JPH10148570A - 赤外線センサのレベル調整回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 赤外線センサ信号のように高速でかつ画素毎
にレベルの調整が必要な信号に対しても有効なレベル調
整が可能な赤外線センサのレベル調整回路を提供する。 【解決手段】 メモリ８には予め赤外線センサ１のボロ
メータ１ａ（画素）毎のレベル調整値データが書込まれ
ており、ディジタル制御電流源３はそのレベル調整値デ
ータに応じてレベル調整電流を発生させる。読出し回路
２によってボロメータ１ａの抵抗値Ｒｂの変化を読出す
際に、このレベル調整電流を用いてボロメータ１ａのレ
ベル調整が行われる。 【効果】 メモリ８のレベル調整値データを基にオープ
ンループでレベル調整が行われるため、赤外線センサ１
からの高速信号のレベル調整が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は赤外線センサのレベ
ル調整回路に関し、特に感熱素子がボロメータである赤
外線ＦＰＡ（Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙ）を
使用した赤外線撮像装置における赤外線センサのレベル
調整回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の赤外線撮像装置において
は、ボロメータ抵抗の変化を電圧変化に変換して読出す
ための積分回路を備えているが、ボロメータ抵抗のバラ
ツキによって積分回路の変換ゲインの上限値に制限を受
けている。

【０００３】上記のボロメータ抵抗のバラツキを補正す
る方法としてはレベル調整を行う方法が考えられる。こ
のようなレベル調整を行う回路としては、例えば特開昭
５９−３７７１６号公報に開示されている自動利得制御
回路があり、この自動利得制御回路はＩＣ化しやすくか
つ高精度が得られ、しかも無調整で低コストという特長
を生かして広い分野で用いられている。

【０００４】レベル調整回路の一つである自動利得制御
回路は、図８に示すように、入力抵抗２１と、オペアン
プ２２と、整流回路２３と、積分回路２４と、基準電圧
回路２５と、コンパレータ２６と、シフトレジスタ２７
と、帰還抵抗２８とから構成されている。

【０００５】オペアンプ２２は利得を得るための中心と
なるアンプで、入力抵抗２１は利得を決める一方の抵
抗、もう一方の抵抗が帰還抵抗２８である。整流回路２
３はオペアンプ出力波形を整流する。積分回路２４は整
流された信号を積分する。基準電圧回路２５は基準電圧
を発生する。

【０００６】コンパレータ２６は基準電圧と積分回路出
力電圧とを比較し、ハイ又はローの信号を出力する。シ
フトレジスタ２７はコンパレータ出力信号に応じてデー
タを左右にシフトし、その結果でスイッチをオンまたは
オフする。

【０００７】この自動利得制御回路の利得は抵抗２１と
帰還抵抗２８との比によって決まる。例えば、利得が大
きすぎた場合、オペアンプ２２の出力が大きくなる。そ
の結果、整流回路２３の出力も大きくなる。積分回路２
４はこの制御系を安定化させるために必要である。

【０００８】上記の場合、積分回路２４の出力と基準電
圧との比較の結果はハイとなり、シフトレジスタ２７を
右方向へシフトさせる。このシフトレジスタ２７内部の
データに応じて帰還抵抗２８内のスイッチがコントロー
ルされ、帰還抵抗値が小さくなる。その結果、この回路
の利得は小さくなる。上述したようにして、自動利得制
御回路の利得が自動的に調整される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の赤外線
撮像装置では、ボロメータ抵抗のバラツキによって積分
回路の変換ゲインの上限値が制限されているので、積分
回路の変換ゲインを上げることができず、後段の回路ノ
イズが無視できなくなり、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔ
ｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）の劣化を引き起こしてい
る。

【００１０】ボロメータ抵抗のバラツキを補正する方法
としてはレベル調整を行う方法が考えられるが、上記の
自動利得制御回路では整流回路で求めた信号の平均値を
基にし、その大きさが一定になるように利得を制御して
しまうので、利得の時間的な平均値を制御してしまい、
短時間の信号レベルを制御することができない。

【００１１】この場合、積分回路も制御応答時間を長く
する原因になっている。しかも、この種のフィードバッ
ク型制御回路では制御の安定性と精度とを確保するのに
積分回路が不可欠であり、高速応答を原理的に難しくし
ている。

【００１２】つまり、赤外線撮像装置で扱われる赤外線
センサ信号のように高速で、かつ画素毎にレベルの調整
が必要な信号に対しては、上記のような自動利得制御回
路を用いることは困難である。

【００１３】そこで、本発明の目的は上記の問題点を解
消し、赤外線センサ信号のように高速でかつ画素毎にレ
ベルの調整が必要な信号に対しても有効なレベル調整を
行うことができる赤外線センサのレベル調整回路を提供
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による赤外線セン
サのレベル調整回路は、格子状に配置された複数のボロ
メータ型熱電変換素子各々に定電圧バイアス回路からバ
イアス電圧を選択的に供給することで前記複数のボロメ
ータ型熱電変換素子各々に流れる電流を選択的に読出し
て前記ボロメータ型熱電変換素子毎のデータを得る赤外
線センサのレベル調整回路であって、前記複数のボロメ
ータ型熱電変換素子各々のレベル調整を行うために予め
計測して得た前記複数のボロメータ型熱電変換素子各々
の調整値データを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に
記憶された調整値データに基づいて前記複数のボロメー
タ型熱電変換素子各々に対応するレベル調整用電流を供
給するディジタル制御型可変電流源と、前記複数のボロ
メータ型熱電変換素子各々から選択的に読出される電流
と前記ディジタル制御型可変電流源から供給される前記
レベル調整用電流との加減算を行う手段とを備えてい
る。

【００１５】すなわち、本発明の赤外線センサのレベル
調整回路は、画素毎のレベル調整値のデータを保持する
メモリと、このメモリの出力電圧をアナログスイッチを
駆動可能な電圧に変換するレベルシフタと、ディジタル
値で電流を制御するディジタル制御電流源と、各部を所
定のタイミングで動作させるシーケンサとを備えてい
る。

【００１６】上記のメモリには赤外線センサの画素毎の
レベル調整値データが予め計測されて書込まれている。
ディジタル制御電流源はこのレベル調整値データに応じ
てレベル調整用電流を発生させる。このレベル調整用電
流を使って画素（ボロメータ型熱電変換素子）毎にレベ
ル調整が行われる。このように、オープンループでレベ
ル調整が可能であるため、高速な調整が可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例による
赤外線センサのレベル調整回路を示す回路図である。図
において、本発明の一実施例による赤外線撮像装置は赤
外線センサ１と、読出し回路２と、ディジタル制御電流
源３と、レベルシフタ６，７と、メモリ８と、シーケン
サ９と、サンプルホールド回路１０とを含んで構成され
ている。ここで、ディジタル制御電流源３にはＲ−２Ｒ
ラダー抵抗網５を用いたディジタル可変抵抗器（Ｒｘ）
４が配設されている。

【００１８】赤外線センサ１は複数のボロメータ１ａが
２次元的（格子状）に配置されており、これら複数のボ
ロメータ１ａ各々が画素を構成し、夫々抵抗Ｒｂを有し
ている。この赤外線センサ１においては垂直スイッチ１
ｂと水平スイッチ１ｃとによって任意の画素のボロメー
タ１ａを選択することができる構造となっている。

【００１９】読出し回路２は赤外線センサ１にバイアス
電圧を供給するための電源Ｖｂと、赤外線センサ１ヘ流
れる電流を読出すトランジスタＱ１と、信号電流を蓄積
するコンデンサＣと、コンデンサＣをリセットするため
のＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓ
ｔｏｒ）Ｑ２とからなる。

【００２０】ディジタル制御電流源３はディジタル可変
抵抗器４と、電圧源Ｖｃと両数値に応じた電流を発生さ
せるトランジスタＱ３，Ｑ４とからなる。また、ディジ
タル可変抵抗器４はＲ−２Ｒラダー抵抗網５とアナログ
スイッチＳ１〜Ｓｋとから構成されている。

【００２１】メモリ８には画素（ボロメータ１ａ）毎に
予め計測して得た調整値データが書込まれている。レベ
ルシフタ６はディジタル可変抵抗器４のアナログスイッ
チＳ１〜Ｓｋを駆動するのに必要な電圧を作り出す。レ
ベルシフタ７は読出し回路２のＦＥＴＱ２を駆動するの
に必要な電圧を作り出す。シーケンサ９は各部を適切な
タイミングで動作させるようなパルスを発生する。サン
プルホールド回路１０は読出し回路２の出力波形を整形
する役割を持つ。

【００２２】図２は図１のディジタル可変抵抗器４のア
ナログスイッチＳ１〜Ｓｋの構成例を示す図である。図
において、アナログスイッチＳ１〜ＳｋはＦＥＴＱａ，
Ｑｂで構成されている。

【００２３】図３は図１のメモリ８の出力データとディ
ジタル制御電流源３の出力電流との関係を説明するため
の図であり、図４は本発明の一実施例によるレベル調整
機能のタイミングチャートであり、図５は本発明の一実
施例によるレベル調整の動作を説明するタイミングチャ
ートである。これら図１〜図５を参照して本発明の一実
施例によるレベル調整の動作について説明する。

【００２４】ここで、ボロメータ１ａとはＴｉ等の金属
またはｐｏｌｙ−Ｓｉ等の半導体を母材とする感熱素子
で、温度によってその抵抗値が変化する。このボロメー
タ１ａ上にレンズを使って赤外線を集光させると、その
エネルギーでボロメータ１ａの温度が上昇するので、温
度の上昇を抵抗値の変化として読出すことによって赤外
線センサ１を実現することができる。

【００２５】図１では読出すべきボロメータ１ａに一定
電圧を印加し、流れる電流の変化から抵抗値の変化を読
取る方式を採っている。これを行うのが読出し回路２
で、電流の変化をコンデンサＣを使って電圧に変換す
る。

【００２６】ボロメータ１ａは格子状に配列されてお
り、その抵抗値はまちまちである。ボロメータ１ａの抵
抗値をＲｂとすると、ボロメータ１ａを流れる電流Ｉｂ
は、 Ｉｂ＝（Ｖｂ−Ｖｂｅ１）／Ｒｂ Ｖｂｅ１：Ｑ１のベース・エミッタ間電圧 となる。これを１次元モデルで示すと図４に示すように
なる。

【００２７】ボロメータ１ａの抵抗値Ｒｂをさらに分解
すると、 Ｒｂ＝Ｒｂｏ＋ΔＲｂ となる。Ｒｂｏは変化しない固定値で、ΔＲｂはボロメ
ータ１ａに集光させる赤外線エネルギによって変化する
成分である。

【００２８】通常、ΔＲｂはＲｂｏの１万分の１以下で
ある。したがって、図４に示すボロメータ１ａの抵抗値
Ｒｂの画素によるばらつきは、そのほとんどが固定値Ｒ
ｂｏのばらつきであり、電流Ｉｂのばらつきも固定値Ｒ
ｂｏのばらつきに起因するものといえる。

【００２９】ディジタル制御電流源３はディジタルデー
タによってコントロールできる可変電流源である。Ｒ−
２Ｒラダー抵抗網５、アナログスイッチＳ１〜Ｓｋ、抵
抗Ｒｅはディジタルデータによってコントロールできる
ディジタル可変抵抗器（Ｒｘ）４を構成し、電圧源Ｖｃ
とトランジスタＱ３とを組合せることで電流源を形成し
ている。ディジタル制御電流源３で発生できるレベル調
整電流をＩｃとすると 、 Ｉｃ＝（Ｖｃ−Ｖｂｅ３）／Ｒｘ Ｖｂｅ３：Ｑ３のベース・エミッタ間電圧 となる。レベル調整電流Ｉｃはディジタルデータの関数
であり、その特性を図３に示す。

【００３０】最小のレベル調整電流Ｉｃｍｉｎ及び最大
のレベル調整電流Ｉｃｍａｘは、 Ｉｃｍｉｎ＝（Ｖｃ−Ｖｂｅ３）／Ｒｅ Ｉｃｍａｘ＝（Ｖｃ−Ｖｂｅ３）／（Ｒｅ//Ｒ） となる。この場合、所望の可変範囲になるように抵抗Ｒ
ｅ，Ｒを選べばよい。

【００３１】メモリ８には予め計測して得た赤外線セン
サ１の画素（ボロメータ１ａ）毎のレベル調整値データ
が書込まれている。メモリ８は図５に示すタイミングで
シーケンサ９から画素のメモリアドレスとリードパルス
とを受け、赤外線センサ１から読出そうとしている画素
に対応したレベル調整値データを出力する。

【００３２】そのレベル調整値データはレベルシフタ６
でアナログスイッチＳ１〜Ｓｋを駆動できる電圧に変換
され、上記のようにしてレベル調整電流Ｉｃが作られ
る。レベル調整電流Ｉｃは例えば図４に示すようにな
る。そして、このレベル調整電流ＩｃはトランジスタＱ
１のコレクタに注入されているので、結局コンデンサＣ
に蓄積される電流Ｉｉは、 Ｉｉ＝Ｉｂ−Ｉｃ となり、レベル調整値データが適切であれば、図４に示
すように画素間のばらつきが補正されることになる。

【００３３】読出し回路２の出力波形でみると、図５に
示すように、レベル調整を行わなかった場合には読出し
回路出力電圧ΔＶａは画素毎に大きくばらついてしま
う。しかしながら、レベル調整を行った場合には読出し
回路出力電圧をほぼ一定のΔＶｂにすることができる。

【００３４】Ｉｃｍａｘ−Ｉｃｍｉｎをばらつきのｐｅ
ａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋに合わせれば、この補正を行うこ
とによってばらつきを、１／（２^k −１）に低減するこ
とができる。ここで、ｋはディジタル可変抵抗器４のビ
ット数である。

【００３５】本発明の一実施例によるレベル調整は予め
記録されているメモリ８のレベル調整値データを基に調
整を行うオープンループ方式であるため、高速応答が可
能で赤外線センサ１からの高速信号のレベル調整にも適
用することができる。また、本発明の一実施例によるレ
ベル調整はアンプの利得ではなくオフセットの加減算に
より調整を行うのが特徴である。

【００３６】図６は本発明の他の実施例による赤外線セ
ンサのレベル調整回路を示す回路図である。図におい
て、ディジタル制御電流源１１のトランジスタＱ３，Ｑ
４がオペアンプＡＭＰ１，ＡＭＰ２と組合わされてい
る。図１に示すディジタル制御電流源３において、トラ
ンジスタＱ３のエミッタ電位とトランジスタＱ４のエミ
ッタ電位は同電位でなければならない。

【００３７】しかしながら、アナログスイッチＳ１〜Ｓ
ｋの状態によって、トランジスタＱ３のコレクタ電流と
トランジスタＱ４のコレクタ電流とが異なってしまい、
その結果トランジスタＱ３のベース・エミッタ電圧とト
ランジスタＱ４のベース・エミッタ電圧とが異なり、ト
ランジスタＱ３及びトランジスタＱ４のエミッタ電位が
同電位にならない。すると、図３に示すような特性が得
られなくなり、精度の悪化やひずみの増大を招くという
問題がある。

【００３８】本発明の他の実施例によるディジタル制御
電流源１１では、コレクタ電流に関わらずオペアンプＡ
ＭＰ１，ＡＭＰ２によってトランジスタＱ３及びトラン
ジスタＱ４のエミッタ電位がＶｄｄ−Ｖｃに固定される
ので、上記の問題を解消することができる。

【００３９】図７は本発明の別の実施例による赤外線セ
ンサのレベル調整回路を示す回路図である。図におい
て、Ｒ−２Ｒラダー抵抗網５とアナログスイッチＳ１〜
ＳｋとがトランジスタＱ３のベースに入っている。これ
はディジタルデータでコントロール可能な電圧源と考え
られるから、この電圧をＶｂｂとすると Ｉｃ＝（Ｖｂｂ−Ｖｂｅ３）／Ｒｅ となり、ディジタル制御電流源１２を実現することがで
きる。

【００４０】このディジタル制御電流源１２ではトラン
ジスタを１つ少なくすることができると同時に、図１に
示すディジタル制御電流源３の２つトランジスタＱ３，
Ｑ４のアンバランスによる問題を回避することができ
る。

【００４１】このように、ディジタル制御可変電流源
３，１１，１２から供給されるレベル調整電流を用いて
オープンループで赤外線センサ１の各ボロメータ１ａ
（画素）のレベル調整を行うことによって、赤外線セン
サ１の信号のように高速で、画素毎にレベルの調整が必
要な信号に対しても有効なレベル調整が可能となる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、格
子状に配置された複数のボロメータ型熱電変換素子各々
に定電圧バイアス回路からバイアス電圧を供給する際に
複数のボロメータ型熱電変換素子各々に流れる電流を選
択的に読出してボロメータ型熱電変換素子毎のデータを
得る赤外線センサのレベル調整回路において、複数のボ
ロメータ型熱電変換素子各々のレベル調整を行うために
予め計測して得た複数のボロメータ型熱電変換素子各々
の調整値データを記憶しておき、この記憶された調整値
データに基づいて複数のボロメータ型熱電変換素子各々
に対応するレベル調整用電流を供給し、複数のボロメー
タ型熱電変換素子各々から選択的に読出される電流とデ
ィジタル制御型可変電流源から供給されるレベル調整用
電流との加減算を行うことによって、赤外線センサ信号
のように高速でかつ画素毎にレベルの調整が必要な信号
に対しても有効なレベル調整を行うことができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による赤外線センサのレベル
調整回路を示す回路図である。

【図２】図１のディジタル可変抵抗器のアナログスイッ
チの構成例を示す図である。

【図３】図１のメモリの出力データとディジタル制御電
流源の出力電流との関係を説明するための図である。

【図４】本発明の一実施例によるレベル調整機能のタイ
ミングチャートである。

【図５】本発明の一実施例によるレベル調整の動作を説
明するタイミングチャートである。

【図６】本発明の他の実施例による赤外線センサのレベ
ル調整回路を示す回路図である。

【図７】本発明の別の実施例による赤外線センサのレベ
ル調整回路を示す回路図である。

【図８】従来の自動利得調整回路の構成を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１ 赤外線センサ １ａ ボロメータ １ｂ 垂直スイッチ １ｃ 水平スイッチ ２ 読出し回路 ３，１１，１２ ディジタル制御電流源 ４ ディジタル可変抵抗器 ５ Ｒ−２Ｒラダー抵抗網 ６，７ レベルシフタ ８ メモリ ９ シーケンサ １０ サンプルホールド回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 格子状に配置された複数のボロメータ型
   熱電変換素子各々に定電圧バイアス回路からバイアス電
   圧を選択的に供給することで前記複数のボロメータ型熱
   電変換素子各々に流れる電流を選択的に読出して前記ボ
   ロメータ型熱電変換素子毎のデータを得る赤外線センサ
   のレベル調整回路であって、前記複数のボロメータ型熱
   電変換素子各々のレベル調整を行うために予め計測して
   得た前記複数のボロメータ型熱電変換素子各々の調整値
   データを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶され
   た調整値データに基づいて前記複数のボロメータ型熱電
   変換素子各々に対応するレベル調整用電流を供給するデ
   ィジタル制御型可変電流源と、前記複数のボロメータ型
   熱電変換素子各々から選択的に読出される電流と前記デ
   ィジタル制御型可変電流源から供給される前記レベル調
   整用電流との加減算を行う手段とを有することを特徴と
   するレベル調整回路。
2. 【請求項２】 前記複数のボロメータ型熱電変換素子各
   々に流れる電流を選択的に読出す際に当該ボロメータ型
   熱電変換素子に対応する前記調整値データを前記記憶手
   段から読出す読出し手段を含み、前記ディジタル制御型
   可変電流源は前記読出し手段が前記記憶手段から読出し
   た前記調整値データに基づいて当該ボロメータ型熱電変
   換素子に前記レベル調整用電流を供給するようしたこと
   を特徴とする請求項１記載のレベル調整回路。
3. 【請求項３】 前記ディジタル制御型可変電流源は、前
   記調整値データに応じて可変する可変抵抗器を含むこと
   を特徴とする請求項１または請求項２記載のレベル調整
   回路。
4. 【請求項４】 前記可変抵抗器としてＲ−２Ｒラダー抵
   抗網を用いたことを特徴とする請求項３記載の赤外線セ
   ンサのレベル調整回路。