JPH06265411A

JPH06265411A - 赤外線撮像方法及び装置

Info

Publication number: JPH06265411A
Application number: JP5056150A
Authority: JP
Inventors: Kenji Maruyama; 研二丸山; Shoji Doi; 正二土肥
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-03-16
Filing date: 1993-03-16
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は焦電素子を用いて赤外線を検出する
赤外線撮像方法及び装置に関し、焦電型赤外線撮像装置
の小型化し、信頼性の向上ができることを目的とする。【構成】焦電素子１１は、入射赤外線に応じた表面電
荷を生じさせる。パルス発生回路１２は、焦電素子１１
の電極間に所定のパルス電圧を所定時間印加して、対象
物の温度に対応する表面電荷量の変化を生じさせる。イ
ンピーダンス変換回路１３は、上記電圧の印加の停止中
に、上記表面電荷量の変化に対応する信号を検出して出
力する。画像信号生成部１４は、上記インピーダンス変
換回路１３で検出された信号を基に、画像信号を生成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は赤外線撮像方法及び装置
に係り、特に、焦電素子を用いて赤外線を検出する赤外
線撮像方法及び装置に関する。

【０００２】焦電型赤外線撮像装置では、焦電素子を用
いて赤外線を検出し、対象物の画像信号を得ている。こ
の焦電型赤外線撮像装置では、装置の小型化、信頼性の
向上が必要とされている。

【０００３】

【従来の技術】図１６は、従来の焦電型赤外線撮像装置
の模式図を示し、図１７は従来装置の赤外線検出部の回
路図を示す。また、図１８は、焦電素子による赤外線検
出原理の説明図を示す。

【０００４】図１６に示すように、従来装置では、焦電
素子を用いた赤外線センサ５３の前に、機械式のチョッ
パー５１を設けて、モータ５２でチョッパー５１を図１
６中矢印ａに示すように回転させることにより入射赤外
線を断続し、画像信号を得ていた。

【０００５】図１８に示すように、焦電素子１１は、焦
電体１１ａの両面に電極１１ｂが設けられてできてい
る。焦電体１１ａは温度に応じた自発分極を持っている
ため、図１８（Ａ）に示すように、外部から電極１１ｂ
に表面電荷を引き寄せて、焦電体１１ａの表面上では、
電気的中性を保っている。

【０００６】焦電素子１１に赤外線が入射されて、焦電
体１１ａに温度変化が起きると、自発分極の大きさが変
化する。このとき、表面電荷は自発分極程速く変化でき
ないため、図１８（Ｂ）に示すように、取り残された表
面電荷が生じる。このため、焦電素子１１の電極１１ｂ
間に高インピーダンスの抵抗Ｒ₁を接続すると、表面電
荷が例えば矢印ｄ₁，ｄ₂方向に移動して、電流Ｉ₀が
短時間流れる。これにより、赤外線検出信号が、抵抗Ｒ
₁両端の電圧として取り出される。

【０００７】上記の原理により、図１７に示すように、
赤外線検出部では、焦電素子１１と並列に接続された抵
抗Ｒ₁の両端に赤外線検出電圧が得られる。この電圧
を、ＦＥＴ（フィールド・エフェクト・トランジスタ）
Ｑ₁と抵抗Ｒ₂からなるソースフォロワ回路でインピー
ダンス変換して、Ｑ₁のソースから出力電圧Ｖ_Sを得て
いる。この出力電圧Ｖ_Sから画像信号を求めている。

【０００８】焦電素子１１の温度が安定していると、表
面電荷の移動が無いため、赤外線検出信号が得られな
い。このため、従来装置では、図１６に示すように、機
械式チョッパー５１で入射赤外線を断続して、焦電素子
１１に温度変化を与えて、入射赤外線に対応する赤外線
検出信号を得ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記した、
従来の焦電型赤外線撮像装置では、機械式チョッパーを
用いているため、装置の小型化、信頼性の向上が難しい
という問題がある。

【００１０】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、焦電型赤外線撮像装置の小型化、信頼性の向上がで
きる赤外線撮像方法及び装置を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、焦電
素子を用いて赤外線を検出して対象物の画像信号を得る
赤外線撮像方法において、焦電素子の電極間に所定のパ
ルス電圧を所定時間印加することにより、対象物の温度
に対応する表面電荷量の変化を生じさせ、上記パルス電
圧の印加の停止中に、上記表面電荷量の変化に対応する
信号を検出して、画像信号を得る。

【００１２】請求項２の発明では、前記焦電素子の電極
間に印加するパルス電圧を、一定時間間隔で印加して、
上記パルス電圧の印加の停止中に、前記表面電荷の時間
変化が安定する一定時点で表面電荷の単位時間当たりの
変化量を検出して、画像信号を得る。

【００１３】請求項３の発明では、前記焦電素子の電極
間に印加するパルス電圧を、一定時間間隔で印加して、
上記パルス電圧の印加を停止中に、前記表面電荷の時間
変化が安定する以前の一定時間内の表面電荷の単位時間
当たりの変化状態から、前記表面電荷の時間変化が安定
する一定時点での表面電荷の単位時間当たりの変化量を
予測により求めて、画像信号を得る。

【００１４】請求項４の発明では、前記焦電素子を複数
用い、夫々の焦電素子に印加するパルス電圧は、夫々の
焦電素子の特性に応じて、電圧値、印加時間、及び印加
時間間隔を適切な値とする。

【００１５】請求項５の発明では、前記前記焦電素子に
印加するパルス電圧は、同一の焦電素子で、入射赤外線
の強さ又は入射赤外線の変化速度に応じて、電圧値、印
加時間、及び印加時間間隔を適切な値とする。

【００１６】請求項６の発明では、前記焦電素子とイン
ダクタンス素子とを組み合わせて共振回路を形成し、上
記共振回路に印加する前記パルス電圧の周波数を時間的
に変化させて、検出された表面電荷量の変化に対応する
信号のレベルから共振周波数を検出し、上記共振周波数
から対象物の温度を求めて、画像信号を得る。

【００１７】請求項７の発明では、前記焦電素子を複数
用い、夫々の焦電素子に印加するパルス電圧は、夫々の
焦電素子の特性に応じて、電圧値、印加時間、及び印加
時間間隔を適切な値とする。

【００１８】請求項８の発明では、前記焦電素子に印加
するパルス電圧は、電圧値が焦電素子に分極反転を生じ
さる電圧値以下とする。

【００１９】請求項９の発明では、前記焦電素子に印加
するパルス電圧は、電圧値が焦電素子に分極反転を生じ
させる電圧値以上で、周期的に極性が反転するパルス電
圧とする。

【００２０】

【作用】請求項１の発明では、焦電素子の電極間に所定
のパルス電圧を印加することにより、対象物の温度に対
応する表面電荷量の変化を生じさせ、上記表面電荷量の
変化に対応する信号を検出して、画像信号を得る。この
ため、機械式のチョッパーを必要とせず、装置の小型
化、信頼性の向上を可能とする。

【００２１】請求項２の発明では、前記表面電荷の時間
変化が安定する時点で表面電荷の単位時間当たりの変化
量を検出して、画像信号を得る。このため、正確な画像
信号を容易に得ることを可能とする。

【００２２】請求項３の発明では、前記表面電荷の時間
変化が安定する以前の一定時間内の表面電荷の単位時間
当たりの変化状態から、前記表面電荷の時間変化が安定
する時点での表面電荷の単位時間当たりの変化量を予測
により求めて、画像信号を得る。このため、より短時間
で、画像信号を得ることを可能とする。

【００２３】請求項４の発明では、夫々の焦電素子の特
性に応じて、パルス電圧の電圧値、印加時間、及び印加
時間間隔を適切な値とする。このため、より良好な画像
信号を得ることを可能とする。

【００２４】請求項５の発明では、焦電素子に印加する
パルス電圧は、同一の焦電素子で、入射赤外線の強さ又
は入射赤外線の変化速度に応じて、電圧値、印加時間、
及び印加時間間隔を適切な値とする。このため、入射赤
外線に応じた良好な画像信号を得ることを可能とする。

【００２５】請求項６の発明では、前記焦電素子とイン
ダクタンス素子とを組み合わせた共振回路の共振周波数
を正確に求められ、この共振周波数に対応する対象物の
温度を求めて、画像信号を得る。このため、より正確な
画像信号を得ることを可能とする。

【００２６】請求項７の発明では、夫々の焦電素子に印
加するパルス電圧は、夫々の焦電素子の特性に応じて、
電圧値、印加時間、及び印加時間間隔を適切な値とす
る。このため、より良好な画像信号を得ることを可能と
する。

【００２７】請求項８の発明では、前記焦電素子に印加
するパルス電圧は、電圧値が低くてよく、かつ、極性が
決まっている。このため、パルス電圧の生成、及び画像
信号の生成を容易とすることを可能とする。

【００２８】請求項９の発明では、分極反転により、対
象物の温度の絶対値に対応する表面電荷量の変化を生じ
させることができる。このため、対象物の温度の絶対値
に対応する画像信号を得ることを可能とする。

【００２９】

【実施例】図１は本発明の第１実施例の構成図を示す。
図１の赤外線撮像装置は、焦電素子１１、パルス発生回
路１２、インピーダンス変換回路１３、及び画像信号生
成部１４とから構成される。パルス発生回路１２は、焦
電素子１１にパルス電圧を印加する。インピーダンス変
換回路１３は、焦電素子１１に並列に接続された高抵抗
Ｒ₁、ＦＥＴＱ₁、抵抗Ｒ₂からなるソースフォロワ回
路である。図２は、第１実施例における印加パルス電圧
と赤外線検出電圧の説明図を示す。また、図３は第１実
施例における表面電荷と検出電流の説明図を示す。

【００３０】パルス発生回路１２は、図２（Ａ）に示す
ような、一定電圧Ｖ_P0のパルス電圧を発生させて、一定
の時間間隔で、一定時間、焦電素子１１の両電極１１ｂ
間に印加する。なお、焦電素子１１に電圧を印加してい
ないときは、パルス発生回路１２は、ハイインピーダン
ス状態となり、焦電素子１１の電極間の電圧変化に影響
を与えない。図２（Ａ）では、時間ｔ_Nの間に電圧Ｖ_P0
を印加し、時間ｔ_Hの間はハイインピーダンス状態とな
っている。

【００３１】焦電素子１１には、常に対象物からの赤外
線が入射されており、焦電素子１１の温度は対象物の温
度に対応した温度になっている。焦電素子１１にパルス
電圧を印加しないときは、図３（Ａ）に示すように、焦
電素子１１の焦電体１１ａは、温度に応じた自発分極を
生じており、電極１１ｂには、表面電荷が引き寄せられ
て、電気的に中性を保っている。このときの表面電荷の
量は、焦電素子１１の温度に対応している。従って、対
象物の温度に対応している。

【００３２】焦電素子１１にパルス電圧を印加していな
いときは、表面電荷の移動が無いため、抵抗Ｒ₁には検
出電流が流れず、抵抗Ｒ₁両端の検出電圧は０Ｖであ
る。

【００３３】次に、焦電素子１１の両電極１１ｂ間に電
圧Ｖ_P0を印加しているときについて説明する。図３
（Ｂ）に示すように、自発分極の向きに対して、表面電
荷を引き寄せる極性の電圧Ｖ_P0を印加する。

【００３４】このとき、印加電圧Ｖ_P0に応じて、温度に
対応して生じている表面電荷の内の、一定割合の電荷が
電極１１ｂから引き離される。図３では、プラス電位側
の電極１１ｂから、マイナス電荷が矢印ｍ₁の方向に引
き寄せられ、マイナス電位側の電極１１ｂから、プラス
電荷が矢印ｍ₂の方向に引き寄せられているようすを示
している。

【００３５】次に、電圧Ｖ_P0の印加を停止すると、図３
（Ｃ）に示すように、電極１１ｂから引き離されていた
表面電荷が、矢印ｍ₃，ｍ₄で示すように、焦電素子１
１の両電極１１ｂに引き寄せられて移動する。このた
め、検出電流Ｉ_dが流れて、抵抗Ｒ₁両端には検出電圧
が生じる。表面電荷が両電極１１ｂに引き寄せられて再
び中性状態になると、表面電荷の移動はなくなり、検出
電流Ｉ_dは０となり、検出電圧も０となる。

【００３６】図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のように、一定
時間間隔で電圧Ｖ_P0のパルス電圧を印加したときの、マ
イナス電位側の電極１１ｂの表面電荷量を示す。また、
図２（Ｃ）は、このとき、抵抗Ｒ₁両端に生じる検出電
圧Ｖ_dを示す。また、図２（Ｂ）、（Ｃ）で、破線は、
対象物の温度の上昇により焦電素子１１の温度が上昇し
て、自発分極が大きくなり、表面電荷量が増加した場合
を示す。

【００３７】電圧Ｖ_P0が印加されずに、電極１１ｂが電
気的中性に保たれているときは、表面電荷の量は、温度
に応じた値Ｑ_tとなっている。このとき、検出電圧Ｖ_d
は０である。

【００３８】電圧Ｖ_P0が印加されているときは、電圧Ｖ
_P0に応じた量の表面電荷が電極１１ｂから引き離され
て、表面電荷量はＱ₀に減少する。このとき、検出電圧
Ｖ_dは電圧Ｖ_P0に等しい電圧Ｖ_d0となる。

【００３９】電圧Ｖ_P0の印加が停止された時点から、表
面電荷が電極１１ｂに引き寄せられて、図２（Ｂ）に示
すように、表面電荷量は時間とともに曲線的に上昇す
る。この際の表面電荷量の変化は、初めは急で、次第に
緩やかとなる。電圧Ｖ_P0を次に印加する直前の時点で
は、まだ引き寄せられていない電荷が残っており、元の
電荷量Ｑ_tより小さい値Ｑ₁となっている。

【００４０】表面電荷量が変化しているときに抵抗Ｒ₁
に流れる検出電流Ｉ_dは、表面電荷量の単位時間当たり
の変化量で決まる。検出電圧Ｖ_dの値は検出電流Ｉ_dに
比例する。従って、検出電圧Ｖ_dは表面電荷量の変化が
最も急な、電圧Ｖ_P0の印加停止時に最も高く、次第に減
少する。電圧Ｖ_P0を次に印加する直前の時点では、０よ
りも大きいＶ_d1となっている。

【００４１】対象物の温度が変わり、焦電素子１１の温
度が変わると、表面電荷量が変化する。図２（Ｂ）の破
線は、焦電素子１１の温度が上昇して、表面電荷量が増
加した場合を示している。この場合、電圧Ｖ_P0の印加を
停止した後の、表面電荷量の単位時間当たりの変化が大
きくなる。このため、図２（Ｃ）破線で示すように、検
出電圧Ｖ_dが減少する際の曲線が緩やかになり、電圧Ｖ
_P0を次に印加する直前の時点のＶ_d1が大きくなる。

【００４２】電圧Ｖ_P0の印加停止後の、この検出電圧Ｖ
_dの温度による変化を読み取ることで、対象物の温度に
対応した画像信号を得ることができる。

【００４３】図２（Ｃ）に示す検出電圧Ｖ_dを、インピ
ーダンス変換回路１３で低インピーダンスに変換して、
検出電圧Ｖ_dと電圧値がほぼ等しい検出電圧Ｖ_Sが得ら
れる。この検出電圧Ｖ_Sから、画像信号生成部１４に
て、画像信号を得る。

【００４４】この検出電圧Ｖ_Sから画像信号を得る方法
としては、下記の２つの方法がある。図４は、一定時間
後に検出電圧を読み取り、画像信号を得る方法の説明図
である。図４（Ａ）は、印加するパルス電圧を示す。図
４（Ｂ）はインピーダンス変換回路１３の出力電圧であ
る検出電圧Ｖ_Sを示し、図４（Ｃ）は、画像信号生成部
１４が生成する画像信号を示す。

【００４５】図４に示すように、画像信号生成部１４
は、電圧Ｖ_P0のパルス電圧の印加を停止した後で、電圧
の変化が小さくなる一定時間後に、検出電圧Ｖ_Sの値を
読み取り、この値を画像信号のレベルとする。図４で
は、電圧Ｖ_P0を次に印加する直前の、夫々の読み取りタ
イミングで、電圧Ｖ_S1，Ｖ_S2，Ｖ_S3の各電圧値を読み取
り、画像信号の値としている。この方法では、比較的容
易に正確な値を読み取ることができる。

【００４６】図５は、予測により、一定時間後の検出電
圧を求めて、画像信号を得る方法の説明図を示す。図５
（Ａ）は、印加するパルス電圧を示す。図５（Ｂ）は検
出電圧Ｖ_Sを示し、図５（Ｃ）は、画像信号生成部１４
が生成する画像信号を示す。図５に示すように、画像信
号生成部１４は、電圧Ｖ_P0のパルス電圧の印加を停止
後、検出電圧Ｖ_Sの変化が小さくなる前の一定時間ｔ_e
内に、検出電圧Ｖ_Sの減少傾向を読み取り、この減少傾
向から、一定時間後の検出電圧Ｖ_Sの値Ｖ_S1を予測して
画像信号の値Ｖ_S1eとする。この方法では、検出電圧Ｖ
_Sを読み取るまでの時間を短縮できるため、パルス電圧
を印加する周期を短くでき、より高速に画像信号を生成
することができる。

【００４７】上記のように、第１実施例では、焦電素子
１１の電極１１ｂ間に、一定時間間隔で一定電圧のパル
ス電圧を印加して、対象物の温度に対応する表面電荷量
の変化を生じさせ、この表面電荷量の変化に対応する電
圧を検出して画像信号を得る。このため、従来装置と異
なり、機械式のチョッパーを必要とせず、装置を小型化
し、信頼性の向上させることができる。また、従来装置
に比べて、検出電圧を読み取る周期を短くすることがで
き、より高速で画像信号を生成することができる。

【００４８】なお、焦電素子１１の特性は、個々の素子
で異なり、最適な検出信号を得るためには、個々の素子
の特性に応じて、印加するパルス電圧の値、印加時間、
印加時間間隔等を変えることが必要である。

【００４９】また、最良な画像信号を得るためには、入
射赤外線の状態、即ち、対象物の温度、温度が変化する
速度等に応じて、焦電素子１１に印加するパルス電圧Ｖ
_Pの値を変化させることが望ましい。例えば、温度が高
い場合には、パルス電圧Ｖ_Pの値を高くすると、信号の
ＳＮ比をよくすることができる。また、温度変化の速度
が速いときは、パルス電圧Ｖ_Pの値を低くすると、画像
信号の応答速度を上げることができる。

【００５０】図６（Ａ），（Ｂ）はパルス電圧の値を時
間的に変化させた場合の説明図を示す。図６（Ａ）で
は、入射赤外線の状態に応じてパルス電圧の値を
Ｖ_P10，Ｖ_P2 ₀，Ｖ_P30と時間的に変化させている。こ
のとき、検出電圧Ｖ_Sは、図６（Ｂ）に示すように、パ
ルス電圧印加時の電圧が、Ｖ_S10，Ｖ_S20，Ｖ_S30と変
化する。この電圧検出信号Ｖ_Sから、読み取り時点にお
いて、夫々、良好な画像信号の値Ｖ_st1，Ｖ_st2，Ｖ
_st3が得られている。

【００５１】図７は、複数の焦電素子を配置して赤外線
センサを構成する場合の説明図を示す。図７に示すよう
に、焦電素子１１を複数規則的に配置して、赤外線セン
サ２５を構成する場合、焦電素子１１の個々の特性に合
わせて、パルス電圧の値、印加時間、印加時間間隔等を
調整することが望ましい。また、複数の焦電素子１１か
らなる赤外線センサ２５の場合にも、図６で説明したよ
うに、入射赤外線の状態に合わせて、各焦電素子１１の
電圧を時間的に最適な値に変える方法をとってもよい。

【００５２】図８は本発明の第２実施例の構成図を示
す。図１と同一構成部分には同一符号を付し、適宜説明
を省略する。図２の赤外線撮像装置は、焦電素子１１、
インダクタンス素子Ｌ₁、パルス発生回路１２ａ、イン
ピーダンス変換回路１３、及び画像信号生成部１４とか
ら構成される。画像信号生成部１４は、周波数検出部３
１、画像信号検出部３２から構成される。

【００５３】図８の第２実施例では、焦電素子１１とイ
ンダクタンス素子Ｌ₁により共振回路を形成している。
このため、焦電素子１１の容量成分と、インダクタンス
素子のインダクタンス成分とにより共振周波数ｆ₀が決
まる。

【００５４】周波数検出部３１は、パルス発生回路１２
ａが発生させるパルス電圧の周波数を時間的に変化させ
る。即ち、時間的に周波数を走査させる。

【００５５】図９は周波数を時間的に変化させたパルス
電圧と検出電圧の説明図を示す。図９（Ａ）はパルス発
生回路１２ａが生成する、電圧Ｖ_P0の周波数を時間的に
変化させたパルス電圧を示す。また、図９（Ｂ）はこの
ときの検出電圧Ｖ_Sを示す。

【００５６】図１０は、パルス電圧の周波数と検出電圧
の関係を示す。図１０に示すように、パルス電圧の周波
数が共振周波数ｆ₀のときに、検出電圧Ｖ_Sが最大値を
とる。従って、焦電素子１１に印加するパルス電圧Ｖ_P
の周波数を時間的に変化させると、図９（Ｂ）に示すよ
うに、周波数が共振周波数ｆ₀となった時点ｔ₁，ｔ ₂
で、最も検出電圧Ｖ_Sのレベルが大きくなる。

【００５７】このため、周波数検出部３１は、変化させ
るパルス電圧の各周波数において、検出電圧Ｖ_Sを読み
取り、最もレベルが高くなる周波数を、共振周波数ｆ₀
として検出することができる。

【００５８】ところで、焦電素子１１は、温度に応じて
表面電荷量が変化し、これに応じて容量成分が変化す
る。従って、温度の変化に応じて、上記共振回路の共振
周波数ｆ₀が変化する。図１１は、共振周波数ｆ₀と焦
電素子１１の温度の関係の例を示す。この共振周波数ｆ
₀と焦電素子１１の温度の関係は、焦電素子１１の電気
容量の温度計数とインダクタンス素子Ｌ₁のインダクタ
ンスの値とから予め求められる。

【００５９】画像信号検出部３２は、周波数検出部３１
で検出された共振周波数ｆ₀から、上記共振周波数ｆ₀
と焦電素子１１の温度の関係を用いて、焦電素子１１の
温度を検出する。この検出した温度を基にして、対象物
の画像信号を生成して出力する。

【００６０】上記のように、第２実施例では、第１実施
例同様、機械式のチョッパーを必要とせず、装置を小型
化し、信頼性の向上させることができる。また、従来装
置に比べて、より高速で画像信号を生成することができ
る。

【００６１】また、第２実施例では、インダクタンス素
子と組み合わせた共振回路の共振周波数ｆ₀を検出し、
共振周波数ｆ₀と温度の関係から焦電素子１１の温度を
求めて、画像信号を得る。この共振周波数ｆ₀を正確に
検出することができるため、より正確な画像信号を得る
ことができる。

【００６２】図１２は本発明の第３実施例の構成図を示
す。図１と同一構成部分には同一符号を付し、適宜説明
を省略する。図１２の赤外線撮像装置は、焦電素子１
１、パルス発生回路１２ｂ、インピーダンス変換回路１
３、及び画像信号生成部４４とから構成される。

【００６３】図１２の第２実施例では、パルス発生回路
１２ｂは、焦電素子１１に分極反転を生じさせる電圧
で、周期的に極性の変わるパルス電圧を印加する。これ
により得られた検出電圧Ｖ_Sから画像信号生成部４４が
画像信号を生成する。

【００６４】図１３は、焦電素子の電圧と分極の関係を
示す。図１３に示すように、焦電素子１１では、電極に
印加する電圧を０から増加させて、焦電素子で決まって
いる閾値Ｖ_L以上にすると、Ａ位置で分極Ｐを形成す
る。分極Ｐが形成されている状態で、電圧を０からマイ
ナスにして、閾値−Ｖ_L以下にすると、分極が反転し
て、Ｃ位置で分極−Ｐが形成される。

【００６５】上記のよに分極を反転させるときに、温度
に対応して変わる分極の大きさに対応した表面電荷を取
り出すことができる。

【００６６】図１４は第３実施例における印加パルス電
圧と、赤外線検出電圧の説明図を示す。図１２の第３実
施例では、パルス発生回路１２ｂは、図１４（Ｂ）に示
すように、分極反転を起こす電圧Ｖ_Lよりも絶対値Ｖ_H0
が大きく、極性が周期的に反転するパルス電圧を焦電素
子１１に一定時間間隔で印加する。図１４では、時間ｔ
_Nの間に電圧を印加し、時間ｔ_Hの間はハイインピーダ
ンス状態となっている。

【００６７】図１５は第３実施例における表面電荷と検
出電流の説明図を示す。焦電素子１１には、常に対象物
からの赤外線が入射されており、焦電素子１１の温度は
対象物の温度に対応した温度になっている。焦電素子１
１に電圧を印加しないときは、図１５（Ａ）に示すよう
に、焦電素子１１の焦電体１１ａは、温度に応じた自発
分極を生じており、電極１１ｂには、表面電荷が引き寄
せられて、電気的に中性を保っている。このときの表面
電荷の量は、焦電素子１１の温度に対応している。従っ
て、対象物の温度に対応している。

【００６８】焦電素子１１に電圧を印加していないとき
は、表面電荷の移動が無いため、抵抗Ｒ₁には検出電流
が流れず、抵抗Ｒ₁両端の検出電圧は０Ｖである。

【００６９】次に、焦電素子１１の両電極１１ｂ間に分
極反転を起こさせる電圧Ｖ_H0を印加しているときについ
て説明する。このとき、図１５（Ａ）に示す向きであっ
た自発分極が、図１５（Ｂ）に示すように反転する。印
加電圧Ｖ_H0の値に応じて、自発分極の大きさに対応する
表面電荷が電極１１ｂに過剰に引き寄せられる。従っ
て、焦電素子１１の温度に対応した過剰な表面電荷が引
き寄せられる。

【００７０】次に、電圧Ｖ_H0の印加を停止すると、図１
５（Ｃ）に示すように、電極１１ｂに過剰に引きよせら
れていた表面電荷が、矢印ｍ₅，ｍ₆で示すように、焦
電素子１１の両電極１１ｂから離れて移動する。このた
め、検出電流Ｉ_dが流れて、抵抗Ｒ₁両端には検出電圧
が生じる。表面電荷が両電極１１ｂから離れて再び中性
状態になると、表面電荷の移動はなくなり、検出電流Ｉ
_dは０となり、検出電圧も０となる。

【００７１】図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示すよう
に、一定時間間隔でパルス電圧を印加したときの、ＧＮ
Ｄ側の電極１１ｂの表面電荷量を示す。また、図１４
（Ｃ）は、このとき、抵抗Ｒ₁両端に生じる検出電圧Ｖ
_dHを示す。また、図１４（Ｂ）、（Ｃ）で、破線は、温
度が上昇して、自発分極が大きくなり、表面電荷量が増
加したときの信号を示す。

【００７２】電圧＋Ｖ_H0がＧＮＤと反対側の電極１１ｂ
に印加されているときは、Ｖ_H0の値に応じた量の過剰な
マイナスの表面電荷がＧＮＤ側電極１１ｂに引き寄せら
れて、表面電荷量は−Ｑ_H0となる。このとき、検出電圧
Ｖ_dHは電圧＋Ｖ_H0に等しい電圧＋Ｖ_dH0となる。

【００７３】電圧＋Ｖ_H0の印加が停止された時点から、
過剰な表面電荷が電極１１ｂから引き離されて、図１４
（Ｂ）に示すように、表面電荷量は時間とともに曲線的
に上昇する。この際の表面電荷量の変化は、初めは急
で、次第に緩やかになる。電圧−Ｖ_H0を次に印加する直
前の時点では、まだ過剰な電荷が残っており、元の電荷
量より小さい値−Ｑ_H1となっている。

【００７４】表面電荷量が変化しているときに抵抗Ｒ₁
に流れる検出電流Ｉ_dは、表面電荷量の単位時間当たり
の変化量で決まる。検出電圧Ｖ_dHの値は検出電流Ｉ_dに
比例する。従って、検出電圧Ｖ_dHは表面電荷量の変化が
最も急な、電圧Ｖ_H0の印加停止時に最も高く、次第に減
少する。電圧−Ｖ_H0を次に印加する直前の時点では、０
よりも大きいＶ_dH1となっている。

【００７５】次に、電圧−Ｖ_H0がＧＮＤと反対側の電極
１１ｂに印加されると、分極反転が起こり、Ｖ_H0の値に
応じた量の過剰なプラスの表面電荷がＧＮＤ側電極１１
ｂに引き寄せられて、表面電荷量は＋Ｑ_H0となる。この
とき、検出電圧Ｖ_dHは電圧−Ｖ_H0に等しい電圧−Ｖ_dH0
となる。

【００７６】電圧−Ｖ_H0の印加が停止された時点から、
過剰な表面電荷が電極１１ｂから引き離されて、図１４
（Ｂ）に示すように、表面電荷量は時間とともに曲線的
に減少する。この際の表面電荷量の変化は、初めは急
で、次第に緩やかになる。電圧＋Ｖ_H0を次に印加する直
前の時点では、まだ過剰な電荷が残っており、元の電荷
量より大きい値＋Ｑ_H1となっている。

【００７７】従って、検出電圧Ｖ_dHは表面電荷量の変化
が最も急な、電圧Ｖ_H0の印加停止時に最も低く、次第に
上昇する。電圧＋Ｖ_H0を次に印加する直前の時点では、
０よりも小さい−Ｖ_dH1となっている。

【００７８】対象物の温度が変わり、焦電素子１１の温
度が変わると、表面電荷量が変化する。図１４（Ｂ）の
破線は、表面電荷量が増加した場合を示している。この
場合、電圧Ｖ_H0，−Ｖ_H0の印加を停止した後の、表面電
荷量の単位時間当たりの変化が大きくなる。このため、
図１４（Ｃ）破線で示すように、検出電圧Ｖ_dHが減少す
る際、及び、上昇する際の曲線が緩やかになり、極性の
反転した電圧を次に印加する直前の時点のＶ_dH1が大き
くなり、また、−Ｖ_dH1が小さくなる。

【００７９】電圧Ｖ_H0，−Ｖ_H0の印加停止後の、この検
出電圧Ｖ_dHの温度による変化を読み取ることで、対象物
の温度に対応した画像信号を得ることができる。

【００８０】図１４（Ｃ）に示す検出電圧Ｖ_dHを、イン
ピーダンス変換回路１３で低インピーダンスに変換し
て、検出電圧Ｖ_dHと電圧値がほぼ等しい検出電圧Ｖ_SHが
得られる。この検出電圧Ｖ_SHから、画像信号生成部４４
にて、温度に対応した画像信号を得る。

【００８１】この検出電圧Ｖ_Sから画像信号を得る方法
としては、図４，図５で説明した第１実施例と同様の方
法をとることができる。

【００８２】なお、焦電素子１１の特性は、個々の素子
で異なり、最適な検出信号を得るためには、個々の素子
の特性に応じて、印加するパルス電圧の値、印加時間、
印加時間間隔等を変えることが必要である。

【００８３】また、図６で説明したように、最良な画像
信号を得るために、入射赤外線の状態、即ち、対象物の
温度、温度が変化する速度等に応じて、焦電素子１１に
印加するパルス電圧Ｖ_Pの値を変化させてもよい。

【００８４】また、図７で説明したように、複数の焦電
素子を配置して赤外線センサを構成することもできる。
この場合、焦電素子１１の個々の特性に合わせて、パル
ス電圧の値、印加時間、印加時間間隔等を変える方法を
とってもよい。

【００８５】また、第２実施例と同様に、共振回路を設
けて、共振周波数を検出して画像信号を得る構成とする
こともできる。

【００８６】上記のように、第３実施例では、第１実施
例同様、機械式のチョッパーを必要とせず、装置を小型
化し、信頼性の向上させることができる。また、従来装
置に比べて、より高速で画像信号を生成することができ
る。

【００８７】また、第３実施例では、焦電素子１１に周
期的に極性の反転する電圧を印加して、焦電素子１１に
分極反転を生じさせ、分極の大きさに対応した検出電圧
を読み取り、画像信号を得る。このため、対象物の温度
の絶対値に対応する画像信号を得ることができる。

【００８８】なお、分極反転をさせることは、焦電素子
１１の寿命に影響を与えるが、反転分極をさせるときの
寿命は、１０⁹回程度であるので、１／３０秒毎に分極
の反転を行う場合、連続約１年の運転が可能であり、十
分な実用性を有する。

【００８９】

【発明の効果】上述の如く、請求項１の発明によれば、
焦電素子の電極間に所定のパルス電圧を印加することに
より、対象物の温度に対応する表面電荷量の変化を生じ
させ、上記表面電荷量の変化に対応する信号を検出し
て、画像信号を得るため、機械式のチョッパーを必要と
せず、装置を小型化し、信頼性を向上させることができ
る等の特長を有する。

【００９０】請求項２の発明によれば、表面電荷の時間
変化が安定する時点で表面電荷の単位時間当たりの変化
量を検出して画像信号を得るため、正確な画像信号を容
易に得ることができる。

【００９１】請求項３の発明によれば、表面電荷の時間
変化が安定する以前の一定時間内の表面電荷の単位時間
当たりの変化状態から、表面電荷の時間変化が安定する
時点での表面電荷の単位時間当たりの変化量を予測によ
り求めて画像信号を得るため、より短時間で、画像信号
を得ることができる。

【００９２】請求項４の発明によれば、夫々の焦電素子
の特性に応じて、パルス電圧の電圧値、印加時間、及び
印加時間間隔を適切な値とするため、より良好な画像信
号を得ることができる。

【００９３】請求項５の発明によれば、焦電素子に印加
するパルス電圧は、同一の焦電素子で、入射赤外線の強
さ又は入射赤外線の変化速度に応じて、電圧値、印加時
間、及び印加時間間隔を適切な値とするため、入射赤外
線に応じた良好な画像信号を得ることができる。

【００９４】請求項６の発明によれば、焦電素子とイン
ダクタンス素子とを組み合わせた共振回路の共振周波数
を正確に求められ、この共振周波数に対応する対象物の
温度を求めて、画像信号を得るため、より正確な画像信
号を得ることができる。

【００９５】請求項７の発明によれば、夫々の焦電素子
に印加するパルス電圧は、夫々の焦電素子の特性に応じ
て、電圧値、印加時間、及び印加時間間隔を適切な値と
するため、より良好な画像信号を得ることができる。

【００９６】請求項８の発明によれば、前記焦電素子に
印加するパルス電圧は、電圧値が低くてよく、かつ、極
性が決まっているため、パルス電圧の生成、及び画像信
号の生成を容易とすることができる。

【００９７】請求項９の発明によれば、分極反転によ
り、対象物の温度の絶対値に対応する表面電荷量の変化
を生じさせることができるため、対象物の温度の絶対値
に対応する画像信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成図である。

【図２】第１実施例における印加パルス電圧と赤外線検
出電圧の説明図である。

【図３】第１実施例における表面電荷と検出電流の説明
図である。

【図４】一定時間後に検出電圧を読み取る方法の説明図
である。

【図５】予測により検出電圧を求める方法の説明図であ
る。

【図６】パルス電圧の値を時間的に変化させた場合の説
明図である。

【図７】複数の素子から赤外線センサを構成する場合の
説明図である。

【図８】本発明の第２実施例の構成図である。

【図９】周波数を時間的に変化させたパルス電圧と検出
電圧の説明図である。

【図１０】パルス電圧の周波数と検出電圧の関係を示す
図である。

【図１１】共振周波数と焦電素子の温度の関係を示す図
である。

【図１２】本発明の第３実施例の構成図である。

【図１３】焦電素子の電圧と分極の関係を示す図であ
る。

【図１４】第３実施例における印加パルス電圧と赤外線
検出電圧の説明図である。

【図１５】第３実施例における表面電荷と検出電流の説
明図である。

【図１６】従来の焦電型赤外線撮像装置の模式図であ
る。

【図１７】従来装置の赤外線検出部の回路図。

【図１８】焦電素子による赤外線検出原理の説明図であ
る。

【符号の説明】

１１焦電素子１２，１２ａ，１２ｂパルス発生回路１３インピーダンス変換回路１４画像信号生成部３１周波数検出部３２画像信号検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 37/02 8832−4ＭＨ０４Ｎ 5/32 7/18 Ｎ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焦電素子（１１）を用いて赤外線を検出
して対象物の画像信号を得る赤外線撮像方法において、焦電素子（１１）の電極間に所定のパルス電圧を所定時
間印加することにより、対象物の温度に対応する表面電
荷量の変化を生じさせ、上記パルス電圧の印加の停止中に、上記表面電荷量の変
化に対応する信号を検出して、画像信号を得ることを特
徴とする赤外線撮像方法。
【請求項２】前記焦電素子（１１）の電極間に印加す
るパルス電圧を、一定時間間隔で印加して、上記パルス
電圧の印加の停止中に、前記表面電荷の時間変化が安定
する一定時点で表面電荷の単位時間当たりの変化量を検
出して、画像信号を得ることを特徴とする請求項１記載
の赤外線撮像方法。
【請求項３】前記焦電素子（１１）の電極間に印加す
るパルス電圧を、一定時間間隔で印加して、上記パルス
電圧の印加の停止中に、前記表面電荷の時間変化が安定
する以前の一定時間内の表面電荷の単位時間当たりの変
化状態から、前記表面電荷の時間変化が安定する一定時
点での表面電荷の単位時間当たりの変化量を予測により
求めて、画像信号を得ることを特徴とする請求項１記載
の赤外線撮像方法。
【請求項４】前記焦電素子（１１）を複数用い、夫々
の焦電素子（１１）に印加するパルス電圧は、夫々の焦
電素子（１１）の特性に応じて、電圧値、印加時間、及
び印加時間間隔を適切な値とすることを特徴とする請求
項２又は請求項３記載の赤外線撮像方法。
【請求項５】前記前記焦電素子（１１）に印加するパ
ルス電圧は、同一の焦電素子（１１）で、入射赤外線の
強さ又は入射赤外線の変化速度に応じて、電圧値、印加
時間、及び印加時間間隔を適切な値とすることを特徴と
する請求項２又は請求項３又は請求項４記載の赤外線撮
像方法。
【請求項６】前記焦電素子（１１）とインダクタンス
素子とを組み合わせて共振回路を形成し、上記共振回路
に印加する前記パルス電圧の周波数を時間的に変化させ
て、検出された表面電荷量の変化に対応する信号のレベ
ルから共振周波数を検出し、上記共振周波数から対象物
の温度を求めて、画像信号を得ることを特徴とする請求
項１記載の赤外線撮像方法。
【請求項７】前記焦電素子（１１）を複数用い、夫々
の焦電素子（１１）に印加するパルス電圧は、夫々の焦
電素子（１１）の特性に応じて、電圧値、印加時間、及
び印加時間間隔を適切な値とすることを特徴とする請求
項６記載の赤外線撮像方法。
【請求項８】前記焦電素子（１１）に印加するパルス
電圧は、電圧値が焦電素子（１１）に分極反転を生じさ
る電圧値以下であることを特徴とする請求項１又は請求
項２又は請求項３又は請求項４又は請求項５又は請求項
６又は請求項７記載の赤外線撮像方法。
【請求項９】前記焦電素子（１１）に印加するパルス
電圧は、電圧値が焦電素子（１１）に分極反転を生じさ
せる電圧値以上で、周期的に極性が反転することを特徴
とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４
又は請求項５又は請求項６又は請求項７記載の赤外線撮
像方法。
【請求項１０】焦電素子（１１）を用いて赤外線を検
出して対象物の画像信号を得る赤外線撮像装置におい
て、入射赤外線に応じた表面電荷を生じさせる焦電素子（１
１）と、焦電素子（１１）の電極間に所定のパルス電圧を所定時
間印加して、対象物の温度に対応する表面電荷量の変化
を生じさせるパルス発生回路（１２）と、上記パルス電圧の印加の停止中に、上記表面電荷量の変
化に対応する信号を検出して出力するインピーダンス変
換回路（１３）と、上記インピーダンス変換回路（１３）により検出された
信号を基に、画像信号を生成する画像信号生成部（１
４）とを備える構成としたことを特徴とする赤外線撮像
装置。
【請求項１１】前記パルス発生回路（１２）は、一定
時間間隔で前記パルス電圧を印加し、前記画像信号生成部（１４）は、上記パルス電圧の印加
の停止中に、前記表面電荷の時間変化が安定する一定時
点で表面電荷の単位時間当たりの変化量を検出して、画
像信号を得ることを特徴とする請求項１０記載の赤外線
撮像装置。
【請求項１２】前記パルス発生回路（１２）は、一定
時間間隔で前記パルス電圧を印加し、前記画像信号生成部（１４）は、上記パルス電圧の印加
の停止中に、前記表面電荷の時間変化が安定する以前の
一定時間内の表面電荷の単位時間当たりの変化状態か
ら、前記表面電荷の時間変化が安定する一定時点での表
面電荷の単位時間当たりの変化量を予測により求めて、
画像信号を得ることを特徴とする請求項１０記載の赤外
線撮像装置。
【請求項１３】前記焦電素子（１１）を複数備え、前
記パルス発生回路（１２）は、上記夫々の焦電素子（１
１）の特性に応じて、上記夫々の焦電素子（１１）に印
加するパルス電圧の電圧値、印加時間、及び印加時間間
隔を適切な値とすることを特徴とする請求項１１又は請
求項１２記載の赤外線撮像装置。
【請求項１４】前記パルス発生回路（１２）は、同一
の焦電素子（１１）で、入射赤外線の強さ又は入射赤外
線の変化速度に応じて、前記焦電素子（１１）に印加す
る電圧の電圧値、印加時間及び印加時間間隔を適切な値
とする構成としたことを特徴とする請求項１１又は請求
項１２記載の赤外線撮像装置。
【請求項１５】前記焦電素子（１１）と共に共振回
路を形成するインダクタンス素子を備え、前記パルス発生回路（１２ａ）は、前記パルス電圧の周
波数を時間的に変化させ、前記画像信号生成部（１
４）は、前記周波数の時間変化と同期して、前記インピ
ーダンス変換回路（１３）により検出された信号のレベ
ルを調べて前記共振回路の共振周波数を検出し、上記検
出された共振周波数に対応する対象物の温度を求めて画
像信号を得る構成としたことを特徴とする請求項１０記
載の赤外線撮像装置。
【請求項１６】前記焦電素子（１１）を複数備え、前
記パルス発生回路（１２ａ）は、上記夫々の焦電素子
（１１）の特性に応じて、上記夫々の焦電素子（１１）
に印加するパルス電圧の電圧値、印加時間、及び印加時
間間隔を適切な値とする構成としたことを特徴とする請
求項１５記載の赤外線撮像装置。
【請求項１７】前記パルス発生回路（１２，１２ａ）
は、電圧値が焦電素子（１１）に分極反転を生じさる電
圧値以下であるパルス電圧を生成する構成としたことを
特徴とする請求項１０又は請求項１１又は請求項１２又
は請求項１３又は請求項１４又は請求項１５又は請求項
１６記載の赤外線撮像装置。
【請求項１８】前記パルス発生回路（１２，１２ａ）
は、電圧値が焦電素子（１１）に分極反転を生じさせる
電圧値以上で、周期的に極性が反転するパルス電圧を生
成する構成としたことを特徴とする請求項１０又は請求
項１１又は請求項１２又は請求項１３又は請求項１４又
は請求項１５又は請求項１６記載の赤外線撮像装置。
【請求項１９】前記焦電素子（１１）、パルス発生回
路（１２）、インピーダンス変換回路（１３）、及び画
像信号生成部（１４）を同一基板上に設置する構成とし
たことを特徴とする請求項１０又は請求項１１又は請求
項１２又は請求項１３又は請求項１４又は請求項１５又
は請求項１６又は請求項１７又は請求項１８記載の赤外
線撮像装置。