JP2008022315A - 熱型赤外線検出回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】 画素信号読み出し系でのフリッカノイズの重畳を減らした高感度の熱型赤外線検出回路を得ることを目的とする。
【解決手段】 赤外線及び温度に対して感度を有する熱型赤外線センサで構成された画素1がマトリクス状に配置され、温度に対して感度を有するが赤外線に対して感度を有しない参照画素2が画素1のマトリクスに隣接して列方向に配置されている。画素1からの電圧と、駆動線3と実質的に同一の抵抗を有し実質的に同一の電流が供給されるバイアス線11の電圧との差を、差動増幅回路14で増幅して赤外線による画素信号を読み出す。参照画素2からの電圧と等しい電圧をバイアス電圧回路30が発生しバイアス線11に与えるようにした。
【選択図】 図1
【解決手段】 赤外線及び温度に対して感度を有する熱型赤外線センサで構成された画素1がマトリクス状に配置され、温度に対して感度を有するが赤外線に対して感度を有しない参照画素2が画素1のマトリクスに隣接して列方向に配置されている。画素1からの電圧と、駆動線3と実質的に同一の抵抗を有し実質的に同一の電流が供給されるバイアス線11の電圧との差を、差動増幅回路14で増幅して赤外線による画素信号を読み出す。参照画素2からの電圧と等しい電圧をバイアス電圧回路30が発生しバイアス線11に与えるようにした。
【選択図】 図1
Description
この発明は、入射赤外線による温度変化を2次元に配置された半導体センサで検出する赤外線固体撮像回路に関し、特に、半導体センサからの電気信号を増幅して出力する熱型赤外線検出回路に関する。
熱型赤外線撮像回路では、断熱構造を有する画素を2次元に配列し、赤外線の入射による画素の温度変化を電気信号に変換することで、対象物の赤外線画像を得ている。赤外線撮像回路の画素には、温度を検出する半導体センサとしてシリコンのPN接合ダイオードが使われることがある。この画素の構造は例えば非特許文献1に示されている。図8(a)及び(b)は従来の画素構造を示す断面図及び斜視図である。画素1において、温度センサとなるダイオード902は、2本の長い支持脚1101によってシリコン基板1102に設けられた中空部1103の上に支持されており、ダイオード902の電極配線1104が支持脚1101に埋め込まれている。ダイオード902は、感度を高めるために複数個が直列に接続されている。中空部1103は、ダイオード902とシリコン基板1102との間の熱抵抗を高めて、断熱構造を形成している。ダイオード902は、基板1102と独立した層にする必要があるので、SOI基板を用いてSOI層上に形成されており、SOI層下の埋め込み酸化膜は中空構造を支持する構造体の一部になっている。また、ダイオード部に熱的に接触している赤外線吸収構造1106が、図の上方から入射する赤外線を効率良く吸収できるように、支持脚1101の上方に張り出した構造となっている。尚、図8(b)では下部の構造を判りやすくするため、図の前方の部分での赤外線吸収構造を除いて描いてある。
赤外線が画素1に入射すると、赤外線吸収構造1106で吸収され、上記の断熱構造により画素1の温度が変化し、温度センサとなるダイオード902の順方向電圧特性が変化する。このダイオード902の順方向電圧特性の変化量を、所定の検出回路で読み取るこ
とにより、入射した赤外線量に応じた出力信号を取出すことができる。ダイオードの検出電圧は1uVのように微弱であり、100倍程度に増幅する必要がある。一般的に、ダイオードや、MOSトランジスタは、微小電流や微弱電圧の揺らぎを伴っており、この揺らぎによるフリッカノイズ(1/fノイズとも呼ばれる)が発生するので、高感度で信号読み出しを行うには、信号読み出し系の回路自体でフリッカノイズの重畳を最小限に抑えることが重要である。また、2次元配置された画素から微弱な信号を単相入力の積分回路のみで増幅する場合には、(1)ダイオードに画素駆動電源電圧を与える駆動線の電圧降下によるオフセット分布の発生、(2)外部の環境温度によるノイズの重畳、(3)ダイオードの自己加熱で発生する熱によるノイズの重畳により、高感度の赤外線検出画像が得られなかった。これら3つの問題を解決した電圧読み出し方式の熱型赤外線検出回路は、例えば特許文献1に示されている。
とにより、入射した赤外線量に応じた出力信号を取出すことができる。ダイオードの検出電圧は1uVのように微弱であり、100倍程度に増幅する必要がある。一般的に、ダイオードや、MOSトランジスタは、微小電流や微弱電圧の揺らぎを伴っており、この揺らぎによるフリッカノイズ(1/fノイズとも呼ばれる)が発生するので、高感度で信号読み出しを行うには、信号読み出し系の回路自体でフリッカノイズの重畳を最小限に抑えることが重要である。また、2次元配置された画素から微弱な信号を単相入力の積分回路のみで増幅する場合には、(1)ダイオードに画素駆動電源電圧を与える駆動線の電圧降下によるオフセット分布の発生、(2)外部の環境温度によるノイズの重畳、(3)ダイオードの自己加熱で発生する熱によるノイズの重畳により、高感度の赤外線検出画像が得られなかった。これら3つの問題を解決した電圧読み出し方式の熱型赤外線検出回路は、例えば特許文献1に示されている。
図9は上記の3つの問題を解決するためになされた従来の電圧読み出し方式の熱型赤外線検出回路及び差動増幅器に相当する回路図である。1は赤外線吸収構造と断熱構造を備えた複数個のダイオードが直列接続され、入射赤外線に対して感度を有する画素で、M行N列(M、Nは自然数)のマトリクス状に配置される。2は断熱構造を備えた複数個のダイオードが直列接続され、赤外線に対して無感度の参照画素である。参照画素2は、入射する赤外線に関係無く、画素1が受ける環境による素子の温度変化及び自己加熱による温度変化と同等の温度変化を検出することができるように赤外線吸収構造を除いた構造となっている。赤外線吸収構造を有しない画素は、例えば、図8(a)(b)の画素1において赤外線吸収構造1106の形成を省略されたものである。3は画素1の陽極及び参照画素2の陽極を行毎に共通接続した駆動線、4は画素1の陰極を列毎に共通接続した信号線、5は参照画素2の陰極を一列に共通接続した参照信号線、6は信号線4の終端部に接続された定電流源、7は参照信号線5の終端部に接続された定電流源、8は選択スイッチ9を介して画素駆動電源10を駆動線3に順次接続する垂直走査回路、11は駆動線3と抵抗が実質的に同一であるバイアス線、100はバイアス線の一端に接続された電圧を供給するバイアス電源である。12は信号線4毎に設けられた定電流源6と実質的に同一の電流を流す定電流源でバイアス線11に接続される。従って、バイアス線11の抵抗及び電流は駆動線3と実質的に同一なので、バイアス線11の電圧も駆動線3の電圧と実質的に同一となる。13は参照信号線5に設けられた定電流源7と実質的に同一の電流を流す定電流源でバイアス線11に接続される。101は各画素列の信号線4毎に設けられ、定電流源6の両端子の電圧と定電流源12の両端子の電圧が差動入力される差動増幅器、102は参照画素列に設けられ、定電流源7の両端子の電圧と定電流源13の両端子の電圧が差動入力される差動増幅器、103は画素列毎に設けられた差動増幅器101の出力と差動増幅器102の出力が差動入力される差動増幅器である。104は差動増幅器103の出力を順次選択し、差動増幅器103の信号を積分回路で一定時間積分処理して出力する水平駆動回路である。
次に動作について説明する。まず、画素1に赤外線が入射していない状態を考える。垂直走査回路8によって順次選択される駆動線3は、選択スイッチ9を介して画素駆動電源10が接続される。これに伴い画素1は定電流源6により一定電流で駆動され、順方向にバイアスされる。バイアス電源100は垂直走査回路8の選択スイッチ9の制御信号と同期したパルスであり、バイアス線11の電圧降下を考慮して、各列の差動増幅器101の差動入力端子対である反転端子と非反転端子間の電圧がほぼ同じになる電圧を出力する。このようにすることで、差動増幅器101は差動入力に差がほとんどない時の出力、即ち、準ゼロ基準電圧を出力する。参照画素2及び差動増幅器102は、画素1と差動増幅器101と同様の動作であり、準ゼロ基準電圧が出力される。差動増幅器103も差動増幅器101、102の出力がそれぞれの差動入力端子に入力されるので、バイアス電圧と画素駆動電圧との差を減算し、ゼロ基準電圧を出力する。
画素1に赤外線が入射すると、選択され一定電流で駆動されるダイオードは赤外線によって温度上昇し、ダイオードの順方向電圧はΔVだけ低下するので、差動増幅器の非反転端子の電圧はΔVだけ高くなる。一方、参照画素は赤外線が入射しても、赤外線に対して無感度なので、ダイオードの順方向電圧は変化しない。したがって、差動増幅器101の出力は準ゼロ基準電圧より高くなるが、差動増幅器102の出力は準ゼロ基準電圧から変化がないことから、差動増幅器103の出力はゼロ基準電圧より高くなる。この増幅信号を水平駆動回路で順次取り出して、1行分の赤外線検出信号を得る。駆動線を順次選択し、上記の読み出し動作を繰り返し、さらに全画素の赤外線検出信号を信号処理することで、対象物の赤外線画像を得る。
上記のように駆動線3と実質的に同一の電圧降下を有するバイアス線11との信号を差動増幅器101で読み出すことで、上記(1)の問題を解決していた。さらに、参照画素でも検出する赤外線入射による温度変化以外の外部環境温度及び通電されることによるダイオードの自己加熱による温度を反映した参照画素信号を差動増幅器102で出力させ、差動積分回路103によって、画素1からの信号から差動増幅器102の出力を減算処理することで、上記(2)及び(3)の問題も解決していた。
上記のような従来の熱型赤外線検出回路では、上記(2)、(3)の問題を解決するために差動増幅器102とN個の差動増幅器103を追加していたので、これら多数の差動増幅器から発生するフリッカノイズが検出信号に重畳していた。従って画素信号の読み出しを高感度にできない問題点があった。
この発明は、上記(2)、(3)の問題を解決するための回路構成を簡単化し、それによって画素信号読み出し系でのフリッカノイズの重畳を減らした高感度の熱型赤外線検出回路を得ることを目的とする。
本発明の課題解決原理を説明する。図9に示す従来の熱型赤外線検出回路のバイアス線11に上記(2)、(3)の問題を解決するための電圧である外部環境温度及び自己加熱による温度を反映した電圧を重畳させて、この電圧を差動増幅器101により画素1の検出電圧から減算するようにすれば、差動増幅器102、103は不要となる。参照画素2の電圧は外部環境温度及び自己加熱による温度を反映した電圧になっているが、この電圧が現れている参照信号線5をバイアス線11に直接に接続することはできない。そこで、参照信号線5の電圧と同じ電圧を発生するバイアス電圧回路を構成し、この回路が発生した電圧をバイアス線11に与えるようにした。
この発明は、上記(2)、(3)の問題を解決するために追加する回路を簡単化したので、画素信号読み出し系でのフリッカノイズの重畳を減らすことができ、高感度の赤外線検出画像が得られる。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における電圧読み出し方式の熱型赤外線検出回路の回路図である。実際の画素はM行N列(M、Nは自然数)の画素が配列されているが、説明を簡単化するために画素エリアに3行N列の画素と画素エリアに隣接して1列の参照画素を配置した図を示した。
図1は、この発明の実施の形態1における電圧読み出し方式の熱型赤外線検出回路の回路図である。実際の画素はM行N列(M、Nは自然数)の画素が配列されているが、説明を簡単化するために画素エリアに3行N列の画素と画素エリアに隣接して1列の参照画素を配置した図を示した。
図において、1は赤外線吸収構造と断熱構造を備えた複数個のダイオードが直列接続され、入射赤外線に対して感度を有する画素で、画素エリアに3行N列のマトリクス状に配置される。2は断熱構造を備えた複数個のダイオードが直列接続され、赤外線に対して無感度の参照画素で、画素エリアに隣接して1列配置される。3は画素1の陽極及び参照画素2の陽極を行毎に共通接続した駆動線、4は画素1の陰極を列毎に共通接続した信号線、5は参照画素2の陰極を一列に共通接続した参照信号線である。6は信号線4の終端部に接続された定電流源、7は参照信号線5の終端部に接続された定電流源である。8は選択スイッチ9を介して画素駆動電源10を駆動線3に順次接続する垂直走査回路である。11は駆動線3と実質的に同一の抵抗を有し、同一の電流が流れることにより同一の電圧降下を有するバイアス線である。12は信号線4毎に設けられた定電流源6と実質的に同一の電流を流す定電流源でバイアス線11に接続される。13は参照信号線に設けられた定電流源7と実質的に同一の電流を流す定電流源でバイアス線11に接続される。14は各画素列の信号線4毎に設けられ、定電流源6の両端子の電圧と定電流源12の両端子の電圧が差動入力され、一定時間積分増幅する差動積分回路である。15は列毎の差動積分回路14の出力を順次選択して出力する水平駆動回路である。
バイアス線11にバイアス電圧を供給するバイアス電圧回路30の構成及び接続について説明する。バイアス電圧回路30は、バイアス線11に駆動線3と同じ電圧降下を生じさせるための電源であり、且つ、参照画素2が発生した環境温度及び自己加熱による温度を反映した電圧を受けてこれと同じ電圧を発生してバイアス線11に与える回路である。バイアス電圧回路30は入力端子30Aの電圧と等しくなるように制御されたバイアス電圧を端子30Bからバイアス線11に供給する。16はバイアス電圧回路30の入力端子30Aから反転端子に印加される参照画素2からの信号電圧とバイアス線11に供給されるバイアス電圧との電圧差を増幅する差動増幅器である。参照画素2からの信号電圧は、参照信号線5を経てバイアス電圧回路30の入力端子30Aに入力される。17は差動増幅器16の出力信号で制御され、画素駆動電源10からバイアス電圧としてバイアス電圧回路30の出力端子30Bに接続されたバイアス線11へ出力する駆動トランジスタである。駆動トランジスタ17が出力するバイアス電圧は差動増幅器16の非反転端子に接続され、差動増幅器16と駆動トランジスタ17でフィードバックループを構成している。18は駆動トランジスタ17の出力に接続される容量である。
本実施の形態では、駆動トランジスタ17はPMOSトランジスタであり、ゲート電極及びソース電極にはそれぞれ差動増幅器16の出力及び画素駆動電源10が接続され、ドレイン電極に差動増幅器16の非反転端子に接続される。
図2は動作を説明する図で、図1に電圧モニター点を書き加えたものである。まず赤外線が入射していない場合を考える。N列目の画素1に注目して説明する。画素1に流れる電流をI1、画素駆動電源10の電圧をVcc、選択スイッチ9の抵抗をRsw、N列までの駆動線の電圧降下をVrnとする。定電流源6と定電流源7は実質的に同一の電流を流すので、参照画素2にも画素1と同じ電流I1が流れる。ノードA及びBの電圧VA、VBはそれぞれ、
VA=Vcc−I1×(N+1)×Rsw (1)
VB=Vcc−I1×(N+1)×Rsw−Vrn (2)
となる。入射赤外線がなく、ある素子温度における画素1のダイオードの順方向電圧をVnとすると、ノードCの電圧VCは、
VC=Vcc−I1×(N+1)×Rsw−Vrn−Vn (3)
となる。次に参照画素2に注目して説明する。参照画素2に流れる電流は、画素1と同じ電流I1であるから、参照画素2のダイオードの順方向電圧もVnであり、バイアス電圧回路の入力端子30Aの電圧V(30A)は、
V(30A)=Vcc−I1×(N+1)×Rsw−Vn (4)
となる。出力端子30Bの電圧V(30B)は、後述するバイアス電圧回路によって、V(30A)と等しくなるように制御される。したがって、出力端子30Bの電圧は(4)式で示したもと等しくなる。バイアス線11の電圧降下は画素1の駆動線3と実質的に同一であるため、ノードDの電圧VDは、
VD=V(30B)−Vrn=V(30A)−Vrn (5)
であり、これに(4)式を代入すると、
VD=Vcc−I1×(N+1)×Rsw−Vn−Vrn (6)
となり、ノードCの電圧と等しくなる。これにより差動積分回路14は赤外線非検出を示すゼロ基準電圧を出力し、水平駆動回路15からもゼロ基準電圧が出力される。
VA=Vcc−I1×(N+1)×Rsw (1)
VB=Vcc−I1×(N+1)×Rsw−Vrn (2)
となる。入射赤外線がなく、ある素子温度における画素1のダイオードの順方向電圧をVnとすると、ノードCの電圧VCは、
VC=Vcc−I1×(N+1)×Rsw−Vrn−Vn (3)
となる。次に参照画素2に注目して説明する。参照画素2に流れる電流は、画素1と同じ電流I1であるから、参照画素2のダイオードの順方向電圧もVnであり、バイアス電圧回路の入力端子30Aの電圧V(30A)は、
V(30A)=Vcc−I1×(N+1)×Rsw−Vn (4)
となる。出力端子30Bの電圧V(30B)は、後述するバイアス電圧回路によって、V(30A)と等しくなるように制御される。したがって、出力端子30Bの電圧は(4)式で示したもと等しくなる。バイアス線11の電圧降下は画素1の駆動線3と実質的に同一であるため、ノードDの電圧VDは、
VD=V(30B)−Vrn=V(30A)−Vrn (5)
であり、これに(4)式を代入すると、
VD=Vcc−I1×(N+1)×Rsw−Vn−Vrn (6)
となり、ノードCの電圧と等しくなる。これにより差動積分回路14は赤外線非検出を示すゼロ基準電圧を出力し、水平駆動回路15からもゼロ基準電圧が出力される。
次に、赤外線が入射された場合を考えると、赤外線によって画素1のダイオードが温められてダイオードの順方向電圧が低下する。この低下する電圧をΔV1とすると、画素1のダイオードの順方向電圧はVn−ΔV1となる。N列目の差動積分回路のノードCの電圧は、(3)式にΔV1を加えたものとなる。一方、参照画素2は赤外線に対して無感度なので、参照画素2のダイオードの順方向電圧はVnから変化しない。上述したように、バイアス電圧回路30は参照画素2のダイオードの順方向電圧に基づいた電圧であるV(30A)と等しい電圧をバイアス電圧として出力する。このバイアス電圧は駆動線3と実質的に電圧降下の等しいバイアス線11を介してN列目の差動積分回路に供給されるので、ノードDの電圧は(6)式のままである。したがって、差動積分回路14の差動入力端子対間にΔV1が印加され、このΔV1を積分増幅することで、駆動線の電圧降下によるオフセット分布と無関係に対象物の赤外線画像を得ることができる。したがって、本実施の形態は従来と同様に駆動線3と等しい電圧降下を有する駆動線11により、駆動線の電圧降下によるオフセット分布をキャンセルした赤外線画像を得ることができる。
バイアス電圧回路30の動作について説明する。バイアス電圧回路30は差動増幅器16の出力でPMOSトランジスタ17を制御し、そのPMOSトランジスタ17の出力が差動増幅器16の非反転端子に入力されフィードバックループが構成されるので、非反転端子の電圧と反転端子の電圧は等しくなるように動作する。バイアス電圧回路30の反転端子及び非反転端子はそれぞれ端子30A及び端子30Bに接続されているので、V(30A)=V(30B)となる。まず、V(30A)=V(30B)=Vs1となっている場合に、差動増幅器16はPMOSトランジスタ17がバイアス線11に駆動線3と同じI1×(N+1)の電流を供給するように、PMOSトランジスタ17のゲート電極に中間電位となる電圧Vstを出力している。この定常状態から参照画素2が環境温度によって温められると、参照画素2の順方向電圧が下がり、その分だけ差動増幅器16の反転端子に入力される電圧が非反転端子の入力電圧より上るので、差動増幅器16の出力電圧は入力電圧差に応じて徐々に降下する。このときPMOSトランジスタ17は、強くONすることでON抵抗が低下するので、V(30B)は徐々に上昇する。V(30B)が上ると差動増幅器16の入力電圧差が小さくなるので、差動増幅器16の出力電圧は変化が小さくなりながら低くなる。このような動作を繰り返し、差動増幅器16の出力電圧が一定値のVdnになったところで、V(30A)=V(30B)=Vs2となる。容量18はV(30B)が急激に変化して不安定になることを防いでいる。
参照画素2の順方向電圧が上がった場合は、差動増幅器16の反転端子に入力される電圧が非反転端子の入力電圧より下がるので、差動増幅器16の出力電圧は入力電圧差に応じて徐々に上昇する。このときPMOSトランジスタ17は、弱くONするようになることでON抵抗が上昇するので、V(30B)は徐々に降下する。V(30B)が下がると差動増幅器16の入力電圧差が小さくなるので、差動増幅器16の出力電圧は変化が小さくなりながら高くなる。このような動作を繰り返し、差動増幅器16の出力電圧が一定値のVupになったところで、V(30A)=V(30B)=Vs3となる。
したがって、バイアス電圧回路30は、参照画素2が検出する温度によって変化する信号電圧に応じて、この参照画素2からの信号電圧とバイアス電圧を等しくなるように制御することができる。本実施の形態のバイアス電圧回路30は、従来のバイアス電源が素子の温度と無関係な電圧を供給するのとは異なり、参照画素2が検出する温度を反映した電圧を供給することができる。
次に外部の環境温度とダイオードの自己加熱による温度によるノイズをキャンセルできることを説明する。まず赤外線が入射していない場合を考える。参照画素2は画素1から赤外線吸収構造を除いた構造となっているので、両画素のダイオードの温度が同一であれば、両画素のダイオードの順方向電圧も同一となる。画素1と参照画素2は同一チップ内にあるので、同一の環境温度であり、両画素のダイオードの順方向電圧は同一となる。また、画素1の自己加熱による熱は電流が継続して流れることで発生するので、本実施の形態のように画素1と参照画素2が同一のタイミングで同一の電流で駆動されることで、両画素の自己加熱による温度上昇は同一となる。これにより両画素のダイオードの順方向電圧も同一となる。ダイオードの順方向電圧は、温度が上昇しΔV2だけ低下すると、初期の順方向電圧VnからVn−ΔV2となる。画素1の信号を読み出すN列目の差動積分回路のノードCの電圧は、(3)式にΔV2を加えたものとなる。一方、参照画素2からの信号電圧、即ち入力端子30Aの電圧V(30A)も(4)式にΔV2を加えたものとなる。差動増幅器16の反転端子にも画素2からΔV2だけ増加した電圧が入力され、非反転端子の電圧よりΔV2だけ高くなるので、差動増幅器16の出力は徐々に降下する。それに応じてPMOSトランジスタ17のON抵抗が低下することで、非反転端子の電圧であるバイアス電圧もΔV2だけ増加して一定値となる。このようにN列目の差動積分回路のノードDの電圧は(6)式にΔV2を加えたものとなるので、ノードCの電圧とノードDの電圧は等しくなる。したがって、差動積分回路14で減算処理をすることで、外部の環境温度とダイオードの自己加熱による温度によるノイズをキャンセルすることができる。ノードDの電圧はバイアス線11の電圧降下、外部の環境温度及びダイオードの自己加熱を反映している。そして、この電圧をノードCの電圧から差し引いた電圧を差動積分回路14が積分することにより、駆動線3の電圧降下、外部の環境温度及びダイオードの自己加熱の影響を全てキャンセルできる。赤外線が入射した場合は、画素1だけが赤外線による温度変化を受けて、画素1のダイオードの順方向電圧だけが変化し、差動積分回路14は差動入力端子対間の電圧差に応じて積分増幅するので、環境温度とダイオードの自己加熱によるノイズを減らした赤外線画像を得ることができる。
次に差動積分回路14の構成について説明する。図3は差動積分回路の回路図である。図4は差動電圧電流変換アンプ24の回路図である。図3及び図4は本件出願人が先に特許出願(特開2002−188959号公報)したものである。
図3に示す差動積分回路は、定電流源6の両端電圧と定電流源12の両端電圧を入力側に接続した差動電圧電流変換アンプ24と、差動電圧電流変換アンプ24の出力側に接続された積分容量25と、積分容量25を周期的に電圧Vrefにリセットするように接続されたリセットトランジスタ26で構成された積分回路部を備える。27は積分後の出力をホールドするサンプルホールド回路で、バッファ28を介して出力する。図4に示す差動電圧電流変換アンプ24は、MOSトランジスタQ1乃至Q5からなる差動入力のカレントミラー回路である。差動積分回路14は、従来の差動増幅器と同等のトランジスタ数で積分回路部を構成しているので、従来と同等のフリッカノイズで積分増幅を行うことができる。
本実施の形態では、従来のN+1個の差動増幅器(差動増幅器102とN個の差動増幅器103)を1個の差動増幅器16だけにしたので、差動増幅器のフリッカノイズを大幅に削減できる。したがって、画素信号読み出し系の回路を簡単化したことで、画素信号読み出し系でのフリッカノイズの重畳を減らすことができ、高感度の赤外線検出画像が得られる。
尚、MOSトランジスタのフリッカノイズは、酸化膜中のキャリアの捕獲と放出が原因とされており、埋め込みチャネル型のPMOSトランジスタは、表面チャネル型のNMOSトランジスタに比べてフリッカノイズが小さいので、PMOSトランジスタを使用する方が適している。容量18の容量値は、PMOSトランジスタ出力の安定を向上させるもので、動作周波数を考慮して差動積分回路14のそれぞれの差動入力端子におけるフリッカノイズを含むノイズ成分を同等にするように定めることができる。
また、バイアス電圧回路30の駆動トランジスタとしてPMOSトランジスタを使用した場合で説明したが、バイポーラトランジスタを使用することもできる。電流パスに酸化膜が関係しないバイポーラトランジスタはフリッカノイズをMOSトランジスタより小さくできるので、さらに熱型赤外線検出回路を高感度化することができる。以下に説明する。
図5は、この発明で用いるバイアス電圧回路の他の一例を示す回路図である。図において同一の記号は同一或いは相当するものであり、17はPNPバイポーラトランジスタ、18はPNPバイポーラトランジスタ17の出力に接続される容量である。入力端子30Aは差動増幅器16の反転端子に接続され、出力端子30Bは差動増幅器16の非反転端子に接続される。30Cは差動増幅器16の出力モニター点である。PNPバイポーラトランジスタ17のエミッタ電極には画素駆動電源10が接続され、ベース電極は差動増幅器16の出力が接続され、コレクタ電極からバイアス電圧を端子30Bに出力する。
次に動作について説明する。V(30A)=V(30B)=Vs1となっている場合に、差動増幅器16はバイアス線11に駆動線3と同じI1×(N+1)の電流を供給するように、PNPバイポーラトランジスタ17のベース電極に中間電位となる電圧Vstを出力している。図で示す矢印の向きの電圧差ΔV3を正として、この電圧差が端子30A、30B間に入力されると、V(30C)は上昇する。PNPバイポーラトランジスタ17のエミッタ・ベース間電圧が低くなり、PNPバイポーラトランジスタ17は弱くONするようになることでエミッタ・コレクタ間の抵抗が上昇するので、V(30B)は徐々に降下する。V(30B)が降下すると差動増幅器16の入力電圧差が小さくなるので、差動増幅器16の出力電圧は変化が小さくなりながら高くなる。このような動作を繰り返し、差動増幅器16の出力電圧が一定値のVupになったところで、V(30A)=V(30B)=Vs2となる。電圧差ΔV3が負の場合は、上記の正の場合と逆の関係になるだけで、差動増幅器16の出力電圧がVstより低い一定値のVdnになったところで、V(30A)=V(30B)=Vs3となる。したがって、駆動トランジスタとしてPNPバイポーラトランジスタを使用した場合も、バイアス電圧回路30は、入力端子に入力された電圧と等しくなるようにバイアス電圧を制御することができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、参照画素2の1列を画素エリアに隣接して配置した場合で説明したが、参照画素2を1つ使用した場合でも、信号読み出し系の回路自体でフリッカノイズの重畳を最小限に抑えて、高感度の熱型赤外線検出回路を得ることができる。また、実施の形態1に比べ自己加熱によるノイズ重畳を厳密に考慮しなくても良い場合に適用できる。
実施の形態1では、参照画素2の1列を画素エリアに隣接して配置した場合で説明したが、参照画素2を1つ使用した場合でも、信号読み出し系の回路自体でフリッカノイズの重畳を最小限に抑えて、高感度の熱型赤外線検出回路を得ることができる。また、実施の形態1に比べ自己加熱によるノイズ重畳を厳密に考慮しなくても良い場合に適用できる。
図6は、この発明の実施の形態2における電圧読み出し方式の熱型赤外線検出回路の回路図である。実際の画素はM行N列(M、Nは自然数)の画素が配列されているが、説明を簡単化するために、画素エリアに3行N列の画素1を配置した図を示した。図において、図1と同一の記号は同一或いは相当するものでる。19は選択スイッチ9と実質的に同一の抵抗となるスイッチであり、ゲート電極に回路電源電圧Vddが印加され、実質的に同一の電圧降下を発生する。20はバイアス電圧回路30の入力端子30Aに接続された容量である。容量20の容量値は、入力電圧の急激な変化を防ぎバイアス電圧回路30の出力の安定を向上させるもので、動作周波数との兼ね合いで定めることができる。動作周波数を考慮したノイズの帯域(1Hzから20kHz)で考えた場合、例えば容量20及び容量18の容量をそれぞれ0.1uF及び50uFにすると、差動積分回路14のそれぞれの差動入力端子におけるフリッカノイズを含むノイズ電圧を容量がない場合に比べて約33%低減することができた。
図7は動作を説明する図で、図6に電圧モニター点を書き加えたものである。まず赤外線が入射していない場合を考える。N列目の画素1に注目して説明する。画素1に流れる電流をI1、画素駆動電源10の電圧をVcc、選択スイッチ9の抵抗をRsw、N列までの駆動線3の電圧降下をVrnとする。定電流源6と定電流源7は実質的に同一の電流を流すので、参照画素2にも画素1と同じ電流I1が流れる。ノードA及びBの電圧VA、VBはそれぞれ、
VA=Vcc−I1×N×Rsw (7)
VB=Vcc−I1×N×Rsw−Vrn (8)
となる。入射赤外線がなく、ある素子温度における画素1のダイオードの順方向電圧をVnとすると、ノードCの電圧VCは、
VC=Vcc−I1×N×Rsw−Vrn−Vn (9)
となる。次に参照画素2に注目して説明する。参照画素2に流れる電流は、画素1と同じ電流I1であるから、参照画素2のダイオードの順方向電圧もVnであり、バイアス電圧回路の入力端子30Aの電圧V(30A)は、
V(30A)=Vcc−Vn (10)
となる。出力端子30Bの電圧V(30B)は、バイアス電圧回路30によって、V(30A)と等しくなるように制御されるので、出力端子30Bの電圧は(10)式で示したもと等しくなる。バイアス線11の電圧降下は、画素1の駆動線3と実質的に同一であるため、ノードDの電圧VDは、
VD=V(30B)−I1×N×Rsw−Vrn
=V(30A)−I1×N×Rsw−Vrn (11)
であり、これに(10)式を代入すると、
VD=Vcc−Vn−I1×N×Rsw−Vrn (12)
となり、ノードCの電圧と等しくなる。これにより差動積分回路14は赤外線非検出を示すゼロ基準電圧を出力し、水平駆動回路15からもゼロ基準電圧が出力される。
VA=Vcc−I1×N×Rsw (7)
VB=Vcc−I1×N×Rsw−Vrn (8)
となる。入射赤外線がなく、ある素子温度における画素1のダイオードの順方向電圧をVnとすると、ノードCの電圧VCは、
VC=Vcc−I1×N×Rsw−Vrn−Vn (9)
となる。次に参照画素2に注目して説明する。参照画素2に流れる電流は、画素1と同じ電流I1であるから、参照画素2のダイオードの順方向電圧もVnであり、バイアス電圧回路の入力端子30Aの電圧V(30A)は、
V(30A)=Vcc−Vn (10)
となる。出力端子30Bの電圧V(30B)は、バイアス電圧回路30によって、V(30A)と等しくなるように制御されるので、出力端子30Bの電圧は(10)式で示したもと等しくなる。バイアス線11の電圧降下は、画素1の駆動線3と実質的に同一であるため、ノードDの電圧VDは、
VD=V(30B)−I1×N×Rsw−Vrn
=V(30A)−I1×N×Rsw−Vrn (11)
であり、これに(10)式を代入すると、
VD=Vcc−Vn−I1×N×Rsw−Vrn (12)
となり、ノードCの電圧と等しくなる。これにより差動積分回路14は赤外線非検出を示すゼロ基準電圧を出力し、水平駆動回路15からもゼロ基準電圧が出力される。
次に、赤外線が入射された場合を考えると、赤外線によって画素1のダイオードが温められてダイオードの順方向電圧が低下する。この低下する電圧をΔV1とすると、画素1のダイオードの順方向電圧はVn−ΔV1となる。N列目の差動積分回路のノードCの電圧は、(9)式にΔV1を加えたものとなる。一方、参照画素2は赤外線に対して無感度なので、参照画素2のダイオードの順方向電圧Vnは変化しない。上述したように、バイアス電圧回路30は参照画素2のダイオードの順方向電圧に基づいた電圧であるV(30A)と等しい電圧をバイアス電圧として出力する。このバイアス電圧は駆動線3と実質的に電圧降下の等しいバイアス線11を介してN列目の差動積分回路に供給さるので、ノードDの電圧は(12)式のままである。したがって、差動積分回路14の差動入力端子対間にΔV1が印加され、このΔV1を積分増幅することで、実施の形態1と同様に駆動線3と等しい電圧降下を有する駆動線11により、駆動線の電圧降下によるオフセット分布と無関係に対象物の赤外線画像を得ることができる。
本実施の形態は、自己加熱による温度上昇によるノイズ重畳を厳密に考慮しなくても良い場合を考えるので、実施の形態1の参照画素2とは異なるものを使用することができる。参照画素2は1つであり、実施の形態1に比べて配置する場所の自由度が高いので、参照画素2の構造変更がある程度自由にできる。本実施の形態では、画素1は駆動線3で選択された場合のみ電流が流れるが、参照画素2は画像撮像動作中に電流が流れ続けるので、画素1に比べて自己加熱の影響が大きくなる。そこで、参照画素2の構造は実施の形態1とは異なり、自己加熱によって発生する熱を逃がす構造を採用することで、自己加熱の影響を極力抑えることができる。例えば、参照画素2の断熱構造は無くさず、図8の赤外線吸収構造1106を取り除いた部分に、放熱用の金属層を設けることで参照画素2の熱抵抗を下げることができる。このようにすることで、画素1と参照画素2は、同一の環境温度を受け、異なる自己加熱による熱が発生してもダイオード自体の温度を同等にできる。
画素1と参照画素2の環境温度によるダイオードの順方向電圧の低下をΔV4とし、画素1と参照画素2の自己加熱によるダイオードの順方向電圧の低下をそれぞれΔV51とΔV52とする。ここで赤外線が入射していない場合を考えると、N列目の差動積分回路のノードCの電圧VCは、(9)式にΔV4とΔV51を加えたものであり、
VC=Vcc−I1×N×Rsw−Vrn−Vn+ΔV4+ΔV51 (13)
となる。一方、N列目の差動積分回路のノードDの電圧VDは、(12)式にΔV4とΔV52を加えたものであり、
VD=Vcc−Vn−I1×N×Rsw−Vrn+ΔV4+ΔV52 (14)
となる。次に赤外線が入射した場合は、画素1のダイオードの順方向特性がΔV1低下すると、ノードCの電圧は(13)式にΔV1が加わり、差動増幅器14の入力端子対間にΔV1+ΔV51−ΔV52の電圧が印加されるので、このΔV1+ΔV51−ΔV52を積分増幅する。即ち、外部の環境温度によるノイズΔV4は実施の形態1と同様にキャンセルでき、自己加熱による温度上昇によるノイズ重畳はΔV51−ΔV52のように緩和できる。したがって、外部の環境温度によるノイズを減らし、ダイオードの自己加熱によるノイズを緩和した赤外線画像を得ることができる。
VC=Vcc−I1×N×Rsw−Vrn−Vn+ΔV4+ΔV51 (13)
となる。一方、N列目の差動積分回路のノードDの電圧VDは、(12)式にΔV4とΔV52を加えたものであり、
VD=Vcc−Vn−I1×N×Rsw−Vrn+ΔV4+ΔV52 (14)
となる。次に赤外線が入射した場合は、画素1のダイオードの順方向特性がΔV1低下すると、ノードCの電圧は(13)式にΔV1が加わり、差動増幅器14の入力端子対間にΔV1+ΔV51−ΔV52の電圧が印加されるので、このΔV1+ΔV51−ΔV52を積分増幅する。即ち、外部の環境温度によるノイズΔV4は実施の形態1と同様にキャンセルでき、自己加熱による温度上昇によるノイズ重畳はΔV51−ΔV52のように緩和できる。したがって、外部の環境温度によるノイズを減らし、ダイオードの自己加熱によるノイズを緩和した赤外線画像を得ることができる。
上記の参照画素2の構造変更に加えて、参照画素2の熱抵抗と積分時間を調整することで、ダイオードの自己加熱によるノイズをさらに減らした赤外線画像を得ることができる。画素1と参照画素2は一定の電流で駆動されるので、消費電流によるジュール熱は一定である。画素1は断熱構造であり、ジュール熱によって徐々に温度上昇するが、駆動終了時、即ち積分終了時までのジュール熱による温度上昇特性は毎回同一である。したがって、特定の積分時間中における画素1のジュール熱による温度上昇特性を積分して平均をとった温度上昇と同等となるように、参照画素2の熱抵抗を設計することで、特定の積分時間におけるダイオードの自己加熱によるノイズを減らした赤外線画像を得ることができる。
尚、バイアス電圧回路30はPMOSトランジスタを使用したものを示したが、実施の形態1で示した他のバイアス電圧回路も適用できる。また、参照画素2の構造を放熱用の金属層を設ける場合で説明したが、参照画素の断熱構造を無くすことでも、画素1に比べて多く発生する自己加熱による熱を逃がすことができるので、自己加熱によるノイズを減らすことができる。
尚、実施の形態1及び2では、差動増幅回路は、1段階の差動積分回路で説明したが、従来の差動増幅器1段と水平駆動回路内の積分回路にした場合であっても構わない。どちらの場合でも従来の2段階の差動増幅構成と異なり1段階の差動増幅構成にできるので、フリッカノイズの重畳を減らすことができ、高感度の赤外線検出画像が得られる。また、バイアス電圧を画素駆動電源10から生成する場合で説明したが、画素駆動電源10の電圧以上の電圧を発生する他の電源であっても、同様の効果が得られる。
1 画素、2 参照画素、3 駆動線、4 信号線、5 参照信号線、8 垂直走査回路、10 画素駆動電源、11 バイアス線、14 差動積分回路、15 水平駆動回路、16 差動増幅器、17 駆動トランジスタ、30 バイアス電圧回路、30A バイアス電圧回路の入力端子、30B バイアス電圧回路の出力端子。
Claims (6)
- 画素エリアにマトリクス状に配置され、赤外線及び温度に対して感度を有する熱型赤外線センサで構成された画素と、
列方向に配置され温度に対して感度を有するが赤外線に対して感度を有しない参照画素と、
各行の各画素及び参照画素の陽極を接続した複数の駆動線と、
各列の各画素の陰極を接続した複数の信号線と、
各参照画素の陰極を接続した参照信号線と、
前記駆動線を順次選択し、選択した駆動線に画素駆動電源を接続する垂直走査回路と、
前記駆動線に平行に配置され、前記駆動線と実質的に同一の抵抗を有し実質的に同一の電流が供給されるバイアス線と、
前記信号線を順次選択し、選択した信号線の電圧を差動増幅回路を介して出力する水平駆動回路と、
前記参照信号線の電圧が入力され、この入力電圧と等しい電圧を発生して前記バイアス線に与えるバイアス電圧回路とを備え、
前記差動増幅回路は前記バイアス線の電圧と前記信号線の電圧の差を増幅するものであることを特徴とする熱型赤外線検出回路。 - バイアス電圧回路は、第1の入力端子に前記バイアス電圧回路の入力端子が接続され、第2の入力端子に前記バイアス電圧回路の出力端子が接続される差動増幅器と、この差動増幅器の出力端子からバイアス線に電源を接続するトランジスタを経て前記第2の入力端子に至るフィードバックループとを備えたことを特徴とする請求項1記載の熱型赤外線検出回路。
- 差動増幅器の第1の入力端子は反転端子であり、
前記差動増幅器の第2の入力端子は非反転端子であり、
フィードバックループは、前記差動増幅器の出力がゲート電極に接続されるPMOSトランジスタと、このPMOSトランジスタのドレイン電極の出力が前記非反転端子に接続されることで構成されることを特徴した請求項2に記載の熱型赤外線検出回路。 - 差動増幅器の第1の入力端子は反転端子であり、
前記差動増幅器の第2の入力端子は非反転端子であり、
フィードバックループは、前記差動増幅器の出力がベース電極に接続されるPNPバイポーラトランジスタと、このPNPバイポーラトランジスタのコレクタ電極の出力が前記非反転端子に接続されることで構成されることを特徴した請求項2に記載の熱型赤外線検出回路。 - 画素は断熱構造と赤外線吸収構造を有し、参照画素は前記赤外線吸収構造がないことを除いて前記画素と実質的に同一の構造であることを特徴とした請求項1項に記載の熱型赤外線検出回路。
- 画素エリアにマトリクス状に配置され、赤外線及び温度に対して感度を有する熱型赤外線センサで構成された画素と、
温度に対して感度を有するが赤外線に対して感度を有しない参照画素と、
各行の各画素の陽極を接続した複数の駆動線と、
各列の各画素の陰極を接続した複数の信号線と、
前記駆動線を順次選択し、選択した駆動線に画素駆動電源を接続する垂直走査回路と、
前記駆動線に平行に配置され、前記駆動線と実質的に同一の抵抗を有し実質的に同一の電流が供給されるバイアス線と、
前記信号線を順次選択し、選択した信号線の電圧を差動増幅回路を介して出力する水平駆動回路と、
前記参照画素の陰極からの電圧が入力され、この入力電圧と等しい電圧を発生して前記バイアス線に与えるバイアス電圧回路とを備え、
前記差動増幅回路は前記バイアス線の電圧と前記信号線の電圧の差を増幅するものであることを特徴とする熱型赤外線検出回路。
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