JPH02206284A - マトリックス型赤外線固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、物体の温度分布を２次元の映像として表示さ
せるためのマトリックス型赤外線固体撮像装置の駆動方
法に関するものである。

従来の技術 物体の温度分布を非接触で測定する赤外線撮像装置には
、赤外線を光量子として検出する量子型検出器、あるい
は熱として吸収して素子の温度変化を電気信号に変換す
る熱型検出器が採用される。

前者は応答速度が速く高感度であるが、液体窒素温度へ
の冷却を必要とし、感度の波長依存性が大きい。後者は
応答は遅いが、常温動作が可能で長波長での感度が高い
という特長を有し、家庭用、一般民需用として期待され
ている。

この赤外線撮像装置の２次元化について、単一もしくは
線センサを回転または振動光学系を用いて２次元走査を
行なう光学走査方式、あるいは、マトリックス検出器に
信号を結像させて電子ビームにより信号を読みだす電子
ビーム方式、あるいは、電荷結合素子（ＣＣＤ）のよう
な信号の自己走査機能を有する２次元固体電子走査部と
２次元の焦電型赤外線検出部とを一体化した自己走査方
式のものが種々考案されている。この一体化には、例え
ばインフラレブド　フィシ−ｙクス（ｍｆｒａｒｅｄ　
　Ｐｈｙｓｉｃｓ）誌、１９巻、５ｎ頁、第４図に記載
されているように、ｍバンブ等の導電性金属支柱を用い
て焦電素子とＣＣＤとを結合する方式が提案されている
。

また、最近になり、検出部としてショットキー障壁を形
成し、ＣＣＤにより走査をする二次元赤外線撮像装置が
実用化された。

発明が解決しようとする課題 前記した光学走査方式は、装置が大型で消費電力が大き
く機械的故障寿命も短いという欠点を有する。また、電
子ビーム方式は、−船釣に感度が低く、しかも画素数が
それほど多くできないため分解能が悪く、また前者と同
様装置が大型になるなどの欠点がある。また、自己走査
方式は前２方式に比べ、小型、高性能、高信頼性といっ
た利点が考えられ有望視されているが、半導体素子とセ
ンサ部との結合にまだ満足な方法が得られていない。す
なわち、導電性金属支柱を用いて結線する方法では、結
線の数が数１００程度の場合には、信頼性も確保できる
が結線の数が１０，０００個を越えると急激に技術的用
難度が増大し、実用化は難しくなる。また電極間隔が１
００μｍ程度以下になると均一形状の金属支柱を形成す
るのは非常に難しくなるので高分解能の固体撮像装置は
できない。また、金属支柱を介してＣＣＤへの熱放散が
生じ感度が低下するという欠点がある。

一般に、各画素に赤外光が照射されてから、信号が読み
だされるまでの時間は一定ではない。すなわち、赤外光
照射時に読み出したｍ×ｎ個の信号列の内、初期に読み
出された信号は、画素への赤外光照射時間が短いため小
さくなるという問題がある。

本発明は従来のこのような課題を解決することを目的と
ずろ。

課題を解決するための手段 本発明のマトリックス型か外線固体撮像装置の駆動方法
は、少なくとも２個のＱ１、Ｑ２で示すＦＥＴと、少な
くとも１個の焦電型赤外線固体素子ＣＩにより、その基
本ブロックを形成し、前記基本ブロックを形成するＦＥ
ＴＱＩのソースとＦＥＴＱ２のドレイン、同Ｑ２のゲー
トと前記焦電型赤外線固体素子Ｃ１の一方の端子をそれ
ぞれ電気的に接続し、前記基本ブコックを一平面上にｒ
ｎ行×ｎ列のマトリックス状に配列し、同一の行にある
前記各基本ブロックのＱｌのゲートを共通の行ラインに
接続し、ｍ木の前記行ラインを各々行選択用スイッチを
介してゲート電圧に接続し、前記各基本ブロックのＱｌ
のドレインを共通の列ラインに接続し、【１本の前記列
ラインを各々列選択用スイッチを介して出力ラインに接
続し、前記各基本プロ・ツクのＱ２のソース及び前記Ｃ
Ｉの他方の端子を共通のアース電位に接続したマトリッ
クス型赤外線固体撮像装置の駆動方法において、前記行
選択用スイッチ及び列選択用スイッチを順次開閉するこ
とにより、ｒｎ×ｎ個の全基本ブロックの各Ｑｌを順次
スイッチングして、Ｑ２のドレイン電流を所定の時間内
に順次前記出力ラインに読みだすことを特徴としている
。

作用 本発明は、測定対象物の温度変化ΔＴにより、焦電型赤
外線固体素子ＣＩの表面電荷がΔＱ変化し、この電荷の
変化によりＣ１の表裏にはΔ■＝ΔＱ／Ｃ（ＣはＣＩの
電気容量）の電位差が発生ずる。いま、Ｃ１の一方の電
極はＦＥＴＱ２のゲートに接続されており、ゲート電位
はΔ■だけ変動する。この信号電圧Δ■により、Ｑ２の
半導体膜の導電率が大きく変化し、所定の電位差Ｖｄを
所定の時間、ＦＥＴＱＩを介してＱ２のドレインに与え
れば、ソースとドレインとの間の電流変化ΔＩを測定す
ることができるわけである。

このΔ■と測定対象物の温度変化ΔＴとの関係。

はＦＥＴの相互コンダクタンスＧ、を用いると次のよう
に表わせる。

Δ■／ΔＴ＝（Δ１／ΔＶ）Ｘ　　（Δ■／ΔＱ）×　
（ΔＱ／ΔＴ） ”Ｃ；、Ｘ　　（１／Ｃ）Ｘγ×Ａ ここで　Ｃ：焦電素子の電気容量 ｒ　：焦電係数 Ａ　：受光面積 である。

この式より明かなように、本発明の駆動方法によれば、
焦電型赤外線固体撮像装置の読みだし信号はＦＥＴの増
幅作用により、従来の方法に比べ０２倍改善される。ま
た、簡単な外部駆動回路により、Ｑｌを順次スイッチン
グして、基本ブロックで発生している信号電流を順次読
みだしてゆくことができるため、二次元化が容易であり
、高分解能の赤外線固体撮像装置が可能となる。

実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明における一実施例に使用されるマトリッ
クス型赤外線固体撮像装置の１画素の構成を、第２図（
ａ）〜（ｄ）はその動作を示す。

チョッパーにより遮断された赤外光が間欠的に焦電型赤
外線固体素子Ｃ１に入射すると、チョッピング周波数が
、焦電型赤外線固体素子ＣＩの熱時定数で決まる周波数
よりも十分に速い場合には、焦電型赤外線固体素子ＣＩ
の温度変化ΔＴは時間に対してほぼ線形に増減する。こ
れにともない、焦電型赤外線固体素子Ｃ１の両端には電
位差Δ■が生じ、はぼ線形に増減する。このΔ■の変化
により、ＦＥＴＱ２のソース電極とドレイン電極との間
に電流変化Δ■が生じる。本発明のマトリックス型赤外
線固体撮像装置の基本的な駆動は、マトリックス状に配
列した各画素において、縦方向及び横方向のスイッチを
順次開閉する事により、各画素（７）Ｆ　Ｅ　ＴＱ　１
　ｆｔ０Ｎ１０Ｆ　Ｆ　ｔ、、テΔＩを順次読みだして
ゆくものである。

本発明のマトリックス型赤外線固体撮像装置の駆動方法
の一実施例例を第３図、第４図を用いて説明する。今、
水平方向にｍ行、垂直方向にｎ列の画素からなるマトリ
ックスを考える。水平方向には読みだし行を指定するた
めのＨ＋・・Ｈｌ・・Ｈｌのｍ個のスイッチ、垂直方向
には読みだし列を指定するためのＶｌ・・■、・・■ｏ
のｎ個のスイッチがある。

これらのスイッチを介して各水平ラインは共通の電源Ｖ
Ｇに、各垂直ラインは共通の負荷抵抗Ｒを有する出力端
子ＶＱＵＴに接続されろ。各画素のＱｌのトレインは垂
直ラインに、ゲートは水平ラインに接続している。また
、各スイッチは、これを順次開閉するため、例えば第４
図（ａ）〜（ｉ）に示すような信号を与える水平方向シ
フトレジスタ、垂直方向シフトレジスタに接続している
。第４図に示したように、赤外光のチョッピング１周期
中の所定の時間内に、ｍ行の水平ラインが順次読みださ
れ、１水東ライン読みだし中にｎ個の垂直ラインが読み
だされる。今、例えばスイッチＨｌ。

Ｖ＋のみを閉にすると画素（１、１）のＱｌのケートに
■６が印加され、ＱｌｈＳＯＮ状態となり、Ｑ２の赤外
光強度に対応した電流がＱ１、スイッチ■１を経て負荷
抵抗Ｒに流れ、信号電圧■ｏＵ丁を発生する。次にスイ
ッチＨ＋、Ｖ２のみを閉にして画素（１、２〉に同様の
動作をさせる。１回の赤外光照射時間内及び１回の赤外
光非照射時間内に、ｍ×ｎ個の全画素についてこのよう
な操作を各々１回づつ実施する。第４図より明かなよう
に、本発明の駆動方法によれば、各画素に赤外光が照射
されてから、信号が読みだされるまでの時間は一定では
ない。すなわち、赤外光照射時に読みだしたｍ×ｎ個の
信号列の内、初期に読みだされた信号は、画素への赤外
光照射時間が短いため小さく現！つれる。逆に赤外光非
照射時の信号は大きく現われる。そのため、これらの１
ｎ×ｎ個の信号列に時間関数の補正係数を乗じて真の信
号に変換する。

しかる後、各画素について、ｌ赤外光チョッピング内の
赤外光照射時の真の信号と赤外光非照射時の真の信号と
の差分をとり、その画素の検知温度とする。本駆動方法
によれば、画像表示のフレーム周波数ｆを６０　Ｈ，！
、読みだしに有効な時間を１チョッピング時間の１／２
、水平ラインを２５６木、垂直ラインを２５６本とすれ
は、赤外光照射時の信号読みだしには、水平方向シフト
レジスタの速度は６０Ｘ２Ｘ２Ｘ２５６＝６１．４ＫＨ
２、垂直方向シフトレジスタの速度は６１．　４　Ｋ　
Ｆ（、Ｘ２５６＝１５．７ＭＨ２となり、１画素あたり
１／１５、　７ＭＨｚ”　６３　［Ｉ　Ｓ程度の高速で
信号を読みだす必要があるため、信号電圧は小さくなる
傾向がある。これをできるだけ緩和するためには、Ｑ２
の特性は、ＯＦＦ時での電流値が２０μ八程度以上にな
るように設計するのが好ましい。

画素の数が更に増加した場合の駆動方法の一例を第５図
に示す。この方法は、水平方向の信号を一括して読みだ
すためにＣＣＤを用いるものである。本方法によれば、
水平方向シフトレジスタの速度、前述の例では６１．４
ＫＨ２、でｌ水平ラインの全画素信号を一括してＣＣＤ
中に読み込み、その後ＣＣＤ中を順次転送して各信号を
読みだす。

そのため一画素の信号読み込みに対して時間的な余裕度
をかなり増加させることができる。この場合には、ＣＣ
Ｄの転送可能電荷量は１（）６個程度であるので、Ｑ２
の特性はＯＦＦ時での電流値が１μ八へ度以下になるよ
うに設計するのが好ましい。

本駆動方法は、フレーム周波数が高い場合や、画素数が
多い場合に特に有効である。

前記の実施例では、赤外光照射時間と出力信号との関係
が線形である場合には有効であるが、非線形の場合には
、前記した補正係数を正確に求めることができないため
、正確な温度を検知することができない。また、赤外光
Ｉ！？引時開時間しく短い素子については、信号がノイ
ズレベル以下となり、信号を検知することができない。

これらの問題を解決するための本発明の一実施例を第６
図を（ａ）〜（１）用いて、以下に説明する。

すなわち、赤外光照射部と赤外光非照射部の境界線が各
行ラインに平行となるように、赤外光をチョッピングし
、これに同期して、行選択用スイッチを順次開閉し、−
水平ライン読みだし中に列選択用スイッチを順次開閉し
て、前述の例と同様それぞれ赤外光照射時、および、赤
外光非照射時の信号を読み込む。これにより、赤外光照
射時あるいは、赤外光非照射時から信号読み込みまでの
時間を常に一定にすることができ、信号を補正する必要
がなく、前記した問題をすべて解決することができる。

１赤外光チョッピング内の赤外光照射時の信号と、赤外
光非照射時の信号との差分をとり、検知温度とすること
も、前述の例と同様である。

第６図から明かなように、赤外光照射時の直後、および
赤外光非照射時の直前に信号を読み込むようにすれは、
差分した信号が最大となり、Ｓ／Ｎ比を大幅に改善でき
るため特に本発明の効果が大となる。

発明の効果 本発明のマトリックス型赤外線固体撮像装置の駆動方法
によれば、ＦＥＴのアドレス指定機能及び信号増幅機能
により、小型で、感度が良く、高解像度が得られ、冷却
の必要のない二次元の赤外線固体撮像装置を容易に、動
作させることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に使用されるマトリックス型
赤外線固体撮像装置の一画素の電気的接続を示す回路図
、第２図は本発明のマトリックス型赤外線固体撮像装置
の駆動方法の赤外光とセンサ信号との関係を示すグラフ
、第３図は本発明のマトリックス型赤外線固体撮像装置
の駆動方法の一実施例を示すための回路図、第４図は本
発明のマトリックス型赤外線固体撮像装置の駆動方法の
一実施例を示すタイミングチャート、第５図は本発明の
マトリックス型赤外線固体撮像装置の駆動方法の異なる
実施例を示すための回路図、第６図は本発明の７トリツ
クス型赤外線固体撮像装置の赤外光とセンサ信号との関
係の、別の実施例を示すタイミングチャートである。 Ｑ１、Ｑ２・・・ＦＥＴ、ＣＩ・・・焦電型赤外線固体
素子。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝はか１名第１図 第 図 第 図 第 図 第 図 （の 徐

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも２個のＦＥＴ（Ｑ１、Ｑ２）と、少な
   くとも１個の焦電型赤外線固体素子（Ｃ１）により、そ
   の基本ブロックが形成され、その基本ブロックを形成す
   るＦＥＴ（Ｑ１）のソースとＦＥＴ（Ｑ２）のドレイン
   、前記ＦＥＴ（Ｑ２）のゲートと前記焦電型赤外線固体
   素子（Ｃ１）の一方の端子がそれぞれ電気的に接続され
   、前記基本ブロックが一平面上にｍ行×ｎ列のマトリッ
   クス状に配列され、同一の行にある前記各基本ブロック
   のＦＥＴ（Ｑ１）のゲートが共通の行ラインに接続され
   、ｍ本の前記行ラインが各々行選択用スイッチを介して
   ゲート電圧に接続され、前記各基本ブロックのＦＥＴ（
   Ｑ１）のドレインが共通の列ラインに接続され、ｎ本の
   前記列ラインが各々列選択用スイッチを介して出力ライ
   ンに接続され、前記各基本ブロックのＦＥＴ（Ｑ２）の
   ソース及び前記焦電型赤外線固体素子（Ｃ１）の他方の
   端子を共通のアース電位に接続したマトリックス型赤外
   線固体撮像装置の駆動方法において、前記行選択用スイ
   ッチ及び列選択用スイッチを順次開閉することにより、
   ｍ×ｎ個の全基本ブロックの各ＦＥＴ（Ｑ１）を順次ス
   イッチングし、ＦＥＴ（Ｑ２）のドレイン電流を所定の
   時間内に順次前記出力ラインに読みだすことを特徴とす
   るマトリックス型赤外線固体撮像装置の駆動方法。
2. （２）ｎ本の出力ラインを少なくともｎ段の信号転送段
   を有するＣＣＤのｎ個の入力端に接続し、前記行選択用
   スイッチをｍ段のシフトレジスタで順次開閉し、開とな
   った行のｎ個の列選択用スイッチを同時に開として、各
   ＦＥＴ（Ｑ２）のドレイン電流を同時に出力ラインを介
   して、前記ＣＣＤに入力した後、前記ＣＣＤ中を順次信
   号転送することにより、ｍ×ｎ個の全基本ブロックの各
   ＦＥＴ（Ｑ２）のドレイン電流を所定の時間内に順次前
   記ＣＣＤの出力端に読みだす事を特徴とする請求項１記
   載のマトリックス型赤外線固体撮像装置の駆動方法。
3. （３）少なくとも２個のＦＥＴ（Ｑ１、Ｑ２）と、少な
   くとも１個の焦電型赤外線固体素子（Ｃ１）により、そ
   の基本ブロックを形成し、前記基本ブロックを形成する
   ＦＥＴ（Ｑ１）のソースとＦＥＴ（Ｑ２）のドレイン、
   前記ＦＥＴ（Ｑ２）のゲートと前記焦電型赤外線固体素
   子（Ｃ１）の一方の端子をそれぞれ電気的に接続し、前
   記基本ブロックを一平面上にｍ行×ｎ列のマトリックス
   状に配列し、同一の行にある前記各基本ブロックのＦＥ
   Ｔ（Ｑ１）のゲートを共通の行ラインに接続し、ｍ本の
   前記行ラインを各々行選択用スイッチを介してゲート電
   圧に接続し、前記各基本ブロックのＦＥＴ（Ｑ１）のド
   レインを共通の列ラインに接続し、ｎ本の前記列ライン
   を各々列選択用スイッチを介して出力ラインに接続し、
   前記各基本ブロックのＦＥＴ（Ｑ２）のソース及び前記
   焦電型赤外線固体素子（Ｃ１）の他方の端子を共通のア
   ース電位に接続したマトリックス型赤外線固体撮像装置
   の駆動方法において、赤外光照射部と赤外光非照射時部
   の境界線が各行ラインに平行となるように、赤外光をチ
   ョッピングし、これに同期して前記行選択用スイッチを
   順次開閉し、しかる後、前記列選択用スイッチを順次あ
   るいは、同時に開閉して、１赤外光チョッピング内の赤
   外光照射時の信号と、赤外光非照射時の信号との差分を
   とり、前記各基本ブロックの検知温度とすることを特徴
   とするマトリックス型赤外線固体撮像装置の駆動方法。
4. （４）赤外光照射時の直後および、赤外光非照射時の直
   前に、前記行選択用スイッチを介して、それぞれ、赤外
   光照射時および、赤外光非照射時の信号を読み出すこと
   を特徴とする請求項３記載のマトリックス型赤外線固体
   撮像装置の駆動方法。