(57)【要約】  赤外線撮像素子は、感光画素アレイと、感光画素の駆動線と、駆動線を順次選択して電源に接続する垂直走査回路と、各感光画素に接続し、終端部分に第一の定電流源が接続された信号線と、感光画素アレイの列毎に設けられた第二の定電流源が並列に接続され、駆動線と同一の電圧降下を発生するバイアス線と、画素アレイの列毎に設けられ、２つの定電流源の両端電圧の差を時間積分して出力する差動積分回路と、差動積分回路の出力信号を列毎に選択する水平走査回路と、感光画素の温度変化に応じて変化する参照信号を出力する参照画素アレイと、バイアス線上の電圧と参照信号との差分信号と、基準電圧との差に対応するバイアス電圧を生成するバイアス発生回路と、バイアス電圧に基づいて温度信号生成電圧を生成する電圧発生回路とを備える。
2017183260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱層と赤外線吸収部材を有し、複数の感光画素が２次元形状に配置された感光画素アレイと、
前記各感光画素の一方の極を行毎に共通に接続した駆動線と、
前記駆動線を順次選択して電源に接続する垂直走査回路と、
前記各感光画素の他方の極を列毎に共通に接続し、終端部分に第一の定電流源手段が接続された信号線と、
前記感光画素アレイの列毎に設けられた第二の定電流源手段が並列に接続され、前記駆動線と実質的に同一の電圧降下を発生するバイアス線と、
前記感光画素アレイの列毎に設けられ、前記第一の定電流源手段と前記第二の定電流源手段の両端電圧の差を所定の積分時間で時間積分して出力する差動積分回路と、
前記差動積分回路の出力信号を列毎に選択して画像信号として画像信号出力端子に導く水平走査回路とを備えた赤外線撮像素子であって、
実質的に前記複数の感光画素の全体の温度変化に応じて変化する参照信号を出力する参照画素アレイと、
前記バイアス線上の所定位置の電圧と前記参照信号との差分信号と、所定の基準電圧との差に対応しかつ出力レベル安定化電圧の電圧成分を含むバイアス電圧を生成してバイアス線に印加するバイアス発生回路と、
前記バイアス電圧に基づいて所定の温度信号生成電圧を生成して前記画像信号出力端子に付加する電圧発生回路とを備えたことを特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項２】
前記電圧発生回路は、前記バイアス電圧及び電源端子からの入力電圧に基づいて、前記温度信号生成電圧を生成して前記画像信号出力端子に付加するともに、出力レベル安定化電圧を発生して前記バイアス線に印加することを特徴とする請求項１記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記参照画素アレイは、前記断熱層と前記赤外線吸収部材のいずれか一方又は両方を除去するように構成され、もしくは赤外線遮光層を有するように構成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記感光画素アレイは、前記断熱層と前記赤外線吸収部材のいずれか一方又は両方を除去するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の赤外線撮像素子。
【請求項５】
前記参照画素アレイは、前記感光画素アレイの垂直方向又は水平方向の少なくとも１辺に隣接するように形成されたことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の赤外線撮像素子。
【請求項６】
前記参照画素アレイは複数の参照画素を備え、
前記バイアス発生回路の前段に設けられ、前記複数の参照画素からの画素信号を平均化した後サンプルホールドし、前記サンプルホールドされた画素信号を前記バイアス発生回路に出力するサンプルホールド回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の赤外線撮像素子。
【請求項７】
前記第一の定電流源手段と前記第二の定電流源手段とは、前記感光画素アレイを挟設するように設けられたことを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の赤外線撮像素子。
【請求項８】
前記温度信号生成電圧は、前記画像信号の電圧レベルとともに所定電圧となるように調整され、前記画像信号とは異なるタイミングで前記画像信号に付加されるように構成されたことを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の赤外線撮像素子。
【請求項９】
前記電圧発生回路は、前記差動積分回路の積分期間において駆動されるように構成されたことを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の赤外線撮像素子。
【請求項１０】
前記出力レベル安定化電圧は、前記感光画素を駆動する駆動電源電圧に同期する雑音成分を含むことを特徴とする請求項２記載の赤外線撮像素子。
【請求項１１】
前記電圧発生回路における入力電圧に対する前記出力レベル安定化電圧の回路利得は０を超えて１以下に設定されたことを特徴とする請求項２又は１０記載の赤外線撮像素子。
【請求項１２】
前記バイアス電圧を低域通過ろ波して前記電圧発生回路に出力する低域通過フィルタをさらに備えたことを特徴とする請求項２、１０又は１１記載の赤外線撮像素子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のうちのいずれか１つに記載の赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子から出力され、前記温度信号生成電圧を含む画像信号に基づいて、出力される画像信号が一定になるように補正する画像補正回路とを備えたことを特徴とする赤外線カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば入射赤外線による温度変化を２次元配列された半導体センサで検出する赤外線撮像素子に関し、特に、半導体センサからの電気信号を信号処理回路にて積分処理した後に出力する赤外線撮像素子に関する。また、本発明は上記赤外線撮像素子を用いた赤外線カメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な熱型赤外線固体撮像素子では、断熱層を有する画素を２次元に配列し、入射した赤外線によって画素の温度が変化することを利用して赤外線像を撮像する。非冷却型の熱型赤外線固体撮像素子の場合、画素を構成する温度センサには、ポリシリコン、アモルファスシリコン、炭化ケイ素や酸化バナジウム等のボロメータの他、ダイオードやトランジスタ等の半導体素子を用いたものが知られている。特に、ダイオード等の半導体素子は、電気特性や温度依存性のバラツキが固体間で非常に小さいため、各画素の特性を均一にする上で有利である。【０００３】
また、熱型赤外線固体撮像素子では、画素は２次元に配列されており、行ごとに駆動線によって接続され、列ごとに信号線によって接続されている。垂直走査回路とスイッチにより各駆動線が順番に選択され、選択された駆動線を介して電源から画素に通電される。画素の出力は信号線を介して積分回路に伝えられ、積分回路で積分及び増幅され、水平走査回路とスイッチによって順次出力端子へ出力される（例えば、非特許文献１参照）。【０００４】
これらの熱型赤外線固体撮像素子において、積分回路に入力される電圧に対して画素の両端電圧以外に駆動線での電圧降下が影響する。ところが、駆動線での電圧降下量は画素列毎に異なるため、積分回路の出力も画素列毎に異なった値となり、撮像した画像に駆動線の抵抗によるオフセット分布が発生してしまう。また、熱型赤外線固体撮像素子の赤外光に対するレスポンス、すなわち、画素の両端電圧の変化は、駆動線における電圧降下成分にくらべはるかに小さい。このため、駆動線による電圧降下分布によって増幅器が飽和等をおこし、必要な増幅度を確保できない問題もある。【０００５】
また、画素のレスポンスには赤外光のレスポンス以外に素子温度変化によるレスポンスも含まれるため、素子出力が素子温度変化とともにドリフトする問題もある。すなわち、画素が完全に断熱され、赤外線吸収による温度変化のみを検出することが理想であるが、画素の断熱層は有限の熱抵抗をもつため、検出動作を行っているときに環境温度が変化すると出力も変化してしまう。この環境温度の変化による出力変動は入射赤外線の変化と区別がつかないため、赤外線の測定精度が低下して安定した画像取得ができなくなってしまう。【０００６】
こうした問題を解消するため、特許文献１では、次のような構成を採用している。【０００７】
（１）積分回路に差動積分回路を用いる。
（２）駆動線に平行なバイアス線を設け、その抵抗を駆動線と実質同じにし、かつ、バイアス線の画素列毎に画素用電流源と実質同じ電流を流す電流源を設ける。
（３）差動積分回路の入力に、画素用電流源の両端電圧と、バイアス線に接続した電流源の両端電圧とを入力する。
（４）素子温度変化に応じた出力をだす参照信号出力回路を設け、その出力とリファレンス電源の比較により得られる出力レベル安定化電圧を生成し、低域通過フィルタやバッファを介してバイアス線に与える。【０００８】
バイアス線と駆動線の抵抗は実質同じであるので、バイアス線と駆動線の電圧降下量はほぼ同じになる。すなわち、駆動線抵抗による電圧降下分布は差動積分回路で減算され、外部に出力されない。さらにバイアス線に加えられる電圧は、画素の素子温度変動に対する信号出力変化を出力する参照信号出力回路をもとに生成されているので、素子温度変動によるドリフトも差動積分回路で減算され、外部に出力されない。【０００９】
しかし、前記対策では画素ごと、読出し列ごと、行ごとの微小な特性ばらつきに起因する素子温度変動による出力変動は抑制できない。こうした問題を解消するため、特許文献２では、次のような構成を採用している。【００１０】
（１）撮像素子内部に温度センサを設置する。
（２）温度信号成分から、適切な出力になるようなバイアス電圧を設定することで素子からの出力を制御し、アナログ／ディジタル変換器（以下、アナログ／ディジタル変換をＡ／Ｄ変換という）にて画素情報を取得する。
（３）同時に、前記画像取得用と別に設けたＡＤ変換器にて温度信号情報を取得する。
（４）温度情報をもとに、予め取得したルックアップテーブルから補正値を決定し、画像の安定化に利用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２１４６３９号公報
【特許文献２】特開２００２−３１４８８７号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】石川ほか，「従来のシリコンＩＣ  プロセスを用いた低コスト３２０×２４０  非冷却ＩＲＦＰＡ」，Ｐａｒｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＥ  Ｃオンｆｅｒｅｎｃｅ  オン  ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉオンｓ  ＸＸＶ，１９９９年４月発行，Ｖｏｌ．３６９８，５５６頁〜５６４頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１の赤外線撮像素子においては、画素信号レベルを一定レベルに保持するような出力レベル安定化電圧を発生させ、素子バイアスとしてフィードバックする機構となっており、画素信号内に基板温度情報は含まれない。基板温度情報を取得する場合、出力レベル安定化電圧をＡ／Ｄ変換器により読み取りを行う必要があり、本機構を付加することにより雑音成分増加の危険性が高まると同時に、Ａ／Ｄ変換器及び情報取得の機構が画像情報取得と別に必要であり、消費電力の増加と回路規模の増加をもたらす。また、正確な温度情報取得には、Ａ／Ｄ変換の大きなビット数を有するＡ／Ｄ変換器が必要であり、コスト増加を招くという問題点があった。【００１４】
また、正確な温度情報取得のためには、温度情報として素子、さらに好ましくは画素アレイ内の温度情報を信号成分とする必要がある。さらに好ましくは、画素が動作している、つまり温度情報を読み出しているタイミングにおける温度情報を取得することが好ましい。【００１５】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して簡単な回路構成により低コストで温度情報を取得することができる赤外線撮像素子及びこれを備えた赤外線カメラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様に係る赤外線撮像素子は、断熱層と赤外線吸収部材を有し、複数の感光画素が２次元形状に配置された感光画素アレイと、前記各感光画素の一方の極を行毎に共通に接続した駆動線と、前記駆動線を順次選択して電源に接続する垂直走査回路と、前記各感光画素の他方の極を列毎に共通に接続し、終端部分に第一の定電流源手段が接続された信号線と、前記感光画素アレイの列毎に設けられた第二の定電流源手段が並列に接続され、前記駆動線と実質的に同一の電圧降下を発生するバイアス線と、前記感光画素アレイの列毎に設けられ、前記第一の定電流源手段と前記第二の定電流源手段の両端電圧の差を所定の積分時間で時間積分して出力する差動積分回路と、前記差動積分回路の出力信号を列毎に選択して画像信号として画像信号出力端子に導く水平走査回路とを備える。ここで、赤外線撮像素子は、実質的に前記複数の感光画素の全体の温度変化に応じて変化する参照信号を出力する参照画素アレイと、前記バイアス線上の所定位置の電圧と前記参照信号との差分信号と、所定の基準電圧との差に対応しかつ出力レベル安定化電圧の電圧成分を含むバイアス電圧を生成してバイアス線に印加するバイアス発生回路と、前記バイアス電圧に基づいて所定の温度信号生成電圧を生成して前記画像信号出力端子に付加する電圧発生回路とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
従って、本発明によれば、温度信号生成電圧を含む画像信号を生成することができる。それ故、例えば、画像信号の取得と同一のＡ／Ｄ変換器にて温度情報の取得が可能となり、消費電力の増加と回路規模の増加をもたらさない。同時に、画像情報と温度情報がともに出力されるため、後段の画像信号処理回路における各種の画像補正が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【図２Ａ】図１の感光画素２の外観を示す斜視図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＡ−Ａ’線についての縦断面図である。
【図３Ａ】図１の参照画素３の実施例１の構成を示す縦断面図である。
【図３Ｂ】図１の参照画素３の実施例２の構成を示す縦断面図である。
【図３Ｃ】図１の参照画素３の実施例３の構成を示す縦断面図である。
【図３Ｄ】図１の参照画素３の実施例４の構成を示す縦断面図である。
【図３Ｅ】図１の参照画素３の実施例５の構成を示す縦断面図である。
【図４】図１の電圧発生回路１４の構成例を示す回路図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【図６Ａ】図５の電圧発生回路１４Ａの実施例１の構成例を示すブロック図である。
【図６Ｂ】図５の電圧発生回路１４Ａの実施例２の構成例を示すブロック図である。
【図６Ｃ】図５の電圧発生回路１４Ａの実施例３の構成例を示すブロック図である。
【図６Ｄ】図５の電圧発生回路１４Ａの実施例４の構成例を示すブロック図である。
【図７Ａ】本発明の実施の形態３に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【図７Ｂ】本発明の実施の形態３の変形例１に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【図７Ｃ】本発明の実施の形態３の変形例２に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【図８Ａ】本発明の実施の形態４に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【図８Ｂ】本発明の実施の形態４の変形例に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【図９】比較例に係る熱型赤外線固体撮像素子の画像補正回路の構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係る熱型赤外線固体撮像素子の補正回路の構成例を示すブロック図である。
【図１１】図４の電圧発生回路１４の各端子の電圧レベルを示す模式波形図である。
【図１２】図４の電圧発生回路１４の出力電圧を示す模式波形図である。
【図１３】比較例に係る熱型赤外線固体撮像素子における各種電圧レベルと内在する雑音成分の関係を示す図であって、各端子の電圧レベルを示す模式波形図である。
【図１４】図６Ａの電圧発生回路１４Ａの出力電圧レベルを示す模式波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２０】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。また、図２Ａは図１の感光画素２の外観を示す斜視図であり、図２Ｂは図２ＡのＡ−Ａ’線についての縦断面図である。
【００２１】
図１において、実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子は、従来技術に係る熱型赤外線固体撮像素子と同様に、複数の感光画素２が２次元形状で格子形状で配列されて感光画素アレイ２Ａを形成するように構成され、ここで、各感光画素２は直列に接続された複数個（少なくとも一つでもよい）のダイオード１００により構成される。感光画素２は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、断熱層１０２上に支持脚１０３を形成し、その上に、赤外線吸収部材１０１を形成して構成される。
【００２２】
所定数の感光画素２の各行ごとに駆動線３０が共通して接続される一方、所定数の感光画素２の各列ごとに信号線３１が共通して接続され、各信号線３１の終端には第１群の定電流源手段として第一の定電流源４が接続され、さらに差動積分回路３４の反転入力端子に接続されている。また、垂直走査回路１と複数の垂直選択スイッチ３５により駆動線３０が順番に選択され、各駆動線３０が電源端子２２に順次接続される。一方、第一の定電流源４に近接して感光画素２の各列毎に、第２群の定電流源手段として、第一の定電流源４と略同一の電流を流す第二の定電流源３２が配置されており、複数の第二の定電流源３２は駆動線３０と略平行なバイアス線３３によって並列接続されている。バイアス線３３は、駆動線３０と略同一の電圧降下を生じるように、駆動線３０と略同一の抵抗値を有し、各差動積分回路３４の非反転出力端子に接続されている。
【００２３】
なお、バイアス線３３は、駆動線３０と略同一の電圧効果を生じればよく、必ずしも駆動線３０と同一の抵抗を有する必要はない。第一の定電流源４の電流値が第二の定電流源３２と異なる場合には、それに応じてバイアス線３３と駆動線３０が異なる抵抗を有していてもよい。
【００２４】
感光画素２の各列毎に差動積分回路３４が設けられており、差動積分回路３４は、第一の定電流源４の両端電圧と第二の定電流源３２の両端電圧との差を所定の積分期間で時間積分しかつ増幅して、積分増幅された結果の画素信号の信号電圧は例えばトランジスタにてなる複数の水平選択スイッチ３７及び出力アンプ３６を介して出力される。ここで、水平走査回路６によって複数の水平選択スイッチ３７が順次オンされ、列毎に配置された差動積分回路３４の出力信号が画素信号として、出力アンプ３６を介して画像信号出力端子７から外部回路に出力される。バイアス線３３では駆動線３０と略同一の電圧降下を生じているため、前記構成によって駆動線３０での電圧降下分を出力電圧からキャンセルし、駆動線３０に由来するオフセット分布が除去される。
【００２５】
次に、従来技術に係る出力レベル安定化電圧１４ａの決定方法について以下に説明する。
【００２６】
図１の右端の差動積分回路３４は、感光画素アレイ２Ａ内もしくは感光画素アレイ２Ａ外に設けられた参照画素アレイ３Ａ（参照信号出力回路）の参照画素３から出力される、素子温度を反映した参照信号と、バイアス線３３の電圧との差分信号を発生し、差分信号を出力アンプ３６及びサンプルホールド回路８を介して、差動増幅回路にてなるバイアス発生回路９の反転入力端子に出力する。バイアス発生回路９は前記差分信号を所定の基準電圧１０と対比し、その差に応じたバイアス電圧を生成して、低域通過フィルタ１１、バッファアンプ１２及び低域通過フィルタ１３を介してバイアス線３３にフィードバックする。以上のループ回路により、バイアス線３３の電圧を参照信号に応じて（すなわち、素子温度に応じて）変化させながら、製造バラツキ等によるバイアス線の電圧バラツキを自動修正することができる。
【００２７】
次いで、参照画素アレイ３Ａの構造について以下に説明する。
【００２８】
図３Ａ〜図３Ｅはそれぞれ図１の参照画素３の実施例１〜５の構成を示す縦断面図である。ここで、参照画素３は感光画素２から、断熱層１０２と赤外線吸収部材１０１の少なくとも一方を除去し、又は赤外線遮光層１０４を付加して構成される。なお、図３Ａ〜図３Ｅの参照画素アレイ３Ａの構造については、実施の形態１以外の他の実施の形態及びその変形例に適用してもよい。
【００２９】
例えば、参照画素３は、図３Ａに示すように、図２Ａ及び図２Ｂの構造から赤外線吸収部材１０１と断熱層１０２を除去して構成してもよい。また、参照画素３は、図３Ｂに示すように、図２Ａ及び図２Ｂの構造において、赤外線遮光層１０４を赤外線吸収部材１０１に直接付加しただけで構成してもよい。さらに、参照画素３は、図３Ｃのように、図２Ａ及び図２Ｂの構造に対して、赤外線遮光層１０４を画素全体を覆うように構成してもよい。
【００３０】
また、参照画素３は、図３Ｄに示すように、図２Ａ及び図２Ｂの構造において、赤外線吸収部材１０１を除去し、赤外線遮光層１０４を形成して構成してもよい。ここで、赤外線吸収部材１０１を除去するだけで赤外線吸収率が十分無視できる場合は、参照画素３を図３Ｅに示す構造で構成してもよい。すなわち、参照画素３は、図３Ｅに示すように、図２Ａ及び図２Ｂの構造から赤外線吸収部材１０１を除去することで構成される。とって代わって、入光する赤外線が阻害されるようなフィルタを熱型赤外線固体撮像素子の前面（図１の紙面に対して上方）に設置してもよい。
【００３１】
図１において、参照画素３に接続された第一の定電流源４の両端電圧を参照信号として読み出す。この参照信号は、通常の感光画素２の出力信号の経路と同様にして読み出される。すなわち、参照画素３に接続された第一の定電流源４の両端電圧は図１の右端の差動積分回路３４の反転入力端子に入力され、それに隣接してバイアス線３３に接続された第二の電流源３２の両端電圧は当該差動積分回路３４の非反転入力端子に入力される。当該差動積分回路３４は入力された２つの電圧の差を積分しかつ増幅して出力する。その出力信号は、水平走査回路６と水平選択スイッチ３７によって、通常の画像読出しの１ライン毎に参照画素３に対応した出力信号として読み出され、出力アンプ３６を介して画像信号出力端子７から出力される。
【００３２】
画像信号出力端子７には、サンプルホールド回路８が接続されており、サンプルホールド回路８は参照画素３の出力信号をサンプルホールドする。そして、サンプルホールドされた信号電圧は、差動増幅回路にてなるバイアス発生回路９の反転入力端子に入力される一方、バイアス発生回路９の非反転入力端子には基準電圧１０が入力される。バイアス発生回路９は、入力される２つの電圧の差を対応したバイアス電圧を生成して出力する。生成されたバイアス電圧は、低域通過フィルタ１１、バッファアンプ１２及び低域通過フィルタ１３を介して出力レベル安定化電圧１４ａとして生成され、出力レベル安定化電圧１４ａがバイアス線３３に印加される。
【００３３】
ここで、サンプルホールド回路８は参照画素３の出力信号をサンプルホールドし、このとき、一画面につき一画素の出力電圧をサンプルホールドすることでバイアス電圧を決定してもよく、もしくは一画面につき複数画素の出力電圧をサンプルホールドすることで、平均化してもよい。
【００３４】
ここで、差動積分回路３４の減算極性とバイアス発生回路９の減算極性は、参照画素３に対応する出力信号の変化が抑制される方向に選択されている。すなわち、バイアス線３３の電圧（バイアス線３３に接続した電流源３２の電圧）が差動積分回路３４の非反転入力端子に入力された場合には、その差動積分回路３４からの出力電圧はバイアス発生回路９の反転入力端子に入力される。逆に、バイアス線３３の電圧が差動積分回路３４の反転入力端子に入力された場合には、差動積分回路３４の出力電圧はバイアス発生回路９の非反転入力端子に入力される。これにより、バイアス発生回路９は、サンプルホールドされた信号電圧と基準電圧１０の差に応じて、この差を減少させる方向にバイアス線３３の電圧を変化させることになる。
【００３５】
従来技術に係る熱型赤外線固体撮像素子においては、出力レベル安定化電圧１４ａを、低域通過フィルタ１１、バッファアンプ１２及び低域通過フィルタ１３を介して直接に、バイアス線３３に印加するものであった。この出力レベル安定化電圧１４ａにより、参照画素３の信号レベルを一定レベルに保持するため、画素信号内に基板温度情報は含まれず、温度信号は出力レベル安定化電圧１４ａに含まれることになる。出力レベル安定化電圧１４ａを基板温度情報として取得する場合、バイアス電圧をＡ／Ｄ変換器により読み取りを行う必要があり、本機構において雑音成分増加の危険性が高まると同時に、Ａ／Ｄ変換器及び情報取得の機構が画像情報取得と別に必要であり、消費電力の増加と回路規模の増加をもたらす。また、正確な温度情報取得には、Ａ／Ｄ変換の大きなビット数を有するＡ／Ｄ変換器が必要であり、コスト増加を招くという問題点があった。
【００３６】
本実施の形態における熱型赤外線固体撮像素子は、これらの問題点を解決する手段として、出力レベル安定化電圧１４ａを電圧発生回路１４に印加し、電圧発生回路１４は温度信号生成電圧１４ｃの電圧成分を生成して水平選択スイッチ３７及び出力アンプ３６を介して画像信号出力端子７に付加するように出力する。
【００３７】
図４は図１の電圧発生回路１４の構成例を示す回路図である。また、図１１は図４の電圧発生回路１４の各端子の電圧レベルを示す模式波形図である。
【００３８】
出力レベル安定化電圧１４ａは基板温度に追従して変化する。基板温度は環境温度により強く影響を受けるとともに、素子動作周期等の微小な温度変化に対しても影響を受ける。このため、基板温度を取得するときは、差動積分回路３４の動作期間、つまり画素動作期間における温度情報を取得することが好ましい。また、図１１において、画素信号５０の信号電圧は画素信号の出力Ａ／Ｄ変換範囲内に設定されているのに対し、出力レベル安定化電圧１４ａはこの画素信号出力Ａ／Ｄ変換範囲に設定されるとは限らない。
【００３９】
図４において、第一レベルシフト回路４０は、出力レベル安定化電圧１４ａを画像信号出力端子７における画素信号Ａ／Ｄ変換範囲内にレベルシフトするように、出力レベル安定化電圧１４を第一生成電圧１４ｄに変換してサンプルホールド回路４１に出力する。このとき、レベルシフト量を規定するため、レベルシフト量調整電圧４２を第一レベルシフト回路４０に入力してもよい。サンプルホールド回路４１は、入力される第一生成電圧１４ｄを、差動積分回路３４の動作期間を示す動作期間信号５１に応じて当該動作期間においてサンプルホールドを行うことで、温度信号生成電圧１４ｃを生成する。これにより、画素信号を取得しているタイミングに同期して基板温度を取得することができる。
【００４０】
図１２は図４の電圧発生回路１４の出力電圧を示す模式波形図である。図１において、前記温度信号生成電圧１４ｃを水平選択スイッチ３７に印加し、水平選択スイッチ３７が水平走査回路６からの制御信号を受けてオンすることで、温度信号生成電圧１４ｃは画像信号出力端子７へと出力される。つまり、温度信号生成電圧１４ｃと画素信号は異なるタイミングで画素信号５０と同一信号上に印加されることになる。
【００４１】
なお、図１の電圧発生回路１４は、安定化電圧１４ａを画素信号出力範囲内にレベルシフトされており、かつ温度信号取得期間に同期した温度情報を取得できればよく、前記回路構成に限定されない。
【００４２】
本手法により、新しく設けた電圧発生回路１４において画素信号と出力レベルを同一範囲とした温度信号生成電圧を発生させる。この温度信号生成電圧を画像信号出力端子７に出力することで、画像取得と同一のＡ／Ｄ変換器にて温度情報の取得が可能となり、消費電力の増加と回路規模の増加をもたらさない。また、同時に、画素アレイ内、画素が動作している、つまり温度情報を読み出しているタイミングにおける温度情報を取得できるため、正確な温度情報取得が可能となる。
【００４３】
以上説明したように、実施の形態１に係る赤外線撮像素子によれば、断熱層１０２と赤外線吸収部材１０１を有し、複数の感光画素２が２次元形状に配置された感光画素アレイ２Ａと、各感光画素２の一方の極を行毎に共通に接続した駆動線３０と、駆動線３０を順次選択して電源に接続する垂直走査回路１と、各感光画素２の他方の極を列毎に共通に接続し、終端部分に第一の定電流源４が接続された信号線３１と、感光画素アレイ２Ａの列毎に設けられた第二の定電流源３２が並列に接続され、駆動線３０と実質的に同一の電圧降下を発生するバイアス線３３と、感光画素アレイ２Ａの列毎に設けられ、第一の定電流源４と第二の定電流源３２の両端電圧の差を所定の積分時間で時間積分して出力する差動積分回路３４と、差動積分回路３４の出力信号を列毎に選択して画像信号として画像信号出力端子７に導く水平走査回路６とを備える。ここで、赤外線撮像素子は、実質的に複数の感光画素２の全体の温度変化に応じて変化する参照信号を出力する参照画素アレイ３Ａと、バイアス線上の所定位置の電圧と参照信号との差分信号と、所定の基準電圧との差に対応しかつ出力レベル安定化電圧の電圧成分を含むバイアス電圧を生成してバイアス線に印加するバイアス発生回路９と、バイアス電圧に基づいて所定の温度信号生成電圧を生成して画像信号出力端子に付加する電圧発生回路１４とを備える。
【００４４】
従って、新しく設けた電圧発生回路１４は画素信号と出力レベルを同一範囲とした温度信号生成電圧を発生する。この温度信号生成電圧を画像信号出力端子７に印加することで、画像信号の取得と同一のＡ／Ｄ変換器１６ａ（図９，図１０）にて温度情報の取得が可能となり、消費電力の増加と回路規模の増加をもたらさない。同時に、画像情報と温度情報が同期して出力されるため、後段の画像信号処理回路における各種の画像信号の補正が容易となる。
【００４５】
ここで、好ましくは、参照画素アレイ３Ａは、断熱層１０２と赤外線吸収部材１０１のいずれか一方又は両方を除去するように構成され、もしくは赤外線遮光層１０４を有するように構成される。
【００４６】
また、好ましくは、感光画素アレイ２Ａは、断熱層１０２と赤外線吸収部材のいずれか一方又は両方を除去するように構成される。
【００４７】
さらに、好ましくは、参照画素アレイ３Ａは、感光画素アレイ２Ａの垂直方向又は水平方向の少なくとも１辺に隣接するように形成される。
【００４８】
またさらに、好ましくは、参照画素アレイ３Ａは複数の参照画素３を備え、バイアス発生回路９の前段に設けられ、複数の参照画素３からの画素信号を平均化した後サンプルホールドし、サンプルホールドされた画素信号をバイアス発生回路９に出力するサンプルホールド回路８をさらに備える。従って、複数の参照画素３からの出力信号を平均化することで、出力レベル安定化電圧１４ｂが安定し、結果的に画像信号の出力レベルも安定したものが得られる。
【００４９】
また、温度信号生成電圧１４ｃは、画像信号の電圧レベルとともに所定電圧となるように調整され、画素信号とは異なるタイミングで画像信号に付加されるように構成される。
【００５０】
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。図５の実施の形態２に係る熱型赤外線固体撮像素子は、図１の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子に比較して、以下の点が異なる。
（１）実施の形態１と同一の方法により生成したバイアス電圧は、バイアス発生回路９から、入力電圧を低域通過ろ波する低域通過フィルタ１１を介して出力レベル安定化電圧１４ａとして生成されて、当該出力レベル安定化電圧１４ａは電圧発生回路１４Ａに入力される。
（２）本回路において、温度信号生成電圧１４ｃと出力レベル安定化電圧１４ｂの二種類の電圧が生成され、該温度信号生成電圧１４ｃを水平選択スイッチ３７を介して画像信号出力端子７に出力し、出力レベル安定化電圧１４ｂをバイアス線３３に出力する。
【００５１】
従来技術に係る熱型赤外線固体撮像素子においては、出力レベル安定化電圧１４ａを低域通過フィルタ１１、バッファアンプ１２及び低域通過フィルタ１３を介して直接バイアス線３３に直接印加するものであったが、バイアス線３３に印加される出力レベル安定化電圧１４ａは、増幅度の高い差動積分回路（多くの場合、利得１０以上）によって増幅され、さらに素子が組込まれたカメラ内部のアンプ回路でも増幅されるため、高精度な設定が必要である。また、前記出力レベル安定化電圧１４ａに含まれる雑音成分と、画素駆動用電源端子２２の電源電圧に含まれる雑音成分は別相の関係を持つため、差動積分回路３４におけるコモンモード雑音抑制効果が得られにくいという問題が存在する。また、基板温度情報を取得する場合、バイアス電圧をＡ／Ｄ変換器により読み取りを行う必要があり、本機構において雑音成分増加の危険性が高まると同時に、Ａ／Ｄ変換器及び情報取得の機構が画像情報取得と別に必要であり、消費電力の増加と回路規模の増加をもたらす。
【００５２】
図１３は比較例に係る熱型赤外線固体撮像素子における各種電圧レベルと内在する雑音成分の関係を示す図であって、各端子の電圧レベルを示す模式波形図である。すなわち、図１３は電源端子２２に印加されている電源端子電圧５２と、出力レベル安定化電圧１４ａと、第一の定電流源４の両端電圧と第二の定電流源３２の両端電圧の関係性を示す。
【００５３】
図１３から明らかなように、出力レベル安定化電圧１４ａは基板温度に追従して変化するため、基板温度は環境温度により強く影響を受けるとともに、素子動作周期等の微小な温度変化に対しても影響を受ける。また、バイアス発生回路９やバッファアンプ１２をはじめとする、バイアス線３３に至る経路の回路では、様々な雑音が印加される。同様に、電源端子２２に印加されている電源端子電圧５２においても、雑音成分が存在している。ここで、出力レベル安定化電圧１４ａと電源端子電圧５２に存在している雑音成分は必ずしも同期しているものではない。
【００５４】
次いで、差動積分回路３４に印加されている２種類の電圧信号、つまり第一の定電流源４の両端電圧と第二の定電流源３２の両端電圧について以下に説明する。
【００５５】
第一の定電流源４の両端電圧は、電源端子電圧５２から垂直走査回路１うちの配線、駆動線３０、ダイオード１００、信号線３１を経由して生成される。それぞれの経路において電圧降下が発生するため、第一の定電流源４の両端電圧は電源端子電圧５２よりも電圧レベルが低くなる。また、前記それぞれの経路においての雑音成分と、電源端子電圧５２に内在する雑音成分が合成された雑音を有している。
【００５６】
第二の定電流源３２の両端電圧は出力レベル安定化電圧１４ａからバイアス線３３を経由して生成される。第二の定電流源３２は出力レベル安定化電圧１４ａよりも電圧レベルが低くなる。また、バイアス線３３において発生する雑音成分と、出力レベル安定化電圧１４ａに内在する雑音成分が合成された雑音を有している。
【００５７】
つまり、差動積分回路３４に印加される２種類の電圧信号、つまり第一の定電流源４の両端電圧と第二の定電流源３２の両端電圧においても、雑音成分は同期しておらず、差動積分回路３４からの出力電圧には前記２種類の信号の雑音が合算されたものが出力されることになる。本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像素子は、これらの問題点を解決するものであり、以下に詳述する。
【００５８】
図６Ａ〜図６Ｄはそれぞれ図５の電圧発生回路１４Ａの実施例１〜４の構成例を示すブロック図である。また、図１４は図６Ａの電圧発生回路１４Ａの出力電圧レベルを示す模式波形図である。
【００５９】
図６Ａの電圧発生回路１４Ａは、第一レベルシフト回路４０と、サンプルホールド回路４１と、第二レベルシフト回路４３と、雑音成分印加回路４４と、バッファアンプ４５とを備えて構成される。図６Ａにおいて、出力レベル安定化電圧１４ａは、第一レベルシフト回路４０及び第二レベルシフト回路４３に入力される。第一レベルシフト回路４０から出力された電圧は、実施の形態１と同様にサンプルホールド回路４１により電圧安定化が図られ、温度信号生成電圧１４ｃとして生成される。温度信号生成電圧１４ｃは水平選択スイッチ３７を介して画像信号出力端子７に出力される。
【００６０】
図６Ａの電圧発生回路１４Ａでは、同時に、出力レベル安定化電圧１４ａは第二レベルシフト回路４３によりレベルシフトされて第二生成電圧１４ｅが生成される。ここで、第二レベルシフト回路４３における回路利得（入力電圧に対する出力レベル安定化電圧１４ｂの利得）は０を超えて１以下に設定することで、出力レベル安定化電圧１４ａに内在していた雑音成分は抑制されることになる。当該第二生成電圧１４ｅは雑音成分印加回路４４に入力され、電源端子電圧５２に内在する雑音成分が電源端子２２から印加されることで、第三生成電圧１４ｆが生成される。当該第三生成電圧１４ｆはバッファアンプ４５を介して出力され、バッファアンプ４５は出力レベル安定化電圧１４ｂを生成してバイアス線３３に出力する。これらの回路構成により、結果的に、出力レベル安定化電圧１４ｂにおいては出力安定化電圧１４ａに内在する雑音成分は抑制され、かつ感光画素アレイ２Ａの感光画素２を駆動する電源電圧（以下、駆動電源電圧という。）である電源端子電圧５２に同期する雑音成分が印加されることとなる。
【００６１】
差動積分回路３４に印加される２種類の電圧信号、つまり第一の定電流源４の両端電圧と第二の定電流源３２の両端電圧は前記電源端子電圧５２と出力レベル安定化電圧１４ｂで決定されるため、上記駆動電源電圧に同期する雑音成分を有していることになる。差動積分回路３４の出力電圧は、上記駆動電源電圧に同期する雑音成分は相殺する効果を有しているため、コモンモード雑音抑制効果が得られる。結果的に画像信号出力端子７における雑音成分は抑制されることとなる。
【００６２】
ここで、第二レベルシフト回路４３からバッファアンプ４５に至る電流経路における回路利得（入力電圧に対する出力レベル安定化電圧１４ｂの利得）は０を超えて１以下に設定することが好ましい。これにより、出力レベル安定化電圧１４ａに内在していた雑音成分は抑制され、結果的に画像信号出力端子７における雑音成分は抑制されることとなる。同時に、本構成における出力レベル安定化電圧１４ａと、従来の熱型赤外線固体撮像素子における出力レベル安定化電圧１４ａの設定精度が同程度であれば、バイアス線３３に印加される出力レベル安定化電圧１４ｂは該電圧発生回路１４Ａの回路利得の逆数だけ高精度となる。
【００６３】
また、第一レベルシフト回路４０とサンプルホールド回路４１の構成は実施の形態１と同一であるため、画像取得と同一であるＡ／Ｄ変換器にて温度情報の取得が可能となり、消費電力の増加と回路規模の増加をもたらさないという効果は保たれる。同時に、画像情報と温度情報が同期して出力されるため、信号処理回路における各種補正が容易となる効果も保たれる。
【００６４】
なお、本実施の形態に係る電圧発生回路１４Ａは、出力レベル安定化電圧１４ａに基づいて、画素信号出力範囲内にレベルシフトした、安定な電圧である温度信号生成電圧１４ｃを発生させるという機能、及び出力レベル安定化電圧１４ａに基づいて、電源端子２２に入力される駆動電源電圧に同期する雑音成分が印加され、変動幅が減衰処理された出力レベル安定化電圧１４ｂを生成する機能を有していればよく、図６Ａに示す回路構成に限らない。以下に変形例を示す。
【００６５】
例えば、図６Ｂに示すように、第二レベルシフト回路４３とバッファアンプ４５において、電源端子２２からの雑音成分を印加する図６Ａの雑音成分印加回路４４の機能を持たせることで、雑音成分印加回路４４を省略してもよい。
【００６６】
また、例えば、図６Ｃに示すように、出力安定化電圧１４ａを第三レベルシフト回路４６に入力し、第三レベルシフト回路４６からの出力電圧をバッファアンプ４５を介して得た電圧を、第一抵抗４７及び第二抵抗４８で抵抗分割する。第一抵抗４７及び第二抵抗４８の接続点で得られる電圧をサンプルホールド回路４１によりサンプルホールドすることで温度信号生成電圧１４ｃを得る。また、バッファアンプ４５の出力電圧を第一抵抗４７及び第二抵抗４８を介して得た電圧を出力レベル安定化電圧１４ｂとして生成する。これらの方法により、温度信号生成電圧１４ｃ及び出力レベル安定化電圧１４ｂを得ることができ、電圧発生回路１４Ａを図６Ａ及び図６Ｂの回路に比較して簡素化できる。
【００６７】
さらに、図６Ｄに示すように、図６Ｂの電圧発生回路１４Ａに比較して、第二レベルシフト回路４３及びバッファアンプ４５と、電源端子２２との間にスイッチＳＷを追加挿入してもよい。これにより、第二レベルシフト回路４３及びバッファアンプ４５に印加される電圧を、所定の制御信号に基づいてスイッチＳＷによりオン／オフ制御してもよい。このとき、オンタイミングは、赤外線検知を行っているタイミング（図６Ｄの電圧発生回路１４Ａの駆動タイミングであって図１等の差動積分回路３４の積分期間）、つまり垂直選択スイッチ３５に同期していることが好ましい。これにより、電圧発生回路１４Ａにおける消費電力が、オン期間のみに限定されるため、消費電力抑制効果が得られる。
【００６８】
また、電圧発生回路１４Ａでバッファ機能を持たせるのであれば、図５で示す通り、バイアス発生回路９から電圧発生回路１４Ａ間には低域通過フィルタ１１のみを挿入すればよく、バッファアンプ１２及び低域通過フィルタ１３は必ずしも必要ではなくなる。これにより、出力レベル安定化電圧１４ａ中のバッファアンプ１２で発生する雑音成分を除去できるため、出力信号の定雑音化に効果がある。同時に、バッファアンプ１２での消費電力が不要になるため、低消費電力化が可能となり、かつ製造コストを抑制することができる。
【００６９】
以上説明したように、実施の形態２及びその変形例によれば、電圧発生回路１４Ａは、バイアス電圧及び電源端子２２からの入力電圧に基づいて、温度信号生成電圧１４ｃを生成して画像信号出力端子７に付加するともに、出力レベル安定化電圧１４ｂを発生してバイアス線３３に印加する。従って、実施の形態１と同様の作用効果を有するとともに、出力レベル安定化電圧１４ｂに感光画素の駆動電圧と同相の雑音成分を付加することが可能であり、差動積分回路３４におけるコモンモード雑音抑制効果を効果的に得られる。
【００７０】
また、例えば図６Ｄに示すように、電圧発生回路１４は、差動積分回路３４の積分期間において駆動されるように構成される。従って、電圧発生回路１４における消費電力がオン期間のみに限定されるため、消費電力抑制効果が得られる。
【００７１】
さらに、実施の形態２の図５、図６Ａ〜図６Ｄに示すように、出力レベル安定化電圧１４ｂは、感光画素２を駆動する駆動電源電圧に同期する雑音成分を含む。従って、出力レベル安定化電圧１４ｂに駆動電源電圧と同相の雑音成分を付加することで、差動積分回路３４におけるコモンモード雑音抑制効果が効果的に得られる。
【００７２】
またさらに、実施の形態２によれば、電圧発生回路１４における入力電圧に対する出力レベル安定化電圧１４ｂの回路利得は０を超えて１以下に設定される。これにより、出力レベル安定化電圧１４ｂの制御性を高めるとともに、出力レベル安定化電圧１４ｂに含まれる雑音成分の画素出力信号への影響を抑えることができる。
【００７３】
またさらに、実施の形態２によれば、バイアス発生回路９からのバイアス電圧を低域通過ろ波して電圧発生回路１４に出力する低域通過フィルタ１１を備える。従って、電圧発生回路１４でバッファ機能を持たせるときに、バイアス発生回路９から電圧発生回路１４までの間には低域通過フィルタ１１のみを設ければよく、図１のバッファアンプ１２及び低域通過フィルタ１３は必ずしも必要ではなくなる。これにより、出力レベル安定化電圧１４ａのバッファアンプ１２で発生する雑音成分を除去できるため、出力信号の定雑音化に効果がある。
【００７４】
実施の形態３．
図７Ａは本発明の実施の形態３に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。また、図７Ｂは本発明の実施の形態３の変形例１に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。さらに、図７Ｃは本発明の実施の形態３の変形例２に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【００７５】
実施の形態１及び２で示した参照画素アレイ３Ａは、参照画素３の温度が感光画素アレイ２Ａの感光画素２の温度と同等のものであればよく、図１で示したような右側一列に限らない。例えば、図７Ａのように下側一行に配置してもよいし、図７Ｂのように任意の一画素に配置してもよい。また、感光画素アレイ２Ａと同一の温度である、もしくは温度差が十分小さいと判断できる場合、図７Ｃのように感光画素アレイ２Ａ外に参照画素アレイ３Ａを配置してもよい。
【００７６】
図１及び図７Ａ〜図７Ｃのいずれの場合も、サンプルホールド回路８において参照画素３からの出力に相当するタイミングでサンプルホールドを行うことで、実施の形態１及び実施の形態３と同等の効果を得ることができる。
【００７７】
また、複数の感光画素２からの画素信号の信号電圧を平均化することで、出力レベル安定化電圧１４ａが安定し、結果的に画像信号の出力レベルも安定したものが得られる効果が得られる。
【００７８】
実施の形態４．
図８Ａは本発明の実施の形態４に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。また、図８Ｂは本発明の実施の形態４の変形例に係る熱型赤外線固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【００７９】
実施の形態１で示した図１及び実施の形態２で示した図５中の第一の定電流源４は各信号線３１の終端に設置されていたが、本発明はその配置に限らない。具体的には、図８Ａに示す通り、第一の定電流源４を感光画素２を間に挟んで第二の定電流源３２と対向する位置に設けてもよい。この配置方法により、感光画素２の信号線３１への接続点における電圧が差動積分回路３４に入力されることになる。つまり、図１及び図５での差動積分回路３４に入力されていた電圧信号が信号線３１での電圧降下成分を含むものであったのに対し、本構成では含まれない。製造ばらつき及び温度成分が変化したときの電圧降下量変化等のばらつき成分を除去した画素信号の出力電圧を得ることができるため、画素信号レベルの安定化が図られる。
【００８０】
このとき、図８Ｂの変形例に示すとおり、電源端子２２からの電圧を垂直走査回路１の上下端から入力してもよい。この回路構成により、各行の駆動線３０に入力される電圧の均一性が向上するため、画素信号レベルの安定化が図られる。なお、図８Ｂでは上下二点からの入力としたが、本発明はそれに限らず、垂直走査回路１の途中での入力を含み、多点入力とすることで、画素信号レベルをさらに安定化できる。
【００８１】
以上説明したように、実施の形態４とその変形例によれば、第一の定電流源４と第二の定電流源３２とは、感光画素アレイ２Ａを挟設するように設けられる。従って、差動積分回路３４に入力されていた電圧信号は信号線３１での電圧降下成分を含まない。これにより、製造ばらつき及び温度成分が変化したときの電圧降下量変化等のばらつき成分を除去した画素信号を出力できるため、出力信号を安定化できる。
【００８２】
実施の形態５．
図９は比較例に係る熱型赤外線固体撮像素子の画像補正回路の構成例を示すブロック図である。図９において、画像補正回路１７は、温度信号変動量判定回路１８と、補正信号生成回路１９と、画像信号合成回路２０とを備えて構成され、補正信号生成回路１９及び画像信号合成回路２０に、予め温度変化による補正データを保持するメモリ２１が接続される。すなわち、図９において、画像信号の読出しを行う手段として、画像信号用Ａ／Ｄ変換器１６ａを有し、温度信号の読出しを行う手段として、温度信号用Ａ／Ｄ変換器１６ｂを有する。ここで、温度信号用Ａ／Ｄ変換器１６ｂの出力信号に基づいて、温度信号変動量判定回路１８は基板温度の判定を行い、その判定結果を補正信号生成回路１９に出力する。補正信号生成回路１９は、入力される判定結果と、メモリ２１からの補正データに基づいて補正信号を生成して画像信号合成回路２０に出力する。画像信号合成回路２０は、画像信号用Ａ／Ｄ変換器１６ａにより読み出された画像信号に対して補正信号を用いて補正することで、補正後の画像信号を合成して出力する。これにより、温度変化時においても安定した画像出力を得ることができる。
【００８３】
図１０は本発明の実施の形態５に係る熱型赤外線固体撮像素子の画像補正回路の構成例を示すブロック図である。
【００８４】
実施の形態１で示した図１及び実施の形態２で示した熱型赤外線固体撮像素子の回路構成により、画素信号中に温度信号を付加することができるため、図１０に示すように、図９の比較例に比較して、温度信号用Ａ／Ｄ変換器１６ｂを省略することができる。これにより、画像補正回路１７は、画像信号用Ａ／Ｄ変換器１６ａから読み出した画像信号に基づいて、画像信号と温度信号の一括判定が可能となる。従って、雑音成分増加の危険性を抑制でき、消費電力、製造コストの増加と回路規模の増加を防ぐことができる。また、高精度なＡ／Ｄ変換器で構成されている画像信号用Ａ／Ｄ変換器１６ａを利用することにより、正確な温度情報取得が可能となる。また、温度信号として画素アレイと同一の温度を測定することができるため、正確な温度情報取得が可能となる。
【００８５】
また、図１０の実施の形態５に係る画像補正回路においては、図９と同様に温度信号変動量判定回路１８、メモリ２１、補正信号生成回路１９、画像信号合成回路２０を用いて、画像信号の補正及び合成を行う。本構成により温度変化時においても安定した画像出力を得るという効果が向上されるとともに、消費電力、製造コストの増加と回路規模の増加を防ぐことができる。
【００８６】
図１０の画像補正回路を備えた赤外線撮像素子及び、赤外線撮像素子からの画像信号に対して所定の画像信号処理を行って、当該画像信号のデータを画像メモリに格納する赤外線カメラを構成してもよい。これにより、赤外線撮像素子に含まれる温度情報に基づいて、図１０の画像補正回路において赤外線撮像素子から出力される画像信号を上述のように調整することで、環境温度変化によらず一定の均一性を有する画像を得ることができる。すなわち、温度変化時においても安定した画像信号の出力を得るという効果が向上されるとともに、消費電力、製造コストの増加と回路規模の増加を防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上詳述したように、本発明によれば、温度信号生成電圧を含む画像信号を生成することができる。それ故、例えば、画像信号の取得と同一のＡ／Ｄ変換器にて温度情報の取得が可能となり、消費電力の増加と回路規模の増加をもたらさない。同時に、画像情報と温度情報がともに出力されるため、後段の画像信号処理回路における各種の画像補正が容易となる。
【符号の説明】
【００８８】
１  垂直走査回路、２  感光画素、２Ａ  感光画素アレイ、３  参照画素、３Ａ  参照画素アレイ、４  第一の定電流源、５  読出し回路、６  水平走査回路、７  画像信号出力端子、８  サンプルホールド回路、９  バイアス発生回路、１０  基準電圧、１１  低域通過フィルタ、１４，１４Ａ  電圧発生回路、１４ａ  出力レベル安定化電圧、１４ｂ  出力レベル安定化電圧、１４ｃ  温度信号生成電圧、１４ｄ  第一生成電圧、１４ｅ  第二生成電圧、１４ｆ  第三生成電圧、１５  熱型赤外線固体撮像素子、１６ａ  画素信号用Ａ／Ｄ変換器、１６ｂ  温度信号用Ａ／Ｄ変換器、１７  画像補正回路、１８  温度信号変動量判定回路、１９  補正信号生成回路、２０  画像信号合成回路、２１  メモリ、２２  電源端子、３０  駆動線、３１  信号線、３２  第二の定電流源、３３  バイアス線、３４  差動積分回路、３５  垂直選択スイッチ、３６  出力アンプ、３７  水平選択スイッチ、４０  第一レベルシフト回路、４１  サンプルホールド回路、４２  レベルシフト量調整電圧、４３  第二レベルシフト回路、４４  雑音成分印加回路、４５  バッファアンプ、４６  第三レベルシフト回路、４７  第一抵抗、４８  第二抵抗、５０  画素信号、５１  動作期間信号、５２  電源端子電圧、１００  ダイオード、１０１  赤外線吸収部材、１０２  断熱層、１０３  支持脚、１０４  赤外線遮光層、ＳＷ  スイッチ。
【図１】
2017183260.tif 000003
【図２Ａ】
2017183260.tif 000004
【図２Ｂ】
2017183260.tif 000005
【図３Ａ】
2017183260.tif 000006
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
2017183260.tif 000011
【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
2017183260.tif 000020
【図８Ｂ】
2017183260.tif 000021
【図９】
2017183260.tif 000022
【図１０】
2017183260.tif 000023
【図１１】
2017183260.tif 000024
【図１２】
2017183260.tif 000025
【図１３】
2017183260.tif 000026
【図１４】
2017183260.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月8日(2018.8.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
一般的な熱型赤外線固体撮像素子では、断熱層を有する画素を２次元に配列し、入射した赤外線によって画素の温度が変化することを利用して赤外線像を撮像する。非冷却型の熱型赤外線固体撮像素子の場合、画素を構成する温度センサには、ポリシリコン、アモルファスシリコン、炭化ケイ素や酸化バナジウム等のボロメータの他、ダイオードやトランジスタ等の半導体素子を用いたものが知られている。特に、ダイオード等の半導体素子は、電気特性や温度依存性のバラツキが個体間で非常に小さいため、各画素の特性を均一にする上で有利である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
（１）撮像素子内部に温度センサを設置する。
（２）温度信号成分から、適切な出力になるようなバイアス電圧を設定することで素子からの出力を制御し、アナログ／ディジタル変換器（以下、アナログ／ディジタル変換をＡ／Ｄ変換という）にて画素情報を取得する。
（３）同時に、前記画像取得用と別に設けたＡ／Ｄ変換器にて温度信号情報を取得する。
（４）温度情報をもとに、予め取得したルックアップテーブルから補正値を決定し、画像の安定化に利用する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【非特許文献１】石川ほか，「従来のシリコンＩＣ  プロセスを用いた低コスト３２０×２４０  非冷却ＩＲＦＰＡ」，Ｐａｒｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＥ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ＸＸＶ，１９９９年４月発行，Ｖｏｌ．３６９８，５５６頁〜５６４頁
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
図１において、参照画素３に接続された第一の定電流源４の両端電圧を参照信号として読み出す。この参照信号は、通常の感光画素２の出力信号の経路と同様にして読み出される。すなわち、参照画素３に接続された第一の定電流源４の両端電圧は図１の右端の差動積分回路３４の反転入力端子に入力され、それに隣接してバイアス線３３に接続された第二の定電流源３２の両端電圧は当該差動積分回路３４の非反転入力端子に入力される。当該差動積分回路３４は入力された２つの電圧の差を積分しかつ増幅して出力する。その出力信号は、水平走査回路６と水平選択スイッチ３７によって、通常の画像読出しの１ライン毎に参照画素３に対応した出力信号として読み出され、出力アンプ３６を介して画像信号出力端子７から出力される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
図４において、第一レベルシフト回路４０は、出力レベル安定化電圧１４ａを画像信号出力端子７における画素信号Ａ／Ｄ変換範囲内にレベルシフトするように、出力レベル安定化電圧１４ａを第一生成電圧１４ｄに変換してサンプルホールド回路４１に出力する。このとき、レベルシフト量を規定するため、レベルシフト量調整電圧４２を第一レベルシフト回路４０に入力してもよい。サンプルホールド回路４１は、入力される第一生成電圧１４ｄを、差動積分回路３４の動作期間を示す動作期間信号５１に応じて当該動作期間においてサンプルホールドを行うことで、温度信号生成電圧１４ｃを生成する。これにより、画素信号を取得しているタイミングに同期して基板温度を取得することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
従来技術に係る熱型赤外線固体撮像素子においては、出力レベル安定化電圧１４ａを低域通過フィルタ１１、バッファアンプ１２及び低域通過フィルタ１３を介してバイアス線３３に直接印加するものであったが、バイアス線３３に印加される出力レベル安定化電圧１４ａは、増幅度の高い差動積分回路（多くの場合、利得１０以上）によって増幅され、さらに素子が組込まれたカメラ内部のアンプ回路でも増幅されるため、高精度な設定が必要である。また、前記出力レベル安定化電圧１４ａに含まれる雑音成分と、画素駆動用電源端子２２の電源電圧に含まれる雑音成分は別相の関係を持つため、差動積分回路３４におけるコモンモード雑音抑制効果が得られにくいという問題が存在する。また、基板温度情報を取得する場合、バイアス電圧をＡ／Ｄ変換器により読み取りを行う必要があり、本機構において雑音成分増加の危険性が高まると同時に、Ａ／Ｄ変換器及び情報取得の機構が画像情報取得と別に必要であり、消費電力の増加と回路規模の増加をもたらす。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
また、電圧発生回路１４Ａでバッファ機能を持たせるのであれば、図５で示す通り、バイアス発生回路９から電圧発生回路１４Ａ間には低域通過フィルタ１１のみを挿入すればよく、バッファアンプ１２及び低域通過フィルタ１３は必ずしも必要ではなくなる。これにより、出力レベル安定化電圧１４ａ中のバッファアンプ１２で発生する雑音成分を除去できるため、出力信号の低雑音化に効果がある。同時に、バッファアンプ１２での消費電力が不要になるため、低消費電力化が可能となり、かつ製造コストを抑制することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
またさらに、実施の形態２によれば、バイアス発生回路９からのバイアス電圧を低域通過ろ波して電圧発生回路１４に出力する低域通過フィルタ１１を備える。従って、電圧発生回路１４でバッファ機能を持たせるときに、バイアス発生回路９から電圧発生回路１４までの間には低域通過フィルタ１１のみを設ければよく、図１のバッファアンプ１２及び低域通過フィルタ１３は必ずしも必要ではなくなる。これにより、出力レベル安定化電圧１４ａのバッファアンプ１２で発生する雑音成分を除去できるため、出力信号の低雑音化に効果がある。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８８】
１  垂直走査回路、２  感光画素、２Ａ  感光画素アレイ、３  参照画素、３Ａ  参照画素アレイ、４  第一の定電流源、５  読出し回路、６  水平走査回路、７  画像信号出力端子、８  サンプルホールド回路、９  バイアス発生回路、１０  基準電圧、１１  低域通過フィルタ、１４，１４Ａ  電圧発生回路、１４ａ  出力レベル安定化電圧、１４ｂ  出力レベル安定化電圧、１４ｃ  温度信号生成電圧、１４ｄ  第一生成電圧、１４ｅ  第二生成電圧、１４ｆ  第三生成電圧、１５  熱型赤外線固体撮像素子、１６ａ  画像信号用Ａ／Ｄ変換器、１６ｂ  温度信号用Ａ／Ｄ変換器、１７  画像補正回路、１８  温度信号変動量判定回路、１９  補正信号生成回路、２０  画像信号合成回路、２１  メモリ、２２  電源端子、３０  駆動線、３１  信号線、３２  第二の定電流源、３３  バイアス線、３４  差動積分回路、３５  垂直選択スイッチ、３６  出力アンプ、３７  水平選択スイッチ、４０  第一レベルシフト回路、４１  サンプルホールド回路、４２  レベルシフト量調整電圧、４３  第二レベルシフト回路、４４  雑音成分印加回路、４５  バッファアンプ、４６  第三レベルシフト回路、４７  第一抵抗、４８  第二抵抗、５０  画素信号、５１  動作期間信号、５２  電源端子電圧、１００  ダイオード、１０１  赤外線吸収部材、１０２  断熱層、１０３  支持脚、１０４  赤外線遮光層、ＳＷ  スイッチ。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2017183260.tif 000028
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６Ａ】
2017183260.tif 000029
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６Ｂ】
2017183260.tif 000030
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６Ｃ】
2017183260.tif 000031
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６Ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６Ｄ】
2017183260.tif 000032
【手続補正１５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７Ａ】
2017183260.tif 000033
【手続補正１６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７Ｂ】
2017183260.tif 000034
【手続補正１７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７Ｃ】
2017183260.tif 000035
【手続補正１８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８Ａ】
2017183260.tif 000036
【手続補正１９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８Ｂ】
2017183260.tif 000037
【手続補正２０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2017183260.tif 000038
【手続補正２１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2017183260.tif 000039
【国際調査報告】
2017183260.tif 000040
2017183260.tif 000041
2017183260.tif 000042
2017183260.tif 000043