(57)【要約】  少なくとも１つの実施形態では、物体の画像を生成するための赤外線（ＩＲ）検出器が提供される。ＩＲ検出器は、Ｍ列とＮ行のアレイに配置された複数の感熱素子を具える。各感熱素子は、少なくとも１つの発振信号を受信し、物体から熱出力の少なくとも一部を検出するよう構成されている。各感熱素子はさらに、検出した熱出力の少なくとも一部を示す電気出力信号を生成し、少なくとも１つの発振信号で電気出力信号を変調して物体の画像の少なくとも一部を示す変調出力信号を生成するよう構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の画像を生成するための赤外線（ＩＲ）検出器において、当該ＩＲ検出器が、
Ｍ列とＮ行のアレイに配置された複数の感熱素子であって、各感熱素子が、  
少なくとも１つの発振信号を受信し、
前記少なくとも１つの発振信号に応じて前記物体から熱出力の少なくとも一部を検出し、
前記検出した熱出力の少なくとも一部を示す電気出力信号を生成し、
前記少なくとも１つの発振信号で前記電気出力信号を変調し、前記物体の画像の少なくとも一部を示す変調出力信号を生成するよう構成されていることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項２】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、Ｍ列の各列の各感熱素子がさらに、前記少なくとも１つの発振信号を一意の周波数で受信するよう構成されていることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項３】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、Ｎ行の各行の各感熱素子がさらに、前記少なくとも１つの発振信号を一意の周波数で受信するよう構成されていることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項４】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、前記変調出力信号が振幅変調出力信号であることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項５】
請求項１に記載のＩＲ検出器がさらに、前記アレイに作動的に接続した利得回路を具え、各変調出力信号を増幅させることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項６】
請求項５に記載のＩＲ検出器において、前記利得回路が反転入力と非反転入力をそれぞれ有する複数のアンプを具え、各アンプの非反転入力が前記アレイに作動的に接続していることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項７】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、各変調出力信号が定数成分と振動成分を含み、前記ＩＲ検出器がさらに各変調出力信号から前記振動成分を除去するよう構成された復調回路を具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項８】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、前記少なくとも１つの発振信号が少なくとも１つのウォルシュ関数と、サインおよびコサイン関数の少なくとも１つとのうち１つを含むことを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項９】
請求項８に記載のＩＲ検出器において、少なくとも１つのウォルシュ関数がｓａｌ（ｘ，ｔ）およびｃａｌ（ｙ，ｔ）関数の少なくとも１つを具え、ここでｘが第１の整数であり、ｙが第２の整数であり、ｔが時間であることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１０】
請求項９に記載のＩＲ検出器がさらに、ｓａｌ（ｘ，ｔ）およびｃａｌ（ｙ，ｔ）関数の少なくとも１つを生成するよう構成された関数発生器を具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１１】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、各感熱素子が少なくとも１つのスイッチと、サーモパイルおよびマイクロボロメータの１つとを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１２】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、各感熱素子がビスマスおよびテルルの少なくとも１つで形成されたサーモパイルを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１３】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、各感熱素子が前記少なくとも１つの発振信号を受信するのに応じて、前記アレイ内の複数の感熱素子が同時に起動状態になるよう構成されていることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１４】
Ｍ列とＮ行のアレイに配置された複数の感熱素子を具える赤外線（ＩＲ）検出器で物体の画像を生成する方法であって、当該方法が、
前記感熱素子の各々で発振信号を受信するステップと、
前記感熱素子の各々から前記発振信号に応じて物体の画像の少なくとも一部に相当する変調出力信号を送信するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、前記感熱素子の各々で前記発振信号を受信するステップがさらに、前記Ｍ列の各列の各感熱素子で一意の周波数を有する発振信号を受信するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法において、前記感熱素子の各々で前記発振信号を受信するステップがさらに、前記Ｎ行の各行の各感熱素子で一意の周波数を有する発振信号を受信するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法がさらに、前記発振信号を受信する前に関数発生器で前記発振信号を生成するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の方法において、前記変調出力信号が振幅変調出力信号であることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１４に記載の方法がさらに、各変調出力信号を復調して前記物体の画像の少なくとも一部を決定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１４に記載の方法において、各感熱素子が少なくとも１つのスイッチと、サーモパイルおよびマイクロボロメータの１つとを具えることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、サーモパイルがビスマスおよびテルルの少なくとも１つで形成されていることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１４に記載の方法がさらに、各感熱素子が前記発振信号を受信するのに応じて、前記アレイ内の複数の感熱素子を同時に起動するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
物体の画像を生成するための赤外線（ＩＲ）検出器において、当該ＩＲ検出器が、
Ｍ列とＮ行のアレイに配置された複数の感熱素子であって、前記Ｍ列内の各感熱素子が、
少なくとも１つの発振信号を受信し、これによりＭ列内の全ての感熱素子が同時に起動し、
前記少なくとも１つの発振信号に応じて物体の画像の少なくとも一部に相当する変調出力信号を送信することを特徴とする検出器。
【請求項２４】
請求項２３に記載の検出器がさらに、前記変調出力信号を復調するよう構成された復調回路を具え、前記物体の画像の少なくとも一部を取得することを特徴とする検出器。
【請求項２５】
物体の画像を生成するための赤外線（ＩＲ）検出器において、当該ＩＲ検出器が、
Ｍ列とＮ行のアレイに配置された複数の感熱素子であって、前記Ｎ行内の各感熱素子が、
少なくとも１つの発振信号を受信し、これによりＮ行内の全ての感熱素子が同時に起動し、
前記少なくとも１つの発振信号に応じて物体の画像の少なくとも一部に相当する変調出力信号を送信することを特徴とする検出器。
【請求項２６】
請求項２５に記載の検出器がさらに、前記振幅変調出力信号を復調するよう構成された復調回路を具え、前記物体の画像の少なくとも一部を取得することを特徴とする検出器。
【請求項２７】
物体の画像を当該物体の検出した熱出力に基づいて生成するための撮像装置であって、当該カメラが、
レンズと、
回路基板と、
当該回路基板に支持された赤外線（ＩＲ）検出器であって、当該ＩＲ検出器がＭ列とＮ行のアレイ内に配置された複数の感熱素子を具え、各感熱素子が、
少なくとも１つの発振信号を受信し、
前記物体から前記レンズを介して熱出力を受け取り、前記物体の熱出力の少なくとも一部を検出し、
前記検出した熱出力の少なくとも一部を示す電気出力信号を生成し、
前記少なくとも１つの発振信号で前記電気出力信号を変調して前記物体の画像の少なくとも一部を示す変調出力信号を提供するよう構成されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の撮像装置において、各感熱素子が少なくとも１つのスイッチと、サーモパイルおよびマイクロボロメータのうち１つとを具えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２９】
請求項２７に記載の撮像装置において、各感熱素子がビスマスおよびテルルの少なくとも１つで形成されたサーモパイルを具えることを特徴とする撮像装置。
【請求項３０】
請求項２７に記載の撮像装置において、Ｍ列の各列の各感熱素子がさらに、前記少なくとも１つの発振信号を一意の周波数で受信するよう構成されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項３１】
請求項２７に記載の撮像装置において、Ｎ行の各行の各感熱素子がさらに、前記少なくとも１つの発振信号を一意の周波数で受信するよう構成されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項３２】
請求項２７に記載の撮像装置において、前記変調出力信号が振幅変調出力信号であることを特徴とする撮像装置。
【請求項３３】
請求項２７に記載の撮像装置がさらに、前記アレイに作動的に接続した利得回路を具え、各変調出力信号を増幅させることを特徴とする撮像装置。
【請求項３４】
請求項２７に記載の撮像装置において、前記利得回路が反転入力と非反転入力をそれぞれ有する複数のアンプを具え、各アンプの非反転入力が前記アレイに作動的に接続していることを特徴とする撮像装置。
【請求項３５】
請求項２７に記載の撮像装置において、各変調出力信号が定数成分と振動成分を含み、前記ＩＲ検出器がさらに各変調出力信号から前記振動成分を除去するよう構成された復調回路を具えることを特徴とする撮像装置。
【請求項３６】
請求項２７に記載の撮像装置において、前記少なくとも１つの発振信号が少なくとも１つのウォルシュ関数と、サインおよびコサイン関数の少なくとも１つとのうち１つを含むことを特徴とする撮像装置。
【請求項３７】
請求項３６に記載の撮像装置において、前記少なくとも１つのウォルシュ関数がｓａｌ（ｘ，ｔ）およびｃａｌ（ｙ，ｔ）関数の少なくとも１つを具え、ここでｘが第１の整数であり、ｙが第２の整数であり、ｔが時間であることを特徴とする撮像装置。
【請求項３８】
請求項３７に記載の撮像装置において、前記ＩＲ検出器がさらに、前記ｓａｌ（ｘ，ｔ）およびｃａｌ（ｙ，ｔ）関数の少なくとも１つを生成するよう構成された関数発生器を具えることを特徴とする撮像装置。
【請求項３９】
請求項２７に記載の撮像装置において、前記アレイ内の各感熱素子が前記少なくとも１つの発振信号を受信するのに応じて、前記感熱素子の全てのアレイが同時に起動状態になるよう構成されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項４０】
物体の画像を当該物体の検出した熱出力に基づいて生成するための撮像装置であって、当該カメラが、
レンズと、
回路基板と、
当該回路基板に支持された赤外線（ＩＲ）検出器であって、当該ＩＲ検出器がアレイに配置された複数の感熱素子を具え、各感熱素子が、
少なくとも１つの発振信号を受信し、
前記少なくとも１つの発振信号に応じて前記物体からレンズを介して熱出力を検出し、
前記物体の前記検出した熱出力に基づいて前記物体の画像の少なくとも一部に相当する変調出力信号を送信するよう構成されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項４１】
請求項４０に記載の撮像装置において、各感熱素子が少なくとも１つのスイッチと、サーモパイルおよびマイクロボロメータの１つとを具えることを特徴とする撮像装置。
【請求項４２】
請求項４１に記載の撮像装置において、各サーモパイルがビスマスおよびテルルの少なくとも１つで形成されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項４３】
請求項４０に記載の撮像装置において、前記変調出力信号が振幅変調出力信号であることを特徴とする撮像装置。
【請求項４４】
請求項４０に記載の撮像装置において、前記アレイが前記少なくとも１つの発振信号を受信するのに応じて、前記感熱素子の全てのアレイが同時に起動状態になるよう構成されていることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連する特許出願の相互参照
本出願は、２００９年４月１２日提出の米国仮出願第６１／１６８，６０１号の利益を主張し、これはその全体を参照して本書に援用する。
【０００２】
本発明の実施形態は一般に、特に赤外線（ＩＲ）検出器に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＩＲ検出器は通常、ＩＲ放射線に反応する光検出器として定義されている。ある種類の赤外線検出器は、熱式検出器である。熱式検出器はカメラ内に実装することができ、一般に物体に関連する熱特性で形成した物体の画像を生成する。熱式検出器は、ボロメータ、マイクロボロメータ、焦電気物質、およびサーモパイルを具えることが知られている。
【０００４】
マイクロボロメータは、物体から受け取った放射エネルギの量に基づいてその電気抵抗を変化させる。サーモパイルは、物体の熱エネルギを電気エネルギに変換する多くの熱電対を具えている。このような素子は、熱画像処理の目的で１つの形態もしくは別の形態でカメラに組み込まれてきた。
【発明の概要】
【０００５】
少なくとも１つの実施形態では、物体の画像を生成するための赤外線（ＩＲ）検出器が提供される。ＩＲ検出器は、Ｍ列とＮ行のアレイに配置された複数の感熱素子を具える。各感熱素子は、少なくとも１つの発振信号を受信し、少なくとも１つの発振信号に応じて物体から熱出力の少なくとも一部を検出するよう構成されている。各感熱素子はさらに、検出した熱出力の少なくとも一部を示す電気出力信号を生成し、少なくとも１つの発振信号で電気出力信号を変調して物体の画像の少なくとも一部を示す変調出力信号を生成するよう構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲で詳細に指摘されている。しかしながら、様々な実施形態の他の特徴は、添付図面とともに以下の詳細な説明を参照することによりさらに明瞭になり、最も理解されるであろう。
【０００７】
【図１】図１は、従来のマイクロボロメータ型検出器を示す。
【図２】図２は、従来のサーモパイル型検出器を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るＩＲ検出器を示す。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に従って図３のＩＲ検出器内に実装した関数発生器を示す。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に従って図３のＩＲ検出器内に実装した関数発生器を示す。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る別のＩＲ検出器を示す。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に従って図６のＩＲ検出器内に実装したサーモパイルアレイを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の詳細な実施形態を本書に開示する。しかしながら、開示した実施形態は本発明の単なる例示であることを理解すべきであり、様々な代替形態で実施することができる。図面は必ずしも一律の縮尺ではなく、一部の特徴は誇張もしくは最小化され、特定の要素の詳細を示す。したがって、本書に開示した特定の構造的および機能的な詳細は、限定するものとして解釈すべきでなく、単に請求項の代表的な根拠としておよび／または本発明の１以上の実施形態を様々に利用する当業者に教示するための代表的な根拠として解釈すべきである。
【０００９】
本発明の様々な実施形態は一般に、限定しないが、感熱素子型アレイを具えたＩＲ検出器を提供する。アレイは複数の感熱素子を具え、各々がＭ列とＮ行（例えば、Ｍ×Ｎのサーモパイルアレイ）に分配したサーモパイル（または他の適切な感熱素子）を具える。関数発生器（あるいは対応する周波数の発振信号を生成するよう配置した他の適切な素子）は、互いに異なる周波数の発振信号でアレイ内の感熱素子の各列（または行）を駆動し（各サーモパイルの出力を変調し）、これにより各列（または行）の電気出力が提供される。列（または行）の各サーモパイルの変調した電気出力は、１つの変調した電気出力に提供することができ、所定の列（または行）のアンプ（または他の適切な素子）によって増幅される。復調回路は、各列（または行）について増幅した後に各々の１つの変調した電気出力を受け取り、増幅した出力を復調して（例えば、各列（または行）の発振信号から一定値を除去して）一定の電気値を生成することができる。一定の電気値は、検出した画像全体の一部を示すことができる。検出した画像全体は、アレイ内の各列（または行）から読み出した全ての一定の電気値を組み合わせることによって復元することができる。
【００１０】
記載した目的以外の目的で本書に記載した実施形態を利用することができ、本書で言及した課題は本発明の実施形態によって克服することができる課題の完全なリストとなるよう意図していないことを考慮されたい。説明の目的で本書に記載することができるこのような課題を言及し、簡潔さの目的で本発明の様々な実施形態によって克服することができる全ての課題を記載していない。さらに、本書に記載した実施形態は多くの利点を提供することができ、言及したものは達成することができる完全なリストとなるよう意図するものではない。本書に開示したこのような利点は説明の目的で言及し、簡潔さの目的で本発明の実施形態によって達成した全ての利点を記載していない。さらに、本書に提供した実施例は説明の目的で開示し、実装することができる実施例の完全なリストとなるよう意図しておらず、本発明の実施形態の範囲を任意の方法に限定するよう意図していない。
【００１１】
図３〜図８で説明するように本発明の実施形態は一般に、複数の回路あるいは他の電気素子を示し記載している。回路と他の電気素子への全ての参照と、それぞれにより提供される機能とは、本書に示し記載したもののみを網羅するよう限定し意図するものではない。特定の符号を開示した様々な回路あるいは他の電気素子に割り当てることができるが、そのような符号は回路や他の電気素子の動作の範囲を限定するよう意図するものではない。このような回路と他の電気素子は互いに組み合わせることができ、および／またはカメラに必要な電気的な実装の特定の種類に基づいて任意の方法で分離させることができる。本書に開示した任意の回路あるいは他の電気素子は、多くのマイクロプロセッサ、集積回路、記憶装置（例えば、ＦＬＡＳＨ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、あるいはこれらの他の適切な変異形）およびソフトウェアを具えることができ、これらは互いに協動して発振信号を生成し、アレイ出力のアナログ−デジタル変換を実行し、アレイ出力を復調する。
【００１２】
図１は、従来のマイクロボロメータ型検出器２０を示している。検出器２０は、カメラ内に実装することができる。検出器２０は、３２０×２４０のアレイ（例えば、３２０列と２４０行）に配置した複数のピクセル２２を具えることができる。各ピクセル２２は、マイクロボロメータ２４と、スイッチ２８とを具える。スイッチ２８は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として実装することができる。マイクロボロメータ２４とスイッチ２８は、半導体基板に形成されることが知られている。検出器２０は３．３Ｖ、０．５ｕｍの相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いて４５ｕｍのピクセルピッチで実装することができる。
【００１３】
選択可能な直流電源（図示せず）が順に一行づつスイッチ２８を閉じる（例えば、１行の全てのスイッチを同時に閉じる一方、異なる行の全ての他のスイッチを開く）ことにより、一列の１つのマイクロボロメータ２４の電流がそこから流れる。サイクルが繰り返される前に１／Ｎ（ここでＮは行の数に相当する）のタイムスライスで１つのボロメータを測定する条件は一般に、時分割多重化（ＴＤＭ）として定義される。
【００１４】
容量性トランスインピーダンスアンプ（ＣＴＩＡ）３０は、所定の列の各ピクセル２２の出力側に接続している。キャパシタ３２は各ＣＴＩＡ３０に接続している。キャパシタ３２のサイズがＣＴＩＡ３０の出力のゲインを制御する。各ＣＴＩＡ３０は、キャパシタ３２の電荷を集積することによって電流−電圧変換を実行する。スイッチ３４は、ＣＴＩＡ３０によって実行された電流−電圧変換をリセットするよう作用する。
【００１５】
スイッチ３６とキャパシタ４２はＣＴＩＡ３０の出力側に接続しており、所定の列のサンプルホールド（Ｓ＆Ｈ）動作を実行する。適量の電荷がキャパシタ３２の両端に集積すると、スイッチ３６がキャパシタ４２に電荷を移すよう瞬間的に閉じる。Ｓ＆Ｈ動作の目的は、キャパシタ３２から集めた電荷を保持してデジタル変換を待つことである。
【００１６】
各列の出力を読み出すことができるように、アンプ３８とスイッチ４０がさらに設けられる。対応する列の出力がマルチプレクサを通過することができるようにスイッチ４０を閉じるよう構成することができる。一旦、所定の列の出力が確定すると、スイッチ２８と４０を開き、前の行のスイッチ２８と４０を閉じ、これによりこの行の測定値を確定することができる。このシーケンスは、アレイ内の全ての行について一つずつ発生する。上述したように、検出器２０はＴＤＭアプローチを利用することにより、所定の行のＦＥＴスイッチ２８が一つずつ閉じ、これにより所定の行の対応する出力が確定する。各列の出力は、ＶＩＤＥＯ  ＯＵＴＰＵＴでアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器（図示せず）に送信される。ＴＤＭアプローチに関連して用いられる検出器２０は、エイリアシングノイズを示すであろう。エイリアシングノイズはノイズスペクトルの形状を変化させ（例えば、ノイズが非線形のパターンを示す）、ほとんど予測できなくなるであろう。そのため、ノイズを予測できない場合には、設計オプションを利用することができないが、そうでなければこの予測可能なノイズの影響を除去し、カメラのパフォーマンスを向上することができる。
【００１７】
図２は、従来のマイクロボロメータ型検出器５０を示している。検出器５０は、カメラ内に実装することができる。検出器５０は通常、パッケージ化され、回路基板に取り付けられ、キャップで囲まれ、ここにレンズが配置される。検出器５０は複数のピクセル５２を具え、これは３２０×２４０のアレイ（例えば、３２０列および２４０行）に配置することができる。各ピクセル５２は、サーモパイルセンサ素子５４と、スイッチ５６とを具える。スイッチ５６は、ＦＥＴとして実装される。
【００１８】
列デコーダ５８が設けられ、一列ずつ（すなわち、検出部５０はＴＤＭ構成を用いる）列方向のスイッチ５６を選択的に閉じる直流電源を具える。対応する列の各サーモパイル５４は、スイッチ５６が閉じるのに応じて出力電圧を発生させる。低ノイズアンプ６０は、所定の行の各サーモパイル５４に作動的に接続している。アンプ６０は通常、検出器２０（例えば、マイクロボロメータ型検出器）に関連して用いたアンプより高い出力利得を提供するよう構成されている。サーモパイル５４の利得を増幅するために用いることができる代表的なアンプは、カリフォルニア州９５０３５−７４１７、ミルピタス、マッカーシー大通り１６３０のＬｉｎｅａｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙによって提供されるＬＴ６０１４である。リード線６２は、サーモパイル５４の出力電圧を検出器５０内に設けられていない素子に分配するために設けられている。アンプ５６は、サーモパイル５４から提供された出力電圧を増幅する。
【００１９】
一般に、所定の列内の各サーモパイル５４が対応するＦＥＴスイッチ５６によって有効になった後、サーモパイル５４に接続した各アンプ６０は整定時間を必要とする。この整定時間が得られた後、サーモパイル５４によって提供された電圧出力がデジタル化され、これにより画像を電子画像として提供することができる。
【００２０】
サーモパイルは一般に良好な信号対雑音比を有することが知られている。さらに、サーモパイルは一般に低反応および低ノイズを示すことが知られている。反応を増幅するために、特定の行のピクセル５２の利得を増幅する低ノイズアンプ６０が必要である。しかしながら、このような低ノイズアンプを用いてもなお、検出器５０の読み出しに著しい量のノイズを加えるであろう。特に、アンプについては検出器５０と同じシリコン基板に組み込まれる。検出器５０はさらに、エイリアシングノイズに悩まされる場合がある。上述したように、このような条件がノイズを予測する機能を低下させるであろう。ノイズを予測できない場合、予測可能なノイズパターンの影響を軽減する設計オプションを実装することは不可能であろう。
【００２１】
図３は、本発明の一実施形態に係るサーモパイルＩＲ検出器７０を示している。検出器７０は、例えば限定しないが、カメラなどの撮像装置６９に実装することができる。検出器７０は通常パッケージに入れられ、回路基板７１に取り付けられる。検出器７０と回路基板７１は、レンズ７４が配置されるキャップ７３によって囲まれる。検出器７０は通常、関数発生器７２とサーモパイルアレイ７６とを具える。関数発生器７２は、発振搬送波（または発振信号）でサーモパイルの各列（または行）を同時に駆動することができる。各サーモパイルは、物体から取り込んだ熱エネルギに応じて電気出力を生成する。サーモパイルによって生成された対応する電気出力は、発振搬送波信号で振幅変調され、そこから送信される。サーモパイルの各列（または行）は、互いに一意の周波数で駆動される。一般に、関数発生器７２は全ての列（または行）の全てのサーモパイルを起動し、各列（または行）について一意の周波数の発振搬送波で各サーモパイルの出力を（例えば、各サーモパイルに接続した１以上のスイッチを用いて）振幅変調するよう構成されている。全てのサーモパイルを同時に起動することができる。複数のアンプを具える利得回路７８は、サーモパイルアレイ７６に作動的に接続している。アンプは各サーモパイルの特定の列（または行）に接続しており、サーモパイルの各列（または行）の信号強度を増幅する。復調回路８４は通常、利得回路７８に接続し、サーモパイルの各列（または行）の直交搬送波を分離するよう構成されており、これにより各列のサーモパイルの対応する電圧出力を確定し、取り込んだ原画像の電子画像を生成することができる。本発明の実施形態は周波数変調または位相変調を利用することができることを考慮されたい。
【００２２】
各列について一意の周波数の発振搬送波で全ての列（または行）の全てのサーモパイルを変調し、ここで全ての搬送波が各列（または行）に同時に提供され、アレイ内で変調されるコンセプトは一般に、周波数分割多重化（ＦＤＭ）アプローチとして定義される。ＦＤＭアプローチにより、サーモパイルアレイ７６の全ての行に追加する専用のアンプを用いて、このアンプによって生成されたノイズの量に関係なく信号強度を増幅することが可能になる。例えば、所定の周波数の一意の搬送波信号で所定の列（または行）のサーモパイルの各々を振幅変調し、この信号を利得回路７８のアンプに同時に提供する当然の結果として、チャネルの広帯域ノイズが大きくなる（例えば、広帯域ノイズの標準偏差が列（または行）のサーモパイルの数の平方根で増加する）。広帯域アンプノイズと比べて広帯域チャネルノイズが「大きい」場合、チャネルとアンプの双方の広帯域ノイズは直交位相の合計（例えば、ノイズ標準偏差の二乗和の平方根）と計算が合うという事実により、所定の列（または行）のアンプによって生成された広帯域ノイズが僅かになるため、電子機器に取り込まれたノイズの量は重要ではないと考えられる。
【００２３】
さらに、アレイ７６のサーモパイルを構築するために用いる材料は、（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２（Ｔｅ１−ｙＳｅｙ）３系の化合物を含む（例えば、ビスマス−テルル系）。この系の化合物は、簡潔さのためＢｉ２Ｔｅ３で表す。Ｂｉ２Ｔｅ３を用いてアレイ７６のサーモパイルを構築することにより、サーモパイルの抵抗を１０Ｋオーム未満に下げることができ、これがサーモパイル（または検出器）のノイズの量を減少させることができる。Ｂｉ２Ｔｅ３型材料を用いてＴＤＭアプローチのサーモパイルを構築し、サーモパイルのノイズを低減することができるが、アンプ（例えば、図２のアンプ６０を参照）によって生成されたノイズの量と比べた場合、このようなノイズの低減が最小化され、これによりエイリアシングノイズを引き起こし、これがさらに上述したようなエイリアシングノイズの課題に導く。上述した理由で主にＦＤＭアプローチの実装により、アンプによって生成された大量のノイズを軽減することができる。
【００２４】
一般に、ノイズのない理想的なアンプの場合、Ｂｉ２Ｔｅ３を用いて非常に高性能のサーモパイル型検出器を製造することができる。Ｂｉ２Ｔｅ３型サーモパイルのインピーダンス（または抵抗）は非常に低いので、そのノイズはさらに低い。低インピーダンスのサーモパイルを読み出し、出力信号にノイズを全く加えないために、非常に低ノイズのアンプが必要となるであろう。非常に高性能のアンプで高性能のサーモパイルを読み出すことが必要であるため、これはＴＤＭアプローチの課題となる場合がある。アンプの入力段が電力を消費するにつれ、アンプによるノイズが低減されるので、高性能は高電力を意味するかもしれない。一方、ＦＤＭアプローチは直列（図５を参照）で低インピーダンス（例えば、高性能）サーモパイルを組み込み、アンプに提供される全てのノイズを増加させることができる。全ノイズの標準偏差は、（全て直列の）サーモパイルの標準偏差とアンプの標準偏差の二乗の合計の平方根によって計算されるので、全ノイズは主にサーモパイルのノイズによって左右されるであろう。復調前の全ての信号はノイズを有するが、このようなノイズを有する信号は非常に長い時間（例えば、画像フレームレート時間）にわたって（例えば、積分することによって）平均することができる。このより長い期間にわたって全ての信号を積分することができるので、信号は復調後にその元の値に近い一つのサーモパイル検出器の雑音比に構築し戻すことができ、アンプノイズの影響がほぼ消滅することを示している。ノイズを予測し、設計内の測定値を用いるという概念をこの条件が示すであろう。
【００２５】
下記は、ＦＤＭアプローチがＴＤＭアプローチと比べて電子ノイズを低減することができる方法を示している。特に、信号対雑音比（ＳＮＲ）はＴＤＭアプローチとＦＤＭアプローチについて計算される。ＴＤＭ下の第ｉ番目の検出器（サーモパイル）の信号は以下のように記載することができる。
2012523692.tif 000003
ここで、
2012523692.tif 000004
2012523692.tif 000005
ＴＤＭアプローチでは、フレーム時間、Ｔｆｒａｍｅの割合で検出器がサンプリングされる。時間の割合は、多重出力する必要がある行の検出器の数、Ｎｃｏｌｕｍｎに基づいて決定される。標準的な積分器の出力は以下のとおりである。
2012523692.tif 000006
ＳＮＲは以下の式によって与えられる。
2012523692.tif 000007
ここでＴＤＭのＳＮＲは以下のように評価することができる。
2012523692.tif 000008
【００２６】
ＦＤＭアプローチでは、各検出器が一意の直交搬送波、ｓｉ（ｔ）で変調される。ＦＤＭアプローチでは、全ての検出器が行バス上に終始存在していることを後に示す。この結果は、各検出器のノイズ分散の計算が合うということである。行バスの信号は以下のようになる。
2012523692.tif 000009
ここで、
2012523692.tif 000010
2012523692.tif 000011
2012523692.tif 000012
ＦＤＭアプローチでは、検出器が終始存在するので、全フレーム時間、Ｔｆｒａｍｅで検出器がサンプリングされる。標準的な積分器の出力は以下のとおりである。
2012523692.tif 000013
ここでＦＤＭのＳＮＲは以下のように第ｉ番目の要素について評価することができる。
2012523692.tif 000014
【００２７】
数式８を数式４と比べると、ＦＤＭアプローチにより、電子ノイズの分散が多重出力される検出器の数（例えば、Ｎｃｏｌｕｍｎ）に基づいて減少することが分かる。
【００２８】
一般に、発振搬送波は任意の直交系の関数、例えば限定しないが、ウォルシュ関数、サインおよびコサイン関数を含むことを認識されたい。
【００２９】
本書で用いるウォルシュ関数は、ｗａｌ（０，θ）、ｓａｌ（ｉ，θ）およびｃａｌ（ｉ，θ）（ここでθは標準化した時間ｔ／Ｔである）で表すことができる。ウォルシュ関数は一般に、正規直交関数の完全なシステムを形成することができ、これはサインおよびコサイン関数のシステムに類似するであろう。ｃａｌとコサイン関数と同様に、ｓａｌとサイン関数との間に密接した関係がある。一般に、ウォルシュ関数は完備正規直交集合を形成することが知られており、このため直交する。
【００３０】
図４は、本発明の一実施形態に従って図３の検出器７０内に実装した関数発生器７２を示している。関数発生器７２は、ｓａｌ（ｘ，ｔ）およびｃａｌ（ｙ，ｔ）関数といったウォルシュ関数を生成するよう構成されている。例えば、関数発生器７２は関数ｓａｌ（１，ｔ）〜ｓａｌ（８，ｔ）と、ｃａｌ（１，ｔ）〜ｃａｌ（８，ｔ）とを生成する。一実施例では、関数発生器７２を４ビットの同期カウンタとすることができる。任意の数のビットに適応するように関数発生器７２を構成することができ、選択したビット数は通常、サーモパイルアレイのサイズ（例えば、列および／または行の数）に依存することを認識されたい。加えて、関数発生器７２は非同期にすることができることをさらに認識されたい。
【００３１】
関数発生器７２は、１以上のビット（例えば、４ビット）を受信する複数の排他的論理和（ＸＯＲ）８６を具え、関数ｓａｌ（１，ｔ）〜ｓａｌ（８，ｔ）と、関数ｃａｌ（１，ｔ）〜ｃａｌ（７，ｔ）とを生成する。一般に、ｓａｌ（ｘ，ｔ）とｃａｌ（ｙ，ｔ）の各関数が互いに異なる時間に送信されるように、ＸＯＲゲート８６とクロックの配置が構成され、これにより所定周波数がｓａｌ（ｘ，ｔ）とｃａｌ（ｙ，ｔ）の各関数の間で維持される。ｓａｌ（ｘ，ｔ）とｃａｌ（ｙ，ｔ）の各関数はアレイ７６内の異なる列に送信される。例えば、ｓａｌ（１，ｔ）とｃａｌ（１，ｔ）はアレイ内の第１の列のサーモパイル等に送信することができ、ここでｓａｌ（８，ｔ）とｃａｌ（８，ｔ）はアレイ７６内の第８の列に送信される。ｓａｌ（ｘ，ｔ）とｃａｌ（ｙ，ｔ）の各関数は互いに異なる時間で送信されるので、全ての列のサーモパイルが一意の周波数の（例えば、ｓａｌおよび／またはｃａｌ関数の）直交系によって変調されることをこの条件が保証している。
【００３２】
図５は、本発明の一実施形態に従って図３の検出器７０内に実装したサーモパイルアレイ７６を示している。アレイ７６は、８×Ｎのアレイに配置された複数のピクセル９０（または感熱素子）を具えている。例えば、アレイ７６はピクセル９０の８つの列と、ピクセル９０の任意の数の行とを具えている。各ピクセル９０は、第１のペアのスイッチ９２と、第２のペアのスイッチ９４と、サーモパイル９６と、スイッチ９８とを具える。各ピクセル内のスイッチとサーモパイルの量は特定の実装の所望の基準に基づいて変更することができることを認識されたい。スイッチ９２および９４はサーモパイルと協働し、サーモパイルの出力を発振信号上に変調することができる。ピクセル９０の列は、関数発生器７２から関数ｓａｌ（１，ｔ）〜ｓａｌ（８，ｔ）とｃａｌ（１，ｔ）〜ｃａｌ（８，ｔ）とを受信するよう構成されている。例えば、列１の画素９０は関数ｓａｌ（１，ｔ）とｃａｌ（１，ｔ）とを受信する。列２の画素９０は関数ｓａｌ（２，ｔ）とｃａｌ（２，ｔ）などを受信し、これにより列８の画素が関数ｓａｌ（８，ｔ）とｃａｌ（８，ｔ）を受信する。
【００３３】
アレイのサイズは変更することができ、特定の実装の所望の基準に基づいて列と行の数を選択することができる。スイッチ９２および９４の数と構成も特定の実装の所望の基準に基づいて変更することができることを認識されたい。このような関数の使用も同様に、特定の実装の所望の基準に基づいて変更することができる。アレイ７６内に示すような回路（もしくは検出器７０の他の場所）は、説明の目的に用いられ、本発明の実施形態をこの方法でのみ実装すべきであることを実証し意図するものではない。
【００３４】
上述したように、ｓａｌ（ｘ，ｔ）とｃａｌ（ｙ，ｔ）の各関数はそれぞれ対応する列の画素９０に一意の周波数で送信される（例えば、列１は第１の周波数のｓａｌ（１，ｔ）とｃａｌ（１，ｔ）を受信し、列２は第２の周波数のｓａｌ（２，ｔ）とｃａｌ（２，ｔ）を受信し、列３は第３の周波数のｓａｌ（３，ｔ）とｃａｌ（３，ｔ）を受信する等）。各一意の周波数は所定の量で分離することができ、復調中に各画素９０の出力信号を一意に再生することができるのを保証している。一実施例では、分離周波数を３０Ｈｚにすることができる。
【００３５】
一般に、各列の画素９０は関数ｓａｌ（ｘ，ｔ）とｃａｌ（ｙ，ｔ）で駆動され、互いに一意の周波数で動作しており、これにより各サーモパイル９６の電圧出力が行方向で読み出される。各サーモパイル９６はｓａｌ（ｘ，ｔ）またはｃａｌ（ｙ，ｔ）の特定の関数とすることができるが、対応する行のサーモパイル９６の半分は順方向（行バスの＋側）にあり、サーモパイル９６の他の半分は直交搬送波（例えば、ｓａｌ（ｘ，ｔ）およびｃａｌ（ｙ，ｔ））の周期的な特徴により逆方向（行バスの−側）にある。サーモパイル９６の半分が順方向にある一方、サーモパイル９６の残りの半分が逆方向にあるので、所定の行の電圧出力は通常グランドに近いことを認識されたい。全てのダイナミックレンジ（例えば、最高の測定可能信号対最低の測定可能信号の比率）が維持されている。各画素９０が関数ｓａｌ（ｘ，ｔ）とｃａｌ（ｙ，ｔ）とを受信するのは、このような関数が各画素９０の適切なスイッチングに対して重複しないクロックを提供するためである。
【００３６】
アレイ７６は、信号ｖ１（ｔ）〜ｖｎ（ｔ）（ここでＮ＝アレイの行の数）の各行の電圧出力を送信する。利得回路７８は、電圧出力ｖ１（ｔ）〜ｖｎ（ｔ）を受信する複数のアンプ１０２を具え、振幅を増幅させて電圧出力ｖ１’（ｔ）〜ｖｎ’（ｔ）を生成する。一実施例では、各アンプ１０２をカリフォルニア州９５０５２、サンタクララ、セミコンダクタドライブ２９００、Ｎａｔｉｏｎａｌ  ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒのＬＭＣ６０２２と類似したＣＭＯＳアンプとすることができる。各アンプ１０２は、アレイ７６と同じシリコン基板に一体化することができる。使用するアンプの種類は特定の実装の所望の基準に基づいて変更することができることを認識されたい。図２に関して上述したように、サーモパイルは一般に低反応を示し、出力を増加するために更なる利得を必要とする。サーモパイル９６は所定の行で互いに直列で接続され、対応する電圧出力がアンプ１０２の非反転入力に提供される。このような配置により、スイッチ９８が各サーモパイル９６の両端に加えられ、サーモパイル９６が損傷した場合にその対応する画素を永久に閉じる。特定の行で直列にサーモパイル９６を接続し、その行からアンプ１０２の非反転入力へ電圧出力を提供することにより、利得電圧出力が増加し、アンプ１０２の非反転入力への小電流により１／ｆノイズの電位が低減する。
【００３７】
マルチプレクサ８０は、利得回路８０から出力電圧ｖ１’（ｔ）〜ｖｎ’（ｔ）を受信する。アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器８２は、単線バス上で出力電圧ｖ１’（ｔ）〜ｖｎ’（ｔ）を受信する。Ａ／Ｄコンバータ８２は、出力電圧ｖ１’（ｔ）〜ｖｎ’（ｔ）をアナログ電圧信号からデジタル電圧信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ８２は、アナログデジタル変換を可能にするハードウェアとソフトウェアの任意の組み合わせを具えることができる。
【００３８】
復調回路８４は、アレイ７６の各行のＡ／Ｄコンバータ８２からデジタル出力を受信するよう構成されている。復調回路８４は、照合フィルタ、高速ウォルシュ変換、あるいはハードウェアおよびソフトウェアの任意の組み合わせを具えた他の適切な回路とすることができ、アレイ７６の所定の行のサーモパイル９６の電圧出力を測定する。Ａ／Ｄコンバータ８２の出力は、１つの行のサーモパイル９６の出力電圧のデジタル表現を含んでおり、それは対応する直交搬送波（例えば、各列に一意の周波数で送信される関数ｓａｌ（ｘ，ｔ）およびｃａｌ（ｙ，ｔ））に乗算された定数の形態である。
【００３９】
一意の直交搬送波のそれぞれは、サーモパイルの信号情報を含んでいる。受信信号をｓａｌ（ｉ，ｔ）（あるいはｃａｌ（ｉ，ｔ）、ｃａｌ（ｉ，ｔ）を用いる場合、符号変換のみが生じる）で乗算することにより復調が行われる。次いで、復調信号を平均してサーモパイル信号を推定する。行からの受信信号は、数式９によって与えられる。
2012523692.tif 000015
【００４０】
場面と熱時定数にもよるが、ｍ（ｔ）は推定すべき定数あるいは確率変数の何れかであると考えることができる。推定すべきパラメータが定数であると仮定すると、最適な推定量が以下により与えられる。
2012523692.tif 000016
ここで、
2012523692.tif 000017
ｓａｌ（ｉ，ｔ）は＋１あるいは−１の何れかであるので、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）あるいはフィールドプログラマブルアレイ（ＦＰＧＡ）の実装が容易である。
【００４１】
図６は、本発明の別の実施形態に係るサーモパイル型ＩＲ検出器１５０を示している。検出器１５０は、複数の発振器１５２（もしくは関数発生器）、アレイ１５４、利得回路１５６、マルチプレクサ回路１５８、Ａ／Ｄコンバータ１６０、記憶回路１６２、および復調回路１６４を具えている。複数の発振器１５２は、所定の周波数で発振する搬送波信号を生成し、所定の列（または行）内の全てのサーモパイルを起動するよう構成されており、これにより変調信号がそこから送信される。例えば、各発振器１５２は一意の周波数の発振信号を生成し、アレイ１５４内の対応する列のピクセルに同じものを送信するよう構成されている。各列のピクセルは同時だが互いに異なる周波数で駆動される。検出器１５０は、図３に関して言及したようにＦＤＭアプローチを利用する。
【００４２】
複数の発振器１５２は、電圧源１６６により電圧制御される。電圧制御発振器の代わりに異なる種類の発振器を用いてもよいことを考慮されたい。例えば、この発振器は機械共振器（例えば限定しないが、水晶発振器）に接続することができる。一意の周波数で発振信号を生成するのに用いる素子の種類は、特定の実装の所望の基準に基づいて変更することができる。複数の抵抗器１５５は発振器１５２と電圧源１６６との間に配置され、電圧源の電圧出力を調整する。各抵抗器１５５の抵抗値を選択し、異なる電圧入力が各発振器１５２に提供されるよう保証することができる。このような条件は、発振器１５２が電圧制御される場合に、発振器１５２が互いに一意の周波数を生成することを保証する。発振器７２はそれぞれ、サイン関数（例えばｓｉｎ（ｘ，ｔ））あるいはコサイン関数（例えばｃｏｓ（ｙ，ｔ））の形態で発振信号を生成する。
【００４３】
図７は、サーモパイルアレイ１５４の詳細な図を示している。アレイ１５４は、Ｍ×Ｎのアレイに配置したピクセル２０２（または感熱素子）を具えている。各ピクセル２０２は、サーモパイル２０４と、ＦＥＴ型スイッチ２０６とを具える。所定のピクセル内に実装したサーモパイルとスイッチの数は、特定の実装の所望の基準に基づいて変更することができる。全ての発振器１５２が全ての時間で起動しており、これによりピクセルの全ての列が一意の周波数で振幅変調される。例えば、列１のサーモパイル２０４が第１の周波数の第１の発振信号で駆動され、列Ｍのサーモパイル２０４が第２の周波数の第２の発振信号で駆動され、第１の周波数は第２の周波数と異なっている。一実施例では、第１の周波数を３０Ｈｚとすることができ、第２の周波数を６０Ｈｚとすることができる。各列に用いる特定の周波数は通常、以下により規定される。
2012523692.tif 000018
ここでｉは列の数に相当する。
【００４４】
ＦＤＭアプローチのサーモパイルの代わりに金属膜ボロメータ（または低抵抗ボロメータ）を実装することができることを認識されたい。
【００４５】
図３および図５に関して言及したように、各発振器１５２は通常、一意の周波数の振幅変調した直交搬送波で対応する列（または行）の全てのサーモパイルを起動するよう構成されており、これによりこの列（または行）の全てのサーモパイルが全フレーム時間中に起動する。これはアレイ１５４内の全て列について実行することができる。そのため、アレイ１５４内の全てのサーモパイルが同時に起動すると言うことができる。
【００４６】
アンプ２０８は、各行の電圧出力を増幅することができる。マルチプレクサ回路１５８は各行の電圧出力を単線でＡ／Ｄコンバータ１６０に送信する。Ａ／Ｄコンバータ１６０は、電圧出力をデジタル出力に変換する。Ａ／Ｄコンバータ１６０は、変換を実行するハードウェアとソフトウェアの任意の組み合わせを具えることができる。記憶回路１６２は、デジタル化した出力を記憶し、復調回路１６４への送信を可能にする。一実施例では、記憶回路１６２をダイレクトメモリアクセス（ＤＭＡ）記憶装置あるいは他の適切な記憶機構として実装することができる。復調回路１６４は、デジタル出力に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行する。復調回路１６４は、ＦＦＴを実行するハードウェアとソフトウェアの任意の組み合わせを具えることができる。取得画像を示す画像結果は、そこから生成される。
【００４７】
検出器７０および１５０（または他の適切なこれらの変形）内のサーモパイル型アレイは耐熱性レベルの向上を示すため、広範囲の環境温度にわたって放射計測校正を容易に維持することができることを認識されたい。ＦＤＭアプローチを利用する検出器７０および１５０（または他のこれらの適切な変形）内のサーモパイル型アレイは、限定しないが、消火用途などの様々な機能に適合することができるため、アレイは特別な画像処理技術（例えば、高ノイズの低利得画像を低ノイズの高利得画像と結合する）を必要とせず、取得画像の熱い物体および冷たい物体の双方を有する画像を表示することができる。さらに、検出器７０および１５０（または他の適切なこれらの変形）内のサーモパイル型アレイは物体から入力する放射輝度に線形的に反応することを認識されたい。このような線形反応により、低コストで工場内放射計測校正を達成することができる。さらに、検出器７０および１５０（または他の適切なこれらの変形）内のサーモパイルのサーモパイル出力信号は一般に差動的で不偏であり、大きなオフセットドリフトを示さないことを認識されたい。そのため、広範囲の環境温度にわたって放射計測校正を容易に維持することができる。さらに、検出器７０および１５０（または他の適切なこれらの変形）はＦＤＭアプローチにより１／ｆノイズを示さず、ＦＤＭアプローチは十分に高い周波数でサーモパイルの出力を変調することによってアンプの１／ｆノイズをほぼ除去するので、アンプの１／ｆノイズを無視することができることを認識されたい。さらに、アレイ内の全てのサーモパイルは全ての時間でエネルギを取り込むことができるため、検出器７０および１５０（または他の適切なこれらの変形）は、限定しないが、短い一時的なイベントを取り込むことができることを認識されたい。
【００４８】
本発明の実施形態を示し記載してきたが、これらの実施形態は本発明のあらゆる可能な形態を示し記載するよう意図していない。むしろ、明細書で用いられる用語は、限定ではなく説明のための用語であり、本発明の意図と範囲から逸脱せずに様々な変形を行うことができることを理解されたい。
【図１】
2012523692.tif 000019
【図２】
2012523692.tif 000020
【図３】
2012523692.tif 000021
【図４】
2012523692.tif 000022
【図５】
2012523692.tif 000023
【図６】
2012523692.tif 000024
【図７】
2012523692.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月12日(2010.8.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の画像を生成するための赤外線（ＩＲ）検出器において、当該ＩＲ検出器が、
少なくとも１つの感熱素子であって、
少なくとも１つの発振信号を受信し、
前記物体から熱出力の少なくとも一部を検出し、
前記検出した熱出力の少なくとも一部を示す電気出力信号を生成し、
前記少なくとも１つの発振信号で前記電気出力信号を変調し、前記物体の画像の少なくとも一部を示す変調出力信号を提供するよう構成された少なくとも１つの感熱素子と、
前記少なくとも１つの感熱素子に作動的に接続し、前記変調出力信号を増幅させるよう構成され、増幅した変調出力信号を生成する利得回路と、
前記利得回路に作動的に接続し、前記増幅した変調出力信号をデジタルの増幅した変調出力信号に変換するよう構成された変換器と、
前記変換器に作動的に接続し、前記デジタルの増幅した変調出力信号を復調するよう構成され、前記物体の画像の少なくとも一部を提供するための復調回路とを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項２】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、
前記少なくとも１つの感熱素子が、
前記物体から熱出力の少なくとも一部を検出するよう構成されたサーモパイルと、
前記サーモパイルに作動的に接続し、前記少なくとも１つの発振信号を受信するよう構成され、前記少なくとも１つの発振信号で前記電気出力信号を変調するための少なくとも１つの第１スイッチと、
前記サーモパイルに作動的に接続し、前記サーモパイルが損傷した場合に前記少なくとも１つの感熱素子が自身から電気出力信号を提供することができるよう構成された少なくとも１つの第２スイッチとを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項３】
請求項２に記載のＩＲ検出器において、前記サーモパイルが（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２（Ｔｅ１−ｙＳｅｙ）３で形成されており、ここでｘとｙが整数と非整数のうちそれぞれ１つであることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項４】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、前記少なくとも１つの感熱素子が互いに直列で連結された第１の感熱素子と第２の感熱素子とを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項５】
請求項４に記載のＩＲ検出器において、前記利得回路が前記第１の感熱素子と前記第２の感熱素子とに直列に接続したアンプを具え、前記第１の感熱素子と前記第２の感熱素子の各々から前記変調出力信号を受信することを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項６】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、前記少なくとも１つの発振信号が少なくとも１つのウォルシュ関数を含むことを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項７】
請求項１に記載のＩＲ検出器において、前記復調回路が高速ウォルシュ変換、高速フーリエ変換、および照合フィルタのうち１つを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項８】
物体の画像を生成するための赤外線（ＩＲ）検出器において、当該ＩＲ検出器が、
列と行の１つに配置された複数の感熱素子であって、前記感熱素子の各々が、
前記物体から熱出力の少なくとも一部を検出するよう構成され、前記検出した熱出力の少なくとも一部を示す電気出力信号を生成するサーモパイルと、
前記サーモパイルに作動的に接続し、少なくとも１つの発振信号を受信するよう構成され、前記サーモパイルの前記電気出力信号を変調し、変調出力信号を生成する少なくとも１つの第１スイッチと、
前記サーモパイルに作動的に接続し、電気経路を提供するよう構成され、これにより前記サーモパイルが損傷した場合に前記感熱素子が自身から電気出力信号を提供することができる第２スイッチとを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項９】
請求項８に記載のＩＲ検出器において、前記複数の感熱素子が前記列と行の１つに直列で配置されていることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１０】
請求項９に記載のＩＲ検出器において、前記第２スイッチが前記複数の感熱素子から特定の感熱素子に電気経路を提供するよう構成され、これにより前記複数の感熱素子の任意の残りの感熱素子が、前記特定の感熱素子と直列に配置される間、それぞれ前記変調出力信号を提供することができることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１１】
請求項９に記載のＩＲ検出器がさらに、前記複数の感熱素子と直列に配置したアンプを具え、前記複数の感熱素子の少なくとも１つから前記変調出力信号を受信して増幅させることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１２】
請求項８に記載のＩＲ検出器がさらに、各サーモパイルに作動的に接続した利得回路を具え、各サーモパイルから前記変調出力信号を受信し、各サーモパイルの増幅した変調出力信号を提供することを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１３】
請求項１２に記載のＩＲ検出器がさらに、前記利得回路に作動的に接続したアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を具え、各増幅した変調出力信号をデジタルの増幅した変調出力信号に変換することを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１４】
請求項１３に記載のＩＲ検出器がさらに、前記Ａ／Ｄ変換器に作動的に接続し、各デジタルの増幅した変調出力信号を復調するよう構成され、前記物体の画像の少なくとも一部を提供するための復調回路を具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１５】
物体の画像を生成するための赤外線（ＩＲ）検出器において、当該ＩＲ検出器が、
少なくとも１つの感熱素子であって、
検出した熱出力の少なくとも一部を示す電気出力信号を送信するよう構成されたサーモパイルと、
前記サーモパイルに作動的に接続し、前記少なくとも１つの発振信号を受信するよう構成され、前記少なくとも１つの発振信号で前記電気出力信号を変調するための少なくとも１つの第１スイッチとを具える感熱素子と、
前記少なくとも１つの感熱素子に作動的に接続し、前記変調した出力信号を増幅させるよう構成され、増幅した変調出力信号を生成する利得回路と、
前記利得回路に作動的に接続し、前記増幅した変調出力信号をデジタルの増幅した変調出力信号に変換するよう構成された変換器と、
前記変換器に作動的に接続し、前記デジタルの増幅した変調出力信号を復調するよう構成され、前記物体の画像の少なくとも一部を提供するための復調回路とを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１６】
請求項１５に記載のＩＲ検出器において、前記少なくとも１つの感熱素子がさらに、前記サーモパイルに作動的に接続し、前記サーモパイルが損傷した場合に前記少なくとも１つの感熱素子が自身から電気出力信号を提供することができるよう構成された少なくとも１つの第２スイッチを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１７】
請求項１５に記載のＩＲ検出器において、前記サーモパイルが（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２（Ｔｅ１−ｙＳｅｙ）３で形成されており、ここでｘとｙが整数と非整数のうちそれぞれ１つであることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１８】
請求項１５に記載のＩＲ検出器において、前記少なくとも１つの感熱素子が互いに直列で連結された第１の感熱素子と第２の感熱素子とを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項１９】
請求項１８に記載のＩＲ検出器において、前記利得回路が前記第１の感熱素子と前記第２の感熱素子とに直列に接続したアンプを具え、前記第１の感熱素子と前記第２の感熱素子の各々から前記変調出力信号を受信することを特徴とするＩＲ検出器。
【請求項２０】
請求項１５に記載のＩＲ検出器において、前記復調回路が高速ウォルシュ変換、高速フーリエ変換、および照合フィルタのうち１つを具えることを特徴とするＩＲ検出器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
各列について一意の周波数の発振搬送波で全ての列（または行）の全てのサーモパイルを変調し、ここで全ての搬送波が各列（または行）に同時に提供され、アレイ内で変調されるコンセプトは一般に、周波数分割多重化（ＦＤＭ）アプローチとして定義される。ＦＤＭアプローチにより、サーモパイルアレイ７６の全ての列（または行）に追加する専用のアンプを用いて、このアンプによって生成されたノイズの量に関係なく信号強度を増幅することが可能になる。例えば、所定の周波数の一意の搬送波信号で所定の列（または行）のサーモパイルの各々を振幅変調し、この信号を利得回路７８のアンプに同時に提供する当然の結果として、チャネルの広帯域ノイズが大きくなる（例えば、広帯域ノイズの標準偏差が列（または行）のサーモパイルの数の平方根で増加する）。広帯域アンプノイズと比べて広帯域チャネルノイズが「大きい」場合、チャネルとアンプの双方の広帯域ノイズは直交位相の合計（例えば、ノイズ標準偏差の二乗和の平方根）と計算が合うという事実により、所定の列（または行）のアンプによって生成された広帯域ノイズが僅かになるため、電子機器に取り込まれたノイズの量は重要ではないと考えられる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
さらに、アレイ７６のサーモパイルを構築するために用いる材料は、（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２（Ｔｅ１−ｙＳｅｙ）３系の化合物を含む（例えば、ビスマス−テルル系）。この系の化合物は、簡潔さのためＢｉ２Ｔｅ３で表す。Ｂｉ２Ｔｅ３を用いてアレイ７６のサーモパイルを構築することにより、サーモパイルの抵抗を１０Ｋオーム未満に下げることができ、これがサーモパイル（または検出器）のノイズの量を減少させることができる。Ｂｉ２Ｔｅ３型材料を用いてＴＤＭアプローチのサーモパイルを構築し、サーモパイルのノイズを低減することができるが、アンプ（例えば、図２のアンプ６０を参照）によって生成されたノイズの量と比べた場合、このようなノイズの低減が最小化される。上述した理由で主にＦＤＭアプローチの実装により、アンプによって生成された大量のノイズを軽減することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
一般に、ノイズのない理想的なアンプの場合、Ｂｉ２Ｔｅ３を用いて非常に高性能のサーモパイル型検出器を製造することができる。Ｂｉ２Ｔｅ３型サーモパイルのインピーダンス（または抵抗）は非常に低いので、そのノイズはさらに低い。低インピーダンスのサーモパイルを読み出し、出力信号にノイズを全く加えないために、非常に低ノイズのアンプが必要となるであろう。非常に高性能のアンプで高性能のサーモパイルを読み出すことが必要であるため、これはＴＤＭアプローチの課題となる場合がある。アンプの入力段が電力を消費するにつれ、アンプによるノイズが低減されるので、高性能は高電力を意味するかもしれない。一方、ＦＤＭアプローチは直列（図５を参照）で低インピーダンス（例えば、高性能）サーモパイルを組み込み、アンプに提供される全てのノイズを増加させることができる。全ノイズの標準偏差は、（全て並列または直列の（図５および図７参照））サーモパイルの標準偏差とアンプの標準偏差の二乗の合計の平方根によって計算されるので、全ノイズは主にサーモパイルのノイズによって左右されるであろう。復調前の全ての信号はノイズを有するが、このようなノイズを有する信号は非常に長い時間（例えば、画像フレームレート時間）にわたって（例えば、積分することによって）平均することができる。このより長い期間にわたって全ての信号を積分することができるので、信号は復調後にその元の値に近い一つのサーモパイル検出器の雑音比に構築し戻すことができ、アンプノイズの影響がほぼ消滅することを示している。ノイズを予測し、設計内の測定値を用いるという概念をこの条件が示すであろう。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
ＦＤＭアプローチでは、各検出器が一意の直交搬送波、ｓｉ（ｔ）で変調される。ＦＤＭアプローチでは、全ての検出器が行バス上に終始存在していることを後に示す。この結果は、各検出器のノイズ分散の計算が合うということである。行バスの信号は以下のようになる。
2012523692.tif 000026
ここで、
2012523692.tif 000027
2012523692.tif 000028
2012523692.tif 000029
ＦＤＭアプローチでは、検出器が終始存在するので、全フレーム時間、Ｔｆｒａｍｅで検出器がサンプリングされる。標準的な積分器の出力は以下のとおりである。
2012523692.tif 000030
ここでＦＤＭのＳＮＲは以下のように第ｉ番目の要素について評価することができる。
2012523692.tif 000031
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
場面と熱時定数にもよるが、ｍ（ｔ）は推定すべき定数あるいは確率変数の何れかであると考えることができる。推定すべきパラメータが定数であると仮定すると、最適な推定量が以下により与えられる。
2012523692.tif 000032
ここで、
2012523692.tif 000033
ｓａｌ（ｉ，ｔ）は＋１あるいは−１の何れかであるので、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）あるいはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）の実装が容易である。
【国際調査報告】
2012523692.tif 000034