JPH07318430A

JPH07318430A - 熱映像検出装置

Info

Publication number: JPH07318430A
Application number: JP13130894A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kobayashi; 真司小林
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】熱映像検出装置の赤外線検出部４に有するス
イッチング用素子の歩留まりを向上させ、このことによ
り熱映像検出装置の製造コストを安くし、低価格な装置
を提供することにある。【構成】赤外線検出部４は、マイクロマシニング技術
でシリコン基板上に作製されたボロメータ素子１とダイ
オード２を有して構成され、１個のダイオード２のアノ
ード側と、１個のボロメータ素子１の出力端とを直列に
接続した直列接続体10が二次元配置しているものであ
る。ボロメータ素子１は、被検出体から赤外線の入射に
より温度変化が生じることで電気抵抗が変化する抵抗素
子であり、ダイオード２のスイッチング動作により前記
ボロメータ素子１の赤外線受光量に対応する電気抵抗の
変化を順次読み出し、これを信号処理して被検出体の熱
映像を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人体等の被検出体から
放出される赤外線を検知し、被検出体の熱映像を得る車
載用プレビュアーや防犯機器等に利用される熱映像検出
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、車載用プレビュアーや防犯機器
に用いられる熱映像検出装置の従来の主要部分の一例を
示す。この種の熱映像検出装置は、赤外線検出部４と端
子電圧制御回路12と電源13とを有して構成されている。

【０００３】図４において、赤外線検出部４は、温度変
化に応じて電気抵抗が変化するボロメータ素子１と、個
々のボロメータ素子１と一対一に対応して接続されてい
るＭＯＳ−ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）11の直列接
続体が二次元配置（図では横３列縦４列）されているも
のである。この直列接続体は、シリコン基板上にエッチ
ング処理等のマイクロマシニング技術（半導体微細加工
技術）により作製されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ11はソー
ス（Ｓ）およびドレイン（Ｄ）およびゲート（Ｇ）を持
ち、図４で示される赤外線検出部では、ＭＯＳ−ＦＥＴ
11が対応するボロメータ素子１に電流を流すためのスイ
ッチング用素子となる。

【０００４】端子電圧制御回路12は各ＭＯＳ−ＦＥＴ11
のゲートにかかるゲート電圧を制御する端子電圧制御回
路12Ａと、各ＭＯＳ−ＦＥＴ11のドレインにかかるドレ
イン電圧を制御する端子電圧制御回路12Ｂとを有してい
る。端子電圧制御回路12Ａには、横第１列の各ＭＯＳ−
ＦＥＴ11のゲートに電圧を印加する端子12Ａａと、横第
２列の各ＭＯＳ−ＦＥＴ11のゲートに電圧を印加する端
子12Ａｂと、横第３列の各ＭＯＳ−ＦＥＴ11のゲートに
電圧を印加する端子12Ａｃとが設けられている。

【０００５】また、端子電圧制御回路12Ｂには、縦第１
列の各ＭＯＳ−ＦＥＴ11のドレインに電圧を印加する端
子12Ｂａと、縦第２列の各ＭＯＳ−ＦＥＴ11のドレイン
に電圧を印加する端子12Ｂｂと、縦第３列の各ＭＯＳ−
ＦＥＴ11のドレインに電圧を印加する端子12Ｂｃと、縦
第４列の各ＭＯＳ−ＦＥＴ11のドレインに電圧を印加す
る端子12Ｂｄが設けられている。端子電圧制御回路12Ａ
は各端子12Ａａ，12Ａｂ，12Ａｃから出力する各横１列
のゲート電圧を切り換え制御し、端子電圧制御回路12Ｂ
は各端子12Ｂａ，12Ｂｂ，12Ｂｃ，12Ｂｄから出力する
各縦１列のドレイン電圧を制御してＭＯＳ−ＦＥＴ11の
スイッチオン動作を１個ずつ切り換えて行く。

【０００６】例えば、端子電圧制御回路12Ａにより端子
12Ａａのみからスイッチオンのゲート動作電圧を印加
し、端子電圧制御回路12Ｂにより端子12Ｂａからのみス
イッチオンのドレイン動作電圧を印加することでＭＯＳ
−ＦＥＴ11ａａは唯一スイッチオン状態となり、ボロメ
ータ素子１ａａに電流が流れる。同様に、端子電圧制御
回路12Ａにより端子12Ａａのみからゲート動作電圧を印
加し、端子電圧制御回路12Ｂにより端子12Ｂｂのみから
ドレイン動作電圧を印加するとＭＯＳ−ＦＥＴ11ａｂは
唯一スイッチオン状態となる。このように、各ＭＯＳ−
ＦＥＴ11のゲートとドレインに加えられる動作電圧を順
次切り換えることによって選択的に１個ずつＭＯＳ−Ｆ
ＥＴ11をスイッチオン状態にすることができる。

【０００７】一方、電源13は、直流電源からなり、この
電源13は全てのボロメータ素子１の一端に接続され、ボ
ロメータ素子１のもう一端が対応しているＭＯＳ−ＦＥ
Ｔ11のソースと接続している。

【０００８】なお、熱映像装置は、赤外線検出部４の出
力信号を処理する情報処理部分（図示せず）と、処理さ
れた情報をテレビモニタに映し出す映像部分（図示せ
ず）とを有している。次に、この種の熱映像検出装置の
動作を説明する。

【０００９】人体等の被検出体から放出された熱（赤外
線）が赤外線検出部に入射すると、各ボロメータ素子１
は赤外線の入射量に応じて温度が変化し、その温度変化
に対応して電気抵抗が変化する。この状態で、端子電圧
制御回路12で、ＭＯＳ−ＦＥＴ11のオン・オフ状態を制
御して唯１個のＭＯＳ−ＦＥＴ11をスイッチオン状態と
したときに、そのＭＯＳ−ＦＥＴ11に接続しているボロ
メータ素子１の電気抵抗に対応する電流が流れ出すこと
で、赤外線量に応じた赤外線検出値を選択的に順次読み
出し、これを情報処理部で所望の信号処理を行い、映像
部で各ボロメータ素子１の配列位置に対応するテレビモ
ニタの各画素位置に赤外線検出値を映し出し、被検出体
の熱映像を得る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来装
置の赤外線検出部４は、ボロメータ素子１とＭＯＳ−Ｆ
ＥＴ11をシリコン基板上にマイクロマシニング技術を用
いて作製しており、特に、ＭＯＳ−ＦＥＴ11は複雑な製
造工程で作製され、また、同一基板上に形成されるボロ
メータ素子１等の作製時に行われる長時間のエッチング
処理や熱処理によって、ＭＯＳ−ＦＥＴ11の特性に変化
が生じ、ＭＯＳ−ＦＥＴ11を設計通りに作製するのが難
しく、ＭＯＳ−ＦＥＴ11の歩留まりが悪くなってしまう
という問題がある。

【００１１】そうすると、必然的に赤外線検出部４、つ
まりは熱映像検出装置の歩留まりが悪く、製造コストが
高くなるために高価格なものとなる。例えば、ボロメー
タ素子１が横64列縦64列の二次元配置で形成される赤外
線検出部には4069個のボロメータ素子１およびＭＯＳ−
ＦＥＴ11が必要であり、赤外線検出部の歩留まりが50％
以上となるためには、ＭＯＳ−ＦＥＴ11の歩留まりが9
9.98 ％以上でなければならず、このような高い歩留ま
りでＭＯＳ−ＦＥＴ11を作製することは極めて困難であ
った。

【００１２】本発明は、上記従来の課題を解決するため
になされたものであり、その目的は、スイッチング用素
子の製造を容易にし、装置の歩留まりを向上させ、低価
格な熱映像検出装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次のように構成されている。すなわち、第
１の発明は、温度変化に応じて電気抵抗が変化するボロ
メータ素子を一次元又は二次元状に配置してなる赤外線
検出部と、個々のボロメータ素子に一対一に対応させて
接続されているダイオードと、各ダイオードを選択的に
１個ずつ順方向にバイアスするダイオード駆動回路と、
各ボロメータ素子から得られる温度変化に対応するアナ
ログ信号をデジタル化するデジタル処理回路と、各ダイ
オードの特性のばらつきに起因するオフセット値を格納
するオフセット格納メモリと、前記デジタル処理回路に
よって処理された各ボロメータ素子の赤外線検出値を対
応するダイオードのオフセット値を用いてデジタル演算
によって補正する補正演算処理部とを有することを特徴
として構成される熱映像検出装置である。

【００１４】また、第２の発明は、前記第１の発明の各
ボロメータ素子とそれぞれのボロメータ素子に接続され
るダイオードは半導体微細加工技術を用いて基板上に集
積形成されていることを特徴として構成される。

【００１５】

【作用】上記構成の本発明において、個々のボロメータ
素子に一対一に対応させて接続されているダイオード
は、ダイオード駆動回路によりオン・オフ状態が制御さ
れ、一次元又は二次元状に配置されたボロメータ素子か
らの赤外線検出値を１個ずつ選択的に順次読み出す。そ
して、読み出された赤外線検出値のアナログ信号をデジ
タル処理回路でデジタル化し、補正演算処理部で、前記
デジタル化されたダイオードの特性のばらつきを含む赤
外線検出値から、事前にオフセット格納メモリに読み込
まれている各ダイオードの特性のばらつきに起因するオ
フセット値を差し引く。赤外線を断続するチョッパを用
いる場合はチョッパを閉じている状態でオフセット値を
測定して格納しておく。デジタル演算によって赤外線検
出値を補正し、補正された赤外線検出値によって熱映像
が得られる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一名
称には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【００１７】図１および図２は、本発明による熱映像検
出装置の実施例を示す。図２は、熱映像検出装置のブロ
ック構成を示すもので、赤外線検出部４、ダイオード駆
動回路３、増幅回路５、デジタル処理回路６、オフセッ
ト格納メモリ７、補正演算処理部８、フレームメモリ９
を有する。また、図１は、図２に示される赤外線検出部
４とダイオード駆動回路３の構成を示すものであり、赤
外線検出部４の特徴的なこととしては、スイッチング用
素子としてマイクロマシニング技術で作製されたダイオ
ード２を用いていることである。

【００１８】図１において、赤外線検出部４は、従来例
と同様にマイクロマシニング技術（半導体微細加工）で
作製されたボロメータ素子１が二次元配置（図では横３
列縦４列）されているものである。また、１個のボロメ
ータ素子１の出力端には、１個のダイオード２のアノー
ド側が直列に接続して直列接続体10を構成している。

【００１９】ダイオード駆動回路３は、各ボロメータ素
子１の入力端が接続されるダイオード駆動回路３Ａと、
各ダイオード２のカソード側が接続されるダイオード駆
動回路３Ｂとを有している。ダイオード駆動回路３Ａに
は、横第１列の各ダイオード２のアノード側に電圧を印
加する端子３Ａ１と、同様な働きをする横第２列の端子
３Ａ２と横第３列の端子３Ａ３とを設け、また、ダイオ
ード駆動回路３Ｂには、縦第１列の各ダイオード２のカ
ソード側に端子を印加する端子３Ｂ１と、同様な働きを
する縦第２列の端子３Ｂ２と、縦第３列の端子３Ｂ３
と、縦第４列の端子３Ｂ４とを設けている。ダイオード
駆動回路３Ａは、各端子３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３から出
力する各横１列のダイオード２のアノード側の電位を切
り換える制御回路を有しており、ダイオード駆動回路３
Ｂは、各端子３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３，３Ｂ４から出力
する各縦１列のダイオード２のカソード側の電位を前記
ダイオード駆動回路３Ａの電位切り換え動作に同期させ
て、各ダイオード２のスイッチオン状態を１個ずつ切り
換えて行く制御回路を有している。

【００２０】例えば、ダイオード２（２Ｄ₁₁）だけをス
イッチオン状態とするためには、ダイオード２（２
Ｄ₁₁）のアノード側の電位がカソード側の電位より高
く、その電位差が動作バイアス電圧以上となるようにダ
イオード駆動回路３Ａの端子３Ａ１およびダイオード駆
動回路３Ｂの端子３Ｂ１から電圧を印加する（例えば端
子３Ａ１を５Ｖ、端子３Ｂ１を０Ｖとする）。残りのダ
イオード駆動回路３Ａの端子３Ａ２，３Ａ３からは０Ｖ
の電圧を印加し、ダイオード駆動回路３Ｂの端子３Ｂ
２，３Ｂ３，３Ｂ４からは、ダイオード２のアノード側
とカソード側の電位の差が動作バイアス電圧以下となる
電圧（例えば端子３Ａ１から５Ｖが印加される場合に
は、５Ｖ）を印加する。

【００２１】同様にダイオード２（２Ｄ₂₁）だけをオン
状態とする場合には、ダイオード駆動回路３Ａの端子３
Ａ２およびダイオード駆動回路３Ｂの端子３Ｂ１からダ
イオード２（２Ｄ₂₁）に順方向の動作バイアス電圧又は
それ以上の電圧を印加する。残りのダイオード駆動回路
３Ａの端子３Ａ１，３Ａ３からは０Ｖを印加し、ダイオ
ード駆動回路３Ｂの端子３Ｂ２，３Ｂ３，３Ｂ４から
は、ダイオード２にかかる電圧が動作バイアス電圧以下
となる電圧を印加する。このようにダイオード駆動回路
３で各々の端子から印加する電圧を切り換えることで、
ダイオード２のアノード側の電位がカソード側の電位よ
り高くなっている順方向の動作バイアス電圧が１個ずつ
選択的にダイオード２に印加され、ダイオード２が順次
スイッチオン状態となる。

【００２２】図２において、増幅回路５は、赤外線検出
部４で検知された赤外線入射量に対応する赤外線検出値
を取り出し増幅するものであり、図３に示されるホイー
トストンブリッジ回路14と増幅器を有して構成されてい
る。ホイートストンブリッジ回路14は、４辺の抵抗ブリ
ッジ回路からなり、４個の電気抵抗体Ｒ₁，Ｒ₂，
Ｒ₃，Ｒ₄が抵抗ブリッジ回路の対応する各ブリッジ辺
に配置され、４辺の向かい合った２頂点ａ，ｃが電圧入
力端子となり、残りの２頂点ｂ，ｄが回路の検出端子と
なっている。ここでは、２個の電気抵抗体Ｒ₁，Ｒ₂が
固定形成され、残りの電気抵抗体Ｒ₃が赤外線検出部４
のボロメータ素子１とダイオード２との１個の直列接続
体10で構成され、電気抵抗体Ｒ₄がブリッジのバランス
を取り易くし、温度特性を良好に保つためにＲ₃と同様
に抵抗素子とダイオードから構成されている。前記直列
接続体10は、ダイオード駆動回路３からバイアス電圧が
印加され、ダイオード２がスイッチオン状態となってい
る直列接続体10である。それゆえ、前記直列接続体10で
構成される電気抵抗体Ｒ₃は、ダイオード駆動回路３で
ダイオード２のオン・オフ状態を制御することで、順次
切り換わるものである。増幅回路５では、このようなホ
イートストンブリッジ回路14の検出端子ｂ，ｄから電気
抵抗Ｒ₃（選択的に接続された直列接続体10）に対応す
る信号（赤外線検出値の信号）を読み出し、増幅器で増
幅する。

【００２３】デジタル処理回路６では、前記増幅回路５
で増幅されたアナログ信号の赤外線検出値をデジタル信
号へ変換する。

【００２４】ところで、ダイオード２は電気抵抗のばら
つきが大きく、ホイートストンブリッジ14を通してボロ
メータ素子１とダイオード２との直列接続体10である電
気抵抗Ｒ₃に対応する信号を検出する構成では、例え
ば、一方の直列接続体10の赤外線検出値と、同一の赤外
線量を受けた他の直列接続体10から得られた赤外線検出
値との間にはダイオード２のばらつきによる差が生じて
しまう。そうすると、増幅器の増幅動作によりダイオー
ド２の電気抵抗のばらつき分も増幅されて、各直列接続
体10の赤外線検出値間の差は無視できないものとなる。
このようにダイオード２の電気抵抗のばらつきのため、
真の赤外線検出値と実際検出された赤外線検出値とには
大きな誤差が生じ、正確な熱映像が得られない。

【００２５】そこで、本発明では、ダイオード２による
誤差を取り除く赤外線検出値の補正を行う補正演算処理
部８と、この補正に用いる各直列接続体10のオフセット
値を記録しておくオフセット格納メモリ７が設けられて
いる。

【００２６】オフセット格納メモリ７には、赤外線検出
部４から検出された各直列接続体10のオフセット値が記
録されている。

【００２７】補正演算処理部８では、検出された赤外線
検出値から、オフセット格納メモリ７に格納されている
対応するオフセット値を差し引くデジタル演算をし、赤
外線検出値の補正を行う。

【００２８】上記補正演算処理部８とオフセット格納メ
モリ７を設けた赤外線検出値の信号処理を次に説明す
る。

【００２９】本実施例では、赤外線検出部４の受光面に
オフセット値を検出するための高速に駆動する赤外線の
透過と遮断を交互に行うチョッパー（図示せず）が設け
られ、このチョッパーの赤外線遮断と透過の１サイクル
動作が各ダイオード２のスイッチオン期間に同期して行
われるようになっている。このような構成の下で、ダイ
オード駆動回路３で制御して選択的に１個のダイオード
２（例えば２Ｄ₁₁）をスイッチオン状態とし、チョッパ
ーによる直列接続体10への赤外線遮断時に、ダイオード
２を持つ直列接続体10の電気抵抗に対応する信号（オフ
セット値の信号）を増幅回路５およびデジタル処理回路
６を通してオフセット値のデジタル信号をオフセット格
納メモリ７に格納する。

【００３０】次に、チョッパーによる直列接続体10への
赤外線透過時には、同じ直列接続体10の赤外線量に対応
する検出値の信号を同じように増幅回路５およびデジタ
ル処理回路６を通して補正演算処理部に取り込む。そし
て、オフセット格納メモリ７から先に検出されていたオ
フセット値を読み出し、補正演算処理部８で、検出され
た赤外線検出値から読み出されたオフセット値を差し引
いて、ダイオード２の特性のばらつきによる誤差を取り
除いた赤外線検出補正値を得る。このように得られた赤
外線検出補正値は、フレームメモリ９に送られ格納され
る。

【００３１】以上のように１個の直列接続体10の赤外線
受光量に対する赤外線検出値の検出そして補正を行う信
号処理を順次全ての直列接続体10について行い、フレー
ムメモリ９に得られた赤外線検出補正値を格納し、必要
時に、直列接続体10の配列位置に対応するテレビモニタ
の各画素の配列位置に前記赤外線検出補正値を映し出
し、被検出体の熱映像を得る。

【００３２】本実施例では、赤外線検出部４の個々のボ
ロメータ素子１に一対一に対応して接続されているスイ
ッチング用素子を従来例の複雑な工程で作製するＭＯＳ
−ＦＥＴ11ではなく、ダイオード２にしたために、製造
プロセスが簡単であり、また、ボロメータ素子１の作製
時の長時間エッチング処理や熱処理に対する耐久性も良
く、スイッチング用素子の歩留まりが向上する。このこ
とにより、赤外線検出部４が安定して製造され、赤外線
検出部の歩留まりを向上させることができ、製造コスト
を安くすることができる。また、ダイオード２は従来の
ＭＯＳ−ＦＥＴ11の構造より簡単な構造をしており、赤
外線検出部４が小型化される。

【００３３】上記のような赤外線検出部４を用いること
で、熱映像検出装置は小型で安価な装置となり、防犯や
家電や自動車等の分野に広く適用することができるよう
になる。

【００３４】また、オフセット格納メモリ７と補正演算
処理部８を設け、赤外線検出値の補正処理を行うこと
で、ダイオードによる抵抗値のばらつき誤差が取り除か
れるために感度良く、被検出体の熱映像を明瞭に捕らえ
ることができる。また、上記の補正演算処理工程を加え
ても、従来例と同程度に赤外線の検知に対して高速に応
答することができる。本発明者は、本実施例による縦64
列横64列に二次元アレイ配置されたボロメータ素子１を
有する熱映像検出装置を用いて、人体の観察を行ったと
ころ、静止した人体の顔の形状を明瞭に捕らえることが
でき、また、感度や応答速度については、従来例のＭＯ
Ｓ−ＦＥＴ11を使用した装置と比べて同程度であった。

【００３５】また、上記実施例では、チョッパーを用い
てリアルタイムにオフセット値を取り込み記憶して赤外
線検出値の補正を行うようにしたので、ダイオード２の
温度変化に起因するオフセット値が変動しても、その変
動したオフセット値を取り込んで補正に用いるため、周
囲の温度が変化しても正確な赤外線検出補正値が得ら
れ、精度良く被検出体の熱映像を得ることができる。

【００３６】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、上記
実施例では、各直列接続体10のオフセット値を赤外線測
定中にチョッパーを用いてリアルタイムで取り込み記憶
させたが、全ての直列接続体10のオフセット値を熱映像
検出装置の出荷時又は使用直前に予めオフセット格納メ
モリ７に記録しておいても良い。

【００３７】また、赤外線検出部４のボロメータ素子１
が二次元アレイ配置であったが、一次元アレイ配置でも
良い。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、個々のボロメータ素子
に一対一に対応して接続するスイッチング用素子をダイ
オードを用いて構成したので、ボロメータ素子とダイオ
ードをマイクロマシニング技術によりシリコン基板に作
製する製造プロセスが簡単であり、ボロメータ素子作製
時におけるエッチング処理や熱処理に対するダイオード
の耐久性も良く、歩留まりが向上する。

【００３９】また、オフセット格納メモリと補正演算処
理部を設けて、ボロメータ素子から得られる赤外線検出
値を補正するようにしたので、各ボロメータ素子のダイ
オードの特性のばらつきを含む赤外線検出値から各ダイ
オードの特性のばらつきによるオフセット値を差し引く
ことになり、真の赤外線検出値を検出することができる
ので、被検出体の熱映像を明瞭、かつ高速に捕らえるこ
とができる熱映像検出装置が得られる。

【００４０】さらに、各ボロメータ素子と各ボロメータ
素子に接続されるダイオードを半導体微細加工技術を用
いて基板上に集積形成することで、小型かつ高速な熱映
像検出装置を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による熱映像検出装置の赤外線検出部の
一実施例を示す説明図である。

【図２】本発明による熱映像検出装置のブロック構成の
一例を示す説明図である。

【図３】図２の増幅回路を示す説明図である。

【図４】従来例の熱映像検出装置の赤外線検出部を示す
説明図である。

【符号の説明】

１ボロメータ素子２ダイオード３ダイオード駆動回路４赤外線検出部５増幅回路６デジタル処理回路７オフセット格納メモリ８補正演算処理部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度変化に応じて電気抵抗が変化するボ
ロメータ素子を一次元又は二次元状に配置してなる赤外
線検出部と、個々のボロメータ素子に一対一に対応させ
て接続されているダイオードと、各ダイオードを選択的
に１個ずつ順方向にバイアスするダイオード駆動回路
と、各ボロメータ素子から得られる温度変化に対応する
アナログ信号をデジタル化するデジタル処理回路と、各
ダイオードの特性のばらつきに起因するオフセット値を
格納するオフセット格納メモリと、前記デジタル処理回
路によって処理された各ボロメータ素子の赤外線検出値
を対応するダイオードのオフセット値を用いてデジタル
演算によって補正する補正演算処理部とを有する熱映像
検出装置。
【請求項２】各ボロメータ素子とそれぞれのボロメー
タ素子に接続されるダイオードは半導体微細加工技術を
用いて基板上に集積形成されている請求項１記載の熱映
像検出装置。