JP5421371B2 - 赤外線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は赤外線撮像装置に関する。

赤外線は、可視光よりも煙、霧に対して透過性が高いという特長を有するので、赤外線撮像は、昼夜にかかわらず可能である。また、赤外線撮像は、被写体の温度情報をも得ることができるので、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラのように広い応用範囲を有する。

近年、冷却機構を必要としない「非冷却型赤外線撮像装置」の開発が盛んになってきている。非冷却型すなわち熱型の赤外線撮像装置は、入射された波長１０μ程度の赤外線を赤外線吸収膜により熱に変換し、この変換された微弱な熱により生じる感熱部の温度変化をなんらかの熱電変換素子により電気信号に変換する。非冷却型の赤外線撮像装置は、この電気信号を読み出すことで赤外線画像情報を得る。

例えば、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合を用いた赤外線撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この赤外線撮像装置は、半導体基板としてＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることによって、シリコンＬＳＩ製造プロセスを用いて量産することができるという特長がある。また、熱電変換素子であるシリコンｐｎ接合の整流特性を利用して、行選択の機能を実現しているので画素構造が極めてシンプルに構成できるという特長もある。

赤外線撮像装置の性能を表す指標の一つは、赤外線撮像装置の温度分解能を表現するＮＥＴＤ（Noise Equivalent Temperature Difference（等価雑音温度差））である。ＮＥＴＤを小さくすること、すなわち、雑音に相当する検出温度差を小さくすることが重要である。そのためには信号の感度を高くすること、および雑音を低減することが必要である。

特開２００２−３００４７５号公報

特許文献１には、増幅トランジスタの閾値ばらつきの影響を低減するための閾値電圧クランプ処理が記載されている。この閾値電圧クランプ処理は、サンプリングトランジスタがオンになると、信号線と容量結合された増幅トランジスタのゲートに負電荷が蓄積される。このとき、信号線と増幅トランジスタとの間の結合容量の電圧は、（Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆ）−Ｖｔｈに収束させることが好ましい。ここで、Ｖｄｄは行選択回路が画素に与えるバイアス電圧であり、Ｖｒｅｆは定電流源から信号線に与えられる電圧であり、Ｖｔｈは画素の閾値電圧である。この閾値電圧クランプ処理では、信号の読み出し時に、各列の増幅トランジスタの閾値電圧のばらつきを補償することができるが、閾値電圧のクランプを行った瞬間に信号線に存在するノイズ成分がホールドされてしまい、以降、行選択時に常にその情報を参照するため、縦スジ状のノイズが現れるという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、信号の読み出し時のノイズを可及的に少なくすることのできる赤外線撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による赤外線撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられ、複数の画素がマトリクス状に配列された撮像領域であって、前記複数の画素は、少なくとも１行に配列される複数の参照画素と、残りの行に配列され入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素とを有し、各参照画素は第１熱電変換素子を有し、各赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第２熱電変換素子と、を有する熱電変換部を備えている、撮像領域と、前記撮像領域内に前記複数の画素の行に対応して設けられ、それぞれが対応する行の画素の前記第１熱電変換素子または第２熱電変換素子の一端に接続されて前記対応する行の画素を選択する、複数の行選択線と、前記撮像領域内に前記複数の画素の列に対応して設けられ、それぞれが対応する列の画素の前記第１熱電変換素子および第２熱電変換素子の他端に接続されて前記対応する列の画素からの電気信号を読み出すための複数の信号線と、信号線に対応して設けられ、それぞれが対応する信号線から送られてくる、同一行の画素の電気信号をサンプリングし、ホールドする複数のサンプル部であって、各サンプル部はサンプリングトランジスタおよび結合容量を有し、前記参照画素からの電気信号のサンプリングは前記参照画素からの電気信号を前記サンプリングトランジスタによってサンプリングして前記結合容量にホールドすることによって行い、前記赤外線検出画素からの電気信号のサンプリングは前記参照画素からの電気信号を前記結合容量にホールドした状態で前記赤外線検出画素からの電気信号をサンプリングして前記結合容量にホールドすることによって行う、複数のサンプル部と、前記複数のサンプル部に対応して設けられ、それぞれが、対応するサンプル部によってホールドされた電気信号を増幅して出力する複数の増幅部と、前記複数の増幅部の出力を順次読み出す読み出し部と、前記読み出し部によって読み出された電気信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部によって変換された前記複数の参照画素からの電気信号の平均値を画素列毎に計算し、記憶するメモリ部と、前記ＡＤ変換部によって変換された前記複数の赤外線検出画素からの電気信号を前記メモリ部に記憶された前記平均値との差を、画素列毎に演算する減算部と、を備える。

本発明によれば、信号の読み出し時のノイズを可及的に少なくすることのできる赤外線撮像装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による赤外線撮像装置を示すブロック図。 一実施形態の変形例による赤外線撮像装置を示すブロック図。 一実施形態の赤外線撮像装置に用いた赤外線検出画素の平面図。 図３に示す切断線Ａ−Ａに沿った赤外線検出画素の断面図。 一実施形態の赤外線撮像装置に用いた熱的無感度画素の平面図。 図５に示す切断線Ｂ−Ｂに沿った熱的無感度画素の断面図。 一実施形態の赤外線撮像装置に用いた赤外線反射画素の平面図。 図７に示す切断線Ｃ−Ｃに沿った赤外線反射画素の断面図。 一実施形態による赤外線撮像装置に用いた赤外線検出部の一具体例を示す回路図。 図９に示す赤外線検出部の動作を説明する波形図。 一実施形態による赤外線撮像装置に用いた信号処理部の一具体例を示す回路図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

本発明の一実施形態による赤外線撮像装置を図１に示す。本実施形態の赤外線撮像装置は、赤外線検出部１と、信号処理部５０と、を備えている。赤外線検出部１は半導体基板１００に形成され、マトリクス状に配列された画素を含む撮像領域１０と、読み出し回路３０と、行選択回路４０と、列選択回路４２と、バッファ４４と、を備えている。

撮像領域１０は、例えば５行５列に配列された２５個の画素１１_１〜１１_５、１２_１１〜１２_４５を備えている。撮像領域は、通常２５個より多くの画素を備えているが、本実施形態では、説明を簡単にするため２５画素とする。第１行に配列された画素１１_１〜１１_５は、赤外線に対する感度を有しない無感度画素である。これらの無感度画素は参照画素とも称される。第２行乃至第５行に配列された画素１２_１１〜１２_４５は、赤外線を検出することの可能な有感度画素である。この有感度画素は赤外線検出画素とも称される。無感度画素１１_１〜１１_５は、熱的無感度画素または光学的無感度画素のいずれかでよい。熱的無感度画素または光学的無感度画素の構造は後述する。各画素１１_１〜１１_５、１２_１１〜１２_４５は、熱電変換素子、例えばｐｎ接合からなるダイオードを少なくとも１個備えている。第ｉ（ｉ＝１，２，３，４，５）行の画素は行選択線１６_ｉ−１を介して行選択回路４０に接続され、行選択回路４０が行選択線１６_ｉ−１を選択することにより、第ｉ行の画素が選択される。また、第ｊ（ｊ＝１，２，３，４，５）列の画素は、垂直信号線１８_ｊに接続され、対応する垂直信号線１８_ｊを介して、熱電変換された画素信号が読み出される。

読み出し回路３０は、垂直信号線に対応して設けられ、対応する垂直信号線からの電気信号をサンプリングするサンプル部３２_１〜３２_５と、垂直信号線に対応して設けられ、サンプル部３２_１〜３２_５によってサンプリングされた電気信号を増幅するアンプ部３４_１〜３４_５と、垂直信号線に対応して設けられた列選択スイッチ３６_１〜３６_５と、水平信号線３８と、を備えている。列選択スイッチ３６_１〜３６_５は列選択回路４２によって選択される。これらの列選択スイッチ３６_１〜３６_５は通常、トランジスタから構成され列選択トランジスタとも称される。

信号処理部５０は、ＡＤ変換部５２と、平均値計算部５４と、ラインメモリ５６と、減算部５８と、を備えている。ＡＤ変換部５２、平均値計算部５４、ラインメモリ５６、および減算部５８の構成および作用については、後で詳述する。この信号処理部５０は、本実施形態では半導体基板１００には設けられていないが、図２に示す本実施形態の変形例に示すように、半導体基板１００に設けてもよい。

次に、本実施形態による赤外線撮像装置の有感度画素の構造を図３および図４を参照して説明する。図３は本実施形態による赤外線撮像装置の有感度画素１２の平面図であり、図４は図３に示す切断線Ａ−Ａで切断した場合の断面図である。有感度画素１２は、ＳＯＩ基板上に形成される。このＳＯＩ基板は、支持基板１０１と、埋め込み絶縁層（ＢＯＸ層）１０２と、シリコン単結晶からなるＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）層と、を有し、表面部分に凹部１１０が形成されている。そして有感度画素１２は、上記ＳＯＩ層に形成された熱電変換部１３と、熱電変換部１３を凹部１１０の上方に支持する支持構造部１３０ａ、１３０ｂと、を備えている。熱電変換部１３は、直列に接続された複数（図３および図４では２個）のダイオード１４と、これらのダイオード１４を接続する配線１２０と、これらのダイオード１４および配線１２０を覆うように形成された赤外線吸収膜１２４とを備えている。支持構造部１３０ａは、一端が対応する行選択線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線１３２ａと、この接続配線１３２ａを覆う絶縁膜１３４ａとを備えている。他方の支持構造部１３０ｂは、一端が対応する垂直信号線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線１３２ｂと、この接続配線１３２ｂを覆う絶縁膜１３４ｂとを備えている。

赤外線吸収膜１２４は入射された赤外線によって発熱する。ダイオード１４は、赤外線吸収膜１２４で発生した熱を電気信号に変換する。支持構造部１３０ａ、１３０ｂは、熱電変換部１３の周囲を取り巻くように細長く形成されている。これにより、熱電変換部１３は、ＳＯＩ基板からほぼ断熱された状態でＳＯＩ基板上に支持される。

このような構造を有することにより、有感度画素１２は、入射された赤外線に応じて発生した熱を蓄熱し、この熱に基づいた電圧を信号線に出力することができる。

行選択線からのバイアス電圧Ｖｄは、配線１３２ａを介してダイオード１４へ伝達される。ダイオード１４を通過した信号は、配線１３２ｂを介して垂直信号線に伝達される。

次に、本実施形態による赤外線撮像装置の無感度画素の一具体例の構成を図５乃至図６を参照して説明する。この具体例の無感度画素１１は、熱的無感度画素であってその平面図を図５に示し、図５に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した場合の断面図を図６に示す。この無感度画素１１は、有感度画素１２と同様に、ＳＯＩ基板上に形成される。しかし、無感度画素１１が形成されるＳＯＩ基板の領域には、有感度画素１２の場合と異なり、凹部１１０は形成されていない。そして無感度画素１１は、上記ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に形成され直列に接続された複数（図５および図６では２個）のダイオード１４と、これらのダイオード１４を接続する配線１２０と、一端が行選択線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線１４２ａと、一端が対応する垂直信号線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線１４２ｂと、これらのダイオード１４、配線１２０、接続配線１４２ａ、１４２ｂを覆うように形成された絶縁膜１２５と、を備えている。

このように構成された無感度画素１１においては、ダイオード１４で発生した熱は、その周囲の絶縁膜１２５、埋め込み絶縁層１０２および支持基板１０１へ拡散する。即ち、ダイオード１４とその周囲の構造との熱コンダクタンスは、有感度画素１２のそれよりも高い。この具体例の無感度画素１１は、凹部１１０を有しないため、蓄熱機能を有しない。したがって、この具体例の無感度画素１１は、ＳＯＩ基板の温度を反映する。このような無感度画素は基板温度測定画素とも呼ばれる。

次に、本実施形態による赤外線撮像素子の無感度画素の他の具体例の構成を、図７および図８を参照して説明する。この具体例の無感度画素１１Ａの平面図を図７に示し、図７に示す切断線Ｃ−Ｃで切断した場合の断面図を図８に示す。この具体例の無感度画素１１Ａは、有感度画素１２と同様に、表面部分に凹部１１０が形成されたＳＯＩ基板に形成される。そして無感度画素１１Ａは、上記ＳＯＩ層に形成された反射部１３Ａと、反射部１３Ａを凹部１１０の上方に支持する支持構造部１４０ａ、１４０ｂと、を備えている。反射部１３Ａは、直列に接続された複数（図８では２個）のダイオード１４と、これらのダイオード１４を接続する配線１２０と、これらのダイオード１４および配線１２０を覆うように形成された赤外線反射膜１５０と、これらのダイオード１４、配線１２０、および赤外線反射膜１５０を覆うように形成された赤外線吸収膜１２４とを備えている。支持構造部１４０ａは、一端が対応する行選択線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線１４２ａと、この接続配線１４２ａを覆う絶縁膜１４４ａとを備えている。他方の支持構造部１４０ｂは、一端が対応する垂直信号線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線１４２ｂと、この接続配線１４２ｂを覆う絶縁膜１４４ｂとを備えている。

このような構成の無感度画素１１Ａは、光学的無感度画素とも呼ばれ、赤外線吸収膜１２４内に赤外線反射膜１５０を有している点で、有感度画素１２と異なっている。この光学的無感度画素１１Ａは、赤外線を反射するため、赤外線に対し不感である。それ以外の点は、有感度画素１２と構造が同じであるため、参照画素としては基板温度測定画素（熱的無感度画素）１１よりも適している。例えば、ダイオード１４に通電を行った際に生じるジュール熱による成分は、熱的無感度画素１１には存在せず、この点で有感度画素１２と差異があったが、光学的無感度画素１１Ａでは赤外線による温度変化以外は同じ温度成分を持つ。赤外線反射膜１２４は、赤外線を充分に反射するために、アルミニウムを用いることが望ましい。また、赤外線反射膜１２４は、オペアンプ２０１、２０２等を構成する配線層と同層に構成してもよい。この場合、製造プロセスを短縮することができ、コスト低減が可能である。

赤外線検出画素１２の温度は、支持基板１０１および埋め込み絶縁膜１０２からなる半導体基板の温度に、熱電変換部１３を選択した際に発生したジュール熱が加わり、さらに赤外線信号に対応する温度成分が加わっている。半導体基板の温度が例えば２５℃であるとすると、ジュール熱はおよそ０．１℃程度、赤外線信号に対応する温度成分は、被写体の温度が１℃変化した際におよそ０．０１℃程度のオーダーとなる。

赤外線反射画素１１Ａは上記３温度成分のうち、赤外線検出画素１２と同じく、半導体基板の温度およびジュール熱による温度成分を持っており、温度成分を再現している点で忠実な無感度画素であるといえる。

一方、熱的無感度画素１１は、ジュール熱による温度成分を持たないが、凹部１１０を有していないため、凹部１１０に起因して発生する画素間のＩ−Ｖ特性のばらつきが少ない。したがって、熱的無感度画素を適用することにより、素子間の参照電圧値のばらつきが抑えられるという利点がある。

次に、図９および図１０を参照しながら、本実施形態の赤外線撮像装置に係る赤外線検出部１の構成および動作を説明する。図９は、本実施形態による赤外線検出部の一具体例の構成を示す回路図である。この具体例においては、図９に示すように、説明を簡単にするために、撮像領域１０には、２行２列に配列された４個の画素が設けられているものとする。第１行目の画素１１_１、１１_２は無感度画素であり、第２行目の画素１２_１１、１２_１２は有感度画素（赤外線検出画素）である。

各画素１１_１、１１_２、１２_１１、１２_１２は、熱電変換素子、例えばｐｎ接合からなるダイオード１４を少なくとも１個備えている。

第１行の無感度画素１１_１、１１_２のそれぞれのダイオード１４のアノードは、行選択線１６_０に接続され、第２行の有感度画素１２_１１、１２_１２のそれぞれのダイオード１４のアノードは、行選択線１６_１に接続されている。行選択線１６_０、１６_１のそれぞれは、行選択回路４０によって１行ずつ順次選択され、選択された行選択線にはバイアス電圧Ｖｄが印加される。

第１列の画素１１_１、１２_１１のそれぞれのダイオード１４のカソードは、第１列の垂直信号線（以下、単に信号線ともいう）１８_１に接続され、第２列の画素１１_２、１２_１２のそれぞれのダイオード１４のカソードは、第２列の垂直信号線１８_２に接続されている。

各垂直信号線１８_ｉ（ｉ＝１，２）の一端は、負荷トランジスタ４１_ｉのドレインに接続され、他端は差動増幅回路３１_ｉの正側入力端子に接続されている。各負荷トランジスタ４１_ｉ（ｉ＝１，２）は、飽和領域で動作し、そのゲートに印加されるゲート電圧に応じて、対応する垂直信号線に定電流を供給する。すなわち、負荷トランジスタ４１_ｉ（ｉ＝１，２）は、定電流源として機能する。負荷トランジスタ４１_ｉ（ｉ＝１，２）のソース電圧をＶｄ０とする。

行選択回路４０がバイアス電圧Ｖｄを、選択した行のダイオード１４に印加すると、選択した行の有感度画素のダイオード１４に電圧Ｖｄ―Ｖｄ０が印加されることになる。非選択行のダイオード１４は、すべて逆バイアスされているので、行選択線１６_１、１６_２は信号線１８_１、１８_２から分離されている。即ち、ダイオード１４は、画素選択機能を担っているといってもよい。

赤外線非受光時の垂直信号線１８_１、１８_２の電位をＶｓｌ０と定義する。赤外線検出画素１２_１１、１２_１２は、赤外線を受光すると、画素温度が上昇する。それにより、垂直信号線１８_１、１８_２の電位Ｖｓｌは高くなる。例えば、被写体温度が１Ｋ（ケルビン）変化すると、赤外線検出画素１２_１１、１２_１２の温度は約５ｍＫ変化する。熱電変換効率を１０ｍＶ／Ｋとすると、垂直信号線１８_１、１８_２の電位は約５０μＶだけ上昇する。これは、バイアス電圧Ｖｄに比べて非常に小さい。

また、赤外線検出画素１２_１１、１２_１２は半導体基板の温度に反映して特性が変化するため、信号と基板温度を区別することができない。すなわち、例えば環境温度が１Ｋ変化しただけでも赤外線信号の２００倍程度に相当する出力変化が生じてしまうことになる。

無感度画素１１_１、１１_２は、赤外線に対して不感であるため、半導体基板の温度情報のみを反映している。したがって赤外線検出画素１２_１１、１２_１２と、無感度画素１１_１、１１_２の信号の差分をとれば、赤外線情報のみを検出することができることになる。

読み出し回路３０の各サンプル部３２は、結合容量３２ａと、サンプリングトランジスタ３２ｂとを備えている。結合容量３２ａの一端は、対応する垂直信号線に接続され、他端は、サンプリングトランジスタ３２ｂのソースに接続されている。また、各サンプリングトランジスタ３２ｂのゲートには、サンプリング信号ＳＭＰが印加される。

読み出し回路３０の各アンプ３４部は、増幅トランジスタ３４ａと、スイッチングトランジスタ３４ｂと、蓄積容量３４ｃと、リセットトランジスタ３４ｄとを備えている。増幅トランジスタ３４ａのゲートが結合容量３２ａの他端に接続され、ドレイン３５がサンプリングトランジスタ３２ｂのドレインに接続され、ソースがソース線ＳＳに接続されている。スイッチングトランジスタ３４ｂは、ゲートに制御信号ＨＡＳＥＬを受け、ソースが増幅トランジスタ３４ａのドレインに接続される。蓄積容量３４ｃの一端はスイッチングトランジスタ３４ｂのドレインに接続され、他端が接地される。リセットトランジスタ３４ｄは、ゲートにリセット信号ＲＳを受け、ソースがスイッチングトランジスタ３４ｂのドレイン、すなわち蓄積容量３４ｃの一端に接続され、ドレインにリセット電位Ｖｒｓを受ける。

また、列選択スイッチ（列選択トランジスタ）３６_ｉ（ｉ＝１，２）は、ゲートに列選択回路４２からの選択信号３７_ｉを受け、ソースがリセットトランジスタ３４ｄのソースに接続され、ドレインが水平信号線３８に接続される。

次に、本実施形態による赤外線検出部１の動作を、図１０を参照して説明する。図１０は、本実施形態の赤外線検出部１の動作を説明する波形図である。

先ず、基板温度測定画素（無感度画素）１１の行選択期間ｔ２の直前のリセット期間ｔ１において、リセット信号ＲＳおよび制御信号ＨＡＳＥＬを「Ｈ」レベルにすることにより、リセットトランジスタ３４ｄおよびスイッチングトランジスタ３４ｂをオン状態にする。このときリセットトランジスタ３４ｄのドレインにリセット電位Ｖｒｓが印加されているため、増幅トランジスタ３４ａのドレイン３５までの配線がリセット電位Ｖｒｓとなる。また、第１列および第２列の垂直信号線に対応する蓄積容量３４ｃのそれぞれにはリセット電位Ｖｒｓに応じたリセット電荷が蓄えられる。図１０では、第１列および第２列の垂直信号線に対応する蓄積容量３４ｃの電圧をそれぞれＶｃ１、Ｖｃ２と表す。

かかる後に無感度画素の行選択期間ｔ２において、リセット信号ＲＳおよび制御信号ＨＡＳＥＬを「Ｌ」レベルにすることにより、リセットトランジスタ３４ｄおよびスイッチングトランジスタ３４ｂをオフ状態にする。このとき増幅トランジスタ３４ａのドレイン３５は孤立することになる。この期間、行選択回路４０から行選択線１６_０を選択する制御信号ＶＣＬＫが「Ｈ」レベルとなり、行選択回路４０は行選択線１６_０にバイアス電圧Ｖｄを印加する。このとき、サンプリング信号ＳＭＰを「Ｈ」レベルにしてサンプリングトランジスタ３２ｂをオン状態にするとともに、ソース線ＳＳの電位をＶｓとすることにより、増幅トランジスタ３４ａのソース電位をＶｓにする。このとき、垂直信号線１８_１の電位Ｖｓ１と、増幅トランジスタ３４ａのゲート電位Ｖｇは、それぞれ図１０に示すように過渡的に変化する。そして増幅トランジスタ３４ａのゲート電位Ｖｇとドレイン電位Ｖｄｒが同電位となるため、ゲート電位Ｖｇに応じてドレインからソースへと電流が流れる。ここで増幅トランジスタ３４ａは、Ｖｄｒ＝Ｖｇ＞Ｖｇ−Ｖｔｈの関係より、飽和領域で動作している。ここで、Ｖｔｈは増幅トランジスタ３４ａの閾値電圧である。増幅トランジスタを流れる電流は、（Ｖｇ−Ｖｓ−Ｖｔｈ）^２に比例し、結合容量３２ａに負電荷を供給しながら、閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈに近づいていく。

サンプリングトランジスタ３２ｂをオフ状態にしている場合の垂直信号線の電位Ｖｓ１は、定電流Ｉｆに応じた無感度画素の順方向電圧をＶｒｅｆとすると、Ｖｄ−Ｖｒｅｆとなるが、増幅トランジスタ３４ａのゲート電位Ｖｇと、結合容量３２ａの電圧Ｖｃｃの和で定義される電位に抑えられてしまうため、結合容量３２ａのキャパシタンスをＣｃｃとすると、増幅トランジスタ３４ａ側に、
Ｑｇ＝−（Ｖｄ−Ｖｒｅｆ−Ｖｔｈ−Ｖｓ）／Ｃｃｃ ・・・ （１）
で表されるだけの負電荷が蓄積されたとき、初めてＶｓ１＝Ｖｄ−ＶｒｅｆおよびＶｇ＝Ｖｔｈ＋Ｖｃｃとなる。

無感度画素の行選択期間ｔ２の終了後に、サンプリング信号ＳＭＰを「Ｌ」レベルにすることにより、サンプリングトランジスタ３２ｂをオフ状態にし、結合容量３２ａの電荷を上記の値Ｑｇでホールドする（期間ｔ３）。

次に、リセット期間ｔ４において、制御信号ＨＡＳＥＬおよびリセット信号ＲＳを「Ｈ」レベルにすることにより、スイッチングトランジスタ３４ｂおよびリセットトランジスタ３４ｄをオン状態にし、増幅トランジスタ３４ａのドレイン電位３５を再びリセット電位Ｖｒｓに戻す。

次に、行選択信号ＶＣＬＫを「Ｈ」レベルにすることにより、行選択線１６_１にバイアス電圧Ｖｄを印加する。すると、赤外線検出画素１２_１１、１２_２２のダイオード１４に順方向電圧（＝Ｖｒｅｆ−Ｖｓｈ−Ｖｓｉｇ）がかかる。ここで上記無感度画素１１は基板温度測定画素であるとした。赤外線検出画素は基板温度測定画素に比較して、ジュール熱による自己加熱を反映する電圧成分Ｖｓｈと、赤外線吸収による温度上昇成分Ｖｓｉｇ分だけ低い順方向電圧を示す。

したがって、垂直信号線１８_１、１８_２の電位は、
Ｖｓ１＝Ｖｄ−Ｖｒｅｆ＋Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇ
となり、増幅トランジスタ３４ａのゲート電圧は、
Ｖｇ＝（Ｖｄ−Ｖｒｅｆ＋Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇ）−（Ｖｄ−Ｖｒｅｆ−Ｖｔｈ−Ｖｓ）
＝Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇ＋Ｖｔｈ＋Ｖｓ ・・・ （２）
となる。すると増幅トランジスタ３４ａのドレインとソース間には、

で表される電流Ｉｄｓが流れる。この（３）式からわかるように、Ｖｓの大きさによって、増幅トランジスタ３４ａの相互コンダクタンスｇ_ｍをコントロールすることができる。

赤外線検出画素の選択期間ｔ５においては、リセット信号ＲＳを「Ｌ」レベルにすることによりリセットトランジスタ３４ｄをオフ状態にし、制御信号ＨＡＳＥＬを期間ｔ４に引き続いて「Ｈ」レベルとすることによりスイッチングトランジスタ３４ｂをオン状態のままとすることによって、各列の蓄積容量３４ｃに蓄積された電荷を増幅トランジスタ３４ａのソース側に掃き出す。

蓄積容量３４ｃの電荷の減少分は、水平読み出し期間ｔ６において、列選択トランジスタ３６_１、３６_２のゲートに、順番にパルスＨ１、Ｈ２を印加することによって読み出していく。赤外線検出画素の選択期間ｔ５にて蓄積された各列の信号は、時系列の信号Ｖｏｕｔとなって水平信号線３８に読み出され、バッファ４４を介して出力される。

この回路動作、すなわちＶｔｈクランプ動作によって、赤外線検出画素の持つ温度成分のうち、基板温度成分を除いた成分、すなわち赤外線信号成分と、自己加熱成分のみを増幅し、読み出しすることが可能となり、環境温度に影響されない赤外線撮像装置を実現することができる。

また、このＶｔｈクランプ動作によって、各画素列の増幅トランジスタ３４ａの閾値ばらつきを補償することができ、時間に依存しない、固定の縦筋状のノイズが抑えられる。

しかし、Ｖｔｈクランプ処理を行うごとに、結合容量３２ａにはランダムノイズが重畳する。列番号ｘの結合容量Ｃ（ｘ）には、

で表される電圧Ｖ_sample（ｘ）が記憶される。Ｖｒｅｆ（ｘ）は列番号ｘの無感度画素１１の出力信号のうちＤＣ成分であり、基板温度情報を含んでいる。平方根部分は記憶された電圧のうちノイズ成分であり、結合容量３２ａに電圧を記憶した際に必然的に発生するリセットノイズ（＝ｋＴ／Ｃ（ｘ））と、無感度画素の揺らぎノイズ、すなわち１／ｆノイズ（δＶ_1/f-ref（ｘ））の二乗和との和の平方根となっている。このノイズ成分がサンプルする度に変動することが問題である。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは結合容量３２ａの絶対温度（Ｋ）である。

そこで、本実施形態においては、ノイズ成分を低減するために、信号処理部５０において、ノイズ減算処理を行う。信号処理部５０の一具体例の回路図を図１１に示す。この具体例の信号処理部５０は、ＡＤ変換部５２と、平均値計算部５４と、トリガー発生部５４と、ラインメモリ５６と、減算部５８とを備えている。平均値計算部５４は、トリガー発生部５４ａと、加算部５４ｂとを備えている。

サンプリング処理後に再度、無感度画素行を選択し、サンプリングされた電圧との差分を各列にてとり、アンプ部３４にて差分を増幅し出力すると、出力信号Ｖ_ｏｕｔ（ｘ）は次の（５）式に示すようになる。

この（５）式は、サンプリングされたノイズ電圧に、新しく選択された無感度画素の１／ｆノイズが加算され、増幅されるということを表している。この値を、ＡＤ変換部５２にてアナログ／デジタル変換し、ラインメモリ５６に蓄積する。ここで、赤外線検出部１が１６０×１２０個の画素からなり、ＡＤ変換部５２が１６ビットである場合、ラインメモリ５６は、１６０ワード×２０ビットのサイズのラインメモリを使用する。

無感度画素行の各画素が発生している１／ｆノイズを低減するために、無感度画素行を複数回選択し、（５）式で表されるノイズ電圧を複数回取得、平均化することが望ましい。無感度画素行をＮ回選択、平均化を行った場合、平均化された電圧値は次の（６）式に示すように、無感度画素の１／ｆノイズが選択回数に応じて低減されていく。

例えば、Ｎ＝１６とすると、ラインメモリ５６には１６回分の無感度画素行の信号が加算されていく。

以下に無感度画素行の信号平均化の方法を説明する。トリガー発生部５４ａは、無感度画素行の信号取得開始の際にＣＯＰＹ信号を出力し、無感度画素行の信号のデジタル値をラインメモリ５６にそのままコピーさせる。なお、現在の処理行がわかるように、トリガー発生部５４ａには行カウンタが入力されている。取得開始後、２行目以降は、トリガー発生部５４ａはＥＮＡＢＬＥ信号を出力し、無感度画素行の新しい信号がラインメモリ５６に加算されていく。無感度画素行の信号は、列数分、１６０個の１６ビットデータであり、各列のデータがそれぞれ足されていくことになる。１６回分の加算が終了したとき、ラインメモリ５６には、１６ビット＋４ビット＝２０ビット分の大きさを持った値が書き込まれている。そのうち上位１６ビットを出力することで、１６回分の和データが１６で除算されることになり、平均値データとなる。

引き続き赤外線検出画素行が選択され、次の（７）式で表される電圧が出力される。

減算部５８では（７）式と（６）式の差分を各列に対して計算する。減算後の出力信号値は、次の（８）式で表される。

この（８）式からわかるように、サンプリング時のノイズ電圧は最終項を除いてキャンセルされている。

以上説明したように、本実施形態によれば、Ｖｔｈクランプ動作の利点である、各列におけるアンプのトランジスタの閾値ばらつきの補償および基板温度補償特性を保ちつつ、読み出し時（サンプリング時）のランダムノイズによる縦筋状のノイズを簡単なアルゴリズムで低減することが可能となり、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。

なお、上記実施形態においては、参照画素（無感度画素）からなる参照画素行は、１行であったが、参照画素行が複数であってもよい。また、参照画素行は、撮像領域の任意の行に設けても良い。

上記実施形態においては、熱電変換素子は、ダイオード単体または、直列に接続されたダイオードであったが、抵抗体であってもよい。

１ 赤外線検出部
１０ 撮像領域
１１ 無感度画素（熱的無感度画素）
１１_１〜１１_５ 無感度画素
１１Ａ 赤外線反射画素
１２ 赤外線検出画素
１２_１１〜１２_４５ 有感度画素（赤外線検出画素）
１６_０〜１６_４ 行選択線
１８_１〜１８_５ 垂直信号線（信号線）
３０ 読み出し回路
３２_１〜３２_５ サンプル部
３４_１〜３４_５ アンプ部
３６_１〜３６_５ 列選択スイッチ（列選択トランジスタ）
３８ 水平信号線
４０ 行選択回路
４２ 列選択回路
４４ バッファ
５０ 信号処理回路
５２ ＡＤ変換部
５４ 平均値計算部
５６ ラインメモリ
５８ 減算部
１００ 半導体基板

Claims (7)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板に設けられ、複数の画素がマトリクス状に配列された撮像領域であって、前記複数の画素は、少なくとも１行に配列される複数の参照画素と、残りの行に配列され入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素とを有し、各参照画素は第１熱電変換素子を有し、各赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第２熱電変換素子と、を有する熱電変換部を備えている、撮像領域と、
   前記撮像領域内に前記複数の画素の行に対応して設けられ、それぞれが対応する行の画素の前記第１熱電変換素子または前記第２熱電変換素子の一端に接続されて前記対応する行の画素を選択する、複数の行選択線と、
   前記撮像領域内に前記複数の画素の列に対応して設けられ、それぞれが対応する列の画素の前記第１熱電変換素子および前記第２熱電変換素子の他端に接続されて前記対応する列の画素からの電気信号を読み出すための複数の信号線と、
   信号線に対応して設けられ、それぞれが対応する信号線から送られてくる、同一行の画素の電気信号をサンプリングし、ホールドする複数のサンプル部であって、各サンプル部はサンプリングトランジスタおよび結合容量を有し、前記参照画素からの電気信号のサンプリングは前記参照画素からの電気信号を前記サンプリングトランジスタによってサンプリングして前記結合容量にホールドすることによって行い、前記赤外線検出画素からの電気信号のサンプリングは前記参照画素からの電気信号を前記結合容量にホールドした状態で前記赤外線検出画素からの電気信号を前記結合容量にホールドすることによって行う、複数のサンプル部と、
   前記複数のサンプル部に対応して設けられ、それぞれが、対応するサンプル部によってホールドされた電気信号を増幅して出力する複数の増幅部と、
   前記複数の増幅部の出力を順次読み出す読み出し部と、
   前記読み出し部によって読み出された電気信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、
   前記ＡＤ変換部によって変換された前記複数の参照画素からの電気信号の平均値を画素列毎に計算し、記憶するメモリ部と、
   前記ＡＤ変換部によって変換された前記複数の赤外線検出画素からの電気信号を前記メモリ部に記憶された前記平均値との差を、画素列毎に演算する減算部と、
   を備える赤外線撮像装置。
2. 前記メモリ部は、ラインメモリを含む請求項１記載の赤外線撮像装置。
3. 前記半導体基板の表面部分には、前記複数の赤外線検出画素に対応してマトリクス状に配列された複数の凹部が形成され、前記赤外線検出画素のぞれぞれは、前記熱電変換部を対応する凹部の上方に支持する第１および第２支持構造部を更に有し、前記第１支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の一端に接続され、他端が対応する赤外線検出画素が接続する行選択線に接続される第１接続配線を有し、前記第２支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の他端に接続され、他端が対応する赤外線検出画素が接続する信号線に接続される第２接続配線を有する請求項１または２記載の赤外線撮像装置。
4. 前記参照画素は、前記入射赤外線の熱に感度を有しない熱的無感度画素である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
5. 前記参照画素は、前記第１熱電変換素子を覆うように形成され前記入射赤外線を反射する赤外線反射膜を有している光学的無感度画素であり、前記参照画素の下方の前記半導体基板の表面部分に凹部が形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
6. 前記第１および第２熱電変換素子は直列に接続されたダイオードである請求項１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子。
7. 前記第１および第２熱電変換素子は直列に接続された抵抗体である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子。

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