JP2993557B2

JP2993557B2 - 熱型赤外線撮像装置およびその駆動方法

Info

Publication number: JP2993557B2
Application number: JP8098009A
Authority: JP
Inventors: 昭生田中
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 1999-12-20
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: KR100264920B1; KR970072510A; US5965892A; JPH09284651A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線撮像装置と
その駆動方法に関し、特に入射赤外線を熱の形でとらえ
る熱型赤外線撮像装置とその駆動方法に関するものであ
る。

【０００２】熱型赤外線撮像装置は、例えば物体の各部
から放射される赤外線を吸収して熱に変換し、さらに熱
を電気信号に変換して、画像として表示することによっ
て、物体の表面の温度分布を計測する等の目的に用いら
れるものである。

【０００３】熱型赤外線撮像装置においては、出力信号
における大きなバイアス成分に基づくノイズを除去して
Ｓ／Ｎを向上するとともに、測定を安定に行えるように
し、画素間のばらつきを小さくすることが必要である。

【０００４】

【従来の技術】従来の熱型赤外線撮像装置としては、例
えば本発明者の先願発明である特開平７−１９３７５２
号および特願平６−１８９１４４号に記載されたものが
ある。

【０００５】図２１は、従来の熱型赤外線撮像装置の断
面図を示したものである。また図２２は、従来の熱型赤
外線撮像装置の平面図を示したものである。先願の熱型
赤外線撮像素子は、図２１，図２２に一例を示すよう
に、半導体基板２０とその基板表面に走査回路２１を持
ち、その上に入射赤外線を電気信号に変換する受光部を
持っている。

【０００６】受光部は、シリコン酸化膜２２と、空洞２
３と、アルミニウム（Ａｌ）からなるグラウンド配線２
４と、Ａｌからなる信号配線２５と、スリット２６と、
チタンボロメータ２７と、シリコン酸化膜２８と、窒化
チタン２９と、垂直選択線３０とを有している。

【０００７】この走査回路および受光部は、二次元の赤
外線画像が得られるようにするために、複数の画素に対
する回路および受光部を集積化している。

【０００８】受光部は赤外線を吸収する赤外線吸収層
と、熱の逃げを防ぐダイヤフラム、熱を電気信号に変換
する熱電変換素子からなる。ダイヤフラムはその下層を
エッチングで取り除くことによって、宙に浮いた膜状の
構造を形成している。熱電変換素子は、この例では温度
によってその電気抵抗値が変化するボロメータを用いて
おり、ボロメータの材質としてチタンを用いている。

【０００９】各画素に入射した赤外線は、各画素の赤外
線吸収層に吸収され、各画素のダイヤフラムの温度を上
昇させる。この温度上昇はチタンボロメータによって電
気信号に変換され、基板上の回路を通じて順次外部に読
み出される。なおこれらの詳細については、特願平６−
１８９１４４号に記載されている。

【００１０】物体は、プランクの式に基づいて、その温
度に応じたあるパワーの赤外線を放射している。このた
め赤外線撮像装置は、可視光の撮像装置と異なり、大き
なバイアス成分を持っている。例えば３００°Ｋ付近の
物体の赤外線を撮像する場合、３００°Ｋの物体が放射
する大きなバイアス成分の上の、わずかな信号成分を取
り出す必要がある。

【００１１】さらにボロメータ型の赤外線撮像素子で
は、信号を読み出すためにバイアス電流を流す必要があ
り、常温で動作するボロメータ型の赤外線撮像素子では
特に信号電流に対するバイアス電流の割合が大きくな
り、これもバイアス成分を大きくする原因になってい
る。

【００１２】これに対して、従来の熱型赤外線撮像装置
は、信号を電流に変換するトランジスタとは別に定電流
源を設けて、この信号に対して非常に大きなバイアス成
分をキャンセルしている。

【００１３】図２３は、従来の熱型赤外線撮像装置の回
路図を示したものであって、ボロメータ１と、画素スイ
ッチ２と、垂直ＡＮＤ素子３と、水平スイッチ４と、水
平ＡＮＤ素子５と、グラウンド線６と、垂直信号線７
と、水平信号線８と、垂直シフトレジスタ９と、ラッチ
１０と、水平シフトレジスタ１１と、出力(1) １２と、
出力(2) １３と、積分回路(1) １４と、積分回路(2) １
５とを有することが示されている。なお、これらの詳細
については、特願平６−１８９１４４号に記載されてい
る。

【００１４】また、特開平７−１９３７５２号開示され
た例では、積分コンデンサを各画素に設けている。これ
によって積分時間を大きくすることができ、ノイズの帯
域を狭くしてノイズを減らすことができる。また他の例
として、量子型赤外線撮像装置の場合に、積分コンデン
サを各ラインに設けて積分コンデンサを大きくできるよ
うにした例が、特願平５−２２９９４６号に記載されて
いる。

【００１５】一般に赤外線撮像装置では、各画素の検出
器のばらつきなどに起因する、バイアスレベルのばらつ
きが存在する。これを固定パターンノイズ（ＦＰＮ）と
称し、通常、補正回路を設けて補正を行っている。この
一例として従来例では、赤外線撮像素子外部にバイアス
レベルのばらつき量を保持するメモリーを設けて、固定
パターンノイズを補正している（特願平６−１８９１４
４号参照）。

【００１６】また先願の例では、デバイスの出力に積分
トランジスタを持っており、このトランジスタのエミッ
タを出力に接続し、コレクタを積分コンデンサに接続し
ている（特願平６−１８９１４４号参照）。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】先願の特開平７−１９
３７５２号公報に開示された技術においては、大きなバ
イアス成分をカットして信号成分を取り出すことができ
るが、以下のような問題がある。

【００１８】熱電変換素子の信号を積分するためには、
熱電変換素子の抵抗変化または電圧変化を電流変化に変
換する必要がある。そのためには、トランジスタなどの
増幅素子または非線形素子が必要となるが、トランジス
タにはバイポーラ型にしても、ＭＯＳ型にしても、ショ
ットノイズ，ジョンソンノイズなどのノイズが存在す
る。Ｓ／Ｎを良くするためには、このトランジスタによ
るノイズを極力小さくする必要がある。

【００１９】特願昭６−１８９１４４号で使用している
積分回路は、非常に低ノイズであるが、上述したバイア
ス成分のキャンセルについて考慮されていない。両先願
の技術を組み合わせても、さらに以下のような問題が残
る。

【００２０】図２２に示されたようなボロメータを用い
た熱型赤外線撮像装置では、デバイスの温度が変化した
場合、デバイス上のボロメータの温度も当然変化するた
め、その温度変化はそのまま信号に現れることになる。
例えば、温度差１℃の被写体を見たときのダイヤフラム
の温度変化は、０．００２℃程度のわずかな温度差であ
るため、このデバイスの温度変化（ドリフト）は大きな
影響を与える。そこで、この対策のために、恒温装置や
補正回路が必要になるほか、信号のダイナミックレンジ
も狭まるという問題がある。

【００２１】さらにバイアス成分をキャンセルする回路
のノイズは、Ｓ／Ｎ改善のため極力小さくする必要があ
るが、従来例では考慮されていない。

【００２２】さらに従来の熱型赤外線撮像装置は、各画
素ごとに積分用のコンデンサを持っているため、コンデ
ンサの容量を大きくするには限界があり、そのため、信
号のダイナミックレンジも制限されてしまうという問題
がある。これに対して、画素の各列に積分コンデンサを
配置する量子型の例があるが、熱型の赤外線撮像装置に
はそのまま適用できない。

【００２３】さらにＳ／Ｎ改善のためにはバイアス電流
を大きくする必要があり、その場合デバイスの動作電圧
が増大するが、その場合の対策が従来例では考慮されて
いない。

【００２４】さらにボロメータは電流を流すと自己発熱
を起こし、この自己発熱によって信号のダイナミックレ
ンジを制限する場合があるが、その場合の対策が従来例
では考慮されていない。

【００２５】さらに固定パターンノイズは、信号のダイ
ナミックレンジを狭めるという問題があり、従来例でも
補正回路などで補正を行っているが、補正回路にはＡ／
Ｄ変換器やメモリなど大規模な回路が必要になるという
問題がある。

【００２６】

【発明の目的】本発明は、このような従来技術の課題を
解決しようとするものであって、ノイズを十分小さくす
ることができるとともに、信号のダイナミックレンジを
広くすることができ、回路構成が簡単な熱型赤外線撮像
装置およびその駆動方法を提供することを目的としてい
る。

【００２７】

【課題を解決するための手段】以下、上述の本発明の課
題を解決するための具体的手段を掲げる。

【００２８】(1) 本発明の熱型赤外線撮像装置は、入射
赤外線を吸収して発生した熱に応じて定まる温度に対応
する電気信号を発生する第１の熱電変換素子１０１と、
第１の熱電変換素子１０１をエミッタに接続された第１
のバイポーラトランジスタ１０２と、コレクタを第１の
バイポーラトランジスタ１０２のコレクタに接続された
第２のバイポーラトランジスタ１０４と、一端を該第２
のバイポーラトランジスタのエミッタに接続すると共に
他端を電源に接続した抵抗とを有し、そして、第１のバ
イポーラトランジスタ１０２と第２のバイポーラトラン
ジスタ１０４のそれぞれのコレクタの接続点に積分コン
デンサ１０５を接続してなり、積分コンデンサ１０５に
対象物の温度に対応する電圧を得るものである。

【００２９】(2) (1) の場合に、第１のバイポーラトラ
ンジスタ１０２と、第２のバイポーラトランジスタ１０
４のそれぞれのコレクタに流れる電流値を、ほぼ同じに
設定する。

【００３０】(3) 本発明の熱型赤外線撮像装置は、入射
赤外線を吸収して発生した熱に応じて定まる温度に対応
する電気信号を発生する第１の熱電変換素子と、第１の
熱電変換素子をソースに接続された第１の電界効果トラ
ンジスタと、ドレインを第１の電界効果トランジスタの
ドレインに接続された第２の電界効果トランジスタと、
一端を該第２のバイポーラトランジスタのエミッタに接
続すると共に他端を電源に接続した抵抗とを有し、そし
て、第１の電界効果トランジスタと第２の電界効果トラ
ンジスタのそれぞれのドレインの接続点に積分コンデン
サを接続してなり、この積分コンデンサに対象物の温度
に対応する電圧を得るものである。

【００３１】(4) (3) の場合に、第１の電界効果トラン
ジスタと、第２の電界効果トランジスタのそれぞれのド
レインに流れる電流値を、ほぼ同じに設定する。

【００３２】(5) (1) 〜(4) の場合に、抵抗の値を、第
１の熱電変換素子の抵抗値の１．５倍から１０倍、好ま
しくは２倍から５倍とする。

【００３３】(6) (1) 〜(5) の場合に、抵抗に代えて入
射赤外線を吸収して発生した熱によって温度が変化しな
い第２の熱電変換素子を用い、第２の熱電変換素子と第
１の熱電変換素子のそれぞれの温度係数をほぼ同じにす
る。

【００３４】(7) (6) の場合に、半導体基板上に熱の放
散を妨げるようにした熱分離構造部を設け、第１の熱電
変換素子をこの熱分離構造部に設けるとともに、第２の
熱電変換素子を、この熱分離構造部以外の半導体基板上
に設ける。

【００３５】(8) (1) 〜(7) の場合に、半導体基板上に
第１の熱電変換素子を２次元のマトリクス状に配列する
とともに、積分コンデンサを、２次元マトリクスの各ラ
インまたは複数ラインごとに１個配置する。

【００３６】(9) (1) 〜(8) の場合の熱型赤外線撮像装
置の駆動方法として、複数の積分コンデンサにおける積
分動作を、各積分コンデンサについて同時に行う。

【００３７】(10) (1) 〜(8) の場合の熱型赤外線撮像
装置の駆動方法として、複数の積分コンデンサにおける
積分動作を、各積分コンデンサごとに順次時間をずらし
て行う。

【００３８】(11) (1) 〜(8) の場合の熱型赤外線撮像
装置の駆動方法として、複数の積分コンデンサにおける
積分動作終了から積分値の読み出しまでの時間を、各積
分コンデンサについて同じにする。

【００３９】(12) (1) 〜(8) の場合の熱型赤外線撮像
装置の駆動方法として、複数の積分コンデンサにおける
積分動作終了後の積分値の読み出しを、各積分コンデン
サについて順番に時系列で行う。

【００４０】(13) (1) 〜(8) の場合に、半導体基板上
に、第１の熱電変換素子を２次元のマトリクス状に配列
し、この２次元マトリクスの一辺に画素選択用の第１の
シフトレジスタを持ち、他の一辺に第２のシフトレジス
タと、第２のシフトレジスタによって制御されて画素選
択を行う複数の第１のスイッチを持つとともに、第３の
シフトレジスタと、第３のシフトレジスタによって制御
されて積分コンデンサを選択する複数の第２のスイッチ
を持つ。

【００４１】(14) (1) 〜(8) の場合に、半導体基板上
に、第１の熱電変換素子を２次元のマトリクス状に配列
し、この２次元マトリクスの一辺に画素選択用のトラン
ジスタを持ち、他の一辺に画素選択用の第１のスイッチ
を持つとともに、各画素を選択するための入力または内
部で発生した論理信号を、トランジスタまたはスイッチ
を駆動するレベルにまで変換するレベル変換器を備え
る。

【００４２】(15) (6) 〜(8) の場合に、第２の熱電変
換素子と接続されるバイポーラトランジスタのベースま
たは電界効果トランジスタのゲートに、ランプ波形発生
器を備える。

【００４３】(16) (15)の場合に、ランプ波形発生器
は、ランプ発生用トランジスタ（または電界効果トラン
ジスタ）と、このランプ発生用トランジスタのエミッタ
（またはソース）に接続されたランプ発生用抵抗と、ラ
ンプ発生用トランジスタのコレクタ（またはドレイン）
に接続されたランプ発生用コンデンサとを有し、ランプ
発生用トランジスタのベース（またはゲート）に入力す
る電圧をＶｂｒａｍｐ、ランプ電圧をＶｒ、第２の熱電
変換素子の抵抗をＲｂ２として、ランプ発生用抵抗の抵
抗値Ｒｒａｍｐを、Ｒｂ２・（Ｖｂｒａｍｐ／Ｖｒ）²
以下に設定する。

【００４４】(17) (1) 〜(8) の場合に、半導体基板上
に２次元のマトリクス状に配列された各画素ごとに、第
１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子とを配置する。

【００４５】(18) 本発明の熱型赤外線撮像装置は、半
導体基板上に画素ごとに２次元のマトリクス状に配列さ
れた入射赤外線を吸収して発生した熱に応じて定まる温
度に対応する電気信号を発生する熱電変換素子と、この
各画素の熱電変換素子を選択するためのスイッチと、各
画素の熱電変換素子の信号を選択または積分するための
トランジスタを有し、各画素を選択するための入力また
は内部で発生すた論理信号を、各トランジスタまたはス
イッチを駆動するレベルにまで変換するレベル変換器を
備えるものである。

【００４６】(19) 本発明の熱型赤外線撮像装置は、半
導体基板上に画素ごとに２次元のマトリクス状に配列さ
れた入射赤外線を吸収して発生した熱に応じて定まる温
度に対応する電気信号を発生する熱電変換素子と、この
各画素の熱電変換素子の信号を切り替えるるためのスイ
ッチと、各画素の熱電変換素子の信号を選択または積分
するためのトランジスタと、各スイッチとトランジスタ
とを制御するためのシフトレジスタとを有する熱型赤外
線撮像装置において、シフトレジスタが発生する論理信
号を、スイッチまたはトランジスタを駆動するレベルに
まで変換するレベル変換器を備えるものである。

【００４７】(20) 本発明の熱型赤外線撮像装置は、半
導体基板上に、画素ごとに、入射赤外線を吸収して発生
した熱に応じて定まる温度に対応する電気信号を発生す
る第１の熱電変換素子と、第１の熱電変換素子の出力の
バイアス成分を補償するための第２の熱電変換素子とを
備えるとともに、各画素ごとに不揮発性記憶素子を配置
して、各第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子の抵
抗の比率のばらつきを補正するものである。

【００４８】(21) (20)の場合に、不揮発性記憶素子
を、フローティングゲートを有するＭＯＳ電界効果トラ
ンジスタから構成する。

【００４９】(22) (21)の場合に、フローティングゲー
トを有するＭＯＳ電界効果トランジスタが、第１または
第２の熱電変換素子または該ＭＯＳ電界効果トランジス
タのドレインに接続された積分コンデンサのバイアス電
流値、またはこの積分コンデンサのバイアス電荷量に応
じてそのしきい値電圧を変化させることによって、第１
の熱電変換素子と第２の熱電変換素子の抵抗の比率のば
らつきを補正する。

【００５０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態を示
す熱型赤外線撮像装置の回路図である。

【００５１】図１に示すように、半導体基板上に１０１
チタンボロメータ１（ダイヤフラム上）、１０２ＮＰＮ
トランジスタ、１０３チタンボロメータ２（基板上）、
１０４ＰＮＰトランジスタ、１０５積分コンデンサを形
成している。

【００５２】１０１チタンボロメータ１は、従来例と同
ように、熱の逃げを防いだダイヤフラム上に形成してお
り、入射赤外線に対して感度がある。１０２ＮＰＮトラ
ンジスタのベースに電圧Ｖｂ１を印加すると、１０２Ｎ
ＰＮトランジスタのベース，エミッタ間電圧をＶｂｅと
して、１０１チタンボロメータ１には、（Ｖｂ１−Ｖｂ
ｅ）の電圧がかかる。

【００５３】これによって、１０１チタンボロメータ１
の抵抗をＲｂ１とすると、１０２ＮＰＮトランジスタの
コレクタには、Ｉｃ１＝（Ｖｂ１−Ｖｅ）／Ｒｂ１の電
流が流れることになる。

【００５４】１０３チタンボロメータ２は基板上に形成
しており、入射赤外線に対して感度がない。１０４ＰＮ
Ｐトランジスタのベースに電圧Ｖｂ２を印加すると、上
記と同ように、１０４ＰＮＰトランジスタのコレクタに
は、Ｉｃ２＝（Ｖｂ２−Ｖｂｅ）／Ｒｂ２の電流が流れ
る。ここで、Ｒｂ２は１０３チタンボロメータ２の抵抗
である。１０３チタンボロメータ２を基板上に形成する
のは、入射赤外線に対して感度を持たせないためと、後
述する自己発熱の対策のためである。

【００５５】入射赤外線を遮断した状態では、１０２Ｎ
ＰＮトランジスタのコレクタ電流Ｉｃ１と、１０４ＰＮ
Ｐトランジスタのコレクタ電流Ｉｃ２はつり合ってお
り、１０５積分コンデンサにはほとんど電流が流れな
い。

【００５６】赤外線が入射すると、熱分離されたダイヤ
フラムの温度が上昇し、ダイヤフラム上の１０１チタン
ボロメータ１の抵抗値が変化する。この抵抗の変化はＩ
ｃ１を変化させる。しかしながら、基板上の１０３チタ
ンボロメータ２の抵抗値は変化しないため、Ｉｃ２は変
化しない。

【００５７】コレクタ電流Ｉｃ１の変化によって、差分
△Ｉ＝（Ｉｃ２−Ｉｃ１）が生じ、１０５積分コンデン
サに蓄えられる。この差分△Ｉは、信号成分と、除きき
れなかったバイアス成分からなっており、大きなバイア
ス成分は取り除かれている。

【００５８】例えば、ＩｍＡのバイアス電流を流したと
き、１℃の温度差の被写体を見た時の信号成分はこの内
の６ｎＡ程度（ダイヤフラムの温度上昇は２ｍ℃、ボロ
メータの温度係数は０．３％／℃として計算）であり、
バイアス電流を取り除く効果は非常に大きい。

【００５９】通常、Ｒｂ１、Ｒｂ２などのばらつきなど
によって、完全にバイアス成分を取り除くことは難しい
が、ばらつきによって除ききれない１％以外の、９９％
程度までバイアス成分を取り除くことは可能であり、こ
れによって積分コンデンサを大幅に小さくすることが可
能となる。

【００６０】例えば、４μｓｅｃの積分を行い、コンデ
ンサの電圧を５Ｖまでとした場合、バイアス電流が１ｍ
Ａのままでは、８００ｐＦもの容量が必要になるのに対
し、本発明の回路では、８ｐＦ程度で十分である。

【００６１】またボロメータ型の熱型赤外線撮像装置で
は、バイアス電流に比例して、積分時間のルートに比例
してＳ／Ｎが改善される。つまり、積分コンデンサに蓄
えられる信号成分を大きくできればできるほど、Ｓ／Ｎ
が改善されることになり、バイアス電流を取り除ける意
義は大きい。

【００６２】さらに本発明は、Ｒｂ２として単なる抵抗
ではなく、１０３チタンボロメータ２を用いている。こ
の１０３チタンボロメータ２の抵抗の温度係数は、１０
１チタンボロメータ１と同じにしている。これによって
デバイスの温度が変化しても、Ｒｂ１、Ｒｂ２は同じ割
合で変化し、従って、上式よりＩｃ１、Ｉｃ２も同じ割
合で変化するので、デバイスの温度変化をキャンセルで
きる。これに対して、Ｒｂ２として単なる抵抗を用いた
場合は、デバイスの温度変化によってＩｃ１のみ変化
し、ダイナミックレンジを簡単にはずれてしまうことに
なる。

【００６３】図２は、本発明の熱型赤外線撮像装置の動
作を表す回路図(1) であって、上述したＲｂ１（１０１
チタンボロメータ１），Ｒｂ２（１０３チタンボロメー
タ２）による補償回路の等価回路と、出力電流ｉｎ²と
を示している。

【００６４】ボロメータやトランジスタは、ジョンソン
ノイズやショットノイズ，１／ｆノイズなどの各種のノ
イズを持っている。ボロメータ自身のノイズは、材料な
どを選定して小さくする必要があることは当然である
が、トランジスタのノイズはボロメータのノイズに対し
てさらに小さくする必要がある。

【００６５】この回路において、積分コンデンサに流れ
るノイズ電流ｉｎは、次式（１）に示すように、２つの
ボロメータのノイズ電流ｉｎｂ１とｉｎｂ２、および２
つのトランジスタのノイズ電流ｉｎ１とｉｎ２の２乗和
で表される。

【００６６】

【数１】

【００６７】この場合、トランジスタのノイズは、相互
コンダクタンス（ｇｍ）や、ボロメータ抵抗（Ｒｂ１、
Ｒｂ２），ｒπ（ベース、エミッタ間抵抗）で割算され
る形となり、これらの値が大きいほどノイズ電流ｉｎに
現れにくいことになる。これは、相互コンダクタンス
（ｇｍ）やボロメータ抵抗，ｒπを大きくすれば、トラ
ンジスタのノイズを見えにくくできることになり、ボロ
メータ型の積分回路として非常に有効である。

【００６８】一般にバイポーラトランジスタはｇｍが大
きく、１／ｆノイズも比較的小さいため都合がよいが、
バイポーラ回路だけですべての回路を作成した場合、チ
ップ面積が増大したり、消費電力が大きくなるという問
題もある。

【００６９】これに対して、ＭＯＳＦＥＴのｇｍは、バ
イポーラトランジスタに比べて小さいが、ゲート幅を大
きくしたり、ゲート長やゲート酸化膜厚を小さくするこ
とによって、ｇｍを十分大きくすることは可能であり、
ＭＯＳＦＥＴを積分回路に使用することが可能である。

【００７０】また一般に、ＭＯＳＦＥＴは１／ｆノイズ
が大きいという問題があるが、その対策として、半導体
基板の表面をチャンネルとして使用しない埋め込み型Ｍ
ＯＳＦＥＴを使ったり、接合型ＦＥＴを使用することも
考えられる。

【００７１】積分回路部分にバイポーラトランジスタを
用い、シフトレジスタなどノイズに関係しない部分にＭ
ＯＳＦＥＴを使用した、バイポーラ・ＭＯＳＦＥＴ一体
型の構成にすれば、製造プロセスは若干複雑になるが効
果的である。近年、ゲートアレイなどで、このようなＢ
ｉＣＭＯＳのプロセスが普及し始めているので、それら
を利用して十分安価に作ることが可能である。図１に示
された回路は、このＢｉＣＭＯＳ構成の場合の一例であ
る。

【００７２】前述したように、図２のＲｂ１とＲｂ２に
はほぼ同じ電流が流れるようにして、バイアス成分を取
り除いている。しかしながら、ノイズの観点からすれ
ば、Ｒｂ２はバイアス成分を除去するためだけに存在す
るものであるため、Ｒｂ２の発生するノイズは可能な限
り小さくする必要がある。

【００７３】Ｒｂ２のジョンソンノイズを見えにくくす
るには、Ｒｂ２の抵抗値を大きくする必要があるが、そ
の場合Ｒｂ１とほぼ同じ電流を流すために、電圧を上げ
ることが必要となる。

【００７４】通常ノイズが３ｄＢ程度増大すると、人間
の目で認識できるようになる。Ｒｂ２がＲｂ１に対して
１．５倍だとノイズの増大は２．２ｄＢ、抵抗比が２倍
程度であれば、ノイズの増大は１．８ｄＢ程度で済む。
さらに抵抗比が５倍程度であればノイズの増大は０．８
ｄｂ程度で済むが、その代わり、Ｒｂ２の両端の電圧が
かなり大きくなってくる。

【００７５】もしも抵抗比１０倍では、ノイズの増大は
０．４ｄＢであって、非常に小さいが、電圧は非常に大
きくなる。このため、Ｒｂ２の値としては、Ｒｂ１の
１．５倍から１０倍、好ましくは２倍から５倍程度とが
望ましい。

【００７６】図１における各列の１０５積分コンデンサ
は、１０９水平スイッチ１を通して順次読み出される。
１０７ソースフォロワ、１０８負荷トランジスタは、１
１１水平信号線１に信号を送りだすためのバッファであ
る。このバッファは、省略することも可能である。１１
０水平シフトレジスタ１は、１０９水平スイッチ１を順
次選択してゆく。選択された積分コンデンサの電圧は、
１１２ソースフォロワのゲートに現れる。

【００７７】１１２ソースフォロワと１１３負荷トラン
ジスタは、１１４出力に信号を送り出すためのバッファ
であり、１１４出力には、積分コンデンサの電圧が現れ
る。１０６リセットスイッチは、読み出された後の積分
コンデンサの電圧をリセット電圧ＶＲに戻すためのもの
である。この例では各積分回路に１０６リセットスイッ
チを設けているが、後に述べる１個のリセットスイッチ
で全積分回路をリセットすることも可能である。

【００７８】ボロメータ型の熱型赤外線撮像装置では、
積分時間Ｔｓを短くしても、ボロメータに流す電流Ｉｂ
を大きくしてやれば、同じＳ／Ｎが得られる。Ｓ／Ｎは
ＩｂとＴｓのルートに比例する（Ｓ／ＮＩｂ√Ｔ
ｓ）。積分コンデンサに蓄えられる電荷量Ｑは、Ｉｂと
Ｔｓの積であるため（Ｑ＝Ｉｂ・Ｔｓ）、同じＳ／Ｎを
得る場合、Ｉｂを大きくしてＴｓを小さくした方がＱは
小さくなり、コンデンサの容量を小さくできる。従っ
て、マトリクス上に並んだ各画素に積分コンデンサを配
置して、積分時間を大きくとるよりも、積分時間が短く
なるが、各列または複数列に１個配置した方がメリット
がある場合がある。

【００７９】例えば積分コンデンサを各列に配置して、
４μｓｅｃ程度の積分を行った場合、バイアス電流をＩ
ｍＡ、バイアス成分除去率を９９％として、８ｐＦ程度
の容量で済む。各画素に配置して、３３ｍｓｅｃの積分
を行った場合は、同じＳ／Ｎを得るのに１１μＡ程度の
バイアス電流が必要となり、同じバイアス成分除去率と
して、７００ｐＦもの容量が必要になってしまう。

【００８０】図１の例では、１０２ＮＰＮトランジス
タ，１０３チタンボロメータ２，１０４ＰＮＰトランジ
スタ，１０５積分コンデンサなどからなる積分回路を、
複数列に１個持っている。この場合、積分時間は、積分
回路を各画素に設ける場合より小さくなるが、その分、
Ｉｂを大きくすることによって同じＳ／Ｎが得られる。
しかも、各画素に設けるコンデンサ容量より、小さい容
量のコンデンサを、複数列に１個設けるだけで良く、チ
ップサイズを大幅に削減できる。このように積分時間は
短いほど、積分コンデンサを小さくできるが、Ｉｂが大
きくなると別の問題が発生する。

【００８１】前述したように、ボロメータやトランジス
タには、ジョンソンノイズ，ショットノイズ，１／ｆノ
イズなどが存在する。このうち１／ｆノイズは、Ｉｂに
比例して大きくなるため、１／ｆノイズが支配的になる
と、Ｓ／Ｎ改善の効果が無くなってしまう。従って、積
分時間を短くできる限界は、Ｉｂが大きくなって、１／
ｆノイズが支配的になるあたりまでである。

【００８２】この１／ｆノイズが支配的になるＩｂの値
は、ボロメータ材料によって異なる。３ＫΩ程度のチタ
ンボロメータを用いた場合、この限界は例えば３ｍＡ程
度となるが、この値はボロメータの膜厚形状などによっ
ても大きく変わってくる。本発明においては、いろいろ
な大きさの積分時間に対応できるように、種々の構成を
後述している。

【００８３】複数列に１個積分回路を持たせるようにす
るために、本発明では２組の水平スイッチと水平シフト
レジスタを持っている。１組は、前述した積分コンデン
サを選択するための、１０９水平スイッチ１と１１０水
平シフトレジスタ１であり、もう１組は、マトリクス上
に並んだ画素の各列を選択するための、１１６水平スイ
ッチ２と１１７水平シフトレジスタ２である。

【００８４】図１は１２８列の画素に対して、４個の積
分回路を配置した例であり、３２列に１個の積分回路を
持たせている。１１６水平スイッチ２、１１７水平シフ
トレジスタ２は、この１２８列を順次選択して、４本の
１１８水平信号線２に振り分けている。４本の１１８水
平信号線２は、それぞれ独立の積分回路に接続されてい
る。

【００８５】１２０画素スイッチは各画素に配置され、
各画素の１０１チタンボロメータ１を選択する。１１９
垂直シフトレジスタは、この１２０画素スイッチを制御
して各行を選択する。例えば１２８行の画素の場合、１
１９垂直シフトレジスタは、１２８段となる。１１９垂
直シフトレジスタがある行を選択している間、１１７水
平シフトレジスタ２は各列を選択してゆき、その列を担
当する積分回路によって積分動作が行われ、１１４出力
に出力される。

【００８６】以上の説明は、１２８×１２８の画素に４
個の積分回路を持たせて、３２列に１個の積分回路を持
たせた例であるが、画素数や積分回路数はいくらでも増
大可能である。ただし、積分時間はおよそ（フレーム時
間）／（行数）／（積分回路につながる列数）で定まる
ため、行数や列数、積分時間に応じて積分回路数を決め
る必要がある。本発明では、積分回路の読み出し用に
も、１１０水平シフトレジスタ１を持っているため、積
分回路数が増大しても、１１０水平シフトレジスタ１の
段数を増やすだけで容易に対応できる。

【００８７】図３は、本発明の熱型赤外線撮像装置の動
作を表す回路図(2) であって、図１における積分回路部
分を抜き出した回路図である。図１の各部の電圧は、例
えば次のように設定する。

【００８８】１０１チタンボロメータに１ｍＡの電流を
流す場合、１０１チタンボロメータ１の抵抗を例えば３
ＫΩとして、１０２ＮＰＮトランジスタのエミッタ電圧
は３Ｖとなる。このとき１０２ＮＰＮトランジスタのベ
ース電圧Ｖｂ１は、Ｖｂｅを０．７Ｖとして約３．７Ｖ
となる。

【００８９】１０２ＮＰＮトランジスタのコレクタは、
１０５積分コンデンサに接続されている。この部分の電
圧は積分動作中、動作点を中心に変化する。この変化の
間もＮＰＮトランジスタは定電流動作をする必要があ
り、そのために、この動作点は、エミッタ電位（３Ｖ）
より例えば５Ｖ程度高くした８Ｖに設定する。１０４Ｐ
ＮＰトランジスタのエミッタ電位も、同じ理由で動作点
（８Ｖ）から５Ｖ程度高くとり、１３Ｖとする。

【００９０】ベース電圧Ｖｂ２は、Ｖｂｅを０．７Ｖと
して１２．３Ｖとなる。１０３チタンボロメータ２の抵
抗を、前述したノイズ上の理由で、１０１チタンボロメ
ータ１の例えば２倍の６ＫΩに設定した場合、１０３チ
タンボロメータ２に１ｍＡ流すためにＶｅは１９Ｖに設
定する。

【００９１】以上の説明は、Ｖｂ１、Ｖｂ２を一定と考
えた場合について行ったが、これ以外に次のような問題
がある。１０１チタンボロメータ１は、熱分離されたダ
イヤフラム上に形成されているため、電流を流すとジュ
ール熱によって温度上昇を引き起こす。この温度上昇
は、流す電流によっても異なるが、数１０℃にまで達す
ることもあり、ボロメータの抵抗値を数％変えることに
なる。

【００９２】１０３チタンボロメータ２は、基板上に形
成しているため、これを流れる電流Ｉｃ２にこのような
変化はない。１０３チタンボロメータ２は、各行の選択
の度にバイアスキャンセルのために使用されるため、こ
のように基板上に形成しないと、自己発熱が非常に大き
くなってしまう。このため、積分動作中、Ｉｃ２は一定
であるのにＩｃ１は減少して、バイアス成分がキャンセ
ルされなくなってしまう。

【００９３】図４は、本発明の熱型赤外線撮像装置の動
作を示すタイミング図であって、（ａ）はバイアス成分
の時間的変化を示し、バイアス成分がキャンセルされず
に、コンデンサの両端の電圧が積分動作中に飽和してし
まうことが示されている。

【００９４】この対策として本発明では、１０４ＰＮＰ
トランジスタのベースに、図４（ｂ）のＶｂ２に示すよ
うなランプ波形を入力して、Ｉｃ２を故意に変化させる
ことによって、温度上昇によるＩｃ１の変化をキャンセ
ルしている。

【００９５】例えばボロメータの自己発熱のピークが１
０℃として、ボロメータの温度係数を０．３％／℃とし
た場合、ボロメータの抵抗値は３％上昇し、Ｉｃ１は３
％低下する。通常、ダイヤフラムの熱時定数は積分時間
よりはるかに大きいため、この温度上昇は時間に対して
ほぼリニアとなる。Ｒｂ２の両端の電圧は６Ｖであるた
め、図４（ｂ）Ｖｂ２のように、１２．３Ｖから１２．
１２Ｖまで０．１８Ｖ（６Ｖ×３％）リニアに変化する
ランプ波形を入力すると、Ｉｃ２も３％変化し、Ｉｃ１
の変化をキャンセルできる。図１の１１５は、このよう
な動作をするランプ波形発生器である。

【００９６】図５は、本発明の熱型赤外線撮像装置の一
実施形態における各部回路構成例を示す回路図(1) であ
って、図５（ｃ）はランプ波形発生器の一例を示してい
る。

【００９７】図５（ｃ）に示すように、ランプ波形発生
器は、５０１ＮＰＮトランジスタ、抵抗Ｒｒａｍｐ、コ
ンデンサＣｒａｍｐ、５０２Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ、５０３
バッファからなっている。

【００９８】Ｖｂ２には、ランプ波形の最大値にあたる
電圧（１２．３Ｖ）を与えてやる。５０１ＮＰＮトラン
ジスタのベースに与える電圧Ｖｂｒａｍｐは、ランプ波
形の期間をＴｒ、ランプ電圧をＶｒとして、Ｖｂｒａｍ
ｐ＝Ｃｒａｍｐ・Ｒｒａｍｐ・Ｖｒ／Ｔｒ＋Ｖｂｅ（Ｖ
ｂｅは約０．７Ｖ）となるように設定する。

【００９９】ただし、５０１ＮＰＮトランジスタが定電
流動作するように、Ｖｂｒａｍｐ＜Ｖｂ２とする必要が
ある。ランプ電圧Ｖｒは、１０３チタンボロメータ２の
両端の電圧（例えば６Ｖ）が、上述した３％変化する電
圧（０．１８Ｖ）に設定する。

【０１００】図５（ｃ）のＰｒａｍｐは５０２Ｐ型ＭＯ
ＳＦＥＴを制御するパルスであり、１１６水平スイッチ
２がＯＮするのと同じタイミングで、５０２Ｐ型ＭＯＳ
ＦＥＴがＯＮするようにパルスを与える。

【０１０１】この１１５ランプ波形発生器の出力は、１
０４ＰＮＰトランジスタのベースに入力されるため、こ
の回路のノイズに関しても注意する必要がある。Ｒｒａ
ｍｐの抵抗値の選定は、そのジョンソンノイズが、１０
１チタンボロメータ１または１０３チタンボロメータ２
に対して、十分小さくなるようにする必要がある。

【０１０２】Ｒｒａｍｐのジョンソンノイズは、１０５
積分コンデンサに流れるノイズ電流として現れるが、そ
のゲインはＴｒ／（Ｃｒａｍｐ・Ｒｂ２）で表される。
このゲインは、当然小さい方がよい。このＲｒａｍｐの
ジョンソンノイズの現れ方を、チタンボロメータＲｂの
それに対して、同等かそれ以下にするためには、次式
（２），（３）とする必要がある。次式（２）中、ｋは
ボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。

【０１０３】４ｋＴ／Ｒｂ≧（Ｔｒ／Ｃｒａｍｐ／Ｒｂ２）²・４ｋＴ／Ｒｒａｍｐ …（式２）Ｒｒａｍｐ≦Ｒｂ２・（Ｖｂｒａｍｐ／Ｖｒ）² …（式３）

【０１０４】この場合、次式（４）となる。

【０１０５】Ｃｒａｍｐ＝Ｖｂｒａｍｐ・Ｔｒ／（Ｖｒ・Ｒｒａｍｐ） …（式４）

【０１０６】このため、Ｒｒａｍｐは、式（３）を満た
す限り、できるだけ大きい方がＣｒａｍｐを小さくでき
る。いま、Ｒｂ２を６ＫΩ、Ｖｂｒａｍｐを１０Ｖ、Ｖ
ｒを０．１８Ｖとした場合、式（３）からＲｒａｍｐは
１８．５ＭΩが上限である。Ｔｒを４μｓｅｃとする
と、式（４）からＣｒａｍｐは１２ｐＦとなる。このレ
ベルの容量は、ＩＣ内で容易に作成可能である。

【０１０７】以上の説明は、１１５ランプ波形発生器を
１０４ＰＮＰトランジスタのベースに接続するものとし
て説明を行ったが、１０２ＮＰＮトランジスタのベース
に接続することも可能である。この場合は、各部の設定
電圧が変わってくる。

【０１０８】本発明においては、前述したようにバイア
ス電流を大きくさせるため、各部の電圧が増大する。そ
のためデバイス上の回路の動作電圧を上げる必要がある
が、そのために本発明ではレベル変換器を備えている。
図１において、１２１から１２８は、このレベル変換器
を構成している。

【０１０９】通常、デバイスにタイミングを供給するデ
バイス周辺のタイミング回路は、５Ｖ系の論理ＩＣで構
成されている。しかしながら前述したように、デバイス
内の例えば１０９水平スイッチ１などは、動作点（８
Ｖ）＋ダイナミックレンジ（５Ｖ）のような、高い電圧
（１３Ｖ）を扱う。

【０１１０】図５において、（ａ），（ｂ）は、１０９
水平スイッチ１，１０６リセットスイッチの具体的な回
路例を示している。この回路では、スイッチを制御する
パルスは、スイッチを通る信号と同じか、それ以上の電
圧のパルスを与える必要があるが、このような場合、レ
ベル変換器がないと、ダイナミックレンジが制限されて
しまう。

【０１１１】図６は、本発明の熱型赤外線撮像装置の一
実施形態における各部回路構成例を示す回路図(2) であ
って、図６（ｂ）は、レベル変換器の具体的な回路構成
の例を示している。

【０１１２】図１において、１０９水平スイッチ１に高
電圧のパルスを与えるために、１１０水平シフトレジス
タ１もこの高電圧（１３Ｖ）で動作させるとする。この
とき、１２９水平データ入力１、１３０水平クロック入
力１に、このレベル変換器（１２１、１２２）が必要に
なってくる。図６（ｂ）のＶＤＤは、入力する論理振幅
（例えば５Ｖ）、Ｖ１は必要な高電圧（例えば１３Ｖ）
に設定する。

【０１１３】これによって入力した５Ｖ系の制御パルス
は、１２１、１２２レベル変換器で高電圧（１３Ｖ）に
変換されて、１３Ｖで動作する１１０水平シフトレジス
タ１に入力される。１１０水平シフトレジスタ１は、高
電圧（１３Ｖ）パルスを、順次、１０９水平スイッチ１
に与えて選択してゆく。

【０１１４】以上の説明は、レベル変換器をデバイスの
入力部に配置するものとして説明を行ったが、レベル変
換器は、デバイス内部に配置することも可能である。例
えばレベル変換器を、１１０水平シフトレジスタ１と各
１０９水平スイッチ１の間に配置することによって、同
じ目的を達成できる。この場合は、１１０水平シフトレ
ジスタを高電圧で動作させる必要がないため、低耐圧の
回路が使用でき、高速、低電力化が可能となる。

【０１１５】ただし、レベル変換器を各水平スイッチの
前に配置するため、チップ面積が増大する場合がある。
図１の例では、レベル変換器を各部の入力に配置してい
るが、動作させる電圧によって省略することも可能であ
る。

【０１１６】図７は、本発明の熱型赤外線撮像装置の一
実施形態を示すタイミング図(1) でっあって、図１の回
路構成における駆動タイミングを示したものである。

【０１１７】図１の１１９垂直シフトレジスタが、各行
を順次選択するために、１３５垂直データとして、Ｖｓ
ｙｎｃを入力し、１３６垂直クロックとしてＨｓｙｎｃ
を入力する。Ｖｓｙｎｃは、例えば３０Ｈｚのフレーム
周波数の場合、３３ｍｓｅｃに１回パルスが出力される
ようにする。Ｈｓｙｎｃは、例えば１２８行を考えた場
合、３３ｍ／１２８の、約２５０μｓｅｃに１回パルス
が出力されるようにする。１１９垂直シフトレジスタの
出力Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ１２８を図７に示す。これによ
って、各行を順次選択することができる。

【０１１８】ある行が選択されている間、１１７水平シ
フトレジスタ２は各列を選択してゆく。Ｈｓｙｎｃ’，
Ｃｌｏｃｋは、それぞれ１３３水平データ２，１３４水
平クロック２に入力する。前述したように、１１９垂直
シフトレジスタは、Ｈｓｙｎｃによって各行を選択して
ゆくが、このとき１２０画素スイッチが完全にＯＮする
のに、遅れがある場合がある。そのため、各例を選択す
るためのＨｓｙｎｃ’をＨｓｙｎｃに対して遅らせるこ
とが必要になる場合がある。１１７水平シフトレジスタ
２の出力Ｈ１，Ｈ２，…，Ｈ１２８を図７に示す。

【０１１９】図１の例では、４個の積分回路を持ってい
るが、この４個の積分回路は独立に動作するため、当然
のことながら、積分動作を同時に行うことができる。し
かしながら、完全に同時に積分を行った場合、各積分回
路からの出力を同時に読み出すか、あるいは信号を一時
的に記憶しておいて、順次読み出すようにする必要があ
る。同時に読み出す場合は、当然、積分回路の数だけ出
力が必要になる。

【０１２０】出力を多数設けることは、デバイス外の回
路が複雑になるほか、出力間のドリフトが悪化するとい
う問題がある。また信号を一時的に記憶する場合、４つ
の積分回路の間で保持する時間が違ってくるため、これ
も４つの信号間のレベル差を生じる原因になる。

【０１２１】本発明においては、図７に示すように積分
期間を、積分回路間で少しずつずらして、順次、信号を
読み出せるようにしている。これによって、積分回路か
らの信号の取り出しを、１１４出力の１ヵ所にまとめる
ことが可能になっている。

【０１２２】図８は、本発明の熱型赤外線撮像装置の一
実施形態を示すタイミング図(2) でっあって、４つの積
分回路の動作を詳細に示したものである。

【０１２３】１１０水平シフトレジスタ１は、前述した
ように各積分回路を選択するためのものであり、１２９
水平データ１, １３０水平クロック１に、それぞれ図８
のＨｓｙｎｃ’, Ｃｌｏｃｋを入力する。これによって
１１０水平シフトレジスタ１からは、Ｉ１からＩ５まで
の積分回路選択用のパルスが出力される。

【０１２４】図１における、一番左の積分回路を例にと
って、積分動作を説明する。一番左の積分回路は、１１
８水平信号線の１本に接続されている。この信号線は、
１１７水平シフトレジスタ２によって、Ｈ１列，Ｈ５
列，Ｈ９列，…というように、４列おきに順番に接続さ
れてゆく。各列には、１１９垂直シフトレジスタによっ
て選択された、１つの画素が接続されている。

【０１２５】Ｈ１のタイミングと、一番左の積分回路の
出力電圧Ｖｃ１を図８に示す。Ｈ１タイミングのハイレ
ベルの期間、Ｈ１の積分動作が行われ、Ｖｃ１に積分波
形が現れる。この積分波形は、入射赤外線の大小や、バ
イアス電流キャンセル時のばらつきなどによって、波形
の傾きが異なってくる。

【０１２６】入射赤外線以外の成分は、従来あったよう
な固定パターン除去方法によって除去を行うことができ
る。このＶｃ１は、上述のＩ１パルスによって選択され
て、１１１水平信号線１に送り出され、１１４出力（Ｏ
ｕｔ）に現れる。

【０１２７】このとき、Ｖｃ１の積分波形（三角波）の
最後付近の電圧を、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）する必
要があるため、図８に示すように、Ｉ１とＳ／Ｈパルス
のＡＮＤをとって、Ｓ／Ｈ１というパルスを作成し、こ
のタイミングによって、１０９水平スイッチ１をＯＮさ
せる。また積分動作の初めに、１０５積分コンデンサの
電圧をリセットするために、１０６リセットスイッチ
に、図８のＲｅｓｅｔ１のパルスを与える。このＲｅｓ
ｅｔ１パルスは、Ｉ１の次のパルスであるＩ２と、Ｒｅ
ｓｅｔパルスとのＡＮＤをとって作成している。

【０１２８】その後、Ｖｃ１は順次、Ｈ５，Ｈ９，…の
積分を行ってゆく。Ｖｃ２からＶｃ４も並行して、しか
し少しずつ遅れて、順次積分動作を行っていく。ここで
Ｉ５は、Ｖｃ４のリセットパルスを作るために存在する
が、Ｉ１と全く同じパルスであり、Ｉ１を使用しても良
い。ただしＩ１とＶｃ４では、デバイス上での距離が離
れているため、さらには積分回路間で同じレイアウトを
とった方がばらつきが少ないことから、Ｉ５を使用する
方が望ましい。

【０１２９】このように本発明では、複数の積分コンデ
ンサに関して、積分開始時期を少しずつずらし、積分値
の読み出しを各積分コンデンサごとに時系列に行い、積
分終了から読み出しまでの時間を、複数のコンデンサに
ついて同じにしている。これによって積分を並列に行う
ことができ、少ない積分回路数でも、積分時間を長く取
れる以外に、前述したような積分回路間のばらつきやド
リフトを最小限にすることができる。

【０１３０】図９は、本発明の熱型赤外線撮像装置の一
実施形態における各部回路構成例を示す回路図(3) であ
って、各列に積分回路を配置した例を示している。積分
時間によっては、このような選択が好ましい場合もあ
る。特に１０００×１０００画素のように、画素数が増
えたときに有効である。

【０１３１】図９に示す回路では、９０１垂直シフトレ
ジスタ、９０２水平シフトレジスタ、９０３水平スイッ
チ１、９０４水平スイッチ２、９０９積分回路等を持っ
ている。この場合、水平シフトレジスタは、１つで良
い。

【０１３２】図１０は、本発明の熱型赤外線撮像装置の
一実施形態を示すタイミング図(3)でっあって、図９の
回路の動作を示している。

【０１３３】図９において、９０１垂直シフトレジスタ
のデータ入力，クロック入力に、それぞれ図１０のＶｓ
ｙｎｃ，Ｈｓｙｎｃを入力し、各行を順次選択してゆ
く。９０２水平シフトレジスタのデータ入力，クロック
入力には、それぞれ図１０のＨｓｙｎｃ’，Ｃｌｏｃｋ
を入力する。Ｈｓｙｎｃ’には、図１０に示すように、
Ｃｌｏｃｋ周期の何倍もある、長い選択パルスを入力す
る。これによって、長い積分時間をとることができる。

【０１３４】例えばＨｓｙｎｃを２５０μｓｅｃとした
場合、その１／２程度の１２５μｓｅｃ程度の積分時間
をとることができる。Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，…は、９０２
水平シフトレジスタの出力である。長い選択期間が、少
しずつ移行してゆく。これによって、９０４水平スイッ
チ２が選択され、積分を行う。Ｖｃ１，Ｖｃ２，Ｖｃ
３，…は積分波形であり、１２５μｓｅｃの長い積分
を、並列に、しかし信号の読み出しのために、少しずつ
遅らせて行っている。

【０１３５】この回路では、Ｈｓｙｎｃ期間の残り１／
２を、信号の読み出しのために使用する。９０３水平ス
イッチ１に、Ｈ１’，Ｈ２’，Ｈ３’，…という読み出
し用のパルスを入力する。このパルスによって、各積分
回路の電圧が、９０５水平信号線に読み出され、９０６
出力に出力される。ただしＨ１’，Ｈ２’，Ｈ３’，…
の、図中に示すａの部分は、ある９０３水平スイッチ１
が選択されている間、Ｒｅｓｅｔパルスによって、９０
７リッセトスイッチをＯＮさせ、各９０８積分コンデン
サをリセットするために設けられている。

【０１３６】なお、図９の例では、リセットスイッチを
１個だけ配置しているが、各積分回路に１個づつ配置す
ることも、当然可能である。

【０１３７】図９の回路においては、その特徴を明確に
するために、図１の説明のところで示したいくつかの工
夫を省略しているが、当然の事ながら、図９の回路にも
適宜導入することは可能である。

【０１３８】図９の回路においては、各列に積分回路を
配置しているが、信号の読み出しがあるため、この構成
では、Ｈｓｙｎｃの周期の期間いっぱいに、積分を行う
ことができない。

【０１３９】図１１は、本発明の熱型赤外線撮像装置の
一実施形態における各部回路構成例を示す回路図(4) で
あって、ほぼＨｓｙｎｃの期間いっぱいに積分を行うた
めの回路例を示している。

【０１４０】図１１に示された回路において、各列に１
１０１積分回路を持つことは、図９の回路と同じである
が、この例では各列に２本の垂直信号線１１０４と、そ
の２本の垂直信号線を切り替えるための、２接点の１１
０３水平スイッチ２を有している。２接点の１１０３水
平スイッチ２の１つの接点は、１１０４垂直信号線の奇
数行（Ｏｄｄ）に接続し、もう１つの接点は偶数行（Ｅ
ｖｅｎ）に接続する。

【０１４１】図１２は、本発明の熱型赤外線撮像装置の
一実施形態を示すタイミング図(4)でっあって、図１１
の回路の動作タイミングを示している。

【０１４２】図１２において、１１０６垂直シフトレジ
スタのデータ入力，クッロク入力には、それぞれ図１２
のＶｓｙｎｃ，Ｈｓｙｎｃを入力する。ここで他の例と
違う点は、Ｖｓｙｎｃとして、２つのＨｓｙｎｃパルス
にまたがる幅のパルスを入力して、各行の選択を、２周
期分のＨｓｙｎｃに渡って行っていることである。Ｖ
１，Ｖ２は垂直シフトレジスタの出力の例である。

【０１４３】さらに１１０７水平シフトレジスタのデー
タ入力として、Ｈｓｙｎｃの２倍の周期を有し、デュー
ティが５０％のパルスＨｓｙｎｃ’を入力している。１
１０７水平シフトレジスタの出力Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，…
は、２接点の１１０３水平スイッチ２に入力され、例え
ばハイレベルでは奇数行（Ｏｄｄ）、ロウレベルでは偶
数行（Ｅｖｅｎ）が選択される。いま、奇数行の積分動
作に注目すると、Ｈ１列の奇数行が選択されている間、
１１０１積分回路は積分動作を行い、次の行である偶数
行に選択が切り替わる直前に、信号を読み出す。

【０１４４】Ｈ１’，Ｈ２’，Ｈ３’，…は、信号を読
み出すためのパルスであって、１１０２水平スイッチ１
に入力する。Ｈ１’パルスが立ち上がって、信号を読み
出した後、すぐに、リセットパルスＲｅｓｅｔが立ち上
がり、１１０８積分コンデンサのリセットを行う。Ｈ
１’が立ち下がった後も、少しの間、Ｒｅｓｅｔはハイ
レベルを保持して、１１０５水平信号線の寄生容量をリ
セットする。

【０１４５】Ｈ２列も同じであるが、Ｈ２列を読み出す
とき、すでにＨ１列の次の行（偶数行）の積分が始まっ
ている。通常ならこのようなことはできないが、各列に
２本の垂直信号線を有している本構成ならば可能であ
る。同様にして、他の列の読み出しのときも、それ以前
の列の偶数行の積分が始まっているが、奇数行はまだ選
択されており、信号を読み出すことができる。

【０１４６】このようにすることによって、本構成によ
れば、積分時間をＨｓｙｎｃ周期の、ほぼいっぱいま
で、長くすることができる。例えば、フレーム周期３３
ｍｓｅｃ，画素数１０００×１０００程度を考えた場
合、Ｈｓｙｎｃは３３ｍｓｅｃ／１０００＝３３μｓｅ
ｃとなるが、本構成では、ほぼ３３μｓｅｃいっぱいに
積分時間をとることができる。各列に積分回路を持ち、
垂直信号線が１本の場合、このように長くとることが困
難である（クロック周波数の増大などを招く）。さらに
本構成では、各列の信号の読み出しに関しても、Ｈｓｙ
ｎｃ周期をいっぱいに使うことが可能であり、信号の読
み出し速度に負担がかからない。

【０１４７】さらに水平スイッチ２としてｎ接点のスイ
ッチを用い、ｎ本の垂直信号線を切り替える構成も積分
時間によっては好都合である。

【０１４８】図１３は、本発明の熱型赤外線撮像装置の
一実施形態における各部回路構成例を示す回路図(5) で
あって、１３０１水平スイッチ２として４接点のスイッ
チを用い、４本の垂直信号線を切り替える場合を示して
いる。

【０１４９】図１３に示すように、４本の垂直信号線
は、それぞれの列に接続されている。この場合も、各積
分回路はほぼ並列に、しかし少しずつずらして、積分を
行うことができる。本実施形態は、５１２×５１２等、
画素数が中程度の場合に適している。例えば画素数が５
１２×５１２、フレーム周期が３３ｍｓｅｃであって、
４接点のスイッチを用いた場合、積分時間は、３３ｍｓ
ｅｃ／５１２／４≒１６μｓｅｃとなる。信号の読み出
しが他の場合と若干違って、ｎ列とびに行われることに
なるが、このような並べ替えは、デバイス外での信号処
理によって、容易に行うことができる。

【０１５０】図１４は、本発明の熱型赤外線撮像装置の
一実施形態における各部回路構成例を示す回路図(6) で
あって、１４０１チタンボロメータ１（ダイヤフラム
上）および１４０２積分トランジスタ１を、各画素に配
置した例を示している。

【０１５１】図１４のようにすることによって、画素ス
イッチと水平スイッチの機能を兼ねることができる。図
１４の例では、ＭＯＳＦＥＴを使用しているが、バイポ
ーラトランジスタや接合型ＦＥＴ等、他の種類のトラン
ジスタを使用することは、当然、可能である。

【０１５２】ＭＯＳＦＥＴは、バイポーラトランジスタ
のベース電流に相当する、ゲート回路の電流がほとんど
流れないメリットがある他、ＢｉＣＭＯＳプロセスに対
して、プロセスが簡単になる特徴がある。

【０１５３】各画素の１４０２積分トランジスタ１と、
１４０８垂直シフトレジスタの間には、１４０６レベル
変換器１を配置している。これは、ロジックレベル（例
えば５Ｖ）で動いている１４０８垂直シフトレジスタの
レベルから、積分トランジスタに必要な電圧（例えば
３．７Ｖ）にレベル変換するためのものである。このよ
うなレベル変換器の例として、例えば図６（ａ）に示し
たような回路が考えられる。

【０１５４】この場合、ＶＤＤとして例えば５Ｖ、Ｖ２
として例えば３．７Ｖ、Ｖ１として例えば０Ｖを設定す
る。これによって、積分時、１４０２積分トランジスタ
１のゲートには３．７Ｖがかかり、非積分時は０Ｖとな
って、トランジスタのドレインはハイインピーダンスに
なる。

【０１５５】１４０７レベル変換器２も、同様な目的の
ために設けられている。ただし、この場合、ロジックレ
ベル（例えば５Ｖ）の信号を、１４０４積分トランジス
タ２の積分動作に必要なゲート電圧（例えば１２．３
Ｖ）と、オフする電圧（例えば１９Ｖ）に変換する必要
がある。このようなレベル変換器の例としては、例えば
図６（ｃ）に示されたような回路が考えられる。この場
合、ＶＤＤとして例えば５Ｖ、Ｖ１として例えば１９
Ｖ、Ｖ２として例えば１２．３Ｖを印加する。これによ
って、５Ｖの論理振幅が、１２．３Ｖと１９Ｖの、１４
０４積分トランジスタ２の動作に必要な電圧に変換され
る。

【０１５６】前述した、チタンボロメータの自己発熱対
策として、この例でも、積分トランジスタにランプ波形
を入力することが考えられるが、ランプ波形発生機能を
持ったレベル変換器を使用することが考えられる。

【０１５７】図１５は、本発明の熱型赤外線撮像装置の
一実施形態における各部回路構成例を示す回路図(7) で
あって、ランプ波形発生機能を有するレベル変換器の例
を示している。

【０１５８】例えば、図１４に示す１４０６レベル変換
器１に、ランプ波形発生機能を持たせる場合、図１５
（ａ）乃至（ｄ）に示すように、Ｖ１部分に、Ｖ１０か
らＶ１０＋△Ｖまで直線的に変化する、ランプ波形を入
力してやればよい。または、１４０７レベル変換器２
に、ランプ波形発生機能を持たせる場合は、図１５
（ｅ）乃至（ｈ）に示すように、Ｖ２部分に、Ｖ２０か
らＶ２０＋△Ｖ迄直線的に変化する、ランプ波形を入力
してやればよい。

【０１５９】図１４の例では、各積分回路の積分動作
を、完全に並列に行うことを仮定している。この場合、
積分終了から読み出しまでの時間が、１４０５積分コン
デンサによって異なることになる。この場合、１４０５
積分コンデンサの電荷が、リーク電流によって変化す
る、ドループという現象の発生が考えられる。

【０１６０】しかしながら、これは、１４０２積分トラ
ンジスタ１，１４０４積分トランジスタ２，１４１０水
平スイッチおよび１４０５積分コンデンサ自身の、リー
ク電流を小さくすることと、さらには積分コンデンサを
大きくすることで、対策可能である。また、これ以前の
構成例のように、積分期間はほぼ並列だが、読み出しの
ために、少しずつずらす構成にすることも当然可能であ
る。

【０１６１】図１６は、本発明の熱型赤外線撮像装置の
一実施形態における各部回路構成例を示す回路図(8) で
あって、図１４と同様に、１６０１チタンボロメータ
１, １６０２積分トランジスタ１を、各画素に配置し
て、なおかつ、１６０３チタンボロメータ２, １６０４
積分トランジスタ２も、各画素に配置した例を示してい
る。

【０１６２】図１６において、各画素の積分トランジス
タと、１６０９垂直シフトレジスタとの間に、図１５に
ついて説明した、１６０７レベル変換器１と、１６０８
レベル変換器２も配置している。

【０１６３】チタンボロメータは、特に画素数が大き
く、画素領域の面積が大きい場合、画素間の抵抗値のば
らつきが問題になる場合がある。チタンボロメータ１と
チタンボロメータ２は、バイアス成分除去の目的に使用
しているため、２つの間の抵抗値の比率を、可能な限り
面内で均一にすることが重要である。

【０１６４】チタンボロメータ２を、各列に１個だけ配
置した構成では、列の上部の画素と下部の画素とで、比
率の差が生じてしまう。これに対しては、各画素に、チ
タンボロメータ１とチタンボロメータ２とを配置するこ
とによって、面内での比率の変動を最小限にすることが
できる。通常、チタンボロメータ１はダイヤフラム上に
形成し、チタンボロメータ２は基板上に形成するが、こ
の例では、チタンボロメータ２も、別のダイヤフラム上
に形成することが可能である。

【０１６５】上述したチタンボロメータの面内ばらつき
を補正するため、本発明においては、補正用の、不揮発
性記憶素子を配置する構成も提案している。このような
不揮発性記憶素子としては、半導体基板表面と通常のゲ
ートとの間に、フローティングゲートを備えたＭＯＳＦ
ＥＴや、ゲート絶縁膜として、多くのトラップ順位を持
ったシリコン窒化膜を用いたＭＮＯＳＦＥＴや、ゲート
絶縁膜として、強誘電体材料を用いたＭＦＳＦＥＴ等を
使用することができる。

【０１６６】図１７は、本発明の熱型赤外線撮像装置の
一実施形態における各部回路構成例を示す回路図(9) で
あって、フローティングゲートを備えたＭＯＳＦＥＴ
を、各画素に配置した例を示している。

【０１６７】図１７に示すように、１７０２フローティ
ングゲートＭＯＳＦＥＴの他に、他の例と同様に、１７
０１チタンボロメータ１，１７０３チタンボロメータ
２，１７０４積分トランジスタ２，１７０５積分コンデ
ンサ，１７０６水平スイッチ等を備えている。

【０１６８】各画素の１７０２フローティングゲートＭ
ＯＳＦＥＴは、そのしきい値電圧Ｖｔを、１７０１チタ
ンボロメータ１，１７０３チタンボロメータ２または積
分トランジスタを流れるハイアス電流、または１７０５
積分コンデンサに存在するバイアス電荷量のばらつき量
に応じて変化させる。このばらつきは、チタンボロメー
タ１とチタンボロメータ２、さらには、積分トランジス
タや積分コンデンサの、抵抗やリーク電流，寄生容量そ
の他の特性のばらつきを反映している。

【０１６９】１７０２フローティングゲートＭＯＳＦＥ
Ｔの、ゲートに印加する積分電圧をＶｂ１として、ドレ
インに流れる電流Ｉｃ１は、Ｉｃ１＝（Ｖｂ１−Ｖｔ）
／Ｒｂ１で、ほぼ表される。このＶｔを変化させること
によって、各画素のＲｂ１その他のばらつきを補正でき
る。

【０１７０】図１８は、本発明の熱型赤外線撮像装置の
動作を示す回路図(3) であって、不揮発性記憶素子への
書き込み, 消去, 読み出しシーケンスの一例を示してい
る。また図１９は、本発明の熱型赤外線撮像装置の一実
施形態を示すブロック図であって、図１８に対応するブ
ロック図を示している。

【０１７１】図１９においては、図１７に示されたよう
な構成を持つ１９０１デバイス、シフトレジスタ等へタ
イミングを供給する１９０２駆動回路、信号を読み出
し、処理するための１９０３読み出し回路、その他、１
９０４記憶回路、１９０５書き込み，消去回路からなる
ことが示されている。

【０１７２】このような構成を、撮像装置の中に設ける
か、または１９０４記憶回路，１９０５書き込み，消去
回路等は、初期設定時の調整装置の中に設けて、撮像装
置には、信号の読み出しに必要な、その他の回路だけを
持たせるようにしてもよい。

【０１７３】図１７において、１７０７レベル変換器
は、種々の電圧を発生できるレベル変換器である。例え
ば、図１８のような消去電圧に設定して、各不揮発性記
憶素子のＶｔの初期化を行う。その後、通常の読み出し
方法により、各画素の読み出しを行ない、初期化時の各
画素のばらつき量を、外部の記憶回路に記憶する。

【０１７４】このばらつき量に応じて、ばらつきがなく
なるように、各不揮発性記憶素子へ書き込みを行ない、
Ｖｔを変化させる。書き込みは、例えば、図１８に示さ
れた書き込み電圧に設定して、アバランシェ降伏を起こ
させ、フローティングゲートに電荷を注入して、Ｖｔを
変化させる。この書き込み電圧印加の時間を変化させる
ことによって、注入する電荷量を変化させることができ
る。読み出しは、他の構成例で説明したようにして行う
ことができる。

【０１７５】図２０は、本発明の熱型赤外線撮像装置の
一実施形態における各部回路構成例を示す回路図(10)で
あって、積分回路をデバイス外に設けた例を示してい
る。

【０１７６】図２０に示された例は、画素数が６４×６
４等のように、非常に小さい場合に有効である。図２０
に示された構成におていは、例えば、マトリクス上に配
列されたチタンボロメータ１を持つ２００１デバイス
と、２００２積分トランジスタ１，２００３チタンボロ
メータ２，２００４積分トランジスタ，２００５積分コ
ンデンサ，２００６リセットスイッチ，２００７サンプ
ルホールド（Ｓ／Ｈ）を備えている。

【０１７７】２００３チタンボロメータ２は、２００１
デバイス上に配置すれば、同じく２００１デバイス上の
チタンボロメータ１と熱的マッチングがとれ、温度ドリ
フトを軽減できる。なお、温度ドリフトの問題が少なけ
れば、２００３チタンボロメータ２の代わりに、２００
１デバイスの外部の、普通の抵抗を使用することも可能
である。

【０１７８】以上においては、列側に積分コンデンサ等
の積分回路を配置する場合について説明を行ったが、行
側のラインと列側のラインとは、適宜、交換可能であ
る。

【０１７９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、熱
型赤外線撮像装置において、限られた積分容量で積分を
行う上で障害となる、バイアス電流の大部分をカットで
き、積分容量の小型化、または同じ積分容量で、バイア
ス電流のさらなるアップを実現することができる。この
場合、Ｓ／Ｎはバイアス電流に比例するため、Ｓ／Ｎの
アップが可能となる。また、積分容量を小さくすること
によって、積分回路のゲインを上げることができるた
め、デバイス出力部における信号レベルを大きくするこ
とができ、デバイスの外部回路に対するノイズの影響を
小さくすることができる。

【０１８０】また本発明においては、測定用チタンボロ
メータ１のバイアス電流除去のための抵抗Ｒｂ２として
チタンボロメータ２を使用しているため、デバイスの温
度変化に基づいてダイナミックレンジを外れる現象を抑
制できる。

【０１８１】さらに、本発明においては、エミッタまた
はソースに熱電変換素子を接続した構成と、バイアス電
流補償用チタンボロメータ２の抵抗値を測定用チタンボ
ロメータ１の抵抗値の１．５倍から１０倍にすることに
よって、積分トランジスタおよび補償用チタンボロメー
タ２に存在するノイズの影響を最小限にすることができ
る。

【０１８２】さらに、本発明においては、積分コンデン
サを画素の各列または複数列に１個設けることと、各積
分コンデンサの積分動作をほぼ並行に、しかし少しずつ
ずらして行うことと、積分コンデンサを選択する第３の
シフトレジスタを持つことによって、最適な積分動作お
よび信号読み出しを行うことができる。

【０１８３】さらに、本発明においては、補償用のチタ
ンボロメータ２を半導体基板上に形成することと、ラン
プ波形発生器を備えることによって、ボロメータの自己
発熱によって、ダイナミックレンジを外れる現象を抑制
することができる。

【０１８４】さらに、本発明においては、論理レベルの
信号を積分動作または信号読み出し動作に必要なレベル
に変換するレベル変換器を備えることによって、バイア
ス電流のアップまたはダイナミックレンジの増大を図る
ことができる。

【０１８５】こらに、本発明においては、各画素に測定
用のチタンボロメータ１と、補償用のチタンボロメータ
２とを配置すること、または各画素のばらつきに応じ
て、しきい値電圧Ｖｔを変化させるためのデータを記憶
した不揮発性記憶素子を備えることによって、画素間の
ばらつきを小さくすることができ、外部のばらつき補正
回路を簡略化し、または削除することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す熱型赤外線撮像装置
の回路図である。

【図２】本発明の熱型赤外線撮像装置の動作を表す回路
図(1) であり、図２（ａ）は接続例を示す図で、図２
（ｂ）は出力電流を示す図である。

【図３】本発明の熱型赤外線撮像装置の動作を表す回路
図(2) である。

【図４】本発明の熱型赤外線撮像装置の動作を示すタイ
ミング図であり、図４（ａ）はコンデンサ両端の電圧が
積分動作中に飽和してしまう例を示す図で、図４（ｂ）
はランプ波形（Ｖｂ２）を入力した状態を示す図であ
る。

【図５】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態にお
ける各部回路構成例を示す回路図(1) であり、図５
（ａ）は水平スイッチ回路例を示す図で、図５（ｂ）は
リセットスイッチの回路例を示す図で、図５（ｃ）はラ
ンプ波形発生器の回路例を示す図である。

【図６】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態にお
ける各部回路構成例を示す回路図(2) であり、図６
（ａ）〜（ｃ）はロジクレベルの電圧（例えば５Ｖ）を
積分トランジスタに必要な電圧（例えば、３．７Ｖ）に
変換する例を示し、図６（ａ）は入力電圧を示す図で、
図６（ｂ）はレベル変換回路を示す図で、図６（ｃ）は
出力電圧を示す図であり、さらに、図６（ｄ）〜（ｆ）
はロジックレベルの電圧を水平シフトレジスタ等が必要
とする電圧（例えば１３Ｖ）に変換する例を示し、図６
（ｄ）は入力電圧を示す図で、図６（ｅ）はレベル変換
回路を示す図で、図６（ｆ）は出力電圧を示す図であ
り、また、図６（ｇ）〜（ｉ）はロジックレベルの電圧
を積分トランジスタに必要な電圧（ゲート電圧１２Ｖと
オフする電圧１９Ｖ）に変換する例を示す図で、図６
（ｇ）は入力信号を示す図で、図６（ｈ）はレベル変換
回路を示す図で、図６（ｉ）は出力電圧を示す図であ
る。

【図７】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態を示
すタイミング図(1) であり、図７（ａ）は垂直シフトレ
ジスタの出力を示す図で、図７（ｂ）水平シフトレジス
タの出力を示す図である。

【図８】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態を示
すタイミング図(2) である。

【図９】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態にお
ける各部回路構成例を示す回路図(3) である。

【図１０】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態を
示すタイミング図(3) であり、図１０（ａ）はＶｓｙｎ
ｃとＨｓｙｎｃの関係を示す図で、図１０（ｂ）はＨｓ
ｙｎｃとＨｓｙｎｃ’の関係を示す図である。

【図１１】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態に
おける各部回路構成例を示す回路図(4) である。

【図１２】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態を
示すタイミング図(4) であり、図１２（ａ）はＶｓｙｎ
ｃとＨｓｙｎｃの関係を示す図で、図１２（ｂ）はＨｓ
ｙ。ｎｃとＨｓｙｎｃ’の関係を示す図である。

【図１３】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態に
おける各部回路構成例を示す回路図(5) である。

【図１４】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態に
おける各部回路構成例を示す回路図(6) である。

【図１５】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態に
おける各部回路構成例を示す回路図(7) であり、図１５
（ａ）〜（ｄ）はＶ１０〜Ｖ１０＋ΔＶのランプ波形を
出力するレベル変換器を示し、図１５（ａ）は入力する
ランプ波形を示す図で、図１５（ｂ）は入力波形を示す
図で、図１５（ｃ）はレベル変換回路を示す図で、図１
５（ｄ）は出力波形を示す図であり、図１５（ｅ）〜
（ｈ）は、Ｖ２０〜Ｖ２０−ΔＶのランプ波形を出力す
るレベル変換器を示し、図１５（ｅ）は入力するランプ
波形を示す図で、図１５（ｆ）は入力波形を示す図で、
図１５（ｇ）はレベル変換回路を示す図で、図１５
（ｈ）は出力波形を示す図である。

【図１６】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態に
おける各部回路構成例を示す回路図(8) である。

【図１７】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態に
おける各部回路構成例を示す回路図(9) である。

【図１８】本発明の熱型赤外線撮像装置の動作を示す回
路図(3) であり、図１８（ａ）は不揮発性メモリへのリ
ードライトを行なう回路を示す図で、図１８（ｂ）は動
作例を示す図表である。

【図１９】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態を
示すブロック図である。

【図２０】本発明の熱型赤外線撮像装置の一実施形態に
おける各部回路構成例を示す回路図(10)である。

【図２１】従来の熱型赤外線撮像装置の断面図である。

【図２２】従来の熱型赤外線撮像装置の平明図である。

【図２３】従来の熱型赤外線撮像装置の回路図である。

【符号の説明】

１ボロメータ２画素スイッチ３垂直ＡＮＤ４水平スイッチ５水平ＡＮＤ６グラウンド線７垂直信号線８水平信号線９垂直シフトレジスタ１０ラッチ１１水平シフトレジスタ１２出力１１３出力２１４積分回路１１５積分回路２２０半導体基板２１走査回路２２シリコン酸化膜２３空洞２４グラウンド配線（アルミ）２５信号配線（アルミ）２６スリット２７チタンボロメータ２８シリコン酸化膜２９窒化チタン３０垂直選択線１０１チタンボロメータ１１０２ＮＰＮトランジスタ１０３チタンボロメータ２１０４ＰＮＰトランジスタ１０５積分コンデンサ１０６リセットスイッチ１０７ソースフォロア１０８負荷トランジスタ１０９水平スイッチ１１１０水平シフトレジスタ１１１１水平信号線１１１２ソースフォロア１１３負荷トランジスタ１１４出力１１５ランプ波形発生器１１６水平スイッチ２１１７水平シフトレジスタ２１１８水平信号線２１１９垂直シフトレジスタ１２０画素スイッチ１２１〜１２８レベル変換器１２９水平データ１１３０水平クロック１１３１Ｓ／Ｈパルス１３２リセットパルス１３３水平データ２１３４水平クロック２１３５垂直データ１３６垂直クロック５０１ＮＰＮトランジスタ（ランプ発生用トランジス
タ）５０２Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ５０３バッファ９０１垂直シフトレジスタ９０２水平シフトレジスタ９０３水平スイッチ１９０４水平スイッチ２９０５水平信号線９０６出力９０７リセットスイッチ９０８積分コンデンサ１１０１積分回路１１０２水平スイッチ１１１０３水平スイッチ２１１０４垂直信号線１１０５水平信号線１１０６垂直シフトレジスタ１１０７水平シフトレジスタ１１０８積分コンデンサ１３０１水平スイッチ２１３０２積分回路１４０１チタンボロメータ１１４０２積分トランジスタ１１４０３チタンボロメータ２１４０４積分トランジスタ２１４０５積分コンデンサ１４０６レベル変換器１１４０７レベル変換器２１４０８垂直シフトレジスタ１４０９水平スイッチ１４１０水平シフトレジスタ１６０１チタンボロメータ１１６０２積分トランジスタ１１６０３チタンボロメータ２１６０４積分トランジスタ２１６０５積分コンデンサ１６０６水平スイッチ１６０７，１６０８，１６１１レベル変換器１６０９垂直シフトレジスタ１６１０水平シフトレジスタ１７０１チタンボロメータ１１７０２フローティングゲートＭＯＳＦＥＴ（積分ト
ランジスタ１）１７０３チタンボロメータ２１７０４積分トランジスタ２１７０５積分コンデンサ１７０６水平スイッチ１７０７レベル変換器１９０１デバイス１９０２駆動回路１９０３読み出し回路１９０４記憶回路１９０５書き込み，消去回路２００１デバイス２００２積分トランジスタ１２００３チタンボロメータ２２００４積分トランジスタ２２００５積分コンデンサ２００６リセットスイッチ２００７サンプルホールド

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入射赤外線を吸収して発生した熱に応じ
て定まる温度に対応する電気信号を発生する第１の熱電
変換素子と、該第１の熱電変換素子をエミッタに接続さ
れた第１のバイポーラトランジスタと、コレクタを該第
１のバイポーラトランジスタのコレクタに接続された第
２のバイポーラトランジスタと、一端を該第２のバイポ
ーラトランジスタのエミッタに接続すると共に他端を電
源に接続した抵抗とを有し、該第１のバイポーラトランジスタと第２のバイポーラト
ランジスタのそれぞれのコレクタの接続点に積分コンデ
ンサを接続したことを特徴とする熱型赤外線撮像装置。
【請求項２】前記第１のバイポーラトランジスタと第
２のバイポーラトランジスタのそれぞれのコレクタに流
れる電流値をほぼ同じに設定することを特徴とする請求
項１に記載の熱型赤外線撮像装置。
【請求項３】入射赤外線を吸収して発生した熱に応じ
て定まる温度に対応する電気信号を発生する第１の熱電
変換素子と、この第１の熱電変換素子をソースに接続さ
れた第１の電界効果トランジスタと、ドレインを前記第
１の電界効果トランジスタのドレインに接続された第２
の電界効果トランジスタと、一端を該第２の電界効果ト
ランジスタのドレインに接続し他端を電源に接続した抵
抗とを有し、該第１の電界効果トランジスタと第２の電界効果トラン
ジスタのそれぞれのドレインの接続点に積分コンデンサ
を接続したことを特徴とする熱型赤外線撮像装置。
【請求項４】前記第１の電界効果トランジスタと第２
の電界効果トランジスタのそれぞれのドレインに流れる
電流値をほぼ同じに設定することを特徴とする請求項３
に記載の熱型赤外線撮像装置。
【請求項５】前記抵抗の値を、前記第１の熱電変換素
子の抵抗値の１．５倍から１０倍、好ましくは２倍から
５倍とすることを特徴とする請求項１から４までのいず
れかに記載の熱型赤外線撮像装置。
【請求項６】前記抵抗に代えて入射赤外線を吸収して
発生した熱によって温度が変化しない第２の熱電変換素
子を用い、該第２の熱電変換素子と前記第１の熱電変換
素子のそれぞれの温度係数をほぼ同じに設定したことを
特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の熱型
赤外線撮像装置。
【請求項７】半導体基板上に熱の放散を妨げるように
した熱分離構造部を設け、前記第１の熱電変換素子をこ
の熱分離構造部に設けるとともに、前記第２の熱電変換
素子を該熱分離構造部以外の前記半導体基板上に設けた
ことを特徴とする請求項６に記載の熱型赤外線撮像装
置。
【請求項８】半導体基板上に前記第１の熱電変換素子
を２次元のマトリクス状に配列するとともに、前記積分
コンデンサを該２次元マトリクスの各ラインまたは複数
ラインごとに１個配置することを特徴とする請求項１か
ら７までのうちのいずれかに記載の熱型赤外線撮像装
置。
【請求項９】請求項１から８までのうちのいずれかに
記載の熱型赤外線撮像装置において、前記複数の積分コ
ンデンサにおける積分動作を、各積分コンデンサについ
て同時に行うことを特徴とする熱型赤外線撮像装置の駆
動方法。
【請求項１０】請求項１から８までのうちのいずれか
に記載の熱型赤外線撮像装置において、前記複数の積分
コンデンサにおける積分動作を、各積分コンデンサごと
に順次時間をずらして行うことを特徴とする熱型赤外線
撮像装置の駆動方法。
【請求項１１】請求項１から８までのうちのいずれか
に記載の熱型赤外線撮像装置において、前記複数の積分
コンデンサにおける積分動作終了から積分値の読み出し
までの時間を、各積分コンデンサについて同じにするこ
とを特徴とする熱型赤外線撮像装置の駆動方法。
【請求項１２】請求項１から８までのうちのいずれか
に記載の熱型赤外線撮像装置において、前記複数の積分
コンデンサにおける積分動作終了後の積分値の読み出し
を、各積分コンデンサについて順番に時系列で行うこと
を特徴とする熱型赤外線撮像装置の駆動方法。
【請求項１３】半導体基板上に前記第１の熱電変換素
子を２次元のマトリクス状に配列し、該２次元マトリク
スの一辺に画素選択用の第１のシフトレジスタを持ち、
他の一辺に第２のシフトレジスタと該第２のシフトレジ
スタによって制御されて画素選択を行う複数の第１のス
イッチを持つとともに、第３のシフトレジスタと該第３
のシフトレジスタによって制御されて前記積分コンデン
サを選択する複数の第２のスイッチを持つことを特徴と
する請求項１から８までのうちのいずれかに記載の熱型
赤外線撮像装置。
【請求項１４】半導体基板上に前記第１の熱電変換素
子を２次元のマトリクス状に配列し、該２次元マトリク
スの一辺に画素選択用のトランジスタを持ち、他の一辺
に画素選択用の第１のスイッチを持つとともに、各画素
を選択するための入力または内部で発生した論理信号
を、前記トランジスタまたはスイッチを駆動するレベル
にまで変換するレベル変換器を備えることを特徴とする
請求項１から８までのうちのいずれかに記載の熱型赤外
線撮像装置。
【請求項１５】前記第２の熱電変換素子と接続される
バイポーラトランジスタのベースまたは電界効果トラン
ジスタのゲートに、ランプ波形発生器を備えることを特
徴とする請求項６から７までのうちのいずれかに記載の
熱型赤外線撮像装置。
【請求項１６】前記ランプ波形発生器は、ランプ発生
用トランジスタ（または電界効果トランジスタ）と、該
ランプ発生用トランジスタのエミッタ（またはソース）
に接続されたランプ発生用抵抗と、該ランプ発生用トラ
ンジスタのコレクタ（またはドレイン）に接続されたラ
ンプ発生用コンデンサとを有し、前記ランプ発生用トラ
ンジスタのベース（またはゲート）に入力する電圧をＶ
ｂｒａｍｐ、ランプ電圧をＶｒ、前記第２の熱電変換素
子の抵抗をＲｂ２として、ランプ発生用抵抗の抵抗値Ｒ
ｒａｍｐをＲｂ２・（Ｖｂｒａｍｐ／Ｖｒ）²以下に設
定することを特徴とする請求項１５に記載の熱型赤外線
撮像装置。
【請求項１７】半導体基板上に２次元のマトリクス状
に配列された各画素ごとに、前記第１の熱電変換素子と
前記第２の熱電変換素子とを配置することを特徴とする
請求項６から７までのうちのいずれかに記載の熱型赤外
線撮像装置。
【請求項１８】半導体基板上に画素ごとに２次元のマ
トリクス状に配列された入射赤外線を吸収して発生した
熱に応じて定まる温度に対応する電気信号を発生する熱
電変換素子と、該各画素の熱電変換素子を選択するため
のスイッチと、各画素の熱電変換素子の信号を選択また
は積分するためのトランジスタを有し、各画素を選択す
るための入力または内部で発生した論理信号を、前記各
トランジスタまたはスイッチを駆動するレベルにまで変
換するレベル変換器を備えることを特徴とする熱型赤外
線撮像装置。
【請求項１９】半導体基板上に画素ごとに２次元のマ
トリクス状に配列された入射赤外線を吸収して発生した
熱に応じて定まる温度に対応する電気信号を発生する熱
電変換素子と、該各画素の熱電変換素子の信号を切り替
えるるためのスイッチと、各画素の熱電変換素子の信号
を選択または積分するためのトランジスタと、該各スイ
ッチとトランジスタとを制御するためのシフトレジスタ
とを有する熱型赤外線撮像装置において、該シフトレジ
スタが発生する論理信号を、前記スイッチまたはトラン
ジスタを駆動するレベルにまで変換するレベル変換器を
備えることを特徴とする熱型赤外線撮像装置。
【請求項２０】半導体基板上に、画素ごとに、入射赤
外線を吸収して発生した熱に応じて定まる温度に対応す
る電気信号を発生する第１の熱電変換素子と、該第１の
熱電変換素子の出力のバイアス成分を補償するための第
２の熱電変換素子とを備えるとともに、各画素ごとに不
揮発性記憶素子を配置して、各第１の熱電変換素子と第
２の熱電変換素子の抵抗の比率のばらつきを補正するこ
とを特徴とする熱型赤外線撮像装置。
【請求項２１】前記不揮発性記憶素子が、フローティ
ングゲートを有するＭＯＳ電界効果トランジスタからな
ることを特徴とする請求項２０に記載の熱型赤外線撮像
装置。
【請求項２２】前記フローティングゲートを有するＭ
ＯＳ電界効果トランジスタが、前記第１または第２の熱
電変換素子または該ＭＯＳ電界効果トランジスタのドレ
インに接続された積分コンデンサのバイアス電流値また
は該積分コンデンサのバイアス電荷量に応じてそのしき
い値電圧を変化させることによって、前記第１の熱電変
換素子と第２の熱電変換素子の抵抗の比率のばらつきを
補正することを特徴とする請求項２１に記載の熱型赤外
線撮像装置。