赤外線撮像装置
【課題】赤外線イメージセンサの各画素を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止できるようにする。
【解決手段】赤外線撮像装置を、複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイ４と、各赤外線検知素子に赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部２と、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に各赤外線検知素子に入射する赤外線の総光量が同一になるように、補償用赤外線照射部２によって各赤外線検知素子に照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、各赤外線検知素子によって検知された赤外線の強度及び補償用赤外線照射部２によって各赤外線検知素子に照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から各赤外線検知素子に入射した赤外線の強度を求める制御演算部３とを備えるものとする。
【解決手段】赤外線撮像装置を、複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイ４と、各赤外線検知素子に赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部２と、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に各赤外線検知素子に入射する赤外線の総光量が同一になるように、補償用赤外線照射部２によって各赤外線検知素子に照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、各赤外線検知素子によって検知された赤外線の強度及び補償用赤外線照射部２によって各赤外線検知素子に照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から各赤外線検知素子に入射した赤外線の強度を求める制御演算部３とを備えるものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば量子井戸型赤外線フォトディテクタ（ＱＷＩＰ；Quantum Well Infrared Photodetector）などの量子型赤外線フォトディテクタによって各画素を構成した赤外線イメージセンサを備える赤外線撮像装置がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Leonard Chen et al., “Overview of advances in high performance ROIC designs for use with IRFPAs”, Proceedings of SPIE, Vol.4028(2000), pp.124-138
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、赤外線イメージセンサにおいて、高解像度化を図るために各画素の面積を小さくすると、各画素の信号強度が相対的に小さくなるため、従来問題にならなかったことがノイズの原因になって、Ｓ／Ｎ比（Signal to Noise ratio）が低下することになる。
例えば、撮像対象に輝度分布がある場合、即ち、赤外線イメージセンサに入射する赤外線に入射量分布がある場合、これがノイズの原因となる。
【０００５】
つまり、赤外線イメージセンサの各画素に入射した赤外線の一部は、各画素を構成する赤外線検知素子の内部で熱に変換され、赤外線検知素子の熱容量や熱抵抗などによって、赤外線検知素子の温度が上昇することになる。
そして、赤外線検知素子は、素子抵抗が温度依存性を持っているため、素子温度が変化すると素子抵抗が変化してしまい、暗電流や光電流が変化してしまうことになる。
【０００６】
この場合、赤外線イメージセンサの各画素に入射する赤外線の入射量にばらつきがあると、各画素を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことになる。例えば、強い光が入射した画素では、弱い光が入射した画素に比べて、赤外線検知素子の温度が上昇してしまい、各画素を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことになる。この結果、各画素を構成する赤外線検知素子間で抵抗差が生じてしまい、これが暗電流や光電流に影響を与え、ノイズの原因となる。
【０００７】
そこで、赤外線イメージセンサの各画素を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止できるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本赤外線撮像装置は、複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、複数の赤外線検知素子のそれぞれに、赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、複数の赤外線検知素子のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求める制御演算部とを備えることを要件とする。
【０００９】
本赤外線撮像装置は、複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、複数の赤外線検知素子のそれぞれに、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御する制御演算部とを備えることを要件とする。
【００１０】
本赤外線撮像装置は、複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、複数の赤外線検知素子のそれぞれに、赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子のそれぞれに流れる総電流量が同一になるように、補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、複数の赤外線検知素子のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求める制御演算部とを備えることを要件とする。
【００１１】
本赤外線撮像装置は、複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、複数の赤外線検知素子のそれぞれに、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子のそれぞれに流れる総電流量が同一になるように、補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御する制御演算部とを備えることを要件とする。
【発明の効果】
【００１２】
したがって、本赤外線撮像装置によれば、赤外線イメージセンサの各画素を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の構成を示す模式図である。
【図３】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の構成を示す模式図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の動作を説明するための図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる赤外線イメージセンサの赤外線検知素子アレイの構成を示す模式図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる赤外線イメージセンサの読出回路チップの構成を示す模式図である。
【図７】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる補償用赤外線照射部の構成を示す模式図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる補償用赤外線照射部の構成を示す模式図である。
【図９】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる制御演算部の出力換算回路を説明するための図である。
【図１１】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる制御演算部の補償用赤外線強度決定回路を説明するための図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｇ）は、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図１３】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置による効果を説明するための図である。
【図１４】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる補償用赤外線照射部の変形例の構成を示す模式図である。
【図１５】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる制御演算部の出力換算回路の変形例を説明するための図である。
【図１６】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる制御演算部の補償用赤外線強度決定回路の変形例を説明するための図である。
【図１７】第２実施形態にかかる赤外線撮像装置の構成を示す模式図である。
【図１８】（Ａ）〜（Ｃ）は、第２実施形態にかかる赤外線撮像装置の動作を説明するための図である。
【図１９】第２実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる補償用赤外線照射部の温度板の構成を示す模式図である。
【図２０】第２実施形態にかかる赤外線撮像装置の変形例の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる赤外線撮像装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置について、図１〜図１３を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる赤外線撮像装置は、図１に示すように、赤外線イメージセンサ１と、補償用赤外線照射部２と、制御演算部３とを備える。なお、図１中、符号３７、４１はレンズを示している。
【００１５】
ここで、本赤外線イメージセンサは、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、複数の赤外線検知素子（画素）７を備える赤外線検知素子アレイ４と、複数の赤外線検知素子７のそれぞれに接続された読出回路を含む読出回路チップ５とを備える。そして、赤外線検知素子アレイ４と読出回路チップ５とは、導電性の金属バンプ電極６（ここではＩｎバンプ電極）を介して接続されている。つまり、赤外線検知素子アレイ４と読出回路チップ５とはフリップチップボンディングによって接合されている。
【００１６】
なお、赤外線検知素子アレイ４を、センサ素子アレイ、センサアレイ、光電変換素子アレイ、赤外線焦点面アレイ（ＩＲＦＰＡ；Infrared focal plane array）、あるいは、ＱＷＩＰ焦点面アレイ（ＱＷＩＰ−ＦＰＡ）ともいう。また、赤外線検知素子７を、量子型赤外線検知素子、感光素子、受光素子、センサ素子、あるいは、ＱＷＩＰ素子ともいう。また、読出回路チップ５は、読出回路アレイともいう。また、読出回路は、ＲＯＩＣ（readout integrated circuit）、あるいは、信号処理回路ともいう。
【００１７】
ここで、赤外線検知素子アレイ４は、赤外線の入射量に応じて光電流を発生する赤外線検知素子７によって構成される複数の画素が二次元的に配列されている二次元赤外線検知素子アレイである。
ここでは、赤外線検知素子アレイ４は、例えばＱＷＩＰなどの量子型赤外線フォトディテクタを赤外線検知素子７として備える量子型赤外線検知素子アレイである。このため、本赤外線イメージセンサを、量子型赤外線イメージセンサともいう。
【００１８】
例えば、量子井戸型の赤外線検知素子アレイ４は、以下のように構成される。
つまり、量子井戸型の赤外線検知素子アレイ４は、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示すように、ＧａＡｓ基板８上に、ｎ−ＧａＡｓ下側コンタクト層９、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０、ｎ−ＧａＡｓ上側コンタクト層１１を積層した構造を備える。また、各赤外線検知素子７（各画素）が分離溝１２によって分離されている。また、各画素７のｎ−ＧａＡｓ上側コンタクト層１１上には、それぞれ、Ｉｎバンプ電極６が設けられている。また、各画素７の側方に延びているｎ−ＧａＡｓ下側コンタクト層９上には、共通電極としてのＩｎバンプ電極６が設けられている。そして、これらのＩｎバンプ電極６を介して、量子井戸型赤外線検知素子アレイ４は読出回路チップ５に接続されている。
【００１９】
例えば約７μｍの波長を持つ赤外線に感度を持つ量子井戸型赤外線検知素子アレイ４を構成する場合、以下のように構成すれば良い。
つまり、ｎ−ＧａＡｓ下側コンタクト層９及びｎ−ＧａＡｓ上側コンタクト層１１は、厚さを例えば約１μｍとし、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを用い、その濃度を例えば約１×１０１８ｃｍ−３とすれば良い。また、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ層１０は、厚さ４０ｎｍのｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層１３と厚さ４ｎｍのｉ−ＧａＡｓ層１４とを各２０層交互に積層したものとすれば良い。
【００２０】
なお、赤外線検知素子アレイ４の構成は、これに限られるものではない。
読出回路チップ５は、赤外線が入射して各赤外線検知素子７に流れた電流量に応じた出力電圧を順次読み出すものである。ここで、読出回路チップ５は、例えばＳｉ基板上に形成されており、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、読出回路１７として、画素７毎に設けられた複数の駆動回路１５と、各駆動回路１５の出力を順次読み出すための切替回路１６とを備える。ここでは、読出回路チップ５には、さらに、ＡＤコンバータ１８が集積されている。
【００２１】
なお、ＡＤコンバータ１８を、アナログ・デジタル変換回路、ＡＤ変換回路、あるいは、ＡＤ回路ともいう。また、読出回路チップ５を、Ｓｉ集積回路チップともいう。
ここで、複数の駆動回路１５は、赤外線検知素子アレイ４の各赤外線検知素子７のそれぞれにバンプ電極６を介して接続されている。駆動回路１５は、赤外線が入射することによって赤外線検知素子７に流れる電流を、時間で積分し、電圧に変換して出力する積分回路である。
【００２２】
ここでは、駆動回路１５は、キャパシタ１９（積分容量）と、キャパシタ１９を赤外線検知素子７に接続するためのスイッチ２０（トランジスタ）と、キャパシタ１９をバイアス電源に接続するためのスイッチ２１（トランジスタ）とを備える。つまり、駆動回路１５は、バンプ電極６を介して赤外線検知素子７の一側に接続されたスイッチ２０と、バイアス電源に接続されたスイッチ２１と、これらのスイッチ２０、２１に接続されたキャパシタ１９とを備える。そして、キャパシタ１９及びスイッチ２０、２１のそれぞれの端子を接続した接点Ｘに出力端子２２が接続されている。なお、赤外線検知素子７の他側には共通電極６が接続されている。
【００２３】
また、各駆動回路１５の出力端子２２には、切替回路１６が接続されている。
つまり、切替回路１６は、複数のソースフォロワトランジスタ２３と、複数の行選択トランジスタ２４と、複数の行線２５と、複数の列線２６と、複数の列選択トランジスタ２７と、読み出し線２８と、負荷トランジスタ２９と、増幅器３０と、垂直走査シフトレジスタ３１と、水平走査シフトレジスタ３２とを備える。そして、各ソースフォロワトランジスタ２３のゲート端子に、それぞれ、各駆動回路１５の出力端子２２が接続されている。
【００２４】
なお、列線２６及び読み出し線２８を、出力線ともいう。また、増幅器３０を、最終出力段増幅器、出力アンプ、電圧バッファ、ＤＣアンプ、あるいは、インピーダンス変換回路ともいう。また、行選択トランジスタ２４を、垂直選択スイッチともいう。また、列選択トランジスタ２７を、水平選択スイッチともいう。
ここで、ソースフォロワトランジスタ２３は、ゲート端子に駆動回路１５の出力端子２２が接続されており、駆動回路１５の出力に応じて動作するようになっている。なお、各ソースフォロワトランジスタ２３のドレイン端子は、図示しない電源に接続されており、電源電圧が供給されている。
【００２５】
各行選択トランジスタ２４は、複数のソースフォロワトランジスタ２３のソース端子のそれぞれに接続されている。また、各行線２５は、それぞれ、各行の行選択トランジスタ２４のゲート端子に接続されている。
各列線２６は、行選択トランジスタ２４を介してソースフォロワトランジスタ２３に接続されている。つまり、各列線２６は、それぞれ、行選択トランジスタ２４を介して、各列のソースフォロワトランジスタ２３に接続されている。また、各列選択トランジスタ２７は、複数の列線２６のそれぞれに接続されている。さらに、読み出し線２８は、全ての列選択トランジスタ２７に接続されている。
【００２６】
垂直走査シフトレジスタ３１は、全ての行線２５に接続されており、各行線２５を順次駆動し、各行線２５に接続されている行選択トランジスタ２４の導通・非導通制御を行なうようになっている。また、水平走査シフトレジスタ３２は、全ての列選択トランジスタ２７に接続されており、各列選択トランジスタ２７を順次駆動し、各列選択トランジスタ２７の導通・非導通制御を行なうようになっている。
【００２７】
読み出し線２８は、一方が増幅器３０を介して出力端子ＶＯＵＴに接続されており、他方が負荷トランジスタ２９を介してグランド電位（ＧＮＤ）に接続されている。
そして、制御演算部３から画素の選択信号が入力され、垂直走査シフトレジスタ３１によって行線２５が選択されると、選択された行線２５に接続された行選択トランジスタ２４は導通状態（オン状態）となる。行選択トランジスタ２４が導通状態となると、各赤外線検知素子７（各画素）からの出力信号が、駆動回路１５、ソースフォロワトランジスタ２３及び行選択トランジスタ２４を介して、列線２６に出力される。
【００２８】
一方、制御演算部３から画素の選択信号が入力され、水平走査シフトレジスタ３２によって列選択トランジスタ２７が選択されると、選択された列選択トランジスタ２７は導通状態（オン状態）となる。列選択トランジスタ２７が導通状態となると、上述のようにして各列線２６に出力されている出力信号が、列選択トランジスタ２７を介して読み出し線２８に出力される。読み出し線２８に出力された出力信号は増幅器３０を介して出力端子ＶＯＵＴに出力される。
【００２９】
そして、本実施形態では、切替回路１６の出力端子ＶＯＵＴにＡＤコンバータ１８が接続されており、切替回路１６からの出力信号であるアナログ電気信号がデジタル電気信号に変換され、デジタル電気信号が読出回路チップ５から制御演算部３へ出力されるようになっている。
ところで、本実施形態では、上述のように構成される赤外線検知素子アレイ４及び読出回路チップ５を含む赤外線イメージセンサ１は、図３に示すように、赤外線が入射しうる窓３３Ａを有する真空容器３３内に設けられたコールドシールド３４内に設置されており、冷却系（冷却器）３５によって冷却されるようになっている。つまり、本赤外線イメージセンサ１は、冷却型赤外線イメージセンサである。
【００３０】
さらに、本赤外線撮像装置は、撮像対象（観察対象）からの赤外線のうち撮像したい波長の赤外線を赤外線イメージセンサ１上に結像させるために、撮像対象からの赤外線のうち撮像したい波長の赤外線のみを透過するバンドパスフィルタ３６、レンズ３７を備える。そして、撮像対象からの赤外線は、バンドパスフィルタ３６を透過した後、レンズ３７によって赤外線検知素子アレイ４上に結像するようになっている。なお、レンズ３７は、光学レンズ、レンズ系、あるいは、光学系ともいう。
【００３１】
ところで、赤外線イメージセンサ１において、高解像度化を図るために各画素７の面積を小さくすると、各画素７の信号強度が相対的に小さくなるため、従来問題にならなかったことがノイズの原因になって、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。
特に、冷却系を備える冷却型赤外線イメージセンサ１では、画素数を増やす場合、コストのかかる冷却部の体積を増やさないようにすべく、各画素７の面積を小さくすることになるため、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。
【００３２】
例えば、赤外線イメージセンサ１に入射する赤外線に入射量分布がある場合、即ち、赤外線イメージセンサ１で受光する赤外線に受光量分布がある場合、これがノイズの原因となる。
つまり、赤外線イメージセンサ１の各画素７に入射した赤外線の一部は、各画素７を構成する赤外線検知素子の内部で熱に変換され、赤外線検知素子７の熱容量や熱抵抗などによって、赤外線検知素子７の温度が上昇してしまう。
【００３３】
通常、各赤外線検知素子７で発生した熱はＩｎバンプ電極６を経由して読出回路チップ５側へ放出されることになるが、画素数の増加に伴って赤外線検知素子アレイ４と読出回路チップ５とを接続するＩｎバンフ電極６の微細化も図られるため、この部分の熱抵抗も増加することになる。この結果、赤外線検知素子７の温度が上昇してしまう。
また、画素数の増加に伴う各画素７の面積縮小により、同一機能をもつ読出回路チップ５を用いる場合、配線層数の増加などが必要になるため、読出回路チップ５側への縦方向の熱伝導率が低下する傾向にあり、この結果、赤外線検知素子７の温度が上昇してしまう。
【００３４】
そして、ＱＷＩＰ等の赤外線検知素子７は、素子抵抗が温度依存性を持っているため、素子温度が変化すると素子抵抗が変化してしまい、暗電流や光電流が変化してしまう。
この場合、赤外線イメージセンサ１の各画素７に入射する赤外線の入射量にばらつきがあると、各画素７を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまう。例えば、強い光が入射した画素７では、弱い光が入射した画素７に比べて、赤外線検知素子７の温度が上昇してしまい、赤外線検知素子間で温度差が生じてしまう。
【００３５】
この結果、各画素７を構成する赤外線検知素子間で抵抗差が生じてしまい、これが暗電流や光電流に影響を与え、ノイズの原因となる。これにより、撮像対象に輝度分布がある場合、均一な温度面を観察する場合と比較して、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。つまり、赤外線イメージセンサ１の各画素７に入射する赤外線の強度に面内でばらつきがあると、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。
【００３６】
そこで、赤外線イメージセンサ１の各画素７を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうのを抑制すべく、本赤外線撮像装置は、赤外線検知素子アレイ４に備えられる複数の赤外線検知素子７のそれぞれに補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部２を備える。
そして、後述するように、赤外線検知素子７に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、補償用赤外線照射部２によって複数の赤外線検知素子７のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するようにしている。
【００３７】
例えば、撮像対象からの赤外線の強度が弱く、検知期間内に赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が少ない画素に対しては補償用赤外線照射部２によって補償用赤外線を照射することで、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が一定になるようにしている。
本実施形態では、赤外線検知素子７によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部２を備える。
【００３８】
具体的には、補償用赤外線照射部２は、補償用赤外線を出射する複数の発光素子３９を備える発光素子アレイ３８と、発光素子アレイ３８に接続されたアレイ駆動回路チップ４０と、レンズ４１と、ハーフミラー４２とを含むものとして構成される。
なお、発光素子３９を、赤外線源、あるいは、補償光光源ともいう。また、発光素子アレイ３８を、赤外線源アレイ、あるいは、補償光光源アレイともいう。また、レンズ４１は、光学レンズ、レンズ系、あるいは、光学系ともいう。また、ハーフミラーは、光学系ともいう。また、アレイ駆動回路チップ４０を、Ｓｉ集積回路チップともいう。
【００３９】
ここで、発光素子アレイ３８では、発光素子３９が複数の赤外線検知素子７のそれぞれに対応して設けられている。また、発光素子アレイ３８は、赤外線検知素子アレイ４と同一の素子配列になっており、発光素子アレイ３８を構成する各素子３９と、赤外線検知素子アレイ４を構成する各素子７とが一対一に対応するようになっている。
ここでは、発光素子アレイ３８は、補償用赤外線を出射する複数のＬＥＤ（Light emitting diode）を備えるＬＥＤアレイである。本実施形態では、撮像対象からの赤外線のうち撮像したい波長の赤外線のみを透過するバンドパスフィルタ３６を用いているため、このバンドパスフィルタ３６を透過する波長の赤外線と同じ波長の赤外線を出射する複数のＬＥＤ３９を備えるＬＥＤアレイ３８を用いている。
【００４０】
具体的には、図７に示すように、化合物半導体基板４３上に形成された化合物半導体積層構造４４を有し、各ＬＥＤ３９（各素子）が分離溝４５によって分離されている。また、各素子３９のコンタクト層上には、それぞれ、バンプ電極４６が設けられており、各素子３９の側方に延びているコンタクト層上には、共通電極としてのバンプ電極４７が設けられている。そして、これらのバンプ電極４６、４７を介して、ＬＥＤアレイ３８はアレイ駆動回路チップ４０に接続されている。
【００４１】
アレイ駆動回路チップ４０は、発光素子アレイ３８を駆動するためのものである。このアレイ駆動回路チップ４０は、例えばＳｉ基板４８上に形成されており、アレイ駆動回路４９と、発光素子３９毎に設けられた複数のＰＷＭ（Pulse width modulation）回路５０とを備える。そして、複数のＰＷＭ回路５０は、発光素子アレイ３８の各発光素子３９のそれぞれにバンプ電極４６を介して接続されている。つまり、発光素子アレイ３８とアレイ駆動回路チップ４０とはフリップチップボンディングによって接合されている。
【００４２】
このように、アレイ駆動回路チップ４０は、発光素子３９毎にＰＷＭ回路５０を備え、アレイ駆動回路４９によって各ＰＷＭ回路５０を駆動させることで、各ＰＷＭ回路５０によって発光素子３９毎に発光強度を制御することができるようになっている。
ここでは、図８（Ａ）に示すように、アレイ駆動回路４９には、後述の制御演算部３に含まれるタイミング制御回路６５から画素の選択信号が入力されるとともに、後述の制御演算部３に含まれるメモリ回路６３から読み出された各画素７の補償用赤外線強度設定値が入力されるようになっている。そして、アレイ駆動回路４９は、選択された画素に接続されているＰＷＭ回路５０へその画素の補償用赤外線強度設定値を出力するようになっている。
【００４３】
ＰＷＭ回路５０は、図８（Ｂ）に示すように、ＰＷＭ変換回路５１と、ＬＥＤ駆動回路５２とを備える。そして、ＰＷＭ回路５０は、ＰＷＭ変換回路５１でアレイ駆動回路４９からの補償用赤外線強度設定値をＰＷＭ変換し、ＰＷＭ変換された信号をＬＥＤ駆動回路５２によってＬＥＤ３９へ出力するようになっている。このようにして、ＬＥＤ３９が駆動されるようになっている。なお、ＬＥＤ駆動回路５２を、発光素子駆動回路ともいう。
【００４４】
このように構成される補償用赤外線照射部２の発光素子アレイ３８を構成する各発光素子３９から出射された補償用赤外線は、図３に示すように、それぞれ、レンズ４１を通過し、ハーフミラー４２で反射されて、赤外線検知素子アレイ４を構成する各赤外線検知素子７のそれぞれに照射されるようになっている。一方、撮像対象からの赤外線は、バンドパスフィルタ３６及びレンズ３７を通過し、ハーフミラー４２を透過して、補償用赤外線とともに、各赤外線検知素子７のそれぞれに入射することになる。
【００４５】
ところで、本赤外線撮像装置は、図９に示すように、読出回路チップ５からの出力信号を処理するとともに、補償用赤外線照射部２に対する制御を含む各種の制御を行なう制御演算部３と、撮像された画像を表示するモニタ６０とを備える。
本実施形態では、制御演算部３は、赤外線検知素子７に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、補償用赤外線照射部２によって複数の赤外線検知素子７のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するようになっている。なお、制御演算部３は、コンピュータやコントローラによって構成される。
【００４６】
このように、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が同一になるようにすることで、検知期間内に各赤外線検知素子が受ける総熱量が同一になり、赤外線検知素子７間で温度差が生じるのを防止することができる。
ここでは、図２に示すように、検知期間内に撮像対象から複数の赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の強度にばらつきがある場合、各赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量が目標値になるように、補償用赤外線照射部２によって各赤外線検知素子７のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するようにしている。
【００４７】
ここで、目標値は、赤外線検知素子７の入射許容量、即ち、赤外線検知素子７のフルレンジの範囲内の任意の値に設定される。なお、目標値を、基準値、一定値、あるいは、総光量合わせ込み基準量ともいう。
これにより、各赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量は、目標値又は目標値近傍の一定の範囲内となる。つまり、検知期間内に各赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一又はほぼ同一になり、即ち、赤外線検知素子アレイの受光領域の面内で赤外線の総光量が均一になり、赤外線検知素子７間で温度差が生じるのを防止することができる。この結果、赤外線検知素子７間で抵抗差が生じるのを防止することができるため、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうのを防止することができる。
【００４８】
なお、例えばＬＥＤを用いて補償用赤外線の強度を制御する場合、補償用赤外線の強度はスタティックに変化させる必要はなく、検知期間よりも十分に短い周期でＬＥＤを点滅させることで検知期間内での総光量を制御すれば良い。なお、検知期間は撮像フレーム期間に含まれる。つまり、撮像フレーム期間は、検知期間と読出期間とを含む。なお、撮像フレーム期間を、撮像フレーム、あるいは、フレームともいう。
【００４９】
また、以下のようにして、撮像対象から入射した赤外線の総光量を求めるようにしている。
ここでは、図４（Ａ）に示すように、ある画素において、撮像フレーム毎に撮像対象から入射する赤外線の総光量が時間変化するものとする。なお、図４（Ａ）中の番号は、フレーム番号を示している。
【００５０】
本赤外線撮像装置の起動直後は、補償用赤外線照射部２を用いて補償用赤外線を照射していないため、１フレーム目の撮像時には、図４（Ｃ）に示すように、画素７に入射する赤外線の総光量は、撮像対象から入射した赤外線の総光量となる。
次に、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示すように、１フレーム目の撮像時に画素７に入射する赤外線の総光量と目標値とのずれ量、即ち、１フレーム目の撮像時に画素７に入射する赤外線の総光量と目標値との差分に相当する光量の補償用赤外線を、次の２フレーム目の撮像時に、補償用赤外線照射部２から照射する。
【００５１】
ここで、目標値としては、赤外線検知素子７が正常に動作するフルレンジから１フレームで変化することが予想される撮像対象からの赤外線の光量の変化分のマージンを差し引いた値を設定するのが望ましい。
同様に、３フレーム目以降の撮像時にも、直前のフレームにおいて撮像対象から入射した赤外線の総光量と目標値との差分に相当する光量の補償用赤外線を、補償用赤外線照射部２から照射する。
【００５２】
この場合、２フレーム目以降の撮像時には、撮像対象から入射した赤外線の総光量を、次式により求めることができ、これに基づいてモニタ６０に撮像した画像を表示させることができる。
撮像対象から入射した赤外線の総光量＝画素が検知した赤外線の総光量−補償用赤外線照射部から照射した補償用赤外線の総光量
また、上述の場合、全てのフレームにおいて、画素７が検知する赤外線の総光量、即ち、撮像対象及び補償用赤外線照射部２から画素７に入射する赤外線の総光量は、目標値付近になる。そこで、ここでは、画素７が検知した赤外線の総光量（アナログ信号）をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ１８の変換特性を、図４（Ｄ）に示すように、非線形曲線特性とし、目標値付近で細かく、それ以外で荒くなる特性としている。つまり、ＡＤコンバータ１８の量子化の区切りを目標値付近で細かく、それ以外で荒くしている。ＡＤコンバータ１８の変換特性としてこのような変換特性を用いることにより、フルレンジで高分解能を得ることができる。つまり、目標値付近に細かい分解能を与えることで、全フレームにおいて目標値付近になる画素７からの出力を高分解能でデジタル信号に変換でき、撮像対象からの赤外線の強度のフレーム毎の変化を確実に検知することができるようになる。
【００５３】
本実施形態では、制御演算部３は、各赤外線検知素子７によって検知された赤外線の強度及び補償用赤外線照射部２によって各赤外線検知素子７に照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から各赤外線検知素子７に入射した赤外線の強度を求めるようになっている。
ここでは、制御演算部３は、各赤外線検知素子７によって検知された赤外線の強度と、補償用赤外線照射部２によって各赤外線検知素子７に照射した補償用赤外線の強度との差を求め、撮像対象から各赤外線検知素子７に入射した赤外線の強度を求めるようになっている。
【００５４】
具体的には、制御演算部３は、図９に示すように、出力換算回路６１と、補償用赤外線強度決定回路６２と、メモリ回路６３と、表示回路６４と、タイミング制御回路６５とを含むものとして構成される。
なお、制御演算部３を、制御演算回路ともいう。また、出力換算回路６１及び補償用赤外線強度決定回路６２を、演算回路ともいう。また、出力換算回路６１、補償用赤外線強度決定回路６２、メモリ回路６３及び表示回路６４を、信号処理回路ともいう。また、タイミング制御回路６５を、制御回路、あるいは、コントローラともいう。
【００５５】
ここで、出力換算回路６１は、赤外線イメージセンサ７の読出回路チップ５からの各画素７の出力信号を、メモリ回路６３に記憶されている各画素７の補償用赤外線強度設定値を用いて、撮像対象から各画素７に入射する赤外線の強度に相当する各画素７の出力信号に換算するものである。
ここでは、出力換算回路６１は、読出回路チップ５に含まれるＡＤコンバータ１８で変換された各画素のＡＤ変換値（デジタル信号値）を読み出し、これを図１０に示すような変換特性（ここでは非線形の変換特性）に基づいて変換して、各画素７に入射した赤外線の強度に相当する信号として出力する回路を含む。この場合、各画素７に入射した赤外線の強度に相当する信号は、撮像対象からの赤外線の強度に相当する信号と補償用赤外線照射部２からの補償用赤外線の強度に相当する信号とを合わせたものである。
【００５６】
そして、出力換算回路６１は、図１０に示すように、上述の各画素７に入射した赤外線の強度と、メモリ回路６３から読み出した各画素７に照射している補償用赤外線強度設定値との差を求め、撮像対象から各画素７に入射する赤外線の強度に相当する信号を求めるようになっている。なお、このようにして求められた撮像対象から各画素７に入射する赤外線の強度に相当する信号を、換算後の各画素７の出力という。
【００５７】
補償用赤外線強度決定回路６２は、図９に示すように、出力換算回路６１によって換算された各画素７の出力と、目標赤外線強度値とに基づいて、補償用赤外線照射部２によって各画素７に照射する補償用赤外線の強度を決定し、決定した補償用赤外線強度設定値をメモリ回路６３に記憶させるものである。
ここでは、補償用赤外線強度決定回路６２は、図１１に示すように、出力換算回路６１によって換算された各画素７の出力と目標赤外線強度値との差分を、補償用赤外線照射部２によって各画素７に照射する補償用赤外線の強度、即ち、補償用赤外線強度設定値として決定するようになっている。
【００５８】
メモリ回路６３は、図９に示すように、補償用赤外線強度決定回路６２によって決定された画素毎の補償用赤外線強度設定値を記憶するものである。
表示回路６４は、撮像された画像をモニタ６０に表示させるために、出力換算回路６１によって求められた各画素７の出力を変換する回路であって、例えばフォーマット変換回路やＤＡ変換回路などである。
【００５９】
タイミング制御回路６５は、制御演算部３の出力換算回路６１、補償用赤外線強度決定回路６２、メモリ回路６３及び表示回路６４、並びに、赤外線イメージセンサ１の読出回路チップ５、並びに、補償用赤外線照射部２のアレイ駆動回路チップ４０に対して、所定のタイミングで制御信号として画素の選択信号を出力するものである。
このように構成される赤外線撮像装置では、以下のような処理が行なわれる。
【００６０】
本赤外線撮像装置では、検知期間及び読出期間を含む１フレームの読出期間内に、タイミング制御回路６５から出力される画素の選択信号を順番に切り替えることで、各画素７の出力（ＡＤ変換値）を順番に読み出して、処理を行なうようになっている。
ここでは、ｊフレーム、ｊ＋１フレームにおいて、ｉ画素の出力を読み出して処理を行なう場合を例に挙げて、図１２を参照しながら説明する。
【００６１】
まず、図１２（Ａ）に示すように、ｊフレームにおいてｉ画素の出力を読み出す場合、タイミング制御回路６５から画素の選択信号としてｉ画素を選択するための制御信号が出力される。このｉ画素を選択するための制御信号が出力されている期間が、ｉ画素の出力を読み出す読出期間となる。
次に、図１２（Ｂ）に示すように、出力換算回路６１は、ｉ画素を選択するための制御信号に基づいて、読出回路チップ５に含まれるＡＤコンバータ１８で変換されたｉ画素のＡＤ変換値を読み出し、これを図１０に示すような変換特性に基づいて変換して、ｉ画素に入射した赤外線の強度に相当する信号として出力する。なお、ｉ画素に入射した赤外線の強度に相当する信号に、図１２（Ｂ）では符号（１）を付している。
【００６２】
この例では、図１２（Ｃ）に示すように、メモリ回路６３に記憶されているｉ画素の補償用赤外線強度設定値に基づく強度の補償用赤外線が、補償用赤外線照射部２に含まれ、ｉ画素に対応する位置に設けられたＬＥＤ３９によってｉ画素に照射されているものとする。このため、ｉ画素に入射した赤外線の強度に相当する信号は、撮像対象からの赤外線の強度に相当する信号とｉ画素に対応する位置に設けられたＬＥＤ３９からの赤外線の強度に相当する信号とを合わせたものである。なお、ｉ画素の補償用赤外線強度設定値、即ち、これに基づいて補償用赤外線照射部２から照射されている補償用赤外線の強度に、図１２（Ｃ）では符号（２）を付している。
【００６３】
次に、出力換算回路６１は、メモリ回路６３からｉ画素の補償用赤外線強度設定値を読み出す。そして、図１２（Ｄ）に示すように、上述のｉ画素に入射した赤外線の強度に相当する信号と、メモリ回路６３から読み出したｉ画素の補償用赤外線強度設定値との差を求め、撮像対象からｉ画素に入射する赤外線の強度に相当する信号、即ち、換算後のｉ画素の出力を求める。なお、換算後のｉ画素の出力に、図１２（Ｄ）では符号（３）を付している。
【００６４】
このようにして出力換算回路６１によって求められたｉ画素の出力は、表示回路６４へ送られ、モニタ６０に表示されることになる。つまり、図１２（Ｆ）に示すように、今回のｊフレームにおいて出力換算回路６１から出力されたｉ画素の出力によって、前回のｊ−１フレームにおいて出力換算回路６１から出力されたｉ画素の出力が置き換えられ、モニタ６０に表示されることになる。なお、今回のｊフレームにおいて出力換算回路６１から出力されたｉ画素の出力は、次回のｊ＋１フレームにおいて出力換算回路６１から出力されたｉ画素の出力によって再度置き換えられることになる。なお、ｉ画素の出力に、図１２（Ｆ）でが符号（５）を付している。
【００６５】
次に、図１２（Ｅ）に示すように、補償用赤外線強度決定回路６２は、出力換算回路６１からのｉ画素の出力と、目標赤外線強度値との差分を、ｉ画素に対応する位置に設けられたＬＥＤ３９によってｉ画素に照射する補償用赤外線の強度として決定する。そして、決定した補償用赤外線強度設定値をメモリ回路６３に記憶させる。なお、目標赤外線強度値は、図１２（Ｅ）中、符号（７）で示しており、決定された補償用赤外線強度値は、図１２（Ｅ）中、符合（４）で示している。つまり、今回のｊフレームにおいて決定したｉ画素の補償用赤外線強度設定値によって前回のｊ−１フレームにおいて決定したｉ画素の補償用赤外線強度設定値を書き換えることで、メモリ回路６３に記憶されているｉ画素の補償用赤外線強度設定値を更新する。
【００６６】
次に、補償用赤外線照射部２のアレイ駆動回路チップ４０には、メモリ回路６３に記憶されている、更新されたｉ画素の補償用赤外線強度設定値が入力される。そして、図１２（Ｇ）に示すように、ｉ画素に接続されているＰＷＭ回路５０でＰＷＭ変換された信号が、ＬＥＤ駆動回路５２によって、ｉ画素に対応する位置に設けられたＬＥＤ３９へ出力される。これにより、ｉ画素に対応する位置に設けられたＬＥＤ３９が駆動され、更新されたｉ画素の補償用赤外線強度設定値に基づく強度の補償用赤外線がｉ画素に照射される。
【００６７】
したがって、本実施形態にかかる赤外線撮像装置によれば、赤外線イメージセンサ１の各画素７を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止できるという利点がある。特に、各画素７が微細になった高解像度の赤外線撮像装置を高いＳ／Ｎ比を維持したまま実現することができる。
また、上述のように、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が同一になるようにすることで、検知期間内に各赤外線検知素子７に流れる総電流量が同一になり、各赤外線検知素子７に接続される読出回路チップ５内のキャパシタ１９に蓄積される総電位も同一になる。このため、読出回路チップ５の内部の消費電力の変動に起因してＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止することができる。
【００６８】
つまり、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量にばらつきがあると、読出回路チップ５内の回路に流れる総電流量もばらつくことになる。
図１３に示すように、読出回路チップ５内では、センサーアレイ４に備えられる各画素（赤外線検知素子）７に流れる電流を、積分回路１５に備えられるキャパシタ１９で一定時間積分後、インピーダンス変換回路３０を通し、ＡＤコンバータ１８によってデジタル信号に変換して出力する。例えば、Libin Yao, “CMOS readout circuit design for infrared image sensors”, Proc. Of SPIE, Vol.7384, 73841B (2009)参照。
【００６９】
インピーダンス変換回路３０やＡＤコンバータ１８は、各画素７のそれぞれに備えられているわけではなく、切替回路１６（マルチプレクサ）によって切り替えることで、各画素７からの出力信号を順次シーケンシャルに読み出すようになっている。
この場合、各画素７に流れる総電流量がばらつくと、各画素７に接続されたキャパシタ１９に蓄積される総電位もばらつき、切替回路１６以降の回路において、この画素毎に異なる電位に対応して充放電が繰り返されることになる。これにより、読出回路チップ５の内部の消費電力が変動し、これがノイズの原因となって、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうことになる。
【００７０】
また、冷却型赤外線イメージセンサでは、読出回路チップ５を冷却系３５内に設置し、それ以降の回路を外部に設置する。この場合、読出回路チップ５に外部の電源を接続するための配線を、熱伝導の関係などで、低抵抗の配線にするのは難しい。つまり、読出回路チップ５に外部の電源を接続するための配線には、熱伝導を下げるために細い電線が使われる。例えば、Mark D. Nelson et al., “General noise processes in hybrid infrared focal plane arrays”, OPTICAL ENGINEERING, Vol. 30, No.11, pp.1682-1700, November 1991参照。このため、読出回路チップ５の内部の消費電力（消費電流）が変動すると、この配線部分のインピーダンスの影響で、読出回路チップ５の内部の電源電圧が変動しやすく、これがノイズの原因となって、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうことになる。
【００７１】
これに対し、上述のように、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が同一になるようにすることで、検知期間内に各赤外線検知素子７に流れる総電流量を同一にすることができる。これにより、各赤外線検知素子７に接続される読出回路チップ５内のキャパシタ１９に蓄積される総電位も同一になるため、読出回路チップ５の内部の消費電力の変動に起因してＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止することができる。
【００７２】
なお、上述の実施形態では、赤外線イメージセンサ１の各画素７を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止するために、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が同一になるようにしている。この結果、検知期間内に各赤外線検知素子７に流れる総電流量が同一になるため、読出回路チップ５の内部の消費電力の変動に起因してＳ／Ｎ比が低下してしまうのも防止することができる。
【００７３】
一方、読出回路チップ５の内部の消費電力の変動に起因してＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止するためには、検知期間内に各赤外線検知素子７に流れる総電流量が同一になるようにすれば良い。つまり、制御演算部３を、赤外線検知素子７に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子７のそれぞれに流れる電流量が同一になるように、補償用赤外線照射部２によって複数の赤外線検知素子７のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、複数の赤外線検知素子７のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び補償用赤外線照射部２によって複数の赤外線検知素子７のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求めるように構成すれば良い。
【００７４】
この場合、上述の実施形態において、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が同一になるように、制御演算部３の補償用赤外線強度決定回路６２で各画素７に照射する補償用赤外線強度設定値を決定するために用いる目標赤外線強度値として、一のフレームにおいて全ての画素に対して同一の目標赤外線強度値を用い、かつ、全てのフレームにおいて同一の目標赤外線強度値を用いているのに代えて、制御演算部３の補償用赤外線強度決定回路６２で各画素７に照射する補償用赤外線強度設定値を決定するために用いる目標値として、一のフレームにおいて全ての画素に対して同一の目標値を用いれば良く、全てのフレームにおいて同一の目標値を用いる必要はない。つまり、各フレームにおいて異なる目標値を用いても良い。これにより、検知期間内に各赤外線検知素子７に流れる総電流量が同一になるようにすることができる。なお、この場合、各画素７に流れた電流量、即ち、出力換算回路６１による換算前の各画素７の出力が、目標値としての目標電流量になるように、各画素７に照射する補償用赤外線の強度を制御することになる。
【００７５】
また、上述の実施形態では、補償用赤外線照射部２を、発光素子アレイ３８と、アレイ駆動回路チップ４０と、レンズ４１と、ハーフミラー４２とを含むものとして構成しているが、これに限られるものではない。
例えば、補償用赤外線照射部２を、上述の実施形態の発光素子アレイ３８及びアレイ駆動回路チップ４０に代えて、図１４に示すように、複数の発熱抵抗素子７２を備える発熱抵抗素子アレイ７０と、バンドパスフィルタ７１とを備えるものとして構成しても良い。つまり、補償用赤外線照射部２を、複数の赤外線検知素子７のそれぞれに対応して設けられ、赤外線を放射する複数の発熱抵抗素子７２を備える発熱抵抗素子アレイ７０と、発熱抵抗素子７２から放射された赤外線のうち補償用赤外線の波長のみを通すバンドパスフィルタ７１とを含むものとして構成しても良い。この場合も、上述の実施形態と同様に、レンズと、ハーフミラーとを含むものとするのが好ましい。なお、発熱抵抗素子７２を、ヒータ素子、あるいは、抵抗素子ともいう。
【００７６】
具体的には、発熱抵抗素子アレイ７０は、例えばＳｉ基板７３上にアレイ駆動回路７４及び複数のＰＷＭ回路７５を備えるＳｉ集積回路基板の表面に、各ＰＷＭ回路７５のそれぞれに接続されるように、例えば金属薄膜などによって発熱抵抗素子７２を形成したものである。つまり、発熱抵抗素子アレイ７０は、例えばＳｉ基板７３上に形成されており、例えば金属薄膜などからなる複数の発熱抵抗素子７２と、各発熱抵抗素子７２に接続された複数のＰＷＭ回路７５と、アレイ駆動回路７４とを備える。このように、発熱抵抗素子アレイ７０は、発熱抵抗素子７２毎にＰＷＭ回路７５を備え、これらのＰＷＭ回路７５によって各発熱抵抗素子７２に流す電流（電力）を制御することで、発熱抵抗素子７２毎に温度を制御することができるようになっている。このようにして、発熱抵抗素子７２毎に温度を制御することで、発熱抵抗素子７２毎に、発熱抵抗素子７２が放射する赤外線の強度を制御することができる。この場合、発熱抵抗素子７２から放射される赤外線は、撮像対象からバンドパスフィルタ３６（図３参照）を介して赤外線検知素子７に入射する赤外線の波長以外の波長の赤外線も含むものとなる。このため、撮像対象からバンドパスフィルタ３５を介して赤外線検知素子７に入射する赤外線の波長と同じ波長の赤外線を透過するバンドパスフィルタ７１を用いるようにしている。これにより、撮像対象からバンドパスフィルタ３５を介して赤外線検知素子７に入射する赤外線と同じ波長の赤外線が、補償用赤外線照射部２から、即ち、発熱抵抗素子アレイ７０からバンドパスフィルタ７１を介して、補償用赤外線として出射されるようになっている。
【００７７】
また、上述の実施形態では、赤外線検知素子７によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部２を用いているが、これに限られるものではない。例えば、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部を用いても良い。つまり、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を出射する複数の発光素子を備える発光素子アレイを用いても良い。例えば、撮像対象と赤外線検知素子アレイとの間に設けられたバンドパスフィルタ、即ち、撮像対象からの赤外線のうち撮像したい波長の赤外線のみを透過するバンドパスフィルタを透過する波長以外の波長を持つ赤外線を出射する複数のＬＥＤを備えるＬＥＤアレイを用いても良い。
【００７８】
この場合、各赤外線検知素子によって検知される赤外線の強度は、補償用赤外線の強度に関係なく、撮像対象から入射する赤外線の強度によって変化することになる。
このため、赤外線撮像装置は、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射する総光量が同一になるように、赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御する制御演算部を備えるものとすれば良い。つまり、上述の実施形態のように、制御演算部によって、複数の赤外線検知素子のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求める必要がない。
【００７９】
この場合、上述の実施形態における出力換算回路６１に代えて、出力換算回路を、赤外線イメージセンサの読出回路チップからの各画素の出力を、撮像対象から各画素に入射する赤外線の強度に相当する信号に換算するものとする。つまり、出力換算回路を、読出回路チップに含まれるＡＤコンバータで変換された各画素のＡＤ変換値（デジタル信号値）を読み出し、これを図１５に示すような変換特性（ここでは線形の変換特性）に基づいて変換して、撮像対象から各画素に入射する赤外線の強度に相当する信号を求める回路を含むものとする。なお、撮像対象から各画素に入射する赤外線の強度に相当する信号を、換算後の各画素の出力という。
【００８０】
また、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線に対しては、赤外線検知素子は感度を持たない。つまり、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線は、赤外線検知素子に吸収されない。これに対し、撮像対象から赤外線検知素子に入射する赤外線に対しては、赤外線検知素子は感度を持ち、赤外線検知素子に吸収される。このため、撮像対象からの赤外線が赤外線検知素子に入射することによる赤外線検知素子の温度変化と、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線が赤外線検知素子に照射されることによる赤外線検知素子の温度変化とが異なることになる。
【００８１】
そこで、上述の実施形態における補償用赤外線強度決定回路６２に代えて、補償用赤外線強度決定回路を、出力換算回路によって換算された各画素の出力と目標赤外線強度値との差分を、図１６に示すような変換特性を持つ変換表（換算表）を用いて変換して、補償用赤外線照射部によって各画素に照射する補償用赤外線の強度を決定し、決定した補償用赤外線強度設定値をメモリ回路に記憶させるようにする。この場合、図１６に示すような変換特性を持つ変換表として、赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ赤外線の強度に対する赤外線検知素子の温度変化量と、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ赤外線の強度に対する赤外線検知素子の温度変化量との対応関係に基づいて、同等の温度変化を生じる、赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ赤外線の強度（素子検知赤外線強度）と、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ赤外線の強度（素子非検知赤外線強度）との関係を予め求めておく。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる赤外線撮像装置について、図１７〜図１９を参照しながら説明する。
【００８２】
本実施形態にかかる赤外線撮像装置は、上述の第１実施形態及びその変形例のものに対し、補償用赤外線照射部２の構成が異なる。
つまり、本赤外線撮像装置は、図１７に示すように、赤外線を放射する温度板８０、８１と、バンドパスフィルタ８２と、マイクロミラーアレイ８３とを含む補償用赤外線照射部を備える。
【００８３】
ここで、温度板８０、８１は、一定の温度になっている一定温度板である。
ここでは、温度板として、２つの温度板、即ち、低温の温度板８０と高温の温度板８１とを用いている。ここで、低温の温度板８０は、赤外線検知素子７の温度と同じか又はそれよりも高い温度になっている温度板である。また、高温の温度板８１は、低温の温度板８０よりも高い温度になっている温度板である。
【００８４】
また、温度板８０、８１は、図１９に示すように、例えばＡｌ等の熱伝導率の良い板であり、ヒータ８５及び温度センサ８６が取り付けられている。そして、ヒータ８５及び温度センサ８６には温度制御回路８７が接続されており、温度制御回路８７によって温度センサ８６からの検出値に基づいてヒータ８５の出力を制御することで、温度板８０、８１を一定温度に保つことができるようになっている。ここでは、温度制御回路８７は、温度センサ８６からの検出値が一定値になるようにヒータ８５の出力を制御するようになっている。
【００８５】
なお、温度板８０、８１を、赤外線源、赤外線放射源、あるいは、補償光光源ともいう。また、一定温度板を、均一温度板、あるいは、定温板ともいう。また、温度制御回路８７を、温度コントローラともいう。
バンドパスフィルタ８２は、図１７に示すように、温度板８０、８１から放射された赤外線のうち補償用赤外線の波長のみを通すものである。
【００８６】
ここで、補償用赤外線としては、上述の第１実施形態のように、赤外線検知素子７によって検知しうる波長を持つ赤外線を用いても良いし、上述の第１実施形態の変形例のように、赤外線検知素子７によって検知しうる波長以外の波長を持つ赤外線を用いても良い。
赤外線検知素子７によって検知しうる波長を持つ赤外線を補償用赤外線として用いる場合、バンドパスフィルタ８２は、撮像対象と赤外線検知素子アレイ４との間に設けられるバンドパスフィルタ３６（図３参照）、即ち、撮像対象からの赤外線のうち撮像したい波長の赤外線のみを透過するバンドパスフィルタと同じバンドパスフィルタを用いれば良い。この場合、補償用赤外線照射部２は、赤外線検知素子７によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部である。
【００８７】
一方、赤外線検知素子７によって検知しうる波長以外の波長を持つ赤外線を補償用赤外線として用いる場合、バンドパスフィルタ８２は、撮像対象と赤外線検知素子アレイとの間に設けられたバンドパスフィルタ３６（図３参照）と異なるバンドパスフィルタ、即ち、撮像対象と赤外線検知素子アレイ４との間に設けられたバンドパスフィルタ３６が透過する波長以外の波長を持つ赤外線を透過するバンドパスフィルタを用いれば良い。この場合、補償用赤外線照射部２は、赤外線検知素子７によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する赤外線照射部である。
【００８８】
また、バンドパスフィルタ８２は、温度板８０、８１とマイクロミラーアレイ８３との間に設けられている。なお、バンドパスフィルタ８２は、マイクロミラーアレイ８３と赤外線検知素子アレイ４との間に設けても良い。
マイクロミラーアレイ８３は、複数の赤外線検知素子７のそれぞれに対応して設けられ、温度板８０、８１が放射した赤外線を赤外線検知素子７へ向けて反射させる複数のマイクロミラー８４を備えるものである。なお、マイクロミラーアレイ８３を構成するマイクロミラー８４としては、例えば特許第３５１２９６３号に開示されているものなどを用いることができる。
【００８９】
ここでは、マイクロミラーアレイ８３は、マイクロミラーアレイ８３を構成する各マイクロミラー８４と、赤外線検知素子アレイ４を構成する各赤外線検知素子７とが一対一に対応するように、マイクロミラーアレイ８３と赤外線検知素子アレイ４とは同一の配置構成になっている。
また、マイクロミラーアレイ８３には、これを駆動する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、制御演算部３からの制御信号に基づいて駆動回路によってマイクロミラーアレイ８３を駆動することで、各赤外線検知素子７に照射する補償用赤外線の強度を制御することができるようになっている。
【００９０】
ここでは、制御演算部３からの制御信号に基づいて駆動回路によって、図１８（Ａ）に示すように、マイクロミラーアレイ８３を構成する各マイクロミラー８４の向きを、低温の温度板８０側及び高温の温度板８１側のいずれかに切り替えることで、各赤外線検知素子７に照射する補償用赤外線の強度を制御するようになっている。これにより、検知期間内に複数の赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるようにしている。
【００９１】
具体的には、駆動回路は、マイクロミラー８４毎にＰＷＭ回路を備える。そして、ＰＷＭ回路から出力されるパルス信号のオン・オフに応じてマイクロミラー８４の向きが切り替わるようにし、制御演算部３で設定される補償用赤外線強度設定値に基づいて、ＰＷＭ回路から出力されるパルス信号の幅を調整するようにしている。
ここで、図１８（Ｂ）は、ある画素に対して検知期間（フレーム）毎に設定される補償用赤外線強度設定値を示しており、図１８（Ｃ）は、駆動回路のＰＷＭ回路から、ある画素に対応するマイクロミラーに出力される制御信号（パルス信号）を示している。ここでは、パルス信号がオンの場合にマイクロミラー８４が高温の温度板８１側を向くようになっている。このため、パルス信号がオンになっている合計時間がマイクロミラー８４が高温の温度板８１側を向いている時間である。
【００９２】
図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）に示すように、補償用赤外線強度設定値が大きい値である場合、即ち、赤外線検知素子７に照射する補償用赤外線の強度が大きい場合は、マイクロミラー８４が高温の温度板８１側に向く時間が長くなるようにパルス信号の幅を広く設定すれば良い。逆に、補償用赤外線強度設定値が小さい値である場合、即ち、赤外線検知素子７に照射する補償用赤外線の強度が小さい場合は、マイクロミラー８４が低温の温度板８０側に向く時間が長くなるようにパルス信号の幅を狭く設定すれば良い。
【００９３】
これにより、各赤外線検知素子７に照射する補償用赤外線の強度を制御することができる。
このため、駆動回路には、制御演算部３からの制御信号として、制御演算部３に含まれるタイミング制御回路６５から画素の選択信号が入力されるとともに、制御演算部３に含まれるメモリ回路６３から読み出された各画素７の補償用赤外線強度設定値が入力されるようになっている。そして、駆動回路は、選択された画素に接続されているＰＷＭ回路から出力されるパルス信号のオン・オフ及びパルス幅を調整し、これに基づいて、各マイクロミラー８４を駆動するようになっている。
【００９４】
この場合、補償用赤外線が照射されることによって検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量は、低温の温度板８０からの補償用赤外線の総光量と、高温の温度板８１からの補償用赤外線の総光量とを合わせたものとなる。このため、マイクロミラーアレイ８３を構成する各マイクロミラー８４が低温の温度板８０側を向いている時間と高温の温度板８１側を向いている時間との比率を調整することで、補償用赤外線が照射されることによって検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量を調整することができる。これにより、図１７に示すように、撮像対象からの赤外線が入射することによって検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量にばらつきがある場合であっても、検知期間内に複数の赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量を同一にすることができる。
【００９５】
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態と同様であるため、ここでは、その説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる赤外線撮像装置によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、赤外線イメージセンサ１の各画素７を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止できるという利点がある。また、各画素７が微細になった高解像度の赤外線撮像装置を高いＳ／Ｎ比を維持したまま実現することができる。
【００９６】
特に、本実施形態では、上述の第１実施形態のように各赤外線検知素子７に対応して個別に補償用赤外線源を設ける場合と比較して、補償用赤外線照射部２が相対的に大きくなる。一方、全ての赤外線検知素子７に対して同一の温度板８０、８１からの赤外線が照射されることになるため、補償用赤外線の強度のばらつきによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止することができる。
【００９７】
なお、上述の実施形態では、温度板として２つの温度板８０、８１を用いているが、これに限られるものではなく、例えば、温度板として１つの温度板を用いても良い。この場合、温度板は、赤外線検知素子の温度よりも高い温度になっている温度板とする。そして、上述の実施形態の２つの温度板の代わりに、この温度板と、温度板よりも低い温度になっている装置内の領域とを用いれば良い。
【００９８】
また、上述の実施形態では、マイクロミラー８４をＰＷＭ回路によって駆動するようにし、マイクロミラー８４の向きが低温の温度板８０側と高温の温度板８１側とで交互に連続的に切り替えられるようにしているが、これに限られるものではない。例えば、検知期間内のある期間にマイクロミラーの向きが低温の温度板側になり、残りの期間に高温の温度板側になるように、マイクロミラーを駆動するようにしても良い。
【００９９】
また、上述の実施形態では、赤外線を放射する温度板を用いているが、これに限られるものではなく、この温度板に代えて、図２０に示すように、赤外線ランプ９０を用いても良い。この場合、補償用赤外線照射部２は、赤外線ランプ９０と、バンドパスフィルタ８２と、複数のマイクロミラー８４を備えるマイクロミラーアレイ８３とを含むものとなる。具体的には、補償用赤外線照射部２は、赤外線ランプ９０と、バンドパスフィルタ８２と、マイクロミラーアレイ８３と、楕円レンズ９１と、複眼レンズ構造９２と、コリメートレンズ９３とを備えるものとして構成するのが好ましい。
【０１００】
ここで、複眼レンズ構造９２は、赤外線ランプ９０から放射された赤外線の強度を均一にするためのものであり、プロジェクションレンズ素子群と、コンデンサレンズ素子群とを対向させて配置した構造になっている。例えば光技術情報誌「ライトエッジ」Ｎｏ．１５（１９９８）ｐｐ．７−４５の図２−１３、図２−１５参照。
コリメートレンズ９３は、赤外線ランプ９０からの赤外線を平行光にするためのものである。
【０１０１】
このように構成される補償用赤外線照射部２を用いる場合、赤外線ランプ９０が放射した赤外線は、楕円レンズ９１で、バンドパスフィルタ８２を介して、複眼レンズ構造９２に集光され、複眼レンズ構造９２で均一な強度にされた後、コリメートレンズ９３で平行光にされて、マイクロミラーアレイ８３へ導かれることになる。
［その他］
なお、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【符号の説明】
【０１０２】
１ 赤外線イメージセンサ
２ 補償用赤外線照射部
３ 制御演算部
４ 赤外線検知素子アレイ
５ 読出回路チップ
６ バンプ電極
７ 赤外線検知素子（画素）
８ ＧａＡｓ基板
９ ｎ−ＧａＡｓ下側コンタクト層
１０ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）層
１１ ｎ−ＧａＡｓ上側コンタクト層
１２ 分離溝
１３ ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層
１４ ｉ−ＧａＡｓ層
１５ 駆動回路
１６ 切替回路
１７ 読出回路
１８ ＡＤコンバータ
１９ キャパシタ（積分容量）
２０、２１ スイッチ（トランジスタ）
２２ 出力端子
２３ ソースフォロワトランジスタ
２４ 行選択トランジスタ
２５ 行線
２６ 列線
２７ 列選択トランジスタ
２８ 読み出し線
２９ 負荷トランジスタ
３０ 増幅器（インピーダンス変換回路）
３１ 垂直走査シフトレジスタ
３２ 水平走査シフトレジスタ
３３ 真空容器
３３Ａ 窓
３４ コールドシールド
３５ 冷却系
３６ バンドパスフィルタ
３７ レンズ
３８ 発光素子アレイ（ＬＥＤアレイ）
３９ 発光素子（ＬＥＤ）
４０ アレイ駆動回路チップ
４１ レンズ
４２ ハーフミラー
４３ 化合物半導体基板
４４ 化合物半導体積層構造
４５ 分離溝
４６、４７ バンプ電極
４８ Ｓｉ基板
４９ アレイ駆動回路
５０ ＰＷＭ回路
５１ ＰＷＭ変換回路
５２ ＬＥＤ駆動回路
６０ モニタ
６１ 出力換算回路
６２ 補償用赤外線強度決定回路
６３ メモリ回路
６４ 表示回路
６５ タイミング制御回路
７０ 発熱抵抗素子アレイ
７１ バンドパスフィルタ
７２ 発熱抵抗素子
７３ Ｓｉ基板
７４ アレイ駆動回路
７５ ＰＷＭ回路
８０ 低温の温度板
８１ 高温の温度板
８２ バンドパスフィルタ
８３ マイクロミラーアレイ
８４ マイクロミラー
８５ ヒータ
８６ 温度センサ
８７ 温度制御回路
９０ 赤外線ランプ
９１ 楕円レンズ
９２ 複眼レンズ構造
９３ コリメートレンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば量子井戸型赤外線フォトディテクタ（ＱＷＩＰ；Quantum Well Infrared Photodetector）などの量子型赤外線フォトディテクタによって各画素を構成した赤外線イメージセンサを備える赤外線撮像装置がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Leonard Chen et al., “Overview of advances in high performance ROIC designs for use with IRFPAs”, Proceedings of SPIE, Vol.4028(2000), pp.124-138
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、赤外線イメージセンサにおいて、高解像度化を図るために各画素の面積を小さくすると、各画素の信号強度が相対的に小さくなるため、従来問題にならなかったことがノイズの原因になって、Ｓ／Ｎ比（Signal to Noise ratio）が低下することになる。
例えば、撮像対象に輝度分布がある場合、即ち、赤外線イメージセンサに入射する赤外線に入射量分布がある場合、これがノイズの原因となる。
【０００５】
つまり、赤外線イメージセンサの各画素に入射した赤外線の一部は、各画素を構成する赤外線検知素子の内部で熱に変換され、赤外線検知素子の熱容量や熱抵抗などによって、赤外線検知素子の温度が上昇することになる。
そして、赤外線検知素子は、素子抵抗が温度依存性を持っているため、素子温度が変化すると素子抵抗が変化してしまい、暗電流や光電流が変化してしまうことになる。
【０００６】
この場合、赤外線イメージセンサの各画素に入射する赤外線の入射量にばらつきがあると、各画素を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことになる。例えば、強い光が入射した画素では、弱い光が入射した画素に比べて、赤外線検知素子の温度が上昇してしまい、各画素を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことになる。この結果、各画素を構成する赤外線検知素子間で抵抗差が生じてしまい、これが暗電流や光電流に影響を与え、ノイズの原因となる。
【０００７】
そこで、赤外線イメージセンサの各画素を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止できるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本赤外線撮像装置は、複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、複数の赤外線検知素子のそれぞれに、赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、複数の赤外線検知素子のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求める制御演算部とを備えることを要件とする。
【０００９】
本赤外線撮像装置は、複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、複数の赤外線検知素子のそれぞれに、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御する制御演算部とを備えることを要件とする。
【００１０】
本赤外線撮像装置は、複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、複数の赤外線検知素子のそれぞれに、赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子のそれぞれに流れる総電流量が同一になるように、補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、複数の赤外線検知素子のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求める制御演算部とを備えることを要件とする。
【００１１】
本赤外線撮像装置は、複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、複数の赤外線検知素子のそれぞれに、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子のそれぞれに流れる総電流量が同一になるように、補償用赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御する制御演算部とを備えることを要件とする。
【発明の効果】
【００１２】
したがって、本赤外線撮像装置によれば、赤外線イメージセンサの各画素を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の構成を示す模式図である。
【図３】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の構成を示す模式図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の動作を説明するための図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる赤外線イメージセンサの赤外線検知素子アレイの構成を示す模式図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる赤外線イメージセンサの読出回路チップの構成を示す模式図である。
【図７】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる補償用赤外線照射部の構成を示す模式図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる補償用赤外線照射部の構成を示す模式図である。
【図９】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる制御演算部の出力換算回路を説明するための図である。
【図１１】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる制御演算部の補償用赤外線強度決定回路を説明するための図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｇ）は、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図１３】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置による効果を説明するための図である。
【図１４】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる補償用赤外線照射部の変形例の構成を示す模式図である。
【図１５】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる制御演算部の出力換算回路の変形例を説明するための図である。
【図１６】第１実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる制御演算部の補償用赤外線強度決定回路の変形例を説明するための図である。
【図１７】第２実施形態にかかる赤外線撮像装置の構成を示す模式図である。
【図１８】（Ａ）〜（Ｃ）は、第２実施形態にかかる赤外線撮像装置の動作を説明するための図である。
【図１９】第２実施形態にかかる赤外線撮像装置に備えられる補償用赤外線照射部の温度板の構成を示す模式図である。
【図２０】第２実施形態にかかる赤外線撮像装置の変形例の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる赤外線撮像装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる赤外線撮像装置について、図１〜図１３を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる赤外線撮像装置は、図１に示すように、赤外線イメージセンサ１と、補償用赤外線照射部２と、制御演算部３とを備える。なお、図１中、符号３７、４１はレンズを示している。
【００１５】
ここで、本赤外線イメージセンサは、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、複数の赤外線検知素子（画素）７を備える赤外線検知素子アレイ４と、複数の赤外線検知素子７のそれぞれに接続された読出回路を含む読出回路チップ５とを備える。そして、赤外線検知素子アレイ４と読出回路チップ５とは、導電性の金属バンプ電極６（ここではＩｎバンプ電極）を介して接続されている。つまり、赤外線検知素子アレイ４と読出回路チップ５とはフリップチップボンディングによって接合されている。
【００１６】
なお、赤外線検知素子アレイ４を、センサ素子アレイ、センサアレイ、光電変換素子アレイ、赤外線焦点面アレイ（ＩＲＦＰＡ；Infrared focal plane array）、あるいは、ＱＷＩＰ焦点面アレイ（ＱＷＩＰ−ＦＰＡ）ともいう。また、赤外線検知素子７を、量子型赤外線検知素子、感光素子、受光素子、センサ素子、あるいは、ＱＷＩＰ素子ともいう。また、読出回路チップ５は、読出回路アレイともいう。また、読出回路は、ＲＯＩＣ（readout integrated circuit）、あるいは、信号処理回路ともいう。
【００１７】
ここで、赤外線検知素子アレイ４は、赤外線の入射量に応じて光電流を発生する赤外線検知素子７によって構成される複数の画素が二次元的に配列されている二次元赤外線検知素子アレイである。
ここでは、赤外線検知素子アレイ４は、例えばＱＷＩＰなどの量子型赤外線フォトディテクタを赤外線検知素子７として備える量子型赤外線検知素子アレイである。このため、本赤外線イメージセンサを、量子型赤外線イメージセンサともいう。
【００１８】
例えば、量子井戸型の赤外線検知素子アレイ４は、以下のように構成される。
つまり、量子井戸型の赤外線検知素子アレイ４は、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示すように、ＧａＡｓ基板８上に、ｎ−ＧａＡｓ下側コンタクト層９、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０、ｎ−ＧａＡｓ上側コンタクト層１１を積層した構造を備える。また、各赤外線検知素子７（各画素）が分離溝１２によって分離されている。また、各画素７のｎ−ＧａＡｓ上側コンタクト層１１上には、それぞれ、Ｉｎバンプ電極６が設けられている。また、各画素７の側方に延びているｎ−ＧａＡｓ下側コンタクト層９上には、共通電極としてのＩｎバンプ電極６が設けられている。そして、これらのＩｎバンプ電極６を介して、量子井戸型赤外線検知素子アレイ４は読出回路チップ５に接続されている。
【００１９】
例えば約７μｍの波長を持つ赤外線に感度を持つ量子井戸型赤外線検知素子アレイ４を構成する場合、以下のように構成すれば良い。
つまり、ｎ−ＧａＡｓ下側コンタクト層９及びｎ−ＧａＡｓ上側コンタクト層１１は、厚さを例えば約１μｍとし、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを用い、その濃度を例えば約１×１０１８ｃｍ−３とすれば良い。また、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ−ＭＱＷ層１０は、厚さ４０ｎｍのｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層１３と厚さ４ｎｍのｉ−ＧａＡｓ層１４とを各２０層交互に積層したものとすれば良い。
【００２０】
なお、赤外線検知素子アレイ４の構成は、これに限られるものではない。
読出回路チップ５は、赤外線が入射して各赤外線検知素子７に流れた電流量に応じた出力電圧を順次読み出すものである。ここで、読出回路チップ５は、例えばＳｉ基板上に形成されており、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、読出回路１７として、画素７毎に設けられた複数の駆動回路１５と、各駆動回路１５の出力を順次読み出すための切替回路１６とを備える。ここでは、読出回路チップ５には、さらに、ＡＤコンバータ１８が集積されている。
【００２１】
なお、ＡＤコンバータ１８を、アナログ・デジタル変換回路、ＡＤ変換回路、あるいは、ＡＤ回路ともいう。また、読出回路チップ５を、Ｓｉ集積回路チップともいう。
ここで、複数の駆動回路１５は、赤外線検知素子アレイ４の各赤外線検知素子７のそれぞれにバンプ電極６を介して接続されている。駆動回路１５は、赤外線が入射することによって赤外線検知素子７に流れる電流を、時間で積分し、電圧に変換して出力する積分回路である。
【００２２】
ここでは、駆動回路１５は、キャパシタ１９（積分容量）と、キャパシタ１９を赤外線検知素子７に接続するためのスイッチ２０（トランジスタ）と、キャパシタ１９をバイアス電源に接続するためのスイッチ２１（トランジスタ）とを備える。つまり、駆動回路１５は、バンプ電極６を介して赤外線検知素子７の一側に接続されたスイッチ２０と、バイアス電源に接続されたスイッチ２１と、これらのスイッチ２０、２１に接続されたキャパシタ１９とを備える。そして、キャパシタ１９及びスイッチ２０、２１のそれぞれの端子を接続した接点Ｘに出力端子２２が接続されている。なお、赤外線検知素子７の他側には共通電極６が接続されている。
【００２３】
また、各駆動回路１５の出力端子２２には、切替回路１６が接続されている。
つまり、切替回路１６は、複数のソースフォロワトランジスタ２３と、複数の行選択トランジスタ２４と、複数の行線２５と、複数の列線２６と、複数の列選択トランジスタ２７と、読み出し線２８と、負荷トランジスタ２９と、増幅器３０と、垂直走査シフトレジスタ３１と、水平走査シフトレジスタ３２とを備える。そして、各ソースフォロワトランジスタ２３のゲート端子に、それぞれ、各駆動回路１５の出力端子２２が接続されている。
【００２４】
なお、列線２６及び読み出し線２８を、出力線ともいう。また、増幅器３０を、最終出力段増幅器、出力アンプ、電圧バッファ、ＤＣアンプ、あるいは、インピーダンス変換回路ともいう。また、行選択トランジスタ２４を、垂直選択スイッチともいう。また、列選択トランジスタ２７を、水平選択スイッチともいう。
ここで、ソースフォロワトランジスタ２３は、ゲート端子に駆動回路１５の出力端子２２が接続されており、駆動回路１５の出力に応じて動作するようになっている。なお、各ソースフォロワトランジスタ２３のドレイン端子は、図示しない電源に接続されており、電源電圧が供給されている。
【００２５】
各行選択トランジスタ２４は、複数のソースフォロワトランジスタ２３のソース端子のそれぞれに接続されている。また、各行線２５は、それぞれ、各行の行選択トランジスタ２４のゲート端子に接続されている。
各列線２６は、行選択トランジスタ２４を介してソースフォロワトランジスタ２３に接続されている。つまり、各列線２６は、それぞれ、行選択トランジスタ２４を介して、各列のソースフォロワトランジスタ２３に接続されている。また、各列選択トランジスタ２７は、複数の列線２６のそれぞれに接続されている。さらに、読み出し線２８は、全ての列選択トランジスタ２７に接続されている。
【００２６】
垂直走査シフトレジスタ３１は、全ての行線２５に接続されており、各行線２５を順次駆動し、各行線２５に接続されている行選択トランジスタ２４の導通・非導通制御を行なうようになっている。また、水平走査シフトレジスタ３２は、全ての列選択トランジスタ２７に接続されており、各列選択トランジスタ２７を順次駆動し、各列選択トランジスタ２７の導通・非導通制御を行なうようになっている。
【００２７】
読み出し線２８は、一方が増幅器３０を介して出力端子ＶＯＵＴに接続されており、他方が負荷トランジスタ２９を介してグランド電位（ＧＮＤ）に接続されている。
そして、制御演算部３から画素の選択信号が入力され、垂直走査シフトレジスタ３１によって行線２５が選択されると、選択された行線２５に接続された行選択トランジスタ２４は導通状態（オン状態）となる。行選択トランジスタ２４が導通状態となると、各赤外線検知素子７（各画素）からの出力信号が、駆動回路１５、ソースフォロワトランジスタ２３及び行選択トランジスタ２４を介して、列線２６に出力される。
【００２８】
一方、制御演算部３から画素の選択信号が入力され、水平走査シフトレジスタ３２によって列選択トランジスタ２７が選択されると、選択された列選択トランジスタ２７は導通状態（オン状態）となる。列選択トランジスタ２７が導通状態となると、上述のようにして各列線２６に出力されている出力信号が、列選択トランジスタ２７を介して読み出し線２８に出力される。読み出し線２８に出力された出力信号は増幅器３０を介して出力端子ＶＯＵＴに出力される。
【００２９】
そして、本実施形態では、切替回路１６の出力端子ＶＯＵＴにＡＤコンバータ１８が接続されており、切替回路１６からの出力信号であるアナログ電気信号がデジタル電気信号に変換され、デジタル電気信号が読出回路チップ５から制御演算部３へ出力されるようになっている。
ところで、本実施形態では、上述のように構成される赤外線検知素子アレイ４及び読出回路チップ５を含む赤外線イメージセンサ１は、図３に示すように、赤外線が入射しうる窓３３Ａを有する真空容器３３内に設けられたコールドシールド３４内に設置されており、冷却系（冷却器）３５によって冷却されるようになっている。つまり、本赤外線イメージセンサ１は、冷却型赤外線イメージセンサである。
【００３０】
さらに、本赤外線撮像装置は、撮像対象（観察対象）からの赤外線のうち撮像したい波長の赤外線を赤外線イメージセンサ１上に結像させるために、撮像対象からの赤外線のうち撮像したい波長の赤外線のみを透過するバンドパスフィルタ３６、レンズ３７を備える。そして、撮像対象からの赤外線は、バンドパスフィルタ３６を透過した後、レンズ３７によって赤外線検知素子アレイ４上に結像するようになっている。なお、レンズ３７は、光学レンズ、レンズ系、あるいは、光学系ともいう。
【００３１】
ところで、赤外線イメージセンサ１において、高解像度化を図るために各画素７の面積を小さくすると、各画素７の信号強度が相対的に小さくなるため、従来問題にならなかったことがノイズの原因になって、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。
特に、冷却系を備える冷却型赤外線イメージセンサ１では、画素数を増やす場合、コストのかかる冷却部の体積を増やさないようにすべく、各画素７の面積を小さくすることになるため、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。
【００３２】
例えば、赤外線イメージセンサ１に入射する赤外線に入射量分布がある場合、即ち、赤外線イメージセンサ１で受光する赤外線に受光量分布がある場合、これがノイズの原因となる。
つまり、赤外線イメージセンサ１の各画素７に入射した赤外線の一部は、各画素７を構成する赤外線検知素子の内部で熱に変換され、赤外線検知素子７の熱容量や熱抵抗などによって、赤外線検知素子７の温度が上昇してしまう。
【００３３】
通常、各赤外線検知素子７で発生した熱はＩｎバンプ電極６を経由して読出回路チップ５側へ放出されることになるが、画素数の増加に伴って赤外線検知素子アレイ４と読出回路チップ５とを接続するＩｎバンフ電極６の微細化も図られるため、この部分の熱抵抗も増加することになる。この結果、赤外線検知素子７の温度が上昇してしまう。
また、画素数の増加に伴う各画素７の面積縮小により、同一機能をもつ読出回路チップ５を用いる場合、配線層数の増加などが必要になるため、読出回路チップ５側への縦方向の熱伝導率が低下する傾向にあり、この結果、赤外線検知素子７の温度が上昇してしまう。
【００３４】
そして、ＱＷＩＰ等の赤外線検知素子７は、素子抵抗が温度依存性を持っているため、素子温度が変化すると素子抵抗が変化してしまい、暗電流や光電流が変化してしまう。
この場合、赤外線イメージセンサ１の各画素７に入射する赤外線の入射量にばらつきがあると、各画素７を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまう。例えば、強い光が入射した画素７では、弱い光が入射した画素７に比べて、赤外線検知素子７の温度が上昇してしまい、赤外線検知素子間で温度差が生じてしまう。
【００３５】
この結果、各画素７を構成する赤外線検知素子間で抵抗差が生じてしまい、これが暗電流や光電流に影響を与え、ノイズの原因となる。これにより、撮像対象に輝度分布がある場合、均一な温度面を観察する場合と比較して、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。つまり、赤外線イメージセンサ１の各画素７に入射する赤外線の強度に面内でばらつきがあると、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。
【００３６】
そこで、赤外線イメージセンサ１の各画素７を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうのを抑制すべく、本赤外線撮像装置は、赤外線検知素子アレイ４に備えられる複数の赤外線検知素子７のそれぞれに補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部２を備える。
そして、後述するように、赤外線検知素子７に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、補償用赤外線照射部２によって複数の赤外線検知素子７のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するようにしている。
【００３７】
例えば、撮像対象からの赤外線の強度が弱く、検知期間内に赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が少ない画素に対しては補償用赤外線照射部２によって補償用赤外線を照射することで、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が一定になるようにしている。
本実施形態では、赤外線検知素子７によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部２を備える。
【００３８】
具体的には、補償用赤外線照射部２は、補償用赤外線を出射する複数の発光素子３９を備える発光素子アレイ３８と、発光素子アレイ３８に接続されたアレイ駆動回路チップ４０と、レンズ４１と、ハーフミラー４２とを含むものとして構成される。
なお、発光素子３９を、赤外線源、あるいは、補償光光源ともいう。また、発光素子アレイ３８を、赤外線源アレイ、あるいは、補償光光源アレイともいう。また、レンズ４１は、光学レンズ、レンズ系、あるいは、光学系ともいう。また、ハーフミラーは、光学系ともいう。また、アレイ駆動回路チップ４０を、Ｓｉ集積回路チップともいう。
【００３９】
ここで、発光素子アレイ３８では、発光素子３９が複数の赤外線検知素子７のそれぞれに対応して設けられている。また、発光素子アレイ３８は、赤外線検知素子アレイ４と同一の素子配列になっており、発光素子アレイ３８を構成する各素子３９と、赤外線検知素子アレイ４を構成する各素子７とが一対一に対応するようになっている。
ここでは、発光素子アレイ３８は、補償用赤外線を出射する複数のＬＥＤ（Light emitting diode）を備えるＬＥＤアレイである。本実施形態では、撮像対象からの赤外線のうち撮像したい波長の赤外線のみを透過するバンドパスフィルタ３６を用いているため、このバンドパスフィルタ３６を透過する波長の赤外線と同じ波長の赤外線を出射する複数のＬＥＤ３９を備えるＬＥＤアレイ３８を用いている。
【００４０】
具体的には、図７に示すように、化合物半導体基板４３上に形成された化合物半導体積層構造４４を有し、各ＬＥＤ３９（各素子）が分離溝４５によって分離されている。また、各素子３９のコンタクト層上には、それぞれ、バンプ電極４６が設けられており、各素子３９の側方に延びているコンタクト層上には、共通電極としてのバンプ電極４７が設けられている。そして、これらのバンプ電極４６、４７を介して、ＬＥＤアレイ３８はアレイ駆動回路チップ４０に接続されている。
【００４１】
アレイ駆動回路チップ４０は、発光素子アレイ３８を駆動するためのものである。このアレイ駆動回路チップ４０は、例えばＳｉ基板４８上に形成されており、アレイ駆動回路４９と、発光素子３９毎に設けられた複数のＰＷＭ（Pulse width modulation）回路５０とを備える。そして、複数のＰＷＭ回路５０は、発光素子アレイ３８の各発光素子３９のそれぞれにバンプ電極４６を介して接続されている。つまり、発光素子アレイ３８とアレイ駆動回路チップ４０とはフリップチップボンディングによって接合されている。
【００４２】
このように、アレイ駆動回路チップ４０は、発光素子３９毎にＰＷＭ回路５０を備え、アレイ駆動回路４９によって各ＰＷＭ回路５０を駆動させることで、各ＰＷＭ回路５０によって発光素子３９毎に発光強度を制御することができるようになっている。
ここでは、図８（Ａ）に示すように、アレイ駆動回路４９には、後述の制御演算部３に含まれるタイミング制御回路６５から画素の選択信号が入力されるとともに、後述の制御演算部３に含まれるメモリ回路６３から読み出された各画素７の補償用赤外線強度設定値が入力されるようになっている。そして、アレイ駆動回路４９は、選択された画素に接続されているＰＷＭ回路５０へその画素の補償用赤外線強度設定値を出力するようになっている。
【００４３】
ＰＷＭ回路５０は、図８（Ｂ）に示すように、ＰＷＭ変換回路５１と、ＬＥＤ駆動回路５２とを備える。そして、ＰＷＭ回路５０は、ＰＷＭ変換回路５１でアレイ駆動回路４９からの補償用赤外線強度設定値をＰＷＭ変換し、ＰＷＭ変換された信号をＬＥＤ駆動回路５２によってＬＥＤ３９へ出力するようになっている。このようにして、ＬＥＤ３９が駆動されるようになっている。なお、ＬＥＤ駆動回路５２を、発光素子駆動回路ともいう。
【００４４】
このように構成される補償用赤外線照射部２の発光素子アレイ３８を構成する各発光素子３９から出射された補償用赤外線は、図３に示すように、それぞれ、レンズ４１を通過し、ハーフミラー４２で反射されて、赤外線検知素子アレイ４を構成する各赤外線検知素子７のそれぞれに照射されるようになっている。一方、撮像対象からの赤外線は、バンドパスフィルタ３６及びレンズ３７を通過し、ハーフミラー４２を透過して、補償用赤外線とともに、各赤外線検知素子７のそれぞれに入射することになる。
【００４５】
ところで、本赤外線撮像装置は、図９に示すように、読出回路チップ５からの出力信号を処理するとともに、補償用赤外線照射部２に対する制御を含む各種の制御を行なう制御演算部３と、撮像された画像を表示するモニタ６０とを備える。
本実施形態では、制御演算部３は、赤外線検知素子７に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、補償用赤外線照射部２によって複数の赤外線検知素子７のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するようになっている。なお、制御演算部３は、コンピュータやコントローラによって構成される。
【００４６】
このように、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が同一になるようにすることで、検知期間内に各赤外線検知素子が受ける総熱量が同一になり、赤外線検知素子７間で温度差が生じるのを防止することができる。
ここでは、図２に示すように、検知期間内に撮像対象から複数の赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の強度にばらつきがある場合、各赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量が目標値になるように、補償用赤外線照射部２によって各赤外線検知素子７のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するようにしている。
【００４７】
ここで、目標値は、赤外線検知素子７の入射許容量、即ち、赤外線検知素子７のフルレンジの範囲内の任意の値に設定される。なお、目標値を、基準値、一定値、あるいは、総光量合わせ込み基準量ともいう。
これにより、各赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量は、目標値又は目標値近傍の一定の範囲内となる。つまり、検知期間内に各赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一又はほぼ同一になり、即ち、赤外線検知素子アレイの受光領域の面内で赤外線の総光量が均一になり、赤外線検知素子７間で温度差が生じるのを防止することができる。この結果、赤外線検知素子７間で抵抗差が生じるのを防止することができるため、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうのを防止することができる。
【００４８】
なお、例えばＬＥＤを用いて補償用赤外線の強度を制御する場合、補償用赤外線の強度はスタティックに変化させる必要はなく、検知期間よりも十分に短い周期でＬＥＤを点滅させることで検知期間内での総光量を制御すれば良い。なお、検知期間は撮像フレーム期間に含まれる。つまり、撮像フレーム期間は、検知期間と読出期間とを含む。なお、撮像フレーム期間を、撮像フレーム、あるいは、フレームともいう。
【００４９】
また、以下のようにして、撮像対象から入射した赤外線の総光量を求めるようにしている。
ここでは、図４（Ａ）に示すように、ある画素において、撮像フレーム毎に撮像対象から入射する赤外線の総光量が時間変化するものとする。なお、図４（Ａ）中の番号は、フレーム番号を示している。
【００５０】
本赤外線撮像装置の起動直後は、補償用赤外線照射部２を用いて補償用赤外線を照射していないため、１フレーム目の撮像時には、図４（Ｃ）に示すように、画素７に入射する赤外線の総光量は、撮像対象から入射した赤外線の総光量となる。
次に、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示すように、１フレーム目の撮像時に画素７に入射する赤外線の総光量と目標値とのずれ量、即ち、１フレーム目の撮像時に画素７に入射する赤外線の総光量と目標値との差分に相当する光量の補償用赤外線を、次の２フレーム目の撮像時に、補償用赤外線照射部２から照射する。
【００５１】
ここで、目標値としては、赤外線検知素子７が正常に動作するフルレンジから１フレームで変化することが予想される撮像対象からの赤外線の光量の変化分のマージンを差し引いた値を設定するのが望ましい。
同様に、３フレーム目以降の撮像時にも、直前のフレームにおいて撮像対象から入射した赤外線の総光量と目標値との差分に相当する光量の補償用赤外線を、補償用赤外線照射部２から照射する。
【００５２】
この場合、２フレーム目以降の撮像時には、撮像対象から入射した赤外線の総光量を、次式により求めることができ、これに基づいてモニタ６０に撮像した画像を表示させることができる。
撮像対象から入射した赤外線の総光量＝画素が検知した赤外線の総光量−補償用赤外線照射部から照射した補償用赤外線の総光量
また、上述の場合、全てのフレームにおいて、画素７が検知する赤外線の総光量、即ち、撮像対象及び補償用赤外線照射部２から画素７に入射する赤外線の総光量は、目標値付近になる。そこで、ここでは、画素７が検知した赤外線の総光量（アナログ信号）をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ１８の変換特性を、図４（Ｄ）に示すように、非線形曲線特性とし、目標値付近で細かく、それ以外で荒くなる特性としている。つまり、ＡＤコンバータ１８の量子化の区切りを目標値付近で細かく、それ以外で荒くしている。ＡＤコンバータ１８の変換特性としてこのような変換特性を用いることにより、フルレンジで高分解能を得ることができる。つまり、目標値付近に細かい分解能を与えることで、全フレームにおいて目標値付近になる画素７からの出力を高分解能でデジタル信号に変換でき、撮像対象からの赤外線の強度のフレーム毎の変化を確実に検知することができるようになる。
【００５３】
本実施形態では、制御演算部３は、各赤外線検知素子７によって検知された赤外線の強度及び補償用赤外線照射部２によって各赤外線検知素子７に照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から各赤外線検知素子７に入射した赤外線の強度を求めるようになっている。
ここでは、制御演算部３は、各赤外線検知素子７によって検知された赤外線の強度と、補償用赤外線照射部２によって各赤外線検知素子７に照射した補償用赤外線の強度との差を求め、撮像対象から各赤外線検知素子７に入射した赤外線の強度を求めるようになっている。
【００５４】
具体的には、制御演算部３は、図９に示すように、出力換算回路６１と、補償用赤外線強度決定回路６２と、メモリ回路６３と、表示回路６４と、タイミング制御回路６５とを含むものとして構成される。
なお、制御演算部３を、制御演算回路ともいう。また、出力換算回路６１及び補償用赤外線強度決定回路６２を、演算回路ともいう。また、出力換算回路６１、補償用赤外線強度決定回路６２、メモリ回路６３及び表示回路６４を、信号処理回路ともいう。また、タイミング制御回路６５を、制御回路、あるいは、コントローラともいう。
【００５５】
ここで、出力換算回路６１は、赤外線イメージセンサ７の読出回路チップ５からの各画素７の出力信号を、メモリ回路６３に記憶されている各画素７の補償用赤外線強度設定値を用いて、撮像対象から各画素７に入射する赤外線の強度に相当する各画素７の出力信号に換算するものである。
ここでは、出力換算回路６１は、読出回路チップ５に含まれるＡＤコンバータ１８で変換された各画素のＡＤ変換値（デジタル信号値）を読み出し、これを図１０に示すような変換特性（ここでは非線形の変換特性）に基づいて変換して、各画素７に入射した赤外線の強度に相当する信号として出力する回路を含む。この場合、各画素７に入射した赤外線の強度に相当する信号は、撮像対象からの赤外線の強度に相当する信号と補償用赤外線照射部２からの補償用赤外線の強度に相当する信号とを合わせたものである。
【００５６】
そして、出力換算回路６１は、図１０に示すように、上述の各画素７に入射した赤外線の強度と、メモリ回路６３から読み出した各画素７に照射している補償用赤外線強度設定値との差を求め、撮像対象から各画素７に入射する赤外線の強度に相当する信号を求めるようになっている。なお、このようにして求められた撮像対象から各画素７に入射する赤外線の強度に相当する信号を、換算後の各画素７の出力という。
【００５７】
補償用赤外線強度決定回路６２は、図９に示すように、出力換算回路６１によって換算された各画素７の出力と、目標赤外線強度値とに基づいて、補償用赤外線照射部２によって各画素７に照射する補償用赤外線の強度を決定し、決定した補償用赤外線強度設定値をメモリ回路６３に記憶させるものである。
ここでは、補償用赤外線強度決定回路６２は、図１１に示すように、出力換算回路６１によって換算された各画素７の出力と目標赤外線強度値との差分を、補償用赤外線照射部２によって各画素７に照射する補償用赤外線の強度、即ち、補償用赤外線強度設定値として決定するようになっている。
【００５８】
メモリ回路６３は、図９に示すように、補償用赤外線強度決定回路６２によって決定された画素毎の補償用赤外線強度設定値を記憶するものである。
表示回路６４は、撮像された画像をモニタ６０に表示させるために、出力換算回路６１によって求められた各画素７の出力を変換する回路であって、例えばフォーマット変換回路やＤＡ変換回路などである。
【００５９】
タイミング制御回路６５は、制御演算部３の出力換算回路６１、補償用赤外線強度決定回路６２、メモリ回路６３及び表示回路６４、並びに、赤外線イメージセンサ１の読出回路チップ５、並びに、補償用赤外線照射部２のアレイ駆動回路チップ４０に対して、所定のタイミングで制御信号として画素の選択信号を出力するものである。
このように構成される赤外線撮像装置では、以下のような処理が行なわれる。
【００６０】
本赤外線撮像装置では、検知期間及び読出期間を含む１フレームの読出期間内に、タイミング制御回路６５から出力される画素の選択信号を順番に切り替えることで、各画素７の出力（ＡＤ変換値）を順番に読み出して、処理を行なうようになっている。
ここでは、ｊフレーム、ｊ＋１フレームにおいて、ｉ画素の出力を読み出して処理を行なう場合を例に挙げて、図１２を参照しながら説明する。
【００６１】
まず、図１２（Ａ）に示すように、ｊフレームにおいてｉ画素の出力を読み出す場合、タイミング制御回路６５から画素の選択信号としてｉ画素を選択するための制御信号が出力される。このｉ画素を選択するための制御信号が出力されている期間が、ｉ画素の出力を読み出す読出期間となる。
次に、図１２（Ｂ）に示すように、出力換算回路６１は、ｉ画素を選択するための制御信号に基づいて、読出回路チップ５に含まれるＡＤコンバータ１８で変換されたｉ画素のＡＤ変換値を読み出し、これを図１０に示すような変換特性に基づいて変換して、ｉ画素に入射した赤外線の強度に相当する信号として出力する。なお、ｉ画素に入射した赤外線の強度に相当する信号に、図１２（Ｂ）では符号（１）を付している。
【００６２】
この例では、図１２（Ｃ）に示すように、メモリ回路６３に記憶されているｉ画素の補償用赤外線強度設定値に基づく強度の補償用赤外線が、補償用赤外線照射部２に含まれ、ｉ画素に対応する位置に設けられたＬＥＤ３９によってｉ画素に照射されているものとする。このため、ｉ画素に入射した赤外線の強度に相当する信号は、撮像対象からの赤外線の強度に相当する信号とｉ画素に対応する位置に設けられたＬＥＤ３９からの赤外線の強度に相当する信号とを合わせたものである。なお、ｉ画素の補償用赤外線強度設定値、即ち、これに基づいて補償用赤外線照射部２から照射されている補償用赤外線の強度に、図１２（Ｃ）では符号（２）を付している。
【００６３】
次に、出力換算回路６１は、メモリ回路６３からｉ画素の補償用赤外線強度設定値を読み出す。そして、図１２（Ｄ）に示すように、上述のｉ画素に入射した赤外線の強度に相当する信号と、メモリ回路６３から読み出したｉ画素の補償用赤外線強度設定値との差を求め、撮像対象からｉ画素に入射する赤外線の強度に相当する信号、即ち、換算後のｉ画素の出力を求める。なお、換算後のｉ画素の出力に、図１２（Ｄ）では符号（３）を付している。
【００６４】
このようにして出力換算回路６１によって求められたｉ画素の出力は、表示回路６４へ送られ、モニタ６０に表示されることになる。つまり、図１２（Ｆ）に示すように、今回のｊフレームにおいて出力換算回路６１から出力されたｉ画素の出力によって、前回のｊ−１フレームにおいて出力換算回路６１から出力されたｉ画素の出力が置き換えられ、モニタ６０に表示されることになる。なお、今回のｊフレームにおいて出力換算回路６１から出力されたｉ画素の出力は、次回のｊ＋１フレームにおいて出力換算回路６１から出力されたｉ画素の出力によって再度置き換えられることになる。なお、ｉ画素の出力に、図１２（Ｆ）でが符号（５）を付している。
【００６５】
次に、図１２（Ｅ）に示すように、補償用赤外線強度決定回路６２は、出力換算回路６１からのｉ画素の出力と、目標赤外線強度値との差分を、ｉ画素に対応する位置に設けられたＬＥＤ３９によってｉ画素に照射する補償用赤外線の強度として決定する。そして、決定した補償用赤外線強度設定値をメモリ回路６３に記憶させる。なお、目標赤外線強度値は、図１２（Ｅ）中、符号（７）で示しており、決定された補償用赤外線強度値は、図１２（Ｅ）中、符合（４）で示している。つまり、今回のｊフレームにおいて決定したｉ画素の補償用赤外線強度設定値によって前回のｊ−１フレームにおいて決定したｉ画素の補償用赤外線強度設定値を書き換えることで、メモリ回路６３に記憶されているｉ画素の補償用赤外線強度設定値を更新する。
【００６６】
次に、補償用赤外線照射部２のアレイ駆動回路チップ４０には、メモリ回路６３に記憶されている、更新されたｉ画素の補償用赤外線強度設定値が入力される。そして、図１２（Ｇ）に示すように、ｉ画素に接続されているＰＷＭ回路５０でＰＷＭ変換された信号が、ＬＥＤ駆動回路５２によって、ｉ画素に対応する位置に設けられたＬＥＤ３９へ出力される。これにより、ｉ画素に対応する位置に設けられたＬＥＤ３９が駆動され、更新されたｉ画素の補償用赤外線強度設定値に基づく強度の補償用赤外線がｉ画素に照射される。
【００６７】
したがって、本実施形態にかかる赤外線撮像装置によれば、赤外線イメージセンサ１の各画素７を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止できるという利点がある。特に、各画素７が微細になった高解像度の赤外線撮像装置を高いＳ／Ｎ比を維持したまま実現することができる。
また、上述のように、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が同一になるようにすることで、検知期間内に各赤外線検知素子７に流れる総電流量が同一になり、各赤外線検知素子７に接続される読出回路チップ５内のキャパシタ１９に蓄積される総電位も同一になる。このため、読出回路チップ５の内部の消費電力の変動に起因してＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止することができる。
【００６８】
つまり、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量にばらつきがあると、読出回路チップ５内の回路に流れる総電流量もばらつくことになる。
図１３に示すように、読出回路チップ５内では、センサーアレイ４に備えられる各画素（赤外線検知素子）７に流れる電流を、積分回路１５に備えられるキャパシタ１９で一定時間積分後、インピーダンス変換回路３０を通し、ＡＤコンバータ１８によってデジタル信号に変換して出力する。例えば、Libin Yao, “CMOS readout circuit design for infrared image sensors”, Proc. Of SPIE, Vol.7384, 73841B (2009)参照。
【００６９】
インピーダンス変換回路３０やＡＤコンバータ１８は、各画素７のそれぞれに備えられているわけではなく、切替回路１６（マルチプレクサ）によって切り替えることで、各画素７からの出力信号を順次シーケンシャルに読み出すようになっている。
この場合、各画素７に流れる総電流量がばらつくと、各画素７に接続されたキャパシタ１９に蓄積される総電位もばらつき、切替回路１６以降の回路において、この画素毎に異なる電位に対応して充放電が繰り返されることになる。これにより、読出回路チップ５の内部の消費電力が変動し、これがノイズの原因となって、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうことになる。
【００７０】
また、冷却型赤外線イメージセンサでは、読出回路チップ５を冷却系３５内に設置し、それ以降の回路を外部に設置する。この場合、読出回路チップ５に外部の電源を接続するための配線を、熱伝導の関係などで、低抵抗の配線にするのは難しい。つまり、読出回路チップ５に外部の電源を接続するための配線には、熱伝導を下げるために細い電線が使われる。例えば、Mark D. Nelson et al., “General noise processes in hybrid infrared focal plane arrays”, OPTICAL ENGINEERING, Vol. 30, No.11, pp.1682-1700, November 1991参照。このため、読出回路チップ５の内部の消費電力（消費電流）が変動すると、この配線部分のインピーダンスの影響で、読出回路チップ５の内部の電源電圧が変動しやすく、これがノイズの原因となって、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうことになる。
【００７１】
これに対し、上述のように、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が同一になるようにすることで、検知期間内に各赤外線検知素子７に流れる総電流量を同一にすることができる。これにより、各赤外線検知素子７に接続される読出回路チップ５内のキャパシタ１９に蓄積される総電位も同一になるため、読出回路チップ５の内部の消費電力の変動に起因してＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止することができる。
【００７２】
なお、上述の実施形態では、赤外線イメージセンサ１の各画素７を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止するために、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が同一になるようにしている。この結果、検知期間内に各赤外線検知素子７に流れる総電流量が同一になるため、読出回路チップ５の内部の消費電力の変動に起因してＳ／Ｎ比が低下してしまうのも防止することができる。
【００７３】
一方、読出回路チップ５の内部の消費電力の変動に起因してＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止するためには、検知期間内に各赤外線検知素子７に流れる総電流量が同一になるようにすれば良い。つまり、制御演算部３を、赤外線検知素子７に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子７のそれぞれに流れる電流量が同一になるように、補償用赤外線照射部２によって複数の赤外線検知素子７のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、複数の赤外線検知素子７のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び補償用赤外線照射部２によって複数の赤外線検知素子７のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求めるように構成すれば良い。
【００７４】
この場合、上述の実施形態において、検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量が同一になるように、制御演算部３の補償用赤外線強度決定回路６２で各画素７に照射する補償用赤外線強度設定値を決定するために用いる目標赤外線強度値として、一のフレームにおいて全ての画素に対して同一の目標赤外線強度値を用い、かつ、全てのフレームにおいて同一の目標赤外線強度値を用いているのに代えて、制御演算部３の補償用赤外線強度決定回路６２で各画素７に照射する補償用赤外線強度設定値を決定するために用いる目標値として、一のフレームにおいて全ての画素に対して同一の目標値を用いれば良く、全てのフレームにおいて同一の目標値を用いる必要はない。つまり、各フレームにおいて異なる目標値を用いても良い。これにより、検知期間内に各赤外線検知素子７に流れる総電流量が同一になるようにすることができる。なお、この場合、各画素７に流れた電流量、即ち、出力換算回路６１による換算前の各画素７の出力が、目標値としての目標電流量になるように、各画素７に照射する補償用赤外線の強度を制御することになる。
【００７５】
また、上述の実施形態では、補償用赤外線照射部２を、発光素子アレイ３８と、アレイ駆動回路チップ４０と、レンズ４１と、ハーフミラー４２とを含むものとして構成しているが、これに限られるものではない。
例えば、補償用赤外線照射部２を、上述の実施形態の発光素子アレイ３８及びアレイ駆動回路チップ４０に代えて、図１４に示すように、複数の発熱抵抗素子７２を備える発熱抵抗素子アレイ７０と、バンドパスフィルタ７１とを備えるものとして構成しても良い。つまり、補償用赤外線照射部２を、複数の赤外線検知素子７のそれぞれに対応して設けられ、赤外線を放射する複数の発熱抵抗素子７２を備える発熱抵抗素子アレイ７０と、発熱抵抗素子７２から放射された赤外線のうち補償用赤外線の波長のみを通すバンドパスフィルタ７１とを含むものとして構成しても良い。この場合も、上述の実施形態と同様に、レンズと、ハーフミラーとを含むものとするのが好ましい。なお、発熱抵抗素子７２を、ヒータ素子、あるいは、抵抗素子ともいう。
【００７６】
具体的には、発熱抵抗素子アレイ７０は、例えばＳｉ基板７３上にアレイ駆動回路７４及び複数のＰＷＭ回路７５を備えるＳｉ集積回路基板の表面に、各ＰＷＭ回路７５のそれぞれに接続されるように、例えば金属薄膜などによって発熱抵抗素子７２を形成したものである。つまり、発熱抵抗素子アレイ７０は、例えばＳｉ基板７３上に形成されており、例えば金属薄膜などからなる複数の発熱抵抗素子７２と、各発熱抵抗素子７２に接続された複数のＰＷＭ回路７５と、アレイ駆動回路７４とを備える。このように、発熱抵抗素子アレイ７０は、発熱抵抗素子７２毎にＰＷＭ回路７５を備え、これらのＰＷＭ回路７５によって各発熱抵抗素子７２に流す電流（電力）を制御することで、発熱抵抗素子７２毎に温度を制御することができるようになっている。このようにして、発熱抵抗素子７２毎に温度を制御することで、発熱抵抗素子７２毎に、発熱抵抗素子７２が放射する赤外線の強度を制御することができる。この場合、発熱抵抗素子７２から放射される赤外線は、撮像対象からバンドパスフィルタ３６（図３参照）を介して赤外線検知素子７に入射する赤外線の波長以外の波長の赤外線も含むものとなる。このため、撮像対象からバンドパスフィルタ３５を介して赤外線検知素子７に入射する赤外線の波長と同じ波長の赤外線を透過するバンドパスフィルタ７１を用いるようにしている。これにより、撮像対象からバンドパスフィルタ３５を介して赤外線検知素子７に入射する赤外線と同じ波長の赤外線が、補償用赤外線照射部２から、即ち、発熱抵抗素子アレイ７０からバンドパスフィルタ７１を介して、補償用赤外線として出射されるようになっている。
【００７７】
また、上述の実施形態では、赤外線検知素子７によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部２を用いているが、これに限られるものではない。例えば、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部を用いても良い。つまり、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を出射する複数の発光素子を備える発光素子アレイを用いても良い。例えば、撮像対象と赤外線検知素子アレイとの間に設けられたバンドパスフィルタ、即ち、撮像対象からの赤外線のうち撮像したい波長の赤外線のみを透過するバンドパスフィルタを透過する波長以外の波長を持つ赤外線を出射する複数のＬＥＤを備えるＬＥＤアレイを用いても良い。
【００７８】
この場合、各赤外線検知素子によって検知される赤外線の強度は、補償用赤外線の強度に関係なく、撮像対象から入射する赤外線の強度によって変化することになる。
このため、赤外線撮像装置は、赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射する総光量が同一になるように、赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御する制御演算部を備えるものとすれば良い。つまり、上述の実施形態のように、制御演算部によって、複数の赤外線検知素子のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び赤外線照射部によって複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求める必要がない。
【００７９】
この場合、上述の実施形態における出力換算回路６１に代えて、出力換算回路を、赤外線イメージセンサの読出回路チップからの各画素の出力を、撮像対象から各画素に入射する赤外線の強度に相当する信号に換算するものとする。つまり、出力換算回路を、読出回路チップに含まれるＡＤコンバータで変換された各画素のＡＤ変換値（デジタル信号値）を読み出し、これを図１５に示すような変換特性（ここでは線形の変換特性）に基づいて変換して、撮像対象から各画素に入射する赤外線の強度に相当する信号を求める回路を含むものとする。なお、撮像対象から各画素に入射する赤外線の強度に相当する信号を、換算後の各画素の出力という。
【００８０】
また、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線に対しては、赤外線検知素子は感度を持たない。つまり、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線は、赤外線検知素子に吸収されない。これに対し、撮像対象から赤外線検知素子に入射する赤外線に対しては、赤外線検知素子は感度を持ち、赤外線検知素子に吸収される。このため、撮像対象からの赤外線が赤外線検知素子に入射することによる赤外線検知素子の温度変化と、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線が赤外線検知素子に照射されることによる赤外線検知素子の温度変化とが異なることになる。
【００８１】
そこで、上述の実施形態における補償用赤外線強度決定回路６２に代えて、補償用赤外線強度決定回路を、出力換算回路によって換算された各画素の出力と目標赤外線強度値との差分を、図１６に示すような変換特性を持つ変換表（換算表）を用いて変換して、補償用赤外線照射部によって各画素に照射する補償用赤外線の強度を決定し、決定した補償用赤外線強度設定値をメモリ回路に記憶させるようにする。この場合、図１６に示すような変換特性を持つ変換表として、赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ赤外線の強度に対する赤外線検知素子の温度変化量と、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ赤外線の強度に対する赤外線検知素子の温度変化量との対応関係に基づいて、同等の温度変化を生じる、赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ赤外線の強度（素子検知赤外線強度）と、赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ赤外線の強度（素子非検知赤外線強度）との関係を予め求めておく。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる赤外線撮像装置について、図１７〜図１９を参照しながら説明する。
【００８２】
本実施形態にかかる赤外線撮像装置は、上述の第１実施形態及びその変形例のものに対し、補償用赤外線照射部２の構成が異なる。
つまり、本赤外線撮像装置は、図１７に示すように、赤外線を放射する温度板８０、８１と、バンドパスフィルタ８２と、マイクロミラーアレイ８３とを含む補償用赤外線照射部を備える。
【００８３】
ここで、温度板８０、８１は、一定の温度になっている一定温度板である。
ここでは、温度板として、２つの温度板、即ち、低温の温度板８０と高温の温度板８１とを用いている。ここで、低温の温度板８０は、赤外線検知素子７の温度と同じか又はそれよりも高い温度になっている温度板である。また、高温の温度板８１は、低温の温度板８０よりも高い温度になっている温度板である。
【００８４】
また、温度板８０、８１は、図１９に示すように、例えばＡｌ等の熱伝導率の良い板であり、ヒータ８５及び温度センサ８６が取り付けられている。そして、ヒータ８５及び温度センサ８６には温度制御回路８７が接続されており、温度制御回路８７によって温度センサ８６からの検出値に基づいてヒータ８５の出力を制御することで、温度板８０、８１を一定温度に保つことができるようになっている。ここでは、温度制御回路８７は、温度センサ８６からの検出値が一定値になるようにヒータ８５の出力を制御するようになっている。
【００８５】
なお、温度板８０、８１を、赤外線源、赤外線放射源、あるいは、補償光光源ともいう。また、一定温度板を、均一温度板、あるいは、定温板ともいう。また、温度制御回路８７を、温度コントローラともいう。
バンドパスフィルタ８２は、図１７に示すように、温度板８０、８１から放射された赤外線のうち補償用赤外線の波長のみを通すものである。
【００８６】
ここで、補償用赤外線としては、上述の第１実施形態のように、赤外線検知素子７によって検知しうる波長を持つ赤外線を用いても良いし、上述の第１実施形態の変形例のように、赤外線検知素子７によって検知しうる波長以外の波長を持つ赤外線を用いても良い。
赤外線検知素子７によって検知しうる波長を持つ赤外線を補償用赤外線として用いる場合、バンドパスフィルタ８２は、撮像対象と赤外線検知素子アレイ４との間に設けられるバンドパスフィルタ３６（図３参照）、即ち、撮像対象からの赤外線のうち撮像したい波長の赤外線のみを透過するバンドパスフィルタと同じバンドパスフィルタを用いれば良い。この場合、補償用赤外線照射部２は、赤外線検知素子７によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部である。
【００８７】
一方、赤外線検知素子７によって検知しうる波長以外の波長を持つ赤外線を補償用赤外線として用いる場合、バンドパスフィルタ８２は、撮像対象と赤外線検知素子アレイとの間に設けられたバンドパスフィルタ３６（図３参照）と異なるバンドパスフィルタ、即ち、撮像対象と赤外線検知素子アレイ４との間に設けられたバンドパスフィルタ３６が透過する波長以外の波長を持つ赤外線を透過するバンドパスフィルタを用いれば良い。この場合、補償用赤外線照射部２は、赤外線検知素子７によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する赤外線照射部である。
【００８８】
また、バンドパスフィルタ８２は、温度板８０、８１とマイクロミラーアレイ８３との間に設けられている。なお、バンドパスフィルタ８２は、マイクロミラーアレイ８３と赤外線検知素子アレイ４との間に設けても良い。
マイクロミラーアレイ８３は、複数の赤外線検知素子７のそれぞれに対応して設けられ、温度板８０、８１が放射した赤外線を赤外線検知素子７へ向けて反射させる複数のマイクロミラー８４を備えるものである。なお、マイクロミラーアレイ８３を構成するマイクロミラー８４としては、例えば特許第３５１２９６３号に開示されているものなどを用いることができる。
【００８９】
ここでは、マイクロミラーアレイ８３は、マイクロミラーアレイ８３を構成する各マイクロミラー８４と、赤外線検知素子アレイ４を構成する各赤外線検知素子７とが一対一に対応するように、マイクロミラーアレイ８３と赤外線検知素子アレイ４とは同一の配置構成になっている。
また、マイクロミラーアレイ８３には、これを駆動する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、制御演算部３からの制御信号に基づいて駆動回路によってマイクロミラーアレイ８３を駆動することで、各赤外線検知素子７に照射する補償用赤外線の強度を制御することができるようになっている。
【００９０】
ここでは、制御演算部３からの制御信号に基づいて駆動回路によって、図１８（Ａ）に示すように、マイクロミラーアレイ８３を構成する各マイクロミラー８４の向きを、低温の温度板８０側及び高温の温度板８１側のいずれかに切り替えることで、各赤外線検知素子７に照射する補償用赤外線の強度を制御するようになっている。これにより、検知期間内に複数の赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるようにしている。
【００９１】
具体的には、駆動回路は、マイクロミラー８４毎にＰＷＭ回路を備える。そして、ＰＷＭ回路から出力されるパルス信号のオン・オフに応じてマイクロミラー８４の向きが切り替わるようにし、制御演算部３で設定される補償用赤外線強度設定値に基づいて、ＰＷＭ回路から出力されるパルス信号の幅を調整するようにしている。
ここで、図１８（Ｂ）は、ある画素に対して検知期間（フレーム）毎に設定される補償用赤外線強度設定値を示しており、図１８（Ｃ）は、駆動回路のＰＷＭ回路から、ある画素に対応するマイクロミラーに出力される制御信号（パルス信号）を示している。ここでは、パルス信号がオンの場合にマイクロミラー８４が高温の温度板８１側を向くようになっている。このため、パルス信号がオンになっている合計時間がマイクロミラー８４が高温の温度板８１側を向いている時間である。
【００９２】
図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）に示すように、補償用赤外線強度設定値が大きい値である場合、即ち、赤外線検知素子７に照射する補償用赤外線の強度が大きい場合は、マイクロミラー８４が高温の温度板８１側に向く時間が長くなるようにパルス信号の幅を広く設定すれば良い。逆に、補償用赤外線強度設定値が小さい値である場合、即ち、赤外線検知素子７に照射する補償用赤外線の強度が小さい場合は、マイクロミラー８４が低温の温度板８０側に向く時間が長くなるようにパルス信号の幅を狭く設定すれば良い。
【００９３】
これにより、各赤外線検知素子７に照射する補償用赤外線の強度を制御することができる。
このため、駆動回路には、制御演算部３からの制御信号として、制御演算部３に含まれるタイミング制御回路６５から画素の選択信号が入力されるとともに、制御演算部３に含まれるメモリ回路６３から読み出された各画素７の補償用赤外線強度設定値が入力されるようになっている。そして、駆動回路は、選択された画素に接続されているＰＷＭ回路から出力されるパルス信号のオン・オフ及びパルス幅を調整し、これに基づいて、各マイクロミラー８４を駆動するようになっている。
【００９４】
この場合、補償用赤外線が照射されることによって検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量は、低温の温度板８０からの補償用赤外線の総光量と、高温の温度板８１からの補償用赤外線の総光量とを合わせたものとなる。このため、マイクロミラーアレイ８３を構成する各マイクロミラー８４が低温の温度板８０側を向いている時間と高温の温度板８１側を向いている時間との比率を調整することで、補償用赤外線が照射されることによって検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量を調整することができる。これにより、図１７に示すように、撮像対象からの赤外線が入射することによって検知期間内に各赤外線検知素子７に入射する赤外線の総光量にばらつきがある場合であっても、検知期間内に複数の赤外線検知素子７のそれぞれに入射する赤外線の総光量を同一にすることができる。
【００９５】
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態と同様であるため、ここでは、その説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる赤外線撮像装置によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、赤外線イメージセンサ１の各画素７を構成する赤外線検知素子間で温度差が生じてしまうことによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止できるという利点がある。また、各画素７が微細になった高解像度の赤外線撮像装置を高いＳ／Ｎ比を維持したまま実現することができる。
【００９６】
特に、本実施形態では、上述の第１実施形態のように各赤外線検知素子７に対応して個別に補償用赤外線源を設ける場合と比較して、補償用赤外線照射部２が相対的に大きくなる。一方、全ての赤外線検知素子７に対して同一の温度板８０、８１からの赤外線が照射されることになるため、補償用赤外線の強度のばらつきによってＳ／Ｎ比が低下してしまうのを防止することができる。
【００９７】
なお、上述の実施形態では、温度板として２つの温度板８０、８１を用いているが、これに限られるものではなく、例えば、温度板として１つの温度板を用いても良い。この場合、温度板は、赤外線検知素子の温度よりも高い温度になっている温度板とする。そして、上述の実施形態の２つの温度板の代わりに、この温度板と、温度板よりも低い温度になっている装置内の領域とを用いれば良い。
【００９８】
また、上述の実施形態では、マイクロミラー８４をＰＷＭ回路によって駆動するようにし、マイクロミラー８４の向きが低温の温度板８０側と高温の温度板８１側とで交互に連続的に切り替えられるようにしているが、これに限られるものではない。例えば、検知期間内のある期間にマイクロミラーの向きが低温の温度板側になり、残りの期間に高温の温度板側になるように、マイクロミラーを駆動するようにしても良い。
【００９９】
また、上述の実施形態では、赤外線を放射する温度板を用いているが、これに限られるものではなく、この温度板に代えて、図２０に示すように、赤外線ランプ９０を用いても良い。この場合、補償用赤外線照射部２は、赤外線ランプ９０と、バンドパスフィルタ８２と、複数のマイクロミラー８４を備えるマイクロミラーアレイ８３とを含むものとなる。具体的には、補償用赤外線照射部２は、赤外線ランプ９０と、バンドパスフィルタ８２と、マイクロミラーアレイ８３と、楕円レンズ９１と、複眼レンズ構造９２と、コリメートレンズ９３とを備えるものとして構成するのが好ましい。
【０１００】
ここで、複眼レンズ構造９２は、赤外線ランプ９０から放射された赤外線の強度を均一にするためのものであり、プロジェクションレンズ素子群と、コンデンサレンズ素子群とを対向させて配置した構造になっている。例えば光技術情報誌「ライトエッジ」Ｎｏ．１５（１９９８）ｐｐ．７−４５の図２−１３、図２−１５参照。
コリメートレンズ９３は、赤外線ランプ９０からの赤外線を平行光にするためのものである。
【０１０１】
このように構成される補償用赤外線照射部２を用いる場合、赤外線ランプ９０が放射した赤外線は、楕円レンズ９１で、バンドパスフィルタ８２を介して、複眼レンズ構造９２に集光され、複眼レンズ構造９２で均一な強度にされた後、コリメートレンズ９３で平行光にされて、マイクロミラーアレイ８３へ導かれることになる。
［その他］
なお、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【符号の説明】
【０１０２】
１ 赤外線イメージセンサ
２ 補償用赤外線照射部
３ 制御演算部
４ 赤外線検知素子アレイ
５ 読出回路チップ
６ バンプ電極
７ 赤外線検知素子（画素）
８ ＧａＡｓ基板
９ ｎ−ＧａＡｓ下側コンタクト層
１０ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）層
１１ ｎ−ＧａＡｓ上側コンタクト層
１２ 分離溝
１３ ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層
１４ ｉ−ＧａＡｓ層
１５ 駆動回路
１６ 切替回路
１７ 読出回路
１８ ＡＤコンバータ
１９ キャパシタ（積分容量）
２０、２１ スイッチ（トランジスタ）
２２ 出力端子
２３ ソースフォロワトランジスタ
２４ 行選択トランジスタ
２５ 行線
２６ 列線
２７ 列選択トランジスタ
２８ 読み出し線
２９ 負荷トランジスタ
３０ 増幅器（インピーダンス変換回路）
３１ 垂直走査シフトレジスタ
３２ 水平走査シフトレジスタ
３３ 真空容器
３３Ａ 窓
３４ コールドシールド
３５ 冷却系
３６ バンドパスフィルタ
３７ レンズ
３８ 発光素子アレイ（ＬＥＤアレイ）
３９ 発光素子（ＬＥＤ）
４０ アレイ駆動回路チップ
４１ レンズ
４２ ハーフミラー
４３ 化合物半導体基板
４４ 化合物半導体積層構造
４５ 分離溝
４６、４７ バンプ電極
４８ Ｓｉ基板
４９ アレイ駆動回路
５０ ＰＷＭ回路
５１ ＰＷＭ変換回路
５２ ＬＥＤ駆動回路
６０ モニタ
６１ 出力換算回路
６２ 補償用赤外線強度決定回路
６３ メモリ回路
６４ 表示回路
６５ タイミング制御回路
７０ 発熱抵抗素子アレイ
７１ バンドパスフィルタ
７２ 発熱抵抗素子
７３ Ｓｉ基板
７４ アレイ駆動回路
７５ ＰＷＭ回路
８０ 低温の温度板
８１ 高温の温度板
８２ バンドパスフィルタ
８３ マイクロミラーアレイ
８４ マイクロミラー
８５ ヒータ
８６ 温度センサ
８７ 温度制御回路
９０ 赤外線ランプ
９１ 楕円レンズ
９２ 複眼レンズ構造
９３ コリメートレンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに、前記赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、
前記赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、前記複数の赤外線検知素子のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求める制御演算部とを備えることを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項２】
複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに、前記赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、
前記赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御する制御演算部とを備えることを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項３】
複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに、前記赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、
前記赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに流れる総電流量が同一になるように、前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、前記複数の赤外線検知素子のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求める制御演算部とを備えることを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項４】
複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに、前記赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、
前記赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに流れる総電流量が同一になるように、前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御する制御演算部とを備えることを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項５】
前記補償用赤外線照射部は、前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに対応して設けられた、補償用赤外線を出射する複数の発光素子を備える発光素子アレイを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
【請求項６】
前記補償用赤外線照射部は、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに対応して設けられ、赤外線を放射する複数の発熱抵抗素子を備える発熱抵抗素子アレイと、
前記発熱抵抗素子から放射された赤外線のうち補償用赤外線の波長のみを通すバンドパスフィルタとを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
【請求項７】
前記補償用赤外線照射部は、
赤外線を放射する温度板と、
前記温度板から放射された赤外線のうち補償用赤外線の波長のみを通すバンドパスフィルタと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに対応して設けられ、前記温度板が放射した赤外線を前記赤外線検知素子へ向けて反射させるマイクロミラーを備えるマイクロミラーアレイとを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
【請求項８】
前記補償用赤外線照射部は、
赤外線を放射する赤外線ランプと、
前記赤外線ランプから放射された赤外線のうち補償用赤外線の波長のみを通すバンドパスフィルタと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに対応して設けられ、前記赤外線ランプが放射した赤外線を前記赤外線検知素子へ向けて反射させる複数のマイクロミラーを備えるマイクロミラーアレイとを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
【請求項１】
複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに、前記赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、
前記赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、前記複数の赤外線検知素子のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求める制御演算部とを備えることを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項２】
複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに、前記赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、
前記赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射する赤外線の総光量が同一になるように、前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御する制御演算部とを備えることを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項３】
複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに、前記赤外線検知素子によって検知しうる波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、
前記赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに流れる総電流量が同一になるように、前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御するとともに、前記複数の赤外線検知素子のそれぞれによって検知された赤外線の強度及び前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射した補償用赤外線の強度に基づいて、撮像対象から前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに入射した赤外線の強度を求める制御演算部とを備えることを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項４】
複数の赤外線検知素子を備える赤外線検知素子アレイと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに、前記赤外線検知素子によって検知しうる波長以外の波長を持つ補償用赤外線を照射する補償用赤外線照射部と、
前記赤外線検知素子に流れる電流を検知する検知期間内に前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに流れる総電流量が同一になるように、前記補償用赤外線照射部によって前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに照射する補償用赤外線の強度を制御する制御演算部とを備えることを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項５】
前記補償用赤外線照射部は、前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに対応して設けられた、補償用赤外線を出射する複数の発光素子を備える発光素子アレイを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
【請求項６】
前記補償用赤外線照射部は、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに対応して設けられ、赤外線を放射する複数の発熱抵抗素子を備える発熱抵抗素子アレイと、
前記発熱抵抗素子から放射された赤外線のうち補償用赤外線の波長のみを通すバンドパスフィルタとを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
【請求項７】
前記補償用赤外線照射部は、
赤外線を放射する温度板と、
前記温度板から放射された赤外線のうち補償用赤外線の波長のみを通すバンドパスフィルタと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに対応して設けられ、前記温度板が放射した赤外線を前記赤外線検知素子へ向けて反射させるマイクロミラーを備えるマイクロミラーアレイとを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
【請求項８】
前記補償用赤外線照射部は、
赤外線を放射する赤外線ランプと、
前記赤外線ランプから放射された赤外線のうち補償用赤外線の波長のみを通すバンドパスフィルタと、
前記複数の赤外線検知素子のそれぞれに対応して設けられ、前記赤外線ランプが放射した赤外線を前記赤外線検知素子へ向けて反射させる複数のマイクロミラーを備えるマイクロミラーアレイとを含むことを特徴とする、請求項１〜４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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−１５１６６１（Ｐ２０１２−１５１６６１Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８８２６（Ｐ２０１１−８８２６）
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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