JP2004336099A

JP2004336099A - Thermal type infrared solid-state imaging apparatus

Info

Publication number: JP2004336099A
Application number: JP2003124796A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Ueno; 雅史上野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2004-11-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal type infrared solid-state imaging device which realizes a high amplification factor in an integral circuit by eliminating an offset distribution of each pixel before integral calculus and suppresses an increase in the sensitivity dispersion of the pixels. <P>SOLUTION: In the thermal type infrared solid-state imaging device provided with: a pixel area wherein pixel sensors 2 whose current - voltage characteristic varies with temperature are two-dimensionally laid out; drive lines 3 for interconnecting the pixel sensors 2 for each row in common; a vertical scanning circuit 14 for sequentially selecting the drive lines 3 and connected to a pixel power supply; signal lines 6 for interconnecting the pixel sensors 2 in common for each column and each provided with a current source 4 at its end; and integral circuits 7 each integrating a voltage across the current source 4 and providing an output of the result as a pixel signal, each pixel sensor 2 employs a series connection of at least one diode and a different current of the current source 4 is supplied to each pixel sensor to differentiate a voltage drop due to a DC resistance component of each pixel sensor from each pixel sensor 2 thereby correcting dispersion in the pixel signals among the pixels. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射赤外線による温度変化を２次元配列された熱型赤外線センサで検出する熱型赤外線固体撮像装置に関し、詳細には、各熱型赤外線センサの出力ばらつきによる固定パターンノイズを除去する回路を備えた熱型赤外線固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱型赤外線カメラは、人間の視覚を刺激しない物を見ることができ、また対象物の温度を遠方から非接触で瞬時に測定できるという特徴を備えており、製造ラインの計測・制御や医療・診断装置、人の検知装置など幅広い産業分野において多種多様な形で使用されている。一般的な熱型赤外線カメラは、赤外線フォーカルプレーンアレイに撮像光学系と信号処理回路を組み合わせて構成されている。赤外線フォーカルプレーン内には、入射した赤外線による温度変化を電気信号に変換する熱型赤外線センサが２次元マトリックス状に配列されており、個々の熱型赤外線センサの電気信号を周辺回路によって順次読出すことにより、赤外線画像に対応した信号が出力される。
【０００３】
２次元配列された個々の熱型赤外線センサ内には、温度に応じて電気特性が変化する温度センサが形成されている。温度センサは、高い熱抵抗を持つ薄膜支持脚によって基板の上方にブリッジ状に持ち上げられており、薄膜支持脚中にある配線によってブリッジ下方の基板に形成された信号読出し回路と電気的に結合されている。温度センサとしては、温度に応じて抵抗値が変わる抵抗体（＝ボロメータ膜）か、ダイオードやトランジスタ等の半導体素子が多く用いられる。
【０００４】
赤外線フォーカルプレーンアレイでは、例えば、次のようにして各画素から信号が読出される（非特許文献１、Ｆｉｇ．７及びＦｉｇ．９参照）。２次元配列された各画素は、垂直走査回路によって行ごとに選択され、選択された行の画素は順方向にバイアスされる。各画素の電流値は各列ごとに配置された電流源によって決められている。赤外線の入射量に応じて各画素の電圧が変化するため、垂直信号線の電圧が変化し、これが信号電圧になる。信号電圧はＭＯＳトランジスタによって電流に変換され、その電流によって容量（キャパシタ）が充放電される。この積分回路により、信号電圧が積分されると同時に増幅される。増幅された信号電圧は、サンプルホールド回路によって一水平期間保持され、その間に水平走査回路によってプリアンプを介して順次読出される。
【０００５】
しかしながら、２次元配列された各画素の電流−電圧特性（例えば、ダイオード型では順方向電圧、ボロメータ型では抵抗）が各画素でばらつくため、画素からの出力信号電圧は一定にならない。この画素ごとの出力ばらつき（以下、「オフセット分布」）は、赤外線の入射によって発生する信号電圧と比べても比較的大きいため、撮像した画像に固定パターンノイズ（以下、「ＦＰＮ」）が生じる。
【０００６】
そこで、赤外線フォーカルプレーンアレイを利用した赤外線カメラでは、オフセット分布により発生するＦＰＮを除去するために、光学系のシャッター等を使って画素アレイ全体に均一光を入射し、その状態でフォーカルプレーンから取り出したＦＰＮデータを記憶装置に保存する。そして、赤外線カメラ内に設けた信号処理回路中で画像信号からＦＰＮの減算を行ってからビデオ信号を形成している。
【０００７】
また、特許文献１に開示された赤外線カメラでは、ボロメータ膜を熱型赤外線センサとしても用いた赤外線フォーカルプレーンアレイにおいて、赤外線フォーカルプレーンアレイの出力電圧から画素を構成するボロメータの抵抗ばらつきを算出し、さらに各画素に流れる電流が一定電流になるように積分回路の制御電圧を算出してフィードバックする手法が示されている。
【０００８】
【非特許文献１】Ｔ．Ｉｓｈｉｋａｗａ，Ｍ．Ｕｅｎｏ，Ｋ．Ｅｎｄｏ，Ｙ．Ｎａｋａｋｉ，「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」，ＰａｒｏｆｔｈｅＳＰＩＥＣｏｎｆｅｅｒｎｃｅｏｎＩｎｆｒａｒｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＸＸＶ，ＳＰＩＥＶｏｌ．３６９８，１９９０年４月，ｐｐ．５５６−５６４
【特許文献１】特許第３２１２８７４号公報
【０００９】
【解決しようとする課題】
熱型赤外線フォーカルプレーンアレイでは、信号が非常に微弱であるため、画像のＳ／Ｎ比を向上するためにはノイズを減らすことが重要である。赤外線カメラでは、各熱型赤外線センサ（＝画素）の持つノイズ以外にも、赤外線フォーカルプレーン内の信号読出回路で発生するものや、赤外線カメラ内の信号処理回路で発生するものがある。画像信号のＳ／Ｎ比を向上するためには、信号読出回路と信号処理回路を合わせた回路系統の上流で信号増幅することが望ましい。回路上流で画像信号の強度を高めておけば、それよりも下流で発生するノイズの寄与を小さくすることができる。
【００１０】
しかしながら、回路上流、特に信号読出回路中の積分回路で高い増幅を行おうとした場合、画像信号には各画素の特性ばらつきによるオフセット分布が含まれているため、オフセット分布も同時に増幅することになる。このため、オフセット分布が大きい場合には、カメラの信号処理回路にあるＡ／Ｄ変換器の制限電圧を越える等の問題が起こり、増幅率を十分に上げることができない。
【００１１】
赤外線フォーカルプレーンアレイの持つオフセット分布は、温度センサ部を形成する際のプロセスパラメータばらつきや各部配線抵抗の画素間ばらつきに依存する。例えば、非特許文献１に示された赤外線フォーカルプレーンアレイの例では温度センサであるダイオードの順方向電圧ばらつきは、電流値が１０μＡの時に標準偏差で９ｍＶである。従って、赤外線フォーカルプレーンアレイ内のばらつきとして±標準偏差の範囲を考えると、１８ｍＶｐ−ｐになる。この値はそのまま積分回路で増幅されるので、積分回路自身あるいは素子の出力につながれるカメラの信号処理回路の許容範囲を考慮すると、積分回路の増幅率は１０〜２０倍程度以下にする必要があった。この程度の増幅率では、ダイオード雑音以外の回路起因成分の影響が大きいため、十分なＳ／Ｎ比を得ることが難しい。
【００１２】
一方、特許文献１に示された信号読出し方法であれば、積分回路の制御電圧にフィードバックをかけてオフセット分布を除去するため、積分回路の増幅率をある程度高くすることが可能である。しかしながら、特許文献１に示された信号読出し方法では、下記に述べる理由から、オフセット分布を除去しようとすると、熱型赤外線センサの感度ばらつきが増加し易く、画像の面内分布（ムラ）を十分に除去することができない。
【００１３】
即ち、特許文献１では、均一の赤外入力条件下でボロメータの抵抗ばらつきを補正するＦＰＮ補正信号を作成した後、このＦＰＮ補正信号をボロメータに流れる電流を制御する電圧へフィードバックする。これによって、ボロメータ型赤外線センサの各画素の抵抗値ばらつきに依存せずに一定電流が流れるようにし、ＦＰＮと感度ばらつきを補正する（特許文献１、段落［００３８］〜［００３９］）。ところが、現実の素子では、各々の画素の抵抗成分には、ボロメータによる抵抗成分以外に配線抵抗等による寄生抵抗が含まれている。この寄生抵抗は一般に数ｋΩあり、ボロメータ膜の抵抗値に比べても無視できない程度の大きさを有するが、ボロメータ膜と異なり抵抗温度係数が極めて小さい。また、寄生抵抗自身は、ボロメータ膜とは異なるばらつきを有している。このため、均一の赤外入力条件下で作成したＦＰＮ補正信号では、寄生抵抗を含めた画素全体を流れる電流を一定にするフィードバックとなるため、ボロメータ膜の感度ばらつきが却って増加し易い。
【００１４】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、各画素のオフセット分布によるＦＰＮを積分前に除去することによって、積分回路での高い増幅率を可能にすると共に、画素の感度ばらつきの増加を抑制可能な熱型赤外線固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の熱型赤外線固体撮像装置は、断熱構造と赤外線吸収構造を有し、温度によって電流−電圧特性が変化する画素センサが２次元状に配置された画素エリアと、前記画素センサの陽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画素用電源に接続する垂直走査回路と、前記画素センサの陰極を列毎に共通接続し、その終端に電流源を備えた信号線と、前記電流源の両端電圧を積分し画素信号として出力する積分回路とを備えた熱型赤外線固体撮像装置において、少なくとも１個以上が直列接続されたダイオードを前記画素センサに用い、前記電流源の電流値を画素センサ毎に変えることにより、各画素センサの有する直流抵抗成分による電圧降下量を画素センサ毎に異ならせ、前記画素信号の画素間ばらつきを補正することを特徴とする。
【００１６】
尚、本件明細書において、熱型赤外線固体撮像装置とは、熱型赤外線カメラの構成要素であって、少なくとも各請求項記載の構成要件を備えるものを指す。従って、本件明細書における熱型赤外線固体撮像装置には、赤外線フォーカルプレーンアレイの他、赤外線フォーカルプレーンアレイに外部回路等を加えて一体化したものや、赤外線フォーカルプレーンと外部回路等が別体となったモジュールも含まれる。また、画素センサの直流抵抗成分とは、電流源によって各画素センサを駆動する際の負荷となる抵抗成分であって、配線抵抗等、本来のダイオード特性以外の要因によって発生する直流抵抗成分を指し、各画素の寄生抵抗の他、各画素センサを駆動する電源から電流源までの電流経路内にある抵抗成分も含まれる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
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装置を備えた赤外線カメラを示すブロック図である。本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像装置では、断熱構造と赤外線吸収構造を有し、温度によって電流−電圧特性が変化する画素センサ２が２次元状に配列されており、レンズ２１とシャッタ２２を介して撮像対象から放射された赤外線が入射するようになっている。
【００１８】
各画素センサ２は電流源４によって定電流駆動されており、電流源４の両端電圧が、積分回路７によって積分、増幅された後、画像信号として出力される。出力された画像信号は、プリアンプ２４、Ａ／Ｄコンバータ２５、デジタル化された信号で各種加工を行うためのデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）２６、Ｄ／Ａコンバータやアンプ２７を通じて、モニタ２８に出力される。尚、図１では、図面の簡単のためにセンサアレイ中の１つの画素センサ２のみを示している。
【００１９】
画素センサ２は、直列接続されたダイオードを有しており、赤外線が入射すると、その吸収によって生じた熱がダイオードに伝わる。ダイオードの電流−電圧特性は温度によって変化するため、ダイオードを電流源４によって定電流駆動し、電流源４の両端電圧を積分回路７で積分することにより、各画素の赤外線吸収量に応じた画素信号を得ることができる。
【００２０】
電流源４の両端電圧（＝積分回路７に入力される電圧）Ｖｉｎは、電源電圧をＶＤＤ［Ｖ］、ダイオードの順方向電圧をＶｆ［Ｖ］、ダイオードの連結個数をｎ（ｎは自然数）、画素センサの直流抵抗成分をＲａ［Ω］、電流源４によって流す電流値をＩｆ［Ａ］とすると、次式で表される。尚、本実施の形態では、画素センサの直流抵抗成分Ｒａとして画素センサの寄生抵抗を用いている。画素センサの寄生抵抗とは、配線等の画素センサに必須の構成要素によって生じた直流抵抗成分を指す。
【数１】

ここで、ダイオードの順方向電圧Ｖｆと画素センサの直流抵抗成分Ｒａは、製造プロセスによる画素間ばらつきを有するため、全ての画素で同じ電流Ｉｆを流しても、画素センサ２ごとの出力電圧Ｖｉｎがばらつき（＝オフセット分布）、ＦＰＮが発生する。
【００２１】
本実施の形態では、電流源４の電流値Ｉｆを画素センサ２ごとに変えることにより、各画素センサ２の有する直流抵抗成分Ｒａによる電圧降下量を制御し、この電圧降下量Ｉｆ・ＲａによってＶｉｎの画素間ばらつきを補正する。積分回路７に入る前に画素のオフセット分布を除去できるため、積分回路の増幅率を高めても回路下流にあるＡ／Ｄ変換回路等の許容範囲を越えることがない。例えば、本実施の形態によれば、積分回路７の増幅率を３０倍以上、より好ましくは５０倍以上に設定することが可能である。このように、画素センサ２の出力信号が流れる回路系統のほぼ最上流にある積分回路７内で高い増幅を行えば、より回路下流にある信号読出回路や信号処理回路で発生する雑音の寄与を小さくすることができ、画像信号のＳ／Ｎ比を顕著に向上することができる。
【００２２】
また、この手法によれば、画素センサ２の感度に寄与するダイオードの電流−電圧特性の温度依存性が電流Ｉｆによって殆ど変化しないため、感度ばらつきの増加を抑制しながら、画素のオフセット分布のみを除去することができる。即ち、本実施の形態では、寄生抵抗Ｒａによる電圧降下を利用して、電流Ｉｆによるオフセット分布の補正を行うが、寄生抵抗Ｒａは抵抗温度係数が極めて小さいため、画素センサの感度に殆ど寄与しない。一方、画素センサの感度を決めるダイオードの電流−電圧特性の温度依存性は、電流Ｉｆによって殆ど変化しないため、感度ばらつきの悪化を抑制して、オフセット分布のみを除去することができる。
【００２３】
例えば、ダイオード１個の順方向電圧Ｖｆ［Ｖ］は、順方向電流をＩｆ［Ａ］、ボルツマン定数をｋ、素電荷をｑ、逆方向飽和電流をＩｓとすると次の（２）式で表される。
【数２】

また、ダイオードの順方向電圧Ｖｆの温度依存性は、ダイオードを構成する半導体（例えばシリコン）のバンドギャップをＥｇとすると、次の（３）式で表される。
【数３】

【００２４】
上記（３）式に示されるように、画素センサの感度を決めるダイオードの順方向電圧の温度依存性はＶｆに依存し、上記（２）式に示されるように、Ｖｆは順方向電流Ｉｆに依存する。しかしながら、一般に、熱型赤外線センサに用いるダイオードの順方向電流Ｉｆは逆方向飽和電流Ｉｓに比べて桁違いに大きい為、Ｖｆは電流Ｉｆに対してほとんど変化しない。従って、上記（３）式で示されるダイオード順方向電圧の温度依存性ｄＶｆ／ｄＴのＩｆによる変化量は無視できる程度に小さくなり、画素センサの感度ばらつきはＩｆの変化によって殆ど影響されない。
【００２５】
これに対し、（１）式に示すように、積分回路７に入力される電圧ＶｉｎはＩｆに対して直線的に変化するので、ダイオードを用いた熱型赤外線センサのオフセット分布を電流Ｉｆの制御によって良好に補正することができる。このように、本実施の形態によれば、感度ばらつきの増加を抑制しながら、画素のオフセット分布のみを除去することができる。
【００２６】
図１を参照しながら、電流源４の電流値Ｉｆを画素センサ２ごとに変える具体的な手法について説明する。まず、画素間のオフセット分布を補正するために各画素に流すべき電流値Ｉｆのデータ（以下、「補正データ」）を取得する。補正データを取得する場合には、シャッタ２１を閉じた状態にして、画素センサ２に入力する赤外線量を画素間で均一にする。シャッタを閉じて均一光を入射させながら出力信号を測定すれば、簡易かつ正確にオフセット分布に関する情報を得ることができる。まず、全ての画素センサ２について設計標準値の順方向電流Ｉｆが流れるように電流源４を制御する。この状態で積分回路７に入力される信号Ｖｉｎには、（１）式に示すように、ダイオードの順方向電圧Ｖｆのばらつきと寄生抵抗による電圧降下量Ｉｆ・Ｒａのばらつきが含まれている。
【００２７】
信号Ｖｉｎを積分回路７で積分、増幅した後、さらにプリアンプ２４で増幅し、Ａ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換して、シャッタ２２が閉まると同期してオンになるスイッチ２９を介して、補正データ演算回路３０に入力する。補正データ演算回路３０には、各画素間で異なっている出力信号Ｖｉｎが一定となるようなＩｆを導出するためのアルゴリズムを持ったプログラムを入力しておく。
【００２８】
例えば、シャッタを閉じた状態における信号Ｖｉｎについて、ある電圧幅を持った基準値を設定しておき、各画素のＩｆを個別に変化させながらＶｉｎを評価するルーチンを行い、各画素の信号Ｖｉｎが基準値内に入るまでルーチンを繰り返す。即ち、ｎ回目のルーチンにおいて、ある画素のＶｉｎが基準値よりも小さい場合には、その画素のＩｆを小さくし、逆に基準値よりも大きい場合には、Ｉｆを大きくし、全ての画素のＶｉｎが基準値内になるまでルーチンを繰り返す。１回のルーチンで変化させるＩｆのステップ幅は、画素の寄生抵抗Ｒａの標準値に基づいて決めれば良い。尚、画素のオフセット分布による影響が小さい場合には、このようなアルゴリズムに代えて、Ｖｉｎの基準値からのずれ量とＲａの標準値とから、上記（１）式に基づいて簡易に各画素のＩｆを演算しても良い。
【００２９】
こうして得られた各画素のＩｆに関する情報は、補正データとしてフレームメモリ３１に保存しておく。１画面分の補正データをフレームメモリ３１に蓄積しておくことによって、撮像動作中の補正データの読込みが容易になる。尚、図２に示すように、電流源４として飽和領域のＭＯＳトランジスタ４を使用する場合には、ＭＯＳトランジスタのゲート電圧ＶＧを補正データとすることができる。ＭＯＳトランジスタを電流源とすれば、電流値を簡易かつ精度良く制御することができる。ＭＯＳトランジスタのゲート電圧の基準値からの変化量ΔＶＧは、ＭＯＳトランジスタの相互コンダクタンスをｇｍ、Ｉｆの基準値からの変化量をΔＩｆとすると次の（４）式によって算出される。
【数４】

【００３０】
次に、取得された補正データを読込みながら一般の撮像を行う。即ち、一般の撮像時において、フレームメモリ３１に保存された補正データは、Ｄ／Ａコンバータ３２によってアナログ信号に変換された後、赤外線フォーカルプレーンアレイ１内の補正データ読込み回路３３によって、画素１行分ごとに補正データメモリ３４に読込まれる。補正データメモリ３４に読込まれた画素１行分の補正データは、スイッチ（図示せず）を介して各列の電流源４に入力され、オフセット分布の補正が行われる。
【００３１】
補正データ読込み回路及び補正データメモリを備えた赤外線フォーカルプレーンの具体的構成と動作について、図２及び図３を参照しながら説明する。
図２は、補正データ読込み回路と補正データメモリを備えた赤外線フォーカルプレーンアレイの一例を示す回路図である。図２に示すように、赤外線フォーカルプレーン１内において、画素センサを構成するダイオード２は、２次元状に配列されてセンサアレイを構成している。ダイオード２の各行ごとに駆動線３が共通して接続されており、各列ごとに信号線６が共通して接続されている。
【００３２】
ダイオード２が接続した各信号線６の終端には飽和領域で駆動されるＭＯＳトランジスタ４が電流源として接続されており、各ダイオード２が一定電流で駆動されるようになっている。また、信号線６には、電流源４とダイオード２の間に、ダイオード２の信号を積分・増幅、サンプルホールドするための積分回路７が接続されている。また、外部端子４１から入力された補正データを画素１行分保存するための補正データメモリとして、各信号線６ごとにメモリ３４が設けられている。メモリ３４には、補正データを順次読込むためにスイッチ９が接続されている。スイッチ９は水平走査回路１８と共に補正信号読込み回路を構成する。
【００３３】
次に図２に示す赤外線フォーカルプレーンアレイの動作について説明する。まず、垂直走査回路１４とスイッチ５によって、各行の駆動線３が順次画素用電源４６に接続される。電源４６に接続されたダイオード２は、電流源であるＭＯＳトランジスタ４によって定電流駆動される。一定電流下でのダイオード２の順方向電圧は温度と共に変化するため、ＭＯＳトランジスタ４の両端電圧が赤外線の入射量に応じて変化することになる。ＭＯＳトランジスタ４の両端電圧、即ち電流源４とダイオード２の間の信号線６の電位は、積分回路７によって、積分、増幅、サンプルホールドされ、水平走査回路１８とスイッチ８を使って順次外部出力端子４０に出力される。
【００３４】
また、水平走査回路１８は、スイッチ８と同じタイミングでスイッチ９をオンにし、外部入力端子４１から入力された補正信号中の１画素分のデータをメモリ３４に読込む。メモリ３４に読込まれた１行分の補正データは、スイッチ１０を介して電流源であるＭＯＳトランジスタ４のゲートに入力される。ＭＯＳトランジスタのゲートにはメモリとして容量３６が接続されており、入力された補正データを保持する。こうして電流源であるＭＯＳトランジスタ４は、各ダイオード２を駆動する際に、そのダイオード２の補正データに応じた電流を流すことができる。
【００３５】
ダイオード２の出力信号と補正信号の読込みタイミングは、例えば、図３のようになる。まず、（Ｎ−１）行目（Ｎは自然数）の画素行が選択されたとする。このとき次の行であるＮ行目の画素行に対応する補正データを、スイッチ９を介してメモリ３４に読み込む。（Ｎ−１）行目の画素行の選択に続く水平帰線期間にスイッチ１０がバイアス入力４５によって同時に開き、Ｎ行目の補正データが容量３６に同時に移される。
【００３６】
次のＮ行目の画素行を選択した時には、先に読み込まれ、容量３６に保持されたＮ行目の補正データに基づいてＭＯＳトランジスタ４が画素を定電流駆動し、その出力が積分回路７で積分、増幅される。そして、Ｎ行目の画素行の選択に続く水平帰線期間において、積分、増幅された信号は画素１行分が同時にサンプルホールドされ、次の（Ｎ＋１）行目の選択時に水平走査回路１８によって外部に読み出される。このように、補正データを画素１行分だけ一時保持する補正データメモリを形成し、Ｎ行目（Ｎは自然数）の画素を選択している間に（Ｎ＋１）行目の補正データを補正データメモリに読込むことによって、比較的簡易な回路構成で画素ごとの補正データを読込むことが可能となる。
【００３７】
以下、本実施の形態における赤外線フォーカルプレーンアレイの各構成について詳細に説明する。
［画素２］
個々の画素センサ２は、例えば、図４（ａ）及び（ｂ）に示す構造を有する。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。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る断熱構造を形成している。ダイオード９０２は、ノイズを低減するためにＳＯＩ基板のＳＯＩ層（単結晶シリコン層）に形成することが好ましい。ＳＯＩ層にダイオード９０２を形成した場合、ＳＯＩ層の下の埋め込み酸化膜は中空構造を支持する構造体の一部とすることができる。また、図に示すように、ダイオード９０２に熱的に接触している赤外線吸収構造１１０６が支持脚１１０１の上方に張り出した構造とすることにより、図の上方から入射する赤外線を効率良く吸収できる。
【００３８】
画素センサ２に赤外線が入射すると、赤外線吸収構造１１０６を含めた画素センサ２全体によって吸収され、その吸収によって生じた熱がダイオード９０２に伝わる。ダイオード９０２の電流−電圧特性は温度によって変化するため、ダイオード９０２を定電流駆動して両端電圧をモニタすることにより、赤外線吸収量に応じた出力を得ることができる。
【００３９】
ダイオード９０２は、単一のダイオードでも良いし、図５に示すように複数のダイオード１１０１を配線１１０２で直列に連結したものでも良い。複数のダイオードを連結することにより、抵抗温度係数を高めて赤外線に対する感度を向上することができる。また、個々のダイオードは、電流−電圧特性が目的に応じた温度依存性を持つダイオードであれば特に限定されず、ｐｎ接合ダイオードやショットキ接合ダイオード等を用いることができる。複数種類のダイオード、例えば、ｐｎ接合ダイオードとショットキ接合ダイオードを組み合わせて連結しても良い。また、本実施の形態では、ダイオードの順方向電圧の変化を検出する場合について説明したが、逆方向電圧の変化を検出しても良い。
【００４０】
［積分回路７］
積分回路７は、例えば、図６に示す回路とすることができる。ＭＯＳトランジスタ５２は、積分トランジスタでゲートが入力端子になる。バイアス線５３からは、トランジスタ５２の動作点をきめるバイアス電圧が与えられる。トランジスタ５２は、トランジスタ５５よって周期的にリセットされる積分容量４４との組み合わせによって、いわゆるゲート変調積分回路を構成しており、入力された信号を積分、増幅する作用を持つ。積分された後の出力はサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路５６でサンプリングされ、バッファアンプ５７を介して出力される。サンプルホールド回路５６は、リセットトランジスタ５９が接続された保持容量６０と、信号読出し用のスイッチ５８から構成されている。スイッチ５８は、水平走査回路によって駆動される。
【００４１】
本件発明によれば、積分回路７に入る前に画素のオフセット分布を除去できるため、積分回路の増幅率を高めても回路下流にあるＡ／Ｄ変換回路等の許容範囲を越えることがない。例えば、本実施の形態によれば、積分回路７の増幅率を３０倍以上、より好ましくは５０倍以上に設定することが可能である。尚、補正データを取得する場合には、オフセット分布を含んだ画素信号が出力される。そこで、画素出力の電圧分布がＡ／Ｄ変換回路等の許容量を越えないように、補正データ取得時の積分回路７の増幅率を一般の撮像時よりも小さくしてもよい。
【００４２】
積分回路７の増幅率は、積分容量５４の容量値に逆比例し、積分トランジスタ５２の電圧−電流変換効率と充放電時間の積に比例する。ここで積分トランジスタ５２の電圧−電流変換効率は、バイアス線５３の電位に依存する。従って、補正信号取得時に、バイアス線５３の電位を制御することによって、補正信号取得時の増幅率を一般の撮像時よりも下げることができる。
【００４３】
［補正データメモリ３４］
補正データを保存するための補正データメモリ３４は、画素１行分の補正データを蓄積できるものであれば良い。例えば、画素の列毎に容量を形成して、補正データメモリとしても良い。より望ましくは、図７に示すように、容量４８にバッファアンプ４９を組み合わせた回路を画素の列毎に設ける。バッファアンプ４９を設けることにより、補正データを電流源４のゲートに接続した容量３６に移す場合に電荷分配による電圧変化が起きることを防止できる。
【００４４】
実施の形態２．
実施の形態１では、各画素センサの直流抵抗成分Ｒａとして寄生抵抗を利用し、画素毎に電流Ｉｆを変化させることで、各画素の電圧降下分Ｉｆ・Ｒａを変化させ、画素センサのオフセット分布を補正した。しかしながら、上記（１）式からわかるように、画素センサ２の寄生抵抗が小さい場合や、補正すべき画素センサ２のオフセット分布が大きな場合には、補正に必要な電流Ｉｆの変化量が大きくなる。電流Ｉｆの画素ごとの変化量があまり大きくなりすぎると、画素センサの感度ばらつきの変化も無視できなくなる。
【００４５】
そこで本実施の形態では、オフセット分布を補正するための直流抵抗成分Ｒａとして、各画素センサの寄生抵抗に加えて、各画素センサと電流源の間に挿入した抵抗素子を用いる。即ち、図６に示すように、画素センサ２と電流源４の間に抵抗素子１１を挿入し、抵抗素子１１と電流源４の間の電位を積分回路７に入力する。このような抵抗素子１１を挿入することによって、画素センサ２の寄生抵抗だけを直流抵抗性成分として利用する場合に比べて、より小さな電流Ｉｆの変化量によってオフセット分布を補正することが可能となる。
【００４６】
抵抗素子１１は、その抵抗温度係数の大きさが画素センサの感度に実施的に影響しない程度に小さなものを用いることが好ましい。また、抵抗素子１１の抵抗値は、オフセット分布の補正に必要な電流Ｉｆの変化量が±１０％以下、好ましくは±５％以下となるように設定することが望ましい。例えば、電流源の平均電流値が１０μＡであり、画素センサの出力電圧のばらつきが１８ｍＶｐ−ｐであった場合、抵抗素子１１の抵抗値を１８ｋΩ以上にすれば、オフセット分布に必要な電流Ｉｆの変化量を±１０％以下にすることが可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
本件発明によれば、各画素の電流を制御することによってオフセット分布を積分前に補正するため、積分回路の増幅率を高めて、回路下流にある信号読出回路や信号処理回路で発生する雑音の寄与を小さくすることができる。また、電流による感度変化の少ないダイオードを画素に用い、画素の直流抵抗成分によってオフセット分布を補正するため、感度ばらつきの増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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備えた熱型赤外線カメラを示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における赤外線フォーカルプレーンアレイを示す回路図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る赤外線フォーカルプレーンアレイの動作状態を示すタイミングチャートである。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、熱型赤外線センサの構造を示す断面図及び斜視図である。
【図５】図５は、ダイオード構造の一例を示す斜視図である。
【図６】図６は、赤外線フォーカルプレーンアレイの信号読出しに用いる積分回路の一例を示す回路図である。
【図７】図７は、補正データメモリの一例を示す回路図である。
【図８】図８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の一部を示すブロック図である。
【符号の説明】
１赤外線フォーカルプレーンアレイ、２熱型赤外線センサ（画素センサ）、４電流源、７積分回路、２２シャッタ、３０補正データ演算回路、３１フレームメモリ、３３補正データ読込み回路、３４補正データメモリ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermal infrared solid-state imaging device that detects a temperature change due to incident infrared rays with a two-dimensionally arranged thermal infrared sensor, and more specifically, a circuit that removes fixed pattern noise due to output variation of each thermal infrared sensor. The present invention relates to a thermal infrared solid-state imaging device provided with:
[0002]
[Prior art]
Thermal infrared cameras are capable of seeing objects that do not stimulate human vision and are capable of instantaneously measuring the temperature of an object from a distance without contact. It is used in a wide variety of forms in a wide range of industrial fields, such as diagnostic devices and human detection devices. A typical thermal infrared camera is configured by combining an infrared focal plane array with an imaging optical system and a signal processing circuit. In the infrared focal plane, thermal infrared sensors for converting a temperature change due to incident infrared rays into electric signals are arranged in a two-dimensional matrix, and the electric signals of the individual thermal infrared sensors are sequentially read out by a peripheral circuit. As a result, a signal corresponding to the infrared image is output.
[0003]
In each of the two-dimensionally arranged thermal infrared sensors, a temperature sensor whose electrical characteristics change according to the temperature is formed. The temperature sensor is lifted in a bridge shape above the substrate by a thin film supporting leg having a high thermal resistance, and is electrically coupled to a signal readout circuit formed on the substrate below the bridge by wiring in the thin film supporting leg. ing. As the temperature sensor, a resistor (= bolometer film) whose resistance changes according to the temperature, or a semiconductor element such as a diode or a transistor is often used.
[0004]
In the infrared focal plane array, for example, a signal is read from each pixel as follows (see Non-Patent Document 1, FIGS. 7 and 9). Each pixel in the two-dimensional array is selected for each row by a vertical scanning circuit, and the pixels in the selected row are biased in the forward direction. The current value of each pixel is determined by a current source arranged for each column. Since the voltage of each pixel changes according to the amount of incident infrared light, the voltage of the vertical signal line changes, and this becomes the signal voltage. The signal voltage is converted into a current by the MOS transistor, and the current charges and discharges a capacitor (capacitor). The signal voltage is integrated and amplified at the same time by the integration circuit. The amplified signal voltage is held for one horizontal period by a sample-and-hold circuit, during which time it is sequentially read out by a horizontal scanning circuit via a preamplifier.
[0005]
However, current-voltage characteristics (for example, forward voltage in a diode type and resistance in a bolometer type) of each pixel arranged in a two-dimensional array vary from pixel to pixel, so that the output signal voltage from the pixel is not constant. Since the output variation for each pixel (hereinafter, “offset distribution”) is relatively large compared to the signal voltage generated by the incidence of infrared rays, fixed pattern noise (hereinafter, “FPN”) occurs in a captured image.
[0006]
Therefore, in an infrared camera using an infrared focal plane array, in order to remove FPN generated by offset distribution, uniform light is incident on the entire pixel array using an optical shutter or the like, and is taken out of the focal plane in that state. The saved FPN data is stored in the storage device. Then, a video signal is formed after the FPN is subtracted from the image signal in a signal processing circuit provided in the infrared camera.
[0007]
Further, in the infrared camera disclosed in Patent Document 1, in an infrared focal plane array using a bolometer film also as a thermal infrared sensor, a resistance variation of a bolometer forming a pixel is calculated from an output voltage of the infrared focal plane array, Further, there is disclosed a method of calculating and feeding back a control voltage of an integrating circuit so that a current flowing through each pixel becomes a constant current.
[0008]
[Non-Patent Document 1] Ishikawa, M .; Ueno, K .; Endo, Y .; Nakaki, “Low Cost 320 × 240 Uncooled IRFPA Using Conventional Silicon IC Process”, Par of the SPIE Conference on Infrared Technology and Applications XXV, SPIE Vol. 3698, April 1990, pp. 139-143. 556-564
[Patent Document 1] Japanese Patent No. 321874
[0009]
[Problem to be solved]
In the thermal infrared focal plane array, since the signal is very weak, it is important to reduce noise in order to improve the S / N ratio of an image. In the infrared camera, in addition to the noise of each thermal infrared sensor (= pixel), there are those generated by a signal reading circuit in the infrared focal plane and those generated by a signal processing circuit in the infrared camera. In order to improve the S / N ratio of the image signal, it is desirable to amplify the signal upstream of the circuit system including the signal readout circuit and the signal processing circuit. If the intensity of the image signal is increased upstream of the circuit, the contribution of noise generated downstream can be reduced.
[0010]
However, when high amplification is to be performed in the upstream of the circuit, particularly in the integration circuit in the signal readout circuit, since the image signal includes an offset distribution due to the characteristic variation of each pixel, the offset distribution is also amplified at the same time. . Therefore, when the offset distribution is large, problems such as exceeding the limit voltage of the A / D converter in the signal processing circuit of the camera occur, and the amplification factor cannot be sufficiently increased.
[0011]
The offset distribution of the infrared focal plane array depends on the variation in process parameters when forming the temperature sensor portion and the variation in wiring resistance between pixels in each portion. For example, in the example of the infrared focal plane array shown in Non-Patent Document 1, the forward voltage variation of the diode serving as the temperature sensor is 9 mV in standard deviation when the current value is 10 μA. Therefore, when the range of ± standard deviation is considered as the variation in the infrared focal plane array, the variation is 18 mVp-p. Since this value is directly amplified by the integration circuit, the amplification factor of the integration circuit needs to be about 10 to 20 times or less in consideration of the allowable range of the signal processing circuit of the camera connected to the integration circuit itself or the output of the element. there were. At such an amplification factor, it is difficult to obtain a sufficient S / N ratio because the influence of circuit-related components other than diode noise is large.
[0012]
On the other hand, according to the signal reading method disclosed in Patent Literature 1, since the offset distribution is removed by applying feedback to the control voltage of the integration circuit, the amplification factor of the integration circuit can be increased to some extent. However, in the signal reading method disclosed in Patent Document 1, when trying to remove the offset distribution, the sensitivity variation of the thermal infrared sensor tends to increase, and the in-plane distribution (unevenness) of the image is sufficiently reduced. Cannot be removed.
[0013]
That is, in Patent Literature 1, after generating an FPN correction signal for correcting a resistance variation of a bolometer under a uniform infrared input condition, the FPN correction signal is fed back to a voltage for controlling a current flowing through the bolometer. Thus, a constant current flows without depending on the resistance value variation of each pixel of the bolometer type infrared sensor, and the FPN and the sensitivity variation are corrected (Patent Document 1, paragraphs [0038] to [0039]). However, in an actual device, the resistance component of each pixel includes a parasitic resistance due to wiring resistance and the like in addition to the resistance component due to the bolometer. This parasitic resistance is generally several kΩ, which is not negligible compared to the resistance value of the bolometer film. However, unlike the bolometer film, the resistance temperature coefficient is extremely small. Further, the parasitic resistance itself has a variation different from that of the bolometer film. For this reason, in the FPN correction signal created under the uniform infrared input condition, the feedback that keeps the current flowing through the entire pixel including the parasitic resistance constant is provided, and the sensitivity variation of the bolometer film tends to increase rather.
[0014]
The present invention has been made in view of the above problems, and removes the FPN due to the offset distribution of each pixel before integration, thereby enabling a high amplification factor in the integration circuit and increasing the sensitivity variation of the pixel. It is an object of the present invention to provide a thermal infrared solid-state imaging device capable of suppressing the occurrence of heat.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a thermal infrared solid-state imaging device according to the present invention has a heat insulating structure and an infrared absorbing structure, and a pixel area in which a pixel sensor whose current-voltage characteristic changes with temperature is two-dimensionally arranged. A drive line in which the anodes of the pixel sensors are connected in common for each row, a vertical scanning circuit in which the drive lines are sequentially selected and connected to a pixel power source, and a cathode in which the cathodes of the pixel sensors are connected in common in each column, A thermal infrared solid-state imaging device comprising: a signal line having a current source; and an integrating circuit that integrates a voltage between both ends of the current source and outputs the pixel signal as a pixel signal. By using a pixel sensor and changing the current value of the current source for each pixel sensor, the amount of voltage drop due to the DC resistance component of each pixel sensor differs for each pixel sensor, and the pixel of the pixel signal And correcting the variation.
[0016]
In the present specification, a thermal infrared solid-state imaging device refers to a component of a thermal infrared camera that has at least the components described in each claim. Therefore, the thermal infrared solid-state imaging device in the present specification includes an infrared focal plane array, an infrared focal plane array integrated with an external circuit or the like added thereto, or an infrared focal plane and an external circuit etc. Also included modules that are no longer available. The DC resistance component of the pixel sensor is a resistance component that becomes a load when each pixel sensor is driven by a current source, and refers to a DC resistance component generated by factors other than the original diode characteristics such as wiring resistance. In addition to the parasitic resistance of each pixel, a resistance component in a current path from a power supply for driving each pixel sensor to a current source is also included.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing an infrared camera provided with a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. In the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment, the pixel sensors 2 having a heat insulating structure and an infrared absorbing structure, and having a current-voltage characteristic that changes with temperature, are arranged two-dimensionally. Infrared rays radiated from the object to be imaged via 22 are incident.
[0018]
Each pixel sensor 2 is driven by a current source 4 at a constant current. The voltage between both ends of the current source 4 is integrated and amplified by an integration circuit 7, and then output as an image signal. The output image signal is output to a monitor 28 through a preamplifier 24, an A / D converter 25, a digital signal processor (DSP) 26 for performing various processing with the digitized signal, a D / A converter and an amplifier 27. You. FIG. 1 shows only one pixel sensor 2 in the sensor array for simplification of the drawing.
[0019]
The pixel sensor 2 has a diode connected in series, and when infrared rays are incident, heat generated by the absorption is transmitted to the diode. Since the current-voltage characteristic of the diode changes depending on the temperature, the diode is driven at a constant current by the current source 4 and the voltage between both ends of the current source 4 is integrated by the integration circuit 7 so that the pixel corresponding to the infrared absorption amount of each pixel is obtained. A signal can be obtained.
[0020]
The voltage between both ends of the current source 4 (= the voltage input to the integration circuit 7) Vin is a power supply voltage of VDD [V], a forward voltage of the diode is Vf [V], and the number of connected diodes is n (n is a natural number). If the DC resistance component of the pixel sensor is Ra [Ω] and the value of the current supplied by the current source 4 is If [A], the following expression is given. In this embodiment, the parasitic resistance of the pixel sensor is used as the DC resistance component Ra of the pixel sensor. The parasitic resistance of the pixel sensor refers to a DC resistance component generated by a component, such as a wiring, essential to the pixel sensor.
(Equation 1)

Here, the forward voltage Vf of the diode and the DC resistance component Ra of the pixel sensor have inter-pixel variations due to the manufacturing process. Therefore, even if the same current If flows in all the pixels, the output voltage Vin of each pixel sensor 2 is reduced. Variations (= offset distribution) and FPN occur.
[0021]
In the present embodiment, by changing the current value If of the current source 4 for each pixel sensor 2, the amount of voltage drop caused by the DC resistance component Ra of each pixel sensor 2 is controlled, and Vin is determined by the amount of voltage drop If · Ra. Is corrected. Since the pixel offset distribution can be removed before entering the integration circuit 7, even if the amplification factor of the integration circuit is increased, the allowable range of the A / D conversion circuit or the like located downstream of the circuit is not exceeded. For example, according to the present embodiment, the amplification factor of the integration circuit 7 can be set to 30 times or more, and more preferably, 50 times or more. As described above, if high amplification is performed in the integration circuit 7 which is almost at the most upstream of the circuit system through which the output signal of the pixel sensor 2 flows, the contribution of noise generated in the signal readout circuit and the signal processing circuit further downstream is reduced. Therefore, the S / N ratio of the image signal can be significantly improved.
[0022]
Further, according to this method, the temperature dependency of the current-voltage characteristic of the diode that contributes to the sensitivity of the pixel sensor 2 hardly changes due to the current If, so that only the offset distribution of the pixel is reduced while suppressing an increase in sensitivity variation. Can be removed. That is, in the present embodiment, the offset distribution is corrected by the current If by utilizing the voltage drop due to the parasitic resistance Ra. However, the parasitic resistance Ra has a very small temperature coefficient of resistance, and thus hardly contributes to the sensitivity of the pixel sensor. . On the other hand, the temperature dependence of the current-voltage characteristic of the diode that determines the sensitivity of the pixel sensor hardly changes due to the current If. Therefore, it is possible to suppress deterioration in sensitivity variation and remove only the offset distribution.
[0023]
For example, the forward voltage Vf [V] of one diode is expressed by the following equation (2), where If [A] is the forward current, k is the Boltzmann constant, q is the elementary charge, and Is is the reverse saturation current. Is done.
(Equation 2)

The temperature dependency of the forward voltage Vf of the diode is expressed by the following equation (3), where the band gap of a semiconductor (for example, silicon) forming the diode is Eg.
[Equation 3]

[0024]
As shown in the above equation (3), the temperature dependency of the forward voltage of the diode that determines the sensitivity of the pixel sensor depends on Vf, and as shown in the above equation (2), Vf is equal to the forward current If. Dependent. However, in general, the forward current If of the diode used in the thermal infrared sensor is orders of magnitude larger than the reverse saturation current Is, and Vf hardly changes with respect to the current If. Therefore, the amount of change in the temperature dependency dVf / dT of the diode forward voltage due to If, which is represented by the above equation (3), becomes negligible, and the sensitivity variation of the pixel sensor is hardly affected by the change in If.
[0025]
On the other hand, as shown in the equation (1), since the voltage Vin input to the integration circuit 7 changes linearly with respect to If, the offset distribution of the thermal infrared sensor using the diode is controlled by controlling the current If. Can be corrected well. As described above, according to the present embodiment, it is possible to remove only the pixel offset distribution while suppressing an increase in sensitivity variation.
[0026]
A specific method of changing the current value If of the current source 4 for each pixel sensor 2 will be described with reference to FIG. First, data of a current value If to flow through each pixel to correct the offset distribution between pixels (hereinafter, “correction data”) is acquired. When acquiring correction data, the shutter 21 is closed, and the amount of infrared light input to the pixel sensor 2 is made uniform between pixels. If the output signal is measured while the shutter is closed and uniform light is incident, information on the offset distribution can be obtained easily and accurately. First, the current source 4 is controlled so that the forward current If of the design standard value flows for all the pixel sensors 2. In this state, the signal Vin input to the integration circuit 7 includes the variation in the forward voltage Vf of the diode and the variation in the voltage drop If · Ra due to the parasitic resistance, as shown in Expression (1).
[0027]
After the signal Vin is integrated and amplified by the integration circuit 7, the signal Vin is further amplified by the preamplifier 24, converted into a digital signal by the A / D converter, and corrected through the switch 29 which is turned on in synchronization with the shutter 22 being closed. Input to the data operation circuit 30. The correction data calculation circuit 30 is input with a program having an algorithm for deriving If so that the output signal Vin different between the pixels is constant.
[0028]
For example, for a signal Vin in a state where the shutter is closed, a reference value having a certain voltage width is set, and a routine for evaluating Vin while individually changing If of each pixel is performed. Repeat the routine until it is within the reference value. That is, in the n-th routine, if Vin of a certain pixel is smaller than the reference value, If of the pixel is reduced, and if it is larger than the reference value, If is increased, and If of all pixels is increased. The routine is repeated until Vin falls within the reference value. The step width of If to be changed in one routine may be determined based on the standard value of the parasitic resistance Ra of the pixel. When the influence of the pixel offset distribution is small, each pixel can be simply calculated based on the above equation (1) based on the deviation amount from the reference value of Vin and the standard value of Ra instead of such an algorithm. May be calculated.
[0029]
Information on If of each pixel obtained in this manner is stored in the frame memory 31 as correction data. By storing the correction data for one screen in the frame memory 31, reading of the correction data during the imaging operation becomes easy. When a MOS transistor 4 in a saturation region is used as the current source 4 as shown in FIG. 2, the gate voltage VG of the MOS transistor can be used as the correction data. If a MOS transistor is used as a current source, the current value can be controlled simply and accurately. The change amount ΔVG of the gate voltage of the MOS transistor from the reference value is calculated by the following equation (4), where gm is the transconductance of the MOS transistor and ΔIf is the change amount of If from the reference value.
(Equation 4)

[0030]
Next, general imaging is performed while reading the acquired correction data. That is, at the time of general imaging, after the correction data stored in the frame memory 31 is converted into an analog signal by the D / A converter 32, the correction data reading circuit 33 in the infrared focal plane array 1 causes the correction data reading circuit 33 to read one row of pixels. It is read into the correction data memory 34 every minute. The correction data for one row of pixels read into the correction data memory 34 is input to the current sources 4 of each column via a switch (not shown), and the offset distribution is corrected.
[0031]
The specific configuration and operation of the infrared focal plane including the correction data reading circuit and the correction data memory will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of an infrared focal plane array including a correction data reading circuit and a correction data memory. As shown in FIG. 2, in the infrared focal plane 1, diodes 2 forming a pixel sensor are arranged two-dimensionally to form a sensor array. The drive line 3 is commonly connected to each row of the diode 2, and the signal line 6 is commonly connected to each column.
[0032]
A MOS transistor 4 driven in a saturation region is connected as a current source to the end of each signal line 6 to which the diode 2 is connected, so that each diode 2 is driven with a constant current. The signal line 6 is connected between the current source 4 and the diode 2 with an integrating circuit 7 for integrating, amplifying, and sampling and holding the signal of the diode 2. A memory 34 is provided for each signal line 6 as a correction data memory for storing the correction data input from the external terminal 41 for one row of pixels. The switch 9 is connected to the memory 34 for sequentially reading the correction data. The switch 9 forms a correction signal reading circuit together with the horizontal scanning circuit 18.
[0033]
Next, the operation of the infrared focal plane array shown in FIG. 2 will be described. First, the driving lines 3 of each row are sequentially connected to the pixel power supply 46 by the vertical scanning circuit 14 and the switch 5. The diode 2 connected to the power supply 46 is driven at a constant current by the MOS transistor 4 as a current source. Since the forward voltage of the diode 2 under a constant current changes with temperature, the voltage across the MOS transistor 4 changes according to the amount of incident infrared light. The voltage across the MOS transistor 4, that is, the potential of the signal line 6 between the current source 4 and the diode 2 is integrated, amplified, sampled and held by an integration circuit 7, and sequentially output to an external output using a horizontal scanning circuit 18 and a switch 8. Output to terminal 40.
[0034]
The horizontal scanning circuit 18 turns on the switch 9 at the same timing as the switch 8, and reads one pixel of data in the correction signal input from the external input terminal 41 into the memory 34. The correction data for one row read into the memory 34 is input to the gate of the MOS transistor 4 as a current source via the switch 10. A capacitor 36 is connected as a memory to the gate of the MOS transistor, and holds input correction data. Thus, when driving each diode 2, the MOS transistor 4 serving as a current source can flow a current corresponding to the correction data of the diode 2.
[0035]
The read timing of the output signal of the diode 2 and the correction signal is, for example, as shown in FIG. First, it is assumed that the pixel row of the (N-1) th row (N is a natural number) is selected. At this time, the correction data corresponding to the next pixel row of the Nth row is read into the memory 34 via the switch 9. The switch 10 is simultaneously opened by the bias input 45 during the horizontal retrace period following the selection of the (N-1) th pixel row, and the correction data of the Nth row is simultaneously transferred to the capacitor 36.
[0036]
When the next N-th pixel row is selected, the MOS transistor 4 drives the pixels at a constant current based on the N-th row correction data which is read in advance and held in the capacitor 36, and the output thereof is output to the integration circuit 7 Is integrated and amplified. Then, in the horizontal retrace period following the selection of the Nth pixel row, the integrated and amplified signals are simultaneously sampled and held for one pixel row, and the horizontal scanning circuit 18 selects the next (N + 1) th row. Read outside. In this manner, a correction data memory for temporarily storing correction data for one pixel row is formed, and while the Nth row (N is a natural number) pixel is selected, the correction data of the (N + 1) th row is corrected. By reading the data into the memory, the correction data for each pixel can be read with a relatively simple circuit configuration.
[0037]
Hereinafter, each configuration of the infrared focal plane array in the present embodiment will be described in detail.
[Pixel 2]
Each pixel sensor 2 has, for example, a structure shown in FIGS. A diode 902 is supported on a hollow portion 1103 provided in a silicon substrate 1102 by two long supporting legs 1101, and an electrode wiring 1104 of the diode 902 is embedded in the supporting leg 1101. The hollow portion 1103 forms a heat insulating structure that increases the thermal resistance between the diode 902 and the silicon substrate 1102. The diode 902 is preferably formed in an SOI layer (single-crystal silicon layer) of an SOI substrate in order to reduce noise. When the diode 902 is formed in the SOI layer, the buried oxide film below the SOI layer can be a part of a structure supporting the hollow structure. In addition, as shown in the drawing, the infrared absorption structure 1106 that is in thermal contact with the diode 902 has a structure that protrudes above the support leg 1101, so that infrared light incident from above the drawing can be efficiently absorbed.
[0038]
When infrared light enters the pixel sensor 2, the infrared light is absorbed by the entire pixel sensor 2 including the infrared absorption structure 1106, and heat generated by the absorption is transmitted to the diode 902. Since the current-voltage characteristic of the diode 902 changes depending on the temperature, an output corresponding to the amount of infrared absorption can be obtained by driving the diode 902 at a constant current and monitoring the voltage between both ends.
[0039]
The diode 902 may be a single diode or a plurality of diodes 1101 connected in series by a wiring 1102 as shown in FIG. By connecting a plurality of diodes, the sensitivity to infrared rays can be improved by increasing the temperature coefficient of resistance. The individual diodes are not particularly limited as long as the current-voltage characteristics have a temperature dependence according to the purpose, and a pn junction diode, a Schottky junction diode, or the like can be used. A plurality of types of diodes, for example, a pn junction diode and a Schottky junction diode may be combined and connected. Further, in the present embodiment, the case where the change in the forward voltage of the diode is detected has been described, but the change in the reverse voltage may be detected.
[0040]
[Integrating circuit 7]
The integration circuit 7 can be, for example, a circuit shown in FIG. The MOS transistor 52 is an integrating transistor and has a gate serving as an input terminal. A bias voltage that determines the operating point of the transistor 52 is applied from the bias line 53. The transistor 52 forms a so-called gate modulation integration circuit in combination with the integration capacitor 44 that is periodically reset by the transistor 55, and has an action of integrating and amplifying an input signal. The integrated output is sampled by a sample and hold (S / H) circuit 56 and output via a buffer amplifier 57. The sample and hold circuit 56 includes a storage capacitor 60 to which a reset transistor 59 is connected, and a signal reading switch 58. The switch 58 is driven by a horizontal scanning circuit.
[0041]
According to the present invention, since the offset distribution of pixels can be removed before entering the integration circuit 7, even if the amplification factor of the integration circuit is increased, the allowable range of the A / D conversion circuit or the like located downstream of the circuit is not exceeded. For example, according to the present embodiment, the amplification factor of the integration circuit 7 can be set to 30 times or more, and more preferably, 50 times or more. When acquiring the correction data, a pixel signal including an offset distribution is output. Therefore, the amplification factor of the integration circuit 7 at the time of acquiring the correction data may be smaller than that at the time of general imaging so that the voltage distribution of the pixel output does not exceed the allowable amount of the A / D conversion circuit or the like.
[0042]
The amplification factor of the integration circuit 7 is inversely proportional to the capacitance value of the integration capacitor 54, and is proportional to the product of the voltage-current conversion efficiency of the integration transistor 52 and the charge / discharge time. Here, the voltage-current conversion efficiency of the integrating transistor 52 depends on the potential of the bias line 53. Therefore, by controlling the potential of the bias line 53 at the time of acquiring the correction signal, the amplification factor at the time of acquiring the correction signal can be made lower than at the time of general imaging.
[0043]
[Correction data memory 34]
The correction data memory 34 for storing the correction data only needs to be able to store the correction data for one row of pixels. For example, a capacitance may be formed for each column of pixels to serve as a correction data memory. More preferably, as shown in FIG. 7, a circuit in which a capacitor 48 is combined with a buffer amplifier 49 is provided for each pixel column. By providing the buffer amplifier 49, it is possible to prevent a voltage change due to charge distribution from occurring when transferring correction data to the capacitor 36 connected to the gate of the current source 4.
[0044]
Embodiment 2 FIG.
In the first embodiment, the parasitic resistance is used as the DC resistance component Ra of each pixel sensor, and the current If is changed for each pixel, so that the voltage drop If · Ra of each pixel is changed. Was corrected. However, as can be seen from the above equation (1), when the parasitic resistance of the pixel sensor 2 is small or when the offset distribution of the pixel sensor 2 to be corrected is large, the amount of change in the current If required for correction increases. . If the amount of change in the current If for each pixel is too large, a change in sensitivity variation of the pixel sensor cannot be ignored.
[0045]
Therefore, in the present embodiment, in addition to the parasitic resistance of each pixel sensor, a resistance element inserted between each pixel sensor and the current source is used as the DC resistance component Ra for correcting the offset distribution. That is, as shown in FIG. 6, the resistance element 11 is inserted between the pixel sensor 2 and the current source 4, and the potential between the resistance element 11 and the current source 4 is input to the integration circuit 7. By inserting such a resistance element 11, it is possible to correct the offset distribution with a smaller amount of change in the current If as compared with the case where only the parasitic resistance of the pixel sensor 2 is used as the DC resistance component. .
[0046]
It is preferable to use the resistance element 11 that is so small that its resistance temperature coefficient does not substantially affect the sensitivity of the pixel sensor. Further, it is desirable that the resistance value of the resistance element 11 is set so that the amount of change in the current If required for correcting the offset distribution is ± 10% or less, preferably ± 5% or less. For example, when the average current value of the current source is 10 μA and the variation in the output voltage of the pixel sensor is 18 mVp-p, if the resistance value of the resistance element 11 is set to 18 kΩ or more, the current If necessary for the offset distribution is reduced. The variation can be reduced to ± 10% or less.
[0047]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the offset distribution is corrected before integration by controlling the current of each pixel, the amplification factor of the integration circuit is increased to reduce the noise generated in the signal readout circuit and the signal processing circuit located downstream of the circuit. The contribution can be reduced. In addition, since a diode having a small change in sensitivity due to current is used for a pixel and the offset distribution is corrected by a DC resistance component of the pixel, an increase in sensitivity variation can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a thermal infrared camera including a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing an infrared focal plane array according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a timing chart showing an operation state of the infrared focal plane array according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are a cross-sectional view and a perspective view showing the structure of a thermal infrared sensor.
FIG. 5 is a perspective view showing an example of a diode structure.
FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of an integration circuit used for signal reading of an infrared focal plane array.
FIG. 7 is a circuit diagram illustrating an example of a correction data memory;
FIG. 8 is a block diagram showing a part of a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 infrared focal plane array, 2 thermal type infrared sensor (pixel sensor), 4 current source, 7 integration circuit, 22 shutter, 30 correction data operation circuit, 31 frame memory, 33 correction data reading circuit, 34 correction data memory.

Claims

A pixel area having a heat insulation structure and an infrared absorption structure, a pixel sensor in which current-voltage characteristics change with temperature is arranged in a two-dimensional manner, a drive line commonly connecting an anode of the pixel sensor for each row, A vertical scanning circuit for sequentially selecting a driving line and connecting to a pixel power supply, a cathode of the pixel sensor commonly connected for each column, and a signal line having a current source at the end thereof; and a voltage across the current source integrated. A thermal infrared solid-state imaging device having an integration circuit that outputs the pixel signal
At least one or more diodes connected in series are used for the pixel sensor,
By changing the current value of the current source for each pixel sensor, the amount of voltage drop due to the DC resistance component of each pixel sensor is made different for each pixel sensor, and the inter-pixel variation of the pixel signal is corrected. Thermal infrared solid-state imaging device.

The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein a parasitic resistance of the pixel sensor is used as the DC resistance component.

2. The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein a resistance element inserted between the pixel sensor and the current source is used as the DC resistance component in addition to a parasitic resistance of the pixel sensor.

4. A correction data calculation circuit for determining a current value of the current source for each pixel sensor based on a pixel signal when uniform light is incident on the pixel area. Item 4. The thermal infrared solid-state imaging device according to Item 1.

2. The apparatus according to claim 1, further comprising: a shutter that blocks infrared light incident on the pixel area, wherein the correction data calculation circuit determines a current value of the current source based on a pixel signal when the shutter is closed. 5. The thermal infrared solid-state imaging device according to 4.

The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a frame memory capable of storing correction data for determining a current value of the current source for the number of pixel sensors.

A correction data memory for temporarily storing correction data for determining the current value of the current source for one row of the pixel sensor, and a switch for transferring the correction data stored in the correction data memory to the current source;
7. The correction data of the (N + 1) th row is read into the correction data memory while the vertical scanning circuit is selecting the drive line of the Nth row (N is a natural number). 6. The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 1.

The heat source according to any one of claims 1 to 7, wherein the current source includes a MOS transistor operating in a saturation region, and controls a current value of the pixel sensor by a bias voltage of the MOS transistor. Type infrared solid-state imaging device.