赤外線撮像装置
【課題】外乱赤外線をより適切に遮断することができ、画像劣化を抑制することができる赤外線撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１の表面には、空洞部１ａの開口を覆うように面状に遮蔽膜７及び反射膜８が形成されている。即ち、遮蔽膜７は、半導体基板１における光学系１５０と対向する面に、機械的でかつ熱的に接続されている。反射膜８は、遮蔽膜７の表面の全体を覆うように形成されている。撮像画素開口１０１ａは、遮蔽膜７及び反射膜８に空けられている。遮蔽膜７及び反射膜８は、撮像画素開口１０１ａで、光学系通過赤外線１５２のみを空洞部１ａ内の温度検出部５へ通す。遮蔽膜７及び反射膜８は、これらの面全体における撮像画素開口１０１ａ以外の箇所で、外乱赤外線を遮断・反射する。
【解決手段】半導体基板１の表面には、空洞部１ａの開口を覆うように面状に遮蔽膜７及び反射膜８が形成されている。即ち、遮蔽膜７は、半導体基板１における光学系１５０と対向する面に、機械的でかつ熱的に接続されている。反射膜８は、遮蔽膜７の表面の全体を覆うように形成されている。撮像画素開口１０１ａは、遮蔽膜７及び反射膜８に空けられている。遮蔽膜７及び反射膜８は、撮像画素開口１０１ａで、光学系通過赤外線１５２のみを空洞部１ａ内の温度検出部５へ通す。遮蔽膜７及び反射膜８は、これらの面全体における撮像画素開口１０１ａ以外の箇所で、外乱赤外線を遮断・反射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、温度変化の検出手段として熱型検出器を用いた赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱型検出器は、被写体が放射する赤外線による温度変化を、半導体基板と熱的に分離した中空構造体を用いて検出するものである。このような温度変化の検出手段としては、中空構造体にボロメータを形成し抵抗変化を検出するボロメータ方式や、中空構造体上にＰＮ接合ダイオードを形成し順方向電流を流した状態での電圧変化を検出するダイオード方式等が提案されている。また、これら熱型検出器は、一般的に、複数の撮像画素（温度検出部）が２次元配列された構成になっている。
【０００３】
このように、熱型検出器は、その熱型検出器に入射する赤外線による温度変化を検出するものである。被写体が放出する赤外線は、光学系を用いて熱型検出器の表面上に結像されることによって撮像される。しかしながら、熱型検出器には、被写体以外からの物体から撮像素子へ向けて放射（輻射）され光学系を通らない赤外線（以下、「外乱赤外線」とする。）も入射する。この被写体以外の物体とは、例えばレンズ鏡筒や検出器パッケージ等である。ここで、被写体からの赤外線と、被写体以外からの外乱赤外線とは、熱型検出器において区別ができない。このため、外乱赤外線の影響によって被写体を正しく画像化できないという問題点があった。
【０００４】
このような問題点に対して、例えば、特許文献１に示すような従来装置では、外乱赤外線を遮断するための構成が用いられている。図１２は、従来装置における光学系からの入射赤外線と撮像画素への入射状況とを示す概念図である。図１２において、撮像素子２０１は、その表面が光学系２１０の開口面である光学系開口面２１１に、間隔をおいて対向配置されている。撮像素子２０１の表面（図１２の上面）には、アレイ状に配置された複数の撮像画素２０２が設けられている。撮像画素２０２には、光学系２１０からの赤外線２１２が入射される。
【０００５】
また、撮像素子２０１の表面には、複数の撮像画素２０２のうち互いに隣り合う撮像画素２０２同士の間を仕切るように、マイクロシールド２０３が立てて設けられている。さらに、撮像素子２０１の表面（図１２の下面）には、マイクロシールド２０３を含む撮像素子２０１の赤外線の入射による温度上昇を抑制するための電子冷却素子２０４が設けられている。この図１２に示すような従来装置では、マイクロシールド２０３によって、外乱赤外線の一部が遮断される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２７４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１２に示すような従来装置には、次のような問題点がある。図１２に示すような従来装置では、複数の撮像画素２０２が１次元又は２次元的に配置されており、その撮像画素２０２の位置によって、撮像画素２０２と光学系開口面２１１とを結ぶ線の向きが異なる。
【０００８】
このため、撮像素子２０１の表面における面の中心から離れた箇所に配置された撮像画素２０２では、図１３に示すように、被写体からの赤外線（光学系を通った赤外線）２１２の一部の赤外線２１２ａがマイクロシールド２０３の上端部に当って遮断される現象（いわゆるケラレ）が生じる。この結果、従来装置では、本来入射するべき赤外線２１２ａがマイクロシールド２０３によって遮断されることから、入射赤外線量が低減していた。
【０００９】
また、撮像素子２０１の表面における面の中心から離れた箇所に配置された撮像画素２０２では、光学系２１０によって集光された赤外線２１２以外の赤外線、つまり本来遮断したい外乱赤外線２１３（光学系２１０を通らない赤外線）を遮断できない現象が生じていた。
【００１０】
さらに、図１２に示すような従来装置では、マイクロシールド２０３の開口部の開口面の形状は、平面視四角形状である。このため、特に、マイクロシールド２０３の開口部の開口面の角部分には、外乱赤外線２１３が入射していた。
【００１１】
以上のように、図１２に示すような従来装置では、マイクロシールド２０３による入射赤外線量が低減し、また、外乱赤外線２１３を十分に遮断できないことによって、画像劣化が生じてしまうという問題点があった。
【００１２】
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、外乱赤外線をより適切に遮断することができ、画像劣化を抑制することができる赤外線撮像装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明の赤外線撮像装置は、光学系に間隔をおいて対向配置されかつ前記光学系と対向する面にその面の裏側へ向けて窪む凹状の複数の空洞部が設けられた基材と、前記複数の空洞部にそれぞれ配置され、被写体を撮像するための複数の撮像画素とを備えるものであって、前記複数の撮像画素のそれぞれは、前記基材に接続され、かつ前記空洞部内に配置された支持脚と、前記支持脚を介して前記空洞部内に配置され、前記空洞部内の温度に応じた信号を生成するための温度検出部と、前記空洞部の開口を覆うように面状に前記基材に設けられ、面全体における前記光学系からの赤外線が当る箇所に前記光学系からの赤外線を前記空洞部内の前記温度検出部へ通すための撮像画素開口が空けられ、前記光学系以外の物体から前記撮像素子へ向けて放射され外乱となる赤外線である外乱赤外線を面全体における前記撮像画素開口以外の箇所で遮断する被覆面部とを有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の赤外線撮像装置によれば、被覆面部の面全体における光学系からの赤外線が当る箇所に撮像画素開口が空けられ、被覆面部がその面全体における撮像画素開口以外の箇所で外乱赤外線を遮断するので、外乱赤外線をより適切に遮断することができ、画像劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１による赤外線撮像装置を示す平面図である。
【図２】図１の撮像画素を示す平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】撮像画素と光学系との位置関係を示す概念図である。
【図５】図１の参照画素を示す平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【図７】図１の赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態２による赤外線撮像装置を示す平面図である。
【図９】図８の赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態４による赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。
【図１２】従来装置における光学系からの入射光と撮像画素への入射状況とを示す概念図である。
【図１３】図１２の一部を拡大して示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による赤外線撮像装置を示す平面図である。
図１において、赤外線撮像装置（赤外線撮像素子）１００は、複数の撮像画素（通常画素）１０１と、参照画素１０２とを有している。複数の撮像画素１０１は、二次元的に（マトリクス状・格子状に）並べられて配置されている。
【００１７】
複数の撮像画素１０１のそれぞれの表面には、被写体からの赤外線を撮像画素１０１の内部へ通すための撮像画素開口１０１ａが設けられている。撮像画素開口１０１ａの形状は、平面視円状である。参照画素１０２は、複数の撮像画素１０１のうち最も外側に配置された撮像画素１０１に隣接して配置されている。参照画素１０２の表面には、参照画素開口１０２ａが設けられている。参照画素開口１０２ａの形状は、平面視四角形状である。
【００１８】
次に、撮像画素１０１の構造について説明する。図２は、図１の撮像画素１０１を示す平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、撮像画素１０１と光学系１５０との位置関係を示す概念図である。図２〜４において、基材としての半導体基板１は、光学系１５０に間隔をおいて対向配置されている。また、半導体基板１は、例えばシリコン基板である。
【００１９】
また、半導体基板１における光学系１５０側の面には、その面の裏側（図３の下方）へ向けて窪む凹状の複数の空洞部１ａが設けられている。複数の空洞部１ａのそれぞれの開口面は、光学系１５０の開口面である光学系開口面１５１に対して平行になるように配置されている。半導体基板１における空洞部１ａの内壁には、アルミ配線（配線パターン）２が設けられている。また、半導体基板１における空洞部１ａの内壁には、空洞部１ａの内壁から空洞部１ａの中心へ向けて突出するように、一対の支持脚３が設けられている。
【００２０】
支持脚３は、空洞部１ａの底部から上方に間隔をおいて配置されている。また、支持脚３は、断熱構造をもたせるために、熱抵抗が大きく、かつ細長い構造である。支持脚３の内部には、アルミ配線２に電気的に接続された薄膜金属配線４が形成されている。支持脚３には、温度変化を電気信号に変換するための温度検出部（温度検知部）５が接続されている。即ち、支持脚３は、温度検出部５と半導体基板１とを接続して、温度検出部５を空洞部１ａの内壁面から間隔をおいて（空洞部１ａ内に中空に）支持している。
【００２１】
温度検出部５は、温度検出膜（温度検知膜）６を含んでいる。温度検出膜６は、例えばシリコンを用いたダイオードである。また、温度検出膜６は、薄膜金属配線４を介して、アルミ配線２に電気的に接続されている。温度検出部５では、空洞部１ａ内に入射した赤外線が当ることによって温度変化が生じ、温度検出膜６は、その温度変化に応じた信号を生成する。
【００２２】
半導体基板１の表面（図３の上面）には、空洞部１ａの開口を覆うように面状に遮蔽膜７及び反射膜８が形成されている。即ち、遮蔽膜７は、半導体基板１における光学系１５０と対向する面に、機械的でかつ熱的に接続されている。遮蔽膜７の材質は、例えば酸化シリコンである。反射膜８は、遮蔽膜７の表面（図３の上面）の全体を覆うように形成されている。反射膜８の材質は、例えばアルミニウムや金等の比較的反射率の高い金属である。
【００２３】
遮蔽膜７及び反射膜８は、被覆面部をなしている。このように、複数の撮像画素１０１は、半導体基板１の複数の空洞部１ａにそれぞれ形成されている。また、複数の撮像画素１０１は、それぞれ支持脚３、温度検出部５、遮蔽膜７及び反射膜８を有している。
【００２４】
ここで、撮像画素開口１０１ａは、遮蔽膜７及び反射膜８に空けられている。遮蔽膜７及び反射膜８は、撮像画素開口１０１ａで、光学系１５０からの赤外線１５２（以下、「光学系通過赤外線１５２」とする。）のみを空洞部１ａ内の温度検出部５へ通す。他方、遮蔽膜７及び反射膜８は、これらの面全体における撮像画素開口１０１ａ以外の箇所で、被写体以外の物体から撮像画素１０１へ向けて放射（輻射）され光学系１５０を通らない外乱赤外線を遮断・反射する。
【００２５】
次に、撮像画素開口１０１ａの構成について、より具体的に説明する。図４に示すように、複数の撮像画素１０１のうち全体の中心側に配置された撮像画素１０１では、撮像画素１０１の表面に対して垂直に、光学系通過赤外線１５２が入射する。複数の撮像画素１０１のうち全体の中心側に配置された撮像画素１０１では、その撮像画素１０１の面の中心に撮像画素開口１０１ａが配置されている。
【００２６】
他方、複数の撮像画素１０１のうち全体の中心から外側にずれて配置された撮像画素１０１（以下、「周辺撮像画素１０１」という）では、周辺撮像画素１０１の表面に対して垂直ではなく斜め方向から光学系通過赤外線１５２が入射する。周辺撮像画素１０１では、図１，４に示すように、撮像画素開口１０１ａの周辺撮像画素１０１の表面における位置が、光学系通過赤外線１５２の入射方向に対応させて、その周辺撮像画素１０１の面の中心からずれている。また、複数の周辺撮像画素１０１のそれぞれの撮像画素開口１０１ａの位置は、光学系通過赤外線１５２の入射方向に対応させて、周辺撮像画素１０１毎に異なっている。
【００２７】
撮像画素開口１０１ａの大きさ（開口面の面積）は、光学系通過赤外線１５２に対応するように、即ち光学系開口面１５１に対応するように設定されている。これを言い換えると、撮像画素開口１０１ａは、遮蔽膜７及び反射膜８の面全体における光学系通過赤外線１５２が当る箇所に空けられている。これにより、光学系１５０以外の物体からの外乱赤外線は、反射膜８の面全体における撮像画素開口１０１ａ以外の箇所に当って反射される。
【００２８】
次に、参照画素１０２の構成について説明する。参照画素１０２の構成の概要は、撮像画素１０１の構成と同様であり、参照画素開口１０２ａの位置・大きさ・範囲が撮像画素開口１０１ａの位置・大きさ・範囲とは異なる。つまり、参照画素１０２は、撮像画素１０１と同様に、半導体基板１の空洞部１ａに形成され、支持脚３、温度検出部５、遮蔽膜７及び反射膜８を有している。ここでは、撮像画素１０１との違いを中心に説明する。
【００２９】
図５は、図１の参照画素１０２を示す平面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。図５，６において、参照画素開口１０２ａは、支持脚３を臨むように、空洞部１ａの内壁の近傍に配置されている。また、参照画素開口１０２ａの開口面の面積は、撮像画素開口１０１ａの開口面の面積よりも小さい。
【００３０】
ここで、撮像画素１０１では、撮像画素開口１０１ａが温度検出部５に光学系通過赤外線１５２を入射させるように配置されている。これに対して、参照画素１０２では、参照画素開口１０２ａが温度検出部５に光学系通過赤外線１５２を入射させないように配置されている。これにより、参照画素１０２の温度検出部５には、半導体基板１及び遮蔽膜７から放射された赤外線（以下、「画素内放射赤外線」とする。）のみが入射されることとなる。この結果、参照画素１０２の温度検出膜６には、常に半導体基板１の温度に応じた電圧変化が生じる。
【００３１】
なお、参照画素開口１０２ａは、半導体基板１に空洞部１ａを形成する際のエッチングを行うために設けることが好ましいが、半導体基板１に空洞部１ａを形成した後に、参照画素開口１０２ａを塞いでもよい。また、この実施の形態では、参照画素開口１０２ａの開口面の形状は、平面視四角形状であるが、四角形状に限定するものではない。
【００３２】
次に、赤外線撮像装置１００の回路構成について説明する。図７は、図１の赤外線撮像装置１００の回路構成を示す構成図である。なお、図７では、３×３行列の画素アレイとして簡略化して赤外線撮像装置１００を示しているが、この画素数に限定するものではない（実施の形態２以降も同様）。図７において、画素アレイの複数のダイオード２１は、複数の撮像画素１０１のそれぞれの温度検出膜６である。また、複数のダイオード２１は、行列をなすように二次元的に（マトリクス状・格子状に）配置されている。
【００３３】
複数のダイオード２１のアノードには、アルミ配線２からなり、画素アレイの行毎に電圧を加えるためのバイアス線２２が接続されている。バイアス線２２は、複数のダイオード２１のうち同一の行に属するダイオード２１のアノード同士を繋いでいる。複数のダイオード２１のカソードには、アルミ配線２からなり、画素アレイの列毎に信号を読み出すための垂直信号線２３が接続されている。垂直信号線２３は、複数のダイオード２１のうち同一の列に属するダイオード２１のカソード同士を繋いでいる。
【００３４】
各列の垂直信号線２３には、読み出し回路２４と、スイッチ２５の一端とが直列に接続されている。読み出し回路２４は、サンプルホールド回路２８と、垂直信号線２３に一定の電流を与える定電流源２９とを有している。サンプルホールド回路２８は、定電流源２９の両端に現れるダイオード２１の信号である撮像画素信号の信号レベルを、サンプリングして記憶する。画素アレイの各列に対応するスイッチ２５の他端には、水平信号線２６が接続されている。即ち、水平信号線２６は、画素アレイの各列に対応するスイッチ２５の他端同士を繋いでいる。スイッチ２５のＯＮ・ＯＦＦは、水平走査回路２７によって制御される。
【００３５】
バイアス線２２には、スイッチ３０を介して、電源３１が接続されている。スイッチ３０のＯＮ・ＯＦＦは、垂直走査回路３２によって制御される。垂直走査回路３２は、画素アレイの各行に対応するスイッチ３０のＯＮ・ＯＦＦを制御することによって、複数のダイオード２１の通電・遮断を画素アレイの行単位で制御する。
【００３６】
参照画素１０２の温度検出膜６は、図７の回路構成におけるダイオード３３をなしている。ダイオード３３のアノードは、電源３１に接続されている。ダイオード３３のカソードには、参照画素出力線３４が接続されている。参照画素出力線３４には、サンプルホールド回路２８及び定電流源２９と同様の構成のサンプルホールド回路３５及び定電流源３６が接続されている。
【００３７】
水平信号線２６には、温度変化補正部としての減算器３７が接続されている。減算器３７は、参照画素１０２側のサンプルホールド回路３５に接続されており、サンプルホールド回路３５の信号である参照画素信号を受ける。また、減算器３７は、水平信号線２６からの撮像画素信号の信号レベルから、参照画素信号の信号レベルを減じて、撮像画素信号の信号レベルを補正する。さらに、減算器３７は、外部出力用の出力端子３８に補正後の撮像画素信号を出力する。
【００３８】
従って、減算器３７は、参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを用いて、撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルを半導体基板１の温度に応じて補正する。これにより、出力端子３８に出力される撮像画素信号の信号レベルは、半導体基板１及び遮蔽膜７からの画素内放射赤外線と光学系通過赤外線１５２とに応じた撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルから、画素内放射赤外線に応じた参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを減じた値である。この補正後の信号レベルは、光学系１５０からの光学系通過赤外線１５２に応じた値に他ならない。
【００３９】
上記のような実施の形態１によれば、遮蔽膜７及び反射膜８の面全体における光学系１５０からの光学系通過赤外線１５２が当る箇所に撮像画素開口１０１ａが空けられ、遮蔽膜７及び反射膜８が、その面全体における撮像画素開口１０１ａ以外の箇所で外乱赤外線を遮断・反射する。この構成により、光学系１５０以外からの外乱赤外線をより適切に遮断することができ、画像劣化を抑制することができる。
【００４０】
ここで、図１２に示すような従来装置では、温度を一定にするための電子冷却素子２０４が必要であり、装置が大型化したり、消費電力が増大したり、製造コストが増加したりするという問題点があった。
これに対して、実施の形態１では、遮蔽膜７の温度が半導体基板１とともに変化するが、減算器３７が、参照画素１０２の信号を用いて、撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルを半導体基板１の温度に応じて補正する。この構成により、半導体基板１の温度が変化しても、撮像画素信号の信号レベルにおける温度の変化分を相殺することができる。この結果、図１２に示すような従来装置における電子冷却素子２０４を省略することができ、装置の小型化と、消費電力の低減化と、製造コストの低減化とを図ることができる。
【００４１】
また、実施の形態１では、外乱赤外線を反射するための反射膜８が遮蔽膜７の表面に形成されている。この構成により、外乱赤外線による遮蔽膜７及び半導体基板１の温度上昇を抑えることができる。
【００４２】
実施の形態２．
実施の形態１では、１つの参照画素１０２が用いられた。これに対して、実施の形態２では、複数の参照画素１０２が用いられる。図８は、この発明のこの発明の実施の形態２による赤外線撮像装置を示す平面図である。図９は、図８の赤外線撮像装置１００の回路構成を示す構成図である。実施の形態２の赤外線撮像装置１００の構成の概要は、実施の形態１と同様であり、参照画素１０２の数と、及び参照画素１０２の周辺の電気回路が実施の形態１とは異なっている。ここでは、実施の形態１との違いを中心に説明する。
【００４３】
図８，９において、実施の形態２の複数の参照画素１０２は、画素アレイにおける列方向に一次元的に並べられて配置されている。複数の参照画素１０２のそれぞれのダイオード３３のアノードは、バイアス線２２に接続されている。また、複数の参照画素１０２のそれぞれのダイオード３３のカソードは、垂直信号線２３に接続されている。
【００４４】
さらに、実施の形態２の減算器３７とサンプルホールド回路３５との間の信号線には、スイッチ３９が介在されている。スイッチ３９のＯＮ・ＯＦＦは、水平走査回路２７によって制御される。また、垂直走査回路３２によって、画素アレイにおける通電中の撮像画素１０１のダイオード２１と同じ行に属する参照画素１０２のダイオード３３が通電される。
【００４５】
従って、実施の形態２の減算器３７は、画素アレイにおける通電中の撮像画素１０１のダイオード２１と同じ行に属する参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを用いて撮像画素信号の信号レベルを補正する。他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００４６】
上記のような実施の形態２によれば、複数の参照画素１０２を用いた構成であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。これとともに、減算器３７が画素アレイにおける通電中の撮像画素１０１のダイオード２１と同じ行に属する参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを用いて、撮像画素信号の信号レベルを補正する。この構成により、画素アレイにおける列方向で半導体基板１の温度差が生じている場合に、その温度差に対応可能となり、撮像画素信号の信号レベルの補正の精度をより向上させることができる。
【００４７】
実施の形態３．
実施の形態１，２では、温度変化補正部として減算器３７を用いた構成について説明した。これに対して、実施の形態３では、温度変化補正部として補正回路４０を用いる構成について説明する。
【００４８】
図１０は、この発明の実施の形態３による赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。図１０において、実施の形態３の赤外線撮像装置１００の構成の概要は、実施の形態２と同様であり、減算器３７を削除し、出力端子３８に補正回路４０を接続した点が実施の形態２とは異なる。ここでは、実施の形態２との違いを中心に説明する。
【００４９】
図１０において、補正回路４０は、Ａ／Ｄ変換部とメモリ（記憶部）とを有している（いずれも図示せず）。また、補正回路４０は、出力端子３８から撮像画素信号及び参照画素信号を受ける。補正回路４０が受けた撮像画素信号及び参照画素信号の信号レベルは、Ａ／Ｄ変換部によってＡ／Ｄ変換されて、デジタルデータとしてメモリに記憶される。
【００５０】
さらに、補正回路４０は、参照画素１０２の読み出しタイミングにあわせて参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを行毎にメモリに記憶し、その記憶した行毎の参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを、同一の行に属する撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルから減じて、撮像画素信号を補正する。
【００５１】
これにより、補正回路４０の出力信号の信号レベルは、各撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルから半導体基板１の温度による出力分を減じた値となり、補正回路４０の出力信号の信号レベルは、光学系通過赤外線１５２に応じた値に他ならない。なお、例えばメモリに代えてサンプルホールド回路等に記憶してもよい。他の構成は、実施の形態２と同様である。
【００５２】
上記のような実施の形態３によれば、減算器３７に代えて補正回路４０を温度変化補正部として用いた構成であっても、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
なお、実施の形態２，３では、参照画素１０２が画素アレイにおける列方向に一次元的に並べられて配置されていた。しかしながら、この例に限定するものではなく、参照画素１０２が画素アレイにおける行方向に一次元的に並べられて配置されてもよい。また、参照画素１０２が画素アレイにおける行方向及び列方向の両方向に二次元的に並べられて配置されてもよい。
【００５４】
実施の形態４．
実施の形態１〜３では、参照画素信号の信号レベルを用いて撮像画素信号の信号レベルを補正する構成について説明した。これに対して、実施の形態４では、温度センサ５０の出力信号を用いて撮像画素信号の信号レベルを補正する構成について説明する。
【００５５】
図１１は、この発明の実施の形態４による赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。図１１において、実施の形態４の赤外線撮像装置１００の構成の概要は、実施の形態１と同様であり、参照画素１０２及び減算器３７を削除し、基材温度検出手段としての温度センサ（温度モニタ）５０と温度変化補正部としての補正処理部６０とを追加した点が実施の形態１とは異なる。ここでは、実施の形態１との違いを中心に説明する。
【００５６】
温度センサ５０は、半導体基板１に熱的に接続されている。ここで、温度センサ５０は、半導体基板１の内部に設けられていても、半導体基板１の表面に機械的に接続されていてもよい。また、温度センサ５０には、例えば温度で抵抗値が変化する金属膜や、ダイオード等を用いてもよく、温度検出膜６と同じ構成のものを用いてもよい。
【００５７】
補正処理部６０は、画素アレイの出力端子３８と温度センサ５０の出力端子５１とに接続されている。補正処理部６０は、温度センサ５０の出力を監視して半導体基板１の温度（素子温度）を得る温度処理部６１と、素子温度に応じた画素出力を取得（算出）する補正データ算出部６２と、減算器６３とを有している。
【００５８】
補正データ算出部６２は、半導体基板１の温度と、その温度での撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベル（事前登録信号レベル）とを互いに対応付けて、温度対応出力情報として予め記憶している。ここで、撮像画素１０１は、赤外線の入射によって発生する温度検出部５の温度変化に応じた電気信号を出力するものであり、半導体基板１及び遮蔽膜７から放射されて温度検出部５に入射する画素内放射赤外線の赤外線量がわかっていれば、その赤外線量に対応する温度検出部５の温度の変化量、即ち撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルを算出又は試験等によって事前に求めることができる。
【００５９】
つまり、撮像画素１０１に入射した赤外線が、半導体基板１及び遮蔽膜７から放射された画素内放射赤外線であるとすれば、半導体基板１の温度を監視し、半導体基板１の温度を用いて、画素内放射赤外線に対応する撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルを取得（算出）できる。従って、補正データ算出部６２は、半導体基板１の温度に対応する撮像画素信号の信号レベルを、温度対応出力情報に基づいて取得する。
【００６０】
減算器６３は、水平信号線２６から受けた撮像画素信号の信号レベルから、補正データ算出部６２によって取得された半導体基板１の温度に対応する撮像画素信号の信号レベルを減じて、水平信号線２６から受けた撮像画素信号の信号レベルを補正する。この補正後の撮像画素信号の信号レベルは、光学系１５０からの光学系通過赤外線１５２に応じた値に他ならない。
【００６１】
なお、補正処理部６０は、演算処理部（ＣＰＵ）と、記憶部と、信号入出力部とを有するコンピュータ（図示せず）により構成することができる。補正処理部６０のコンピュータの記憶部には、温度処理部６１及び補正データ算出部６２の機能を実現するためのプログラムが格納されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００６２】
上記のような実施の形態４によれば、参照画素１０２を省略した構成であっても、半導体基板１の温度が変化しても、撮像画素信号の信号レベルにおける温度の変化分を相殺することができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
なお、実施の形態１〜４では、温度検出部としてダイオードを用いた構成について説明した。しかしながら、この例に限定するものではなく、温度検出部としてボロメータ（抵抗）を用いてもよい。この場合、実施の形態１〜４において、ダイオード２１とともに用いられた読み出し回路２４やサンプルホールド回路２８や定電流源２９を省略可能となる。
【００６４】
また、実施の形態１〜４では、遮蔽膜７及び反射膜８の両方を被覆面部として用いた構成について説明した。しかしながら、この例に限定するものではなく、反射膜８を省略して、遮蔽膜７のみを被覆面部として用いてもよい。
【００６５】
さらに、実施の形態１〜４では、撮像画素１０１の配列を二次元配列とした例について説明した。しかしながら、複数の撮像画素１０１の画素配列を１次元配列としてもよく、あるいは画素配列を格子状以外の形状に配列してもよい。
【００６６】
また、実施の形態１〜４における水平走査回路２７、垂直走査回路３２及び補正回路４０の各回路の機能を、演算処理部（ＣＰＵ）と、記憶部と、信号入出力部とを有するコンピュータの演算処理によって実現してもよい。
【００６７】
さらに、実施の形態１〜４では、複数の空洞部１ａのそれぞれの開口面が、光学系１５０の開口面である光学系開口面１５１に対して平行になるように配置されていた。しかしながら、この例に限定するものではなく、複数の空洞部１ａのそれぞれの開口面が、光学系開口面１５１に対して傾いて配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１ 半導体基板（基材）、１ａ 空洞部、３ 支持脚、５ 温度検出部、７ 遮蔽膜、３７ 減算器（温度変化補正部）、４０ 補正回路（温度変化補正部）、５０ 温度センサ（基材温度検出手段）、６０ 補正処理部（温度変化補正部）、１００ 赤外線撮像装置、１０１ 撮像画素、１０１ａ 撮像画素開口、１０２ 参照画素、１５０ 光学系。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、温度変化の検出手段として熱型検出器を用いた赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱型検出器は、被写体が放射する赤外線による温度変化を、半導体基板と熱的に分離した中空構造体を用いて検出するものである。このような温度変化の検出手段としては、中空構造体にボロメータを形成し抵抗変化を検出するボロメータ方式や、中空構造体上にＰＮ接合ダイオードを形成し順方向電流を流した状態での電圧変化を検出するダイオード方式等が提案されている。また、これら熱型検出器は、一般的に、複数の撮像画素（温度検出部）が２次元配列された構成になっている。
【０００３】
このように、熱型検出器は、その熱型検出器に入射する赤外線による温度変化を検出するものである。被写体が放出する赤外線は、光学系を用いて熱型検出器の表面上に結像されることによって撮像される。しかしながら、熱型検出器には、被写体以外からの物体から撮像素子へ向けて放射（輻射）され光学系を通らない赤外線（以下、「外乱赤外線」とする。）も入射する。この被写体以外の物体とは、例えばレンズ鏡筒や検出器パッケージ等である。ここで、被写体からの赤外線と、被写体以外からの外乱赤外線とは、熱型検出器において区別ができない。このため、外乱赤外線の影響によって被写体を正しく画像化できないという問題点があった。
【０００４】
このような問題点に対して、例えば、特許文献１に示すような従来装置では、外乱赤外線を遮断するための構成が用いられている。図１２は、従来装置における光学系からの入射赤外線と撮像画素への入射状況とを示す概念図である。図１２において、撮像素子２０１は、その表面が光学系２１０の開口面である光学系開口面２１１に、間隔をおいて対向配置されている。撮像素子２０１の表面（図１２の上面）には、アレイ状に配置された複数の撮像画素２０２が設けられている。撮像画素２０２には、光学系２１０からの赤外線２１２が入射される。
【０００５】
また、撮像素子２０１の表面には、複数の撮像画素２０２のうち互いに隣り合う撮像画素２０２同士の間を仕切るように、マイクロシールド２０３が立てて設けられている。さらに、撮像素子２０１の表面（図１２の下面）には、マイクロシールド２０３を含む撮像素子２０１の赤外線の入射による温度上昇を抑制するための電子冷却素子２０４が設けられている。この図１２に示すような従来装置では、マイクロシールド２０３によって、外乱赤外線の一部が遮断される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２７４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１２に示すような従来装置には、次のような問題点がある。図１２に示すような従来装置では、複数の撮像画素２０２が１次元又は２次元的に配置されており、その撮像画素２０２の位置によって、撮像画素２０２と光学系開口面２１１とを結ぶ線の向きが異なる。
【０００８】
このため、撮像素子２０１の表面における面の中心から離れた箇所に配置された撮像画素２０２では、図１３に示すように、被写体からの赤外線（光学系を通った赤外線）２１２の一部の赤外線２１２ａがマイクロシールド２０３の上端部に当って遮断される現象（いわゆるケラレ）が生じる。この結果、従来装置では、本来入射するべき赤外線２１２ａがマイクロシールド２０３によって遮断されることから、入射赤外線量が低減していた。
【０００９】
また、撮像素子２０１の表面における面の中心から離れた箇所に配置された撮像画素２０２では、光学系２１０によって集光された赤外線２１２以外の赤外線、つまり本来遮断したい外乱赤外線２１３（光学系２１０を通らない赤外線）を遮断できない現象が生じていた。
【００１０】
さらに、図１２に示すような従来装置では、マイクロシールド２０３の開口部の開口面の形状は、平面視四角形状である。このため、特に、マイクロシールド２０３の開口部の開口面の角部分には、外乱赤外線２１３が入射していた。
【００１１】
以上のように、図１２に示すような従来装置では、マイクロシールド２０３による入射赤外線量が低減し、また、外乱赤外線２１３を十分に遮断できないことによって、画像劣化が生じてしまうという問題点があった。
【００１２】
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、外乱赤外線をより適切に遮断することができ、画像劣化を抑制することができる赤外線撮像装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明の赤外線撮像装置は、光学系に間隔をおいて対向配置されかつ前記光学系と対向する面にその面の裏側へ向けて窪む凹状の複数の空洞部が設けられた基材と、前記複数の空洞部にそれぞれ配置され、被写体を撮像するための複数の撮像画素とを備えるものであって、前記複数の撮像画素のそれぞれは、前記基材に接続され、かつ前記空洞部内に配置された支持脚と、前記支持脚を介して前記空洞部内に配置され、前記空洞部内の温度に応じた信号を生成するための温度検出部と、前記空洞部の開口を覆うように面状に前記基材に設けられ、面全体における前記光学系からの赤外線が当る箇所に前記光学系からの赤外線を前記空洞部内の前記温度検出部へ通すための撮像画素開口が空けられ、前記光学系以外の物体から前記撮像素子へ向けて放射され外乱となる赤外線である外乱赤外線を面全体における前記撮像画素開口以外の箇所で遮断する被覆面部とを有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の赤外線撮像装置によれば、被覆面部の面全体における光学系からの赤外線が当る箇所に撮像画素開口が空けられ、被覆面部がその面全体における撮像画素開口以外の箇所で外乱赤外線を遮断するので、外乱赤外線をより適切に遮断することができ、画像劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１による赤外線撮像装置を示す平面図である。
【図２】図１の撮像画素を示す平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】撮像画素と光学系との位置関係を示す概念図である。
【図５】図１の参照画素を示す平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【図７】図１の赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態２による赤外線撮像装置を示す平面図である。
【図９】図８の赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態４による赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。
【図１２】従来装置における光学系からの入射光と撮像画素への入射状況とを示す概念図である。
【図１３】図１２の一部を拡大して示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による赤外線撮像装置を示す平面図である。
図１において、赤外線撮像装置（赤外線撮像素子）１００は、複数の撮像画素（通常画素）１０１と、参照画素１０２とを有している。複数の撮像画素１０１は、二次元的に（マトリクス状・格子状に）並べられて配置されている。
【００１７】
複数の撮像画素１０１のそれぞれの表面には、被写体からの赤外線を撮像画素１０１の内部へ通すための撮像画素開口１０１ａが設けられている。撮像画素開口１０１ａの形状は、平面視円状である。参照画素１０２は、複数の撮像画素１０１のうち最も外側に配置された撮像画素１０１に隣接して配置されている。参照画素１０２の表面には、参照画素開口１０２ａが設けられている。参照画素開口１０２ａの形状は、平面視四角形状である。
【００１８】
次に、撮像画素１０１の構造について説明する。図２は、図１の撮像画素１０１を示す平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、撮像画素１０１と光学系１５０との位置関係を示す概念図である。図２〜４において、基材としての半導体基板１は、光学系１５０に間隔をおいて対向配置されている。また、半導体基板１は、例えばシリコン基板である。
【００１９】
また、半導体基板１における光学系１５０側の面には、その面の裏側（図３の下方）へ向けて窪む凹状の複数の空洞部１ａが設けられている。複数の空洞部１ａのそれぞれの開口面は、光学系１５０の開口面である光学系開口面１５１に対して平行になるように配置されている。半導体基板１における空洞部１ａの内壁には、アルミ配線（配線パターン）２が設けられている。また、半導体基板１における空洞部１ａの内壁には、空洞部１ａの内壁から空洞部１ａの中心へ向けて突出するように、一対の支持脚３が設けられている。
【００２０】
支持脚３は、空洞部１ａの底部から上方に間隔をおいて配置されている。また、支持脚３は、断熱構造をもたせるために、熱抵抗が大きく、かつ細長い構造である。支持脚３の内部には、アルミ配線２に電気的に接続された薄膜金属配線４が形成されている。支持脚３には、温度変化を電気信号に変換するための温度検出部（温度検知部）５が接続されている。即ち、支持脚３は、温度検出部５と半導体基板１とを接続して、温度検出部５を空洞部１ａの内壁面から間隔をおいて（空洞部１ａ内に中空に）支持している。
【００２１】
温度検出部５は、温度検出膜（温度検知膜）６を含んでいる。温度検出膜６は、例えばシリコンを用いたダイオードである。また、温度検出膜６は、薄膜金属配線４を介して、アルミ配線２に電気的に接続されている。温度検出部５では、空洞部１ａ内に入射した赤外線が当ることによって温度変化が生じ、温度検出膜６は、その温度変化に応じた信号を生成する。
【００２２】
半導体基板１の表面（図３の上面）には、空洞部１ａの開口を覆うように面状に遮蔽膜７及び反射膜８が形成されている。即ち、遮蔽膜７は、半導体基板１における光学系１５０と対向する面に、機械的でかつ熱的に接続されている。遮蔽膜７の材質は、例えば酸化シリコンである。反射膜８は、遮蔽膜７の表面（図３の上面）の全体を覆うように形成されている。反射膜８の材質は、例えばアルミニウムや金等の比較的反射率の高い金属である。
【００２３】
遮蔽膜７及び反射膜８は、被覆面部をなしている。このように、複数の撮像画素１０１は、半導体基板１の複数の空洞部１ａにそれぞれ形成されている。また、複数の撮像画素１０１は、それぞれ支持脚３、温度検出部５、遮蔽膜７及び反射膜８を有している。
【００２４】
ここで、撮像画素開口１０１ａは、遮蔽膜７及び反射膜８に空けられている。遮蔽膜７及び反射膜８は、撮像画素開口１０１ａで、光学系１５０からの赤外線１５２（以下、「光学系通過赤外線１５２」とする。）のみを空洞部１ａ内の温度検出部５へ通す。他方、遮蔽膜７及び反射膜８は、これらの面全体における撮像画素開口１０１ａ以外の箇所で、被写体以外の物体から撮像画素１０１へ向けて放射（輻射）され光学系１５０を通らない外乱赤外線を遮断・反射する。
【００２５】
次に、撮像画素開口１０１ａの構成について、より具体的に説明する。図４に示すように、複数の撮像画素１０１のうち全体の中心側に配置された撮像画素１０１では、撮像画素１０１の表面に対して垂直に、光学系通過赤外線１５２が入射する。複数の撮像画素１０１のうち全体の中心側に配置された撮像画素１０１では、その撮像画素１０１の面の中心に撮像画素開口１０１ａが配置されている。
【００２６】
他方、複数の撮像画素１０１のうち全体の中心から外側にずれて配置された撮像画素１０１（以下、「周辺撮像画素１０１」という）では、周辺撮像画素１０１の表面に対して垂直ではなく斜め方向から光学系通過赤外線１５２が入射する。周辺撮像画素１０１では、図１，４に示すように、撮像画素開口１０１ａの周辺撮像画素１０１の表面における位置が、光学系通過赤外線１５２の入射方向に対応させて、その周辺撮像画素１０１の面の中心からずれている。また、複数の周辺撮像画素１０１のそれぞれの撮像画素開口１０１ａの位置は、光学系通過赤外線１５２の入射方向に対応させて、周辺撮像画素１０１毎に異なっている。
【００２７】
撮像画素開口１０１ａの大きさ（開口面の面積）は、光学系通過赤外線１５２に対応するように、即ち光学系開口面１５１に対応するように設定されている。これを言い換えると、撮像画素開口１０１ａは、遮蔽膜７及び反射膜８の面全体における光学系通過赤外線１５２が当る箇所に空けられている。これにより、光学系１５０以外の物体からの外乱赤外線は、反射膜８の面全体における撮像画素開口１０１ａ以外の箇所に当って反射される。
【００２８】
次に、参照画素１０２の構成について説明する。参照画素１０２の構成の概要は、撮像画素１０１の構成と同様であり、参照画素開口１０２ａの位置・大きさ・範囲が撮像画素開口１０１ａの位置・大きさ・範囲とは異なる。つまり、参照画素１０２は、撮像画素１０１と同様に、半導体基板１の空洞部１ａに形成され、支持脚３、温度検出部５、遮蔽膜７及び反射膜８を有している。ここでは、撮像画素１０１との違いを中心に説明する。
【００２９】
図５は、図１の参照画素１０２を示す平面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。図５，６において、参照画素開口１０２ａは、支持脚３を臨むように、空洞部１ａの内壁の近傍に配置されている。また、参照画素開口１０２ａの開口面の面積は、撮像画素開口１０１ａの開口面の面積よりも小さい。
【００３０】
ここで、撮像画素１０１では、撮像画素開口１０１ａが温度検出部５に光学系通過赤外線１５２を入射させるように配置されている。これに対して、参照画素１０２では、参照画素開口１０２ａが温度検出部５に光学系通過赤外線１５２を入射させないように配置されている。これにより、参照画素１０２の温度検出部５には、半導体基板１及び遮蔽膜７から放射された赤外線（以下、「画素内放射赤外線」とする。）のみが入射されることとなる。この結果、参照画素１０２の温度検出膜６には、常に半導体基板１の温度に応じた電圧変化が生じる。
【００３１】
なお、参照画素開口１０２ａは、半導体基板１に空洞部１ａを形成する際のエッチングを行うために設けることが好ましいが、半導体基板１に空洞部１ａを形成した後に、参照画素開口１０２ａを塞いでもよい。また、この実施の形態では、参照画素開口１０２ａの開口面の形状は、平面視四角形状であるが、四角形状に限定するものではない。
【００３２】
次に、赤外線撮像装置１００の回路構成について説明する。図７は、図１の赤外線撮像装置１００の回路構成を示す構成図である。なお、図７では、３×３行列の画素アレイとして簡略化して赤外線撮像装置１００を示しているが、この画素数に限定するものではない（実施の形態２以降も同様）。図７において、画素アレイの複数のダイオード２１は、複数の撮像画素１０１のそれぞれの温度検出膜６である。また、複数のダイオード２１は、行列をなすように二次元的に（マトリクス状・格子状に）配置されている。
【００３３】
複数のダイオード２１のアノードには、アルミ配線２からなり、画素アレイの行毎に電圧を加えるためのバイアス線２２が接続されている。バイアス線２２は、複数のダイオード２１のうち同一の行に属するダイオード２１のアノード同士を繋いでいる。複数のダイオード２１のカソードには、アルミ配線２からなり、画素アレイの列毎に信号を読み出すための垂直信号線２３が接続されている。垂直信号線２３は、複数のダイオード２１のうち同一の列に属するダイオード２１のカソード同士を繋いでいる。
【００３４】
各列の垂直信号線２３には、読み出し回路２４と、スイッチ２５の一端とが直列に接続されている。読み出し回路２４は、サンプルホールド回路２８と、垂直信号線２３に一定の電流を与える定電流源２９とを有している。サンプルホールド回路２８は、定電流源２９の両端に現れるダイオード２１の信号である撮像画素信号の信号レベルを、サンプリングして記憶する。画素アレイの各列に対応するスイッチ２５の他端には、水平信号線２６が接続されている。即ち、水平信号線２６は、画素アレイの各列に対応するスイッチ２５の他端同士を繋いでいる。スイッチ２５のＯＮ・ＯＦＦは、水平走査回路２７によって制御される。
【００３５】
バイアス線２２には、スイッチ３０を介して、電源３１が接続されている。スイッチ３０のＯＮ・ＯＦＦは、垂直走査回路３２によって制御される。垂直走査回路３２は、画素アレイの各行に対応するスイッチ３０のＯＮ・ＯＦＦを制御することによって、複数のダイオード２１の通電・遮断を画素アレイの行単位で制御する。
【００３６】
参照画素１０２の温度検出膜６は、図７の回路構成におけるダイオード３３をなしている。ダイオード３３のアノードは、電源３１に接続されている。ダイオード３３のカソードには、参照画素出力線３４が接続されている。参照画素出力線３４には、サンプルホールド回路２８及び定電流源２９と同様の構成のサンプルホールド回路３５及び定電流源３６が接続されている。
【００３７】
水平信号線２６には、温度変化補正部としての減算器３７が接続されている。減算器３７は、参照画素１０２側のサンプルホールド回路３５に接続されており、サンプルホールド回路３５の信号である参照画素信号を受ける。また、減算器３７は、水平信号線２６からの撮像画素信号の信号レベルから、参照画素信号の信号レベルを減じて、撮像画素信号の信号レベルを補正する。さらに、減算器３７は、外部出力用の出力端子３８に補正後の撮像画素信号を出力する。
【００３８】
従って、減算器３７は、参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを用いて、撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルを半導体基板１の温度に応じて補正する。これにより、出力端子３８に出力される撮像画素信号の信号レベルは、半導体基板１及び遮蔽膜７からの画素内放射赤外線と光学系通過赤外線１５２とに応じた撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルから、画素内放射赤外線に応じた参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを減じた値である。この補正後の信号レベルは、光学系１５０からの光学系通過赤外線１５２に応じた値に他ならない。
【００３９】
上記のような実施の形態１によれば、遮蔽膜７及び反射膜８の面全体における光学系１５０からの光学系通過赤外線１５２が当る箇所に撮像画素開口１０１ａが空けられ、遮蔽膜７及び反射膜８が、その面全体における撮像画素開口１０１ａ以外の箇所で外乱赤外線を遮断・反射する。この構成により、光学系１５０以外からの外乱赤外線をより適切に遮断することができ、画像劣化を抑制することができる。
【００４０】
ここで、図１２に示すような従来装置では、温度を一定にするための電子冷却素子２０４が必要であり、装置が大型化したり、消費電力が増大したり、製造コストが増加したりするという問題点があった。
これに対して、実施の形態１では、遮蔽膜７の温度が半導体基板１とともに変化するが、減算器３７が、参照画素１０２の信号を用いて、撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルを半導体基板１の温度に応じて補正する。この構成により、半導体基板１の温度が変化しても、撮像画素信号の信号レベルにおける温度の変化分を相殺することができる。この結果、図１２に示すような従来装置における電子冷却素子２０４を省略することができ、装置の小型化と、消費電力の低減化と、製造コストの低減化とを図ることができる。
【００４１】
また、実施の形態１では、外乱赤外線を反射するための反射膜８が遮蔽膜７の表面に形成されている。この構成により、外乱赤外線による遮蔽膜７及び半導体基板１の温度上昇を抑えることができる。
【００４２】
実施の形態２．
実施の形態１では、１つの参照画素１０２が用いられた。これに対して、実施の形態２では、複数の参照画素１０２が用いられる。図８は、この発明のこの発明の実施の形態２による赤外線撮像装置を示す平面図である。図９は、図８の赤外線撮像装置１００の回路構成を示す構成図である。実施の形態２の赤外線撮像装置１００の構成の概要は、実施の形態１と同様であり、参照画素１０２の数と、及び参照画素１０２の周辺の電気回路が実施の形態１とは異なっている。ここでは、実施の形態１との違いを中心に説明する。
【００４３】
図８，９において、実施の形態２の複数の参照画素１０２は、画素アレイにおける列方向に一次元的に並べられて配置されている。複数の参照画素１０２のそれぞれのダイオード３３のアノードは、バイアス線２２に接続されている。また、複数の参照画素１０２のそれぞれのダイオード３３のカソードは、垂直信号線２３に接続されている。
【００４４】
さらに、実施の形態２の減算器３７とサンプルホールド回路３５との間の信号線には、スイッチ３９が介在されている。スイッチ３９のＯＮ・ＯＦＦは、水平走査回路２７によって制御される。また、垂直走査回路３２によって、画素アレイにおける通電中の撮像画素１０１のダイオード２１と同じ行に属する参照画素１０２のダイオード３３が通電される。
【００４５】
従って、実施の形態２の減算器３７は、画素アレイにおける通電中の撮像画素１０１のダイオード２１と同じ行に属する参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを用いて撮像画素信号の信号レベルを補正する。他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００４６】
上記のような実施の形態２によれば、複数の参照画素１０２を用いた構成であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。これとともに、減算器３７が画素アレイにおける通電中の撮像画素１０１のダイオード２１と同じ行に属する参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを用いて、撮像画素信号の信号レベルを補正する。この構成により、画素アレイにおける列方向で半導体基板１の温度差が生じている場合に、その温度差に対応可能となり、撮像画素信号の信号レベルの補正の精度をより向上させることができる。
【００４７】
実施の形態３．
実施の形態１，２では、温度変化補正部として減算器３７を用いた構成について説明した。これに対して、実施の形態３では、温度変化補正部として補正回路４０を用いる構成について説明する。
【００４８】
図１０は、この発明の実施の形態３による赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。図１０において、実施の形態３の赤外線撮像装置１００の構成の概要は、実施の形態２と同様であり、減算器３７を削除し、出力端子３８に補正回路４０を接続した点が実施の形態２とは異なる。ここでは、実施の形態２との違いを中心に説明する。
【００４９】
図１０において、補正回路４０は、Ａ／Ｄ変換部とメモリ（記憶部）とを有している（いずれも図示せず）。また、補正回路４０は、出力端子３８から撮像画素信号及び参照画素信号を受ける。補正回路４０が受けた撮像画素信号及び参照画素信号の信号レベルは、Ａ／Ｄ変換部によってＡ／Ｄ変換されて、デジタルデータとしてメモリに記憶される。
【００５０】
さらに、補正回路４０は、参照画素１０２の読み出しタイミングにあわせて参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを行毎にメモリに記憶し、その記憶した行毎の参照画素１０２の参照画素信号の信号レベルを、同一の行に属する撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルから減じて、撮像画素信号を補正する。
【００５１】
これにより、補正回路４０の出力信号の信号レベルは、各撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルから半導体基板１の温度による出力分を減じた値となり、補正回路４０の出力信号の信号レベルは、光学系通過赤外線１５２に応じた値に他ならない。なお、例えばメモリに代えてサンプルホールド回路等に記憶してもよい。他の構成は、実施の形態２と同様である。
【００５２】
上記のような実施の形態３によれば、減算器３７に代えて補正回路４０を温度変化補正部として用いた構成であっても、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
なお、実施の形態２，３では、参照画素１０２が画素アレイにおける列方向に一次元的に並べられて配置されていた。しかしながら、この例に限定するものではなく、参照画素１０２が画素アレイにおける行方向に一次元的に並べられて配置されてもよい。また、参照画素１０２が画素アレイにおける行方向及び列方向の両方向に二次元的に並べられて配置されてもよい。
【００５４】
実施の形態４．
実施の形態１〜３では、参照画素信号の信号レベルを用いて撮像画素信号の信号レベルを補正する構成について説明した。これに対して、実施の形態４では、温度センサ５０の出力信号を用いて撮像画素信号の信号レベルを補正する構成について説明する。
【００５５】
図１１は、この発明の実施の形態４による赤外線撮像装置の回路構成を示す構成図である。図１１において、実施の形態４の赤外線撮像装置１００の構成の概要は、実施の形態１と同様であり、参照画素１０２及び減算器３７を削除し、基材温度検出手段としての温度センサ（温度モニタ）５０と温度変化補正部としての補正処理部６０とを追加した点が実施の形態１とは異なる。ここでは、実施の形態１との違いを中心に説明する。
【００５６】
温度センサ５０は、半導体基板１に熱的に接続されている。ここで、温度センサ５０は、半導体基板１の内部に設けられていても、半導体基板１の表面に機械的に接続されていてもよい。また、温度センサ５０には、例えば温度で抵抗値が変化する金属膜や、ダイオード等を用いてもよく、温度検出膜６と同じ構成のものを用いてもよい。
【００５７】
補正処理部６０は、画素アレイの出力端子３８と温度センサ５０の出力端子５１とに接続されている。補正処理部６０は、温度センサ５０の出力を監視して半導体基板１の温度（素子温度）を得る温度処理部６１と、素子温度に応じた画素出力を取得（算出）する補正データ算出部６２と、減算器６３とを有している。
【００５８】
補正データ算出部６２は、半導体基板１の温度と、その温度での撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベル（事前登録信号レベル）とを互いに対応付けて、温度対応出力情報として予め記憶している。ここで、撮像画素１０１は、赤外線の入射によって発生する温度検出部５の温度変化に応じた電気信号を出力するものであり、半導体基板１及び遮蔽膜７から放射されて温度検出部５に入射する画素内放射赤外線の赤外線量がわかっていれば、その赤外線量に対応する温度検出部５の温度の変化量、即ち撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルを算出又は試験等によって事前に求めることができる。
【００５９】
つまり、撮像画素１０１に入射した赤外線が、半導体基板１及び遮蔽膜７から放射された画素内放射赤外線であるとすれば、半導体基板１の温度を監視し、半導体基板１の温度を用いて、画素内放射赤外線に対応する撮像画素１０１の撮像画素信号の信号レベルを取得（算出）できる。従って、補正データ算出部６２は、半導体基板１の温度に対応する撮像画素信号の信号レベルを、温度対応出力情報に基づいて取得する。
【００６０】
減算器６３は、水平信号線２６から受けた撮像画素信号の信号レベルから、補正データ算出部６２によって取得された半導体基板１の温度に対応する撮像画素信号の信号レベルを減じて、水平信号線２６から受けた撮像画素信号の信号レベルを補正する。この補正後の撮像画素信号の信号レベルは、光学系１５０からの光学系通過赤外線１５２に応じた値に他ならない。
【００６１】
なお、補正処理部６０は、演算処理部（ＣＰＵ）と、記憶部と、信号入出力部とを有するコンピュータ（図示せず）により構成することができる。補正処理部６０のコンピュータの記憶部には、温度処理部６１及び補正データ算出部６２の機能を実現するためのプログラムが格納されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００６２】
上記のような実施の形態４によれば、参照画素１０２を省略した構成であっても、半導体基板１の温度が変化しても、撮像画素信号の信号レベルにおける温度の変化分を相殺することができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
なお、実施の形態１〜４では、温度検出部としてダイオードを用いた構成について説明した。しかしながら、この例に限定するものではなく、温度検出部としてボロメータ（抵抗）を用いてもよい。この場合、実施の形態１〜４において、ダイオード２１とともに用いられた読み出し回路２４やサンプルホールド回路２８や定電流源２９を省略可能となる。
【００６４】
また、実施の形態１〜４では、遮蔽膜７及び反射膜８の両方を被覆面部として用いた構成について説明した。しかしながら、この例に限定するものではなく、反射膜８を省略して、遮蔽膜７のみを被覆面部として用いてもよい。
【００６５】
さらに、実施の形態１〜４では、撮像画素１０１の配列を二次元配列とした例について説明した。しかしながら、複数の撮像画素１０１の画素配列を１次元配列としてもよく、あるいは画素配列を格子状以外の形状に配列してもよい。
【００６６】
また、実施の形態１〜４における水平走査回路２７、垂直走査回路３２及び補正回路４０の各回路の機能を、演算処理部（ＣＰＵ）と、記憶部と、信号入出力部とを有するコンピュータの演算処理によって実現してもよい。
【００６７】
さらに、実施の形態１〜４では、複数の空洞部１ａのそれぞれの開口面が、光学系１５０の開口面である光学系開口面１５１に対して平行になるように配置されていた。しかしながら、この例に限定するものではなく、複数の空洞部１ａのそれぞれの開口面が、光学系開口面１５１に対して傾いて配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１ 半導体基板（基材）、１ａ 空洞部、３ 支持脚、５ 温度検出部、７ 遮蔽膜、３７ 減算器（温度変化補正部）、４０ 補正回路（温度変化補正部）、５０ 温度センサ（基材温度検出手段）、６０ 補正処理部（温度変化補正部）、１００ 赤外線撮像装置、１０１ 撮像画素、１０１ａ 撮像画素開口、１０２ 参照画素、１５０ 光学系。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系に間隔をおいて対向配置されかつ前記光学系と対向する面にその面の裏側へ向けて窪む凹状の複数の空洞部が設けられた基材と、
前記複数の空洞部にそれぞれ配置され、被写体を撮像するための複数の撮像画素と
を備える赤外線撮像装置であって、
前記複数の撮像画素のそれぞれは、
前記基材に接続され、かつ前記空洞部内に配置された支持脚と、
前記支持脚を介して前記空洞部内に配置され、前記空洞部内の温度に応じた信号を生成するための温度検出部と、
前記空洞部の開口を覆うように面状に前記基材に設けられ、面全体における前記光学系からの赤外線が当る箇所に前記光学系からの赤外線を前記空洞部内の前記温度検出部へ通すための撮像画素開口が空けられ、前記光学系以外の物体から前記撮像素子へ向けて放射され外乱となる赤外線である外乱赤外線を面全体における前記撮像画素開口以外の箇所で遮断する被覆面部と
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項２】
前記温度検出部からの信号である撮像画素信号を受け、前記撮像画素信号の信号レベルを、前記基材の温度に応じて補正する温度変化補正部
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の赤外線撮像装置。
【請求項３】
前記基材に形成され、前記基材の温度に応じた信号である参照画素信号を生成するための参照画素
をさらに備え、
前記温度変化補正部は、前記参照画素からの前記参照画素信号を受け、前記参照画素信号の信号レベルを用いて前記撮像画素信号の信号レベルを補正する
ことを特徴とする請求項２記載の赤外線撮像装置。
【請求項４】
前記参照画素は、前記基板に複数形成されており、
前記温度変化補正部は、前記複数の参照画素の前記参照画素信号の信号レベルを用いて、前記撮像画素信号の信号レベルを補正する
ことを特徴とする請求項３記載の赤外線撮像装置。
【請求項５】
前記複数の撮像画素は、行列で表される画素アレイをなすように二次元的に並べられて配置されており、
前記複数の参照画素は、前記画素アレイにおける行あるいは列に属するように、一次元的あるいは二次元的に並べられて配置されており、
前記温度変化補正部は、前記撮像画素信号の信号レベルを補正する際に、その撮像画素の属する行あるいは列と同一の行あるいは列に属する前記参照画像の前記参照画素信号の信号レベルを用いて、前記撮像画素信号の信号レベルを補正する
ことを特徴とする請求項４記載の赤外線撮像装置。
【請求項６】
前記基材に熱的に接続され前記基材の温度に応じた信号を生成する基材温度検出手段
をさらに備え、
前記温度変化補正部は、
前記基材温度検出手段を介して前記基材の温度を監視し、
前記基材の温度と、その温度での前記撮像画素信号の信号レベルである事前登録信号レベルとを互いに対応付けて温度対応出力情報として予め記憶し、
監視している前記基材の温度に対応する前記事前登録信号レベルを、前記温度対応出力情報に基づいて取得し、
その取得した前記事前登録信号レベルを用いて、前記撮像画素から受けた前記撮像画素信号の信号レベルを補正する
ことを特徴とする請求項２記載の赤外線撮像装置。
【請求項７】
前記被覆面部は、
前記基材における前記光学系側の面に前記空洞部を覆うように設けられ、前記外乱赤外線を遮断するための遮蔽膜と、
前記遮蔽膜における前記光学系側の面に設けられ、前記外乱赤外線を反射させるための反射膜と
を有することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
【請求項１】
光学系に間隔をおいて対向配置されかつ前記光学系と対向する面にその面の裏側へ向けて窪む凹状の複数の空洞部が設けられた基材と、
前記複数の空洞部にそれぞれ配置され、被写体を撮像するための複数の撮像画素と
を備える赤外線撮像装置であって、
前記複数の撮像画素のそれぞれは、
前記基材に接続され、かつ前記空洞部内に配置された支持脚と、
前記支持脚を介して前記空洞部内に配置され、前記空洞部内の温度に応じた信号を生成するための温度検出部と、
前記空洞部の開口を覆うように面状に前記基材に設けられ、面全体における前記光学系からの赤外線が当る箇所に前記光学系からの赤外線を前記空洞部内の前記温度検出部へ通すための撮像画素開口が空けられ、前記光学系以外の物体から前記撮像素子へ向けて放射され外乱となる赤外線である外乱赤外線を面全体における前記撮像画素開口以外の箇所で遮断する被覆面部と
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項２】
前記温度検出部からの信号である撮像画素信号を受け、前記撮像画素信号の信号レベルを、前記基材の温度に応じて補正する温度変化補正部
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の赤外線撮像装置。
【請求項３】
前記基材に形成され、前記基材の温度に応じた信号である参照画素信号を生成するための参照画素
をさらに備え、
前記温度変化補正部は、前記参照画素からの前記参照画素信号を受け、前記参照画素信号の信号レベルを用いて前記撮像画素信号の信号レベルを補正する
ことを特徴とする請求項２記載の赤外線撮像装置。
【請求項４】
前記参照画素は、前記基板に複数形成されており、
前記温度変化補正部は、前記複数の参照画素の前記参照画素信号の信号レベルを用いて、前記撮像画素信号の信号レベルを補正する
ことを特徴とする請求項３記載の赤外線撮像装置。
【請求項５】
前記複数の撮像画素は、行列で表される画素アレイをなすように二次元的に並べられて配置されており、
前記複数の参照画素は、前記画素アレイにおける行あるいは列に属するように、一次元的あるいは二次元的に並べられて配置されており、
前記温度変化補正部は、前記撮像画素信号の信号レベルを補正する際に、その撮像画素の属する行あるいは列と同一の行あるいは列に属する前記参照画像の前記参照画素信号の信号レベルを用いて、前記撮像画素信号の信号レベルを補正する
ことを特徴とする請求項４記載の赤外線撮像装置。
【請求項６】
前記基材に熱的に接続され前記基材の温度に応じた信号を生成する基材温度検出手段
をさらに備え、
前記温度変化補正部は、
前記基材温度検出手段を介して前記基材の温度を監視し、
前記基材の温度と、その温度での前記撮像画素信号の信号レベルである事前登録信号レベルとを互いに対応付けて温度対応出力情報として予め記憶し、
監視している前記基材の温度に対応する前記事前登録信号レベルを、前記温度対応出力情報に基づいて取得し、
その取得した前記事前登録信号レベルを用いて、前記撮像画素から受けた前記撮像画素信号の信号レベルを補正する
ことを特徴とする請求項２記載の赤外線撮像装置。
【請求項７】
前記被覆面部は、
前記基材における前記光学系側の面に前記空洞部を覆うように設けられ、前記外乱赤外線を遮断するための遮蔽膜と、
前記遮蔽膜における前記光学系側の面に設けられ、前記外乱赤外線を反射させるための反射膜と
を有することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２３２１５７（Ｐ２０１１−２３２１５７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０２２４７（Ｐ２０１０−１０２２４７）
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]