JP4255628B2 - 赤外線２次元センサアレイシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、対象物体から放出される赤外線強度の２次元的分布を測定可能な赤外線２次元イメージセンサを駆動するための赤外線２次元センサアレイシステムの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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線検知キャパシタとを設ける構成が開示されている。この赤外線検知キャパシタは、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［（Ｂａ_1-xＳｒ_x）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、赤外線検知キャパシタと参照キャパシタの容量が同じで、照射時の赤外吸収に伴う温度上昇で赤外線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】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際に、上述のような赤外線センサを作成する場合、上記赤外線検知キャパシタや参照キャパシタの特性は、画素内でも、また画素間でもばらついており、それらの容量には差が存在する。
【００１０】
この容量の差により、赤外未照射時でも、各画素に対応する赤外線センサに出力オフセットが存在することになる。
【００１１】
上記赤外線センサの対象となる熱源からの赤外線の受光後の出力は、たとえば、およそ数ｍＶ以下であるので、上記出力オフセットは数ｍＶよりさらに１、２桁低減する必要がある。単体の赤外線検出センサ素子では、外部キャパシタ（バリコン等）を付加すること等で上記容量ずれを補正できるが、多画素センサ（センサアレイ）では、特に画素数が多い場合ではそのような外部素子付加による補正は現実には不可能である。
【００１２】
また、２次元イメージを撮像する際に、各フレーム時間で、上記出力オフセットを安定に数ｍＶ以下に低減する補正は、各フレームごとに十分に短い時間内に行なわれる必要があり、補正回数、補正速度の点からも外部素子による調整は不可能である。
【００１３】
ところが、これでは、高感度であって、かつチョッパレス、しかも比較的簡易な構造等の特徴を有する容量変化検出型赤外線センサを用いて、センサアレイを実動作させることは困難である。
【００１４】
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、チョッパを使う必要や外付の素子で補正を行なう必要がなく、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提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このような問題点を解決するために、本発明に係る赤外線２次元センサアレイシステムは、赤外線検出キャパシタと参照キャパシタとの容量値、誘電損失および寄生抵抗値等のばらつきにより発生するオフセット出力を補正するように駆動信号を印加する。
【００１６】
すなわち、請求項１記載の赤外線２次元センサアレイシステムは、行列状に複数の赤外線検出センサが配列された赤外線２次元センサアレイを備え、各赤外線検出センサは、参照キャパシタと、参照キャパシタと直列に接続され、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、参照キャパシタの一方端および赤外線検出キャパシタの一方端との接続ノードから、信号レベルの読出しを選択的に行なうためのスイッチ手段とを含み、参照キャパシタの他方端に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駆動信号を印加するための第２の信号源とを備え、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。
【００１７】
請求項２記載の赤外線２次元センサアレイシステムは、請求項１記載の赤外線２次元センサアレイシステムの構成に加えて、第１の信号源は、複数の赤外線検出センサに共通に設けられ、第２の信号源は、赤外線２次元センサアレイの列ごとに設けられる複数の信号出力手段を含み、赤外線２次元センサアレイの行を選択して、選択された行に属するスイッチ手段を導通状態とするための行選択手段と、赤外線２次元センサアレイの列ごとに設けられ、スイッチ手段を介して信号レベルを読み出すための複数の信号読出手段とをさらに備える。
【００１８】
請求項３記載の赤外線２次元センサアレイシステムは、請求項２記載の赤外線２次元センサアレイシステムの構成に加えて、複数の信号読出手段の出力から所望の周波数成分の信号を抽出するための信号抽出手段をさらに備え、信号抽出手段は、複数の信号読出手段の出力の各々に対して、所望の周波数に対応するフーリエ係数の第１の実数成分と第１の虚数成分を算出する周波数成分演算手段と、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２次元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所望の周波数に対応するフーリエ係数の算出を行なった際の第２の実数成分と第２の虚数成分とからなる第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。
【００１９】
請求項４記載の赤外線２次元センサアレイシステムは、請求項２記載の赤外線２次元センサアレイシステムの構成に加えて、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。
【００２０】
請求項５記載の赤外線２次元センサアレイシステムは、請求項３記載の赤外線２次元センサアレイシステムの構成に加えて、所望の周波数は、駆動信号の周波数である、請求項３記載の赤外線２次元センサアレイシステム。
【００２１】
請求項６記載の赤外線２次元センサアレイシステムは、請求項３記載の赤外線２次元センサアレイシステムの構成に加えて、第２の実数成分と第２の虚数成分とを、ユーザの要求にしたがって更新するための更新手段をさらに備える。
【００２２】
請求項７記載の赤外線２次元センサアレイシステムは、請求項３記載の赤外線２次元センサアレイシステムの構成に加えて、行選択手段により第１のタイミングで選択された行に対する赤外線レベル算出手段による赤外線検出レベルの導出処理の少なくとも一部と、第１のタイミング後の第２のタイミングで行選択手段により選択された行に対する周波数成分演算手段の算出処理とが並行して行なわれる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
［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。
【００２４】
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。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。
【００２５】
ここで、参照用キャパシタ部Ｃｒｅｆは、そのリーク電流の存在も考慮して、等価回路としては、容量Ｃ１と抵抗Ｒ１の並列接続で表現されている。一方、受光部キャパシタＣｄも、等価回路としては、容量Ｃ２と抵抗Ｒ２の並列接続で表現されている。
【００２６】
受光部キャパシタＣｄの一方端と参照用キャパシタ部Ｃｒｅｆの一方端とは、ノードｎｃで結合されている。参照用キャパシタ部Ｃｒｅｆの他方端には、信号源ＶＧ１から交流信号が与えられ、受光部キャパシタＣｄの他方端には、信号源ＶＧ２から交流信号が与えられる。ノードｎｃの電位が、出力信号として、トランジスタＴａを介して、赤外線センサＩＲＳから出力される。トランジスタＴａは、スイッチング信号Ｓｓｗにより、選択的に導通状態または遮断状態とされる。
【００２７】
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。
【００２８】
基本的には、参照用キャパシタＣｒｅｆと受光部キャパシタＣｄ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ｎｃに出力電圧が発生する。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。
【００２９】
しかしながら上述のとおり、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の容量には数パーセントの差が存在する。
【００３０】
一方、赤外線による容量の変化量は、赤外線光量にもよるが、典型的には、もともとの容量の０．１％以下である。振幅数Ｖで素子を駆動するとすれば、赤外線による信号は数ｍＶ以下となるが、そのままで、たとえば、８〜１２ビットＡＤコンバータなどを用いてデジタルデータとして撮像系に取込むには、ノイズや分解能から考えて、信号レベルは小さすぎる。
【００３１】
そこで、１００倍程度の増幅が必要になるが、容量のばらつきによる信号（オフセット）も同時に１００倍に増幅されてしまうので、増幅系が飽和してしまうことになる。あるいは、大きなオフセットに隠れて赤外線応答の信号成分を得にくくなってしまう。したがって、受光部キャパシタＣｄと参照用キャパシタＣｒｅｆの容量値の差を補正する必要がある。
【００３２】
このような容量値の差の補正のためには、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。
【００３３】
図２では、例として、信号源ＶＧ２から出力される信号を、信号源ＶＧ１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ＶＧ２からの出力信号の振幅も変化させる。
【００３４】
このようにして、駆動パルスの位相および振幅の調整による電気的な補正では、たとえば、素子の外部にコンデンサ等を外付けすることで補正する場合に比べて、センサアレイの外部の信号源から出力される信号の位相・振幅を調整すれば良いだけなので、温度の変化による出力のドリフトなども容易に補正することができる。
【００３５】
なお、図２では、参照用キャパシタＣｒｅｆと受光部キャパシタＣｄ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状態を基準として、駆動信号の位相および振幅を赤外線検出センサごとに変化させる構成としたが、本発明は、このような場合に限定されることなく、信号源ＶＧ１およびＶＧ２からの信号は、互いに位相が反転した１対の信号を基準とするのであれば、正弦波に限定されるものではない。
【００３６】
［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パルスにより補正を行なうことが可能な赤外線２次元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。
【００３７】
図３を参照して、赤外線センサアレイ１０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。各赤外線検出素子が、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、このｍ個のラインセンサから、並列してｍ個のデータを読出す構成となっている。
【００３８】
以下では、説明の簡単のために、赤外線センサアレイ１０は、たとえば１６×１６の赤外線検出センサが行列状に配置されたものであり、この１６×１６アレイは、各々独立した１×１６ラインセンサの繰返し配列として構成されるものとする。
【００３９】
１×１６ラインセンサの繰返し配列とする理由は、各列から並列に同時に画素出力データが得られ、２次元全画素データを直列・時系列に出力する場合に比べて、フレームあたりのデータ読出しを高速化できるからである。さらに、アレイ内では不良画素発生時のライン間相互の影響が小さくなるという利点もある。
【００４０】
１６×１６センサアレイには、パーソナルコンピュータ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、各列ごとに駆動用正弦波が補正されて印加され、選択された行に属する赤外線検出センサの駆動が行なわれる。
【００４１】
ここで、ＦＰＧＡ１１０により計算された補正された正弦波の値は、各ラインセンサごとに設けられたＤ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１５により、それぞれ対応するラインセンサ中の赤外線検出センサに与えられる。さらに、ＦＰＧＡ１１０によりＤ／Ａコンバータ１２０．１６が制御されて、その出力により全画素について参照キャパシタＣｒｅｆが駆動される。
【００４２】
一方、ＦＰＧＡ１１０は、赤外線センサアレイ１０中の行の選択を行なうために、赤外線検出センサＩＲＳのトランジスタＴａを駆動するための信号Ｓｓｗ０〜Ｓｓｗ１５を出力する。すなわち、ＦＰＧＡ１１０は、１６×１６の２次元アレイから得られる赤外線フレーム画像をスキャンするために、各ラインセンサ中の選択される行に属する赤外線センサのスイッチングトランジスタを順次選択していく。
【００４３】
１６×１６赤外線センサアレイから読出されたデータは、各ラインセンサごとに設けられるアンプ１３０．０〜１３０．１５により増幅された後、バンドパスフィルタ１４０．０〜１４０．１５で所望の周波数を含むできるだけ狭い周波数領域の成分のみが抽出された後、Ａ／Ｄコンバータ１５０．０〜１５０．１５によりデジタル信号に変換されてＦＰＧＡ１１０に与えられる。
【００４４】
上述したとおり、素子からの信号は数ｍＶ以下であるので、増幅を行なうことが必要である。また、デジタル回路部から発生する高周波ノイズや、誘電体膜および処理回路の歪みによると考えられる高周波成分をできるだけ少なくするとともに、電源の有する６０Ｈｚの成分や直流成分もカットする必要がある。そのため、図３に示した構成ではバンドパスフィルタ１４０．０〜１４０．１５が設けられている。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
図４は、図３において説明した２次元赤外線センサアレイ１０およびＦＰＧＡ１１０の構成を説明するための概略ブロック図である。なお、図４においては、説明の簡単のために図３のセンサアレイ１０の構成のうち、２行２列分のみを抜き出して図示している。
【００４８】
以下、図４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。
【００４９】
各画素に対応する赤外線センサに与える駆動用正弦波は、スイッチング時のノイズやフィルタの過渡応答などを考慮すると、１画素に最低でも複数回、たとえば８パルス程度与えた上で、積算値を求める必要がある。一方で、駆動正弦波の周波数は、赤外線検出センサに用いられる強誘電体膜の誘電率の周波数特性等に起因して、たとえば、１ｋＨｚ程度が適している。
【００５０】
したがって、１画素の駆動には、上述の例では、最低８ｍＳ必要となる。つまり、１６×１６の２次元アレイを駆動する場合に、駆動正弦波源が１対のみでは、全画素を駆動して一巡する時間（フレーム時間）は、最小でも２０４８ｍＳ必要となる。これは、２秒間に１コマの画像が得られることに相当する。しかしながら、ほぼリアルタイムで赤外線画像を得るためには、１秒に５コマ以上（フレーム時間：２００ｍＳ以下）のレートで画像データが読み出されることが望ましい。
【００５１】
そこで、図３および図４に示した２次元赤外線センサアレイ１０を駆動する駆動正弦波は、Ｄ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１５により、同時に１６対生成することとし、２次元センサアレイの各列に対応する１６個の画素を同時に独立に駆動することにより、フレーム時間の短縮を図っている。一方で、参照用キャパシタＣｒｅｆの駆動用正弦波は、全画素共通でよいので、Ｄ／Ａコンバータ１２０．１６により生成する。したがって、駆動正弦波は、同時に１７個（受光部キャパシタ用１６個と参照用キャパシタ用１個）を生成することになる。
【００５２】
このため、ＦＰＧＡ１１０は、パーソナルコンピュータ１００からの制御に応じて、駆動波形計算部１１０４において、同時に１７個の振幅と位相の異なる正弦波のデータを計算する。さらに、ＦＰＧＡ１１０は、駆動波形計算部１１０４の計算結果に応じてＤ／Ａ制御部１１０６によりＤ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１６を制御して、バッファ１２１．０〜１２１．１６からの出力波形をセンサアレイ１０中の各赤外線検出センサに印加する。
【００５３】
ここで、赤外線検出センサを２次元アレイ状に配列した場合は、ラインセンサに比べてその画素数が増加する上に、分解能を上げるためには一層の画素数の増加が必要になる。したがって、ＦＰＧＡ１１０上のメモリに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とすると、ＦＰＧＡ１１０上に大規模なメモリが搭載されていることが必要である。
【００５４】
むしろ、図４に示したシステムでは、各画素についての振幅および位相の補正値に対応したデータはパーソナルコンピュータ１００中のメモリに保存し、駆動する画素を切換える前に最大１６画素分のデータをパーソナルコンピュータ１００からＦＰＧＡ１１０に送信する構成としている。これにより、ＦＰＧＡ１１０上に容量の大きなメモリを搭載する必要がなくなる。
【００５５】
ＦＰＧＡ１１０は、このようにしてセンサアレイ１０の各列に属する赤外線検出センサのうち、読出し対象となる行に対応する赤外線検出センサについて、予め設定されている補償値に基づいて、最適な振幅および位相の駆動信号を計算し、Ｄ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１５は、対応する列に対して駆動信号を出力する。
【００５６】
さらに、ＦＰＧＡ１１０中のスイッチング制御部１１０８は、パーソナルコンピュータ１００から与えられるスイッチングタイミングのデータと水晶発振器（図示せず）から与えられる正確なクロック信号に基づいて、センサアレイ１０の行を順次選択するためのスイッチング信号を発生する。
【００５７】
一方で、パーソナルコンピュータ１００が、１６個のＡ／Ｄコンバータ１５０．０〜１５０．１５から同時に信号を取込むためには、それに対応した入出力インターフェイスをパーソナルコンピュータ１００が備える必要がある。さらに、パーソナルコンピュータ１００に対するデータ転送速度と計算速度の制約から、フーリエ係数計算もパーソナルコンピュータ１００上で同時に行なうということは現実的でない。
【００５８】
そこで、図４で示した構成では、ＦＰＧＡ１１０中のＡ／Ｄ制御部１１０１が１６個のＡ／Ｄコンバータ１５０．０〜１５０．１５の制御を行ない、かつ、ＦＰＧＡ１１０上のフーリエ係数計算部１１１２が、１６画素分のフーリエ係数計算を行なって、その結果をインターフェース部１１０２を介してパーソナルコンピュータ１００に送信する構成としている。
【００５９】
もちろん、画素数がより大規模化した場合は、図４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。
【００６０】
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４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。
【００６１】
［ＦＰＧＡ１１０の構成］
図５は、図４に示したＦＰＧＡ１１０の構成をより詳しく説明するためのブロック図である。
【００６２】
図５を参照して、パーソナルコンピュータ１００とのインターフェイス部１１０２中のデータ・コマンドインターフェース部２１０２は、パーソナルコンピュータ１００からのコントロールコードに従い、パーソナルコンピュータからのデータの受信を行なって、ＦＰＧＡ１１０中の各部にデータを送信する。また、データ・コマンドインターフェース部２１０２は、コントロールコードに従い、ＦＰＧＡ１１０の各部から受取ったデータをパーソナルコンピュータ１００に送信する。
【００６３】
一方、図４では図示省略されていた基準タイミング生成部２１０４は、パーソナルコンピュータ１００から与えられるデータと水晶発振器からのクロック信号に基づいて、駆動用波形計算のタイミング、Ａ／Ｄコンバータのデータ取込タイミング、フーリエ係数計算タイミング、データの記憶およびパーソナルコンピュータ１００とのインターフェイス部へのデータ送出タイミングおよび赤外線検出センサのスキャニングのためのスイッチングのタイミングを発生する。
【００６４】
ここで、パーソナルコンピュータ１００からの受信データとしては、たとえば、素子の横方向のアドレス（列アドレス）および縦方向のアドレス（行アドレス）や、各赤外線検出センサに対応した駆動用正弦波の振幅と位相のデータがある。また、パーソナルコンピュータ１００への送信データとしては、たとえば、各赤外線検出センサからのフーリエ係数と、選択された赤外線検出センサへの切換後の経過時間である。
【００６５】
駆動波形計算部１１０４中の振幅・位相データ記憶部２１０６は、パーソナルコンピュータ１００からインターフェイス部１１０２を介して送られてくる駆動波形の振幅と位相のデータを、センサアレイ１０内の赤外線検出センサごとに記憶する。振幅・位相データ記憶部２１０６は、各素子を駆動する波形を発生するための駆動波形計算回路２１０８．０〜２１０８．１６に、適切なタイミングでデータを送る。なお、駆動波形計算回路２１０８．１６については、参照波の波形を計算するため、振幅・位相データ記憶部２１０６からデータを送らずに、波形を発生するためのデータは固定値としてもよい。
【００６６】
駆動波形計算回路２１０８．０〜２１０８．１６は、振幅・位相データ記憶部２１０６から送られるデータと、基準タイミング生成部２１０４から送られる計算の基準タイミングをもとに、各瞬間におけるＤ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１６のデータを計算し、Ｄ／Ａ制御回路２１１０．０〜２１１０．１６にデータを送る。なお、駆動波形計算回路２１０８．１６およびＤ／Ａ制御回路２１１０．１６は、参照電極キャパシタＣｒｅｆの駆動用である。参照キャパシタ駆動用を含め、並列に１７個の駆動波形計算回路２１０８．０〜２１０８．１６が設けられている。
【００６７】
Ｄ／Ａ制御部１１０６中のＤ／Ａ制御回路２１１０．０〜２１１０．１６は、Ｄ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１６をコントロールし、駆動波形計算回路２１０８．０〜２１０８．１６より送られるデータをＤ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１６に送出する。Ｄ／Ａ制御回路２１１０．０〜２１１０．１６も、並列に１７個設けられている。
【００６８】
Ａ／Ｄ制御部１１１０中のＡ／Ｄ制御回路２１１２．０〜２１１２．１５は、基準タイミング生成部２１０４より送られたタイミングに従って、Ａ／Ｄコンバータ１５０．０〜１５０．１５をコントロールし、Ａ／Ｄコンバータ１５０．０〜１５０．１５からのデータの取込みを行なう。Ａ／Ｄ制御回路２１１２．０〜２１１２．１５は、並列に１６個設けられている。
【００６９】
フーリエ係数計算部１１１２は、フーリエ係数計算回路２１１４と、フーリエ係数記憶部２１１６とを備える。フーリエ係数計算回路２１１４は、基準タイミング生成部２１０４より送られるタイミングに従って、Ａ／Ｄ制御回路２１１２．０〜２１１２．１５より送られるデータを用いて、センサアレイ１０の列ごとに１６個のフーリエ係数の計算を行なう。さらに、計算結果をフーリエ係数記憶部２１１６に送出する。
【００７０】
フーリエ係数記憶部２１１６は、フーリエ係数計算回路２１１４より送られたフーリエ係数を素子ごとに記憶し、基準タイミング生成部２１０４より送られるタイミングに従って、インターフェイス部１１０２を介してパーソナルコンピュータ１００にフーリエ係数を送出する。
【００７１】
スイッチング制御部１１０８中のスイッチングパルス生成部２１１８は、各赤外線検出センサ中のスイッチング用トランジスタＴａを適切なタイミングでオンオフさせるためのパルスを、基準タイミング生成部からのタイミングに従って生成する。
【００７２】
［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。
【００７３】
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。
【００７４】
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を意味する。
【００７５】
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。
【００７６】
画素駆動パラメータ記憶部３００６は、後に説明する手順にしたがって、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。
【００７７】
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へデータを送出する。
【００７８】
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、選択される赤外線検出センサの行の切換後の経過時間を受信し、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。
【００７９】
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。
【００８０】
［赤外線２次元センサアレイシステムの動作］
以下では、パーソナルコンピュータ１００において、各種パラメータをマン・マシンインタフェースにより設定する手続き、および各部の動作について、さらに詳しく説明する。
【００８１】
再び、図３および図４を参照して、コントロール用パーソナルコンピュータ１００は、各種パラメータ設定と画像表示およびＦＰＧＡ１１０との通信・制御や、各画素の最適な振幅位相のデータ保持とオフセット調整処理を行なう。
【００８２】
したがって、コントロール用パーソナルコンピュータ１００は、ＦＰＧＡ１１０のコントロールや画像表示、キャリブレーション（オフセット調整）などの機能を果たすために以下のような動作および制御を行なう。
【００８３】
ｉ） ノーマルスキャン
画素からの信号をＦＰＧＡ１１０を通してパーソナルコンピュータ１００に取込み、擬似カラー化して２次元画像として表示する処理を行なう。このとき、ユーザからの指示に従って、後述する「ゼロベクトル値」の更新を行なう。
【００８４】
ii） マニュアルキャリブレーション
画素を固定してキャリブレーション（オフセット調整）を行なう。
【００８５】
パーソナルコンピュータ１００の画面上にフーリエ係数の実軸係数と虚軸係数がリアルタイムに表示されるので、その画面表示を見ながらユーザからの指示で、画素に与える駆動正弦波の振幅と位相を変化させる。
【００８６】
マニュアルキャリブレーション時にも、ユーザからの指示で固定された画素のゼロベクトル値を更新できる。
【００８７】
iii） 自動キャリブレーション
ノーマルスキャン時に、キャリブレーションを自動で行なう。同時に横の画素数（最大１６画素）分のキャリブレーションを一括して行なえるので、高速にキャリブレーションが終了する。
【００８８】
iv） 経時変化の測定
マニュアルキャリブレーション時にユーザからの指示に応じて、横の画素数分のデータを最大２万点分まで記憶し、キャリブレーション終了時に自動的にファイルに保存する。
【００８９】
ｖ） キャリブレーション用データの保存
キャリブレーションを行なったときの各画素ごとの位相や振幅、感度のデータを自動的に保存する。計測ソフトを一度終了しても、次に計測ソフトを起動したときに自動的にこのパラメータを読込むことで、素子を変更しない限りパラメータの設定をし直す必要はなくなる。
【００９０】
（各種パラメータ設定機能）
赤外線センサを駆動しその信号処理と画像表示を行なうためには、種々のパラメータを設定して、ＦＰＧＡ１１０のコントロールや計算を行なう必要がある。
【００９１】
パーソナルコンピュータ１００を用いたマンマシンインターフェイスにより、このようなパラメータの設定を行なう。以下ではこのようにして設定されるパラメータについてさらに詳しく説明する。
【００９２】
ｉ） ピクセル数
２次元アレイの画素数を、縦の画素数×横の画素数で表わす。なお、１×１６と１６×１は意味が異なり、１×１６ではＤ／ＡコンバータやＡ／Ｄコンバータなどすべての処理が１６個同時（並列）に行なわれ、スイッチングを行なうことはない。これに対して、１６×１では処理は１画素ずつ行ない、１６画素をスキャンする。したがって、同じ画素数でも１×１６の方が１６倍高速に全画素のデータを取込むことができる。
【００９３】
ii） 表示の設定
後に、ＦＰＧＡ１１０の動作において詳しく説明するように、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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。また、赤外線検出センサの出力のドリフトも存在するので、このベクトルは赤外線非照射時にも有限の値を持つ。
【００９８】
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、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。
【００９９】
iii） ゼロベクトルの取込み
上述したゼロベクトルは、時間および環境温度によりドリフトするので、随時更新する必要がある。したがって、パーソナルコンピュータ１００から、ゼロベクトルのＸ・Ｙ値を取込むことを指示すると、ノーマルスキャン時およびキャリブレーション（オフセット調整）時に記憶しているゼロベクトルの値を更新する。
【０１００】
iv） ドライブ時間
１画素を駆動する時間を、たとえば、ミリ秒（ｍＳ）単位で入力する。この時間に縦の画素数を掛けた時間が、１フレームの時間になる。画素の切換時のノイズや過渡状態を避けるために、データ取込は画素切換後３ｍＳ後に開始する。したがって、データ取込時間はドライブ時間から３ｍＳを引いた時間である。
【０１０１】
ｖ） 自動キャリブレーションの設定
キャリブレーション（オフセット調整）を行なっても、ゼロベクトルは完全には０にならない。手動で行なう場合は人間が最小値を判断できるが、自動で行なう場合は収束条件が必要である。そこで、ゼロベクトルのＸ、Ｙの各係数の収束条件を「キャリブレーションの変化」と「正側・負側」により決定する。
【０１０２】
たとえば、Ｘの係数の偏差を５、負側とすれば、ゼロベクトルのＸに対しては０＞Ｘ＞−５になった場合に収束したと判定する。
【０１０３】
vi） 各ピクセルの設定
各画素の感度やドリフトの方向などが異なるため、表示やキャリブレーションのパラメータを画素ごとに設定する必要がある。設定する画素をパーソナルコンピュータ１００上の画面で指定した後、感度係数を入力することで、各画素ごとの感度の相違点を考慮した補正を行なうことが可能となる。
【０１０４】
vii） 経時変化測定の設定
経時変化を測定する際の時間間隔等設定を行なうこともできる。データの取込タイミングを指定すると、１回の測定時間と測定点間隔から時間間隔を計算して表示することになる。
【０１０５】
［Ｉ／Ｏカード部３０１４の機能と動作］
ＦＰＧＡ１１０と通信し制御を行なうためのインターフェイスであるＩ／Ｏカード部３０１４の機能と動作を以下にさらに説明する。
【０１０６】
ｉ） 通信データの内容
パーソナルコンピュータ１００から送信されるデータとしては少なくとも以下のものが必要である。
【０１０７】
すなわち、各画素の駆動用正弦波の片側振幅１１ビットと位相の９ビットのデータ、どの素子のデータを送受信しているかを指定するためのアドレスの４ビットのデータ、素子駆動の開始や停止を行なうためのメインコントロールコードである。
【０１０８】
また、ＦＰＧＡ１１０からの受信データは次のようなものがある。
各画素のフーリエ係数の実軸と虚軸の係数それぞれ１６ビットずつのデータおよびスイッチング後の経過時間８ビットのデータである。ここで、ＦＰＧＡ１１０からの経過時間のデータを用いるのは、パーソナルコンピュータ１００は、ＯＳの割込のため、１ｍＳ単位で正確な時間計測を行なうことができないからである。
【０１０９】
これらをすべて同時に送受信するためには、出力２６ビット入力４０ビットの合計６６ビットが必要であるが、これだけのビット幅を持つＩ／Ｏポートやカードは、汎用のパーソナルコンピュータには存在しない。また、ＦＰＧＡ１１０側にもこれだけのＩ／Ｏピンを通信に割当てる余裕が存在しない。
【０１１０】
そこで、入出力の内容をコントロールするためのデータコントロールコード４ビットを追加し、代わりにデータの同時送受信を行なわないようにし、また各データを８ビット以下に分割するなどしてビット幅を縮小する構成としている。
【０１１１】
実際に用いるＩ／Ｏカードは、２４ビット幅（８ビット×３ポート）であるので、次のようなビットの割当が行なわれる。
【０１１２】
１）Ａポート：出力
０〜５ビット：振幅と位相データ
６，７ビット：メインコントロールコード
２）Ｂポート：入力
０〜７ビット：フーリエ係数Ｘ，Ｙおよび素子切換後経過時間
３）Ｃポート：出力
０〜３ビット：データコントロールコード
４〜７ビット：素子アドレス
ii） 通信データ速度と通信フロー
ＦＰＧＡ１１０が素子（赤外線検出センサ）を駆動してフーリエ係数の計算を行なう場合、上に述べたように画素を切換えてから所定の時間、たとえば３ｍＳの間は過渡状態であるため、Ａ／Ｄコンバータ１５０．０〜１５０．１５によるデータの取込とフーリエ係数の計算を行なわない構成としている。
【０１１３】
つまり、この過渡状態の期間は、ＦＰＧＡ１１０上のメモリは、前に駆動していた画素のフーリエ係数のデータを保持している。
【０１１４】
したがって、パーソナルコンピュータ１００がＦＰＧＡ１１０と通信を行なう場合、この過渡状態の期間の間にＦＰＧＡ１１０からフーリエ係数を１行分、たとえば、本実施の形態では最大１６画素分受信する必要がある。
【０１１５】
つまり、１画素あたり３２ビット（４バイト）のデータを受信するので、最大６４バイトを３ｍＳの間に受信しなければならない。ただし、実際には、どの画素のどのデータを受信するかをＦＰＧＡ１１０にデータコントロールコード（４ビット）と送信アドレス（４ビット）の１バイトを用いて通知するので、通信時は倍の１２８バイトになり、１バイトあたりの通信時間は、約２３μＳ以内でなければならない。
【０１１６】
ＦＰＧＡ１１０がある画素（同時に最大１６個）を駆動している間に、パーソナルコンピュータ１００は次の画素を駆動するための振幅と位相データ合計２０ビット（実際には送信のデータビット幅は６ビットなので、４バイト分のデータに相当）を画素数分だけ（最大６４バイト）、ＦＰＧＡ１１０に送信する必要がある。
【０１１７】
ＦＰＧＡ１１０がＡ／Ｄコンバータ１５０．０〜１５０．１５のデータを取込み、フーリエ係数を計算する時間は、たとえば最小５ｍＳ（過渡時間と合わせると、１画素の駆動時間を最小８ｍＳ）であるので、この時間内にパーソナルコンピュータ１００からＦＰＧＡ１１０に送るコントロールコードと合わせて１２８バイトを送受信しなければならない。かつ、先に受信したフーリエ係数を用いて画像表示も行なわれる必要がある。
【０１１８】
図８は、このような送受信のフローを示すフローチャートである。
図８を参照して、パーソナルコンピュータ１００のＩ／Ｏカード部３０１４は、すでに駆動を行なって読み出されたデータに基づいてＦＰＧＡ１１０において計算が終了した１行分（１６画素分）のフーリエ係数を受信する（ステップＳ１００）。
【０１１９】
さらに、Ｉ／Ｏカード部３０１４は、センサアレイ１０の選択される行の切換を行なってからの経過時間をＦＰＧＡ１１０から受信しており（ステップＳ１０２）、パーソナルコンピュータ１００は、切換から所定の過渡応答時間、たとえば、３ｍＳが経過したかの判断のループ処理を行なう（ステップＳ１０２、ステップＳ１０４）。
【０１２０】
３ｍＳが経過したと判断されると（ステップＳ１０４）、パーソナルコンピュータ１００からＦＰＧＡ１１０に対して、フーリエ係数計算開始の命令が送信される（ステップＳ１０６）。ＦＰＧＡ１１０では、これに応じて、Ａ／Ｄコンバータ１５０．０〜１５０．１５からデータの読出しが行なわれて、フーリエ計算回路２１１４でフーリエ係数の計算が順次行なわれ、計算結果はフーリエ係数記憶部２１１６に格納される。上述したとおり、１行分のフーリエ係数の計算には、たとえば、５ｍＳかかるとすると、ＦＰＧＡ１１０において、素子の切換から過渡応答期間の３ｍＳ経過し、さらにフーリエ係数計算開始命令の送信から５ｍＳ経過後、すなわち、素子の切換から８ｍＳ［＝３（ｍＳ）＋５（ｍＳ）］経過後には、フーリエ係数記憶部２１１６に対する、新たに計算されたフーリエ係数の格納が終了することになる。
【０１２１】
一方、パーソナルコンピュータ１００は、フーリエ係数計算開始の命令の送信後、続いて、次に選択される行に属する赤外線検出センサについて駆動波形の振幅と位相をＦＰＧＡ１１０に対して送信する（ステップＳ１０８）。
【０１２２】
ステップＳ１００で受信したデータに基づいて画像表示用のデータを計算し、画像表示が行なわれる（ステップＳ１１０）。
【０１２３】
画像表示のための処理の終了後、続いて、パーソナルコンピュータ１００は、素子の切換からフーリエ係数の計算の終了が期待される時間、たとえば、上述の条件では、８ｍＳが経過したかの判断のループ処理を行なう（ステップＳ１１２、ステップＳ１１４）。
【０１２４】
８ｍＳが経過したと判断されると（ステップＳ１１４）、パーソナルコンピュータ１００からＦＰＧＡ１１０に対して、素子の切換、すなわちセンサアレイ１０の選択行の切換の命令が送信される（ステップＳ１１６）。
【０１２５】
以後は、処理は、ステップＳ１００に戻って、同様の処理を繰り返す。
［ＦＰＧＡ１１０の動作の詳細］
ＦＰＧＡ１１０は、上述のとおり、素子駆動用正弦波用のデジタルデータ計算と、Ｄ／ＡコンバータおよびＡ／Ｄコンバータの制御、フーリエ係数計算、パーソナルコンピュータ１００との通信など、撮像システムの全体の制御およびデータ出力を行なう。以下では、その動作について、さらに詳しく説明する。
【０１２６】
ａ） 素子駆動用正弦波の計算
素子を駆動するためにＤ／Ａコンバータ１２０が使用されている。たとえば、このＤ／Ａコンバータ１２０の仕様としては、５ボルト単一電源で１２ビットの分解能（最大出力４０９５ｍＶ、分解能１ｍＶ）である。
【０１２７】
赤外線照射による素子からの出力は数ｍＶ以下と考えられるので、素子のばらつきによる出力（オフセット）は１ｍＶ以下程度まで抑える必要がある。
【０１２８】
図１に示した等価回路により、素子駆動用正弦波の振幅を１ｍＶ変化されると、出力振幅は０．５ｍＶ変化する。
【０１２９】
つまり、正弦波の振幅を１ｍＶ単位で変化させれば、オフセットは最大０．２５ｍＶまで小さくすることが可能である。また、ＦＰＧＡ１１０に与えるクロック周波数は、速いほどＦＰＧＡ１１０が高速動作するものの、このクロック周波数が速すぎるとＤ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１６の動作が追いつけなくなってしまう。また、高速動作に伴う不要輻射に起因するノイズも増加する。
【０１３０】
そこで、クロック周波数は、特に限定されないが、たとえば、１６ＭＨｚとする。この周波数で１ｋＨｚの正弦波の出力タイミングを制御すると、位相分解能は３６０度を１６０００で割って、０．０２２５度となる。シミュレーションの結果、振幅３．５Ｖ時に０．０２２５度位相を変化させると、出力が約０．６ｍＶ変化するとの結果が得られた。位相を０．０２２５度単位で調整すれば、オフセットは最大約０．３ｍＶになる。
【０１３１】
以上から、オフセット調整に、分解能１ｍＶのＤ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１６と１６ＭＨｚのクロックを用いれば、オフセット調整能力は十分であるといえる。
【０１３２】
図９は、Ｄ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１６により出力する正弦波の波形を模式的に示す図である。
【０１３３】
正弦波をＤ／Ａコンバータ１２０により出力する場合、図９（ａ）に示すように、データ出力タイミングを一定にして、振幅の変化量を変えていくことにより正弦波にする方法と、図９（ｂ）に示すように、振幅の変化量を一定にしてデータ出力タイミングを変化させる方法とが考えられる。
【０１３４】
どちらの場合も階段波形となるが、前者の場合の振幅の変化量の最大値は、後者の場合の振幅変化量の一定の場合のπ／２倍（約１．６倍）となる。２つの正弦波の差を測定するシステムでは、駆動波形が滑らかな正弦波であれば、信号中に階段波形は存在しないが、階段波形の場合には、ステップ状変化に信号中にノイズとして重畳する。したがって、この変化量はできるだけ小さい方が望ましいと考えられるので、本システムにおいては後者の方法（図９（ｂ））を採用している。
【０１３５】
用いられるＤ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１６のデータ受信時間と変換時間の合計は、たとえば、およそ２μＳであるので、この場合は、データの出力間隔は２μＳ以上が必要である。
【０１３６】
図９（ｂ）に示した後者の方法で、１ｋＨｚを２５６分割（２の８乗）した場合、最小のデータ出力間隔が約２．３μＳとなる。したがって、上記のような条件の下では、１周期を２５６分割として、システムを動作させればよい。
【０１３７】
正弦波はπ／２周期で左右や上下に反転した波形になるので、この正弦波を表現するためには、たとえば、１周期を４分割し、これを６４個の点（０番目から６３番目）で表わせばよい。この場合、正弦波を６３段階の波形で表現することになる。
【０１３８】
今、ｎ番目の点の電圧値Ｖ（ｎ）は、パーソナルコンピュータ１００から与えられる片側振幅値をＶｐｃとすると、以下の式で表わすことができる。
【０１３９】
Ｖ（ｎ）＝Ｖｐｃ×ｎ÷６３＋ＤＣオフセット
ただし、６３で割る回路は回路規模が大きくなるので、単に下位６ビットを無視して等価的に６４で割った値を用いる構成としてもよい。したがって、この場合は、Ｖｐｃの６３／６４が実際の片側振幅値になる。
【０１４０】
また、上式の掛算部分をそのままでは１１ビット×６ビットで１７ビットの大きな掛算回路になり、最大１７個をＦＰＧＡに実装するのが困難となる。そこで、足算器とシフトレジスタで掛算器を構成し、６クロック（たとえば、約０．４μＳ）で動作する回路とすることが可能である。
【０１４１】
位相をシフトさせるためには、２分の１周期ごとに基準パルス（８０００クロックごとのパルス）を作成し、この基準パルスからのクロックのカウント数がパーソナルコンピュータ１００から与えるシフト数（０．０２２５度単位）に等しくなった時点で基準遅延パルスを生成し、これから正弦波の出力を始める構成とすればよい。
【０１４２】
ｂ） フーリエ係数計算
センサアレイ１０の赤外線検出センサからの出力信号には、ノイズのほかに歪み成分が重畳しており、たとえば、オシロスコープで出力を観測している場合には、所望の信号は、そのレベルが小さいと、この歪み成分に隠れてしまう。
【０１４３】
しかしながら、高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）を行なうことにより、赤外線検出センサの駆動信号の周波数と同じ周波数の所望の信号である、たとえば、１ｋＨｚの信号成分の変化を取出せる。
【０１４４】
ＦＦＴのアルゴリズムは複雑で、また、最大１６チャネルを同時に計算する必要があるので、その回路を、ＦＰＧＡに実装することは困難である。ところで、ＦＦＴはナイキスト周波数までの全周波数の計算を行なうが、本発明では、上述のとおり、たとえば、１ｋＨｚの周波数成分のみを取出せばよいので、より簡単な１ｋＨｚ固定のフーリエ係数の計算を行なう。
【０１４５】
信号波形に重畳する歪み信号を考慮すると、特に限定はされないが、サンプリング周波数は４ｋＨｚ以上が必要である。一般的には、サンプリング周波数は、その必要な大きさの１０倍程度を用いるので、図３のシステムでは、たとえば、３２ｋＨｚ（１ＫＨｚの２の５乗倍）でサンプリングを行なうこととすればよい。
【０１４６】
このとき、３２ｋＨｚでサンプリングされたｉ番目のデータをＺｉとすると、１周期分のフーリエ係数Ｃａ（複素数）は次式で表わすことができる。
【０１４７】
【数１】

ここで、ｎは３２、ｆは１ｋＨｚ、ｊは虚数単位である。
【０１４８】
上式からフーリエ係数Ｃａは複素平面上のベクトルとなり、上述のとおり、実軸側の係数をＸ、虚軸側の係数をＹと置く。
【０１４９】
１ｋＨｚの正弦波の振幅は、このベクトルの大きさ、サンプリングのタイミングに対する位相差はベクトルのＸ軸からの回転角で表わされる。複数の周期にわたって上式を計算した場合は、ベクトルの大きさが周期数に比例するが、位相角は変化しない。サンプリングにノイズが含まれる場合は、周期数の平方根に比例してＳ／Ｎが向上する。
【０１５０】
上式を実行するための回路をＦＰＧＡ１１０に実装する場合、サンプリングのタイミングは決まっているので、サンプリングデータに乗ずるサインやコサインの関数は３２種類の決まった数値になる。実際にはこれらの関数はπ／２周期で左右や上下に反転した形なので、８個の数値を用いるだけでよく、この８個の係数値をＦＰＧＡ１１０のフーリエ係数記憶部２１１６中のＲＯＭ（Read Only Memory）テーブルに記録させる。
【０１５１】
サンプリングデータは、たとえば、１２ビット（１ビットが約１．２２ｍＶ）であるが、最下位ビットはノイズが大きく意味を持たないので、この場合、上位１１ビットのみを計算に使用すればよい。また、オフセット調整後の信号の振幅は増幅後であっても１Ｖ以下であるので、サンプリングデータが１２ビットの場合は、フーリエ係数の計算に有効なビット数は１０ビット以下である。
【０１５２】
そこで、この８個の係数値は、サンプリングデータを１２ビットとするシステムでは、１０ビットデータとすればよい。したがって、掛算は２１ビット幅が必要である。２１ビットの掛算回路は非常に大きな回路となり、また遅延も大きい。したがって、回路規模の抑制のためには、シフトレジスタと足算回路を用いて１０クロックで動作する掛算回路を構成することが可能である。この掛算結果の数値を、さらにＦＰＧＡ１１０のフーリエ係数記憶部２１１６中のＲＡＭ（Random Access Memory）に加算することにより、フーリエ係数を求める。
【０１５３】
本システムでは、一例として、２１ビット整数を１周期に３２（２の５乗）回加算し、最大２５６（２の８乗）周期まで加算することにしたので、最大３４ビットになる可能性がある。しかしながら、実際の最大振幅は１Ｖ以下と考えられるので、この足算は３１ビット幅で行なうこととすることができる。
【０１５４】
また、このような構成の場合は、３１ビット中下位ビットは、計算後は、ノイズのため意味をなさないので、本システムでは、パーソナルコンピュータ１００に送信するデータは下位１５ビットを無視して上位１６ビットのみとしてもよい。
【０１５５】
振幅（ピークツーピーク）が１Ｖの１ｋＨｚ正弦波に対して、１周期分の上記の計算を行ない、下位１５ビットを無視すると、フーリエ係数（ベクトル）の大きさ（ベクトルの長さ）は約１０２となる。
【０１５６】
これから、計算を行なった周期をＮ、計算されたフーリエ係数の大きさをＦとすれば、実際の信号強度Ｖは次式で与えられる
Ｖ＝Ｆ／Ｎ／１０２
歪成分の高調波が重畳した実際の信号波形（１６０倍の増幅後）において、オシロスコープ付属のＦＦＴ機能により求めた１ｋＨｚの振幅が１２．６ｍＶのとき、１２５周期のフーリエ係数計算により上式から求められる振幅値は１２．９ｍＶとなり非常によく一致していることが確認された。
【０１５７】
［アナログ信号処理部およびＡ／Ｄコンバータ］
図３に示した赤外線２次元センサアレイ１０では、赤外線検出センサからの信号は数ｍＶ以下であるので増幅が必要である。また、デジタル回路部から発生する高周波ノイズや、誘電体膜および処理回路の歪みによると考えられる高周波成分をできるだけ少なくするとともに、６０Ｈｚ成分や直流成分もカットする必要がある。そのためにバンドパスフィルタ１４０．０〜１４０．１５を使用する。
【０１５８】
しかしながら、フィルタの遮断特性を急峻にすると過渡特性が長くなり、１画素当りの駆動時間も長くする必要が生じる。したがって、フィルタの遮断特性にも最適な次数が要求される。これらを考慮して設計されたアナログ回路部であるバンドパスフィルタ１４０．０〜１４０．１５について、さらに説明しておく。
【０１５９】
たとえば、駆動正弦波の周波数を１ｋＨｚとすると、出力信号には、それに対する高調波の歪が現れる。
【０１６０】
そこで、６０Ｈｚ成分や直流成分と、この歪成分をカットすることを考慮して、バンドパスフィルタ１４０．０〜１４０．１５を、たとえば、中心周波数１ｋＨｚ、利得４５ｄＢ（１８０倍）の特性を有するように設計する。
【０１６１】
図１０は、このようなバンドパスフィルタ１４０．０の構成を示す概略ブロック図である。他のバンドパスフィルタ１４０．１〜１４０．１５の構成も同様である。
【０１６２】
入力側は、赤外線検出センサからの出力をＪ−ＦＥＴのソースフォロアによって受けている。この回路は５Ｖ単電源で駆動する。フィルタへの２．５Ｖ入力は、５Ｖ電源からツェナダイオードにより２．５Ｖに低電圧化し、フィルタに安定に供給するためのバッファを使用して生成したものである。
【０１６３】
（１） 利得周波数特性
図１１は、図１０に示した回路の利得周波数特性を示す図である。
【０１６４】
図１１（ａ）はシミュレーション結果であり、図１１（ｂ）は実測値である。シミュレーション、実測値ともに中心周波数１ｋＨｚ成分は約４５ｄＢの利得がある。また、１ｋＨｚ成分に対して２ｋＨｚ成分は約２５ｄＢの減衰がある。
【０１６５】
（２） 時間応答特性
赤外線センサの１画素当りに必要な駆動時間は、画素切換時のノイズやフィルタの時間応答特性を考慮して決める必要がある。フィルタの帯域幅を狭くすればするほど、ノイズ除去能力は高くなるが、信号が急変したときのフィルタ出力が定常状態に達するまでの時間は長くなる。この時間応答特性のために、波形処理は要求されている精度に落ち着くまでの時間を待ってから行なわないと誤った結果となってしまう。
【０１６６】
したがって、１６×１６あるいはそれ以上の２次元アレイにおいては、定常状態に達するまでの時間をなるべく短くする必要がある。
【０１６７】
図１２は、図１０に示したバンドパスフィルタの時間応答特性を示す図である。ここで、図１２は、バンドパスフィルタに正弦波１ｋＨｚの信号を１０波形バースト信号として入力したときの出力応答波形である。
【０１６８】
図１２（ａ）はシミュレーション結果であり、図中の５ｍｓから１５ｍｓまではバースト信号を入力したときの出力応答波形である。図１２（ｂ）は実測値であり、図中に示したようなタイミングで信号入力の開始終了を行なったときの出力信号波形である。
【０１６９】
シミュレーションおよび実測値ともに、立上がり、立下がりの３ｍｓの間は信号が安定しない。よって、逆にいえば、以上説明したような測定のパラメータの条件下では、バンドパスフィルタ１４０．０〜１４０．１５からの出力信号の振幅をＦＰＧＡ１１０により、１ｋＨｚのフーリエ係数計算する場合に、画素の切換から３ｍｓ以降の信号を取込めば、十分な精度のデータを得ることができることがわかる。
【０１７０】
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、かつチョッパレス、しかも比較的簡易な構造等の特徴を有する容量変化検出型赤外線センサを用いて、センサアレイを実動作させることが可能となる。
【０１７１】
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。
【０１７２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の容量変化検出型赤外センサを２次元に配列した赤外線２次元イメージセンサに対する駆動回路および赤外線２次元イメージ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、高感度かつ高密度画素の室温動作赤外線２次元イメージセンサを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【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】 素子駆動正弦波パルスにより補正を行なうことが可能な赤外線２次元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】 ２次元赤外線センサアレイ１０およびＦＰＧＡ１１０の構成を説明するための概略ブロック図である。
【図５】 ＦＰＧＡ１１０の構成をより詳しく説明するためのブロック図である。
【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】 送受信のフローを示すフローチャートである。
【図９】 Ｄ／Ａコンバータ１２０．０〜１２０．１６により出力する正弦波の波形を模式的に示す図である。
【図１０】 バンドパスフィルタ１４０．０の構成を示す概略ブロック図である。
【図１１】 図１０に示した回路の利得周波数特性を示す図である。
【図１２】 図１０に示したバンドパスフィルタの時間応答特性を示す図である。
【符号の説明】
１０ 赤外線センサアレイ、１００ パーソナルコンピュータ、１１０ ＦＰＧＡ、１２０．０〜１２０．１６ Ｄ／Ａコンバータ、Ｃｒｅｆ 参照キャパシタ、１３０．０〜１３０．１５ アンプ、１４０．０〜１４０．１５ バンドパスフィルタ、１５０．０〜１５０．１５ Ａ／Ｄコンバータ、１１０２ インターフェース部、１１０４ 駆動波形計算部、１１０６ Ｄ／Ａ制御部、１１０８スイッチング制御部、１１１０ Ａ／Ｄ制御部、１１１２ フーリエ係数計算部、２１０２ データ・コマンドインターフェース部、２１０４ 基準タイミング生成部、２１０６ 振幅・位相データ記憶部、２１０８．０〜２１０８．１６駆動波形計算回路、２１１０．０〜２１１０．１６ Ｄ／Ａ制御回路、２１１２．０〜２１１２．１５ Ａ／Ｄ制御回路、２１１４ フーリエ係数計算回路、２１１６ フーリエ係数記憶部、２１１８ スイッチングパルス生成部、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、３０１２ 素子駆動パラメータ計算部、３０１４ Ｉ／Ｏカード部。

Claims (7)

1. 行列状に複数の赤外線検出センサが配列された赤外線２次元センサアレイを備え、
   各前記赤外線検出センサは、
   参照キャパシタと、
   前記参照キャパシタと直列に接続され、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、
   前記参照キャパシタの一方端および前記赤外線検出キャパシタの一方端との接続ノードから、信号レベルの読出しを選択的に行なうためのスイッチ手段とを含み、
   前記参照キャパシタの他方端に交流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交流の駆動信号を印加するための第２の信号源とを備え、
   前記駆動信号は、前記参照信号と振幅が同じで、位相が反転した信号を基準とし、
   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前記基準の値から予め定められた値だけ変化させる、赤外線２次元センサアレイシステム。
2. 前記第１の信号源は、前記複数の赤外線検出センサに共通に設けられ、
   前記第２の信号源は、前記赤外線２次元センサアレイの列ごとに設けられる複数の信号出力手段を含み、
   前記赤外線２次元センサアレイの行を選択して、選択された行に属する前記スイッチ手段を導通状態とするための行選択手段と、
   前記赤外線２次元センサアレイの列ごとに設けられ、前記スイッチ手段を介して前記信号レベルを読み出すための複数の信号読出手段とをさらに備える、請求項１記載の赤外線２次元センサアレイシステム。
3. 前記複数の信号読出手段の出力から所望の周波数成分の信号を抽出するための信号抽出手段をさらに備え、
   前記信号抽出手段は、
   前記複数の信号読出手段の出力の各々に対して、前記所望の周波数に対応するフーリエ係数の第１の実数成分と第１の虚数成分を算出する周波数成分演算手段と、
   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２次元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前記所望の周波数に対応するフーリエ係数の算出を行なった際の第２の実数成分と第２の虚数成分とからなる第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２記載の赤外線２次元センサアレイシステム。
4. 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２記載の赤外線２次元センサアレイシステム。
5. 前記所望の周波数は、前記駆動信号の周波数である、請求項３記載の赤外線２次元センサアレイシステム。
6. 前記第２の実数成分と前記第２の虚数成分とを、ユーザの要求にしたがって更新するための更新手段をさらに備える、請求項３記載の赤外線２次元センサアレイシステム。
7. 前記行選択手段により第１のタイミングで選択された行に対する前記赤外線レベル算出手段による赤外線検出レベルの導出処理の少なくとも一部と、前記第１のタイミング後の第２のタイミングで前記行選択手段により選択された行に対する前記周波数成分演算手段の算出処理とが並行して行なわれる、請求項３記載の赤外線２次元センサアレイシステム。

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