(57)【要約】【課題】画素毎にスイッチング素子を設ける必要がなく、集積化が容易な構成の赤外線センサアレイシステムを提供する。【解決手段】赤外線センサアレイシステムは、赤外線センサアレイ１０を備える。各赤外線検出センサＩＲＳ１，ＩＲＳ２は、一方端が実質的に接地された参照キャパシタＣｒｅｆと、一方端が、参照キャパシタの一方端と直列に結合される受光部キャパシタ（赤外線検出キャパシタ）Ｃｄとを含む。Ｄ／Ａコンバータ１２０．１２，１２０．２２は、参照キャパシタＣｒｅｆの他方端に赤外線検出センサごとに異なる周波数の参照信号を印加し、Ｄ／Ａコンバータ１２０．１１，１２０．２１は、赤外線検出キャパシタＣｄの他方端に当該周波数の駆動信号を参照信号と位相差、振幅差をもって印加する。赤外線センサアレイシステムは、参照キャパシタおよび赤外線検出キャパシタの結合点に流れる電流の各周波数成分を抽出して、各赤外線検出キャパシタの容量値の変化量を検出する。【選択図】図３
2008082836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の赤外線検出センサが配列された赤外線センサアレイを備え、
各前記赤外線検出センサは、
一方端が実質的に接地された参照キャパシタと、
一方端が、前記参照キャパシタの前記一方端と直列に結合され、入射する赤外線に応じて容量値が変化する赤外線検出キャパシタとを含み、
前記参照キャパシタの他方端に前記赤外線検出センサごとに異なる周波数の参照信号を印加するための第１の信号源と、
前記赤外線検出キャパシタの他方端に前記周波数の駆動信号を前記参照信号と少なくとも位相差をもって印加するための第２の信号源と、
前記参照キャパシタおよび前記赤外線検出キャパシタの結合点に流れる電流の各周波数成分を抽出して、各前記赤外線検出キャパシタの前記容量値の変化量を検出する検出手段とを備える、赤外線センサアレイシステム。
【請求項２】
前記検出手段は、前記結合点である前記参照キャパシタの前記一方端を仮想接地させるオペアンプ手段を含む、請求項１記載の赤外線センサアレイシステム。
【請求項３】
前記第２の信号源は、前記信号レベルの読出し対象となる前記赤外線検出センサに応じて、前記駆動信号の振幅および位相を予め定められた値に変化させる、請求項１記載の赤外線センサアレイシステム。
【請求項４】
前記第１の信号源は、前記複数の赤外線検出センサごとに設けられる複数の参照信号発生源を含み、
前記第２の信号源は、前記赤外線センサごとに設けられる複数の駆動信号発生源を含み、
前記検出手段は、前記複数の赤外線検出センサに共通に設けられる、請求項１記載の赤外線センサアレイシステム。
【請求項５】
前記検出手段は、
前記複数の信号読出手段の出力から所定の周波数成分の信号を抽出するための信号抽出手段を含み、
前記信号抽出手段は、
前記赤外線センサアレイからの出力に対してフーリエ変換を行ない、前記所定の周波数に対応する第１の実数成分と第１の虚数成分を算出するフーリエ変換手段と、
前記第１の実数成分と第１の虚数成分とからなる第１のベクトルと、前記赤外線センサアレイへの赤外線非照射時において、前記複数の信号読出手段の出力の各々に対してフーリエ変換を行なった際の第２の実数成分と第２の虚数成分からなる第２のベクトルとの差ベクトルに基づいて、赤外線検出レベルを導出する赤外線レベル算出手段とを含む、請求項４記載の赤外線センサアレイシステム。
【請求項６】
前記第１の信号源から出力される前記参照信号と、前記第２の信号源から出力される前記駆動信号とは、ともに正弦波であり、
前記赤外線検出センサごとに前記駆動信号として印加するべき信号の位相および振幅を記憶する駆動信号パラメータ記憶手段をさらに備える、請求項３記載の赤外線センサアレイシステム。
【請求項７】
複数の赤外線検出センサが配列された赤外線センサアレイを用いて、赤外線強度の空間分布を測定するための測定方法であって、
各前記赤外線検出センサは、一方端が実質的に接地された参照キャパシタと、一方端が前記参照キャパシタの前記一方端と直列に結合され、入射する赤外線に応じて容量値が変化する赤外線検出キャパシタとを含んでおり、
前記参照キャパシタの他方端に前記赤外線検出センサごとに異なる周波数の参照信号を印加するとともに、前記赤外線検出キャパシタの他方端に前記周波数の駆動信号を前記参照信号と少なくとも位相差をもって印加するステップと、
前記参照キャパシタおよび前記赤外線検出キャパシタの結合点に流れる電流の各周波数成分を抽出するステップと、
各前記赤外線検出キャパシタの前記容量値の変化量を検出するステップとを備える、測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、対象物体から放出される赤外線強度の分布を測定可能な赤外線センサを駆動するための赤外線センサアレイシステムの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
室温の物体や人体からは、波長１０μｍ付近の赤外線（熱線）が輻射されており、これを計測することにより、それらの存在や温度の情報が非接触で得られる。これを利用することで、自動扉、侵入警戒機、電子レンジの調理モニタおよび化学計測等のさまざまな応用がなされている。
【０００３】
こういった計測において、一番のキーデバイスは赤外線センサであり、量子型赤外センサと熱型赤外センサの２種類に大きく分けられる。
【０００４】
量子型赤外センサは、感度が大きく検知能力に優れているが、冷却が必要なため装置が大型になるといった点で実用性に問題がある。一方、熱型赤外センサは、感度が量子型赤外センサよりは少し劣るものの室温動作が可能であるというメリットがあり、実用性に富んでいる。
【０００５】
このため、熱型赤外センサとして、焦電効果を用いるもの、抵抗ボロメータ、誘電ボロメータ、サーモパイル、ゴーレイ（Golay）セル等数多くのものが提案されている。
【０００６】
中でも、電界を印加して誘電率の温度変化を検知する誘電ボロメータは、他のセンサより感度が高く、チョッパが必要ない等の優れた特徴を有しており、実用的見知から期待されている。
【０００７】
さらに、より高度な赤外線センシングとして、物体や風景の温度分布を非接触で得られる赤外線イメージセンサ（サーモグラフィ）への応用が期待される。
【０００８】
特開平１１−２７１１４１号公報（特願平１０−７２５７１号）には、容量変化検出型赤外線２次元センサアレイにおいて、各画素に対応する赤外線センサに参照キャパシタと赤外検知キャパシタとを設ける構成が開示されている。この赤外検知キャパシタは、温度に応じてその誘電率が変化する高誘電体材料、たとえば、強誘電体のＢＳＴ［（Ｂａ１−ｘＳｒｘ）ＴｉＯ３］（組成比ｘ＝０．３３近傍）を電極で挟むことにより形成されている。この赤外線センサでは、赤外未照射時、赤外検知キャパシタと参照キャパシタの容量が同じで、照射時の赤外線吸収に伴う温度上昇で赤外検知キャパシタの容量が変動するためにセンサ出力変化が生じる。
【０００９】
さらに、特開２００２−３６５１３０号公報には、このような赤外線２次元センサアレイにおいて、検出感度の向上と高分解能とを両立可能な駆動系および検出系を備えた赤外線２次元センサアレイシステムについて開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２７１１４１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６５１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１０は、たとえば、特開２００２−３６５１３０号公報に開示されるような従来の赤外線センサアレイの１画素分の構成の等価回路を示す概念図である。
【００１１】
なお、特開平１１−２７１１４１号公報にも記載されるとおり、このような赤外線センサアレイの１画素分の構成は、Ｓｉ基板などの半導体基板上に形成された強誘電体膜を対向電極で挟んだ構成の容量素子として形成される。
【００１２】
図１０に示したような画素の等価回路に対する測定では、いわゆる「電圧モード」の測定を用いている。図１０において出力ＶＯは次式で表せる。
【００１３】
【数１】
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【００１４】
ここで、仮に、容量Ｃを２００ｐＦ、温度変化による容量変化率（ＴＣＤ：Temperature Coefficient of Dielectric constant）を０．２％／Ｋ、赤外線（ＩＲ）によるメンブレンの温度上昇を１０ｍＫとすれば、ΔＣ／Ｃは２０ppmとなり、駆動電圧３Ｖppでは出力は３０μＶとなる。この値は数１００倍のアンプを用いれば測定可能である。
【００１５】
しかしながら、この回路は出力インピーダンスが非常に高く（２００ｐＦ、１ｋＨｚで約４００ｋΩ）、６０Ｈｚなどのノイズの影響を受けやすいという問題がある。
【００１６】
また、増幅回路の入力インピーダンスは非常に高くする必要があり、増幅回路の能動素子は、接合型電界効果型トランジスタ（ＪＦＥＴ）のソースフォロアを用いるか、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）入力オペアンプの非反転回路を用いる必要がある。しかも、出力の電位変動を計測するので、多画素化を考えた場合各画素からの出力は独立に取り出す必要がある。
【００１７】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、画素毎にスイッチング素子を設ける必要がなく、集積化が容易な構成の赤外線センサアレイシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明の１つの局面に従うと、赤外線センサアレイシステムであって、複数の赤外線検出センサが配列された赤外線センサアレイを備え、各赤外線検出センサは、一方端が実質的に接地された参照キャパシタと、一方端が、参照キャパシタの一方端と直列に結合され、入射する赤外線に応じて容量値が変化する赤外線検出キャパシタとを含み、参照キャパシタの他方端に赤外線検出センサごとに異なる周波数の参照信号を印加するための第１の信号源と、赤外線検出キャパシタの他方端に周波数の駆動信号を参照信号と少なくとも位相差をもって印加するための第２の信号源と、参照キャパシタおよび赤外線検出キャパシタの結合点に流れる電流の各周波数成分を抽出して、各赤外線検出キャパシタの容量値の変化量を検出する検出手段とを備える。
【００１９】
好ましくは、検出手段は、結合点である参照キャパシタの一方端を仮想接地させるオペアンプ手段を含む。
【００２０】
好ましくは、第２の信号源は、信号レベルの読出し対象となる赤外線検出センサに応じて、駆動信号の振幅および位相を予め定められた値に変化させる。
【００２１】
好ましくは、第１の信号源は、複数の赤外線検出センサごとに設けられる複数の参照信号発生源を含み、第２の信号源は、赤外線センサごとに設けられる複数の駆動信号発生源を含み、検出手段は、複数の赤外線検出センサに共通に設けられる。
【００２２】
好ましくは、検出手段は、複数の信号読出手段の出力から所定の周波数成分の信号を抽出するための信号抽出手段を含み、信号抽出手段は、赤外線センサアレイからの出力に対してフーリエ変換を行ない、所定の周波数に対応する第１の実数成分と第１の虚数成分を算出するフーリエ変換手段と、第１の実数成分と第１の虚数成分とからなる第１のベクトルと、赤外線センサアレイへの赤外線非照射時において、複数の信号読出手段の出力の各々に対してフーリエ変換を行なった際の第２の実数成分と第２の虚数成分からなる第２のベクトルとの差ベクトルに基づいて、赤外線検出レベルを導出する赤外線レベル算出手段とを含む。
【００２３】
好ましくは、第１の信号源から出力される参照信号と、第２の信号源から出力される駆動信号とは、ともに正弦波であり、赤外線検出センサごとに駆動信号として印加するべき信号の位相および振幅を記憶する駆動信号パラメータ記憶手段をさらに備える。
【００２４】
この発明の他の局面に従うと、複数の赤外線検出センサが配列された赤外線センサアレイを用いて、赤外線強度の空間分布を測定するための測定方法であって、各赤外線検出センサは、一方端が実質的に接地された参照キャパシタと、一方端が参照キャパシタの一方端と直列に結合され、入射する赤外線に応じて容量値が変化する赤外線検出キャパシタとを含んでおり、参照キャパシタの他方端に赤外線検出センサごとに異なる周波数の参照信号を印加するとともに、赤外線検出キャパシタの他方端に周波数の駆動信号を参照信号と少なくとも位相差をもって印加するステップと、参照キャパシタおよび赤外線検出キャパシタの結合点に流れる電流の各周波数成分を抽出するステップと、各赤外線検出キャパシタの容量値の変化量を検出するステップとを備える。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の容量変化検出型赤外センサシステムにより、室温で高感度かつ簡易な構成の赤外線検出回路を実現することができる。また、高感度の室温動作赤外線２次元イメージセンサを実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
［赤外線検出センサ単体の構成とその駆動方式］
図１は、本発明に係る２次元センサアレイ中の、１つのセンサおよびそれを駆動する回路を等価的に示す図である。
【００２７】
図１に示すとおり、センサアレイを構成する個々の容量変化検出型赤外センサＩＲＳでは、受光部キャパシタ（赤外線検出キャパシタ）Ｃｄは、その熱伝導を抑制して熱応答特性を向上させるために、基板を裏面からエッチングしてシリコン基板厚を薄くした領域、あるいは、基板を裏面または表面からエッチングしてシリコン基板が除去された領域に形成される。シリコン基板がエッチング除去されている場合、受光部キャパシタの部分は、引き出し配線等により中空に保持されている構成となり、「メンブレン」とも呼ばれる。一方、参照用キャパシタ部Ｃｒｅｆは、シリコンバルク上に形成される。
【００２８】
本発明の容量変化検出型赤外センサＩＲＳでは、図１に示すように、キャパシタＣｄの一方端とキャパシタＣｒｅｆの一方端との接合点である出力点Ｎｓを接地（後に説明するように、オペアンプによる仮想接地でよい）し、接地点に流れ込む電流ｉが計測される。このとき、駆動回路ＤＲＶ中の信号源ＶＧ１は、たとえば、キャパシタＣｄの他方端に角周波数ωで振幅Ｖの正弦波の信号を印加し、信号源ＶＧ２は、キャパシタＣｒｅｆの他方端に、角周波数ωで振幅Ｖであって、キャパシタＣｄの他方端に印加される信号に比べて位相がπ（１８０°）ずれた信号を印加する。また、温度変化により、キャパシタＣｄの容量は、キャパシタＣｒｅｆの容量に比べて、ΔＣだけずれているものとする。
【００２９】
図２は、信号源ＶＧ１およびＶＧ２により、赤外線センサＩＲＳに与えられる信号波形を示す図である。
【００３０】
基本的には、受光部キャパシタＣｄと参照用キャパシタＣｒｅｆの各々を、信号源ＶＧ１およびＶＧ２からの振幅が同じで互いに位相が反転した１対の正弦波で駆動すると、赤外線に対する熱応答の差から共通電極ノードＮｓに電圧が発生し、これにより出力電流ｉが接地に対して流れる。このとき、２つのキャパシタの容量は理想的には同じでなければならない。
【００３１】
しかしながら、実際には成膜時の膜厚や膜質のばらつき、リソグラフィ時のキャパシタの面積のばらつき、およびリーク抵抗成分などで、２つのキャパシタＣｄおよびＣｒｅｆの容量には差が存在しうる。これに応じて、出力電流にも本来はオフセットが存在することになるが、このような場合は、特開２００２−３６５１３０号公報で開示された技術と同様にして、素子駆動正弦波パルスの振幅と位相を各素子ごとに変更することによって、オフセット値を調整することが可能である。
【００３２】
図２では、例として、信号源ＶＧ１から出力される信号を、信号源ＶＧ２から出力される信号の反転信号から、位相差δθだけずらした状態を示している。さらに、必要に応じて、信号源ＶＧ１からの出力信号の振幅も変化させる。
【００３３】
したがって、以下では、このようにして補正を行ない、受光部キャパシタＣｄと参照用キャパシタＣｒｅｆの容量は、赤外線非照射時において等しいものとして説明を行なう。
【００３４】
このとき、容量変化検出型赤外センサＩＲＳの出力電流は、以下の式（２）で表される。
【００３５】
【数２】
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【００３６】
この式（２）から、出力電流は計測周波数と容量変化の絶対値に比例する。
たとえば、電圧モードと同じ条件、すなわち、容量Ｃを２００ｐＦ、温度変化による容量変化率ＴＣＤを０．２％／Ｋ、赤外線（ＩＲ）によるメンブレンの温度上昇を１０ｍＫとして、上式（２）を駆動電圧３Ｖ、１ｋＨｚの場合について計算すると、出力電流は約７５ｐＡとなる。この値は、十分計測可能な値である。なお、以下に説明する計測システムでは６ｋＨｚ程度を用いている。
【００３７】
電流モードによる計測では、各容量はすべて接地（仮想接地）しているので、独立した回路となっており、おなじ出力部に他の画素の出力をつないでも、お互いに動作に影響を与えない。
【００３８】
そのため、画素間で駆動周波数ωを変えることにより、出力を分離して取り出すことが可能である。
【００３９】
つまり、多画素化した場合、スイッチング用のトランジスタを用いる必要がなくなり、素子作製プロセスが簡略化できる。また、スイッチングしなくてよいので、各画素を連続して駆動・計測でき、Ｓ／Ｎを上げることが可能である。
【００４０】
いわば、これまでの電圧モードはスイッチングを行なうことが前提であり、時分割による多重通信システム（ＴＤＭＡ）でるといえるが、電流モードでは、周波数領域での多重通信システム（ＦＤＭＡ）であるといえる。
【００４１】
電流モードの利点をまとめると、以下のようになる。
ｉ）多画素化において、スイッチングを必要としない。
【００４２】
ｉｉ）スイッチングしないので１フレームあたりの計測時間を長くでき、Ｓ／Ｎが向上
ｉｉｉ）出力インピーダンスが低いので、外来ノイズに強い。
【００４３】
ｉｖ）出力が駆動周波数に比例するので、高い周波数を用いれば高感度化の可能性がある。
【００４４】
なお、信号源ＶＧ１およびＶＧ２から出力される信号波形は、必ずしも正弦波形に限定されるものではなく、上述したように、位相が相互に反転している波形であれば、他の波形でもよい。
【００４５】
また、信号源ＶＧ１およびＶＧ２から出力される信号波形の振幅にも、振幅差が存在していてもよい。
［２次元赤外線センサアレイシステムの構成とその駆動方式］
図３は、上述したような素子駆動正弦波信号により駆動される赤外線センサアレイおよびその駆動回路の構成を説明する概略ブロック図である。
【００４６】
なお、図３においては、説明の簡単のために、赤外線センサアレイ１０は、１（列）×２（行）個の容量変化型赤外線検出センサＩＲＳ１およびＩＲＳ２が配置されるものとして説明している。
【００４７】
しかしながら、後に説明するように、赤外線センサアレイ１０は、より一般には、ｍ（列）×ｎ（行）個（ｍ，ｎ：自然数）のアレイ状に配置された容量変化型赤外線検出センサを備える構成とすることができる。このときは、各赤外線検出センサ（素子）が、画素に対応している。さらに、このｍ×ｎ個のセンサは、１×ｎ個のセンサからなるラインセンサがｍ個繰り返されるのと等価な構成となっており、本発明では、赤外線検出センサごとに駆動周波数を変えることにより、このｍ×ｎ個のライセンサから、並列してｍ×ｎ個のデータを読出す構成となっている。もちろん、必要に応じて、たとえば、１×ｎ個のセンサから並列してｎ個のデータを読出す処理を、ｍ個のラインセンサについて並行して行なう構成としてもよい。
【００４８】
赤外線センサアレイ１０には、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１００により制御されるフィールドプログラマブルゲートアレイ（以下、ＦＰＧＡ：Field Programable Gate Array）１１０により、各センサごとに異なった周波数の駆動用正弦波が補正されて印加される。
【００４９】
ここで、ＦＰＧＡ１１０により計算された補正された正弦波の値は、各センサにおける受光部キャパシタＣｄと参照用キャパシタＣｒｅｆごとに設けられたＤ／Ａコンバータ１２０．１１、１２０．１２、１２０．２１、１２０．２２により、アナログ信号に変換されて、バッファ１２２．１１、１２２．１２、１２２．２１、１２２．２２をそれぞれ介して、対応するラインセンサ中の赤外線検出センサにそれぞれ与えられる。
【００５０】
赤外線センサアレイ１０から読出されたデータは、各センサに共通に設けられた電流電圧変換回路１３０により電圧に変換された後、ローパスフィルタおよびアンプ回路１４０により、ローパスフィルタＬＰＦあるいはバンドパスフィルタＢＰＦで所望の周波数成分のみが抽出され、アンプにより増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ１５０によりデジタル信号に変換されてＦＰＧＡ１１０に与えられる。ここで、電流電圧変換回路１３０は、オペアンプ回路であり、赤外線検出センサＩＲＳ１およびＩＲＳ２の出力点Ｎｓ１およびＮｓ２は、オペアンプ回路により仮想接地されている。
【００５１】
ＦＰＧＡ１１０では、このようにして得られた各ラインセンサからのデジタル信号を、後に説明するようにフーリエ係数の計算を行なうことで、入射赤外線に起因する信号成分のみの抽出を行なう。
【００５２】
このようにしてＦＰＧＡ１１０においてフーリエ係数の計算が行なわれたデータは、パーソナルコンピュータ１００に、たとえば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などのインターフェースを介して返信され、パーソナルコンピュータ１００において最終的に赤外線強度が算出される。赤外線センサアレイ１０が２次元アレイに配列されている場合は、パーソナルコンピュータ１００において赤外線２次元イメージが構成されて、ディスプレイ（図示せず）上に出力される。
【００５３】
以下、各部の構成の一例について、さらに、詳しく説明する。
（Ｄ／Ａコンバータとバッファ）
Ｄ／Ａコンバータ１２０．１１〜１２０．２２としては、たとえば、１２ビットＤＡを使用することができる。Ｄ／Ａコンバータ１２０．１１〜１２０．２２の出力を直接赤外線検出センサに印加すると高周波成分が重畳するため、カットオフ約１９０ｋＨｚのＲＣフィルタとボルテージフォロアのバッファ１２２．１１〜１２２．２２を挿入している。
（電流電圧変換回路）
素子の電流を電圧に変換するための電流電圧変換回路１３０において、帰還抵抗は、たとえば、２００ｋΩである。
（ＬＰＦとアンプ）
後に説明するように、２次高調波が信号成分よりも大きく出るため、アンプの倍率を上げると高調波のため、アンプの出力が飽和する。そこで、たとえば、オペアンプ３つを用いて７次のバタワースＬＰＦフィルタを構成する。ＬＰＦフィルタのカットオフは、たとえば、約６．５ｋＨｚで、フィルタ部にも約５．５倍のゲインがある。
【００５４】
後段の非反転アンプは、帰還抵抗を調整して、出力が飽和しないようにゲインを調整できる。
（Ａ／Ｄコンバータ部）
たとえば、１２ビットのＡ／Ｄコンバータ１５０を使用できる。入力部に抵抗とコンデンサを用いて、常に、たとえば、１．６５Ｖが中心になるようにレベルシフトしている。
【００５５】
Ａ／Ｄコンバータ１５０により入力されたデータは、ＦＰＧＡ１１０でフーリエ係数計算に用いられ、さらにＰＣ１００上で、各周波数成分の振幅値（ピークツーピーク）として表示される。
［赤外線センサアレイの他の構成］
図４は、図３に示した構成を、赤外線２次元センサアレイ１０が、２（列）×２（行）個の容量変化型赤外線検出センサＩＲＳ１１〜ＩＲＳ２２が配置される構成とした場合の例を示すブロック図である。
【００５６】
容量変化型赤外線検出センサＩＲＳ１１の受光部キャパシタＣｄと参照用キャパシタＣｒｅｆに正弦波信号を印加するために、Ｄ／Ａコンバータ１２０．１１１および１２２．１１２と、バッファ１２２．１１１および１２２．１１２とが設けられている。
【００５７】
他の容量変化型赤外線検出センサＩＲＳ１２〜ＩＲＳ２２についても、それぞれ、Ｄ／Ａコンバータとバッファとが２組ずつ設けられている。
【００５８】
また、容量変化型赤外線検出センサＩＲＳ１１〜ＩＲＳ２２に共通に、電流電圧変換回路１３０と、ローパスフィルタ（またはバンドパスフィルタ）およびアンプ回路１４０と、Ａ／Ｄコンバータ１５０とが設けられる。
【００５９】
図５は、図４において説明したＦＰＧＡ１１０の構成を説明するための概略ブロック図である。
【００６０】
以下、図５にしたがって、その構成および処理の流れについてさらに詳しく説明する。
ＦＰＧＡ１１０は、ＲＡＭ１１０２を内蔵している。ＦＰＧＡには、たとえば、２４ＭＨｚの外部クロックを与え、内部ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により１００ＭＨｚにクロックアップしている。従って、内部のクロックサイクルは、たとえば、１０ｎｓである。
【００６１】
ＦＰＧＡ１１０中のＤ／Ａ制御部１１０４は、駆動波形計算部１１０６の計算結果に基づいて、ＤＡコンバータ１２０．１１１〜１２０．２２２の制御を行なう。なお、ＲＡＭ１１０２には、個々の赤外線検出センサの各々について最適な振幅と位相を記憶させる構成としている。
【００６２】
すなわち、Ｄ／Ａ制御部１１０４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１０２中の正弦波のデータを用いてＤＡコンバータ１２０．１１１〜１２０．２２２を駆動する。正弦波のデータは、たとえば、１２ビットで、オフセット１．６５Ｖ、振幅３Ｖppが原則であるが、補正のために、特定の赤外線検出センサについて振幅を変化させる場合はデータをＰＣ１００で計算し、ＵＳＢを通してＲＡＭ１１０２内のデータを書き換える。特定の赤外線検出センサについて位相を変化させる場合は、基準側の正弦波に対して、駆動波形計算部１１０６により、必要なクロック分だけずらしてデータを出力する。
【００６３】
正弦波のデータは、たとえば、１２５点で１周期とし、駆動波形計算部１１０６が、ＤＡコンバータ１２０．１１１〜１２０．２２２にデータを送信する間隔を変えることにより、特定の赤外線検出センサごとに、周波数を変える。たとえば、１つめの画素に対応する赤外線検出センサについては、たとえば、１３０クロック毎にデータを送信するので、周期は１６２．５μｓ、周波数は約６．１５３８ｋＨｚである。また、たとえば、２つ目の画素を駆動する場合は、この送信周期を１２８クロックとし、周波数が６．２５ｋＨｚ（周期は１６０μｓ）とする。さらに、たとえば、３つ目の画素については１２６クロック（周波数約６．３４９２ｋＨｚ、周期１５７．５μｓ）、４つ目の画素については１２４クロック（周波数約６．４５１６ｋＨｚ、周期１５５μｓ）とする。このように、画素毎の周波数間隔は約１００Ｈｚとなる。
【００６４】
また、ＤＡコンバータの１ビットは、たとえば、約１ｍＶに相当しており、振幅分解能は１ｍＶである。また、位相は、周期１６２．５μｓの場合、１クロックは約０．０２２（＝３６０÷１２５÷１３０）度に相当するので、位相分解能は約０．０２２度である。
【００６５】
さらに、ＦＰＧＡ１１０中のＡＤコンバータ制御部１１０８は、ＡＤコンバータ１５０を制御し信号波形を取り込む。サンプリング周期は、たとえば、１０μｓ（サンプリング速度：１００ｋＨｚ、クロック周期：１０００）である。また、取り込んだ生データのうち、たとえば、９９９点をＲＡＭ１１０２に保存し、フーリエ係数計算の結果とともに、インタフェース部１１１２を介して、ＰＣ１００に送信する。
【００６６】
ＦＰＧＡ１１０中のフーリエ係数計算部１１１０は、ＡＤコンバータ１５０からのデータを用いて駆動周波数に対してフーリエ係数の実部と虚部の計算を行ない、それぞれを、たとえば、３２ビットデータとしてＰＣ１００へ送信する。特に限定されないが、たとえば、フーリエ係数の計算点数は、２の１０乗（１０２４点）から、２の１６乗（６５５３６点）までの７種類を選べる。この場合、サンプリング周期が１０μｓであるので、計算結果は、最短で１０．２４ｍｓ毎、最長で６５５．３６ｍｓ毎に出力される。計算点が多いほど、Ｓ／Ｎは向上する。また、周波数分解能も向上する。周波数分解能については、後述のように、１６３８４点の計算では、１００Ｈｚ離れれば６０ｄＢ以上の出力差がある。
【００６７】
フーリエ係数計算部１１１０の計算は、周波数分解能を上げるためハニング窓を用いることができる。計算点が２のｎ乗になっているのは、ハニング窓用の係数を格納するフーリエ係数計算部１１１０内のＲＯＭ（Read Only Memory：図示せず）の量を減らすためである。また、ＡＤのサンプリング周期とＤＡのサンプリング周期が異なり、駆動正弦波の周期が１６２．５μｓの場合では、ＡＤのサンプリングは、１周期あたり１６．２５回になる。そのため、４周期分（６５点）の計算用係数をＲＯＭに記憶している。周期が１６０μｓの駆動正弦波に対しては、１周期がちょうど１６個のサンプリング点で表せるので、ＲＯＭ中には１６個の計算用係数を記憶している。
【００６８】
ＦＰＧＡ１１０中のインタフェース部１１１２を介して、上述したとおり、フーリエ係数計算部１１１０の計算終了ごとにフーリエ係数計算結果とＡＤコンバータ１５０からの生データ９９９点をＰＣ１００に送信する。また、ＦＰＧＡ１１０は、ＰＣ１００から、インタフェース部１１１２を介して、駆動正弦波の波形値、位相シフト値、フーリエ係数の計算点数を受信する。
【００６９】
なお、画素数がより大規模化した場合は、図５中のＦＰＧＡ１１０で実現される機能と、パーソナルコンピュータ１００上で実現される機能とを統合して専用ＬＳＩを設け、画素の駆動を行なう構成とすることも可能である。
【００７０】
一方、パーソナルコンピュータ１００は、撮像全体のコントロールと画像表示を行なう。このとき、図５に示すように、各画素ごとに最適な振幅と位相を調整するにあたり、パーソナルコンピュータ１００からコントロールを行なうのであれば、そのソフトウェアの実装は比較的容易に行なうことができる。また、計測画像データからフィードバックにより最適なオフセット調整を行なうことが可能となる。
［制御用パーソナルコンピュータ１００の構成］
図６は、パーソナルコンピュータ１００の構成の一部を抜き出して示す概略ブロック図である。
【００７１】
図６を参照して、マンマシンインターフェイス部３００２は、ユーザによりキーボード３０００から入力された各パラメータを、画像表示用パラメータ設定部３００４と画素駆動パラメータ記憶部３００６に送る。
【００７２】
画像表示パラメータ設定部３００４は、画像表示時に用いるパラメータ、たとえば、各画素の「ゼロベクトル」や「感度係数」をキー入力に従って設定し記憶する。画像データ計算部３００８がセンサアレイ１０の出力に基づいて、画素の「ゼロベクトル」を算出し、画像表示パラメータ設定部３００４は、この算出された値を受取る。各画素の「ゼロベクトル」とは、後に説明するように、センサアレイ１０中の各赤外線検出センサについて、赤外線が未照射の状態での出力の複素フーリエ係数のベクトル表示を意味する。
【００７３】
画像データ計算部３００８は、たとえば、２４ビットのデータ幅でＦＰＧＡ１１０とデータの送受信を行なうＩ／Ｏカード部３０１４により、各画素ごとの信号（フーリエ係数）を受取り、画像表示パラメータ設定部３００４から送られる各画素のゼロベクトルや感度係数を用いて表示データを計算する。画像データ計算部３００８の計算結果に基づいて、画像表示部３０１０は、パーソナルコンピュータ１００の画面に、測定対象の温度分布を反映した擬似カラー画像を表示する。
【００７４】
画素駆動パラメータ記憶部３００６は、測定前のキャリブレーションの手続きにより、各画素駆動の最適な位相と振幅のデータを記憶する。位相と振幅のデータは、マニュアルキャリブレーション時には、マンマシンインターフェイス部３００２より受取り、自動キャリブレーション時には、画像データ計算部３００８より受取る。
【００７５】
素子駆動パラメータ計算部３０１２は、画素駆動パラメータ記憶部３００６より各画素の位相と振幅のデータを受取り、画素のアドレスを計算して適切なタイミングでＩ／Ｏカード部３０１４へデータを送出し、ＲＡＭ１１０２に記憶させる。
【００７６】
Ｉ／Ｏカード部３０１４は、ＦＰＧＡ１１０との通信・制御を行ない、ＦＰＧＡ１１０から各画素のフーリエ係数とＡＤコンバータ１５０からのデータとを受信し、ＦＰＧＡ１１０に各画素のアドレスと振幅および位相のデータを送信する。
【００７７】
なお、以上の説明では、パーソナルコンピュータ１００の外部インターフェースは、Ｉ／Ｏカード部３０１４であるものとしたが、もちろん、所定のビット幅と所望の速度でデータの授受を行なえるものであれば、他のインターフェースによってもよい。
【００７８】
各画素のデータのフーリエ係数計算を行なう場合には、駆動正弦波に起因して出力される信号に対して、位相が同相の成分とπ／２ずれた成分を計算することになる。
【００７９】
便宜上、同相成分を「実軸係数Ｘ」と呼び、π／２ずれた成分を「虚軸係数Ｙ」と呼ぶことにする。
【００８０】
図７は、フーリエ係数を係数Ｘと係数Ｙの２次元ベクトルで表現した場合において、赤外線非照射時と赤外線照射時のベクトルを表す概念図である。
【００８１】
ここで、赤外線非照射時とは、たとえば、赤外線２次元センサアレイを搭載した赤外線カメラにおいて、赤外線２次元センサアレイへの入射赤外線を遮断するために、シャッタを閉じた状態を意味する。
【００８２】
本来、赤外線非照射時のベクトルはオフセットの調整を行なうことで、その大きさが０となるべきものであるが、実際には、完全に０にすることは困難である。
【００８３】
そこで、赤外線非照射時の各画素のベクトル（「ゼロベクトル」）を記憶しておき、画像表示時にはゼロベクトルと赤外線照射時のベクトルとの差のベクトルの大きさに基づいて、ＰＣ１００は、各画素の赤外線レベルを導出して表示する。たとえば、差のベクトルの絶対値を赤外線の検出レベルとすればよい。
［本システムの計測能力］
以下では、以上説明したような本発明の赤外線センサアレイシステムに要求される性能および赤外線センサアレイシステムの実現可能性を示す実測結果について説明する。
（出力電圧の計算とオフセット）
仮に図１のＣを２００ｐＦ、ＴＣＤを０．２％／Ｋ、人体等からの赤外線照射によるメンブレンの温度上昇を１０ｍＫと仮定すれば、容量変化ΔＣは４ｆＦとなる。（ΔＣ／Ｃは２０ｐｐｍ）  駆動電圧を３Ｖppとすれば、駆動周波数６．１５３８ＫＨｚでは出力電流は、（２）式より約４６０ｐＡとなる。このとき、電流電圧変換回路の出力は帰還抵抗Ｒｆｂを２００ｋΩとすれば約９２μＶである。また、ＬＰＦとアンプを通過後の出力は約２ｍＶppとなる。
【００８４】
実際のセンサでは、その２つの容量やコンダクタンス成分が異なるため、上述したように、駆動正弦波の振幅と位相を調整する。先に示したように振幅の分解能は約１ｍＶであるので、これは３Ｖppの約３００ppmに相当する。ΔＣ／Ｃは２０ｐｐｍ程度であることから、出力の変化よりも大きなオフセットが常に存在することになる。つまり、先に示した２ｍＶppの出力は、数１０ｍＶ程度のオフセットが存在する中での変化として観測される。従って本システムでは、数１０ｍＶ以上のオフセット電圧の中から１ｍＶ程度の変化を取り出す能力が求められる。
【００８５】
ただし、このような計測電圧分解能を達成すること自体は、技術的には十分に可能である。
（周波数分解能）
図８は、ＡＤコンバータ１５０に、ファンクションジェネレータより６．０５ｋＨｚから６．２５ｋＨｚまで、２Ｈｚ刻みで１Ｖppの正弦波を与え、そのときの６．１５３８ｋＨｚの振幅成分の測定結果を求めたものを示す。
【００８６】
積算点数が８１９２点の場合サンプリング間隔が１０μｓであるから、積算時間は約８２ｍｓである。従って、分解能はその逆数である、約１２Ｈｚとなる。実測では、６．１５４ｋＨｚの入力時が最大で９９９．４ｍＶとなっており、計測値がその半分になるのは、およそ６．１４２ｋＨｚと６．１６５ｋＨｚである。従って、中心値から約１２Ｈｚ離れれば計測値が半分になることが分かり、実測の分解能も約１２Ｈｚである。
【００８７】
実際のセンサの測定時には、上述したような駆動周波数の設定では、約１００Ｈｚ離れたところに別の駆動正弦波が存在するが、実測では、６．０５ｋＨｚと６．２５ｋＨｚの１Ｖpp入力に対して計測値は０．５ｍＶ程度であり、約―６６ｄＢの分離が可能である。また、１６３８４点の積算では、分解能は約６Ｈｚ、１００Ｈｚ離れた入力に対する分離は約―７４ｄＢである。以上のことから、本システムにおいて約１００Ｈｚ離れた異なる周波数で複数の素子を駆動した場合、８１９６点以上の積算を行なえば信号を分離する能力は十分であるといえる。
（擬似センサの駆動）
図９は、約１００ｐＦのセラミックコンデンサを４つ用いて擬似センサを２セット作り、試作システムを用いて駆動と信号計測を行なった結果を示す。図９（ａ）に、コンデンサの１セットのみを振幅３Ｖｐｐ、周波数６．１５３８ｋＨｚで駆動した場合の出力波形を示す。２つのコンデンサの容量差（オフセット分）を駆動正弦波の電圧と位相を調整して６．１５３８ｋＨｚ成分を最小にしてある。この波形がそのままＡＤコンバータ１５０に入力されていることになる。出力波形から、基本波成分である、６．１５３８ｋＨｚとともに、２次高調波（１２．３０７６ｋＨｚ）が存在していることがわかる。このとき、試作システムによる計測値は基本波成分が約１０ｍＶ、２次高調波成分が約４８ｍＶである。
【００８８】
次にもう一つのコンデンサのセットにも、６．２５ｋＨｚの正弦波を印加し２つの擬似センサのセットから同時に信号を取り出した場合の出力波形を図９（ｂ）に示す。約１００Ｈｚ離れた２つの正弦波の重なりのため、ビート（うなり）を生じている。このとき、試作システムの出力では、６．１５３８ｋＨｚの振幅成分は１つのみを駆動した場合と変わらず約１０ｍＶ、６．２５ｋＨｚの振幅成分は約９ｍＶであった。
【００８９】
２セットの擬似センサを駆動した場合、例えば、６．２５ｋＨｚの正弦波の振幅と位相を変化させても、６．１５３８ｋＨｚ側の出力値には全く変化は見られない。従って、１つの信号線で周波数の異なる２つ以上のセンサ出力を計測するという、本システムの基本的な原理が十分実証された。
【００９０】
したがって、以上説明したような構成により、高感度であって、しかも画素毎にスイッチング素子を設ける必要がなく、集積化が容易で、検出感度の向上と高分解能とを両立可能な構成の赤外線２次元センサアレイシステムを実動作させることが可能となる。
【００９１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明に係る２次元センサアレイ中の、１つのセンサおよびそれを駆動する回路を等価的に示す図である。
【図２】信号源ＶＧ１およびＶＧ２により、赤外線センサＩＲＳに与えられる信号波形を示す図である。
【図３】素子駆動正弦波信号により駆動される赤外線センサアレイおよびその駆動回路の構成を説明する概略ブロック図である。
【図４】容量変化型赤外線検出センサＩＲＳ１１〜ＩＲＳ２２が配置される構成とした場合の例を示すブロック図である。
【図５】図４において説明したＦＰＧＡ１１０の構成を説明するための概略ブロック図である。
【図６】パーソナルコンピュータ１００の構成の一部を抜き出して示す概略ブロック図である。
【図７】フーリエ係数を係数Ｘと係数Ｙの２次元ベクトルで表現した場合において、赤外線非照射時と赤外線照射時のベクトルを表す概念図である。
【図８】ＡＤコンバータ１５０の特性の測定結果を示す図である。
【図９】セラミックコンデンサを４つ用いて擬似センサを２セット作り、試作システムを用いて駆動と信号計測を行なった結果を示す図である。
【図１０】従来の赤外線センサアレイの１画素分の構成の等価回路を示す概念図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０  赤外線センサアレイ、１００  パーソナルコンピュータ、１１０  ＦＰＧＡ、１２０．１１〜１２０．２２  Ｄ／Ａコンバータ、Ｃｄ  受光部キャパシタ、Ｃｒｅｆ  参照キャパシタ、１２２．１１〜１２２．２２  バッファ、１３０  電流電圧変換回路、１４０  ローパスフィルタ（バンドパスフィルタ）およびアンプ回路、１５０  Ａ／Ｄコンバータ、１１０２  ＲＡＭ、１１０４  Ｄ／Ａ制御部、１１０６  駆動波形計算部、１１０８  Ａ／Ｄ制御部、１１１０  フーリエ係数計算部、１１１２  インターフェース部、３０００  キーボード、３００２  マンマシンインターフェイス部、３００４  画像表示用パラメータ設定部、３００６  画素駆動パラメータ記憶部、３００８  画像データ計算部、３０１０  画像表示部、３０１４  Ｉ／Ｏカード部。
【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】
2008082836.tif 000012
【図１０】
2008082836.tif 000013
【図９】
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