がＶ１〜Ｖｎとして水平方向スキャナ５に送られ、同時に水平方向選択信号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出力のＶｏｕｔには画素１１の赤外線検出素子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、Ｖｏｕｔには画素１１の赤外線検出素子出力信号に続いて、画素１２〜画素１ｎの赤外線検出素子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、Ｖｏｕｔには画素２１〜画素２ｎの赤外線検出素子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、Ｖｏｕｔには画素１１〜画素１ｎ、画素２１〜画素２ｎ、…、画素ｍ１〜画素ｍｎの順に赤外線検出素子信号が走査選択されて、再び画素１１からの走査選択が繰り返される。

ここで、画素２２部分においては、赤外線検出素子が温度検知回路７１に置き換わっている為、画素２２が走査選択された時は、水平方向スキャナ５出力のＶｏｕｔには、赤外線検出素子信号ではなく、温度検知回路７１にて検知した赤外線検出チップ１０の基板温度情報信号（温度検知信号）が出力される。

又、Ａ／Ｄ変換器８には、水平方向スキャナ出力Ｖｏｕｔが入力し、Ａ／Ｄ変換されてマイクロコンピュータ９に送られる。マイクロコンピュータ９では、Ａ／Ｄ変換器８より入力する２次元赤外線検出素子部１の各画素赤外線検出素子出力信号と、赤外線検出チップ１０の基板温度情報信号とに基づき、被写体の温度分布を算出する。

尚、温度検知回路７１に置き換わっている画素２２部分の被写体温度に応じた入射赤外線強度は、マイクロコンピュータ９において、画素２２の上下左右の４画素（画素１２、画素３２、画素２１、画素２３）の被写体温度に応じた入射赤外線強度データを平均化して得る擬似的な赤外線検出素子出力信号を用いて算出する。

上記の例では、温度検知回路７１を画素２２部分に置いたが、図４に示すように、２次元赤外線検出素子部１の中心部の画素の赤外線検出素子を温度検知回路７１に置き換えても良く、又、図５に示すように、２次元赤外線検出素子部１の四隅（周辺）の画素の赤外線検出素子を温度検知回路７１〜７４に置き換えても良い。この場合、２次元赤外線検出素子部１の中心部の画素の赤外線検出素子を温度検知回路に置き換えることにより、２次元赤外線検出素子部１を代表するチップ基板温度の検知が可能となり、又、２次元赤外線検出素子部１の四隅（周辺）の画素の赤外線検出素子を温度検知回路に置き換えることにより、被写体の温度分布の撮像に影響を及ぼさず、２次元赤外線検出素子部１のチップ基板温度の検知が可能となる。

以上により、本発明の第１の実施の形態例によれば、２次元赤外線検出素子部１の１つ或いは複数の画素の赤外線検出素子を、赤外線検出チップ１０の温度を検知する温度検知回路７１〜７４で置き換え、温度検知回路７１〜７４からの温度検知信号を、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４により走査選択し、水平方向スキャナ５より出力する構成としたので、チップサイズを大きくすることなく、２次元赤外線検出素子部の基板温度を高精度に検知し、被写体の温度分布を高精度に計測することができる。

又、２次元赤外線検出素子部１中の、温度検知回路７１を配設した画素に対しては、この画素の周囲に配列される赤外線検出素子の各出力信号を用いて、擬似的な赤外線検出素子出力信号を生成し、該画素の入射赤外線の強度に応じた出力信号として用いる構成としたので、被写体の温度分布計測に影響を及ぼさずに、２次元赤外線検出素子部の基板温度を高精度に検知することができる。

更に、２次元赤外線検出素子部１中の外周部（四隅）の画素における赤外線検出素子を、赤外線検出チップ１０の温度を検知する温度検知回路７１〜７４で置き換え、温度検知回路７１〜７４からの温度検知信号を、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４により走査選択し、水平方向スキャナ５より出力する構成としたので、被写体の温度分布計測に影響を及ぼさずに、２次元赤外線検出素子部の基板温度を高精度に検知することができる。

若しくは、２次元赤外線検出素子部１中の中心部の画素の赤外線検出素子を、赤外線検出チップ１０の温度を検知する温度検知回路７１で置き換え、温度検知回路７１からの温度検知信号を、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４により走査選択し、水平方向スキャナ５より出力する構成としたので、２次元赤外線検出素子部の基板温度を高精度に検知し、被写体の温度分布を高精度に計測することができる。

（実施の形態例２）
次に、本発明の第２の実施の形態例について説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態例による赤外線検出装置を説明する回路構成図であり、同時に、赤外線検出チップ１０のフロアプラン図を兼ねている。

図６において、図１に示す回路構成図と同一の構成要素については、同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。

１００は、画素２２の位置にあって、温度検知回路７５（図７、図８に示す）が配設された光学黒画素であり、この画素には、入射赤外線の強さが零である場合に赤外線検出素子が出力する信号、すなわち、光学黒画素信号を出力する部分（図７における１０３）がある。又、図７は、２次元赤外線検出素子部１及び水平方向スキャナ５の詳細回路を示している。

ここで、赤外線検出素子としてサーモパイルを仮定すると、等価回路としては、図７に示すように、抵抗と電圧源の直列回路として表すことができる。又、画素２２部分（光学黒画素１００）においては、赤外線検出素子に換えて、温度検知回路７５が配設され、これとは別に、光学黒画素信号を出力する部分１０３があり、この部分は、等価回路としては、１つの抵抗として表すことができる。

尚、画素２２部分（光学黒画素１００）の詳細回路は、光学黒画素信号を出力する部分１０３と温度検知回路７５とが走査選択のフレーム毎に交互に選択される構成となっており、走査フレーム毎に、温度検知回路７５からの温度検知信号と、光学黒画素信号を出力する部分１０３からの光学黒画素信号とを交互に切り換える為の１／２分周器１０１とスイッチ１０２が追加接続されている。

尚、画素２２部分（光学黒画素１００）に配設される温度検知回路７５、１／２分周器１０１、スイッチ１０２は、図８に示すように、光学黒画素信号を出力する部分１０３が通常の赤外線検出素子であった場合に、赤外線検出チップ１０上の構造体がマイクロマシーニング加工等の微細加工により消失してしまう領域に配設されている。

又、垂直方向ｍ行、水平方向ｎ列の２次元赤外線検出素子部１には、垂直方向スキャナの役目をするＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１１〜Ｍｍｎが各赤外線検出素子、温度検知回路又は光学黒画素信号を出力する部分に接続されており、同様に、水平方向スキャナ５にはＮ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１〜Ｍｎが赤外線検出素子列ごとに接続されている。

更に、図９に、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４、水平方向スキャナ５、１／２分周器１０１の各出力波形、及び、２次元赤外線検出素子部１での走査選択画素のタイムチャートを示す。

次に、図６〜図９に従い、本発明の第２の実施の形態例の赤外線検出装置の動作について説明する。尚、画素１１〜画素ｍｎの走査選択動作については、第１の実施の形態例と同一動作である為、ここでの説明は省略する。

画素２２部分（光学黒画素１００）では、画素２２に入力する垂直方向デコーダ３からの垂直方向選択信号Ｙ２がＨレベルになると、このＨレベルへの立上りをトリガとして、１／２分周器１０１の出力は、奇数（第１）フレームではＨレベルを、偶数（第２）フレームではＬレベルを各々出力し、スイッチ１０２に入力する。スイッチ１０２では、１／２分周器１０１からの入力がＨレベルの時は光学黒画素信号を出力する部分１０３からの光学黒画素信号を、Ｌレベルの時は温度検知回路７５からの温度検知信号を各々選択し、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ２２を介して水平方向スキャナ５へ出力する。従って、画素２２部分は、赤外線検出素子ではなく温度検知回路７５が配設された光学黒画素１００となっている為、前述した動作により、画素２２部分が走査選択された時は、水平方向スキャナ５出力のＶｏｕｔには、赤外線検出素子信号ではなく、奇数（第１）フレームでは光学黒画素信号が、偶数（第２）フレームでは温度検知信号が夫々出力される。

又、Ａ／Ｄ変換器８には、水平方向スキャナ出力Ｖｏｕｔが入力し、Ａ／Ｄ変換されてマイクロコンピュータ９に送られる。マイクロコンピュータ９では、Ａ／Ｄ変換器８より入力する２次元赤外線検出素子部１の各画素赤外線検出素子出力信号と、赤外線検出チップ１０の基板温度情報信号とに基づき、被写体の温度分布を算出すると同時に、Ａ／Ｄ変換器８より入力する光学黒画素信号に基づき、オフセット電圧補正等の各種信号処理を行う。

尚、温度検知回路７５が配設された光学黒画素１００に対応する被写体温度は、マイクロコンピュータ９において、画素２２（光学黒画素１００）の上下左右の４画素（画素１２、画素３２、画素２１、画素２３）の被写体温度データを平均化して得る擬似的な赤外線検出素子出力信号を用いて算出する。

上述した実施の形態例では、温度検知回路７５が配設された光学黒画素１００を画素２２部分に置いたが、第１の実施の形態例と同様、２次元赤外線検出素子部１の中心、又は、四隅（周辺）の画素に置き換えても良い。

以上により、本発明の第２の実施の形態例によれば、２次元赤外線検出素子部１中に、温度検知回路７５が配設された光学黒画素１００を置く構成としたので、２次元赤外線検出素子部の基板温度を高精度に検知し、被写体の温度分布を高精度に計測することができる。又、光学黒画素１００内に配設される温度検知回路７５は、光学黒画素信号を出力する部分１０３が赤外線検出素子であった場合に、赤外線検出チップ１０上の構造体がマイクロマシーニング加工等の微細加工により消失してしまう領域に配設する構成としたので、チップサイズを大きくすることなく、被写体の温度分布を高精度に計測することができる。

更に、垂直方向デコーダ３、水平方向デコーダ４により走査選択される温度検知回路７５の赤外線検出チップ１０の基板温度情報信号は、温度検知回路７５が配設される光学黒画素１００からの光学黒画素信号と交互に出力される構成としたので、光学黒画素信号に基づくオフセット電圧補正等の各種信号処理も並行して行いながら、被写体の温度分布を高精度に計測することができる。

尚、本発明の第１、第２の実施の形態例では、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、ボロメータ、赤外線光電池等も用いることができる。

又、赤外線検出素子として、２次元に配列するものについて説明を行ってきたが、１次元の赤外線検出素子の場合には、赤外線検出素子部１が画素１１〜画素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の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。

本発明の第１の実施の形態例による赤外線検出装置を説明する回路構成図及びチップフロアプラン図である。 図１の赤外線検出装置を構成する２次元赤外線検出素子部及び水平方向スキャナの詳細回路図である。 本発明の第１の実施の形態例による赤外線検出装置を説明するタイムチャートである。 温度検知回路を２次元赤外線検出素子部の中心に置いた例である。 温度検知回路を２次元赤外線検出素子部の四隅に置いた例である。 本発明の第２の実施の形態例による赤外線検出装置を説明する回路構成図及びチップフロアプラン図である。 図６の赤外線検出装置を構成する２次元赤外線検出素子部、水平方向スキャナの詳細回路図である。 本発明の第２の実施の形態例における温度検知回路、１／２分周器、スイッチの配設位置を示す図である。 本発明の第２の実施の形態例による赤外線検出装置を説明するタイムチャートである。 温度検知回路の一例を示す図である。

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：基準電圧源、７１〜７５：温度検知回路、８：Ａ／Ｄ変換器、９：マイクロコンピュータ、１０：赤外線検出チップ、１００：光学黒画素、１０１：１／２分周器、１０２：スイッチ、１０３：光学黒画素信号を出力する部分。

Claims (5)

1. 基板上に配列され、入射赤外線の強度に応じた電気信号を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出力信号を走査選択し出力する走査選択手段とを備えた赤外線検出装置において、
   前記赤外線検出素子中の１素子或いは複数素子が光学黒画素で置き換えられ、
   前記光学黒画素は、入射赤外線の強さが零である場合に前記赤外線検出素子が出力する信号である光学黒画素信号を出力する部分と、温度検知信号を出力する温度検知回路とを有し、走査選択された場合に、前記光学黒画素信号、前記温度検知信号のうちのいずれか一方のみを出力することを特徴とする赤外線検出装置。
2. 請求項１に記載の赤外線検出装置において、
   前記温度検知手段が配設された画素に対しては、該画素の周囲に配列される前記赤外線検出素子の各出力信号を用いて算出した擬似的な赤外線検出素子出力信号を、該画素の入射赤外線の強度に応じた出力信号として用いることを特徴とする赤外線検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の赤外線検出装置において、
   前記赤外線検出素子は、２次元に配列されて、２次元赤外線検出素子部を形成し、前記２次元赤外線検出素子部中の外周部の１素子或いは複数素子を前記光学黒画素で置き換え、該光学黒画素からの温度検知信号を、前記走査選択手段により走査選択し出力することを特徴とする赤外線検出装置。
4. 請求項１又は２に記載の赤外線検出装置において、
   前記赤外線検出素子は、２次元に配列されて、２次元赤外線検出素子部を形成し、前記２次元赤外線検出素子部中の中心部の１素子或いは複数素子を前記光学黒画素で置き換え、該光学黒画素からの温度検知信号を、前記走査選択手段により走査選択し出力することを特徴とする赤外線検出装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線検出装置において、
   前記温度検知信号と前記光学黒画素信号とは、交互に走査選択され出力されることを特徴とする赤外線検出装置。

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