JP4257994B2 - 赤外線撮像素子と赤外線センサ - Google Patents
赤外線撮像素子と赤外線センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP4257994B2 JP4257994B2 JP2004363134A JP2004363134A JP4257994B2 JP 4257994 B2 JP4257994 B2 JP 4257994B2 JP 2004363134 A JP2004363134 A JP 2004363134A JP 2004363134 A JP2004363134 A JP 2004363134A JP 4257994 B2 JP4257994 B2 JP 4257994B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- energization period
- voltage
- circuit
- diode
- constant current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Description
抵抗値のバラツキによる影響は、ボロメータ型素子においても同様である。抵抗値のバラツキによる影響を出力から除去するための補正回路を備えるボロメータ型赤外線センサを用いた赤外線撮像素子もある。(例えば、特許文献1を参照)
S/N比を向上させるためには、画素素子の出力回路初段である積分回路の利得を大きくすることが望ましいが、抵抗値のバラツキがあっても積分回路をクリッピングさせないような利得である必要がある。
この発明は、抵抗値のバラツキの出力への影響が少ない赤外線撮像素子及び赤外線センサを得ること目的とするものである。
この実施の形態1での赤外線撮像素子の電気回路としての構成を説明する図を、図1に示す。赤外線撮像素子は、直列接続した3個のダイオード1Aを有する画素1を2次元に配置した画素領域2と、同じ行にあるすべてのダイオード1Aの片端を接続する駆動線3と、同じ列にあるすべてのダイオード1Aの駆動線3が接続しない側の端を接続する信号線4と、駆動線3を1個ずつ電源に接続する駆動走査回路5と、信号線4に何れかが接続する定電流源6A及び定電流源6Bと、ダイオード1Aの順方向電圧降下により画素1が受ける赤外線エネルギーを検出する演算回路である信号線ごとの検出回路7と、何れかの検出回路7の出力を1個ずつ出力する出力走査回路8とを有する。
駆動走査回路5は、電源である電源端子5Aと、電源端子5Aに接続された電源線5Bと、電源線5Bと駆動線3との間にあるスイッチである駆動選択MOSトランジスタ5Cと、MOSトランジスタ5Cを1個ずつ例えば上の行から下の行に順番に導通させるようにMOSトランジスタ5Cのゲートに電圧を印加する制御回路5Dとで構成する。
検出回路7は、入力の2端子間の電圧を増幅するアンプ7A及びアンプ7Bと、アンプ7Aとアンプ7Bの1個の入力端子に共通に接続するバイアス端子7Cと、定電流源6Aまたは定電流源6B及び信号線4が接続する端子7Dと、アンプ7Aのバイアス端子7Cが接続しない側の入力端子またはアンプ7Bの同様な入力端子の何れかに端子7Dを切替えて接続するスイッチ7Eと、アンプ7Bの端子7Dが接続する側の入力端子に接続されたコンデンサ7Fと、差動信号処理回路9とを有する。差動信号処理回路9は、アンプ7Aの出力からアンプ7Bの出力を引いた値を積分し、サンプルホールド(S/Hと略す)し、インピーダンス変換するものである。また、アンプ7Aの利得は1とし、アンプ7Bの利得は1/uとする。なお、アンプ7Aの利得を1以外の所定値rとし、アンプ7Bの利得をr/uとしてもよい。
差動電圧電流変換アンプ9Aは、例えば図3(a)または図3(b)に示されるような差動アンプである。差動電圧電流変換アンプ9Aの出力インピーダンスと積分コンデンサ9Bの容量の積で表現される時定数が積分時間と比較して十分長くなるように設定しておく。
サンプルホールド回路9Dは、積分コンデンサ9Bと接続してサンプリングするためのスイッチ9Fと、積分コンデンサ9Bの電圧を保持する保持コンデンサ9Gと、保持コンデンサ9Gの値をリセットさせるためのスイッチ9Hとから構成される。
ダイオード1Aと赤外線吸収部1Fとがセンサ部であり、センサ部を囲む空洞1Bが断熱部である。断熱部は熱伝導が少なく、赤外線吸収部1Fが吸収した赤外線エネルギーは主に支持脚1Cにより基板1Dに熱が伝導する。支持脚1Cを細くし空洞1Bを設けることにより、センサ部の熱時定数を所定の大きさにし、赤外線エネルギーに対するセンサ部の温度変化を所定の範囲にする。
Ha:赤外線吸収部1Fの熱容量。
Hb:ダイオード1Aの熱容量。
Ht:赤外線吸収部1Fの熱容量とダイオード1Aの熱容量の和。Ht=Ha+Hb
Ga:赤外線吸収部1Fとダイオード1Aの間の熱コンダクタンス。
Gt:ダイオード1Aと基板1Dの間の熱コンダクタンス。Gt<<Gaである。
Ta:赤外線吸収部1Fと基板1Dの間の温度差。
Tb:ダイオード1Aと基板1Dの間の温度差。
Pa:赤外線吸収部1Fが吸収する赤外線のエネルギー量。
Pb:ダイオード1Aの通電時の発熱量。通電していない時は0。
Tba:ダイオード1Aと赤外線吸収部1Fの温度差。Tba=Tb−Ta
τ:Ta=Tbと見なしてよい長い時間領域での時定数。
τba:Gt=0と見なしてよい短い時間領域での時定数。
Ha*dTa/dt=Pa+Ga*(Tb−Ta) (1)
Hb*dTb/dt=Pb+Ga*(Ta−Tb)−Gt*Tb (2)
ここで、(1)式と(2)式を連立して解くことは可能であるが、煩雑になり、動作の本質を理解する上では得策ではない。そこで、以下の2つの場合に分けて、処理する。(A)長い時間領域を対象とする場合で、Ta=Tbと見なしてよい場合。(B)短い時間領域を対象とする場合で、Gt=0と見なしてよい場合。
Ht*dTb/dt=Pa+Pb−Gt*Tb (3)
(3)式より、dTb/dt=0の定常状態では、以下となる。
Tb=(Pa+Pb)/Gt (4)
ダイオード1Aと基板1Dの間の熱コンダクタンスGtは、その値のバラツキが少ない。よって、(4)式においてPb=0とすると、赤外線吸収部1Fが吸収する赤外線のエネルギー量Paにダイオード1Aの温度Tbが比例することを意味する。
(3)式より、Tbは以下の時定数τによる1次減衰の特性を持つことが分かる。この時定数τは、画素全体の温度変化を決める時定数である。
τ=Ht/Gt (5)
これは、Pa=Pb=0であったのが、t=0でPa≠0になり、t>0では一定だとすると、Tbの変化は以下の式で表現できることを意味する。変化をグラフにすると、図6のようになる。
Tb=(Pa/Gt)*(1−exp(−t/τ)) (6)
ここで、非特許文献2によると、τ=17m秒程度である。このτよりも遅い赤外線の入射エネルギーの時間的変化に対応して、撮像素子は動作する。TVレートで動作する撮像素子では、1/30秒の時間的変化に対応できれば十分であり、τ=17m秒程度はこの条件を満たす。より速い時間的変化に撮像素子が対応する必要がある場合は、時定数τが適切な値になるように調整する。
Hb*dTb/dt=Pb+Ga*(Ta−Tb) (7)
(1)式にHbをかけたものから(7)式にHaをかけたものを引いて、変数をTbaに変更すると、以下となる。
Ha*Hb*dTba/dt=Hb*Pa−Ha*Pb+Ht*Ga*Tba (8)
(8)式より、Tbaは(A)の場合のTbと同様に1次減衰の特性を持ち、その時定数τbaは、以下となる。この時定数τbaは、画素内の温度不均衡が定常状態に落ち着くまでの時定数である。
τba=(Ha*Hb)/(Ht*Ga) (9)
また、dTba/dt=0とすると、(8)式より、定常状態でのTbaの値は以下となる。
Tba=(Ha*Pb−Hb*Pa)/(Ht*Ga) (10)
Ha*dTa/dt+Hb*dTb/dt=Pa+Pb (11)
(8)式より、時間が経過するとTbaは(10)式で表現される値に収束するので、時間が経過するとdTa/dt=dTb/dtが成立する。これを(11)式に代入すると、以下となる。
dTa/dt=dTb/dt=(Pa+Pb)/Ht (12)
これより、Pa=Pb=0であったのが、t=0でPb≠0になり、t>0では一定だとすると、TaとTbの変化は以下の式で表現できることになる。TaとTbの変化をグラフにすると、図7のようになる。なお、t=0では、Ta=Tb=0とする。
Ta=(Pb/Ht)*(t−τba*(1−exp(−t/τba))) (13)
Tb=(Pb/Ht)*(t+τba*(Ha/Hb)*(1−exp(−t/τba))) (14)
なお、τ>>t>>τbaが成立する時間tでは、(13)式と(14)式の減衰項は無視できて、以下となる。
Ta=Tb=(Pb/Ht)*t (15)
予備通電期間では、スイッチ7Eにより端子7Dがアンプ7B側に入力され、バイアス端子7Cに印加されるバイアス電圧VBと端子7Dの電圧との差がアンプ7Bにより1/u倍に増幅される。予備通電期間に端子7Dで発生する電圧は、電圧保存回路であるコンデンサ7Fに保持される。アンプ7Bの出力は差動信号処理回路9に入力されるが、アンプ7Aの出力が不定なので、予備通電期間での差動信号処理回路9の出力は利用されない。
Vfe:ダイオード1Aの接合で発生する接合電圧。
If:本通電期間でのダイオード1Aの通電電流。
Rd:画素1内のダイオード1A以外での抵抗。10kΩ程度。
Pb1:予備通電期間でのダイオード1Aで発生する熱エネルギー量。
Pb2:本通電期間でのダイオード1Aで発生する熱エネルギー量。
Tb1:予備通電期間の終了時点でのダイオード1Aの温度。
Tb2:本通電期間の終了時点でのダイオード1Aの温度。
Pb1=(Vfe+uIf*Rd)* uIf (16)
Pb2=(Vfe+If*Rd)* If (17)
ここで、VfeとIf*Rdの大きさに関して考察する。非特許文献2の図10により、Vfe+If*Rdは約7.05Vである。非特許文献2ではIf=10μAであるから、Rd=10kΩとすると、If*Rd=約0.1Vとなり、Vfe=6.95Vとなる。Rdによる電圧効果は、接合電圧Vfeの70分の1程度であり、無視してもあまり影響がないので、無視することとする。すると、(16)式と(17)式は以下となる。
Pb1=Vfe*uIf (18)
Pb2=Vfe*If (19)
Tb1=((Vfe*uIf)/Ht)*mTi (20)
Tb2=Tb1+((Vfe*If)/Ht)*(1−m)Ti
=((Vfe*If)/Ht)*(u*m+1−m)*Ti (21)
α=τba*(Ha/Hb) (22)
β=exp(−mTi/τba) (23)
Tb1=((Vfe*If)/Ht)*u*(mTi+α*(1−β)) (24)
Tb=((Vfe*If)/Ht)
*(u*(mTi+α*(1−β*exp(−t1/τba) )
+t1+(1−u)*α*(1−exp(−t1/τba)) )
=((Vfe*If)/Ht)
*(u*mTi+α+t1
−α*(u*β+1−u)*exp(−t1/τba) ) (25)
γ=exp(−(1−m)Ti/τba)) ) (26)
Tb2=((Vfe*If)/Ht)
*((u*m+1−m)*Ti+α*(1−γ*(u*β+1−u)) ) (27)
ダイオード1Aの温度変化に関する考察は、以上で終了する。以下では、端子7Dの電圧について考察する。まず、従来の赤外線撮像素子の問題点について説明する。そのために以下の変数を定義する。
Vin:端子7Dでの電圧。
Vdd:電源端子5Aでの電圧。
Vf :電源端子5Aから端子7Dまでの回路における電圧降下。
Rw :画素領域2内での配線抵抗。
ΔT :赤外線吸収部1Fで吸収される赤外線エネルギーによるダイオード1Aの温度上昇。(4)式におけるTbと同じ意味である。
Is :ダイオード接合の逆飽和電流。
n :ダイオード1Aの直列個数。
k :ボルツマン定数。k=1.38×10−23(J/K)。
T :ダイオード1Aの絶対温度。
q :電子の電荷量。q=1.6×10−19(C)。
Vin=Vdd−Vf (28)
また、ダイオード1Aの接合電圧は、以下の式で表現されることが知られている。
Vinにおける抵抗による電圧降下が画素1によりばらついて変動するので、以下の問題点が発生していた。
(A)S/N比を向上させる観点からは、回路の初段の積分回路で増幅度を上げるのが好ましいが上記バラツキによる積分器のクリッピングを避けるために増幅度に制限が発生する。
(B)撮像素子出力に接続されるカメラの信号処理回路では、バラツキに対応するための補正回路が必要である。カメラでは、通常、メカニカルシャッタを用いて光遮断した状態の素子出力をメモリに蓄え、撮像時は素子出力からそのメモリに格納された信号を減算してから各種信号処理を行うという補正回路が必要である。
通電時間Tiにおける最初のmTiの期間すなわち予備通電期間では、通常の電流のu倍である電流uIfを流すこのときのダイオード接合にかかる電圧は、以下となる。
(41)式から分かるように、入射赤外線のエネルギー量により反応した成分(ΔTに比例する成分)は、従来に比べ係数(1−1/u)を乗じた値となる。この係数とuの関係をグラフにしたのが図12である。係数の極性は重要ではないので、このグラフでは絶対値表示している。なお、u=1では、ΔTに比例する成分がゼロになることが分かる。つまり、u=1以外で本発明の主たる効果である抵抗成分によるバラツキを抑圧してかつ信号出力を得るという効果が得られる。uの値により、以下のように付随する効果が異なる。
|1−1/u|≧1であり、感度は従来よりも向上する。ただし、補正データ減算前に1/u倍に増幅する必要がある。
(B)0.5<u<1.0の場合
|1−1/u|<1であり、感度は従来よりも減少する。(A)の場合と同様に、補正データ減算前に1/u倍に増幅する必要がある。
(C)1.0<uの場合
|1−1/u|<1であり、感度は従来よりも減少する。補正データは減算前に1/u倍に減衰すればよい。補正データを増幅する必要がないため、回路構成はシンプルになる利点がある。
以上をまとめると、感度を犠牲にしても回路構成を簡単にする目的ではuを1より大きく設定すればよい。それ以外では、増幅する必要があるが感度が従来と同等以上になる0<u≦0.5が好ましい。
Q=(Vc−VB)*Cc (46)
Q=(Vc+vc−Vin)*Cc+(Vc+vc−Vc−vout)*Cf (47)
反転アンプ10Aの増幅度をAvとすると、その入出力の間には以下の関係が成立する。
vout=−Av*vin (48)
(46)式と(47)式が同じ電荷Qを表現するものであり、(48)式を用いて変形すると、以下の式が得られる。なお、以下では、Av>>1という条件が成立する場合の近似も示す。
図13に示す回路の特徴は、簡便なアンプ構成で利得を変化させることが容易な点にある。欠点としては、時間mTi及び(1−m)Ti内に入力切替えスイッチ10Dとクランプスイッチ10Eの制御を行うクロックが新たに必要なことである。
クランプスイッチ10Eを切にするのと、入力切替えスイッチ10DをVin側にするのは同時でもよい。ただし、クランプスイッチ10Eを切にする前に、入力切替えスイッチ10DをVin側にしてはならない。
抵抗11Cの大きさをR1とし抵抗11Dの大きさをR2とすると、図15に示す構成のアンプの増幅利得は以下となる。
増幅利得=−(R2/R1)*(Vin−VB)+VB (50)
図15に示す構成では図14の場合に比べ、クロック制御が不要であるという長所があるが、回路規模が大きくなるという欠点もある。回路規模が大きくなる理由は、演算増幅器の初段にある差動アンプをMOSトランジスタで構成すると図3に示すように少なくとも5個のトランジスタが必要となるからである。
当然のことながら、アンプ7A及びアンプ7Bの回路構成は、ここで示した以外のものであってもよい。差動信号処理回路9についても2つの入力信号を減算した後で必要な演算を行うものであれば、この実施例で示した以外でもどのようなものでもよい。定電流源回路6も予備通電期間に本通電期間のu倍の電流を流すことができるものであれば、どのような回路構成でもよい。さらには、本通電期間での直接または間接的に計測したダイオードの順電圧から予備通電期間でのダイオードの順電圧を1/u倍した電圧を減算した電圧に比例する値を出力する演算を行うものであれば、演算回路はどのようなものでもよい。なお、計測電圧はダイオードの順電圧を間接的に計測するものである。
実施の形態1では、すべてをアナログ回路として実現したが、その一部をデジタル回路で実現してもよい。
定電流制御回路、電圧保存回路及び演算回路を信号線ごとに設けたが、画素ごとに設けてもよい。なお、信号線ごとに設けた方がスペース上では有利である。同じ列にある画素に1本の信号線としたが、同じ列でも上半分と下半分にそれぞれ1本の信号線を設けるなど、列あたりの信号線の数を複数にしてもよい。同様に、行あたりの駆動線の数を複数にしてもよい。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
本発明の実施の形態2に係る赤外線撮像素子を、図16に示す。この例ではアンプ7Bの入力側に設けられていたコンデンサ7Fを出力側に設けて、アンプ7Bの出力端子とコンデンサ7Fの間にスイッチ7Gを設け、コンデンサ7Fの出力電圧が差動信号処理回路9の入力となるようにしている。その他の構成は、実施の形態1と同じである。
本発明の実施の形態3に係る赤外線撮像素子を、図17に示す。この実施の形態3の特徴は、1画素あたり2個あった定電流源を1個とし、その電流を時間的に変化させることである。実施の形態1での場合の図1と異なる点だけを説明する。定電流源6Aと定電流源6Bの替わりに、飽和領域で動作するMOSトランジスタ6Dが有る。MOSトランジスタ6Dのゲート電圧は、制御回路12により制御される。ゲート電圧の値により、MOSトランジスタ6DはuIfまたはIfの定電流を流す。
トランジスタ12Aに流れる電流に対応してトランジスタ12Aのゲート電圧が自動的にきまり、その電圧が出力線12Dを介してトランジスタ6Dのゲートに加えられる。よって、トランジスタ6Dにはトランジスタ12Aと同じ電流が流れる。トランジスタ12Aに流れる電流はトランジスタ12Cのゲート電圧により決まるので、本通電期間にトランジスタ12Cのゲートに接続される電圧源12Eは電流Ifが発生する電圧とし、予備通電期間で使用される電圧源12Fは電流uIfが発生する電圧とする。
トランジスタ12Cのゲートには常に同じ電圧源12Hを接続し、トランジスタ12Jのゲートにはスイッチ6Cにより電圧源12Hまたは電源線12Bを接続する。トランジスタ12Jのゲートに電圧源12Hを接続した場合は、トランジスタ12Jにも電流が流れる。トランジスタ12Jのゲートに電源線12Bを接続した場合は、トランジスタ12Jには電流が流れなくなる。
さらに、この実施の形態では、定電流制御回路6の回路規模を小さくし、チップサイズを小さくできるという効果が有る。図1及び図17から分かるように、定電流制御回路6と検出回路7は、画素列ごとに画素列のピッチサイズ内に配置する必要がある。そのため、定電流制御回路6の回路規模が大きいと、画素列の方向に回路領域が拡大し、チップサイズも大きくなる。実施の形態1の場合は2個の定電流源を構成する必要があるのに対して、この実施の形態では1個のMOSトランジスタ6Dだけを画素列ごとに配置すればよいので、この実施の形態では定電流制御回路6の回路規模が小さくなり、チップサイズも小さくなる。
本発明の実施の形態4に係る赤外線撮像素子を図19に示す。この実施の形態4は、実施の形態3に対して、アンプ7Aとアンプ7Bを外部制御により増幅率が可変な1個のアンプ7Hに置き換える変更を実施したものである。アンプ7Bの片側の入力端子に接続していたコンデンサ7Fは、差動信号処理回路9の片側の入力端子に接続している。また、アンプ7Aとアンプ7Bの何れかの入力端子に端子7Dを接続していたスイッチ7Eは、アンプ7Hの出力を差動信号処理回路9のどちらかの入力端子に切替えて入力する位置にある。
アンプ7Hの構成例を図20に示す。図20は図13に示したアンプの応用で、利得が容量比により決まることを利用したものである。図13と比較して、異なる点だけを説明する。2個目の帰還コンデンサ10Fを帰還コンデンサ10Cと直列に接続しており、帰還コンデンサ10Fの両端をつなぐ短絡スイッチ10Gも追加している。帰還コンデンサ10Fの容量をCf2とする。
スイッチ7Eは、予備通電期間では差動信号処理回路9のコンデンサ7Fが接続された側の入力端子に接続される。本通電期間では、差動信号処理回路9のもう一方の入力端子に接続される。本通電期間のコンデンサ7Fには、予備通電期間の終了時点でのアンプ7Hの出力電圧が保持される。
なお、実施の形態3ではなく実施の形態1または実施の形態2に適用しても、同様の効果が有る。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
本発明の実施の形態5は、実施の形態1において予備通電期間と本通電期間での定電流の比である係数uと、予備通電期間と本通電期間の長さの比を表す係数mの間の関係を調整して、画素ごとの熱容量Htのバラツキが赤外線撮像素子の出力に影響しないようにした場合である。
実施の形態1では煩雑さを避けるために、ダイオード1Aの通電に伴うダイオード1Aの温度変化を予備通電期間及び本通電期間の終了時点での値とした。しかし、本通電期間で積分動作を行うので本通電期間でのダイオード1Aの温度変化は平均値を使用する方が適切である。
赤外線撮像素子の出力Vineにおけるダイオード1Aの通電に伴うダイオード1Aの温度変化による成分Vitは、以下となる。Vitは、図22では1点鎖線で示す。
Vit=((Vfe*If)/Ht)*((u*m+(1−m)/2)*TiーmTi)
=((Vfe*If)/Ht)*(u*m+(1−3*m)/2)*Ti (51)
Htのバラツキが赤外線撮像素子の出力に影響しないようになる電流の係数uと期間の係数mとの間の条件は、(51)式から以下となる。
u=(3/2−1/2m) (52)
u>0、1>m>0である必要があるので、(52)式より、以下も成立する必要がある。
1>m>1/3 (53)
1>u>0 (54)
この実施の形態5では、係数uと係数mが(52)式〜(54)式が成立するようにしておく。
なお、実施の形態2〜実施の形態4の何れに適用しても同様の効果が有る。
本通電期間での平均温度は、Tb3は以下となる。
Tb3=((Vfe*If)/Ht)
*(u*mTi+α+(1−m)Ti/2
−α*(u*β+1−u)*τba*(1−γ)) (55)
Vit=Tb3−Tb1/u
=((Vfe*If)/Ht)
*(u*mTi+α+(1−m)Ti/2−α*(u*β+1−u)*τba*(1−γ)
−(mTi+α*(1−β)))
=((Vfe*If)/Ht)
*((u*m+(1−3*m)/2)*Ti
+α*β−α*(u*β+1−u)*τba*(1−γ))
=((Vfe*If)/Ht)
*((u*(mTi−τba*α* (1−β)*(1−γ))
+((1−3*m)/2)*Ti+α*(β−τba*(1−γ))) ) (56)
u=((3*m−1)/2)*Ti+α*(τba*(1−γ)−β) )
/(mTi−τba*α* (1−β)*(1−γ)) (57)
u>0であることから、mの範囲は以下となる。
(Ti−α*(τba*(1−γ)−β) )/(3*Ti)<m<1 (58)
m=1では(26)式によりγ=1となるので、uの上限は以下となる。
0<u<1−α*β/Ti (59)
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
本発明の実施の形態6に係る赤外線撮像素子を、図24に示す。本発明の実施の形態6は、予備通電期間及び本通電期間での2個の計測電圧から撮像素子の出力を演算する処理をデジタル回路で実施するように、実施の形態1を変更した場合である。実施の形態1の場合での図1と異なる点だけを説明する。
アンプ7A、アンプ7B、バイアス端子7C及び差動信号処理回路9がなく、その替わりに、本通電期間での端子7Dの電圧を保存するコンデンサ7Jと、次の行の走査期間に利用できるようにコンデンサ7Jの電圧を保持するサンプルホールド回路13Aと、コンデンサ7Fの電圧を保持するサンプルホールド回路13Bと、出力端子8Dに接続されたA/D変換器15と、A/D変換器15の出力を入力として撮像素子の出力を演算するデジタル回路である演算回路15と、演算回路15の出力端子16とを追加している。サンプルホールド回路13Aとサンプルホールド回路13Bには、それぞれ1個のMOSトランジスタ8Aが接続され、MOSトランジスタ8Aの数は実施の形態1の場合での2倍になる。サンプルホールド回路13Aとサンプルホールド回路13Bの構成は、図11に示す差動信号処理回路9から差動電圧電流変換アンプ9Aを除いたものと同様とする。
A/D変換器14は信号をデジタル化して、演算回路15に入力する。演算回路15では、デジタル化されたVincとVindから、以下の式によるVineを演算して、出力端子16に出力する。
Vine=Vind−Vinc/u (60)
u=2−1/m (62)
出力が熱量量Htのバラツキを受けないことにより、画素の微細化すなわちチップの小型化が弊害なしに実現できることになる。
回路のどの範囲をデジタル回路とするか、アナログ回路として残す部分をどのような回路として構成するかは、所定の性能が実現できる範囲でコストや性能などの諸条件を総合的に判断して決めればよい。
ここでは、出力が熱容量Htのバラツキの影響を受けないように調整することを合わせて実施したが、デジタル回路を使用することだけを実施してもよい。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
1A:ダイオード
1B:空洞(断熱部)
1C:支持脚
1D:基板
1E:結合柱
1F:赤外線吸収部
2 :画素領域
2A:抵抗
3 :駆動線
4 :信号線
5 :駆動走査回路
5A:電源端子(電源)
5B:電源線
5C:MOSトランジスタ
5D:制御回路
6 :定電流制御回路
6A:定電流源
6B:定電流源
6C:スイッチ
6D:MOSトランジスタ
7 :検出回路(演算回路)
7A:アンプ
7B:アンプ
7C:バイアス端子
7D:端子
7E:スイッチ
7F:コンデンサ(電圧保存回路)
7G:スイッチ
7H:アンプ
7J:コンデンサ
8 :出力走査回路
8A:トランジスタ
8B:出力信号線
8C:バッファアンプ
8D:出力端子
8E:制御回路
9 :差動信号処理回路
9A:差動電圧電流変換アンプ
9B:積分コンデンサ
9C:放電スイッチ
9D:サンプルホールド回路(保持回路)
9E:バッファアンプ
9F:スイッチ
9G:保持コンデンサ
9H:スイッチ
10A:反転アンプ
10B:結合コンデンサ
10C:帰還コンデンサ
10D:入力切替えスイッチ
10E:クランプスイッチ
10F:帰還コンデンサ
10G:短絡スイッチ
11A:バッファアンプ
11B:反転アンプ
11C:抵抗
11D:抵抗
12 :制御回路
12A:トランジスタ
12B:電源線
12C:トランジスタ
12D:出力線
12E:電圧源
12F:電圧源
12G:可変電圧源
12J:トランジスタ
12H:電圧源
13A:サンプルホールド回路
13B:サンプルホールド回路
14 :A/D変換器
15 :演算回路
16 :出力端子
Claims (8)
- 直列接続された複数のダイオードまたは1個のダイオードと赤外線吸収部とを形成したセンサ部と、該センサ部を断熱する断熱部とを有する画素を2次元に配置した画素領域と、前記画素の前記ダイオードに予備通電期間と本通電期間にそれぞれ異なる大きさの定電流を流し、予備通電期間での定電流の大きさを本通電期間での定電流の大きさのu倍とする定電流制御回路と、予備通電期間の前記ダイオードの順電圧を1/u倍した電圧を本通電期間の前記ダイオードの順電圧から減算した電圧に比例する値を出力する演算回路とを備えた赤外線撮像素子。
- 予備通電期間の前記ダイオードの順電圧を保存する電圧保存回路を備え、予備通電期間を本通電期間の前とし、前記演算回路が本通電期間に動作するものであり、予備通電期間の前記ダイオードの順電圧として前記電圧保存回路に保存された電圧を前記演算回路が用いることを特徴とする請求項1に記載の赤外線撮像素子。
- 前記画素領域の同じ行にある前記画素の前記ダイオードの一端を共通接続する駆動線と、該駆動線を1個ずつ選択し電源に接続する駆動走査回路と、前記画素領域の同じ列にある前記画素の前記ダイオードの前記駆動線が接続されていない側の端を共通接続する信号線とを備え、該信号線ごとに前記定電流制御回路、前記電圧保存回路及び前記演算回路を備えることを特徴とする請求項2に記載の赤外線撮像素子。
- 前記演算回路の出力またはこの出力に所定の処理を加えた値を保持する保持回路と、何れかの前記保持回路が保持する値が出力される出力端子と、前記保持回路が保持する値が更新されるまでの期間に前記保持回路を1個ずつ選択して前記出力端子に接続する出力走査回路とを備えることを特徴とする請求項3に赤外線撮像素子。
- 前記定電流制御回路をカレントミラー回路とすることを特徴とする請求項1に記載の赤外線撮像素子。
- 前記係数uが0<u≦0.5の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の赤外線撮像素子。
- 前記ダイオードへの通電による発熱の前記演算回路の出力への影響を軽減するように、予備通電期間の長さの本通電期間の長さに対する比の値と定電流の大きさに関する前記係数uとを調整することを特徴とする請求項1に記載の赤外線撮像素子。
- 直列接続された複数のダイオードまたは1個のダイオードと赤外線吸収部とを形成したセンサ部と、該センサ部を断熱する断熱部と、前記画素の前記ダイオードに予備通電期間と本通電期間にそれぞれ異なる大きさの定電流を流し、予備通電期間での定電流の大きさを本通電期間での定電流の大きさのu倍とする定電流制御回路と、予備通電期間の前記ダイオードの順電圧を1/u倍した電圧を本通電期間の前記ダイオードの順電圧から減算した電圧に比例する値を出力する演算回路を備えた赤外線センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004363134A JP4257994B2 (ja) | 2004-12-15 | 2004-12-15 | 赤外線撮像素子と赤外線センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004363134A JP4257994B2 (ja) | 2004-12-15 | 2004-12-15 | 赤外線撮像素子と赤外線センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006174041A JP2006174041A (ja) | 2006-06-29 |
JP4257994B2 true JP4257994B2 (ja) | 2009-04-30 |
Family
ID=36674323
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004363134A Active JP4257994B2 (ja) | 2004-12-15 | 2004-12-15 | 赤外線撮像素子と赤外線センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4257994B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5139767B2 (ja) * | 2007-02-23 | 2013-02-06 | パナソニック株式会社 | センサ装置 |
JP5093768B2 (ja) * | 2007-07-31 | 2012-12-12 | パナソニック株式会社 | 信号読み出し回路 |
JP2009074898A (ja) * | 2007-09-20 | 2009-04-09 | Toshiba Corp | ボロメータ型非冷却赤外線センサおよびその駆動方法 |
JP5237685B2 (ja) * | 2008-05-09 | 2013-07-17 | パナソニック株式会社 | センサ装置 |
JP5237686B2 (ja) * | 2008-05-09 | 2013-07-17 | パナソニック株式会社 | センサ装置 |
TW201003081A (en) * | 2008-05-09 | 2010-01-16 | Panasonic Elec Works Co Ltd | Sensor device |
JP4685949B2 (ja) | 2009-03-17 | 2011-05-18 | 三菱電機株式会社 | 赤外線固体撮像素子 |
CN104471362B (zh) * | 2013-05-17 | 2018-09-07 | 松下电器(美国)知识产权公司 | 热图像传感器、以及用户界面 |
WO2019087522A1 (ja) * | 2017-10-31 | 2019-05-09 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 撮像装置 |
-
2004
- 2004-12-15 JP JP2004363134A patent/JP4257994B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2006174041A (ja) | 2006-06-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5127278B2 (ja) | 熱型赤外線固体撮像素子及び赤外線カメラ | |
US8563916B2 (en) | Compact low noise signal readout circuit having at least one open-loop amplifier and method for operating thereof | |
JP4372097B2 (ja) | 赤外線センサ、赤外線カメラ、赤外線センサの駆動方法および赤外線カメラの駆動方法 | |
JP3866069B2 (ja) | 赤外線固体撮像装置 | |
JP5335006B2 (ja) | 赤外線固体撮像素子 | |
US7746170B2 (en) | Class AB amplifier and imagers and systems using same | |
US11555744B2 (en) | Readout circuits and methods | |
US8183513B2 (en) | In-cell current subtraction for infrared detectors | |
JP6562243B2 (ja) | 撮像装置 | |
US7277129B1 (en) | Pixel design including in-pixel correlated double sampling circuit | |
JP4257994B2 (ja) | 赤外線撮像素子と赤外線センサ | |
US9497398B2 (en) | Solid-state imaging device and camera for reducing random row noise | |
JP4009598B2 (ja) | 赤外線固体撮像素子 | |
EP3226548A1 (en) | Radiation detector | |
Pain et al. | Low-power low-noise analog circuits for on-focal-plane signal processing of infrared sensors | |
JP5264418B2 (ja) | 熱型赤外線検出素子 | |
US20100123504A1 (en) | Adaptive low noise offset subtraction for imagers with long integration times | |
JP4290034B2 (ja) | 赤外線固体撮像装置 | |
JP7122634B2 (ja) | 電圧供給回路 | |
JP3974902B2 (ja) | 熱型赤外線検出素子 | |
JP4959735B2 (ja) | 熱型赤外線検出素子 | |
JP3787067B2 (ja) | 赤外線検出装置 | |
JP4322721B2 (ja) | 電荷検出回路およびそれを備えた画像センサ | |
Pain et al. | Design and operation of self-biased high-gain amplifier arrays for photon-counting sensors | |
Johnson et al. | Hybrid infrared focal-plane signal and noise modeling |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20061101 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090106 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090119 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120220 Year of fee payment: 3 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 4257994 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120220 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130220 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130220 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140220 Year of fee payment: 5 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |