JPH10122957A - 熱型赤外線イメージセンサ - Google Patents

熱型赤外線イメージセンサ

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JPH10122957A
JPH10122957A JP8298226A JP29822696A JPH10122957A JP H10122957 A JPH10122957 A JP H10122957A JP 8298226 A JP8298226 A JP 8298226A JP 29822696 A JP29822696 A JP 29822696A JP H10122957 A JPH10122957 A JP H10122957A
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readout
pixels
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circuit
vertical
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JP8298226A
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Juichi Yoneyama
寿一 米山
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Nikon Corp
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 非冷却型画素を使用した熱型赤外線イメージ
センサの低雑音化を図りかつ高感度かつ高速度の読み出
しを可能にする。 【解決手段】 熱型赤外線イメージセンサにおいて、感
熱素子Ｒｉｊおよび該感熱素子に接続されたスイッチ素
子Ｑｉｊを有し、マトリクス状に配列された複数の画素
と、各列ごとに設けられ前記マトリクス状に配置された
複数の画素の内各列の画素が接続された垂直読み出し線
ＬＶｊと、前記マトリクス状に配置された画素の内各行
の画素から垂直読み出し線を介し並列的に読み出し信号
を取り出す垂直読み出し回路ＩＮＴｊと、該垂直読み出
し回路から出力された信号をそれぞれ列ごとに蓄積する
蓄積手段ＣＴｊと、該蓄積手段に蓄積された読み出し信
号を順次直列的に読み出す水平走査手段ＱＨｊ，ＨＳＲ
とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱型赤外線イメー
ジセンサに関し、特に比較的簡単な装置構成により低雑
音、高感度かつ高速度で赤外線画像信号を得るための信
号読み出し技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、たとえば人体などから放出される
赤外線放射を検出し、赤外線画像を得るための赤外線イ
メージセンサとして、量子型赤外線イメージセンサと熱
型赤外線イメージセンサが知られている。
【０００３】前者の量子型赤外線イメージセンサは、た
とえばＨｇＣｄＴｅのような禁止帯幅の狭い半導体で熱
センサを構成し、液体窒素などを使用してたとえば７７
Ｋ程度まで冷却した状態で動作させる。このような量子
型赤外線イメージセンサは、最小温度分解能（Ｎｏｉｓ
ｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤ
ｉｆｆｅｒｅｎｃｅ：ＮＥＴＤ）が０．１Ｋ程度と良好
な特性を得ることができるが、液体窒素などで装置を冷
却する必要があるため、装置が大がかりとなり高価にな
るという不都合があった。
【０００４】上記のような問題を避けるために、非冷却
型の熱型赤外線イメージセンサを使用するものが知られ
ている。この非冷却熱型赤外線イメージセンサは、たと
えばボロメータなどの感熱素子で画素を構成し、感熱素
子の温度特性による特性値、たとえば抵抗値の変化を検
出して赤外線画像を得るものである。
【０００５】図５は、このような非冷却熱型赤外線イメ
ージセンサの１つとして、ボロメータを用いた従来の熱
型赤外線イメージセンサの概略の構成を示す。図５に示
す熱型赤外線イメージセンサでは、説明の簡略化のため
に画素が３行×３列のマトリクス状に配置されたものを
示している。
【０００６】各画素は、赤外線照射による温度上昇に応
じて抵抗値が変化するボロメータなどの感熱素子Ｒｉｊ
（ｉ＝１，２，３；ｊ＝１，２，３）、および感熱素子
Ｒｉｊを流れる電流信号を各垂直信号線へ選択的に出力
するＭＯＳトランジスタなどで構成される垂直読み出し
用スイッチ素子Ｑｉｊ（ｉ＝１，２，３；ｊ＝１，２，
３）によって構成されている。従って、垂直読み出し用
スイッチ素子Ｑｉｊがオンとなった時、感熱素子Ｑｉｊ
の電流信号が垂直信号線に読み出されるよう構成されて
いる。
【０００７】各感熱素子Ｒｉｊの一端には、所定の電源
電圧ＶＲＢが各画素ごとに共通に印加されており、各感
熱素子Ｒｉｊの他端は垂直読み出し用スイッチ素子Ｑｉ
ｊのドレインに接続され、各垂直読み出し用スイッチ素
子Ｑｉｊのソースはマトリクス配置の各列ごとに垂直読
み出し線ＬＶｊ（ｊ＝１，２，３）に接続されている。
【０００８】各垂直読み出し用スイッチ素子Ｑｉｊのゲ
ートは、マトリクス配置の各行ごとに垂直走査回路ＶＳ
Ｒに接続されたクロックラインＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３
に共通に接続されている。垂直走査回路ＶＳＲから各行
のクロックラインＣＬｉ（ｉ＝１，２，３）に順次駆動
パルスが与えられると、スイッチ素子Ｑｉｊが各行ごと
に順次オンとなるように構成されている。
【０００９】垂直読み出し線ＬＶｊは、ＭＯＳトランジ
スタなどで構成される水平読み出し用スイッチ素子ＱＨ
ｊ（ｊ＝１，２，３）を介して水平読み出し線ＬＨに接
続され、この水平読み出し線ＬＨは、電流・電圧変換用
の増幅器ＡＭＰの反転入力端子に接続されている。増幅
器ＡＰＭの反転入力端子と出力との間には帰還抵抗ＲＦ
が接続されている。増幅器ＡＭＰの非反転入力端子は所
定のバイアス電圧ＶＲが与えられている。
【００１０】また、各水平読み出し用スイッチ素子ＱＨ
ｊのゲートは水平走査回路ＨＳＲに接続された水平選択
信号ラインＨＳｊ（ｊ＝１，２，３）に接続されてい
る。水平走査回路ＨＳＲから各水平選択信号ラインＨＳ
ｊを介して送出される駆動パルスによって各水平読み出
し用スイッチ素子ＱＨｊが順次オンとなり水平読み出し
が行われる。
【００１１】図５の熱型赤外線イメージセンサの動作は
次のように行われる。即ち、垂直走査回路ＶＳＲを走査
して、１行分の垂直読み出し用スイッチ素子、たとえば
Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３をオンとして、感熱素子Ｒ１
１，Ｒ１２，Ｒ１３を選択する。次に、水平走査回路Ｈ
ＳＲを走査して、各水平読み出し用スイッチ素子ＱＨ
１，ＱＨ２，ＱＨ３を順次オンとする。これによって、
すでに垂直走査で選択されている感熱素子Ｒ１１，Ｒ１
２，Ｒ１３を順次水平走査で選択する。これにより、順
次１つの感熱素子が選択されて電流が流れるようにな
る。即ち、たとえば電源ＶＲＢから、感熱素子Ｒ１１、
垂直読み出し用スイッチ素子Ｑ１１、垂直読み出し線Ｌ
Ｖ１、水平読み出し用スイッチ素子ＱＨ１を通り水平読
み出し線ＬＨの回路に電流が流れる。この電流を、増幅
器ＡＭＰと帰還抵抗ＲＦで構成される電流・電圧変換回
路により電圧信号に変換して出力端子ＶＯＵＴから出力
する。感熱素子Ｒｉｊはその抵抗値が温度によって変化
するので流れる電流も温度によって変化し、従って出力
端子ＶＯＵＴから出力される電圧信号も選択された感熱
素子Ｒｉｊの温度に応じて変化する。
【００１２】以上のようにして、１行分の画素の信号を
読み出した後、垂直走査回路ＶＳＲにより次の行の信号
を各垂直読み出し線ＬＶｊに読み出し、さらに水平走査
回路ＨＳＲにより各画素ごとの信号を順次水平読み出し
線ＬＨに読み出す。即ち、各画素ごとに流れる電流を順
番に検出すれば、１画面分の熱画像を示す信号が出力さ
れることになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の熱型赤外線
イメージセンサについては、感熱素子であるボロメータ
の両端に電圧を加え、ボロメータを順次１つずつ選択し
て、画素の出力電流信号を直接水平読み出し線に読み出
している。このため、通常の数十万画素の標準のテレビ
ジョン方式であるＮＴＳＣ方式で読み出す場合には、た
とえば、数ＭＨｚで画素の選択切り替えを行なう必要が
ある。しかしながら、ボロメータの抵抗と読み出し回
路、即ち垂直読み出し線および水平読み出し線など、の
浮遊容量ＣＶｊ（ｊ＝１，２，３）とで構成される時定
数が大きくなるため、高速読み出しは不可能であり、上
述のようなＮＴＳＣ方式での読み出しは困難であった。
【００１４】高速読み出しを可能にするためにボロメー
タの抵抗値を小さくすることも考えられるが、その場合
はボロメータに流れる電流が大きくなり、読み出すため
の電流によって素子自身が発熱する自己発熱が大きくな
る。自己発熱によって素子自身の特性が変動するので、
自己発熱は外乱となる。即ち、自己発熱は雑音と等価で
あり、信号成分を高感度に検出することを不可能にす
る。
【００１５】また、上記矛盾を解決するために、たとえ
ば複数の読み出し回路を設け多数、通常１０本以上、の
読み出し線のセンサの信号を同時に並列に読み出すこと
により、読み出し信号の低周波化も行なわれている。し
かしながら、この場合には、周辺回路で多数の信号を処
理しなければならず、従って周辺回路の構成が複雑かつ
高価になるという問題点が発生する。
【００１６】本発明の目的は、上記従来例の装置におけ
る問題点に鑑み、比較的簡単な装置構成により、高感度
で高速動作が可能であり、しかも低雑音の熱画像信号を
得ることができる熱型赤外線イメージセンサを提供する
ことにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の態樣に係
わる熱型赤外線イメージセンサは、それぞれ感熱素子お
よび該感熱素子に接続されたスイッチ素子を有する複数
の画素と、前記複数の画素の内所定数の画素がそれぞれ
接続された複数の読み出し線と、前記各々の読み出し線
に接続された画素の内１つずつからの信号を各読み出し
線に並列に読み出すための並列読み出し手段と、前記並
列読み出し手段によって前記複数の読み出し線に読み出
された信号をそれぞれ蓄積する蓄積手段と、前記蓄積手
段に蓄積されている信号を順次直列的に読み出すための
直列走査手段とを備えている。
【００１８】このような構成においては、各々の読み出
し線に接続された画素の内１つずつからの信号を各読み
出し線に並列に読み出して前記蓄積手段に蓄積する。そ
の後、蓄積手段に蓄積された信号を順次直列的に読み出
す。これによって、各画素から前記蓄積手段に信号を読
み出すための時間を充分に長くとることができ、感熱素
子の自己発熱を抑えつつ、高速読み出しを行なうことが
可能になる。また、自己発熱が少ないため、低雑音化を
図ることができる。
【００１９】本発明の第２の態樣に係わる熱型赤外線イ
メージセンサは、それぞれ感熱素子および該感熱素子に
接続されたスイッチ素子を有し、マトリクス状に配列さ
れた複数の画素と、各列ごとに設けられ、それぞれ前記
マトリクス状に配置された複数の画素の内各列の画素が
接続された垂直読み出し線と、前記マトリクス状に配置
された画素の内各行の画素から前記垂直読み出し線を介
し並列的に読み出し信号を取り出す垂直読み出し回路
と、前記垂直読み出し回路から出力された信号をそれぞ
れ列ごとに蓄積する蓄積手段と、前記蓄積手段に蓄積さ
れた読み出し信号を順次直列的に読み出す水平走査手段
とを備えている。
【００２０】この場合には、マトリクス状に配置された
複数の画素の内、１行分の画素を並列的に読み出し各列
ごとに設けられた蓄積手段に蓄積する。その後、各蓄積
手段に蓄積された読み出し信号を水平走査手段によって
順次直列的に読み出せばよい。従って、この場合も画素
から信号を読み出し蓄積手段に蓄積するまでの時間を充
分にとることができ、感熱素子の抵抗を大きくしても必
要な読み出し速度を実現できる。従って、感熱素子の自
己発熱を抑えることによって低雑音化を図ることができ
ると共に、高速読み出しも可能になる。さらに、従来の
ように多線並列読み出しを行なう必要がないから、周辺
回路が大幅に簡略化されコストも低下する。
【００２１】この場合、前記垂直読み出し回路は前記画
素の感熱素子に流れる電流を対応する電圧信号に変換す
る電流・電圧変換回路によって構成すると好都合であ
る。
【００２２】マトリクス状に配置された複数の画素の内
各行の画素から垂直読み出し線を介し並列的に読み出し
信号を取り出す垂直読み出し回路は、画素の感熱素子に
流れる電流を対応する電圧に変換する電流・電圧変換回
路によって構成することにより、蓄積容量のような蓄積
手段に信号電圧を効果的に蓄積することができ高い信号
対雑音比を得ることができる。
【００２３】さらに、前記水平走査手段が前記蓄積手段
から各列の読み出し信号を順次読み出している間に、前
記マトリクス状に配置された画素の次の行の画素の読み
出し信号を並列に蓄積する第２の蓄積手段を設けること
もできる。
【００２４】このような第２の蓄積手段を設けることに
より、次の行の画素からの信号読み出しと前記蓄積手段
からの水平走査手段による信号読み出しとを完全に独立
に行なうことができ、動作タイミングの自由度を増大さ
せ、高性能のイメージセンサを実現することができる。
【００２５】また、前記垂直読み出し回路は前記画素の
感熱素子に流れる電流を対応する電圧信号に変換する電
流・電圧変換回路および前記第２の蓄積手段を兼ねたリ
セット可能な積分回路で構成してもよい。
【００２６】前記第２の蓄積手段と前記電流・電圧変換
回路とをリセット可能な積分回路で構成することによ
り、簡単な回路構成により高性能の信号処理動作が可能
になる。
【００２７】本発明の第３の態樣に係わる熱型赤外線イ
メージセンサは、それぞれ感熱素子および該感熱素子に
接続されたスイッチ素子を有し、マトリクス状に配列さ
れた複数の画素と、各列ごとに設けられ、それぞれ前記
マトリクス状に配列された複数の画素の内各列の画素が
接続された垂直読み出し線と、前記垂直読み出し線を通
り前記画素の感熱素子に流れる電流信号を対応する電圧
信号に変換する電流・電圧変換回路を含む垂直読み出し
回路と、前記垂直読み出し回路から出力された読み出し
信号を各列ごとに蓄積する蓄積手段と、前記垂直読み出
し回路と、前記蓄積手段との間に設けられた転送スイッ
チ素子と、前記蓄積手段に蓄積された読み出し信号を順
次直列的に出力する水平走査手段とを備えている。
【００２８】このような構成により、感熱素子の自己発
熱を抑え、高感度かつ高速度の読み出しが可能なイメー
ジセンサが得られる。
【００２９】この場合、前記垂直読み出し回路は、リセ
ット可能な積分回路からなり、前記画素の感熱素子に流
れる電流を対応する電圧信号に変換する電流・電圧変換
回路ならびに該電流・電圧変換回路によって変換された
電圧信号を蓄積する第２の蓄積手段を構成し、前記転送
スイッチ素子をオフとして前記水平走査手段が前記蓄積
手段から順次直列的に信号読み出しを行なっている間
に、前記マトリクス状に配列された画素の内次の行の画
素からの読み出し信号を前記第２の蓄積手段に並列に蓄
積すると好都合である。
【００３０】このような構成によって、簡単な回路で低
雑音の信号読み出しが可能になると共に、装置各部の動
作タイミングの自由度を増大しより高性能のイメージセ
ンサが実現できる。
【００３１】本発明の第４の態樣に係わる熱型赤外線イ
メージセンサは、それぞれ温度に応じて流れる電流が変
化する感熱素子および該感熱素子に接続されたスイッチ
素子を有し、行および列からなるマトリクス状に配列さ
れた複数の画素と、各列ごとに設けられ、それぞれ前記
マトリクス状に配置された画素の内各列の画素の感熱素
子が前記スイッチ素子を介して接続された垂直読み出し
線と、前記マトリクス状に配置された画素の内各行の画
素のスイッチ素子を行ごとに順次制御する垂直走査回路
と、前記垂直走査回路の制御により各行ごとに並列に前
記垂直読み出し線に出力された画素の電流信号を対応す
る電圧信号に変換する電流・電圧変換回路と、前記電流
・電圧変換回路から出力された電圧信号を蓄積する蓄積
手段と、前記電流・電圧変換回路と前記蓄積手段との間
に接続され、オンオフ制御可能な転送スイッチ素子と、
前記蓄積手段に蓄積された読み出し信号を順次列ごとに
直列的に出力するための水平読み出しスイッチと、前記
水平読み出しスイッチを順次制御する水平走査回路とを
備えている。
【００３２】このような構成によっても、感熱素子の自
己発熱を少なくし、低雑音かつ高感度の信号読み出しが
行われると共に、画素の信号を前記蓄積手段に蓄積する
までに充分長い時間をとることができるため、高速読み
出しを行なうことも容易に可能となる。
【００３３】この場合、前記電流・電圧変換回路はリセ
ット可能な積分回路からなり、前記垂直読み出し線に出
力された電流信号を対応する電圧信号に変換するととも
に、変換した電圧信号を蓄積する第２の蓄積手段を構成
し、前記転送スイッチ素子をオフとして前記水平読み出
しスイッチにより前記蓄積手段から読み出し信号を順次
直列的に出力している間に、前記マトリクス状に配置さ
れた画素の内次の読み出し行の信号電流を電圧信号に変
換しかつ蓄積すると好都合である。
【００３４】これによって、簡単な回路構成により、高
品質の読み出し信号を得ることができると共に、回路各
部の動作タイミングの自由度が大きくなり、高性能のイ
メージセンサが実現できる。
【００３５】前記各々の態樣に係わる熱型赤外線イメー
ジセンサにおいて、前記画素の感熱素子はボロメータ、
ダイオードあるいはボロメータとダイオードとの組合わ
せ回路から構成することができる。
【００３６】画素の感熱素子としてはボロメータを使用
しても、あるいはダイオードを使用しても温度に応じて
流れる電流を変化させることができ、簡単な画素構成、
従って、集積回路装置上の小さな占有面積で各画素を構
成できる。また、ボロメータとダイオードとを組み合わ
せて、たとえば直列に接続して画素を構成することもで
き、この場合は高感度かつ広い動作温度範囲を有するイ
メージセンサを実現することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
わる熱型赤外線イメージセンサにつき詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係わる熱型赤外線イメー
ジセンサの概略の構成を示す。図１に示す熱型赤外線イ
メージセンサでは、説明の簡略化のため９個の画素が３
行×３列の２次元マトリクス状に配置された場合を示し
ている。各画素は、感熱素子Ｒｉｊと垂直読み出しスイ
ッチＱｉｊとで構成されている。感熱素子Ｒｉｊは、例
えばボロメータで構成され、赤外線照射による温度上昇
に応じて抵抗値が変化する素子である。垂直読み出しス
イッチＱｉｊは、例えばＭＯＳトランジスタで構成さ
れ、該垂直読み出しスイッチＱｉｊがオンとなったと
き、感熱素子Ｑｉｊの電流信号が読み出されるように構
成されている。
【００３８】各感熱素子Ｒｉｊの一端は電源電圧ＶＲＢ
が各画素ごとに共通に印加されており、各感熱素子Ｒｉ
ｊの他端は前記垂直読み出しスイッチＱｉｊを構成する
ＭＯＳトランジスタのドレインが接続されている。垂直
読み出しスイッチＱｉｊを構成するＭＯＳトランジスタ
のソースはマトリクス配置の各列ごとに垂直読み出し線
ＬＶｊ（ｊ＝１，２，３）に接続されている。
【００３９】各垂直読み出しスイッチＱｉｊを構成する
ＭＯＳトランジスタのゲートはマトリクス配置の各行ご
とに共通にクロックラインＣＬｉ（ｉ＝１，２，３）に
接続され、これらのクロックラインＣＬｉは垂直走査回
路ＶＳＲに接続されている。したがって、垂直走査回路
ＶＳＲから各クロックラインＣＬｉに送出される駆動パ
ルスによって垂直読み出しスイッチＱｉｊが各行ごとに
順次動作するよう構成されている。
【００４０】また、前記垂直読み出し線ＬＶｊは、各列
ごとにそれぞれ積分回路ＩＮＴｊの入力に接続されてい
る。なお、各垂直読み出し線ＬＶｊとグランド間に接続
された容量ＣＶｊは垂直読み出し線ＬＶｊの寄生容量を
示している。各列の積分回路ＩＮＴｊには共通に後に詳
細に説明するリセットパルスφＲＴが供給できるよう構
成されている。
【００４１】また、積分回路ＩＮＴｊの出力は各列ごと
に設けられたＭＯＳトランジスタなどで構成される転送
スイッチＱＴｊのソースに接続されている。各列の転送
スイッチＱＴｊのゲートは共通に接続されて転送制御パ
ルスφＴが供給できるよう構成されている。転送スイッ
チＱＴｊのドレインはそれぞれ列ごとに設けられた、例
えばＭＯＳトランジスタで構成される、水平読み出しス
イッチＱＨｊのソースに接続されると共に、それぞれ蓄
積容量ＣＴｊがグランドとの間に接続されている。
【００４２】各列の水平読み出しスイッチＱＨｊのドレ
インは共通に水平読み出し線ＬＨに接続され、該水平読
み出し線ＬＨは共通に出力端子ＶＯＵＴに接続されてい
る。また、各水平読み出しスイッチＱＨｊのゲートはそ
れぞれ水平走査回路ＨＳＲに接続された水平選択信号ラ
インＨＳｊに接続されており、水平走査回路ＨＳＲから
送出される駆動パルスによって水平読み出しが制御され
る。
【００４３】また、前記水平読み出し線ＬＨには、例え
ばＭＯＳトランジスタで構成されるリセットスイッチＱ
ＲＨのドレインが接続され、該リセットスイッチのソー
スは接地されている。また、該リセットスイッチＱＲＨ
のゲートには、駆動パルスφＲＨが供給され、各水平読
み出し終了ごとにリセットスイッチＱＲＨをオンとして
水平読み出し線ＬＨの電位をリセットする。なお、水平
読み出し線ＬＨには、通常寄生容量が存在しており、図
１では水平読み出し線ＬＨとグランド間に接続された容
量ＣＨでこの寄生容量を示している。
【００４４】図２は、図１の熱型赤外線イメージセンサ
における積分回路の詳細な構成例をその周辺部分の回路
をも含めて示す。図２において、図１と同じ部分は同じ
参照符号で示されている。なお、図２では、一例として
第２列目の垂直読み出し線ＬＶ２に接続された積分回路
ＩＮＴ２およびその周辺の回路を示している。
【００４５】積分回路ＩＮＴ２は、増幅器Ａ２と、容量
Ｃ２と、リセット用ＭＯＳトランジスタＱＲ２とを備え
ている。増幅器Ａ２の反転入力端子は垂直読み出し線Ｌ
Ｖ２に接続されている。増幅器Ａ２の非反転入力端子に
は所定のバイアス電圧ＶＲが与えられている。また、容
量Ｃ２は増幅器Ａ２の負帰還経路に挿入され、すなわち
増幅器Ａ２の出力端子と反転入力端子の間に接続されて
いる。リセット用ＭＯＳトランジスタＱＲ２の主電流経
路は容量Ｃ２と並列に接続されている。すなわち、リセ
ット用ＭＯＳトランジスタＱＲ２のドレインは増幅器Ａ
２の出力端子に接続され、ソースは反転入力端子に接続
されている。リセット用ＭＯＳトランジスタＱＲ２のゲ
ートには前述のようにリセットパルスφＲＴが供給でき
るよう構成されている。なお、他の垂直読み出し線ＬＶ
１およびＬＶ３に接続された積分回路ＩＮＴ１およびＩ
ＮＴ３も同様の構成を有している。
【００４６】図２に示される積分回路ＩＮＴ２は、周知
のように、リセット用ＭＯＳトランジスタＱＲ２がオフ
の場合は、反転入力端子に流れる電流に応じた電荷が容
量Ｃ２に蓄積され、増幅器Ａ２の出力端子からは、この
蓄積された電荷に応じた電圧を取り出すことができる。
また、リセット用トランジスタＱＲ２をオンとすること
により、容量Ｃ２に蓄積された電荷を放電し積分回路の
リセットを行なうことができる。
【００４７】図１および図２に示されるような構成を有
する熱型赤外線イメージセンサの動作につき説明する。
後述する方法で、例えば第１行目の画素の信号が第１の
蓄積手段である各容量ＣＴｊ（ｊ＝１，２，３）に蓄積
されているものとする。この状態で、水平走査回路ＨＳ
Ｒから水平選択信号ラインＨＳｊを介して供給される駆
動パルスによって各水平読み出しスイッチＱＨｊが順次
オンとされ、第１行目の画素の信号を順次水平読み出し
線ＬＨに出力し出力端子ＶＯＵＴから外部に供給する。
【００４８】この水平読み出しの際に、１つの水平読み
出しスイッチＱＨｊからの信号を水平読み出し線ＬＨに
出力し外部に読み出した後に、駆動パルスφＲＨにより
リセットスイッチＱＲＨをオンとし水平読み出し線の残
留電荷をリセットした後、次の列の水平読み出しスイッ
チＱＨｊをオンとして次の列の信号を読み出す。これに
よって、水平読み出し線ＬＨに存在する寄生容量ＣＨに
蓄積された前の列の画素の信号による残留電荷を放電し
た後に次の列の信号を読み出すことができ、信号対雑音
比を改善し適切な読み出しを行なうことができるように
なる。
【００４９】以上のような水平読み出しが行なわれてい
る期間中に、垂直走査回路ＶＳＲは第２行目の画素を選
択するためクロックラインＣＬ２に駆動パルスを加え、
第２行目の画素の垂直読み出しスイッチＱ２ｊをオンに
する。また、この場合各積分回路ＩＮＴｊに供給される
リセットパルスφＲＴは例えば低レベルとされ、積分回
路の積分リセットスイッチＱＲｊはオフとされている。
これにより、第２行目の感熱素子Ｒ２ｊに流れる電流に
よる電荷が所定時間の間第２の蓄積手段である積分回路
ＩＮＴｊの容量Ｃｊに充電され蓄積される。なお、この
ときは各列の転送スイッチＱＴｊはオフとされている。
【００５０】以上のようにして、第２の蓄積手段、すな
わち積分回路ＩＮＴｊの容量Ｃｊに第２行目の各列の画
素の信号が蓄積される。そして、前記水平読み出し期間
の終了後、すなわち、前記蓄積容量ＣＴ３の読み出しの
終了後の、水平帰線期間に、駆動パルスφＴによって各
列の転送スイッチ手段ＱＴｊをオンにする。これによっ
て、それまでに第２の蓄積手段Ｃｊに蓄積されていた積
分回路ＩＮＴｊの出力電圧、すなわち第２行目の画素の
信号、が各転送スイッチＱＴｊを介して第１の蓄積手段
である蓄積容量ＣＴｊにそれぞれ充電される。
【００５１】この充電後に、転送スイッチＱＴｊをオフ
にして積分回路ＩＮＴｊと第１の蓄積手段である蓄積容
量ＣＴｊとを切り離す。また、駆動パルスφＲＴにより
各積分回路ＩＮＴｊの積分リセットスイッチＱＲｊ（図
２）をオンとして、第２の蓄積手段Ｃｊに充電されてい
た電荷を放電させる。これらの動作は水平帰線期間に行
なわれる。
【００５２】以上のようにして、第２行目の画素の情報
を第１の蓄積手段である蓄積容量ＣＴｊに充電した後、
前述のように水平読み出しスイッチＱＨ１をオンにす
る。これにより蓄積容量ＣＴ１の電荷が水平読み出し線
ＬＨの寄生容量ＣＨに分配され、第１列目の信号が読み
出され、出力端子ＶＯＵＴから外部に供給される。次
に、リセット駆動パルスφＲＨにより水平リセットスイ
ッチＱＲＨをオンにし、水平読み出し線ＬＨの寄生容量
ＣＨの電荷を放電し、続いて次の水平読み出しスイッチ
ＱＨ２をオンにして第２列目の画素の信号を水平読み出
しラインへと読み出す。同様にして第３列目の画素の信
号を読み出す。この水平読み出し動作は、通常の可視イ
メージセンサの読み出し方式と同様のものであり、例え
ばＮＴＳＣ方式程度の高速性は充分確保できる。
【００５３】以上のような第２行目の画素の水平読み出
し期間中には、垂直走査回路ＶＳＲによって第３行目の
画素の垂直読み出しスイッチＱ３ｊをオンとし、積分回
路ＩＮＴｊの積分リセットスイッチＱＲｊをリセットパ
ルスφＲＴによってオンとし、かつ転送パルスφＴによ
って各列の転送スイッチＱＴｊをオフにし、第２行目の
画素について上に述べたのと同様にして第３行目の画素
の信号を第２の蓄積手段である積分回路ＩＮＴｊの蓄積
容量Ｃｊに充電する。最終行、この場合は第３行、の水
平読み出し期間中には、最初の行、すなわち第１行、の
画素の信号を同時に読み出して第２の蓄積手段に充電
し、水平帰線期間中に第１の蓄積手段である蓄積容量Ｃ
Ｔｊに蓄積する。その後、前述の第１行目の水平読み出
しを行なう。
【００５４】このように、各画素に対する垂直読み出し
動作と、水平読み出し動作とがまったく独立に行なわ
れ、画素からの垂直読み出しに充分長い時間を与えるこ
とができる。このため、画素のボロメータの抵抗値を大
きくしても水平読み出し動作は影響を受けず、したがっ
て高速読み出しを行なうことができる。
【００５５】図１の例では説明の簡略化のため３行×３
列のマトリクス状に画素が配列されているものとして説
明したが、実際には数１００行×数１００列の画素構成
が使用される。そして、ＮＴＳＣ方式の水平同期信号周
波数は１５．７５ＫＨｚであり、水平読み出し期間は５
０マイクロ秒程度になり、この期間の間に各画素の垂直
読み出しを行なえばよい。したがって、各画素の切り換
え周期は、図５の従来例の数ＭＨｚに対して数１００倍
長くすることができる。すなわち、ボロメータに高抵抗
のものを使用しても充分に応答できるようになる。
【００５６】図１および図２に示される実施形態に係わ
る熱型赤外線イメージセンサでは、感熱素子としてボロ
メータを使用しているが、感熱素子としてはＰＮ接合ダ
イオードやショットキバリアダイオード（以下、ＳＢＴ
と称する）なども感熱素子として使用できる。すなわ
ち、よく知られているように、定電圧バイアスされたＰ
Ｎ接合ダイオードやＳＢＴの順方向電流、あるいは、逆
バイアスされたＰＮ接合ダイオードやＳＢＴの暗電流は
３０度の温度変化で約１桁変化するので、高感度の感熱
素子である。
【００５７】したがって、図３に示されるように、これ
らのダイオードを画素部に使用してもよい。図３の構成
では、図２の回路における画素部のボロメータＲ２２，
Ｒ３２などをダイオードＤ２２，Ｄ３２などに置き換え
ている。
【００５８】あるいは、図４に示すように画素部に、ボ
ロメータとＰＮ接合ダイオードやＳＢＴを組合わせて感
熱素子として利用してもよい。すなわち、図４の構成で
は、図２のボロメータＲ２２，Ｒ３２などをそれぞれボ
ロメータＲ２２とダイオードＤ２２との直列回路、ボロ
メータＲ３２とダイオードＤ３２との直列回路、などに
置き換えている。
【００５９】また、図３および図４に示される画素部の
ダイオードは順方向バイアスで使用するものとして示さ
れているが、前述のようにダイオードは逆方向バイアス
でも良好な感熱素子として使用できるから、ダイオード
の向きを逆にして逆バイアス時の暗電流の温度変化を信
号として利用してもよい。
【００６０】また、図１、図２および図３では、垂直読
み出し手段として積分回路ＩＮＴｊを用いたものを示し
ているが、これは一般的には、半導体プロセス特に垂直
・水平走査回路を構成し易いＭＯＳトランジスタを使用
するプロセスにおいては、抵抗より容量の方が製作し易
いためである。しかしながら、何等かの理由で高抵抗プ
ロセスが使える場合には、蓄積容量を使用した積分回路
に代えて、図４に示すような電流・電圧変換回路ＩＶｊ
を使用することもできる。この場合も、１行分の画素の
信号を同時に読み出し、電流・電圧変換回路ＩＶｊを介
して第１の蓄積手段である蓄積容量ＣＴｊに転送し、そ
の後各蓄積容量ＣＴｊから水平読み出しを行なえばよ
い。したがって、この場合も、従来は数ＭＨｚ必要であ
った応答速度が２０ＫＨｚ程度で済むので、ボロメータ
に従来例に比べて数１００倍の高抵抗が使用できるよう
になり自己発熱の影響が大幅に小さくなる。
【００６１】以上のように、垂直読み出し手段としては
積分回路や電流・電圧変換回路を使用することができ、
かつ画素部の感熱素子としてはダイオードやボロメータ
などを使用することができる。この場合、垂直読み出し
回路として使用される回路と画素部の感熱素子の構成と
は任意に組合わせて使用できることは言うまでない。
【００６２】なお、上述においては画素が２次元マトリ
クス状に配置されたイメージセンサにつき説明したが、
本発明は画素が１次元的に配置されたラインセンサの場
合にも適用できる。また、本発明は、画素を複数ポイン
トに配置し、該複数ポイントの温度分布を計測するため
の温度分布計測装置に適用することもできる。
【００６３】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、１行分
の画素の信号を同時に読み出していったん蓄積手段に蓄
積した後、該蓄積手段を順次切り換えて読み出すことに
より、画素からの読み出し、すなわち垂直読み出し動作
と、水平読み出し動作とを独立に行なうことができる。
したがって、画素部の感熱素子の抵抗成分と読み出し線
の寄生容量との時定数の影響がなくなり、画素部の感熱
素子の自己発熱を抑えつつ高速度の読み出しを行なうこ
とができるようになる。
【００６４】また、本発明によれば、読み出し回路を複
数設ける必要がなく、通常のＮＴＳＣ方式であれば１系
統とすることができ、周辺回路も簡略化できコストも低
減できる。また、特にＮＴＳＣ方式以上の高速性が要求
される場合に読み出し回路を複数系統設ける場合でも、
数系統程度でよく、１０〜数１０系統必要であった従来
の多線並列読み出しに比べて周辺回路が大幅に簡略化さ
れ、低価格かつ高性能の赤外線イメージセンサが実現で
きる。
【００６５】また、画素部の感熱素子にダイオードを使
用した場合は、特殊な材料を使用して装置を構成する必
要がなく、自己発熱も小さいので、高感度かつ低価格の
熱型赤外線イメージセンサを容易に実現できる。
【００６６】また、画素部にダイオードを使用する場合
は、該ダイオードを順方向バイアスすることにより、逆
方向にバイアスする場合よりも電流信号が大きくなり、
より大きな電圧信号が得られるので、さらに感度を上昇
させＳ／Ｎ比も向上させることができる。
【００６７】さらに、画素部のダイオードをショットキ
バリアダイオードとした場合には、拡散の厚さを薄くで
きるため、各画素の全体の厚さを薄くし、熱容量を減ら
してさらに感度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる熱型赤外線イメー
ジセンサの概略の構成を示すブロック回路図である。
【図２】図１の熱型赤外線イメージセンサの積分回路を
含む部分の詳細を示す電気回路図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係わる熱型赤外線イメ
ージセンサの構成を示す部分的電気回路図である。
【図４】本発明のさらに別の実施形態に係わる熱型赤外
線イメージセンサの構成を部分的に示す電気回路図であ
る。
【図５】従来の熱型赤外線イメージセンサの概略の構成
を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
Ｒｉｊ ボロメータ Ｑｉｊ 垂直読み出しスイッチ ＩＮＴｊ 積分回路 ＱＴｊ 転送スイッチ ＣＴｊ 第１の蓄積手段としての蓄積容量 ＱＨｊ 水平読み出しスイッチ ＱＲＨ 水平リセットスイッチ ＶＳＲ 垂直走査回路 ＨＳＲ 水平走査回路 ＬＶｊ 垂直読み出し線 ＬＨ 水平読み出し線 Ａｊ 増幅器 Ｃｊ 第２の蓄積手段としての蓄積容量 ＱＲｊ 積分リセットスイッチ

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 それぞれ感熱素子および該感熱素子に接
    続されたスイッチ素子を有する複数の画素と、 前記複数の画素の内所定数の画素がそれぞれ接続された
    複数の読み出し線と、 前記各々の読み出し線に接続された画素の内１つずつか
    らの信号を各読み出し線に並列に読み出すための並列読
    み出し手段と、 前記並列読み出し手段によって前記複数の読み出し線に
    読み出された信号をそれぞれ蓄積する蓄積手段と、 前記蓄積手段に蓄積されている信号を順次直列的に読み
    出すための直列走査手段と、 を具備することを特徴とする熱型赤外線イメージセン
    サ。
  2. 【請求項２】 それぞれ感熱素子および該感熱素子に接
    続されたスイッチ素子を有し、マトリクス状に配列され
    た複数の画素と、 各列ごとに設けられ、それぞれ前記マトリクス状に配置
    された複数の画素の内各列の画素が接続された垂直読み
    出し線と、 前記マトリクス状に配置された画素の内各行の画素から
    前記垂直読み出し線を介し並列的に読み出し信号を取り
    出す垂直読み出し回路と、 前記垂直読み出し回路から出力された信号をそれぞれ列
    ごとに蓄積する蓄積手段と、 前記蓄積手段に蓄積された読み出し信号を順次直列的に
    読み出す水平走査手段と、 を具備することを特徴とする熱型赤外線イメージセン
    サ。
  3. 【請求項３】 前記垂直読み出し回路は前記画素の感熱
    素子に流れる電流を対応する電圧信号に変換する電流・
    電圧変換回路からなることを特徴とする請求項２に記載
    の熱型赤外線イメージセンサ。
  4. 【請求項４】 さらに、前記水平走査手段が前記蓄積手
    段から各列の読み出し信号を順次読み出している間に、
    前記マトリクス状に配置された画素の次の行の画素の読
    み出し信号を並列に蓄積する第２の蓄積手段を具備する
    ことを特徴とする請求項２または３に記載の熱型赤外線
    イメージセンサ。
  5. 【請求項５】 前記垂直読み出し回路は前記画素の感熱
    素子に流れる電流を対応する電圧信号に変換する電流・
    電圧変換回路および前記第２の蓄積手段を兼ねたリセッ
    ト可能な積分回路であることを特徴とする請求項４に記
    載の熱型赤外線イメージセンサ。
  6. 【請求項６】 それぞれ感熱素子および該感熱素子に接
    続されたスイッチ素子を有し、マトリクス状に配列され
    た複数の画素と、 各列ごとに設けられ、それぞれ前記マトリクス状に配列
    された複数の画素の内各列の画素が接続された垂直読み
    出し線と、 前記垂直読み出し線を通り前記画素の感熱素子に流れる
    電流信号を対応する電圧信号に変換する電流・電圧変換
    回路を含む垂直読み出し回路と、 前記垂直読み出し回路から出力された読み出し信号を各
    列ごとに蓄積する蓄積手段と、 前記垂直読み出し回路と、前記蓄積手段との間に設けら
    れた転送スイッチ素子と、 前記蓄積手段に蓄積された読み出し信号を順次直列的に
    出力する水平走査手段と、 を具備することを特徴とする熱型赤外線イメージセン
    サ。
  7. 【請求項７】 前記垂直読み出し回路は、リセット可能
    な積分回路からなり、前記画素の感熱素子に流れる電流
    を対応する電圧信号に変換する電流・電圧変換回路なら
    びに該電流・電圧変換回路によって変換された電圧信号
    を蓄積する第２の蓄積手段を構成し、前記転送スイッチ
    素子をオフとして前記水平走査手段が前記蓄積手段から
    順次直列的に信号読み出しを行なっている間に、前記マ
    トリクス状に配列された画素の内次の行の画素からの読
    み出し信号を前記第２の蓄積手段に並列に蓄積すること
    を特徴とする請求項６に記載の熱型赤外線イメージセン
    サ。
  8. 【請求項８】 それぞれ温度に応じて流れる電流が変化
    する感熱素子および該感熱素子に接続されたスイッチ素
    子を有し、行および列からなるマトリクス状に配列され
    た複数の画素と、 各列ごとに設けられ、それぞれ前記マトリクス状に配置
    された画素の内各列の画素の感熱素子が前記スイッチ素
    子を介して接続された垂直読み出し線と、 前記マトリクス状に配置された画素の内各行の画素のス
    イッチ素子を行ごとに順次制御する垂直走査回路と、 前記垂直走査回路の制御により各行ごとに並列に前記垂
    直読み出し線に出力された画素の電流信号を対応する電
    圧信号に変換する電流・電圧変換回路と、 前記電流・電圧変換回路から出力された電圧信号を蓄積
    する蓄積手段と、 前記電流・電圧変換回路と前記蓄積手段との間に接続さ
    れ、オンオフ制御可能な転送スイッチ素子と、 前記蓄積手段に蓄積された読み出し信号を順次列ごとに
    直列的に出力するための水平読み出しスイッチと、 前記水平読み出しスイッチを順次制御する水平走査回路
    と、 を具備することを特徴とする熱型赤外線イメージセン
    サ。
  9. 【請求項９】 前記電流・電圧変換回路はリセット可能
    な積分回路からなり、前記垂直読み出し線に出力された
    電流信号を対応する電圧信号に変換するとともに、変換
    した電圧信号を蓄積する第２の蓄積手段を構成し、前記
    転送スイッチ素子をオフとして前記水平読み出しスイッ
    チにより前記蓄積手段から読み出し信号を順次直列的に
    出力している間に、前記マトリクス状に配置された画素
    の内次の読み出し行の信号電流を電圧信号に変換しかつ
    蓄積することを特徴とする請求項８に記載の熱型赤外線
    イメージセンサ。
  10. 【請求項１０】 前記画素の感熱素子はボロメータであ
    ることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に
    記載の熱型赤外線イメージセンサ。
  11. 【請求項１１】 前記画素の感熱素子はダイオードであ
    ることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に
    記載の熱型赤外線イメージセンサ。
  12. 【請求項１２】 前記画素の感熱素子はボロメータとダ
    イオードとの組合わせ回路からなることを特徴とする請
    求項１ないし９のいずれか１項に記載の熱型赤外線イメ
    ージセンサ。
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