赤外線イメージセンサ及び信号読み出し方法
【課題】自己発熱量を十分に補償しつつ、感度を確保することができる赤外線イメージセンサ及び信号読み出し方法を提供する。
【解決手段】赤外線を検出する赤外線イメージセンサであって、複数の画素を配列した画素領域及び少なくとも一つのリファレンス画素を有する受光部１２と、画素領域に含まれる１つの画素の信号とリファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号を取得する差分回路と、第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号を算出する画素信号算出部と、を備えて構成する。
【解決手段】赤外線を検出する赤外線イメージセンサであって、複数の画素を配列した画素領域及び少なくとも一つのリファレンス画素を有する受光部１２と、画素領域に含まれる１つの画素の信号とリファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号を取得する差分回路と、第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号を算出する画素信号算出部と、を備えて構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線イメージセンサ及び信号読み出し方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、赤外線イメージセンサとして、温度によって抵抗値が変化する材料を用いて赤外線を検知する熱型の検出器が知られている（例えば特許文献１，２参照。）。特許文献１記載の検出器は、いわゆるボロメータ型の赤外線検出器であって、入射された赤外線を感知する感熱抵抗体からなる画素が複数２次元状に配列されて構成されている。この赤外線検出器には全ての画素ごとに当該画素用のリファレンス画素が設けられており、画素の信号とリファレンス画素の信号との差分を取ることによって赤外線検出器を取りまく環境変化による影響を補償する。
【０００３】
特許文献２記載の赤外線検出器は、入射された赤外線を感知する感熱抵抗体からなる画素が複数２次元状に配列されて構成されている。この赤外線検出器には画素列ごとにリファレンス画素が設けられており、画素の信号とリファレンス画素の信号との差分を取ることによって画素に電流を流す際の自己発熱によるダイオード温度上昇を補償する。すなわち、画素列に含まれる複数の画素に対する自己発熱の補償を、１つのリファレンス画素を用いて行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２２７６８９号公報
【特許文献２】特開平２００１−２１５１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載の赤外線イメージセンサは、全ての画素に隣接してリファレンス画素を設ける必要があるため、同一の画素領域を有する赤外線イメージセンサと比較して開口率が小さくなり感度が低下する。特許文献２記載の赤外線イメージセンサは、画素列に対して一つのリファレンス画素を設けるため感度を保つことはできるが、自己発熱を適切に補償することができないおそれがある。例えば、画素列１ラインを読み取る場合、検出用の画素についてはそれぞれ１回だけ通電されて情報が読み取られるが、リファレンス画素については画素数分通電されて情報が読み取られる。したがって、リファレンス画素の自己発熱量が検出用の画素の自己発熱量と比較して大きくなり、自己発熱を適切に補償することができない場合がある。
【０００６】
そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、自己発熱量を十分に補償しつつ、感度を確保することができる赤外線イメージセンサ及び信号読み出し方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る赤外線イメージセンサは、赤外線を検出する赤外線イメージセンサであって、複数の画素を配列した画素領域及び少なくとも一つのリファレンス画素を有する受光部と、画素領域に含まれる１つの画素の信号とリファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号を取得する差分回路と、第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号を算出する画素信号算出部と、を備えて構成される。
【０００８】
本発明に係る赤外線イメージセンサでは、画素領域に対して少なくとも１つのリファレンス画素が配置される。このためセンサの感度を確保することができる。さらに、差分回路により画素領域に含まれる１つの画素の信号とリファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号が取得され、画素信号算出部により第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号が算出される。このように、画素間の差分信号を用いることで、画素領域に含まれる画素全てと１つのリファレンス画素とを比較する必要がなくなるため、リファレンス画素の自己発熱量と検出用の画素の自己発熱量との差分を小さくすることができる。よって、自己発熱量を十分に補償しつつ、感度を確保することができる。
【０００９】
ここで、所定の２つの画素は、それぞれの一端が互いに接続されて直列に接続され、かつそれぞれの他端が異なる電位に接続され、差分回路は、所定の２つの画素の接続点における電位と所定の電位との差分に基づいて第２差分信号を取得してもよい。あるいは、所定の２つの画素は、それぞれの一端が異なる抵抗と接続されてそれぞれが抵抗と直列に接続され、かつそれぞれの他端が同一の電位に接続され、差分回路は、所定の２つの画素と抵抗とのそれぞれの接続点における電位の差分に基づいて第２差分信号を取得してもよい。このように構成することで、所定の２つの画素における差分信号である第２差分信号を容易に算出することができる。
【００１０】
また、画素領域は、少なくとも一つの画素列からなり、リファレンス画素は、少なくとも一つの画素列の一端に配置されていてもよい。このように構成することで、赤外線イメージセンサの感度に影響しないようにリファレンス画素を配置することができる。
【００１１】
また、画素領域は、少なくとも一つの画素列からなり、リファレンス画素は、少なくとも一つの画素列の両端に配置されていてもよい。このように構成することで、例えば２つのリファレンス画素それぞれを基準とした画素の信号を求めて平均化することにより自己発熱による影響を一層低減させることができる。
【００１２】
また、所定の２つの画素は、隣接する画素であることが好適である。このように構成することで、使用環境における温度変化が与える影響や、素子形成面内の異なる位置における特性のバラツキが与える影響を低減することができる。
【００１３】
また、本発明に係る信号読み出し方法は、少なくとも一つの画素列からなる画素領域、及び、画素列の一端に配置されたリファレンス画素を２つ有する受光部を備える赤外線イメージセンサにおける信号読みだし方法であって、画素領域に含まれる１つの画素の信号とリファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号を取得する差分信号取得ステップと、第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号を算出する画素信号算出ステップと、を備え、差分信号取得ステップは、第１のリファレンス画素を起点として隣接する画素を辿るように第１差分信号及び第２差分信号を取得するとともに、第２のリファレンス画素を起点として隣接する画素を辿るように第１差分信号及び第２差分信号を取得し、画素信号算出ステップは、第１のリファレンス画素を起点として得られた第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号を算出するとともに、第２のリファレンス画素を起点として得られた第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号を算出し、算出された２つの結果に基づいて画素の信号を算出することを特徴として構成される。
【００１４】
本発明に係る信号読み出し方法によれば、２つのリファレンス画素を用いて第２差分信号を２つ算出し、２つのリファレンス画素それぞれを基準とした画素の信号を求めて平均化することにより自己発熱による影響を一層低減させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、自己発熱量を十分に補償しつつ、感度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成概要図である。
【図２】図１の受光部の一部拡大平面図である。
【図３】図１の受光部におけるボロメータ素子の斜視図である。
【図４】図１の受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【図５】図４に示す赤外線イメージセンサの第１の信号読み取り動作を説明するフローチャートである。
【図６】図４に示す赤外線イメージセンサの第２の信号読み取り動作を説明するフローチャートである。
【図７】図５に示す動作実行時における自己発熱による温度上昇量の時間依存性を説明する概要図である。
【図８】図６に示す動作実行時における自己発熱による温度上昇量の時間依存性を説明する概要図である。
【図９】第２実施形態に係る赤外線イメージセンサの受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【図１０】図９に示す赤外線イメージセンサの信号読み取り動作を説明するフローチャートである。
【図１１】第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【図１２】図１１に示す赤外線イメージセンサの信号読み取り動作を説明するフローチャートである。
【図１３】第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【図１４】第５実施形態に係る赤外線イメージセンサの受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【図１５】第６実施形態に係る赤外線イメージセンサの受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
（第１実施形態）
本発明の実施形態に係る赤外線イメージセンサは、温度によって抵抗値が変化する材料を用いて赤外線を検出する、いわゆるボロメータ型の赤外線イメージセンサであって、赤外イメージャやサーモグラフィー等に好適に用いられるものである。最初に、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成を説明する。図１は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成概要図、図２は、図１の受光部の一部を拡大した平面図、図３は、図１の受光部の１画素の構成を示す斜視図である。
【００１９】
図１に示すように、赤外線イメージセンサ１は、赤外線を熱変化により検出する検出器であって、赤外線受光器として機能する受光部１２を備えている。受光部１２は、ｍ列×ｎ行の複数の画素を配列させた画素領域を有する２次元赤外線センサアレイとして構成されている。受光部１２の各行には、積分アンプ２１がそれぞれ接続されている。積分アンプ２１それぞれには、積分アンプ２１から出力されたアナログ信号を保持するサンプル／ホールド回路２２がそれぞれ接続されている。サンプル／ホールド回路２２には、スイッチ回路２３及びＡ／Ｄ変換器２４が順に接続されている。スイッチ回路２３は、サンプル／ホールド回路２２の出力を順次選択して、Ａ／Ｄ変換器２４へ出力する。Ａ／Ｄ変換器２４は、スイッチ回路２３により選択された各行の画像信号をデジタル変換し、デジタル出力を図示しないメモリに格納する。メモリに格納されたデジタル出力は、図示しない信号処理部で信号処理されて画像イメージが構築され、画像表示回路又は画像演算回路に送られる。なお、図１では、全ての行の信号をスイッチ回路２３で切り替えて１つのＡ／Ｄ変換器２４でデジタル変換する例を示しているが、行全体をいくつかのブロックに分けてブロック毎にスイッチ回路２３及びＡ／Ｄ変換器２４を設けてもよい。この場合、高速なＡ／Ｄ変換器２４を必要としない。または、行ごとにＡ／Ｄ変換器２４を設けてスイッチ回路２３を不要としてもよい。
【００２０】
図２に示すように、受光部１２は、基板１０上に複数の画素（ボロメータ素子１１）を２次元アレイ化することにより形成され、いわゆる表面マイクロマシンとされている。画素を構成するボロメータ素子１１は、図３に示すように、基板１０の表面に形成されたＲＯＩＣ（Read Only IC）パッド１６，１７と、ＲＯＩＣパッド１６，１７上にそれぞれ形成された電極プラグ１８，１９と、基板１０の表面から離間して配置されたボロメータ薄膜１５とを備えて構成されている。
【００２１】
ＲＯＩＣパッド１６，１７は、導電性を有する矩形状のパッドであり、信号処理回路部（不図示）と電気的に接続されている。電極プラグ１８，１９は、ＲＯＩＣパッド１６，１７上に積層方向に延びるように略円柱状に形成され、ＲＯＩＣパッド１６，１７と電気的に接続されている。電極プラグ１８，１９は、導電性を有する材料からなり、例えばＡｌが用いられる。
【００２２】
ボロメータ薄膜１５は、基板１０と略平行に配置された薄膜であって、赤外線を受光する矩形平面の受光部１５ａと、受光部１５ａの角部１５ｂ，１５ｃに形成された梁部１５ｄ，１５ｅとを有している。梁部１５ｄ，１５ｅは、角部１５ｂ，１５ｃを起点に受光部１５ａの外周に沿って延び、対向して形成されている。そして、受光部１５ａと梁部１５ｄ，１５ｅとの間は、スリットを介してそれぞれ空間的に隔てられており、熱的に分離されている。ボロメータ薄膜１５は、温度変化による抵抗率変化が大きい材料が用いられ、例えば、アモルファスシリコンが用いられる。
【００２３】
また、ボロメータ薄膜１５の梁部１５ｄ，１５ｅには、受光部１５ａと電気的に接続される配線が、梁部１５ｄ，１５ｅの形状に沿って設けられている。そして、図３に示すように、ボロメータ薄膜１５は、梁部１５ｄ，１５ｅのそれぞれの一端部が電極プラグ１８，１９と接続することで基板１０の表面上に支持されており、ボロメータ薄膜１５と基板１０との間には、空隙が画成されている。そして、梁部１５ｄ，１５ｅの配線が電極プラグ１８，１９にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、配線は、電極プラグ１８，１９及びＲＯＩＣパッド１６，１７を介して回路部と電気的に接続されている。また、ボロメータ素子１１の基板１０の表面において、ボロメータ薄膜１５と対向する領域には、反射膜２０が積層されている。この反射膜２０は、赤外線に対する反射率が大きい金属が用いられる。
【００２４】
このように、ボロメータ素子１１は、ボロメータ薄膜１５が基板１０の表面から離間して基板１０と略平行に配置される構成（メンブレン構成）とされ、ボロメータ薄膜１５と基板１０との間は、空隙により空間的に隔てられて熱的に分離された構成とされている。そして、ボロメータ薄膜１５の受光部１５ａの温度変化による抵抗率変化を、配線、電極プラグ１８，１９及びＲＯＩＣパッド１６，１７を介して回路部で読み取ることができる構成とされている。
【００２５】
図４は、受光部１２の各行における積分アンプ２１までの回路（差分回路）を詳細に示す回路図である。図４に示すように、受光部１２の１ライン部分は、ｍ（ｍ：整数）個の画素センサＰｍと１個のリファレンスセンサＰ０、及び所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙ（ｘ，ｙ：整数）を積分アンプ２１と接続するためのスイッチＳｍを備えて構成される。すなわち、リファレンスセンサＰ０は、画素列ごとに１つ設けられている。リファレンスセンサＰ０は、例えば画素列の一端部に配置されている。リファレンスセンサＰ０は、各画素センサＰｍと同じ環境で形成されたセンサであって、各画素センサＰｍと同様の構造を有しており、赤外光に対して感度を有しない点が、画素センサＰｍと相違する。リファレンスセンサＰ０は、例えば、赤外線に対して遮光する機能を有する、又は、画素センサＰｍには通常備えている赤外線吸収膜を備えない構成とされている。なお、リファレンスセンサＰ０のみ、一端部にスイッチＳ０が接続され、他端部にスイッチＳｖが接続されている。リファレンスセンサＰ０は、スイッチＳｖによって電源電位Ｖへもグランド電位（ＧＮＤ：電位０[V]）へも接続可能に構成されている。なお、スイッチＳｍによって接続される所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙは、例えば画素センサＰｘ，Ｐｙ間の距離が５００[μｍ]以下の範囲となるものが選択される。所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙは、より好ましくは隣接しているものが採用される。第１実施形態では説明理解の容易性を考慮して、所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙは隣接しているものとして説明する。
【００２６】
隣り合う画素センサＰｎ−１，Ｐｎ（ｎ：整数）は、その一端部が交互に電源電位Ｖとグランド電位０[V]とに接続されている。任意の隣り合う２つの画素センサＰｎ−１，ＰｎをスイッチＳｎ−１，Ｓｎで接続すると、電源電位Ｖとグランド電位０[V]の間に、２つの画素センサＰｎ−１，Ｐｎが直列に接続される。２つの画素センサＰｎ−１，Ｐｎの接続点が、積分アンプ２１の−入力端に接続されている。積分アンプ２１は、電流検出型の積分アンプである。積分アンプ２１の＋入力端にはリファレンス電圧Ｖｍ（ここではＶｍ＝Ｖ／２）が入力されている。例えば、スイッチＳ１，Ｓ２をＯＮとすると、画素センサＰ１と画素センサＰ２とが積分アンプ２１に繋がり、画素センサＰ１及び画素センサＰ２に流れる電流の差分が積分アンプ２１の積分容量Ｃに蓄積される。このように、本実施例では、常に隣り合う画素センサＰｍがスイッチＳｍにより接続されて、その差分信号が積分アンプ２１により積分されて電圧信号として出力されるように構成されている。
【００２７】
次に、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの動作について説明する。本実施形態に係る赤外線イメージセンサの信号取得動作は２通り存在する。図５は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの第１の信号取得動作を示すフローチャートである。図５に示す制御処理は、例えば赤外線イメージセンサの電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図５に示す制御処理は、赤外線イメージセンサに備わる制御部（不図示）により実行されるものである。制御部は例えばＣＰＵ等の演算処理部を備えている。
【００２８】
最初に、制御部は初期処理を実行する（Ｓ１０）。Ｓ１０の処理では制御部が処理順番を規定するカウント値ｎ（ｎ：整数）を１に設定する。その後、制御部は差分回路前処理を実行する（Ｓ１２）。Ｓ１２の処理では、制御部が、隣り合う画素センサＰｎ−１及び画素センサＰｎの差分信号Ｖｎを得るための初期処理として、図４に示すように、積分アンプ２１の負帰還部に取り付けられたスイッチＳｒをＯＮとし、積分容量Ｃに蓄えられた電荷を放出し、その後スイッチＳｒをＯＦＦとする。Ｓ１２の処理が終了すると、差分信号取得・記憶処理へ移行する（Ｓ１４）。
【００２９】
Ｓ１４の処理では、制御部が、隣り合う画素センサＰｎ−１及び画素センサＰｎの差分信号Ｖｎを取得する。制御部は、スイッチＳｎ−１とスイッチＳｎをＯＮとし、画素センサＰｎ−１と画素センサＰｎを直列に接続し、積分アンプ２１にて差分信号を積分する。制御部は、積分時間ｓ秒後、積分アンプ２１の出力の出力電圧をＶｎとして、サンプル／ホールド回路２２に取り込む。なお、ｎ＝１のときのみ、スイッチＳＶをＧＮＤ側に切り替えて、リファレンスセンサＰ０と画素センサＰ１との差分信号Ｖ１を取得する。Ｓ１４の処理が終了すると、カウント処理へ移行する（Ｓ１６）。
【００３０】
Ｓ１６の処理では、制御部が、カウント値ｎをカウントアップする。Ｓ１６の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ１８）。
【００３１】
Ｓ１８の処理では、制御部が、Ｓ１８の処理でカウントしたカウント値ｎが画素数ｍよりも大きいか否かを判定する。Ｓ１８の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくないと判定した場合には、差分回路前処理へ再度移行する（Ｓ１２）。このように、全ての隣り合う画素センサＰｎ−１及び画素センサＰｎの差分信号Ｖｎを取得するまで、Ｓ１２〜Ｓ１８の処理を繰り返し実行する。なお、制御部は、繰り返し動作を１フレームの時間内に収まるように実行し、差分信号Ｖ１からＶｍまでをサンプル／ホールド回路２２に取り込む。また、サンプル／ホールド回路２２に蓄えられた各画素センサＰｎ間の差分信号Ｖｎは、スイッチ回路２３によりＡ／Ｄ変換器２４に送られ、デジタル信号に変換後、メモリに記憶されていく。
【００３２】
一方、Ｓ１８の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きいと判定した場合には、全ての画素センサについて差分信号Ｖｎを取得したことになるので、絶対値信号算出処理へ移行する（Ｓ２０）。
【００３３】
Ｓ２０の処理では、制御部がＳ１４の処理で取得された差分信号Ｖｎを用いて絶対値信号を算出する。なお、この部分は制御部に含まれる画素信号算出部が実行する。各差分信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、…、Ｖｍは、差分信号Ｖ１のみがリファレンスセンサＰ０との差分信号である。このため、差分信号Ｖ１（第１差分信号）のみ、画素センサＰ１が受光した赤外線の光量に比例した信号を得ることができる。しかし、差分信号Ｖ２以降は、隣の画素センサとの赤外線量の差分信号（第２差分信号）となる。よって、全体の画像を取得するためには演算する必要がある。各画素センサにおける赤外線光量に比例した信号をそれぞれ、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、…、Ｍｍとすると、Ｖｍは以下のように表現することができる。
【数１】
【００３４】
上式より、画素センサＰ２の絶対値信号Ｍ２を求めるには、Ｖ１−Ｖ２を計算すればよい。また、絶対値信号Ｍ２を算出した後であれば、絶対値信号Ｍ３は、絶対値信号Ｍ２＋差分信号Ｖ３によって算出することができる。以後、順次足し算及び引き算を施すことで、全ての画素センサＰｎの絶対値を以下のように求めることができる。
【数２】
なお、これらの計算は単純な足し算と引き算であり、ソフトウェアでもハードウェアでもリアルタイムで計算することは十分可能である。Ｓ２０の処理が終了すると、図５に示す制御処理を終了する。
【００３５】
以上で図５に示す制御処理を終了する。図５に示す制御処理を実行することで、隣り合う画素センサが接続された部分がアンプに繋がり、その差分信号が取得される。画素列の全体の長さは数[mm]となるため、ライン全体では画素センサの抵抗値に数％程度のバラツキが生ずる。しかしながら、隣接する画素センサ間であれば例えば数１０[um]程度しか離れていないため、素子形成時の半導体プロセス上の環境はほぼ等しくなり、接続される２画素センサ間の特性上の差異はほとんどない。そのため、無入力状態では、その分圧電圧はＶ／２となり、出力にオフセットは生じない。すなわち、半導体プロセスのバラツキの影響をほとんど受けない状態で画素間の差分信号を取得することが可能であるため、周囲温度の変化により発生するオフセットをほとんどゼロにすることができる。
【００３６】
また、図５に示す制御処理を実行することで、リファレンスセンサＰ０は１フレームの間に１回だけ通電される。したがって、全ての画素センサと接続されて複数回通電されることによってリファレンスセンサＰ０のみ自己発熱が極端に大きくなることを回避することができる。
【００３７】
次に、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの第２の信号取得動作を説明する。図６は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの第２の信号取得動作を示すフローチャートである。図６に示す制御処理は、例えば赤外線イメージセンサの電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図６に示す制御処理は、赤外線イメージセンサに備わる制御部（不図示）により実行されるものである。制御部は例えばＣＰＵ等の演算処理部を備えている。
【００３８】
最初に、制御部は初期処理を実行する（Ｓ３０）。Ｓ３０の処理は、図５のＳ１０の処理と同様であり、カウント値ｎを１に設定する。その後、制御部は差分回路前処理を実行する（Ｓ３２）。Ｓ３２の処理は、Ｓ１２の処理と同様であり、制御部が積分容量Ｃに蓄えられた電荷を放電する。Ｓ３２の処理が終了すると、差分信号取得・記憶処理へ移行する（Ｓ３４）。Ｓ３４の処理は、Ｓ１４の処理と同様であり、制御部が積分時間ｓで差分信号Ｖｎを取得して記憶する。Ｓ３４の処理が終了すると、カウント処理へ移行する（Ｓ３６）。
【００３９】
Ｓ３６の処理では、制御部が、カウント値ｎをカウントアップする。ここで、制御部はカウント値ｎに２を加算する。Ｓ３６の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ３８）。
【００４０】
Ｓ３８の処理は、Ｓ１８の処理と同様であり、制御部はＳ３６の処理でカウントしたカウント値ｎが画素数ｍよりも大きいか否かを判定する。Ｓ３８の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくないと判定した場合には、差分回路前処理へ再度移行する（Ｓ３２）。そして、Ｓ３４の処理でｎ＋２番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得する。このように、Ｓ３６の処理でカウント値を２ずつ加算し、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくなるまで、差分信号Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５、Ｖｍ−１のように差分信号Ｖの添え字の奇数番目のみ順次取得する。なお、制御部は、繰り返し動作を１／２フレームの時間内に収まるように実行し、取得した差分信号Ｖをサンプル／ホールド回路２２に取り込む。制御部は、繰り返し動作を１／２フレームの時間内に収まるように実行するために、画素数ｍに２を加算したｍ＋２で１フレーム時間を割って求まる時間Ｔに対して差分信号の積分時間ｓを等しいかあるいは短く設定する。
【００４１】
一方、Ｓ３８の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きいと判断した場合には、偶数判断処理へ移行する（Ｓ４０）。Ｓ４０の処理において、カウント値ｎが偶数でないと判断した場合には、ダミー通電処理へ移行する（Ｓ４４）。
【００４２】
Ｓ４４の処理では、制御部が図４に示すリファレンスセンサＰ０と画素センサＰｍとを接続する。このときスイッチＳｖを、電源Ｖ側に接続する。Ｓ４４の処理は、画素列の両端に配置されたセンサの通電回数を等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。以下、詳細を説明する。上述した第１の信号取得動作では、上記の差分信号Ｖｎを算出する式から理解することができるように、各画素センサＰｍは１ラインの中で２回通電される。例えば、画素センサＰ１は、差分信号Ｖ１を取得するとき及び差分信号Ｖ２を取得するときに通電される。このため、第１の信号取得動作では、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍの通電回数だけが他の画素センサの通電回数と異なる結果となる。すなわち、リファレンスセンサＰ０は差分信号Ｖ１を取得するときの１回だけ、画素センサＰｍは差分信号Ｖｍの信号を取得するときの１回だけの通電となる。このため、第２の信号取得動作では、信号取得のための通電以外に、リファレンスセンサＰ０と画素センサＰｍとを接続した通電目的のみの操作も追加し、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍも他の画素センサと同じように２回通電されるようにする。Ｓ４４の処理で全ての画素で同じ自己発熱となる。Ｓ４４の処理が終了すると、時間調整処理へ移行する（Ｓ４５）。
【００４３】
Ｓ４５の処理では、制御部が１／２フレーム時間に達するまで待機する処理である。各差分信号の取得は短時間で終了することもあるが、自己発熱の放熱をしてから後半（偶数番目）の差分信号の取得をするためである。この処理により、後半の信号取得処理開始を１／２フレーム経過まで遅延させ、前半（奇数番目）の信号取得により発熱した素子を十分放熱させることができる。なお、待ち時間が０時間となることもある。前半及び後半のトータルの信号取得時間をそれぞれ１／２フレーム時間に設定することが好ましい。又は、ダミーセンサＰｄを配置して、Ｐ０とＰｍとのダミー通電を独立に行ってもよい。Ｓ４５の処理が終了すると、カウントリセット処理へ移行する（Ｓ４６）。
【００４４】
Ｓ４６の処理では、制御部がカウント値ｎを２に設定する。すなわち、偶数から開始するように設定する。なお、上述のように積分時間ｓを設定しているため、奇数番目の差分信号の取得とダミー通電は１フレーム時間の前半１／２フレーム時間内に終了し、差分信号Ｖ２の信号取得を差分信号Ｖ１の信号取得から１／２フレーム時間遅らせた時刻に開始することができる。Ｓ４６の処理が終了すると、差分回路前処理へ再度移行する（Ｓ３２）。そして、制御部は、Ｓ３４の処理で差分信号Ｖ２を取得し、Ｓ３６の処理でカウント値ｎに２を加算し、Ｓ３８の処理で、Ｓ３６の処理においてカウントされたカウント値ｎが画素数ｍよりも大きいか否かを判定する。Ｓ３８の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくないと判定した場合には、差分回路前処理へ再度移行する（Ｓ３２）。そして、Ｓ３４の処理でｎ＋２番目の差分信号Ｖを取得する。このように、Ｓ３６の処理でカウント値を２ずつ加算し、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくなるまで、差分信号Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６、Ｖｍのように差分信号Ｖの添え字の偶数番目のみ順次取得する。一方、Ｓ３８の処理でカウント値ｎがｍより大きいと判定した場合には、偶数判断処理へ移行する（Ｓ４０）。Ｓ４０の処理において、カウント値ｎが偶数でないと判断した場合には、絶対値信号算出処理へ移行する（Ｓ４２）。
【００４５】
Ｓ４２の処理では、画素信号算出部がＳ３４の処理で取得された差分信号Ｖｎを用いて絶対値信号Ｍｍを算出する。なお、この処理はＳ２０の処理と同様である。Ｓ４２の処理が終了すると図６に示す制御処理を終了する。
【００４６】
以上で図６に示す制御処理を終了する。図６に示す制御処理を実行することで、図５に示す制御処理を実行する場合と同様に、半導体プロセスのバラツキの影響をほとんど受けない状態で画素間の差分信号を取得することができるため、周囲温度の変化により発生するオフセットを、ほとんどゼロにすることが可能となる。
【００４７】
また、図６に示す制御処理を実行することで、リファレンスセンサＰ０は１フレームの間に２回通電される。したがって、全ての画素センサと接続されて複数回通電されることによってリファレンスセンサＰ０のみ自己発熱が大きくなることを回避することができるとともに、リファレンスセンサＰ０の通電回数と画素センサの通電回数を等しくすることができる。
【００４８】
さらに、図６に示す制御処理を実行することによって、奇数番目の差分信号Ｖが取得された後に偶数番目の差分信号Ｖが取得される。このように通電することによって、一度通電された画素センサを連続で通電することを回避することができる。すなわち、自己発熱の放熱時間を確保することが可能となるため、放熱後の画素センサを用いて差分信号を取得することができる。
【００４９】
以下では自己発熱の放熱時間について図７，８を用いて詳細に説明する。図７は、図５に示す順次信号取得時における画素センサごとの温度上昇量の時間依存性を示し、図８は、図６に示す偶奇順信号取得時における画素センサごとの温度上昇量の時間依存性を示している。図７に示すように、差分信号の取得をＶ１、Ｖ２、Ｖ３…の順で行うと、１個前の信号取得時に片側の画素センサが通電されているため、既に通電された画素センサとまだ通電されていない（実際には、１フレーム前に通電されているが、時定数に対して長い時間が経過しており、放熱はほとんど完了している）センサとの差分信号を取得することになるため、自己発熱の温度上昇量を完全にキャンセルすることはできない。
【００５０】
自己発熱の温度上昇量は、画素センサの抵抗において消費される電力に比例する。この電力をＰｈ[W]、センサの熱コンダクタンスをＧｔ、センサの熱容量をＣｔ、センサの時定数をτ=Ｃｔ／Ｇｔ、通電開始からの時間をｔとすると、ｔ時間後に到達する自己発熱による温度上昇ｄＴｈは、以下の式１で表される。
【数３】
【００５１】
すなわち、上記式１で表される温度上昇がオフセットとして信号に上乗せされることになる。オフセット分が実際の信号に対してどの程度の大きさになるかを見積もると以下のようになる。例えば、３２０×２４０の画素数のイメージセンサとし、各行に積分アンプ２１を配置してスイッチＳｍで切り替えて画素センサＰｍの信号を読み取るとする。この場合、１フレームの１／３２０の時間内、すなわち、３３[msec]／３２０＝約１００[usec]内に読み取る必要がある。このため、積分時間ｓは約１００[usec]以下の値となる。この時間をｓとし、τは１フレームの１／３、すなわち、１０[msec]程度に設定すれば、ｓ／τ＜＜１となる。このため、上記式１を積分した式は、近似式として以下の式２で与えられる。
【数４】
【００５２】
一方、信号の発熱に寄与するエネルギーをＰｓ[W]、その温度上昇分をｄＴｓとすると、時間ｓでの積分された信号分は、以下の式３となる。
【数５】
よって、得られる信号(トータルの温度上昇分)ｄＴは、以下の式４となる。
【数６】
上記式４の括弧[]内の第２項が、自己発熱によるオフセットであり、これが、第１項の信号分に対して、どの程度の大きさかが重要となる。
【００５３】
例えば、Ｆ値１．０のレンズを用いて、画素サイズ５０[um]の検出器に集光されるエネルギーは、人体３６[℃]から発せられる赤外線に対しては、数１０[nW]程度である。検出器の抵抗を１００[kΩ]とし、両端に２Ｖ印加した場合には、電力Ｐｈは以下の式５となる。
【数７】
積分時間ｓを最大の積分時間１００[usec]とすると、ｓ／τ=０．０１となるので、オフセットは以下の式６となる。
【数８】
式６に示すように、発熱に寄与するエネルギーＰｓに対して１桁大きくなり無視できない。印加電圧又は抵抗は設計の範囲で変更することが可能である。しかし、このような手法で自己発熱を下げることは、検出器に流す電流も下げることを意味し、信号電力を小さくなる。このため、他の雑音に対するマージンが小さくなる。よって、信号電力と同等の自己発熱発生は、避けられないのが実状である。通電解除後は、自己発熱によって発生した温度上昇は同じ時定数τで降下していき、時間ｔ秒後の温度上昇分は、以下の式７で表される。
【数９】
【００５４】
ここで、図８に示すように、本実施形態に係る赤外線イメージセンサでは、奇数番目と偶数番目にグループ分けして通電することで、連続して通電することを回避し放熱時間を確保している。信号の積分時間ｓは、１フレーム時間を画素数＋２で割った時間Ｔに対して等しいかあるいは短く設定されている。これにより、奇数番目の差分信号Ｖｍ取得と、ダミー通電（差分信号Ｖ０の取得）は、１フレーム時間の前半１／２フレーム時間内に終了し、差分信号Ｖ２の信号取得を差分信号Ｖ１の信号取得から１／２フレーム時間遅らせた時刻に開始することができる。この遅延時間をＴｄとすると、差分信号Ｖ２取得開始時点において、画素センサＰ１は、遅延時間Ｔｄ時間前にリファレンスセンサＰ０と共に差分信号Ｖ１の信号取得のために通電を開始し、Ｔｄ−ｓ時間前に通電を完了した状態となるため、画素センサＰ１の自己発熱による温度上昇分は、時定数τで、Ｔｄ−ｓ時間分放熱される。この時の放熱し切れなかった分は、式７より計算でき、約２０％程度オフセットとして残る。
【００５５】
差分信号Ｖ２の信号取得では、画素センサＰ１と画素センサＰ２の差分を取得するので、画素センサＰ２の自己発熱残存分も考慮しなければならない。画素センサＰ３は、最初の画素センサＰ１の通電後ｓ時間後に、差分信号Ｖ３取得のために通電を開始し、２・ｓ時間後に通電を完了した状態となるため、差分信号Ｖ２取得開始時間に対しては、Ｔｄ−２・ｓ時間分、自己発熱が放熱される。この放熱時間は、画素センサＰ１と時間ｓだけ差があるが、ＮＴＳＣ（National Television System Committee）におけるビデオレートの場合、遅延時間Ｔｄは約１６[msec]で、ｓは０．１[msec]以下であるので、その差は非常に小さく、画素センサＰ２の自己発熱残存分もほぼ２０％と考えてよい。さらに、差分信号Ｖ２取得時では、画素センサＰ１と画素センサＰ２との差分を計算するため、ｓ時間分の差を除き、自己発熱の残存分もキャンセルすることができる。なお、全ての画素センサＰｍとリファレンスセンサＰ０とを比較する従来の手法では、積分時間ｓを短くしても信号取得間隔Ｔを短くすることは、リファレンスセンサＰ０の自己発熱の放熱が行われなくなるためできない。一方、本実施形態に係る赤外線イメージセンサでは、同じ素子に連続で通電することを回避しているため、積分時間ｓと信号取得間隔Ｔとを同じにすることができる。積分時間ｓと信号取得間隔Ｔとを同一とする方が、二つのセンサの自己発熱残存分を近づけることができる。この自己発熱分のキャンセル機構を図で示したものが図８となる。
【００５６】
次に、上述したキャンセル機構を式で説明する。最初に差分信号Ｖ１取得のために通電された画素センサＰ１は、積分時間ｓ経過後、通電ＯＦＦとなり、放熱が開始される。通電ＯＦＦ後の自己発熱分のオフセットは、式７で与えられるが、式７のｔがＴｄ−ｓ経過した時に、再び、差分信号Ｖ２取得のために通電され、積分時間ｓの間積分された分が信号のオフセットとなる。オフセットの大きさは、式８で与えられる。
【数１０】
【００５７】
一方、差分信号Ｖ２取得時に同時に通電される画素センサＰ２は、Ｔｄ−ｓ時間前に通電され、Ｔｄ−２・ｓ時間前に通電ＯＦＦされている。この場合のオフセットの大きさは、式９で与えられる。
【数１１】
【００５８】
差分信号Ｖ２取得時は、この差分がオフセットとなるので、最終的な信号に重畳されるオフセット分は、以下の式１０で与えられる。
【数１２】
【００５９】
ここで、対比のために、全ての画素センサＰｍとリファレンスセンサＰ０との差分信号を取得する場合を説明する。１フレームの時間を１ラインの画素数で割った時間をＴとすると、Ｔ時間ごとに画素の読み取りを行わなければならないため、リファレンス画素Ｐ０には、Ｔ時間毎に通電による自己発熱が発生する。ある画素で通電開始する瞬間を考えると、Ｔ時間前、２Ｔ時間前、３Ｔ時間前…の各時間において発生した温度上昇の放熱しきれなかった分がオフセットｄＴｏｆｆとして残る。オフセットｄＴｏｆｆは以下の式１１で表される。
【数１３】
なお、上記式１１では時間Ｔはτに対して十分短い時間であるという近似を行っている。ｓ時間での積分により積算されるオフセット分は、式１１に時間ｓを乗じた値となる。全ての画素センサＰｍとリファレンスセンサＰ０との差分信号を取得する手法では、式４で示された括弧[]内の第２項は消去されるが、式１１で示される項が新たに加わるため、結局、オフセットは次式となる。
【数１４】
【００６０】
第１実施形態の手法（すなわちリファレンスセンサＰ０と画素センサＰ１との差分信号及び画素センサＰｍ間の差分信号を用いる手法）と、全ての画素センサＰｍとリファレンスセンサＰ０との差分信号を取得する手法とを対比する。式１０で与えられるオフセット分の括弧[]内の項と、他の方式で与えられる式１２や式４の括弧[]内の第２項を比較する。まず、式１０で与えられるオフセット分の括弧[]内の項は、式１２で与えられるオフセット分より小さいのは明らかである。一方、第１実施形態の手法では、遅延時間Ｔｄが１／２フレーム時間、τが１／３フレーム時間程度であることを考えると、積分時間ｓを１００[usec]とした場合であってもオフセットは、Ｅｘｐ（−Ｔｄ／τ)＊(ｓ／τ)≒０．２２＊０．１[ms]／１０[ms]〜０．００２２となる。このため、式４の０．５＊Ｐｈ＊(ｓ／τ)に対し、０．００２＊Ｐｈ＊(ｓ／τ)となり、１／２５０のオフセットとなる。
【００６１】
式６で示したように、体温３６[℃]の人体からの信号に対する画素への入射エネルギー数１０[nW]に対し、式１２では２００[nW]という無視できない自己発熱によるオフセットがあった。これに対して、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサでは、１[nW]以下のオフセットに抑えることができる。これは、積分アンプ２１のダイナミックレンジを圧迫するほどの大きさではなく、十分校正値としてあらかじめ取得しておき、除去できる量になる。
【００６２】
なお、リファレンスセンサＰ０と最終画素センサＰｍは、ダミー通電（差分信号Ｖ０取得）を行うことで通電を２回行うが、他の画素と異なり、隣接する画素同士の通電ではない。そのため、半導体プロセスでの面内バラツキ数％の特性差が生ずる可能性がある。しかし、ダミー通電は通電することにのみに意味があり、信号取得時と同じ条件で自己発熱が発生するかどうかが重要となる。本実施形態の差分回路からわかるように、センサが接続される積分アンプ２１のマイナス入力は、イマジナリショートにより常に電圧Ｖｍ＝Ｖ／２となる。このため、素子の両端に印加される電圧は、どの素子同士を接続しても常に同じ状態となる。よって、リファレンスセンサＰ０は、画素センサＰ１と接続されるときも、最終画素センサＰｍと接続されるときも同じ量の自己発熱が発生することになり、本実施形態の自己発熱のキャンセル機構は有効に働くことになる。
【００６３】
また、上記の例では、積分時間ｓを１００[usec]とし、各画素の信号取得に必要な最大時間間隔Ｔを１００[usec]と同じにした。積分時間ｓは、Ｓ／Ｎ比をよくするためには、長い方がよい。しかし、他の雑音と信号との間である程度のマージンがあれば、積分時間ｓを短くすることができる。この場合、式４や、式１２で与えられる他の方法では、自己発熱のオフセットは、積分時間ｓの長さに比例して小さくなる。これに対して、本実施形態に係る方式では、式１０に示すとおり、オフセット分は積分時間ｓの２乗に比例して小さくなる。
【００６４】
以上、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、画素間の差分信号を用いることで、画素領域に含まれる画素全てと１つのリファレンス画素とを比較する必要がなくなるため、リファレンス画素の自己発熱量と検出用の画素の自己発熱量との差分を小さくすることができる。よって、自己発熱量を十分に補償しつつ、感度を確保することができる。このように、自己発熱による温度変化のハードウェア的な補償を、開口率を下げずに実現でき、低コストで小型な赤外線カメラの実現が可能となる。
【００６５】
また、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、リファレンス画素を少なくとも一つの画素列の一端に配置するため、赤外線イメージセンサの感度に影響しないようにリファレンス画素を配置することができる。
【００６６】
また、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、隣接する画素の差分信号を利用するため、使用環境における温度変化が与える影響や、素子形成面内の異なる位置における特性のバラツキが与える影響を低減することができる。
【００６７】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る赤外線イメージセンサは、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサとほぼ同様に構成されるものであり、画素センサＰｍに隣接するリファレンスセンサとして画素センサＰｍ＋１が配置され、さらに、ダミーのリファレンスセンサＰｄが画素センサＰ０の隣り、あるいは、画素センサＰｍ＋１の隣に配置されている点が相違する。以下では、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一の部分は説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００６８】
本実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成は、図１に示す第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一である。図９は、受光部１２の各行における積分アンプ２１までの回路（差分回路）を詳細に示す回路図である。図９に示すように、受光部１２の１ライン部分は、ｍ＋１（ｍ：整数）個の画素センサＰｍ＋１と１個のリファレンスセンサＰ０、１個のダミーのリファレンスセンサＰｄ及び所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙ（ｘ，ｙ：整数）を積分アンプ２１と接続するためのスイッチＳｄ，Ｓｍ＋１を備えて構成される。すなわち、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの回路に比べて、ダミーのリファレンスセンサＰｄ及びリファレンスセンサとして機能する画素センサＰｍ＋１が追加された点、リファレンスセンサＰｄのみ、一端部にスイッチＳｄが接続され他端部にスイッチＳｖが接続されている点が相違し、その他の部分は同一である。
【００６９】
次に、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの信号取得動作を説明する。図６は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの第２の信号取得動作を示すフローチャートである。図６に示す制御処理は、例えば赤外線イメージセンサの電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図６に示す制御処理は、赤外線イメージセンサに備わる制御部（不図示）により実行されるものである。制御部は例えばＣＰＵ等の演算処理部を備えている。
【００７０】
最初に、制御部は初期処理を実行する（Ｓ５０）。Ｓ５０の処理は、図５のＳ１０の処理と同様であり、カウント値ｎを１に設定する。その後、差分回路前処理へ移行する（Ｓ５６）。
【００７１】
Ｓ５６の処理は、Ｓ１２の処理と同様であり、制御部が積分容量Ｃに蓄えられた電荷を放電する。Ｓ５６の処理が終了すると、差分信号取得・記憶処理へ移行する（Ｓ５８）。Ｓ５８の処理は、Ｓ１４の処理と同様であり、制御部が積分時間ｓで差分信号Ｖｎを取得して記憶する。Ｓ５８の処理が終了すると、カウント処理へ移行する（Ｓ６０）。
【００７２】
Ｓ６０の処理では、制御部が、カウント値ｎをカウントアップする。ここで、制御部はカウント値ｎに２を加算する。Ｓ６０の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ６２）。
【００７３】
Ｓ６２の処理は、Ｓ１８の処理と同様であり、制御部はＳ６０の処理でカウントしたカウント値ｎが画素数ｍよりも大きいか否かを判定する。Ｓ６２の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくないと判定した場合には、差分回路前処理へ移行する（Ｓ５６）。その後、Ｓ５８の処理でｎ＋２番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得する。このように、Ｓ６０の処理でカウント値を２ずつ加算し、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくなるまで、差分信号Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５、Ｖｍ−１のように差分信号Ｖの添え字の奇数番目のみ順次取得する。なお、制御部は、繰り返し動作を１／２フレームの時間内に収まるように実行し、取得した差分信号Ｖをサンプル／ホールド回路２２に取り込む。
【００７４】
一方、Ｓ６２の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きいと判断した場合には、偶数判断処理へ移行する（Ｓ６４）。Ｓ６４の処理において、カウント値ｎが偶数でないと判断した場合には、ダミー通電処理へ移行する（Ｓ６６）。Ｓ６６の処理では、制御部が図９に示すダミーのリファレンスセンサＰｄと画素センサＰｍ＋１とを接続する。このときスイッチＳｖを、ＧＮＤ側に接続する。Ｓ６６の処理は、画素センサＰｍ＋１の通電回数を他のセンサの通電回数と等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。Ｓ６６の処理が終了すると、１／２フレーム経過するまで待機する処理へ移行する（Ｓ６７）。この処理により、後半の信号取得処理開始を１／２フレーム経過まで遅延させ、前半の信号取得により発熱した素子を十分放熱させることができる。続いて、カウントリセット処理へ移行する（Ｓ６８）。
【００７５】
Ｓ６８の処理では、制御部がカウント値ｎを２に設定する。すなわち、偶数から開始するように設定する。Ｓ６８の処理が終了すると、ダミー通電処理へ移行する（Ｓ６９）。Ｓ６９の処理では、制御部が図９に示すダミーのリファレンスセンサＰｄとリファレンスセンサＰ０とを接続する。このときスイッチＳｖを、電源Ｖ側に接続する。Ｓ６９の処理は、リファレンスセンサＰ０の通電回数を他のセンサの通電回数と等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。Ｓ６９の処理が終了すると、差分回路前処理へ移行する（Ｓ５６）。そして、制御部は、Ｓ５８の処理で差分信号Ｖ２を取得し、Ｓ６０の処理でカウント値ｎに２を加算し、Ｓ６２の処理で、Ｓ６０の処理においてカウントされたカウント値ｎが画素数ｍよりも大きいか否かを判定する。Ｓ６０の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくないと判定した場合には、差分回路前処理へ再度移行する（Ｓ５６）。そして、Ｓ５８の処理でｎ＋２番目の差分信号Ｖを取得する。このように、Ｓ６０の処理でカウント値を２ずつ加算し、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくなるまで、差分信号Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６、Ｖｍのように差分信号Ｖの添え字の偶数番目のみ順次取得する。一方、Ｓ６２の処理でカウント値ｎがｍより大きいと判定した場合には、偶数判断処理を行う（Ｓ６４）。
【００７６】
ここまでの処理に関して、第１実施形態との違いを説明する。第１実施形態では、画素センサＰｍとリファレンスセンサＰ０を通電目的で接続し、２回の通電になるようにした。これに対して、本実施形態では、画素センサＰｍはリファレンスセンサである画素センサＰｍ＋１と接続して、画素センサＰｍと画素センサＰｍ＋１の差分信号Ｖｍ＋１を取得する。これにより、画素センサＰｍは、差分信号Ｖｍ取得時と、差分信号Ｖｍ＋１取得時の２回通電される。一方、このままではリファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍ＋１は１回だけの通電になるため、リファレンスセンサＰ０とダミーのリファレンスセンサＰｄを接続したダミー通電と、画素センサＰｍ＋１とダミーのリファレンスセンサＰｄとを接続したダミー通電の２つの操作を追加して、全てのセンサで同じ自己発熱になるようにしている。なお、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍ＋１を接続してリファレンスセンサＰ０の通電回数を２回にすることも考えられるが、通電間隔を全てのセンサにおいて１／２フレーム時間にするために上記の通りとする。
【００７７】
また、上述の通り、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、前半と後半にわけて、奇数番目の信号取得と偶数番目の信号取得を行う。Ｓ５０〜Ｓ６８の処理を実行することで、信号取得に関わるリファレンスセンサＰ０への通電は、前半の最初に行われ、後半の最後にリファレンスセンサＰｍ＋１への通電が行われる。全てのセンサに対し等間隔で通電を行うために、前半の最後にリファレンスセンサＰｍ＋１へのダミー通電を行い、後半の最初にリファレンスセンサＰ０へのダミー通電を行う。この通電のために、ダミーのリファレンスセンサＰｄが用いられる。なお、ダミー通電のとき、リファレンスセンサＰｄを接続しなければ、リファレンスセンサＰ０あるいはＰｍ＋１に流れる電流全てがアンプ側の積分容量に流れ込み、積分アンプ２１が飽和することになる。積分アンプ２１のマイナス入力は、イマジナリショートにより、電圧Ｖｍ＝Ｖ／２になっているが、積分アンプ２１が飽和するとイマジナリショートが働かなくなって、結果としてセンサに流れる電流が変化してしまう。このため、ダミーのリファレンスセンサＰｄを設ける必要がある。ただし、積分アンプ２１の電流供給能力が十分あれば、スイッチＳｒをショートして積分アンプ２１を飽和させないようにすることができるため、その場合には、ダミーのリファレンスセンサＰｄを省略することが可能である。
【００７８】
Ｓ６２の処理でカウント値ｎがｍより大きいと判定した場合には、偶数判断処理へ移行する（Ｓ６４）。Ｓ６４の処理において、カウント値ｎが偶数でないと判断した場合には、絶対値信号算出処理へ移行する（Ｓ７０）。
【００７９】
Ｓ７０の処理では、画素信号算出部がＳ５８の処理で取得された差分信号Ｖｎを用いて絶対値信号Ｍｍを算出する。絶対値信号Ｍｍの算出手法の説明の前に、まず、第１実施形態における、式１０で与えられるオフセット分を含めた絶対値画像算出式を整理する。今、最初に通電され、Ｔｄ−ｓ時間経過して再び通電される画素において、式８で与えられるオフセット分∫ｄＴｈ１をｄＭ１とし、次に通電されＴｄ−２・ｓ時間経過後に通電される、式９で与えられるオフセット分を∫ｄＴｈ２をｄＭ２とし、ｄＭ２−ｄＭ１＝ｄＭとする。各画素のオフセット分は、１ラインで数％程度の特性バラツキがあったとしても、そのバラツキ分は、引き算したｄＭに対して数％異なるだけであり、ｄM自体が小さいことを考慮すれば、無視できるレベルである。すなわち、全ての信号取得におけるオフセットｄMは同じ値と見なして問題ない。よって、差分信号Ｖｎは、次のように表される。
【数１５】
よって、絶対値Ｍｘ'は以下のようにオフセットを含んだ形で計算される。
【数１６】
【００８０】
すなわち、１ラインの画素数を３２０とすると、ｍ番目の画素のオフセットは、ｄＭの３２０倍のオフセットを持つことになる。第１実施形態の例で積分時間ｓを１００[usec]とした場合、式４で与えられるオフセットに対して、ｄＭは１／２５０となったが、これを３２０倍したｍ番目の画素のオフセットは、明らかに、式４で与えられるオフセットより大きくなる。ただし、このことは、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの手法が悪い方法ということにはならない。なぜならば、積分アンプ２１で検出しているオフセットは、あくまでもｄＭであり、式４で与えられるオフセットに比べて２桁以上小さな値である。このため、積分アンプ２１やＡ／Ｄ変換器２４のダイナミックレンジを圧迫するものではない。上記のｍ倍されたオフセットは、あくまでも計算機上での演算結果であり、容易に校正値として差し引くことが可能な値である。また、第１実施形態で述べたように、ｄＭは、積分時間ｓの２乗で小さくなるため、積分時間ｓを少し短くするだけで、十分小さなオフセットにすることもできる。
【００８１】
次に、Ｓ７０の処理で実行される本実施形態に係る自己発熱分のキャンセル方法について説明する。前述のように、ｍ番目の外にもリファレンスセンサとして機能する画素センサＰｍ＋１を追加して、画素センサＰｍと画素センサＰｍ＋１との差分信号Ｖを取得するが、このとき得られる差分信号Ｖｍ＋１も差分信号Ｖ１同様の絶対値信号（第１差分信号）となる。リファレンスセンサＰ０だけの場合には、差分信号Ｖ１から順にＶ２，Ｖ３，Ｖ４…を足し引きしながら絶対値信号Ｍを求める。これに対して、画素センサＰｍ＋１を追加すると、ｍ側から１番目の画素に向かって、足し引きしても各画素センサの絶対値信号を求めることができる。添え字の小さいほうからの絶対値の計算値と大きい方からの絶対値の計算値を整理すると次式のようになる。
【数１７】
【数１８】
この２セットのデータを使って重み付け平均を計算する。例えば、平均値Ｍ１'''として、Ｍ１'とＭ１''に対してｍ：１の重み付けをして平均化すると以下のようになる。
【数１９】
このように、式の上では、完全に自己発熱によるオフセットを消去することができる。実際には、全ての差分信号ＶｍにおけるｄＭが完全に同じではないため、完全には消去できないが、そのバラツキは、前述したようにｄＭに対して数％程度と考えられる。このため、実使用上は完全に消去できると考えても問題ない。よって、この方法ならば、定期的に校正値を取得する必要はなくなる。Ｓ７０の処理を終了すると、図１０に示す制御処理を終了する。
【００８２】
以上で図１０に示す制御処理を終了する。図１０に示す制御処理を実行することで、図５に示す制御処理を実行する場合と同様に、半導体プロセスのバラツキの影響をほとんど受けない状態で画素間の差分信号を取得することができるため、周囲温度の変化により発生するオフセットを、ほとんどゼロにすることが可能となる。
【００８３】
また、図１０に示す制御処理を実行することで、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍ＋１は１フレームの間に２回通電される。したがって、全ての画素センサと接続されて複数回通電されることによってリファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍ＋１のみ自己発熱が大きくなることを回避することができるとともに、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍ＋１の通電回数と画素センサの通電回数を等しくすることができる。
【００８４】
また、図１０に示す制御処理を実行することによって、奇数番目の差分信号Ｖが取得された後に偶数番目の差分信号Ｖが取得される。このように通電することによって、一度通電された画素センサを連続で通電することを回避することができる。すなわち、自己発熱の放熱時間を確保することが可能となるため、放熱後の画素センサを用いて差分信号を取得することができる。
【００８５】
また、図１０に示す制御処理を実行することによって、第１実施形態ではキャンセルしきれなかった式１０で示されるオフセットをキャンセルすることができる。このオフセットは、あらかじめ校正値として取得することで、実画像データから差し引くことも可能である。しかし、自己発熱は、センサの抵抗値の変化で異なる量になるため、周囲温度が変化すると検出器自体の抵抗値が変化し、オフセットも変化する。よって、定期的に校正の取得が必要となる。本実施形態に係る赤外線イメージセンサを採用することでオフセットが変化した場合であっても自己発熱を適切に排除することができる。
【００８６】
また、第１実施形態では、積分時間ｓを極端に短くすると、リファレンスセンサＰ０の通電間隔が１／２フレーム時間からずれてくる。他のセンサは全て１／２フレーム毎に通電されるが、リファレンスセンサＰ０のみ差分信号Ｖ１取得時と差分信号Ｖ０取得時に通電される。このため、積分時間ｓを短くすると、前半の信号取得時間が短くなり、差分信号Ｖ１と差分信号Ｖ０の通電タイミングが近づき、結果としてリファレンスセンサＰ０のみ通電時間間隔が一定でなくなる。これに対して第２実施形態では、ダミーのリファレンスセンサＰｄを備えており、前半の最後と後半の最初にダミー通電するため、積分時間ｓを短くしても全てのセンサに対して等間隔で通電を行うことができる。
【００８７】
以上、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、周囲温度変化や自己発熱による温度変化のハードウェア的な補償を、開口率を下げずに実現でき、低コストで小型な赤外線カメラの実現が可能となる。
【００８８】
また、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、リファレンス画素を少なくとも一つの画素列の両端に配置するため、２つのリファレンス画素それぞれを基準とした画素の信号を求めて平均化することにより自己発熱による影響を一層低減させることができる。
【００８９】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る赤外線イメージセンサは、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサとほぼ同様に構成されるものであり、リファレンスセンサＰａ（第１実施形態に係る赤外線イメージセンサのリファレンスセンサＰ０に対応）に隣接するリファレンスセンサＰｂが配置される点、ダミーのリファレンスセンサＰｄがリファレンスセンサＰｂの隣り、あるいは、画素センサＰｍの隣に配置されている点、及び、隣り合う画素の片端が電源ＶとＧＮＤに交互に接続されているのではなく、２つの画素ずつ電源ＶとＧＮＤに交互に接続されている点が相違する。以下では、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一の部分は説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００９０】
本実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成は、図１に示す第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一である。図１１は、受光部１２の各行における積分アンプ２１までの回路（差分回路）を詳細に示す回路図である。図１１に示すように、受光部１２の１ライン部分は、ｍ（ｍ：整数）個の画素センサＰｍと２個のリファレンスセンサＰａ，リファレンスセンサＰｂ、１個のダミーのリファレンスセンサＰｄ（不図示）及び所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙ（ｘ，ｙ：整数，ａ，ｂ）を積分アンプ２１と接続するためのスイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｍを備えて構成される。すなわち、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの回路に比べて、リファレンスセンサＰｂ及びダミーのリファレンスセンサＰｄが追加された点、ダミーのリファレンスセンサＰｄのみ、一端部にスイッチＳｄが接続され他端部にスイッチＳｖが接続されている点が相違する。さらに、リファレンスセンサＰａ、リファレンスセンサＰｂ及び画素センサＰｍは、隣り合う２つの画素同士を一組として、組ごとに画素の端部の接続先が異なる構成とされている。例えば、リファレンスセンサＰａ，Ｐｂ、画素センサＰ１，Ｐ２、画素センサＰ３，Ｐ４、画素センサＰ５，Ｐ６…と一組が形成されており、これらの組ごとに電源ＶとＧＮＤに交互に接続されている。すなわち、２つの画素ずつ電源ＶとＧＮＤに交互に接続されている。その他の部分は第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一である。なお、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサと同様に、積分アンプ２１の電流供給能力に余裕があれば、スイッチＳｒをショートして通電することでダミーのリファレンスセンサＰｄを不要としてもよい。
【００９１】
次に、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの信号取得動作を説明する。図１２は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの信号取得動作を示すフローチャートである。図１２に示す制御処理は、例えば赤外線イメージセンサの電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図１２に示す制御処理は、赤外線イメージセンサに備わる制御部（不図示）により実行されるものである。制御部は例えばＣＰＵ等の演算処理部を備えている。
【００９２】
最初に、制御部は初期処理を実行する（Ｓ８０）。Ｓ８０の処理は、図５のＳ１０の処理とほぼ同様であり、ｋを１に設定し、カウント値ｎをｋに設定する。ｋは繰り返し処理の実行回数及び繰り返し処理の先頭の画素センサ番号を規定するものである。その後、制御部はカウント値判定処理へ移行する（Ｓ８２）。Ｓ８２の処理では、制御部はカウント値ｎが４であるか否かを判定する。Ｓ８２の処理でカウント値ｎが４でないと判定した場合には、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ８６）。Ｓ８６の処理では、制御部はカウント値ｎが３であるか否かを判定する。Ｓ８６の処理でカウント値ｎが３でないと判定した場合には、差分回路前処理へ移行する（Ｓ９０）。
【００９３】
Ｓ９０の処理は、Ｓ１２の処理と同様であり、制御部が積分容量Ｃに蓄えられた電荷を放電する。Ｓ９０の処理が終了すると、差分信号取得・記憶処理へ移行する（Ｓ９２）。Ｓ９２の処理は、Ｓ１４の処理とほぼ同様であり、制御部が積分時間ｓで差分信号Ｖｎを取得して記憶する。なお、差分信号Ｖ１を取得する場合には、画素センサＰａと画素センサＰ１とを接続して取得する。差分信号Ｖ２を取得する場合には、画素センサＰｂと画素センサＰ２とを接続して取得する。また、差分信号Ｖｎを取得する場合には、画素センサＰｎ−２と画素センサＰｎとを接続して取得する。このように、隣接する画素ではなく、一つおきの画素ごとを接続して差分信号を取得する。Ｓ９２の処理が終了すると、カウント処理へ移行する（Ｓ９４）。
【００９４】
Ｓ９４の処理では、制御部が、カウント値ｎをカウントアップする。ここで、制御部はカウント値ｎに４を加算する。Ｓ９４の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ９６）。
【００９５】
Ｓ９６の処理は、Ｓ１８の処理と同様であり、制御部はＳ９４の処理でカウントしたカウント値ｎが画素数ｍから３を減算したｍ−３よりも大きいか否かを判定する。Ｓ９６の処理において、カウント値ｎがｍ−３よりも大きくないと判定した場合には、カウント値判定処理へ再度移行する（Ｓ８２）。そして、Ｓ８２の処理において、カウント値ｎが４でないと判定した場合にはＳ８６の処理へ移行し、Ｓ８６の処理において、カウント値ｎが３でないと判定した場合には差分回路前処理へ移行する（Ｓ９０）。その後、Ｓ９２の処理でｎ＋４番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得する。このように、Ｓ９４の処理でカウント値を４ずつ加算し、カウント値ｎがｍ−３よりも大きくなるまで、差分信号Ｖ１，Ｖ５，Ｖ９、Ｖｍ−３のように所定の差分信号Ｖのみ順次取得する。
【００９６】
一方、Ｓ９６の処理において、カウント値ｎがｍ−３よりも大きいと判断した場合には、繰り返し回数判定処理へ移行する（Ｓ９８）。Ｓ９８の処理では、制御部が繰り返し回数ｋが３より小さいか否かを判定する。Ｓ９８の処理において、繰り返し回数ｋが３より小さいと判定した場合には、ダミー通電処理へ移行する（Ｓ１００）。
【００９７】
Ｓ１００の処理では、制御部が図１１に示す画像センサＰｍ＋ｋ−２とダミーのリファレンスセンサＰｄ（不図示）とを接続する。Ｓ１００の処理は、画像センサＰｍ＋ｋ−２の通電回数を他のセンサの通電回数と等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。Ｓ１００の処理が終了すると、１／４フレーム経過するまで待機する処理へ移行する（Ｓ１０１）。この処理により、これまでの信号取得により発熱した素子を十分放熱させることができる。その後、繰り返し回数ｋのカウントアップ処理へ移行する（Ｓ１０２）。
【００９８】
Ｓ１０２の処理では、制御部が繰り返し回数ｋのカウントアップとカウント値ｎを初期化する。制御部は、ここで、制御部は繰り返し回数ｋに１を加算するとともに、カウント値ｎをｋに設定する。Ｓ１０２の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ１０４）。
【００９９】
Ｓ１０４の処理では、制御部は繰り返し回数ｋが４より大きいか否かを判定する。Ｓ１０４の処理において、繰り返し回数ｋが４より大きくないと判定した場合には、カウント値判定処理へ再度移行する（Ｓ８２）。そして、Ｓ８２の処理において、カウント値ｎが４であると判定した場合にはダミー通電処理へ移行する（Ｓ８４）。
【０１００】
Ｓ８４の処理では、制御部が図１１に示すリファレンスセンサＰｂとダミーのリファレンスセンサＰｄ（不図示）とを接続する。Ｓ８４の処理は、リファレンスセンサＰｂの通電回数を他のセンサの通電回数と等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。Ｓ８４の処理が終了すると、Ｓ８６のカウント値判定処理へ移行し、カウント値ｎが３でないと判定した場合には差分回路前処理へ移行する（Ｓ９０）。その後、Ｓ９２の処理でｎ＋４番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得し、Ｓ９４の処理でカウント値を４ずつ加算し、Ｓ９６の処理でカウント値がｍ−３よりも大きいか否かを判定する。このように、カウント値を４ずつ加算し、カウント値ｎがｍ−３よりも大きくなるまで、差分信号Ｖ２，Ｖ６，Ｖ１０、Ｖｍ−２のように所定の差分信号Ｖのみ順次取得する。
【０１０１】
一方、Ｓ９６の処理において、カウント値ｎがｍ−３よりも大きいと判断した場合には、Ｓ９８の繰り返し回数判定処理へ移行し、繰り返し回数ｋが３より小さいと判定した場合には、Ｓ１００のダミー通電処理へ移行し、繰り返し回数ｋのカウントアップ処理へ移行する（Ｓ１０２）。Ｓ１０２の処理では、制御部が繰り返し回数ｋに１を加算しカウント値ｎにｋを代入する。そして、Ｓ１０４の処理において、繰り返し回数ｋが４より大きくないと判定した場合には、カウント値判定処理へ再度移行する（Ｓ８２）。そして、Ｓ８２の処理において、カウント値ｎが４でないと判定した場合にはＳ８６のカウント値判定処理へ移行し、カウント値ｎが３であると判定した場合にはダミー通電処理へ移行する（Ｓ８８）。
【０１０２】
Ｓ８８の処理では、制御部が図１１に示すリファレンスセンサＰａとダミーのリファレンスセンサＰｄ（不図示）とを接続する。Ｓ８８の処理は、リファレンスセンサＰａの通電回数を他のセンサの通電回数と等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。Ｓ８８の処理が終了すると、差分回路前処理へ移行する（Ｓ９０）。その後、Ｓ９２の処理でｎ＋４番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得し、Ｓ９４の処理でカウント値を４ずつ加算し、Ｓ９６の処理でカウント値がｍ−３よりも大きいか否かを判定する。このように、カウント値を４ずつ加算し、カウント値ｎがｍ−３よりも大きくなるまで、差分信号Ｖ３，Ｖ７，Ｖ１１、Ｖｍ−１のように所定の差分信号Ｖのみ順次取得する。
【０１０３】
一方、Ｓ９６の処理において、カウント値ｎがｍ−３よりも大きいと判断した場合には、Ｓ９８の繰り返し回数判定処理へ移行し、繰り返し回数ｋが３より小さくないと判定した場合には、繰り返し回数ｋのカウントアップ処理へ移行する（Ｓ１０２）。Ｓ１０２の処理では、制御部が繰り返し回数ｋに１を加算しカウント値をｋに設定する。そして、Ｓ１０４の処理において、繰り返し回数ｋが４より大きくないと判定した場合には、カウント値判定処理へ再度移行する（Ｓ８２）。そして、Ｓ８２の処理において、カウント値ｎが４でないと判定した場合にはカウント値判定処理へ移行し、カウント値ｎが３でないと判定した場合には差分回路前処理へ移行する（Ｓ９０）。その後、Ｓ９２の処理でｎ＋４番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得する。このように、Ｓ９４の処理でカウント値を４ずつ加算し、カウント値ｎがｍ−３よりも大きくなるまで、差分信号Ｖ４，Ｖ８，Ｖ１２、Ｖｍのように所定の差分信号Ｖのみ順次取得する。
【０１０４】
一方、Ｓ９６の処理において、カウント値ｎがｍ−３よりも大きいと判断した場合には、繰り返し回数判定処理へ移行する（Ｓ９８）。Ｓ９８の処理では、制御部が繰り返し回数ｋが３より小さいか否かを判定する。Ｓ９８の処理において、繰り返し回数ｋが３より小さくないと判定した場合には、繰り返し回数ｋのカウントアップ処理へ移行する（Ｓ１０２）。
【０１０５】
Ｓ１０２の処理では、制御部が繰り返し回数ｋのカウントアップとカウント値ｎを初期化する。制御部は、ここで、制御部は繰り返し回数ｋに１を加算するとともに、カウント値ｎをｋに設定する。Ｓ１０２の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ１０４）。
【０１０６】
Ｓ１０４の処理では、制御部は繰り返し回数ｋが４より大きいか否かを判定する。Ｓ１０４の処理において、繰り返し回数ｋが４より大きいと判定した場合には、絶対値信号算出処理へ移行する（Ｓ１０６）。
【０１０７】
以上、ここまでの処理で繰り返し回数ｋが１〜４の値をとり、以下のような流れになる。最初、リファレンスセンサＰａと画素センサＰ１の間で絶対値信号（第１差分信号）である差分信号Ｖ１を取得する。次に、画素センサＰ３と画素センサＰ５とを接続して差分信号Ｖ５を取得する。続いて、画素センサＰ７と画素センサＰ９とを接続して差分信号Ｖ９を取得する。このように繰り返し、差分信号Ｖｍ−３まで取得する。続いて、リファレンスセンサＰｂと画素センサＰ２の間で絶対値信号（第１差分信号）である差分信号Ｖ２を取得する。次は、画素センサＰ４と画素センサＰ６とを接続して差分信号Ｖ６、画素センサＰ８と画素センサＰ１０とを接続して差分信号Ｖ１０というように、差分信号Ｖｍ−２まで取得する。その後、画素センサＰ１と画素センサＰ３とを接続して差分信号Ｖ３、画素センサＰ５と画素センサＰ７とを接続して差分信号Ｖ７というように、差分信号Ｖｍ−１まで取得する。最後は、画素センサＰ２と画素センサＰ４とを接続して差分信号Ｖ４、画素センサＰ６と画素センサＰ８とを接続して差分信号Ｖ８というように、差分信号Ｖｍまで取得する。これにより、１ラインの画素情報が全て取得されることになる。なお、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同様に、リファレンスセンサＰａ，Ｐｂ、画素センサＰｍ−１，Ｐｍにおける通電間隔と通電回数を他の画素と同じにするため、差分信号Ｖｍ−３の取得後に画素センサＰｍ−１のダミー通電、差分信号Ｖｍ−２取得後に画素センサＰｍのダミー通電、差分信号Ｖ３取得前にリファレンスセンサＰａのダミー通電、差分信号Ｖ４取得前にリファレンスセンサＰｂのダミー通電を行う。
【０１０８】
次に、Ｓ１０６の処理では、画素信号算出部がＳ９２の処理で取得された差分信号Ｖｎを用いて絶対値信号Ｍｍを算出する。自己発熱によるオフセット分は、第１実施形態と同一であるので、式を見やすくするため、省略して整理すると以下のようになる。
【数２０】
【数２１】
【数２２】
【数２３】
【０１０９】
このように、本実施形態では、１ラインを二つに分け、差分信号Ｖ１による絶対値信号基準で得られる画素情報と差分信号Ｖ２による絶対値信号基準で得られる画素情報を２種類得て一つの画像情報を取得する。Ｓ１０６の処理が終了すると、図１２に示す制御処理を終了する。
【０１１０】
以上で図１２に示す制御処理を終了する。第１実施形態及び第２実施形態では、１ライン(行)上の隣り合う画素間での差分信号を取得し、画像を再構成している例を説明したが、本実施形態のように必ずしも隣り合う画素間で差分信号を取得しなくてもよい。画素サイズは、２０〜５０[um]とすることが多く、２０[um]を採用した場合、一つ置きの画素間で差分をとっても画素間の距離はせいぜい４０[um]である。このため、半導体プロセスの環境的にはほぼ同じとみなすことができる。よって、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、半導体プロセスのバラツキの影響をほとんど受けない状態で画素間の差分信号を取得することができるため、周囲温度の変化により発生するオフセットを、ほとんどゼロにすることが可能となる。
【０１１１】
また、図１２に示す制御処理を実行することで、全ての画素センサの通電回数を等しくすることができるとともに、一度通電された画素センサを連続で通電することを回避することができる。すなわち、自己発熱の放熱時間を確保することが可能となるため、放熱後の画素センサを用いて差分信号を取得することができる。
【０１１２】
さらに、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの信号読み取り手法は以下のように拡張することも可能である。例えば、行と列の関係を入れ替え、列の隣り合う画素間での差分信号を用いてもよい。また、必ずしも隣り合う画素間での差分でなくても良い。この方法の利点は、等価的に画素数を減らしていることになるため、第１実施形態で示した演算後のオフセットを半分にできることにある。本実施形態では、各画素を一つ置きに接続しているが、１ラインを二つに分けるだけであるならば、第２実施形態のように両端にリファレンスセンサを配置して、右半分と左半分を独立に信号取得してもよい。しかしながら、このように構成した場合には、第１実施形態を第２実施形態に拡張したような、オフセットの完全なキャンセルする方法への拡張はできない。なお、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの画素列の右端にも、追加のリファレンスセンサを２つ追加することで改良することができる。
【０１１３】
このように、本実施形態ではセンサの特性が同一とみなせる範囲での接続を変えることで、種々のバリエーションを生み出すことができる。特性が同一とみなせるならば、二つおきにセンサを接続して、１ラインを３つあるいは４つに分けて独立な画素情報を得ることも可能である。もう一つの例としては、２ラインを左半分と右半分に分けて２ラインで一つの積分アンプ２１に接続する方法である。上のラインの左半分は、第２実施形態と同じように隣接するセンサ同士を接続させていき、左半分の最後の画素センサＰｍ／２は、下のラインの画素センサＰｍ／２と接続させる。下のラインの左半分も上のライン同様の接続となり、画素センサＰｍ／２で折り返したあと、順次画素センサＰｍ／２−１、Ｐｍ／２−２、…Ｐ１と接続させ、最後に下のラインのリファレンスセンサと接続させる。これは、２ラインを真ん中で折り返して一つのラインとみなした第２実施形態と同様である。この２ラインの右半分にも、右端にリファレンスセンサを配置し、別の積分アンプ２１を使用して信号処理する。なお、隣り合うラインでは、センサの特性はライン上で隣り合うセンサの関係と同等であるので、隣り合うラインにて上下で接続しても同様の処理ができる。
【０１１４】
以上、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、第１及び第２実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、周囲温度変化や自己発熱による温度変化のハードウェア的な補償を、開口率を下げずに実現でき、低コストで小型な赤外線カメラの実現が可能となる。また、熱型イメージセンサをテラヘルツイメージングに利用する場合には、信号レベルは通常の熱イメージセンサよりも１〜２桁近く低くなるため、高Ｓ／Ｎ比を有する信号検知手段が必要となる。そのような用途にも本実施形態に係る手法を取ることで高感度なカメラの実現が可能となる。
【０１１５】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る赤外線イメージセンサは、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサとほぼ同様に構成されるものであり、画素列に対して積分アンプ２１を複数備える点が相違する。以下では、第１，３実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一の部分は説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【０１１６】
画素列に対して積分アンプ２１を複数備える赤外線イメージセンサは、例えば２つの形態となる。第１の例としては、Ｓ／Ｎ比を改善するために複数の積分アンプを備えるものである。１ラインに１個のアンプでは、積分時間ｓは、１フレーム時間を１ラインの画素数で割った時間Ｔ以上に長くすることはできない。検出器の感度が同じとき、Ｓ／Ｎ比を改善するには、１ラインに対する積分アンプ２１の数を増やすことで、積分時間ｓを長くすることが可能となる。従来の技術では、熱型検出器を用いたイメージセンサにおいては、積分時間ｓを長くすることは、自己発熱によるオフセットを大きくすることになるため、積分アンプ２１やＡ／Ｄ変換器２４のダイナミックレンジを圧迫する。特に従来技術では、現実的なＳ／Ｎ改善の手段とはなりえない。しかしながら、上記の実施形態で説明した方式では、信号検出時のオフセットを従来技術に比べて２桁以上小さくできる。このため、アンプを増やすことによるＳ／Ｎ比の改善は有効な手段となる。なお、第１実施形態又は第２実施形態で示す画素センサの接続を行うと必ず取得信号の引き算が発生するので、積分アンプ２１自身の持つオフセット等も打ち消されている。このため、複数の積分アンプ２１を備える場合であっても、異なるアンプで取得した差分信号を絶対値信号算出のために演算するのではなく、差分信号を用いた演算は一つのアンプからの出力のみで行うほうが好ましい。
【０１１７】
本実施形態に係る第１の構成は、上述した第３実施形態において２つの積分アンプ２１を用いたものである。第３実施形態では、リファレンスセンサＰａを基準とした差分信号ＶｍセットとファレンスセンサＰｂを基準にした差分信号セットが独立に得られるが、これらを異なる積分アンプ２１で増幅する構成をとる。これにより、積分時間ｓは、アンプが１個の場合に比べて２倍の時間をとることができる。もちろん、第１実施形態の改良版である第２実施形態のように、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの画素列の右端にもリファレンスセンサを２つ追加してもよい。
【０１１８】
本実施形態に係る第２の構成を図１３に示す。第２の構成では積分アンプ２１を複数備えることで分解能を改善することを目的としている。図１３は、受光部１２の各行における積分アンプまでの回路（差分回路）を詳細に示す回路図である。図１３に示すように、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの差分回路は、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの差分回路に比べて、積分アンプ２１ａ，２１ｂを備える点が相違する。
【０１１９】
図１３に示すように、絶対値信号を取得する画素センサＰ０と画素センサＰ１との差分検知用の積分アンプ２１ｂ、及び、画素間の差分信号取得用の積分アンプ２１ａを備えている。積分アンプ２１ｂは、積分アンプ２１ａとは異なるゲインを持つものが用いられる。また、Ａ／Ｄ変換器２４にも分解能の高いものを用いてもよい。通常の熱イメージにおいて、隣り合う画素間で急激な温度変化があるようなものは現実の世界ではないため、画素同士の差分信号検知には大きなダイナミックレンジは要求されない。このため、ゲインを高くして信号強度を強くする方が、Ｓ／Ｎ比的にも分解能的にも有利になる。
【０１２０】
一方、絶対値信号は広いダイナミックレンジとＡ／Ｄ変換器２４の分解能を高くする必要がある。上述した実施形態では、一つの積分アンプ２１とＡ／Ｄ変換器２４で、絶対値信号と差分信号を取得していたため、ダイナミックレンジとしては、絶対値信号の取得の要求仕様で決まり、Ａ／Ｄ変換の変換時間は画素数で決まる。一般的に、Ａ／Ｄ変換器２４は、変換時間を早くすると低分解能となり、逆に変換時間を遅くすると高分解能となる。このため、本実施形態では、絶対値信号取得に個別に用意した積分アンプ２１ａとＡ／Ｄ変換器２４をつなぐ。このとき、絶対値信号取得側のＡ／Ｄ変換器２４は、画素間の差分信号取得時間よりも長い時間を変換時間として割り当てることができるため、高分解能となる。一方、差分信号用には大きなダイナミックレンジは要求されないため、低分解能で高速なＡ／Ｄ変換器２４を用いればよい。
【０１２１】
なお、本実施形態では、絶対値信号取得時において積分時間ｓを長くしてＳ／Ｎ比を上げることもできる。この場合、自己発熱量が他の画素と異なる状態とならないように積分時間ｓは同じにすることが好ましい。また、本実施形態の第２の構成においても第２実施形態のようにリファレンス素子として機能する画素センサＰｍ＋１を追加して、自己発熱のオフセットをキャンセルすることもできる。この場合には、画素センサＰｍ＋１と画素センサＰｍの差分信号検知をダイナミックレンジの広い積分アンプ２１ｂ側に接続することになる。
【０１２２】
以上、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、第１〜第３実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、周囲温度変化や自己発熱による温度変化のハードウェア的な補償を、開口率を下げずに実現でき、低コストで小型な赤外線カメラの実現が可能となる。
【０１２３】
（第５実施形態）
第５実施形態に係る赤外線イメージセンサは、第１〜第４実施形態に係る赤外線イメージセンサとほぼ同様に構成されるものであり、アンプ部の構成のみが相違する。以下では、第１〜４実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一の部分は説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【０１２４】
第１〜第４実施形態に係る赤外線イメージセンサでは、全て電流検出型の積分アンプを用い、隣接するセンサを接続する手法を例に説明したが、他の構成でも差分信号の取得は可能である。第５実施形態に係る赤外線イメージセンサの一例を図１４に示す。図１４に示すように、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同様に電流検出型の積分アンプ２１を用いているが、積分アンプ２１の入力が相違する。すなわち、隣接する画素センサ同士を接続するのではなく、リファレンスセンサＰ０を含む偶数番目の画素センサＰ２ｎは積分アンプ２１のプラス入力に、奇数番目の画素センサＰ２ｎ＋１は、積分アンプ２１のマイナス入力に接続できるようスイッチＳｍを配置し、全ての画素センサの方端は全て同じ電圧Ｖに接続しておく。また、積分アンプ２１のマイナス側のラインには抵抗Ｒ−が接続され、プラス側のラインには抵抗Ｒ＋が接続される。抵抗Ｒ−，Ｒ＋は、まったく同じ抵抗値のものを使用する。また、抵抗Ｒ−，Ｒ＋は、画素センサと同じ構造である必要はなく、また、回路基板との熱的接続を強くすることで自己発熱を発生させないように構成する。抵抗Ｒ−，Ｒ＋は、温度特性が小さい通常の金属による抵抗であることが好ましい。
【０１２５】
次に、図１４に示す回路の動作を説明する。最初リファレンスセンサＰ０のスイッチＳ０をＯＮにし、画素センサＰ１のスイッチＳ１もＯＮにする。このとき、積分アンプ２１のプラス入力には、リファレンスセンサＰ０と抵抗Ｒ＋で電圧Ｖを分圧した電位が加わる。積分アンプ２１のイマジナリショートの機構により、このプラス入力の電位がマイナス入力の電位に現れるため、よって、マイナス入力に接続した抵抗Ｒ−も抵抗Ｒ＋と同じ電流が流れる。このとき、画素センサＰ１に赤外線がまったく入射されていなければ、リファレンスセンサＰ０と同じ抵抗値になるので、流れる電流も同じとなり、積分アンプ２１の出力は０となる（実際には、プラス入力と同じ電圧が現れる）。もし、画素センサＰ１に信号が入射されていれば、リファレンスセンサＰ０とは異なる抵抗値になっているため、リファレンスセンサＰ０とは異なる電流を流さないと、マイナス入力の電位を同じにすることができないため、異なる電流が流れることになる。抵抗Ｒ−に流れる電流は抵抗Ｒ＋と同じ、すなわち、リファレンスセンサＰ０に流れる電流と同じなので、結果としてリファレンスセンサＰ０と画素センサＰ１との差分電流が積分容量Ｃに流れ込むことになる。
【０１２６】
上記動作は、第１実施形態に適用した場合であっても全く同じである。このため、本実施形態に係るアンプ構成を適用しても、第１〜第４実施形態に係る赤外線イメージセンサを構築することができる。
【０１２７】
また、抵抗Ｒ−，Ｒ＋は、基板との間の熱伝導をよくし、且つ温度変化による特性変化の小さな材料で作成してあるため、各画素の信号取得に毎回使用しても、自己発熱の問題は発生しない。そのため、各画素に抵抗Ｒ−，Ｒ＋を用意する必要はない。
【０１２８】
また、上記構成を採用することにより、画素センサに印加する電圧Ｖを自由に選べることができる。通常、積分アンプ２１に印加できる電圧は制限がある。例えば、電源電圧５[V]の積分アンプ２１では、５[V]が上限値となる。差分信号Ｖｍは、プラスマイナスに出力がでるため、第１〜第４実施形態に係る赤外線イメージセンサのアンプ構成では、差分信号Ｖｍを電源電圧の中央、すなわち、２．５[V]にするのが好適である。そのため、画素センサに与える電圧は５[V]に決定される。画素センサの抵抗値は設計可能であるが、電源電圧を決めてしまうことは設計に対する一つの制約になる。しかし、本実施形態では、抵抗Ｒ−，Ｒ＋の値を自由に設定できるため、画素センサへの印加電圧にも自由度が生まれる。たとえば、画素センサの抵抗値が１００[kΩ]の場合、抵抗Ｒ−，Ｒ＋に１００[kΩ]の抵抗値を採用すれば、印加電圧５[V]で積分アンプ２１の動作中心は２．５[V]となる。抵抗Ｒ−，Ｒ＋を５０[kΩ]した場合、動作中心２．５[V]を維持したまま、印加電圧を７．５[V]に上げることができる。印加電圧を上げた場合、信号電流が増えるのでＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。
【０１２９】
本実施形態に係る赤外線イメージセンサの他の例を図１５に示す。図１５に示すように、本実施形態に係る赤外線イメージセンサは、電圧検出型のアンプ構成を有する。図１５では、画素センサの並びは図１４と同じであるため、説明理解の容易性を考慮して、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰ１のみを記載して他の記載を省略する。
【０１３０】
図１５に示すように、リファレンスセンサＰ０は、その一端が電圧Ｖに接続されている。また、リファレンスセンサＰ０は、電流源Ｉｓ＋とスイッチＳ０を介して直列に接続されている。この接続点は、アンプＡ＋のプラス入力と接続されている。また、画素センサＰ１は、その一端が電圧Ｖに接続されている。また、画素センサＰ１は、電流源Ｉｓ−とスイッチＳ１を介して直列に接続されている。この接続点は、アンプＡ−のプラス入力と接続されている。電流源Ｉｓ−，Ｉｓ＋はどちらも同じ一定電流を流す電流源である。また、アンプＡ−，Ａ＋はバッファアンプである。アンプＡ＋の出力側はアンプＡｓのプラス入力に接続され、アンプＡ−の出力側はアンプＡｓのマイナス入力に接続される。アンプＡｓは、アンプＡ−，Ａ＋の電圧の差分を演算し、積分する回路である。
【０１３１】
電流源Ｉｓ−とＩｓ＋は同一の一定電流を流す電流源であるため、リファレンスセンサＰ０と画素センサＰ１との抵抗値の違いにより、アンプＡ−とアンプＡ＋のプラス入力には、異なる電位が印加される。この差分電位が、差分信号に相当する。アンプＡ−，Ａ＋は、単なるバッファアンプであるので、出力はそれぞれのアンプのプラス入力に印加された電圧が出力される。アンプＡｓは、アンプＡ−，Ａ＋の電圧の差分を演算して積分する回路であるので、結果として出力には、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰ１の差分信号が得られる。以後、スイッチを切り替えることで、各画素の差分信号を取得することで、第１〜第４実施形態の赤外線イメージセンサと同様の信号を得ることができる。すなわち、上記構成は、第１〜第４実施形態へ適用することが可能である。
【０１３２】
以上、第５実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、第１〜第５実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、周囲温度変化や自己発熱による温度変化のハードウェア的な補償を、開口率を下げずに実現でき、低コストで小型な赤外線カメラの実現が可能となる。
【０１３３】
なお、上述した実施形態は、本発明に係る赤外線イメージセンサの一例を示すものである。本発明に係る赤外線イメージセンサは、実施形態に係る赤外線イメージセンサに限られるものではなく、実施形態に係る赤外線イメージセンサを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【０１３４】
例えば、上記実施形態で説明したアンプ構成については、上述した実施形態に限られるものではなく、２つのセンサの差分信号を取り出すことができればどのような構成を有していてもよい。また、画素センサはボロメータに限られず、サーモパイル等の熱型検出器であればよい。
【０１３５】
また、上記実施形態において、リファレンスセンサＰ０と画素センサＰ１の信号取得を最初に行うように説明してきたが、この順番は本質ではない。例えば、第１実施形態では、最初に絶対値信号Ｖ１を取得する場合を説明したが、偶数番目及び奇数番目に分けて実行するようにするとともに、偶数番目を前半に取得し、後半に絶対値信号を取得するようにしてもよい。この場合、絶対値信号からの時間差は±１/２フレーム時間になり短くなる。
【０１３６】
さらに、上記実施形態では、１つの画素列に対して少なくとも一つのリファレンスセンサＰ０を備える例を説明したが、例えば、複数の画素列に対して少なくとも一つのリファレンスセンサＰ０を備える場合であってもよい。すなわち、複数の画素列からなる画素領域に対して少なくとも一つのリファレンスセンサＰ０を備えればよい。
【符号の説明】
【０１３７】
１…赤外線イメージセンサ、１２…受光部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線イメージセンサ及び信号読み出し方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、赤外線イメージセンサとして、温度によって抵抗値が変化する材料を用いて赤外線を検知する熱型の検出器が知られている（例えば特許文献１，２参照。）。特許文献１記載の検出器は、いわゆるボロメータ型の赤外線検出器であって、入射された赤外線を感知する感熱抵抗体からなる画素が複数２次元状に配列されて構成されている。この赤外線検出器には全ての画素ごとに当該画素用のリファレンス画素が設けられており、画素の信号とリファレンス画素の信号との差分を取ることによって赤外線検出器を取りまく環境変化による影響を補償する。
【０００３】
特許文献２記載の赤外線検出器は、入射された赤外線を感知する感熱抵抗体からなる画素が複数２次元状に配列されて構成されている。この赤外線検出器には画素列ごとにリファレンス画素が設けられており、画素の信号とリファレンス画素の信号との差分を取ることによって画素に電流を流す際の自己発熱によるダイオード温度上昇を補償する。すなわち、画素列に含まれる複数の画素に対する自己発熱の補償を、１つのリファレンス画素を用いて行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２２７６８９号公報
【特許文献２】特開平２００１−２１５１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載の赤外線イメージセンサは、全ての画素に隣接してリファレンス画素を設ける必要があるため、同一の画素領域を有する赤外線イメージセンサと比較して開口率が小さくなり感度が低下する。特許文献２記載の赤外線イメージセンサは、画素列に対して一つのリファレンス画素を設けるため感度を保つことはできるが、自己発熱を適切に補償することができないおそれがある。例えば、画素列１ラインを読み取る場合、検出用の画素についてはそれぞれ１回だけ通電されて情報が読み取られるが、リファレンス画素については画素数分通電されて情報が読み取られる。したがって、リファレンス画素の自己発熱量が検出用の画素の自己発熱量と比較して大きくなり、自己発熱を適切に補償することができない場合がある。
【０００６】
そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、自己発熱量を十分に補償しつつ、感度を確保することができる赤外線イメージセンサ及び信号読み出し方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る赤外線イメージセンサは、赤外線を検出する赤外線イメージセンサであって、複数の画素を配列した画素領域及び少なくとも一つのリファレンス画素を有する受光部と、画素領域に含まれる１つの画素の信号とリファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号を取得する差分回路と、第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号を算出する画素信号算出部と、を備えて構成される。
【０００８】
本発明に係る赤外線イメージセンサでは、画素領域に対して少なくとも１つのリファレンス画素が配置される。このためセンサの感度を確保することができる。さらに、差分回路により画素領域に含まれる１つの画素の信号とリファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号が取得され、画素信号算出部により第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号が算出される。このように、画素間の差分信号を用いることで、画素領域に含まれる画素全てと１つのリファレンス画素とを比較する必要がなくなるため、リファレンス画素の自己発熱量と検出用の画素の自己発熱量との差分を小さくすることができる。よって、自己発熱量を十分に補償しつつ、感度を確保することができる。
【０００９】
ここで、所定の２つの画素は、それぞれの一端が互いに接続されて直列に接続され、かつそれぞれの他端が異なる電位に接続され、差分回路は、所定の２つの画素の接続点における電位と所定の電位との差分に基づいて第２差分信号を取得してもよい。あるいは、所定の２つの画素は、それぞれの一端が異なる抵抗と接続されてそれぞれが抵抗と直列に接続され、かつそれぞれの他端が同一の電位に接続され、差分回路は、所定の２つの画素と抵抗とのそれぞれの接続点における電位の差分に基づいて第２差分信号を取得してもよい。このように構成することで、所定の２つの画素における差分信号である第２差分信号を容易に算出することができる。
【００１０】
また、画素領域は、少なくとも一つの画素列からなり、リファレンス画素は、少なくとも一つの画素列の一端に配置されていてもよい。このように構成することで、赤外線イメージセンサの感度に影響しないようにリファレンス画素を配置することができる。
【００１１】
また、画素領域は、少なくとも一つの画素列からなり、リファレンス画素は、少なくとも一つの画素列の両端に配置されていてもよい。このように構成することで、例えば２つのリファレンス画素それぞれを基準とした画素の信号を求めて平均化することにより自己発熱による影響を一層低減させることができる。
【００１２】
また、所定の２つの画素は、隣接する画素であることが好適である。このように構成することで、使用環境における温度変化が与える影響や、素子形成面内の異なる位置における特性のバラツキが与える影響を低減することができる。
【００１３】
また、本発明に係る信号読み出し方法は、少なくとも一つの画素列からなる画素領域、及び、画素列の一端に配置されたリファレンス画素を２つ有する受光部を備える赤外線イメージセンサにおける信号読みだし方法であって、画素領域に含まれる１つの画素の信号とリファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号を取得する差分信号取得ステップと、第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号を算出する画素信号算出ステップと、を備え、差分信号取得ステップは、第１のリファレンス画素を起点として隣接する画素を辿るように第１差分信号及び第２差分信号を取得するとともに、第２のリファレンス画素を起点として隣接する画素を辿るように第１差分信号及び第２差分信号を取得し、画素信号算出ステップは、第１のリファレンス画素を起点として得られた第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号を算出するとともに、第２のリファレンス画素を起点として得られた第１差分信号及び第２差分信号に基づいて画素の信号を算出し、算出された２つの結果に基づいて画素の信号を算出することを特徴として構成される。
【００１４】
本発明に係る信号読み出し方法によれば、２つのリファレンス画素を用いて第２差分信号を２つ算出し、２つのリファレンス画素それぞれを基準とした画素の信号を求めて平均化することにより自己発熱による影響を一層低減させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、自己発熱量を十分に補償しつつ、感度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成概要図である。
【図２】図１の受光部の一部拡大平面図である。
【図３】図１の受光部におけるボロメータ素子の斜視図である。
【図４】図１の受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【図５】図４に示す赤外線イメージセンサの第１の信号読み取り動作を説明するフローチャートである。
【図６】図４に示す赤外線イメージセンサの第２の信号読み取り動作を説明するフローチャートである。
【図７】図５に示す動作実行時における自己発熱による温度上昇量の時間依存性を説明する概要図である。
【図８】図６に示す動作実行時における自己発熱による温度上昇量の時間依存性を説明する概要図である。
【図９】第２実施形態に係る赤外線イメージセンサの受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【図１０】図９に示す赤外線イメージセンサの信号読み取り動作を説明するフローチャートである。
【図１１】第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【図１２】図１１に示す赤外線イメージセンサの信号読み取り動作を説明するフローチャートである。
【図１３】第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【図１４】第５実施形態に係る赤外線イメージセンサの受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【図１５】第６実施形態に係る赤外線イメージセンサの受光部の各行における差分検出回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
（第１実施形態）
本発明の実施形態に係る赤外線イメージセンサは、温度によって抵抗値が変化する材料を用いて赤外線を検出する、いわゆるボロメータ型の赤外線イメージセンサであって、赤外イメージャやサーモグラフィー等に好適に用いられるものである。最初に、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成を説明する。図１は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成概要図、図２は、図１の受光部の一部を拡大した平面図、図３は、図１の受光部の１画素の構成を示す斜視図である。
【００１９】
図１に示すように、赤外線イメージセンサ１は、赤外線を熱変化により検出する検出器であって、赤外線受光器として機能する受光部１２を備えている。受光部１２は、ｍ列×ｎ行の複数の画素を配列させた画素領域を有する２次元赤外線センサアレイとして構成されている。受光部１２の各行には、積分アンプ２１がそれぞれ接続されている。積分アンプ２１それぞれには、積分アンプ２１から出力されたアナログ信号を保持するサンプル／ホールド回路２２がそれぞれ接続されている。サンプル／ホールド回路２２には、スイッチ回路２３及びＡ／Ｄ変換器２４が順に接続されている。スイッチ回路２３は、サンプル／ホールド回路２２の出力を順次選択して、Ａ／Ｄ変換器２４へ出力する。Ａ／Ｄ変換器２４は、スイッチ回路２３により選択された各行の画像信号をデジタル変換し、デジタル出力を図示しないメモリに格納する。メモリに格納されたデジタル出力は、図示しない信号処理部で信号処理されて画像イメージが構築され、画像表示回路又は画像演算回路に送られる。なお、図１では、全ての行の信号をスイッチ回路２３で切り替えて１つのＡ／Ｄ変換器２４でデジタル変換する例を示しているが、行全体をいくつかのブロックに分けてブロック毎にスイッチ回路２３及びＡ／Ｄ変換器２４を設けてもよい。この場合、高速なＡ／Ｄ変換器２４を必要としない。または、行ごとにＡ／Ｄ変換器２４を設けてスイッチ回路２３を不要としてもよい。
【００２０】
図２に示すように、受光部１２は、基板１０上に複数の画素（ボロメータ素子１１）を２次元アレイ化することにより形成され、いわゆる表面マイクロマシンとされている。画素を構成するボロメータ素子１１は、図３に示すように、基板１０の表面に形成されたＲＯＩＣ（Read Only IC）パッド１６，１７と、ＲＯＩＣパッド１６，１７上にそれぞれ形成された電極プラグ１８，１９と、基板１０の表面から離間して配置されたボロメータ薄膜１５とを備えて構成されている。
【００２１】
ＲＯＩＣパッド１６，１７は、導電性を有する矩形状のパッドであり、信号処理回路部（不図示）と電気的に接続されている。電極プラグ１８，１９は、ＲＯＩＣパッド１６，１７上に積層方向に延びるように略円柱状に形成され、ＲＯＩＣパッド１６，１７と電気的に接続されている。電極プラグ１８，１９は、導電性を有する材料からなり、例えばＡｌが用いられる。
【００２２】
ボロメータ薄膜１５は、基板１０と略平行に配置された薄膜であって、赤外線を受光する矩形平面の受光部１５ａと、受光部１５ａの角部１５ｂ，１５ｃに形成された梁部１５ｄ，１５ｅとを有している。梁部１５ｄ，１５ｅは、角部１５ｂ，１５ｃを起点に受光部１５ａの外周に沿って延び、対向して形成されている。そして、受光部１５ａと梁部１５ｄ，１５ｅとの間は、スリットを介してそれぞれ空間的に隔てられており、熱的に分離されている。ボロメータ薄膜１５は、温度変化による抵抗率変化が大きい材料が用いられ、例えば、アモルファスシリコンが用いられる。
【００２３】
また、ボロメータ薄膜１５の梁部１５ｄ，１５ｅには、受光部１５ａと電気的に接続される配線が、梁部１５ｄ，１５ｅの形状に沿って設けられている。そして、図３に示すように、ボロメータ薄膜１５は、梁部１５ｄ，１５ｅのそれぞれの一端部が電極プラグ１８，１９と接続することで基板１０の表面上に支持されており、ボロメータ薄膜１５と基板１０との間には、空隙が画成されている。そして、梁部１５ｄ，１５ｅの配線が電極プラグ１８，１９にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、配線は、電極プラグ１８，１９及びＲＯＩＣパッド１６，１７を介して回路部と電気的に接続されている。また、ボロメータ素子１１の基板１０の表面において、ボロメータ薄膜１５と対向する領域には、反射膜２０が積層されている。この反射膜２０は、赤外線に対する反射率が大きい金属が用いられる。
【００２４】
このように、ボロメータ素子１１は、ボロメータ薄膜１５が基板１０の表面から離間して基板１０と略平行に配置される構成（メンブレン構成）とされ、ボロメータ薄膜１５と基板１０との間は、空隙により空間的に隔てられて熱的に分離された構成とされている。そして、ボロメータ薄膜１５の受光部１５ａの温度変化による抵抗率変化を、配線、電極プラグ１８，１９及びＲＯＩＣパッド１６，１７を介して回路部で読み取ることができる構成とされている。
【００２５】
図４は、受光部１２の各行における積分アンプ２１までの回路（差分回路）を詳細に示す回路図である。図４に示すように、受光部１２の１ライン部分は、ｍ（ｍ：整数）個の画素センサＰｍと１個のリファレンスセンサＰ０、及び所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙ（ｘ，ｙ：整数）を積分アンプ２１と接続するためのスイッチＳｍを備えて構成される。すなわち、リファレンスセンサＰ０は、画素列ごとに１つ設けられている。リファレンスセンサＰ０は、例えば画素列の一端部に配置されている。リファレンスセンサＰ０は、各画素センサＰｍと同じ環境で形成されたセンサであって、各画素センサＰｍと同様の構造を有しており、赤外光に対して感度を有しない点が、画素センサＰｍと相違する。リファレンスセンサＰ０は、例えば、赤外線に対して遮光する機能を有する、又は、画素センサＰｍには通常備えている赤外線吸収膜を備えない構成とされている。なお、リファレンスセンサＰ０のみ、一端部にスイッチＳ０が接続され、他端部にスイッチＳｖが接続されている。リファレンスセンサＰ０は、スイッチＳｖによって電源電位Ｖへもグランド電位（ＧＮＤ：電位０[V]）へも接続可能に構成されている。なお、スイッチＳｍによって接続される所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙは、例えば画素センサＰｘ，Ｐｙ間の距離が５００[μｍ]以下の範囲となるものが選択される。所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙは、より好ましくは隣接しているものが採用される。第１実施形態では説明理解の容易性を考慮して、所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙは隣接しているものとして説明する。
【００２６】
隣り合う画素センサＰｎ−１，Ｐｎ（ｎ：整数）は、その一端部が交互に電源電位Ｖとグランド電位０[V]とに接続されている。任意の隣り合う２つの画素センサＰｎ−１，ＰｎをスイッチＳｎ−１，Ｓｎで接続すると、電源電位Ｖとグランド電位０[V]の間に、２つの画素センサＰｎ−１，Ｐｎが直列に接続される。２つの画素センサＰｎ−１，Ｐｎの接続点が、積分アンプ２１の−入力端に接続されている。積分アンプ２１は、電流検出型の積分アンプである。積分アンプ２１の＋入力端にはリファレンス電圧Ｖｍ（ここではＶｍ＝Ｖ／２）が入力されている。例えば、スイッチＳ１，Ｓ２をＯＮとすると、画素センサＰ１と画素センサＰ２とが積分アンプ２１に繋がり、画素センサＰ１及び画素センサＰ２に流れる電流の差分が積分アンプ２１の積分容量Ｃに蓄積される。このように、本実施例では、常に隣り合う画素センサＰｍがスイッチＳｍにより接続されて、その差分信号が積分アンプ２１により積分されて電圧信号として出力されるように構成されている。
【００２７】
次に、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの動作について説明する。本実施形態に係る赤外線イメージセンサの信号取得動作は２通り存在する。図５は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの第１の信号取得動作を示すフローチャートである。図５に示す制御処理は、例えば赤外線イメージセンサの電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図５に示す制御処理は、赤外線イメージセンサに備わる制御部（不図示）により実行されるものである。制御部は例えばＣＰＵ等の演算処理部を備えている。
【００２８】
最初に、制御部は初期処理を実行する（Ｓ１０）。Ｓ１０の処理では制御部が処理順番を規定するカウント値ｎ（ｎ：整数）を１に設定する。その後、制御部は差分回路前処理を実行する（Ｓ１２）。Ｓ１２の処理では、制御部が、隣り合う画素センサＰｎ−１及び画素センサＰｎの差分信号Ｖｎを得るための初期処理として、図４に示すように、積分アンプ２１の負帰還部に取り付けられたスイッチＳｒをＯＮとし、積分容量Ｃに蓄えられた電荷を放出し、その後スイッチＳｒをＯＦＦとする。Ｓ１２の処理が終了すると、差分信号取得・記憶処理へ移行する（Ｓ１４）。
【００２９】
Ｓ１４の処理では、制御部が、隣り合う画素センサＰｎ−１及び画素センサＰｎの差分信号Ｖｎを取得する。制御部は、スイッチＳｎ−１とスイッチＳｎをＯＮとし、画素センサＰｎ−１と画素センサＰｎを直列に接続し、積分アンプ２１にて差分信号を積分する。制御部は、積分時間ｓ秒後、積分アンプ２１の出力の出力電圧をＶｎとして、サンプル／ホールド回路２２に取り込む。なお、ｎ＝１のときのみ、スイッチＳＶをＧＮＤ側に切り替えて、リファレンスセンサＰ０と画素センサＰ１との差分信号Ｖ１を取得する。Ｓ１４の処理が終了すると、カウント処理へ移行する（Ｓ１６）。
【００３０】
Ｓ１６の処理では、制御部が、カウント値ｎをカウントアップする。Ｓ１６の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ１８）。
【００３１】
Ｓ１８の処理では、制御部が、Ｓ１８の処理でカウントしたカウント値ｎが画素数ｍよりも大きいか否かを判定する。Ｓ１８の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくないと判定した場合には、差分回路前処理へ再度移行する（Ｓ１２）。このように、全ての隣り合う画素センサＰｎ−１及び画素センサＰｎの差分信号Ｖｎを取得するまで、Ｓ１２〜Ｓ１８の処理を繰り返し実行する。なお、制御部は、繰り返し動作を１フレームの時間内に収まるように実行し、差分信号Ｖ１からＶｍまでをサンプル／ホールド回路２２に取り込む。また、サンプル／ホールド回路２２に蓄えられた各画素センサＰｎ間の差分信号Ｖｎは、スイッチ回路２３によりＡ／Ｄ変換器２４に送られ、デジタル信号に変換後、メモリに記憶されていく。
【００３２】
一方、Ｓ１８の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きいと判定した場合には、全ての画素センサについて差分信号Ｖｎを取得したことになるので、絶対値信号算出処理へ移行する（Ｓ２０）。
【００３３】
Ｓ２０の処理では、制御部がＳ１４の処理で取得された差分信号Ｖｎを用いて絶対値信号を算出する。なお、この部分は制御部に含まれる画素信号算出部が実行する。各差分信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、…、Ｖｍは、差分信号Ｖ１のみがリファレンスセンサＰ０との差分信号である。このため、差分信号Ｖ１（第１差分信号）のみ、画素センサＰ１が受光した赤外線の光量に比例した信号を得ることができる。しかし、差分信号Ｖ２以降は、隣の画素センサとの赤外線量の差分信号（第２差分信号）となる。よって、全体の画像を取得するためには演算する必要がある。各画素センサにおける赤外線光量に比例した信号をそれぞれ、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、…、Ｍｍとすると、Ｖｍは以下のように表現することができる。
【数１】
【００３４】
上式より、画素センサＰ２の絶対値信号Ｍ２を求めるには、Ｖ１−Ｖ２を計算すればよい。また、絶対値信号Ｍ２を算出した後であれば、絶対値信号Ｍ３は、絶対値信号Ｍ２＋差分信号Ｖ３によって算出することができる。以後、順次足し算及び引き算を施すことで、全ての画素センサＰｎの絶対値を以下のように求めることができる。
【数２】
なお、これらの計算は単純な足し算と引き算であり、ソフトウェアでもハードウェアでもリアルタイムで計算することは十分可能である。Ｓ２０の処理が終了すると、図５に示す制御処理を終了する。
【００３５】
以上で図５に示す制御処理を終了する。図５に示す制御処理を実行することで、隣り合う画素センサが接続された部分がアンプに繋がり、その差分信号が取得される。画素列の全体の長さは数[mm]となるため、ライン全体では画素センサの抵抗値に数％程度のバラツキが生ずる。しかしながら、隣接する画素センサ間であれば例えば数１０[um]程度しか離れていないため、素子形成時の半導体プロセス上の環境はほぼ等しくなり、接続される２画素センサ間の特性上の差異はほとんどない。そのため、無入力状態では、その分圧電圧はＶ／２となり、出力にオフセットは生じない。すなわち、半導体プロセスのバラツキの影響をほとんど受けない状態で画素間の差分信号を取得することが可能であるため、周囲温度の変化により発生するオフセットをほとんどゼロにすることができる。
【００３６】
また、図５に示す制御処理を実行することで、リファレンスセンサＰ０は１フレームの間に１回だけ通電される。したがって、全ての画素センサと接続されて複数回通電されることによってリファレンスセンサＰ０のみ自己発熱が極端に大きくなることを回避することができる。
【００３７】
次に、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの第２の信号取得動作を説明する。図６は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの第２の信号取得動作を示すフローチャートである。図６に示す制御処理は、例えば赤外線イメージセンサの電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図６に示す制御処理は、赤外線イメージセンサに備わる制御部（不図示）により実行されるものである。制御部は例えばＣＰＵ等の演算処理部を備えている。
【００３８】
最初に、制御部は初期処理を実行する（Ｓ３０）。Ｓ３０の処理は、図５のＳ１０の処理と同様であり、カウント値ｎを１に設定する。その後、制御部は差分回路前処理を実行する（Ｓ３２）。Ｓ３２の処理は、Ｓ１２の処理と同様であり、制御部が積分容量Ｃに蓄えられた電荷を放電する。Ｓ３２の処理が終了すると、差分信号取得・記憶処理へ移行する（Ｓ３４）。Ｓ３４の処理は、Ｓ１４の処理と同様であり、制御部が積分時間ｓで差分信号Ｖｎを取得して記憶する。Ｓ３４の処理が終了すると、カウント処理へ移行する（Ｓ３６）。
【００３９】
Ｓ３６の処理では、制御部が、カウント値ｎをカウントアップする。ここで、制御部はカウント値ｎに２を加算する。Ｓ３６の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ３８）。
【００４０】
Ｓ３８の処理は、Ｓ１８の処理と同様であり、制御部はＳ３６の処理でカウントしたカウント値ｎが画素数ｍよりも大きいか否かを判定する。Ｓ３８の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくないと判定した場合には、差分回路前処理へ再度移行する（Ｓ３２）。そして、Ｓ３４の処理でｎ＋２番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得する。このように、Ｓ３６の処理でカウント値を２ずつ加算し、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくなるまで、差分信号Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５、Ｖｍ−１のように差分信号Ｖの添え字の奇数番目のみ順次取得する。なお、制御部は、繰り返し動作を１／２フレームの時間内に収まるように実行し、取得した差分信号Ｖをサンプル／ホールド回路２２に取り込む。制御部は、繰り返し動作を１／２フレームの時間内に収まるように実行するために、画素数ｍに２を加算したｍ＋２で１フレーム時間を割って求まる時間Ｔに対して差分信号の積分時間ｓを等しいかあるいは短く設定する。
【００４１】
一方、Ｓ３８の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きいと判断した場合には、偶数判断処理へ移行する（Ｓ４０）。Ｓ４０の処理において、カウント値ｎが偶数でないと判断した場合には、ダミー通電処理へ移行する（Ｓ４４）。
【００４２】
Ｓ４４の処理では、制御部が図４に示すリファレンスセンサＰ０と画素センサＰｍとを接続する。このときスイッチＳｖを、電源Ｖ側に接続する。Ｓ４４の処理は、画素列の両端に配置されたセンサの通電回数を等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。以下、詳細を説明する。上述した第１の信号取得動作では、上記の差分信号Ｖｎを算出する式から理解することができるように、各画素センサＰｍは１ラインの中で２回通電される。例えば、画素センサＰ１は、差分信号Ｖ１を取得するとき及び差分信号Ｖ２を取得するときに通電される。このため、第１の信号取得動作では、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍの通電回数だけが他の画素センサの通電回数と異なる結果となる。すなわち、リファレンスセンサＰ０は差分信号Ｖ１を取得するときの１回だけ、画素センサＰｍは差分信号Ｖｍの信号を取得するときの１回だけの通電となる。このため、第２の信号取得動作では、信号取得のための通電以外に、リファレンスセンサＰ０と画素センサＰｍとを接続した通電目的のみの操作も追加し、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍも他の画素センサと同じように２回通電されるようにする。Ｓ４４の処理で全ての画素で同じ自己発熱となる。Ｓ４４の処理が終了すると、時間調整処理へ移行する（Ｓ４５）。
【００４３】
Ｓ４５の処理では、制御部が１／２フレーム時間に達するまで待機する処理である。各差分信号の取得は短時間で終了することもあるが、自己発熱の放熱をしてから後半（偶数番目）の差分信号の取得をするためである。この処理により、後半の信号取得処理開始を１／２フレーム経過まで遅延させ、前半（奇数番目）の信号取得により発熱した素子を十分放熱させることができる。なお、待ち時間が０時間となることもある。前半及び後半のトータルの信号取得時間をそれぞれ１／２フレーム時間に設定することが好ましい。又は、ダミーセンサＰｄを配置して、Ｐ０とＰｍとのダミー通電を独立に行ってもよい。Ｓ４５の処理が終了すると、カウントリセット処理へ移行する（Ｓ４６）。
【００４４】
Ｓ４６の処理では、制御部がカウント値ｎを２に設定する。すなわち、偶数から開始するように設定する。なお、上述のように積分時間ｓを設定しているため、奇数番目の差分信号の取得とダミー通電は１フレーム時間の前半１／２フレーム時間内に終了し、差分信号Ｖ２の信号取得を差分信号Ｖ１の信号取得から１／２フレーム時間遅らせた時刻に開始することができる。Ｓ４６の処理が終了すると、差分回路前処理へ再度移行する（Ｓ３２）。そして、制御部は、Ｓ３４の処理で差分信号Ｖ２を取得し、Ｓ３６の処理でカウント値ｎに２を加算し、Ｓ３８の処理で、Ｓ３６の処理においてカウントされたカウント値ｎが画素数ｍよりも大きいか否かを判定する。Ｓ３８の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくないと判定した場合には、差分回路前処理へ再度移行する（Ｓ３２）。そして、Ｓ３４の処理でｎ＋２番目の差分信号Ｖを取得する。このように、Ｓ３６の処理でカウント値を２ずつ加算し、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくなるまで、差分信号Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６、Ｖｍのように差分信号Ｖの添え字の偶数番目のみ順次取得する。一方、Ｓ３８の処理でカウント値ｎがｍより大きいと判定した場合には、偶数判断処理へ移行する（Ｓ４０）。Ｓ４０の処理において、カウント値ｎが偶数でないと判断した場合には、絶対値信号算出処理へ移行する（Ｓ４２）。
【００４５】
Ｓ４２の処理では、画素信号算出部がＳ３４の処理で取得された差分信号Ｖｎを用いて絶対値信号Ｍｍを算出する。なお、この処理はＳ２０の処理と同様である。Ｓ４２の処理が終了すると図６に示す制御処理を終了する。
【００４６】
以上で図６に示す制御処理を終了する。図６に示す制御処理を実行することで、図５に示す制御処理を実行する場合と同様に、半導体プロセスのバラツキの影響をほとんど受けない状態で画素間の差分信号を取得することができるため、周囲温度の変化により発生するオフセットを、ほとんどゼロにすることが可能となる。
【００４７】
また、図６に示す制御処理を実行することで、リファレンスセンサＰ０は１フレームの間に２回通電される。したがって、全ての画素センサと接続されて複数回通電されることによってリファレンスセンサＰ０のみ自己発熱が大きくなることを回避することができるとともに、リファレンスセンサＰ０の通電回数と画素センサの通電回数を等しくすることができる。
【００４８】
さらに、図６に示す制御処理を実行することによって、奇数番目の差分信号Ｖが取得された後に偶数番目の差分信号Ｖが取得される。このように通電することによって、一度通電された画素センサを連続で通電することを回避することができる。すなわち、自己発熱の放熱時間を確保することが可能となるため、放熱後の画素センサを用いて差分信号を取得することができる。
【００４９】
以下では自己発熱の放熱時間について図７，８を用いて詳細に説明する。図７は、図５に示す順次信号取得時における画素センサごとの温度上昇量の時間依存性を示し、図８は、図６に示す偶奇順信号取得時における画素センサごとの温度上昇量の時間依存性を示している。図７に示すように、差分信号の取得をＶ１、Ｖ２、Ｖ３…の順で行うと、１個前の信号取得時に片側の画素センサが通電されているため、既に通電された画素センサとまだ通電されていない（実際には、１フレーム前に通電されているが、時定数に対して長い時間が経過しており、放熱はほとんど完了している）センサとの差分信号を取得することになるため、自己発熱の温度上昇量を完全にキャンセルすることはできない。
【００５０】
自己発熱の温度上昇量は、画素センサの抵抗において消費される電力に比例する。この電力をＰｈ[W]、センサの熱コンダクタンスをＧｔ、センサの熱容量をＣｔ、センサの時定数をτ=Ｃｔ／Ｇｔ、通電開始からの時間をｔとすると、ｔ時間後に到達する自己発熱による温度上昇ｄＴｈは、以下の式１で表される。
【数３】
【００５１】
すなわち、上記式１で表される温度上昇がオフセットとして信号に上乗せされることになる。オフセット分が実際の信号に対してどの程度の大きさになるかを見積もると以下のようになる。例えば、３２０×２４０の画素数のイメージセンサとし、各行に積分アンプ２１を配置してスイッチＳｍで切り替えて画素センサＰｍの信号を読み取るとする。この場合、１フレームの１／３２０の時間内、すなわち、３３[msec]／３２０＝約１００[usec]内に読み取る必要がある。このため、積分時間ｓは約１００[usec]以下の値となる。この時間をｓとし、τは１フレームの１／３、すなわち、１０[msec]程度に設定すれば、ｓ／τ＜＜１となる。このため、上記式１を積分した式は、近似式として以下の式２で与えられる。
【数４】
【００５２】
一方、信号の発熱に寄与するエネルギーをＰｓ[W]、その温度上昇分をｄＴｓとすると、時間ｓでの積分された信号分は、以下の式３となる。
【数５】
よって、得られる信号(トータルの温度上昇分)ｄＴは、以下の式４となる。
【数６】
上記式４の括弧[]内の第２項が、自己発熱によるオフセットであり、これが、第１項の信号分に対して、どの程度の大きさかが重要となる。
【００５３】
例えば、Ｆ値１．０のレンズを用いて、画素サイズ５０[um]の検出器に集光されるエネルギーは、人体３６[℃]から発せられる赤外線に対しては、数１０[nW]程度である。検出器の抵抗を１００[kΩ]とし、両端に２Ｖ印加した場合には、電力Ｐｈは以下の式５となる。
【数７】
積分時間ｓを最大の積分時間１００[usec]とすると、ｓ／τ=０．０１となるので、オフセットは以下の式６となる。
【数８】
式６に示すように、発熱に寄与するエネルギーＰｓに対して１桁大きくなり無視できない。印加電圧又は抵抗は設計の範囲で変更することが可能である。しかし、このような手法で自己発熱を下げることは、検出器に流す電流も下げることを意味し、信号電力を小さくなる。このため、他の雑音に対するマージンが小さくなる。よって、信号電力と同等の自己発熱発生は、避けられないのが実状である。通電解除後は、自己発熱によって発生した温度上昇は同じ時定数τで降下していき、時間ｔ秒後の温度上昇分は、以下の式７で表される。
【数９】
【００５４】
ここで、図８に示すように、本実施形態に係る赤外線イメージセンサでは、奇数番目と偶数番目にグループ分けして通電することで、連続して通電することを回避し放熱時間を確保している。信号の積分時間ｓは、１フレーム時間を画素数＋２で割った時間Ｔに対して等しいかあるいは短く設定されている。これにより、奇数番目の差分信号Ｖｍ取得と、ダミー通電（差分信号Ｖ０の取得）は、１フレーム時間の前半１／２フレーム時間内に終了し、差分信号Ｖ２の信号取得を差分信号Ｖ１の信号取得から１／２フレーム時間遅らせた時刻に開始することができる。この遅延時間をＴｄとすると、差分信号Ｖ２取得開始時点において、画素センサＰ１は、遅延時間Ｔｄ時間前にリファレンスセンサＰ０と共に差分信号Ｖ１の信号取得のために通電を開始し、Ｔｄ−ｓ時間前に通電を完了した状態となるため、画素センサＰ１の自己発熱による温度上昇分は、時定数τで、Ｔｄ−ｓ時間分放熱される。この時の放熱し切れなかった分は、式７より計算でき、約２０％程度オフセットとして残る。
【００５５】
差分信号Ｖ２の信号取得では、画素センサＰ１と画素センサＰ２の差分を取得するので、画素センサＰ２の自己発熱残存分も考慮しなければならない。画素センサＰ３は、最初の画素センサＰ１の通電後ｓ時間後に、差分信号Ｖ３取得のために通電を開始し、２・ｓ時間後に通電を完了した状態となるため、差分信号Ｖ２取得開始時間に対しては、Ｔｄ−２・ｓ時間分、自己発熱が放熱される。この放熱時間は、画素センサＰ１と時間ｓだけ差があるが、ＮＴＳＣ（National Television System Committee）におけるビデオレートの場合、遅延時間Ｔｄは約１６[msec]で、ｓは０．１[msec]以下であるので、その差は非常に小さく、画素センサＰ２の自己発熱残存分もほぼ２０％と考えてよい。さらに、差分信号Ｖ２取得時では、画素センサＰ１と画素センサＰ２との差分を計算するため、ｓ時間分の差を除き、自己発熱の残存分もキャンセルすることができる。なお、全ての画素センサＰｍとリファレンスセンサＰ０とを比較する従来の手法では、積分時間ｓを短くしても信号取得間隔Ｔを短くすることは、リファレンスセンサＰ０の自己発熱の放熱が行われなくなるためできない。一方、本実施形態に係る赤外線イメージセンサでは、同じ素子に連続で通電することを回避しているため、積分時間ｓと信号取得間隔Ｔとを同じにすることができる。積分時間ｓと信号取得間隔Ｔとを同一とする方が、二つのセンサの自己発熱残存分を近づけることができる。この自己発熱分のキャンセル機構を図で示したものが図８となる。
【００５６】
次に、上述したキャンセル機構を式で説明する。最初に差分信号Ｖ１取得のために通電された画素センサＰ１は、積分時間ｓ経過後、通電ＯＦＦとなり、放熱が開始される。通電ＯＦＦ後の自己発熱分のオフセットは、式７で与えられるが、式７のｔがＴｄ−ｓ経過した時に、再び、差分信号Ｖ２取得のために通電され、積分時間ｓの間積分された分が信号のオフセットとなる。オフセットの大きさは、式８で与えられる。
【数１０】
【００５７】
一方、差分信号Ｖ２取得時に同時に通電される画素センサＰ２は、Ｔｄ−ｓ時間前に通電され、Ｔｄ−２・ｓ時間前に通電ＯＦＦされている。この場合のオフセットの大きさは、式９で与えられる。
【数１１】
【００５８】
差分信号Ｖ２取得時は、この差分がオフセットとなるので、最終的な信号に重畳されるオフセット分は、以下の式１０で与えられる。
【数１２】
【００５９】
ここで、対比のために、全ての画素センサＰｍとリファレンスセンサＰ０との差分信号を取得する場合を説明する。１フレームの時間を１ラインの画素数で割った時間をＴとすると、Ｔ時間ごとに画素の読み取りを行わなければならないため、リファレンス画素Ｐ０には、Ｔ時間毎に通電による自己発熱が発生する。ある画素で通電開始する瞬間を考えると、Ｔ時間前、２Ｔ時間前、３Ｔ時間前…の各時間において発生した温度上昇の放熱しきれなかった分がオフセットｄＴｏｆｆとして残る。オフセットｄＴｏｆｆは以下の式１１で表される。
【数１３】
なお、上記式１１では時間Ｔはτに対して十分短い時間であるという近似を行っている。ｓ時間での積分により積算されるオフセット分は、式１１に時間ｓを乗じた値となる。全ての画素センサＰｍとリファレンスセンサＰ０との差分信号を取得する手法では、式４で示された括弧[]内の第２項は消去されるが、式１１で示される項が新たに加わるため、結局、オフセットは次式となる。
【数１４】
【００６０】
第１実施形態の手法（すなわちリファレンスセンサＰ０と画素センサＰ１との差分信号及び画素センサＰｍ間の差分信号を用いる手法）と、全ての画素センサＰｍとリファレンスセンサＰ０との差分信号を取得する手法とを対比する。式１０で与えられるオフセット分の括弧[]内の項と、他の方式で与えられる式１２や式４の括弧[]内の第２項を比較する。まず、式１０で与えられるオフセット分の括弧[]内の項は、式１２で与えられるオフセット分より小さいのは明らかである。一方、第１実施形態の手法では、遅延時間Ｔｄが１／２フレーム時間、τが１／３フレーム時間程度であることを考えると、積分時間ｓを１００[usec]とした場合であってもオフセットは、Ｅｘｐ（−Ｔｄ／τ)＊(ｓ／τ)≒０．２２＊０．１[ms]／１０[ms]〜０．００２２となる。このため、式４の０．５＊Ｐｈ＊(ｓ／τ)に対し、０．００２＊Ｐｈ＊(ｓ／τ)となり、１／２５０のオフセットとなる。
【００６１】
式６で示したように、体温３６[℃]の人体からの信号に対する画素への入射エネルギー数１０[nW]に対し、式１２では２００[nW]という無視できない自己発熱によるオフセットがあった。これに対して、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサでは、１[nW]以下のオフセットに抑えることができる。これは、積分アンプ２１のダイナミックレンジを圧迫するほどの大きさではなく、十分校正値としてあらかじめ取得しておき、除去できる量になる。
【００６２】
なお、リファレンスセンサＰ０と最終画素センサＰｍは、ダミー通電（差分信号Ｖ０取得）を行うことで通電を２回行うが、他の画素と異なり、隣接する画素同士の通電ではない。そのため、半導体プロセスでの面内バラツキ数％の特性差が生ずる可能性がある。しかし、ダミー通電は通電することにのみに意味があり、信号取得時と同じ条件で自己発熱が発生するかどうかが重要となる。本実施形態の差分回路からわかるように、センサが接続される積分アンプ２１のマイナス入力は、イマジナリショートにより常に電圧Ｖｍ＝Ｖ／２となる。このため、素子の両端に印加される電圧は、どの素子同士を接続しても常に同じ状態となる。よって、リファレンスセンサＰ０は、画素センサＰ１と接続されるときも、最終画素センサＰｍと接続されるときも同じ量の自己発熱が発生することになり、本実施形態の自己発熱のキャンセル機構は有効に働くことになる。
【００６３】
また、上記の例では、積分時間ｓを１００[usec]とし、各画素の信号取得に必要な最大時間間隔Ｔを１００[usec]と同じにした。積分時間ｓは、Ｓ／Ｎ比をよくするためには、長い方がよい。しかし、他の雑音と信号との間である程度のマージンがあれば、積分時間ｓを短くすることができる。この場合、式４や、式１２で与えられる他の方法では、自己発熱のオフセットは、積分時間ｓの長さに比例して小さくなる。これに対して、本実施形態に係る方式では、式１０に示すとおり、オフセット分は積分時間ｓの２乗に比例して小さくなる。
【００６４】
以上、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、画素間の差分信号を用いることで、画素領域に含まれる画素全てと１つのリファレンス画素とを比較する必要がなくなるため、リファレンス画素の自己発熱量と検出用の画素の自己発熱量との差分を小さくすることができる。よって、自己発熱量を十分に補償しつつ、感度を確保することができる。このように、自己発熱による温度変化のハードウェア的な補償を、開口率を下げずに実現でき、低コストで小型な赤外線カメラの実現が可能となる。
【００６５】
また、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、リファレンス画素を少なくとも一つの画素列の一端に配置するため、赤外線イメージセンサの感度に影響しないようにリファレンス画素を配置することができる。
【００６６】
また、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、隣接する画素の差分信号を利用するため、使用環境における温度変化が与える影響や、素子形成面内の異なる位置における特性のバラツキが与える影響を低減することができる。
【００６７】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る赤外線イメージセンサは、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサとほぼ同様に構成されるものであり、画素センサＰｍに隣接するリファレンスセンサとして画素センサＰｍ＋１が配置され、さらに、ダミーのリファレンスセンサＰｄが画素センサＰ０の隣り、あるいは、画素センサＰｍ＋１の隣に配置されている点が相違する。以下では、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一の部分は説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００６８】
本実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成は、図１に示す第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一である。図９は、受光部１２の各行における積分アンプ２１までの回路（差分回路）を詳細に示す回路図である。図９に示すように、受光部１２の１ライン部分は、ｍ＋１（ｍ：整数）個の画素センサＰｍ＋１と１個のリファレンスセンサＰ０、１個のダミーのリファレンスセンサＰｄ及び所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙ（ｘ，ｙ：整数）を積分アンプ２１と接続するためのスイッチＳｄ，Ｓｍ＋１を備えて構成される。すなわち、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの回路に比べて、ダミーのリファレンスセンサＰｄ及びリファレンスセンサとして機能する画素センサＰｍ＋１が追加された点、リファレンスセンサＰｄのみ、一端部にスイッチＳｄが接続され他端部にスイッチＳｖが接続されている点が相違し、その他の部分は同一である。
【００６９】
次に、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの信号取得動作を説明する。図６は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの第２の信号取得動作を示すフローチャートである。図６に示す制御処理は、例えば赤外線イメージセンサの電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図６に示す制御処理は、赤外線イメージセンサに備わる制御部（不図示）により実行されるものである。制御部は例えばＣＰＵ等の演算処理部を備えている。
【００７０】
最初に、制御部は初期処理を実行する（Ｓ５０）。Ｓ５０の処理は、図５のＳ１０の処理と同様であり、カウント値ｎを１に設定する。その後、差分回路前処理へ移行する（Ｓ５６）。
【００７１】
Ｓ５６の処理は、Ｓ１２の処理と同様であり、制御部が積分容量Ｃに蓄えられた電荷を放電する。Ｓ５６の処理が終了すると、差分信号取得・記憶処理へ移行する（Ｓ５８）。Ｓ５８の処理は、Ｓ１４の処理と同様であり、制御部が積分時間ｓで差分信号Ｖｎを取得して記憶する。Ｓ５８の処理が終了すると、カウント処理へ移行する（Ｓ６０）。
【００７２】
Ｓ６０の処理では、制御部が、カウント値ｎをカウントアップする。ここで、制御部はカウント値ｎに２を加算する。Ｓ６０の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ６２）。
【００７３】
Ｓ６２の処理は、Ｓ１８の処理と同様であり、制御部はＳ６０の処理でカウントしたカウント値ｎが画素数ｍよりも大きいか否かを判定する。Ｓ６２の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくないと判定した場合には、差分回路前処理へ移行する（Ｓ５６）。その後、Ｓ５８の処理でｎ＋２番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得する。このように、Ｓ６０の処理でカウント値を２ずつ加算し、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくなるまで、差分信号Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５、Ｖｍ−１のように差分信号Ｖの添え字の奇数番目のみ順次取得する。なお、制御部は、繰り返し動作を１／２フレームの時間内に収まるように実行し、取得した差分信号Ｖをサンプル／ホールド回路２２に取り込む。
【００７４】
一方、Ｓ６２の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きいと判断した場合には、偶数判断処理へ移行する（Ｓ６４）。Ｓ６４の処理において、カウント値ｎが偶数でないと判断した場合には、ダミー通電処理へ移行する（Ｓ６６）。Ｓ６６の処理では、制御部が図９に示すダミーのリファレンスセンサＰｄと画素センサＰｍ＋１とを接続する。このときスイッチＳｖを、ＧＮＤ側に接続する。Ｓ６６の処理は、画素センサＰｍ＋１の通電回数を他のセンサの通電回数と等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。Ｓ６６の処理が終了すると、１／２フレーム経過するまで待機する処理へ移行する（Ｓ６７）。この処理により、後半の信号取得処理開始を１／２フレーム経過まで遅延させ、前半の信号取得により発熱した素子を十分放熱させることができる。続いて、カウントリセット処理へ移行する（Ｓ６８）。
【００７５】
Ｓ６８の処理では、制御部がカウント値ｎを２に設定する。すなわち、偶数から開始するように設定する。Ｓ６８の処理が終了すると、ダミー通電処理へ移行する（Ｓ６９）。Ｓ６９の処理では、制御部が図９に示すダミーのリファレンスセンサＰｄとリファレンスセンサＰ０とを接続する。このときスイッチＳｖを、電源Ｖ側に接続する。Ｓ６９の処理は、リファレンスセンサＰ０の通電回数を他のセンサの通電回数と等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。Ｓ６９の処理が終了すると、差分回路前処理へ移行する（Ｓ５６）。そして、制御部は、Ｓ５８の処理で差分信号Ｖ２を取得し、Ｓ６０の処理でカウント値ｎに２を加算し、Ｓ６２の処理で、Ｓ６０の処理においてカウントされたカウント値ｎが画素数ｍよりも大きいか否かを判定する。Ｓ６０の処理において、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくないと判定した場合には、差分回路前処理へ再度移行する（Ｓ５６）。そして、Ｓ５８の処理でｎ＋２番目の差分信号Ｖを取得する。このように、Ｓ６０の処理でカウント値を２ずつ加算し、カウント値ｎが画素数ｍよりも大きくなるまで、差分信号Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６、Ｖｍのように差分信号Ｖの添え字の偶数番目のみ順次取得する。一方、Ｓ６２の処理でカウント値ｎがｍより大きいと判定した場合には、偶数判断処理を行う（Ｓ６４）。
【００７６】
ここまでの処理に関して、第１実施形態との違いを説明する。第１実施形態では、画素センサＰｍとリファレンスセンサＰ０を通電目的で接続し、２回の通電になるようにした。これに対して、本実施形態では、画素センサＰｍはリファレンスセンサである画素センサＰｍ＋１と接続して、画素センサＰｍと画素センサＰｍ＋１の差分信号Ｖｍ＋１を取得する。これにより、画素センサＰｍは、差分信号Ｖｍ取得時と、差分信号Ｖｍ＋１取得時の２回通電される。一方、このままではリファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍ＋１は１回だけの通電になるため、リファレンスセンサＰ０とダミーのリファレンスセンサＰｄを接続したダミー通電と、画素センサＰｍ＋１とダミーのリファレンスセンサＰｄとを接続したダミー通電の２つの操作を追加して、全てのセンサで同じ自己発熱になるようにしている。なお、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍ＋１を接続してリファレンスセンサＰ０の通電回数を２回にすることも考えられるが、通電間隔を全てのセンサにおいて１／２フレーム時間にするために上記の通りとする。
【００７７】
また、上述の通り、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、前半と後半にわけて、奇数番目の信号取得と偶数番目の信号取得を行う。Ｓ５０〜Ｓ６８の処理を実行することで、信号取得に関わるリファレンスセンサＰ０への通電は、前半の最初に行われ、後半の最後にリファレンスセンサＰｍ＋１への通電が行われる。全てのセンサに対し等間隔で通電を行うために、前半の最後にリファレンスセンサＰｍ＋１へのダミー通電を行い、後半の最初にリファレンスセンサＰ０へのダミー通電を行う。この通電のために、ダミーのリファレンスセンサＰｄが用いられる。なお、ダミー通電のとき、リファレンスセンサＰｄを接続しなければ、リファレンスセンサＰ０あるいはＰｍ＋１に流れる電流全てがアンプ側の積分容量に流れ込み、積分アンプ２１が飽和することになる。積分アンプ２１のマイナス入力は、イマジナリショートにより、電圧Ｖｍ＝Ｖ／２になっているが、積分アンプ２１が飽和するとイマジナリショートが働かなくなって、結果としてセンサに流れる電流が変化してしまう。このため、ダミーのリファレンスセンサＰｄを設ける必要がある。ただし、積分アンプ２１の電流供給能力が十分あれば、スイッチＳｒをショートして積分アンプ２１を飽和させないようにすることができるため、その場合には、ダミーのリファレンスセンサＰｄを省略することが可能である。
【００７８】
Ｓ６２の処理でカウント値ｎがｍより大きいと判定した場合には、偶数判断処理へ移行する（Ｓ６４）。Ｓ６４の処理において、カウント値ｎが偶数でないと判断した場合には、絶対値信号算出処理へ移行する（Ｓ７０）。
【００７９】
Ｓ７０の処理では、画素信号算出部がＳ５８の処理で取得された差分信号Ｖｎを用いて絶対値信号Ｍｍを算出する。絶対値信号Ｍｍの算出手法の説明の前に、まず、第１実施形態における、式１０で与えられるオフセット分を含めた絶対値画像算出式を整理する。今、最初に通電され、Ｔｄ−ｓ時間経過して再び通電される画素において、式８で与えられるオフセット分∫ｄＴｈ１をｄＭ１とし、次に通電されＴｄ−２・ｓ時間経過後に通電される、式９で与えられるオフセット分を∫ｄＴｈ２をｄＭ２とし、ｄＭ２−ｄＭ１＝ｄＭとする。各画素のオフセット分は、１ラインで数％程度の特性バラツキがあったとしても、そのバラツキ分は、引き算したｄＭに対して数％異なるだけであり、ｄM自体が小さいことを考慮すれば、無視できるレベルである。すなわち、全ての信号取得におけるオフセットｄMは同じ値と見なして問題ない。よって、差分信号Ｖｎは、次のように表される。
【数１５】
よって、絶対値Ｍｘ'は以下のようにオフセットを含んだ形で計算される。
【数１６】
【００８０】
すなわち、１ラインの画素数を３２０とすると、ｍ番目の画素のオフセットは、ｄＭの３２０倍のオフセットを持つことになる。第１実施形態の例で積分時間ｓを１００[usec]とした場合、式４で与えられるオフセットに対して、ｄＭは１／２５０となったが、これを３２０倍したｍ番目の画素のオフセットは、明らかに、式４で与えられるオフセットより大きくなる。ただし、このことは、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの手法が悪い方法ということにはならない。なぜならば、積分アンプ２１で検出しているオフセットは、あくまでもｄＭであり、式４で与えられるオフセットに比べて２桁以上小さな値である。このため、積分アンプ２１やＡ／Ｄ変換器２４のダイナミックレンジを圧迫するものではない。上記のｍ倍されたオフセットは、あくまでも計算機上での演算結果であり、容易に校正値として差し引くことが可能な値である。また、第１実施形態で述べたように、ｄＭは、積分時間ｓの２乗で小さくなるため、積分時間ｓを少し短くするだけで、十分小さなオフセットにすることもできる。
【００８１】
次に、Ｓ７０の処理で実行される本実施形態に係る自己発熱分のキャンセル方法について説明する。前述のように、ｍ番目の外にもリファレンスセンサとして機能する画素センサＰｍ＋１を追加して、画素センサＰｍと画素センサＰｍ＋１との差分信号Ｖを取得するが、このとき得られる差分信号Ｖｍ＋１も差分信号Ｖ１同様の絶対値信号（第１差分信号）となる。リファレンスセンサＰ０だけの場合には、差分信号Ｖ１から順にＶ２，Ｖ３，Ｖ４…を足し引きしながら絶対値信号Ｍを求める。これに対して、画素センサＰｍ＋１を追加すると、ｍ側から１番目の画素に向かって、足し引きしても各画素センサの絶対値信号を求めることができる。添え字の小さいほうからの絶対値の計算値と大きい方からの絶対値の計算値を整理すると次式のようになる。
【数１７】
【数１８】
この２セットのデータを使って重み付け平均を計算する。例えば、平均値Ｍ１'''として、Ｍ１'とＭ１''に対してｍ：１の重み付けをして平均化すると以下のようになる。
【数１９】
このように、式の上では、完全に自己発熱によるオフセットを消去することができる。実際には、全ての差分信号ＶｍにおけるｄＭが完全に同じではないため、完全には消去できないが、そのバラツキは、前述したようにｄＭに対して数％程度と考えられる。このため、実使用上は完全に消去できると考えても問題ない。よって、この方法ならば、定期的に校正値を取得する必要はなくなる。Ｓ７０の処理を終了すると、図１０に示す制御処理を終了する。
【００８２】
以上で図１０に示す制御処理を終了する。図１０に示す制御処理を実行することで、図５に示す制御処理を実行する場合と同様に、半導体プロセスのバラツキの影響をほとんど受けない状態で画素間の差分信号を取得することができるため、周囲温度の変化により発生するオフセットを、ほとんどゼロにすることが可能となる。
【００８３】
また、図１０に示す制御処理を実行することで、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍ＋１は１フレームの間に２回通電される。したがって、全ての画素センサと接続されて複数回通電されることによってリファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍ＋１のみ自己発熱が大きくなることを回避することができるとともに、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰｍ＋１の通電回数と画素センサの通電回数を等しくすることができる。
【００８４】
また、図１０に示す制御処理を実行することによって、奇数番目の差分信号Ｖが取得された後に偶数番目の差分信号Ｖが取得される。このように通電することによって、一度通電された画素センサを連続で通電することを回避することができる。すなわち、自己発熱の放熱時間を確保することが可能となるため、放熱後の画素センサを用いて差分信号を取得することができる。
【００８５】
また、図１０に示す制御処理を実行することによって、第１実施形態ではキャンセルしきれなかった式１０で示されるオフセットをキャンセルすることができる。このオフセットは、あらかじめ校正値として取得することで、実画像データから差し引くことも可能である。しかし、自己発熱は、センサの抵抗値の変化で異なる量になるため、周囲温度が変化すると検出器自体の抵抗値が変化し、オフセットも変化する。よって、定期的に校正の取得が必要となる。本実施形態に係る赤外線イメージセンサを採用することでオフセットが変化した場合であっても自己発熱を適切に排除することができる。
【００８６】
また、第１実施形態では、積分時間ｓを極端に短くすると、リファレンスセンサＰ０の通電間隔が１／２フレーム時間からずれてくる。他のセンサは全て１／２フレーム毎に通電されるが、リファレンスセンサＰ０のみ差分信号Ｖ１取得時と差分信号Ｖ０取得時に通電される。このため、積分時間ｓを短くすると、前半の信号取得時間が短くなり、差分信号Ｖ１と差分信号Ｖ０の通電タイミングが近づき、結果としてリファレンスセンサＰ０のみ通電時間間隔が一定でなくなる。これに対して第２実施形態では、ダミーのリファレンスセンサＰｄを備えており、前半の最後と後半の最初にダミー通電するため、積分時間ｓを短くしても全てのセンサに対して等間隔で通電を行うことができる。
【００８７】
以上、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、周囲温度変化や自己発熱による温度変化のハードウェア的な補償を、開口率を下げずに実現でき、低コストで小型な赤外線カメラの実現が可能となる。
【００８８】
また、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、リファレンス画素を少なくとも一つの画素列の両端に配置するため、２つのリファレンス画素それぞれを基準とした画素の信号を求めて平均化することにより自己発熱による影響を一層低減させることができる。
【００８９】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る赤外線イメージセンサは、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサとほぼ同様に構成されるものであり、リファレンスセンサＰａ（第１実施形態に係る赤外線イメージセンサのリファレンスセンサＰ０に対応）に隣接するリファレンスセンサＰｂが配置される点、ダミーのリファレンスセンサＰｄがリファレンスセンサＰｂの隣り、あるいは、画素センサＰｍの隣に配置されている点、及び、隣り合う画素の片端が電源ＶとＧＮＤに交互に接続されているのではなく、２つの画素ずつ電源ＶとＧＮＤに交互に接続されている点が相違する。以下では、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一の部分は説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００９０】
本実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成は、図１に示す第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一である。図１１は、受光部１２の各行における積分アンプ２１までの回路（差分回路）を詳細に示す回路図である。図１１に示すように、受光部１２の１ライン部分は、ｍ（ｍ：整数）個の画素センサＰｍと２個のリファレンスセンサＰａ，リファレンスセンサＰｂ、１個のダミーのリファレンスセンサＰｄ（不図示）及び所定の２つの画素センサＰｘ，Ｐｙ（ｘ，ｙ：整数，ａ，ｂ）を積分アンプ２１と接続するためのスイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｍを備えて構成される。すなわち、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの回路に比べて、リファレンスセンサＰｂ及びダミーのリファレンスセンサＰｄが追加された点、ダミーのリファレンスセンサＰｄのみ、一端部にスイッチＳｄが接続され他端部にスイッチＳｖが接続されている点が相違する。さらに、リファレンスセンサＰａ、リファレンスセンサＰｂ及び画素センサＰｍは、隣り合う２つの画素同士を一組として、組ごとに画素の端部の接続先が異なる構成とされている。例えば、リファレンスセンサＰａ，Ｐｂ、画素センサＰ１，Ｐ２、画素センサＰ３，Ｐ４、画素センサＰ５，Ｐ６…と一組が形成されており、これらの組ごとに電源ＶとＧＮＤに交互に接続されている。すなわち、２つの画素ずつ電源ＶとＧＮＤに交互に接続されている。その他の部分は第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一である。なお、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサと同様に、積分アンプ２１の電流供給能力に余裕があれば、スイッチＳｒをショートして通電することでダミーのリファレンスセンサＰｄを不要としてもよい。
【００９１】
次に、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの信号取得動作を説明する。図１２は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの信号取得動作を示すフローチャートである。図１２に示す制御処理は、例えば赤外線イメージセンサの電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図１２に示す制御処理は、赤外線イメージセンサに備わる制御部（不図示）により実行されるものである。制御部は例えばＣＰＵ等の演算処理部を備えている。
【００９２】
最初に、制御部は初期処理を実行する（Ｓ８０）。Ｓ８０の処理は、図５のＳ１０の処理とほぼ同様であり、ｋを１に設定し、カウント値ｎをｋに設定する。ｋは繰り返し処理の実行回数及び繰り返し処理の先頭の画素センサ番号を規定するものである。その後、制御部はカウント値判定処理へ移行する（Ｓ８２）。Ｓ８２の処理では、制御部はカウント値ｎが４であるか否かを判定する。Ｓ８２の処理でカウント値ｎが４でないと判定した場合には、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ８６）。Ｓ８６の処理では、制御部はカウント値ｎが３であるか否かを判定する。Ｓ８６の処理でカウント値ｎが３でないと判定した場合には、差分回路前処理へ移行する（Ｓ９０）。
【００９３】
Ｓ９０の処理は、Ｓ１２の処理と同様であり、制御部が積分容量Ｃに蓄えられた電荷を放電する。Ｓ９０の処理が終了すると、差分信号取得・記憶処理へ移行する（Ｓ９２）。Ｓ９２の処理は、Ｓ１４の処理とほぼ同様であり、制御部が積分時間ｓで差分信号Ｖｎを取得して記憶する。なお、差分信号Ｖ１を取得する場合には、画素センサＰａと画素センサＰ１とを接続して取得する。差分信号Ｖ２を取得する場合には、画素センサＰｂと画素センサＰ２とを接続して取得する。また、差分信号Ｖｎを取得する場合には、画素センサＰｎ−２と画素センサＰｎとを接続して取得する。このように、隣接する画素ではなく、一つおきの画素ごとを接続して差分信号を取得する。Ｓ９２の処理が終了すると、カウント処理へ移行する（Ｓ９４）。
【００９４】
Ｓ９４の処理では、制御部が、カウント値ｎをカウントアップする。ここで、制御部はカウント値ｎに４を加算する。Ｓ９４の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ９６）。
【００９５】
Ｓ９６の処理は、Ｓ１８の処理と同様であり、制御部はＳ９４の処理でカウントしたカウント値ｎが画素数ｍから３を減算したｍ−３よりも大きいか否かを判定する。Ｓ９６の処理において、カウント値ｎがｍ−３よりも大きくないと判定した場合には、カウント値判定処理へ再度移行する（Ｓ８２）。そして、Ｓ８２の処理において、カウント値ｎが４でないと判定した場合にはＳ８６の処理へ移行し、Ｓ８６の処理において、カウント値ｎが３でないと判定した場合には差分回路前処理へ移行する（Ｓ９０）。その後、Ｓ９２の処理でｎ＋４番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得する。このように、Ｓ９４の処理でカウント値を４ずつ加算し、カウント値ｎがｍ−３よりも大きくなるまで、差分信号Ｖ１，Ｖ５，Ｖ９、Ｖｍ−３のように所定の差分信号Ｖのみ順次取得する。
【００９６】
一方、Ｓ９６の処理において、カウント値ｎがｍ−３よりも大きいと判断した場合には、繰り返し回数判定処理へ移行する（Ｓ９８）。Ｓ９８の処理では、制御部が繰り返し回数ｋが３より小さいか否かを判定する。Ｓ９８の処理において、繰り返し回数ｋが３より小さいと判定した場合には、ダミー通電処理へ移行する（Ｓ１００）。
【００９７】
Ｓ１００の処理では、制御部が図１１に示す画像センサＰｍ＋ｋ−２とダミーのリファレンスセンサＰｄ（不図示）とを接続する。Ｓ１００の処理は、画像センサＰｍ＋ｋ−２の通電回数を他のセンサの通電回数と等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。Ｓ１００の処理が終了すると、１／４フレーム経過するまで待機する処理へ移行する（Ｓ１０１）。この処理により、これまでの信号取得により発熱した素子を十分放熱させることができる。その後、繰り返し回数ｋのカウントアップ処理へ移行する（Ｓ１０２）。
【００９８】
Ｓ１０２の処理では、制御部が繰り返し回数ｋのカウントアップとカウント値ｎを初期化する。制御部は、ここで、制御部は繰り返し回数ｋに１を加算するとともに、カウント値ｎをｋに設定する。Ｓ１０２の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ１０４）。
【００９９】
Ｓ１０４の処理では、制御部は繰り返し回数ｋが４より大きいか否かを判定する。Ｓ１０４の処理において、繰り返し回数ｋが４より大きくないと判定した場合には、カウント値判定処理へ再度移行する（Ｓ８２）。そして、Ｓ８２の処理において、カウント値ｎが４であると判定した場合にはダミー通電処理へ移行する（Ｓ８４）。
【０１００】
Ｓ８４の処理では、制御部が図１１に示すリファレンスセンサＰｂとダミーのリファレンスセンサＰｄ（不図示）とを接続する。Ｓ８４の処理は、リファレンスセンサＰｂの通電回数を他のセンサの通電回数と等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。Ｓ８４の処理が終了すると、Ｓ８６のカウント値判定処理へ移行し、カウント値ｎが３でないと判定した場合には差分回路前処理へ移行する（Ｓ９０）。その後、Ｓ９２の処理でｎ＋４番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得し、Ｓ９４の処理でカウント値を４ずつ加算し、Ｓ９６の処理でカウント値がｍ−３よりも大きいか否かを判定する。このように、カウント値を４ずつ加算し、カウント値ｎがｍ−３よりも大きくなるまで、差分信号Ｖ２，Ｖ６，Ｖ１０、Ｖｍ−２のように所定の差分信号Ｖのみ順次取得する。
【０１０１】
一方、Ｓ９６の処理において、カウント値ｎがｍ−３よりも大きいと判断した場合には、Ｓ９８の繰り返し回数判定処理へ移行し、繰り返し回数ｋが３より小さいと判定した場合には、Ｓ１００のダミー通電処理へ移行し、繰り返し回数ｋのカウントアップ処理へ移行する（Ｓ１０２）。Ｓ１０２の処理では、制御部が繰り返し回数ｋに１を加算しカウント値ｎにｋを代入する。そして、Ｓ１０４の処理において、繰り返し回数ｋが４より大きくないと判定した場合には、カウント値判定処理へ再度移行する（Ｓ８２）。そして、Ｓ８２の処理において、カウント値ｎが４でないと判定した場合にはＳ８６のカウント値判定処理へ移行し、カウント値ｎが３であると判定した場合にはダミー通電処理へ移行する（Ｓ８８）。
【０１０２】
Ｓ８８の処理では、制御部が図１１に示すリファレンスセンサＰａとダミーのリファレンスセンサＰｄ（不図示）とを接続する。Ｓ８８の処理は、リファレンスセンサＰａの通電回数を他のセンサの通電回数と等しくするために行うものであり、通電目的のみの操作となる。Ｓ８８の処理が終了すると、差分回路前処理へ移行する（Ｓ９０）。その後、Ｓ９２の処理でｎ＋４番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得し、Ｓ９４の処理でカウント値を４ずつ加算し、Ｓ９６の処理でカウント値がｍ−３よりも大きいか否かを判定する。このように、カウント値を４ずつ加算し、カウント値ｎがｍ−３よりも大きくなるまで、差分信号Ｖ３，Ｖ７，Ｖ１１、Ｖｍ−１のように所定の差分信号Ｖのみ順次取得する。
【０１０３】
一方、Ｓ９６の処理において、カウント値ｎがｍ−３よりも大きいと判断した場合には、Ｓ９８の繰り返し回数判定処理へ移行し、繰り返し回数ｋが３より小さくないと判定した場合には、繰り返し回数ｋのカウントアップ処理へ移行する（Ｓ１０２）。Ｓ１０２の処理では、制御部が繰り返し回数ｋに１を加算しカウント値をｋに設定する。そして、Ｓ１０４の処理において、繰り返し回数ｋが４より大きくないと判定した場合には、カウント値判定処理へ再度移行する（Ｓ８２）。そして、Ｓ８２の処理において、カウント値ｎが４でないと判定した場合にはカウント値判定処理へ移行し、カウント値ｎが３でないと判定した場合には差分回路前処理へ移行する（Ｓ９０）。その後、Ｓ９２の処理でｎ＋４番目の差分信号Ｖを積分時間ｓで取得する。このように、Ｓ９４の処理でカウント値を４ずつ加算し、カウント値ｎがｍ−３よりも大きくなるまで、差分信号Ｖ４，Ｖ８，Ｖ１２、Ｖｍのように所定の差分信号Ｖのみ順次取得する。
【０１０４】
一方、Ｓ９６の処理において、カウント値ｎがｍ−３よりも大きいと判断した場合には、繰り返し回数判定処理へ移行する（Ｓ９８）。Ｓ９８の処理では、制御部が繰り返し回数ｋが３より小さいか否かを判定する。Ｓ９８の処理において、繰り返し回数ｋが３より小さくないと判定した場合には、繰り返し回数ｋのカウントアップ処理へ移行する（Ｓ１０２）。
【０１０５】
Ｓ１０２の処理では、制御部が繰り返し回数ｋのカウントアップとカウント値ｎを初期化する。制御部は、ここで、制御部は繰り返し回数ｋに１を加算するとともに、カウント値ｎをｋに設定する。Ｓ１０２の処理が終了すると、カウント値判定処理へ移行する（Ｓ１０４）。
【０１０６】
Ｓ１０４の処理では、制御部は繰り返し回数ｋが４より大きいか否かを判定する。Ｓ１０４の処理において、繰り返し回数ｋが４より大きいと判定した場合には、絶対値信号算出処理へ移行する（Ｓ１０６）。
【０１０７】
以上、ここまでの処理で繰り返し回数ｋが１〜４の値をとり、以下のような流れになる。最初、リファレンスセンサＰａと画素センサＰ１の間で絶対値信号（第１差分信号）である差分信号Ｖ１を取得する。次に、画素センサＰ３と画素センサＰ５とを接続して差分信号Ｖ５を取得する。続いて、画素センサＰ７と画素センサＰ９とを接続して差分信号Ｖ９を取得する。このように繰り返し、差分信号Ｖｍ−３まで取得する。続いて、リファレンスセンサＰｂと画素センサＰ２の間で絶対値信号（第１差分信号）である差分信号Ｖ２を取得する。次は、画素センサＰ４と画素センサＰ６とを接続して差分信号Ｖ６、画素センサＰ８と画素センサＰ１０とを接続して差分信号Ｖ１０というように、差分信号Ｖｍ−２まで取得する。その後、画素センサＰ１と画素センサＰ３とを接続して差分信号Ｖ３、画素センサＰ５と画素センサＰ７とを接続して差分信号Ｖ７というように、差分信号Ｖｍ−１まで取得する。最後は、画素センサＰ２と画素センサＰ４とを接続して差分信号Ｖ４、画素センサＰ６と画素センサＰ８とを接続して差分信号Ｖ８というように、差分信号Ｖｍまで取得する。これにより、１ラインの画素情報が全て取得されることになる。なお、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同様に、リファレンスセンサＰａ，Ｐｂ、画素センサＰｍ−１，Ｐｍにおける通電間隔と通電回数を他の画素と同じにするため、差分信号Ｖｍ−３の取得後に画素センサＰｍ−１のダミー通電、差分信号Ｖｍ−２取得後に画素センサＰｍのダミー通電、差分信号Ｖ３取得前にリファレンスセンサＰａのダミー通電、差分信号Ｖ４取得前にリファレンスセンサＰｂのダミー通電を行う。
【０１０８】
次に、Ｓ１０６の処理では、画素信号算出部がＳ９２の処理で取得された差分信号Ｖｎを用いて絶対値信号Ｍｍを算出する。自己発熱によるオフセット分は、第１実施形態と同一であるので、式を見やすくするため、省略して整理すると以下のようになる。
【数２０】
【数２１】
【数２２】
【数２３】
【０１０９】
このように、本実施形態では、１ラインを二つに分け、差分信号Ｖ１による絶対値信号基準で得られる画素情報と差分信号Ｖ２による絶対値信号基準で得られる画素情報を２種類得て一つの画像情報を取得する。Ｓ１０６の処理が終了すると、図１２に示す制御処理を終了する。
【０１１０】
以上で図１２に示す制御処理を終了する。第１実施形態及び第２実施形態では、１ライン(行)上の隣り合う画素間での差分信号を取得し、画像を再構成している例を説明したが、本実施形態のように必ずしも隣り合う画素間で差分信号を取得しなくてもよい。画素サイズは、２０〜５０[um]とすることが多く、２０[um]を採用した場合、一つ置きの画素間で差分をとっても画素間の距離はせいぜい４０[um]である。このため、半導体プロセスの環境的にはほぼ同じとみなすことができる。よって、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、半導体プロセスのバラツキの影響をほとんど受けない状態で画素間の差分信号を取得することができるため、周囲温度の変化により発生するオフセットを、ほとんどゼロにすることが可能となる。
【０１１１】
また、図１２に示す制御処理を実行することで、全ての画素センサの通電回数を等しくすることができるとともに、一度通電された画素センサを連続で通電することを回避することができる。すなわち、自己発熱の放熱時間を確保することが可能となるため、放熱後の画素センサを用いて差分信号を取得することができる。
【０１１２】
さらに、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの信号読み取り手法は以下のように拡張することも可能である。例えば、行と列の関係を入れ替え、列の隣り合う画素間での差分信号を用いてもよい。また、必ずしも隣り合う画素間での差分でなくても良い。この方法の利点は、等価的に画素数を減らしていることになるため、第１実施形態で示した演算後のオフセットを半分にできることにある。本実施形態では、各画素を一つ置きに接続しているが、１ラインを二つに分けるだけであるならば、第２実施形態のように両端にリファレンスセンサを配置して、右半分と左半分を独立に信号取得してもよい。しかしながら、このように構成した場合には、第１実施形態を第２実施形態に拡張したような、オフセットの完全なキャンセルする方法への拡張はできない。なお、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの画素列の右端にも、追加のリファレンスセンサを２つ追加することで改良することができる。
【０１１３】
このように、本実施形態ではセンサの特性が同一とみなせる範囲での接続を変えることで、種々のバリエーションを生み出すことができる。特性が同一とみなせるならば、二つおきにセンサを接続して、１ラインを３つあるいは４つに分けて独立な画素情報を得ることも可能である。もう一つの例としては、２ラインを左半分と右半分に分けて２ラインで一つの積分アンプ２１に接続する方法である。上のラインの左半分は、第２実施形態と同じように隣接するセンサ同士を接続させていき、左半分の最後の画素センサＰｍ／２は、下のラインの画素センサＰｍ／２と接続させる。下のラインの左半分も上のライン同様の接続となり、画素センサＰｍ／２で折り返したあと、順次画素センサＰｍ／２−１、Ｐｍ／２−２、…Ｐ１と接続させ、最後に下のラインのリファレンスセンサと接続させる。これは、２ラインを真ん中で折り返して一つのラインとみなした第２実施形態と同様である。この２ラインの右半分にも、右端にリファレンスセンサを配置し、別の積分アンプ２１を使用して信号処理する。なお、隣り合うラインでは、センサの特性はライン上で隣り合うセンサの関係と同等であるので、隣り合うラインにて上下で接続しても同様の処理ができる。
【０１１４】
以上、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、第１及び第２実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、周囲温度変化や自己発熱による温度変化のハードウェア的な補償を、開口率を下げずに実現でき、低コストで小型な赤外線カメラの実現が可能となる。また、熱型イメージセンサをテラヘルツイメージングに利用する場合には、信号レベルは通常の熱イメージセンサよりも１〜２桁近く低くなるため、高Ｓ／Ｎ比を有する信号検知手段が必要となる。そのような用途にも本実施形態に係る手法を取ることで高感度なカメラの実現が可能となる。
【０１１５】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る赤外線イメージセンサは、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサとほぼ同様に構成されるものであり、画素列に対して積分アンプ２１を複数備える点が相違する。以下では、第１，３実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一の部分は説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【０１１６】
画素列に対して積分アンプ２１を複数備える赤外線イメージセンサは、例えば２つの形態となる。第１の例としては、Ｓ／Ｎ比を改善するために複数の積分アンプを備えるものである。１ラインに１個のアンプでは、積分時間ｓは、１フレーム時間を１ラインの画素数で割った時間Ｔ以上に長くすることはできない。検出器の感度が同じとき、Ｓ／Ｎ比を改善するには、１ラインに対する積分アンプ２１の数を増やすことで、積分時間ｓを長くすることが可能となる。従来の技術では、熱型検出器を用いたイメージセンサにおいては、積分時間ｓを長くすることは、自己発熱によるオフセットを大きくすることになるため、積分アンプ２１やＡ／Ｄ変換器２４のダイナミックレンジを圧迫する。特に従来技術では、現実的なＳ／Ｎ改善の手段とはなりえない。しかしながら、上記の実施形態で説明した方式では、信号検出時のオフセットを従来技術に比べて２桁以上小さくできる。このため、アンプを増やすことによるＳ／Ｎ比の改善は有効な手段となる。なお、第１実施形態又は第２実施形態で示す画素センサの接続を行うと必ず取得信号の引き算が発生するので、積分アンプ２１自身の持つオフセット等も打ち消されている。このため、複数の積分アンプ２１を備える場合であっても、異なるアンプで取得した差分信号を絶対値信号算出のために演算するのではなく、差分信号を用いた演算は一つのアンプからの出力のみで行うほうが好ましい。
【０１１７】
本実施形態に係る第１の構成は、上述した第３実施形態において２つの積分アンプ２１を用いたものである。第３実施形態では、リファレンスセンサＰａを基準とした差分信号ＶｍセットとファレンスセンサＰｂを基準にした差分信号セットが独立に得られるが、これらを異なる積分アンプ２１で増幅する構成をとる。これにより、積分時間ｓは、アンプが１個の場合に比べて２倍の時間をとることができる。もちろん、第１実施形態の改良版である第２実施形態のように、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの画素列の右端にもリファレンスセンサを２つ追加してもよい。
【０１１８】
本実施形態に係る第２の構成を図１３に示す。第２の構成では積分アンプ２１を複数備えることで分解能を改善することを目的としている。図１３は、受光部１２の各行における積分アンプまでの回路（差分回路）を詳細に示す回路図である。図１３に示すように、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの差分回路は、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの差分回路に比べて、積分アンプ２１ａ，２１ｂを備える点が相違する。
【０１１９】
図１３に示すように、絶対値信号を取得する画素センサＰ０と画素センサＰ１との差分検知用の積分アンプ２１ｂ、及び、画素間の差分信号取得用の積分アンプ２１ａを備えている。積分アンプ２１ｂは、積分アンプ２１ａとは異なるゲインを持つものが用いられる。また、Ａ／Ｄ変換器２４にも分解能の高いものを用いてもよい。通常の熱イメージにおいて、隣り合う画素間で急激な温度変化があるようなものは現実の世界ではないため、画素同士の差分信号検知には大きなダイナミックレンジは要求されない。このため、ゲインを高くして信号強度を強くする方が、Ｓ／Ｎ比的にも分解能的にも有利になる。
【０１２０】
一方、絶対値信号は広いダイナミックレンジとＡ／Ｄ変換器２４の分解能を高くする必要がある。上述した実施形態では、一つの積分アンプ２１とＡ／Ｄ変換器２４で、絶対値信号と差分信号を取得していたため、ダイナミックレンジとしては、絶対値信号の取得の要求仕様で決まり、Ａ／Ｄ変換の変換時間は画素数で決まる。一般的に、Ａ／Ｄ変換器２４は、変換時間を早くすると低分解能となり、逆に変換時間を遅くすると高分解能となる。このため、本実施形態では、絶対値信号取得に個別に用意した積分アンプ２１ａとＡ／Ｄ変換器２４をつなぐ。このとき、絶対値信号取得側のＡ／Ｄ変換器２４は、画素間の差分信号取得時間よりも長い時間を変換時間として割り当てることができるため、高分解能となる。一方、差分信号用には大きなダイナミックレンジは要求されないため、低分解能で高速なＡ／Ｄ変換器２４を用いればよい。
【０１２１】
なお、本実施形態では、絶対値信号取得時において積分時間ｓを長くしてＳ／Ｎ比を上げることもできる。この場合、自己発熱量が他の画素と異なる状態とならないように積分時間ｓは同じにすることが好ましい。また、本実施形態の第２の構成においても第２実施形態のようにリファレンス素子として機能する画素センサＰｍ＋１を追加して、自己発熱のオフセットをキャンセルすることもできる。この場合には、画素センサＰｍ＋１と画素センサＰｍの差分信号検知をダイナミックレンジの広い積分アンプ２１ｂ側に接続することになる。
【０１２２】
以上、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、第１〜第３実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、周囲温度変化や自己発熱による温度変化のハードウェア的な補償を、開口率を下げずに実現でき、低コストで小型な赤外線カメラの実現が可能となる。
【０１２３】
（第５実施形態）
第５実施形態に係る赤外線イメージセンサは、第１〜第４実施形態に係る赤外線イメージセンサとほぼ同様に構成されるものであり、アンプ部の構成のみが相違する。以下では、第１〜４実施形態に係る赤外線イメージセンサと同一の部分は説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【０１２４】
第１〜第４実施形態に係る赤外線イメージセンサでは、全て電流検出型の積分アンプを用い、隣接するセンサを接続する手法を例に説明したが、他の構成でも差分信号の取得は可能である。第５実施形態に係る赤外線イメージセンサの一例を図１４に示す。図１４に示すように、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサと同様に電流検出型の積分アンプ２１を用いているが、積分アンプ２１の入力が相違する。すなわち、隣接する画素センサ同士を接続するのではなく、リファレンスセンサＰ０を含む偶数番目の画素センサＰ２ｎは積分アンプ２１のプラス入力に、奇数番目の画素センサＰ２ｎ＋１は、積分アンプ２１のマイナス入力に接続できるようスイッチＳｍを配置し、全ての画素センサの方端は全て同じ電圧Ｖに接続しておく。また、積分アンプ２１のマイナス側のラインには抵抗Ｒ−が接続され、プラス側のラインには抵抗Ｒ＋が接続される。抵抗Ｒ−，Ｒ＋は、まったく同じ抵抗値のものを使用する。また、抵抗Ｒ−，Ｒ＋は、画素センサと同じ構造である必要はなく、また、回路基板との熱的接続を強くすることで自己発熱を発生させないように構成する。抵抗Ｒ−，Ｒ＋は、温度特性が小さい通常の金属による抵抗であることが好ましい。
【０１２５】
次に、図１４に示す回路の動作を説明する。最初リファレンスセンサＰ０のスイッチＳ０をＯＮにし、画素センサＰ１のスイッチＳ１もＯＮにする。このとき、積分アンプ２１のプラス入力には、リファレンスセンサＰ０と抵抗Ｒ＋で電圧Ｖを分圧した電位が加わる。積分アンプ２１のイマジナリショートの機構により、このプラス入力の電位がマイナス入力の電位に現れるため、よって、マイナス入力に接続した抵抗Ｒ−も抵抗Ｒ＋と同じ電流が流れる。このとき、画素センサＰ１に赤外線がまったく入射されていなければ、リファレンスセンサＰ０と同じ抵抗値になるので、流れる電流も同じとなり、積分アンプ２１の出力は０となる（実際には、プラス入力と同じ電圧が現れる）。もし、画素センサＰ１に信号が入射されていれば、リファレンスセンサＰ０とは異なる抵抗値になっているため、リファレンスセンサＰ０とは異なる電流を流さないと、マイナス入力の電位を同じにすることができないため、異なる電流が流れることになる。抵抗Ｒ−に流れる電流は抵抗Ｒ＋と同じ、すなわち、リファレンスセンサＰ０に流れる電流と同じなので、結果としてリファレンスセンサＰ０と画素センサＰ１との差分電流が積分容量Ｃに流れ込むことになる。
【０１２６】
上記動作は、第１実施形態に適用した場合であっても全く同じである。このため、本実施形態に係るアンプ構成を適用しても、第１〜第４実施形態に係る赤外線イメージセンサを構築することができる。
【０１２７】
また、抵抗Ｒ−，Ｒ＋は、基板との間の熱伝導をよくし、且つ温度変化による特性変化の小さな材料で作成してあるため、各画素の信号取得に毎回使用しても、自己発熱の問題は発生しない。そのため、各画素に抵抗Ｒ−，Ｒ＋を用意する必要はない。
【０１２８】
また、上記構成を採用することにより、画素センサに印加する電圧Ｖを自由に選べることができる。通常、積分アンプ２１に印加できる電圧は制限がある。例えば、電源電圧５[V]の積分アンプ２１では、５[V]が上限値となる。差分信号Ｖｍは、プラスマイナスに出力がでるため、第１〜第４実施形態に係る赤外線イメージセンサのアンプ構成では、差分信号Ｖｍを電源電圧の中央、すなわち、２．５[V]にするのが好適である。そのため、画素センサに与える電圧は５[V]に決定される。画素センサの抵抗値は設計可能であるが、電源電圧を決めてしまうことは設計に対する一つの制約になる。しかし、本実施形態では、抵抗Ｒ−，Ｒ＋の値を自由に設定できるため、画素センサへの印加電圧にも自由度が生まれる。たとえば、画素センサの抵抗値が１００[kΩ]の場合、抵抗Ｒ−，Ｒ＋に１００[kΩ]の抵抗値を採用すれば、印加電圧５[V]で積分アンプ２１の動作中心は２．５[V]となる。抵抗Ｒ−，Ｒ＋を５０[kΩ]した場合、動作中心２．５[V]を維持したまま、印加電圧を７．５[V]に上げることができる。印加電圧を上げた場合、信号電流が増えるのでＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。
【０１２９】
本実施形態に係る赤外線イメージセンサの他の例を図１５に示す。図１５に示すように、本実施形態に係る赤外線イメージセンサは、電圧検出型のアンプ構成を有する。図１５では、画素センサの並びは図１４と同じであるため、説明理解の容易性を考慮して、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰ１のみを記載して他の記載を省略する。
【０１３０】
図１５に示すように、リファレンスセンサＰ０は、その一端が電圧Ｖに接続されている。また、リファレンスセンサＰ０は、電流源Ｉｓ＋とスイッチＳ０を介して直列に接続されている。この接続点は、アンプＡ＋のプラス入力と接続されている。また、画素センサＰ１は、その一端が電圧Ｖに接続されている。また、画素センサＰ１は、電流源Ｉｓ−とスイッチＳ１を介して直列に接続されている。この接続点は、アンプＡ−のプラス入力と接続されている。電流源Ｉｓ−，Ｉｓ＋はどちらも同じ一定電流を流す電流源である。また、アンプＡ−，Ａ＋はバッファアンプである。アンプＡ＋の出力側はアンプＡｓのプラス入力に接続され、アンプＡ−の出力側はアンプＡｓのマイナス入力に接続される。アンプＡｓは、アンプＡ−，Ａ＋の電圧の差分を演算し、積分する回路である。
【０１３１】
電流源Ｉｓ−とＩｓ＋は同一の一定電流を流す電流源であるため、リファレンスセンサＰ０と画素センサＰ１との抵抗値の違いにより、アンプＡ−とアンプＡ＋のプラス入力には、異なる電位が印加される。この差分電位が、差分信号に相当する。アンプＡ−，Ａ＋は、単なるバッファアンプであるので、出力はそれぞれのアンプのプラス入力に印加された電圧が出力される。アンプＡｓは、アンプＡ−，Ａ＋の電圧の差分を演算して積分する回路であるので、結果として出力には、リファレンスセンサＰ０及び画素センサＰ１の差分信号が得られる。以後、スイッチを切り替えることで、各画素の差分信号を取得することで、第１〜第４実施形態の赤外線イメージセンサと同様の信号を得ることができる。すなわち、上記構成は、第１〜第４実施形態へ適用することが可能である。
【０１３２】
以上、第５実施形態に係る赤外線イメージセンサによれば、第１〜第５実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、周囲温度変化や自己発熱による温度変化のハードウェア的な補償を、開口率を下げずに実現でき、低コストで小型な赤外線カメラの実現が可能となる。
【０１３３】
なお、上述した実施形態は、本発明に係る赤外線イメージセンサの一例を示すものである。本発明に係る赤外線イメージセンサは、実施形態に係る赤外線イメージセンサに限られるものではなく、実施形態に係る赤外線イメージセンサを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【０１３４】
例えば、上記実施形態で説明したアンプ構成については、上述した実施形態に限られるものではなく、２つのセンサの差分信号を取り出すことができればどのような構成を有していてもよい。また、画素センサはボロメータに限られず、サーモパイル等の熱型検出器であればよい。
【０１３５】
また、上記実施形態において、リファレンスセンサＰ０と画素センサＰ１の信号取得を最初に行うように説明してきたが、この順番は本質ではない。例えば、第１実施形態では、最初に絶対値信号Ｖ１を取得する場合を説明したが、偶数番目及び奇数番目に分けて実行するようにするとともに、偶数番目を前半に取得し、後半に絶対値信号を取得するようにしてもよい。この場合、絶対値信号からの時間差は±１/２フレーム時間になり短くなる。
【０１３６】
さらに、上記実施形態では、１つの画素列に対して少なくとも一つのリファレンスセンサＰ０を備える例を説明したが、例えば、複数の画素列に対して少なくとも一つのリファレンスセンサＰ０を備える場合であってもよい。すなわち、複数の画素列からなる画素領域に対して少なくとも一つのリファレンスセンサＰ０を備えればよい。
【符号の説明】
【０１３７】
１…赤外線イメージセンサ、１２…受光部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を検出する赤外線イメージセンサであって、
複数の画素を配列した画素領域及び少なくとも一つのリファレンス画素を有する受光部と、
前記画素領域に含まれる１つの画素の信号と前記リファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び前記画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号を取得する差分回路と、
前記第１差分信号及び前記第２差分信号に基づいて前記画素の信号を算出する画素信号算出部と、
を備えることを特徴する赤外線イメージセンサ。
【請求項２】
前記所定の２つの画素は、それぞれの一端が互いに接続されて直列に接続され、かつそれぞれの他端が異なる電位に接続され、
前記差分回路は、前記所定の２つの画素の接続点における電位と所定の電位との差分に基づいて前記第２差分信号を取得する請求項１に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項３】
前記所定の２つの画素は、それぞれの一端が異なる抵抗と接続されてそれぞれが抵抗と直列に接続され、かつそれぞれの他端が同一の電位に接続され、
前記差分回路は、前記所定の２つの画素と抵抗とのそれぞれの接続点における電位の差分に基づいて前記第２差分信号を取得する請求項１に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項４】
前記画素領域は、少なくとも一つの画素列からなり、
前記リファレンス画素は、少なくとも一つの前記画素列の一端に配置されている請求項１〜３の何れか一項に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項５】
前記画素領域は、少なくとも一つの画素列からなり、
前記リファレンス画素は、少なくとも一つの前記画素列の両端に配置されている請求項１〜３の何れか一項に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項６】
前記所定の２つの画素は、隣接する画素である請求項１〜５の何れか一項に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項７】
少なくとも一つの画素列からなる画素領域、及び、前記画素列の一端に配置されたリファレンス画素を２つ有する受光部を備える赤外線イメージセンサにおける信号読みだし方法であって、
前記画素領域に含まれる１つの画素の信号と前記リファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び前記画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号を取得する差分信号取得ステップと、
前記第１差分信号及び前記第２差分信号に基づいて前記画素の信号を算出する画素信号算出ステップと、
を備え、
前記差分信号取得ステップは、第１の前記リファレンス画素を起点として隣接する画素を辿るように前記第１差分信号及び前記第２差分信号を取得するとともに、第２の前記リファレンス画素を起点として隣接する画素を辿るように前記第１差分信号及び前記第２差分信号を取得し、
画素信号算出ステップは、第１の前記リファレンス画素を起点として得られた前記第１差分信号及び前記第２差分信号に基づいて前記画素の信号を算出するとともに、第２の前記リファレンス画素を起点として得られた前記第１差分信号及び前記第２差分信号に基づいて前記画素の信号を算出し、算出された２つの結果に基づいて前記画素の信号を算出すること、
を特徴とする信号読みだし方法。
【請求項１】
赤外線を検出する赤外線イメージセンサであって、
複数の画素を配列した画素領域及び少なくとも一つのリファレンス画素を有する受光部と、
前記画素領域に含まれる１つの画素の信号と前記リファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び前記画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号を取得する差分回路と、
前記第１差分信号及び前記第２差分信号に基づいて前記画素の信号を算出する画素信号算出部と、
を備えることを特徴する赤外線イメージセンサ。
【請求項２】
前記所定の２つの画素は、それぞれの一端が互いに接続されて直列に接続され、かつそれぞれの他端が異なる電位に接続され、
前記差分回路は、前記所定の２つの画素の接続点における電位と所定の電位との差分に基づいて前記第２差分信号を取得する請求項１に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項３】
前記所定の２つの画素は、それぞれの一端が異なる抵抗と接続されてそれぞれが抵抗と直列に接続され、かつそれぞれの他端が同一の電位に接続され、
前記差分回路は、前記所定の２つの画素と抵抗とのそれぞれの接続点における電位の差分に基づいて前記第２差分信号を取得する請求項１に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項４】
前記画素領域は、少なくとも一つの画素列からなり、
前記リファレンス画素は、少なくとも一つの前記画素列の一端に配置されている請求項１〜３の何れか一項に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項５】
前記画素領域は、少なくとも一つの画素列からなり、
前記リファレンス画素は、少なくとも一つの前記画素列の両端に配置されている請求項１〜３の何れか一項に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項６】
前記所定の２つの画素は、隣接する画素である請求項１〜５の何れか一項に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項７】
少なくとも一つの画素列からなる画素領域、及び、前記画素列の一端に配置されたリファレンス画素を２つ有する受光部を備える赤外線イメージセンサにおける信号読みだし方法であって、
前記画素領域に含まれる１つの画素の信号と前記リファレンス画素の信号との差分信号である第１差分信号、及び前記画素領域に含まれる複数の画素のうち所定の２つの画素の信号の差分信号である第２差分信号を取得する差分信号取得ステップと、
前記第１差分信号及び前記第２差分信号に基づいて前記画素の信号を算出する画素信号算出ステップと、
を備え、
前記差分信号取得ステップは、第１の前記リファレンス画素を起点として隣接する画素を辿るように前記第１差分信号及び前記第２差分信号を取得するとともに、第２の前記リファレンス画素を起点として隣接する画素を辿るように前記第１差分信号及び前記第２差分信号を取得し、
画素信号算出ステップは、第１の前記リファレンス画素を起点として得られた前記第１差分信号及び前記第２差分信号に基づいて前記画素の信号を算出するとともに、第２の前記リファレンス画素を起点として得られた前記第１差分信号及び前記第２差分信号に基づいて前記画素の信号を算出し、算出された２つの結果に基づいて前記画素の信号を算出すること、
を特徴とする信号読みだし方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２０２８３２（Ｐ２０１２−２０２８３２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６７８４３（Ｐ２０１１−６７８４３）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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