JP3974902B2 - 熱型赤外線検出素子 - Google Patents
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Description
Gi = gm Ti / Ci (1)
ここで、gmは積分用MOSトランジスタの相互コンダクタンス、Ciは積分容量、Tiは積分時間である。そして、トランジスタのサイズとプロセス条件で決まる利得係数をβとおくと、gmは次式で表される。
gm = √(2Iβ) (2)
ここで、Iは環境温度に対応した赤外線入射状態(検出の基準となる赤外線入射状態)で積分用MOSトランジスタを流れる電流で、積分時間終了時の積分容量の電位降下量を
Vhとすると、
Vh = ITi / Ci (3)
で与えられる。したがって、積分回路の利得Giは、次式で表すことができる。
Gi= √(2 Ti β Vh / Ci ) (1’)
I =β(Vin − Vs −Vth ) 2 / 2 (4)
である。このような積分回路の等価雑音帯域幅Bniは、次式で表すことができる。
Bni = 1/(2 Ti) (5)
(a)基準となる赤外線入射状態でも積分容量の電位が積分時間内にリセット電圧VrからVhだけ低下する。このため、高いリセット電圧Vrが必要となり低電圧駆動化が困難である。特に高感度化を図る為にバイアス電流Iを増加させて積分回路の利得Giを上昇させたり、低雑音化を図る為に積分時間Tiを長くすると、(3)式に示すように電圧降下量Vhが大きくなり、駆動電圧の問題はより深刻になる。
(b)MOS積分トランジスタには所定のバイアス電圧Vsを与える必要があるが、このバイアス電圧Vsの変動に伴い基準となる赤外線入射状態での出力電圧(Vr−Vh)や利得Giも変化してしまう。
(c)赤外線を検出する温度センサの断熱構造は有限の熱抵抗を持つため、温度センサのの出力電圧は素子全体の温度変化によっても変化する。この変化は入射赤外線の変化と区別がつかないため、赤外線検出の精度が低下する。
前記バイアス電流供給用トランジスタと前記積分トランジスタの接続点を前記バイアス供給用トランジスタのゲートに接続するゲート接続スイッチと、前記接続点と前記積分容量を交流結合する結合容量とを備え、
前記積分容量のリセット期間は、前記入力切替スイッチが前記素子温度検出部側に接続され、前記ゲート接続スイッチが導通する一方、
前記積分容量の積分動作期間は、前記入力切替スイッチが前記赤外線検出部側に接続され、前記ゲート接続スイッチが開放されることを特徴とする。
即ち、本件発明によれば、環境温度の変動に対して出力変化が少なく、駆動電圧の低下が可能でありながら、かつ、積分回路における雑音発生の少ない熱型赤外線検出素子を提供することができる。
実施の形態1
図1は、本件発明の実施の形態1に係る熱型赤外線検出素子を模式的に示す回路図である。図1に示すように、断熱構造と赤外線吸収構造を有し、入射した赤外線に応じた電圧を出力する赤外線検出画素(=赤外線検出部)901と、入射した赤外線に実質的に応答せず、素子温度に応じた電圧を出力する基準画素(=素子温度検出部)301が形成されている。本実施の形態では、赤外線検出画素901と基準画素301はいずれも、直列接続された複数のダイオード902及び302を温度センサとして有している。また、基準画素301は、断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を有しないことを除いて赤外線検出画素901と実質的に同じ構造を有する。赤外線検出画素901と基準画素301は、各々、電源904によって駆動されている。また、赤外線検出画素901と基準画素301には、略同一の電流を流す定電流源903と定電流源303が直列接続されている。従って、基準画素301は、赤外線検出画素901の出力電圧中の素子温度に由来する電圧成分に相当する電圧を出力できるようになっている。
図4は、本件発明の実施の形態2を模式的に示す回路図である。本実施の形態では、基準画素301と入力切替スイッチ304の間に低域通過フィルタ401を挿入している。その他の点は実施の形態1と同様である。
図6は、本件発明の実施の形態3を模式的に示す回路図である。本実施の形態では、赤外線検出画素901と基準画素301の温度センサとして、PN接合ダイオードに代えてボロメータ602及び603を用いている。また、これらの画素に直列する定電流化手段として、定電流源に代えて、負荷抵抗604を用いている。その他の点は実施の形態1と同様である。基準画素301において、赤外線検出画素901から赤外線吸収構造あるいは断熱構造の何れかまたは両方を除いている点も実施の形態1と同様である。
本実施の形態では、本件発明を用いて赤外線像を撮像可能な熱型赤外線検出素子を構成した例について説明する。図7は、本実施の形態に係る熱型赤外線検出素子を模式的に示す回路図であり、図8は、図7に示す素子の積分回路部分の構成を示す回路図である。
図10は、実施の形態4に係る熱型赤外線検出素子を用いた赤外線カメラの一例を示すブロック図である。シャッタ52が開くと、撮像対象から入射した赤外光線がレンズ51によって赤外線検出素子53の画素エリアに集光され、赤外線検出素子53から画像信号が出力される。出力された画像信号は、増幅回路54で増幅され、A/D変換回路55、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)56及びD/A変換兼増幅回路55を経てモニタ58に出力される。
Claims (9)
- 断熱構造と赤外線吸収構造を有し、入射した赤外線に応じた電圧を出力する赤外線検出部と、前記赤外線検出部の出力電圧により積分トランジスタの電流を変調し、該変調された電流を周期的に基準電圧にリセットされる積分容量に蓄積する積分回路とを備えた熱型赤外線検出素子において、
さらに、入射した赤外線に実質的に応答せず、素子温度に応じた電圧を出力する素子温度検出部と、
前記積分トランジスタのゲート入力を前記赤外線検出部の出力電圧と前記素子温度検出部の出力電圧との間で切り替える入力切替スイッチと、
前記積分トランジスタに直列接続され、ゲートに保持容量を備えたバイアス電流供給用トランジスタと、
前記バイアス電流供給用トランジスタと前記積分トランジスタの接続点を前記バイアス供給用トランジスタのゲートに接続するゲート接続スイッチと、
前記接続点と前記積分容量を交流結合する結合容量とを備え、
前記積分容量のリセット期間は、前記入力切替スイッチが前記素子温度検出部側に接続され、前記ゲート接続スイッチが導通する一方、
前記積分容量の積分動作期間は、前記入力切替スイッチが前記赤外線検出部側に接続され、前記ゲート接続スイッチが開放されることを特徴とする熱型赤外線検出素子。 - 前記素子温度検出部は、断熱構造と赤外線吸収構造のいずれか一方もしくは両方を有しないことを除いて前記赤外線検出部と実質同じ構造もつことを特徴とする請求項1に記載の熱型赤外線検出素子。
- 前記素子温度検出部と前記入力切替スイッチとの間に低域通過フィルタを設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載の熱型赤外線検出素子。
- 前記低域通過フィルタのカットオフ周波数が、前記積分回路の等価雑音帯域幅の
1/100以下であることを特徴とする請求項3に記載の熱型赤外線検出素子。 - 前記赤外線検出部が、SOI基板上に形成されたダイオードを温度センサとして有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の熱型赤外線検出素子。
- 前記ダイオードが順方向駆動されるPN接合型ダイオードであることを特徴とする請求項5に記載の熱型赤外線検出素子。
- 前記赤外線検出部が2次元状に配列された画素エリアと、
前記赤外線検出部の一方の極を行毎に共通接続した複数の駆動線と、
前記赤外線検出部の他方の極を列毎に共通接続した複数の信号線と、
前記駆動線を順次選択し、選択した駆動線と電源を接続する垂直走査回路と、
前記信号線を順次選択し、前記赤外線検出部の出力電圧を前記信号線毎に設けられた前記積分回路を介して出力する水平駆動回路とを備えた請求項1乃至6のいずれか1項に記載の熱型赤外線検出素子。 - 前記駆動線と略平行に形成され、前記駆動線と略同一の電圧降下を生じるバイアス線を有し、前記素子温度検出部の出力電圧が前記バイアス線を通じて前記積分回路に入力されることを特徴とする請求項7に記載の熱型赤外線検出素子。
- 請求項7又は8のいずれか1項に記載の熱型赤外線検出素子と、
前記熱型赤外線検出素子に赤外線像を結像させる光学系と、
前記熱型赤外線検出素子から出力された画像信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された画像信号をモニタに出力する出力端子と、
を備えた赤外線カメラ。
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