JP2005214639A - Infrared solid-state image sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal type infrared solid-state image sensor in which a dynamic range is hardly exceeded in a subsequent-stage circuit while suppressing an offset distribution and temperature drifts due to voltage drops in a drive wire. <P>SOLUTION: The thermal type infrared solid-state image sensor comprises a two-dimensional arrangement of photo-sensitive pixels 1; reference pixels 12 constituted by excluding a heat-insulating structure and/or an infrared absorbing structure; signal lines 5 of which terminals are each connected to a first group of constant current means 2; a bias line 19 for connecting a second group of constant current means 20 in parallel provided for each row of pixel areas and causing the approximately same voltage drop as in the drive wire 3; and differential integrating circuits for integrating the differences between both end voltages of the first group of constant current means 2 and the second group of constant current means 20 for a prescribed time and outputting them. Reference pixel output signals outputted from the differential integrating circuits 7 are sampled and held by a sample holding circuit 13. The reference pixel output signals are compared with a reference voltage to generate bias voltages according to their differences and input them to the bias line 19. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、入射赤外線による温度変化を2次元配列された半導体センサで検出する熱型赤外線固体撮像素子に関し、特に、半導体センサからの電気信号を信号処理回路にて積分処理した後に出力する熱型赤外線固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a thermal infrared solid-state imaging device that detects a temperature change caused by incident infrared rays using a two-dimensionally arranged semiconductor sensor, and more particularly, a thermal type that outputs an electrical signal from a semiconductor sensor after integration processing by a signal processing circuit. The present invention relates to an infrared solid-state imaging device.

一般的な熱型赤外線固体撮像素子では、断熱構造を有する画素を2次元に配列し、入射した赤外線によって画素の温度が変化することを利用して赤外線像を撮像する。非冷却型の熱型赤外線固体撮像素子の場合、画素を構成する温度センサには、ポリシリコン、アモルファスシリコン、炭化ケイ素や酸化バナジウム等のボロメータの他、ダイオードやトランジスタ等の半導体素子を用いたものが知られている。特に、ダイオード等の半導体素子は、電気特性や温度依存性のバラツキが固体間で非常に小さいため、各画素の特性を均一にする上で有利である。   In a general thermal infrared solid-state imaging device, pixels having a heat insulating structure are two-dimensionally arranged, and an infrared image is captured by utilizing the fact that the temperature of the pixel changes due to incident infrared rays. In the case of an uncooled thermal infrared solid-state image sensor, the temperature sensor that constitutes the pixel uses a semiconductor element such as a diode or transistor in addition to a bolometer such as polysilicon, amorphous silicon, silicon carbide, or vanadium oxide. It has been known. In particular, semiconductor elements such as diodes are advantageous in making the characteristics of each pixel uniform because variations in electrical characteristics and temperature dependence are very small between solids.

また、熱型赤外線固体撮像素子では、画素は2次元に配列されており、行ごとに駆動線によって接続され、列ごとに信号線によって接続されている。垂直走査回路とスイッチにより各駆動線が順番に選択され、選択された駆動線を介して電源から画素に通電される。画素の出力は信号線を介して積分回路に伝えられ、積分回路で積分及び増幅され、水平走査回路とスイッチによって順次出力端子へ出力される(例えば、非特許文献1参照)。   In the thermal infrared solid-state imaging device, the pixels are two-dimensionally arranged, connected to each row by a drive line, and connected to each column by a signal line. Each drive line is selected in turn by the vertical scanning circuit and the switch, and the pixel is energized from the power source through the selected drive line. The output of the pixel is transmitted to the integration circuit via the signal line, integrated and amplified by the integration circuit, and sequentially output to the output terminal by the horizontal scanning circuit and the switch (for example, see Non-Patent Document 1).

これらの熱型赤外線固体撮像素子において、積分回路に入力される電圧に対して画素の両端電圧以外に駆動線での電圧降下が影響する。ところが、駆動線での電圧降下量は画素列毎に異なるため、積分回路の出力も画素列毎に異なった値となり、撮像した画像に駆動線の抵抗によるオフセット分布が発生してしまう。また、熱型赤外線固体撮像素子の赤外光に対するレスポンス、即ち、画素の両端電圧の変化は、駆動線における電圧降下成分にくらべはるかに小さい。このため、駆動線による電圧降下分布によって増幅器が飽和等をおこし、必要な増幅度を確保できない問題もある。   In these thermal infrared solid-state imaging devices, a voltage drop in the drive line affects the voltage input to the integration circuit in addition to the voltage across the pixel. However, since the amount of voltage drop in the drive line differs for each pixel column, the output of the integration circuit also varies for each pixel column, and an offset distribution due to the resistance of the drive line occurs in the captured image. Further, the response of the thermal infrared solid-state imaging device to infrared light, that is, the change in the voltage across the pixel is much smaller than the voltage drop component in the drive line. For this reason, there is a problem that the amplifier is saturated due to the voltage drop distribution due to the drive line, and the necessary amplification cannot be ensured.

また、画素のレスポンスには赤外光のレスポンス以外に素子温度変化によるレスポンスも含まれるため、素子出力が素子温度変化とともにドリフトする問題もある。即ち、画素が完全に断熱され、赤外線吸収による温度変化のみを検出することが理想であるが、画素の断熱構造は有限の熱抵抗をもつため、検出動作を行っているときに環境温度が変化すると出力も変化してしまう。この環境温度の変化による出力変動は入射赤外線の変化と区別がつかないため、赤外線の測定精度が低下して安定した画像取得ができなくなってしまう。   Further, since the response of the pixel includes a response due to a change in element temperature in addition to the response of infrared light, there is also a problem that the element output drifts with a change in element temperature. In other words, it is ideal that the pixel is completely insulated and only the temperature change due to infrared absorption is detected, but the thermal insulation structure of the pixel has a finite thermal resistance, so the environmental temperature changes during the detection operation. Then the output will also change. Since the output fluctuation due to the change in the environmental temperature is indistinguishable from the change in the incident infrared ray, the measurement accuracy of the infrared ray is lowered and stable image acquisition cannot be performed.

こうした問題を解消するため、特開2003−222555号公報では、次のような構成を採用している。
(1) 積分回路に差動積分回路を用いる。
(2) 駆動線に平行なバイアス線を設け、その抵抗を駆動線と実質同じにし、かつ、バイアス線の画素列毎に画素用電流源と実質同じ電流を流す電流源を設ける。
(3) 差動積分回路の入力に、画素用電流源の両端電圧と、バイアス線に接続した電流源の両端電圧とを入力する。
(4) 素子温度変化に応じた出力をだす参照信号出力回路を設け、その出力を低域通過フィルタやバッファを介してバイアス線に与える。
In order to solve these problems, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-222555 employs the following configuration.
(1) A differential integration circuit is used as the integration circuit.
(2) A bias line parallel to the drive line is provided, its resistance is set to be substantially the same as that of the drive line, and a current source for supplying substantially the same current as the pixel current source is provided for each pixel column of the bias line.
(3) The voltage across the pixel current source and the voltage across the current source connected to the bias line are input to the input of the differential integration circuit.
(4) A reference signal output circuit for providing an output corresponding to a change in element temperature is provided, and the output is applied to the bias line via a low-pass filter or a buffer.

バイアス線と駆動線の抵抗は実質同じであるので、バイアス線と駆動線の電圧降下量はほぼ同じになる。即ち、駆動線抵抗による電圧降下分布は差動積分回路で減算され、外部に出力されない。さらにバイアス線に加えられる電圧は、画素の素子温度変動にたいする信号出力変化を出力する参照信号出力回路をもとに生成されているので、素子温度変動によるドリフトも差動積分回路で減算され、外部に出力されない。   Since the resistances of the bias line and the drive line are substantially the same, the voltage drop amounts of the bias line and the drive line are substantially the same. That is, the voltage drop distribution due to the drive line resistance is subtracted by the differential integration circuit and is not output to the outside. Furthermore, since the voltage applied to the bias line is generated based on a reference signal output circuit that outputs a signal output change corresponding to pixel element temperature fluctuations, drift due to element temperature fluctuations is also subtracted by the differential integration circuit. Is not output.

石川等、「従来のシリコンICプロセスを用いた低コスト320×240非冷却IRFPA」、Part of the SPIE Conference on infrared Technology and Applications XXV、1999年4月発行、Vol.3698、p.556頁から564頁Ishikawa et al., “Low cost 320 × 240 uncooled IRFPA using conventional silicon IC process”, Part of the SPIE Conference on infrared Technology and Applications XXV, April 1999, Vol. 3698, pages 556 to 564 page 特開2003−222555号公報JP 2003-222555 A

しかしながら、上記従来の熱型赤外線固体撮像素子においては、バイアス線に加える電圧の僅かなバラツキにより、後段回路で不具合が生じる問題があった。即ち、バイアス線に加える電圧は、参照信号出力回路から低域通過フィルタやバッファアンプを通じて供給される。ところが、このバイアス線に加える電圧については、製造ばらつき等種々の要因によって素子ごとにバラツキのある直流電圧オフセット成分が生じる。この直流電圧オフセット成分は微小であるが、増幅度の高い差動積分回路(多くの場合ゲイン10以上)によって増幅され、さらに素子が組込まれたカメラ内部のアンプ回路でも増幅されるため、後段回路のダイナミックレンジを超えてしまい、クリップ発生等を生じ易い。そこで、実際の素子製造においては、素子ごとにバッファアンプの内部回路定数の変更や新たな電圧調整回路を付加することにより、バイアス線に与える電圧の微調整が必要であった。バイアス調整による電圧変化は一般に高利得の差動積分回路に入力されるので、調整回路に高精度なものを必要とし、これらの微調整は製造コストの上昇をまねく要因にもなっていた。   However, the conventional thermal infrared solid-state imaging device has a problem in that a problem occurs in the subsequent circuit due to slight variations in the voltage applied to the bias line. That is, the voltage applied to the bias line is supplied from the reference signal output circuit through a low-pass filter and a buffer amplifier. However, with respect to the voltage applied to the bias line, a DC voltage offset component that varies from element to element is generated due to various factors such as manufacturing variations. Although this DC voltage offset component is minute, it is amplified by a differential integration circuit (in many cases, gain of 10 or more) with high amplification, and further amplified by an amplifier circuit inside the camera in which the element is incorporated. The dynamic range is exceeded, and clipping is likely to occur. Therefore, in actual device manufacturing, it is necessary to finely adjust the voltage applied to the bias line by changing the internal circuit constants of the buffer amplifier and adding a new voltage adjusting circuit for each device. Since the voltage change due to the bias adjustment is generally input to a high gain differential integration circuit, the adjustment circuit needs to have a high accuracy, and these fine adjustments have also caused an increase in manufacturing cost.

そこで本件発明は、駆動線での電圧降下によるオフセット分布と、素子温度変動による温度ドリフトとを抑制しながら、後段回路でのダイナミックレンジオーバーが生じ難い熱型赤外線固体撮像素子を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has an object to provide a thermal infrared solid-state imaging device in which a dynamic range over in a subsequent circuit is unlikely to occur while suppressing an offset distribution due to a voltage drop in a drive line and a temperature drift due to device temperature fluctuation. And

上記目的を達成するために、本件発明に係る赤外線固体撮像素子は、断熱構造と赤外線吸収構造を有し、少なくとも1個以上直列接続されたダイオードによって感光画素が構成され、前記感光画素が2次元状に配置された画素エリアと、前記感光画素の一方の極を行毎に共通接続した駆動線と、前記駆動線を順に選択し電源に接続する垂直走査回路と、前記感光画素の他方の極を列毎に共通接続すると共に、その各終端に第1郡の定電流化手段が接続された信号線と、前記画素エリアの列毎に設けられた第2群の定電流化手段を並列接続し、前記駆動線と略同一の電圧降下を生じるバイアス線と、前記画素エリアの列毎に設けられ、前記第1郡の定電流化手段と前記第2郡の定電流化手段の両端電圧の差を一定時間積分して出力する差動積分回路と、前記差動積分回路の出力信号を列毎に選択して出力端子に導く水平走査回路とを有する熱型赤外線固体撮像素子であって、さらに、実質的に素子全体の温度変化に応じて変化する参照信号を出力する参照信号出力回路を有し、
前記バイアス線上の所定位置の電圧と前記参照信号との差分信号を取出し、前記差分信号と基準電圧の差に応じたバイアス電圧を生成し、該バイアス電圧を前記バイアス線に入力することを特徴とする。
In order to achieve the above object, an infrared solid-state imaging device according to the present invention has a heat insulation structure and an infrared absorption structure, and at least one or more diodes connected in series constitute a photosensitive pixel, and the photosensitive pixel is two-dimensional. A pixel area, a drive line in which one pole of the photosensitive pixel is commonly connected for each row, a vertical scanning circuit that sequentially selects the drive line and connects to the power source, and the other pole of the photosensitive pixel. Are connected in common to each column, and a signal line having a first group constant current means connected to each end thereof and a second group of constant current means provided for each column of the pixel area are connected in parallel. And a bias line that generates a voltage drop substantially the same as that of the drive line, and is provided for each column of the pixel area, and the voltage between both ends of the first group of constant current generating means and the second group of constant current generating means. Differential integration that integrates and outputs the difference for a fixed time And a horizontal scanning circuit that selects an output signal of the differential integration circuit for each column and guides the output signal to an output terminal, and further substantially responds to a temperature change of the entire element. A reference signal output circuit for outputting a reference signal that changes
A differential signal between a voltage at a predetermined position on the bias line and the reference signal is taken out, a bias voltage corresponding to a difference between the differential signal and a reference voltage is generated, and the bias voltage is input to the bias line. To do.

本件発明においても、従来の熱型赤外線固体撮像素子と同様に、バイアス線と駆動線の電圧降下量はほぼ同じであるため、駆動線抵抗による電圧降下分布は差動積分回路で減算され、外部に出力されない。しかしながら、本件発明に係る熱型赤外線固体撮像素子では、参照信号出力回路の参照信号を直接バイアス電圧とするのではなく、参照信号とバイアス線の電圧との差分を取り、その差分信号を所定の基準電圧と対比し、その差に応じたバイアス電圧を生成してバイアス線にフィードバックする。このため、本件発明では、素子温度変化を反映した参照信号に応じてバイアス線の電圧を変化させると同時に、製造バラツキ等によって生じるバイアス線の電圧バラツキをフィードバック機構によって自動修正することができる。これにより、従来必要であった電圧微調整回路をなくし、自動調整とすることも可能となる。   Also in the present invention, the voltage drop amount of the bias line and the drive line is almost the same as in the conventional thermal infrared solid-state imaging device, so the voltage drop distribution due to the drive line resistance is subtracted by the differential integration circuit, and the external Is not output. However, in the thermal infrared solid-state imaging device according to the present invention, the reference signal of the reference signal output circuit is not directly set as the bias voltage, but the difference between the reference signal and the voltage of the bias line is taken and the difference signal is set to a predetermined value. Compared with the reference voltage, a bias voltage corresponding to the difference is generated and fed back to the bias line. Therefore, according to the present invention, the bias line voltage can be changed according to the reference signal reflecting the element temperature change, and at the same time, the bias line voltage variation caused by the manufacturing variation can be automatically corrected by the feedback mechanism. As a result, it is possible to eliminate the voltage fine adjustment circuit which has conventionally been required and to perform automatic adjustment.

即ち、本件発明によれば、従来の駆動線での電圧降下によるオフセット分布抑制と温度ドリフト抑制いう特徴を生かしつつ、バイアス電圧のバラツキを自動修正して、後段回路でのダイナミックレンジオーバーが生じ難い熱型赤外線固体撮像素子を提供することができる。   That is, according to the present invention, the bias voltage variation is automatically corrected while taking advantage of the offset distribution suppression and temperature drift suppression due to the voltage drop in the conventional drive line, and the dynamic range over in the subsequent circuit is unlikely to occur. A thermal infrared solid-state imaging device can be provided.

尚、本件発明において、「バイアス線上の所定位置」とは、バイアス線上の固定された位置であれば良く、特定の位置には限定されない。即ち、本件発明において、バイアス線上の所定位置の電圧を取出すのは、バイアス線全体の電圧レベルをモニタするためであるので、どの位置で電圧をモニタしても発明の原理には影響しない。「バイアス線上の所定位置」は、後述する例に示すようにバイアス線の水平走査開始側の端部でも良いし、逆に水平走査終了側の端部でも良く、それ以外の位置でも良い。   In the present invention, the “predetermined position on the bias line” may be a fixed position on the bias line, and is not limited to a specific position. That is, in the present invention, the voltage at a predetermined position on the bias line is taken out to monitor the voltage level of the entire bias line, and therefore the principle of the invention is not affected by monitoring the voltage at any position. The “predetermined position on the bias line” may be an end portion on the horizontal scanning start side of the bias line as shown in an example to be described later, conversely, an end portion on the horizontal scanning end side, or other position.

また、本件発明において、「基準電圧」とは、ある一定の電圧であれば良く、特定の電圧値には限定されない。即ち、本件発明において、「基準電圧」はフィードバックするバイアス電圧を一定の電圧に自動修正する際の基準となるものである。従って、「基準電圧」は、ある一定の電圧であり、かつ、差動積分回路の出力信号が後段回路のダイナミックレンジに入るように選択されたものであれば、それがどのような電圧であっても発明の原理には影響しない。   In the present invention, the “reference voltage” may be a certain voltage and is not limited to a specific voltage value. That is, in the present invention, the “reference voltage” is a reference for automatically correcting the feedback bias voltage to a constant voltage. Therefore, the “reference voltage” is a certain voltage, and is any voltage as long as the output signal of the differential integration circuit is selected to fall within the dynamic range of the subsequent circuit. However, it does not affect the principle of the invention.

実施の形態1.
図1は、本件発明の実施の形態1に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
従来の熱型赤外線固体撮像素子と同様に、複数個が直列接続され、赤外線吸収構造と断熱構造を備えたダイオードによって個々の感光画素1(以下、単に「画素1」)が構成されており、その画素1が2次元状に配列された画素エリアを構成している。画素1の各行ごとに駆動線3が共通して接続されている。また、画素1の各列ごとに信号線5が共通して接続され、各信号線5の終端には第1群の定電流化手段として定電流源2が接続されている。また、垂直走査回路4とスイッチにより駆動線3が順番に選択され、各駆動線3が電源6に接続される。一方、定電流源2に近接して画素1の各列毎に、第2群の定電流化手段として、定電流源2と略同一の電流を流す定電流源20が配置されており、駆動線3と略平行なバイアス線19によって並列接続されている。バイアス線19は、駆動線3と略同一の電圧降下を生じるように、駆動線3と略同一の抵抗値を有している。尚、バイアス線19は、駆動線3と略同一の電圧効果を生じれば良く、必ずしも駆動線3と同一の抵抗を有する必要はない。定電流源2の電流値が定電流源20と異なる場合には、それに応じてバイアス線19と駆動線3が異なる抵抗を有していても良い。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
Similar to a conventional thermal infrared solid-state image sensor, a plurality of photosensitive pixels 1 (hereinafter simply referred to as “pixel 1”) are configured by diodes connected in series and having an infrared absorption structure and a heat insulation structure. A pixel area in which the pixels 1 are two-dimensionally arranged is configured. A drive line 3 is commonly connected to each row of the pixels 1. In addition, a signal line 5 is commonly connected to each column of the pixels 1, and a constant current source 2 is connected to a terminal of each signal line 5 as a first group of constant current means. Further, the drive lines 3 are selected in order by the vertical scanning circuit 4 and the switch, and each drive line 3 is connected to the power source 6. On the other hand, a constant current source 20 for supplying substantially the same current as the constant current source 2 is arranged as a second group of constant current means for each column of the pixels 1 in the vicinity of the constant current source 2 and is driven. They are connected in parallel by a bias line 19 substantially parallel to the line 3. The bias line 19 has substantially the same resistance value as that of the drive line 3 so as to generate a voltage drop substantially the same as that of the drive line 3. The bias line 19 only needs to generate substantially the same voltage effect as the drive line 3 and does not necessarily have the same resistance as the drive line 3. When the current value of the constant current source 2 is different from that of the constant current source 20, the bias line 19 and the drive line 3 may have different resistances accordingly.

画素1の各列毎に差動増幅積分回路7が形成されており、定電流源2の両端電圧と定電流源20の両端電圧との差を積分、増幅して出力する。そして、水平走査回路8によって水平選択スイッチ9が順次オンされ、列毎に配置された差動積分回路7の出力信号が、出力アンプ11を介して出力端子10から外部に出力される。バイアス線19では駆動線3と略同一の電圧降下を生じているため、上記構成によって駆動線3での電圧降下分を出力からキャンセルし、駆動線3に由来するオフセット分布が除去される。   A differential amplification integration circuit 7 is formed for each column of the pixels 1, and integrates, amplifies and outputs the difference between the voltage across the constant current source 2 and the voltage across the constant current source 20. Then, the horizontal selection switch 9 is sequentially turned on by the horizontal scanning circuit 8, and the output signal of the differential integration circuit 7 arranged for each column is output from the output terminal 10 to the outside via the output amplifier 11. Since the bias line 19 has substantially the same voltage drop as that of the drive line 3, the voltage drop in the drive line 3 is canceled from the output by the above configuration, and the offset distribution derived from the drive line 3 is removed.

ここで、従来は、素子温度を反映した参照信号を直接バイアス線19に入力していたが、本件発明では、参照信号とバイアス線の電圧との差分を取り、その差分信号を所定の基準電圧と対比し、その差に応じたバイアス電圧を生成してバイアス線にフィードバックする。これにより、バイアス線の電圧を参照信号に応じて(素子温度に応じて)変化させながら、製造バラツキ等によるバイアス線の電圧バラツキを自動修正することができる。   Here, conventionally, a reference signal reflecting the element temperature is directly input to the bias line 19, but in the present invention, the difference between the reference signal and the voltage of the bias line is taken, and the difference signal is used as a predetermined reference voltage. In contrast, a bias voltage corresponding to the difference is generated and fed back to the bias line. As a result, the bias line voltage variation due to manufacturing variation or the like can be automatically corrected while changing the bias line voltage in accordance with the reference signal (in accordance with the element temperature).

本実施の形態では、画素エリアの左側1列の画素から断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外して参照画素12とし、この参照画素12に接続された定電流源2の両端電圧を参照信号として読み出す。この参照信号は、通常の画素1の信号と同じようにして読み出される。即ち、参照画素12に接続された電流源2の両端電圧と、それに隣接してバイアス線19に接続された電流源20の両端電圧とが、各々、差動積分回路7のマイナス側とプラス側に入力されて、積分、増幅される。そして、水平駆動回路8とスイッチ9によって、通常の画像読出しの1ライン毎に参照画素12に対応した出力信号が読み出され、アンプ11を介して出力端子10から出力される。   In the present embodiment, the heat insulation structure and / or the infrared absorption structure is excluded from the pixels on the left one column of the pixel area to form the reference pixel 12, and the voltage across the constant current source 2 connected to the reference pixel 12 is used as the reference signal. Read as. This reference signal is read out in the same manner as a normal pixel 1 signal. That is, the voltage across the current source 2 connected to the reference pixel 12 and the voltage across the current source 20 connected to the bias line 19 adjacent to the current source 2 are respectively the negative side and the positive side of the differential integration circuit 7. Is integrated and amplified. Then, an output signal corresponding to the reference pixel 12 is read for each line of normal image reading by the horizontal drive circuit 8 and the switch 9 and is output from the output terminal 10 via the amplifier 11.

出力端子10には、サンプルホールド回路13が接続されており、参照画素12の出力信号をサンプルホールドする。そして、サンプルホールド回路13にサンプルホールドされた電圧は、バイアス発生回路(基本的には減算回路)14のマイナス側端子に入力され、バイアス発生回路14においてプラス側端子15に入力された基準電圧と比較され、その差に応じたバイアス電圧が生成される。生成したバイアス電圧は、低域通過フィルタ16、バッファアンプ17及び低域通過フィルタ18を介してバイアス線19に入力される。   A sample hold circuit 13 is connected to the output terminal 10 and samples and holds the output signal of the reference pixel 12. The voltage sampled and held by the sample and hold circuit 13 is input to the minus side terminal of the bias generation circuit (basically a subtraction circuit) 14, and the reference voltage input to the plus side terminal 15 in the bias generation circuit 14 and A bias voltage corresponding to the difference is generated. The generated bias voltage is input to the bias line 19 via the low-pass filter 16, the buffer amplifier 17, and the low-pass filter 18.

ここで、差動積分回路7の減算極性とバイアス発生回路14の減算極性は、参照画素12に対応する出力信号の変化が抑制される方向に選択されている。即ち、バイアス線19の電圧(バイアス線19に接続した電流源20の電圧)が差動積分回路7のプラス側に入力された場合には、その差動積分回路7の出力はバイアス発生回路14のマイナス側に入力される。逆に、バイアス線19の電圧が差動積分回路7のマイナス側に入力された場合には、差動積分回路7の出力はバイアス発生回路14のプラス側に入力される。これにより、バイアス発生回路14は、サンプルホールドされた信号と基準電圧の差に応じて、この差を減少させる方向にバイアス線19の電圧を変化させることになる。   Here, the subtraction polarity of the differential integration circuit 7 and the subtraction polarity of the bias generation circuit 14 are selected in a direction in which the change of the output signal corresponding to the reference pixel 12 is suppressed. That is, when the voltage of the bias line 19 (the voltage of the current source 20 connected to the bias line 19) is input to the positive side of the differential integration circuit 7, the output of the differential integration circuit 7 is the bias generation circuit 14 It is input on the minus side of. Conversely, when the voltage of the bias line 19 is input to the negative side of the differential integration circuit 7, the output of the differential integration circuit 7 is input to the positive side of the bias generation circuit 14. As a result, the bias generation circuit 14 changes the voltage of the bias line 19 in a direction to reduce the difference according to the difference between the sampled and held signal and the reference voltage.

従って、本件発明によれば、製造バラツキ等によるバイアス線の電圧バラツキが自動修正される。このため、参照画素12に対応する素子出力(画像信号の基準電圧レベルに相当する)は、回路内における直流オフセット成分の製造バラツキの影響を受けずにほぼ一定となり、素子ごとの特性バラツキによる素子内外の後段回路でのダイナミックレンジオーバーが防止できる。しかも、バイアス線19の電圧は、従来と同じく列ごとにある電流源による駆動線電圧降下を模擬するだけでなく、参照画素12による素子温度ドリフト情報を反映して変化するので、従来例における駆動線での電圧降下によるオフセット分布抑制と温度ドリフト抑制という特徴はそのまま生かされる。   Therefore, according to the present invention, voltage variation of the bias line due to manufacturing variation or the like is automatically corrected. For this reason, the element output (corresponding to the reference voltage level of the image signal) corresponding to the reference pixel 12 becomes substantially constant without being affected by the manufacturing variation of the DC offset component in the circuit, and the element due to the characteristic variation for each element. It is possible to prevent dynamic range over in the internal and external downstream circuits. Moreover, the voltage of the bias line 19 not only simulates a drive line voltage drop caused by a current source for each column as in the conventional case, but also changes to reflect element temperature drift information by the reference pixel 12, so that the drive in the conventional example is performed. The features of offset distribution suppression and temperature drift suppression due to voltage drop in the line are utilized as they are.

即ち、通常画素1に対応する差動積分回路7のマイナス側端子には(a)駆動線3の電圧降下成分、(b)環境温度による画素1の画素信号変化成分、(c)入射赤外線による画素1の出力変化成分が入力される一方、差動積分回路7のプラス側端子には、(a’)バイアス線19での電圧降下成分と(b’)環境温度による参照信号変化成分が入力される。(a)駆動線3の電圧降下成分は(a’)バイアス線での電圧降下成分によってキャンセルされ、(b)環境温度による画素1の画素信号変化成分は、(b’)環境温度による参照信号変化成分によってキャンセルされるため、差動積分回路7では(c)入射赤外線による画素1の出力変化のみ残して減算処理される。   That is, the negative side terminal of the differential integration circuit 7 corresponding to the normal pixel 1 has (a) a voltage drop component of the drive line 3, (b) a pixel signal change component of the pixel 1 due to environmental temperature, and (c) an incident infrared ray. While the output change component of the pixel 1 is input, (a ′) the voltage drop component at the bias line 19 and (b ′) the reference signal change component due to the environmental temperature are input to the plus side terminal of the differential integration circuit 7. Is done. (A) The voltage drop component of the drive line 3 is canceled by (a ′) the voltage drop component of the bias line, and (b) the pixel signal change component of the pixel 1 due to the environmental temperature is (b ′) the reference signal due to the environmental temperature. Since it is canceled by the change component, the differential integration circuit 7 performs (c) subtraction processing leaving only the output change of the pixel 1 due to incident infrared rays.

本件発明の効果について、図2乃至図4を参照しながら、さらに詳細に説明する。尚、図面の簡単のため、図2において、スイッチ9、アンプ11、低域通過フィルタ16、18及びバッファアンプ17は省略している。   The effects of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. For the sake of simplicity, the switch 9, the amplifier 11, the low-pass filters 16, 18 and the buffer amplifier 17 are omitted in FIG.

図3に示すように、バイアス発生回路14は、例えば減算回路21と減算回路21の出力をレベルシフトさせる働きを持つソースフォロワ回路22とから構成される。減算回路21としては、例えばオペアンプを用いた周知の減算回路を用いることができる。図3に示す例では、オペアンプのマイナス側端子に抵抗R、プラス側端子に抵抗Rが接続され、オペアンプのプラス側端子と抵抗Rの間は抵抗Rを介してグラウンド接続され、オペアンプのマイナス側端子と抵抗Rの間には抵抗Rを介してオペアンプ出力がフィードバックされている。また、ソースフォロワ回路としては、例えばPチャネルMOSトランジスタ43を駆動トランジスとして電流源42と組合せた回路を用いることができる。 As shown in FIG. 3, the bias generation circuit 14 includes, for example, a subtraction circuit 21 and a source follower circuit 22 that functions to level shift the output of the subtraction circuit 21. As the subtraction circuit 21, for example, a known subtraction circuit using an operational amplifier can be used. In the example shown in FIG. 3, the resistor R 1 is connected to the negative terminal of the operational amplifier, the resistor R 3 is connected to the positive terminal, and the positive terminal of the operational amplifier and the resistor R 3 are grounded via the resistor R 4 . between the negative terminal of the operational amplifier resistor R 1 op amp output via the resistor R 2 is fed back. As the source follower circuit, for example, a circuit in which a P-channel MOS transistor 43 is used as a drive transistor and combined with a current source 42 can be used.

図3に示すように、サンプルホールド回路13にサンプルホールドした出力をV、端子15から入力される基準電圧をVとすると、減算回路21における抵抗RとRが等しく、抵抗RとRが等しい場合は、減算回路21の出力Vは(1)式のようになる。

Figure 2005214639
As shown in FIG. 3, when the output sampled and held in the sample and hold circuit 13 is V s and the reference voltage input from the terminal 15 is V r , the resistors R 4 and R 2 in the subtracting circuit 21 are equal, and the resistor R 1 And R 3 are equal, the output V d of the subtracting circuit 21 is expressed by equation (1).
Figure 2005214639

減算回路21の出力Vは、ソースフォロワ回路22でレベルシフトされた後、低域通過フィルタ16及び18で雑音成分が除去され、バッファアンプ17で電流駆動能力が増幅されたのちバイアス線19に与えられる。これら回路での合計のレベルシフト量、即ちバイアス発生回路14の入力端からバイアス線19の入力端までの合計のレベルシフト量をVとすると、バイアス線への入力電圧をVは次式で与えられる。

Figure 2005214639
ここでGは、図2に示すように、出力端子10からバイアス線19の入力端までの合計の利得であり、この例ではR/Rに回路22以降の利得変化を乗じた値となる。尚、サンプルホールド回路13では利得やレベルシフトは殆ど生じないが、もし出力端子10からバイアス発生回路14の入力端までの間に新たな利得成分やレベルシフト成分がある場合には、それらを含めてGとVを考えれば良い。 The output V d of the subtracting circuit 21 is level-shifted by the source follower circuit 22, noise components are removed by the low-pass filters 16 and 18, current driving capability is amplified by the buffer amplifier 17, and then the bias line 19 is applied. Given. The total level shift amount of these circuits, that is, the level shift amount of the sum of up to the input end of the bias line 19 from the input end of the bias generating circuit 14 and V l, the input voltage V b to the bias line equation Given in.
Figure 2005214639
Here, G is the total gain from the output terminal 10 to the input end of the bias line 19 as shown in FIG. 2. In this example, G 2 is obtained by multiplying R 2 / R 1 by a gain change after the circuit 22. Become. In the sample hold circuit 13, almost no gain or level shift occurs, but if there are new gain components or level shift components between the output terminal 10 and the input end of the bias generation circuit 14, these are included. it may be considered the G and V l Te.

上記(2)式から分かるように、出力信号Vから参照画素の出力タイミングに合わせてサンプルホールド回路13でサンプルホールドされた出力信号V(=参照画素出力信号)に対するバイアス線の入力電圧Vの関係は図4に示すように逆比例になる。即ち、参照画素出力信号Vが増大するに従い、バイアス線の入力電圧Vは小さくなる。 (2) As can be seen from the equation, the input voltage V of the bias lines for in accordance with the output timing of the reference pixel from the output signal V o sample hold circuit 13 in the sample-and-hold output signal V s (= reference pixel output signal) The relationship of b is inversely proportional as shown in FIG. That is, as the reference pixel output signal V s increases, the input voltage V b of the bias line decreases.

一方、参照画素の出力信号は次のようにして決まる。まず図2に示すように、参照画素を構成しているダイオード12は、他の画素と同様に、電源6と定電流源2によって定電流駆動されており、定電流源2の両端電圧を参照信号Vprとして出力する。参照画素は赤外線吸収構造及び/又は断熱構造を有さず、実質的に赤外線入射量に対するレスポンスを示さないため、参照信号Vprは素子温度変化のみに応じて変化する。即ち、参照画素12、電源6及び定電流源2によって参照信号出力回路が構成され、素子温度変化に応じた参照信号Vprを出力している。この参照信号Vprは、他の画素信号と同様に、差動積分回路7のマイナス端子側に入力される。差動積分回路7のプラス端子側には、バイアス線19に接続した定電流源20の両端電圧が入力される。差動積分回路7の入力端から出力端子10までの利得、即ちこの例では差動積分回路7から出力アンプ11までの合計利得をA、そこで発生する直流オフセット電圧の合計をVofとすると、参照画素12に対応するバッファアンプ11の出力Vは次の(3)式のようになる。

Figure 2005214639
On the other hand, the output signal of the reference pixel is determined as follows. First, as shown in FIG. 2, the diode 12 constituting the reference pixel is driven with a constant current by the power source 6 and the constant current source 2 like the other pixels, and the voltage across the constant current source 2 is referred to. Output as signal V pr . Since the reference pixel does not have an infrared absorption structure and / or a heat insulation structure and does not substantially show a response to the amount of incident infrared light, the reference signal V pr changes only in accordance with a change in element temperature. That is, a reference signal output circuit is configured by the reference pixel 12, the power source 6, and the constant current source 2, and outputs the reference signal Vpr according to the element temperature change. This reference signal V pr is input to the minus terminal side of the differential integration circuit 7 in the same manner as other pixel signals. The voltage across the constant current source 20 connected to the bias line 19 is input to the positive terminal side of the differential integration circuit 7. The gain from the input terminal to the output terminal 10 of the differential integration circuit 7, that is, the total gain from the differential integration circuit 7 to the output amplifier 11 in this example is A v , and the total of the DC offset voltage generated there is V of. , the output V o of the buffer amplifier 11 corresponding to the reference pixel 12 is as following equation (3).
Figure 2005214639

さて、(2)式における参照画素出力信号Vは、参照画素12に対応するタイミングで出力されたVをサンプルホールド回路13でサンプルホールドしたものであるから、(2)式は次の(4)式に書き換えることができる。

Figure 2005214639
Since the reference pixel output signal V s in the equation (2) is obtained by sampling and holding V o output at the timing corresponding to the reference pixel 12 by the sample hold circuit 13, the equation (2) can be expressed by the following ( 4) can be rewritten as:
Figure 2005214639

(3)式と(4)式を整理すると、Vは次の式で表すことができる。

Figure 2005214639
(5)式からわかるように、AとGが共に1より十分に大きければ、VはVとほぼ等しくなる。
Figure 2005214639
(3) and rearranging the equation (4), V o can be expressed by the following equation.
Figure 2005214639
As can be seen from the equation (5), if both Av and G are sufficiently larger than 1, V o is almost equal to V r .
Figure 2005214639

例えば、AとGが共に10以上、好ましくは50以上、さらに好ましくは100以上であれば、(5)式の第2項と第3項の影響は非常に小さくなり、参照画素12に対応するバッファアンプ11の出力Vは基準電圧Vにほぼ等しくなるように制御されることになる。参照画素12に対応した参照画素出力信号は、赤外線吸収以外の要素、例えば環境温度変化や製造バラツキを反映しているから、参照画素出力信号が一定の基準電圧Vに制御されるということは、製造バラツキによる出力変動が自動修正できることを意味している。従って、基準電圧Vを後段回路のダイナミックレンジ内で適切に設定しておけば、製造バラツキによるダイナミックレンジオーバを防止することができる。これにより、素子毎に行っていたバイアス線電圧の微調整、例えばバッファアンプ17の内部回路定数の変更や新たな電圧調整回路付加等が不要になる。 For example, if both Av and G are 10 or more, preferably 50 or more, more preferably 100 or more, the influence of the second term and the third term of the formula (5) becomes very small and corresponds to the reference pixel 12. The output V o of the buffer amplifier 11 to be controlled is controlled so as to be substantially equal to the reference voltage V r . Since the reference pixel output signal corresponding to the reference pixel 12 reflects factors other than infrared absorption, such as environmental temperature changes and manufacturing variations, the reference pixel output signal is controlled to a constant reference voltage Vr. This means that output fluctuations due to manufacturing variations can be automatically corrected. Therefore, if the reference voltage V r is appropriately set within the dynamic range of the subsequent circuit, it is possible to prevent the dynamic range from being over due to manufacturing variations. This eliminates the need for fine adjustment of the bias line voltage performed for each element, for example, change of the internal circuit constant of the buffer amplifier 17 or addition of a new voltage adjustment circuit.

尚、本実施の形態における基準電圧Vは、後段回路のダイナミックレンジに入るような一定の値であれば良く、特に特定の電圧には限定されない。但し、本実施の形態では、基準電圧Vは画像信号の基準電圧レベルとなるため、後段回路に含まれるアンプのダイナミックレンジのほぼ中心であることが好ましい。例えば、一般的な回路構成では、差動積分回路7のプラス及びマイナス入力端子に入れる信号が相等しいときの出力電圧を後段回路のダイナミックレンジ中心として設計する場合が多い。そのような場合には、差動積分回路7のプラス及びマイナス入力端子に入れる信号が相等しいときの出力電圧VにVを一致させることが好ましい。 Note that the reference voltage V r in this embodiment may be a constant value that falls within the dynamic range of the subsequent circuit, and is not particularly limited to a specific voltage. However, in the present embodiment, since the reference voltage V r becomes the reference voltage level of the image signal, it is preferable that it is approximately the center of the dynamic range of the amplifier included in the subsequent circuit. For example, in a general circuit configuration, the output voltage when the signals input to the positive and negative input terminals of the differential integration circuit 7 are the same is often designed as the center of the dynamic range of the subsequent circuit. In such a case, it is preferable that the signal to take into plus and minus input terminals of the differential integrating circuits 7 match V r to the output voltage V o when the phase is equal.

また、素子温度が変化し、Vprが変化してもこの関係は維持される。まず、環境温度が上昇し、参照画素12と電流源20の接続点、すなわち差動積分回路のマイナス側入力電圧をVprが上昇すると、(3)式に従ってVが低下する。しかし、直ちに(4)式により、Vも上昇するため、(3)式に従ってVが上昇する。即ち、Vの変化を抑制するようなフィードバックループが形成されることになる。 Further, this relationship is maintained even if the element temperature changes and V pr changes. First, when the ambient temperature rises and V pr rises at the connection point between the reference pixel 12 and the current source 20, that is, the negative input voltage of the differential integration circuit, V o falls according to the equation (3). However, immediately (4), since V b also increases, V o is increased in accordance with equation (3). That is, the feedback loop so as to suppress a change in V o is formed.

ところで、本実施の形態においてAは画素1の出力増幅度に相当するため10以上にとるのが一般的である。また、Gの値として10以上に設定することも、単段のオペアンプで実現できる。従って、AとGが共に1より十分に大きいという条件は容易に充たし得る。 Incidentally, A v in this embodiment take more than 10 to correspond to the output gain of the pixel 1 are common. Setting the value of G to 10 or more can also be realized with a single-stage operational amplifier. Therefore, the condition that both Av and G are sufficiently larger than 1 can be easily satisfied.

一方、AとGが共に1より十分大きいという条件が充たされない場合、(5)式に示すように環境温度や製造バラツキによって変化するV、Vpr、Vofの影響が出力Voに現れる。しかしながら、必要とされる使用温度範囲や許容される製造バラツキは、撮像素子の用途や設計によっても異なる。従って、用途や設計によっては、AとGが共に1より十分大きいという条件が充たされない場合であっても本件発明を適用可能であることは言うまでもない。 On the other hand, when the condition that both Av and G are sufficiently larger than 1 is not satisfied, the influence of V l , V pr , and V of , which varies depending on the environmental temperature and manufacturing variation, is applied to the output Vo as shown in the equation (5). appear. However, the required operating temperature range and allowable manufacturing variations vary depending on the application and design of the image sensor. Therefore, it goes without saying that the present invention can be applied even if the condition that both Av and G are sufficiently larger than 1 is not satisfied depending on the application and design.

例えば、AとGが共に1より十分大きいという条件が充たされない場合であっても、AとGの積が1より十分大きい条件ではVは次式で表すことができる。

Figure 2005214639
一般にV、V、Vprは同程度の電圧オーダであるので、(7)式における第2項は第1項に比べ小さくなり、参照画素出力は基準電圧Vrにほぼ調整される。このような関係が充たされるには、AvとGの積が10以上、より好ましくは50以上、さらに好ましくは100以上であることが望ましい。 For example, even when the condition that both Av and G are sufficiently larger than 1 is not satisfied, V o can be expressed by the following equation under the condition that the product of Av and G is sufficiently larger than 1.
Figure 2005214639
Since V r , V l , and V pr are generally in the same voltage order, the second term in equation (7) is smaller than the first term, and the reference pixel output is substantially adjusted to the reference voltage Vr. In order to satisfy such a relationship, it is desirable that the product of Av and G is 10 or more, more preferably 50 or more, and still more preferably 100 or more.

以下、本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子の各構成について詳細に説明する。
(差動積分回路7)
差動積分回路の構成例を図7に示す。図7は、本件発明者が先に特許出願(特願2000−386974)したもので、演算増幅器を用いた一般的な構成にくらべ簡略になる効果がある。図7に示す差動積分回路は、定電流源2の両端電圧と定電流源20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25と、差動電圧電流変換アンプ25の出力側に接続された積分容量26と、積分容量26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27を備える。差動電圧電流変換アンプ25は、負帰還なしの状態で接続されており、その出力インピーダンスと積分容量25のキャパシタンスCとの積(=時定数)が積分時間Tの5倍以上となるように設定されている。
Hereinafter, each configuration of the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment will be described in detail.
(Differential integration circuit 7)
A configuration example of the differential integration circuit is shown in FIG. FIG. 7 is a patent application (Japanese Patent Application No. 2000-386974) previously filed by the inventor of the present invention, and has an effect that is simpler than a general configuration using an operational amplifier. The differential integration circuit shown in FIG. 7 includes a differential voltage / current conversion amplifier 25 in which the voltage across the constant current source 2 and the voltage across the constant current source 20 are connected to the input side, and the output side of the differential voltage / current conversion amplifier 25. , And a reset transistor 27 connected to periodically reset the integration capacitor 26 to the voltage Vref. The differential voltage / current conversion amplifier 25 is connected without negative feedback, and the product (= time constant) of its output impedance and the capacitance C i of the integration capacitor 25 becomes five times or more of the integration time T i. Is set to

積分容量26の入力端には、サンプルホールド用トランジスタ45、サンプルホールド容量47、リセットトランジスタ46から成るサンプルホールド回路28が接続されている。積分後の出力は、サンプルホールド回路28でサンプリングされ、バッファ29を介して出力される。図7の差動積分回路7では、負帰還をしない状態の差動電圧電流変換アンプ25を用いて積分回路を構成しているため回路構成が簡略となる。   A sample and hold circuit 28 including a sample and hold transistor 45, a sample and hold capacitor 47, and a reset transistor 46 is connected to the input terminal of the integration capacitor 26. The integrated output is sampled by the sample hold circuit 28 and output through the buffer 29. In the differential integration circuit 7 of FIG. 7, the integration circuit is configured using the differential voltage-current conversion amplifier 25 in a state in which negative feedback is not performed, so that the circuit configuration is simplified.

ここで、図7に示す差動電圧電流変換アンプ25が積分動作をすることについて説明する。一般の帰還を施していない電圧増幅器の入出力応答特性αは、電圧増幅器の相互コンダクタンスをgm、出力インピーダンスをRout、積分時間をTiとして、

Figure 2005214639
で表される。ここで、Tは時定数である。Ta≫Tiであれば、
Figure 2005214639

となり、積分器の応答特性となる。 Here, it will be described that the differential voltage-current conversion amplifier 25 shown in FIG. The input / output response characteristic α of a voltage amplifier that is not subjected to general feedback is expressed as follows: the transconductance of the voltage amplifier is gm, the output impedance is Rout, the integration time is Ti,
Figure 2005214639
It is represented by Here, T a is the time constant. If Ta >> Ti,
Figure 2005214639

Thus, the response characteristic of the integrator is obtained.

a≫Tiという条件は、出力インピーダンスRoutと積分容量の積で表される時定数が積分時間に比べ充分長いことを示している。例えば、時定数Tを積分時間Tの少なくとも5倍以上とすれば、積分器の応答特性からのずれを10%以内とすることができる。時定数Tを大きくするためには、出力インピーダンスRoutが非常に大きな電圧増幅器を使えばよい。一般に、電圧利得g・Routの大きな負帰還を用いない単一のアンプは、出力インピーダンスRoutが大きくなる。例えば、一般的な演算増幅器のうちの差動アンプのみを取出して、図7に示すように負帰還や入力抵抗無しで接続することにより、差動電圧電流変換アンプ25とすることができる。したがって、図7の差動積分回路によれば、極めて簡単な回路構成によって、積分回路を構成することができる。 The condition T a >> T i indicates that the time constant represented by the product of the output impedance R out and the integration capacitance is sufficiently longer than the integration time. For example, when if the constant T a at least 5 times the integration time T i, the deviation from the response characteristic of the integrator can be within 10%. In order to increase the constant T a time, output impedance Rout may be used a very large voltage amplifier. In general, a single amplifier that does not use a negative feedback with a large voltage gain g m · R out has a large output impedance R out . For example, only the differential amplifier of general operational amplifiers is taken out and connected without negative feedback or input resistance as shown in FIG. Therefore, according to the differential integration circuit of FIG. 7, the integration circuit can be configured with an extremely simple circuit configuration.

(低域通過フィルタ)
低域通過フィルタ16と18は、参照画素12に対応する出力とサンプルホールド回路13、バイアス発生回路14で発生する雑音をカットし温度ドリフト成分のみを抽出するためのものである。一般に、高S/Nを目指す赤外線検出器では、電源系の雑音は電源回路で充分低減されており、検出部からの雑音が装置の雑音主成分となる。バイアス発生回路14の出力には参照画素12で発生した雑音成分として含まれるが、参照画素12の雑音成分と画素1の雑音成分は無相関である。このため、差動積分回路7からの出力における雑音が画素1の出力のみを積分する場合に比べて√2倍になる。一方、環境温度変化による検出部出力変化や、環境温度変化に伴う電源回路特性変動による電源電圧の変化は、その変動が一般に秒オーダ以上の緩やかなものである。したがって、それをバイアス電圧が通過するラインの帯域は、赤外線を検出する信号ラインに必要な帯域にくらべて充分狭くてもよい。そこで、出力端子10から差動積分回路7の入力端子にフィードバックするライン上に低域通過フィルタ16と18を入れ、温度ドリフト成分のみを通過するようにすれば、差動による雑音増加を抑制することができる。尚、このような赤外線固体撮像素子の画素にとっての雑音帯域幅の代表的な値は数KHzであるので、その1/100以下にカットオフ周波数をきめておけば良い。素子温度変動の観点からは、その変動周期は早くて秒オーダであるから数Hzの帯域があれば十分である。また、本実施の形態では低域通過フィルタ16、18をバッファ17の前後に挿入しているが、何れか一方だけでもよい。
(Low-pass filter)
The low-pass filters 16 and 18 are for extracting only the temperature drift component by cutting the output corresponding to the reference pixel 12, the noise generated by the sample hold circuit 13 and the bias generation circuit 14. In general, in an infrared detector aiming at high S / N, the noise of the power supply system is sufficiently reduced by the power supply circuit, and the noise from the detection unit becomes the main noise component of the apparatus. The output of the bias generation circuit 14 is included as a noise component generated in the reference pixel 12, but the noise component of the reference pixel 12 and the noise component of the pixel 1 are uncorrelated. For this reason, the noise in the output from the differential integration circuit 7 is √2 times that in the case where only the output of the pixel 1 is integrated. On the other hand, changes in the output of the detection unit due to changes in the environmental temperature and changes in the power supply voltage due to fluctuations in power supply circuit characteristics due to changes in the environmental temperature are generally moderate, more than a few seconds. Therefore, the band of the line through which the bias voltage passes may be sufficiently narrower than the band necessary for the signal line for detecting infrared rays. Therefore, if low-pass filters 16 and 18 are inserted on the line that feeds back from the output terminal 10 to the input terminal of the differential integration circuit 7 so as to pass only the temperature drift component, the increase in noise due to the differential is suppressed. be able to. Note that a typical value of the noise bandwidth for the pixel of such an infrared solid-state imaging device is several KHz, and therefore, the cut-off frequency may be set to 1/100 or less. From the viewpoint of element temperature fluctuation, the fluctuation period is fast and on the order of seconds, so it is sufficient to have a band of several Hz. In the present embodiment, the low-pass filters 16 and 18 are inserted before and after the buffer 17, but only one of them may be used.

低域通過フィルタ16及び18の回路構成例を、図8(a)と図8(b)に示す。以下に示す構成は、低域通過フィルタ16及び18のいずれにも用いることができる。
図8(a)の低域通過フィルタは、受動素子を用いたもので30は抵抗もしくはリアクタンスであり、31は容量である。バッファアンプ17の後側に挿入するフィルタ(=低域通過フィルタ18)としては直流電圧降下がないリアクタンスの方が望ましい。一方、バッファアンプ17の手前側に設けるフィルタ(=低域通過フィルタ16)としては、フィルタとしての特性が得られ易い抵抗を用いる方が望ましい。また、抵抗30は、電源回路6の内部抵抗あるいはバッファアンプ17の内部抵抗で代用してもよい。図8(b)の低域通過フィルタは、能動素子である演算増幅器35を用いた積分回路であり、この回路構成も低域通過フィルタとして一般的であるので詳細な説明は省略する。
An example of the circuit configuration of the low-pass filters 16 and 18 is shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b). The configuration shown below can be used for both the low-pass filters 16 and 18.
The low-pass filter of FIG. 8A uses a passive element, 30 is a resistor or reactance, and 31 is a capacitor. As a filter (= low-pass filter 18) inserted on the rear side of the buffer amplifier 17, a reactance having no DC voltage drop is desirable. On the other hand, as the filter (= low-pass filter 16) provided on the front side of the buffer amplifier 17, it is desirable to use a resistor that can easily obtain the characteristics as a filter. The resistor 30 may be replaced with the internal resistance of the power supply circuit 6 or the internal resistance of the buffer amplifier 17. The low-pass filter in FIG. 8B is an integrating circuit using an operational amplifier 35 which is an active element, and since this circuit configuration is also common as a low-pass filter, detailed description thereof is omitted.

本発明における低域通過フィルタ16及び18は、図8(a)及び(b)に例示するものに限定されるものではなく、他のフィルタ(例えば、スイッチトキャパシタ回路)を用いることもできる。また、低域通過フィルタ16及び18は、バッファアンプ17の前側か後側のいずれか一方だけに設けても良いが、その場合はバッファアンプ17の前側のフィルタ(=フィルタ16)を残すことが好ましい。バッファアンプ17の後側には大きな電流が流れるため、フィルタでの電圧降下がバイアス電圧の変動の原因となるからである。   The low-pass filters 16 and 18 in the present invention are not limited to those illustrated in FIGS. 8A and 8B, and other filters (for example, a switched capacitor circuit) may be used. Further, the low-pass filters 16 and 18 may be provided only on either the front side or the rear side of the buffer amplifier 17, but in this case, the front filter (= filter 16) of the buffer amplifier 17 may be left. preferable. This is because a large current flows to the rear side of the buffer amplifier 17, and a voltage drop at the filter causes a fluctuation of the bias voltage.

(画素、参照画素)
図11(a)及び(b)は、本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子における画素1の構造例を模式的に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PN接合ダイオード902が、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。PN接合ダイオード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ことが好ましい。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。この例では、ダイオード902がSOI基板のSOI層上に形成されており、SOI層下の埋め込み酸化膜が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11(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。
(Pixel, reference pixel)
FIGS. 11A and 11B are a cross-sectional view and a perspective view schematically showing a structural example of the pixel 1 in the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment. In the pixel 1, a PN junction diode 902 serving as a temperature sensor is supported on a hollow portion 1103 provided on the silicon substrate 1102 by two long support legs 1101, and an electrode wiring 1104 of the diode 902 is supported on the support legs 1101. Embedded in. A plurality of PN junction diodes 902 are preferably connected in series in order to increase sensitivity. The hollow portion 1103 increases the thermal resistance between the diode 902 and the silicon substrate 1102 to form a heat insulating structure. In this example, the diode 902 is formed on the SOI layer of the SOI substrate, and the buried oxide film under the SOI layer is a part of the structure that supports the hollow structure. In addition, the infrared absorption structure 1106 that is in thermal contact with the diode portion has a structure that protrudes above the support leg 1101 so that infrared rays incident from above can be efficiently absorbed. In FIG. 11B, in order to make the structure of the lower part easy to understand, the structure is drawn excluding the infrared absorption structure in the front part of the figure.

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。熱型赤外線固体撮像素子では、画素1が2次元に多数配列されており、それらを順にアクセスしていく構造となっている。このような素子では画素間の特性均一性が重要であるが、ダイオードの順方向電圧やその温度依存性は固体間のバラツキが非常に小さく、熱型赤外線撮像素子にとって温度センサにダイオードをもちいることは特性均一性を図る上で特に有効である。尚、本件発明において、赤外線吸収構造は、素子に入射した赤外線を吸収して温度センサの温度上昇を生ぜしめる構造であれば良く、上記形態には限定されない。また、本件発明において、断熱構造は、赤外線吸収による温度センサの温度変化を妨げる構造であれば良く、上記の中空構造には限定されない。   When infrared rays are incident on the pixel 1, the infrared rays are absorbed by the infrared absorption structure 1106, the temperature of the pixel 1 is changed by the heat insulation structure, and the forward voltage characteristics of the diode 902 serving as a temperature sensor are changed. By reading the change amount of the forward voltage characteristic of the diode 902 with a predetermined detection circuit, an output signal corresponding to the amount of incident infrared rays can be taken out. The thermal infrared solid-state imaging device has a structure in which a large number of pixels 1 are two-dimensionally arranged and accessed in order. In such an element, the uniformity of characteristics between pixels is important, but the forward voltage of the diode and its temperature dependence have very little variation between solids, and a diode is used as a temperature sensor for a thermal infrared imaging device. This is particularly effective for achieving uniform characteristics. In the present invention, the infrared absorption structure may be any structure that absorbs infrared light incident on the element and causes the temperature sensor to rise in temperature, and is not limited to the above form. Moreover, in this invention, the heat insulation structure should just be a structure which prevents the temperature change of the temperature sensor by infrared absorption, and is not limited to said hollow structure.

(参照画素12、参照信号出力回路40)
参照信号を出力する回路構成として、本実施の形態では画素エリア内の左側1列分の画素から断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外することによって参照画素を構成している。断熱構造と赤外線吸収構造のいずれか一方若しくは両方をなくす他は画素1と実質的に同一の構造の画素を参照画素とすることにより、素子温度変化のみを検出することが可能となる。赤外線吸収に対する感度が必要なレベルにまで落ちれば、断熱構造と赤外線吸収構造のいずれか一方は残していても良い。参照画素12は、電源6と定電流源2によって定電流駆動されており、定電流源2の両端電圧を参照信号Vprとして出力する。即ち、参照画素12、電源6及び定電流源2によって参照信号出力回路40が構成されている。参照画素12によって参照信号を出力することにより、素子温度に対する画素1の応答特性を正確に模擬することができ、精度の高い温度ドリフト補正が可能となる。特に、本実施の形態のように、画素エリアの一部の画素から断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外して参照画素12とすれば、製造条件の僅かな違いによる特性のズレを防止して、画素1の温度応答特性を一層精度良く模擬することができる。その場合、撮像画像に参照画素の信号が現れないように、参照画素を画素エリアの水平又は垂直の1辺に設けることが好ましい。尚、参照信号出力回路において、参照画素ではなくサーミスタを利用することも勿論可能である。
(Reference pixel 12, reference signal output circuit 40)
As a circuit configuration for outputting a reference signal, in this embodiment, the reference pixel is configured by excluding the heat insulation structure and / or the infrared absorption structure from the left one column of pixels in the pixel area. Only a change in element temperature can be detected by using a pixel having substantially the same structure as that of the pixel 1 except that one or both of the heat insulation structure and the infrared absorption structure is eliminated. If the sensitivity to infrared absorption falls to a necessary level, either the heat insulation structure or the infrared absorption structure may be left. The reference pixel 12 is driven with a constant current by the power source 6 and the constant current source 2, and outputs a voltage across the constant current source 2 as a reference signal V pr . That is, the reference signal output circuit 40 is configured by the reference pixel 12, the power source 6 and the constant current source 2. By outputting a reference signal by the reference pixel 12, the response characteristic of the pixel 1 with respect to the element temperature can be accurately simulated, and highly accurate temperature drift correction can be performed. In particular, as in the present embodiment, if the reference pixel 12 is formed by excluding the heat insulation structure and / or the infrared absorption structure from a part of the pixels in the pixel area, deviation of characteristics due to slight differences in manufacturing conditions can be prevented. Thus, the temperature response characteristic of the pixel 1 can be simulated with higher accuracy. In that case, it is preferable to provide the reference pixel on one horizontal or vertical side of the pixel area so that the signal of the reference pixel does not appear in the captured image. In the reference signal output circuit, it is of course possible to use a thermistor instead of a reference pixel.

また本実施の形態では、参照画素12を画素エリア左端の1列に設けているため、1水平走査毎、即ち画素1行分の出力毎に参照画素12の信号をサンプルホールドする。尚、参照画素12は、図1に示すような1列のみではなく複数列設けてもよい。参照画素12を複数列設けて、それらの参照画素出力信号を平均化することにより、参照画素12で発生するランダム雑音を抑制することができる。   In this embodiment, since the reference pixels 12 are provided in one column at the left end of the pixel area, the signal of the reference pixel 12 is sampled and held every horizontal scan, that is, every output for one row of pixels. Note that the reference pixels 12 may be provided in a plurality of columns instead of only one column as shown in FIG. By providing a plurality of reference pixels 12 and averaging the reference pixel output signals, random noise generated at the reference pixels 12 can be suppressed.

(サンプルホールド回路13)
サンプルホールド回路13は、特に限定されず、例えば図7に示したサンプルホールド回路28と同じものを用いることもできる。また、サンプルホールド回路13の他の例を図9に示す。図9は、オペアンプ33を用いた周知の例であり、サンプルホールド容量34にサンプルホールドスイッチ35が接続されている。サンプルホールドスイッチ35のゲートには参照画素12の出力タイミングでクロックが与えられ、スイッチが開状態となる。
(Sample hold circuit 13)
The sample hold circuit 13 is not particularly limited, and for example, the same sample hold circuit 28 as shown in FIG. 7 can be used. Another example of the sample hold circuit 13 is shown in FIG. FIG. 9 is a well-known example using an operational amplifier 33, and a sample and hold switch 35 is connected to a sample and hold capacitor 34. A clock is supplied to the gate of the sample hold switch 35 at the output timing of the reference pixel 12, and the switch is opened.

複数の参照画素12の出力を平均化してサンプルホールドする場合の回路例を図10に示す。図9の回路の前段に図8(a)又は(b)に示したような低域通過フィルタをいれたものである。平均化する参照画素は時間に対して連続的に出力されるので、フィルタの時定数を時間に対する出力変化が抑制されるように設定すればよい。   FIG. 10 shows a circuit example in the case where the outputs of the plurality of reference pixels 12 are averaged and sampled and held. A low-pass filter as shown in FIG. 8 (a) or (b) is inserted before the circuit of FIG. Since the reference pixels to be averaged are output continuously with respect to time, the time constant of the filter may be set so that the output change with respect to time is suppressed.

なお、本実施の形態において、サンプルホールド回路13、バイアス発生回路14、低域通過フィルタ16、18、バッファアンプ17を画素1と同一チップに設けてもよく、チップ外に設けてもよいのは言うまでもない。またバッファアンプ18の機能はバイアス発生回路14に含めてもよい。また、参照画素12に対応するバッファアンプ11の出力の変化を抑制する向きであれば、差動積分回路7、バイアス発生回路14のプラス、マイナス側入力の接続構成はこの例に限らない。例えば、図1においてプラス、マイナス側入力の向きを全て逆転しても良い。一方のみ逆転し、バッファアンプ17に反転アンプを含めてもよい。   In the present embodiment, the sample hold circuit 13, the bias generation circuit 14, the low pass filters 16, 18 and the buffer amplifier 17 may be provided on the same chip as the pixel 1 or may be provided outside the chip. Needless to say. The function of the buffer amplifier 18 may be included in the bias generation circuit 14. In addition, the connection configuration of the positive and negative inputs of the differential integration circuit 7 and the bias generation circuit 14 is not limited to this example as long as the change in the output of the buffer amplifier 11 corresponding to the reference pixel 12 is suppressed. For example, all the directions of plus and minus side inputs in FIG. 1 may be reversed. Only one of them may be reversed, and the buffer amplifier 17 may include an inverting amplifier.

実施の形態2
図5は、実施の形態2に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。本実施の形態では、参照画素12を画素エリアの端の下側1行に配置した点が実施の形態1と異なる。その他の点は実施の形態1と同様である。実施の形態1では、1水平走査毎、即ち1行の出力毎に参照信号出力をサンプルホールドしていたが、本実施の形態では、1フレーム毎、即ち全画素読出し周期毎に参照信号出力をサンプルホールドする。
Embodiment 2
FIG. 5 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to the second embodiment. The present embodiment is different from the first embodiment in that the reference pixels 12 are arranged in one row below the end of the pixel area. The other points are the same as in the first embodiment. In the first embodiment, the reference signal output is sampled and held for each horizontal scan, that is, for each output of one row. However, in this embodiment, the reference signal output is generated for each frame, that is, for every pixel readout cycle. Sample hold.

この例においても複数行参照画素を設け、それらの参照画素信号出力を平均化してもよい。平均化することで参照画素で発生するランダム雑音の抑制が行える。また、複数行設けた参照画素のうち、特定行の画素のみについて参照画素信号出力をサンプルホールドしても良い。   In this example as well, a plurality of rows of reference pixels may be provided and their reference pixel signal outputs may be averaged. By averaging, random noise generated in the reference pixel can be suppressed. Further, the reference pixel signal output may be sampled and held only for pixels in a specific row among the reference pixels provided in a plurality of rows.

実施の形態3
図6は、実施の形態3に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。本実施の形態では、第1及び第2の定電流化手段として、負荷抵抗23及び24を用いる。その他の点は、実施の形態1と同様である。負荷抵抗23及び24を略同一の抵抗とし、駆動線3とバイアス線19の抵抗を略同一としておけば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
Embodiment 3
FIG. 6 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to the third embodiment. In the present embodiment, load resistors 23 and 24 are used as the first and second constant current means. Other points are the same as in the first embodiment. If the load resistors 23 and 24 are made substantially the same and the resistances of the drive line 3 and the bias line 19 are made substantially the same, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

尚、上記実施の形態1乃至3においては、画素エリア内の一部の感光画素から赤外線吸収構造及び/又は断熱構造を除外して参照画素とする例について説明したが、本件発明はこれに限定されない。例えば、素子温度に応じた信号を出力できる参照信号出力回路が、例えば図2に示すような構成を経てバイアス線の入力に接続していれば、参照信号出力回路自身が画素エリア外にあっても実施の形態1乃至3と同様の効果を得ることができる。   In the first to third embodiments, the example in which the infrared absorption structure and / or the heat insulation structure is excluded from a part of the photosensitive pixels in the pixel area is described as the reference pixel. However, the present invention is not limited thereto. Not. For example, if a reference signal output circuit capable of outputting a signal corresponding to the element temperature is connected to the input of the bias line through a configuration as shown in FIG. 2, for example, the reference signal output circuit itself is outside the pixel area. Also, the same effects as in the first to third embodiments can be obtained.

実施の形態4
図12は、実施の形態1乃至3に係る熱型赤外線固体撮像素子53を用いた赤外線カメラ50の一例を示すブロック図である。シャッタ52が開くと、撮像対象から入射した赤外光線がレンズ51によって赤外線固体撮像素子53の画素エリアに集光され、赤外線固体撮像素子53から画像信号が出力される。出力された画像信号は、増幅回路54で増幅され、A/D変換回路55、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)56及びD/A変換兼増幅回路55を経てモニタ58に出力される。
Embodiment 4
FIG. 12 is a block diagram showing an example of an infrared camera 50 using the thermal infrared solid-state imaging device 53 according to the first to third embodiments. When the shutter 52 is opened, infrared light incident from the imaging target is condensed on the pixel area of the infrared solid-state image sensor 53 by the lens 51, and an image signal is output from the infrared solid-state image sensor 53. The output image signal is amplified by the amplifier circuit 54 and output to the monitor 58 via the A / D conversion circuit 55, the digital signal processor (DSP) 56 and the D / A conversion / amplification circuit 55.

本実施の形態に係る赤外線カメラによれば、実施の形態1乃至3に係る熱型赤外線固体撮像素子53を用いているため、駆動線によるオフセット分布や温度ドリフトが抑制され、環境温度の変化に拘わらず均一な画像を安定して取得することができる。また、撮像素子53内のバイアス電圧が自動調整されるため、素子出力の電圧レベルのバラツキが少なく、増幅回路54やD/A兼増幅回路57におけるクリップ等の不具合が抑制される。   According to the infrared camera according to the present embodiment, since the thermal infrared solid-state imaging device 53 according to the first to third embodiments is used, the offset distribution and temperature drift due to the drive line are suppressed, and the environmental temperature changes. Regardless, a uniform image can be acquired stably. Further, since the bias voltage in the image pickup device 53 is automatically adjusted, there is little variation in the voltage level of the device output, and problems such as clipping in the amplifier circuit 54 and the D / A / amplifier circuit 57 are suppressed.

図1は、本発明の実施の形態1に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、実施の形態1に係る熱型赤外線固体撮像素子の一部を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a part of the thermal infrared solid-state imaging device according to the first embodiment. 図3は、本件発明に用いるバイアス発生回路の一例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a bias generation circuit used in the present invention. 図4は、参照画素出力電圧Vとバイアス線の入力電圧Vの関係を模式的に示すグラフである。4, the relationship between the input voltage V b of the reference pixel output voltage V s and the bias line is a graph schematically showing. 図5は、本発明の実施の形態2に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention. 図6は、本発明の実施の形態3に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention. 図7は、本件発明に用いる差動積分回路の一例を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of the differential integration circuit used in the present invention. 図8(a)及び(b)は、本件発明に用いる低域通過フィルタの例を示す回路図である。FIGS. 8A and 8B are circuit diagrams showing examples of low-pass filters used in the present invention. 図9は、本件発明に用いるサンプルホールド回路の例を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of a sample and hold circuit used in the present invention. 図10は、本件発明に用いるサンプルホールド回路の別の例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing another example of the sample and hold circuit used in the present invention. 図11(a)及び(b)は、本件発明に係る熱型赤外線固体撮像素子の画素構造の例を示す断面図(a)及び斜視図(b)である。FIGS. 11A and 11B are a cross-sectional view (a) and a perspective view (b) showing an example of a pixel structure of a thermal infrared solid-state imaging device according to the present invention. 図12は、実施の形態4に係る赤外線カメラを示すブロック図である。FIG. 12 is a block diagram showing an infrared camera according to the fourth embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 画素、 2 第1群の定電流源(第1群の定電流化手段)、 3 駆動線、 4 垂直駆動回路、 7 差動積分回路、 8 水平駆動回路、 12 参照画素、 13 サンプルホールド回路、 14 バイアス発生回路、 16及び18 低域通過フィルタ、 17 バッファアンプ、 20 第2群の定電流源(第2群の定電流化手段)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 pixel, 2 1st group constant current source (1st group constant current means), 3 drive line, 4 vertical drive circuit, 7 differential integration circuit, 8 horizontal drive circuit, 12 reference pixel, 13 sample hold circuit , 14 Bias generation circuit, 16 and 18 Low-pass filter, 17 Buffer amplifier, 20 Second group constant current source (second group constant current means).

Claims (11)

断熱構造と赤外線吸収構造を有し、少なくとも1個以上直列接続されたダイオードによって感光画素が構成され、前記感光画素が2次元状に配置された画素エリアと、
前記感光画素の一方の極を行毎に共通接続した駆動線と、
前記駆動線を順に選択し電源に接続する垂直走査回路と、
前記感光画素の他方の極を列毎に共通接続すると共に、その各終端に第1郡の定電流化手段が接続された信号線と、
前記画素エリアの列毎に設けられた第2群の定電流化手段を並列接続し、前記駆動線と略同一の電圧降下を生じるバイアス線と、
前記画素エリアの列毎に設けられ、前記第1郡の定電流化手段と前記第2郡の定電流化手段の両端電圧の差を一定時間積分して出力する差動積分回路と、
前記差動積分回路の出力信号を列毎に選択して出力端子に導く水平走査回路とを有する熱型赤外線固体撮像素子であって、
さらに、実質的に素子全体の温度変化に応じて変化する参照信号を出力する参照信号出力回路を有し、
前記バイアス線上の所定位置の電圧と前記参照信号との差分信号を取出し、前記差分信号と基準電圧の差に応じたバイアス電圧を生成し、該バイアス電圧を前記バイアス線に入力することを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。
A pixel area having a heat insulating structure and an infrared absorption structure, wherein at least one or more diodes connected in series constitute a photosensitive pixel, and the photosensitive pixel is two-dimensionally arranged;
A drive line in which one pole of the photosensitive pixel is commonly connected for each row;
A vertical scanning circuit that sequentially selects the drive lines and connects them to a power source;
The other poles of the photosensitive pixels are connected in common to each column, and a signal line having a first group constant current means connected to each end thereof;
A bias line that connects in parallel a second group of constant current means provided for each column of the pixel area, and generates a voltage drop substantially the same as the drive line;
A differential integration circuit that is provided for each column of the pixel area, and that integrates and outputs a difference in voltage between both ends of the first group constant current generating means and the second group constant current generating means;
A thermal infrared solid-state imaging device having a horizontal scanning circuit that selects an output signal of the differential integration circuit for each column and guides it to an output terminal;
Furthermore, it has a reference signal output circuit that outputs a reference signal that changes substantially according to a temperature change of the entire element,
A differential signal between a voltage at a predetermined position on the bias line and the reference signal is extracted, a bias voltage corresponding to a difference between the differential signal and a reference voltage is generated, and the bias voltage is input to the bias line. Thermal infrared solid-state image sensor.
前記参照信号出力回路が、断熱構造と赤外線吸収構造のいずれか一方又は両方を有しない他は前記感光画素と実質同じ構造の参照画素を有することを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。   A thermal infrared solid-state imaging device, wherein the reference signal output circuit has a reference pixel having substantially the same structure as the photosensitive pixel except that either one or both of a heat insulating structure and an infrared absorption structure is not included. 前記画素エリアの一部の感光画素から断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外して参照画素としたことを特徴とする請求項2に記載の熱型赤外線固体撮像素子。   The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 2, wherein a reference pixel is formed by excluding a heat insulating structure and / or an infrared absorbing structure from a part of photosensitive pixels in the pixel area. 断熱構造と赤外線吸収構造を有し、少なくとも1個以上直列接続されたダイオードによって感光画素が構成され、前記感光画素が2次元状に配置された画素エリアと、
前記画素エリアの少なくとも一部の感光画素から、断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外して構成した参照画素と、
前記感光画素及び前記参照画素の一方の極を行毎に共通接続した駆動線と、
前記駆動線を順に選択し電源に接続する垂直走査回路と、
前記感光画素及び前記参照画素の他方の極を列毎に共通接続すると共に、その各終端に第1郡の定電流化手段が接続された信号線と、
前記画素エリアの列毎に設けられた第2群の定電流化手段を並列接続し、前記駆動線と略同一の電圧降下を生じるバイアス線と、
前記画素エリアの列毎に設けられ、前記第1郡の定電流化手段と前記第2郡の定電流化手段の両端電圧の差を一定時間積分して出力する差動積分回路と、
前記差動積分回路の出力信号を列毎に選択して出力端子に導く水平走査回路とを有する熱型赤外線固体撮像素子であって、
さらに、前記差動積分回路の出力信号のうち、前記参照画素に対応する信号である参照画素出力信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路と、
前記参照画素出力信号を基準電圧と比較し、その差に応じたバイアス電圧を生成して前記バイアス線に出力するバイアス発生回路を有し、
前記差動積分回路の減算極性と、前記バイアス発生回路における前記参照画素出力信号−前記基準電圧間の減算極性とが、前記参照画素出力信号の変化が抑制される方向に選択されていること特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。
A pixel area having a heat insulating structure and an infrared absorption structure, wherein at least one or more diodes connected in series constitute a photosensitive pixel, and the photosensitive pixel is two-dimensionally arranged;
A reference pixel configured by excluding a heat insulating structure and / or an infrared absorbing structure from at least a part of the photosensitive pixel of the pixel area;
A drive line in which one pole of the photosensitive pixel and the reference pixel is commonly connected for each row;
A vertical scanning circuit that sequentially selects the drive lines and connects them to a power source;
A signal line in which the other poles of the photosensitive pixel and the reference pixel are connected in common to each column, and a constant current converting means of the first group is connected to each end thereof,
A bias line that connects in parallel a second group of constant current means provided for each column of the pixel area, and generates a voltage drop substantially the same as the drive line;
A differential integration circuit that is provided for each column of the pixel area, and that integrates and outputs a difference in voltage between both ends of the first group constant current generating means and the second group constant current generating means;
A thermal infrared solid-state imaging device having a horizontal scanning circuit that selects an output signal of the differential integration circuit for each column and guides it to an output terminal;
Furthermore, a sample hold circuit that samples and holds a reference pixel output signal that is a signal corresponding to the reference pixel among the output signals of the differential integration circuit;
A bias generation circuit that compares the reference pixel output signal with a reference voltage, generates a bias voltage according to the difference, and outputs the bias voltage to the bias line;
The subtraction polarity of the differential integration circuit and the subtraction polarity between the reference pixel output signal and the reference voltage in the bias generation circuit are selected in a direction in which a change in the reference pixel output signal is suppressed. A thermal infrared solid-state imaging device.
前記差動積分回路から前記出力端子までの回路利得と、前記サンプルホールド回路から前記バイアス線までの回路利得との積が10以上であることを特徴とする請求項4に記載の熱型赤外線固体撮像素子。   5. The thermal infrared solid according to claim 4, wherein a product of a circuit gain from the differential integration circuit to the output terminal and a circuit gain from the sample hold circuit to the bias line is 10 or more. Image sensor. 前記差動積分回路から出力端子までの利得と、前記サンプルホールド回路からバイアス線までの回路利得の各々が、10以上であることを特徴とする請求項4に記載の熱型赤外線固体撮像素子。   5. The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 4, wherein each of a gain from the differential integration circuit to the output terminal and a circuit gain from the sample hold circuit to the bias line is 10 or more. 前記参照画素が複数あり、それら参照画素の出力を平均化してサンプルホールドすることを特徴とする請求項4乃至7に記載の熱型赤外線固体撮像素子。   8. The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 4, wherein there are a plurality of the reference pixels, and the outputs of the reference pixels are averaged and sampled and held. 前記差動積分回路は、差動電圧電流変換アンプと該差動電圧電流変換アンプの出力端子に接続されて周期的にリセットされる容量を備え、前記差動電圧電流変換アンプによって入力信号の差を電流に変換し、その電流を前記容量において積分することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の熱型赤外線固体撮像素子。   The differential integration circuit includes a differential voltage-current conversion amplifier and a capacitor connected to an output terminal of the differential voltage-current conversion amplifier and periodically reset, and the differential voltage-current conversion amplifier provides a difference between input signals. The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein the current is converted into a current, and the current is integrated in the capacitor. 前記参照画素が、前記画素エリアにおいて垂直又は水平方向の少なくとも1辺に形成されたことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の熱型赤外線固体撮像素子。   9. The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein the reference pixel is formed on at least one side in a vertical or horizontal direction in the pixel area. 前記バイアス電圧が、低域通過フィルタ及び/又はバッファ回路を通じて前記バイアス線に入力されることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の熱型赤外線固体撮像素子。   The thermal infrared solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 9, wherein the bias voltage is input to the bias line through a low-pass filter and / or a buffer circuit. 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の熱型赤外線固体撮像素子と、
前記熱型赤外線固体撮像素子に赤外線像を結像させる光学系と、
前記熱型赤外線固体撮像素子から出力された画像信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された画像信号をモニタに出力する出力端子と、
を備えた赤外線カメラ。
The thermal infrared solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 10,
An optical system for forming an infrared image on the thermal infrared solid-state imaging device;
An amplification circuit for amplifying an image signal output from the thermal infrared solid-state imaging device;
An output terminal for outputting an image signal amplified by the amplifier circuit to a monitor;
With infrared camera.
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