(57)【要約】【課題】耐雑音性を向上させた、赤外線検出器の制御回路を提供すること。【解決手段】複数の赤外線検出器を駆動し、前記複数の赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する駆動回路と、第１のフレームで前記駆動回路により生成される第１の信号と、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームで前記駆動回路により生成される第２の信号とを、保持する保持回路と、前記第１の信号と前記第２の信号との差分を算出する差分算出回路と、前記差分算出回路により算出される前記差分を増幅して出力する増幅回路とを備える、赤外線検出器の制御回路。【選択図】図１
2020079750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の赤外線検出器を駆動し、前記複数の赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する駆動回路と、
第１のフレームで前記駆動回路により生成される第１の信号と、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームで前記駆動回路により生成される第２の信号とを、保持する保持回路と、
前記第１の信号と前記第２の信号との差分を算出する差分算出回路と、
前記差分算出回路により算出される前記差分を増幅して出力する増幅回路とを備える、赤外線検出器の制御回路。
【請求項２】
前記駆動回路は、前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器を駆動し、前記対応する赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する複数の画素駆動回路を有し、
前記複数の画素駆動回路は、前記差分算出回路及び前記増幅回路を共用する、請求項１に記載の赤外線検出器の制御回路。
【請求項３】
前記保持回路は、前記複数の画素駆動回路のそれぞれに、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第１のフレームで入射する赤外線に応じた第１の電圧を保持する第１の容量と、
前記第１の電圧に対応する前記第１の信号を選択信号に応じて出力する第１のバッファと、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第２のフレームで入射する赤外線に応じた第２の電圧を保持する第２の容量と、
前記第２の電圧に対応する前記第２の信号を前記選択信号に応じて出力する第２のバッファとを有する、請求項２に記載の赤外線検出器の制御回路。
【請求項４】
前記駆動回路は、前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器を駆動し、前記対応する赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する複数の画素駆動回路を有し、
前記差分算出回路は、前記複数の画素駆動回路のそれぞれに設けられ、
前記複数の画素駆動回路は、前記増幅回路を共用する、請求項１に記載の赤外線検出器の制御回路。
【請求項５】
前記保持回路は、前記複数の画素駆動回路のそれぞれに、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第１のフレームで入射する赤外線に応じた第１の電圧を保持する第１の容量と、
前記第１の電圧に対応する前記第１の信号を出力する第１のバッファと、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第２のフレームで入射する赤外線に応じた第２の電圧を保持する第２の容量と、
前記第２の電圧に対応する前記第２の信号を出力する第２のバッファと
前記差分算出回路により算出される前記差分を前記増幅回路に選択信号に応じて供給する第３のバッファとを有する、請求項４に記載の赤外線検出器の制御回路。
【請求項６】
前記駆動回路は、前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器を駆動し、前記対応する赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する複数の画素駆動回路を有し、
前記保持回路は、前記複数の画素駆動回路のそれぞれに、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第１のフレームで入射する赤外線に応じた第１の電圧を保持する第１の容量と、
前記第１の電圧に対応する前記第１の信号を出力する第１のバッファと、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第２のフレームで入射する赤外線に応じた第２の電圧を保持する第２の容量と、
前記第２の電圧に対応する前記第２の信号を出力する第２のバッファとを有する、請求項１に記載の赤外線検出器の制御回路。
【請求項７】
前記保持回路により保持される前記第２の信号は、フレームごとに更新される、請求項１から６のいずれか一項に記載の赤外線検出器の制御回路。
【請求項８】
前記保持回路により保持される前記第２の信号は、次のフレームに移行しても、更新されずに維持される、請求項１から６のいずれか一項に記載の赤外線検出器の制御回路。
【請求項９】
前記増幅回路は、外部からの設定信号に応じて、前記差分の増幅率を変更する、請求項１から８のいずれか一項に記載の赤外線検出器の制御回路。
【請求項１０】
複数の赤外線検出器と、
前記複数の赤外線検出器を駆動し、前記複数の赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する駆動回路と、
第１のフレームで前記駆動回路により生成される第１の信号と、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームで前記駆動回路により生成される第２の信号とを、保持する保持回路と、
前記第１の信号と前記第２の信号との差分を算出する差分算出回路と、
前記差分算出回路により算出される前記差分を増幅して出力する増幅回路とを備える、撮像素子。
【請求項１１】
駆動回路は、複数の赤外線検出器を駆動し、前記複数の赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成し、
保持回路は、第１のフレームで前記駆動回路により生成される第１の信号と、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームで前記駆動回路により生成される第２の信号とを、保持し、
差分算出回路は、前記第１の信号と前記第２の信号との差分を算出し、
増幅回路は、前記差分算出回路により算出される前記差分を増幅して出力する、赤外線検出器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出器の制御回路、撮像素子及び赤外線検出器の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、現在のフレームで画素から出力された電気信号と直前のフレームでその画素から出力された電気信号とを比較し、比較した結果を表す信号（動体の変化を表す異値信号）を出力する信号比較回路を備える赤外線固体撮像装置が知られている。このような赤外線固体撮像装置では、信号比較回路から出力される異値信号は、水平読み出し線に転送された後、出力端子から出力される（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】特開平１１−２０５６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の技術では、現在のフレームで画素から出力された電気信号と直前のフレームでその画素から出力された電気信号とを比較した結果を表す信号がそのまま出力端子から外部に出力されるため、耐雑音性が低くなるおそれがある。
【０００５】
そこで、本開示は、耐雑音性を向上させた、赤外線検出器の制御回路、撮像素子及び赤外線検出器の制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、
複数の赤外線検出器を駆動し、前記複数の赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する駆動回路と、
第１のフレームで前記駆動回路により生成される第１の信号と、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームで前記駆動回路により生成される第２の信号とを、保持する保持回路と、
前記第１の信号と前記第２の信号との差分を算出する差分算出回路と、
前記差分算出回路により算出される前記差分を増幅して出力する増幅回路とを備える、赤外線検出器の制御回路を提供する。
【０００７】
また、本開示は、
複数の赤外線検出器と、
前記複数の赤外線検出器を駆動し、前記複数の赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する駆動回路と、
第１のフレームで前記駆動回路により生成される第１の信号と、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームで前記駆動回路により生成される第２の信号とを、保持する保持回路と、
前記第１の信号と前記第２の信号との差分を算出する差分算出回路と、
前記差分算出回路により算出される前記差分を増幅して出力する増幅回路とを備える、撮像素子を提供する。
【０００８】
また、本開示は、
駆動回路は、複数の赤外線検出器を駆動し、前記複数の赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成し、
保持回路は、第１のフレームで前記駆動回路により生成される第１の信号と、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームで前記駆動回路により生成される第２の信号とを、保持し、
差分算出回路は、前記第１の信号と前記第２の信号との差分を算出し、
増幅回路は、前記差分算出回路により算出される前記差分を増幅して出力する、赤外線検出器の制御方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の技術によれば、耐雑音性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】撮像素子の構成例を示す図である。
【図２】赤外線撮像装置の構成例を示す図である。
【図３】撮像素子を含む撮像部の構成例を示す図である。
【図４】第１の実施形態における撮像素子の構造例を示す図である。
【図５】第２の実施形態における撮像素子の構造例を示す図である。
【図６】第２の実施形態における撮像素子に備えられる制御回路の第１の構成例を示す図である。
【図７】第１の構成例に係る制御回路に備えられる画素駆動回路と保持回路の構成例を示す図である。
【図８】サンプルホールド動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図９】出力アンプの増幅率を調整する方法を示すフローチャートである。
【図１０】２つのフレーム間の差分を導出する第１の方法を説明するための図である。
【図１１】２つのフレーム間の差分を導出する第２の方法を説明するための図である。
【図１２】第２の実施形態における撮像素子に備えられる制御回路の第２の構成例を示す図である。
【図１３】第２の構成例に係る制御回路に備えられる画素駆動回路と保持回路の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示に係る実施形態について説明する。
【００１２】
物体の熱に応じて放射される熱赤外線を検知する画像センサは、照明がなくてもよいため、遠距離からの熱源の探知を得意としており、海上や雪山などでの遭難者の探索に有効である。特に、ＭＣＴ（Mercury  Cadmium  Telluride（HgCdTe））やＱＷＩＰ（Quantum  Well  Infrared  Photodetector）などを利用する冷却型センサは、マイクロボロメータなどの非冷却型センサに比べて高い感度と温度分解能を有する。そのため、このような冷却型センサは、広範囲を短時間で探索する場合などに非常に有効である。
【００１３】
しかしながら、冷却型センサは、非冷却型センサに比べて規模が大掛かりになったり価格が高くなったりする傾向があるので、十分に普及しているとは言えない。この原因の１つに、冷却型センサ特有の問題がある。冷却型センサでは、ＭＣＴやＱＷＩＰなどの光電変換部を冷却するためにセンサ本体を真空容器内に設置し、センサ本体から出力される信号は、その真空容器の外部に設置したセンサ駆動回路に読み出される。そのため、光電変換部とセンサ駆動回路との間の信号経路が長くなり、雑音に対する耐性が相対的に弱くなる場合がある。また、雑音源となる素子冷却用の冷却器などがセンサ近傍に配置されていると、光電変換部単体に比べてＳＮ（Signal  to  Noise）比が劣化するおそれがある。
【００１４】
そこで、本開示の技術では、冷却型センサの利用シーンの特性に注目して、雑音対策が行われる。海上や雪山などでの遭難者の探索や、上空での遠方の航空機の探知など、赤外線撮像装置による熱源探知の応用分野では、ほぼ均一な明るさの背景光から、目標からの輝点を検出することが行われる。赤外線撮像装置は、赤外線検出器が受光した光量に比例する撮像素子からの出力信号をフレームごとに記録するデータ処理系を備え、データ処理系は、フレーム間の出力信号の差分を計算することで、目標を探知する。この場合、撮像素子後段のデータ処理系では、撮像素子の出力のフルスケールを常に記録することが求められる。しかしながら、目標の探知に実際に意味を持つ情報は、フレーム間の微小な信号差であるため、撮像素子から後段のデータ処理系までの信号経路に侵入する雑音を対策することが求められる。
【００１５】
図１は、本開示の技術における撮像素子の構成例を示す図である。図１に示す撮像素子１１４は、観測対象物の表面温度に応じて当該観測対象物から放射される赤外線を検出する赤外線検出器２４と、赤外線検出器２４を制御する制御回路８０とを備える。撮像素子１１４は、赤外線イメージセンサとも称される。
【００１６】
赤外線検出器２４は、赤外線の入射量に応じて抵抗値が変化する特性を有する光伝導型素子である。赤外線検出器２４は、自身に入射した赤外線の入射光量に応じた光電流を発生する受光素子である。つまり、赤外線検出器２４は、赤外線の強度を電気信号に変換する光電変換部である。
【００１７】
制御回路８０は、赤外線検出器２４を制御することによって、当該観測対象物の表面温度分布を示す熱画像（サーモグラフィ画像）を生成するためのセンサ出力信号（画素出力信号）を生成する。撮像素子１１４は、制御回路８０によって生成されたアナログのセンサ出力信号（画素出力信号）を出力する。
【００１８】
制御回路８０は、駆動回路８１、保持回路８２、差分算出回路８３及び増幅回路８４を備える。
【００１９】
駆動回路８１は、複数の赤外線検出器２４を駆動し、複数の赤外線検出器２４に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する。
【００２０】
保持回路８２は、第１のフレームで駆動回路８１により生成される第１の信号と、第１のフレームよりも前の第２のフレームで駆動回路８１により生成される第２の信号とを、保持する。第１の信号は、複数の赤外線検出器２４に第１のフレームで入射する赤外線に応じた信号に対応し、第２の信号は、複数の赤外線検出器２４に第２のフレームで入射する赤外線に応じた信号に対応する。保持回路８２は、例えば、サンプルホールド回路である。第２のフレームは、第１のフレームに対して１つ前のフレームでもよいし、第１のフレームに対して２つ以上前のフレームでもよい。
【００２１】
差分算出回路８３は、第１の信号と第２の信号との差分を算出する。差分算出回路８３は、例えば、当該差分に応じた信号を出力する差分アンプである。
【００２２】
増幅回路８４は、差分算出回路８３により算出される差分を増幅して出力する。増幅回路８４は、例えば、当該差分を増幅し、増幅後の信号を出力する出力アンプである。増幅回路８４から出力される信号（増幅回路８４の出力信号）は、制御回路８０から出力されるアナログのセンサ出力信号（画素出力信号）に対応する。画素出力信号は、配線８５を介して、撮像素子１１４外部のセンサ駆動回路１５９（図３参照。詳細後述）に供給される。センサ駆動回路１５９は、撮像素子１１４を駆動することによって、撮像素子１１４から出力されるアナログの画素出力信号を取得する。
【００２３】
したがって、図１に示す構成によれば、真空容器内の撮像素子１１４と外部のセンサ駆動回路１５９との間を結ぶ配線８５には、現在の第１のフレームで生成される第１の信号と過去の第２のフレームで生成された信号との差分を増幅した信号が伝わる。したがって、配線８５に雑音が侵入しても、当該差分を増幅せずに微小な信号のまま外部に出力する構成に比べて、耐雑音性が向上する。その結果、例えば、高価な電磁遮蔽材を配線８５に使用しなくても、あるいは、電磁気的な雑音の少ない高価な冷却器を使用しなくても、耐雑音性を確保できるので、撮像素子１１４の小型化及びコストダウンを図ることができる。撮像素子１１４の小型化及びコストダウンにより、撮像素子１１４を搭載する赤外線撮像装置の小型化及びコストダウンも図ることができる。また、電磁遮蔽材を配線８５に使用すれば、あるいは、電磁気的な雑音の少ない冷却器を使用すれば、撮像素子１１４を搭載する赤外線撮像装置の耐雑音性は、更に向上する。
【００２４】
次に、本開示の技術における撮像素子、及び当該撮像素子を搭載する赤外線撮像装置の構成例についてより詳細に説明する。
【００２５】
図２は、本開示の技術における赤外線撮像装置の構成例を示す図である。図２に示す赤外線撮像装置１０１は、撮像部１１０と、信号処理回路１１８と、表示モニタ１５３とを備える。なお、表示モニタ１５３は、赤外線撮像装置１０１の構成に含まれても含まれなくてもよい。
【００２６】
撮像部１１０には、上述の撮像素子１１４が搭載されている。撮像部１１０は、撮像素子１１４から出力されるアナログのセンサ出力信号（画素出力信号）をデジタルのセンサ出力信号（画素出力信号）に変換して出力する。信号処理回路１１８は、撮像部１１０から出力されるデジタルのセンサ出力信号に基づいて、表示モニタ１５３に表示される熱画像を生成するための画像信号を生成する。表示モニタ１５３は、信号処理回路１１８から出力される画像信号に基づいて、熱画像を表示する。
【００２７】
図３は、撮像素子１１４を含む撮像部１１０の構成例を示す図である。撮像素子１１４は、制御回路８０が形成されるチップの上にフリップチップ接続された受光素子アレイチップを有する赤外線イメージセンサである。受光素子アレイチップは、量子井戸型赤外線検知素子（ＱＷＩＰ）等の赤外線検出器２４が一次元又は二次元のアレイ状に配置されたセンサアレイである。
【００２８】
撮像素子１１４は、真空容器１５５内に封入されている。冷却器１５６は、撮像素子１１４を７０〜８０Ｋへと冷却する。真空容器１５５の先端には赤外線の入射窓１５４が取り付けられている。真空容器１５５の前方に設置されたレンズ１１１を含む光学系により結像された赤外線が、入射窓１５４を通して撮像素子１１４へ入射される。レンズ１１１が結像する焦点の位置は、撮像素子１１４の入射面に調整される。
【００２９】
撮像部１１０は、撮像素子１１４の冷却温度を一定に保つための冷却器制御回路１５８と、レンズ１１１の焦点調整を行うための光学制御回路１５７とを有する。
【００３０】
撮像部１１０は、撮像素子１１４を駆動するためのセンサ駆動回路１５９を有する。センサ駆動回路１５９は、タイミングパルス信号（例えば、クロック信号、フレーム同期信号、シフトレジスタ制御信号等）を、撮像素子１１４内の上述の制御回路８０に供給するタイミング生成器１２０を有する。制御回路８０内の上述の駆動回路８１及び保持回路８２は、タイミング生成器１２０から供給されるタイミングパルス信号に従って動作する。センサ駆動回路１５９は、制御回路８０の動作電源、制御回路８０内部の増幅器の電源電圧、リセット電圧、ゲート駆動信号等のバイアス電圧を、撮像素子１１４内の制御回路８０に供給する。
【００３１】
センサ駆動回路１５９は、Ａ／Ｄ（Analog-to-Digital）変換器１６０を有する。Ａ／Ｄ変換器１６０は、撮像素子１１４内の制御回路８０から配線８５を介して入力されるアナログの画素出力信号を、例えば１４ビットの並行デジタル出力に変換する。１４本の並行デジタル出力は、シリアライザ１６１によって１系統の時系列デジタル信号に変換され、変換後のデジタル信号は、センサ出力信号（画素出力信号）として外部へ出力される。
【００３２】
なお、図３は、Ａ／Ｄ変換器１６０とその後段の構成を一つの出力系統で示している。しかしながら、二次元アレイの画素を複数の領域に分割して読み出す場合、制御回路８０からの出力チャネルは複数となるため、チャネル数に応じてＡ／Ｄ変換器の数を増やしてもよい。
【００３３】
図４は、第１の実施形態における撮像素子の構造例を示す図である。図４に示す撮像素子１１４Ａは、上述の撮像素子１１４の一例である。撮像素子１１４Ａは、赤外線検出器２４が一次元方向に複数配列されている一次元センサアレイ１２Ａを有する。撮像素子１１４Ａは、一次元センサアレイ１２Ａにおいて得られた電気信号を読み出す制御回路８０が形成された回路基板８６Ａを有する。一次元センサアレイ１２Ａと制御回路８０とは、例えばインジウム製の複数のバンプ１７により接続されている。
【００３４】
図５は、第２の実施形態における撮像素子の構造例を示す図である。図５に示す撮像素子１１４Ｂは、上述の撮像素子１１４の一例である。撮像素子１１４Ｂは、赤外線検出器２４が二次元方向に複数配列されている二次元センサアレイ１２Ｂを有する。撮像素子１１４Ｂは、二次元センサアレイ１２Ｂにおいて得られた電気信号を読み出す制御回路８０が形成された回路基板８６Ｂを有する。二次元センサアレイ１２Ｂと制御回路８０とは、例えばインジウム製の複数のバンプ１７により接続されている。
【００３５】
図６は、第２の実施形態における撮像素子１１４Ｂに備えられる制御回路の第１の構成例を示す図である。図６に示す制御回路８０Ａは、上述の駆動回路８１等を備える制御回路８０の一例である。制御回路８０Ａにおける駆動回路８１は、複数の赤外線検出器２４のうち対応する赤外線検出器を駆動し、当該対応する赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する複数の画素駆動回路２１Ａを有する。
【００３６】
制御回路８０Ａは、水平方向（行方向）に平行に伸びる複数のスキャンライン２７と、垂直方向（列方向）に平行に伸びる複数の垂直バスライン２８（２８ａ，２８ｂ）と、垂直選択回路２２と、水平選択回路２３とを備える。
【００３７】
画素駆動回路２１Ａは、複数のスキャンライン２７と複数の垂直バスライン２８との各交差部に対応してマトリクス状に配置されている。画素駆動回路２１Ａは、複数の赤外線検出器２４の夫々に対して、設けられている。複数の画素駆動回路２１Ａは、互いに同じ構成を有する。
【００３８】
図７は、第１の構成例に係る制御回路８０Ａに備えられる画素駆動回路２１Ａと保持回路８２Ａの構成例を示す図である。画素駆動回路２１Ａは、駆動トランジスタ３５を少なくとも有する。また、制御回路８０Ａにおける保持回路８２Ａは、複数の画素駆動回路２１Ａのそれぞれに、トランスファーゲート３８、積分容量４１、保持容量４２、第１のリセットトランジスタ３６及び第２のリセットトランジスタ３７を有する。さらに、制御回路８０Ａにおける保持回路８２Ａは、複数の画素駆動回路２１Ａのそれぞれに、第１のバッファ３１ａ及び第２のバッファ３１ｂを有する。保持回路８２Ａは、上述の保持回路８２の一例である。
【００３９】
駆動トランジスタ３５は、ソースが赤外線検出器２４の一端に接続される。駆動トランジスタ３５のゲートには、上述のセンサ駆動回路１５９から供給されるバイアス設定信号ＢＳが印加される。赤外線検出器２４の他端は、グランド（ＧＮＤ）に接続されている。駆動トランジスタ３５は、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳ（Metal  Oxide  Semiconductor）トランジスタである。
【００４０】
駆動トランジスタ３５は、赤外線検出器２４に電流を流す時間（積分容量４１から電荷を放電する時間）を制御する。駆動トランジスタ３５のゲートには、ゲート駆動信号であるバイアス設定信号ＢＳが印加される。つまり、駆動トランジスタ３５はバイアス設定信号ＢＳに従って開閉するように設定されている。駆動トランジスタ３５が開となるとき、積分容量４１から赤外線検出器２４に電流を流すことができる。バイアス設定信号ＢＳは、タイミング生成器１２０から供給される。
【００４１】
トランスファーゲート３８は、積分容量４１と保持容量４２との間に設けられるアナログスイッチである。トランスファーゲート３８は、サンプルホールドスイッチ回路とも称される。トランスファーゲート３８の一端は、駆動トランジスタ３５の他端と積分容量４１の一端とに接続されている。積分容量４１の他端は、グランドに接続されている。トランスファーゲート３８の他端は、保持容量４２の一端に接続されている。
【００４２】
トランスファーゲート３８のゲートには、ゲート駆動信号であるサンプルホールド信号ＳＨ及び／ＳＨが印加される。サンプルホールド信号／ＳＨは、サンプルホールド信号ＳＨの反転信号である。サンプルホールド信号ＳＨ及び／ＳＨは、タイミング生成器１２０から供給される。
【００４３】
積分容量４１は、駆動トランジスタ３５とトランスファーゲート３８との間に設けられている。積分容量４１は、複数の赤外線検出器２４のうち対応する赤外線検出器に第１のフレームで入射する赤外線に応じた第１の電圧ＶＣを保持する第１の容量の一例である。例えば、積分容量４１の一端は、駆動トランジスタ３５の他端のドレインとトランスファーゲート３８の一端とを結ぶ電流経路に接続され、積分容量４１の他端は、グランドに接続されている。積分容量４１の具体例として、静電容量素子が挙げられる。
【００４４】
保持容量４２は、積分容量４１の一端にトランスファーゲート３８を介して接続されている。保持容量４２は、複数の赤外線検出器２４のうち対応する赤外線検出器に第２のフレームで入射する赤外線に応じた第２の電圧ＶＳＨを保持する第２の容量の一例である。保持容量４２は、サンプルホールド容量とも称される。例えば、保持容量４２の一端は、トランスファーゲート３８の他端に接続された電流経路に接続され、保持容量４２の他端は、グランドに接続されている。保持容量４２の具体例として、静電容量素子が挙げられる。
【００４５】
第１のリセットトランジスタ３６は、積分容量４１の一端と電源線との間に直列に接続されており、タイミング生成器１２０から供給される積分リセット信号ＲＳによってゲートが駆動される。
【００４６】
第２のリセットトランジスタ３７は、保持容量４２の一端と電源線との間に直列に接続されており、タイミング生成器１２０から供給される保持リセット信号ＳＨＲＳによってゲートが駆動される。
【００４７】
第１のバッファ３１ａは、第１の電圧ＶＣに対応する第１の信号を垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌに応じて第１の垂直バスライン２８ａに出力する。垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌは、選択信号の一例であり、スキャンパルスとも称される。第１のバッファ３１ａは、例えば、垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌに応じて第１の信号の出力有無を切り替えるトランジスタである。第１のバッファ３１ａの入力部は、積分容量４１と第１のリセットトランジスタ３６との間に接続される。
【００４８】
第２のバッファ３１ｂは、第２の電圧ＶＳＨに対応する第２の信号を垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌに応じて第２の垂直バスライン２８ｂに出力する。第２のバッファ３１ｂは、例えば、垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌに応じて第２の信号の出力有無を切り替えるトランジスタである。第２のバッファ３１ｂの入力部は、保持容量４２と第２のリセットトランジスタ３７との間に接続される。
【００４９】
図８は、画素駆動回路が行うサンプルホールド動作の一例を示すタイミングチャートである。次に、図６，７，８を参照して、画素駆動回路２１Ａが行うサンプルホールド動作の一例について説明する。
【００５０】
画素駆動回路２１Ａでは、リセットゲート用の第１のリセットトランジスタ３６に積分リセット信号ＲＳが印加され、第１のリセットトランジスタ３６が導通して積分容量４１が所定値に充電される。積分リセット信号ＲＳの印加が停止した後、入力ゲート用の駆動トランジスタ３５にバイアス設定信号ＢＳが一定期間印加され、赤外線検出器２４に赤外線強度に対応した電流が流れ、積分容量４１の電圧ＶＣが赤外線強度に対応した電圧になる。
【００５１】
垂直選択回路２２は、複数のスキャンライン２７を１本ずつ選択する垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌを順次出力する。垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌに応じて、その垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌが出力されたスキャンライン２７に接続されるバッファ３１ａ，３１ｂが選択される。選択された第１のバッファ３１ａの入力部に接続された積分容量４１に保持された電圧ＶＣは、その選択された第１のバッファ３１ａを介して、対応する第１の垂直バスライン２８ａのそれぞれに出力される。一方、選択された第２のバッファ３１ｂの入力部に接続された保持容量４２に保持された電圧ＶＳＨは、その選択された第２のバッファ３１ｂを介して、対応する第２の垂直バスライン２８ｂのそれぞれに出力される。
【００５２】
水平選択回路２３は、読み出しパルスＨ−ｓｅｌを順次印加する。読み出しパルスＨ−Ｓｅｌに応じて、第１の垂直バスライン２８ａの電圧は、差分算出回路８３Ａの第１の入力部に入力され、第２の垂直バスライン２８ｂの電圧は、差分算出回路８３Ａの第２の入力部に入力される。差分算出回路８３Ａは、上述の差分算出回路８３の一例である。
【００５３】
これにより、第１のフレームで生成される第１の信号と第２のフレームで生成される第２の信号は、水平選択回路２３によって読み出される。
【００５４】
第１の信号及び第２の信号の読み出し後、サンプルホールドリセット用の第２のリセットトランジスタ３７は、保持リセット信号ＳＨＲＳに応じて導通し、保持容量４２の電圧レベルを所定値にリセットする。
【００５５】
次に、アナログスイッチであるトランスファーゲート３８にサンプルホールド信号ＳＨおよび／ＳＨが印加され、積分容量４１の電圧ＶＣが保持容量４２に転送され、保持される。サンプルホールド信号／ＳＨは、サンプルホールド信号ＳＨの反転信号である。このような動作が複数の画素駆動回路２１Ａでそれぞれ同時に行われるので、各々の赤外線検出器２４の赤外線強度に対応した電圧ＶＳＨが各々の保持容量４２に保持される。
【００５６】
差分算出回路８３Ａは、水平選択回路２３によって第１の入力部に入力される電圧と水平選択回路２３によって第２の入力部に入力される電圧との差分を算出する。差分は、増幅率の設定信号ＳＡに応じて設定された増幅率で、増幅回路８４により出力される。
【００５７】
増幅回路８４は、差分算出回路８３Ａにより算出される差分を増幅して出力する。増幅回路８４は、例えば、当該差分を増幅し、増幅後の信号を出力する出力アンプである。増幅回路８４から出力される信号（増幅回路８４の出力信号）は、制御回路８０Ａから出力されるアナログのセンサ出力信号（画素出力信号）に対応する。画素出力信号は、配線８５を介して、撮像素子１１４外部のセンサ駆動回路１５９に供給される。
【００５８】
すべての垂直バスライン２８の電圧の出力が終了すると、垂直選択回路２２が次のスキャンライン２７に垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌを印加する。以後、上記の動作を繰り返すことにより、１本の出力線に、２次元配置されたすべての赤外線検出器２４で検出された赤外線強度に応じたアナログの画素出力信号が時系列に出力される。
【００５９】
したがって、図６，７に示す制御回路８０Ａによれば、真空容器内の撮像素子１１４と外部のセンサ駆動回路１５９との間を結ぶ配線８５には、現在の第１のフレームで生成される第１の信号と過去の第２のフレームで生成された信号との差分を増幅した信号が伝わる。したがって、配線８５に雑音が侵入しても、当該差分を増幅せずに微小な信号のまま外部に出力する構成に比べて、耐雑音性が向上する。その結果、例えば、高価な電磁遮蔽材を配線８５に使用しなくても、あるいは、電磁気的な雑音の少ない高価な冷却器を使用しなくても、耐雑音性を確保できるので、撮像素子１１４の小型化及びコストダウンを図ることができる。撮像素子１１４の小型化及びコストダウンにより、撮像素子１１４を搭載する赤外線撮像装置の小型化及びコストダウンも図ることができる。また、電磁遮蔽材を配線８５に使用すれば、あるいは、電磁気的な雑音の少ない冷却器を使用すれば、撮像素子１１４を搭載する赤外線撮像装置の耐雑音性は、更に向上する。
【００６０】
また、図６，７に示す制御回路８０Ａでは、複数の画素駆動回路２１Ａは、差分算出回路８３Ａ及び増幅回路８４を共用する。差分算出回路８３Ａ及び増幅回路８４の共用によって、共用しない場合に比べて、回路の小型化が可能となる。
【００６１】
次に、増幅回路８４は、外部からの設定信号ＳＡに応じて、第１の信号と第２の信号との差分を増幅する比率（増幅率）を変更する方法の一例について説明する。
【００６２】
図９は、出力アンプとして使用される増幅回路８４の増幅率を調整する方法を示すフローチャートである。
【００６３】
ステップＳ１０にて、信号処理回路１１８は、増幅回路８４の増幅率Ａを１（初期値）に設定する。また、信号処理回路１１８は、観測対象物の想定される大きさに応じて、観測対象物か否かの判定に使用されるサイズ閾値ＳＴＨを設定する。また、信号処理回路１１８は、出力閾値ＦＳＴＨを、出力アンプとして使用される増幅回路８４が出力可能な信号の最大値（フルスケール）に設定する。
【００６４】
ステップＳ２０にて、信号処理回路１１８は、撮像部１１０から全画素について出力されるデジタルのセンサ出力信号に基づいて、画像を取得（生成）する。
【００６５】
ステップＳ３０にて、信号処理回路１１８は、全画素のうちフルスケール（出力閾値ＦＳＴＨ）を超える画素群の最大サイズＳｍａｘを算出する。
【００６６】
ステップＳ４０にて、信号処理回路１１８は、ステップＳ３０にて算出された最大サイズＳｍａｘがサイズ閾値ＳＴＨを超えるか否かを判定し、超える場合には、増幅率Ａを１レンジ下げる（ステップＳ５０）。一方、信号処理回路１１８は、最大サイズＳｍａｘがサイズ閾値ＳＴＨ以下である場合、増幅率Ａを１レンジ上げるとともに、増幅率Ａを１レンジ上げた状態での画像をステップＳ２０と同様に取得（生成）する（ステップＳ６０）。
【００６７】
ステップＳ７０にて、信号処理回路１１８は、全画素のうちフルスケール（出力閾値ＦＳＴＨ）を超える画素群の最大サイズＳｍａｘを算出する。
【００６８】
ステップＳ８０にて、信号処理回路１１８は、ステップＳ７０にて算出された最大サイズＳｍａｘがサイズ閾値ＳＴＨを超えるか否かを判定し、超えない場合には、増幅率Ａを更に１レンジ上げる（ステップＳ９０）。一方、信号処理回路１１８は、最大サイズＳｍａｘがサイズ閾値ＳＴＨを超える場合、ステップＳ２０の処理に戻る。
【００６９】
このように、図９に示す一連の処理によれば、明るすぎる画素のかたまりの大きさが観測対象物の大きさに達すると、増幅率Ａのレンジを下げることができる。つまり、図９に示す一連の処理によれば、増幅率Ａを、観測対象物の観測に適した最も高い値に維持できる。増幅率Ａが高いほど、耐雑音性は向上する。
【００７０】
図１０は、新旧２つのフレームで生成される信号間の差分を算出する第１の方法を説明するための図である。図１１は、新旧２つのフレームで生成される信号間の差分を算出する第２の方法を説明するための図である。Ｆ１〜Ｆ４は、それぞれ、フレームを表す。“現出力”“基準出力”“差分出力”は、それぞれ、第１のバッファ３１ａの出力、第２のバッファ３１ｂの出力、差分算出回路８３（８３Ａ，８３Ｂ）の出力を表す。図１０，１１において示される矢印は、トランスファーゲート３８のオンするタイミング、すなわち、積分容量４１の電圧を保持容量４２に転送するタイミングを表す。
【００７１】
図１０は、保持回路８２（８２Ａ，８２Ｂ）により保持される第２の信号が、フレームごとに更新される場合を示す。輝点検出などの用途では、図１０に示すように、現フレームとその現フレームの直前のフレームとの差分を算出することが、輝点を高精度に検出する上で有効である。
【００７２】
一方、図１１は、保持回路８２（８２Ａ，８２Ｂ）により保持される第２の信号が、次のフレームに移行しても、更新されずに維持される場合を示す。熱赤外線による応力解析などの微小な変化量を検出する用途では、図１１に示すように、任意のフレーム（図１１では、フレームＦ１）を基準に差分を算出することが、微小な変化量を高精度に検出する上で有効である。
【００７３】
図１２は、第２の実施形態における撮像素子１１４Ｂに備えられる制御回路の第２の構成例を示す図である。図１２に示す制御回路８０Ｂは、上述の駆動回路８１等を備える制御回路８０の一例である。制御回路８０Ｂにおける駆動回路８１は、複数の赤外線検出器２４のうち対応する赤外線検出器を駆動し、当該対応する赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する複数の画素駆動回路２１Ｂを有する。
【００７４】
図６に示す制御回路８０Ａでは、複数の画素駆動回路２１Ａが差分算出回路８３Ａを共用している。これに対し、図１２に示す制御回路８０Ｂでは、詳細は後述するが、差分算出回路８３Ｂが複数の画素駆動回路２１Ｂのそれぞれに設けられている。
【００７５】
制御回路８０Ｂは、水平方向（行方向）に平行に伸びる複数のスキャンライン２７と、垂直方向（列方向）に平行に伸びる複数の垂直バスライン２８と、垂直選択回路２２と、水平選択回路２３とを備える。
【００７６】
画素駆動回路２１Ｂは、複数のスキャンライン２７と複数の垂直バスライン２８との各交差部に対応してマトリクス状に配置されている。画素駆動回路２１Ｂは、複数の赤外線検出器２４の夫々に対して、設けられている。複数の画素駆動回路２１Ｂは、互いに同じ構成を有する。
【００７７】
図１３は、第２の構成例に係る制御回路８０Ｂに備えられる画素駆動回路２１Ｂと保持回路８２Ｂの構成例を示す図である。上述の第１の構成例と同様の点については、上述の説明を援用することで、その説明を省略する。画素駆動回路２１Ｂは、駆動トランジスタ３５を少なくとも有する。また、制御回路８０Ｂにおける保持回路８２Ｂは、複数の画素駆動回路２１Ｂのそれぞれに、トランスファーゲート３８、積分容量４１、保持容量４２、第１のリセットトランジスタ３６及び第２のリセットトランジスタ３７を有する。さらに、制御回路８０Ｂにおける保持回路８２Ｂは、複数の画素駆動回路２１Ｂのそれぞれに、差分算出回路８３Ｂ、第１のバッファ３１ａ、第２のバッファ３１ｂ及び第３のバッファ３１ｃを有する。差分算出回路８３Ｂは、上述の差分算出回路８３の一例である。保持回路８２Ｂは、上述の保持回路８２の一例である。
【００７８】
第１のバッファ３１ａは、第１の電圧ＶＣに対応する第１の信号を差分算出回路８３Ｂの第１の入力部に出力する。第２のバッファ３１ｂは、第２の電圧ＶＳＨに対応する第２の信号を差分算出回路８３Ｂの第２の入力部に出力する。第３のバッファ３１ｃは、差分算出回路８３Ｂにより算出される差分を垂直バスライン２８を介して増幅回路８４に垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌに応じて供給する。第３のバッファ３１ｃは、例えば、垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌに応じて、差分算出回路８３Ｂにより算出される差分を、垂直バスライン２８を介して増幅回路８４に出力するか否かを切り替えるトランジスタである。
【００７９】
次に、図８，１２，１３を参照して、画素駆動回路２１Ｂが行うサンプルホールド動作の一例について説明する。画素駆動回路２１Ａの動作と同様の点については、上述の説明を援用することで、その説明を省略する。
【００８０】
垂直選択回路２２は、複数のスキャンライン２７を１本ずつ選択する垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌを順次出力する。垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌに応じて、その垂直選択信号Ｖ−ｓｅｌが出力されたスキャンライン２７に接続される第３のバッファ３１ｃが選択される。選択された第３のバッファ３１ｃの入力部に接続された差分算出回路８３Ｂにより算出された差分を表す差分電圧は、その選択された第３のバッファ３１ｃを介して、対応する垂直バスライン２８のそれぞれに出力される。
【００８１】
水平選択回路２３は、読み出しパルスＨ−ｓｅｌを順次印加する。読み出しパルスＨ−Ｓｅｌに応じて、垂直バスライン２８の電圧（差分電圧）は、増幅回路８４の入力部に入力される。差分電圧は、増幅率の設定信号ＳＡに応じて設定された増幅率で、増幅回路８４により出力される。
【００８２】
増幅回路８４は、差分算出回路８３Ｂにより算出される差分を増幅して出力する。増幅回路８４は、例えば、当該差分を増幅し、増幅後の信号を出力する出力アンプである。増幅回路８４から出力される信号（増幅回路８４の出力信号）は、制御回路８０Ｂから出力されるアナログのセンサ出力信号（画素出力信号）に対応する。画素出力信号は、配線８５を介して、撮像素子１１４外部のセンサ駆動回路１５９に供給される。
【００８３】
したがって、図１２，１３に示す制御回路８０Ｂによれば、真空容器内の撮像素子１１４と外部のセンサ駆動回路１５９との間を結ぶ配線８５には、現在の第１のフレームで生成される第１の信号と過去の第２のフレームで生成された信号との差分を増幅した信号が伝わる。したがって、配線８５に雑音が侵入しても、当該差分を増幅せずに微小な信号のまま外部に出力する構成に比べて、耐雑音性が向上する。その結果、例えば、高価な電磁遮蔽材を配線８５に使用しなくても、あるいは、電磁気的な雑音の少ない高価な冷却器を使用しなくても、耐雑音性を確保できるので、撮像素子１１４の小型化及びコストダウンを図ることができる。撮像素子１１４の小型化及びコストダウンにより、撮像素子１１４を搭載する赤外線撮像装置の小型化及びコストダウンも図ることができる。また、電磁遮蔽材を配線８５に使用すれば、あるいは、電磁気的な雑音の少ない冷却器を使用すれば、撮像素子１１４を搭載する赤外線撮像装置の耐雑音性は、更に向上する。
【００８４】
また、図１２，１３に示す制御回路８０Ｂでは、差分算出回路８３Ｂは、複数の画素駆動回路２１Ｂのそれぞれに設けられ、複数の画素駆動回路２１Ｂは、増幅回路８４を共用する。差分算出回路８３Ｂを複数の画素駆動回路２１Ｂのそれぞれに設けることによって、外部雑音の影響を受けやすい微小な信号が通る回路面積が狭くなるため（各画素において微小な差分が増幅されるため）、耐雑音性が向上する。
【００８５】
以上、赤外線検出器の制御回路、撮像素子及び赤外線検出器の制御方法を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
【００８６】
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
複数の赤外線検出器を駆動し、前記複数の赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する駆動回路と、
第１のフレームで前記駆動回路により生成される第１の信号と、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームで前記駆動回路により生成される第２の信号とを、保持する保持回路と、
前記第１の信号と前記第２の信号との差分を算出する差分算出回路と、
前記差分算出回路により算出される前記差分を増幅して出力する増幅回路とを備える、赤外線検出器の制御回路。
（付記２）
前記駆動回路は、前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器を駆動し、前記対応する赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する複数の画素駆動回路を有し、
前記複数の画素駆動回路は、前記差分算出回路及び前記増幅回路を共用する、付記１に記載の赤外線検出器の制御回路。
（付記３）
前記保持回路は、前記複数の画素駆動回路のそれぞれに、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第１のフレームで入射する赤外線に応じた第１の電圧を保持する第１の容量と、
前記第１の電圧に対応する前記第１の信号を選択信号に応じて出力する第１のバッファと、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第２のフレームで入射する赤外線に応じた第２の電圧を保持する第２の容量と、
前記第２の電圧に対応する前記第２の信号を前記選択信号に応じて出力する第２のバッファとを有する、付記２に記載の赤外線検出器の制御回路。
（付記４）
前記駆動回路は、前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器を駆動し、前記対応する赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する複数の画素駆動回路を有し、
前記差分算出回路は、前記複数の画素駆動回路のそれぞれに設けられ、
前記複数の画素駆動回路は、前記増幅回路を共用する、付記１に記載の赤外線検出器の制御回路。
（付記５）
前記保持回路は、前記複数の画素駆動回路のそれぞれに、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第１のフレームで入射する赤外線に応じた第１の電圧を保持する第１の容量と、
前記第１の電圧に対応する前記第１の信号を出力する第１のバッファと、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第２のフレームで入射する赤外線に応じた第２の電圧を保持する第２の容量と、
前記第２の電圧に対応する前記第２の信号を出力する第２のバッファと
前記差分算出回路により算出される前記差分を前記増幅回路に選択信号に応じて供給する第３のバッファとを有する、付記４に記載の赤外線検出器の制御回路。
（付記６）
前記駆動回路は、前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器を駆動し、前記対応する赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する複数の画素駆動回路を有し、
前記保持回路は、前記複数の画素駆動回路のそれぞれに、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第１のフレームで入射する赤外線に応じた第１の電圧を保持する第１の容量と、
前記第１の電圧に対応する前記第１の信号を出力する第１のバッファと、
前記複数の赤外線検出器のうち対応する赤外線検出器に前記第２のフレームで入射する赤外線に応じた第２の電圧を保持する第２の容量と、
前記第２の電圧に対応する前記第２の信号を出力する第２のバッファとを有する、付記１に記載の赤外線検出器の制御回路。
（付記７）
前記保持回路により保持される前記第２の信号は、フレームごとに更新される、付記１から６のいずれか一項に記載の赤外線検出器の制御回路。
（付記８）
前記保持回路により保持される前記第２の信号は、次のフレームに移行しても、更新されずに維持される、付記１から６のいずれか一項に記載の赤外線検出器の制御回路。
（付記９）
前記増幅回路は、外部からの設定信号に応じて、前記差分の増幅率を変更する、付記１から８のいずれか一項に記載の赤外線検出器の制御回路。
（付記１０）
前記第２のフレームは、前記第１のフレームに対して一つ前のフレームである、付記１に記載の赤外線検出器の制御回路。
（付記１１）
複数の赤外線検出器と、
前記複数の赤外線検出器を駆動し、前記複数の赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成する駆動回路と、
第１のフレームで前記駆動回路により生成される第１の信号と、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームで前記駆動回路により生成される第２の信号とを、保持する保持回路と、
前記第１の信号と前記第２の信号との差分を算出する差分算出回路と、
前記差分算出回路により算出される前記差分を増幅して出力する増幅回路とを備える、撮像素子。
（付記１２）
駆動回路は、複数の赤外線検出器を駆動し、前記複数の赤外線検出器に入射する赤外線に応じた信号をフレームごとに生成し、
保持回路は、第１のフレームで前記駆動回路により生成される第１の信号と、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームで前記駆動回路により生成される第２の信号とを、保持し、
差分算出回路は、前記第１の信号と前記第２の信号との差分を算出し、
増幅回路は、前記差分算出回路により算出される前記差分を増幅して出力する、赤外線検出器の制御方法。
【符号の説明】
【００８７】
２４  赤外線検出器
４１  積分容量
４２  保持容量
８０，８０Ａ，８０Ｂ  制御回路
８１  駆動回路
８２，８２Ａ，８２Ｂ  保持回路
８３，８３Ａ，８３Ｂ  差分算出回路
８４  増幅回路
８５  配線
８６Ａ，８６Ｂ  回路基板
１１４，１１４Ａ，１１４Ｂ  撮像素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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