JP4959735B2 - 熱型赤外線検出素子 - Google Patents
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Description
(1.熱型赤外線検出素子の全体構成)
図1に本発明に係る一実施形態の熱型赤外線検出素子の構成を示す。同図に示すように、熱型赤外線検出素子は赤外線検出用のダイオード(画素ダイオード)101を備える。赤外線検出用のダイオード101の陽極は抵抗102を介して電源端子104に接続され、陰極は抵抗103及び端子105を経由して電圧設定回路106に接続される。ダイオード101を流れる電流Ifは、電圧設定回路106と端子107を経由して電流読み取り回路108に流れ、端子109を介して検出される。なお、端子105、107は説明の便宜上端子として表現しているが、電気的に接続されていれば端子の形態でなくてもよい。
電圧設定回路106の動作について説明する。電圧設定回路106は端子105の電圧Vrefを以下のように制御する。
Vref = Vc - If・Rc (1.1)
Rcは抵抗102と103の合成抵抗、Ifはダイオード101を流れる電流、Vcは所定のバイアス電圧である。
Vf = Vdd - If・Rc - Vref (1.2)
式(1.1)、(1.2)より順方向バイアス電圧Vfは次式のようになる。
Vf = Vdd - Vc (2)
図1の構成を、ダイオードを2次元アレイ状に配置した熱型赤外線検出素子の構成に適用した例を図5に示す。ダイオード101はアレイ状に配置され、3×3画素の撮像素子を構成している。このようにアレイ状に配置された複数の画素は画素アレイを構成する。ダイオード101の陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101に接続される。垂直走査回路1101によって、電源端子104から電源電圧Vddがダイオード101に行単位で順に供給される。ダイオード101の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路3000が接続される。列毎に設けられた電圧設定回路3000の右端には、参照回路4000が付加される。参照回路4000は画素アレイには接続されていない。電流読み取り回路1104、4001は図2(b)に示す構成を有する。
上記構成により、配線抵抗による負帰還効果を削減でき、高感度、高ダイナミックレンジの熱型赤外線検出素子が実現できる。しかしながら、上記構成の場合、下記のような課題がさらに考えられる。
図11に、実施の形態2の熱型赤外線検出素子の構成を示す。図11に示すように、ダイオード101はアレイ状に配置され、3×3画素の撮像素子(画素アレイ)を構成している。各行の右端には参照ダイオード901が配置されている。ダイオード101、901の陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101により行単位で順に電源端子104から電源電圧が供給される。ダイオード101、901の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路3000が接続され、参照ダイオード901の陰極には参照画素用電圧設定回路4007が接続される。電圧設定回路3000の出力は電流読み取り回路1104に接続され、参照画素用電圧設定回路4007の出力は参照画素用電流読み取り回路4008に接続される。電圧設定回路3000は図4に示す回路構成を有し、参照画素用電圧設定回路4007は図12に示す回路構成を有する。
参照画素用電圧設定回路4007に用いられる図2(a)に示す電流電圧変換回路における抵抗素子の抵抗値をRLとする。参照ダイオード901に流れる電流If_refは、参照画素用電圧設定回路4007に入力される。参照画素用電圧設定回路4007は電流電圧変換回路であるから、参照画素用電圧設定回路4007の出力電圧は、If_ref×RLで算出される電圧値となる。この電圧(If_ref×RL)が、各列の電圧設定回路3000の端子2003に電圧Vrとして入力される。ここで参照画素用電圧設定回路4007に用いられる図2(a)で示される電流電圧変換回路における抵抗素子の抵抗値RLを、電圧設定回路3000のRr(図4参照)と等しくする。このとき、次式が成り立つ。
Vr = VB + If_ref×Rr
Ib = (Vr − VB)/Rr = (VB + If_ref×Rr − VB)/Rr = If_ref
図15に実施の形態3における熱型赤外線検出素子の構成を示す。画素アレイの構成については実施の形態2と同様である。電圧設定回路3000は図4の回路で構成され、参照画素用電圧設定回路4007は図12の回路で構成される。電流読み取り回路1104は、図2(b)で示されるリセット積分回路または図2(a)で示される電流電圧変換回路で構成され、参照画素用電流読み取り回路4008は図2(a)で示される電流電圧変換回路で構成される。これらの点も実施の形態2と同様である。
Vr = VB + If_ref×Rr
Ib = (Vr − VB)/Rr = (VB + If_ref×Rr − VB)/Rr = If_ref
図16に実施の形態4における熱型赤外線検出素子の構成を示す。本実施の形態では、ダイオード101は3×3画素のアレイ状に配置される。各行の右端には2列の参照ダイオード901、901bが配置されている。ダイオード101、901、901bの陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101により行単位で順に電源端子104から電源電圧が供給される。ダイオード101、901、901bの陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路3000が接続され、参照ダイオード901、901bの陰極には参照画素用電圧設定回路4007、4007bが接続される。電圧設定回路3000の出力は電流読み取り回路1104に接続される。参照画素用電圧設定回路4007、4007bの出力は参照画素用電流読み取り回路4008、4008bに接続される。電圧設定回路3000は図4に示す回路構成を有し、参照画素用電圧設定回路4007、4007bは図12に示す回路構成を有する。
Vr = VB + If_ref×Rr
Ib = (Vr − VB)/Rr = (VB + If_ref×Rr − VB)/Rr = If_ref
Claims (5)
- 断熱構造と赤外線吸収部を有する画素ダイオードと、
前記第1の配線を介して画素ダイオードの陽極側に一定の電源電圧を供給する第1の電源と、
前記画素ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第1の電圧設定回路と、
前記画素ダイオードの陰極側に第2の配線と前記第1の電圧設定回路を介して接続され、画素ダイオードの電流を読み取る第1の電流読み取り回路と、
断熱構造及び/または赤外線吸収部を有しない参照ダイオードと、
第3の配線を介して前記参照ダイオードの陽極に一定の電源電圧を供給する第2の電源と、
前記参照ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第2の電圧設定回路と、
前記参照ダイオードの陰極側に第4の配線と前記第2の電圧設定回路を介して接続され、前記参照ダイオードの電流を読み取る第2の電流読み取り回路とを備え、
前記第1の電圧設定回路は、前記第2の配線と前記第1の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、前記第1の配線の抵抗と前記第2の配線の抵抗と画素ダイオードの電流により生じる電圧降下を減算した電圧に制御し、
前記第1の電圧設定回路は第1の抵抗素子を有し、前記第1の抵抗素子の一端は前記第1の電圧設定回路の出力端子に接続され、
前記第1の電流読み取り回路は、前記画素ダイオードの電流と前記第1の抵抗素子に流れる電流との差分電流を読み取り、
前記第2の電圧設定回路は、前記第4の配線と前記第2の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、前記第3の配線の抵抗と前記第4の配線の抵抗と前記参照ダイオードの電流とにより生じる電圧降下を減算した電圧に制御し、
前記第2の電圧設定回路は、前記参照ダイオードの電流を、前記第2の電流読み取り回路に供給し、
前記第2の電流読み取り回路は電流電圧変換回路で構成され、
前記第2の電流読み取り回路の出力端子はバッファ回路を介して前記第1の抵抗素子の他端に接続される、
ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。 - 断熱構造と赤外線吸収部を有する画素ダイオードが2次元状に配置され、さらに、少なくとも1列の断熱構造及び/または赤外線吸収部を有しない参照ダイオードの列を含む画素アレイと、
行毎に、画素ダイオードおよび参照ダイオードの陽極を第1の配線抵抗を介して共通接続する駆動線と、
列毎に、画素ダイオードおよび参照ダイオードの陰極を第2の配線抵抗を介して共通接続する信号線と、
前記駆動線に順に電源電圧を印加する垂直走査回路と、
前記画素ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第1の電圧設定回路と、
前記参照ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第2の電圧設定回路と、
前記信号線の端に前記第1の電圧設定回路を介して接続された第1の電流読み取り回路と、
前記信号線の端に前記第2の電圧設定回路を介して接続された第2の電流読み取り回路と、
前記第1の電流読み取り回路および第2の電流読み取り回路の出力を順に読み出す水平選択回路とを備え、
前記第1の電圧設定回路は、前記信号線と前記第1の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、前記第1の配線抵抗と第2の配線抵抗と前記画素ダイオードの電流とにより生ずる電圧降下を減算した電圧に制御し、
前記第2の電圧設定回路は、前記信号線と前記第2の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、前記第1と第2の配線抵抗と前記参照ダイオードの電流とにより生ずる電圧降下を減算した電圧に制御し、
前記第1の電圧設定回路は第1の抵抗素子を有し、第1の抵抗素子の一端は前記第1の電圧設定回路の出力端子に接続され、
前記第1の電流読み取り回路は、前記画素ダイオードの電流と第1の抵抗素子に流れる電流の差分電流を読み取り、
前記第2の電圧設定回路は、前記参照ダイオードの電流を前記第2の電流読み取り回路に供給し、
前記第2の電流読み取り回路は電流電圧変換回路であり、前記第2の電流読み取り回路の出力端子はバッファ回路を介して、前記第1の抵抗素子の他端に接続される
ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。 - 前記第2の電流読み取り回路は第2の抵抗素子を用いて電流電圧変換を行い、
前記第1の抵抗素子の抵抗値と前記第2の抵抗素子の抵抗値が等しくなるよう形成されることを特徴とする請求項1または2記載の熱型赤外線検出素子。 - 前記第2の電流読み取り回路の出力電圧と入力電圧とが等しくなるように前記所定の電圧を設定するバイアス電圧決定手段をさらに備えた、ことを特徴とする請求項1または2記載の熱型赤外線検出素子。
- 前記第2の電流読み取り回路の出力電圧を基準電圧と比較して、その差に応じて前記所定の電圧を設定するバイアス電圧決定手段をさらに備えた、ことを特徴とする請求項1または2記載の熱型赤外線検出素子。
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