説明

赤外線撮像素子モジュール

【課題】撮像素子の信号線方向に存在するオフセット分布を低減する。
【解決手段】赤外線撮像素子は、2次元状に配置された感光画素1と、画素エリア内の列方向に配置された参照画素2と、各画素を行毎に共通接続した駆動線3と、駆動線3の1つを選択する垂直走査回路7と、各画素を列毎に共通接続した信号線8と、画素エリアの列毎に分岐点が設けられたバイアス線10と、信号線8およびバイアス線10からの信号の差を積分する差動積分回路12と、差動積分回路12の出力信号の1つを選択する水平走査回路14とを有し、補正回路20は、水平走査回路14で選択された出力信号のうち参照画素2に対応する出力信号を記憶するとともに、出力信号と基準電圧との差をとって参照画素2毎に補正信号を生成し、次回以降の走査周期において垂直走査回路7で選択された駆動線3に接続された参照画素2に対応する補正信号をバイアス線10に出力する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、入射した赤外線による温度変化を温度センサで検出する赤外線撮像素子モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
従来の赤外線撮像素子モジュールでは、2次元状に配置された感光画素と、感光画素から断熱構造および赤外線吸収構造の少なくとも一方を除外して構成した参照画素とによって画素エリアが構成されている。画素エリアの各画素は、行毎に駆動線によって互いに接続され、列毎に信号線によって互いに接続されている。また、駆動線と平行に、駆動線と同一の抵抗値を有するバイアス線が設けられ、画素エリアの列毎に、信号線からの信号とバイアス線からの信号との差を一定時間積分して出力する差動積分回路が設けられている。差動積分回路からの参照画素に対応する信号は、サンプルホールド回路によって保持され、基準電圧と比較されてその差に応じたバイアス電圧がバイアス線に出力される。
これにより、駆動線での電圧降下によるオフセット分布と、素子温度の変化による温度ドリフトとを抑制して、後段回路でのダイナミックレンジオーバーが発生することを防止している(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2005−214639号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
赤外線撮像素子モジュールにおいては、差動積分回路に入力される電圧に対して、画素の両端電圧以外に、信号線での電圧降下が影響する。信号線での電圧降下量は、画素行毎に異なるので、差動積分回路からの出力も画素行毎に異なった値となる。そのため、撮像素子からの素子出力には、信号線の抵抗による信号線方向のオフセット分布が存在する。
【0005】
従来の赤外線撮像素子モジュールでは、差動積分回路からの参照画素に対応する信号が、サンプルホールド回路によって保持され、バイアス発生回路で基準電圧と比較されて、その差に応じたバイアス電圧がバイアス線に出力される。ここで、信号が保持された参照画素を含む画素行に対して、この保持された信号に基づくバイアス電圧が出力される場合には、信号線での電圧降下によるオフセット分布が低減される。
しかしながら、サンプルホールド回路で保持された信号がバイアス発生回路で比較されて出力されるときには、サンプルホールド回路やバイアス発生回路での処理による時間遅延により、差動積分回路からの出力が既に次の行に移っている。そのため、信号線での電圧降下によるオフセット分布を低減することができないという問題があった。
【0006】
また、従来の赤外線撮像素子モジュールでは、参照画素における温度変化を抽出するために、参照画素の出力を低域通過フィルタに入力し、フィルタを通過した信号をバイアス電圧としてバイアス線に供給している。ここで、この温度変化の周期を数Hzとしていたので、フィルタの帯域も数Hzに設定されている。
しかしながら、信号線方向に発生するオフセット分布は、数kHzの帯域があるので、フィルタを通過できずにそのまま残存する。そのため、後段回路のダイナミックレンジを超えて、クリップ発生を生じやすくなるという問題があった。
【0007】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、撮像素子の信号線方向に存在するオフセット分布を低減することができる赤外線撮像素子モジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この発明に係る赤外線撮像素子モジュールは、赤外線撮像素子と、赤外線撮像素子の信号線方向に存在するオフセット分布を低減する補正手段とを備えた赤外線撮像素子モジュールであって、赤外線撮像素子は、画素エリアに2次元状に複数配置された感光画素と、画素エリア内の列方向に複数配置され、赤外線の吸収によっては自身の温度が変化しない参照画素と、画素エリアの各画素の一方の極を行毎に共通接続した駆動線と、駆動線の1つを選択して電源に接続する垂直走査回路と、画素エリアの各画素の他方の極を列毎に共通接続した信号線と、駆動線と平行に配置され、画素エリアの列毎に分岐点が設けられたバイアス線と、画素エリアの列毎に設けられ、信号線からの信号とバイアス線の分岐点からの信号との差を積分して出力する差動積分回路と、差動積分回路からの出力信号の1つを選択する水平走査回路とを有し、補正手段は、水平走査回路で選択された出力信号のうち、参照画素に対応する出力信号を記憶するとともに、この出力信号と基準電圧との差をとって参照画素毎に補正信号を生成し、次回以降の走査周期において、垂直走査回路で選択された駆動線に接続された参照画素に対応する補正信号を、バイアス線に出力するものである。
【発明の効果】
【0009】
この発明に係る赤外線撮像素子モジュールによれば、補正手段は、水平走査回路で選択された出力信号のうち、参照画素に対応する出力信号を記憶するとともに、この出力信号と基準電圧との差をとって参照画素毎に補正信号を生成し、次回以降の走査周期において、垂直走査回路で選択された駆動線に接続された参照画素に対応する補正信号を、バイアス線に出力する。
そのため、撮像素子の信号線方向に存在するオフセット分布を低減することができる赤外線撮像素子モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】この発明の実施の形態1に係る赤外線撮像素子モジュールを示す回路図である。
【図2】(a)、(b)は、この発明の実施の形態1に係る赤外線撮像素子モジュールの感光画素を例示する構成図である。
【図3】この発明の実施の形態1に係る赤外線撮像素子モジュールの差動積分回路を例示する回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、この発明の赤外線撮像素子モジュールの好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【0012】
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る赤外線撮像素子モジュールを示す回路図である。
図1において、赤外線撮像素子の画素エリアには、感光画素1が2次元状に複数配置されている。また、赤外線の吸収によっては自身の温度が変化しない参照画素2が、画素エリア内の列方向に複数配置されている。ここで、参照画素2は、画素エリアの左端の1列として配置されている。
【0013】
なお、図1では、参照画素2が画素エリアの左端の1列として配置されているが、これに限定されず、どの1列に配置されてもよい。また、参照画素2は、1列である必要はなく、複数列設けられてもよい。
また、図1では、説明を簡単にするために、画素エリアを4×4画素の構成としているが、画素数はこれに限定されるものではない。
【0014】
各感光画素1は、断熱構造と赤外線吸収構造とを有し、1個または直列接続された複数個のダイオードから構成されている。感光画素1の構造について、図2を参照しながら詳細に説明する。
図2は、この発明の実施の形態1に係る赤外線撮像素子モジュールの感光画素1を例示する構成図である。
【0015】
図2(a)、(b)において、温度センサとなるPN接合ダイオード101は、シリコン基板102に設けられた中空部103の上に、2本の長い支持脚104によって支持されており、ダイオード101の電極配線105は、支持脚104に埋め込まれている。なお、PN接合ダイオード101は、感度を高めるために、複数個が直列接続されていることが望ましい。中空部103は、PN接合ダイオード101とシリコン基板102との間の熱抵抗を高めて、断熱構造を形成している。
【0016】
この例では、PN接合ダイオード101がSOI基板のSOI層上に形成されており、SOI層下の埋め込み酸化膜が中空構造を支持する構造体の一部になっている。また、ダイオード部に熱的に接触している赤外線吸収構造106は、図の上方から入射する赤外線を効率良く吸収できるように、支持脚104の上方に張り出した構造となっている。なお、図2の(b)では、下部の構造を判りやすくするため、図の前方の部分での赤外線吸収構造を除いて示してある。
【0017】
赤外線が感光画素1に入射すると、赤外線吸収構造106で吸収され、上記の断熱構造により感光画素1の温度が変化し、温度センサとなるPN接合ダイオード101の順方向電圧特性が変化する。このPN接合ダイオード101の順方向電圧特性の変化量を、所定の検出回路で読み取ることにより、入射した赤外線量に応じた出力信号を取り出すことができる。赤外線撮像素子では、感光画素1が2次元状に複数配置されており、それらを順にアクセスしていく構造となっている。
【0018】
このような素子では、画素間の特性均一性が重要であるが、ダイオードの順方向電圧やその温度依存性は、個体間のバラツキが非常に小さく、赤外線撮像素子にとって温度センサにダイオードを用いることは、特性均一性を図る上で特に有効である。なお、この発明において、赤外線吸収構造は、素子に入射した赤外線を吸収して温度センサの温度上昇を生ぜしめる構造であれば良く、上記の構造に限定されない。また、この発明において、断熱構造は、赤外線吸収による温度センサの温度変化を妨げる構造であればよく、上記の中空構造に限定されない。
【0019】
図1に戻って、参照画素2は、断熱構造および赤外線吸収構造の少なくとも一方を有しない他は、感光画素1と実質的に同様の構成を有している。この参照画素2は、画素エリア内の一部の感光画素1から、断熱構造および赤外線吸収構造の少なくとも一方を除外して構成されてもよい。これにより、参照画素2は、赤外線撮像素子全体の温度変化に応じた参照信号を出力する。なお、赤外線吸収に対する感度が必要なレベルにまで落ちれば、断熱構造および赤外線吸収構造の何れか一方は残してもよい。
【0020】
参照画素2によって参照信号を出力することにより、素子温度に対する感光画素1の応答特性を正確に模擬することができ、精度の高い温度ドリフト補正を実行することが可能となる。特に、画素エリア内の一部の感光画素1から、断熱構造および赤外線吸収構造の少なくとも一方を除外して参照画素2とすることにより、製造条件のわずかな違いによる特性のずれを防止して、感光画素1の温度応答特性をより高精度に模擬することができる。なお、参照画素2に代えて、サーミスタを用いてもよい。
【0021】
画素エリアの感光画素1および参照画素2の一方の極には、駆動線3が行毎に共通して接続されている。各駆動線3の終端には、スイッチ4が設けられ、各スイッチ4は、電源線5を介して電源6に接続されている。ここで、垂直走査回路7により駆動線3が順番に選択されると、スイッチ4が閉じて、電源6からの電圧がスイッチ4および駆動線3を経て、感光画素1および参照画素2に印加される。
【0022】
また、画素エリアの感光画素1および参照画素2の他方の極には、信号線8が列毎に共通して接続されている。各信号線8の終端には、第1定電流源9が接続されている。
また、図1において、画素エリアの上方には、画素エリアの列毎に分岐点が設けられたバイアス線10が駆動線3と平行に配置されている。バイアス線10の各分岐点には、第1定電流源9とほぼ同一の電流を流す第2定電流源11が接続されている。ここで、第1定電流源9と第2定電流源11とは、互いに近接して設けられている。
【0023】
バイアス線10は、駆動線3とほぼ同一の電圧降下を生じるように、駆動線3とほぼ同一の抵抗値を有している。なお、バイアス線10は、駆動線3とほぼ同一の電圧降下を生じればよく、必ずしも駆動線3と同一の抵抗値を有する必要はない。そのため、第1定電流源9の電流値が第2定電流源11の電流値と異なる場合には、それに応じて駆動線3とバイアス線10とが互いに異なる抵抗値を有していてもよい。
【0024】
また、画素エリアの列毎に、差動積分回路12が設けられている。差動積分回路12は、マイナス側端子およびプラス側端子にそれぞれ第1定電流源9の両端電圧および第2定電流源11の両端電圧が入力されると、両電圧の差を一定時間積分、増幅して出力する。
差動積分回路12の構造について、図3を参照しながら詳細に説明する。
図3は、この発明の実施の形態1に係る赤外線撮像素子モジュールの差動積分回路12を例示する回路図である。
【0025】
図3において、差動積分回路12は、第1定電流源9の両端電圧と第2定電流源11の両端電圧とを入力側に接続した差動電圧電流変換アンプ121と、差動電圧電流変換アンプ121の出力側に接続された積分容量122と、積分容量122を周期的にリセットするリセットトランジスタ123とを有している。差動電圧電流変換アンプ121は、負帰還なしの状態で接続されており、その出力インピーダンスと積分容量122のキャパシタンスとの積(=時定数)は、積分時間の5倍以上となるように設定されている。
【0026】
積分容量122の入力端には、サンプルホールド用トランジスタ124、サンプルホールド容量125およびリセットトランジスタ126からなるサンプルホールド回路127が接続されている。積分後の出力は、サンプルホールド回路127でサンプリングされ、バッファ128を介して出力される。
この差動積分回路12は、負帰還しない状態の差動電圧電流変換アンプ121を用いて積分回路が構成されているので、演算増幅器を用いた一般的な構成と比較して、回路構成を簡略化することができる。
【0027】
図1に戻って、各差動積分回路12の出力端には、スイッチ13が設けられている。ここで、水平走査回路14によりスイッチ13が順番に選択されると、選択された差動積分回路12からの出力信号が、出力アンプ15を介して出力端子16から出力される。
バイアス線10では、駆動線3とほぼ同一の電圧降下を生じているので、上記の構成によって、駆動線3での電圧降下分を出力からキャンセルし、駆動線3によるオフセット分布を抑制することができる。
【0028】
また、この赤外線撮像素子では、画素エリアの左端の1列に配置された参照画素2に接続された第1定電流源9の両端電圧を参照信号として読み出す。この参照信号は、通常の感光画素1からの信号と同様にして読み出される。すなわち、参照画素2の信号線8に接続された第1定電流源9の両端電圧と、バイアス線10に接続された第2定電流源11の両端電圧とが、それぞれ差動積分回路12のマイナス側端子およびプラス側端子に入力されて、積分、増幅される。そして、水平走査回路14およびスイッチ13によって、通常の画像読み出しの1ライン毎に参照画素2に対応した出力信号が読み出され、出力アンプ15を介して出力端子16から出力される。
【0029】
また、赤外線撮像素子の出力端子16と入力端子17との間には、水平走査回路14で選択された出力信号のうち、参照画素2に対応する出力信号を記憶するとともに、この出力信号と基準電圧との差をとって参照画素2毎に補正信号を生成し、次回以降の走査周期において、垂直走査回路7で選択された駆動線3に接続された参照画素2に対応する補正信号を、バイアス線10に出力する補正回路(補正手段)20が接続されている。
補正回路20は、A/D(Analog to Digital)コンバータ21、制御回路(処理手段)22、ラインメモリ23、減算器(減算手段)24、基準電源25、およびD/A(Digital to Analog)コンバータ26を有している。
【0030】
A/Dコンバータ21は、水平走査回路14で選択された出力信号のうち、参照画素2に対応する出力信号をデジタル変換して制御回路22に出力する。制御回路22は、A/Dコンバータ21からの出力信号とラインメモリ23に記憶された出力信号の平均値とに基づいて、参照画素2毎に平均化処理を実行する。ここで、出力信号を平均化することにより、信号に重畳するノイズを除去することができる。ラインメモリ23は、制御回路22で平均化された出力信号の平均値を記憶するとともに、この平均値を減算器24および制御回路22に出力する。なお、ラインメモリ23は、出力信号の平均値を記憶できる容量を有していれば、別のメモリであってもよい。
【0031】
減算器24の正入力側には基準電源25が接続され、負入力側にはラインメモリ23が接続されている。減算器24は、ラインメモリ23からの出力信号の平均値と基準電源25からの基準電圧との差をとって、補正信号を生成する。D/Aコンバータ26は、減算器24で生成された補正信号をアナログ変換し、入力端子17を介してバイアス線10に出力する。これにより、参照画素2からの出力信号と基準電圧との差に応じて、この差を減少させる方向にバイアス線10の電圧を変化させることができる。
【0032】
補正回路20からの補正信号は、参照画素2毎の出力信号の平均値と基準電圧との差として出力される。ここで、各参照画素2は、それぞれ画素エリアの各行と対応している。そこで、補正回路20は、次回以降の走査周期において、垂直走査回路7で選択された駆動線3に接続された参照画素2に対応する補正信号を、バイアス線10に出力する。
また、この補正信号には、信号線8での電圧降下によるオフセット成分と、素子温度の変化による温度ドリフト成分とが含まれている。そのため、補正信号をバイアス線10に出力することにより、信号線8での電圧降下によるオフセット分布と、素子温度の変化による温度ドリフトとを低減することができる。
【0033】
なお、基準電源25の基準電圧は、ある一定の電圧であれば良く、特定の電圧値には限定されない。すなわち、基準電圧は、フィードバックする補正信号を一定の電圧に自動修正する際の基準となるものである。したがって、基準電圧は、ある一定の電圧であり、かつ、差動積分回路12からの出力信号が後段回路のダイナミックレンジに入るように選択されていれば、どのような電圧であってもよい。
【0034】
以上のように、実施の形態1によれば、補正手段は、処理手段により、水平走査回路で選択された出力信号のうち、参照画素に対応する出力信号に対して、参照画素毎に平均化処理を実行し、出力信号の平均値を記憶する。また、補正手段は、減算手段により、記憶された出力信号の平均値と基準電圧との差をとって参照画素毎に補正信号を生成する。また、補正手段は、次回以降の走査周期において、垂直走査回路で選択された駆動線に接続された参照画素に対応する補正信号を、バイアス線に出力する。
信号線での電圧降下によるオフセット成分を含む補正信号をバイアス線に出力することにより、撮像素子の信号線方向に存在するオフセット分布を低減することができる。
また、この補正信号には、素子温度の変化による温度ドリフト成分が含まれているので、素子温度の変化による温度ドリフトを低減することができる。
また、撮像素子の信号線方向に存在するオフセット分布が低減されるので、後段回路でのゲインを十分にとることができる。
【0035】
なお、上記実施の形態1において、制御回路22は、A/Dコンバータ21からの出力信号とラインメモリ23に記憶された出力信号の平均値とに基づいて、参照画素2毎に平均化処理を実行すると説明したが、これに限定されない。
制御回路22は、赤外線撮像素子の立ち上がり時の所定期間(所定時間または所定回数)のみ、平均化処理を実行してもよい。例えば、制御回路22は、信号線8での電圧降下によるオフセット成分を得るために、赤外線撮像素子の立ち上がり時の所定回数にわたって参照画素2毎の出力信号を平均し、オフセット成分を含む平均値をラインメモリ23に記憶させる。そして、制御回路22は、その後は平均化処理を実行せず、減算器24は、立ち上がり時にラインメモリ23に記憶された出力信号の平均値と基準電源25からの基準電圧との差をとって、補正信号を生成する。
この場合には、平均化処理による補正回路20の処理負荷を低減することができる。
【0036】
また、制御回路22は、要求があったときのみ、平均化処理を実行してもよい。例えば、制御回路22は、外部信号等にて要求があったときのみ、所定期間(所定時間または所定回数)にわたって参照画素2毎の出力信号を平均し、オフセット成分を含む平均値をラインメモリ23に記憶させる。そして、制御回路22は、その後は平均化処理を実行せず、減算器24は、要求があったときにラインメモリ23に記憶された出力信号の平均値と基準電源25からの基準電圧との差をとって、補正信号を生成する。
この場合には、平均化処理による補正回路20の処理負荷を低減しつつ、素子温度の変化による温度ドリフトに追従することができる。なお、要求は、外部より任意に与えられてもよいし、例えばタイマを用いて一定期間毎に与えられてもよい。
【0037】
また、制御回路22は、重み付け平均を用いて平均化処理を実行してもよい。例えば、制御回路22は、赤外線撮像素子の立ち上がり後所定回数の平均化処理に大きな重み付けを与え、次第に重み付けを減少させる。
この場合には、信号線8での電圧降下によるオフセット成分を残しつつ、素子温度の変化による温度ドリフトに追従することができる。
【0038】
また、制御回路22は、平均化処理を行うことなくA/Dコンバータ21からの出力信号をそのままラインメモリ23に記憶し、減算器24は、この出力信号と基準電源25からの基準電圧との差をとって、補正信号を生成してもよい。
この場合には、急激な温度変化等が生じた場合であっても、高い追従性を発揮することができる。
【符号の説明】
【0039】
1 感光画素、2 参照画素、3 駆動線、5 電源線、6 電源、7 垂直走査回路、8 信号線、9 第1定電流源、10 バイアス線、11 第2定電流源、12 差動積分回路、14 水平走査回路、15 出力アンプ、20 補正回路(補正手段)、22 制御回路(処理手段)、24 減算器(減算手段)、25 基準電源。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
赤外線撮像素子と、前記赤外線撮像素子の信号線方向に存在するオフセット分布を低減する補正手段とを備えた赤外線撮像素子モジュールであって、
前記赤外線撮像素子は、
画素エリアに2次元状に複数配置された感光画素と、
前記画素エリア内の列方向に複数配置され、赤外線の吸収によっては自身の温度が変化しない参照画素と、
前記画素エリアの各画素の一方の極を行毎に共通接続した駆動線と、
前記駆動線の1つを選択して電源に接続する垂直走査回路と、
前記画素エリアの各画素の他方の極を列毎に共通接続した信号線と、
前記駆動線と平行に配置され、前記画素エリアの列毎に分岐点が設けられたバイアス線と、
前記画素エリアの列毎に設けられ、前記信号線からの信号と前記バイアス線の分岐点からの信号との差を積分して出力する差動積分回路と、
前記差動積分回路からの出力信号の1つを選択する水平走査回路と、を有し、
前記補正手段は、前記水平走査回路で選択された出力信号のうち、前記参照画素に対応する出力信号を記憶するとともに、この出力信号と基準電圧との差をとって参照画素毎に補正信号を生成し、次回以降の走査周期において、前記垂直走査回路で選択された駆動線に接続された参照画素に対応する補正信号を、前記バイアス線に出力することを特徴とする赤外線撮像素子モジュール。
【請求項2】
前記補正手段は、
前記水平走査回路で選択された出力信号のうち、前記参照画素に対応する出力信号に対して、参照画素毎に平均化処理を実行する処理手段と、
前記処理手段で平均化された前記出力信号と前記基準電圧との差をとって前記補正信号を生成する減算手段と、を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の赤外線撮像素子モジュール。
【請求項3】
前記処理手段は、前記赤外線撮像素子の立ち上がり時の所定期間のみ前記平均化処理を実行することを特徴とする請求項2に記載の赤外線撮像素子モジュール。
【請求項4】
前記処理手段は、外部から要求があったときのみ前記平均化処理を実行することを特徴とする請求項2に記載の赤外線撮像素子モジュール。
【請求項5】
前記処理手段は、重み付け平均を用いて前記平均化処理を実行することを特徴とする請求項2に記載の赤外線撮像素子モジュール。
【請求項6】
前記赤外線撮像素子は、
前記信号線の各終端に接続された第1定電流手段と、
前記バイアス線の各分岐点に接続され、前記第1定電流源と同一の電流を流す第2定電流源と、をさらに有し、
前記バイアス線は、前記駆動線と同一の抵抗値を有することを特徴とする請求項1から請求項5までの何れか1項に記載の赤外線撮像素子モジュール。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2010−286440(P2010−286440A)
【公開日】平成22年12月24日(2010.12.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−142194(P2009−142194)
【出願日】平成21年6月15日(2009.6.15)
【出願人】(390014306)防衛省技術研究本部長 (169)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】