JP2017194280A - IMAGING CIRCUIT, SIGNAL READING CIRCUIT, INfrared Imaging Device, Infrared Detecting Circuit, And Imaging Circuit Operation Method - Google Patents
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Abstract
【課題】ランダム・テレグラフ・雑音の影響を低減した赤外線撮像素子の撮像回路を提供する。
【解決手段】複数の赤外線検出部8を含む赤外線撮像素子の撮像回路であって、複数の赤外線検出部に接続される複数の信号読出回路を有し、各信号読出回路は、一方の端子が第1電源GNDに接続された検出容量部C1と、赤外線検出部と検出容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部TrigA-TrigCと、検出容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチTrRと、転送容量部C2と、転送スイッチ34と、を有し、動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作可能な複数のMOSトランジスタを有する。
【選択図】図7An imaging circuit of an infrared imaging device in which the influence of random, telegraph, and noise is reduced is provided.
An imaging circuit of an infrared imaging device including a plurality of infrared detection units, comprising a plurality of signal readout circuits connected to the plurality of infrared detection units, each signal readout circuit having one terminal The detection capacitor unit C1 connected to the first power supply GND, the operation switch unit Trig A- Trig C connected between the infrared detection unit and the other terminal of the detection capacitor unit, and the other of the detection capacitor unit A reset switch Tr R connected between the terminal and the second power source, a transfer capacitor unit C2, and a transfer switch 34, and the operation switch unit is connected in parallel and can be operated independently. MOS transistors.
[Selection] Figure 7
Description
本発明は、撮像回路、信号読出回路、赤外線撮像装置、赤外線検出回路および撮像回路の動作方法に関する。 The present invention relates to an imaging circuit, a signal readout circuit, an infrared imaging device, an infrared detection circuit, and an operation method of the imaging circuit.
赤外線検出器は、物体の熱輻射によって放出される赤外線に対して、赤外線検出器に入射する赤外線の強度を電気信号に変換する素子である。例えば、そのような赤外線検出器を2次元状に配列したいわゆるフォーカルプレーンアレイ(FPA)型の赤外線撮像素子を構成することによって、赤外線画像を得ることが出来る。赤外線画像では、可視光領域での撮像装置などとは異なり、暗闇の中においてもその対象物体を撮像可能であるから、いわゆるセキュリティ分野などといった応用分野での利用が行われている。また、対象物体から放出される赤外線の強度は、その対象物体の温度の関数であることから、撮像物体中での赤外線放射強度分布から、その物体中での温度分布を反映した画像が得られる。このことを利用して、医療分野などでの応用も期待されている。 An infrared detector is an element that converts the intensity of infrared light incident on the infrared detector into an electrical signal with respect to infrared light emitted by thermal radiation of an object. For example, an infrared image can be obtained by configuring a so-called focal plane array (FPA) type infrared imaging device in which such infrared detectors are two-dimensionally arranged. In contrast to imaging devices in the visible light region, infrared images can be used to capture the target object even in the dark, and are used in application fields such as the so-called security field. In addition, since the intensity of the infrared rays emitted from the target object is a function of the temperature of the target object, an image reflecting the temperature distribution in the object can be obtained from the infrared radiation intensity distribution in the imaging object. . Utilizing this fact, application in the medical field is also expected.
赤外線検出器を平面上に2次元アレイ状に配置したFPA型赤外線撮像素子では、赤外線検出器に投影される赤外線の強度分布を電気信号分布に変換して赤外線を検出し赤外線画像を得る。この際、たとえばダイレクト-インジェクション回路などの電流-電圧変換回路を含む信号読出回路を用いて赤外線検出器に流れる電流を一定時間、蓄積容量に蓄積(積分)して電圧信号として用いることが多い。このような信号読出回路には、技術的に安定かつ安価に作製でき、また同時に熱伝導性などの点からも好ましい特性をもつSi(シリコン)を用いたSi-MOS集積回路が用いられることが多い。 In an FPA-type infrared imaging device in which infrared detectors are arranged in a two-dimensional array on a plane, the infrared intensity projected on the infrared detector is converted into an electrical signal distribution to detect infrared rays and obtain an infrared image. In this case, for example, the current flowing through the infrared detector is often accumulated (integrated) in a storage capacitor for a certain period of time using a signal readout circuit including a current-voltage conversion circuit such as a direct-injection circuit and used as a voltage signal. For such a signal readout circuit, a Si-MOS integrated circuit using Si (silicon) that can be manufactured in a technically stable and inexpensive manner and at the same time has favorable characteristics in terms of thermal conductivity, etc. Many.
ところで、このようなSi-MOS集積回路においては、特殊用途にカスタマイズされたものでない限り、通常のトランジスタ設計や製造工程を用いた汎用的なものが用いられることが多い。このような場合、周知のように、いわゆるスケーリングによって素子サイズ、特にゲート(チャネル)長が年々短くなっている。このように短ゲート(チャネル)長化が進むと、当然ながらチャネル領域の実効体積が減少し、その中に含まれる格子欠陥などに起因するいわゆるトラップの数が減少してゆく。 By the way, in such an Si-MOS integrated circuit, a general-purpose circuit using a normal transistor design or manufacturing process is often used unless it is customized for a special purpose. In such a case, as is well known, the element size, particularly the gate (channel) length, is decreasing year by year by so-called scaling. As the gate length (channel) becomes longer in this way, the effective volume of the channel region naturally decreases, and the number of so-called traps caused by lattice defects contained therein decreases.
このようなトラップは、トランジスタの素子電流を構成する電子あるいは正孔を捕獲・放出することによって、トランジスタの素子電流を時間的に変動させる。このようなトランジスタ素子電流の変動の周期は、当然ながらそれぞれ該当するトラップの捕獲・放出確率(頻度)によって決まる。長ゲート(チャネル)素子の場合には、このようなトラップの数が相対的に多いため、その捕獲・放出による素子電流の変動は、さまざまなトラップの捕獲・放出過程の効果が重ねあわされる結果、平均化されて比較的穏やかなものとなる。その結果、赤外線撮像素子の雑音としては短ゲート(チャネル)のトランジスタに比べ、相対的に小さくなる。 Such a trap fluctuates the device current of the transistor with time by capturing and releasing electrons or holes constituting the device current of the transistor. Naturally, the cycle of the fluctuation of the transistor element current is determined by the trap / release probability (frequency) of the corresponding trap. In the case of long gate (channel) devices, the number of such traps is relatively large, so fluctuations in device current due to their capture and emission are the result of overlapping effects of various trap capture and emission processes. Averaged to be relatively calm. As a result, the noise of the infrared imaging element is relatively smaller than that of a short gate (channel) transistor.
一方、すでに述べたように、近年用いられるようになってきている、短ゲート(チャネル)トランジスタの場合には、チャネルに含まれるトラップの数が少なくなり、そのそれぞれの捕獲・放出過程がトランジスタの素子電流に与える影響が大きくなる。その結果、トランジスタの素子電流の変動が、0−1的なものに近くなる。この結果観測される、いわばデジタル的なトランジスタ素子電流の変動は、ランダム・テレグラフ・雑音(RTN)と呼ばれる。 On the other hand, as already mentioned, in the case of a short gate (channel) transistor, which has been used in recent years, the number of traps contained in the channel is reduced, and the respective capture and emission processes are performed in the transistor. The effect on the device current is increased. As a result, the variation in the device current of the transistor is close to 0-1. The so-called digital transistor current fluctuation observed as a result is called random telegraph noise (RTN).
このようなトラップによるキャリアの捕獲・放出過程は、周知のようにキャリアの熱運動過程を含む過程によって決定されており、素子温度(ここでは、電子温度ないしは正孔温度と平衡状態にあるとする)が低いほど、その捕獲・放出確率は低く、したがって捕獲・放出の周期ないし時定数は長くなる。 As is well known, the trapping / releasing process of carriers by such a trap is determined by a process including a thermal motion process of carriers, and is assumed to be in an equilibrium state with an element temperature (here, an electron temperature or a hole temperature). ) Is lower, the probability of capture / release is lower, and therefore the cycle or time constant of capture / release is longer.
したがって、量子井戸型赤外線検出器や量子ドット型、あるいは近年その特性向上が著しいType-II型赤外線検出器のように、冷却して使用する冷却型赤外線検出器を用いた赤外線撮像素子において、ランダム・テレグラフ・雑音の影響がより顕著になってくる。このような冷却型赤外線検出器を用いた赤外線撮像素子においては、画像にして時に数フレーム分相当の周期をもったランダム・テレグラフ・雑音が発生することもある。 Therefore, in an infrared imaging device using a cooling type infrared detector that is cooled and used, such as a quantum well type infrared detector, a quantum dot type, or a type-II type infrared detector whose characteristics have been remarkably improved in recent years.・ Effects of telegraph and noise become more prominent. In an infrared imaging device using such a cooled infrared detector, random telegraph noise having a period corresponding to several frames may be generated in an image.
ところで、非特許文献1は、このようなMOSトランジスタにおけるランダム・テレグラフ・雑音について記載している。非特許文献1によれば、MOSトランジスタの動作を、ゲート‐ソース間電圧を、閾値あるいはそれ未満であるアキュムレーション・モードと、閾値よりも大きなインバージョン・モードの間を適宜切り替えることによって抑制することができる。ゲート‐ソース間電圧を上記のように変化させることによって、チャネルの電位分布、したがって電界を変動させ、その結果としてトラップに捕獲されたキャリアを強制的に放出させ、あるいはキャリアを捕獲していないトラップに強制的にキャリアを捕獲させる。このように、その電荷状態を人為的に操作することにより、当該トラップの捕獲・放出過程の初期状態を一定にし(以下、リセットという)、素子動作が必要なタイミングにおいては、トラップでのキャリア捕獲・放出ができるだけ生じないようにするものである。
Incidentally, Non-Patent
したがって、赤外線撮像素子の信号読出回路における画素信号読出・積分系統のMOSトランジスタにおいても、画素の信号の積分動作の間以外のあいだ、ゲート‐ソース間電圧を閾値以下にしておくことによって、ランダム・テレグラフ・雑音を抑制することが可能となる。 Therefore, even in the pixel signal readout / integration system MOS transistor in the signal readout circuit of the infrared image sensor, the gate-source voltage is kept below the threshold during the integration operation of the pixel signal. Telegraph noise can be suppressed.
しかしながら、すでに説明したように、冷却型の赤外線撮像素子の場合には、撮像素子全体、したがって信号読出回路も含め冷却して使用するのであるから、信号読出回路におけるランダム・テレグラフ・雑音の周期が長い。そのため、ランダム・テレグラフ・雑音を必要な程度まで十分に抑制するには、少なくとも画像にして数フレーム分相当の時間、ゲート‐ソース間電圧を閾値以下にしておく必要がある。 However, as described above, in the case of a cooling-type infrared imaging device, the entire imaging device, and thus the signal readout circuit, is also used by cooling, so the period of random telegraph noise in the signal readout circuit is long. Therefore, in order to sufficiently suppress random, telegraph, and noise to a necessary level, it is necessary to keep the gate-source voltage below the threshold value for a time corresponding to several frames in at least an image.
しかしながら、このことは、一つの画素信号読出・積分系統のMOSトランジスタを、数フレーム分相当の時間必要なバイアス状態にできなくなることを意味しており、所定のフレームレートで赤外線画像を得られないという事態を招く。したがって、赤外線撮像素子の信号読出回路では、単純に上記のよう方法を用いてランダム・テレグラフ・雑音を低減することは困難である。 However, this means that one pixel signal readout / integration system MOS transistor cannot be brought into a bias state that requires a time corresponding to several frames, and an infrared image cannot be obtained at a predetermined frame rate. Invite the situation. Therefore, in the signal readout circuit of the infrared imaging device, it is difficult to reduce random telegraph noise by simply using the method as described above.
本発明は、所定の検出速度で動作する赤外線検出器の信号読出回路および所定のフレームレートで赤外線画像を生成する赤外線撮像素子の撮像回路において、ランダム・テレグラフ・雑音を低減することを目的とする。 An object of the present invention is to reduce random telegraph noise in an infrared detector signal readout circuit operating at a predetermined detection speed and an imaging circuit of an infrared imaging element that generates an infrared image at a predetermined frame rate. .
1つの態様では、撮像回路は、画素を形成するように配列された複数の赤外線検出部を含む赤外線撮像素子の撮像回路であって、赤外線撮像素子の複数の赤外線検出部に接続される複数の信号読出回路を有する。複数の信号読出回路のそれぞれは、検出容量部と、動作スイッチ部と、リセットスイッチと、転送容量部と、転送スイッチと、を有する。検出容量部は、一方の端子が第1電源に接続される。動作スイッチ部は、赤外線検出部と検出容量部の他方の端子との間に接続される。リセットスイッチは、検出容量部の他方の端子と第2電源との間に接続される。転送スイッチは、検出容量部と転送容量部の間に接続される。動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有する。 In one aspect, the imaging circuit is an imaging circuit of an infrared imaging device including a plurality of infrared detection units arranged so as to form pixels, and a plurality of imaging circuits connected to the plurality of infrared detection units of the infrared imaging device. A signal readout circuit; Each of the plurality of signal readout circuits includes a detection capacitor unit, an operation switch unit, a reset switch, a transfer capacitor unit, and a transfer switch. One terminal of the detection capacitor unit is connected to the first power source. The operation switch unit is connected between the infrared detection unit and the other terminal of the detection capacitor unit. The reset switch is connected between the other terminal of the detection capacitor unit and the second power source. The transfer switch is connected between the detection capacitor unit and the transfer capacitor unit. The operation switch section has a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
別の態様では、信号読出回路は、赤外線検出部に接続される信号読出回路であって、一方の端子が第1電源に接続された容量部と、赤外線検出部と容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部と、容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチと、を有し、動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有する。 In another aspect, the signal readout circuit is a signal readout circuit connected to the infrared detection unit, wherein one terminal is connected to the first power source, the infrared detection unit, and the other terminal of the capacitance unit. And a reset switch connected between the other terminal of the capacitor unit and the second power source, and the operation switch unit operates independently and connected in parallel. A plurality of MOS transistors.
さらに別の態様では、赤外線撮像装置は、画素を形成するように配列された複数の赤外線検出部を含む赤外線撮像素子と、赤外線撮像素子の複数の赤外線検出部に接続される複数の信号読出回路を有する撮像回路と、を有する。各信号読出回路は、検出容量部と、動作スイッチ部と、リセットスイッチと、転送容量部と、転送スイッチと、を有する。検出容量部は、一方の端子が第1電源に接続される。動作スイッチ部は、赤外線検出部と検出容量部の他方の端子との間に接続される。リセットスイッチは、検出容量部の他方の端子と第2電源との間に接続される。転送スイッチは、検出容量部と転送容量部の間に接続される。動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有する。 In yet another aspect, an infrared imaging device includes an infrared imaging device including a plurality of infrared detection units arranged to form pixels, and a plurality of signal readout circuits connected to the plurality of infrared detection units of the infrared imaging device. And an imaging circuit. Each signal readout circuit includes a detection capacitor unit, an operation switch unit, a reset switch, a transfer capacitor unit, and a transfer switch. One terminal of the detection capacitor unit is connected to the first power source. The operation switch unit is connected between the infrared detection unit and the other terminal of the detection capacitor unit. The reset switch is connected between the other terminal of the detection capacitor unit and the second power source. The transfer switch is connected between the detection capacitor unit and the transfer capacitor unit. The operation switch section has a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
さらに別の態様では、赤外線検出回路は、赤外線検出部と、赤外線検出部に接続された信号読出回路と、を有する。信号読出回路は、容量部と、動作スイッチ部と、リセットスイッチと、を有する。容量部は、一方の端子が第1電源に接続される。動作スイッチ部は、赤外線検出部と容量部の他方の端子との間に接続される。リセットスイッチは、容量部の他方の端子と第2電源との間に接続される。動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有する。 In yet another aspect, the infrared detection circuit includes an infrared detection unit and a signal readout circuit connected to the infrared detection unit. The signal readout circuit includes a capacitor unit, an operation switch unit, and a reset switch. One terminal of the capacitor is connected to the first power source. The operation switch unit is connected between the infrared detection unit and the other terminal of the capacitor unit. The reset switch is connected between the other terminal of the capacitor unit and the second power source. The operation switch section has a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
さらに別の態様では、撮像回路の動作方法は、画素を形成するように配列された複数の赤外線検出部を含む赤外線撮像素子の撮像回路の動作方法である。撮像回路は、赤外線撮像素子の複数の赤外線検出部に接続される複数の信号読出回路を有する。複数の信号読出回路のそれぞれは、検出容量部と、動作スイッチ部と、リセットスイッチと、転送容量部と、転送スイッチと、を有する。検出容量部は、一方の端子が第1電源に接続される。動作スイッチ部は、赤外線検出部と検出容量部の他方の端子との間に接続される。リセットスイッチは、検出容量部の他方の端子と第2電源との間に接続される。転送スイッチは、検出容量部と転送容量部の間に接続される。動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有する。この撮像回路の動作方法によれば、複数のMOSトランジスタおよび転送スイッチをオフした状態で、リセットスイッチをオンすることにより、検出容量部を第2電源の電圧と第1電源の電圧差に充電する。リセットスイッチおよび転送スイッチをオフした状態で、複数の動作スイッチの1つを所定時間オンすることにより、検出容量部を赤外線検出部の検出する赤外線量に応じた電流で放電する。複数のMOSトランジスタおよびリセットスイッチをオフした状態で、転送スイッチをオンすることにより、検出容量部の電荷を転送容量部に転送する。以上の動作シーケンスを繰り返し、各動作シーケンス中に複数の信号読出回路の転送容量部の電圧を順次読出す。動作シーケンスごとに、複数のMOSトランジスタのうち所定時間オンするMOSトランジスタを順次変更する。 In yet another aspect, the operating method of the imaging circuit is an operating method of the imaging circuit of the infrared imaging device including a plurality of infrared detection units arranged to form pixels. The imaging circuit has a plurality of signal readout circuits connected to a plurality of infrared detection units of the infrared imaging element. Each of the plurality of signal readout circuits includes a detection capacitor unit, an operation switch unit, a reset switch, a transfer capacitor unit, and a transfer switch. One terminal of the detection capacitor unit is connected to the first power source. The operation switch unit is connected between the infrared detection unit and the other terminal of the detection capacitor unit. The reset switch is connected between the other terminal of the detection capacitor unit and the second power source. The transfer switch is connected between the detection capacitor unit and the transfer capacitor unit. The operation switch section has a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel. According to this operation method of the imaging circuit, the detection capacitor unit is charged to the voltage difference between the second power supply and the first power supply by turning on the reset switch while the plurality of MOS transistors and the transfer switch are turned off. . With the reset switch and the transfer switch turned off, one of the plurality of operation switches is turned on for a predetermined time, thereby discharging the detection capacitor unit with a current corresponding to the amount of infrared detected by the infrared detection unit. With the plurality of MOS transistors and the reset switch turned off, the transfer switch is turned on to transfer the charge in the detection capacitor unit to the transfer capacitor unit. The above operation sequence is repeated, and the voltages of the transfer capacitor portions of the plurality of signal read circuits are sequentially read during each operation sequence. For each operation sequence, the MOS transistors that are turned on for a predetermined time among the plurality of MOS transistors are sequentially changed.
本発明によれば、ランダム・テレグラフ・雑音の影響を低減した赤外線検出器の信号読出回路および赤外線撮像素子の撮像回路が得られる。 According to the present invention, a signal readout circuit of an infrared detector and an imaging circuit of an infrared imaging device with reduced influence of random, telegraph, and noise can be obtained.
実施形態を説明する前に、一般的な赤外線撮像装置について説明する。
図1は、赤外線撮像装置を利用した映像システムの概略構成を示す図である。図1に示すように、レンズ3は、観察対象4から放射された赤外線の画像を、赤外線撮像装置1内の赤外線撮像素子2上に投影する。投影された赤外線像は、赤外線撮像素子2の感光部で電気信号に変換される。電気信号は、赤外線撮像装置1内で赤外線撮像素子2に隣接して設けられた撮像回路によって多重化(マルチプレクス)された後、赤外線撮像装置1外に設けられた信号処理回路10に送られる。撮像回路は、赤外線撮像素子2の複数の感光部に対応する複数の信号読出回路を有する。信号処理回路10は、例えば、A/D変換回路、演算回路およびメモリを有し、撮像回路の信号読出回路から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。なお、信号処理回路10は、赤外線撮像装置1内に設けられる場合もある。
Before describing the embodiment, a general infrared imaging device will be described.
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a video system using an infrared imaging device. As shown in FIG. 1, the
図2は、赤外線撮像素子2および撮像回路を含む撮像チップの構造例を示す図である。撮像チップ5は、化合物半導体を材料とした赤外線撮像素子(赤外線センサ)(感光部)2と、シリコン(Si)を材料とした撮像回路6と、を有し、赤外線撮像素子2と撮像回路6の対応する電極がインジウム(In)製バンプ7により接続されている。赤外線撮像素子2は、マトリクス状に配列された複数の画素(光電変換部)を有し、各画素が入射光に応じた電気信号を出力する。撮像回路は、赤外線撮像素子2の複数の画素に対応する複数の信号読出回路を有する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a structure example of an imaging chip including the infrared imaging device 2 and the imaging circuit. The
図3は、赤外線検出回路の概略構成および動作を示す図であり、(A)が構成図であり、(B)が動作を示すタイムチャートである。
図3の(A)に示した赤外線検出回路は、赤外線画像を形成する赤外線撮像装置の各画素にそれぞれ含まれる形で使用されるが、単独で赤外線温度計等の赤外線検出装置を実現するのにも使用できる。
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration and operation of the infrared detection circuit, (A) is a configuration diagram, and (B) is a time chart showing the operation.
The infrared detection circuit shown in FIG. 3A is used in a form that is included in each pixel of the infrared imaging device that forms an infrared image, but realizes an infrared detection device such as an infrared thermometer alone. Can also be used.
赤外線検出回路は、赤外線検出器8と、検出容量11と、リセットスイッチを形成するMOSトランジスタTrRと、動作スイッチを形成するMOSトランジスタTrigと、を有する。赤外線検出器8を除く部分が、撮像回路の信号読出回路を形成する。図3の赤外線検出装置を図2の撮像チップ5の撮像回路6の各画素を形成するのに使用する場合には、バンプ7で赤外線検出器8と信号読出回路を接続する。
Infrared detection circuit includes an
図3の(A)に示すように、MOSトランジスタTrRと検出容量11は、第2電源(VDR)と第1電源(Vcom(GND))との間に直列に接続される。参照符号AはMOSトランジスタTrRと検出容量11の接続ノードを示し、ノードAの電圧をVAで表す。MOSトランジスタTrigと赤外線検出器8は、ノードAと第1電源(Vcom(GND))との間に直列に接続される。なお、ここでは、赤外線検出器8は第1電源(Vcom(GND))に接続されるとしたが、第1電源(Vcom(GND))より低い負電圧の電源に接続される場合もある。MOSトランジスタTrRのゲートにはリセット信号φRが印加され、MOSトランジスタTrigのゲートには信号φIgが印加される。
As shown in FIG. 3A, the MOS transistor Tr R and the
赤外線検出器8は、量子井戸型赤外線検出器や量子ドット型赤外線検出器、あるいは近年その特性向上が著しいType-II型赤外線検出器等の、冷却して使用される冷却型赤外線検出器に用いられる素子である。前述のように、このような冷却型赤外線検出器と一緒に冷却されるMOSトランジスタを使用する信号読出回路(撮像回路)では、ランダム・テレグラフ・雑音の影響が顕著になってくる。量子井戸型赤外線検出器、量子ドット型赤外線検出器およびType-II型赤外線検出器は、広く知られているので詳しい説明は省略する。
The
ここでは、動作スイッチは、1個のMOSトランジスタTrigで形成されるように示しているが、バイアス決定用のトランジスタと積分タイミングならびに積分時間決定用のトランジスタの2つを直列に接続して形成する場合もある。動作スイッチは、これら2つのトランジスタの機能を含んでいるものとする。 Here, the operation switch is shown to be formed by one MOS transistor Trig, but is formed by connecting two transistors in series, one for determining the bias and the other for determining the integration timing and integration time. There is also a case. It is assumed that the operation switch includes the functions of these two transistors.
図3の(B)に示すように、MOSトランジスタTrigをオフ(OFF)にした状態で、MOSトランジスタTrRをオン(ON)にすると、検出容量11は充電され、ノードAの電圧VAは第2電源の電圧VRになる。次に、MOSトランジスタTrRをオフし、MOSトランジスタTrigを所定時間オンすると、検出容量11の電荷は、MOSトランジスタTrigおよび赤外線検出器8を介して放電し、VAは放電電流に所定時間を乗じた量だけ低下する。赤外線検出器8は入射する赤外線量に応じた電流を発生させるので、放電電流は赤外線検出器8に赤外線量に応じて変化し、VAは赤外線量に応じて変化することになる。そこで、所定時間経過後、MOSトランジスタTrRおよびMOSトランジスタTrigをオフした状態でVAを読み出せば赤外線検出器8は入射する赤外線量が検出できる。以下、赤外線量を検出するたびに上記の動作を繰り返す。
As shown in FIG. 3B, when the MOS transistor Tr R is turned on while the MOS transistor Trig is turned off, the
前述のように、MOSトランジスタを冷却した状態で使用すると、ランダム・テレグラフ・雑音の影響が顕著になってくる。MOSトランジスタのゲート−ソース間電圧を閾値以下にする期間を、ランダム・テレグラフ・雑音の発生周期より長くすることにより、ランダム・テレグラフ・雑音の影響を低減することが考えられる。ここで、図3の(A)に示した赤外線検出装置において、トランジスタTrigのゲート電極に対して一定のバイアス電圧を、第1電源(Vcom)に対して印加することを考える。この時、第1電源(Vcom)に与えられる一定のバイアス電圧は、0V(GND)であってもよいし、任意の負電位であってもよい。以下の説明では、Vcom=GNDとする。これは、言い換えれば、第1電源(Vcom)の電圧に対して逆のバイアス電圧をトランジスタTrigのゲート電極に印加することである。 As described above, when the MOS transistor is used in a cooled state, the influence of random telegraph and noise becomes remarkable. It is conceivable to reduce the influence of random telegraph noise by setting the period during which the gate-source voltage of the MOS transistor is below the threshold to be longer than the generation period of random telegraph noise. Here, in the infrared detecting device shown in FIG. 3A, it is considered that a constant bias voltage is applied to the first power supply (V com ) with respect to the gate electrode of the transistor Trig . At this time, the constant bias voltage applied to the first power supply (V com ) may be 0 V (GND) or an arbitrary negative potential. In the following description, V com = GND. In other words, this means applying a reverse bias voltage to the gate electrode of the transistor Trig with respect to the voltage of the first power supply (V com ).
図3の(A)のトランジスタTrigのゲート−ソース電極間の電圧がトランジスタの閾値以下である場合、赤外線検出器8には電流は流れない。したがって、オームの法則により、トランジスタTrigのソース電極の電位はVcomに一致する。このことから、赤外線検出器8の信号の積分時間(図3の(B)でTrRがオンの期間)以外のタイミング(図3の(B)でTrRがオフの期間)において、トランジスタTrigのランダム・テレグラフ・雑音に対してリセット動作を行うことが可能となる。リセット動作は、以下の2つの方法が考えられる。
When the voltage between the gate and source electrodes of the transistor Trig in FIG. 3A is equal to or lower than the threshold value of the transistor, no current flows through the
(1)トランジスタTrigのゲート電極に与えるバイアス電圧を制御して、ゲート−ソース間電圧を閾値以下にする。
(2)赤外線検出器8および検出容量11が接続される第1電源に与えるバイアス電圧Vcomを、適当な値として、トランジスタTrigのゲート−ソース間電圧を閾値以下にする。
まず、(1)のトランジスタTrigのゲート電極に与えるバイアス電圧を制御して、Trigのゲート−ソース間電圧を閾値以下にする例を説明する。
(1) The bias voltage applied to the gate electrode of the transistor Trig is controlled so that the gate-source voltage is less than the threshold value.
(2) The bias voltage V com applied to the first power source to which the
First, the transistor by controlling the bias voltage applied to the gate electrode of Tr ig, the gate of the Tr ig of (1) - explaining an example of the source voltage below the threshold.
さて、すでに述べたように、特に冷却して用いる赤外線撮像素子における信号読出回路(撮像回路)では、発生するランダム・テレグラフ・雑音が、画像にして数フレーム分相当の周期をもつことが多い。このような場合には、この周期以上の期間信号読出回路をオフし、その後読出しを行えばランダム・テレグラフ・雑音の影響を低減できる。しかし、この場合、図3の(A)に示した構成では、検出の行えない期間が生じ、検出の連続性が損なわれる。特に、赤外線画像を生成する赤外線撮像装置に図3の(A)に示した構成を適用した場合、数フレーム分に相当する期間信号読出回路を停止することになり、生成されるフレームは、非連続の画像になるという問題がある。 As described above, in a signal readout circuit (imaging circuit) in an infrared imaging device that is used by cooling in particular, the generated random telegraph noise often has a period corresponding to several frames in an image. In such a case, the influence of random telegraph noise can be reduced by turning off the signal readout circuit for a period longer than this period and then performing readout. However, in this case, in the configuration shown in FIG. 3A, a period during which detection cannot be performed occurs, and continuity of detection is impaired. In particular, when the configuration shown in FIG. 3A is applied to an infrared imaging device that generates an infrared image, the signal readout circuit is stopped for a period corresponding to several frames, and the generated frames are non- There is a problem of continuous images.
いずれにしろ、通常の赤外線撮像装置に図3の(A)に示した構成を適用したのでは、ランダム・テレグラフ・雑音を十分に抑制することができないという問題があった。
以下に説明する実施形態では、この問題を解決するため、独立して動作可能な並列接続の複数のトランジスタで動作スイッチを形成し、各画像フレームに対応した積分タイミングに応じて順次これらのトランジスタ系統を切り替えて使用する。これにより、複数のトランジスタのうち1個のトランジスタが動作(オン)している間、他の残りのトランジスタはオフし、残りのトランジスタのゲート−ソース間電圧を閾値以下にする。トランジスタをオフできる期間は並列に設けるトランジスタ数により決定されるので、トランジスタ数はランダム・テレグラフ・雑音が発生する周期に応じて設定する。
In any case, when the configuration shown in FIG. 3A is applied to a normal infrared imaging apparatus, there is a problem that random telegraph noise cannot be sufficiently suppressed.
In the embodiment described below, in order to solve this problem, an operation switch is formed by a plurality of transistors connected in parallel that can operate independently, and these transistor systems are sequentially arranged according to the integration timing corresponding to each image frame. Switch between and use. As a result, while one transistor of the plurality of transistors is operating (ON), the other remaining transistors are turned OFF, and the gate-source voltages of the remaining transistors are set to the threshold value or less. Since the period during which the transistors can be turned off is determined by the number of transistors provided in parallel, the number of transistors is set according to the period in which random telegraph noise occurs.
図4は、第1実施形態の赤外線検出回路の概略構成を示す図である。
第1実施形態の赤外線検出回路は、図3の一般的な赤外線検出装置において、動作スイッチを、並列に接続された3個のMOSトランジスタTrigA-TrigCで形成したことが異なり、他は同じである。ここでは、3個のMOSトランジスタTrigA-TrigCを並列に設ける例を示すが、並列に設けるMOSトランジスタの個数は、ランダム・テレグラフ・雑音が発生する周期に応じて適宜設定される。
FIG. 4 is a diagram illustrating a schematic configuration of the infrared detection circuit according to the first embodiment.
The infrared detection circuit of the first embodiment is different from the general infrared detection device of FIG. 3 in that the operation switch is formed by three MOS transistors Trig A to Trig C connected in parallel. Are the same. Here, an example is shown in which three MOS transistors Trig A to Trig C are provided in parallel, but the number of MOS transistors provided in parallel is set as appropriate according to the period in which random, telegraph, and noise are generated.
図5は、第1実施形態の赤外線検出装置の動作を示すタイムチャートである。
まず、第1サイクルにおいて、MOSトランジスタTrigA-TrigCをオフにした状態で、MOSトランジスタTrRをオンにすると、検出容量11は充電され、ノードAの電圧VAは第2電源の電圧VRになる。MOSトランジスタTrigA-TrigCをオフする時には、ゲート−ソース間電圧は閾値Vth以下である。次に、MOSトランジスタTrRおよびMOSトランジスタTrigA-TrigCをオフし、MOSトランジスタTrigAを所定時間オンすると、検出容量11の電荷は、MOSトランジスタTrigAおよび赤外線検出器8を介して放電し、VAは放電電流に所定時間を乗じた量だけ低下する。その後、図示していない読出ゲートを読出信号RPによりオンすることにより、VAを読み出す。
FIG. 5 is a time chart showing the operation of the infrared detecting device of the first embodiment.
First, in the first cycle, when the MOS transistor Tr R is turned on while the MOS transistors Trig A to Trig C are turned off, the
第2サイクルにおいて、MOSトランジスタTrigA-TrigCをオフにした状態で、MOSトランジスタTrRをオンにすると、検出容量11は充電され、ノードAの電圧VAは第2電源の電圧VRになる。次に、MOSトランジスタTrRおよびMOSトランジスタTrigAおよびTrigCをオフし、MOSトランジスタTrigBを所定時間オンすると、検出容量11の電荷は、MOSトランジスタTrigBおよび赤外線検出器8を介して放電し、VAは放電電流に所定時間を乗じた量だけ低下する。その後、読出ゲートを読出信号RPによりオンすることにより、VAを読み出す。
In the second cycle, when the MOS transistor Tr R is turned on while the MOS transistors Trig A to Trig C are turned off, the
第3サイクルにおいて、MOSトランジスタTrigA-TrigCをオフにした状態で、MOSトランジスタTrRをオンにすると、検出容量11は充電され、ノードAの電圧VAは第2電源の電圧VRになる。次に、MOSトランジスタTrRおよびMOSトランジスタTrigAおよびTrigBをオフし、MOSトランジスタTrigCを所定時間オンすると、検出容量11の電荷は、MOSトランジスタTrigCおよび赤外線検出器8を介して放電し、VAは放電電流に所定時間を乗じた量だけ低下する。その後、読出ゲートを読出信号RPによりオンすることにより、VAを読み出す。
In the third cycle, when the MOS transistor Tr R is turned on while the MOS transistors Trig A to Trig C are turned off, the
以上の第1から第3サイクルを繰り返すことにより、赤外線検出器8に入射する赤外線量を連続して検出することができる。
By repeating the above first to third cycles, the amount of infrared rays incident on the
以上説明したように、第1実施形態では、MOSトランジスタTrRは図3の(B)と同様の動作を繰り返し、MOSトランジスタTrRの3回のオン・オフ動作の間に、3個のMOSトランジスタTrigA-TrigCが1回ずつ順にオンする。MOSトランジスタTrRの動作タイミングに対してMOSトランジスタTrigA-TrigCがオンするタイミングは、図3の(B)と同じである。これにより、MOSトランジスタTrigA-TrigCのそれぞれは、少なくとも2サイクルの期間以上、実際には3サイクルの期間より少し短い期間オフしており、この間のゲート−ソース間電圧は閾値より小さい。ランダム・テレグラフ・雑音が発生する周期が3サイクルの期間より十分に短いとすると、MOSトランジスタTrigA-TrigCのそれぞれがオンする期間中にランダム・テレグラフ・雑音が発生することは無くなり、雑音を低減できる。もし、ランダム・テレグラフ・雑音が発生する周期がさらに長い場合には、並列に接続するMOSトランジスタの個数を増加させて、各MOSトランジスタをオフする期間を、ランダム・テレグラフ・雑音が発生する周期より長くする。
As described above, in the first embodiment, the MOS transistor Tr R repeats the same operation as (B) in FIG. 3, between the three on-off operation of the
図5では、赤外線検出器8および検出容量11が接続される第1電源に与えるバイアス電圧VcomをGNDに固定し、トランジスタTrigA-TrigCのゲート電極に与えるバイアス電圧を制御して、オフするMOSトランジスタTrigA-TrigCのゲート電圧を閾値以下にした。しかし、前述のように、赤外線検出器8および検出容量11が接続される第1電源に与えるバイアス電圧Vcomを、適当な値として、MOSトランジスタTrigA-TrigCのゲート−ソース間電圧を閾値以下にすることも可能である。
In FIG. 5, the bias voltage V com applied to the first power source to which the
次に説明する第2実施形態は、フォーカルプレーンアレイ(FPA)型の赤外線撮像素子を有する赤外線撮像装置に関し、第1実施形態の赤外線検出回路の構成を赤外線撮像素子の画素に適用したものである。第2実施形態の赤外線撮像装置についての以下の説明は、図1および図2に示した赤外線撮像素子2および撮像回路を含む撮像チップに関する。 The second embodiment to be described next relates to an infrared imaging device having a focal plane array (FPA) type infrared imaging device, in which the configuration of the infrared detection circuit of the first embodiment is applied to the pixels of the infrared imaging device. . The following description of the infrared imaging device of the second embodiment relates to an imaging chip including the infrared imaging device 2 and the imaging circuit shown in FIGS. 1 and 2.
図6は、第2実施形態の赤外線撮像装置の撮像回路の構成を示す図である。
撮像回路は、赤外線撮像素子のマトリクス状に配列された複数の画素の各々から信号読出回路により電気信号を読み出す回路である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of an imaging circuit of the infrared imaging device according to the second embodiment.
The imaging circuit is a circuit that reads an electrical signal from each of a plurality of pixels arranged in a matrix of an infrared imaging device by a signal readout circuit.
図6に示すように、撮像回路は、複数のスキャンラインSL0〜SLn−1と、複数の垂直バスラインBL0〜BLm−1と、複数の信号入力回路21と、垂直シフトレジスタ22と、水平シフトレジスタ23と、を有する。撮像回路は、さらに、複数のバス選択スイッチ24と、複数のバス選択ラインCL0〜CLm−1と、共通ライン25と、アンプ26と、制御回路27と、を有する。
As shown in FIG. 6, the imaging circuit includes a plurality of scan lines SL0 to SLn-1, a plurality of vertical bus lines BL0 to BLm-1, a plurality of
複数のスキャンラインSL0〜SLn−1および複数の垂直バスラインBL0〜BLm−1は、赤外線撮像素子2の複数の画素のマトリクス状の配列に対応して配置されている。複数の信号入力回路21は、複数のスキャンラインSL0〜SLn−1および複数の垂直バスラインBL0〜BLm−1の交差部分に対応して配列されている。
The plurality of scan lines SL0 to SLn-1 and the plurality of vertical bus lines BL0 to BLm-1 are arranged corresponding to the matrix arrangement of the plurality of pixels of the infrared imaging element 2. The plurality of
垂直シフトレジスタ22は、垂直スキャン開始信号φVDTおよび垂直シフトクロックφVCKに応じて、複数のスキャンラインSLに順次垂直位置選択信号(スキャン信号)を印加する。各行の信号入力回路21は、対応するスキャンラインSLに垂直位置選択信号が印加されると、転送容量に保持した電荷量に応じた信号を、対応する垂直バスラインBLに出力する。
The
水平シフトレジスタ23は、水平選択開始信号φHDTおよび水平シフトクロックφHCKに応じて、複数のバス選択ラインCLに順次水平位置選択信号を印加する。これに応じて、複数のバス選択スイッチ24が順次オンし、各行の信号入力回路21から複数の垂直バスラインBLに出力された信号が、共通ライン25に出力され、アンプ26から出力される。
The
制御回路27は、垂直シフトレジスタ22および水平シフトレジスタ23に加えて、次に説明する図7の信号入力回路21のスイッチを制御する信号を発生する。
図6の撮像回路の全体構成は広く知られているので、これ以上の説明は省略する。
In addition to the
Since the entire configuration of the imaging circuit in FIG. 6 is widely known, further description thereof is omitted.
図7は、撮像回路における、4個分の信号入力回路21を含む部分の詳細な回路構成を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a detailed circuit configuration of a part including four
信号入力回路21は、検出容量C1と、転送容量C2と、3個の動作トランジスタTrigA-TrigCと、2個のN型MOSトランジスタ(NMOS)35および36と、P型MOSトランジスタ(PMOS)TrRと、トランスファーゲート(TG)34と、を有する。動作トランジスタTrigA-TrigCも、NOSトランジスタである。動作トランジスタTrigA-TrigCが、図4の動作トランジスタTrigA-TrigCに対応する。トランジスタTrRは極性が異なるが、図4のリセットトランジスタTrRに対応する。C1が検出容量11に対応する。
The
TrRとC1は、リセット電源VDRとグランドGND間に直列に接続され、TrRのゲートに印加されるリセット信号φRが「低(Low:L)」の時にTrRが導通し、C1はリセット電圧に充電される。TrigA-TrigCは、撮像素子2の対応する画素のセンサ素子8に接続されるバンプ7への接続端子と、TrRとC1の接続ノード(ノードA)と間に並列に接続される。TrigA-TrigCのゲートに印加される信号φIga-φIgcが「高(High:H)」の時に、TrigA-TrigCが導通し、ノードAがバンプ7に接続される。TG34は、一方の端子がノードAに接続され、他方の端子がトランジスタ35のゲートに接続され、サンプルホールド信号φSHがHの時に導通する。サンプルホールド信号φSHは、読出信号RPに対応する。C2は、TG34の他方の端子とGND間に接続される。トランジスタ35とトランジスタ36は、アナログ電源VDAと対応する垂直バスラインBLjの間に直列に接続される。トランジスタ35のゲートはC2とTG34の接続ノード(TG34の他方の端子)に接続され、トランジスタ36のゲートは対応するスキャンラインSLiに接続される。他の信号入力回路も同様の構成を有する。
Tr R and C1 are connected in series between the reset power supply VDR and the ground GND. When the reset signal φR applied to the gate of Tr R is “Low (L)”, Tr R becomes conductive, and C1 is reset. Charged to voltage. Tr ig A to Trig C are connected in parallel between the connection terminal to the bump 7 connected to the
信号入力回路21では、リセット信号φRがLになるとTrRが導通して検出容量C1がリセット電圧VDRに充電されるリセット動作が行われる。リセット信号φRがHに変化してリセット動作が終了すると、信号φIga-φIgcのいずれかがHになり、TrigA-TrigCの対応するいずれかがオンし、オンしたトランジスタ、バンプ7を介して、センサ素子8の受光状態に応じた電流が、C1からGNDに流れる。言い換えれば、リセット電圧VDRに充電されたC1から、センサ素子8の受光状態に応じた電流が放電し、C1の電圧は、受光状態に応じた電圧になる蓄積動作が行われる。信号φIga-φIgcがすべてLになり、TrigA-TrigCが遮断した後、サンプルホールド信号φSHがHになり、TG34が導通して、C1とC2が同じ電圧、すなわちC1の電圧がC2に転送されて保持される転送動作が行われる。転送動作後、φSHは再びLになる。このような動作が、他の信号入力回路でそれぞれ行われ、各センサの光強度に対応した電圧がS/H容量C2に保持される。この後、信号入力回路では、TrigA-TrigCのうちオンするトランジスタを順次変更してC1に対して上記の動作が行われると共に、C2に保持された電圧を読み出す読出動作が行われる。ここで、転送動作においては、蓄積容量C1に蓄積された電荷が、蓄積容量C1とS/H容量C2に容量比に応じて分配される。そのため、S/H容量C2の容量が蓄積容量C1より十分に小さいことが望ましい。
In the
読出動作では、前述の通り、垂直走査シフトレジスタ22が、複数のスキャンラインSLを1本ずつ選択するスキャン信号(垂直位置選択信号)を順次出力する。これに応じて、各ラインの信号入力回路21のS/H容量C2に保持された電圧が、トランジスタ35および36を介して複数の垂直バスラインBLに出力される。水平シフトレジスタ23は、複数のバス選択スイッチ24を順次選択し、複数の垂直バスラインBLに出力された検出信号が、共通ライン25およびアンプ26を介して順次出力される。
In the reading operation, as described above, the vertical
上記の通り動作するので、TrRをリセットスイッチ、TrigA-TrigCを露光スイッチ、TG34をサンプルホールドスイッチ、トランジスタ35を信号変換部、トランジスタ36を選択スイッチ、と称する場合がある。
Since the operation as described above, may be referred to the Tr R reset switch, exposing the Tr ig A-Tr ig C switch, the sample-
図8は、図7に示した信号入力回路21を有する撮像回路における動作信号タイムチャートである。
垂直スキャン開始信号φVDTは、通常はLで短い時間Hになる正パルスである。信号φRは、通常はHで短い時間Lになる負パルスで、Lになる周期はφVDTと同じ周期である。信号φIga-φIgcのそれぞれは、通常はLである時間Hになるパルスであり、Hになる周期は、φRの3倍の周期であり、φRがLからHに変化した後Hに変化し、φVDTがLからHに変化する前にLに変化する。φIgaは、φRの負パルスのLからHへの変化後Hに変化し、φVDTの正パルスがLからHに変化する前にLに変化するが、その後φRの2回の負パルスでは変化せずにLを維持し、その後上記のようにφRの負パルスのLからHへの変化後Hに変化する。φIgbおよびφIgcについても同様であり、φIga-φIgcはHになる期間がφRの1周期分ずつずれている。
FIG. 8 is an operation signal time chart in the imaging circuit having the
The vertical scan start signal φVDT is a positive pulse that is normally L and has a short time H. The signal φR is a negative pulse that is normally H and has a short time L, and the period of L is the same as that of φVDT. Each of the signals φIga-φIgc is a pulse that becomes a time H, which is normally L, and the period that becomes H is a period that is three times as large as φR. After φR changes from L to H, it changes to H, φVDT changes to L before it changes from L to H. φIga changes to H after the negative pulse of φR changes from L to H, and changes to L before the positive pulse of φVDT changes from L to H, but then changes with two negative pulses of φR. L is maintained, and then changes to H after the change of the negative pulse of φR from L to H as described above. The same applies to φIgb and φIgc. In φIga−φIgc, the period of H shifts by one period of φR.
第1実施形態で説明したように、φRがLになるとリセット動作が行われ、その後φRがHになり、φIga=Hの期間に蓄積動作が行われる。そしてφIgaがLになると、φS/Hが短期間Hになり、転送動作が行われる。以下、φIga-φIgcのうちHになる信号を順次変えながらこの動作を繰り返す。一方上記の動作と並行して、φS/HがHからLになり転送動作が終了した後、φS/H=Lの期間に読出動作が行われる。 As described in the first embodiment, the reset operation is performed when φR becomes L, then φR becomes H, and the accumulation operation is performed during the period of φIga = H. When φIga becomes L, φS / H becomes H for a short period of time, and a transfer operation is performed. Thereafter, this operation is repeated while sequentially changing the signal which becomes H among φIga-φIgc. On the other hand, in parallel with the above operation, after φS / H changes from H to L and the transfer operation is completed, a read operation is performed in a period of φS / H = L.
垂直シフトレジスタ22は、垂直同期信号φVDTおよび垂直クロックφVCKを受ける。垂直同期信号φVDTは、赤外線撮像素子2の全画素を読み出す1回の読出動作ごとに出力され、垂直クロックφVCKは、1スキャンラインSLの画素を読み出す周期に対応する。水平シフトレジスタ23は、水平同期信号φHDTおよび水平クロックφHCKを受ける。水平同期信号φHDTは、垂直クロックφVCKと同じ周期を有する。垂直同期信号φVDTは、φS/HがHになるのに対応してHになり、φS/HがLになるのに対応してLになり、Hである時に垂直シフトレジスタ22のレジスタをリセットする。垂直シフトレジスタ22は、φHDTがHからLに変化すると、1番目のスキャンラインSLから最終のスキャンラインSLに、垂直クロックφVCKの周期で、順次スキャン信号を出力する。水平同期信号φHDTは、垂直クロックφVCKの立ち上りに同期して短時間Hになった後にL戻る。水平シフトレジスタ23は、水平同期信号φHDTがHからLに変化すると、1番目の選択スイッチから最終の選択スイッチを順次選択する選択信号を出力する。ここでは、選択信号の周期は、水平クロックφHCKの周期に等しいとする。
水平シフトレジスタ23および垂直シフトレジスタ22が上記の信号を複数のスキャンラインSL0〜SLn−1および複数の垂直バスラインBL0〜BLm−1に印加することにより、全画素の転送容量に転送された電荷量に相当する電圧が読み出される。これにより、ある読出動作ではTrigAのオンで行った蓄積動作による電荷量(電圧)が読み出され、次の読出動作ではTrigBのオンで行った蓄積動作による電荷量が読み出され、次の読出動作ではTrigCのオンで行った蓄積動作による電荷量(電圧)が読み出される。
The
したがって、各画素のMOSトランジスタTrigA-TrigCのそれぞれは、φVDTの3周期より少し短い期間オフしており、この間のゲート−ソース間電圧は閾値より小さい。ランダム・テレグラフ・雑音が発生する周期が3サイクルの期間より十分に短いとすると、TrigA-TrigCのそれぞれがオンする期間中にランダム・テレグラフ・雑音が発生することは無くなり、雑音を低減できる。 Thus, each of the MOS transistors Tr ig A-Tr ig C of each pixel, and a little shorter period off than three periods of FaiVDT, during this period of the gate - source voltage is smaller than the threshold. If the period of random, telegraph, and noise generation is sufficiently shorter than the period of 3 cycles, random telegraph and noise will not occur during the period when each of Trig A- Trig C is turned on. Can be reduced.
ここで、ランダム・テレグラフ・雑音抑制効果を、より定量的に考える。
図9は、赤外線検出器のランダム・テレグラフ・雑音(RTN)による電流変化例を示す図である。
Here, the random / telegraph / noise suppression effect is considered more quantitatively.
FIG. 9 is a diagram showing an example of current change due to random telegraph noise (RTN) of the infrared detector.
図9では、赤外線検出器に入射する赤外線の強度が一定であるとして、MOSトランジスタのゲート−ソース間電圧を閾値未満にするアキュムレーション動作を行わない場合の赤外線検出器とMOSトランジスタに流れる電流の変化例が示される。アキュムレーション動作を行わないので、RTNが発生し、電流変動が図示のように変化すると考えられる。この場合、第1ならびに第2フレームでは同じ見かけの信号出力が得られるが、第3フレームでは見かけの信号出力が変動する。したがって、この場合には、RTNによるMOSトランジスタの電流変動を、少なくとも3フレーム相当の時間の間抑制するために必要なアキュムレーション動作が必要となる。 In FIG. 9, assuming that the intensity of the infrared ray incident on the infrared detector is constant, the change in the current flowing through the infrared detector and the MOS transistor when the accumulation operation for setting the gate-source voltage of the MOS transistor below the threshold is not performed. An example is shown. Since the accumulation operation is not performed, it is considered that RTN occurs and the current fluctuation changes as shown. In this case, the same apparent signal output is obtained in the first and second frames, but the apparent signal output varies in the third frame. Therefore, in this case, an accumulation operation necessary for suppressing the current fluctuation of the MOS transistor due to RTN for a time corresponding to at least three frames is required.
ここで、RTNに関わるトラップにおいて、捕獲確率と放出確率が同じであると考えると、少なくとも3フレームの間アキュムレーション動作を行う必要があることが見積もられる。 Here, in the trap related to RTN, if it is considered that the capture probability and the release probability are the same, it is estimated that the accumulation operation needs to be performed for at least three frames.
同様に考えると、一般の撮像回路では、動作スイッチにおいて並列に設けられるMOSトランジスタの個数をN、画像のフレーム周波数をffとすると、1つのトランジスタについてのアキュムレーション動作時間Taは、Ta=(N-1)/ffとなる。したがって、RTN発生周期をTnとすると、(N-1)/ff>Tnが満たされるとき、RTNによる影響抑制の効果が得られることがわかる。 Similarly, in a general imaging circuit, when the number of MOS transistors provided in parallel in the operation switch is N and the frame frequency of the image is ff, the accumulation operation time Ta for one transistor is Ta = (N− 1) / ff Therefore, when the RTN generation cycle is Tn, it can be seen that the effect of suppressing the influence by RTN is obtained when (N−1) / ff> Tn is satisfied.
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
画素を形成するように配列された複数の赤外線検出部を含む赤外線撮像素子の撮像回路であって、
前記赤外線撮像素子の前記複数の赤外線検出部に接続される複数の信号読出回路を有し、
前記複数の信号読出回路のそれぞれは、
一方の端子が第1電源に接続された検出容量部と、
前記赤外線検出部と前記検出容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部と、
前記検出容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチと、
転送容量部と、
前記検出容量部と前記転送容量部の間に接続された転送スイッチと、を有し、
前記動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有することを特徴とする撮像回路。
(付記2)
前記撮像回路は、前記赤外線撮像素子と共に冷却される付記1に記載の撮像回路。
(付記3)
前記複数のMOSトランジスタは、順次切り替えられて動作する付記1または2に記載の撮像回路。
(付記4)
前記MOSトランジスタに起因するランダム・テレグラフ・雑音の平均周期をTnとした場合、
前記複数のMOSトランジスタのそれぞれは、Tn以上の間隔を開けて順次オンし、
前記複数のMOSトランジスタのうちのオンしている以外のMOSトランジスタは、ゲート−ソース間電圧が閾値以下である付記1から3のいずれかに記載の撮像回路。
(付記5)
前記複数のMOSトランジスタの個数がNで、フレーム周波数をffとした場合に、
(N−1)/ff>Tnである付記4に記載の撮像回路。
(付記6)
前記赤外線検出部は、量子井戸型赤外線検出器を含む付記1から5のいずれかに記載の撮像回路。
(付記7)
前記赤外線検出部は、量子ドット型赤外線検出器を含む付記1から5のいずれかに記載の撮像回路。
(付記8)
前記赤外線検出部は、Type-II超格子型赤外線検出器を含む付記1から5のいずれかに記載の撮像回路。
(付記9)
赤外線検出部に接続される信号読出回路であって、
一方の端子が第1電源に接続された容量部と、
前記赤外線検出部と前記容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部と、
前記容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチと、を有し、
前記動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有することを特徴とする信号読出回路。
(付記10)
画素を形成するように配列された複数の赤外線検出部を含む赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子の前記複数の赤外線検出部に接続される複数の信号読出回路を有する撮像回路と、を有し、
各信号読出回路は、
一方の端子が第1電源に接続された検出容量部と、
前記赤外線検出部と前記検出容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部と、
前記検出容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチと、
転送容量部と、
前記検出容量部と前記転送容量部の間に接続された転送スイッチと、を有し、
前記動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有することを特徴とする赤外線撮像装置。
(付記11)
赤外線検出部と、
前記赤外線検出部に接続された信号読出回路と、を有し、
前記信号読出回路は、
一方の端子が第1電源に接続された容量部と、
前記赤外線検出部と前記容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部と、
前記容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチと、を有し、
前記動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有することを特徴とする赤外線検出回路。
(付記12)
画素を形成するように配列された複数の赤外線検出部を含む赤外線撮像素子の撮像回路であって、前記赤外線撮像素子の前記複数の赤外線検出部に接続される複数の信号読出回路を有し、前記複数の信号読出回路のそれぞれは、一方の端子が第1電源に接続された検出容量部と、前記赤外線検出部と前記検出容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部と、前記検出容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチと、転送容量部と、前記検出容量部と前記転送容量部の間に接続された転送スイッチと、を有し、前記動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有する撮像回路の動作方法であって、
前記複数のMOSトランジスタおよび前記転送スイッチをオフした状態で、前記リセットスイッチをオンすることにより、前記検出容量部を前記第2電源の電圧と前記第1電源の電圧差に充電し、
前記リセットスイッチおよび前記転送スイッチをオフした状態で、前記複数のMOSトランジスタの1つを所定時間オンすることにより、前記検出容量部を前記赤外線検出部の検出する赤外線量に応じた電流で放電し、
前記複数のMOSトランジスタおよび前記リセットスイッチをオフした状態で、前記転送スイッチをオンすることにより、前記検出容量部の電荷を前記転送容量部に転送する、動作シーケンスを繰り返し、
各動作シーケンス中に前記複数の信号読出回路の前記転送容量部の電圧を順次読出し、
前記動作シーケンスごとに、前記複数のMOSトランジスタのうち所定時間オンするMOSトランジスタを順次変更することを特徴とする撮像回路の動作方法。
Regarding the above embodiment, the following additional notes are disclosed.
(Appendix 1)
An imaging circuit of an infrared imaging device including a plurality of infrared detection units arranged to form a pixel,
A plurality of signal readout circuits connected to the plurality of infrared detection units of the infrared imaging device;
Each of the plurality of signal readout circuits includes:
A detection capacitor having one terminal connected to the first power source;
An operation switch connected between the infrared detector and the other terminal of the detection capacitor;
A reset switch connected between the other terminal of the detection capacitor unit and a second power source;
A transfer capacity section;
A transfer switch connected between the detection capacitor unit and the transfer capacitor unit;
The image pickup circuit, wherein the operation switch section includes a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
(Appendix 2)
The imaging circuit according to
(Appendix 3)
The imaging circuit according to
(Appendix 4)
When the average period of random telegraph noise caused by the MOS transistor is Tn,
Each of the plurality of MOS transistors is sequentially turned on with an interval of Tn or more,
The imaging circuit according to any one of
(Appendix 5)
When the number of the plurality of MOS transistors is N and the frame frequency is ff,
The imaging circuit according to appendix 4, wherein (N-1) / ff> Tn.
(Appendix 6)
The imaging circuit according to any one of
(Appendix 7)
The imaging circuit according to any one of
(Appendix 8)
The imaging circuit according to any one of
(Appendix 9)
A signal readout circuit connected to the infrared detector;
A capacitor having one terminal connected to the first power source;
An operation switch connected between the infrared detector and the other terminal of the capacitor;
A reset switch connected between the other terminal of the capacitor and a second power source,
The operation switch section includes a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
(Appendix 10)
An infrared imaging device including a plurality of infrared detectors arranged to form pixels;
An imaging circuit having a plurality of signal readout circuits connected to the plurality of infrared detection units of the infrared imaging element;
Each signal readout circuit
A detection capacitor having one terminal connected to the first power source;
An operation switch connected between the infrared detector and the other terminal of the detection capacitor;
A reset switch connected between the other terminal of the detection capacitor unit and a second power source;
A transfer capacity section;
A transfer switch connected between the detection capacitor unit and the transfer capacitor unit;
The operation switch section includes a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
(Appendix 11)
An infrared detector;
A signal readout circuit connected to the infrared detector,
The signal readout circuit includes:
A capacitor having one terminal connected to the first power source;
An operation switch connected between the infrared detector and the other terminal of the capacitor;
A reset switch connected between the other terminal of the capacitor and a second power source,
The infrared ray detection circuit, wherein the operation switch section includes a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
(Appendix 12)
An imaging circuit of an infrared imaging element including a plurality of infrared detection units arranged so as to form a pixel, and having a plurality of signal readout circuits connected to the plurality of infrared detection units of the infrared imaging element; Each of the plurality of signal readout circuits includes a detection capacitor unit having one terminal connected to a first power supply, and an operation switch unit connected between the infrared detection unit and the other terminal of the detection capacitor unit. A reset switch connected between the other terminal of the detection capacitor unit and the second power source, a transfer capacitor unit, and a transfer switch connected between the detection capacitor unit and the transfer capacitor unit. The operation switch unit is an operation method of an imaging circuit having a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel,
With the plurality of MOS transistors and the transfer switch turned off, by turning on the reset switch, the detection capacitor unit is charged to the voltage difference between the second power supply and the first power supply,
With the reset switch and the transfer switch turned off, one of the plurality of MOS transistors is turned on for a predetermined time, thereby discharging the detection capacitor unit with a current corresponding to the amount of infrared detected by the infrared detection unit. ,
With the plurality of MOS transistors and the reset switch turned off, by turning on the transfer switch, the charge of the detection capacitor unit is transferred to the transfer capacitor unit, and an operation sequence is repeated.
During each operation sequence, sequentially read the voltages of the transfer capacitor portions of the plurality of signal readout circuits,
A method for operating an imaging circuit, wherein MOS transistors that are turned on for a predetermined time among the plurality of MOS transistors are sequentially changed for each operation sequence.
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものである。特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。 The embodiment has been described above, but all examples and conditions described herein are described for the purpose of helping understanding of the concept of the invention applied to the invention and technology. In particular, the examples and conditions described are not intended to limit the scope of the invention, and the construction of such examples in the specification does not indicate the advantages and disadvantages of the invention. Although embodiments of the invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
1 赤外線撮像装置
2 赤外線撮像素子
3 レンズ
5 撮像チップ
6 撮像回路
7 バンプ
8 赤外線検出器
11 検出容量
21 信号入力回路
22 垂直シフトレジスタ
23 水平シフトレジスタ
24 バス選択スイッチ
25 共通ライン
26 アンプ
27 制御回路
C1 検出容量
C2 転送容量
TrR リセット用トランジスタ
TrigA-TrigC 動作スイッチ用トランジスタ
SL0〜SLn−1 スキャンライン
BL0〜BLm−1 垂直バスライン
CL0〜CLm−1 バス選択ライン
DESCRIPTION OF
Tr R Reset transistor
Tr ig A-Tr ig C operation switching transistor SL0~SLn-1 scan line BL0 to BLm-1 vertical bus line CL0~CLm-1 bus select line
Claims (9)
前記赤外線撮像素子の前記複数の赤外線検出部に接続される複数の信号読出回路を有し、
前記複数の信号読出回路のそれぞれは、
一方の端子が第1電源に接続された検出容量部と、
前記赤外線検出部と前記検出容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部と、
前記検出容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチと、
転送容量部と、
前記検出容量部と前記転送容量部の間に接続された転送スイッチと、を有し、
前記動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有することを特徴とする撮像回路。 An imaging circuit of an infrared imaging device including a plurality of infrared detection units arranged to form a pixel,
A plurality of signal readout circuits connected to the plurality of infrared detection units of the infrared imaging device;
Each of the plurality of signal readout circuits includes:
A detection capacitor having one terminal connected to the first power source;
An operation switch connected between the infrared detector and the other terminal of the detection capacitor;
A reset switch connected between the other terminal of the detection capacitor unit and a second power source;
A transfer capacity section;
A transfer switch connected between the detection capacitor unit and the transfer capacitor unit;
The image pickup circuit, wherein the operation switch section includes a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
前記複数のMOSトランジスタのそれぞれは、Tn以上の間隔を開けて順次オンし、
前記複数のMOSトランジスタのうちのオンしている以外のMOSトランジスタは、ゲート−ソース間電圧が閾値以下である請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像回路。 When the average period of random telegraph noise caused by the MOS transistor is Tn,
Each of the plurality of MOS transistors is sequentially turned on with an interval of Tn or more,
4. The imaging circuit according to claim 1, wherein the MOS transistors other than the plurality of MOS transistors that are not turned on have a gate-source voltage equal to or lower than a threshold value. 5.
(N−1)/ff>Tnである請求項4に記載の撮像回路。 When the number of the plurality of MOS transistors is N and the frame frequency is ff,
The imaging circuit according to claim 4, wherein (N−1) / ff> Tn.
一方の端子が第1電源に接続された容量部と、
前記赤外線検出部と前記容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部と、
前記容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチと、を有し、
前記動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有することを特徴とする信号読出回路。 A signal readout circuit connected to the infrared detector;
A capacitor having one terminal connected to the first power source;
An operation switch connected between the infrared detector and the other terminal of the capacitor;
A reset switch connected between the other terminal of the capacitor and a second power source,
The operation switch section includes a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
前記赤外線撮像素子の前記複数の赤外線検出部に接続される複数の信号読出回路を有する撮像回路と、を有し、
各信号読出回路は、
一方の端子が第1電源に接続された検出容量部と、
前記赤外線検出部と前記検出容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部と、
前記検出容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチと、
転送容量部と、
前記検出容量部と前記転送容量部の間に接続された転送スイッチと、を有し、
前記動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有することを特徴とする赤外線撮像装置。 An infrared imaging device including a plurality of infrared detectors arranged to form pixels;
An imaging circuit having a plurality of signal readout circuits connected to the plurality of infrared detection units of the infrared imaging element;
Each signal readout circuit
A detection capacitor having one terminal connected to the first power source;
An operation switch connected between the infrared detector and the other terminal of the detection capacitor;
A reset switch connected between the other terminal of the detection capacitor unit and a second power source;
A transfer capacity section;
A transfer switch connected between the detection capacitor unit and the transfer capacitor unit;
The operation switch section includes a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
前記赤外線検出部に接続された信号読出回路と、を有し、
前記信号読出回路は、
一方の端子が第1電源に接続された容量部と、
前記赤外線検出部と前記容量部の他方の端子との間に接続された動作スイッチ部と、
前記容量部の他方の端子と第2電源との間に接続されたリセットスイッチと、を有し、
前記動作スイッチ部は、並列に接続された独立して動作する複数のMOSトランジスタを有することを特徴とする赤外線検出回路。 An infrared detector;
A signal readout circuit connected to the infrared detector,
The signal readout circuit includes:
A capacitor having one terminal connected to the first power source;
An operation switch connected between the infrared detector and the other terminal of the capacitor;
A reset switch connected between the other terminal of the capacitor and a second power source,
The infrared ray detection circuit, wherein the operation switch section includes a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel.
前記複数のMOSトランジスタおよび前記転送スイッチをオフした状態で、前記リセットスイッチをオンすることにより、前記検出容量部を前記第2電源の電圧と前記第1電源の電圧差に充電し、
前記リセットスイッチおよび前記転送スイッチをオフした状態で、前記複数のMOSトランジスタの1つを所定時間オンすることにより、前記検出容量部を前記赤外線検出部の検出する赤外線量に応じた電流で放電し、
前記複数のMOSトランジスタおよび前記リセットスイッチをオフした状態で、前記転送スイッチをオンすることにより、前記検出容量部の電荷を前記転送容量部に転送する、動作シーケンスを繰り返し、
各動作シーケンス中に前記複数の信号読出回路の前記転送容量部の電圧を順次読出し、
前記動作シーケンスごとに、前記複数のMOSトランジスタのうち所定時間オンするMOSトランジスタを順次変更することを特徴とする撮像回路の動作方法。 An imaging circuit of an infrared imaging element including a plurality of infrared detection units arranged so as to form a pixel, and having a plurality of signal readout circuits connected to the plurality of infrared detection units of the infrared imaging element; Each of the plurality of signal readout circuits includes a detection capacitor unit having one terminal connected to a first power supply, and an operation switch unit connected between the infrared detection unit and the other terminal of the detection capacitor unit. A reset switch connected between the other terminal of the detection capacitor unit and the second power source, a transfer capacitor unit, and a transfer switch connected between the detection capacitor unit and the transfer capacitor unit. The operation switch unit is an operation method of an imaging circuit having a plurality of independently operated MOS transistors connected in parallel,
With the plurality of MOS transistors and the transfer switch turned off, by turning on the reset switch, the detection capacitor unit is charged to the voltage difference between the second power supply and the first power supply,
With the reset switch and the transfer switch turned off, one of the plurality of MOS transistors is turned on for a predetermined time, thereby discharging the detection capacitor unit with a current corresponding to the amount of infrared detected by the infrared detection unit. ,
With the plurality of MOS transistors and the reset switch turned off, by turning on the transfer switch, the charge of the detection capacitor unit is transferred to the transfer capacitor unit, and an operation sequence is repeated.
During each operation sequence, sequentially read the voltages of the transfer capacitor portions of the plurality of signal readout circuits,
A method of operating an imaging circuit, wherein MOS transistors that are turned on for a predetermined time among the plurality of MOS transistors are sequentially changed for each operation sequence.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016082869A JP2017194280A (en) | 2016-04-18 | 2016-04-18 | IMAGING CIRCUIT, SIGNAL READING CIRCUIT, INfrared Imaging Device, Infrared Detecting Circuit, And Imaging Circuit Operation Method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016082869A JP2017194280A (en) | 2016-04-18 | 2016-04-18 | IMAGING CIRCUIT, SIGNAL READING CIRCUIT, INfrared Imaging Device, Infrared Detecting Circuit, And Imaging Circuit Operation Method |
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|---|---|
| JP2017194280A true JP2017194280A (en) | 2017-10-26 |
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ID=60156338
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| JP2016082869A Pending JP2017194280A (en) | 2016-04-18 | 2016-04-18 | IMAGING CIRCUIT, SIGNAL READING CIRCUIT, INfrared Imaging Device, Infrared Detecting Circuit, And Imaging Circuit Operation Method |
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| JP (1) | JP2017194280A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019125645A (en) * | 2018-01-15 | 2019-07-25 | 富士通株式会社 | Infrared detector, imaging element, imaging system, and method of manufacturing infrared detector |
-
2016
- 2016-04-18 JP JP2016082869A patent/JP2017194280A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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